[發明專利]光學無色差聚焦系統

有效

• 申請號: 201210281504.6
• 申請日: 2012-08-09
• 公開（公告）號: CN103575230A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 李國光;吳文鏡;王林梓;劉健鵬;劉濤;趙江艷
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所;北京智朗芯光科技有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01N21/21;G02B17/06
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉麗君

技術領域

本申請涉及光學測量領域，特別涉及一種光學無色差聚焦系統。

背景技術

一般來說，光學測量技術中的一個關鍵環節是將探測光束聚焦到樣品上。隨著半導體行業的快速發展，利用光學測量技術來精確地測量晶片上單層或多層薄膜形成的三維結構的臨界尺度（CD，Critical?Dimension）、空間形貌及材料特性變得十分重要。而且，本領域的技術人員公知，將寬帶探測光束在樣品表面上聚焦成相對較小尺寸的光斑是有利的，因為小尺寸光斑可以測量微結構圖案，且寬帶探測光束可以提高測量精確度。由于在不同波長下，透鏡材料的折射率一般不同，在這種情況下，當采用透鏡對寬光譜光束進行聚焦時，會存在如下問題：透鏡通常具有色差，這樣的色差會導致不同波長的光的聚焦位置不同，增大誤差，降低測量精確度。而對于消色差透鏡，雖然能在一定范圍內減小透鏡折射率造成的色差，但并不能完全消除色差。當應用在如專利申請201010593609.6中所述的分光光纖系統中時，則此類消色差透鏡具有更多的局限性，例如，以Edmund公司型號為65029的消色差透鏡為例，當光纖輸出光束在樣品上的聚焦光斑直徑達到0.7mm時，不僅存在色差，而且其輸出光束的光通效率很低，只有8%；而當調節光路，使光通效率達到27%時，則在樣品表面會形成較大的紫光光斑，其直徑大小約為1.5mm。此外，這種消色差透鏡由于結構復雜，價格一般都非常昂貴。

本領域的技術人員也提出了另一種方法，使用曲面反射鏡將寬帶光束聚焦到樣品表面上（例如，參見美國專利No.5608526和No.7505133B1、美國專利申請公開No.2007/0247624A1和中國專利申請公開No.101467306A）。這種方法具有如下好處：在整個寬光譜波長范圍內，反射鏡不會產生色差，并且可在較寬的波長范圍內都具有高反射率。曲面反射鏡的種類有球面反射鏡、橢圓面反射鏡、超環面反射鏡（toroidal?mirror），離軸拋物面反射鏡等等，如圖1所示，為采用超環面反射鏡TM將發散光束會聚到樣品表面的情形。非球面反射鏡，如超環面反射鏡、橢圓面反射鏡和離軸拋物面反射鏡由于其加工工藝復雜，價格也比較昂貴。球面反射鏡加工比較簡單，價格非常便宜，但由于其焦點位于主軸上，在實際應用中，一般使入射的平行光方向稍微偏離主軸，如圖2所示。由于球面反射鏡焦點調節范圍非常有限，而一般的樣品通常尺寸較大，為幾百毫米，則僅利用球面反射鏡將寬光譜光束聚焦到樣品表面不易實現。

發明內容

本申請要解決的技術問題是提供一種結構簡單、價格低廉并且可以用于垂直入射寬帶光譜儀的光學無色差聚焦系統。

為解決上述技術問題，本申請提供了一種光學無色差聚焦系統包括：第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件；

所述第一曲面反射元件，接收由點光源發射出的光束，并將該光束變成平行光束；

第二曲面反射元件，接收由第一曲面反射元件反射的所述平行光束；

所述第三曲面反射元件，接收由所述第二曲面反射元件反射的平行光束，將其變成會聚光束并垂直入射至測試樣品的表面；

所述第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件構成交叉切爾尼-特納結構。

本申請提供的光學無色差聚焦系統結構簡單、價格低廉，光學測量時不會產生色差，并且可合理地改變入射光的傳播方向，使其聚焦在樣品表面，同時獲得較為合適的工作距離。

附圖說明

圖1為采用超環面反射鏡將發散光束會聚到樣品表面的情形的示意圖；

圖2為利用球面反射鏡將寬光譜光束聚焦到樣品表面的示意圖；

圖3為切爾尼-特納（Czerny-Turner）結構的示意圖；

圖4為本申請光學無色差聚焦的原理示意圖；

圖5為本申請實施例一提供的光學無色差聚焦系統的結構示意圖；

圖6為本申請實施例二提供的光學無色差聚焦系統的結構示意圖。

具體實施方式