光路耦合系统及光学测量系统技术方案

本发明专利技术提供一种光学耦合系统及光学测量系统，所述光学耦合系统主要由波导耦合器和第一聚焦单元、第二聚焦单元、光纤合束器组成，能够实现一固定方向的入射光射向一物体表面的不同位置以及所述物体表面的不同位置的反射光在相同位置输出。本发明专利技术的光学测量系统，利用所述光学耦合系统，可以实现同一探测光照射到待测样品表面上多个探测位置上，且所述待测样品表面上多个探测位置的反射光在同一位置采集，避免待测样品的移动和对准，大大提高了光学测量速度，同时对所述波导耦合器之前的光路上的机构以及对所述光纤合束器之后的光路上的机构均不需要改动，能实现对原有光学测量系统的兼容和改装，节约成本。

Optical Coupling System and Optical Measurement System

The present invention provides an optical coupling system and an optical measurement system. The optical coupling system is mainly composed of a waveguide coupler and a first focusing unit, a second focusing unit and an optical fiber combiner, which can realize the output of reflected light from an incident light in a fixed direction to different positions on an object surface and from different positions on the object surface at the same position. The optical measurement system of the present invention can realize that the same detection light can be irradiated on multiple detection positions on the surface of the sample to be measured by using the optical coupling system, and the reflected light of multiple detection positions on the surface of the sample to be measured can be collected at the same position, thus avoiding the movement and alignment of the sample to be measured, greatly improving the optical measurement speed, and at the same time, the light before the waveguide coupler can be obtained. The mechanism on the road and the mechanism on the optical path after the optical fiber combiner need not be changed, so that the compatibility and modification of the original optical measurement system can be realized and the cost can be saved.

【技术实现步骤摘要】
光路耦合系统及光学测量系统
本专利技术涉及光学测量
，尤其涉及一种光路耦合系统及光学测量系统。
技术介绍
现有的晶圆代工厂中的膜厚测量机台是集成电路制造工艺中的关键机台，无论是光刻制程中量测光刻机台的光刻胶的厚度，还是薄膜生长制程所生长的薄膜的厚度，均需要利用膜厚量测机台来进行检测。目前市面上主流的膜厚量测机台是基于椭偏仪原理的椭偏仪测量系统，当其应用于硅片膜厚测量时，大部分的时间消耗在硅片的平移和对准上，严重影响了膜厚测量的速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于一种光路耦合系统及光学测量系统，能够提高光学测量速度。为了实现上述目的，本专利技术提供一种光路耦合系统，包括依次沿光路设置的波导耦合器、第一聚焦单元、第二聚焦单元以及光纤合束器；所述波导耦合器包括控制器和多个光输出端口，所述控制器用于控制光选择性地自其中一所述光输出端口输出；所述第一聚焦单元用于聚焦所述光输出端口输出的光至一物体表面的相应位置处；所述光纤合束器具有光输出端口和多个光输入端口，所述第二聚焦单元用于聚焦所述相应位置处反射的光至所述光纤合束器中的一所述光输入端口中，进而经所述光纤合束器的光输出端口输出。可选的，所述控制器包括一个MEMS光开关阵列或多个级联的MEMS光开关阵列，以及向所述MEMS光开关阵列输送驱动信号的信号源。可选的，所述信号源输送的驱动信号包括多个不同的电压信号，所述MEMS光开关阵列在接收到相应的电压信号时，选择对应的光输出端口进行光输出。可选的，所述第一聚焦单元包括准直透镜阵列和至少一个入射聚焦透镜阵列，所述准直透镜阵列在所述光路上位于所述波导耦合器与最靠近所述波导耦合器的入射聚焦透镜阵列之间。可选的，所述准直透镜阵列中排布的透镜光学件的数量以及所述入射聚焦透镜阵列中排布的透镜光学件的数量均不少于所述波导耦合器的光输出端口的数量。可选的，所述准直透镜阵列和所述入射聚焦透镜阵列均为分离式透镜阵列，所述分离式透镜阵列包括按照阵列排布的多个透镜光学件。可选的，所述第二聚焦单元包括依次设置在所述反射光路上的至少一个出射聚焦透镜阵列。可选的，所述出射聚焦透镜阵列中排布的透镜光学件的数量不少于所述光纤合束器的光输入端口的数量。可选的，所述出射聚焦透镜阵列为分离式透镜阵列，所述分离式透镜阵列包括按照阵列排布的多个透镜光学件。可选的，所述分离式透镜阵列包括按照阵列排布的多个装配架，每个装配架中安装有一个透镜光学件，且所述透镜光学件的光入射面和光出射面自所述装配架露出，且至少两个所述透镜光学件相互之间能够相对平移和/或转动。可选的，每个所述装配架内部安装有用于平移和/或转动所述透镜光学件的电动位移调整机构，或者每个装配架外部安装有用于平移和/或转动所述装配架的电动位移调整机构。可选的，所述电动位移调整机构包括步进电机和/或压电陶瓷马达；所述透镜光学件包括单个透镜或者2～3个透镜组成的透镜组。可选的，所述的光路耦合系统，还包括：第三聚焦单元，在所述光路上设置在所述波导耦合器之前，用于将射向所述波导耦合器的光聚焦后输入到所述波导耦合器中；第四聚焦单元，在所述光路上设置在所述光纤合束器之后，用于将所述光纤合束器的光输出端口射出的光聚焦。本专利技术还提供一种光学测量系统，包括依次沿光路设置的光源单元、上述之一的光路耦合系统以及探测单元，所述光源单元用于产生探测光，所述探测单元用于对所述光路耦合系统输出的光进行分析。可选的，所述光源单元包括至少一个光源以及准直光学组件，所述准直光学组件设置在所述光路上且位于所述光源单元与所述光路耦合系统之间；当所述光源单元包括至少两个所述光源时，所述光源单元还包括探测光合成组件，所述探测光合成组件将各个所述光源的光组合形成所述探测光输出至所述准直光学组件，所述准直光学组件用于对接收到的所述探测光进行校准后输出。可选的，所述的光学仪测量系统，还包括样品台以及样品台调整机构；所述样品台设置在所述光路耦合系统的第一聚焦单元和第二聚焦单元之间的光路上，用于承载待测样品，所述样品台调整机构用于对所述样品台进行平移和/或升降。可选的，所述光学测量系统为椭偏仪测量系统，所述椭偏仪测量系统还包括起偏器和检偏器，其中，所述起偏器设置在所述光源单元和所述光路耦合系统之间的光路上，用于将所述探测光变成偏振光，以入射到所述光路耦合系统的波导耦合器中；所述检偏器设置在所述光路耦合系统和所述探测单元之间的光路上，用于对所述光路耦合系统的光纤合束器输出的光进行检偏。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下技术效果：1、本专利技术的光学耦合系统主要由波导耦合器和第一聚焦单元、第二聚焦单元、光纤合束器组成，一入射光束经过所述波导耦合器后可以调整入射方向，并经第一聚焦单元聚焦后照射到一物体表面的一指定位置，所述物体表面的指定位置反射的光经第二聚焦单元聚焦后进入光纤合束器，由此可以利用波导耦合器控制同一入射光束照射在所述物体表面上的不同位置，从而替代所述物体所在平台的移动，极大地压缩了所述平台的移动以及所述物体表面上的不同位置对准所耗费的时间，大大提高了光学测量速度；2、由于波导耦合器能将同一入射光束照射在一物体表面上的不同位置，而光纤合束器能将物体表面上的不同位置上反射的光从同一位置出射，所述本专利技术的技术方案对所述波导耦合器之前的光路和光纤合束器之后的光路上的机构均不需要改动，可以实现原有光学测量系统的兼容和改装，节约成本。附图说明图1是一种基于椭偏仪原理的膜厚量测机台的光路结构示意图；图2A是基于图1所示的膜厚量测机台进行硅片测量时移动和对准探测位置的示意图；图2B是基于图1所示的膜厚量测机台进行硅片测量的耗费时间轴示意图；图3是本专利技术具体实施例的光学耦合系统的光路结构示意图；图4是本专利技术具体实施例的MEMS的结构示意图；图5是本专利技术具体实施例的第一聚焦单元的装配结构示意图；图6是本专利技术具体实施例的光纤合束器的结构示意图；图7A是本专利技术具体实施例的椭偏仪测量系统的光路结构示意图；图7B是本专利技术具体实施例的椭偏仪测量系统的光学测量方法流程图；图8A至8D是本专利技术具体实施例的光学测量方法中的待测样品与其上方的椭偏仪测量系统部件间的位置关系示意图；图9是本专利技术具体实施例的光学测量方法的耗费时间轴示意图。具体实施方式请参考图1，一种基于椭偏仪原理的膜厚量测机台，主要由第二光源(可以为氘灯D2)101、第一光源(可以为氙灯)102、探测光合成组件(Opticalelement)103、起偏器(Polarize)104、第一聚焦单元(Focusingsub-system)105、第二聚焦单元(collectionsub-system)106、检偏器(Analyzer)107以及探测单元(Spectrometer)108。第一光源102和第二光源(D2)101在探测光合成组件103作用下产生照射待测硅片(wafer)100表面膜厚的探测光束；起偏器104将所述探测光束变成偏振光，其中当起偏器104为旋转起偏器时，产生的偏振光为椭圆偏振光；第一聚焦单元105和搜集单元106组成光路耦合系统，第一聚焦单元105主要包括透镜系统，对起偏器104产生的偏振光进行补偿并聚焦到待测硅片100表面上的探测位置；第二聚焦单元106收集从待测硅片100表面上反射过来的反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光路耦合系统，其特征在于，包括依次沿光路设置的波导耦合器、第一聚焦单元、第二聚焦单元以及光纤合束器；所述波导耦合器包括控制器和多个光输出端口，所述控制器用于控制光选择性地自其中一所述光输出端口输出；所述第一聚焦单元用于聚焦所述光输出端口输出的光至一物体表面的相应位置处；所述光纤合束器具有光输出端口和多个光输入端口，所述第二聚焦单元用于聚焦所述相应位置处反射的光至所述光纤合束器中的一所述光输入端口中，进而经所述光纤合束器的光输出端口输出。

【技术特征摘要】
1.一种光路耦合系统，其特征在于，包括依次沿光路设置的波导耦合器、第一聚焦单元、第二聚焦单元以及光纤合束器；所述波导耦合器包括控制器和多个光输出端口，所述控制器用于控制光选择性地自其中一所述光输出端口输出；所述第一聚焦单元用于聚焦所述光输出端口输出的光至一物体表面的相应位置处；所述光纤合束器具有光输出端口和多个光输入端口，所述第二聚焦单元用于聚焦所述相应位置处反射的光至所述光纤合束器中的一所述光输入端口中，进而经所述光纤合束器的光输出端口输出。2.如权利要求1所述的光路耦合系统，其特征在于，所述控制器包括一个MEMS光开关阵列或多个级联的MEMS光开关阵列，以及向所述MEMS光开关阵列输送驱动信号的信号源。3.如权利要求2所述的光路耦合系统，其特征在于，所述信号源输送的驱动信号包括多个不同的电压信号，所述MEMS光开关阵列在接收到相应的电压信号时，选择对应的光输出端口进行光输出。4.如权利要求1所述的光路耦合系统，其特征在于，所述第一聚焦单元包括准直透镜阵列和至少一个入射聚焦透镜阵列，所述准直透镜阵列在所述光路上位于所述波导耦合器与最靠近所述波导耦合器的入射聚焦透镜阵列之间。5.如权利要求4述的光路耦合系统，其特征在于，所述准直透镜阵列中排布的透镜光学件的数量以及所述入射聚焦透镜阵列中排布的透镜光学件的数量均不少于所述波导耦合器的光输出端口的数量。6.如权利要求5所述的光路耦合系统，其特征在于，所述准直透镜阵列和所述入射聚焦透镜阵列均为分离式透镜阵列，所述分离式透镜阵列包括按照阵列排布的多个透镜光学件。7.如权利要求1所述的光路耦合系统，其特征在于，所述第二聚焦单元包括依次设置在所述反射光路上的至少一个出射聚焦透镜阵列。8.如权利要求7所述的光路耦合系统，其特征在于，所述出射聚焦透镜阵列中排布的透镜光学件的数量不少于所述光纤合束器的光输入端口的数量。9.如权利要求7所述的光路耦合系统，其特征在于，所述出射聚焦透镜阵列为分离式透镜阵列，所述分离式透镜阵列包括按照阵列排布的多个透镜光学件。10.如权利要求6或9所述的光路耦合系统，其特征在于，所述分离式透镜阵列包括按照阵列排布的多个装配架，每个装配架中安装有一个透镜光学件，且所述透镜光学件的光入射面和光出射面自所述装配架...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玄，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造天津有限公司，中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12