自动聚焦系统和自动聚焦方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自动聚焦系统和自动聚焦方法。该自动聚焦系统包括：聚光单元；和可移动的至少一个平面反射镜，其特征在于，来自聚光单元的会聚光束被所述至少一个平面反射镜反射后入射到样品上。该自动聚焦系统不产生色差、易于调整、且结构简单。使用本发明专利技术的自动聚焦系统不仅可以通过简单的操作进行自动聚焦，而且可以控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及一种自动聚焦系统和一种自动聚焦方法，更具体地涉及利用可移动的至少一个平面反射镜来进行自动聚焦的系统和方法。本专利技术还涉及包括上述自动聚焦系统的宽带光谱仪。
技术介绍
一般来说，光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束聚焦到样品上。将探测光束精确地聚焦到样品的聚焦系统通常是一个庞大复杂的系统。这样的系统实现高度精确的聚焦并不是一件非常容易的事情。目前通常有两种方法。一种方法是将系统中的最后一个聚焦透镜与其它元件分开，通过仅仅调整这个聚焦透镜来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图1所示，通过对最后一个聚焦透镜进行上下移动来实现自动聚焦。另一种方法是通过对整个光学测量系统进行调整来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图加和2b所示， 通过对整个光学系统进行上下移动来实现自动聚焦(例如，参见美国专利No. 5747813和 No. 5486701)。随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来精确地测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度(⑶，Critical Dimension)、空间形貌及材料特性变得十分重要。当检测一个通常尺寸为150毫米、200毫米或300毫米的晶片时，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，当对整个晶片进行检测时，为了实现高精确度的测量和保证半导体生产线产量的快速测量，对每个测量点自动对焦是其中一项关键的技术。而且，本领域的技术人员公知，将宽带探测光束在样品表面上聚焦成相对较小尺寸的光斑是有利的，因为小尺寸光斑可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精确度。在这种情况下，当采用上述第一种自动聚焦方法时，会存在如下问题透镜通常具有色差，这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置不同，增大误差，降低测量精确度；以及难以找到对整个宽带波长范围都具有良好的透射性的透镜材料。当采用上述第二种自动聚焦方法时，不仅可能存在透镜像差问题，而且本领域的技术人员可以明显知道，对整个光学系统进行调整的操作是非常复杂的，难以实现精确的测量。鉴于上述原因，本领域的技术人员已经提出了这样一种方法，S卩，使用曲面反射镜来将宽带探测光束聚焦到样品表面上(例如，参见美国专利No. 5608526和No. 750513381、 美国专利申请公开No. 2007/0M7624A1和中国专利申请公开No. 101467306A)。这种方法具有如下好处在整个宽带波长范围上，反射镜不会产生色差，并且反射镜可在较宽的波长范围内都具有高反射率。虽然利用反射镜可以消除色差并从而增加聚焦及测量精确度，但是反射镜相对于透镜来说比较难以校准光路。而且，光束经过反射镜反射后偏振态会发生改变。这里以一个铝材料反射镜为例。在图6中示出两种入射角情况下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的两条曲线是S偏振光的反射率Rs，下面的两条曲线是P偏振光的反射率Rp。实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且随着入射角的不同而改变。在图7中示出反射后的S与P偏振光之间的相位差，实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，反射后的S与P偏振光之间的相位差发生变化，而且随着入射角的不同而改变，且与波长相关。总之，当宽带光束经反射镜反射之后，由于偏振方向正交的偏振态S与P各自具有不相同的反射率和相位变化，光束的偏振状态发生改变，导致难以控制光束的偏振变化(例如，参见美国专利No. 6829049B1 和 No. 6667805)。
技术实现思路
然而，本专利技术的专利技术人发现，使用可移动的至少一个平面反射镜不仅可以通过简单的操作实现自动聚焦，而且可以控制光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。因此，本专利技术提供一种无色差、易于调整、结构简单的自动聚焦系统。本专利技术的自动聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的可移动的至少一个平面反射镜。另外，本专利技术还提供一种无色差、易于操作的自动聚焦方法。本专利技术的自动聚焦方法包括可移动的至少一个平面反射镜将会聚光束反射后聚焦到样品上。所述自动聚焦系统还包括用于提供所述会聚光束的聚光单元，该聚光单元是至少一个曲面反射镜或透镜。根据本专利技术的一个实施例，所述自动聚焦系统还包括用于实现偏振状态控制并提供所述会聚光束的偏振补偿单元，该偏振补偿单元包括至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜。根据本专利技术的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的光学反射特征，使得任意偏振光经过包含所述偏振补偿单元的该自动聚焦系统之后偏振特性保持不变。根据本专利技术的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构。根据本专利技术的一个实施例，偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜用于将来自外部的平行光束反射后会聚至位于所述会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。根据本专利技术的一个实施例，偏振补偿单元中的所述至少一个平面反射镜用于将来自外部的会聚光束反射至位于该会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。根据本专利技术的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜可以沿着所述会聚光束中的主光的方向移动。根据本专利技术的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜可以相对于所述会聚光束中的主光的方向倾斜。根据本专利技术的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。根据本专利技术的一个实施例，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述可移动的至少一个平面反射镜在所述会聚光束的主光的方向上移动的距离相同，其中，所述主光的方向与样品表面平行。根据本专利技术的一个实施例，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述可移动的至少一个平面反射镜可以在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且可以相对于该主光的方向倾斜。根据本专利技术的一个实施例，所述自动聚焦系统还包括用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜，该至少一个平面反射镜和所述可移动的至少一个平面反射镜相对于下述平面呈镜面对称或反对称该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面和出射平面垂直。所述用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束聚焦反射后的发散光束的主光方向为轴旋转。所述可移动的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。根据本专利技术的一个实施例，当在样品表面的法线方向上调焦时，用于将所述会聚光束聚焦到样品上的至少一个平面反射镜和用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射镜相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。根据本专利技术的一个实施例，本专利技术的自动聚焦系统可以用于光学测量。根据本专利技术的一个实施例，本专利技术的自动聚焦系统可以用于测量均勻多层薄膜的膜厚和本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种自动聚焦系统，其特征在于，该自动聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的可移动的至少一个平面反射镜。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李国光，严晓浪，马铁中，艾迪格·基尼欧，刘涛，
申请(专利权)人：北京智朗芯光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11