CN101467026A - 光学聚焦装置 - Google Patents

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吕彤欣
王笑寒
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Abstract

本发明揭示了一种光学测量和/或检测装置，在应用中可用来检测半导体器件。它包括：光源，用于提供光线；具有内反射面的半抛物面反射器，其中，该反射器具有焦点和概要轴。一个待测器件置于该焦点附近。进入反射器的平行于所述概要轴的入射光线被导向至焦点并在该待测器件上反射离开，从而产生指示该待测器件的信息，然后，反射光线离开该反射器。探测器收集反射出来的光线并对其进行分析从而确定该待测器件的特征。

Description

光学聚焦装置
优先权要求
本申请要求2006年4月14日提交的申请号为60/791,952的美国临时专利申请“光学聚焦装置”的优先权。该临时申请在此全部并入本申请，并供参考。
技术领域
本发明涉及检测和测量系统，特别地，涉及对诸如半导体器件和/或晶片等待测器件(device under test，DUT)的光学检测和测量。
背景技术
将一光束导向以使其反射离开待测器件(DUT)所产生的信息具有多种用途。晶片上不同涂层(单层或多层)的厚度可由反射率或相对反射率光谱确定，另外，也可以导出单波长下的反射率。这有助于确定涂覆光刻胶的晶片在光刻曝光机使用波长下的反射率，以确定用于这些晶片的合适的曝光强度，或者，最优化光刻胶的厚度以使得整个堆叠涂层的反射率达到最小。通过分析精确测量得到的反射光谱，还可以得到涂层的折射率。
在多种工业应用中，通过对显微镜下样品的反射率的测量，非常有助于测量样品表面非常薄的薄膜厚度(约小于300埃)。例如，样品可以是半导体晶片，可在这个晶片的硅衬底表面涂覆非常薄的薄膜。
因为半导体工艺领域中通常对允许误差要求非常严格，所以需要一种用来获得晶片反射率的精密装置。在传统的反射率测量系统中，单色光或宽带光被晶片反射，反射光被收集和测量。例如，如图1所示，在传统测量和/或检测系统中，使用一个透镜100，入射光线102经过透镜100折射后的光线104聚焦在DUT 106上，从而产生可分析的反射率信息。
高数值孔径(Numerical Aperture，NA)的透镜(NA～0.95)已被用来同时实现入射光的大范围入射角和方位角。然而它有许多局限。首先，由于透镜材料在紫外波段吸收入射光的缘故，光波长很难延伸到紫外波段(例如小于400nm)。其次，由于色差的缘故，上述透镜很难工作在宽波段光学系统下，例如同时工作于250nm到1000nm范围内。第三，当光通过透镜时，存在光被吸收的问题，此时光强会随着其通过透镜而减小。第四，由于为保证光通过透镜时良好的折射，透镜质量变得非常关键，因而当光通过透镜时，其此时的折射也是一个问题。
为了保持在宽带光学系统中系统性能的一致性，需要采用反射光路。由于变量有限，设计的选择性也受到限制。例如，Schwarzchild设计方案的反射物镜具有有限的NA，还会阻碍中心光束，其不能实现大角度范围的入射角。非球面反射表面也被广泛地使用，不过，其在大多数情况下被应用在非常传统的方式下，即对称轴垂直于反射面表面。入射角的范围也被限制。
因此，在光学测量和检测系统中，希望入射光束可从不同入射角或不同方位角入射到物体上。进一步地，希望光束具有多波长或为宽带连续波长。
发明内容
本发明的一个目的是提供能够实现在反射表面上的大范围(0度到90度)入射角的方法和装置。
本发明的另一个目的是提供能够同时检测和/或测量大型待测器件的方法和装置。
简要来说，本发明揭示了一种光学测量装置，它包括：光源，用于提供光线；具有内部反射面的半抛物面反射器，其中，该反射器具有一个焦点和一个概要轴，且待测器件置于所述焦点附近；其中，进入所述反射器且与所述概要轴平行的入射光线会被导向到所述焦点并反射离开该待测器件，产生指示该待测器件的信息；其中，该反射光线离开该反射器；还包括：探测器，用于接收离开的光线。
本发明的一个优点在于提供了能够实现在反射表面上的大范围(0度到90度)入射角的方法和装置。
本发明的另一个优点在于提供了能够同时检测和/或测量大型待测器件的方法和装置。
附图说明
下面将结合附图和应用实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是用于检测和/或测量系统的使用透镜进行聚光的现有技术的示意图；
图2是本发明的技术的二维概念示意图；
图3是本发明一个优选实施例的三维俯视图；
图4是本发明的抛物面反射器内视图；
图5是本发明的抛物面反射器的侧视图；
图6是本发明的抛物面反射器的俯视图；
图7是本发明的另一个实施例，其中光源置于抛物面反射器的焦点；以及
图8是本发明的另一个实施例，其中光探测器置于抛物面反射器的焦点。
具体实施方式
参看图2解释本发明实施方式的一个关键的基础概念。设一条抛物线210位于y轴和z轴构成的坐标系中，概念上，该抛物线的形状可被描述成简单的数学函数形式，即z＝ay2，其中和z轴平行的入射光线将在抛物线的焦点“F”处和z轴相交，该焦点位于
Figure A200780021283D00061
且“a”为常数。入射光线和抛物线表面相交后被导向入射面212(该平面和对称轴垂直并通过焦点“F”)上的焦点。
这里，如图所示，入射光线214和对称轴平行。光线照射在抛物面表面，抛物面反射器根据其特性将光线导向至其焦点并使其在交叉点“F”处和z轴相交。相交后，光线再次照射在抛物面表面上，且抛物面表面将光线再次向后导向成为出射光线218，其方向和入射方向相反，并与对称轴平行。由于抛物线的独特性质，如果入射光线和对称轴平行，反射光线将总是和对称轴平行。
在本发明的一个当前优选实施例中，参看图3，其中示出了可具有半抛物面形状的抛物面反射器310。上述的二维抛物线形状的特性在此处仍然适用。例如，与概要轴平行入射的入射光线314，即光线1，，将在抛物面反射器表面上点316处反射离开。由于抛物面的特性，反射光线将被导向到该抛物面的焦点即点“F”，而这也是交叉面312和概要轴z轴的交点。光线将反射离开“F”点，产生和待测器件(未示出)有关的信息，然后再次在抛物面上的点318处反射离开，且被再次导向离开此抛物面反射器，而成为光线320，并被探测器(未示出)读取。另外，由于抛物面的独特特性，如果进入的入射光线和对称轴平行，离开的反射光线也总是和对称轴平行。
本发明实施例中反射器的形状可为抛物面，可通过绕其对称轴旋转一抛物线制得。反射器可以将该抛物面沿其旋转轴一分为二制得。在实际应用中，本发明优选实施例所使用的抛物面反射器可比半个抛物面稍小，使得抛物面的对称轴位于将被测量或检测的DUT表面。抛物面反射器的内表面应能产生反射。
取决于光线和抛物面在何处相交，光线将以不同的入射角和方位角和聚焦平面(x-y面)相交。抛物面上的交点和光线角度之间的关系可以很容易计算出来。参看图4，从抛物面反射器的开口正对反射回来的光束看去，抛物面反射器就像半球的一半。设想抛物面反射器末端表面有一个极坐标，入射光束的横截面为四分之一圆形状，反射光束的横截面也为四分之一圆形状。以半径1/(2a)进入的入射光线会以同样大小的半径射出(见入射光线1“I1”和出射光线1“O1”)。同样，容易看出，当任一入射光线在与对称轴的距离为b的位置和该抛物面表面相交时，出射光线将在和对称轴的距离为(1/2a)2/b的位置和该抛物面表面相交。在入射面测得的入射和反射角角度相同。因此，在极坐标系(ρ，θ)中，如果入射光线的极坐标为(ρ，θ)，出射光线的极坐标就为(r2/ρ，π-2θ)，其中r＝1/(2a)。例如，和z轴平行的一条入射光线2(“I2”和“O2”)将同样沿和z轴平行的方向射出。
参看图5，其中示出了反射器510的侧视图。这里，焦点
Figure A200780021283D0008093101QIETU
位于512处，待测器件相比其他传统的检测系统来说可以更大。光线1，2，3和4与z轴平行入射，如图所示，其照射到DUT上之后，被再次导向并反射离开反射器，并从反射器射出。
参看图6，其中示出了反射器610的俯视图及入射面612和方位角
Figure A200780021283D0008093122QIETU
。这里，和z轴平行的光线1进入反射器成为光线614，在反射器上点616处反射离开，被再次导向成为光线618射到反射器的焦点。然后，此光线在待测器件(未示出)上反射离开，且重新在反射器上点620处反射离开，并成为平行于z轴的光线622射出反射器。光线2沿着且平行于z轴进入反射器，并沿着相同路径离开。
由于离开的反射光线是被待测器件反射离开的，它们的特征将提供指示待测器件的信息。反射光线将会被探测器收集，然后可以对该反射光线进行分析。根据检测工作或测量工作的性质，探测器可以为任何类型。
参看图7，在本发明的另一个实施例中，光源714可位于焦点712处，使得光从焦点发出并被重新导向以形成准直光束离开反射器。参看图8，在本发明的另一个实施例中，光探测器814可以被置于焦点812处，以收集进入反射器的光束。在另一个实施例中，光源可放在焦点处(见图7)，而探测器也可放在焦点处(见图8)，以收集从任意待测器件反射来的任意光线，其中，该待测器件(图中未示出)可放在反射器开口816处。可选地，光探测器也可以放在反射器的后部，收集准直光束。
虽然已经描述了本发明的若干确定的优选实施例，但本发明不仅仅限于这些特定的实施例。更为确切地，发明人认为本发明应该以如下权利要求为标准来理解其更广泛的延伸含义。所以，对权利要求的理解不仅仅限于这些优选实施例，还应包括所有其它对于本领域一般技术人员显而易见的改动和修改。

Claims (8)

1.一种光学装置，包括：
光源，用以提供入射光线；
具有反射表面和焦点的半抛物面反射器，用于将所述入射光线聚焦到待测器件上，其中，所述入射光线在所述待测器件上反射离开，且反射光线提供指示所述待测器件的信息；
探测器，用于收集从该待测器件上反射的光线。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该反射器具有概要轴，且所述待测器件安置于所述对称轴附近。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，平行于所述概要轴的所述入射光线被导向至所述反射器的所述焦点，继而到达所述待测器件。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反射器的形状小于半个抛物面。
5.一种光学测量装置，其中，包括：
光源，用于提供光线；
具有内反射表面的半抛物面反射器，其中，该反射器具有焦点和概要轴，待测器件放置在所述焦点附近，其中，进入所述反射器的与所述概要轴平行的入射光线被导向至所述焦点，并在该待测器件上反射离开，从而产生指示该待测器件的信息，其中，所述反射光线射出该反射器；
探测器，用以收集反射光线。
6.一种光学装置，其中，包括：
光源，用于提供光线；
具有反射面和焦点的半抛物面反射器，其中，所述光源置于所述焦点上，光线由所述反射面反射离开后成为准直光束并在所述反射器开口处的待测器件上反射离开，其中，反射光线提供指示待测器件的信息；
探测器，用于收集从该待测器件反射来的光线。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该探测器置于所述焦点上。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述反射器的形状小于半个抛物面。
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