CN109387903A - 光路耦合系统及光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

光路耦合系统及光学测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光路耦合系统及光学测量系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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，本发明的技术方案具有以下技术效果：

1、本发明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，所述本发明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是本发明具体实施例的光学耦合系统的光路结构示意图；

图4是本发明具体实施例的MEMS的结构示意图；

图5是本发明具体实施例的第一聚焦单元的装配结构示意图；

图6是本发明具体实施例的光纤合束器的结构示意图；

图7A是本发明具体实施例的椭偏仪测量系统的光路结构示意图；

图7B是本发明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是本发明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是本发明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(Optical element)103、起偏器(Polarize)104、第一聚焦单元(Focusing sub-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射光，并进行补偿后聚焦到检偏器107中，经过检偏器107后的出射光仍为偏振光，但该偏振光相对起偏器104产生的偏振光的偏振态、强度和相位有所变化；探测单元108包括光阑1081、透镜组1082、CCD探测器1083，光阑1081对检偏器107出射的光进行补偿后，经过透镜组1082会聚在CCD探测器1083的感光面上,CCD探测器1083将接收到的光信号转化为电信号输出，进而由偏振光在硅片100反射前后的偏振态、强度和相位等的改变即刻计算出硅片100探测位置的薄膜厚度，整个检测时间最快可达10ms量级。

在实际的硅片膜厚检测中，需要对硅片100不同探测位置处的膜厚进行量测，而对于每个探测位置的膜厚测量，都需要进行硅片100的移动和对准，如图2A中，在硅片100探测位置1001的膜厚测量完成后，顺时针旋转硅片100至探测位置1002并对准，以进行硅片100探测位置1002的膜厚测量，在硅片100探测位置1002的膜厚测量完成后，再次顺时针旋转硅片100至探测位置1003并对准，以进行硅片100探测位置1003的膜厚测量，其中完成单个探测位置的对准和测量总时间T＝硅片移动对准时间T1+光学测量时间T2，其中硅片移动对准时间T1占大部分的时间，光学测量时间T2仅仅占很小的部分，例如，完成单个探测位置的膜厚测量的总时间T需要5s左右时，其中的光学测量时间T2仅需不到1s的时间，显然，利用目前的膜厚测量机台，对硅片100不同探测位置处的膜厚进行量测时，硅片的移动和对准耗费了大量的时间(约占80％)，严重影响测量速度。

本发明的技术方案，通过对原来的光路耦合系统改进，利用包括MEMS(Micro-Electron-Mechanical System，微电机系统)光开关阵列等器件的波导耦合器控制探测光照射在硅片等物体表面上的位置，以替代硅片等物体所在平台的移动，极大地压缩了所述平台的移动以及硅片等物体的对准所耗费的时间，大大提高了光学测量速度。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

请参考图3，本发明提供一种光学耦合系统，包括依次沿光路设置的波导耦合器305、第一聚焦单元306、第二聚焦单元307、光纤合束器308。所述光路包括入射光路和反射光路，所述入射光路是指自光源单元发出的光最终入射到一物体表面的传播路径，反射光路是指自所述入射光路传播的光经所述物体表面反射后的传播路径，其中波导耦合器305和第一聚焦单元306依次设置在入射光300a传播至物体300b表面上的入射光路上，第二聚焦单元307和光纤合束器308依次设置在所述入射光300a经所述物体300b表面反射后的反射光300c传播形成的反射光路上。

波导耦合器305包括控制器和多个光输出端口(如图8A至8D中的P1至P4所示)，所述控制器用于控制入射光300a选择性地自其中一所述光输出端口输出。请参考图4，本实施例中，所述控制器包括一个MEMS(Micro-Electron-Mechanical System，微电机系统)开关阵列或多个级联的MEMS光开关阵列305a，以及向所每个MEMS光开关阵列305a输送驱动信号的信号源305b。每个MEMS光开关阵列305a包括衬底3050、外接驱动信号引线3051、微反射透镜阵列3052、入射光纤阵列3053以及出射光纤阵列3054，所述微反射透镜阵列3052处于入射光纤阵列3053至出射光纤阵列3054之间的光通路上，主要由多个微反射镜按照矩阵排列在衬底3050中央区域上形成，外接驱动信号引线3051、入射光纤阵列3053以及出射光纤阵列3054对应设置在微反射透镜阵列3052的外围，且入射光纤阵列3053以及出射光纤阵列3054设置在微反射透镜阵列3052的同一侧，外接驱动信号引线3051设置在与入射光纤阵列3053以及出射光纤阵列3054相对的微反射透镜阵列3052的一侧，外接驱动信号引线3051一端连接至微反射透镜阵列3052的各个微反镜的电极上，另一端连接所述信号源305b，所述信号源305b通过外接驱动信号引线3051向所述微反射透镜阵列3052的各个微反镜的电极输入相应的电压信号(所有微反镜的电极上接收的电压信号一般是不完全相同的)等来控制微反射透镜阵列3052中各个微反射镜的反射角度，从而控制MEMS光开关阵列305a出射光的位置，即所述MEMS光开关阵列305a在接收到相应的不同的电压信号后，能够使得固定入射方向的入射光300a改变相应的出射角度，选择出射光纤阵列3054中相应的光输出端口进行光输出，且信号源305b每次向微反射透镜阵列3052的所有微反镜的电极输入的电压信号为一个电压信号组合，每个电压信号组合对应着MEMS光开关阵列305a的一个特定的光输出端口和物体300b表面上的一个特定的照射位置。当MEMS光开关阵列305a处于反射状态时，入射光纤阵列3053接收的入射光300a被微反射透镜阵列3052中的微反射镜反射，改变方向后进入到微反射透镜阵列3052中同一侧的出射光纤阵列3054中出射；当MEMS光开关阵列305a处于直通状态时，微反射透镜阵列3052被移开光通路，入射光纤阵列3053接收的入射光沿直线传播进入出射光纤阵列3054。

需要说明的是，多个级联的MEMS光开关阵列是指前一级MEMS光开关阵列的一路或多路光输出作为后一级MEMS光开关阵列的光输入，MEMS光开关阵列的型号和级联数量可以根据物体300b表面上设置的照射位置的数量来确定，例如照射位置为4个时，可以选择一个4*4MEMS光开关阵列或一个8*8MEMS光开关阵列来实现4路不同的光输出，来分别与4个照射位置一一对应；也可以选择在一个2*2MEMS光开关阵列的两路光输出上分别作为两个2*2MEMS光开关阵列的光输入，由此3个2*2MEMS光开关阵列可以构成2级MEMS光开关阵列的级联，以实现4路不同的光输出，来分别与4个照射位置一一对应。在MEMS光开关阵列选型合适时，利用不超过2级的MEMS光开关阵列的级联，可以实现大于200路的可控探测光输出，并保证总体插入损耗应小于10％。

请参考图3，第一聚焦单元306用于聚焦波导耦合器305的光输出端口输出的光至所述物体300b表面上相应的照射位置处。请参考图5以及图8A至图8D，本实施例中，所述第一聚焦单元306包括依次设置在所述波导耦合器305后的入射光路上的准直透镜阵列3061和至少一个入射聚焦透镜阵列(如图5以及图8A至图8D中的第一入射聚焦透镜阵列3062、第二入射聚焦透镜阵列3063)，其中，所述准直透镜阵列3061在所述入射光路上位于所述波导耦合器305与最靠近所述波导耦合器305的入射聚焦透镜阵列之间，且所述准直透镜阵列3061中排布的透镜光学件的数量以及第一入射聚焦透镜阵列3062、第二入射聚焦透镜阵列3063中排布的透镜光学件的数量均不少于所述波导耦合器305的光输出端口的数量，以保证波导耦合器305的每一路输出均能够被准直和聚焦到物体300b表面上相应的照射位置上。本实施例中，所述准直透镜阵列3061和第一入射聚焦透镜阵列3062、第二入射聚焦透镜阵列3063均为分离式透镜阵列3060’。所述分离式透镜阵列3060’主要由多个透镜装置3060按照阵列排布形成，其中的每个透镜装置3060包括装配架3060a以及安装在装配架3060a中央的一个透镜光学件3060b，所述透镜光学件3060b包括单个透镜或者2～3个透镜组成的透镜组，所述透镜光学件3060b的光入射面和光出射面自所述装配架3060a露出，且至少两个所述透镜光学件3060b相互之间能够相对平移和/或转动。例如可以在每个装配架3060a内部安装用于平移和/或转动所述透镜光学件3060b的电动位移调整机构(未图示)，也可以在每个装配架3060a外部安装用于平移和/或转动所述装配架3060a的电动位移调整机构，以平移和/或转动所述透镜光学件3060b，所述电动位移调整机构包括步进电机和/或压电陶瓷马达。

由于本实施例中的准直透镜阵列3061和第一入射聚焦透镜阵列3062、第二入射聚焦透镜阵列3063的构造相似，因此准直透镜阵列3061、第一入射聚焦透镜阵列3062、第二入射聚焦透镜阵列3063在所述入射光路上依次平行且按照一定间隔层叠，三个透镜阵列中与波导耦合器305相同的光输出端口对应的透镜排列在同一光轴上，且各个透镜阵列中相邻透镜间的间隔与波导耦合器305中相邻的光输出端口之间的间隔一致。

请参考图3、图5以及图8A至图8D，所述第二聚焦单元307用于对从物体300b表面上反射来的光进行聚焦和准直后，输入至所述光纤合束器308中的一所述光输入端口中，经所述光纤合束器308的光输出端口输出反射光300c。所述第二聚焦单元307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，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308的光输入端口的数量。本实施例中，所述出射聚焦透镜阵列采用与准直透镜阵列3061、第一入射聚焦透镜阵列3062、第二入射聚焦透镜阵列3063的装配结构相同的分离式透镜阵列，即所述出射聚焦透镜阵列主要由多个透镜装置3060按照阵列排布形成，其中的每个透镜装置3060包括装配架3060a以及安装在装配架3060a中央的一个透镜光学件3060b，所述透镜光学件3060b的光入射面和光出射面自所述装配架3060a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，例如可以在每个装配架3060a内部安装用于平移和/或转动所述透镜光学件3060b的电动位移调整机构(未图示)，或者在每个装配架3060a外部安装用于平移和/或转动所述装配架3060a的电动位移调整机构，以平移和/或转动所述透镜光学件3060b，所述电动位移调整机构包括步进电机和/或压电陶瓷马达。

本实施例中，由于第一聚焦单元306和第二聚焦单元307均为分离式透镜阵列(或分离式透镜阵列层叠)，可以通过另一信号源发出相应的电压信号等控制信号来微调分离式透镜阵列中每一个透镜光学件的位置，且分离式透镜阵列中的透镜光学件的数量可以与波导耦合器305的光输出端口的数量相同，数量相对较少，因此像差控制比较容易实现。当物体300b为正常300mm的硅片时，其上通常会有100以内的探测位置(shot)，每个探测位置的尺寸约为26mm*33mm，考虑每个曝光场内放置2～3个探测位置，则每个分离式透镜阵列中的透镜光学件3060b可以是单个透镜，也可以是2～3个透镜组成的聚焦透镜组。考虑需要预留出的装配空间，每个透镜光学件3060b中的透镜直径应为5mm以下，市面上现有的小型透镜即可满足要求。

请参考图6，所述光纤合束器308具有多个光输入端口3081和一个光输出端口3082，所述光输入端口3081的数量可以与所述物体300b表面上的照射位置的数量相同，以使得各个光输入端口3081与所述物体300b表面上的照射位置一一对应，所述光输入端口3081的数量也可以少于所述物体300b表面上的照射位置的数量，使得所述物体300b表面上的至少有两个照射位置上的反射光入射到同一个光输入端口3081。物体300b表面上不同的照射位置处反射的光经过第二聚焦单元307收集后汇聚到光纤合束器308的相应的光输入端口3081中，不同的光输入端口3081接收的光可以在同一个光输出端口3082输出，这样对后续的光路上的机构均不会有改动的需求，节约装置更新换代成本。

为了进一步提高光学精度，本实施例的光学耦合系统还包括设置在所述光纤合束器308之后的反射光路上的第四聚焦单元，第四聚焦单元可以为多个透镜组成的透镜组，主要用于对光纤合束器308出射的光进行补偿、聚焦和准直，提高其入射到后续机构中的光的效果，从而有利于光纤合束器308出射光的应用。

由上所述，本发明的光学耦合系统，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，一固定方向的入射光经过所述波导耦合器后可以改变入射方向以经第一聚焦单元聚焦后照射到一物体表面的指定位置，经所述指定位置反射后经由第二聚焦单元进入光纤合束器的一个光输入端口，可以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可以在相同位置输出，由此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，就可以实现物体表面上多个位置的光照射和采集，避免物体的移动和对准，同时还能实现原有光学系统的兼容和改装，节约成本。本发明的光学耦合系统可以应用于膜厚测量机台等光学测量系统，实现对原有系统的兼容和改装，节约成本，并提高光学测量速度。

请参考图7A，本发明提供一种光学测量系统，依次沿光路设置的光源单元、上述的光路耦合系统以及探测单元311，所述光源单元用于产生探测光，所述探测单元311用于对所述光路耦合系统输出的光进行分析。所述光学测量系统可以是基于椭偏仪原理的光学测量系统，即椭偏仪测量系统。所述椭偏仪测量系统还包括起偏器304和检偏器310，其中，所述起偏器304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305中；所述检偏器310设置在所述光路耦合系统和所述探测单元311之间的光路上，用于对所述光路耦合系统的光纤合束器308输出的光进行检偏。具体地，所述椭偏仪测量系统包括依次沿光路设置的光源单元、起偏器304、波导耦合器305、第一聚焦单元306、第二聚焦单元307、光纤合束器308、检偏器310以及探测单元311。所述光路包括入射光路和反射光路，所述入射光路是指自光源单元发出的光最终入射到待测样品300表面的传播路径，反射光路是指自所述入射光路传播的光经所述待测样品300表面反射后的传播路径，其中光源单元、起偏器304、波导耦合器305、第一聚焦单元306依次设置在所述入射光路上，第二聚焦单元307、光纤合束器308、检偏器310以及探测单元311依次设置在所述反射光路上。

本实施例中，所述光源单元包括第一光源301、第二光源302、探测光合成组件303a以及准直光学组件303b，所述第一光源301可以为单色仪、单色激光器或者透明氘(D2)灯，第二光源302可以为氙(Xe)灯、氘(D2)灯、卤素钨灯(UV-VIS)、卤素钨灯(NIR)或者光纤，探测光合成组件303a主要由分光镜3031以及带虹膜(Iris，控制阑孔大小的机械机构)光阑3032组成，通过调整所述光阑3032相对分光镜3031的距离以及调整光阑3032上虹膜，可以控制第二光源302的光允许穿过第一光源301的光斑中心的辐照度，进而调整第一光源301和第二光源302的组合发射，以形成探测光。准直光学组件303b用于校准第一光源301和第二光源302的组合发射的探测光，使第一光源301和第二光源302的组合发射的探测光准直地入射到起偏器304中。

起偏器304可以是线偏振器，以将探测光输出为线偏振光；还可以是旋转偏振器，以将探测光输出为椭圆偏振光或圆偏振光。

检偏器310主要是用来检验从光纤合束器308出射的反射光的偏振方向，经过检偏器310后的出射光仍为偏振光，但该偏振光相对起偏器304产生的偏振光的偏振态、强度和相位有所变化。

探测单元311包括光阑3111、透镜组3112、CCD探测器3113，光阑3111对检偏器310出射的光进行补偿后，经过透镜组3112会聚在CCD探测器3113的感光面上，CCD探测器3113将接收到的光信号转化为电信号输出，进而可以分析起偏器304出射的偏振光在待测样品300表面上的一探测位置反射前后的偏振态、强度和相位等的改变，以计算出待测样品300表面上的所述探测位置的薄膜厚度等物理量。

为了进一步提高测量精度，本实施例的椭偏仪测量系统还包括设置在所述光纤合束器308和检偏器310之间的反射光路上的第四聚焦单309元，第四聚焦单309元可以为多个透镜组成的透镜组，主要用于对光纤合束器308出射的光进行补偿、聚焦和准直，提高其入射到检偏器310中的效果，从而有利于检偏器310的检偏以及探测单元311的探测。

此外，为了更好地适应不同的待测样品300的类型以及保护待测样品300在测量中不移动、不受损坏和污染，本实施例的椭偏仪测量系统还包括样品台(未图示)以及样品台调整机构(未图示)；所述样品台设置在所述第一聚焦单元306和第二聚焦单元307之间的光路上，用于承载和保护待测样品300，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。

请参考图7A、图7B以及图8A至8D，应用所述椭偏仪测量系统进行光学测量的方法，包括以下步骤：

S1，开启光路步骤：通过光源单元产生探测光束并经起偏器304起偏为偏振光，所述偏振光经波导耦合器305限定出射位置后，再经第一聚焦单元306汇聚后入射到一待测样品300表面，形成入射光路；所述待测样品300表面反射的光束经第二聚焦单元307收集后汇聚到光纤合束器308中输出，再经由检偏器310传输至探测单元311接收，以形成反射光路；

S2，所述待测样品300的对准和平移步骤：可以通过样品台调整机构自动对所述待测样品300进行整体的对准和平移，或者通过手动方式调整待测样品300的位置，使得所述待测样品300表面上的所有探测位置(如图8A至8D中的3001至3004)能够由所述波导耦合器305的不同的光输出端口(如图8A至8D中的P1至P4)输出的光探测到；

S3，所述待测样品300的测量步骤：入射到所述波导耦合器305的所述偏振光，通过所述波导耦合器305的控制器的控制，在不同时刻从所述波导耦合器305的不同的光输出端口输出，再经所述第一聚焦单元306汇聚后入射到所述待测样品300表面的相应的探测位置处；所述探测位置反射的光束经所述第二聚焦单元307收集后汇聚到所述光纤合束器308的相应的光输入端口3081中，并经所述光纤合束器308的光输出端口3082输出，再经由所述检偏器310传输至所述探测单元311接收，从而依次完成对所述待测样品300表面上的所有探测位置的光学测量，具体地，在t1时刻，波导耦合器305的光输出端口P1输出的光经第一聚焦单元306后照射到待测样品300表面上的探测位置3001，探测位置3001反射的光经第二聚焦单元307后入射到光纤合束器308的光输入端口3081-1，之后经所述光纤合束器308的光输出端口3082输出，再经由所述检偏器310传输至所述探测单元311接收，从而完成待测样品300表面上的探测位置3001的测量；在t2时刻，波导耦合器305的光输出端口P2输出的光经第一聚焦单元306后照射到待测样品300表面上的探测位置3002，探测位置3002反射的光经第二聚焦单元307后入射到光纤合束器308的光输入端口3081-2，之后经所述光纤合束器308的光输出端口3082输出，再经由所述检偏器310传输至所述探测单元311接收，从而完成待测样品300表面上的探测位置3002的测量；在t3时刻，波导耦合器305的光输出端口P3输出的光经第一聚焦单元306后照射到待测样品300表面上的探测位置3003，探测位置3003反射的光经第二聚焦单元307后入射到光纤合束器308的光输入端口3081-3，之后经所述光纤合束器308的光输出端口3082输出，再经由所述检偏器310传输至所述探测单元311接收，从而完成待测样品300表面上的探测位置3003的测量；在t4时刻，波导耦合器305的光输出端口P4输出的光经第一聚焦单元306后照射到待测样品300表面上的探测位置3004，探测位置3004反射的光经第二聚焦单元307后入射到光纤合束器308的光输入端口3081-4，之后经所述光纤合束器308的光输出端口3082输出，再经由所述检偏器310传输至所述探测单元311接收，从而完成待测样品300表面上的探测位置3004的测量；依次类推，直至完成待测样品300表面上的所有探测位置的测量。

本发明的光学测量方法，可以将现有膜厚检测平台上移动和对准硅片的步骤极大地简化为波导耦合器的控制器中的MEMS光开关阵列的驱动信号的变化，在正式对待测样品300进行测量前，即在对待测样品300表面上的第一个探测位置3001进行测量之前，只需要对待测样品300进行一次整体的移动和对准，然后在正式测量过程中，利用波导耦合器305控制探测光照射在待测样品300表面上的不同的探测位置上，以替代待测样品300的移动，即后面的所有探测位置均可由波导耦合器305的不同光输出端口输出的光进行探测，整个工作流程更改为：控制器→椭偏量测→控制器→椭偏量测……，节省了每测量一个新的探测位置就要对待测样品进行移动和对准的时间。请参考图9，其中完成单个探测位置的对准和测量总时间T＝采用波导耦合器改变探测位置T3+光学测量时间T2，采用波导耦合器改变探测位置T3占很小部分，为毫秒数量级，光学测量时间T2仍然仅需不到1s的时间，由此测量速度提高5倍左右。

当所述第一聚焦单元307包括依次设置在所述波导耦合器305后的入射光路上的准直透镜阵列3061和至少一个入射聚焦透镜阵列3062、3063，所述第二聚焦单元307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，所述光学测量方法还包括：在所述待测样品的对准和平移步骤之前(即在步骤S2之前)，还对各个透镜阵列中的透镜光学件进行平移和/转动，以调整透镜光学件的位置和/或光入射面角度，使得各个透镜阵列中的透镜光学件间的周期与所述待测样品300表面上相应的探测位置的大小或所有探测位置的分布周期一致。

当波导耦合器305的控制器包括一个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时，且所述信号源输送的驱动信号包括多个不同的电压信号时，可以通过向所述MEMS光开关阵列输送不同的电压信号组合，来实现在不同时刻从不同的光输出端口进行光输出。

综上所述，本发明的光学测量系统，主要由光源单元、本发明的光路耦合系统以及探测单元组成，光源单元发出的探测光束经过所述光路耦合系统的波导耦合器和第一聚焦单元后照射到待测样品表面的不同探测位置被反射之后，经由光路耦合系统的第二聚焦单元进入光路耦合系统的光纤合束器，由此实现同一入射光能够照射到不同的探测位置且不同探测位置的反射光可以在相同位置输出，从而可以替代待测样品的移动及对准，大大提高了光学测量速度；同时，对所述光路耦合系统前后光路上的机构均不需要改动，，从而可以降低图1所示的椭偏仪测量装置等的改装难度，能够实现与旧系统的兼容和改装，节约成本。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

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。

11.如权利要求10所述的光路耦合系统，其特征在于，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。

12.如权利要求11所述的光路耦合系统，其特征在于，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。

13.如权利要求1至12中任一项所述的光路耦合系统，其特征在于，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。

14.一种光学测量系统，其特征在于，包括依次沿光路设置的光源单元、权利要求1至13中任一项所述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。

15.如权利要求14所述的光学测量系统，其特征在于，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。

16.如权利要求14所述的光学仪测量系统，其特征在于，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。

17.如权利要求14至16中任一项所述的光学测量系统，其特征在于，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。