CN115388765B - 用于椭偏量测系统的自动聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于椭偏量测系统的自动聚焦装置(100)。该自动聚焦装置(100)适于被布置在所述椭偏量测系统的从样品(204)反射的光束的光路上，并且包括：反射型聚焦镜，被构造成具有反射表面和通光孔(111)，所述反射表面适于反射所述光束的第一部分至所述椭偏量测系统中的光谱仪，所述通光孔(111)适于透过所述光束的第二部分，其中所述第一部分所占光束的能量的比例大于所述第二部分所占光束的能量的比例；多象限探测器(103)，被布置成用于接收从所述通光孔(111)所透过的所述光束的所述第二部分，并且产生与所述样品(204)偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离有关的探测信号；以及处理器，被配置成基于所述探测信号，产生用于使所述样品(204)移动至所述焦面的控制信号。

Description

用于椭偏量测系统的自动聚焦装置

技术领域

本公开涉及椭偏量测系统，并且更具体地涉及用于椭偏量测系统的自动聚焦装置。

背景技术

在集成电路制造过程中，椭偏量测系统被大量用于各类半导体薄膜的厚度、光学常数、关键尺寸等性质的无损量测。在椭偏量测系统中，准确、精确、快速的自动聚焦及光强监测系统是必须的。

通常，常规的聚焦光路系统和椭偏量测系统是各自独立的，需要预先将两路光学系统的焦点之间的偏移量(即Focus Offset)标定出来，然后在实时测量时，使用自动聚焦光路进行聚焦，然后再加上偏移量后移至椭偏量测系统。

发明内容

本公开的目的之一在于提供一种改进的用于椭偏量测系统的自动聚焦装置，其至少可以不进行常规的偏移量标定，而实现对焦的准确性和稳定性的提高。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于椭偏量测系统的自动聚焦装置。该自动聚焦装置适于被布置在所述椭偏量测系统的从样品反射的光束的光路上，所述自动聚焦装置包括：反射型聚焦镜，被构造成具有反射表面和通光孔，所述反射表面适于反射所述光束的第一部分至所述椭偏量测系统中的光谱仪，所述通光孔适于透过所述光束的第二部分，其中所述第一部分所占光束的能量的比例大于所述第二部分所占光束的能量的比例；多象限探测器，被布置成用于接收从所述通光孔所透过的所述光束的所述第二部分，并且产生与所述样品偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离有关的探测信号；以及处理器，被配置成基于所述探测信号，产生用于使所述样品移动至所述焦面的控制信号。

在一些实施例中，该自动聚焦装置还包括：聚焦透镜，被布置成用于将从所述通光孔透过的所述光束的所述第二部分聚焦至所述多象限探测器。

在一些实施例中，所述通光孔为狭缝，所述狭缝的长向方向被定位在所述椭偏量测系统的所述入射光束和反射光束所限定的平面内。

在一些实施例中，所述通光孔为狭缝，所述狭缝的长度和宽度方向的尺寸均小于入射在反射表面上的光束的束直径。

在一些实施例中，所述多象限探测器位于所述椭偏量测系统的从样品反射的光束的光路的直线延伸线上。

在一些实施例中，所述多象限探测器是二象限探测器，其被配置成产生差分信号作为所述探测信号。

在一些实施例中，当所述通光孔为狭缝时，所述二象限探测器被布置成使得其纵向方向与所述狭缝的纵向方向平行。

在一些实施例中，当所述样品位于所述椭偏量测系统的入射光束的焦面上时，所述探测信号为零。

在一些实施例中，所述探测信号是所述距离的单调函数。

在一些实施例中，所述多象限探测器还被配置成监测从样品反射的所述光束的光强。

根据本公开的第二方面，提供了一种椭偏量测装置。该椭偏量测装置包括：椭偏量测系统；以及根据第一方面所述的自动聚焦装置。

还应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开实施例的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了根据本公开的示例实施例的与典型的椭偏量测系统共光路的自动聚焦装置的示例性布置；

图2a、图2b和图2c分别示出了根据本公开的示例实施例的反射型聚焦镜的不同角度的示图；

图2d示出了根据本公开的示例实施例的光斑入射在反射型聚焦镜的反射表面上的示图；

图3a示出了当样品在椭偏量测系统的量测光路的焦面上时光斑在二象限探测器上的示意图；

图3b示出了当样品相对于椭偏量测系统的量测光路的焦面为离焦时光斑在二象限探测器上的示意图；以及

图4示出了二象限探测器所产生的差分信号与样品偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离Z(或离焦距离)的关系示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

如前所述的，常规的聚焦光路系统和椭偏量测系统是各自独立的。然而，发明人发现：这种间接对焦方式有一定的误差，并且受限于偏移量标定的准确性及稳定性。此外，常规的椭偏量测光路还需要额外的光强监测系统，后者可能会大大占用设备的内部空间，同时由于子系统增多，对整个系统的稳定性也带来了考验。

为此，本公开提出了一种与椭偏量测系统共光路的自动聚焦装置。容易理解，借助于与椭偏量测系统共光路的特性，自动聚焦装置可以不需要进行常规的偏移量标定，并且对焦的准确性和稳定性可以有所提高。

下面将结合图1来描述根据本公开的示例实施例的与典型的椭偏量测系统共光路的自动聚焦装置的示例性布置。

如图1所示，典型的椭偏量测系统200可以是反射式椭偏量测系统，其可以包括入射光路210和反射光路220，其中光束可以经由入射光路210入射在被保持在样品台205之上的样品204上，并且经由样品204反射或衍射的光束随后可以经由反射光路220而传输至光谱仪208，从而实现样品的特性的无损量测，该特性例如可以包括但不限于：膜厚、光学常数、关键尺寸等参数。

仅作为示例，例如在图1中，可以沿着入射光路210依次布置光源201、起偏器202、聚焦镜头组203，并且可以沿着反射光路220依次布置聚焦镜头组206、检偏器207和光谱仪208。

容易理解，这些部件的功能和布置方式在本领域是公知的，因此，不再赘述。此外，尽管在图1的示例中，以特定的位置关系示出了典型的椭偏量测系统200的关键部件，但应当理解，在其他实施例中，椭偏量测系统200中的关键部件的位置适当调整或变换也是可能的，其均在本公开所旨在涉及的椭偏量测系统之内。

对于上述椭偏量测系统200而言，样品204被保持在量测光束(或入射光束)的焦面上是重要的。为此，本公开设计了一种自动聚焦装置100，其可以定位在上述椭偏量测系统200的从样品反射的光束的光路上，并且辅助实现上述样品204的自动聚焦。

具体地，如图1所示，自动聚焦装置100可以至少包括反射型聚焦镜101、多象限探测器103和处理器104。

根据本公开的设计，反射型聚焦镜101可以被构造成具有反射表面115和通光孔111，其中反射型聚焦镜101可以被布置成使得：在自动聚焦装置100相对于上述椭偏量测系统200布置就位的情况下，反射表面115可以反射上述反射光路220上的光束的第一部分至椭偏量测系统200中的光谱仪208，以及通光孔111可以透过所述光束的第二部分。一般而言，反射型聚焦镜101可以为具有通光孔111的凹面反射镜。作为示例，反射型聚焦镜101可以例如由具有通光孔111的椭球面反射镜形成。

通常而言，光束的第一部分占整个光束的能量的比例要求大于(或远远大于)光束的第二部分占整个光束的能量的比例。例如，光束的第二部分占整个光束的能量的比例可以小于10％、5％或3％，而光束的第一部分占整个光束的能量的比例可以大于80％、90％或95％。也就是说，绝大部分的反射光束的光被要求反射至光谱仪208，由此光谱仪20可以更为可靠地实现对从样品出射的光的偏振特性的分析。

在一些实施例中，反射型聚焦镜101可以被布置在光路上紧邻光谱仪208的位置。但这并非限制，在又一些实施例中，反射型聚焦镜101和光谱仪208之间具有其他的光学器件(例如，反射器件或诸如光束整形的器件)也是可能的。

为了更加清楚地理解反射型聚焦镜101的构造，图2a、图2b和图2c分别示出了根据本公开的示例实施例的反射型聚焦镜的不同角度的示图；以及图2d示出了根据本公开的示例实施例的光斑入射在反射型聚焦镜的反射表面上的示图。

如图2a至图2d的示例所示，该通光孔111可以为狭缝。进一步地，该狭缝可以定位在反射表面的大致中央位置。更进一步地，狭缝的长度和和宽度方向的尺寸可以均小于入射在反射表面115上的光束的束直径。又更进一步地，狭缝的长度还可以远大于狭缝的宽度。此外，上述狭缝的长向方向还可以被选择定位成在上述椭偏量测系统的入射光束和反射光束所限定的平面内。作为示例，狭缝可以为长条形，尺寸为1mm*7mm。

容易理解，以上述方式，该狭缝所产生的投射在多象限探测器103上的条形光斑也将主要在在上述椭偏量测系统的入射光束和反射光束所限定的平面内。此外，尽管上面以狭缝为示例示出了通光孔111的结构，但本领域技术人员应当理解，其他样式的通光孔结构也是可能的，包括但不限于圆形、三角形、椭圆形等规则形状或不规则形状。

根据本公开的设计，从上述通光孔111透过的所述第二部分的光可以直接或间接地投射到多象限探测器103，而后者的作用在于接收所述光束的所述第二部分，并且产生与所述样品偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离有关的探测信号。作为上述间接投射的示例，从上述通光孔111透过的所述第二部分的光可以例如经由聚焦透镜102而投射到多象限探测器103，其中聚焦透镜102可以起到会聚光至多象限探测器103的作用。

进一步地，在一些实施例中，多象限探测器113(或者，连同上述聚焦透镜102)可以被定位在所述椭偏量测系统的从样品反射的光束的光路的直线延伸线上。以这种方式，可以使得整个聚焦装置的结构变得紧凑。容易理解，多象限探测器113不定位在上述直线延伸线上也是可能的。此外，本公开并不限制多象限探测器113中的具体象限数目，例如多象限探测器103可以优选地是二象限探测器、四象限探测器。

仅作为示例，图3a、图3b和图4示出了根据本公开的示例实施例的使用二象限探测器来产生上述探测信号的原理示意图，其中图3a为当样品在椭偏量测系统的量测光路的焦面上时光斑在二象限探测器上的示意图；而图3b为当样品相对于椭偏量测系统的量测光路的焦面为离焦时光斑在二象限探测器上的示意图；以及图4示出了二象限探测器所产生的差分信号与样品偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离Z(或离焦距离)的关系示意图。

如图3a所示，当样品在椭偏量测系统的量测光路的焦面上时，投射到二象限探测器103上的光斑123可以等分地位于二象限探测器103的两个象限——即象限121和象限122——之内。在这种情况下，二象限探测器103所产生的与这两个象限的探测值相关的差分信号可以等于0。

作为对照，如图3b所示，当样品相对于椭偏量测系统的量测光路的焦面为离焦时，投射到二象限探测器103上的光斑123将偏离二象限探测器103的两个象限之间的分界线，由此产生不等于0的差分信号。

进一步地，如图4所示，上述差分信号可以是上述距离Z(或离焦距离)的单调函数。即，上述差分信号可以随着距离Z的增加而增加，或者减少而减少，其中Z的正值和负值表示样品在不同方向偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面。

下面简单地描述获得上述二象限探测器103的差分信号的推导过程。

具体地，聚焦系统的工作原理主要利用三角法，即：当样品台位置(或样品位置)Z变化时，多象限探测器上的光斑位置也对应地移动(如图3所示)。

不失一般性，现假设聚焦透镜102与聚焦镜头组206相同、光束入射至样品的入射角为θ、在样品表面上的光斑的半径为R(譬如，光斑可以为平顶光斑，并且R可以等于60μm，注意：由于聚焦透镜102的通光结构处于瞳面，所以经过聚焦透镜102成像后，对应地在探测器上的光斑尺寸也应为R＝60μm)、二象限探测器103的上下象限的间隔为D(例如，D可以为10μm)，以及在焦面时样品台位置为Z＝0，则二象限探测器的差分信号Differ可以用下式来表示：

其中I1，I2为照射到二象限探测器103上下象限的光强，它们可以用下式表示：

可以看出，当处于焦面Z＝0时，光斑均匀分布于两个象限，差分信号为零。进一步地，根据式(1)、(2)和(3)就可以得到差分信号与样品台位置Z的关系曲线，如图4所示。

容易理解，上述差分信号可以用作与样品偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离有关的探测信号，而该探测信号随后可以发送给处理器以便对样品的离焦状况进行调整，如后面将要继续描述的。

这里需要说明的是，如图3a和图3b所示的，光斑可以基本上竖直地位于二象限探测器103的中央，这表明二象限探测器被以使得其纵向方向与狭缝的纵向方向平行的方式进行布置，这可以简化上述差分信号的计算，但这不是必须的，例如光斑倾斜地位于二象限探测器103上也是可能的。

此外，尽管上述以二象限探测器为例描述了如何产生差分信号以指示样品偏离所述椭偏量测系统的入射光束的焦面的距离，但应当理解，其他多象限探测器也可以类似地产生上述差分信号。

处理器104可以接收上述多象限探测器103所产生的探测信号，并且基于上述探测信号产生用于使所述样品移动至所述焦面的控制信号，从而实现自动聚焦的功能。

特别地，在一些实施例中，上述处理器104所产生的控制信号可以是用于操控样品台205的致动机构(未示出)的控制信号，从而实现对样品的移动以及自动聚焦。

以上已经详细地描述本公开的自动聚焦装置的示意性结构和原理。容易理解，本公开的自动聚焦装置可以与椭偏测量系统协同使用。进一步地，本公开的自动聚焦装置可以构成椭偏量测装置的一部分，后者可以至少包括椭偏测量系统和本公开的自动聚焦装置两者。

还容易理解，本公开的自动聚焦装置由于与椭偏测量系统共光路，其能够实际地反映样品相对于椭偏测量系统的焦点变化，并且无需常规的焦点偏移量的定标操作。此外，由于采用了具有通光孔结构的反射型聚焦镜，可以有特别少部分的光被用于监测椭偏测量系统的对焦情况，这与传统的采用分束器进行分束的方式相比，光束投射至光谱仪上的光量更多，这对于光谱仪的偏振分析更为有利。另外，本公开的多象限探测器不仅仅可以用于产生上述反映样品相对于椭偏测量系统的焦点变化的探测信号，其还可以同时提供光强监测的功能，这有利于自动聚焦装置集成有更多地光学功能。

虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但这些说明和描述应被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所请求保护的发明中，通过研究附图、公开和所附权利要求可以理解并且实践所公开的实施例的其它变体。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足在权利要求中阐述的多个项目的功能。仅在互不相同的实施例或从属权利要求中记载某些特征的仅有事实，并不意味着不能有利地使用这些特征的组合。在不脱离本申请的精神和范围的情况下，本申请的保护范围涵盖在各个实施例或从属权利要求中记载的各个特征任何可能组合。

此外，在权利要求中的任何参考标记不应被理解为限制本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于椭偏量测系统(200)的自动聚焦装置(100)，其适于被布置在所述椭偏量测系统(200)的从样品(204)反射的光束的光路上，所述自动聚焦装置(100)包括：

反射型聚焦镜(101)，被构造成具有凹面反射表面和通光孔(111)，所述凹面反射表面适于反射所述光束的第一部分至所述椭偏量测系统(200)中的光谱仪(208)，所述通光孔(111)适于透过所述光束的第二部分，其中所述第一部分所占光束的能量的比例大于所述第二部分所占光束的能量的比例；

多象限探测器(103)，被布置成用于接收从所述通光孔(111)所透过的所述光束的所述第二部分，并且产生与所述样品(204)偏离所述椭偏量测系统(200)的入射光束的焦面的距离有关的差分探测信号；以及

处理器(104)，被配置成基于所述差分探测信号，产生用于使所述样品(204)移动至所述焦面的控制信号。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，还包括：

聚焦透镜(102)，被布置成用于将从所述通光孔(111)透过的所述光束的所述第二部分聚焦至所述多象限探测器(103)。

3.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，所述通光孔(111)为狭缝，所述狭缝的长向方向被定位在所述椭偏量测系统的所述入射光束和反射光束所限定的平面内。

4.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，所述通光孔(111)为狭缝，所述狭缝的长度和宽度方向的尺寸均小于入射在所述凹面反射表面上的光束的束直径。

5.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，所述多象限探测器(103)位于所述椭偏量测系统(200)的从样品(204)反射的光束的光路的直线延伸线上。

6.根据权利要求1所述的自动聚焦装置(100)，所述多象限探测器(103)是二象限探测器，其被配置成产生所述差分探测信号。

7.根据权利要求6所述的自动聚焦装置(100)，当所述通光孔(111)为狭缝时，所述二象限探测器被布置成使得其纵向方向与所述狭缝的纵向方向平行。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的自动聚焦装置(100)，其中当所述样品(204)位于所述椭偏量测系统(200)的入射光束的焦面上时，所述探测信号为零。

9.根据权利要求8所述的自动聚焦装置(100)，其中所述探测信号是所述距离的单调函数。

10.根据权利要求1-7和9中任一项权利要求所述的自动聚焦装置(100)，所述多象限探测器(103)还被配置成监测从样品(204)反射的所述光束的光强。

11.一种椭偏量测装置，其包括：

椭偏量测系统(200)；以及

根据权利要求1-10中任一项所述的自动聚焦装置(100)。