TWI836749B - 光學檢測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明是有關於一種光學檢測裝置，更詳細而言是有關於一種用於找尋量測對象試樣的量測區域的光學檢測裝置。本發明提供一種光學檢測裝置，所述光學檢測裝置包括：影像獲取部，包括第一照明光學系統及成像光學系統，所述第一照明光學系統以將第一照明光照射至試樣表面的量測位置的方式構成，所述成像光學系統以將來自所述試樣表面的第一反射光聚光並使其在第一偵測器成像的方式構成；以及距離感知部，包括第二照明光學系統、光束成形光學系統及第二偵測器，所述第二照明光學系統以將第二照明光照射至試樣表面的量測位置的方式構成，所述光束成形光學系統改變來自所述試樣表面的第二反射光的形態，所述第二偵測器使通過所述光束成形光學系統的第二反射光以未成像的狀態入射，所述光束成形光學系統以根據所述第一照明光學系統的物鏡與所述試樣表面之間的距離來改變通過所述光束成形光學系統的第二反射光的形態的方式構成。
Description
本發明是有關於一種光學檢測裝置，更詳細而言是有關於一種用於找尋量測對象試樣的量測區域的光學檢測裝置。
分光橢圓偏光術（spectroscopic ellipsometry，SE）作為導出半導體薄膜的厚度及折射率（refractive index，n）、消光係數（extinction coefficient，k）、光學帶隙（optical bandgap）等資訊的方法。分光橢圓偏光術是利用入射至物質的光在表面反射或透過後，根據其介質的折射率或厚度而偏振狀態發生變化的性質來調查物質的光學特性的分析法。
在半導體產業領域中使用的橢圓偏振光譜儀（spectroscopic ellipsometer）具有數十微米的大小的微焦點（micro focal spot），為了實現該情形構成利用透過型或反射型光學元件的光學系統。
但是，此種橢圓偏振光譜儀獲取僅提供關於構成試樣的薄膜的厚度或光學物性的間接資訊的光譜作為量測值，因此無法自行找尋量測位置等。所以，需要用於找尋測量位置、焦點面、試樣的傾斜度等以將橢圓偏振光譜儀引導至量測位置的另外的光學檢測裝置（導航光學裝置）。
技術課題
本發明是為了應對上述要求而提出，目的在於為橢圓偏振光譜儀等其他檢測裝置提供可找尋量測位置、焦點面、試樣的傾斜度的新架構的光學檢測裝置。
解決課題之手段
為達成所述目的，本發明提供一種光學檢測裝置，所述光學檢測裝置包括：影像獲取部，包括第一照明光學系統及成像光學系統，所述第一照明光學系統以將第一照明光照射至試樣表面的量測位置的方式構成，所述成像光學系統以將來自所述試樣表面的第一反射光聚光並使其在第一偵測器成像的方式構成；以及距離感知部，包括第二照明光學系統、光束成形光學系統及第二偵測器，所述第二照明光學系統以將第二照明光照射至試樣表面的量測位置的方式構成，所述光束成形光學系統改變來自所述試樣表面的第二反射光的形態，所述第二偵測器使通過所述光束成形光學系統的第二反射光以未成像的狀態入射，所述光束成形光學系統以根據所述第一照明光學系統的物鏡與所述試樣表面之間的距離來改變通過所述光束成形光學系統的第二反射光的形態的方式構成。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述光束成形光學系統以如下方式構成：在所述物鏡與所述試樣表面之間的距離為基準距離的情況下，將第二反射光的形態變為圓形，且在與基準距離不同的情況下，將第二反射光的形態變為橢圓形。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述光束成形光學系統包括功率方向（power direction）彼此正交的一對筒形透鏡。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述第二照明光學系統以如下方式構成：使用所述第一照明光學系統的物鏡，並在所述試樣表面的量測位置處將第二照明光聚光，並收集在所述量測位置反射的第二反射光。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述基準距離為與所述影像獲取部的焦點匹配的距離。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述第二照明光是紅外光，且包括佈置於所述第一偵測器與所述物鏡之間的熱鏡（hot mirror），以防止所述第二照明光及所述第二反射光入射至所述第一偵測器。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述第二偵測器為四胞元（quad cell）。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述第二照明光學系統包括第二分束器，所述第二分束器用於透射所述第二照明光，並將所述第二反射光反射到所述第二偵測器，所述第二照明光是雷射光，且所述第二分束器是偏光分束器。
另外，提供一種光學檢測裝置，所述光學檢測裝置更包括：傾斜感知部，包括第三照明光學系統及第三偵測器，所述第三照明光學系統以將第三照明光照射至試樣表面的量測位置的方式構成，所述第三偵測器使來自所述試樣表面的第三反射光以未成像的狀態入射。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述第三照明光為圓形光。
另外，提供一種光學檢測裝置，其中所述傾斜感知部是基於入射至所述第三偵測器的第三反射光的中心脫離所述第三偵測器的中心的程度來感知所述試樣表面的傾斜。
發明的效果
根據本發明的光學檢測裝置具有可使用光束成形光學系統精確地量測與試樣表面的距離的優點。另外，具有影像獲取部與距離感知部共享物鏡等光學要素的優點。
以下，將參照附圖詳細說明本發明的一實施例。然而，本發明的實施例可變形為各種其他形態，且本發明的範圍不應被解釋為限於以下詳細記述的實施例。提供本發明的實施例是為了向本領域中普通技術人員更完整地說明本發明。因此，為強調更明確的說明，附圖中的要素的形狀等被誇張表示，且附圖中由相同的符號表示的要素意指相同的要素。
如圖1所示，根據本發明一實施例的光學檢測裝置包括影像獲取部（100）及距離感知部（200）。根據本發明一實施例的光學檢測裝置可達到將橢圓偏振光譜儀等其他量測裝置引導至量測位置的作用。
影像獲取部（100）用於獲取試樣（S）表面的影像。光學檢測裝置可利用自影像獲取部（100）獲取的影像來確認量測區域的位置。
影像獲取部（100）包括第一照明光學系統（110）、成像光學系統（120）及第一偵測器（130）。
第一照明光學系統（110）以將第一照明光照射至試樣（S）表面的量測位置的方式構成。第一照明光學系統（110）可包括第一光源（111）、第一分束器（113）及物鏡（115）。
可使用鹵素燈、氙燈、發光二極體等作為第一光源（111）。第一光源（111）產生可見光區域的第一照明光。
第一分束器（113）起到反射自第一光源（111）發出的第一照明光的一部分並向物鏡（115）側引導的作用。另外，第一分束器（113）使在物鏡（115）收集的第一反射光的一部分透過。
物鏡（115）起到將自第一分束器（113）反射的束聚光在試樣（S）的量測位置，並收集自量測位置處反射的束的作用。物鏡（115）設置於透鏡聚焦致動器（lens focus actuator）（117）。
透鏡聚焦致動器（117）對物鏡（115）與試樣（S）之間的距離進行調節，從而起到調節影像獲取部（100）的焦點面使其位於試樣（S）的表面的作用。
成像光學系統（120）起到對來自試樣（S）表面的第一反射光進行聚光以使其在第一偵測器（130）成像的作用。
成像光學系統（120）使用第一照明光學系統（110）的物鏡（115）與第一分束器（113）。並且，成像光學系統（120）更包括熱鏡（hot mirror）（121）及鏡筒透鏡（123）。鏡筒透鏡（123）起到將透過第一分束器（113）及熱鏡（121）的第一反射光聚光至第一偵測器（130）的作用。熱鏡（121）反射紅外光並透射可見光。熱鏡（121）防止紅外光入射至第一偵測器（130）。
第一偵測器（130）可為電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）或互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）相機。影像獲取部（100）使用來自第一偵測器（130）的電性訊號來獲取試樣（S）表面的影像。
距離感知部（200）起到對物鏡（115）與試樣（S）表面之間的距離進行量測的作用。當使用自距離感知部（200）量測的距離來控制透鏡聚焦致動器（117）時，可使影像獲取部（100）的焦點面位於試樣（S）表面上。
距離感知部（200）包括第二照明光學系統（210）、光束成形光學系統（220）以及第二偵測器（230）。
第二照明光學系統（210）起到將第二照明光照射至試樣（S）表面的量測位置的作用。在本實施例中，第二照明光學系統（210）包括第二光源（211）、使來自第二光源（211）的束變得平行的準直器（準直透鏡（collimation lens））（212）以及第二分束器（213），且亦使用影像獲取部（100）的熱鏡（121）、第一分束器（113）及物鏡（115）。
可使用雷射二極體或發光二極體作為第二光源（211）。第二光源（211）產生紅外光區域的第二照明光。第二照明光在透過第二分束器（213）後在熱鏡（121）處反射。在使用雷射作為第二照明光的情況下，較佳為使用偏光分束器作為第二分束器（213）。其原因在於可將在反射及透射過程中的光量減少的情形最小化。
並且，自熱鏡（121）反射的第二照明光在透過第一分束器（113）後入射至物鏡（115）。物鏡（115）達到將第二照明光聚光在試樣（S）表面的量測位置並收集在量測位置反射的第二反射光的作用。本發明具有以下優點：使用一個物鏡（115）將第一照明光及第二照明光聚光並收集第一反射光及第二反射光。
在本發明中，使用與第一照明光波長段不同的紅外光作為第二照明光，使用熱鏡（121）將第二反射光與第一反射光分離，並防止第二反射光入射至第一偵測器（130）。
在物鏡（115）處收集的第二反射光再次透過第一分束器（113）後在熱鏡（121）處反射。由於紅外光無法透過熱鏡（121），因此紅外光區域的第二反射光不會入射至第一偵測器（130）。
自熱鏡（121）反射的第二反射光在第二分束器（213）中向第二偵測器（230）側反射。
光束成形光學系統（220）佈置於第二分束器（213）與第二偵測器（230）之間。光束成形光學系統（220）起到改變第二反射光的形態的作用。例如，可將第二反射光改變為圓形或橢圓形。光束成形光學系統（220）可以如下方式構成：在物鏡（115）與試樣（S）表面之間的距離為基準距離的情況下，將第二反射光的形狀改變為圓形，而在與基準距離不同的情況下，將其改變為橢圓形。影像獲取部（100）的焦點面位於試樣（S）表面上並與試樣（S）表面相隔基準距離。
圖2是示出圖1所示的光束成形光學系統的一例的圖。如圖2所示，光束成形光學系統（220）可包括功率方向（power direction，PD）彼此正交的一對筒形透鏡（221、223）。作為筒形透鏡（221、223），可使用長方形、正方形、圓形、橢圓形等各種外形的筒形透鏡（221、223）。筒形透鏡（221、223）是將光的焦點對準線而非點的透鏡。功率方向是指具有光學功率的筒形透鏡（221、223）的彎曲方向。與功率方向正交的非功率方向（non-power direction，NPD）不會對光學功率產生影響。一對筒形透鏡（221、223）的焦距可彼此相等，亦可彼此不同。
亦可使用球面透鏡或非球面透鏡作為光束成形光學系統（220），但就可使第二反射光的形態變化最大化的方面來看，較佳為使用一對筒形透鏡（221、223）。
通過光束成形光學系統（220）的第二反射光以未成像的狀態入射至第二偵測器（230）。即，在光束成形光學系統（220）與第二偵測器（230）之間不佈置用於成像的透鏡。第二偵測器（230）可為具有四個光二極體的四胞元、CCD、CMOS相機等。在使用四胞元的情況下，若自四個光二極體輸出的電性訊號的大小相同，則可確認影像獲取部（100）的焦點面位於試樣的表面。
圖3的(a)至(c)是表示第二反射光根據物鏡與試樣表面之間的距離的形態變化的圖。如圖3的（a）所示，在物鏡與試樣表面之間的距離為基準距離時為圓形，如圖3的（b）所示，若相較於基準距離遠，則長軸變形為傾斜-45度的橢圓形，且如圖3的（c）所示，若相較於基準距離近，則長軸變形為傾斜+45度的橢圓形。
因此，若使用透鏡聚焦致動器（117）調節物鏡（115）與試樣（S）表面之間的距離直至在第二偵測器（230）中確認的第二反射光變為圓形，則可使影像獲取部（100）的焦點面位於試樣（S）表面。假設第二反射光是長軸傾斜-45度的橢圓形，則使物鏡（115）靠近試樣（S）表面移動，若第二反射光是長軸傾斜+45度的橢圓形，則使物鏡（115）遠離試樣（S）表面移動，從而可使第二反射光成為圓形。
假設第二照明光為環形態，則光束成形光學系統（220）可將第二反射光改變為圓形環或橢圓形環。使用光圈則可將第二照明光製成環形態。
圖4是根據本發明另一實施例的光學檢測裝置的概念圖。圖4所示的實施例在更包括傾斜感知部（300）的方面與圖1所示的實施例存在差異，因此將僅對此詳細地進行說明。
傾斜感知部（300）包括第三照明光學系統（310）與第三偵測器（320）。傾斜感知部（300）對試樣（S）的表面是否傾斜進行檢測。
第三照明光學系統（310）起到將第三照明光照射至試樣（S）表面的量測位置的作用。在本實施例中，第三照明光學系統（310）包括第三光源（311）、使來自第三光源（311）的束變得平行的準直器（312）、第三分束器（313）、第四分束器（315），且亦使用影像獲取部（100）的熱鏡（121）、第一分束器（113）及物鏡（115）作為第三照明光學系統（310）的一部分。
可使用雷射二極體或發光二極體作為第三光源（311）。第三光源（311）產生紅外光區域的第三照明光。第三照明光較佳為圓形光。第三照明光在第三分束器（313）處反射後在第四分束器（315）處再次反射。並且，在熱鏡（121）處再次反射。在使用雷射作為第三照明光的情況下，較佳為使用偏光分束器作為第三分束器（313）及第四分束器（315）。其原因在於可將反射及透過過程中的光量減少的情形最小化。
並且，在熱鏡（121）處反射的第三照明光在透過第一分束器（113）後入射至物鏡（115）。物鏡（115）起到將第三照明光聚光至試樣（S）表面的量測位置，並收集自量測位置處反射的第三反射光的作用。本實施例具有以下優點：使用一個物鏡（115）對第一照明光、第二照明光及第三照明光進行聚光，並收集第一反射光、第二反射光及第三反射光。
在本發明中，使用與第一照明光不同的紅外光作為第三照明光，使用熱鏡（121）將第三反射光與第一反射光分離，防止第三反射光入射至第一偵測器（130）。
在物鏡（115）處收集的第三反射光在再次透過第一分束器（113）後在熱鏡（121）處反射。紅外光無法透過熱鏡（121），因此紅外光區域的第三反射光不會入射至第一偵測器（130）。
在熱鏡（121）處反射的第三反射光在第四分束器（315）處向第三偵測器（320）側反射。然後在透過第三分束器（313）後入射至第三偵測器（320）。
第三反射光以未成像的狀態入射至第三偵測器（320）。即，在第三分束器（313）與第三偵測器（320）之間不佈置用於成像的透鏡。第三偵測器（320）可為具有四個光二極體的四胞元、CCD、CMOS相機等。
傾斜感知部（300）基於入射至第三偵測器（320）的反射光的中心脫離第三偵測器（320）的中心的程度來檢測試樣（S）的表面是否傾斜。若第三反射光的中心與第三偵測器（320）的中心一致，則判斷為試樣的表面沒有傾斜，藉由脫離中心的程度及方向可知試樣的表面傾斜的程度及方向。
以上說明的實施例僅說明本發明的較佳實施例，本發明的權利範圍不限於所說明的實施例，且應理解在本發明的技術思想及申請專利範圍內可藉由本領域的技術人員進行各種改變、變形或替換，而此種實施例均屬於本發明的範圍。
100:影像獲取部
110:第一照明光學系統
111:第一光源
113:第一分束器
115:物鏡
117:透鏡聚焦致動器
120:成像光學系統
121:熱鏡
123:鏡筒透鏡
130:第一偵測器
200:距離感知部
210:第二照明光學系統
211:第二光源
212、312:準直器
213:第二分束器
220:光束成形光學系統
221、223:筒形透鏡
230:第二偵測器
300:傾斜感知部
311:第三光源
313:第三分束器
315:第四分束器
320:第三偵測器
NPD:非功率方向
PD:功率方向
S:試樣
圖1是根據本發明一實施例的光學檢測裝置的概念圖。
圖2是示出圖1所示的光束成形光學系統的一例的圖。
圖3的(a)至(c)是表示第二反射光根據物鏡與試樣表面之間的距離的形態變化的圖。
圖4是根據本發明另一實施例的光學檢測裝置的概念圖。
100:影像獲取部
110:第一照明光學系統
111:第一光源
113:第一分束器
115:物鏡
117:透鏡聚焦致動器
120:成像光學系統
121:熱鏡
123:鏡筒透鏡
130:第一偵測器
200:距離感知部
210:第二照明光學系統
211:第二光源
212:準直器
213:第二分束器
220:光束成形光學系統
221、223:筒形透鏡
230:第二偵測器
S:試樣
Claims (9)
- 一種光學檢測裝置，包括：影像獲取部，包括第一照明光學系統及成像光學系統，所述第一照明光學系統以將第一照明光照射至試樣表面的量測位置的方式構成，所述成像光學系統以將來自所述試樣表面的第一反射光聚光並使其在第一偵測器成像的方式構成以及距離感知部，包括第二照明光學系統、光束成形光學系統及第二偵測器，所述第二照明光學系統以將第二照明光照射至所述試樣表面的量測位置的方式構成，所述光束成形光學系統改變來自所述試樣表面的第二反射光的形態，所述第二偵測器使通過所述光束成形光學系統的第二反射光以未成像的狀態入射，所述光束成形光學系統以根據所述第一照明光學系統的物鏡與所述試樣表面之間的距離來改變通過所述光束成形光學系統的第二反射光的形態的方式構成；以及傾斜感知部，包括第三照明光學系統及第三偵測器，所述第三照明光學系統以將第三照明光照射至所述試樣表面的量測位置的方式構成，所述第三偵測器使來自所述試樣表面的第三反射光以未成像的狀態入射，其中所述傾斜感知部是基於入射至所述第三偵測器的所述第三反射光的中心脫離所述第三偵測器的中心的程度來感知所述試樣表面的傾斜。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中 所述光束成形光學系統以如下方式構成：在所述物鏡與所述試樣表面之間的距離為基準距離的情況下，將所述第二反射光的形態變為圓形，且在與所述基準距離不同的情況下，將所述第二反射光的形態變為橢圓形。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中所述光束成形光學系統包括功率方向(power direction)彼此正交的一對筒形透鏡。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中所述第二照明光學系統以如下方式構成：使用所述第一照明光學系統的物鏡，並在所述試樣表面的量測位置處將所述第二照明光聚光，並收集在所述量測位置反射的所述第二反射光。
- 如請求項2所述的光學檢測裝置，其中所述基準距離為與所述影像獲取部的焦點匹配的距離。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中所述第二照明光是紅外光，且包括佈置於所述第一偵測器與所述物鏡之間的熱鏡，以防止所述第二照明光及所述第二反射光入射至所述第一偵測器。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中所述第二偵測器為四胞元(quad cell)。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中所述第二照明光學系統包括第二分束器，所述第二分束器用於透射所述第二照明光，並將所述第二反射光反射到所述第二偵 測器，所述第二照明光是雷射光，且所述第二分束器是偏光分束器。
- 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中所述第三照明光為圓形光。
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