專利名稱：同時具有多波長、多入射角和多方位角的光學測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測和測量系統(tǒng)，特別涉及例如半導體器件和/或晶片 等待測器件(Device Under Test,簡稱DUT)的光學檢測和測量。
背景技術：
由一導向光束被待測器件(DUT)反射所產生的信息具有多種用 途。晶片上不同涂層(單層涂層或多層涂層)的厚度可由反射率或相 對反射率光譜確定，同時，也可以導出單波長的反射率。這是十分有 用的，因為涂覆有光刻膠的晶片在平版曝光機所用波長下的反射率必 須得以確定，以用于確定用于這些晶片的合適的曝光等級，或用于最 優(yōu)化光刻膠厚度以最小化整個堆疊涂層的反射率。通過分析精確測量 得到的反射光鐠，還可以得到涂層的折射率。
對于很多工業(yè)應用，測量樣品表面超薄薄膜的厚度(小于約300 埃)是十分有用的，其利用對樣品的反射率相位測量進行。例如，樣品可以是帶有涂層的半導體晶片，而超薄薄膜可以涂覆于晶片的硅村
底表面。
因為半導體工藝中通常對允許誤差的要求非常高，所以需要一種 用于獲取晶片反射率量度的準確的裝置。在傳統(tǒng)的反射率測量系統(tǒng) 中，單色或寬帶光從晶片反射離開，反射光被收集和測量。例如，如
圖l所示，在一個傳統(tǒng)的測量和/或檢測系統(tǒng)中，使用一透鏡IOO，進 入的入射光線102在通過該透鏡100時發(fā)生折射，繼而被聚焦在待測 器件(DUT) 106上的焦點104上，從而產生可供分析的反射率信息。
高數(shù)值孔徑("NA，，)的透鏡(NA 0.95)已被用來實現(xiàn)同時具有 大范圍入射角和方位角的入射光。然而它有許多局限。首先，由于透 鏡材料在紫外波段吸收入射光，很難將入射光波長延伸到紫外波段 (例如波長小于400nm)。其次，由于色差，它很難使用寬帶光，例 如從250nm至1000nm的波長同時進行工作。第三，當光通過透鏡時， 存在光被吸收的問題，光強會隨著其通過透鏡而減小。
為了保持系統(tǒng)在寬帶光源中性能的 一致性，需要采用反射型的光 學系統(tǒng)。由于設計變量數(shù)量有限，設計的選擇性也受到限制。例如， Schwarzchild設計的反射物鏡具有有限的數(shù)值孔徑NA,還會阻礙中 心光束，也不能實現(xiàn)大范圍的入射角。非球面反射表面也被廣泛地使 用，不過其在大多數(shù)情況下被使用于非常傳統(tǒng)的方式下，即對稱軸垂 直于反射表面，入射角的范圍也受到限制。
通過分析反射或透射光束的特性，可以推斷出表面的特性。反射 或透射光束的特性包括光強、偏振態(tài)、相位、反射角和波長等。表面 特性包括反射率、薄膜厚度、表面或薄膜的折射率、表面微結構、表 面顆粒、表面缺陷和表面粗糙度等。
探測到的關于反射或透射光束的信息越多，可推斷出的關于表面 特性的信息就越多。為了達到這個目標，需要有一個發(fā)明，其能夠允 許(1 )全范圍入射角(0度到近90度)；(2)大范圍方位角；(3) 超寬范圍波長；(4)任意偏振態(tài)等的檢測。
因此，在光學測量和;險測系統(tǒng)中，希望光束可乂人不同入射角或不同方位角入射到物體上。進一步地，希望該光束是多波長光或連續(xù)波帶光。
發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供方法和裝置，其能夠實現(xiàn)在反射表面上
全范圍(0度到近90度)的入射角。
本發(fā)明的另一個目的是提供方法和裝置，其能夠實現(xiàn)大范圍方位 角的測量。
本發(fā)明的又一個目的是提供方法和裝置，其能夠實現(xiàn)超寬范圍波 長的測量。
本發(fā)明的再一個目的是提供方法和裝置，其能夠測量任意的偏振態(tài)。
簡而言之，本發(fā)明揭示了一種光學測量裝置，它包括光源，用 以提供入射光線；具有內部反射面的半拋物面型反射器，其中，該反 射器具有一焦點和一概要軸，且待測器件置于焦點位置附近，其中， 進入該反射器且與概要軸平行的入射光線會被導向到焦點，并反射離 開該待測器件，產生指示該待測器件的指示信息，其中，該反射光線 離開該反射器；以及探測器陣列，用以接收該離開光線。
本發(fā)明的 一個優(yōu)點在于提供了方法和裝置，其能夠實現(xiàn)在反射表 面上的全范圍(0度到近90度)入射角。
本發(fā)明的另 一 個優(yōu)點在于提供了方法和裝置，其能夠實現(xiàn)大范圍 方位角的測量。
本發(fā)明的又 一 個優(yōu)點在于提供了方法和裝置，其能夠實現(xiàn)超寬范 圍波長的測量。
本發(fā)明的再 一 個優(yōu)點在于提供了方法和裝置，其能夠實現(xiàn)任意偏
振態(tài)的測量。
下面將結合附圖和應用例子對本發(fā)明作進 一 步詳細說明。圖1是現(xiàn)有技術中用于檢測和/或測量系統(tǒng)的使用透鏡進行聚光
的示意圖2是本發(fā)明的技術的二維概念示圖3是本發(fā)明的一個較佳實施例的三維俯視圖4是本發(fā)明的拋物面反射器的內視圖5是本發(fā)明的拋物面反射器的側視圖6是本發(fā)明的拋物面反射器的俯視圖7示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中光源被放置在拋物面反 射器的焦點上；
圖8示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中光探測器被放置在拋物 面反射器的焦點上；
圖9示出了拋物面反射器與探測器陣列關聯(lián)放置，其中探測器陣 列連接到 一 個或多個光i普儀上；
圖10是拋物面反射器及波長濾光4侖(wave length filter wheel )、 分光器以及探測器陣列的側視圖IIA是拋物面反射器及波長濾光輪、分光器以及探測器陣列的 俯視圖IIB是與圖IIA中濾光輪上波長濾光器對應的帶通濾光透過率 曲線；
圖12是拋物面反射器及起偏器、波片、分光器和檢偏器的側視
圖13是拋物面反射器及起偏器、分光器、靠近光源的濾光輪、 靠近探測器陣列的濾光輪、檢偏器和探測器陣列的側視圖14A是另一個拋物面反射器及可調光源、起偏器、分光器、濾 光輪和檢偏器的側視圖14B是拋物面反射器及多激光束光源、起偏器、分束器、濾光 輪和檢偏器的側視圖14C是拋物面反射器及可調濾光器、起偏器、分束器、濾光輪 和檢偏器的側視圖；圖15示出了本發(fā)明用于透射模式的一個實施例；
圖16示出了本發(fā)明的又一個實施例，其中在反射器正上方具有
開口，用于允許強光通過從而檢測待測器件，特別是檢測待測器件上
的顆粒；
圖17示出了本發(fā)明的再一個實施例，其中在反射器正上方具有 開口，用于允許強光通過從而檢測待測器件，特別是檢測待測器件的 表面粗糙度；以及
圖18示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中在反射器側方具有開 口 ，用于允許強光通過從而4企測待測器件以探測小顆粒。
具體實施例方式
參照圖2,解釋了本發(fā)明實施方式的關鍵基礎概念。設一拋物線 210位于y軸和z軸構成的坐標系中，概念上，拋物線的形狀可被寫 成簡單的數(shù)學函數(shù)形式，即z-ay2，其中和z軸平行的進入的入射光 線將在拋物線焦點"F"處和z軸相交，其中該焦點位于(0，l/4a),且
"a"為常數(shù)。進入的入射光線和拋物線表面相交，被導向到焦點， 該焦點位于入射平面212內(該平面和對稱軸垂直并通過焦點"F")。 這里，如圖所示，進入的入射光線214和對稱軸平行。該光線照 射在拋物線表面，該拋物線反射器由于其特性，將光線導向到其焦點 并在交點"F"和z軸相交。在交叉后，光線又照射在拋物線表面上， 且該拋物線表面再次將光線導向為出射光線218,其方向和入射方向 相反，并與對稱軸平行。由于拋物線的獨特性質，如果進入的入射光 線和對稱軸平行，離開的反射光線總是和對稱軸平行。
在本發(fā)明的一個目前較佳實施例中，如圖3，示出了一拋物面反 射器310,其可以為半拋物面形狀。在這里，以上描述的二維拋物線 的特性對于拋物面仍然適用。例如，與概要軸平行射入的入射光線314
(光線1 ),將在拋物面反射器表面上點316反射離開。由于拋物面的 特性，反射光線將被導向到該拋物面的焦點，即點"F",其也是交叉 面312和z軸即概要軸的交點。光線將反射離開"F"點，產生和待測器件(圖中未示出)有關的信息，然后再次在拋物面上點318反射 離開，且被再次導向離開拋物面反射器，成為光線320 ,其將被探測 器(圖中未示出)所檢測。并且，由于拋物面的獨特特性，如果進入 的入射光線和對稱軸平行，離開的反射光線也總是和對稱軸平行。
本發(fā)明實施例中的反射器的形狀可以是拋物面，該拋物面可通過 圍繞一拋物線的對稱軸旋轉該拋物線而制得。半拋物面形狀反射器可 以通過沿其旋轉軸將上述拋物面平分為二而制得。在實際應用中，本
拋物面的對稱軸位于將被測量或檢測的待測器件表面的略上方。拋物 面反射器的內表面將是反射面。
取決于光線和拋物面相交的位置，光線將以不同的入射角和方位 角與水平交叉面相交。拋物面上的交點與光線角度之間的關系可以很
容易計算出來。如圖4,從拋物面反射器的開口正對反射回來的光束 看去，拋物面反射器就像半球體的一半。設想拋物面反射器末端表面 有一個極坐標系，進入的入射光束的橫截面是一個四分之一圓形狀， 離開的反射光束的橫截面也是一個四分之一圓形狀。
以半徑1/(2a)進入的入射光線同樣會在同樣大小半徑的圓弧上射 出(參見入射光線l "II"和出射光線l "01")。也可以很容易看出， 任何進入的入射光線在與對稱軸的距離為b處和該拋物面相交，則離 開的出射光線將在和對稱軸的距離為(l/2a)"b處和該拋物面相交。入 射光線和出射光線在交叉面測得的角度相同。因此，在極坐標系(p, e) 中，如果進入的入射光線的極坐標為(p, e)，則離開的出射光線的極坐 標就為(i"2/p，兀-29),其中r^l/(2a)。 例如，和z軸平行的一進入的入 射光線2 ("12"和"02")將同樣沿和z軸平行的方向射出。
圖5示出了反射器510的一個側視圖。這里，焦點(0，l/4a)位于 512處，待測器件相比傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)來說可以更大。光線1， 2， 3 和4與z軸平行射入，如圖所示，其照射到待測器件上之后，被再次 導向并反射離開該反射器，并從該反射器射出。
圖6是反射器610的俯視圖，其中包括交叉面612和方位角cp。這里，和z軸平行的光線1進入反射器成為光線614,在反射器上點 616反射離開并被再次導向成為光線618射到反射器的焦點。然后， 光線618在待測器件(圖中未示出)上反射離開，且重新在反射器上 點620反射離開，并被反射成為平行z軸的光線622離開反射器。光 線2沿著并平行于z軸進入反射器，其沿著相同路徑離開。
由于離開的光線是被待測器件反射的，因此反射光線的特征將提 供能指示待測器件的信息。反射光線將會被探測器收集，然后可以對 反射光線進行分析。取決于檢測工作或測量工作的性質，探測器可以 是任何類型。
圖7示出了本發(fā)明的另一個實施例，光源714可置于焦點712處， 使得光從焦點發(fā)出之后被重新導向形成準直光束離開反射器。圖8示 出了本發(fā)明的又一個實施例，光探測器814被放置在焦點812處，從 而收集進入反射器的光束。在另一個實施例中，光源可以被放置在焦 點處(參考圖7),而探測器也可以放置在焦點處(參考圖8)以收集 從待測器件反射的任何光線，其中待測器件可放置在反射器開口處 (圖中816未示出)。作為一種替代方案，光探測器也可以放置在反 射器的后部以收集準直光束。
在如圖9所示的本發(fā)明的另一個實施例中，本發(fā)明的拋物面反射 器902和探測器陣列904放在一起，探測器陣列904可以是一個n維 陣列，優(yōu)選地是一個二維探測器陣列904。該探測器陣列可以是光纖 或光轉換器或其他器件的陣列。該探測器陣列也是提供反射光線空間 分布的相關信息的一種裝置。在接收到從拋物面反射器反射來的光線 之后，這些反射光線可被該探測器陣列探測，探測到的信號通過光i普 儀輸入光纖910被傳輸至一個或多個光譜儀。906示出了被探測器陣 列接收到的信號的 一個例子的前視圖。探測器陣列接收到的信號的位 置的相關信息，舉例來說，可以被用來計算各個角度和光強。
參照圖10,示出了本發(fā)明另一個配備濾光輪1014的實施例的側 視圖。這里，濾光輪1014可以被一個馬達1012轉動。準直光線1018 通過該濾光輪的選定波長濾光片(或者一個波長選擇器)，被反射器、半透明反射器或分光器IOIO反射離開。光線被反射到拋物面反射器
1002,并被導向到焦點上以反射離開待測器件1008。然后，反射光線 再次反射離開拋物面反射器，并通過半透明反射器101且被探測器陣 列1004收集。1006示出了可收集光線的一個二維探測器像素點陣的
前視圖。
圖11A示出了圖10所示的實施例的俯^L圖。這里，濾光4侖1114 包括多個波長濾光片，即1115A-1115E?？梢赃x定所需的波長濾光 片，光束可被導向并通過該被選定的濾光片，繼而被半透明反射器 1110分光，然后射向拋物面反射器。光線經過拋物面反射器和待測器 件反射之后，可以被探測器陣列1104收集。需要說明的是，半透明 反射器(分光器)可以被放置在拋物面反射器的一側(如圖所示)， 也可以被放置在兩側。圖IIB是一個帶通濾光器曲線圖，示出了通過 如圖IIA所示的不同波長濾光片(1115A-1115E)的各個光波波長。 對于探測器陣列來說，在一個特定波長下，每一個像素可以表征一種 或多種類型的角度(例如入射角、衍射角和散射角)和一個唯一的方 位角。對于濾光輪上每一個帶通濾光片來說，上述過程可以被重復進 行。
圖12示出了本發(fā)明的另一個實施例。這里， 一個可調節(jié)及可選 擇的起偏器1206是一個可選配組件，它可被加裝在光源附近，這樣， 偏振光線通過并反射離開半透明反射器1203和拋物面反射器1202。 除了可選配的起偏器1206之外， 一個可選配的可調節(jié)及可選擇的檢 偏器1207可以被加裝在探測器陣列1204附近。繼而，光線可被探測 器陣列1204收集。另夕卜，如果需要， 一個可選配的波片1220 (被馬 達1222驅動)可被安裝在光源附近，以允許對光線的特定相位的選 擇。
圖13示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中一個可選配的起偏器 1306和一個可選配的檢偏器1307加裝了濾光器，該濾光器1324或 1314可分別安裝在光源附近或探測器陣列附近。這里，光線1318通 過起偏器1306后通過濾光輪1324,然后通過半透明反射器1303分光之后，經拋物面反射器1302反射到待測器件1308上。然后該光線反 射離開待測器件1308，并通過半透明反射器1303、濾光輪1314,以 及檢偏器1307到達探測器陣列1304。這里，該光線已經被偏振，且 所關心的波長已經被選中。
圖14A- 14C示出了使用不同類型光源的其它實施例。圖14A示 出了光源1428為波長可調光源的實施例。圖14B示出了光源是一系 列激光器1450A- 1450M的實施例，各激光器具有其特定波長。每一 個激光器可以選擇打開或關閉，半透明反射器1472- 1478可用來反 射激光光束到半透明反射器1470上。圖14C示出了光源通過可調濾 光器1480的實施例。
以上使用反射模式對本發(fā)明的多個實施例進行了詳述。本發(fā)明也 可以應用于透射模式，此時待測器件是透明的，即光線可以穿過該待 測器件。圖15示出了本發(fā)明待測器件1508是透明(具有光線可以穿 過其中的特性)時的這樣的一個實施例，光線1518通過可選配的起 偏器1506之后，反射離開半透明反射器1503和第一個拋物面反射器 1502,然后穿過待測器件1508。光線接著反射離開第二個拋物面反射 器1503，并通過可選配的檢偏器，被探測器陣列1504收集。這樣， 待測器件的特性可以被探測、檢測和測量到。
圖16示出了本發(fā)明的另一個實施例。這里，拋物面反射器1602 上有一個開口 1610,正好位于焦點的正上方(垂直正上方)。 一個4艮 強的單色光，例如激光光束被導向射到待測器件1608上。如果在待 測器件上存在顆粒，散射光線就會被產生，并被探測器陣列1604收 集。在另一個如圖17所示的應用中，該實施例也可以用來探測待測 器件1708表面的小顆粒以及表面粗4造度。
圖18示出了本發(fā)明的另一個實施例。這里，拋物面反射器1802 上有一個開口 1810， 一束很強的單色光穿過開口 1810并照射在待測 器件1808上。待測器件1808上的顆?；蚪Y構能夠產生散射效應，散 射光線將被探測器陣列1804收集。
雖然已參照數(shù)個確定的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明不僅僅限于這些特定的實施例。更為確切地，發(fā)明人認為本發(fā)明應 該以如下權利要求為標準來理解其最廣泛的延伸含義。所以，對權利 要求的理解不僅僅限于這些優(yōu)選實施例，還應包括所有其它對于本領 域一般技術人員顯而易見的替換和修改。
權利要求
1. 一種光學裝置，包括-光源，用以提供入射光線；-半拋物面反射器，具有反射表面和焦點，用以聚焦所述入射光線到待測器件，其中所述入射光線在所述待測器件上反射離開，并且反射光線提供指示所述待測器件的信息；-探測器陣列，用以收集從所述待測器件上反射離開的所述反射光線。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述探測器陣列是一個探測 器矩陣，其中從所述反射器上反射的光線的位置映射到所述探測器陣列上。
3. 如權利要求1所述的裝置，還包含有起偏器，其中所述入射 光線在反射離開所述反射器之前通過所述起偏器。
4. 如權利要求1所述的裝置，還包含有檢偏器，其中所述反射 光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述檢偏器。
5. 如權利要求3所述的裝置，還包含有檢偏器，其中所述反射 光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述檢偏器。
6. 如權利要求1所述的裝置，還包含有波長選擇器，其中所述 入射光線在反射離開所述反射器之前通過所述波長選擇器。
7. 如權利要求1所述的裝置，還包含有波長選擇器，其中所述 反射光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述波長選擇器。
8. 如權利要求6所述的裝置，還包含有波長選擇器，其中所述 反射光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述波長選擇器。
9. 如權利要求1所述的裝置，還包含有波片，其中所述入射光 線在反射離開所述反射器之前通過所述波片。
10. 如權利要求l所述的裝置，還包含有波片，其中所述反射光 線在被所述探測器陣列收集之前通過所述波片。
11. 如權利要求9所述的裝置，還包含有波片，其中所述反射光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述波片。
12. 如權利要求l所述的裝置，其中所述光源是可調光源。
13. 如權利要求l所述的裝置，其中所述光源是多個可選的激光光束。
14. 如權利要求l所述的裝置，其中所述光源是可調的激光器。
15. 如權利要求1的所述的裝置，其中所述光源發(fā)出的光線通過 可調的濾光器。
16. —種光學裝置，包括-光源，用以提供入射光線；-起偏器，其中所述入射光線通過所述起偏器；半拋物面形狀的反射器，具有反射面和焦點，用以聚焦所述入射 光線到待測器件，其中所述入射光線在所述待測器件上反射離開，并 且反射光線提供所述待測器件的指示信息；-檢偏器，其中所述反射光線通過所述檢偏器；-探測器陣列，用以收集從所述待測器件上反射離開的并經過檢 偏之后的所述反射光線，其中所述探測器陣列是一探測器矩陣，從所 述反射器上反射的光線的位置映射到所述探測器陣列上。
17. 如權利要求16所述的裝置，還包含有波長選擇器，其中所 述入射光線在反射離開所述反射器之前通過所述波長選擇器。
18. 如權利要求16所述的裝置，還包含有波長選擇器，其中所 述反射光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述波長選擇器。
19. 如權利要求16所述的裝置，還包含有波片，其中所述入射 光線在反射離開所述反射器之前通過所述波片。
20. 如權利要求16所述的裝置，還包含有波片，其中所述反射 光線在被所述探測器陣列收集之前通過所述波片。
21. —種測量待測器件的方法，包括以下步驟 -提供入射光線進入拋物面；-將所述光線反射離開所述拋物面，至所述拋物面的焦點以及 待測器件上；-收集從所述待測器件上反射，和/或透射，和/或散射，和/或 衍射的光線。
22. 如權利要求21所述的方法，其中所述入射光線平行于所述 拋物面的對稱軸。
23. 如權利要求21所述的方法，其中所述入射光線是準直光束。
24. 如權利要求21所述的方法，其中所述收集到的光線平行于 所述拋物面的對稱軸。
25. 如權利要求21所述的方法，其中所述收集光線的步驟采用 和 一 個或多個光譜儀耦合的探測器陣列來收集所述反射，和/或透射， 和/或散射，和/或衍射的光線。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種光學測量和/或檢測裝置，該裝置在一個應用中可被用來檢測半導體器件。它包括光源，用以提供入射光線；具有內反射面的半拋物面反射器，其中，所述反射器具有焦點和概要軸；和置于焦點附近的待測器件。和反射器的對稱軸平行的入射光線進入反射器后，將被導向到焦點以及從待測器件上反射離開，從而產生表示該待測器件的指示信息，然后反射光線離開該反射器。探測器陣列接收反射出來的光線，該光線可被分析以確定待測器件的特征。
文檔編號G01N21/55GK101443647SQ200780016961
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權日2006年5月10日
發(fā)明者呂彤欣, 王笑寒 申請人:睿勵科學儀器(上海)有限公司