[发明专利]同时具有多波长、多入射角和多方位角的光学测量系统

说明书

优先权要求

本专利申请要求2006年5月10日提交的申请号为60/799,043的美国临时专利申请“一个同时具有多波长、多入射角和多方位角的光学测量系统”(“An Optical Measurement System with SimultaneousMultiple Wavelengths，Multiple Angles of Incidence and Angles ofAzimuth”)的优先权。该申请在此全部并入本申请，并供参考。本专利申请同时是2007年4月16日提交的申请号为11/735,979的美国非临时专利申请“光学聚焦装置”(“Optical Focusing Device”)的部分延续申请。 

技术领域

本发明涉及检测和测量系统，特别涉及例如半导体器件和/或晶片等待测器件(Device Under Test，简称DUT)的光学检测和测量。 

背景技术

由一导向光束被待测器件(DUT)反射所产生的信息具有多种用途。晶片上不同涂层(单层涂层或多层涂层)的厚度可由反射率或相对反射率光谱确定，同时，也可以导出单波长的反射率。这是十分有用的，因为涂覆有光刻胶的晶片在平版曝光机所用波长下的反射率必须得以确定，以用于确定用于这些晶片的合适的曝光等级，或用于最优化光刻胶厚度以最小化整个堆叠涂层的反射率。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。 

对于很多工业应用，测量样品表面超薄薄膜的厚度(小于约300埃)是十分有用的，其利用对样品的反射率相位测量进行。例如，样品可以是带有涂层的半导体晶片，而超薄薄膜可以涂覆于晶片的硅衬底表面。 

因为半导体工艺中通常对允许误差的要求非常高，所以需要一种用于获取晶片反射率量度的准确的装置。在传统的反射率测量系统中，单色或宽带光从晶片反射离开，反射光被收集和测量。例如，如图1所示，在一个传统的测量和/或检测系统中，使用一透镜100，进入的入射光线102在通过该透镜100时发生折射，继而被聚焦在待测器件(DUT)106上的焦点104上，从而产生可供分析的反射率信息。 

高数值孔径(“NA”)的透镜(NA～0.95)已被用来实现同时具有大范围入射角和方位角的入射光。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，很难将入射光波长延伸到紫外波段(例如波长小于400nm)。其次，由于色差，它很难使用宽带光，例如从250nm至1000nm的波长同时进行工作。第三，当光通过透镜时，存在光被吸收的问题，光强会随着其通过透镜而减小。 

为了保持系统在宽带光源中性能的一致性，需要采用反射型的光学系统。由于设计变量数量有限，设计的选择性也受到限制。例如，Schwarzchild设计的反射物镜具有有限的数值孔径NA，还会阻碍中心光束，也不能实现大范围的入射角。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使用于非常传统的方式下，即对称轴垂直于反射表面，入射角的范围也受到限制。 

通过分析反射或透射光束的特性，可以推断出表面的特性。反射或透射光束的特性包括光强、偏振态、相位、反射角和波长等。表面特性包括反射率、薄膜厚度、表面或薄膜的折射率、表面微结构、表面颗粒、表面缺陷和表面粗糙度等。 

探测到的关于反射或透射光束的信息越多，可推断出的关于表面特性的信息就越多。为了达到这个目标，需要有一个发明，其能够允许：(1)全范围入射角(0度到近90度)；(2)大范围方位角；(3)超宽范围波长；(4)任意偏振态等的检测。 

因此，在光学测量和检测系统中，希望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，希望该光束是多波长光或连续波带光。 

发明内容

本发明的一个目的是提供方法和装置，其能够实现在反射表面上全范围(0度到近90度)的入射角。 

本发明的另一个目的是提供方法和装置，其能够实现大范围方位角的测量。 

本发明的又一个目的是提供方法和装置，其能够实现超宽范围波长的测量。 

本发明的再一个目的是提供方法和装置，其能够测量任意的偏振态。