[发明专利]光学无色差聚焦系统

说明书

技术领域

本申请涉及光学测量领域，特别涉及一种光学无色差聚焦系统。

背景技术

一般来说，光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束聚焦到样品上。随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来精确地测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度（CD，Critical Dimension）、空间形貌及材料特性变得十分重要。而且，本领域的技术人员公知，将宽带探测光束在样品表面上聚焦成相对较小尺寸的光斑是有利的，因为小尺寸光斑可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精确度。由于在不同波长下，透镜材料的折射率一般不同，在这种情况下，当采用透镜对宽光谱光束进行聚焦时，会存在如下问题：透镜通常具有色差，这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置不同，增大误差，降低测量精确度。而对于消色差透镜，虽然能在一定范围内减小透镜折射率造成的色差，但并不能完全消除色差。当应用在如专利申请201010593609.6中所述的分光光纤系统中时，则此类消色差透镜具有更多的局限性，例如，以Edmund公司型号为65029的消色差透镜为例，当光纤输出光束在样品上的聚焦光斑直径达到0.7mm时，不仅存在色差，而且其输出光束的光通效率很低，只有8%；而当调节光路，使光通效率达到27%时，则在样品表面会形成较大的紫光光斑，其直径大小约为1.5mm。此外，这种消色差透镜由于结构复杂，价格一般都非常昂贵。

本领域的技术人员也提出了另一种方法，使用曲面反射镜将宽带光束聚焦到样品表面上（例如，参见美国专利No.5608526和No.7505133B1、美国专利申请公开No.2007/0247624A1和中国专利申请公开No.101467306A）。这种方法具有如下好处：在整个宽光谱波长范围内，反射镜不会产生色差，并且可在较宽的波长范围内都具有高反射率。曲面反射镜的种类有球面反射镜、椭圆面反射镜、超环面反射镜（toroidal mirror），离轴抛物面反射镜等等，如图1所示，为采用超环面反射镜TM将发散光束会聚到样品表面的情形。非球面反射镜，如超环面反射镜、椭圆面反射镜和离轴抛物面反射镜由于其加工工艺复杂，价格也比较昂贵。球面反射镜加工比较简单，价格非常便宜，但由于其焦点位于主轴上，在实际应用中，一般使入射的平行光方向稍微偏离主轴，如图2所示。由于球面反射镜焦点调节范围非常有限，而一般的样品通常尺寸较大，为几百毫米，则仅利用球面反射镜将宽光谱光束聚焦到样品表面不易实现。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种结构简单、价格低廉并且可以用于垂直入射宽带光谱仪的光学无色差聚焦系统。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种光学无色差聚焦系统包括：第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件；

所述第一曲面反射元件，接收由点光源发射出的光束，并将该光束变成平行光束；

第二曲面反射元件，接收由第一曲面反射元件反射的所述平行光束；

所述第三曲面反射元件，接收由所述第二曲面反射元件反射的平行光束，将其变成会聚光束并垂直入射至测试样品的表面；

所述第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件构成交叉切尔尼-特纳结构。

本申请提供的光学无色差聚焦系统结构简单、价格低廉，光学测量时不会产生色差，并且可合理地改变入射光的传播方向，使其聚焦在样品表面，同时获得较为合适的工作距离。

附图说明

图1为采用超环面反射镜将发散光束会聚到样品表面的情形的示意图；

图2为利用球面反射镜将宽光谱光束聚焦到样品表面的示意图；

图3为切尔尼-特纳（Czerny-Turner）结构的示意图；

图4为本申请光学无色差聚焦的原理示意图；

图5为本申请实施例一提供的光学无色差聚焦系统的结构示意图；

图6为本申请实施例二提供的光学无色差聚焦系统的结构示意图。

具体实施方式