[发明专利]非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器

说明书

技术领域

本发明的各实施例涉及光学领域，更具体地涉及一种非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器，其中光学仪器特别地包括光谱椭偏仪(Spectroscopic Ellipsometry，SE)。

背景技术

作为包括聚焦系统的光学仪器的示例，光谱椭偏仪是一种用于检测薄膜厚度、光学常数(折射率n，消光系数k)以及材料微结构的光学测量设备。由于具有无损、非接触、不需要真空、无需参照样品等特点，使得光谱椭偏仪在半导体芯片制造、光学镀膜和材料分析等领域都有广泛应用。

为了缩短检测时间，光谱椭偏仪都带有一套自动聚焦(Auto Focus，AF)系统实现样品的快速定位。自动聚焦系统是一种将力、热、光、电或声等信号转化为电信号进行处理后自动计算并确定出焦点位置的系统。用于光谱椭偏仪的自动聚焦系统一般都采用反射式光路系统，即光源发出的光经过入射模块聚焦到样品表面反射后再经过出射模块最终被光探测器接收。

目前，在用于光谱椭偏仪的自动聚焦系统其入射光路和出射光路都垂直于样品表面(即入射光路和出射光路重合)，且都选用高倍大数值孔径的显微物镜作为聚焦和准直透镜。然而，有些情况下，样品垂直方向并没有空间来布局这种垂直式的自动聚焦系统，以及测量透明样品时样品第二个面的反射光可能会影响测量结果，进而无法正确聚焦到焦点位置。因此，基于以上问题提出一种新型的自动聚焦光学系统。

发明内容

本公开的目的在于提供一种新型的非垂直式自动聚焦系统(Non-Vertical Auto Focus，NVAF)，从而至少能够克服或者缓解现有技术中所存在的空间布局的技术问题，以及测量透明样品时无法正确聚焦的现实问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种非垂直式自动聚焦系统，其包括光源；入射模块，被配置为接收从所述光源发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品上；出射模块，被配置为接收从所述样品反射的光，并且将所接收的光聚焦到光探测器的靶面上；以及光探测器，被配置为将聚焦于所述靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出所述入射模块的焦点位置的信息；其中，从所述入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路与所述样品的表面法线的夹角均不等于零。

通过利用上述入射模块的焦点位置的信息或者相对于入射模块的焦点位置的样品位置信息，本公开的自动聚焦系统可以调整入射模块的焦点位置至样品表面或者驱动样品表面至所述焦点位置，从而实现自动聚焦功能，且由于从入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路与样品的表面法线的夹角均不等于零，则该非垂直式自动聚焦系统的空间布局相对于现有技术的空间布局有所改善，且能实现透明样品的准确聚焦。

在利用光纤引导式光源时，由光纤传导出的光源可以经过小孔与准直透镜准直成平行光，而后经过聚焦透镜聚焦于样品表面；经过样品表面反射后的光再经过准直透镜准直后经聚焦透镜聚焦于四象限探测器靶面；而在利用平行光出射式光源(诸如激光器)时，可以使用扩束透镜和准直透镜将光聚焦于样品表面，而后经由成像透镜成像于位置探测器的靶面上，这种光路设计能更好地实现光路的调整，且便于机械安装固定激光器，实现简洁紧凑的仪器结构。

需要说明的是，本文所涉及的包括准直透镜、聚焦透镜、扩束透镜、成像透镜等的透镜可以是实现相同功能的单个透镜或者透镜组。除非另外说明，本公开中所提及的准直透镜和聚焦透镜均分别涵盖单个透镜和包括多个透镜的透镜组二者。

根据本公开的第二方面，上述非垂直式自动聚焦系统可以应用于光学仪器、特别是光谱椭偏仪中。本公开的包括该非垂直式自动聚焦系统的光学仪器(诸如光谱椭偏仪)相对于现有聚焦系统而言可以具有更加宽泛的设计空间和布局。

附图说明

在附图中，相似/相同的附图标记通常贯穿不同视图而指代相似/相同的部分。附图并不必按比例绘制，而是通常强调对本发明的原理的图示。在附图中：

图1示意性地示出了根据本公开的各实施例的非垂直式自动聚焦系统的光路原理图；

图2示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第一实施例的布局图；

图3A示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品处于焦点位置时四象限探测器上的光强分布；

图3B示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品偏离焦点位置时四象限探测器上的光强分布；

图4示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第二实施例的布局图；