CN102269858A - 自动聚焦系统和自动聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动聚焦系统和自动聚焦方法。该自动聚焦系统包括：聚光单元；和可移动的至少一个平面反射镜，其特征在于，来自聚光单元的会聚光束被所述至少一个平面反射镜反射后入射到样品上。该自动聚焦系统不产生色差、易于调整、且结构简单。使用本发明的自动聚焦系统不仅可以通过简单的操作进行自动聚焦，而且可以控制探测光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。

Description

自动聚焦系统和自动聚焦方法

技术领域

本发明总体上涉及一种自动聚焦系统和一种自动聚焦方法，更具体地涉及利用可移动的至少一个平面反射镜来进行自动聚焦的系统和方法。本发明还涉及包括上述自动聚焦系统的宽带光谱仪。

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。将探测光束精确地聚焦到样品的聚焦系统通常是一个庞大复杂的系统。这样的系统实现高度精确的聚焦并不是一件非常容易的事情。目前通常有两种方法。一种方法是将系统中的最后一个聚焦透镜与其它元件分开，通过仅仅调整这个聚焦透镜来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图1所示，通过对最后一个聚焦透镜进行上下移动来实现自动聚焦。另一种方法是通过对整个光学测量系统进行调整来将探测光束聚焦到样品上。例如，如图2a和2b所示，通过对整个光学系统进行上下移动来实现自动聚焦(例如，参见美国专利No.5747813和No.5486701)。

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，CriticalDimension)、空间形貌及材料特性变得十分重要。当检测一个通常尺寸为150毫米、200毫米或300毫米的晶片时，由于在晶片上的薄膜层应力等原因，晶片表面可能不平坦。因此，当对整个晶片进行检测时，为了实现高精确度的测量和保证半导体生产线产量的快速测量，对每个测量点自动对焦是其中一项关键的技术。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。在这种情况下，当采用上述第一种自动聚焦方法时，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；以及难以找到对整个宽带波长范围都具有良好的透射性的透镜材料。当采用上述第二种自动聚焦方法时，不仅可能存在透镜像差问题，而且本领域的技术人员可以明显知道，对整个光学系统进行调整的操作是非常复杂的，难以实现精确的测量。

鉴于上述原因，本领域的技术人员已经提出了这样一种方法，即，使用曲面反射镜来将宽带探测光束聚焦到样品表面上(例如，参见美国专利No.5608526和No.750513381、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：在整个宽带波长范围上，反射镜不会产生色差，并且反射镜可在较宽的波长范围内都具有高反射率。

虽然利用反射镜可以消除色差并从而增加聚焦及测量精确度，但是反射镜相对于透镜来说比较难以校准光路。而且，光束经过反射镜反射后偏振态会发生改变。这里以一个铝材料反射镜为例。在图6中示出两种入射角情况下S和P偏振光的反射率Rs和Rp。上面的两条曲线是S偏振光的反射率Rs，下面的两条曲线是P偏振光的反射率Rp。实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，S或P偏振光的反射率不相等，而且随着入射角的不同而改变。在图7中示出反射后的S与P偏振光之间的相位差，实线对应于45度的入射角，虚线对应于50度的入射角。由此可知，反射后的S与P偏振光之间的相位差发生变化，而且随着入射角的不同而改变，且与波长相关。总之，当宽带光束经反射镜反射之后，由于偏振方向正交的偏振态S与P各自具有不相同的反射率和相位变化，光束的偏振状态发生改变，导致难以控制光束的偏振变化(例如，参见美国专利No.6829049B1和No.6667805)。

发明内容

然而，本发明的发明人发现，使用可移动的至少一个平面反射镜不仅可以通过简单的操作实现自动聚焦，而且可以控制光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。

因此，本发明提供一种无色差、易于调整、结构简单的自动聚焦系统。

本发明的自动聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的可移动的至少一个平面反射镜。

另外，本发明还提供一种无色差、易于操作的自动聚焦方法。

本发明的自动聚焦方法包括：可移动的至少一个平面反射镜将会聚光束反射后聚焦到样品上。

所述自动聚焦系统还包括用于提供所述会聚光束的聚光单元，该聚光单元是至少一个曲面反射镜或透镜。

根据本发明的一个实施例，所述自动聚焦系统还包括用于实现偏振状态控制并提供所述会聚光束的偏振补偿单元，该偏振补偿单元包括至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜。

根据本发明的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的光学反射特征，使得任意偏振光经过包含所述偏振补偿单元的该自动聚焦系统之后偏振特性保持不变。

根据本发明的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构。

根据本发明的一个实施例，偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜用于将来自外部的平行光束反射后会聚至位于所述会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。

根据本发明的一个实施例，偏振补偿单元中的所述至少一个平面反射镜用于将来自外部的会聚光束反射至位于该会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。

根据本发明的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜可以沿着所述会聚光束中的主光的方向移动。

根据本发明的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜可以相对于所述会聚光束中的主光的方向倾斜。

根据本发明的一个实施例，所述可移动的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。

根据本发明的一个实施例，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述可移动的至少一个平面反射镜在所述会聚光束的主光的方向上移动的距离相同，其中，所述主光的方向与样品表面平行。

根据本发明的一个实施例，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述可移动的至少一个平面反射镜可以在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且可以相对于该主光的方向倾斜。

根据本发明的一个实施例，所述自动聚焦系统还包括用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜，该至少一个平面反射镜和所述可移动的至少一个平面反射镜相对于下述平面呈镜面对称或反对称：该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面和出射平面垂直。所述用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束聚焦反射后的发散光束的主光方向为轴旋转。所述可移动的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。

根据本发明的一个实施例，当在样品表面的法线方向上调焦时，用于将所述会聚光束聚焦到样品上的至少一个平面反射镜和用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射镜相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。

根据本发明的一个实施例，本发明的自动聚焦系统可以用于光学测量。

根据本发明的一个实施例，本发明的自动聚焦系统可以用于测量均匀多层薄膜的膜厚和材料的光学特性。

根据本发明的一个实施例，本发明的自动聚焦系统可以用于测量多层薄膜所形成的在平面内具有一维和二维周期性的三维结构的全部尺度及各层材料的光学常数。

采用本发明的自动聚焦系统，本领域的技术人员可以轻松地调整探测光束的聚焦位置，以适应样品的高度变化。而且，由于反射镜不产生色差，所以采用该自动聚焦系统可以在保证会聚光束质量的同时改变光的传播方向。此外，反射镜通常用于折叠光路，使得整个光学系统更加紧凑。

此外，采用本发明的自动聚焦系统，本领域的技术人员可以通过简单的操作进行自动聚焦，而且可以控制光束的偏振变化，即，可以保持任意偏振光的偏振特性。

另外，本发明还提供一种包括本发明的自动聚焦系统的宽带光谱仪。

结合附图考虑下面对本发明的优选实施例的描述，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

在附图中，所有的视图并不一定是按比例绘制的，相同的附图标记在几个视图中始终描述基本类似的元件。具有不同字母后缀的相同附图标记表示基本类似的元件的不同实例。

图1是示出现有技术中的通过上下移动最后一个聚焦透镜来实现自动聚焦的示意图。

图2a和图2b是示出现有技术中的通过上下移动整个光学系统来实现自动聚焦的示意图。

图3a至3e是示出本发明的第一实施例的自动聚焦系统的示意图。

图4a是示出本发明的第二实施例的自动聚焦系统的示意图，其中，通过移动和旋转平面反射镜来在垂直方向上调整聚焦位置，而没有改变入射平面。

图4b和图4c是用于解释在垂直方向上调整聚焦位置时如何移动和旋转平面反射镜。

图5a是示出本发明的第三实施例的自动聚焦系统的示意图，其中，通过在X方向上移动且对称地倾斜两个平面反射镜来在垂直方向上调整聚焦位置，同时样品平台也随着聚焦位置沿着X方向移动。

图5b是用于解释如何调整平面反射镜的移动量和倾斜角、以及样品的移动量的示意图。

图6示出S和P偏振光经过一个铝材料反射镜反射的反射率随着入射光的角度不同而改变，其中，上面的两条曲线对应于S偏振光，下面的两条曲线对应于P偏振光。

图7示出S和P偏振光经过上述铝材料反射镜反射所产生的相位差随着入射角的不同而改变。

图8是用于解释保持偏振光的偏振特性的示意图。

具体实施方式

本文所采用的措辞或术语仅用于描述的目的，而不用于限制性的目的。除非另有说明，本文所用的术语与本领域的通用术语含义一致。

首先，对本文所用的术语进行如下的说明。

本文所用的“自动聚焦系统”是用于将光束自动聚焦在样品表面上的系统。该系统可以是由多个或单个子系统构成的总系统，也可以是集成为一体的单个系统。

本文所用的“反射镜”是利用反射面反射光束的光学元件。根据反射镜的形状，反射镜通常可以包括平面反射镜和曲面反射镜，曲面反射镜又包括球面反射镜和非球面反射镜。根据反射的程度，反射镜可以包括全反射式反射镜和半透射半反射式反射镜，其中，半透射半反射式反射镜又称为分束镜。非球面反射镜又包括抛物面反射镜、椭球面反射镜、非二次面反射镜等等。

本文所用的“聚光单元”是用于将至少一部分外部光束会聚的光学单元。该聚光单元可以包括一个或多个反射镜或透镜、偏振器、补偿器、分束器或其它光学元件，或者这些光学元件的组合。

本文所用的“平面反射镜”是不破坏光束单心性的反射镜。

本文所用的“抛物面反射镜”是将平行光轴的光束会聚于抛物面的焦点的反射镜。

本文所用的“离轴抛物面反射镜”是通过从旋转对称的抛物面反射镜中截取不包含对称轴的一个部分而获得的镜面，该离轴抛物面反射镜消除了色差和球面像差。

本文所用的“入射平面”是由入射光和入射点处的表面法线所组成的平面。

本文所用的“出射平面”是由出射光和入射点处的表面法线所组成的平面。对于同一反射过程，“出射平面”与所述“入射平面”为相同平面。

(保持任意偏振光的偏振特性的原理)

下面，参照图8解释通过两个平面反射镜或者一个平面反射镜和一个离轴抛物面反射镜保持偏振光的偏振特性的基本原理。

如图8a所示，假设以M1入射面为参考的S(或P)偏振光束以(90-θ)度的入射角入射在第一平面反射镜M1上，并且被第一平面反射镜M1反射至第二平面反射镜M2。当第一平面反射镜M1的入射平面与第二平面反射镜M2的入射平面相互垂直，且M2倾斜度满足使M1的反射光以(90-θ)度入射角入射至M2时，经M1反射的以M1入射面为参考的S(或P)偏振光转变为以M2入射面为参考的P(或S)偏振光。

现在以光束传播方向为+Z方向确定的右手参考系分析光束的传播及偏振态的变化。将上述过程以数学公式表达：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_x=E_{1s}\\ E_y=E_{1p}\end{array}\right.---\left(a\right).$

以M1入射面为参考的偏振分量E_1s，E_1p分别定义为右手参考系中的+X和+Y方向分量。经M1反射后，

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{1s}^{\′}=r_{1s}{E}_{1s}\\ E_{1p}^{\′}=r_{1p}{E}_{1p}\end{array}\right.---\left(b\right).$

E′_1s，E′_1p分别为以M1入射面为参考的反射光偏振分量；其中，r_1s和r_1p分别为以M1入射面为参考的S和P光偏振分量以(90-θ)的角度入射在第一平面反射镜M1的反射率。而且，

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{2s}=E_{1p}^{\′}\\ E_{2p}=-E_{1s}^{\′}\end{array}\right.---\left(c\right).$

经M1反射后的E′_1s，E′_1p分别为以M2入射面为参考的入射偏振分量-E_2p，E_2s。经M2反射后，

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{2s}^{\′}=r_{2s}{E}_{2s}\\ E_{2p}^{\′}=r_{2p}{E}_{2p}\end{array}\right.---\left(d\right).$

E′_2s，E′_2p分别为以M2入射面为参考的反射光偏振分量，r_2s和r_2p分别为以M2入射面为参考的S和P光偏振分量以(90-θ)的角度入射在第二平面反射镜M2的反射率。

由于右手定则，以M1入射面为参考的S光偏振方向为以M2入射面为参考的P光负方向。规定在以光束传播方向为+Z方向确定的右手参考系中以M1入射面为参考的S光偏振分量始终为+X轴。该光束经M2反射后，以M2入射面为参考的P光偏振方向为+X轴；如此得到，以M2入射面为参考的S光方向为Y轴负方向。有：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{2p}^{\′}=E_x^{\′}\\ E_{2s}^{\′}=-E_y^{\′}\end{array}\right.---\left(e\right).$

E′_x，E′_y为出射光偏振分量。在M1和M2具有相同的反射材料和镀膜结构的情况下：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{1s}=r_{2s}\\ r_{1p}=r_{2p}\end{array}\right.---\left(f\right).$

综合以上公式有：

$\{\frac{E_x}{E_y}=\frac{E_x^{\′}}{E_y^{\′}}---\left(g\right).$

以上公式(a)-(g)中，所有变量为复数。由公式(g)可知，出射光偏振分量比等于入射光时偏振分量比。因此，通过上述两个平面反射镜，可以保持偏振光的偏振特性。

根据上述式(a)-(e)，本领域的技术人员知道，只要第一平面反射镜M1和第二平面反射镜M2满足r_2sr_1p＝r_2pr_1s的关系，就可以得到式(g)的关系。也就是说，如果两个反射镜满足r_2sr_1p＝r_2pr_1s的关系，则通过这两个反射镜，可以保持偏振光的偏振特性。

由此可知，由两个入射平面相互垂直的平面反射镜构成的系统可以完美地对入射光保持偏振特性。在假设上述两个平面反射镜中的一个平面反射镜由反射材料和镀膜结构完全相同的离轴抛物面反射镜替代的情况下，对小数值孔径(NA，numerical aperture)的情形进行了模拟计算。虽然光束经过由离轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的系统之后在偏振特性上会有偏差，但是当平行光束以小NA实现聚焦时，偏振特性的偏差不足以影响测量的准确性。对于苛刻的偏振要求，可以进一步利用数值计算校正测量结果。

例如，以图3d为例，平行光入射到离轴抛物面反射镜之前为圆偏振光，即，Ex＝Ey，且Phase(Ex)-Phase(Ey)＝90度，其中，Ex和Ey分别是光束在x和y方向上的电矢量的振幅，Phase(Ex)和Phase(Ey)分别是光束在x和y方向上的电矢量的相位。经离轴抛物面反射镜聚焦后，聚焦光束形成的锥体半角为4.2度(NA＝0.07)。入射光波长为210nm，入射光横截面内的计算点分布如图8b所示，总共29个点(部分已标定，例如，(0，3)至(0，0))。经数值计算后，在焦点处的偏振的强度变化与相位变化由表1列出。偏振强度变化定义为Ex/Ey-1，相位变化为Phase(Ex)-Phase(Ey)-90。从表中可以看出，以(0，0)成中心对称的光束在偏振强度和相位变化方面存在相当接近的互补性，所以整体上可以进一步抵消误差所造成的影响。

表1

入射面坐标	偏振强度变化	偏振相位变化(度)	入射面坐标	偏振强度变化	偏振相位变化(度)
						(-3，0)	0.0011	2.1107	(3，0)	-0.0069	-2.6477
(-2，-2)	0.0205	2.3577	(2，2)	-0.0244	-2.1827
						(-2，-1)	0.0106	1.8931	(2，1)	-0.0145	-1.9597
(-2，0)	0.0014	1.4637	(2，0)	-0.0039	-1.7022
						(-2，1)	-0.0071	1.0695	(2，-1)	0.0073	-1.4099
(-2，2)	-0.0150	0.7107	(2，-2)	0.0193	-1.0827
						(-1，-2)	0.0212	1.5870	(1，2)	-0.0211	-1.3694
(-1，-1)	0.0107	1.1563	(1，1)	-0.0117	-1.1123
						(-1，0)	0.0010	0.7607	(1，0)	-0.0017	-0.8203
(-1，1)	-0.0080	0.4004	(1，-1)	0.0091	-0.4934
						(-1，2)	-0.0164	0.0752	(1，-2)	0.0206	-0.1315
(0，-3)	0.0329	1.1893	(0，3)	-0.0266	-0.8739
						(0，-2)	0.0212	0.7579	(0，2)	-0.0184	-0.6175
(0，-1)	0.0102	0.3614	(0，1)	-0.0095	-0.3263
						(0，0)	0.0000	0.0000

因此，采用这样的由离轴抛物面反射镜与平面反射镜构成的系统基本上也可以保持偏振光的偏振特性。

在本说明书中，如果任意偏振光经过两个反射镜之后其偏振特性保持不变，则这两个反射镜被称为具有相同的光学反射特征的反射镜。具有相同的光学反射特征的反射镜的具体实例为具有相同的反射材料和镀膜结构的反射镜，例如，保持在同真空腔中同次镀膜而得到的反射镜。

接下来，将参照附图对根据本发明实施例的自动聚焦系统进行详细的描述。

(第一实施例)

图3a示出本发明的第一实施例的第一自动聚焦系统。该自动聚焦系统包括聚光单元(未示出)和一个平面反射镜102。在该图中，样品104被支持在可移动的样品平台105上。假设样品平台105位于水平平面(即，XY平面)上，来自聚光单元的会聚光束101中的主光101_p平行于样品(半导体样品，例如，晶片)表面，并且沿着从左向右的方向(即，X方向)传播。该会聚光束可以是任意偏振光，包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等等。来自聚光单元的会聚光束101入射到平面反射镜102，其中，入射主光101_p以45度的入射角入射到平面反射镜102。在这种情况下，根据反射定律可知，被平面反射镜102反射后的主光103_p相对于入射主光偏转90度，也就是说，被平面反射镜102反射的主光103_p垂直入射在样品104上。因此，被平面反射镜102反射后的光束103聚焦在样品104表面上的位置P处。被样品104反射的光束再次入射到平面反射镜102，然后被平面反射镜102反射回到聚光单元。

在这种情况下，当将平面反射镜102和样品平台105沿着X方向移动相同的距离时，会聚光束聚焦的位置会在样品的厚度方向(即，Z方向)上移动，从而可以在样品的厚度方向上调整聚焦位置。

由此可知，根据本实施例，本领域的技术人员可以轻松地调整探测光束的聚焦位置，以适应样品的高度变化。而且，由于平面反射镜不产生色差，所以采用本实施例可以在保证会聚光束质量的同时改变光的传播方向。此外，平面反射镜通常用于折叠光路，使得整个光学系统更加紧凑。

图3b示出本实施例的第一自动聚焦系统的第一实例。在该图中，假设聚光单元是一个凸透镜206₁。同样地，假设样品平台105位于水平平面(即，XY平面)上，来自聚光单元的会聚光束101₁中的主光101_1p平行于样品(半导体样品，例如，晶片)表面，并且沿着从右向左的方向(即，X方向)传播。来自聚光单元的会聚光束101₁入射到平面反射镜102₁，其中，入射主光101_1p以45度的入射角入射到平面反射镜102₁。与图3a一样，被平面反射镜102₁反射后的主光103_1p相对于入射主光101_1p偏转90度，也就是说，被平面反射镜102₁反射的主光103_1p垂直入射在样品104上。因此，被平面反射镜102₁反射后的光束103₁聚焦在样品104表面上的位置P₁处。被样品104反射的光束再次入射到平面反射镜102₁，然后被平面反射镜102₁反射到聚光单元。

此时，当将平面反射镜102₁沿着X方向平移距离h时，如图3b所示，被平面反射镜102’₁反射后的光束103’₁聚焦在位置P₂处。根据反射定律可知，位置P₂相对于位置P₁在X方向上移动了距离h，并且在Z方向上也移动了距离h。在这种情况下，如果将样品平台105沿着X方向移动距离h，则被平面反射镜102’₁反射后的光束103’₁的聚焦位置相对于样品保持在同一位置，从而可以在Z方向(即，样品的厚度方向)上调整聚焦位置。

图3c示出本实施例的第一自动聚焦系统的第二实例。除了用曲面反射镜206₂替换作为聚光单元中的凸透镜206₁以外，图3c的实例与图3b的实例相同。因此，这里，不再对此进行赘述。同样地，本实例可以实现与图3b的实例相同的技术效果。

图3d示出本实施例的第二自动聚焦系统。在本实例中，该自动聚焦系统包括偏振补偿单元和一个平面反射镜M，其中，该偏振补偿单元是具有与平面反射镜M相同的光学反射特征的离轴抛物面反射镜OAP。在该图中，样品104被支持在可移动的样品平台(未示出)上。假设样品平台位于水平平面(即，XY平面)上，离轴抛物面反射镜OAP与平面反射镜的水平中心线处于与样品表面平行的同一水平平面内，平行光束101平行于样品(半导体样品，例如，晶片)表面，并且沿着从左向右的方向(即，X方向)传播，其中，平行光束101中的主光101_p以45度的入射角入射到离轴抛物面反射镜OAP。该平行光束可以是任意偏振光，包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等等，并且经过离轴抛物面反射镜OAP反射后变成会聚光束101’。会聚光束101’中的主光101’_p平行于样本表面传播，并且以45度的入射角入射到平面反射镜M。在这种情况下，根据反射定律可知，被平面反射镜M反射后的主光103_p相对于入射主光101’_p偏转90度，也就是说，被平面反射镜M反射的主光103_p垂直入射在样品104上。因此，被平面反射镜M反射后的光束103聚焦在样品104表面上的位置P处。被样品104反射的光束再次入射到平面反射镜M，然后被平面反射镜102反射回到离轴抛物面反射镜OAP。

除了上述在第一自动聚焦系统中实现的技术效果以外，在该第二自动聚焦系统中，探测光束在入射至样品之前的偏振特性可以保持不变，并且在从样品射出之后的偏振特性也可以保持不变。因此，通过本实施例的自动聚焦系统，可以保持任意偏振光的偏振特性。

图3e示出本实施例的第三自动聚焦系统。在本实例中，该自动聚焦系统包括聚光单元(未示出)、偏振补偿单元和一个平面反射镜M2，其中，该偏振补偿单元是具有与平面反射镜M2相同的光学反射特征的平面反射镜M1。在该图中，样品104被支持在可移动的样品平台(未示出)上。假设样品平台位于水平平面(即，XY平面)上，平面反射镜M1和M2的入射平面相互垂直，来自聚光单元的会聚光束101中的主光101_p平行于样品(半导体样品，例如，晶片)表面，并且沿着从左向右的方向(即，X方向)传播。该会聚光束可以是任意偏振光，包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等等。来自聚光单元的会聚光束101入射到平面反射镜M1，其中，入射主光101_p以45度的入射角入射到平面反射镜M1。在这种情况下，根据反射定律可知，被平面反射镜M1反射后的主光101’_p相对于入射主光101_p偏转90度，也就是说，被平面反射镜M1反射的主光101’_p以45度的入射角入射到平面反射镜M2。因此，被平面反射镜M2反射后的光束103聚焦在样品104表面上的位置P处。被样品104反射的光束再次入射到平面反射镜M2，然后被平面反射镜M2反射回到平面反射镜M1。

在本第一实施例中描述了探测光束垂直入射在样品表面的情况。下面对探测光束斜入射在样品表面的情况进行描述。

(第二实施例)

图4a示出本发明的第二实施例的自动聚焦系统的示意图。该自动聚焦系统包括聚光单元(未示出)和两个平面反射镜1024，1024’。这里，假设平面反射镜1024是入射平面反射镜，平面反射镜1024’是出射平面反射镜。在该自动聚焦系统中，假设平面反射镜的入射平面是样品的入射平面。入射平面反射镜1024可以将来自聚光单元的入射探测光束以任意角度(并不限于90度)入射到样品104的表面上。然后，样品将该探测光束反射至出射平面反射镜1024’。接着，出射平面反射镜1024’将探测光束反射至具有与出射平面反射镜1024’相同的光学反射特征的平面反射镜或离轴抛物面反射镜。如图4b所示，若要将探测光束的聚焦位置从A垂直地移动到B，则为了使得CD+DB＝CA，可以将平面反射镜从C移动到D并调整平面反射镜的倾斜角。可以通过计算机程序来调整平面反射镜的移动距离和倾斜角。

计算平面反射镜的移动距离和倾斜角的具体方法如下：

如图4c所示，来自聚光单元的入射探测光束的主光与水平面的夹角为φ，该主光经过位于初始位置M₀处的平面反射镜反射之后以θ₀的入射角入射在样品上。当平面反射镜从初始位置M₀移动到位置M处(从初始位置M₀到位置M在主光方向上的距离为d)并倾斜一个角度(α-α₀)(这里，α₀是平面反射镜在位置M₀处的法线相对于水平面的夹角，α是平面反射镜在位置M处的法线相对于水平面的夹角)时，入射探测光束的主光经过位于位置M处的平面反射镜反射之后以θ的入射角入射在样品上。这里，假设平面反射镜在初始位置M₀处的中心离聚焦位置O₀或O的水平距离为t，平面反射镜在位置M处的中心离聚焦位置O₀或O的水平距离为t+x。

根据图4c的几何光学结构，本领域的技术人员可以得到：

MO+d＝M₀O₀；

$\mathrm{MO}=\frac{t+x}{\sin \mathrm{\θ};}$

x＝dcosφ；

MM₀＝d；以及

$M_0{O}_0=\frac{t}{\sin {\mathrm{\θ}}_0}.$

通过对上述公式进行计算得出：

$d=\frac{t(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}{\sin {\mathrm{\θ}}_0(\sin \mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\φ})}---\left(1\right).$

此外，平面反射镜的法线与水平面的夹角和₀满足下述关系：

由式(2)和(3)可得出：

$\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_0=\frac{\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0}{2}---\left(4\right).$

由此得到，聚焦位置O₀到O的垂直距离h为：

h＝tctgθ₀-(t+x)ctgθ-d sinφ＝t(ctgθ₀-ctgθ)-d(cosφctgθ+sinφ)        (5)。

与第一实施例一样，根据本实施例，本领域的技术人员可以轻松地调整探测光束的聚焦位置，以适应样品的高度变化。而且，由于平面反射镜不产生色差，所以采用本实施例可以在保证会聚光束质量的同时改变光的传播方向。此外，平面反射镜通常用于折叠光路，使得整个光学系统更加紧凑。根据第一实施例中所教导的内容，本领域的技术人员可以想到本实施例的各种示例。

本领域的技术人员应该理解，将本实施例与第一实施例中的第二或第三自动聚焦系统中的偏振补偿单元结合，同样地，可以使探测光束在入射至样品之前的偏振特性保持不变并在从样品射出之后的偏振特性也保持不变。因此，在本实施例中，也可以保持任意偏振光的偏振特性。

在本实施例中可以调整一个平面反射镜，也可以同时调整两个平面反射镜来进行自动聚焦。在下述的实施例中描述通过同时调整两个对称或反对称的平面反射镜来进行自动聚焦的情形。

(第三实施例)

图5a示出本发明的第三实施例的自动聚焦系统的示意图。该自动聚焦系统包括聚光单元(未示出)和两个平面反射镜1025，1025’。这里，假设平面反射镜1025是入射平面反射镜，平面反射镜1025’是出射平面反射镜。在该图中，样品104被支持在可移动的样品平台105上。假设样品平台105位于水平平面(即，XY平面)上，来自聚光单元的会聚光束中的主光101近似平行于样品(半导体样品，例如，晶片)表面，并且沿着从右向左的方向(即，X方向)传播。来自聚光单元的会聚光束入射到平面反射镜1025上，其中，入射主光101以45度的入射角入射到平面反射镜1025。在这种情况下，根据反射定律可知，被平面反射镜1025反射后的主光103相对于入射主光101偏转90度。平面反射镜1025的入射平面可与样品表面呈0至90中的任意角度。图5a中，反射主光103近似垂直入射在样品104上。因此，被平面反射镜1025反射后的光束聚焦在样品104表面上。然后，该光束被样品104表面反射之后入射在平面反射镜1025’上，其中，被样品表面反射之后的反射主光103_p以45度的入射角入射到平面反射镜1025’。在这种情况下，根据反射定律可知，被平面反射镜1025’反射后的主光101_p相对于反射主光103_p偏转90度，也就是说，该主光103近似沿着X方向离开平面反射镜1025’。若要在垂直方向(即，Z方向)调整聚焦位置，这两个平面反射镜沿着X方向水平移动且对称地或反对称地倾斜以保持聚焦位置在Y方向上位置恒定不变。同时，样品也要随着聚焦位置沿X方向移动。可以通过计算机程序来调整平面反射镜的移动量和倾斜角、以及样品的移动量。

接下来，参照图5b来解释如何调整平面反射镜的移动量和倾斜角、以及样品的移动量。来自聚光单元的会聚光束沿着X方向入射，在该图中仅仅示出会聚光束中的主光的传播方向。该会聚光束经平面反射镜(这里，以平面反射镜1025为例，位于位置R₀处)反射后聚焦在样品中心O₀处。该主光经平面反射镜1025_R0反射后与X入射方向成90度，入射至样品的主光与经样品反射后的反射光的主光存在于平面I₀内，且此平面I₀与样品平面垂直。经样品反射后的光束经过与(位于位置R₀处的)平面反射镜对称或反对称的平面反射镜(即，平面反射镜1025’)反射后沿着X方向离开。假设来自平面反射镜1025_R0的主光以θ₀的入射角入射在样品中心O₀处。调整后的目标入射角为θ(θ＞θ₀)(在目标位置R处的平面反射镜1025_R)，调整过程保持聚焦位置在Y方向不发生偏移(这样可以简化样品平台的要求)。假设平面反射镜1025_R0的中心与样品中心在Y方向上的距离为R_0yO₀＝S。在这种假设下，当从入射角θ₀调整为目标入射角θ时，聚焦位置在X方向上的变化为h＝(ctgθ₀-ctgθ)＊S，即，光程缩短了S/sinθ₀-S/sinθ。由于来自聚光单元的会聚光束的焦距是不变的，并且该光束经过平面反射镜后的光程缩短了，则需将平面反射镜前的光程增加。由R₀O₀＝RO+RR₀可以得出光程缩短了：RR₀＝S/sinθ₀-S/sinθ。调整平面反射镜的第一步为将平面反射镜沿会聚入射光的主光轴向光束传播方向移动S/sinθ₀-S/sinθ。经如上调整后，聚焦位置存在于原主光方向的路径上，并且将聚焦位置以入射平面反射镜的主光为轴在垂直于样品的平面内旋转角度

(

)。调整平面反射镜的第二步为将平面反射镜以入射光主光为轴旋转角度

只要对接受反射光的平面反射镜进行对称或反对称的调整，就可将聚焦位置调整到相同位置。与此同时，样品平台应与平面反射镜沿同一X方向移动相同的距离S/sinθ₀-S/sinθ，同时垂直向上移动h＝(ctgθ₀-ctgθ)＊S。结果，使得原聚焦位置O₀移动至新聚焦位置O。

在本实施例中，通过将两个平面反射镜沿着X方向水平移动且对称地或反对称地倾斜以保持聚焦位置在Y方向上位置恒定不变，同时，随着聚焦位置沿X方向移动样品，可以实现在垂直方向(即，Z方向)上调整聚焦位置。

同样地，根据本实施例，本领域的技术人员可以轻松地调整探测光束的聚焦位置，以适应样品的高度变化。而且，由于平面反射镜不产生色差，所以采用本实例可以在保证会聚光束质量的同时改变光的传播方向。此外，平面反射镜通常用于折叠光路，使得整个光学系统更加紧凑。

此外，在本实施例中，通过使用两个对称或反对称的平面反射镜，可以简化对样品平台的操作。

本领域的技术人员应该理解，将本实施例与第一实施例中的第二或第三自动聚焦系统中的偏振补偿单元结合，同样地，可以使探测光束在入射至样品之前的偏振特性保持不变并在从样品射出之后的偏振特性也保持不变。因此，在本实施例中，也可以保持任意偏振光的偏振特性。

尽管在第一至第三实施例中仅仅描述了一个或两个平面反射镜是可移动的，但是本领域的技术人员应该理解，本发明也适用于采用两个以上的可移动的平面反射镜的自动聚焦系统。

此外，本发明的自动聚焦系统可以应用于测量半导体薄膜厚度、光学常数以及材料微结构特性的各种光学测量设备，例如，光谱仪、椭圆偏振仪(简称为椭偏仪)、反射光谱仪、散射光谱仪等等。特别地，本发明的自动聚焦系统可以应用于采用宽带光源的光谱仪或椭偏仪。

本发明还提供一种包括本发明的上述自动聚焦系统中的任意一个的宽带光谱仪。这样的宽带光谱仪也可以实现与本发明的自动聚焦系统相类似的有益技术效果。

另外，请注意，根据本说明书的教导，本领域的技术人员将应该理解，本发明的自动聚焦系统可以用不同于第一至第三实施例中所公开的具体形式来实现，只要在本发明的总体构思之下，可以对本发明的自动聚焦系统进行各种变形。例如，在使用本发明的自动聚焦系统的过程中，并不一定要移动所述可移动的至少一个平面反射镜，而通过相对于该至少一个平面反射镜移动样品来实现自动聚焦。

虽然已经参照示例性的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于所公开的示例性的实施例。所附的权利要求的范围应被给予最大范围的解释，从而包含所有这样的修改和等同结构以及功能。

Claims (31)

1.一种自动聚焦系统，其特征在于，该自动聚焦系统包括用于将会聚光束反射后聚焦到样品上的可移动的至少一个平面反射镜。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述自动聚焦系统还包括支持所述样品的可移动的样品平台。

3.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述自动聚焦系统还包括用于提供所述会聚光束的聚光单元，该聚光单元是至少一个曲面反射镜或透镜。

4.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述自动聚焦系统还包括用于实现偏振状态控制并提供所述会聚光束的偏振补偿单元，该偏振补偿单元包括至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜。

5.根据权利要求4所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的光学反射特征，使得任意偏振光经过包含所述偏振补偿单元的该自动聚焦系统之后偏振特性保持不变。

6.根据权利要求4所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构。

7.根据权利要求4所述的自动聚焦系统，其特征在于，偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜用于将来自外部的平行光束反射后会聚至位于所述会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。

8.根据权利要求4所述的自动聚焦系统，其特征在于，偏振补偿单元中的所述至少一个平面反射镜用于将来自外部的会聚光束反射至位于该会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。

9.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜可以沿着所述会聚光束中的主光的方向移动。

10.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜可以相对于所述会聚光束中的主光的方向倾斜，或者/并且，所述可移动的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。

11.根据权利要求2所述的自动聚焦系统，其特征在于，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述可移动的至少一个平面反射镜在所述会聚光束的主光的方向上移动的距离相同，其中，所述主光的方向与样品表面平行。

12.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述可移动的至少一个平面反射镜可以在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且可以相对于该主光的方向倾斜。

13.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述自动聚焦系统还包括用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜，该至少一个平面反射镜和所述可移动的至少一个平面反射镜相对于下述平面呈镜面对称或反对称：该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面和出射平面垂直，

其中，所述用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束聚焦反射后的发散光束的主光方向为轴旋转，所述可移动的至少一个平面反射镜可以以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。

14.根据权利要求13所述的自动聚焦系统，其特征在于，当在样品表面的法线方向上调焦时，用于将所述会聚光束聚焦到样品上的至少一个平面反射镜和用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射镜相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。

15.根据权利要求1至14中任意一项所述的自动聚焦系统，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜在自动聚焦的过程中可以保持固定不动。

16.一种自动聚焦方法，该自动聚焦方法包括可移动的至少一个平面反射镜将会聚光束反射后聚焦到样品上。

17.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述样品被支持在可移动的样品平台上。

18.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述自动聚焦方法还包括：通过聚光单元提供所述会聚光束，该聚光单元是至少一个曲面反射镜或透镜。

19.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述自动聚焦方法还包括：通过用于实现偏振状态控制的偏振补偿单元提供所述会聚光束，该偏振补偿单元包括至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜。

20.根据权利要求19所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的光学反射特征，使得任意偏振光经过包含所述偏振补偿单元的该自动聚焦系统之后偏振特性保持不变。

21.根据权利要求19所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜与偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜或至少一个平面反射镜具有相同的反射材料和镀膜结构。

22.根据权利要求19所述的自动聚焦方法，其特征在于，偏振补偿单元中的所述至少一个离轴抛物面反射镜将来自外部的平行光束反射后会聚至位于所述会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。

23.根据权利要求19所述的自动聚焦方法，其特征在于，偏振补偿单元中的所述至少一个平面反射镜将来自外部的会聚光束反射至位于该会聚光束的焦点前的所述可移动的至少一个平面反射镜。

24.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜沿着所述会聚光束中的主光的方向移动。

25.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述可移动的至少一个平面反射镜相对于所述会聚光束中的主光的方向倾斜，或者/并且，所述可移动的至少一个平面反射镜以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。

26.根据权利要求17所述的自动聚焦方法，其特征在于，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束垂直入射在所述样品上时，所述样品平台和所述可移动的至少一个平面反射镜在所述会聚光束的主光的方向上移动相同的距离，其中，所述主光的方向与样品表面平行。

27.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，当被所述可移动的至少一个平面反射镜反射的所述会聚光束斜入射在所述样品上时，所述可移动的至少一个平面反射镜在所述会聚光束的主光的方向上移动，并且相对于该主光的方向倾斜。

28.根据权利要求16所述的自动聚焦方法，其特征在于，所述自动聚焦方法还包括：至少一个平面反射镜接收来自样品的发散光束，该至少一个平面反射镜和所述可移动的至少一个平面反射镜相对于下述平面呈镜面对称或反对称：该平面经过样品上的聚焦位置处的法线，并且与样品的入射平面和出射平面垂直，

其中，接收来自样品的发散光束的所述至少一个平面反射镜以所述会聚光束聚焦反射后的发散光束的主光方向为轴旋转，所述可移动的至少一个平面反射镜以所述会聚光束中的主光方向为轴旋转。

29.根据权利要求28所述的自动聚焦方法，其特征在于，当在样品表面的法线方向上调焦时，用于将所述会聚光束聚焦到样品上的至少一个平面反射镜和用于接收来自样品的发散光束的至少一个平面反射镜沿着在样品表面上的一个方向移动，并且这些平面反射镜相对于样品表面的倾斜度被对称地调整，即，以所述会聚光束与样品表面平行的主光方向为轴旋转，以保持聚焦位置在样品表面上的正交于所述一个方向的另一个方向上的位置恒定不变，同时，样品也沿着在样品表面上的所述一个方向移动。

30.根据权利要求16至29中的任意一项所述的自动聚焦方法，其特征在于，将所述可移动的至少一个平面反射镜保持固定不动，而通过相对于该至少一个平面反射镜移动所述样品来实现自动聚焦。

31.一种宽带光谱仪，包括根据权利要求1至14中任意一项所述的自动聚焦系统。

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