干涉設(shè)備及使用這種設(shè)備的樣品特征確定設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及干涉設(shè)備及使用這種設(shè)備的樣品特征確定設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多技術(shù)領(lǐng)域，尤其對(duì)于微米尺度和納米尺度制造工藝中的質(zhì)量控制和分析， 確定表面特征如高度、形狀、波紋度和粗糙度等很重要。測(cè)量表面特征的方法分為接觸法和 非接觸法，接觸法為例如當(dāng)可樞轉(zhuǎn)或軸向移動(dòng)的觸針沿著待表征的表面移動(dòng)時(shí)，使用傳感 器來確定觸針和該表面相對(duì)位移期間該觸針的位移，非接觸法為例如長相干長度的干涉方 法或短相干長度干涉方法的光學(xué)方法，長相干長度的干涉方法為例如移相干涉術(shù)，其中，如 丹尼爾?馬拉卡拉（Daniel Malacara)的《光學(xué)車間檢驗(yàn)》ISBN 0-471-52232-5第二版第 14章的討論，當(dāng)干涉儀的參考相位改變時(shí)，記錄一系列干涉圖，然后使用相位提取算法來確 定與相對(duì)表面高度有關(guān)的實(shí)際相位，短相干長度的干涉方法為例如白光或?qū)挷ǘ螔呙韪缮?術(shù)，其中利用這樣的事實(shí)，即空間非相干光源產(chǎn)生的干涉條紋的幅度在沿樣品表面和參考 表面之間的零程差的掃描路徑的位置上達(dá)到峰值，然后迅速下降，從而，對(duì)于不同的表面元 件或者樣品表面的不同表面像素，通過確定沿相干峰的掃描路徑的位置，可以確定表面高 度輪廓。
[0003] 白光掃描干涉術(shù)需要樣品表面和參考表面之間在掃描路徑方向中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其 耗費(fèi)時(shí)間，并且要求被測(cè)樣品本身固定不動(dòng)。同時(shí)，由于長相干長度的干涉方法如移相干涉 術(shù)的范圍有限，因此可能出現(xiàn)相位模糊或條紋模糊（2π模糊性）的問題。
[0004] 帕維爾?帕維萊塞克（Pavel Pavilifitk )和蓋德?豪瑟（Gerd Hauser )于2005年 5月20日發(fā)表于《應(yīng)用光學(xué)》（Vol 44, No. 15,第2978至2983頁）的一篇名為"白光干涉 與色散：一種用于測(cè)量距離的精密光纖傳感器"的論文描述了一種光纖邁克爾遜干涉儀，其 中，具有815納米（nm)中心波長的超發(fā)光二極管經(jīng)由光纖耦合器朝向樣品（測(cè)量）臂光纖 和參考臂光纖被耦合至輸入光。光纖邁克爾遜干涉儀的樣品臂中的傳感頭包括光學(xué)系統(tǒng)， 其將來自樣品臂光纖的光聚焦于樣品表面上，并將樣品臂光纖返回的散射光采集到光纖耦 合器。參考臂光纖中的光通過鏡子反射回到參考臂光纖，并返回光纖耦合器，來自參考臂光 纖和樣品臂光纖的光在光纖耦合器中相干涉。參考臂光纖具有比樣品臂光纖更高的波長色 散。參考臂中的光因此被有意地色散。這意味著干涉儀具有波長相關(guān)的光路，正因如此，每 個(gè)波長都有其獨(dú)特的"平衡點(diǎn)"，即零光程差的點(diǎn)。對(duì)所產(chǎn)生的干涉圖的頻譜分析得到該平 衡點(diǎn)，從而確定測(cè)量臂路徑的長度。該方法提供了明確的位置測(cè)量，其不存在一些形式的干 涉儀尤其長相干長度干涉儀如條紋跟蹤干涉儀中發(fā)現(xiàn)的相環(huán)繞（2π模糊性）問題。然而， 所有的光纖邁克爾遜干涉儀要求參考光纖臂和樣品光纖臂分離，意味著該干涉儀易受光程 漂移的影響，所以可能會(huì)不穩(wěn)定，尤其是對(duì)于亞微米測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明一種實(shí)施方式提供了一種干涉設(shè)備，包括：短相干長度光或?qū)挷ǘ喂庠矗?光導(dǎo)向儀，用于將來自所述光源的光沿測(cè)量路徑引向樣品表面及還沿參考路徑引向參考表 面；波長色散儀，用于使沿所述測(cè)量路徑或參考路徑的光發(fā)生波長色散；組合器，用于使來 自所述樣品表面的光和來自所述參考表面的光產(chǎn)生干涉圖樣或干涉圖；探測(cè)器，用于檢測(cè) 作為波長函數(shù)的所述干涉圖樣的強(qiáng)度值；確定器，用于從所檢測(cè)的強(qiáng)度值確定在哪個(gè)波長 處所述測(cè)量路徑與所述參考路徑均衡，其中所述波長色散儀是至少一個(gè)非光纖波長色散 儀，并選自包括光柵波長色散儀、棱鏡波長色散儀和光學(xué)色散介質(zhì)的列表。
[0006] 所述波長色散儀可以包括兩個(gè)匹配的透射光柵。另一個(gè)可能是，所述波長色散儀 可以包括兩個(gè)匹配的反射光柵。
[0007] 本文使用的"光"并不一定意味著可見光。所述光可以是例如紅外或紫外線光。本 文使用的"光束"并不一定意味著連續(xù)的光束，它可以是脈沖或幅度變化的其它方面。
【附圖說明】
[0008] 現(xiàn)在將通過舉例的方式，并參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中： 圖1示出了具有波長色散儀的短相干長度的干涉儀的示意圖； 圖2示出的曲線圖中對(duì)于來自表面像素或樣品表面的表面元件的光產(chǎn)生的干涉，用實(shí) 線表示相對(duì)于波數(shù)的歸一化強(qiáng)度，用虛線表示相于波數(shù)的相位差。
[0009] 圖3示出了短相干長度干涉設(shè)備的示意圖，其中波長色散儀包括一對(duì)匹配的透射 光柵； 圖4示出了短相干長度干涉設(shè)備的示意圖，其中波長色散儀包括一對(duì)匹配的反射光 柵； 圖5示出了短相干長度干涉設(shè)備的示意圖，其中探頭設(shè)置有光纖耦合； 圖6示出了短相干長度干涉設(shè)備的示意圖，其中多個(gè)探頭設(shè)置有多路傳輸?shù)墓饫w耦 合； 圖7示出了一種干涉設(shè)備的示意圖，該設(shè)備還包括長相干長度的移相干涉儀； 圖8示出了一種干涉設(shè)備的示意圖，該設(shè)備還包括長相干長度的外差干涉儀； 圖9示出了可用于干涉設(shè)備的探測(cè)器的示意圖； 圖10示出了可以被編程以提供干涉設(shè)備的數(shù)據(jù)處理的計(jì)算裝置的功能圖； 圖11示出了樣品特征確定設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和控制功能的功能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 參照附圖，一般地，應(yīng)當(dāng)理解的是，任何功能性框圖旨在簡單地展示存在于設(shè)備內(nèi) 的功能，而不應(yīng)被認(rèn)為其暗示了功能性框圖所示的每個(gè)塊必須是分立或獨(dú)立的實(shí)體。由塊 提供的功能可以是分立的，或者可以分散于整個(gè)設(shè)備，或者可以分散于該設(shè)備的一部分。此 外，在適當(dāng)情況下，該功能可以結(jié)合到硬連線元件、軟件元件或固件元件或它們的任意組 合。
[0011] 本文描述的干涉設(shè)備包括：短相干長度光或?qū)挷ǘ喂庠矗还鈱?dǎo)向儀，用于將來自 光源的光沿測(cè)量路徑引向樣品表面，還將沿參考路徑引向參考表面；波長色散儀，用于使沿 參考路徑的光發(fā)生波長色散；組合器，用于使來自樣品表面的光和來自參考表面的光產(chǎn)生 干涉圖樣或干涉圖；探測(cè)器，用于檢測(cè)作為波長函數(shù)的干涉圖樣的強(qiáng)度值；以及確定器，用 于從所檢測(cè)的強(qiáng)度值確定在哪個(gè)波長處測(cè)量路徑與參考路徑均衡，其中所述波長色散儀是 至少一個(gè)非光纖波長色散儀，并選自包括光柵波長色散儀、棱鏡波長色散儀和光學(xué)色散介 質(zhì)的列表。
[0012] 提供這種會(huì)在參考路徑或臂中引起波長或色度色散的波長色散儀，意味著該短相 干長度干涉儀（SCDRI)具有波長相關(guān)的光路，正因如此，每個(gè)波長在測(cè)量路徑和參考路徑 之間都有其獨(dú)特的平衡點(diǎn)，即零光程差的點(diǎn)。對(duì)所得干涉圖或干涉圖樣的信號(hào)進(jìn)行頻譜分 析，可以得到這個(gè)平衡點(diǎn)，并因而得到測(cè)量路徑的長度。這能使位置測(cè)量不存在2 π模糊 性，即不存在長相干長度干涉儀如條紋跟蹤干涉儀中發(fā)現(xiàn)的相環(huán)繞問題，不容易受到當(dāng)依 賴于光纖以提供波長色散時(shí)可能出現(xiàn)的光纖路徑長度漂移的影響。這種干涉儀在本文中被 稱為短相干色散參考干涉儀（SCDRI)。
[0013] 這里還描述了一種使用這種短相干色散參考干涉儀的裝置，用來確定關(guān)于樣品特 征的信息。例如，這種裝置可能能夠進(jìn)行位移測(cè)量和表面計(jì)量和薄膜測(cè)量。對(duì)于表面計(jì)量， 可以提供合適的物鏡組件（探針），用以使光聚焦或準(zhǔn)直于（取決于應(yīng)用）被測(cè)量表面上。 聚焦的（或準(zhǔn)直的）光束或樣品（被測(cè)對(duì)象）可以隨后在通常為X或y的一個(gè)或多個(gè)方向 中被掃描，該方向沿垂直于通常為z的測(cè)量路徑的方向，以取得一組代表被測(cè)對(duì)象的表面 形貌的測(cè)量點(diǎn)。使用這種方法來分析光學(xué)透明膜也是可能的。
[0014] 使用短相干長度的寬波段光源，能夠使采用普通光路技術(shù)的基于穩(wěn)定光纖的遠(yuǎn)程 探針得以使用。這使得一些實(shí)施方式具有遠(yuǎn)離干涉儀的主體的光纖探針。使用時(shí)分復(fù)用技 術(shù)，例如使用光纖開關(guān)，可以提供多個(gè)探針并將其耦合至干涉儀的主體。
[0015] 雖然方才以干涉儀為邁克爾遜干涉儀、光束在參考臂中色散為例來描述短相干色 散參考干涉儀的工作原理，但是也可以使用其它類型的干涉儀。例如，通過增加色散到參考 臂，可以使用特懷曼-格林干涉儀或馬赫-曾德爾干涉儀。隨后描述一些說明性實(shí)施例。
[0016] 圖1示意性示出了一種短相干色散參考干涉儀，其具有短相干長度或?qū)挷ǘ喂庠?S、分束器BS、具有分別提供測(cè)量路徑MP和參考路徑RP的測(cè)量表面和參考表面的測(cè)量臂和 參考臂、以及用于檢測(cè)在分束器處沿測(cè)量路徑返回的光和沿參考路徑返回的光之間的干涉 而產(chǎn)生的干涉信號(hào)的探測(cè)器D1，從而該分束器起組合器的作用。短相干長度或?qū)挷ǘ喂庠?S可以是，例如，超發(fā)光二極管（SLD)(也稱為超輻射發(fā)光二極管（SLED))或者濾過的白光光 源如鹵素光源。該探測(cè)器Dl包括提供波長相關(guān)的輸出的光譜儀。因此，例如，光可以在由 其波長確定的位置處入射到光譜儀的傳感器陣列上。探測(cè)器Dl的輸出可以被提供給數(shù)據(jù) 處理器100。為了說明的目的，參照?qǐng)D1，雖然測(cè)量表面和參考表面由鏡Ml和M2形成，但是 在實(shí)踐中，測(cè)量表面可以是被檢查的樣品（被測(cè)對(duì)象）的表面。
[0017] 干涉儀的參考臂還包括圖1所示的波長色散儀，為一對(duì)匹配的透射式衍射光柵Gl 和G2。
[0018] 從分束器BS行進(jìn)到參考鏡M2的光穿過兩個(gè)衍射光柵Gl和G2,并通過鏡M2沿相 同路徑反射回來。根據(jù)光柵周期和工作波長的組合，每個(gè)衍射光柵Gl和G2可以存在多個(gè)衍 射級(jí)。為了分析的目的，只取衍射光柵Gl的負(fù)一級(jí)-1及衍射光柵G2的相反的正一級(jí)+1。 衍射光柵G2的作用是重新準(zhǔn)直來自衍射光柵Gl的色散光束，任何其它衍射級(jí)被認(rèn)為被阻 斷。必要時(shí)，可以通過阻斷其他衍射級(jí)或通過使用合適的狹縫或孔徑來選擇所需的衍射，從 而它們不入射到光柵。沿測(cè)量路徑和參考路徑返回的光在分束器BS重新組合