技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及掠入射干涉儀并且更具體地涉及具有雙邊測量能力的掠入射干涉儀。

本文中提到的任何出版物或?qū)＠募恼麄€公開通過引用結(jié)合于此。

背景技術(shù)：

干涉測量法是測量物體光束與參考光束之間的干涉條紋圖案。這兩種光束的比較允許對已由一些表面或物體變形的物體光束的非常準確測量。

掠入射干涉儀采用以高入射角從物體反射的物體光束。這種干涉儀可以是非常有用的，因為當入射角接近90度時大多數(shù)表面具有非常強的鏡面反射。這允許對未拋光的表面(諸如硅晶片的背側(cè))的干涉測量。

現(xiàn)有技術(shù)掠入射干涉儀(諸如，美國專利No.6,239,351中公開的)的缺點是它們需求參考光束必須從其反射的參考表面。參考表面需要與物體平行且極為接近。這使得測量大體上平面的物體的相反表面會出現(xiàn)問題。另外，零衍射階(zero-diffracted-order)光束不被采用，從而需要被抑制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開的一方面是用于分析物體的表面的掠入射干涉儀，包括：第一衍射光學元件(DOE)，布置成接收基本上相干的光束并從此光束形成零衍射階光束和第一衍射階光束，其中第一衍射階光束以掠入射角從物體表面反射，而 零衍射階光束未反射；第二DOE，布置成接收未反射的零衍射階光束和反射的第一衍射階光束并將它們結(jié)合以形成基本上準直的結(jié)合光束；1X雙遠心中繼系統(tǒng)，其具有與結(jié)合光束共軸的光軸和設(shè)計尺寸為僅透射或反射該結(jié)合光束的孔徑光闌；以及屏幕，其基本上以掠入射角傾斜。

本公開的另一方面是一種掠入射干涉儀，用于分析大體上平坦的物體的相對的第一表面與第二表面。此干涉儀包括：光源，其產(chǎn)生基本上相干的光束；隔開的第一衍射光學元件和第二衍射光學元件，它們沿著光軸布置并且在光源的下游且它們之間具有物體，其中所述第一衍射光學元件形成-1^st、零和+1^st衍射階光束，所述-1和+1衍射階光束分別從第一表面和第二表面反射并且以剪切的方式與零衍射階光束結(jié)合以形成基本上準直的結(jié)合光束；1X雙遠心中繼系統(tǒng)，它在第二衍射光學元件的下游并且具有僅透射或反射準直的結(jié)合光束的透射或反射孔徑光闌；以及折疊光學系統(tǒng)，它在1X雙遠心中繼系統(tǒng)的下游并且在像平面處形成第一與第二干涉圖像。

本公開的另一方面是一種執(zhí)行具有至少一個物體表面的物體的掠入射干涉測量的方法。該方法包括：從基本上相干的波前形成零衍射階光束和第一衍射階光束；在保持零衍射階光束未反射的同時從至少一個物體表面反射第一衍射階光束；以剪切的方式將反射的第一衍射階光束與未反射的零衍射階光束結(jié)合以形成基本上準直的結(jié)合光束；通過1X雙遠心中繼來中繼準直的結(jié)合光束，所述1X雙遠心中繼具有基本上僅傳遞或反射該結(jié)合光束的孔徑光闌；以及從經(jīng)中繼的準直的結(jié)合光束形成該物體表面的至少一個干涉圖像。

在以下的詳細描述中陳述了附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言根據(jù)所作描述就容易理解，或者通過實施詳細描述、權(quán)利要求書以及附圖所述的實施例而被認識。應(yīng)當理解的是，以上一般描述和以下詳細描述都僅僅是示例性的，并旨在提供用于理解權(quán)利要求本質(zhì)和特性的概觀或框架。

附圖說明

所包括的附圖用于提供對本說明書進一步的理解，且被結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成其一部分。附圖示出一個或多個實施例，并與詳細說明書一起用來解 釋各實施例的原理和操作。如此，按照下文中的詳細描述，并結(jié)合附圖，本公開將會被更加全面地理解，其中：

圖1是根據(jù)本公開的掠入射干涉儀的示例性實施例的光學示圖；

圖2到4是第一與第二衍射光學元件和物體的特寫、部分剖面圖，并且示出如何相對于零衍射階光束剪切+1^st和-1^st衍射階光束；

圖5是1X雙遠心中繼光學系統(tǒng)的示例性實施例的光學示圖；

圖6是連同中繼光學系統(tǒng)的一部分的示例性折疊光學系統(tǒng)的特寫、立體圖，示出如何將兩個不同取向的圖像上平面與下平面結(jié)合到公共像平面上；

圖7是在孔徑光闌處采用反射鏡的類似于圖5的示例反射性1X雙遠心中繼光學系統(tǒng)的光學示圖；

圖8A是掠入射干涉儀的一部分的立體圖，示出如何由-1^st和+1^st衍射階照亮該物體的上表面與下表面上的相應(yīng)區(qū)域；

圖8B類似于圖8A并且示出一示例性實施例，其中，準直的光束以及第一與第二衍射光學元件的寬度和高度被尺寸設(shè)定成支持該物體的基本上整個上表面和下表面的照明；

圖8C類似于圖8A并且示出一示例性實施例，其中，物體被平移以使得由-1^st和+1^st衍射階照亮的區(qū)域被掃描；

圖8D類似于圖8B并且示出一示例性實施例，其中，相對于第一衍射光學元件掃描準直的光束以掃描該物體的上表面和下表面的照明區(qū)域；以及

圖8E類似于圖8A并且示出一示例性實施例，其中，兩個數(shù)字相機被用于直接捕捉物體的上表面和下表面的數(shù)字干涉圖像。

具體實施方式

現(xiàn)在詳細參照本公開的多種實施例，在附圖中示出了這些實施例的示例。將盡可能地在所有附圖中使用相同或類似的附圖標記來指示相同或類似的部分。這些附圖不一定按比例繪制，并且一個本領(lǐng)域的技術(shù)人員認識到附圖中哪里已經(jīng)被簡化為了示出本公開的關(guān)鍵方面。

下面闡述的權(quán)利要求書納入并作為此詳細說明的組成部分。

為了參考起見在一些附圖中顯示了笛卡爾坐標，但是笛卡爾坐標不旨在 對方向或取向的限制。

在以下描述中，術(shù)語“第一階”或“第一衍射階”指的是-1或+1衍射階，同時術(shù)語“各第一階”或“各第一衍射階”指的是-1與+1衍射階兩者。并且，盡管術(shù)語“零衍射階”或“零階”指的是光的直通未衍射部分，光的這部分仍然被稱為“衍射階”以跟隨其在本領(lǐng)域中的公共用法并且維持術(shù)語的一致性。

圖1是根據(jù)本公開的掠入射干涉儀(“干涉儀”)10的示例性實施例的光學示圖。干涉儀10沿著軸A1包括光源20，發(fā)射基本上相干的初始光束21。示例性光源20是激光器，諸如激光二極管、半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、固態(tài)激光器等。干涉儀10還包括光束擴展光學系統(tǒng)30，光束擴展光學系統(tǒng)30被示為包含透鏡32和34，配置成從光源20接收初始光束21并形成具有基本上平面的波前22F的擴展的且準直的光束22。

干涉儀10還包括沿著光軸A1布置的第一衍射光學元件(DOE)50A以接收準直的光束22并且從此光束22形成分別與-1、0和+1衍射階相關(guān)聯(lián)的光束23、24和25以及共同標記HO的更高衍射階(虛線箭頭)。要測量的大體上平面的物體60位于X-Z平面，沿著光軸A1鄰近DOE 50A并且在DOE 50A的下游。

物體60具有上表面(即，上側(cè))62和相反的下表面(即，下側(cè))64。物體60可以是需要特征化的任何類型的大體上平面的物體，諸如透光窗口、半導(dǎo)體晶片、不透明板等。在示例中，物體60具有標稱厚度TH并且還具有需要被確定的未知厚度變化TH(x,z)。

在示例中，以允許物體60的上表面62和下表面64都被照明的方式支撐物體60，如下所述。因此，在一個示例中，在物體60的邊緣支撐物體60，而在另一示例中，由細支撐構(gòu)件66(諸如升降銷)在下表面62處支撐物體(參見圖2，在下文引入并討論)。在示例中，支撐構(gòu)件66適于上下移動物體60以完成相移干涉測量，如在下文更加詳細地解釋。

-1^st和+1^st衍射階光束23和25以掠入射角θ分別入射在上表面62和下表面64上并且從上表面62和下表面64反射，所述掠入射角θ是相對于垂直于上下表面的線PL(參見圖1的特寫插圖)測得的。更高衍射階光束HO也入射在上表面62和下表面64上并且從上表面62和下表面64反射。在示例性實施 例中，掠入射角θ>80度。

干涉儀10還包括緊鄰物體60布置的且在物體60下游的第二DOE 50B。第二DOE 50B被布置成接收反射的-1^st和+1^st衍射階光束23和25以及不反射的零衍射階光束24。第二DOE 50B還接收反射的更高衍射階光束HO。

用作DOE 50A和50B的示例性DOE包括：相位光柵，可以是全息光學元件的形式；二元光學器件；計算機生成的全息圖；表面凹凸的衍射透鏡；等。DOE 50A和50B被示為透光元件，但可通過采用適當折疊的配置使得這些元件中的一個或兩者為干涉儀10的反射性元件。

在干涉儀10的替代實施例中，僅采用零衍射階光束24和第一衍射階光束23或25之一，所述第一衍射階光束23或25是分別從下表面64或上表面62反射的。

圖2是第一與第二DOE 50A和50B的特寫、部分剖面圖，示出如何相對于零衍射階光束24剪切-1^st和+1^st衍射階光束23和25。零衍射階光束24具有平面的波前0W，而-1^st和+1^st衍射階光束23和25具有-1W和+1W的相應(yīng)平面波前。在第一DOE 50A的中心點C處，入射波前22F被分成-1^st衍射階光束23和零衍射階光束24。零衍射階光束24在直線非反射路徑上傳播到第二DOE 50B處的對應(yīng)中心點C’，而-1^st衍射階光束23從上表面62反射，然后傳播到中心點C’。這是-1^st衍射階和零衍射階光束23和24沒有被剪切的唯一地方。

繼續(xù)參見圖2，在第一DOE 50A處的頂部位置T處，零衍射階光束24在直線非反射路徑上傳播到第二DOE 50B處的對應(yīng)頂部位置T’。另一方面，起始于頂部位置T處的-1^st衍射階光束23從上表面62反射，然后在底部位置B’處與第二DOE 50B相交。同樣地，起始于第一DOE 50A的底部位置B處的-1^st衍射階光束23從上表面62反射，然后在頂部位置T’處與第二DOE 50B相交。這示出衍射的各階被剪切，然后被重新結(jié)合。

相同的推論應(yīng)用到相對于物體60的下表面64的+1^st和零衍射階光束25和24。因此，參考與測量衍射階的干涉部分(即，與零、-1^st和+1^st衍射階相關(guān)聯(lián)的參考與測量波前0W、-1W和+1W)通常不源自初始照明波前22F的基本上相同的部分。

因為波前0W、-1W和+1W被剪切，在干涉圖案中將存在由光束離開DOE 50A時的波前像差所誘發(fā)的誤差。可通過測量完美的參考平臺(flat)并且然后去除干涉圖案中與完美參考偏離的部分來從干涉圖案中去除這種殘留的系統(tǒng)誤差。

再次參見圖1并參見圖3，第二DOE 50B位于光軸A1上方的部分接收結(jié)合的零衍射階光束24和-1^st衍射階光束23以及結(jié)合的更高衍射階HO(未示出)。同樣地，第二DOE 50B的位于光軸A1下方的部分接收結(jié)合的零衍射階光束24和+1^st衍射階光束25，以及結(jié)合的更高衍射階HO(未示出)。

圖4類似于圖3并且將上表面62的零衍射階光束24與-1^st衍射階光束23和下表面64的零衍射階光束24與+1^st衍射階光束25隔離。零衍射階光束24在直線無反射路徑上傳播到第二DOE 50B，產(chǎn)生二次衍射階光束23’、24’和25’。-1^st衍射階光束23從物體60的上表面62反射，然后入射在第二DOE 50B上，這形成二次衍射階光束23’、24’和25’，-1^st衍射階光束23’基本上平行于光軸A1。同樣地，+1^st衍射階光束25從下表面64反射，然后入射在第二DOE 50B上，這形成二次衍射階光束23’、24’和25’，+1二次衍射階光束25’基本上平行于光軸A1。從原始零衍射階光束24形成的二次零衍射階光束24’(粗箭頭)與那些基本上平行于光軸A1的-1和+1衍射階光束23’和25’(粗箭頭)結(jié)合以限定基本上準直的結(jié)合光束70C。更高衍射階HO(未示出)和額外的較低階(例如，不平行于光軸A1的-1二次衍射階光束23’)也結(jié)合在第二DOE 50B處以形成額外的衍射階光束，共同表示為圖1中的70E。

再次參考圖1，干涉儀10還包括1X雙遠心中繼光學系統(tǒng)(“中繼光學系統(tǒng)”)80，此1X雙遠心中繼光學系統(tǒng)布置成從第二DOE 50B接收結(jié)合的光束70C以及額外的光束70E。圖5是中繼光學系統(tǒng)80的示例性實施例的光學示圖。中繼光學系統(tǒng)80包括兩個隔開的透鏡82，在這兩個透鏡82之間設(shè)置具有孔徑88的孔徑光闌86。透鏡82各自具有焦距f，孔徑光闌86位于離開每個透鏡距離f處，以使得兩個透鏡分開距離2f?？讖焦怅@86的光闌88尺寸設(shè)定成傳遞結(jié)合的光束70C，同時基本上阻隔額外的光束70E。圖5中示出的示例性孔徑光闌86在本文中稱為“透光”孔徑光闌，因為它基本上僅透射結(jié)合的光束70C。

中繼光學系統(tǒng)80中繼物體60的上表面62和下表面64(或者其中某些部 分，如在下文解釋)的圖像。在圖5中，與物體60的下表面62相關(guān)聯(lián)的光標記U而與下表面64相關(guān)聯(lián)的光標記L。中繼光學系統(tǒng)80擁有具有傾斜角α的兩個傾斜的物平面OP(即，OP_U和OP_L)和也具有傾斜角α(歸因于1X放大率)的兩個對應(yīng)的傾斜像平面IP(即，IP_U和IP_L)，其中，物平面和像平面的傾斜對于上表面62和下表面64滿足拉格條件(Scheimpflug condition)。

滿足用于1X雙遠心配置的拉格條件提供了非聚焦(in-focus)、無畸變且無彗差的像。像平面IPU和IPL具有傾斜角α，所述傾斜角α與-1^st衍射階光束23和+1^st衍射階光束25相對于物體60的上表面62和下表面61(即，α＝θ)的掠入射角相同。

上表面62和下表面64的有效傾斜具有相反的符號，以使得像平面IP_U和IP_L在相反的方向上傾斜。這表示難以在公共像平面IP_C(參見圖1)中形成上表面62和下表面64的像，例如在將上表面和下表面成像到屏幕上時所期望的那樣。使上表面62和下表面64的像聚焦在公共像平面IP_C處是有優(yōu)勢的，因為它允許每個物體表面的干涉圖隨后被成像到單個圖像傳感器上。因此，干涉圖10附加地包括折疊光學系統(tǒng)90，設(shè)置在中繼光學系統(tǒng)80與公共像平面IP_C之間，這在下面更加詳細地描述。

圖1示出布置在共同像平面IPC中的漫射屏110。示例性漫射屏110基本上是朗伯的(Lambertian)。具有成像透鏡122和數(shù)字圖像傳感器124的數(shù)字相機120被布置成捕捉漫射屏110的數(shù)字圖像，在該漫射屏110上分別形成物體60的下表面64和上表面62的干涉圖像IM_L和IM_U。這里，術(shù)語“干涉圖像”與術(shù)語“干涉圖”同義并且指由結(jié)合光束70C限定的成像的干涉圖案。數(shù)字圖像傳感器124將干涉圖像IM_L和IM_U轉(zhuǎn)化為代表干涉圖像的電圖像信號S_L和S_U。這里注意到，下表面64和上表面62的干涉圖像IM_L和IM_U可包括下表面和上表面的一些區(qū)域，或者可基本上包括下表面和上表面的整體。

處理器130電連接至數(shù)字圖像傳感器124并且配置為接收并處理電圖像信號S_L和S_U。在示例中，處理器130提供有包含在計算機可讀介質(zhì)的指令，使得所述處理器針對物體60的上表面62和下表面64計算上表面狀況h_U(x,z)和h_L(x,z)并且基于上表面狀況和下表面狀況進一步計算物體的厚度變化TH(x,z)＝h_U(x,z)–h_L(x,z)。

增加干涉儀的分辨率的一般方法是納入相移干涉測量法(也稱為相位調(diào)制干涉測量法)的過程。在John Wiley&Sons出版社的編者Daniel Malacara的書“光學車間測試(Optical Shop Testing)”(2007)的14章第547-665頁詳細描述了相移干涉測量法。靜態(tài)干涉圖具有需要數(shù)據(jù)分析來找出條紋中心的缺點。此方法的分辨率受限，因為條紋圖案具有受限數(shù)量的像素。

利用相移干涉測量法，參考或物體光束的相位被調(diào)制。此調(diào)制不僅給出波前的極性而且還允許更高的分辨率。因此，在此掠入射衍射光柵干涉儀中納入采用相移干涉測量的一些方法是有利的。一種這么做的方式是與衍射光柵的軸正交地平移物體60，如圖2中的箭頭AR所示。平移需求量通常在幾微米的數(shù)量級。

再次參見圖1和圖2，當物體60的上表面62在Y方向上移動時，從此表面反射的-1W波前的相位將被改變，因為它與零階波前0W重新結(jié)合。同樣地，在相同時刻，表面64改變其位置，使得從此表面反射的波前+1W的相位也被調(diào)制。

使上像平面IP_U和下像平面IP_L重合在公共像平面IP_C上是有利的。圖6是示例性光學系統(tǒng)90連同中繼光學系統(tǒng)80的一部分的特寫立體圖。折疊光學系統(tǒng)90包括相鄰?fù)哥R82、第一折疊反射鏡92A和92B，第一折疊反射鏡92A和92B被示為直角反射棱鏡構(gòu)件93以最小化這些折疊反射鏡的間隔。與物體60的上表面62和下表面60相關(guān)聯(lián)的中心上光束U和中心下光束L也被示出。

第一折疊反射鏡92A和92B位于與物體60的上表面62和下表面64正交的(即，與X-Z平面正交的)平面。此配置用于在+X和-X方向上反射上光束U和下光束L。第二折疊反射鏡96A和96B被布置成分別接收上光束U和下光束L并且折疊這些光束以使得這些光束在Y方向上傳播。然后可基本上以掠入射角傾斜漫射屏110以使得上干涉圖像IM_U和下干涉圖像IM_L一起出現(xiàn)在屏幕上。因此，折疊光學系統(tǒng)90可被稱為將上像平面IP_U和下像平面IP_C映射到公共像平面IP_C上。在一個示例中，折疊光學系統(tǒng)90包括四個折疊反射鏡92A、92B、96A和96B，如圖6所示，而在另一示例中，可采用附加的光學元件(未示出)。

圖7類似于圖5并且是折疊中繼光學系統(tǒng)80的示例性實施例的特寫圖， 其中反射鏡89放置在孔徑88處，分束器BS放置在單透鏡82的上游。反射鏡89用于折疊中繼光學系統(tǒng)80，同時仍阻隔額外的光束70E。反射的結(jié)合光束70C傳播返回到單透鏡82并且入射在分束器BS上，分束器BS沿著折疊光軸A1’引導(dǎo)結(jié)合光束的一部分(例如，50％)并且引導(dǎo)到折疊光學系統(tǒng)90。在示例中，孔徑光闌86被省略，反射鏡89的有限尺寸被用于限定“孔徑”的尺寸。圖7中示出的孔徑光闌86的配置在本文中稱為“反射”孔徑光闌，因為它基本上僅反射結(jié)合的光束70C。

圖8A是干涉儀10的一部分的立體圖，示出了一示例性實施例，其中寬度W(如在X方向上測量)和長度L(如在Z方向上測量)的上表面62和下表面64的相應(yīng)區(qū)域62R和64R(如由虛線所示)分別由-1^st和+1^st衍射階光束23和25來照明。在此實施例中，相應(yīng)的上表面區(qū)域62R和下表面區(qū)域64R被成像到屏幕110上，并且然后由數(shù)字相機120和處理器130(參見圖1)來處理。在示例中，表面區(qū)域62R和64R的寬度W由DOE 50A與50B的寬度和擴展的準直的光束22的寬度來確定。長度L由DOE 50A和50B的高度(在Y方向上)和擴展的準直的光束22來確定。

將在一些情況下期望對物體60的基本上整個上表面62和下表面64照明從而成像。這可通過以下方式來實現(xiàn)：配置干涉儀10以使得第一DOE 50A和第二DOE 50B和準直的光束22尺寸設(shè)定為基本上對物體60的整個上表面62和下表面64照明。圖8B類似于圖8A并且示出干涉儀10的一種示例性實施例，其中，準直的光束22以及第一DOE 50A與第二DOE 50B的寬度和高度尺寸設(shè)定成支持對物體60的基本上整個上表面62和下表面64的照明。在圖8B的實施例中，區(qū)域62R和64R分別基本上構(gòu)成物體60的整個上表面62和下表面64。

圖8C類似于圖8A并且示出干涉儀10的示例性實施例，其中通過在X-Z平面上平移物體60(如由箭頭AR所示)在上表面62和下表面64上掃描-1^st衍射階光束23和+1^st衍射階光束25。

圖8D類似于圖8B并且示出干涉儀10的示例性實施例，其中通過相對于第一DOE 50A平移準直的光束22在上表面62和下表面64上分別掃描-1^st衍射階光束23和+1^st衍射階光束25。準直的光束22的平移導(dǎo)致區(qū)域62R和64R 的對應(yīng)平移，由此完成由-1^st衍射階光束23和+1^st衍射階光束25對物體60的上表面62和下表面64的掃描。

圖8E類似于圖8A并且示出示例性實施例，其中兩個數(shù)字相機120U和120L可操作地設(shè)置在傾斜的像平面IP_U和IP_L中(參見圖5)以分別直接捕捉物體60的上表面64和下表面62的數(shù)字干涉圖像。此示例性實施例消除對折疊光學系統(tǒng)90和屏幕110的需要以在公共像平面IP_C上形成上干涉表面IMU和下干涉表面IM_L(圖6)，盡管代價是必須增加第二數(shù)字相機。數(shù)字相機120U和120L可操作地連接至處理器130。

干涉儀10的優(yōu)勢是可通過同時測量物體的上表面62和下表面64來確定物體60的厚度變化TH(x,z)。與通過將物體60安裝到夾具來測量上表面62然后翻轉(zhuǎn)物體并將物體重新安裝到夾具來測量下表面64相比，這提供對厚度變化TH(x,z)的更加準確的測量。這是因為將物體60安裝到夾具的做法導(dǎo)致了物體的表面狀況中的可測量的改變，并且這種改變轉(zhuǎn)移到該物體中并非固有的厚度變化中。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯地可對本文所述公開的優(yōu)選實施例進行修改而不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神或范圍。因此，本公開涵蓋修改和變形，只要它們落入所附權(quán)利要求與其等效物的范圍之內(nèi)。