用于薄膜中的表面轮廓和厚度测量的监测的系统、装置和方法与流程

在此描述的本主题一般地涉及薄膜沉积领域。本发明更特别地涉及，在生产过程中，使用基于光栅阵列的波前传感器对所述薄膜的表面轮廓和厚度测量的同时原位(in-situ)实时监测。

背景技术：

薄膜的表面轮廓和厚度对使用薄膜的任何设备(如光学器件、半导体设备、小型化传感器等)是非常重要的参数。因此，需要在不同的时刻监测这些参数。若这些参数被原位实时地监测，可以在生长过程期间定制薄膜的特性。

表面轮廓和厚度监测的非侵入式原位技术对使用薄膜的任何设备(如光学器件、半导体设备、小型化传感器等)是非常重要的。若这些参数被实时、原位且非侵入地监测，在生长过程期间定制薄膜的特性。

相应地，本领域中用于监测薄膜的增长的可用原位技术被分类为两种：侵入式和非侵入式技术。

用于监测薄膜的厚度的最常见可用的侵入式技术是石英晶体平衡。参考非专利文献，P.F.Jaeger,W.H.Smyrl,NACE，626号论文，1996(http://www.nace.org/cstm/Store/Product.aspx？id＝92ce1553-6211-4ee1-b5c0-03a2cb753a1b)；X.Du,Y.Du,S.M.George,J.Vac.Sci.Tech.A,23(4),581-588,2005(www.colorado.edu/chemistry/GeorgeResearchGroup/pubs/230.pdf)。然而，在石英晶体平衡中，薄膜沉积在石英晶体的表面上。随着膜的生长，晶体的振动的固有频率改变(其与沉积的材料的质量有关)，并因此对于已知的面积，确定膜厚度。由于在此薄膜沉积发生在石英的表面而不是在实际表面上，这不是直接的原位过程。此技术对更厚的膜无用，原因是若较大的质量沉积到石英晶体上，晶体将停止振荡。此外，石英晶体的振荡的固有频率对温度和压力变化敏感，当沉积在实际表面上时，温度和压力变化间接引起厚度测量的一些不准确性。

石英晶体的另一存在的变体是超声石英兰姆波。参考非专利文献，Jun Pei,F.L.Degertekin,B.VA.Honein,B.T.Khuri-Yakub和K.C.Saraswat,IEEE超声专题讨论会,1051-0117/94/0000,1237 1240,1994(http://www-kyg.stanford.edu/khuriyakub/opencms/Downloads/94_Pei_01.pdf)。参考美国专利No.6,019,000，其中在薄膜分析中利用超声石英兰姆波。然而，在此技术中，沉积仅发生在石英晶体上。石英晶体担任声传感器。技术基于超声兰姆波在石英中传播的速度随其上薄膜的生长而改变的事实。此技术需要基板声特性的先验知识且还依赖于基板的温度。由于这些缺点，此技术几乎已经不被使用。

另一侵入式技术是基于将光纤作为传感器。参考非专利文献，Y.C.Tsao,W.H.Tsai,W.C.Shih和M.S.Wu,Sensors，13，9513-9521，2013(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23881144)；D.Jose,M.S.John,P.Radhakrishnan,V.P.N.Nampoori,C.P.G.Vallabhan,Thin Solid Film，325，264-267,1998(www.researchgate.net/...thin_films/.../541bf4640cf203f155b34672.pdf。此技术利用光纤的纤芯-包层界面的表面等离子特性。通过从光纤移除包层实施此技术且允许膜在光纤的无包层区域上生长。由于利用沉积薄膜的材料替换包层材料，由于表面等离子共振(SPR)，穿过光纤的激光的传播经历增强的吸收，这可以在光纤的另一端被检测并与膜厚度有关。然而，这一技术还仅限于较低厚度水平，原因是在较高的厚度处，吸收变得独立于厚度。此外，此技术仅可适用于表现出强SPR特性的那些材料，且沉积还发生在光纤上而不发生在实际表面上。

因此，在所有上面提到的侵入式技术中，薄膜沉积发生在换能器上，而不是在实际需要的表面上，且这导致当在实际情况中估计薄膜的厚度和轮廓时的大程度的不准确性。此外，所有这些技术仅限于平均厚度的测量且不适用于表面轮廓描绘。

在非侵入式技术的情况中，薄膜直接沉积在基板上。在可用的非侵入技术中，椭圆偏振法(ellipsometry)是最常实施的以监测生长过程期间膜的平均厚度。参考非专利文献，S.A.Henck,W.M.Duncan,J M.Loewenstein和J.Kuehne,Proc.SPIE,1803,1992(http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx？articleid＝1001800)；J.H.Gruenewald,J.Nichols和S.S.A.Seo,Rev.Sci.Instrum.84,043902,2013(http://arxiv.org/abs/1302.5074)。然而，椭圆偏振法技术是基于膜-基板系统的偏振相依反射性。在此技术中，可调谐光源以点照射膜，且假设基板的光学特性和膜的反射率是已知的，反射光的偏振被记录为波长和入射角的函数，其然后与膜的厚度有关。膜的反射率取决于厚度、基板和沉积环境，沉积环境包括但不限于温度和气压。因此，技术需要对在其下沉积膜的每种环境和在其上发生沉积的基板的先前校准。此外，作为点测量技术，在一个瞬时处不提供整体的表面信息。

椭圆偏振法的另一简单的变体是反射法，其中样本的反射率被测量为波长的函数，且然后被拟合成适合的等式以确定膜的厚度。参考美国专利No.6,525,829。然而，此技术的准确性取决于膜的反射率并因此受限于仅高反射膜。与椭圆偏振法相似，除了作为点测量技术之外，此技术还需要关于基板和膜的折射率的先验信息。

另一可用的非侵入式技术是干涉法。通过沉积期间在掠入射时从膜的上和下表面附近的等离子发出的光的光谱干扰执行原位厚度测量或者通过记录掉落在膜表面上的外部激光源的干涉图案执行原位厚度测量。参考美国专利No.6,888,639 B2和美国专利No.5,450,205。美国专利No.6,888,639 B2限于涉及亮的等离子的沉积系统，而美国专利No.5,450,205需要使用阵列检测器在特定时间段内记录一系列图像。因此，美国专利No.5,450,205遭受每次测量的固有最小获取时间。此外，对于特定波长的辐射，检测器平面上图像中的强度还将是薄膜材料的特性的函数。

除了薄膜沉积系统中这些传统的技术，还存在使用波前传感器分析薄膜计量的方法。参考美国专利号5,563,709，其中计量装置包括Hartmann-Shack波前传感器，Hartmann-Shack波前传感器使用二进制光学小透镜阵列以获得晶圆的总厚度变量，用于晶圆的薄化和平整化。然而，二进制光学透镜不提供在此提出的基于光栅阵列的波前传感器的灵活性。此外，小透镜阵列的固定几何形状导致焦斑阵列的固定几何形状，这使得使用检测器阵列的相同数量的行和列是必要的，导致使用的检测器(如CCD或CMOS照相机)的有限帧率。在另一布置中，参考专利号WO2006027568和欧洲专利号1789753A1，其中，公开了通过分析来自薄膜的许多表面的许多输出电磁场对薄膜厚度和相关倾斜进行实时测量的技术。用于此过程的波前传感器是相位变更波前感测技术，其中从其强度的导数估计波前。此外，专利参考建议使用波前传感器测量对应于薄膜的两个表面的波前。然而，这些参考没有提到不仅测量所述两个波前还以检测器阵列的最高的可能帧率测量两个波前的基于光栅阵列的波前感测。此外，厚度测量仅发生在样本的一点处并需要光束的机械扫描以测量样本上不同点处的厚度，因此在任何给定的时刻记录完整轮廓是不可能的。

在另一布置中，使用波前感测原理用于薄膜厚度的原位实时测量。参考非专利文献D.M.Faichnie,I.Bain,A.H.Greenaway,Proc.SPIE 60180T,2005和D.M.Faichnie,A.H.Greenaway,K.Karstad和I.Bain,J.Opt.A:Pure Appl.Opt.7,S290–S297,2005，基于来自薄膜沉积的界面的每个的反射。从检测器平面中捕获的反射图像中的差异测量薄膜厚度。然而，此技术需要在不同的时刻处的一系列测量以收集整个薄膜的信息，原因是其仅提供样本上的特定点处的信息。

除了上面提到的可用技术中的这些缺点，薄膜生长过程的原位监测主要聚焦于样本的体积特性(如厚度)，而表面轮廓描绘通常通过使用非原位技术实现。此外，提供与原位表面轮廓描绘有关的信息的报告的技术需要关于薄膜和膜在其上生长的基板的特性的先验信息。此外，传统技术受限于仅一些特定类型的膜或依赖于沉积的环境或基板特性，因此每次改变沉积条件时都需要先前校准。此外，可用的技术仅提供平均厚度或表面轮廓。

还存在提供原位表面轮廓描绘的某些可用技术。然而，这些技术涉及串行并需要关于样本的先验空间信息。因此，在这样的技术中，使用在不同时刻处接收的空间信息构建表面轮廓。此外，波前传感器通常从由基板反射的光束的波前测量表面轮廓。然而，沉积系统中的机械振动增加测量的不准确性，除非感测帧率足够高以降低振动的作用。因此，就我们所知，不存在独立于环境和薄膜及基板的材料的选择而可以满足参数(即表面轮廓和厚度)的同时在线监测的可用的单一技术。

参考非专利文献，B.R.Boruah,Optics Letters 35(2),202-204,2010，公开了基于光栅阵列的带状波前传感器(zonal wavefront sensor)的工作。此外，还参考非专利文献，B.R.Boruah和A.Das,Applied Optics 50(20),3598-3603,2011，其公开了可以如何限定光栅元件的空间频率以便衍射光束可以聚焦以形成具有用户限定数量的行和列的焦斑阵列。此外，参考非专利文献，W.H.Southwell,Optical Society of America杂志70(8),998-1006,1980和B.Pathak and B.R.Boruah,Optics杂志16(5),055403,2014，可以采用标准或改进的波前重构算法以重构入射波前。然而，可看出，引用的杂志没有揭露基于光栅阵列的波前传感器可以用于薄膜沉积系统。此外，没有教导使用基于光栅阵列的波前传感器的薄膜系统中厚度和表面轮廓的同时测量。进一步地，专利或非专利文献没有教导测量非平面基板的表面轮廓，或具有改进的灵敏度的分离或同时地测量薄膜的厚度和表面轮廓。

因此，基于如上讨论的现有技术的缺点，可以断定，不存在可以在生长过程中满足两个参数，即表面轮廓和厚度的同时在线监测(而不管生长环境和基板的特性)的可用的单一技术。因此，存在提供克服传统技术的缺点的薄膜的表面轮廓描绘和厚度测量的原位实时监测的强烈需求。

技术实现要素：

下面示出本发明的简化总结以提供本发明的一些方面的基本理解。此总结不旨在确定请求的主题的必要特征，也不旨在用于确定或限制请求的主题的范围。其唯一的目的是以简化形式示出本发明的一些概念，作为稍后示出的本发明的更加详细的描述的前序。

本发明的主要目的在于提供使用基于光栅阵列的波前传感器的系统，用于同时对薄膜沉积单元中薄膜的表面轮廓和厚度测量的原位实时监测。

本发明的另一目的在于使用可编程光调制器以在薄膜沉积系统中实施基于光栅阵列的波前传感器。

本发明的又一目的在于提供光调制器中各个光栅图案之间的可编程切换，以测量薄膜的表面轮廓和/或厚度。

本发明的又一目的在于提供同时对薄膜的表面轮廓和厚度测量的实时监测而不需要先前校准，因此使其独立于基板、薄膜材料和沉积环境。

因此，在第一方面，本发明提供用于对至少一个薄膜沉积单元上的至少一个薄膜的表面轮廓和/或厚度测量的实时监测的系统，所述系统包括：

至少一个激光生成构件，用于生成至少一个激光束，所述激光束入射至所述薄膜沉积单元的至少一个基板上并因此反射所述激光束；

至少一个基于光栅阵列的波前传感器，用于接收所述反射的激光束作为入射光束并因此反射至少一个期望阶的至少一个衍射光束，所述衍射光束由至少一个虹膜光圈隔离；

至少两个透镜，适用于接收所述衍射光束并在一个或多个位置处生成焦斑阵列；

至少一个图像捕获构件，用于捕获对应于所述焦斑的所述位置的所述焦斑的图像；

至少一个数据处理模块，适用于接收来自所述图像捕获构件的所述图像，并用于：

在沉积之前和在沉积之后的任意后续时刻处，从对应于所述焦斑阵列的至少一个相对位置的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的至少一个波前；以及

基于测量的所述波前，生成与所述表面轮廓和所述厚度测量同时对应的至少一个信息。

在第二方面，本发明提供在薄膜沉积系统中用于同时对至少一个薄膜的表面轮廓和厚度测量的实时监测的方法，所述方法包括：

●由一个或多个激光生成构件生成至少一个激光束并将所述激光束入射至薄膜沉积单元中的基板上；

●由所述基板反射所述所述激光束并因此被透射穿过至少两个透镜并将所述透射的激光束入射至基于光栅阵列的波前传感器，作为入射光束；

●由所述基于光栅阵列的波前传感器将至少一个期望阶的至少一个衍射光束透射至至少两个透镜的组合和至少一个检测器平面，用于在一个或多个位置处生成焦斑阵列；

●由至少一个图像捕获构件捕获所述焦斑的图像，用于由数据处理模块获得所述激光束的波前；

●由所述数据处理模块确定所述焦斑的所述位置，用于在沉积之前和在沉积之后的任何后续时刻处，从与所述焦斑阵列的至少一个相对位置对应的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的波前；以及因此

●由所述数据处理模块基于测量的所述波前，生成与所述表面轮廓和所述厚度测量同时对应的至少一个信息。

在第三方面，本发明提供在薄膜沉积系统中用于当至少一个基板的表面不均匀时同时对表面轮廓和厚度测量的实时监测的方法，所述方法包括：

●由一个或多个激光生成构件生成至少一个激光束；

●由至少一个第一分束器分束所述激光束并由至少两个镜的组合和至少一个第二分束器反射所述激光束；

●将所述反射的激光束和由第一分束器透射的、基板反射的和所述第二分束器透射的光束入射至基于光栅阵列的波前传感器；

●由所述基于光栅阵列的波前传感器透射所述至少两个激光束，对每个光束，至少一个期望阶的至少一个衍射光束穿过至少两个透镜的组合和至少一个检测器平面，用于在一个或多个位置处生成焦斑阵列；

●由至少一个图像捕获构件捕获所述焦斑的图像，用于由数据处理模块获得每个所述激光束的波前；

●由所述数据处理模块确定所述焦斑的所述位置，用于在沉积前和沉积之后的任意后续时刻处，从与所述焦斑阵列的至少一个相对位置对应的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的波前；以及因此

●由所述数据处理模块基于测量的所述波前，生成与所述表面轮廓和所述厚度测量同时对应的至少一个信息。

在第四方面，本发明提供具有增强的灵敏度的用于同时对至少一个薄膜沉积单元上的至少一个薄膜的表面轮廓和厚度测量的实时监测的系统，所述系统包括：

具有至少一个激光生成构件、至少一个半波片(λ/2)、至少一个四分之一波片(λ/4)和至少一个偏振分束器的布置，以生成第一激光束路径，将所述第一激光束路径入射至至少一个基板，并随后由所述基板反射之后入射至至少一个基于光栅阵列的波前传感器；

所述基于光栅阵列的波前传感器适用于接收所述第一激光束路径，以生成至少一个衍射光束，其中所述基于光栅阵列的波前传感器包括至少一个光栅元件以在与所述衍射光束对应的一个或多个位置处生成焦斑阵列；

至少一个图像捕获构件，适用于在一个或多个时刻处捕获所述焦斑阵列的图像并捕获由直接来自所述激光生成构件的第二激光束路径生成的焦斑的图像；

至少一个数据处理模块，用于接收所述焦斑的所述图像并因此从所述焦斑位置测量所述入射光束的至少一个波前以生成对应于所述表面轮廓和/或所述厚度测量的至少一个信息。

在第五方面，本发明提供在薄膜沉积系统中用于同时或分离对表面轮廓和厚度测量的实时监测的方法，所述方法包括：

●由一个或多个激光生成构件生成至少一个激光束；

●使所述激光束在入射至至少一个第一偏振分束器之前穿过半波片(λ/2)；

●由所述第一偏振分束器透射穿过四分之一波片(λ/4)入射至基板上的第一激光路径，并由所述基板将所述第一激光束路径反射至至少一个镜；

●由所述镜将所述第一激光束路径反射回至所述基板且因此穿过所述四分之一波片(λ/4)入射至所述第一偏振分束器；

●由所述偏振分束器将所述激光束入射至基于光栅阵列的波前传感器，用于生成至少一个衍射光束并因此由所述基于光栅阵列的波前传感器上的一个或多个光栅元件在一个或多个位置处生成焦斑阵列；

●由图像捕获构件接收穿过所述偏振分束器的所述焦斑阵列和/或与直接来自所述激光生成构件的第二激光束路径对应的焦斑；

●重叠来自对应于第一激光束路径的光栅阵列的每个光栅元件的焦斑和来自第二激光束路径的焦斑，测量重叠的焦斑的结果强度；以及因此

●由数据处理模块测量所述表面轮廓和/或厚度。

在本发明的全部方面中，所述波前传感器设备的光栅阵列由可编程相位或振幅掩膜实施。

本发明的其他方面、优点和突出的特征将从下面具体的描述中对本领域技术人员变得明显，具体的描述结合附图公开本发明的示例性实施例。

附图说明

本发明的某些示例性实施例的上述或其他方面、特征和优点将从与附图结合做出的下面的描述中变得明显，其中：

图1是根据本发明的第一实施方式的同时监测薄膜的表面轮廓和厚度两者的系统的一个实施例的说明。

图2是根据本发明的第二实施方式的其中两个透镜L5和L6位于基板和可编程掩膜之间的系统的说明。

图3是根据本发明的所有实施方式的基于光栅阵列的带状波前传感器(zonal wavefront sensor)的工作的说明。

图4是根据本发明的所有实施方式的其中可以在用于薄膜的脉冲激光沉积系统中实现的薄膜的表面轮廓和厚度的同时监测的示例的说明。

图5是根据本发明的第三实施方式的若基板的表面非均匀时，同时监测薄膜的表面轮廓和厚度两者的系统的说明。

图6是根据本发明的第四实施方式的同时地并单独地监测薄膜的表面轮廓和厚度两者的系统的说明。

本领域技术人员将意识到，附图中的元件被示出用于简化和清楚化，且可能没有按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大以帮助改进对本公开的各个示例性实施例的理解。在附图中，自始至终，应当注意的是，相同的附图标记用于描绘相同或相似的元件、特征和结构。

具体实施方式

提供参考附图的以下描述，帮助全面理解本发明的示例性实施例。包括各种特定细节以帮助理解，然而，这些仅是示例性的。

相应地，本领域普通技术人员将意识到，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出在此描述的实施例的各种变化和修改。此外，为清楚和简洁起见，省略已知的功能和结构。

在下面的描述和权利要求中使用的术语和词语不限于著书目录的含义，而仅供发明人使用以便对本发明的清楚的和一致的理解。相应地，对于本领域技术人员应当明显的是，仅用于说明的目的且不用于由所附权利要求及其等同的限定而限制本发明的目的，提供本发明的示例性实施例的下面描述。

应当理解的是，除非上下文另外清楚地指示，单数形式“一个”、“该”、“此”包括复数的指代对象。

术语“基本上”意味着不必须精确地实现所列举的特征、参数或值，然而包括例如公差、测量误差、测量准确性限制或本领域技术人员所知的其他因素的偏离或变量可以以不排除特征意图提供的效果的量发生。

相对于一个实施例描述的和/或说明的特征可以以相同的方式或相似的方式用于一个或多个其他实施例中和/或与其他实施例组合或替代其他实施例的特征。

应当强调的是，当用于此说明书中，术语“包括/包含”指示陈述的特征、整体、步骤或组件的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其的组的存在或附加。

当结合附图阅读时，本发明的目的、优点或其他新颖的特征将从下面详细的描述中对本领域技术人员变得明显。

本发明通过在脉冲激光薄膜沉积系统或任何其他适合的薄膜沉积系统中利用基于光栅阵列的波前传感器来实现目的。数据处理模块用于通过监测样本(如基板、薄膜)的表面轮廓和薄膜的厚度测量来测量入射光束的波前。

本发明的方案被发现为解决提到的问题的一个或多个而不具有与现有技术有关的任何缺点的最适合的方法之一。应理解的是，相关领域中具有特定知识和技能的人员可以意识到附加的修改，然而提出不涉及基于光栅阵列的波前传感器的替换的方案似乎不是可行的。

在一个实施方式中，基于光栅阵列的波前传感器设备可以是带状波前传感器或带状波前传感器的任何替换。

参考图1，其中示出根据本发明的第一实施方式的同时监测薄膜的表面轮廓和厚度的系统。

参考图2，其中示出根据本发明的第二实施方式的具有位于基板和可编程掩膜之间的两个透镜L5和L6的系统。

参考图3，其中示出根据本发明的全部实施方式的基于光栅阵列的带状波前传感器的工作。

在第一和第二实施方式中(如图1和图2所示)，且在第三和第四实施方式中(如图5和图6所示)，准直激光束可以指向薄膜沉积其上的基板且反射光束可以被指引朝向基于光栅阵列的带状波前传感器。带状波前传感器在沉积开始之前，在任意时刻处测量与从基板反射的光束相关的入射光束的波前。传感器在沉积之前和在沉积期间或之后的任何后续时刻处，依据光栅阵列中的各种元件，从与焦斑阵列的至少一个相对位置对应的焦斑位置有关的信息测量波前。

在全部实施方式中，准直激光束可以通过沉积室的观察口进入薄膜沉积系统并可以入射至沉积发生其上的基板上。反射光束从适合地位于室上的另一观察口出射并然后入射在基于光栅阵列的带状波前传感器上。带状波前传感器根据入射光束的重构波前或对应于正交基函数的像差模式(aberration mode)的量级提供关于表面轮廓的信息。若测量从没有沉积的时刻开始，假设基板上的测量面积大于沉积发生的面积，传感器可以同时提供表面轮廓和厚度的测量。即使测量面积较小，光栅阵列的布置提供厚度测量的附加工具且还补偿系统中的机械振动。

此外，在全部实施方式中，反射的光束波前可以从与给定时刻处取到的波前的不同部分对应的焦斑位置测量。因此，波前测量过程是固有地并行本质。可以使用可编程且可重配置的设备(如空间光调制器(SLM))实施光栅阵列传感器。这样的设备可以促进通过单全息图对光栅阵列的动态替换，这允许即使膜沉积发生在比测量面积更大的面积上，局部或全局地测量薄膜的厚度基于光栅阵列的波前传感器的可编程性质还可以促进附接至传感器的数字照相机以其最高的可能的帧率的操作。因此，在提出的发明中，测量将最少地受由于沉积系统中的振动导致的反射光束中存在的机械振动影响。

因此，在全部实施方式中，表面轮廓描绘背后的原理是独立于光束强度并因此独立于薄膜的反射率。若测量的面积大于其上薄膜生长的面积，表面轮廓描绘还可以由厚度轮廓完成。因此，可以不使用关于整个测量面积上的薄膜材料的特性中的全局或局部振动的信息而获得表面轮廓测量和厚度两者。

在第一实施方式中，示于图1的布置监测在薄膜沉积单元中的沉积期间的薄膜的表面轮廓和厚度两者。为监测薄膜的真实生长，两个透镜L1和L2的组合可以用于扩散并准直进入沉积单元的激光束。准直光束入射至沉积可以发生其上的基板上且从基板反射的光束然后可以入射至如图3所示的基于光栅阵列的带状波前传感器的光栅的阵列上。光栅的阵列可以使用可编程幅度或相位掩膜实施，可编程幅度或相位掩膜可以借助于用户接口(PC接口)被控制。来自光栅的特定期望阶的衍射光束可以在透镜组合L3和L4和虹膜光圈ID的帮助下聚焦到数字照相机，形成焦斑阵列，焦斑的位置因此由所述传感器的计算机程序读取。

在如图2所示的系统的第二实施方式中，两个透镜L5和L6保持在基板和掩膜之间，以便两个平面被制成彼此光学共轭。

在全部实施方式中，基于光栅阵列的波前传感器的工作示于图3。可以构建光栅阵列，以便光栅元件的每个具有相同直径的圆形孔径和方波透射轮廓，即，以0或1，或-1或1改变的振幅透射率。可以入射至光栅阵列的光束被衍射并由透镜L聚焦到检测器平面D上，导致在关于非衍射的零阶的位置的相对位置0，±1，±3……处的0，±1，±3……衍射阶。第n阶关于零阶的分离取决于衍射阶和对应于光栅的方波模式的空间频率(表示光栅刻线的周期和方位)。因此，适合地选择每个光栅的空间频率，可以形成对应于第n衍射阶的焦斑以在无像差入射光束的情况下形成一个或多个规则的阵列。

在一个实施方式中，对于具有尺寸N×N的方波振幅光栅的2D阵列，索引i表示阵列的行且索引j表示阵列的列。如果m1x和m1y是位于光栅阵列的左上角的光栅元件(1,1)的空间频率且mix和miy是光栅元件(i，j)的空间频率，使得mix和miy是分别沿X和Y方向的光栅元件中每单元长度的线的个数，在平面波前入射至光栅阵列上的情况中，

以便生成具有N×N尺寸的特定衍射阶焦斑阵列。在此，m1x、m1y和Δm是实数。然而，还可以将空间频率设置为：

或反之亦然，以沿一条水平线或一条竖直线布置所有焦斑，其中Δm表示给定阶的两个连续斑之间的分离。

光栅元件的空间频率可以被如此限定以便可以制造焦斑阵列以形成具有任何用户限定的行数和列数的阵列，只要阵列中元件的总数为N²。原则上，对应于任何衍射阶的焦斑将在无像差的情况下形成一个或多个规则的阵列。然而，选择+1衍射阶而非其他阶是更加方便的，原因是在全部的衍射阶中，+1阶将具有最高的能量。图3中的平面D包括在无像差的情况下由黑点示出的规则网格的焦斑。在入射光束中存在像差的情况下(例如具有波前W1W2的光束)，焦斑移位，例如，与图3中示出的红点相似。数字照相机(如CCD或CMOS照相机)可以保持在D处以捕获焦斑阵列的图像。由于平面波前，焦斑相对于其参考位置的移位给出与由各自光栅拦截的波前部分相对应的局部倾斜值的测量。

在图1、2、4、5和6中描绘的系统的全部实施方式中，随着膜沉积开始，基板上反射表面的形貌开始连续地被修改。因此，入射到光栅阵列上的光束的波前被连续地修改。在一个示例性实施方式中，P0表示在瞬时t0处在沉积开始之前的波前；P1表示在瞬时t1处由于在沉积过程中在基板上增加的质量而导致的波前；P2表示t2的波前，等等。由于波前的变化导致的随后的焦斑位置的变化可以由计算机程序读取，其可以用于重构瞬间的入射波前。由于测量从没有沉积的时刻开始，因此传感器可以提供表面轮廓和厚度两者的测量，假设基板上的测量面积大于沉积发生其上的面积。

在一个实施方式中，光栅阵列的布置促进可编程相位或振幅掩膜中光栅图案的动态切换。因此，代替光栅的阵列，可以实施单个光栅或全息图以便可以监测数字照相机中的对应焦斑，焦斑的尺寸和形状可以提供关于样本全局地在全部面积上或局部地在小面积上的厚度变量的信息。对光栅阵列模式的另一可编程切换，在无像差的情况下生成具有更小数量的行或仅具有一行的焦斑阵列促进数字照相机的更高的帧率。因此，提出的系统将能够使测量更加快速，使测量较少地受沉积系统中的机械振动影响。

在又一实施方式中，以上描述的相同布置还可以用于半透明样本，原因是传感器可以区分来自基板和薄样本的上表面的反射。上面讨论的技术的通用原理最可能可应用至提供将激光束引导至样本并接收从样本出射的反射光束的设施的任何沉积系统。然而，本发明还可以适用于或被实施为产生用于在脉冲激光沉积系统(PLD)中的沉积期间对薄膜厚度和其轮廓同时进行连续原位监测和测量的系统。

参考图4，其中根据本发明的全部实施方式，作为示例的脉冲激光沉积系统被示为同时监测薄膜的表面轮廓和厚度两者。

在全部实施方式中，脉冲激光沉积系统可以由提供有疏散和气体填充的多口室组成。高功率脉冲激光(如二次谐波的Q开关Nd:YAG激光)聚焦至由需要沉积薄膜的材料组成的目标上。激光的聚焦导致在真空中或存在低压惰性或活泼气态介质的情况下扩散并最终沉积在位于目标几厘米远并与目标平行的基板上的目标材料的等离子形成。在沉积期间原位监测薄膜的表面轮廓和厚度测量的剩余过程与本发明的其他实施方式相似，如关于图1和图2所描述的。

参考图5，其中示出根据本发明的第三实施方式的若所述基板的表面为非平面，同时监测薄膜的表面轮廓和厚度两者的系统。

在本发明的第三实施方式中，使用分束器BS1取出即将进入薄膜沉积系统的观察口的激光束的部分，如图5所示。由镜M1和M2和分束器BS2的反射之后，此光束入射至可编程掩膜上。在沉积期间原位监测薄膜的表面轮廓和厚度测量的其余过程与本发明的第一和第二实施方式相似，如关于图1和图2所描述的。此附加的光束路径促进在表面不是完全平整的情况下的基板的表面轮廓的测量。

参考图6，其中示出通过增强测量的灵敏度而同时或分离地测量薄膜沉积系统中表面轮廓和厚度轮廓的系统。在第四实施方式中，布置包括半波片，四分之一波片和偏振分束器以引起两个光束路径，一个来自光栅阵列以生成焦斑阵列且另一个直接来自激光器和被在光束被入射至波前传感器之前被两次入射至基板或薄膜上的准直光束。数字照相机可以对与直接来自激光器的光束对应的焦斑成像并对来自光栅阵列的特定光栅元件的焦斑成像。在此实施方式中，照相机接收其位置可以用于测量薄膜的表面轮廓或厚度的焦斑阵列，或者接收与直接来自激光器的光束和来自特定光栅元件的另一光束对应的重叠焦斑，其携带仅用于厚度的测量的来自基板或薄膜的表面信息。

在第一、第二和第三实施方式中，数据处理模块适用于接收来自所述图像捕获构件的所述图像并用于：

●在沉积之前和在沉积之后的任意随后时刻处，从与所述焦斑阵列的至少一个相对位置对应的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的至少一个波前；以及

●基于测量的所述波前，生成同时对应于所述表面轮廓和所述厚度测量的信息。

在本发明的第四实施方式中，如图6所示，在被入射至偏振分束器PBS1之前，准直激光束穿过半波片(λ/2)。PBS1透射p偏振分量，p偏振分量穿过四分之一波片(λ/4)和观察口入射至基板或薄膜上。反射的波前使用透镜L3和L4的组合中继至平面镜M1上，以便基板和M1彼此共轭。由M1反射的光束在其穿过观察口和λ/4片出射之前，经受由基板或薄膜的一次或多次反射。因此，光可以以s偏振入射至PBS1上并朝L5和L6反射以入射至可编程掩膜上。透镜L5和L6确保基板和掩膜平面是光学共轭的。显示在可编程掩膜上的由光栅阵列衍射的光再次被指引朝向PBS1。对于担任可编程掩膜的特定液晶空间光调制器，衍射光束将是p偏振的。此外，另一λ/4片可以用于使衍射光束为p偏振的。衍射光束因此由PBS1透射。透镜L7可以用于聚焦衍射光束并因此在虹膜光圈ID的帮助下隔离需要的焦斑。这些焦斑使用透镜L8穿过偏振片Po1被成像到数字照相机上。相同的照相机还可以对由激光器出射的光束的s偏振分量导致的焦斑成像。此图像可以位于照相机的角落处或位于照相机的边缘附近。在一种操作中，可编程掩膜实现引起照相机上的焦斑阵列的光栅阵列。由于入射至光栅阵列的光束由基板或薄膜反射两次，由于光栅阵列导致的焦斑位置将对薄膜的表面轮廓非常敏感。在另一操作中，阵列中的光栅元件可以被顺序地显示，以便在某一瞬时，照相机接收两个焦斑，一个是由于来自激光器的s偏振分量且另一个由于特定的光栅元件。偏振器和λ/2片可以以这样的方式定向：照相机接收相互平行的偏振分量且两个焦斑具有相似的强度。光栅元件的空间频率以这样的方式改变：两个焦斑叠加。因此，照相机可以记录将作为两个光束之间的相位差或相对光程差的函数的峰值强度。另一方面，光程差是对显示的光栅元件特定的区域中薄膜的厚度的函数。额外的光路可以使用偏振光分束器PBS2和PBS3和平面镜M2和M3从激光器引入至s偏振分量的路径中，以便两个光束相互相干。在重叠的点处的强度变量可以用于提取沉积发生的特定位置处薄膜的厚度。随着显示不同的光栅元件，可以获得薄膜的整体面积上的厚度信息。假设两个连续帧之间，沉积的膜不厚于λ/4(这不是严格的限制，原因是沉积率通常是～10nm/分钟的量级或对于大多数情况更少)，此操作可以不管测量面积的大小而提供薄膜的厚度轮廓。

在第四实施方式中，所述数据处理模块用于接收所述焦斑阵列的图像以通过测量所述焦斑的相对位置测量薄膜的表面轮廓和厚度，或者接收与直接来自激光器的所述第二激光束路径和来自特定光栅元件的所述第一激光束路径对应的重叠焦斑，重叠焦斑携带仅用于厚度的测量的来自所述基板的表面信息。

关于上面描述的全部实施方式，可编程相位或振幅掩膜可以可选地通过使用如液晶空间光调制器的空间光调制器实施，而数字照相机可以是基于CCD或CMOS的照相机。进一步地，上面实施例中示出的光学元件(如透镜、镜和分束器)的数量可以是最佳数量，且非常可能利用对光学元件的数量的轻微修改实现上面的实施方式。

在全部实施方式中，使用相位掩膜或振幅掩膜(如计算机可控液晶空间光调制器)与数字照相机配合实施波前传感器设备中的光栅阵列。

在本发明的全部实施方式中，系统可能需要特定位置处的至少两个观察口，用于监测表面轮廓和厚度。

在本发明的全部实施方式中，测量的波前可以因此从图像捕获构件传送在数据处理模块，用于薄膜的表面轮廓和厚度测量的实时监测。

在本发明的全部实施方式中，如从数字照相机获得的焦斑移位可以用于所述数据处理模块，且所述数据处理模块用于执行标准或改进的波前重构算法等以获得与考虑中的光束对应的相位轮廓。

本发明的重要特征的一些包括：

a)基于光栅阵列的波前传感器在任何薄膜沉积系统中的使用。

b)可编程空间光调制器的使用以在任何薄膜沉积系统中实施基于光栅阵列的波前传感器。

c)用于任何薄膜沉积系统的SLM中的各个光栅图案之间的可编程切换。

d)促进与在任何薄膜沉积系统使用的波前传感器相关联的数字照相机中最大的可能的帧率的光栅阵列的使用。

e)测量激光束的波前和因此薄膜的表面轮廓的+1阶或任何其他阶的衍射光束的使用。

f)测量表面轮廓和厚度两者或仅测量厚度的用于任何薄膜沉积系统的SLM中各个光栅图案之间的可编程切换。

g)表面轮廓和厚度的同时在线监测而不使用任何先前校准，因此使其独立于基板和沉积环境。

h)通过使光束在由基板或薄膜反射两次之后入射至波前传感器的表面，同时在线监测轮廓和厚度，因此增加测量的敏感度。

i)通过一次显示一个光栅元件并使结果光束与具有固定光路的光束重叠从而在重叠点处观察结果强度，以顺序的方式在线测量在各个位置处沉积的薄膜的厚度。

j)在激光的每个脉冲入射至目标后，对脉冲激光薄膜沉积系统中的薄膜的表面轮廓和厚度的同时在线测量。

k)表面轮廓的测量和厚度测量依赖于表面轮廓的时间评估，以便照相机中焦斑的位移对应于两个不同的时刻。

尽管已经以对结构特征和/或方法特定的语言描述了用于表面轮廓和厚度测量的监测的系统、装置和方法的实施方式，应当理解的是，所附权利要求不必须限制描述的特定的特征或方法。相反，特定的特征和方法被公开作为用于表面轮廓和厚度测量的监测的系统、装置和方法的实施方式的示例。