具有双边测量能力的掠入射干涉仪的制作方法

技术领域

本公开涉及掠入射干涉仪并且更具体地涉及具有双边测量能力的掠入射干涉仪。

本文中提到的任何出版物或专利文件的整个公开通过引用结合于此。

背景技术：

干涉测量法是测量物体光束与参考光束之间的干涉条纹图案。这两种光束的比较允许对已由一些表面或物体变形的物体光束的非常准确测量。

掠入射干涉仪采用以高入射角从物体反射的物体光束。这种干涉仪可以是非常有用的，因为当入射角接近90度时大多数表面具有非常强的镜面反射。这允许对未抛光的表面(诸如硅晶片的背侧)的干涉测量。

现有技术掠入射干涉仪(诸如，美国专利No.6,239,351中公开的)的缺点是它们需求参考光束必须从其反射的参考表面。参考表面需要与物体平行且极为接近。这使得测量大体上平面的物体的相反表面会出现问题。另外，零衍射阶(zero-diffracted-order)光束不被采用，从而需要被抑制。

技术实现要素：

本公开的一方面是用于分析物体的表面的掠入射干涉仪，包括：第一衍射光学元件(DOE)，布置成接收基本上相干的光束并从此光束形成零衍射阶光束和第一衍射阶光束，其中第一衍射阶光束以掠入射角从物体表面反射，而 零衍射阶光束未反射；第二DOE，布置成接收未反射的零衍射阶光束和反射的第一衍射阶光束并将它们结合以形成基本上准直的结合光束；1X双远心中继系统，其具有与结合光束共轴的光轴和设计尺寸为仅透射或反射该结合光束的孔径光阑；以及屏幕，其基本上以掠入射角倾斜。

本公开的另一方面是一种掠入射干涉仪，用于分析大体上平坦的物体的相对的第一表面与第二表面。此干涉仪包括：光源，其产生基本上相干的光束；隔开的第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，它们沿着光轴布置并且在光源的下游且它们之间具有物体，其中所述第一衍射光学元件形成-1^st、零和+1^st衍射阶光束，所述-1和+1衍射阶光束分别从第一表面和第二表面反射并且以剪切的方式与零衍射阶光束结合以形成基本上准直的结合光束；1X双远心中继系统，它在第二衍射光学元件的下游并且具有仅透射或反射准直的结合光束的透射或反射孔径光阑；以及折叠光学系统，它在1X双远心中继系统的下游并且在像平面处形成第一与第二干涉图像。

本公开的另一方面是一种执行具有至少一个物体表面的物体的掠入射干涉测量的方法。该方法包括：从基本上相干的波前形成零衍射阶光束和第一衍射阶光束；在保持零衍射阶光束未反射的同时从至少一个物体表面反射第一衍射阶光束；以剪切的方式将反射的第一衍射阶光束与未反射的零衍射阶光束结合以形成基本上准直的结合光束；通过1X双远心中继来中继准直的结合光束，所述1X双远心中继具有基本上仅传递或反射该结合光束的孔径光阑；以及从经中继的准直的结合光束形成该物体表面的至少一个干涉图像。

在以下的详细描述中陈述了附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述就容易理解，或者通过实施详细描述、权利要求书以及附图所述的实施例而被认识。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述都仅仅是示例性的，并旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概观或框架。

附图说明

所包括的附图用于提供对本说明书进一步的理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出一个或多个实施例，并与详细说明书一起用来解 释各实施例的原理和操作。如此，按照下文中的详细描述，并结合附图，本公开将会被更加全面地理解，其中：

图1是根据本公开的掠入射干涉仪的示例性实施例的光学示图；

图2到4是第一与第二衍射光学元件和物体的特写、部分剖面图，并且示出如何相对于零衍射阶光束剪切+1^st和-1^st衍射阶光束；

图5是1X双远心中继光学系统的示例性实施例的光学示图；

图6是连同中继光学系统的一部分的示例性折叠光学系统的特写、立体图，示出如何将两个不同取向的图像上平面与下平面结合到公共像平面上；

图7是在孔径光阑处采用反射镜的类似于图5的示例反射性1X双远心中继光学系统的光学示图；

图8A是掠入射干涉仪的一部分的立体图，示出如何由-1^st和+1^st衍射阶照亮该物体的上表面与下表面上的相应区域；

图8B类似于图8A并且示出一示例性实施例，其中，准直的光束以及第一与第二衍射光学元件的宽度和高度被尺寸设定成支持该物体的基本上整个上表面和下表面的照明；

图8C类似于图8A并且示出一示例性实施例，其中，物体被平移以使得由-1^st和+1^st衍射阶照亮的区域被扫描；

图8D类似于图8B并且示出一示例性实施例，其中，相对于第一衍射光学元件扫描准直的光束以扫描该物体的上表面和下表面的照明区域；以及

图8E类似于图8A并且示出一示例性实施例，其中，两个数字相机被用于直接捕捉物体的上表面和下表面的数字干涉图像。

具体实施方式

现在详细参照本公开的多种实施例，在附图中示出了这些实施例的示例。将尽可能地在所有附图中使用相同或类似的附图标记来指示相同或类似的部分。这些附图不一定按比例绘制，并且一个本领域的技术人员认识到附图中哪里已经被简化为了示出本公开的关键方面。

下面阐述的权利要求书纳入并作为此详细说明的组成部分。

为了参考起见在一些附图中显示了笛卡尔坐标，但是笛卡尔坐标不旨在 对方向或取向的限制。

在以下描述中，术语“第一阶”或“第一衍射阶”指的是-1或+1衍射阶，同时术语“各第一阶”或“各第一衍射阶”指的是-1与+1衍射阶两者。并且，尽管术语“零衍射阶”或“零阶”指的是光的直通未衍射部分，光的这部分仍然被称为“衍射阶”以跟随其在本领域中的公共用法并且维持术语的一致性。

图1是根据本公开的掠入射干涉仪(“干涉仪”)10的示例性实施例的光学示图。干涉仪10沿着轴A1包括光源20，发射基本上相干的初始光束21。示例性光源20是激光器，诸如激光二极管、半导体激光器、气体激光器、固态激光器等。干涉仪10还包括光束扩展光学系统30，光束扩展光学系统30被示为包含透镜32和34，配置成从光源20接收初始光束21并形成具有基本上平面的波前22F的扩展的且准直的光束22。

干涉仪10还包括沿着光轴A1布置的第一衍射光学元件(DOE)50A以接收准直的光束22并且从此光束22形成分别与-1、0和+1衍射阶相关联的光束23、24和25以及共同标记HO的更高衍射阶(虚线箭头)。要测量的大体上平面的物体60位于X-Z平面，沿着光轴A1邻近DOE 50A并且在DOE 50A的下游。

物体60具有上表面(即，上侧)62和相反的下表面(即，下侧)64。物体60可以是需要特征化的任何类型的大体上平面的物体，诸如透光窗口、半导体晶片、不透明板等。在示例中，物体60具有标称厚度TH并且还具有需要被确定的未知厚度变化TH(x,z)。

在示例中，以允许物体60的上表面62和下表面64都被照明的方式支撑物体60，如下所述。因此，在一个示例中，在物体60的边缘支撑物体60，而在另一示例中，由细支撑构件66(诸如升降销)在下表面62处支撑物体(参见图2，在下文引入并讨论)。在示例中，支撑构件66适于上下移动物体60以完成相移干涉测量，如在下文更加详细地解释。

-1^st和+1^st衍射阶光束23和25以掠入射角θ分别入射在上表面62和下表面64上并且从上表面62和下表面64反射，所述掠入射角θ是相对于垂直于上下表面的线PL(参见图1的特写插图)测得的。更高衍射阶光束HO也入射在上表面62和下表面64上并且从上表面62和下表面64反射。在示例性实施 例中，掠入射角θ>80度。

干涉仪10还包括紧邻物体60布置的且在物体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衍射阶光束23和25以及不反射的零衍射阶光束24。第二DOE 50B还接收反射的更高衍射阶光束HO。

用作DOE 50A和50B的示例性DOE包括：相位光栅，可以是全息光学元件的形式；二元光学器件；计算机生成的全息图；表面凹凸的衍射透镜；等。DOE 50A和50B被示为透光元件，但可通过采用适当折叠的配置使得这些元件中的一个或两者为干涉仪10的反射性元件。

在干涉仪10的替代实施例中，仅采用零衍射阶光束24和第一衍射阶光束23或25之一，所述第一衍射阶光束23或25是分别从下表面64或上表面62反射的。

图2是第一与第二DOE 50A和50B的特写、部分剖面图，示出如何相对于零衍射阶光束24剪切-1^st和+1^st衍射阶光束23和25。零衍射阶光束24具有平面的波前0W，而-1^st和+1^st衍射阶光束23和25具有-1W和+1W的相应平面波前。在第一DOE 50A的中心点C处，入射波前22F被分成-1^st衍射阶光束23和零衍射阶光束24。零衍射阶光束24在直线非反射路径上传播到第二DOE 50B处的对应中心点C’，而-1^st衍射阶光束23从上表面62反射，然后传播到中心点C’。这是-1^st衍射阶和零衍射阶光束23和24没有被剪切的唯一地方。

继续参见图2，在第一DOE 50A处的顶部位置T处，零衍射阶光束24在直线非反射路径上传播到第二DOE 50B处的对应顶部位置T’。另一方面，起始于顶部位置T处的-1^st衍射阶光束23从上表面62反射，然后在底部位置B’处与第二DOE 50B相交。同样地，起始于第一DOE 50A的底部位置B处的-1^st衍射阶光束23从上表面62反射，然后在顶部位置T’处与第二DOE 50B相交。这示出衍射的各阶被剪切，然后被重新结合。

相同的推论应用到相对于物体60的下表面64的+1^st和零衍射阶光束25和24。因此，参考与测量衍射阶的干涉部分(即，与零、-1^st和+1^st衍射阶相关联的参考与测量波前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。

因为波前0W、-1W和+1W被剪切，在干涉图案中将存在由光束离开DOE 50A时的波前像差所诱发的误差。可通过测量完美的参考平台(flat)并且然后去除干涉图案中与完美参考偏离的部分来从干涉图案中去除这种残留的系统误差。

再次参见图1并参见图3，第二DOE 50B位于光轴A1上方的部分接收结合的零衍射阶光束24和-1^st衍射阶光束23以及结合的更高衍射阶HO(未示出)。同样地，第二DOE 50B的位于光轴A1下方的部分接收结合的零衍射阶光束24和+1^st衍射阶光束25，以及结合的更高衍射阶HO(未示出)。

图4类似于图3并且将上表面62的零衍射阶光束24与-1^st衍射阶光束23和下表面64的零衍射阶光束24与+1^st衍射阶光束25隔离。零衍射阶光束24在直线无反射路径上传播到第二DOE 50B，产生二次衍射阶光束23’、24’和25’。-1^st衍射阶光束23从物体60的上表面62反射，然后入射在第二DOE 50B上，这形成二次衍射阶光束23’、24’和25’，-1^st衍射阶光束23’基本上平行于光轴A1。同样地，+1^st衍射阶光束25从下表面64反射，然后入射在第二DOE 50B上，这形成二次衍射阶光束23’、24’和25’，+1二次衍射阶光束25’基本上平行于光轴A1。从原始零衍射阶光束24形成的二次零衍射阶光束24’(粗箭头)与那些基本上平行于光轴A1的-1和+1衍射阶光束23’和25’(粗箭头)结合以限定基本上准直的结合光束70C。更高衍射阶HO(未示出)和额外的较低阶(例如，不平行于光轴A1的-1二次衍射阶光束23’)也结合在第二DOE 50B处以形成额外的衍射阶光束，共同表示为图1中的70E。

再次参考图1，干涉仪10还包括1X双远心中继光学系统(“中继光学系统”)80，此1X双远心中继光学系统布置成从第二DOE 50B接收结合的光束70C以及额外的光束70E。图5是中继光学系统80的示例性实施例的光学示图。中继光学系统80包括两个隔开的透镜82，在这两个透镜82之间设置具有孔径88的孔径光阑86。透镜82各自具有焦距f，孔径光阑86位于离开每个透镜距离f处，以使得两个透镜分开距离2f。孔径光阑86的光阑88尺寸设定成传递结合的光束70C，同时基本上阻隔额外的光束70E。图5中示出的示例性孔径光阑86在本文中称为“透光”孔径光阑，因为它基本上仅透射结合的光束70C。

中继光学系统80中继物体60的上表面62和下表面64(或者其中某些部 分，如在下文解释)的图像。在图5中，与物体60的下表面62相关联的光标记U而与下表面64相关联的光标记L。中继光学系统80拥有具有倾斜角α的两个倾斜的物平面OP(即，OP_U和OP_L)和也具有倾斜角α(归因于1X放大率)的两个对应的倾斜像平面IP(即，IP_U和IP_L)，其中，物平面和像平面的倾斜对于上表面62和下表面64满足拉格条件(Scheimpflug condition)。

满足用于1X双远心配置的拉格条件提供了非聚焦(in-focus)、无畸变且无彗差的像。像平面IPU和IPL具有倾斜角α，所述倾斜角α与-1^st衍射阶光束23和+1^st衍射阶光束25相对于物体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的有效倾斜具有相反的符号，以使得像平面IP_U和IP_L在相反的方向上倾斜。这表示难以在公共像平面IP_C(参见图1)中形成上表面62和下表面64的像，例如在将上表面和下表面成像到屏幕上时所期望的那样。使上表面62和下表面64的像聚焦在公共像平面IP_C处是有优势的，因为它允许每个物体表面的干涉图随后被成像到单个图像传感器上。因此，干涉图10附加地包括折叠光学系统90，设置在中继光学系统80与公共像平面IP_C之间，这在下面更加详细地描述。

图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)。具有成像透镜122和数字图像传感器124的数字相机120被布置成捕捉漫射屏110的数字图像，在该漫射屏110上分别形成物体60的下表面64和上表面62的干涉图像IM_L和IM_U。这里，术语“干涉图像”与术语“干涉图”同义并且指由结合光束70C限定的成像的干涉图案。数字图像传感器124将干涉图像IM_L和IM_U转化为代表干涉图像的电图像信号S_L和S_U。这里注意到，下表面64和上表面62的干涉图像IM_L和IM_U可包括下表面和上表面的一些区域，或者可基本上包括下表面和上表面的整体。

处理器130电连接至数字图像传感器124并且配置为接收并处理电图像信号S_L和S_U。在示例中，处理器130提供有包含在计算机可读介质的指令，使得所述处理器针对物体60的上表面62和下表面64计算上表面状况h_U(x,z)和h_L(x,z)并且基于上表面状况和下表面状况进一步计算物体的厚度变化TH(x,z)＝h_U(x,z)–h_L(x,z)。

增加干涉仪的分辨率的一般方法是纳入相移干涉测量法(也称为相位调制干涉测量法)的过程。在John Wiley&Sons出版社的编者Daniel Malacara的书“光学车间测试(Optical Shop Testing)”(2007)的14章第547-665页详细描述了相移干涉测量法。静态干涉图具有需要数据分析来找出条纹中心的缺点。此方法的分辨率受限，因为条纹图案具有受限数量的像素。

利用相移干涉测量法，参考或物体光束的相位被调制。此调制不仅给出波前的极性而且还允许更高的分辨率。因此，在此掠入射衍射光栅干涉仪中纳入采用相移干涉测量的一些方法是有利的。一种这么做的方式是与衍射光栅的轴正交地平移物体60，如图2中的箭头AR所示。平移需求量通常在几微米的数量级。

再次参见图1和图2，当物体60的上表面62在Y方向上移动时，从此表面反射的-1W波前的相位将被改变，因为它与零阶波前0W重新结合。同样地，在相同时刻，表面64改变其位置，使得从此表面反射的波前+1W的相位也被调制。

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。图6是示例性光学系统90连同中继光学系统80的一部分的特写立体图。折叠光学系统90包括相邻透镜82、第一折叠反射镜92A和92B，第一折叠反射镜92A和92B被示为直角反射棱镜构件93以最小化这些折叠反射镜的间隔。与物体60的上表面62和下表面60相关联的中心上光束U和中心下光束L也被示出。

第一折叠反射镜92A和92B位于与物体60的上表面62和下表面64正交的(即，与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。第二折叠反射镜96A和96B被布置成分别接收上光束U和下光束L并且折叠这些光束以使得这些光束在Y方向上传播。然后可基本上以掠入射角倾斜漫射屏110以使得上干涉图像IM_U和下干涉图像IM_L一起出现在屏幕上。因此，折叠光学系统90可被称为将上像平面IP_U和下像平面IP_C映射到公共像平面IP_C上。在一个示例中，折叠光学系统90包括四个折叠反射镜92A、92B、96A和96B，如图6所示，而在另一示例中，可采用附加的光学元件(未示出)。

图7类似于图5并且是折叠中继光学系统80的示例性实施例的特写图， 其中反射镜89放置在孔径88处，分束器BS放置在单透镜82的上游。反射镜89用于折叠中继光学系统80，同时仍阻隔额外的光束70E。反射的结合光束70C传播返回到单透镜82并且入射在分束器BS上，分束器BS沿着折叠光轴A1’引导结合光束的一部分(例如，50％)并且引导到折叠光学系统90。在示例中，孔径光阑86被省略，反射镜89的有限尺寸被用于限定“孔径”的尺寸。图7中示出的孔径光阑86的配置在本文中称为“反射”孔径光阑，因为它基本上仅反射结合的光束70C。

图8A是干涉仪10的一部分的立体图，示出了一示例性实施例，其中宽度W(如在X方向上测量)和长度L(如在Z方向上测量)的上表面62和下表面64的相应区域62R和64R(如由虚线所示)分别由-1^st和+1^st衍射阶光束23和25来照明。在此实施例中，相应的上表面区域62R和下表面区域64R被成像到屏幕110上，并且然后由数字相机120和处理器130(参见图1)来处理。在示例中，表面区域62R和64R的宽度W由DOE 50A与50B的宽度和扩展的准直的光束22的宽度来确定。长度L由DOE 50A和50B的高度(在Y方向上)和扩展的准直的光束22来确定。

将在一些情况下期望对物体60的基本上整个上表面62和下表面64照明从而成像。这可通过以下方式来实现：配置干涉仪10以使得第一DOE 50A和第二DOE 50B和准直的光束22尺寸设定为基本上对物体60的整个上表面62和下表面64照明。图8B类似于图8A并且示出干涉仪10的一种示例性实施例，其中，准直的光束22以及第一DOE 50A与第二DOE 50B的宽度和高度尺寸设定成支持对物体60的基本上整个上表面62和下表面64的照明。在图8B的实施例中，区域62R和64R分别基本上构成物体60的整个上表面62和下表面64。

图8C类似于图8A并且示出干涉仪10的示例性实施例，其中通过在X-Z平面上平移物体60(如由箭头AR所示)在上表面62和下表面64上扫描-1^st衍射阶光束23和+1^st衍射阶光束25。

图8D类似于图8B并且示出干涉仪10的示例性实施例，其中通过相对于第一DOE 50A平移准直的光束22在上表面62和下表面64上分别扫描-1^st衍射阶光束23和+1^st衍射阶光束25。准直的光束22的平移导致区域62R和64R 的对应平移，由此完成由-1^st衍射阶光束23和+1^st衍射阶光束25对物体60的上表面62和下表面64的扫描。

图8E类似于图8A并且示出示例性实施例，其中两个数字相机120U和120L可操作地设置在倾斜的像平面IP_U和IP_L中(参见图5)以分别直接捕捉物体60的上表面64和下表面62的数字干涉图像。此示例性实施例消除对折叠光学系统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(图6)，尽管代价是必须增加第二数字相机。数字相机120U和120L可操作地连接至处理器130。

干涉仪10的优势是可通过同时测量物体的上表面62和下表面64来确定物体60的厚度变化TH(x,z)。与通过将物体60安装到夹具来测量上表面62然后翻转物体并将物体重新安装到夹具来测量下表面64相比，这提供对厚度变化TH(x,z)的更加准确的测量。这是因为将物体60安装到夹具的做法导致了物体的表面状况中的可测量的改变，并且这种改变转移到该物体中并非固有的厚度变化中。

对于本领域的技术人员明显地可对本文所述公开的优选实施例进行修改而不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神或范围。因此，本公开涵盖修改和变形，只要它们落入所附权利要求与其等效物的范围之内。