干涉设备及使用这种设备的样品特征确定设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及干涉设备及使用这种设备的样品特征确定设备。
【背景技术】
[0002] 在许多技术领域，尤其对于微米尺度和纳米尺度制造工艺中的质量控制和分析， 确定表面特征如高度、形状、波纹度和粗糙度等很重要。测量表面特征的方法分为接触法和 非接触法，接触法为例如当可枢转或轴向移动的触针沿着待表征的表面移动时，使用传感 器来确定触针和该表面相对位移期间该触针的位移，非接触法为例如长相干长度的干涉方 法或短相干长度干涉方法的光学方法，长相干长度的干涉方法为例如移相干涉术，其中，如 丹尼尔?马拉卡拉（Daniel Malacara)的《光学车间检验》ISBN 0-471-52232-5第二版第 14章的讨论，当干涉仪的参考相位改变时，记录一系列干涉图，然后使用相位提取算法来确 定与相对表面高度有关的实际相位，短相干长度的干涉方法为例如白光或宽波段扫描干涉 术，其中利用这样的事实，即空间非相干光源产生的干涉条纹的幅度在沿样品表面和参考 表面之间的零程差的扫描路径的位置上达到峰值，然后迅速下降，从而，对于不同的表面元 件或者样品表面的不同表面像素，通过确定沿相干峰的扫描路径的位置，可以确定表面高 度轮廓。
[0003] 白光扫描干涉术需要样品表面和参考表面之间在扫描路径方向中的相对运动，其 耗费时间，并且要求被测样品本身固定不动。同时，由于长相干长度的干涉方法如移相干涉 术的范围有限，因此可能出现相位模糊或条纹模糊（2π模糊性）的问题。
[0004] 帕维尔?帕维莱塞克（Pavel Pavilifitk )和盖德?豪瑟（Gerd Hauser )于2005年 5月20日发表于《应用光学》（Vol 44, No. 15,第2978至2983页）的一篇名为"白光干涉 与色散：一种用于测量距离的精密光纤传感器"的论文描述了一种光纤迈克尔逊干涉仪，其 中，具有815纳米（nm)中心波长的超发光二极管经由光纤耦合器朝向样品（测量）臂光纤 和参考臂光纤被耦合至输入光。光纤迈克尔逊干涉仪的样品臂中的传感头包括光学系统， 其将来自样品臂光纤的光聚焦于样品表面上，并将样品臂光纤返回的散射光采集到光纤耦 合器。参考臂光纤中的光通过镜子反射回到参考臂光纤，并返回光纤耦合器，来自参考臂光 纤和样品臂光纤的光在光纤耦合器中相干涉。参考臂光纤具有比样品臂光纤更高的波长色 散。参考臂中的光因此被有意地色散。这意味着干涉仪具有波长相关的光路，正因如此，每 个波长都有其独特的"平衡点"，即零光程差的点。对所产生的干涉图的频谱分析得到该平 衡点，从而确定测量臂路径的长度。该方法提供了明确的位置测量，其不存在一些形式的干 涉仪尤其长相干长度干涉仪如条纹跟踪干涉仪中发现的相环绕（2π模糊性）问题。然而， 所有的光纤迈克尔逊干涉仪要求参考光纤臂和样品光纤臂分离，意味着该干涉仪易受光程 漂移的影响，所以可能会不稳定，尤其是对于亚微米测量。
【发明内容】
[0005] 本发明一种实施方式提供了一种干涉设备，包括：短相干长度光或宽波段光源； 光导向仪，用于将来自所述光源的光沿测量路径引向样品表面及还沿参考路径引向参考表 面；波长色散仪，用于使沿所述测量路径或参考路径的光发生波长色散；组合器，用于使来 自所述样品表面的光和来自所述参考表面的光产生干涉图样或干涉图；探测器，用于检测 作为波长函数的所述干涉图样的强度值；确定器，用于从所检测的强度值确定在哪个波长 处所述测量路径与所述参考路径均衡，其中所述波长色散仪是至少一个非光纤波长色散 仪，并选自包括光栅波长色散仪、棱镜波长色散仪和光学色散介质的列表。
[0006] 所述波长色散仪可以包括两个匹配的透射光栅。另一个可能是，所述波长色散仪 可以包括两个匹配的反射光栅。
[0007] 本文使用的"光"并不一定意味着可见光。所述光可以是例如红外或紫外线光。本 文使用的"光束"并不一定意味着连续的光束，它可以是脉冲或幅度变化的其它方面。
【附图说明】
[0008] 现在将通过举例的方式，并参考附图来描述本发明的实施例，其中： 图1示出了具有波长色散仪的短相干长度的干涉仪的示意图； 图2示出的曲线图中对于来自表面像素或样品表面的表面元件的光产生的干涉，用实 线表示相对于波数的归一化强度，用虚线表示相于波数的相位差。
[0009] 图3示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中波长色散仪包括一对匹配的透射 光栅； 图4示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中波长色散仪包括一对匹配的反射光 栅； 图5示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中探头设置有光纤耦合； 图6示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中多个探头设置有多路传输的光纤耦 合； 图7示出了一种干涉设备的示意图，该设备还包括长相干长度的移相干涉仪； 图8示出了一种干涉设备的示意图，该设备还包括长相干长度的外差干涉仪； 图9示出了可用于干涉设备的探测器的示意图； 图10示出了可以被编程以提供干涉设备的数据处理的计算装置的功能图； 图11示出了样品特征确定设备的数据处理和控制功能的功能图。
【具体实施方式】
[0010] 参照附图，一般地，应当理解的是，任何功能性框图旨在简单地展示存在于设备内 的功能，而不应被认为其暗示了功能性框图所示的每个块必须是分立或独立的实体。由块 提供的功能可以是分立的，或者可以分散于整个设备，或者可以分散于该设备的一部分。此 外，在适当情况下，该功能可以结合到硬连线元件、软件元件或固件元件或它们的任意组 合。
[0011] 本文描述的干涉设备包括：短相干长度光或宽波段光源；光导向仪，用于将来自 光源的光沿测量路径引向样品表面，还将沿参考路径引向参考表面；波长色散仪，用于使沿 参考路径的光发生波长色散；组合器，用于使来自样品表面的光和来自参考表面的光产生 干涉图样或干涉图；探测器，用于检测作为波长函数的干涉图样的强度值；以及确定器，用 于从所检测的强度值确定在哪个波长处测量路径与参考路径均衡，其中所述波长色散仪是 至少一个非光纤波长色散仪，并选自包括光栅波长色散仪、棱镜波长色散仪和光学色散介 质的列表。
[0012] 提供这种会在参考路径或臂中引起波长或色度色散的波长色散仪，意味着该短相 干长度干涉仪（SCDRI)具有波长相关的光路，正因如此，每个波长在测量路径和参考路径 之间都有其独特的平衡点，即零光程差的点。对所得干涉图或干涉图样的信号进行频谱分 析，可以得到这个平衡点，并因而得到测量路径的长度。这能使位置测量不存在2 π模糊 性，即不存在长相干长度干涉仪如条纹跟踪干涉仪中发现的相环绕问题，不容易受到当依 赖于光纤以提供波长色散时可能出现的光纤路径长度漂移的影响。这种干涉仪在本文中被 称为短相干色散参考干涉仪（SCDRI)。
[0013] 这里还描述了一种使用这种短相干色散参考干涉仪的装置，用来确定关于样品特 征的信息。例如，这种装置可能能够进行位移测量和表面计量和薄膜测量。对于表面计量， 可以提供合适的物镜组件（探针），用以使光聚焦或准直于（取决于应用）被测量表面上。 聚焦的（或准直的）光束或样品（被测对象）可以随后在通常为X或y的一个或多个方向 中被扫描，该方向沿垂直于通常为z的测量路径的方向，以取得一组代表被测对象的表面 形貌的测量点。使用这种方法来分析光学透明膜也是可能的。
[0014] 使用短相干长度的宽波段光源，能够使采用普通光路技术的基于稳定光纤的远程 探针得以使用。这使得一些实施方式具有远离干涉仪的主体的光纤探针。使用时分复用技 术，例如使用光纤开关，可以提供多个探针并将其耦合至干涉仪的主体。
[0015] 虽然方才以干涉仪为迈克尔逊干涉仪、光束在参考臂中色散为例来描述短相干色 散参考干涉仪的工作原理，但是也可以使用其它类型的干涉仪。例如，通过增加色散到参考 臂，可以使用特怀曼-格林干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪。随后描述一些说明性实施例。
[0016] 图1示意性示出了一种短相干色散参考干涉仪，其具有短相干长度或宽波段光源 S、分束器BS、具有分别提供测量路径MP和参考路径RP的测量表面和参考表面的测量臂和 参考臂、以及用于检测在分束器处沿测量路径返回的光和沿参考路径返回的光之间的干涉 而产生的干涉信号的探测器D1，从而该分束器起组合器的作用。短相干长度或宽波段光源 S可以是，例如，超发光二极管（SLD)(也称为超辐射发光二极管（SLED))或者滤过的白光光 源如卤素光源。该探测器Dl包括提供波长相关的输出的光谱仪。因此，例如，光可以在由 其波长确定的位置处入射到光谱仪的传感器阵列上。探测器Dl的输出可以被提供给数据 处理器100。为了说明的目的，参照图1，虽然测量表面和参考表面由镜Ml和M2形成，但是 在实践中，测量表面可以是被检查的样品（被测对象）的表面。
[0017] 干涉仪的参考臂还包括图1所示的波长色散仪，为一对匹配的透射式衍射光栅Gl 和G2。
[0018] 从分束器BS行进到参考镜M2的光穿过两个衍射光栅Gl和G2,并通过镜M2沿相 同路径反射回来。根据光栅周期和工作波长的组合，每个衍射光栅Gl和G2可以存在多个衍 射级。为了分析的目的，只取衍射光栅Gl的负一级-1及衍射光栅G2的相反的正一级+1。 衍射光栅G2的作用是重新准直来自衍射光栅Gl的色散光束，任何其它衍射级被认为被阻 断。必要时，可以通过阻断其他衍射级或通过使用合适的狭缝或孔径来选择所需的衍射，从 而它们不入射到光栅。沿测量路径和参考路径返回的光在分束器BS重新组合