本发明涉及精确控制掩模与基片间间隙的技术领域，具体涉及一种基于白光干涉信息匹配的多层膜绝对间隙测量装置及方法。
背景技术：
在制作微纳结构时，光学光刻的曝光工艺是主要的加工方式，它直接决定了微纳结构的制作精度。由于传统光学系统无法传输倏逝波，因此其分辨力受限于衍射极限，只能达到半波长尺度。SP曝光工艺采用波长365nm的长波作为光源，实现了超衍射极限的成像能力。在半导体器件与纳米光学元件的制作中有着很好的应用前景，是一种低成本、高效率的加工技术。金属介质多层膜结构形式的超材料是超分辨成像重要组成材料该材料，可通过相邻界面表面等离激元(SPs)的耦合放大，实现对携带高频空间信息的倏逝波的定向耦合传输。但是，由于表面等离子体激元随距离成指数级别的下降，故，严格控制掩模与基片间的间隙就显得特别重要。在曝光过程中，需要掩模与光刻胶保持一定的间隙。针对同样的掩模与基片，不同的间隙导致转移的图形精度不一样。所以，掩模与基片间的间隙测量技术是微纳结构制作工艺中非常重要的环节。
目前，从国内外该领域研究报道来看，主要采用两种方法控制曝光间隙。一种方法通过压电驱动器的精确控制位移的特点来控制掩模与基片之间的间隙。在两者完全接触时，认为掩模与基片间隙为零，接着，通过压电驱动器的精确移动来控制间隙。通常采用激光干涉的方法来检测间隙，整个系统复杂，设备成本高。另一种是在掩模上制作一层聚合物作为掩模的台阶。这种方法制作简单，但是只能采用固定的厚度，难以满足控制间隙的需要。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种利用白光干涉信号强度的多层膜结构的绝对间隙检测方法，以解决曝光过程中间隙难以量化与控制，掩模与基片之间平行度难以保证的问题。通过白光照射到半透半反射镜上，经光纤耦合后照射到待测掩模下表面和基片上表面；白光在掩模下表面与基片上表面分别发生干涉，干涉信号经光纤耦合后进入光谱仪的成像单元。计算机采集光谱信号，对光谱信息进行滤波等数字处理后进行归一化备用。计算机寻找归一化的光谱信息的极值点，并提取光谱信息极值点对应的光波长数据，利用公式计算粗间隙值。然后，计算机利用查询光谱信息数据库，取出粗间隙值前后共计N条光谱信息，逐一与待测光谱信号进行比对，找出与待测光谱信号最匹配的光谱，最后，以最匹配的光谱信息对应的空气隙值作为掩模与基片的绝对间隙值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于白光干涉信号匹配的多层膜绝对间隙测量装置，包括工件台、真空吸附、基片、待测掩模、准直镜筒、准直透镜、准直镜筒夹具、准直透镜、半透半反镜组、光源准直镜、光源、干涉物镜、光谱仪、USB传输线、光纤和计算机，光源发出的白光经准直镜扩束准直后成平行光，通过半透半反镜组投射到光纤耦合单元，然后经光纤传输到掩模预留观察孔上方，准直透镜将光纤传输的白光缩束准直后垂直照射到待测掩模下表面和待测基片表面，使待测基片上表面与待测掩模下表面的反射光相互发生干涉，经准直镜后干涉光强进入光纤耦合单元，光纤传输的干涉信号再经过半透半反镜组，干涉信号再次进入光纤耦合单元，光谱仪接收干涉光强对应的光谱信息，计算机定时从光谱仪中采集光谱信号，获取待测掩模、空气隙与基片间的干涉光强信息，计算机对干涉光强信息进行信号处理，滤除高频噪声信息，然后对光谱信息进行归一化处理，利用峰值对应的波长值，计算粗间隙值；然后查询离线建立的光谱数据库，取粗间隙值前后N条光谱信息，逐一与待测光谱进行比对，找出最接近待测光谱的光谱数据，并以此光谱对应的间隙值作为待测间隙值。
一种基于白光干涉信号匹配的多层膜绝对间隙测量方法，利用上述的基于白光干涉信号匹配的多层膜绝对间隙测量装置，首先，离线建立掩模、空气隙与基片的多层膜的基本模型，以宽光谱的白光为入射光，利用RCWA方法求解不同空气隙条件下的干涉光谱数据；其次，以空气隙为主键，建立针对基本模型的光谱信息数据库；第三，将利用RCWA方法求解掩模、空气隙与基片的多层膜结构的白光干涉光谱信号，并将该系列光谱信号整理后建立数据库备用。
其中，对干涉光强对应的光谱信息进行噪声滤波，滤除高频噪声，并对滤波后的光谱信号归一化处理，方便后续光谱信息匹配。
其中，寻找光谱信息极大值，并提取每个极大值对应的光波长值，根据极值点对应的不同波长值，计算粗间隙值。
其中，利用计算的间隙值，查询所述的光谱数据库，提取粗间隙前后N条光谱信息到计算机缓存中，然后逐一与待测光谱信息进行比对，找出与待测光谱最接近的光谱，从而以该光谱对应的空气隙作为检测的间隙值。
该方法的具体步骤如下：
步骤1、建立掩模、不同空气隙与基片的多层膜结构，利用RCWA方法原理，计算白光入射时的干涉光谱信息，并以间隙值为数据主键值而建立本多层膜结构的干涉光谱数据库备用。
步骤2、利用白光作为光源，经扩散准直后经过半透半反射镜组后耦合进入光纤，在光纤末端经缩束准直后垂直照射到掩模的预留窗口，经透镜下表面后照射到掩模上表面，然后在掩模与基片间发生干涉，干涉光强信息按原光路返回并在光谱仪上形成干涉光强信号。
步骤3、计算机采集光谱仪的光谱信号，并对光谱信息进行数字处理，滤除高频噪声信息后，对光谱信息进行归一化操作。
步骤4、计算机寻找归一化后的光谱信息的各个极值点，并将极值点对应的波长值提取出来，根据公式：计算掩模与基片的粗间隙值，其中：N和K为极值点数，λ[i]与λ[i+k]分别为第i和第i+k个极大值点对应的波长值。
步骤5、计算机提取光谱库中对应粗间隙值前后的N条光谱信息到计算机缓存中，然后逐一与待测光谱信息进行比对，找出与待测光谱信息最匹配的光谱信息；最后，以最匹配的光谱信息对应的空气间隙值作为掩模与基片之间的绝对间隙值。
所述步骤1中的掩模、空气隙与基片的多层膜结构，其膜层厚度为5～100nm，采用该了RCWA方法计算白光干涉光谱信号，空气间隙值不同，计算得出的光谱信息数据也不同。
所述步骤2中的光谱信号，使用白光作为光源，利用了光谱仪获取掩模、空气隙和基片的干涉信号强度信息。
所述步骤3中的数字信号处理，主要采用该了低通滤波器、滑动滤波器等滤波算法滤除高频噪声信息，并对光谱信息进行了归一化，方便与光谱库中的信息进行比对。
所述步骤4中的粗间隙值计算，利用了极值点法，其原理是利用光程为入射波长的整数倍时，干涉信号有极大值的特征，为了使粗间隙值准确，利用了多次计算求平均值的方法减少计算误差。
所述步骤5中的寻找与待测光谱最接近的光谱信息时，采用该了逐点求最小均方差和的方法。当然，也可以采取其他的比对方法，比如最小均值法等。
本发明的原理在于：
本发明公开了一种基于白光干涉信号比对的绝对间隙测量方法，该方法首先计算掩模结构、不通过空气隙与基片结构间的光谱信号，并将不同间隙值对应的光谱数据存入数据库中。在不透明的掩模上预留间隙检测窗口，方便利用该白光检测掩模与基片间的干涉信号，同时，将准直透镜结构固定在掩模的底座上，保证透镜准直的光垂直照射到掩模与基片的上表面。计算机实时从光谱仪采集光谱信息，并将采集到的光谱信息进行数字处理，并进行归一化操作。然后，计算机寻找光谱信号的各个极大值点，获取极大值点对应的波长值，通过公式可以快速的计算出掩模与基片间的粗间隙值。根据间隙值，查询光谱数据库，读取计算间隙值前后N条光谱数据到缓存中，然后将缓存中的逐条光谱信息与待测光谱进行比对，找出与待测光谱最接近的光谱信号，并以最接近的光谱信号对应的间隙值为待测间隙值。本发明将掩模与基片的间隙值转化为光谱信号的比对，可满足曝光过程的间隙控制的量化分析及表征需求。
本发明与现有的间隙测量技术相比优点在于：本发明采用了光谱信号匹配的方法，提高了间隙检测精度，拓展了间隙检测范围，克服了常用的间隙检测方法难以检测10μm以下间隙的不足。本发明方法简洁，有效的解决了掩模与样品的间隙检测难题。本发明的检测方法简洁，很方便利用计算机求解，不需要复杂的测试分析设备，受外界环境干扰小。
附图说明
图1为基于多层膜结构白光干涉信号匹配的绝对间隙测量方法的原理示意图；
图中：1、工件台；2、真空吸附装置；3、基片；4、待测掩模；5、准直镜筒；6、准直透镜；7、准直镜筒夹具；8、光纤耦合透镜；9、半透半反镜组；10、光源准直镜；11、白光光源；12、干涉物镜；13、光谱仪；14、USB传输线；15、光纤；16、计算机。
图2为待测光谱与标准光谱库在波长400～900nm范围内的干涉光强二维图；
图中：虚线为待测检测对应的光谱强度，其余5条黑色实线分别对应空气间隙为N-2～N+2的基准光谱信号，该信号基于RCWA方法求解得到。
图3为白光干涉光谱信号匹配的间隙测量算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
实施例1，测量掩模、基片间空气隙>10μm的实施例。
1、选择直径为30mm双面精抛光的蓝宝石作为透明基底，在此透明基底上利用纳米加工方法得到具有测量孔结构的Cr掩模，Cr掩模厚度为40nm；
2、选择直径为25.4mm的石英作为透明基底，在此基底上通过工艺沉积底层Ag层，然后通过旋涂光刻胶，并最后在光刻胶上沉积顶层反射银层。底层银膜厚度控制在50nm，光刻胶厚度控制在30nm，顶层银膜厚度控制在20nm；
3、建立第2步结构的模型，以白光为光源，利用RCWA方法不通过的空气隙对应的白光干涉光谱信息，并以空气隙为数据的主键值而建立光谱数据库；
4、将光纤插入准直镜头上的安装位置，并通过螺钉进行固定，确保通过光纤的白光垂直照射到准直镜头上，并调整准直镜的位置，形成平行光；
5、以白光为光源，利用光谱仪采集掩模、空气隙和基片的白光干涉强度信息；
6、计算机采集光谱仪的干涉信号，寻找光谱信号的极值点，并提取出极值点对应的光波长值，如果极值点个数>M(对应10μm间隙值)，根据公式：得出掩模与基片之间的粗间隙值，公式中△为超衍射材料的定向传输角度，λn为间隔n个峰值点的光谱信号对应的波长值，λ1为第一个光谱信息峰值点对应的波长值；
7、根据粗间隙值，从光谱数据库中读取粗间隙值前后N条光谱信息到计算机缓存中；然后，将缓存中的光谱信息逐条与待测光谱进行比对，找出与待测光谱信息最匹配的光谱信息；其特征在于：所述比对采用最小均方差、最小标准差等算法中的一种；
8、查询与待测光谱信息最匹配的光谱信息对应的空气间隙值，并以该空气间隙值作为待测的掩模、基片的间隙值。
实施例2，测量掩模、基片间空气隙值<10μm的实施例。
1、选择直径为30mm双面精抛光的蓝宝石作为透明基底，在此透明基底上利用纳米加工方法得到具有测量孔结构的Cr掩模，Cr掩模厚度为40nm；
2、选择直径为25.4mm的石英作为透明基底，在此基底上通过工艺沉积底层Ag层，然后通过旋涂光刻胶，并最后在光刻胶上沉积顶层反射银层。底层银膜厚度控制在50nm，光刻胶厚度控制在30nm，顶层银膜厚度控制在20nm；
3、建立第2步结构的模型，以白光为光源，利用RCWA方法不通过的空气隙对应的白光干涉光谱信息，并以空气隙为数据的主键值而建立光谱数据库；
4、将光纤插入准直镜头上的安装位置，并通过螺钉进行固定，确保通过光纤的白光垂直照射到准直镜头上，并调整准直镜的位置，形成平行光；
5、以白光为光源，利用光谱仪采集掩模、空气隙和基片的白光干涉强度信息；
6、计算机采集光谱仪的干涉信号，寻找光谱信号的极值点，如果极值点<M(对应10μm间隙值)，则从光谱数据库中取出空气隙小于10μm的所有光谱信息到计算机缓存中；然后，将缓存中的光谱信息逐条与待测光谱进行比对，找出与待测光谱信息最匹配的光谱信息；其特征在于：所述比对采用最小均方差、最小标准差等算法中的一种；
7、查询与待测光谱信息最匹配的光谱信息对应的空气间隙值，并以该空气间隙值作为待测的掩模、基片的间隙值。