专利名称：对于透射的空间外差干涉测量法(shift)测量的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及空间外差干涉测量法(SHI)领域。更具体地，本发明涉及用于得到对于透射的空间外差干涉测量法(SHIRT)和对于反射和透射的空间外差干涉测量法(SHIRT)的测量结果的方法和机器。
背景技术：
美国专利No.6,078,392和No.6,525,821涉及直接到数字的全息术(Direct-to-Digital Holography，DDH)。在DDH中，在数字成像设备的表面上在小的角度上反射物体波前与参考波前相组合。小的角度生成一组与反射物体波前空间外差的线性干涉条纹。然后使用傅利叶分析来隔离在外差频率上的图像以及重建复数波前，Voelkl(1999)。
DDH是利用傅利叶重建的空间外差干涉测量法的实施方案，用来捕获从物体的表面反射的复数波前。当波前撞击物体表面时表面的形状被嵌入到波前的相位中，并且表面的反射率被包含在反射波的强度中。这个反射波与参考波在数字成像设备处相组合，这样，它们互相干涉，并产生一组线性干涉条纹。这些线性干涉条纹就包含物体波的相位和幅度信息。在傅利叶空间，这个物体波信息显示出以条纹的空间频率附近为中心。在非零频率的波的相位和幅度信息的记录被称为“外差”。
然而，DDH不提供有关感兴趣的物体的里面的信息，并且只提供有关物体表面的信息。
同时，相位对比度显微术(PCM)是通常被使用来成像生物样品的公知的技术。PCM在生物样本包括具有类似的透过率的相位可区分特性时是特别有利的。然而，PCM的限制在于，没有提供复数波前信息，来自PCM的相位信息仅仅由幅度代表。
最近，Jacob(2002)报告一种技术，其中透射相移干涉测量法被使用来测量在光刻掩模上两个点之间的相位差。虽然这个技术能够测量相位改变，但对于每个高度测量需要30秒，所以，需要慢扫描来测量在物体的里面部分的相位改变并且需要非常长的扫描来测量整个掩模上的相位改变。所以，所需要的是可以快速提供有关物体的里面部分的复数波前信息的方法。
至今为止，提供有关物体的里面部分的复数波前信息和快速提供这些信息的要求没有得到满足。所需要的是同时解决这两个问题的解决方案。
发明内容
需要本发明的以下的方面。当然，本发明不限于这些方面。
按照本发明的一个方面，一种方法包括通过使用参考光束和物体光束数字记录包括用于傅利叶分析的空间外差条纹的空间外差的全息图；通过移位数字记录的空间外差的全息图的原始的原点，以放置在由在参考光束与物体光束之间的角度定义的空间外差载波频率的顶点而傅利叶分析数字记录的空间外差的全息图，以定义分析的图像；数字滤波分析的图像，以截止原始的原点周围的信号，以定义结果；以及对该结果执行逆傅利叶变换，其中物体光束透过至少是部分半透明的物体。按照本发明的另一个方面，机器包括相干光能量源；被光耦合到相干光源的参考光束子组件；被光耦合到相干光源的物体光束子组件；被光耦合到参考光束子组件和物体光束子组件的分束器；以及被光耦合到分束器的像素化检测装置，其中物体光束子组件包括至少部分半透明的物体，所述物体被透射地光耦合在相干光能量源与分束器之间。
按照本发明的另一个方面，一种方法包括通过使用第一参考光束和第一物体光束数字记录包括用于傅利叶分析的空间外差条纹的第一空间外差全息图；通过使用第二参考光束和第二物体光束数字记录包括用于傅利叶分析的空间外差条纹的第二空间外差的全息图；通过移位数字记录的第一空间外差的全息图的第一原始原点，以放置在由在第一参考光束与第一物体光束之间的第一角度定义的第一空间外差载波频率的顶点而傅利叶分析数字记录的第一空间外差的全息图，以定义第一分析的图像；通过移位数字记录的第二空间外差的全息图的第二原始的原点，以放置在由在第二参考光束与第二物体光束之间的第二角度定义的第二空间外差载波频率的顶点而傅利叶分析数字记录的第二空间外差的全息图，以定义第二分析的图像；数字滤波第一分析的图像，以截止第一原始原点周围的信号，以定义第一结果；数字滤波第二分析的图像，以截止第二原始原点周围的信号，以定义第二结果；对第一结果执行第一逆傅利叶变换，和对第二结果执行第二逆傅利叶变换，其中第一物体光束透过至少是部分半透明的物体以及第二物体光束从物体反射。按照本发明的另一个方面，机器包括相干光能量源；被光耦合到相干光源的透射参考光束子组件；被光耦合到相干光源的反射参考光束子组件；被光耦合到相干光源的物体光束子组件，物体光束子组件包括透射物体光束路径与反射物体光束路径；被光耦合到透射参考光束子组件和物体光束子组件的透射分束器；被光耦合到反射参考光束子组件和物体光束子组件的反射分束器；以及被光耦合到从由透射分束器与反射分束器组成的一组中选择的至少一个成员的像素化检测装置，其中物体光束子组件包括至少部分半透明的物体，所述物体i)被透射地光耦合在相干光能量源与透射分束器之间，以及ii)被反射地光耦合在相干光能量源与反射分束器之间。
当结合以下的说明和附图考虑时，将更好地看到和明白本发明的这些和其它方面。然而，应当看到，以下的说明，在表示本发明的各种实施例和许多具体的细节时，作为说明而不是作为限制被给出。可以在不背离本发明的精神的条件下在本发明的范围内作出许多替代、修改、添加和/或重新安排，以及本发明包括所有的这样的替代、修改、添加和/或重新安排。
伴随和形成本技术说明书的一部分的图被包括来描绘本发明的某些方面。通过参考在附图上显示的示例性的、从而是非限制性的、实施例，将更加容易明白本发明的、和被提供以本发明的系统的部件和操作的更清楚的概念，图上相同的标号(如果在一个以上的图上出现的话)表示相同的单元。通过结合这里给出的说明参考一个或多个这些附图将更好地了解本发明。应当看到，图上显示的特征不一定按比例画出的。
图1A-1B显示从玻璃上铬膜(chrome-on-glass)目标形成在CCD(电荷耦合器件)传感器上的强度全息图的例子，其中图1B是放大的区域，显示代表本发明的实施例的以及表面地形和材料特性调制的线性正弦干涉条纹图案。
图2A-2B显示代表本发明的实施例的(图2A)全息图的全频谱的幅度和(图2B)全息图的中心的和低通滤波的边带。
图3A和3B显示代表本发明的实施例的(图3A)玻璃上的铬膜的一部分的合成幅度和(图3B)玻璃上的铬膜的该部分的相位重建。
图4A-4C显示代表本发明的实施例的(图4A)给定折射率后厚度的计算，(图4B)相同的厚度的不同的材料之间的相位，和(图4C)对于已知的厚度的材料计算折射率的能力的三个透射例子的示意图。
图5A-5D显示代表本发明的实施例的照射波到由四个不同的物体影响的透射波的变换的示意图。
图6显示代表本发明的实施例的对于透射的空间外差干涉测量法的第一基本光学设计的示意图。
图7显示代表本发明的实施例的对于透射的空间外差干涉测量法的第二基本光学设计的示意图。
图8A-8B显示代表本发明的实施例的对于两个不同的物体的照射波到透射波和反射波的变换的示意图。
图9显示代表本发明的实施例的对于反射和透射的空间外差干涉测量法的第一基本光学设计的示意图。
图10显示代表本发明的实施例的对于反射和透射的空间外差干涉测量法的第二基本光学设计的示意图。
具体实施例方式
通过参考在附图上显示的和在以下的说明中详细阐述的非限制性实施例，更全面地说明本发明及其各种特性和有利的细节。熟知的开始的材料、处理技术、部件和设备被省略，以避免用细节不必要地模糊本发明。然而，应当看到，详细的说明和具体的例子，在表示本发明的优选实施例时，仅仅作为说明而不是作为限制被给出。本领域技术人员从本公开内容将会看到可以在以下的发明概念的精神和/或范围内作出各种替代、修正、添加和/或重新安排。
在本专利申请内，参考了几个文献，列出主要作者的名字，后面是在括号内的出版年号。对于这些和其它文献的完整引用可以在本说明书的末尾紧接在权利要求前面在标题为参考文献的节后面找到。所有的这些文献的公开内容整体地在此引用以供参考，用于表示本发明的背景和说明现有技术。
下面参考的美国专利和美国专利申请公开了对于它们打算的用途是有用的实施例。2000年6月20日公布的Clarence E.Thomas，LarryR.Baylor，Gregory R.Hanson，David A.Rasmussen，Edger Voelkl，James Castracane，Michele Sumkulet和Lawrence Clow的、题目为“Direct-to-Digital Holography，Holographic Interferometry，andHolovision”的美国专利No.6,078,392的整个内容直接在此引用以供参考用于所有的用途。2003年2月25日公布的Clarence E.Thomas和Gregory R.Hanson的、题目为“Acquisition and Replay Systems forDirect-to-Digital Holography and Holovision”的美国专利No.6,525,821的整个内容直接在此引用以供参考用于所有的用途。美国专利申请序列号Nos.10/234,042；10/234,043；10/234,044；10/349,579；10/421,444；和10/607,840的整个内容直接在此引用以供参考用于所有的用途。本专利申请包含也被包括在与本专利申请同一个天提交的、共同待决的美国专利申请No.10/649,474(代理人档案号UBAT1520)中的公开内容，该专利申请的整个内容直接在此引用以供参考用于所有的用途。
综述空间外差全息像格式的处理可以通过使用标量绕射理论被适当地描述，其中参考波前UR(x，y)和物体波前UO(x，y)被描述为UR(x，y)＝AR(x，y)e-jψ(x，y)和UO(x，y)＝AO(x，y)e-jφ(x，y)为了简化起见，可以假设参考波是具有0的相位的平面波，强度是常数，所以UR(x，y)＝AR。对于空间外差全息图术(SHH)准则，参考波前相对于物体波前倾斜x(θx)和y(θy)的角度。当两个波前在强度测量装置(例如，膜、像素化(pixilated)检测器件，电荷耦合器件(CCD)照相机，互补金属氧化硅(CMOS)成像器等等)的表面上被组合时，最终得到的强度为I(x,y)=|AO(x,y)|2+|AR|2+2AO(x,y)ARcos(φ(x,y)-2πλ(θxx)+θyy)]]>其中λ是照射波长。因此，记录的图像不单包含两个波的强度，而且还包含两个波之间的相对相位。两个波之间的角度建立(定义)系统的载波频率，并且有助于通过使用将在下面描述的傅利叶频率分析方法实现幅度AO(x，y)和相位φ(x，y)的恢复。
图1A和1B显示玻璃上铬膜的记录的空间外差全息图的例子。图1B上的插图显示如由表面结构调制的、由(θx/λ，θy/λ)表示的线性正弦条纹图案，其是相位φ(x，y)的函数。
一旦空间外差全息图被形成在CCD的表面上，并作为标量值的数据矩阵被传送到计算机，则目的就是从这个标量值的数据矩阵恢复物体波的幅度和相位。这可以通过取全息图的傅利叶变换和隔离复数频谱中的一个边带结构而计算地完成。本地化的边带结构是在图像上的线性条纹和全息图中的余弦函数占优势的结果。全息图的变换导致在傅利叶域中有关在频率位置(θx/λ，θy/λ)处的离散点的复数波前信息的定位。所述位置被移位到频域的原点，并通过使用低通滤波器进行选择，给出函数UF(u，v)，其中 其中WB(u，v)是低通滤波器，(u，v)是频率变量，以及指数函数执行边带结构从(θx/λ，θy/λ)到原点(0，0)的移位。
这被显示于图2A和2B，其中图2A代表全息图的全频谱的幅度，图2B代表包含确定AO(x，y)和φ(x，y)所需要的复数波前估计的中心和低通滤波的边带。
移位和滤波运算的结果是近似确定原始的复数波前，即，UF(x，y)＝2μAO(x，y)e-jφ(x，y)UO(x，y)一旦确定原始的复数波前的估计UF(u，v)，则幅度和相位就可被确定为AO(x,y)=Re{UF(x,y)}2+Im{UF(x,y)}2]]>和(x,y)=tan-1(Re{UF(x,y)}Im{UF(x,y)})]]>其中Re{·}和Im{·}分别代表UF(u，v)的实部和虚部。
图3A和图3B分别显示从被使用来得到图1A和1B的玻璃上铬膜的SHH得到的幅度AO(x，y)和相位φ(x，y)。
对于本综述的说明，两个波前，参考波前和物体波前，被混合在一起在成像器的表面上生成空间外差全息图，被记录，被存储，然后被傅利叶分析，恢复物体波前的幅度和相位。重要的是指出，物体波前可以是通过感兴趣的物体透过的波前的结果，以及不只是从感兴趣的物体反射的波前的结果。在这两种情形的每种情形下，在物体波前的恢复的幅度和相位中包含的信息提供有关感兴趣的物体的有用的和不同的信息。
以下的说明强调透射的物体波前。穿过物体的波具有的幅度被所穿过的所有的表面的反射系数和材料的吸收系数改变。对于本说明，我们将假设透明的材料，这样，吸收是可忽略的。通过使用Fresnel公式，对于垂直照射当从一种媒介质传送到另一种媒介质时的反射系数可被计算为R=(N2-N1N2+N1)2]]>其中R是反射系数，以及N1和N2是在表面的每一侧的材料的折射率。对于以某个角度的照射，R=(N1μ1cosθ-N2μ2cosθ′N1μ1cosθ+N2μ2cosθ′)2]]>其中θ＝与垂直入射的角度，θ’＝在第二媒介质中与垂直入射的角度，以及μ1和μ2是在表面的每一侧的材料的磁导率。从反射系数可以计算透射百分比为T＝1-R。
虽然这样的透射物体波前的幅度可以提供有关感兴趣的物体的信息，但该幅度可以不用通过干涉测量法来确定。更重要地，可以由这样透射的物体波前(经由相应的SHH的分析)提供的感兴趣的信息，是物体波前的相位。重要的是，透射物体波前的相位包含关于物体所包括的、透射物体波前穿过的材料的厚度和折射率的信息。折射率是在真空中的光速(c)与在材料中的光速(v)的比值，被给出为N＝c/v。波穿过厚度(d)的物体所需要的时间(t)是t＝d/v；所以，在进入材料的波前与从材料外出的波前之间的相位差可被计算为Δθ=2πtcλ=2π(dv)(cλ)=2πd(cv)(1λ)=2πdN/λ]]>其中λ是照射波前的波长。所以，可以看到，物体波前的相位部分包含关于感兴趣的物体的厚度和折射率的信息。
图4A-4C显示可以通过使用重建的相位信息从透射SHH作出三个具体的测量值。当然，本发明不限于图4A-4C上描绘的示例性测量值。
图4A显示在具有两个不同的厚度的位置处穿过物体的波前。在图4A下面的公式表示如果物体与周围材料的折射率是已知的，则厚度的差别可以从相位差进行计算。周围材料可以是材料的层或环绕材料(基体材料，matrix material)，其至少部分是半透明(例如，聚合的感光胶)的局部真空(例如，超高真空)，或甚至空气。具体地，本发明可包括计算在物体的第一通过部分与物体的第二通过部分之间的厚度差(δ)为δ=Δθλ2π(N2-N1)]]>其中Δθ是相位差，λ是相干光能量源的波长，N1是周围的折射率，和N2是物体的折射率。
图4B显示其中相位改变可被使用来区分相同厚度的两种材料的例子。在图4B下面的公式允许计算在两种材料之间的预期的相位差，帮助确定在相位图像(phase image)中在两种材料之间的预期的对比度。具体地，本发明可包括计算在物体的第一部分与物体的第二部分之间的相位差(Δθ)为Δθ=2πdλ(N3-N2)]]>其中d是物体的第一部分与物体的第二部分的厚度，λ是相干光能量源的波长，N2是物体的第一部分的折射率，和N3是物体的第二部分的折射率。
图4C图形地显示通过使用已知的厚度的采样来确定材料的折射率的能力。在图4C下面的公式允许计算折射率。具体地，本发明可包括计算表征物体的部分的折射率(N2)为N2=Δθλ2πd+N1]]>其中Δθ是相位差，λ是相干光能量源的波长，N1是周围的折射率。
本发明可包括得到相对于平面截面至少部分半透明的物体的高速透射空间外差干涉测量法测量值的方法。本发明可包括产生相对于平面截面至少部分半透明的物体的高速透射空间外差干涉测量法测量值的设备。下面详细地描述本发明的这个实施例作为实例组1。
本发明可包括通过使用用于全面监视/计量相对于平面截面至少部分半透明的物体的空间外差干涉测量法得到高速透射测量值和得到高速反射测量值的方法。本发明可包括，可选地同时地，通过使用用于全面监视/计量相对于平面截面至少部分半透明的物体的空间外差干涉测量法产生高速透射测量值和得到高速反射测量值的设备。下面详细地描述本发明的这个实施例作为实例组2。
实例现在通过以下的、用来以一定的细节说明各种特性的非限制性实例进一步描述本发明的具体实施例。以下的实例被包括来易于了解本发明实现的方式。应当看到，接下来的例子代表发现在实践本发明时很起作用的实施例。因此，可被看作为构成用于实践本发明的优选的模式。然而，应当看到，在所公开的示例性实施例中可以作出许多改变，仍旧得到类似的或相同的结果而不背离本发明的精神和范围。因此，这些实例不应当被看作为限制本发明的范围。
实例组1本发明可包括通过使用空间外差干涉测量法(SHI)(在单个高速数字图像中)测量在电磁波穿过至少部分半透明的材料以后电磁波的复数波前的方法。测量复数波前给出电磁波在穿过物体材料时引起的吸收和相移。对于透射的空间外差干涉测量法(SHIFT)测量使用在物体波束与参考之间的小的角度来创建对透射波前进行空间外差的一组线性条纹。本发明人认识到测量诸如半透明的材料、光刻掩模和生物样本的物体的透射复数波前的重要性。与传统的相移干涉术相反，对于透射的空间外差干涉测量法(SHIFT)测量通过获取在单个数字图像上的整个复数波前，允许高速重建测量的波前。SHIFT能够在单个高速度数字图像获取和重建中作出几百万个相位测量(将区域像素化)。另外，SHIFT测量提供幅度数据以及相位数据的整个复数波前。这种重建可以在台式计算机上以几分之一秒执行，可以比起当作为硬件算法实施方案时快得多。在生物显微领域中，许多生物样品具有低的反射率，但它们的折射率在关键的样品单元之间很大地变化。当透过这些样品时，各种折射率产生透射波前上的不同的相位改变。由于由SHIFT进行的直接相位测量，它很适用于生物样本。如果包括感兴趣的物体的材料对于照射的波是半透明的或透射的，则材料的透明度被包含在透射波的强度中，并且材料厚度与折射率的组合被包含在透射的波的相位中。对于透射的空间外差干涉测量法(SHIFT)被开发来获取透射的复数波前。参考与物体光束以在成像器表面上的小的角度进行组合，创建复数波前的空间外差干涉测量法(SHH)图像。这个单个图像然后通过傅利叶分析Voelkl(1999)被处理，以重建复数波前的相位和强度。
图5A-5D显示材料厚度与折射率对透射的物体波前的影响的几个例子，所以，某些特性可以由SHIFT检查或测量。为了清晰起见，假设所有的材料是纯透射的，这样，透射的图像的强度是与照射的强度相同的。
图5A显示通过具有单个折射率N1的、具有表面地形516的物体514从照射波510到透射波512的变换。图5A显示透射波前提供厚度改变的测量。图5B显示通过分别具有两个不同的折射率N1和N2的具有两个共同存在的层526、528的分层的物体524从照射波520到透射波522的变换。图5B显示在两种材料之间的交界面-这是任何表面扫描测量无法接入的-可以通过使用透射波前被测量和/或检查。图5C显示通过分别具有一个折射率N1的两个区域536，538和具有第二折射率N2的单个区域539的分段的物体534从照射波530(连同代表照射波的一般形式的公式一起)到透射波532(与代表透射波的一般形式的公式一起)的变换。图5C显示具有不同的折射率的两种材料在相位图像上成为可见的。图5D显示通过具有被嵌入到具有第二折射率N2的基体(matrix)538中的具有第一折射率N1的部分546的复合物体544从照射波540到透射波542的变换。图5D显示成像的物体内的材料改变在单个透射相位图像上是可见的。如果这个内部材料改变是纯相位物体，则材料改变对于强度图像是不可见的，这在生物显微术样本中是普遍的。
图6和7显示对于透射的空间外差干涉测量法的两个基本光学设计。当然，本发明并不限于这两个实施例。
参照图6，图上显示通过使用空间外差干涉测量法的透射测量系统的第一实施方案。激光器610被光耦合到第一分束器620。第一分束器620被光耦合到第一照射透镜625。第一照射透镜625被光耦合到待检查的物体630。待检查的物体630被光耦合到第一成像透镜635。第一成像透镜635被光耦合到第一反射镜640。第一反射镜640被光耦合到第二分束器650。第一分束器620也被光耦合到第二照射透镜626。第二照射透镜626被光耦合到第二成像透镜636。第二成像透镜636被光耦合到第二反射镜641。第二反射镜641被光耦合到第二分束器650。电荷耦合器件照相机660被光耦合到第二分束器650。应当指出，物体臂在参考臂上被重现，这样，物体臂和参考臂波前在CCD中相匹配。
图6显示其中物体与参考波前是匹配的通用SHIFT几何关系。激光光束被第一分束器分成两个部分。两个光束穿过照射透镜。物体光束然后穿过待检查的物体，而参考光束没有遇到物体继续行进。在这种环境下，把待检查的物体与自由空间相比较；然而，参考也可以是与待检查的物体相比较的任何物体或材料。成像透镜然后收集物体和参考光束，并把它们传送到CCD照相机。位于CCD的前面的分束器组合物体和参考光束，它造成它们之间的小的角度差值，以生成空间外差干涉条纹。
参照图7，图上显示通过使用空间外差干涉测量法的透射测量系统的第二实施方案。激光器710被光耦合到第一分束器720。第一分束器720被光耦合到待检查的物体730。待检查的物体730被光耦合到成像透镜735。成像透镜735被光耦合到第一反射镜740。第一反射镜740被光耦合到中继透镜745。中继透镜745被光耦合到第二分束器750。第一分束器720也被光耦合到第二反射镜741。第二反射镜741被光耦合到照射透镜746。照射透镜746被光耦合到第二分束器750。电荷耦合器件照相机760被光耦合到第二分束器750。应当指出，在这个实施方案中，使用简化的光路径。不是在参考臂中匹配物体臂光学，而是在参考臂中的照射透镜被选择成使得波前在CCD上与物体臂相匹配。
图7显示简化的透射几何关系，其中物体与参考光束具有不匹配的光学路径，但参考臂中的照射光束被使用来在CCD处匹配物体光束与参考光束波前。在两个波前中的任何失配是恒定的。只要这种失配保持为足够小以仍旧允许图像被包含在频域的需要的区域，就可以通过图像处理去除失配。
实例组2本发明可包括用于使用空间外差干涉测量法(SHI)获得用于材料的完全的检查/计量的被入射在半透明材料上的电磁波的反射的和透射的复数波前的方法。它也包括用于同时测量和组合透射的和反射的复数波前的方法和设备。当(如来自激光器的)电磁波被入射到半透明的物体表面时，一部分波能量透射到材料中，并且一部分能量从材料的表面反射。一种可以获得对于透射波和反射波的复数波前的系统可被使用来分析和检查这二者。对于反射和透射的空间外差干涉测量法(SHIRT)测量，使用小角度的干涉来创建干涉图案；然而，方法和设备被修改来获取在透射波穿过被成像的物体以后的透射的波前和反射的波前。获取在两个同时的数字图像中(或甚至在一个图像中)的两个波前，允许半透明的物体的高速表面和体积检查。测量和组合透射与反射以便充分表征半透明物体，对于检查光刻掩模是极其有价值的，在光刻掩模中有(不透明的)表面特征和厚度或材料变化。另一个应用是检查生物样本，其中施加到波前的唯一信息是由于折射率的变化。测量透射波的相移和反射波的相移(反射将出现在具有不同的折射率的两种材料之间的每个表面上)将增强成像和表征样本的特征的能力。
由于我们使用干涉条纹的空间频率来对于波信息进行外差，我们把这个称为“空间外差”。我们把成像的复数波前称为“全息图”，所以，记录的波前是“空间外差的全息图”或SHH。如果被成像的材料对于照射的波长是半透明的或透射的，则材料的透射率被包含在透射波的强度中，以及材料厚度和折射率的组合被包含在透射波的相位中。反射波包含关于材料的表面地形的信息以及来自在材料内(在不同的折射率的材料之间的边界处)发生的反射的信息。所以，获取反射的和透射的复数波前提供被检查的物体的更完全的特性，并且需要用于获取对于反射的和透射的波的复数波前的设备和方法。对于反射和透射的空间外差干涉测量法(SHIRT)可以同时获取反射的和透射的复数波前。
图8A-8B显示表面特征、材料厚度与折射率对来自物体的透射波和反射波的影响，所以某些特性可以由SHIRT检查或测量。图8A显示由具有单个折射率N1的表面地形818的物体816造成的从照射波810到透射波812和反射波814的变换。图8B显示由分别具有两个不透明的表面特征826，827和具有两个不同的折射率N1和N2的两个共同存在的层828，829的分层的物体825造成的从照射波820到透射波822和反射波824的变换。
一旦对于半透明的物体得到透射的和反射的信号，用于使用物体的这个更完全的表示的方法将随应用而变化。例如，在生物样本中，样品的某些部分可能是高度反射的，所以在反射波前的强度上表现很好，而其它部分由于折射率变化，在透射波前的相位上是可见的。通过归一化这两个图像和将它们合并(相加、相乘等等)，可以显现样品的更详细的图像。对于光刻掩模的计量，反射波前提供具体地在不透明的(铬)区域上的表面特征的最高的信息，而透射图像提供对于高分辨率掩模是关键的通过掩模的相移的直接测量。如果在掩模上的相移由表面蚀刻产生，则反射也提供由掩模产生的相移的间接的测量，如果掩模材料是已知的话。在这种情形下，透射和反射都提供相移的测量，并且这个冗余性将减小测量噪声和提供改进的可信度。对于透明的膜的计量术，反射波前可被使用来测量材料的表面变化和挠曲，而透射提供材料厚度的材料和/或折射率。不管测量情形如何，组合的反射和透射方法都保证待测的物体表面的邻接特征和物体的内部特征。
图9和10显示对于反射和透射的空间外差干涉测量法的两个基本光学设计。当然，本发明不限于这些实施例。
参照图9，图上显示通过使用空间外差干涉测量法的透射/反射测量系统的第一实施方案。激光器910被光耦合到第一分束器915。第一分束器915被光耦合到第二分束器920。第二分束器920被光耦合到第一照射透镜925。第一照射透镜925被光耦合到第三分束器930。第三分束器930被光耦合到第一成像透镜935。第一成像透镜935被光耦合到待检查的物体940。第二分束器920还被光耦合到第二照射透镜926。第二照射透镜926被光耦合到第四分束器950。第四分束器950被光耦合到第二成像透镜955。第二成像透镜955被光耦合到参考反射镜960。第四分束器950还被光耦合到第五分束器970。电荷耦合器件照相机980被光耦合到第五分束器970。第一分束器915还被光耦合到第三照射透镜927。第三照射透镜927被光耦合到反射镜945。反射镜945被光耦合到第四照射透镜928。第四照射透镜928被光耦合到第五照射透镜929。第五照射透镜929被光耦合到第六分束器975。待检查的物体940被光耦合到第二成像透镜936。第二成像透镜936被光耦合到第六分束器975。另一个电荷耦合器件照相机990被光耦合到第六分束器975。应当指出，物体臂光学系统在参考臂上被重现，这样，物体臂和参考臂波前在CCD中相匹配。
图9显示其中物体与参考波前是匹配的通用SHIFT几何关系。第一分束器915分离出激光光束的一部分，以产生透射波的参考光束。第二分束器920分离出激光光束的一部分，以产生反射波的参考光束。第三分束器930引导物体照射光束通过成像透镜并照射到物体。照射波的反射部分变为反射的物体光束，并经由第三分束器930和第五分束器970输送到CCD照相机980。反射波参考光束经由第四分束器950入射到反射镜，然后通过第五分束器970以通过第五分束器970的取向产生的小的角度差与反射物体光束相组合。反射物体光束然后与参考光束在CCD照相机980上相干涉，以产生反射波SHH。穿过物体的照射波的部分变为透射光束，并由第二成像透镜收集，由第六分束器975输送到CCD照相机990。由第一分束器915产生的参考光束穿过类似的光路径到透射物体光束，并通过第六分束器975与透射物体光束组合。通过第六分束器975的取向，把小的角度差施加到这两个光束，这样，当它们在CCD照相机990上相干涉时，产生SHH。如果参考物体不是空气或“真空”，则参考物体可被插入在参考臂的两个照射透镜之间。
图10显示通过使用空间外差干涉测量法的透射/反射测量系统的第二实施方案。激光器1010被光耦合到第一分束器1020。第一分束器1020被光耦合到第二分束器1025。第二分束器1025被光耦合到第一照射透镜1030。第一照射透镜1030被光耦合到第三分束器1035。第三分束器1035被光耦合到第一成像透镜1040。第一成像透镜1040被光耦合到待检查的物体1045。待检查的物体1045被光耦合到第二成像透镜1050。第二分束器1025被光耦合到第一反射镜1055。第一反射镜1055被光耦合到第二照射透镜1060。第二照射透镜1060被光耦合到第四分束器1065。第四分束器1065被光耦合到第一电荷耦合器件照相机1070。第一分束器1020还被光耦合到第三照射透镜1031。第三照射透镜1031被光耦合到第二反射镜1056。第二反射镜1056被光耦合到第四照射透镜1058。第四照射透镜1058和第二成像透镜1050都被光耦合到第五分束器1080。第五分束器1080被光耦合到第二电荷耦合器件照相机1090。应当指出，在这个实施方案中，使用简化的光学路径。不是在参考臂中匹配物体臂光学系统，而是在参考臂中的照射透镜被选择成使得波前在CCD中与物体臂相匹配。
图10显示简化的透射几何关系，其中物体与参考光束具有不匹配的光学路径，但参考臂中的照射透镜1031，1058，1060被使用来在CCD照相机1070，1090处匹配光束波前。在两个波前中的任何失配是恒定的。只要这种失配保持为足够小以仍旧允许图像被包含在频域的需要的区域，就可以通过图像处理去除失配。
对于以上讨论的方法和设备的可能的替换例是通过用由在两个相应的物体与参考光束组之间的两个不同的小角度定义的不同的空间外差频率记录反射波前和透射波前全息图而把反射波前与透射波前全息图记录在一个CCD图像上。光学系统可以被设计成允许反射波前与透射波前被输送到同一个CCD。另外，用于这两个波前的每个波前的参考光束被输送到具有改变在每个物体光束及其参考光束之间的入射角度的能力的CCD。例如，两个用作为合成器的分束器可以一起被光耦合到单个附加分束器，它把两对光束路由到同一个CCD。两个空间外差的全息图然后可以以不同的空间外差频率同时被记录在同一个CCD上。有利的是，定义反射参考光束-物体光束角度的反射参考光束和反射物体光束是与定义透射参考光束-物体光束角度的透射参考光束和透射物体光束不相干的。无论如何，这个单个CCD替换例具有大大地减小对于分析两个全息图的计算要求。把多个空间外差的全息图记录在一个数字图像的技术在美国专利申请序列号No.10/421,444；10/607,824；和/或10/607,840中更详细地描述。
发明的实际应用对于透射的空间外差干涉测量法(SHIFT)的实际应用包括光刻掩模的计量和检查；生物显微技术折射率的测量；和透明物体的厚度测量。对于反射和透射的空间外差干涉测量法(SHIRT)的实际应用包括光刻掩模的计量和检查；生物显微技术；以及透明物体的折射率、厚度和表面特征的同时测量。本发明实际上有无数的使用，这里不需要详细描述它们。
本发明的优点代表本发明的实施例的对于透射的空间外差干涉测量法(SHIFT)至少因为以下原因可以是花费经济和有利的。对于透射的空间外差干涉测量法允许获取透射过物体的复数波前。对于透射的空间外差干涉测量法由于只需要单个图像，允许高速收集复数波前。对于透射的空间外差干涉测量法允许测量通过材料的相位变化(非均匀性、杂质、材料改变等等)。
代表本发明的实施例的对于反射和透射的空间外差干涉测量法(SHIRT)至少因为以下原因可以是花费经济和有利的。对于反射和透射的空间外差干涉测量法允许同时获取透射过物体的复数波前和从物体表面反射的复数波前。本发明与以前的方法相比较，提高质量和/或减小花费。
这里单独使用的名词被定义为一个或多于一个。如这里使用的术语‘多个’被定义为两个或大于两个。如这里使用的术语‘另外的’被定义为至少第二个或多个。如这里使用的术语‘包括’，‘包含’和/或‘具有’被定义为开放的语言，即，需要此后阐述的内容，但对于未指明的过程、结构、和/或成份是开放的甚至是主要的量。如这里使用的术语‘由…组成’和/或‘由…构成’使所阐述的方法、设备或组合，对于不同于所阐述的那些的过程、结构、和/或成份封闭，除了通常与其有关的辅助物、附加物、和/或夹杂物以外。术语“实质上”与术语“由…组成”或“由…构成”一起的阐述，使得所阐述的方法、设备和/或组合只对于在实质上不影响组合的基本的新颖特征的未指明的过程、结构、和/或成份是开放的。如这里使用的术语‘耦合’被定义为连接，虽然不一定是直接的和不一定是机械上的。如这里使用的术语‘大约’被定义为至少接近于定义的数值(例如，优选地在10％内，更优选地在1％内，以及最优选地在0.1％内)。如这里使用的术语‘基本上’被定义为很大程度上，但不一定是所定义的内容的整个的。如这里使用的术语‘一般地’被定义为至少接近给定的状态。如这里使用的术语‘部署’被定义为设计、构建、货运、安装和/或操作。如这里使用的术语‘装置’被定义为用于得到结果的硬件、固件和/或软件。如这里使用的术语‘程序’或词组‘计算机程序’被定义为一系列指令，被设计用于在计算机系统上执行。程序或计算机程序可包括子程序、功能、过程、和物体方法、物体实现、可执行的应用、小应用(applet)、小服务器应用(servlet)、源代码、物体代码、共享库/动态链接库和/或其它的被设计用于在计算机或计算机系统上执行的其它的指令序列。
这里公开的本发明的所有的公开的实施例从公开内容看来可以不用过多的实验而被作出和使用。本发明不受这里阐述的理论定理限制。虽然公开了本发明人预期的、实现本发明的最好模式，但本发明的实践不限于此。因此，本领域技术人员将会看到，本发明可以不同于这里具体地描述的方式被实施。
将会看到，可以在不背离基本的发明性概念的精神和/或范围的条件下作出本发明的特性的各种替换、修改、添加和/或重现安排。可以认为，如由所附权利要求和它们的等价物定义的、基本的发明性概念的精神和/或范围覆盖所有的这样的替换、修改、添加和/或重现安排。
每个公开的实施例的所有的公开的单元和特性可以与所有其它的公开的实施例的公开的单元和特性相组合，或替换所有其它的公开的实施例的公开的单元和特性，除非这样的单元和特性是互相排他的。在包括这里公开的方法的步骤或步骤序列中可以作出变化。
虽然这里公开的干涉仪可以是分开的模块，但将会看到，干涉仪可被合并到与其有关的系统中(例如，光刻检查仪器)。各个部件不一定需要以所公开的形状被形成，或被组合在所公开的结构中，而是可以以实际上任何形状被形成，或被组合在实际上所有的结构中。
所附权利要求不被解释为包括装置加功能限制，除非这样的限制在给定的权利要求中使用词组‘用于…的装置’和/或‘用于…的步骤’被明显地阐述。本发明的子通用实施例由所附的附属权利要求和它们的等价物被阐述。本发明的具体实施例由所附的附属权利要求和它们的等价物被区分。
参考文献E.Voelkl et al，“Introduction to Electron Holography”，Kluwer Academics/PlenumPublishers，1999，pages 133ff.
J.Jacob，T.Litvin，and A.Merriam，High-Resolution Photomask Transmission and PhaseMeasurement Tool，Metrology，Inspection，and Process Control for Microlithography XVI，SPIE Conference，Santa Clara，California，March 4，2002，Session 2(Proceedings of SPIEVol.#4689-10).
C.E.Thomas，et al，“Direct to Digital Holography for Semiconductor Wafer Defect Detectionand Review”，Proceedings of SPIE，Vol.4692，pp.180-194，2002.
U.S.Pat.No.6,078,392 issued June 20，2000，entitled“Direct-To-Digital Holography，Holographic Interferometry，and Holovision”to Clarence E.Thomas，Larry R.Baylor，Gregory R.Hanson，David A.Rasmussen，Edgar Voelkl，James Castracane，MicheleSumkulet and Lawrence ClowU.S.Pat.No.6,525,821，issued February 25，2003，entitled“Acquisition and Replay Systemsfor Direct-to-Digital Holography and Holovision”to Clarence E.Thomas and Gregory R.Hanson.
权利要求
1.一种方法，包括通过使用参考光束和物体光束数字记录包括用于傅利叶分析的空间外差条纹的空间外差全息图；通过移位所述数字记录的空间外差全息图的原始的原点，以放置在由在参考光束与物体光束之间的角度定义的空间外差载波频率的顶点而傅利叶分析所述数字记录的空间外差全息图，以定义分析的图像；数字滤波分析的图像，以截止原始原点周围的信号，以定义结果；以及对所述结果执行逆傅利叶变换，其中物体光束透射至少是部分半透明的物体(630，730)。
2.权利要求1的方法，还包括计算物体的第一透过部分与物体的第二透过部分之间的厚度差值(δ)为δ=Δθλ2π(N2-N1)]]>其中Δθ是相位差，λ是相干光能量源的波长，N1是周围的折射率，N2是物体的折射率。
3.权利要求1的方法，还包括计算物体的第一部分与物体的第二部分之间的相位差(Δθ)为Δθ=2πdλ(N3-N2)]]>其中d是物体的第一部分与物体的第二部分的厚度，λ是相干光能量源的波长，N2是物体的第一部分的折射率，N3是物体的第二部分的折射率。
4.权利要求1的方法，还包括计算表征物体的部分的折射率(N2)为N2=Δθλ2πd+N1]]>其中Δθ是相位差，λ是相干光能量源的波长，N1是周围的折射率。
5.权利要求1的方法，还包括在数字记录空间外差全息图后，在基本上垂直于由物体光束定义的轴的平面内移动物体。
6.权利要求5的方法，还包括在所述平面内移动物体后，数字记录另一个空间外差全息图。
7.权利要求1的方法，其中用电荷耦合器件照相机或CMOS成像器数字记录空间外差全息图。
8.权利要求1的方法，其中参考光束和物体光束由工作在脉冲模式的激光器生成。
9.一种包括权利要求1的方法的光刻掩模检查方法。
10.一种包括权利要求1的方法的计量过程。
11.一种设备，包括相干光能量源(610，710)；被光耦合到所述相干光源的参考光束子组件；被光耦合到所述相干光源的物体光束子组件；被光耦合到参考光束子组件和物体光束子组件的分束器(650，750)；以及被光耦合到分束器的像素化检测装置(660，760)，其中物体光束子组件包括至少部分半透明的物体(630，730)，物体被透射地光耦合在所述相干光能量源与分束器之间。
12.权利要求11的设备，还包括另一个分束器，所述分束器i)被光耦合在相干光能量源与参考光束子组件之间，以及ii)被光耦合在相干光能量源与物体光束子组件之间。
13.权利要求11的设备，其中参考光束子组件包括照射透镜。
14.权利要求11的设备，其中参考光束子组件包括反射镜。
15.权利要求11的设备，其中光束子组件包括成像透镜。
16.权利要求11的设备，其中物体光束子组件包括反射镜。
17.权利要求11的设备，其中物体光束子组件包括中继透镜。
18.权利要求11的设备，其中物体光束子组件包括照射透镜。
19.权利要求11的设备，其中像素化检测装置包括电荷耦合器件照相机或CMOS成像器。
20.权利要求11的设备，其中相干光能量源包括工作在脉冲模式的激光器。
21.一种包括权利要求11的设备的光刻掩模检查仪器。
22.一种包括权利要求11的设备的计量仪器。
全文摘要
描述了用于对于透射的空间外差干涉测量法(SHIFT)测量的系统和方法。方法包括通过使用参考光束和被穿过至少部分半透明的物体(630，730)的物体光束数字记录包括用于傅利叶分析的空间外差条纹的空间外差全息图；通过移位数字记录的空间外差的全息图的原始的原点，以放置在由在参考光束与物体光束之间的角度定义的空间外差载波频率的顶点而傅利叶分析数字记录的空间外差全息图，以定义分析的图像；数字滤波分析的图像，以截止原始原点周围的信号，以定义结果；以及对结果执行逆傅利叶变换。
文档编号G01B9/021GK1856747SQ200480027757
公开日2006年11月1日 申请日期2004年8月26日 优先权日2003年8月26日
发明者格里高利·R.·汉森, 菲利普·R.·宾汉, 肯·W.·托宾 申请人:Ut-巴特勒有限责任公司