CN110632703A - 用于在光学计量中提供照明的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明针对于用于向用于光学计量的测量头提供照明的系统。在本发明的一些实施例中，来自多个照明源的照明光束经组合以将处于一或多个选定波长的照明递送到所述测量头。在本发明的一些实施例中，递送到所述测量头的照明的强度及/或空间相干性被控制。在本发明的一些实施例中，处于一或多个选定波长的照明是从经配置用于提供处于连续波长范围的照明的宽带照明源递送的。

Description

用于在光学计量中提供照明的系统
本申请是发明名称为“用于在光学计量中提供照明的系统”，申请号为201480017857.2，申请日为2014年2月21日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般来说涉及光学计量领域，且更特定来说涉及针对光学计量提供照明的系统。
背景技术
基于散射计量技术的光学计量系统通常用于表征半导体中的关键装置层。光学计量系统的实例包含但不限于一维光束轮廓反射计量(1D-BPR)系统、二维光束轮廓反射计量(2D-BPR)系统、光谱反射计量系统及光谱椭圆偏振计量系统。前述光学计量系统及为此项技术所习知的其它系统照明样本以执行测量。当前采用各种照明系统来向光学计量系统的测量头提供照明。
数个当前所采用照明系统遭受结构或性能缺点。一些当前系统不紧密且需要大数目个光学表面来导引或管理递送到测量头的照明。一些当前系统限于一或多个特定激光波长或不能够向测量头提供处于特定波长范围中的照明。一些当前系统极易受噪声影响，使得驱动光电调制器(例如，普克尔盒(Pockels cell))的电压中的甚至较小量的噪声可导致影响递送到测量头的照明的强度的不可接受量的噪声。一些当前系统缺少从自由空间耦合到光纤的稳定性，因此导致影响递送到测量头的照明的强度的大量噪声。一些当前系统易受由激光点源及/或单模光纤产生的高度空间相干性的激光斑点影响。前述实例图解说明当前为此项技术所习知的照明系统中的一些系统的缺点。
发明内容
本发明针对于用于向光学计量系统的至少一个测量头提供照明的系统。
本发明的实施例包含一种用于向测量头提供照明的系统。所述系统可包含多个照明源，所述多个照明源包含但不限于第一照明源、第二照明源、第三照明源、第四照明源、第五照明源及第六照明源。第一折叠镜可经配置以沿着导引路径反射来自所述第一照明源的照明。第二折叠镜可经配置以沿着导引路径反射来自第二照明源的照明。第一二向色组合器可经配置以沿着所述导引路径透射来自所述第一照明源的照明。所述第一二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来自所述第三照明源的照明。第二二向色组合器可经配置以沿着所述导引路径透射来自所述第二照明源的照明。所述第二二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来着所述第四照明源的照明。第三二向色组合器可经配置以沿着所述导引路径透射来自所述第一照明源的照明及来自所述第三照明源的照明。所述第三二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来自所述第五照明源的照明。第四二向色组合器可经配置以沿着所述导引路径透射来自所述第六照明源的照明。第四二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来自所述第二照明源的照明及来自所述第四照明源的照明。第五二向色组合器可经配置以沿着照明路径将来自所述第二照明源的照明、来自所述第四照明源的照明及来自所述第六照明源的照明透射到所述测量头。所述第五二向色组合器可进一步经配置以沿着所述照明路径将来自所述第一照明源的照明、来自所述第三照明源的照明及来自所述第五照明源的照明反射到所述测量头。
本发明的另一实施例包含一种用于向测量头提供照明的系统。所述系统可包含多个照明源，所述多个照明源包含但不限于第一照明源、第二照明源、第三照明源、第四照明源、第五照明源及第六照明源。第一二向色组合器可经配置以沿着导引路径透射来自所述第一照明源的照明。所述第一二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来自所述第二照明源的照明。第二二向色组合器可经配置以沿着所述导引路径透射来自所述第三照明源的照明。所述第二二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来自所述第一照明源的照明及来自所述第二照明源的照明。第三二向色组合器可经配置以沿着所述导引路径透射来自所述第四照明源的照明。所述第三二向色组合器可进一步经配置以沿着所述导引路径反射来自所述第五照明源的照明。第四二向色组合器可经配置以沿着照明路径将来自所述第四照明源的照明及来自所述第五照明源的照明透射到所述测量头。所述第四二向色组合器可进一步经配置以沿着所述照明路径将来自所述第一照明源的照明、来自所述第二照明源的照明及来自所述第三照明源的照明反射到所述测量头。分束器可经配置以沿着所述照明路径将来自所述第六照明源的照明引导到所述测量头。
本发明的另一实施例包含一种用于向测量头提供照明的系统。所述系统可包含多个照明源，所述多个照明源经配置以沿着多个光纤提供处于多个波长的照明。每一光纤可经配置以接收处于不同波长的照明。耦合透镜可经配置以接收来自所述多个光纤的选定光纤的处于选定波长的照明。所述耦合透镜可进一步经配置以沿着递送光纤引导处于选定波长的照明。套圈可经配置以固持所述多个光纤。致动器可机械耦合到所述套圈，所述耦合透镜及/或所述递送光纤。所述致动器可经配置以使所述套圈的所述选定光纤与所述耦合透镜及/或所述递送光纤对准。准直透镜可经配置以接收来自所述递送光纤的处于所述选定波长的照明。所述准直透镜可进一步经配置以沿着照明路径将处于所述选定波长的照明引导到所述测量头。
本发明的另一实施例包含一种用于向测量头提供照明的系统。所述系统可包含多个照明源，所述多个照明源经配置以沿着多个光纤提供处于多个波长的照明。每一光纤可经配置以接收处于不同波长的照明。波导结构可经配置以沿着照明路径将来自所述多个光纤的照明引导到所述测量头。安置在所述多个照明源与所述波导结构的光学路径之间的多个快门及/或波导调制器可经配置以允许沿着照明路径递送处于选定波长的照明。
本发明的另一实施例包含一种利用激光持续等离子源来向测量头提供照明的系统。一或多个多模光纤可经配置以沿着照明路径将来自所述激光持续等离子源的照明递送到所述测量头。滤波器机构可安置在所述激光持续等离子源与所述一或多个多模光纤之间以允许沿着所述照明路径递送处于选定波长的照明。
应理解，前述一般说明及以下详细说明两者均仅为示范性及阐释性的且未必限制本发明。并入说明书中且构成说明书的一部分的附图图解说明本发明的标的物。说明与图式一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
所属领域的技术人员可通过参考附图而更好地理解本发明的众多优点，在附图中：
图1是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图2是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图3是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图4A是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图4B是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图5A是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图5B是根据本发明的实施例图解说明用于向测量头提供照明的照明系统的框图；
图5C是根据本发明的实施例图解说明激光产生等离子源的框图；
图5D是根据本发明的实施例图解说明激光产生等离子源的框图；
图5E是根据本发明的实施例图解说明激光产生等离子源的框图；且
图5F是根据本发明的实施例用于向测量头提供照明的照明系统的框图。
图5G是根据本发明的实施例用于向测量头提供照明的照明系统的框图。
具体实施方式
现在将详细参考附图中所图解说明的所揭示的标的物。
图1到5F大体图解说明用于向光学计量系统的测量头提供照明的系统。光学计量系统可包含但不限于一维光束轮廓反射计量(1D-BPR)系统、二维光束轮廓反射计量(2D-BPR)系统、光谱反射计量系统、光谱椭圆偏振计量系统、角分辨反射计量系统或散射计量系统，或以下美国专利中所论述的任何计量系统：美国专利第6,429,943号、第6,654,131号、第6,297,880号、第7,567,351号、美国公开案第2011/0310388号、第2011/0069312号及美国专利申请案第61/545,965号，所有美国专利以全文引用方式并入本文中。
在本发明的一些实施例中，来自多个照明源的照明光束经组合以将处于一或多个选定波长的照明递送到所述测量头。在本发明的一些实施例中，递送到所述测量头的照明的强度及/或空间相干性被控制。在本发明的一些实施例中，处于一或多个选定波长的照明是从经配置用于提供处于连续波长范围的照明的宽带照明源递送的。以下实施例中描述用于完成前述功能及其它功能中的一些或全部功能的系统或方法。
图1图解说明用于利用多个照明源102向光学计量系统的测量头提供照明的系统100的实施例。从照明源102发出的照明可利用多个二向色组合器110组合以沿着共同照明路径传播。在实施例中，二向色组合器110经配置以沿着自由空间照明路径引导照明。在一些实施例中，照明路径的至少一部分可由一或多个光学元件(例如聚焦透镜、分束器、组合器、镜、耦合透镜、光纤、衰减器、偏振器、准直透镜等等)划界。
在实施例中，系统100包含但不限于第一照明源102A、第二照明源102B、第三照明源102C、第四照明源102D、第五照明源102E及第六照明源102F。每一照明源102可经配置以提供处于选定波长或选定波长范围的照明。在示范性实施例中，第一照明源102A、第二照明源102B、第三照明源102C、第四照明源102D、第五照明源102E及第六照明源102F可经配置以分别提供处于488nm、685nm、443nm、638nm、405nm及532nm波长的照明。在本文中应注意，仅出于说明性目的而包含前述示范性实施例且不应将其理解为对本发明的限制。在其它实施例中，可选择经配置以提供处于替代波长组的照明的照明源102。
照明源102可经配置以经由相应准直透镜104将照明透射到由光学元件划界的导引路径(包含但不限于折叠镜108及二向色组合器110)。系统100可进一步包含安置在照明源102与导引路径之间的快门106。快门106可经配置以允许来自至少一个选定照明源102的照明透射到导引路径，同时阻挡来自其它照明源102的照明。在实施例中，对应于发出处于选定波长的照明的照明源102的快门106可敞开以使处于选定波长的照明通过，同时所有其它快门106保持关闭以阻挡从其它照明源102发出的处于其它波长的照明。
在实施例中，导引路径可包含但不限于呈图1中所图解说明及本文中所描述的紧密布置的两个折叠镜及五个二向色组合器。第一折叠镜108A可经配置以将来自第一照明源102A的照明反射朝向第一二向色组合器110A。第二折叠镜108B可经配置以将来自第二照明源102B的照明反射朝向第二二向色组合器110B。
二向色组合器110可经配置以透射处于高于或低于选定阈值的波长的照明，同时反射处于其它波长的照明。或者，二向色组合器110可经配置以透射处于选定范围内或外的波长的照明，同时反射处于其它波长的照明。第一二向色组合器110A可经配置以将来自第一照明源102A的照明透射朝向第三二向色组合器110C。第一二向色组合器110A可进一步经配置以将来自第三照明源102C的照明反射朝向第三二向色组合器110C。
第二二向色组合器110B可经配置以将来自第二照明源102B的照明透射朝向第四二向色组合器110D。第二二向色组合器110B可进一步经配置以将来自第四照明源102D的照明反射朝向第四二向色组合器110D。
第三二向色组合器110C可经配置以将来自第一照明源102A的照明及来自第三照明源102C的照明透射朝向第五二向色组合器110E。第三二向色组合器110C可进一步经配置以将来自第五照明源102E的照明反射朝向第五二向色组合器110E。
第四二向色组合器110D可经配置以将来自第六照明源102F的照明透射朝向第五二向色组合器110E。第四二向色组合器110D可进一步经配置以将来自第二照明源102B的照明及来自第四照明源102D的照明反射朝向第五二向色组合器110E。
第五二向色组合器110E可经配置以沿着照明路径将来自第二照明源102B的照明、来自第四照明源102D的照明及来自第六照明源102F的照明透射到光学计量系统的测量头。第五二向色组合器110E可进一步经配置以沿着照明路径将来自第一照明源102A的照明、来自第三照明源102C的照明及来自第五照明源102E的照明反射到测量头。
在实施例中，照明路径可包含安置在强度控制模块114之前及/或之后的一或多个偏振分束器112、116。强度控制模块可包含经配置以使沿着照明路径递送到测量头的照明的强度衰减的光电装置，例如普克尔盒。至少一个偏振分束器116可经配置以沿着递送路径将照明的一部分引导到经配置以将照明的部分递送到测量头的偏振通道的单模或多模光纤122。偏振分束器116可进一步经配置以沿着额外递送路径将照明的至少一个额外部分引导到经配置以将照明的额外部分递送到测量头的额外偏振通道的光纤136。递送路径可包含用以界定路径及/或控制沿着所述路径传播的照明的额外光学元件。举例来说，折叠镜130可经配置以沿着选定路径反射照明。快门118、134可经配置以选择性透射或阻挡递送到光纤122、136的照明。耦合透镜120、134可经配置以将来自自由空间的照明传送到光纤122、136。分束器124可经配置以经由透镜126、光纤及/或任何其它光学元件将来自照明路径或递送路径的照明的一小部分引导到波长监视器128。前述实例是仅出于说明性目的而提供。预期，在不背离本发明的本质的情况下可包含或排除各种光学元件。
图2中图解说明利用多个照明源202向光学计量系统的测量头提供照明的系统200的另一实施例。在实施例中，系统200包含但不限于第一照明源202A、第二照明源202B、第三照明源202C、第四照明源202D、第五照明源202E及第六照明源202F。
在示范性实施例中，第一照明源202A、第二照明源202B、第三照明源202C、第四照明源202D、第五照明源202E及第六照明源202F可经配置以分别提供处于488nm、443nm、514nm、685nm、638nm及405nm的波长的照明。在另一示范性实施例中，第一照明源202A、第二照明源202B、第三照明源202C、第四照明源202D、第五照明源202E及第六照明源202F可经配置以分别提供处于443nm、405nm、488nm、638nm、532nm及685nm的波长的照明。在本文中应注意，仅出于说明性目的而包含前述示范性实施例且不应将其理解为对本发明的限制。在其它实施例中，可选择经配置以提供处于替代波长组的照明的照明源202。
照明源202可经配置以经由相应准直透镜204将照明透射到导引路径。安置在照明源202与导引路径之间的快门206可经配置以允许将来自至少一个选定照明源202的照明透射到导引路径，同时阻挡来自其它照明源202的照明。
在实施例中，导引路径可包含但不限于经配置以沿着共同照明路径组合来自多个照明源202的照明光束的四个二向色组合器208。第一二向色组合器208A可经配置以将来自第一照明源202A的照明透射朝向第二二向色组合器208B。第一二向色组合器208A可进一步经配置以将来自第二照明源202B的照明反射朝向第二二向色组合器208B。
第二二向色组合器208B可经配置以将来自第三照明源202C的照明透射朝向第四二向色组合器208D。第二二向色组合器208B可进一步经配置以将来自第一照明源202A的照明及来自第二照明源202B的照明反射朝向第四二向色组合器208D。
第三二向色组合器208C可经配置以将来自第四照明源202D的照明透射朝向第四二向色组合器208D。第三二向色组合器208C可进一步经配置以将来自第五照明源202E的照明反射朝向第四二向色组合器208D。
第四二向色组合器208D可经配置以沿着照明路径将来自第四照明源202D的照明及来自第五照明源202E的照明透射到测量头。第四二向色组合器208D可进一步经配置以沿着照明路径将来自第一照明源202A的照明、来自第二照明源202B的照明及来自第三照明源202C的照明反射到测量头。
在实施例中，照明路径可包含安置在强度控制模块216之前及/或之后的一或多个偏振分束器210、218。至少一个偏振分束器210可经配置以沿着照明路径将来自第六照明源202F的照明引导到测量头。在实施例中，偏振分束器210或另一分束器可经配置以经由透镜212、光纤及/或任何其它光学元件将来自照明路径或递送路径的照明的一部分引导到波长监视器214。至少一个偏振分束器218可经配置以沿着一或多个递送路径将照明的一或多个部分引导到经配置以将照明递送到测量头的偏振通道的单模或多模光纤224、232。递送路径可包含额外光学元件，例如但不限于折叠镜226、快门220、228及耦合透镜222、230，如先前关于系统100所论述。
图3图解说明用于利用多个照明源302向光学计量系统的测量头提供照明的系统300的另一实施例。每一照明源302可经配置以沿着对应光纤透射处于选定波长的照明。系统可包含致动器306，例如采用一或多个马达或伺服器的压电致动器或运动控制装置。致动器306可经配置以使透射处于选定波长的照明的选定光纤与耦合透镜308对准。耦合透镜308可经配置以经由自由空间或沿着递送光纤310将来自选定光纤的照明透射到准直透镜312。准直透镜312可经配置以沿着照明路径将选定光纤的准直照明透射到测量头。
在实施例中，致动器306可经配置以致动耦合透镜308以达成与选定光纤的对准。举例来说，耦合透镜308可平移或旋转以与来自选定光纤的准直光束对准。在一些实施例中，以平移或旋转方式致动耦合透镜308来较快速切换可为有利的。
在图3中图解说明的另一实施例中，致动器306可经配置以致动固持光纤的套圈304以使选定光纤与耦合透镜308对准。在示范性实施例中，套圈304包含经配置以固持对应于第一照明源302A、第二照明源302B、第三照明源302C、第四照明源302D、第五照明源302E及第六照明源302F的六个光纤的六边形阵列。在一些实施例中，以光纤之间的最小间隔将光纤封装于套圈304中是有利的。
在实施例中，致动器306可经配置以使套圈304横向(即，XY定位)移动以使选定光纤与耦合透镜308对准。在使选定光纤与耦合透镜308对准时，处于选定波长的照明可经引导穿过光束截止器309的光圈，同时处于其它波长的照明被光束截止器309阻挡。致动器306可进一步经配置以使套圈304或耦合透镜308纵向(即，Z定向)移动以聚焦从选定光纤递送的照明。在一些实施例中，致动器306可经配置以通过调整聚焦水平来控制递送到测量头的照明的强度。在另一实施例中，可变光纤衰减器311可经配置以控制递送到测量头的照明的强度。在一些实施例中，自由空间强度控制模块321可经配置以控制递送到测量头的照明强度。
在另一实施例中，致动器306可经配置以致动递送光纤310以使递送光纤310与从选定光纤递送到耦合透镜308的照明对准。在一些实施例中，光束截止器309可耦合到递送光纤310的尖端。光束截止器309可经配置以在递送光纤310与从选定光纤经由耦合透镜308传送的照明对准时允许处于选定波长的照明穿过递送光纤310,同时阻挡处于其它波长的照明。进一步预期，在本文中所描述的实施例中的任一者中，光束截止器309可以固定或动态布置安置在递送光纤310之前以减轻来自处于除选定波长外的波长的照明的干扰。
在实施例中，照明路径可包含经配置以沿着一或多个递送路径将照明的一或多个部分引导到经配置以将照明递送到测量头的偏振通道的单模或多模光纤328、336的至少一个偏振分束器322。递送路径可包含额外光学元件，例如但不限于折叠镜330、快门324、332及耦合透镜326、334，如先前关于系统100所论述。在实施例中，照明路径可进一步包含至少一个波板314及/或任何其它光学元件。
在另一实施例中，照明及递送路径可通过包含耦合到光束截止器309的分叉光纤(例如S与P光纤)而组合。在实施例中，分叉光纤也可替换准直透镜312及偏振分束器322。分叉光纤可经配置以将处于选定波长的照明透射到测量头的偏振通道。可通过在任一端处使一个光纤偏振键相对于另一偏振键旋转90度来达成偏振区别。
偏振分束器316或另一分束器可经配置以经由透镜318、光纤及/或任何其它光学元件将来自照明路径或递送路径的照明的一部分引导到波长监视器320。在实施例中，波长监视器320可经配置以接收来自沿着递送路径安置在测量头之前的分束器的照明。
图4A及4B图解说明用于利用多个照明源402向光学计量系统的测量头提供照明的系统400的另一实施例。每一照明源402可经配置以沿着对应光纤将处于选定波长的照明发射到波导结构。在图4A中所图解说明的实施例中，波导结构可包含多个级联式光纤分路器404。举例来说，来自六个源402的照明可经由包含五个2×1光纤分路器404的波导结构组合。照明可随着其行进穿过分束器404而衰减。
在实施例中，照明源402及分束器404可经布置使得处于较短波长的照明行进穿过比处于较长波长的照明少的光纤分路器404。举例来说，与照明源402C及402D相比，照明源402A及402B可提供处于较短波长的照明。类似地，与照明源402E及402F相比，照明源402C及402D可提供较短波长的照明。
在图4B中所图解说明的另一实施例中，波导结构可包含平面光波电路406。处于选定波长的照明可经由对应光纤从多个照明源402发射到光波电路406。光波电路406可包含形成于平面衬底上的波导。由于形成于衬底上的波导的形状可比多个光纤更容易控制，因此光波电路406可允许更紧密装置。
光波电路406可进一步包含用于实施选定功能的额外结构或装置。在示范性实施例中，光波电路406可包含经配置以控制行进穿过光波电路406的照明光束的强度的强度调制器408。在另一示范性实施例中，光波电路406可在形成于衬底上的波导的输出处包含分束器410。分束器410可经配置以沿着单模光纤412、414将透射穿过波导电路406的照明的部分引导到测量头的偏振通道。
进一步应注意，除非另有说明，否则对含有前述系统100、200、300及400中的一者的元件或配置的任何说明应理解为适用于其它系统。本文中所描述的概念中的数者可以模块化方式应用。举例来说，快门106、206可包含于前述系统100、200、300及400中的任一者中以通过使处于选定波长的照明通过同时阻碍处于其它波长的照明来提供处于选定波长的照明。类似地，单模、多模及/或分叉光纤可用于沿着照明路径或递送路径将照明传送到前述系统100、200、300及400中的任一者中的测量头。前述实例图解说明一个实施例中所描述的组件可如何与其它实施例中所描述的组件以模块化方式组合。此外，所属领域的技术人员将容易明了组合本文中所描述的元件的能力。
系统100、200、300及400中的任一者可包含用于控制处于一或多个选定波长的照明的强度的构件。在一些实施例中，递送到测量头的照明的强度可利用声光可调谐滤波器(AOTF)来控制，如美国公开案第2011/0310388A1号中至少部分描述。美国公开案第2011/0310388A1号以引用方式并入本文中。
在一些实施例中，AOTF可包含双通布置，如本文中所描述。来自多个光纤(每一光纤经配置以用于透射处于选定波长的照明)的照明，可聚焦到AOTF上。AOTF的RF调制(例如，振幅及/或频率调制)可用于确定特定次序的处于选定波长的照明如何高效地衍射。照明的衍射光束可利用准直透镜准直并自平面镜逆向反射。反射光束可往回聚焦到AOTF上，再次衍射且往回耦合到其原始光纤中。光纤循环器可经配置以将往回传播的照明分裂到输出光纤中。此双通布置可增加强度控制的动态范围且减少来自频率变化的噪声。
在一些实施例中，每一照明源102、202、302、402可经独立调制以控制处于一或多个波长的照明强度。因此，针对多个照明源102、202、302、402，在积分时间期间入射于检测器阵列上的光子的数目可经控制到选定水平或在选定边际内。在一些实施例中，每一照明源102、202、302、402可为脉冲宽度调制(PWM)使得每一脉冲短于检测器的积分时间且与由所述检测器对每一帧的获取同步。
系统100、200、300及400中的任一者可进一步包含用于控制处于一或多个选定波长的照明的空间相干性的构件。由照明源102、202、302、402(例如激光器)经由单模光纤提供的处于选定波长的照明可导致斑点图案及其它相干假影，这是因为高空间相干性可允许沿着稍微不同的路径长度行进的照明的部分彼此干涉。
在实施例中，空间相干性可通过替代利用单模光纤将照明经由多模光纤递送到测量头来控制。如果光纤面上的不同点不相关，那么多模光纤可如同经扩展物体动作。耦合到多模光纤中的照明源102、202、302、402通常激发多模光纤的模式中的小子组。照明源102、202、302、402可经配置以通过使所聚焦照明光束以随机或伪随机图案横向跨越光纤面进行扫描来激发多模光纤的模式的全部或广泛分布。机械耦合到倾斜(tip-tilt)致动器或替代致动构件的折叠镜可经配置以使照明光束跨越光纤面进行扫描。可使照明光束以充足速度进行扫描以使得时变模式结构能够在在检测器的积分时间内达到平均，借此导致实质上等效于或类似于非相干经扩展源的行为的行为。或者，可利用机械耦合到多模光纤的致动器(例如音圈、领英有限公司(GIGA CONCEPT INC.)生产的模式探测器斑点置乱器(MODALEXPLORER SPECKLE SCRAMBLER)或此项技术习知的任何其它模式置乱致动器)来随机激发或置乱所述模式。举例来说，音圈可经配置以振动多模光纤以随机混合模式。
在另一实施例中，空间相干性可利用置于测量头的光束路径中的旋转漫射器来控制。旋转漫射器可安置在将照明递送到测量头的光纤的输出小面附近或内部图像平面附近。漫射器可经配置以旋转使得光束点在检测器的积分时间期间照明多个不同及/或随机区域，借此导致实质上等效于或类似于非相干经扩展源的行为的行为。
在另一实施例中，空间相干性可利用机械耦合到倾斜致动器以使从测量头发出的照明横向跨越正经分析的样本进行扫描的折叠镜来控制。跨越样本扫描的点位置可不相关，这归因于经调制照明源相对于使递送到样本表面的照明的光束点移动所需的时间的较短相关时间。通过跨越样本测量充足多个点，所测量数据可展现较少相干假影。
图5A到5F图解说明用于利用真实经扩展空间非相干照明源502来供应空间非相干照明而向测量头提供照明的系统500。空间非相干照明源502包含但不限于Xe弧源(如美国公开案第2011/0026032号及第2010/0302521号中所论述)及激光持续等离子(LSP)源(如美国专利第7,435,982号、第7,786,455号及第7,989,786号中所论述)，所有以上美国专利以引用方式并入本文中。在一个实施例中，可将高功率红外线激光光束引到填充有高压气体(例如Xe)的灯泡内部的焦点以产生激光持续等离子。激光可加热气体。可跨越灯泡内部的一组电极提供高电势差以电离经加热气体，借此在所聚焦激光光束的区内形成等离子。等离子可从等离子的小区各向同性地提供密集照明发射，在直径上通常为100um到200um。在一些实施例中，发射的照明可为极其宽带。举例来说，等离子可产生处于从约150nm到超过1000nm的波长的显著发射。滤波器机构504可经配置以从照明源502的宽带光谱提供处于选定波长带的照明。在以下实施例中，宽带照明源502通常为LSP源；然而，预期任何宽带照明源502，例如但不限于LSP源、超连续激光器及此项技术已知的任何其它宽带(即，白光)源。
图5A图解说明系统500的实施例，其中LSP源502经配置以沿着照明路径将照明引导到测量头。一或多个滤波器机构504可经配置以对来自LSP源502的宽带照明进行滤波以将处于选定波长或选定波长带的照明提供到测量头。然而，在一些实施例中，滤波器机构504可经移除或经配置以允许将未经滤波的照明(即，白色光)递送到测量头。系统可进一步包含经配置以将来自照明路径的照明引导到至少一个多模光纤510以供递送到测量头的耦合透镜508。预期，可利用单模光纤；然而将经扩展电离子点的图像耦合到单模光纤中不如耦合到多模光纤510中高效。此外，单模光纤的小芯可使照明在空间上相干，因此，废除利用经扩展源502的目的。
在实施例中，滤波器机构504可包含一或多个薄膜干涉滤波器。薄膜滤波器可能够高效率窄带滤波(例如，>90％)及优良拒绝或衰减带外照明(例如，<10-6)。在实施例中，滤波器504可经配置以对照明进行滤波以提供大致大约选定波长2nm到15nm范围中的带宽。前述范围经包含仅用于说明目的且不应视为以任何方式限制本发明。
除至少一个窄带滤波器504C以外，滤波器机构504还可包含至少一个高通滤波器504A及/或低通滤波器504B。窄带滤波器504可经配置以对来自LSP源502的照明进行滤波以沿着照明路径提供处于选定波长带的照明。高通滤波器504A及/或低通滤波器504B可经配置以拒绝或衰减窄带滤波器504C不能控制的LSP源502光谱的区，借此将照明滤波到窄带滤波器504C经配置以控制的波长范围。
滤波器机构504可进一步包含经配置以使多个滤波器平移或旋转的一或多个致动器，例如马达，其中每一滤波器可经配置以用于对一或多个选定波长或带进行滤波。在实施例中，多个滤波器可耦合到可移动座架，从而允许选择滤波器以在测量过程中提供处于选定波长的照明。可移动座架可包含马达式滤波器转盘；然而，预期滑动器及替代致动器。进一步预期，可借助使用固定波长干涉滤波器来实现灵活性优点。商业供应商可相对容易地供应选定波长的滤波器。因此，可针对系统500定制滤波器以增加敏感性及/或改进任何其它系统属性。
在实施例中，照明路径可包含经配置以经由聚焦透镜512沿着检测路径将照明的一部分引导到波长监视器514的分束器506。在一些实施例中，照明路径可进一步包含上文关于系统100、200、300及/或400所论述的光学元件中的一或多者。
在另一实施例中，滤波器机构504可包含允许沿着照明路径提供处于连续的可选择波长范围的照明的单色仪布置。单色仪通常不如固定波长干涉滤波器高效，这是因为使用衍射光栅作为散射元件。以充足精确度及准确度调谐单色仪也可造成挑战且可需要实时波长监视。典型单色仪布置通过旋转散射元件且保持固定狭缝来调谐到选定波长。然而，图5B图解说明包含经修改单色仪布置的系统500。系统500可包含经配置以沿着照明路径从LSP源502提供照明的准直透镜540。滤波器机构504可包含散射元件，例如但不限于棱镜或衍射光栅。散射元件可在经由照明的空间色散光谱544扫描一或多个光纤546的同时保持固定，使得处于选定波长或带的照明耦合到至少一个选定光纤546中。可用于耦合到光纤546中的照明的光谱544可通过散射元件的色散及/或经配置以将照明耦合到选定光纤546中的聚焦光学器件542的焦距来确定。经由光纤546透射的照明的带宽可通过光纤芯的大小及光谱544中的色彩的空间分离来确定。
在实施例中，一或多个光纤546可安置在光谱544的平面中。光纤546可利用至少一个致动器沿着光谱544平移以变化选定照明带的中心波长。光纤546可进一步沿垂直于光谱平面544的方向平移以变化耦合到光纤546中的照明的带宽。进一步预期，可调整散射元件可经配置以通过控制照明光谱544的色散来控制耦合到光纤546中的照明的带宽。在一些实施例中，照明路径可进一步包含经配置以提供窄带照明的空间滤波器。
在另一实施例中，滤波器机构504可包含至少一个可调谐干涉滤波器。可调谐干涉滤波器可经配置以基于滤波器上的照明的入射角而使照明的透射带移位。致动器(例如马达旋转台)可机械耦合到可调谐干涉滤波器。致动器可经配置以通过使滤波器绕垂直于由滤波器接收的照明的方向的轴旋转来调谐到选定波长或带。因此，沿着照明路径递送的照明可连续调谐而不牺牲由干涉滤波器提供的效率及/或稳定性优点。
在前述实施例中，至少一个光纤(例如，多模光纤)510、546经配置以将从系统500递送的照明耦合到测量头。经由一或多个光纤510、546耦合到测量头可有利于封装灵活性及/或系统模块化。然而，在其它实施例中，将来自系统500的照明直接耦合到不具有光纤510、546的测量头可为有利的。举例来说，借助光纤510、546耦合到测量头可由于源光展量与光纤光展量之间的不匹配而高度低效。此外，选定照明波长可为在光纤510、546的操作范围外。在实施例中，照明可通过移除耦合透镜508、542及光纤510、546且沿着照明路径将照明直接递送到测量头的光学器件来直接耦合到测量头。
通过利用LSP源502，系统500可经配置以提供处于选定波长或在可用于二极管激光器的范围外的波长带的照明。此外，薄膜干涉滤波器可易于用于200nm及更低的波长下，因此系统500可经配置以向测量头提供处于利用二极管激光器不可达成的选定UV波长的照明。
在一些实施例中，测量头经配置以用于法向入射散射计量系统或能够用小光束点进行测量的另一计量系统。小测量点往往导致分析样本的空间中的低光展量。为改进照明效率，LSP源502的光展量可实质上匹配于计量系统的测量头的光展量。在又一实施例中，用于将照明耦合到测量头的一或多个光纤510、546可具有基于LSP源502及/或测量头的光展量的选定数值孔径及/或选定芯大小。
LSP源502通常产生相当大的光束点，所述相当大的光束点在与来自热等离子的黑体辐射的各向同性性质组合时导致大光展量。上述情形在经配置用于激发气体以产生等离子的抽运源520(例如红外线激光器)与从电离子发射的宽带照明的轴不对准时尤其普遍。可发生伸长光束点，导致不匹配光展量及(因此)对LSP功率的低效利用。LSP源502的以下实施例是针对于通过运用较大辐射通量(优于运用小光展量)来减轻前述缺点。
最初，较大功率抽运源520可用于驱动LSP源502。在一个示范性实施例中，抽运源520可包含但不限于在1070nm到1080nm波长下具有8kW或更大的功率的激光。利用较大功率的激光可增加光展量，这是因为其中发生等离子发射的区可为较大的。灯泡或气室的填充压力及填充气体也可经选定以改进光谱辐射及光展量。在一些实施例中，抽运光束的几何形状及聚焦光学器件的设计也可用于控制光展量。
参考图5C到5E，从抽运源520发出的抽运光束可沿着与从等离子发射的宽带照明相同的轴递送，借此减少由于偏轴抽运所致的光束点的伸长。在实施例中，LSP源502可包含具有线性阶布置的灯罩，如图5C中所图解说明，其中递送抽运光束的光纤安置在椭球面镜524的一个焦点处。抽运照明可透射穿过冷光镜526且聚集于处于高数值孔径的共轭焦点上，导致小光束点。经配置以接收抽运照明的含有经加压气体的室522可安置在此焦点处。从所得电离子发射的宽带照明可由椭球面镜524收集且沿着发射路径从冷光镜526反射出灯罩。在实施例中，灯罩可为圆柱形结构。圆柱形结构可具有优于通常是球形形状的常规灯的优点，这是因为聚焦抽运光束的像差可更容易控制以达成紧密光束点。
图5D图解说明其中源的灯罩包含抛物面镜530而非椭球面镜524的LSP源502的另一实施例。从抽运源520递送的IR抽运光束可利用准直透镜528准直。准直照明可利用抛物面镜530透射穿过冷光镜526且聚焦到气室522上。由所得等离子发射的宽带照明可由抛物面镜530收集并重新准直。准直宽带照明可通过冷光镜526沿着发射路径从灯罩反射出。由于抽运光束在其经引导穿过冷光镜526时经准直，因此可避免像差，但在抽运照明被引导于气室522处时可引入一些像差。避免偏轴像差使得等离子成像不受影响可需要足够小等离子光束点。
图5E图解说明LSP源502的另一实施例，其中第一光学窗534及第二光学窗536彼此平行地安置在气室522的相对端处。抽运光束可从抽运源520穿过聚焦透镜532聚焦到第一光学窗534中且所得宽带照明可沿着发射路径从第二光学窗536发射。第二光学窗可涂覆有经配置以阻挡或衰减从抽运源520递送的IR抽运光束的波长的膜。沿着发射路径引导的宽带照明可具有球面像差。在一些实施例中，球面像差可经由准直器校正。像差可校正的程度可取决于照明的横向大小及NA(即，光展量)及使用的准直器的复杂性。然而，在一些实例中，一些(可能不显著)场相依像差可仍存在。
在实施例中，光学窗534、536的衬底材料可经配置用于来自紫外线到红外线带的高透射。聚焦光学器件可充分校正，且光学窗可包含实现衍射限制焦点的高光学质量材料。在一些实施例中，所得照明可沿着具有最小点大小的方向(即，沿着用于同轴场点的主射线)收集。
图5F图解说明经配置以沿着递送路径向具有用于处于DUV波长的照明的任选递送路径的测量头的至少两个偏振通道提供处于VIS及IR波长的照明的系统500的示范性实施例。LSP源502可经配置以穿过旋转到适当位置中的高通滤波器504A及短通滤波器504C提供宽带照明以供以VIS及IR带操作。可调谐滤波器504B可经配置以在线性滑轨上滑动到适当位置中以将照明滤波到选定波长或选定波长带。偏振分束器556可经配置以将处于正交偏振的来自照明路径的照明沿着对应递送路径引导到测量头。在实施例中，每一递送路径可包含经配置以将照明沿着光纤560、564引导到测量头的偏振通道的耦合透镜558、562。光纤560、564可具有基于LSP源502及/或测量头的光展量的选定数值孔径。
LSP源502可进一步经配置以利用二向色分束器550沿着DUV递送路径提供处于DUV带(例如，<400nm)的照明。DUV递送路径可包含经配置以沿着DUV递送路径准直照明的抛物面镜552。可调谐滤波器554可经配置以允许将处于DUV光谱中的选定波长或带的照明直接递送到测量头。在另一实施例中，二向色分束器550可与经配置以沿着自由空间DUV递送路径引导UV、VIS及IR照明的宽带高反射镜调换以获得经配置用于极其宽带光谱的照明源。
在实施例中，照明路径可进一步包含分束器506，所述分束器经配置以沿着监视路径经由聚焦透镜512将照明的小部分引导到波长监视器514。在另一实施例中，针对经配置用于光谱反射计量法的宽带VIS-IR源，滤波器504可移除或经配置以允许沿着照明路径的宽带照明。
图5G图解说明系统500的另一实施例，其中利用多个二向色分束器570对从LSP源502发出的照明进行滤波。二向色分束器570中的每一者可经配置以沿着相应递送路径引导具有选定波长范围的照明。一或多个滤波器572可安置在每一递送路径中以允许进一步调谐到选定波长或波长范围。每一递送路径可进一步包含至少一个快门574，其中跨越多个递送路径的多个快门574可经配置以允许或阻挡照明使得来自选定递送路径的照明通过，同时阻挡其它照明。多个光束组合器576可经配置以接收来自递送路径的照明且沿着共同导引路径将照明引导到测量头。在一些实施例中，导引路径可进一步包含分束器578，所述分束器经配置以沿着监视路径将照明的第一部分引导到波长监视器514及沿着照明路径将照明的第二部分引导到测量头。通往波长监视器及/或测量头的光学路径可进一步由一或多个光学元件(例如耦合透镜512及508、光纤510等等)划界。
过滤出LSP源502的多个波长范围且采用快门574用于选择可实现快速切换速度。在一些实施例中，滤波器572可经预设定到选定值使得在测量期间仅致动快门574。光学元件(例如聚焦透镜)可进一步用于实现较小(因此较快速)快门574用于切换。在又一实施例中，校准源(例如具有若干个习知线路的原子源(例如，HgAr源))可利用积分球与LSP源502输出组合，且然后引导到测量光谱仪，借此进一步减轻斑点。
根据各种实施例，系统500经配置以提供处于紫外线波长的照明。为如此操作，LSP源502的一或多个组件可包含反射光学器件。在一些实施例中，LSP源502中的光学器件的大部分是反射光学器件。在一些实施例中，光纤经配置以针对选定波长(例如，低到～240nm)向测量头递送照明。然而，下降低于选定阈值的波长可通过直接耦合(即，通过自由空间光束)递送以达成充足性能。
在一些实施例中，前述系统中的一或多者可进一步包含用于控制温度以稳定相应系统的激光源、波长监视器及光纤耦合中的一或多者的构件。举例来说，加热及/或冷却元件可沿着照明路径或靠近沿着照明路径的一或多个位置安置。
在一些实施例中，前述系统中的一或多者可进一步包含用于使照明切趾以在晶片平面处产生具有小旁瓣的点的构件。举例来说，可变透射涂层或另一切趾层可安置在光纤尖端上或另一照明输出处。
在实施例中，系统100、200、300或400中的一者可与系统500组合以获得每一系统的特定优点。举例来说，除了根据系统500存取UV波长的能力外，组合式系统还可允许属于系统100、200、300及400的亮度及切换速度用于波长的选择。还可存在属于本文中所描述的系统中的一或多者的特定相干性优点。在组合式系统中，单模光纤可用于多个单波长源而一或多个多模光纤用于宽带源。然而，在一些实施例中，一或多个多模光纤可用于两个类型的照明源。致动器可经配置以置乱光纤模式以减少激光斑点，如本文中先前所论述。
预期，上文所描述实施例的任一部分可与至少一个其它上文所描述实施例的任一部分组合以达成各种实施目标(例如，可选择波长、控制相干性、控制强度、控制偏振、光展量匹配、切换速度、递送效率等等)。因此，本文中的实施例应解释为说明本发明的各种方面而非以任何方式限制。
所属领域的技术人员将进一步了解，存在本文中所描述的过程及/或系统及/或其它技术可受其影响的各种媒介(例如，硬件、软件及/或固件)，且优选媒介将随其中所述过程及/或系统及/或其它技术部署于其中的上下文而变化。实施本文中所描述的步骤中的任一者的程序指令可经由载体媒体发射或存储于载体媒体上且由一或多个处理器执行。在一些实施例中，载体媒体可为发射媒体，例如导线、电缆或无线发射链路。在一些实施例中，所述载体媒体可包含例如只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或者磁带的存储媒体。
尽管已图解说明本发明的特定实施例，但应明了，所属领域的技术人员可在不背离前述揭示内容的范围及精神的情况下作出本发明的各种修改及实施例。因此，本发明的范围应仅受所附权利要求书限制。

Claims (21)

1.一种用于向测量头提供照明的系统，其包括：
宽带照明源；
一个或多个可平移的多模光纤，其经配置以沿着照明路径将来自所述宽带照明源的照明递送到测量头；及
滤波器机构，所述滤波器机构经配置以允许沿着所述照明路径递送处于选定波长的照明，其中所述过滤机构包含固定散射元件，所述固定散射元件经配置以通过控制所述照明光谱的色散来控制耦合到所述一个或多个可平移的多模光纤中的所述照明的带宽，所述固定散射元件设置于所述宽带照明源和一个或多个可平移的多模光纤之间，所述一个或多个可平移的多模光纤可致动以选择性地将一个或多个选定波长的照明耦合到选定多模光纤中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器机构包含多个窄带电介质薄膜滤波器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器机构包含可调谐电介质滤波器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器机构进一步经配置以允许沿着所述照明路径递送未经滤波的照明。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器机构包含具有旋转散射元件的单色仪。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器机构包含经配置以沿着多个光纤引导处于选定波长的照明的部分的散射元件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个多模光纤基于所述宽带照明源及所述测量头中的至少一者的光展量具有选定数值孔径及选定芯大小。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述宽带照明源包括激光持续等离子源。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述激光持续等离子源经配置以沿着所述激光持续等离子源的等离子发射轴提供照明。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述激光持续等离子源包含：
抽运源，其经配置以提供处于至少一个选定波长及至少一个选定功率电平的照明以产生等离子；及
气室，其含有经加压气体，所述气室经配置以接收来自所述抽运源的照明以产生等离子，所述气室进一步经配置以提供从所述所产生等离子发射的宽带照明。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述激光持续等离子源进一步包含：
椭球面镜，其经配置以聚焦递送到所述气室的照明，所述椭球面镜进一步经配置以收集并准直从所述所产生等离子发射的宽带照明。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述激光持续等离子源进一步包含：
准直透镜，其经配置以准直递送到所述气室的照明；及
抛物面镜，其经配置以聚焦递送到所述气室的照明，所述抛物面镜进一步经配置以收集并准直从所述所产生等离子发射的宽带照明。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述激光持续等离子源进一步包含：
冷光镜，其经配置以将来自所述抽运源的照明与从所述所产生等离子发射的宽带照明分离，所述冷光镜进一步经配置以沿着发射路径引导从所述所产生等离子发射的宽带照明。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波器机构包含：
多个二向色分束器，每一二向色分束器经配置以沿着相应递送路径引导相应波长范围；及
多个快门，每一快门经配置以接收来自所述多个二向色分束器中的相应者的所述相应递送路径的照明，所述多个快门经配置以允许沿着所述照明路径递送处于选定波长的照明。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述固定散射元件包括棱镜或衍射光栅中的至少一者。
16.一种用于向测量头提供照明的系统，其包括：
一个或多个可平移的多模光纤，其经配置以沿着照明路径将来自宽带照明源的照明递送到测量头；
滤波器机构，所述滤波器机构经配置以允许沿着所述照明路径递送处于选定波长的照明，其中所述过滤机构包含固定散射元件，所述固定散射元件设置于所述宽带照明源和所述一个或多个多模光纤之间；以及
致动器，其中所述一个或多个多模光纤耦合到所述致动器，其中所述致动器经配置以在由所述固定散射元件所引起的照明的空间色散光谱扫描所述一个或多个可平移的多模光纤，其中处于选定波长的照明耦合到所述一个或多个可平移的多模光纤中的至少一个选定光纤中。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述固定散射元件包括棱镜或衍射光栅中的至少一者。
18.一种用于向测量头提供照明的系统，其包括：
一个或多个可平移的多模光纤，其经配置以沿着照明路径将来自宽带照明源的照明递送到测量头；
滤波器机构，所述滤波器机构经配置以允许沿着所述照明路径递送处于选定波长的照明，其中所述滤波器机构包含固定散射元件，所述固定散射元件设置于所述宽带照明源和所述一个或多个可平移的光纤之间；其中所述一个或多个可平移的多模光纤可以与从所述散射元件输出的照明的光谱平面相垂直的方向平移以改变耦合到所述一个或多个可平移的多模光纤中的照明的带宽。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述宽带照明源包括激光持续等离子源。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述固定散射元件包括棱镜或衍射光栅中的至少一者。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述宽带照明源包括激光持续等离子源。
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