以下、添付図面に示される、開示する主題について詳細を述べる。
図1から図5Fは、一般に、光計測システムの測定ヘッドに照明を提供するためのシステムを示している。光計測システムは、1次元ビームプロファイル反射率法(1D−BPR)、2次元ビームプロファイル反射率測定法(2D−BPR)、分光反射率測定法、分光偏光解析法、角度分解反射率法、または散乱システム、またはすべて参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第6,429,943号と米国特許第6,654,131号と米国特許第6,297,880号と米国特許第7,567,351号と、米国特許出願公開第2011/0310388号と米国特許出願公開第2011/0069312号と、米国特許出願第61/545,965号とで説明された計測システムを含むことができるが、これらに限定されない。
本開示のいくつかの実施形態では、複数の照明光源からの照明ビームが結合されて、1つまたは複数の選択された波長の照明を測定ヘッドに提供する。本開示のいくつかの実施形態では、測定ヘッドに提供される照明の強度および/または空間的コヒーレンスが制御される。本開示のいくつかの実施形態では、1つまたは複数の選択された波長の照明が、連続した波長の範囲の照明を提供するように構成された広帯域照明光源から提供される。前述の機能のうちの一部または全部を達成するためのシステムまたは方法を、特に、以下の実施形態で説明する。
図1は、複数の照明光源102を活用して光計測システムの測定ヘッドに照明を提供するためのシステム100の実施形態を示している。照明光源102から発する照明は、複数の二色性結合器110を活用して結合されて、共通の照明経路に沿って伝わることができる。一実施形態では、二色性結合器110は、照明を自由空間照明経路に沿って向けるように構成されている。いくつかの実施形態では、照明経路の少なくとも一部は、焦点レンズ、ビームスプリッタ、結合器、ミラー、組みレンズ、光ファイバ、減衰器、偏光板、視準レンズなどの、1つまたは複数の光学要素によって定められ得る。
一実施形態では、システム100は、第1の照明光源102Aと、第2の照明光源102Bと、第3の照明光源102Cと、第4の照明光源102Dと、第5の照明光源102Eと、第6の照明光源102Fとを含むが、これらに限定されない。各照明光源102は、選択された波長の照明、または選択された波長の範囲の照明を提供するように構成され得る。例示的な一実施形態では、第1の照明光源102A、第2の照明光源102B、第3の照明光源102C、第4の照明光源102D、第5の照明光源102E、および第6の照明光源102Fは、それぞれ、488nmと685nmと443nmと638nmと405nmと532nmとの波長の照明を提供するように構成され得る。前述の例示的な実施形態は、説明の目的のために含められ、本開示に対する制限として解釈されるべきでないことに、本明細書では留意する。他の実施形態では、代替的なセットの波長の照明を提供するように構成された照明光源102が選択され得る。
照明光源102は、照明を各視準レンズ104を通して、折り畳みミラー108と二色性結合器110とを含むがこれらに限定されない光学要素によって定められた誘導経路に伝達するように構成され得る。システム100は、照明光源102と誘導経路との間に配置されたシャッター106をさらに含むことができる。シャッター106は、他の照明光源102からの照明を遮断している間に、少なくとも1つの選択された照明光源102からの照明が誘導経路に伝達されることを可能にするように構成され得る。一実施形態では、選択された波長の照明を発している照明光源102に対応するシャッター106は、選択された波長の照明を通すために開くことができ、一方、他のすべてのシャッター106は、他の照明光源102から発する他の波長の照明を遮断するために閉じたままでいる。
一実施形態では、誘導経路は、図1に示し、本明細書で説明するコンパクトな配置で、2つの折り畳みミラーと5つの二色性結合器とを含むことができるが、これらに限定されない。第1の折り畳みミラー108Aは、第1の照明光源102Aからの照明を、第1の二色性結合器110Aに向けて反射させるように構成され得る。第2の折り畳みミラー108Bは、第2の照明光源102Bからの照明を、第2の二色性結合器110Bに向けて反射させるように構成され得る。
二色性結合器110は、選択された閾値よりも長いまたは短い波長の照明を伝達する一方、他の波長の照明を反射させるように構成され得る。代替的に、二色性結合器110は、選択された範囲内のまたは範囲外の波長の照明を伝達する一方、他の波長の照明を反射させるように構成され得る。第1の二色性結合器110Aは、第1の照明光源102Aからの照明を第3の二色性結合器110Cに向けて伝達するように構成され得る。第1の二色性結合器110Aは、第3の照明光源102Cからの照明を第3の二色性結合器110Cに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第2の二色性結合器110Bは、第2の照明光源102Bからの照明を第4の二色性結合器110Dに向けて伝達するように構成され得る。第2の二色性結合器110Bは、第4の照明光源102Dからの照明を第4の二色性結合器110Dに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第3の二色性結合器110Cは、第1の照明光源102Aからの照明と第3の照明光源102Cからの照明とを、第5の二色性結合器110Eに向けて伝達するように構成され得る。第3の二色性結合器110Cは、第5の照明光源102Eからの照明を第5の二色性結合器110Eに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第4の二色性結合器110Dは、第6の照明光源102Fからの照明を第5の二色性結合器110Eに向けて伝達するように構成され得る。第4の二色性結合器110Dは、第2の照明光源102Bからの照明と第4の照明光源102Dからの照明とを、第5の二色性結合器110Eに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第5の二色性結合器110Eは、第2の照明光源102Bからの照明と第4の照明光源102Dからの照明と第6の照明光源102Fからの照明とを、照明経路に沿って光計測システムの測定ヘッドに伝達するように構成され得る。第5の二色性結合器110Eは、第1の照明光源102Aからの照明と第3の照明光源102Cからの照明と第5の照明光源102Eからの照明とを、照明経路に沿って測定ヘッドへ反射させるようにさらに構成され得る。
一実施形態では、照明経路は、強度制御モジュール114の前および/または後に配置された、1つまたは複数の偏光ビームスプリッタ112、116を含むことができる。強度制御モジュールは、照明経路に沿って測定ヘッドに提供される照明の強度を弱めるように構成された、ポッケルスセルなどの電気光学デバイスを含むことができる。少なくとも1つの偏光ビームスプリッタ116は、デリバリー経路に沿った照明の一部を、測定ヘッドの偏光チャネルにその照明の一部を提供するように構成されたシングルモードまたはマルチモードの光ファイバ122に向けるように構成され得る。偏光ビームスプリッタ116は、照明の少なくとも1つの追加部分を、測定ヘッドの追加の偏光チャネルに照明のその追加部分を提供するように構成された光ファイバ136に向けるようにさらに構成され得る。デリバリー経路は、経路を画定し、および/または経路に沿って伝わる照明を制御する、追加的な光学要素を含むことができる。たとえば、折り畳みミラー130は、照明を選択された経路に沿って反射させるように構成され得る。シャッター118、134は、光ファイバ122、136に提供される照明を、選択的に伝達または遮断するように構成され得る。組みレンズ120、134は、自由空間からの照明を光ファイバ122、136に伝達するように構成され得る。ビームスプリッタ124は、照明経路またはデリバリー経路からの照明のごく一部を、レンズ126、光ファイバ、および/または他の光学要素を通して波長モニタ128に向けるように構成され得る。前述の例は説明目的ためだけに提供される。本開示の本質から逸れることなく、さまざまな光学要素を含み、または除くことができる、ということが考えられる。
複数の照明光源202を活用して光計測システムの測定ヘッドに照明を提供するためのシステム200の別の実施形態が、図2に示されている。一実施形態では、システム200は、第1の照明光源202Aと、第2の照明光源202Bと、第3の照明光源202Cと、第4の照明光源202Dと、第5の照明光源202Eと、第6の照明光源202Fとを含むが、これらに限定されない。
例示的な一実施形態では、第1の照明光源202A、第2の照明光源202B、第3の照明光源202C、第4の照明光源202D、第5の照明光源202E、および第6の照明光源202Fは、それぞれ、488nmと443nmと514nmと685nmと638nmと405nmとの波長の照明を提供するように構成され得る。別の例示的な実施形態では、第1の照明光源202A、第2の照明光源202B、第3の照明光源202C、第4の照明光源202D、第5の照明光源202E、および第6の照明光源202Fは、それぞれ、443nmと405nmと488nmと638nmと532nmと685nmとの波長の照明を提供するように構成され得る。前述の例示的な実施形態は、説明の目的のために含まれ、本開示に対する限定として解釈されるべきでない、ということに本明細書では留意する。他の実施形態では、代替的なセットの波長の照明を提供するように構成された照明光源202が選択され得る。
照明光源202は、照明を、各視準レンズ204を通して誘導経路に伝達するように構成され得る。照明光源202と誘導経路との間に配置されたシャッター206は、他の照明光源202からの照明を遮断している間に、少なくとも1つの選択された照明光源202からの照明が誘導経路に伝達されることを可能にするように構成され得る。
一実施形態では、誘導通路は、複数の照明光源202からの照明ビームを共通の照明経路に沿って結合させるように構成された4つの二色性結合器208を含むが、これらに限定されない。第1の二色性結合器208Aは、第1の照明光源202Aからの照明を第2の二色性結合器208Bに向けて伝達するように構成され得る。第1の二色性結合器208Aは、第2の照明光源202Bからの照明を第2の二色性結合器208Bに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第2の二色性結合器208Bは、第3の照明光源202Cからの照明を第4の二色性結合器208Dに向けて伝達するように構成され得る。第2の二色性結合器208Bは、第1の照明光源202Aからの照明と第2の照明光源202Bからの照明とを、第4の二色性結合器208Dに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第3の二色性結合器208Cは、第4の照明光源202Dからの照明を第4の二色性結合器208Dに向けて伝達するように構成され得る。第3の二色性結合器208Cは、第5の照明光源202Eからの照明を第4の二色性結合器208Dに向けて反射させるようにさらに構成され得る。
第4の二色性結合器208Dは、第4の照明光源202Dからの照明と第5の照明光源202Eからの照明とを、照明経路に沿って測定ヘッドに伝達するように構成され得る。第4の二色性結合器208Dは、第1の照明光源202Aからの照明と第2の照明光源202Bからの照明光源と第3の照明光源202Cからの照明光源とを、照明経路に沿って測定ヘッドへ反射させるようにさらに構成され得る。
一実施形態では、照明経路は、強度制御モジュール216の前および/または後に配置された、1つまたは複数の偏光ビームスプリッタ210、218を含むことができる。少なくとも1つの偏光ビームスプリッタ210は、第6の照明光源202Fからの照明を、照明経路に沿って測定ヘッドに向けるように構成され得る。一実施形態では、偏光ビームスプリッタ210または他のビームスプリッタは、照明経路またはデリバリー経路からの照明の一部を、レンズ212、光ファイバ、および/または他の光学要素を通して波長モニタ214に向けるように構成され得る。少なくとも1つの偏光ビームスプリッタ218は、1つまたは複数のデリバリー経路に沿った照明の1つまたは複数の部分を、測定ヘッドの偏光チャネルへ照明を提供するように構成された、シングルモードまたはマルチモードの光ファイバ224と光ファイバ232とに向けるように構成され得る。デリバリー経路は、システム100に関して前に説明した通り、折り畳みミラー226、シャッター220、228、および組みレンズ222、230などの追加的な光学要素を含むが、これらに限定されない。
図3は、複数の照明光源302を活用して光計測システムの測定ヘッドに照明を提供するためのシステム300の別の実施形態を示している。各照明光源302は、選択された波長の照明を対応する光ファイバに沿って伝達するように構成され得る。システムは、1つまたは複数のモータまたはサーボモータを用いる圧電アクチュエータまたは運動制御デバイスなどのアクチュエータ306を含むことができる。アクチュエータ306は、選択された波長の照明を伝達する選択された光ファイバを、組みレンズ308に揃えるように構成され得る。組みレンズ308は、選択された光ファイバからの照明を、自由空間を通して、またはデリバリー光ファイバ310に沿って、視準レンズ312に伝達するように構成され得る。視準レンズ312は、選択された光ファイバの視準照明を照明経路に沿って測定ヘッドに伝達するように構成され得る。
一実施形態では、アクチュエータ306は、選択された光ファイバとの整列を達成するために、組みレンズ308を作動させるように構成され得る。たとえば、組みレンズ308は、選択された光ファイバからの視準ビームに揃うように、平行移動または回転させられてもよい。いくつかの実施形態では、より高速な切り替えのために、組みレンズ308を平行移動または回転させる方法で作動させることが有利であり得る。
図3に示す別の実施形態では、アクチュエータ306は、選択された光ファイバを組みレンズ308に揃えるために、光ファイバを支えるフェルール304を作動させるように構成され得る。例示的な実施形態では、フェルール304は、第1の照明光源302Aと第2の照明光源302Bと第3の照明光源302Cと第4の照明光源302Dと第5の照明光源302Eと第6の照明光源302Fとに対応する、6本の光ファイバを支えるように構成された六角形配列を含む。いくつかの実施形態では、光ファイバ間に最小の間隔を開けて、光ファイバをフェルール304の中に詰めることが有利である。
一実施形態では、アクチュエータ306は、選択された光ファイバを組みレンズ308に揃えるために、フェルール304を水平方向に移動させる(つまり、XY位置決めする)ように構成され得る。選択されたファイバが組みレンズ308に揃った時、選択された波長の照明は、ビームダンプ309の開口部を通っていくことができ、一方、他の波長の照明はビームダンプ309によって遮断される。アクチュエータ306は、選択された光ファイバから提供された照明を集めるために、フェルール304または組みレンズ308を垂直方法に移動させる(つまり、Z位置決めする)ようにさらに構成され得る。いくつかの実施形態では、アクチュエータ306は、測定ヘッドに提供される照明の強度を、集める度合いを調整することによって制御するように構成され得る。別の実施形態では、可変ファイバ減衰器311は、測定ヘッドに提供される照明の強度を制御するように構成され得る。いくつかの実施形態では、自由空間強度制御モジュール321は、測定ヘッドに提供される照明の強度を制御するように構成され得る。
別の実施形態では、アクチュエータ306は、デリバリー光ファイバ310を、選択された光ファイバから組みレンズ308に提供される照明に揃えるために、デリバリー光ファイバ310を作動させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、ビームダンプ309は、デリバリー光ファイバ310の先端に連結され得る。ビームダンプ309は、デリバリー光ファイバ310が、選択された光ファイバから組みレンズ308を通して伝達された照明に揃った時に、他の波長の照明を遮断している間に、デリバリー光ファイバ310を通した選択された波長の照明を可能にするように構成され得る。本明細書で説明する実施形態のうちのいずれでも、ビームダンプ309は、選択された波長以外の波長の照明からの干渉を軽減するために、デリバリー光ファイバ310の前に、固定または動的な配置で置かれ得る、ということがさらに考えられる。
一実施形態では、照明経路は、照明の1つまたは複数の部分を、測定ヘッドの偏光チャネルに照明を提供するように構成されたシングルモードまたはマルチモードの光ファイバ328、336への1つまたは複数のデリバリー経路に沿って向けるように構成された、少なくとも1つの偏光ビームスプリッタ322を含むことができる。デリバリー経路は、システム100に関して前に説明した通り、折り畳みミラー330と、シャッター324とシャッター332と、組みレンズ326、334などの追加的な光学要素を含むことができるが、これらに限定されない。一実施形態では、照明経路は、少なくとも1つの波長板314および/または他の光学要素をさらに含むことができる。
別の実施形態では、照明経路およびデリバリー経路は、ビームバンプ309に連結された二股光ファイバ(たとえば、S&Pファイバ)を含むことによって結合され得る。一実施形態では、二股光ファイバは、また、視準レンズ312と偏光ビームスプリッタ322とに置き換わることができる。二股光ファイバは、選択された波長の照明を測定ヘッドの偏光チャネルに伝達するように構成され得る。偏光特質は、1つのファイバ偏光キーを、いずれかの端部の別の偏光キーに対して90度回転させることによって達成され得る。
偏光ビームスプリッタ316または他のビームスプリッタは、照明経路またはデリバリー経路からの照明の一部を、レンズ318、光ファイバ、および/または他の光学要素を通して波長モニタ320に向けるように構成され得る。一実施形態では、波長モニタ320は、測定ヘッドの前のデリバリー経路に沿って配置されたビームスプリッタからの照明を受信するように構成され得る。
図4Aおよび図4Bは、複数の照明光源402を活用して、光計測システムの測定ヘッドに照明を提供するためのシステム400の別の実施形態を示している。各照明光源402は、選択された波長の照明を、対応する光ファイバに沿って導波構造へ伝達するように構成され得る。図4Aに示す一実施形態では、導波構造は、複数の直列に連結されたファイバスプリッタ404を含むことができる。たとえば、6つの光源402からの照明は、5つの2x1ファイバスプリッタ404を含む導波構造を通して結合され得る。照明は、ビームスプリッタ404を通って進むにつれて減衰され得る。
一実施形態では、照明光源402およびビームスプリッタ404は、より短い波長の照明が、より長い波長の照明よりも少ない数のビームスプリッタ404を通って進むように、配置され得る。たとえば、照明光源402Aおよび402Bは、照明光源402Cおよび402Dよりも短い波長の照明を提供することができる。同時に、照明光源402Cおよび402Dは、照明光源402Eおよび402Fよりも短い波長の照明を提供することができる。
図4Bに示す別の実施形態では、導波構造は、平面光波回路406を含むことができる。選択された波長の照明は、複数の照明光源402から、対応する光ファイバを介して光波回路406に伝達され得る。光波回路406は、平面基板上に形成された導波路を含むことができる。基板上に形成された導波路の形状は、複数の光ファイバよりもさらに容易に制御され得るため、光波回路406は、より小型のデバイスを可能にすることができる。
光波回路406は、選択された機能を実行するための追加的な構造またはデバイスをさらに含むことができる。例示的な実施形態では、光波回路406は、光波回路406を通って進む照明ビームの強度を制御するように構成された、強度変調器408を含むことができる。別の例示的な実施形態では、光波回路406は、基板上に形成された導波路の出力部にスプリッタ410を含むことができる。スプリッタ410は、光波回路406を通って伝達される照明の一部を、シングルモード光ファイバ412、414に沿って測定ヘッドの偏光チャネルに向けるように構成され得る。
前述のシステム100、200、300、および400のうちの1つに関連する要素または構成の説明が、反対のことが述べられない限り、他のシステムにも適用されると理解されるべきであることにさらに留意する。本明細書で説明する概念のうちのいくつかは、モジュールで適用され得る。たとえば、シャッター106、206は、選択された波長の照明を通す一方、他の波長の照明を遮断することによって選択された波長の照明を提供するために、前述のシステム100、200、300、および400のうちのいずれかに含まれ得る。同様に、シングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバ、および/または二股光ファイバは、前述のシステム100、200、300、および400のうちのいずれかにおいて、照明を、照明経路またはデリバリー経路に沿って測定ヘッドに伝達するために活用され得る。前述の例は、一実施形態で説明する構成要素が、他の実施形態で説明した構成要素に、どのようにモジュールで結合され得るかということを示している。さらに、本明細書で説明する、要素を結合する能力は、当業者に容易に明白になる。
システム100、200、300、および400のうちのいずれかは、1つまたは複数の選択された波長の照明の強度を制御するための手段を含むことができる。いくつかの実施形態では、測定ヘッドに提供される照明の強度は、米国特許出願公開第2011/0310388 A1号で少なくとも部分的に説明された、音響光学的可変フィルタ(AOTF)を活用して制御され得る。米国特許出願公開第2011/0310388 A1号は、参照により本明細書に組み込まれる。
いくつかの実施形態では、AOTFは、本明細書で説明する通り、ダブルパス配置を含むことができる。それぞれが選択された波長の照明を伝達するように構成されている、複数の光ファイバからの照明は、AOTFに集められ得る。AOTFのRF変調(たとえば、振幅変調および/または周波数変調)は、選択された波長の照明の特定のオーダーがどれだけ効率的に回折されるかを決定するために活用され得る。照明の回折ビームは、視準レンズを活用して視準され、平面鏡から逆反射され得る。反射ビームは、AOTFに戻って集まり、再び回折され、その元の光ファイバに再び連結される。ファイバ光サーキュレータは、逆に伝搬している照明を出力光ファイバに分離するように構成され得る。このダブルパス配置は、強度制御の動的範囲を増加させ、周波数の変動からのノイズを削減することができる。
いくつかの実施形態では、各照明光源102、202、302、402は、1つまたは複数の波長の照明強度を制御するために個別に変調され得る。したがって、積分時間中に検出アレイに入射する光子の数は、複数の照明光源102、202、302、および402について、選択されたレベルに、または選択された限度内に制御され得る。いくつかの実施形態では、各照明光源102、202、302、402は、パルス幅変調(PWM)であることができ、各パルスが検出器の積分時間よりも短く、検出器による各フレームの取得と同期しているようにする。
システム100、200、300、および400のうちのいずれかは、1つまたは複数の選択された波長の照明の空間的コヒーレンスを制御するための手段をさらに含むことができる。高い空間的コヒーレンスが、わずかに長さが異なる経路に沿って進む照明の部分がお互いに干渉することを可能にすることがあるために、レーザーなどの照明光源102、202、302、および402によってシングルモード光ファイバを通して提供される選択された波長の照明は、スペックルパターンと他の可干渉性のアーチファクトを引き起こすことがある。
一実施形態では、空間的コヒーレンスは、シングルモードファイバを活用する代わりに、マルチモードファイバを通して照明を測定ヘッドに提供することによって制御され得る。マルチモードファイバは、ファイバのフェイス上の異なる点が相互に関連していない場合、延長物のように動作することができる。マルチモードファイバに連結された、照明光源102、202、302、402は、通常、マルチモードファイバのモードのうちの小さなサブセットを励起する。照明光源102、202、302、402は、ファイバのフェイスに渡って水平方向に、ランダムパターンまたは疑似ランダムパターンで、集められた照明ビームをスキャンすることによって、マルチモードファイバのモードの全部または広範のディストリビューションを励起するように構成され得る。チップチルトアクチュエータまたは代替的な作動手段に機械的に連結された折り畳みミラーは、照明ビームをファイバのフェイスに渡ってスキャンするように構成され得る。照明ビームは、十分な速度でスキャンされて、検出器の積分時間に渡って平均化する時変モード構造を有効にすることができ、それによって、非干渉性の拡張光源の動作に実質的に同等または類似の動作をもたらす。代替的に、モードは、音声コイル、GIGA CONCEPT INC.のMODAL EXPLORER SPECKLE SCRAMBLER、または当業で知られている他のモードスクランブルアクチュエータなどの、マルチモードファイバに機械的に連結されたアクチュエータを活用して、ランダムに励起または混ぜられ得る。たとえば、音声コイルは、モードをランダムに混ぜるためにマルチモードファイバを振動させるように構成され得る。
別の実施形態では、空間的コヒーレンスは、測定ヘッドのビーム経路に配置された回転拡散板を活用して制御され得る。回転拡散板は、測定ヘッドに照明を提供する光ファイバの出力面の近く、または内部画像面の近くに配置され得る。拡散器は、検出器の積分時間中に、ビームスポットが複数の異なるおよび/またはランダムなエリアに光を当てるように回転するように構成され得、それによって、非干渉性の拡張光源の動作に実質的に同等または類似の動作をもたらす。
別の実施形態では、空間的コヒーレンスは、測定ヘッドから発する照明を、分析されているサンプルに渡って水平方法にスキャンするチップチルトアクチュエータに機械的に連結された折り畳みミラーを活用することによって制御され得る。サンプルに渡ってスキャンされるスポット位置は、サンプル表面に提供される照明のビームスポットを動かすために必要な時間と比較して、変調された照明光源の相関時間が短いために、無相関であることができる。サンプルに渡って十分な複数のスポットを測定することによって、測定データは、可干渉性のアーチファクトを示すことはほとんどない。
図5Aから図5Fは、空間的に非干渉性の照明を供給する、真に拡張した、空間的に非干渉性の照明光源502を活用して、測定ヘッドに照明を提供するためのシステム500を示している。空間的に非干渉性の照明光源502は、すべて参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第2011/0026032号と米国特許出願公開第2010/0302521号とで説明されたXeアーク源と、すべて参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第7,435,982号と米国特許第7,786,455号と米国特許第7,989,786号とで説明されたレーザー支持プラズマ(LSP)源とを含むが、これらに限定されない。一実施形態では、高出力赤外線レーザービームが、Xeなどの高圧ガスで満たされた電球の内部の焦点に導かれて、レーザー支持プラズマを生成することができる。レーザーは、ガスを加熱することがある。大きな電位差が電球内部の電極のセット間に与えられて、加熱されたガスを電離することができ、それによって、集められたレーザービームの領域内にプラズマを作り出す。プラズマは、強い照明放射を、通常直径100μmから200μmの小領域のプラズマから等方的に提供することができる。いくつかの実施形態では、放射された照明は、非常に広帯域であることがある。たとえば、プラズマは、約150nmから1000nm以上の波長の、著しい放射を生成することができる。フィルタ機構504は、選択された波長帯域の照明を照明光源502の広帯域スペクトルから提供するように構成され得る。以下の実施形態では、広帯域照明光源502は、LSP源であることが多いが、LSP源、スーパーコンティニウムレーザー、および当業で知られている他の広帯域の(つまり、白色光の)光源などの、任意の広帯域照明光源502が考えられる。
図5Aは、LSP源502が照明経路に沿って照明を測定ヘッドに向けるように構成されている、システム500の一実施形態を示している。1つまたは複数のフィルタ機構504は、LSP源502からの広帯域照明にフィルタをかけて、選択された波長の照明、または選択された波長帯域の照明を測定ヘッドに提供するように構成され得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、フィルタ機構504は、フィルタにかけられていない照明(つまり、白色光)が測定ヘッドに提供されることを可能にするように取り外され、または構成され得る。システムは、測定ヘッドへの提供のために、照明経路からの照明を少なくとも1つのマルチモードファイバ510に向けるように構成された組みレンズ508をさらに含むことができる。シングルモードファイバを活用することができるが、拡張プラズマスポットの画像をシングルモードファイバに連結することは、マルチモードファイバ510に連結することよりも効率的でない、ということが考えられる。さらに、シングルモードファイバの小さいコアは、照明を空間的に干渉性にすることがあり、したがって、拡張光源502を活用する目的を無駄にする。
一実施形態では、フィルタ機構504は、1つまたは複数の薄膜干渉フィルタを含むことができる。薄膜フィルタは、高効率狭帯域フィルタリング(たとえば、>90%)と、帯域外の照明(たとえば、<10−6)の卓越した排除または減衰とを行うことができる。一実施形態では、フィルタ504は、照明をフィルタにかけて、選択された波長を中心として約2nmから15nmの範囲の帯域幅を提供するように構成され得る。前述の範囲は、説明の目的のためだけに含まれ、本開示をどのようにも制限すると解釈されるべきでない。
フィルタ機構504は、少なくとも1つの狭帯域フィルタ504Cに加えて、少なくとも1つのハイパスフィルタ504Aおよび/またはローパスフィルタ504Bを含むことができる。狭帯域フィルタ504は、LSP源502からの照明をフィルタにかけて、選択された波長帯域の照明を照明経路に沿って提供するように構成され得る。ハイパスフィルタ504Aおよび/またはローパスフィルタ504Bは、狭帯域フィルタ504Cが制御することができないLSP源502スペクトルの領域を、排除または減衰するように構成され得、それによって、照明をフィルタにかけて、狭帯域フィルタ504Cが制御するように構成されている波長の範囲にする。
フィルタ機構504は、各フィルタが1つまたは複数の選択された波長または帯域をフィルタにかけるように構成され得る、複数のフィルタを平行移動または回転させるように構成された、モータなどの1つまたは複数のアクチュエータをさらに含むことができる。一実施形態では、複数のフィルタは、測定の過程にわたって選択された波長の照明を提供するためにフィルタの選択を可能にする、可動取り付け具に連結され得る。可動取り付け具は、電動フィルタホイールを含むことができるが、スライダおよび代替アクチュエータが考えられる。柔軟性という利点が、固定波長干渉フィルタの使用によって実現され得るということがさらに考えられる。フィルタは、選択された波長について、民間のメーカから比較的容易に供給され得る。したがって、フィルタは、感度を増加させ、および/または他のシステム属性を改善するために、システム500に対してカスタマイズされ得る。
一実施形態では、照明経路は、照明の一部を、集束レンズ512を通る検出経路に沿って波長モニタ514に向けるように構成されたビームスプリッタ506を含むことができる。いくつかの実施形態では、照明経路は、システム100、200、300、および/または400に関して上記で説明した光学要素のうちの1つまたは複数をさらに含むことができる。
別の実施形態では、フィルタ機構504は、連続範囲の選択可能な波長の照明が照明経路に沿って提供されることを可能にする単色光分光器配置を含むことができる。単色光分光器は、分散素子として回折格子を使用することから、通常、固定波長干渉フィルタよりも効率的でない。十分な精度と正確さとをもって単色光分光器を調整することは、また、困難を示すことがあり、リアルタイムでの波長の監視を必要とすることがある。典型的な単色光分光器配置は、分散素子を回転させ、固定スリットを維持することによって、選択された波長または帯域に同調する。しかしながら、図5Bは、変更された単色光分光器配置を含むシステム500を示している。システム500は、LSP源502からの照明を照明経路に沿って提供するように構成された視準レンズ540を含むことができる。フィルタ機構504は、プリズムまたは回折格子などの分散素子を含むことができるが、これらに限定されない。分散素子は、1つまたは複数の光ファイバ546が照明の空間的に分散したスペクトル544に渡ってスキャンされる間、固定され得、選択された波長または帯域の照明が少なくとも1つの選択された光ファイバ546に連結されるようにする。光ファイバ546への連結に使用可能な照明のスペクトル544は、分散素子の分散、および/または選択された光ファイバ546に照明を連結するように構成された集束光学部品542の焦点距離によって決定され得る。光ファイバ546を通って伝達される照明の帯域幅は、ファイバコアの大きさとスペクトル544中の色の空間的隔離とによって決定され得る。
一実施形態では、1つまたは複数の光ファイバ546は、スペクトル544の平面に配置され得る。光ファイバ546は、照明の選択された帯域の中心波長を変更するために、少なくとも1つのアクチュエータを活用して、スペクトル544に沿って平行移動され得る。光ファイバ546は、スペクトル544に垂直な方向にさらに平行移動されて、光ファイバ546に連結された照明の帯域幅を変更することができる。調整可能な分散素子は、照明スペクトル544の分散を制御することによって、光ファイバ546に連結された照明の帯域幅を制御するように構成され得る、ということがさらに考えられる。いくつかの実施形態では、照明経路は、狭帯域の照明を提供するように構成された空間フィルタをさらに含むことができる。
別の実施形態では、フィルタ機構504は、少なくとも1つの同調可能干渉フィルタを含むことができる。同調可能干渉フィルタは、フィルタに対する照明の入射角に基づいて、照明の透過帯域をシフトさせるように構成され得る。電動回転台などのアクチュエータは、同調可能干渉フィルタに機械的に連結され得る。アクチュエータは、フィルタによって受信された照明の方向に垂直な軸の周りでフィルタを回転させることによって、選択された波長または帯域に同調するように構成され得る。したがって、照明経路に沿って提供された照明は、干渉フィルタによって提供される効率性の利点および/または安定性の利点を犠牲にすることなしに、連続的に同調され得る。
前の実施形態では、少なくとも1つの光ファイバ(たとえば、マルチモードファイバ)510、546は、システム500から提供された照明を測定ヘッドに連結するように構成されている。1つまたは複数の光ファイバ510、546を介して測定ヘッドに連結することは、パッケージング柔軟性および/またはシステムモジュール性のために有利となり得る。しかしながら、他の実施形態では、光ファイバ510、546を用いずに、システム500からの照明を測定ヘッドに直接連結することが有利であることがある。たとえば、光ファイバ510、546を用いて測定ヘッドに連結することは、光源エタンデュとファイバエタンデュとの間の不整合のために、著しく非効率であり得る。さらに、選択された照明波長は、光ファイバ510、546の動作範囲外であり得る。一実施形態では、照明は、組みレンズ508、542と、光ファイバ510、546を取り外し、照明を照明経路に沿って測定ヘッドの光学素子に直接提供することによって、測定ヘッドに直接連結され得る。
LSP源502を活用することによって、システム500は、ダイオードレーザーで使用可能な範囲外の、選択された波長または波長帯域の照明を、提供するように構成され得る。さらに、薄膜干渉フィルタは、200nm以下の波長で容易に入手可能であり、したがって、システム500は、ダイオードレーザーを活用して達成することができない、選択されたUV波長の照明を、測定ヘッドに提供するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、測定ヘッドは、小さなビームスポットを用いて測定を行うことができる、通常の入射散乱システムまたは他の計測システムのために構成されている。小さな測定スポットは、分析されるサンプルの空間における低エタンデュとなる傾向がある。照明効率を改善するために、LSP源502のエタンデュは、計測システムの測定ヘッドのエタンデュに実質的に一致され得る。さらなる実施形態では、照明を測定ヘッドに連結するために活用される、1つまたは複数の光ファイバ510、546は、LSP源502および/または測定ヘッドのエタンデュに基づいて、選択された開口数および/または選択されたコアサイズを有することができる。
LSP源502は、通常、ホットプラズマからの黒体放射の等方性と組み合わされた時に大きなエタンデュをもたらす、比較的大きなビームスポットを生成する。これは、プラズマを生成するためにガスを励起するように構成された赤外線レーザーなどのポンプ光源520が、プラズマから放射された広帯域照明の軸に揃っていない時、特に顕著である。細長いビームスポットが発生することがあり、不整合のエタンデュ、したがって、LSP出力の非効率な活用となる。LSP源502の以下の実施形態は、大きな放射フラックスと小さなエタンデュとによって前述の欠陥を軽減することに向けられている。
最初に、より強力なポンプ光源520が、LSP源502を駆動させるために活用され得る。例示的な一実施形態では、ポンプ光源520は、1070nmから1080nmの波長で8kW以上の出力を有するレーザーを含むことができるが、これに限定されない。より強力なレーザーを活用することは、プラズマ放射が発生する領域がより大きくなり得るために、エタンデュを増加させ得る。電球または気体電池の充填圧力および充填ガスは、また、スペクトル放射輝度とエタンデュとを改善するように選択され得る。いくつかの実施形態では、ポンプビームの配置および集束光学部品の設計が、また、エタンデュを制御するために使用され得る。
図5Cから図5Eを参照すると、ポンプ光源520から発するポンプビームは、プラズマから放射される広帯域照明と同じ軸に沿って提供され得、それによって、軸外のポンピングによりビームスポットが細長くなることを軽減する。一実施形態では、LSP源502は、ポンプビームを提供する光ファイバが楕円面鏡524の一焦点に配置される、図5Cに示すような、線形ベンチ配置を有する照明筐体を含むことができる。ポンプ照明は、コールドミラー526を通して伝達され、高開口数の共投焦点上に集結させられ、小さなビームスポットをもたらす。ポンプ照明を受信するように構成された、加圧ガスを含む電池522は、この焦点に配置され得る。結果として生じるプラズマから放射される広帯域照明は、楕円面鏡524によって集められ、コールドミラー526から反射されて照明筐体から放射経路に沿って出ることができる。一実施形態では、照明筐体は、円筒形構造であることができる。円筒形構造は、ポンプビームを集めることにおける収差がより容易に制御されて小さいビームスポットを達成することができるため、通常球状の形である従来の照明筐体に対して利点を有することができる。
図5Dは、光源の照明筐体が楕円面鏡524の代わりに放物面鏡530を含む、LSP源502の別の実施形態を示している。ポンプ光源520から提供されるIRポンプビームは、視準レンズ528を活用して視準され得る。視準された照明は、コールドミラー526を通って伝達され、放物面鏡530を活用して気体電池522上に集められ得る。結果として生じるプラズマによって放射された広帯域照明は、放物面鏡530によって集められ、再視準され得る。視準された広帯域照明は、コールドミラー526によって反射されて、照明筐体から放射経路に沿って出ることができる。ポンプビームは、それがコールドミラー526を通って向けられた時に視準されるため、収差を回避することができるが、いくつかの収差は、ポンプ照明が気体電池522に向けられた時に入り込むことがある。プラズマ結像が影響を受けないように軸外収差を避けるために、十分に小さなプラズマビームスポットが必要であり得る。
図5Eは、第1の光窓534および第2の光窓536が、気体電池522の両端で互いに平行に配置されている、LSP源502の別の実施形態を示している。ポンプビームは、ポンプ光源520から集束レンズ532を通って第1の光窓534に集められ得、結果として生じる広帯域照明は、第2の光窓536から放射経路に沿って放射され得る。第2の光窓は、ポンプ光源520から提供されるIRポンプビームの波長を遮断または減衰するように構成されたフィルムでコーティングされ得る。放射経路に沿って向けられた広帯域照明は、球面収差を有することがある。いくつかの実施形態では、球面収差は、視準器を通して修正することができる。収差を修正し得る度合いは、照明の横方向サイズとNA(つまり、エタンデュ)と、使用されている視準器の複雑さとに依存し得る。しかしながら、いくつかの例では、いくらかの(おそらく取るに足りない)場依存性の収差がまだ存在していることがある。
一実施形態では、光窓534、536の基板材料は、紫外線域から赤外線域までの高い透過率に対して構成され得る。集束光学部品は、上手く修正され得、光窓は、回折限界焦点スポットを可能にする高光学的品質材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、結果として生じる照明は、最小のスポットサイズを有する方向に沿って(つまり、軸上のフィールドポイントの主光線に沿って)集めることができる。
図5Fは、DUV波長の照明のための任意のデリバリー経路を用いて、VIS波長とIR波長との照明を、デリバリー経路に沿って、測定ヘッドの少なくとも2つの偏光チャネルに提供するように構成されたシステム500の例示的な一実施形態を示している。LSP源502は、VIS帯域とIR帯域とでの動作のための位置に回転した、ハイパスフィルタ504Aとショートパスフィルタ504Cを通して、広帯域照明を提供するように構成され得る。同調フィルタ504Bは、線形スライド上の位置に摺動して、照明にフィルタをかけて選択された波長または選択された波長帯域にするように構成され得る。偏光ビームスプリッタ556は、照明経路からの直交偏光の照明を、対応するデリバリー経路に沿って測定ヘッドに向けるように構成され得る。一実施形態では、各デリバリー経路は、照明を光ファイバ560、564に沿って測定ヘッドの偏光チャネルに向けるように構成された、組みレンズ558、562を含むことができる。光ファイバ560および光ファイバ564は、LSP源502および/または測定ヘッドのエタンデュに基づいて、選択された開口数を有することができる。
LSP源502は、二色性ビームスプリッタ550を活用して、DUV帯域(たとえば、<400nm)の照明をDUVデリバリー経路に沿って提供するようにさらに構成され得る。DUVデリバリー経路は、照明をDUVデリバリー経路に沿って視準するように構成された放物面鏡552を含むことができる。同調フィルタ554は、DUVスペクトル中の選択された波長または帯域の照明が測定ヘッドに直接提供されることを可能にするように構成され得る。別の実施形態では、二色性ビームスプリッタ550は、非常に広帯域な分光のために構成された照明光源を得るために、UV照明とVIS照明とIR照明とを自由空間DUVデリバリー経路に沿って向けるように構成された広帯域高反射ミラーと交換され得る。
一実施形態では、照明経路は、照明のわずかな部分を監視経路に沿って集束レンズ512を通して波長監視モニタ514に向けるように構成された、ビームスプリッタ506をさらに含むことができる。別の実施形態では、フィルタ504は、分光反射率法のために構成された、広帯域VIS−IR光源のための照明経路に沿った広帯域照明を可能にするように取り外され、または構成され得る。
図5Gは、LSP源502から発する照明が、複数の二色性ビームスプリッタ570を活用してフィルタにかけられるシステム500のさらに別の実施形態を示している。二色性ビームスプリッタ570の各々は、選択された波長の範囲を有する照明を、各デリバリー経路に沿って向けるように構成され得る。1つまたは複数のフィルタ572は、各デリバリー経路に配置されて、選択された波長または波長の範囲へのさらなる調整を可能にすることができる。各デリバリー経路は、少なくとも1つのシャッター574をさらに含むことができ、複数のデリバリー経路に渡る複数のシャッター574は、他の照明が遮断されている間に、選択されたデリバリー経路からの照明が通されるように、照明を通過させまたは遮断するように構成され得る。複数のビーム結合器576は、デリバリー経路からの照明を受信し、照明を、共通誘導経路に沿って測定ヘッドに向けるように構成され得る。いくつかの実施形態では、誘導経路は、照明の第1の部分を、監視経路に沿って波長モニタ514に向け、照明の少なくとも第2の部分を、照明経路に沿って測定ヘッドに向けるように構成されたビームスプリッタ578をさらに含むことができる。波長モニタおよび/または測定ヘッドに通じる光路は、組みレンズ512および508と、光ファイバ510などの、1つまたは複数の光学要素によってさらに定められ得る。
LSP源502の複数の波長範囲をフィルタにかけ、選択のためのシャッター574を用いることは、より早い切り替え速度を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、フィルタ572は、シャッター574のみが測定中に作動されるように、選択された値に予め設定することができる。集束レンズなどの光学要素は、切り替えのためのより小さな(したがって、より早い)シャッター574を可能にするためにさらに活用され得る。さらなる実施形態では、多数の良く知られた線(たとえば、HgAr光源)を有する原子源などの較正光源は、積分球を活用してLSP源502の出力部に結合され、その後測定分光器に向けられてよく、したがって、スペックルをさらに軽減する。
さまざまな実施形態によると、システム500は、紫外線波長の照明を提供するように構成されている。そうするために、LSP源502の1つまたは複数の構成要素は、反射光学部品を含むことができる。いくつかの実施形態では、LSP源502の光学部品のうちの多くは、反射光学部品である。いくつかの実施形態では、光ファイバは、選択された波長(たとえば、240nmに至るまで)の照明を測定ヘッドに提供するように構成されている。しかしながら、選択された閾値よりも短い波長は、十分な性能を達成するために、直結によって(つまり、自由空間ビームによって)提供され得る。
いくつかの実施形態では、前述のシステムのうちの1つまたは複数は、レーザー光源と波長モニタと各システムのファイバ連結とのうちの1つまたは複数を安定させるために、温度を制御するための手段をさらに含むことができる。たとえば、加熱要素および/または冷却要素が、照明経路に沿って、または照明経路に沿った1つまたは複数の位置の近くに配置され得る。
いくつかの実施形態では、前述のシステムのうちの1つまたは複数は、小さなサイドローブを有するスポットをウエハ面に生成するために、照明をアポタイズするための手段をさらに含むことができる。たとえば、可変透過率コーティング層または他のアポタイズ層が、ファイバの先端または他の照明出力部に塗布され得る。
一実施形態では、システム100、200、300、または400のうちの1つは、各システムの特定の利点を得るためにシステム500と一体化され得る。たとえば、一体化システムは、システム500によるUV波長へアクセスする能力に加えて、選択された波長について、システム100、200、300、および400に起因する明るさと切り替え速度とを可能にすることができる。また、本明細書で説明したシステムのうちの1つまたは複数に起因する、特定の干渉性に関する利点もあり得る。一体化システムでは、シングルモードファイバが複数の単一波長光源に対して使用され得る一方、1つまたは複数のマルチモードファイバが広帯域光源に対して使用される。しかしながら、いくつかの実施形態では、1つまたは複数のマルチモードファイバが両方の種類の照明光源に対して使用され得る。本明細書で前に説明した通り、アクチュエータは、レーザースペックルを軽減するためにファイバモードをスクランブルするように構成され得る。
上記で説明した実施形態の任意の部分は、少なくとも1つの他の上記で説明した実施形態の任意の部分に一体化されて、さまざまな実装上の目的(たとえば、選択可能な波長、制御された干渉性、制御された強度、制御された偏光、エタンデュの一致、切り替え速度、デリバリー効率など)を達成することができる、ということが考えられる。したがって、本明細書の実施形態は、決して限定するものとしてではなく、本開示のさまざまな態様の説明であると解釈されるべきである。
本明細書で説明したプロセスおよび/またはシステムおよび/または他の技術が影響を受け得るさまざまな目的達成手段(たとえば、ハードウェア、ソフトウェア、および/またはファームウェア)があり、好適な目的達成手段は、プロセスおよび/またはシステムおよび/または他の技術が用いられる状況により変わるということを、当業者はさらに理解する。本明細書で説明したステップのうちのいずれかを実装するプログラム命令は、搬送媒体に送信または記憶され、1つまたは複数のプロセッサによって実行され得る。いくつかの実施形態では、搬送媒体は、ワイヤ、ケーブル、またはワイヤレス送信リンクなどの伝送媒体であることができる。いくつかの実施形態では、搬送媒体は、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気ディスクまたは光ディスク、または磁気テープなどの記憶媒体を含むことができる。
本発明の特定の実施形態が説明されたが、本発明のさまざまな変更と実施形態とが、前述の開示の範囲と精神とから逸脱することなく、当業者によって行われ得る、ということは明白である。したがって、本発明の範囲は、本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。