CN101666630A - 一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，包括光源、空间滤波器、扩束器、起偏器、消偏振分光棱镜、平行平晶、1/4波片和检偏器，所述的光源、空间滤波器、扩束器、起偏器依次顺序设置在第一光轴，所述的检偏器、1/4波片、消偏振分光棱镜、平行平晶和外部的待测物表面依次顺序设置在第二光轴，所述的第一光轴和第二光轴垂直。

Description

一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用偏振光干涉测量技术的检测方法和装置，特别是一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法和装置。

背景技术

表面形貌测量在工业产品自动检测、机械制造、电子工业、机器人视觉等领域有着极大的作用。纵向分辨率为纳米级或亚纳米级的超精表面微观形貌的测量在微细加工、二元光学、X光光学、生物医学等领域均有着很大的应用价值。此外，表面微观轮廓测试技术还在机器人视觉、实物仿真、计算机辅助设计等领域有着重要意义和广阔的应用前景。

表面形貌测量技术与现代科学技术相结合，已发展到现如今的高精度定量测量水平。尤其是近年来出现的各种非接触表面形貌测量方法，在测量精度及测量速度上均有了较大的提高。

测量微观表面形貌的方法有机械触针法、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)以及各种光学方法等。而在光学方法中的位相干涉测量法则是目前发展比较迅速、应用比较广泛的测量方法之一。位相干涉测量由按照不同的机理分为：条纹跟踪、外差干涉、偏振光干涉、相移、空间载波、相位锁模等方法。其中以相移干涉法的发展最为突出。然而，现有的相移干涉法测量方法通常是对表面形貌进行点测量，且容易受外界干，系统误差大，测量精度低，单次测量范围小。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种系统误差小，测量精度高，单次测量范围大的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法和装置。

本发明提供的技术方案是一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，包括光源、空间滤波器、扩束器、起偏器、消偏振分光棱镜、平行平晶、1/4波片、检偏器，所述的光源、空间滤波器、扩束器、起偏器依次顺序设置，所述的消偏振分光棱镜、平行平晶和外部的待测物表面依次顺序设置，所述的消偏振分光棱镜、1/4波片、检偏器依次顺序设置。

在本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置中，还包括设置在所述的平行平晶和外部待测物表面之间的第一凸透镜、第二凸透镜、所述的第一凸透镜、第二凸透镜的焦点重合。

在本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置中，还包括邻近所述的检偏器设置CCD摄像装置。

在本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置中，所述的光源是激光器。所述的光源发出激光束，依次经所述的空间滤波器、扩束器分别进行空间滤波、扩束之后形成直径增大的光束，所述光束再经所述的起偏器形成线偏振光。线偏振光经消偏振分光棱镜反射进入平行平晶，分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再依次经由所述的第一和第二凸透镜扩大单次测量范围后照射在被测物表面形成反射光。

在本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置中，所述的反射光束经原光路返回，并在再次经过所述的平行平晶时形成复合光，然后透射穿过消偏振分光棱镜，再经1/4波片形成恒定相位差后，在检偏器处形成振动方向一致的干涉光束，满足干涉条件，形成偏振干涉图像，并在CCD摄像装置的CCD接收表面处获得干涉图像，从而实现表面形貌的测量。

在本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置中，在所述的1/4波片处，通过定角度旋转所述的1/4波片可以使上述两相干光束间的相位差成等差变化，从而实现对干涉图像的移相。

一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法，包括提供一种检测装置；光源发出激光束，依次经所述的空间滤波器、扩束器分别进行空间滤波、扩束之后形成直径增大的光束，所述光束再经所述的起偏器形成线偏振光，线偏振光经消偏振分光棱镜反射进入平行平晶，分成两束偏振方向相互垂直的偏振光，再依次经由所述的第一和第二凸透镜后照射在被测物表面形成反射光；上述反射光束经原光路返回，并在再次经过所述的平行平晶时形成复合光，然后透射穿过消偏振分光棱镜，再经1/4波片形成恒定相位差后，在检偏器处形成振动方向一致的干涉光束；在CCD摄像装置的CCD接收表面处获得干涉图像。

在本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法中，在所述的1/4波片处，通过定角度旋转所述的1/4波片使上述两相干光束间的相位差成等差变化，从而实现对干涉图像的移相。

相较于现有技术，本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法及其装置利用具有偏振作用的平行平晶实现双光束干涉，并可通过控制入射光与平晶光轴角度来实现测量精度的可调性；极大简化了光路系统的光路设计，减少了由于系统复杂所引起的系统误差；结合偏振光干涉和相移干涉，提高了系统横纵向分辨率；引入一组透镜扩大了高精度测量单次测量的水平范围，因此其具有光路系统结构简单，受外界干扰影响小、系统误差低、测量精度高、单次测量范围大，且可实现缺陷的定性定量测量等优点。此外，将平行平晶应用于双光路干涉系统，并且通过旋转平行平晶控制其光轴与入射光之间的夹角，从而定量调节两束偏振光之间的横向剪切位移，进而实现测量精度可调。

附图说明

图1是本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置的一较佳实施方式的光路系统结构示意图。

图2是入射光线垂直平行平晶表面的光学原理示意图。

图3是晶体光轴垂直平行平晶表面的光学原理示意图。

具体实施方式

请参阅图1，是本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置的一较佳实施方式的光路系统结构示意图。所述的检测装置包括光源1、空间滤波器2、扩束器3、起偏器4、消偏振分光棱镜5、平行平晶6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、1/4波片10、检偏器11和CCD摄像装置12。图1中还示意了被测物表面9。

所述的光源1、空间滤波器2、扩束器3、起偏器4依次顺序设置。所述的消偏振分光棱镜5、平行平晶6、第一凸透镜7、第二凸透镜8和被测物表面9依次顺序设置。所述的消偏振分光棱镜5、1/4波片10、检偏器11、CCD摄像装置12同样依次顺序设置。所述的第一凸透镜7、第二凸透镜8的焦点重合。所述的光源1、空间滤波器2、扩束器3、起偏器4设置在第一光轴上，所述的CCD摄像装置12、检偏器11、1/4波片10、消偏振分光棱镜5、平行平晶6、第一凸透镜7、第二凸透镜8和被测物表面9设置在第二光轴，所述的第一光轴和第二光轴垂直。

请参阅图2，是入射光线垂直平行平晶表面的光学原理示意图。由双折射原理，并由斯涅耳作图法可知，当入射光垂直晶体表面时，晶体内o光波和e光波的波法线方向相同，并且都与晶面垂直。由于o光线与o光波法线同向，所以o光线方向与晶面垂直。对于e光线，它与e光波法线方向的夹角α可由下式计算：

$\tan \mathrm{\α}=(1-\frac{{n_o}^2}{{n_e}^2})\frac{\tan \mathrm{\θ}}{1+\frac{{n_o}^2}{{n_e}^2}{\tan }^2\mathrm{\θ}}$

由于e光波法线方向与o光相同，故α即为e光与o光夹角。而tanα×d即为o光和e光距离，该距离影响系统的横向精度大小。

对于石英材料构成的平晶，＝1.54424，＝1.55335。若θ＝15度，d＝2mm，则o光与e光距离D≈400nm。

请参阅图3，是晶体光轴垂直平行平晶表面的光学原理示意图。

光轴与平行平晶晶体表面垂直，入射光以一个小角度入射。仍由双折射原理及斯涅耳作图法可知，e光折射角可由下式计算：

${\tan \mathrm{\θ}}_e=\frac{n_o\sin {\mathrm{\θ}}_i}{n_e\sqrt{n_e^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}$

从而可以求出o光与e光夹角，并可得出o光与e光距离。经过计算可知，当θ角在几度内变化时，o光和e光距离变化相对于θ角变化约为60nm/度。采用上述结构时，可以很好控制横向精度连续的变化。

在本实施方式中，所述的光源1是激光器。所述的光源1发出激光束，依次经所述的空间滤波器2、扩束器3分别进行空间滤波、扩束之后形成直径增大的光束，所述光束再经所述的起偏器4形成线偏振光。线偏振光经消偏振分光棱镜5反射进入平行平晶6，分成振动方向相互垂直的两束偏振方向相互垂直的偏振光，再依次经由所述的第一和第二凸透镜7、8后扩大单次测量范围，之后照射在被测物表面9形成反射光。

上述反射光束经原光路返回，并在再次经过所述的平行平晶6时形成复合光，然后透射穿过消偏振分光棱镜5，再经1/4波片10形成恒定相位差后，在检偏器11处形成振动方向一致的干涉光束，满足干涉条件，形成偏振干涉图像，并在CCD摄像装置12的CCD接收表面处获得干涉图像，从而实现表面形貌的测量。其中，在所述的1/4波片10处，通过定角度旋转所述的1/4波片10可以使上述两相干光束间的相位差成等差变化，从而实现对干涉图像的移相。

本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法，包括提供一种检测装置，其包括光源、空间滤波器、扩束器、起偏器、消偏振分光棱镜、平行平晶、第一凸透镜、第二凸透镜和CCD摄像装置；光源发出激光束，依次经所述的空间滤波器、扩束器分别进行空间滤波、扩束之后形成直径增大的光束，所述光束再经所述的起偏器形成线偏振光，线偏振光经消偏振分光棱镜反射进入平行平晶，分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再依次经由所述的第一和第二凸透镜后扩大单次测量范围，之后经被测物表面反射，形成反射光束；上述反射光束经原光路返回，并在再次经过所述的平行平晶时形成复合光，然后透射穿过消偏振分光棱镜，再经1/4波片形成恒定相位差后，在检偏器处形成振动方向一致的干涉光束；以及在CCD摄像装置的CCD接收表面处获得干涉图像。

相较于现有技术，本发明一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置和方法利用具有偏振作用的平行平晶实现双光束干涉，并可通过控制入射光与平晶光轴角度来实现测量精度的可调性，极大简化了光路系统的光路设计，减少了由于系统复杂所引起的系统误差；结合偏振光干涉和相移干涉，提高了系统横纵向分辨率；引入一组透镜扩大了高精度测量单次测量的水平范围，因此其具有光路系统结构简单，受外界干扰影响小、系统误差低、测量精度高、单次测量范围大，且可实现缺陷的定性定量测量等优点。此外，将平行平晶应用于双光路干涉系统，并且通过旋转平行平晶控制其光轴与入射光之间的夹角，从而定量调节两束偏振光之间的横向剪切位移，进而实现测量精度可调。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，其特征在于：包括光源、空间滤波器、扩束器、起偏器、消偏振分光棱镜、平行平晶、1/4波片和检偏器，所述的光源、空间滤波器、扩束器、起偏器依次顺序设置在第一光轴，所述的检偏器、1/4波片、消偏振分光棱镜、平行平晶和外部的待测物表面依次顺序设置在第二光轴，所述的第一光轴和第二光轴垂直。

2.如权利要求1所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，其特征在于：还包括设置在所述的平行平晶和外部待测物表面之间的第一凸透镜、第二凸透镜，所述的第一凸透镜、第二凸透镜的焦点重合。

3.如权利要求2所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，其特征在于：还包括邻近所述的检偏器设置的CCD摄像装置。

4.如权利要求3所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，其特征在于：所述的光源是激光器，其发出激光束，依次经所述的空间滤波器、扩束器分别进行空间滤波、扩束之后形成直径增大的光束，所述光束再经所述的起偏器形成线偏振光，线偏振光经消偏振分光棱镜反射进入平行平晶，分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再依次经由所述的第一和第二凸透镜扩大单次测量范围后照射在被测物表面形成反射光。

5.如权利要求4所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，其特征在于：所述的反射光束经原光路返回，并在再次经过所述的平行平晶时形成复合光，然后透射穿过消偏振分光棱镜，再经1/4波片形成恒定相位差后，在检偏器处形成振动方向一致的干涉光束，满足干涉条件，形成偏振干涉图像，并在CCD摄像装置的CCD接收表面处获得干涉图像，从而实现表面形貌的测量。

6.如权利要求5所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测装置，其特征在于：在所述的1/4波片处，通过定角度旋转所述的1/4波片可以使上述两相干光束间的相位差成等差变化，从而实现对干涉图像的移相。

7.一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法，包括：

提供一种检测装置，其包括光源、空间滤波器、扩束器、起偏器、消偏振分光棱镜、平行平晶、第一凸透镜、第二凸透镜和CCD摄像装置；

光源发出激光束，依次经所述的空间滤波器、扩束器分别进行空间滤波、扩束之后形成直径增大的光束，所述光束再经所述的起偏器形成线偏振光，线偏振光经消偏振分光棱镜反射进入平行平晶，分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再依次经由所述的第一和第二凸透镜后扩大单次测量范围，之后经被测物表面反射，形成反射光束；

上述反射光束经原光路返回，并在再次经过所述的平行平晶时形成复合光，然后透射穿过消偏振分光棱镜，再经1/4波片形成恒定相位差后，在检偏器处形成振动方向一致的干涉光束；以及

在CCD摄像装置的CCD接收表面处获得干涉图像。

8.如权利要求7所述的一种基于平行平晶分偏振光束及相移干涉术的精密晶圆检测方法，其特征在于：在所述的1/4波片处，通过定角度旋转所述的1/4波片使上述两相干光束间的相位差成等差变化，从而实现对干涉图像的移相。

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