CN108061515B - 相位偏移干涉仪 - Google Patents

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Abstract

目的是提供一种用于形状测量的相位偏移干涉仪。相位偏移干涉仪由低廉组件构成，并且在较短时间内实现高精度的形状测量。解决方式：相位偏移干涉仪被配置为通过在使干涉条纹的相位偏移的情况下获取干涉条纹的多个图像来测量测量对象的形状。利用偏光使干涉条纹相对于彼此有90°的相位差。在根据传统相位偏移法使参考面或参考光路机械移位以使相位偏移的情况下，利用两个照相机分别拍摄干涉条纹的图像。根据照相机所获取到的各图像来独立计算干涉条纹的相位，并且计算两个相位计算结果的平均值。因而，即使由于移位台的移位误差而针对各照相机发生相位分析误差，也可以通过计算这两个结果的平均值来抵消分析误差，结果实现了高精度的测量。

Description

相位偏移干涉仪
技术领域
本发明涉及相位偏移干涉仪，并且特别涉及实现了减小由于偏移误差而产生的分析误差、因而实现了(在较短时间内)使用减少的图像数量的高精度测量的相位偏移干涉仪。该相位偏移干涉仪适合用来对测量对象(诸如光学平板、透镜、金属加工面和包括晶圆的半导体的表面等)的形状进行测量。
背景技术
干涉仪是用于通过分析干涉条纹的相位来高精度地对测量对象的形状进行测量的仪器，其中这些干涉条纹是由来自参考面的反射光束和来自测量对象的反射光束产生的。相位偏移法是频繁地用于分析干涉条纹的相位的技术(参见专利文献1～3)。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP05-87541A
专利文献2：JP2000-329535A
专利文献3：JP4869656B
发明内容
发明要解决的问题
图1示出作为光学器件的频繁使用结构的Fizeau(菲佐)型干涉仪的光学结构的示例。这里，说明现有技术的问题。Fizeau型干涉仪被配置成如下结构。使用例如透镜2、针孔3和透镜5将来自光源1的光束扩大成干涉仪的视野大小。利用扩大后的光束照射用作测量的基准的参考面6和测量对象7。使用分束器4使作为从参考面6反射的光束的参考光束和作为从测量对象7的表面反射的光束的测量光束彼此干涉。如下这样进行相位偏移法。通过使参考光束和测量光束之间的相位相对偏移来获得多个干涉条纹，利用例如照相机8来拍摄这些干涉条纹，并且进行数值分析以计算这些干涉条纹的相位。
用于使相位偏移的典型方法是使用例如移位台9来使参考面6以平行于光轴A的方式而移动。在这种情况下，针对一个干涉条纹周期多次进行移位，因而需要使参考面6准确地移动数十纳米～数百纳米的距离。然而，在例如发生振动或空气扰动的测量环境中，根据所计算出的设置值来进行准确的偏移极其困难，更不用说制造用于使得能够进行纳米精度的准确移位的移位台9。结果，在通过计算所预测出的偏移量和实际偏移量之间发生差异，并且这导致发生相位计算时的误差(被称为相位分析误差)。
用于减小相位分析误差的典型方法是：增加要进行的相位偏移的次数，以增加图像获取数量。存在如下的方法，其中这些方法通过根据较大数量的图像进行计算来利用平均化效果，或者预测特定偏移误差并相应地提供抵消该误差的特定移位。利用这些方法，随着分析精度的提高，图像获取数量趋于增加。
即，在使用现有技术的相位偏移干涉仪来进行高精度的测量的情况下，需要用于使参考面6高精度地移位的昂贵的移位台9。另一问题是：为了减小由于移位台9的移位误差而产生的相位分析误差，需要增加图像获取数量、因此需要更长的测量时间。另外，又一问题是：在测量时间长的情况下，由于测量环境的振动和温度变化而产生的参考面6的位置的逐渐偏移更有可能受到影响，因此根据用户的使用环境，不能充分实现提高精度的效果。
与本发明相同，专利文献1～3公开了用于使用多个摄像装置来同时对相对于彼此相位发生光学偏移的干涉条纹进行摄像的技术。然而，这些技术存在许多限制。
本发明是为了解决现有技术的问题而作出的。因而，本发明的目的是提供由低廉组件构成并且在较短时间内实现高精度的形状测量的、用于形状测量的相位偏移干涉仪。
用于解决问题的方案
本发明提供一种用以解决上述问题的相位偏移干涉仪。所述相位偏移干涉仪被配置为通过利用相位偏移法分析干涉条纹来对测量对象的形状进行测量。所述干涉条纹是由参考光束和测量光束产生的，或者是由参考光路和测量光路中的失真产生的。所述参考光束是来自用作测量的基准的参考面的反射光束。所述测量光束是通过来自测量对象的光束的反射或者透过所述测量对象的光束的传播所获得的。在所述参考光路上没有配置所述测量对象。在所述测量光路上配置有所述测量对象。所述相位偏移干涉仪还被配置为使用多个照相机来拍摄所述干涉条纹的图像，独立地进行所述干涉条纹各自的相位分析，然后合成所述相位分析的结果以计算所述测量对象的形状，其中所述干涉条纹各自是由所述多个照相机中的各照相机获得的。
所述干涉条纹的图像可以相对于彼此设置有相位差。所述多个照相机可以是相对于彼此设置有90°的相位差的两个照相机，并且所述两个照相机可被配置为拍摄所述干涉条纹的图像，由此测量所述测量对象的形状。
此外，所述相位分析的结果可以是通过计算所述相位分析的结果的平均值来合成的，其中所述平均值各自是从所述多个照相机的一组相应像素获得的结果的平均值。
此外，所述相位偏移法可以通过延长或缩短所述参考光路的长度或所述测量光路的长度来实现。
此外，可以通过使所述参考面或所述测量对象移动或者使延迟光路增减来延长或缩短所述参考光路的长度或所述测量光路的长度。
发明的效果
现有技术的相位偏移干涉仪需要用于使参考面移位的精确制造的移位台。作为对比，利用本发明，即使在移位台中存在偏移误差，也可以使相位分析误差最小。因而，使用精度相对较低且低廉的移位台就足够了。尽管不必进行额外测量以减小误差，但实现了高精度的测量。
附图说明
图1是示出现有技术的Fizeau型相位偏移干涉仪中的光学器件的结构示例的光路图。
图2是示出根据本发明的第一实施例的结构的光路图。
图3是示出根据第一实施例的测量过程的流程图。
图4是示出根据第一实施例的分析的结果的示例的图。
图5是示出根据第一实施例的、针对来自两个照相机的输出所进行的分析的结果的示例之间的比较的图。
图6是示出根据本发明的第二实施例的结构的光路图。
图7是示出根据本发明的第三实施例的结构的光路图。
图8是示出根据本发明的第四实施例的结构的光路图。
图9是示出根据本发明的第五实施例的结构的光路图。
附图标记列表
100 光源
200 延迟光路
201,202 偏光分束器(PBS)
300 束扩大光学器件
302 非偏光分束器(NPBS)
400 相位差生成单元
401 参考面
401a 参考光路
401b 测量光路
402,402a 测量对象
403,407 移位台
404a,404b,601 λ/4板
500 成像透镜
600 相位差检测单元
602 分束器
603a,603b,603c 偏光片
604a,604b,604c 照相机
700 个人计算机(PC)
具体实施方式
以下参考附图来详细说明本发明的实施例。注意，本发明并不意图局限于以下的实施例和示例中所描述的内容。以下的实施例和示例中所描述的构成元件包括本领域技术人员可以容易地想到的元件、实质上相同的元件和被称为范围等同的内容。此外，以下的实施例和示例中所公开的构成元件可以适当地组合、或者适当地选择并使用。
图2示出根据本发明的第一实施例的相位偏移干涉仪的结构。来自低相干光源101的光束被分割成各自具有彼此正交的偏光面的两个分量。低相干光源101是光源100。在本实施例中，利用作为延迟光路200的构成组件的偏光分束器(PBS)201将光束分割成水平偏光的光束l1和垂直偏光的光束l2。垂直偏光的反射光束由于被镜203反射而转向，之后利用PBS 202将水平偏光束和垂直偏光束合成。随后，该合成光束由束扩大光学器件300进行扩大和准直，其中该束扩大光学器件300包括透镜301、非偏光分束器(NPBS)302和准直透镜303构成。之后，利用这些光束照射相位差生成单元400的参考面401和测量对象402，以获得参考光束和测量光束，其中该参考光束和测量光束分别是来自参考面401和测量对象402的表面的反射光束。与现有技术的Fizeau型相位偏移干涉仪相同，相位差生成单元400配置在相同的光轴上。在该图中，附图标记403表示移位台。
利用NPBS 302从束扩大光学器件300中提取由参考光束和测量光束构成的分析所用的光束，以使该光束穿过成像透镜500。成像透镜500仅意图使得诸如相位偏移干涉仪中的干涉条纹的成像倍率和焦点位置等的光学设计能够具有灵活度。因而，成像透镜500的有无不会对本发明的原理产生极大影响。
随后，水平偏光束和垂直偏光束的光束穿过相位差检测单元600的λ/4板601，以被转换成各自在相反方向(右侧或左侧方向)上转动的圆偏光束。之后，分析所用的光束被分束器602分割，并且在各分割光路上，配置有相对转动并进行调整的偏光片603a和603b。这样，来自测量对象402的反射光束相对于参考面401的相位差被可视化为干涉条纹。利用两个照相机604a和604b来分别拍摄具有不同相位的干涉条纹的图像。
在该相位偏移干涉仪中，使转向的光路长度差La与来自参考面401的反射光束的光路和来自测量对象402的表面的反射光束的光路之间的光路长度差Lb彼此一致。此外，光源100是相干长度ΔL比光路长度差La短的低相干光源101。结果，通过作为来自参考面401的反射光束的垂直偏光束分量和作为来自测量对象402的表面的反射光束的水平偏光束分量的光束，仅产生了由于穿过配置在各分割光路上的偏光片603a和603b的光束而使得可见的干涉条纹。两个照相机604a和604b所获得的干涉条纹各自的相位根据配置在照相机604a和604b的前方的偏光片603a和603b的设置角度而相对于彼此发生偏移。例如，偏光片603b可以以其透过轴相对于偏光片603a的透过轴在与光轴垂直的平面内转动了45°的状态配置。结果，干涉条纹的相位将相对于彼此偏移90°。这些干涉条纹例如由照相机604a和604b进行摄像并且由个人计算机(PC)700进行处理。
接着，图3示出利用本实施例的相位偏移干涉仪的测量过程。根据传统的相位偏移法，使移位台403机械地进行平行微小移动以使干涉条纹的相位偏移(步骤S1)，并且利用相位差检测单元600内的两个照相机604a和604b获得干涉条纹的图像(步骤S2)。这两个照相机604a和604b相对于彼此发生光学相位偏移。接着，根据传统的相位偏移法，分别对两个照相机604a和604b所获取到的图像中的干涉条纹的相位进行分析，并且使用PC 700来针对各相位独立地进行形状计算(步骤S3)。随后，通过例如相加来合成经由照相机604a和604b所获得的形状，以确定测量对象402的形状(步骤S4)。
现在，以下提供本实施例的效果的示例。在四级相位偏移法(其中，干涉条纹的相位的一个周期被分割成四个区段，并且针对各区段，相位偏移了90°)中，通过以下等式来表示干涉条纹的四个图像。光源101的波长确定移位量。例如，在波长为633nm的情况下，各级的移位量约为79nm。
[等式1]
Figure BDA0001460871560000071
通过基于这四个等式进行以下计算，可以确定φ，并且通过进行相位展开处理，可以确定测量对象402的形状。
等式2
Figure BDA0001460871560000081
这里，在从I1向I2、I3和I4偏移的过程中，如果进行了与所计算出的设置值(这里，对应于90°的相位)不同的偏移，则等式(5)的计算的结果将受到偏移误差影响。作为示例，图4示出在I2中发生了偏移误差Er1的情况的模拟结果。在图4中，(a1)示出分析结果φAnalysis，并且(a2)示出模拟上的真值φTrue。(a3)示出表示分析结果和真值之间的差(φAnalysis-φTrue)的相位分析误差φerror。如图4所示，φTrue是基于理想平面发生倾斜、使得仅可以生成一个干涉条纹这一假设的值。如(a2)所示，相位分析误差的周期是通过增减周期的大小的方式而得到的干涉条纹的相位的周期的一半(频率的两倍)。这些结果被指定为利用相位偏移法根据一个照相机604a所获得的干涉条纹进行形状计算的结果。
接着，图5示出根据另一照相机604b所获得的四个干涉条纹图像的形状计算的结果。这些干涉条纹的相位相对于照相机604a所获得的干涉条纹的相位偏移了90°的固定角度。在图5中再次以(a1)、(a2)和(a3)示出图4所示的相位分析结果，以供比较。相位分析误差的频率是干涉条纹的相位的频率的两倍。因而，通过使照相机604b所获得的干涉条纹的初始相位相对于照相机604a所获得的干涉条纹的相位偏移90°，以完全反转的形式发生相位分析误差。因此，如(c1)、(c2)和(c3)所示，可以通过计算根据照相机604a和照相机604b的像素中的表示相同位置的各组像素的计算结果的平均值，来抵消相位分析误差。
为了防止发生与干涉条纹的相位相对应的误差，现有技术的相位偏移干涉仪需要用于使参考面6移位的精确制造的移位台9。另外，为了减小由于偏移误差而产生的相位分析误差，需要获取干涉条纹的大量图像，因而需要较长的时间段来进行测量。如通过模拟结果所示，即使在移位台403中存在偏移误差的情况下，本发明的技术也使相位分析误差最小，因此使用精度相对较低且低廉的移位台403就足够了。可以利用较少的图像获取数量来实现高精度的测量。
在本实施例中，在相位差生成单元400中不使用λ/4板，因此还可以进行透镜的球面的测量。
相位偏移干涉仪的构成元件不限于图2所示的第一实施例的构成元件。例如，如图6所示的第二实施例那样，光学器件可以如下所述。光源100可以是激光器102。可以在参考面401和测量对象402的表面之间配置λ/4板404，以在无需使用延迟光路200的情况下，使来自测量对象402的表面的反射光束的偏光面转动90°。该结构同样实现了产生相同效果的相位偏移干涉仪。其它构成元件和操作与第一实施例的构成元件和操作相同，因而向这些元件指派相同的附图标记，并且省略了针对这些元件的说明。
在第二实施例中，由于使用激光器102(高相干光源)作为光源100，因此容易进行设置。
此外，例如，如图7所示的第三实施例那样，可以采用Twyman-Green(泰曼-格林)型相位偏移干涉仪。在该相位偏移干涉仪中，在相位差生成单元400中设置偏光分束器405，以将光束分割成参考光束和测量光束并且合成这两种光束。图7中的404a和404b各自表示λ/4板。其它的构成元件和操作与第一实施例的构成元件和操作相同，因而向这些元件指派相同的附图标记，并且省略了对这些元件的说明。
在第一实施例至第三实施例中，要使参考面401移位。作为代替，可以使测量对象402移位。此外，在第一实施例中，可以通过使延迟光路200中的镜203移位来使光束l2的光路长度增减。
如图8所示的第四实施例那样，可以采用Mach-Zehnder(马赫-曾德尔)型干涉仪。该干涉仪经常用于测量穿过作为透过物体的测量对象402a的光束的波前的形状。测量对象402a配置在相位差生成单元400中所设置的偏光分束器405a和405b以及镜406a和406b之间。在这种情况下，可以通过例如将镜406a和镜406b放置在移位台407上并且使该台407移动来执行相位偏移。
在图8的实施例中，没有设置参考面，并且这些光路其中之一(该图中的下侧光路)用作参考光路401a。这些光路其中之一不包括测量对象402a。即，通过使用干涉法对不存在物体的下侧参考光路401a和配置有测量对象402a的上侧的测量光路401b之间的相对波前失真进行测量，来测量由于测量对象402a而产生的失真。
在图8中，光学器件是用于ΔL≥Lb的情况的光学器件。在使用低相干光源的ΔL<Lb的情况下，可以向该光学器件添加延迟光路200以如图7中的(b)那样实现实施例。测量对象402a可以配置在偏光分束器405a和405b之间。
在相位差检测单元600中，摄像系统中的照相机的数量不限于两个。如图9所示的第五实施例那样，可以使用三个以上的照相机(在图9中为三个照相机604a、604b和604c)。该结构同样实现了减小误差的效果。
在上述的实施例中，两个照相机604a和604b所获得的干涉条纹之间的相位差为90°。然而，如果发生具有与干涉条纹的相位相同的周期(基波)的相位分析误差，则可以将两个照相机604a和604b之间要设置的相位差的量设置为180°以抵消该误差。如果发生具有作为干涉条纹的相位的周期的1/3的周期(三倍波)的相位分析误差，则可以设置60°的相位差。用以设置照相机604a和604b之间的相位差的有效方式例如是：调整偏光片603a和603b的透过轴的角度，以抵消由例如用于使参考面移位的移位台403的特性可能会引起的相位分析误差。偏光片603a和603b配置在照相机604a和604b的正前方。即使照相机604a和604b所获得的干涉条纹之间的相位差为0°、即这两个干涉条纹的相位相同，由于可以减小因诸如电气噪声等的随机噪声而产生的误差，因此本发明也是有效的。

Claims (4)

1.一种相位偏移干涉仪，其被配置为通过利用相位偏移法分析干涉条纹来对测量对象的形状进行测量，
其中，所述干涉条纹是由参考光束和测量光束产生的，或者是由参考光路和测量光路中的失真产生的，
所述参考光束是来自用作测量的基准的参考面的反射光束，
所述测量光束是通过来自所述测量对象的光束的反射或者透过所述测量对象的光束的传播所获得的，
在所述参考光路上没有配置所述测量对象，
在所述测量光路上配置有所述测量对象，以及
所述相位偏移干涉仪还被配置为使用多个照相机来拍摄所述干涉条纹的图像，独立地进行所述干涉条纹各自的相位分析，然后合成所述相位分析的结果以计算所述测量对象的形状，其中所述干涉条纹各自是由所述多个照相机中的各照相机获得的，
其中，所述相位分析的结果是通过计算所述相位分析的结果的平均值来合成的，其中所述平均值各自是从所述多个照相机的一组相应像素获得的结果的平均值。
2.根据权利要求1所述的相位偏移干涉仪，其中，所述干涉条纹的图像相对于彼此具有相位差，所述多个照相机是相对于彼此设置有90°的相位差的两个照相机，并且所述两个照相机被配置为拍摄所述干涉条纹的图像，由此测量所述测量对象的形状。
3.根据权利要求1或2所述的相位偏移干涉仪，其中，所述相位偏移法通过延长或缩短所述参考光路的长度或所述测量光路的长度来实现。
4.根据权利要求3所述的相位偏移干涉仪，其中，通过使所述参考面或所述测量对象移动或者使延迟光路增减，来延长或缩短所述参考光路的长度或所述测量光路的长度，以实现相位偏移。
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