CN109313008B - 用于样本测量的光学系统和方法 - Google Patents
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Abstract
呈现了一种用于对图案化样本进行计量测量的测量系统。系统包括：至少一个光源设备，被配置为生成宽带光，至少一个检测设备，被配置为提供检测光的光谱信息，以及光学系统。光学系统至少包括倾斜通道系统，倾斜通道系统用于将光源生成的入射光沿着倾斜照明通道引导到样本要定位在的测量平面上，并且将从样本镜面反射的宽带光沿着收集通道引导到检测设备。光学系统进一步包括干涉测量单元，干涉测量单元包括分束/合束设备和参考反射器设备。分束/合束设备容纳于照明通道和收集通道中并且将在照明通道中传播的光划分为在样本路径中传播的样本光束和在参考路径中传播的参考光束，并且将反射参考路径和反射样本路径组合到收集通道中从而在检测平面上形成光谱干涉图案。
Description
技术领域
本发明通常在光学测量系统的领域，并且涉及用于测量各种样本的光学系统和方法。本发明具体用于图案化结构(诸如，半导体晶片)中的计量测量。
背景技术
半导体技术的持续进展需要制造越来越小的器件。这种发展必须伴随有计量能力的并行改进，以便监视与控制制造过程。
在过去的几十年里，光学临界尺寸(OCD)计量由于其极度敏感度、精确度、灵活性和速度而在半导体制造过程中具有关键作用。为了提供计量能力的足够的改进，OCD工具已经历大范围的改进和精进，并且现在可以提供极精确的宽带光谱测量和极高生产量。
除了提供基本工具特性的过程之外，可以提高OCD性能的另一地方就是使所测量信息多样化。普遍测量的光学性能是针对不同入射角、方位角、偏振和波长的反射率。此外，可以通过(例如)进行椭偏测量得到反射的TE与TM偏振分量之间的相对相位。
传统的光学晶片计量工具依靠光谱反射法和/或椭偏测量法。然而，从样本散射的电磁场还包含光谱相位信息，其非常有利于从测量中提取进一步的或更精确的信息。这个量描述了入射与反射的电磁波之间的相对相位。通常，该相位针对不同的波长、入射角\方位角和偏振具有不同的值。
由于不能在光频率下直接得到相位，必须使用干涉效应(通常用干涉仪观察的)，并且从干涉效应恢复编码相位信息。大部分干涉仪由重新组合以形成干涉条纹的分离光路组成。将路径的一个臂保持为参考，并且另一个与样本相互作用。然后来自这两个分量的干涉信号用于提取光谱相位，这是因为由样本引起的相变引起重新组合的光束的条纹图案的可以测量的变化。
在许多情况下，以倾斜角度对样本执行光学晶片计量测量是有利的。根据晶片堆叠和图案类型，以倾斜角度进行的测量可以提供提高从测量中提取的信息的质量的附加信息。该推理还带到了干涉测量上。与提供关于s和p偏振的相对相位的椭圆偏振相位相比，干涉测量提供相对于良好表征的参考镜的相位，并且还提供相对于入射光的原始相位的从样本返回的光的绝对相位值或相位变化。
在传统计量工具中，倾斜测量方案通常在单独的照明和收集目标集合彼此相对的明场配置中实现使得收集目标对准以从样本接收镜面反射。这在图1中示意性地示出。
发明内容
本领域中存在对优化光谱和干涉测量两者的需求，从而增加有关测量的样本的信息量。
本发明提供一种新颖的光学系统，该系统利用光谱干涉仪的倾斜测量方案。本发明的光学系统可以用于图案化样本(例如，半导体晶片)的计量测量，以及利用倾斜配置的(相位灵敏的)显微镜中。
本发明的测量系统包括被配置为限定至少倾斜通道系统的光学系统(光学方案)。如上所述，在这样的光学方案中，入射光沿着倾斜照明通道被从宽带光源引导到(样本所定位的)测量平面上，并且从样本镜面反射的宽带光沿着收集通道被引导到检测设备(包括光谱仪)上。该光学系统包括干涉测量单元，干涉测量单元通常包括分束/合束设备和参考反射器设备。分束/合束设备将入射光划分为在样本路径中传播的样本光束和在参考路径中传播的参考光束，并将反射参考光束和反射样本光束组合到收集通道中以使能够在检测平面上形成光谱干涉图案。
测量平面、分离/组合面和参考反射面(以及如一些实施方式中使用的其他反射面)的相对位置、以及这些面相对于入射平面和法向平面的角定向被适当选择/可控地调谐以在干涉仪中的参考臂与样本臂之间提供期望关系，即在参考臂与样本臂之间提供期望光路差。入射平面垂直于测量平面，并且在镜面反射配置中包括照明通道和收集通道。法向平面是垂直于测量平面和入射平面的平面。参考臂由分离位置与组合位置之间的参考光束的光路形成，并且样本臂由分离位置与组合位置之间的参考光束的光路形成。
在一些实施方式中，分束/合束设备被配置为限定位于不同的平面上的一个或多个分束面和一个或多个合束面，至少一个分束面和至少一个合束面沿着垂直于测量平面的轴线间隔开并且基本上彼此平行及与测量平面和参考反射表面平行。
在一些实施方式中，分束/合束设备被配置为限定位于相同的平面内的至少一个分束面和至少一个合束面，至少一个分束面和至少一个合束面基本上平行于测量平面和参考反射面。在一些实施方式中，干涉测量单元被配置为使得参考臂相对于包含分束面和合束面的平面形成样本臂的镜像。
在一些其他实施方式中，分束/合束设备被配置为限定以间隔开的关系定位并相对于法向平面基本对称地定向的至少一个分束面和至少一个合束面。
干涉测量单元可以被配置为使得样本路径和参考光路相对于法向平面形成反射样本路径和反射参考路径的镜像。
在一些实施方式中，分束器/合束器设备包括包含至少一个部分反射区域的至少一个薄膜结构。在一些实例中，部分反射区域可以位于薄膜结构的相对的表面中的任一个上并沿其延伸。在这些实施方式的一些其他实例中，薄膜结构包括位于该薄膜结构的相对的表面中的第一表面上并且与相对的表面中的第二表面上的基本透射区域对准的第一部分反射区域和位于第二相对表面上并与第一表面上的基本透射区域对准的第二部分反射区域。在这些实施方式的一些其他实例中，部分反射区域将薄膜结构划分为在所述区域的相对侧处的两个基本相同的透射薄膜。在这些实施方式的其他可能的实例中，分束器/合束器设备包括分别位于倾斜照明通道和倾斜收集通道中的第一薄膜和第二薄膜，每个薄膜包括至少一个部分反射区域。
在一些实施方式中，参考反射器设备包括基本上平行于测量平面定向或者具有特定倾斜配置的至少一个反射面。参考反射器设备可以被配置为薄膜结构，该薄膜结构包括在其相对的侧中的任一个上的反射面。
在一些实施方式中，系统被配置为可在倾斜光谱干涉测量模式与倾斜光谱反射测量模式之间选择性地转换/修改，或者可在这些模式中的两个模式下同时/单独操作。可替换地或另外，系统可被配置为可在倾斜光谱干涉测量模式与法向模式反射测量之间选择性地转换，或者可在这些模式中的两个模式下同时/单独操作。如果为光谱干涉测量模式和光谱反射测量模式中的任一者或两者增加法向通道配置，则系统可以包括与法向通道方案相关联的附加光源和/或附加检测器。
在一些实施方式中，系统还包括可控地操作以在不同的模式之间选择性转换系统操作的一个或多个光传播影响元件。这例如可以是阻挡机构(快门)，阻挡机构可控地操作以选择性地阻挡干涉仪的参考路径，从而使系统在反射测量模式下操作。
在一些实施方式中，相同的分束器/合束器设备用于实现倾斜通道和法向通道的光谱干涉测量。另外，在一些实施方式中，相同的参考反射器设备用于倾斜通道和法向通道的光谱干涉测量。在一些其他实施方式中，法向通道光学系统利用单独的分束器设备，并且可能还利用单独的参考反射器。
在一些实施方式中，光学系统还包括位于参考路径和反射参考路径的至少一个中的一个或多个折叠反射面。这使系统能够在倾斜光谱干涉测量模式和倾斜光谱反射测量模式中的任一个下选择性操作。
如以上所表示的，系统包括用于可控地移位系统元件的一个或多个驱动机构。位移包括以下中的一项或多项：沿着法向轴移位测量平面；以及移位光学系统的反射面和部分反射面中的至少一项。可控位移使能够进行以下中的至少一项：调整干涉测量单元中的参考臂和样本臂之间的光路差；以及调整系统操作从光谱倾斜干涉测量模式到光谱倾斜反射测量模式、光谱法向干涉测量模式、以及光谱法向反射测量模式中的一项或多项的转换。
与光学系统的反射面和部分反射面中的任一个相关联的驱动机构被配置为执行相应表面的以下位移中的至少一项：沿着法向轴的位移；入射平面中相对于测量平面的角位移/倾斜；以及相对于入射平面的角位移/倾斜。
系统还包括或者可(经由任何已知合适类型的有线或无线信号传输)连接至控制单元。控制单元被配置为并能操作以接收和处理(来自检测设备的)测量数据，并且操作驱动机构中的一个或多个。
因此，根据本发明的一个广义的方面，提供一种在对图案化样本的计量测量中使用的测量系统，该系统包括：被配置为生成宽带光的至少一个光源设备，被配置为提供所检测光的光谱信息的至少一个检测设备，以及至少包括倾斜通道系统的光学系统，倾斜通道系统被配置为将通过至少一个光源生成的入射光沿着倾斜照明通道引导到样本要定位在的测量平面上，并且将从样本镜面反射的宽带光沿着收集通道引导到所述至少一个检测设备，其中，所述光学系统包括干涉测量单元，干涉测量单元包括分束/合束设备和参考反射器设备，分束/合束设备容纳于所述照明通道和收集通道中并且被配置为将在照明通道中传播的光划分为在样本路径中传播的样本光束和在参考路径中传播的参考光束，并且将反射参考路径和反射样本路径组合到收集通道中，从而在由所述至少一个检测设备限定的检测平面上形成光谱干涉图案。
附图说明
为了更好地理解在本文中公开的主题，并且举例说明如何在实践中实施，现在将参考附图仅仅通过非限制性示例的方式来描述实施方式，在附图中：
图1是一般技术的倾斜镜面反射光传播方案的示意图；
图2是利用至少具有倾斜光谱干涉测量单元的光学系统的本发明的测量系统的示意图；
图3A至图3E示意性地示出在倾斜干涉测量单元中使用分束器/合束器设备和参考反射器设备的基于各种薄膜的配置的光传播方案；
图4A至图4C示意性地举例说明使能够在倾斜通道光谱干涉测量模式和法向通道光谱干涉测量模式中进行并发/独立系统操作的系统配置；
图5举例说明法向通道光学系统中图3D的“梯形”薄膜实例的使用；
图6A和图6B举例说明嵌入棱镜体内用于减小由分束器/合束器引起的像差的倾斜通道分束器/合束器(体小平面正交于穿过其中的主光线)；
图7举例说明利用由不对称棱镜形成的分束器/合束器设备的倾斜通道干涉测量单元；
图8A和图8B举例说明在倾斜通道光学系统中使用光传播影响设备以使系统操作能够在光谱干涉测量模式与光谱反射测量模式之间进行选择性转换/切换；
图9A至图9F示出将折叠式反射器/反射镜用作光传播影响设备可在不同操作模式之间转换的光学系统的配置的一些其他实例，其中图9A至图9E示出相对于法向平面具有对称的光传播方案的光学系统，并且图9F举例说明具有参考反射器设备的偏移位置的系统；
图10A和图10B举例说明测量平面的竖直位置中的误差如何引起光束位移(图10A)以及分束面之间的倾斜如何引起光束位移(图10B)；
图11A和图11B示意性地示出倾斜干涉测量系统中的光传播方案，其中各种组件(分束器/合束器元件和参考反射器)倾斜；
图12A至图12D示出自由度配置的各种实例，其中图12A示出参考反射器设备的(z+翻转/倾斜)位移的使用，图12B示出位于z+翻转/倾斜阶段的整个干涉仪组件的实例(即，分束/合束面和参考反射面)；图12C示出使用由间隔开的单独的分离和组合元件形成的分束器合束器且自由度放置于z+翻转/倾斜运动上的一般不对称配置，以及图12D示出自由度(z+翻转/倾斜)放置于系统的每个单一部件上的实例；
图13A和图13B举例说明如何通过参考反射器的位移补偿分束/合束板的厚度(图13A)或楔形部(图13B)中的误差；
图14A和图14B示出了通过参考反射器补偿引入的纵向颜色使时间相干性减少的原理；
图15A至图15D举例说明使用与样本臂相关联的折叠式反射器的倾斜光谱干涉测量系统的各种自由度配置以允许参考光束和样本光束就视轴、主光线角对准和OPD而言对准。这些自由度还可以用于通过将参考光束投掷到收集路径之外(优选地，投掷到受控的束流收集器)选择将系统操作从倾斜光谱干涉测量模式转换为倾斜光谱反射测量模式；
图16示出干涉仪中的OPD的变化如何影响光束对准视轴；以及
图17A至图17E举例说明在保持精确光束校准的同时允许OPD可控变化的折叠式倾斜干涉测量配置。
具体实施方式
图1示出了倾斜入射光学方案的整体配置。如以上所表示的，本发明提供利用在光谱干涉仪中实现的倾斜测量方案的一种新光学系统。
在图2中示出的该倾斜入射干涉测量系统一般标为10。系统10包括光源设备12(通常，至少一个光源设备)、检测设备14(至少一个检测设备)、以及包括至少一个倾斜通道系统15的光学系统。
倾斜通道系统15被配置为沿着倾斜照明通道ICob向要定位样本S(例如，晶片)的测量平面MP(例如，晶片的表面))直接输入来自光源12的光IL，即某个非零入射角的照明通道；并且引导从测量平面MP(样本)反射的光RL以沿着倾斜收集通道CCob向检测设备14传播。光学系统15通常包括倾斜通道照明光学器件16(例如，通过一个或多个透镜形成的物镜单元)和倾斜通道收集光学器件18(一个或多个透镜)。
根据本发明，光学系统15被配置为定义干涉仪单元20，其能够执行至少倾斜光谱干涉测量。干涉仪单元20包括分束器设备22和参考反射器设备24。分束器设备22被配置为将倾斜照明通道ICob分成样本路径SPob和参考路径RPob并将反射的参考路径RP’ob和反射的样本路径SP’ob组合到收集通道CCob中，通过这样做，在由检测设备14限定的检测平面上可生成光谱干涉图案。
如果这些样本臂和参考臂满足匹配条件，检测平面可获得由路径RPob与RP′ob形成的参考臂与由路径SPob和SP’ob形成的样本臂之间的干涉效应。当样本臂和参考臂的光学长度基本上相等时，即(RPob+RP′ob)＝(SPob+SP′ob)或者样本臂与参考臂之间的光路差(OPD)最小化时，满足匹配条件。为此，系统10进一步包括与参考反射器设备24、测量平面MP、和分束器设备22的分离/组合面中的一个或多个相关联的一个或多个驱动机构(通常标为26)。该驱动机构能可控地操作以执行这些表面/元件中的一个或多个的相对位移。下面将进一步更具体地描述这点。
如图中虚线所示，光学系统15可以进一步包括用于选择性影响参考臂中的光传播的光传播影响设备(通常标为32)，例如，阻挡参考路径RPob和参考反射路径RP′ob中的至少一个中的光传播。这使能够在光谱干涉测量和光谱反射测量模式/测量之间切换/转换系统。这一点将在下面进一步更具体地描述。
系统10包括控制单元30，控制单元可(使用任何已知的合适技术经由有线或无线信号传输)连接至检测设备14以接收和处理测量的数据。控制单元30通常是特别包含数据输入和输出实体(现在示出)、存储器30A、数据处理器实体30B的计算机系统，并且还包括与一个或多个驱动机构26相关联的运动控制器30C。控制单元30还可以包括照明控制器30D。如以上所表示的，系统可以可选择地在不同的测量模式下操作。为此，控制单元可以包括与光传播影响设备32相关联的模式切换控制器30E。处理器实体30B被配置(预编程)为利用测量数据的基于模型的解释(即，将所测量的光谱数据与理论上的光谱数据相比较并搜索最佳拟合条件)处理所测量的干涉测量数据(干涉图案)以提取有关样本的信息。考虑到不同测量模式下的系统操作，即，光谱干涉测量和光谱反射测量模式/测量，处理器实体30B还能够利用反射测量数据的基于模型的合理解释处理所测量的反射测量数据以提取有关样本的信息。
测量数据的处理包括测量数据与所选择的理论模型之间的拟合步骤。通常，拟合处理包括优值函数定义。优值函数是所计算的(理论的)数据与所测量数据之间的拟合程度的度量。优值函数可以是测量数据与计算数据之间的均方根误差，其中测量数据和计算数据中的每一条同时处于反射强度I和相位
的形式。例如，反射强度和相位中的每一个可以是测量中使用的波长、偏振和入射\反射角的函数。可以呈现和解释其他类型的数据，例如，复合电场分量或所测量相位的sin/cos。在WO 2015/155779中描述了这种测量和数据处理技术的实例，此申请被转让给本申请的受让人并在此通过引证并入本文。
在图2的本非限制性实例中，分束器/合束器设备22包括容纳于位于照明光学器件16下游(相对于照明光的传播方向)和收集光学器件18的上游(相对于反射光的传播方向)的照明通道ICob和收集通道CCob中的分束/合束面36。通常，分束/合束面36可以由分别位于照明通道和收集通道中的间隔开的分离和组合区域(在或不在相同的平面中)构成。下面将进一步更具体地举例说明这种配置。
分束/合束区域通常是部分(半)反射元件。这种半透明/反射元件(表面/区域)22通过将光部分SPob透射到样本路径并将光部分RPob反射到参考路径RPob而分离来自照明通道16的光IL，以分别朝向测量平面MP和参考反射器设备24进行传播。相应反射样本光部分SP′ob和反射参考光部分RP′ob被反射回到分束器板22，在分束器板处它们重新组合以沿着收集通道CCob进行传播。如图所示，反射光的一部分被部分反射分束器板“拒绝”，即，朝向收集通道的外部传播。
在本非限制性实例中，分束器设备22(即，其部分反射面36)位于测量平面MP与参考反射器设备24的反射面之间。另外，在本实施例中，分束器设备22的部分反射面与测量平面MP和反射参考面24基本平行地定向。
在图2的实施方式中，干涉测量单元20被配置为使得参考臂(RPob和RP′ob)相对于分束/合束面36是样本臂(SPob和SP′ob)的镜像。另外，在图2中举例说明的实施方式中，照明干涉测量臂(由样本路径SPob和参考路径RPob形成)和收集干涉测量臂(由反射样本路径RP′ob和反射参考路径RP′ob形成)关于法向平面NP对称，法向平面是正交于测量平面和入射平面的平面(入射平面是包含照明和镜面反射通道的平面)。在该配置中，法向平面NP(是对称的平面)穿过参考反射面。
在一些实施方式中，如以下将描述，本发明的系统利用倾斜和法向光传播方案的组合，包括法向和倾斜干涉测量和反射测量配置的任何组合。控制单元(处理器实体)被配置用于处理如此检测的不同类型的测量数据并确定样本的各个参数。如上所述，针对干涉测量和反射测量配置两者，测量数据的处理包括测量数据与理论模型之间的拟合步骤。
分束器/合束器设备以及参考反射器设备可以包括一个或多个薄膜。在某些情况下，倾斜角度和适中数值孔径(NA)的组合允许具有足够薄的薄膜的可接受的像差。这在图3A至图3E中举例说明了。为了便于理解，相同的参考标号用于识别在所有实例中共用的功能部件。
在图3A的实例中，分束器设备22由在其平行于测量平面的一个侧面上具有部分反射(分离/组合)表面36的单个薄膜形成。这可以通过在具有合适的部分反射层/反射膜的一侧上涂覆薄膜来获得。在本非限制性实例中，参考反射器设备24还由在其上表面上具有反射膜/涂层38的单个薄膜形成，使得与该反射膜相互作用的光穿过薄膜。
由于分束/合束薄膜22具有有限厚度，与参考臂和样本臂之间的光路差(OPD)匹配需要向参考臂添加类似的板。分束器板22从顶表面36反射，并且参考板24也从顶表面38反射。因此，来自照明通道的光IL被入射到分离/组合面36，分离/组合面将光IL划分至参考路径RPob(从表面36反射)和样本路径SPob(通过薄膜22透射)中。参考路径RPob中的光从参考面38被反射回到组合面36；并且样本路径SPob中的光被测量平面内的样本反射到组合面36，在该组合面36处参考光束和样本光束的反射组合成组合光RL以在收集通道中传播。
因此，样本臂穿过分束器板22两次，并且参考臂也穿过参考板24两次。这确保两个臂之间的光路长度差(OPD)在整个光谱范围仍匹配，因为两个臂(样本臂和参考臂)在空气和玻璃/分束器介质两者中具有相同的传播距离。
在本文中描述的实例中，分束器/合束器介质是指“玻璃”。然而，应当理解的是本发明不限于该具体实例，并且薄膜可以由任何其他合适的材料成分制造。
在这一点上，参照图3B，图3B举例说明在其顶侧上具有光束分离组合面36(被适当选择/调谐透射率和反射率的比例以更好地匹配低或高反射样本的部分反射面/涂层)而其底侧具有抗反射(AR)涂层37的分束器/合束器22。参考板/薄膜结构24在其两侧上具有AR涂层39，小块的高反射(HR)涂层沉积在其中心作为参考反射面38。在中心的小反射块38与传统Mirau物镜中所使用的相似，并且其允许使用该实现方式还用于法向通道，如下面进一步描述的。
图3C示出了通常类似的配置，即，单薄膜分束器/合束器22。然而，在该实例中，参考反射器设备24可以不使用薄膜，而可以仅是任何平面反射元件(反射镜)；或者可以利用在反射器薄膜的下侧上形成反射面38的薄膜结构，并且因此参考光束不在反射器薄膜内部传播。在该配置中，即，具有反射器在其底表面上的平面镜或护膜，允许反射器为任意厚度，并甚至具有不透明基板。
通常，调整参考反射面的高度(沿着垂直于测量平面MP的轴NP的位置，即z轴位置)使得在分束器/合束器的右手侧重新组合的倾斜反射参考光束和倾斜反射样本光束重合(以确保臂之间的相干性)。(由于倾斜的几何形状)这个要求导致臂具有不同的OPD。
如果光谱仪分辨率足够高(或者使用窄带源)，该OPD差异仍小于光谱仪的(源的)相干长度，从而允许利用该简化设计观察干涉条纹。
图3D举例说明了分束器/合束器22的基于单薄膜的配置，与以上实例的不同之处在于分束/合束面36由薄膜22的上侧上的分束区域36A和薄膜22的下侧上的合束区域36B构成。这是所谓的单“梯形”薄膜。就参考反射器设备24而言，其可以是任何平面反射元件(反射镜)；或者可以利用反射器薄膜的下侧上形成有反射面38的薄膜结构。
“梯形”薄膜的一半的上表面上和另一半的底表面上具有部分反射涂层。这确保参考臂(由路径RPob和RP′ob形成的)和样本臂(由路径SPob和SP′ob形成的)在空气和玻璃中具有匹配的传播长度，从而确保良好的宽带性能。该设计还允许使用任意厚度的更简单的参考反射器，甚至具有不透明基板。
该配置的另一个优点是对于处于聚焦位置的样本臂(样本臂光斑FSsam聚焦在测量平面上)，参考臂光斑FSref未聚焦在参考镜24上，从而减小对任何缺陷(例如，划痕-麻点)或镜面上的杂质的灵敏度。应注意，在先前描述的实例中，样本臂和参考臂对称，使得当样本臂光斑FSsam聚焦在样本(晶片)上时，其也聚焦在参考镜24上。如以下将更具体地描述的，该设计也可以用于使用参考镜翻转/倾斜来改善重新组合的光束对准。如以下将进一步描述的，图3D的“梯形”薄膜设计也可以用于法向通道。
图3E举例说明分束器/合束器22和在其底表面上具有反射涂层38的参考反射器的双薄膜配置。在双薄膜结构中，部分反射分离/组合区域/表面36封闭/夹在两个基本上相同的透射薄膜22A和22B之间。使用在其底表面上具有反射涂层38的参考反射器24允许反射器薄膜为任意厚度，并甚至具有不透明基板(反射镜)。使用部分反射涂层夹在两个平板之间的这种双薄膜分束器/合束器22确保整个光谱范围的最优OPD匹配。假设这类分束器由光谱校准器限定(以及可能还有机械/制造约束)的最小板厚度为与其他设计相比的厚度的两倍，这可能导致样本(晶片)上增加的光斑像差。
因此，通常，双薄膜配置可能有利于包括组合的法向通道和倾斜通道干涉测量的宽带实现。单薄膜配置的使用可能有利于高检测器光谱分辨率和/或窄源光谱带宽的实现。
参考图4A至图4C，图4A至图4C示意性地举例说明本发明的系统如何能够同时在上述倾斜通道光谱干涉测量模式和法向通道光谱干涉测量模式下操作。在该实例中，相同的干涉测量单元用于倾斜通道和法向通道模式。如图4A所示，系统10包括与限定倾斜照明通道ICob和倾斜收集通道CCob(具有这里没有具体示出的与其相关联的光学器件)的倾斜光学系统相关联的光源设备12和检测设备14以及与法向照明和收集通道ICnor/CCnor(具有这里未示出的包含物镜和可能其他光引导元件的普通的光学器件)相关联的光源设备112和114。如在图4A中进一步示出的，并且更具体地如在图4B和图4C中示出的，组合的光学系统115包括被配置为用于倾斜和法向模式干涉测量的干涉测量单元20。分束器/合束器22具有安装在所有的通道ICob、CCob、ICnor/CCnor中的分离/组合面36；并且参考反射器设备24具有反射率不同的区域。
因此，分束器/合束器22将来自倾斜照明通道ICob的光分离为传播到参考反射器24的高度反射区域的倾斜参考光束RPob和传播到测量平面MP的倾斜样本光束SPob。参考反射器24将倾斜反射参考光束RP′ob引导回到分束器/合束器22，在分束器/合束器22处该倾斜反射参考光束与倾斜反射样本光束SP′ob组合到倾斜收集通道CCob中。
同时地或单独地，参考反射器板24将被入射到参考反射器设备24的透射区域的来自法向照明通道ICnor的光传输到分束器/合束器22，分束器/合束器22将这种光分离为传播到参考反射器24的高度反射区域的法向参考光束RPnor和传播到测量平面MP的法向样本光束SPnor。参考反射器24将该法向参考光束RP′nor反射回到分束器/合束器22，在分束器/合束器22处该法向反射参考光束与法向反射样本光束SP′nor组合到法向收集通道CCnor中。
如以上所指示，上述“梯形”薄膜设计可以用于法向通道光学系统设计。这在图5中举例说明。参考反射器结构24具有面向下的反射面/涂层(反射镜)38，并且分束器/合束器薄膜结构22在其顶侧的一半上具有面向上的部分反射面/涂层36A且在其底侧的一半上具有面向下的部分反射面/涂层。如以自说明的方式示出的，可以将“梯形”薄膜设计集成到法向通道中，但“梯形”区域将光瞳分成两半。由于“梯形”区域36C，这可能引起光瞳中的模糊带条。参考镜24引起如在标准Mirau透镜中的中心遮蔽。
作为将薄膜设计用于如上在图3A至图3E中描述的分束器/合束器的替代方案，通过将分束器/合束器“嵌入”棱镜体内可以减少由倾斜通道系统中的分束器/合束器引起的像差，使得体小平面与入射到其上/穿过其中的光的主光线正交。
在图6A和图6B中举例说明光学系统115的这种配置。在这些具体但并非限制性实例中，示出了使用倾斜通道和法向通道的组合光学系统。
如图6A所示，光学系统115包括倾斜照明通道ICob和倾斜收集通道CCob以及法向照明和收集通道ICnor/CCnor；具有分离/组合面36的分束器/合束器设备22；以及具有反射面38的参考反射器设备24。在此，将棱镜122A和122B附接至分束器/合束器板22。棱镜被配置为使得棱镜面46与穿过其中的主光线正交。在该实例中，分离/组合涂层36在板22的顶侧上，但是应当理解利用合适的修改其可以可替换地在底侧上。参考反射器24可以沉积在干净的板上，或者其可以自由竖立。
法向通道系统优选还包括与分束器板22的厚度匹配的补偿器块44。这确保样本臂和参考臂相对于法向平面NP的OPD对称。
图6B示出了光学系统115的类似设计，但是使用单独的棱镜122A和122B，即不粘合至相同的板。
在上述实例中，使用对称的棱镜。参考图7，图7举例说明利用由不对称的棱镜122A和122B形成的分束器/合束器设备22的干涉测量单元20。参考臂RPob和RP′ob的棱镜面46在相对于法向平面NP的相反的方向上偏移相同的距离/量l。这确保臂之间的OPD保持对称，但其使得参考臂偏离参考反射器设备24的焦点某段距离d。
该配置允许微调干涉测量单元20输出时重新组合的光束(即，反射参考光束路径RP′ob和反射样本光束路径SP′ob)之间的横向位移。为了保持足够的相干性，重要的是要使这些光束被适当对准，使得可以观察干涉条纹(图案)。棱镜的角度未对准和/或它们的小平面和/或分束/合束面可以使得重新组合的光束横向位移。如同所有的倾斜配置一样，分束/合束面和/或测量平面和/或参考反射面的竖直位移引起重新组合的光束之间的竖直位移。这可用于在这个方向微调光束对准。然而，在棱镜的对称配置中，更难在横向方向上(在页面内/外，与入射平面正交的)进行光束对准。这是不对称配置的优势。通过倾斜/翻转参考镜，可以微调侧向对准。由于参考反射器距焦点的参考光束的点有一定距离d，因此这是能够实现的。距离d与臂长l之间的比例确定这类校正的敏感性。该配置还可以集成有法向通道，并且可以实现为单独的棱镜(如图7中所示)或者单片组件(与图6A中的相似)。
如上参照图2所述，倾斜通道光学系统15可被配置为可选择性地在光谱干涉测量模式与光谱反射测量模式之间转换/切换。为此，可以使用光传播影响设备32。这在图8A和图8B中举例说明。
这种光传播影响设备32可以包括一个或多个快门。可以要求这种设备使参考臂无能力并且允许系统在非干涉测量模式下操作。这例如可能需要校准和准确的样本反射强度测量。快门可以通过阻挡参考臂中的光路或者通过使参考臂中的光转向而操作使得其不会到达检测器。后者可受到使用可用的自由度(诸如参考反射器z和/或翻转/倾斜)的影响。下面将进一步更具体地描述这点。
图8A示出可收缩叶片32可以如何用于阻挡参考臂中的光。该配置举例说明参考路径和参考反射路径两者的阻挡。然而，应当理解，可替换地，这些路径中的任一个可被阻挡从而使参考臂不起作用。另外，在该实例中，可收缩叶片32被配置为使得当快门阻挡参考路径时，系统在倾斜反射测量模式下操作。然而，当快门阻挡路径时，这种配置不允许进行法向测量。这可以通过使用针对法向通道和倾斜通道中的任一个的单独快门(在此未示出)来克服。
图8B举例说明一种配置，其中单个叶片/快门42可在三位置之间转换，允许具有组合的法向通道和倾斜通道的系统操作。叶片42位置如下：允许法向通道和倾斜通道两者中的同时干涉测量的打开位置；其阻挡法向通道的参考路径从而允许同时的倾斜模式干涉测量和法向模式反射测量的闭合法向位置；以及其阻挡倾斜通道的参考路径从而允许同时的倾斜模式反射测量和法向模式干涉测量的闭合倾斜位置。快门42足够小足以“隐藏”在法向通道的反射器的中心遮蔽下使得其最小化快门对非干涉测量法向通道测量的影响。
参考图9A至图9F，图9A至图9F示出了使能在不同的模式之间切换系统操作的光学系统的配置的一些其他实例。在这些实例中，光传播影响设备32利用与参考路径RPod和反射参考路径RP′ob相关联的折叠式反射器/反射镜48A和48B。通常，仅这些折叠式反射器中的一个可以用于参考路径RPob和反射参考路径RP′ob中的任一个。在图9A至图9E的实例中，光学系统(光传播方案)关于法向平面NP对称，并且图9F示出了参考反射器设备24的偏移位置。在所有的实例中，分束器/合束器设备22可以由薄膜、或立方体或棱镜(在单独的或单片配置中)形成。
图9A示出了倾斜通道光学系统15，包括：由位于照明通道ICob和收集通道CCob中的单独的棱镜122A和122B中的分束/合束面22A和22B形成的分束器/合束器设备22；参考反射器设备24和与参考臂相关联的折叠式反射镜48A和48B。折叠式反射镜48A可在分别处于参考路径RPob内和外的操作位置和非操作位置之间转换/替换；并且折叠式反射镜48B可在分别处于反射参考路径RP′ob内和外的操作位置和非操作位置之间转换。通常，仅反射镜48A或反射镜48B可被替换。
因此，当反射镜48A和48B可操作时，光学系统15在倾斜光谱干涉测量模式中操作。更具体地，反射镜48A接收参考光束RPob并将其反射至参考反射器24，参考反射器将其反射回反射镜48B，从那里参考反射光束RP′ob被引导向棱镜122B，在棱镜122B处参考反射光束RP′ob与反射样本光束Sp′ob组合，从而在检测平面上产生干涉图案。当反射镜48A和48B(或者至少反射镜48A)不操作时，参考臂不操作并且系统15仅使用样本臂在反射测量模式下操作。
在图9A的实例中，棱镜122A和122B中的分束/合束面22A和22B以及反射镜48A和48B的反射面平行于测量平面MP，即，照明光LI，参考光束RPob和反射参考光束RP′ob分别在分束面22A、折叠式反射镜48A和参考反射器24上具有相同的入射角θ。分束器/合束器和反射镜折叠角度与倾斜角匹配。样本臂和参考臂的路径长度相匹配。参考路径中的三个反射与样本路径中的一个反射确保当在收集通道重新组合时保留光瞳取向。棱镜优选配置有正交于光束主光线而定向的小面以最小化像差。
图9B举例说明分束/合束面22A和22B和反射镜48A和48B的反射面未平行于测量平面MP和参考反射器24平面的配置。如所示，选择这些表面的位置和角定向以满足样本臂和参考臂的匹配条件(还包括环境条件的匹配，即沿着样本臂和参考臂的介质)。由于参考部分和样本部分通过棱镜122A内部相同的光路，棱镜122A的外小面与测量平面MP之间的样本光束SPob的光路LI等于分别来自棱镜122A的外小面和折叠式反射镜48A和折叠式反射镜和参考反射器的参考光束光路L2和L3的总和。对于光学系统的该对称配置中的反射参考路径和反射样本路径，满足相同的条件。
因此，这里分束面和合束面与倾斜角θ不匹配，例如，立方体是直角的。这就需要折叠镜和参考镜重新布置以确保样本臂和参考臂的光路长度相匹配，即折叠角度不是必须等于倾斜角。
图9C示出与图9B的配置相似但却使用由薄膜22A和22B形成的分束器/合束器设备22的非平行配置。在此，分离面36A形成在薄膜22A的顶侧上，并且组合面36B形成在薄膜22B的底侧上。这是为了补偿与参考路径和样本路径及薄膜22A和22B内部的反射参考路径和反射样本路径的部分相关联的OPD。
在这个实例中，OPD补偿可以通过翻动分束器板(在该实例中的板22B)来实现。每个路径(样本/参考)均精确地一次穿过板块。相同的入射角确保路径之间的像差匹配。要求对折叠几何形状进行一些调整。
图9D示出了非平行配置，其与图9C的利用薄膜结构22A和22B的配置相似，但却是一个不同的OPD补偿方案。在此，薄膜22A和22B被对称地配置为在它们的顶侧上具有分束面36A和合束面36B的相同的板。因此，光学系统15进一步包括单独的OPD补偿器。如所示，这种补偿器的可能的选项包括：(1)将OPD补偿器44A放在薄膜22A和22B处；或者将OPD补偿器44B放在折叠式反射器48A和48B处；或者将OPD补偿器44C放在参考反射器24处；或者将OPD补偿器44D作为单独的板放置在折叠式反射镜48A与参考反射器24之间的参考路径的部分中。
因此，在该实例中，使用部分反射涂层优选在顶侧上的分束器/合束器。角度不必与倾斜角相匹配，光束分隔板上较小的入射角减少像差。在以下的以下一个中的参考路径中的某个地方需要补偿板：(i)分束器的顶表面(由于其向样本路径和参考路径引入相同的像差，该选项是优选的)；(ii)折叠式反射镜表面(大约半厚度)；(iii)参考镜；(iv)自由空间板。
图9E举例说明光学系统115的配置，其与图6A和图6B的配置的相似之处通常在于其包括倾斜通道和法向通道的系统，但被进一步修改以允许系统在组合的倾斜和法向光谱干涉测量模式下或组合的倾斜反射测量和法向干涉测量模式下操作。为此，该实例的系统115包括折叠式反射镜48A和48B。更具体地，系统115包括包含与棱镜122A和122B相关联的倾斜通道分离和组合面36A和36B的分束器/合束器设备22，并还可选地包括法向通道分离/组合面36C；共用的参考反射器24；以及如上所述分别容纳于倾斜参考光束路径RPob和倾斜反射参考路径RP′ob中的折叠式反射镜48A和48B。参考反射器24与法向通道分离/组合面36C一起形成可选通道干涉仪20'。参考反射器24包括沉积在透明板上的高反射涂层焊盘38。焊盘尺寸足够小以便使法向通道的遮蔽最小化。对于法向通道，使用来自焊盘的底表面的反射；镜面板充当法向通道分束器/合束器36C的补偿器。
因此，当折叠式反射镜48A和48B(或至少反射镜48A)可操作时，系统可以在倾斜光谱干涉测量模式和法向光谱干涉测量模式下同时或单独操作。当折叠式反射镜不可操作时，系统可同时或单独在倾斜光谱反射测量模式和法向光谱干涉测量模式下操作。
在图9E的该非限制性实例中，倾斜通道系统利用图9A的平行配置。然而，应当理解的是，也可以使用图9B至图9D中任一个的非平行配置。
图9F示出了可在倾斜光谱干涉量模式、倾斜光谱反射测量模式和法向光谱反射测量模式下操作的又一光学系统115的实例。在此，由分束面36A和合束面36B以及折叠式反射镜48A和48B的位置和角定向定义的折叠的几何形状布置为使得参考镜24偏离法向通道路径。该配置的优点在于参考镜不在图像平面中并且因此对杂质不那么敏感。实际上，作为近图像、平面的光学部件(镜子、透镜等)上的杂质(污物、颗粒)引起被高度局部化且具有相对高的调制的光学像差/遮蔽。另一方面，对于远离图像平面的光学部件上的杂质，效果扩大，并且通常弱小到可忽视的级别(因为杂质相对于图像平面高度散焦)。此外，在该配置中，法向通道是完全独立的，并且还可以并入与图9E的实例的干涉仪相似的干涉仪。
为了获得对比充分的干涉条纹，在干涉仪中应当保持充分的侧向(横向)和时间(纵向)相干性。相对于光谱带宽，纵向相干性由参考臂与样本臂之间的光路差(OPD)决定。给出Δλ的源/检测器的光谱带宽(或光谱分辨率)，典型相干长度Lc为：
Lc＝λ2/Δλ
为了获得条纹，OPD须小于相干长度Lc。
空间相干性由来自参考臂的光斑和样本臂中的光斑之间的归一化的重叠积分给出：
其中，内积被定义为<<E|F>>＝∫∫E*Fd2x。
为了引导顺序，重叠积分受以下几何光学参数的影响：光斑之间的侧位移(视轴)、光斑的主光线之间的倾斜，以及光斑之间的相对离焦。另外，光斑之间的任何其他差异，诸如，高阶波前误差(WFE)，和偏振旋转/去偏振使空间相干性降级。关于WFE和Zernike多项式，侧位移(Δx)被确定为倾斜的WFE(Z2,Z3)，相对离焦
等于电力WFE(Z4)，并且倾斜被确定为光瞳之间的侧位移。任何其他像差，诸如散光、彗形差、球形像差、三叶形像差等称为“高阶”WFE。为了引导顺序，通道之间的WFE差异影响重叠参数如：
γ＝1-2π2σ2
其中，σ是按波测量的WFE差异标准偏差。更具体地，假定光瞳之间的WFE差异由函数
给出，其中
是按弧度测量的，并且x、y表示光瞳的坐标，按波测量的WFE差异被确定为
即1波＝2π弧度，并且σ是在整个光瞳上取得的π(x，y)/2π的标准偏差。
如以上所表示的，获得高对比度干涉条纹取决于重新组合的光束的最佳对准。光束对准取决于干涉仪中所有的组件的对准和几何形状。
最简单的实例之一是测量平面的竖直位置(沿着垂直于测量平面)中的误差如何引起波束未对准。这在图10A中示出。如所示，测量平面的竖直位置中的误差(即，测量平面从焦点平面移位)导致反射参考光束RP′ob和反射样本光束RS′ob在波束组合面22中未组合并且因此被收集通道透镜单元聚焦到检测平面内的空间分离的光斑Sref和Ssam上。在图10B中示意性地示出的另一实例中，分束面(分离与组合)之间的倾斜引起光束未对准。这可能是由于分开的分束器的安装误差(如所示)或单个分束器板的曲率。
因此，为了维持臂之间的足够的空间和时间相干性，需要适当选择系统参数以产生所有组件的安装、对准和几何形状的所需容差。然而，在一些情况下，通过增加组件的自由度以补偿组件及它们的对准和安装的容差可以放宽这些容差中的某个容差。
在这一点上，参照图11A和图11B，图11A和图11B示意性地示出了倾斜光学系统15中的光传播方案，其中各种组件(诸如，分束/合束元件22A和22B和参考反射器24)倾斜(即，假定Mirau组件未对准)。如图11A所示，尽管样本上的照射光斑对焦(假定裸系统适当地被校准使得光斑仍聚焦到测量平面内的样本上)，在检测器平面上成像的参考光斑Sref和样本光斑Ssam在入射平面中被横向移位。对于大位移，实际上，未观察到干涉条纹。图11B示出了在具有图11A的以上倾斜组件的情况下，通过调整测量平面(沿着测量平面的轴向法线)的z位置，可以使检测器上的光斑之间的侧向位移最小化。
然而，根据准确的配置，仍存在引起去相干和/或降级的光学性能的残差，诸如但不限于光斑之间不同的焦点、不同的主光线倾斜、不同的光瞳填充、晶片上的散焦、臂之间的OPD、由于通过共同光路的不同部分引起的臂之间的WFE。通常，这是当增加自由度以补偿非完美的系统时需要执行的补偿类型。以下是自由度配置的某些实例。
样本支撑台(携带待测量的样本)相对于光学系统对准测量平面(样本)。存在侧向对准(x,y)和焦点(z)。在倾斜通道中，侧向对准耦合至聚焦自由度。一旦样本臂与测量平面正确对准，样本臂应当匹配以便预留臂之间的空间和时间相干性。倾斜路径几何形状将竖直运动与侧位移耦合。因此，在该通道中，测量平面的竖直位移引起样本臂与参考臂(视轴)之间的侧向对准的变化。其还改变路径之间的OPD。
图12A举例说明并入具有参考反射器设备24的(z+翻转/倾斜)的台的配置。如所示，分束/合束平面22处于固定的竖直(z)位置，而参考反射平面24相对于法向平面NP和微小的z轴移动针对微小的翻转/倾斜运动可控地驱动(通过如参照以上图2描述的合适的驱动机构)。例如，可以将倾斜调整几毫弧度以将参考镜平面与测量平面内的采样点对准。可以将Z轴调整几十微米以匹配参考镜24与样本之间的OPD。其全部取决于样本处理和放置的准确度。另外，针对沿着z轴的路线移动安装样本的台(测量平面)。可选地，针对x-y平面(平行于测量平面)中的粗位移安装参考镜24。这些自由度允许微调空间相干性。
这些额外的自由度还可以用于补偿干涉仪组件中的光学容差。在组合的法向/倾斜配置中，法向路径和倾斜路径可能需要不同的补偿位置。这些自由度还允许板楔形部和板安装翻转/倾斜容差的部分补偿。也可能期望参考反射器的侧向平移自由度因为这些将便于参考反射器焊盘5(如上所述)置中和/或反射面上的任何杂质/缺陷移动到视野之外。
在这一点上，参照图12B，图12B示出用于将整个干涉仪组件20安装到台10上的可替换配置(即，分束/合束面22和参考反射面24)，该台可沿着z轴可控制地替换并且相对于法向平面可倾斜/可枢转，即(z+翻转/倾斜)台。这个配置给出与图12A的配置相同的功能。与以上实例相似，针对沿着z轴的路线移动安装样本的台(测量平面)；以及可选地，针对x-y平面(平行于测量平面)中的粗位移安装参考镜24。
应注意如果在参考镜24保持静态(固定位置)时给予分束器板22(z+翻转/倾斜)自由度则(未具体示出)可以获得类似的补偿。
如上所述，不对称配置(诸如图5的“梯形”薄膜和图7的不对称棱镜)使得光斑的侧向平移与参考镜翻转/倾斜(或单块或分束板仅翻转/倾斜)系在一起。
这可用于校正垂直于入射平面的光斑之间的侧向位移(即，在如以上定义的法向平面中)。应注意这类校正不适用于图12A和图12B的对称配置。
图12C和图12D还示出其他自由度配置。图12C是分束器合束器22为间隔开的独立的分离元件22A和组合元件22B的形式的一般不对称配置(图12C中的交错的单独的分束器配置和图12D中单独的分束器配置)。自由度可以放置于参考镜24(z+翻转/倾斜运动)上，或放置于所有组件上，如图12D所示。最普通的形式是在每个单独的组件上提供自由度(z+翻转/倾斜)，包括用于照明和收集光路的单独的分束器。这确保以增大的系统复杂性为代价的最大灵活性。
如上所述，参考反射器24可以用于补偿分束/合束板22A和22B的偏差，这些板的旋转位置误差(如图10B中所示)，以及测量平面(样本的台)的翻转/倾斜。分束器组件的旋转运动引起参考镜上的光束的侧位移(Δx)。参考镜的倾斜主要用于将参考反射器与样本平面对准。如果配置是不对称的(图像平面不在参考镜上的情况)，这还影响光束之间的侧向对准，即倾斜和侧位移自由度系在一起。
图13A和图13B举例说明如何分别通过参考反射器24的z轴移动或其相对于法向平面的翻转/倾斜补偿分束/合束板22的厚度(图13A)或楔形部(图13B)中的误差。板楔形部和板或测量平面的翻转/倾斜可能引起OPD跨视场(FOV)的变化，即取决于位置的板厚度。OPD跨FOV应当是均匀的，使得跨整个视场观察到相同的条纹。参考反射器的翻转/倾斜可用于使OPD跨FOV的一致性最大化。
应当理解的是，以上具体实例并非限制性的，并且类似的技术可以用于根据设计补偿其他组件的容差(参考镜厚度/楔形部、棱镜表面未对准等)。
还应当注意由参考反射器的可控制微动提供的补偿可能不是最佳的，因为存在可能影响整体的相干性的两种残余效应。当样本臂和参考臂在自由空间和薄膜的介质(例如，玻璃)中不具有精确相同的传播长度时，出现这些效果。
在这一点上，参照图14A和图14B，图14A和图14B示出了通过参考反射器补偿引入的纵向颜色使时间相干性减小的原理。如图14A中所示，反射器使能够补偿一个波长λ1，但是分束器/合束器介质中的色散引起OPD在其他波长λ2处失配。更具体地，在波长λ1处的OPD匹配满足条件：
tsn(λ1)+ls＝tRn(λ1)+lR
并且在λ2处的OPD失配不满足条件：
tsn(λ2)+ls≠tRn(λ)+lR
这是因为分束器/合束器板的介质的折射率是波长的函数，因此不同波长的光分量的光路是不同的。
如图14B中所示，可能出现的另一种效果与残余聚焦误差相关联。OPD匹配和聚焦失配为：
tsn+ls＝tRn+lR
如果以某个波长补偿OPD，则臂之间的空气/玻璃中的不同传播长度将会使得它们的光斑在不同的深度聚焦，从而导致相干性劣化。另一方面，如果需要匹配光斑的聚焦深度，则出现OPD误差。由于倾斜的几何形状，参考反射器的z轴位移与两个路径之间的视轴强烈系在一起，从而限制获得z轴补偿。
因此，倾斜干涉测量要求路径相对于光束位置和角度对准，并且参考路径与样本路径的光路长度(OPL)匹配。如上所述，在基本倾斜光谱干涉测量方案中，通过样本台(测量平面)的可控z轴位移(路线)将样本置于样本臂中的对焦点中可以满足这些要求，并且通过反射和局部反射面中的一个的(翻转/倾斜+Z)可控位移进行微调，以便确保对准和OPL要求。这种反射或局部反射面包括分束/合束面，和参考反射面以及折叠式反射镜的反射面(如果使用)。这些面中的一个的翻转/倾斜位移可以使用例如MEMS类型的2-轴反射镜/反射器实现。折叠式反射器的s-轴位移可以是MEMS机构或附加机构的一部分。
图15A至图15D举例说明倾斜光谱干涉测量系统15的各种自由度配置，倾斜光谱干涉测量系统使用与样本臂相关联的折叠式反射器48A和48B以使得系统操作能从倾斜光谱干涉测量模式选择转换到倾斜光谱反射测量模式。在图15A的实例中，使用可控驱动机构(这里未示出)，该可控驱动机构与测量平面MP的z轴位移的样本台和用于翻转/倾斜(例如，MEM)的折叠式反射镜48A和48B和折叠式反射镜48A和48B中的每一个的z轴位移相关联。翻转和倾斜位移分别为相对于(绕)法向平面在入射平面内的翻转和在法向平面内的倾斜(倾斜轴平行于入射平面)。
在图15B的实例中，驱动机构与测量平面MP的z轴位移的样本台、折叠式反射镜48A和48B中的每一个的上述翻转/倾斜(MEM)位移的折叠式反射镜48A和48B、以及其z轴位移的参考反射器24相关联。因此，在此，由参考反射器24的z轴位移替代折叠式反射镜48A和48B的z轴位移。
在图15C的实例中，使用测量平面的z轴位移，并且使用折叠式反射镜48A和48B中的每一个的z轴位移和法向平面倾斜(例如，MEM)。因此，这里，可经由折叠式反射镜48A和48B的位移通过样本和样本臂的z轴位移的组合补偿残余位移。在图15D的实例中，图15C的配置中的折叠式反射镜的z轴位移由参考反射器24的z轴位移替代。然而，应当注意，除折叠式反射镜的位移之外，可以使用参考反射器的z位移。因此，通常，残余位移可由样本和样本臂的z轴位移的组合补偿，其中后者是通过参考反射器和/或折叠式反射镜的z位移实现的。
应注意，自由度允许在OPD上扫描而不会改变光束对准。从所检测干涉条纹的相位恢复通常需要干涉仪的臂之间的相位差的可控变化，这通常通过改变臂之间累积的OPD进行。在标准的倾斜Mirau配置中，改变OPD还影响光束对准视轴。这在图16中以自解的方式示意性地示出：测量平面MP的Δz位移导致参考臂与样本臂之间的Δx差(样本臂比参考臂短Δx)。
这种OPD可减少干涉条纹的相干性和对比度，在一些情况下，减少到干涉条纹几乎不可见和/或受系统噪声强烈影响的程度，从而减小测量精度。
本发明的折叠倾斜干涉测量配置(即，使用折叠式反射镜的以上描述的配置)通过允许OPD的可控变化同时保持精确的光束对准，即，反射的参考光束和样本光束入射到组合面的重叠区域上克服了这种限制。这在图17A至图17E中举例说明，图17A至图17E示出了来自参考路径和样本路径的图像在检测器图像平面上精确对准的实施方式。
如图17A中所示，测量平面的Δz位移由入射平面中折叠式反射镜48A和48B中的每一个相对于法向平面的倾斜补偿。在该实例中，折叠式反射镜48A和48B在相反方向上相似地移位，以使干涉测量单元(穿过其中的光传播)相对于法向平面维持对称配置。因此，例如，折叠式反射镜48A和48B中的每一个倾斜为使得其将参考臂的长度缩短Δx/2，从而使样本臂和参考臂的光学长度均衡。
图17B示出了系统配置实施方式中的光传播方案，该方案利用倾斜光谱干涉测量模式(当折叠式反射镜48A和/或48B可操作时)、法向光谱干涉测量模式、以及倾斜和法向反射测量模式(当折叠式反射镜48A和48B分别不可操作并且法向通道的光束干涉测量单元122不可操作时)的组合。如所示，参考反射器24相对于法向平面以某一偏移定位，与图9F的上述实例相似。这影响参考臂的长度，并且因此引起的参考臂与样本臂之间的差可由折叠式反射镜48A和48B中的至少一个的z位移补偿，使得它们位于间隔开的平行平面中。
在图17B的偏移配置实例中，折叠式反射镜和参考镜的反射面位于间隔开的平行平面中。图17C、图17D和图17E分别示出了三个不同的实例，其利用参考反射器24的偏移位置(相对于法向平面)和通过适当倾斜参考反射器24和折叠式反射器48A和48B的反射面而由此引起的OPD的补偿。
更具体地，如图17C中所示，通过使用折叠式反射镜48A和48B中的每一个和参考反射器24的可控位移(活塞)适当缩短参考臂来补偿测量平面MP的Δz位移和因此引起的参考臂与样本臂之间的Δx差(样本臂变得比参考臂短)。参考反射器24相对于法向平面进行某一偏移定位，并且参考反射器24和折叠式反射器48A和48B位于不同的高度(z轴)位置。因此，例如，折叠式反射镜48A和48B移位(活塞运动)以补偿侧向位移Δx，同时也补偿OPD。这是可以的，因为折叠式反射镜48A和48B和参考镜24(即，它们的反射面)不是平行的。在该实例中，折叠式反射镜48A和48B在反方向上移位，即，左手边反射镜48A向下移动，同时右手边反射镜48B升高。确切量容易由折叠的几何形状计算出。
应当注意的是，尽管未具体示出，还可以与在图17A中示出的方式相似的方式使用折叠式反射镜补偿Δx和OPD效果。
图17D和图17E示意性地示出通常类似的配置但被进一步修改以允许倾斜光谱干涉测量方案与法向光谱干涉测量方案组合。
因此，本发明提供一种新的测量系统，其至少利用使能够从样本提取镜面反射的相位信息的倾斜光谱干涉测量系统，这种新的测量系统提供有关样本的图案化表面的所需信息。优选地，倾斜光谱干涉测量系统被配置为允许其修改成倾斜光谱反射测量系统，并且还允许增加可在光谱干涉测量模式和光谱反射测量模式中的任一者或两者下操作的法向通道系统。
Claims (26)
1.一种在对图案化样本的计量测量中使用的测量系统，所述测量系统包括：
至少一个光源设备，被配置为生成宽带光，
至少一个检测设备，被配置为提供所检测光的光谱信息，以及
光学系统，至少包括倾斜通道系统，所述倾斜通道系统被配置为将通过所述至少一个光源生成的入射光沿着倾斜照明通道引导到样本要定位在的测量平面上，并且将从所述样本镜面反射的宽带光沿着收集通道引导到所述至少一个检测设备，其中，
所述光学系统包括干涉测量单元，所述干涉测量单元包括分束/合束设备和参考反射器设备，所述分束/合束设备容纳于所述照明通道和所述收集通道中并且被配置为将在所述照明通道中传播的光划分为在样本路径中传播的样本光束和在参考路径中传播的参考光束，并且将反射参考路径和反射样本路径组合到所述收集通道中，从而在由所述至少一个检测设备限定的检测平面上形成光谱干涉图案，
所述测量系统被配置为能够在倾斜光谱干涉测量模式与倾斜光谱反射测量模式之间选择性地转换。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分束/合束设备被配置为限定位于不同的平面内的至少一个分束面和至少一个合束面，至少一个所述分束面和至少一个所述合束面沿着垂直于所述测量平面的轴线间隔开并且彼此平行及与所述测量平面和所述参考反射器设备的参考反射面的平面平行。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分束/合束设备被配置为限定位于相同的平面内的至少一个分束面和至少一个合束面，至少一个所述分束面和至少一个所述合束面平行于所述测量平面和所述参考反射器设备的参考反射面的平面。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分束/合束设备被配置为限定以间隔开的关系定位并相对于法向平面对称地定向的至少一个分束面和至少一个合束面，所述法向平面垂直于所述测量平面和入射平面。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述干涉测量单元被配置为使得所述样本路径和所述参考路径相对于包含所述分束面和所述合束面的所述平面形成所述反射样本路径和所述反射参考路径的镜像。
6.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述干涉测量单元被配置为使得所述样本路径和所述参考路径相对于垂直于所述测量平面和入射平面的法向平面形成所述反射样本路径和所述反射参考路径的镜像。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分束/合束设备包括包含至少一个部分反射区域的至少一个薄膜结构。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述薄膜结构包括位于所述薄膜结构的相对的表面中的任一个上并沿该表面延伸的所述部分反射区域。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述薄膜结构包括位于所述薄膜结构的相对的表面中的第一表面上并且与所述相对的表面中的第二表面上的透射区域对准的第一部分反射区域和位于所述相对的表面中的所述第二表面上并与所述第一表面上的透射区域对准的第二部分反射区域。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述部分反射区域将所述薄膜结构划分为在所述区域的相对侧处的两个相同的透射薄膜。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述分束/合束设备包括分别位于倾斜照明通道和倾斜收集通道中的第一薄膜和第二薄膜，每个薄膜包括所述至少一个部分反射区域。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参考反射器设备包括位于平行于所述测量平面的平面内的至少一个反射面。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述参考反射器设备包括至少一个薄膜结构，所述薄膜结构包括在其相对的侧中的任一个上的平行于所述测量平面的所述反射面。
14.根据权利要求1所述的系统，还被配置为能够在倾斜光谱干涉测量模式与法向模式的反射测量之间选择性地转换。
15.根据权利要求1或14所述的系统，包括可控地操作以选择性地阻挡所述参考路径的阻光机构。
16.根据权利要求1所述的系统，进一步被配置为执行法向模式的光谱干涉测量。
17.根据权利要求16所述的系统，被配置为同时执行倾斜光谱干涉测量模式和所述法向模式的光谱干涉测量。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光学系统进一步包括限定法向模式的照明通道和收集通道的法向通道系统。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述分束/合束设备包括容纳于所述倾斜照明通道和法向照明通道以及所述倾斜收集通道和法向收集通道中的分束面和合束面。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述光学系统进一步包括法向通道分束/合束设备。
21.根据权利要求19或20所述的系统，其中，所述参考反射器设备包括位于倾斜参考路径和法向参考路径中的至少一个反射面。
22.根据权利要求19或20所述的系统，其中，所述参考反射器设备包括分别位于倾斜参考路径和法向参考路径中的反射面。
23.根据权利要求1至5、7至14及16至20中任一项所述的系统，其中，所述光学系统进一步包括位于所述参考路径和所述反射参考路径中的至少一个中的一个或多个折叠反射面，从而使所述测量系统能够在所述倾斜光谱干涉测量模式、倾斜光谱反射测量模式、法向光谱干涉测量模式、以及法向光谱反射测量模式中的任一个内选择性操作。
24.根据权利要求1至5、7至14及16至20中任一项所述的系统，进一步包括用于使以下中的至少一项可控地移位的一个或多个驱动机构：沿着法向轴移位所述测量平面；以及移位光学单元的反射面和部分反射面中的至少一个；至少一项的可控位移使能够进行以下中的至少一项：调整所述干涉测量单元中的参考臂和样本臂之间的光路差；以及调整系统操作从光谱倾斜干涉测量模式到光谱倾斜反射测量模式、光谱法向干涉测量模式、以及光谱法向反射测量模式中的一项或多项的转换。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，与所述光学单元的反射面和部分反射面中的任一项相关联的所述驱动机构被配置用于执行相应表面的以下位移中的至少一项：沿着所述法向轴的位移；入射平面中相对于所述测量平面的角位移；以及相对于所述入射平面的角位移。
26.根据权利要求1至5、7至14及16至20中任一项所述的系统，进一步包括控制单元，所述控制单元被配置为并且可操作以接收和处理来自所述至少一个检测设备的测量数据，并且操作一个或多个驱动机构以可控地使以下中的至少一项移位：沿着法向轴移位所述测量平面；以及移位所述光学系统的反射面和部分反射面中的至少一项；至少一项的可控位移使能够进行以下中的至少一项：调整所述干涉测量单元中的参考臂和样本臂之间的光路差；以及调整系统操作从光谱倾斜干涉测量模式到光谱倾斜反射测量模式、光谱法向干涉测量模式、以及光谱法向反射测量模式中的一项或多项的转换。
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