CN110709204B - 小样品曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

测量样品曲率半径的系统和方法。该方法包括：从激光源朝着扩束器的方向发射光束；扩大从所述激光源发射的所述光束尺寸以产生宽的激光束；将所述宽的激光束反射离开样品的曲表面；通过使反射的宽的激光束穿过光栅掩模或双棱镜来产生多个不平行的激光束；使用所述多个不平行的激光束在相机图像传感器处产生干涉图样；通过所述相机图像传感器捕获第一图像；以及图像处理设备处理所述第一图像以确定所述样品的曲率半径。

Description

小样品曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月29日提交的美国临时专利申请序列号62/478,119的权利。该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开通常涉及薄膜应力测量。更具体地，本方案实现了样品(小至5mm×5mm大小)曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法。
背景技术
由于薄膜应力在薄膜制备和应用中的关键作用，因此对于商业和科学目的而言，薄膜的应力测量具有重要意义。薄膜的应力测量中通常使用斯通利数学公式(1)来确定样品的曲率半径和应力计算：
Figure BDA0002296584530000011
式中，σf为薄膜的应力，E为杨氏模量，ν为基底的泊松系数，ts为基底厚度，tf为薄膜厚度，R0为应力引入前基底的曲率，以及R为应力引入后基底的曲率。对于已知厚度(在初始表面不平的情况下)的R和R0的测量可以获得薄膜的应力。
有几种方法可以测量曲率半径R，如激光束偏转、激光干涉和其它光谱学方法。最基本地，曲率R的测量是通过探测来自曲表面的两个平行的反射的激光束的偏差并使用又如下数学公式(2)定义的简单的几何结构来确定：
Figure BDA0002296584530000012
式中，d0为从样品曲表面106反射到达探测器108的两个激光束102和104之间的距离，Δd为所述d0和所述d之间的距离，该距离d为由所述激光束102和104反射而获得的两个反射的激光束110和112之间的距离，L为所述探测器108和所述样品表面106之间的距离，δ为激光束反射角(如图1中所示)。美国专利5633718A、5760889A、5912738A和7391523B1中提出了一些基于此原理有更多复杂激光路径或元素的改进设计。这些设计中通过使用多于两个的激光束(多光束方法)和每对所述激光束的结果平均值来提高设计的精度。然而，射到样品表面的激光束数量受到细光束衍射传播限制。一个典型的装置可以使用的光束不超过12个。美国专利8154733B2描述了基于斐索(Fizeau)原理的一个装置。
对于薄膜中常规应力(约108Pa)导致的相对较大R(大于50m)的测量，需要满足以下：(1)探测器与样品表面L之间的距离较大；(2)更大的样品尺寸d0。关于此装置的设置，最新的商业和专利技术(美国专利号6608689B1)总是要求样品的直径大于50mm。但是，对实验室的研究，大多数薄膜沉积和表征设备是为小样品设计的。这些矛盾的要求使得对实验室研究样品进行应力测量尤为困难。尽管一种商用的技术(k-space MOS，美国专利7391523B1)可以用来测量小样品的曲率。但是该技术的光学设计复杂且测量精度不足。此外，在许多情况下，薄膜的生长和处理需要在接近或高于1000℃的温度下进行，并且需要在此高温下进行应力评价。现有的应力或曲率测量技术只能在最高500℃的温度下进行。
发明内容
本公开通常涉及样品曲率半径的测量系统和方法。该方法包括：从激光源朝着扩束器的方向发射光束；扩大从所述激光源发射的所述光束尺寸以产生宽的激光束；所述宽的激光束反射离开样品的曲表面；通过使反射的宽的激光束穿过光栅掩模或双棱镜来产生多个不平行的激光束；使用所述多个不平行的激光束在相机图像传感器处产生干涉图样；通过所述相机图像传感器捕获第一图像；由图像处理设备处理所述第一图像以确定所述样品的曲率半径。所述曲率半径可用于计算所述样品中的应力测量。
曲率半径由下确定：由所述图像处理设备执行操作，以基于所述第一图像的内容和第二图像的内容来确定a值，该第二图像是由在引起应力的处理前从平表面或者曲表面反射的光产生；使用所述a值确定激光束发散值；以及使用所述激光束发散值计算样品的曲率半径。
在一些情况下，a值基于在所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的位置来确定。更具体为，a值由下确定：提取所述第一图像中包含的每个亮特征的第一中心位置和所述第二图像中包含的每个亮特征的第二中心位置；在二维图上为每个所述第一中心位置分别绘制点，作为每个所述第二中心位置的函数；确定由这些点定义的直线的斜率。
在其它情况下，a值基于所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的空间频率变化来确定。a值由下确定：确定由包含在所述第一图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第一频率；确定所述第一频率与由包含在所述第二图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第二频率的比值。
在其他情况下，所述光栅掩模包括周期性的孔和/或周期性的线。样品可以放置在高温炉内部。
附图说明
将参考以下附图描述实施例，在附图中，相同的标号表示相同的项目。
图1为用于理解根据传统解决方案如何测量曲率半径的图示。
图2A-2B(文中统称图2)为用于在室温下进行异位测量的系统简化示意图。
图3为用于理解如何处理图像和计算曲率的图示。通过比较由凸表面和平表面产生的干涉图样的图像，可以提取反射的激光束发散的小变化，并计算出大的曲率半径。图3示出了当该半径远大于掩模与样品之间的距离且假设Z＝0时这一最典型的情况。
图4所示为三种类型的1-d和2-d光栅掩模，以及所述掩模衍射效应产生多条不行的激光束形成干涉图样的示意图。
图5为用于理解在实现本解决方案中如何形成衍射激光束干涉图样的示意图。从样品表面反射后扩展的激光束穿过掩模。衍射的激光束相互干涉，并在周期性的特定距离(产生图像的位置)上创建掩模的重复图像。对于曲表面，可以将反射光束视为来自距离F的焦点处的发散光束。
图6为掩模可以被双棱镜代替的示意图(需要注意的是图像传感器可以被放置在阴影区域中的任何地方)。
图7为使用图像处理来提取激光发散的两种方法的图示。在第一种方法中，提取每个特征(例如亮斑或线)的位置。通过绘制来自曲表面的每个特征(例如亮斑或线)的位置，作为来自平表面的每个特征位置的函数，可以计算出线性拟合的斜率a。在第二种方法中，使用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)方法来计算亮特征(例如亮斑或线)的空间频率。来自平表面的频率与来自曲表面的频率之比即为a值。
图8为从样品表面反射并分别通过线、方孔和圆孔掩模衍射的激光束的干涉图样。
图9示出了使用具有七点二米(7.2m)的曲率半径的标准凸面镜和SiO2/Si样品来进行本方案测试的结果，其中SiO2中的应力以及SiO2和Si的厚度已知。
图10示出了具有不同SiO2厚度tf的SiO2/SiC样品的测试结果。对于厚度超过25纳米(25nm)的SiO2膜，R与tf成反比，导致了恒定的压力。对于小于25纳米(25nm)的SiO2膜，薄膜应力随着薄膜厚度的减小而增加。这些结果符合理论预期。
图11示出了在高温处理期间用于原位/实时测量的系统。
图12为可以保持样品垂直的样品夹持器的设计示意图。
图13为使用900℃、1000℃、1100℃的生长温度的硅氧化期间的测试结果图。所述R的变化在初始阶段较快，在较低温度下较慢。
图14为测量样品应力和曲率的方法说明流程图。
具体实施方式
应当理解，如本文中总体上描述的以及在附图中所展示的实施例的组件可以在多种不同的配置中来布置和设计。因此，如附图所示，下面对各种实施例更详细的描述并非旨在限制本公开的范围，而仅仅是各种实施例的代表。尽管在附图中呈现了实施例的各个方面，除非特别指出，否则附图不必按比例绘制。
在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其它特定形式实施。所描述的实施例在所有方面仅应被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由本具体描述来指示。落入权利要求等效含义和范围内的所有改变均应包含在其范围之内。
贯穿这一说明书，对特征、优点或类似语言的引用并不意味着通过本发明实现的所有特性和优点应当在或在本发明的任何单个实施例中。而是，应该把引用这些特征和优点的语言理解为意指与某实施例相结合所描述的具体特性、优点或特征包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中，对特性和优点以及类似语言的论述可以但不必涉及同一实施例。
而且，可以以任何适当的方式，把所描述的本发明的特性、优点以及特征组合于一或多个实施例中。相关技术领域中的技术人员将会意识到，可在不采用具体实施例的一或多个具体特性或优点的情况下实践本发明。在另一些例子中，在某些实施例中可以认识到的附加特性与优点可以不存在于本发明的所有实施例中。
在整个说明书中，对“一个实施例”，“一种实施例”或类似语言的引用意味着结合所示实施例中描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在一种实施例中”或类似语言可以但并非必须全部指代相同的实施例。
如本文档中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一个”，“一种”和“所述”包括复数引用。除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同含义。如本文中所使用的，术语“包括”是指“包括但不限于”。
本文档通常涉及用于在室温下以及在高温处理期间小样品的高分辨率曲率测量的系统和方法。本解决方案能够测量透明样品的热膨胀。
通过使用反射的激光束的干涉和衍射效应，结合新的图像处理算法，本解决方案能够对小样品(小至5mm x 5mm)进行高分辨率(δ低至4x 10-6)进行曲率测量。该测量可以在室温下(异位测量)或在高温处理过程中(原位/实时测量)进行。
每个实施系统均包括激光源、扩束器、样品夹持器、掩模、电荷耦合器件(CCD)相机和图像处理软件。从样品表面反射的直径为六毫米(6mm)的扩展激光束与二维(2-d)或一维(1-d)衍射光栅掩模相互作用，形成多个不平行的激光束。该激光束在距二维或一维衍射光栅掩模一定距离的CCD相机传感器处形成干涉图样。经过图像分析，可以从干涉图样中准确确定反射的激光束的微小发散，还可以计算所述样品表面的曲率。该系统已使用SiO2/Si和SiO2/SiC样品进行了测试。
该实施系统还允许探测来自透明样品两侧反射的激光束的干涉，从而能够测量加热或冷却期间的热膨胀。
现在参考图2A，提供了示意性系统200的示意图。系统200通常可用于在室温下以及高温处理期间对小样品进行高分辨率的曲率测量。系统200包括激光源202、扩束器204、样品夹持器206、光栅掩模208、CCD相机图像传感器210和图像处理设备212。所列组件202-210在本领域中都是众所周知的，因此在此将不进行描述。任何已知的或即将知晓的激光源、扩束器、样品夹持器、光栅掩模和/或CCD相机图像传感器在此的使用可以不受限制。
所述激光源202通常用于基于电磁辐射的受激发射通过光学放大过程来发光。所述扩束器204通常用于扩展准直的光束尺寸。所述样品夹持器206通常被设计成在结构上支撑并夹持样品222(如SiO2/Si样品和SiO2/SiC样品)。所述光栅掩模208包括具有周期性结构的一维或二维衍射光栅。该周期性结构将光分裂和衍射成沿不同方向行进的多个光束。所述CCD相机图像传感器210通常用于生成由从表面反射的光产生的图像的感测数据，并且经由通信链接220将感测数据提供给所述图像处理设备212。所述图像处理设备212可以包括但不限于：台式计算机、个人电脑、通用计算机、笔记本电脑和/或智能设备。图2B提供了对所述图像处理设备212更为详细的描述。
图2B详解如下。
在操作过程中，来自所述激光源202的激光224通过所述扩束器204被扩展为平行的宽的激光束226(如直径为六毫米(6mm)的光束)。所述平行的宽的激光束226从放置在所述样品夹持器206上样品222的表面以入射角θ°反射而来。然后，所述反射的激光束228穿过所述光栅掩模208，形成多个不平行的激光束214。所述不平行的激光束214在所述CCD相机图像传感器210处形成干涉图样。所述CCD相机图像传感器210生成由曲表面216反射的光产生的第一图像304的传感器数据。在所述图像处理设备212上运行图像处理软件，将同所述曲表面216相关联的所述第一图像304与先前获得的同在引起应力的处理前的平表面或者曲表面相关联的第二图像302进行比较。基于比较结果确定激光束发散。下面详细描述确定所述a值的方式。此时，应理解为量a-1由以下数学方程式(3)定义
Figure BDA0002296584530000071
其中，x0是在光栅掩模208处或者是距光栅掩模的距离Y处的两个亮斑308之间的距离，且使用平表面获得；Δx是所述x0与两个亮斑之间的距离a·x0之差，其中a·x0为在距所述光栅掩模的距离Y处在CCD相机图像传感器210上形成的所述两个亮斑之间的距离(如图3所示)。接下来，量a-1用于计算所述样品222的曲率半径R。就这一点而言，上述数学方程式(2)被改写为以下数学方程式(4)：
Figure BDA0002296584530000072
其中，Y是光栅掩模208与CCD相机图像传感器210之间的距离，Z是光栅掩模208与曲表面216之间的距离。图3提供了有助于理解此过程的图示。
在美国专利7391523B1和5912738A中描述了一种多激光束方法。这些专利使用光学设备校准器获得的平行的多激光束。另外，平行的多激光束之间的衍射和干涉效应是不可取的，这是因为它们限制了最小亮斑尺寸，降低了图像质量，因此必须要避免。所以，每个平行的多激光束的直径需要足够大以便最小化衍射效应，因而平行的多激光束的数量会受到限制。
本解决方案与美国专利7391523B1和5912738A的常规技术不同，它利用光栅掩模208代替光学校准器设备，通过衍射产生了多个不平行的激光束214，再通过所述不平行的激光束214之间的干涉效应形成了其图案。与传统方法相比，这种方式中所述图像302、304中亮斑308的尺寸可以很小，并且数量可以很多。如图4所示，所述光栅掩模208可以是一维或二维光栅。衍射的维度可以由孔404或线402的不同阵列控制。所述激光束228被分裂成几个光束214，可由下述方程(5)定义的衍射光栅所描述：
Figure BDA0002296584530000073
式中，β是所述衍射光束与所述光栅法线矢量之间的夹角，x是光栅掩模中相邻线或孔之间的距离，λ是激光波长，m是一个整数，其代表感兴趣的传播模式。这里考虑m＝0，+1，-1。需要注意，如图5所示，分开的激光束214根据公式(6)在距所述光栅掩模208特定周期距离处形成重复干涉图样。
Figure BDA0002296584530000081
其中F是激光束焦距，n是整数且n>0。因此，将所述CCD相机图像传感器210放置在距所述光栅掩模208距离Yn的特定位置504附近，这样可以得到最清晰的干涉图样。这里的F包括来自所述样品表面222和所述激光源202的两种发散效应。
通过所述图像处理设备212在任何给定的时间可通过以下两种方法获得a值。现在结合图7介绍这两种方法。在第一种方法(1)中，通过所述亮度值的抛物线拟合来提取每个亮斑或线702的中心位置704。抛物线拟合技术在本领域中是众所周知的，这里将不再详细描述，并且可以不受限制地使用任何已知的或即将知晓的抛物线拟合技术。例如，在某些情况下，所述抛物线拟合过程通常会涉及：将亮度值拟合到抛物线；使用抛物线函数确定给定区域中最大亮度值的位置，以建立激光强度的质心。这个过程确定x0和a·x0的精确值，且定义了二维图形710上点(dot或point)位置的y轴值。对于与平表面相关的图像706对应的亮斑或线，重复该抛物线拟合过程，以获得x0和a·x0的另一个值，此过程定义了所述二维图形710中点位置的x轴值。然后在所述二维图形710上针对包含在给定表面图像700或708中的每个亮斑702中心位置704绘制点，作为来自平表面图像706的点位置的函数，即，使用确定的y轴和x轴值。绘制操作的结果是直线712或713。所述直线712或713的斜率给出a值。所述直线712或713由下面的数学方程式(7)定义：
y＝mx+b (7)
其中y是形成线的给定点的y轴值，x是形成线的给定点的x轴值，b是所述线的y轴截距值(即所述线与y轴的交点)。所述a值等于m值(即a＝m)。
在第二方法(2)中，使用FFT将每个斑716的所述亮度值拟合为正弦函数。FFT技术在本领域中是众所周知的，这里将不详细讨论，并且在此可以不受限制地使用任何已知或即将知晓的FFT处理过程。在某些情况下，所述亮度值用作标准FFT算法的输入。来自平表面图像722的频率与来自曲面图像720、724的频率之比给出a值。在这种情况下，a值由下面的数学方程式(8)定义：
Figure BDA0002296584530000091
其中，fs表示使用曲面图像720或724中包含的每个斑的亮度值计算的频率值，f0表示使用平面图像722中包含的每个斑的亮度值计算的频率值。
在二维光栅(孔掩模)的情况下，可以同时测量样品水平和垂直方向上的曲率半径。但是，与一维光栅(线掩模)相比，所述孔掩模光栅具有更大的衍射尺寸和更少的拟合点。根据数学方程式(5)、数学方程式(6)和设置要求仔细选择所述光栅掩模中孔和线的间距。较大的间距允许使用较大的掩模到相机的距离Y，而较小的间距则有助于更精确地拟合图像。如果将Y设置为大约30-70cm，λ为大约500-700nm，则在某些情况下可以使用大约100微米至200微米的孔/线间距。
此外，如图6所示，掩模可以由双棱镜606代替。在这种情况下，来自所述双棱镜两边折射的激光束的干涉条纹可形成如图6所示的图像。所述R的计算是一样的。与所述光栅掩模208相比，所述双棱镜606的优点在于可以将所述CCD相机图像传感器210设置在区域604中的任何地方，而不是周期性的固定位置Yn。因此，基于所述双棱镜606的解决方案不需要针对不同曲率的位置调整。
由于以下新特征而大大提高了本解决方案的测量精度。
利用激光束的衍射和干涉效应，可以在图像中形成更小尺寸和更大数量的斑，这有助于更精确地拟合图像。例如，在商业产品“k-space MOS”(美国专利7391253B1)中，激光束形成斑尺寸为0.8mm的4×3斑阵列。然而，在配置有圆孔掩模的本解决方案中，实现了斑尺寸为0.15mm的15×13的斑阵列(如图8所示)。因此，假设所有其他条件都相同，本方案测量精度将提高一个数量级以上。
通过使用平的样品作为参考进行a值测量来代替Δx，这消除了由x测量误差和未知的初始激光束发散引起的测量误差。
所述新的图像拟合方法提供了精度的改善。分辨率可以根据图像拟合和相机像素大小来进行估算。举例来说，一个像素分辨率为640x 480、传感器尺寸为6mm x 4mm(像素尺寸9x 8μm)、Y为1m的相机，两个数据点可以区分9μm的距离，并且拟合可以识别可以少于该距离的一半的距离，从而是发散角δ的测量精度优于4x 10-6。当使用高分辨率的相机传感器时，可以容易获得更好的测量精度。
本解决方案已经使用曲率半径为7.2m的标准凸面镜和SiO2/Si样品进行了测试，该SiO2/Si样品的曲率半径是基于SiO2中的已知应力以及SiO2和Si基底的厚度计算的。图9中示出了测试结果。如图10所示，也首次获得了SiO2/SiC样品的结果。在超薄膜情况下，该测试准确地确定了100m以上的曲率半径，在SiO2薄膜中产生的应力分布与理论预期一致。
在样品222和CCD相机图像传感器210之间光栅掩模208(或双棱镜606)的放置允许将样品置于距激光源202和其他光学元件相当远的距离处，这样能够在样品位于熔炉或其他样品处理设备的内部时候进行原位测量。与本解决方案不同，其他现有方法在获取反射光线前使用光学器件产生多个激光束。在这种情况下，由于细的多光束的快速衍射扩展，样品和其他光学元件之间的距离受到限制，使其进行原位测量异常困难。
图11为实现本解决方案的系统1100架构的示意图，该系统用于在高温处理期间曲率的原位测量。如图11中所示，样品通过垂直样品夹持器1106垂直固定在熔炉1108中的氧化铝管1110中。图12为所述垂直样品夹持器1106的构造示意图。扩展的激光束通过石英窗1102以法向角θ→0入射到样品表面，所述石英窗1102通过金属连接器1104固定在所述氧化铝管1110上。反射的激光束被调整为通过所述石英窗口1102从所述氧化铝管1110出来，然后通过光栅掩模208衍射。所述光栅掩模208与CCD相机图像传感器210之间的距离L可以通过反射镜1112来调节。图13给出已经测量的在1atm O2流动下、温度为900℃、1000℃、1100℃硅氧化期间硅基底的曲率半径的变化图示。结果表明曲率半径在每个温度点随时间平滑变化。
本解决方案还能够测量透明基底的热膨胀。入射激光从基底的正反两面反射。所述两个反射光束相互干扰。对于异位测量，通过调整入射角，根据数学公式(9)获得相长干涉的条件：
Figure BDA0002296584530000111
其中，ns是基底的折射指数，p是整数。在加热/冷却期间，热膨胀会改变基底厚度ts，从而导致周期性的相长和相消干涉。根据数学方程式(10)可以计算热膨胀系数α：
Figure BDA0002296584530000112
其中，α是热膨胀系数，ΔT是两个相长干涉之间的温度差。
下表1为系统200的功能和分辨率与最佳商用的比较。本解决方案不仅通过更简单的设计实现了更小样品的曲率测量，提高了测量灵敏度，还增加了热膨胀测量功能。
表1
Figure BDA0002296584530000113
现在参考图2B，它提供了图2A中所述图像处理设备212的结构说明的详细框图。图像处理设备212可能包括比图2B所示的或多或少的组件。然而，所示出的组件足以公开本解决方案的说明性实施例的实现。图2B的硬件架构代表代表性的计算设备的一个实施例，该计算设备被配置为有助于实现样品的应力和曲率测量的改进的方法。这样，图2B中的图像处理设备212实现根据本解决方案的应力和曲率测量方法的至少一部分。
图像处理设备212的一些或全部组件可以为硬件、软件和/或硬件和软件的组合。所述硬件包括但不限于一个或多个电子电路。所述电子电路可以包括但不限于无源部件(例如电阻器和电容器)和/或有源部件(例如放大器和/或微处理器)。所述无源和/或有源组件可以适于、布置为和/或编程为执行本文描述的方法、过程或功能中的一个或多个。
如图2B所示，所述图像处理设备212包括用户接口252、中央处理单元(“CPU”)256、系统总线254、存储器258(通过所述系统总线254连接到图像处理设备212的其他部分并可由这些部分访问)以及连接到系统总线254的硬件实体268。所述用户接口以包括输入设备(如键盘260)和输出设备(如扬声器262、显示器264和/或发光二极管266)，这些使得操控所述图像处理设备212的用户-软件交互更为便利。
至少一些所述硬件实体268执行包括访问和使用存储器258的操作，该存储器258可以为RAM、磁盘驱动器和/或紧凑型光盘只读存储器(“CD-ROM”)。硬件实体268可以包括具有计算机可读存储介质278的硬盘驱动器单元276，计算机可读存储介质278上存储有被配置为实现所描述的方法、过程或功能中的一个或多个的一组或多组指令270(如软件代码)。在所述图像处理设备212执行指令期间，指令270还可以全部或部分地保存在所述存储器258和/或所述CPU 256内。所述存储器258和CPU 256也可以构成机器可读介质。这里使用的术语“机器可读介质”是指存储一组或多组指令270的单个介质或多个介质(如集中式或分布式数据库和/或关联的高速缓存和服务器)。本文所用术语“机器可读介质”还指供所述图像处理设备212执行所用到的存储、编码或携带的一组指令270的任何介质，以及使所述图像处理设备212进行本公开的任何一种或多种方法的任何介质。
在一些情况下，所述硬件实体268包括被编程为有助于根据本解决方案的应力和曲率测量的电子电路(如处理器)。对此，应当理解的是，电子电路可以访问并运行安装在所述图像处理设备212上的图像处理应用程序272。所述软件应用程序272通常用于：从通过光栅掩模衍射的激光束干涉图样中获得应力和样品表面曲率；从通过双棱镜折射的激光束干涉图样中获得应力和样品表面曲率；确定所述图像中亮斑或线的位置变化；使用获得的位置变化来计算样品表面曲率；确定所述图像中显示的亮斑或线的空间频率变化；以及使用获得的空间频率变化来计算样品表面曲率。通过以上讨论，所述软件应用程序272的其他功能是显而易见的。
现在参考图14，它给出了用于测量样品(如图2A的样品222)应力和曲率的方法1400的流程图。方法1400从1402开始，并继续到1404，在1404中激光源(如图2A的激光源202)朝扩束器(如图2A的扩束器204)的方向上发射光束(如图2A的光束224)。在1406中，所述扩束器通过扩展从所述激光源发射的光束的尺寸来产生平行的宽的激光束(如图2的激光束226)。如1408所示，所述平行的宽的激光束以入射角θ°反射离开样品表面。接下来在1410中，通过使所述反射的激光束(如图2A的反射的激光束228)穿过光栅掩模(如图2A的光栅掩模208)来产生多个不平行的激光束(如图2A中不平行的激光束214)。在1412中，不平行的激光束被用于在相机的图像传感器(如图2A的CCD相机图像传感器210)上形成干涉图样。1414中，所述相机生成感测数据。所述感测数据包括用于由从曲表面反射的光产生的第一图像(如图3的图像304)的感测数据。所述感测数据从所述相机传送到图像处理设备(如图2A的图像处理设备212)。
在1416-1418中，所述图像处理设备执行操作，以基于通过所述第一图像和先前获得的第二图像(如图3的图像302)的比较结果来确定a值，该第二图像由从平表面反射的光产生。确定所述a值的方法在上文中结合图7进行了描述。
通常，所述a值由以下确定：提取所述第一图像(如图7的图像700或708)中包含的每个亮特征(如图7的斑702)的第一中心位置(如图7的中心位置704)和所述第二图像(如图7的图像706)中包含的每个亮特征的第二中心位置；在二维图(如图7的图形710)上为每个所述第一中心位置分别绘制点(如图7的点714)，作为每个所述第二中心位置的函数；确定由这些点定义的直线的斜率；将所述a的值设置为所述斜率的值。或者，a值由以下确定：确定由包含在所述第一图像(如图7中的图像722)中的亮特征(如图7的斑716)的亮度值生成的正弦信号(如图7的正弦信号732)的第一频率(如图7的频率f0)；确定所述第一频率与由包含在所述第二图像(如图7的图像720或724)中的亮特征的亮度值生成的正弦信号(如图7的正弦信号730或734)的第二频率(如图7的频率fs)的比值；将所述a值设置为所述比值。
在1420中所述a值用于确定激光束发散值a-1。在1422中，所述激光束发散值可以用于计算样品的曲率半径。根据以上数学方程式(4)执行该计算。在1424中，所述曲率半径可用于计算所述样品中的应力测量。1424中可以使用数学公式(1)。随后，执行1426，结束方法1400，或者进行其他处理(如返回1402)。
尽管已经相对于一个或多个实施方式描述了本发明，但是本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图之后可能进行等效的变更和修改。另外，尽管可能已经仅针对几种实施方式中的其中一种公开了本发明的特定特征，但是根据任何给定的或特定的应用，这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述实施例的限制，而且本发明的范围应根据所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (14)

1.一种用于测量样品曲率半径的方法，包括：
从激光源向着扩束器的方向发射光束；
扩大从所述激光源发射的所述光束的尺寸以产生宽的激光束；
将所述宽的激光束反射离开样品的曲表面；
通过使反射的宽的激光束穿过光栅掩模或双棱镜来产生多个不平行的激光束；
使用所述多个不平行的激光束在相机图像传感器处产生干涉图样；
通过所述相机图像传感器捕获第一图像和第二图像，所述第二图像的内容由在引起应力的处理前从平表面或曲表面反射的光产生；
由图像处理设备处理所述第一图像和所述第二图像以确定a值；
使用所述a值确定激光束发散值；以及
使用所述激光束发散值计算所述样品的曲率半径；
其中，所述a值如下确定：i)提取所述第一图像中包含的每个亮特征的第一中心位置和所述第二图像中包含的每个亮特征的第二中心位置；ii)在二维图上为每个所述第一中心位置分别绘制点，作为每个所述第二中心位置的函数；以及iii)确定由这些点定义的直线的斜率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光栅掩模包括周期性的孔。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光栅掩模包括周期性的线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品放置在高温炉内部。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述曲率半径计算所述样品的应力测量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
使用所述激光束发散值计算与所述样品曲率半径相关的应力并计算所述样品中的应力测量。
7.一种用于测量样品曲率半径的方法，包括：
从激光源向着扩束器的方向发射光束；
扩大从所述激光源发射的所述光束的尺寸以产生宽的激光束；
将所述宽的激光束反射离开样品的曲表面；
通过使反射的宽的激光束穿过光栅掩模或双棱镜来产生多个不平行的激光束；
使用所述多个不平行的激光束在相机图像传感器处产生干涉图样；
通过所述相机图像传感器捕获第一图像和第二图像，所述第二图像的内容由在引起应力的处理前从平表面或曲表面反射的光产生；
由图像处理设备处理所述第一图像和所述第二图像以确定a值；
使用所述a值确定激光束发散值；以及
使用所述激光束发散值计算所述样品的曲率半径；
其中，所述a值基于所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的空间频率的变化来确定；并且
其中，所述a值如下确定：确定由包含在所述第一图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第一频率；以及确定所述第一频率与由包含在所述第二图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第二频率的比值。
8.一种系统，包括：
光源，配置为发射光束；
扩束器，配置为扩展从激光源发射的所述光束尺寸以产生宽的激光束；
样品，具有曲表面，所述宽的激光束从所述曲表面反射；
光栅掩模或双棱镜，配置为通过反射的宽的激光束产生多个不平行的激光束；
相机图像传感器，由所述多个不平行的激光束在所述相机图像传感器处产生干涉图样，并且所述相机图像传感器配置为捕获第一图像和第二图像，所述第二图像的内容由在引起应力的处理前从平表面或曲表面反射的光产生；以及
图像处理设备，包括：
处理器，以及
非暂时性计算机可读存储介质，包括编程指令，所述编程指令配置为使所述处理器实施测量样品曲率半径的方法，其中，所述编程指令包括用于执行如下操作的指令：i)处理所述第一图像和所述第二图像以确定a值；ii)使用所述a值计算确定激光束发散值；以及iii)使用所述激光束发散值计算所述样品的所述曲率半径；
其中，所述a值如下确定：提取所述第一图像中包含的每个亮特征的第一中心位置和所述第二图像中包含的每个亮特征的第二中心位置；在二维图上为每个所述第一中心位置分别绘制点，作为每个所述第二中心位置的函数；以及确定由这些点定义的直线的斜率。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光栅掩模包括周期性的孔。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光栅掩模包括周期性的线。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述样品放置在高温炉内。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述编程指令还包括用于使用所述曲率半径来计算所述样品中应力测量的指令。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述编程指令还包括：
使用所述激光束发散值计算与所述样品曲率半径相关的应力并计算所述样品中的应力测量。
14.一种系统，包括：
光源，配置为发射光束；
扩束器，配置为扩展从激光源发射的所述光束尺寸以产生宽的激光束；
样品，具有曲表面，所述宽的激光束从所述曲表面反射；
光栅掩模或双棱镜，配置为通过反射的宽的激光束产生多个不平行的激光束；
相机图像传感器，由所述多个不平行的激光束在所述相机图像传感器处产生干涉图样，并且所述相机图像传感器配置为捕获第一图像和第二图像，该第二图像的内容由在引起应力的处理前从平表面或曲表面反射的光产生；以及
图像处理设备，包括：
处理器，以及
非暂时性计算机可读存储介质，包括编程指令，所述编程指令配置为使所述处理器实施测量样品曲率半径的方法，其中，所述编程指令包括用于执行如下操作的指令：i)处理所述第一图像和所述第二图像以确定a值；ii)使用所述a值计算确定激光束发散值；以及iii)使用所述激光束发散值计算所述样品的所述曲率半径；
其中，所述a值如下确定：确定由包含在所述第一图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第一频率；以及确定所述第一频率与由包含在所述第二图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第二频率的比值。
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