CN113203357B - 一种双侧斐索干涉仪检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种双侧斐索干涉仪检测装置，包括光源模块，第一干涉仪主机，第二干涉仪主机，第一标准镜，第二标准镜，被测非透明平面；所述的第一干涉仪主机、第二干涉仪主机均为斐索干涉仪。本发明将点光源位于准直镜的焦面但不在焦点上，从而使经准直镜透射的出射光与干涉仪光轴具有夹角，通过与光阑配合，使对侧干涉仪的出射光进入到本侧干涉仪后，汇聚在光阑的遮光区，不影响本侧干涉仪干涉图的接收；或者使用光开关，使第一干涉仪主机、第二干涉仪主机单独工作。本发明有效的提高了干涉图的质量，具有装置结构简单，操作方便，测量精度高的优点。

Description

一种双侧斐索干涉仪检测装置
技术领域
本发明涉及干涉测量领域，具体为一种用于测量非透明平面表面形貌的双侧斐索干涉仪检测装置。
背景技术
集成电路是促进产业不断改革的关键技术，随着光刻特征尺寸的不断减小，硅片表面形貌对光刻性能的影响越来越显著。作为一种特殊的非透明平面光学元件，通过对硅片表面平整度，形状等参数的检测，能够计算出硅片形貌对光刻聚焦深度的影响，同时能够计算硅片表面应力，实现对光刻图形面内畸变的检测，减小从光刻之外其他工艺导致的套刻误差。
因此，为了不断减小硅片表面形貌的测量精度，未来的技术节点需要更好平整度的硅片及更高检测精度的计量工具。基于电容传感器等的点扫描测量设备是测量硅片形貌和平整度的主流方法之一，通过单点扫描的方式实现对硅片表面形貌的测量，美国KLA公司,日本kobelcokaken公司等均曾采用该方法。但该方法检测精度及检测效率均受限，不适用现代工艺技术的发展需求。目前，用于硅片表面形貌测量的普通电容测量工具已被具有更高灵敏度和分辨率的干涉测量工具取代。
Corning Tropel公司采用斜入射干涉仪测量硅片表面形貌，通过掠入射方式增大等效波长，提高了干涉仪测量动态范围，但随着等效波长的增加，测量分辨率和检测精度也受到影响，且斜入射干涉仪体积过大，不易操作。为了追求更高精度，美国KLA公司采用双侧干涉测量装置对硅片表面进行检测，在上述基础上，先技术1(United States PatentUS6847458B2,Method and apparatus for measuring the shape and thicknessvariation of polished opaque plates，2003)采用的实验检测装置利用两侧干涉仪的出射光束具有相反旋向性来实现有效的光束隔离，光源输出光经过分束器和各干涉仪内部后，入射至被测面表面。此时返回至各干涉仪内部的有被测面表面反射的测量光束，参考面反射的参考光束和对侧干涉仪的出射光，且测量光束、参考光束与对侧干涉仪出射光偏振态正交。三束光进入到干涉仪系统，经过内部的四分之一波片和偏振分束器后，来自对侧干涉仪的出射光被反射至光源方向，与其偏振态正交的测量光束，参考光束透射到探测器表面，以此方法将两干涉仪内部测量光束彼此隔离，实现分光。在上述基础上，先技术2(KlausFreischlad,Shouhong Tang,and Jim Grenfell"Interferometry for waferdimensional metrology",Proc.SPIE 6672,667202，2007)采用双侧干涉测量装置，可同时对硅片前后表面检测，也可以仅测量单侧形貌，并提出了对硅片表面形貌的评价参数，大幅提高了硅片Warp、Flatness等参数的检测精度。
在先技术3(United States Patent US8068234B2 Method and apparatus formeasuring shape or thickness information of a substrate，2009)中，设计了相应的被测平面夹持工具，放置在第一干涉仪、第二干涉仪内部的中心空腔内，便于调整被测面前后表面与参考面之间的倾角，对映射被测面与参考面的间距变化更为精准，并通过子孔径拼接测量的方法，进行数据拼接扩大动态范围。与前技术相比，该方法和系统更为灵活，且扩大了被测面的尺寸测量极限，具有更高的空间分辨率。
此外，在先技术4(United States Patent US9279663B2 Method and apparatusto fold optics in tools for measuring shape and thickness of a large and thinsubstrate，2012)干涉仪内部加入了大量反射镜，使干涉图像可以多次通过相同的空间，形成折返光路，减小了测量干涉仪的整体尺寸，具有更好的紧凑性和稳定性。
在先技术1～4中，双侧斐索干涉仪内部均使用偏振分束器，通过偏振技术使双侧斐索干涉仪内部的由被测面表面反射的测量光束和对侧干涉仪的出射光彼此偏振态正交，从而使对侧干涉仪的出射光不会进入本侧干涉仪的探测器，实现两干涉仪内部测量光束的彼此隔离。因此该方法完全依赖两个干涉仪输出光偏振方向的正交性及干涉仪内部偏振分束棱镜的消光比来实现分光。但当对侧干涉仪的出射光经过被测非透明平面未遮挡光路部分时，仅依赖两侧干涉仪输出光的正交性及干涉仪内部偏振分束器的消光比，在实际应用中并不能使输出光被完全有效衰减。对于被测非透明平面表面的平面度及形状的测量，在先技术1～4中均采用下列方法：首先在中心空腔内不放置被测元件，进行空腔标定，测量形成空腔的参考面的特性，标定参考面的空腔倾斜及中心空腔的厚度；其次将抛光后的被测非透明平面放置在空腔内，依据测量流程获取被测面每一侧与相应参考面的单侧距离；最后依据空腔标定结果及相应的相移算法，得到被测面表面的平面度和形状。但依据上述双侧斐索干涉仪分光装置，对第一标准镜、第二标准镜中心空腔进行标定时，干涉仪的出射光大量进入对侧干涉仪，影响了干涉信号的探测，也会对被测面表面形貌的测量带来误差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双侧斐索干涉仪检测装置，有效的提高了干涉图的质量，具有装置结构简单，操作方便，测量精度高等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种双侧斐索干涉仪检测装置，包括共光路且相对放置的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机，以及参考面平行的第一标准镜和第二标准镜；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机出射光传播路径一致，方向相反，所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均包括沿光轴依次设置的点光源、分束器和准直镜，以及光阑和探测器；所述的点光源位于准直镜的焦面非焦点处，使点光源依次经分束器和准直镜透射的出射光与所述的光轴具有夹角，进而使经所述的第一干涉仪主机进入第二干涉仪主机的光线汇聚在第二干涉仪主机的光阑的遮光区，不射入该第二干涉仪主机的探测器；同样，经所述的第二干涉仪主机出射并进入第一干涉仪主机的光线，汇聚在第一干涉仪主机的光阑的遮光区，不射入该第一干涉仪主机的探测器。
一种双侧斐索干涉仪检测装置，包括共光路且相对放置的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机，以及参考面平行的第一标准镜和第二标准镜；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机出射光传播路径一致，方向相反，所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均包括沿光轴依次设置的点光源、分束器和准直镜，以及光阑和探测器；所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机内还包括光开关，该光开关用于遮挡点光源的出射光，从而使仅一台干涉仪主机工作。
所述的点光源为光源输出光经光纤光路传播，经成像透镜组聚焦后的聚焦点，或者所述的点光源为光纤端面本身。
所述的分束器是偏振分束器；所述的光源模块包括光源、光源分束器；所述的光源是波长可调谐激光器；所述的光源输出光通过单模光纤传输，经光源分束器分为两路，分别输入至第一干涉仪主机、第二干涉仪主机。
所述的光源模块输出的两路光均为线偏振光，输入至各干涉仪主机后，分别经过干涉仪内部的可调谐衰减器、分束器后经准直镜准直入射到标准镜上。其中，一部分光在标准镜参考面处被反射，另一部分被透射，经被测非透明平面反射的光构成系统的测量光束，经参考面反射的光构成系统的参考光束。所述的标准镜参考面为标准镜的后表面；所述的可调衰减器实现光强比例可调。
本发明的技术原理是：
在现有的双侧斐索干涉仪对被测面前、后表面同时检测时，实验检测装置均利用两侧干涉仪的出射光具有相反旋向性来实现有效的光束隔离，此类方法的弊端是，当另一侧干涉仪的出射光经过被测非透明平面未遮挡光路部分时，或干涉视场大于被测面直径时，仅依赖两侧干涉仪输出光的正交性及干涉仪内部偏振分束器的消光比，在实际应用中并不能使输出光被完全有效衰减，影响系统测量精度；本发明所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机相对放置，光轴对齐，第一标准镜参考面和第二标准镜参考面平行，第一干涉仪主机和第二干涉仪主机的点光源出射光位于准直镜的焦面但不在焦点上，准直镜出射光与光轴具有夹角；对侧干涉仪不在准直镜焦点处出射的出射光进入到本侧干涉仪后，与本侧干涉仪光轴不平行，出射光进入到本侧干涉仪内部后，汇聚于成像系统的光阑遮光区；本侧干涉仪的出射光经标准镜参考面表面、被测非透明平面表面反射后，汇聚于成像系统的光阑通光区，进入干涉仪主机内部探测器内；有效减小了对侧光进入干涉仪系统，实施了光束隔离。也可以利用点光源与分束器之间的光开关实现第一干涉仪主机、第二干涉仪主机单独工作；利用光开关使一侧干涉仪主机没有输出光，进入到另一侧干涉仪内部探测器的只有标准镜参考面反射的参考光束与被测非透明平面反射的测量光束。消除对侧干涉仪输出光的影响，提高了干涉图的质量，具有装置结构简单，操作方便，测量精度高等优点。
本发明的技术效果是：
1)点光源位于准直镜的焦面但不在焦点上，经过准直镜透射的出射光与干涉仪光轴具有夹角，与干涉仪内部成像系统的光阑配合实现分光；
2)使用光开关，使两侧干涉仪独立工作。对侧干涉仪的输出光不能进入本侧干涉仪的探测器，消除了对侧干涉仪输出光的影响，提高了成像质量及测量精度。
附图说明
图1为本发明的双侧斐索干涉仪检测装置的第一个示意图。
图2为本发明的双侧斐索干涉仪检测装置的第二个示意图。
图3为本发明的双侧斐索干涉仪检测装置的第三个示意图。
图4为本发明的斐索干涉仪内部结构的第一个实施例图。
图5为本发明的斐索干涉仪内部结构的第二个实施例图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1～图3为所发明的双侧斐索干涉仪检测装置的示意图，系统包括光源模块1、第一干涉仪主机2、第二干涉仪主机3、第一标准镜4、第二标准镜6、被测非透明平面5。
光源模块1输出两路光，分别输入至第一干涉仪主机2、第二干涉仪主机3，所述的第一干涉仪主机2、第二干涉仪主机3均为斐索干涉仪，将第一干涉仪主机和第二干涉仪主机相对放置，光轴对齐，将第一标准镜和第二标准镜参考面平行放置。光源模块1包括光源101、光源分束器102，所述的光源是波长可调谐激光器，所述的光源输出光通过单模光纤传输，经光源分束器分为两路，分别输入至第一干涉仪主机2、第二干涉仪主机3。
图4为所发明的斐索干涉仪内部结构的第一个实施例图。对于被测非透明平面5表面的平面度及形状的测量，首先在中心空腔内不放置被测元件，进行第一干涉仪2、第二干涉仪3之间的空腔标定。测量形成空腔的参考面的特性，标定参考面的空腔倾斜及中心空腔的厚度，校准并消除参考面与被测非透明平面5之间的倾斜误差，并确定干涉视场大于被测面直径。
由第一干涉仪主机2和第二干涉仪主机3的点光源出射光透射经过分束器203后由准直镜205准直，出射光经被测非透明平面5或参考面4反射后由准直镜汇聚，经分束器后，汇聚在光阑206通光区，通过光阑后由探测器208接收；所述的第一干涉仪主机2和第二干涉仪主机3的点光源位于其准直镜205的焦面但不在焦点上，从而使得其准直镜出射光与光轴具有夹角；所述的点光源为光源输出光经光纤光路传播，经成像透镜组202聚焦后的聚焦点，或者所述的点光源为光纤端面本身；所述的第一干涉仪主机2和第二干涉仪主机3出射光传播路径一致，方向相反。
第一干涉仪主机2出射光进入第二干涉仪主机3后，部分光线汇聚在第二干涉仪主机光阑的遮光区，使得第一干涉仪主机出射光不能进入第二干涉仪主机的探测器208；第二干涉仪主机3出射光进入第一干涉仪主机2后，部分光线汇聚在第一干涉仪主机光阑的遮光区，使得第二干涉仪主机出射光不能进入第一干涉仪主机的探测器208。具体流程为：将抛光后的被测非透明平面5放置在第一干涉仪主机2、第二干涉仪主机3之间的中心空腔内，波长可调谐激光器发出的线偏振光经光源分束器102后，输入至各自干涉仪，入射光经过可调谐衰减器201后进入分束器203，在分束器203内部反射至与偏振方向成45度的四分之一波片204。经过四分之一波片204后，入射光由线偏振光转换为圆偏振光，经准直镜205准直后入射到标准镜4。其中，一部分光在标准镜参考面处被反射，另一部分被透射，经被测非透明平面5反射的光构成系统的测量光束，经参考面反射的光构成系统的参考光束；所述的标准镜4参考面为标准镜的后表面。
所述的被测非透明平面5反射的测量光束与标准镜参考面反射的参考光束反射至本侧干涉仪主机内，依次通过标准镜4、准直镜205、四分之一波片204、分束器203后，汇聚在干涉仪主机光阑206的通光区，进入探测器208内；对侧干涉仪的出射光进入到干涉仪内部后，通过标准镜4，准直镜205、四分之一波片204、分束器203后汇聚在干涉仪主机光阑的遮光区，对侧干涉仪的输出光不能进入本侧干涉仪的探测器内，有效实现了光束隔离。
图5为本发明的斐索干涉仪内部结构的第二个实施例图。所述的第一干涉仪主机2和第二干涉仪主机3内还设有光开关20X，用于遮挡其点光源的出射光，使第一干涉仪主机2、第二干涉仪主机3彼此单独工作；所述的点光源为光源输出光经光纤光路传播，经成像透镜组202聚焦后的聚焦点，或者所述的点光源为光纤端面本身。
将抛光后的被测非透明平面5放置在中心空腔内，对被测非透明平面5前、后表面面形检测时，打开位于第一干涉仪主机2和第二干涉仪主机3的光开关20X，打开光开关20X的一侧干涉仪无输出光进入到中心空腔内；未打开光开关20X的干涉仪主机点光源出射光经过分束器203后由准直镜205准直，出射光经被测非透明平面5和标准镜4参考面反射后由准直镜汇聚，经分束器后，汇聚在光阑206通光区，通过光阑后由探测器208接收；此时内部探测器208接收的只有标准镜4参考面反射的参考光束与被测非透明平面5反射的测量光束，没有对侧干涉仪主机出射光射入；对被测非透明平面一侧标定后，重复上述操作，将光开关20X关闭，另一侧干涉仪光开关打开，完成对被测非透明平面另一侧的标定。

Claims (6)

1.一种双侧斐索干涉仪检测装置，包括共光路且相对放置的第一干涉仪主机(2)和第二干涉仪主机(3)，以及参考面平行的第一标准镜(4)和第二标准镜(6)；所述的第一干涉仪主机(2)和第二干涉仪主机(3)出射光传播路径一致，方向相反，所述的第一干涉仪主机(2)和第二干涉仪主机(3)均包括沿光轴依次设置的点光源、分束器(203)和准直镜(205)，以及光阑(206)和探测器(208)；其特征在于：所述的点光源位于准直镜(205)的焦面非焦点处，使点光源依次经分束器(203)和准直镜(205)透射的出射光与所述的光轴具有夹角，进而使经所述的第一干涉仪主机(2)进入第二干涉仪主机(3)的光线汇聚在第二干涉仪主机(3)的光阑(206)的遮光区，不射入该第二干涉仪主机(3)的探测器(208)；同样，经所述的第二干涉仪主机(3)出射并进入第一干涉仪主机(2)的光线，汇聚在第一干涉仪主机(2)的光阑(206)的遮光区，不射入该第一干涉仪主机(2)的探测器(208)。
2.根据权利要求1所述的双侧斐索干涉仪检测装置，其特征在于，所述的点光源为光源输出光经光纤光路传播，经成像透镜组(202)聚焦后的聚焦点，或者所述的点光源为光纤端面本身。
3.根据权利要求1所述的双侧斐索干涉仪检测装置，其特征在于，所述的分束器(203)是偏振分束器。
4.根据权利要求1所述的双侧斐索干涉仪检测装置，其特征在于，还包括用于给第一干涉仪主机(2)和第二干涉仪主机(3)提供光源的光源模块(1)。
5.根据权利要求4所述的双侧斐索干涉仪检测装置，其特征在于，所述的光源模块(1)包括光源(101)和光源分束器(102)，所述的光源输出光通过单模光纤传输，经光源分束器(102)分为两路，分别输入至第一干涉仪主机(2)和第二干涉仪主机(3)。
6.根据权利要求1～5任一所述的双侧斐索干涉仪检测装置，其特征在于，所述的光源(101)是波长可调谐激光器；输出的两路光均为线偏振光，输入至各干涉仪主机后，分别经过干涉仪内部的可调谐衰减器(201)、分束器(203)后经准直镜(205)准直入射到标准镜(4)上，其中，一部分光在标准镜参考面(4)处被反射，另一部分被透射，经被测非透明平面(5)反射的光构成系统的测量光束，经参考面反射的光构成系统的参考光束，所述的标准镜参考面为标准镜的后表面；所述的可调衰减器(201)实现光强比例可调。
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