CN114910019B - 一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法，属于样品检测领域，方法为：将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束；将第一路子光束经反射形成参考光；将第二路子光束转变为线偏振光；评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变光束的波前相位并反射扫描光束；对样品面扫描，并利用扫描透镜压缩扫描光束，经样品表面反射形成反射光；反射光与参考光发生干涉，由光谱仪获取的频域干涉信息经计算机提取出样品各点高度信息；对样品待检测区域中各个扫描位置的高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。本发明大大提高了对不同区域扫描精度不同的样品的检测效率。

Description

一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法

技术领域

本发明属于样品检测领域，更具体地，涉及一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法。

背景技术

生产中，各种精密零件需要测量精密程度，如表面形貌和膜厚等。现如今获得零件表面形貌的手段主要有传统的接触式测量和光学干涉式扫描测量两种。其中，接触式测量以原子力显微镜和台阶仪等为代表，这些手段有着极高的分辨率和准确性，但不可避免地会对被测表面造成影响，同时无法反映较大尺寸上被测对象的表面形貌和膜厚等特征。为此，以白光干涉仪和光学相干层析术为代表的光学扫描手段更具有优势。

系统的横向分辨率决定着扫描的精细程度。以光学相干层析术为例，系统的横向分辨率一般由扫描光束的束腰直径以决定。扫描光斑可类比于接触式扫描所用到的探针，使用小束腰的光束扫描，系统就可以达到更好的横向分辨率，更有利于细微的探测。但过小的束腰也会带来其他的问题，即较慢的扫描速度，边缘处明显的蝠翼效应和更小的焦深等等。

实际设备中，光束的束腰直径由扫描系统内的光纤准直器和扫描透镜以决定，不同型号的元件组合，对应不同的扫描光束。因此若需改变束腰直径，则必须对系统的元件进行调整。

如图1所示的标准晶圆样品局部图，用以模拟样品测量的实际情况。该晶圆上刻蚀着不同直径的小孔，如25μm，50μm，100μm，200μm等。若使用较大束腰直径的扫描光束，则无法扫描25μm的小孔；若使用较小束腰直径的光束，在扫描如200μm等大孔时不但速度较慢，同时会在孔的边缘产生极明显的蝠翼效应；

因此，如果某样品在不同区域有着不同的测量需求，无法在一次完整的扫描过程中动态改变扫描光束束腰直径，这些问题都体现了现有的改变光束束腰直径方法的不便。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法，旨在解决现有的样品在不同区域有着不同的检测需求，因无法动态改变扫描光束束腰直径，导致无法在一次扫描过程中对样品进行整体检测的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置，包括：宽光谱低相干光源、分束器、反射镜、光环形器、偏振片、反射式空间光调制器、扫描振镜、扫描透镜、光谱仪和计算机；

宽光谱低相干光源的输出端与分束器相连；分束器的第一输出端与反射镜相连，其第二输出端与光环形器的第一端口相连，其第三输出端与光谱仪第一端相连；扫描振镜的输入端与光环形器的第三端口相连，其输出端与扫描透镜相连；光环形器的第二端口与偏振片的输入端相连；偏振片的输出端与反射式空间光调制器的第一输入端相连；反射式空间光调制器的第二输入端与所述计算机的输出端相连；光谱仪的第二端与计算机相连；

宽光谱低相干光源用于生成低相干光；分束器用于将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束；反射镜用于将第一路子光束反射形成参考光；光环形器用于从第一端口接收第二路子光束，从第二端口出射第二路子光束；从第二端口接收扫描光，从第三端口发射扫描光束；从第三端口接收反射光，从第一端口出射发射光；偏振片用于将第二路子光束转变为线偏振光；计算机用于根据样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度为所述反射式空间光调制器加载相位图；反射式空间光调制器用于在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；扫描振镜用于偏转扫描光束，对样品进行面扫描；扫描透镜用于进一步压缩束腰并消除F-theta畸变；反射光与参考光在光纤分束器中发生干涉；光谱仪用于获取频域干涉图像；计算机用于提取频域干涉图像中样品各点高度信息并整合成整个样品的表面形貌；其中，线偏振光的振动方向与反射式空间光调制器长轴方向平行；不同相位图对应生成的扫描光束束腰直径不同。

进一步优选地，宽光谱低相干光源为SLD光源。

进一步优选地，反射镜为平面镜或曲面镜。

进一步优选地，分束器为50:50的光纤分束器。

另一方面，本发明基于上述的样品检测装置，提供了相应的样品检测方法，包括以下步骤：

S1：将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束；

S2：将第一路子光束经反射形成参考光，且将第二路子光束转变为线偏振光；

S3：评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；

S4：偏转扫描光束对样品进行面扫描，通过扫描透镜进一步压缩扫描光束束腰大小且消除F-theta畸变，光束经样品表面反射形成反射光；

S5：反射光与参考光发生干涉，由光谱仪获取生成的每一个扫描点对应的频域干涉图像，传递至计算机提取出各点高度信息；

S6：对样品待检测区域中各点高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。

进一步优选地，采用50:50的光纤分束器将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束。

进一步优选地，低相干光采用SLD光源产生。

一方面，本发明提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置，包括：宽光谱低相干光源、光纤分束器、平板分束器、光环形器、偏振片、反射式空间光调制器、扫描振镜、扫描透镜、光谱仪和计算机；

宽光谱低相干光源的输出端与光纤分束器相连；光纤分束器的第一输出端与光环形器的第一端口相连，其第二输出端与光谱仪第一端相连；所述扫描振镜的输入端与光环形器的第三端口相连，其输出端与扫描透镜相连；平板分束器位于所述扫描透镜与样品之间；所述光环形器的第二端口与偏振片的输入端相连；所述偏振片的输出端与所述反射式空间光调制器的第一输入端相连；所述反射式空间光调制器的第二输入端与所述计算机的输出端相连；所述光谱仪的第二端与计算机相连；

宽光谱低相干光源用于生成低相干光；光环形器用于从第一端口接收低相干光，从第二端口出射低相干光；从第二端口接收扫描光，从第三端口发射扫描光束；从第三端口接收反射光和透射光，从第一端口出射发射光和透射光；平板分束器用于将扫描光束分为反射光和透射光；所述偏振片用于将低相干光转变为线偏振光；计算机用于根据样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度为反射式空间光调制器加载相位图；反射式空间光调制器用于在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；扫描振镜用于偏转扫描光束，采用透射光对样品进行面扫描；扫描透镜用于进一步压缩束腰并消除F-theta畸变；光谱仪用于获取频域干涉图像；计算机用于提取频域干涉图像中样品各点高度信息并整合成整个样品的表面形貌；反射光与透射光在光纤分束器中发生干涉；其中，线偏振光的振动方向与反射式空间光调制器长轴方向平行；不同相位图对应生成的扫描光束束腰直径不同。

进一步优选地，宽光谱低相干光源为SLD光源。

另一方面，基于上述样品检测装置，提供了相应的样品检测方法，包括以下步骤：

S1：将低相干光转变为线偏振光；

S2：评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；

S3：偏转扫描光束后将其分为反射光和透射光，通过扫描透镜进一步压缩透射光束腰大小且消除F-theta畸变，采用透射光对样品进行面扫描；

S4：反射光与透射光发生干涉，由光谱仪获取生成的每一个扫描点对应的频域干涉图像，传递至计算机提取出各点高度信息；

S5：对样品待检测区域中各点高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法，其中，采用计算机根据样品当前检测位置所需的扫描精度程度为反射式空间光调制器加载相位图，进而改变线偏振光的波前相位并反射形成扫描光束，加载不同的相位图，输出的扫描光束的束腰直径是不同的，束腰直径的不同对样品的精细程度识别不同。因此在实际应用中，根据样品不同位置对精细程度要求的不同，实时采用计算机为反射式空间光调制器加载不同的相位图，可以在一次扫描过程中，对不同区域有不同检测需求的样品完成整体检测，大大提高了对样品的检测效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的标准晶圆样品局部图；

图2是本发明实施例提供的一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的空间光调制器上所加载的焦距为100mm的菲涅尔相位图；

图4(b)是本发明实施例提供的空间光调制器上所加载的焦距为300mm的菲涅尔相位图；

图4(c)是本发明实施例提供的空间光调制器上所加载的焦距为750mm的菲涅尔相位图；

图4(d)是本发明实施例提供的空间光调制器上所加载的焦距为1500mm的菲涅尔相位图。

标记说明：1-计算机；2-SLD光源；3-光纤分束器；4-1-平面镜；4-2：平板分束器；5-光环形器；6-偏振片；7-反射式空间光调制器；8-扫描振镜；9-扫描透镜；10-样品；11-光谱仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面介绍本发明涉及到的几个器件：

空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)是一种通过改变入射光束的波前相位以调整光束参数的光学器件，分为折射型与反射型两种。实际使用时，计算机导入的相位图形加载到SLM的液晶屏上，通过双折射效应实现对入射光的相位调制，通过加载不同的相位图片以实现光束参数的任意实时转换。

扫描振镜包括X光学扫描头和Y光学扫描头，电子驱动放大器和光学反射镜镜头组成，通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制扫描光束的偏转。扫描原理为：扫描图案是二维效果图案，通过改变X光学扫描头和Y光学扫描头的位置，一个时刻确定一个点的位置，通过扫描频率控制不同时刻点的位置达到整个扫描图案的变换。

光谱仪为将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。

实施例1

如图2所示，本发明实施例提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置，包括：SLD(超辐射二极管)光源2、光纤分束器3、平面镜4、光环形器5、偏振片6、反射式空间光调制器7、扫描振镜8、扫描透镜9、光谱仪11和计算机1；

计算机1的输入端连接反射式空间光调制器7的输入端，SLD光源2的输出端连接光纤分束器3的输入端；光纤分束器3的第一输出端连接平面镜4-1，其第二输出端连接光环形器5的第一端口，其第三输出端连接光谱仪11；光环形器5的第二端口连接偏转片6，其第三端口连接扫描振镜8的输入端；扫描振镜8的输出端连接扫描透镜9的输入端，扫描透镜9的输出端正对样品；光谱仪11的第二端与计算机相连；

SLD光源2用于生成低相干光；光纤分束器3为50:50的光纤分束器，将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束，并用于将反射光与参考光干涉；平面镜4-1用于将第一路子光束反射，形成参考光；光环形器5用于从第一端口接收第二路子光束，从第二端口出射第二路子光束；并用于从第二端口接收扫描光，从第三端口发射扫描光束；并用于从第三端口接收反射光，从第一端口出射反射光；偏振片6用于将光环形器5第二端口出射的第二路子光束转变为线偏振光，入射至反射式空间光调制器7；计算机1用于根据样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度为反射式空间光调制器7加载相位图；反射式空间光调制器7用于在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；扫描振镜8用于将扫描光束到达样品的当前扫描位置；扫描透镜9用于进一步压缩束腰并消除F-theta畸变；；样品10用于将扫描光束反射，形成反射光；光谱仪11用于获取频域干涉图像；计算机1用于提取频域干涉图像中样品各点高度信息并整合成整个样品的表面形貌；其中，线偏振光的振动方向与反射式空间光调制器长轴方向平行。

相应地，本发明实施例提供的实现动态调节扫描光束直径的样品检测方法，包括以下步骤：

S1：将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束；

S2：将第一路子光束经反射形成参考光；

S3：将第二路子光束转变为线偏振光；

S4：评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；

S5：偏转扫描光束对样品进行面扫描，通过扫描透镜进一步压缩扫描光束束腰大小且消除F-theta畸变，光束经样品表面反射形成反射光；

S6：反射光与参考光发生干涉，由光谱仪获取生成的每一个扫描点对应的频域干涉图像，传递至计算机提取出各点高度信息；

S7：对样品待检测区域中各点高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。

实施例2

如图3所示，本发明实施例提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置，包括：SLD光源2、光纤分束器3、平板分束器4-2、光环形器5、偏振片6、反射式空间光调制器7、扫描振镜8、扫描透镜9、光谱仪11和计算机1；

SLD光源2的输出端与光纤分束器3相连；光纤分束器3的第一输出端与光环形器5的第一端口相连，其第二输出端与光谱仪11第一端相连；扫描振镜8的输入端与光环形器5的第三端口相连，其输出端与扫描透镜9相连；平板分束器4-2位于扫描透镜9与样品10之间；光环形器5的第二端口与偏振片6的输入端相连；偏振片6的输出端与反射式空间光调制器7的第一输入端相连；反射式空间光调制器7的第二输入端与计算机1的输出端相连；光谱仪11的第二端与计算机1相连；

SLD光源2用于生成低相干光；光环形器5用于从第一端口接收低相干光，从第二端口出射低相干光；从第二端口接收扫描光，从第三端口发射扫描光束；从第三端口接收反射光和透射光，从第一端口出射发射光和透射光；平板分束器4-2用于将扫描光束分为反射光和透射光；偏振片6用于将低相干光转变为线偏振光；计算机1用于根据样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度为所述反射式空间光调制器7加载相位图；反射式空间光调制器7用于在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；扫描振镜8用于偏转扫描光束，采用透射光对样品进行面扫描；扫描透镜9用于进一步压缩束腰并消除F-theta畸变；光谱仪11用于获取频域干涉图像；计算机1用于提取频域干涉图像中样品各点高度信息并整合成整个样品的表面形貌；反射光与透射光在光纤分束器3中发生干涉；其中，线偏振光的振动方向与反射式空间光调制器长轴方向平行；不同相位图对应生成的扫描光束束腰直径不同。

基于上述样品检测装置，提供了相应的样品检测方法，包括以下步骤：

S1：将低相干光转变为线偏振光；

S2：评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；

S3：偏转扫描光束后将其分为反射光和透射光，通过扫描透镜进一步压缩透射光束腰大小且消除F-theta畸变，采用透射光对样品进行面扫描；

S4：反射光与透射光发生干涉，由光谱仪获取生成的每一个扫描点对应的频域干涉图像，传递至计算机提取出各点高度信息；

S5：对样品待检测区域中各点高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。

为了实现改变光束束腰的功能，计算机1加载至反射式空间光调制器7的相位图为菲涅尔透镜的相位图；菲涅尔透镜是一组同心圆环，不同的周期直观上体现为圆环的宽度不同，进而导致了不同的焦距。因此，在样品检测时在反射式空间光调制器上加载不同周期的菲涅尔相位图，相当于在扫描光路中插入一个由计算机控制的变焦透镜，由此实现不同程度的扫描光束压缩，得到不同的束腰直径。如图4(a)～图4(d)为反射式空间光调制器上所加载的不同焦距的菲涅尔相位图，分别为100mm，300mm，750mm和1500mm对应焦距的菲涅尔透镜。

综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：

本发明提供了一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置及方法，其中，采用计算机根据样品当前检测位置所需的扫描精度程度为反射式空间光调制器加载相位图，进而改变线偏振光的波前相位并反射形成扫描光束，加载不同的相位图，输出的扫描光束的束腰直径是不同的，束腰直径的不同对样品的精细程度识别不同。因此在实际应用中，根据样品不同位置对精细程度要求的不同，实时采用计算机为反射式空间光调制器加载不同的相位图，可以在一次扫描过程中，对不同区域有不同检测需求的样品完成整体检测，大大提高了对样品检测的效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置，其特征在于，包括：宽光谱低相干光源、分束器、反射镜、光环形器、偏振片、反射式空间光调制器、扫描振镜、扫描透镜、光谱仪和计算机；

所述宽光谱低相干光源的输出端与分束器相连；分束器的第一输出端与反射镜相连，其第二输出端与光环形器的第一端口相连，其第三输出端与光谱仪第一端相连；所述扫描振镜的输入端与光环形器的第三端口相连，其输出端与扫描透镜相连；所述光环形器的第二端口与偏振片的输入端相连；所述偏振片的输出端与所述反射式空间光调制器的第一输入端相连；所述反射式空间光调制器的第二输入端与所述计算机的输出端相连；所述光谱仪的第二端与计算机相连；

所述宽光谱低相干光源用于生成低相干光；所述分束器用于将所述低相干光分为第一路子光束和第二路子光束；所述反射镜用于将第一路子光束反射形成参考光；所述偏振片用于将第二路子光束转变为线偏振光；所述计算机用于根据样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度为所述反射式空间光调制器加载相位图；所述反射式空间光调制器用于在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；所述扫描振镜用于偏转扫描光束，对样品进行面扫描；所述扫描透镜用于进一步压缩扫描光束束腰并消除F-theta畸变；反射光与参考光在光纤分束器中发生干涉；所述光谱仪用于获取频域干涉图像；所述计算机用于提取频域干涉图像中样品各点高度信息并整合成整个样品的表面形貌；其中，所述线偏振光的振动方向与反射式空间光调制器长轴方向平行；不同相位图对应生成的扫描光束束腰直径不同。

2.根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于，所述宽光谱低相干光源为SLD光源。

3.根据权利要求1或2所述的样品检测装置，其特征在于，所述反射镜为平面镜或曲面镜。

4.根据权利要求1或2所述的样品检测装置，其特征在于，所述分束器为50:50的光纤分束器。

5.基于权利要求1所述的样品检测装置的样品检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束；

S2：将第一路子光束经反射形成参考光，且将第二路子光束转变为线偏振光；

S3：评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；

S4：偏转扫描光束对样品进行面扫描，通过扫描透镜进一步压缩扫描光束束腰大小且消除F-theta畸变，光束经样品表面反射形成反射光；

S5：反射光与参考光发生干涉，将每一个扫描点对应的频域干涉图像，传递至计算机提取出各点高度信息；

S6：对样品待检测区域中各点高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。

6.根据权利要求5所述的样品检测方法，其特征在于，采用50:50的光纤分束器将低相干光分为第一路子光束和第二路子光束。

7.根据权利要求6所述的样品检测方法，其特征在于，所述低相干光采用SLD光源产生。

8.一种实现动态调节扫描光束直径的样品检测装置，其特征在于，包括：宽光谱低相干光源、光纤分束器、平板分束器、光环形器、偏振片、反射式空间光调制器、扫描振镜、扫描透镜、光谱仪和计算机；

所述宽光谱低相干光源的输出端与光纤分束器相连；光纤分束器的第一输出端与光环形器的第一端口相连，其第二输出端与光谱仪第一端相连；所述扫描振镜的输入端与光环形器的第三端口相连，其输出端与扫描透镜相连；平板分束器位于所述扫描透镜与样品之间；所述光环形器的第二端口与偏振片的输入端相连；所述偏振片的输出端与所述反射式空间光调制器的第一输入端相连；所述反射式空间光调制器的第二输入端与所述计算机的输出端相连；所述光谱仪的第二端与计算机相连；

所述宽光谱低相干光源用于生成低相干光；所述平板分束器用于将扫描光束分为反射光和透射光；所述偏振片用于将低相干光转变为线偏振光；所述计算机用于根据样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度为所述反射式空间光调制器加载相位图；所述反射式空间光调制器用于在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；所述扫描振镜用于偏转扫描光束，采用透射光对样品进行面扫描；所述扫描透镜用于进一步压缩束腰并消除F-theta畸变；所述光谱仪用于获取频域干涉图像；所述计算机用于提取频域干涉图像中样品各点高度信息并整合成整个样品的表面形貌；所述反射光与透射光在所述光纤分束器中发生干涉；其中，所述线偏振光的振动方向与反射式空间光调制器长轴方向平行；不同相位图对应生成的扫描光束束腰直径不同。

9.根据权利要求8所述的样品检测装置，其特征在于，所述宽光谱低相干光源为SLD光源。

10.基于权利要求8所述的样品检测装置的样品检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将低相干光转变为线偏振光；

S2：评估样品当前扫描检测位置所需的扫描精细程度，在反射式空间光调制器上加载相位图，在扫描过程中动态改变线偏振光的波前相位并反射扫描光束；

S3：偏转扫描光束后将其分为反射光和透射光，通过扫描透镜进一步压缩透射光束腰大小且消除F-theta畸变，采用透射光对样品进行面扫描；

S4：反射光与透射光发生干涉，将生成的每一个扫描点对应的频域干涉图像传递至计算机提取出各点高度信息；

S5：对样品待检测区域中各点高度信息进行整合，获取整个样品的表面形貌。

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