TWI420072B - 具有虛位參考面之干涉儀 - Google Patents

Description

具有虛位參考面之干涉儀

本發明有關於具有虛位參考面之干涉儀。

目前的拋光技術能夠製造具有次奈米與埃(Angstrom)範圍之刻紋(waviness)與粗糙度(roughness)的表面。舉例來說，具有上述範圍之表面刻紋與表面粗糙度的裝置包括超級拋光的(super-polished)光學元件、磁碟基板以及半導體晶圓。當使用高解析度干涉顯微鏡測量粗糙度，且測量範圍大至數個釐米時，粗糙度的測量範圍就必須大一點，例如約數十個釐米。

有時候，使用目前的干涉儀來測量超平滑表面的表面樣貌是有困難的，其中待測表面通常與干涉儀內部的參考表面作比較。若要忽略干涉參考表面的貢獻，則參考面之表面樣貌的粗糙度及/或刻紋應遠小於待測面之表面樣貌的粗糙度及/或刻紋，這對上述舉例的裝置來說是有困難的。目前，參考面的表面樣貌是由一系列的校正量測所決定的，然後再從待測面的量測結果中將其扣掉。然而，這個校正量測的程序非常麻煩。此外，干涉儀若稍有不穩便會在校正標準圖(calibration map)與實際量測誤差之間造成偏差，使得參考面無法完全由量測中被移除。經常重新校正是必須的，特別是當參考面上具有顯著高空間頻率之局部缺陷和特徵的時候。

鑒於上述問題，干涉組態於是被設計為：在干涉儀之干涉譜偵測器的銳聚焦(sharp focus)中，使用沒有實體表面的參考光束。(參考J. Krug,J. Rienitz,G. Schulz,“Contributions to Interference Microscopy ”,Hilger & Watts,London 1964；U. Gerhard,“Erfahrungen mit dem Tripelspiegel -Auflichtinterferenzmikroskop ”,Feingeraetetechnik 16,505(1967)；以及美國專利號4,983,042，上述全體皆引用作為本說明書的揭示內容)。在這種組態中，參考光束中與干涉譜偵測器光學共軛(conjugate)的平面被稱為虛位參考面(virtual reference surface)。相較於其他干涉組態(如：Michelson、Linnik或Fizeau)，其共軛平面中沒有真實、實體的表面。因此，若在此種干涉儀中使用平面空間非同調光源，在參考光束中，所有真實表面上的小缺陷和粗糙度在干涉譜偵測器中都會變得模糊，且降低或消除其干涉量測的效果。關於共軛點與面的討論請參考，“Optics ”,by Eugene Hecht,2^nd Edition,Addison Wesley Publishing Co.(1987),pp. 128-130與“Fundamentals of Optics ”,by F. Jenkins,H. White,4^th Edition,Mcgraw Hill Book Company,New York 1976,pp. 47,48,62。

對於平滑樣品之表面樣貌的測量，除了必須：(1)讓測試光束正向入射樣品；(2)對於平面且空間非同調光源產生之寬帶白光，能夠提供最大對比度；以及(3)在緊密穩定的光路結構中使用簡單的面平行平板，來達到數十釐米的量測範圍。一種強固且值得量產的測量工具尚須具有虛位參考面的干涉組態。

本揭露提供一種具有虛位參考面的干涉儀，用於樣品的表面樣貌測試，其中在干涉儀中沒有實體的光學表面與干涉偵測器光學共軛。本發明大幅地減少干涉系統的校正需求且允許具有次埃(sub-Angstrom)等級之刻紋與粗糙度之超級拋光的表面進行表面樣貌的量測。干涉腔具有緊密穩定的三角形組態，其中三角形大致上為等腰三角形。藉由在干涉腔內使用兩個額外的窗(windows)，干涉儀被徹底地補償而能使用平面的、空間非同調光源，且被補償而能適用寬帶、白光操作。在面平行平板的三角形組態中使用兩個額外的窗補償了寬帶白光的操作。

干涉儀積體化的對準通道使得干涉腔與待測面的位置均能被調整以在量測中得到良好的條紋對比度，這對於具有產生相當局部條紋之時空非同調光源來說，是很困難和繁瑣的。此外，在一些實施例中，干涉腔的對準可藉由在三角形干涉腔內使用具有兩道反向傳播的光束的對準通道而完成，而無需使用其他輔助裝置。干涉腔使用到面平行光學裝置，其能夠以非常高之表面精度與平行度而被高效率地製造。自待測面至干涉譜偵測器的成像路徑之中，不會有任何干涉腔組件，否則會在影像中造成像差並降低表面樣貌的空間解析度。

本揭露教示一種成像干涉儀，用於量測待測面的特徵，其中除了待測面之外，沒有一個光學元件在焦點中，且干涉腔的光學組態大體上為等腰三角形。本揭露教示一種成像干涉儀，用於量測待測面的特徵，其中除了待測面之外，沒有一個光學元件在焦點中，且一個與成像系統無關之積體化對準系統允許光學元件調整位置以改善量測效能。本揭露教示一種成像干涉儀，用於量測待測面的特徵，其中除了待測面之外，沒有一個光學元件在焦點中，且干涉腔的光學組態大體上為等腰三角形，且光學系統相容於平面(空間非同調)、頻譜為寬帶(大於10 nm帶寬)的光源。

本發明多種樣態摘要如下。

一般來說，在一實施例中，本揭露提供一種成像干涉儀，用以量測一待測面的特徵，上述干涉儀包括定義出一干涉腔之光學組件，其中上述光學組件包括一第一分光組件，將一輸入光束分為一測試光束與一待測光束，一第二分光組件，讓上述測試光束穿透至上述測試面，接收自上述測試面反射之測試光束，然後結合上述測試光束與參考光束，以及一第三光學組件，將上述參考光束自上述第一分光組件引導至上述第二分光組件。上述干涉腔定義出一虛位參考面，上述虛位參考面設置於上述第二分光組件與上述第三光學組件之間的上述參考光束中。上述干涉儀亦包括一成像通道，接收結合後之上述測試光束與參考光束，上述成像通道包括一成像偵測器，以及至少一成像元件，用以將上述待測面與虛位參考面成像至上述成像偵測器。

實施例包括一個或多個下列特徵。舉例來說，在上述第一與第二分光組件之間，測試光束的光學距離等於在上述第一分光組件與第三光學組件之間之參考光束的光學距離。

在一些實施例中，由上述第一與第二分光組件，以及上述第三光學組件定義之上述干涉腔具有大致上對應於等腰三角形的幾何形狀。

在一些實施例中，上述第一分光組件更將上述輸入光分為第一與第二對準光束，在上述第一分光組件結合上述對準光束之後，定義出干涉腔的光學組件引導上述對準光束繞著干涉腔反向傳播。在被上述第二分光組件與第三光學組件反射回上述第一分光組件之前，上述第一對準光束先沿著上述測試光束的路徑傳播，並且在被上述第二分光組件反射回第一分光組件之前，上述第二對準光束先沿著上述參考光的路徑傳播。在一些實施例中，干涉儀更包括一對準通道，上述對準通道包括一對準偵測器，以及至少一成像元件，用以自上述第一分光組件接收結合後之上述對準光束並將其引導至上述對準偵測器。

在一些實施例中，上述干涉儀更包括一第一補償平板，設置於上述干涉腔之上述參考光束的路徑中。上述第一補償平板用以使得上述測試與參考光在玻璃中的光程長大體上相等。在一些實施例中，干涉儀更包括第二與第三補償平板，上述第二補償平板設置於上述參考光束的路徑中，且上述第三補償平板設置於上述量測光束的路徑中。當上述第二分光組件結合上述量測與參考光束時，上述第二與第三補償平板用以減少上述量測與參考光束之間的橫向位移。

在一些實施例中，干涉儀更包一照明器以提供輸入光束。在一些實施例中，照明器包括一光源以提供輸入光束的光，以及一個或多個成像光學組件以接收來自上述光源的光並引導輸入光束朝向干涉腔。在一些實施例中，上述照明器更包括上述光源之一孔徑式場止，以及至少一成像元件，將上述光源的光成像以填滿上述孔徑式場止以及至少另一成像元件，引導來自上述孔徑式場止的光進入上述干涉腔，使得上述孔徑式對上述待測面定義出一遠心照明光源。上述輸入光束具有大於10nm的頻譜帶寬。在一些實施例中，干涉儀更包括在干涉腔之測試與參考光束的每一路徑中之至少一補償平板。當第二分光組件結合量測光與參考光時，補償平板用以減少輸入光束在整個頻譜帶寬上之量測光與參考光之間的橫向位移。在一些實施例中，照明器用以提供可調整帶寬的輸入光束。上述光源可為發光二極體。

在一些實施例中，第一與第二分光組件為面平行分光鏡。第三光學組件為一鏡子。

一般而言，在另一樣態中，本發明提供一種干涉儀，包括一第一分光鏡，將一輸入光分為一測試光與一參考光，引導上述測試光沿一第一路徑入射一待測物，並引導上述參考光沿一第二路徑前進，上述第二路徑與上述第一路徑不同；一第二分光鏡，設置於上述第一與第二路徑之中，在上述測試光入射上述待測物之後，用以結合上述參考光與測試光；一偵測器，接收結合後之上述參考光與測試光；以及一物鏡，將上述待測物與一虛位參考面成像至上述偵測器，其中上述虛位參考面對應於虛位表面，虛位表面與上述第一與第二分光鏡之間的上述偵測器光學共軛。

干涉儀之實施例包括一個或多個下述特徵及/或其他樣態的特徵。舉例而言，自上述第一分光鏡經上述待測物至上述第二分光鏡之上述第一路徑的光程長大體上等於自上述第一分光鏡至上述第二分光鏡之上述第二路徑的光程長。

干涉儀包括一光學元件，設置於上述第二路徑並用以將上述參考光自上述第一分光鏡引導至上述第二分光鏡。在上述第一與第二分光鏡之間的上述測試光的光程長大體上等於在上述第一分光鏡與設置於上述第二路徑之上述光學元件之間的上述參考光的光程長。上述第一與第二分光鏡之間的上述第一與第二路徑，以及設置於上述第二路徑之上述光學元件，定義出大體上對應於等腰三角形之幾何形狀。

上述測試光對應於穿透上述第一分光鏡的上述輸入光，且上述參考光對應於被上述第一分光鏡反射的上述輸入光。

干涉儀包括一對準通道，上述對準通道對應於藉由上述第一分光鏡結合之光之路徑，其中上述結合之光自上述第二分光鏡沿上述第一或第二路徑傳播至上述第一分光鏡。干涉儀包括一第二偵測器，設置於上述對準通道以偵測上述結合之光。

干涉儀包括一第一光學補償元件，設置於上述第一與第二分光鏡之間的上述第二路徑，其中上述第一光學補償元件減少在光學材料內上述測試與參考光之間的光程差。上述第一光學補償元件減少上述參考光與上述偵測器的量測光之間的橫向位移。上述第一光學補償元件為與上述第二路徑傾斜之一面平行平板。干涉儀包括一個或多個額外的光學補償元件，設置於上述第一及/或第二路徑，其中上述一個或多個額外的光學補償元件減少在光學材料內上述測試與參考光之間的光程差，及/或減少上述參考光與上述偵測器的量測光之間的橫向位移。

干涉儀包括一照明器，在上述干涉儀操作期間提供上述輸入光。上述照明器包括一光源與一個或多個光學元件，上述光學元件接收來自上述光源的光並將光引導至上述第一分光鏡。上述一個或多個光學元件使得上述測試光對上述待測物為遠心照明。上述光源提供大於10奈米頻譜帶寬的光。上述光源包括發光二極體。

上述第一與第二分光鏡包括面平行光學元件。

上述干涉儀在一量測範圍內將上述待測物的表面成像至上述偵測器，上述量測範圍具有10釐米或以上的維度。

干涉儀包括與上述偵測器通訊之一電子處理器，其中上述電子處理器在操作期間接收包括干涉資訊之一訊號，上述訊號關於在上述偵測器中之上述測試光與參考光之光程差，並且根據上述訊號決定關於上述待測物的資訊。

一般而言，本發明提供一種干涉方法，用以決定關於一待測物的資訊，包括：使用一第一光學元件，將一輸入光分為一測試光與一參考光；引導上述測試光沿一第一路徑射入一待測物，並引導上述參考光沿一第二路徑，上述第二路徑與上述第一路徑不同；在上述測試光入射上述待測物之後，使用不同於上述第一光學元件之一第二光學元件來結合上述參考光與測試光；將上述待測物與一虛位參考面成像至一偵測器，其中上述虛位參考面對應於上述第二路徑中之一虛擬表面，上述虛位參考面與上述第二路徑之上述偵測器的影像光學共軛。

方法的設置方式包括上述討論所有樣態的技術特徵。

前述一種或多種實施例的細節可搭配所附圖示與下述說明而理解。

第1圖顯示本發明具體實施例干涉系統1，其中干涉系統1包括四個主要組件：干涉腔2、照明器3、成像臂4，以及對準通道5。此外，干涉測架構包括具有待測面6A的待測物6。位於中央的成像光束包括光源成像光束7(以點線表示)與待測物成像光線8(以虛線表示)。

在干涉腔2中，照明器3的光線射進分光鏡9，部分入射光反射為參考光束10，另一部分入射光穿透為測試光束11。光線在面平行(plane-parallel)分光鏡9的第一表面9A反射之後，參考光束10穿過面平行補償片12與13，在轉向鏡14的表面14A被反射並朝向面平行分光鏡15前進，其中面平行補償片12與13位於參考光束10通過之處。光線穿透分光鏡9之後，測試光束11穿過面平行補償片16與分光鏡15，並在待測面6a被反射回分光鏡15，其中測試光束11在面向待測物的表面15A被反射。因此，參考光束10和測試光束11在分光鏡15中結合，且兩光束均被導引至成像臂4。

干涉腔2包括用來讓光線穿透或反射的面平行平板9、12、13、15與16，以及用來反射光線的平面轉向鏡14。通常來說，可以使用快速且經濟的製造技術來製造出具有非常高之表面精度與平行度的面平行光學元件。

照明器3包括光源17，以及將光束由光源傳遞至干涉腔2的透鏡18、19與20，使得光源17能夠成像至孔徑式場止(aperture stop)21，並使得光源的影像能佈滿孔徑式場止。在一些實施例中，可將孔徑式場止21視為干涉照明的有效光源。孔徑式場止21接著藉由透鏡20被成像至無限遠，使得對待測面6a的照明為遠心(telecentric)照明。場止22沿著測試光束11成像至待測面6a，並沿著參考光束成像至平面27。

光源17為平面非同調光源(extended incoherent source)，例如發光二極體(LED)或鹵素燈(halogen lamp)。空間濾光器23可選擇性地設置於光束中，以調整光源的輸出頻譜。視光源與濾光條件而定，照射干涉腔2之光束的波長頻譜可由窄波段(頻寬約1 nm或更窄)分佈至寬波段(數百個nm)。舉例來說，也可以使用其他的光源，如弧光燈(arc lamp)和雷射。在一些情況下，光源可與居間的擴散片(diffuser)合併使用。此外，來自光源的光線亦可藉由光纖耦合至干涉儀。在其他實施例中，可以使用不只一個空間濾光器23與致動器/定位器將所選的濾光器移動至光束之中，使得照明器能夠選擇不同的波長。此外，在場止22之前使用分光器能將兩個光源產生的光束結合起來，其中兩個光源交替開啟與關閉以選擇其中一個光源與另一者。舉例來說，在一些實施例中，第一光源包括具有長波長濾光器之寬頻白光LED，而第二光源包括具有用於窄頻光之額外干涉濾光器的藍光LED。因此，光源的中心波長與波長頻帶能夠根據待測物6所做測量的需求而改變。

在成像臂4，參考光束10與測試光束11藉由像鏡24傳遞至干涉譜偵測器25，其中參考光束10與測試光束11干涉並產生條紋圖案。干涉譜偵測器25包括電子相機，例如CCD相機，用以偵測干涉譜並將其以數位形式傳送至電腦進一步處理，詳細說明將於後文詳述。視空間需求而定，可使用折鏡(fold mirror)26將光束引導離開待測物空間。

為了詳細解析待測面6A，待測面藉由像鏡24成像於測試光束並傳送至干涉譜偵測器25。由待測面6A至像鏡24的成像路徑，其間沒有任何干涉腔元件。光線非正向穿越平板會產生像差(aberrations)，而降低影像解析度。

參考光束中的平面27，其位於轉向鏡14與分光鏡15之間，且亦是藉由像鏡24成像至干涉譜偵測器25。因為沒有實體的表面在這位置上，所以平面27稱為虛位參考面。若測試面和虛位參考面均在相機的銳聚焦之中，干涉系統1之所有實體表面都會失焦並模糊。在待測面之表面樣貌量測中，這個模糊會減少干涉儀中之空間頻率的高頻誤差。這個模糊可視為光源成像光束8在光學表面上，對其所有移動範圍，表面誤差的平均，例如分光鏡15之表面15A的取樣區域28。

利用非同調光的空間分量，以及干涉譜偵測器25所偵測之光線的譜線寬，我們可以得到一種求得最佳條紋對比度的方法。(參考W. H. Steel,“Interferometry ”,Cambridge University Press,Cambridge 1967,上述全體皆引用作為本說明書的揭示內容)。該方法如下所述：

a)對於寬頻光，參考光束與測試光束的光程長應該相等。對於窄頻光，兩者的光程長至少應該相等。

b)當沿著干涉儀之測試光束與參考光束將干涉譜偵測器中一點成像至光源空間，光源空間中兩像點的位置應相同，且沿著測試光束與參考光束的反射次數應相等。

c)在b)的成像中，測試臂(test arm)與參考臂(reference arm)像差應該相同。

視光源延伸程度與譜線寬度而定，若不符合上述方法，則條紋對比度會降低。除上述方法，為了達到表面模糊的優點，虛位參考面27應該儘量遠離最近之實體光學表面。滿足所有上述方法之最簡設置係如第1圖具體干涉腔之設置所示，其中干涉腔三角形大致上為等腰三角形。具有兩等腰之等腰三角形表示，在沿著分光鏡9之表面9A與轉向鏡14之表面14A之間，沿著軸光線(axial ray)的幾何距離等於在分光鏡9之表面9A與分光鏡15之表面15A之間，沿著軸光線的幾何距離。藉由適當地調整上述元件的角度，可以決定轉向鏡14與分光鏡15之間的三角形第三邊，使得測試光束10和參考光束11相交於分光鏡15的表面15A，亦不用執行如在下述對準通道5之討論所解釋的光束整形(beam shear)。

只要分光鏡9與補償片12的玻璃厚度相等，且補償片13與16的玻璃厚度相等，則參考光束與測試光束在空氣中和在玻璃中的路徑會相等且準確地對準於干涉腔元件。上述精確地對準表示必須讓分光鏡9上的入射角等於補償片12上的入射角，以及讓補償片13與16的入射角等於分光鏡15的入射角。參考第2A圖與第2B圖，上述說明會比較容易理解，其中分開繪示測試光束和參考光束且顯示所有鏡面反射。

第2A圖與第2B圖的元件符號與第1圖相同。第2A圖顯示將干涉譜偵測器25中一個點的影像沿著測試光束回溯至光源空間的點28A，其中鏡面反射以垂直線表示。第2B圖顯示參考光束之像位置28B與相對於孔徑式場止21的點28A相同。兩種光束的反射次數是相等的。此外，測試與參考光束之面平行平板的數目以及其角度是相同的，但是其排列次序不同。因為面平行平板在軸上的位置不會影響像差劣化的程度，所以兩種光束的影像像差是相同的。

如第2圖所示，由於光束非正向入射面平行平板，所以在每一個平板之中都會產生橫向位移。整體的位移可由干涉腔的對準加以補償，使得光源空間中的點28A與28B能夠重合。然而，對於寬帶光(broad band light)來說，玻璃的色散造成與波長相關的橫向位移。這會造成光源空間的點28A與28B橫向的展開，並且降低干涉譜偵測器25干涉條紋的對比度。分光鏡15中，光束位移的頻譜展開(spectral spread)發生於相反方向，並且可由補償片13與16以所示方式消除。因此，藉由補償片13與16，點28A與28B的位置對所有波長而言都能重合。當條紋對比度佳且頻譜展開足夠小時，補償片13與16可以省略。

在測試光束和參考光束中面平行平板的數量相等，且等腰三角形的兩腰相等之後，匹配測試光束和參考光束的光程必須讓轉向鏡14之表面14A與分光鏡15之表面15A之間沿著軸光線的幾何距離等於分光鏡15之表面15A與待測面6A之間的距離的兩倍。這會讓虛位參考面27接近轉向鏡14之表面14A與分光鏡15之背面的中央。虛位參考面並非完美地位於中央，其比較接近分光鏡15，通常等於分光鏡15之軸光線幾何長度的1/6。

上述之干涉腔組態與元件設置提供好的條紋對比度與所有組件的正確定位和對準。在具有平面寬帶光源的干涉儀之中，若條紋尚不可見且沒有所需調整之種類及方向的指示，初始的對準是很困難的。對於此類干涉儀的設置與操作，第1圖所示之對準通道5提供了有益處的改善。對準通道5包括透鏡29與對準偵測器30。舉例而言，對準偵測器30包括用於視覺觀測的螢幕，或取得對準影像的電子相機，電子影像能夠在監視器上顯示或在電腦中進行處理。

干涉測試架構的對準以兩個步驟進行。首先，干涉腔2在沒有待測物的情況下對準，通常是在儀器製造或設置的時候。接著，將待測物6與干涉儀對準以作為正式量測過程的一部分。

對於第一步驟，兩道光束在三角形干涉腔內彼此反向傳播並被導引至對準偵測器30。由照明器射出後，順時針方向傳播(CW)的光束穿過分光鏡9與補償片16，被分光鏡15的表面15A與轉向鏡14的表面14A反射之後，穿過補償片13與12，且最後又穿過分光鏡9至透鏡29。逆時針方向傳播(CCW)的光束被分光鏡9的表面9A反射，穿過補償片12與13，被轉向鏡14的表面14A與分光鏡15的表面15A反射之後，穿過補償片16，且最後又被分光鏡9的表面9A反射至對準的透鏡29。因為兩道光束反向傳輸於相同的光程，CW與CCW光束在透鏡29是平行的，但是可能會有些許橫向位移。若元件剛開始對準的程度很差，對準偵測器30可以自透鏡29的後焦平面(rear focal plane)移離，使得虛位參考面27，以及照明器3的場止22被成像至對準偵測器30。接著調整干涉腔內的一個元件的傾斜(tip/tilt)或位置，例如轉向鏡14或分光鏡15，直到場止的兩種影像均能在對準偵測器中重合為止，且可以大幅減少CW與CCW光束之間的整形。然後，對準偵測器30被移動至透鏡29的後焦平面。

當對準偵測器30偵測之孔徑式場止21的影像上佈滿條紋時，可以在上述組態之中使用普通的光束整形器。條紋是光束整形器的敏感指標。可調整的干涉腔元件被微調直至孔徑式場止的影像擴大且在孔徑式場止的影像中得到均勻的亮度為止。在此調整之後，第一對準步驟於焉完成。對準步驟可以確保：條紋能夠藉由適當的對準待測物而獲得。若儀器足夠穩定，對準步驟不需要重複。

關於待測面6A對干涉儀的對準，必須先調整待測物6的傾斜(tip and tilt)。對於此調整，所用者為由待測面反射回對準通道5的光束，即，穿透分光鏡9、補償片16與分光鏡15，且最後被帶測面6A反射的測試光束，反射後的測試光束又穿透分光鏡15與補償片16，且最後被分光鏡9的表面9A反射至對準的透鏡29。測試光束也在對準偵測器中產生孔徑式場止21的影像。關於待測面6A的傾斜對準，孔徑式場止影像與CW或CCW光束的影像一致，其均會出現於對準偵測器之中。此對準能夠確保在干涉譜偵測器25之中，測試光束與參考光束是足夠平行的，且在下一個最終的對準步驟之後能夠觀察到條紋。

接著，調整待測物沿著測試光束的軸向位置，使得測試光束11的光程長能夠匹配於參考光束7的光程長。因為待測面6A清楚地成像於干涉譜偵測器25，所以當待測面6A位於(或接近於)最佳條紋對比度的位置時，若待測物具有足夠的結構可被聚焦，可藉由最佳化待測物在干涉譜偵測器25中之影像清晰度(image sharpness)的方式，來進行粗調。若待測物非常平滑且沒有任何明顯的結構，則場止22可用對準場止22A取代，對準場止22A包括一些可見的結構，例如小孔徑。因為場止也被成像至合適的待測表面位置，場止影像的影像清晰度被最佳化為平滑部分粗略的軸向焦點的一部分。為了後續之軸向位置的微調，再度使用對準場止22A來取代標準的場止22，且待測物6係被軸向地移動直至干涉譜偵測器25中之干涉條紋的對比度被最佳化為止。至此，包括干涉系統1與待測物6之整個測試架構係已作好測量所需之準備。

將系統對準的一個額外好處是可以在參考光束10之中設置光束擋31(beam block)，使得除了測試光束11之外的光束會被阻擋而無法到達對準偵測器30與干涉譜偵測器25。在待測物6之傾斜對準與粗略的軸向對準時，若由待測面反射回來的光線很微弱或是被散射，則阻擋其他光線進入參考光束將有助於提供較佳的對準訊號。此外，若將參考光束擋住，則干涉儀可在沒有條紋出現的情況下用於待測面的一般成像。

上述干涉儀組態特別適用於比一般顯微鏡大的量測範圍。在一種實施例中，干涉儀包括待測面上20mm×20mm的測量範圍、成像數值孔徑(numerical aperture)為0.025，且待測面6A與分光鏡15的表面15A之間的距離為76.2mm。轉向鏡14的表面14A與分光鏡15的背面之間的距離為146.6mm。虛位參考面27自表面14A與分光鏡15的背面之間的中心偏移了約1.3mm。在干涉腔之內，最接近待測面6A或虛位參考面27的光學面為分光鏡15的背面。在背面略呈橢圓狀的成像光束，其範圍約為3.6mm×3.9mm。

其他的設置方式也是可行的。舉例來說，在一些實施例中，所採用的成像數值孔徑及/或量測範圍比較大或比較小。雖然參考光束的偏向角所示為90度，但為了維持干涉腔為大致上之等腰三角形，偏向角也是可以改變的。在一些實施例中，藉由使用額外的分光鏡，對準通道5可以在照明器3與干涉腔2之間移動。若光線穿過傾斜平板的成像像差可以被忽略或補償，則成像臂4可設置於對準通道5的位置。光學組態可以重新配置以減少部件數目或簡化製作。舉例來說，在一些實施例中，分光鏡9與補償片12可結合為單一元件。

具有干涉系統1之具體量測系統如第3圖所示，其中元件符號與第1圖相同。干涉系統1藉由掃描機構34設置於儀器架32上。掃描機構34提供z方向上受控的移動，其中z方向為圖面的垂直方向。掃描機構34連接於控制電腦35且包括壓電轉換器(piezo-electric transducer)，但並非以此為限。設置於測試光束11之中的待測物6係位於待測物載台33之上。待測物載台33調整待測物在x、y、z軸上的位置與傾斜，其中x與y方向位於垂直於圖面的平面。待測物的調整能夠以手動方式或控制電腦35控制之方式進行。若調整是由控制電腦35所控制進行的，移動軸是能被機動化的(motorized)，其中待測物載台33自控制電腦35接收控制信號。干涉系統中兩個相機(即干涉譜偵測器25與對準偵測器30)的輸出信號被傳送至電腦以進行分析或使用者顯示。

額外的控制線將控制電腦35連接於干涉系統，用以提供輔助功能的控制，例如照明器3之亮度與頻譜選擇的控制、照明器3之場止22或對準場止22A的選擇，以及參考光之光束擋31的控制。

對於表面樣貌的量測，待測面6A與干涉系統1之間的距離可使用掃描機構34以線性方式加以改變。在移動過程中，干涉譜偵測器25取得的影像資料被輸入控制電腦35來進行後續處理以獲得表面樣貌。具有可調波長照明器3之徹底補償後的干涉系統1能夠以使用窄帶光(narrow band light)的相位移模式取得資料(參考K. Freischlad,C. L. Koliopoulos,“Fourier description of digital phase-measuring interferometry ”,J. Optical Society of American A 7,542(1990)，上述全體皆引用作為本說明書的揭示內容)；亦能夠以使用寬帶光的白光掃描模式取得資料(參考L. Deck,P. de Groot,“High -speed noncontact profiler based on scanning white -light inteferometry ”,Applied Optics 33,7334(1994)，上述全體皆引用作為本說明書的揭示內容)。白光掃描模式取得的資料不僅可用於決定表面樣貌，亦可決定鍍有薄膜之表面的膜特性(參考美國專利號7,321,431，上述全體皆引用作為本說明書的揭示內容)。

量測系統能夠以不同的組態加以配置。z軸調整致動器可設置在干涉儀系統1置於儀器架32之處，而非在待測物載台33之處。此外，掃描機構34可設置於待測物載台33之處，而非干涉系統1置於儀器架之處。對於小範圍掃描，轉向鏡14可設置於掃描致動器上。在本實施例中，測試光束與參考光束的光程差能夠在不移動整個干涉系統1或待測物的情況下加以改變。

一般來說，待測物資訊可由干涉譜資料，輔以電腦或包含電子處理器的硬體來獲得。一般來說，干涉譜資料可以軟體、硬體或上述組合加以分析。本發明揭示之方法與圖式可用標準的程式技術編寫於計算機程式中。程式碼用於輸入資料以執行本發明揭示功能並產生輸出資訊。輸出資訊輸出至一個或多個輸出裝置，例如顯示監視器。每一個程式均能以高階或物件導向的程式語言編寫，用以與電腦系統溝通。然而，若有需要，程式亦可以組合語言或機器語言加以編寫。在全部實施例中，程式語言可為已編譯或已解譯的語言。此外，程式可於為此目的而預先程式化之專用積體電路上執行。

每一上述電腦程式係較佳地儲存於通用或專用電腦可讀取之儲存媒體或裝置(即ROM或磁碟)，當可儲存媒體或裝置被電腦讀取時，程式用以組態及操作電腦以執行本發明揭示的程序。當程式執行時，計算機程式可常駐於佇列或主記憶體。分析方法可設於計算機可讀取媒體，其以電腦程式加以組態，其中儲存媒體使電腦以特定或既定方式運作用以執行本發明揭示功能。

本發明實施例有關於用於決定待測物資訊的干涉術系統和方法。關於合適干涉術系統、電子處理系統、軟體與相關處理演算法的其他資訊，可參考美國專利公開號US-2005-0078318-A1，發明名稱“Methods and Systems for Interferometry Analysis of Surfaces and Related Applications”、美國專利公開號US-2004-0189999-A1，發明名稱“Profiling Complex Surface Structures Using Scanning Interferometry”，以及美國專利公開號US-2004-0085544-A1，發明名稱“Interferometry Method for Ellipsometry,Reflectometry,and Scatterometry Measurements,including Characterization of Thin Film Structures”，上述全體皆引用作為本說明書的揭示內容。

其他實施例係屬於所附申請專利範圍之範疇。

1．．．干涉系統

2．．．干涉腔

3．．．照明器

4．．．成像臂

5．．．對準通道

6．．．待測物

6A．．．待測面

7．．．光源成像光束

8．．．待測物成像光束

9．．．分光鏡

9A．．．第一表面

10．．．參考光束

11．．．測試光束

12、13．．．補償片

14．．．轉向鏡

14A．．．表面

15．．．分光鏡

15A．．．表面

16．．．補償片

17．．．光源

18、19、20．．．透鏡

21．．．孔徑式場止

22．．．場止

22A．．．對準場止

23．．．空間濾光器

24．．．像鏡

25．．．干涉譜偵測器

26．．．折鏡

27．．．平面

28．．．取樣區域

28A、28B．．．點

29．．．透鏡

30．．．對準偵測器

31．．．光束擋

32．．．儀器架

33．．．待測物載台

34．．．掃描機構

35．．．控制電腦

第1圖為本發明具體實施例干涉儀之示意圖。

第2A圖為穿越第1圖干涉儀之測試光的路徑示意圖。

第2B圖為穿越第1圖干涉儀之參考光的路徑示意圖。

第3圖為本實施例具體實施例量測系統的示意圖，其包括第1圖之干涉儀。

1．．．干涉系統

2．．．干涉腔

3．．．照明器

4．．．成像臂

5．．．對準通道

6．．．待測物

6A．．．待測面

7．．．光源成像光束

8．．．待測物成像光束

9．．．分光鏡

9A．．．第一表面

10．．．參考光束

11．．．測試光束

12、13．．．補償片

14．．．轉向鏡

14A．．．表面

15．．．分光鏡

15A．．．表面

16．．．補償片

17．．．光源

18、19、20．．．透鏡

21．．．孔徑式場止

22．．．場止

22A．．．對準場止

23．．．空間濾光器

24．．．像鏡

25．．．干涉譜偵測器

26．．．折鏡

27．．．平面

28．．．取樣區域

29．．．透鏡

30．．．對準偵測器

Claims (22)

1. 一種干涉儀，包括：一第一分光鏡，將一輸入光分為一測試光與一參考光，引導上述測試光沿一第一路徑入射一待測物，並引導上述參考光沿一第二路徑前進，上述第二路徑與上述第一路徑不同；一第二分光鏡，設置於上述第一與第二路徑之中，在上述測試光入射上述待測物之後，用以結合上述參考光與測試光；一偵測器，接收結合後之上述參考光與測試光；以及一物鏡，將上述待測物與一虛位參考面成像至上述偵測器，其中上述虛位參考面對應於虛位表面，虛位表面與上述第一與第二分光鏡之間的上述偵測器光學共軛。
2. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中自上述第一分光鏡經上述待測物至上述第二分光鏡之上述第一路徑的光程長大體上等於自上述第一分光鏡至上述第二分光鏡之上述第二路徑的光程長。
3. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，更包括一光學元件，設置於上述第二路徑並用以將上述參考光自上述第一分光鏡引導至上述第二分光鏡。
4. 如申請專利範圍第3項所述之干涉儀，其中在上述第一與第二分光鏡之間的上述測試光的光程長大體上等於在上述第一分光鏡與設置於上述第二路徑之上述光學元件之間的上述參考光的光程長。
5. 如申請專利範圍第3項所述之干涉儀，其中在上述第一與第二分光鏡之間的上述第一與第二路徑，以及設置於上述第二路徑之上述光學元件，定義出大體上對應於等腰三角形之幾何形狀。
6. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中上述測試光對應於穿透上述第一分光鏡的上述輸入光，且上述參考光對應於被上述第一分光鏡反射的上述輸入光。
7. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，更包括一對準通道，上述對準通道對應於藉由上述第一分光鏡結合之光之路徑，其中上述結合之光自上述第二分光鏡沿上述第一或第二路徑傳播至上述第一分光鏡。
8. 如申請專利範圍第7項所述之干涉儀，更包括一第二偵測器，設置於上述對準通道以偵測上述結合之光。
9. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，更包括一第一光學補償元件，設置於上述第一與第二分光鏡之間的上述第二路徑，其中上述第一光學補償元件減少在光學材料內上述測試與參考光之間的光程差。
10. 如申請專利範圍第9項所述之干涉儀，其中上述第一光學補償元件減少上述參考光與上述偵測器的量測光之間的橫向位移。
11. 如申請專利範圍第9項所述之干涉儀，其中上述第一光學補償元件為與上述第二路徑傾斜之一面平行平板。
12. 如申請專利範圍第9項所述之干涉儀，更包括一個或多個額外的光學補償元件，設置於上述第一及/或第二路徑，其中上述一個或多個額外的光學補償元件減少在光學材料內上述測試與參考光之間的光程差，及/或減少上述參考光與上述偵測器的量測光之間的橫向位移。
13. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，更包括一照明器，在上述干涉儀操作期間提供上述輸入光。
14. 如申請專利範圍第13項所述之干涉儀，其中上述照明器包括一光源與一個或多個光學元件，上述光學元件接收來自上述光源的光並將光引導至上述第一分光鏡。
15. 如申請專利範圍第14項所述之干涉儀，其中上述一個或多個光學元件使得上述測試光對上述待測物為遠心照明。
16. 如申請專利範圍第14項所述之干涉儀，其中上述光源提供大於10奈米頻譜帶寬的光。
17. 如申請專利範圍第14項所述之干涉儀，其中上述光源包括發光二極體。
18. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中上述第一與第二分光鏡包括面平行光學元件。
19. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，其中上述干涉儀在一量測範圍內將上述待測物的表面成像至上述偵測器，上述量測範圍具有10釐米或以上的維度。
20. 如申請專利範圍第1項所述之干涉儀，更包括與上述偵測器通訊之一電子處理器，其中上述電子處理器在操作期間接收包括干涉資訊之一訊號，上述訊號關於在上述偵測器中之上述測試光與參考光之光程差，並且根據上述訊號決定關於上述待測物的資訊。
21. 一種干涉方法，用以決定關於一待測物的資訊，包括：使用一第一光學元件，將一輸入光分為一測試光與一參考光；引導上述測試光沿一第一路徑射入一待測物，並引導上述參考光沿一第二路徑，上述第二路徑與上述第一路徑不同；在上述測試光入射上述待測物之後，使用不同於上述第一光學元件之一第二光學元件來結合上述參考光與測試光；將上述待測物與一虛位參考面成像至一偵測器，其中上述虛位參考面對應於上述第二路徑中之一虛擬表面，上述虛位參考面與上述第二路徑之上述偵測器的影像光學共軛。
22. 一種干涉儀，用以量測一待測面之一特徵，上述干涉儀包括：(a)定義出一干涉腔的光學組件，上述光學組件包括：一第一分光組件，將一輸入光束分為一測試光束與一待測光束，一第二分光組件，讓上述測試光束穿透至上述測試面，接收自上述測試面反射之測試光束，然後結合上述測試光束與參考光束，以及一第三光學組件，將上述參考光束自上述第一分光組件引導至上述第二分光組件，其中上述干涉腔定義出一虛位參考面，上述虛位參考面設置於上述第二分光組件與上述第三光學組件之間的上述參考光束中；以及(b)一成像通道，接收結合後之上述測試光束與參考光束，上述成像通道包括一成像偵測器，以及至少一成像元件，用以將上述待測面與虛位參考面成像至上述成像偵測器。