TWI583921B - 基於偏振的同調梯度感測系統及方法 - Google Patents

基於偏振的同調梯度感測系統及方法 Download PDF

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Description

基於偏振的同調梯度感測系統及方法
本揭露係關於一光學干涉技術，且特別是同調梯度感測（Coherent Gradient Sensing；CGS），且更特別是關於偏振之同調梯度感測系統及方法。
本文中任何專利公開文獻或提及的專利文獻所揭露之整體可結合參照，包含： 美國專利號 3,829,219、5,526,116、6,031,611，以及由M. P. Rimmer et al.發表之「Evaluation of large aberrations using lateral-shear interferometer having a variable shear」App. Opt., Vol. 14, No. 1, pp. 142-150, January 1975，以及由Schreiber et al.發表之「Lateral shearing interferometer based on two Ronchi phase gratings in series」，App. Opt., Vol. 36, No. 22, pp. 5321-5324, August 1997。
同調梯度感測是一種干涉技術，用以量測一平面之一或多種基於形狀之特性（例如，高度，斜率及曲率）。同調梯度感測技術使用一準直同調光作為一光探測器以產生形狀資訊來表示鏡面反射式平面係極重要地由任何物質所形成。當鏡面反射式平面不平整時，反射探測光之波前被扭曲且因此反射探測光於量測時所取得之一光程差或相位係根據平面的形狀而改變。
彼此相對間隔之兩光柵係設置於反射探測光之路徑上以調控供量測之扭曲之波前。一第一光柵繞射前述反射探測光成不同等級之空間地分離繞射分量。一第二光柵進一步繞射第一光柵產生之每一繞射分量。被相對於第二光柵定位之一光元件（例如一透鏡）藉由繞射由第一光柵產生之兩不同之繞射分量來結合由第二光柵產生之兩選擇之繞射分量。兩選擇之繞射分量相互干涉以產生一干涉圖案。由兩光柵產生之繞射影響兩選擇之繞射分量之間之一相對於空間之位移，稱之為剪切距離。干涉圖案含有允許將反射平面上由剪切距離所分離之的兩位置的不連續的高度差萃取出之資訊。此些高度差可被解讀為局域平面梯度，其又可進一步被處理以產生平面形狀（topography）資訊藉由數值積分或經由數值維分之曲率資訊。
儘管現有CGS系統的成功，提供CGS系統較佳的樣品平面量測之需求仍舊與日俱增，包含更少的量測雜訊以及更高的解析度，以提供較佳的量測功能於一較大範圍之量測應用。
本發明之一概念係一種量測一鏡面反射式平面之至少一基於形狀的特性之方法。所述方法包含將具有一第一圓偏振之一準直雷射光束導向至一樣品平面；反射來自該樣品平面之該準直雷射光束以形成一反射雷射光束，該反射雷射光束具有一第二圓偏振且包含該鏡面反射式平面之形狀資訊；轉換具該第二圓偏振之該反射雷射光束為一線偏振反射雷射光束；導向該線偏振反射雷射光束之一第一部分至具有一第一位向之一第一對軸向間隔分離之光柵，並形成兩第一繞射分量，以及結合該兩第一繞射分量以形成一第一干涉圖案於一第一影像感測器；導向該線偏振反射雷射光束之一第二部分至具有一第二位向之一第二對軸向間隔分離之光柵，並形成兩第二繞射分量，以及結合該兩第二繞射分量以形成一第二干涉圖案於一第二影像感測器，該第二位向正交於該第一位向；以及處理該第一干涉圖案及該第二干涉圖案以決定該鏡面反射式平面之該至少一基於形狀的特性。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中導向該線偏振反射雷射光束之該第一部分及該第二部分之步驟包含，使用一光束分光器來分別傳送該線偏振反射雷射光束之該第一部分及該第二部分至一第一中繼組件及一第二中繼組件。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該線偏振反射雷射光束之該第一部分及該第二部分具有實質相同的強度。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中導向該準直雷射光束之步驟包含自一雷射源產生一初始雷射光束且將該初始雷射光束穿過一第一擴束器以形成一第一擴張雷射光束，且接著經由一擴束光學系統形成一第二擴張雷射光束。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該初始雷射光束以及該第一擴張雷射光束係為線偏振且該方法包含將該第一擴張雷射光束穿過一四分之一波延遲板以形成一圓偏振準直雷射光束。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中轉換具該第二圓偏振之該反射雷射光束為該線偏振反射雷射光束之步驟包含將該反射雷射光束穿過該四分之一波延遲板。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中將該兩第一繞射分量結合之步驟包含使用一第一中繼透鏡系統將該兩第一繞射分量穿過一第一傅立葉光圈，將該兩第二繞射分量結合之步驟包含使用一第二中繼透鏡系統將該兩第二繞射分量穿過一第二傅立葉光圈。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該準直雷射光束具有一直徑位於300 mm至450 mm之範圍間之一第一圓偏振。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該準直雷射光束係由一氦氖雷射所發射之一初始雷射光束所形成。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該第一對軸向間隔分離之光柵及該第二對軸向間隔分離之光柵係由複數相位光柵所組成。
本發明之另一概念係如前述之方法，進一步包含：控制該線偏振反射雷射光束之該第一部分之一第一放大率以及控制該線偏振反射雷射光束之該第二部分之一第二放大率，致使形成於該第一影像感測器之該第一干涉圖案與形成於該第二影像感測器之該第二干涉圖案具有一相同尺寸。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該第一影像感測器具有複數第一像素且係結合於一第一照相機透鏡以形成一第一照相機，其中該第二影像感測器具有複數第二像素且係結合於一第二照相機透鏡以形成一第二照相機，且其中各該第一照相機及該第二照相機具有多軸位置控制，以在該樣品平面與該第一影像感測器之第一像素之間以及該樣品平面與該第二影像感測器之第二像素之間執行平面至感測器之像素匹配。
本發明之另一概念係如前述之方法，其中該至少一基於形狀的特性包含該樣品平面上之兩位置之間之一高度差、一斜率及一曲率。
本發明之另一概念係如前述之方法，更包含：導向該兩繞射分量使其穿過具有一可調式尺寸及可調式軸向位置之一第一可調式光圈；導向該兩繞射分量使其穿過具有一可調式尺寸及可調式軸向位置之一第二可調式光圈；分別調整該第一可調式光圈及該第二可調式光圈之尺寸及軸向位置的至少其中一者，以阻擋兩第一繞射等級及兩第二繞射等級以外之其餘繞射等級。
本發明之另一概念係一種用以測量具有鏡面反射式平面之一樣品之至少一基於形狀之特性之系統，包含：一雷射源，用以發射一第一線偏振雷射光束；一偏振光束分光器，設置以傳送該第一線偏振雷射光束；一波板，設置以傳送該偏振光束分光器所傳送之該第一線偏振雷射光束以形成一第一圓偏振雷射光束；一擴束光學系統，接收且導向該第一圓偏振雷射光束至該樣品之該平面以形成具有一第二圓偏振之一反射雷射光束且該反射雷射光束包含關於該樣品之該平面之形狀資訊，其中該反射雷射光束離開該擴束光學系統，穿過該波板並自該偏振光束分光器反射以形成一第二線偏振雷射光束；一光束分光器，設置以傳送且分別反射該第二線偏振雷射光束之第一部分及第二部分；一第一中繼組件，設置以接收並傳導該第二線偏振雷射光束之該第一部分至具有一第一位向之一第一對軸向間隔分離之光柵，並形成兩第一繞射分量，其中該兩第一繞射分量結合以形成一第一干涉圖案於一第一影像感測器；一第二中繼組件，設置以接收並傳導該第二線偏振雷射光束之該第二部分至具有一第二位向之一第二對軸向間隔分離之光柵以形成兩第二繞射分量，其中該兩第二繞射分量結合以形成一第二干涉圖案於一第二影像感測器；及一處理器，設置以處理該第一干涉圖案及該第二干涉圖案以決定該鏡面反射式平面之該至少一基於形狀的特性。
本發明之另一概念係如前述之系統，其中該至少一基於形狀的特性包含該樣品平面上之兩位置之間之一高度差、一斜率及一曲率。
本發明之另一概念係其中該樣品之該平面具有一直徑且其中該擴束光學系統係設置以擴張該第一圓偏振雷射光束使其直徑大於或等於該樣品之該平面之該直徑。
本發明之另一概念係如前述之系統，其中第一對軸向間隔分離之光柵及第二對軸向間隔分離之光柵係分別由複數全像光柵所形成。
本發明之另一概念係如前述之系統，其中該第一中繼組件及該第二中繼組件各包含一可調式放大率。
本發明之另一概念係如前述之系統，其中該第一中繼組件及該第二中繼組件包含一補償板。
本發明之另一概念係，進一步包含一擴束器可操作地設置於該雷射源與該偏振光束分光器之間且該擴束器係設置以擴展該第一線偏振雷射光束。
本發明之另一概念係如前述之系統，其中該光束分光器係為一50:50之光束分光器。
本發明之另一概念係如前述之系統，進一步包含：一第一照相機透鏡，結合於該第一影像感測器以定義一第一照相機，其中該第一影像感測器具有複數第一像素；一第二照相機透鏡，結合於該第二影像感測器以定義一第二照相機，其中該第二影像感測器具有複數第二像素；其中，該第一照相機及該第二照相機各自具有多軸位置控制，以在該樣品平面與該第一影像感測器之第一像素之間以及該樣品平面與該第二影像感測器之第二像素之間，執行平面至感測器之像素匹配。
本發明之另一概念係如前述之系統，進一步包含：一第一可調式光圈，可操作地設置於該第一中繼組件中且位於該第一影像感測器與該第一對軸向間隔分離之光柵之間，該第一可調式光圈具有一可調式尺寸及一可調式軸向位置；及一第二可調式光圈，可操作地設置於該第二中繼組件中且位於該第二影像感測器與該第二對軸向間隔分離之光柵之間，該第二可調式光圈具有一可調式尺寸及一可調式軸向位置。
在下列的實施方式中提出本揭示內容之額外的特徵及優點，且熟習此項技術者將自該描述而易於得知部分特徵及優點，或藉由實踐如本文所述之該揭示內容（包含下列的實施方式、申請專利範圍以及隨附之圖式）而認知部分特徵及優點。應瞭解的是，以上之發明內容及下列之實施方式兩者呈現本揭示內容之若干實施例，且意欲提供用於瞭解如所請求之本揭示內容的本質及特性的一概述或框架。
現請參考本發明之各個不同的實施例，其也在附圖中予以繪示說明。無論何時，在所有圖式中相同或相似元件符號及標記係用以意指相同或相似部件。圖式並非以原比例繪示，且所屬技術領域中具有通常知識者將能理解圖式已經被簡化以繪示本發明之重要概念。
以下所提出的申請專利範圍係構成實施方式的一部份。
在部分圖式中所示之卡式座標僅為參考而不作為關於方向或方位的限制。
第1圖為根據本揭露之一示例之基於偏振之（polarization-based）CGS系統（簡稱為系統）10之示意圖。系統10包含一雷射源20，沿著第一光軸A1發射一線偏振（linearly polarized）雷射光束22L，以示例之方式用虛線雙箭頭指出一”X”偏振。所述系統10包含一擴束器30，兩折鏡FM1、FM2及定義第二光軸A2之一偏振光束分光器BSP。所述系統10沿著第一光軸A1亦包含一波板（waveplate）WP及一擴束光學系統50，擴束光學系統50鄰近於一樣品80其具有形狀待測量之一平面82。在一示例中，樣品80之平面82係為鏡面反射式平面（specularly reflective surface）。且在一示例中，前述形狀可能相對複雜，舉例來說，簡單拋物形以外之曲率。在一示例中，系統10量測待測之樣品80之平面82之至少一基於形狀之特性，例如兩位置之間的高度差，一或多個位置之斜率以及曲率（curvature）。
系統10沿著第二光軸A2亦包含一第二光束分光器BS，第二光束分光器BS定義一第三光軸A3，第一中繼組件100沿第三光軸A3設置。折鏡FM3亦沿第二光軸A2設置且定義一第四光軸A4，第二中繼組件200沿第四光軸A4設置。第一中繼組件100及第二中繼組件200定義第一干涉儀臂（interferometer　arm）及第二干涉儀臂且允許同時收集平面之形狀之資訊於X方向及Y方向（或普遍地來說，任意兩方向）。相較於先前技術之單臂系統，此又致使更高的測量吞吐量以及具有其中之移動部件的數量減少或消除之一簡化系統。每一第一中繼組件100及每一第二中繼組件200產生一對應資料集，且此資料集是用以決定樣品80之平面82之一或多個基於形狀之參數。兩個完整的資料集提供冗餘（即，平面形狀之再現係為過定（overdetermined）），其用以改善量測信賴度及錯誤最小化，例如，將不良像素捨棄或予不良像素更少的權重。
第2圖為第1圖之系統10更詳細之光學圖，而第3圖係為系統10基於CAD之三維視圖。一示例之擴束光學系統50沿著第一光軸A1依序包含一雙透鏡52、負新月透鏡54及平凹透鏡56。第一中繼組件100沿著第三光軸A3包含一補償板104、一第一光柵對110（剪切距離平行於x軸）及一第一中繼透鏡系統120、一第一傅立葉環狀光圈板130、一第一照相機透鏡140及包含第一像素150P之一第一影像感測器150（參照圖1中最左邊的特寫插頁）。第一照相機透鏡140及第一影像感測器150定義一第一照相機151。
第二中繼組件200沿著第四光軸A4包含一第二光柵對210（剪切距離平行於y軸）、一第二中繼透鏡系統220、一第二傅立葉環狀光圈板230、一第二照相機透鏡240及包含第二像素250P之一第二影像感測器250（參照圖1中最右邊的特寫插頁），第二照相機透鏡240及第二影像感測器250定義一第二照相機251。
第一影像感測器150及第二影像感測器250電性連接於一處理器300。
在一示例之系統10之操作中，雷射源20發射一線偏振雷射光束22L，其具有相對小（例如，1 mm）的初始直徑。線偏振雷射光束22L係由擴束器30所接收，其將線偏振雷射光束22L擴張於例如50倍至200倍之間而擴張至例如直徑大約80 mm。折鏡FM1、FM2供以導引線偏振雷射光束22X穿過偏振光束分光器BSP至波板WP。偏振光束分光器BSP進行偏振且被對準以將穿過之線偏振雷射光束22X之強度最大化，同時將背面反射之不使用的雷射光束的強度最小化。波板WP包含一石英晶體四分之一波延遲板其係供以轉換線偏振雷射光束22X，以形成一圓偏振雷射光束22RH，例如，一右手偏振雷射光束。此圓偏振雷射光束22RH亦可被形成為一左手偏振雷射光束。
右手偏振雷射光束22RH進入擴束光學系統50，其係設置以接收並擴張右手偏振雷射光束22RH之尺寸。在一示例中，光擴張之量為4倍，舉例來說，自一80mm直徑之光束擴張至一320mm直徑之光束。經擴張之右手偏振雷射光束22RH入射於樣品80之平面82為一實質之準直雷射光束。樣品80之平面82位於一樣品平面SP。值得一提的是光擴張量是基於樣品80的尺寸來選擇。因此，以直徑為450mm之一晶圓來說，供擴束器30及擴束光學系統50之不同的光擴張量可用於實現具一可選尺寸（例如，可選直徑）之右手偏振雷射光束22RH。
準直之右手偏振雷射光束22RH自樣品80之平面82反射且反轉其圓偏振為左手，因此定義一左手偏振雷射光束22LH。左手偏振雷射光束22LH獲取一反射之波前之錯誤等於晶圓平面形變量2X’(x,y)、2X’(x,y)之斜率分布的3維形變量（deformation）2·∆Z(x,y)的兩倍。左手偏振雷射光束22LH反向行進穿過擴束光學系統50且穿過波板WP，其轉換左手偏振雷射光束22LH為於y方向具有一線偏振，即形成一線偏振雷射光束22Y。線偏振雷射光束22Y以離開擴束光學系統50的輸入端於具有晶圓平面之斜率分布之八倍之一4倍減縮（例如，直徑為80mm之光），即8X’(x,y)及8Y’(x,y)。
線偏振雷射光束22Y接著離開偏振光束分光器BSP而朝向第一中繼組件100及第二中繼組件200。偏振光束分光器BSP被對準以將反射之線偏振雷射光束22Y最大化入射於第二光束分光器BS，其係部分地傳送而部分地反射，例如，50：50雷射分光器。因此，線偏振雷射光束22Y之一半被向下導引行進於第三光軸A3且穿過第一中繼組件100，而線偏振雷射光束之另一半係藉由折鏡FM3向下導引行進於第二中繼組件200。須注意是，以每一偏振來說，偏振光束分光器BSP係為反射X偏振光及Y偏振光具有幾乎100%效率之一偏振光束分光器。因此，雷射光強度在光程中實際上被分割之唯一位置是在第二光束分光器BS，以致於第一中繼組件100及第二中繼組件200各接收實質上係一半之行經系統10之雷射光束，減去在各式的上游（upstream）光學界面（例如，在擴束光學系統中之透鏡元件平面等）中由於反射而發生相對小的光損耗。
行經第一中繼組件100之線偏振雷射光束22Y之部分穿過補償板104，其補償之額外光程係由線偏振雷射光束22Y獲得，當線偏振雷射光束22Y穿過第二光束分光器BS到達第二中繼組件200時。除補償板104之外，第一中繼組件100及第二中繼組件200係實體地定位使第二光束分光器BS與第一中繼組件100之第一光柵對110以及第二中繼組件200之第二光柵對210之間的總光程相同。線偏振雷射光束22Y穿過補償板104後接著到達第一光柵對110。在一示例中，光柵對110包含一對間隔可變且平行之Ronchi或繞射光柵。直線偏振雷射光束22Y被第一光柵對110繞射（diffraction）成數個等級：0th 、±1st 、±2nd 等，於不同的相對強度。
自第一光柵對110離開之兩個感興趣的光分量為：自第一光柵對110之0th 等級分量及+1st 等級分量，以及自第二光柵對210之+1st 等級分量以及0th 等級分量。值得一提的是，來自第一光柵對110及第二光柵對210中之兩光柵之繞射等級之不同之組合可被結合以產生干涉（interference）。在實務上，使用較低之繞射等級是最被期望的。此兩光分量係於X方向（視圖之平面的左右）中側向地剪切，藉由正比於光柵空間頻率之一數量以及於第一光柵對110之間之軸向之分離量（Z距離）。此些以及其他繞射之光分量之「對」進入第一中繼透鏡系統120且被聚焦於第一傅立葉環狀光圈板130之周圍。第一中繼透鏡系統120以及第一傅立葉環狀光圈板130定義一光軸其平行對準於所需之繞射等級之繞射角。第一傅立葉環狀光圈板130之中心孔洞（即，淨光圈）之尺寸係為可調式且係被選擇以阻擋繞射光分量之所有的非需求對，因此僅傳送來自於光柵之串聯對之1st 等級之剪切繞射光束分量BA1、BB1的需求對。
第一傅立葉環狀光圈板130之最佳z位置以及尺寸（淨光圈）可依據樣品80之平面82之整體形狀而改變。以一完美的平面物體來說，需求之繞射等級將在源自第一中繼透鏡系統120之傅立葉平面之非需求等級之最小直徑及最大分離量。以名義上地凸透鏡物體（曲線朝下）來說，最小直徑之平面將移動靠近於第一照相機151，而以名義上地凸透鏡物體（曲線朝上）來說，最小直徑之平面將移動而更接近相對傅立葉平面之樣品80。光圈軸向位置及直徑的自動調整量將最大化於可以系統10量測之物體形狀的範圍。
剪切繞射光束分量BA1、BB1被聚焦藉由第一照相機透鏡140以像素化（數位的）第一影像感測器150（CCD、CMOS等），每一光分量與其對應物相互干涉以在第一影像感測器150上產生一空間之強度分布（干涉條紋）。第一中繼透鏡系統120及第一照相機透鏡140係設置使樣品平面SP結合於（conjugate）第一影像感測器150但卻縮小估計約20倍，舉例來說，具有大約15mm之光直徑。更普遍地來說，選擇縮小率以最大化於第一影像感測器150上的影像的尺寸。在實務上，10倍至40倍之縮小率係為標準。每一亮紋及暗紋係為複數點之軌跡對應於晶圓於剪切之X方向之斜率之八倍，使得亮紋對應於同相的剪切繞射光束分量BA1及剪切繞射光束分量BB1N*π*λ（即建設性干涉），且每一暗紋對應於同相的分量N*π*λ/2（即破壞性干涉）。
同樣地，線偏振雷射光束22Y穿過第二中繼組件200之部分穿過第二光柵對210，其在一示例中係為可變地間隔且平行之Ronchi或繞射光柵。此些光柵繞著局部之光軸A3旋轉90°，以達到正交於第一中繼組件100中之第一光柵對110。行進於第二中繼組件200中之線偏振雷射光束22Y被繞射成數個等級：0th 、±1st 、±2nd 等。自第一光柵對110及第二光柵對210離開之兩個感興趣的光分量為：自第一光柵之0th 等級及+1st 等級，以及自第二光柵之+1st 等級以及0th 等級。此兩光分量此次係於Y方向（進出視圖之平面）中側向地剪切，藉由正比於光柵空間頻率之一數量以及於第二光柵對210之間之軸向之分離量（Z距離）。此些以及其他繞射之光分量BA2、BB2之「對」進入第二中繼透鏡系統220且被聚焦於第二傅立葉環狀光圈板230之周圍。
第二傅立葉環狀光圈板230之尺寸及位置係為可調式致使其可被設置以阻擋繞射光分量的所有非需求對，因此僅傳送來自於串聯光柵對210之剪切1st 等級光分量之剪切繞射光束分量BA2、BB2的需求對。值得一提的是，0、-1以及-1、0之繞射等級亦可被使用，且普遍地可使用任意的基數等級。
如同第一傅立葉環狀光圈板130，第二傅立葉環狀光圈板230之理想z位置及尺寸（淨光圈）可依據樣品80之平面82之整體形狀而改變。
剪切繞射光束分量BA2、BB2藉由第二照相機透鏡240亦被聚焦以像素化（數位的）第二影像感測器250（CCD、CMOS等），其中每一剪切繞射光束分量BA2、BB2與其對應物相互干涉以在第二影像感測器250上產生一空間之強度分布（干涉條紋）。第二中繼透鏡系統220及第二照相機透鏡240係設置使樣品平面SP結合於（conjugate）第二影像感測器250但卻縮小估計約20倍，使得在一示例中，剪切繞射光束分量BA2、BB2具有大約15mm之直徑。如前所述之關於第一中繼組件100，選擇其縮小率以最大化於第二影像感測器250上的影像的尺寸。前述亦指出，微量調整構成第一光柵對110及第二光柵對210之光柵之分離量可實現匹配兩中繼組件100、200之剪切距離。
每一亮紋及暗紋係為複數點之軌跡對應於晶圓於剪切之Y方向之斜率之八倍，使得亮紋對應於同相的剪切光束分量N*π*λ（即建設性干涉），且每一暗紋對應於同相的分量N*π*λ/2（即破壞性干涉）。
在一示例中，每一第一中繼組件100及第二中繼組件200係設置以允許匹配它們關於剪切距離及之物件至感測器之放大率的性能。因此，舉例來說，第一光柵對110及第二光柵對210可被軸向調整至平行於Z軸，其允許控制與每一光柵對110、210有關之剪切距離，其光柵分離量正比於剪切距離。進一步，在一示例中，每一第一光柵對100及第二光柵對200包含放大率之調整量其允許精細的控制物件至感測器之放大率。在此，「精細的控制」意指透鏡位置控制之解析度相較於關於物件平面82之圖像（feature）可解析之解析度（例如1個像素）係為大。
在一示例中，此些照相機151、251係配置有多軸位置控制其致使平面至感測器之像素匹配，即，分別匹配物件平面82上之一位置至第一影像感測器150、第二影像感測器250上之第一像素150P及第二像素250P之相同位置之一映射。在一示例中，第一光柵對100及第二光柵對200中之放大率調整量係由每一第一中繼透鏡系統120及第二中繼透鏡系統220中或每一第一照相機透鏡140及第二照相機透鏡240中之至少一可移動元件所提供。
第一影像感測器150及第二影像感測器250分別產生第一感測訊號S1及第二感測訊號S2其被傳送至處理器300且被處理器300所處理以決定樣品80之平面82之至少一基於形狀之特性。
相較於使用非偏振光學，使用偏振光學於系統10中減少之光學損失之數量為4倍。此造成較強的感測訊號S1、S2而造成較佳樣品平面量測（例如，較少雜訊），且較高的量測解析度，其係取決於數位影像感測器中之每一像素中之光子的數量。系統10之配置亦允許減少其他不利的光學效應，例如漫射光，且亦允許平衡干涉光分量（BA1、BB1、BA2、BB2）中之光強度。此改善之雷射光束之產出量亦允許使用源自雷射源20之高斯光22X之中心部分及相對平坦（即均勻分布）部分來改善光之均勻性，而捨棄光之尾部部分。藉由此種方式，照明之均勻性可被改善，而不致實質地不利地影響執行平面形狀量測所需之光強度。進一步，最大化系統10中之可用強度允許縮短在第一影像感測器150及第二影像感測器250之曝光時間，其減少由於震動造成之模糊（例如，樣品的震動）。雙臂系統10之較高的光學穿透率亦允許使用較低能量因此更穩定之雷射於雷射源20。
在一示例中，第一光柵對110及第二光柵對210可包含二元光學元件、規則或是基於全像技術，其中於0等級及+1等級的能量比可被設計以具有平衡的相對強度，致使非需求之基數繞射級及偶數繞射級之強度可被最小化以預防或最小化偽光束（ghost beam）之繞射及/或干涉條紋且改善條紋對比度，其提供一較高之訊雜比。此替代效率較差之黑柵/開放空間（black-bar/open-space）之Ronchi光柵，其50%之入射雷射光束被每一光柵之柵（bar）所阻擋（吸收）。此外，Ronchi光柵之每一對造成小於25%之傳輸率。對每一繞射級來說，繞射相位光柵之效率（於極限）可為100%，取決於它們是如何被使用二元光學設計或電腦產生（厚膜）之全像技術（CGH）或規則/刻痕來設計。一旦標準（master）產生，全部中之任一者可被以低成本的方法進行複製。相較於柵空間類型之光柵，全像光柵之複製過程於橫越光柵的平面維度係更均勻的多且光柵至光柵係為可再現的。舉例來說，全像光柵沒有不足（run-out）及光柵對光柵之放大率的問題。故以具有12.7微米之一等效間距（pitch）之光柵來說（名義上地），全像光柵之等級係小於10 nm其中柵格光柵變異之等級於50 nm至100 nm之間。
雖然本發明已以實施例揭露如上然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之專利申請範圍所界定者為準。
10‧‧‧基於偏振之CGS系統
20‧‧‧雷射源
22Y‧‧‧線偏振雷射光束
22L‧‧‧線偏振雷射光束
22X‧‧‧線偏振雷射光束
22RH‧‧‧圓偏振雷射光束
22LH‧‧‧左手偏振雷射光束
30‧‧‧擴束器
50‧‧‧擴束光學系統
52‧‧‧雙透鏡
54‧‧‧負新月透鏡
56‧‧‧平凹透鏡
80‧‧‧樣品
82‧‧‧平面
100‧‧‧第一中繼組件
104‧‧‧補償板
110‧‧‧第一光柵對
120‧‧‧第一中繼透鏡系統
130‧‧‧第一傅立葉環狀光圈板
140‧‧‧第一照相機透鏡
150‧‧‧第一影像感測器
150P‧‧‧第一像素
151‧‧‧第一照相機
200‧‧‧第二中繼組件
210‧‧‧第二光柵對
220‧‧‧第二中繼透鏡系統
230‧‧‧第二傅立葉環狀光圈板
240‧‧‧第二照相機透鏡
250‧‧‧第二影像感測器
250P‧‧‧第二像素
251‧‧‧第二照相機
300‧‧‧處理器
A1‧‧‧第一光軸
A2‧‧‧第二光軸
A3‧‧‧第三光軸
A4‧‧‧第四光軸
BA1‧‧‧剪切繞射光束分量
BB1‧‧‧剪切繞射光束分量
BA2‧‧‧剪切繞射光束分量
BB2‧‧‧剪切繞射光束分量
FM1‧‧‧折鏡
FM2‧‧‧折鏡
FM3‧‧‧折鏡
BS‧‧‧第二光束分光器
BSP‧‧‧偏振光束分光器
WP‧‧‧波板
SP‧‧‧樣品平面
S1‧‧‧第一感測訊號
S2‧‧‧第二感測訊號
[第1圖] 係為根據本揭露之示例之基於偏振之CGS系統之功能方塊圖。 [第2圖] 係為一示例之第1圖之基於偏振之CGS系統之光學方塊圖。 [第3圖] 係為第2圖之基於偏振之CGS系統之三維CAD視圖。
10‧‧‧基於偏振之CGS系統
20‧‧‧雷射源
22Y‧‧‧線偏振雷射光束
22L‧‧‧線偏振雷射光束
22X‧‧‧線偏振雷射光束
22RH‧‧‧圓偏振雷射光束
22LH‧‧‧左手偏振雷射光束
30‧‧‧擴束器
50‧‧‧擴束光學系統
80‧‧‧樣品
82‧‧‧平面
100‧‧‧第一中繼組件
104‧‧‧補償板
110‧‧‧第一光柵對
120‧‧‧第一中繼透鏡系統
130‧‧‧第一傅立葉環狀光圈板
140‧‧‧第一照相機透鏡
150‧‧‧第一影像感測器
150P‧‧‧第一像素
151‧‧‧第一照相機
200‧‧‧第二中繼組件
210‧‧‧第二光柵對
220‧‧‧第二中繼透鏡系統
230‧‧‧第二傅立葉環狀光圈板
240‧‧‧第二照相機透鏡
250‧‧‧第二影像感測器
250P‧‧‧第二像素
251‧‧‧第二照相機
300‧‧‧處理器
A1‧‧‧第一光軸
A2‧‧‧第二光軸
A3‧‧‧第三光軸
A4‧‧‧第四光軸
FM1‧‧‧折鏡
FM2‧‧‧折鏡
FM3‧‧‧折鏡
BS‧‧‧第二光束分光器
BSP‧‧‧偏振光束分光器
WP‧‧‧波板
SP‧‧‧樣品平面
S1‧‧‧第一感測訊號
S2‧‧‧第二感測訊號

Claims (24)

  1. 一種量測一鏡面反射式平面之至少一基於形狀的特性之方法，包含： 將具有一第一圓偏振之一準直雷射光束導向至一樣品平面； 反射來自該樣品平面之該準直雷射光束以形成一反射雷射光束，該反射雷射光束具有一第二圓偏振且包含該鏡面反射式平面之形狀資訊； 轉換具該第二圓偏振之該反射雷射光束為一線偏振反射雷射光束； 導向該線偏振反射雷射光束之一第一部分至具有一第一位向之一第一對軸向間隔分離之光柵，並形成兩第一繞射分量，以及結合該兩第一繞射分量以形成一第一干涉圖案於一第一影像感測器； 導向該線偏振反射雷射光束之一第二部分至具有一第二位向之一第二對軸向間隔分離之光柵，並形成兩第二繞射分量，以及結合該兩第二繞射分量以形成一第二干涉圖案於一第二影像感測器，該第二位向正交於該第一位向；以及 處理該第一干涉圖案及該第二干涉圖案以決定該鏡面反射式平面之該至少一基於形狀的特性。
  2. 如請求項1所述之方法，其中導向該線偏振反射雷射光束之該第一部分及該第二部分之步驟包含使用一光束分光器來分別傳送該線偏振反射雷射光束之該第一部分及該第二部分至一第一中繼組件及一第二中繼組件。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該線偏振反射雷射光束之該第一部分及該第二部分具有實質相同的強度。
  4. 如請求項1所述之方法，其中導向該準直雷射光束之步驟包含自一雷射源產生一初始雷射光束且將該初始雷射光束穿過一第一擴束器以形成一第一擴張雷射光束，且接著經由一擴束光學系統形成一第二擴張雷射光束。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該初始雷射光束以及該第一擴張雷射光束係為線偏振且該方法包含將該第一擴張雷射光束穿過一四分之一波延遲板以形成一圓偏振準直雷射光束。
  6. 如請求項5所述之方法，其中轉換具該第二圓偏振之該反射雷射光束為該線偏振反射雷射光束之步驟包含將該反射雷射光束穿過該四分之一波延遲板。
  7. 如請求項1所述之方法，其中結合該兩第一繞射分量之步驟包含使用一第一中繼透鏡系統將該兩第一繞射分量穿過一第一傅立葉光圈；結合該兩第二繞射分量之步驟包含使用一第二中繼透鏡系統將該兩第二繞射分量穿過一第二傅立葉光圈。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之方法，其中該準直雷射光束具有一直徑介於300 mm至450 mm之範圍間之一第一圓偏振。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該準直雷射光束係由一氦氖雷射所發射之一初始雷射光束所形成。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該第一對軸向間隔分離之光柵及該第二對軸向間隔分離之光柵係由複數相位光柵所組成。
  11. 如請求項1所述之方法，更包含：控制該線偏振反射雷射光束之該第一部分之一第一放大率以及控制該線偏振反射雷射光束之該第二部分之一第二放大率，致使形成於該第一影像感測器之該第一干涉圖案與形成於該第二影像感測器之該第二干涉圖案具有一相同尺寸。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該第一影像感測器具有複數第一像素且係結合於一第一照相機透鏡以形成一第一照相機，其中該第二影像感測器具有複數第二像素且係結合於一第二照相機透鏡以形成一第二照相機，且其中各該第一照相機及該第二照相機具有多軸位置控制，以在該樣品平面與該第一影像感測器之該些第一像素之間以及該樣品平面與該第二影像感測器之該些第二像素之間，執行平面至感測器之像素匹配。
  13. 如請求項1所述之方法，其中該至少一基於形狀的特性包含該樣品平面上之兩位置之間之一高度差、一斜率及一曲率。
  14. 如請求項1所述之方法，更包含： 導向該兩第一繞射分量使其穿過具有一可調式尺寸及一可調式軸向位置之一第一可調式光圈； 導向該兩第二繞射分量使其穿過具有一可調式尺寸及一可調式軸向位置之一第二可調式光圈；以及 分別調整該第一可調式光圈及該第二可調式光圈之尺寸及軸向位置的至少其中一者，以阻擋兩第一繞射等級及兩第二繞射等級以外之其餘繞射等級。
  15. 一種用以測量具有鏡面反射式平面之一樣品之至少一基於形狀之特性之系統，包含： 一雷射源，用以發射一第一線偏振雷射光束； 一偏振光束分光器，設置以傳送該第一線偏振雷射光束； 一波板，設置以傳送該偏振光束分光器所傳送之該第一線偏振雷射光束以形成一第一圓偏振雷射光束； 一擴束光學系統，接收且導向該第一圓偏振雷射光束至該樣品之該平面以形成具有一第二圓偏振之一反射雷射光束且該反射雷射光束包含關於該樣品之該平面之形狀資訊，其中該反射雷射光束離開該擴束光學系統，穿過該波板並自該偏振光束分光器反射以形成一第二線偏振雷射光束； 一光束分光器，設置以傳送且分別反射該第二線偏振雷射光束之第一部分及第二部分； 一第一中繼組件，設置以接收並傳導該第二線偏振雷射光束之該第一部分至具有一第一位向之一第一對軸向間隔分離之光柵，並形成兩第一繞射分量，其中該兩第一繞射分量結合以形成一第一干涉圖案於一第一影像感測器； 一第二中繼組件，設置以接收並傳導該第二線偏振雷射光束之該第二部分至具有一第二位向之一第二對軸向間隔分離之光柵以形成兩第二繞射分量，其中該兩第二繞射分量結合以形成一第二干涉圖案於一第二影像感測器；及 一處理器，設置以處理該第一干涉圖案及該第二干涉圖案以決定該鏡面反射式平面之該至少一基於形狀的特性。
  16. 如請求項15所述之系統，其中該至少一基於形狀的特性包含該樣品平面上之兩位置之間之一高度差、一斜率及一曲率。
  17. 如請求項15所述之系統，其中該樣品之該平面具有一直徑且其中該擴束光學系統係設置以擴張該第一圓偏振雷射光束使其直徑大於或等於該樣品之該平面之該直徑。
  18. 如請求項15所述之系統，其中該第一對軸向間隔分離之光柵及該第二對軸向間隔分離之光柵係分別由複數全像光柵所形成。
  19. 如請求項15所述之系統，其中該第一中繼組件及該第二中繼組件各具有一可調式放大率。
  20. 如請求項15所述之系統，其中該第一中繼組件及該第二中繼組件包含一補償板。
  21. 如請求項15所述之系統，更包含一擴束器可操作地設置於該雷射源與該偏振光束分光器之間且該擴束器係設置以擴展該第一線偏振雷射光束。
  22. 如請求項15所述之系統，其中該光束分光器係為一50:50之光束分光器。
  23. 如請求項15所述之系統，更包含： 一第一照相機透鏡，結合於該第一影像感測器以定義一第一照相機，其中該第一影像感測器具有複數第一像素；及 一第二照相機透鏡，結合於該第二影像感測器以定義一第二照相機，其中該第二影像感測器具有複數第二像素； 其中，該第一照相機及該第二照相機各自具有多軸位置控制，以在該樣品平面與該第一影像感測器之該些第一像素之間以及該樣品平面與該第二影像感測器之該些第二像素之間，執行平面至感測器之像素匹配。
  24. 如請求項15所述之系統，更包含： 一第一可調式光圈，可操作地設置於該第一中繼組件中且位於該第一影像感測器與該第一對軸向間隔分離之光柵之間，該第一可調式光圈具有一可調式尺寸及一可調式軸向位置；及 一第二可調式光圈，可操作地設置於該第二中繼組件中且位於該第二影像感測器與該第二對軸向間隔分離之光柵之間，該第二可調式光圈具有一可調式尺寸及一可調式軸向位置。
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