專利名稱：一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用偏振光干涉測量技術(shù)的檢測方法和裝置，特別是一種基于平行平晶 分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法和裝置。
背景技術(shù)：
表面形貌測量在工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)檢測、機(jī)械制造、電子工業(yè)、機(jī)器人視覺等領(lǐng)域有著極大 的作用?？v向分辨率為納米級(jí)或亞納米級(jí)的超精表面微觀形貌的測量在微細(xì)加工、二元光學(xué) 、X光光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有著很大的應(yīng)用價(jià)值。此外，表面微觀輪廓測試技術(shù)還在機(jī) 器人視覺、實(shí)物仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有著重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。
表面形貌測量技術(shù)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，已發(fā)展到現(xiàn)如今的高精度定量測量水平。尤 其是近年來出現(xiàn)的各種非接觸表面形貌測量方法，在測量精度及測量速度上均有了較大的提 高。
測量微觀表面形貌的方法有機(jī)械觸針法、掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道顯微鏡( STM)以及各種光學(xué)方法等。而在光學(xué)方法中的位相干涉測量法則是目前發(fā)展比較迅速、應(yīng) 用比較廣泛的測量方法之一。位相干涉測量由按照不同的機(jī)理分為條紋跟蹤、外差干涉、 偏振光干涉、相移、空間載波、相位鎖模等方法。其中以相移干涉法的發(fā)展最為突出。然而 ，現(xiàn)有的相移干涉法測量方法通常是對(duì)表面形貌進(jìn)行點(diǎn)測量，且容易受外界干，系統(tǒng)誤差大 ，測量精度低，單次測量范圍小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種系統(tǒng)誤差小，測量精度高，單次測量范圍大的基于平 行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法和裝置。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝 置，包括光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器、消偏振分光棱鏡、平行平晶、1/4波片、檢 偏器，所述的光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器依次順序設(shè)置，所述的消偏振分光棱鏡、 平行平晶和外部的待測物表面依次順序設(shè)置，所述的消偏振分光棱鏡、1/4波片、檢偏器依 次順序設(shè)置。在本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置中，還包括設(shè) 置在所述的平行平晶和外部待測物表面之間的第一凸透鏡、第二凸透鏡、所述的第一凸透鏡 、第二凸透鏡的焦點(diǎn)重合。
在本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置中，還包括鄰 近所述的檢偏器設(shè)置CCD攝像裝置。
在本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置中，所述的光 源是激光器。所述的光源發(fā)出激光束，依次經(jīng)所述的空間濾波器、擴(kuò)束器分別進(jìn)行空間濾波 、擴(kuò)束之后形成直徑增大的光束，所述光束再經(jīng)所述的起偏器形成線偏振光。線偏振光經(jīng)消 偏振分光棱鏡反射進(jìn)入平行平晶，分成兩束偏振方向相互垂直的線偏振光，再依次經(jīng)由所述 的第一和第二凸透鏡擴(kuò)大單次測量范圍后照射在被測物表面形成反射光。
在本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置中，所述的反 射光束經(jīng)原光路返回，并在再次經(jīng)過所述的平行平晶時(shí)形成復(fù)合光，然后透射穿過消偏振分 光棱鏡，再經(jīng)l/4波片形成恒定相位差后，在檢偏器處形成振動(dòng)方向一致的干涉光束，滿足 干涉條件，形成偏振干涉圖像，并在CCD攝像裝置的CCD接收表面處獲得干涉圖像，從而實(shí)現(xiàn) 表面形貌的測量。
在本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置中，在所述的 1/4波片處，通過定角度旋轉(zhuǎn)所述的l/4波片可以使上述兩相干光束間的相位差成等差變化， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉圖像的移相。
一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法，包括提供一種檢測裝 置；光源發(fā)出激光束，依次經(jīng)所述的空間濾波器、擴(kuò)束器分別進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束之后形成 直徑增大的光束，所述光束再經(jīng)所述的起偏器形成線偏振光，線偏振光經(jīng)消偏振分光棱鏡反 射進(jìn)入平行平晶，分成兩束偏振方向相互垂直的偏振光，再依次經(jīng)由所述的第一和第二凸透 鏡后照射在被測物表面形成反射光；上述反射光束經(jīng)原光路返回，并在再次經(jīng)過所述的平行 平晶時(shí)形成復(fù)合光，然后透射穿過消偏振分光棱鏡，再經(jīng)l/4波片形成恒定相位差后，在檢 偏器處形成振動(dòng)方向 一致的干涉光束；在CCD攝像裝置的CCD接收表面處獲得干涉圖像。
在本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法中，在所述的 1/4波片處，通過定角度旋轉(zhuǎn)所述的l/4波片使上述兩相干光束間的相位差成等差變化，從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉圖像的移相。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方 法及其裝置利用具有偏振作用的平行平晶實(shí)現(xiàn)雙光束干涉，并可通過控制入射光與平晶光軸角度來實(shí)現(xiàn)測量精度的可調(diào)性；極大簡化了光路系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)，減少了由于系統(tǒng)復(fù)雜所引 起的系統(tǒng)誤差；結(jié)合偏振光干涉和相移干涉，提高了系統(tǒng)橫縱向分辨率；引入一組透鏡擴(kuò)大 了高精度測量單次測量的水平范圍，因此其具有光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，受外界干擾影響小、系 統(tǒng)誤差低、測量精度高、單次測量范圍大，且可實(shí)現(xiàn)缺陷的定性定量測量等優(yōu)點(diǎn)。此外，將 平行平晶應(yīng)用于雙光路干涉系統(tǒng)，并且通過旋轉(zhuǎn)平行平晶控制其光軸與入射光之間的夾角， 從而定量調(diào)節(jié)兩束偏振光之間的橫向剪切位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量精度可調(diào)。


圖l是本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置的一較佳 實(shí)施方式的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是入射光線垂直平行平晶表面的光學(xué)原理示意圖。 圖3是晶體光軸垂直平行平晶表面的光學(xué)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖l，是本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置 的一較佳實(shí)施方式的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。所述的檢測裝置包括光源l、空間濾波器2、擴(kuò)束 器3、起偏器4、消偏振分光棱鏡5、平行平晶6、第一凸透鏡7、第二凸透鏡8、 1/4波片10、 檢偏器11和CCD攝像裝置12。圖1中還示意了被測物表面9。
所述的光源l、空間濾波器2、擴(kuò)束器3、起偏器4依次順序設(shè)置。所述的消偏振分光棱鏡 5、平行平晶6、第一凸透鏡7、第二凸透鏡8和被測物表面9依次順序設(shè)置。所述的消偏振分 光棱鏡5、 1/4波片10、檢偏器ll、 CCD攝像裝置12同樣依次順序設(shè)置。所述的第一凸透鏡7、 第二凸透鏡8的焦點(diǎn)重合。所述的光源l、空間濾波器2、擴(kuò)束器3、起偏器4設(shè)置在第一光軸 上，所述的CCD攝像裝置12、檢偏器ll、 1/4波片10、消偏振分光棱鏡5、平行平晶6、第一凸 透鏡7、第二凸透鏡8和被測物表面9設(shè)置在第二光軸，所述的第一光軸和第二光軸垂直。
請(qǐng)參閱圖2 ，是入射光線垂直平行平晶表面的光學(xué)原理示意圖。由雙折射原理，并由斯 涅耳作圖法可知，當(dāng)入射光垂直晶體表面時(shí)，晶體內(nèi)o光波和e光波的波tana=
由于e光波法線方向與o光相同，故a即為e光與o光夾角。而tan a X d即為o光和e光距離，該距離影響系統(tǒng)的橫向精度大小。
對(duì)于石英材料構(gòu)成的平晶，=1.54424， =1.55335。若8 =15度，d=2mm，貝l」o光與e光距離D"400nm。
請(qǐng)參閱圖3，是晶體光軸垂直平行平晶表面的光學(xué)原理示意圖。
光軸與平行平晶晶體表面垂直，入射光以一個(gè)小角度入射。仍由雙折射原理及斯涅耳作圖法可知，e光折射角可由下式計(jì)算
從而可以求出o光與e光夾角，并可得出o光與e光距離。經(jīng)過計(jì)算可知，當(dāng)e角在幾度內(nèi)變化時(shí)，o光和e光距離變化相對(duì)于e角變化約為60nm/度。采用上述結(jié)構(gòu)時(shí)，可以很好控制橫向精度連續(xù)的變化。
在本實(shí)施方式中，所述的光源l是激光器。所述的光源l發(fā)出激光束，依次經(jīng)所述的空間濾波器2、擴(kuò)束器3分別進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束之后形成直徑增大的光束，所述光束再經(jīng)所述的起偏器4形成線偏振光。線偏振光經(jīng)消偏振分光棱鏡5反射進(jìn)入平行平晶6，分成振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振方向相互垂直的偏振光，再依次經(jīng)由所述的第一和第二凸透鏡7、 8后擴(kuò)大單次測量范圍，之后照射在被測物表面9形成反射光。
上述反射光束經(jīng)原光路返回，并在再次經(jīng)過所述的平行平晶6時(shí)形成復(fù)合光，然后透射穿過消偏振分光棱鏡5，再經(jīng)1/4波片10形成恒定相位差后，在檢偏器ll處形成振動(dòng)方向一致的干涉光束，滿足干涉條件，形成偏振干涉圖像，并在CCD攝像裝置12的CCD接收表面處獲得干涉圖像，從而實(shí)現(xiàn)表面形貌的測量。其中，在所述的1/4波片10處，通過定角度旋轉(zhuǎn)所述的1/4波片10可以使上述兩相干光束間的相位差成等差變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉圖像的移相。
本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法，包括提供一種檢測裝置，其包括光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器、消偏振分光棱鏡、平行平晶、第一凸透鏡、第二凸透鏡和CCD攝像裝置；光源發(fā)出激光束，依次經(jīng)所述的空間濾波器、擴(kuò)束器分別進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束之后形成直徑增大的光束，所述光束再經(jīng)所述的起偏器形成線偏振
tan沃=光，線偏振光經(jīng)消偏振分光棱鏡反射進(jìn)入平行平晶，分成兩束偏振方向相互垂直的線偏振光，再依次經(jīng)由所述的第一和第二凸透鏡后擴(kuò)大單次測量范圍，之后經(jīng)被測物表面反射，形成反射光束；上述反射光束經(jīng)原光路返回，并在再次經(jīng)過所述的平行平晶時(shí)形成復(fù)合光，然后透射穿過消偏振分光棱鏡，再經(jīng)l/4波片形成恒定相位差后，在檢偏器處形成振動(dòng)方向一致的干涉光束；以及在CCD攝像裝置的CCD接收表面處獲得干涉圖像。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置和方法利用具有偏振作用的平行平晶實(shí)現(xiàn)雙光束干涉，并可通過控制入射光與平晶光軸角度來實(shí)現(xiàn)測量精度的可調(diào)性，極大簡化了光路系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)，減少了由于系統(tǒng)復(fù)雜所引起的系統(tǒng)誤差；結(jié)合偏振光干涉和相移干涉，提高了系統(tǒng)橫縱向分辨率；引入一組透鏡擴(kuò)大了高精度測量單次測量的水平范圍，因此其具有光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，受外界干擾影響小、系統(tǒng)誤差低、測量精度高、單次測量范圍大，且可實(shí)現(xiàn)缺陷的定性定量測量等優(yōu)點(diǎn)。此外，將平行平晶應(yīng)用于雙光路干涉系統(tǒng)，并且通過旋轉(zhuǎn)平行平晶控制其光軸與入射光之間的夾角，從而定量調(diào)節(jié)兩束偏振光之間的橫向剪切位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量精度可調(diào)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置，其特征在于包括光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器、消偏振分光棱鏡、平行平晶、1/4波片和檢偏器，所述的光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器依次順序設(shè)置在第一光軸，所述的檢偏器、1/4波片、消偏振分光棱鏡、平行平晶和外部的待測物表面依次順序設(shè)置在第二光軸，所述的第一光軸和第二光軸垂直。
2 如權(quán)利要求l所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置，其特征在于還包括設(shè)置在所述的平行平晶和外部待測物表面之間的第一凸 透鏡、第二凸透鏡，所述的第一凸透鏡、第二凸透鏡的焦點(diǎn)重合。
3 如權(quán)利要求2所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密 晶圓檢測裝置，其特征在于還包括鄰近所述的檢偏器設(shè)置的CCD攝像裝置。
4 如權(quán)利要求3所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密 晶圓檢測裝置，其特征在于所述的光源是激光器，其發(fā)出激光束，依次經(jīng)所述的空間濾波器、擴(kuò)束器分別進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束之后形成直徑增大的光束，所述光束再經(jīng)所述的起偏器 形成線偏振光，線偏振光經(jīng)消偏振分光棱鏡反射進(jìn)入平行平晶，分成兩束偏振方向相互垂直 的線偏振光，再依次經(jīng)由所述的第一和第二凸透鏡擴(kuò)大單次測量范圍后照射在被測物表面形 成反射光。
5 如權(quán)利要求4所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置，其特征在于所述的反射光束經(jīng)原光路返回，并在再次經(jīng)過所述的平行平晶時(shí)形成復(fù)合光，然后透射穿過消偏振分光棱鏡，再經(jīng)l/4波片形成恒定相位差后，在檢偏器 處形成振動(dòng)方向一致的干涉光束，滿足干涉條件，形成偏振干涉圖像，并在CCD攝像裝置的 CCD接收表面處獲得干涉圖像，從而實(shí)現(xiàn)表面形貌的測量。
6 如權(quán)利要求5所述的基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密 晶圓檢測裝置，其特征在于在所述的l/4波片處，通過定角度旋轉(zhuǎn)所述的l/4波片可以使上 述兩相干光束間的相位差成等差變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉圖像的移相。
7. 一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測方法，包括提供一種檢測裝置，其包括光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器、消偏振分光棱鏡、 平行平晶、第一凸透鏡、第二凸透鏡和CCD攝像裝置；光源發(fā)出激光束，依次經(jīng)所述的空間濾波器、擴(kuò)束器分別進(jìn)行空間濾波、擴(kuò)束之后形 成直徑增大的光束，所述光束再經(jīng)所述的起偏器形成線偏振光，線偏振光經(jīng)消偏振分光棱鏡 反射進(jìn)入平行平晶，分成兩束偏振方向相互垂直的線偏振光，再依次經(jīng)由所述的第一和第二 凸透鏡后擴(kuò)大單次測量范圍，之后經(jīng)被測物表面反射，形成反射光束；上述反射光束經(jīng)原光路返回，并在再次經(jīng)過所述的平行平晶時(shí)形成復(fù)合光，然后透射穿過消偏振分光棱鏡，再經(jīng)l/4波片形成恒定相位差后，在檢偏器處形成振動(dòng)方向一致的干 涉光束；以及在CCD攝像裝置的CCD接收表面處獲得干涉圖像。
8.如權(quán)利要求7所述的一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的 精密晶圓檢測方法，其特征在于在所述的l/4波片處，通過定角度旋轉(zhuǎn)所述的l/4波片使上 述兩相干光束間的相位差成等差變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉圖像的移相。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于平行平晶分偏振光束及相移干涉術(shù)的精密晶圓檢測裝置，包括光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器、消偏振分光棱鏡、平行平晶、1／4波片和檢偏器，所述的光源、空間濾波器、擴(kuò)束器、起偏器依次順序設(shè)置在第一光軸，所述的檢偏器、1／4波片、消偏振分光棱鏡、平行平晶和外部的待測物表面依次順序設(shè)置在第二光軸，所述的第一光軸和第二光軸垂直。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101666630SQ20091030918
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者勇 姚, 孫云旭, 安宏宇, 菲 宋 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院