專利名稱：光學(xué)間隙測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速，高精度測(cè)量?jī)杀砻嬷g的距離，其中一個(gè)表面基本上是一個(gè)透明的部件。尤其是，本發(fā)明涉及利用偏振光和干涉測(cè)量進(jìn)行測(cè)試的裝置和方法。
在工業(yè)檢驗(yàn)和質(zhì)量控制過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題是表面之間小距離的精確測(cè)量。例如，在磁性數(shù)據(jù)貯存系統(tǒng)中，需要測(cè)量靠近接觸一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)剛性圓盤上的滑動(dòng)器運(yùn)行高度。在此處所述的運(yùn)行高度是磁頭極與旋轉(zhuǎn)剛性圓盤之間的距離，如參見(jiàn)由M.F.Garnier等人于1974年12月17日公布的美國(guó)專利U.S.P NO.3,855,625。這種運(yùn)行是由剛性圓盤的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)所致，根據(jù)滑動(dòng)器的設(shè)計(jì)，通常運(yùn)行高度小于250nm(10μ-inch)，有可能達(dá)到幾十毫微米。本領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是朝著非常低的運(yùn)行高度，即小于25nm。因此，測(cè)量的速度和可靠性尤為重要，因?yàn)橥ǔＲ粋€(gè)滑動(dòng)器制造者每月生產(chǎn)200,000-500,000個(gè)滑動(dòng)器組件。
已有測(cè)量滑動(dòng)器組件的運(yùn)行高度的裝置和方法已公開(kāi)在由B.Bhushan所撰寫的“Tribology and Mechanis of ma-gentic storage devices”一文的P765-797中(New YorkSpringer-Yerlag，1990)。某些最新的發(fā)展已在“Proceed-ings of the IDEMA Sub-2 micro inch Workshop”，May12，1993中作出介紹。
光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試器幾乎全部是依據(jù)干涉測(cè)量方法。干涉儀能夠測(cè)定至某一物體的距離，物體的形貌，或其它包含物理長(zhǎng)度的物理參數(shù)(例如，參見(jiàn)“Optical shop testing”書的第一章，由Daniel Malacara編寫(Wiley，New York，1992)。光學(xué)技術(shù)的根本困難之一是，滑動(dòng)器ABS和實(shí)際的硬盤之間的界面不能直接地予以檢測(cè)。所以，基本上存在兩種不同類型的OFHT，一種是對(duì)在實(shí)際硬盤上運(yùn)行的滑動(dòng)器后側(cè)面進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，另一種是在實(shí)際硬盤位置用一塊透明玻璃代替。
第一種OFHT的例子可參見(jiàn)文章“Measurement ofhead/disk spacing with a laser interferometer”(由L.Y.Zhu，K.F.Hallamasek和D.B.Bogy(IEEE Tran.Magn MAG-23，2379，1988))。所公開(kāi)的裝置是一種能夠?qū)瑒?dòng)器的后側(cè)面上許多點(diǎn)測(cè)量物理位置的外差干涉儀，即，滑動(dòng)器的側(cè)面上的許多點(diǎn)實(shí)際上不與硬盤相接觸。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，它與實(shí)際的磁性硬盤一起工作，它能測(cè)量運(yùn)行中滑動(dòng)器的取向(斜度和起伏)以及高度。對(duì)零運(yùn)行高度的標(biāo)定是由使滑動(dòng)器著落在硬盤上來(lái)進(jìn)行的。這種系統(tǒng)裝置的主要缺點(diǎn)是，滑動(dòng)器和硬盤的交界面直接觀察不到，運(yùn)行高度只能從滑動(dòng)器后側(cè)面上的位置推想而知。于是，必須假設(shè)，滑動(dòng)器的厚度和ABS的形狀是恒定的，而實(shí)際上由于在運(yùn)行時(shí)的機(jī)械和熱應(yīng)力會(huì)使滑動(dòng)器存在明顯的畸變。其它的缺點(diǎn)是，對(duì)許多滑動(dòng)器組件的滑動(dòng)器后側(cè)通常不是隨意可接近的。
首次報(bào)導(dǎo)利用干涉裝置直接測(cè)量滑動(dòng)器和硬盤界面的文章是“A proposed nethod for solving some problems inlubrication”(由W.Stone撰寫，發(fā)表在(The Common-wealth Engineer，Nov.1921 and Dec.1921)中)。顯然，作者Stone在1921年沒(méi)有采用磁性存貯合質(zhì)工作、但是基本的概念相同于現(xiàn)代OFHT的大部分設(shè)想。Stone的裝置包括，一個(gè)直徑約為125mm的玻璃圓盤，安裝成在水平面內(nèi)可以旋轉(zhuǎn)。一個(gè)15mm的方塊，其作用類似于一個(gè)滑動(dòng)器的作用，利用一個(gè)合適的負(fù)載機(jī)構(gòu)使該方塊壓在圓盤的下表面。由于圓盤是透明的，在運(yùn)行中有可能通過(guò)圓盤觀看到方塊，用一個(gè)鈉焰通過(guò)圓盤對(duì)方塊照明，選用鈉焰的目的在于采用一種近似單色的非偏振光源。反射光束是由從圓盤表面反射的光束和從方塊反射的光束的復(fù)合光束組成。這二種反射光束的復(fù)合和同時(shí)探測(cè)導(dǎo)致涉及在圓盤上方塊運(yùn)行高度的一種干涉效應(yīng)。方塊與圓盤之間的間距以及方塊的取向可以通過(guò)隨著圓盤速度改變，目檢干涉圖樣來(lái)推斷。
現(xiàn)代商用的直接測(cè)量滑動(dòng)器和圓盤界面的OFHT是基于許多類似于由Stone發(fā)明的裝置的物理原理，其不同之處主要是光源的類型、探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理裝置的不同。一個(gè)透明的代用圓盤替代磁性硬盤，以及滑動(dòng)器ABS的干涉效應(yīng)提供運(yùn)行高度的信息。所有現(xiàn)有的這類OFHF均采用垂直入射通過(guò)圓盤照明ABS，并且探測(cè)與偏振無(wú)關(guān)的反射光強(qiáng)度的改變。
一種形式的OFHT使用基本上單色的光源(側(cè)如參見(jiàn)由G.L.Best，D.E.Horne，A.Chiou和H.Sussner公開(kāi)的文章”Precise optical measurement of slider dynamics”,IEEE Trans.Magn，MAG-22，(1986)1017-1019)。反射光受到圓盤和滑動(dòng)器ABS之間的薄膜效應(yīng)調(diào)制。這種調(diào)制隨著運(yùn)行高度是周期性的，其周期等于源照明波長(zhǎng)的二分之一。采用合適的探測(cè)和分析裝置，有可能通過(guò)觀察反射光強(qiáng)度的調(diào)制來(lái)追蹤運(yùn)行高度的變化。從調(diào)制曲線的某些部分，可能通過(guò)探測(cè)反射光強(qiáng)來(lái)測(cè)定相當(dāng)精確的ABS和圓盤之間的間隙。原先，這樣一種儀器包括一種純粹的目檢條紋推測(cè)。J.M.Fleischer和C.Lin首先把光電傳感器用在單色的OFHT中，(參見(jiàn)“Infrared laser interferometer for measur-ing air-bearing separation”一文(IBM Journal of Researchand Development，186)，1974，PP·529-533))。一個(gè)更先進(jìn)的單色OFHT例子由T.Ohkubo和J.Kishegami介紹(參見(jiàn)“Accurate Measurement of Gas-Lubricated SliderBearing Separation using Laser interferometry”，Trans.ASME，voc 110，pp148-155(Jan.1988)。該文介紹FM8801和FM2000運(yùn)行高度測(cè)試儀(由ProQuip公司，在美國(guó)出售)的操作基礎(chǔ)。
所進(jìn)行的測(cè)量依據(jù)一種周期性現(xiàn)象，單色OFHT的缺點(diǎn)是，進(jìn)行測(cè)量的干涉環(huán)不清晰，因此存在干涉條紋模糊，運(yùn)行高度測(cè)量局限于波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，即，通常小于150nm。還有一個(gè)困難是，運(yùn)行高度的測(cè)量具有一個(gè)明顯的范圍，超過(guò)該范圍測(cè)量靈敏度近似于零。在滑動(dòng)器和圓盤之間的間隙小于25nm時(shí)，這種情況下的測(cè)量方法特別麻煩。最后，還需要對(duì)每個(gè)進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試的滑動(dòng)器作零運(yùn)行高度的檢驗(yàn)。
在文章“A Visible Interferometer for Air Bearing Sep-aration Measurement to Submicro Accuracy”(A.Niagam，Trans.ASME，vol.104，pp.60-65(1982))中，介紹了一種依據(jù)單色光的OFHT，還提供了測(cè)定干涉條紋級(jí)數(shù)的附加裝置。該裝置包括一個(gè)氙燈和一個(gè)圓形的可變波長(zhǎng)濾光器。燈和波長(zhǎng)濾光器結(jié)合一起作為一個(gè)在400-700nm范圍內(nèi)可調(diào)波長(zhǎng)的光源。在波長(zhǎng)移動(dòng)時(shí)，干涉圖樣也以一種揭示絕對(duì)運(yùn)行高度的方式受到移動(dòng)，因此條紋級(jí)數(shù)可用于單色光測(cè)量。一旦條紋級(jí)數(shù)已被測(cè)定，則利用單色傳感器的測(cè)量可在約2.5KHz的速度下進(jìn)行。
另外幾個(gè)已有技術(shù)中采用多個(gè)波長(zhǎng)來(lái)避免單色干涉測(cè)量的模糊度問(wèn)題。例如，一個(gè)通常形式的OFHT是依據(jù)干涉效應(yīng)隨著照明波長(zhǎng)不同而改變之一點(diǎn)(參見(jiàn)D.A.Fridge等的美國(guó)專利U.S.P NO.4,593,368)。該專利中所述的裝置包括一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的分光光度計(jì)，用以分析從滑動(dòng)器—圓盤的界面反射的白光的隨波長(zhǎng)而變的調(diào)制。這種技術(shù)可配用在商業(yè)上可獲得的產(chǎn)品，例如由太平洋精密實(shí)驗(yàn)室(Inc(PPL)of Chatsworth，CA.)生產(chǎn)的自動(dòng)數(shù)字運(yùn)行高度測(cè)試儀。白光干涉測(cè)量有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，即在測(cè)量中不存在模糊度，因?yàn)楣庾V調(diào)制現(xiàn)象與運(yùn)行高度不是周期性的。然而，依據(jù)分光儀的白光方法在使用中受到許多限制，最嚴(yán)重的和最難辦的限制是測(cè)量的速度。這個(gè)問(wèn)題的構(gòu)成是由于需要對(duì)多到171個(gè)不同波長(zhǎng)反射的相位改變進(jìn)行補(bǔ)償(參見(jiàn)，“Fly-ing height measurement System and Slider absorption”(R.Pavlat,IDEMA Insight 7(5)，P·1(1994)一文。最后，白光技術(shù)對(duì)間隙大于所用最短波長(zhǎng)(近似于200nm)的二分之一波長(zhǎng)的測(cè)量最有效，而這趨向是有利于運(yùn)行高度小于25nm的測(cè)量。
為了克服上述白光干涉測(cè)量法的某些限制，幾個(gè)已有技術(shù)OFHT利用少數(shù)分立的光波長(zhǎng)來(lái)提高測(cè)量速度和性能。在U.S.P NO.5,280,340(C.Lacey)中介紹一種光學(xué)分析小間隔的三波長(zhǎng)方法，它包括一個(gè)高強(qiáng)度的多波長(zhǎng)輻射光源，一個(gè)用于快速光譜分析的探測(cè)器組件。探測(cè)器組件包括波長(zhǎng)區(qū)分分束器，對(duì)每個(gè)欲測(cè)波長(zhǎng)濾光的濾光器和用于每波長(zhǎng)的高速光探測(cè)器。所公開(kāi)的裝置還包括一個(gè)使探測(cè)頭離開(kāi)探測(cè)組件一個(gè)非常小的距離，約0.25μm的機(jī)械組件。該機(jī)構(gòu)用于對(duì)裝置的校準(zhǔn)，包括測(cè)量二個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度，同時(shí)在滑動(dòng)器部分卸載的情況下測(cè)定每個(gè)波長(zhǎng)的最大和最小強(qiáng)度。當(dāng)該系統(tǒng)得到校準(zhǔn)后，就能在速度大干100KHZ的條件下測(cè)量運(yùn)行高度。在上述專利中所公開(kāi)的裝置是由PhaseMetrics制造的動(dòng)態(tài)運(yùn)行高度測(cè)試儀的基礎(chǔ)。
雖然三波長(zhǎng)OFHT比老式的白光測(cè)量?jī)x的測(cè)量速度快，但是他們?nèi)匀挥性S多相同的限制，最嚴(yán)重的限制是，在運(yùn)行高度趨于零時(shí)測(cè)量靈敏度趨于零。這些限制在原則上是涉及在波長(zhǎng)范圍內(nèi)垂直入射時(shí)反射光強(qiáng)的改變關(guān)系。這些改變?cè)谶\(yùn)行高度非常小的情況下是相當(dāng)難測(cè)量的。所以，在垂直入射時(shí)對(duì)強(qiáng)度測(cè)量的依賴是上述引用的已有OFHT的主要不足。
如果對(duì)從滑動(dòng)器ABS的反射，和對(duì)從圓盤表面的反射可以分別用某些方法予以分開(kāi)，例如或者用光束的偏振及物理的分開(kāi)，或用兩者，則可在很大程度上避免在低運(yùn)行高度時(shí)的測(cè)量困難。在美國(guó)專利U.S.PNO.4,606,638(G.Sommargren)所公開(kāi)的裝置使用一個(gè)透明的圓盤作為一個(gè)前表面偏振器，從而由該表面的反射可以與從ABS的反射區(qū)分開(kāi)來(lái)。所公開(kāi)裝置的附加優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)間隙可以用具有多個(gè)探測(cè)器的相機(jī)來(lái)測(cè)量，由此可能測(cè)定滑動(dòng)器的形狀和取向，以及對(duì)許多測(cè)量點(diǎn)所需的感興趣的參數(shù)。然而，這種具有偏振涂層的特殊透明圓盤的制造，如Sommargren的專利中所述是非常花錢的，任何表面的不完善均能在低運(yùn)行高度時(shí)造成各種問(wèn)題。
其它的在光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)量?jī)x中分開(kāi)干涉光途的途徑公開(kāi)在美國(guó)專利U.S.P NO.5,218,424(G.Sommargren)中。所公開(kāi)的裝置使用具有正交偏振的兩束平行光束。兩束光以Brewster角入射到玻璃盤的表面上。一束光完全通過(guò)圓盤，沒(méi)有反射，而另一束從圓盤的表面部分反射。把通過(guò)圓盤，沒(méi)有反射的光束用于照明ABS。然后，使兩束光復(fù)合，形成隨運(yùn)行高度正弦變化的干涉效應(yīng)。由于上述專利中所述的裝置是一個(gè)雙光束干涉儀，所以有可能在不損失靈敏度和精度的情況下來(lái)測(cè)量相當(dāng)小的間隙，由此消除了系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)，即取決于從間隙內(nèi)的多次反射而直接引起的干涉效應(yīng)。所公開(kāi)的裝置還包括對(duì)整個(gè)ABS成象的陣列相機(jī)。
除上述優(yōu)點(diǎn)外，由U.S.P NO.5,218,424所公開(kāi)的方法和裝置具有明顯的限制，使它不適宜作為一種實(shí)用工具用于磁性存貯工業(yè)中對(duì)滑動(dòng)器的運(yùn)行特性進(jìn)行自動(dòng)的檢驗(yàn)。這些限制包括，使用昂貴、復(fù)雜的高速相位調(diào)制器作為基本的部件；非常低的數(shù)據(jù)采集和近似15HZ的處理速率，這部分是由于采用相位調(diào)制的方法，和需要對(duì)透明圓盤的所有轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行積分；以及一個(gè)非常低的滑動(dòng)器動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的測(cè)定，另部分是由于使用全幀的成象相機(jī)進(jìn)行所有的測(cè)量；一種對(duì)透明圓盤的均勻性和畸變的有害靈敏性；一種對(duì)圓盤的端部和傾斜的有害靈敏性；這些可能在運(yùn)行高度測(cè)量中引進(jìn)實(shí)質(zhì)性的誤差；干涉相位的總移動(dòng)主要是由于高速相位調(diào)制器的存在，導(dǎo)致于一種雙值的相位偏移。
美國(guó)專利U.S.P NO.5,218,424所公開(kāi)的裝置中的若干不足之處記述在待批的美國(guó)專利申請(qǐng)NO.08/38/232，1995年1月31日提交的名為“Interferometer and Methodfor measuring the Distance of an object Surface with Re-spect to the Surface of a Rotating Disk”的申請(qǐng)中。其中主要的改進(jìn)是，加入補(bǔ)償光束，允許高速操作，不用受到有關(guān)圓盤的體積、表面形狀和取向的變化所帶來(lái)的影響；一個(gè)高速相位測(cè)量系統(tǒng)；以及用非常高的速度對(duì)滑動(dòng)器表面上的許多不同點(diǎn)的相位進(jìn)行有效取樣的方法和裝置。除了這些起優(yōu)點(diǎn)之外，待批美國(guó)專利申請(qǐng)NO.08/38/232所述的裝置對(duì)某些相位的源，例如空氣的湍流和光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仍然是靈敏的。最成問(wèn)題的是，所述裝置十分復(fù)雜和昂貴。
除了上述許多已知運(yùn)行高度測(cè)試方法的重要缺點(diǎn)之外，其它所有已有方法的困難是，在滑動(dòng)器的反射表面出現(xiàn)相位的改變。這種相位變化很容易被誤認(rèn)為運(yùn)行高度的變化，造成具有20nm之大的誤差。為了糾正這種影響，我們必需利用已知的材料綜合折射率的知識(shí)來(lái)知道確切的相位變化。如果OFHT使用多波長(zhǎng)光，則綜合折射率必需對(duì)這些波長(zhǎng)的每一個(gè)進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量。例如可參見(jiàn)文章”Interferometricmeasurement of disk/slider spacingThe effect of Phaseshift on reflection”(C.Lacey，R.Shelor，A.Cormier(IEEE Transaction on Magnetics))。對(duì)折射率獨(dú)立測(cè)量的要求無(wú)疑對(duì)所有已有光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試的方法和裝置增加了一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。
通常，利用已知的儀器，例如橢率計(jì)來(lái)測(cè)量折射率，橢率計(jì)分析傾斜于受測(cè)材料表面反射光束的偏振改變來(lái)測(cè)量。該測(cè)量的幾何構(gòu)型不同于所有已有運(yùn)行高度測(cè)量的幾何構(gòu)型，它需要一個(gè)完全獨(dú)立的測(cè)量?jī)x。根據(jù)文章“ellipsometry，acentury old new technique”(R.F.Spanier(industrial Re-search，September 1975)所述，橢率計(jì)是一個(gè)偏振器、相位遲后板和探測(cè)器的組件，設(shè)計(jì)于測(cè)量以傾角入射至測(cè)試表面上光束的偏振變化。橢率計(jì)提供有關(guān)表面綜合折射率的信息，也能提供有關(guān)多層介質(zhì)，例如沉積在基板上的薄膜的有關(guān)信息。商用的橢率計(jì)包括那些由Gaerther Scientific Cor-poration(Chicago，lL.)制造的產(chǎn)品。雖然已有技術(shù)提供幾種實(shí)驗(yàn)用橢率計(jì)的樣品，它包括幾種用于綜合折射率高速測(cè)量的設(shè)計(jì)樣品，但是沒(méi)有一種儀器設(shè)計(jì)用于光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試，或者類似的小間隙的測(cè)量。所以，綜合折射率的測(cè)定是間隙測(cè)量中的又一個(gè)單獨(dú)任務(wù)。
例如，在名為“an antomated s canning ellipsometer”(T.Smith(Surface science 56，212-220(1976))一文中，介紹一種沒(méi)有運(yùn)行部件的橢率測(cè)量裝置。光以一個(gè)傾角入射至測(cè)試表面。雙光束分束器設(shè)置于對(duì)空間不同部分的反射光束取樣。其中一個(gè)分束器把垂直和平行于入射平面的偏振分出來(lái)，而另一個(gè)相對(duì)于入射平面成45°角放置。不同的光束由光探測(cè)器測(cè)量，依據(jù)一組三個(gè)數(shù)學(xué)式的數(shù)據(jù)處理提供表征受測(cè)表面的合適橢率參數(shù)。雖然所公開(kāi)的裝置能有高速的功能，但是它不適用于測(cè)量小間隙，例如在光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試中新遇到的那種小間隙的測(cè)量。一個(gè)重要的問(wèn)題是光束的空間取樣，它會(huì)引進(jìn)誤差并阻止它作為聚焦光束的使用，即使采用附加透鏡和類似的聚焦元件也不行。此外，在上述文章中沒(méi)有提供一種方法適用于對(duì)二個(gè)表面(其中一個(gè)基個(gè)上是透明部件)之間距離的高速和高精度的測(cè)量。最后，沒(méi)有提供一種方法用于測(cè)定由一個(gè)小間隙與另一表面隔開(kāi)的表面的綜合折射率，這種間隔如同于一個(gè)滑動(dòng)器非?？拷粋€(gè)透明圓盤的運(yùn)行。所以，由Smith描述的裝置不解決獨(dú)立測(cè)量間隙和綜合折射率的問(wèn)題。
某些高速橢率計(jì)利用外差干涉測(cè)量法來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。在文章“interferometric ellipsometry”(H.F.Hazebroek和A.A.Holscher(J.Phys.ESci.Instrum.6，822-6(1973))中介紹一種依據(jù)Michelson干涉儀和掃描后向反射器的特殊雙路橢率儀。測(cè)試表面與一平面鏡一起放置在干涉儀的一個(gè)臂上，而后向反射器放在另一臂上。掃描后向反射器對(duì)干涉儀內(nèi)的二個(gè)正交偏振產(chǎn)生拍頻信號(hào)。這些信號(hào)用光電方法進(jìn)行測(cè)量，他們的相對(duì)相位和振幅提供合適的橢率常數(shù)。一個(gè)稍微不同的用于干涉橢率測(cè)定的裝置由C.Lin，C.Chou和K.Chang在文章“Real time interferometric ellipsometrywith optical heterodyne and phase lock-in techniques”中予以介紹。該文章公開(kāi)了一種包含Mach-Zehnder幾何構(gòu)型的光學(xué)外差技術(shù)和二個(gè)聲光調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生拍頻信號(hào)。然而，這些外差橢率儀中沒(méi)有一個(gè)被設(shè)計(jì)成適用于二個(gè)表面間距離的高速和高精度測(cè)量，二個(gè)表面中的一個(gè)是基本上透明的部件。同樣，這些文章中沒(méi)有提供一種方法用于測(cè)定由一個(gè)小間隙與另一表面隔開(kāi)的表面綜合折射率，這種間隔如同于一個(gè)滑動(dòng)器非?？拷粋€(gè)透明圓盤的運(yùn)行。所以，由Hazebrok和Holscher描述的裝置，以及由Lin描述的裝置都沒(méi)有解決獨(dú)立測(cè)量間隙和綜合折射率的問(wèn)題。
其它形式的干涉測(cè)量橢率儀采用一個(gè)Zeeman激光器，它公開(kāi)在文章“ellipsometry with a stabilized Zeemanlaser”(L.Singher，A.Brunfeld，J.Shamir)中，其中包括手控轉(zhuǎn)動(dòng)的檢偏器，它不是一個(gè)嚴(yán)格的高速裝置。在美國(guó)專利U.S.P NO.4,762,414(G.Grego)公開(kāi)的橢率儀產(chǎn)生外差信號(hào)，但是只能在一個(gè)時(shí)間測(cè)量一個(gè)偏振，還有的困難是，干涉信號(hào)的參考部位必需防止機(jī)械和熱效應(yīng)。所以，這些裝置不適宜于兩表面間距離的高速、高精度測(cè)量，例如不適于光學(xué)運(yùn)行高度的測(cè)試中所需的那種測(cè)量。
一種特別不尋常的包括多次通過(guò)測(cè)試表面的干涉橢率儀的形式被介紹在文章“interference ellipsometer”(D.P.Pilipko和I.P.Pugach(instruments and ExperimentalTechniques 26(4)951-952(1984))中。文中所公開(kāi)的裝置是基于掃描Fabry-Perot干涉儀。不尋常的多路幾何構(gòu)型簡(jiǎn)化了某些用于提取橢率數(shù)據(jù)的信號(hào)處理階段。然而，該裝置和方法特別不適用于測(cè)量二個(gè)表面之間的距離，如光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試中所需的那種測(cè)量。
某些橢率儀的形式只適于某特殊的任何和某種表面。例如，U.S.P NO.5,170,049介紹一種用于測(cè)量涂在基襯表面鉻層上氧化鉻層厚度的專用橢率儀。另一個(gè)專用干涉橢率儀的例子公開(kāi)在歐洲專利No.EP0075684(J.C.Chastang，W.W.Hildenbrand，M.Levanoni)中。該系統(tǒng)只測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交偏振的強(qiáng)度，所以對(duì)小測(cè)量誤差是高靈敏的，而且對(duì)所有45°入射角的測(cè)量不起作用。很清楚，這些現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有一個(gè)提出解決小間隙問(wèn)題，例如在光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試中所遇到問(wèn)題的技術(shù)方案，也沒(méi)有提出一種避免獨(dú)立測(cè)量運(yùn)行高度和滑動(dòng)器ABS綜合折射率的方法。
由引可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有提供任何不依賴于單獨(dú)測(cè)量綜合折射率的測(cè)量運(yùn)行高度的方法或裝置。所以，OFHT和類似間隙測(cè)量?jī)x的主要困難在于，綜合折射率的測(cè)定是一個(gè)與間隙測(cè)量無(wú)關(guān)的任務(wù)，這一點(diǎn)也適用于橢率儀或類似的裝置。這種需求很明顯提高了小間隙測(cè)量的化費(fèi)和復(fù)雜性，同進(jìn)也降低了測(cè)試結(jié)果的可信度。
所以，對(duì)高速、高精度測(cè)量?jī)杀砻嬷g距離的裝置和方法，如同光學(xué)運(yùn)行高度測(cè)試所需那樣，存在著一種不滿足的需求。在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的某些困難，包括不能測(cè)量相當(dāng)窄的間隙，即，造成接觸等，這就需要使用多波長(zhǎng)和有關(guān)的較復(fù)雜的光源和探測(cè)部件，解決某些方法對(duì)氣流和機(jī)械形變的靈敏度，并且需要與橢率儀無(wú)關(guān)地測(cè)定綜合折射率。這些不利將由本發(fā)明予以克服。
本發(fā)明提供高速，高精度測(cè)量?jī)杀砻嬷g間隙的方法和裝置。在此稱為第一表面的一個(gè)表面基本上是一個(gè)透明的部件，而另一表面是指受測(cè)試物體的表面。兩個(gè)表面由透明的介質(zhì)例如空氣分隔開(kāi)，他們之間的間隙通常是小于所用光的一個(gè)波長(zhǎng)。受測(cè)物體的表面可能是非?？拷该鞑考谋砻妫┤缈赡芘c透明部件的第一表面接觸或幾乎接觸。此外，受測(cè)物體的表面可以相對(duì)于透明物體的第一表面是靜止的，或者是運(yùn)動(dòng)的。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，偏振光束以傾斜的角度射向透明部件的第一表面。入射光束的平面限定一個(gè)偏振基矢P，以及一個(gè)與其垂直的基矢S。入射光束具有S和P型的偏振。借助于從透明部件的第一表面和從受測(cè)物體表面反射光的合光效應(yīng)，使光束通過(guò)透明部件作后向反射。于是，反射光束中的二種偏振S和P在光探測(cè)器上或復(fù)合光探測(cè)器上互相引起干涉，以如此方式提供有關(guān)兩反射偏振分量的相對(duì)相位以及它們振幅的信息。在本發(fā)明的一個(gè)方法中，利用把反射光束分成兩束或多束相同的光束，每一束通過(guò)一個(gè)偏振光學(xué)元件，然后入射到一個(gè)光探測(cè)器上的方法來(lái)提供上述信息。之后，電子處理裝置利用來(lái)自光探測(cè)器的信號(hào)來(lái)計(jì)算兩偏振分量的振幅和相對(duì)相位。再利用由干涉分析提供的信息，由計(jì)算機(jī)計(jì)算間隙的大小。
本發(fā)明還提供一種測(cè)定受測(cè)表面綜合折射率的方法和裝置。該方法包括，在等于或大于源光波長(zhǎng)的范圍內(nèi)改變透明部件的第一表面和受測(cè)表面之間的間隙?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)受測(cè)表面位置的機(jī)械裝置，或者改變某些控制間隙尺寸的物理參量來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的改變。在間隙受到改變同時(shí)，以高速獲取干涉測(cè)量數(shù)據(jù)。由計(jì)算機(jī)貯存該數(shù)據(jù)，譬如振幅和相位數(shù)據(jù)的最大和最小值，然后利用該數(shù)據(jù)計(jì)算受測(cè)表面的有效綜合折射率。
本發(fā)明還提供測(cè)量相對(duì)于受測(cè)表面邊界的受測(cè)表面上光束位置的方法和裝置，以提供有意義的，可重復(fù)的間隙測(cè)量。監(jiān)測(cè)裝置包括一個(gè)光源，它可以是一個(gè)白熾燈泡，光發(fā)射兩極管等，一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，一個(gè)電子照相機(jī)，以及從相機(jī)信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)圖象的裝置。光以傾斜的角度通過(guò)受測(cè)透明部件入射。另一種方式，光可以采用類似于已有亮光場(chǎng)顯微鏡所采用的垂直入射方式，通過(guò)光學(xué)顯微鏡射向透明部件。從受測(cè)表面反射的光射到相機(jī)上，同時(shí)利用光學(xué)顯微鏡使從透明部件的表面反射的光以及受測(cè)表面反射的光入射到相機(jī)上。同時(shí)，一部分上述測(cè)量光束也射到相機(jī)上，以使測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于受測(cè)表面邊界的位置可以通過(guò)目視或電子學(xué)方法得到測(cè)定。當(dāng)采用光學(xué)顯微鏡時(shí)，以斜角入射的測(cè)量光束位置由受測(cè)表面朝向顯微鏡散射，并且也在相機(jī)上成象。于是，監(jiān)測(cè)裝置表示受測(cè)點(diǎn)相對(duì)于受測(cè)表面邊界的位置。
本發(fā)明上述的和其它的特性，包括計(jì)算步驟，選用實(shí)施例的詳述以及實(shí)施方法的介紹，在結(jié)合附圖和本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明后更為清楚。
在下述附圖中，相同的引用字符表示類似的部件。


圖1是本發(fā)明用于測(cè)量物體表面相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)透明圓盤表面的距離的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；圖2是從頂部表示圖1的圓盤部分，表示圖1實(shí)施例中物體的位置和各個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)的位置；圖3是圖1實(shí)施例中所采用的強(qiáng)度和相位探測(cè)器組件的優(yōu)選實(shí)施例；圖4是圖1所示本發(fā)明的另一實(shí)施例，表示用于測(cè)定受測(cè)表面上測(cè)量點(diǎn)位置的目視顯微鏡的放置部位；圖5是表示S偏振分量強(qiáng)度作為兩表面之間距離大小的函數(shù)變化的曲線圖，其中φ＝54°，ng＝1.55，n′＝2.5，λ＝633nm；圖6是表示P偏振分量強(qiáng)度作為兩表面之間距離大小的函數(shù)變化的曲線圖，其中(φ＝54°，ng＝1.55，n′＝2.5，λ＝633nm；
圖7是表示所測(cè)的干涉相位作為兩表面之間距離大小的函數(shù)變化的曲線圖，其中φ＝54°，ng＝1.55，n′＝2.5，ξ＝0，λ＝633nm；圖8是表示本發(fā)明圖1所示的另一種優(yōu)選實(shí)施例，說(shuō)明用一個(gè)在線的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)受測(cè)表面上測(cè)量光束進(jìn)行定位的最好方式。
圖1表示本發(fā)明采用干涉測(cè)量裝置測(cè)量幾乎與一個(gè)旋轉(zhuǎn)透明圓盤20相接觸的物體30表面的距離的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例中的裝置適用于預(yù)示位于轉(zhuǎn)動(dòng)磁性存貯介質(zhì)20的上方一個(gè)慣用滑動(dòng)器的氣動(dòng)運(yùn)行特性。本發(fā)明適用于測(cè)量一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)透明圓盤20的表面25和一個(gè)測(cè)試物體30的表面35之間的間隙。所示的圓盤20安置至由馬達(dá)22驅(qū)動(dòng)的心軸21上，所以間隙的大小可以作為圓盤20轉(zhuǎn)動(dòng)速度的函數(shù)予以測(cè)定。測(cè)試物體30相對(duì)于心軸21的位置可以參見(jiàn)圖2明白，圖中表示圓盤20的頂視圖，表示測(cè)試物體30的位置。
參見(jiàn)圖1，用于測(cè)量的照明由光源1提供，光源可以是一個(gè)光發(fā)射兩極管，一個(gè)激光兩極管，一個(gè)氣體激光器，一個(gè)放電燈等類似的光源。透鏡2使光束3通過(guò)偏振部件4，偏振部件可以是線性雙色偏振器。偏振光束5以一個(gè)傾斜的角度射向圓盤20的第一表面。光束的入射平面限定一個(gè)偏振基矢P，以及與其有關(guān)的垂直基矢S。最好使光束5的偏振是使S和P型偏振均存在。
光束5由圓盤20作為光束6后向反射，如圖1所示。反射光束6是從圓盤20的表面25反射的光和從測(cè)試物體30的表面35反射的光的合光結(jié)果。兩個(gè)表面25，35的合反射率與光束5的偏振狀態(tài)有關(guān)，導(dǎo)致兩個(gè)偏振S和P的相對(duì)相位改變，以及在每個(gè)偏振中光量的改變。這些改變是表面25和35之間間隔部分的函數(shù)。本發(fā)明裝置最好還包括，一個(gè)偏振靈敏的強(qiáng)度測(cè)量計(jì)12，用于測(cè)量每個(gè)偏振的光量，一個(gè)相位探測(cè)器13，用于測(cè)定S和P偏振分量之間的相差。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例最好也包括，一個(gè)可移動(dòng)的偏振元件14，它可以是一個(gè)偏振器或一個(gè)波片，用于校準(zhǔn)和檢驗(yàn)強(qiáng)度計(jì)12和相位探測(cè)器13的正確操作，對(duì)此詳見(jiàn)圖3所示。
為圖3所示，分束器101把反射光束65分成二束光束102和103。如圖3所示的強(qiáng)度測(cè)量計(jì)12包括一個(gè)起偏元件110，例如一個(gè)Wollaston棱鏡或一個(gè)偏振分束器，把光束102的二個(gè)偏振S和P分開(kāi)，再使它們分別射向二個(gè)光探測(cè)器111和112。由這些光探測(cè)器測(cè)量的強(qiáng)度用電子學(xué)方法傳輸?shù)揭粋€(gè)常用計(jì)算機(jī)99(見(jiàn)圖1)現(xiàn)參見(jiàn)相位探測(cè)器13，詳見(jiàn)圖3所示，光束103被分成二束光104和105。一個(gè)偏振元件120，例如可以是一個(gè)Wollaston棱鏡等元件，進(jìn)行取向，使光束104的二個(gè)偏振分量S和P混合，形成相互正交偏振的二光束106和107。由偏振元件120混合二個(gè)偏振分量將導(dǎo)致二個(gè)偏振的相對(duì)強(qiáng)度的干涉效應(yīng)特性，二個(gè)偏振之間的相對(duì)相位，偏振元件120的確切取向，以及其它因素的產(chǎn)生。光束106和107的強(qiáng)度由光探測(cè)器121和122測(cè)量，所測(cè)得的電信號(hào)被送至計(jì)算機(jī)99(見(jiàn)圖1)光束105通過(guò)波片123，例如可以采用一個(gè)波片。波片123的作用是移動(dòng)二個(gè)偏振分量S和P的相對(duì)相位。第三個(gè)偏振元件130，例如可用一個(gè)Wollaston棱鏡，其取向使光束105的二個(gè)偏振S和P混合成為二個(gè)互相垂直偏振的光束108和109。由偏振元件130混合上述二個(gè)偏振，將導(dǎo)致二個(gè)偏振的相對(duì)強(qiáng)度的干涉效應(yīng)。光束108和109的強(qiáng)度由二個(gè)光探測(cè)器131和132測(cè)量，電信號(hào)被送至計(jì)算機(jī)99(見(jiàn)圖1)。
從現(xiàn)有技術(shù)可見(jiàn)，探測(cè)器111，112，121，122，131和132每個(gè)可以是獨(dú)立的探測(cè)器，或線性陣列探測(cè)器，或二維陣列探測(cè)器。本技術(shù)領(lǐng)域的工作者也可知，只要不偏離本發(fā)明精神，也可采用其它的探測(cè)裝置。例如，雖然本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明介紹一種特殊形式的包含偏振元件和多個(gè)探測(cè)器的相位探測(cè)器，但是也可用其它形式的相位探測(cè)器來(lái)替代。另一種適用于本發(fā)明方法的估測(cè)相位的技術(shù)是一種外差干涉測(cè)量法(參見(jiàn)“Basics of interferometry”一書，PP、70、71、73、189(P·Hariharan，A cademic Press，Boston，1992))。
圖4表示本發(fā)明的另一種實(shí)施例，其中，顯微鏡200用于觀察測(cè)試物體，并在垂直入射系統(tǒng)內(nèi)測(cè)定受測(cè)表面上測(cè)量點(diǎn)的位置，并通過(guò)圖8所示的途徑，用不同于圖4所示垂直入射系統(tǒng)的在線光學(xué)系統(tǒng)來(lái)對(duì)測(cè)試表面上的測(cè)量光束進(jìn)行定位。參見(jiàn)圖4，在顯微鏡200內(nèi)的分束器203把由光源201發(fā)出的光束202導(dǎo)向并通過(guò)透鏡204。光束202通過(guò)透鏡204后向反射，并入射至閉路電視攝象機(jī)的靈敏接收區(qū)上。由攝象機(jī)210產(chǎn)生的電子圖象可以在監(jiān)視器200上觀看，也可以送至計(jì)算機(jī)(見(jiàn)圖1)，作進(jìn)一步處理。
圖8表示本發(fā)明的另一種實(shí)施例，其中加上一個(gè)雙視系統(tǒng)，用以觀察測(cè)試物體和在在線光學(xué)系統(tǒng)中測(cè)定受測(cè)表面上測(cè)量點(diǎn)的位置?，F(xiàn)參見(jiàn)圖8，類似圖4中所示的部件采用相同參考號(hào)下加字母“a”表示，散射光源201a。它是一個(gè)白熾燈泡，光發(fā)射二極管等光源。由分束元件203a將光源201a發(fā)出的光束與源光束2a合光。來(lái)自光源201a的光照明測(cè)試物體30a的表面35a，并通過(guò)圓盤20a后向反射。分束器204a反射從光源201a出來(lái)的一部分光至相機(jī)210a上。同時(shí)，分束器204a也反射來(lái)自光源1a的部分光。相機(jī)210的電信號(hào)作為圖象230a顯示在電視監(jiān)視器220a上。其中，來(lái)自光源1a的光被聚焦在表面35a上，監(jiān)視器上的圖象230a表示相當(dāng)于表面35a上測(cè)量位置的明亮光點(diǎn)240a。相反，來(lái)自散射光源201a的光照明表面35a的主要區(qū)域，于是提供一個(gè)表示表面35a的主要部分的清晰圖象。本領(lǐng)域的工作者了解到，附加的圖象處理裝置可用于自動(dòng)確定有關(guān)表面35a上物理特性的點(diǎn)240a的位置。
本領(lǐng)域的工作者也可知，另一種裝置和方法也可用于觀察測(cè)試物體和確定受測(cè)表面上測(cè)量點(diǎn)的位置。尤其，照明和電子成象可以包括一個(gè)基本上獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，例如一個(gè)顯微鏡，可以在垂直入射下操作，也可以在相對(duì)圖4所示的在傾角下操作。這種獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)也可包括用于確定測(cè)量點(diǎn)或便于對(duì)測(cè)試物30a加載的獨(dú)立處理裝置；獨(dú)立處理裝置也可包括對(duì)表面35a和表面25a之間間隙的補(bǔ)充分析，以檢驗(yàn)該間隙的測(cè)量或增加它的測(cè)量范圍。例如，獨(dú)立的光學(xué)裝置可以包括，采用光源的顯微鏡，這將根據(jù)已知的現(xiàn)有技術(shù)，例如上面所介紹的，來(lái)產(chǎn)生干涉色。
現(xiàn)介紹根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)裝置的實(shí)施例，以及測(cè)量方法的說(shuō)明。再次參見(jiàn)圖1，偏振光束5以傾斜的角度φ≠0，通過(guò)圓盤20照明測(cè)試物體30。光束5可以被分成二束具有正交偏振的分量P和S，其中P是指平行于入射面的分量。所以，光束5的電場(chǎng)矢量可用下式表示E→(0)=aSS^+apP^-------(1)]]>此處，和 是二個(gè)偏振的單位矢量。
反射光束6可以用下式表示E→=Zsa′′sS^+Zpa′′pP^-------(2)]]>此處，Zs，p是滑動(dòng)器—玻璃界面的的有效反射率，場(chǎng)分量a″s，p包括，二次透過(guò)玻璃的上表面的效應(yīng)，以及任何其它具有獨(dú)立偏振的光學(xué)分量的效應(yīng)。有效的反射率Zs，p由下式給出Zp(β)=rp+r′pexp(iβ)1+rpr′pexp(iβ)------(3)]]>Zs(β)=rs+r′sexp(iβ)1+rsr′sexp(iβ)------(4)]]>其中，相位項(xiàng)β由下式給出β＝2kh cos(φ)(5)
反射率rs，p用于圓盤20的表面25，而r′s，p指測(cè)試物體30的表面35。相位β取決于波數(shù)K＝1/λ，入射角φ和表面25和35之間的距離。
現(xiàn)參見(jiàn)圖3，反射光束6由強(qiáng)度測(cè)量計(jì)12分析。光探測(cè)器111，112測(cè)量由下式表示的強(qiáng)度Is，p(β)＝A″s，pZs，p(β)(6)其中，A″s，p＝｜a″s，p｜2(7)Zs，p＝｜Zs，p｜2(8)測(cè)量強(qiáng)度隨表面25和35之間距離的變化由圖5和6表示。
相位探測(cè)器13用于測(cè)定二個(gè)偏振分量S和P之間的相差。這種相差可用下式表示θ(β)＝arg[Zs(β)]－arg[Zp(β)]＋ξ(9)其中，ξ＝arg(a″s)－arg((a″p)(10)圖7表示相對(duì)相位隨著表面25和35之間距離變化的圖示形式。
相位探測(cè)器13其作用通過(guò)對(duì)由圖3所示的光探測(cè)器121，122，131，132測(cè)量的強(qiáng)度I1..4的數(shù)學(xué)分析來(lái)顯現(xiàn)?，F(xiàn)用的相位測(cè)量方法要求對(duì)偏振元件120，130以及波片123進(jìn)行選擇和安排，使四個(gè)強(qiáng)度I1..4相當(dāng)于一組四個(gè)干涉信號(hào)，其相差正好是π/2弧度。于是有可能使S和P偏振之間的相差由下式表示θ=tan-1[I1-I3I2-I4]-----(11)]]>上述式子可參見(jiàn)用于相位估測(cè)的“四步算法”(例如參見(jiàn)“Optical shop testing”一書，第二版，P.511，DanielMalacara(Wiley，New York，1992))。其它已知的用于相位估測(cè)的算法也可利用，對(duì)此在“Optical shop Testing”一書中已有詳細(xì)介紹。
強(qiáng)度Is，p(β)和相位θ(β)(見(jiàn)等式9)一起可以毫不含糊地在式0≤β＜2π(12)所限定的范圍內(nèi)提供測(cè)定表面25和35之間距離h的足夠信息。
計(jì)算機(jī)99把測(cè)量值Is，Ip和θ與在0≤β＜2π范圍內(nèi)的理論預(yù)示值(見(jiàn)等式(6)和(9))作比較。對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)之間提供最可能匹配的β值用來(lái)計(jì)算距離h(見(jiàn)等式(5))。在已有技術(shù)中已知多種用于尋找理論和實(shí)驗(yàn)之間最可能匹配的方法?，F(xiàn)選用的方法是最小乘方擬合法(由“Numerical recipesin C”一書第659-661頁(yè)說(shuō)明(W.Press，S.Teukolsky，W.Vettering，B.Flanney(2nd Ed，Cambridge UniversityPress，1992)。本發(fā)明的一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是，它對(duì)所有欲與之接觸的材料，包括介電材料之間的距離h提供精確的測(cè)量。已有的基于以垂直入射的多波長(zhǎng)強(qiáng)度的測(cè)量具很差精度的近似接觸，尤其對(duì)介電材料的近似接觸。
本領(lǐng)域的工作者了解，其它，與強(qiáng)度Is，p(β)和相位θ(β)有關(guān)的測(cè)量參數(shù)也可以取作測(cè)量和分析用的主要參數(shù)。例如，在相位探測(cè)器13中的干涉現(xiàn)象的對(duì)比度等于二倍強(qiáng)度Is，p(β)乘積的均方根。同樣，由光探測(cè)器121、122、131、132(圖3)測(cè)量的強(qiáng)度平均值等于二個(gè)強(qiáng)度Is，p(β)的和。所以本發(fā)明的另一實(shí)施例免除圖1和圖3所示的強(qiáng)度測(cè)量計(jì)12，完全依靠由相位探測(cè)器13所獲得的數(shù)據(jù)。對(duì)這種實(shí)施例的主要測(cè)量參數(shù)是相對(duì)相位，平均強(qiáng)度和條紋的對(duì)比度。
本領(lǐng)域的工作者將了解，在此所提及的數(shù)據(jù)分析假定，裝置本身包括一系列光學(xué)元件，例如透統(tǒng)，分束器等，對(duì)圖1所示光束5和6的偏振狀態(tài)的改變不明顯。如果實(shí)際應(yīng)用中，這種光學(xué)元件改變測(cè)試光束的偏振態(tài)，則這種光學(xué)元件對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響需要予以減少或在數(shù)據(jù)處理時(shí)需考慮進(jìn)去。例如，如果圖1中的透鏡7不是完全沒(méi)有應(yīng)力雙折射，則它將改變光束6的偏振態(tài)，并影響測(cè)量參數(shù)Is，p(β)和θ(β)。因此，應(yīng)對(duì)透鏡7進(jìn)行挑選和在安裝時(shí)盡量減少應(yīng)力雙折射。
對(duì)本發(fā)明實(shí)際應(yīng)用中需關(guān)心的是，為圖1所示在圖盤20中應(yīng)力雙折射的影響。圓盤20由于制造時(shí)的剩余應(yīng)力，把圓盤夾到心軸時(shí)的應(yīng)力，或由于快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的向心力均可能形成雙折射。這些效應(yīng)也應(yīng)該予以減少，或在數(shù)據(jù)處理時(shí)考慮到。例如利用與本發(fā)明的可靠和完全操作相一致的最小量的力來(lái)把圓盤架持到心軸21上。
本發(fā)明選用的實(shí)施例也包括測(cè)定表面35的綜合折射率的方法和裝置。所用方法包括，在相當(dāng)于β量至少改變2π的范圍內(nèi)改變兩個(gè)表面25和35之間的距離。參見(jiàn)圖1，有一個(gè)機(jī)械臂31，用于將測(cè)試物體30對(duì)著圓盤20架特。機(jī)械臂31由載荷機(jī)構(gòu)32致動(dòng)，譬如采用在商業(yè)運(yùn)行高度測(cè)試系統(tǒng)中通用的機(jī)構(gòu)。在正常使用中，載荷機(jī)構(gòu)32使測(cè)試物體30沿著垂直于表面25的方向逐步從大于源水的一個(gè)波長(zhǎng)的距離位移，從而使測(cè)試物體30幾乎與圓盤20相接觸。這個(gè)過(guò)程在已有技術(shù)中通常稱為“加載”。本發(fā)明方法包括在使測(cè)試物體30向圓盤20上加載時(shí)探測(cè)和記錄下述量的最大和量小值，P偏振的強(qiáng)度，S偏振的強(qiáng)度，以及二個(gè)偏振之間的相差θ。在這種方法中所獲取的最大和最小值可以用符號(hào)Is，pmax，Is，pmin，θmax，θmin來(lái)表示。為了測(cè)定綜合折射率n，這些值最好在圖1的計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，其所用的數(shù)學(xué)步驟由下面詳述定義二個(gè)量us，p為us,p=Is,pmax-Is,pminIs,pmax+Is,pmin-----(13)]]>還定義＝個(gè)基它量γs，pγs,p2=4Rs,p+us,p2(1-Rs,p)2------(14)]]>其中，Rs,p′=[-us,p(1-Rs,p)±γs,p2Rs,p]2------(15)]]>其次，計(jì)算S和P偏振之間的相差αΔ，用下式計(jì)算αΔ=12(θmax+θmin)-------(16)]]>現(xiàn)，定義P′量P′=R′PR′sexp(-iαΔ)------(17)]]>并從下述公式計(jì)算綜合折射率n′n′=tan(φ)1-4P′(1+P′)2sin2(φ)------(18)]]>前面的計(jì)算表面35的綜合折射率n′的數(shù)學(xué)步驟假定，圖1中光束5的入射角φ是接近于或不等于對(duì)圓盤20的Brewster角。對(duì)于折射率ng＝1.5的圓盤的合適入射角，例如φ接近于50°。
本領(lǐng)域的工作者將明白，另一種利用加載時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的測(cè)定綜合折射率n′的處理方法在不偏離本發(fā)明精神的情況下是可能的。例如，另一種步驟是基于向增加的方向調(diào)節(jié)n′值，直至在整個(gè)運(yùn)行高度范圍內(nèi)取得理論與實(shí)驗(yàn)之間的盡可能的一致。作為一個(gè)附加的例子，另一種實(shí)施例包括，調(diào)節(jié)等式(17)中的 的比，直至在整個(gè)運(yùn)行高度范圍內(nèi)取得理論與實(shí)驗(yàn)之間的盡可能的一致。這些不同的實(shí)施例都需要某些對(duì)n′值的初始估計(jì)，所述的初始估計(jì)值是從材料的性能，以及最大和最小值Is，pmax，Is，pmin，θmax，θmin中推導(dǎo)出來(lái)的。
一旦綜合折射率n′已被測(cè)定，表面35的綜合反射率可以用Fresnel公式來(lái)計(jì)算r′s=tan(φ-φ-)tan(φ+φ-)-----(19)]]>r′s=-sin(φ-φ-)sin(φ+φ-)-----(20)]]>
其中，φ是入射角，φ是綜合折射角，可以從snell折射定理來(lái)計(jì)算n′sin(φ)＝sin(φ)(21)因?yàn)樵谶x用的方法中已知綜合反射率γ′s，p，所以不存在由于反射的相位改變所產(chǎn)生的間隙測(cè)量的誤差。
本領(lǐng)域的工作者應(yīng)知道，本發(fā)明的幾種不同的實(shí)施例在不偏離本發(fā)明精神的情況是可能的。例如，本發(fā)明用于運(yùn)行高度測(cè)試的另一種實(shí)施例包括一個(gè)運(yùn)行在涂有磁性介質(zhì)的圓盤上的基本上透明的滑動(dòng)器。在其它實(shí)施例中，透明部件包括許多表面來(lái)測(cè)量物體或受測(cè)目標(biāo)上的不連續(xù)特性。在還有一個(gè)實(shí)施例中，透明部件起到一個(gè)用于測(cè)量物體表面輪廓的參照作用，這種物體可以是固定不動(dòng)的，也可以作靠近透明部件的運(yùn)動(dòng)。
所有從本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)中取得好處的實(shí)施例，它包括在相當(dāng)寬的單波長(zhǎng)光源范圍內(nèi)具有高靈敏度測(cè)量間隙的能力，在對(duì)表面間實(shí)際趨于接觸的非常小的間隙的測(cè)量能力，測(cè)量和補(bǔ)償測(cè)試物體的綜合折射率的能力，以及本發(fā)明裝置對(duì)氣流和小的機(jī)械形變的不靈敏性。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量受測(cè)試物體的表面相對(duì)于基本上透明部件的表面之間距離的方法，所述的物體表面是非?？拷龅耐该鞑考砻?，所述的方法包括下述各步將一束偏振光束以一個(gè)傾斜角度射向所述的圓盤表面，所述的光束其入射平面具有一個(gè)偏振基矢P和與其垂直的基矢S，所述的光束入射到所述的透明部件的表面并具有S和P型的偏振；使所述光束通過(guò)基本上透明的部件后向反射，以形成包括S和P偏振分量的反射光束，所述的反射S和P偏振分量互相具有相關(guān)的相位和幅度；使反射光束中的S和P偏振分量互相干涉，以提供有關(guān)所述相關(guān)的相位和幅度的信息；并基于所述的相關(guān)相位和幅度的信息來(lái)測(cè)定所述的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，所述的表面由基本上透明的介質(zhì)分隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，所述的欲測(cè)距離小于所述光束的一個(gè)光波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的測(cè)量方法，其特征是，所述的反射步驟包括利用從所述物體表面和所述透明部件表面反射的合光效應(yīng)來(lái)后向反射所述光束的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的測(cè)量方法，其特征是，所述受測(cè)試物體的表面相對(duì)于所述圓盤表面是靜止的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的測(cè)量方法，其特征是，所述受測(cè)試物體的表面相對(duì)于所述透明部件表面是運(yùn)動(dòng)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，所述的反射步驟包括，利用從所述物體表面和所述透明部件表面反射的合光效應(yīng)來(lái)后向反射所述光束的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，所述受測(cè)試的物體的表面相對(duì)于所述的透明部件表面是靜止的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，所述受測(cè)試物體的表面相對(duì)于所述透明部件表面是運(yùn)動(dòng)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，還包括下列步驟在近似等于或大于所述光束的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)改變所述物體表面和所述透明部件表面之間的距離；在所述的距離受到改變提供所述幅度和相位信息的最大和最小值的同時(shí)提供所述幅度和相位的信息；根據(jù)所述最大和最小值測(cè)定受測(cè)試物體表面的有效綜合折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的測(cè)量方法，其特征是，還包括，存貯所提供的最大和最小值的步驟，所述有效綜合折射率是由所述存貯值來(lái)測(cè)定的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，還包括，監(jiān)測(cè)入射在受測(cè)物體的表面上的入射光束相對(duì)于受測(cè)物體的表面邊界的位置的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的測(cè)量方法，其特征是，所述的監(jiān)測(cè)步驟包括通過(guò)顯微鏡朝所述的透明部件表面提供垂直入射的第二光源；反射所述由通過(guò)顯微鏡從所述的圓盤表面和所述的受測(cè)物體表面提供的光，并把所述的反射光入射到一個(gè)照相裝置，使受測(cè)物體的表面邊界能予以觀視；通過(guò)顯微鏡使所述入射光束的至少一部分射到所述相機(jī)上，使受測(cè)物體表面上的入射光束位置能予以觀視；觀視所述入射光束相對(duì)于受測(cè)物體表面邊界的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，所述的相對(duì)相位差用下式表示θ(β)＝arg[Zs(β)]－arg[Zp(β)]＋ξ，其中，Zs，p(β)是受測(cè)物體和圓盤表面的有效折射率，ξ＝arg(a″s)－arg(a″p)，其中a″s，p是入射光束的S和P偏振的電場(chǎng)分量，β＝2khcos(φ)，其中k是源光的角波數(shù)，φ是入射角，h是受測(cè)物體相對(duì)透明物體表面的距離。
15.一種測(cè)量受測(cè)試的基本透明物體相對(duì)于基本不透明部件之間距離的方法，所述的物體表面是非?？拷鰣A盤表面，所述的方法包括下列步驟將一束偏振光束以一個(gè)傾斜角度射向所述受測(cè)的基本透明物體，所述的光束其入射平面內(nèi)有一個(gè)偏振基矢P和與其垂直的基矢S，所述光束入射在所述透明部件表面上并均具有S和P型的偏振；通過(guò)受測(cè)的基本透明的物體后向反射所述的光束的以提供一個(gè)包含所述S和P偏振分量的反射光束，所述的反射的S和P偏振分量互相具有相關(guān)的相位和幅度；使反射光束中的S和P偏振分量互相干涉，以提供有關(guān)所述相關(guān)的相位和幅度的信息；并基于所述的相關(guān)相位和幅度的信息來(lái)測(cè)定所述的距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的測(cè)量方法，其特征是，所述圓盤包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁性存貯介質(zhì)，所述的受測(cè)物體包括位于所述旋轉(zhuǎn)磁性存貯介質(zhì)的所述表面上方的滑動(dòng)器；因此所述位于透明部件表面上方的所述滑動(dòng)器的氣動(dòng)行程特性可予以預(yù)示。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的測(cè)量方法，其特征是，所述的欲測(cè)距離小于包含所述光束的一個(gè)光波長(zhǎng)。
18.一個(gè)用于測(cè)量受測(cè)物體的表面相對(duì)于一個(gè)基本透明部件表面的距離的裝置，所述的物體表面十分靠近所述透明部件表面，所述的裝置包括向透明部件的表面，以傾斜的角度提供具有互相垂直的偏振基矢P和S的平面偏振入射光的裝置，所述偏振光束P有一個(gè)垂直于它的垂直基矢S，所述的偏振光束其偏振是以所述的S和P型偏振出現(xiàn)，所述的通過(guò)透明部件作為反射光束后向反射的光束包括反射的S和P偏振分量，具有一個(gè)該表面的復(fù)合反射率，所述的復(fù)合反射率取決于所述入射光束的偏振狀態(tài)，并導(dǎo)致所述S和P偏振分量的相對(duì)相位改變，每個(gè)偏振分量的光束量作為表面之間間隔的函數(shù)；用于把所述的反射光束偏振分量混合的裝置，以提供所述偏振分量的相對(duì)強(qiáng)度的干涉效應(yīng)特性和所述S和P偏振分量之間的相位差的干涉效應(yīng)特性，以及提供包含所述相位差和所述強(qiáng)度的信息；用于依據(jù)所述包含偏振分量的相位差和強(qiáng)度的信息來(lái)測(cè)定距離的裝置；因此，受測(cè)物體表面與基本透明部件表面之間距離高速、高精度的測(cè)量可以完成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的裝置包括一個(gè)用于混合所述偏振分量的偏振元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的測(cè)量裝置，其特征是，所述偏振元件包括一個(gè)Wollaston棱鏡狀的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的裝置還包括用于測(cè)量所述強(qiáng)度的光探測(cè)裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于混合所述反射光束的偏振分量和提供信息的裝置還包括使所述S和P偏振分量進(jìn)行相對(duì)相移的裝置，用于把所述相移的偏振分量混合成一對(duì)互相正交偏振光束，以提供使所述二個(gè)偏振分量的相對(duì)強(qiáng)度具有干涉效應(yīng)特性的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的裝置還包括，用于測(cè)量所述混合相移偏振分量的強(qiáng)度的光探測(cè)器裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的裝置還包括，用于測(cè)量所述反射光束每個(gè)偏振光量的偏振靈敏強(qiáng)度測(cè)量計(jì)，用于測(cè)量S和P偏振分量之間相位差的相位探測(cè)裝置，以及用于把所述的反射光束分成兩束的分束裝置，其中一束光射到所述偏振靈敏強(qiáng)度測(cè)量計(jì)；另一束射到所述的相位探測(cè)裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于混合反射光束偏振分量和提供所述信息的裝置包括，用于測(cè)量每個(gè)反射偏振光束的光量的偏振靈敏強(qiáng)度測(cè)量計(jì)，用于測(cè)量S和P偏振分量之間相位差的相位探測(cè)器裝置，以及用于把所述反射光束分成兩束的分束裝置，其中一束光束射到所述偏振靈敏強(qiáng)度計(jì)上，另一束光束射到所述的相位探測(cè)裝置上，所述的相位探測(cè)裝置包括所述的偏振部件，所述的光探測(cè)裝置和所述的相移裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求18的測(cè)量裝置，其特征是，所述的用于提供偏振入射光束的裝置包括，相對(duì)于所述物體表面設(shè)置的顯微鏡裝置，用于確定在受測(cè)物體表面上測(cè)量點(diǎn)的位置。
27.根據(jù)權(quán)利要求18的測(cè)量裝置，其特征是，所述的提供偏振入射光的裝置包括一個(gè)光源和一個(gè)偏振元件，從光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)所述偏振元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的測(cè)量裝置，其特征是，所述的偏振元件包括類似于雙色線偏振器的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的測(cè)量裝置，其特征是，所述的光源包括激光裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的測(cè)量裝置，其特征是，所述的光源包括光發(fā)射二極管裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的測(cè)量裝置，其特征是，所述的光源包括放電燈裝置。
32.一個(gè)用于測(cè)量受測(cè)的基本透明物體的表面相對(duì)于一個(gè)基本不透明部件表面的距離的裝置，所述的物體表面是非?？拷龅膱A盤表面，所述裝置包括向受測(cè)的基本透明物體表面，以傾斜的角度提供入射光的裝置，該入射平面具有互相垂直的偏振基矢P和S，所述偏振光束具有S和P型的偏振，所述的通過(guò)基本透明的受測(cè)物體作為反射光束的后向反射光束包括S和P偏振分量，并且所有的表面具有一個(gè)復(fù)合反射率，所述復(fù)合反射率取決于所述入射光束的偏振狀態(tài)，并導(dǎo)致所述S和P偏振分量的相對(duì)相位變化，并以每個(gè)偏振分量的光量作為所述表面之間間隔的函數(shù)；用于混合所述反射光束偏振分量的裝置，以提供所述偏振分量相對(duì)強(qiáng)度的干涉效應(yīng)特性，和所述S和P偏振分量之間的相差的干擾效應(yīng)特征，以及提供包含所述相差和強(qiáng)度的信息；用于依據(jù)所述的包含所述偏振分量的相差和強(qiáng)度信息測(cè)定所述距離裝置，從而可以實(shí)現(xiàn)受測(cè)基本透明物體的表面和基本不透明部件的表面之間距離的高速、高精度測(cè)量。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的測(cè)量裝置，其特征是，所述的圓盤包括，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁性存貯介質(zhì)，所述的測(cè)試物體包括在所述旋轉(zhuǎn)確性存貯介質(zhì)的表面上方的一個(gè)滑動(dòng)器。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，還包括泛光照明受測(cè)表面的步驟，以便能夠精確確定相對(duì)于受測(cè)表面邊界的測(cè)量點(diǎn)位置。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量方法，其特征是，還包括，在整個(gè)近似等于或大于所述光束的光波長(zhǎng)范圍內(nèi)改變所述物體表面和所述透明部件表面之間距離的步驟；在所述的距離改變的同時(shí)提供所述的幅度和相位信息；基于所述的信息確定受測(cè)物體表面的綜合折射率。
36.根據(jù)權(quán)利要求15的測(cè)量方法，其特征是，還包括，泛光照明受測(cè)表面的步驟，從而能相對(duì)于受測(cè)表面的邊界精確地確定測(cè)量點(diǎn)的位置。
37.根據(jù)權(quán)利要求15的測(cè)量方法，其特征是，還包括，在整個(gè)近似等于或大于所述光束的光波長(zhǎng)的范圍內(nèi)改變所述物體表面和所述透明部件表面之間距離的步驟；在所述距離改變同時(shí)提供所述幅度和相位信息；依據(jù)所述信息確定受測(cè)物體表面的綜合折射率。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的測(cè)量方法，其特征是，所述的泛光照明步驟包括通過(guò)一個(gè)在線的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)所述受測(cè)表面進(jìn)行泛光照明的步驟。
39.根據(jù)權(quán)利要求34的測(cè)量方法，其特征是，所述的泛光照明步驟包括通過(guò)一個(gè)在線的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)所述受測(cè)表面進(jìn)行泛光照明的步驟。
全文摘要
高速測(cè)量?jī)杀砻骈g距的光學(xué)方法和裝置，其中第一表面是基本透明部件的部分，第二表面是測(cè)試物體表面，先用透鏡將光束通過(guò)偏振部件以一個(gè)傾斜角度射到第一表面，并將測(cè)量光束定位在受測(cè)表面上，再利用從第一表面和受測(cè)物體表面上反射光束的合光效應(yīng)使偏振光束通過(guò)透明部件后向反射，然后，用偏振靈敏強(qiáng)度探測(cè)器和相位探測(cè)器測(cè)量由入射平面限定的偏振分量的強(qiáng)度和相對(duì)相位，分析這些測(cè)量參數(shù)，測(cè)定兩表面間隙，提供一附加方法和裝置，由表面間隙測(cè)量物體表面的綜合折射率。
文檔編號(hào)G11B33/10GK1131741SQ9511829
公開(kāi)日1996年9月25日 申請(qǐng)日期1995年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月22日
發(fā)明者彼德·德·格魯特 申請(qǐng)人:載歌公司