[发明专利]干涉设备及使用这种设备的样品特征确定设备

说明书

技术领域

本发明涉及干涉设备及使用这种设备的样品特征确定设备。

背景技术

在许多技术领域，尤其对于微米尺度和纳米尺度制造工艺中的质量控制和分析，确定表面特征如高度、形状、波纹度和粗糙度等很重要。测量表面特征的方法分为接触法和非接触法，接触法为例如当可枢转或轴向移动的触针沿着待表征的表面移动时，使用传感器来确定触针和该表面相对位移期间该触针的位移，非接触法为例如长相干长度的干涉方法或短相干长度干涉方法的光学方法，长相干长度的干涉方法为例如移相干涉术，其中，如丹尼尔·马拉卡拉(DanielMalacara)的《光学车间检验》ISBN0-471-52232-5第二版第14章的讨论，当干涉仪的参考相位改变时，记录一系列干涉图，然后使用相位提取算法来确定与相对表面高度有关的实际相位，短相干长度的干涉方法为例如白光或宽波段扫描干涉术，其中利用这样的事实，即空间非相干光源产生的干涉条纹的幅度在沿样品表面和参考表面之间的零程差的扫描路径的位置上达到峰值，然后迅速下降，从而，对于不同的表面元件或者样品表面的不同表面像素，通过确定沿相干峰的扫描路径的位置，可以确定表面高度轮廓。

白光扫描干涉术需要样品表面和参考表面之间在扫描路径方向中的相对运动，其耗费时间，并且要求被测样品本身固定不动。同时，由于长相干长度的干涉方法如移相干涉术的范围有限，因此可能出现相位模糊或条纹模糊(2π模糊性)的问题。

帕维尔·帕维莱塞克(Pavel)和盖德·豪瑟(Gerd)于2005年5月20日发表于《应用光学》(Vol44，No.15，第2978至2983页)的一篇名为“白光干涉与色散：一种用于测量距离的精密光纤传感器”的论文描述了一种光纤迈克尔逊干涉仪，其中，具有815纳米(nm)中心波长的超发光二极管经由光纤耦合器朝向样品(测量)臂光纤和参考臂光纤被耦合至输入光。光纤迈克尔逊干涉仪的样品臂中的传感头包括光学系统，其将来自样品臂光纤的光聚焦于样品表面上，并将样品臂光纤返回的散射光采集到光纤耦合器。参考臂光纤中的光通过镜子反射回到参考臂光纤，并返回光纤耦合器，来自参考臂光纤和样品臂光纤的光在光纤耦合器中相干涉。参考臂光纤具有比样品臂光纤更高的波长色散。参考臂中的光因此被有意地色散。这意味着干涉仪具有波长相关的光路，正因如此，每个波长都有其独特的“平衡点”，即零光程差的点。对所产生的干涉图的频谱分析得到该平衡点，从而确定测量臂路径的长度。该方法提供了明确的位置测量，其不存在一些形式的干涉仪尤其长相干长度干涉仪如条纹跟踪干涉仪中发现的相环绕(2π模糊性)问题。然而，所有的光纤迈克尔逊干涉仪要求参考光纤臂和样品光纤臂分离，意味着该干涉仪易受光程漂移的影响，所以可能会不稳定，尤其是对于亚微米测量。

发明内容

本发明一种实施方式提供了一种干涉设备，包括：短相干长度光或宽波段光源；光导向仪，用于将来自所述光源的光沿测量路径引向样品表面及还沿参考路径引向参考表面；波长色散仪，用于使沿所述测量路径或参考路径的光发生波长色散；组合器，用于使来自所述样品表面的光和来自所述参考表面的光产生干涉图样或干涉图；探测器，用于检测作为波长函数的所述干涉图样的强度值；确定器，用于从所检测的强度值确定在哪个波长处所述测量路径与所述参考路径均衡，其中所述波长色散仪是至少一个非光纤波长色散仪，并选自包括光栅波长色散仪、棱镜波长色散仪和光学色散介质的列表。

所述波长色散仪可以包括两个匹配的透射光栅。另一个可能是，所述波长色散仪可以包括两个匹配的反射光栅。

本文使用的“光”并不一定意味着可见光。所述光可以是例如红外或紫外线光。本文使用的“光束”并不一定意味着连续的光束，它可以是脉冲或幅度变化的其它方面。

附图说明

现在将通过举例的方式，并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1示出了具有波长色散仪的短相干长度的干涉仪的示意图；

图2示出的曲线图中对于来自表面像素或样品表面的表面元件的光产生的干涉，用实线表示相对于波数的归一化强度，用虚线表示相于波数的相位差。

图3示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中波长色散仪包括一对匹配的透射光栅；

图4示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中波长色散仪包括一对匹配的反射光栅；

图5示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中探头设置有光纤耦合；

图6示出了短相干长度干涉设备的示意图，其中多个探头设置有多路传输的光纤耦合；

图7示出了一种干涉设备的示意图，该设备还包括长相干长度的移相干涉仪；