CN111380808A - 检测设备和检测方法 - Google Patents

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CN111380808A CN201911117105.4A CN201911117105A CN111380808A CN 111380808 A CN111380808 A CN 111380808A CN 201911117105 A CN201911117105 A CN 201911117105A CN 111380808 A CN111380808 A CN 111380808A
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Abstract

本发明构思提供一种检测设备和检测方法，本发明构思包括：使光线性偏振；将线性偏振的光分离成第一光和第二光；将第一光和第二光调制成具有相位差以产生输出波光；将输出波光转换为在第一方向上具有线性线形，以将转换的输出波光照射到被测量对象；接收从被测量对象出来的测量光，并使所述测量光的第一光和第二光线性偏振以产生干涉光；以及从所述干涉光获得被测量对象的图像。所述被测量对象可在与第一方向相交的第二方向上被扫描，或者可围绕与第一方向和第二方向垂直的第三方向上的轴旋转地被扫描，从而以实时速度获得沿二维空间轴的空间光谱椭偏信息(例如，光谱椭偏立方信息)。

Description

检测设备和检测方法
本申请要求于2018年12月31日在韩国知识产权局提交的第10-2018-0173269号韩国专利申请和于2019年10月1日在韩国知识产权局提交的第10-2019-0121610号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的全部公开内容通过引用被包含于此。
技术领域
本发明构思涉及检测设备和检测方法，并且更具体地，涉及测量被测量对象的图像的检测设备和检测方法。
背景技术
成像技术已被广泛地用于调查和研究实时改变的物理现象，并且可应用于各种诊断和检测工具。基于偏振的成像技术是适用于不同领域的高分辨率和高精度测量技术中的一种。
大多数偏振测量技术需要机械旋转偏振器机构或电子偏振调制装置。然而，采用机械机构或电子偏振调制的偏振测量技术具有硬件构造复杂和测量时间长的劣势。
发明内容
本发明构思的一些示例实施例提供了一种能够高速测量图像的检测设备和检测方法。
根据本发明构思的一些示例实施例，一种检测设备可包括：光发生器，产生光；第一线性偏振器，使光线性偏振；偏振干涉仪，将线性偏振的光分离为第一光和第二光，并对所述第一光和所述第二光进行调制以具有相位差信息；线转换器，将输出波光转换成在第一方向上具有线性线形并且向被测量对象提供线形的输出波光，所述输出波光是从偏振干涉仪出来的；扫描仪，装载被测量对象，所述扫描仪被配置为使得所述被测量对象在与所述第一方向相交的第二方向上被扫描，或者围绕与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上的轴旋转地被扫描；第二线性偏振器，接收测量光并且使所述测量光的第一光和第二光线性偏振以产生干涉光，所述测量光来自通过所述被测量对象的输出波光或从所述被测量对象反射的输出波光；以及成像光谱仪，接收所述干涉光以获得被测量对象的图像。
在特定实施例中，所述线转换器可以是在所述第一方向上伸长的柱面透镜。
在特定实施例中，所述检测设备还可包括成像透镜，所述成像透镜将所述干涉光转换成在所述第一方向上具有线性线形，并且向所述成像光谱仪提供所述线形的干涉光。
在特定实施例中，所述第一方向和所述第二方向可彼此垂直。
在特定实施例中，所述偏振干涉仪可包括：偏振分离器，将线性偏振光分离为第一光和第二光，所述偏振分离器包括入射表面，所述线性偏振的光入射在入射表面上，第一反射表面，所述第一光入射在第一反射表面上，以及第二反射表面，所述第二光入射在第二反射表面上，其中，所述第一反射表面面对所述入射表面，并且其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面彼此相邻；第一镜，在所述第一反射表面上；以及第二镜，在所述第二反射表面上。
在特定实施例中，所述第一光在所述第一反射表面和所述第一镜之间往复行进的光程的长度可与所述第二光在所述第二反射表面和所述第二镜之间往复行进的光程的长度不同。所述第一光和所述第二光之间的光程差可以是10μm至100μm。
在特定实施例中，所述第一镜和所述第二镜可具有偏离垂直方向的角度。偏离的角度可在0.02°至0.1°的范围内。
在特定实施例中，所述输出波光可以以偏离垂直于被测量对象的方向的测量角照射，并且所述测量光可以以偏离垂直于被测量对象的方向的测量角反射。所述输出波光的传播方向、所述测量光的传播方向和所述第二方向可设置在同一平面上。
在特定实施例中，所述偏振分离器可以是非偏振光束分离器，并且所述偏振干涉仪还可包括：第一子线性偏振器，在所述偏振分离器的第一反射表面和第一镜之间；以及第二子线性偏振器，在所述偏振分离器的第二反射表面和第二镜之间，其中，所述第一子线性偏振器和所述第二子线性偏振器具有高达90°的偏振差。所述线转换器可设置在所述偏振干涉仪和所述被测量对象之间。
在特定实施例中，所述偏振分离器可以是偏振光束分离器，并且所述检测设备还可包括在所述第一线性偏振器和所述偏振干涉仪之间的非偏振光束分离器，所述非偏振光束分离器向所述偏振干涉仪提供线性偏振的光，并向被测量对象提供输出波光。所述线转换器可设置在所述非偏振光束分离器和所述被测量对象之间。
在特定实施例中，所述输出波光可垂直地入射在被测量对象上，并且所述测量光可从所述被测量对象垂直地反射。
在特定实施例中，所述检测设备还可包括非偏振光束分离器，所述非偏振光束分离器与所述偏振干涉仪相邻并且向所述被测量对象提供所述输出波光。所述线转换器可设置在所述偏振干涉仪和所述非偏振光束分离器之间。所述输出波光可通过所述线转换器和所述非偏振光束分离器提供给所述被测量对象，并且所述测量光可通过所述非偏振光束分离器提供给所述第二线性偏振器。
在特定实施例中，所述干涉光可垂直地入射在所述成像光谱仪上。
在特定实施例中，从所述光发生器产生的光可以是白光。
在特定实施例中，所述第一光和所述第二光分别可以是P偏振波和S偏振波。
根据本发明构思的一些示例实施例，一种检测方法可包括：使光线性偏振；将线性偏振的光分离成第一光和第二光；将第一光和第二光调制成具有相位差以产生输出波光；将输出波光转换为在第一方向上具有线性线形，以将转换的输出波光照射到被测量对象；接收从被测量对象出来的测量光，并使所述测量光的第一光和第二光线性偏振以产生干涉光；以及从所述干涉光获得被测量对象的图像。所述被测量对象可在与第一方向相交的第二方向上被扫描，或者围绕与第一方向和第二方向垂直的第三方向上的轴旋转地被扫描。
在特定实施例中，所述检测方法还可包括：将所述干涉光转换为在所述第一方向上具有线性线形。
在特定实施例中，所述光可以是单色光，并且所述光的波长可以是可变的。
在特定实施例中，所述光可以是白光。
在特定实施例中，所述检测方法还可包括：从所述干涉光获得关于所述第一方向的轴、所述第二方向的轴和所述光的波长轴的空间光谱椭偏信息。被测量对象的图像可从空间光谱椭偏信息中提取。
在特定实施例中，所述第一光和所述第二光分别可以是P偏振波和S偏振波。
在特定实施例中，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直。
附图说明
图1示出了示出根据本发明构思的第一实施例的示例的检测设备的简化示意图。
图2A示出了在根据本发明构思的第一实施例的示例的成像光谱仪中测量的干涉条纹图像的示例。
图2B示出了在图2A中所示的空间轴上的一个位置处关于波长的光谱干涉信号。
图3示出了通过对图2A中所示的干涉条纹图像的傅立叶变换产生的空间光谱频率图像的示例。
图4示出了关于通过对图3中所示的空间光谱频率图像的傅立叶逆变换获得的一维空间上的光谱椭偏相位差的信息的示例。
图5示出了示出通过根据本发明构思的检测设备测量的在x＝8.353处的各种波长的光谱椭偏相位差信息与通过商用设备测量的光谱椭偏相位差信息之间的比较的曲线图。
图6示出了根据本发明构思的在二维空间上以立方单元的形式测量的光谱椭偏信息。
图7示出了示出根据本发明构思的第一实施例的检测设备的示例的简化示意图。
图8示出了示出根据本发明构思的第一实施例的检测设备的示例的简化示意图。
图9示出了示出根据本发明构思的第二实施例的检测设备的示例的简化示意图。
图10示出了在根据本发明构思的第二实施例的示例的成像光谱仪中测量的干涉条纹图像的示例。
图11示出了关于从图10的干涉条纹图像获得的一维空间上的光谱椭偏相位差的信息的示例。
图12示出了示出根据本发明构思的第二实施例的检测设备的示例的简化示意图。
图13示出了示出根据本发明构思的第二实施例的检测设备的示例的简化示意图。
具体实施方式
现在下文中将参照附图描述本发明构思的优选实施例。
在以下的实施例中，说明了基于反射的检测，但实施例也可类似地应用于基于透射的检测。
图1示出了示出根据本发明构思的第一实施例的示例的检测设备的简化示意图。参照图1，检测设备可包括光发生器10、准直透镜20、第一线性偏振器30、偏振干涉仪40、线转换器61、扫描仪70、第二线性偏振器80、成像透镜62和成像光谱仪90。
光发生器10可产生白光。光发生器10可以是在宽范围的波长λ内具有均匀的光谱分布的白光源。光发生器10可以是例如氘灯或钨卤素灯。优选的是白光具有例如至少200nm宽的波长范围。白光的波长范围可包括近紫外范围(例如，200nm至400nm)、可见光范围(例如，400nm至700nm)和近红外范围(例如，700nm到1700nm)中的一个或更多个。
白光可照射到准直透镜20。准直透镜20可将离开光发生器10的白光转换为准直光。
第一线性偏振器30可被来自准直透镜20的输入波光Ein照射。第一线性偏振器30可使白光线性偏振(例如，以45°的旋转角)。
偏振干涉仪40可以是一体式偏振干涉仪，白光通过偏振干涉仪40进行偏振调制。偏振干涉仪40可包括偏振分离器41、第一镜MR1和第二镜MR2、其中，第一镜MR1和第二镜MR2一体地设置在偏振分离器41上。
偏振分离器41可以是非偏振光束分离器，并且可将线性偏振的白光分离为第一光和第二光。偏振分离器41可具有线性偏振光入射在其上的入射表面41c、第一反射表面41a以及与第一反射表面41a垂直相邻的第二反射表面41b。入射表面41c和第一反射表面41a之间的距离可与第二反射表面41b和第二反射表面41b的相对表面之间的距离相同。第一镜MR1可设置在第一反射表面41a上，并且第二镜MR2可设置在第二反射表面41b上。
第一子线性偏振器P1可设置在第一反射表面41a和第一镜MR1之间，并且第二子线性偏振器P2可设置在第二反射表面41b和第二镜MR2之间。例如，第一子线性偏振器P1可以是定向为0°的线性偏振器，并且第二子线性偏振器P2可以是定向为90°的线性偏振器。因此，第一光可被线性偏振成P偏振波，然后P偏振波可入射在第一镜MR1上并从第一镜MR1反射。第二光可被线性偏振为S偏振波，然后S偏振波可入射在第二镜MR2上并从第二镜MR2反射。可选地，第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2可被不同地布置，并且因此第一光和第二光可分别是S偏振波和P偏振波。为了便于描述，以下将第一光和第二光分别解释为P偏振波和S偏振波。
第一反射表面41a和第一镜MR1之间的间隙z1/2可与第二反射表面41b和第二镜MR2之间的间隙z2/2不同。为了实现这种构造，可在第一反射表面41a和第一镜MR1之间以及第二反射表面41b和第二镜MR2之间***空气。第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2可具有相同的厚度。因此，第一光和第二光可具有不同的光程长度。可在第一光和第二光之间产生光程差OPD，即z0＝|z1--z2|。对于可见光范围，光程差OPD(z0＝|z1--z2|)可为约30μm至约50μm。对于其它波长范围，可适当地改变光程差OPD。在包括近紫外范围、可见光范围和近红外范围的范围内，光程差OPD可为约10μm至约100μm。偏振分离器41或非偏振光束分离器可不具有光程差。
在这种情况下，偏振干涉仪40可将线性偏振的白光分离成P偏振波和S偏振波，并且可将P偏振波和S偏振波调制为具有相位差，这可导致输出波光Eout的产生。例如，偏振干涉仪40可产生光谱载波频率。
线转换器61可设置在偏振干涉仪40和被测量对象OBJ之间，并且可将输出波光Eout转换成在第一方向D1上具有线性线形，并向被测量对象OBJ提供所述线形的输出波光Eout。线转换器61可以是例如在第一方向D1上伸长的柱面透镜。可选地，线转换器61可以是在第一方向D1上伸长的狭条(slit)。
从偏振干涉仪40出来的输出波光Eout可以以偏离垂直于在扫描仪70上的被测量对象OBJ的方向的测量角θ照射。例如，角度θ对应于输出波光Eout的入射角。测量光Emea可以以偏离垂直于被测量对象OBJ的方向的测量角θ反射。
可将被测量对象OBJ装载在扫描仪70上，并且扫描仪70可被配置使得被测量对象OBJ在与第一方向D1相交的第二方向D2上被传送(扫描)。优选地，第二方向D2可垂直于第一方向D1。可选地，扫描仪70可被配置为使得被测量对象OBJ围绕在垂直于第一方向D1和第二方向D2的第三方向D3上的轴旋转地被扫描。例如，第三方向D3可垂直于扫描仪70。
被测量对象OBJ可以是例如沉积在硅基板上的薄层。在这种情况下，短语“对象OBJ不存在”可指示在硅基板上没有沉积薄层。
被测量对象OBJ可具有偏振各向异性。被测量对象OBJ的偏振各向异性可对从被测量对象OBJ出来的测量光Emea提供振幅调制和相位调制。第二线性偏振器80可被提供有从被测量对象OBJ反射的测量光Emea。
第二线性偏振器80可接收测量光Emea的P偏振波和S偏振波，并且可使P偏振波和S偏振波线性偏振(例如，以45°的旋转角度)。因此，P偏振波和S偏振波相互干涉，以生成经过偏振调制的干涉光ESP。
成像透镜62可设置在第二线性偏振器80和成像光谱仪90之间。成像透镜62可以是例如在第一方向Dl上伸长的柱面透镜。成像透镜62可因此在第一方向D1上将干涉光ESP转换为线性线形。可选地，成像透镜62可以是普通的成像透镜。
干涉光ESP可被提供给成像光谱仪90。干涉光ESP可垂直地进入成像光谱仪90的入射表面。由成像透镜62成像的干涉光ESP可具有在沿第一方向D1的一维空间上的光谱信息。扫描仪70可驱动被测量对象OBJ在第二方向D2上移动，因此在二维空间轴(例如，第一方向D1和第二方向D2)上获得光谱椭偏信息(例如，光谱椭偏立方信息)是可行的(见图6)。成像光谱仪90可从干涉光ESP产生包括被测量对象OBJ的空间光谱椭偏信息的空间光谱干涉条纹。即使当扫描仪70驱动被测量对象OBJ围绕在第三方向D3上的轴旋转时，也可获得类似的结果。
在本实施例中，输出波光Eout的传播方向、测量光Emea的传播方向和第一方向D1可设置在同一平面上。
在以上提到的实施例中，偏振分离器41是非偏振光束分离器，但本发明构思不限于此。偏振分离器41可以是例如偏振光束分离器。在这种情况下，可省略图1的第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2。偏振分离器41可将线性偏振白光分离成第一光和第二光。第一光和第二光可被引导向第一镜MR1和第二镜MR2并从第一镜MR1和第二镜MR2反射，而不通过第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2。
以下将描述一种提取方法，在该提取方法中，图1的检测设备用于从空间光谱干涉条纹中提取被测量对象OBJ的空间光谱椭偏信息(空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)和空间光谱椭偏振幅比Ψ(x，k))。
入射在偏振干涉仪40上的输入波光Ein可表示如下。
Figure BDA0002274371170000081
这里，k是由2π/λ表示的波数。符号λ表示光源的波长。在上式中，j是遵循法则j2＝-1的算子。符号u和v分别表示针对P偏振和S偏振的输入波光的振幅。符号ξ和η分别表示针对P偏振和S偏振的输入波光的相位。x方向表示第一方向D1或线转换器61的延伸方向。在扫描仪70的移动方向上或在与第二方向D2相关的y方向上的分量是均匀的，因此可以是被忽略。
从偏振干涉仪40出来的输出波光Eout表示如下。
Eout(x，k)＝E1(x，k)+E2(x，k)
在以上等式中，E1(x，k)和E2(x，k)分别与P偏振调制路径和S偏振调制路径有关。项E1(x，k)和E2(x，k)在偏振干涉仪40的出口处相遇，并且可表示如下。
Figure BDA0002274371170000082
并且，
Figure BDA0002274371170000083
这里，Jpol(45)表示以45°的旋转角定向的第一线性偏振器30的琼斯矩阵。项JBS是用作偏振分离器41的非偏振光束分离器的琼斯矩阵，项Jpol(0)和Jpol(90)分别是第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2的琼斯矩阵。项JM1和JM2分别表示第一镜MR1和第二镜MR2的琼斯矩阵。项z1和z2表示P偏振波和S偏振波在相应的镜和相应的反射表面之间往复行进的光程长度。假设在偏振分离器41或非偏振光束分离器中不存在光程差OPD。一体式偏振干涉仪40的任何其它组件被稳定地固定并且因此被假定具有相同的光程。符号u’和v’分别表示E1(x，k)和E2(x，k)的新定义的未知振幅项。符号ξ’和η’分别表示E1(x，k)和E2(x，k)的新定义的未知振幅项。
输出波光Eout从图1中所示的各向异性的被测量对象OBJ反射，然后变成测量光Emea。被测量对象OBJ的偏振各向异性可向测量光Emea提供振幅调制和相位调制。第二线性偏振器80可被提供有从被测量对象OBJ反射的测量光Emea。第二线性偏振器80可接收测量光Emea的P偏振波和S偏振波，并且可使P偏振波和S偏振波线性偏振(例如，以45°的旋转角)。因此，P偏振波和S偏振波彼此干涉，以产生被偏振调制的干涉光ESP。来自被测量对象OBJ的干涉光
Figure BDA0002274371170000091
可表示如下。
Figure BDA0002274371170000092
其中，
Figure BDA0002274371170000093
Figure BDA0002274371170000094
这里，
Figure BDA0002274371170000095
和
Figure BDA0002274371170000096
分别表示与P偏振和S偏振有关的干涉光波。符号|rp|和|rs|分别代表在从被测量对象反射的情况下，针对P偏振和S偏振的复菲涅耳透射系数的振幅。符号δp和δs分别表示在从被测量对象反射的情况下P偏振和S偏振的空间相位变化。
在根据本发明构思的一体式偏振干涉仪40处的光程差OPD生成用于提取空间光谱椭偏信息(例如，空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)和空间光谱椭偏振幅比Ψ(x，k))所需的光谱载波频率。
从干涉光ESP产生的空间光谱干涉光谱I(x，k)可表示如下。
Figure BDA0002274371170000097
为了在获得被测量对象OBJ的空间光谱椭偏信息之前执行校准，从硅基板或在被测量对象OBJ不存在的状态下提取干涉参考光谱Iref(x，k)。
Figure BDA0002274371170000098
其中，Φref(x，k)＝2kzo+[ξ′(x，k)-η′(x，k)]
在以上等式中，γ(x，k)表示整个光学测量***的空间光谱相干函数，并且与被测量对象的存在无关地不变。项Φref(x，k)表示参考空间光谱相位函数。符号α(x，k)和β(x，k)分别与沿P偏振路径和S偏振路径行进的波的DC分量的绝对值有关。即，
Figure BDA0002274371170000099
所述空间光谱相干函数γ(x，k)和参考空间光谱相位函数Φref(x，k)可从空间光谱干涉参考光谱Iref(x，k)得到。为此，可能需要将干涉参考光谱Iref(x，k)更改为
Figure BDA0002274371170000101
Figure BDA0002274371170000102
该项
Figure BDA0002274371170000103
可在空间光谱的频域中进行傅立叶变换，从而可滤除不需要的DC和AC分量。空间光谱相干函数γ(x，k)和参考空间光谱相位函数Φref(x，k)从对DC和AC分量被滤除的数据进行傅立叶逆变换的结果中提取。获得Φref(x，k)和γ(x，k)的校准步骤仅需要一次，并且因为Φref(x，k)和γ(x，k)是光学测量***固有的固定值，所以Φref(x，k)和γ(x，k)可在校准步骤之后应用于任何被测量对象的Δ(x，k)和Ψ(x，k)。
当输出波光Eout从被测量对象反射然后变成测量光Emea时，干涉光谱Iobj(x，k)表示如下。
Figure BDA0002274371170000104
其中，Φobj(x，k)＝2kzo+[ξ′(x，k)-η′(x，k)]+[δP(x，k)-δS(x，k)]
图2A示出被测量对象OBJ的空间光谱干涉光谱Iobj(x，k)的示例，其中Iobj(x，k)在根据本发明构思的第一实施例的成像光谱仪90中测量。被测量对象OBJ是沉积在硅基板上的标称厚度为1.5μm的氧化硅层(SiO2)。在图2A中，横轴表示光谱轴(λ)，纵轴表示在第一方向D1上的空间轴(x)，并且亮度表示对空间光谱偏振敏感的干涉信息。沿光谱轴(λ)和空间轴(x)看到干涉条纹图像。图2B示出了在图2A的空间轴上的一个位置(例如，x＝2.79mm)处的波长λ处的光谱干涉信号。
根据本发明构思的第一实施例的检测设备可使用光谱载波频率来获得被测量对象OBJ的一维空间(即，第一方向D1)的光谱椭偏信息。
图3示出了当图2A的干涉条纹图像在空间光谱的频域中进行傅立叶变换时产生的空间光谱频率图像的示例。在图3中，横轴是光谱频率轴(fλ)，纵轴是空间频率轴(fx)。傅立叶变换在空间光谱的频域中执行，然后，可滤除不需要的DC和AC分量。
之后，可通过执行与用于提取参考空间光谱相位函数Φref(x，k)的傅里叶变换相似的傅里叶变换来提取被测量对象的空间光谱相位函数Φobj(x，k)。
空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)可如下获得。
Δ(x，k)＝Φobj(x，k)-Φref(x，k)
＝δP(x，k)-δS(x，k)
图4示出了被测量对象的空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)。在图4中，横轴表示光谱轴λ，纵轴表示在第一方向D1上的空间轴x，亮度表示空间光谱的椭偏相位差Δ(x，k)。被测量对象OBJ是沉积在硅基板上的标称厚度为1.5μm的氧化硅层(SiO2)。
图5示出了用根据本发明构思的检测设备测量的空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)与用商用工具(例如，可从JA Woollam公司获得的光谱椭偏仪)测量的特定点的Δ(k)之间的比较，比较示出几乎相同的结果。图5中所示的光谱椭偏相位差Δ(k)是图4中所示的在x＝8.352mm的位置处的结果。
空间光谱椭偏振幅比Ψ(x，k)可以以与用于获取空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)的方式相似的方式来获得。
在从各向异性的被测量对象反射的情况下，干涉光谱Iobj(x，k)可表示如下。
Figure BDA0002274371170000111
这里，
Figure BDA0002274371170000112
Figure BDA0002274371170000113
最后，
Figure BDA0002274371170000114
Figure BDA0002274371170000115
并且，这些项α’|tp|和β’|ts|可用于获得空间光谱椭偏振幅比Ψ(x，k)，表示如下。
Figure BDA0002274371170000116
根据本发明构思的检测设备可被配置为使得沿着第二方向D2移动的被测量对象OBJ的空间椭偏信息被沿着二维空间轴(例如，第一方向D1和第二方向D2)连续地测量以获得空间椭偏信息(例如，光谱椭偏立方信息)(见图6)。
参照图6，底表面表示在第一方向D1上的空间轴(即，x轴)和光谱轴(即，λ轴)，并且纵轴表示在第二方向D2上的空间轴(即，y轴)。每个立方单元的亮度表示空间光谱椭偏信息。
根据本发明构思的检测设备可提供一种不具有机械旋转机构或电子信号调制的设备，所述设备处理三维光谱椭偏立方数据的信号以检测二维空间上的微观缺陷或测量二维空间上的纳米图案或纳米膜的均匀性。
图7示出了示出根据本发明构思的第一实施例的检测设备的另一示例的简化示意图。将做出省略以避免对参照图1讨论的组件和功能的重复解释。
参照图7，根据本发明构思的第一实施例的示例，非偏振光束分离器50可进一步包括在检测设备中。非偏振光束分离器50可设置在第一线性偏振器30和偏振干涉仪40之间。例如，在第一线性偏振器30中线性偏振(例如，以45°的旋转角)的输入波光Ein可通过非偏振光束分离器50被提供给偏振干涉仪40。
偏振干涉仪40的偏振分离器41可以是偏振光束分离器。此外，图1的第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2均可不被设置。偏振分离器41可将线性偏振白光分离为第一光和第二光。第一光和第二光可被引导向第一镜MR1和第二镜MR2并从第一镜MR1和第二镜MR2反射，而不通过第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2。
在偏振干涉仪40中被偏振调制的输出波光Eout可通过非偏振光束分离器50和线转换器61被提供给扫描仪70上的被测量对象OBJ。从偏振干涉仪40出来的输出波光Eout可以以偏离与垂直于在扫描仪70上的被测量对象OBJ的方向的测量角θ照射。例如，角θ对应于输出波光Eout的入射角。测量光Emea可以以偏离垂直于被测量对象OBJ的方向的测量角θ反射。
被测量对象OBJ的偏振各向异性可对从被测量对象OBJ出来的测量光Emea提供振幅调制和相位调制。第二线性偏振器80可被提供有从被测量对象OBJ反射的测量光Emea，这可导致干涉光ESP的产生。可通过成像透镜62将干涉光ESP提供给成像光谱仪90。干涉光ESP可垂直地进入成像光谱仪90的入射表面。成像光谱仪90可从干涉光ESP生成包括被测量对象OBJ的空间椭偏信息的空间光谱干涉条纹。
图8示出了示出根据本发明构思的第一实施例的检测设备的示例的简化示意图。将做出省略以避免对参照图1讨论的组件和功能的重复解释。本示例中的组件可在空间上与图中1所示的组件不同地布置。
参照图8，根据本发明构思的第一实施例的示例，非偏振光束分离器50可进一步包括在检测设备中。非偏振光束分离器50可设置在偏振干涉仪40的一侧，并且线转换器61可放置在偏振干涉仪40和非偏振光束分离器50之间。非偏振光束分离器50可将从线转换器61出来的输出波光Eout提供给被测量对象OBJ。
输出波光Eout可垂直照射到在扫描仪70上的被测量对象OBJ，并且测量光Emea可从被测量对象OBJ垂直反射。
从被测量对象OBJ反射的测量光Emea可重新进入非偏振光束分离器50并且行进至第二线性偏振器80。
图9示出了示出根据本发明构思的第二实施例的检测设备的示例的简化示意图。将做出省略以避免重复对参照图1讨论的组件和功能的解释。在根据本实施例的检测设备中，偏振干涉仪40可与参照图1讨论的偏振干涉仪不同。
参照图9，偏振干涉仪40的第一镜MR1和第二镜MR2彼此不垂直。例如，第一镜MR1和第二镜MR2可具有偏离垂直方向的偏轴角ε。偏轴角ε可为大约0.01°至大约1°，优选为0.02°至0.1°。因为第一镜MR1以偏轴角ε倾斜，所以偏振干涉仪40可产生高空间载波频率以空间调制在空间光谱上分离的偏振信号。
因此，偏振干涉仪40可将线性偏振的白光分离成P偏振波和S偏振波，并且可允许P偏振波和S偏振波具有空间相位差。例如，偏振干涉仪40可产生具有空间相移的高空间载波频率。
此外，忽略图1中所示的第一光和第二光之间的光程差OPD是可行的。
从偏振干涉仪40输出的第一光和第二光可通过线转换器61被提供给被测量对象OBJ。被测量对象OBJ可具有偏振各向异性。偏振各向异性可对从被测量对象OBJ出来的光提供振幅调制和相位调制。第二线性偏振器80可被提供有从被测量对象OBJ反射的测量光Emea。
第二线性偏振器80可接收测量光Emea的P偏振波和S偏振波，并且可使P偏振波和S偏振波线性偏振(例如，以45°的旋转角度)。因此，P偏振波和S偏振波彼此干涉，以产生被偏振调制的干涉光ESP。成像光谱仪90可从干涉光ESP产生包括被测量对象OBJ的空间光谱椭偏信息的空间光谱干涉条纹。
干涉光ESP可通过成像透镜62提供给成像光谱仪90。成像光谱仪90可从干涉光ESP产生空间光谱干涉条纹。
在前面提到的实施例中，偏振分离器41是非偏振光束分离器，但本发明构思不限于此。偏振分离器41可以是例如偏振光束分离器。在这种情况下，图9的第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2均可不被使用。在这种情况下，偏振分离器41可将线性偏振的激光束分离为第一光和第二光。第一光和第二光可被引导向第一镜MR1和第二镜MR2并从第一镜MR1和第二镜MR2反射，而不通过第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2。
以下将描述提取方法，在该提取方法中图9的检测设备用于从干涉条纹提取被测量对象OBJ的空间光谱椭偏信息(空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)和空间光谱椭偏振幅比Ψ(x，k))。
入射在偏振干涉仪40上的输入波光Ein可表示如下。
Figure BDA0002274371170000141
这里，k是由2π/λ表示的波数。符号λ表示光源的波长。符号j是遵循法则j2＝-1的算子。符号x’轴和y’轴代表偏振干涉仪40上的轴。符号u和v分别代表入射波光沿x’轴和y’轴的振幅。符号ξ和η分别表示入射波光沿x’轴和y’轴的相位。P偏振波和S偏振波分别定向为朝向x’轴和y’轴。
从偏振干涉仪40出来的输出波光Eout表示如下。
Eout(x′，y′，k)＝E1(x′，y′，k)+E2(x′，y′，k)
这里，E1(x’，y’)和E2(x’，y’)分别与P偏振路径和S偏振路径有关。项E1(x’，y’)和E2(x’，y’)在偏振干涉仪40的出口相遇，并且可表示如下。
Figure BDA0002274371170000142
并且，
Figure BDA0002274371170000143
Figure BDA0002274371170000151
这里，Jpol(4.5)表示以45°的旋转角定向的第一线性偏振器30的琼斯矩阵。项JBS是用作偏振分离器41的非偏振光束分离器的琼斯矩阵，项Jpol(0)和Jpol(90)分别是第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2的琼斯矩阵。项JM1和JM2分别表示第一镜MR1和第二镜MR2的琼斯矩阵。符号kx1、ky1、kx2和ky2与图9的偏轴角ε有关，符号kx1和ky1表示沿着偏振干涉仪40的P偏振路径行进的波矢量的分量，并且符号kx2和ky2表示沿着偏振干涉仪40的S偏振路径行进的波矢量的分量。
符号u′和v’分别表示E1(x’，y’)和E2(x’，y’)的新定义的未知振幅项。符号ξ’和η’分别表示E1(x’，y’)和E2(x’，y’)的新定义的未知振幅项。
偏振干涉仪40中的空间光程差可成为产生空间干涉条纹的条件。线转换器61可照射在第一方向D1上具有线性线形的输出波光Eout。因为空间干涉条纹仅在第一方向D1或x方向上是重要的，所以符号E1(x’，y’，k)和E2(x’，y’，k)可表示如下。
Figure BDA0002274371170000152
并且，
Figure BDA0002274371170000153
输出波光Eout从图9中所示的各向异性的被测量对象OBJ反射，然后变成测量光Emea。被测量对象OBJ的偏振各向异性可向测量光Emea提供振幅调制和相位调制。测量光Emea可表示如下。
Figure BDA0002274371170000154
这里，x方向表示第一方向Dl或线转换器61的延伸方向。以上等式忽略了在扫描仪70的移动方向上或在与第二方向D2有关的y方向上的分量。
这里，Jobj(x，k)代表被测量对象OBJ的琼斯矩阵。
Figure BDA0002274371170000155
符号|rp|和|rs|分别表示在从被测量对象OBJ反射的情况下针对P偏振和S偏振的复菲涅耳反射系数的振幅。符号δp和δs分别表示在从被测量对象反射的情况下P偏振和S偏振的空间光谱相位变化。
第二线性偏振器80可被提供有从被测量对象OBJ反射的测量光Emea。第二线性偏振器80接收测量光Emea的P偏振波和S偏振波，并且使P偏振波和S偏振波线性偏振(例如，以45°的旋转角)。因此，P偏振波和S偏振波可彼此干涉，以产生经过偏振调制的干涉光ESP。干涉光
Figure BDA0002274371170000161
可表示如下。
Figure BDA0002274371170000162
其中，
Figure BDA0002274371170000163
Figure BDA0002274371170000164
这里，
Figure BDA0002274371170000165
和
Figure BDA0002274371170000166
分别表示与P偏振和S偏振有关的输出光波。
由P偏振波和S偏振波之间的干涉引起的空间光谱干涉光谱I(x，k)可表示如下。
Figure BDA0002274371170000167
当输出波光Eout从各向异性的被测量对象反射并变为测量光Emea时，干涉光谱为Iobj(x，k)，表示如下。
Figure BDA0002274371170000168
这里，项α和β分别涉及沿P偏振路径和S偏振路径行进的波的DC分量的绝对值。即，
Figure BDA0002274371170000169
在上式中，γ表示空间光谱相干函数。
图10示出了在被测量对象OBJ的一维空间上的空间光谱干涉光谱Iobj(x，k)的示例，其中Iobj(x，k)在根据本发明构思的第二实施例的成像光谱仪90中被测量。被测量对象OBJ是沉积在硅基板上的标称厚度为1.5μm的氧化硅层(SiO2)。在图10中，横轴表示光谱轴(λ)，纵轴表示在第一方向D1上的空间轴(x)，并且亮度指示空间光谱干涉信息。沿光谱轴(λ)和空间轴(x)看到干涉条纹图像。根据第一实施例，干涉条纹图像沿着图2A中的光谱轴(λ)的方向产生，然而根据第二实施例，干涉条纹图像沿图10中的空间轴(x)的方向产生。
空间光谱相位函数Φobj(x，k)可表示如下。
Φobj(x，k)＝2kx(kx1-kx2)+[ξ′(x，k)-η′(x，k)]+[δP(x，k)-δS(x，k)]
为了获得空间光谱相位函数Φobj(x，k)，可采用与第一实施例的方式类似的方式在空间光谱频域中执行2D傅里叶变换。在空间光谱频域中进行傅立叶变换后，可滤除不需要的DC和AC分量。然后，从逆傅立叶变换的结果中提取出空间光谱相位函数Φobj(x，k)。
为了测量校准的空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)，可能需要当被测量对象不存在时获得参考空间光谱相位函数Φref(x，k)。参考空间光谱相位函数Φref(x，k)可以以与第一实施例的方式类似的方式获得。
Figure BDA0002274371170000171
其中，
Φref(x，k)＝2kx(kx1-kx2)+[ξ′(x，k)-η′(x，k)]
以与第一实施例的方式类似的方式，可使用2D傅立叶变换来提取参考空间光谱相位函数Φreef(x，k)。
如下所述，测量由各向异性的被测量对象产生的P偏振和S偏振之间的空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)是可行的。
Δ(x，k)＝Φobj(x，k)-Φref(x，k)
＝δP(x，k)-δS(x，k)
图11示出了被测量对象的空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)。在图11中，横轴表示光谱轴λ，纵轴表示在第一方向D1上的空间轴x，亮度表示空间光谱椭偏相位差Δ(x，k)。被测量对象OBJ是沉积在硅基板上的标称厚度为1.5μm的氧化硅层(SiO2)。
与第一实施例的方式类似的方式可获得在P偏振和S偏振之间的空间光谱椭偏振幅比Ψ(x，k)。
如上所述，根据本发明构思的第二实施例的示例的检测设备可与第一实施例类似地配置，使得沿第二方向D2移动的被测量对象OBJ的在一维空间上的空间光谱椭偏信息被连续地测量以获得沿着二维空间轴(例如，第一方向D1和第二方向D2)的空间光谱椭偏信息(例如，光谱椭偏立方信息)(见图6)。
图12示出了示出根据本发明构思的第二实施例的检测设备的示例的简化示意图。将做出省略以避免对参照图9讨论的组件和功能的重复解释。
参照图12，根据本发明构思的第二实施例的示例，非偏振光束分离器50可进一步包括在检测设备中。非偏振光束分离器50可设置在第一线性偏振器30和偏振干涉仪40之间。例如，第一线性偏振器30中线性偏振(例如，以45°的旋转角)的输入波光Ein可通过非偏振光束分离器50提供给偏振干涉仪40。
如图12中所示，偏振干涉仪40的偏振分离器41、第一镜MR1和第二镜MR2可与图9中所示的偏振分离器41、第一镜MR1和第二镜MR2类似地配置。例如，第一镜MR1和第二镜MR2可具有偏离垂直方向的偏轴角ε。偏振干涉仪40可将线性偏振的白光分离成P偏振波和S偏振波，并且可允许P偏振波和S偏振波具有空间相位差。例如，偏振干涉仪40可产生具有空间相移的高空间载波频率。
偏振干涉仪40的偏振分离器41可以是偏振光束分离器。此外，可省略图9的第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2。偏振分离器41可将线性偏振白光分离成第一光和第二光。第一光和第二光可被引导向第一镜MR1和第二镜MR2并且从第一镜MR1和第二镜MR2反射，而不通过图9的第一子线性偏振器P1和第二子线性偏振器P2。
在偏振干涉仪40中被偏振调制的输出波光Eout可通过非偏振光束分离器50被提供给扫描仪70上的被测量对象OBJ。在偏振干涉仪40中被偏振调制的输出波光Eout可通过非偏振光束分离器50和线转换器61被提供到扫描仪70上的被测量对象OBJ。从偏振干涉仪40出来的输出波光Eout可以以偏离垂直于扫描仪70上的被测量对象OBJ的方向的测量角θ照射，并且测量光Emea可以以偏离垂直于被测量对象OBJ的方向的测量角θ反射。
被测量对象OBJ的偏振各向异性可对从被测量对象OBJ出来的测量光Emea提供振幅调制和相位调制。第二线性偏振器80可被提供有从被测量对象OBJ反射的测量光Emea。干涉光ESP可通过成像透镜62被提供给成像光谱仪90。干涉光ESP可垂直地进入成像光谱仪90的入射表面。成像光谱仪90可从干涉光ESP产生包括被测量对象OBJ的空间光谱椭偏信息的空间光谱干涉条纹。
图13示出了示出根据本发明构思的第二实施例的检测设备的另一示例的简化示意图。将做出省略以避免对参照图9讨论的组件和功能的重复解释。本示例中的组件可在空间上与图9中所示的组件不同地布置。
参照图13，根据本发明构思的第二实施例的另一示例，非偏振光束分离器50可进一步包括在检测设备中。非偏振光束分离器50可设置在偏振干涉仪40的一侧，并且线转换器61可放置在偏振干涉仪40和非偏振光束分离器50之间。非偏振光束分离器50可将从线转换器61出来的输出波光Eout提供给被测量对象OBJ。
输出波光Eout可垂直地照射到在扫描仪70上的被测量对象OBJ，并且测量光Emea可从被测量对象OBJ垂直地反射。
从被测量对象OBJ反射的测量光Emea可重新进入非偏振光束分离器50并且行进至第二线性偏振器80。
根据本发明构思，在没有机械旋转机构和电子信号调制的情况下，可连续地测量被测量对象的一维空间上的空间光谱椭偏信息，以获得沿二维空间轴的空间光谱椭偏信息(例如，光谱椭偏立方信息)。光谱椭偏信息可用于测量二维空间上的纳米图案或纳米膜的均匀性，或用于在二维空间上高速(相当于现有技术的几百倍)检测微观缺陷。
尽管已经参照实施例的多个示意性示例描述了实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求书所述的本发明构思的精神和范围的情况下，可做出形式和细节上的各种改变。因此，本发明构思的技术范围不受上述实施例和示例的限制，而是由所附权利要求书限制。

Claims (29)

1.一种检测设备，包括：
光发生器，产生光；
第一线性偏振器，使光线性偏振；
偏振干涉仪，将线性偏振的光分离为第一光和第二光，并对所述第一光和所述第二光进行调制以具有相位差信息；
线转换器，将输出波光转换成在第一方向上具有线性线形并且向被测量对象提供线形的输出波光，所述输出波光是从所述偏振干涉仪出来的；
扫描仪，装载被测量对象，所述扫描仪被配置为使得所述被测量对象在与所述第一方向相交的第二方向上被扫描，或者围绕与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上的轴旋转地被扫描；
第二线性偏振器，接收测量光并且使所述测量光的第一光和第二光线性偏振以产生干涉光，所述测量光来自通过所述被测量对象的输出波光或从所述被测量对象反射的输出波光；以及
成像光谱仪，接收所述干涉光以获得被测量对象的图像。
2.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述线转换器是在所述第一方向上伸长的柱面透镜。
3.根据权利要求1所述的检测设备，还包括成像透镜，所述成像透镜将所述干涉光转换成在所述第一方向上具有线性线形，并且向所述成像光谱仪提供所述线形的干涉光。
4.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直。
5.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述偏振干涉仪包括：
偏振分离器，将线性偏振光分离为第一光和第二光，所述偏振分离器包括
入射表面，所述线性偏振的光入射到入射表面，
第一反射表面，所述第一光入射在第一反射表面上，以及
第二反射表面，所述第二光入射在第二反射表面上，
其中，所述第一反射表面面对所述入射表面，并且
其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面彼此相邻；
第一镜，在所述第一反射表面上；以及
第二镜，在所述第二反射表面上。
6.根据权利要求5所述的检测设备，其中，所述第一光在所述第一反射表面和所述第一镜之间往复行进的光程的长度与所述第二光在所述第二反射表面和所述第二镜之间往复行进的光程的长度不同。
7.根据权利要求6所述的检测设备，其中，所述第一光和所述第二光之间的光程差为10μm至100μm。
8.根据权利要求5所述的检测设备，其中，所述第一镜和所述第二镜具有偏离垂直方向的角度。
9.根据权利要求8所述的检测设备，其中，偏离的角度在0.02°至0.1°的范围内。
10.根据权利要求5所述的检测设备，其中，
所述输出波光以偏离垂直于被测量对象的方向的测量角照射，并且
所述测量光以偏离垂直于被测量对象的方向的测量角反射。
11.根据权利要求10所述的检测设备，其中，所述输出波光的传播方向、所述测量光的传播方向和所述第二方向设置在同一平面上。
12.根据权利要求10所述的检测设备，其中，
所述偏振分离器是非偏振光束分离器，并且
所述偏振干涉仪还包括：
第一子线性偏振器，在所述偏振分离器的第一反射表面和第一镜之间；以及
第二子线性偏振器，在所述偏振分离器的第二反射表面和第二镜之间，
其中，所述第一子线性偏振器和所述第二子线性偏振器具有高达90°的偏振差。
13.根据权利要求12所述的检测设备，其中，所述线转换器设置在所述偏振干涉仪和所述被测量对象之间。
14.根据权利要求10所述的检测设备，其中，
所述偏振分离器是偏振光束分离器，并且
所述检测设备还包括在所述第一线性偏振器和所述偏振干涉仪之间的非偏振光束分离器，所述非偏振光束分离器向所述偏振干涉仪提供线性偏振的光，并向被测量对象提供输出波光。
15.根据权利要求14所述的检测设备，其中，所述线转换器设置在所述非偏振光束分离器和所述被测量对象之间。
16.根据权利要求5所述的检测设备，其中，
所述输出波光垂直地入射在被测量对象上，并且
所述测量光从所述被测量对象垂直地反射。
17.根据权利要求16所述的检测设备，还包括非偏振光束分离器，所述非偏振光束分离器与所述偏振干涉仪相邻并且向所述被测量对象提供所述输出波光。
18.根据权利要求17所述的检测设备，其中，所述线转换器设置在所述偏振干涉仪和所述非偏振光束分离器之间。
19.根据权利要求18所述的检测设备，其中，
所述输出波光通过所述线转换器和所述非偏振光束分离器提供给所述被测量对象，并且
所述测量光通过所述非偏振光束分离器提供给所述第二线性偏振器。
20.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述干涉光垂直地入射在所述成像光谱仪上。
21.根据权利要求1所述的检测设备，其中，从所述光发生器产生的光是白光。
22.根据权利要求1所述的检测设备，其中，所述第一光和所述第二光分别是P偏振波和S偏振波。
23.一种检测方法，包括：
使光线性偏振；
将线性偏振的光分离成第一光和第二光；
将第一光和第二光调制成具有相位差以产生输出波光；
将输出波光转换为在第一方向上具有线性线形，以将转换的输出波光照射到被测量对象；
接收从被测量对象出来的测量光，并使所述测量光的第一光和第二光线性偏振以产生干涉光；以及
从所述干涉光获得被测量对象的图像，
其中，所述被测量对象在与第一方向相交的第二方向上被扫描，或者围绕与第一方向和第二方向垂直的第三方向上的轴旋转地被扫描。
24.根据权利要求23所述的检测方法，还包括：将所述干涉光转换为在所述第一方向上具有线性线形。
25.根据权利要求23所述的检测方法，其中，所述光是单色光，并且所述光的波长是可变的。
26.根据权利要求23所述的检测方法，其中，所述光是白光。
27.根据权利要求23所述的检测方法，还包括：从所述干涉光获得关于所述第一方向的轴、所述第二方向的轴和所述光的波长轴的空间光谱椭偏信息，
其中，被测量对象的图像从空间光谱椭偏信息中提取。
28.根据权利要求23所述的检测方法，其中，所述第一光和所述第二光分别是P偏振波和S偏振波。
29.根据权利要求23所述的检测方法，其中，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直。
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