CN115235344A - 基于涡旋光束的测量***及高度测量方法 - Google Patents
基于涡旋光束的测量***及高度测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种基于涡旋光束的测量***及高度测量方法，属于光学测量与成像领域，测量***包括多波长激光模块、测量光照模块、涡旋参考模块、对焦光学模块、图像采集模块、数据处理模块和外部输出模块；测量方法包括布置测量***、样品信息采集和高度计算；通过本申请，基于涡旋光束空间相位分布特性，将高度值变化量转换为干涉图样绕光轴的旋转量，使用四步相移法求得旋转量，进而得到高度值变化量；相比于传统的短相干测量、投影差分测量等方法，此高度测量方案的数据量更小，采样频率更高，能够实现更高的时间分辨率；可以在半导体、芯片等需要高精测量和实时测量的领域推广应用。
Description
技术领域
本发明属于高精测量领域，具体涉及一种基于涡旋光束的测量***及高度 测量方法，可应用于包括半导体、芯片、PCB、FPB等需要高精测量的领域。
背景技术
随着工业技术的发展，行业对于实时高精度的高度测量有着越来越高的要 求，尤其是纳米级的涉及半导体、芯片等需要高精测量领域，目前主要的高度 测量方案主要有以下几种：
1、短相干
短相干光源干涉光强对光程差非常敏感，通过拟合、搜索光强包络曲线的 峰值位置，可以实现高度的精确测量，但是在采样过程中，需要一定的扫描时 间，无法实时工作；
2、多视几何
多视几何的方法，可以通过多个光学***之间的空间位置关系，来实时定 位空间一点的三维坐标，从而实现高度测量。对于单点高度测量，一般使用点 激光实现，但是受器件性能与尺寸制约，目前仅能实现亚微米级的测量精度；
3、普通干涉测量
普通干涉测量方法，一般用于测量单个平面的相对位置，仅在具备扫描参 考镜的情况下，才能够实现绝对位置测量，且无法测量非连续表面的形貌；
4、倾斜光束水平偏移法
在显微***中，利用显微物镜的高NA特性，可以实现大角度的离轴照明， 当照明光束平行度较好时，其照射在样品上的水平位置与样品的离焦量成正比， 通过监测水平位置可以实现对离焦量(高度的实时测量)。此方法受显微物镜 NA的影响，当NA0.9时，测量精度约为50nm左右。
5、涡旋光的应用
涡旋光是具有螺旋型相位波前和相位奇点的空心光束，相位奇点处光波的 光强为零，相位围绕奇点沿垂直于传播方向呈螺旋状分布。涡旋光束具有轨道 角动量，能够实现对微粒的操作以及对微小形变的测量。通过涡旋相位片能够 将高斯光束变为涡旋光束，可应用于显微光刻、超分辨显示、微变形、位移、 空间距离、以及三维面型测量等微测量领域。然而，现有的涡旋测量方案，仅 局限于最后结果采用CCD采集后解包裹获得所需结果。这种方案达不到工业水 平的高精度和实时要求。
综上，目前的测量方法难以同时兼顾高精度测量与实时测量的需求，为应 对半导体、芯片等需要高精测量和实时测量的领域需求，需要研发一种精度与 实时兼需的光学高度测量方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于涡旋光束的测 量***及高度测量方法，其能解决上述问题。
设计原理：提供多波长激光，提供参考光和测量光，基于涡旋光束，经双 探测器或传感器阵列，数据处理计算获得样品高度信息，以此达到精度和效率 兼得的效果。对于涡旋光束，其波前存在周向相位分布(参见图1a)。
当涡旋光束与平面光束共轴干涉时，干涉图像沿周向呈正弦分布(参见图 1b、图1c)。
以干涉图样中心为轴，沿周向均匀布置四个光强探测器(角度间隔90°)， 根据干涉光强计算公式，获得各传感器对应的光强I(I1/I2/I3/I4)。根据涡 旋光束的荷值采用四步相移法，求取两干涉光束相位差φ，进而求取样品相对 初始位置的高度值δz。
具体方案如下。
一种基于涡旋光束的测量***，测量***包括多波长激光模块、测量光照 模块、涡旋参考模块、对焦光学模块、图像采集模块、数据处理模块和外部输 出模块；所述多波长激光模块用于提供多种波长的激光；所述测量光照模块和 涡旋参考模块设置在多波长激光模块下游，形成两个光路分支：其中，测量光 照模块用于将部分多种波长激光作为测量光经对焦光学模块后提供给被测样 品，用于采集样品信息；涡旋参考模块将剩余部分的多种波长激光进行涡旋调 制，形成的多路单波长涡旋光再经合束后作为参考光提供给图像采集模块；所 述对焦光学模块布置在测量光照模块的光路下游，用于将测量光照模块的测量 光提供给被测样品后反射形成样品表面经探测光路给图像采集模块；所述图像 采集模块按波长分别探测收集参考光和带有样品表面测量信息的测量光；所述 数据处理模块用于采集图像采集模块的测量信息，并计算样品高度信息；所述 外部输出模块将数据处理模块计算的高度信息外部输出并显示。
进一步的，所述多波长激光模块包括依次布置的多波长激光器、准直扩束 器和第一偏振片；所述准直扩束器用于将多波长激光器发射的多种波长激光准 直扩束；所述第一偏振片将准直扩束后的多种波长激光调制为线性偏振光。
进一步的，所述测量光照模块包括依次布置的分光镜、反射偏振镜和四分 之一波片；所述分光镜用于将多波长激光中的一部分透射作为测量光；所述反 射偏振镜和四分之一波片用于依次将经分光镜的测量光全透射给对焦光学模 块；所述四分之一波片用于调制入射的测量光和反射后的测量光的偏振态，配 合样品反射的半波损，实现测量光偏振态旋转90°，以使得反射后的测量光 被反射偏振镜全反射。
进一步的，所述涡旋参考模块包括半波片、第一二向色镜、第一涡旋相位 板、第二反射镜、第二涡旋相位板、第三反射镜和第二二向色镜；所述半波片 用于将分光镜反射部分的多波长激光偏振方向旋转90°；所述第一二向色镜 用于将经分光镜后的多波长激光分束为两束单波长高斯光束；两束单波长高斯 光束分别经所述第一涡旋相位板和第二涡旋相位板后变为荷值l＝1的涡旋光 束；所述第二二向色镜用于将两束荷值l＝1的涡旋光束合束作为参考光，并经 所述反射偏振镜全透射后传输给所述图像采集模块。
进一步的，所述图像采集模块采用面阵探测器或采用多个探测器阵列模块； 每个探测器阵列模块包括多个探测器阵列、第三二向色镜和第二偏振片；第二 偏振片用于调制经反射偏振镜透射的参考光和反射的测量光；第三二向色镜用 于将经第二偏振片调制后的多波长光束分束为多个波长的单束光，并由对应的 探测器阵列接收采集。
进一步的，测量***还包括消光模块，所述消光模块布置在分光镜处，用 于消除透过分光镜出射的杂光，提升***信噪比。
本发明还提供了一种基于涡旋光束的高度测量方法，方法包括：
布置测量***：布置根据前述的测量***；
样品信息采集：假定初始位置对应的相位差为2π×N，每个光强探测器采 集的光强分别为：
高度计算：根据涡旋光束的荷值采用四步相移法，求取两干涉光束相位差 φ，进而求取样品相对初始位置的高度值δz。
进一步的，高度计算包括非连续变化的样品高度计算和连续变化的样品高 度计算；对于非连续变化的样品，高度计算使用双波长解包相位信息；对于连 续变化的样品，高度计算使用累加计数的方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过本申请，基于涡旋光束空间 相位分布特性，将高度值变化量转换为干涉图样绕光轴的旋转量，使用四步相 移法求得旋转量，进而得到高度值变化量；相比于传统的短相干测量、投影差 分测量等方法，此高度测量方案的数据量更小，采样频率更高，能够实现更高 的时间分辨率；可以在半导体、芯片等需要高精测量和实时测量的领域推广应 用。
附图说明
图1为涡旋光束的空间相位分布、与同轴光干涉图样及周向光强分布示意 图；
图2为本发明基于涡旋光束的测量***的光路示意图；
图3为包含四个光强探测器的探测器阵列示意图。
图中：
10、多波长激光模块；11、多波长激光器；12、准直扩束器；13、第一偏 振片；14、第一反射镜；
20、测量光照模块；21、分光镜；22、反射偏振镜；23、四分之一波片；
30、涡旋参考模块；31、半波片；32、第一二向色镜；33、第一涡旋相位 板；34、第二反射镜；35、第二涡旋相位板；36、第三反射镜；37、第二二向 色镜；
40、对焦光学模块；
50、图像采集模块；51、探测器阵列；52、第三二向色镜；53、第二偏振 片；
60、数据处理模块；
70、外部输出模块；
80、消光模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于涡旋光束的测量***
一种基于涡旋光束的测量***，参见图2，测量***包括多波长激光模块 10、测量光照模块20、涡旋参考模块30、对焦光学模块40、图像采集模块50、 数据处理模块60、外部输出模块70和消光模块80。整体的，包括激光光源、 涡旋调制光路、干涉测量等构成基于涡旋的高度测量方案。
其中，多波长激光模块10用于出射或提供多种波长的激光。具体的，多 波长激光模块10包括依次布置的多波长激光器11、准直扩束器12和第一偏 振片13。准直扩束器12用于将多波长激光器11发射的多种波长激光准直扩 束。所述第一偏振片13将准直扩束后的多种波长激光调制为线性偏振光。
最后，多波长激光模块10提供经线偏振调制的多种波长激光(λ1、λ 2、……λi,i为≥2的正整数)。
进一步的，所述多波长激光模块10还包括第一反射镜14，用于改变出射 光路，减小***占用空间。
一个示例中，所述第一反射镜14法向与入射光成45°布置。
其中，测量光照模块20和涡旋参考模块30设置在多波长激光模块10下 游，形成两个光路分支：其中，测量光照模块20用于将部分多种波长激光作 为测量光经对焦光学模块40后提供给被测样品，用于采集样品信息；涡旋参 考模块30将剩余部分的多种波长激光进行涡旋调制，形成的多路单波长涡旋 光再经合束后作为参考光提供给图像采集模块50。
具体的，测量光照模块20包括依次布置的分光镜21、反射偏振镜22和 四分之一波片23。所述分光镜21用于将多波长激光中的一部分透射作为测量 光；所述反射偏振镜22和四分之一波片23用于依次将经分光镜21的测量光 全透射给对焦光学模块40。
所述四分之一波片23用于调制入射的测量光和反射后的测量光的偏振态， 配合样品反射的半波损，实现测量光偏振态旋转90°，以使得反射后的测量 光被反射偏振镜22全反射。
具体的，涡旋参考模块30包括半波片31、第一二向色镜32、第一涡旋相 位板33、第二反射镜34、第二涡旋相位板35、第三反射镜36和第二二向色 镜37。所述半波片31用于将分光镜21反射部分的多波长激光偏振方向旋转90°；所述第一二向色镜32用于将经分光镜21后的多波长激光分束为两束单 波长高斯光束。
进一步的，两束单波长高斯光束分别经所述第一涡旋相位板33和第二涡 旋相位板35后变为荷值l＝1的涡旋光束。
所述，第二反射镜34、第三反射镜36用于对经过第二涡旋相位板35前 后的一束单波长高斯光束变向。
进一步的，所述第二二向色镜37用于将两束荷值l＝1的涡旋光束合束作 为参考光，并经所述反射偏振镜22全透射后传输给所述图像采集模块50。
其中，对焦光学模块40布置在测量光照模块20的光路下游，用于将测量 光照模块20的测量光提供给被测样品后反射形成样品表面经探测光路给图像 采集模块50。
具体的，对焦光学模块40，采用无焦光学***或望远***。根据测量/监 测需求的差异，可以选择不同的构成形式，如：1)均匀介质或自由空间；2) 显微筒镜与显微物镜构成的显微成像***；3)缩束或扩束***。
其中，图像采集模块50按波长分别探测收集参考光和带有样品表面测量 信息的测量光；所述图像采集模块50采用面阵探测器或采用多个探测器阵列 模块。
当采用多个探测器阵列模块时，每个探测器阵列模块包括多个探测器阵列 51、第三二向色镜52和第二偏振片53；多个探测器阵列51表示为SA1、 SA2、……SAj，j为≥2的正整数，参见图1的示例中，j取2，即采用两个探 测器阵列。
第二偏振片53用于调制经反射偏振镜22透射的参考光和反射的测量光； 第三二向色镜52用于将经第二偏振片53调制后的多波长光束分束为多个波长 的单束光，并由对应的探测器阵列51接收采集。
进一步的，每个所述探测器阵列51均包括以干涉图样中心为轴沿周向均 匀布置的多个光强探测器PD1、PD2、PD3……PDm，m为大于等于3的正整数。
一个示例中，光强探测器的形式包括但不限于光电二极管等。
参见附图3中的示例，m取4，即每个探测器阵列51包括四个光强探测器： PD1、PD2、PD3、PD4，相邻两个光强探测器角度间隔90°。
其中，数据处理模块60用于采集图像采集模块50、即面阵探测器或多个 探测器阵列的测量信息，并计算样品高度信息。
其中，外部输出模块70将数据处理模块60计算的高度信息外部输出并显 示。
其中，测量***的消光模块80布置在分光镜21处，用于消除透过分光镜 21出射的杂光，提升***信噪比。
消光模块80可以采用多种消光方案，包括但不限于以下形式：1)与光轴 有夹角的吸光表面；2)将出射光束反射至***外部。
根据应用需求的不同，测量***可以选择多种配置：单波长/多波长、扩束 /缩束、探测器数量等。
***具体操作步骤为：
1、多波长激光器11发射的多波长激光经准直扩束后入射第一偏振片13(线 偏振片)，并被调制为线偏光；
2、偏振光经第一反射镜14(M1)折转入射至50/50的分光镜21，一束作 为测量光照射至样品表面，另一束作为参考光进入涡旋调制光路；
3、在涡旋调制光路中，半波片31快轴方向与光束偏振方向呈45°夹角， 光束经过后，偏振方向旋转90°；
4、经过第一二向色镜32(DM1)后，光束变为两束单波长高斯光束，并分 别入射至涡旋相位片：第一涡旋相位板33(VPP1)和第二涡旋相位板35(VPP2)；
5、经过第一涡旋相位板33(VPP1)和第二涡旋相位板35(VPP2)进行涡 旋相位延迟后，高斯光束变为荷值l＝1的涡旋光束；
6、两涡旋光束经过第二二向色镜37(DM2)后合束，经反射偏振镜22后进 入探测光路；
7、测量光束经过反射偏振镜22后，入射至样品表面或对焦光学模块40的 焦光学***；
8、样品表面将测量光束反射至反射偏振镜22，并与参考光束合束共同进入 探测光路；
9、参考光束与测量光束经第二偏振片53调制、第三二向色镜52分光后， 分别入射至探测器阵列SA1和SA2；
10、数据处理模块60实时采集探测器阵列SA1和SA2上探测器的测量值， 然后计算样品高度信息，并将高度信息输出至外部***。
测量***通过利用涡旋光束的空间相位分布特性，将高度信息变换为干涉 图案绕光轴的旋转角度，并使用多个高速点光强探测器组成干涉测量模块，从 而实现对高度信息的实时探测。
基于涡旋光束的高度测量方法
一种基于涡旋光束的高度测量方法，方法包括：
布置测量***：布置前述的测量***，多波长激光模块10采用双波长激 光器，图像采集模块50的每个探测器阵列51包括四个光强探测器(PD1、PD2、 PD3、PD4)；
样品信息采集：假定初始位置对应的相位差为2π×N，则四个光强探测器 (PD1、PD2、PD3、PD4)采集的光强分别为：
式中，I0为参考光束与测量光束的光强，I1/I2/I3/I4为四个光强探测器的 光强，δz为样品相对初始位置的高度值，λ为探测光波长，l为涡旋光束的荷 值；
高度计算：取l＝1，四个光强探测器的相位差为
利用四步相移法，求 得两干涉光束相位差φ：
进而求得样品相对初始位置的高度值δz：
由于φ∈[0,2π)，因此上述结构的最大测量范围只有0.5λ，无法满足自动 对焦/面型测量等应用的需求。为增大测量范围，可以采用下述方法：
进一步的，高度计算包括非连续变化的样品高度计算和连续变化的样品高 度计算；
对于δz非连续变化的样品，高度计算使用多波长外差解包方法，以双 波长***为例，高度计算使用双波长解包相位信息；具体的，若两探测光 束波长分别为λ1、λ2，则***测量范围增加至
据此，通过选择合适的波长，可以将探测范围扩展至数微米至数十微米。
对于δz连续变化的样品，高度计算使用累加计数的方法。
对于无图案晶圆面型检测、位移台运动精度测量等应用，样品δz连续变化， 可以采用连续计数的方法，扩展测量范围。理论上，此方案的测量范围没有限 制。
方案整体，利用涡旋光束的空间相位分布特性，将高度信息变换为干涉图 案绕光轴的旋转角度，并使用多个高速点光强探测器组成干涉测量模块，从而 实现对高度信息的实时探测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于涡旋光束的测量***，其特征在于：测量***包括多波长激光模块(10)、测量光照模块(20)、涡旋参考模块(30)、对焦光学模块(40)、图像采集模块(50)、数据处理模块(60)和外部输出模块(70)；
所述多波长激光模块(10)用于提供多种波长的激光；
所述测量光照模块(20)和涡旋参考模块(30)设置在多波长激光模块(10)下游，形成两个光路分支：其中，测量光照模块(20)用于将部分多种波长激光作为测量光经对焦光学模块(40)后提供给被测样品，用于采集样品信息；涡旋参考模块(30)将剩余部分的多种波长激光进行涡旋调制，形成的多路单波长涡旋光再经合束后作为参考光提供给图像采集模块(50)；
所述对焦光学模块(40)布置在测量光照模块(20)的光路下游，用于将测量光照模块(20)的测量光提供给被测样品后反射形成样品表面经探测光路给图像采集模块(50)；
所述图像采集模块(50)按波长分别探测收集参考光和带有样品表面测量信息的测量光；
所述数据处理模块(60)用于采集图像采集模块(50)的测量信息，并计算样品高度信息；
所述外部输出模块(70)将数据处理模块(60)计算的高度信息外部输出并显示。
2.根据权利要求1所述的测量***，其特征在于：所述多波长激光模块(10)包括依次布置的多波长激光器(11)、准直扩束器(12)和第一偏振片(13)；
所述准直扩束器(12)用于将多波长激光器(11)发射的多种波长激光准直扩束；
所述第一偏振片(13)将准直扩束后的多种波长激光调制为线性偏振光。
3.根据权利要求2所述的测量***，其特征在于：所述测量光照模块(20)包括依次布置的分光镜(21)、反射偏振镜(22)和四分之一波片(23)；
所述分光镜(21)用于将多波长激光中的一部分透射作为测量光；
所述反射偏振镜(22)和四分之一波片(23)用于依次将经分光镜(21)的测量光全透射给对焦光学模块(40)；
所述四分之一波片(23)用于调制入射的测量光和反射后的测量光的偏振态，配合样品反射的半波损，实现测量光偏振态旋转90°，以使得反射后的测量光被反射偏振镜(22)全反射。
4.根据权利要求3所述的测量***，其特征在于：所述涡旋参考模块(30)包括半波片(31)、第一二向色镜(32)、第一涡旋相位板(33)、第二反射镜(34)、第二涡旋相位板(35)、第三反射镜(36)和第二二向色镜(37)；
所述半波片(31)用于将分光镜(21)反射部分的多波长激光偏振方向旋转90°；
所述第一二向色镜(32)用于将经分光镜(21)后的多波长激光分束为两束单波长高斯光束；
两束单波长高斯光束分别经所述第一涡旋相位板(33)和第二涡旋相位板(35)后变为荷值l＝1的涡旋光束；
所述第二二向色镜(37)用于将两束荷值l＝1的涡旋光束合束作为参考光，并经所述反射偏振镜(22)全透射后传输给所述图像采集模块(50)。
5.根据权利要求4所述的测量***，其特征在于：所述对焦光学模块(40)采用无焦光学***或望远***。
6.根据权利要求4所述的测量***，其特征在于：所述图像采集模块(50)采用面阵探测器或采用多个探测器阵列模块；
每个探测器阵列模块包括多个探测器阵列(51)、第三二向色镜(52)和第二偏振片(53)；
第二偏振片(53)用于调制经反射偏振镜(22)透射的参考光和反射的测量光；
第三二向色镜(52)用于将经第二偏振片(53)调制后的多波长光束分束为多个波长的单束光，并由对应的探测器阵列(51)接收采集。
7.根据权利要求6所述的测量***，其特征在于：每个所述探测器阵列(51)均包括以干涉图样中心为轴沿周向均匀布置的多个光强探测器PD1、PD2、PD3……PDm，m为大于等于3的正整数。
8.根据权利要求6所述的测量***，其特征在于：测量***还包括消光模块(80)，所述消光模块(80)布置在分光镜(21)处，用于消除透过分光镜(21)出射的杂光，提升***信噪比。
9.一种基于涡旋光束的高度测量方法，其特征在于，方法包括：
布置测量***：布置根据采用权利要求1-8任一项所述测量***，多波长激光模块(10)采用双波长激光器，图像采集模块(50)的每个探测器阵列(51)包括四个光强探测器(PD1、PD2、PD3、PD4)；
样品信息采集：假定初始位置对应的相位差为2π×N，则四个光强探测器(PD1、PD2、PD3、PD4)采集的光强分别为：
式中，I0为参考光束与测量光束的光强，I1/I2/I3/I4为四个光强探测器的光强，δz为样品相对初始位置的高度值，λ为探测光波长，l为涡旋光束的荷值；
高度计算：取l＝1，四个光强探测器的相位差为
利用四步相移法，求得两干涉光束相位差φ：
进而求得样品相对初始位置的高度值δz：
10.根据权利要求9所述的高度测量方法，其特征在于：高度计算包括非连续变化的样品高度计算和连续变化的样品高度计算；
对于非连续变化的样品，高度计算使用双波长解包相位信息；
对于连续变化的样品，高度计算使用累加计数的方法。
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