CN1180222C - 双频共焦台阶高度显微测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面形貌测量技术领域，涉及双频共焦台阶高度显微测量装置，包括横向塞曼激光器，依次放置在该激光器发射端轴线上的分光镜、法拉第盒、1/2波片、透镜、针孔、胶合透镜和偏振分光镜；放置在该偏振分光镜反射光路上的1/4波片和四面体棱镜，放置在该偏振分光镜透射光路上的1/4波片、显微物镜；还包括第二块分光镜，分别放置在该分光镜的反射光路上的格兰棱镜、会聚透镜、第二针孔和光电探测器，在其透射光路上的会聚透镜和光电探测器。本发明融合了双频激光干涉和扫描共焦显微技术以期提高分辨率和量程，同时满足了高测量精度和较大测量范围的要求，并具有较低的成本，不仅满足微电子技术近期发展的需要，也可以进一步推广应用。

Description

双频共焦台阶高度显微测量装置

技术领域

本发明属于表面形貌测量技术领域，特别涉及双频共焦干涉显微***用于台阶高度标准测量。

背景技术

共焦扫描成像早在上个世纪50年代就由Minsky提出，随后Davidovits、Sheppard和Wilson等对共焦显微***作了进一步研究。研究结果表明：共焦扫描显微***不仅可以抑制成像中弱杂散光，而且在相同成像条件下，其轴向分辨率为普通显微***的1.4倍，并且具有三维层析成像功能。正是这种三维成像的能力，使共焦显微术已经广泛地应用于生物、生物医学、工业探测以及计量学领域。

然而，普通的共焦显微镜其轴向分辨率仍然只停留在亚微米量级，且光源的噪声和漂移直接影响测量结果，为此哈尔滨工业大学的谭久彬等提出了差动共焦式纳米级光聚焦探测***，如图1所示。其结构包括：光源31及在其出射光轴上设置的半透半反镜32和聚焦透镜33，在该半透半反镜32的反射光路上设置另一半透半反镜35，以及分别设在该半透半反镜35的反射、透射光路上的两针孔36、38及两探测器37、39，以及接收两探测器的输出信号的处理电路40。这种共焦显微镜的工作原理为：从光源31输出的光经待测样品表面34反射返回后由分光镜35分成透射和反射两束光，在反射光和透射光后分别放置针孔和探测器，针孔36、38的位置分别对称地位于像焦平面之前和之后，通过对两探测器信号37、39求差和求和，给出光聚焦信号。当待测样品表面位于焦平面上时，两针孔地位置相对与像焦平面对称，两探测器的差值为零；当样品表面偏离焦平面一个微小位移时，像点分别趋近于其中的一个针孔和远离另一个针孔，使探测到的光功率一个增大，一个减小，从而由差动信号反映除位移的大小和方向。这种方法虽然能使测量的轴向分辨率达到2nm，但是测量范围受到光强差动曲线线性区的限制，不能给出较大范围的测量。同时由于光强变化与样品表面位移的关系并不是完全的线性关系，所以测量的精度也不可能很高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，融合双频激光干涉和扫描共焦显微技术的特点，提供一种双频共焦显微台阶高度测量员装置，可对微电子掩膜板等台阶高度进行定量测量，具有高度高分辨和较大量程测量的特点。

本发明的技术方案包括横向塞曼双频激光器，依次放置在该激光器发射端轴线上的第一块分光镜、法拉第盒、以快轴为22.5度放置的1/2波片、透镜、第一针孔、胶合透镜和偏振分光镜；放置在该偏振分光镜反射光路上的以快轴为45度放置的第一1/4波片和四面体棱镜，放置在该偏振分光镜透射光路上的以快轴为45度放置的第二1/4波片、显微物镜；还包括设置在该偏振分光镜的合光光路上的第二块分光镜，分别放置在该第二块分光镜的反射光路上的格兰棱镜、会聚透镜、第二针孔和光电探测器，在该第二块分光镜的透射光路上的会聚透镜和光电探测器。

本发明的测量原理如下：如图2所示。横向塞曼(He-Ne双频)激光器同时作为共焦显微镜和误差干涉***的光源，分别获取样品表面的光强信息(粗定位)和相位信息(精确值)，同时实现了较大量程和高分辨率的台阶高度测量要求。

假设横向塞曼激光器输出激光的偏振矢量为：

$E_0=\stackrel{\→}{i}{E}_{01}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_{01})+\stackrel{\→}{j}{E}_{02}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_{02})---\left(1\right)$

式中，各变量的含义为：

分别为出射平行分量p、垂直分量s的偏振方向矢量；E₀₁、E₀₂分别为p、s分量的振幅；f₁、f₂分别为p、s分量的频率，频差Δf＝f₁-f₂；φ₀₁、φ₀₂分别为p、s分量的初始相位。

E₀经过PBS分光后，反射光为s分量、形成参考光，透射光为p分量、形成测量光，分别经过参考和测量光路后再由PBS合光。由于参考光往返经过1/4波片两次，相当于经过一次1/2波片，又因为1/4波片的快轴与偏振方向成45°，所以参考光的偏振分量分别旋转了90°，即由s偏振变成p偏振；同理测量光则有p偏振变成为s偏振。所以，当参考光由四面体返回时透过PBS，测量光由待测样品表面反射返回时由PBS反射，二者重新合成为一束光。可将经过PBS合光之后参考光和测量光的偏振矢量E₁和E₂写作：

$E_1=\stackrel{\→}{i}{K}_1{E}_{02}\sin (2\mathrm{\π}{f}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_{02}+{\mathrm{\φ}}_{12})---\left(2\right)$

$E_2=\stackrel{\→}{j}{K}_2{E}_{01}\sin (2\mathrm{\π}(f_1+2f_0)t+{\mathrm{\φ}}_{01}+{\mathrm{\φ}}_{22})---\left(3\right)$

其中，K₁＝1-α₁、K₂＝1-α₂，α₁、α₂分别为s、p分量在干涉仪中的光强损耗因子；φ₁₂为参考光路位相增量，φ₂₂为测量光路在样品不同时的位相增量。F₀为样品扫描过程中引起的多普勒频移。

E₁、E₂检偏后由探测器接收形成测量信号E_m、I_m，可描述为：

I_m＝I₀K₁K₂sin(2π(f₁-f₂+2f₀)t+φ₀₁+φ₂₂-(φ₀₂+φ₁₂))    (4)式中：I₀∝E₀₁E₀₂。

从横向塞曼激光器的输出直接取得的参考信号I_r为：

I_r＝I₀K₀sin(2π(f₁-f₂)t+φ₀)                            (5)

由于φ₀₁、φ₂₂、φ₀₂、φ₁₂、φ₀均为常数，所以I_m与I_r比相后可得相位差Δφ为：

式中，λ＝632.8nm，为He-Ne激光波长；s为被测位移量；Δφ的单位为度。由式(6)可得： $s=\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{720}\·\mathrm{\λ},$ 所以当相位测量分辨率为0.1°时，位移测量分辨率达到0.1nm。

然而，相位测量方法只能在半个波长量程范围内有效。所以，为了提高测量量程，本发明利用共焦显微***对光强进行了同步测量，这样就在满足较大测量范围的同时实现了台阶高度测量的高分辨。

本发明具有以下特点及良好效果：

本发明双频共焦显微台阶高度测量装置在传统共焦显微镜测量光强的基础上，采取双频激光作为光源，增加了相位检测，从而突破了光强检测的瑞利判据的限制。相位测量方法实现对半波长的3600细分(相当于0.1°的相位测量单位)使测量分辨率达到纳米量级。改进后的双频共焦干涉显微***光路是本发明区别于现有技术的创新点之一。

本发明的共焦显微测量技术采用法拉第盒和1/2波片，使出射光和返回光偏振方向(即s偏振和p偏振)互换，从而有效地克服了光回授问题的影响，使激光稳频***在测量过程中能够始终正常工作，避免出现多个谐振腔。

本发明在实现高分辨的同时由光强测量获得粗定位信息，其光强信号测量由双频干涉得到的正弦信号幅值给出。测量信号和同频的参考信号输入锁相放大器，可以得到测量信号的幅值大小。与普通共焦显微镜测量直流光强相比，这种方法可以有效地克服外来杂散光的干扰，提高测量的鲁棒性。这是区别现有技术的创新点之二。

附图说明

图1为已有的差动共焦式纳米级光聚焦探测***光路结构图

图2为本发明的测量原理框图

图3为本发明的双频共焦台阶高度显微测量装置实施例结构图

图4为本发明的实施实例与纳米干涉仪原理框图

图5为本发明的实施实例的一组初步实验结果

具体实施方式

本发明的双频共焦台阶高度显微测量装置的结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：

本实施例的结构如图3所示，包括：具有较高稳频精度的横向塞曼He-Ne双频激光器1，以及依次放置在激光器发射端轴线上的分光镜(BS)2、法拉第盒4、1/2波片5、透镜6、针孔7、胶合透镜8和偏振分光镜(PBS)9，放置在PBS反射光路上的1/4波片10和四面体棱镜11，放置在PBS透射光路上的1/4波片12、显微物镜13；测量光和参考光经PBS合光后分为两个部分分别用于光强测量和相位测量，故本装置还包括BS15，分别放置在BS反射光路上的格兰棱镜19、胶合透镜20、针孔21和光电探测器22，在BS15透射光路上的光阑16、会聚透镜17和光电探测器18。

本实施例的双频共焦台阶显微高度测量装置具体原理如下：

如图3所示。横向塞曼He-Ne激光器1输出正交的双频激光，由BS 2将输出光分为两束，反射光检偏后由探测器3形成参考信号，透射光通过法拉第盒4和快轴沿22.5°方向放置的1/2波片5使光的偏振方向旋转90°，可以避免光回授对激光器的影响。再经过小透镜6会聚于针孔7上，经过针孔7滤除杂散光后由胶合透镜8将光束扩成平行光束。平行光束通过PBS9进行偏振分光，其中反射光作为参考光，透射光作为测量光。参考光先经过快轴沿45°放置的1/4波片10后被四面体11反射，反射光再次经过45°放置的1/4波片10，参考光的偏振方向旋转90°，再次经过PBS9时变为透射光；测量光经过快轴沿45°放置的1/4波片12和无限筒长的显微物镜13投射在待测样品表面14，测量光经样品反射回后再次经过1/4波片12后偏振方向也旋转90°，再次经过PBS9后被反射，并与参考光合光。合成光通过BS15分成两部分，透射光经过光阑16和会聚透镜17后由探测器18检偏接收形成相位测量信号，与参考信号进行相位测量，从而使双频共焦显微镜的分辨率提高到1纳米以下；反射光经过格兰棱镜19滤去参考光，并由胶合透镜20(与胶合透镜8相同)会聚经针孔21后，入射到探测器22接收，形成光强测量信号，通过锁相放大器得到光强值，由光强变化得到轴向位移偏离焦点量的信息，从而克服纯相位测量单值性问题，使纵向测量量程达到5微米以上，同时还有效的减少杂散光干扰。

本实施例对微电子台阶高度进行测量的方法，包括以下步骤：

1)横向塞曼He-Ne激光器1输出正交的双频激光，由BS2将输出光分为两束，反射光检偏后由探测器3形成参考信号，透射光通过法拉第盒4和快轴沿22.5°方向放置的1/2波片5使偏振方向旋转90°，以避免光回授的影响。

2)再经过小透镜6会聚于针孔7上，经过针孔7滤除杂散光后由胶合透镜8将光束扩成平行光束。

3)平行光束通过PBS9进行偏振分光，其中反射光作为参考光，透射光作为测量光。

4)参考光先经过快轴沿45°放置的1/4波片10后被四面体11反射，反射光再次经过45°放置的1/4波片10，参考光的偏振方向旋转90°，再次经过PBS9时变为透射光。

5)测量光经过快轴沿45°放置的1/4波片12和无限筒长的显微物镜13投射在待测样品表面14，测量光经样品反射回，经过显微物镜13后，再次通过1/4波片12，使其偏振方向也旋转90°，到达PBS9后被反射，并与参考光合光。

6)合成光通过BS15分成两部分，透射光经过光阑16和会聚透镜17后由探测器18检偏接收形成相位测量信号，与参考信号进行相位测量，从而使双频共焦显微镜的分辨率提高到1纳米以下。

7)反射光经过格兰棱镜19滤去参考光，并由胶合透镜20(与胶合透镜8相同)会聚经针孔21后，入射到探测器22接收，测量信号通过锁相放大器得到光强值，由光强变化得到轴向位移偏离焦点量的信息，从而克服纯相位测量单值性问题，使纵向测量量程达到5微米以上，同时还有效的减少杂散光干扰。

在本方法中，采用共焦显微技术与外差干涉测量技术，同时满足了较大测量量程和高测量分辨率的需要。光强测量利用了锁相原理，克服了纯粹测直流光强容易受杂散光影响的问题。利用FPGA相位卡实现外差干涉信号的相位测量，分辨率可以达到0.1°，对应约0.1纳米的分辨率。光强测量结果和相位测量结果分别通过计算机接收。

本发明的实施例主要器件的型号及参数：

采用横向塞曼激光器1频差在几十到几百千赫，BS2的透射率为90％、反射率为10％，探测器3、18、22为PIN管，法拉第盒4使偏振方向旋转45°，1/2波片5的快轴方向与水平方向夹角为22.5°，胶合透镜8的焦距为150mm，1/4波片10、12与水平方向夹角为45°，BS15透射与反射比为1∶1。

为标定本实施例***的测量准确性，采用差动纳米干涉仪SJD5标定本***，方法如图4所示。由压电陶瓷PZT驱动微位移工作台，分别用本发明共焦显微干涉***和差动纳米干涉仪SJD5(本干涉仪经计量院标定，测量分辨率为亚纳米，非线性误差2.8纳米)进行测量，采用计算机进行测量同步控制，结果也由计算机采集。图5给出了一组实验曲线，横坐标为PZT驱动工作台时SJD5的测量结果，纵坐标左边为共焦显微干涉***的相位测量结果，纵坐标右边为光强测量结果，实验结果表明相位测量的非线性误差在不超过7纳米。

Claims (1)

1、一种双频共焦台阶高度显微测量装置，其特征在于，包括横向塞曼双频激光器，依次放置在该激光器发射端轴线上的第一块分光镜、法拉第盒、以快轴为22.5度放置的1/2波片、透镜、第一针孔、胶合透镜和偏振分光镜；放置在该偏振分光镜反射光路上的以快轴为45度放置的第一1/4波片和四面体棱镜，放置在该偏振分光镜透射光路上的以快轴为45度放置的第二1/4波片、显微物镜；还包括设置在该偏振分光镜的合光光路上的第二块分光镜，分别放置在该第二块分光镜的反射光路上的格兰棱镜、会聚透镜、第二针孔和光电探测器，在该第二块分光镜的透射光路上的会聚透镜和光电探测器。

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