CN1703609A - 可重复安装在真空室的墙壁上的激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

公开了一种激光干涉仪，包括能够基本上可重复地安装到环境室(26，126)墙壁中的壳体(10，40)，所述壳体包括激光源(12，112)，反射镜(22，50，122，150)附着于位于环境室内的对象，以及穿过环境室墙壁提供的光线通路，用于允许来自于激光源的激光束进入反射镜。可以提供至少一个射束控制器(56，58，156，158)，用于调节激光束穿过光线通路的通过方向。还公开了一种柱形激光干涉仪。

Description

可重复安装在真空室的墙壁上的激光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种激光干涉仪。

背景技术

环境控制室是要求任何设备以及所述设备内的部件必须能够经得起高压或低压、有机气体和150℃以及更高温度的场所，其中室内污染是一个值得关注的问题。传统的激光干涉仪***无法满足这些要求。要求进行环境控制的一种情况是半导体制造，例如，计算机芯片以及它们的掩模的制造，在该过程中最重要的是要求干净的环境。

发明内容

依照本发明的第一方面，提供了一种激光干涉仪，包括：

壳体，能够基本上被可重复安装到环境室的墙壁中，所述壳体包括激光源；

反射镜，被附着到所述环境室内放置的对象；以及

光线通路，贯穿所述环境室的墙壁，允许激光束从激光源到达反射镜。

优选的是，在所述壳体内提供检测器。

所述激光源可以是激光或者链接到激光的光纤的末端。

依照第二方面，本发明提供了一种激光干涉仪，包括：

激光源，用于提供第一激光束；

用于提供第二激光束的装置；

干涉装置，用于根据第一和第二激光束的交叠(super position)位置来提供干涉束。

检测器，用于检测所述干涉束；以及

反射镜，附着于可相对于所述激光源移动的对象，用于把来自于所述对象的至少一个激光束反射到所述干涉装置；

其中至少在环境室内提供所述反射装置，并且通过能够基本上可重复安装到环境室的墙壁中的壳体、至少在真空室外部提供激光源，并且贯穿真空室的墙壁提供光线通路，以允许其中通过至少一个激光束。

环境室的墙壁在增压(减压)期间、或者在烘烤该室时可能变形。这样会损坏干涉仪的灵敏部件。另外，所述变形可能导致激光束无法对准，由此，设计定位连接是十分有益的，如此使得当所述环境室受制于使用条件时，提供校正的并且正确的可重复定位。

把所述客体依照具有足够的可重复性的方式(它基本上可被重复安装)安装在室内墙壁中，以便至少将检测到最小信号强度。这样允许使用信号强度计重新对准激光束，以便实现最佳的信号强度，由此，绝对的可重复性不是必要的。

环境室包括可以通常称为真空室的任何室，其中使用了能够经得起局部或者全部真空的封接来避免进入或者溢出气体。这种室可以用于全真空、半真空、缺少空气的情况，例如当使用诸如氧或者有机气体的处理气体时，乃至在大于一个大气压的压力下的环境。

为了处理射束校准过程中的偏差，优选的是，提供至少一个射束控制器。优选的是，提供至少两个射束控制器，均用于垂直于射束方向的平面。所述射束控制器调节激光束穿过光线通路的通过方向。所述射束控制器可以包括楔形棱柱和/或机械调节器。当提供至少两个楔形棱柱时，优选的是，他们是不匹配的。

附图说明

现在参照附图、通过举例来描述本发明，所述附图包括：

图1是依照本发明的干涉***的平面视图；

图2是图1中所示的安装视图；

图3是依照本发明的可替代的激光干涉仪***；

图4是依照本发明的又一激光干涉仪***；以及

图5是图4中所示的安装的侧视图；以及

图6是穿过图4中所示的激光干涉仪的横截面。

具体实施方式

图1示出了可拆卸对象10，所述对象10包括组合的激光源及检测***12，用于把来自于激光源12的射束分解为基准射束16和测量射束20的偏振分光镜14。所述基准射束16朝向反光镜18射出，然后回到偏振分光镜14和检测器12。所述测量射束20入射到真空可兼容平面镜22上，所述真空可兼容平面镜22安装在移动架24上，所述移动架位于真空室26内，并且可以朝向所述激光源移动并且可以远离激光源移动(沿X轴方向)。所述测量射束20经由光学窗38进入和离开所述真空室26。所述可拆卸对象10经由运动机构28保持在真空室26的墙壁上。

所述运动机构28包括三对空间分离的球30，这些球被安装在可拆卸对象10的凸出部32中(参见图2的运动***的更加清楚的视图)。安装在所述真空室26上的是三个条34，这些条是空间分离的，如此使得一个条对应于一对球30的中心。套管36从真空室26的墙壁中伸出，用于容纳可拆卸对象10上的凸出物30。所述套管36和条34被安全地安装到真空室的墙壁中，其具有足够的自由度以便在加热期间或者当真空被吸引来适应任何真空室墙壁的变形，但是它们也足够坚硬以便与所述墙壁和平面镜22保持固定，从而允许可重复定位可拆卸对象10来维持它们之间的光学路径，并从而在测量过程期间提供相对于移动架的稳定的安装位置。如果使用多个不同的真空强度，那么所述安装可能需要进行调节以便解决在墙壁弯曲方便的变化。

现在参照图2，在运动连接的中心处提供了孔39，所述孔和真空室中的光学窗38和平面镜22成一直线，并且这样允许测量射束入射到平面镜22上并且由平面镜22反射。

当样品台24移动时，其中例如可以将半导体晶片置于所述样品台24上，由激光探测器12测量的测量射束20和基准射束16之间的干涉将改变，由此能够获知可移动的样品座24和所述可拆卸对象10的相对位置。

所述运动连接28由三个空间分离的磁体37保持在位置中，所述磁体37位于可拆卸对象10的凸出物30上的成对球之间的位置中。这意味着或者是所述真空室的墙壁必须由磁性材料制成，或者是套管36和条34机构要求薄的金属基座。

具有容纳激光源、检测器和相关联的光学器件的可拆卸对象的优势之一在于：它允许在抽空真空室以及烘烤室内期间去除可拆卸的对象。这样防止激光干涉仪的任何易毁部件被损坏、变形或受到真空室内不利条件的影响。

如上所述的运动连接的类型是优选的，但是其他的运动支架结构以及偏移方法都可用来代替磁体。在H Braddick，Chapman以及HallLimited于1960年在伦敦发表的“Mechanical Design of LaboratoryApparatus”中描述了作为替代的运动结构。替代的偏移的一个例子是使用弹簧，根据所设计的连接方式，所述弹簧可以是张力弹簧或者是压力弹簧。

可重复的位置无须受到运动学上的约束，只要激光源相对于所述反光镜的位置足以是可重复的即可。一种可替代的方式是使用滑板，在其上安装位于真空室外部的激光干涉仪部件。然后，这被置于相应的“u”状机构中，其中所述“u”状机构设置在真空室的墙壁上。可以使用准确定位的螺钉来确保所述滑板在所述机构内的位置的可重复性。

为了使基准和测量射束路由的条件尽可能类似，可以在反光镜18和分光镜14之间为所述基准射束路由提供一块玻璃，其与光学窗38具有相同的厚度和成分。  这样解决了随着***的温度增加时因为玻璃的膨胀/收缩而使路径长度变化的问题。

图3示出了具有可拆卸对象40的柱形激光干涉仪***，所述***包括组合的激光源和检测***12以及分光镜42，所述分光镜42用于把来自于激光源12的激光束分解为测量射束44和基准射束48。在该情况下，所述分光镜42是偏振分光镜，用于产生双通路干涉***。所述测量射束44入射于反光镜46上，反光镜46将其朝向平面镜22引导，所述平面镜22安装在真空室26中的可移动的样品支架24上。所述基准射束48入射于45°的镜面54上，所述镜面用于把所述射束朝向平面镜50引导，所述平面镜50安装在柱体基准52上，所述柱体基准52与所述可移动的样品支架24相关联的关联固定。当所述干涉***被动态定位时，柱体基准52的位置相对于干涉***的其余部件而固定。样品台24的移动将引入测量射束44和基准射束48之间路线长度方面的改变，此改变是由检测器12检测到的。由此，可以精确地计算样品台24的位置。位于真空室26墙壁中的真空窗138具有足够的大小，以便除了允许测量射束44通过外，还允许基准射束48进入第二反射镜50。

在此例子中，组合的激光源和检测器基本上垂直于平面镜22、50。这样减少了可拆卸对象40沿X轴方向的长度，这意味着运动连接上的形变、并从而是其所要求的强度得以减少，并且可拆卸对象40的事故性移除的概率得以减少。

三个一组的棱柱56、58、60位于测量射束44和基准射束48的通路中。两个棱柱56、58的旋转会引起测量或者基准射束到它们各自的平面镜22、50的射束方向的偏差。这样允许校准光学部件的过程中的操作误差得以补偿。可以使用两个可旋转的棱柱，但是它们往往是配对的，由此增加了成本。可以替代45°镜面54的是五棱镜。在US6473250中更详细地描述了使用三个棱柱对两个平面中的射束偏移产生影响的方案。

图4示出了图3中所示***的柱形干涉仪***的替代方案。在此例子中，组合的激光源和检测器112、分光镜142和反光镜146全部与平面镜122、150(当附着于所述室时)成接近直角、但是非直角地被定位。所述镜面154与入射基准射束148不成45°，其中所述镜面154用于把基准射束148朝向平面镜150反射。所述镜面154在两个平面中相对于基准射束148是倾斜的。使用这种离轴激光***意味着并不使用如同垂直对准的激光一样的两个匹配的棱柱或者三个棱柱，而是可以使用两个匹配的或者不匹配的可旋转棱柱156、158用于射束校准。

两个棱柱156、158相对于射束路径均具有受限的转动。例如，棱柱只限于就射束路径旋转90°，由此每个棱柱的旋转令激光束沿不同平面产生偏差。两个这种棱柱的使用不局限于那种激光源几乎垂直于镜面定位的所述情形，所述激光源可以与所述镜面具有斜角。在一并待审的申请GB0222970.6中更详细地描述了这种离轴的实施例。

用于二维射束偏移的两个可旋转的棱柱具有进一步的用法。在样品位置至关重要的处理过程中，样品的任何角度偏差都是不希望的。因此，除允许测量样品的定位以外，利用两个旋转棱镜(或者它们的等价物)的本发明的实施例还允许在线性运动期间跟踪样品台的角度运动。因为在测量过程期间必须始终检测干涉束，所以在丢失信号以前将容许一定的角度失准，这是表明存在角度运动的一种方式。然而，如果所述棱柱被旋转以便抑制样品台的这种角度偏差，那么角度偏差量可以通过监控旋转程度以及旋转速率(可能的话)来计算。如果所述棱柱是电动化的，那么可以自动跟踪所述角度偏差。如果容许一定的角度偏差，那么此跟踪技术甚至可以在测量期间使用，以便表明该样品台的偏差超出了容许范围。

使用两个楔形棱柱是不必要的。例如，所述镜面可以只沿一个平面向所要求的射束方向偏移，而在这样情况下可以使用单个射束控制器。所述楔形棱柱可以由可替代的光学元件或者诸如活动钳的机械调节器来替代，如在国际公开申请WO00/57228中所描述的那样。

现在将参照图4、5和6来描述图4中所示的可重复的机构。在可拆卸对象40的凸出部232上提供三个空间分离的***230。所述室内墙壁126具有凹进区域240，用于容纳安装板242。所述安装板242包括凹口236，所述凹口236对应于可拆卸对象的凸出232的大小和形状。所述安装板凹口236还包括三个***凹口234，其对应于三个***230的大小和相对位置，并且其中容纳有所述***。

现在参照图6，安装板242并入窗口238，所述窗口238用于允许光线从激光源112进入反射镜122、150。所述安装板242通过o形环244密封到室内墙壁126上，其中所述o形环244位于室内墙壁126中的凹槽246中。便利的地方在于，o形环244相对于窗口238密封。

所述***230包括中心孔248，一螺钉(未示出)穿过该孔，并且***230包括外部凸缘250，所述外部凸缘250同适当的***凹口234合作来提供可拆卸对象40相对于室内墙壁126的近似定位。当所述可拆卸对象经由所述***栓接在某一位置时，可旋转棱柱156和158(图4)的旋转把激光束144、148定位到镜面122、150上并且回到检测器112。

在可替代的实施例中，所述可拆卸对象不固定于所述安装板，而是直接固定于室内墙壁。提供了三个空间分离的定位插脚，用于从室内墙壁中伸出，并且同可拆卸对象中的相同大小的孔合作。为了提供优良的定位的可重复性，三个定位插脚提供与所述孔接触的六个点。例如，第一插脚在三个地点接触孔表面，第二插脚在两个点上接触椭圆形状的孔，而第三个插脚在一点上接触过大的孔。

在一些情况下，当所述室被密封时，例如进行激光束的目视校准是不可能的。在这种环境中，提供了校准装置260。所述校准装置帮助对准激光束以便使其穿过环境室的墙壁。

校准装置260固定在可拆卸对象40和安装板242之间(图6)。校准装置260容纳目标262，所述目标262设置在与激光束路径成45°的位置上。所述目标具有两对孔264a、264b、266a、66b。当校准射束时，一对与测量射束264a、264b重合，一对与基准射束266a、266b重合(由于是双路干涉仪***，所以一对与每个射束相关联)。把所述目标262与纸平面成45°来设置，如此使得入射到目标262的光线穿过校准装置260的一侧被反射，并且因此当把单个部件232、260、242螺栓连接在一起时可以查看该目标262。如果所述射束被校准，然后在第一通路上穿过***，那么所示射束穿过第一孔264a、266a，而在第二通路上，所述射束穿过第二孔264b、266b。如果没有校准任何的射束，那么它们将遇到目标262，并且被所述装置的一侧反射。棱柱的旋转将使通过其中的激光束在一个平面中偏离，从而使得射束被校准为穿过孔264a、264b、266a、266b。楔形棱柱156、158(图4)的旋转使激光束分别沿迎角(Z轴方向)和斜角(Y轴方向)偏离。

一旦激光束被校准，就可以去除所述校准装置，以允许可拆卸对象和安装板之间直接接触。对于干净的环境处理来说，所述室在每个加工周期之间被焙烤，这令室内墙壁产生变形。这种变形未必是可重复的，因此激光束的校直可能要求调节，以便当重新附着以便解决这种问题时，可以重新进行最佳的校准。附着于室内墙壁的可拆卸对象的表面和射束平面之间的容许偏差是每76mm容许±0.02mm，以便保持重新校准的最小信号强度。

在图3到6中，射束的第一和第二通路以及测量和基准射束已经依照彼此垂直移位的方式举例说明过了。在实践中，所述测量和基准射束是垂直移位的，但每个射束的两个通路是沿与之垂直的平面移位的，也就是被移位进入该纸张平面。

图3和4中所示的柱形干涉仪在测量和基准射束之间具有基本上固定的距离(因楔形棱柱的旋转而经受一些偏差)。在一些情况下，可能希望改变这种距离而无需设计新***。为此，在可拆卸对象40的凸出32、232中提供了进一步的楔形棱柱270。此棱柱270沿Y轴方向(沿纸张的平面)偏离所述射束，由此减少或者增加测量和基准射束之间的距离。为简单起见，此额外的楔形棱柱270相对于其所作用的所述射束而固定，由此产生射束之间角度方面的固定变化。

作为选择，所述楔形棱柱270可以位于安装板242内。

在图3和4中所示的干涉测量***中，反光镜22、50、122、150和测量射束44、144和基准射束48，148基本上彼此平行。在一些情况下，这样做是不可能的，或者是不合乎需要的。在这种环境中，相对固定的柱体上的镜面50，150可以与柱体52、152成一定角度。在图3和4中所示类型的柱形干涉仪中，相对固定的柱体可以相对于相对可移动的样品台来移动，然而，柱体的移动在40次左右，这小于样品台的移动。如果所述镜面50、150与柱体成一定角度地安装，那么整个柱体行程距离上的余弦误差对于角度10°来说将是2％。随着镜面50、150对向角度的增加，此误差还将增加。如果样品台上的镜面22、122是成角度的，那么在样品台移动的范围内所述误差将非常大，这或许将导致非常不精确的结果。

依照本发明的激光干涉仪允许测量与对象的距离。这是通过如下方式实现的，其中把来自于激光源12、112的第一激光束20、44、144引导向安装在所述对象上的反射镜22、122，沿基准路径16、48、148引导第二激光束，其中第二激光束是根据第一激光束提供的，在其已经沿基准路径经过之后对该反射的第一激光束和第二激光束进行叠加，以便产生干涉束，检测所述干涉束，并且计算对象和检测器在位置方面的相对变化。

依照本发明的柱形激光干涉仪还允许跟踪样品支架或者对象的方位。这是通过如下方式来实现的，其中把来自于激光源12、112的第一激光束44、144引导向安装在采样支架上的反射镜22、122，沿基准路径48、148引导第二激光束，其中第二激光束是根据第一激光束提供的，在其已经沿基准路径经过之后对该反射的第一激光束和第二激光束进行叠加，以便产生干涉束，并且检测所述干涉束，其中至少一个可旋转楔形棱柱56、58、60、156、158被设置在第一激光束的路径上，借此至少一个可旋转的楔形棱柱的旋转使第一激光束沿平面偏离，并且其中通过至少一个可旋转的楔形棱柱的旋转来跟踪样品支架沿平面的方位变化。

虽然已经使用组合的激光源和检测器举例说明了本发明，但是这不是必要的。实际上，合乎需要的例如是具有安装在真空室内的墙壁上的独立的检测器，并且并具有连接到真空室的外部的光纤。

Claims (9)

1.一种激光干涉仪，包括：

壳体(10，40)，能够基本上被可重复地安装到环境室(26，126)的墙壁上，所述壳体包括激光源(12，112)；

反射镜(22，50，122，150)，附着于位于所述环境室内的对象；以及

光线通路，贯穿所述环境室的墙壁，允许激光束从激光源到达反射镜。

2.如权利要求1所述的激光干涉仪，其中所述壳体(10)能够动态地安装(30)到所述墙壁中。

3.如先前任一项权利要求所述的激光干涉仪，其中，所述环境室是真空室。

4.如先前任一项权利要求所述的激光干涉仪，其中，所述反射镜是镜面(22)。

5.如先前任一项权利要求所述的激光干涉仪，其中，所述壳体包括至少一个射束控制器(56，58，156，158)，用于调节激光束穿过光线通路的通过方向。

6.如权利要求5所述的激光干涉仪，其中，所述壳体包括两个射束控制器(56，58，156，158)，用于调节激光束在两个平面中的通过方向。

7.如权利要求5或者6所述的激光干涉仪，包括校准装置(260)，用于校准穿过环境室墙壁的激光束的通路。

8.一种柱形激光干涉仪，包括如先前任一项权利要求所述的激光干涉仪，借此在环境室(26，126)内提供第二相对固定的反射镜(50，150)，并且所述光线通路允许来自于激光源的基准射束(48，148)进入第二反射镜。

9.如权利要求8所述的激光干涉仪，其中，所述壳体包括楔形棱柱(270)，用于调节测量射束和基准射束之间的角度。

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