用于分析具有平行面的基底的表面质量的系统和方法与流程

本说明书涉及用于分析具有平行面的基底的表面质量的系统和方法，并且更具体地，涉及对这种基底的表面的变形的分析。

背景技术：

1、具有平行面的材料(在本说明书中简单地称为“基底”)的表面形貌在许多领域中是相关的，这些材料可能包括例如用于计算机硬盘的玻璃基底、用于半导体工业的硅光掩模和晶片、用于移动设备的平板屏幕和玻璃显示器、窗户、x射线望远镜光学器件、滤光器、分束器、保护性圆顶等。

2、重要的是能够研究和量化这种基底的表面的任何变形，因为这些变形可能在使用这种基底的系统中引起畸变。

3、用于分析基底的表面质量的非接触式光学方法是已知的。在分析基底的一个面的表面质量的大多数方法中遇到的一个困难是另一个面(背面)的反射贡献，特别是在用于测量的光源的光谱带中为透明基底的情况下。

4、例如，在craig r.forest等人的综述文章《metrology of thin transparentoptics using shack-hartmann wavefront sensing》[参考文献1]中描述了用于分析薄透明材料的表面质量的各种计量学方法，这些方法能够克服背面上的反射效应。

5、值得注意的是，已知将具有合适折射率的涂层施加到背面以抑制来自背面的反射，或者将高反射涂层施加到正面，但是这些方法需要涂层施加和清洁操作，并且这些方法本身可能引起表面变形。

6、[参考文献1]还描述了相移干涉测量的方法，其中使用白色或低相干光源来避免由于基底的两个面上的反射而引起的寄生干涉。例如使用迈克尔逊干涉仪的这些方法难以实施，并且局限于其中变形远小于厚度的基底。

7、如[参考文献1]中所解释的，还可以考虑使用频率可调谐激光源的相移干涉测量法。例如，可以在三个表面(参考表面、基底的正面和背面)上依次以两个不同的波长进行干涉测量，之后再次以两个波长进行新的干涉测量，但是其中基底被翻转，使得背面朝向参考表面。然后可以通过数学方法来分离材料的平整且平行的表面的干涉贡献，特别是由于正面和参考表面之间的干涉产生的贡献。然而，该方法需要操作样品，必须将样品翻转以进行两组测量，并且这在易碎和易变形材料的情况下可能是不方便的。更一般地，存在使用频率变化源的已知方法，其中干涉信号的频谱的傅立叶分析可以提取不同面的轮廓。所有这些方法都需要大量的采集，这使得其对环境(尤其是对振动)非常敏感。

8、[参考文献1]还描述了用于空间分离来自正面和背面的反射的方法，使得能够用快门阻挡来自背面的反射。例如，这些包括使用倾斜或球面照射的干涉测量法(也被称为“掠入射干涉测量法”)。然而，这些方法对部件的对准高度敏感。

9、除了基于干涉测量的方法之外，[参考文献1]介绍了一种使用夏克-哈特曼波前分析仪来分析薄透明材料的面的光学质量的方法。

10、如取自[参考文献1]的图1所示，夏克-哈特曼波前分析仪包括微透镜阵列20和基元检测器阵列30。如果参考波前(例如，平坦的参考波前)入射到微透镜阵列20上，则每个微透镜(20i，20j，...)在无偏转的情况下截取并聚焦波前的一部分，从而导致焦斑的重心在基元检测器阵列30上的规则排列。相反地，如图1所示，如果波前10相对于平坦的参考波前以变形入射，则微透镜(20i，20j，...)截取波前的局部具有非零斜率的部分(10i，10j，...)。这导致焦斑的重心在基元检测器阵列30上的位移。基于以这种方式确定的测量信号，并且根据位移的二维矩阵，可以确定波前的局部斜率的矩阵，并且例如通过局部斜率的值的数值积分，从局部斜率的矩阵推导出在每个微透镜处测量的相对于参考波前的波前值的矩阵。由于被分析的面的局部变形与波前的局部变形成正比，因此可以基于夏克-哈特曼测量信号来确定变形。

11、通过与上述干涉测量技术相比较，使用夏克-哈特曼波前分析仪的计量学方法(或者更一般地，实施直接分析波前的波前分析仪的设备)，特别使得可以使用时间不相干或具有低时间相干性的光源(这些光源通常比激光器便宜)，并且使得可以在较少受控的环境中操作；这些解决方案的成本也较低。

12、然而，如[参考文献1]中所解释的，来自背面的反射可能干扰正面的表面质量的测量，特别是在使用包含材料对其至少部分透明的波长的光源的情况下。因此，建议应当安装光谱滤波器，用于过滤材料的透明范围内的所有波长，或者应当使用其波长不被待分析的基底的材料透射的光源。

13、公开的专利申请wo 2004/068088[参考文献2]描述了使用两个波前分析仪(在这种情况下为横向偏移干涉仪(lateral shift interferometer)(或“剪切干涉仪”)在表面缺陷待测量的基底上同时进行反射和透射测量。像夏克-哈特曼波前分析仪一样，这种横向偏移干涉仪可用于波前的直接测量：其不使用与参考光束的干涉，并且对波前的一阶导数敏感。反射测量提供了关于面的拓扑的信息，透射测量提供了关于基底的厚度变化的信息。这两种测量可以结合起来以获得关于基底两个面的拓扑的信息。该方法效果良好，但实施起来较复杂，因为基底的一个面的反射测量必须不受来自第二面的反射的干扰。为此，建议应当将基底材料对其不透明(即吸收)的波长用于该反射测量。这使得有必要选择例如uv或远红外中的波长，这需要特殊的传感器和光学器件，从而在材料的选择和成本方面造成约束。

14、本说明书的一个目的是提出用于分析具有平行面的基底的两个面的表面质量的系统和方法，其中使用允许使用具有低时间相干性的一个或多个光源的波前分析仪，同时不受[参考文献2]中描述的设备和方法方面的约束。

技术实现思路

1、在本说明书中，术语“包括”与“包含”或“含有”意思相同，是包含性的或开放性的，并且不排除未描述或未表示的其他元素。

2、此外，在本说明书中，术语“约”或“基本(上)”与相应值的10％(例如5％)的上裕度或下裕度同义(意思相同)。

3、根据第一方面，本发明涉及一种用于分析具有平行面的基底的表面质量的方法，该方法包括：

4、-由发射装置的至少一个第一光源发射具有低时间相干性的至少一个第一光束，所述至少一个第一光束入射到所述基底上，所述基底对于所述第一入射光束的至少一个波长至少部分透明；

5、-由波前分析装置的至少一个第一波前分析仪接收至少一个第一反射光束和第二反射光束，以便生成表征所述第一反射光束和所述第二反射光束的波前的组合的至少一个第一测量信号，所述第一反射光束由所述至少一个第一光束被所述基底的第一面反射而产生，所述第二反射光束由所述第一光束第一透射穿过所述基底、然后被所述基底的第二面反射、随后第二透射穿过所述基底而产生；

6、-由所述波前分析装置接收由所述发射装置发射的第二光束至少一次第一透射穿过所述基底而产生的至少一个第一透射光束，以便生成表征所述透射光束的波前的第二测量信号；

7、-根据所述至少一个第一测量信号和所述第二测量信号，计算表示所述基底的所述第一面相对于第一参考表面的变形的至少一个第一信号以及表示所述基底的所述第二面相对于第二参考表面的变形的至少一个第二信号。

8、在本说明书中，“具有平行面的基底”是指具有第一面和第二面的光学元件，沿垂直于所述面的轴测量的两个面之间的距离在整个光学元件上基本恒定，也就是说，厚度变化小于+/-10％。具有平行面的基底可以是平坦的，在这种情况下，所述面之间的角度小于约5弧分。在本说明书中可以考虑具有平行面的其他形状的基底，例如弯曲基底，如保护性圆顶。

9、在本说明书中，具有低时间相干性的光束是具有足够低的时间相干性以避免在基底的面上的反射光束之间的任何干涉效应的光束，这种干涉效应可能导致测量问题。为此，在实践中有利的是，所述第一光束的时间相干长度小于待分析的具有平行面的基底的光学厚度的约两倍，所述基底的光学厚度是所述基底的厚度乘以制造所述基底的材料的平均折射率。所述第一光束的时间相干性小于或等于约100μm，或者有利地小于或等于约10μm。因此，例如，利用时间相干性小于或等于约10μm的第一光束，可以分析非常薄的基底的表面，也就是说，具有几十微米厚度的那些基底的表面。应当注意，所述第一光束的时间相干长度设定了待分析的基底的最小厚度，但不施加任何进一步的限制。例如，使用时间相干性小于或等于约10μm的相同光源，也可以分析厚度为几十厘米的基底。

10、根据一个或多个实施例示例，所述至少一个第一光束和所述第二光束是空间相干的。

11、例如，如果使用夏克-哈特曼波前分析仪，则第一光束和第二光束具有足够的空间相干性，使得所得到的反射光束或透射光束入射到微透镜阵列上将生成尺寸小于生成其的微透镜的尺寸的焦斑。

12、作为一般规则，已知当生成光束的光源的空间相干性也降低时，也就是说当光源的角度尺寸增大时，波前分析仪的精度降低。因此，光束的空间相干性必须足以允许分析仪以与应用要求兼容的精度进行测量。例如，如上所述，对于夏克-哈特曼传感器，已知如果延伸到分析仪的空间中的光束发射源的角度尺寸小于微透镜的衍射角，则测量精度不会受到很大影响。

13、根据一个或多个实施例示例，用于发射具有低时间相干性的所述至少一个第一光束的所述至少一个第一光源是选自以下的源：白炽灯、发光二极管(led)、超辐射发光二极管(sled)(其可在单模光纤中光纤化)、在其激光效应生成阈值以下使用的激光二极管(其可在单模光纤中光纤化)。

14、在本说明书中，当穿过基底的光束在至少一个波长下的透射率至少等于10％，或有利地至少等于30％时，基底被认为对于所述波长是至少部分透明的。

15、在本说明书中，与现有技术中描述的方法(例如[参考文献2]中描述的方法)相比，因此确保入射到待分析的基底上的第一光束至少部分地被基底透射，使得可以通过波前分析装置的所述至少一个第一波前分析仪来分析由基底的第一面和第二面反射的光束的组合波前。

16、在本说明书中，术语光束的“波前”应用于具有与形成所述光束的电磁波相同相位的表面。因此，如果例如用平坦的参考波照射没有缺陷的基底的平坦表面，则反射光束的波前也是平坦的。如果所述表面相对于平坦参考表面具有局部变形，则反射光束的波前相对于平坦的参考波前变形。因此，在本说明书中，波前分析是所述波前相对于参考波前(例如但不一定是平坦波前)的变形的测量。例如，在分析弯曲基底时，所述参考波前可以是球面波前。

17、因此，在本说明书中，所述第一测量信号、所述第二测量信号以及表征基底的第一表面和第二表面的变形的信号是矩阵信号(也就是说，由二维矩阵的值组成的信号)。

18、在本说明书中，“波前分析仪”表示用于直接测量待分析光束的波前的设备，这与使用待分析光束与参考光束的干涉的干涉测量技术不同。总体而言，这样的设备使得可以确定波前的局部斜率(也就是说，波前的一阶导数)，并且通常基于使用波前传感器对光线行进的角度变化的分析，该波前传感器包括一组一个或多个光学元件以及通常是二维的检测器。

19、根据一个或多个实施例示例，波前分析装置的所述至少一个第一波前分析仪选自：哈特曼和夏克-哈特曼波前分析仪(例如，如[参考文献3]中描述的)、横向偏移干涉仪(例如，如[参考文献4]中描述的)、莫尔偏折测量仪(例如，如[参考文献5]中描述的)以及基于纹影法的设备(例如，如[参考文献6]中描述的)。

20、根据一个或多个实施例示例，所述至少一个第一光束以基本上垂直于所述基底的方式入射到所述基底上。尽管可以设想第一光束相对于法线倾斜地入射到基底上的布置，但是基本上垂直入射是优选的，因其简化了光学组件并且使得可以避免在第一反射光束和第二反射光束之间引入任何横向偏移，特别是在厚基底的情况下。

21、根据一个或多个实施例示例，所述第二光束入射到所述基底的所述第一面上，并且为了生成所述第二测量信号，所述方法还包括：

22、-定位以基本上垂直于所述第二光束的方式布置的参考镜；并且其中，

23、-所述第一透射光束由所述第二光束第一透射穿过所述基底、由所述参考镜反射、并且由所述参考镜反射的光束第二透射穿过所述基底而产生；并且

24、-所述第一透射光束由所述波前分析装置的所述第一波前分析仪接收。

25、这样描述的方法可以用单个波前分析仪和单个光发射源来实施，所述第一光束和所述第二光束可由相同的光源发射。

26、在目标是分析具有平行面的平坦基底的情况下，参考镜可以是平坦的，或者例如在目标是分析具有非零曲率的基底的情况下，参考镜可以是弯曲的(例如球面的)。

27、根据一些实施例示例，参考镜可以按照可移除的方式布置。在其他实施例示例中，其可以是可遮蔽的(例如使用快门)，或者可以是可定向的(通过机动或非机动旋转系统)，使得由反射镜反射的光束不被波前分析装置接收。在这两种情况下，这使得可以在反射镜不存在或者被遮蔽或旋转的情况下获得表征第一反射光束和第二反射光束的波前的组合的第一测量信号，并且当参考镜存在并且未被遮蔽或旋转时获得表征所述透射光束的波前的第二测量信号。

28、根据一个或多个实施例示例：

29、-所述第二光束入射到所述基底的所述第一面上；

30、-所述第一透射光束由所述第二光束第一透射穿过所述基底而产生；并且

31、-所述第一透射光束由波前分析装置的与所述第一波前分析仪分离的第二波前分析仪接收。

32、这样描述的方法用包括两个分离的波前分析仪的波前分析装置来实施，这两个分离的波前分析仪可以相同或不同。由于所述第一光束和所述第二光束可以由相同的光源同时发射，所以可以同时获得表征所述第一反射光束和所述第二反射光束的波前的组合的第一测量信号和表征所述透射光束的波前的第二测量信号，而不需要操纵参考镜。

33、根据一个或多个实施例示例：

34、-所述第二光束由所述发射装置的与所述第一光源分离的第二光源发射，并且入射到所述基底的所述第二面上；

35、-所述第一透射光束由所述第二光束第一透射穿过所述基底而产生；并且

36、-所述第一透射光束由测量分析装置的所述第一波前分析仪接收。

37、这样描述的方法用包括两个分离的发射源的发射装置来实施，所述发射源可以相同或不同。其使得能够获得表征所述第一反射光束和所述第二反射光束的波前的组合的第一测量信号以及表征所述透射光束的波前的第二测量信号，而无需操纵参考镜。

38、因此，在不同种类的发射源的情况下，根据一个或多个实施例示例，由所述第一光源发射的所述第一光束和由所述第二光源发射的所述第二光束具有不同的波长和/或偏振。所述方法还可以包括：

39、-由波前分析装置的与第一波前分析仪分离的第二波前分析仪接收由所述第一光束第一透射穿过基底而产生的第二透射光束，以便生成表征所述第二透射光束的波前的第三测量信号；并且

40、-比较表征所述第一透射光束的波前的所述第二测量信号和表征所述第二透射光束的波前的所述第三测量信号，以便生成表征所述基底内的折射率变化的信号。

41、根据第二方面，本说明书涉及用于分析具有平行面的基底的表面质量的系统，用于实施根据第一方面的分析方法。

42、因此，根据第二方面的系统包括：

43、-至少一个第一支撑件，该至少一个第一支撑件被配置为接收待分析的基底；

44、-发射装置，该发射装置包括至少一个第一光源，该至少一个第一光源用于发射具有低时间相干性的至少一个第一光束，并且具有所述基底对其至少部分透明的至少一个波长，所述发射装置被配置为使得在操作中，所述至少一个第一光束入射到所述基底上；

45、-波前分析装置，该波前分析装置包括至少一个第一波前分析仪，并且在操作中被配置为：

46、-在所述第一波前分析仪的分析表面上接收至少一个第一反射光束和第二反射光束，以便生成表征所述第一反射光束和所述第二反射光束的波前的组合的第一测量信号，所述第一反射光束由所述至少一个第一光束被所述基底的第一面反射而产生，所述第二反射光束由所述第一光束第一透射穿过所述基底、然后被所述基底的第二面反射、随后第二透射穿过所述基底而产生；

47、-由所述波前分析装置接收由所述发射装置发射的第二光束至少一次第一透射穿过所述基底产生的至少一个第一透射光束，以便生成表征所述透射光束的波前的第二测量信号；

48、-处理单元，该处理单元被配置为根据所述第一测量信号和所述第二测量信号，计算表示所述基底的所述第一面相对于第一参考表面的变形的至少一个第一信号以及表示所述基底的所述第二面相对于第二参考表面的变形的至少一个第二信号。

49、根据的一个或多个实施例示例，所述发射装置被配置为使得在操作中，所述至少一个第一光束以基本上垂直于所述基底的方式入射到所述基底上。

50、根据一个或多个实施例示例，所述第一波前分析仪的所述分析表面与待分析的基底光学共轭。

51、在一个或多个实施例中，所述系统还包括：

52、-第二支撑件，该第二支撑件被配置为接收参考镜，所述参考镜在操作中以基本上垂直于所述第二光束的方式布置；并且其中，在操作中：

53、-所述第一透射光束由所述第二光束第一透射穿过所述基底、由所述参考镜反射、并且由所述参考镜反射的光束第二透射穿过所述基底而产生；并且

54、-所述第一反射光束和第二反射光束以及所述第一透射光束由所述波前分析装置的所述第一波前分析仪接收。

55、根据一个或多个实施例示例，所述波前分析装置包括与第一波前分析仪分离的第二波前分析仪，并且：

56、-所述发射装置被配置为使得在操作中，所述第二光束入射到所述基底的所述第一面上，所述第一透射光束由所述第二光束第一透射穿过所述基底而产生；

57、-所述波前分析装置被配置为使得在操作中，所述第一透射光束由所述波前分析装置的所述第二波前分析仪接收。

58、根据一个或多个实施例示例，波前分析装置的所述至少一个第一波前分析仪选自：哈特曼和夏克-哈特曼波前分析仪(例如，如[参考文献3]中描述的)、横向偏移干涉仪(例如，如[参考文献4]中描述的)、莫尔偏折测量仪(例如，如[参考文献5]中描述的)以及基于纹影法的设备(例如，如[参考文献6]中描述的)。