具体实施方式

本公开的实施方式涉及用于测量光学元件的局部不均匀性的测量系统和方法。该测量系统包括台架、光学臂以及包括一个或多个聚焦透镜的一个或多个检测器臂。从光学臂投射的光从放置在台架上的基板反射，并且从基板表面反射的光会入射到检测器上。从聚焦透镜光学中心的偏转用于确定光学元件的局部不均匀性。衍射光的方法包括测量来自基板表面的散射光束，并且根据测量值获得局部变形。本文公开的实施方式对于(但不限于)测量光学系统中的局部均匀性可能特别有用。

如本文所用，术语“约”是指与标称值相差+/-10％。应该理解，这种变化可以包括在本文提供的任何值中。

图1A示出了根据一个实施方式的测量系统101的第一构造100A的示意性视图。如图所示，测量系统101包括台架102、光学臂104A和一个或多个检测器臂150。测量系统101被构造为衍射由光学臂104产生的光。由光学臂104产生的光被导向设置在台架102上方的基板，并且衍射光入射在一个或多个检测器臂150上。

如图所示，台架102包括支撑表面106和台架致动器108。台架102被构造为将基板103保持在支撑表面106上。台架102耦接至台架致动器108。台架致动器108被构造为在扫描路径110中沿着x方向和y方向移动台架102，并且围绕z轴旋转台架102。台架102被构造为移动和旋转基板103，使得在测量系统101的操作期间，来自光学臂104A的光入射在基板103的不同部分或区域上。

基板103包括一个或多个光学元件105，一个或多个光学元件105具有光栅109的一个或多个区域107。区域107中的每一个具有带有定向角φ和间距P的光栅109(图3)，并且P被定义为相邻点之间的距离，诸如光栅109的相邻的第一边缘301或相邻的质心。用于第一区域111的光栅109的间距P和定向角φ可以不同于用于一个或多个区域107的第二区域113的光栅109的间距P和定向角φ。另外，由于基板103的局部翘曲或其他变形，可能存在局部间距P'变化和局部定向角φ'变化。测量系统101可以用于为每个光学元件105的每个区域107测量光栅109的间距P和定向角φ。基板103可以是任何尺寸的单晶晶片，例如具有约150mm至约450mm的半径。如图所示，来自光学臂104A的光束126A从区域107散射到初始R₀光束450中，这将在下文更详细地描述。

光学臂104、检测器臂150和台架102耦接到控制器130。控制器130促进了用于测量本文所述的光栅109的间距P和定向角φ的方法的控制和自动化。控制器可以包括中央处理单元(CPU)(未示出)、存储器(未示出)和支持电路(或I/O)(未示出)。CPU可以是在工业设置中用于控制各种处理和硬件(例如，马达和其他硬件)并监测处理(例如，传输元件位置和扫描时间)的任何形式的计算机处理器之一。存储器(未示出)连接到CPU，并且可以是容易获得的存储器，例如随机存取存储器(RAM)。软件指令和数据可被编码并储存在存储器中，以指示CPU。支持电路(未示出)也连接到CPU，以常规方式支持处理器。支持电路可以包括传统的高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统等。控制器可读的程序(或计算机指令)确定在基板103上可执行哪些任务。该程序可以是可由控制器读取的软件，并且可以包括用于监测和控制例如基板位置和光学臂位置的代码。

如图所示，光学臂104A包括白光源114A、第一分束器116A、第二分束器118A、激光器120、检测器122和光谱仪124。白光源114可以是光纤耦合光源。第一分束器116A位于光路126A中与白光源114相邻。根据一个实施方式，白光源114是可操作的以沿着光路126A以光束角θ将白光投射到基板103。激光器120可以是光纤耦合光源。激光器120定位于第一分束器116A附近。激光器120是可操作的以将具有波长的光束投射到第一分束器116A，使得光束沿着光路126A以光束角θ偏转而到达基板103。第二分束器118A位于光路126A中与第一分束器116A相邻。第二分束器118A是可操作的以将由基板103反射的光束偏转到检测器122。光谱仪124耦接到检测器122，以确定偏转到检测器122的光束的波长。本文所述的光束可以是激光束。光学臂104沿着光路126输送光束，使得光可以被基板103偏转并被一个或多个检测器臂150测量。

图1B示出了根据一个实施方式的测量系统101的第二构造100B的示意性视图。如图所示，光学臂104B包括激光器120、分束器128和光束位置检测器132。光束位置检测器132可以包括图像传感器，例如CCD或CMOS传感器。分束器128位于光路126B中与光束位置检测器132相邻。激光器120位于与分束器128相邻的位置。激光器120是可操作的以将具有波长的光束投射到分束器128，使得光束以沿着光路126B光束角θ偏转而到达基板103。根据一个实施方式，光学臂104B包括偏振器156(例如半波片)和四分之一波片158。偏振器156位于激光器120和分束器128之间。偏振器156使由分束器128以光束角θ偏转的光束的效率最大化。四分之一波片158位于光路126B中，并且位于与分束器128相邻的位置。四分之一波片158使由基板103反射到光束位置检测器132的光束的效率最大化，并减小反射到激光器120的光束。

图1C示出了根据一个实施方式的测量系统101的第三构造100C的示意性视图。光学臂104C包括激光器134a、134b...134n(统称为“多个激光器134”)和分束器136a、136b...136n(统称为“多个分束器136”)。多个分束器136在光路126C中与光束位置检测器132相邻，并且彼此相邻地定位。激光器134a被构造为将具有第一波长的光束投射到分束器136a，使得第一波长的光束沿着光路126C以光束角θ偏转而到达基板103。激光器134b被构造成将具有第二波长的光束投射到分束器136b，使得第二波长的光束沿着光路126C以光束角θ偏转而到达基板103。激光器134n被构造为将具有第三波长的光束投射到分束器136n，使得第三波长的光束沿着光路126C以光束角θ偏转而到达基板103。

光学臂104C可以包括偏振器156a、156b...156n(统称为“多个偏振器156C”)和四分之一波片158。多个偏振器156C在多个激光器134与多个分束器136之间。多个偏振器156C使由多个分束器136以光束角度θ偏转的光束的效率最大化。四分之一波片158位于光路126C中，并与分束器136n相邻。四分之一波片158使由基板103反射到光束位置检测器132的光束的效率最大化。四分之一波片158可互换以用于期望的波长。

在上述构造100A、100B、100C中的任何一者中，光学臂104A、104B、104C可包括臂致动器112，并且该臂致动器被构造为围绕z轴旋转光学臂104并在z方向上扫描光学臂。可以在执行测量的同时固定光学臂104。

第二构造100B和第三构造100C的光束位置检测器132可用于确定由基板103反射到光束位置检测器132的光束的光束位置。图2A示出了根据一个实施方式的作为位置敏感检测器201A的光束位置检测器132，即，横向传感器。图2B示出了根据一个实施方式的作为象限传感器201B的光束位置检测器132。图2C示出了根据一些实施方式的作为图像传感器阵列201C的光束位置检测器132，诸如电荷耦接元件(CCD)阵列或互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列。

图4A示出了根据一个实施方式的检测器臂150的示意性视图。如图所示，检测器臂150包括检测器410、检测器臂致动器152和第一聚焦透镜401。检测器臂致动器152被构造为使检测器臂150绕z轴旋转并在z方向上扫描检测器臂150。在图4A～4D中，来自光路126的光从基板103的区域107反射。光被反射到初始R₀光束450中，该光束被第一聚焦透镜401聚焦至第一R₀光束411。第一R₀光束411入射在检测器410上。检测器410是本领域中用于检测光的任何光学元件，例如CCD阵列或CMOS阵列。

在测量区域107之前，可以使用已知的基板103校准测量系统101，并且可以将检测器臂150定位为使得第一R₀光束411入射在第一聚焦透镜401的光学中心401c上。如本文中所描述的，上文和下文所述的任何测量系统101都可以用已知的基板103来校准。由于区域107中的局部变形，用于参考区域107的初始R₀光束450不再入射在聚焦透镜401的光学中心401c上。例如，在区域107处可能存在基板103的局部翘曲，或者整体晶片倾斜、楔形、翘曲或弯曲。由于在支撑表面上存在颗粒，基板103可在支撑表面106上倾斜，并且布置在基板103与支撑表面之间的颗粒会引起局部和/或整体变形，例如被升高的区域107的高度或该区域向支撑表面的倾斜(在图4A～4D中显示为倾斜的基板103t)。根据一个实施方式，在存在倾斜的基板103t的这些情况下，初始R₀光束450t以第一角度Δθ₁入射在第一聚焦透镜401上，并且第一R₀光束411t被聚焦至检测器410的一部分，该部分与已知基板103的经聚焦的第一R₀光束411相距约第一增量距离Δ₁。第一增量距离Δ₁由Δ₁＝f₁*tan(Δθ₁)给出，其中f₁是聚焦透镜401的焦距。因此，第一增量距离Δ₁和第一角度Δθ₁可用于获得局部失真信息，如下面进一步详细描述的。根据一个实施方式，检测器410的分辨率小于约Δ₁。

图4B示出了根据一个实施方式的检测器臂150的示意性视图。如图所示，检测器臂150还包括第二聚焦透镜402和第三聚焦透镜403。初始R₀光束450t以Δθ₁的角度入射在第一聚焦透镜401上，并且第一聚焦透镜将初始R₀光束聚焦至第一R₀光束411t。第一R₀光束411t入射在第二聚焦透镜402上，并且第一聚焦透镜将第一R₀光束聚焦至第二R₀光束412t。根据一个实施方式，第二R₀光束412在第二入射点处入射在第三聚焦透镜403上，并且第三聚焦透镜将第二R₀光束聚焦至第三R₀光束413t而到达检测器410的一部分，该部分与已知基板的经聚焦的第三R₀光束相距约第二增量距离Δ₂，其中Δ₂＝Δ₁*f₃/f₂，f₂是第二聚焦透镜的焦距，f₃是第三聚焦透镜的焦距。另外，Δ₂＝f₃*f₁*tan(Δθ₁)/f₂。因此，第二增量距离Δ₂可以用于通过第一角度Δθ₁来获得局部失真信息，如下面进一步详细描述的。在一些实施方式中，第二增量距离Δ₂大于第一增量距离Δ₁，这允许使用具有较低分辨率的检测器410，因为检测器仅受第二增量距离Δ₂的大小限制。根据一个实施方式，检测器410的分辨率小于约Δ₂。

尽管如上所述在检测器臂150中包括三个聚焦透镜401、402、403，但是可以想到的是，可以使用任何数量的聚焦透镜，并且可以与上述透镜类似地构造透镜，以便产生甚至更大的由检测器410测量的增量距离。

图4C示出了根据一个实施方式的具有主检测器臂150和次检测器臂150'的测量系统101的示意性视图。主检测器臂150基本上类似于上文在图4A中描述的检测器臂。如图所示，次检测器臂150'包括第一聚焦透镜401'、检测器410'和检测器致动器152'。在该实施方式中，遵循光路126的光向后散射以产生经反射的R₁光束450t'。根据一个实施方式，次检测器臂150t'位于光学臂104的后面，并且光学臂对于反射的R₁光束450t'而言至少部分地透明。

根据一个实施方式，经反射的R₁光束450t'入射到第一聚焦透镜401'上的第三聚焦点，第三聚焦点与第一聚焦透镜的光学中心401c'相距第三增量距离Δ₃，并且第一聚焦透镜将经反射的R₁光束聚焦至第一R₁光束411t'中。第三增量距离Δ₃由Δ₃＝f_1′*tan(Δθ₂)给出，其中f_1′是聚焦透镜401′的焦距。因此，第三增量距离Δ₃和第二角度Δθ₂可用于获得局部失真信息，如下文进一步详细描述的。根据一个实施方式，检测器410'的分辨率小于约Δ₃。位移角Δθ由Δθ＝Δθ₂–Δθ₁给出，位移角Δθ给出光栅P_t-grating的间距的局部变形，如下文更详细描述。

图4D示出了根据一个实施方式的具有主检测器臂150和次检测器臂150'的测量系统101的示意性视图。主检测器臂150基本上类似于以上在图4B中描述的检测器臂。如图所示，次检测器臂150'包括第一聚焦透镜401'、第二聚焦透镜402'、第三聚焦透镜403'、检测器410'和检测器致动器152'。在该实施方式中，遵循光路126的光向后散射以产生反射的R₁光束450t'。根据一个实施方式，次检测器臂150'位于光学臂104的后面，并且光学臂对于经反射的R₁光束450'而言至少部分地透明。

根据一个实施方式，经反射的R₁光束450t'入射到第一聚焦透镜401'上的第三聚焦点，第三聚焦点与第一聚焦透镜的光学中心401c'相距第三增量距离Δ₃，并且第一聚焦透镜将反射的R1光束聚焦至第一R₁光束411t'中。第一R₁光束411t'入射在第二聚焦透镜402'上，并且第一聚焦透镜将第一R₁光束聚焦至第二R₁光束412t'。第二R₁光束412t'入射到与第三聚焦透镜403'的光学中心403c'相距第四增量距离Δ₄的第四聚焦点上，并且第三聚焦透镜将第二R₁光束聚焦至第三R₁光束413t'而到达检测器410'的一部分，该部分与已知基板的聚焦第三R₁光束相距第四增量距离Δ₄。因此，类似于第二增量距离Δ₂，第四增量距离Δ₄可以用于获得局部失真信息。

在一些实施方式中，第四增量距离Δ₄大于第三增量距离Δ₃，这允许使用具有较低分辨率的检测器410'，因为检测器仅受第四增量距离Δ₄的大小限制。两个增量距离Δ₂、Δ₄允许对区域107的局部失真进行甚至更详细的测量。根据一个实施方式，第三增量距离Δ₃大于第一增量距离Δ₃。根据一个实施方式，检测器410'的分辨率小于约Δ₄。根据一个实施方式，主检测器臂150的第一聚焦透镜401的焦距不同于主检测器臂的第二聚焦透镜402的焦距，且主检测器臂的第二聚焦透镜的焦距不同于主检测器臂的第三聚焦透镜403的焦距。

虽然图4C～4D示出了具有两个检测器臂150、150'的测量系统101而两个检测器臂150、150'具有相同数量的聚焦透镜，应当理解，在每个检测器臂中可以使用任意奇数个透镜。例如，主检测器臂150可以具有一个聚焦透镜，而次检测器臂150'可以具有三个聚焦透镜，反之亦然。在其他示例中，主检测器臂150具有五个聚焦透镜，并且次检测器臂150'具有三个聚焦透镜。

在所有上文和下文的实施方式中，Δ₁、Δ₂、Δ₃和Δ₄的范围为约10μm至约1mm，并且Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃和Δθ₄的范围为约0.001°至约1°，例如约0.001°至约0.1°。

图5是根据一个实施方式的用于衍射光的方法500操作的流程图。尽管结合图5描述了方法操作，本领域技术人员将理解，被构造为以任何顺序执行方法操作的任何系统都落入本文所述实施方式的范围内。

方法500从操作540开始，在操作540，具有波长λ的光束以固定的光束角θ₀和最大定向角φ_max投射到第一基板103的第一区域107。方法500可以利用图1A～C和4A～D中的测量系统101的任何构造100A、100B、100C以及任何检测器臂150构造。白光源114沿着光路126A以固定的光束角θ₀将白光投射到参考区域107，其中参考区域107具有一个或多个光栅109，θ₀＝arcsin(λ_laser/2P_grating)，并且P_grating是光栅的设计/平均间距。

在操作550，获得位移角Δθ。根据一些实施方式，位移角Δθ等于第一角Δθ₁，其中Δθ₁由Δ₁＝f₁*tan(Δθ₁)给出，并且位移距离Δ₁如上文所述被测量。在一些实施方式中，如上所述，位移角Δθ由Δθ＝Δθ₂-Δθ₁给出，其中第二角Δθ₂由Δ₂＝f₁*f₃*tan(Δθ₂)/f₂给出。

在操作560，旋转台架102，直到在固定的光束角θ₀处测量到初始强度最大值(初始I_max)，以获得最大定向角φ_max。最大定向角φ_max对应于参考区域107处的一个或多个光栅109的定向角φ。计算目标最大光束角θ_t-max，其中θ_t-max＝θ₀+Δθ。使用Δθ计算目标最大束角θ_t-max考虑了诸如通过倾斜或翘曲之类的基板的整体变形。

在操作570，在最大定向角φ_max处确定测试光栅间距P_t-grating。确定初始间距包括以固定的光束角θ₀和最大定向角φ_max投射白光，并求解公式P_t-grating＝P_grating+ΔP＝λ_laser/(sinθ_t-max+sinθ₀)。此外，测得的间距变化ΔP由下式给出：

所测量的间距的变化ΔP可以从约1pm到约5nm。

在一个实施方式中，重复操作540、550、560和570。在操作570，沿着扫描路径110扫描台架102，并针对一个或多个光学元件105的一个或多个区域107的后续区域重复操作540、550和560，或者对于后续区域重复操作540、550和560。另外，在整个基板103绕z轴旋转约180°之后，重复操作540、550、560和570，这允许晶片楔形的整体测量。

如上所述，包括被构造为测量光学元件的局部不均匀性的装置和方法。反射的激光由检测器臂检测。检测器臂包括一个或多个聚焦透镜，并且一个或多个聚焦透镜将光聚焦至检测器上，例如照相机。反射光相较于测试基板位移用于计算存在的局部不均匀性。可以扫描基板，使得可以测量基板的不同区域的不均匀性。

该测量系统和方法允许测量基板上的光学元件的不均匀特性，例如光栅间距和光栅取向。另外，测量系统和方法可以确定底层的基板中的局部翘曲或变形。而且，可以定位底层的支撑表面的缺陷，例如颗粒的缺陷，以确定基板和光学元件是否具有可接受的特性。可以在各种尺寸或形状的基板或光学元件上执行测量。

尽管前述内容针对本公开内容的实施方式，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可以设计本公开内容的其他和进一步的实施方式，并且本公开内容的范围由所附权利要求书确定。