CN1225720A

CN1225720A - 光学测量

Info

Publication number: CN1225720A
Application number: CN 97196506
Authority: CN
Inventors: M·G·索梅克; C·W·西伊; 刘书钢
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1996-05-18
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1999-08-11
Also published as: JP2000510951A; GB9610471D0; EP0900356A1; WO1997044633A1

Abstract

用于相位反衬显微镜或椭圆率测量的装置有带有分束器(HDE)的相干辐射源,以获得射向测试表面的干涉光束和参考光束。物镜接收两路散射或反射光束,合束后提供表示表面结构的光信号。

Description

光学测量

本发明涉及光学测量，特别涉及但并不仅仅涉及椭圆率测量和轮廓或外形测量。

已经提出过各种用于外形测量的光学系统，例如测量硅片上覆盖的金属痕迹的厚度。

由于光学方法的非接触性和无损性，所以它们是非常有吸引力的方法。此外，该方法比接触性方法有更宽的带宽。特别是干涉方法具有测量亚纳米范围内(在1MHz带宽内)微小高度变化的潜力。在使用这些系统测量小的外形变化时最主要的问题在于，样品材料中的材料变化可导致光的相移，该相移掩盖了因外形造成的变化。获得精密测量的另一困难在于这样的问题，即使较小的外部振动(颤噪效应)都能够造成比外形变化产生的相位变化大的相位误差。为了克服这个问题，必须在极好地隔离外部影响的环境下进行测量，或利用共用光路技术设计仪器，由此使参考和探测光束都通过几乎相同的光路，以抵消任何颤噪效应，而显然不抵消有关样品的信息。

按照本发明，提供一种光学测量装置，它包括光辐射源光束产生装置，用于从所述光辐射源产生主光束和二级光束，其中，所述主光束射向一个物体以便测量该物体的局部结构，所述二级光束照射在所述物体上用作参考光；光处理装置，用于在从所述物体反射后，从所述主光束和所述二级光束产生三级光束和四级光束；和合束装置，使所述三级光束和四级光束合束，以获得表示所述物体表面附近的结构的光信号。

本发明还提供偏振光椭圆率测量装置，它包括透镜装置，将从样品反射的光聚焦在后焦平面上；选择装置，从到达后焦平面的光中选择至少两个不同偏振状态的光；和测量装置，用于测量被选择光的参数，以提供可由该参数计算样品特性的信息。

选择装置最好选择到达后平面的s偏振光和p偏振光分量。

测量装置最好还包括使被选择光相互干涉的装置。测量装置测量由相互干涉造成的条纹的幅度和相位。

选择装置可包括设置于后焦平面上且在相应于选择的偏振位置上开口的遮光板，从而使其它偏振光被遮光板阻挡。遮光板可以包括设置来选择s偏振和p偏振光的开口。

选择装置最好包括遮光板，使被选择的光穿过遮光板上的开口；和分离装置，用于分离穿过遮光板开口的p偏振光和s偏振光分量。分离装置可在空间上分离这两个分量。分离装置可包括沃拉斯顿棱镜(Wollaston prism)。

选择装置可包括相位分离装置，用于对被选择光施加一个差分相移。相位分离装置可包括普克耳盒(Pockel cell)。可有选择地操作普克耳盒，以改变差分相移，从而允许利用测量装置进行各组测量。

可设有透镜装置，用以使分离的分量会聚在一起产生干涉。透镜装置可以包括与其平分p方向和s方向之间角度的通先轴对准的偏光镜装置。

本发明还设有轮廓测量装置，包括透镜装置，用于把从样品反射的光聚焦到共轭平面；选择装置，用于选择共轭平面上两个不同位置上的光；和测量装置，用于测量被选择光的参数，由该参数可获得有关样品的轮廓信息。

选择装置可包括在两个位置上有开口的遮光板。两个位置最好对称地位于系统光轴的两侧。测量装置可包括使被选择光干涉，并测量由干涉造成的条纹的幅度和相位的装置。测量装置还可包括变换透镜装置，用于将通过透镜的光的傅立叶变换投射到在其上形成光干涉条纹的平面上。该装置最好还包括测量条纹的位置和反差的装置。

在第三方案中，本发明提供如前两段所述的轮廓测量装置，还包括按上述任一方案定义的偏振光椭圆率测量装置。该装置最好还包括从偏振光椭圆率测量装置获得有关样品特性信息的装置，利用该信息从轮廓测量装置获得的测量结果中除去与材料有关的信息，提供基本真实的轮廓信息。

下面，仅利用实例，并参照附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明实施例的装置的示意图；

图2是根据本发明另一方案的相位阶跃的相位反差显微镜；

图3a和图3b表示图2所示装置的局部；

图4和图5表示根据本发明不同实施例的偏振光椭圆率测量仪结构的示意图；

图6表示图5所示偏振光椭圆率测量仪中使用的遮光板的示意图；

图7表示共焦显微镜系统；

图8表示图7所示系统的变形例；

图9表示根据本发明又一实施例的共用光路光干涉仪；

图10表示按照本发明另一方案构成的全视场偏振光椭圆率测量仪，和

图11表示按照本发明的特定方案的装有偏振光椭圆率测量仪的轮廓测量装置的示意图；

图12表示图11所示装置中使用的遮光板的示意图；

图13a表示在图12所示的装置内的平面上的光分布，和

图13b表示在该平面上使用的遮光板的示意图。

下面要说明的装置可获得基本上与材料信息无关的外形信息，这里把其结果称为“真实外形”信息。该装置包括其本身构成本发明一个方案的偏振光椭圆率测量部件。

可将用于获取真实外形的过程分解为三个关键阶段：

(1)获得有关样品的相位信息的共用光路干涉仪；

(2)获得有关样品材料特性的信息，同时还保持由透镜数值孔径决定的全部横向分辨率的装置；

(3)能够将共用光路干涉仪的响应转换成不带颤噪声的响应的通用反转算法，利用具有相同空间频率截止的表面轮廓测量仪器可获得该响应，例如用光学器件或非光学器件(例如，探针)。

通过阶段(1)和(3)可实现共用光路操作和由标准干涉仪获得的无颤噪声的响应。阶段(2)对样品提供与材料相关的相移补偿。

图1表示本发明的一个实施例。该系统的核心是特别设计的全息衍射部件HDE，其功能是用来自辐射源(未示出)的平行入射光束2产生三个输出级别：零级的准直物体光束4,+1级的会聚光束和-1级的发散光束(未示出)。设计的±1输出光束以相对于光轴的很小的角度θ传播。发散光束的作用较小，可以被忽略。零级光束通过显微镜物镜0L聚焦在样品8上，用于探测物体的局部结构。物镜使+1级光束准直，并照射在较大的物体区域上。它用作相位参考，当扫描物体时，其值保持不变。当从样品表面反射时，两条光束将第二次通过全息照相，其中各光束产生与其传播方向稍微不同的准直分量。产生的干涉条纹(名义上平行)的相位对应于两光束的平均相位差，并能够通过对获得的强度图形进行傅立叶变换获取。另外，可使用四个元件的光电二极管阵列来获得单个光条纹。然后，使用标准模拟正交信号处理方法，实时提供相位值。两光束所共有的相位抖动将不影响光条纹的位置，并且不出现在系统输出中。

图2表示根据本发明另一方案的相位阶跃的相位反差显微镜。该系统组合了在相位反差显微镜和相位阶跃干涉仪中采用的光学技术，从而提供稳定和灵敏的轮廓测量。把物体220成象在使用远心结构的图象平面222上，其中，平面224是两透镜223、225的共焦面。该平面也是物体的傅立叶平面。利用相位反差技术，将相位板(图3b所示的平面226a和图3c所示的226b部分)插入傅立叶平面。这使得背景光和散射光(因物体特性产生)进行相位干涉，并产生高反衬度图象。为了完成定量的表面测量，这样变更系统：使用在检测平面222上设置的CCD阵列获得多个光学图象，每次用不同的光学相位板插入傅立叶平面。所需最少的图象数为三，三块相位板这样设定，第一块板是均匀的且其相移为零度，第二块板在背景光和散射光之间提供π/2相移，第三块板提供π相移。因此，系统的操作类似于相位阶跃干涉仪的操作，其中产生多个干涉图，各干涉图带有变化量已知的干涉条件。然后，利用一组简单的转换公式，可由获得的干涉图得到表面轮廓和物体的反射率。利用相位阶跃相位反差技术，采用不同组的转换公式。该系统可用于映射物体的表面高度变化。与相位阶跃系统相比，所提出的技术不需要单独的参考臂(arm)，因此它更紧凑。此外，两条干涉光束(背景光和散射光)穿过相同的镜片组，任何共同模式噪声(颤噪效应和温度梯度)相同地影响两光束，其结果被抵消。因此，在不需要昂贵的光隔离状态的情况下，就能够获得稳定和高精度的光学测量。

图4和图5表示偏振光椭圆率测量仪的两个替换形式。

图4中的结构70在后平面上有遮光板72用来代替图1中的遮光板52。遮光板72之前的光学结构与图1所示的结构相同。

最简单形式的遮光板仅由一个针孔构成。以p-线和s-线作为垂直和水平轴，应沿45°线90固定单个针孔。因此，穿过该孔的光束由相等的p偏振分量和s偏振分量构成，这两个分量将分别受到被检测材料的复数折射率的影响。为了测量这两个复数反射率，使用沃拉斯顿棱镜74(Wollaston prism)从角度上将两个分量分离。设置透镜L₁和L₂，以将两个发散光束转换成相互按小角度相交的两个平行光束。在两透镜之间设置偏光镜76，其通光轴(pass axis)等分P和S方向，因此允许两束光束干涉。这种结构的两个主要优点在于：

1．由于p和s分量都来自相同位置，所以输入光束分布上的非均匀性不会导致测量误差；和

2．由于在两束光束之间的干涉产生一组平行的条纹，所以能够使用柱透镜压缩条纹长度，允许使用一维(1-D)探测器阵列。与数字信号处理器(DSP)板一起使用会产生近似的实时样品测量。

可由多个针孔构成遮光板，以提供光学相位参考和改善测量精度。

可以看出，本结构利用沃拉斯顿棱镜选择两个不同的偏振光，在空间上分离到达后平面的光的s偏振分量和偏振分量，然后利用透镜系统使被选择光干涉，造成在检测平面上测量的干涉条纹。在光轴上的单个针孔，后面是一个沃拉斯顿棱镜，针孔的作用是造成相应于图1结构的“虚”针孔，即离开透镜L₁的光等于离开图1中的遮光板52的光。

图5表示使用遮光板82代替图11和图4中的遮光板52、72的另一结构80，但遮光板82之前的部分相同。遮光板82在光轴84上有单个针孔。

长焦距透镜L₃被用于使通过针孔之后的光束准直，在透镜后面设有电光装置例如普克耳盒86。第二透镜L₄用于将光束聚焦在检测器88上。组合的两个透镜有效地将针孔成象在检测器平面上。普克耳盒的取向使其两个轴分别平行于光束的p方向和s方向，从而当把适当的电压施加在装置上时，差分相移能够施加在两个偏振分量上。使起偏镜的通光轴与p方向和s方向成45°，因此允许两个分量干涉。

在操作系统时，将四个不同的电压连续地施加在普克耳盒上，分别产生0°、90°、180°、270°的差分相移。在施加各电压值后，测量检测器的输出。因此，四个输出为

I₁=E₁ ²[ρ_P ²+ρ_S ²+2ρ_Pρ_Scos(Δ)]

I₂=E₁ ²[ρ_P ²+ρ_S ²+2ρ_Pρ_Scos(Δ+90°)]

I₃=E₁ ²[ρ_P ²+ρ_S ²+2ρ_Pρ_Scos(Δ+180°)]

I₄=E₁ ²[ρ_P ²+ρ_S ²+2ρ_Pρ_Scos(Δ+270°)]其中，E₁是光束的振幅，ρ_P和ρ_S分别是p分量和s分量的振幅反射系数。因此，通过求解四个联立的方程式，可获得椭圆率参数Δ和tanΨ=ρ_P/ρ_S，可利用个人计算机完成该求解(当求解联立方程时，在值之间有固有的非单值性)。这样，系统的操作过程与相位阶跃干涉仪相同，因此可使用不是四个的相位阶跃数和不同的相移值。这种特定结构的优点在于

1．与上述结构类似，在输入光束分布中的非均匀性将不导致任何测量误差；和

2．可使用沿对角线的多于一个的单个针孔。

当然，对于许多应用来说，优选的遮光板结构可包括两个对角的缝90(图6)，用CCD阵列代替检测器88。此外，为了得到更精确的材料特性测量，角频率分量的连续范围将为例如多层薄膜之类的更复杂的样品结构提供信息。在某些测量情况下，在对特性无负作用的情况下，可以去掉遮光板。

可以看出，图5的结构通过在普克耳盒上施加差分相移来分离光，即有选择地操作普克耳盒，以改变差分相移，从而允许利用不同的差分相移在检测器平面上进行一组测量。或者，可以将普克耳盒的位置移到遮挡从辐射源射出的光束的位置。

结构70、80不要求照射样品12的光束截面分布均匀。此外，结构70具有潜在的足够大的能力，以便允许进行实时测量，因此预计其特别适用于监测材料特性的变化或用于制作基片图象。结构80可作材料特性测量，因此对于多层结构的研究特别有用。

该过程的最后阶段包括将测量的响应转换成能够用独立的系统获得的等价响应。这可在处理器34中实现(图11)。

重要的是认识到由于上述偏振光椭圆计结构能够单独使用，给出有关样品12的材料特性的有用信息，所以在没有轮廓测量仪(profiler)28的情况下可单独使用装置的这部分。

下面，参看图7，它给出了常规共焦显微镜的示意图。由部分反射棱镜172传输的来自光源170的光，由物镜174聚焦在样品176上和利用带有后焦平面182的另一透镜180穿过针孔178向后成象。针孔的空间滤波作用使得共焦显微镜具有众所周知的良好的轴向分辨率和改善的空间分辨率的特性。共焦显微镜中的检测过程可认为分成两个阶段，其中，由物镜反射的光经针孔再准直后再聚焦。由于径向位置与样品上的入射角有关，并且水平角确定了照明光的偏振状态，所以在后焦平面上(或与其共轭的任何平面)的分布包括由偏振光椭圆率测量仪获得的信息。

检测装置178、180示于图7的方块B中。在本发明的另一实施例中，附加的剪切(shearing)元件184增强了图7的共焦显微镜的功能。剪切元件一般是声光调制器，它把入射光分为两束，并在光束之间引入相对的频移。然后，两光束穿过共焦透镜180，该透镜将两束光束聚焦在检测平面186上形成两个相邻的光斑。应该指出，为了图示清晰，放大了两束光束之间的剪切距离，而且重要的是在检测平面上两个聚焦点是重叠的。然后，在用适当的检测装置例如光检测器进行检测之前，将重叠的聚焦点用适当尺寸的针孔进行空间滤光。两个聚焦点之间将产生干涉，产生一个频率为两聚焦点的差频的信号。剪切意味着实际上是焦点的不同部分相互干涉，从而引起高度稳定的差分相位响应。能够控制剪切的程度，以通过控制对剪切装置的电力驱动确保期望的差分量。此外，系统的最大优势在于，在没有分离的参考光束的情况下，能够得到干涉测量响应，这将提供非常简单和稳定的系统。

假设将检测器设在准直仪180的后焦平面的点‘a’上(图8)。那么在两束光束之间的差频上产生干涉信号，这种干涉将发生在一束光束的中心，并朝向另一束光的外径。因此，实际上在由样品沿法线反射的光和以斜角反射的光之间出现干涉。因此，从该干涉信号中测量的相位差与在不同入射角下的不同反射系数相关。这将给出样品特性的指标。显然，不同的检测位置将给出不同入射角的信息和偏振状态的信息。

因此，简单附加一个元件提供了很便利的双重功能。一个功能提供了对样品结构变化具有灵敏度的很稳定的差分相位图象，另一功能提供了‘差分椭圆率测量’模式，该模式对材料特性上的变化反应灵敏，该模式将迅速给出样品变化例如氧化物厚度变化的指标。因此，该系统将在半导体工业中找到实际的应用。

下面，参照图9，它表示本发明的另一实施例，该实施例包括对颤噪声具有良好的不敏感性(immunity)并有良好的低空间频率响应的扫描共用光路光干涉仪。在该装置中包括特定透镜190，它是用平行的玻璃圆片置换其中心部分的球面透镜。这可以通过对一个平凸透镜的中心区域191进行抛光，达到光学平整的光洁度来得到。暂时忽略此时透镜的倾角，进入透镜的平行光束被分为两部分：内侧部分未经改变地穿过然后经过显微镜物镜192聚焦在样品上，因此，该光束探测物体194的局部结构；入射光束的外侧部分穿过环形透镜，并聚焦在点P上。通过使P与物镜192的后焦点重叠，将准直的环形光束入射到物体表面上。由于与系统的横向分辨率相比环形区的面积较大，所以该系统将提供平均的参考相位值，当扫描物体时，该相位值将保持‘不变’。经表面反射后，光束将反向传播第二次通过该系统。如上所述，两条光束不重合。通过预先使特定的透镜190相对于系统轴倾斜，图中给出了能引起两光束干涉的紧凑设计。这两条光束在二次穿过特定透镜后，其传播方向互成一定角度。在两条光束重叠的区域中，形成干涉条纹。任何表面高度变化将引起聚焦光束的光学相位值的改变，这又将移动条纹的位置。通过首先使用CCD照相机(未示出)拍摄光条纹能够测量后者，然后把拍摄的数据进行傅立叶变换，提供的测量。另外，可使用光电探测器阵列(四个元件就足够了)拍摄一条光条纹。然后，可以采用标准模拟正交信号处理方法实时提供条纹位置。由于两条光束通过同一光路，所以颤噪声将相同地影响两条光束，其影响将在干涉过程中抵消从而构成一个很稳定的系统。与其它共用光路结构相比，其另一优点在于，所述系统有更好的低空间频率响应。因此，能够把被测量的轮廓以高精度转换成符合国际测量标准的轮廓。

图10表示按照本发明另一方案构成的全视场偏振光椭圆率测量仪。可以把它看成一个标准的全视场光学显微镜，其中，可精确地控制照射光的角度和偏振状态。由例如半波片200这样的装置控制最初的偏振状态。由照明光学器件204、206、208控制输入光束202的入射角，这些光学器件把入射光聚焦到物镜212的后焦平面210上的点‘a’上。输入光学器件包括空间滤波器206和分束器207。该点的径向位置确定了样品214上的照射光束的入射角。如果点‘a’距透镜轴的距离为r，物镜的焦距为f，那么入射角为sin^-1(r/f)。对于精确测量来说，需要采用具有大数值孔径的物镜。

根据这一点，可以把该系统看成成象到检测器阵列的常规显微镜。虚线表示来自样品表面216上的一个点的光线路径。改变到达样品的输入偏振状态将改变在CCD照相机218上获得的图象。通过组合至少三种不同的偏振状态，能够使用该系统再现材料特性的映象。

在不依靠样品扫描的情况下，本系统便可获得具有良好空间分辨率的椭圆对称的材料信息。它将提供材料表面例如半导体晶片的快速映象。可以设想用该系统提供比如说半导体晶片上氧化物厚度变化的快速空间分辨映象。这样可监视变化，同时提供例如平均厚度、厚度的标准偏差等的统计。由于采用大量象素上的平均值，所以厚度平均值将有特别小的不确定度。由于单次测量所具有的获得观察的良好视场，所以该系统还提供在大面积上扫描的可能性。

图11表示用于获取有关样品12的真实外形信息的装置10。激光器14产生线偏振光16，该偏振光通过分束器18和物镜20后照射样品12。

反射光在22处离开分束器，穿过透镜24，然后由第二分束器26分束，传到轮廓测量仪(一般用28表示)和偏振光椭圆率测量仪(一般用30表示)上。如下所述，轮廓测量仪28产生包括真实外形信息和有关材料信息的数据。把该信息(图中表示为32)送给处理器34，该处理器也接收(图中表示为36)来自偏振光椭圆率测量仪的有关材料的信息，因此，能够在输出38中提供真实外形信息。

轮廓测量仪部分用于获得差分相位信息。把从样品12反射的光用透镜24投射到与在其上使物镜20聚焦的样品平面共轭的平面上。把遮光板40设置在该共轭平面上。在该共轭平面上的光分布是样品上聚焦横向分布的放大。如果在光轴两侧对称设置的不同位置上比较该分布的相位，那么两位置之间的相位差将代表在样品表面上的相位差。通过把聚焦成象在通过一个相位阶梯(例如，金属涂覆层的边缘)的样品上，可理解这点。反射光班图象的一半将相位值反射在该光斑的一侧上，同时聚焦光斑图象的另一侧将把相位反射在相位阶跃的另一侧上。显然，相位差表示样品的结构特征。另一方面，如果样品是均匀的(平坦的)，那么共轭平面上各光斑的相位将是相同的，将不产生相位差。为了测量差分相位，必须测量两个互补位置上的相位。这可以采用干涉仪结构来完成。

遮光板40被用于在共轭平面的两个位置上选择光。这些位置被对称地设置在先轴的两侧。然后，选择的光穿过变换透镜41，将从遮光板40射出的光分布的傅立叶变换投射到电荷耦合器件(CCD)照相机42上。遮光板上的两点将在CCD照相机上产生一组光干涉条纹，其调制度和相位表示从两个孔射出的光的振幅比和相位差。由两个干涉孔的间距和取向决定条纹图形的周期和方向。简单的数字傅立叶变换可迅速地算出振幅比和相位差。

使用轮廓测量仪28，将遮光板设置在与聚焦平面共轭的平面上。下面，我们假设采用在共轭图象平面的两个不同位置上放置的检测器，我们能够测量作为扫描位置函数的振幅和相位的响应。实际上，这可以利用带有在光轴两侧隔开的两个孔和在光轴上备用的第三参考孔的遮光板来实现。然后，如果有可能，对形成的条纹的振幅和相位进行测量或与轴向设置的进行比较。图12表示合适的遮光板配置。假设我们有与由不同的孔位置产生的稍微不同的传输函数相应的两个独立的输出，那么我们可把两个输出写成复数：

i₁(x_s)=a₁(x_s)exp(jφ₁(x_s))

i₂(x_s)=a₂(x_s)exp(jφ₂(x_s))

这两个输出可表示成物体函数T(m)和两个传输函数C₁(m)及C₂(m)的傅立叶变换，该输出对应于使用两个隔开的检测器37、39的响应。因此，响应i₁(x_s)和i₂(x_s)可表示为：

i₁(x_s)=F^-1{C₁(m)T(m)}

i₂(x_s)=F^-1{C₂(m)T(m)}

显然，在没有颤噪效应的情况下，来自各检测器的响应允许用简单的傅立叶变换反演出函数T(m)。问题在于颤噪效应破坏了该信息，因此需要求出转换函数T(m)的方法，同时保持共用通路信息。如果把两个响应相除，那么可抵消各臂都有的颤噪效应。在两个输出相除之后，表达式可写为：

i_{0} (x_{s}) = \frac{i_{0} (x_{s})}{i_{2} (x_{s})} = \frac{a_{1} (x_{s})}{a_{2} (x_{s})} \exp (j (Φ_{1} (x_{s}) - Φ_{2} (x_{s})))

采用对i₁(x_s)和i₂(x_s)的傅立叶表达式可按积分公式计算T(m)。

F{i₀(x_s)}*C₂(m)Tm(m)=C₁(m)T(m)

然后，可通过标准步骤例如单值分解分离和求解该方程。一旦T(m)已经被求出，如果使用另一传输函数得到的响应，那么通过用期望的传输函数进行适当的傅立叶变换，能够容易地获得该响应。

为了实现本发明，需要有两个单独的输入。这可利用上述干涉仪来实现。

如果未获得两个独立的值并仅知道相位差，那么不能精确地进行除法。但是，对于弱相位物体，各臂上的振幅是相同的，从而相位差给出了对商数的良好近似，当仅知道相位差时，上述步骤是可行的。

最后，应该指出，本方法可以不需要差分结构，任何可用于单独输入的共用光路结构都可以使用。

可使用其它形式的差分干涉仪以获取相位差，完成处理阶段(1)。

CCD照相机上的条纹测量结果被送到处理器34，在该处理器中进行数字化处理。

使用偏振光椭圆率测量仪30能够完成上述真实外形的获取步骤(2)。这包括变换透镜50，该透镜与透镜24和物镜20一起形成带有位于第二遮光板52上的后焦平面的透镜系统。透镜的后焦平面包括由到达遮光板52的光的位置表示的信息，如图13a所示。光可以到达围绕光轴54的任何位置，例如到达位置56和58。距离轴54的径向位置对应于照射样品12的光的入射角，而方位角对应于照射光的偏振状态。对于沿Y轴的线偏振入射光，s偏振光将到达沿x轴的某点(例如，位置56)，而p偏振光将到达沿Y轴的点(例如，位置58)。用透镜53将光聚焦在电荷耦合器件55上。

因此，该平面上的光场包括获取椭圆对称参数ψ和Δ所需要的所有信息。我们建议实现这一目的的一种方法是采用如图13b所示的遮光板配置，以便根据经变换透镜50投射到CCD照相机上的条纹的振幅和相位，获取振幅比(tanψ)和相位差Δ。这些值允许获取材料的折射率，因而能够迅速地计算与材料特性有关的相移。

傅立叶平面椭圆率测量术允许获取材料信息，同时保持与透镜的数值孔径有关的整个横向分辨率，其它方法也可用于获取参数ψ和Δ，包括干涉仪或偏振元件。上述开口方法允许把相位差Δ表示成干涉条纹中的偏移，该条纹不受光束的任何强度非均匀性的影响。

然而对于成功地获取外形来说，能够用与透镜相关的整个空间分辩率确定材料特性是重要的，如果不考虑在后焦平面中使用的探测方法，对此而言，傅立叶平面椭圆率测量术是最有效的方法。

尽管已经专门说明了本发明的特定实施例，但在本发明的范围内可进行各种变更。例如，尽管已说明了用透镜将辐射聚焦在测试样品上面，但为了达到这一目的也可以使用其它方法，例如全息方法。当测试表面基本上为非平面时，这种替换方法具有特殊的意义。

Claims

1．一种光学测量装置，包括光辐射源(2)光束产生装置(HDE)，用于从所述光辐射源产生主光束(4)和二级光束(6)，其特征在于，所述主光束(4)射向物体(8)，以便探测物体的局部结构，所述二级光束(6)照射在所述物体上用作参考光；光处理装置(HDE)，用于由所述主光束和所述二级光束在从所述物体反射后产生三级光束和四级光束；和合束装置(HDE)，将所述三级光束和四级光束合束，以获得表示所述物体表面附近的结构的光信号。

2．根据权利要求1的光学测量装置，其特征在于，所述光束产生装置包括全息衍射单元(HDE)，适合产生零级平行物体光束(4)，和作为参考光束的+1级会聚光束，还包括处理装置(HDE)，用于根据从所述参考反射的所述光束和所述参考光束，产生在其传播方向上带有差别的各平行分量光束；合束装置，将所述两个平行分量光束分束，以便获得表示所述参考表面附近的结构特征的干涉图形。

3．根据权利要求2的光学测量装置，其特征在于，它包括通过对获得的强度图形进行傅立叶变换，来获取平行分量光束的平均相位差的装置。

4．根据权利要求2的光学测量装置，其特征在于，它包括用于获得所述干涉图形单个条纹的光电二极管阵列，和用于导出其相位值的模拟正交信号处理装置。

5．光学测量装置，包括光辐射源(2)光束产生装置，用于从所述光辐射源产生主光束(4)和二级光束(6)，其特征在于，它包括椭圆率测量装置，该装置包括透镜装置(20)，将从样品反射的光聚焦在后焦平面上，选择装置(40)，从到达后焦平面的光中选择至少两个不同偏振状态的光，和测量装置(42)，用于测量被选择光的参数，以提供可根据它计算样品特性的信息。

6．根据权利要求5的光学测量装置，其特征在于，测量装置还包括使被选择光干涉的装置。

7．根据权利要求6的光学测量装置，其特征在于，测量装置可测量由干涉引起的条纹的幅度和相位。

8．根据权利要求5的光学测量装置，其特征在于，选择装置包括设在后焦平面上的遮光板，其在相对于选择的偏振状态的位置上有开口，从而其它偏振光被遮光板所遮挡。

9．根据权利要求5的光学测量装置，其特征在于，选择装置包括遮光板，在遮光板中有使被选择光通过的开口；和分离装置，使穿过遮光板开口的光的p偏振分量和s偏振分量分离。

10．根据权利要求9的光学测量装置，其特征在于，分离装置用于在空间上分离偏振分量。

11．根据权利要求10的光学测量装置，其特征在于，分离装置包括沃拉斯顿棱镜。

12．根据权利要求5的光学测量装置，其特征在于，选择装置包括相位分离装置，用于对被选择光施加差分相移。

13．根据权利要求12的光学测量装置，其特征在于，相位分离装置包括普克耳盒。

14．根据权利要求13的光学测量装置，其特征在于，有选择地控制普克耳盒，以改变差分相移，从而允许用测量装置进行各组测量。

15．根据权利要求5的光学测量装置，其特征在于，它包括透镜装置，用以使分离的分量汇合在一起产生干涉。

16．根据权利要求15的光学测量装置，其特征在于，透镜装置包括其通光轴平分p方向和s方向的偏光镜装置。

17．光学测量装置，包括光辐射源(2)光束产生装置，用于从所述光辐射源产生主光束(4)和二级光束(6)，其特征在于，它包括轮廓测量装置，该轮廓测量装置包括透镜装置，用以聚焦由样品到反射共轭平面的光；选择装置，用以选择共轭平面中两个不同位置上的光；和测量装置，用于测量被选择光的参数，从该参数中可获得有关样品轮廓信息。

18．根据权利要求17的光学测量装置，其特征在于，选择装置可以包括在两个位置带有开口的遮光板。

19．根据权利要求18的光学测量装置，其特征在于，两个位置对称地位于系统光轴的两侧。

20．根据权利要求19的光学测量装置，其特征在于，测量装置包括引起被选择光干涉的装置。

21．根据权利要求20的光学测量装置，其特征在于，测量装置还包括变换透镜装置，用以把通过透镜的光的傅立叶变换投射到一个在其上形成光干涉条纹的平面上。

22．一种光学测量装置，包括带有用于将所述辐射射向样品的装置(207)的光辐射源，其特征在于，所述装置包括选择装置(200、204、208、212)，用以选择入射在所述样品上的所述光束的偏振和方向；和探测装置(218)，用于探测来自由所述样品表面的被选择区域散射的所述光束的辐射。

23．根据权利要求20的光学测量装置，其特征在于，产生所述主光束和二级光束的装置包括在其曲线型表面上带有中心平面区域的平凸透镜(190)。