CN100485312C - 用于波前控制和改进的3d测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

执行波前分析，包括相位和振幅信息，与在光学系统中的3D测量的方法和装置，并且特别是那些基于分析光学系统的中间平面，例如一个图像平面的输出。描述了存在薄膜涂层的情况下，表面形貌，或一个多层结构的各层的测量。结合相位和振幅映射的多波长分析被使用。描述了使用有效波前传播，基于Maxwell方程的解，通过波前传播和重聚焦来改进相位和表面形貌测量的方法。通过这种相位控制方法，或通过使用宽带和相干光源结合的方法，实现了在光学成像系统中的相干噪声的减少。通过改进反差或通过3D成像，在单镜头成像中，这些方法适用于集成电路检查，以改进交叠测量技术。

Description

用于波前控制和改进的3D测量的方法和装置

技术领域

本发明涉及在计量应用中使用复合光学波前测量的领域，特别是在结合有薄膜的集成电路的测量领域，以及成像处理应用。

背景技术

一同待审并给正常转让的PCT申请号PCT/IL/01/00335，公布号WO 01/77629，美国专利号6,819,435，和PCT申请号PCT/IL02/00833，公布号WO03/062743，在此一并结合参考，其在整体上，都描述了一些方法和系统，用于波前分析和用于表面映射、相位变化分析、光谱分析、对象检查、存储数据信息检索、三维成像，以及其他使用波前分析的适合的应用。

这些方法的一些原理被描述在图1和图2中。图1显示了一个简化的局部示意图，局部示意说明了波前分析功能。该图1的功能可以概括为包括如下的子功能：

I.获得多个不同相变变换波前，对应于一个被分析的波前，其具有一个振幅和一个相位；

II.获得多个相变变换波前的多个强度图；与

III.使用多个强度图获得一个输出，其指示了该被分析的波前的相位和振幅中的至少一个，也可能是两个。

参阅图1，第一个子功能，表示为“A”，可以通过如下功能实现：一个波前，其可以由多个点光源代表，一般标注为参考数字100。波前100有一个典型的空间不一致的相位特性，以实线表示并且一般标注为参考数字102。波前100也有一个典型的空间不一致的振幅特性，以虚线表示并且一般标注为参考数字103。这样，以一个传统方式，通过从任何物体接收光，例如通过读一个光盘，如一个DVD或紧致盘104，可以获得一个波前。

这种方法实现以一种增强方式对具有诸如标注为参考数字102的相位特性和诸如标注为参考数字103的振幅特性的测量。应当注意，通过相位的定义，从针对相关的相位图或针对波前中任意两点的相差来说，相位特性是一个相对特性。一般来说，所有的这些申请，以及其要求保护的，所有关于“相位”的测量或计算，或者相似的叙述，诸如相位图，都可以理解为指的是一个相移，或相差，或针对在那些讨论场合下的特定相位环境的相关相位的测量或计算。

一个变换，象征性的以参考数字106标注，被施加于该被分析的波前100，由此获得一个变换后的波前，象征性的以参考数字108标注。多个不同的相变，最好是空间相变，由光路径延迟110，112和114表示，被施加于该变换后的波前108，由此获得多个不同的相变变换波前，分别由参考数字120，122和124表示。应当理解，在多个不同相变变换波前之间所显示的差别，是部分变换后的波前相对于其余部分被不同的延迟。

第二个子功能，表示为“B”，可以通过施加一个变换，最好是一个傅立叶变换，来实现到多个不同的相变变换波前。最后，功能B需要多个不同相变变换波前的强度特性的检测。这样的检测输出是一些强度图，就像标注为参考数字130，132和134的示例那样。

第三个子功能，表示为“C”，可以通过如下功能实现：诸如通过使用一个计算机136来表达多个强度图，例如图130，132和134，作为被分析的波前的相位和振幅的，与多个不同相变的至少一个数学函数，其中相位和振幅中的至少一个，也可能是两个是未知的，并且典型的以光路径延迟110，112和114到变换的波前108表示的多个不同相变是已知的；并且例如借助计算机136，使用该至少一个数学函数获得被分析的波前的相位和振幅中的至少一个也可能是两个的指示，在这里由标注为参考数字138的相位函数和标注为参考数字139的振幅函数来表示，可以看出，其分别代表了波前100的相位特性102和振幅特性103。波前100可以代表包含的信息或被测对象的高度图，诸如这个例子中的紧致盘或DVD 104。

图2描述了一个简化的局部示例，适用于实施图1功能的波前分析系统的局部框图。参见图2，一个波前，此处标注为参考数字150，通过一个透镜152，被聚焦到一个相位控制器154，该相位控制器154最好位于透镜152的焦平面上。该相位控制器154生成相变，并且可以是例如一个空间的光调制器或一系列不同透明的空间不均匀的物体。安置一个第二透镜156，以至将波前150成像到检测器158，诸如一个CCD检测器。该第二透镜156被安置的位置最好是使得该检测器158位于它的焦平面上。检测器158的输出最好提供给数据存储和处理电路160，其最好执行了如上述图1描述的功能“C”。

图3描述了一个简化的局部示例，局部的说明了用于表面映射使用了图1的功能和结构的系统。参见图3，一束辐射，例如光或声能，被从一个辐射源200随意地经由一个光束扩展器202提供至一个分束器204，该分束器204反射至少部分辐射到一个要被检测的表面206。从被检测表面206反射的辐射是一个表面映射波前，其具有振幅和相位，并且包含关于表面206的信息。至少部分入射到表面206的辐射被从该表面206反射，并经由分束器204传输并经由一个聚焦透镜208聚焦到一个相位控制器210，该相位控制器210最好位于辐射源200的像平面上。该相位控制器210可以是例如一个空间光调制器或一系列不同透明的空间不均匀的物体。安置一个第二透镜212，以至将表面206成像至一个检测器214，诸如一个CCD检测器。最好该第二透镜212的安置位置使得检测器214位于它的焦平面上。检测器214的输出的一个例子是一组强度图，标注为参考数字215，检测器214的输出最好提供至数据存储和处理电路216，该电路216最好执行图1中描述的功能“C”，提供一个输出，指示了该表面映射波前的相位和振幅中的一个也可以是两个。这个输出最好进一步被处理以获得关于表面206的信息，诸如表面的几何变化和反射率。该相位控制器210被描述为施加多个不同空间相变至从表面206反射并由透镜208傅立叶变换的辐射波前。多个不同空间相变的应用提供了多个不同相变变换波前，其可以随后被检测器214所检测。

该算法和计算方法的基本原理被描述于图4，其描述了一个图1功能的一部分的简化的功能框图示例。在图4显示的该示例性的设置中，施加于该被分析的波前的变换是一个傅立叶变换，至少三个不同的空间相变被施加于这样变换的波前，并且至少三个强度图被用于获得该波前的相位和振幅中的至少一个的指示。如图4所示，参考上述图1中说明的子功能“C”，该强度图被用于获得一个该被分析的波前的相位和振幅中的至少一个也可能是两个的输出指示。

参考图4，该被分析的波前表述为一个第一复值函数其中“x”是一个空间位置的一般指示。该复值函数具有一个振幅分布A(x)与一个相位描述与被分析的波前的振幅和相位等同。该第一复值函数

以参考数字300标注。多个不同空间相变中的每一个都被施加于该变换的波前，最好是通过施加一个空间的均匀的具有一个已知值的空间相位延迟至该变换后的波前的给定空间区域。参见图4，该控制这些不同相变的空间函数以“G”标注，它的一个实例，对于一个相位延迟值θ，被标注为参考数字304。函数“G”是一个施加在该变换后的波前的每一个空间位置的相变的空间函数。在该标注为参考数字304的特定实例中，该空间的均匀空间相位延迟，具有一个θ值，被施加于该变换后的波前的一个空间中央区域，如由具有θ值的该函数的中间部分所标识的，该θ值是大于该函数别处的值。

多个期望的强度图，标注为空间函数I1(x)，I2(x)和I3(x)，其中每个都表达为第一复值函数f(x)和该空间函数G的一个函数，如参考数字308的标注。接着，一个第二复值函数S(x)，其具有一个绝对值|S(x)|和一个相位α(x)，被定义为该第一复值函数f(x)和该空间函数“G”的傅立叶变换的卷积。这个第二复值函数，标注为参考数字312，表示为公式其中符号“*”代表卷积，并且

是函数“G”的傅立叶变换。

波前相位，和α(x)，该第二复值函数的相位之间的差别表示为ψ(x)，标注为参考数字316。

每一个期望的强度图作为f(x)和G的函数的表达，被标注为参考数字308，该绝对值和S(x)的相位的定义，标注为参考数字312，以及ψ(x)的定义，标注为参考数字316，使得每一个期望的强度图可以表达为波前A(x)的振幅的第三函数，该第二复值函数的绝对值|S(x)|，该波前相位和该第二复值函数ψ(x)的相位之间的差，以及由至少三个不同相变中的一个造成的已知相位延迟，其中每一个相变对应至少三个强度图中的一个。这个第三函数标注为参考数2或3。在这三个函数中，θ1，θ2和θ3是该均匀空间相位延迟的已知值，每一个都被施加于该变换后的波前的一个空间区域，因此影响多个不同的空间相变，其分别产生强度图I1(x)，I2(x)和I3(x)。应当理解，优选的，在任何给定的空间位置x0，该第三函数是仅在相同空间位置x0的A，ψ和|S|的一个函数。该强度图被标注为参考数字324。

通过求解至少三个公式，关于在至少三个不同的相位延迟θ1，θ2和θ3的至少三个强度值I1(x0)，I2(x0)和I3(x0)，该第三函数被用于求解每个特定的空间位置x0，以此获得三个未知的A(x0)，|S(x0)|和ψ(x0)中的至少一部分。这个过程一般被重复用于全部的空间位置并由此获得波前A(x)的振幅，该第二复值函数|S(x)|的绝对值，以及波前相位与第二复值函数ψ(x)的相位的差，如标注为参考数字328。因此，一旦A(x)，|S(x)|和ψ(x)已知，则以参考数字312表示的定义第二复值函数的公式，就被用于全面求解空间位置“x”的实际的号码以获得α(x)，第二复值函数的相位，如参考数字332标注。最后，通过为该波前的相位与第二复值函数的相位之间的差ψ(x)增加第二复值函数的相位α(x)，获得该被分析的波前的相位

如参考数字336标注。

一个波前分析系统可以包括两个功能体(functionality)—一个成像功能体和一个成像波前分析功能体，如下面的图5所示。通过成像功能体520，要被分析的波前510被成像，以形成一个成像波前530。该成像波前被一个成像分析功能体540所分析，并且通过数据存储及处理元件550，关于该波前的结果信息随后被处理并存储。应当注意，成像功能体520和成像波前分析功能体540，可以作为同一联合系统的两个子功能体实现，而且在一些情况下该成像波前530可以在该同一联合系统内内部生成。

发明内容

本发明寻求提供改进的进行波前分析和3D测量的实现方法和装置，特别是基于对一个光学系统的中介面，诸如一个像平面的输出进行分析的方法和装置。这些提供的方法和装置可以被施加于不同的波前分析和测量方法，诸如上述PCT申请No.PCT/IL/01/00335，以及PCT申请No.PCT/IL/02/00096中提供的方法，以及其他现有技术已知的波前分析方法。本发明也提供了巧妙的，改进的并增强的用于波前分析的方法和系统。

另外，本发明寻求提供一种新的装置和方法，用于测量针对薄膜涂层的表面形貌，其克服了一些现有技术方法的缺陷和不足。已经存在很多现有技术方法来分析从一个物体反射的或通过一个物体传输的波前，诸如通过干涉测量法以及在上述专利文献中描述的波前分析方法。然而，物体表面上的薄膜涂层的存在，由于多重反射而将一个附加的相变增加到该反射的或传输的波前。这个相变造成了计算反射该波前的表面形貌的误差。已知薄膜涂层厚度和成分层的折射率，不管是通过现有知识还是通过使用已知方法直接测量，都可以通过使用已知公式来计算由于多重反射造成的该附加的相变。为了正确计算表面形貌，可以从该反射或传输的光中消除或削减这个附加相位。

根据本发明的一个优选实施例，提供了一个相位测量系统，其整合了在多层物体，诸如存在的薄膜涂层上进行准确测量的能力。现有的用于进行这些操作的椭圆测量法一般使用大的照射点，这些大的照射点只能提供较低的空间解析度和较低的二维成像能力，由于当使用大角度的入射光时，横跨这样的大照射点的景深的限制。通过在诸如上述被参考的专利文件中描述过的那些测量装置的成像光学系统中增加一个宽带光源和一个滤光轮或一个分光计，多层物体的检测和测量的能力可以得到改进。使用一个滤光轮，从整个视野反射的光独立的针对物体的每一个像素或每一段被光谱性的分析。使用一个分光计，从物体的一个或多个选择区域反射的光独立地针对每个像素或段被光谱性地分析。增加分光计或滤光轮使得可以在物体的每段或每像素上测量透明或半透明多层的厚度。通过结合相位测量，可以获得顶部的表面形貌。通过使用上述的新颖的光谱分析方法，预先已知的折射率和在多层堆叠中的层的厚度，以及执行已知的反射测量或椭圆测量算法，该薄膜涂层的厚度可以被准确的计算。可供选择并且相反的，通过使用上述的光谱分析方法，预先已知的在多层堆叠中的层的准确的厚度以及已知反射测量或椭圆测量算法，该薄膜的折射率可以被准确的计算。作为通过上述方法计算获得的，使用已知的薄膜涂层厚度和物体的每像素或每段上的折射率，由于该薄膜涂层的存在而造成的相变可以通过已知公式被准确的计算出来。作为由该折射率的实数和复数元素计算得来的这个相变，可以从该反射或传输的光的测量相位中被消除或削弱，从而正确地获得表面形貌。

根据本发明更加优选的方法，通过以上述的波前分析方法结合傅立叶变换光谱学，并使用一个宽带光源，当测量一个包含多层的物体时由于多重反射造成的相变可以被计算出来。该傅立叶变换光谱学通过以下步骤执行：

1、增加一个移动镜作为一个参考镜，并在撞击物体的光和从该参考镜反射的光之间生成干涉，并接着为每个运动获得该干涉图案的强度图。

2、以与傅立叶变换光谱学相似的方式，傅立叶变换各像素的累积强度数据以获得各像素的光谱反射比。

3、通过使用各像素的光谱反射比、关于材料的预定数据，以及已有的分光光度测量或反射测量模型，获得该物体的各像素中各层的厚度。

4、通过使用已知算法和获得的关于厚度的数据和在各像素上各层材料的折射率，计算在各像素中由于多层堆叠造成的相变。

5、通过使用上述波前分析方法获得被反射波前的相位和振幅。这个相位数据也包括由于在各像素的多层堆叠生成的相变。

6、从利用波前分析方法(如第5段所述)获得的相位数据中，减去计算得出的在各像素上由于多层堆叠造成的相变(如上述第4段所述)，以获得真正的表面形貌。

这是根据本发明的一个优选实施例提供的，而根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一个用于测量物体厚度的光学装置，包括：

(i)一个物镜，置于所述物体的平面上方，它的光轴垂直于所述平面；

(ii)一个光源，具有一个发射波长范围，所述的源置于所述透镜上方，并且基本上在所述透镜的焦平面内，以至所述透镜由此生成一个准直射束，所述源横向(lateral)偏离于所述光轴，以至所述准直射束以一个非法向(non-normal)的入射角度照射所述物体；

(iii)一个第一偏振元件，置于所述源和所述透镜之间；

(iv)一个检测器元件，基本上置于由所述透镜生成的所述物体的像平面内，并且横向偏离于所述光轴；以及

(v)一个第二偏振元件，置于所述透镜和所述检测器之间。

该透镜最好有一个大于0.5的数字孔径。而且，该光源最好是一个宽带光源。另外，它可以有大量的离散波长。该检测器元件最好是一个检测器阵列。

根据本发明进一步的优选实施例，提供了一种对具有一些透明层的物体的表面形貌的测量方法，包括如下步骤：

(i)照射所述物体并由此测量一个被反射的波前的振幅和相位，通过步骤：(a)获得对应于所述其振幅和相位正被测量的波前的多个不同相变变换波前；(b)获得所述多个相变变换波前的多个强度图；及(c)使用所述多个强度图以获得一个指示所述波前的所述振幅和测量相位的输出；及

(ii)通过所述物体的宽带照射来测量所述透明层的厚度，并在至少两个波长上分析所述物体的反射强度；

(iii)从所述厚度测量，计算一个由所述透明层的多重反射造成的所述反射波前的被计算的相位图；及

(iv)将所述计算出的相位图与所述被测相位相比较，以获得所述物体的表面形貌。

在上述方法中，所述比较步骤较佳地包括从与从所述物体相同位置上的测量的相位中减去从所述计算出的相位图获得的相位值。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种用于测量一个物体中的透明层的厚度的光学装置，包括：

(i)一个相干光源，用于照射所述物体；

(ii)一个检测器，用于测量来自所述透明层的反射比；

(iii)一个干涉计，用于测量通过相干照射自所述物体反射的相位；及

(iv)一个处理单元，利用所述被测相位和所述反射比在一个数学模型中将所期望的反射相位和所期望的反射振幅描述为透明层的厚度和光学属性的函数，以至获得在所述物体中的所述透明层的所述厚度。

在这个实施例中使用了一个从相干光源照射获得的相位，与从该相关光源的反射率获得的振幅的组合，和/或使用宽带照射的不同技术的反射测量分析。这个相位和振幅的组合提供了一个更好的透明层厚度的测量。该相位分析可以从使用相干照射的干涉测量方法开始。该反射测量分析可以从宽带照射和标准分析技术(滤光轮，分光光度计)，或从一些相干光源的振幅分析中被提供。

另外，根据本发明的又一个优选实施例，提供了一种对物体中的透明层厚度进行测量的方法，包括步骤：

(i)以相干光在至少一个预定波长上照射所述物体；

(ii)提供一个干涉计并测量从所述物体反射的所述相干光的相位；

(iii)以多个另外的预定离散波长的光照射所述物体；

(iv)测量在所述多个预定离散波长上的所述光的反射比；

(v)使用一个数学模型将在所述多个预定离散波长上的所述反射光的所期望的相位和振幅特性，描述为透明层的厚度和光学属性的函数，及

(vi)在所述数学模型中利用所述被测相位和反射比的值，获得所述物体中的所述透明层的所述厚度。

在上述方法中，所述多个预定离散波长可以优选的通过使用滤光轮或使用分光光度计来获得。另外，该多个预定离散波长优选的从至少一个相干光源获得。

根据本发明的另一个优选实施例，物体中至少一个点可以具有一个已知的结构，以至在至少一个点的所期望的相位特性延迟是绝对已知的，并且该方法也包括使用该绝对已知相位特性来确定整个物体上的绝对相差的步骤。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种获得一个物体的聚焦影像的方法，包括步骤：

(i)照射所述物体；

(ii)在一个任意平面内，获得从所述物体发出的所述照射的一个波前的振幅和相位信息，该任意平面上所述波前不是必然生成一个聚焦图像；

(iii)借助所述波前的传播属性的数学解答，计算所述波前的向下传播路径上的一系列另外的平面上的波前的形态；及

(iv)确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有聚焦图像的形态。

在这个方法中，该确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有聚焦图像的形态的步骤，优选的包括在每个所述另外的平面上，计算该波前至少一个光学特性的复值函数的熵，其中所述熵被从该波前的所述复值函数的累积表面区域的测量中确定；及确定传播步骤，其中所述熵是最小的。该波前的所述复值函数优选的是一个复振幅函数，一个复相位函数，和一个复振幅及相位函数中的至少一个。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种测量一个物体的第一和第二段之间的高度差的方法，包括步骤：

(i)照射所述物体的所述两段；

(ii)在一个任意平面内，获得从所述物体发出的所述照射的一个波前的振幅和相位信息，该任意平面上所述波前不是必然生成一个聚焦图像；

(iii)借助所述波前的传播属性的数学解答，计算所述波前的向下传播路径上的一系列另外的平面上的波前的形态；

(iv)确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第一段的一个聚焦图像的形态；

(v)确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第二段的一个聚焦图像的形态；及

(vi)通过减去所述波前具有所述第二段的一个聚焦图像的形态的所述另外的平面，与所述波前具有所述第一段的一个聚焦图像的形态的所述另外的平面之间的距离，获得所述高度差。

在上述方法中，较佳地使用所述两段之间的所述的高度差作为一个估计高度差，以减少发生在其他测量方法中的相位含糊度。

根据本发明的另一个优选实施例，也提供了一种用于在相位测量系统中解决2π含糊度的方法，包括步骤：

(i)以第一波长照射一个物体并确定撞击所述物体的第一波前的相位信息；

(ii)以第二波长照射所述物体并确定撞击所述物体的第二波前的相位信息；

(iii)在所述物体上定义至少两个段；

(iv)在所述第一段中指定第一点集，并在所述第二段中指定第二点集，将所述第一点集中的一个点定义为第一锚点，并将所述第二点集中的一个点定义为第二锚点；

(v)解开所述第一和第二相位信息中的至少一个信息，获得所述第一锚点和所述第一点集之间的高度差，与所述第二锚点与所述第二点集之间的高度差；

(vi)使用所述第一和第二相位信息，计算在第一点集中的点与第二点集中的点之间的高度差，确定对应于该点集合对的高度差集合；

(vii)获得一个近似高度含糊度集合，每个近似高度含糊度对应于一个在所述高度差集合中的高度差；

(viii)使用所述近似高度含糊度集合来确定在所述第一和所述第二锚点之间的一个近似高度含糊度集合；

(ix)从所述第一和所述第二锚点之间的所述近似高度含糊度集合，确定所述第一和第二锚点之间的所述高度含糊度的最可能的值；及

(x)通过使用所述最可能的含糊度的值，求解第一和第二相位信息测量之间的2π含糊度。

在这个方法中，所述第一和第二锚点之间的所述高度含糊度的最可能的值优选的是取自最接近于所述第一和所述第二锚点之间的近似高度含糊度集合的平均值的值。可供选择的并优选的，所述第一和第二锚点之间的所述高度含糊度的最可能的值是取自所述第一和所述第二锚点之间的近似高度含糊度集合的柱状图的最大值。

根据本发明的又一个优选实施例，进一步提供了一组过滤器，用于一个光学系统中的空间过滤，每个过滤器都具有一个特征尺寸的开口和特征光谱属性，其中每个过滤器的所述开口和所述光谱属性被选择以在所述系统中增加图像反差(contrast)。每个过滤器的所述开口和所述光谱属性优选的被选择，以相互抵消(offset)随着增加波长而增加的成像光的空间传播和随着增加孔径尺寸而减小的成像光的空间传播的影响。而且，针对每个所述的过滤器，所述过滤器的所述开口与所述过滤器操作的波长的比优选的基本上是固定的。上述任何一组过滤器中，其中所述空间过滤优选地在所述成像系统的视野的一个中央区域和一个周边区域之间被执行。使用这些组过滤器使得无需机械移动为不同波长获得不同孔径。

根据本发明的另外的优选的实施例，也提供一种在一个成像系统中用于空间过滤的增加反差的方法，包括步骤：

(i)提供一个具有至少两个独立可控相位调制范围和一个主轴的双折射空间光调制器；

(ii)在所述双折射空间光调制器之前设置一个线性偏振元件，其中所述线性偏振元件的偏振方向与所述空间光调制器的所述主轴不一致；

(iii)在所述双折射空间光调制器之后设置一个线性偏振元件；

(iv)确定所述两个相位调制范围之间的所要求的透射比，以至该图像的输出图像反差得到优化；

(v)通过旋转至少一个所述线性偏振元件并在至少一个所述调制范围上调整相位延迟，从所述系统获得多个波前输出，以至：(a)在每个波前输出中，一个不同的相位延迟在两个相位调制范围之间被获得；(b)所有的波前输出都在两个相位调制范围之间具有相同的透射比，及(c)所述的相同透射比是等于所述所要求的透射比。

根据本发明的另一个优选实施例，也提供一种用于在一个光学系统中减少相干噪声的方法，包括步骤：

(i)照射一个要被成像的物体；

(ii)在一个沿着所述波前的传播路径的第一平面内，测量从所述物体发出的照射的一个波前的振幅和相位信息，在该第一平面所述波前生成一个聚焦图像；

(iii)通过一个散焦距离在所述系统中散焦所述图像；

(iv)在与所述第一平面相距所述散焦距离的一个第二平面内，获得从所述物体发出的照射的一个波前的散焦振幅和相位信息；

(v)使用所述散焦振幅和相位波形信息，借助所述波前的传播属性的数学解答，在与所述第二平面相距所述散焦距离的所述第一聚焦平面上，计算重新聚焦的振幅和相位波形信息；及

(vi)结合所述测量的振幅和相位波形信息，与所述重新聚焦的振幅和相位波形信息，以减少在所述成像物体中的相干噪声。

在这个方法中，所述结合步骤，优选的通过平均，比较，和图像处理中的至少一个来执行。

根据本发明的另一个优选实施例，还提供一种在一个第一给定平面内减少波前中的噪声的方法，所述噪声由位于一个第二平面内的扰动引起，所述方法包括步骤：

(i)测量在所述给定平面上的所述波前的振幅和相位信息；

(ii)借助所述波前的传播属性的数学解答，计算在所述波前的传播路径上的另外的平面内的波前的振幅和相位信息；

(iii)确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前是包含所述扰动的图像被优化聚焦；

(iv)在所述优化地聚焦位置变更所述波前，以至所述扰动被消除；及

(v)使用所述变更的波前，借助所述波前的传播属性的数学解答，在所述第一平面上计算新的振幅和相位波形信息，从该第一平面上可以获得没有所述局部扰动引起的噪声的一个图像。

在这个方法中，所述扰动由所述波前的传播路径上的灰尘或缺陷所造成。在这种情况下，该扰动出现为自一个不在焦点的灰尘微粒的同心条纹。而且，所述扰动优选地通过图像处理被消除。

根据本发明的另一个优选实施例，提供了一种在一个光学系统中，在给定平面上减少一个波前中的像差的方法，所述像差产生于所述光学系统中的其他地方，包括步骤：

(i)在所述给定平面上测量所述波前的振幅和相位；

(ii)借助所述波前的传播属性的数学解答，计算所述波前的传播路径上的另外的平面上的该波前的振幅和相位信息；

(iii)确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前是所述像差源被定位；

(iv)在所述像差源的位置上变更所述波前，以至所述像差被消除；及

(v)使用所述被变更的波前，借助所述波前的传播属性的数学解答，计算在另一个平面上的新的振幅和相位波形信息，从中一个无像差图像可以被获得。

根据本发明的另一个优选实施例，也提供了一种在一个物体的图像中减少相干噪声的方法，包括步骤：

(i)提供一个包含有一个光路的成像系统，该光路包括一个相干光源，一个相位控制器和多个光学元件；

(ii)在一个像平面上测量表示所述物体的图像的一个波前的振幅和相位信息；

(iii)移动所述物体，所述光源和至少一个所述光学元件中的至少一个的位置并且重新聚焦；

(iv)在所述移动和重新聚焦步骤之后，测量表示所述物体的图像的一个波前的振幅和相位信息；及

(v)在所述移动步骤之前和之后，平均所述波前的振幅和相位信息，以至减少所述相干噪声。

在上述方法中，所述移动优选地包括在至少一个轴中移动所述源，并相应移动该相位控制器以将它保持在该移动的光源的像平面中，其中该图像在时域内被积分。另外，该相位控制器被保持在该源的像平面内，在源上的相同点优选地与该移动不相关地成像在该相位控制器的相同点上。可供选择的并优选的，所述移动包括在所述光路内移动所述相位控制器，以产生多个相变变换波前，或该物体沿着Z轴移动至不同的聚焦和散焦状态，或该物体移动至不同的离轴位置或不同的倾斜角度。该方法也优选的包括图像配准步骤。

上述方法的步骤的一个实例可以优选地包括：

(i)在该光源和PLM的一个给定位置取一个图像；

(ii)沿着它的任意轴移动该PLM；

(iii)据此移动该光源，以至该光源的图像落入它在移动前落入过的该PLM的相同位置；

(iv)在PLM和光源的这个新位置取另一个图像。结果是全部的所要求的信息在这两个图像中保持相同，因为仅要求该光源和PLM是共轭的，但该光束穿过该系统内不同的路径，造成不同的空间噪声图案，也就是不同组的条纹。

(v)将这两个图像平均以改进该信噪比

(vi)为多个图像重复这个过程并因此进一步的改善信噪比，并且最后

(vii)利用该“平均图像”作为该相位测量系统的输入，并获得具有较小噪声的相位。

根据本发明又一个优选实施例，所述光路优选地包括一个旋转的光楔，该光楔以这样的方式被放置，即所述光路随着所述光楔的旋转而执行空间运动，但不需要任何其他所述的光学元件的运动。

根据本发明的又一个优选实施例，提供了一种在一个成像系统中减少相干噪声的方法，包括步骤：

(i)使用一个适度的宽带光源成像一个物体，以得到一个具有第一准确性等级的平滑图像；

(ii)将所述物体的特征的初步计算高度确定在相位含糊度的限制之内，所述第一准确性等级被所述宽带源的短的相干长度所限制；

(iii)使用一个相干光源成像所述物体，以得到一个比所述平滑图像噪声更大的图像，但具有一个第二准确性等级，好于所述第一准确性等级；及

(iv)使用所述物体的特征的初步计算高度作为由所述相干成像获得的相位的初始输入，以增加的准确性确定所述特征的高度。

根据本发明的又一个优选实施例，提供一种使用一个成像系统以好于所述成像系统的分辨率的分辨率确定一个物体的特征的边缘的位置的方法，包括步骤：

(i)在围绕着最佳焦点的多个不同的散焦距离上产生所述特征的一系列图像，并生成该照射等级的记录作为跨越所述图像的侧向距离的一个函数；及

(ii)针对一个点检查所述记录，在该点上所述照射等级会聚在一个跨越所述图像的公共横向距离上，所述点为所述特征的边缘的位置。

最后，根据本发明的另一个优选实施例，提供一种在一个多层结构中执行一个交叠测量的方法，包括步骤：

(i)照射所述多层结构，并在所述多层结构的第一层内生成表示一个平面的图像的第一复波前图的振幅和相位信息；

(ii)借助所述波前的传播属性的数学解答，计算表示在所述多层结构的第二层内一个平面的图像的第二复波前图的振幅和相位信息；及

(iii)比较所述第一和第二复波前图以提供关于所述第一和第二层的交叠的信息。

在这个方法中，所述交叠测量优选地在一个单成像处理中被执行，无需成像系统重新聚焦。而且，通过这个方法，在所述交叠测量中所述振幅和相位信息的使用，相比于没有使用相位信息的成像方法，优选地做到了增强的反差测量。它也可以获得关于所述多层结构的三维信息，相比于没有使用相位信息的成像方法，因此改进了配准不良的测量。而且，在所述交叠测量中使用相位信息，相比于没有使用相位信息的成像方法，做到了增大的焦深(depth of focus)测量，因此在一个单成像处理中能够成像多层。

附图说明

通过如下的详细描述，并结合附图，本发明会被更加全面的理解和认识。图1至5在背景中做过简要描述，其他附图在下面详细描述。这些附图可以被总结如下：

图1显示了一个简化的局部示例，局部图例性地说明了波前分析功能体；

图2是一个局部示例，说明适用于实施图1的功能体的波前分析系统的局部框图；

图3是一个局部示例，局部图例说明用于表面映射使用了图1的功能体和结构的系统；

图4描述了用在本申请的不同实施例中的算法和运算方法的基本原则，并描述了一个简化的功能框图，说明了图1的功能体的部分；

图5描述了一个示意性的波前分析系统，包括两个功能体—一个成像功能体和一个成像波前分析功能体；

图6示意性的描述了本发明第一优选实施例的元件，使得可以借助椭圆测量法，并且使用在图1至5中所示的装置和方法中所描述的相位的测量方发，实现一个多层物体的检测和测量；

图7是针对三个不同波长的，反射自硅上的多层堆叠二氧化硅的光的相位和振幅的图例；

图8示意性地说明了当照射一个由多个层构成的物体时，借助合适的照射条件，减小由于多重反射造成的相变的影响的一个方法；

图9示意性的显示了相位测量的数据如何可以被用于区分不同的多层堆叠，这些多层堆叠具有相同的反射比与不同的相变，并且不能被“白光”方法区分；

图10示意性地说明了一个波前在Z方向上的传播，描述了通过该波前分析方法，任何在某个平面内的已知波前都可以使用已知传播公式被传播到任何其他期望的平面；

图11显示了一个任意波前的作为它的沿着聚焦距离的传播位置的函数的熵图；

图12是独立适用于一个图像或一个波前的不同段的“最佳聚焦”的方法的示意图；

图13说明了本发明的另一个优选方法，使用通过施加立体波前传播方法而获得的最佳聚焦和高度测量；

图14是一个干涉测量装置的示意说明，基于白光和相干光干涉测量的结合使用；

图15示意性地说明了借助一个包含中心环的针对不同波长具有不同透射比的孔径，例如通过使用不同的光谱过滤器，针对不同波长的孔径尺寸如何可以被变更；

图16图解地显示了一个优选方法，实施这个方法减少了在波前中的扰动的影响，例如由光路中的灰尘或缺陷造成的扰动；

图17说明了一个优选装置，用于实现在一个成像系统中光学移动的方法，该成像系统自身的任何元件都没有机械移动；

图18说明了一个使用线光源的相干成像系统，减少了光的空间相干性，以增加横向分辨率；在图18所述描述的配置中，Y方向上的空间相干性被消除；

图19是一个显微结构图像的说明，取自一个具有x50物镜的显微镜，来说明在这样的图像中增加分辨率的方法；

图20显示了图19的图像的放大部分，说明了在该图像中的边缘的细节如何由于显微镜的分辨率的限制而变得模糊了；

图21是一个图表，显示了针对不同散焦等级的跨越了在图20的图像中的结构边缘的照射的截面曲线；及

图22示意性地说明了一个周期性子波长结构的截面，它的细节是要借助本发明的另一个优选实施例来分辨并描述。

具体实施方式

现在参考图6，其图解地说明了本发明的第一优选实施例的元件，使得可以借助椭圆测量法，并使用前述的相位测量方法，对一个多层物体进行检测和测量。该照射光源600被置于光学系统中，安置的方式是：通过一个成像系统，诸如一个显微镜的物镜604，该物体的表面602被一个倾斜的平行光束606以一个相对于该物体表面的法向已知的入射角度所照射。该照射光束608是被从物体表面反射，并且借助一个高数字孔径物镜604，被再次聚焦到最好是一个像素阵列的检测器610中。用这种方法，该反射的光束在该检测器中生成了一个图像，包含有整个大视野的信息。由于在执行测量处的入射角的原因，对于s和p偏振的反射是不同的，并且因此可以借助椭圆测量法确定每像素的厚度。一个偏振元件612被置于该入射光束中，最好是在光源600和物镜604之间，并且一个偏振元件614被置于反射光束中，最好位于物镜604和检测器元件610之间，借助该偏振元件614，使用偏振器和补偿器，来分析在该反射光束内的偏振。该测量每次是在一个相当大的视野上进行的，并且使用成像椭圆测量法可以实现一个更高的空间分辨率。使用这些测量方法，已知入射角度，已知折射率，已知在多层堆叠中的各层标称厚度，及已知算法，那么就可以准确地计算出在物体每像素或每段上的薄膜涂层厚度。可供选择并相反的，使用上述的光谱分析方法，先前已知的在多层堆叠中的各层厚度和已知的算法，可以准确的计算出在物体在每像素或每段上的薄膜的折射率。已知薄膜涂层厚度和折射率，可以通过已知公式计算出由于该物体在每像素或每段上的薄膜涂层的存在而造成的相变。这种相变可以从被反射或透射的光的相位中消除或削减，以正确地获得表面形貌。该照射光可以是包含一个单波长的相干光源，若干相关光源或宽带光源。该反射光可以被进行光谱分析以提供更多的信息，用于计算该薄膜涂层厚度或折射率。

该被从物体反射的波前，对于该两次偏振的每一次，被两次测量。通过以该第二偏振的被测量的复振幅来分度一个偏振的被测量的复振幅，该由于表面形貌造成的相变得到补偿。使用这些测量，已知入射角度，已知折射率，已知在多层堆叠中的各层厚度，并已知算法，可以准确计算该物体的在每像素或每段上的薄膜涂层厚度。可供选择的，使用上述测量，已知在多层堆叠中的各层的准确厚度和已知算法，则可以准确地计算出该物体在每像素或每段上的该薄膜的折射率。已知薄膜涂层厚度和折射率，则可以通过已知公式计算出该物体的在每像素或每段上由于薄膜涂层的存在造成的相变。这种相变可以从被反射或透射的光的相位中消除或削减，以正确地获得表面形貌。该照射光可以是包含一个单波长的相干光源，若干相关光源或宽带光源。该反射光可以被进行光谱分析以提供更多的信息，用于计算该薄膜涂层厚度或折射率。

根据本发明的又一个优选实施例，使用该反射光的光谱信息，结合一个被测量的反射波前相位，以得到在一个多层堆叠中各层的厚度。使用一个宽带光源，借助一个滤光轮或分光计，该来自一个多层物体的反射光被分析。另外，通过使用具有一个或多个波长的相干光源和一个相位测量系统，可以获得该反射波前的相位和振幅。该由相位测量系统获得的相位数据增加附加数据到上述的光谱分析中。结合由相位测量系统获得的相位数据和上述的光谱分析，得到在多层堆叠中的各层厚度。因为可以获得有关的相位数据，也就是不同位置之间的有关的相差，并非绝对相移，所以期望在该视野中有一个位置，在该位置已知该薄膜涂层厚度具有高的准确性。该绝对相移可以通过在这个位置执行的测量而被确定。可供选择的，在该视野中的一个没有透明层的位置，也可以用作为这样的位置，即在该位置已知该厚度具有高准确性。图7显示了一个反射自硅上的多层堆叠二氧化硅的光的三个不同波长的相位和振幅的例子。

注意，图7显示的厚度依赖于3个波长的相位和振幅，也就是说对应于通过3个相干光源的干涉测量进行相位分析的情况。为了得到更多的数据，每个相位提供不同数据，而对这些相同的3个光源，通过分析它们的振幅，进行反射率分析。从该图像上应注意的另一件事是，厚度的相位和振幅测量中的含糊度的类型是不同的—当振幅含糊度是周期性的时候。因此，根据图7，当获得0.6的振幅时，人们不知道是否该厚度是～0nm，～180nm，～350nm等等。在相位测量中的“不确定范围”是厚度范围，也就是说当人们在一个波长中得到一个相位“1”时，400～500nm的厚度都是这个厚度的结果。这两种类型的具有不同不确定或含糊度的数据的结合，实现了几乎没有含糊度地准确定位该厚度。

根据本发明的又一个优选实施例，描述了一种改进算法，用于在存在薄膜的情况下的相位重建和表面形貌测量。薄膜涂层的存在，由于多重反射，在反射或透射的波前中增加了相变。这种相变，在计算反射波前的表面形貌中，造成有误差(也就是偏离了从反射物体生成的波前)。已知薄膜涂层厚度和反射率，通过已知公式可以计算出增加的相变，该增加的相变可以从被反射或透射的光的相位中消除或削减，以正确计算表面形貌。根据本发明的这个优选实施例，在该视野中至少提供了一个锚点，在视野中该薄膜涂层厚度是已知具有高准确性的。在该视野中一个没有薄膜涂层的位置也可以用作为一个锚点。另外，在一个或多个波长上由该物体反射的波前的相位数据或振幅数据或相位与振幅数据的结合也是给定的。这些锚点被用于获得在该视野中的堆叠结构的其他点上或在其他区域内的厚度，而无论这些锚点位于何处。

根据本发明的又一个优选实施例，提供了一种当照射一个由多个层构成的物体时，借助合适的照射条件，减少由于多重反射造成的相变的影响的方法。这如图8所示。根据本发明的第一实施例，包括多层的物体800被一束倾斜的光束802以一个大的入射角度照射。由于该大入射角，该多重反射808的振幅被减小了，并且仅有来自每一层的每一侧的一个反射是主要的。在图8所示的例子中，有一个来自最外层的前表面的反射804，和一个来自最外层的后表面的反射806。因此，可以使用一个反射的简化模型，假设仅有来自每一层的每一侧的反射。相对于使用具有多重反射的完整的椭圆测量模型的相变计算，使用简化的2光束模型的相变计算的偏差减小了。根据另一实施例，该物体被一束倾斜的平行光束以在最外层和紧挨着最外层下面的一层之间的Brewster角(如果有一个的话)照射。在这种情况下，对来自这两层之间的表面的光的p偏振，没有反射，而只有s偏振被从这个表面反射出去。因此，所有的多重反射804，808等等，是s-偏振的。如果一个交叉偏振器被置于反射路径上，则只有p-偏振光被透射和测量，而且因为这种s-偏振只自该第一反射发生，因此这种测量方法可以容易地测量外表面轮廓，没有来自下面各层的干扰。

根据这个实施例的方法，提供了一种算法，用于对存在一个或多个透明层的情况，使用白光干涉测量法进行形貌测量。这个算法包括如下步骤：

A.取得“标准”白光干涉测量法图像强度数据。

B.以与傅立叶光谱学相似的方式，对每像素的强度数据进行傅立叶变换，以获得每像素的光谱反射比。

C.使用现有的“分光光度术”模型，已知的关于每像素上材料的厚度和折射率的数据与上述步骤B所述的计算得出的每像素上的光谱反射比，以获得每像素上各层的准确厚度。

D.使用已知算法和关于每像素上各层材料的厚度和折射率的数据，计算每像素上由于多层堆叠造成的相变。

E.使用通过白光干涉测量法获得的强度数据，通过“最佳聚焦”波包获得物体的轮廓。这些轮廓包括了每像素上由于多层堆叠引起的相变造成的误差。

F.使用计算出的每像素上由于多层堆叠造成的相变(如上述步骤D所述)，校正由该相位造成的相干包络峰值的误差，并获得校正后的表面形貌。

为了增加现有知识以增加高度测量的范围，或以由不同的多层堆叠组成的物体来进行操作，该视野最好被分成不同的段，每段具有不同特性，这样，对每个不同的段，它的不同特性的现有知识是可以被增加的。在先技术已知，一些“白光”方法，仅依据振幅数据进行分割。然而，根据本发明的这个优选实施例，将通过相位测量系统获得的相位和振幅数据以结合方式运用，改进了获得物体的表面分割的处理过程。在一个优选实施例中，获得至少两个波前，其表示在两个不同波长上的一个物体的图像，其中每个波前都具有相位和振幅数据，这些相位和振幅数据被用于进行图像的分割。这个方法可被用于校正通过已知方法从“白光”获得的分割。可供选择并优选的，该数据可以用于区分不同的具有相同反射比和不同相变(并没能被“白光”方法加以区分)的多层堆叠，如图9所示。

在上述波前分析方法中，所述多个不同的空间相变中的每个都被施加于该变换的波前，优选地通过将一个空间上一致的具有一个已知值的相位延迟施加至该变换波前的一个给定空间区域。如上述结合图4的描绘，管理这些不同相变的空间函数被标注为“G”。函数“G”是一个施加在变换波前的每一个空间位置的相变的空间函数。在一个优选实施例中，该空间相变被施加到该变换波前的中心部分，并用作为该变换波前的一个低通滤波器。然而，当该函数“G”的空间维度较大时，它就不能担当真正的低通滤波器了。在这种情况下，重建该成像的波前是很困难的。而且，该函数“G”的空间维度是与使用的波长成比例的，因此对于较短波长不能担当一个低通滤波器。根据本发明的又一个优选方法，实现了一个改进算法。根据该改进算法，实施了一个以具有小空间维度的“假”“G”进行的基本重建。从这个重建后的波前，通过数字低通滤波，获得了一个新的“S”函数，对应于该“真”空间维度，并且计算出α(x)和ψ(x)的校正值。使用这些校正值获得一个被校正的重建。迭代的继续这个处理可以增加重建的准确性。

根据本发明的又一个优选方法，也提供了一种方法，通过波前传播和再聚焦来改进相位和表面形貌测量。因为，正如已知，Maxwell方程有唯一解，当在一个任意平面内的特定解和它所有的边界条件已知时，在任何其他平面内的解可以被绝对地确定。这样，通过上述的波前分析方法，或通过在某个平面内的任何已知的波前恢复(retrieval)方法，在一个任意平面，该辐射复振幅可以被分析或恢复，并可以通过已知公式传播至任何其他期望的平面。现在参考图10，其示例性的描述了一个波前在Z方向上的传播。一个波前，以方框1000的形式，并具有给定的振幅，传播一个距离Z1到达平面P1。在平面P1，该被传播的辐射的复振幅可以由函数A(x，y)e^iφ(x，y)|来描述。在P1中的振幅不再一致。在平面P1中的该辐射的复振幅进一步传播一个距离Z2到平面P2。随着该波前的复振幅的传播，振幅和相位被改变，并且在平面P2获得一个由函数A′(x，y)e^{iφ′(x，y)|}描述的不同的复振幅。如果该波前在一个平面是已知的，那么它可以在任何其他平面内被计算出来。在上述PCT国际公布号WO 03/062743中，描述了一种方法，用于通过软件传播，也就是通过使用基于Maxwell方程的解的算法，获得不同的“聚焦”状态，以计算该波前的物理传播。使用这种方法，如果测量设备没有聚焦于要被测量的物体，该(未聚焦)的测量的复振幅可以被从测量平面传播至任何其他期望的平面，以获得一个对应于聚焦图像的波前。

这样，可以从一系列被传播的波前或一系列图像，通过找到具有所谓“最小熵”的该波前或图像，获得该最佳聚焦平面。一个这种涵义的有用的熵的例子是该波前的复振幅函数的累积“表面面积(surface area)”。优选的，例如可以通过该波前的复振幅函数的积分，来获得该表面面积。另一个可能的熵的例子是单独的该波前的振幅函数的累积表面面积，或该波前的相位函数的累积表面面积。使用已知传播公式，通过一个测量的复波前到不同平面的软件传播，可以获得一系列波前。从一个软件再聚焦或从任何其他光源，诸如从该物体的不同聚焦位置，可以获得一系列像。对于强度图像，熵的一个可能的定义是该图像的强度函数的累积表面面积。现在参考图11，其显示了作为它的沿着焦距的传播位置的函数的一个任意波前的熵图。该在横坐标零点的焦距代表开始平面，在此处该波前被测量。可以看出，随着焦点经由最佳焦点1100的提升，熵也经过了一个定义明确的最小值。该在图右手侧的局部最小值1102，是一个由于进入焦点的光束限制孔径的位置造成的假象。

根据本发明的另一个优选方法，并参考在图12中所示该方法的示例，“最佳聚焦”被独立施加于该图像的，或该波前1200，1202的不同的段。通过使用从一段的“最佳焦点”1204的平面到另一段的“最佳焦点”1206的平面的波前传播，这两段之间的高度差可以被确定作为两个聚焦平面之间的传播距离，如图12所示。另外，一段的熵自身可以用作为一个用于该段的散焦量的测量或初始估计。换句话说，通过测量不同段的熵，人们可以从该熵函数的收敛率的预定了解计算和估计在焦点位置的差，以及不同段之间的高度差。这样，所有的这3个步骤可以被整合入一个高度测量方法中，即：

(i)通过一个测量的波前的波前传播，获得若干复波前和对应的图像，每个复波前对应于一个不同的焦点状态，

(ii)通过对每段施加最小熵算法，确定每段的“最佳焦点”复波前，以及

(iii)通过该对应于第一段的最佳焦点复波前与对应于第二段的最佳焦点复波前之间的“传播距离”，计算任意两段之间的高度差。

应该注意，可以通过传播构建一个像，在其中第一段和第二段都是焦点对准的，即使没有计算各段之间的高度差。

根据本发明的另一个优选方法，最佳聚焦和高度测量可以通过施加立体波前传播来获得。现在参考图13，其显示了一个使用这种方法被观测的物体1300，其中，通过仅使用该波前的角频谱的一部分，根据它被传播的方向该波前被成像，并仅在某个特定的方向上传播。在这个期望的方向上，传播可以借助一个有效孔径光阑1302实现。通过有效的将该孔径光阑1302移动到图13中它的虚线位置，该波前随后借助软件在一个不同方向上被再次传播，以根据它被传播的方向，成像该角频谱的另一部分，如图13中虚线所示。这样，两个在不同方向的不同的波前传播可以被获得。这相似于在立体观测中获得的两个不同的图像。使用这两个不同的波前，以类似于使双眼可以确定深度知觉的方式，可以得到关于该物体的深度或高度数据。

现在提供使用该最佳焦点位置的，根据本发明优选方法的其他应用。为了使用多波长波前确定方法增加表面形貌测量的范围，如同上述，关于在视野中的不同段的高度的先前数据是经常被需要的，以克服成像噪声，其限制了一个多波长测量方案克服2π含糊度的能力。根据本发明，该关于在视野中的不同段的高度的先前数据可以从每段的“最佳聚焦”获得。以一个相似的方式，该用于解2π含糊度干扰的先前数据可以从视野中每段的“最佳焦距”获得。

根据本发明又一个优选实施例，提供了一种装置和方法，用于增加表面形貌测量的范围。在表面形貌测量中，很多情况下都要求在一个大范围上测量高度。由于2π含糊度，用于高度测量的干涉测量法的范围是有限的。一个可以增加高度范围的已知方法是使用若干不同的波长去解决2π含糊度的问题。然而，这个方法是对噪声敏感的。

根据这个方法，在不同段中的不同像素之间的2π含糊度的量级(order)通过结合至少两个相位的波长重建来计算，使用如下算法：

A.在至少一个波长上展开重建波前的相位(其中只在远离阶差的区域才会获得明确的相位测量)。

B.在该视野(下文称FOV)中的每段中选择一个锚点。

C.计算在每段中的多对点的明确的高度差，成为该段的锚点的每对之一，使用该重建波前的相位。该高度差可以被明确地计算，因为在每段中各对点中的每个点是相互靠近的。

D.从该两段中的各对点的含糊度的量级，从各段中的一个，该两段的两个锚点的含糊度的量级可以为每对点重复获得。

E.设定这些对锚点的含糊度的量级的直方图，并选择一个针对该量级的值。这个值可以是最可能值，最接近平均值的值或任何导自含糊度的量级的直方图的统计值。

F.再次使用该被选取的量级值来再次导出具有较高准确度的各点的含糊度量级。

这个方面可以针对不同对锚点重复实施，以提高准确度和对噪声的鲁棒性。

根据另一方法，在FOV中的不同段内的不同像素之间的2π含糊度的量级可以通过结合相位的至少两个波长重建来计算，使用如下第二算法，其在数学上是与前述算法等价的：

A.在至少一个波长上展开重建波前的相位(其中只在远离阶差的区域才会获得明确的相位测量)。

B.对于在FOV中的任意两段，S、T，选择多对点(M_i，N_i)，其中M_i是S的点，N_i是T的点，并且为每对点(M_i，N_i)，结合至少两个波长重建去计算在点M_i的高度和点N_i的高度之间的明确的差。

C.在点N_i增加展开的高度(在步骤A获得)，在点M_i减去展开的高度(在步骤A获得)，获得在点M_i的明确的高度和在点M_i的展开(在步骤A获得)高度之间的高度差Δ_i的含糊度量级。

D.设定差Δ_i的含糊度量级的直方图，并选择针对该量级的一个值。这个值可以是最可能值，最接近平均值的值或任何导自含糊度的量级的直方图的统计值。

根据本发明的进一步的优选方法，在视野中的不同像素之间的该2π含糊度的量级可以通过结合至少两个波前重建来计算，以在两个波长上获得它们的相位，使用如下算法：

A.在视野中选择若干参考点和一个锚点。

B.使用重建波前的相位，计算视野中各像素与参考点之间的含糊度量级。

C.使用计算出的各像素与参考点之间的含糊度量级，反复推导某个像素和该锚点之间的含糊度量级。

D.设定那个像素的含糊度量级的直方图，并选择最大可能的量级。

这个方法可以针对不同锚点而重复使用，以增加准确性。

当使用两个或更多的波长以生成一个物体的表面形貌时，两个或更多单波长重建可以被获得，每个波长一个。总之，使用一个单波长相位函数确定该波前的相位，而结合其他波长相位去解这个波长的相位的2π含糊度。然而，这两个或更多的解出的单波长重建可以被用于以如下方式生成一个改进的重建。在视野中的每个位置，这些解出的单波长重建中只有一个被用于确定该波前的相位，局部的具有最高质量的那一个。因此，对于不同段，根据每段上各波长的数据质量，可以使用不同的单波长重建。在其他波长上的相位，其局部上缺少准确性，被结合寻解更准确的波长的相位的2π含糊度。可供选择的，所有解出的单波长重建的某个平均值可以被使用，其中用于计算这个平均值的权重通过各个单波长重建的质量图而被确定，其可以是针对FOV中的不同位置而不同。

在“白光干涉测量法”中，该条纹图案仅在具有小于该光相干波长的相对于一个参考镜的光路差的若干高度上是可见的。因此，当一个白光光源和一个相干光源一起使用时，该“白光干涉测量法”条纹图案可以用作为一个锚点高度，用于以相干光源解决干涉测量法的含糊度。作为一个例子，在FOV中具有1μm的高度差的两个区域，使用多相干波长，可以被看作1μm差也可以看作4.μm差，但使用白光，可以明确地确定这两个区域是否相差1μm。可供选择的，将白光干涉和相干光干涉测量法一同使用，可以为该干涉测量法提供现有数据。现在参考图14，其是一个基于使用了组合的白光和相干光干涉测量法的干涉测量装置的示意图。该白光1400和相干光1402借助分束器1404，1406引导到达物体1401，被反射的光成像于该CCD 1408。

为波长分析使用宽带照射，由于该宽带光的有限的相干长度，在高度计算上造成了误差。根据本发明的又一个优选实施例，一个使用具有足够低的误差的宽带照射的测量可以被用作为一个数据生成器，并为相干光源干涉测量法提供一个先验的数据。

根据本发明的又一个优选方法，提供了装置和光学元件，用于改进波前重建的反差。在不同的反差方法中，诸如Zemike相位反差和诸如上述的与国际专利申请公布号WO 03/062743描述的方法，成像反差依赖于孔径尺寸和波长，由于通过相位光调制器(PLM)的中央区域和周边区域的光之间的干扰，被相当的光等级确定的反差穿过了这两个区域。这两个区域的能级越接近，图像的反差也就越大。波长越长，则在PLM的平面内的光的空间传播就越大。另外，孔径越小，PLM的平面内的光的空间传播就越大。因此，期望将孔径尺度变换为波长的函数，为了获得每个波长的优化反差。

对不同波长的孔径尺度可以借助孔径来调整，该孔径包括针对不同波长具有不同透射比的同心圆，例如使用不同的光谱过滤器，如图15所示。这样，每个波长或波长范围都以其自身的孔径被提供。这样一个孔径结构可以优化用于不同波长或波长范围的反差，以及根据使用的波长缩放的孔径的空间尺度。

根据本发明的另一个优选实施例，代替使用光谱敏感的过滤器作为系统孔径，它可被置于接近PLM的位置，为了改变PLM周边部分相比于中央部分的的透射比。当这个区域的透射比减小时，反差可以被增强。这可以针对每个波长不同地提高反差。如果这个反差较低，则可以使用PLM空间光谱传输的调整功能来改善这个反差，并且特别是PLM的中央区域与周边区域的相对的光谱传输。

根据本发明的更多的优选方法，提供有一个方法，在光学系统中，在相位控制器之前和之后，增加一个偏振器和一个第二旋转式偏振器，其中该相位控制器由双折射材料构成，以控制和优化以不同的显微镜空间过滤法在图像平面中获得的反差。该相位控制器具有多个不同的空间部件。在各部件上，可以根据施加于各部件的控制信号为这两个光偏振选取不同的光路差。该偏振器的偏振状态和在各部件上的光路差，影响了光的透射比和相位延迟。因此，改变该光路差和旋转第二偏振器可以控制在该相位控制器的各空间部件上的光的透射比和相位延迟。

在一个优选实施例中，该相位控制器具有两个空间部件，并且该双折射材料的光轴与该第一偏振器的轴成45度。如果该第一偏振器的轴平行于X轴，则该相位控制器的各空间部件的透射比τ可表示为：

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{1}{2}[1+\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)\cos \left(2\mathrm{\α}\right)]|---\left(1\right)$

其中

θ_i—由相位控制器生成的在某个空间位置i上的两个偏振之间的相位延迟。

α—旋转式偏振器相对于X轴(第一偏振器的轴)的角度。

在相位控制器各部件上通过该旋转式偏振器后的光的相位延迟由下式给出：

$\tan ({\mathrm{\θ}}_i\′)=\frac{\cos (\mathrm{\α}-45)\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{\cos (\mathrm{\α}-45)\cos \left({\mathrm{\θ}}_i\right)-\sin (\mathrm{\α}-45)}|---\left(2\right)$

相位控制器的两个空间部件之间的相位延迟差是：

Δθ＝θ₁′-θ₂′|            (3)

其中使用该相位延迟差去获得多个不同的用于在波前分析中使用的相变波前。

对于任何要求的透射比τ₁/τ₂，Δθ有四个不同的解，其中也可能需要不同的α值。因此，这四个解可以被用于获得四个不同的图像，这是为提供一个完整的波前确定所要求的，正如在本申请背景部分的描述。相反，如果第二偏振器被保持固定，也就是对于固定的α，由相位延迟调整在PLM的不同空间部件中施加以获得所要求的透射比的相差，则θ有两个解，并因此θ′有四个解，并且因此Δθ至少有四个解。因此，这四个解可以被用于获得为提供一个完整波前确定所要求的四个不同图像，如本申请背景部分中所描述。

根据本发明，对于任何给定的透射比τ₁/τ₂，通过使用一个固定相位控制器，可以在相位控制器的两个部件之间发现四个不同的相位延迟。在一个优选实施例中，该固定相位控制器由双折射材料组成，在它之前具有一个偏振器并且在它之后具有一个旋转式偏振器。该相位控制器的双折射材料的光轴与该第一偏振器成45度。该相位控制器的一个部件用作为一个λ/4波片，其他部件用作为一个λ波片。在这种情况下，该相位控制器的λ/4波片部件的透射比总是0.5。该相位控制器在λ波片部件中的透射比可以通过该第二偏振器的旋转控制，并由下式给出：

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{2}[1+\cos \left(2\mathrm{\α}\right)]|---\left(4\right)$

在该相位控制器的λ波片部件中的相位延迟总是零，但在该相位控制器的λ/4波片部件中的相位延迟由下式给出：

使用公式(5)，可以针对任何给定的透射比τ₁/τ₂在该相位控制器的两个部件之间发现四个不同的相位延迟。

根据本发明的更多优选方法，在一些不同的实施例中，提供了用于通过减小由于物体的相干照射引入的噪声，改进波前重建的图像质量的装置和算法。根据这样的第一实施例，比较或结合在不同平面中的不同的测量的传播波前的相位和振幅分量，可以校正波前测量并减小噪声，因为它们之间的差仅是由噪声而非真正的数据造成的。根据这个方法，通过在一个焦平面上取一个测量值，包括全波前重建，和在图像通过系统硬件被散焦已知量的另一测量值，也包括全波前重建，可以实现噪声减小。通过被施加的散焦的已知数量，该散焦波前随后通过传播软件被重新聚焦，如上述方法的描述，因此生成了一个第二焦点对准的波前，并且借助平均，比较，或任何其他已知成像处理功能的这两个波前的组合可以被用于减少噪声。

根据本发明的又一个实施例，一个有噪声的波前，其中该噪声是由一个在不同平面的本地扰动造成的，诸如由光路中的灰尘或缺陷造成的，被传播到该平面，其中该扰动是本地的，也就是该扰动是焦点对准的。在那个平面内，该扰动可以随后被消除，例如通过邻近区域的内插或均化，或通过任何其他方法。该修改的波前随后被向后传播到最初的平面，或传播到任何其他经定义的平面，以产生一个无扰动波前。相同的方法可以被用于校正图像像差，一该波前可以被传播到一个平面，该像差的源被置于该平面中，并具有一个已知形式，这里该像差被消除，并且该波前向后传播产生一个无像差波前。

现在参考图16，其图解的显示了一个优选方法，实施这个方法减少了在波前中的扰动的影响，例如由光路中的灰尘或缺陷造成的扰动，通过直接计算该扰动源的位置，也就是该扰动是焦点对准的平面，使用该扰动的环形条纹的频率和位置。这个定位知识可以被用于消除该扰动，例如通过在相同位置增加一个虚拟扰动源，其抵消了真实的扰动源。该扰动可以是任何点源扰动或任何其他类型的扰动，诸如由光学组件生成的扰动。图16显示了该扰动源的位置1602，和它的发射波前1606，和造成的条纹图案1604。

可以使用本发明进一步的优选方法，经由在光学成像路径中的任何元件的移动，通过获得要被检查的物体的许多图像，在成像中，尤其是在相干成像中，与在上述的波前分析的结果中，减少噪声。这个移动可以是下面描述的移动中的一个或组合：

I.物体照射光源在全部三个轴上的移动，在该光路上的PLM的对应移动将其维持在该移动光源的图像平面内，因此补偿了光源移动，其中该图像被结合在时域内。

II.使用在光路中来产生多个相变变换波前的PLM的移动。

III.物体沿着Z轴到不同的聚焦和散焦状态的移动。

IV.物体在不同的离轴位置或不同的倾斜和图像配准上的移动。

V.在光路上任何光学组件的移动。

根据这些方法，对于多个图像的移动和均化的补偿被执行，以减少噪声的影响，因为图像信息是附加的，并且噪声是针对各移动位置而空间不同的，并且因此是达到平均的。补偿可以通过这些多个像的配准和这些配准像的均化完成的。可供选择的并优选的，这些移动借助硬件被补偿并均化了该多个图像。可供选择的，这些移动优选地借助软件，诸如波前传播和控制软件被补偿。这些配准，补偿和均化既可以根据图像强度，也可以根据该物体的重建产生的测量结果而进行。

现在参考图17，其显示了一个优选的装置，根据本发明的另一个优选实施例而构建并操作，用于执行改变该光源1702和在该光束撞击其上的PLM上的特定点1722之间的光路，没有成像系统本身的任何元件的机械移动的方法。在光路穿过系统期间，被准直的照射物体的光束以这样一种方式被驾驭，使得它总是撞击在PLM上的相同的点1722。如图17中1704所示，沿着不同的光路，该光束穿过光源和PLM之间的成像系统。该准直的照射物体的光束被驾驭的同时照射物体，在它的返回路径上，它被向后驾驭至一个平行于它的入射路径的路径。在图17中，使用一个旋转光楔1706来产生光束的运动。该光楔最好是围绕平行于照射系统光轴的一个轴1702旋转。光楔1706的旋转造成了输入照射光束1710，它的路径是以虚线显示，产生一个路径，该路径从该旋转光楔在它的输出点1712摆动，描述了一个由于光楔被旋转而循环引导的路径，该自输出点的传播方向循环地依赖于光楔的旋转位置。在图17中，该路径仅显示了旋转光楔的一个位置。在图17中的优选实施例中，该摆动光束被引导入一个屋脊五角棱镜1708控制，并且从这里被反射的光束被进一步在一个分束器1714上朝着系统1704的成像部分反射，并随后到达该PLM1722。该五角棱镜1708，其被用于在X和Y方向上创建一个奇数反射，与在分束器1714中的发射相结合，造成一个偶数反射，因此产生一个回向反射效应，并且该返回的光束总是平行于入射光束。任何以给定角度进入光楔的光束，在经过整个光路后以同样的角度返回。因此，光源和在PLM上的撞击点之间的成像关系是不变的，即使它们之间的光路随着光楔的旋转而经历了空间运动。

根据本发明进一步的优选实施例，提供了一种通过比较或结合一个成像物体的被计算和被测量的傅立叶变换的强度，减少成像系统中的相干噪声，以校正测量并由此减小噪声的方法。一个实现这种方法的优选方式最好包括步骤(i)在一个物体的图像平面执行一个测量，包括物体全波前重建，并计算该波前的傅立叶变换，(ii)通过直接成像傅立叶平面，获得该成像该物体的成像系统的傅立叶平面的实际强度图像，(iii)以在该傅立叶平面获得的实际强度图像，通过图像处理来组合或均化或处理从重建波前获得的经计算的傅立叶变换的强度，同时留下计算出的傅立叶变换的未变的最初相位，以及(iv)使用该相同的相位函数执行一个逆傅立叶变换，以产生一个具有最小噪声的变更的波前重建。

另外，在成像系统中的相干噪声优选地可以通过使用一个诸如宽带光源和相干光源这样的光源组合而被减少。该宽带光源被用于实现一个平滑图像，以定义视野中的不同的段并确定初步计算的段高度在相位含糊度的限制内，尽管该计算的高度由于白光的有限的相干长度而不太准确。这些初步计算的高度用作为由该相干光源获得的相位的初始输入以确定各段的正确高度，使用该相干光源可以被准确地确定。

根据本发明的另一个优选实施例，可以通过使用两个或更多波长来减少在成像系统中的相干噪声，以生成一个物体的表面形貌，并且两个或更多单波长重建可以被获得，每个波长一个。总之，一个单波长相位函数被用于确定该波前的相位，其中其他波长相位函数被组合以求解这个波长的相位的2π含糊度。然而，这些两个或更多的被解出的单波长重建可以被用于以如下方式生成一个改进的重建。在视野中的各个位置，不同的单波长重建被比较，并且当一个或更多的被解出的单波长重建在某个位置给出了一个平滑图案时，其他单波长重建的其他图案以相同方式被平滑。该平滑也可以被更复杂的加权算法影响，诸如借助该平滑的单波长重建的质量图来加权。

根据本发明的另一个优选实施例，可以通过使用由光的两个不同的偏振获得的两个图像的组合或均化来减少一个成像系统中的相干噪声。

一个以空间相关光工作的成像系统可能是有噪声的，因为许多光源引起的条纹，特别是在光路中不同层之间的干扰图案。可以期望减少光的空间相干性以消除这种条纹并增加横向分辨率。然而，为了获得多个相变的变换波前之外的多个强度图，被施加空间相变的波前上的空间相干性是优选的。根据这个优选的方法，一个只在一维具有空间相干性的光源是优选被使用的。其可以通过使用例如一个线光源而不是一个点光源来实现。这个线光源可以被用于从一个被检查物体上反射光，或将光透射通过由一个局部透明的被检查物体。另外，施加在该变换的波前的各空间位置上的相变的空间函数(在上文中标记为“G”)优选的是一个线性函数，在一个具有类线性，相对小的宽度的被拉长的形状的区域中，穿过该变换波前的中央区域，生成一个空间一致的空间相位延迟。这个结合该线光源的线性空间函数，减少运算算法与上述那些算法非常相似。这个线性相位延迟可以例如通过一个在傅立叶平面中的过滤器而被引入，如图18所示。在图18的优选实施例中，该光从一个线光源1800射出，并经过物体1802。该合成的波前通过一个透镜1804聚焦到一个线性相位控制器1806上，优选的是位于透镜1802的焦平面上。一个第二透镜1808被放置，以将该波前成像至该检测器1810。

在上述图18的结构中，Y方向上的空间相干性被消除了。在像平面上，如图18的优选实施例中的照相机表面上获得的，仅针对一维(X)而非对其他维度(Y)，获得该物体和过滤器的傅立叶变换的卷积。因此，这个用于被检测物体的测量所要求的计算，也就是获得被分析的波前的相位和振幅，仅需要在一维上执行，而不是在两个维度上执行。另外，该测量和分析系统对被检查物体在Y轴上的倾斜的敏感性要小的多，无论该测量是通过反射还是通过透射而进行。该被检查物体随后可被旋转以减小在其他维度的倾斜敏感性。应当清楚，线形只是该光源的优选形状的一个例子，而任何非点光源的形状都影响相干性，因此都可以被使用。每当该光的空间相干性在一个维度上依次被破坏时，通过使用两个图像的结合，该被检查物体可以独立的在两个维度上被重建。这两个重建可被结合以重建该物体的2-D图像的第三维。

这两个一维重建优选的可以通过以相同方式旋转光源和傅立叶平面中的相板而获得。可供选择的，这两个一维重建可以通过使用光的两个不同的偏振来获得。每个偏振都具有它自己的1维光源和在傅立叶平面上的一维相板。一个旋转偏振器优选的在一个时间上将强度图发送到照相机。更加优选的，该光源可以包括两个交叉的1维光源(线光源)，每个光源都具有一个不同的偏振。该在傅立叶平面中的相板包括具有一个交叉图案的双折射材料，在该交叉中的一条线仅对一个偏振执行一个合适的相移，而该交叉中的另一条正交线对另一个偏振执行一个合适的相移。一个旋转偏振器优选的在一个时间上将一强度图发送到照相机。

在许多应用中，人们希望测量小的形貌特征，其仅能刚好被一个光学系统分辨，或者甚至是比被该光学系统所能分辨的最小尺寸还要小得多。这种测量所要求的准确性可能需要好于一个通过传统成像已经看不清或甚至看不到这些形貌特征的光学系统的分辨率的几个量级。现在参考图19，描述了由一个具有x50物镜的显微镜获得的集成光学波导结构的一个图像。需要测量0.05μ的准确度，该波导之间的形貌特征或空间的宽度，使用一个具有0.5μ分辨率的光学系统。

现在参考图20，显示了图19的图像的一个放大部分，如图19中该图像的标记区域所指示的，描述了在该图像中边缘的细节如何由于显微镜的有限分辨率而模糊的。当要被测量的目标图像在不同散焦位置被获得的时候，图像的模糊度根据散焦等级而被改变。

现在参考图21，该图表显示了针对不同散焦等级的跨越了在该器件的图像中的该波导的边缘的照射的截面的曲线。可以看出，所有的截面穿过了相同的高度位置，其中被指示的宽度是这些黑线的真实宽度。

根据这个方法，要被测量的目标的几个图像优选的在不同的散焦位置被取得，并且跨越该图像中的不同形貌特征的照射的截面被标出。该边缘和不同形貌特征之间的间距的准确测量可以通过寻找这样点来获得，即在该点上，针对不同的聚焦位置，该照射标绘出在作为横向位置的一个函数的强度的函数中的一个固定点上的全部收敛。该照射光源可以具有任意程度的相干性。当窄线以一个相对于成像传感器的主轴的旋转角度被定位的时候，可以获得确定这些线的真实宽度的较高准确性。这在图19和图20中通过相对于横跨X和Y轴的成像传感器的轴的斜窄线而被标示。

根据本发明的另一个优选实施例，一个被测目标的几个测量值通过使用一个波前分析系统在不同的散焦位置被取得。跨越该图像中的不同形貌特征的边缘的强度或相位或两者的截面被标绘。该边缘和不同形貌特征之间的间距的准确测量可以通过查找这些标绘处的半高点而获得。

现在参考图22，其图解地说明了一个周期性子波长结构的截面，它的细节是要借助本发明的另一个优选实施例来分辨并描述的。根据这个实施例的方法，借助分光镜的椭圆测量法被用于执行这种子波长测量。这种周期性的结构被数学地切分为几个虚拟层。每层都具有不同的平均的光学参数，n和k，由于不同材料包含该切片的百分比不同。图22的优选实施例中，该材料是空气及另一种构成该结构本身的材料。如果该切分的周期子波长结构被认为是一个规则的多层堆叠，那么各切片的平均光学参数n和k可以借助分光镜的椭圆测量法和相关的算法而获得。因此，可以获得在该形貌特征的各切片上的不同材料的不同百分比。这些计算出的百分比可以根据被设计的结构，与该切片上不同材料的期望百分比相比较。与在各切片上不同材料的期望百分比的任何偏离都可以解释为制做的结构与想要的结构的偏离。

可供选择并且优选的，各切片的被测量的平均光学参数，n和k，与所期望的平均光学参数n和k相比较。任何偏离都可以解释为制做的结构与设计结构的偏离。可供选择的，各切片的被测量的平均光学参数，n和k，优选的与存储在许多模拟周期性的子波长结构的库中的关于n和k的数据相比较。任何与被存储数据的偏离都可以解释为制做的形貌特征与模拟的结构的偏离。

根据本发明的另一个优选实施例，该周期子波长结构，借助使用本发明的波前分析系统的分光镜椭圆测量法来测量，如同上述。另外，在这种情况下，在图像波前上的各像素可以被认为对应于一个不同的周期性的子波长结构。上述的借助分光镜的椭圆测量法随后被独立地施加于该图像的各像素。

在半导体集成电路(IC)工业，对较高的电路封装密度的要求越来越高。这种要求已经导致了新材料和工艺的发展，以实现增加的封装密度和亚微米器件尺寸。在这种微小尺寸上制作IC对电路增加了更大的复杂性，并提高了对改进方法的要求，以在生产的不同阶段检查集成电路。一个IC由许多层构建，这些层构成了器件和电路导体。交叠是在平板印刷工艺中生成的各层之间的配准不良，而交叠测量被用于监测平版印刷工艺。

现在描述一些执行改进的交叠测量的优选方法，基于使用相位数据用于薄膜对准和测量的方法的使用。这些方法具有一些潜在的用法和超过现有方法的优势，用于交叠目标的测量。通过将被测波前的复振幅从一个交叠材料的顶表面传播到任何其他期望的平面，按照本发明的方法，可以获得不同层的聚焦图像。这些不同平面的图像通过一个单波前的软件操作而导出，优选的在一个单成像过程和一个短时帧中被获得，并由此免受由于在成像不同层的不同聚焦级上取得的多个图像造成的噪声和机械扰动。在不同层中的不同的图像随后可以被测量，对比或相互对准。

另一个优选的方法被用于增强反差。一些交叠目标是很难使用传统的明视场成像方案来观察的。这些目标包括经过化学机械抛光(CMP)之后的交叠目标，或包含有非常薄的层的目标，诸如只有几个纳米。这种反差增强可以通过本发明的方法来较好的识别这样的目标，因为由于成像层之间的相差造成的低反差可以被增强。而且，该方法使得可以区分非常薄的层一般可以低至小于10nm。

另一个优选方法利用3D信息，其可以提供关于被检查的目标的完整形貌的附加真实信息，以改进数据分析和配准不良的计算。该3D数据可以指出该处理工艺的不对称现象，例如箱(box)的倾斜或箱边缘的不同倾斜。关于一个层的倾斜的信息，在显微镜级，可以被用于步进式反馈或用于控制任何化学/工具处理工艺。如果该倾斜现象是肉眼可见的，那么借助软件的简单倾斜消除就可以改进配准不良计算的准确性和可重复性。

本发明的方法，作为一个相位分析工具，允许具有一个相对大焦深的FOV的高度图的重建，因为一个层，其可能在强度图中是失焦的，可以通过该相位方法被更好地聚焦。这个特征允许以单抓(singlegrap)形式检测几个层，也就是不需要在各自层上连续聚焦。这种多焦点成像被称为“双抓(double grap)”，这种现有技术处理是容易错误的，例如由于机械运动造成的像的对准不良。而且，每个成像步骤所要求的附加时间被避免了，由此提高了产能。

该3D信息甚至可以在小的散焦上被获得。这意味着用于3D测量的有效焦深是大于使用相同光学系统的传统2D系统的焦深。

通过利用已知公式将该重建波前的复振幅从一个平面传播到任何其他期望的平面，一个扩展的3D和对象的表面映射范围被获得，而无需更多的扫描。

不需要将测量装置聚焦到被测目标上。在一个平面上的该被测波前的复振幅可以从测量平面传播到任何其他期望的平面以获得一个聚焦的目标的图像。

通过将被测波前的复振幅从测量平面传播到任何其他期望的平面以获得一个聚焦的目标的图像，这两个平面之间的绝对距离可以被计算出来。

通过将被测波前的复振幅从测量平面传播到任何其他期望的平面以获得一个聚焦图像，一个大焦深的聚焦的目标的图像可以被获得。

根据本发明，一个3D传感器可以被加入到一个现有的2D交叠检查系统。

该加入到现有2D系统中的3D传感器提供了3D信息，该3D信息可以被用于为2D测量寻找一个最佳焦点。

该被用做一个焦点系统的3D传感器也可以处理半透明层，特别是如果有折射率系数和这种绝缘层的标称厚度的现有知识。

该3D信息也可以提供可以预测工具引起的移位(TIS)问题并允许数据分析和因此进行焦点校正的数据。

使用3D信息，结合2D测量，用于在“多数票(majority vote)”的相同思想中的针对通过/失败(或任何0/1)决定的较好的配准不良的更好的分析。

由于3D传感器要求一个单波长(或窄带宽)，因此可以设计一个具有较好的消除色度失真性能的光学系统。

该目标的图像可以根据不同散焦位置获得。通过使用不同聚焦位置在高分辨率下查找线宽，并查找如上述的轮廓的交叉点的方法，每个目标的位置可以较佳的准确性被确定。

上述的方法及实现已经被描述，有时并没有涉及该实现的具体细节或元件。一些扩展本方法和装置的可能的方式，以及一些可能的方法细节和实现该方法的可能的设备元件都描述在PCT No.PCT/IL/01/00335和美国专利No.6,819,435，及PCT申请No.PCT/IL02/00833中。

应当注意，特定的具体实例或具体数字细节的给出，只是打算去解释本发明的一个可能的实现方案，本发明的方法并不受它们的限制。

应当注意，本文件中详述本发明方法和装置的细节和详情，包括这些特征的任何组合，都只是一些可能的系统和本发明方法的实现的示例，本发明的方法并不受它们的限制。

应当知道，出于清楚的目的而被描述在各自的实施例的上下文中的本发明的不同特征，也可以被组合提供在一个单一的实施例中。相反的，出于清楚的目的而被描述在各自的实施例的上下文中的本发明的不同特征，也可以被单独提供或以任何合适的部分组合形式提供。

Claims (21)

1、一种用于获得物体的聚焦图像的方法，包括步骤：

照射所述物体；

在一个任意平面内，获得从所述物体发出的所述照射的波前的振幅和相位信息，在该任意平面上所述波前不是必须生成一个聚焦图像；

借助所述波前的传播属性的数学解答，计算所述波前的向下传播路径上的一系列另外的平面上的波前的形态；及

确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有聚焦图像的形态。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有聚焦图像的形态的步骤包括：

在每个所述另外的平面上，计算该波前的至少一个光学特性的复值函数的熵，其中所述熵从该波前的所述复值函数的累积表面面积的测量被确定；及

确定所述熵是最小的传播步骤。

3、如权利要求2所述的方法，其中该波前的所述复值函数是一个复振幅函数，一个复相位函数，和一个复振幅及相位函数中的至少一个。

4、如权利要求1所述的方法，其中

所述物体具有第一段和第二段，在所述第一段和第二段之间具有高度差；

确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第一段的一个聚焦图像的形态；

确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第二段的一个聚焦图像的形态；

所述方法还包括下述步骤：

通过减去所述波前具有所述第二段的一个聚焦图像的形态的所述另外的平面与所述波前具有所述第一段的一个聚焦图像的形态的所述另外的平面之间的距离，获得所述高度差。

5、如权利要求4所述的方法，其中确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第一段的一个聚焦图像的形态及确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第二段的一个聚焦图像的形态的步骤单独地施加于每段。

6、如权利要求5所述的方法，其中确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第一段的一个聚焦图像的形态及确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述第二段的一个聚焦图像的形态的步骤通过对每段施加最小熵算法而完成。

7、如权利要求6所述的方法，其中对每段施加最小熵算法包括对每段计算该波前的复值函数模的累积表面面积。

8、如权利要求4所述的方法，其中使用所述两段之间的所述的高度差作为估计的高度差，以减少在其他测量方法中出现的相位含糊度。

9、如权利要求8所述的方法，其中其他的测量方法包括多波长波前确定方法。

10、如权利要求1所述的方法，其中

在所述任意平面上所述波前生成散焦图像，以及

在所述确定步骤期间，在所述另外的平面中的一个平面中获得聚焦振幅和相位波前信息，所述平面与所述任意平面相距重新聚焦距离，所述方法还包括下述步骤：

利用所述重新聚焦距离来重新聚集所述散焦图像；

在与所述任意平面相距重新聚焦距离的所述平面内，获得从所述物体发出的照射的所述波前的重新聚焦的振幅和相位信息；以及

组合所述重新聚焦的振幅和相位波形信息与所述聚焦的振幅和相位波形信息，以减少在所述成像物体中的相干噪声。

11、如权利要求10所述的方法，其中所述组合步骤通过平均，比较，和图像处理中的至少一个来执行。

12、如权利要求1所述的方法，其中

所述任意平面上的所述波前呈现出由位于第二平面上的扰动所产生的噪声；

确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前使得包含所述扰动的图像被优化聚焦；

所述方法还包括下述步骤：

在所述优化聚焦的位置变更所述波前，以至所述扰动被消除；及

使用所述变更的波前，借助所述波前的传播属性的数学解答，计算在所述任意平面上的新的振幅和相位波形信息，利用所述新的振幅和相位波形信息可以获得没有所述局部扰动引起的噪声的图像。

13、如权利要求12所述的方法，其中所述扰动表现为不在焦点上的灰尘微粒引起的同心条纹。

14、如权利要求12所述的方法，其中所述扰动通过图像处理被消除。

15、如权利要求12所述的方法，其中所述扰动由所述波前的传播路径上的灰尘或缺陷所造成。

16、如权利要求1所述的方法，其中所述任意平面上的所述波前在包含所述物体的光学系统中呈现像差，所述方法还包括步骤：

确定在所述另外的平面中的哪个平面上所述波前具有所述像差源被定位的形态；

在所述像差源的位置上变更所述波前，以至所述像差被消除；及

使用所述被变更的波前，借助所述波前的传播属性的数学解答，计算在另一个平面上的新的振幅和相位波形信息，利用所述新的振幅和相位波形信息可以获得没有像差的图像。

17、如权利要求1所述的方法，其中

所述物体是具有第一层和第二层的多层结构；

所述获得任意平面中的波前的振幅和相位信息的步骤包括获得表示在所述第一层内的一个平面的图像的第一复波前图的振幅和相位信息；以及

所述借助所述波前的传播属性的数学解答，计算所述一序列另外的平面上的波前的形态的步骤包括计算表示在所述第二层内的一个平面的图像的第二复波前图的振幅和相位信息；及

所述方法还包括下述步骤：比较所述第一和第二复波前图以提供关于所述第一和第二层的交叠的信息。

18、如权利要求17所述的方法，其中关于所述第一和第二层的交叠的信息在单个成像处理中提供，无需成像系统重新聚焦。

19、如权利要求17所述的方法，其中相比于没有使用相位信息的成像方法，使用所述振幅和相位信息实现了增大的反差测量。

20、如权利要求17所述的方法，其中使用所述振幅和相位信息可以获得关于所述多层结构的三维信息，从而相比于没有使用相位信息的成像方法，改进了配准不良的测量。

21、如权利要求17所述的方法，其中相比于没有使用相位信息的成像方法，使用相位信息实现了增大的焦深测量，从而在单个成像处理中能够成像多个层。

Images