CN102089616A - 干涉缺陷检测和分类 - Google Patents

Abstract

描述了将共同-光路干涉成像用于缺陷检测和分类的系统和方法。照射源产生相干光，并且把相干光引向样品。光学成像系统收集从样品反射或透射的光，其中包括散射分量和镜面反射分量，镜面反射分量明显未因样品发生衍射。使用可变相位系统来调节散射分量和镜面反射分量的相对相位，为的是改变它们在像平面处发生干涉的方式。所产生的信号与样品上同一位置的基准信号进行比较，并且若差异在阈值之上就被视为是缺陷。重复该过程多次，且每一次用不同的相对相位偏移，并且把每个缺陷位置和差异信号存储在存储器中。使用这种数据来计算每个缺陷的振幅和相位。

Description

干涉缺陷检测和分类

有关申请的交叉参考

本申请要求2008年8月12日提交的美国专利申请12/190,144号、2008年6月3日提交的美国临时专利申请61/130,729号、2008年7月22日提交的美国临时专利申请61/135,616号、2008年8月20日提交的美国临时专利申请61/189,508号、2008年8月20日提交的美国临时专利申请61/189,509号、2008年8月20日提交的美国临时专利申请61/189,510号、以及2009年3月19日提交的美国临时专利申请61/210,513号的权益，这里引用其中每一个专利申请作为参考。

技术领域

本专利说明书涉及共同-光路干涉。更具体地，本专利说明书涉及高分辨率共同-光路干涉成像，用于对诸如半导体器件和集成电路之类的微型光刻器件中的缺陷以及光刻中间掩模中的缺陷进行检测和分类。

背景技术

光学缺陷检测技术已经成为限制我们制造越来越小的晶体管的关键技术之一。至今，它已经提供了像电子束显微镜之类的其它技术不能提供的高性能和高生产率。然而，随着IC(集成电路)芯片中使用的几何形状继续减小，可靠地检测缺陷变得更困难。未来各代的IC芯片的设计尺度是如此地小，以致存在这样的实际可能性，即，当前的光学缺陷检测技术中没有一种是好用的。因此，为了使光学检验技术的寿命延长到未来各代的装置，需要对光学缺陷检测技术进行很大地革新。

当今使用的光学缺陷检测系统包括明场系统和暗场系统。与明场系统不同，暗场系统试图排除来自图像的未散射的照射光束。然而，当前的暗场和明场缺陷检测系统存在限制，这导致难以可靠地检测缺陷，特别当设计尺度逐渐地减小时。已经有人提出了分离光路干涉技术，根据该技术，使用分束器产生两个光束，即探测光束和参考光束，并且通过不同的光路或子系统将它们引入到图像传感器。例如，在美国专利7,061,625、7,095,507、7,209,239和7,259,869号中讨论了为缺陷检测设计的分离光路系统，这里引用在本专利说明书中标明的这些和其它专利以及在本专利说明书中标明的非专利参考物作为参考。为高分辨率表面分布设计的另一个分离光路系统是林尼克干涉仪(见M.Francon的“Optical Interferometry”，Academic Press，纽约和伦敦，1996，289页)。在原理上，这些分离光路干涉系统能够放大缺陷信号或测量缺陷信号的振幅和相位两者。然而，这些系统不但复杂和昂贵，而且还存在严重的缺点：光子噪声和样品图案噪声可能是过大的，并且它们还是不稳定的，由于探测光束和参考光束采用两个不同的光路。像地板振动、声干扰、温度梯度等小的环境扰动可以容易地使系统不稳定。结果，难以在工业环境中使用这类分离光路干涉系统。

设计传统的相位差显微镜以对镜面分量提供固定的相位控制量，通常是π/2或-π/2。这些系统通常使用扩展的光源，诸如弧光灯或卤素灯。虽然它们一般适用于观察生物样品，但是传统相位差显微镜通常不能很好地适用于检测存在于半导体晶片和/或中间掩模中的各种各样的缺陷。

美国专利7,295,303号讨论与不适合于检测存在于半导体晶片和/或中间掩模中的各种各样的缺陷的相位差显微镜相似的一些方法。

美国专利7,365,858号和美国专利申请公开2005/0105097 A1号讨论了一种系统，该系统用于使生物样品成像。讨论了两种工作模式，“相位模式”和“振幅模式”。所讨论的振幅模式的目标是得到强反差原始图像。在相位模式中，所讨论的技术试图仅获取相位信息。这些讨论提到液晶空间光调制，这种液晶空间光调制是通过使用易于有照射功率损耗的分束器和附加的透镜组而在光瞳共轭光瞳中执行的。

美国专利6,674,522号和美国专利申请公开2008/0226157 A1号讨论了用于光刻掩模的缺陷检测系统和方法。他们利用散焦和Zernike点扩展函数来检测缺陷。他们的方法不但是复杂且需要大量的计算资源，并且还不适用于小的缺陷的检测。

发明内容

提供了共同-光路干涉成像系统和方法。根据一些实施例，提供了用于对样品中的缺陷进行检测和分类的共同-光路干涉成像系统。该系统包括：照射源，用于产生引向样品的光，该光包括短如EUV(13.5纳米)的波长以及在远红外范围中的长如10微米的波长；光学成像系统，用于收集来自样品的一部分光，包括主要由样品散射的散射光分量以及明显未衍射的、或通过样品镜面反射或透射的镜面反射光分量；可变相位控制系统，用于调节散射分量和镜面反射分量的相对相位；以及检测系统，用于测量经组合的散射分量和镜面反射分量的强度；以及处理系统，用于从检测系统的输出确定样品上的点是否有可能包括缺陷。

正确的定位系统允许通过计算机正确地引用来自样品上每个点的强度信号并且与该点的基准信号进行比较。如果差异超过预定的正和负的阈值，则记录样品上的这个位置，并且作为可能的缺陷位置与对应于该位置的样品和基准信号电平一起进行显示。

在一些情况下，使用给定的相位偏移设置时，有可能会遗漏某一个缺陷，所以可以用不同的相位偏移设置来重复这个过程。具有不同相位偏移的第二扫描极可能检测到在第一扫描期间遗漏的任何缺陷，但是两次扫描没有提供确定该缺陷的特性所需要的附加信息。然而，具有第三相位偏移的第三扫描确实提供了足够的数据，以确定该缺陷的相位和振幅两个特性，并且该数据以及它们相对于电路元件的位置可用于把相同缺陷分组到一起并确定如果留下缺陷不进行校正可能对产量造成的影响。

可以通过计算机，从假定不存在缺陷时预期在样品上的图案图像，来产生与来自样品的信号进行比较的基准信号。如果可得到该图案的多个拷贝，并且已知某些是无缺陷的，或已知缺陷是随机分布的，则可以通过相似的共同-光路干涉成像系统，使用相同的相位偏移和波长，对相同晶片上一个或多个相邻管芯上的相应位置或相似晶片上一个或多个管芯上的相应位置进行扫描，来产生基准信号。

附图说明

通过参考下面的详细说明连同附图，将容易地理解本发明的工作主体，其中：

图1示出根据一些实施例的干涉缺陷检测系统的例子；

图2a和2b示出根据一些实施例的相位控制器和衰减器的例子；

图3示出根据一些实施例的干涉缺陷检测系统的例子；

图4a和4b示出根据一些实施例的改变光路长度的例子；

图5示出根据一些实施例的用于改变光路长度的可移动镜子的例子；

图6示出根据一些实施例的使用可移动镜子相位控制器的干涉缺陷检测系统的例子；

图7a-7c示出根据一些实施例的与干涉缺陷检测系统一起使用的具有傅里叶滤波带的补偿板的例子；

图8示出根据一些实施例的放置用于照射光的折叠棱镜的例子；

图9示出根据一些实施例的与偏振旋转器组合的相位控制器的例子；

图10示出根据一些实施例的偏振控制器的例子；

图11示出根据一些实施例的使用偏振的连续可变衰减器的例子；

图12示出使用图11中所示的衰减器类型的系统的实施例子；

图13a-13c示出根据一些实施例的在光瞳或孔径光阑附近的系统的进一步的细节；

图14示出根据一些实施例的具有λ/2和λ/4板两者的衰减器的例子；

图15示出根据一些实施例的具有大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图16示出根据一些实施例的具有大入射角照射和可变衰减器的干涉缺陷检测系统的例子；

图17示出根据一些实施例的具有低眩光大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图18示出根据一些实施例的具有低眩光大入射角照射和可变衰减器的干涉缺陷检测系统的例子；

图19示出根据一些实施例的具有方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图20示出根据一些实施例的具有带可变衰减器的方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图21示出根据一些实施例的具有方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图22示出根据一些实施例的具有带用于镜面反射分量的可变衰减器的方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图23示出根据一些实施例的具有通过透射样品的照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图24示出根据一些实施例的结合反射和透射模式两者的样品检查系统的例子；

图25到27示出根据一些实施例的在顺序多波长模式中操作检测系统时使用的各种波片的例子；

图28示出根据一些实施例的用于两个波长的示例性系统配置；

图29示出根据一些实施例的具有带扩展光源的低入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图30示出根据一些实施例的具有带扩展光源的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图31示出根据一些实施例的具有带扩展光源和在散射光光路中的相位控制的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子；

图32a和32b示出这里用于数值模拟的缺陷的形状；

图33到35b是曲线图，示出数值模拟的结果；

图36示出通过衰减镜面反射分量强度96％的40纳米缺陷的图像的模拟增强反差的曲线图；

图37示出通过衰减镜面反射分量强度99％的20纳米缺陷的图像的模拟增强反差的曲线图；

图38示出作为例子的20纳米缺陷的模拟信号强度和相位的曲线图；

图39示出从20纳米粒子到20纳米孔洞的缺陷信号的模拟相位的曲线图；

图40示出缺陷信号分量的空间频率带宽的曲线图；

图41示出用于减少样品扫描数的系统配置的例子；

图42a到42c对于不同缺陷大小和样品反射，对干涉项的量值与暗场项的量值进行比较；

图43a和43b示出反射折射成像系统的设计例子；

图44a到44f示出相干均匀照射器设计；

图45a到45f示出自动对焦系统设计；以及

图46a到46e示出锯齿形光光阑及其性能。

具体实施方式

下面提供本发明主体内容的详细说明。在描述了数个实施例的同时，应该理解，本发明工作主体不局限于任何一个实施例，而是包括许多的改型、修改和等效物以及不同实施例中一些特征的组合。此外，在下面说明书中阐明许多特定细节以便提供对本发明工作主体的透彻理解的同时，可以实现一些实施例而无需这些细节中的某一些或全部。此外，为了清楚起见，没有详细地说明有关技术领域中已知的某些技术材料以避免不必要地使本发明工作主体模糊不清。这里互换地使用词“中间掩模”和“掩模”，这涉及有图案的物体，使用该有图案的物体作为主体来创建其它有图案的物体。

可以描述光场具有复数振幅。可以在笛卡尔坐标系统或极坐标系统中方便地表示复数振幅。在笛卡尔坐标系统中通过实数部分和虚数部分来表示，而在极坐标系统中通过振幅和相位来表示。因此，这里所使用的三个短语“复数振幅”、“实数部分和虚数部分”以及“振幅和相位”是相互等效的，可以等效地处理这三个术语，并且可以彼此互换。

同样，使用词“光”作为具有相对宽范围的可能波长的电磁辐射的缩写，如下所述。此外，实际上，反射的镜面反射分量是“基本上镜面的”，意味着它不但包括镜面反射光，而且还包括相对少量的散射光。

I.缺陷信号公式：

从第一原理开始，当具有窄时间频率带宽的光线击中诸如晶片之类的样品时，晶片中的电路图案和缺陷两者吸收或镜面反射(或未衍射)了大部分的光，并且一小部分光被散射(或衍射)。可以使光线分解成数个电场分量。定义光线的每个电场分量如下。

镜面反射分量的复数振幅，其中

是镜面反射分量的相位，可以将该相位设置为零而不丢失信号公式的通用性，

通过电路图案(电路图案的偏振与b的偏振相同)散射的一部分光线的复数振幅，以及其中

是相对于b的相位的a的相位，a_x和a_y是分别为当实数轴的取向为b方向时的a的实数分量和虚数分量，

通过缺陷(其偏振与b的偏振相同)散射的一部分光线的复数振幅，也称之为信号，其中

是相对于b的相位的s的相位，而s_x和s_y分别是当实数轴的取向为b的方向时的实数分量和虚数分量，

通过电路图案(其偏振与b的偏振正交)而散射的一部分光线的复数振幅，

通过缺陷(其偏振与b的偏振相同)而散射的一部分光线的复数振幅，以及

存在的任何杂散光的复数振幅。杂散光是不希望有的非图像-形成的光，是来自透镜表面和机械部件的不希望有的反射所产生的。

图像传感器检测到的光强度可以表示如下。注意，在成像时，可以像具有相同强度的单个时间频率的光那样处理窄时间频率带宽的光。这不但在直觉上是正确的，而且也可以容易地通过数学证明。

在像平面处通过检测器元件检测到的光强度是用于镜面反射的、散射的和杂散光分量的电场振幅的平方和，给出如下：

$I\≡{|b+a+s|}^2+{|q_a+q_s|}^2+{\left|g\right|}^2---\left(1\right)$

$={\left|b\right|}^2+{|a+s|}^2+{|q_a+q_s|}^2+{\left|g\right|}^2+({\mathrm{ba}}^{*}+b^{*}a)+({\mathrm{bs}}^{*}+b^{*}s)---\left(1a\right)$

$I\≡{|b+a+s|}^2+{|q_a+q_s|}^2+{\left|g\right|}^2---\left(1\right)$

$={\left|b\right|}^2+{|a+s|}^2+{|q_a+q_s|}^2+{\left|g\right|}^2+({\mathrm{ba}}^{*}+b^{*}a)+({\mathrm{bs}}^{*}+b^{*}s)---\left(1a\right)$

$={\left|b\right|}^2+{|a+s|}^2+{|q_a+q_s|}^2+{\left|g\right|}^2+2\left|b\right|(a_x+s_x)---\left(1c\right)$

其中b^*、a^*和s^*分别是b、a和s的复数共轭。

在公式(1a)中分离出镜面反射分量b，因为可以从在光瞳平面处的其它图像强度分量中物理地分离出它。注意，所有的复数振幅都是样品上的位置的函数。此外，只有不同分量之间的相对相位是重要的。因此，镜面反射分量的绝对相位

不起任何作用，并且可以设置为零而不会丢失通用性。还要注意，如果把设置为零，则镜面反射分量的复数振幅定义了这里使用的复数平面坐标系统的实数轴的方向。

假定相对于镜面反射分量的杂散光的光路长度差大于照射光的相干长度。因此在公式(1)中，不相干地加上杂散光，无需考虑其相对相位。

公式(1c)表示图像不但包括缺陷信号s，而且还包括许多其它不希望有的分量。为了找到缺陷，需要尽最大可能地除去与缺陷信号不同的分量。例如，这通常是通过从当前管芯的图像到相邻管芯的图像的管芯-到-管芯减法来完成的。注意，通常，至少两次管芯-到-管芯减法，例如，需要[(当前管芯图像)-(左管芯图像)]和[(当前管芯图像)-(右管芯图像)]，以便正确地识别缺陷信号。在两次相减图像中出现的缺陷属于当前管芯。仅在两次相减图像中的一次出现的缺陷属于相邻管芯。因此，通过比较两次相减图像，我们可以不含糊地说出哪个缺陷属于哪个管芯。对于存储区域检查，执行单元-到-单元图像减法而不是管芯-到-管芯图像减法，以便使来自晶片图案的噪声最小。这个方法操作起来是有效的，因为在两个不同管芯的同一位置出现缺陷的机会是小到可以忽略的。管芯-到-管芯减法之后的图像强度差可以表示如下。

$\mathrm{\ΔI}\≡I-I(s=q_s=0)---\left(2\right)$

$={|a+s|}^2-{\left|a\right|}^2+{|q_a+q_s|}^2-{\left|q_a\right|}^2+{\mathrm{bs}}^{*}+b^{*}s---\left(2a\right)$

$={|a+s|}^2-{\left|a\right|}^2+{|q_a+q_s|}^2-{\left|q_a\right|}^2+2\left|b\right|s_x---\left(2b\right)$

公式(2c)是一般缺陷信号公式。注意，这里缺陷的定义不但包括感兴趣的缺陷，而且还包括兴趣很小的或不感兴趣的缺陷。兴趣很小的缺陷的较佳例子是样品图案噪声。样品图案噪声实际上不是噪声，而是如这里所使用的术语所述的缺陷。即，s，缺陷信号包括样品图案噪声以及感兴趣的缺陷信号。在后面段落中将详细讨论样品图案噪声。公式(2c)示出存在或不存在缺陷的两个信号的比较是不同信号分量的大杂烩。前四项构成暗场信号，因为即使滤除了镜面反射分量它们也是存在的(这里，有时称它们为“暗场项”)。暗场系统检测这部分信号。注意，原始暗场信号(公式(1b)中的最初四项)始终是正的。但是，这不是感兴趣的部分。而是，差异信号，公式(2c)，是用来寻找缺陷的。缺陷信号的暗场部分，即，公式(2c)中的最初四项，是正项和负项两者的组合，其量值不但取决于缺陷图案，而且还取决于围绕缺陷的电路图案。因此，缺陷信号的暗场部分可以是正的、负的或零，这取决于围绕缺陷的电路图案。这意味着暗场系统不能够以一致的方式来检测缺陷。

此外，当缺陷的大小比波长小得多时，暗场信号的量值变成如此地小，以致很容易淹没在噪声中。信号公式中的最末项是干涉项(这里，有时称它为“干涉部分”)。即，最末项从缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的干涉开始。干涉项的符号和量值不但取决于镜面反射分量的强度，而且还取决于缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的相对相位。如果缺陷信号和镜面反射分量之间的相位差是±90°，则不能检测到缺陷信号。

当前明场系统同时检测暗场和干涉项两者而无需控制缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的相对相位。既然是这样，不但缺陷信号较低，而且暗场项和干涉项也可以根据缺陷本身和周围电路图案的性质而相互加强或抵消。这意味着当前明场系统也不能提供一致的缺陷检测性能。

因此，当前的暗场系统和明场系统两者是严重地不足的。更多信号分析示出明场系统可能致命地看不到一些类型的缺陷。这将在下面描述高灵敏度模式的段落中示出。

至少在理论上联系信号公式(2c)可以描述这里描述的解决方案，但是应该理解，理论说明可能属于理想情况，不应该限制本专利说明书中揭示的实施例的操作的各个实际方面。信号公式示出，控制缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的相对相位对于一致的性能的重要性。通过控制相对相位，可以控制干涉项的符号和量值两者。例如，如果我们设置相对相位为零，则干涉项的量值达到正的最大值。如果我们设置相对相位为180°，则干涉项的量值达到最小值(或负的最大值)。因此，可以用控制镜面反射和散射分量之间的相对相位来使干涉项的量值最大化，并且也可以用来改变其符号。应该理解，在本专利说明书中最大化的引用是指较佳地但是非必要地使参数增加到其实际最大值，而最小化的引用是指较佳地但是非必要地使参数减小到其实际最小值。

由于通过改变相对相位偏移来改变符号的能力，经常有可能使干涉项和暗场项的符号匹配。当干涉和暗场项的符号相同时，它们相互提高。通过控制缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的相对相位使缺陷信号最大化导致一致性的系统。公式(2c)揭示的另一个重要特征是存在如下的可能性：即，通过对样品扫描多次，并且用不同的相对相位来进行每次样品扫描，从而确定干涉项的振幅和相位两者。

干涉项的振幅和相位两者的确定不但促进了高的缺陷检测灵敏度，而且还可进行更正确的缺陷分类。例如，可以从振幅信息估计缺陷大小，并且可以从相位信息确定缺陷类型。注意，缺陷的光信号幅度并不直接提供缺陷的物理大小。而是，它只提供缺陷的“光学”大小。物理大小和光学大小之间的关系是复杂的，使之难以仅从光信号幅度来估计缺陷的物理大小。然而，我们可以通过实验或模拟来建立物理大小平和光学大小之间的一般相关。然后，可以从相关近似地估计缺陷的物理大小。如果另外使用其它数据(诸如可能的缺陷成分数据、中间掩模图案数据等)，则缺陷的更正确的特征也是可能得到的。

更准确的缺陷特征允许更准确地判定它们是否可能需要进行修复。将在后面的捕捉-所有模式(Catch-all Mode)的段落中探究这种可能性。正确的缺陷分类通常像可靠的缺陷检测一样重要，因为这会节省半导体制造中更费时的过程之一的缺陷评审过程的时间。

控制镜面反射分量的相位或散射分量的相位可以控制相对相位。然而，通常控制镜面反射分量的相位较容易，因为镜面反射分量的光学扩展量比散射分量的光学扩展量要小得多。散射分量和镜面反射分量之间的相对相位的控制是这里揭示的干涉缺陷检测和分类技术的关键特征之一。在下面的段落中将用例子来展示其重要性。

信号公式揭示了另一个重要的事实：干涉项

实际上是通过镜面反射分量b放大的缺陷信号。即，即使原始缺陷信号较小，也可以通过镜面反射分量放大很大量，因为镜面反射分量通常是很强的。此外，这个放大过程的结果是成为无噪声。例如，见Philip.C.D.Hobbs的“Building Electro-Optical Systems；Making it all work，”John Wiley & Sons，Inc.，2000，30-32页和123页，这里结合其作为参考。这个信号放大过程是如此的理想以致它没有降低信噪比而是维持了信噪比。把这类放大称为“无噪声参数放大”，其中|b|是放大参数。无噪声放大的基本理论说明如下。干涉项和光子噪声两者的量值与|b|成正比。因此，信噪比值，即，两个量之间的比值，与|b|无关。干涉项中的因子“2”来自如此的事实，即，实际上有相互相干地工作的两个信号放大器。由bs^*表示一个放大器，并且由b*s表示另一个放大器。它们相互相干，但是根据缺陷信号和镜面反射分量之间的相对相位，它们相互之间是相长性的或非相长性的。

为了使缺陷信号的放大最大化，需要通过控制缺陷信号和镜面反射分量之间的相对相位而使两个放大器配置成以相互相长的方式工作。当把相对相位设置成0°或180°时，相互相长变成最大。当相对相位是±90°时，发生完全的相互非相长。在噪声的情况中，发生的情况是不同的。我们可以从公式(1b)看到，只存在公式中通过|b|²表示的一个噪声放大器，并且是光子噪声的主源。这意味着镜面反射分量可以使信号放大成信号-噪声的两倍。

结果，如果图像传感器的动态范围足够大的话，则镜面反射分量可以使信号的信噪比增加到信号本身固有的固有信噪比的两倍。要为因子“2”付出的代价是：必须控制散射分量和镜面反射分量之间的相对相位以便使放大最大化。因此，增加信噪比需要相位控制。相位控制需要关于相对相位的知识，以便把更多信息添加到信号中。因此，增加信噪比并不侵犯信息转换的定律。

固有信噪比是信号和信号-噪声(包含在信号本身中的噪声)之间的比值。也把信号-噪声称为固有噪声。检测器的动态范围是检测器的最大信号范围和最小可检测信号(通常假定为检测器的噪声电平)之间的比值。通常定义动态范围为检测器可以提供的灰度级的总数，即，最大信号范围除以噪声电平。

没有电子放大(甚至包括最清洁的电子放大，诸如光电倍增管内部的倍增电极)可以增加信噪比。它们只会减小信噪比。从可以实际增加信噪比方面来说，通过镜面反射分量的无噪声放大是特殊的。这是当前已知的最佳放大器。对于诸如来自小缺陷的信号这样的弱信号来说，这是最合适的放大器，并且在性能方面击败了所有的电子放大器。

这里揭示的系统和方法充分利用通过镜面反射分量的无噪声放大的功率，以便可靠地检测缺陷。这里的干涉检测是零差法检测的一个版本，在零差法检测中，两个干涉光束具有相同的时间频率。

注意，镜面反射分量是双刃剑。如果通过确当地控制其相位作为放大器来利用它，则可以大大地得益。然而，如果不利用它，它并不处于中立状态而变成有害的，它可以是光子噪声的主要源头。这附加的噪声表示，在某些情况中，明场检查系统甚至可能工作得比暗场检查系统更差。这是现有明场系统不一致地工作的原因之一。这里描述的主要思想之一是以最有益的方式来利用镜面反射分量。

在下面表格中示出的例子展示了无噪声放大器的功率。选择了一些例子来表示将来高端缺陷检测的真实世界。在这些例子中，镜面反射分量和散射分量之间的相对相位设置为0°或180°，以便使无噪声放大最大化。考虑在典型的高端图像传感器(诸如科学级的CCD、TDI CCD(时间延迟和积分CCD)等)的信号像素中的缺陷信号电平。假设要添加的和与信号电平无关的检测器噪声。以光产生的电子而不是以光束中的光子为单位来表示光强度，因为我们最终关心的是在检测器中产生的电子的数量。

在第一表中示出的例子中，缺陷信号与检测器噪声相比是极弱的，但是与其固有噪声相比仍是十分强的。第一表下面示出传统缺陷检测系统不可检测的弱缺陷信号如何通过由强镜面反射分量和大图像传感器动态范围提供的大的、无噪声放大而变成可容易地检测到的信号。在该例子中，通过无噪声放大过程使信噪比从0.25增加到12.0。

下面第二表格显示出来自微小缺陷的极微弱信号如何通过由强镜面反射分量和图像传感器的大动态范围提供的很大的无噪声放大而变成可检测的信号。注意，既然是这样，信号甚至比其固有噪声还要弱。然而，通过无噪声放大过程使信噪比从0.005增加到相当大的1.69。示出了甚至单个光子信号也可以相对可靠检测的可能性。

在两种情况中，放大信号的信噪比大于信号本身的固有信噪比。这是这里揭示的技术的惊人力量之一，根据发明人的知识，这是以前未曾理解或期望过的。由于有限的信号放大，信噪比仍小于固有信噪比两倍。这些表格向我们示出，将来在检测小的或极小的缺陷方面，通过镜面反射分量的信号的无噪声放大的重要性。无噪声放大允许我们甚至用噪声图像传感器也可以可靠地检测极弱的缺陷信号，只要信号的固有信噪比是相当高的。不能期望在没有缺陷信号的无噪声放大的情况下检测出如此小的缺陷。

在真实世界中，特别在诸如高吞吐量缺陷检测的高速应用中，如果缺陷信号像第二表中所示的示例信号那么弱，则即使具有大的信号无噪声放大量也可能不容易找到缺陷。注意，在高速应用中，读出噪声经常变成主要的噪声分量。然而，保持了这里揭示的系统和方法超过诸如明场或暗场技术的现有技术的相对优点。在两个例子中，无噪声放大使信噪比增加很大的量。基本上，大的无噪声放大使公式的检测器噪声降低。仅固有的信噪比成为问题。固有信噪比是信号和信号-噪声(包含在信号本身中的噪声)之间的比值。通过下面“暗场模式的限制”的段落中的例子会示出，甚至在具有低反射率的样品的情况下，也可以得到通过镜面反射分量的大的无噪声信号放大量。

在信号放大中，第一级放大器的质量是最重要的。镜面反射分量提供了无噪声第一级信号放大的可能性。这里揭示的系统和方法通过控制镜面反射分量的振幅和通过控制缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的相对相位而获益。通过实现信号的无噪声放大，甚至在原始信号较弱的情况下，也可以用所揭示的技术得到高信噪比。高信噪比意味着缺陷检测中的高灵敏度和低误检测率。使用镜面反射分量的缺陷信号的无噪声放大是这里揭示的干涉缺陷检测和分类技术的关键特征之一。通常，无噪声放大越大，信噪比越佳。

高的无噪声放大从强镜面反射分量得益。因此，通常这里较佳的是未经衰减的强镜面反射分量。这与传统的显微镜检查相反，在传统情况中，使镜面反射分量受到阻挡或严重地衰减以增强原始图像的反差。在这里揭示的系统和方法中，当对于应用来说过度地限制了图像传感器的动态范围时，就应该使镜面反射分量衰减。

对于不希望有的缺陷信号的不放大，还可以使用相位控制器。较佳的例子是晶片图案噪声，它实际上不是噪声而是不希望有的缺陷信号。在大多数缺陷检测应用中，希望抑制晶片图案噪声。如果晶片图案噪声的抑制比放大感兴趣的缺陷信号更重要，则可以设置相位控制器以使晶片图案噪声最小化而不是使感兴趣的缺陷信号最大化。将在下面示出图案噪声更具体的讨论。术语“样品图案噪声”、“晶片图案噪声”、“图案噪声”、“样品噪声”以及“晶片噪声”是指相同类型的噪声，这里将互换地使用。

通过检查信号公式而揭示的另一个重要的事实是干涉项的空间频率带宽是与暗场项的空间频率带宽不同的。在共同-光路配置中，干涉项的空间频率带宽小于暗场项的空间频率带宽。(例如，见图40)。正确性较小但是更直觉的说法，通过干涉项形成的缺陷图像在空间上比通过暗场项形成的缺陷图像更宽。这暗示了干涉项的频率带宽较窄。这是有益的，因为这可以导致较高的吞吐量。较小的带宽允许样品图像较粗的采样，对于具有相同大小的图像传感器的成像系统来说，这允许较大的视场。通常具有较大的视场可以得到更高的吞吐量。只要固定成像系统的数值孔径，就可以固定暗场项的带宽，这并不取决于镜面反射分量的光线角度。然而，干涉项的带宽不仅与成像系统的数值孔径有关，而且还与镜面反射分量的光线角度有关。

通过使镜面反射分量的光线角度最小可以减小干涉项的空间频率带宽。当照射光的方向对于样品表面是垂直的或接近垂直的时，镜面反射分量的光线角度变成最小。因此，当只使用干涉项或干涉项是主要的时，对于更高的吞吐量，可以选择样品的垂直或接近垂直的照射。垂直或接近垂直的照射带来一个额外的优点，它使光瞳上的偏振比大角度入射照射时更均匀。光瞳上更均匀的偏振导致更高的干涉项。要注意的另一个重要事实是：如果缺陷比波长小得多，则干涉项的空间形状正好是成像系统的振幅点扩展函数(APSF)的形状，并且因此而是固定的。即使镜面反射分量的空间频率不为零，干涉项的形状也不会改变。仅有的影响是向干涉项提供非零的载波频率。

如果镜面反射分量包括单个光线，则可以把干涉项表达为振幅点扩展函数APSF与载波频率项的乘法。即，可以始终析出载波频率项并且进行独立的处理。如果独立地处理载波频率项，则小缺陷的减去的图像的形状和APSF之间没有差异。这允许用可归因于检测器阵列的有限宽度的采样函数的检测图像的快速数值去卷积。

采样函数的宽度是图像传感器的每个像素中的光敏区域的宽度。高灵敏度或大动态范围通常需要大的光敏区域。因此，在阵列中有限大小的检测器的作用是减小一些最大信号振幅，而去卷积等效于放大图像。因此，可以用快速数值去卷积来代替光学图像放大。用数值去卷积代替光学放大减小了光学系统成本。在“空间频率带宽”的下面段落中更详细地致力于这些问题。

有时，控制照射光到样品表面中的穿透深度是有用的。例如，如果需要检测的缺陷位于样品表面上或接近样品表面，则一般较佳的是以照射光的浅透射来更可靠地检测缺陷。在相反的情况中，当需要检测的缺陷位于深沟槽的底部时，一般较佳的是以照射光的深透射来更可靠地检测缺陷。不能够任意地控制照射光的穿透深度。然而，如果样品上缺陷周围的印刷图案的取向是在一个方向上的，则可以通过控制照射光的偏振把照射光的穿透深度控制到某个程度。例如，如果把照射光的偏振方向设置成与样品上印刷图案的方向平行，则照射光穿透最小的量。

如果把照射光的偏振方向设置成与印刷图案的方向垂直，则照射光穿透最大的速度。在缺陷检测中，这种控制照射光穿透深度的方法是有用的，因为高比例的印刷图案具有较佳的边缘方向。

有时，甚至在照射光的偏振取向平行于印刷图案的方向时照射光的穿透可能仍太深。既然是这样，我们可以考虑执行大入射角照射。注意，定义入射角为光线和表面法线(不是表面本身)之间的角度。

大入射角照射可以导致吞吐量减少，因为它需要更细的采样栅格以便正确地检测信号。这导致相同检测器大小情况下较高的放大比或较小的视场。然而，具有大入射照射可能获得有益的效果。如果大角照射与s-偏振光组合，则能够比小入射角照射更有效地减小照射光到样品表面中的穿透。注意，把极大角入射称为“临界入射”。

减小照射光到晶片表面的穿透还可以减小所谓的“晶片图案噪声”。当晶片上的印刷图案由于晶片上制造工艺的变化而从一个管芯到一个管芯微小地变化时，产生了晶片图案噪声。存在两类晶片图案噪声。一类称为轴向或纵向晶片图案噪声，而另一类称为横向晶片图案噪声。大角照射可以减小纵向晶片图案噪声。通过优良的傅里叶滤波和软化孔径边缘暗化可以减小横向晶片图案噪声。在下面称为“波纹光阑”的段落中描述了软化孔径边缘和暗化的有效和实际的方法。

严格地说，晶片图案噪声实际上根本不是噪声。而是一类我们不感兴趣的缺陷信号。如果晶片的表面轮廓是相对平坦的或如果晶片图案边缘的方向趋向于与照射光的s-偏振的方向平行，则照射光穿透的减小是显著的。然而，如果晶片的x-方向边缘与y-方向边缘一样多或图案边缘的方向基本上没有与照射光的s-偏振的方向平行，则优点可能是不显著的。

大角入射照射的实施可能是成本极高的。因此，在作出使用大入射角照射的决定之前应该仔细地对照优点与成本进行分析。

照射光的穿透深度控制并非照射光的偏振控制的唯一的原因。偏振光与缺陷及其周围的图案的相互作用通常是复杂的，并且需要实验测量和/或数值模型进行预测。真实情况经常不服从直觉。在一些情况中，可以改变偏振方向来改进缺陷检测。在下面的“大入射角照射”的段落中会进一步讨论大角照射和偏振控制。

II.系统配置：

可以用许多方式来配置根据一些实施例的干涉缺陷检测系统。许多例子包括共同-光路和提供缺陷信号和镜面反射分量之间的相对相位的控制。在本段落中，将提供一般的系统配置。将在其它段落中提供具体设计例子和子系统例子。

1.系统配置的例子。图1示出干涉缺陷检测系统100的例子。通过照射源112产生光束118，在一个例子中，照射源112是诸如激光器之类的相干光源。可以使用任何波长，只要可能产生干涉成像系统的基本分量就可以。可以使用的波长的例子包括紫外、深紫外、超紫外、可见、红外、远红外等。

在图1中，光束118向样品110的表面反射，并且照射样品表面，如图所示。光束118覆盖样品110表面处的图像传感器的视场。样品110可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。样品110使一部分照射光束散射(或衍射)，并且使另一部分镜面反射(并且可以吸收一部分)。这里把散射的和镜面反射的入射光束部分分别称为“散射分量”和“镜面反射分量”。通过光束128表示散射分量，并且通过光束124表示镜面反射分量。

配置包括前端透镜系统116和后端透镜系统114的高分辨率光学成像系统，使之收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器140。成像系统中的像差可能使反射分量和散射分量之间的相对相位从一个散射光线到另一个散射光线发生变化。这种相位变化会降低系统性能。因此，成像系统最好基本上是限制-衍射的，即，只具有少量的像差。应该理解，在这里使用光线光学术语的同时，可以已经使用了对应的衍射光学术语，并且熟悉相关技术的技术人员会理解光学现象的光线光学和衍射光学说明的等效性和限制性。

这种成像系统的设计和制造是众所周知的技术。通常设计前端透镜系统使之在样品侧上为远心的，以便在场上得到均匀的性能。远心并不需要完美。通常容许诸如几度的显著量的远心误差。后端透镜系统114不需要是远心的。

在包括缺陷检测的大多数应用中，样品的图像需要通过大量的放大，一般放大100倍或甚至更多。通常通过使后端透镜系统114的焦距大于前端透镜系统116的焦距而得到样品图像的放大。为了得到高性能，在样品扫描期间需要正确地保持成像系统的焦点。正确保持成像系统焦点通常需要伺服控制的自动聚焦系统。在下面称为“自动聚焦系统”的段落中提供伺服控制的聚焦系统的例子。

注意，许多不同种类的图像传感器可以用于系统100。已经发现诸如CCD、时间延迟和积分CCD(TDICCD)等两维图像传感器适合于许多应用。注意，这里使用的术语“图像传感器”意味着完整的图像检测硬件系统，不只是光-接收部分。例如，在某些实施例中，图像传感器140还可以包括将在下面更详细描述的控制器142。

在图像传感器中，高灵敏度和大动态范围是较佳的。为了检测小信号，通常要求信号的大无噪声放大。然而，信号的大无噪声放大需要大动态范围的图像传感器。因此，当将来需要检测极小的缺陷时，图像传感器或传感器系统的动态范围会变成一个重要的问题。

在如图1所示的系统100的示例性实施例中，系统100包括控制器142，诸如计算机或相似机器，适用于控制系统的各个部件的操作(例如，通过在计算机可读或机器可读的介质中实施的软件之类的指令)。配置控制器142使之控制系统100的操作，并且使之包括电连接到传感器系统140的并且适用于接收和处理来自其的数字化原始电信号的处理单元(“处理器”)152，并且形成经处理的图像信号，如下面更详细地描述。在一个示例性实施例中，配置处理器152使之处理原始信号和对它和其它信号(例如，诸如存储在存储单元154中的相邻场或理想场的数字图像)进行比较，以确定是否存在缺陷，并且确定缺陷的特征，如下面更详细地说明。这里所使用的术语“电信号或电信号”包括模拟物理量或其它信息的模拟和数字表示。

配置控制器142使之接收来自传感器系统140的原始电信号，并且处理该信号以对样品中的缺陷定特征或分类。如所述，控制器142包括处理器152，它是或包括能够执行一系列软件指令的任何处理器或设备，并且包括而非限制，通用或专用微处理器、有限状态机、控制器、计算机、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器。

存储单元(“存储器”)154可操作地耦合到处理器152。如这里所使用，术语“存储器”指任何处理器可读介质，包括但是不局限于，RAM、ROM、EPROM、PROM、EEPROM、盘、软盘、硬盘、CD-ROM、DVD等，可以把处理器152可执行的一系列指令存储在其上。在一个示例性实施例中，控制器142包括端口或驱动器156，适配成容纳可移动的处理器可读介质158，诸如CD-ROM、DVD、存储棒等存储介质。

可以在各个实施例中在包括机器可读指令(例如，计算机程序和/或软件模块)的机器可读介质(例如，存储器154)中实现这里描述的缺陷检测和分类方法，使控制器142执行所述方法和控制操作以操作系统100。在一个示例性实施例中，运行处理器152的计算机程序不在存储器154上，当存储在可移动介质158上时可以经由盘驱动器或端口156、或当存储在控制器142外时可以经由网络连接或调制解调器连接、或从它可以读出和利用的其它类型的计算机或机器可读介质，从永久存储器转移到主存储器。

计算机程序和/或软件模块可以包括多个模块或对象以执行本发明的各种方法，并且控制系统100中各种部件的操作和功能。用于代码的计算机编程语言类型可以在程序化码型语言到面向对象的语言之间变化。根据编程员的要求，文件或对象不需要具有与所描述的模块或方法步骤的一一对应关系。此外，所述方法和装置可以包括软件、硬件和固件的组合。可以把固件下载到处理器142，用于执行本发明的各个示例性实施例。

控制器142还任选地包括显示器单元146，可以用于使用多种字母数字和图形表示来显示信息。例如，显示器单元146对于显示原始信号或处理信号是有用的。控制器142还任选地包括诸如键盘的数据-入口设备148，允许系统100的用户把信息输入到控制器142以手动地控制系统100的操作。

在一个示例性实施例中，把控制器142可操作地连接到传感器系统140或控制器142是传感器系统140的一部分。在另一个示例性实施例中，控制器142可操作地连接到样品定位系统150，以便对样品和致动器144进行定位，从而使用相位控制器和衰减器122来调节相位。为了便于说明，仅在图1的系统100中示出了控制器142，然而，可以把它包括在这里描述的所有示例性实施例中。

如图1所示，散射分量128和镜面反射分量124两者通过同一个光学系统。因此，本实施例是共同-光路干涉系统类型的。这个特征对于稳定系统性能来说是有利的。因为对于共同-光路干涉仪的任何干扰可能以相同的量来影响两个光路，所以可能维持散射分量和镜面反射分量之间的相对相位差。

在一些实施例中，在镜面反射分量124的光路中安装了相位控制器和衰减器122。镜面反射分量通过相位控制器122，并且可以调节它的相对相位到最大缺陷检测灵敏度，或调节它的相对相位以确定每个缺陷信号的相位和振幅两者。散射分量128通过补偿板130以补偿镜面反射分量和散射分量之间的另外的大量光路长度差。补偿板的轴向位置是极灵活的，因为光线的光路长度与补偿板的轴向位置无关。即，不需要把补偿板与相位控制器放置在同一平面中，即使大多数附图示出补偿板和相位控制器处于同一平面中以便强调这样的事实，即，补偿板补偿了相位控制器的另外更长的光路长度。可以显著地把它放置在相位控制器之上或之下。补偿板的轴向位置的灵活性便利了补偿板周围的机械设计。

相位控制是一个有利的特征，并且可以利用来大大地提高缺陷检测能力，将在下面更详细地讨论。根据一些实施例，特别是在图像传感器的动态范围对于应用来说是太小的那些情况中，还可以通过在其光路中添加针孔光阑或在相位控制器部件的表面之一上添加反射涂层，使镜面反射分量124衰减以提高图像反差。在图1中用光束126来表示镜面反射分量124的经反射的部分。注意，相位控制器和衰减器位于主要的光瞳平面处或孔径光阑处，这由于附加的光瞳延迟系统、分束器和可能在其它情况下需要的其它部件而有利地避免了功率损耗和复杂度。

可以使用许多不同类型的光源作为光源118。在许多应用中最好用明亮光源，因为它们允许在光学成像系统的光瞳共轭平面处的镜面反射分量与散射分量的干净的空间分离。明亮光源还使傅里叶滤波极有效，这要感谢在光瞳平面处的镜面反射分量的小的轨迹。镜面反射分量与散射分量的干净的空间分离以及有效的傅里叶滤波两者对于这里揭示的系统和方法的最佳性能都是重要的。一般，光源越明亮越好。当前可得到的最明亮的光源是激光器。因此，对于许多应用来说，激光器是较佳的光源。

可以以相干或不相干的方式用激光器照射样品。然而，用激光器的不相干照射具有显著的缺点，通常它不但需要高成本的散斑消除机，而且还使傅里叶滤波的有效性比相干照射差。因此，较佳的是具有激光器源的相干照射。在下面关于“相干均匀照明灯”的段落中提供在整个场上得到均匀照射强度的方法。

许多不同类型的激光器适合于用作照射源。例如，激光器可以是连续波型的或脉冲型性的，诸如模式锁定激光器或Q-切换的激光器。激光器可以具有多个时间模式或有效的时间带宽。然而，对于相干照射，通常单个空间模式是较佳的。还可以使用诸如弧光灯、发光二极管(LED)等其它光源。然而，用这些扩展的光源难以使镜面反射分量与散射分量分离。这是因为在光瞳平面处散射分量的一些部分可能与镜面反射分量重叠。这造成难以实现散射分量和镜面反射分量之间的相对相位的精确控制。不精确的相位控制通常导致较差的性能。由于在光瞳平面处镜面反射分量的相当大的轨迹，用扩展的光源还难以实现有效的傅里叶滤波。

注意，使用激光器作为光源可能在一些透镜部件上或中产生损坏热点。通过透镜设计和通过使用耐用透镜材料(诸如特别形成的石英、氟化钙、氟化锂等)可以减轻这个问题。

应该把相位控制器122放置在光学成像系统的光瞳或光瞳共轭处或接近光瞳或光瞳共轭处以便能够以干净的方式在空间上分离镜面反射分量与散射分量，并且还在整个成像场上得到均匀的性能。理想地，光学系统是相对简单的，并且不需要光学成像系统的孔径光阑的共轭。把相位控制器122放置在图1中成像系统的孔径光阑平面处或接近孔径光阑平面处。对于许多应用来说，把相位控制器放置在成像系统的孔径光阑平面处或接近孔径光阑平面处是较佳的，因为不需要附加的光学部件，这些光学部件不但笨重和高成本而且还降低图像质量和能量效率。已经发现，在使用激光器作为光源112和相干地照射样品110的情况中，在光瞳共轭平面处的镜面反射分量的大小变成很小，通常小于1毫米，结果，相位控制器可以制造得十分小，不会占据很大空间或与其它系统部件相干扰。

在许多应用中，把相位控制器直接放置在成像系统的孔径光阑平面处或接近孔径光阑平面处的能力是一个实际的优点，即使区域是较窄的并且因其它部件而相对拥挤。这个优点在当前和将来的缺陷检测系统设计中特别有价值，因为添加更多光学元件以使孔径光阑转入一个较不拥挤的区域是困难的而且还是高成本的。在一些另外的实施例中，孔径光阑的区域是太窄的或太拥挤的，则通过设计一个高质量光瞳转像系统，可以允许把相位控制器、孔径光阑平面转到较不拥挤的区域。然而，这个设计带来了不希望有的副作用。设计用于高-光学扩展量、DUV光学系统的合适的光瞳转像系统是困难的和高成本的。

2.相位控制器。图2a和2b示出相位控制器和衰减器的例子。使用相位控制器来改变来自样品的光的散射分量和镜面反射分量之间的相对相位。注意，一般对绝对相对相位不感兴趣。而是，一般对散射分量和镜面反射分量之间的相对相位感兴趣。因此，可以把相位控制器安装在镜面反射分量或散射分量的光路中。

虽然这里大多数附图示出相位控制器安装在镜面反射分量的光路中，但是在一些实施例中，相位控制器也可以安装在散射分量的光路中。存在多种方法来改变光束的相位。改变相位的一种技术是改变光束的光路长度。改变光束通过的光学材料的厚度，可以容易地改变光路长度。可以以许多不同的方式来制造这些类型的相位控制器。一种方式是使两个楔形的玻璃板重叠，如图2a所示。相位控制器122使用上玻璃楔子222和下玻璃楔子220。输入光束124进入下楔子220，并且至少一部分通过上楔子222作为光束212。通过以箭头250表示的方向移动楔形板中之一，改变了通过光束的光路长度。例如，向右移动上楔子222可以增加光路长度，而向左移动减小光路长度。

上楔子和下楔子之间的气隙可以使镜面反射分量光束离开所要求的光路。这可以导致镜面反射分量的波前在像平面处倾斜。倾斜的波前可能导致场上性能变化，特别在高灵敏度操作模式中，这将在下面的段落中描述。然而，可以容易地解决这个问题。可以在与光束离开方向的相反方向上稍微倾斜整个相位控制器而使镜面反射分量光束回到所要求的光路。可以通过测量像平面处的镜面反射分量的波前倾斜来确定所要求的倾斜量。波前倾斜表现为场上的镜面反射分量的线性相位变化。因此，在相位控制器校正过程期间可以进行测量，这将在下面的段落中描述。为了使光束回到所要求的光路，期望相位块倾斜的两三次迭代。

在使用之前需要校正相位控制器。通过精确地测量控制器的光学部件的大小和位置，可以纯机械化地进行校正。然而，较佳的方式是进行光学校正，这可以无困难地进行。例如，可以使用步进式相位物体(诸如包括两维岛阵列的相位掩模，每个岛与其周围的岛具有微小的光路差)来校正相位控制器。当镜面反射分量的相位通过90°点时，步进式相位物体的图像表示出步进式相位区域周围的相反的反差。在镜面反射分量的零处和180°相位角处，图像反差击中了极值。使用这个现象以及相位控制器的机械特性，可以正确地校正相位控制器。也可以用其它图案(诸如小的凹坑、小的岛、窄的沟谷、窄的台面等)进行校正。这个校正过程提供相位基准或零相位偏移点。

如果在场上安排多个相同的图案以及在场上同时执行校正，则我们不但可以得到相位控制器更正确的校正，而且还建立了场上的相位基准。如果成像系统是完美的，则相位基准的值应该全部是相同的。然而，真实的成像系统不可能制造得完美。由于相位控制器倾斜、像差、场曲率等，预期场上相位基准值的一些变化是存在的。通过稍微倾斜整个控制器块可以除去场上相位基准值的变化的线性部分。变化的非线性部分是因成像系统的不完美而发生的。

成像系统图完美的一级影响是场上相位基准值的变化。因此，场上相位基准值的变化的量值是成像系统质量的良好指示器。对于操作的捕捉-所有模式和暗场模式，场上相位基准值的变化不是很重要的，这将在下面段落中提供。然而，对于差异的高灵敏度模式，这会变成一个问题，这将在下面段落中提供。因为这可以使操作的高灵敏度模式的性能在场上变化。因此，维持成像系统质量高是很重要的。

注意，存在需要校正的另一个称为Gouy相位的相位。然而，只要对相位控制器进行校正，Gouy相位的校正是直截了当的。Gouy相位将在下面称为“可变针孔光阑”的段落中描述。

在示例性实施例中，通过在相位控制器部件的一个或多个表面上放置反射涂层而把衰减器添加到图2a所示的那类相位控制器。例如，在图2a中，反射涂层224位于下楔子220的表面处，如所示。根据本例子，涂层224反射一部分输入光束124，并且如排出光束126那样地排出。根据一些实施例，可以在一行上设置不同反射率的数个涂层和使部件可移动而步进地改变衰减量。

图2b示出沿图2a的A-A’观看的反射涂层224的例子。在本例子中，由按箭头240所示的方向安排的三个不同的反射涂层230、232和234构成涂层224。通过移动下楔子220，可以得到不同的衰减级。

图3示出干涉缺陷检测系统300的另一个例子。在图3中，使用玻璃楔子324改变通过光束128表示的散射分量的相位。相干光源112产生照射光束118，照射光束118向样品110的表面反射。通过光束128表示反射光的散射分量，并且通过光束124表示镜面反射分量。通过相对于下楔子移动上楔子，就改变了有效的光路长度，因此而改变了散射分量的相位。镜面反射分量124通过补偿块326以补偿镜面反射分量和散射分量之间的光路长度差。前端透镜系统316以及后端透镜系统314收集来自样品110的光，并且使光聚焦在图像传感器140上。

图4a和4b中示出另一种改变光路长度的方法。在本例子中，如图4a所示，在环形电容器的电极420和422之间注入光学上透明的液体410。通过改变电容器电极420和422上的电压来改变液体410的厚度。也可以使用液晶而不是正规的液体作为液体410。既然是这样，仅改变液晶分子的平均取向就改变了光路长度。图4b示出图4a的结构沿B-B’方向的平面图。上电极420与液体410一起示出。

还可以使用可稍微移动的楔形玻璃板或透明薄膜带作为简单的连续可变的相位控制器。然而，这类相位控制器不可避免地使光线光路离开其理想的光路，结果负面地影响系统的性能。

图5示出根据一些实施例的用于改变光路长度的可移动镜子的例子。该系统包括具有反射表面的可移动构件530。输入镜面反射光束520从构件530的表面534部分地反射。散射光光束510和512从固定的反射构件536反射。已经发现可移动镜子型相位控制器对于使用极短波长光(像可能用于下一代缺陷检测系统的真空紫外光或超紫外光)的应用是特别有用的。这是因为寻找或开发用于这些波长的透射光学材料是相当困难的。

注意，并非始终要求相位控制镜子是高反射的。对于许多应用，特别当图像传感器的动态范围较低时，低反射率是较佳的，因为在得到正确的图像反差时使镜面反射分量衰减是有用的。例如，已经发现，在某些情况中，没有任何涂层的裸玻璃可以提供合适的反射率。在其它实施例中，特别当要求快响应时，可以使用电-光部件来构造相位控制器。

图6示出使用可移动镜子相位控制器的干涉缺陷检测系统的例子。把输入光光束引向本610的表面，所述样品可以是晶片、中间掩模或要检查的其它样品。通过光束510和512表示的散射分量通过透镜系统616，并且在通过把光束引向图像传感器640透镜系统614之前从反射构件536反射。镜面反射分量光束520从可移动反射构件530的表面反射，如相对于图5所述。

注意，虽然根据一些实施例对这里描述的许多实施例示出了连续可变的相位控制器，但是可以使用可分立地变化的相位控制器。例如，如果把相位选择的总数限制为四，则分立地可变的相位控制器的相位值的一个选择是0°、±180°和±90°。在一些应用中(诸如操作的杂物箱模式，这将在下面段落中描述)，甚至三个分立的相位选择也是可行的。既然是这样，相位值的一个选择是0°和±120°。对于许多应用来说，把相位选择的数量减少为两个，例如，{0°，180°}或{90°，-90°}，这不是最佳的，因为对于振幅型缺陷和相位型缺陷两者来说，干涉项的符号不能够与暗场项的符号匹配。

可以按许多不同的方式来制造分立可变的相位控制器。制造分立可变的相位控制器的一个方式是通过在基板上沉积正确厚度的薄膜或蚀刻基板到一个正确的深度。这里，即使分立可变的相位控制器与连续可变相位控制器相比可以具有不同的物理性状，但是在概念上没有认为它们是不同类型的相位控制器，而认为是连续可变相位控制器的子集，因为连续可变相位控制器是可以按分立的方式来操作的。

多个波长可以共享单个相位控制器，或可以与宽带限制一起使用单个相位控制器。然而，既然是这样，相当难以得到所有波长的精确相位控制。

如果可以快速地改变相位控制器的相位，则可以在外差式模式中操作系统。如果存在显著的l/f噪声量，则外差式模式是一个很好的选择。可以以许多不同的方式得到相位控制器的相位的快速变化。例如，通过快速移动图2所示的相位控制器的玻璃板中之一就可以得到。如果由电-光材料构成相位控制器，则通过从电-光方面控制相位控制器就可以得到极快速的相位变化。外差式系统是相当难以在扫描系统中实现的，特别在快速扫描系统中，但是在诸如静态或步进式系统之类的非扫描系统中是相对容易实现的。

3.傅里叶滤波。把阻挡光瞳平面处或孔径光阑处的不希望有的光称为傅里叶滤波，因为在光瞳平面处或孔径光阑处的光振幅分布是物平面处的光振幅分布的傅里叶变换。在许多应用中，傅里叶滤波是一个要求的特征，因为它可以有效地减少通过曼哈顿掩模或晶片图案的衍射而到达检测器阵列的光量。它不但减少了光子噪声，而且还减少了样品图案噪声。它还使场上的光强度更均匀。

更均匀的光强度允许较佳地使用图像传感器的动态范围进行无噪声信号放大。从x-或y-方向边缘形成大多数电路图案，结果，光瞳中的两个窄带的散射(或衍射)光与电路图案的y-和x-方向对应。这类散射光没有携带更多关于缺陷的信息，但是产生光子噪声和图案噪声，并且可以使图像传感器饱和。

因此，要求滤除这类光。图7a-7c示出与具有接近法向照射的干涉缺陷检测系统一起使用的具有不透明傅里叶滤波带的补偿板的例子。在图7a中，示出补偿板730具有窄傅里叶滤波带构件750、752、754和756。通过不透明阻挡板732阻挡接近镜面反射光束的散射光束，不透明阻挡板732包含宽度为p的孔径，该宽度正好足以通过镜面反射光束。在本例子中，通过x-和y-晶片图案几何散射的光落在光瞳平面或孔径光阑处的滤波带构件750、752、754和756上。如此，可以非常有效地滤除这类不希望有的光。诸如金属之类不透明材料的两三个交叉带就是需要的所有部件。

注意，傅里叶滤波不但阻挡来自周期性图案的衍射光，而且还阻挡来自非周期性图案(诸如相对于傅里叶滤波带的垂直方向取向的长的线条或边缘)的衍射光。注意，带构件750、752、754和756在阻挡大多数不希望有的光(通过中间掩模或晶片上的曼哈顿图案产生的)的同时，没有阻挡更多的缺陷信号光。把在两个方向上阻挡不希望有的光的这类傅里叶滤波称为二维傅里叶滤波。在阻挡来自样品上的二维图案的不希望有的光的方面，二维傅里叶滤波比一维傅里叶滤波更有效。这还意味着与一维傅里叶滤波相比，二维傅里叶滤波使场上的图像强度更为均匀。

对于许多应用来说，均匀图像强度是重要的，因为它允许我们充分利用图像传感器的动态范围进行缺陷信号的放大。因此，有效的二维傅里叶滤波对于弱缺陷信号的大的、无噪声放大是很重要的。它提高了图像传感器的有用的动态范围。

傅里叶滤波的宽度不需要均匀，并且可以在光瞳上变化，以便更有效地阻挡不希望有的光。在光瞳平面处的镜面反射分量附近，通常不希望有的光更强一些。因此，通常需要使傅里叶滤波带成为锥形的，以使它们的性能最优化。在阻挡不希望有的光时，中间较宽而端点较窄的锥形的傅里叶滤波带一般更有效，同时使它们对于模糊信号光的影响最小化。

不需要改变带的位置，只要照射光束718和棱镜780保持在相同位置上。因此，傅里叶滤波不需要任何驱动机构，并且可以以永久的方式进行安装。

注意，傅里叶滤波可以具有双重功能。通过把傅里叶滤波带的内端延长到镜面反射分量通过的区域，还可以使用傅里叶滤波带作为用于镜面反射分量的孔径光阑。如果需要可变的孔径光阑，则应该把傅里叶滤波带制造成沿它们的长度方向可变。通过在傅里叶滤波带和补偿板之间设置足够大的间隙，就可以容易地避免移动傅里叶滤波器和固定补偿板之间的机械磨损。在傅里叶滤波带和补偿板之间设置相当大的间隙不会影响成像系统的性能，因为在许多方向上移动补偿板不会影响任何光线的光路长度。

因此，得到不但简单和容易而且还对信号光影响最小的二维傅里叶滤波。在图7a中还示出上玻璃楔子722和下玻璃楔子720。图7b示出根据一些实施例的沿线C-C’的图7a的配置的横截面图。示出补偿板730具有开口，上玻璃楔子722和下玻璃楔子720设置在其中。下玻璃楔子720的上表面具有可变的反射表面，如相对于图2a-2b所示和所描述。

图7c示出根据一些实施例的沿线D-D’的图7a的配置的横截面图。示出补偿板730具有开口，上玻璃楔子722和下玻璃楔子720设置在其中，下玻璃楔子720具有反射表面724。通过连接到上玻璃楔子722的延伸臂726和致动器770得到上和下玻璃楔子之间的相对运动。如所期望的那样，照射输入棱镜780的中心和用于镜面反射光束的直径p的小光瞳光阑在图7和8中是相互对角地相对的。

注意，在大多数附图中，补偿板和相位控制器位于相同或接近相同的平面中，以便强调这样的事实，即，补偿板补偿了相位控制器的光路长度。然而，这是不必要的，因为补偿板的轴向位置是极灵活的，如前所述。补偿板的轴向位置的灵活性可以缓解傅里叶滤波器和相位控制器周围的机械冲突或难题。

根据其它实施例，如果需要的话，添加傅里叶平面阻挡器以消除与从样品上的曼哈顿图案发生的不同的图案衍射。这类特殊的傅里叶阻挡器通常需要定制-设计，并且可以以许多不同的方式实现。例如，可以在光瞳平面中引入附加的金属带。另外的方式是在光瞳平面中插入玻璃板或含印刷图案的膜。这类灵活性允许对几乎任何种类的晶片和中间掩模图案的噪声产生的光进行几乎完美的滤除。这是这里揭示的系统和方法的另一个有利特征。

已经发现，过多的傅里叶滤波可能是有害的，因为傅里叶滤波阻挡了缺陷信号光以及噪声产生的光。信号光的阻挡会以两种方式来影响最终的缺陷信号：它不但减小了信号光的总量而且还通过衍射使缺陷的图像有一点点模糊。通常存在傅里叶滤波的最优量，这取决于晶片上的图案。因此，要求的傅里叶滤波的量取决于特定的应用，并且熟悉本领域的技术人员可以确定而无需过多的实验。

不是始终需要用像金属带之类的不透明材料来制造傅里叶滤波器。可以用半透明材料制造，或甚至用诸如电介质膜之类的完全透明的材料来制造。在增大信号或一些图案或特征的可见性方面，这类傅里叶滤波器是极有效的。对于诸如复杂图案或特征的观察之类的一些应用，可以使用极尖端的傅里叶滤波器以便增加图像可见性。

由像金属之类的吸收材料制造的傅里叶滤波器在工作期间可能会变热，特别在通常使用强光源的工业应用中。热的傅里叶滤波器不但导致机械问题，而且还导致光学问题，因为它会使周围的空气加热，这依次会使信号光的波前畸变。然而，通过在傅里叶滤波器周围的像氦那样具有高热传导性的气体的流动，可以解决或减轻这类发热问题。氦气体是特别适合的，因为它的折射率是极低的，因此对于其密度不是很敏感的。

4.可变针孔光阑。注意，这里揭示的系统和方法在镜面反射分量的光路中用固定的针孔光阑工作或甚至不用任何针孔或针孔光阑。然而，已经发现，在许多应用中，在镜面反射分量的光路中的可变针孔光阑可以提高系统性能。。

大多数图，即，图2a、7b、7c、9、10、11、13b、13c和14示出这里的相位控制器，还示出在相位控制器顶部的镜面反射光束的小的光阑。镜面反射光束光阑的理想位置是光瞳平面。这是因为如果针孔光阑的位置离开光瞳平面，则系统性能可以在场上变化。在远心设计的情况中，主要的光瞳平面是前端透镜系统的后焦平面。

不能够精确地定义术语“镜面反射分量”，因为在镜面反射分量和散射分量之间没有清楚的边界。镜面反射分量必定是有限大小的，并且因此包含一些，甚至极小量的散射(或衍射)分量。因此，镜面反射分量实际上意味着未散射(或衍射)的光和小角度散射的光两者的组合。允许这里使用的术语“镜面反射分量”包含一些小角度散射分量的量。

由于镜面反射分量包含一些小角度散射光的量，通过改变它所包含的小角度散射光的量可以改变镜面反射分量的特征。改变镜面反射光阑的大小是可以用来改变镜面反射光束中散射光的量的最简单的设备之一。较大的镜面反射光阑把更多的散射分量放入镜面反射光束中，反之亦然。重要的事情是光阑的大小与像平面处的镜面反射分量的空间均匀性直接有关。较大的光阑提供像平面处的镜面反射分量的较小的空间均匀性，因为它通过更多的散射光，反之亦然。换言之，较大的镜面反射光阑对较少的图形强度的局部变化进行平均，反之亦然。

更正确地说，较大的镜面反射光阑对像平面处的较少的镜面反射分量的复数振幅的局部变化进行空间上的平均，反之亦然。即，镜面反射光阑不但对强度或振幅进行空间上的平均，而且还对视场上的镜面反射分量的相位变化进行空间上的平均。从数学上来说，在像平面处的镜面反射分量的复数振幅是在像平面处具有镜面反射光阑的衍射图案的样品反射率函数的卷积。

因此，通过改变镜面反射光阑的大小，我们不但可以改变到达图像传感器的镜面反射分量的总量，而且还可以改变像平面处镜面反射分量的空间均匀性。图7b和7c中示出可变的镜面反射光阑直径的大小为尺寸“p”。可以利用镜面反射分量的可变来提高缺陷检测能力。还可以使用镜面反射光阑进行镜面反射分量的衰减，因为较小的光阑透过较少的镜面反射分量。在下面称为“振幅衰减”的段落中描述使镜面反射分量衰减的其它方式。

如果图像传感器的动态范围不是足够大的，则通过限制可用的灰度级的数量而使缺陷信号的特性较差，甚至在信号的无噪声放大充分利用检测器的整个动态范围的情况下。既然是这样，需要镜面反射分量的一些衰减量，以得到原始图像中确当的反差。通过调节镜面反射光阑的大小就可以容易地得到镜面反射分量的确当衰减。使用镜面反射光阑的镜面反射分量的衰减具有使场上镜面反射分量更均匀的附带效应。

用镜面反射孔径的另一个有利特征是它不会产生重影，因为可以容易地从光学系统除去反射光。众所周知，具有反射涂层的衰减器会通过另一个表面的第二反射而产生重影。然而，也存在一些缺点。第一，对于镜面反射分量的确当的衰减，镜面反射光阑可能吸收许多光能量，结果变成很热。这不但会引起机械问题，而且还会引起光学问题，因为热点可以对周围空气进行加热，而加热的空气依次可以使波前畸变。然而，通过用具有高热传导率和低折射率的气体(像氦)填充透镜腔体就可以缓解这类发热问题。氦气体是优良的选择，因为它的折射率是极低的，因此对于其密度不是很敏感的。

第二缺点是具有针孔大小的镜面反射分量的相位变化。把这类相位变化称为“Gouy相位偏移”。这是一个固有的现象，因此不是可以容易地避免的。然而，Gouy相位偏移是静态的，因此可以在场上容易地映射和补偿。因此，需要注意与镜面反射光阑大小相关联的镜面反射分量的相位变化，但是这不是一个显示障碍物。实际上，可以使镜面反射光阑较佳地转成针孔的大小。针孔的反射对应物是反射一部分输入光的小镜子(针镜)。镜面反射孔径类型和形状的选择取决于应用以及光学系统的设计。透射和反射针孔共享相同的光学特性。因此，所有关于透射镜面光阑的说明可以直接应用于反射的镜面反射光束光阑。

在大多数附图中，示出镜面反射光阑和傅里叶滤波部件作为分立的部件，以强调它们的分立功能，然而，在实际系统设计中，最好把两个分立的部件组合成一个，以简化机械设计，而且还使可能的机械冲突最小化。可以通过使傅里叶滤波带向内延伸或使镜面反射光束或针孔孔径向外延伸而组合两个部件。在组合的设计中，可以通过沿它们的长度方向移动傅里叶滤波带来调节针孔光阑的大小。

5.致动器。可变相位控制器需要某种机械或电气的致动器。设置致动器的最方便的方式是正好接着相位控制器而设置。然而，正好接着相位控制器而设置会阻挡过多的信号光。在一些例子中，在光学成像系统的外围设置致动器，这是一种吸引人的选择，因为这为致动器提供了更多的空间。然而，这种选择的缺点是它需要某种机构把致动器的运动传递给相位控制器。运动传递机构必须跨越光瞳半径，并且可能阻挡信号光。然而，根据一些实施例，通过使用固定位置的傅里叶滤波器来解决阻挡光的问题。通过安装运动传递机构(象傅里叶滤波阻挡带上部或下部的移动或旋转线)可以进一步避免光的阻挡。

在图7a和7c中，提供沿傅里叶滤波构件754的光路运行的运动传递构件726。致动器770驱动运动传递构件726，并且移动可变相位偏移机构中的上楔形玻璃板。相似地，也可以以更相似的方式实施像可变针孔光阑或波片等其它部件的运动传递机构，以使附加的光阻挡最小化。可以容易地实现运动传递机构的足够空间，因为补偿板的轴向位置是极灵活的。

6.模糊化。相位控制器及其致动器不可避免地使一些信号光模糊(或受阻挡)。这类光阻挡不但减小了可以到达图像传感器的信号光的总量，而且还通过衍射光减小了光学系统的分辨能力。这是一个不希望有的副作用，要将其减小到最大可能程度。为了实现这个，应该把光学部件和相位控制器的致动器制造得尽可能的小或应该把致动器设置在光学成像系统的外围。

图8示出根据一些实施例的放置用于照射光的折叠棱镜的例子。以图7a中相似的方式安排具有傅里叶滤波带850、852、854和856的补偿板830。在图8的例子中，对于如图所示的与傅里叶滤波带850共线的照射光光束818，通过设置折叠棱镜880可以得到附加的模糊化的少量降低。同样，使模糊化和光学成像系统的光阑的边缘柔和，可以减少不希望有的边缘衍射的副作用。在下面的段落“锯齿孔径”中描述使孔径和模糊化的边缘柔和的有效的和实际的方法。

注意，从通过阻挡板732造成的相当大的模糊化还获得一个有利的副作用。这个模糊化在暗场模式中像保护带一样地工作。大的保护带与二维傅里叶滤波器一起使暗场模式极暗。这意味着由低噪声给出了暗场模式的特征，结果，与模糊化较少的暗场系统相比，可以维持更高的缺陷检测灵敏度。

7.照射光的偏振控制。以前描述了通过控制照射光的偏振方向控制照射光到样品表面的穿透深度。然而，对于使照射光偏振，穿透深度控制不是唯一的理由。一些类型的缺陷的检测灵敏度取决于照射光的偏振。因此，改变照射光的偏振方向的能力是一个重要的特征。在这里描述的装置中可以容易地和精确地控制照射光的偏振，因为照射光光束的光学扩展量是很小的。可以使用现有的偏振控制设备。如果在通过照射系统期间改变照射光的偏振，则可以对此进行测量和补偿。只要缺陷及其周围的图案不具有螺旋形结构，使缺陷检测灵敏度最大化就不需要线性偏振之外的偏振。然而，如果需要同时提供两个相互正交线性偏振，这可以使用对角线性偏振或圆偏振。然而，既然是这样，可能折衷了缺陷检测灵敏度。

8.收集到的光的偏振控制。信号光的偏振与镜面反射分量的偏振不同。为了得到高的缺陷检测灵敏度，应该使镜面反射分量的偏振与信号光的偏振一样，达到一个尽可能大的程度。因此，在一些实施例中，改变在样品和检测器之间的光路中的镜面反射分量的偏振。这可以容易地和精确地做到，因为镜面反射分量的光学扩展量是很小的。

图9示出适合于一些实施例的与偏振旋转器组合的相位控制器。图9示出具有反射涂层924的下楔形玻璃板920、可移动上楔形玻璃板922以及可变镜面反射光阑950。在可变针孔光阑950上面设置可旋转的λ/2板960。涂层924部分地反射输入镜面反射光束916，并且一部分光束912通过可移动的楔形玻璃板922、光阑950和可旋转的λ/2板960。图9所示的配置的偏振可控制性受到限制，它不能把输入镜面反射分量的偏振变换成任意类型的偏振。然而，该配置可以使输入线性偏振在任何方向上旋转。只要缺陷及其周围的图案不具有螺旋形结构，使缺陷检测灵敏度最大化就不需要线性偏振之外的偏振。已经发现半导体晶片和中间掩模是这样的情况。因此，图9所示的简单的偏振控制设备对于晶片或中间掩模的缺陷检测是合适的。

如果需要更一般的偏振控制，则可以使用图10中示出的更复杂一点点的偏振控制器。图10示出具有反射涂层1024的下楔形玻璃板1020、可移动的上楔形玻璃板1022以及可变的光阑1050。在可变针孔光阑1050的上方设置了可旋转的λ/2板1060和可旋转的λ/4板1062。涂层1024部分地反射输入镜面反射光光束1016，并且一部分光束1012通过可移动的楔形玻璃板1022、光阑1050、可旋转的λ/2板1060和可旋转的λ/4板1062。图10所示的配置可以把任何输入偏振转换成任何类型的偏振。其工作原理描述于：R.M.A.Azzam和N.M.Bashara的“Ellipsometry and Polarized Light”，Elsevier Science B.V.，1999，72-84页，这里结合该文作为参考。

偏振与镜面反射分量的偏振正交的散射分量部分不与镜面反射分量相干涉，结果对图像的暗场部分有贡献。对于一些应用，可以滤除散射分量中的正交偏振部分以便增加图像反差或较少光子噪声。可以通过把适当的波片插入到散射分量的光路中使不希望有的偏振分量线性地偏振而得到散射光光束中的正交偏振的滤除，除去具有线性偏振的不希望有的分量，然后转换剩余的光使之与干涉镜面反射光束的偏振相匹配。

9.振幅衰减。如上所述，镜面反射分量放大缺陷信号。镜面反射分量越强，放大量越大。因此，在大多数情况中，不希望有的或强的镜面反射分量是较佳的。注意，这与传统的显微镜相反，在传统的显微镜中，阻挡或严重地衰减镜面反射分量而得到原始图像中的高反差。然而，过强的镜面反射分量会使图像传感器饱和。图像传感器的饱和不但减小了缺陷信号，而且还使缺陷信号以不希望有的方式畸变。换言之，如果镜面反射分量使动态范围饱和，则即使通过镜面反射分量尽可能地对缺陷信号进行了放大，缺陷信号也不能跨越要求的灰度级数量。既然是这样，需要镜面反射分量的一些衰减(有时与增加照射光强度以增加散射分量一起)来增强原始图像的反差。

以前描述了使用镜面反射光阑使镜面反射分量衰减，以避免检测器饱和。最简单的方法是使用一些光吸收材料来吸收镜面反射分量。然而，这个简单的衰减方法对于晶片或中间掩模缺陷检测不一定合适，由于镜面反射分量的高功率很可能损坏任何光吸收衰减器。

使镜面反射分量衰减的更合适的方式是从传感器平面反射掉镜面反射分量的过多部分。可以在相位控制器部件之一上放置反射电介质涂层而容易地构造这类衰减器，如图2a和2b所示。可以改变衰减量如下：连续地设置数个不同的反射涂层(每个反射涂层具有不同的反射率)，并且使它们可移动，如图2b所示。这类衰减器是简单的，并且不需要附加的光学部件。然而，这类衰减器会由于高反射表面而产生重影。

用这类衰减器来得到连续变化的衰减也是困难的。作为增加的性能，使用连续可变的衰减器。制造连续可变的衰减器的一个方式是利用光的偏振特性。众所周知，可以通过围绕线性偏振光束的轴来旋转偏振器而构造连续可变的衰减器，或另一方面，旋转通过固定偏振器的光束的偏振方向而构造连续可变的衰减器。图11示出使用偏振分束器的连续可变衰减器的例子。图12示出使用图11中所示的衰减器类型的系统的实施例子。图13a-13c示出根据一些实施例的在光瞳或孔径光阑附近的系统的进一步的细节。

参考图11，偏振激光光束1116进入偏振分束器1164，偏振分束器1164反射s-偏振光1126，同时透射p-偏振光1110。通过使用可旋转的λ/2板1162控制输入光的偏振方向，就可以以连续的方式来控制通过偏振分束器的镜面反射分量的量。在通过偏振分束器1164之后，p-偏振光1110通过可移动的楔形玻璃板1122和可变的光阑1150，如上所述。可以使用输出侧上的可旋转的λ/2板1160使任何方向的退出光的偏振重新取向。这种衰减方法很适合用于晶片或中间掩模检查。然而，该方法不是完全通用的。操纵线性偏振时它工作得很好。如果需要使用更通用的偏振状态，则要把附加的光学部件添加到衰减器中。

图14示出可以用于得到任何偏振态的、具有λ/2和λ/4板两者的衰减器的例子。光束1416进入固定偏振分束器1464，偏振分束器1464反射s-偏振光1426，同时透射p-偏振光1410。通过使用可旋转的λ/4板1466和可旋转的λ/2板1462两者控制输入光的偏振方向，就可以以连续的方式来控制通过偏振分束器的镜面反射分量的量。在通过固定的分束器偏振器1464之后，p-偏振光1410通过可移动的楔形玻璃板1422和可变的光阑1450，如上所述。可以使用输出侧上的可旋转的λ/2板1460和可旋转的λ/4板1468使任何状态的退出光的偏振重新取向。通过旋转λ/2板和λ/4板两者，可以得到具有正确衰减的镜面反射分量偏振的任何类型偏振。

参考图12，干涉缺陷检测系统1200包括产生相干光束1218的照射源1212。把光束1218引向样品1210的表面，如图所示。样品1210可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束1228表示来自样品1210的散射分量，而通过光束1224表示镜面反射分量。包括透镜系统1214和1216的高分辨率光学系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器1240。在镜面反射分量的光路1224中设置子系统1270，子系统1270包括相位控制器、可变衰减器以及一个或多个偏振旋转器，诸如相对于图11和14所描述和示出的。散射光光束1228通过补偿板1230以补偿镜面反射分量和散射分量之间的光路长度差。光束排出1226接收通过可变衰减器衰减的一部分镜面反射分量1224。

参考图13a，示出补偿板1330具有窄傅里叶滤波带构件1350、1352、1354和1356。使用棱镜1380使照射光束1318向样品(未示出)反射。设置子系统1370如图所示，并且子系统1370包括相位控制器、可变衰减器以及一个或多个偏振旋转器，诸如相对于图11和14所描述和示出的。图13b和13c分别示出图13a的配置沿线E-E’和F-F’的横截面图。在图13b和13c两者中，示出补偿板1330具有开口，在开口中设置了子系统1370的各种部件。偏振分束器1364反射s-偏振光同时透射p-偏振光。通过使用可旋转的λ/2板1362控制输入光的偏振方向，就可以以连续方式控制通过偏振分束器的镜面反射分量的量。p-偏振光通过可移动的楔形玻璃板1332和可变光阑1350。可以使用在输出侧上的可旋转的λ/2板1360使退出光的偏振重新取向为任何方向。

10.大入射角照射。要考虑的噪声的一个源是当晶片上的印刷图案由于晶片上的制造工艺的变化而从一个管芯到一个管芯微小地变化时发生的晶片图案噪声。晶片图案噪声随照射光进入晶片表面的穿透深度而增加。因此，有时描述要减小照射光进入晶片表面的穿透深度。

诸如深紫外光或超紫外光之类的短波长的光穿透晶片表面不深，因为用于晶片图案化的大多数材料对于短波长都是不透明的，感谢它们对于短波长光的强吸收。然而，较长的波长，诸如可见光或近紫外光，可以穿透晶片表面相当深，因为在这些波长处大多数材料对于光的吸收较少。减少照射光穿透入样品表面的最流行的方法之一是用s-偏振光以大入射角照射样品。注意，定义入射角为光线和表面法线，而非表面本身，之间的角度。把极大角的入射称为切线入射。

然而，该方法具有两三个缺点。第一，它会减少缺陷信号光强度以及晶片图案噪声。第二，它会增加像平面处的干涉项的空间频率带宽，如公式(2c)所示。空间频率带宽的增加需要图像的精细采样以忠实地检测干涉项。这会减少操作的杂物箱模式的吞吐量，这将在下面段落中描述。

即使具有这些缺点，对于一些应用，特别是得益大于害处的那些应用，要求增加照射光的入射角以减小晶片图案噪声。这里揭示的系统和方法关于照射的入射角是灵活的。系统和方法不但容许小入射角，而在还容许大入射角。图15到18示出一些例子。

图15示出具有大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。干涉缺陷检测系统1500包括如图所示地引向样品1510表面的照射源光束1518。样品1510可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束1528表示来自样品1510的散射分量，而通过光束1524表示镜面反射分量。

包括透镜系统1514和1516的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器1540。子系统1570设置在镜面反射分量1524的光路中，并且包括相位控制器和衰减器，诸如相对于图2a和2b所描述和示出的那样。散射光束1528通过补偿板1530以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束1526接收衰减器拒收的一部分镜面反射分量1524。

图16示出具有大入射角照射和可变衰减器的干涉缺陷检测系统的例子。干涉缺陷检测系统1600包括如图所示地引向样品1610表面的照射源光束1618。样品1610可以是晶片、掩模或其它要检查的样品。通过光束1628表示来自1610的散射分量，而通过光束1624表示镜面反射分量。包括透镜系统1614和1616的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器1640。子系统1670设置在镜面反射分量1624的光路中，并且包括相位控制器和衰减器，诸如相对于图9-11和14所描述和示出的那样。散射光束1628通过补偿板1630以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束1626接收衰减器拒收的一部分镜面反射分量1624。

图17示出具有低图像眩光和大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。眩光是在到样品的路途中通过透镜表面反射或散射而终止在检测平面上的照射光。干涉缺陷检测系统1700包括如图所示地引向样品1710表面的照射源光束1718。样品1710可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束1728表示来自样品1710的散射分量，而通过光束1724表示镜面反射分量。包括透镜系统1714和1716的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器1740。子系统1770设置在镜面反射分量1724的光路中，并且包括相位控制器和衰减器，诸如相对于图2a和2b所描述和示出的那样。散射光束1728通过补偿板1730以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束1726接收衰减器拒收的一部分镜面反射分量1724。

图18示出具有低图像眩光和大入射角照射和可变衰减器的干涉缺陷检测系统的例子。干涉缺陷检测系统1800包括如图所示地引向样品1810表面的照射源光束1818。样品1810可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束1828表示来自样品1810的散射分量，而通过光束1824表示镜面反射分量。包括透镜系统1814和1816的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且使它们在图像传感器1840上成像。子系统1870设置在镜面反射分量1824的光路中，并且包括相位控制器和衰减器，诸如相对于图9-11和14所描述和示出的那样。散射光束1828通过补偿板1830以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束1826接收可变衰减器拒收的一部分镜面反射分量1824。

如图15-18所示，通过使光束位置向光瞳平面/光阑的边缘偏移或通过在外部把照射光馈入样品，可以得到大入射角照射。照射光到样品的外部传送会显著地减少眩光和杂散光。可以使用镜面反射分量的相位控制、振幅衰减和偏振控制的所有上述技术。

11.照射光的方位旋转。缺陷检测灵敏度通常不但取决于照射光的入射的极角，而且还取决于其方位角。定义方位角为样品上图案和入射光束到样品上的法向投影之间的角度。在一些应用中，为了使缺陷检测灵敏度最大，要求改变照射方位角以致可以发现最优角。覆盖实际方位角的有效方式是在样品的共轭位置处设置可旋转的棱镜或镜子。在图19-22中示出了这个方案。图19和20的配置是更灵活的，因为照射系统和收集系统仅共享透镜系统的高功率部分。

图19示出具有方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。干涉缺陷检测系统1900包括引导到可旋转和可倾斜的表面(诸如镜子或棱镜)的照射源光束1918。反射光束通过透镜系统1912和1916，并且引导到样品1910的表面，如图所示。样品1910可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束1928表示来自样品1910的散射分量，而通过光束1924表示镜面反射分量。

包括透镜系统1914和1916的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器1940。子系统1970设置在镜面反射分量1924的光路中，并且包括相位控制器和衰减器，诸如相对于图2a和2b所描述和示出的那样。散射光束1928通过补偿板1930以补偿镜面反射分量和散射分量的光路长度差。排出光束1926接收衰减器拒收的一部分镜面反射分量1924。子系统1970必须与镜子1920的旋转一起移动，以跟随围绕光瞳外围的光束。如果在表面1972上使用50/50分束器，则这个方案的光学效率因为通过分束器的透射和反射而不大于25％。如果在表面1972使用偏振分束器，并且在分束器和样品之间的照射光路中使用四分之一波片，则更高的效率是可能的。

图20示出具有方位可旋转的大入射角照射和具有用于镜面反射分量的可变衰减器的干涉缺陷检测系统的例子，这可以在一些应用中找到。干涉缺陷检测系统2000包括引导到可旋转表面(诸如镜子或棱镜)的照射源光束2018。反射光束通过透镜系统2012和2016，并且引导到样品2010的表面，如图所示。样品2010可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束2028表示来自样品2010的散射分量，而通过光束2024表示镜面反射分量。包括透镜系统2014和2016的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器2040。子系统2070设置在镜面反射分量2024的光路中，并且包括相位控制器和可变衰减器，诸如相对于图9-11和14所描述和示出的那样。子系统2070必须与镜子2020的旋转一起移动，以跟随围绕光瞳外围的光束。散射光束2028通过补偿板2030以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束2026接收可变衰减器拒收的一部分镜面反射分量2024。

对于一些应用，特别在大光学扩展量系统中，在透镜系统的中间部分可用于分束器的空间较小。既然是这样，可以用设置在更大可用空间的分束器或镜子来代替分束器。图21和22示出可能的配置。图21示出具有方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。干涉缺陷检测系统2100包括引导到可旋转和可倾斜表面2120(诸如镜子或棱镜)的照射源光束2118。把反射光束引导到样品2110的表面，如图所示。样品2110可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束2128表示来自样品2110的散射分量，而通过光束2124表示镜面反射分量。包括透镜系统2114和2116的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器2140。子系统2170设置在镜面反射分量2124的光路中，并且包括相位控制器和可变衰减器，诸如相对于图2a和2b所描述和示出的那样。子系统2170必须与镜子2120的旋转一起移动，以跟随围绕光瞳外围的光束。散射光束2128通过补偿板2130以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束2126接收衰减器拒收的一部分镜面反射分量2124。

图22示出具有带用于镜面反射分量的可变衰减器的方位可旋转的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。干涉缺陷检测系统2200包括引导到可旋转和可倾斜表面2220(诸如镜子或棱镜)的照射源光束2218。把反射光束引导到样品2210的表面，如图所示。样品2210可以是晶片、中间掩模或其它要检查的样品。通过光束2228表示来自样品2210的散射分量，而通过光束2224表示镜面反射分量。

包括透镜系统2214和2216的高分辨率光学成像系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器2240。子系统2270设置在镜面反射分量2224的光路中，并且包括相位控制器和可变衰减器，诸如相对于图9-11和14所描述和示出的那样。子系统2270必须与镜子2220的旋转一起移动，以跟随围绕光瞳外围的光束。散射光束2228通过补偿板2230以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束2226接收衰减器拒收的一部分镜面反射分量2224。

通过旋转位于样品的虚拟共轭焦平面中的棱镜或镜子，在原理上可能旋转照射光束360度。然而，因为与其它机械部件或光学部件的机械碰撞，照射光的360度方位角旋转是难以实践的。在一些实施例中，可以使用照射光的180度方位角旋转。既然是这样，通过旋转样品180度而得到相对于样品的照射光的方位旋转的360度覆盖。样品的180度旋转通常不会发生问题，因为在晶片或中间掩模上的图案主要的取向是0°-180°或90°-270°方向。如果与偏振控制相组合，则照射光束的方位旋转在增加缺陷检测灵敏度方面可能是很有效的。照射的偏振控制不需要与照射光方位旋转机械地耦合。因此，可以独立地实施两个控制而无困难。注意，当改变照射光束的方位方向时，应该使镜面反射分量光路中的相位控制器围绕透镜轴旋转以便跟随照射光束光路。

12.透射配置。像中间掩模和生物组织等一些样品的透射大于反射。为了检查透射样品，可以按透射模式配置系统。

图23示出设计成通过透射样品传送照射的干涉缺陷检测系统的例子。与以前描述的实施例的仅有的显著差异是照射光路。

其它方面保持相同。干涉缺陷检测系统2300包括产生相干光束2318的照射源。把光束2318引导到透射样品2310，如图所示。例如，样品2310可以是中间掩模或要检查的生物样品。通过光束2328表示来自样品2310的散射分量，而通过光束2324表示镜面反射分量。

包括透镜系统2314和2316的高分辨率光学系统收集光的散射分量和镜面反射分量两者，并且把它们引导到图像传感器2340。子系统2370设置在镜面反射分量2324的光路中，并且包括相位控制器和衰减器、和/或一个或多个偏振控制器，诸如相对于图2a-b、9-11和14所描述和示出的那样。散射光束2328通过补偿板2330以均衡镜面反射分量和散射分量的光路长度。排出光束2326接收可变衰减器拒收的一部分镜面反射分量2324。

大多数中间掩模是透射和反射的。然而，通常在透射模式中使用它们。既然是这样，最终要考虑中间掩模的透射性而非反射性。与传统中间掩模检查工具不同，通过使用许多不同的相位偏移来测量透射光的强度可以确定中间掩模上一个点的复数透射系数。因此，对于性能和成本两方面来说，可以使用这里描述的透射配置极有效地检查中间掩模，特别是相位偏移中间掩模。

13.双模式配置。一些样品可以是反射的和透射的。较好的例子是中间掩模。为了以更透彻的方式来检查这类样品，系统可以同时结合反射和透射模式两者。

图24中示出这类系统的示例性配置。系统2400包括反射检查子系统2402a和透射检查子系统2402b。把单个源光束2418引导到样品2410，例如，中间掩模。通过两个分立的图像传感器2440a和2440b同时检测反射和透射光光束。通过各自的子系统2470a和2470b得到相位控制和衰减。工作原理和这里以前描述的那些没有变化。可以实现相对相位、镜面反射振幅、方位旋转和偏振的上述控制。

在中间掩模检查的情况中，通常不可以使用管芯到管芯的减法技术。既然是这样，可以使用制造中间掩模图案的中间掩模数据产生无缺陷中间掩模的基准图像。这是通常由计算机来完成的大量计算任务。然后，实际中间掩模的图像与计算机产生的无缺陷中间掩模的图像进行比较以发现缺陷。为了便于数据处理，必须极快地产生无缺陷中间掩模的图像。诸如激光器之类的完全相干照射源使中间掩模图像构造所需要的计算量减少，这允许用最少计算资源来快速构造图像。

14.多个波长配置。通常，较短的波长提供较高的缺陷检测灵敏度。然而，某些缺陷的检测灵敏度并不遵守这个普通规则。因此，对于一些应用，可以使用多个波长更有效地检测多个缺陷。在顺序操作或同时操作配置中，可以成本有效地实现多个波长。

顺序多个波长：在这个配置中，检测缺陷只可以使用一个图像传感器，并且一次使用一个波长。硬件是较简单的，但是操作时间要比同时多个波长操作长。不需要修改连续可变相位控制器来适应不同波长，但是要修改用于振幅衰减和偏振控制的波片以处理不同的波长。

图25到27示出用于改变λ/2板的一些可能装置。图25示出保持两个λ/2板的圆盘传送带2510的例子，每个λ/2板用于不同的检查波长。图26示出保持三个λ/2板的圆盘传送带2610的例子，每个λ/2板最优地用于不同的检查波长。图27示出保持用于四个不同波长的四个λ/2板的圆盘传送带2710的例子。对于图25-27中示出的那些的修改模拟可以应用于λ/4板。当切换波长时，相应地切换波片。通过旋转波片圆盘传送带到一个合适的量来得到波片切换。通过最大90°的波片旋转来覆盖所有可能的振幅衰减和偏振态。因此，如图27所示，单个安装件中可以封装用于四个不同波长的最多四个波片。如果光束大小与每个波片的面积相比不是很小，则在单个安装件中的两个或三个波片更为实用，如图25和26所示。

同时多个波长：通过对每个波长添加波长分离器和分立的图像传感器可以同时使用多个波长。图28示出用于两个波长的示例性系统配置。用于检查样品2810的系统2800使用具有两个不同波长的两个分立的照射源光束2818a和2818b。通过分色波长分离器2872使两个波长组合和分离。两个波长共享相同的收集光学器件2816的前端，这是整个光学系统中最严格并且还是最昂贵的部件。通过共享收集光学器件2816的前端，不但得到了系统简单化，而且还得到了稳定性。使后端透镜部件2812和2814(它们通常是低光功率的因此而是不昂贵的)分立，以便给出相位控制、放大倍数调节和传感器选择中的最大灵活性。使用子系统2870a和2870b来控制相位和衰减，诸如相对于图2a-b、9-11和14所示出的和描述的。

每个波长还使用其自己的补偿板2830a和2830b，以及图像传感器2840a和2840b，在一些实施例中，使用266纳米和532纳米波长。产生这些两个波长的技术是成熟的，并且单个激光器系统可以提供两个波长，因此降低了成本。注意，可以使用较短的波长(诸如193纳米、真空紫外光、超紫外光等)以得到较高的灵敏度。然而，较短的波长是很难处理的。在一些实施例中，通过在后端光学器件光路中添加更多的波长分离器来实现两个以上的波长。

还有可能安排事物以致可以把所有的相位控制器彼此接近地设置在同一光瞳平面中以取消波长分离器和省略图像传感器。然而，这种配置使机械设计更困难，并且增加光瞳模糊性。此外，可以配置系统以致多个波长或宽带照射共享同一相位控制器。这种配置节省了相位控制器的数量，但是造成难以精确控制相位。

15.扩展的光源。对于许多应用，产生极度相干光束的单模空间式激光器是较佳的光源，如上所讨论。然而，在一些实施例中，还可以使用不同于单模激光器的光源。例如，可以使用像弧光灯之类的扩展光源，如图29到31所示。这里定义扩展光源为不相干光源，其光学扩展量要比其波长的平方大得多。

图29示出具有小入射角照射系统和使用扩展光源的干涉缺陷检测系统的例子。使用光束分离器2972把输入照射光束2918引导到样品2910。通过光束2924表示镜面反射分量，镜面反射分量通过与相对于图2a-b、9-11和14示出和描述的任何子系统相似的相位控制器和衰减器2970。光束2928表示的散射分量通过补偿板2929。前端光学系统2916和后端光学系统2914收集光，并且把光从样品引导到成像传感器2940。

图30示出具有带扩展光源的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。使用光束分离器3072把输入光光束3018引导到样品3010。通过光束3024表示镜面反射分量，镜面反射分量通过与相对于图2a-b、9-11和14示出和描述的任何子系统相似的相位控制器和衰减器3070。光束3028表示的散射分量通过补偿板3030。前端光学系统3016和后端光学系统3014收集光，并且把光从样品引导到成像传感器3040。

图31示出具有带扩展光源和在散射光光路中的相位控制的大入射角照射的干涉缺陷检测系统的例子。使用光束分离器3172把输入照射光束3118引导到样品3110。通过光束3124表示镜面反射分量，镜面反射分量通过与相对于图2a-b、9-11和14示出和描述的任何子系统相似的相位控制器和衰减器3170。前端光学系统3116和后端光学系统3114收集光，并且把光从样品引导到成像传感器3140。

扩展光源具有的优点是在成像系统透镜部件的较宽区域上均匀地扩展光能量。这减少了照射光束或镜面反射光束分量的高功率密度损坏透镜的可能性。然而，还存在与扩展光源相关联的缺点。例如，它难以在空间上分离镜面反射分量和散射分量。甚至在光瞳平面处，散射分量的某些部分不可避免地与镜面反射分量重叠。这使精确地控制散射分量和镜面反射分量之间的相对相位很困难。相位控制的不精确通常导致较差的性能。另一个缺点是因为增加了光瞳模糊而信号光的收集效率趋向于而降低。同样，通常因为在光瞳平面处相当大的阻挡带的轨迹而更难以实现傅里叶滤波对图案噪声和扩展光源的鉴别。

III.操作模式。

可以按任何不同方式来操作这里描述的系统。现在将提供关于数个不同操作模式的进一步的细节。

1.高灵敏度模式。这个模式针对特别类型的缺陷，尤其是可以负面地影响芯片产量的缺陷类型。通常设置散射分量和镜面反射分量之间的相对相位使缺陷信号最大。然而，还可以设置相对相位使晶片图案噪声最小或缺陷信号的信噪比最大。在大多数情况中，这些是相互等效的。

如上所述，可以由镜面反射分量通过信号的无噪声放大增加信噪比为固有信噪比的两倍。如上所述，无噪声放大对于弱缺陷信号的检测是很重要的。如果不知道缺陷的详细物理特征和周围的电路图案，则可以通过实验确定要求的或理想的相位值。例如，可以在样品上运行将在下一个段落中介绍的杂物箱模式，以通过实验确定最优的相位值。另一方面，如果知道缺陷的物理特征，则可以根据理论或数值模拟来设置缺陷的最优相对相位。

公式(2c)示出缺陷信号振幅和镜面反射分量之间的相对相位是使缺陷信号最大化的重要的变量。它示出缺陷信号极值发生在当

等于0°或180°时。如果则干涉项的值变成正的，如果

则干涉项的值变成负的。如上所述，总缺陷信号是由暗场项和干涉项两者组成的。因此，为了使总缺陷信号最大化，应该修改干涉项的符号使之成为与整个暗场项相同的符号。不能控制整个暗场项的符号。它可以是正的或负的，这取决于缺陷和周围图案的物理特征。因此，为了得到最大的缺陷信号，可以控制干涉项的相位。

如果整个暗场项的符号是正的，则

的选择使总缺陷信号最大化。如果整个暗场项的符号是负的，则

的选择使总缺陷信号最大化。为了清楚地示出所揭示的系统和方法的优点，选择实数的但是简单的缺陷作为数值模拟。

同样，如上所述，通过改变镜面反射分量或散射分量或两者的相位，可以改变相对相位。但是，实际上，通常更容易改变镜面反射分量的相位，因为镜面反射分量通常具有较低的光学扩展量。因此，在所有数值模拟中，改变镜面反射分量的相位以得到最优的相对相位值。即使把数值模拟限制于特定类型的缺陷，这里揭示的系统和方法通常也可应用于任何类型的缺陷检测。

图32a和32b示出这里用于数值模拟的缺陷的形状。缺陷是圆柱形的，高度或深度与它们的直径相同。图32a示出粒子类型的缺陷3210，具有高度和直径“d”。图32b示出孔洞类型的缺陷3212，具有深度和直径“d”。假定缺陷的材料是与样品的材料相同的。把这类缺陷称为相位缺陷，因为它们对于反射光引入相位变化而不是振幅变化。仅为相位，它们处于可能缺陷类型的整个光谱的极端。

另一个极端类型的缺陷是仅振幅的缺陷。仅振幅的缺陷具有与相位缺陷相反的特征；与它们周围的区域相比，它们具有零高度但是不同的反射率。大多数实数缺陷既不是纯相位型也不是纯振幅型。它们通常与它们的周围具有相位和振幅的差异。在本段落中只模拟来自相位型缺陷的信号，然而，用于模拟的公式和计算机程序是通用的，可以处理其它类型的孤立的圆柱形缺陷。

在这里讨论的模拟中，使用226纳米的波长，并且假定信号收集系统的数值孔径(NA)为0.9。假定由于相位控制器及其安装件引起的中心模糊为0.2NA。

下面得到用于图像形成的公式，并且是基于衍射的标量理论的。标量公式的正确度比矢量公式差。然而，对于进行畅通技术与这里揭示的试图和方法的比较来说，这些公式是足够正确的了。对于检测小于四分之一波长的缺陷，它们还提供十分正确的信号强度和形状的定量估计，这是我们主要感兴趣的一个方面。同样，标量公式通常允许比矢量公式更清楚的的物理眼光。因此，更适合于说明包含在这里揭示的系统和方法中的重要的感概念。使缺陷高度的影响近似为突然的相位变化。家底年代成像系统仅收集光波的辐射部分来证明这个近似。在近场显微镜中是不适合的，近场显微镜收集光波的非辐射部分。所得到公式的足够通用的，它们可以处理其它类型的孤立圆柱形缺陷。使用下面公式中的附注：

h：缺陷高度

a：缺陷的反射性振幅

b：周围区域的反射性振幅

ρ1：成像系统中心模糊的数值孔径

ρ2：成像系统的孔径光阑的数值孔径

t：衰减器的透射振幅

φ：通过相位控制器添加到镜面反射分量的相位(弧度)

可以表达样品反射率的复数振幅O(r)如下。

$=(\mathrm{a\; exp}\left(i2\mathrm{kh}\right)-b)\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_0}\right)+b---\left(3\right)$

其中 $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}$

$\mathrm{circ}\left(r\right)\≡\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{for\; r}\≤1\\ 0& \mathrm{for\; r}>1\end{array}\right.$

公式(3)可以重新写成如下：

$O\left(r\right)=[(\mathrm{a\; exp}\left(i2\mathrm{kh}\right)-a)\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_0}\right)+a]$

$+[(0-(b-a))\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_0}\right)+(b-a)]---\left(4\right)$

在第一直角括号中的部分表示纯相位对象而在第二直角括号中的部分表示具有零反射率的纯振幅对象。因此，我们可以一般地说，可以把任何小缺陷分解成纯相位缺陷和纯振幅缺陷。

采用法向照射来维持系统的圆对称。维持圆对称以便使信号曲线图较少分散注意力。斜照射模型的形成像法向照射一样容易。可以简单地表达具有单位强度的法向照射如下。

Illu(x，y)＝1；照射                (5)

表达反射光的复数振幅，W(x，y)，如下：

$W(x,y)\≡O\left(x\right)\×\mathrm{Illu}(x,y)$

$=[(\mathrm{a\; exp}\left(i2\mathrm{kh}\right)-b)\mathrm{circ}\left(\frac{r}{r_0}\right)+b]---\left(6\right)$

如果用波长重新对坐标进行定标，则：

其中

和

在光瞳平面处观察到的衍射图案振幅Q(α，β)是W(x′，y′)的傅里叶变换。因此，光瞳平面处的复数振幅变成：

Q(α，β)≡FT{W(x′，y′)}＝Q₁(α，β)+Q₂(α，β)           (8)

其中

$Q_1\left(\mathrm{\α}\right)\≡2\mathrm{\π}(\mathrm{a\; exp}\left(i2\mathrm{kh}\right)-b){\left({r_0}^{\′}\right)}^2\frac{J_1\left(2\mathrm{\π}{r_0}^{\′}\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}\right)}{2\mathrm{\π}{r_0}^{\′}\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2}}---\left(9\right)$

Q₂(α)≡bδ(α)δ(β)                            (10)

表达光瞳透射，Pupil(ρ)，和镜面反射分量的相位控制如下：

还可以在光瞳平面处引入在检测器或检测平面上的样品离焦效果如下：

其中z＝样品离焦    (12)

如果组合光瞳透射和离焦效果，则：

在光瞳平面处的反射光的复数振幅，V(α，β)变成：

V(α，β)≡Pupil(ρ)×Defocus(ρ)×Q(α，β)

像平面处的光的复数振幅是V(α，β)的逆傅里叶变换，变成：

U(x′，y′)＝FT^-1{V(α，β)}＝∫∫V(α，β)exp(i2π(αx′+βy′)dαdβ

       ＝∫∫(Q₁(α，β)+Q₂(α，β))P(α，β)exp(i2π(αx ′+βy′)dαdβ

＝∫∫Q₁(α，β)P(α，β)exp(i2π(αx′+βy′))dαdβ+btexp(iφ)      (15)

在像平面处的光强度I(x′)变成

I(x′)＝|U(x′)|²                                           (16)

对于所有的缺陷信号模拟使用上述公式。例如，使用Python编程语言在数值上计算公式(15)的值。

图33到35b示出使用上述程序的数值模拟的结果。图33示出40纳米直径缺陷的模拟结果。曲线3310示出传统明场模式系统的模拟结果，而曲线3312和3314示出这里揭示的干涉方法(使用高灵敏度模式和分别把144°和-36°的相位角施加于镜面反射分量)的模拟结果。曲线3316示出传统暗场系统的模拟结果。

图34示出20纳米直径的缺陷。曲线3410示出传统明场模式系统的模拟结果。曲线3412和3414示出这里揭示的干涉方法(使用高灵敏度模式和分别把117°和-63°的相位角引入镜面反射分量)的模拟结果。曲线3416示出传统暗场系统的模拟结果。

图35a示出10纳米直径的缺陷。曲线3510示出传统明场模式系统的模拟结果。曲线3512和3514示出这里揭示的干涉方法(使用高灵敏度模式和分别把104°和-76°的相位角引入镜面反射分量)的模拟结果。曲线3516示出传统暗场系统的模拟结果。

附图中的“BF”字符表示使用明场系统模式的传统系统，并且包括在用于比较的附图中。附图中的字符“HS”表示高灵敏度模式。角度值是引入到镜面反射分量以得到两个缺陷信号极值的相位角，如上所述。正的角度对应于

的情况，而负的角度对应于

的情况。

角度

不是引入到镜面反射分量的相位角。而是，是引入到镜面反射分量的相位角以及缺陷信号和镜面反射分量之间的固有相位角差的总和。固有相位角差是传统明场模式系统会有的固有相位角差。对于40纳米、20纳米和10纳米缺陷，在模拟缺陷信号中的固有相位角差分别是-144°、-117°和-104°。这些固有相位角差与0°或±180°是很不同的。这是为何传统明场系统检查模式既不能较好地执行也不能稳定地执行的原因。

相位控制器加或减适当的相位角量使缺陷和其周围之间的总相位角差为0°或±180°。在模拟缺陷信号中，相位控制器分别把144°、117°和104°分别加到来自40纳米、20纳米和10纳米缺陷的固有信号中以使总相位差0°。相位控制器还分别把-36°、-63°和-76°分别加到来自40纳米、20纳米和10纳米缺陷的固有信号中以使总相位差-180°。

图33到35b中的字符示出相位控制器加到固有相位角差的相位角。“BF”意味着没有加(或减)相位角。因此，“BF”等效于“HS:0”，无相位添加到镜面反射分量的高灵敏度模式。同样，与两个极值缺陷信号对应的两个相位角之间的差的附图字符的附注是180°。附图中字符“DF”表示暗场系统。

可以从模拟结果得到数个重要的事实。第一，当缺陷的大小变成小于波长的四分之一时，暗场信号的强度极快地减小。暗场信号可能大于附图中所示的那些，如果通过周围图案发生与散射分量的建设性的干涉。这类干涉是不可控制的，并且完全依赖于运气。因此，一般预期暗场缺陷信号变成很小而难以可靠地检测大小小于四分之一波长的缺陷。在不久的将来，预期半导体晶片中的临界缺陷的重要部分会比四分之一波长小很多。事实上，预期线宽度达到四分之一波长，其中波长是193纳米除以水在193纳米处的折射率。因此，当前暗场检查技术在将来是很悲观的。

第二，即使在模拟中使用的缺陷是相位对象，使缺陷信号和镜面反射分量之间的相对相位为0°或180°所需要的镜面反射分量上的相位变化也不必定是±90°。实际上，用于最大缺陷信号的镜面反射分量上所需要的相位变化量取决于相位对象的大小。这是这个检查技术和相位反差显微镜之间的临界差，其中为最大图像反差而把固定的±90°相位加到镜面反射分量中。甚至这些简单例子也示出可靠的缺陷检测要求缺陷信号和镜面反射分量之间的相对相位的连续可变性。如果对来自更一般缺陷的信号进行模拟，则会更清楚地示出在相位控制器中具有连续可变性的要求。

例如，如果模拟来自纯振幅缺陷的信号，则相位控制器的最优的相位值为0°或180°。这些相位值与纯相位缺陷的例子中示出的那些值极不一样。实际上，相位控制器应该能够提供任何相位偏移值，以便能够可靠地检测所有类型的缺陷。因此，如果我们希望可靠地检测缺陷，则相位控制器的连续可变性不只是所要求的，还是真正必需的。这里揭示的系统和方法使用可以实质上以连续方式改变相对相位的相位控制器。

第三，通过适当地改变相对相位在传统明场信号上显著地提升或放大缺陷信号。此外，当缺陷大小变成更小时，信号放大变得更重要。在最大信号模式中操作的另一个优点是提高信号可靠性。这是因为如果信号强度是极大值则对于外部扰动的第一阶信号灵敏度是0。因此，这里揭示的系统和方法可以提供更高的缺陷检测灵敏度与较佳的稳定性。

还可以使用相位控制对不希望有的缺陷信号不进行放大。一个较好的例子是晶片图案噪声，它实际上不是噪声而是缺陷信号。在大多数缺陷检测情况中，要求抑制晶片图案噪声。如果抑制晶片图案噪声比放大感兴趣的缺陷信号更重要，则可以设置相位控制器使晶片图案噪声最小化而不是使感兴趣的缺陷信号最大化。

在所有三个附图33、34和35a中，明场信号仍是可观的。然而，重要的事情是：对于在模拟中使用的缺陷类型是实数的。对于某些类型的实数缺陷，明场信号可以是更小的。为了理解这个问题，可以更明显地写出缺陷信号。缺陷信号s是来自缺陷的原始信号和镜面反射分量之间的差。(参考公式(3))。因此，在缺陷位置处的缺陷信号振幅变成

$s=\sqrt{R_d}\exp \left(\frac{i4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\right)-b=(\sqrt{R_d}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\right)-b)+i\sqrt{R_d}\sin \left(\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(17\right)$

其中R_d是缺陷的反射率

h是缺陷的高度

公式(17)告诉我们，如果

$R_{\mathrm{sur}}=b^2=R_d{\cos }^2\left(\frac{4\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(18\right)$

其中R_sttr是周围区域的反射率

则缺陷信号是纯虚数。即，缺陷信号和镜面反射分量之间的相位差

是±π/2。既然是这样，公式(2c)中示出的干涉项变成零，对于明场信号没有贡献。结果，明场信号与暗场信号相同，对于小缺陷是极小的。这表示明场系统可能致命地看不到某些类型的缺陷。

较佳的例子是在硅晶片顶部上的小的高反射率粒子。粒子的反射率可以满足公式(18)，因为它的反射率高于硅的反射率。如果粒子满足甚至接近公式(18)，则明场系统难以发现它。图35b清楚地示出问题。缺陷大小是10纳米，但是其反射率比周围区域的反射率高26％以符合公式(18)。

在这些情况下，明场信号3521和暗场信号3522实际上为零。然而，通过控制散射分量和镜面反射分量之间的相对相位可以完全地恢复信号。90°的相对相位偏移产生干涉信号3523，而-90°的相对相位偏移产生信号3524。该例子展示出这里揭示的干涉检测系统和方法的能力。

从直觉方面来看，明场系统可能看不到明场缺陷。但是实际上，存在一个原因。通过考虑两个极端的情况至少可以从质的方面来理解。从我们的直觉知道，如果缺陷的反射率与周围区域的反射率相同或更低，则明场信号具有负的符号，即，在其原始图像(减去基准之前的信号)中的倾角(dip)。然而，我们还从我们的直觉知道，如果缺陷的反射率比周围区域的反射率大许多，则明场信号应该具有正的符号，即，其原始图像中的峰。这告诉我们，对于一些缺陷的中间反射率来说，明场信号必须为零。因此，确实存在明场系统致命地看不倒某些类型的缺陷的情况。如果缺陷是相当大的，则缺陷满足公式(18)的机会很少。

结果，明场系统看不到大缺陷的机会很少。然而，如果缺陷比四分之一波长小得多，则缺陷满足公式(18)的机会变成很大。缺陷大小快速地收缩。因此，对于与将来技术相关联的快速收缩缺陷大小，期望明场系统能够可靠地检测缺陷。这里揭示的系统和方法探索缺陷信号和镜面反射分量之间的相对相位。在上述例子中，如果相位控制器使镜面反射分量的相位改变

则干涉项重新得到其总其长度。

在图33中，信号曲线3312的绝对振幅稍大于信号曲线3314的绝对振幅。这是因为公式(2c)中示出的暗场项和干涉项具有相同的符号，并且对于曲线3312建设性地加。然而，对于曲线3314，暗场项和干涉项具有相反的符号，并且破坏性地加。因此，在该特定例子中，对于缺陷检测，曲线3312是比曲线3312较佳的一个选择。在该特定例子中，两个选择之间的差很小。然而，在实数缺陷的情况中，两个选择之间的差可能很大。操作的高灵敏度模式允许我们选择任何特定类型缺陷的最优的信号曲线。

由于从成像孔径的尖锐边缘的衍射，当信号测量点移向图33到图35b所示的信号的外围部分时，缺陷信号通常改变符号。因此，如果需要对信号进行空间积分以使总信号最大化，则在积分之前把所有的信号部分转换成正值是很重要的。噪声量在空间上是均匀的，因为主要噪声源是检测器噪声和来自镜面反射分量的光子噪声。它们两者在空间上都是均匀的。因此，在中心处信号具有最高信噪比或信号峰值，并且在其外围具有较低信噪比。

如果信号转换过程向较高信噪比部分设置较高的权重而向较低信噪比部分设置较低的权重，则是很有利的。例如，对信号平方和取绝对值使信号的所有部分转换成正值。然而，信号平方自动地对信号更高质量部分设置了更高的权重，而取信号的绝对值向信号的所有部分设置相等的权重。因此，对信号平方是比对信号取绝对值更佳的一个转换过程。因此，在实数系统中，如果计算资源是有限的，则可能需要性能和速度之间的某些折衷。

反差增强。如上所述，强镜面反射分量意味着缺陷信号的大的无噪声放大。缺陷信号的大的无噪声放大导致做过减法的图像中的大的缺陷反差。这依次导致更灵敏和稳定的缺陷检测系统。因此，通常强镜面反射分量是较佳的。注意，强镜面反射分量增加做过减法的图像的反差，但是减小了原始图像的反差。缺陷检测所关心的反差是做过减法的图像的反差，不是减法之前的原始图像的反差。这个标准与所有传统显微镜(包括相位-反差型和它们衍生物)相反，它们努力增加原始图像的反差。然而，过强的镜面反射分量可能使动态范围不很大的图像传感器饱和，结果导致缺陷信号以不希望有的方式畸变。这导致信号的灰度等级数量不足。当使图像传感器的动态范围饱和时，需要增加原始样品的图像的反差，减小镜面反射分量，以避免缺陷信号的畸变。

如果缺陷或晶片图案比波长小得多，则为了得到适当高的图像反差，镜面反射分量的显著的衰减是有用的。数值模拟已经确认反差增强方法的有效性。

图36示出通过衰减镜面反射分量强度96％的、给出增强的反差的40纳米缺陷的图像。曲线3610示出衰减镜面反射分量之后的结果，而曲线3612示出衰减镜面反射分量之前的结果。

图37示出通过衰减镜面反射分量强度99％得到的20纳米缺陷的图像的增强的反差。曲线3710示出衰减镜面反射分量之后的结果，而曲线3712示出衰减镜面反射分量之前的结果。注意，在模拟中使用的衰减量是过度的。在任何情况中都不推荐或实践它们，但是用来展示出反差增强技术的能力。

如所期望，较小的缺陷需要镜面反射分量较强的衰减以得到相同的图像反差。继续减小缺陷的大小和晶片上电路图案和得到高动态范围的图像传感器是困难和高成本的。因此，将来需要镜面反射分量的强衰减来应付更小的缺陷。这是在许多实施例中为何把衰减器设置在镜面反射分量光路中的的原因。

这类反差增强技术的缺点之一是大的光能量损耗。为了补偿由于镜面反射分量的衰减引起的能量损耗，可以把更多的光提供给照射光路或对检测器信号进行较长时间周期的积分。在许多应用中，不期望这些选项中的任何一个，因为强的照射光束会损坏样品，而较长的检测器积分时间会减少吞吐量。因此，必须想到这些其它不希望有的光的副作用而小心地使用反差增强。注意，通过强照射光照射样品上较大区域和使用比例上较大的检测器阵列可以减少样品损坏的可能性，同时保持吞吐量，但是这通常需要更昂贵的仪器设计。

幸运地，即使在模拟中使镜面反射分量严重地衰减以清楚地示出反差增强，但是大多数实际情况不需要更多的反差增强，这要感谢当前缺陷检测系统中使用的大动态范围的图像传感器。中等的反差增强不但是当前实践极可接受的，而且还较佳地考虑了信号放大、光能量使用的有效性以及系统吞吐量的当前需要。

从图36中的缺陷图像3610和图37中的缺陷图像的形状可以得到重要的结论，缺陷图像的形状表示即使存在镜面反射分量的大量衰减，干涉项也是主要的。即使衰减是99.9％，干涉项仍是主要的。通过镜面反射分量的信号的无噪声放大形成干涉项，而样品的低反射率与镜面反射分量的大衰减具有近似相同的效应。因此，即使具有镜面反射分量的大的衰减，也可以把干涉项的主要性解释为意味着通过镜面反射分量的无噪声信号放大工作得很有效，即使样品具有极低的反射率。这意味着根据通过镜面反射分量的无噪声信号放大的这里揭示的所有系统和方法实际上与任何类型的样品都能一起很好地工作。实际上，缺陷越小，通过镜面反射分量的缺陷信号的无噪声放大更有效。将在下面“暗场模式的限制”的段落中示出更正确的支持例子。

偏振的选择。如上所述，在大多数情况中，缺陷信号的信噪比取决于照射光和收集的光的偏振态。因此，重要的是选择感兴趣的缺陷的正确偏振。用直觉、理论模型、数值模拟或实验可以进行正确偏振的选择。然而，测试所有的不同偏振组合通常是不现实的，因为它们的数量极大。只要缺陷及其相邻图案不具有螺旋形结构，就可以把偏振选择限制于线性偏振的组合。

2.杂物箱模式。缺陷不但可以改变散射光的振幅还可以改变其相位。不同类型的缺陷不同地影响散射光的振幅和相位两者。因此，如果测量散射光的振幅和相位两者，则不但可以捕捉到更多缺陷而且还可以得到更多关于缺陷的信息。杂物箱模式是基于缺陷信号的振幅和相位两者的确定的。因为完全是通过振幅和相位来确定缺陷信号的，所以如果噪声足够低，则在原理上，杂物箱模式在一次运行中可以捕捉实际上所有不同类型的缺陷。

如果缺陷的振幅和相位信息两者是可得到的，则可以更正确地对缺陷进行分类。例如，如果缺陷是粒子型的或孔型的或台面型的或谷型的，则可以从其可确定的振幅信息和相位信息估计缺陷的大小。将在下面“三次扫描方法”的段落中给出例子。

如果另外还使用诸如样品基板和图案材料、周围图案几何等其它数据，则甚至更正确的缺陷分类也是可能的。

更正确的缺陷分类是缺陷审查过程中的大的时间节省器，通常是极高成本的。缺陷审查通常需要使用昂贵但是慢的电子显微镜。此外，收集在操作的杂物箱模式中的信息对于适当设置其它操作模式是极有用的。适当设置其它操作模式的杂物箱模式的利用不但减少了设置时间，而且还使自动快速设置为可能。

还可以用杂物箱模式进行杂物箱模式本身的设置。例如，可以用不同的样品扫描数操作杂物箱模式多次，每次对应于不同的相位偏移，并且还具有不同的偏振。然后，可以对结果相互比较以确定用于最优的杂物箱模式本身使用的最优的样品扫描数和最佳的偏振设置。因此，杂物箱模式是一个有力的模式。杂物箱模式的单次运行需要多次样品扫描。然而，并不预期其吞吐量比其它模式更低，因为它可以用单次运行来捕捉所有不同类型的缺陷，并且不需要多次扫描之间的样品装载/卸载。同样，通过缺陷审查过程中吞吐量增加可以大大地补偿吞吐量的减少。因此，即使杂物箱模式的吞吐量低，预期杂物箱模式也将成为操作的流行模式。

三次扫描方法。公式(2c)示出干涉项包含缺陷信号的振幅和相对相位的余弦。为了完全地确定缺陷信号的振幅和相对相位，需要使用样品的至少三次扫描。两次扫描是不够的，因为还存在另外的未知数，整个暗场项。对于每次扫描，需要不同地设置镜面反射分量的相位。这可以通过校正相位控制器而得到。在前面段落中描述了相位控制器的校正方法。

镜面反射分量的促使相位值是不重要的，所以使用镜面反射分量的任何相位设置。例如，如果URL的第一扫描的镜面反射分量的相位值是并且第二和第三扫描的相位变化是θ₁和θ₂，则表达第一、第二和第三扫描的镜面反射分量的复数振幅如下

然后，表达三个样品扫描的图像强度如下：

I₀≡|b₀+a+s|²+|q_a+q_s|²+|g|²                                          (22)

  ＝|b|²+|a+s|²+|q_a+q_s|²+|g|²+2|b|(a_x+s_x)                            (22a)

I₁≡|b₁+a+s|²+|q_a+q_s|²+|g|²                                          (23)

  ＝|b|²+|a+s|²+|q_a+q_s|²+|g|²+2|b|((a_x+s_x)cos(θ₁)+(a_y+s_y)sin(θ₁))  (23a)

I₂≡|b₂+a+s|²+|q_a+q_s|²+|g|²                                          (24)

  ＝|b|²+|a+s|²+|q_a+q_s|²+|g|²+2|b|((a_x+s_x)cos(θ₂)+(a_y+s_y)sin(θ₂))  (24a)

然后，管芯到管芯(或单元到单元)减去的强度为：

ΔI₀≡I₀-I₀(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_a|²-|q_a|²+2|b|s_x                              (25)

ΔI₁≡I₁-I₁(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_s|²-|q_a|²+2|b|(s_xcos(θ₁)+s_ysin(θ₁))         (26)

ΔI₂≡I₂-I₂(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_s|²-|q_a|²+2|b|(s_xcos(θ₂)+s_ysin(θ₂))         (27)

这些管芯到管芯的减去的强度包含所需要的缺陷信号的振幅和相位信息。因此，需要存储整个晶片的这些管芯到管芯减去的强度。这看来需要不切实际的存储器空间量。但是，实际上，不需要这么多的存储器空间，因为只在缺陷周围区域中的数据才是非零的，实际上是极稀疏的。只需要存储非零或比预定门限值较大的值的数据。不需要存储零或比门限值小的值。

如果θ₁和θ₂不是零，并且θ₁≠θ₂，则我们可以从公式(25)、(26)和(27)确定缺陷信号的复数振幅(或等效地确定振幅和相位)。经放大的缺陷信号的复数振幅的实数和虚数部分为：

$2\left|b\right|s_x=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_1\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\mathrm{\Δ}{I}_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\mathrm{\Δ}{I}_0(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)-(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}---\left(28\right)$

$2\left|b\right|s_y=\frac{1}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)}\left\{\begin{array}{c}-[\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)+\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)(\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)-(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}]\mathrm{\Δ}{I}_1\\ +[\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)(\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)-(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}]\mathrm{\Δ}{I}_2\\ +(\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right))[1+\frac{(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)-(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}]\mathrm{\Δ}{I}_0\end{array}\right\}---\left(29\right)$

我们还可以看到，表达整个暗场项如下：

$D=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_0\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)-\mathrm{\Δ}{I}_1\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)+\mathrm{\Δ}{I}_2\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)-(\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right))}---\left(30\right)$

其中D≡|a+s|²-|a|²+|q_a+q_a|²-|q_a|²：暗场项                  (31)

如果-θ₁＝-θ₂＝θ≠0，则公式(18)、(29)和(30)减少成下式：

$2\left|b\right|s_x=\frac{(2\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_2)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}---\left(32\right)$

$2{\left|b\right|s}_y=\frac{(\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_2)\cos \mathrm{\θ}}{\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}---\left(33\right)$

$D=\frac{(\mathrm{\Δ}{I}_1+\mathrm{\Δ}{I}_2)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\Δ}{I}_0\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}{2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}---\left(34\right)$

存在对于θ₁和θ₂值的数个较好的选择。但是较佳的选择是：

因为如公式(38)所示的所产生的信号强度公式的简单性。其它选择像：或

也可工作，但是信号强度的表达不像公式(38)那么简单和对称。如果

则公式(32)、(33)和(34)还减少成下式：

$2\left|b\right|s_x=\frac{2\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_2}{3}---\left(35\right)$

$2\left|b\right|s_y=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_2}{\sqrt{3}}---\left(36\right)$

$D=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_0+\mathrm{\Δ}{I}_1+\mathrm{\Δ}{I}_2}{3}---\left(37\right)$

这种情况的放大的缺陷信号强度I_s具有下面见大的表达：

$I_s^2\≡{\left(2\right|b\left|s_x\right)}^2+{\left(2\right|b\left|s_y\right)}^2$

$=\frac{4}{9}(\mathrm{\Δ}{I_0}^2+\mathrm{\Δ}{I_1}^2+\mathrm{\Δ}{I_2}^2-\mathrm{\Δ}{I}_0\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_1\mathrm{\Δ}{I}_2-\mathrm{\Δ}{I}_2\mathrm{\Δ}{I}_0)$

$=\frac{2}{9}[{(\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1)}^2+{(\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_2)}^2+{(\mathrm{\Δ}{I}_2-\mathrm{\Δ}{I}_0)}^2]---\left(38\right)$

I_s是原始信号强度。它的振幅不但取决于照射光的强度而且还取决于镜面反射分量的强度。因此，为了使缺陷信号更一致，应该使I_s对照射光光束和镜面反射分量的强度归一化。

在场上可以进行相当均匀的照射，但是镜面反射分量的强度可以在整个场上显著地变化。镜面反射分量的强度变化的确切测量是困难的。幸运地，不需要镜面反射分量的局部强度的确切值。为了归一化，近似值是可以的。在大多数情况中，可以通过总光强度的局部平均来近似镜面反射分量的局部强度值。因此，可以使原始的放大的缺陷信号强度I_s正确地归一化如下：

$I_s^{\′2}\≈\frac{2}{9}\frac{[{(\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1)}^2+{(\mathrm{\Δ}{I}_1-\mathrm{\Δ}{I}_2)}^2+{(\mathrm{\Δ}{I}_2-\mathrm{\Δ}{I}_0)}^2]}{I_{\mathrm{ill}}\·I_{\mathrm{local}}}---\left(39\right)$

其中I_ill是样品平面处照射强度

I_local是像平面处总光强度的局部平均

是放大的缺陷信号的经归一化的强度。I_ill归一化|s|²，I_local归一化|b|²。通常通过对

的峰值与称为门限的预置值进行比较来检测缺陷。还可以使用更多的阐述的缺陷检测算法以提高总性能。

例如，可以在空间上对进行积分，可以对积分值(而非峰值)与预定门限值进行比较。同样，还可以与其它方法一起应用具有有效检测元件宽度的缺陷图像的数值去卷积。在“空间频率带宽”的段落中将描述快速数值去卷积方法。归一化的放大的缺陷信号的强度不但显示了缺陷的存在，而且还提供关于缺陷大小的关键信息。

光学信号不直接提供缺陷的物理大小信息。而是，它只直接提供缺陷的“光学大小”。物理大小和光学大小之间的关系可能是复杂的。因此，难以单从光学信号正确地估计缺陷的物理大小。然而，我们可以通过实验或模拟建立缺陷的物理和光学大小之间的一般关系。然后，可以从一般关系近似地估计缺陷的物理大小。如果附加地使用其它数据(诸如缺陷合成数据、中间掩模图案数据等)，则缺陷更正确的特征也是可能的。

相对于镜面反射分量的缺陷信号的相位

变成：

更有意义的相位值是和基准相位值之间的差，这在“相位控制器”的段落中讨论。因此，如果基准相位值是非零，则我们应该从

减去基准相位值。相位信息提供附加的严格的信息，用于进行更正确的缺陷分类。例如，如果缺陷是粒子、孔洞、台面或谷类型的，则相位信息立即确定。正确和可靠的缺陷分类与可靠的缺陷检测一样重要。现有的技术依赖于只用于缺陷分类的部分振幅信息，这导致极不可靠的缺陷分类。这里揭示的系统和方法允许使用振幅和相位信息两者进行缺陷分类。使用两个量允许更正确和可靠的缺陷分类。

如果还使用诸如缺陷组成数据、中间掩模图案数据等附加信息，则甚至更正确的缺陷分类也是可能的。更正确和可靠的缺陷分类能力是这里揭示的系统和方法的重要特征之一。还可以使用缺陷相位信息正确地设置相位控制器进行高灵敏度模式操作。

实际上，诸如晶片图案噪声、假缺陷等不感兴趣的缺陷是实数的缺陷。还可以极有效地使用杂物箱模式，以研究或定这类缺陷的特征，所以可以最有效地鉴别它们。

图38示出作为例子的20纳米缺陷的信号强度和相位的曲线图。曲线3810是信号强度，而曲线3812是对应的相位。为了检测这个缺陷，通常只需要信号强度的峰值。

可以用照射强度使公式(37)归一化，并且用于估计暗场信号的强度，并且如果可以使用暗场模式操作可靠地寻找缺陷，则就可以确定暗场信号的强度。

在实数系统中，公式(35)到(39)是特别有用的，因为不需用更多的计算时间来计算它们，而且它们对于随机噪声至少是敏感的，这是因相位角的等分造成的。通过选择并且通过使用这些公式，三次扫描方法可以以极有效的方式完全地确定缺陷信号的复数振幅。

这些公式允许一个像素一个像素的并行计算。因此，可以通过使用大规模的并行计算技术实现实时计算而无困难。例如，具有当前的技术，通过使用大量图形处理单元(GPU)和支持芯片组，可以构造不昂贵的有力的大规模并行计算机。

放大的缺陷信号强度，公式(38)或(39)，是缺陷信号的完整的强度，并非只是实数部分，因此，是缺陷存在的实数指示器。通过把它与预定门限值进行比较，我们可以说出缺陷是否足够大到要关心的程度。如果缺陷是要关心的，则我们可以使用公式(35)和(36)通过计算信号的复数振幅定它的特征。这给出关于它是那类缺陷的一些关键信息。

例如，图39示出来自20纳米粒子和20纳米孔洞的缺陷信号的相位的曲线图。曲线3910示出20纳米孔洞的相位，而曲线3912示出20纳米粒子的相位。从图39可以看到，粒子和孔洞对于缺陷信号的复数振幅给出相反符号的相位角。因此，即使缺陷信号的振幅是相同的，我们也可以说出哪些是粒子型缺陷而哪些是孔洞型缺陷。

如果缺陷的大小与收集光学器件的分辨率可比拟或更大，并且噪声也是很低的，则我们甚至可以用成像光学器件的点扩散功能的复数振幅对缺陷信号的复数振幅去卷积以得到更详细的缺陷图像。这个能力可帮助缺陷分类变得更正确。更准确的缺陷分类导致缺陷审查过程中大大地节约时间，通常缺陷审查过程是极高成本和慢的，因为缺陷审查通常要求使用昂贵的但是慢的电子显微镜。因此，通过在缺陷审查过程中增加吞吐量来漂亮地补偿由于多个样品扫描引起的吞吐量减少。

另一个重要的事实是放大的缺陷信号强度，公式(38)或(39)，不取决于缺陷信号相位值。这意味着杂物箱模式可以潜在地捕捉由任何类型图案包围着的任何类型的缺陷。这是杂物箱模式为何是如此有力的模式的原因。传统技术不能够支持杂物箱模式，因为它们不能测量缺陷信号的实数部分和虚数部分两者。它们只可以测量实数部分。既然是这样，信号强度严格地取决于缺陷信号及其周围图案的相对相位值。结果，传统技术不能发现所有不同类型的缺陷，而是，传统技术可能会丢失大量缺陷。

两次扫描方法。如上所述，一般采用至少三个样品扫描以便完全地确定缺陷信号的复数振幅。然而，如果整个信号的暗场部分与干涉部分相比是可忽略不计的，则两个样品扫描足以确定的缺陷信号的复数振幅。这可以从公式(25)和(26)看出。如果我们忽略公式中的暗场部分，则设置

然后这些公式给出：

2|b|s_x≈ΔI₀                                            (41)

2|b|s_y≈±ΔI₁                                          (42)

放大的缺陷信号强度I_s变成：

$I_s^2\≡{\left(2\right|b\left|s_x\right)}^2+{\left(2\right|b\left|s_y\right)}^2$

归一化的放大的缺陷信号强度I_s’变成：

$I_s^{\′2}\≈\frac{\mathrm{\Δ}{I_0}^2+\mathrm{\Δ}{I_1}^2}{I_{\mathrm{ill}}\·I_{\mathrm{local}}}---\left(44\right)$

如果图像传感器具有大的动态范围，则我们可以使整个信号的干涉部分提升很大量。既然是这样，整个信号的暗场部分可以是如此地小，以致我们能够使用两次扫描方法来加速操作的杂物箱模式。

四次扫描方法。镜面反射分量的四个相位值的简单的选择是0，π，

和

如果用0，π，

和

扫描样品四次，则每次扫描的镜面反射分量的相位变化：

管芯到管芯减去强度成为：

ΔI₀≡I₀-I₀(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_a|²-|q_a|²+2|b|s_x                     (49)

ΔI₁≡I₁-I₁(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_a|²-|q_a|²-2|b|s_x                     (50)

ΔI₂≡I₂-I₂(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_a|²-|q_a|²+2|b|s_y                     (51)

ΔI₃≡I₃-I₃(s＝q_s＝0)

    ＝|a+s|²-|a|²+|q_a+q_a|²-|q_a|²-2|b|s_y                     (52)

放大的缺陷信号的复数振幅的实数部分和虚数部分变成：

$2\left|b\right|s_x=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1}{2}---\left(53\right)$

$2\left|b\right|s_y=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_2-\mathrm{\Δ}{I}_3}{2}---\left(54\right)$

$D=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_0+\mathrm{\Δ}{I}_1}{2}=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_2+\mathrm{\Δ}{I}_3}{2}=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_0+\mathrm{\Δ}{I}_1+\mathrm{\Δ}{I}_2+\mathrm{\Δ}{I}_3}{4}---\left(55\right)$

对于这个情况，放大的缺陷信号强度I_s具有下面简单的表达：

$I_s^2\≡{\left(2\right|b\left|s_x\right)}^2+{\left(2\right|b\left|s_y\right)}^2$

$=\frac{1}{4}[{(\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1)}^2+{(\mathrm{\Δ}{I}_2-\mathrm{\Δ}{I}_3)}^2]---\left(56\right)$

归一化的放大的缺陷信号强度变成：

$I_s^{\′2}\≈\frac{1}{4}\frac{[{(\mathrm{\Δ}{I}_0-\mathrm{\Δ}{I}_1)}^2+{(\mathrm{\Δ}{I}_2-\mathrm{\Δ}{I}_3)}^2]}{I_{\mathrm{ill}}\·I_{\mathrm{local}}}---\left(57\right)$

相对于镜面反射分量的缺陷信号的相位

变成：

四次扫描方法提供更简单的公式。然而，其主要缺点是缺陷信号和

镜面反射分量之间的相对相位角有45°那么大。注意，三次扫描方法的最大相对相位角是30°。对于某些缺陷，这个事实使四次扫描方法比三次扫描方法要不灵敏。为了得到比三次扫描方法更佳的灵敏度，可以选择与

不同的相位值。可能的不同选择是

等。然而，这些其它选择包括使用回归方法来确定缺陷信号和使缺陷信号的分析表达更复杂(见缺陷的一般表达的下一个子段)。四次扫描方法的另一个缺点是与三次扫描相比因为需要额外的样品扫描而降低了吞吐量。

更多次扫描方法。更独立的图像数据导致较佳的信噪比。因此，增加信噪比，就可以对每次扫描用不同的镜面反射分量相位设置进行比四次更多次的扫描。既然是这样，需要数据量比唯一地确定缺陷信号的复数振幅的量要多。因此应该采用回归方法以确定缺陷信号。用已知的利弊可得到许多不同的回归方法。最流行的方法之一是最小平方回归法。如果噪声是随机的，则这是较佳的选择，它还允许当前情况的分析方法。分析回归是重要的，因为它可以节约许多计算时间。如果噪声不是随机的，则其它回归方法可能更适用，但是它们不允许分析方法。因此，这里提供最小平方回归法。

让我们假设对于每次扫描用不同的相位设置对样品扫描N次，则把第n次扫描的、理论的管芯到管芯做过减法的图像强度表达如下：

$\mathrm{\Δ}{I}_n^{\left(0\right)}=D+2\left|b\right|(s_x\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right))---\left(59\right)$

$\mathrm{\Δ}{I}_n^{\left(0\right)}=D+2\left|b\right|(s_x\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right))---\left(59\right)$

其中D≡|a+s|²-|a|²+|q_a+q^a|²-|q_a|²：暗场项          (60)

在最小平方回归中定义误差函数如下：

$E=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\Δ}{I}_n-\mathrm{\Δ}{I}_n^{\left(0\right)})}^2---\left(61\right)$

其中ΔI_n是第n次扫描的实际的管芯到管芯做过减法的图像强度，而ΔI_n ⁽⁰⁾是第n次扫描的理论的管芯到管芯做过减法的图像强度。

我们要发现使误差函数最小的D，s_x和s_y值。在其最小值处，误差函数相对于D，s_x和s_y的斜率变成零。因此，解满足下面三个公式：

$\frac{-1}{2}\frac{\∂E}{\∂D}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\Δ}{I}_n-\mathrm{\Δ}{I}_n^{\left(0\right)})=0$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[D+2|b\left|(s_x\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right))\right]$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n-\mathrm{ND}-2\left|b\right|\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(s_x\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right))---\left(62\right)$

$\frac{-1}{4\left|b\right|}\frac{\∂E}{\∂s_x}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)(\mathrm{\Δ}{I}_n-\mathrm{\Δ}{I}_n^{\left(0\right)})=0$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[D\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+2|b\left|(s_x{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right))\right]$

$\frac{-1}{4\left|b\right|}\frac{\∂E}{\∂s_y}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)(\mathrm{\Δ}{I}_n-\mathrm{\Δ}{I}_n^{\left(0\right)})=0$

$=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[D\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+2\left|b\right|(s_x\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_n\right))]$

然后，从公式(62)：

$D=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n-\frac{2\left|b\right|}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(s_x\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)+s_y\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right))---\left(65\right)$

通过把公式(65)代入公式(63)和(64)：

$B\≡N+\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_n\right)-\frac{2}{N}{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\right)}^2---\left(69\right)$

$C\≡\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_n\right)-\frac{2}{N}\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\right)\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\right)---\left(70\right)$

$A^{\′}\≡\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)-\frac{1}{N}\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n\right)\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\right)---\left(71\right)$

$B^{\′}\≡N-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_n\right)-\frac{2}{N}{\left(\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\right)}^2---\left(72\right)$

从公式(66)和(67)：

$\left|b\right|s_x=\frac{{\mathrm{AB}}^{\′}-A^{\′}C}{{\mathrm{BB}}^{\′}-C^2}---\left(73\right)$

$\left|b\right|s_y=\frac{A^{\′}B-AC}{{\mathrm{BB}}^{\′}-C^2}---\left(74\right)$

公式(73)和(74)是放大的缺陷信号的复数振幅的最佳通用解。通过把公式(73)和(74)代入公式(65)，

可以快速计算信号强度和相位，并且按上述方式用于缺陷检测和分类。可以用照射强度使公式(75)归一化，并用于估计暗场信号的强度。通过估计暗场信号的强度，我们可以说出是否可以用暗场模式操作来发现缺陷。

一般，如果N≥4，则我们还可以通过计算回归之后的剩余误差量来估计测量数据的完整性。通过把公式(73)、(74)和(75)代入公式(61)，并且求公式中每一项的总和，可以快速计算剩余误差。通过用预置值计算剩余误差，我们可以说出测量的稳健。检查剩余误差特别有助于系统故障查找。这通常是系统故障查找过程的第一步。

当N＝3时，公式(73)到(75)分别简化成公式(28)到(30)。

如果选择相位设置使之符合下面的条件：

$\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({2\mathrm{\θ}}_n\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_n\right)=0---\left(76\right)$

(作为例子，如果选择它们之间具有平均角度间隔的θ_n则可以符合上述条件)。

然后，

B＝B′＝N，C＝0              (77)

并且，结果，既然是这样，

$\left|b\right|s_x=\frac{A}{N}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n\cos ({\mathrm{\θ}}_n)---\left(78\right))$

$\left|b\right|s_y=\frac{A^{\′}}{N}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n\cos \left({\mathrm{\θ}}_n\right)---\left(79\right))$

$D=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_n---\left(80\right)$

从公式(78)和(79)，

$I_s\≡{\left(2\right|b\left|s_x\right)}^2+{\left(2\right|b\left|s_y\right)}^2$

$=\frac{4}{N^2}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_m\mathrm{\Δ}{I}_n\cos ({\mathrm{\θ}}_m-{\mathrm{\θ}}_n)---\left(81\right)$

很容易看到，当N＝3和θ₀＝0，

时，公式(78)到(81)分别简化为公式(35)到(38)。当N＝4和θ₀＝0，θ₁＝π，

时，它们还分别简化为公式(53)到(56)。

如所示，可以通过分析完成杂物箱模式的回归过程。因此，即使为了得到可靠的缺陷信号而对样品扫描多于三次，在杂物箱模式中的操作也不需要过多的计算时间。清楚地，更多次扫描意味着较小的吞吐量。然而，如果信噪比较低或需要高信噪比，则更多次样品扫描是大有帮助的。例如，缺陷信号的正确研究可以从高信噪比的缺陷信号而得益，并且这可以通过运行具有大量样品扫描的杂物箱模式而容易地得到。

如果N是大的而且可以快速地改变相对相位和快速地控制测量数据，则可以在外差式模式中操作系统。外差式模式遭受更小的l/f噪声，所以一般能够提供较干净的测量数据。可以在静态或步进系统中容易地实现外差式方法，然而，通常在扫描系统中较难实现外差式方法，特别在快速扫描系统中。

反差增强。如果图像传感器的动态范围饱和了，则在杂物箱模式中需要增加图像的反差以保持信号完整性。既然是这样，可以使用在高灵敏度模式中描述的反差增强技术。

偏振分集。如上所述，缺陷信号的强度取决于照射光还有散射光的偏振态。因此，如果感兴趣的缺陷由不同类型的缺陷组成，并且它们信号强度取决于不同的偏振态，则为了捕捉所有不同类型的缺陷，需要收集多个不同偏振态的图像。把这称为偏振分集。在应对偏振分集的理论中，要采用不同相位偏移的组合的许多次扫描和许多偏振设置。实际上，这通常是不现实的，需要较好的判断来平衡吞吐量和丢失一个或两个小缺陷的概率。光学物理的基本理解有助于应对偏振分集。只要缺陷及其相邻的图案不具有螺旋形结构，就可以限制所使用的偏振组合为线性偏振组合。

空间频率带宽。通过收集透镜收集的光学信号的复数振幅分布的最大空间频率是

其中NA是收集透镜的数值孔径。然而，强度分布的最大空间频率是因为强度是复数振幅的绝对平方。但是，如果我们更仔细地看公式(1)，我们发现实际上只有暗场项具有

的最大空间频率。干涉项的最大空间频率只是近似

这是因为通过从接近法线方向照射样品可以使镜面反射分量的最大空间频率为很小。在图40中描述这个事实，对具有照射的法向入射的缺陷信号分量的空间频率带宽与暗场空间频率带宽进行比较。曲线4010示出干涉项，而曲线4012示出暗场项。高灵敏度模式和暗场模式的最大空间频率是因为在它们的图像测量中具有暗场项，并且利用暗场项。然而，杂物箱模式在信号处理期间丢掉了所有的暗场项，只利用干涉项。因此，杂物箱模式的最大空间频率是而非

这具有重要的暗示。Nyquist-Shannon采样理论陈述：图像采样的空间频率应该至少是图像的最大空间频率的两倍以便拾取图像中所有信息以及避免信号假频。注意，Nyquist-Shannon采样理论应用于图像传感器，因为图像传感器是一种采样器件。

这意味着如果对于所有模式我们都使用相同的图像传感器，则为了拾取有关缺陷的所有需要的信息和防止信号假频，杂物箱模式的图像放大不需要像高灵敏度模式或暗场模式那么大。这意味着在杂物箱模式中，相同图像传感器可以覆盖样品平面处较大的视场。较大的视场意味着较高的吞吐量。因此，至少在理论上，通过增加视场大大地补偿了由于多次样品扫描引起的杂物箱模式的吞吐量减少。

如果与干涉信号相比暗场信号较小或可忽略，则即使对于高灵敏度操作模式我们也可以减小成像系统的放大以便增加吞吐量而不影响性能。当缺陷大小越来越小时，暗场信号变得越来越不重要。将来，暗场信号可以是极小的或忽略不计。因此，将来的干涉缺陷检测系统，对于高灵敏度模式和杂物箱模式能够使用相同的图像放大。同样，在将来的干涉缺陷检测系统中，在图像放大比其它操作模式的图像放大高时，由于信号分量的低强度而可能不能够操作暗场模式。如果照射光线光路是固定的，则不需要改变图像放大。这建议了在将来的干涉缺陷检测系统中，所有操作模式都可以使用相同的固定图像放大。单个固定的图像放大不但在减少系统的制造成本的同时使成像系统更稳定，而且还使其操作简单化。

注意，Nyquist-Shannon采样理论假设一种Δ函数作为采样函数。但是，任何实数采样函数不可能是Δ函数。实数采样函数必须具有有限的宽度，否则，它们不能够检测信号。图像传感器是一种类型的空间采样器件。采样函数的宽度是图像传感器中每个像素中的光敏区域的宽度。高灵敏度或高动态范围通常要求大的光敏区域。因此，把Nyquist-Shannon采样理论应用于具有适当修改的实数系统。然而，仍保持这里提出的一般争论。

消除采样函数有限宽度的负面效应的一个标准方式是对具有采样函数的图像进行去卷积。这等效于逆傅里叶滤波，其中图像与采样函数的逆傅里叶变换相乘。然而，去卷积的过程通常需要实现太多的计算资源，这对于高速缺陷检测尤其真实。

为了实现去卷积过程，可以大大地简化该过程，所以可以快速地执行该过程。对于任意图像，去卷积过程的简化受到很大的限制。然而，对于大小比波长小很多的小缺陷的做过减法的图像，去卷积过程的较大的简化是有可能的。这是因为在小缺陷的做过减法的图像中，干涉项是主要的，并且干涉项形状与成像系统的振幅点扩展函数(APSF)相同，因此只要固定成像系统的数值孔径就可以固定。

图33到图37确认了这个事实。即使镜面反射分量的空间频率不为零，也不会改变干涉项的形状。其作用是向干涉项提供非零的载波频率。

如果由单个光束构成镜面反射分量，则可以把干涉项表达为APSF与载波频率项相乘。即，可以析出载波频率项，并且独立地处理。如果我们独立地处理载波频率项，则小缺陷的做过减法的图像以及AFSF之间的差是它们强度。既然是这样，感谢这样的事实，即，只有一种类型的信号函数需要处理，去卷积过程减少到信号函数的点对点重新标定。通过取理想APSF(没有受到采样函数的有效宽度的影响)和真实APSF(受到采样函数的有效宽度的影响)之间的比值，可以容易地产生重新标定函数。

去卷积过程是具有重新标定函数的缺陷图像的简单的点对点乘法。在现代计算机是中这是一个极快的过程。因此，既然是这样，可以对小缺陷的图像极快地执行去卷积过程。注意，在统计意义上来说，去卷积过程没有放大或影响噪声，只要它在空间频域中是统计地均匀地分布的。去卷积使图像看来像用具有与检测器阵列相同空间的、称之为梳状函数的Δ函数的阵列对图像进行采样。具有如此形式的数据，有可能正确地拟合与理想信号形状对应的函数，然后使该信号稍微偏移，以致，如果缺陷不存在，则基准信号的减法给出近似零的结果。在证明在给定系统例子中整个信号的卷积在计算上是不切合实际的情况中，则只可以把该去卷积技术选择性地应用于微弱的或边缘直线缺陷信号，以提高检查过程的正确度。因此，这里提供的快速去卷积方法在设计低成本、高稳定、高执行、高吞吐量缺陷检测系统中是一个关键的因素。

样品扫描次数的减少。增加吞吐量的一个方式是减少样品扫描次数。通过把原始光光束分离成多个光束并且在每个光束光路中安装一个相位控制器可以减少样品扫描次数。

图41示出示例性系统4100。照射光束4118进入接近光瞳平面的成像系统，并且通过小棱镜折射，以致它以接近法向入射的方式击中了样品。使用分束器4172使来自样品4110的镜面反射光束分量4124和散射分量4128分成两个光束4172，分束器4172的位置接近光瞳和在高NA透镜组件4116和低NA透镜组件4114之间。在分离之后，在每个光束光路中安装相位控制器4112和补偿板4130。每个相位控制器把散射分量和镜面反射分量之间的相对相位设置为预先选择值中之一。两个分立的图像传感器4140同时测量两个分立图像的强度。因此，单次样品扫描可以同时提供两个图像数据组。结果，可以使样品扫描的总次数减少到示例性系统的一半。通过使用附加的光束分离器进一步分离两个光束的每一个可以得到样品扫描次数的进一步减少。

在每个附加的光束光路中需要安装附加的相位控制器和图像传感器。每个相位控制器把散射分量和镜面反射分量之间的相对相位设置为预先选择值中之一。多个分立的图像传感器同时测量多个分立图像的强度。因此，单次样品扫描可以同时产生多个图像数据组。结果，可以相应地减少样品扫描的总次数。只要物理空间允许，可以按需多次执行级联的光束分离器。当目标缺陷包含多个不同类型的缺陷，每个缺陷需要用于最优检测的不同的相位设置时，该方法还可应用于高里面的模式操作。既然是这样，并且每个相位控制器设置为用于每个不同类型的缺陷的最佳检测的最优相位。净效率是同时运行多个高灵敏度模式。还可以通过使光束分离器对偏振敏感而把这类扫描次数减少应用于偏振分集测量。然而，这类扫描次数减少具有它自己的缺点。它不但增加光学系统的复杂度和成本，而且还减少了信号强度。如果信号强度变成太低，则必须降低扫描速度而使信号强度提升到一个可接受的水平。扫描速度的降低会减少用扫描次数的减少得到的吞吐量得益。

3.暗场模式。通过完全阻档镜面反射分量来实现暗场模式。在该方案中，噪声产生的光的二维傅里叶滤波会使暗场模式极安静(或噪声电平极低)。在一般使用只允许一维傅里叶滤波的线照射的当前可用的设备中，光子噪声比暗场模式噪声小得多。然而，如上所述，即使具有二维傅里叶滤波，对于小缺陷(其大小小于

)的检测，暗场模式也不是一个很好的选择。但是对于大缺陷的加速检测，暗场模式是一个好的选择，因为它产生多种不同类型大缺陷的足够强的信号，并且单次样品扫描通常已足够。注意，如果事先想知道暗场信号的强度，则首先可在样品上使用杂物箱模式。

暗场模式另一个很好的用途是寻找图像传感器最佳聚焦。这是因为暗场模式阻挡不携带任何聚焦信息的镜面反射分量，但是在通过它与散射分量的干涉进行图像聚焦期间可以严重地影响图像。暗场模式不像其它操作模式那样要求图像传感器具有高动态范围，因为它不具有镜面反射分量。暗场模式图像传感器系统的更重要的特征是高灵敏度或更精细的像素。

暗场模式的限制。暗场模式是容易操作的，因为它不需要操纵相位控制器。同样，它可以用单次样品扫描来捕捉多种缺陷。因此，如果信号足够强或由于弱的镜面反射分量而通过镜面反射分量的无噪声放大是不重要的，则暗场模式通常是第一选择。然而，如上所述，由于暗场模式缺乏无噪声信号放大能力，所以在寻找小缺陷时有严重的限制性。

需要更清楚地知道暗场模式的限制性，以便避免使用暗场模式的无效的试验。为了更清楚地理解暗场模式的限制性，模拟来自孤立缺陷的信号，然后分成暗场部分和干涉部分。假设226纳米波长和0.9数值孔径的成像系统。假设中心模糊为0.2NA。调节相位控制器使干涉项最大。

图42a示出来自仅1％反射率的样品表面上80纳米的孤立缺陷的缺陷信号的暗场部分4210和干涉部分4220。假设在所有模拟情况中缺陷本身的反射率为100％。图42a示出即使缺陷是相当大的以及样品表面的反射率是极低的，信号的干涉部分也大于暗场部分。图42b示出来自仅0.1％反射率的样品表面上40纳米的孤立缺陷的缺陷信号的暗场部分4230和干涉部分4240。即，周围区域的反射率仅为缺陷反射率的千分之一。这示出了如果缺陷大小小于四分之一波长，即使样品的反射率极低，缺陷信号的干涉部分也大于暗场部分。

图42c示出来自仅0.1％反射率的样品表面上20纳米的孤立缺陷的缺陷信号的暗场部分4260和干涉部分4250。既然是这样，暗场部分显著地小于干涉部分。如果样品的反射率较大，则干涉部分甚至是更主要的。因此，我们可以说，在几乎所有的实际情况中，对于所有的样品，干涉项都是主要的。即，这里描述的相位控制和无噪声放大的技术可以很好地用于实际上会遇到的所有不同类型的晶片和中间掩模。这是这里揭示的系统和方法的另一个重要优点。它给出只有当缺陷大小粗略地大于四分之一波长时，暗场模式才是有用的。然而，预期将来大多数临界缺陷会比四分之一波长更小。同样，暗场模式不能够对缺陷正确地分类，因此期望将来它会成为一个流行模式。

大多数实际缺陷与其它特征之间不是孤立的。因此，通过模拟来自孤立缺陷的信号得到的结论不应该解释为最后的结论。然而，孤立缺陷的情况表示许多不同类型情况的平均，因此，该结论至少是粗略地正确的。可以得到透射样品的相似的结论，因为在数学上透射样品与反射样品极相似。

IV.成像系统的设计例子。

高质量成像系统是关键部件之一，并且是大多数基于光学器件的检查系统中的昂贵的部分。如上所述，这里揭示的系统和方法可以与多种成像系统一起使用，这些成像系统包括屈光的、灯光反射的、反射折射的系统。对于这类应用，屈光的和灯光反射的设计是较佳地已知的。许多书、专利和其它文章无遗漏地包括屈光的和灯光反射的设计。

对反射折射的设计知道得较少，但是是极高性能的。这里提供两个高性能反射折射成像系统的例子。这些设计是基于美国专利5,031,976号的。在图43a中示出第一设计例子。下面示出设计方案。

表面编号      曲率半径      厚度        透镜材料

像平面        无穷大        0

1：           无穷大        2522.782646

光瞳          无穷大        -2522.782646

3：           无穷大        2094.43911

4：           -217.65754    10           熔融的二氧化硅

5：           184.03778     98.463605

6：           -298.46859    13           熔融的二氧化硅

7：           -120.22474    1

8：           260.02259     13           熔融的二氧化硅

9：           -4448.91929   3.697875

10：          -259.03744    10           熔融的二氧化硅

11：          -2241.09909   983.562232

12：          -479.70522    10           熔融的二氧化硅

13：          -103.66125    0.2

14：          242.54669     8            熔融的二氧化硅

15：          55.83421      6.381699

16：          -390.65626    11           熔融的二氧化硅

17：          -91.48058     2.47366

18：          -58.19481     9            熔融的二氧化硅

19：          -88.66288     75.067704

20：          -170.65791    10           熔融的二氧化硅

21：          -956.52725    0.212011

22：          57.35537      14           熔融的二氧化硅

23：          747.14858     0.2

24：          151.31445     11           熔融的二氧化硅

25：          -202.79292    2.708846

26：          -93.25341     9            熔融的二氧化硅

27：          384.81581     15

合成板        无穷大        10           熔融的二氧化硅

29：          无穷大        20.572398

30：          70.02973      15.28383     熔融的二氧化硅

31：          120.97319     5.671358

32：          -235.82704    9.972695     熔融的二氧化硅

33：          -51.95654     0.2

34：          170.05902     18.000029    熔融的二氧化硅

35：          36.10217      0.2

36：          29.65551      12.387074    熔融的二氧化硅

37：          -164.61485    0.820227

38：          34.06431      11.675753    熔融的二氧化硅

39：          无穷大        0

40：          无穷大        15           熔融的二氧化硅

41：          93.01526      23.058061

42：          695.78458     25.676922    熔融的二氧化硅

43：          464.68469     18.387944

44：          300.42881     9.894583     熔融的二氧化硅

45：          无穷大        -9.894583    镜子

46：          300.42881     -18.387944

47：          464.68469     -25.676922   熔融的二氧化硅

48：          695.78458     -23.058061

49：          93.01526      23.058061    镜子

50：          695.78458     25.676922    熔融的二氧化硅

51：          464.68469     18.387944

52：          300.42881     9.894583     熔融的二氧化硅

53：          无穷大        1.5

样品平面      无穷大        0

这个设计是用于单个波长应用的。选择266纳米的波长用于示例性设计。在示例性设计中，由石英来制造所有透镜和两个反射折射部件4313、4311。假设266纳米波长的石英的折射率值为1.499684。然而，还可以使用诸如氟化钙、氟化锂等其它透镜材料。

透镜部件4311是在平坦侧有反射涂层的平-凸透镜，该平坦侧面对间隔1.5毫米的样品4310。除去反射涂层的中心部分以允许来自样品的光通过透镜。在通过透镜4311之后，图像光束通过另一个透镜元件4312，并且通过镜子元件4313的表面4313上的涂层反射，之后它再次通过透镜元件4312和通过包含反射涂层的元件4311的平坦侧。在第二反射之后，光从元件4311露出，第三次通过元件4312，这次通过表面4314上的反射涂层的中心孔到接近元件4313的后方的中间焦点。在光学链列中的其它透镜元件全部都是折射性的，并且使中间图像在远离附图左边的检测器阵列上简单地再成像。

可以使用图1所示的方案通过补偿板4315引入照射。引入接近法向入射照射光束4316的另一个方式是通过透镜/镜子元件4313的表面4314上的反射涂层中的第二、小偏轴孔。这保证了从表面4314的相对侧反射来自样品4310的镜面反射分量，因此，与从样品到检测器平面的散射分量遵循极相似的光路。这个照射方法产生较少的图像眩光，因为照射光束通过较少的光学部件。

不需要用相同材料来制造所有的透镜。例如，可以用耐激光损伤的材料(像氟化钙)来制造位于高激光强度区域的透镜，而可以用石英来制造其余的透镜。所有透镜表面都是球面的。不需要非球面的表面，虽然可以用非球面的表面来进一步提高性能或减少透镜部件的数量。

无透镜表面具有极端的曲率。所有这些透镜的特征导致中等制造容差。因此可以制造图43a所示的透镜系统而没有极度的困难。设计的数值孔径是0.9。视场覆盖十分大的1.0毫米直径的场。选择放大倍数是200倍(200X)，但是可以容易地改变它而不影响系统的质量或性能。在整个视场上，设计Strehl比是0.996或更大。孔径光阑的直径是47毫米。补偿板4315放置得接近透镜光瞳，并且在一个干涉成像应用中可以包含相位控制器和傅里叶滤波阻挡带。补偿板的清楚的孔径直径接近孔径光阑的47毫米直径。这供中间安装相位控制器是足够大了，不会招致过度的中心模糊。该设计还具有极低的场曲率和畸变。这个设计的唯一的缺点是不能供因表皮保护而一般需要大的工作距离的诸如中间掩模检查之类的操作。然而，设计很适合于其它应用，诸如不需要大工作距离的晶片检查。

图43b示出另一个反射折射设计例子。设计方案如下所示。

                      266nm光路

表面编号    曲率半径     厚度         透镜材料

像平面      无穷大       0

1：         无穷大       3066.335876

光瞳        无穷大       -3066.335876

3：         无穷大       2694.957429

4：         -163.28603   10            熔融的二氧化硅

5：         216.26862    61.379602

6：         -517.65262   13            熔融的二氧化硅

7：         -123.63976   660.088432

8：         245.34768    13            熔融的二氧化硅

9：         -1713.51106  22.12615

10：        -253.37027   10            熔融的二氧化硅

11：        -1290.34822  153.955659

12：        -455.09619   10            熔融的二氧化硅

13：        -104.69229   4.798484

14：        247.46505    8             熔融的二氧化硅

15：        57.02186     7.317064

16：        -350.74834   11            熔融的二氧化硅

17：        -91.92925    2.750436

18：        -58.78037    9             熔融的二氧化硅

19：        -89.13846    49.161367

20：        -170.29791   10            熔融的二氧化硅

21：        -963.86275   10.239229

22：        57.96681     14            熔融的二氧化硅

23：        707.70698    4.045678

24：        151.63696    11            熔融的二氧化硅

25：        -203.5169    2.965125

26：        -90.61124    9             熔融的二氧化硅

27：        371.34632    10

合成板      无穷大       6             熔融的二氧化硅

29：        无穷大       2

分束器      无穷大       56            熔融的二氧化硅

31：        无穷大       2.669311

32：        100.33748    9.510003      熔融的二氧化硅

33：        -60.8163     0.20347

34：        无穷大       8.873905      熔融的二氧化硅

35：        64.51709     0.555192

36：        65.19822     8.790183      熔融的二氧化硅

37：        124.97631    0.209881

38：        69.26197     5.80478       熔融的二氧化硅

39：        21.89578     0.2

40：        20.23207     6.3765        氟化钙

41：        -485.32987   0.47477

42：        50.61378     5.057388      熔融的二氧化硅

43：        99.48525     0.667202

44：        48.81849     6.637569      熔融的二氧化硅

45：        无穷大       0

46：        无穷大       15            熔融的二氧化硅

47：        92.94259     23.127191

48：        656.66565    25.830118     熔融的二氧化硅

49：        439.13539    18.505918

50：        306.48465    9.907152      熔融的二氧化硅

51：        无穷大       -9.907152     镜子

52：        306.48465    -18.505918

53：        439.13539    -25.830118    熔融的二氧化硅

54：        656.66565    -23.127191

55：        92.94259     23.127191     镜子

56：        656.66565    25.830118     熔融的二氧化硅

57：        439.13539    18.505918

58：        306.48465    9.907152      熔融的二氧化硅

59：        无穷大       1.5

样品平面    无穷大       0

                       532nm光路

表面编号    曲率半径     厚度          透镜材料

像平面      无穷大       0

1：         无穷大       3632.88769

光瞳        无穷大       -3632.88769

3：         无穷大       3347.66316

4：         无穷大       0

5：         无穷大       0

6：         无穷大       0

7：         无穷大       0

8：         216.96892    13             BK7

9：         -658.16044   8.19496

10：        -125.51497   10             BK7

11：        -834.80474   80.01999

12：        -403.85737   10             BK7

13：        -140.67609   0.21459

14：        162.98508    10             BK7

15：        62.6621      37.7104

16：        -793.57915   15             BK7

17：        -69.83886    34.20348

18：        -57.48694    10             BK7

19：        -833.75848   0.71388

20：        无穷大       0

21：        无穷大       0

22：        60.7612      14             BK7

23：        392.0481     9.87199

24：        169.0556     11             BK7

25：        -266.0879    2.31345

26：        -114.62355   9              BK7

27：        571.92482    10

合成板      无穷大       6              BK7

29：        无穷大       2

分束器      无穷大       56             熔融的二氧化硅

31：        无穷大       2.669311

32：        100.33748    9.510003       熔融的二氧化硅

33：        -60.8163     0.20347

34：        无穷大       8.873905       熔融的二氧化硅

35：        64.51709     0.555192

36：        65.19822     8.790183       熔融的二氧化硅

37：        124.97631    0.209881

38：        69.26197     5.80478        熔融的二氧化硅

39：        21.89578     0.2

40：        20.23207     6.3765         氟化钙

41：        -485.32987   0.47477

42：        50.61378     5.057388       熔融的二氧化硅

43：        99.48525     0.667202

44：        48.81849     6.637569       熔融的二氧化硅

45：        无穷大       0

46：        无穷大       15             熔融的二氧化硅

47：        92.94259     23.127191

48：        656.66565    25.830118      熔融的二氧化硅

49：        439.13539    18.505918

50：        306.48465    9.907152       熔融的二氧化硅

51：        无穷大       -9.907152      镜子

52：        306.48465    -18.505918

53：        439.13539    -25.830118     熔融的二氧化硅

54：        656.66565    -23.127191

55：        92.94259     23.127191      镜子

56：        656.66565    25.830118      熔融的二氧化硅

57：        439.13539    18.505918

58：        306.48465    9.907152       熔融的二氧化硅

59：        无穷大       1.5

样品平面    无穷大       0

该设计中在样品表面4331和中间图像4332之间的部分与上述设计相似，然而，接近光瞳平面处，它包含分色波长分离器4333，分色波长分离器4333使光束分成两路，一路4334是266纳米部分，而另一路4335是532纳米部分。每路包含自已的补偿板4336和相位控制器(未示出)。假设石英的折射率值对于266纳米波长为1.499684，对于532纳米波长为1.460705。假设氟化钙的折射率值对于266纳米波长为1.462084，对于532纳米波长为1.435358。假设BK7玻璃的折射率值对于532纳米波长为1.519473。该设计具有与单个波长设计相似的特征。可以制造透镜系统而没有极度的困难。视场数值孔径与前述设计的那些相同。物理大小也是相似的。然而，设计成两个波长应用。选择波长为266纳米和532纳米。也可以选择其它波长并且具有相同的设计形式。它具有波长分离器和包含在补偿板中的两个分立的相位控制器，为的是能够独立地处理两个波长。

从方案可以看到，两个波长共享前端透镜系统。后端透镜是完全分开的，使设计灵活性最大化。在整个视场上，设计Strehl比对于266纳米波长至少为0.996而对于532纳米波长至少为0.985。场曲率和畸变也是很小的。通过把更多波长分离器插入后端透镜系统中可以容易地修改设计以适应更多波长。这些设计例子可以应用于这里描述的缺陷检测系统。

V.子系统

这里揭示的系统和方法不依赖任何特定照射或聚焦系统。它们可以适应大多数任何子系统。然而，在性能和成本方面使整个检查仪器最优化不但需要优良的成像系统设计，并且还需要受欢迎的照射和自动聚焦系统的鼓舞人的设计。

另一个简单的但是重要的部分是抑制来自孔径光阑的衍射。在未来段落中，将首先提供新的照射系统和新的聚焦系统。然后，将用完整的理论提供制造低折射率孔径的新方法。所提供的子系统特别适合于干涉检查系统。然而，还可以用它们有效地作为其它光学仪器。

1.相干均匀照明灯

对于诸如干涉、光学傅里叶滤波等一些应用，较佳的是完全相干照射而不是部分相干或不相干照射。对于这些应用中的大多数，具有高顶礼帽(Tophat)光束分布的物平面上的均匀照射是较佳的或需要的。然而，有效地得到均匀的照射需要复杂的方法，因为从像激光器等相干源输出的光束具有高斯强度分布而不是高顶礼帽强度分布，并且许多工具用于得到不相干光束的好的均匀性，诸如透镜阵列和光导管，简单地说，不与相干照射源仪器工作的。存在把高斯光束分布转换成高顶礼帽光束分布的许多已知的能量有效方法。根据一些实施例，提供用于把高斯光束分布转换成高顶礼帽光束分布另一个方法。

把高斯光束转换成高顶礼帽光束的最直截了当的方法是使用吸收材料吸收一部分光束的高强度部分。然而，这个方法不但是能量无效的，而且如果输入光束较强或由短脉冲构成，则还倾向于损坏吸收材料。把高斯光束转换成高顶礼帽光束的更能量有效的和较少损坏倾向的方法是重新分配光束中的光能量。这可以使用相互分开的两三个透镜(或透镜组)来实现。

图44a示出该方法。第一透镜4401有目的地把适当的球面像差量引入输入光束4402，输入光束4402具有高斯形状，如曲线4407所示。当光束通过自由空间传播时，来自第一透镜的球面像差重新分配光束中的能量。通过调节球面像差的形成和量两以及传播距离，可以把高斯光束转换成高顶礼帽形状的均匀光束。使用第二透镜4403，因为球面像差不但重新分配光能量而且还引入波前畸变。第二透镜校正通过第一透镜引入的波前畸变，以致通过曲线4406示出在焦平面处的能量分布。因此，两个透镜可以把高斯光束转换成高顶礼帽光束而没有使波前畸变。

这个方法是十分能量有效的，并且可以处理高功率光束。然而，这个方法存在缺点，它通常需要图44a中示出的附加的图像中继系统4404。使用图像中继系统因为光束分布转换器提供接近要求的均匀照射场的有限工作空间。结果，来自光束分布转换器的高顶礼帽形状的输出光束使用成像系统经中继而到照射场4408。否则，高顶礼帽光束分布可能大大地改变，如果光束必须从其理想聚焦共轭传播较长距离的话。注意，通过曲线4409示出的在中继像平面中的光分布与焦平面4405中的光分布相同，并且通过曲线4406示出。

中继系统通常需要相互分开的至少两个透镜。这是因为中继系统不但需要中继高顶礼帽光束分布还必须保持照射场处的平坦波前。有时，很难产生供中继系统的空间。通常，发生大量机械干涉问题。如果中继系统需要成为变焦系统，则问题变得更严重。这里描述的实施例可以缓解这些问题。

图44b示出根据一些实施例的本发明的工作。简单地说，把高斯输入光束分布4420转换成分布4421，使分布4421成形以形成sinc(辛格)函数上的包络。在sinc函数位置4424处。光束入射在相位板4425上，相位板4425在sinc函数趋向负的位置处具有凹槽，在透射光束中产生180度相位变化。光束通过自由空间的进一步传播在样品平面4426处把它转换成高顶礼帽强度分布4423。

衍射理论告诉我们，sinc函数状光束的远场衍射图案是高顶礼帽形状的。所描述的实施例，像现有技术，使用光束分布转换器4427，但是光束分布转换器不把输入光束分布转换成高顶礼帽分布。它把输入高斯光束分布转换成另一个不均匀的光束分布4421。在像平面4424处的经转换的光束分布4421实际上比输入光束分布4420更不均匀。经转换的光束分布4421看起来多少有点像sinc函数的包络。光束分布转换器4427把输入光束分布转换成要求的分布而不会引入波前畸变。光束分布转换器通过第一透镜4428(或透镜组)引入适当量的球面像差，并且用第二透镜4429(或透镜组)校正通过透镜4428引入的波前畸变。

本实施例使用称为“相位步进器”的另一个光学部件，相位步进器设置在光束分布转换器之后。可以通过在玻璃基板上形成具有正方形剖面的不等间隔的凹槽来制造相位步进器，如图44b所示。可以按许多不同方式在玻璃基板上制造精确的凹槽。例如，可以通过用光刻技术形成凹槽的图案，接着通过精确的蚀刻或沉积玻璃材料来制造它们。相位步进器以分立的方式改变入射波前的选中部分的相位。所需要的相位步进量约为180°。

在相位步进之后，显露出的不均匀的光束4422看起来多少有点像sinc函数，并且允许其通过自由空间传播较长距离。当光束通过自由空间传播时，光束分布改变成高顶礼帽形状。传播而变成高顶礼帽光束所需要的最小距离是：

其中D＝在相位步进器处的光束的直径

λ＝波长

(参考文献：“Introduction to Fourier Optics，third edition”.Joseph W.Goodman，Roberts & Company，Englewood，Colorado，2005，75页)。在自由空间传播开始处的光束大小和在照射场处的高顶礼帽光束的大小之间存在一定的关系。这个关系是已知的，并且可以在同一参考书中找到。在照射场4426处的光束不是完全均匀的，但是包括振铃，如图44b所示。这是因为在传播的开始平面4424处光束分布是不完美的sinc函数，并且具有有限的大小。通过明智地添加到相位步进器的吸收器，可以固定前面的差异性，所述相位步进器会因高输入光束功率而损坏。通过省略任何吸收器，本实施例对用于处理高功率的能力的一些剩余强度不均匀性的一些量进行折衷。

大多数应用容许一些强度不均匀性量。因此，所描述的实施例中的许多实施例对于包括光学检查的许多应用仍是有价值的。如前所述，所描述的实施例的重要的有利特征是不需要图像中继系统，图像中继系统会引起与其它部件或子系统的严重的机械冲突。这个特征对于设计真实系统是很有帮助的。

图44c示出根据另一个实施例的配置。它具有变换透镜4430，变换透镜把sinc函数状光束4422在其焦平面4426处变换成高顶礼帽光束。因此，在这个设计中的变换透镜的功能与以前设计中的长距离空间传播光路相同。基本上，自由空间传播和变换透镜两者执行输入光束分布的傅里叶变换。高顶礼帽光束的大小取决于到变换透镜的输入光束的大小，并且还取决于变换透镜的焦距；它与输入光束的大小成反比，并且与变换透镜的焦距成正比。

通过选择正确的输入光束大小和/或变换透镜的焦距，可以控制照射场处高顶礼帽光束的大小。当空间受限制到不能符合公式(82)的距离要求时，变换透镜变成自由空间传播的一个有价值的替代。如果变换透镜需要比可用的物理光路长度更长的焦距，则可以使用长焦透镜作为变换透镜。在要求更长总长度的相反情况中，可以使用反长焦透镜作为变换图透镜。

在图44c的实施例中，一个或多个透镜在光束传播光路中。然而，变换透镜在其配置中是比现有技术系统中需要的图像中继系统更简单和更灵活的。包括使用在光束传播光路中的透镜的一些实施例具有超过现有技术的许多优点。

在许多实际应用中，光束边缘处的强度较高是较佳的。把这类光束称为“超均匀光束”或“超高顶礼帽光束”。图44d示出超均匀光束分布4460的例子。所描述的技术很好地适用于产生超均匀光束，可以容易地通过使光束分布在相位步进器的输入侧上成形而产生超均匀光束，像针对超均匀光束分布的傅里叶变换的包络那样。实际上，所描述的技术是很灵活的，可以用于产生大量其它光束分布，诸如具有多个驼峰的光束分布。

图44e示出试图得到高顶礼帽分布而不使用光束分布转换器的结果。输入高斯光束4440通过相位步进器4425，相位步进器改变了相位而没有改变一般的光束分布，如曲线4441所示。在照射场4426处的最终结果曲线4442是较佳的高斯分布，但是没有像通过分布转换器得到的那么好。这个系统是较简单的，因为它不需要光束分布转换器。然而，在照射场处的光束与图44b和44c中示出的光束相比，其均匀和/或能量有效性是较差的。

至此，已经考虑了一维中的均匀照射。然而，根据一些实施例，扩展成二维分布是直截了当的，因为输入光束的高斯光束分布是处于分离的可变形式的。根据这些实施例，可以完全分开地和独立地处理x-和y-方向。因此，可以应用这些实施例不但得到一维而且得到二维的照射分布。

一些应用要求同时照射多个场。例子是具有空间上分离的多个图像传感器的系统。可以容易地得到多个场的同时照射。图44f示出一个例子。通过在相位步进器4425的前面或后面插入衍射光栅4450可以得到多个场照射。光栅使输入相干光束衍射而成多个衍射阶。每个衍射阶照射一个场。

图44f示出两个分立的照射场，用于清楚地说明工作原理。然而，可以容易地通过插入产生两个以上衍射阶的光栅或通过插入多个衍射光栅来得到两个以上的照射场。可以通过正确地选择光栅的节距和取向来控制照射场的位置。在图44f中，设置光栅的取向使之与相位步进器的取向相同，以便清楚地示出工作原理，但这是不需要的。可以把光栅取向设置成任何方向，以便把照射场设置在预定位置处。

通过正确地设计光栅凹槽的分布可以得到高能量效率和好的场间均匀性。例如，可以调节凹槽的深度和形状以得到每个场中较佳的匹配的照射均匀性。同样，通过使光栅凹槽分布发光可以得到极高能量效率。

因此，对多个场以及单个场提供能量有效的、均匀的相干照射。下面概括本相干均匀照明灯的重要特征。

1.它可以产生高顶礼帽照射分布而不使用中继透镜系统。可能需要变换透镜或变换透镜系统。但是，变换透镜或变换透镜系统是较简单的，并且比中继透镜系统更灵活。

2.它可以产生其它光束分布，诸如超均匀光束分布。

3.在照射系统设计方面，它提供更大的灵活性。

4.容易得到单个或多个场照射。

2.自动聚焦系统

大多数高分辨率成像系统需要至少一个聚焦系统作为子系统。干涉缺陷检测系统并不是一个例外。在原理上，可以操作干涉缺陷检测系统而无需聚焦系统，如果环境是安静的和样品级是极精确的。然而，这些理想条件在现实世界中是很难得到的。因此，通常较佳的是用聚焦系统来保证整个系统的性能。

聚焦系统通常是一个重要的子系统。它的性能对于整个系统的性能通常是关键的。必须把它固定在一个可用的空间中。同样，它的成本必须是合理的。所描述的本发明的实施例致力于这些问题。

存在大量不同的聚焦系统。但是可以把它们分成两类：一类是离开透镜的，而另一类是通过透镜的。离开透镜型聚焦系统有其本身的优点。然而，大多数高精度成像系统需要通过透镜型聚焦系统，因为它们对于像温度变化、大气压力变化等环境扰动较不敏感。

大多数现有技术，高精度、通过透镜型聚焦系统使用不相干光源，像发光二极管、弧光灯等，它们的亮度大大地低于激光器的亮度。较不亮的光源的使用迫使现有技术通过透镜型聚焦系统使用大的光学扩展量，以便能够向聚焦信号检测器提供足够的光。光学扩展量的大小不但使聚焦系统在物理上变得较大和较昂贵，而且还对像差和误对准很敏感。根据本发明的一些实施例，使用激光器做光源。光源的改变不但提供更大的聚焦信号，而且还允许整个聚焦系统的简化。还提供另一个唯一的特征。

根据一个实施例，图45a中示出单个通道配置，它示出分别相对于高NA和低NA成像透镜组116和114和补偿板130设置的聚焦系统。聚焦系统使用单个空间模式激光器4501作为光源。半导体激光器是优良的候选部件。然而，在激光的位置和指向上，激光光束通常不稳定。因为它们固有的不稳定性，较佳地，不把激光器直接耦合到光学聚焦系统。不稳定的激光光束可能对聚焦信号引入误差。

根据一些实施例，激光器不直接耦合到光学聚焦系统。而是，激光光束通过长的单模光纤4502。较佳地，单模光纤至少一英尺长，以便耗散包层模，通常通过进入光纤的激光光的不完美耦合激励所述包层模。单模光纤是无源器件，它可以通过把光源中的原始不稳定性转换成输出强度变化而稳定光束位置和指向，可以容易地校正输出强度变化。光束位置和指向的变化使激光光束的耦合效率改变成单模光纤。在输入端处的耦合效率的变化诱发输出端处的强度变化。

根据一些实施例，使用单模光纤作为稳定器是一个重要的特征。使光纤的输出端在样品平面110和位置敏感检测器(PSD)表面4511上共轭(或成像)。因为通过透镜4503在样品表面使自动聚焦光线斜入射地聚焦，样品表面的焦点偏移导致激光光束在PSD表面4511处横向移动。然而，样品中小的倾斜使光束在成像透镜4504的孔径上移动，但是没有改变其在位置敏感检测器4511上的位置。因此，系统测量样品焦点位置，但是不测量样品倾斜。因此，通过从PSD读出光束位置，我们可以确定样品的聚焦变化量。连接到PSD的计算机或控制器读出PSD输出，并且对它进行处理而估计聚焦误差。如果聚焦误差大于预定值，则计算机或控制器采取正确的动作，发送适当的聚焦校正信号到聚焦致动器4518。可以在开环或闭环中运行聚焦误差检测和校正动作。PSD是容易得到的，并且提供多种选择。

所描述的实施例较佳地没有使用光束分离器把聚焦光线耦合入或出成像系统。而是，它使用小棱镜(或镜子)4505。该光耦合的方法具有优于光束分离器的下列优点。

1.简单的耦合光学器件。

2.采用较小的空间。

3.与其它部件的机械碰撞机会较小。

4.只收集镜面反射分量。拒收散射光。注意，样品可以散射一部分聚焦光。如果散射光围绕在聚焦传感器上，则散射光会导致聚焦误差。

5.保持自动聚焦系统的较小的光学扩展量。

6.因为光束的小的光学扩展量而可以把自动聚焦光学器件的像差制造得很小。

因此，不但预期可较佳地执行所描述的许多实施例，而且它们还是低成本的。

自动聚焦系统的性能明显地取决于偏振的选择。在大多数样品上，与p-偏振相比，电场平行于样品表面的s-偏振具有较小的反射率和相位变化。这意味着s-偏振光可以比p-偏振光提供更一致的性能。根据一些实施例，如图45a到45c所示，使用s-偏振光。通过在光束光路中的圆点来表示s-偏振。存在保证只从光源拾取s-偏振光的数个不同的方式。一个方式是在光束光路中简单地安装一个偏振器。另一个方式是在激光源和自动聚焦系统的入口之间使用偏振保持单模光纤。偏振保持光纤接收s-偏振光和p-偏振光两者，但是透射一个偏振而同时快速衰减另一个偏振。通过把光纤芯旋转到正确的方向，可以制造只透射s-偏振的偏振保持光纤，用于只透射s-偏振。如果使从激光源输出的光偏振，则与其它类型的光纤相比，偏振保持单模光纤可以提供显著更高的能量效率。

大多数聚焦系统的通病是由于聚焦信号处理器的时间延迟和聚焦误差校正系统的慢的响应引起聚焦误差检测和其校正之间存在时间延迟。在成像系统下对样品进行快速扫描的高速扫描系统中，这变成主要的聚焦误差源之一。既然是这样，为了减少聚焦误差，应该在样品成像之前检测聚焦误差，并且应该事先把聚焦误差校正信号传送到聚焦误差校正系统。

为了事先检测聚焦误差，必须使聚焦光束落在样品表面上的样品扫描方向的提前位置处。这要求聚焦系统使聚焦光束位置在样品表面处横向地偏移，以便适应扫面速度和方向的变化。如上所述，因为光纤输出端成像在样品表面上，所以该方法能很好地工作。

如果需要精确地控制横向偏移，可以使用可倾斜的玻璃板4512，如图45a所示。通过使玻璃板倾斜可以横向地偏移光束。如果使输入光束偏移，则输出光束也偏移相应的量。可以通过在PSD前面引入可倾斜的玻璃板或通过简单地移动PSD 4511的位置，可以保持光束和PSD之间的相对位置。

图45a所示的单通道自动聚焦系统通常不是很稳定的，因为它对机械结构不稳定性或温度变化很敏感。减少这类问题的一个方式是以对称方式设置多个通道。可以制造以对称方式配置的多通道自动聚焦系统使之对共模机械偏移敏感。图45b示出多通道自动聚焦系统的一个例子。它具有对称方式配置的两个通道。通过使玻璃板4512倾斜而得到样品平面处的光束位置偏移。通过直接偏移机构4511偏移PSD。

图45c示出两-通道自动聚焦系统的另一个例子。既然是这样，通过使玻璃板倾斜而使输入和输出光束两者偏移，结果，不需要偏移PSD。该配置使用较少的部件但是使光束对准更困难，因为是通过共享可倾斜的玻璃板来耦合两个通道的。

如图45b和45c所示，如果一个通道的光束光路与另一个通道的光束光路重叠，则使用光束分离器4513把返回光束引导到PSD。然而，光束分离器的使用存在两三个问题。一个问题是丢失光能量。非偏振光束分离器的使用牺牲了可用光能量中的至少75％。对于大多数样品，能量损失可能可以接受，但是对于极低反射率的样品，能量损失是不能接受的。

另一个问题是来自一个通道的返回光束的一部分进入另一个通道的激光源的后面。即，这些通道在它们的源处相互干涉。干涉使激光源不稳定，并且可以导致聚焦误差。为了使激光源稳定，可以使它们在光学上相互隔离。对于这个问题有两个解决方案。一个解决方案是安排两个通道的光束光路以致它们不相互重叠，如图45d所示。在这个配置中，返回光束仍可以击中光纤，但是，任何时候发生这种情况，对于要耦合到光纤的返回光束来说，返回光束的方向与单模光纤的可接受角就偏离很远。

另一个解决方案是使用偏振光束分离器而非不偏振的光束分离器，并且在光束光路中设置法拉第旋转器4514，如图45b和45c所示。偏振光束分离器透射p-偏振和反射s-偏振。因此使通过偏振光束分离器的激光光束完全地线性偏振。较佳地设计法拉第旋转器使之旋转输入线性偏振角45°。光束通过法拉第旋转器4514两次，一次在它们的输入光路中，第二次在它们的返回光路中。

因此，通过两次法拉第旋转器使激光光束的线性偏振旋转了90°。即，通过光束分离器的原始的p-偏振光在返回光路中的光束分离器处转换成s-偏振光。在返回光路中的光束分离器向PSD反射整个光束，并且不向激光源透射返回激光光束。因此，法拉第旋转器使激光源相互隔离。如果适当地围绕光束轴旋转光束分离器4513和位置敏感检测器4511，则当激光光束入射在样品上时，激光光束可以是100％s-偏振的。因此，这个方法允许我们同时得到高能量效率、无通道间干涉以及样品表面上的s-偏振。

使用四分之一波片代替法拉第旋转器允许我们得到高能量效率和无通道间干涉。但是这不允许我们得到样品表面上的s-偏振。因此，在许多实施例中，与四分之一波片相比，法拉第旋转器是较佳的选择。

图45e示出两通道自动聚焦系统的顶视图。相对于样品旋转自动聚焦通道以避免来自另外激光器的光，所述光从样品衍射而进入输出光束光路中。这个方法在避免来自样品的衍射光方面通常是极有效的，因为衍射光在光瞳平面处的x-和y-方向上通常是很局部性的。

在图45e中，设置两个通道使之相互接近，如果存在机械漂移或蠕动，则设置成相互接近的两个通道可能在相同方向上漂移或蠕动。可以使从多个通道上获取的聚焦信号对于通道的这类共模运动敏感。

图45f示出多通道配置的另一个例子。既然是这样，两个通道的光学光路在样品上聚焦点处交叉，但是在其它情况下是完全分开的。这个配置需要更多的部件，但是是更能量有效的，并且还不需要法拉第旋转器。同样，用这个配置的光束光路对准较容易，因为两个通道根本是不耦合的。如在示例性配置中所示，这些实施例不但可较佳地执行，而且在其物理配置中还是更简单的和更灵活的。

概括新的聚焦系统的重要特征如下。

1.通过透镜配置。

2.激光器做光源。

3.单个光线(小的光学扩展量)。

4.通过使用单模光纤使源稳定。

5，样品表面上s-偏振。

6.无通道间干涉。

7.使用小棱镜或镜子进行入和出成像系统的耦合。(无为此目的的光束分离器/组合器)。

8.较佳地拒收衍射光。横向偏移样品平面上激光点的能力，用于提前馈入聚焦误差校正。

10.安排对称的双或多通道，为的是对环境扰动具有较低灵敏度。

概括新聚焦系统的优点如下。

1.简单的系统。

2.大量光。

3.高效率。

4.稳定的性能。

5.对于晶片图案的灵敏度较小。

6.对成像光路的影响较小。

3.锯齿孔径

大多数光学系统需要定义数值孔径的至少一个孔径。由薄金属板制造大多数孔径，在其中间有一个可调大小的孔。可以容易地制造这类孔径，然而，这些孔径的尖锐边缘在像平面中产生大范围衍射，这依次导致图像不同部分之间的大范围的干涉。大范围干涉是晶片图案噪声的主要提供者。

为了减小这种不希望有的效应，最好使孔径边缘柔和。即，100％透射区域和无透射区域之间的过渡应该不是突然的而是渐变的。可用许多不同方式得到渐变的过渡。孔径边缘锯齿是其中之一。选择孔径边缘锯齿方法是因为如果正确地进行的话它比其它方法具有许多优点。一个优点是可以容易地制造锯齿；可以直接对它们加工成为薄金属板，或可以通过使用传统半导体制造技术的蚀刻来创造它们。

制造渐变过渡孔径最直截了当的方式之一是在孔径边缘添加渐变的吸收涂层。在现有技术中这个方法是众所周知的。然而，这个方法在概念上是容易的，但是在实践中是困难的，因为难以正确地产生渐变涂层，并且涂层还会引入不希望有的副作用，尤其是相位变化。另一个现有技术使用吸收材料制造的负功率透镜。其效果与渐变突出的效果极相似。然而，它具有相同类型的不希望有的副作用。

美国专利6,259,055论述了锯齿孔径。但是它没有提供可以用来正确地设计锯齿孔径的任何衍射公式。同样，它关于锯齿孔径的衍射特性的质方面的陈述是不正确的。根据一些实施例，研发了用于锯齿孔径的严格的衍射公式，并且使用公式来规划如何正确地制造锯齿孔径。

在图46a中示出了锯齿孔径的示意图。孔径4606的锯齿具有周期性结构4608，并非随机的节距。在本专利说明书中不考虑非周期性的或随机结构的锯齿，因为它们的衍射图案不具有期望的形式。即使具有完全周期性的结构，因为锯齿边缘的突然的透射变化，大的衍射量还是不可避免的。

然而，可以把来自周期性锯齿的衍射图案分裂成分立的级。最低级，从透射场的圆平均始发的第零级，结果没有受到锯齿的尖锐边缘影响。这意味着第零级的衍射图案与来自真实地渐变的过渡孔径的衍射图案是一样的。因此，第零级的衍射图案是我们希望从锯齿孔径得到的。

真实地渐变的过渡孔径只产生第零级衍射。但是锯齿孔径不但产生第零级衍射而且还产生更高的衍射级。这些更高的级是不希望有的。为了使锯齿孔径像真实地渐变的过渡孔径一样工作，我们应该探索而确信第零级通过图像传感器而所有更高的衍射级错过了图像传感器。在线性周期性锯齿的情况中，容易确定是否所有更高的衍射级都错过了图像传感器。(参考文献：美国专利7,397,557)。然而，在圆形周期性锯齿的情况中，确定是否去掉了所有的更高的衍射级是不容易的。因此，我们应该研发严格的衍射公式来预测所有更高的级都到了哪里。

在下面所有的公式中使用了下列附注。

(ρ，φ)：在孔径平面中的的极坐标

(r，θ)：在像平面中的的极坐标

J_k(r)：第k阶的第一类贝塞尔函数

N：锯齿总数

傅里叶变换算符

通过物体产生的远场衍射图案是物体透射图案的傅里叶变换。然而，为了应用傅里叶变换进行通过锯齿孔径的衍射的计算，应该对坐标ρ和r进行正确地定标。有两个长度可以用作定标单位。这些是光学系统的波长和焦距。为了使ρ和r成为傅里叶变换变量对，如果ρ和r中之一用波长进行定标，则另一个应该用焦距进行定标。大多数流行的定标习俗是用焦距对ρ定标，而用波长对r定标。

如果用焦距的单位表达ρ，则它变成与通过离开中心为ρ处的光瞳点的光线的图像空间方向余弦等同。把以焦距单位表达的ρ的最大值称为光学系统的数值孔径(NA)。换言之，用波长单位表达的图像空间位置坐标和图像空间光线方向余弦构成方便的傅里叶变换变量对。把定标习俗变成其它方式，例如，用波长对ρ进行定标和用焦距对r进行定标，也是可以工作的。既然是这样，，r变成与(在像平面中的r处着陆的)光线的孔径空间方向余弦等同。两个转换是等效的。

所得的衍射公式使用确当的经定标的坐标系统。当坐标定标在两个习俗之间切换时，衍射公式没有改变。因此，读者可以在两个定标习俗之间自由地切换而不必担心衍射公式变化。切换定标习俗实际上与改变坐标变量的解释等效。这种解释的改变可以提供对衍射公式的更大直觉。

将得到仅用于相干法向照射的衍射公式。这是因为不相干情况的衍射只是多个相干情况的强度的总和，并且使用傅里叶变换的“偏移理论”可以从法向照射情况立刻得到倾斜照射情况的衍射公式。(参考文献：“Introduction to Fourier Optics，Third edition”，Joseph W.Goodman，Roberts & Company，Englewood，Colorado，2005，8页)。锯齿可以具有多种不同的齿形状。衍射图案的细节与齿的形状有关。图46a示出具有线性齿的锯齿作为例子。最关心的每个衍射级的特性不取决于锯齿齿的形状，而是仅取决于锯齿的节距。

可以表达锯齿孔径的振幅透射P(ρ，φ)如下。

$P(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&phi;})=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{circ}\left(\frac{\mathrm{\&rho;}}{{\mathrm{\&rho;}}_1}\right)& \mathrm{for}& 0\&le;\mathrm{\&rho;}\&le;{\mathrm{\&rho;}}_1\\ \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left(\mathrm{\&rho;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)& \mathrm{for}& {\mathrm{\&rho;}}_1<\mathrm{\&rho;}\&le;{\mathrm{\&rho;}}_2\\ 0& \mathrm{for}& {\mathrm{\&rho;}}_2<\mathrm{\&rho;}\end{array}\right.---\left(83\right)$

其中w(ρ)是两个相邻锯齿齿之间的开口宽度。

我们需要傅里叶变换公式(83)以便得到衍射图案。如果P(ρ，φ)

具有分立的变量形式，即，P(ρ，φ)＝f(ρ)·g(φ)，则我们可以容易地使用加权的Hankel变换来进行傅里叶变换。(参考文献：“Introduction to Fourier Optics，Third edition”，Joseph W.Goodman，Roberts & Company，Englewood，Colorado，2005，10页)。不幸地，P(ρ，φ)的形式没有处于分立的变量形式中。然而，我们采用几个额外的步骤还是可以进行傅里叶变换。可以有两种方式进行。一种方式是用exp(jmφ)函数的加权的总和表达N个矩形函数的总和，其中m是整数，并且遵循相同参考书中练习题2-7中建议的过程。另一个方式是把N个矩形函数的总和转换成分立的变量函数的积分，并且使用加权的Hankel变换。两个方法都是确切的，并且产生相同的结果，虽然这里只示出了第二方法。

可以使用Δ函数和虚拟变量ρ’把N个矩形函数的总和容易地转换成分立变量函数的积分，即：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left(\mathrm{\&rho;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)=\&Integral;\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&rho;})\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)d{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}---\left(84\right)$

然后把P(ρ，φ)转换成下列形式。

$P(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&phi;})=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{circ}\left(\frac{\mathrm{\&rho;}}{{\mathrm{\&rho;}}_1}\right)& \mathrm{for}& 0\&le;\mathrm{\&rho;}\&le;{\mathrm{\&rho;}}_1\\ \underset{{\mathrm{\&rho;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&rho;}}_2}{\&Integral;}}\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&rho;})\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)d{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}& \mathrm{for}& {\mathrm{\&rho;}}_1<\mathrm{\&rho;}\&le;{\mathrm{\&rho;}}_2\\ 0& \mathrm{for}& {\mathrm{\&rho;}}_2<\mathrm{\&rho;}\end{array}\right.---\left(83\right)$

现在我们对P(ρ，φ)的每个项应用傅里叶变换。可以使用傅里叶-贝塞尔变换得到第一项傅里叶变换。

可以使用加权的Hankel变换得到第二项傅里叶变换：

其中：

$c_k\&equiv;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)\exp (-\mathrm{jk\&phi;})\mathrm{d\&phi;}---\left(88\right)$

$=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)\exp (-\mathrm{jk\&phi;})\mathrm{d\&phi;}---\left(89\right)$

以及

$H_k\left\{f\left(\mathrm{\&rho;}\right)\right\}\&equiv;2\mathrm{\&pi;}\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\mathrm{\&rho;f}\left(\mathrm{\&rho;}\right)J_k\left(2\mathrm{\&pi;\&rho;r}\right)\mathrm{d\&rho;}:\mathrm{Hankel\; transform}---\left(90\right)$

：Hankel变换

可以进行公式(89)中的矩形函数变换如下：

$\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\&phi;}-\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}}{w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}\right)\exp (-\mathrm{jk\&phi;})\mathrm{d\&phi;}=\underset{\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}-w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}}{\overset{\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N}+w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}}{\&Integral;}}\exp (-\mathrm{jk\&phi;})\mathrm{d\&phi;}$

$=\frac{2}{k}\exp (-\mathrm{jk}\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N})\sin \left(w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{\mathrm{k\&pi;}}{N}\right)---\left(91\right)$

现在可以表达c_k如下：

$c_k=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{2}{k}\exp (-\mathrm{jk}\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N})\sin \left(w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{\mathrm{k\&pi;}}{N}\right)$

$=\frac{1}{\mathrm{\&pi;k}}\sin \left(w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\frac{\mathrm{k\&pi;}}{N}\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\exp (-\mathrm{jk}\frac{2\mathrm{\&pi;n}}{N})$

其中m＝整数   (92)

Δ函数的Hankel函数变成：

$H_k\left\{\mathrm{\&delta;}({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&rho;})\right\}\&equiv;2\mathrm{\&pi;}\underset{0}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\mathrm{\&rho;\&delta;}({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&rho;})J_k\left(2\mathrm{\&pi;\&rho;r}\right)\mathrm{d\&rho;}=2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}{J}_k\left(2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}r\right)---\left(93\right)$

现在，可以表达公式(87)如下：

$=\underset{m=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{2}{m}\sin (\mathrm{m\&pi;}\&CenterDot;w\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)){(-j)}^{\mathrm{mN}}\exp \left(\mathrm{jmN\&theta;}\right){\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}{J}_{\mathrm{mN}}\left(2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}r\right)---\left(94\right)$

现在可以表达P(ρ，φ)的傅里叶变换如下：(现在虚拟积分变量ρ’变成ρ)

$=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{J}_1\left(2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}_{1}r\right)}{r}+\underset{m=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{2}{m\&CenterDot;j^{\mathrm{mN}}}\exp \left(\mathrm{jmN\&theta;}\right)\underset{{\mathrm{\&rho;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&rho;}}_2}{\&Integral;}}\left[\sin (\mathrm{m\&pi;}\&CenterDot;w\left(\mathrm{\&rho;}\right))\mathrm{\&rho;}{J}_{\mathrm{mN}}\left(2\mathrm{\&pi;\&rho;r}\right)\right]\mathrm{d\&rho;}---\left(95\right)$

公式(95)示出整个衍射由分立的衍射级构成。如果我们从第二项取出第零级，则：

$+\underset{m\&NotEqual;0}{\overset{\&infin;}{\underset{m=-\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}}\frac{2}{m\&CenterDot;j^{\mathrm{mN}}}\exp \left(\mathrm{jmN\&theta;}\right)\underset{{\mathrm{\&rho;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&rho;}}_2}{\&Integral;}}\left[\sin (\mathrm{m\&pi;}\&CenterDot;w\left(\mathrm{\&rho;}\right))\mathrm{\&rho;}{J}_{\mathrm{mN}}\left(2\mathrm{\&pi;\&rho;r}\right)\right]\mathrm{d\&rho;}---\left(96\right)$

如果我们使用关系式sin(-x)＝-sin(x)和J_-n(x)＝(-1)″J_n(x)组合+m衍射级与-m衍射级成为单个衍射级，则：

$+\underset{m=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{4}{m\&CenterDot;j^{\mathrm{mN}}}\cos \left(\mathrm{mN\&theta;}\right)\underset{{\mathrm{\&rho;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&rho;}}_2}{\&Integral;}}\left[\sin (\mathrm{m\&pi;}\&CenterDot;w\left(\mathrm{\&rho;}\right))\mathrm{\&rho;}{J}_{\mathrm{mN}}\left(2\mathrm{\&pi;\&rho;r}\right)\right]\mathrm{d\&rho;}---\left(97\right)$

公式(97)是得到的衍射公式的最终结果。不幸地，它仍具有需要进行数值运算的一维积分。然而，可以比需要数值二维傅里叶变换的数值二维积分更正确和更快地进行数值一维积分。

公式(97)中前面二项构成第零衍射级，这是我们需要从锯齿孔径中得到的。如果我们愤慨地写出第零衍射级，则：

公式(97)中最后项是所有更高的衍射级，是我们必须从图像传感器中排除的。然而，我们不需要关心所有非零衍射级，因为只有第一衍射级是最强的，并且在像平面中最接近第零级。所有其它更高的级不但比第一级弱，而且更重要地，在像平面中离开第零级更远的地方着陆。因此，为了使锯齿孔径工作，我们只需要看第一衍射级和保证它在图像传感器之外着陆。如果从公式(97)中最后项取出第一衍射级，则：

$+{(-j)}^{N}4\cos \left(\mathrm{N\&theta;}\right)\underset{{\mathrm{\&rho;}}_1}{\overset{{\mathrm{\&rho;}}_2}{\&Integral;}}\left[\sin (\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;w\left(\mathrm{\&rho;}\right))\mathrm{\&rho;}{J}_N\left(2\mathrm{\&pi;\&rho;r}\right)\right]\mathrm{d\&rho;}---\left(99\right)$

+第二和更高的衍射级

第一级项沿cos(Nθ)＝±1方向具有其最大强度。因此，其沿最大强度方向的振幅变成：

为了使锯齿孔径工作，足够地保证第一衍射级在图像之外着陆。

孔径的尖锐边缘和任何模糊物的任何尖锐的边缘两者可以产生大范围衍射效应。可以把用于孔径的同样的锯齿技术用于模糊物，以便减少由任何模糊物引起的大范围衍射效应。因为Babinet的原理，锯齿模糊物的衍射公式与锯齿孔径的衍射公式相同，除了振幅符号反向之外。(参考文献：“Principle of Optics”，Max Born和Emil Wolf，Cambridge University Press，1999)。因此，不需要对模糊物导出新的衍射公式。

分析衍射公式是如此普通的，它可以应用于具有任何齿形状的锯齿。然而，我们仍需要进行公式的数值估计以看到衍射图案的性能。为了进行衍射公式的数值计算，我们取得锯齿的特定形状，并且明显地表达函数w(ρ)。如图46a所示，具有线性齿形状的锯齿执行得较好，并且容易制造。因此，选择具有线性齿形状的锯齿进行衍射图案的数值估计。在线性锯齿齿的情况中，表达函数w(ρ)如下：

$w\left(\mathrm{\&rho;}\right)=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_2-\mathrm{\&rho;}}{{\mathrm{\&rho;}}_2-{\mathrm{\&rho;}}_1}---\left(101\right)$

可以像线性齿情况那样，只确当地改变衍射公式中的函数w(ρ)而容易地估计来自具有其它形状的齿的锯齿孔径的衍射图案。如上所述，我们只需要看第零和第一衍射级以能够确当地设计锯齿孔径。因此，这里我们只考虑第零级和第一级。

图46b和46c示出像平面处零衍射级的强度的径向分布。我们使用公式(98)和(100)进行数值计算。用非锯齿孔径的衍射的峰值振幅对值进行归一化。峰值振幅位于衍射图案的中心(r＝0)，并且其值为：

包括非锯齿孔径的衍射强度用于比较。两个锯齿孔径具有最大NA＝0.9。但是它们的锯齿齿长度是不同的。在图46b中，曲线4612示出锯齿孔径的第零衍射级的像平面强度(ρ₁＝0.8NA，ρ₂＝0.9NA)，而曲线4610是非锯齿孔径的。在图46c中，曲线4614示出锯齿孔径的第零衍射级的像平面强度(ρ₁＝0.8NA，ρ₂＝0.9NA)，并且曲线4616是非锯齿孔径的。图46b和46c告诉我们下列情况。

(1)锯齿孔径产生的图像比非锯齿孔径的延伸得较近。这个特征确切地是我们想从锯齿孔径得到的。

(2)锯齿宽度越长，在图像中的大范围衍射效应就越小。

(3)在影响接近图像中心的图像形状方面，锯齿是无效的。

(4)锯齿宽度越宽，图像的峰值强度越小。

锯齿减少大范围衍射振幅，但是，它们还减少第零衍射级的峰值高度，因为它们不可避免地减小有效孔径面积。一般，这是不希望有的锯齿孔径以及还有软孔径的副作用。因此，在确定锯齿宽度时，需要实现两个效应之间的良好的折衷。

如上所述，为了使锯齿孔径工作，我们较佳地保证只有第零衍射级到达图像传感器，并且所有更高衍射级错过图像传感器。然而，第二和所有更高的衍射级离开第零级比第一级更远。即，如果第一级错过图像传感器，则所有更高级的都自动地错过图像传感器。因此，我们只要关心第一级。

我们通过周期性结构从衍射理论知道，锯齿节距越小，第一级离开第零级更远。如果锯齿制造得足够精确，则我们把第一衍射级设置得离开第零级足够远。然而，锯齿是在圆的孔径的边缘上的，不是在直的边缘上的。既然是这样，不直接应用通过周期性结构的衍射理论。

即使大多数第一级光离开第零级足够远，还可能有少量的第一级光在第零级和第一级光的主要部分之间着陆。如果第零级和第一级光的主要部分之间的第一级光是不可忽略的，则成为一个严重的问题。这看来不可能以较简单的方式来估计这类麻烦的光的强度。因此，这里采用数值计算。

对于第一衍射级强度分布的数值计算，使用公式(100)和(101)。使用与第零级相同的归一化因子，公式(102)，进行强度的归一化。

在图46d中，曲线4618示出对于N＝100的第一衍射级中的光的径向分布并且表示如下。

(1)在宽范围上扩散第一衍射级光。这与直边缘上锯齿的情况极不相同。

(2)实际上在第零级和第一级的主要部分之间没有光。这是锯齿孔径的一个有趣的和重要的特征。这个特征允许锯齿孔径工作。我们可以把图像传感器设置在不存在第一级光的区域中。如果图像传感器太大了不能够设置在无第一级光的区域之内，则我们增加锯齿的数量以增加面积，因为区域的半径近似地正比于锯齿的数量。

图46e示出对于围绕孔径圆周的不同数量的锯齿的第一级光的径向分布。曲线4601对应于围绕孔径圆周的10个锯齿，曲线4602对应于围绕孔径圆周的100个锯齿，曲线4603对应于围绕孔径圆周的1000个锯齿以及曲线4604对应于围绕孔径圆周的10,000个锯齿。这个分析表示如下。

(1)无第一级光区域的半径近似地正比于锯齿的数量。这对于N大于1000是特别真实的。

(2)当锯齿的数量少于100时，锯齿孔径不能很好地工作，因为无第一级光区域随锯齿数量的减少而快速收缩。

(3)对于大的N，像大于1000，

根据通过周期性结构的衍射。这个值符合我们的直觉。

可以使用公式(103)来确定把第一和所有更高衍射级设置在图像传感器之外所需要的锯齿数量或等效的锯齿节距。

从公式(103)，我们可以计算θ₁，第一衍射级的衍射角(更精确地，方向余弦)，因为：

sin(θ₁)≈在像平面处无第一级光的区域的半径/f            (104)

其中f是设置在孔径和像平面之间的透镜系统的聚焦

并且表达孔径的物理半径为

r＝NA·f                             (105)

并且表达锯齿的物理节距为

$p=\frac{2\mathrm{\&pi;r}}{N}---\left(106\right)$

从公式(103)到(106)，

$\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_1\right)\&ap;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{p},p<<r---\left(107\right)$

公式(107)与线性边缘上锯齿的衍射角表达式相同。线性边缘上锯齿的衍射角表达式与像光栅之类的周期性结构的衍射角表达式相同。这意味着如果锯齿齿的节距比边缘的曲率半径小得多，则可以忽略边缘的曲率，并且可以像直边缘上的锯齿那样处理弯曲边缘上的锯齿。

这也是讲得通的，因为可以认为一段短曲线是直线。这告诉我们边缘锯齿技术可以应用于任何形状的任何边缘，只要边缘没有尖角和锯齿的节距比边缘的曲率半径小得多。例如，考虑不规则形状的孔径。既然是这样，孔径边缘的曲率沿着边缘而变化。然而，只要孔径没有尖角，我们就可以使锯齿节距满足公式(107)。

不需要各处的锯齿节距都相同。只要节距沿边缘是缓慢地变化的，预期这里揭示的锯齿技术就可以工作到至少某个程度。

概括锯齿孔径的优点如下。

1.较少的大范围衍射。减小从图像中心较佳地移除的区域中的衍射限制图像的高度。

2.通过仔细地选择锯齿节距，可以保持第一和更高衍射级离开图像传感器。

3.没有引入相位变化。

4.容易制造。

VI.干涉缺陷检测和分类的应用

所描述的实施例是很适合于高分辨率光学检查，或进行可能有利于确定光学信号的振幅和相位两者的测量。下面是可能应用的部分列表：图案化晶片的缺陷检测和缺陷分类；裸晶片的缺陷检测和缺陷分类；晶体缺陷检测；缺陷审查；掩模缺陷的检测和分类，包括具有相位变化分量的掩模上的缺陷。

这里已经描述了各个实施例的许多优点。这些优点包括：高缺陷号；高缺陷检测灵敏度；较少的假缺陷检测；较少的样品图案噪声；一次捕捉不同类型缺陷的能力；在孔洞和粒子或台面和谷之间区分的能力；更正确和可靠的缺陷分类；提高的检测一致性；在场上提高的照射均匀性导致更有效地利用图像传感器动态范围进行缺陷信号的放大；快速设置操作模式；使用模式锁定激光器而不是CW激光器从而降低成本；避免散斑放大的需要导致低成本；使用淹没照射的能力从而减少晶片损坏的机会；使用相干照射的能力导致较佳地定义的衍射级，从而提供直截了当的傅里叶滤波；简单的系统配置导致低成本；消除光瞳或孔径光阑中继导致低成本和减少能量损失；以及有效的能量使用。

为了清楚起见，虽然已经描述了上述的一些细节，可以理解，可以作出某些改变和修改而不偏离其原理。应该注意，有许多变型的方式来实施这里描述的过程和装置。因此，认为一些实施例是示意性的而非限制性的，本发明的工作主体不局限于这里给出的细节，可以在所附的权利要求书的范围和等效性内进行修改。

Claims (57)

1.一种用于检测样品中的缺陷的共同-光路干涉成像系统，所述系统包括：

照射源，用于产生光并把光引导到样品；

光学成像系统，所述光学成像系统具有物平面和像平面，并且被安排成使样品位于物平面中，并且被配置成收集来自样品的光的散射分量和镜面反射分量，其中散射分量和镜面反射分量具有相对的相位；

可变相位控制系统，相对于光学成像系统而可操作地安排所述可变相位控制系统并且将其配置成调节所述散射分量和镜面反射分量之间的相对的相位；以及

检测系统，所述检测系统被安排在像平面中并且在调节所述相对的相位之后检测所述散射分量和镜面反射分量的组合的至少一些部分，并且产生用于表示所述散射分量和镜面反射分量的组合的至少一些部分的电信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括样品定位系统，使所述样品定位系统配置成使样品相对于检测系统而定位，为的是提供与电信号对应的样品位置信息。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括信号处理器，所述信号处理器可操作地与检测系统连接或被并入到检测系统中，并且还使所述信号处理器配置成接收来自检测系统的电信号并且将电信号与基准信号进行比较以确定是否有缺陷。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品是晶片或中间掩模，所述散射分量和镜面反射分量是从晶片表面反射的，或者所述散射分量和镜面反射分量是从中间掩模表面反射或透射的或反射和透射的。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可变相位控制系统位于光学成像系统的孔径光阑处或附近，或者位于光学成像系统的孔径光阑的共轭平面处或附近。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述基准信号对应于来自无缺陷样品的相应位置的信号。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，从电路图案得到样品信号，并且从印刷在不同区域上的大致相似的电路图案得到基准信号。

8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述样品包括存储器区域，并且来自一个存储器单元的散射分量和镜面反射分量的组合的检测到的部分与另一个存储器单元的检测到的部分进行比较。

9.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述样品是中间掩模，并且所述基准信号对应于针对相似情况下观察到的无缺陷中间掩模图像而计算出的信号。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配置所述可变相位控制系统以通过调节镜面反射分量的相位而调节所述相对的相位。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，从样品到散射分量的像平面的光路长度大致等于从样品到镜面反射分量的像平面的光路长度，并且通过使用机械或电-光装置的相位控制系统可改变镜面反射分量光路长度。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述可变相位控制系统包括用于反射散射分量的固定的镜子以及在镜面反射分量的光路中的可移动的镜子。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括可变衰减系统，所述可变衰减系统被安排在所述样品和所述检测系统之间的镜面反射分量的光路中。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括衰减系统，所述衰减系统包括在镜面反射分量到检测系统的光路中的一个或多个针孔。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述衰减系统包括一个构件，所述构件包括具有空间变化的反射率的部分反射涂层，所述构件的位置相对于镜面反射分量到检测系统的光路是可调节的。

16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述衰减系统包括偏振光学部件，配置成提供连续可变的衰减。

17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，使镜面反射分量的振幅衰减以增大检测系统处的信号调制。

18.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括偏振光学部件，选择并安排所述偏振光学部件使得样品上的入射照射的偏振、到达检测系统的来自样品的镜面反射分量的偏振以及到达检测系统的来自样品的散射分量的偏振都是选择性地可变的。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，通过使镜面反射分量的光路中的一个或多个波片部分旋转，使镜面反射分量的偏振是选择性地可变的，以便使样品中的缺陷的信噪比增加或达到最大。

20.如权利要求1所述的系统，其特征在于，引向所述样品的光是小入射角的或接近法向入射的。

21.如权利要求1所述的系统，其特征在于，引向所述样品的光是充分远离法向入射的大入射角的，以减小来自样品的图案噪声。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，引向所述样品的光在击中所述样品之前通过光学成像系统的3个或更少的部件从而减小像平面中的眩光。

23.如权利要求1所述的系统，其特征在于，引向所述样品的光的方位角是可变的。

24.如权利要求1所述的系统，其特征在于，使用3次或更多次的样品点的比较，每次比较使用不同的相对相位偏移，以得到所述样品中的缺陷的振幅和相位。

25.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过照射源产生的光基本上是相干的，并且主要是第一波长的光。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述照射源包括激光器。

27.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括两个或多个光源，使每个光源配置成对应于不同的相对相位偏移而做出来自样品的镜面反射分量和散射分量的组合的样品测量。

28.如权利要求25所述的系统，其特征在于，还包括：

第二照射源，用于产生第二波长的相干光，其中由第一波长和第二波长的光照射所述样品；

第二成像可变相位控制系统和检测系统，用于以第二波长检测来自所述样品的光的散射分量和镜面反射分量的组合的至少一些部分；以及

信号处理器，所述信号处理器将来自样品上的点的每个波长的信号与对应于同一样品点和波长的基准信号进行比较，如果差异超过预定的正和/或负阈值，则记录用于表示可能的缺陷位置的这个样品点的位置。

29.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述照射源产生多个波长的光；

所述系统包括用于同时多个波长操作的一个或多个波长分束器，所述波长分束器在镜面反射分量和散射分量的光路中，并且选择性地透射一些波长并反射其它一些波长；以及

所述可变相位控制和检测系统包括用于每个波长的系统，经安排使得对于每个波长都可以调节镜面反射分量和散射样品分量的相对的相位，并且可以通过信号处理器同时地将每个波长的镜面反射分量和散射分量的信号与相同波长和位置的基准信号进行比较。

30.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括傅里叶平面滤波系统，用于选择性地阻挡在光学成像系统的孔径光阑处或附近或者在光学成像系统的孔径光阑的共轭平面处或附近的光。

31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，沿着来自样品上的曼哈顿图案的衍射最大值所对应的两个光路，通过傅里叶滤波系统来阻挡所述光。

32.如权利要求30所述的系统，其特征在于，通过傅里叶滤波系统在可变位置处阻挡附加的光，所述可变位置对应于具有样品上的图案的本性所导致的上述正常强度的区域。

33.如权利要求1所述的系统，其特征在于，引向所述样品的一部分光从样品表面反射，并且一部分通过所述样品透射，从而产生两组互补的镜面反射分量和散射分量，并且所述系统还包括第二成像系统、补偿板、第二可变相位控制系统以及第二检测系统，以致对于来自所述样品的透射光束和反射光束调节镜面反射分量和散射分量的相对的相位，并且同时取得与透射光束和反射光束的镜面反射分量和散射分量对应的信号，并且通过信号处理器与对应于样品上同一位置的计算机产生的反射和透射基准信号进行比较。

34.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照射源是扩展的照射源。

35.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述散射分量和镜面反射分量的相对的相位是可调节的，以优化来自样品上的缺陷的预期信号。

36.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述散射分量和镜面反射分量的相对的相位是可调节的，以优化来自样品上的缺陷的信号的信噪比。

37.如权利要求24所述的系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器接收所得到的缺陷的振幅和相位，并且对所述处理器进行编程以使用振幅和相位特性之间的相似性和差异性对缺陷进行分类。

38.如权利要求37所述的系统，其特征在于，还包括显示器系统，使所述显示器系统适配和配置成向用户显示用于表示可能的缺陷的分类的信息。

39.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器将来自所述检测系统的从未图案化的表面得到的信号与反差电平基准信号进行比较。

40.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学成像系统包括一个或多个分束器、多个相位控制器系统以及多个检测系统，以能够大致同时产生不同的信号，不同的信号中的每一个包括与样品上的点相关的镜面反射分量和散射分量的组合。

41.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括含光束分布转换器中继的照明灯，设置成把光源所产生的光束分布转换成入射在相位步进板上的具有作为sinc函数的包络的恒定相位和振幅的分布，所述相位步进板引入诸如发生在所述sinc函数中的零和180度相位变化，以在相位步进板的下游位置处产生接近于高顶礼帽函数的光束分布。

42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，修改sinc函数以产生具有上升沿的高顶礼帽的光束分布。

43.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括自动聚焦系统，所述自动聚焦系统大约在成像系统的光瞳平面处耦合到成像系统，所述自动聚焦系统包括：

激光光源；

使激光束聚焦到单模光纤中的透镜；

单模光纤；

聚焦透镜，所述聚焦透镜在成像系统的一部分的辅助下使光纤的输出聚焦到所述样品上；

折叠棱镜或镜子，所述折叠棱镜或镜子通过成像系统以相对于样品法线倾斜的角度把经聚焦的光束引向焦平面；以及

另一个折叠棱镜或镜子，所述另一个折叠棱镜或镜子引导从焦平面反射的光束通过成像系统到光瞳平面进入聚焦到位置检测器的聚焦透镜，所述位置检测器产生与检测器上的图像位置成正比的信号。

44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，倾斜入射在所述样品上的聚焦光束是s-偏振的。

45.如权利要求43所述的系统，其特征在于，还包括设置在光瞳平面的横侧上的第二自动聚焦系统。

46.如权利要求45所述的系统，其特征在于，所述第二自动聚焦系统共享两个折叠棱镜或镜子以及法拉第旋转器，并且每个自动聚焦系统还包括设置在每个自动聚焦光束光路中的偏振敏感分束器，为的是分离输出和输入光束。

47.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统具有包含遮拦物和孔径板的光瞳平面，遮拦物和孔径板中的每一个具有暴露于透射光的边缘，每一个边缘包括多个锯齿形，这些锯齿形配置成使一阶或更高阶图像发生衍射从而离开传感器系统，其中这些锯齿形间隔开的距离小于正使用的光波长乘以成像系统的光瞳和检测系统之间的透镜的焦距再除以传感器的最大场半径的两倍。

48.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括显示器系统，适配和配置成向用户显示用于表示可能的缺陷位置的信息。

49.一种使用共同-光路干涉成像以检测样品中的缺陷的方法，所述方法包括：

把光引导到所述样品；

用光学成像系统从所述样品收集主要通过所述样品而散射的光的散射分量以及主要通过所述样品反射或透射的光的镜面反射分量；

使用可变相位控制系统来调节所述散射分量和镜面反射分量的相对相位；

在相位调节之后检测散射分量和镜面反射分量的至少一些部分，并且产生用于表示散射分量和镜面反射分量的至少一些部分的第一电信号；以及

将第一电信号与对应于第一电信号的相同样品位置的基准信号进行比较，以确定所述相同样品位置处是否存在缺陷。

50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，对于可变相位控制系统的额定设置，在检测系统的视场上映射所述镜面反射分量和散射分量之间的固有相位偏移，并且当计算所述散射分量和镜面反射分量之间的经调节的相对相位时考虑所述固有相位偏移。

51.如权利要求49所述的方法，其特征在于，通过计算机从假定不存在缺陷的样品上预期存在的图案图像来产生用于进行比较的基准信号。

52.如权利要求49所述的方法，其特征在于，所述样品包括来自半导体晶片上的管芯的电路图案，并且用于进行比较的基准信息包括来自相同或相似晶片上的相邻管芯的相似的检测信息。

53.如权利要求49所述的方法，其特征在于，还包括改变到达像平面的镜面反射分量强度。

54.如权利要求49所述的方法，其特征在于，还包括改变下列偏振中的一个或多个：所述样品上的入射照射的偏振，到达检测平面的来自所述样品的镜面反射照射的偏振，以及到达检测平面的来自所述样品的散射照射的偏振。

55.如权利要求49所述的方法，其特征在于，从多个不同的方位角把光选择地引向所述样品。

56.如权利要求49所述的方法，其特征在于，对同一样品点进行3次或更多次比较以得到缺陷的振幅和相位，每一次比较使用不同的相对相位偏移。

57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，还包括至少部分地根据缺陷的振幅和相位特性之间的相似性和差异性，对一个或多个缺陷进行分类。

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