CN111090223B - 一种光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光学测量系统，包括光源单元、照明单元、投影图案单元、投影支路、探测支路以及探测器；投影支路包括至少一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，投影凹面反射镜和投影凸面反射镜为offner结构；探测支路包括至少一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，探测凹面反射镜和探测凸面反射镜为offner结构；投影图案单元的图案面与接收平面满足Scheimpflug条件；接收平面与探测器探测面满足Scheimpflug条件。采用上述技术方案，通过设置投影支路和探测支路均为offner结构，同时投影图案单元的图案面与接收平面满足Scheimpflug条件，接收平面与探测器探测面满足Scheimpflug条件，将Scheimpflug条件与Offner结构相结合，保证光学测量系统的测量效率与信噪比，同时元件种类少，结构简单。

Description

一种光学测量系统

技术领域

本发明实施例涉及投影曝光设备的调平调焦技术领域，尤其涉及一种光学测量。

背景技术

投影光刻机是一种把掩模上的图案通过投影物镜成像到硅片面进行光刻的设备。硅片面必须准确位于指定位置才能曝光，为了达到这一目的，需由自动调焦调平系统(FLS)精确控制。其工作原理是测量硅片面的表面高度与倾斜信息，并通过控制器反馈给工件台，工件台移动硅片面以保证硅片面在曝光过程中处于投影物镜的最佳焦平面处。

为了获得整个曝光场的硅片面信息，通常在硅片面上标记多个测量点，根据每个测量点的高度和倾斜信息得到整个硅片面的高度和倾斜信息。

图1为典型的基于图像处理技术的FLS三角测量原理示意图，来自投影支路的光线入射到硅片面后，经硅片面反射到达探测支路，最终被光电探测器所接收。当硅片面的上表面位置与投影物镜最佳焦平面位置的高度偏差为Δz时，光斑在光电探测器上所成像的位置改变量Δy与Δz的关系为：

其中，ε为探测支路的放大率，ω为来自投影支路的光斑入射到硅片面上的入射角。根据三个或三个以上测量点的高度偏差Δz可得到硅片面的倾斜量Rx、Ry。探测器将硅片面的高度偏差Δz和倾斜量Rx、Ry反馈给控制器，控制器根据以上信息操控工件台，工件台带动硅片面将其调节到误差范围允许内的最佳曝光位置。

现有技术中使用FLS三角测量技术对硅片面的测量的过程中，测量效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种光学测量系统，以解决现有技术中对硅片面测量过程中测量效率低的技术问题。

本发明实施例提供了一种光学测量系统，包括光源单元、照明单元、投影图案单元、投影支路、探测支路以及探测器；所述光源单元发出的光线经所述照明单元投射到所述投影图案单元上，所述投影图案单元上的投影图案经所述投影支路后在接收平面上形成投影图像，所述投影图像经所述探测支路后在所述探测器上形成探测图像；所述投影图案单元位于所述投影支路的物面位置，所述接收平面位于所述投影支路的像面位置以及所述探测支路的物面位置，所述探测器位于所述探测支路的像面位置；

所述投影支路包括至少一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，所述投影凹面反射镜的焦点和所述投影凸面反射镜的焦点之间的距离满足第一预设距离，所述投影凸面反射镜为所述投影支路的孔径光阑；

所述探测支路包括至少一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，所述探测凹面反射镜的焦点和所述探测凸面反射镜的焦点之间的距离满足第二预设距离，所述探测凸面反射镜为所述探测支路的孔径光阑；

所述投影图案单元与所述投影支路的入射光线之间的夹角为α，所述接收平面与所述投影支路的出射光线之间的夹角为β，所述投影支路的放大倍率为m₁₁，其中，tan(90°-β)＝m₁₁tan(90°-α)；

所述接收平面与所述探测支路的入射光线之间的夹角为γ，所述探测器与所述探测支路的出射光线之间的夹角为δ，所述探测支路的放大倍率为m₁₂，其中，tan(90°-δ)＝m₁₂tan(90°-γ)。

可选的，至少一个投影凹面反射镜包括第一投影凹面反射镜和第二投影凹面反射镜，所述第一投影凹面反射镜和第二投影凹面反射镜具备不同的曲率半径；

所述投影支路还包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，入射至所述投影支路的光线依次经过所述第一平面反射镜、第一投影凹面反射镜、投影凸面反射镜、第二投影凹面反射镜以及所述第二平面反射镜。

可选的，至少一个探测凹面反射镜包括第一探测凹面反射镜和第二探测凹面反射镜，所述第一探测凹面反射镜和第二探测凹面反射镜具备不同的曲率半径；

所述探测支路还包括第三平面反射镜和第四平面反射镜，入射至所述探测支路的光线依次经过所述第三反射镜、第一探测凹面反射镜、探测凸面反射镜、第二探测凹面反射镜以及所述第四反射镜。

可选的，所述投影支路包括一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，所述投影凹面反射镜的曲率半径R₁₁与所述投影凸面反射镜的曲率半径R₁₂之间满足如下关系：

可选的，所述探测支路包括一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，所述探测凹面反射镜的曲率半径R₁₃与所述探测凸面反射镜的曲率半径R₁₄之间满足如下关系：

可选的，所述投影图案单元包括第一透射平板式投影狭缝。

可选的，所述投影图案单元包括棱镜和第二透射式平板投影狭缝，所述棱镜位于所述第二透射式平板投影狭缝靠近所述光源单元的一侧，光源单元发出的光线垂直入射至所述棱镜的光线入射面。

可选的，所述投影图案单元位于所述照明单元的孔径光阑位置。

可选的，所述投影支路还包括位于所述投影凹面反射镜和投影凸面反射镜之间的第五平面反射镜和扫描反射镜，所述第五平面反射镜位于靠近所述投影凹面反射镜的一侧，所述扫描反射镜位于靠近所述投影凸面反射镜的一侧；

所述第五平面反射镜接收所述投影凹面反射镜的反射光线并将所述投影凹面反射镜的反射光线反射至所述扫描反射镜；

所述扫描反射镜在光线传播平面以预设角度进行周期性简谐振动，所述扫描反射镜用于接收所述第五平面反射镜的反射光线并将所述第五平面反射镜的反射光线反射至所述投影凸面反射镜。

可选的，所述探测器包括位于靠近所述探测支路一侧的探测狭缝以及远离所述探测支路一侧的探测面；

所述探测狭缝上设置有多组探测狭缝阵列，每组所述探测狭缝阵列与所述投影图案单元上的每个投影光斑一一对应。

可选的，所述光学测量系统还包括位于所述探测支路与所述探测器之间的分光元件和成像镜组；

所述分光元件用于将所述探测支路的出射光线分为至少两束光束；

所述成像镜组接收所述至少两束光束，并将所述至少两束光束成像在所述探测器上。

可选的，所述分光元件包括分光棱镜、透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅。

可选的，所述光学测量系统还包括调整单元，所述调整单元用于调整光线在所述探测器探测面上的入射位置或者入射角度；

其中，所述调整单元位于所述投影图案单元与所述投影支路之间，或者所述调整单元位于所述探测支路与所述探测器之间，或者所述调整单元位于所述接收平面位置处。

可选的，所述调整单元包括调整平板或者调整楔形板。

本发明实施例提供的光学测量系统，通过设置投影支路和探测支路均为offner结构，同时投影图案单元的图案面与接收平面满足Scheimpflug条件，接收平面与探测器探测面满足Scheimpflug条件，将Scheimpflug条件与Offner结构相结合，保证光学测量系统的测量效率与信噪比，同时元件种类少，结构简单。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是调焦调平系统的三角测量原理示意图；

图2是现有技术中一种光学测量系统的结构示意图；

图3是图2提供的光学测量系统中投影图案与投影图像的对比示意图；

图4是本发明实施例提供的Scheimpflug条件原理示意图；

图5是本发明实施例提供的Offner结构原理示意图；

图6是本发明实施例提供的一种光学测量系统的结构示意图；

图7是图6提供的光学测量系统中投影图案与投影图像的对比示意图；

图8是采用本发明实施例提供的光学测量系统仿真得到的调制传递函数曲线与理论衍射极限曲线的对比示意图；

图9是本发明实施例提供的一种投影图案单元的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的另一种投影图案单元的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图；

图13是本发明实施例提供的扫描反射镜的结构示意图；

图14是本发明实施例提供的一种探测器的结构示意图；

图15是本发明实施例提供的一种投影图案单元上的投影光斑与探测狭缝上的探测狭缝阵列的示意图；

图16是本发明实施例提供的一种投影光斑与探测狭缝阵列的相对位置示意图；

图17是本发明实施例提供的另一种投影光斑与探测狭缝阵列的相对位置示意图；

图18是本发明实施例提供的又一种投影光斑与探测狭缝阵列的相对位置示意图；

图19是本发明实施例提供的一种分光元件与成像镜组的结构示意图；

图20是本发明实施例提供的另一种分光元件与成像镜组的结构示意图；

图21是本发明实施例提供的一种光学测量系统的结构示意图；

图22是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图；

图23是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图；

图24是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图；

图25是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

图2现有技术中一种光学测量系统的结构示意图，图3是图2提供的光学测量系统中投影图案与投影图像的对比示意图，如图2和图3所示，现有技术中的光学测量系统可以包括投影单元31、投影支路301、硅片面35、探测支路302以及探测器39，现有技术中的光学测量系统，投影支路301和探测支路302均为Offner结构，但是整个测量系统不满足Scheimpflug条件。在测量方向使用多排光斑测量时，硅片面35不在FLS投影支路的焦平面上，在图3所示的投影图像中会存在部分光斑光学离焦的情况，因此后者在硅片面35处只有单排光斑可清晰成像，导致FLS单次测量面积小，探测效率低下。

在现有技术中的另一种光学测量系统中，这个测量系统满足透射模式下的Scheimpflug条件(图中未示出)，采用这种光学测量系统时，为了消色差和达到优良的成像质量会选择了多种光学材料，造成光学测量系统的结构复杂。

基于上述技术问题，本发明实施例提供一种光学测量系统，包括光源单元、照明单元、投影图案单元、投影支路、探测支路以及探测器；所述光源单元发出的光线经所述照明单元投射到所述投影图案单元上，所述投影图案单元上的投影图案经所述投影支路后在接收平面上形成投影图像，所述投影图像经所述探测支路后在所述探测器上形成探测图像；所述投影图案单元位于所述投影支路的物面位置，所述接收平面位于所述投影支路的像面位置以及所述探测支路的物面位置，所述探测器位于所述探测支路的像面位置；所述投影支路包括至少一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，所述投影凹面反射镜的焦点和所述投影凸面反射镜的焦点之间的距离满足第一预设距离，所述投影凸面反射镜为所述投影支路的孔径光阑；所述探测支路包括至少一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，所述探测凹面反射镜的焦点和所述探测凸面反射镜的焦点之间的距离满足第二预设距离，所述探测凸面反射镜为所述探测支路的孔径光阑；所述投影图案单元与所述投影支路的入射光线之间的夹角为α，所述接收平面与所述投影支路的出射光线之间的夹角为β，所述投影支路的放大倍率为m₁₁，其中，tan(90°-β)＝m₁₁tan(90°-α)；所述接收平面与所述探测支路的入射光线之间的夹角为γ，所述探测器与所述探测支路的出射光线之间的夹角为δ，所述探测支路的放大倍率为m₁₂，其中，tan(90°-δ)＝m₁₂tan(90°-γ)。上述技术方案中的光学测量系统，投影支路包括至少一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，投影凹面反射镜和投影凸面反射镜为offner结构；探测支路包括至少一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，探测凹面反射镜和探测凸面反射镜为offner结构；投影图案单元的图案面与接收平面满足反射模式下的Scheimpflug条件；接收平面与探测器探测面满足反射模式下的Scheimpflug条件，将Scheimpflug条件与Offner结构相结合，保证光学测量系统具备优良的测量效率与信噪比，同时元件种类少，结构简单。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在详细介绍本发明实施例的技术方案之前，先就Scheimpflug条件和Offner结构进行简要说明。

图4是本发明实施例提供的Scheimpflug条件原理示意图，如图4所示，与光轴成一定夹角(小于90°)的物面A若要在像面A’清晰成像，则该像面A’也与光轴成一定夹角(小于90°)，物面A与像面A’的倾斜角度φ、θ与光学系统放大倍率m相关，近轴条件下，满足公式：

其中，

表示像距，u表示物距。

图5是本发明实施例提供的Offner结构的结构示意图，如图5所示，Offner结构由两个同心的球面反射镜组成，即由凸面反射镜01和凹面反射镜02组成，孔径光阑是凸面反射镜01，物面03与像面04在同一侧。

基于上述的Scheimpflug条件和Offner结构，下面详细介绍本发明实施例的技术方案。

图6是本发明实施例提供的一种光学测量系统的结构示意图，如图6所示本发明实施例提供的光学测量系统可以包括光源单元11、照明单元12、投影图像单元13、投影支路14、探测支路16以及探测器17；光源单元11发出的光线经照明单元12投射到投影图案单元13上，投影图案单元13上的投影图案经投影支路14后在接收平面15上形成投影图像，投影图像经探测支路16后在探测器17上形成探测图像；投影图案单元13位于投影支路14的物面位置，接收平面15位于投影支路14的像面位置以及探测支路16的物面位置，探测器17位于探测支路16的像面位置；

投影支路14包括至少一个投影凹面反射镜141和一个投影凸面反射镜142，投影凹面反射镜141的焦点和投影凸面反射镜142的焦点之间的距离满足第一预设距离，投影凸面反射镜142为投影支路14的孔径光阑；

探测支路16包括至少一个探测凹面反射镜161和一个探测凸面反射镜162，探测凹面反射镜161的焦点和探测凸面反射镜162的焦点之间的距离满足第二预设距离，探测凸面反射镜162为探测支路16的孔径光阑；

投影图案单元13与投影支路14的入射光线之间的夹角为α，接收平面15与投影支路14的出射光线之间的夹角为β，投影支路14的放大倍率为m₁₁，其中，tan(90°-β)＝m₁₁tan(90°-α)；

接收平面15与探测支路16的入射光线之间的夹角为γ，探测器17与探测支路16的出射光线之间的夹角为δ，探测支路16的放大倍率为m₁₂，其中，tan(90°-δ)＝m₁₂tan(90°-γ)。

示例性的，本发明实施例提供的光学测量系统遵循三角测量原理，当接收平面15的上表面位置与投影物镜最佳焦平面位置的高度偏差为Δz时，光斑在光电探测器上所成像的位置改变量Δy与Δz的关系为：

其中，ε为探测支路的放大率，ω为来自投影支路的光斑入射到硅片面上的入射角。根据三个或三个以上测量点的高度偏差Δz可得到接收平面15的倾斜量Rx、Ry。

光源单元11发出的光线经照明单元12后入射到投影图案单元13上，投影支路14将经过投影图案单元13的光线入射到接收平面15上，接收平面15位于投影物镜18的正下方，经接收平面15反射后，带有接收平面15高度与倾斜信息的光线由探测支路16成像在探测器17上，探测器17对信息进行处理，得到接收平面15的精确位置。

投影凹面反射镜141的焦点和投影凸面反射镜142的焦点之间的距离满足第一预设距离，投影凸面反射镜142为投影支路14的孔径光阑，可以保证投影支路14的结构为offner结构。设置探测凹面反射镜161的焦点和探测凸面反射镜162的焦点之间的距离满足第二预设距离，探测凸面反射镜162为探测支路16的孔径光阑，可以保证探测支路16的结构为offner结构。同时，投影支路14相当于一个成像系统，用于将光源单元11发出的光线经照明单元12后打在投影图案单元13上的光斑成像在接收平面15上，投影图案单元13位于投影支路14的物面位置，接收平面15位于投影支路14的像面位置，同时投影图案单元13与投影支路14的入射光线之间的夹角α、接收平面15与投影支路14的出射光线之间的夹角β以及投影支路14的放大倍率m₁₁满足tan(90°-β)＝m₁₁tan(90°-α)，因此，投影图案单元13、投影支路14以及接收平面15满足反射模式下的Scheimpflug条件。进一步的，探测支路16相当于一个成像系统，用于将接收平面15上的光斑成像到探测器17上，接收平面15位于探测支路16的物面位置，探测器17位于探测支路16的像面位置，同时接收平面15与探测支路16的入射光线之间的夹角γ、探测器17与探测支路16的出射光线之间的夹角δ以及所述探测支路的放大倍率m₁₂满足tan(90°-δ)＝m₁₂tan(90°-γ)，因此，接收平面15、探测支路16以及探测器17满足反射模式下的Scheimpflug条件。

图7是图6提供的光学测量系统中投影图案与投影图像的对比示意图，如图7所示，投影图案单元13的投影图案可以在接收平面15上清晰成像。

图8是采用本发明实施例提供的光学测量系统仿真得到的调制传递函数曲线与理论衍射极限曲线的对比示意图，如图8所示，本发明实施例从两个不同的方向对光学测量系统仿真得到的调制传递函数曲线与理论衍射极限曲线进行了比较，T表示子午方向，S表示弧矢方向，从图中可以看出，无论是子午方向还是弧矢方向，本发明实施例提供的光学测量系统仿真得到的调制传递函数曲线与理论衍射极限曲线均能完美重合，表明经本发明实施例提供的光学测量系统测量调整后的成像系统成像质量优良。

综上，本发明实施例提供的光学测量系统，投影支路包括至少一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，投影凹面反射镜和投影凸面反射镜为offner结构；探测支路包括至少一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，探测凹面反射镜和探测凸面反射镜为offner结构；投影图案单元的图案面与接收平面满足反射模式下的Scheimpflug条件；接收平面与探测器探测面满足反射模式下的Scheimpflug条件，将Scheimpflug条件与Offner结构相结合，与满足非Scheimpflug条件下Offner结构的光学测量系统相比，光线在接收平面处倾斜入射，接收平面所有测量光斑都可以清晰成像，可以保证光学测量系统具备优良的测量效率与信噪比；与满足透射模式下Scheimpflug条件的光学测量系统相比，元件种类少，投影支路和探测支路结构简单，同时光学测量系统还可以工作在紫外波段，光能利用率高。

可选的，投影凹面反射镜141的焦点和投影凸面反射镜142的焦点之间的距离满足第一预设距离，第一预设距离数值较小，通过焦点微调可以保证投影支路14的结构为offner结构，并确保成像性能。可选的，投影凹面反射镜141和投影凸面反射镜142可以具有相同的焦点，投影凹面反射镜141的曲率半径可以为投影凸面反射镜142的曲率半径的2倍。

可选的，探测凹面反射镜161的焦点和探测凸面反射镜162的焦点之间的距离满足第二预设距离，第二预设距离数值较小，通过焦点微调可以保证探测支路16的结构为offner结构，并确保成像性能。可选的，探测凹面反射镜161和探测凸面反射镜162可以具有相同的焦点，探测凹面反射镜161的曲率半径可以为探测凸面反射镜162的曲率半径的2倍。

可选的，本发明实施例提供的投影图案单元13可以为投影狭缝，接收平面15可以为硅片面。

可选的，光源单元11可以包括白光点光源、耦合光路以及光纤(图中未示出)，白光点光源发出的光线依次经耦合光路和光纤，到达光纤出射端。耦合光路中包含耦合镜组与滤波片，其功能为提高光耦合效率，选取光学测量系统所需的工作波段。

照明单元12用于接收光源单元11发出的光线并将光线投射至投影图案单元13。可选的，投影图案单元13可以位于照明单元12的孔径光阑位置，保证可以在接收平面15上清晰成像。

可选的，照明模块12可以包括准直镜组和消杂光光阑(图中未示出)，光纤出射端的光线依次经过准直镜组和消杂光光阑，保证提供准直性良好且没有杂光干扰的光线。

可选的，继续参考图6所示，至少一个投影凹面反射镜141可以包括第一投影凹面反射镜1411和第二投影凹面反射镜1412，第一投影凹面反射镜1411和第二投影凹面反射镜1412可以具备不同的曲率半径，如此保证投影支路14可以对投影图案单元13上的投影图案进行多倍放大后成像在接收平面15上。继续参考图6所示，本发明实施例提供的投影支路14还可以包括第一平面反射镜143和第二平面反射镜144，入射至投影支路14的光线依次经过第一平面反射镜143、第一投影凹面反射镜1411、投影凸面反射镜142、第二投影凹面反射镜1412以及第二平面反射镜144。其中，第一平面反射镜143和第二平面反射镜144的作用是改变光路方向，它们的数量不受限制，也可以没有；第一投影凹面反射镜1411的作用是会聚来自投影图案单元13的光线，第二投影凹面反射镜1412的作用是会聚来自投影凸面反射镜142的光线。

可选的，继续参考图6所示，至少一个探测凹面反射镜161可以包括第一探测凹面反射镜1611和第二探测凹面反射镜1612，第一探测凹面反射镜1611和第二探测凹面反射镜1612可以具备不同的曲率半径，如此保证探测支路16可以对接收平面15上的投影图像进行多倍放大后成像在探测器17的探测面上。继续参考图6所示，本发明实施例提供的探测支路16还可以包括第三平面反射镜163和第四平面反射镜164，入射至探测支路16的光线依次经过第三平面反射镜163、第一探测凹面反射镜1611、探测凸面反射镜162、第二探测凹面反射镜1612以及第四平面反射镜164。其中，第三平面反射镜163和第四平面反射镜164的作用是改变光路方向，它们的数量不受限制，也可以没有；第一探测凹面反射镜1611的作用是会聚来自接收平面15的光线，第二探测凹面反射镜1612的作用是会聚来自探测凸面反射镜162的光线。

图9是本发明实施例提供的一种投影图案单元的结构示意图，如图9所示，投影图案单元13可以包括第一透射平板式投影狭缝131，在第一透射平板式投影狭缝131远离光源单元11的一侧表面1311形成有狭缝，形成投影图案单元13的投影图案。本发明实施例对狭缝的数量和外形不进行限定。

图10是本发明实施例提供的另一种投影图案单元的结构示意图，如图10所示，投影图案单元13可以包括棱镜132和第二透射式平板投影狭缝133，棱镜132位于第二透射式平板投影狭缝133靠近光源单元11的一侧，光源单元11发出的光线垂直入射至棱镜132的光线入射面1321，在第二透射平板式投影狭缝133远离光源单元11的一侧表面1331形成有狭缝，形成投影图案单元13的投影图案。本发明实施例对狭缝的数量和外形不进行限定。可以理解的是，通过在第二透射式平板投影狭缝133靠近光源单元11的一侧增设棱镜132，且光源单元11发出的光线垂直入射至棱镜132的光线入射面1321，相比于图9所示的光线倾斜入射投影图案单元12，可以增加光线在投影图案单元13上的透过率，减少能量损失。

图11是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图，图11所示的光学测量系统分别以投影支路14的放大倍数为1、探测支路16的放大倍数为1进行说明。如图11所示，本发明实施例提供的投影支路14可以包括一个投影凹面反射镜141，一个投影凹面反射镜141的焦点与一个投影凸面反射镜142的焦点之间的距离满足第一预设距离，投影凸面反射镜142为投影支路14的孔径光阑，投影支路14满足Offner结构。其中，投影凹面反射镜141的曲率半径R₁₁与投影凸面反射镜142的曲率半径R₁₂之间满足如下关系：

示例性的，合理设置投影凹面反射镜141的曲率半径R11与投影凸面反射镜142的曲率半径R12之间关系，可以保证投影凹面反射镜141与投影凸面反射镜142满足预设位置关系，保证投影支路14的成像质量良好。可选的，投影凹面反射镜141与投影凸面反射镜142满足预设位置关系可以为投影凹面反射镜141与投影凸面反射镜142同心且共焦点，也可以是投影凹面反射镜141的焦点与投影凸面反射镜142的焦点之间存在微小的距离，但是不影响投影支路14为Offner结构，不影响投影支路14的成像效果。

继续参考图11所示，本发明实施例提供的探测支路16可以包括一个探测凹面反射镜161，一个探测凹面反射镜161的焦点与一个探测凸面反射镜162的焦点之间的距离满足第二预设距离，探测凸面反射镜162为探测支路16的孔径光阑，探测支路16满足Offner结构。其中，探测凹面反射镜161的曲率半径R₁₃与探测凸面反射镜162的曲率半径R₁₄之间满足如下关系：

示例性的，合理设置探测凹面反射镜161的曲率半径R₁₃与探测凸面反射镜162的曲率半径R₁₄之间关系，可以保证探测凹面反射镜161与探测凸面反射镜162满足预设位置关系，保证探测支路16的成像质量良好。可选的，探测凹面反射镜161与探测凸面反射镜162满足预设位置关系可以为探测凹面反射镜161与探测凸面反射镜162同心且共焦点，也可以是探测凹面反射镜161的焦点与探测凸面反射镜162的焦点之间存在微小的距离，但是不影响探测支路16为Offner结构，不影响探测支路16的成像效果。

图12是本发明实施例提供的另一种光学测量系统的结构示意图，图13是本发明实施例提供的扫描反射镜的结构示意图，如图12和图13所示，本发明实施例提供的光学测量系统还可以包括投影凹面反射镜141和投影凸面反射镜142之间的第五平面反射镜145和扫描反射镜146，第五平面反射镜145位于靠近投影凹面反射镜141的一侧，扫描反射镜146位于靠近投影凸面反射镜142的一侧；

第五平面反射镜145接收投影凹面反射镜141的反射光线并将投影凹面反射镜141的反射光线反射至扫描反射镜146；

扫描反射镜146在光线传播平面以预设角度进行周期性简谐振动，扫描反射镜146用于接收第五平面反射镜145的反射光线并将第五平面反射镜145的反射光线反射至投影凸面反射镜142。

示例性的，如图12所示和图13所示，扫描反射镜146通过驱动器在光线传播平面上以一角度σ做周期性简谐振动，光线在接收平面15以及探测器17的探测面上的位置也做周期性变化，探测器17对探测面接收到的光信号进行处理，得到接收平面的离焦量。

图14是本发明实施例提供的一种探测器的结构示意图，如图14所示，本发明实施例提供的探测器17可以包括位于靠近探测支路16一侧的探测狭缝171以及远离探测支路16一侧的探测面172；

探测狭缝171上设置有多组探测狭缝阵列1711，每组探测狭缝阵列1711与投影图案单元13上的每个投影光斑131一一对应。

图15是本发明实施例提供的一种投影图案单元上的光斑与探测狭缝上的探测狭缝阵列的示意图；图16是本发明实施例提供的一种光斑与探测狭缝阵列的相对位置示意图；图17是本发明实施例提供的另一种光斑与探测狭缝阵列的相对位置示意图；图18是本发明实施例提供的又一种光斑与探测狭缝阵列的相对位置示意图。如图15所示，投影光斑131长度为L1，宽度为D1，对应的探测狭缝阵列1711中投影光斑长度为L2，宽度为D2，其中，D1＝D2，L1>L2。当接收平面15没有离焦时，投影光斑131与探测狭缝阵列1711的位置关系如图16所示；当接收平面15存在负离焦时，投影光斑131与探测狭缝阵列1711的位置关系如图17所示；当接收平面15存在正离焦时，投影光斑131与探测狭缝阵列1711的位置关系如图18所示。

每个投影光斑131的大小和每组探测狭缝阵列1711的大小与排列布局不受限制，当投影光斑131成像在探测狭缝阵列1711上时，光信号被探测面17接收时并形成差分信号，对差分信号进行调制解调可得到探测光斑131在探测器17上的位置改变量Δy，从而得到硅片面的离焦量Δz。

可选的，本发明实施例提供的光学测量系统还可以包括探测支路16与探测器17之间的分光元件181和成像镜组182；

分光元件181用于将探测支路16的出射光线分为至少两束光束；

成像镜组182接收至少两束光束，并将至少两束光束成像在探测器17上。

具体的，分光元件181可以以透射光线或者反射光线的方式将入射至其表面的光束分成至少两束光束，图19以透射光线的方式进行说明，图20以反射光线的方式进行说明。如图19和图20所示，经分光元件181分光得到的第一束光斑和第一束光斑分别经过成像镜组182成像在探测器17上，探测面17将接收到的光信号转化为电信号，并进行信号处理，得到接收平面15的离焦量。

可选的，分光元件181可以包括分光棱镜、透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅。其中，分光棱镜和透射式衍射光栅以透射光线的方式将入射至其表面的光束分成至少两束光束，如图19所示；反射式衍射光栅，即闪耀光栅以反射光线的方式将入射至其表面的光束分成至少两束光束。

需要说明的是，图19和图20仅以分光元件181将入射至其表面的光束分成两束光束进行示例性说明，可以理解的，分光元件181可以将入射至其表面的光束分成三束光束、四束光束甚至更多束光束，这里不再赘述。

可选的，本发明实施例提供的光学测量系统还可以包括调整单元19，调整单元19用于调整光线在探测器17探测面上的入射位置或者入射角度；

其中，调整单元19可以位于投影图案单元13与投影支路14之间，或者调整单元19位于探测支路16与探测器17之间，或者调整单元19位于接收平面15位置处。

示例性的，投影支路14和探测支路16都是成像系统，其中，投影图案单元13为投影支路14的物面，接收平面15为投影支路14的像面；接收平面15为探测支路16中的物面，探测器17的探测面为探测支路16中的像面。调整元件19的加入位置在投影图案单元13与投影支路14之间，或者在探测支路16与探测器17之间，或者在接收平面15位置处，用于调整光线入射到接收平面15和探测器探17测面的位置与角度。

可选的，调整单元可以包括调整平板或者调整楔形板。

图21-图25分别以调整单元19为平板或者楔形板为例，同时以调整单元19位于不同位置进行了说明。

具体的，图21表示调整单元19为调整平板，位于投影图案单元13与投影支路14之间，用于调整光线到达探测器17探测面的位置；

图22表示调整单元19为调整平板，位于探测支路16与探测器17之间，用于调整光线到达探测器17探测面的位置；

图23表示调整单元19为调整平板，位于接收平板15位置处，用于调整光线到达探测器17探测面的角度；

图24表示调整单元19为调整楔形板，位于投影图案单元13与投影支路14之间，用于调整光线到达探测器17探测面的角度；

图25表示调整单元19为调整楔形板，位于接收平板15位置处，用于调整光线到达探测器17探测面的位置。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (14)

1.一种光学测量系统，其特征在于，包括光源单元、照明单元、投影图案单元、投影支路、探测支路以及探测器；所述光源单元发出的光线经所述照明单元投射到所述投影图案单元上，所述投影图案单元上的投影图案经所述投影支路后在接收平面上形成投影图像，所述投影图像经所述探测支路后在所述探测器上形成探测图像；所述投影图案单元位于所述投影支路的物面位置，所述接收平面位于所述投影支路的像面位置以及所述探测支路的物面位置，所述探测器位于所述探测支路的像面位置；

所述投影支路包括至少一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，所述投影凹面反射镜的焦点和所述投影凸面反射镜的焦点之间的距离满足第一预设距离，所述投影凸面反射镜为所述投影支路的孔径光阑；

所述探测支路包括至少一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，所述探测凹面反射镜的焦点和所述探测凸面反射镜的焦点之间的距离满足第二预设距离，所述探测凸面反射镜为所述探测支路的孔径光阑；

所述投影图案单元与所述投影支路的入射光线之间的夹角为α，所述接收平面与所述投影支路的出射光线之间的夹角为β，所述投影支路的放大倍率为m₁₁，其中，tan(90°-β)＝m₁₁ tan(90°-α)；

所述接收平面与所述探测支路的入射光线之间的夹角为γ，所述探测器与所述探测支路的出射光线之间的夹角为δ，所述探测支路的放大倍率为m₁₂，其中，tan(90°-δ)＝m₁₂ tan(90°-γ)。

2.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，至少一个投影凹面反射镜包括第一投影凹面反射镜和第二投影凹面反射镜，所述第一投影凹面反射镜和第二投影凹面反射镜具备不同的曲率半径；

所述投影支路还包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，入射至所述投影支路的光线依次经过所述第一平面反射镜、第一投影凹面反射镜、投影凸面反射镜、第二投影凹面反射镜以及所述第二平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，至少一个探测凹面反射镜包括第一探测凹面反射镜和第二探测凹面反射镜，所述第一探测凹面反射镜和第二探测凹面反射镜具备不同的曲率半径；

所述探测支路还包括第三平面反射镜和第四平面反射镜，入射至所述探测支路的光线依次经过所述第三平面反射镜、第一探测凹面反射镜、探测凸面反射镜、第二探测凹面反射镜以及所述第四平面反射镜。

4.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述投影支路包括一个投影凹面反射镜和一个投影凸面反射镜，所述投影凹面反射镜的曲率半径R₁₁与所述投影凸面反射镜的曲率半径R₁₂之间满足如下关系：

5.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述探测支路包括一个探测凹面反射镜和一个探测凸面反射镜，所述探测凹面反射镜的曲率半径R₁₃与所述探测凸面反射镜的曲率半径R₁₄之间满足如下关系：

6.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述投影图案单元包括第一透射平板式投影狭缝。

7.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述投影图案单元包括棱镜和第二透射式平板投影狭缝，所述棱镜位于所述第二透射式平板投影狭缝靠近所述光源单元的一侧，光源单元发出的光线垂直入射至所述棱镜的光线入射面。

8.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述投影图案单元位于所述照明单元的孔径光阑位置。

9.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述投影支路还包括位于所述投影凹面反射镜和投影凸面反射镜之间的第五平面反射镜和扫描反射镜，所述第五平面反射镜位于靠近所述投影凹面反射镜的一侧，所述扫描反射镜位于靠近所述投影凸面反射镜的一侧；

所述第五平面反射镜接收所述投影凹面反射镜的反射光线并将所述投影凹面反射镜的反射光线反射至所述扫描反射镜；

所述扫描反射镜在光线传播平面以预设角度进行周期性简谐振动，所述扫描反射镜用于接收所述第五平面反射镜的反射光线并将所述第五平面反射镜的反射光线反射至所述投影凸面反射镜。

10.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述探测器包括位于靠近所述探测支路一侧的探测狭缝以及远离所述探测支路一侧的探测面；

所述探测狭缝上设置有多组探测狭缝阵列，每组所述探测狭缝阵列与所述投影图案单元上的每个投影光斑一一对应。

11.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述光学测量系统还包括位于所述探测支路与所述探测器之间的分光元件和成像镜组；

所述分光元件用于将所述探测支路的出射光线分为至少两束光束；

所述成像镜组接收所述至少两束光束，并将所述至少两束光束成像在所述探测器上。

12.根据权利要求11所述的光学测量系统，其特征在于，所述分光元件包括分光棱镜、透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅。

13.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于，所述光学测量系统还包括调整单元，所述调整单元用于调整光线在所述探测器探测面上的入射位置或者入射角度；

其中，所述调整单元位于所述投影图案单元与所述投影支路之间，或者所述调整单元位于所述探测支路与所述探测器之间，或者所述调整单元位于所述接收平面位置处。

14.根据权利要求13所述的光学测量系统，其特征在于，所述调整单元包括调整平板或者调整楔形板。

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