CN112179290A - 一种待测样品形貌测量装置及方法 - Google Patents

一种待测样品形貌测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种待测样品形貌测量装置及方法，装置包括光源；偏振分光单元；四分之一波片；准直单元；参考单元；光束调整单元和至少一个成像单元，光束调整单元用于调整信号光束与参考光束的传播方向，并将信号光束与参考光束投射至成像单元形成信号图像，信号图像包括参考像点、信号像点和干涉条纹；工件台；控制单元，在对待测样品进行形貌测量时，控制光束调整单元和成像单元形成信号图像，根据信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量，控制工件台以调整待测样品的倾斜姿态至预设值后，控制成像单元获取干涉条纹以完成对待测样品的形貌测量。本发明以实现对待测样品倾斜姿态的快速测量与对待测样品的快速调整。

Description

一种待测样品形貌测量装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体测量技术，尤其涉及一种待测样品形貌测量装置及方法。
背景技术
为了获取硅片等待测样品的表面形貌，需要进行待测样品形貌测量，通常根据待测样品反射光与参考单元反射光形成干涉条纹来获取待测样品形貌，为保证测量精度，需要控制待测样品相对于参考单元的倾斜度，如果待测样品相对于参考单元的倾斜度过大，则接收不到干涉条纹，或者接收到的干涉条纹过密，从而无法对过密的干涉条纹进行解算，无法根据过密的干涉条纹获得待测样品的形貌。故而硅片等待测样品的倾斜度需要在一定角度范围内调整，以使得硅片经调整后位于目标位置。
现有技术中，通常根据待测样品反射光与参考单元反射光形成的干涉条纹密度，并结合一定的运算方法可判断硅片等待测样品的倾斜度，然后调整待测样品倾斜度至目标倾斜度后，收集用以分析待测样品形貌的光信号。然而，基于检测条纹密度计算样品倾斜度的方法非常复杂、耗时，加重量测系统的计算负担，影响量测效率。
发明内容
本发明实施例提供一种待测样品形貌测量装置及方法，以实现对待测样品倾斜姿态的快速测量与对待测样品的快速调整。
第一方面，本发明实施例提供一种待测样品形貌测量装置，包括：
光源，提供线偏振光；
偏振分光单元，将所述线偏振光分为一束反射测量光束和一束透射光束；
四分之一波片，位于所述偏振分光单元与所述待测样品之间的光路上，用以改变穿透过该四分之一波片的光束的偏振态；
准直单元，位于所述偏振分光单元与所述待测样品之间的光路上，将所述反射测量光束变为平行光；
参考单元，位于所述待测样品与所述准直单元之间的光路上，所述平行光投射至所述参考单元上，一部分所述平行光被所述参考单元反射形成参考光束，一部分所述平行光透过所述参考单元投射至所述待测样品上，并被所述待测样品反射形成为信号光束；
光束调整单元和至少一个成像单元，所述光束调整单元位于所述偏振分光单元与所述成像单元之间的光路上，用于调整所述信号光束与参考光束的传播方向，并将所述信号光束与参考光束投射至所述成像单元形成信号图像，所述信号图像包括所述参考光束在成像单元上形成参考像点，所述信号光束在成像单元上形成信号像点，以及所述信号光束与参考光束产生干涉在所述成像单元上形成干涉条纹；
工件台，用于承载待测样品；
和控制单元，在对待测样品进行形貌测量时，所述控制单元控制所述光束调整单元和成像单元形成所述信号图像，并根据所述信号像点与参考像点在所述成像单元中的位置偏移量，控制所述工件台以调整所述待测样品的倾斜姿态至预设值后，获取并分析所述干涉条纹以完成对所述待测样品的形貌测量。
可选地，
所述工件台包括用于支撑所述待测样品的第一支撑结构、第二支撑结构和第三支撑结构；
所述根据所述信号像点与参考像点在所述成像单元中的位置偏移量，控制所述工件台以调整所述待测样品的倾斜姿态至预设值，包括：通过控制所述第一支撑结构、所述第二支撑结构和所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量以调节所述待测样品的倾斜姿态至预设值，并基于以下线性方程进行控制调节：
Figure BDA0002690200670000031
其中，所述信号像点与参考像点在所述成像单元中的位置偏移量为(dx,dy)，所述第一支撑结构沿支撑方向的位移调整量为Za，所述第二支撑结构沿支撑方向的位移调整量为Zb，所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量为Zc，m1、m2、m3、n1、n2和n3为线性方程的系数，m4和n4为线性方程的偏移常量。
可选地，所述通过控制所述第一支撑结构、所述第二支撑结构和所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量以调节所述待测样品的倾斜姿态至预设值，包括：
将所述第一支撑结构沿支撑方向的位移调整量固定后，通过控制所述第二支撑结构和所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量以调节所述待测样品的倾斜姿态至预设值。
可选地，所述光束调整单元包括固定透镜和可移动整合单元，所述固定透镜用于汇聚穿过所述偏振分光单元的所述信号光束以及所述参考光束；
在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段中，所述可移动整合单元位于所述偏振分光单元与所述成像单元之间的光路上，配合所述固定透镜调整所述信号光束与参考光束的传播方向，将所述信号光束在成像单元上形成信号像点，将所述参考光束在成像单元上形成参考像点；在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，所述可移动整合单元可保留于所述光路上或者移出光路，所述信号光束与参考光束产生的干涉信号在所述成像单元上形成干涉条纹。
可选地，所述可移动整合单元包括第一凸透镜，所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。
可选地，所述第一凸透镜位于所述偏振分光单元与所述固定透镜之间的光路上。
可选地，所述可移动整合单元包括抛物面反射镜；
所述至少一个成像单元包括第一成像单元和第二成像单元，所述第一成像单元用于接收所述信号像点以及所述参考像点，所述第二成像单元，用于接收所述干涉条纹；
所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。
可选地，所述可移动整合单元包括分束镜和第二凸透镜，所述分束镜位于所述待测样品与所述第二凸透镜之间的光路上；
所述至少一个成像单元包括第一成像单元和第二成像单元，所述第一成像单元用于接收所述信号像点以及所述参考像点，所述第二成像单元，用于接收所述干涉条纹；
所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，可保留于光路上或者移出所述光路。
可选地，所述可移动整合单元包括平面反射镜和第三凸透镜，所述平面反射镜位于所述偏振分光单元与所述第三凸透镜之间的光路上；
所述至少一个成像单元包括第一成像单元和第二成像单元，所述第一成像单元用于接收所述信号像点以及所述参考像点，所述第二成像单元，用于接收所述干涉条纹；
所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。
可选地，所述可移动整合单元位于所述固定透镜与所述成像单元之间的光路上。
第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面所述待测样品形貌测量装置的待测样品形貌测量方法，包括：
控制光束调整单元和成像单元形成信号图像，并根据信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量，控制工件台以调整所述待测样品的倾斜姿态至预设值后，获取并分析干涉条纹以完成对所述待测样品的形貌测量。
本发明实施例中，待测样品形貌测量装置包括光束调整单元和至少一个成像单元，在待测样品形貌测量时，光束调整单元先将待测样品的像在成像单元上聚焦为信号像点，将参考单元的像在成像单元上聚焦为参考像点，因此可以根据信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量，获取待测样品的倾斜姿态。在控制工件台以调整待测样品的倾斜姿态至预设值后，控制单元可以控制成像单元获取干涉条纹，通过对干涉条纹的分析以完成对待测样品的形貌测量。由于本发明实施例中无需解算条纹密度，无需进行复杂的计算，因此实现了对待测样品倾斜姿态的快速测量，进而实现了对待测样品的快速调整，进一步地，在调整待测样品的倾斜姿态至预设值后，可以控制待测样品相对于参考单元的倾斜姿态在预设的范围内，从而提高待测样品的形貌检测的精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种待测样品形貌测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种工件台以及待测样品的立体结构示意图；
图3为图2所示工件台以及待测样品的俯视结构示意图；
图4为图2所示工件台以及待测样品的侧视结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种待测样品形貌测量装置的结构示意图，参考图1，待测样品形貌测量装置包括光源2、偏振分光单元1、四分之一波片8、准直单元3、参考单元7、光束调整单元4、至少一个成像单元5、工件台9和控制单元(图中未示出)。光源2提供线偏振光。偏振分光单元1将线偏振光分为一束反射测量光束和一束透射光束。四分之一波片8位于偏振分光单元1与待测样品6之间的光路上，用以改变穿透过该四分之一波片8的光束的偏振态。例如，入射至四分之一波片8的线偏振光经四分之一波片8出射后的光束偏振态可以为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。准直单元3位于偏振分光单元1与待测样品6之间的光路上，将反射测量光束变为平行光。参考单元7位于待测样品6与准直单元3之间的光路上，平行光投射至参考单元7上，一部分平行光被参考单元7反射形成参考光束，一部分平行光透过参考单元7投射至待测样品6上，并被待测样品6反射形成为信号光束。光束调整单元4位于偏振分光单元1与成像单元5之间的光路上，用于调整信号光束与参考光束的传播方向，并将信号光束与参考光束投射至成像单元5形成信号图像，信号图像包括参考光束在成像单元5上形成参考像点，信号光束在成像单元5上形成信号像点，以及信号光束与参考光束产生干涉在成像单元5上形成干涉条纹。工件台9用于承载待测样品6。在对待测样品6进行形貌测量时，控制单元控制光束调整单元4和成像单元5形成信号图像，并根据信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量，控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，获取并分析干涉条纹以完成对待测样品6的形貌测量。
示例性地，参考图1，以光源2提供的线偏振光为S偏振光为例，结合图1所示光路，对本发明实施例提供的形貌测量装置做进一步解释说明。在待测样品形貌测量时，光源2发射的S偏振光被偏振分光单元1反射，被偏振分光单元1反射的S偏振光经过四分之一波片8形成为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光经过准直单元3后变为平行光，平行光投射至参考单元7上，一部分平行光被参考单元7反射形成参考光束，一部分平行光透过参考单元7投射至待测样品6上，被待测样品6反射后形成为信号光束，信号光束携带了待测样品6的倾斜姿态信息以及待测样品的形貌信息，信号光束以及参考光束的偏振态均为右旋圆偏振光，在经准直单元3后投射至四分之一波片8，信号光束以及参考光束都被四分之一波片8转变为P偏振光，P偏振光可以透过偏振分光单元1。光束调整单元4在控制单元的调控下，先将透过偏振分光单元1的P偏振信号光束以及P偏振参考光束分别投射至成像单元5上聚焦为像点，其中，信号光束被光束调整单元4在成像单元5上聚焦为信号像点，参考光束在成像单元5上聚焦为参考像点。示例性地，倾斜姿态包括倾斜度，待测样品6相对于参考单元7的倾斜度越小时，信号像点与参考像点在成像单元5上的距离越小；待测样品6相对于参考单元7的倾斜度越大时，信号像点与参考像点在成像单元5上的距离越大。因此可以根据信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量，获取待测样品6的倾斜姿态，也即控制单元可根据信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量，控制工件台9调整待测样品6的倾斜姿态至预设值，之后，光束调整单元4在经由控制单元的调控下，将信号光束以及参考光束所形成的干涉光束在成像单元5上形成干涉条纹，控制单元获取并分析干涉条纹以完成对待测样品6的形貌测量。
本发明实施例中，待测样品形貌测量装置包括光束调整单元和至少一个成像单元，在待测样品形貌测量时，光束调整单元4先将待测样品6的像在成像单元5上聚焦为信号像点，将参考单元7的像在成像单元5上聚焦为参考像点，因此可以根据信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量，获取待测样品6的倾斜姿态。在控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，控制单元可以控制成像单元5获取干涉条纹，通过对干涉条纹的分析以完成对待测样品6的形貌测量。由于本发明实施例中无需解算条纹密度，无需进行复杂的计算，因此实现了对待测样品6倾斜姿态的快速测量，进而实现了对待测样品6的快速调整，进一步地，在调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，可以控制待测样品6相对于参考单元7的倾斜姿态在预设的范围内，从而提高待测样品6的形貌检测的精度。
图2为本发明实施例提供的一种工件台以及待测样品的立体结构示意图，图3为图2所示工件台以及待测样品的俯视结构示意图，图4为图2所示工件台以及待测样品的侧视结构示意图，结合图2、图3和图4所示，工件台9包括用于支撑待测样品6的第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c。根据信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量，控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值，包括：通过控制第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量以调节待测样品6的倾斜姿态至预设值，并基于以下线性方程进行控制调节：
Figure BDA0002690200670000091
其中，信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量为(dx,dy)，第一支撑结构a沿支撑方向的位移调整量为Za，第二支撑结构b沿支撑方向的位移调整量为Zb，第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量为Zc，m1、m2、m3、n1、n2和n3为线性方程的系数，m4和n4为线性方程的偏移常量。
本发明实施例中，可以采用第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c支撑待测样品6，第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c在待测样品平面内(设为X、Y轴平面)的位置不变，通过调整第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向上(示例性地，支撑方向可以为垂直方向，垂直方向指的是待测样品6法线方向也即Z轴方向)的位置调整待测样品6的倾斜姿态，也就是说，第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c的X、Y值不变，Z值发生变化，Z值通过三个支撑结构的位移编码量来表示。由成像光路的信号像点相对于参考像点的位置偏移量与三个支撑结构的位移编码量的关系可以实时调整待测样品6倾斜姿态，以实现后续测量工艺中对待测样品6全面型的干涉测量。其中，支撑结构的位移编码量指的是支撑结构沿支撑方向上的位移，可以为任意正数、负数或零。
在对待测样品进行形貌测量的过程中，包括先对待测样品进行倾斜姿态调整的阶段，通过调节各点编码量可以获得多组位置偏移量，即可通过联立方程组求得上述线性方程的最小二乘解，确定公式1中的系数m1、m2、m3、m4、n1、n2、n3和n4，以此完成信号像点相对于参考像点在成像单元中的位置偏移量与三个支撑结构的位移编码量的线性关系的标定。也就是说，固定参考单元的位置，以参考像点作为参考点，在第一状态下，第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c分别具有第一状态下的Za1、Zb1和Zc1值，信号像点与参考像点具有第一状态下的位置偏移量(dx1,dy1)；在第二状态下，第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c分别具有第二状态下的Za2、Zb2和Zc2值，信号像点与参考像点具有第二状态下的位置偏移量(dx2,dy2)。多次调整Za、Zb和Zc值，可以得到多组沿支撑方向的位移调整量与位置偏移量的组合。由此多组组合，可以运用最小二乘法标定上述方程组(1)中的系数m1、m2、m3、m4、n1、n2、n3和n4。其中，第一状态下的Za、Zb和Zc值分别记为Za1、Zb1和Zc1，第二状态下的Za、Zb和Zc值分别记为Za2、Zb2和Zc2，第一状态下的位置偏移量(dx,dy)记为(dx1,dy1)，第二状态下的位置偏移量(dx,dy)记为(dx2,dy2)。
在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，对待测样品进行形貌测量。示例性地，先根据三个支撑结构的位置关系及上述标定后的线性方程，求解出三个支撑结构的位移编码量与信号像点相对于参考像点在成像单元中的位置偏移量(dx,dy)的映射关系。具体地，记第一支撑结构a在待测样品坐标系下的坐标为(Xa,Ya)，第二支撑结构b在待测样品坐标系下的坐标为(Xb,Yb)，第三支撑结构c在待测样品坐标系下的坐标为(Xc,Yc)。另外，由于上述方程组(1)包括三个未知编码量(即Za、Zb、Zc)。为了便于求解，可以引入限制条件：
f(Xmean,Ymean,Zmean)＝0 (2)
其中，
Figure BDA0002690200670000111
由于待测样品6表面为平面，具体地，上述限制条件可以进一步地表述为：
p1Xmean+p2Ymean+p3Zmean+p0＝0 (3)
其中，p1、p2和p3为系数，p0为常数。p1、p2、p3和p0的数值可以通过待测样品6的初始位置获得。例如，为了使待测样品6中心位置在调整过程中保持不变，可以令p0＝p1＝p2＝0，p3＝1。
在上述方程组(1)引入限制条件公式(3)后，可得：
Figure BDA0002690200670000112
Figure BDA0002690200670000113
Figure BDA0002690200670000114
其中，
Figure BDA0002690200670000115
可选地，通过控制第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量以调节待测样品6的倾斜姿态至预设值，包括：将第一支撑结构a沿支撑方向的位移调整量固定后，通过控制第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量以调节待测样品6的倾斜姿态至预设值。本发明实施例中，将第一支撑结构a固定(即将第一支撑结构a的编码量Za调节至固定值)，通过调节第二支撑结构b和第三支撑结构c的编码量来调节待测样品6的倾斜姿态。这样设置的优点在于，无需引入额外约束，即可由信号像点相对于参考像点的位置偏移量与两个支撑结构的位移编码量的关系可以实时调整待测样品6倾斜姿态，以实现后续测量工艺中对待测样品6全面型的干涉测量。
示例性地，固定第一支撑结构a，即保持编码量Za的大小不变，通过调节编码量Zb和编码量Zc来实现待测样品6的倾斜姿态的调整。此时上述方程组(1)得以简化，第二支撑结构b和第三支撑结构c的编码量与像点偏移的关系为：
Figure BDA0002690200670000121
上述公式(4)、(5)、(6)得以简化为：
Figure BDA0002690200670000122
Figure BDA0002690200670000123
由此，建立了三个支撑结构的位移编码量(Za、Zb、Zc)与信号像点相对于参考像点在成像单元中的位置偏移量(dx,dy)的映射关系。从而可根据预设需求获取的信号像点和参考像点在成像单元中的位置偏移量，求解出三个支撑结构的位移编码量以将待测样品调整至预设的倾斜姿态。
示例性地，参考图4，支撑结构(以第一支撑结构a为例)包括第一支撑部a1、第二支撑部a2和调节部a3，调节部a3位于第一支撑部a1和第二支撑部a2之间，调节部a3位于第一支撑部a1以及第二支撑部a2临近待测样品6的一端，调节部a3与待测样品6接触并用于支撑待测样品6。调节部a3支撑待测样品6的位置点可以沿支撑方向上移动，调节部a3支撑待测样品6的位置点即为编码量为Za，Zb和Zc与Za类似，在此不再一一赘述。
示例性地，参考图1，光源2例如可以为激光光源，光源2发射线偏振激光光束。
示例性地，参考图1，偏振分光单元1包括偏振分光棱镜，偏振分光棱镜是一种用于分离光线的水平偏振和垂直偏振的光学元件。例如，偏振分光棱镜可以使P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)反射。
示例性地，参考图1，准直单元3例如可以包括准直透镜，准直透镜例如可以选择凸透镜，在其他实施方式中，准直单元3还可以包括多个透镜，多个透镜中的至少部分透镜为凸透镜。
可选地，参考图1，光束调整单元包括固定透镜41和可移动整合单元42，固定透镜41用于汇聚穿过偏振分光单元1的信号光束以及参考光束。在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段中，可移动整合单元42被配置位于偏振分光单元1与成像单元5之间的光路上，配合固定透镜41调整信号光束与参考光束的传播方向，将信号光束在成像单元5上形成信号像点，将参考光束在成像单元5上形成参考像点，以及，在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，可移动整合单元可保留于偏振分光单元1与成像单元5之间的光路上或者移出光路，使信号光束与参考光束产生的干涉信号在成像单元5上形成干涉条纹。本发明实施例中，参考光束被固定透镜41和可移动整合单元42汇聚后，在成像单元5上形成参考像点，信号光束被固定透镜41和可移动整合单元42汇聚后，在成像单元5上形成信号像点。在待测样品倾斜姿态调整后(即调整至预设值后)，可以将可移动整合单元42从光路中移出，此时，参考光束和信号光束不再形成为像点，而是形成干涉条纹，通过对干涉条纹的分析可以完成对待测样品6的形貌测量。在一些实施方式中，如果可移动整合单元42保留于偏振分光单元与所述成像单元之间的光路上，也能使部分参考光束和部分信号光束的干涉信号于成像单元5上形成干涉条纹，此时，可以将可移动整合单元42保留在光路中而不用移出光路。
可选地，参考图1，可移动整合单元42包括第一凸透镜421。可移动整合单元42在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。本发明实施例中，可移动整合单元42包括第一凸透镜421，光束调整单元4包括固定透镜41和第一凸透镜421。在对待测样品6进行倾斜姿态调整的阶段，固定透镜41和第一凸透镜421将参考光束在成像单元5上汇聚形成参考像点，将信号光束在成像单元5上汇聚形成信号像点。在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，可以将第一凸透镜421从光路中移出，参考光束和信号光束不再形成为像点，投射至成像单元5的参考光束和信号光束为平行光，参考光束和信号光束的干涉信号于成像单元上形成干涉条纹，通过对干涉条纹的分析可以完成对待测样品6的形貌测量。可移动整合单元42包括第一凸透镜421，从而简化了光束调整单元4的结构。在其他实施方式中，光束调整单元4还可以包括多个透镜，多个透镜中的至少部分透镜为凸透镜。
示例性地，参考图1，第一凸透镜421位于固定透镜41与成像单元5之间的光路上。这样设置的优点在于，第一凸透镜511位于固定透镜41与成像单元5之间的光路上时，可以使用成像单元5接收参考像点以及信号像点。将第一凸透镜511从固定透镜41与成像单元5之间的光路上移走时，可以进行待测样品6的形貌测量，使用同一个成像单元5接收参考光束与信号光束所形成的干涉条纹，从而减少了成像单元5的数量，降低了检测成本。
图5为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图，参考图5，第一凸透镜421位于偏振分光单元1与固定透镜41之间的光路上。本发明实施例中，将第一凸透镜421设置于偏振分光单元1与固定透镜41之间的光路上，参考光束经过第一凸透镜421和固定透镜41的共同聚焦后，在成像单元5上形成参考像点。信号光束经过第一凸透镜421和固定透镜41的共同聚焦后，在成像单元5上形成信号像点。在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，对于准直单元3、偏振分光单元1、固定透镜41以及成像单元5等的位置无需变动，将第一凸透镜421从待测样品6与成像单元5之间的光路上移走时，可以进行待测样品6的形貌测量，从而简化了测量的工艺。
图6为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图，参考图6，可移动整合单元42包括抛物面反射镜。至少一个成像单元5包括第一成像单元51和第二成像单元52，第一成像单元51用于接收信号像点以及参考像点，第二成像单元52用于接收干涉条纹。可移动整合单元42在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。本发明实施例中，抛物面反射镜的反射面为抛物面，抛物面还具有光线聚焦的作用，因此参考光束照射至抛物面反射镜后，可以被抛物面反射镜反射并在第一成像单元51上形成参考像点。信号光束照射至抛物面反射镜后，可以被抛物面反射镜反射并在第一成像单元51上形成信号像点。在控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，可以将抛物面反射镜从待测样品6与成像单元5之间的光路上移出。经过固定透镜41后，信号光束以及参考光束均为平行光，信号光束以及参考光束在第二成像单元52上形成干涉条纹，控制单元可以控制第二成像单元52获取干涉条纹，通过分析干涉条纹以完成对待测样品6的形貌测量。
图7为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图，参考图7，可移动整合单元42包括分束镜423和第二凸透镜424。分束镜423位于待测样品6与第二凸透镜424之间的光路上。至少一个成像单元5包括第一成像单元51和第二成像单元52，第一成像单元51用于接收信号像点以及参考像点，第二成像单元52用于接收干涉条纹。可移动整合单元42在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，可移动整合单元42可以保留于光路上或移出光路。本发明实施例中，参考光束照射至分束镜423后，被分束镜423反射至第二凸透镜424，被第二凸透镜424汇聚后，在第一成像单元51上形成参考像点。信号光束照射至分束镜423后，被分束镜423反射至第二凸透镜424，被第二凸透镜424汇聚后，在第一成像单元51上形成信号像点。由于参考光束以及信号光束中的部分可以透过分束镜423，可移动整合单元42可保留于光路上，因此在控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，透过分束镜423的部分参考光束和部分信号光束可以在第二成像单元52上形成干涉条纹，故而可以不用移出可移动整合单元42，具体地不用移出可移动整合单元42中的分束镜423。可以理解的是，在其他实施方式中，在控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，也可以将可移动整合单元42移出光路，具体地，将可移动整合单元42中的分束镜423移出光路，此时，经过固定透镜41的参考光束和信号光束投射至第二成像单元52生成干涉条纹。
图8为本发明实施例提供的另一种待测样品形貌测量装置的结构示意图，参考图8，可移动整合单元42包括平面反射镜425和第三凸透镜426，平面反射镜425位于偏振分光单元1与第三凸透镜426之间的光路上。至少一个成像单元5包括第一成像单元51和第二成像单元52，第一成像单元51用于接收信号像点以及参考像点，第二成像单元52用于接收干涉条纹。可移动整合单元42在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。本发明实施例中，参考光束照射至平面反射镜425后，被平面反射镜425反射至第三凸透镜426，被第三凸透镜426汇聚后，在第一成像单元51上形成参考像点。信号光束照射至平面反射镜425后，被平面反射镜425反射至第三凸透镜426，被第三凸透镜426汇聚后，在第一成像单元51上形成信号像点。在控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值后，可以将可移动整合单元42(具体可以为可移动整合单元42中的平面反射镜425)从待测样品6与成像单元5之间的光路上移出。经过固定透镜41后，信号光束以及参考光束均为平行光，信号光束以及参考光束在第二成像单元52上形成干涉条纹，通过对干涉条纹的分析可以完成对待测样品6的形貌测量。
可选地，参考图1，以及图5-图8所示，可移动整合单元42位于固定透镜41与成像单元5之间的光路上。本发明实施例中，将可移动整合单元42设置于固定透镜41与成像单元5之间的光路上，对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段，用以将信号光束和参考光束汇聚至成像单元分别形成信号像点和参考像点，使得控制单元可以基于信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量，控制工件台调整待测样品6的倾斜姿态至预设值之后仅需要将可移动整合单元42从待测样品6与成像单元5之间的光路上移出，无需改变光路中其他元件的位置，即可以进行待测样品6的形貌测量。可选择性的，通过将移动整合单元42设计为既能收集部分参考光束以及部分信号光束已形成参考像点和信号像点，也能使得另一部分参考光束以及另一部分信号光束形成干涉条纹，则在待测样品6的倾斜姿态至预设值后，整合单元42可以保留于光路中，也能完成待测样品6的形貌测量。进一步地，由于透过偏振分光单元1的P偏振光在固定透镜41之前聚焦，聚焦后的光束经过固定透镜41之后的光路时，光束直径减小，将可移动整合单元42设置于固定透镜41与成像单元5之间的光路上时，还可以减小可移动整合单元42的尺寸，降低检测成本。进一步地，将可移动整合单元42设置于固定透镜41与成像单元5之间的光路上时，经过固定透镜41之后的光束变为平行光，固定透镜41与可移动整合单元42之间的距离变化不会改变投射至可移动整合单元42上光线的角度，从而降低了可移动整合单元42摆放位置的难度。
示例性地，参考图1，固定透镜41将穿过偏振分光单元1且在固定透镜41之前聚焦的信号光束以及参考光束汇聚形成为平行光。可移动整合单元42包括第一凸透镜421。第一凸透镜421位于固定透镜41与成像单元5之间的光路上。在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段中，第一凸透镜421位于光路中，第一凸透镜421将平行光聚焦形成为像点，具体地，第一凸透镜421将平行光中的信号光束在成像单元5上汇聚为信号像点，第一凸透镜421将平行光中的参考光束在成像单元5上汇聚为参考像点。在对待测样品6进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，无需改变光路中其他元件的位置，仅将第一凸透镜421从光路中移出，参考光束和信号光束在同一成像单元5上便可以形成干涉条纹，从而实现待测样品6的形貌测量。
本发明实施例还提供一种待测样品形貌测量方法，基于上述实施中待测样品形貌测量装置，本发明实施例提供的待测样品形貌测量方法包括：控制光束调整单元和成像单元形成信号图像，并根据信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量，控制工件台以调整待测样品的倾斜姿态至预设值后，获取并分析干涉条纹以完成对待测样品的形貌测量。由于本发明实施例中待测样品形貌测量方法基于上述待测样品形貌测量装置，因此具有上述待测样品形貌测量装置的有益效果，即，实现对待测样品倾斜姿态的快速测量与对待测样品倾斜姿态的快速调整。
研究发现，待测样品6反射光在成像单元5上所成像点位置与待测样品6的倾斜姿态相关，因此待测样品6的倾斜状态可通过像点位置快速调整，并得以快速调整。
可选地，根据信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量，控制工件台9以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值，包括如下步骤：
对第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量与信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量之间的函数关系进行标定；
基于标定的函数关系调整第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量，以调整待测样品6的倾斜姿态至预设值；
其中，第一支撑结构a、第二支撑结构b和第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量与信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量之间的函数关系满足线性方程：
Figure BDA0002690200670000201
其中，信号像点与参考像点在成像单元5中的位置偏移量为(dx,dy)，第一支撑结构a沿支撑方向的位移调整量为Za，第二支撑结构b沿支撑方向的位移调整量为Zb，第三支撑结构c沿支撑方向的位移调整量为Zc，m1、m2、m3、n1、n2和n3为线性方程的系数，m4和n4为线性方程的偏移常量。
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 (11)

1.一种待测样品形貌测量装置，其特征在于，包括：
光源，提供线偏振光；
偏振分光单元，将所述线偏振光分为一束反射测量光束和一束透射光束；
四分之一波片，位于所述偏振分光单元与所述待测样品之间的光路上，用以改变穿透过该四分之一波片的光束的偏振态；
准直单元，位于所述偏振分光单元与所述待测样品之间的光路上，将所述反射测量光束变为平行光；
参考单元，位于所述待测样品与所述准直单元之间的光路上，所述平行光投射至所述参考单元上，一部分所述平行光被所述参考单元反射形成参考光束，一部分所述平行光透过所述参考单元投射至所述待测样品上，并被所述待测样品反射形成为信号光束；
光束调整单元和至少一个成像单元，所述光束调整单元位于所述偏振分光单元与所述成像单元之间的光路上，用于调整所述信号光束与参考光束的传播方向，并将所述信号光束与参考光束投射至所述成像单元形成信号图像，所述信号图像包括所述参考光束在成像单元上形成参考像点，所述信号光束在成像单元上形成信号像点，以及所述信号光束与参考光束产生干涉在所述成像单元上形成干涉条纹；
工件台，用于承载待测样品；
和控制单元，在对待测样品进行形貌测量时，所述控制单元控制所述光束调整单元和成像单元形成所述信号图像，并根据所述信号像点与参考像点在所述成像单元中的位置偏移量，控制所述工件台以调整所述待测样品的倾斜姿态至预设值后，获取并分析所述干涉条纹以完成对所述待测样品的形貌测量。
2.根据权利要求1所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，
所述工件台包括用于支撑所述待测样品的第一支撑结构、第二支撑结构和第三支撑结构；
所述根据所述信号像点与参考像点在所述成像单元中的位置偏移量，控制所述工件台以调整所述待测样品的倾斜姿态至预设值，包括：通过控制所述第一支撑结构、所述第二支撑结构和所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量以调节所述待测样品的倾斜姿态至预设值，并基于以下线性方程进行控制调节：
Figure FDA0002690200660000021
其中，所述信号像点与参考像点在所述成像单元中的位置偏移量为(dx,dy)，所述第一支撑结构沿支撑方向的位移调整量为Za，所述第二支撑结构沿支撑方向的位移调整量为Zb，所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量为Zc，m1、m2、m3、n1、n2和n3为线性方程的系数，m4和n4为线性方程的偏移常量。
3.根据权利要求2所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述通过控制所述第一支撑结构、所述第二支撑结构和所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量以调节所述待测样品的倾斜姿态至预设值，包括：
将所述第一支撑结构沿支撑方向的位移调整量固定后，通过控制所述第二支撑结构和所述第三支撑结构沿支撑方向的位移调整量以调节所述待测样品的倾斜姿态至预设值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述光束调整单元包括固定透镜和可移动整合单元，所述固定透镜用于汇聚穿过所述偏振分光单元的所述信号光束以及所述参考光束；
在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段中，所述可移动整合单元位于所述偏振分光单元与所述成像单元之间的光路上，配合所述固定透镜调整所述信号光束与参考光束的传播方向，将所述信号光束在成像单元上形成信号像点，将所述参考光束在成像单元上形成参考像点；在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，所述可移动整合单元可保留于所述光路上或者移出所述光路，所述信号光束与参考光束产生的干涉信号在所述成像单元上形成干涉条纹。
5.根据权利要求4所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述可移动整合单元包括第一凸透镜，所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。
6.根据权利要求5所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，
所述第一凸透镜位于所述偏振分光单元与所述固定透镜之间的光路上。
7.根据权利要求4所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述可移动整合单元包括抛物面反射镜；
所述至少一个成像单元包括第一成像单元和第二成像单元，所述第一成像单元用于接收所述信号像点以及所述参考像点，所述第二成像单元，用于接收所述干涉条纹；
所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。
8.根据权利要求4所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述可移动整合单元包括分束镜和第二凸透镜，所述分束镜位于所述待测样品与所述第二凸透镜之间的光路上；
所述至少一个成像单元包括第一成像单元和第二成像单元，所述第一成像单元用于接收所述信号像点以及所述参考像点，所述第二成像单元，用于接收所述干涉条纹；
所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，可保留于光路上或者移出所述光路。
9.根据权利要求4所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述可移动整合单元包括平面反射镜和第三凸透镜，所述平面反射镜位于所述偏振分光单元与所述第三凸透镜之间的光路上；
所述至少一个成像单元包括第一成像单元和第二成像单元，所述第一成像单元用于接收所述信号像点以及所述参考像点，所述第二成像单元，用于接收所述干涉条纹；
所述可移动整合单元在对待测样品进行形貌测量过程的待测样品倾斜姿态调整阶段后，移出光路。
10.根据权利要求5、7-9任一项所述的待测样品形貌测量装置，其特征在于，所述可移动整合单元位于所述固定透镜与所述成像单元之间的光路上。
11.一种基于权利要求1所述待测样品形貌测量装置的待测样品形貌测量方法，其特征在于，包括：
控制光束调整单元和成像单元形成信号图像，并根据信号像点与参考像点在成像单元中的位置偏移量，控制工件台以调整所述待测样品的倾斜姿态至预设值后，获取并分析干涉条纹以完成对所述待测样品的形貌测量。
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