CN112764317B - 一种散射测量装置及散射测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种散射测量装置及散射测量方法。其中散射测量装置包括光源模块、光束传输模块、镜头、焦面测量模块及角谱测量模块；光源模块用于提供照明光束；光束传输模块用于将照明光束传输至镜头，接收待测物体返回并经镜头透射后的信号光束并分束形成焦面偏离信号光束和角谱信号光束；焦面测量模块用于接收焦面偏离信号光束，并计算待测物体与镜头的焦面的偏离程度；角谱测量模块用于接收角谱信号光束，并计算待测物体的关键尺寸或套刻误差。本发明实施例的技术方案，可同时测量待测物体与镜头的焦面的偏离程度和角谱，进而测量待测物体的关键尺寸或套刻误差，并且无需使用不同波长，有助于调焦应对不同工艺。

Description

一种散射测量装置及散射测量方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种散射测量装置及散射测量方法。

背景技术

根据国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap forSemiconductors，ITRS)给出的光刻测量技术路线图，随着光刻图形关键尺寸(CriticalDimension，CD)进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光(Double Patterning)技术的广泛应用，对光刻工艺参数CD形貌和套刻(overlay)的测量精度要求已经进入亚纳米领域。CD-SEM是行业最常用的CD测量设备，但因为其测量速度慢，不适合线上量产测量，目前在线CD监测主要使用基于散射的CD测量设备；由于成像分辨率极限的限制，传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术(Imaging-Based overlay，IBO)已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术(Diffraction-Based overlay)正逐步成为套刻测量的主要手段。

角谱散射测量方式能同时获得不同入射角和方位角的丰富的反射光强信息具有很高的测量精度。因为角谱散射测量使用大数值孔径(NA)物镜，工作距短，因此需要使用经过物镜光路的同轴焦面测量方案，这就引入了调焦光和测量光串扰问题。现有的调焦方式基本是通过波长分离、时间分离来解决该问题。但波长分离和时间分离分别具有以下问题：

不同工艺对不同波长的反射率不用，某些工艺下特定波长反射率很低导致信噪比严重下降，测量精度降低。通过多波长和宽波段的方式能有效改善该问题，但随着测量波段的拓展和使用连续可调波长测量的大趋势，使用波长分离的方法越来越难；时间分离的焦面测量方式能很好的避免串扰问题，但需要不断切换测量和调焦光，增加了切换时间，也增加了控制复杂度。

发明内容

本发明实施例提供一种散射测量装置及散射测量方法，该装置可同时测量待测物体与镜头的焦面的偏离程度和角谱，进而测量待测物体的关键尺寸或套刻误差，并且无需使用不同波长，有助于调焦应对不同工艺。

第一方面，本发明实施例提供一种散射测量装置，包括光源模块、光束传输模块、镜头、焦面测量模块以及角谱测量模块；

所述光源模块用于提供照明光束；

所述光束传输模块用于将所述照明光束传输至所述镜头，且所述照明光束在所述镜头的瞳面形成预设照明分布；

所述光束传输模块还用于接收待测物体返回并经所述镜头透射后的信号光束并分束形成焦面偏离信号光束和角谱信号光束；

所述焦面测量模块用于接收所述焦面偏离信号光束，并根据所述焦面偏离信号光束计算所述待测物体与所述镜头的焦面的偏离程度；

所述角谱测量模块用于接收所述角谱信号光束，并根据所述角谱信号光束计算所述待测物体的关键尺寸或套刻误差。

第二方面，本发明实施例还提供一种散射测量方法，采用上述的散射测量装置执行，所述散射测量方法包括如下步骤：

S1：光源模块产生照明光束；

S2：光束传输模块将传输所述照明光束传输至所述镜头，且所述照明光束在所述镜头的瞳面形成预设照明分布；

S3：所述光束传输模块接收待测物体返回并经过所述镜头透射的信号光束并分束成焦面偏离信号光束和角谱信号光束；

S4：焦面测量模块接收所述焦面偏离信号光束，并根据所述焦面偏离信号光束计算所述待测物体与所述镜头的焦面的偏离程度；

S5：角谱测量模块接收所述角谱信号光束，并根据所述角谱信号光束计算所述待测物体的关键尺寸或套刻误差。

本发明实施例提供的散射测量装置，包括光源模块、光束传输模块、镜头、焦面测量模块以及角谱测量模块；通过光源模块提供照明光束；通过光束传输模块将照明光束传输至镜头，且照明光束在镜头的瞳面形成预设照明分布；再通过光束传输模块接收待测物体返回并经镜头透射后的信号光束并分束形成焦面偏离信号光束和角谱信号光束；通过焦面测量模块接收焦面偏离信号光束，并根据焦面偏离信号光束计算待测物体与镜头的焦面的偏离程度；通过角谱测量模块接收角谱信号光束，并根据角谱信号光束计算待测物体的关键尺寸或套刻误差。本实施例提供的散射测量装置通过光束传输模块将待测物体返回的信号光束分束成焦面偏离信号光束和角谱信号光束，并分别传输给焦面测量模块和角谱测量模块，可以同时测量待测物体与镜头的焦面的偏离程度和角谱，进而测量待测物体的关键尺寸或套刻误差，并且无需使用不同波长，有助于调焦应对不同工艺。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种散射测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种散射测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图4～图7分别是图3中的一种第一光阑至第三光阑的结构示意图；

图8～图10分别是图3中的另一种第一光阑至第三光阑的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图13是图12中第七光阑的结构示意图；

图14是图12中第九光阑的结构示意图；

图15是图12中第十光阑的结构示意图；

图16是图12中第八光阑的结构示意图；

图17是图12中待测物体表面的预设照明分布示意图；

图18是图12中另一第九光阑和第十光阑的结构示意图；

图19是图12中待测物体表面的另一预设照明分布示意图；

图20是图12中一种第一分束单元的结构示意图；

图21是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图22是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图23是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图24是本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图；

图25是本发明实施例提供的一种散射测量方法的流程示意图。

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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种散射测量装置的结构示意图，本实施例提供的散射测量装置可以用于光刻设备中，用于进行关键尺寸测量或套刻误差测量。参考图1，本实施例提供的散射测量装置包括光源模块10、光束传输模块20、镜头30、焦面测量模块40以及角谱测量模块50；光源模块10用于提供照明光束a；光束传输模块20用于将照明光束a传输至镜头30，且照明光束a在镜头30的瞳面形成预设照明分布；光束传输模块20还用于接收待测物体100返回并经镜头30透射后的信号光束b并分束形成焦面偏离信号光束c和角谱信号光束d；焦面测量模块40用于接收焦面偏离信号光束c，并根据焦面偏离信号光束c计算待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度；角谱测量模块50用于接收角谱信号光束d，并根据角谱信号光束d计算待测物体的关键尺寸或套刻误差。

可以理解的是，散射测量的测量对象具有一定周期性结构，如光刻胶密集线、孔阵列等。测量的基本原理为：将一束测量光投射到待测物体上，测量其散射/反射光的特征，该特征可以是反射光强随入射角度或波长变化的谱线，以及其他可以反映待测物体结构的散射光测量。待测物体结构指形貌特征，典型的可以是高度(Height)、顶部CD(Top-CD)、底部CD(Bottom-CD)、腰部CD(Mid-CD)、侧壁陡度(SWA)、转角圆化(Corner-Roundness)、底切(Under-Cut)等参数。测得散射光特征后，利用模型算法计算已知结构的散射光特征，模型算法可以是严格耦合波理论(RCWA)、有限时域差分(FDTD)、有限元法(FEM)等，将计算结果与测量结果做匹配，找到最相近的结果即认为是待测物体的结构。套刻误差指两次曝光间的位置误差，散射测量技术测量套刻误差的原理为：当测量光正入射到套刻标记时，由于套刻误差引起的标记结构不对称性使衍射光的高级次光光强产生不对称性，该不对称性在很小的套刻误差范围内随套刻误差近似线性变化，套刻测量技术通过测量套刻标记衍射光角谱中相同衍射级次间的非对称性得到套刻误差，衍射光角谱是指不同角度的入射光在被标记衍射后衍射光在不同角度形成的光强分布，根据角谱可以测得待测物体的关键尺寸或套刻误差。

其中，光源模块10用于提供照明光束a，可选的，光源模块10可以包括产生至少两个分立波长的复合光源或者包括产生连续波长的光源。由于不同工艺需要的测量光的波长不同，本实施例中的光源可以采用多个单色光组合光源，通过二向色镜、光栅、合束光纤等器件合束，也可以采用产生连续波长的宽波段光源，根据需要配置滤波片、单色仪等以实现指定波长或波段的输出，具体光源模块的设置根据实际工艺所需的照明条件设置，本发明实施例对此不作限定。光束传输模块20用于实现照明光束a的接收和传输，还用于接收待测物体100返回的信号光束b，信号光束b中包括经待测物体100衍射和反射的光束，其中衍射光束中携带角谱信号，反射光束中携带焦面偏离信号。光束传输模块20还用于将信号光束b分束形成焦面偏离信号光束c和角谱信号光束d。镜头30用于将照明光束a汇聚到待测物体100，还用于收集待测物体100返回的信号光束b，可选的，镜头30可以为显微物镜。在具体实施时，镜头30选用NA>0.8的大NA物镜，以达到测量精度要求。焦面测量模块40用于接收焦面偏离信号光束c并计算待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度，角谱测量模块50用于接收角谱信号光束d并计算待测物体的关键尺寸或套刻误差，其中，可选的，焦面测量模块40和角谱测量模块50均包括光探测器，例如可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合器件(CCD)等。

在其他实施例中，可能需要控制照明光束的偏振状态，可选的，光源模块10还可以包括起偏器件，起偏器件用于调整照明光束a的偏振状态。起偏器件可以设置为可调节或可切换的，以实现不同的偏振光照明。

本实施例提供的散射测量装置，通过光束传输模块将待测物体返回的信号光束分束成焦面偏离信号光束和角谱信号光束，并分别传输给焦面测量模块和角谱测量模块，可以同时测量待测物体与镜头的焦面的偏离程度和角谱，进而测量待测物体的关键尺寸或套刻误差，并且无需使用不同波长，有助于调焦应对不同工艺。

在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种散射测量装置的结构示意图。参考图2，可选的，光束传输模块20包括分束单元21以及光束形状调整单元22；光束形状调整单元22用于将照明光束a在镜头30的瞳面形成预设照明分布；分束单元21用于将待测物体100返回并经过镜头30透射的信号光束b分为第一信号光束b1和第二信号光束b2；光束形状调整单元22还用于滤除第一信号光束b1中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束c；光束形状调整单元22还用于滤除第二信号光束b2中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束d。

在本实施例中，光束形状调整单元22调整光源模块10发出的照明光束的形状，在镜头30的瞳面形成一定形状的预设照明分布，预设照明分布包括角谱照明形状和焦面照明形状，且角谱照明形状和焦面照明形状覆盖的区域无交叠，当待测物体10返回的信号光束b经过分束单元21后，分束为第一信号光束b1和第二信号光束b2，通过在第一信号光束b1的传输路径上的光束形状调整单元22设置与角谱照明形状相同的不透光区，就可以滤除第一信号光束b1中的角谱信号光束，通过在第二信号光束b2的传输路径上的光束调整单元22设置与焦面照明光束形状相同的不透光区，就可以滤除第二信号光束b2中的焦面偏离信号光束，从而实现角谱信号光束和焦面偏离信号光束的空间分离，解决采用波长分离和时间分离复杂度高的问题。可选的，分束单元21可以包括半透半反镜或分光棱镜，具体实施时可以根据实际情况设计。

图3所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图3，可选的，光源模块10包括第一光源11；光束形状调整单元22包括第一光阑221、第二光阑222和第三光阑223；第一光阑221位于第一光源11和分束单元21的第一端之间，镜头30位于待测物体100和分束单元21的第二端之间，第二光阑222位于焦面测量模块40和分束单元21的第三端之间，第三光阑223位于角谱测量模块50和分束单元21的第四端之间；

照明光束a的传输路径为：

照明光束a从第一光源11出射，经过第一光阑221透射后形成第一形状的照明光束a1入射到分束单元21的第一端，从分束单元21的第二端出射后入射到镜头30瞳面，在瞳面形成预设照明分布，经过镜头30透射后照明待测物体100表面；

信号光束b的传输路径为：

待测物体100返回并经镜头30透射后的信号光束b入射到分束单元21的第二端，经过分束单元21分束，从分束单元21的第三端输出第一信号光束b1，第二光阑222滤除第一信号光束b1中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束c；待测物体100返回并经镜头30透射后的信号光束b入射到分束单元21的第二端，经过分束单元21分束，从分束单元21的第四端输出第二信号光束b2，第三光阑223滤除第二信号光束b2中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束d。

其中第一光阑221、第二光阑222和第三光阑223均位于镜头30的焦面或焦面的共轭面。

可选的，第一光阑221、第二光阑222和第三光阑223的形状相同；第一光阑221的透光区形状与第一形状相同；第二光阑222的不透光区完全遮挡第三光阑223的透光区；第三光阑223的不透光区完全遮挡第二光阑的透光区。

在测量待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度时，可以采用两种类型的方法，一类是三角法，三角法的照明光束从待测物体的一侧斜入射，从另一侧斜出射后被探测模块接收；另一类是共聚焦法或边缘轮廓法，此类方法的照明光束垂直入射到待测物体，入射光束和出射光束的传输路径相同，入射光束的形状和出射光束的形状关于光轴中心对称。

示例性的，以光阑的形状为圆形为例，当待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度采用三角法测量时，图4～图7所示分别为图3中的一种第一光阑至第三光阑的结构示意图，其中(a)表示第一光阑，(b)表示第二光阑，(c)表示第三光阑，图4和图5一般用于套刻误差测量，图6和图7一般用于CD测量。图中黑色表示不透光区域，白色和斜线填充表示透光区域，其中斜线填充表示焦面测量照明区域，其中扇环形白色透光区的弧度在π/8～π/4之间，宽度在瞳面半径的1/5～1/2之间，斜线填充区域和黑色条状不透光区域宽度小于瞳面半径的1/4，长度在1/5*R～(1-w)*R之间。以下实施例与此相同。

以图4为例，第一光源11出射的照明光束a经过图4(a)所示的第一光阑221后，形成与图4(a)中透光区(白色为角谱照明区域和斜线填充为焦面照明区域，黑色为无照明区域)形状相同的照明形状，经过分束单元21和镜头30后照明待测物体100，待测物体100返回的信号光束b被分束单元21分为第一信号光束b1和第二信号光束b2，第一信号光束b1经过图4(b)所示的第二光阑222时，角谱照明区域的光被遮挡，只留下焦面照明区域的光，同理，第二信号光束b2中焦面照明区域的光被图4(c)所示的第三光阑223遮挡，实现光信号分离。

当待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度采用边缘轮廓法或共聚焦法测量时，图8～图10所示分别为图3中的另一种第一光阑至第三光阑的结构示意图，其中(a)表示第一光阑，(b)表示第二光阑，(c)表示第三光阑，图8和图9一般用于套刻误差测量，图10一般用于CD测量。采用边缘轮廓法或共聚焦法时，无需单侧照明，可以省略第二光阑。

图11所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图11，可选的，光源模块10包括第二光源12；光束形状调整单元22包括第四光阑224、第五光阑225和第六光阑226；分束单元21包括第一分束单元211和第二分束单元212；第四光阑224位于第二光源12和第二分束单元212的第一端之间，第五光阑225位于角谱测量模块50和第一分束单元211的第四端之间，第六光阑226位于焦面测量模块40和第二分束单元212的第三端之间，第二分束单元212的第二端和第一分束单元211的第三端相对设置，镜头30位于待测物体100和第一分束单元211的第二端之间；

照明光束a的传输路径为：

照明光束a从第二光源12出射，经过第四光阑224透射后形成第二形状的照明光束a2入射到第二分束单元212的第一端，从第二分束单元212的第二端出射后入射到第一分束单元211的第三端，从第一分束单元211的第二端出射后入射到镜头30的瞳面，在瞳面形成预设照明分布，经过镜头30透射后在照明待测物体100表面；

信号光束b的传输路径为：

待测物体100返回并经过镜头30透射后的信号光束b射到第一分束单元211的第二端，经过第一分束单元211分束，从第一分束单元211的第三端输出第一信号光束b1，第一信号光束b1经过第二分束单元212透射后，第六光阑226滤除第一信号光束b1中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束c；待测物体100返回并经镜头30透射后的信号光束b入射到第一分束单元211的第二端，经过第一分束单元211分束，从第一分束单元211的第四端输出第二信号光束b2，第五光阑225滤除第二信号光束b2中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束d。

其中第四光阑224、第五光阑225和第六光阑226均位于镜头30的焦面或焦面的共轭面。

可选的，第四光阑224、第五光阑225和第六光阑226的形状相同；第四光阑224的透光区形状与第二形状相同；第五光阑225的不透光区完全遮挡第六光阑226的透光区；第六光阑226的不透光区完全遮挡第五光阑225的透光区。

第四光阑至第六光阑的设置方式与上述图3中实施例类似，此处不再详述。

图12所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图12，可选的，光源模块10包括第一光源11和第二光源12，照明光束a包括角谱照明光束a3和焦面照明光束a4，第一光源11用于提供角谱照明光束a3，第二光源12用于提供焦面照明光束a4；

光束形状调整单元22包括第七光阑227、第八光阑228、第九光阑229和第十光阑220；分束单元21包括第一分束单元211和第二分束单元212；第一光源11、第七光阑227、第一分束单元211、第二分束单元212、第十光阑220和焦面测量模块40沿第一方向x依次共轴排列，角谱测量模块50、第八光阑228、第一分束单元211、镜头30和待测物体100沿第二方向y依次共轴排列，第二光源12、第九光阑229和第二分束单元212沿第二方向y排列，第一方向x和第二方向y相交；

角谱照明光束a3的传输路径为：

角谱照明光束a3从第一光源11出射，经过第七光阑227透射后形成第三形状的角谱照明光束a5入射到第一分束单元211的第一端，从第一分束单元211的第二端出射后入射到镜头30，经过镜头30透射后在待测物体100表面形成预设角谱照明分布；

焦面照明光束a4的传输路径为：

焦面照明光束a4从第二光源12出射，经过第九光阑229透射后形成第四形状的焦面照明光束a6入射到第二分束单元212的第一端，从第二分束单元212的第二端出射后入射到第一分束单元211的第三端，从第一分束单元211的第二端出射后入射到镜头30，经过镜头30透射后在待测物体100表面形成预设焦面照明分布；

信号光束b的传输路径为：

待测物体100返回并经过镜头30透射后的信号光束b入射到第一分束单元211的第二端，经过第一分束单元211分束，从第一分束单元211的第三端输出第一信号光束b1，第一信号光束b1经过第二分束单元212透射后，第十光阑220滤除第一信号光束b1中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束c；待测物体100返回并经镜头30透射后的信号光束b入射到第一分束单元211的第二端，经过第一分束单元211分束，从第一分束单元211的第四端输出第二信号光束b2，第八光阑228滤除第二信号光束b2中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束d。

其中第七光阑227、第八光阑228、第九光阑229和第十光阑220均位于镜头30的焦面或焦面的共轭面。

可选的，第七光阑227、第八光阑228、第九光阑229和第十光阑220的形状相同；第七光阑227的透光区形状与第三形状相同，第九光阑229的透光区的形状与第四形状相同；第八光阑228的不透光区完全遮挡第九光阑229和第十光阑220的透光区；第九光阑229和第十光阑220的不透光区完全遮挡第八光阑228的透光区；第九光阑229和第十光阑220的透光区形状相同且关于光阑中心对称。

示例性的，以光阑的形状为圆形为例，图13所示为图12中第七光阑的结构示意图，其中(a)、(c)所示意光阑一般用于套刻误差测量，(b)、(d)所示意光阑一般用于CD测量。当待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度采用三角法测量时，图14所示为图12中第九光阑的结构示意图，图15所示为图12中第十光阑的结构示意图，图16所示为图12中第八光阑的结构示意图，其中图14～图16中(a)、(b)、(c)依次对应。图14和15中通光小圆半径一般小于瞳面半径的1/3。

示意性的，图17所示为图12中待测物体表面的预设照明分布示意图，其中，(a)对应第七光阑采用图13(a)所示的结构和第九光阑采用图14(a)所示的结构，(b)对应第七光阑采用图13(b)所示的结构和第九光阑采用图14(a)所示的结构，(c)对应第七光阑采用图13(c)所示的结构和第九光阑采用图14(b)所示的结构，(d)对应第七光阑采用图13(d)所示的结构和第九光阑采用图14(b)所示的结构，(e)对应第七光阑采用图13(a)所示的结构和第九光阑采用图14(c)所示的结构。

当待测物体100与镜头30的焦面的偏离程度采用边缘轮廓法或共聚焦法测量时，图18所示为图12中另一第九光阑和第十光阑的结构示意图。第七光阑可以采用图13中的结构，第八光阑可采用图16中的结构。

示意性的，图19所示为图12中待测物体表面的另一预设照明分布示意图，其中，(a)对应第七光阑采用图13(a)所示的结构和第九光阑采用图18(a)所示的结构，(b)对应第七光阑采用图13(b)所示的结构和第九光阑采用图18(a)所示的结构，(c)对应第七光阑采用图13(c)所示的结构和第九光阑采用图18(b)所示的结构，(d)对应第七光阑采用图13(d)所示的结构和第九光阑采用图18(b)所示的结构，(e)对应第七光阑采用图13(a)所示的结构和第九光阑采用图18(c)所示的结构。

示例性的，图20所示为图12中一种第一分束单元的结构示意图，参考图20，第一分束单元包括两个正交放置的半透半反镜2111和2112，第一光源发出的光线c1入射到半透半反镜2111的反射光线c3入射到镜头的瞳面，第二光源发出的光线c2入射到半透半反镜2112的反射光线c4入射到镜头的瞳面，c3返回的光线经过半透半反镜2112后分为透射光线c5和反射光线c7，c4返回的光线经过半透半反镜2112后分为透射光线c6和反射光线c8，c5和c6形成第一信号光束，d7和c8形成第二信号光束，其中c5为角谱信号光束，c6为含有焦面偏离信号的干扰光束(被第八光阑滤除)，c8为焦面偏离信号光束，c7为含有角谱信号的干扰光束(被第十光阑滤除)。

图21所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图21，可选的，光源模块10包括第一光源11和第二光源12，照明光束a包括角谱照明光束a3和焦面照明光束a4，第二光源12用于提供角谱照明光束a3，第一光源11用于提供焦面照明光束a4；

光束形状调整单元22包括第七光阑227、第八光阑228、第九光阑229和第十光阑220；分束单元21包括第一分束单元211和第二分束单元212；第一光源11、第七光阑227、第一分束单元211、第二分束单元212、第十光阑220和焦面测量模块40沿第一方向x依次共轴排列，角谱测量模块50、第八光阑228、第一分束单元211、镜头30和待测物体100沿第二方向y依次共轴排列，第二光源12、第九光阑229和第二分束单元212沿第二方向y排列，第一方向x和第二方向y相交；

角谱照明光束a3的传输路径为：

角谱照明光束a3从第二光源12出射，经过第九光阑229透射后形成第三形状的角谱照明光束a5入射到第二分束单元212的第一端，从第二分束单元212的第二端出射后入射到第一分束单元211的第三端，从第一分束单元211的第二端出射后入射到镜头30，经过镜头30透射后在待测物体100表面形成预设角谱照明分布；

焦面照明光束a4的传输路径为：

焦面照明光束a4从第一光源11出射，经过第七光阑227透射后形成第四形状的焦面照明光束a6入射到第一分束单元211的第一端，从第一分束单元211的第二端出射后入射到镜头30，经过镜头30透射后在待测物体100表面形成预设焦面照明分布；

信号光束b的传输路径为：

待测物体100返回并经过镜头30透射后的信号光束b入射到第一分束单元211的第二端，经过第一分束单元211分束，从第一分束单元211的第三端输出第一信号光束b1，第一信号光束b1经过第二分束单元212透射后，第十光阑220滤除第一信号光束b1中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束c；待测物体100返回并经镜头30透射后的信号光束b入射到第一分束单元211的第二端，经过第一分束单元211分束，从第一分束单元211的第四端输出第二信号光束b2，第八光阑228滤除第二信号光束中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束d。

其中第七光阑227、第八光阑228、第九光阑229和第十光阑220均位于镜头30的焦面或焦面的共轭面。

可选的，第七光阑227、第八光阑228、第九光阑229和第十光阑220的形状相同；第九光阑229的透光区形状与第三形状相同，第七光阑227的透光区形状与第四形状相同；第八光阑228的不透光区完全遮挡第七光阑227和第十光阑220的透光区；第七光阑227和第十光阑220的不透光区完全遮挡第八光阑228的透光区；第七光阑227和第十光阑220的透光区形状相同且关于光阑中心对称。

图22与图12的实施例相比，第一光源和第二光源的作用互换，对应的光阑位置的第七光阑和第九光阑进行适应性调整，光阑形状可以与图12中的实施例相同，此处不再详述。

图22所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图22，可选的，本实施例提供的散射测量装置还包括待测物体承载模块60，待测物体承载模块60与焦面测量模块40连接，用于承载待测物体100，并在焦面测量模块40的控制下向靠近镜头30方向移动或远离镜头30方向移动。

可以理解的是，在实际测量过程中，待测物体100的待测表面不一定位于镜头30的焦面位置，这就需要进行待测物体100的位置调节。通过设置待测物体承载模块60，待测物体承载模块60可以承载待测物体100上下移动，以使待测平面始终位于镜头30的焦面位置或者使偏离程度在预设范围内。

图23所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图23，可选的，角谱测量模块50包括角谱探测单元51、角谱处理单元52和中继镜组53；角谱探测单元51与角谱处理单元52电连接，中继镜组53位于角谱探测单元51与光束传输模块20之间；中继镜组53用于将镜头30的瞳面成像到角谱探测单元51的感光面；角谱探测单元51用于接收角谱信号光束d，并将角谱信号光束d的光信号转换为电信号；角谱处理单元52用于根据电信号计算待测物体的关键尺寸或套刻误差。

其中，角谱探测单元51可以为CMOS或CCD，由于散射测量装置一般用大NA镜头，其焦距较短，通过设置中继镜组52，可以转换镜头瞳面的位置，降低散射测量装置的制造难度。

图24所示为本发明实施例提供的又一种散射测量装置的结构示意图。参考图24，可选的，角谱测量模块50包括角谱探测单元51、角谱处理单元52；还包括成像模块70；角谱探测单元51与角谱处理单元52电连接，成像模块70位于角谱探测单元51与光束传输模块20之间；成像模块70用于将镜头30的瞳面转换为像面并投影到角谱探测单元51的感光面；角谱探测单元51用于接像面中的像，并将像的光信号转换为电信号；角谱处理单元52用于根据电信号计算待测物体100的关键尺寸或套刻误差。

当设置有成像模块70时，可以利用图像处理的方法计算关键尺寸或套刻误差。

需要说明的是，上述实施例中的结构仅是示意性的，并不是对本发明的限定，在上述核心思路的基础上的简单变形，例如改变光源位置，增加光路转折器件等改变，均在本发明实施例的保护范围内，上述各实施例在各特征没有相互冲突的基础上，可以相互组合获得更多实施方式，均在本发明的保护范围之内。

图25所示为本发明实施例提供的一种散射测量方法的流程示意图。参考图25，本实施例提供的散射测量方法，采用上述实施例提供的任意一种散射测量装置执行，该散射测量方法包括如下步骤：

S1：光源模块产生照明光束。

可选的，光源模块可以包括产生至少两个分立波长的复合光源或者包括产生连续波长的光源。由于不同工艺需要的测量光的波长不同，本实施例中的光源可以采用多个单色光组合光源，通过二向色镜、光栅、合束光纤等器件合束，也可以采用产生连续波长的宽波段光源，根据需要配置滤波片、单色仪等，以实现指定波长或波段的输出。

S2：光束传输模块将传输照明光束传输至镜头，且照明光束在镜头的瞳面形成预设照明分布。

S3：光束传输模块接收待测物体返回并经过镜头透射的信号光束并分束成焦面偏离信号光束和角谱信号光束。

可以理解的是，光束传输模块用于实现照明光束的接收和传输，还用于接收待测物体返回的信号光束，信号光束中包括经待测物体衍射和反射的光束，其中衍射光束中携带角谱信号，反射光束中携带焦面偏离信号。光束传输模块还用于将信号光束分束形成焦面偏离信号光束和角谱信号光束。

S4：焦面测量模块接收焦面偏离信号光束，并根据焦面偏离信号光束计算待测物体与镜头的焦面的偏离程度。

S5：角谱测量模块接收角谱信号光束，并根据角谱信号光束计算待测物体的关键尺寸或套刻误差。

可以理解的是，在具体实施时，步骤S4和步骤S5可以顺序执行，也可以同时执行，具体实施时可以根据需要灵活选择。

本实施例提供的散射测量装置，通过光源模块产生照明光束，通过光束传输模块将待测物体返回的信号光束分束成焦面偏离信号光束和角谱信号光束，并分别传输给焦面测量模块和角谱测量模块，可以同时测量待测物体与镜头的焦面的偏离程度和角谱，进而测量待测物体的关键尺寸或套刻误差，并且无需使用不同波长，有助于调焦应对不同工艺。

在上述技术方案的基础上，本实施例提供的散射测量装置还包括待测物体承载模块，待测物体承载模块与焦面测量模块连接，用于承载待测物体，并在焦面测量模块的控制下向靠近镜头方向移动或远离镜头方向移动；在步骤S4之后，还包括：

焦面测量模块根据待测物体与镜头的焦面的偏离程度，控制待测物体承载模块向靠近镜头方向移动或远离镜头方向移动，直至偏离程度小于预设阈值。

通过设置待测物体承载模块60，待测物体承载模块60可以承载待测物体100上下移动，以使待测平面始终位于镜头30的焦面位置或者使偏离程度在预设范围内。

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 (17)

1.一种散射测量装置，其特征在于，包括光源模块、光束传输模块、镜头、焦面测量模块以及角谱测量模块；

所述光源模块用于提供照明光束；

所述光束传输模块用于将所述照明光束传输至所述镜头，且所述照明光束在所述镜头的瞳面形成预设照明分布；

所述光束传输模块还用于接收待测物体返回并经所述镜头透射后的信号光束并分束形成焦面偏离信号光束和角谱信号光束；

所述焦面测量模块用于接收所述焦面偏离信号光束，并根据所述焦面偏离信号光束计算所述待测物体与所述镜头的焦面的偏离程度；

所述角谱测量模块用于接收所述角谱信号光束，并根据所述角谱信号光束计算所述待测物体的关键尺寸或套刻误差；

所述光束传输模块包括分束单元以及光束形状调整单元；

所述光束形状调整单元用于将所述照明光束在所述镜头的瞳面形成预设照明分布；

所述分束单元用于将所述待测物体返回并经过所述镜头透射的信号光束分为第一信号光束和第二信号光束；

所述光束形状调整单元还用于滤除所述第一信号光束中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束；所述光束形状调整单元还用于滤除所述第二信号光束中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束。

2.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述光源模块包括第一光源；

所述光束形状调整单元包括第一光阑、第二光阑和第三光阑；

所述第一光阑位于所述第一光源和所述分束单元的第一端之间，所述镜头位于所述待测物体和所述分束单元的第二端之间，所述第二光阑位于所述焦面测量模块和所述分束单元的第三端之间，所述第三光阑位于所述角谱测量模块和所述分束单元的第四端之间；

所述照明光束的传输路径为：

所述照明光束从所述第一光源出射，经过所述第一光阑透射后形成第一形状的照明光束入射到所述分束单元的第一端，从所述分束单元的第二端出射后入射到所述镜头，经过所述镜头透射后在所述待测物体表面形成所述预设照明分布；

所述信号光束的传输路径为：

所述待测物体返回并经所述镜头透射后的信号光束入射到所述分束单元的第二端，经过所述分束单元分束，从所述分束单元的第三端输出所述第一信号光束，所述第二光阑滤除所述第一信号光束中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束；所述待测物体返回并经所述镜头透射后的信号光束入射到所述分束单元的第二端，经过所述分束单元分束，从所述分束单元的第四端输出所述第二信号光束，所述第三光阑滤除所述第二信号光束中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束。

3.根据权利要求2所述的散射测量装置，其特征在于，所述第一光阑、所述第二光阑和所述第三光阑的形状相同；

所述第一光阑的透光区形状与所述第一形状相同；

所述第二光阑的不透光区完全遮挡所述第三光阑的透光区；

所述第三光阑的不透光区完全遮挡所述第二光阑的透光区。

4.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述光源模块包括第二光源；

所述光束形状调整单元包括第四光阑、第五光阑和第六光阑；

所述分束单元包括第一分束单元和第二分束单元；

所述第四光阑位于所述第二光源和所述第二分束单元的第一端之间，所述第五光阑位于所述角谱测量模块和所述第一分束单元的第四端之间，所述第六光阑位于所述焦面测量模块和第二分束单元的第三端之间，所述第二分束单元的第二端和所述第一分束单元的第三端相对设置，所述镜头位于所述待测物体和所述第一分束单元的第二端之间；

所述照明光束的传输路径为：

所述照明光束从所述第二光源出射，经过所述第四光阑透射后形成第二形状的照明光束入射到所述第二分束单元的第一端，从所述第二分束单元的第二端出射后入射到所述第一分束单元的第三端，从所述第一分束单元的第二端出射后入射到所述镜头，经过所述镜头透射后在所述待测物体表面形成所述预设照明分布；

所述信号光束的传输路径为：

所述待测物体返回并经过所述镜头透射后的信号光束射到所述第一分束单元的第二端，经过所述第一分束单元分束，从所述第一分束单元的第三端输出所述第一信号光束，所述第一信号光束经过所述第二分束单元透射后，所述第六光阑滤除所述第一信号光束中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束；所述待测物体返回并经所述镜头透射后的信号光束入射到所述第一分束单元的第二端，经过所述第一分束单元分束，从所述第一分束单元的第四端输出所述第二信号光束，所述第五光阑滤除所述第二信号光束中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束。

5.根据权利要求4所述的散射测量装置，其特征在于，所述第四光阑、所述第五光阑和所述第六光阑的形状相同；

所述第四光阑的透光区形状与所述第二形状相同；

所述第五光阑的不透光区完全遮挡所述第六光阑的透光区；

所述第六光阑的不透光区完全遮挡所述第五光阑的透光区。

6.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述光源模块包括第一光源和第二光源，所述照明光束包括角谱照明光束和焦面照明光束，所述第一光源用于提供所述角谱照明光束，所述第二光源用于提供所述焦面照明光束；

所述光束形状调整单元包括第七光阑、第八光阑、第九光阑和第十光阑；

所述分束单元包括第一分束单元和第二分束单元；

所述第一光源、所述第七光阑、所述第一分束单元、所述第二分束单元、所述第十光阑和所述焦面测量模块沿第一方向依次共轴排列，所述角谱测量模块、所述第八光阑、所述第一分束单元、所述镜头和所述待测物体沿第二方向依次共轴排列，所述第二光源、所述第九光阑和所述第二分束单元沿所述第二方向排列，所述第一方向和所述第二方向相交；

所述角谱照明光束的传输路径为：

所述角谱照明光束从所述第一光源出射，经过所述第七光阑透射后形成第三形状的角谱照明光束入射到所述第一分束单元的第一端，从所述第一分束单元的第二端出射后入射到所述镜头，经过所述镜头透射后在所述待测物体表面形成预设角谱照明分布；

所述焦面照明光束的传输路径为：

所述焦面照明光束从所述第二光源出射，经过所述第九光阑透射后形成第四形状的焦面照明光束入射到所述第二分束单元的第一端，从所述第二分束单元的第二端出射后入射到所述第一分束单元的第三端，从所述第一分束单元的第二端出射后入射到所述镜头，经过所述镜头透射后在所述待测物体表面形成预设焦面照明分布；

所述信号光束的传输路径为：

所述待测物体返回并经过所述镜头透射后的信号光束入射到所述第一分束单元的第二端，经过所述第一分束单元分束，从所述第一分束单元的第三端输出所述第一信号光束，所述第一信号光束经过所述第二分束单元透射后，所述第十光阑滤除所述第一信号光束中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束；所述待测物体返回并经所述镜头透射后的信号光束入射到所述第一分束单元的第二端，经过所述第一分束单元分束，从所述第一分束单元的第四端输出所述第二信号光束，所述第八光阑滤除所述第二信号光束中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束。

7.根据权利要求6所述的散射测量装置，其特征在于，所述第七光阑、所述第八光阑、所述第九光阑和所述第十光阑的形状相同；

所述第七光阑的透光区形状与所述第三形状相同，所述第九光阑的透光区的形状与所述第四形状相同；

所述第八光阑的不透光区完全遮挡所述第九光阑和所述第十光阑的透光区；

所述第九光阑和所述第十光阑的不透光区完全遮挡所述第八光阑的透光区；

所述第九光阑和所述第十光阑的透光区形状相同且关于光阑中心对称。

8.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，还包括待测物体承载模块，所述待测物体承载模块与所述焦面测量模块连接，用于承载所述待测物体，并在所述焦面测量模块的控制下向靠近所述镜头方向移动或远离镜头方向移动。

9.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述角谱测量模块包括角谱探测单元、角谱处理单元和中继镜组；

所述角谱探测单元与所述角谱处理单元电连接，所述中继镜组位于所述角谱探测单元与所述光束传输模块之间；

所述中继镜组用于将所述镜头的瞳面成像到所述角谱探测单元的感光面；

所述角谱探测单元用于接收所述角谱信号光束，并将所述角谱信号光束的光信号转换为电信号；

所述角谱处理单元用于根据所述电信号计算所述待测物体的关键尺寸或套刻误差。

10.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述角谱测量模块包括角谱探测单元、角谱处理单元；还包括成像模块；所述角谱探测单元与所述角谱处理单元电连接，所述成像模块位于所述角谱探测单元与所述光束传输模块之间；

所述成像模块用于将所述镜头的瞳面转换为像面并投影到所述角谱探测单元的感光面；

所述角谱探测单元用于接收所像面中的像，并将像的光信号转换为电信号；

所述角谱处理单元用于根据所述电信号计算所述待测物体的关键尺寸或套刻误差。

11.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述光源模块还包括起偏器件，所述起偏器件用于调整所述照明光束的偏振状态。

12.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述光源模块包括产生至少两个分立波长的复合光源或者包括产生连续波长的光源。

13.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述镜头为显微物镜。

14.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述分束单元包括半透半反镜或分光棱镜。

15.根据权利要求1所述的散射测量装置，其特征在于，所述焦面测量模块和所述角谱测量模块均包括光探测器，所述光探测器包括互补金属氧化物半导体或电荷耦合器件。

16.一种散射测量方法，其特征在于，采用权利要求1-15任一所述的散射测量装置执行，所述散射测量方法包括如下步骤：

S1：光源模块产生照明光束；

S2：光束传输模块将传输所述照明光束传输至所述镜头，且所述照明光束在所述镜头的瞳面形成预设照明分布；

S3：所述光束传输模块接收待测物体返回并经过所述镜头透射的信号光束并分束成焦面偏离信号光束和角谱信号光束；

S4：焦面测量模块接收所述焦面偏离信号光束，并根据所述焦面偏离信号光束计算所述待测物体与所述镜头的焦面的偏离程度；

S5：角谱测量模块接收所述角谱信号光束，并根据所述角谱信号光束计算所述待测物体的关键尺寸或套刻误差；

所述光束传输模块包括分束单元以及光束形状调整单元；

通过所述光束形状调整单元将所述照明光束在所述镜头的瞳面形成预设照明分布；

通过所述分束单元将所述待测物体返回并经过所述镜头透射的信号光束分为第一信号光束和第二信号光束；

通过所述光束形状调整单元滤除所述第一信号光束中的角谱信号光束，以形成焦面偏离信号光束；通过所述光束形状调整单元滤除所述第二信号光束中的焦面偏离信号光束，以形成角谱信号光束。

17.根据权利要求16所述的散射测量方法，其特征在于，所述散射测量装置还包括待测物体承载模块，所述待测物体承载模块与所述焦面测量模块连接，用于承载所述待测物体，并在所述焦面测量模块的控制下向靠近所述镜头方向移动或远离镜头方向移动；在步骤S4之后，还包括：

所述焦面测量模块根据所述待测物体与所述镜头的焦面的偏离程度，控制所述待测物体承载模块向靠近所述镜头方向移动或远离镜头方向移动，直至所述偏离程度小于预设阈值。

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