一种样品形貌测量装置及方法与流程

本公开涉及一种反射式样品形貌测量装置及方法。

背景技术：

在光学加工、光学检测、电子束成像、以及光刻等领域经常需要精确控制样品z向(高度方向)的位置信息。为了保证样品始终处于理想位置，需要精确测量样品的表面形貌。测量样品表面高精度形貌时，扫描电子显微镜、原子力显微镜虽然测量分辨率高，但是其测量速度较慢，对测量环境的要求苛刻，并不适用于在线测量。光学非接触测量的方式以其测量速度较快、分辨率较高的特点成为在线测量的主要方式。

相关技术中，样品表面形貌的光学测量方法中，主要通过投影光栅和成像光栅成像形成莫尔条纹来获得样品形貌信息。该技术中，通过采用周期小的光栅标记来提高测量精度，但是造成测量范围小，为了覆盖到待测样品厚度公差范围，光栅标记的周期不能太小。此外，由于只采用低衍射级次，测量信号的非线性影响较大，尤其在投影光栅误差、成像光学系统像差影响严重的情况下，非线性影响更大。如何在保证测量范围的情况下，降低测量信号非线性，提高测量精度，是目前研究人员关心的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本公开提供了一种样品形貌测量装置及方法，利用光阑选择测量所需衍射级次的信号，在保证测量范围的基础上提高了测量精度。

(二)技术方案

本公开一方面提供了一种样品形貌测量装置，所述装置包括：顺次设置的光源组件101、照明组件102、投影光栅组件103、光阑组件104、投影光学组件105，顺次设置的探测光学组件107、探测光栅组件108、数据采集组件109，以及设置在所述投影光学组件105和探测光学组件107之间光路上的运动台110，待测样品106放置在所述运动台110上；其中，所述照明组件102利用所述光源组件101产生的测量光照射所述投影光栅组件103，以生成多衍射级次信号；所述光阑组件104滤除所述多衍射级次信号中的零级信号，并筛选出第一衍射级次信号，所述第一衍射级次信号包括+m衍射级次信号和-m衍射级次信号，m为大于0的整数；所述投影光学组件105将第一衍射级次信号下投影光栅组件103的像成像到待测样品106表面；所述探测光学组件107将携带有待测样品106第一高度信息的投影光栅组件103的像成像到探测光栅组件108上，通过数据采集组件109得到待测样品106的第一高度信息；所述光阑组件104还用于根据所述第一高度信息筛选出第二衍射级次信号，所述第二衍射级次信号包括+n衍射级次信号和-n衍射级次信号，n＞m；所述投影光学组件105还用于将第二衍射级次信号下投影光栅组件103的像成像到待测样品106表面；所述探测光学组件107将携带有待测样品106第二高度信息的投影光栅组件103的像成像到探测光栅组件108上，通过数据采集组件109得到待测样品106的第二高度信息。

可选地，所述运动台110用于在垂直于所述待测样品106高度方向的平面内运动，使得所述数据采集组件109得到待测样品106的形貌信息。

可选地，所述探测光栅组件108的周期小于所述投影光栅组件103的周期。

可选地，所述探测光栅组件108将携带有待测样品106第一高度信息或第二高度信息的投影光栅组件103的像分离为第一成像和第二成像，所述第一成像和第二成像之间的距离为所述投影光栅组件103的周期的1/4。

可选地，所述探测光栅组件108的中心相对于所述投影光栅组件103的中心偏移了所述投影光栅组件103的周期的1/8。

可选地，所述投影光学组件105和探测光学组件107为反射型组件或者透射型组件，所述光阑组件104设置在所述投影光学组件105的孔径光阑面上，所述样品形貌测量装置为双远心测量装置。

可选地，所述投影光栅组件103为振幅光栅，用于增强所述第一衍射级次信号或第二衍射级次信号的强度。

可选地，所述投影光栅组件103为由多个投影光栅组成的阵列，以同时测量所述待测样品106多个位置处的第一高度信息或第二高度信息。

可选地，照射在所述投影光栅组件103上的测量光的角度θ满足：

其中，d为所述投影光栅组件103的周期，λ为照射在所述投影光栅组件103上的测量光中的最小波长。

本公开另一方面提供了一种利用上述样品形貌测量装置测量待测样品形貌的方法，所述方法包括：

数据采集组件109根据采集到的探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度，计算待测样品106一位置处的第一高度信息，得到的第一高度信息为：

其中，h1为所述第一高度信息，d为投影光栅组件103的周期，m为光阑组件104筛选出的第一衍射级次信号的衍射级次，α为射入所述待测样品106的光线的角度，i1和i2分别为光阑组件104筛选出第一衍射级次信号时探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度；

所述光阑组件104根据所述第一高度信息筛选第二衍射级次信号，数据采集组件109根据采集到的探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度，计算待测样品106一位置处的第二高度信息，得到的第二高度信息为：

其中，h2为所述第二高度信息，n为光阑组件104筛选出的第二衍射级次信号的衍射级次，n＞m，i3和i4分别为光阑组件104筛选出第二衍射级次信号时探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度；

在垂直于所述待测样品106高度方向的平面内移动运动台110，数据采集组件109根据采集到的探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度，计算待测样品106任一位置处的第二高度信息，得到待测样品106的形貌信息。

(三)有益效果

本公开实施例提供的样品形貌测量装置及方法，具有以下有益效果：

(1)利用光阑组件筛选出低衍射级次信号来测量样品高度，保证测量范围，并根据测量结果选择高衍射级次信号再次测量样品高度，提高测量精度；

(2)光阑组件过滤掉零级信号，缩小了投影光栅像的条纹间隔，提高了信号对比度，并通过选择高衍射级次信号进一步缩小了投影光栅像的条纹间隔，提高了测量精度；

(3)将探测光栅组件的周期设置为小于投影光栅组件的周期，确保高衍射级次信号发生干涉。

附图说明

图1示意性示出了本公开一实施例提供的样品形貌测量装置的结构示意图；

图2示意性示出了本公开另一实施例提供的样品形貌测量装置的结构示意图；

图3a和图3b分别示意性示出了不同衍射级次对应测量信号的示意图。

附图标记说明：

101-光源组件；102-照明组件；103-投影光栅组件；104-光阑组件；105-投影光学组件；106-待测样品；107-探测光学组件；108-探测光栅组件；109-数据采集组件；110-运动台。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1示意性示出了本公开一实施例提供的样品形貌测量装置的结构示意图。参阅图1，同时结合图2-图3b，对本实施例中的样品形貌测量装置进行详细说明。

参阅图1，该样品形貌测量装置包括顺次设置的光源组件101、照明组件102、投影光栅组件103、光阑组件104、投影光学组件105，顺次设置的探测光学组件107、探测光栅组件108、数据采集组件109，以及设置在投影光学组件105和探测光学组件107之间光路上的运动台110，待测样品106放置在运动台110上。

光源组件101用于产生测量光，以为装置提供测量光。光源组件101产生的测量光的光斑尺寸和数值孔径应满足照明组件102的照射要求，应具有较高的能量稳定性和均匀性。光源组件101例如为高压汞灯、白光发光二极管(lightemittingdiode，led)等。

照明组件102用于将光源组件101产生的测量光照射投影光栅组件103，以生成多衍射级次信号。多衍射级次信号包括多个衍射级次的光信号，例如包括第0衍射级次信号、第±1衍射级次信号、第±2衍射级次信号、……、第±n衍射级次信号等。

投影光栅组件103为振幅光栅，用于增强第一衍射级次信号或第二衍射级次信号的强度。第一衍射级次信号和第二衍射级次信号为光阑组件104筛选出的信号，第一衍射级次信号包括+m衍射级次信号和-m衍射级次信号，m为大于0的整数，第二衍射级次信号包括+n衍射级次信号和-n衍射级次信号，n＞m。振幅光栅是指能使入射光的振幅产生周期性空间调制的光学元件，可以用来增强第一衍射级次信号或第二衍射级次信号的振幅，从而增强第一衍射级次信号或第二衍射级次信号的强度。投影光栅组件103例如用于增强第±5衍射级次信号的强度，该第±5衍射级次信号即为第一衍射级次信号或第二衍射级次信号。

本实施例中，照射在投影光栅组件103上的测量光的角度θ满足：

其中，d为投影光栅组件103的周期，λ为照射在投影光栅组件103上的测量光中的最小波长。将测量光的角度θ设置在上述范围内，可以保证各衍射级次信号在光阑组件104处的衍射光斑彼此分开，使得光阑组件104可以从中选择用于样品形貌测量的±m衍射级次信号或±n衍射级次信号。

光阑组件104用于滤除多衍射级次信号中的零级信号(即0衍射级次信号)，并筛选出第一衍射级次信号或第二衍射级次信号。本实施例中，利用光阑组件104过滤掉零级信号，缩小了投影光栅的条纹间隔，同时提高了各衍射级次信号的对比度，并通过衍射高衍射级次的第二衍射级次信号进一步缩小了投影光栅的条纹间隔，提高了测量精度。

投影光学组件105将第一衍射级次信号或第二衍射级次信号下投影光栅组件103的像成像到待测样品106表面。投影光学组件105将第一衍射级次信号或第二衍射级次信号下投影光栅组件103的像成像到待测样品106表面，经待测样品106反射后，将携带有待测样品106第一高度信息或第二高度信息的信号反射至探测光学组件107。

本实施例中，投影光学组件105为反射型组件或透射型组件。当投影光学组件105为透射型组件时，探测光学组件107也为透射型组件，如图1所示；当投影光学组件105为反射型组件时，探测光学组件107也为反射型组件，如图2所示。光阑组件104设置在投影光学组件105的孔径光阑面上，样品形貌测量装置为双远心测量装置。

探测光学组件107将携带有待测样品106第一高度信息或第二高度信息的投影光栅组件103的像成像到探测光栅组件108上。探测光栅组件108将携带有待测样品106第一高度信息或第二高度信息的投影光栅组件103的像分离为两个成像，分别为第一成像和第二成像，使得数据采集组件109根据采集到的第一成像和第二成像计算待测样品106的第一高度信息或第二高度信息。

本实施例中，第一成像和第二成像之间的距离为投影光栅组件103的周期的1/4，探测光栅组件108的中心相对于投影光栅组件103的中心偏移了所述投影光栅组件103周期的1/8，以此来减小光源功率稳定性、环境对测量结果的影响，并且使得数据采集组件109中的算法更为简单。进一步地，探测光栅组件108的周期ddet还应小于投影光栅组件103的周期d，即ddet＜d，以保证高衍射级次信号发生干涉，从而保证第一衍射级次信号和第二衍射级次信号存在干涉区域。

运动台110用于在垂直于待测样品106高度方向的平面内运动，即在图1和图2中示出的xy平面内运动，并在运动至一位置(x，y)后固定，等待该样品形貌测量装置测量该位置(x，y)处的第二高度信息，直至待测样品在xy平面内的所有点对应的第二高度信息测量完成，从而得到待测样品106的形貌信息，该形貌信息为待测样品106的三维形貌。

根据本公开的实施例，投影光栅组件103可以为单个投影光栅，也可以为由多个投影光栅组成的阵列。当投影光栅组件103为由多个投影光栅组成的阵列时，投影光学组件105可以将第一衍射级次信号或第二衍射级次信号下各投影光栅的像成像到待测样品106表面的不同位置处，从而使得样品形貌测量装置可以同时测量待测样品106多个位置处的第一高度信息或第二高度信息，提高了测量效率。

本实施例中，当待测样品106某一位置处对应的高度为h时，投影光栅组件103的像将在探测光栅组件108处产生δx的偏移，数据采集组件109采集到的两个成像的透射强度为：

其中，i1和i2分别为光阑组件104筛选出第二衍射级次信号时探测光栅组件108分离出的两个成像的透射强度，e为+m衍射级次信号的振幅，e2为-m衍射级次信号的振幅，k1x为+m衍射级次信号波矢在x方向上的分量，k2x为-m衍射级次信号波矢在x方向上的分量，t(k)为探测光栅组件108的傅里叶变化。对于任一样品形貌测量装置，其投影光栅组件103、光阑组件104、投影光学组件105、探测光学组件107、探测光栅组件108的参数确定后，e1、e2、k1x、k2x、t(k)均为常数，且理想情况下，e1＝e2、k1x＝k2x、t(kx-k1x)＝t(kx-k2x)，数据采集组件109根据采集到的两个成像的透射强度进行计算，可以得到：

进一步地，根据光学三角法基本原理，可以得到待测样品106该位置处的第一高度信息以及第二高度信息分别为：

其中，h1为第一高度信息，h2为第二高度信息，d为投影光栅组件103的周期，α为射入待测样品106的光线的角度，i3和i4分别为光阑组件104筛选出第二衍射级次信号时探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度。

数据采集组件109采集到的两个成像的透射强度为正弦函数，当待测样品106的高度较大时，这两个成像的透射强度i1和i2随高度的变化为非线性变化，由于光学系统像差以及环境等因素对测量精度影响较大，因此，通常选择正弦函数中间的线性区域作为有效信号区域，如图3a和3b所示。结合图3a和图3b，可以看出，信号的衍射级次越高，测得的高度信息的精度越高；信号的衍射级次越低，测得的高度信息的测量范围越大，精度越低。

本实施例中的样品形貌测量装置，首先，利用较低衍射级次的第一衍射级次信号测量待测样品106一位置处的第一高度信息，以保证其测量范围，第一衍射级次信号的衍射级次m例如为1；然后，根据第一高度信息选择相应的较高衍射级次的第二衍射级次信号，第二衍射级次信号的衍射级次n例如为5，利用第二衍射级次信号测量待测样品106该位置处的第二高度信息，相对于第一高度信息，第二高度信息具有更高的精度，从而提高了装置的测量精度；移动运动台110，重复上述测量过程，以测量待测样品106每一位置处的第二高度信息，从而获得待测样品106的形貌信息。本公开另一实施例提供了一种如上述图1-图3b所示样品形貌测量装置测量待测样品形貌的方法，方法包括：

首先，数据采集组件109根据采集到的探测光栅组件108分离出的两个成像的透射强度，计算待测样品106一位置处的第一高度信息，得到的第一高度信息为：

其中，h为第一高度信息，d为投影光栅组件103的周期，m为光阑组件104筛选出的第一衍射级次信号的衍射级次，α为射入待测样品106的光线的角度，i1和i2分别为光阑组件104筛选出第一衍射级次信号时探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度。

然后，光阑组件104根据第一高度信息筛选第二衍射级次信号，数据采集组件109根据采集到的探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度，计算待测样品106一位置处的第二高度信息，得到的第二高度信息为：

其中，h2为第二高度信息，n为光阑组件104筛选出的第二衍射级次信号的衍射级次，n＞m，i3和i4分别为光阑组件104筛选出第二衍射级次信号时探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度。

最后，在垂直于待测样品106高度方向的平面内移动运动台110，数据采集组件109根据采集到的探测光栅组件108分离出的两个像的透射强度，计算待测样品106任一位置处的第二高度信息，得到待测样品106的形貌信息。

本实施例中，样品形貌测量装置测量待测样品形貌的方法所执行的操作与前述图1-图3b所示实施例中的样品形貌测量装置的工作过程相同，此处不再赘述。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图3b所示实施例中的样品形貌测量装置的描述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。