用于确定高度图的方法和设备与流程
本发明涉及一种用于确定样品的样品表面高度图的方法。本发明还涉及一种用于确定样品表面高度图的方法，包括预扫描步骤和高精度扫描步骤。本发明还涉及一种配置用于确定样品表面高度图的光学轮廓测量设备。本发明还涉及一种包括计算机程序的计算机可读数据载体。
背景技术：
1、光学轮廓仪，例如结构照明显微镜，可用于计量和检测应用。例如，从ep2327956b1中已知这样一种光学轮廓仪，其公开了一种用于确定样品上多个空间位置高度的设备，该设备包括光源、光学检测器和处理单元。
2、不断提高已知轮廓仪的分辨率是一个持续的目标。通常，使用光学轮廓仪的方法包括测量包含样品表面的体积以提取样品表面的形貌信息。为了测量该体积，需要将样品表面或轮廓仪的一部分在x、y和/或z方向上相对于彼此平移。然而，虽然已知方法可以实现高分辨率，但它们同时可能在吞吐量方面受到限制，这可能使得这些方法不适合快速或在线测量。
技术实现思路
1、本发明的一个目的是提供一种用于确定样品表面高度图的方法，与已知方法（例如ep2327956 b1中的方法）相比，该方法具有提高的吞吐量。
2、本发明的目的通过根据权利要求1所述的方法实现。
3、本发明涉及一种用于确定样品的样品表面高度图的方法。例如，样品表面可以具有复杂形状。高度图可以是划分为多个块的样品表面的图，其中对于每个块，指示了相对于样品表面其他块的高度。这些块可以完全覆盖样品表面，或者这些块可以覆盖样品表面的一部分。
4、可以使用光学轮廓测量设备，例如结构照明显微镜，其包括配置用于测量样品表面的一个块中投影到样品表面上的光学图案的光学传感器。光学传感器可以是一种成像设备，能够对放置在光学轮廓测量设备保持器中的样品表面进行成像。可以使用光学装置，例如透镜，来将由样品表面反射的光引导至光学传感器，以测量投影在样品表面上的光学图案。
5、光学轮廓测量设备还可以包括样品保持器，用于将样品表面保持在光学传感器的视场中。例如，保持器可以与光学轮廓测量设备的结构一体地提供，或者保持器可以单独提供并且必须被放置成使得保持器中的样品表面在测量期间处于光学传感器的视场中。
6、光学轮廓测量设备还可以包括投影仪，用于将光学图案投影到保持器中的样品表面上。例如，投影仪可以包括光源和用于产生图案的装置，例如空间光调制装置。投影仪可以包括数字微镜器件、flcoos（铁电液晶硅）器件、铬膜玻璃元件、衍射光学元件或类似物，以产生光学图案。投影仪还可以包括能够产生相干光或非相干光的光源。
7、投影仪可以被配置为提供光学图案，该光学图案包括具有多个空间频率或以在多于一个空间维度上具有周期性为特征的多路复用图案。可以处理这些多路复用图案的图像，以将多路复用图案分离成两个或更多个独立图案，例如基于不同的空间维度，例如使用傅里叶分析。
8、投影仪可以进一步被配置为提供诸如改进型均匀冗余阵列（mura）图案的光学图案。mura图案具有均匀的空间频谱，这可以使得它们可用于本发明的方法中。可以使用的其他光学图案包括分形图案。
9、该方法包括将样品提供在样品保持器（例如光学轮廓测量设备的样品保持器）中，处于距光学传感器的测量距离处。该测量距离可以沿着用于测量的光学传感器的光轴确定为一个固定的测量距离，例如使得在根据该方法确定高度图时，样品保持器中的样品与光学传感器保持固定距离。
10、该方法包括使用投影仪将第一光学图案分量和第二光学图案分量投影到样品保持器中的样品表面上，其中所述第一光学图案分量的至少一个空间频率不同于所述第二光学图案分量的空间频率，或者其中所述第一光学图案分量的至少一个周期性方向不同于所述第二光学图案分量的周期性方向。第一光学图案分量和第二光学图案分量可以是不同图案的图案分量，例如，第一和第二图案分量可以随后投影到样品表面上，或者第一和第二图案分量是单个图案（例如多路复用图案或mura图案）的一部分，该单个图案被投影到样品表面上。第一光学图案分量不同于第二光学图案分量，在于第一光学图案分量具有不同于第二光学图案分量的至少一个空间频率和/或第一光学图案分量具有不同于第二光学图案分量的周期性方向。例如，第一光学图案分量的周期性可以沿着样品表面的x方向，而第二光学图案分量的周期性可以沿着样品表面的与x方向正交的y方向。
11、该方法还包括将样品表面划分为多个块，例如覆盖样品表面的块。例如，可以通过根据像素组将样品表面的图像划分为多个块来将样品表面划分为块。每个块的尺寸可以基于第一光学图案分量和第二光学图案分量的密度来确定，其中，例如，块的最小尺寸大于第一光学图案分量和第二光学图案分量中最粗糙分量的周期。
12、在每个块中，使用光学传感器测量投影到样品表面上的第一光学图案分量和第二光学图案分量。在测量光学图案分量期间，样品被提供在距光学传感器的测量距离处。光学传感器可以同时测量第一光学图案分量和第二光学图案分量，或者光学传感器可以顺序地测量这些光学图案分量。
13、在每个块中，确定所测量的第一光学图案分量的对比度和所测量的第二光学图案分量的对比度。例如，可以使用光学传感器测量第一图案分量和第二图案分量，并且可以在每个块中确定如此获得的图像的对比度，或者可以使用光学传感器直接测量对比度。例如，对于每个块，可以确定最亮像素和最暗像素之间的差异，以确定该块中相应光学图案分量的对比度。以这种方式，对于每个光学图案，可以在覆盖样品表面的每个块中确定对比度。
14、对于每个块，基于所测量的第一图案分量的对比度和所测量的第二图案分量的对比度来确定离焦位置，其中使用了校准关系，该校准关系将第一对比度和第二对比度的比率与离焦位置相关联。可以确定第一图案的对比度与第二图案的对比度的比率，并将其与校准关系进行比较，以确定该块的离焦位置。
15、通过确定每个块的离焦位置，可以确定样品表面的图，该图对于图的每个点具有一个离焦位置。由于离焦位置是距对焦位置的相对距离，因此如此获得的图可以被解释或转换为样品表面的高度图，给出每个块的相对高度。
16、该校准关系是基于第一对比度关系和第二对比度关系获得的。该关系可以涉及曲线、查找表、函数或其他合适的关系。例如，可以将第二对比度关系除以第一对比度关系。校准关系将第一对比度和第二对比度的比率与离焦位置相关联。通过取第一对比度和第二对比度的比率，校准关系可以在对比度比率和离焦位置之间具有1-1关系，从而将对比度比率唯一地关联到离焦位置。例如，当用于获得校准关系的对比度关系或其拟合将至多两个不同的离焦与单个对比度相关联时，校准关系可以具有1-1关系。
17、第一光学图案的第一对比度关系将第一光学图案分量的对比度与第一光学图案分量的离焦相关联。图案的对比度可以是在图案被投影时（例如在表面或表面块上）其亮特征和暗特征之间差异的度量。第一光学图案分量的离焦可以被视为该图案分量被投影在表面上时离焦程度的度量。离焦可以取决于投影图案分量的表面与轮廓测量设备的光学传感器之间的相对距离。
18、第二光学图案分量的第二对比度关系将第二光学图案分量的对比度与第二光学图案分量的离焦相关联。第一光学图案分量不同于第二光学图案分量。例如，第一光学图案分量和第二光学图案分量可以同时投影到样品表面上，但可以具有不同的空间频率或相对于彼此不同地定向。第一和第二光学图案分量也可以顺序地投影到样品表面上。
19、第一和第二对比度关系可以如本文所公开的那样获得。
20、通常，当图案分量更处于光学传感器的焦点时，图案分量的对比度可以提高，因此可以存在取决于样品相对于光学传感器的相对位置的、图案分量的对比度与离焦之间的关系。例如，当图案分量处于光学传感器的焦点时，对比度可以最高，并且当投影图案分量的样品远离或靠近光学传感器移动时，对比度降低。因此，通常对比度关系将单个对比度与多个离焦位置相关联，这些离焦位置测量投影图案的样品距对焦位置的距离。
21、本发明基于这样的认识：测量设备（例如光学轮廓测量设备）的像差（例如球面像散等）导致不同的投影图案分量具有距该设备的不同焦平面轴向距离。这导致不同光学图案之间的对比度随离焦位置变化的关系（即对比度关系）存在差异。正是由于存在这种差异，对比度关系之间的比率不是恒定的，并且允许（例如唯一地）将对比度与离焦位置相关联。以这种方式，本发明利用不同对比度关系之间的差异来确定高度图。
22、像差可能取决于光学轮廓测量设备和所使用的图案分量。因此，原则上可以为每个光学轮廓测量设备和每个光学图案分量选择确定一次校准关系，此后该校准关系可用于根据本发明的方法中，用于给定的图案分量和测量设备。
23、本发明可以使用与普通透镜相比具有增强像差的物镜，以增强像差的效果并提高本发明方法在确定样品表面高度图时的有效性。
24、在实施例中，该方法还包括：
25、- 获得所述第一光学图案分量的所述第一对比度关系；
26、- 获得所述第二光学图案分量的所述第二对比度关系；以及
27、- 基于所述第一对比度关系与所述第二对比度关系的比率获得所述校准关系。
28、在实施例中，该方法还包括通过以下方式获得所述第一对比度关系和/或所述第二对比度关系：
29、- 将所述第一光学图案分量和/或所述第二光学图案分量中的相应一个投影到测试表面（优选平坦测试表面，例如设置在样品保持器中）上；
30、- 使所述测试表面（例如通过移动样品保持器）在轴向方向上相对于所述光学传感器在多个测量位置之间移动；
31、- 在每个测量位置，使用所述光学传感器测量所投影的第一光学图案分量和/或所投影的第二图案分量中的所述相应一个；
32、- 在每个测量位置，确定所测量的相应光学图案分量的对比度和离焦；以及
33、- 通过将所确定的多个测量位置处的对比度和离焦与相应的对比度关系进行拟合（例如使用高斯拟合），来确定相应的对比度关系。
34、在这些实施例中，可以通过将相关联的图案分量投影到样品表面上来获得第一对比度关系和/或第二对比度关系，以确定权利要求所要求保护的对比度关系。可以同时投影第一和第二图案分量，使得例如通过对相关联的图案分量进行滤波，可以确定第一和第二对比度关系两者。
35、在进一步的实施例中，所述第一光学图案分量和所述第二光学图案分量被同时投影到所述测试表面上，例如以多路复用图案或改进型均匀冗余阵列（mura）图案的形式，其中，在每个测量位置确定相应光学图案的对比度和离焦的方法步骤包括：
36、- 从所测量的投影图案中滤波出所述第一光学图案分量和/或所述第二光学图案分量中的所述相应一个。
37、在实施例中，该方法还包括通过以下方式获得所述第一对比度关系和/或所述第二对比度关系：
38、- 通过提供包括使用不同光学图案分量对测试表面进行的多次测量的数据集来训练计算机模型，以获得所述第一对比度关系和/或所述第二对比度关系。
39、在实施例中，所述第一图案分量和所述第二图案分量被同时投影到所述样品表面上，例如以多路复用图案或mura图案的形式，其中该方法还包括：
40、- 从所测量的投影图案中滤波出所述第一光学图案分量或所述第二光学图案分量。
41、本发明还涉及一种用于确定样品表面高度图的方法，包括预扫描和高精度扫描，其中在所述预扫描中使用根据本发明的方法。根据本发明的用于确定高度图的方法允许更高的吞吐量，因此允许例如在线测量。然而，对于更详细的高精度扫描，可以使用另一种方法。因此，本发明的方法可以适用于确定样品表面的预扫描，以允许更好的高精度扫描。
42、本发明还涉及一种用于确定样品的样品表面高度图的光学轮廓测量设备，包括：
43、- 光学传感器，配置用于测量投影在样品表面上的光学图案分量；
44、- 样品保持器，用于将样品的样品表面保持在光学传感器的视场中；
45、- 投影仪，用于将光学图案分量投影到保持器中样品的样品表面上；以及
46、- 处理器，功能性地连接到光学传感器和投影仪，
47、其中所述轮廓测量设备（例如其处理器）配置为：
48、- 使用投影仪将第一光学图案分量和第二光学图案分量投影到设置在样品保持器中的样品的样品表面上，其中所述第一光学图案分量的至少一个空间频率不同于所述第二光学图案分量的空间频率，或者其中所述第一光学图案分量的至少一个周期性方向不同于所述第二光学图案分量的周期性方向；
49、- 将所述样品表面（例如由处理器）划分为覆盖样品表面的多个块；
50、- 在每个块中，由光学传感器测量投影在样品保持器中样品表面上的第一光学图案分量和第二光学图案分量；
51、- 对于每个块，由处理器确定所投影的第一图案分量的对比度和所投影的第二图案分量的对比度；
52、- 对于每个块，由处理器基于所确定的测量的第一图案分量的对比度和所确定的测量的第二图案分量的对比度来确定离焦位置，其中使用校准关系，该校准关系将第一对比度和第二对比度的比率与离焦位置相关联；
53、- 由处理器基于每个块的离焦位置确定样品表面的高度图，
54、其中所述校准关系是基于第一对比度关系与第二对比度关系的比率获得的，其中所述第一对比度关系将所述第一图案分量的对比度与所述第一图案分量的离焦相关联，并且所述第二对比度关系将所述第二图案分量的对比度与所述第二图案分量的离焦相关联。
55、在实施例中，所述轮廓测量设备（例如其处理器）进一步配置为：
56、- 获得所述第一光学图案分量的所述第一对比度关系；
57、- 获得所述第二光学图案分量的所述第二对比度关系；以及
58、- 基于所述第一对比度关系与所述第二对比度关系的比率获得所述校准关系。
59、在实施例中，所述轮廓测量设备（例如其处理器）进一步配置为通过以下方式获得所述第一对比度关系和/或所述第二对比度关系：
60、- 由投影仪将所述第一光学图案分量和/或所述第二光学图案分量中的相应一个投影到测试表面（优选平坦测试表面，例如设置在样品保持器中）上；
61、- 使所述测试表面（例如通过移动样品保持器）在轴向方向上相对于所述光学传感器在多个测量位置之间移动；
62、- 在每个测量位置，使用所述光学传感器测量所投影的第一光学图案分量和/或所投影的第二图案分量中的所述相应一个；
63、- 在每个测量位置，由处理器确定所测量的相应光学图案分量的对比度和离焦；以及
64、- 由处理器通过将所确定的多个测量位置处的对比度和离焦与相应的对比度关系进行拟合，例如使用高斯拟合，来确定相应的对比度关系。
65、在实施例中，所述光学轮廓测量设备进一步配置为将所述第一光学图案分量和所述第二光学图案分量同时投影到所述测试表面上，例如以多路复用图案或改进型均匀冗余阵列（mura）图案的形式，其中所述处理器配置为，当在每个测量位置确定相应光学图案的对比度和离焦时：
66、- 从所测量的投影图案中滤波出所述第一光学图案分量和/或所述第二光学图案分量中的所述相应一个。
67、在实施例中，所述光学轮廓测量设备（例如其处理器）进一步配置为通过使用计算机模型来获得所述第一对比度关系和/或所述第二对比度关系，所述计算机模型通过提供包括使用不同光学图案分量对测试表面进行的多次测量的数据集进行训练，以获得所述第一对比度关系和/或所述第二对比度关系。
68、在实施例中，所述光学轮廓测量设备（例如其投影仪）进一步配置为将所述第一图案分量和所述第二图案分量同时投影到所述样品表面上，例如以多路复用图案或mura图案的形式，其中所述处理器配置为：
69、- 从所测量的投影图案中滤波出所述第一光学图案分量或所述第二光学图案分量。
70、本发明还涉及一种用于确定样品表面高度图的设备，例如轮廓测量设备，包括根据本发明的用于执行样品表面预扫描的光学轮廓测量设备。
71、本发明还涉及一种计算机可读数据载体，包括计算机程序，当在根据本发明的光学轮廓测量设备的处理器上运行时，所述计算机程序使所述光学轮廓测量设备执行根据本发明的方法。
72、光学轮廓测量设备（例如其处理器）可以配置为执行本发明方法的任何实施例。