用于确定复值场的量测方法和装置与流程

用于确定复值场的量测方法和装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年6月17日提交的ep申请19180565.4和于2019年9月05日提交的ep申请19195599.6和于2019年10月08日提交的ep申请19202049.3的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及用于确定衬底上的结构的特性的量测装置或检查装置。本发明还涉及一种用于确定衬底上的结构的特性的方法。


背景技术：

4.光刻装置是被构造成将期望的图案施加到衬底上的机器。光刻装置可用于例如集成电路(ic)的制造中。例如，光刻装置可以在图案形成器件(例如，掩模)处将图案(通常也称为“设计布局”或“设计”)投射到设置在衬底(例如，晶片)上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。
5.为了在衬底上投射图案，光刻装置可以使用电磁辐射。该辐射的波长决定了可以在衬底上形成的特征的最小尺寸。目前使用的典型波长是365nm(i线)，248nm，193nm和13.5nm。与使用例如波长为193nm的辐射的光刻装置相比，使用波长在4-20nm范围内，例如6.7nm或13.5nm的极紫外(euv)辐射的光刻装置可用于在衬底上形成更小的特征。
6.低k1光刻可用于处理尺寸小于光刻装置的经典分辨率极限的特征。在这种工艺中，分辨率公式可以表示为cd＝k1×
λ/na，其中λ是所采用的辐射波长，na是光刻装置中的投影光学器件的数值孔径，cd是“临界尺寸”(通常是所印刷的最小特征尺寸，但在这种情况下为半节距)，并且k1是经验分辨率因子。通常，k1越小，为了实现特定的电功能和性能，在衬底上再现类似于电路设计者所设计的形状和尺寸的图案就越困难。为了克服这些困难，可以将复杂的微调步骤应用于光刻投影装置和/或设计布局。这些包括例如但不限于：na的优化、定制的照射方案、相移图案形成设备的使用、设计布局的各种优化(诸如设计布局中的光学邻近校正(opc，有时也称为“光学和工艺校正”)，或通常定义为“分辨率增强技术”(ret)的其它方法。可替换地，用于控制光刻装置的稳定性的紧密控制环路可用于改善在低k1下图案的再现。
7.在光刻工艺中，期望频繁地对所产生的结构进行测量，例如用于工艺控制和验证。用于进行这种测量的各种工具是已知的，包括扫描电子显微镜或各种形式的量测装置，例如散射仪。涉及这种工具的通用术语可以是量测装置或检查装置。
8.一种量测设备可以使用计算检索的相位来对由量测设备捕获的图像施加像差校正。所描述的一种用于计算相位的方法使用多个不同的图像，例如在不同聚焦条件下相同目标的多个图像。这通常需要样品(例如，目标)的机械移动。此外，假设样品移动通过焦点等同于检测器检测移动通过焦点。该假设的有效性是值得商榷的。此外，该假设有效的散焦范围可能太短而不能获得用于成功重构的足够信息。重构本身使用迭代算法来执行，该算
法在计算上是昂贵的，并且不能确定收敛到最优解。而且，不清楚空间部分相干性如何影响重构结果。


技术实现要素：

9.当执行复值场测量时，希望减少计算时间并增加吞吐量。
10.在权利要求书和具体实施方式中公开了本发明的实施例。
11.在本发明的第一方面中，提供了一种确定与使用成像系统测量的样品相关的复值场的方法，包括：获得与在该成像系统的图像平面处成像的该样品的一系列图像相关的图像数据，并且针对该图像数据在该成像系统的傅立叶平面中施加至少两个不同的调制函数；以及基于所施加的调制函数从成像数据确定复值场。
12.在本发明的第二方面中，提供了一种用于执行第一方面的方法的量测设备，包括：用于对从样品反射的场进行成像的成像系统；在所述成像系统的傅立叶平面处的至少一个调制器，用于定义每个调制函数；以及在成像系统的图像平面处的检测器，用于捕获所述图像中的每一个图像。
附图说明
13.现在将参照所附示意图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
[0014]-图1描绘了光刻装置的示意图；
[0015]-图2描绘了光刻单元的示意图；
[0016]-图3描绘了整体光刻的示意性表示，其表示了在三种关键技术之间的协作，用以优化半导体制造；
[0017]-图4是散射测量装置的示意图；
[0018]-图5是根据本发明实施例的量测设备的示意图；
[0019]-图6是根据本发明实施例的确定复值场的第一非迭代方法的示意图；
[0020]-图7是可用于图6所示方法的两个掩模对的示意图；
[0021]-图8是根据本发明另一实施例的量测设备的示意图；
[0022]-图9是根据本发明另外实施例的量测设备的示意图；
[0023]-图10是根据本发明实施例的可用于确定复值场的第二非迭代方法的光栅掩模的示意图；
[0024]-图11是根据本发明实施例的确定复值场的第三非迭代方法的示意图；
[0025]-图12是根据本发明实施例的确定复值场的第四非迭代方法的示意图；
[0026]-图13是根据本发明实施例的确定复值场的第五非迭代方法的示意图；
[0027]-图14是如下(a)、(b)和(c)的示意图，其中(a)为根据适用于零阶自参考全息术的实施例的量测装置；(b)和(c)为图14中的(a)的量测装置的一个可选的分开式物镜实施例的具体细节；
[0028]-图15是根据适用于基于lee全息图的方法的实施例的量测装置的示意图。
[0029]-图16是根据本发明实施例的确定复值场的迭代方法的示意图；以及
[0030]-图17是示出可以帮助实现根据本发明实施例的方法的计算机系统的框图。
具体实施方式
[0031]
在本文件中，术语“辐射”和“束”用于涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如具有365，248，193，157或126nm的波长)和euv(极紫外辐射，例如具有在约5-100nm范围内的波长)。
[0032]
在本文中使用的术语“掩模版”，“掩模”或“图案形成器件”可以被广义地解释为指的是可以用于赋予入射辐射束以图案化横截面的通用图案形成器件，该图案化横截面对应于要在衬底的目标部分中产生的图案。在本文中也可以使用术语“光阀”。除了经典的掩模(透射或反射、二元、相移、混合等)之外，其它这种图案形成器件的示例包括可编程反射镜阵列和可编程lcd阵列。
[0033]
图1示意性地示出了光刻装置la。光刻装置la包括：照射系统(也称为照射器)il，其被配置为调节辐射束b(例如，uv辐射、duv辐射或euv辐射)；掩模支撑件(例如，掩模台)mt，其被构造为支撑图案形成器件(例如，掩模)ma，并且连接到第一定位器pm，第一定位器pm被配置为根据某些参数精确地定位图案形成器件ma；衬底支撑件(例如，晶片台)wt，被构造成保持衬底(例如，抗蚀剂涂覆的晶片)w并连接到第二定位器pw和所述晶片台wt，所述第二定位器pw被配置成根据某些参数精确地定位衬底支撑件；以及投影系统(例如，折射投影透镜系统)ps，其被配置成将通过图案形成器件ma赋予辐射束b的图案投影到衬底w的目标部分c(例如，包括一个或多个裸片)上。
[0034]
在操作中，照射系统il例如经由光束传送系统bd从辐射源so接收辐射束。照射系统il可以包括各种类型的光学部件，例如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型和/或其它类型的光学部件，或其任意组合，用于引导、成形和/或控制辐射。照射器il可以用于调节辐射束b，使其在图案形成器件ma的平面处的横截面中具有期望的空间和角度强度分布。
[0035]
这里使用的术语“投影系统”ps应该广义地解释为包括各种类型的投影系统，包括折射、反射、折反射、变形、磁性、电磁和/或静电光学系统，或它们的任意组合，其视所使用的曝光辐射，和/或诸如使用浸没液体或使用真空的其它因素而定。这里术语“投影透镜”的任何使用可以被认为与更一般的术语“投影系统”ps同义。
[0036]
光刻装置la可以是这样的类型，其中衬底的至少一部分可以被具有相对高折射率的液体(例如水)覆盖，以便填充投影系统ps和衬底w之间的空间——这也被称为浸没光刻。关于浸没技术的更多信息在us 6952253中给出，其通过引用并入本文。
[0037]
光刻装置la也可以是具有两个或多个衬底支撑件wt的类型(也称为“双台”)。在这种“多台”机器中，可以并行地使用衬底支撑件wt，和/或可以在位于衬底支撑件wt之一上的衬底w上执行准备衬底w的后续曝光的步骤的同时，使用另一衬底支撑件wt上的另一衬底w来曝光另一衬底w上的图案。
[0038]
除了衬底支撑wt之外，光刻装置la可以包括测量台。测量台设置成保持传感器和/或清洁设备。传感器可以被布置成测量投影系统ps的特性或辐射束b的特性。测量台可以容纳多个传感器。清洁设备可被布置成清洁光刻装置的一部分，例如投影系统ps的一部分或提供浸没液体的系统的一部分。当衬底支撑件wt远离投影系统ps时，测量台可以在投影系统ps下面移动。
[0039]
在操作中，辐射束b入射到被保持在掩模支撑件mt上的图案形成器件(例如掩模)ma上，并由图案形成器件ma上存在的图案(设计布局)所图案化。在穿过掩模ma之后，辐射束
b穿过投影系统ps，投影系统ps将辐射束聚焦到衬底w的目标部分c上。借助于第二定位器pw和位置测量系统if，衬底支撑件wt可以精确地移动，例如以便在辐射束b的路径中将不同目标部分c定位在聚焦和对准的位置。类似地，第一定位器pm和可能的另一位置传感器(图1中未明确示出)可用于相对于辐射束b的路径精确地定位图案形成器件ma。可以使用掩模对准标记m1，m2和衬底对准标记p1，p2来对准图案形成器件ma和衬底w。虽然所示的衬底对准标记p1，p2占据专用的目标部分，但是它们可以位于目标部分之间的空间中。当衬底对准标记p1，p2位于目标部分c之间时，它们被称为划道(scribe-lane)对准标记。
[0040]
如图2所示，光刻装置la可以形成光刻单元lc的一部分，有时也称为光刻单元或(光刻)簇，其通常还包括在衬底w上执行曝光前和曝光后处理的装置。常规地，这些包括：旋涂机sc，用以沉积抗蚀剂层；显影器de，用以显影曝光的抗蚀剂；冷却板ch和烘烤板bk，例如用于调节衬底w的温度，以便例如调节抗蚀剂层中的溶剂。衬底处理器或机器人ro从输入/输出端口i/o1，i/o2拾取衬底w，在不同的处理装置之间移动衬底w，并将衬底w传送到光刻装置la的装载舱lb。通常也统称为轨道的光刻单元中的器件通常在轨道控制单元tcu的控制下，该轨道控制单元tcu本身可以由监控系统scs控制，该监控系统scs也可以控制光刻装置la，例如经由光刻控制单元lacu。
[0041]
为了使由光刻装置la曝光的衬底w被正确且一致地曝光，期望检查衬底以测量图案化结构的特性，例如后续层之间的套刻误差、线厚度、临界尺寸(cd)等。为此目的，检查工具(未示出)可以包括在光刻单元lc中。如果检测到误差，则例如可以对后续衬底的曝光或对要在衬底w上执行的其它处理步骤进行调整，尤其是是该检查是在相同批次或堆的其它衬底w仍要曝光或处理之前就已完成的情况下。
[0042]
也可称为量测装置的检查装置用于确定衬底w的特性，尤其是不同衬底w的特性如何变化或与同一衬底w的不同层相关联的特性如何逐层变化。可替换地，检查装置可以被构造成识别衬底w上的缺陷，并且例如可以是光刻单元lc的一部分，或者可以被集成到光刻装置la中，或者甚至可以是独立的设备。检查装置可以测量潜像(曝光之后抗蚀剂层中的图像)，或半潜像(曝光后烘烤步骤peb之后抗蚀剂层中的图像)，或显影抗蚀剂图像(其中抗蚀剂的曝光或未曝光部分已被去除)，或甚至(在诸如蚀刻的图案转移步骤之后的)蚀刻图像上的性质。
[0043]
典型地，光刻装置la中的图案化工艺是处理中最关键的步骤之一，其要求在衬底w上的结构的尺寸设计和布置的高精度。为了确保这种高精度，可以将三个系统组合在如图3中示意性描绘的所谓的“整体”控制环境中。这些系统之一是(虚拟地)连接到量测工具met(第二系统)和计算机系统cl(第三系统)的光刻装置la。这种“整体”环境的关键在于优化这三个系统之间的协作，以增强整个工艺窗口并提供紧密的控制回路，以确保由光刻装置la执行的图案化保持在工艺窗口内。工艺窗口限定了工艺参数(例如剂量、焦点、套刻)的范围，在该范围内，特定的制造工艺产生限定的结果(例如功能半导体器件)——典型地，在该范围内，允许光刻工艺或图案化工艺中的工艺参数变化。
[0044]
计算机系统cl可使用(部分)待图案化的设计布局来预测使用哪些分辨率增强技术并执行计算光刻模拟和计算以确定哪些掩模布局和光刻装置设置实现图案化工艺的最大总工艺窗口(在图3中由第一标尺sc1中的双箭头描绘)。通常，分辨率增强技术被布置成与光刻装置la的图案化可能性相匹配。计算机系统cl还可用于检测光刻装置la当前在工艺
窗口内的何处操作(例如，使用来自量测工具met的输入)，以预测是否由于例如次优处理(在图3中由第二标尺sc2中指向“0”的箭头描绘)而存在缺陷。
[0045]
量测工具met可以向计算机系统cl提供输入以实现准确的模拟和预测，并且可以向光刻装置la提供反馈以识别例如光刻装置la的校准状态中的可能漂移(在图3中由第三标尺sc3中的多个箭头描绘)。
[0046]
在光刻工艺中，期望频繁地对所产生的结构进行测量，例如用于工艺控制和验证。用于进行这种测量的各种工具是已知的，包括扫描电子显微镜或各种形式的量测装置，例如散射仪。已知的散射仪的示例通常依赖于提供专用的量测目标，例如欠填充的目标(在不同层中的简单光栅或套刻光栅形式的目标，其足够大以使测量束产生小于光栅的光斑)或填充过度的目标(由此照射光斑部分或完全包含目标)。此外，量测工具(例如照射诸如光栅的欠填充目标的角分辨散射仪)的使用，允许使用所谓的重构方法，其中可以通过用目标结构的数学模型模拟散射辐射的相互作用并将模拟结果与测量结果进行比较来计算光栅的特性。调整模型的参数直到模拟的相互作用产生类似于从真实目标观察到的衍射图案。
[0047]
散射仪是通用的仪器，其允许通过在光瞳中或与散射仪的物镜的光瞳共轭的平面中具有传感器来测量光刻工艺的参数(测量通常称为基于光瞳的测量)，或通过在图像平面中或与图像平面共轭的平面中具有传感器来测量光刻工艺的参数(在这种情况下，测量通常称为基于图像或场的测量)。在专利申请us20100328655，us2011102753a1，us20120044470a，us20110249244，us20110026032或ep1,628,164a中进一步描述了这种散射仪和相关的测量技术，在此通过引用将其全部并入。前述散射仪可使用来自软x射线以及可见-近ir波范围的光在一个图像中测量来自多个光栅的多个目标。
[0048]
图4示出了诸如散射仪的量测装置。它包括将辐射5投射到衬底w上的宽带(白光)辐射投影仪2。反射或散射的辐射10被传递到光谱仪检测器4，其测量镜面反射的辐射10的光谱6(即，作为波长λ的函数的强度i的测量)。根据该数据，可以通过处理单元pu，例如通过严格的耦合波分析和非线性回归或者通过与模拟光谱库进行比较来重构产生检测到的光谱的结构或轮廓8。通常，对于重构，结构的一般形式是已知的，并且根据制造结构的工艺的知识来假定一些参数，仅留下结构的几个参数由散射测量数据来确定。这种散射仪可以配置为垂直入射散射仪或倾斜入射散射仪。
[0049]
在第一实施例中，散射仪mt是角分辨散射仪。在这种散射仪中，可以将重构方法应用于测量信号，以重构或计算光栅的特性。例如，这种重构可以通过用目标结构的数学模型模拟散射辐射的相互作用并将模拟结果与测量结果进行比较而得到。调整数学模型的参数，直到模拟的相互作用产生类似于从真实目标观察到的衍射图案。
[0050]
在第二实施例中，散射仪mt是光谱散射仪mt。在这种光谱散射仪mt中，由辐射源发射的辐射被引导到目标上，并且来自目标的反射或散射辐射被引导到光谱仪检测器，该光谱仪检测器测量镜面反射辐射的光谱(即，作为波长的函数的强度的测量)。根据该数据，产生检测光谱的目标的结构或轮廓可以被重构，例如通过严格耦合波分析和非线性回归或通过与模拟光谱库比较。
[0051]
在第三实施例中，散射仪mt是椭圆偏振散射仪。椭偏散射仪允许通过测量每个偏振态的散射辐射来确定光刻工艺的参数。这种量测装置通过在量测装置的照射部分中使用例如适当的偏振滤光器来发射偏振光(例如线性、圆形或椭圆形)。适用于量测装置的源也
可以提供偏振辐射。在美国专利申请11/451,599，11/708,678，12/256,780，12/486,449，12/920,968，12/922,587，13/000,229，13/033,135，13/533,110和13/891,410中描述了现有椭圆偏振散射仪的各种实施例，在此通过引用将其全部内容并入本文。
[0052]
在散射仪mt的一个实施例中，散射仪mt适于通过测量反射光谱和/或检测配置中的不对称性来测量两个未对准光栅或周期结构的套刻，该不对称性与套刻的程度有关。两个(通常套刻的)光栅结构可以应用在两个不同的层(不一定是连续的层)中，并且可以基本上在晶片上的相同位置形成。散射仪可以具有对称的检测结构，例如在共同拥有的专利申请ep1,628,164a中所描述的，使得任何不对称性可以清楚地区分。这提供了测量光栅中的未对准的直接方法。当通过周期性结构的不对称性测量目标时,包含周期性结构的两个层之间的套刻误差的其他示例可以在pct专利申请公开号wo2011/012624或美国专利申请us 20160161863中可以找到，它们的全部内容通过引用而并入本文。
[0053]
感兴趣的其它参数可以是焦点和剂量。焦点和剂量可以通过散射测量法(或者，可替换地通过扫描电子显微镜)同时确定，如美国专利申请us20110249244中所述的，其全部内容通过引用并入本文。可以使用单个结构，其对于聚焦能量矩阵(fem-也称为聚焦曝光矩阵)中的每个点具有临界尺寸和侧壁角测量的独特组合。如果临界尺寸和侧壁角的这些独特组合是可用的，则焦点和剂量值可以由这些测量唯一地确定。
[0054]
量测目标可以是由光刻工艺(主要在抗蚀剂中，但也可以在例如蚀刻工艺之后)形成的复合光栅的集合。通常，光栅中的结构的节距和线宽强烈地依赖于测量光学器件(特别是光学器件的na)，以便能够捕获来自量测目标的衍射阶。如前所述，衍射信号可以用于确定两层之间的偏移(也称为“套刻”)，或者可以用于重构由光刻工艺产生的原始光栅的至少一部分。该重构可用于提供光刻工艺质量的指导，并可用于控制光刻工艺的至少一部分。目标可以具有更小的子分割，其被配置为模仿目标中的设计布局的功能部分的尺寸。由于该子分割，目标将表现得更类似于设计布局的功能部分，使得整个工艺参数测量更好地类似于设计布局的功能部分。可以在欠填充模式或过填充模式下测量目标。在欠填充模式中，测量束产生小于整个目标的光斑。在过填充模式中，测量束产生大于整个目标的光斑。在这种过填充模式中，也可能同时测量不同的目标，从而同时确定不同的处理参数。
[0055]
使用特定目标的光刻参数的总测量质量至少部分地由用于测量该光刻参数的测量配方确定。术语“衬底测量配方”可以包括：测量本身的一个或多个参数，测量的一个或多个图案的一个或多个参数，或两者。例如，如果在衬底测量配方中使用的测量是基于衍射的光学测量，则测量的一个或多个参数可以包括辐射的波长，辐射的偏振，辐射相对于衬底的入射角，辐射相对于衬底上的图案的定向等。选择测量配方的标准之一例如可以是测量参数之一对处理变化的灵敏度。在美国专利申请us20160161863和公开的美国专利申请us2016/0370717a1中描述了更多的示例，其通过引用整体并入本文。
[0056]
在美国专利公开us2019/0107781中描述了一种采用计算成像/相位获取方法的量测装置，在此引入该专利公开作为参考。这样的量测设备可以使用相对简单的传感器光学器件，其具有不例外的或甚至相对普通的像差性能。这样，可以允许传感器光学器件具有像差，并因此产生相对有像差的图像。当然，仅允许传感器光学器件内的较大像差将对图像质量具有不可接受的影响，除非做一些事情来补偿这些光学像差的影响。因此，使用计算成像技术来补偿传感器光学器件内的像差性能上的松弛的负面影响。
[0057]
在这种方法中，从目标的一个或多个强度测量中检索目标的强度和相位。相位获取可以使用量测目标的先验信息(例如，用于包括在形成导出/设计相位获取算法的起始点的损失函数中)。可替换地，或者与现有信息方法相结合，可以进行分集测量。为了实现分集，在测量之间稍微改变成像系统。分集测量的示例是通过焦点步进，即，通过获得不同焦点位置处的测量。用于引入分集的替代方法包括：例如使用不同的照射波长或不同的波长范围、调制照射、或在测量之间改变照射在目标上的入射角。相位获取本身可以基于前述us2019/0107781或专利申请ep 17199764(也通过引用并入本文)中描述的相位获取。这描述了根据强度测量确定相应的相位获取，使得目标和照射辐射的相互作用根据其电场或复数域(“复数”在此意味着存在幅度和相位信息)来描述。强度测量的质量可能比常规量测中使用的质量低，因此可能如所述的失焦。所描述的相互作用可以包括紧邻地在目标上方的电场和/或磁场的表示。在这样的实施例中，通过在与目标平行的平面中的(例如，二维)表面上的无限小的电和/或磁电流偶极子，将被照射的目标的电场图像和/或磁场图像建模为等效的源描述。这样的平面例如可以是紧邻地在目标上方的平面，例如根据瑞利准则处于聚焦的平面，尽管模型平面的位置不是关键的：一旦一个平面上的幅度和相位已知，它们就可以在计算上推广到任何其它平面(聚焦平面、失焦平面、或甚至光瞳平面)。可替换地，该描述可以包括目标的复数传输或其二维等效物。
[0058]
该相位获取可以包括对该照射辐射与该目标之间的相互作用对该衍射辐射的影响进行建模以获得建模的强度图案；以及优化所述模型内的所述电场/复数场的相位和幅度，以便最小化所述模型化的强度图案与所述检测到的强度图案之间的差异。更具体地，在测量采集期间，在检测器上(在检测平面处)捕获图像(例如，目标的图像)并测量其强度。使用相位获取算法来确定例如与目标平行的(例如，紧邻地在目标上方的)平面处的电场的幅度和相位。相位获取算法使用传感器的前向模型(例如，考虑像差)来对目标进行计算成像，以获得检测平面处的场的强度和相位的模型值。不需要目标模型。所建模的强度值和所检测的强度值之间的差在相位和幅度方面被(例如，迭代地)最小化，并且得到的相应的建模的相位值被认为是所检取的相位。在pct申请pct/ep2019/052658中描述了在量测应用中使用复数场的具体方法，该申请也通过引用并入本文。
[0059]
这种迭代算法在计算上是昂贵的，因此要花费很长的时间来收敛到解，并且当它将这样做时没有保证，或者该解是最优解。因此，将描述用于从强度图像确定复数场的许多非迭代方法。此外，在使用聚焦分集测量中存在固有假设，诸如将样品移动通过焦点等效于将检测器移动通过焦点的假设，这些假设的有效性是值得商榷的。这样，在此描述的方法(其另外包括迭代计算的复数场实施例)消除了对这种通过聚焦不同测量的需要。
[0060]
本文描述的方法包括获得多个不同的图像，对于所述不同的图像而言，已经在图像之间在由样品(例如，目标)反射的辐射的傅立叶平面(或光瞳平面)中进行了一个或多个改变。通过在傅立叶平面中应用适当的(幅度和/或相位)调制(例如，使用调制器或掩模)，可以在图像平面中捕获图像序列，从该图像序列可以非迭代地重构复值场。
[0061]
图5示出了可用于本文所述的许多实施例的基本布置。它示出了样品平面sp中的样品s或目标。从样品s反射的辐射场通过成像透镜(或成像系统)l和分束器bs到达傅立叶平面fp中的掩模m或幅度调制器。掩模m改变或调制由样品s反射的场(傅立叶变换的反射场)的傅立叶变换的幅度。在图像平面im处的第一检测器idet或照相机在已经由掩模m进行
傅立叶滤波之后检测由样品反射的场的图像。可选的第二检测器或照相机fdet可以位于傅立叶平面fp处，用于在由掩模m调制之前对由样品反射的场的强度傅立叶变换进行成像。
[0062]
第二检测器fdet和相关联的傅立叶成像分支(以及因此分束器bs)是可选的。它们在诸如图6所示的实施例中是有用的(如下面所描述的)，对于这些实施例，特定的掩模属性或调制应该理想地应用在场的傅立叶变换的特定区域中。这样，由第二检测器fdet在傅立叶平面中记录的图像可以帮助确定应当应用哪些幅度调制。另外地或可替换地，这样的图像可以用作使用迭代相位获取算法来改进重构的附加信息。
[0063]
图6示出了一个实施例，其中多个匹配的掩模对m1，m1
p
被施加到傅立叶变换反射场ft，一对中的每个掩模仅在(例如，小的)扰动区域p中彼此不同。例如，可以通过为每对掩模提供两种不同调制的(例如，数字)二元幅度调制器(例如，数字微镜器件dmd)来实现该掩模。
[0064]
来自样品的反射场包括样品幅度分量a和(未知)样品相位分量傅立叶变换的反射场ft是入射在成像透镜l的傅立叶平面fp中的掩模/二元幅度调制器(和傅立叶检测器fdet，如果它存在的话)上的场，其使用匹配掩模对中的第一掩模(即，未扰动掩模m1)来调制。从傅立叶调制场得到的图像平面中的图像im1被捕获和记录(例如，通过图像平面检测器idet捕获和记录)。然后，匹配掩模对的第二掩模，即扰动掩模m1
p
，被用于调制傅立叶变换的反射场ft，并且图像平面中的所得图像im2被捕获和记录(例如，通过图像平面检测器idet捕获和记录)。傅立叶变换ft
m1'
的重构部分可以根据两个记录图像im1，im2中的每一个记录图像的逆傅立叶变换的差来重构。
[0065]
在一个实施例中，由二元幅度调制器应用两个不同的调制函数m1，m1
p
(即，使用二元幅度调制器来实现掩码m)。在较亮区域r1中，辐射被反射(或根据设置被透射)而不被改变，而在较暗区域r2中，幅度被设置为0。两个调制函数之间的差异是小的扰动区域p，在该扰动区域中，幅度在一个掩模中而不在另一个掩模中被调制。在一个实施例中，小扰动可以基本上包括“针孔”，其反射扰动掩模m1
p
中的辐射，但不反射未扰动掩模m1中的辐射(例如，幅度设置为零)。在该实施例中，扰动区域应该在重构区域r1(例如，反射区域)的边界处。此外，扰动区域应该在傅立叶变换的幅度为高的位置，以便重构方案是噪声鲁棒的。成像透镜的傅立叶平面中的照相机fdet可以用于帮助识别这样的区域。
[0066]
这些步骤对于许多其它的掩模对m2-m8(即，每个掩模对具有对应的扰动掩模m2
p-m8
p
，未示出)重复，反射区域围绕这些掩模移动，以便覆盖整个傅立叶变换的反射场ft(例如，除了扰动区域之外，该扰动区域对于扰动掩模m1
p-m8
p
是共同的)。通过将所得到的重构部分ft
m1
'-ft
m8
'(仅示出了ft
m1
')组合(例如拼接在一起)，可能非迭代地重构几乎整个傅立叶变换ft'(即，除了扰动区域p之外的全部)。对结果进行傅立叶逆变换产生由样品反射的复值场的重构。使用的掩模对越多，测量将越鲁棒。然而，显而易见的是，只要这些掩模中的至少两个掩模具有稍大的反射区域，则可以仅利用四对掩模(例如，m1，m4，m5和m6(连同它们的扰动对应物))来重构全场。
[0067]
因此，重构方法可以被描述为自参考全息方法，其更多细节可以在出版物中找到：shao等人，“spatial coherence measurement and partially coherent diffractive imaging using self-referencing holography,”opt.express 26，4479-4490(2018)，其
通过引用并入本文。
[0068]
原则上，可以使重构区域更大，以便减少所需的测量次数。图7示出了具有两对掩模m9，m9
p
和m10，m10
p
的示例。然而，使用这些可能增加方案的噪声灵敏度，因为扰动区域中的总场与重构区域中的总场相比应该是强的，并且可能使得用迭代算法进行最终的细化不那么可靠，因为在测量中存在较少的冗余。
[0069]
注意，最终重构是不完美的，因为傅立叶变换不是在扰动区域(其中幅度通常是高的)中重构的。有许多方法可以解决这个问题。在第一示例中，由傅立叶照相机fdet在成像透镜的傅立叶平面中记录的图像可以用于推断扰动区域中的幅度。可替换地，可以对至少两个不同的扰动区域执行上述非迭代重构方案，这些重构之一用于完成另一个。作为另一种替代方案，可以使用迭代算法来改进重构。用于非迭代重构的数据集还允许使用傅立叶层叠成像进行重构。良好的初始猜测可用(例如，从傅立叶相机fdet推断)的事实应当避免非收敛和高计算开销的问题。
[0070]
掩模可以包括相位调制器，而不是二元幅度调制器。在这样的实施例中，可以通过在扰动区域中施加三个相移来执行重构(这被称为相移全息术/干涉测量法，也被称为定量泽尼克相差显微术，见p.gao等人，“phase-shifting zernike phase contrast microscopy for quantitative phase measurement,”opt.lett.36，4305-4307(2011)，其通过引用结合在此)。在这种情况下，扰动区域不必在重构区域的边缘，而是可以在重构区域内。因此，将不需要对需要缝合在一起的不同区域执行多个非迭代重构。缺点可能包括相位调制器比幅度调制器更昂贵并且与波长无关。
[0071]
图8示出了另一种替代方案，其中掩模包括机械移动掩模rm，例如旋转掩模。这种掩模不会遭受像素化。更进一步地，因为这样的掩模是透射的，所以不需要光束另外通过分束器bs，从而减少了强度损失。然而，这样的实施例确实引入了机械移动。掩模rm可以是旋转掩模，包括选择性(例如，可以打开和闭合)扰动区域p。在一个示例中，扰动区域p与旋转掩模rm的旋转轴重合。
[0072]
将参考图9中示意性示出的简化布置来描述多个其它实施例。这示出了样品平面sp处的样品s、成像透镜l、掩模m和像平面ip处的检测器det。这些实施例中的每一个可以具有已经描述的光瞳/傅立叶平面成像分支。
[0073]
图10示出了掩模m包括具有参考针孔rp的光栅g的实施例。样品s被使用有限尺寸的光斑照射。由样品反射的场由成像透镜l成像。具有参考针孔rp的幅度光栅g被放置在透镜l的傅立叶平面fp中。参考针孔rp应该位于场幅度为高的位置。成像透镜l的像平面ip处的检测器或照相机det检测由光栅g在单个图像内产生的多个衍射阶。
[0074]
有两种解释重构方法的方式。一种方式是将其视为傅立叶变换全息术的实例。另一种方式是将其视为相移全息术的实例，其中使用光栅同时产生多个干涉图。在傅立叶变换全息解释中，二元幅度光栅具有一定的支撑。光栅的支撑和参考针孔的位置使得掩模的自相关包括光栅的直接重构；这样，从掩模自相关(即，其中掩模自相关是通过傅立叶变换强度图像而获得的)提取光栅重构是简单的。使用这种方法重构复值场的这种方法的更多细节可以在lu等人中找到：“noniterative spatially partially coherent diffractive imaging using pinhole array mask”，advanced photonics，1(1)，016005(2019)，其在此通过参考并入本文。在平行相移全息解释中，参考针孔在像平面中产生干涉像场的参考平
面波。为了使相移全息术工作，该参考平面波的相位必须相对于像场移动。通过引入光栅，产生相对于参考平面波而具有不同相位的像场的副本(即，衍射阶)。因此，通过在单次测量中测量多个衍射阶，单次拍摄(single-shot)重构是可能的。
[0075]
因此，单个测量和单个傅立叶变换对于重构是足够的，并且不需要部件的机械运动。然而，与这里描述的许多其它实施例相比，要求照相机具有明显更大的视场。
[0076]
图11示出了另一个自参考全息实施例，其可以使用成像透镜的傅立叶平面中的二元幅度调制器(例如，图9中的掩模m包括二元幅度调制器)来实现。在该实施例中，在傅立叶平面fp中限定了三个区域a1，a2和b。非迭代相位获取方法包括几个步骤。
[0077]
在第一步骤中，使用掩模m11(或两个掩模m11，m11'，以提高鲁棒性)通过傅立叶变换全息术重构区域b中的场。较暗的区域表示被阻挡的区域，较亮的区域表示透射的区域，其中透射的区域包括与傅立叶平面中定义的重构区域b对应的区域b'和多个参考点rp。
[0078]
然后进行两次测量：第一测量，其中区域a1 b中的场由掩模透射，以及第二测量，其中仅透射区域a1中的场。从这两个测量中，有可能直接提取区域a1中的场与区域b中的场的卷积。这可以使用与已经关于图6中描述的实施例描述的那些方法类似的方法来实现(例如，减去两个测量值并对结果进行逆傅立叶变换，并裁剪出成对图像)。为了更详细地说明如何做到这一点，可以参考前述的y.shao等人的“spatial coherence measurement and partially coherent diffractive imaging using self-referencing holography”或o.raz等人的“direct phase retrieval in double blind fourier holography,”opt.express 22，24935-24950(2014)，两者在此通过引用并入本文。将在前一步骤中获得的去卷积应用于区域b中的重构场(其在第一步骤中获得)，以便重构区域a1中的场。
[0079]
然后，执行对区域a2 b中的场被掩模透射的位置的第三测量，以及对仅区域a2中的场被透射的位置的第四测量，并且执行相同的过程以重构区域a2中的场。然后可以组合区域a1，a2和b中的场的重构以重构傅立叶平面中的完整场。由于参考点rp的有限尺寸和区域b的有限宽度，重构的质量下降。因此，可以执行使用迭代相位获取的最终细化。
[0080]
与图6和图10所示的实施例相比，该实施例的优点在于，它不依赖于假定幅度为高的单个参考点。相反，假设在区域b中的某处存在至少一个具有高幅度的点，这对于感兴趣的样品而言是成立的。因此，对于不同的样品，掩模不需要移位到不同的位置。
[0081]
在一个实施例中，也可能实施双盲傅立叶全息术，如o.raz等人的“direct phase retrieval in double blind fourier holography，”opt.express 22，24935-24950(2014)中所描述的，其通过引用并入本文。在这种情况下，只需要三次测量，每次使用图12所示的三个掩模m12，m13，m14中的一个。从三个对应的测量中，可以非迭代地构造和求解线性方程组。然而，因为每个系统都相当大并且存在许多系统(如果照相机具有n
×
n像素，则将存在2n个系统)，所以计算时间将显著高于上述提出的方法，除非2n个系统可以并行求解。
[0082]
现在将描述另一种混合相位获取方法，其示出与上述任何自参考全息实施例(例如，关于图6、图7、图8、图10或图11)的一些相似性。那个实施例和该实施例均解决了所谓的“孪生问题”。孪生问题是图像的空间内容包括线性成像中的两个项的问题(为了完整性，在所谓的成像过程的有效线性化中，存在将在后面讨论的用于非线性成像的第三项)，其中线性成像项中的一个被称为规则图像(更具体地，规则场)，而线性项中的另一个被称为孪生
图像(更具体地，孪生场)，因为它涉及点反转的对象波场。因此，在数学上，存在有助于由i( g)表示的相同图像强度(在傅立叶空间中，g是傅立叶空间中的2d空间频率向量)的以下两个线性项(为了简单起见，在此假设主(第一)空间频率沿透镜的光轴传播)：
[0083]
·
规则图像项：涉及由o( g)表示的物体的傅立叶系数(其中o是物体场的(复值)傅立叶变换，以及g是出射光瞳的傅立叶空间中的2d空间频率向量)；以及
[0084]
·
孪生图像项：涉及由o*(-g)(其中*表示复共轭)表示的物体的傅立叶系数。
[0085]
在该实施例中，提出了更有限的孔径选择，而不是由图6、图7图8、图10或图11描述的孔径布置；更有限的孔径选择仅影响成像过程中第一衍射阶的存在/省略。该孔径选择导致具有所选择的较高衍射阶(例如，第一衍射阶)的第一图像和不具有所选择的较高衍射阶的第二图像(否则是类似的)。在相位获取之前，从第一图像中减去第二图像导致成像过程的有效线性化。当与焦点变化结合时，这种线性化使得能够进行直接的非迭代相位获取过程，这也解决了孪生问题(与图11所示的直接解决孪生问题的更精细的孔径选择相比，由于有限的孔径选择，孪生问题仍然是一个问题)。它还确保了出射光瞳的大部分被用于成像，这与较早所述的自参考全息术实施例中的仅约一半或更少的情况相反，从而改善了对散粒噪声的鲁棒性。
[0086]
图13示出了根据示例性实施例的基本成像技术。该图分别示出了用于说明获取第一图像的装置的第一傅立叶平面表示fp1和用于说明获取第二图像(其中z是焦点设置)的装置的第二傅立叶平面表示fp2，它们一起构成第一图像对。在第一傅立叶平面表示中，所选择的较高衍射阶峰(例如，第一衍射阶峰)未被阻挡，而在第二傅立叶平面表示中，所选择的较高/第一衍射阶峰被阻挡。提出了例如按每个焦点设置z有一对的穿焦(thru-focus)序列来获得多个图像对，其中为这些图像对中的每一对计算差值；这实现了上述的有效线性化。
[0087]
用于选择性地阻挡傅立叶平面中的第一衍射阶(例如，通过如图9所示的适当配置的掩模m或幅度调制器)同时对光瞳的其余部分具有最小影响的任何合适的布置可以用于该实施例。在所示的具体示例中，有两个对角或倾斜定向的细长遮蔽物m15a，m15b，它们可以彼此相向和相背地移动，以选择性地阻挡(在傅立叶平面的中心的)第一衍射阶。遮蔽物的定向应该相对于衍射图案倾斜(例如，以45度)，以便当被配置为遮蔽物m15b时，以便在选择性阻挡的第一衍射阶之外最小化衍射辐射的阻挡。
[0088]
第一图像将包括线性项和非线性项，而第二图像应仅包括非线性项。数学地表达为：
[0089][0090]
[0091]
其中g是出射光瞳中的2d坐标(傅立叶平面中的空间频率)，g1是出射光瞳中的第一衍射阶的2d坐标，φ是傅立叶平面中的目标的复场并且pz是傅立叶平面中的相位传递函数。
[0092]
因此，两个图像的差异δiz应仅包括线性项：
[0093][0094]
因此，复值场随后可以作为简单拟合问题而被获取，从而产生两个线性方程组。由δiz(g)所描述的线性化图像强度包括孪生图像和规则图像的和：
[0095][0096]
其中x，y包括两个未知数。穿焦序列中的焦点多样性使得能够将孪生图像与规则图像分离(并且因此解决了孪生问题)，例如，通过求解两个未知数x，y的简单线性最小二乘拟合：
[0097]
δiz＝x pxz y py
z for z∈{z1，z2，...，zn}
[0098]
利用所获取的x，即x＝φ(g g1)φ
*
(g1)，下一步骤是获取φ
*
(g1)以获得复值场φ(g g1)。该项φ
*
(g1)可以自由选择为具有零相位。将该幅度表示为b，则对于每个散焦值z，可以经由图像对知的两个图像的dc分量来确定该幅度，因为：
[0099][0100]
应当注意，b的这个值可以优选地在每个相位获取步骤中确定(例如，对于导致 1阶和-1阶暗场成像的两个照射设置)。
[0101]
依赖于用于参考的针孔(扰动区域)的本文描述的部分自参考全息术方法(例如，关于图6、图7、图8和图10描述的那些)的另一个问题是，对于不同的样品，掩模可能需要移位到不同的位置，因为针孔需要位于场强为高的点处。如果不同的样品具有不同节距的目标，则在具有高强度的场中将存在点的偏移。为了解决这个问题，提出了一种替代的测量装置，其使用来自散射辐射(即，来自样品的镜面反射辐射)的零阶作为参考。
[0102]
图14的(a)示意性地示出了用于实现零阶自参考全息术的布置。点源(例如，照射针孔ph)通过一个或多个输入透镜il成像到第一透镜l1(例如，物镜)的光瞳平面上。第一透镜l1将照射束ib聚焦到衬底w上的样品t上，并捕获反射的第零阶0th(实线)和至少一个较高的衍射阶第1阶(例如， /-第1阶—虚线)。第二透镜l2在中间图像平面iip处产生中间图像。中间图像使用(例如，单个)第三透镜l3重新成像。包括掩模针孔ph'的掩模m位于透镜l3的傅立叶平面fp处。掩模针孔ph'的位置与第零阶0th重合。如前，两个图像被拍摄：一个具有打开的掩模针孔ph'，一个具有阻塞的掩模针孔ph'。可选地，如果掩模针孔ph'处的场在检测器det处不产生均匀平面波，则可以拍摄仅包括由掩模针孔ph'透射的场的第三图像。
[0103]
掩模m可以包括基本上通过全场(包括全第一衍射阶)而不是选择性地打开和闭合
掩模针孔ph(其位于与该傅立叶平面中的零阶位置一致的固定位置)的孔。关于图10的实施例，使用零阶作为参考意味着针孔可以位于光栅g的边缘，而不是在其内部。然而，如果处于第零阶的针孔足够远离处于第一阶的重构区域，则不需要光栅，因为可以使用本实施例的方法来应用规则的单次拍摄傅立叶变换全息术。
[0104]
重构方法可以再次包括类似于已经关于图6中描述的实施例描述的那些方法的方法(例如，减去两个测量值并对结果进行逆傅立叶变换，并剪裁孪生图像)。如果针孔不产生均匀的平面波(由于针孔的有限尺寸)，则可选的第三图像可用于通过对重构图像进行傅立叶变换(以从光瞳平面到图像平面)来对此进行校正，并将结果除以第三测量的平方根。
[0105]
在一个实施例中，针孔可以被切趾以产生更平滑的参考光束。
[0106]
使用相同的透镜用于照射和检测意味着更强的照射光束必须在其到达衬底的路径上穿过光学系统。来自表面的任何内部反射或散射导致杂散光，其可引起成像误差，特别是当来自目标的衍射弱时。
[0107]
图14的(b)和(c)示出了物镜布置的简化布置，其通过使用分开的第一透镜l1'代替图14的(a)中的第一透镜(物镜)l1来减轻双重反射和散射。分开的第一透镜l1'包括将第一透镜l1分成三个透镜部分lp1，lp2，lp3的间隙lg。间隙lg应该足够大以防止透镜部分lp1，lp2，lp3之间的光耦合。在本文中，足够大可以为显著大于光的波长(例如，100λ)。间隙lg可以可选地填充有吸收材料。用于照射和检测的单个透镜的使用确保了满足成像条件，并且第零阶和第一阶是路径长度匹配的。
[0108]
第一透镜部分lp1用于将照射光束1b聚焦到样品t上，第二透镜部分lp2用于捕获较高衍射阶1st，第三透镜部分lp3用于捕获镜面反射零阶0th。可以提供滤波针孔fph以对0阶0th参考光束进行空间滤波。然后，零阶和一阶光束将由第二透镜l2(图14的(c)中未示出)聚焦在中间图像平面iip上。注意，可在上述其它实施例中使用分开的透镜的概念，尽管这样的透镜可仅包括第一透镜部分(用于照射光束)和第二部分(用于衍射阶)，因为零阶通常不被捕获。
[0109]
在该布置中(可选地)，通过直接使用照射光纤if的光纤尖端作为放置在分开的第一透镜l1'的光瞳平面处的点光源，也避免了使用分束器bs。与使用分束器相比，这使得系统紧凑并且光高效。然而，这是以套刻现在仅能够在晶片旋转模式中测量为代价的。
[0110]
这种零阶自参考全息术方法的优点在于掩模不再需要移位。通过将针孔放置成与零阶一致，同时重构较高阶(例如， 1阶或-1阶)，确保了强参考波，并且针孔的位置对于不同样品可以是相同的(因为零阶的位置是固定的)。此外，仅需要进行一次重构，因为重构仅针对针孔的一侧：相反，图6的布置需要将不同的重构区域缝合在一起，每个重构区域分别被重构。然而，系统现在将具有减小的na，因为na的一部分用于照射，而一部分用于捕获零阶。此外，杂散光风险仍更高：照射光束和零阶(都具有高强度)必须通过物镜的事实增加了杂散光干扰成像过程的风险(尽管这可以通过使用所述的分开的透镜来减轻)。
[0111]
另一种自参考全息术方法可以使用二元全息图或lee全息图来通过相移全息术执行单次拍摄相位获取，而无需快速傅立叶变换计算。
[0112]
图15是这种实施例的简化布置的示意表示。样品s由相对于样品表面以一定角度入射的照射辐射ir照射。来自样品表面的散射辐射sr由第一透镜l1(例如，量测设备的物镜)收集，并且随后由第二透镜l2(例如，镜筒透镜)成像到第一图像平面ip1上。孔ap用于在
第一图像平面ip1处截断样品的图像，从而防止三个捕获图像的重叠。应当注意，如果布置和样品/照射参数使得图像在任何情况下都是分离的，而不将其包含在内，则可以省略孔径。然后，通过第三透镜l3将(截断的)第一图像重新成像到检测器det(例如ccd相机)所在的检测平面上。可以包括空间光调制器(slm)并且更具体地可以包括数字微镜器件(dmd)的调制器m被放置在第三透镜l3的傅立叶平面处。dmd是包括多个(例如，数百万个)微小可切换反射镜的微机电系统设备。这样的微小反射镜可以具有微米级尺寸，并且每个反射镜(或像素)可以被单独控制/切换。dmd已经成功地应用于对激光束进行整形并产生各种不同的横向激光模式，例如拉格尔-高斯(laguerre-gaussian)光束，高斯模式(ince-gaussian)以及柱对称矢量涡流束。调制器m对该傅立叶平面处的散射辐射施加二元调制。
[0113]
根据实施例，由调制器m赋予的图案可以是光相位和幅度的复数场调制的二元全息图表示，例如lee全息图。在调制器包括dmd的情况下，由于dmd只能应用二元幅度调制，所以可以采用两个转换步骤。第一步骤可以包括将预期复值调制转换成根据正实值lee全息图f(x)的表达式，即：
[0114]
f(x)＝c h(x)e
ivx
h(x)
*
e-ivx
[0115]
其中h(x)是复值lee全息图的预期复值调制，并且e
ivx
定义载波。正实值lee全息图，即等式(1)的f(x)，然后可以被转换为二元全息图，例如通过抖动正实值lee全息图f(x)。
[0116]
在照射辐射的傅立叶平面中的正实值调制f(x)的结果是产生三个阶c，h(x)，h(x)
*
，它们在检测平面处空间分离；其中的每一个对应于上述f(x)等式的三项的相应系数。例如，三个空间分离的辐射束包括：1)对应于常系数c的未调制束；2)对应于调制系数h(x)的第一调制束；以及3)对应于调制系数h(x)*的第二调制束。
[0117]
通过选择合适的h(x)值，例如用于包括相对于参考点x0的2/3π相移，在检测器平面处测量的三个阶将对应于相移干涉测量法所需的图像：即干扰平面波的场，该平面波对于每个束分别被相移-2/3π、0和2/3π弧度。可以简单地通过取这三个图像的线性组合来恢复复值场。
[0118]
应当注意，可以应用h(x)的其它选择来获得用于相位获取的不同种类的分集。例如，如果h(x)被选择为二次相位轮廓，则可能在单次拍摄中测量可用于迭代相位获取的三个穿焦(through focus)图像。
[0119]
该方法的优点是dmd快速，可以在宽的波长范围内工作，并且不需要机械运动。而且，相位获取只需要单次拍摄而不需要fft。另一个优点是一个调制设备(例如，dmd)可以同时执行相位获取和像差校正。通过控制dmd以施加像差校正函数(例如，基于量测系统的光学像差的预特征化或基于监测图像质量的优化方法，同时改变所施加的校正直到优化)，第一调制辐射束h(x)将包括像差校正图像。
[0120]
图16示出了使用包括多个针孔ph的旋转针孔掩模m15的傅立叶层叠成像(ptychographic)相位获取实施例。针孔掩模m16在傅立叶平面内旋转，其旋转轴在光束路径之外。这引入了一系列已知的幅度调制，其将被用于重构区域rr(阴影较暗的区域)的傅立叶层叠成像相位获取中。傅立叶层叠成像是一种已知的方法(虽然通常以不同方式实现)，例如参见g.zheng等人，“wide-field，high-resolution fourier ptychographic microscopy”。nature photonics 7.9(2013)：739(通过引用并入本文)。
[0121]
这种掩模可以确保鲁棒的重构，因为每个针孔强加了强的定位约束。如果在图像平面中检测到高强度，则可以假设其必须来自由针孔限定的受限区域。通过来回移动针孔以获得不同针孔位置的图像序列(掩模m16'是已经旋转的相同掩模)，重构几乎成为组合学的问题：在每个图像中，可以假设高强度的检测都来自与针孔相对应的区域(针孔位置是已知的)。因此，如果一组测量都包括高强度，则可以确定所有这些图像所共有的针孔所覆盖的区域，该针孔必须是检测能量的来源。作为对比，应用焦点变化导致在傅立叶平面中应用相位调制，这不给出这种定位约束。
[0122]
这样，重构方法可以包括迭代地最小化估计的图像幅度(其从由已知调制约束(即，针孔位位置)的傅立叶平面中的估计场计算)和测量的图像幅度之间的差。
[0123]
在该实施例中迭代地确定相位(这与其它实施例不同)，但是可以预期，与基于焦点分集的方法相比，相位获取算法的迭代所需的次数将相当少(例如，在10倍的范围内)。
[0124]
图17是示出可帮助实现本文所公开的方法和流程的计算机系统1600的框图。计算机系统1600包括总线1602或用于传送信息的其它通信机制，以及与总线1602耦合用于处理信息的处理器1604(或多个处理器1604和1605)。计算机系统1600还包括耦合到总线1602的主存储器1606，例如随机存取存储器(ram)或其它动态存储设备，用于存储信息和将由处理器1604执行的指令。主存储器1606还可用于在处理器1604执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。计算机系统1600还包括耦合到总线1602的只读存储器(rom)1608或其它静态存储设备，用于为处理器1604存储静态信息和指令。诸如磁盘或光盘的存储设备1610被提供并耦合到总线1602，用于存储信息和指令。
[0125]
计算机系统1600可以经由总线1602耦合到显示器1612，例如阴极射线管(crt)或平板或触摸面板显示器，用于向计算机用户显示信息。包括字母数字键和其它键的输入设备1614耦合到总线1602，用于向处理器1604传送信息和命令选择。另一种类型的用户输入设备是光标控制器1616，例如鼠标，跟踪球或光标方向键，用于向处理器1604传送方向信息和命令选择，以及用于控制显示器1612上的光标移动。该输入设备通常在两个轴(第一轴(例如，x)和第二轴(例如，y))上具有两个自由度，这允许设备指定平面中的位置。触摸面板(屏幕)显示器也可以用作输入设备。
[0126]
这里描述的一个或多个方法可以由计算机系统1600响应于处理器1604执行主存储器1606中包含的一个或多个指令的一个或多个序列而执行。这样的指令可以从诸如存储设备1610的另一计算机可读介质读入主存储器1606。包含在主存储器1606中的指令序列的执行使处理器1604执行这里描述的处理步骤。多处理装置中的一个或多个处理器也可用于执行主存储器1606中包含的指令序列。在可替换的实施例中，硬连线电路可以用于代替软件指令或与软件指令结合使用。因此，这里的描述不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
[0127]
这里使用的术语“计算机可读介质”是指参与向处理器1604提供指令以供执行的任何介质。这种介质可以采用许多形式，包括但不限于非易失性介质，易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储设备1610。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器1606。传输介质包括同轴电缆，铜线和光纤，包括构成总线1602的导线。传输介质还可以采用声波或光波的形式，例如在射频(rf)和红外(ir)数据通信期间产生的声波或光波。计算机可读介质的常见形式包括例如软盘，柔性盘，硬盘，磁带，任何其它磁性介质，cd-rom，dvd，任何其它光学介质，穿孔卡片，纸带，具有孔图案的任何其它物理介质，
ram，prom和eprom，flash-eprom，任何其它存储器芯片或盒，如下文所述的载波，或计算机可从其读取的任何其它介质。
[0128]
各种形式的计算机可读介质可涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器1604以供执行。例如，指令最初可以承载在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将指令加载到其动态存储器中，并使用调制解调器通过电话线发送指令。计算机系统1600本地的调制解调器可以接收电话线上的数据，并使用红外发射器将数据转换为红外信号。耦合到总线1602的红外检测器可接收红外信号中携带的数据并将数据置于总线1602上。总线1602将数据传送到主存储器1606，处理器1604从主存储器1606获取并执行指令。由主存储器1606接收的指令可以可选地在由处理器1604执行之前或之后存储在存储设备1610上。
[0129]
计算机系统1600还优选地包括耦合到总线1602的通信接口1618。通信接口1618提供耦合到连接到本地网络1622的网络链路1620的双向数据通信。例如，通信接口1618可以是综合业务数字网(isdn)卡或调制解调器，以提供到对应类型电话线的数据通信连接。作为另一个示例，通信接口1618可以是局域网(lan)卡，以提供到兼容lan的数据通信连接。也可以实现无线链路。在任何这样的实现中，通信接口1618发送和接收携带表示各种类型的信息的数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。
[0130]
网络链路1620通常通过一个或多个网络向其它数据设备提供数据通信。例如，网络链路1620可以通过本地网络1622提供到主计算机1624或到由因特网服务提供商(isp)1626操作的数据设备的连接。isp 1626又通过全球分组数据通信网络(现在通常称为“因特网”1628)提供数据通信服务。本地网络1622和因特网1628都使用承载数字数据流的电信号、电磁信号或光信号。通过各种网络的信号和网络链路1620上的信号以及通过通信接口1618的信号(其携带去往和来自计算机系统1600的数字数据)是传输信息的载波的示例性形式。
[0131]
计算机系统1600可以通过网络、网络链路1620和通信接口1618发送消息和接收数据，包括程序代码。在因特网示例中，服务器1630可以通过因特网1628、isp 1626、本地网络1622和通信接口1618发送应用程序的请求代码。例如，一个这样的下载的应用可以提供这里描述的一种或多种技术。所接收的代码可在其被接收时由处理器1604执行，和/或存储在存储装置1610或其它非易失性存储装置中以供稍后执行。这样，计算机系统1600可以获得载波形式的应用程序代码。
[0132]
在随后的编号条款中公开了另外的实施例：
[0133]
1.一种确定与使用成像系统测量的样品相关的复值场的方法，包括：
[0134]
获得与在该成像系统的图像平面处成像的该样品的一系列图像相关的图像数据，并且针对该图像数据，在该成像系统的傅立叶平面中施加至少两个不同的调制函数；以及
[0135]
基于所施加的调制函数从成像数据确定复值场。
[0136]
2.根据条款1所述的方法，其中所述至少两个不同的调制函数包括多个调制函数对，每一调制函数对包括仅在扰动区域中不同的调制函数。
[0137]
3.根据条款2中所述的方法，其中每个调制函数包括对应的重构区域和阻挡区域，对于每个不同的调制函数对，该重构区域覆盖的傅立叶平面的不同部分。
[0138]
4.根据条款2或3所述的方法，其中所述调制函数对由二元幅度调制器实现。
[0139]
5.根据条款2或3所述的方法，其中所述调制函数对是通过具有选择性闭合孔径的
移动掩模来实现的，所述选择性闭合孔径用于提供所述扰动区域处的调制函数的差异。
[0140]
6.根据条款5所述的方法，其中所述移动掩模是旋转掩模，并且所述选择性闭合孔径位于旋转轴处。
[0141]
7.根据条款2所述的方法，其中所述调制函数对由相位调制器实现。
[0142]
8.根据条款7所述的方法，其中所述扰动区域位于所述重构区域内。
[0143]
9.根据条款2至8中任一项所述的方法，其中所述扰动区域位于所述傅立叶平面中的高强度区域处。
[0144]
10.根据条款2至9中任一项所定义的方法，包括以下步骤：
[0145]
通过对所述一系列图像进行逆傅立叶变换，并且确定对应于所述多个调制函数对中的每一调制函数对的图像对的结果之间的差，来确定多个部分重构的傅立叶变换；
[0146]
组合所述部分重构的傅立叶变换以获得重构的傅立叶变换；以及
[0147]
从重构的傅立叶变换确定所述复值场。
[0148]
11.根据条款2至10中任一项所定义的方法，包括通过执行以下各项中的一项或多项来重构该扰动区域处的场的步骤：
[0149]
从所述傅立叶平面的对应图像推断所述扰动区域处的幅度；
[0150]
执行所述方法以针对两个或更多个扰动区域进行重构并且使用该重构中的一者来重够另一者的扰动区域；
[0151]
使用傅立叶层叠成像迭代地重构扰动区域处的场。
[0152]
12.根据条款1所述的方法，其中该调制函数包括一个幅度光栅和参考针孔；并且上述方法包括：
[0153]
在单个图像中捕获由所述光栅衍射的多个衍射阶；以及
[0154]
从成像的多个衍射阶确定复值场。
[0155]
13.根据条款12所述的方法，其中使用傅立叶变换全息术或平行相移全息术之一从所述成像数据确定所述复值场。
[0156]
14.根据条款12或13所述的方法，其中所述参考针孔位于所述傅立叶平面中的高强度区域处。
[0157]
15.根据条款1所述的方法，包括在该傅立叶平面中定义的至少三个区域：第一重构区域，第二区域和第三区域；
[0158]
从所述图像数据为所述第一重构区域重构所述场，所述图像数据从至少第一调制函数获得，所述第一调制函数仅在所述第一重构区域中和在多个参考点处透射或反射；
[0159]
通过以下步骤重构所述第二区域和第三区域的场：
[0160]
根据从仅在第一重构区域和第二区域中透射或反射的第二调制函数和仅在第二区域中透射或反射的第三调制函数获得的图像数据，确定第一重构区域和第二区域的场的第一卷积；
[0161]
从仅在第一重构区域和第三区域中透射或反射的第四调制函数和仅在第三区域中透射或反射的第五调制函数获得的图像数据确定第一重构区域和第三区域的场的第二卷积；
[0162]
使用用于第一重构区域的重构场，对第一卷积去卷积，以重构第一区域的场，以及对第二卷积进行去卷积，以重构第二区域的场；
[0163]
组合第一重构区域，第二区域和第三区域的重构场以确定所述复值场。
[0164]
16.根据条款1所述的方法，包括：
[0165]
从所述图像数据构造多个线性方程组，所述图像数据至少包括从与待重构的全场对应的至少第一调制函数获得的第一图像，从与所述全场的第一半对应的第二调制函数获得的第二图像以及从与所述全场的第二半对应的第三调制函数获得的第三图像；以及
[0166]
使用双盲傅立叶全息术非迭代地求解所述多个线性方程组。
[0167]
17.根据条款1所述的方法，其中所述至少两个不同的调制函数包括用于获得图像对的第一图像的第一调制函数和用于获得所述图像对的第二图像的第二调制函数，并且其中所述调制函数之间的唯一实质差异是所述第二调制函数阻挡所选择的较高衍射阶，并且所述第一调制函数不阻挡所选择的较高阶。
[0168]
18.根据条款17中所述的方法，其中所述第一调制函数和所述第二调制函数每个阻挡由傅立叶平面所限定的面积的不到10％或5％。
[0169]
19.根据条款17或18中所述的方法，其中第一调制函数和第二调制函数被配置成阻挡最小量的衍射辐射，除了由第二调制函数阻挡所选择的较高阶之外。
[0170]
20.根据条款17、18或19所述的方法，进一步包括：
[0171]
为所述图像对中的每一对确定第一图像和第二图像的差异图像，所述差异图像中的每一个仅根据线性成像项来描述该图像。
[0172]
21.根据条款20所述的方法，包括捕获多个所述图像对，每个图像对与多个聚焦级别之一相关；以及确定每个图像对的差异图像以获得穿焦系列的差异图像；以及
[0173]
通过在所述穿焦系列的所述差异图像上进行两个未知数的线性拟合，在所述确定的每个差异图像中将孪生图像与规则图像分离。
[0174]
22.根据条款1所述的方法，其中：
[0175]
这两个不同的调制函数的不同之处仅在于：限定了扰动区域的参考针孔的选择性打开和闭合，所述扰动区域在该傅立叶平面中与来自该样品的反射辐射的零阶对准；并且
[0176]
所述确定复值场是通过使用所述零阶参考的自参考全息方法来执行的。
[0177]
23.根据条款22所述的方法，其中所述两个不同调制函数中的每一个基本上通过所述傅立叶平面的全场，除了所述扰动区域在所述两个不同调制函数中的仅一个中被阻挡。
[0178]
24.根据条款22或23所述的方法，其中该确定步骤包括：
[0179]
确定对应于所述两个不同调制函数中的第一调制函数的第一测量与对应于所述两个不同调制函数中的第二调制函数的第二图像的差异；以及
[0180]
对结果进行逆傅立叶变换以获得重构的复数场。
[0181]
25.根据条款24所述的方法，其中所述确定步骤还包括从所述重构的复数场剪裁掉孪生场。
[0182]
26.根据条款24或25所述的方法，进一步包括获得对应于第三调制函数的第三测量，该第三调制函数阻挡除了该扰动区域之外的该全场，并且使用该第三测量来针对该扰动区域的有限大小的影响校正该重构的复数场。
[0183]
27.根据条款22至26中任一项所述的方法，进一步包括：
[0184]
将点源聚焦到样品上，
[0185]
将零阶和至少一个较高的衍射阶聚焦在中间图像平面处；以及
[0186]
在对中间图像平面重新成像的透镜的傅立叶平面上施加调制函数。
[0187]
28.根据条款22至27中任一项所述的方法，包括使用分开的物镜来照射该样品并且捕获该第零辐射和至少一个较高的衍射阶；其中分开的物镜包括由间隙分开的多个部分，所述多个部分包括用于将照射辐射聚焦到样品上的第一部分，用于捕获至少一个较高衍射阶的第二部分和用于捕获零阶的第三部分。
[0188]
29.根据条款22至28中任一项所述的方法，其中所述参考针孔被切趾。
[0189]
30.根据任一前述条款所述的方法，其中对于大部分的所述复值场，确定所述复值场的步骤被非迭代地执行。
[0190]
31.根据条款1所述的方法，其中该调制函数包括具有多个针孔孔径的掩模，该多个针孔孔径对于该图像序列的不同图像处于不同定向；以及
[0191]
确定所述复值场的步骤包括使用迭代傅立叶层叠成像重构来重构所述复值场。
[0192]
32.根据条款1所述的方法，其中所述调制函数包括预期复值调制的二元表示。
[0193]
33.根据条款32所述的方法，其中预期复值调制的二元表示包括预期复值调制的lee全息图表示。
[0194]
34.根据条款33所述的方法，包括检测三个空间分离的阶，即：一个未调制的阶和两个由预期的复值调制和相互相反符号的载波调制的阶。
[0195]
35.根据条款33或34所述的方法，其中所述预期复值调制包括相对于参考点的2/3π相移。
[0196]
36.根据条款35所述的方法，其中所述预期复值调制进一步包括像差校正部件，用以校正所述成像系统中的像差。
[0197]
37.一种用于执行任一前述条款所述的方法的量测设备，包括：
[0198]
用于对从样品反射的场进行成像的成像系统；
[0199]
在所述成像系统的傅立叶平面处的至少一个调制器，用于定义每个调制函数；以及
[0200]
在成像系统的图像平面处的检测器，用于捕获每个所述图像。
[0201]
38.根据条款37所述的量测设备，还包括用于在所述调制之前对傅立叶平面成像的第二检测器。
[0202]
39.一种计算机程序，包括当在适当的装置上运行时可操作以执行条款1至36中任一项所述的方法的程序指令。
[0203]
40.一种非瞬态计算机程序载体，包括根据条款39所述的计算机程序。
[0204]
41.一种处理设备，可操作来运行条款39的计算机程序。
[0205]
42.一种量测设备，用于执行条款22至29中任一项所述的方法，包括：
[0206]
用于对从样品反射的场进行成像的成像系统；
[0207]
在所述成像系统的傅立叶平面处的至少一个调制器，用于定义每个调制函数；以及
[0208]
在该成像系统的图像平面处的检测器，用于捕获所述图像中的每一个图像；
[0209]
其中所述成像系统包括：
[0210]
第一透镜，用于将点源聚焦到该样品上并且捕获第零阶和至少一个较高的衍射
阶，
[0211]
第二透镜，用于将所捕获的零阶和至少一个较高的衍射阶聚焦在中间图像平面上；以及
[0212]
第三透镜，其对所述中间图像平面进行重新成像；以及
[0213]
其中所述调制器位于所述第三透镜的傅立叶平面处。
[0214]
43.根据条款42所述的量测设备，其中所述第一透镜包括具有由间隙分开的多个部分的分开的透镜，所述多个部分包括用于将所述点源聚焦到所述样品上的第一部分、用于捕获所述至少一个较高衍射阶的第二部分以及用于捕获所述第零阶的第三部分。
[0215]
44.根据条款42或43所述的量测设备，还包括聚焦在所述第一透镜上作为所述点源的照射光纤或针孔。
[0216]
45.根据条款42、43或44所述的量测设备，其中所述调制器包括针孔孔径，所述针孔孔径可选择性地打开和闭合以分别限定第一调制函数和第二调制函数，所述针孔孔径位于与所述傅立叶平面处的第零阶重合的位置处，所述第一调制函数和第二调制函数中的每一者否则在所述傅立叶平面处穿过所述全场。
[0217]
尽管在本文中可以具体参考光刻装置在ic制造中的使用，但是应当理解，这里描述的光刻装置可以具有其它应用。可能的其它应用包括集成光学系统的制造，磁畴存储器的引导和检测图案，平板显示器，液晶显示器(lcd)，薄膜磁头等。
[0218]
尽管在本文中可以在检查或量测装置的上下文中具体参考本发明的实施例，但是本发明的实施例可以用在其它装置中。本发明的实施例可以形成掩模检查装置、光刻装置或测量或处理诸如晶片(或其它衬底)或掩模(或其它图案形成器件)的物体的任何装置的一部分。术语“量测装置”还可以指检查装置或检查系统。例如：包括本发明的实施例的检查装置可用于检测衬底的缺陷或衬底上的结构的缺陷。在这样的实施例中，衬底上的结构的感兴趣特性可以与结构中的缺陷、结构的特定部分的缺失、或衬底上不想要的结构的存在有关。
[0219]
尽管具体参考了“量测装置/工具/系统”或“检查装置/工具/系统”，但是这些术语可以指相同或相似类型的工具、装置或系统。例如：包括本发明实施例的检验或量测装置可用于确定衬底上或晶片上的结构的特性。例如：包括本发明实施例的检查装置或量测装置可用于检测衬底的缺陷或衬底上或晶片上的结构的缺陷。在这样的实施例中，衬底上的结构的感兴趣的特性可以与结构中的缺陷、结构的特定部分的缺失、或衬底上或晶片上的不想要的结构的存在有关。
[0220]
尽管上面已经具体参考了本发明的实施例在光学光刻的上下文中的使用，但是应当理解，在上下文允许的情况下，本发明不限于光学光刻并且可以用于其它应用，例如压印光刻。
[0221]
虽然上述目标或目标结构(更一般地，衬底上的结构)是为测量目的而专门设计和形成的量测目标结构，但是在其它实施例中，可以在作为形成在衬底上的器件的功能部件的一个或多个结构上测量感兴趣的特性。许多器件具有规则的光栅状结构。这里使用的术语“结构”、“目标光栅”和“目标结构”不要求该结构专门为正在进行的测量而提供。此外，量测目标的节距p可以接近于散射仪的光学系统的分辨率极限，或者可以更小，但是可以远大于在目标部分c中通过光刻工艺制成的典型产品特征的尺寸。实际上，可以使目标结构内的
套刻光栅的线和/或间隔包括尺寸类似于产品特征的较小结构。
[0222]
虽然上面已经描述了本发明的特定实施例，但是应当理解，本发明可以以不同于所描述的方式来实施。以上描述旨在说明而非限制。因此，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离以下阐述的权利要求的范围的情况下，可以对所描述的本发明进行修改。