确定物体的区域的相位和/或折射率的方法以及确定物体的区域的相位和/或折射率的显微镜

技术领域

本发明涉及用于确定物体的区域的相位和/或折射率的方法和显微镜。

相关领域的交叉引用

本申请要求2022年10月12日提交的申请号为10 2022 126 509.9的德国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

已知的显微镜，例如宽场(wide-field)显微镜或共焦显微镜，可用于对物体的某个区域进行放大的强度的记录(magnified intensity recordings)。然而，人们常常对物体区域的相位感兴趣，因为可以从中获得关于物体区域的进一步有价值的信息。例如，从其可以由此导出样本材料的折射率和/或蚀刻深度。

在这方面，在生物科学中有一些应用，诸如例如对透明物体(诸如细胞)的成像，对组织的成像、对细胞生长的监测等。在材料检测领域，人们也对确定物相感兴趣，特别是在半导体制造领域(例如对光刻物体(例如光掩模)的蚀刻深度的检测)。半导体晶圆、光子集成电路或微机电系统也是优选的应用领域。

用于半导体生产的现代光掩模(特别是用于例如365nm、248nm和193nm波长的所谓DUV光掩模)不仅具有二元结构，而且包含相变特性。这种光掩模例如通过蚀刻(CPL；无铬相移光刻)或由相移材料(MoSi)形成。对于EUV掩模(EUV＝深紫外线，例如13.5nm的波长)，目前正在研究相移特性和材料。相移特性对于光掩模生产过程中的计量至关重要。DUV(DUV＝深紫外线，例如193nm或238nm的波长)或EUV坯料(blanks)的多层缺陷将作为扫描仪或测量工具中的相位缺陷出现。这种相位缺陷实际上不可能通过强度记录(intensityrecordings)来发现。

因此，现在存在从已测量的强度记录中来重建物相(object phase)的兴趣，并且为此目的已经开发了许多算法。已知的技术是通过迭代傅立叶变换算法(IFTA)，也称为Gerchberg-Saxton，来进行相位重建，或通过强度传输方程(TIE)进行相位重建。当然，也可以通过其他方法，例如数字全息图，叠印法(Ptychography)或干涉法测量之类来获得相位信息，但与标准显微镜相比，它们需要不同的光学设置。

从强度聚焦堆叠(intensity focus stacks)来进行相位重建的已知困难涉及散焦被表现为显微镜的出射光瞳的二次相位前。因此，与较高的频率相比，低频率受聚焦的变化的影响较小，并且因此，缓慢变化的相物体以及大型的清晰的区域只能在克服很大困难的情况下被重建。此外，由于散焦的结果，光瞳的多样化仅保持聚焦内/聚焦外(intra-/extra-focal)的对称性，并且算法的收敛性并不最佳。

因此，将其作为出发点，本发明解决的问题是提供改进的方法来确定物体的区域的相和/或折射率以及相应的显微镜。

发明内容

本发明在独立权利要求1和14中限定。在从属权利要求中指定了有利的进一步设置。

提供了一种确定物体的区域的相位和/或折射率的方法，其中

a)用相干或部分相干的光照射所述物体区域，并借助于显微镜的具有物镜的成像光学单元，沿着从所述物体区域开始直到像平面的成像光路，以不同的成像属性将所述物体区域成像到像平面上数次并进行记录，以获得所述物体区域的多个强度记录，

b)在所述多个强度记录的基础上执行所述相位和/或折射率的确定，

c)其中，所述不同的成像属性至少就不同的相移而言是不同的，所述不同的相移被附加地引入所述成像光路，并且所述不同的相移的产生方式不同于通过在执行所述记录时改变聚焦，并且其中

d)通过将至少一个光学元件引入物镜和/或操纵所述物镜的至少一个光学元件来实现被附加地引入所述成像光路的所述不同的相移。

此外，提供了一种用于确定物体的区域的相位和/或折射率的显微镜，其中

用来自照射模块的相干或部分相干的光照射所述物体区域，并借助于所述显微镜的具有物镜的成像光学单元，沿着从所述物体区域开始直到像平面的成像光路，以不同的成像属性将所述物体区域成像到像平面上数次并进行记录，以获得所述物体区域的多个强度记录，

所述相位和/或折射率的确定在所述多个强度记录的基础上执行，

其中，所述不同的成像属性的不同之处至少在于不同的相移，所述不同的相移被附加地引入到所述成像光路中，并且所述不同的相移的产生方式不同于通过在执行所述记录时改变聚焦，并且其中

通过将至少一个光学元件引入物镜和/或操纵所述物镜的至少一个光学元件来实现被引入所述成像光路中的所述不同的相移。

由于根据发明，不同的成像属性的不同之处至少在于不同的相移，不同的相移被附加地引入到所述成像光路中，并且所述不同的相移的产生方式不同于通过在执行所述记录时改变聚焦的方式，这可以精确地引入这样的相移，所述相移与二次相位前(quadraticphase front)相比将更大程度地变化的相位前引入到出射光瞳中。从而可以恰使低频被更好地影响，作为其结果，甚至缓慢相变的物体(或具有局部缓慢相变的物体区域)也能被更好地重建。

操纵所述物镜的至少一个光学元件可以包括例如使至少一个透镜位移以使显微镜适应不同的盖玻片厚度，使所述物镜的至少一个透镜横向地位移，使所述物镜的至少一个透镜变形(例如，为了改变像散(astigmatism))和/或加热所述物镜的至少一个透镜。

此外，可以将相板引入显微镜中，也可以将某些其他的改变相位的物体引入显微镜中，以生成不同的成像属性。

不同的成像属性可能是一种非球形畸变，例如彗形象差(coma)和/或像散。

当通过使物镜的至少一个透镜移位来使显微镜适应不同的盖玻片厚度时，可以使用显微镜的通常提供的部件。因此，执行根据发明的方法无需其他硬件。

显微镜可以是宽场显微镜，共焦显微镜或其他显微镜。特别是，显微镜可以配置为透射光或反射光显微镜和/或倒置(inverse)显微镜。

显微镜可以具有控制单元(其具有例如处理器、存储器、输入接口、输出接口等)，其控制了显微镜的操作以进行所述强度记录。控制单元还可以根据所述多个强度记录来进行所述相位和/或折射率的确定。但是，控制单元也可以与外部计算机或控制单元一起执行上述相位和/或折射率确定，或者控制单元可以将强度记录(或者只是记录的原始数据)传输给外部计算机，然后外部计算机进行所述相位和/或折射率的确定。在这种情况下，外部计算机作为显微镜的一部分，即使对于用于进行强度记录的显微镜的操作来说并不需要该外部计算机。

物体区域可以是物体的一部分或整个物体。

所述物体(对象)可以是一个生物学对象，例如细胞、组织或其他生物样本。对此类物体的检查通常被称为生命科学(或生物科学)。在此类样本的情况下，如果仅通过将至少一个光学元件引入物镜和/或操纵物镜的至少一个光学元件来实现被附加地引入到成像光路中的所述不同的相移并且在执行所述记录时聚焦并不改变，则可能是有利的。在这里特别优选通过校正环或校正载玻片(correction slide)来操纵所述至少一个光学元件。结果，有利地，没有运动被施加在物体上，这例如在含水样本的情况下是有利的。

此外，两种不同的强度记录可能已经足够。在这种情况下，优选的是在光瞳波前中存在的巨大变化。例如，可以借助校正环或校正载玻片来操纵至少一个光学元件来实现这一点。因此，根据发明的方法可以迅速地执行。这例如对于高产量和/或用于实时的应用(例如，视频应用程序)来说是有益的。例如，这可以有利地用于生命科学应用中。

但是，所述物体也可以是来自半导体光刻的物体，例如光掩膜、DUV掩膜、半导体晶圆或某些其他元件。特别是，也可以涉及光子集成电路或微机电系统(MEM)。

正是在来自半导体光刻的物体的情况下，通常需要高精度。为此，可以与更改聚焦或散焦(聚焦堆栈)结合地执行例如至少一个(或恰好一个)这样的过程：将至少一个光学元件引入所述物镜和/或操纵所述物镜的至少一个光学元件(例如，借助于校正环或校正载玻片来操纵所述至少一个光学元件的至少一个过程或恰好一个过程)。在这种情况下，例如四、五、六、七、八、九或更多的记录是有利的，其中，也可以通过将巨大的变化引入光瞳波前中来提高准确性。当然，如果需要高准确性，其他应用(例如生命科学)也可以使用这样的过程。

总体而言，应注意的是，与单纯的聚焦堆叠相比，将聚焦堆叠与光瞳更改(其通过在强度记录的过程中将至少一个光学元件引入物镜和/或操纵所述物镜的至少一个光学元件实现)结合在一起需要更少的强度记录，以达到相同的准确性。结果，例如，在相同的精度的条件下，产量可以增加。

不言自明的是，上面提到的特征以及将在下面解释的特征不仅可以在指明的组合中使用，而且可以在其他组合中使用或被单独使用，而不会偏离本发明的范围。

附图说明

本发明将在下面的示例性实施例的基础上参照附图进行更详细的解释，该附图同样披露了本发明的重要特征。这些示例性实施例仅用于说明，不应解释为限制。例如，对具有多种元件或部件的示例性实施例的描述不应被解释为其意味着所有这些元件或部件都是实施本发明所必需的。相反，其他的示例性实施例也可以包含替代性的元件或部件，更少的元件或部件，或其他的元件或部件。除非另有说明，否则可以将不同示例性实施例的元件或部件相互结合。参照一个示例性实施例描述的修改和变形也可以适用于其他的示例性实施例。为了避免重复，在不同附图中彼此相同或对应的元件用相同的参考符号表示，并且没有被反复地解释。在附图中：

图1显示了根据本发明的显微镜的实施例的示意图。

图2显示了基于归一化的(normalized)光瞳坐标所绘制的相移的图示；

图3显示了测试物体在像平面中的物相的示意图。

图4a-4e显示了聚焦处的已知物相(实线)，模拟的相干图像相位(虚线)和重建的相干图像相位(点线)的图示，它们基于具有五个平面的聚焦堆叠的图3中的剖面线A-A；

图5a-5e显示了根据图4a-4e的图示，其中考虑了在第三到第五像平面中的Z9操纵，并且

图6a-6e显示了根据图5a-5e的图示，相较于图5a-5e中的操纵，图6a-6e带有附加的在第二和第四像平面中的Z16操纵。

具体实施方式

在图1中所示的实施例的情况下，根据本发明的显微镜1包括照射模块2，用于安装要被记录的物体4的载物台3，成像模块5和控制单元6。

图1中示意性地示出的显微镜1被配置为宽场显微镜。但是，显微镜1也可以被配置为共焦显微镜。

成像模块5包含成像光学单元7和检测器8。成像光学单元7包括物镜9和下游管光学单元10。在此处描述的示例性实施例中，物镜9具有第一部分光学单元11、第二部分光学单元12和和第三部分光学单元13，其中每个部分光学单元11-13被以透镜示意性地表示，并且可以包含一个或更多个透镜。三个部分光学单元11-13被布置在物镜9的壳体14中，并被安装成通过机动的校正环15例如第二部分光学单元12可以沿着成像方向相对于第一部分光学单元11和第三部分光学单元13移位，如被双头箭头16指出的。

控制单元6例如可以具有处理器17和存储器18，并且可以连接到检测器8、物镜9(尤其是校正环15)，载物台3和照射模块2以控制显微镜1的操作。

在操作过程中，照射模块2(其可以具有激光器)例如可以发射相干或部分相干光，从而照射要被记录的物体4(或物体4要被成像的区域4')，其然后通过成像光学单元7被成像到像平面中，检测器8(例如CMOS传感器或CCD传感器)位于该像平面中。

通过根据本发明的显微镜1，除了对物体4或物体区域4'进行常规的强度记录外，还可以确定通过显微镜1对物体4(并进而对物体区域4')的成像而得到的像平面中的光的相位，例如像下面描述的那样。

具有不同聚焦位置的两个、三个、四个、五个或更多个强度记录(所谓的散焦堆叠)被记录，对于每个聚焦位置，设置了校正环15的不同设置。借助这些通过校正环15实现的不同设置，在借助于成像光学单元7进行的成像过程中，不同的球形畸变(其不是散焦的结果)被引入成像中，使得对于每个记录，作为结果，在记录过程中存在不同的相移。

基于这样得到的不同的强度记录中，可以通过本领域技术人员已知的方法来重建物相。已知的相位获取算法例如是迭代傅立叶变换算法(IFTA)，也可以称为Gerchberg-Saxton。也可以通过强度传输方程(TIE)进行相位重建。

由于散焦仅导致二次相变，所述二次相变是显微镜1的光瞳中的横向位置的函数(例如，是在光瞳平面中的径向坐标的函数)，因此在聚焦变化的过程中，与较高的频率相比，低频受较小程度的影响。从而缓慢变化的物相只能伴随很多困难来重建。

但是，由于本发明确保了附加的相移作为校正环15的不同设置和由此引起的不同球形畸变的结果出现，因此即使是低频分量也会更大程度地被影响，如可从随后图2中的图示中可以推断出的那样。

在这里，归一化的光瞳坐标沿着横坐标被绘制，并且光瞳相位(以rad为单位)沿着纵坐标被绘制，曲线K1显示了散焦的部分(Z4操纵)。曲线K2显示了Z4操纵以及Z9操纵，曲线K3显示Z4操纵以及Z9操纵外加Z16操纵。Z4、Z9和Z16操纵是Zernike多项式，Zernike多项式是单位圆中的正交多项式。这些经常被用于描述光学系统的光瞳中的光学波前差。对于定义所描述的球形畸变，以下符号(也称为边缘符号)在这里被使用(其中r是归一化的径向光瞳坐标)：

Z4(r)＝2r

Z9(r)＝6r

Z16(r)＝20r

特别是从曲线K1和K3的比较中可以明显看出，作为由于校正环15的不同设置而导致的额外的球形畸变的结果，正是在低频率处光瞳相位发生了更大的变化，作为其结果，物象可以被更好地重建。

因此，借助于根据本发明的显微镜1，可以通过校正环15的不同设置来进行固有的(intrinsic)光瞳操纵，这比纯聚焦变化更有优势，且不需要在显微镜1上提供的附加硬件。

当然，也有可能在创建强度记录期间不更改聚焦位置，从而仅通过对校正环15进行不同的设置生成不同的相移。此外，在每种情况下，可以为每个不同的聚焦位置进行多个不同的校正环设置。

除了已经描述的相位重建方法外，还可以使用本领域技术人员已知的其他方法，例如借助于关于强度记录的评价函数(merit function)(所测得的强度记录和外推的强度记录之间的差异或相似性)和基于梯度的错误反馈而进行的像素式基于模型的对象优化之类。也可以进行参数化对象优化，而不是像素式对象优化。通过深度学习的方式进行相位重建也是可以的。

重建的物相可以是二维相位或三维相位。与重建二维物相类似，在重建三维物相或折射率分布(最好是二维或三维)期间，可以在这里再次应用基于模型的对象重建、基于IFTA的投影算法或深度学习模型。

在已经被描述的对校正环15进行不同设置的过程中，所导致的畸变在原则上是已知的，并且在已知的光学设计的情况下可以在指定的Zernike系数中表达。

但是，对于所描述的通过校正环15进行不同设置的情况，进行校准以确定所得的光瞳相变也可以是有利的。此外，根据本发明，这种校准有利于干预可能性，所述干预可能性导致所需的不同的成像特性，从而导致只能被困难地建模或无法建模的不同相移。在这方面，例如显微镜1的光学元件中的至少一个光学元件可以被加热、变形、侧向移位和/或轴向移位。为此，所导致的对光瞳相位的影响必须被测量，以便可以进行所需的校准。

在第一步中，对于可重复地可设置的光瞳相位操纵(校正环15的设置、温度的设置、机械移位和/或透镜的变形等)，可以进行对Zernike系数的测量。这可以例如借助于对小针孔对象(并且进而测试对象)的聚焦堆栈的测量以及对用于该聚焦堆栈的Zernike参数化向前传播模型的优化来实现，所述小针孔对象的延伸范围在波长范围内。这是针对光瞳操纵的每个步骤进行的。然后，所得到的每个光瞳改变步骤的Zernike系数在物相位重建中被使用。

在第二步中，第一步的Zernike系数可以被用作起始值，并且可以在物相位重建中进一步被优化，以便与对象聚焦堆栈达到最佳匹配。

在图3中，带有位于175°＝3.054rad处的突然相变的物相被示意性地模拟，该物相存在于像平面(在检测器8处)中，相位0以黑色表示，而3.045rad的相位以白色表示(这里是黑色框架内的白色正方形)。假定部分相干照射的成像NA(NA＝数值孔径(numericalaperture))为0.8、照射NA为0.08、波长为500nm。虚线是随后的图4至图6的截面线。

首先，模拟了该物体的部分相干的聚焦堆栈(五个平面)。从中该物体可以借助于部分相干相位重建而被重建。后者可以包含高达传感器强度的物场(或物体区域)的正向模型传播，以及像素式强度差异(评价函数)的反向传播，以获得对物体幅值和物相值的像素式优化的最佳估计。从所得的重建的复杂对象中，该相干轴向图像相位可以与从已知物体获得的已知相干轴向图像相位进行比较。沿着图3中的截面线A-A的两个相位轮廓被示出在图4a中，其中以像素为单位的x坐标沿横坐标被绘制，其中所选择的像素大小为53nm/像素，并且以rad位单位的相位沿着纵坐标被绘制(图4b-4e也是这样)。重建相位和实际相位之间的相差被示出在图4b中。这表明，在重建中，最高1.2rad的误差发生在恒定的相位平台的情况下，因为相应的慢速变化的相位没有仅仅因为散焦变化而被很大程度地影响。在这方面，如图4a-4e所示，在相位重建中只有聚焦变化(Z4操纵)被考虑了。在图4a中，已知的物相(实线)、模拟的相干图像相位(虚线)和重建的相干图像相位(点线)被比对。为了更好的清晰度，所述已知的物相被在图4c中单独示出，所述模拟的相干图像相位被在图4d中单独示出，并且所述重建的相干图像相位被在图4e中单独示出。图4b显示了以rad为单位的重建误差，其作为模拟的相干图像相位与重建的相干图像相位之间的差异。

如果使用具有五个聚焦平面的聚焦堆叠并模拟Z9值的变化，则可以实现明显的改进，因为这是通过更改校正环15所引入的相变的主要部分。因此在这里，对于第一平面和第二平面来说，Z9的恒定值被加入到(相同强度的)光瞳操纵中，而平面三至五则没有被更改。结果被(以与图4a-4e相同的方式)示出在图5a-5e中。从而，即使所记录的强度图像的数量和散焦的区域是未改变的，所述误差与单纯的散焦操作相比也能够减少10的倍数。

如果将Z16操纵添加到第二平面和第四平面，则可以实现进一步的改进。该相位重建的结果被(以与图4a-4e相同的方式)示出在图6a-6e中。所述重建和所述已知的相位之间的相差现在小于0.01rad。与散焦的变化相比，这在相位重建的准确性方面是一个明显的改进，并且这种改进可以在无需增加图像的数量进而无需增加记录时间的情况下实现。

由于带有所描述的像差(aberration)操纵(不考虑散焦(defocusing))相位重建具有较高的鲁棒性，因此有可能减少用于单纯基于散焦的重建的像平面的数量，以达到相同的精度。因此，根据本发明可以减少用于创建强度记录的记录时间。