光刻是半导体制造中最复杂的工艺之一，而覆盖层（OVL）精度是其中的关键性能指标之一[1]。覆盖层精度定义为当前工艺层与其前一层（参考层）之间的横向位移[2,3]。目前主流的覆盖层测量方法主要包括基于图像的覆盖层测量（IBO）和基于衍射/散射的覆盖层测量（DBO/SCOL）[4,5]。与IBO的衍射极限不同，DBO/SCOL通过分析双层光栅目标的衍射光强度或光谱特征来确定覆盖层精度。由于没有衍射极限，这项技术已成为一种非常有前景的覆盖层测量技术[[6], [7], [8]]。此外，由于其出色的纳米结构表征能力，散射测量已成为纳米尺度测量的可靠方法[[9], [10], [11], [12], [13]]。
角分辨散射仪（ARS）利用探测器捕捉高数值孔径（NA）物镜后焦平面（BFP）的衍射图案，是DBO测量的关键仪器。然后，通过覆盖层精度与一定范围内±1阶光强度差之间的近似线性关系来计算覆盖层精度[14,15]。然而，一个主要的实际挑战是如何为不同的覆盖层目标确定最佳的曝光参数。由于衍射图像的强度分布不均匀，单次曝光图像通常会同时出现信噪比低的欠曝光区域和光强度溢出的饱和区域。此外，最佳曝光时间因目标结构的不同而有所差异。这些因素会降低衍射图案的幅度保真度，从而直接影响覆盖层测量的精度。因此，曝光不均匀性严重限制了散射测量的精度。
为了解决曝光不均匀性问题，计算机视觉领域开发了多次曝光融合（MEF）技术。这些方法包括空间域方法（例如基于像素或补丁的方法）[[16], [17], [18], [19]]和变换域方法（例如多尺度分解或梯度处理）[[20], [21], [22], [23]]。然而，这些方法主要是为自然场景成像设计的，并优化了人类视觉感知，重点在于增强细节和对比度。最近，多图像融合策略被应用于基于成像的测量中，以克服相机的动态范围限制，从而提高测量的完整性和精度。例如，Zhang等人提出了一种基于双参数线性成像模型和多权重相位融合的自动高动态范围测量方法，显著扩展了FPP系统的动态范围并提高了测量精度[24]。Wu等人开发了一种多视图HDR融合方法，通过融合不同视角下最佳曝光区域的图像，解决了3D表面重建中的精度与完整性之间的权衡[25]。Teixeira等人提出了一种多条件光谱图像融合方法，通过融合在不同成像条件下（例如脉冲能量）获取的图像来抑制信号饱和和荧光串扰[26]。
然而，传统的MEF方法主要是为基于成像的测量设计的，而不是为散射测量设计的。对于基于成像的测量，测量值是通过图像处理和几何特征提取直接获得的；相比之下，散射测量依赖于角强度分布的绝对保真度。传统的MEF方法在融合过程中可能会不可逆地扭曲傅里叶空间中的强度分布特性，从而引入像素级别的系统误差，最终影响散射测量的精度。因此，曝光不均匀性仍然是角分辨散射测量的一个关键挑战。
为了解决这一挑战，我们提出了一种使用高保真非均匀曝光融合（NEF）角分辨散射测量的方法。这里的“保真度”指的是“衍射保真度”，即不受相机饱和和噪声影响的理想衍射强度。如图1所示，我们的贡献体现在两个方面：（1）基于成像系统响应函数（ISRF）开发了像素级校正模块；（2）设计了一种考虑物理特性的NEF策略，以实现高性能的ARS测量。所提出的策略整合了像素置信度、探测器对光强度的敏感度和平均光强度，合成了高质量的衍射强度信息，同时保留了傅里叶空间图像的光强度分布。
本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了我们提出方法的原则和实现步骤。第3节展示了实验验证结果及讨论。第4节总结了我们的贡献并指出了未来的研究方向。
