CN109297414B - 用于确定层厚度的共焦显微镜和显微镜方法 - Google Patents

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Abstract

涉及用于确定层厚度的共焦显微镜和显微镜方法。共焦显微镜包括：光学部件，用于将照明光引导和聚焦到样本上；焦点调整设备，沿共焦显微镜的光轴调整照明光的焦点位置和样本位置之间的相对位移；光测量设备，对来自样本的照明光进行共焦测量，利用其记录属于焦点调整设备的不同设置的测量信号；评估设备，确定样本的层厚度，为此被配置为：确定在由光测量设备记录的测量图中的至少两个强度带的强度带位置，测量图表示根据焦点位置的测量的光强度；并根据强度带位置之间的位置差确定层厚度。评估设备被配置为：考虑到层处的照明光的干涉，使用数学模型确定层厚度，该数学模型针对重叠强度带描述强度带位置对于至少一个光波长和层厚度的依赖性。

Description

用于确定层厚度的共焦显微镜和显微镜方法
技术领域
本发明在第一方面涉及用于确定层厚度的共焦显微镜。
在第二方面，本发明涉及用于确定层厚度的显微镜方法。
背景技术
为了确定微观样本的层厚度，已知不同的方法，特别是白光干涉显微镜/白光光谱、椭圆光度法和共焦显微镜。
共焦显微镜使用隔膜(针孔)来照射样本并检测来自样本的光。针孔可以布置在与焦点共轭的平面(即，图像平面)中，使得基本上仅来自照射平面的光到达布置在针孔的后方的光测量设备，而来自其他高度层的任何光难以到达该光测量设备。这导致良好的z分辨率，即沿光轴的良好的z分辨率。
本发明所基于的用于确定层厚度的通用共焦显微镜可包括用于发射照明光的光源；替选地，可以提供用于与光源连接的机械适配器。通用共焦显微镜包括用于将照明光引导和聚焦到样本的光学部件。通用共焦显微镜还包括焦点调整设备，该焦点调整设备被配置为沿所述共焦显微镜的光轴调整照明光的焦点位置与样本位置之间的相对位移。为此，可以在高度方向上移动/移位样本、光学部件的物镜或另一部件，或者可以调整光学部件中的一个，例如变焦光学器件的变焦设置。共焦显微镜还包括光测量设备，该光测量设备被布置用于对来自样本的照明光进行共焦测量，其中，可以利用光测量设备记录属于焦点调整设备的不同设置的测量信号。可以特别地使用在样本和光测量设备之间的光束路径中的针孔实施共焦测量。通过记录针对焦点调整设备的不同设置的测量信号，取决于z焦点位置来记录光强度。
如果z焦点位置仅落在两个层表面中的一个上——即，层的上侧或下侧(例如，界面基板层和界面层-空气)，则测量的光强度具有最大值或极值。这两个测量的峰/带之间的距离是层厚度的特征。因此，通用共焦显微镜包括用于确定样本的层厚度的评估设备，为了此目的，该评估设备被配置为：
-确定由所述光测量设备记录的测量图中的至少两个强度带的强度带位置，测量图指示取决于所述焦点位置的测量光强度，以及
-基于强度带位置之间的位置差确定层厚度。
类似地，利用共焦显微镜确定层厚度的通用显微镜方法包括以下步骤：
-经由光学部件将照明光引导至样本；
-借助于焦点调整设备，沿着共焦显微镜的光轴调整照明光相对于样本位置的焦点位置；
-借助于光测量设备对来自所述样本的照明光进行共焦测量，其中，光测量设备记录针对所述焦点调整设备的不同设置的测量信号；
-借助于评估设备确定样本的层厚度(d)，为此，评估设备根据利用光测量设备记录的测量图确定至少两个强度带的强度带位置，其中，测量图表示取决于焦点位置的测量的光强度，并且其中，评估设备基于强度带位置之间的位置差来确定层厚度，
在下文的图2中示出了用通用共焦显微镜记录的这种测量图：，，Use of LaserScanning Confocal Microscopy for Characterizing Changes in Film Thickness andLocal Surface Morphology of UV-Exposed Polymer Coatings“by Li-Piin Sung etal.,JCT Re-search,Vol.1,No.4,Oct.2004。
利用通用共焦显微镜，可以非常精确地测量几微米或更大的层厚度。在Li-PiinSung等人的上述文章中，层厚度大于4μm，在这种情况下，两个强度带明显地彼此分开。然而，使用已知的共焦显微镜方法不能精确地且容易地测量层厚度小于2μm的大多数薄层/薄膜。一个原因是两个测量的强度带强烈地相互重叠，并且重叠强度带的位置的已知评估方法导致不正确的结果。
用于确定层厚度的已知共焦显微镜的常见变型利用所使用的物镜的色度纵向像差来分析不同的高度层(z位置)。通过这种方式，物镜取决于光波长将光聚焦到不同z位置上。
到目前为止，除了纯共焦显微镜之外的其他测量技术用于薄层的厚度测量，例如白光干涉测量。例如在下文中描述了用于测量薄层的白光干涉仪：，，Application ofwhite-light scanning interferometer on transparent thin-film measurement“byMeng-Chi Li et al.in APPLIED OPTICS,20 Dec.2012/Vol.51,No.36。
此外，采用使用白光干涉仪的原理的共焦显微镜的变型。这种系统可以设计为彩色共焦干涉仪，如下文中所述：，，Chromatic confocal spectral interferometry“Evangelos Papastathopoulos等人,APPLIED OPTICS/Vol.45,No.32/2006年11月10日。在这种情况下，白光或不同波长的光被引导到样本上，其中，使用具有彩色纵向像差的光学分量；然后分析取决于波长的测量光强度的图表以确定层厚度。可以从下文并且也从DE 102010 016 462 B4了解共焦显微镜与干涉仪的类似组合："Separation of measurement ofthe refractive index and the geometrical thickness by use of a wavelength-scanning interferometer with a confocal microscope"T.Fukano等人.,1999年7月1日/Vol.38,No.19/APPLIED OPTICS。在DE 10 2010 016 462 B4中，根据所使用的波长确定光强度最大值(所参考的专利公开的图6)。然后相对于波长绘制光强度最大值(在图7中的曲线203)。通过确定曲线203的最大值的波长，可以推导出所检查的薄层的距离/轮廓；而曲线203的两个最大值之间的波长差212产生层厚度。
此外，已知用于检查薄膜的组合方法，诸如AFM(原子力显微镜)和STM(扫描隧道显微镜)的组合，如下文中所述：，，Atomic Structure of Graphene on SiO2“Masa Ishigami等人.in Nano Letters 7,1643(2007)。椭圆光度法也被广泛使用，参见例如，，Ellipsometry on thin organic layers of biological interest:characterizationand applications“Hans Arwin,Thin Solid Films 377-378(2000)48-56。
发明内容
可以认为本发明的一个目的是提供一种共焦显微镜，其中，可以以简单的方式特别精确地检查薄层。此外，提供用于确定层厚度的相应显微镜方法。
通过具有权利要求的特征的共焦显微镜和包括权利要求的特征的显微镜方法实现该目的。
本发明的共焦显微镜和本发明的显微镜方法的有利变型是从属权利要求的主题，并且在以下描述中也被阐明。
本发明基于以下发现：在显示取决于z焦点位置的光强度的测量图中，两个重叠的强度带不仅仅是由层的两个边缘/表面引起的独立的两个强度带的总和。这只是非重叠强度带的情况。在重叠强度带的情况下，干涉起重要作用：在反射测量中，在层上部边缘处反射的光干涉穿过该层并在层下部边缘处反射的光。
在透射测量中，通过该层而未被反射的光干涉在下部边缘处反射然后在该层的上部边缘处反射的光。此外，多次反射也可能导致干涉。可以意识到，干涉会影响两个重叠强度带的位置。因此，在重叠强度带的情况下，两个强度带最大值之间的位置差不表示正确的层厚度。根据本发明，因此考虑强度带位置如何由于干涉而移位。
在上述类型的共焦显微镜中，根据本发明，评估设备被配置为考虑到在所述层处的照明光的干涉而使用数学模型确定层厚度，该数学模型针对重叠强度带确定强度带位置对至少光波长和层厚度的依赖性。
类似地，根据本发明，通用显微镜方法包括借助于评估设备使用数学模型确定层厚度的步骤。该模型针对重叠强度带描述了在考虑该层处的照明光的干涉时，层厚度强度带位置对至少一个光波长的依赖性。
层厚度可以是被检查层的光学厚度，其对应于几何厚度乘以折射率。
在反射测量中，数学模型可以考虑测量的光强度如何源自在层的上部边缘处反射的光以及在层的下部边缘处反射的光。另外，还考虑这两个反射光部分之间的干涉。此外，可以考虑层内的多次反射。对于干涉的数学描述，光波长和层厚度可以是模型的一部分。通过确定层与基板之间的边界表面/界面的强度带位置，可以推导出层厚度。在重叠强度带的情况下，挑战在于确定强度带位置和推导层厚度。如果膜(即，层)的强度带例如与基板的强度带相距0.7μm，则0.7μm不作为层厚度输出，而是数学模型考虑两个强度带位置之间的距离如何取决于在当前光波长处的层厚度，并且特别地考虑诸如数值孔径的其他因素。此外，可以在数学模型中使用先验知识，例如可能的层厚度的预期范围，以排除可能的模糊。结果，在层和基板的重叠强度带的位置之间的距离例如为0.7μm的情况下，实际层厚度可以确定为0.5μm。
可以以不同方式执行确定强度带位置。如何确定也会影响强度带位置之间的距离如何相对于实际层厚度变化，这可以在数学模型中加以考虑。评估设备可以被配置为根据所记录的测量图中确定针对若干强度带中的每一个的相应强度带位置，该测量图绘制取决于焦点位置的测量的光强度，为此，从在相应强度带的半峰全宽内的所有数据计算几何重心。这意味着，在这种情况下，首先确定强度带的最大值。然后确定半峰全宽，即在与该强度带的最大值的一半相对应的高度处的带宽。从半峰全宽内的所有值计算平均值，例如，中值或几何重心/算术平均值，其中，用相应的强度值加权定位位置。以这种方式确定的位置用作强度带位置。或者，简单地，强度带具有其最大值的位置值可以用作强度带位置。在重叠强度带的情况下，强度带位置取决于如何确定位置，并且特别地，取决于强度带的最大值或强度带的几何重心是否被用作带的位置而不同。
在数学模型中，强度带位置可取决于(特别是已知的)待检查层的材料的折射率以及相邻材料的折射率，特别是基础基板的折射率以及空气的折射率。例如，模型可以包括取决于这些折射率的反射系数。干涉是由待检查层的上部边缘和下部边缘处的光反射引起的，并且对测量的强度有影响，并且在模型中通过反射系数来考虑该影响。
作为其中一个或多个变量拟合到测量数据的曲线拟合的拟合函数，数学模型可以特别地包括下述函数：作为实际层厚度的函数拟合强度带位置或强度带的过程，并且因此确定了层的厚度和在适用的情况下确定层的其他参数。
偶尔，相同的距离，即两个强度带位置之间的相同位置差可能由不同的层厚度导致。可以通过执行若干不同的测量或通过使用关于数学模型中的层的已知信息来排除这种模糊性。例如，使用已知信息，可以已知可能/允许的层厚度范围。如果确定的层厚度在该层厚度范围之外，则排除数学模型的解。在用于排除模糊的若干测量的情况下，可以例如使用不同的光波长；为了明确地将两个强度带位置的位置差分配给层厚度，可以使得用光测量设备记录若干测量图，其中，用不同波长的照明光记录不同的测量图；从每个测量图中确定两个强度带位置的相应位置差。由于数学模型还考虑了两个强度带位置的位置差如何取决于光波长，因此也可以以这种方式减少数学模型的可能解的数量。
如果进行在不同波长的情况下的测量，则这应增加有关相同高度层的测量信息的量；与例如彩色共焦显微镜相反，不打算使用具有彩色纵向像差的光学部件/物镜，在这种情况下，不同的波长将聚焦到不同的高度层上，并且因此将检查不同的高度层。为了避免将不同波长的照明光聚焦到不同高度的层上，共焦显微镜可以包括消色差或复消色差物镜。因此，在波长区域——特别地，照明光的波长区域——的复消色差的情况下，在用于两个不同波长的消色差的情况下，它可以包括具有色差的一个或多个光学部件，其补偿或部分地补偿物镜的剩余光学部件的色差。
拟合函数可以描述取决于照明光的波长的两个强度带位置的位置差。借助于数学模型，该拟合函数可以拟合于在不同波长处确定的位置差。要拟合的拟合函数的变量可以是层厚度或层的另一个参数。该拟合函数特别可以具有波形。
在本发明所述方面的变型中，还可以通过将数学模型的一个或多个变量拟合到测量数据来确定对于层厚度附加的或替代的、层的另一个光学参数。例如，特别是在已知几何层厚度的情况下，可以确定层的材料的折射率。
作为对于用不同光波长记录的测量图的替代或补充，可以记录多个测量图，其在对重叠强度带的位置之间的距离有影响的另一个参数上不同。为了明确地将两个强度带位置的位置差分配给层厚度，针对向光测量设备上的共焦成像的针孔设置不同的针孔设置。对于每个针孔设置，利用光测量设备记录相应的测量图。该数学模型考虑了两个强度带位置的位置差对于针孔设置的依赖性，其中，不同针孔设置的知识消除了在从两个强度带位置的位置差推导层厚度上的模糊性。针孔设置可包括不同的横向针孔位置和/或不同的针孔大小。
根据在其针孔设置上不同的不同测量图，可以确定两个强度带位置之间的相应位置差。利用数学模型，可以将拟合函数(其描述了根据针孔设置的两个强度带位置之间的位置差)拟合到针对不同针孔设置确定的位置差。
可以以不同方式，特别是通过以下部分提供已经使用其记录了不同测量图的针孔的不同设置：
-连续测量之间针孔的大小调整，
-连续测量之间针孔的横向位移，
-将来自样本的光的光束路径分光为其中，布置有不同的针孔的不同的光束路径，并且特别地，同时测量每个针孔后方的照明光，为此，光测量设备在每个针孔后方包括相应的光检测器。
其中使用不同针孔设置的本发明的变型也可以与下述测量方法相结合，其中，已经提供了用于设置不同针孔的仪器要求，或者其中，需要利用不同的针孔执行多次测量。这种方法是所谓的艾里扫描(airy scan)/子艾里扫描(sub airy scan)。在该方法中，通过测量点扩散函数(PSD)来实现特别高的横向分辨率，其可以优于系统的光学分辨率极限，所述点扩散函数确定如何在空间分辨探测器上成像样本点。为了进行艾里扫描，可以在中间图像平面或图像平面中——即，在来自样本的照明光的光路中——形成彼此横向分开的若干测量路径。在中间图像平面或图像平面中的横向分开的测量路径尤其可以由彼此横向偏移的光纤形成。每个光纤通向光测量设备的相应光检测器。也可以特别地通过几个彼此横向偏移的子艾里检测器元件形成横向分开的测量路径。横向偏移测量路径之间的横向距离小于衍射盘(diffraction disc)，衍射盘是成像到测量路径中的样本平面的点的图像。通过这种方式，样本点总是成像到几个测量路径上(同时地或连续地)，并且计算这些测量路径的信息导致特别高的分辨率。在该场境中，子艾里探测器元件应被理解为使得几个探测器元件彼此接近得足以使得相邻探测器元件的中心点之间的距离小于衍射盘，因为这一点，通过共焦显微镜将样本点成像到检测器元件的平面上。在这些测量路径中记录的单独信号对应于不同的针孔设置，即，彼此横向偏移/移位的针孔。可以通过横向分开的测量路径形成使用其来记录不同测量图的针孔的不同设置。换句话说，对于艾里扫描执行不同针孔的测量，并且这些不同的测量也可以用于层厚度确定。
可以通过参考测量初始确定取决于共焦显微镜的部件或由共焦显微镜的部件限定的数学模型的参数。以这种方式，可以减少未知参数的数量，将在拟合到测量数据的曲线的场境中确定这些参数。或者，可以增强给定参数的准确性。
这些参数可以是例如数值孔径，特别是照明物镜、检测物镜或用于照明和检测两者的物镜的数值孔径。
所述参考测量或一个参考测量可以特别包括在参考样本处记录测量图的步骤，该参考样本有具有已知层厚度的层。对于测量图，相对于参考样本在高度上调整聚焦平面，使得测量图表示取决于聚焦的高度层的测量强度。在测量图中，可以使用数学模型确定两个(特别是重叠的)强度带位置之间的距离。以这种方式，可以确定数学模型的参数，该参数描述两个强度带位置之间的距离如何取决于参考样本的实际的已知层厚度。
对于未知样本的自动检查，如果评估设备被配置为不仅关于层厚度分析记录的测量数据，而且还要验证层/薄层是否存在可以对其确定层厚度的层，则这是有用的。例如，在涂覆晶片的情况下，可能缺陷部分未被涂覆。未涂层也称为零层系统，而基底/基板上的层称为一层系统。为了验证是否存在一层系统而不是零层系统，评估设备可以被配置为：
-进行一层曲线拟合，其中，利用两个强度带描述测量图，
-执行零层曲线拟合，其中，利用单个强度带描述测量图，以及
-如果一层曲线拟合的曲线拟合结果具有比具有零层曲线拟合的曲线拟合结果更好的质量(更小的偏差)，则采用一层系统。
曲线拟合/函数拟合可以被理解为使得由数学模型产生的函数(拟合函数)的一个或多个参数迭代地拟合到测量数据。拟合函数与测量数据之间的偏差越小，则曲线拟合结果的质量越好。如果已经采用一层系统而不是零层系统，则仅由评估设备输出确定的层厚度值。
所描述的本发明的变型不限于一层系统，而是还可以用于检查和描述多层系统。在这种情况下，不是从每个测量图确定两个强度带位置，而是更一般地从至少两个测量图确定两个强度带位置。如果层数是已知的，则可以在每个测量图中确定n+1个强度带位置，其中，n是层数。
作为对于上述变型的替代或补充，为了明确地将两个强度带位置的位置差分配给层厚度，也可以提供以下方法步骤。评估设备和/或控制设备可以被配置为执行这些方法步骤：
-设置不同的数值孔径，特别是共焦显微镜的物镜的不同数值孔径，或用于将照明光引导到样本或用于引导来自样本的照明光的数值孔径；
-对于每个设置的数值孔径用光测量设备记录相应测量图；以及
-其中，数学模型描述了两个强度带位置的位置差对数值孔径的依赖性，其中，特别地，如果设置的数值孔径是已知的，则消除了在将两个强度带位置的位置差分配给层厚度上的模糊性。
该变型使用也取决于数值孔径的重叠强度带的强度带位置之间的确定距离。如果数值孔径变化，则强度带位置之间的距离也变化。通过分析关于两个强度带位置之间的距离的若干测量图，可以根据这几个距离更精确地确定层厚度。
除了层厚度之外，还可以使用数学模型确定样本或层的其他属性。特别地，还可以通过检查彼此横向偏移/移位的多个样本区域/样本点来除了层厚度之外还确定表面拓扑。特别地，可以将来自测量图的相应前(第一)强度带的位置彼此进行比较以确定表面拓扑。类似地，比较来自测量图的相应后/背强度带的位置产生基板表面的拓扑。如果堆叠了多个层，则可以计算对应于强度带位置的数量的多个拓扑。
如果对于彼此横向偏移的若干样本点中的每一个确定相应的层厚度，则针对样本点记录的测量图的强度比较允许确定样本点的消光图(extinction map)。消光图对于每个标本点指示消光指数或相对于其他标本点的相对消光量。因此可以假设在样本点处的层材料的消光越高，则背(第二)强度带越低；而比背(第二)强度带更靠近照明光的物镜的前强度带具有大部分独立于消光的高度。共焦显微镜的光学部件可以特别地包括物镜，其用于照亮样本并且还用于将来自样本的光引导到光测量设备。或者，光学部件还可以包括至少两个物镜，其中一个被布置用于照明，并且另一个被布置用于引导来自样本的光。
焦点调整设备原则上可以是任何调整/致动设备，利用该调整/致动设备，可以沿光轴——即，沿照明光的传播方向——调整照明光的焦点和样本位置之间的相对位置。为此，焦点调整设备可包括用于高度调整样本支架/样本台的调整设备或用于移动或移位光学部件、改变z方向上的焦点位置——特别地，通过移位物镜、在物镜内移动某些镜头或调整变焦光学器件。为了执行记录上述测量图的高度扫描，在光测量设备测量相应的光强度的同时，通过焦点调整设备在z测量范围内改变焦平面。
光测量设备被设计用于测量光强度，特别是可见光、红外和/或紫外光谱范围内的光。光测量设备可以包括一维或二维相机，或者可以仅包括一个或多个单独的检测器元件，例如光电倍增管。
评估设备可以包括电子部件，其(特别是与其上保存的软件一起)被配置为执行关于评估设备提到的步骤。在这方面，评估设备还可以构成评估和控制单元。它可以由诸如个人计算机、膝上型计算机或智能电话的计算机形成，其中，光测量设备将测量数据发送到计算机，并且计算机优选地与共焦显微镜的其他电子部件或控制单元功能性地连接。计算机或评估设备也可以相对于共焦显微镜的其他部件分布(空间上分开)，并且可以通过例如电缆、因特网或无线连接与共焦显微镜的其他部件通信。
与彩色共焦距离测量相反，本发明的成像系统优选地不具有彩色纵向像差。作为与光谱测量方法的不同，可以单色记录而不是使用白光记录每个测量图。
对于其中使用不同照明光波长记录若干测量图的特别快速的样本检查，也可以用白光或同时用不同波长照射样本；使用彩色分束器，来自样本的光被引导到几个不同的检测通道中或者被具有颜色分辨率的检测器/相机测量。这允许同时记录几个在照明波长上不同的测量图。
可以根据极化执行测量以及曲线拟合。
被描述为可选特征的共焦显微镜的特征的预期用途导致本发明方法的变型。共焦显微镜的评估设备和/或控制设备可以配置成执行本发明的方法的所描述的变型的方法步骤。
附图说明
下面参考所附的示意图描述本发明的其他优点和特征。
图1是根据本发明的示例性共焦显微镜的示意图；
图2是通过待检查的样本层的光束路径的示意图；
图3是示出取决于厚层的焦点高度的光强度的测量图；
图4是示出取决于薄层的焦点高度的光强度的测量图；
图5是图4的测量图的两个强度带位置的距离与实际层厚度之间的关系的图示；
图6是取决于照明光的波长的、图4的测量图的两个强度带位置的距离的曲线图；
图7是使用小的针孔直径的、取决于照射波长的两个强度带位置的距离的曲线图；
图8是使用大于图7中使用的针孔直径的针孔直径的、取决于照射波长的两个强度带位置的距离的曲线图；
图9是使用大于图8中使用的针孔直径的针孔直径的、取决于照射波长的两个强度带位置的距离的曲线图。
作为一般规则，在整个附图中用相同的附图标记指示类似部件和具有类似效果的部件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的共焦显微镜100的示例性实施例的示意性透视图，其中，确定样本20的层厚度。
共焦显微镜100包括光源10，例如，一个或多个激光器、二极管或白色光源。可以提供用于选择特定照射波长的滤光器(未示出)。共焦显微镜100可以特别地形成为激光扫描显微镜。
光源10的照明光经由光学部件17、18——特别地，经由物镜18——被引导到样本20。使用光学测量设备30检测来自样本20的光(在下面被称为样本光)。样本光也在所描述的例子中经由物镜18和另外的光学部件17传播。样本光通过分束器14与照明光分离，使得仅样本光并且没有照明光被引导到光测量设备30。分束器14可以是部分透射的镜子，其可以特别地根据波长或偏振来透射或反射光。样本光尤其可以是在样本处反射或散射的照明光或通过荧光或磷光从样本发射的光。
作为对于其中测量光在样本处向后辐射或反射的所描述的示例的替代，也可以测量透射光，在这种情况下，两个物镜被布置在样本20的相对侧上。
此外，设置焦点调整设备19，用于沿光轴16，即在高度方向/z方向/光传播方向上调整照明光的焦点。除了焦点调整设备19之外，还可以提供扫描设备(未示出)用于横向样本扫描，即，垂直于光轴16的扫描。
对于在z方向上的特别高的测量分辨率，使用共焦成像。为此，隔膜/针孔15可以布置在与样本平面共轭的平面中。以这种方式，基本上仅允许来自焦平面的样本光通过针孔15，而来自其他高度层的样本光基本上被阻挡。
为了确定样本20的层厚度，在焦点调整设备19在高度方向上改变照明焦点的同时，利用光测量设备30测量样本光。利用评估设备35评估如此记录的测量数据。稍后将更详细地描述这一点。
图2示意性地示出了照明光11如何在待检查样本20处被抛回。样本20包括具有待确定的层厚度的层23。层23具有上部边缘或上侧21，其是层23和相邻介质——例如，空气——之间的边界/界限。层23还受到下部边缘或下侧22限制，在该下部边缘或下侧22处，层23与另一种材料——例如，基底24——相邻。层23的材料的折射率不同于相邻材料的折射率。因此，照明光11的一部分在上侧21被反射；该反射光在图2中用数字12表示。照明光11的另一部分在上侧21折射，穿过层23，在下侧22反射并作为光部分13从样本20离开。光部分12和13可以在光测量设备上相互干涉。图2还纯粹示意性地示出了针孔15的边界。样本光可以通过其到达光测量设备的区域受到针孔15在横向(图2中的x方向)和高度方向(z方向)上的限制。在样本层23中可能发生多次反射，其中，取决于针孔直径，针孔15可以阻挡已经多次反射的样本光，如图2中示意性所示。
虽然图2示出了测量抛出的背光12、13的变型，但是也可以测量穿过样本20并穿过下基底材料24的光。在这种情况下，在检测到的光中也会发生干涉，即在下述部分之间
-在上侧21折射并在下侧22折射而没有被反射的光部分，以及
-在上侧21首先折射并且然后在下侧22反射、并且然后在上侧21再次反射的光部分。
为了确定层厚度，焦点调整设备将照明光11连续地聚焦到不同的高度层上。当焦平面与上部边缘21或下部边缘22对准(相同)时，则测量的样本光强度特别高，从而可以确定在示出了取决于z焦点位置的测量的光强度的测量图中的上部边缘21和下部边缘22之间的距离，并且该距离可以被采用为层厚度的值。
图3描绘了测量图41，其示出了取决于z焦点位置的测量光强度(或线性地取决于光强度的量，例如，反射系数)。应注意，为了说明的目的，该测量图以及下面所示的数据主要是模拟数据。测量图41示出了两个强度带或强度最大值。第一强度带位置42对应于z焦点位置在图2的上侧21处的情况。第二强度带位置43对应于z焦点位置在图2的下侧22处的情况。当改变焦点调整设备的设置时，已知z焦点位置改变了多少；因此，可以确定两个强度带位置42和43之间的距离A。在图3中，该距离为4μm，并且也等于4μm的实际层厚度。
原则上，在该处强度带具有最大值的z焦点位置可以用作强度带位置42或43。然而，通常，通过在强度带的半峰全宽范围内，即在z焦点位置的间隔内的那些z焦点位置的平均值或几何重心来确定强度带位置42或43，其中，间隔边界处的光强度是强度带的最大值的一半。
另一个示例性测量图45示于图4中。在这种情况下，被检查的层更薄，即仅1.4μm。结果，测量图45的两个强度带强烈重叠。然而，在这种情况下，两个确定的强度带位置46和47不具有恰好1.4μm的距离A。在重叠强度带的情况下，确定的强度带位置46和47存在移位，使得它们的距离A不完全等于层厚度。传统上，共焦显微镜因此仅用于确定如图3所示的厚层的层厚度，而不是用于确定如图4所示的薄层的层厚度。相反，本发明使用数学模型，它允许精确确定薄层的层厚度，如图4所示。
如果层的厚度很小以使得在测量图45中只能看到一个最大值而不是两个局部最大值，则可以将该层视为薄层。因此，薄层中的分类不仅取决于绝对厚度，而且还取决于测量系统。
确定的强度带位置46和47中的偏移的原因是两个强度带的重叠意味着第一强度带的带最大值相对于第二带的强度部分偏移。如果确定上述几何重心而不是带最大值，则同样如此。
使确定的强度带位置46和47偏移的另一个原因是在层的上侧和下侧反射的光部分之间的干涉。当照明光聚焦在上侧时，不仅测量在上侧反射的光，而且测量在上侧折射并且然后在下侧反射的光，如参考图2所述。可能会出现正和负干涉。根据这一点，两个强度带位置的距离A可以小于或大于实际层厚度。
本发明使用数学模型，该数学模型描述了所确定的两个强度带位置的距离与实际层厚度之间的关系或依赖性。该模型考虑了影响强度带位置的上述干涉。干涉取决于照明光的波长，其是模型中给定(已知)的参数。此外，数值孔径是模型的一部分以及针孔的大小。如图2所示，针孔15的直径影响多次反射的照明光如何被阻挡或透射到光测量设备。此外，针孔15的直径确定了被照射的z焦点的大小；在每个z焦点位置处，某个光部分在该层的上侧被反射并在针孔处被透射，并且在下侧被反射的某个光部分透射通过该针孔；这些特定光部分的数量取决于针孔的直径，并在数学模型中被考虑。可以以艾里为单位测量针孔的大小。1艾里可定义为衍射盘的直径，在该衍射盘上用共焦显微镜成像样本点。此外，成像到样本层中的光源点形成或可形成直径为1艾里的衍射盘。
数学模型可以将测量的光强度Int描述为z焦点位置z的函数，即Int[z]，其中，Int[z]取决于在上侧的反射的反射系数ra0[z，λ]和用于下侧的反射或多次反射的一个或多个反射系数rai[d，z，λ]的总和。反射系数ra0和rai取决于z焦点位置z以及光波长λ。反射系数rai(光线穿过该层)也取决于实际的层厚度d。在简单的数学模型中，rai的索引i可以限制为1或2，其中，ra1描述照明光在图2的下侧22处反射，并且然后在上侧21处离开层的情况，而ra2描述了照明光在下侧22被反射，并且然后在上侧21处被反射，并且然后在上侧21处离开层之前在下侧22处再次被反射的情况。在该模型中，测量的光强度Int[z]可以取决于反射系数之和的平方，例如如下所定义，其中，可以补充比例常数：
Int[z]＝(ra0[z，λ]+rai[d，z，λ])^2
在数学模型中，通过考虑z方向和横向方向上的焦点大小的表达来描述反射系数ra0[z，λ]。这种焦点大小取决于波长、数值孔径和针孔的大小。可以考虑最小光束直径(横向直径)w0[λ]，其直接存在于焦点中。在该模型中，该光束直径w0[λ]随着波长λ的增加而变小，其随着数值孔径NA的增加而变小，并且其随着针孔AU的大小增大而变大。例如，在模型中可以假设：
w0[λ]＝AU/4λ/NA
在其他z位置，光束直径w[z，λ]较大，其中，模型包括作为z的函数描述光束直径w[z，λ]的表达式，特别是通过w0[λ]和取决于λ、AU和NA。例如，可以假设：
w[z,λ]＝w0[λ]*sqrt(1+(z/π/(AU/4/NA)^2/λ)^2)
其中，sqrt是以下表达式的平方根。
可以特别地修改所有提到的等式，使得可以补充比例因子或常数。
反射系数ra0[z，λ]可以随着特定z位置处的光束直径减小而增加。这考虑到在光束直径大的情况下，较大部分的反射光在针孔处被阻挡，而随着光束直径减小，反射光的增加部分可以通过针孔。这可以在数学上表达为ra0[z，λ]与w0[λ]/w[z，λ]成比例或者取决于w0[λ]/w[z，λ]。
例如，在模型中，反射系数ra0[z，λ]可以描述为：
ra0[z，λ]＝rt01[λ]*w0[λ]/w[z，λ]
可以由菲涅耳方程得出系数rt01[λ]，该方程描述了光波的反射和透射。
类似地，其他反射系数rai[d，z，λ]例如以下列方式取决于光束直径以及根据菲涅耳方程的相应系数：
rai[d，z，λ]＝w0[λ]/w[z，λ]*(1-rt01[λ]^2*rt10[λ]^(i-1)*rt12[λ]^i*expterm
这里，1-rt01[λ]描述了在上侧透射而未反射的光部分。项rt10[λ]考虑在下侧反射的光部分，并且项rt12[λ]考虑在下侧反射并且然后在上侧透射的光部分。表达式expterm描述了一个波形，它可以用菲涅耳方程式中已知的虚数i写成指数项。上述等式中的另一个i指的是指示所考虑的反射的数量的索引，并且可以例如被设置为i＝2。
如果已知照明波长、数值孔径NA和针孔大小AU，则可以计算w0[λ]和w[z，λ]，并且因此也可以计算ra0和rai，并且因此可以最终计算可以测量的强度Int[z]。以这种方式模拟图3和图4的数据，其中，在模型中假设NA＝0.6并且λ＝405nm，并且对于图3假设d＝4μm的层厚度，并且对于图4假设d＝1.4μm。如果数值孔径NA和/或针孔直径AU是未知的，则也可以借助于数学模型从测量数据中与层厚度d一起确定这些。
理想地，应该可以明确地将重叠强度带的强度带位置之间的特定距离A分配给层厚度。然而，并非总是如此。图5示出了曲线图，其中，将两个强度带位置之间的确定距离A绘制为实际层厚度d的函数A(d)。为了比较，图5还包括线g(d)＝d，其等于实际(真实)层厚度d。如果根据测量数据确定两个强度带位置之间的距离A的特定值，例如A＝1.5μm，则不可能将该值明确地分配给特定的实际层厚度d；相反，A＝1.5μm的情况可以对应于层厚度d＝1.4μm或d＝1.45μm或d＝1.57μm。
距离A对实际层厚度d的依赖性尤其受到如何确定强度带位置的方式的影响。对于函数A，通过计算强度带的几何重心来确定位置，如上面更详细地描述的那样。为了比较，图5示出了另一条曲线A2，其指示在这些位置指示强度带的最大值的情况下两个强度带位置的距离，也如上面进一步详细说明的那样。从图5中显而易见的是，同样不可能明确地将A2的特定值分配给实际层厚度d，其中，A2(d)的进展与A(d)显着不同。
如果在数学模型中使用额外的假设，则可以避免这些模糊。例如，可以预定义层厚度d的允许值的范围，使得将A的值恰好分配给d的一个值变为可能。
替选地，还可以执行附加测量以避免模糊。为此，记录至少两个测量图，优选多于两个测量图，其中，对于相同的样本点(即，对于横向平面/xy平面中的相同点)，通过焦点调整设备来设置不同的z焦点位置，如参考图3和图4所述。多个测量图在测量的参数上不同，例如在照明光的波长上不同。从每个测量图，可以确定两个强度带位置的距离A。由于确定的强度带位置的移位取决于波长(如上面进一步说明的)，所以根据波长对于一个特定层厚度d确定距离A的不同值。这在图6中示出，其示出了作为照明光的波长的函数的所确定的距离。
图6示出了实验数据m，其指示针对不同照射波长的确定的两个强度带位置的距离。此外，示出了使用数学模型的这些实验数据的两个拟合函数。第一拟合函数A(λ)描述了在经由强度带的几何重心计算强度带位置的情况下针对不同照射波长λ的两个强度带位置的距离A。另一个拟合函数A2(λ)描述了在强度带位置被确定为强度带的各个最大值的位置值的情况下针对不同照射波长λ的两个强度带位置的距离A。
在所描绘的示例中，A(λ)的曲线拟合作为结果产生层厚度d为1.44μm+/-0.045μm和数值孔径为NA＝0.4。该计算的层厚度大于该示例中强度带位置的每个实验确定的距离，该示例强调了本发明的过程的相关性。
代替或补充改变照射波长，还可以改变另一测量参数，其中，针对测量参数的每个设置记录相应的测量图。例如，可以改变针孔的数值孔径或设置(即，大小、形状或位置)，并记录相应的测量图。
图7至9示出了利用数学模型模拟的数据，并且与图6类似，示出了可以作为波长λ的函数在两个强度带位置之间确定的距离A。通过经由几何平均值计算确定强度带位置来确定距离A的值。相反，通过确定强度带的最大值的位置来确定强度带位置之间的距离A2的进一步示出的值。图7至图9对于相同的d＝273nm的层厚度分别被模拟，并且在共焦成像的针孔的大小AU上不同。在图7的情况下，针孔的直径是1.5艾里单位，即AU＝1.5。相反，在图8的情况下，AU＝2.5，并且对于图9，AU＝3.5。可以看出，如果使用不同的针孔直径，则特定照明波长的A或A2的值显著不同。因此，补充或替代在记录几个测量图时改变照射波长，还可以改变针孔设置。这些图说明了从两个强度带位置的距离推导出层厚度的数学模型的重要性。
特别是在薄层的情况下，仅通过考虑两个重叠强度带的距离如何取决于层厚度和可选地取决于其他量，变得可以精确地确定层厚度。
因此，本发明允许通过共焦显微镜以显著的附加仪器效果确定薄层的层厚度——该共焦显微镜迄今仅限于检查较厚的层，或者仅可用于检查薄层。
参考标记列表
10 光源
11 照明光
12 在待检查层的上侧反射的光部分
13 穿过待检查的层并且然后在该层的下侧反射的光部分
14 分束器
15 用于共焦成像的针孔
16 光轴
17 (一个或多个)光学部件
18 光学部件/物镜
19 焦点调整设备
20 样本
21 层的上侧
22 层的下侧
23 层
24 基底
30 光测量设备
35 评估设备
41 示出了取决于z焦点位置的光强度的测量图
42 第一强度带位置
43 第二强度带位置
45 示出了取决于z焦点位置的光强度的测量图
46，47 强度带位置
100 共焦显微镜
d 层厚度
m 指示针对不同照射波长的所确定的两个强度带位置的距离的实验数据
A，A(d) 两个强度带位置的距离/位置差
A2，A2(d) 两个强度带位置的距离/位置差

Claims (15)

1.一种用于确定层厚度的共焦显微镜，包括：
-光学部件(17，18)，用于将照明光(11)引导和聚焦到样本(20)上；
-焦点调整设备(19)，所述焦点调整设备(19)被配置为沿所述共焦显微镜的光轴(16)调整所述照明光(11)的焦点位置与样本位置之间的相对位移；
-光测量设备(30)，所述光测量设备(30)被布置用于对来自所述样本(20)的照明光(11)进行共焦测量，其中，能够利用所述光测量设备(30)记录属于所述焦点调整设备(19)的不同设置的测量信号；
-评估设备(35)，用于确定所述样本(20)的层厚度(d)，为此目的，所述评估设备(35)被配置为：
-确定由所述光测量设备(30)记录的测量图(41，45)中的至少两个强度带的强度带位置(46，47)，所述测量图(41，
45)指示取决于所述焦点位置的测量光强度，以及
-基于所述强度带位置(46，47)之间的位置差(A)确定层厚度(d)；
其特征在于，
所述评估设备(35)被配置为：考虑到在所述层处的所述照明光(11)的干涉，使用数学模型确定所述层厚度(d)，所述数学模型针对重叠强度带描述所述强度带位置(46，47)对于至少一个光波长和所述层厚度(d)的依赖性。
2.根据权利要求1所述的共焦显微镜，
其特征在于
所述评估设备(35)被配置为：通过从相应强度带的半峰全宽内的所有数据计算几何重心，从取决于所述焦点位置而绘制测量的光强度的所记录的测量图(45)确定多个强度带的相应强度带位置(46，47)。
3.根据权利要求1所述的共焦显微镜，
其特征在于
所述评估设备(35)被配置为：在所述数学模型中将所述强度带位置(46，47)设置为取决于待检查的层(23)的材料的折射率以及相邻材料的折射率。
4.根据权利要求1所述的共焦显微镜，
其特征在于
为了明确地将两个强度带位置(46，47)的位置差(A)分配给层厚度(d)，规定利用所述光测量设备(30)记录多个测量图(45)，其中，用不同波长的照明光(11)记录所述多个测量图(45)，并且从所述多个测量图(45)中的每个确定两个强度带位置(46，47)的相应位置差(A)。
5.根据权利要求4所述的共焦显微镜，
其特征在于
为了避免不同波长的照明光(11)聚焦在不同高度的层上，所述共焦显微镜包括消色差或复消色差物镜(18)。
6.根据权利要求4所述的共焦显微镜，
其特征在于
所述评估设备(35)被配置为执行曲线拟合，在所述曲线拟合中，使用所述数学模型，将描述取决于所述照明光(11)的所述波长(λ)的两个强度带位置(46，47)的位置差(A)的拟合函数(A[λ])拟合到针对所述不同波长(λ)确定的位置差(A)。
7.根据权利要求4所述的共焦显微镜，
其特征在于
为了明确地将两个强度带位置(46，47)的位置差(A)分配给层厚度(d)，规定
-设置向所述光测量设备(30)上的共焦成像的针孔(15)的不同针孔设置(AU)，
-对于每个针孔设置(AU)，利用所述光测量设备(30)记录相应的测量图(45)，并且
-所述数学模型描述两个强度带位置(46，47)的位置差(A)如何取决于针孔设置(AU)，其中，通过使用所述不同针孔设置(AU)的知识，排除在将两个强度带位置(46，47)的位置差(A)分配到层厚度(d)上的模糊性。
8.根据权利要求7所述的共焦显微镜，
其特征在于
根据所述多个测量图(45)中的每个，确定两个强度带位置(46，47)的相应位置差(A)，
使用所述数学模型，将描述取决于所述针孔设置(AU)的两个强度带位置(46，47)的位置差(A)的拟合函数拟合到利用不同针孔设置(AU)确定的所述位置差(A)。
9.根据权利要求7所述的共焦显微镜，
其特征在于
通过下述来提供所述针孔(15)的所述不同设置(AU)，通过所述针孔(15)的所述不同设置(AU)记录所述多个测量图(45)：
-所述多个测量图(45)的测量之间的所述针孔(15)的大小调整，
-所述多个测量图(45)的测量之间的所述针孔(15)的横向位移，
-将来自所述样本(20)的所述光的光束路径划分成不同的光束路径，在所述不同的光束路径中布置有不同的针孔，并且测量每个所述针孔后方的照明光(11)，为此，所述光测量设备(30)在每个针孔(15)后方包括相应的光检测器。
10.根据权利要求7所述的共焦显微镜，
其特征在于
为了在图像平面或中间图像平面中进行艾里扫描，形成彼此横向分开的多个测量路径，
其中，通过下述来将所述横向分开的测量路径形成在所述图像平面或中间图像平面中：
-通过彼此横向间隔开的光纤，每根光纤通向所述光测量设备(30)的相应光检测器，或者
-通过彼此横向间隔开的多个子艾里检测器元件，
其中，在所述横向分开的测量路径之间的横向距离小于通过将样本层的点成像到所述测量路径上而形成的衍射盘，
通过所述横向分开的测量路径形成所述针孔(15)的所述不同设置，通过所述针孔(15)的所述不同设置记录所述多个测量图(45)。
11.根据权利要求1所述的共焦显微镜，
其特征在于
最初通过参考测量确定所述数学模型的参数，所述参数取决于所述共焦显微镜的部件(15，17，18)。
12.根据权利要求1所述的共焦显微镜，
其特征在于
为了验证是否存在一层系统或零层系统：
-进行一层曲线拟合，其中，利用两个强度带描述所述测量图(45)，
-执行零层曲线拟合，其中，利用单个强度带描述所述测量图(45)，以及
-如果所述一层曲线拟合的曲线拟合结果具有比利用所述零层曲线拟合得到的曲线拟合结果更好的质量，则采用一层系统。
13.根据权利要求1所述的共焦显微镜，
其特征在于
为了明确地将在两个强度带位置(46，47)之间的所述位置差(A)分配给层厚度(d)：
-设置不同的数值孔径(NA)，
-利用所述光测量设备(30)针对每个设置的数值孔径(NA)记录相应的测量图(45)，并且
-其中，所述数学模型描述两个强度带位置(46，47)的位置差(A)如何取决于所述数值孔径(NA)，其中，对所述设置的数值孔径(NA)的知识允许避免在将在两个强度带位置(46，47)之间的位置差(A)分配到层厚度(d)中的模糊性。
14.一种用共焦显微镜(100)确定层厚度的显微镜方法，包括：
-通过光学部件(17，18)将照明光(11)引导至样本(20)；
-借助于焦点调整设备(19)，沿所述共焦显微镜(100)的光轴(16)调整所述照明光(11)相对于样本位置的焦点位置；
-借助于光测量设备(30)对来自所述样本(20)的照明光(11)进行共焦测量，其中，利用所述光测量设备(30)记录属于所述焦点调整设备(19)的不同设置的测量信号；
-借助于评估设备(35)确定所述样本(20)的层厚度(d)，其中，所述评估设备(35)从利用所述光测量设备(30)记录的测量图(41，45)确定至少两个强度带的强度带位置(46，47)，其中，所述测量图(41，45)表示取决于所述焦点位置的测量的光强度，并且其中，所述评估设备(35)根据所述强度带位置(46，47)之间的位置差(A)确定层厚度(d)，
其特征在于
所述评估设备(35)考虑到在所述样本(20)的层(23)处的所述照明光(11)的干涉，使用数学模型确定所述层厚度(d)，所述数学模型针对重叠强度带描述强度带位置(46，47)对于至少光波长(λ)和所述层厚度(d)的依赖性。
15.根据权利要求14所述的显微镜方法，
其特征在于：
确定多个横向不同的样本点中的每一个的相应层厚度(d)，以及
通过比较针对所述样本点记录的所述测量图的强度来确定所述样本点的消光图。
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