JP2004508577A - 表面の微細構造を定量的に光学的に測定するための顕微鏡および方法 - Google Patents

Abstract

ここで提案されるのは、加工物の表面の微細構造を定量的に光学的に測定するための顕微鏡および方法である。この顕微鏡は、光源、ポラライザ、変更可能なノマルスキープリズム、およびアナライザを備えるノマルスキー形微分干渉コントラスト顕微鏡構造を有しており、上記の光源は周波数スペクトルが狭く、および／またはこの光源は、周波数スペクトルが狭いスペクトルフィルタを備えており、ここでは位相シフト干渉評価ユニットが設けられていることを特徴とする。

Description

【０００１】
本発明は、加工物の表面の微細構造を定量的に光学的に測定するための顕微鏡および方法に関する。
【０００２】
顕微鏡は、小さな領域の構造を接近して観察するためだけに使用されるのではなく、ずっと以前から表面の定量的な特徴付けを行うためにも使用されている。
【０００３】
反射光式顕微鏡は、取り扱いが極めて簡単であり、加工物に対して接触することなしに、すなわち完全に非破壊式に動作する。しかしながら通例の入射光方式（明るいフィールド、暗いフィールド）は、表面の微細構造を検査するのに有利ではない。それはこれが表面の振幅差に依存しているからである。しかしながら表面の微細構造によって振幅差は形成されず、反射された波面における相対的な位相差だけが形成されるのである。
【０００４】
しかしながら２ビーム干渉を用いることによって、この位相差は振幅差に変換可能である。表面微細構造を定量的に特徴付ける商業的に入手可能な顕微鏡では、種々の装置がこのような２ビーム干渉法に対して使用される。画像発生の原理は、２つの部分ビームの配置構成が異なっていてもつねに同じである。すなわち、表面微細構造により、２つの部分ビーム間で位相差が形成され、これらが、引き続いて行われる重畳により振幅差に変換されるのである。つぎにコンピュータ制御によって位相をシフトすることにより、干渉画像から表面微細構造を再構成することができる。この手法がいわゆる位相シフト干渉法である。
【０００５】
この２ビーム干渉法では測定はつねに基準面に対して相対的に行われる。このことにより、まずこの測定装置が振動に対して極めて敏感であるという欠点が生じてしまう。さらに測定精度それ自体も基準面の粗さによって制限されてしまうのである。
【０００６】
これに対して本発明の課題は、加工物の表面の微細構造を定量的に光学的に測定するための顕微鏡および方法を提供して、この顕微鏡および方法が振動に対して敏感でなく、またこの顕微鏡および方法により、できる限り高い測定精度が保証されるようにすることである。
【０００７】
この課題は、加工物の表面の微細構造を定量的に光学的に測定する顕微鏡によって解決され、ここでこの顕微鏡は、光源、ポラライザ、ノマルスキープリズムおよびアナライザを備えるノマルスキー形微分干渉コントラスト顕微鏡構造を有しており、ここで上記の光源は周波数スペクトルが狭く、および／または上記の光源は、周波数スペクトルが狭いスペクトルフィルタを備えており、位相を再現可能にシフトする装置が設けられており、位相シフト干渉評価ユニットが設けられていることを特徴とする。
【０００８】
加工物の表面の微細構造を定量的に光学的に測定する方法において、上記の課題は、ノマルスキー形微分干渉コントラスト法を実行し、周波数スペクトル狭い光ビームによって処理し、位相シフト干渉法を用いて評価を行うことによって解決される。
【０００９】
上記のような顕微鏡および上記のような方法を用いれば、問題を驚異的に解決することが可能である。ノマルスキー形微分干渉コントラスト顕微鏡構造は、すでに長年にわたって公知であり、文献に記載されている。
【００１０】
上記のような顕微鏡構造により、２ビーム干渉法とは異なり、人間の眼に見える表面微細構造の像が形成される。しかしながらノマルスキー顕微鏡はこれまでつねに表面微細構造の定量的な判定だけにしか使用されなかった。ノマルスキー顕微鏡の大きな利点はそれ自体明らかであり、相応する方法にはいかなる基準面も不要である。このことによりノマルスキー顕微鏡は振動に影響されない。種々の評価に対してノマルスキー顕微鏡を使用する提案もすでに何度も示されており、例えば、”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ”（１９８０） ２９９８−３００９においてＪｏｈｎ Ｓ． Ｈａｒｔｍａｎ， Ｒｉｃｈａｒｄ Ｌ． ＧｏｒｄｏｎおよびＤｅｌｂｅｒｔ Ｌ． Ｌｅｓｓｏｒにより、または”ＳＰＩＥ ７４９”（１９８７） １０５−１１３においてＭ． Ｊ． Ｆａｉｒｌｉｅ， Ｊ． Ｇ． Ａｋｋｅｒｍａｎｎ， Ｒ． Ｓ． Ｔｉｍｓｉｔにより、またはＤＥ４１９２１９１Ｃ１およびＤＥ４２４２８８３Ｃ２にも示されている。これらの試みはそれぞれ、グレイレベルで発生した画像を変換して、つぎにこのグレイレベルを定量的に評価することによって機能するのである。
【００１１】
本発明は、画像処理の上記の慣用のコンセプトからは逸脱している。慣用のコンセプトの代わりに本発明では、ノマルスキー顕微鏡構造において位相シフト干渉法が可能になるようにされる。これは、位相を再現可能にシフトする装置を設けることにより、例えばノマルスキープリズムが調整可能であることによって行われる。ここで「調整可能」とは殊に、プリズムそれ自体を変位させることができるか、または択一的にはプリズムが固定されている場合でも、λ／４プレート片および回転可能なアナライザを用いて位相シフトが実現できるようにすることをいう。これによってノマルスキー顕微鏡を使用して表面微細構造を直接判定するための直接的定量的な手掛かりがはじめて得られるのである。
【００１２】
位相をシフトする装置の詳細で重要であるのはつぎの事実である。すなわち、位相シフトが光ビームの偏光状態に依存することである。複屈折する結晶からなる相応する装置は、文献において補償器または位相シフタとも称される。このような位相シフタを実現するために原理的にはどの複屈折材料でも好適である。
【００１３】
つぎに評価ユニットにおいて、分解能が高く、振動の影響を受けずかつ定性的な表面観察が可能であるノマルスキー顕微鏡の利点を利用して、位相シフト干渉法を実施することができる。
【００１４】
評価ユニットは有利には電気光学式画像変換器を有する。これは、例えば、電子的な信号出力部を有するカメラまたはＣＣＤセンサとすることができる。
【００１５】
殊に有利であるのは、加工物１０の支持体の回転軸が、顕微鏡の光軸にセンタリングされる場合である。この際に殊にこのセンタリングは、顕微鏡の分解能限界を下回る精度を有するとよい。この場合、加工物が回転する際および結像系と評価ユニットとの使用された組み合わせが回転する際に加工物の中心点の偏差を識別することのできない精度で回転軸がセンタリングされるため、測定可能な偏差が発生することがない。
【００１６】
択一的には十分に精度の高い調整が行われない場合、変位を画像比較手法によって求め、引き続きの評価手法において求めて補正することができる。
【００１７】
ここでは分解能が高く、極めて信頼性が高く、かつ高速な新方式の測定器具が得られ、この測定器具によって粗さが決定される。表面微細構造を高速かつ高い信頼性でならびに正確に定量的に特徴付けることができるのである。
【００１８】
さらに２ビーム干渉法による公知のどの測定手法においても、人間の眼による表面の微細構造の直接の判定を行うことができなかったが、本発明は、大きな付加的な利点としてまさにこれを可能にする。すなわち、すでに実際の測定の前に顕微鏡の利用者は、予想される結果をおおよそ知ることができるのである。ここでは測定の前に人間の眼によって直接の定量的な判定を行うことが可能である。
【００１９】
ノマルスキー画像を評価する方法として、有利には位相測定干渉法（ＰＭＩ＝Ｐｈａｓｅｎｍｅｓｓｕｎｇｓｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ）が使用され、これは例えば、別の関連で、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６８０， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｈａｒａｃｔａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ （１９８６）／１９のＫａｔｅｒｉｎｅ Ｃｒｅａｔｈによる”Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｐｈａｓｅ−Ｍｅａｓｕｒｍｅｎｔ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ”、およびＷＹＫＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮの刊行物、”Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｐｈａｓｅ−Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”， １９８７年６月に記載されている。ＰＭＩは、干渉法において波面の形状を求めるため、基準ビームの位相変調、干渉縞またはリングの記録、および後続の評価によって使用される。大きな利点は、評価アルゴリズムによって、結果が背景の明るさ（例えば不均一に明るさが分布する）に依存しなくなることである。この手法に対しては、位相情報を求め引き続き加工物の表面形状を計算するために種々異なる解決手段がある。この手法に対して特徴的であるのは、これが、２ビーム干渉装置または類似のシステムにおける干渉縞または干渉リングの評価に対して開発されたことである。上記のような干渉法情報の定量的な評価に対して、例えば、Ｃｒｅａｔｈによる前述の文献の個所に例が示されている。
【００２０】
本発明では上記の手法が極めて効果的に使用されて、ノマルスキー顕微鏡によって形成される画像の評価が行なわれ、ここでこれは干渉法に通例の干渉縞パターンではない。人間の眼に見える、表面微細構造の像が形成されるというノマルスキー画像の特性に基づき、干渉縞に対して開発された方法を用いてこの画像を定量的に評価することはこれまでは想到されていなかった。本発明ではこの手法が極めて効果的に使用され、これによりノマルスキー顕微鏡画像から表面微細構造をはじめて定量的に求めることができるのである。ここでは例えば、不均一な照明の影響または光軸に対して正確に垂直に配向されていない試料表面の影響が評価アルゴリズムにおいて除去され、また発表された、または公知のノマルスキー画像の定量的な別の評価に必要であるような取り扱いが困難な別の方法（基準の明るさの記録、基準面の記録）によって上記の影響を補償する必要はない。
【００２１】
好まれて使用される位相測定干渉（ＰＭＩ）法では、ノマルスキープリズムをシフトすることにより、または択一的にはλ／４プレートを付加的に挿入してアナライザを０〜πのステップ、有利にはπ／２で回転することにより、画像を形成する２つの部分ビーム間の位相をシフトして、引き続いて行われる測定において輝度を測定する。または位相が連続的にシフトされ、輝度が積分される。一般的には、位相がシフトした場合、輝度のＮ個の測定値（積分または個別の測定として）が観察領域にわたって記録される。このために有利であるのは、位相シフタをあらかじめ較正しておくことである。少なくともＮ＝３の測定値が必要である。種々異なる評価手法が公知であり、殊に４バケット法（Ｎ＝４）の評価手法、３バケット法（Ｎ＝３），カレ（Ｃａｒｒｅ）法、平均３−３（ｍｉｔｔｅｌｎｄｅ Ｔｈｒｅｅ−ａｎｄ−Ｔｈｒｅｅ）法、５バケット法（Ｎ＝５）または別の類似の手法または全く別の手法が公知であり、これらの手法はすべて干渉縞または干渉リングの評価に対して通例使用できるが、ノマルスキー顕微鏡の画像の評価に対しては使用できない。本発明により、ノマルスキー顕微鏡においてこの方法が使用される。４バケット（Ｎ＝４）法を適用する際の結果はさらに先で例示的に説明する。位相シフトに基づきかつ干渉縞評価に対して開発された別の方法または変更された手法も同様に有利であり、本発明の一部である。
【００２２】
本発明の種々の有利な実施形態は従属請求項において特徴付けられている。
【００２３】
以下では図面に基づいて実施例を詳しく説明する。ここで、
図１は、本発明の顕微鏡の概略図を示しており、
図２は、本発明の顕微鏡の部分としての１モジュールの透視図を示しており、
図３は、評価ユニットを有する構成の全体図を示しており、
図４は、プリズム位置に依存する画像輝度を示しており、
図５は、位相シフト干渉法における測定原理を示しており、
図６は、表面の微細構造の３次元図を示しており、
図７は、種々異なる測定方法の比較曲線を示しており、
図８は、測定結果の種々異なる図を示しており、
図９は、繰り返し精度の図を示している。
【００２４】
図１には本発明による顕微鏡の構造が概略的に示されている。この顕微鏡の全体構造は、ノマルスキー形の構造に類似している。検査すべきであるのは、加工物１０ないしはこの加工物１０の表面１１の微細構造である。ビーム路は、まず入射する光ビーム１５により、また引き続いては加工物１０の表面１１で反射する光ビーム１６によって示される。
【００２５】
出発点は光源２０であり、ここでこれは白色光源である。この光ビームは、周波数スペクトルの狭いスペクトルフィルタ２１を通って入射する。周波数スペクトルの狭いこの光ビームは、引き続きポラライザ２２に入射し、そこで直線偏光される。引き続きこの光ビームは、部分透過性の、ここでは半透過性のミラー２３に達し、ここでこのミラーはビーム路に案内されて、このミラーにより、光源２０から入射した光ビームが加工物１０の表面１１の方向に向きを変えるようにする。加工物はしばしば試料とも称される。
【００２６】
ミラー２３からこの光ビームは、複屈折プリズムであるノマルスキープリズム２４に入射する。このプリズムにより、光ビームは、直交する２つの直線偏光部分ビームに分割され、これらは対物レンズ２５を通過した後、横方向にわずかに変位して加工物１０の表面１１に当たる。したがって加工物１０の表面１１で反射する際に２つの部分ビームは、表面１１の微細構造に起因して、互いに対して位相がシフトする。反射光１６のビームは対物レンズ２５を新たに通過した後、ノマルスキープリズム２４において再度重畳される。
【００２７】
光ビームはさらに半透過性のミラー２３を通過してアナライザ２６に達し、共通の偏光成分の選択が行われる。これで部分ビームは再度干渉可能である。
【００２８】
このようにして得られた干渉画像には、ビームシフトの方向に沿う微分された高さ変化についての情報が含まれる。
【００２９】
このような顕微鏡により、０．０５ｎｍのオーダの表面の粗さまで見えるようにできることが確認された。この干渉画像により、加工物１０の表面１１の良好な画像が示されるが、これには小さな２つの制限が伴う。第１にはこれが表面微細構造の直接の像ではなく、傾きの像に過ぎないことであり、これは高さではなく高さ変化を表すのである。
【００３０】
第２にこの高さ変化は、シヤリング方向（Ｓｃｈｅｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）に沿ってだけ見ることができるのである。
【００３１】
局所的な画像輝度は、２つの直線偏光部分ビーム間の相対的な位相差によって決定される。位相差χに対して、画像面における輝度はつぎの式で得られる：
【００３２】
【数１】

【００３３】
量Ｉ_ｍａｘは、観察される最大の輝度を示しており、量Ｑは顕微鏡内での光学的な損失を示している。所定の光学系に対してこの損失は一定であり、これに対して最大の輝度は、観察する表面の反射率に依存する。位相シフトχは２つの成分、すなわち表面微細構造に依存する成分αと、ノマルスキープリズムの位置および特性から得られる別の成分βとからなる。
【００３４】
χ ＝ α＋β　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
位相シフトの値βは、シヤリング方向に沿うプリズムの変位に伴って線形に変化し、このため、
【００３５】
【数２】

【００３６】
が成り立つ。この式でβ_０はｘ＝０における位相シフトを、またｄβ／ｄｘはシヤリング方向に沿う位相シフトの傾きを表す。
【００３７】
シヤリング方向に沿う位相シフトの傾きを決定するため、システムの較正が推奨される。これについては後ほど説明する。位相シフトの他にこれらの部分ビームは、その伝搬方向が逆に変化にする。これは、試料表面において間隔Δｓを有する２つの光の点に位置的に分かれる。プリズムによって生じた位相シフトにより干渉画像全体の背景の輝度が変化するのに対して、表面微細構造は画像輝度が局所的に変化する。表面にほぼ垂直に光ビームが入射すると仮定すると、シヤリング方向に沿う高さの差分Δｚは、２つの部分ビーム間でつぎのような位相シフトα
【００３８】
【数３】

【００３９】
になる。
【００４０】
したがって位相シフトαは、シヤリング方向に沿う高さの差分に比例する。これにより、干渉画像における輝度分布はつぎのようになる：
【００４１】
【数４】

【００４２】
このような輝度分布だけから表面微細構造についての定量的なデータを得るために必要となり得るのは、有利な較正によって、相応する高さ変化に、測定した輝度を対応付けることであるが、この方法は極めて煩雑でありかつ不確実である。
【００４３】
しかしながら本発明により、位相シフト干渉法が使用される。この手法によって、位相αを直接決定することができる。このような手法において、これまでは別の関連で、測定ビームと基準ビームとの間の相対的な種々の位相シフトが調整され、つぎに輝度分布が決定される。
【００４４】
位相シフトは、基準ビーム路における光路を変更することによって調整される。このために圧電セラミックにより、基準面が光軸に沿って変位される。このようにして得られた輝度分布の集合から、位相シフトχにおけるαの部分が計算され、ここでこの位相シフトは、表面微細構造から得られるものである。
【００４５】
しかしながら本発明では図１に示した実施形態において、変位可能なノマルスキープリズム２４が反射光式顕微鏡に組み込まれる。図示の実施形態では、顕微鏡の光学系は、十分に複屈折がなく、また照明ビーム路および観察ビーム路においてポラライザ２２ないしはアナライザ２６を組み込むことが可能である。
【００４６】
この顕微鏡では、２つのビームの間の相対的な位相シフトが、ノマルスキープリズム２４をシヤリング方向に沿って変位させることに極めて簡単に形成される。ここでは少なくとも３つの輝度分布値からなる集合が必要である。それは式（５）に３つの未知の量、すなわち最大輝度Ｉ_ｍａｘと、光学的損失Ｑと、位相シフトαとが含まれるからである。しかしながら実践的には４つの輝度分布値を使用することが有効であることが示されている。０，π／２，π，３／２πの位相シフトβ_ｉを有するこれらの４つの輝度分布値Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３およびＩ_４は、式（６）によって表される：
【００４７】
【数５】

【００４８】
位相β_ｉは、ノマルスキープリズム２４をシヤリング方向に沿って区間ｘ_ｉだけ変位させることによって調整可能である。この場合、これらの４つの輝度分布値から位相シフトα
【００４９】
【数６】

【００５０】
が簡単に決定される。位相シフトαの決定は、この手法により、πの整数倍だけにおいて行われる。三角関数の周期性に起因してαに対する値は、−π〜πの領域において多重になる（ｆａｌｔｅｎ）。したがって位相シフトを完全に決定するためには多重性の除去（Ｅｎｔｆａｌｔｕｎｇ）を行わなければならない。このためには隣接するピクセル間の位相差がπ／２よりも小さくなるまでπの倍数を加算ないしは減算する。しかしながらこれに対する前提は、隣接する２つのピクセル間の高さの差によって、π／２よりも大きな位相シフトが生じないことである。このようにして位相シフトが決定されると、表面微細構造の傾き∂ｚ／∂ｘがつぎから得られる：
【００５１】
【数７】

【００５２】
シヤリング方向に沿って数値的に積分することによってここから表面微細構造のラインプロフィールをｘ方向に作成することができる。
【００５３】
【数８】

【００５４】
インデックスｘによって明らかにしたいのは、ｘ方向の表面構造だけが検出されることである。利用者が顕微鏡の下で試料を配向して、関心対象の構造がシヤリング方向に対して垂直に延在するようにされると、上記の制限にもかかわらず情報に富む結果が得られる。
【００５５】
本発明の有利な実施例は図２に示されている。これはノマルスキープリズム２４を有するモジュールである。このモジュールは、これを既存の顕微鏡において慣用の対物レンズの代わりに組み込むことできるように構成されている。プリズムは、シヤリング方向に沿って変位可能であり、これによって２つの部分ビーム間で相対的な位相シフトを調整することができる。変位は微動ねじ（Ｍｉｋｒｏｍｅｔｅｒｓｃｈｒａｕｂｅ）ないしは測微ねじ（Ｆｅｉｎｍｅｓｓｓｃｈｒａｕｂｅ）により手動で行われる。また変位は、実施例に応じてステップモータ、圧電アクチュエータなどにより自動的に行うことも可能である。変位機構を有するプリズムは同様に光軸の周りに回転することができ、これを顕微鏡の幾何学形状に適合させることができる。さらに固定のプリズムの場合、λ／４のプレート片を挿入してアナライザを回転することによって位相シフトを実現することも可能である。このモジュールに接続されるのが、位相シフトを自動的に制御するコンピュータである。
【００５６】
図３には、本発明により、商業的に入手可能な顕微鏡をどのように構成し得るが示されている。上記のモジュールは図１に相応して対物レンズと対物レンズ収容部との間に組み込まれる。また２つの偏光フィルタが付加的に組み込まれる。
【００５７】
輝度分布の測定は、センサ２７によって、例えば高解像度ＣＣＤ測定カメラによって行われる。このカメラは顕微鏡の光軸の周りに回転可能であるため、シヤリング方向と、カメラのラインまたはカラムの方向とを一致させることができる。ディジタルインターフェースを介してカメラの制御ユニットは画像記憶装置に接続されている。この画像記憶装置は、コンピュータを有する評価装置３０に組み込まれている。このコンピュータによってノマルスキー記録データのディジタル処理および評価が可能である。図３では図の左半分にキセノンランプとＣＣＤカメラを含む本発明のモジュールを有する顕微鏡が、また右半分に画像処理システムを有する評価装置が示されており、この画像処理システムは、画像記憶装置が組み込まれたコンピュータと、２つのモニタとを有する。
【００５８】
ＣＣＤチップのデータを選択して、横方向の解像度が、顕微鏡の光学的な分解能によって制限されるようにすべきである。
【００５９】
垂直方向の解像度は、検出器のＳＮ比によって制限される。しかしながら絶対的な限界値を設定することはできない。それはその決定に対して適切な深さ調整基準（Ｔｉｅｆｅｎ−Ｅｉｎｓｔｅｌｌｎｏｒｍａｌ）はないからである。したがって垂直方向の分解能はいわゆる繰り返し精度を介して特徴付けられる。このために１表面において同じ測定を２回行い、これによって求められた表面微細構造の一方から他方を減算する。このような差分形成による自乗平均の粗さは、垂直方向の分解能限界に対する尺度である。これが意味するのは、この深さを有する深さ調整基準はもはや分解できないことである。それはＳＮ比が１であるからである。
【００６０】
垂直方向のダイナミックレンジは、３つのファクタによって制限される。すなわち、第１に隣接するピクセル間の高さの差によって、π／２よりも大きな位相差が生じてはならない。つまり隣接するピクセル間の高さの差は、λ／４より大きくてはならないのである。そうでなければ位相シフト手法によって誤った結果が得られてしまう。この判定基準が満たされる場合、最大限に測定可能な高さの差は、顕微鏡の焦点深度範囲によって制限される。
【００６１】
本発明の実践的な有用性を示すために、深さ調整基準ならびに種々異なるＢＫ７表面を検査した。この際に得られた定量的な結果を以下に示す。
【００６２】
まず最初に図１に相応する、ノマルスキー顕微鏡の光学的なコンポーネント（ポラライザ２２，アナライザ２６およびノマルスキープリズム２４）を調整した。ＣＣＤセンサは、顕微鏡のシヤリング方向と、このセンサのラインとが一致するように配向された。ノマルスキープリズムによって発生する２つの部分ビーム間の相対的な位相シフトを較正するため、深さ調整基準を使用する。際立っているのは、間隙を除けば、粗さが極めてわずかであることであり、この粗さはノマルスキー顕微鏡においては相応して一様な明るさになってしまう粗さである。画像の明るさは、プリズム位置の関数として記録された。このために２．５ｍｍの範囲にわたって０．１ｍｍのステップでプリズムを変位させた。各測定点において１００ｍｓの照明時間および０ｄＢの増幅度で１６個の個別画像にわたって輝度分布が平均化された。背景の明るさは、ＣＣＤセンサの全体の面にわたる平均化によって計算される。図４においてはグレイレベルにおける明るさが、プリズム位置の関数としてプロットされており、この位置は右に向かってｍｍで示されている。
【００６３】
図４の測定点により、プリズム位置に依存する上記の測定した明るさ経過と、式（１０）による非線形回帰とが示されている。測定値と、非線形回帰との一致は極めて良好である。この非線形回帰により、２４０のグレイレベルの最大輝度Ｉ_ｍａｘが、０．０６の損失Ｑで得られる。位相シフトの傾きｄβ／ｄｘに対して、０．６６ｒａｄのスタート値β_０において、２．２８ｒａｄ／ｍｍが得られる。Ｉ_ｍａｘおよびＱが、検査する表面の反射率に依存するのに対して、ｄβ／ｄｘは元になる表面の特性に依存せず、β_０は任意に選択可能である。
【００６４】
位相シフト干渉法に関連する量は、位相シフト傾きｄβ／ｄｘによって表される。これがわかると、２つの部分ビーム間の位相シフトを０〜２πの任意の値に調整することができる。これにより必要な前提が得られて、表面微細構造が位相シフト干渉計によって定量的に決定される。以下では測定原理を９８．５ｎｍの深さ調整基準の例で示す。
【００６５】
この深さ調整基準は、顕微鏡の下で配向されて、９８．５ｎｍの間隙がシヤリング方向に対して垂直に延在するようにする。つぎに０，π／２，πおよび３／２πである２つの部分ビーム間の相対的な位相シフトβ_ｉで４つの干渉画像の記録が行われる。先行して行われる較正により、所望のπ／２の位相シフトに対して、プリズム位置が所要の０．６９ｍｍだけ変位される。結果の表示は、使用した３Ｄソフトウェアにより、最大５１２×５１２ピクセルの領域に制限される。
【００６６】
図５ａ）には９８．５ｎｍの深さ調整基準に対する位相計算の結果が示されている。図５ｂ）には補正された位相分布が示されており、この位相分布から数値積分により、図５ｃ）の表面微細構造を再構成可能である。これらはそれぞれ、４５０×４５０ピクセルサイズのグレイレベル表示の一部であり、画像の明るさはその高さに比例する。ここではｘは右方向にｙは上方向にそれぞれμｍでプロットされている。わかりやすくするため、図５ｄ）では、図５ａ），ｂ），ｃ）のグレイレベル表示の最も下のラインが１次元のプロフィールとしてそれぞれ示されている。ここでもｘはμｍで右方向にプロットされているが、ここではｚはｎｍで上方向にプロットされている。
【００６７】
図５ａ）では間隙の２つのエッジは明らかに暗いストライプとして識別可能であり、右側の暗いストライプは、弱く明るい縁部を有する。図５ｄ）における位相の１次元のプロフィールにより、２つのストライプの違いが明らかに示されている。第２のストライプの明るい縁部は、−π〜πの値域における位相の多重性によるものである。定量的な評価に対して図５ａ）の位相分布を補正することができ、ここでこれはまず位相分布において多重性を除去し、つぎに線形回帰を行うことによって行われる。
【００６８】
多重性を除去するためには、先行するピクセルに対する位相差がπ／２よりも小さくなるまで、ピクセルの位相値にπの倍数が加算ないしはこれからπの倍数が減算される。引き続き行毎に線形回帰が行われ、つぎにその結果が各行から減算される。この際に線形な位相の増大および位相オフセットが取り除かれる。このようにして補正された位相分布の結果が図５ｂ）に示されている。間隙の縁におけるマイナスおよびプラスの高さの変化は、明瞭に比較的黒いまたは比較的白いストライプとして識別することができ、これに対して残りの画像は均一に灰色である。図５ｄ）の補正された位相分布の１次元プロフィールにより、元々の位相分布に対する補正が明瞭に示されている。位相成分はｘ軸に対して対称である。間隙縁部におけるマイナスおよびプラスの高さの変化の絶対値は大きさが同じである。補正されたこの位相分布は、表面微細構造の傾き画像である。
【００６９】
この傾き画像から表面微細構造を再構成するため、ｘ軸に沿って数値積分を行う。図５ｃ）には積分の結果がグレイレベル画像として示されている。９８．５ｎｍの間隙は明らかにより黒いストライプとして識別することができる。図５ｄ）の間隙の１次元プロフィールにより、ｘ軸に沿って表面微細構造が良好に再構成されることが明瞭に示されている。この間隙は、５０μｍの幅で約１００ｎｍの深さを有する。
【００７０】
使用したソフトウェアにより、グレイレベル画像の他に測定データの３次元視覚化も可能である。図６には深さ調整基準である９８．５ｎｍおよび２．７ｎｍの間隙の表面微細構造が重ねられて示されている。２つの間隙はシヤリング方向に対して垂直に配向されているため、その実際の深さを測定することができる。２．７ｎｍの深さの間隙の表示は、見やすくするために１５ｎｍだけ下駄を履かせた。この部分画像は、１５０μｍ×１５０μｍのエッジ長を有する。ｘおよびｙはここでもμｍであり、右方向ないしは視覚的に後方向にプロットされており、これに対してｚはｎｍで上方向にプロットされている。ｙ軸に沿った高さ情報がないのにもかかわらず、表面微細構造の極めてリアルな画像が得られる。２．７ｎｍの間隙も極めて良好に分解されている。
【００７１】
結果を検証するために公知の別の測定装置との比較を示す。このために図７では機械的なプロフィルメータ（ＭＰ）によるレベル測定の結果が実線で、光学式ヘテロダインプロフィルメータ（ＯＨＰ）によるものが破線で、また本発明のノマルスキー顕微鏡（ＮＭ）によるものが点線で２つの深さ調整基準に対して対比されている。図７ａ）には９８．５ｎｍの間隙の３つの表面プロフィールが示されている。比較のため、図７ｂ）には相異なる２つの尺度で２．７ｎｍの間隙の表面プロフィールが３つずつ示されており、上側の図では９８．５ｎｍの間隙と同じ尺度で、また下側の図では極めて大きく拡大されて示されている。
【００７２】
ここでもｘは右方向にμｍで、またｚは上方向にｎｍでプロットされている。
【００７３】
表面プロフィールが間隙の別個の領域で測定されたことを考慮すると、間隙の深さおよび幅についての測定結果は申し分がない。例外であるのは光学式ヘテロダインプロフィルメータである。測定値が円上にあるその測定原理に起因して、間隙の幅を正しく決定することは不可能である。２．７ｎｍの間隙の極めて大きく拡大した図ではさらに、ノマルスキー顕微鏡の結果と、別の２つの測定器具の結果とが正弦波状に偏差することがわかる。これは、位相シフト干渉法に通例の誤差であり、これは位相シフトを設定する際の小さな偏差に起因するものである。この誤差は、約１５０μｍの固定の局所的波長（Ｏｒｔｓｗｅｌｌｅｎｌａｅｎｇｅ）において数十分の１ナノメータの振幅を有している。超平滑面（ｓｕｐｅｒｇｌａｔｔｅｒ Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅ）の粗さを決定する際にはこの誤差を補正しなければならない。その固定の局所的波長に起因して、この補正はフーリエフィルタリングによって実現可能であり、ここではこの局所的波長を有する成分を表面プロフィールから濾波可能である。
【００７４】
この装置が粗さ測定および別の統計的な粗さのパラメタに有利であることを示すため、例えば、２つのＢＫ７基板を選択した。ここでこれらは０１３５（それぞれ点で示されている）および０３１２（それぞれ実線で示されている）で示されている。粗さ測定の結果は図８にまとめられている。
【００７５】
ｘおよびｙはμｍでそれぞれ右方向にないしは上方向にプロットされており、図８ａ）においてｚはｎｍで上方向にプロットされている。これらの相異なる測定の設定は、
ａ）　Ｒ_ｑ（ＯＨＰ） ＝ ０．８２ｎｍ，Ｉ_ｃ ＝ ５μｍ
Ｒ_ｑ（ＮＭ） ＝ ０．６７ｎｍ，Ｉ_ｃ ＝ ４．３３μｍ
ｂ）　Ｒ_ｑ（ＯＨＰ） ＝ ０．２４ｎｍ，Ｉ_ｃ ＝ ９μｍ
Ｒ_ｑ（ＮＭ） ＝ ０．２５ｎｍ，Ｉ_ｃ ＝ ３．３３μｍ
であった。
【００７６】
図８ａ）およびｂ）における２つの表面のグレイレベル表示に対して同じ段階付けを選択した。すなわち黒は−６ｎｍのｚ値に相応し、白は＋６ｎｍのｚ値に相応する。これにより、２つの試料の粗さが異なることが、グレイレベル表示においてすでに明白である。２つの図はｘ方向にストライプを有し、そこでは高さ情報の誤差がｙ軸方向に沿って明らかになっている。試料０１３５の粗さが試料０３１２に比して大きいことは、図８ｃ）の１次元表面プロフィールにおいて殊に明らかである。２つの表面プロフィールから計算した自己共分散は図８ｄ）に対比されている。図８ｄ）においてτはμｍで右方向に、またｃ（τ）はｎｍ^２で上方向にプロットされている。これによると、試料０３１２における３．３３μｍの相関長と、０．２５ｎｍの粗さの自乗平均を対して、試料０１３５は、４．３３μｍの相関長において０．６７ｎｍの粗さの自乗平均を有している。この結果によって、粗さの自乗平均に対する測定値が確認され、これは光学式ヘテロダインプロフィルメータ（ＯＨＰ）で求められる。この際に本発明によるノマルスキー顕微鏡（ＮＭ）と、光学式ヘテロダインプロフィルメータの結果との一致は、ＢＫ７基板０３１２において求めた粗さの自乗平均Ｒ_ｑに対して極めて良好であるということができる。しかしながらこの基板において相関長ｌ_ｃに対して重大な約３倍の違いが２つの測定器具の間で発生する。ＢＫ７基板０１３５では、２つの測定器具の結果はＲ_ｑおよびｌｃに対して２０％ないしは１５％互いに偏差する。
【００７７】
２つの測定装置間の偏差は、第１には試料表面の別の領域において測定が行われたことに起因する。第２には２つの測定装置はバンド境界（Ｂａｎｄｇｒｅｎｚ）が異なっており、これらにより、測定結果が系統的に互いに偏差するのである。
【００７８】
繰り返し精度の決定は、垂直方向の最小の分解能を求めるのに役立つ。このために図８ｂ）の平坦化されたＢＫ７試料０３１２が使用された。表面の同じ個所において２回の粗さ測定が順次行われた。図９にはこのような２つの測定における２つの１次元表面プロフィールが示されている。ｘは右方向にμｍで、ｚは上方向にｎｍでプロットされている。個々の測定は破線（Ｒｑ＝０．２２ｎｍにおける測定Ｉ）ないしは点（Ｒｑ＝０．２１ｎｍにおける測定ＩＩ）でプロットされており、差分は実線でプロットされている。
【００７９】
２つの個別の測定の偏差は、明確に識別可能である。２つの個別の測定の差分は、０．１２ｎｍの粗さの自乗平均を有する。この繰り返し精度は、ＣＣＤセンサのＳＮ比を反映する。顕微鏡の光学的な分解能はより高い。それはこの顕微鏡によって、人間の眼による観察の際に０．０５ｎｍの粗さを有する表面微細構造の構造体がなお再現されるからである。
【００８０】
本発明の別の実施形態では、ＣＣＤセンサの回転軸は、試料支持体の回転軸、すなわち加工物１０の支持体にセンタリングされる。この場合には２つの測定を、この顕微鏡の光軸の周りに９０°ずつ回転した加工物１０において行うことができ、これによってｘ方向にもｙ方向にも延在する表面構造が検出される。つぎに２つのラインプロフィールを重畳することによって加工物１０の表面１１の完全な画像を求めることができる。
【００８１】
ＣＣＤセンサおよび加工物１０の支持体の軸が十分良好にセンタリングされていない際には別の実施形態が適用される。ここでは部分画像の変位が、９０°の回転の後、画像比較手法によって求められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の顕微鏡の概略図である。
【図２】
本発明の顕微鏡の部分としての１モジュールの透視図である。
【図３】
評価ユニットを有する構成の全体図である。
【図４】
プリズム位置に依存する画像輝度を線図である。
【図５】
位相シフト干渉法における測定原理を示す線図である。
【図６】
表面の微細構造の３次元図である。
【図７】
種々異なる測定方法の比較曲線を示す線図である。
【図８】
測定結果の種々異なる図である。
【図９】
繰り返し精度の線図である。
【符号の説明】
１０　加工物
１１　加工物の表面
１５　入射光ビーム
１６　反射光ビーム
２０　光源
２１　スペクトルフィルタ
２２　ポラライザ
２３　部分透過性ミラー
２４　ノマルスキープリズム
２５　対物レンズ
２６　アナライザ
２７　センサ、例えばカメラ
３０　評価ユニット

Claims (19)

1. 加工物（１０）の表面（１１）の微細構造を定量的に光学的に測定する顕微鏡において、
   光源（２０）、ポラライザ（２２）、ノマルスキープリズム（２４）およびアナライザ（２６）を備えるノマルスキー形微分干渉コントラスト顕微鏡構造を有しており、
   前記光源（２０）は周波数スペクトルが狭く、および／または
   該光源（２０）は、周波数スペクトルが狭いスペクトルフィルタ（２１）を備えており、
   位相を再現可能にシフトする装置が設けられており、
   位相シフト干渉評価ユニット（３０）が設けられていることを特徴とする、
   加工物の表面の微細構造を定量的に光学的に測定する顕微鏡。
2. 前記評価ユニット（３０）は、電気光学式画像変換器、例えばカメラまたはＣＣＤセンサを有する、
   請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記の位相を再現可能にシフトする装置は、前記ノマルスキープリズム（２４）をシフトする機構を有している、
   請求項１または２に記載の顕微鏡。
4. 前記の位相を再現可能にシフトする装置は、例えばノマルスキープリズム（２４）に隣接して、ビーム路にλ／４プレート片を有しており、
   前記アナライザ（２６）は回転可能である、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の顕微鏡。
5. 前記の位相を再現可能にシフトする装置は、制御可能なエレメントによって再現可能に調整される、
   請求項３または４に記載の顕微鏡。
6. 交換可能なモジュールユニットが設けられており、
   該モジュールユニットは、調整ないしは変位機構の他に、調整可能な、例えば変位可能なノマルスキープリズム（２４）を構成部分として有しており、
   前記モジュールユニットは、顕微鏡ねじにより、交換可能に慣用の顕微鏡のビーム路に挿入される、
   請求項１から５までの１項に記載の顕微鏡。
7. 前記モジュールは、光軸の周りに回転される、
   請求項６に記載の顕微鏡。
8. 前記の加工物（１０）の支持体の回転軸は、顕微鏡の光軸にセンタリングされる、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の顕微鏡。
9. 前記センタリングは、顕微鏡の分解能限界を下回る精度で行われる、
   請求項８に記載の顕微鏡。
10. 加工物（１０）の表面（１１）の微細構造を定量的に光学的に測定する方法において、
    ノマルスキー形微分干渉コントラスト法を実行し、
    周波数スペクトルの狭い光ビームによって処理し、
    位相シフト干渉法を用いて評価を行うことを特徴とする、
    加工物（１０）の表面（１１）の微細構造を定量的に光学的に測定する方法。
11. 評価手法として位相測定干渉法（ＰＭＩ＝Ｐｈａｓｅｎｍｅｓｓｕｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ）を使用し、ここで該位相測定干渉法の評価アルゴリズムは、結果が背景の明るさまたは不均一な明るさの分布に依存しない、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記位相を０〜πの間のステップで、有利にはπ／２だけシフトし、
    連続する測定にて輝度を測定する、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記位相を連続的にシフトし、輝度を積分する、
    請求項１１に記載の方法。
14. 位相シフトの較正を行い、
    このために画像輝度を、ノマルスキープリズム（２４）の位置の関数として記録し、
    前記評価を輝度経過に対する理論モデルにしたがって行う、
    請求項１０から１３までのいずれか１項に記載の方法。
15. 位相シフト干渉法を用いて得られた位相分布の定量的な評価を多重性の除去によって行う、
    請求項１０から１４までのいずれか１項に記載の方法。
16. 位相差がπ／２よりも小さくなるまでピクセルの位相値にπの倍数を加算するかないしは該位相値からπの倍数を減算して前記の多重性を除去し、
    引き続きライン毎に線形回帰を行い、その結果を各ラインから減算する、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記の加工物（１０）の表面（１１）の微細構造を再構成するため、前記の多重性を除去し求めた画像を積分する、
    請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記評価ユニット（３０）におけるセンサの回転軸を前記の加工物（１０）の支持体の軸にセンタリングし、
    センサに対して所定の１角度だけ光軸の周りに回転した加工物にて少なくとも２つの測定を行い、
    ラインプロフィールの重畳および／または計算を２つの方向で行い、表面構造を面で捉える、
    請求項１０から１７までのいずれか１項に記載の方法。
19. センサに対して９０°だけ光軸の周りに回転した加工物にて丁度２つの測定を行う、
    請求項１８に記載の方法。

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