JP2017096956A - 構造物体を検査するための光学装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トポグラフィ測定、層厚さ測定、及びパターン高さ測定を同時に行うことのできる構造物体を検査するための光学装置及び方法を提供する。【解決手段】構造物体を検査するための顕微鏡装置であって、カメラ１と、カメラ１において視野に応じて物体の画像を生成することができ、かつ、物体４の側に配置された遠位レンズ３を含む光学画像化手段２と、測定ビームを含み、かつ、測定ビームの逆反射と少なくとも１つの別の光学参照との干渉によって測定を行うことのできる低コヒーレンス赤外線干渉計５とを含む顕微鏡装置に関する。本装置は、ビームが遠位レンズ３を通過するように、測定ビームを光学画像化手段２に導入するための結合手段７をさらに含み、低コヒーレンス赤外線干渉計５は、物体４に対する測定ビームが対象範囲とする光学距離に近い光学距離において発生する、測定ビームの逆反射のみによって測定が行われるように、調節される。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物体を三次元的に検査するための装置に関する。さらに本発明は、この装置で実行される、構造物体を検査するための方法に関する。

より詳しく言うと、本発明の分野は、マイクロシステム（ＭＥＭｓ）及びマイクロエレクトロニクスの分野における装置の測定及び寸法制御の分野であるが、これに限定されるわけではない。

マイクロエレクトロニクス及びマイクロシステム（ＭＥＭｓ、ＭＯＥＭｓ）における製造技術は、特に、これらのシステムの機能のより良いボリューム集積（volume integration）の可能な複合ボリューム構造（complex volume structure）を形成する方向に向かって進歩している。

これらの技術の開発は、測定及び寸法制御手段に対する必要性に関して変化をもたらしている。このボリューム態様（volume aspect）に対する正確な考慮がより重要になって
きている。

光学測定技術、特に、画像化及び干渉法に基づく光学測定技術は、広く用いられている。なぜなら、これらは工業環境に組み込むことができ、また、これらは数ミリメートルから１ナノメートル未満の測定範囲に関して正確な情報を提供することができるからである。さらに、これらには、接触、劣化、及び試料の準備の必要のない、依然として手頃な装置を用いる測定を可能にするという利点がある。

特に、表面及びパターンの検査、及び、観測軸に対して略垂直の平面に関する画像解析による寸法測定の実行を可能にする、通常は反射による従来の顕微鏡に基づく画像化技術が、知られている。通常、これらの装置は、光源、カメラ、及び適切な倍率を有する画像化光学部品を備えている。１マイクロメートルオーダーのこれらの方位分解能は、基本的に、光回折現象、倍率、及び、光学部品の品質によって決定される。通常、測定は、光スペクトルの可視光線又は近紫外線の部分に関して行われる。これによって、回折の制限、及び、手頃な価格のカメラ及び光学部品の使用が可能となっている。

深さの定量的測定（観測軸に平行な）を達成するという目的のために、画像化顕微鏡は、干渉計顕微鏡技術に基づく干渉測定によって補完することができる。したがって、装置は、物体の表面からの光（測定波）を測定すること、及び、参照表面によって反射される、同一の光源からの参照光波を、カメラに重ね合わせることを可能にする干渉計によって補完することができる。このようにして、測定波と参照波との干渉が達成され、これにより、１ナノメートルのオーダーの深さ分解能での、表面位相の測定が可能になる。画像化顕微鏡の場合と同様の実施理由で、測定は、通常、光スペクトルの可視光線の部分に関して行われる。

干渉計顕微鏡は、例えば、第１の表面に関するトポグラフィ測定、又は、使用される波長に対して実質的に透過性である薄い層の厚さ測定を効果的に行うことを可能にする。一方、干渉計顕微鏡は、実施の難しい光学的補償を行わないと、数十ミクロン超の材料の厚さ測定をほとんど行うことができない。また、言うまでもないが、干渉計顕微鏡によってシリコンの厚さの測定を行うことは、この材料が可視波長に対して透過性でないならば、不可能である。

厚さを測定する際の問題は、干渉計測定技術、特に、低コヒーレンス赤外線干渉法に基づく干渉計測定技術によって、効果的に解決される。実際、マイクロエレクトロニクス及びマイクロシステムに広く使用されている複数の材料、例えば、シリコン又はガリウム砒素は、近赤外線の波長に対して実質的に透過性である。これらは、一般に、点測定システムである。つまり、これらは、物体の表面の点において、１つ以上の高さ又は厚さ（複数の層のスタックに対する測定の場合）を測定することができる。

マイクロシステム及びマイクロエレクトロニクスにおける別の問題は、深さ対幅の比率（「アスペクト比」とも言う）が高いパターンの高さの測定である。特にディープ・プラズマ・エッチング（「深堀りＲＩＥ」）によって作製されたこれらのパターンは、例えば、幅が数マイクロメートルで、深さが数十マイクロメートルの溝又は孔の形状を有する場合がある。これらの深さの測定を正確に行うことは、アスペクト比のために、とりわけ困難である。開口数の高い光学測定ビームに基づく技術のすべてが、画像化ベースの技術（干渉法によろうが、干渉法によらなかろうとも）及び共焦点技術を含んでいる。これらは、ビームが、使用可能条件下で構造の底に到達することができないため、有効に機能しない。

Ｃｏｕｒｔｅｖｉｌｌｅに対する仏国特許第２８９２１８８号明細書には、アスペクト比の高いパターンの高さを測定することのできる方法及び装置が記載されている。この装置は、物体の表面の限定された領域を対象範囲とする実質的に点状の（punctual）測定ビームを含んでいる。ビームが対象範囲とするパターンの高さ測定は、入射波面をパターンの高い部分と低い部分とで分割し、モーダルフィルタリングステップ後のこれらの分割された波面間に生じる位相シフトを干渉法に基づいて測定することによって、達成される。仏国特許第２８９２１８８号明細書に記載されている装置は、有利にも、赤外線波長において動作させて、半導体材料の複数の層の厚さを同時に測定することができる。

マイクロエレクトロニクス又はマイクロシステムにおいて特徴的な素子については、多くの場合、特定の場所に関して位相測定及び高さ又は厚さ測定を同時に実行する必要がある。これらの高さ又は厚さの測定の位置決めは、場合によって、例えば、数十マイクロメートル又は数百マイクロメートルだけ互いに離間される、幅が数マイクロメートルの開口又はビアが半導体基板に穿孔される「チップ・レベル・パッケージング」用途では、極めて正確であるべきである。他の事例では、高さ及び厚さ測定は、いくつかのパターンのみを考慮するために、範囲の限定された領域に関して行われるべきである。したがって、あらゆる場合に、赤外線測定ビームは、物体の表面に対する位置及び／又は倍率に関して、正確に調節されるべきである。

カメラにおいてその位置が観察される点測定ビームを用いる、高さ又は厚さ測定方法について記載している、Ｃａｎｔｅｌｏｕｐらに対する仏国特許第２７１８２３１号明細書が知られている。測定ビームは、観察されている視野に現れるように、カメラの画像化光学部品を通過する。この装置は、測定ビームが物体の表面に対して正確に位置決めされることを可能にする。しかしながら、干渉計測定の波長は、この事例では、画像化波長（これに対して画像化光学部品は最適化されている）に含まれている。これは、干渉計測定技術が、多くの場合、光学部品が動作波長に最適化されていない場合に不可避的に現れる寄生反射（parasitic reflection）、複数の光路、及び他の波面の収差に極めて敏感であるという事実に特に関連して、仏国特許第２７１８２３１号明細書に記載されている実施態様における強力な制約となっている。特に、仏国特許第２７１８２３１号明細書に記載されている方法は、赤外線の干渉計測定システムには適さない。

本発明の目的は、トポグラフィ測定、層厚さ測定、及びパターン高さ測定を同時に行うことのできる、構造物体を検査するための装置を提供することである。

この目的は、構造物体を検査するための顕微鏡装置であって：
−カメラ、
−カメラにおいて、視野に応じて物体の画像を生成することができ、かつ物体の側に配置された遠位レンズを含む光学画像化手段、及び
−複数の赤外線波長を有する測定ビームを含み、かつ、前記測定ビームの逆反射と少なくとも１つの別の光学参照との干渉によって、測定を行うことのできる低コヒーレンス赤外線干渉計
を含む顕微鏡装置において：
−測定ビームが遠位レンズを通過するように、及び、測定ビームが画像化手段の視野に実質的に含まれる測定領域に応じて前記物体を遮るように、測定ビームを光学画像化手段に導入するための結合手段をさらに含むこと、及び
−低コヒーレンス赤外線干渉計が、物体に対する前記ビームが対象範囲とし、かつ測定範囲を規定する光学距離に近い光学距離において発生する、測定ビームの逆反射のみによって測定が行われるように、調節されること
を特徴とする顕微鏡装置によって達成される。

遠位レンズは、可視波長で画像を生成するように設計することができる。遠位レンズは、顕微鏡レンズを含むことができる。

したがって、本発明に係る装置の画像化システムは、顕微鏡に従来的に使用されている構成要素を含むことができる。このことには、コスト及び産業開発の観点から見て、大きな利点がある。カメラは、ＣＤＤカメラであってもよい。

本発明に係る装置は、２００〜１１００ナノメートルの範囲に、すなわち、近紫外線（約２００〜４００ｎｍ）、可視光線（約４００〜７８０ｎｍ）、及び／又は近赤外線（約７８０〜１１００ｎｍ）に実質的に含まれる光学波長又は複数の光学波長において、物体の画像を生成することができる。

低コヒーレンス赤外線干渉計は、非限定的に、例えば層厚さ又は高さ測定などの寸法測定を、画像化システムの光軸に対して実質的に平行な複数の軸に沿って実行することができる。赤外線波長を使用するおかげで、これらの測定を、可視波長に対して非透過性である、シリコン及びガリウム砒素などの材料についても行うことができる。

低コヒーレンス赤外線干渉計の測定ビームは、１１００〜１７００ナノメートルの波長を含むことができる。低コヒーレンス赤外線干渉計の測定ビームは、特に、１３１０ｎｍ（ナノメートル）及び／又は１５５０ｎｍの近傍に位置する波長を含むことができる。

したがって、本発明に係る装置は：
−顕微鏡などの画像化システムによって、試料又は物体を観察、画像化、及び測定すること、
−ならびに赤外線干渉計を用いて、正確に特定された物体の領域に関する測定を実行すること
を同時に可能にする。

本発明の特に有利な特徴によれば、赤外線干渉計を用いる測定は、画像化光学部品の遠位部分において実行される。これにより、すべての測定が、実際に統合されることが可能になる。

この構成には、特有の困難が伴う。なぜなら、干渉計は、一般に、測定される位相の特性を急激に低下させる、測定ビームの寄生反射に対して極めて敏感だからである。これは、一般に干渉計が、画像化システムとは別に使用されるか、又は、いずれの場合も、干渉計の作動波長に最適化された光学部品、特に、反射防止膜に関して最適化された光学部品と共に使用されるからである。

この問題は、本発明に係る装置を用いて、測定範囲に実質的に対応する「コヒーレンスウィンドウ（coherence window）」の規定を可能にする干渉計を使用することによって、解決される。このようにして、測定範囲に対応する所定の光学距離において発生する、測定ビームの逆反射のみ、すなわち、干渉計に戻る反射のみが、実質的に干渉現象に寄与する。光学距離は、光によって「見られる」距離であり、屈折率ｎを有する媒質においては、屈折率ｎを掛けた幾何学的距離に対応する。したがって、測定は、実際に、画像化光学部品の測定ビームの散乱による影響を受けない。

本発明に係る装置は、視野及び測定領域の寸法を実質的に同一の割合で同時に修正するために、光学画像化手段の倍率を変更するための第１の倍率手段をさらに含むことができる。

これらの第１の倍率手段は、画像化ビーム及び測定ビームを同時に通過させる光学部品であってもよい。これらは、物体の表面における観察される領域（視野）及び測定ビームが対象範囲とする測定領域を、これらが、測定される物体において特徴的なパターンの寸法に適合するように、同時に調節することを可能にする。

これらの第１の倍率手段は：
−顕微鏡レンズなどの、様々な倍率を有する光学部品を備えるタレット、及び
−フローティングレンズ又は交換式レンズを有するズームなどの可変倍率光学部品
のうちの少なくとも１つの部品を含むことができる。

本発明に係る装置は、視野に対する測定領域の寸法を修正するために、測定ビームの倍率の修正を可能にする第２の倍率手段をさらに含むことができる。

測定ビームのみを通過させる光学部品であってもよいこれらの第２の倍率手段は、測定領域の寸法の設定に関してさらなる自由度を有する装置の提供を可能にする。

本発明に係る装置は、物体上の所望の場所に視野を配置することを可能にする、物体及び光学画像化手段に関する相対変位手段をさらに含むことができる。

本発明に係る装置は、視野において測定領域を移動させることを可能にする、物体及び測定ビームに関する相対変位手段をさらに含むことができる。

本発明に係る装置は、遠位レンズを介して物体を照射するように配置され、かつ可視波長の光線を生成する照明手段をさらに含むことができる。この構成は、従来の反射顕微鏡の構成に対応している。

一実施形態によれば、本発明に係る装置は、遠位レンズの位置に、カメラにおける物体の画像と重ね合わされる干渉縞を生成することのできる全視野干渉計を、そこから物体の表面のトポグラフィを導き出すために、さらに含むことができる。

マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）型、ミラウ（Ｍｉｒａｕ）型、リンニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型干渉計などのこのような全視野干渉計を作製するための様々な周知の方法がある。これらの原理は、光線のサンプリング部分に基礎があり、これを参照表面に反射させて、これを物体によってカメラに向けて反射される光と重ね合わせるというものである。このようにして生成された干渉縞は、画像の各点において、物体の表面の高度測定を計算し、これにより、そこから空間におけるその形状を導き出すことを可能にする。

全視野干渉計は、測定ビームの波長に対して実質的に透過性である二色性部品を含むことができる。この二色性部品は、例えば、使用される干渉計のタイプに応じて、ミラー、ビームスプリッタ板、又はビーム・スプリッタ・キューブであってもよい。この二色性部品は、全視野干渉計を通過する、赤外線干渉計測定ビームの反射が、最小限になるように、配置され得る。なお、これは、画像化システムの関連波長に対して完全に機能し続ける。

この実施形態によれば、本発明に係る装置は、表面形状測定、すなわち、物体の表面の三次元形状の表面形状測定、及び、赤外線干渉法によってのみ到達可能な測定を同時に実行することを可能にする。

一実施形態によれば、本発明に係る装置は、１マイクロメートルより高い波長を有する光源を含み、画像化手段から見て物体の裏側に配置される照明手段をさらに含むことができる。

したがって、この実施形態によれば、透過（transmission）による測定が行われる。この実施形態は、赤外線干渉計を用いて、例えば、マイクロ電子部品の裏面（つまり、基板）において測定を実行するため、特に興味深い。したがって、これらの部品に対して赤外線干渉計の測定領域を正確に配置するために、金属トラックなどの特に不透過性の領域を光密度変動として観察することが可能である。物体のシリコン基板が透過性となる１マイクロメートルよりも高い波長に対して十分な感度を保持する、シリコンベースのセンサを有するカメラを有するこの実施形態を実施することが可能である。

本発明に係る装置に実装される低コヒーレンス赤外線干渉計は、非限定的に、測定範囲において：
−測定ビームの波長に対して実質的に透過性である材料の少なくとも１つの層の光学的厚さ、
−測定ビームの波長に対して実質的に透過性である複数の材料のスタックの複数の層であって、互いに隣接する層間において屈折率が実質的に異なる複数の層の光学的厚さ、
−例えば仏国特許第２８９２１８８号明細書に記載されている方法に記載されているような、少なくともその高い部分及び少なくともその低い部分が測定領域に含まれるパターンの高さ、
−測定ビームと物体との接触点の、測定範囲における絶対高さ、
−物体上の様々な位置における測定ビームと物体との接触点間の高さの差
の要素のうちの少なくとも１つを測定することを可能にする。

本発明に係る装置に実装される低コヒーレンス赤外線干渉計は、例えば、その幾何学的厚さは他の方法で測定することのできる、材料の層の光学的厚さを測定することによって、屈折率の測定を行うこともできる。このタイプの測定は、例えば、材料の性質のチェックを可能にする。

視野における測定領域を観察するために、本発明に係る装置は、測定ビームと重ね合わされ、かつカメラによって検出可能な少なくとも１つの波長を含む観察ビームをさらに含むことができる。

この観察ビームは、該観察ビームが測定領域に応じて物体の表面を遮るように、調節することができる。これにより、カメラによって生成された画像上で、測定領域を直接観察することが可能になる。

本発明に係る装置は、測定領域の表示を含む、視野の画像を生成することのできるデジタル処理及び表示手段をさらに含むことができる。

この測定領域の表示は、ソフトウェア手段によって生成することができ、また、物体の表面の画像と重ね合わせることができる。

別の態様によれば、構造物体を検査するための方法であって：
−カメラにおいて、視野に応じて物体の画像を生成するステップ、物体の側に配置された遠位レンズを用意するステップ、及び
−複数の赤外線波長を有するこの測定ビームを発射する低コヒーレンス赤外線干渉計を用いて、測定ビームの逆反射と少なくとも１つの別の光学参照との干渉によって測定を行うステップ
を含む方法において：
−測定ビームが遠位レンズを通過するように、及び、測定ビームが画像化手段の視野に実質的に含まれる測定領域に応じて前記物体を遮るように、測定ビームを光学画像化手段に導入するための結合器をさらに含むこと、及び
−低コヒーレンス赤外線干渉計が、前記ビームが前記物体に向かって進んだ光学距離に近い光学距離に相当しかつ測定範囲において発生する測定ビーム逆反射のみによって測定が行われるように、調節されること
を特徴とする方法が提供される。

視野の画像内における測定領域の配置は、事前の較正の間、特に、画像化手段、したがって、視野における測定ビームの位置が固定されるときに、記憶することができる。

本発明に係る装置の特に有利な態様によれば、カメラ及び低コヒーレンス赤外線干渉計からの情報を組み合わせて、物体の三次元表示を生成することができる。

このように、物体の表示は、さらなる態様によって獲得され、これにより、極めて有用であり、かつ他のシステムではほぼ入手不可能である情報が提供される。実際、特に：
−物体の特徴的な要素に対して極めて正確に配置されるか、物体の表面上に特定されるか、又は、見通すこと（looking through）による、層厚さ測定又はパターン高さ測定を行
うこと、
−表面の形状及びこの表面に対して正確に配置された下層の厚さを含む、物体の三次元表示を生成すること、
−表面形状測定のみが有効に機能しない高アスペクト比（狭くて深い）パターンを解析するために、赤外線干渉法によってその実際の深さについて測定されたパターンの表示によって、表面形状測定によって獲得された表面の三次元表示を補完すること
が可能である。

本発明のさらなる利点及び特徴は、決して限定的ではない実施態様及び実施形態に関する詳細な説明、及び、以下の添付図面を読むことによって、明らかとなる。
本発明に係る検査装置の実施形態を示す図である。 図２ａは、いわゆるマイケルソン型の、本発明に係る検査装置の全視野干渉計の実施形態を示す図であり、図２ｂは、いわゆるミラウ型の、本発明に係る検査装置の全視野干渉計の実施形態を示す図である。 本発明に係る検査装置における低コヒーレンス赤外線干渉計の実施形態を示す図である。 図４ｂは、図４ａに示されている物体の表面のある位置に関して、本発明に係る検査装置を用いて得られた、層の厚さ測定を示す図である。 図５ｂは、図５ａに示されている物体の表面のある位置に関して、本発明に係る検査装置を用いて得られた、パターンの高さ測定を示す図である。

図１を参照すると、本発明に係る検査装置は、画像化経路及び干渉計測定経路を含んでいる。これらは、検査される物体４について測定するためのものである。

画像化経路は、ＣＤＤマトリックスセンサ１７を備えるカメラ１を含んでいる。画像化経路は、光学画像化手段２の倍率及びセンサ１７の寸法に実質的に比例する視野に応じて、カメラ１のセンサ１７において物体４の画像５０を形成することのできる光学画像化手段２をさらに含んでいる。

光学画像化手段２は、従来の顕微鏡の構成によれば、物体側に配置される遠位レンズ３、及び、カメラ１のセンサ１７に投射され、かつ物体４からの光からなる画像化ビーム２２が通過する光学中継レンズ又は光学チューブレンズ２３を含んでいる。遠位レンズ３は、可視波長に最適化された顕微鏡レンズである。

赤外線干渉計測定経路は、結合手段７によって光学画像化手段２に導入される赤外線測定ビーム６を含んでいる。このとき、赤外線測定ビーム６は、画像化経路の視野に実質的に含まれる測定領域に応じて、物体４に入射するようになっている。

測定ビーム６は、低コヒーレンス赤外線干渉計５から発射され、単一モード光ファイバ２１によってコリメータ２０まで伝送される。このコリメータ２０は、ビームスプリッタ板７によって光学画像化手段２に導入される、実質的に平行なビーム６を形成する。なお、ビームスプリッタ板７は、二色性であることが好ましい。装置の動作にとって必須ではないが、赤外線放射を反射し、かつ可視光線を通過させる二色性プレートを使用することによって、画像化経路及び干渉計測定経路の双方における損失及び寄生反射を最小限に抑えることが可能になる。実質的に平行にされ、かつ二色性プレート７によって偏向されたビーム６は、これらの経路の光軸２４に対して実質的に平行な方向に沿って光学画像化手段２を伝搬して、遠位レンズ３によってその焦点が物体に合わせられる。コリメータ２０及び遠位レンズ３は、物体４に関する測定ビーム６が発射される、ファイバ２１のコアを画像化する画像化システムである。測定ビーム６が対象範囲とする、物体４上の測定領域は、画像化システム２０及び３の倍率、回折、ならびに測定ビーム６のわずかな焦点はずれの可能的効果によって決定される。

測定ビーム６が、物体４の表面に対して略垂直の方向に沿って、物体４に入射するとき、遠位レンズ３におけるその開口角に応じた許容限度内で、物体４の界面で発生する反射は、光ファイバ２１において再結合され、干渉計５で処理される。

本発明に係る装置は、物体４上の所望の位置に視野を配置することを可能にする変位手段１０を含んでいる。これらの変位手段は、物体４を支持する試料保持器の光軸２４に対して垂直な平面に関する変位手段、及び、物体４に対するシステム全体の光軸２４の方向に関する変位手段を含んでいる。

本発明に係る装置は：
−物体４の表面に対するその視野が検査されるパターンの寸法に適合されたカメラ１において、画像を形成するため、及び
−物体４のパターンの寸法にも適合するように測定領域を調節するため、
倍率を変更するための手段を含んでいる。

倍率は、二色性プレート７と物体４との間に介挿され、かつ測定ビーム６及び画像化ビーム２２を同時に通過させる光学部品の倍率を修正することによって、調節される。この場合、視野及び測定領域の寸法は、実質的に同一の割合で同時に影響を受けるようになっている。

倍率は、顕微鏡レンズ３を変更することによって修正される。この場合、主に画像化経路に関して２倍から５０倍のオーダーの倍率が得られるようになっている。求められている自動化レベルに応じて、本発明に係る装置には、レンズ３を容易に変更することを可能にするレンズ保持器タレット（可能ならば電動の）が備え付けられる。

このような方法で倍率を調節することによって、視野（カメラ１の視野）の物理的寸法及び測定領域（赤外線計測法の測定領域）の物理的寸法が、物体の表面において、実質的に同じ割合で同時に調節される。言い換えると、倍率が２０倍のレンズ３を用いた場合、物体４に対する視野は、倍率が１０倍のレンズを用いた場合と比べて１／２になるのと同時に、物体４に対する測定領域のサイズも、実質的に１／２になる。さらに、これによって、単一の操作で、画像化及び赤外線計測の分解能を、物体４の特性に適合させることが可能になる。カメラ１の検出器１７によって「感知される」測定領域の画素サイズは、レンズ３の倍率と実質的に無関係であるため、任意の倍率の画像化を用いて、この測定領域の位置合わせを正確に行うことができることも注目に値する。

本発明に係る装置は、その発光スペクトルに可視波長が含まれる光源１２を含んでいる。この光源１２は、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでいる。この光源１２は、物体４を照射する光線２５を発射し、これにより、光線２５は、反射により画像化され得る。明確にするために、プレート１８以降の光線２５については、図１に示していない。

図３を参照すると、干渉計５は、シリコンなどの、マイクロエレクトロニクスにおける通常の材料の多くが実質的に透過させる波長を有する赤外線で動作する低コヒーレンス赤外線干渉計である。

干渉計５は、画像化手段２、とりわけ、可視波長に最適化された、顕微鏡では標準の遠位レンズ３を介して動作させるためのものである。しかしながら、可視波長に最適化された光学部品の反射防止膜は、反対に、赤外線に対する表面の反射性を大幅に高める（場合により最大で３０％）ことが知られている。これは、赤外線干渉法にとって、極めて厳しい測定条件である。干渉計５で実施される方法は、寄生反射に対して干渉計５を実質的に無反応にすることを確実に可能にする。

この結果は、物体４の界面を含む測定領域又は測定範囲（又は、少なくとも、コリメータ２０と物体４との間の、ビーム６に沿った光学距離と等しい光学距離）において発生する、測定ビーム６の反射のみが、使用可能な干渉を引き起こすことができるような、低コヒーレンス赤外線干渉法の方式を実施することによって、達成される。

干渉計５のコアは、単一モード光ファイバをベースにしたマイケルソン二重干渉計である。干渉計５のコアは、スーパールミネセントダイオード（superluminescentdiode，Ｓ
ＬＤ）であるファイバ光源４２によって照射される。このスーパールミネセントダイオードの中心波長は、１３００ｎｍ〜１３５０ｎｍのオーダーであり、また、その分光幅は６０ｎｍのオーダーである。この波長の選択は、とりわけ、部品入手可能性基準（component availability criteria）に対応する。

光源からの光は、カプラ４０及びファイバ２１を介して、コリメータ２０に向けられており、これにより、測定ビーム６が形成される。ビームの一部は、コリメータ２０においてファイバ２１に向けて反射され、これにより、参照波が形成される。

物体４からの逆反射は、ファイバ２１において結合され、参照波と共に、ファイバカプラ４１の周囲に構成されたデコード干渉計（decoding interferometer）に向けられる。
このデコード干渉計は、双方のアームがそれぞれ、固定参照（fixed reference）４４及
び時間遅延ライン４５である光相関器の機能を有する。参照４４及び遅延ライン４５に反射した信号は、カプラ４１を介して、フォトダイオードである検出器４３において組み合わされる。遅延ライン４５の機能は、入射波と反射波との間に光学遅延を導入することである。この場合、光学遅延は、周知の方法で時間と共に変更でき、例えばミラーを動かすことによって得られる。

デコード干渉計４１のアーム４４及び４５の長さは、遅延ライン４５によって、コリメータ２０に反射した参照波と、物体４からの逆反射との間の光路の差が、再現されることを可能にするために、調節される。この場合、検出器４３において、干渉ピーク５２が得られるが、その形状及び幅は、光源４２のスペクトル特性に依存する（光源４２のスペクトルが広くなるにつれて、干渉ピーク５２の幅は狭くなる）。

このように、測定範囲は、デコード干渉計４１のアーム４４及び４５の光路長の差、及び、遅延ライン４５の最大ストロークによって決定される。さらに、参照波が、画像化システム２の外部にあるコリメータ２０において生成されるため、光学システムの寄生反射は、干渉に対して大きくは寄与しない。

図４及び図５は、コンピュータ１６での取得及び処理の後の、装置の動作を示す例示的な測定を示している。物体４の表示を生成するために、赤外線干渉計を用いて、物体４の表面の特定の点、すなわち、物体４の画像５０上に観察される位置５１に対して点測定が行われる。

図４は、例示的な厚さ測定を示している。図４ｂは、干渉計５を用いて取得した干渉計信号５２を示している。この干渉計信号５２は、空隙Ｔｇが後に続くシリコン層Ｔｓの厚さ測定に対応している。測定ビーム６が衝突し、逆反射を発生させる各界面は、干渉ピークを生成する。ピーク間の距離が、層の光学的厚さに対応する。この光学的厚さは、有効厚さを得るために、反射率によって割ることができる。図４ａは、測定場所の位置５１と共に、物体４の表面の画像５０を示している。

図５は、仏国特許第２８９２１８８号明細書に記載されている方法にしたがって実施され、干渉計５を用いて取得された、波面の分割による例示的なパターン高さ測定を示している。測定されたパターンは、孔である。図５ｂは、孔の高さＨを測定するために、干渉計５を用いて取得された干渉計信号５２を示している。孔の表面及び底は、それぞれ、入射測定ビーム６の波面の一部を反射するため、干渉ピークを生成する。ピーク間の距離が、孔の高さＨに対応している。図５ａは、測定場所の位置５１と共に、物体４の表面の画像５０を示している。

遅延ライン４５において、コリメータ６で生成された参照波と、物体４からの反射との間の光路の差が、再現されれば、干渉計５を、物体に関する絶対距離又は絶対高度を測定するために、使用することができる。実際、測定範囲における干渉ピーク５２の位置は、測定ビーム６が伝搬する経路に沿った、物体４の対応する界面とコリメータ２０との間の光学距離に依存する。したがって、画像化システム２に対して物体４を動かすこと、及び、測定範囲における干渉ピーク５２の位置の漸進的変化に注目することによって、パターンもしくは他の浮き上がり部品（relief element）の高さ、又は位相を測定することが可能である。

画像５０内への測定領域の配置は、装置の事前の較正作業によって行われる。これにより、観察される画像に、この測定領域の位置に対応する印が重ね合わされ得る。この印は、図５ａの画像５０における位置５１に見える。較正は、例えば、物体の代わりに、赤外線測定ビーム６がカメラで見られることを可能にする赤外線観察マップ（infrared viewing map）を配置することによって行うことができる。

実施形態によれば、カメラ１によって検出可能な波長を有する光線１５には、測定ビーム６が重ね合わされる。この重ね合わせは、例えば、コリメータ２０より前方において干渉計５に挿入されたファイバカプラによって行うことができる。この観察ビーム（viewing beam）１５は、画像化システム２における測定ビーム６と同じ経路を実質的に伝搬し、例えば図５ａに見える、カメラ１によって検出可能なスポットを物体４の表面上に生成する。このようにして、事前の較正なしに、画像５０上の測定領域の位置を直接観察することが可能である。

図２を参照すると、実施形態によれば、本発明に係る装置は、遠位レンズ３の位置に介挿された全視野干渉計１３をさらに含んでいる。この全視野干渉計１３によって、画像化装置を、物体４の表面の高度マッピング又は三次元表示を生成することのできる光学的な表面形状測定装置に変身させることが可能である。表面の高度は、周知の方法にしたがって、すなわち、カメラ１のセンサ１７に向かって物体４によって反射された光と、同じ光源１２からの参照波であって、物体４によって反射された前記光と同じ、センサ１７への光学距離を実質的に伝搬した参照波とを重ね合わせることによって、得られる。この参照波は、干渉計１３のアームの一方に配置された参照ミラー３１によって生成される。この参照波は、センサ１７において干渉縞を生み出す。この干渉縞の形状は、参照ミラー３１の形状と物体４の表面の形状との差によって決まる。例えば、干渉計１３のアームの相対的長さが、所定の方法で、すなわち、物体４又はレンズ３及び干渉計１３のアセンブリを動かすことによって変更される測定シーケンスを実行することによって、表面の三次元形状が高い精度で計算されることを可能にする複数の干渉像が得られる。

特にレンズ３の倍率及び作動距離に応じて、様々な種類の干渉計１３を使用可能である。代表的な例の中には：
−ビーム・スプリッタ・キューブ３０（又はビームスプリッタ板）が、レンズ３の真下に介挿され、かつ入射光線２５の一部を参照ミラー３１に向けて戻す、図２ａに示されているマイケルソン型；
−マイケルソン型の代わりになるものであり、干渉計１３の各アームにレンズ３を含むリンニック型；
−半反射プレート３２が、入射光線２５の一部を、このビーム２５の中央に介挿された参照ミラー３１に向けて戻す、図２ｂに示されているミラウ型
がある。

明確にするために、光線２５は、図２ａ及び図２ｂには示していない。ミラー３１及び物体４に反射する画像化ビーム２２のみが示されている。

干渉計５を表面形状測定装置に組み込むために、参照ミラー３１での測定ビーム６の反射を制限することが好ましい。この条件は、必須ではないが、測定に際して高強度の寄生ピーク（parasitic peak）の存在を回避することを可能にする。この結果は、測定ビーム６の波長に対して実質的に透過性であり、かつ、画像化システムの波長に対して所望の反射性（例えば、５０％のオーダー）を有するスプリッタ部品３０又は二色性部品３２を使用することによって、得られる。測定ビーム６の波長を反射しないか、又は、ほとんど反射しない二色性参照ミラー３１を用意することも可能である。

赤外線干渉計及び光学表面形状測定装置を組み込んでいる、本発明に係る装置は、測定のすべてを単一の表示に組み合わせることによって物体４の三次元モデルを構成することを可能にする。この装置は、とりわけ、図５ａに示されている孔などの、狭くて深いエッチングの制御に効果的である。実際、画像化ビーム２２の開口数（これは、レンズ３から焦点までの距離に対する、レンズ３におけるその幅の半分の比率である）のために、光学表面形状測定は、孔の深さを測定するために、孔の底に到達することができない。一方、この測定は、図５に示されているように、赤外線干渉計５にとっては到達可能である。したがって、測定を組み合わせることによって、表面形状測定装置にとっては到達不可能な領域を含む、表面のより完全な三次元表示を得ることが可能になる。

実施形態によれば、本発明に係る装置は、透過すること（going through）によって物
体４を照らすことを可能にするビーム１９を発射する光源１４を含んでいる。この実施形態により、物体４の透過による画像化を行うことが可能になる。明確にするために、物体４以降の光線１９は、図１に示していない。

特にマイクロエレクトロニクスにおける用途の場合、光源１４は、シリコンがもはや完全に不透過性ではない１マイクロメートルよりも高い波長に及ぶ近赤外線の発光スペクトルを有するように設計される。この光源１４は、ハロゲンランプであってもよい。このとき、そのセンサ１７がシリコンベースであるカメラ１を用いても、見通すことによって画像を得ることが可能である。これにより、例えばウェハ４上の回路の素子の位置を特定して、赤外線干渉計１２を用いて、エッチングされた素子の反対側の、ウェハの背面を介して正確な場所で測定を行うことが可能になる。

特定の実施形態によれば、本発明に係る装置に、近赤外線（約７８０〜１１００ｎｍの波長）及び／又は近紫外線（約７８０〜１１００ｎｍの波長）に及ぶ発光スペクトルを有する光源１４を用意すること、及び、光源１４のこれらの波長のうちの１つ以上の波長で物体４の平均的な反射の画像化を実行することが可能である。このような光源１４を伴う全視野干渉計１３を用意することも可能である。

特定の実施形態によれば、カメラ１は、物体４の画像を伝えることのできる任意の装置を含むことができる。このような装置とは、例えば：
−ＣＭＯＳタイプのマトリックスセンサ１７、
−視野におけるすべて点を対象範囲とすることを可能にする走査手段と関連する点センサ又は線センサ、
−測定が線として達成されることを可能にする走査手段と可能的に関連する点センサ又は線センサ
などである。

特定の実施形態によれば：
−ビームスプリッタ板７及び１８は、ビーム・スプリッタ・キューブ、偏光部品などの、ビームを分離するための任意の手段と交換することができ；
−コリメータ２０は、測定ビーム６の位置を移動させること、したがって、画像化手段２が対象範囲とする視野に対して物体上の測定領域の位置を移動させることを可能にする変位手段１１を含むことができ；
−装置は、測定ビーム６及び画像化ビーム２２を同時に通過させ、かつ、物体の表面における視野及び測定領域の寸法を、実質的に同一の割合で同時に修正することを可能にする、可変倍率を有する追加の光学部品８を含むことができる。このような追加の光学部品８の倍率は、光学部品を動かすことによって、連続的に調節することもできるし、又は、光学部品を交換することによって、個別的に調節することもでき；
−光学リレー２３は、カメラ１関して視野及び測定領域のサイズの変更を可能にする可変倍率光学部品を含むことができる。倍率は、光学部品を動かすことによって連続的に調節することもできるし、又は、光学部品を交換することによって個別的に調節することもでき、
−光源１２は、ハロゲン光源を含むことができ；
−光源１２は、カメラ１によって検出可能なスペクトル成分を有する任意の光源を含むことができ；
−干渉計５は、任意の赤外線波長、特に１１００ｎｍ〜１７００ｎｍの赤外線波長、及び特に約１５５０ｎｍの赤外線波長において使用することができる。光源４０は、任意のタイプの光源、又は、連続スペクトル又は不連続スペクトルの複数の波長を生成する複数の赤外線源の組み合わせであってもよく；
−干渉計５は、任意のタイプの低コヒーレンス干渉計を含むことができる。これは、一方のアームに遅延ラインを有する単一のマイケルソン干渉計であってもよい。光学遅延は、スペクトル解析技術によって、周波数領域に関してデコードすることができ；
−干渉計５は、部分的又は全体的に、自由伝播光学部品（free propagation optics）に
よって作製されてもよい。また、干渉計５は、部分的又は全体的に、統合光学部品、特に、平面導波路に基づく統合光学部品によって作製されてもよい。

言うまでもないが、本発明は、今しがた記載した例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱せずに、これらの例に対して多くの変更を行うことができる。

Claims (19)

1. 構造物体（４）を検査するための顕微鏡装置であって、
   −カメラ（１）、
   −前記カメラ（１）において視野に応じて前記物体（４）の画像を生成することができ、かつ、前記物体（４）の側に配置された遠位レンズ（３）を含む光学画像化手段（２）、及び
   −複数の赤外線波長を有する測定ビーム（６）を含み、かつ、前記測定ビーム（６）の逆反射と少なくとも１つの別の光学参照との干渉によって測定を行うことのできる低コヒーレンス赤外線干渉計（５）
   を含む顕微鏡装置において：
   −前記測定ビームが遠位レンズ（３）を通過するように、及び、前記測定ビームが、画像化手段（２）の視野に実質的に含まれる測定領域に応じて前記物体（４）を遮るように、前記測定ビームを前記光学画像化手段（２）に導入するための結合手段（７）をさらに含むこと、及び
   −前記低コヒーレンス赤外線干渉計（５）が、物体（４）に対する前記ビーム（６）が対象範囲とし、かつ測定範囲を規定する光学距離に近い光学距離において発生する、前記測定ビームの逆反射（６）のみによって測定が行われるように、調節されること
   を特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記遠位レンズ（３）が、可視波長で画像を生成するように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記遠位レンズ（３）が、顕微鏡レンズを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記測定ビーム（６）が、１１００〜１７００ナノメートルの波長を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記視野及び前記測定領域の寸法を実質的に同一の割合で同時に修正するように、光学画像手段（２）の倍率を変更するための第１の倍率手段（３、８）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１の倍率手段（３、８）が、様々な倍率を有する光学部品を備えるタレット及び可変倍率光学部品のうち、少なくとも一方の部品を含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記視野に対して前記測定領域の寸法を修正するために、前記測定ビーム（６）の倍率を修正するための第２の倍率手段（９）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記物体（４）及び前記光学画像化手段（２）に関する相対変位手段（１０）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記物体（４）及び前記測定ビーム（６）に関する相対変位手段（１１）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記遠位レンズ（３）を介して前記物体（４）を照射するように配置され、かつ可視波長の光線（２５）を生成する照明手段（１２）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記カメラ（１）において、前記物体の画像と重ね合わされた干渉縞を生成し、そこから前記物体（４）の表面のトポグラフィを導き出すことのできる全視野干渉計（１３）を、前記遠位レンズ（３）の位置にさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記全視野干渉計が、前記測定ビーム（６）の波長に対して実質的に透過性である二色性部品（３０、３１、３２）を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記画像化手段から見て前記物体の裏側に配置され、かつ１マイクロメートルよりも高い波長を有する光源を含む照明手段（１４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記低コヒーレンス赤外線干渉計（５）が、前記測定範囲において：
    −前記測定ビームの波長に対して実質的に透過性である材料の少なくとも１つの層の光学的厚さ、
    −少なくともその高い部分及び少なくともその低い部分が前記測定領域に含まれているパターンの高さ、
    −前記測定ビーム（６）と前記物体（４）との接触点の、前記測定範囲における絶対高さの要素のうちの少なくとも１つの測定を可能にすることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記カメラ（１）によって検出可能な少なくとも１つの波長を含み、かつ前記測定ビーム（６）と重ね合わされる観察ビーム（１５）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記測定領域の表示を含む、前記視野の画像を生成することができる、デジタル処理及び表示手段（１６）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 構造物体（４）を検査するための方法であって：
    −カメラ（１）において、視野に応じて物体（４）の画像を生成するステップと、前記物体（４）の側に配置されるように遠位レンズ（３）を用意するステップ、及び
    −複数の赤外線波長を有する測定ビーム（６）を発射する低コヒーレンス赤外線干渉計（５）を用いて、該測定ビーム（６）の逆反射と少なくとも１つの別の光学参照との干渉による測定を行うステップ
    を含む方法において：
    −前記測定ビームが前記遠位レンズ（３）を通過するように、及び、前記測定ビームが前記画像化手段（２）の前記視野に実質的に含まれる測定領域に応じて前記物体（４）を遮るように、前記測定ビームを前記光学画像化手段（２）に導入するための結合器（７）をさらに含むこと、及び
    −前記低コヒーレンス赤外線干渉計（５）が、物体（４）に対する前記ビーム（６）が対象範囲とし、かつ測定範囲を規定する光学距離に近い光学距離において発生する、前記測定ビームの逆反射（６）のみによって測定が行われるように、調節されること
    を特徴とする方法。
18. 前記視野の前記画像内の前記測定領域の位置が、事前の較正の間に記憶されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記カメラ（１）及び前記低コヒーレンス赤外線干渉計（５）からの情報が、前記物体（４）の三次元表示を生成するために組み合わされることを特徴とする、請求項１７及び１８のいずれか一項に記載の方法。