JP2018525635A - 被検面のトポグラフィを導出するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本明細書の実施形態は、被検面（３）のトポグラフィを導出するための方法に関する。直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）は、被検面（３）および参照面（２）に向けられる。複数の波長の反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）の画像が得られる。画像は、複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光について得られる。反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）は、被検面（３）および参照面（２）に向けられた直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）の反射光である。得られた画像に基づく被検面（３）のトポグラフィが得られる。

Description

本願における実施形態は、概して方法および装置に関する。より具体的には、本願における実施形態は、被検面のトポグラフィを導出に関する。

表面改質、特に研磨は、多くの工業生産領域において必要な工程である。これらは：
例えば、ブーツリッド、ライトカバー、および、レンズなどのプラスチック部品の金型の研磨などの自動車、カム軸などのエンジン部品、例えば、人工股関節の表面などの医療インプラント、および、安全眼鏡やコンタクトレンズ用の射出成形金型などの光学部品、を含む。

異なる種類の物体上のこのような研磨された表面は、数平方メートルの大きさであり、１マイクロメートル以下の表面精度を必要とする。さらに、研磨された表面を含む物体は非常に重くなり得る。今日、研磨された表面を有する物体は、研磨工程から、時間がかかる工程で一度に小さな領域の表面が測定される実験室に移動される。表面を研磨する目的は、例えば、平坦度、表面トポグラフィの最小二乗平均（ＲＭＳ）、所定の深さの線および畝の鮮明度、特定の高さおよび尖鋭度でのピーク、構造の方向などの、予め規定された表面パラメータによって定義される所定の構造を生成することである。このようなパラメータは、産業工程によって達成される必要があり、表面の「品質」として通常定義される。さらに、研磨の大部分は手作業で行われ、手作業の研磨は物体を見ることによって品質を確立するが、ロボットまたはレーザを使用する自動工程は、通常、物体を工程チャンバから取り出して手動でチェックする必要がある。

Ｃｏｈｅｎ（Ｃｏｈｅｎ、Ｍ．Ｈ．：Ｒａｄｉｏ Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ、Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ ｖｏｌ．４８、ｐｐ１７２−１８３，１９５８年１月）

従って、本明細書の実施形態の課題は、上述のデメリットの少なくとも１つ解消し、被検面のトポグラフィの改善された導出を提供することである。

第１の態様によれば、課題は、被検面のトポグラフィを導出する方法によって達成される。直線偏光された光波が、被検面および参照面に向けられる。複数の波長の反射直線偏光光の画像が得られる。画像は、複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光について得られる。反射した直線偏光された光波は、被検面および参照面に向けられた直線偏光された光波の反射光である。被検面のトポグラフィは、得られた画像に基づいて導出される。

第２の態様によれば、目的は、被検面のトポグラフィを導出するための装置によって達成される。この装置は、直線偏光された光波を被検面および参照面に向けるように構成されている。この装置は、複数の波長に対して反射した直線偏光された光波の画像を取得するように構成されている。画像は、複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光について得られる。反射した直線偏光された光波は、被検面および参照面に向けられた直線偏光された光波の反射光である。この装置は、得られた画像に基づいて被検面のトポグラフィを導出するように構成されている。

画像は複数の波長に対して取得されるので、被検面のトポグラフィの導出が改善される。

本明細書の実施形態は、多数の利点を提供し、そのうちの非包括的な例のリストは以下の通りである。

本明細書の実施形態は、広い面積にわたって表面幾何学的トポグラフィを測定するのに有用である。これらの実施形態は、単一波長干渉計の精度と広帯域の白色光干渉計のアンビギュイティとにより、堅牢で高速である。本明細書の実施形態の作動距離は、１０ｍｍ〜５０ｍｍと長く、現在使用されている顕微鏡対物系よりもはるかに長い。上述で使用された精度との用語は、測定、計算、または仕様の結果が正しい値または基準に一致する程度として説明され得る。

本明細書の実施形態の産業利用は、工程経路の決定から、自動車、医療および光学産業用ツール、型および製品の研磨方法までの範囲である。下記に説明する例の場合４ｍｍ×４ｍｍ以下の大きな部品のたった４×波長数の画像が必要であり、従って、単一点測定および干渉計装置と比較して、迅速で振動に対して敏感ではない。また、全表面積も、後述する例示的な場合において、２ｍｍ〜４ｍｍのステップで全領域に亘ってステップすることによって測定され得る。

本明細書の実施形態のいくつかの更なる利点は、以下の通りである。本明細書の実施形態は、装置が標的領域から１０ｍｍ〜５０ｍｍのところに配置され得、長い作動距離を実現する。本明細書の実施形態では、高速測定を用いて大きな被検面のトポグラフィがいっせいに導出され得る。別の利点は、大きな表面積に亘る定量データが研磨工程へのフィードバックとして提供され得ることである。

ここで本明細書の実施形態を添付する図を参照に例示的に説明する。

装置を示す概略ブロック図である。 位相および周波数を示すグラフである。 白色光干渉計の光源から放射される強度スペクトルを示すグラフである。 図３ａのスペクトルから計算されたパワー遅延関数を示すグラフである。 ４３０，５４３，６３５，６５０および６７０ｎｍにおける５つのスペクトル線の強度スペクトルを示すグラフである。 図４ａのスペクトルの結果として生じるパワー遅延関数を示すグラフである。 下にある表面および透明層を有する物体を示す概略ブロック図である。 方法の実施形態を示すフローチャートである。 装置の実施形態を示す概略ブロック図である。

図１は、いくつかの実施形態による装置１００を示す。使用される座標系は、図１の下部に矢印で示されている。ｘ軸は、左から右へ紙面に沿った水平軸であり、ｙ軸は紙面に垂直であり、ｚ軸は下から上に紙面に沿った垂直軸である。

調査中の物体は、表面トポグラフィを有する被検面３を備える。被検面３は、表面とも称され得る。トポグラフィとは、表面の物理的な幾何学的３次元属性（形状、高さ、深さなど）の３次元構成、すなわち、その起状特徴およびその起状特徴の位置を含む表面の構成を意味する。

被検面３は、別々の単色光源からのファイバ３１，３２，３３を介して、すなわち異なる色の正弦波信号（図１には示されていない）を生成することによりレーザ光で照明される。ファイバ３１，３２，３３は、ファイバ３１，３２，３３の間をコリメータ２２に切り替えるようになっている光ファイバスイッチ２１に接続されている。コリメータ２２は、平坦な波面、すなわち、第１の直線偏光フィルタ２３と第２の直線偏光フィルタ２４の２つの直線偏光フィルタを通過する平面上で同じ位相を有する。第１の直線偏光フィルタ２３はコリメータ２２の後に配置され、第１の直線偏光フィルタ２３の後に第２の直線偏光フィルタ２４が配置される。すなわち、第２の直線偏光フィルタ２４はビームスプリッタ１の前に配置される。ビームスプリッタ１については後に詳述する。コリメータ２２の出力である平坦な波面は、まず、第１の直線偏光フィルタ２３を通過し、第２の直線偏光フィルタ２４を通過する。第１の直線偏光フィルタ２３は、平坦な波面の光強度を減衰させる第２の直線偏光フィルタ２４は、第１の直線偏光フィルタ２３からの減衰した平坦な波面を、特定の偏光角Δで直線偏光波１０１に変換するように構成されている。用語「光」は、光波を指す際に使用され得る。

ここで、上述の偏光という用語について簡単に説明する。偏光は、複数の方向で振動することができる波の特性である。電磁波では、電界と磁界の両方が異なる方向で振動する。平面波の形の光は、横波として伝播する。電場と磁場の両方は、波の進行方向に垂直である。これらのフィールドの振動は単一方向（直線偏光）であり得、またはフィールドが光周波数（円形または楕円偏光）で回転し得る。円形または楕円偏光では、フィールドの回転の方向、従って指定された偏光は、時計回りまたは反時計回りのいずれかになる。

ビームスプリッタ１は、直線偏光波１０１（すなわち、第２の直線偏光フィルタ２４からの出力）を参照面２および被検面３に向けるように構成された装置である。参照面２は、被検面反射光波１０２ｂが進行する経路長に等しい。この経路長は遅延とも称され得る。ビームスプリッタ１は、平面な被検面配向光波１０２ａおよび平面な参照面配向光波１０３ａが被検面３およびに平面な参照面２に平面で当たるように直線偏光波１０１に対して４５°の角度で配置される。参照面２と被検面３とは互いに平行である。被検面配向光波１０２ａおよび参照面配向光波１０３ａは、いずれも直線偏光波である。

参照面２に向けられた直線偏光波１０１を参照面光波１０３ａと称し、被検面３に向けられた直線偏光波１０１を被検面光波１０２ａと称し得る。

従って、例えばワイヤーグリッド偏光子または任意の他の適切な装置であり得る参照面２は、ｙ方向に沿って偏光された１つの直線偏光（すなわち、被検面配向光波１０２ａ）を透過するように構成された装置として説明することができるｘ軸に沿って偏光された垂直に偏光された成分（すなわち、参照面反射光波１０３ｂ）を反射する。参照面反射光波１０３ｂおよび被検面反射光波１０２ｂは、直線偏光成分と称し得る。

ここで、上述したワイヤグリッド偏光子について簡単に説明する。偏光子は、特定の偏光の光を通過させ、他の偏光の波を遮断する光学フィルタとして説明され得る。さらに、偏光子は、未定義または混合偏光の光ビームを、明確に定義された偏光、偏光を有するビームに変換し得る。ワイヤーグリッド偏光子は、入射光線に垂直な平面内に配置された規則的な配列の平行導電線を含む偏光子の一種である。ワイヤに平行に整列した電場の成分を有する電磁波は、ワイヤの長さに沿って電子の移動を誘発する。ワイヤに平行な電界成分が反射され、ワイヤに垂直な電界成分がグリッドを通過する。

ビームスプリッタ１はまた、参照面２から反射した光（ここではこの特定の光を参照面反射光波１０３ｂと称する）と被検面３から反射した光（この特定の反射光を、ここでは被検面反射光波１０２ｂと称する）を、例えば被検面３上に結像される撮像装置１４に向けて通過させる。撮像装置１４は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ、または他の適切なタイプの撮像装置のようなカメラであり得る。撮像装置１４は、複数の波長および少なくとも４つの偏光について画像を取り込む。これは、複数の波長のそれぞれに対して４つの偏光画像（すなわち、周波数の数の４倍）があることを意味する。画像は、直列または並列に取り込み得る。画像は、少なくとも３つの波長で撮影し得る。波長は周波数の逆数であるので、用語「波長と周波数」は、本質的には互換的に使用され得る。

この偏光角Δは、参照面２から反射した参照面反射光１０３ｂが被検面３から反射した被検面反射光１０２ｂとほぼ同じ強度となるように直線偏光フィルタ２４により調整される。被検面３で反射した被検面反射光１０２ｂの強度をＩ_０、参照面２から反射される参照面反射光波１０３ｂの強度をＩ_９０とする。

２つの被検面反射光１０２ｂと参照面反射光１０３ｂとが合成されてビームスプリッタ１を通過する楕円偏光波Ｉ_Ｗを形成する（これが光はビームスプリッタ１を通過する２度目である）垂直偏光成分に関して参照面反射光波１０３ｂおよび被検面反射光波１０２ｂに対して４５度の角度で１つの直線偏光成分を遅延させる４分の１波長遅延フィルタ１１を含む。４分の１波長遅延フィルタ１１を通過した後、光は、ｚ軸の周りを回転し得る直線偏光フィルタ１２を通過する。直線偏光フィルタ１２の出力は、フィルタリングされた直線偏光された光波１０４と称され得る。次に、フィルタリングされた直線偏光された光波１０４は、撮像装置１４によって対物レンズ１３を介して被検面３の画像として取得される。

直線偏光波１０１は、ｘ軸に沿って偏光された振幅Ａ１と、ｙ軸に沿って偏光された振幅Ａ２のＥ_ｘとに分けることができる。これらは参照面２で
Ｅ_ｙ＝Ｅ１ｓｉｎ（ωｔ）
Ｅ１＝Ａ１の場合、ωは２πｆであり、ｆは直線偏光波１０１の周波数であり、ｔは参照面２における参照時間である。

被検面３で反射した被検面反射光波１０２ｂは、
Ｅ_ｘ＝Ｅ２ｓｉｎ（ωｔ＋δ）
ここで、ωは２πｆであり、ここで、ｆは直線偏光波１０１の周波数であり、ｔはワイヤグリッドにおける参照時間である。ここで、Ｅ２＝Ａ２は、被検面３上の位置ｘ、ｙにおける表面ピクセルの反射係数であり、δは、２つの反射信号、すなわち被検面反射光波１０２ｂと参照面反射光波１０３ｂとの間の位相差である。位相差は次のように書くことができます。
δ＝ω・Δτ＝２π２ｄ／λここで、Δτは、参照面反射光波１０３ｂと比較して、被検面反射光波１０２ｂの余分な経路の遅延であり、ｄは参照面２と被検面３上の面画素ｘ、ｙとの距離、λは直線偏光波１０１の波長である。

被検面反射光波１０２ｂと参照面反射光波１０３ｂとから合成された楕円偏光信号の正規化されたストークスパラメータは、以下のように書くことができることはよく知られている。

例えば、非特許文献１は、これらのストークパラメータが様々な出力応答の差の合計から計算され得ることを示している。Ｗ_０、Ｗ_４５、Ｗ_９０およびＷ_１３５をｘ軸に対する角度０，４５，９０および１３５度の直線偏光ベクトルのパワーとする。また、Ｗ_ＬおよびＷ_Ｒをそれぞれ円偏光成分の左円および右円のパワーとする。次に、正規化されたストークパラメータは、
または、光の強度として：
ここで、Ｉ_０およびＩ_９０は、参照面２および被検面３からそれぞれ反射した位置（ｘ、ｙ）の画素からの強度を表す。Ｉ_４５およびＩ_１３５は、それぞれ、４５°および１３５°の偏光フィルタを介して観測された結合信号Ｉ_Ｗの強度を表す。Ｉ_ＲおよびＩ_Ｌは、それぞれ、右円偏光および左円偏光で観察されるのと同じ合成強度を表す。

直線偏光波１０１の２つの波成分Ｅ_ｘとＥ_ｙとの間の位相差δは、
ｄ（ｘ、ｙ）は、参照面２と被検面３との間のｚ軸に沿った位置（ｘ、ｙ）の距離である。ここで、測定された位相は２πのアンビギュイティを有し、λ／２の距離にアンビギュイティをもたらすことに留意されたい。

４つの偏光強度Ｉ_４５、Ｉ_１３５、Ｉ_ＲおよびＩ_Ｌは、図１に示す装置１００の方法で測定し得る。４分の１波長遅延フィルタ１１は、これに垂直な成分と比較して９０度の位相だけｘ軸に対して４５度の角度をなす。直線偏光フィルタ１２は、フィルタの偏光軸に沿った信号のみを通過する。直線偏光フィルタ１２は、０度、４５度、９０度、および１３５度の４つのステップで回転される。対物レンズ１３によって被検面３に集束されて観察された画像は、偏光成分Ｉ_４５、Ｉ_１３５、Ｉ_ＲおよびＩ_Ｌの画像としてそれぞれ記録される。次に、画像の各画素ごとに経路差が別々に計算される。経路差は位相差から計算され、従って、位相が完全なターンになった際、かつ、上述のように測定されたアークタンジェント値が位相からフルターンを引いたものと同じ値を有する際、２πのアンビギュイティを受ける。

図２は、図２のｘ軸がＴＨｚで測定された周波数を表し、図２のｙ軸がラジアンで測定された位相を表すグラフである。図２の位相は、各周波数および７μｍの遅延距離に対して２πのアンビギュイティを有する。十字は、複数のアンビギュイティ位相を有する測定された位相を表す。図２に示す線は、位相点を通るこの傾斜を有する。データを通る線は、７μｍの真の遅延距離を表す。線の傾きは次のとおりです。

測定された位相差は、
δ＝２πν_１τ
ここで、ν_１は周波数であり、τは、参照面２から被検面３へおよびそれに戻る信号の遅延である。これは測定された量であり、合成器（synthetic instrument）でこれを「観測」することができる。合成器は、物理的には存在しないが、１つまたは複数の物理的機器からのデータの分析によってコンピュータに形成される機器である。被検面反射光波１０２ｂは、時間ｔにおいて、参照位置である参照面２にＶ（ν，ｔ）として到達する。参照面２で直接反射した信号は、この時点で遅延波Ｖ（ν，ｔ＋τ）となる。これらの波の干渉は次のとおりである。
Ｓ（ν、τ）＝＜Ｖ^＊（ν、ｔ）・Ｖ（ν、ｔ＋τ）＞
これは、参照面２と被検面３が両方とも参照面に到達した時点で反射した信号の相互相関関数である。遅延関数は次のように書くことがでる。
Ｓ（τ）＝F（Ｉ（ν））
ここで、Fは強度周波数スペクトルＩのフーリエ変換を示し、νは周波数を示す。遅延関数Ｓは、帯域幅Δｖを有する強度周波数スペクトルＩによって生成される「遅延ビーム」として以下に示される。遅延ビームは、スペクトルの時間応答である。単一のスペクトル線ｖ_０に対して、遅延ビームは、上述の観察されるアンビギュイティとして、メインローブと等しい強度のサイドローブを２πで有する。帯域幅を大きくすると、メインローブの幅が広がり、サイドローブのレベルが下がる。帯域幅が非常に広いと、サイドローブが消える。後者は、白色光干渉計を用いて遅延ビームを走査する場合である。

白色光干渉計では、光は被検面Ｖ_ｏｂｊに対して反射され、再び参照面Ｖ_ｒｅｆに対して反射される。各信号は、それぞれτ_ｏｂｊおよびτ_ｒｅｆとして参照位置から遅延される。２つの信号は次のように書くことができる。

結合された信号の観測された強度は、

ここでＩは強度画像です。登録された画像は、被検Ｉ_ｏｂｊの画像と、参照Ｉ_ｒｅｆの画像と、第３の干渉項との和であることに留意されたい。干渉強度は、負の、破壊的な干渉および正の建設的な干渉の両方であり得る。

２つの他の干渉項は、位相の符号によってのみ異なることに留意されたい。画像内の任意の特定のピクセルで観測される強度は、τ_ｏｂｊが変化する被検物、または、参照物τ_ｒｅｆのいずれかを移動することによって変わるだろう。次に、被検物と参照との間の相対距離を走査して、２つの遅延が等しい最大強度を見つける。

本明細書の実施形態は、被検物および参照物の２つの画像のそれぞれの外乱なしに、直接的に干渉項を得る。参照信号および干渉信号は、被検物信号の位相が既知であるので、コンピュータにおいて分析的に生成される。Ｖ_ｏｂｊは、観測された位相δから次のように計算される。

Ｖ_ｒｅｆは以下のように計算される。

本明細書の実施形態は、様々な波長における位相差δを観測することができる。これらの波長は、より広い帯域幅にわたっており、観測された遅延すなわち干渉項関数は、

Ｖ_ｋは、／波長／周波数ｋでの被検物信号であり、σ_ｋは、周波数ｋで画素において測定された位相であり、σ_{ｋ，ｒｅｆ}は、参照画素で周波数ｋで測定された位相である。Ｖ_{ｋ，ｒｅｆ}は次のように計算される。

τは参照に挿入された遅延である。遅延関数は、次に、各周波数における観測された位相から計算された、構成された複素電圧Ｖ_ｋの周波数空間から遅延空間へのフーリエ変換である。

この遅延関数の最大振幅は、全ての周波数データが、正の干渉として、すなわち被検面３の位置でコヒーレントに加算される遅延にある。従って、サイドローブの遅延ビームが減少するように周波数が選択されれば、アンビギュイティは、より長いインターバルへ現象され得る。周波数間の差が冗長でないように周波数を選択することにより、必要な周波数の数を非常に少なくすることができる。

被検面３への遅延は、参照面２と被検面３との間の物理的距離に応じて長くなり、この遅延または距離は、アンビギュイティ長よりも長くなり得る。参照位置は、既知の遅延τ_０を差し引くことによって合成器内でシフトされ得る。参照面２と被検面３との間の実際の距離は表面データにとって重要ではないので、参照面を被検面３の位置にシフトされ得る。参照位置での位相は、遅延はゼロであるから、参照位置での位相はすべての周波数においてゼロになる。従って、被検面３における位置、例えば中心座標（ｘ_０、ｙ_０）を選択し、そこで測定された各周波数で測定位相を記憶し、それらの位相の各々を、同じ周波数で他の全ての位置で測定されたこれらの位相それぞれから差し引くことが可能である。被検面３における他の全ての位置の遅延は、中心画素のｚ位置を参照する。また、この較正は、様々な周波数の測定間のｚ方向の可能な運動を除去する。

観察された位相がいくつかの反射または遅延の組合せである場合も、上述の分析が正しいことに留意されたい。この場合、観測された遅延関数は、各反射に対して別個のピークを有し、多数の層をそのように観察、検出、測定し得る。

図３ａは、白色光干渉計のランプから放射される強度スペクトルを示す。図３ａのｘ軸はナノメートル（ｎｍ）で測定された波長を表し、図３ａのｙ軸は任意の出力単位で測定された各周波数で測定された強度を表す。図３ｂは、そのスペクトルから計算されたパワー遅延関数を示す。図３ｂのｘ軸はμｍ単位で測定された距離を表し、ｙ軸は任意の出力単位で測定されたパワーを表す。パワー遅延関数のピークは、参照位置０にある。

図４ａは、４３０，５４３，６３５，６５０および６７０ｎｍにおける５本のスペクトル線の強度スペクトルを示す。図４ａのｘ軸はｎｍ単位で測定された波長を表し、図４ａのｙ軸は各周波数で測定された強度を表し、結合して全スペクトルを形成する。図４ｂは、図４ａの強度スペクトルを考慮した結果のパワー遅延関数を示す。図４ｂのｘ軸はμｍ単位で測定された距離を表し、ｙ軸は任意単位で測定されたパワーを表す。図４ｂの遅延関数の主要なパワーピークは、参照位置０にある。

いくつかの実施形態では、被検面３の上方に配置された上層２０２を含む。これは図５に示されている。上層２０２は、不規則な表面を有していてもよく、または実質的に平坦な表面であってもよい。上層２０２は、屈折率ｎを有する半透明材料からなる。半透明と実質的に透明との用語は、本明細書では互換的に使用され得る。反射した信号は、半透明の上層２０２の表面から反射した信号と被検面３との和であり、

ここで、τ_２０２は参照面と上層２０２の表面との間の遅延、ｎは上層２０２の屈折率、σ_ｋ，３は周波数ｋでの被検面３への位相、σ_ｒｅｆは（参照面は被検面３であっても上層２０２の面であり得る）、σ_{ｋ，２０２}は上層２０２の表面に対する位相τ_３は参照面から被検面３までの幾何学的遅延、ｋは周波数数、νは周波数、ｎは上層２０２の半透明材料の屈折率である。対応する遅延関数は、被検面３および上層２０２における２つの反射に対する２つの遅延関数を有する。被検面３からの反射は、半透明の上層２０２の表面からの反射と比較してより長い経路長を有する。これは、なぜなら被検面３からの反射はより長い幾何学的距離を移動し、それは光の速度がより遅い半透明材料を通過するためである。従って、２つの反射層は分離され両方が算出され得る。

被検面３を構成する被検物が工具である例を考える。工具の被検面３は、機械または人によって研磨されている。研磨プロセスは、所定の平坦度に到達するために研磨プロセスを進める方法が決定され得るように、表面粗さを表す表面積の測定を必要とする。この例では、焦点解像度２μｍで２０４８×２０４８ピクセルの４ｍｍ×４ｍｍのブロックでターゲットが測定される。

ターゲット表面上の４ｍｍ×４ｍｍ表面積の画像は、２０４８×２０４８グレースケールピクセルを有する図１の撮像装置１４で示されるＣＣＤカメラで記録される。工具の被検面３における画素位置（ｍ、ｎ）の強度Ｉ_ｋ（ｍ、ｎ）は、周波数ｋで記録され、ｍはｘ軸上の位置であり、ｎはｙ軸上の位置である。４つの画像が、１からＫまでの各周波数ｋで、４５°、１３５°、左円偏光、および、右円偏光の４つの偏光で、Ｉ_ｋ，４５（ｍ、ｎ）、Ｉ_{ｋ，１３５}（ｍ、ｎ）、Ｉ_ｋ，L（ｍ、ｎ）、Ｉ_ｋ，R（ｍ、ｎ）として撮像される。
ここで、Ｋは正の整数である。
各ピクセルの位相は、上述のようにδ_ｋ（ｍ、ｎ）として光ファイバスイッチ２１によって切り替えられる各周波数ｋで計算される。

１つの画素ｍ_０、ｎ_０が参照として設計され、各画素および各周波数の相対複素電圧は：

これは、上述のように全周波数にわたってフーリエ変換され、遅延関数における最大パワーの位置は、ｄ_ｍａｘ（ｍ、ｎ）となる距離として決定される。波長λ_ｋを有する１つの周波数が選択され、位相アンビギュイティが次のように計算される。

画素ｍ、ｎに対するゼロ位置ｍ_０，ｎ_０のｚオフセットは、次のように計算される。

この計算されたオフセットは、単一の周波数に対する位相によって定義される分解能と、周波数のアセンブリによって定義されるアンビギュイティと、を有する。従って、白色光干渉計のアンビギュイティの分解能と、位相、すなわち波長のほんの一部の分解能と、である。

被検面３のトポグラフィを導出する方法を図６を参照して説明する。この方法は以下のステップのうちの少なくともいくつかを含み、これらのステップは以下に記載されるものより適切な順序で実行され得る。

ステップ６０１
直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａは、被検面３および参照面２に配向される。直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａは、被検面３および被検面３の上に位置する半透明面２０２と、参照面２との両方に配向され得る。

直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａは、被検面３および被検面３の上に位置する半透明面２０２と、参照面２との両方に配向され得る。

直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａは、被検面３に向かって垂直に、または６度未満の角度で配向され得る。

参照面２はワイヤグリッド偏光子であり得る。

ステップ６０２
複数の波長に対する反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂの画像が得られる。画像は、複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光において得られる。反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂは、被検面３および参照面２に向けられた直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａの反射光である。

直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａが１／４波長フィルタ１１および直線偏光フィルタ１２を通過することによって、少なくとも４つの偏光で画像を得ることができる。

少なくとも４つの偏光は、４５°、１３５°、左円偏光および右円偏光であり得る。

反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂは、被検面３および被検面３の上に位置する半透明面２０２と、参照面２との両方に向けられた直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａの反射光であり得る。

ステップ６０３
取得された画像に基づいて、被検面３のトポグラフィが導出される。

ステップ６０３ａ
これは随意的なステップである。このステップは、ステップ６０３のサブステップとなり得る。複数の波長のそれぞれについて、少なくとも４つの偏光のそれぞれの光強度画像を得ることができる

ステップ６０３ｂ
これは随意的なステップである。このステップは、ステップ６０３のサブステップおよびステップ６０３ａの後に実行されるサブステップであり得る。得られた光強度画像に基づいて、複数の波長のそれぞれについて、被検面反射光１０２ｂと参照面反射光１０３ｂとの位相差が得られる。

位相差は、文字「δ」で示され得、前述した適切な方程式のいずれかを用いて、例えば下の式で得られる。

ステップ６０３ｃ
これは随意的なステップである。このステップは、ステップ６０３のサブステップおよびステップ６０３ａおよび６０３ｂの後に実行されるサブステップであり得る。得られた位相差に基づいて、参照面２と被検面３との間の距離が算出される。位置ｘ，ｙにおける距離がｄと付され、上述の適切な方程式のいずれか、例えば次のような式を用いて得られる。

反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂは、被検面反射光波１０２ｂおよび参照面反射光波１０３ｂを含み得る。参照面反射光波１０３ｂは、参照面２で反射した垂直に直線偏光された光波であり得る。

参照面反射光波１０３ｂは、参照面２上の参照位置にあり得、参照位置は、複数の波長のそれぞれに対して遅延を差し引くことによってシフトされ得る。参照面上のある位置へ参照を変更することによって、周波数（すなわち、波長）間の較正が達成される。

各周波数（すなわち、各波長）の位相が測定される。測定された位相データを組み合わせることにより、距離／遅延が得られる。

被検面３のトポグラフィを導出する図６に示す方法ステップを実行するために、装置１００は、図７に示すような構成を含み得る。この構成は、図７に示すモジュールの少なくともいくつかを含むが、追加のモジュールを含み得る。

被検面３のトポグラフィを導出するための図６に示す方法ステップを実行するために、装置１００は、例えば、光配向モジュール７０１によって、被検面３および参照面２に向かう直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａを配向する。光配向モジュール７０１は、図１に示されるビームスプリッタ１であり得る。参照面２はワイヤグリッド偏光子であり得る。

光配向モジュール７０１は、光配向ユニット、光配向手段、光配向回路、配向手段などとも称される。

装置１００はさらに、例えば、撮像モジュール７０３によって、複数の波長について反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂの画像を取得する。画像は、複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光について得られる。反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂは、被検面３および参照面２に向けられた直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａの反射光である。撮像モジュール７０３は、図１の撮像装置１４であってもよい。複数の波長は少なくとも３つの波長を含み得る。

少なくとも４つの偏光は、４５°、１３５°、左円偏光および右円偏光であり得る。

反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂは、被検面３および被検面３の上に位置する半透明面２０２と、参照面２との両方に向けられた直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａの反射光であってもよい。

撮像モジュール７０３は、撮像ユニット、撮像手段、撮像回路、撮像する手段などとも称され得る。

装置１００はさらに、例えば、導出モジュール７０５によって、撮像した画像に基づいて被検面３のトポグラフィを導出する。導出モジュール７０５は、導出ユニット、導出手段、導出回路、導出するための手段などとも称され得る。

反射した直線偏光された光波１０２ｂ、１０３ｂは、被検面反射光波１０２ｂおよび参照面反射光波１０３ｂを含むことができる。参照面反射光波１０３ｂは、参照面２で反射した垂直に直線偏光された光波であり得る。

参照面反射光波１０３ｂは、参照面２上の参照位置にあり得、参照位置は、複数の波長のそれぞれに対して遅延を差し引くことによってシフトされ得る。

装置１００は、例えば、光強度取得モジュール７０８によって、複数の波長のそれぞれについての少なくとも４つの偏光のそれぞれの光強度画像を取得するようにさらに構成され得る。光強度取得モジュール７０８は、光強度取得ユニット、光強度取得手段、光強度取得回路、光強度を取得するための手段などとも称され得る。

装置１００は、さらに、例えば、位相差取得モジュール７１０によって、取得された光強度画像に基づいて、複数の波長のそれぞれについて被検面反射光波１０２ｂと参照面反射光波１０３ｂとの間の位相差を取得するようにさらに構成され得る。位相差取得モジュール７１０は、位相差取得ユニット、位相差取得手段、位相差取得回路、位相差を取得する手段などとも称され得る。

装置１００は、例えば、距離取得モジュール７１３によって、取得された位相差に基づいて、参照面２と被検面３との間の距離を取得するように構成され得る。距離取得モジュール７１３は、距離取得ユニット、距離取得手段、距離取得開度、距離を取得する手段などとも称され得る。

装置１００は、例えば、撮像モジュール７０３によって、直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａが１／４波長フィルタ１１および直線偏光フィルタ１２を通過することにより少なくとも４つの偏光画像を取得するように構成され得る。

半透明面２０２が、被検面３の上に配置され得る。

装置１００は、例えば、光配向モジュール７０１によって、直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａを、被検面３および被検面３の上に位置する半透明面２０２と、参照面２との両方に配向するように構成され得る。

装置１００は、例えば、光配向モジュール７０１によって直線偏光された光波１０２ａ、１０３ａを、被検面３に向かって垂直にまたは６度未満の角度で配向するように構成され得る。

装置１００は、プロセッサ７１５およびメモリ７２０を備え得る。メモリ７２０は、プロセッサ７１５によって実行可能な命令を含む。

メモリ７２０は、１つまたは複数のメモリユニットを備え得る。メモリ７２０は、装置１００内で実行される際に本方法を実行するために、光強度データ、波長データ、周波数情報、光波反射データ、光波データ、偏光データ、トポグラフィデータ、画像を使用するように構成される。

コンピュータプログラムは、少なくとも１つのプロセッサ上で実行されると、少なくとも１つのプロセッサに図６による方法を実行させる命令を含み得る。

キャリアは、コンピュータプログラムを含み得、キャリアは、電気信号、光信号、無線信号、またはコンピュータ可読記憶媒体のうちの１つであり得る。

要約すると、本明細書の実施形態は、研磨プロセス中の表面品質の定量的測定のための方法および装置を提供する。本明細書の実施形態は、所定領域の表面トポグラフィの光学的定量測定方法に関する。より詳細には、本明細書の実施形態は、第１の表面が少なくとも半透明である場合に表面ならびに下にある面のトポグラフィを測定するための方法および装置に関する。平行で直線的に偏光された単色光のビームは、被検面３に向かって垂直に送られる。被検面３のトポグラフィは、次に、４つの偏光およびいくつかの波長にわたる偏光された反射光を観測することによって測定される。

研磨プロセス中の領域の表面精度の現場での光学的定量測定は、単色の平坦な光波を所定の表面領域に向け、その表面に集束されたカメラおよびレンズシステムで反射光の画像を記録し、記録された画像からの表面精度パラメータを推定することによって達成される。

本明細書の実施形態は、焦点ピクセル領域が直径１００波長未満である場合について検証され、試験されている。これらは理論的な制限ではなく、撮像装置１４のピクセル数の現在の制限による実用的な制限である。

本明細書の実施形態は様々な実施形態を参照して説明されているが、当業者であれば、本明細書の実施形態の範囲から逸脱することなく変更を行うことができることを認識するであろう。詳細な説明は例示的なものとみなされ、全ての同等物を含む添付の特許請求の範囲が本明細書の実施形態の範囲を定義することを意図するものとする。

２ 参照面
３ 被検面
１１ １／４波長フィルタ
１２ 直線偏光フィルタ
１３ 対物レンズ
１４ 撮像装置
２１ 光ファイバスイッチ
２２ コリメータ
２３ 第１の直線偏光フィルタ
２４ 第２の直線偏光フィルタ
３１ ファイバ
３２ ファイバ
３３ ファイバ
１００ 装置
１０１ 直線偏光波
１０２ａ 直線偏光された光波、被検面配向光波
１０２ｂ 被検面反射光波、参照面配向光波
１０３ａ 直線偏光された光波、
１０３ｂ 参照面反射光波
１０４ 直線偏光された光波
２０２ 半透明面、上層
７０１ 光配向モジュール
７０３ 撮像モジュール
７０５ 導出モジュール
７０８ 光強度取得モジュール
７１０ 位相差取得モジュール
７１３ 距離取得モジュール
７１５ プロセッサ
７２０ メモリ

Claims (24)

1. 被検面（３）のトポグラフィを導出するための方法であって、当該方法は、
   直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）を被検面（３）および参照面（２）に向けて配向するステップ（６０１）と；
   複数の波長のそれぞれについて得られた反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）の画像を取得するステップ（６０２）であって、前記画像は、前記複数の波長のそれぞれについて少なくともと４つの偏光について取得され、前記反射した直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）は、前記被検面（３）および前記参照面（２）に向けられた前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）の反射光である、ステップ（６０２）と；
   得られた画像に基づいて被検面（３）のトポグラフィを導出するステップ（６０３）と；
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記複数の波長が少なくとも３つの波長を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）は、被検面反射光波（１０２ｂ）と参照面反射光波（１０３ｂ）とを含み、前記参照面反射光波（１０３ｂ）は、前記参照面（２）で反射した垂直に直線偏光された光波であり、
   前記取得された画像に基づいて前記被検面（３）のトポグラフィを導出するステップ（６０３）は、
   前記複数の波長のそれぞれについて前記少なくとも４つの偏光のそれぞれについて光強度画像を取得するステップ（６０３ａ）と、
   前記複数の波長毎に、前記被検面反射光波と前記参照面反射光波との位相差を取得するステップと、
   取得した前記光強度画像に基づいて、そして得られた前記位相差に基づいて、前記参照面（２）と前記被検面（３）との間の距離を取得するステップ（６０３ｃ）と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記参照面反射光波（１０３ｂ）は、前記参照面（２）上の参照位置にあり、前記参照位置は、前記複数の波長それぞれでの遅延を差し引くことによってシフトされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）が１／４波長フィルタ（１１）および直線偏光フィルタ（１０２）を通過することによって、少なくとも４つの偏光で画像が得られることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記少なくとも４つの偏光が、４５°偏光、１３５°偏光、左円偏光、および、右円偏光であることを特徴する請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 半透明面（２０２）が、前記被検面（３）の上に配置されることを特徴する請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）は、前記被検面（３）および前記被検面の上に位置する半透明面（２０２）と、前記参照面（２）との両方に向けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記反射した直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）は、前記被検面（３）および前記被検面の上に位置する半透明面（２０２）と、前記参照面（２）との両方に向けられた前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）の反射後光であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）は、前記被検面（３）に向かって垂直に、または、６度未満の角度で向けられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記参照面（２）は、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 被検面（３）のトポグラフィを導出するための装置（１００）であって、前記装置（１００）は：
    直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）を前記被検面（３）および参照面（２）に向ける；
    複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光について反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）の画像を取得し、前記画像は前記複数の波長のそれぞれについて少なくとも４つの偏光について取得され、かつ、前記反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）は、前記被検面（３）および前記参照面（２）に向けられた直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）の反射光である；かつ、
    取得された画像に基づいて前記被検面（３）のトポグラフィを導出する；
    ように構成されていることを特徴とする装置（１００）。
13. 前記複数の波長は、少なくとも３つの波長を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置（１００）。
14. 前記反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）は、被検面反射光波（１０２ｂ）と参照面反射光波（１０３ｂ）とを含み、前記参照面反射光波（１０３ｂ）は、前記参照面（２）で反射した垂直に直線偏光された光波であり、
    前記装置（１００）は、
    前記複数の波長のそれぞれについて前記少なくとも４つの偏光のそれぞれについて光強度画像を取得し；
    取得された前記光強度画像に基づいて、前記複数の波長のそれぞれについて、前記被検面反射光波（１０２ｂ）と前記参照面反射光波（１０３ｂ）との位相差を求め；かつ、
    得られた前記位相差に基づいて前記参照面（２）と前記被検面（３）との間の距離を求める；
    ようにさらに構成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置（１００）。
15. 前記参照面反射光波（１０３ｂ）は、前記参照面（２）上の参照位置にあり、前記参照位置は、前記複数の波長のそれぞれについて、遅延を差し引くことによってシフトされることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
16. 前記装置（１００）は、前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）が１／４波長フィルタ（１１）および直線偏光フィルタ（１２）を通過することによって少なくとも４つの偏光画像を取得するように構成されていること特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の装置（１００）。
17. 前記少なくとも４つの偏光が４５°偏光、１３５°偏光、左円偏光、および、右円偏光であることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の装置（１００）。
18. 半透明面（２０２）が、前記被検面（３）の上に配置されることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の装置（１００）。
19. 前記装置（１００）は、前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）を前記被検面（３）および前記被検面の上に位置する半透明面（２０２）と、前記参照面（２）との両方に配向することを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか一項に記載の装置（１００）。
20. 前記反射した直線偏光された光波（１０２ｂ、１０３ｂ）は、前記被検面（３）および前記被検面の上に位置する半透明面（２０２）と、前記参照面（２）との両方に向けられた前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）の反射光であることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の装置（１００）。
21. 前記装置（１００）は、前記直線偏光された光波（１０２ａ、１０３ａ）を前記被検面（３）に向けて垂直にまたは６度未満の角度で配向するように構成されていることを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか一項に記載の装置（１００）。
22. 前記参照面（２）は、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１２〜２１のいずれか一項に記載の装置（１００）。
23. 少なくとも１つのプロセッサ上で実行されると、前記少なくとも１つのプロセッサに請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法を実行させる命令を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。
24. 請求項２３に記載のコンピュータプログラムを含むキャリアであって、前記キャリアは、電子信号、光信号、無線信号、またはコンピュータ可読記憶媒体のうちの１つであることを特徴とするキャリア。