JP2022551129A - ハイブリッド３ｄ検査システム - Google Patents

Abstract

光学検査装置は、干渉計モジュールを含み、これは、コヒーレント光のビームを検査対象領域に向け、その領域の干渉縞の第１の画像を生成するように構成される。この装置はまた、構造化光のパターンを領域に投影するように構成された三角測量モジュールと、干渉縞の第１の画像及び領域から反射されるパターンの第２の画像を取り込むように構成された少なくとも１つの画像センサとを含む。ビームコンバイナ光学素子は、コヒーレント光のビームと投影されたパターンを方向付けて、領域の同じ位置に当てるように構成される。プロセッサは、第１及び第２の画像を処理して、領域の３Ｄマップを生成するように構成される。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１０月６日に出願された米国仮特許出願第６２／９１１，２７９号の利益を主張し、その開示は参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に光学デバイスに関し、特に検査及び計測システムに関する。

プリント回路基板、ディスプレイパネル、及び集積回路などのワークピースの製造プロセスでは、ワークピースは通常、回路基板の特徴の３次元（３Ｄ）トポグラフィを測定するように構成された検査システムによって検査される。様々な測定方法は、適切な光学系を使用して実現され得る。これらの方法の２つは、三角測量法と干渉計測法である。

本説明及び特許請求の範囲で使用される「光学」、「光」及び「照明」という用語は、一般に、可視光線、赤外線放射、及び紫外線放射のすべてを指す。

一部の三角測量法では、光のパターン、例えば、照明の平行線（縞）のパターンを検査対象領域に投影する。検査対象領域から鏡面反射又は拡散反射された、投影されたパターンの２次元（２Ｄ）画像を観察することにより、パターンの局所的なシフトが領域の局所的なトポグラフィ変化に応答して見られる。この種の方法の一例は、位相シフト法であり、それは静的に投影された縞と、領域に亘って走査される縞（走査位相シフト法（ＳＰＳＭ））の両方で実装され得る。ＳＰＳＭでは、投影された縞は周期的な強度パターンを有する。投影された縞パターンは、縞を横切る方向に連続したステップでシフトされ、正弦波的に変化する縞が使用される場合、縞周期の４分の１の典型的なステップサイズを有する。代替的に、他の周期的パターンが使用されてもよい。例えば、縞全体で台形的な変化を有する縞では、周期ごとに２つのステップで高さ情報を抽出できるが、精度は低くなる。正弦波縞と縞周期に亘る複数のステップの組み合わせにより、局所的な縞シフトから測定された領域のトポグラフィを０．５ミクロンの精度で測定することを可能にする。

三角測量法は、数十又は数百ミクロンのトポグラフィ変化を測定することができ、明確な測定結果が得られるが、以下に説明するように、一般的に干渉計測法の解像度に到達し得ない。

干渉計測法は、検査対象領域をコヒーレント光で照明し、検査対象領域から反射された光を照明の乱されていない部分（いわゆる参照ビーム）に干渉させ、干渉パターンから３Ｄトポグラフィを推測する。干渉計測法は、静的又は動的のいずれかであり得る。静的方法では、１つの干渉パターンが取得され、参照パターンと比較される。静的干渉計測法の一例は、デジタルホログラフィ法であり、特許文献１で説明される。動的方法では、領域から反射された光と参照ビームとの間の相対位相が動的に変化され、複数の干渉パターンが生じ、これらのパターンは固定された参照時間のパターンと比較される。干渉計測法は、５０ｎｍ未満の垂直解像度を達成することができる。

米国特許出願公開第２０１７／０００３６５０号

しかし、コヒーレント照明を形成する光波の周期的な繰り返しのため、測定結果は、λ／２（反射された光の場合）の周期で周期的に繰り返され、ここで、λは照明の波長を示す。したがって、結果は、いわゆるアンビギュイティ範囲Δｈの外側では曖昧である。単一波長動作の場合、Δｈ＝λ／２。干渉計測法のアンビギュイティ範囲は、異なる波長λ_１とλ_２を有する２つのレーザを使用することによって更に広げることができる。この場合、アンビギュイティ範囲はΔｈ＝（λ_１×λ_２）／（λ_２－λ_１）になる。したがって、波長に応じて、５μｍ～１５μｍのアンビギュイティ範囲が実現される場合がある。
以下に記載される本発明の実施形態は、改善された光学検査システム及び検査方法を提供する。

したがって、本発明の一実施形態により、光学検査装置が提供され、光学検査装置は干渉計モジュールを含み、干渉計モジュールはコヒーレント光のビームを検査対象領域に向け、その領域から反射されたビームを受光し、反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を生成するように構成される。装置は更に、三角測量モジュールを含み、三角測量モジュールは構造化光のパターンを検査対象領域に投影するように構成されたプロジェクタと、干渉縞の第１の画像及び検査対象領域から反射されるパターンの第２の画像を取り込むように構成された少なくとも１つの画像センサとを含む。ビームコンバイナ光学素子は、コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて、検査対象領域上の位置に第１の入射角で当て、また投影されたパターンを、その位置に第２の光軸に沿って、第１の入射角とは異なる第２の入射角で当てるよう方向付けるように構成される。プロセッサは、第１及び第２の画像を処理して、検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出し、第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、領域の３Ｄマップを生成するように構成される。

開示された実施形態では、装置は、第１及び第２の光軸を検査対象領域に亘って並進させるように構成された走査機構を含む。

一実施形態では、第１の３Ｄ測定は、第１の解像度と第１のアンビギュイティ範囲によって特徴付けられ、一方、第２の３Ｄ測定は、第１の解像度よりも粗い第２の解像度と第１のアンビギュイティ範囲よりも大きい第２のアンビギュイティ範囲によって特徴付けられ、プロセッサは、第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、その結果、３Ｄマップが第２のアンビギュイティ範囲において第１の解像度で領域を表すように構成される。

別の実施形態では、第１の入射角は検査対象領域の表面の法線であり、第２の入射角は斜めである。

更なる実施形態では、装置はまた、コヒーレント光のビームと投影されたパターンの両方をその位置に向けるように構成された対物レンズを含み、ここで対物レンズの開口数は、干渉計モジュールで役割を果たす中央部分と、三角測量モジュールで役割を果たす周辺部分とを含む。

更に別の実施形態では、少なくとも１つの画像センサは、第１の画像を取り込むように配置された第１の画像センサと、第２の画像を取り込むように配置された第２の画像センサとを含み、ビームコンバイナ光学素子は、検査対象領域から反射されるパターンを、第２の入射角に対応する斜めの出射角に沿って第２の画像センサに向けるように更に構成される。

開示された実施形態では、三角測量モジュールは、検査対象領域からの２つのビームを、異なるそれぞれの角度で向けて、パターンのそれぞれの画像を少なくとも１つの画像センサ上で形成するように構成され、プロセッサは、それぞれの画像を一緒に処理して、３Ｄマップを生成するように構成される。

更なる実施形態では、三角測量モジュールは、絞りプレートを含み、絞りプレートは、反射されたパターンを遮断するように配置され、２つのビームを異なるそれぞれの角度で、少なくとも１つの画像センサに向ける２つの開口を含む。

更に別の実施形態では、装置は、反射されたパターンを受け取って、少なくとも１つの画像センサに向けるように構成された対物レンズを含み、ここで三角測量モジュールは、絞りプレートを対物レンズの射出瞳に撮像し、２つのビームをそれぞれ２つの開口に方向付けるように構成されたダブルウェッジを含む。

開示された実施形態では、ビームコンバイナ光学素子は、複数の光学プリズムを含み、光学プリズムは、コヒーレント光のビーム及び投影されたパターンの少なくとも１つを反射して、コヒーレント光のビーム及び投影されたパターンをその位置に、第１及び第２の入射角で向けるように構成される。

更に別の実施形態では、プロセッサは、第１の基準に対する第１の画像の干渉縞の第１の変位を測定することによって第１の３Ｄ測定を行い、第２の基準に対する第２の画像の構造化光のパターンの第２の変位を測定することによって第２の３Ｄ測定を行うように構成される。

更なる実施形態では、干渉計モジュールは、コヒーレント光を照射するように構成された光源を含み、少なくとも１つの画像センサは、干渉縞の第１の画像を取り込むように構成される。

更に別の実施形態では、少なくとも１つの画像センサは、検査対象領域の２次元（２Ｄ）画像を取り込むように構成される。追加的又は代替的に、プロセッサは、２Ｄ画像をセグメント化及び分析して、領域内の１つ以上の物体を識別し、１つ以上の識別された物体の高さを測定する際に第１及び第２の３Ｄ測定を適用するように構成される。

別の実施形態では、少なくとも１つの画像センサは単一の画像センサを含み、それは干渉縞の第１の画像と、検査対象領域から反射されるパターンの第２の画像の両方を取り込むように構成される。

更に別の実施形態では、装置は更なる画像センサを含み、それは第２の入射角に対応する斜めの出射角に沿って検査対象領域から反射されるパターンの第３の画像を取り込むように構成され、ここで、プロセッサは、第３の画像を処理して検査対象領域の更なる３Ｄ測定を行うように構成される。

開示された実施形態では、干渉計モジュールは、第１の画像を自己参照デジタルホログラフィによって生成するように構成される。

別の実施形態では、干渉計モジュールは、異なる照明条件でコヒーレント光の２つのビームを検査対象領域に当てることによって第１の画像を生成するように構成され、ここでビームのうちの１つは参照ビームとして役割を果たす。

更に別の実施形態では、干渉計モジュールは、ビームの光学操作によってコヒーレント光のビームから参照ビームを引き出すように構成される。

開示された実施形態では、三角測量モジュールは、少なくとも１つの回転可能な偏光子を含み、回転可能な偏光子は投影されたパターンの偏光状態を変化させて、第２の画像における鏡面反射及び拡散反射の相対強度を調整するように構成される。

別の実施形態では、干渉計モジュールは、第１の画像を、デジタルホログラフィ法を使用して取り込むように構成される。

更に別の実施形態では、三角測量モジュールは、第２の画像を、走査位相シフト法（ＳＰＳＭ）を使用して取り込むように構成される。

本発明の一実施形態によると、干渉計モジュールを含む光学検査装置が更に提供され、干渉計モジュールは、コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて、検査対象領域に当て、その領域から反射されたビームを受光し、反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を生成するように構成される。三角測量モジュールは、構造化光のパターンを第２の光軸に沿って投影して、検査対象領域に当てるように構成されたプロジェクタを含む。少なくとも１つの画像センサは、干渉縞の第１の画像及び検査対象領域から反射されるパターンの第２の画像を取り込むように構成される。走査機構は、第１及び第２の光軸を、検査対象領域に亘り相互に位置合わせして並進させるように構成される。プロセッサは、走査機構を駆動して、第１及び第２の光軸を検査対象領域内の位置に連続して当て、第１及び第２の画像を処理して、検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出し、第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、領域の３Ｄマップを生成するように構成される。

また、本発明の一実施形態によると、光学検査の方法が提供され、それはコヒーレント光のビームを検査対象領域に向け、その領域から反射されたビームを受光し、反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を取り込むことを含む。構造化光のパターンは検査対象領域に投影され、第２の画像は検査対象領域から反射されるパターンから取り込まれる。ビームコンバイナ光学素子は、コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて、検査対象領域のある位置に第１の入射角で当て、投影されたパターンを第２の光軸に沿って、第１の入射角とは異なる第２の入射角でその位置に当てるように配置される。第１及び第２の画像は処理されて、検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出し、第１及び第２の３Ｄ測定を結合して領域の３Ｄマップを生成する。

本発明の一実施形態によると、光学検査の方法が更に提供され、それはコヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて検査対象領域に当て、その領域から反射されたビームを受光し、反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を取り込むことを含む。構造化光のパターンは第２の光軸に沿って投影されて検査対象領域に当てられ、第２の画像は検査対象領域から反射されるパターンから取り込まれる。第１及び第２の光軸は検査対象領域に亘り相互に位置合わせして並進され、第１及び第２の光軸を検査対象領域内の位置に連続して当てるようにする。第１及び第２の画像は処理されて、検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出する。第１及び第２の３Ｄ測定は結合されて、領域の３Ｄマップを生成する。

本発明は、その実施形態の以下の詳細な説明から、以下の図面と合わせて、より完全に理解されるであろう。

本発明の一実施形態による、光学検査装置を概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態による、図１の装置における干渉計モジュールの概略側面図である。 本発明の一実施形態による、図１の装置における干渉計モジュールの概略側面図である。 本発明の別の実施形態による、図１の装置における干渉計モジュールの概略側面図である。 本発明の一実施形態による、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の別の実施形態による、光学検査装置の概略側面図である。 発明の更なる実施形態による、検査対象領域をマッピングする際の装置の動作を示す、図５の光学検査装置の概略側面図である。 本発明の更に別の実施形態による、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の更に別の実施形態による、装置の動作のモードを示す、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の更に別の実施形態による、装置の動作のモードを示す、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の更に別の実施形態による、装置の動作のモードを示す、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の依然として別の実施形態による、装置の動作のモードを示す、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の依然として別の実施形態による、装置の動作のモードを示す、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の依然として別の実施形態による、装置の動作のモードを示す、光学検査装置の概略側面図である。 本発明の一実施形態による、図９ａ～図９ｃの装置で使用される絞りプレートの概略正面図である。 本発明の一実施形態による、３Ｄマッピングの方法を概略的に示すフローチャートである。

概要
ワークピースの３Ｄトポグラフィを測定するために使用される光学検査システムは、２つの異なる補完的な方法を結合し得る。三角測量モジュールと干渉計モジュールを結合することは、三角測量モジュールによって与えられる絶対高さ測定が、干渉計モジュールによって与えられる高い測定精度によって補完されるため、有利である。三角測量モジュールの精度は干渉計モジュールのアンビギュイティ範囲よりも優れているため、三角測量モジュールの測定結果を利用して、干渉計測定のアンビギュイティを解消し、結果として広範囲に亘り正確で明確な干渉計測定を行い得る。２つの方法のそれぞれによって与えられる３Ｄ測定を１つの正確な３Ｄマップに結合するために、三角測量モジュールと干渉計モデルの両方が、ワークピース上の同じ領域を、それぞれの視野が互いに正確に位置合わせされた状態で表示することが有利である。

本明細書で説明する本発明の実施形態は、光学検査装置を提供することによって上記の必要性に対処し、光学検査装置は干渉計モジュール及び三角測量モジュールを補完的な測定結果とともに組み込み、広範囲の高さにわたって正確な３Ｄ測定を提供する。装置は更に、ビームコンバイナ光学素子を含み、それは２つのモジュールの視野の正確な相互位置合わせを可能にする。

開示された実施形態では、光学検査装置は、干渉計モジュール、三角測量モジュール、ビーム結合光学素子、及びプロセッサを含む。干渉計モジュールは、光のコヒーレントビームを照射し、それを２つの部分に分割する。一方の部分は検査対象領域に当たり、そこから反射し、その後、別の部分と光学的に干渉し、領域のトポグラフィを反映する干渉パターンを生成する。干渉パターンは、干渉計モジュールの画像センサによって記録される。

三角測量モジュールは、構造化光のパターンを検査対象領域に投影する。図示の例では、パターンは斜め方向から投影されるが、拡散反射面でも領域に垂直な投影が可能である。三角測量モジュールは、領域から反射されたパターン（鏡面反射及び／又は拡散反射を含む）を、画像センサを用いて更に記録し、画像センサは投影方向に対して角度が付けられた方向に沿って向けられる。構造化光のパターンは、平行で等間隔の光の線のセットとして構成され得る。代替的に、別のパターン、例えば２次元の周期的及び非周期的パターンが使用されてもよい。

ビームコンバイナ光学素子は、干渉計モジュールと三角測量モジュールの両方の光軸を検査対象領域の共通の位置に向け、それによって２つのモジュールから見た領域の正確な相互位置合わせを確保する。干渉計モジュールと三角測量モジュールは、関心のある各位置で同時に又は順次に測定を行い得る。ビームコンバイナ光学素子は、検査対象領域を照らして撮像するために使用される開口数（ＮＡ）を分割し、一方の部分のＮＡは三角測量モジュール専用とし、別の部分は干渉計モジュール専用とする。粗い（散乱）表面のある領域の場合、干渉計モジュールのＮＡを更に使用して、三角測量モジュールの縞パターンを、拡散反射光を用いて撮像し得る。

プロセッサは、３つの主要なタスクを実行する。
１．干渉画像から、検査対象領域に亘って干渉位相マップを計算する。
２．三角測量データから、領域に亘って三角測量高さマップを計算する。そして、
３．三角測量高さマップを利用して干渉位相マップをアンラッピングし、領域に亘り干渉計測定の精度を備えた明確な高さマップを取得する。

いくつかの実施形態では、干渉計モデルの画像センサはまた、２次元（２Ｄ）画像（明視野画像）を、参照ビームを生成することなく検査対象領域のみを照らす光源を使用して取り込む。プロセッサは、この２Ｄ画像を分析して、後続する検査のために、例えば、はんだバンプ、ピラー、ビア、欠陥などの特徴を識別し得る。識別後、これらの特徴は、干渉計モジュールと三角測量モジュールの両方（又はそれらの一方のみ）を使用して検査され、特徴の３Ｄマップを生成し得る。

更に別の実施形態では、干渉計モジュール及び三角測量モジュールを使用して、構造化照明パターンの画像を取り込むことができ、それらは鏡面反射及び拡散反射の両方で光を反射する領域に投影される。鏡面反射光は、前述のように、三角測量モジュールの画像センサによって取り込まれる。同時に、拡散反射光の一部は、干渉計モジュールのＮＡ空間に照射され得る。干渉計モジュールの画像センサは、この光の画像を取り込むことができ、記録された構造化パターンは、鏡面反射されたパターンと同様に分析され得る。

システム記述
図１は、本発明の一実施形態による、光学検査装置２０を概略的に示すブロック図である。光学検査装置２０は、干渉計モジュール２２、三角測量モジュール２４、ビームコンバイナ光学素子２６、及び干渉計モジュールと三角測量モジュールに結合されたプロセッサ２８を含む。装置２０は、検査対象のワークピース３８又は他のサンプルの領域３０に隣接して配置される。

走査機構、例えば並進ステージ４０は、装置２０内のワークピース３８を並進させ、干渉計モジュール２２及び三角測量モジュール２４の視野を、ワークピースに亘って走査させる。（以降の図では、ステージ４０は簡素化するために省略される。）代替的又は追加的に、走査機構は、装置２０の他の要素をワークピースに対してシフトさせてもよい。ステージ４０（又は別の走査機構）は、ワークピース３８を干渉計モジュール２２及び三角測量モジュール２４に対して静止状態に保持でき、その間に測定が実行される。代替的に、干渉計モジュール２２及び三角測量モジュール２４は、動作中、すなわち、ステージ４０がワークピース３８を移動させる間に、それらの測定を実行するように構成され得る。

次の図に詳細に示されるように、ビームコンバイナ光学素子２６は、干渉計モジュール２２及び三角測量モジュール２４のそれぞれの光軸を、領域３０内の位置に相互に位置合わせして当てられる。いくつかの実施形態では、ビームコンバイナ光学素子は、軸が両方とも領域３０内の同じ位置に正確に入射するように構成される。別の実施形態では、光軸が領域３０に入射する位置は、典型的には、小さい既知の距離によって互いにオフセットされ得て、そして、ステージ４０の動きにより、軸は、異なる既知の時間に領域３０の各位置に入射される。

代替の実施形態（図示せず）では、装置２０はビームコンバイナ光学素子２６を含まず、干渉計モジュール２２及び三角測量モジュール２４の光軸は、異なる位置で別個の光路に沿って領域３０に入射する。入射位置の間のオフセットは既知であり、正確に制御される。プロセッサ２８は、ステージ４０を駆動して、干渉計モジュール２２と三角測量モジュール２４とのそれぞれの視野（ＦＯＶ）の間の領域３０を、２つのＦＯＶ間の正確な位置合わせで並進させる。例えば、プロセッサ２８は、ステージ４０を駆動して、領域３０を、時間Ｔの瞬間に干渉計モジュール２２のＦＯＶと一致するように配置し、その時点で、干渉モジュールは干渉画像を取り込む。次に、プロセッサ２８は、ステージ４０を駆動して、領域３０を、時間Ｔ＋ΔＴの瞬間に三角測量モジュール２４のＦＯＶと一致するように移動し、その時点で、三角測量モジュールは構造化照明パターンの画像を取り込む。この動作のモードにより、プロセッサは、モジュール２２及び２４によって行われた３Ｄ測定を、ビームコンバイナ光学素子がない場合でさえも結合することができる。

干渉計モジュール２２、三角測量モジュール２４、及びビームコンバイナ光学素子２６は、後続の図で更に詳細に説明される。

プロセッサ２８は、プログラム可能なプロセッサを含み、それはソフトウェア及び／又はファームウェアでプログラムされて、本明細書で説明される機能を実行する。追加的又は代替的に、プロセッサ２８の機能の少なくともいくつかは、ハードウェア論理回路によって実行され得て、それはハードワイヤード又はプログラム可能であり得る。いずれの場合も、プロセッサ２８は、適切なインターフェースを有し、以下に説明するように、装置２０の他の要素との間でデータ及び命令を送受信する。

干渉計モジュール２２、三角測量モジュール２４、ビームコンバイナ光学素子２６、及び領域３０の間の光信号の流れは、矢印３２、３４、及び３６によって概略的に示される。矢印３２は、干渉計モジュール２２とビームコンバイナ光学素子２６との間の光信号の双方向の流れを示し、矢印３４は、三角測量モジュール２４とビームコンバイナ光学素子２６との間の光信号の双方向の流れを示し、矢印３６は、ビームコンバイナ光学素子２６と領域３０との間の光信号の双方向の流れを示す。矢印３６は、干渉計モジュール２２及び三角測量モジュール２４の両方へ、また両方からの光信号を表す。

図２ａ及び図２ｂは、本発明の一実施形態による、２つの異なる動作のモードでの干渉計モジュール２２の概略側面図である。これらの図は、干渉計モジュール２２の１つの簡素化された代表的な構成を示す。

干渉計モジュール２２は、コヒーレント光源４２、３つのビームスプリッタ４４、４６、及び４８、ミラー５０、ならびに第１の画像センサ５２を含む。加えて、モジュール２２は、第２の光源を含んでもよく、これは、簡素化するために図から省略される。領域３０に当たるこの光源からの照明は、図２ｂの矢印５４によって示される。代替的に、照明は、点線の矢印５５によって示されるように、ビームスプリッタ４８を通して向けられてもよい。他の光学部品、例えば光源４２によって発された光を拡大及びコリメートし、またセンサ５２上に領域３０を撮像するためのレンズは、簡素化するために同様に省略される。

コヒーレント光源４２は、通常、二波長連続波レーザを含むが、単一波長レーザ、狭帯域ガス放電源、又はパルスレーザ（単一波長又は二波長）などの他の光源が代替的に使用され得る。上記のように、２つの波長λ_１とλ_２を有するレーザ（又は波長λ_１の１つのレーザとλ_２の別のレーザ）を使用すると、Δｈ＝（λ_１×λ_２）／（λ_２－λ_１）の拡張されたアンビギュイティ範囲が得られる。光源４２は、ストロボ化又はパルス化され、コヒーレント照明を、ステージ４０上を移動するワークピース３８の可能な動きと同期させ、同様に三角測量モジュール２４による測定と同期させ得る。

ビームスプリッタ４４、４６、及び４８は、キューブ型ビームスプリッタとして表される。代替的に、他の種類のビームスプリッタ、例えばプレート型ビームスプリッタが使用され得る。ミラー５０は、典型的には前面ミラーを含み、それはアルミニウムなどの金属コーティング、又は誘電体多層コーティングのいずれかによってコーティングされる。センサ５２は、ピクセル化されたカメラ、例えばＣＣＤ（電荷結合デバイス）又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）カメラを含む。

図２ａは、干渉計モジュール２２の干渉計機能を示す。レーザ４２は、コヒーレント光ビーム６０を照射する。ビームスプリッタ４４は、光ビーム６０をメインビーム６２と参照ビーム６４に分割する。メインビーム６２は、ビームスプリッタ４６によって反射されて領域３０に当たり、そこからビームスプリッタ４６に向かって反射されて戻り、更にビームスプリッタ４６及びビームスプリッタ４８を通過し、センサ５２に当たる。参照ビーム６４は、ビームスプリッタ４４によって反射され、更にミラー５０及びビームスプリッタ４８によって反射され、センサ５２に当たり、ここで、それはメインビーム６２とコヒーレントに結合して、領域３０の１つ以上の干渉画像（静的又は動的干渉計測が使用されるかどうかに応じて）を生成する。プロセッサ２８は、干渉画像（複数可）を読み取り、領域３０の干渉位相マップを計算する。

メインビーム６２及び参照ビーム６４は、それぞれセンサ５２に当たる際に、共線又は非共線角度のいずれかであり得る。図２ａは、非共線角度でそれらを示し、ミラー５０の適切な回転によって実施される。このような非共線角度は、上記の米国特許出願公開第２０１７／０００３６５０号に記載されるように、デジタルホログラフィ法を使用する場合に有益である。

図２ｂは、センサ５２上に領域３０の２Ｄ（非干渉）画像を生成する際の干渉計モジュール２２の非干渉機能を示す。この動作のモードでは、レーザ４２はオフにされてもよく、ビーム６０、６２、及び６４がないことによって示される。代わりに、第２の光源がオンにされ、矢印５４又は矢印５５によって示されるように、領域３０を照明する。領域３０の２Ｄ非干渉画像は、ここでセンサ５２によって取り込まれる。プロセッサ２８は、この画像を分析して、後続の３Ｄマッピングのための画像の特徴、例えば、はんだバンプ、ピラー、ビア、又は欠陥を識別する。

代替の実施形態では、２Ｄ画像は、レーザ４２を使用してコヒーレントビーム６０を照射するが、同時に参照ビーム６４を、例えば、適切に配置されたシャッタ（図示せず）によって遮断することによって、生成され得る。

図３は、本発明の別の実施形態による、干渉計モジュール７５の概略側面図である。この図は、図１の干渉計モジュール２２の代替構成を簡素化して示し、ここでは自己参照又は共通光路型デジタルホログラフィ法が使用される。この方法では、サンプルから反射されたビームの一部（サンプルビーム）は分割され、参照ビームとして役割を果たす。その後、２つのビームは、それらの伝搬方向の間に小さな角度で再結合され、剪断干渉パターンを形成する。代替的に、当技術分野で周知なように、他の種類の剪断干渉計はこの文脈で使用され得る。同じラベルを使用して、図２ａ～図２ｂの対応するアイテムと同一又は類似のアイテムを示す。

干渉計モジュール７５は、コヒーレント光源４２、ビームスプリッタ６６及び６８、ミラー７０及び７２、ならびに第１の画像センサ５２を含む。他の光学部品、例えば光源４２によって発された光を拡大及びコリメートし、またセンサ５２上に領域３０を撮像するためのレンズは、簡素化するために省略される。

ビームスプリッタ６６及び６８は、キューブ型ビームスプリッタとして表される。代替的に、他の種類のビームスプリッタ、例えばプレート型ビームスプリッタが使用され得る。ミラー７０及び７２は、典型的には前面ミラーを含み、それはアルミニウムなどの金属コーティング、又は誘電体多層コーティングのいずれかによってコーティングされる。

図３は、干渉計モジュール７５の干渉計機能を更に示す。図２ａのように、レーザ４２は、コヒーレント光ビーム６０を照射する。ビームスプリッタ６６は、光ビーム６０を領域３０に当たるように向け、光ビーム６０はそこから反射されてビームスプリッタ６６に戻り、更にビームスプリッタ６６を通過してビームスプリッタ６８に到達し、そこで２つのビーム、すなわち参照ビーム７６とメインビーム７４に分割される。メインビーム７４は、ミラー７０によって、そしてビームスプリッタ６８によって反射されてセンサ５２に向かう。参照ビーム７６は、ミラー７２によって、元の方向に対して小さな角度で反射されて戻り、次にビームスプリッタ６８によってセンサ５２に伝達され、そこで、それはメインビーム７４とコヒーレントに結合して、領域３０の１つ以上の干渉画像を生成する。プロセッサ２８は、干渉画像（複数可）を読み取り、領域３０の干渉位相マップを計算する。

代替的に、参照ビームは、サンプルビームから分割された後に、領域３０に当たり得る。次に、両方のビームは、異なる照明条件、例えば、偏光、領域３０への入射角、又は開口数（ＮＡ）で領域３０を照明するために使用される。領域３０を照らした後、２つのビームはセンサ５２に当たり、領域の１つ以上の干渉画像を生成する。代替的に、参照ビームは、サンプルビームから、光学操作を通じて、例えば空間フィルタリング及び／又は位相板などのその光路への追加の光学部品の導入を通じて引き出され得る。

図２ａ及び図３に示されるスキームの代わりに、当技術分野で周知の他の任意の適切な種類の撮像干渉計を本目的に適合させてもよい。

第１の実施形態
図４は、本発明の一実施形態による、光学検査装置８０の概略図である。装置２０と同様に、装置８０は、干渉計モジュール８２、三角測量モジュール８４、及びビーム結合光学素子８６を、プロセッサ２８とともに含む。

干渉計モジュール８２は、図２ａに示される干渉計モジュール２２と同様であり、コヒーレント光のビームを第１の光軸８８に沿って照射及び受光し、これは、ビーム結合光学素子８６によって領域３０に当たるように方向付けられる。

三角測量モジュール８４は、プロジェクタ９０を含み、これは構造化光の１つ以上のパターンを第２の光軸９２に沿って領域３０に投影する。ＳＰＳＭ（走査位相シフト法）を使用する場合、プロジェクタ９０は、直線の周期的縞パターンを投影し、ここで縞は正弦波的に変化する強度を有し、連続する縞パターンは、通常、縞周期の４分の１だけシフトされる。明細書の残りの部分では、この種の４ステップＳＰＳＭを参照するが、他の方法、例えば静的位相シフト、異なるステップ数（３つ以上）のＳＰＳＭ、或いは疑似ランダム又はランダムな２次元又は３次元のパターンが使用されてもよい。

プロジェクタ９０は、交換可能な投影されたパターンを含み得て、測定の範囲及び精度を変えることを可能にする。加えて、投影されたパターンは、例えば、異なる周波数のいくつかのサブパターンで構成され得て、広い測定範囲と高い測定分解能（精度）の両方を可能にする。投影されたパターンのこれらのスキームは更に、後続の図５、図６、図７、図８ａ、図８ｃ、図９ａ及び図９ｃに示されるパターンプロジェクタに適用可能である。

三角測量モジュール８４は、第２の画像センサ９４を更に含み、これは、典型的には、ピクセル化されたカメラ、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳカメラを含む。簡素化するために、縞パターンを領域３０に投影し、その領域をセンサ９４に撮像するための光学部品は省略される。

この例のビーム結合光学素子８６は、複合プリズム９６を含み、それは共通インターフェース１０２に沿って結合された第１のプリズム９８及び第２のプリズム１００を含む。複合プリズム９６は、３つの入力面／出力面を含み、第１の面１０４、第２の面１０６、及び第３の面１０８である。プリズム９８及び１００は、ガラスなどの光学的に透明な材料から製造される。インターフェース１０２は、プリズム９８と１００との間に光学コーティング１０３を含み、典型的には誘電体又はハイブリッド多層コーティングのいずれかであって、以下に詳述されるように、光ビームを透過及び反射する。入力面／出力面１０４、１０６、及び１０８は、適切な光学反射防止コーティングでコーティングされ得る。

プロジェクタ９０の第２の光軸９２は、第１の面１０４に当たり、そこで屈折して第１のプリズム９８に入る。それは、インターフェース１０２を介して第２のプリズム１００に透過される。コーティング１０３は、波長及び／又は偏光選択性を備えて設計され得て、プロジェクタ９０から第２の光軸９２に沿って伝搬するほぼすべての光を透過する。代替的に、コーティング１０３は、単純な非選択的５０／５０ビームスプリッタコーティングを含んでもよい。光軸９２は、第２の面１０６に当たり、それによって透過され、続いて、領域３０に当たる。次に、第２の光軸９２は、領域３０によって鏡面反射され、第２の面１０６によって複合プリズム９６に、更にインターフェース１０２に透過され、続いて第１の面１０４を通って出て、センサ９４に当たる。センサ９４は、領域３０上のパターンの画像を取り込む。センサに結合されたプロセッサ２８は、画像の縞パターンの、第２の参照画像に対する変位を測定し、これらの測定された変位から、領域３０の三角測量高さマップを計算する。

プロセッサ２８は、続いて、干渉位相マップと三角測量高さマップを最終的な３Ｄマップに結合し、三角測量高さマップの絶対高さ測定を利用して、干渉位相マップのアンビギュイティを取り除く。干渉位相マップと三角測量高さマップの両方の計算と、それらの結合については、以下の図１０で詳述する。

ビーム結合光学素子８６は、それぞれ干渉計モジュール８２及び三角測量モジュール８４と共に、それぞれの光軸８８及び９２が共通の位置１１０で領域３０に当たるように構成される。干渉計モジュール８２及び三角測量モジュール８４の視野は、干渉位相マップ及び三角測量高さマップの正確な位置合わせと組み合わせを確実にするために、正確に又は少なくとも十分に近接して一致し得る。ビーム結合光学素子８６はまた、干渉計モジュール８２と三角測量モジュール８４との間のＮＡ空間に固有の分割を利用し得る。干渉計モジュールは、その光軸８８が領域３０に法線の角度で当たるときに最もよく機能するが、三角測量モジュールは、検査対象領域で光軸９２に非法線の角度を使用する。

第２の実施形態
図５は、本発明の別の実施形態による、光学検査装置２００の概略側面図である。前述の実施形態のように、装置２００は、干渉計モジュール２０２、三角測量モジュール２０４、及びビーム結合光学素子２０６を、プロセッサ２８とともに含む。

干渉計モジュール２０２は、図２ａの干渉計モジュール２２と図４の干渉計モジュール８２と同様であるが、例外として、対物レンズ２０８が干渉計モジュール２０２の一部であり、図５に明示的に示される。干渉計モジュール２０２の残りの部分は、ブロック２０３として概略的に示され、簡素化のために詳細は省略される。対物レンズ２０８は、干渉計モジュール２０２のセンサ上に領域３０を撮像する（図５には示されていないが、図２ａ及び図２ｂのセンサ５２と同様である）。干渉計モジュール２０２は、光軸２１３を有し、それに沿って、コヒーレント光のビームを照射し、受光する。上記のように、プロセッサ２８は、干渉計モジュール２０２からの画像に基づいて、領域３０の干渉位相マップを計算する。

三角測量モジュール２０４は、図４に示される三角測量モジュール８４と同様に機能し、プロジェクタ２１０及び第２の画像センサ２１２を含み、それらは図４のプロジェクタ９０及びセンサ９４と同様である。三角測量モジュール２０４は、以下に詳述されるように、第２の光軸２１４に沿って縞パターンを投影する。

ビーム結合光学素子２０６は、複合プリズム２１６を含み、複合プリズム２１６は第１のプリズム２１８、第２のプリズム２２０、及び第３のプリズム２２２を含む。プリズム２１８、２２０、及び２２２は、ガラスなどの光学的に透明な材料から製造される。第１のプリズム２１８及び第３のプリズム２２２は、第１の共通インターフェース２２４に沿って結合され、第２のプリズム２２０及び第３のプリズム２２２は、第２の共通インターフェース２２６に沿って結合される。インターフェース２２４及び２２６は、それぞれ、光学コーティング２２５及び２２７を含み、典型的には誘電体又はハイブリッド多層コーティングのいずれかであり、以下に詳述されるように、三角測量モジュール２０４のビームを反射する。代替的に、コーティング１０３の場合のように、コーティング２２５及び２２７は、単純な非選択的５０／５０ビームスプリッタコーティングを含み得る。プリズム２１８、２２０、及び２２２は、以下の入力面／出力面を含む。プリズム２１８は、第１の面２３０、第２の面２３２、及び第３の面２３４を含む。プリズム２２０は、第４の面２３６、第５の面２３８、及び第６の面２４０を含む。プリズム２２２は、第７の面２５０、及び第８の面２５２を含む。面２３０、２３４、２３６、２４０、２５０、及び２５２は、光学反射防止コーティングによってコーティングされ得る。面２３２及び２３８は、反射コーティング（ハイブリッド又は誘電体多層コーティングのいずれか）によってコーティングされる。代替的に、面２３２及び２３８は、コーティングされないままであってもよく、但し、以下に詳述されるように、それらが内部全反射（ＴＩＲ）を通して、投影された縞パターンを反射することを条件とする。

干渉計モジュール２０２は、光軸２１３に沿ってコヒーレントビームを照射し、光軸２１３は領域３０に垂直であり、領域を、プリズム２２２の第７の面２５０及び第８の面２５２を通して点線２１５によって描かれた光円錐で照らす。（簡素化のために、第３のプリズム２２２における点線２１５の屈折は省略される。）この円錐の開口数（ＮＡ）は、ＮＡ＝ｓｉｎ（α）で与えられ、ここでαは、線２１５の１つと第１の光軸２１３との間の角度２１７の範囲である。反射されたコヒーレント照明は、光軸２１３に沿って干渉計モジュール２０２に戻る。

プロジェクタ２１０は、光軸２１４に沿って縞パターンを投影する。光軸２１４は、第１の面２３０を通って第１のプリズム２１８に入り、第２の面２３２から（反射コーティングからの反射又はＴＩＲのいずれかによって）反射され、第１の共通インターフェース２２４によって再び反射され、第３の面２３４を通って第１のプリズムを出て、領域３０に当たる。領域３０から、第２の光軸２１４は鏡面反射され、第２のプリズム２２０に第４の面２３６を通って入り、第２の共通インターフェース２２６によって反射され、次に（第２の面２３２からの反射と同様に）第５の面２３８から反射され、プリズム２３８から第６の面２４０を通って出る。続いて、第２の光軸２１４は、画像センサ２１２に当たり、画像センサ２１２は、上記のように、プロセッサ２８による処理のために縞パターンの画像を取り込む。

前述の実施形態のように、ビーム結合光学素子２０６は、第１及び第２の光軸２１３及び２１４がそれぞれ、共通の位置２５４で領域３０に当たるように設計される。ビーム結合光学素子２０６内のプリズム２１８、２２０、及び２２２の構造は、干渉計モジュール２０２と三角測量モジュール２０４の開口数（角度空間）の間の分離を確実にする。

代替の実施形態（図示せず）では、第３のプリズム２２２は、ビーム結合光学素子から省略され得て、この場合、共通インターフェース２２４及び２２６は、面２３２及び２３８と同様に、ガラス／空気インターフェースとなる。

図６は、本発明の更なる実施形態による、検査対象領域２５６をマッピングする際の装置の使用を示す、上記のような光学検査装置２００の概略側面図である。簡略化のために、図５で使用されるラベルのほとんどは図６から省略される。

この例では、領域２５６の表面は鏡面反射と拡散反射の両方を行う。領域２５６から鏡面反射する光は、図５の文脈で既に説明したように、干渉計モジュール２０２及び三角測量モジュール２０４の両方によって利用される。しかしながら、領域２５６を照明する縞パターンの一部は、矢印２５８によって示されるように、対物レンズ２０８の開口数に拡散反射される。この光は、矢印２６０によって示されるように、干渉計モジュール２０２に更に運ばれる。

拡散反射光によって伝達される縞パターンは、干渉計モジュール２０２の画像センサによって取り込まれる。プロセッサ２８は、干渉計モジュール２０２の画像センサによって取り込まれた画像を利用して、更なる３Ｄマップを計算し、それは三角測量モジュール２０４の画像センサによって取り込まれた画像から計算された三角測量高さマップと同様である。この更なる３Ｄマップの使用は、領域２５６が高い拡散性表面を有する場合に特に有利である。

第３の実施形態
図７は、本発明の更に別の実施形態による、光学検査装置２８０の概略側面図である。装置２８０は、図５～図６の装置２００と同一であり、偏光子２８２及び２８４が三角測量モジュール２０４において、それぞれプロジェクタ２１０とセンサ２１２に追加される。領域３０は、金属表面などの高い鏡面反射率を有する表面と、例えば、低い鏡面反射率であるが高い拡散反射率の可能性を有する非金属材料を含む表面との両方を含み得る。偏光子２８２及び２８４の回転角を調整することにより、方向２８６に沿って画像センサ２１２に向かい伝搬する鏡面反射光及び拡散反射光の相対強度はバランスをとることができ、したがって、両方の種類の表面からの縞パターンの同時測定を可能にする。

第４の実施形態
図８ａ、図８ｂ及び図８ｃは、本発明の更に別の実施形態による、光学検査装置３００の概略図である。前述の実施形態のように、装置３００は、干渉計モジュール３０２、三角測量モジュール３０４、及びビーム結合光学素子３０６を、プロセッサ２８とともに含む。図８ａ～図８ｃでは、光のビームは、前述の実施形態のようにモジュールのそれぞれの光軸を使用するのではなく、フルビームとして示される。

干渉計モジュール３０２は、図２ａの干渉計モジュール２２及び図４の干渉計モジュール８２と同様であるが、例外としてレンズ３０８は干渉計モジュールの一部であり、明示的に示される。干渉計モジュール３０２の残りの部分は、ブロック３１０として概略的に示される。レンズ３０８は、干渉計モジュール３０２内の画像センサ上に領域３０を撮像する。干渉計モジュールの残りの部品は、簡略化のために省略される。

三角測量モジュール３０４は、プロジェクタ３１６及び画像センサ３１８を含み、これらは、図４のプロジェクタ９０及びセンサ９４と設計と動作において同様である。三角測量モジュール３０４は、レンズ３２０及び３２２を更に含み、それらの機能は以下に詳述される。

ビーム結合光学素子３０６は、高ＮＡ対物レンズ３２４、プレート型ビームスプリッタ３２６、及び２つのミラー３２８と３３０を含む。ビームスプリッタ３２６は、代替的にビームスプリッタキューブを含み得る。ビームスプリッタは、典型的には、干渉計モジュール３０２との間でビームを優先的に透過し、一方で、三角測量モジュール３０４との間で、例えば偏光及び／又は波長選択性に基づいてビームを反射するようにコーティングされる。

図８ｂを参照すると、干渉計モジュール３０２は、コヒーレント光のビーム３１４を照射し、それはレンズ３０８によってコリメートされる。ビーム３１４は、プレート型ビームスプリッタ３２６によって透過され、対物レンズ３２４によって領域３０の位置３１２に、開口数ＮＡ_ｉの光円錐で集束される。開口数ＮＡ_ｉは、領域３０に対する法線３１７と周縁光線３１９との間の角度３１５によって、ＮＡ_ｉ＝ｓｉｎ（γ）として定義され、ここで、γは角度３１５のサイズである。ビーム３１４は、位置３１２から干渉計モジュール３０２に反射して戻される。

図８ｃを参照すると、プロジェクタ３１６は、縞パターンをビーム３３４で投影し、それはレンズ３２０によってコリメートされる。領域３０に向かうビーム３３４の伝搬は、矢印３３６によって示される。ビーム３３４は、ミラー３２８及びプレート型ビームスプリッタ３２６によって、対物レンズ３２４に向けて反射される。対物レンズ３２４は、ビーム３３４を角度３４０で位置３１２に集束させる。角度３４０のサイズβは、対物レンズ３２４に入る前のビーム３３４の、対物レンズの光軸３４２からのオフセットｄと、対物レンズの焦点距離ｆによって決定される。βは、ここでβ＝ａｒｃｓｉｎ（ｄ／ｆ）として与えられる。ビーム３３４は、位置３１２から、矢印３３８によって示されるように、ビームスプリッタ３２６、ミラー３３０、及びレンズ３２２を通って、センサ３１８に戻り、センサ３１８は縞パターンの画像を取り込む。

装置３００の光学部品の寸法、位置、及び光学パラメータは、ＮＡ_ｉ ＜ｓｉｎ（β）となるように選択される。その結果、干渉計モジュール３０２のビーム３１４及び三角測量モジュール３０４のビーム３３４は、対物レンズ３２４のＮＡ空間（角度空間）と、ビーム結合光学素子３０６内のそれらの光路において分離される。

第５の実施形態
図９ａ、図９ｂ、図９ｃ及び図９ｄは、本発明の別の実施形態による、光学検査装置５００の概略図である。図９ａ～図９ｃは、装置の要素の側面図であり、図９ｄは、装置で使用される絞りプレート５５２の概略正面図である。前述の実施形態のように、装置５００は、干渉計モジュール５０２、三角測量モジュール５０４、及びビーム結合光学素子５０６を、プロセッサ２８とともに含む。図９ａ～図９ｃでは、光のビームは、モジュールのそれぞれの光軸を使用するのではなく、フルビームとして示される（図８ａ～図８ｃと同様）。

干渉計モジュール５０２は、図８ａの干渉計モジュール３０２と同様であり、干渉計ブロック５１０及びレンズ５０８を含む。

三角測量モジュール５０４は、プロジェクタ５１６及び画像センサ５１８を含み、これらは、図４のプロジェクタ９０及びセンサ９４と設計及び動作において同様である。三角測量モジュール５０４は、レンズ５２０及び５２２、ダブルウェッジ５５０、絞りプレート５５２（図９ｄで更に詳細に説明される開口５７２及び５７４を有する）、光リレー５５４、ミラー５５６、及びプレート型ビームスプリッタ５５８を更に含み、その機能は以下に詳しく説明する。

ビーム結合光学素子５０６は、高ＮＡ対物レンズ５２４、及びプレート型ビームスプリッタ５２６を含む。ビームスプリッタ５２６と５５８は、代替的にビームスプリッタキューブを含み得る。ビームスプリッタ５２６は、典型的には、干渉計モジュール５０２との間でビームを優先的に透過し、一方で、三角測量モジュール５０４との間で、例えば偏光及び／又は波長選択性に基づいてビームを反射するようにコーティングされる。

図９ｂを参照すると、干渉計モジュール５０２は、コヒーレント光のビーム５１４を照射し、それはレンズ５０８によってコリメートされる。ビーム５１４は、ビームスプリッタ５２６によって透過され、対物レンズ５２４によって領域３０の位置５１２に集束される。ビーム５１４は、位置５１２から干渉計モジュール５０２へ反射して戻される。

図９ｃを参照すると、プロジェクタ５１６は、縞パターンをビーム５３４で投影し、それはレンズ５２０によってコリメートされる。領域３０に向かうビーム５３４の伝搬は、矢印５３６によって示される。ビーム５３４は、ビームスプリッタ５５８と５２６によって、対物レンズ５２４に向けて反射され、対物レンズ５２４は、ビーム５３４を位置５１２に集束させる。ビーム５３４は、位置５１２から、ビームスプリッタ５２６、矢印５６２によって示されるようにビームスプリッタ５５８を（透過によって）通って、ミラー５５６、光リレー５５４、絞りプレート５５２の開口５７２と５７４、ダブルウェッジ５５０、及びレンズ５２２通って、センサ５１８に戻り、センサ５１８は縞パターンの画像を取り込む。図面では、ビーム５６４と５６６のみが、開口５７２及び５７４を透過されて、戻り光路で示される。

光リレー５５４は、絞りプレート５５２の平面を、対物レンズ５２４の射出瞳５６０上に撮像する。その結果、絞りプレート５５２の開口５７２及び５７４は、領域３０のすぐ上の空間におけるビーム５６４及び５６６の角度範囲を決定する。

ダブルウェッジ５５０は、開口５７２及び５７４を通過するビームを、イメージャ５１８上の２つの異なる位置に向けて、イメージャ上に２つの縞パターン画像を取得する。これらの２つの画像のそれぞれは、ビーム５６４及び５６６のそれぞれの異なる角度に関連しており、一緒に使用される場合、よりロバストな測定及び改善された精度を可能にする。

図９ｄに示されるように、絞りプレート５５２は、光学的に不透明なプレート５７０内に円形開口５７２及び５７４を含む。図示の実施形態では、開口５７２及び５７４は、プレート５７０内に対称的に配置され、その結果、ビーム５６４及び５６６は、領域３０のすぐ上の角度空間において対称である。代替的に、絞りプレート５５２は、図９ｄに示されているものとは異なる形状及び／又は異なる位置にある２つ以上の開口を含み得る。

３Ｄマッピングのための方法
図１０は、本発明の一実施形態による、干渉位相マップ及び三角測量高さマップの計算と、それらの結合のための方法を概略的に示すフローチャート６００である。

三角測量取得ステップ６０２では、プロセッサ２８は、三角測量モジュール２４から連続する画像を取得し、ここで連続する画像は、縞パターンの位相ステップによって分離される。計算ステップ６０６では、プロセッサ２８は位相マップφ（ｘ、ｙ）を計算し、例えば式１を使用する。

ここでｘとｙは領域３０の空間座標であり、Ｎは位相ステップの数であり、δ_ｉはｉ番目のステップの位相である。代替的に、２つ以上の異なるパターンが使用される実施形態では、上で説明したように、この式は、高速化とより正確な計算のために修正され得る。２つの画像パターンを記録する場合（図９ｃに示されるように）、プロセッサ２８は両方のパターンを処理してもよい。これにより、横方向の画像シフトの補正が可能となり、精度とロバスト性を向上させ得る。

変換ステップ６０８では、計算された位相マップφ（ｘ、ｙ）は、式２を介して高さマップΔＺ（ｘ、ｙ）に変換される。

ここでγはいわゆる三角測量角度（領域３０に入射する縞パターンの光軸と反射された縞パターンの光軸との間の角度）であり、λ_ｆｒは投影された縞パターンの周期である。

干渉計測取得ステップ６１２では、プロセッサ２８は、干渉計モジュール２２から画像を取得する。ＦＦＴステップ６１４では、プロセッサ２８は、取得された画像に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）分析を実行する。マスキングステップ６１６では、プロセッサ２８は、結果として生じるＦＦＴデータをマスキングして、関連する周波数（予想される縞周波数の周り）のみを含み、残りのデータをゼロで埋める。ＩＦＦＴステップ６１８では、プロセッサは、ステップ６１６からのマスクされた結果に対して逆ＦＦＴを実行する。位相計算ステップ６２０では、プロセッサ２８は、ＩＦＦＴステップ６１８から得られる各点の位相を計算する。干渉位相マップは、位相マップステップ６２０におけるＩＦＦＴステップ６１８の結果から計算される。位相マップステップ６２０から得られる位相マップは、２πの範囲内の位相値を有し、すなわち、それは、モジュロ（２π）位相マップである。アンラッピングステップ６２２では、プロセッサ２８は、モジュロ（２π）位相マップから高さマップを計算し、アンビギュイティ範囲に対応する高さ増分を、各点の高さがその点の三角測量高さマップに最も近づくまで加算又は減算する。

３Ｄマップステップ６２４では、プロセッサ２８は、領域３０の最終的な３Ｄマップを、アンラッピング位相を高さに変換することによって計算する。この目的のために、プロセッサは、各点（ｘ、ｙ）での位相をλ／２πで乗算し、ここでλは、干渉計モジュール２２のコヒーレントビームの波長である。２つの波長λ_１とλ_２が干渉計測定に使用される場合、波長Λ＝（λ_１×λ_２）／（λ_２－λ_１）を使用して位相を高さに変換する。

上述の実施形態は例として引用されるものであり、本発明は、上記で特に示され説明されたものに限定されないことが理解されよう。むしろ、本発明の範囲は、上記の様々な特徴の組み合わせとサブコンビネーションの両方、ならびに当業者が前述の説明を読むことで想起され、かつ従来技術に開示されていないそれらの変形及び修正を含む。

Claims (46)

1. 干渉計モジュールであって、コヒーレント光のビームを検査対象領域に向け、前記領域から反射された前記ビームを受光し、前記反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を生成するように構成される干渉計モジュールと、
   三角測量モジュールであって、構造化光のパターンを前記検査対象領域に投影するように構成されたプロジェクタを含む三角測量モジュールと、
   前記干渉縞の前記第１の画像及び前記検査対象領域から反射される前記パターンの第２の画像を取り込むように構成された少なくとも１つの画像センサと、
   ビームコンバイナ光学素子であって、前記コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて、前記検査対象領域上の位置に第１の入射角で当て、前記投影されたパターンを第２の光軸に沿って、前記位置に、前記第１の入射角とは異なる第２の入射角で当てるように構成されたビームコンバイナ光学素子と、
   前記第１及び第２の画像を処理して、前記検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出し、前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、前記領域の３Ｄマップを生成するように構成されたプロセッサと、を備える、
   光学検査装置。
2. 前記第１及び第２の光軸を前記検査対象領域に亘って並進させるように構成された走査機構を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の３Ｄ測定は、第１の解像度と第１のアンビギュイティ範囲によって特徴付けられ、一方、前記第２の３Ｄ測定は、前記第１の解像度よりも粗い第２の解像度と前記第１のアンビギュイティ範囲よりも大きい第２のアンビギュイティ範囲によって特徴付けられ、前記プロセッサは、前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、その結果、前記３Ｄマップが前記第２のアンビギュイティ範囲において前記第１の解像度で前記領域を表すように構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の入射角は前記検査対象領域の表面の法線であり、前記第２の入射角は斜めである、請求項１に記載の装置。
5. 前記コヒーレント光のビームと前記投影されたパターンの両方を前記位置に向けるように構成された対物レンズを備え、ここで前記対物レンズの開口数は前記干渉計モジュールで役割を果たす中央部分と、前記三角測量モジュールで役割を果たす周辺部分とを含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの画像センサは、前記第１の画像を取り込むように配置された第１の画像センサと、前記第２の画像を取り込むように配置された第２の画像センサとを含み、前記ビームコンバイナ光学素子は、前記検査対象領域から反射される前記パターンを、前記第２の入射角に対応する斜めの出射角に沿って前記第２の画像センサに向けるように更に構成される、請求項４に記載の装置。
7. 前記三角測量モジュールは、前記検査対象領域からの２つのビームを、異なるそれぞれの角度で向けて、前記パターンのそれぞれの画像を前記少なくとも１つの画像センサ上に形成するように構成され、前記プロセッサは、前記それぞれの画像を一緒に処理して、前記３Ｄマップを生成するように構成される、請求項１に記載の装置。
8. 前記三角測量モジュールは、絞りプレートを含み、前記絞りプレートは、前記反射されたパターンを遮断するように配置され、前記２つのビームを前記異なるそれぞれの角度で、前記少なくとも１つの画像センサに向ける２つの開口を含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記反射されたパターンを受け取って、前記少なくとも１つの画像センサに向けるように構成された対物レンズを備え、ここで前記三角測量モジュールは、前記絞りプレートを前記対物レンズの射出瞳に撮像し、前記２つのビームをそれぞれ前記２つの開口に方向付けるように構成されたダブルウェッジを含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記ビームコンバイナ光学素子は、複数の光学プリズムを含み、光学プリズムは、前記コヒーレント光のビーム及び前記投影されたパターンの少なくとも１つを反射して、前記コヒーレント光のビーム及び前記投影されたパターンを前記位置に、前記第１及び第２の入射角で向けるように構成される、請求項１に記載の装置。
11. 前記プロセッサは、第１の基準に対する前記第１の画像の前記干渉縞の第１の変位を測定することによって前記第１の３Ｄ測定を行い、第２の基準に対する前記第２の画像の前記構造化光の前記パターンの第２の変位を測定することによって前記第２の３Ｄ測定を行うように構成される、請求項１に記載の装置。
12. 前記干渉計モジュールは、前記コヒーレント光を照射するように構成された光源を含み、前記少なくとも１つの画像センサは、前記干渉縞の前記第１の画像を取り込むように構成される、請求項１に記載の装置。
13. 前記少なくとも１つの画像センサは、前記検査対象領域の２次元（２Ｄ）画像を取り込むように構成される、請求項１２に記載の装置。
14. 前記プロセッサは、前記２Ｄ画像をセグメント化及び分析して、前記領域内の１つ以上の物体を識別し、前記１つ以上の識別された物体の高さを測定する際に前記第１及び第２の３Ｄ測定を適用するように構成される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記少なくとも１つの画像センサは単一の画像センサを含み、それは前記干渉縞の前記第１の画像と、前記検査対象領域から反射される前記パターンの前記第２の画像の両方を取り込むように構成される、請求項１２に記載の装置。
16. 更なる画像センサであって、前記第２の入射角に対応する斜めの出射角に沿って前記検査対象領域から反射される前記パターンの第３の画像を取り込むように構成される更なる画像センサを備え、ここで前記プロセッサは、前記第３の画像を処理して前記検査対象領域の更なる３Ｄ測定を行うように構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記干渉計モジュールは、前記第１の画像を自己参照デジタルホログラフィによって生成するように構成される、請求項１に記載の装置。
18. 前記干渉計モジュールは、前記コヒーレント光の２つのビームを異なる照明条件で前記検査対象領域に当てるように向けることによって前記第１の画像を生成するように構成され、ここで前記ビームのうちの１つは前記参照ビームとして役割を果たす、請求項１に記載の装置。
19. 前記干渉計モジュールは、前記ビームの光学操作によって前記コヒーレント光の前記ビームから前記参照ビームを引き出すように構成される、請求項１に記載の装置。
20. 前記三角測量モジュールは、少なくとも１つの回転可能な偏光子を含み、前記回転可能な偏光子は前記投影されたパターンの偏光状態を変化させて、前記第２の画像における鏡面反射及び拡散反射の相対強度を調整するように構成される、請求項１に記載の装置。
21. 前記干渉計モジュールは、前記第１の画像を、デジタルホログラフィ法を使用して取り込むように構成される、請求項１に記載の装置。
22. 前記三角測量モジュールは、前記第２の画像を、走査位相シフト法（ＳＰＳＭ）を使用して取り込むように構成される、請求項１に記載の装置。
23. 干渉計モジュールであって、コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて、検査対象領域に当て、前記領域から反射された前記ビームを受光し、前記反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を生成するように構成される干渉計モジュールと、
    三角測量モジュールであって、構造化光のパターンを第２の光軸に沿って投影して、前記検査対象領域に当てるように構成されたプロジェクタを含む三角測量モジュールと、
    前記干渉縞の前記第１の画像及び前記検査対象領域から反射される前記パターンの第２の画像を取り込むように構成された、少なくとも１つの画像センサと、
    前記第１及び第２の光軸を、前記検査対象領域に亘り相互に位置合わせして並進させるように構成された走査機構と、
    プロセッサであって、前記走査機構を駆動して、前記第１及び第２の光軸を前記検査対象領域内の位置に連続して当て、前記第１及び第２の画像を処理して、前記検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出し、前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、前記領域の３Ｄマップを生成するように構成されるプロセッサと、を備える、
    光学検査装置。
24. コヒーレント光のビームを検査対象領域に向け、前記領域から反射された前記ビームを受光し、前記反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を取り込むことと、
    構造化光のパターンを前記検査対象領域に投影し、前記検査対象領域から反射される前記パターンの第２の画像を取り込むことと、
    前記コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って向けて、前記検査対象領域のある位置に第１の入射角で当て、前記投影されたパターンを第２の光軸に沿って、前記第１の入射角とは異なる第２の入射角で前記位置に当てるように、ビームコンバイナ光学素子を配置することと、
    前記第１及び第２の画像を処理して、前記検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出することと、
    前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、前記領域の３Ｄマップを生成することと、を含む、
    光学検査の方法。
25. 前記第１及び第２の光軸を前記検査対象領域に亘って走査することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記第１の３Ｄ測定は、第１の解像度と第１のアンビギュイティ範囲によって特徴付けられ、一方、前記第２の３Ｄ測定は、前記第１の解像度よりも粗い第２の解像度と前記第１のアンビギュイティ範囲よりも大きい第２のアンビギュイティ範囲によって特徴付けられ、前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合することは前記３Ｄマップを生成し、前記第２のアンビギュイティ範囲において前記第１の解像度で前記領域を表すことを含む、請求項２４に記載の方法。
27. 前記第１の入射角は前記検査対象領域の表面の法線であり、前記第２の入射角は斜めである、請求項２４に記載の方法。
28. 前記コヒーレント光のビームを方向付けることは、前記ビームを前記位置に、対物レンズの開口数の中央部分を通して集束することを含み、前記パターンを投影することは、前記投影されたパターンを前記位置に、前記対物レンズの前記開口数の周辺部分を通して集束することを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記第２の画像を取り込むことは、前記検査対象領域からの２つのビームを、異なるそれぞれの角度で向けて、前記パターンのそれぞれの画像を形成することを含み、前記第１及び第２の画像を処理することは、前記それぞれの画像を一緒に処理して、前記第２の３Ｄ測定を抽出することを含む、請求項２４に記載の方法。
30. 前記２つのビームを方向付けることは、２つの開口を配置して、前記反射されたパターンを遮断し、前記２つのビームを前記異なるそれぞれの角度で少なくとも１つの画像センサに向けることを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記２つのビームを方向付けることは、対物レンズを配置して、前記反射されたパターンを受け取り、前記少なくとも１つの画像センサに向けることを含み、前記開口は前記対物レンズの射出瞳に撮像され、またダブルウェッジを、前記２つのビームをそれぞれ前記２つの開口を通して方向付けるように配置することを含む、請求項２９に記載の方法。
32. 前記ビームコンバイナ光学素子は、前記検査対象領域から反射される前記パターンを画像センサに向けるように更に構成され、画像センサは前記第２の画像を、前記第２の入射角に対応する斜めの出射角に沿って取り込む、請求項２７に記載の方法。
33. 前記ビームコンバイナ光学素子は、複数の光学プリズムを含み、前記光学プリズムは、前記コヒーレント光のビーム及び前記投影されたパターンの少なくとも１つを反射して、前記コヒーレント光のビーム及び前記投影されたパターンを前記位置に前記第１及び第２の入射角で向けるように構成される、請求項２４に記載の装置。
34. 前記第１の画像の前記処理することは、第１の基準に対する前記第１の画像の前記干渉縞の第１の変位を測定することを含み、一方で第２の画像を処理することは、第２の基準に対する前記第２の画像の前記構造化光の前記パターンの第２の変位を測定することを含む、請求項２４に記載の方法。
35. 前記第１の画像を取り込むことは、前記干渉縞を干渉計モジュールの画像センサに形成することを含む、請求項２４に記載の方法。
36. 前記画像センサを使用して、前記検査対象領域の２次元（２Ｄ）画像を取り込むことを含む、請求項３５に記載の方法。
37. 前記２Ｄ画像をセグメント化及び分析して、前記領域内の１つ以上の物体を識別することを含み、ここで前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合することは、前記１つ以上の識別された物体の高さを測定する際に前記第１及び第２の３Ｄ測定を適用することを含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記画像センサは単一の画像センサを含み、それは前記干渉縞の前記第１の画像と、前記検査対象領域から反射される前記パターンの前記第２の画像の両方を取り込むように構成される、請求項３５に記載の方法。
39. 前記第２の入射角に対応する斜めの出射角に沿って前記検査対象領域から反射される前記パターンの第３の画像を取り込むことと、前記第３の画像を処理して前記検査対象領域の更なる３Ｄ測定を行うこととを含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記第１の画像を取り込むことは、前記第１の画像を自己参照デジタルホログラフィによって生成することを含む、請求項２４に記載の方法。
41. 前記第１の画像を取り込むことは、前記コヒーレント光の２つのビームを異なる照明条件で前記検査対象領域に当てるように向けることによって前記第１の画像を生成することを含み、ここで前記ビームのうちの１つは前記参照ビームとして役割を果たす、請求項２４に記載の方法。
42. 前記第１の画像を取り込むことは、前記ビームの光学操作によって前記コヒーレント光の前記ビームから前記参照ビームを引き出すことを含む、請求項２４に記載の方法。
43. 前記パターンを投影することは、前記投影されたパターンの偏光状態を変化させて、前記第２の画像における鏡面反射及び拡散反射の相対強度を調整することを含む、請求項３８に記載の方法。
44. 前記第１の画像を取り込むことは、デジタルホログラフィ法を前記検査対象領域に適用することを含む、請求項２４に記載の方法。
45. 前記第２の画像を取り込むことは、走査位相シフト法（ＳＰＳＭ）を前記検査対象領域に適用することを含む、請求項２４に記載の方法。
46. コヒーレント光のビームを第１の光軸に沿って方向付けて検査対象領域に当て、前記領域から反射された前記ビームを受光し、前記反射ビームと参照ビームを結合することによって生成された干渉縞の第１の画像を取り込むことと、
    構造化光のパターンを第２の光軸に沿って投影して、前記検査対象領域に当て、前記検査対象領域から反射される前記パターンの第２の画像を取り込むことと、
    前記第１及び第２の光軸を、検査対象領域に亘り相互に位置合わせして並進させて、前記第１及び第２の光軸を前記検査対象領域内の位置に連続して当ることと、
    前記第１及び第２の画像を処理して、前記検査対象領域のそれぞれの第１及び第２の３次元（３Ｄ）測定を抽出することと、
    前記第１及び第２の３Ｄ測定を結合して、前記領域の３Ｄマップを生成することと、を含む、
    光学検査の方法。

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