JP4644707B2 - 特にマイクロシステム技術における幾何構成の干渉と画像化の組合せに基づく検出のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の高さの大きさの組合せ式２次元検出のための装置に関する。この装置は、特にマイクロシステム技術における測定作業に適している。

階段状の測定対象物の場合であっても、最大精度で高さ構造物を光学測定するためには、垂直走査型白色光干渉法（ＷＬＩ）が適していることが分かっている。そのための通常の干渉の配置構成は、マイケルソン干渉計、リニク干渉計およびミロー干渉計である。ＷＬＩにおいて、白色光源、通常はハロゲンランプが、照明のために用いられる。測定中、測定ビームと参照ビームとの間の光路長差は、連続的に増大または減少するが、１００ｎｍ未満の距離では、一般に２次元解像度のピクセルセンサ（たとえば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイ）を用いて、測定対象物の干渉画像が再生される。光路長の変化は、干渉計の方向における測定対象物の動き、測定対象物に近づくかまたは測定対象物から遠ざかる干渉計の動き、干渉対物レンズの動きまたは参照ミラーの動きによって引き起こされる可能性がある。この処理は、「垂直走査」と呼ばれる。各カメラピクセルに関する光路長差に左右される強度傾向、いわゆるコレログラムは、別の信号評価に使用される。

ＷＬＩ信号評価において、部分的に１００ｎｍを超える偏差を有する測定点の高さ位置の比較的粗い測定を行う可干渉性ピーク評価と、ナノメートルまたはサブナノメートルの範囲における測定の不確かさを容認する位相評価と、を区別する。高さの測定範囲は、数ミリメートルに達する可能性がある。

測定対象物の横方向の幾何的な特徴は、ピクセル画像のディジタル評価によって決定されてもよい。微細な測定対象物の場合には、そのようなピクセル画像を再生し、続いて評価するために、適切なカメラが測定顕微鏡に設けられる。そのような処理の利点は、高速測定速度にあり、画像捕捉と測定対象物の配置構成との間の対応する同期中に、対応する測定対象物の動的挙動の検査も可能にする。しかし、すべての顕微鏡による処理は、偏向が制限される画像化のために達成可能な横方向の解像度に関しては制限を受ける。可視光を用いる場合には、これは一般に、最小の横方向の解像度が約０．５μｍであるという結果を招く。

ディジタル式光学顕微鏡による捕捉に基づく横方向の構造の評価が、上述の干渉の配置構成の一つによって行うことになった場合には、干渉顕微鏡検査法に必然的に現れる干渉効果は、その上で調整される別の像コントラストのために悪影響を受ける。現在知られているシステムでは、白色光干渉および画像処理に基づく測定を行うことができるようにするためには、少なくとも対物レンズの交換が必要である。しかし、白色光干渉分光法によって決定される高さ位置と制限された被写界深度によって捕捉される光学顕微鏡画像との間の正確な相関は、失われる。別の欠点は、２つの測定モードの間の自動切換えのために必要であると考えられる別の対物レンズおよび対物レンズタレットの費用にある。

本発明の目的は、これに関連して補助を行うことである。

本発明による装置において、少なくとも２つの測定モード、すなわち、干渉測定モードおよび測定対象物の光学画像化による画像処理モードが利用可能である。２つの測定モード間の切換えは、測定対象物を照らすために用いられる光を切換えることによって行われる。光とは、短波長を有する電磁波を表す。本発明による装置は、測定対象物に向けられる１つのみの対物レンズを有し、それによって垂直方向の高解像度の干渉測定のほか、横方向の高解像度の画像処理に基づく測定を行うことができるコンパクトなセンサモジュールを提供することを可能にする。これは、白色光干渉測定の場合には、用いられるカメラが感知する１つのみの所定のスペクトル光成分を用いることによって、および、単なる画像処理の場合には、別のスペクトル成分を用いることによって達成される。光学顕微鏡測定モードにおいて、たとえば、青色ＬＥＤ（発光ダイオード）が照明ビームにおいて動作可能状態になってもよく、白色光干渉分光法の場合には白色光ＬＥＤが設けられてもよい。白色光干渉モードにおいて、青色ＬＥＤが消灯され、白色光ＬＥＤが動作可能状態になる。このようにして、出費が少なく、光学顕微鏡測定のほか、干渉測定も同一の基準系で行われてもよく、いずれの場合も最適な精度である。次の干渉測定による光学顕微鏡「走査」によって、高速自動測定処理を行う機能がさらに得られる。さらに、光学顕微鏡測定モードにおいて、検査される測定対象物またはシステムの動的な挙動の高速照合が行われてもよい。

内蔵のビーム分割板および内蔵の参照ミラーを備えたミロー型干渉対物レンズが対物レンズとして用いられることが好ましい。白色光干渉測定モードにおける反射光照明は、白色光ＬＥＤなどの低可干渉性光源またはたとえば、そのスペクトルが１５０ｎｍ超または５００ｎｍ超の波長帯にわたって広がる適切なカラーフィルタを用いて行われる。さらに、青色ＬＥＤは、約４５０ｎｍで発光し、その光が測定対象物を画像化するためだけに用いられる用途、すなわち波長スペクトルのこの部分では、参照ビームから検出器マトリクスまで光を通さない用途が見出されている。可能な実施形態によれば、参照ミラーは、長波長通過フィルタ（後続の吸収体を有するダイクロイック層など）として設計される。

たとえば、青色光によって捕捉された光学顕微鏡画像は、高解像度で幾何的な素子の横方向の検出のために機能する。青色光の小さな波長のみに基づき、０．５μｍ未満の横方向の解像度を得てもよい。青色ＬＥＤに基づく外部光源を用いて、たとえば、部分的に制御可能な環状の光照明は、画像処理モード測定では、費用のかかる処理である測定対象物の傾斜を必要とすることなく、傾斜した反射側面であっても照らしうる。

この手法をマイケルソン型対物レンズにも適用することによって、（より小さな開口数に対応する低下した横方向の解像度で）より大きな測定範囲も１回の測定処理で検出しうる。他方、リニク型の配置構成は、対物レンズのために場合によって大きな開口数を選択することによって、横方向の解像度を最小に抑えるために好都合である。さらに、装置に設けられた対物レンズタレットによって、複数の対物レンズを用いることも可能である。

本発明の態様によれば、干渉の配置構成はまた、位相シフト干渉計として機能してもよい。そのような場合には、ほぼ単色の光源が干渉測定のために用いられる。

顕微鏡の視野に触覚マイクロスキャナをさらに設けることにより、光学測定では測定できない構造物であっても、幾何的な測定データを決定しうることを保証する。触覚測定は、この場合には干渉測定および画像処理として同一の基準系における光学装置との機械的な結合に基づいて行われる。触覚マイクロスキャナは、たとえば、スキャナの軌跡を測定するためのピエゾ抵抗ブリッジ回路を備えたシリコン製屈曲バーであってもよい。

適切な増分測定系を備えうるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に関する機械的位置決めユニットと測定装置の結合により、互いに異なる測定対象物領域の測定を相関することができる。測定作業に応じて、回転位置決め軸もまた、好都合である場合がある。

本発明による装置は、コンパクトなセンサモジュールとして設計されてもよく、特にマイクロシステム技術の分野において、比較的少ない計器の費用で、さまざまな用途を可能にする。この装置は、測定精度およびプロセス指向型で適応性の高い用途の機能に関して、絶えず増大する要件を考慮に入れている。白色光干渉分光法で用いられる熱ビームとは対照的に、光源としてＬＥＤを用いることは、構造の自由、コンパクトさ、耐用年数および熱雑音の影響の低減に関してかなりの利点がある。

本発明の好都合な実施形態のさらなる詳細は、図面、説明または特許請求の範囲に含まれる。

図面に、本発明の実施の形態を示す。

図１は、二者択一的に干渉測定モードおよび測定対象物９の光学画像化による画像処理モードにおいて、測定対象物９の高さの大きさの組合せ式２次元検出のための装置を示している。この装置は、測定対象物９の反射光照明のための配置構成を含む。この装置は、２つの光源１ａ、１ｂを備え、光を測定対象物に向けるために、光学系が光源１ａ、１ｂに接続されている。光源１ａ、１ｂは、異なるスペクトル組成を有する光を発する。たとえば、光源１ａは、青色光、すなわち短波ビームを発する発光ダイオードである。光源１ｂは、たとえば、比較的広い光のスペクトルを生成する白色光ＬＥＤである。光源１ａ、１ｂは、たとえば、ダイクロイックビームスプリッタ２と、集光器３と、ビームスプリッタ６、参照ミラー７および吸収体８を内蔵した対物レンズ５の入射瞳５にある別のビームスプリッタ４と、によって再生される。干渉測定モードにおいて、対物レンズから横方向に出射する光源１ｂの白色光または黄色光の一部が、ビームスプリッタ６によって、参照ミラー７に案内され、参照ミラー７によって反射される。対物レンズ５から出射する白色光または黄色光の別の部分は、ビームスプリッタ６によって、測定対象物９に案内され、測定対象物９によって反射される。参照ミラー７および被写界深度内に位置する測定対象物９の部分は、対物レンズ５およびバレルレンズ１１によって８００×６００ピクセルを有するピクセルカメラなどの検出器アレイ１２の上に再生される。測定対象物９およびミラー７によって反射される光は、ビームスプリッタ６によって一つに合せられ、ビームスプリッタ４を通過して、干渉のために検出器アレイ１２に当たる。

位置決めユニット１０は、測定対象物９に対して垂直方向に、すなわちＺ方向に対物レンズ５を調整するように機能する。制御機器として機能するディジタルコンピュータ１３は、検出器アレイ１２によって供給される画像を受信し、位置決めユニット１０を制御する。干渉測定は、位置決めユニット１０によって光軸に沿って対物レンズ５を移動することによって行われ、干渉画像は、対物レンズの異なる高さ位置に関してディジタルコンピュータ１３で再生して評価される。光源１ｂ（白色光源）は、干渉動作において動作状態にある。光源１ａ（青色ＬＥＤ）は、干渉モードでは非動作状態である。

画像処理モードにおいて、光源１ａ（青色ＬＥＤ）が動作状態にあり、光源１ｂ（白色光ＬＥＤ）は非動作状態にある。青色光の一部は、参照ビーム６ａに入ることができるが、参照ミラー７を通過し、その後に位置する吸収体８によって吸収されるため、画像化ビーム６ｂに入ることはできない。したがって、参照ミラー７および吸収体８は、周波数選択式切換え要素を形成し、光源１ａ、１ｂによって供給されるスペクトルに応じて参照ビーム６ａを能動的または受動的に切換えることから、干渉モードと画像化モードとを区別する。代わりにまたは追加として、ビームスプリッタ６もまた、周波数選択式切換え要素として設計されてもよいことから、ビームスプリッタとして干渉動作の光に作用するが、画像処理モードの光には、単に透過する態様で作用する。

青色光の大部分は、測定対象物９を照らし、バレルレンズ１１と共に、対物レンズ５の被写界深度の中に位置する測定対象物領域を検出器アレイ１２に画像再生するために機能する。対物レンズ５は、測定対象物の画像を再生し、後に続くディジタル評価のためにディジタルコンピュータ１３に再生画像を適用する。

干渉測定モードにおいて、たとえば、測定対象物９の構造の高さ位置を決定するために、白色光干渉分光法と共に周知の処理の一つに基づいて動作することが可能である。たとえば、干渉現象が現れてから評価されるまで、位置決めユニット１０は調整される。

他方、画像処理モードにおいて、青色光によって照らされる測定対象物は、検出器アレイ１２の上に光学的に再生される。得られた画像は、ディジタルコンピュータ１３によってさらに処理されてもよい。たとえば、エッジ検出ルーチンによって、画像の構造を認識して測定してもよい。

図２は、本発明によって構成され、本発明による方法を実行するための設計もなされたミロー干渉計を示している。同一の参照符号については、上述の説明を適用する。ビームスプリッタ６は、部分反射板として設計される。参照ミラー７および吸収体８は、光軸の上に配置される。マイケルソン原理に基づく図１の前述の干渉計の場合のように、ここでも参照ミラー７および光学吸収体８は、光の周波数、すなわち最終的にはフィルタに応じた切換え機器を構成する。この切換え機器によって、異なる測定モードの間の切換えは、光源１ａ、１ｂのスペクトル特性に応じて行われる。このように構成されたフィルタは、記載したすべての実施形態において、干渉測定の配置構成の参照ビームにおける長波長通過フィルタリング、短波長通過フィルタリング、帯域通過フィルタリングまたは帯域遮断フィルタリングを行ってもよい。ここでもまた、代わりにまたは追加として、フィルタリング作用は、ビームスプリッタ６の対応する波長選択設計によって得られてもよい。

図３は、リニク干渉計に基づく２つの測定モードを有する本発明による装置を示している。リニク干渉計は、上述の同一の参照符号の構成部材に加えて、測定ビーム経路Ｍに対物レンズ１４を、参照ビーム経路Ｒに対物レンズ１５を有する。対物レンズ１４、１５は大きな開口数を得るために設けられている。このようにして、横方向の解像度は、最小限に抑えられる。

参照ビーム経路Ｒでは、吸収体に接続され、画像処理モードにおいて用いられる光に対して透過性であるミラー７が同様に用いられてもよい。しかし、参照ビーム経路Ｒに配置され、画像処理モードにおいて用いられる光に対して不透過性であるカラーフィルタ８’を用いることも可能である。干渉モードと画像処理モードとの間の切換えのために、そのスペクトル組成に作用することができ、したがって切換え可能である光源が同様に用いられる。

図３によるリニク干渉計を用いて、位相シフト型干渉分光法を行ってもよい。この目的のために、ミラー７は、ピエゾ調整機器などの適切な調整機器によって参照光路の光軸に対して平行に調整されてもよい。参照ミラー７の調整は、ディジタルコンピュータ１３によって行われ、ディジタルコンピュータ１３は、検出器アレイ１２の上に再生される干渉画像をさらに評価する。たとえば、白色光ダイオードによって生成される測定光１によって、干渉測定モードにおいて供給される低可干渉性光によって位相シフト型干渉分光法を行うことも可能である。しかし、この目的のためには、たとえば、レーザダイオードから発せられる高可干渉性光を用いることが好ましい。

図４は、３つの異なる光品質、すなわち、狭帯域光源１ａによって光学画像処理モード用の光、光源１ｂによって白色光干渉分光法用の低可干渉性光のほか、たとえばレーザダイオード１ｃによって位相シフト型干渉分光法を行うために、たとえばレーザダイオードからの高可干渉性光を供給する光源を示している。この光源１には、前述の干渉計のそれぞれにおける用途も見出されうる。図４において、これは、ミロー干渉計の例として示されている。３つの光源１ａ、１ｂ、１ｃによって生成される光ビームの発射は、対応するダイクロイックビームスプリッタ２ａ、２ｂのほか、集光レンズ３ａ、３ｂなどによって行われる。光源１ａ、１ｂによる装置の動作、すなわち画像処理モードおよび（低可干渉性の）干渉測定モードにおける動作が、図１および図２に関する説明によって進行する一方、高可干渉性光源１ｃが作動される場合には、さらに位相シフト型干渉分光法を行うことが可能である。本実施例において、これは、測定光路の長さを変更する位置決めユニット１０によって対物レンズ５を調整することによって行われてもよいが、参照光路６ａの長さは依然として一定である。

代わりとして、図３によるリニク干渉計にはまた、その光源１が３つの光源１ａ、１ｂ、１ｃを含み、参照ミラー７が位相シフトのために用いられる用途が見出されうる。代わりとして、図１によるマイケルソン干渉計を用いてもよく、その場合には参照ミラー７が図示されていない位置決めユニットによって調整可能である。

本発明による装置および方法は、干渉分光法による測定対象物の高さの値の組合せ式２次元検出（干渉測定モード）および測定対象物の光学画像を再生して、その光学画像化をディジタル評価することによる幾何的な要素の横方向の寸法の測定（画像処理モード）のために設計される。この目的のために対物レンズが用いられ、対物レンズは、電磁波のスペクトルの一部に対しては干渉対物レンズとして作用し、スペクトルの別の部分に対しては測定対象物の単なる光学画像化を行う。したがって、反射照明として用いられる光のスペクトル組成を変更することによって、干渉測定モードを画像処理モードに変更することができる。干渉生成対物レンズとして、マイケルソン、ミローまたはリニクによる配置構成を用いてもよい。異なる色のＬＥＤを２つの測定モード用の光源として用いてもよい。青色ＬＥＤは、画像処理モード用の光源として用いられてもよい。異なる測定モードの選択は、干渉測定の配置構成の参照ビーム経路における長波長通過フィルタリング、短波長通過フィルタリング、帯域通過フィルタリングおよび／または帯域遮断フィルタリングによって、光源のスペクトル特性によって行われてもよい。干渉測定モードにおいて、白色光ＬＥＤなどの低可干渉性光源を用いてもよいため、垂直走査型白色光干渉分光法に基づく測定を行ってもよい。さらに、可干渉光源が用いられる干渉測定モードを提供してもよいため、位相シフト型干渉分光法に基づく測定を行ってもよい。

干渉測定モードにおいて、低可干渉性光源を用いてもよいため、垂直型白色光干渉分光法に基づく測定を行ってもよいが、低可干渉性光源の代わりに、干渉測定を目的としたスペクトル領域の光を発する可干渉光源が用いられる。したがって、第３の測定モードにおいて、位相シフト型干渉分光法に基づく測定を行ってもよい。

さらに、ドット状の態様で測定するスキャナ１６を画像化光学系の視野に設けられてもよい。そのような実施形態は、図５に示されており、マイケルソン干渉計に基づいている。代わりとして、対応するドット状に測定するスキャナ１６はまた、図２〜図４による装置に設けられてもよい。ドット状の態様で測定するスキャナ１６は、ディジタルコンピュータ１３と接続されることが好ましい。

測定対象物と測定機器との間の相対位置の変更は、並進調整機器および／または回転調整機器、すなわち測定対象物９および／または装置、特に対物レンズ５に関連する軸によって行われてもよい。

本発明による装置は、少なくとも２つの異なる測定モードで動作することができる対物レンズを備える。第１の干渉モードにおいて、測定対象物９は、干渉光学測定法によって測定される。第２の画像化測定モードにおいて、光学画像が、たとえばカメラのような検出器アレイで生成され、画像処理ルーチンを施されうる。２つの測定モード間の切換えは、対物レンズの照明の種類と、干渉計の参照ビーム経路に配置されることが好ましく、用いられる光のスペクトル組成に応じて参照ビーム経路を動作状態または非動作状態にする素子と、によって行われる。このようにして、２つの測定モード間の簡単かつ迅速な切換えは、対物レンズの交換を必要とすることなく、または対物レンズの移動も必要とすることなく行われる。切換えの迅速さに加えて、干渉分光法によって生じた測定データと画像処理によって生じた測定データとの間の良好な相関が達成される。干渉分光法および画像処理によって生じた測定データは、全く同一の基準座標系で得られる。

マイケルソン干渉計に基づく本発明による装置の基本図である。 ミロー干渉計に基づく本発明による装置の基本図である。 リニク干渉計に基づく本発明による装置の基本図である。 ３つの測定モードのために設けられるミロー干渉計に基づく本発明による装置を示す。 別の機械的なスキャナを設けた図１による測定装置の基本図である。

Claims (12)

1. 干渉測定モードと画像処理モードを有し、前記干渉測定モードにおいて干渉分光法を用いて測定対象物（９）の高さの値を２次元で検出して、前記画像処理モードにおいて光学画像の再生およびディジタル評価を用いて前記測定対象物（９）の幾何的な要素の横方向寸法を測定する装置であって、
   対物レンズ（５）と、
   切換え光源を含んでいる反射照明用の機器（１）と、
   参照ミラー（７）を備えている干渉計と、
   を備えた、装置において、
   前記対物レンズ（５）は、前記干渉測定モードにおいて、前記切換え光源のうちの低可干渉性光源（１ｂ）から供給される電磁波のスペクトルに対しては干渉対物レンズとして構成され、
   前記対物レンズ（５）は、前記画像処理モードにおいて、電磁波のスペクトルの別部分に対しては光学画像化対物レンズとして構成され、更に、前記参照ミラー（７）が周波数を選択する切換え要素として機能し、
   反射照明に用いられる光のスペクトルの組み立てを切換え光源の切り換えを用いて変更することによって、前記干渉測定モードと前記画像処理モードを変更することができることを特徴とする装置。
2. 反射照明用の前記機器（１）は、異なるスペクトル組成からなる少なくとも２つの異なる種類の光を発するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記切換え光源は、少なくとも２つの光源（１ａ、１ｂ）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記光源（１ａ、１ｂ）は、異なる色を有するＬＥＤであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記画像処理モード用の光源（１ａ）として青色ＬＥＤが設けられることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記干渉計は、白色光干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記干渉計、前記対物レンズ（５）および／または前記測定対象物（９）に垂直走査型干渉分光法を行うための調整機器（１０）が割り当てられることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記干渉計は、位相シフトのために用いられる参照ミラー（７）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記低可干渉性光源（１ｂ）に加えて、高可干渉性光源（１ｃ）が設けられ、位相シフト型干渉分光法に基づく第３の測定モードを可能にすることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. ドット状の態様で測定するスキャナ（１６）が、前記装置の視野に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記スキャナ（１６）は、接触式のスキャナであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記装置と前記測定対象物（９）を相対調整するために位置決め機器（１０）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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