JP6529830B2 - 傾斜面又は曲面を持つ透明立体の高さマップの計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、屈折率（ｎ）で傾斜面又は曲面を持つ透明立体の高さマップを計算する方法に関する。透明立体の下には、水平方向に延びる基板が存在する事が必要である。

透明体の高さマップは、光学プロファイラを用いて測定し得る。光学プロファイラは、例えば広帯域干渉計、例えばミロー干渉計装置、マイケルソン干渉計装置、及び／又はリニク干渉計装置であり得る。

表面の高さマップを特定するそのような装置は、
広帯域照明ビームを提供する広帯域照明器と、
照明ビームを、参照リフレクタで反射される参照ビームと、上記表面で反射する測定ビームとに分割するビームスプリッタと、
参照リフレクタから反射した参照光線及び上記表面から反射した測定ビームから、干渉放射強度を受信する検出器と、
上記表面と上記装置との間の距離を変更する走査手段と、
検出器から、検出器で受信した干渉放射強度を表す信号を受信するとともに、走査手段から距離信号を受信し、両方を結合して高さマップにする処理手段と、
を含み得る。

検出器で受信される干渉放射強度は、参照ビームの光路が測定ビームの光路に等しい場合に最大値を有する。走査手段は、テスト表面と装置との間の距離を、この最大値の前後数百μｍ間で変更し、表面の高さマップを特定し得る。

装置は、表面から反射された測定ビームを検出器で撮像する対物レンズを有し得る。光学プロファイラの対物レンズ（図４参照）のうちの最後のレンズ要素ＬＥは、限られた開口数を有し得、したがって、表面ＳＦが傾斜する場合、傾斜面から反射される測定ビームＲＭは、対物レンズの開口数外（開口数に対応する対物レンズの受光可能範囲外）に反射されることがあり（ＯＮ参照）、装置は高さマップを測定することができない。本特許出願では、傾斜面は、反射測定ビームが、光学プロファイラの対物レンズの開口数外に反射されるような傾斜を有する表面として定義され、法線高さマップは光学プロファイラを用いて測定することができない。

限られた開口数を有する対物レンズを有する光学プロファイラを使用して、そのような傾斜面を有する透明立体（以下、透明体とも称す）の高さマップを計算する方法が必要であり得る。

屈折率（ｎ）で傾斜面又は曲面を持つ透明立体の高さマップを計算する方法を提供することが望ましい。

したがって、一実施形態において、屈折率（ｎ）で傾斜面又は曲面を持つ透明立体の高さマップを計算する方法が提供され、透明立体は、水平方向に延びる基板上に設けられ、本方法は、
傾斜面又は曲面を有する透明立体の第１のエリアと、透明立体の下から水平方向に延びる基板の第２のエリアとを光学プロファイラ下に位置決めすることと、
光学プロファイラを用いて第１のエリアの高さマップ（ＺＩＳ）及び第２のエリアの高さマップ（ＺＵＳ）を測定することと、
屈折率、第１のエリアの測定された高さマップ（ＺＩＳ）及び第２のエリアの測定された高さマップ（ＺＵＳ）を使用することにより、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＨＩＳ）を計算することと、
を含む。

光学プロファイラを用いて傾斜面の高さマップ（ＺＩＳ）を測定する間、光学プロファイラのセンサによって受信される放射光は、傾斜面からではなく基板から散乱した光であり得、その理由は、傾斜面が対物レンズの開口数外に光を反射させるためである。屈折率（ｎ）を有する透明体は、傾斜面の高さマップ（ＺＩＳ）の測定中、透明材料内に光路長を生じさせ得、この光路長は屈折率ｎと、透明体の厚さとによって決まる。この光路長は物理的長さとは異なり、透明体の下にある基板を実際よりも低い高さで測定させる。

したがって、透明体の下の基板の仮想高さ（ＺＩＳ）と実際の高さ（ＺＵＳ）とのオフセット（ΔＺＵＳ）及び透明体の材料の屈折率ｎがわかる場合、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＺＩＳ）の、光学プロファイラによる測定値から、傾斜面又は曲面からの高さマップ（ＨＩＳ）を計算することができる。

一実施形態によれば、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＨＩＳ）は、式：
ＨＩＳ＝ΔＺＵＳ／（ｎ−１）＋ＺＵＳ
ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳ
によって計算される。

この式を用いると、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＨＩＳ）は、傾斜面からの反射放射線が対物レンズの開口数外に反射される場合であっても測定することができる。透明体表面の傾斜が十分に大きいと、測定されるＺＩＳは透明体表面の高さではない。この高さアルゴリズムでは、透明体表面からの信号の代わりに、透明体の下にある基板面からの信号を用いて高さ（ＨＩＳ）を計算する。

更なる実施形態によれば、基板（ＵＳ）は平面であり得る。平面を有することにより、基板の高さをそのまま使用して、傾斜面の高さを計算し得る。

更なる実施形態によれば、基板（ＵＳ）は金属面であり得る。

更なる実施形態によれば、基板（ＵＳ）は半導体面であり得る。

更なる実施形態によれば、光学プロファイラは限られた開口数を有し得る。

対物レンズの開口数が限られていることにより、傾斜面又は曲面から反射される測定ビームは、開口数外に反射され得る。

更なる実施形態によれば、式：ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳをΔＺＵＳ＞０であるエリアに適用し得る。これは、ＺＩＳが下層（ＺＵＳ）に対応する平面よりも低いことを意味する。

更なる実施形態によれば、傾斜面又は曲面は透明体の縁部に沿って設けられ得る。

これは、有利なことに、基板が透明体に近接しており、したがって、透明体の下の基板の位置を表し得るためである。次に、透明材料の縁部近傍では、透明材料は非常に薄いことがある。したがって、屈折によって生じる横効果は非常に小さく、無視し得る。

更なる実施形態によれば、透明体は更なる表面を更に含み、本方法は、
光学プロファイラの下に上記更なる表面を位置決めすることと、
光学プロファイラを用いて、上記更なる表面の高さマップ（ＺＦＳ）を測定することと、
を含む。

上記更なる表面は、例えば、測定装置が高さマップを直接測定し得るように傾斜又は湾曲が限定的な透明体の上部であり得る。このようにして、透明体の完全な表面（傾斜面又は曲面に、更なる表面を加えたもの）の高さを、光学プロファイラを用いて測定又計算し得る。

更なる実施形態によれば、上記更なる表面は、透明体の上部に設けられ、傾斜面又は曲面に隣接する。

更なる実施形態によれば、更なる表面は式：ＺＵＳ−ＺＩＳ＜０に従う。

傾斜面又は曲面の高さマップ（ＺＩＳ）の測定により、ＺＵＳ−ＺＩＳ＜０になる場合、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＺＩＳ）測定の測定結果は有効であり、それ以上のいかなる計算もなく、そのまま使用することができる。

更なる実施形態によれば、透明体は球面キャップ球面キャップである。

球面キャップの縁部は、光学プロファイラを用いてそのまま測定することができない傾斜面又は曲面であり得、一方、球面キャップの上部は、光学プロファイラを用いてそのまま測定することができる。

更なる実施形態によれば、光学プロファイラは、白色光干渉装置、位相シフト干渉装置、波長走査干渉装置、共焦点装置、シェイプフロムフォーカス装置、クロマティック共焦点装置、及び構造化照明顕微鏡法装置のうちの１つを含む。

これらの光学プロファイラのそれぞれは、限られた開口数を有し得る。本発明により傾斜面又は曲面の高さマップを計算することにより、光学プロファイラを傾斜面又は曲面にも使用可能になる。

これより、本発明の実施形態について、対応する参照シンボルが対応する部品を示す添付図面を参照して単なる例として説明する。

一実施形態によるミロー干渉計システムを示す。 一実施形態によるミロー干渉計システムを示す。 一実施形態によるマイケルソン干渉計システムを示す。 一実施形態によるリニク干渉計システムを開示する。 傾斜面からの反射測定ビームがいかに、対物レンズの開口数外に反射され得るかを示す。 球面キャップを開示する。 図５ａの球面キャップの測定される高さマップの断面を開示する。 本発明による方法を適用した後の図５ａの球面キャップの測定高さマップ及び計算高さマップの断面を開示する。

図１ａ及び図１ｂは、一実施形態により試料１の表面の高さマップを測定する光学プロファイラ、例えば干渉計システムを示す。光学プロファイラは、干渉計装置であり、例えばミロー干渉計装置４である。マイケルソン干渉計装置、及び／又はリニク干渉計装置であり得る。

図１ａ及び図１ｂの装置４は、狭帯域又は広帯域照明ビームを提供する照明器２３を含み得る。照明器は、放射源５、第１のレンズ６、第１のミラー７、及び第２のレンズ８を含み、照明ビームを提供し得る。照明ビームは平行であり得る。照明ビームは、照明ビームスプリッタ１０で反射され、対物レンズ１７を透過してから、ビームスプリッタ１２に到達し、ビームスプリッタ１２は照明ビームを参照ビーム２５及び測定ビーム２４に分割する。

参照ビームは、参照リフレクタ１４で反射され得る。測定ビームは、試料１の表面から反射され得る。参照リフレクタ１４から反射されたビームは再び、ビームスプリッタ１２で反射され得る。試料１から反射されたビームは、ビームスプリッタ１２を透過し得る。参照ビーム及び測定ビームは、干渉し、対物レンズ１７、照明ビームスプリッタ１０、及びレンズ１５を透過して検出器１６に達し得る。検出器１６を用いて干渉ビームの強度を測定し得る。

参照リフレクタ１４、対物レンズ１７、及びビームスプリッタ１２は一緒に、ミロー対物レンズを形成し得、スキャナ１１を用いて光軸に沿い、対物レンズ１７の焦点面を通して試料１に関して光学的に走査され得る。

ブレード９を照明器２３に設けて、照明ビームの瞳をフィルタリングし得る。

干渉計装置は、例えば、ミロー干渉計装置（図１ａ及び図１ｂ）、マイケルソン干渉計装置（図２）、又はリニク干渉計装置（図３）であり得る。干渉計を使用して、試料の表面からの走査距離の関数として、干渉放射線強度を含む相関曲線を取得し得る。

図４は、傾斜面からの反射測定ビームがいかに、光学プロファイラの開口数外に反射され得るかを示す。光プロファイラの対物レンズの最後のレンズ要素ＬＥ（図４参照）は、限られた開口数を有し得、又はＮＡは、対物レンズ以外の光学要素に制限され得る。試料の表面ＳＦが傾斜する場合、傾斜面からの反射測定ビームＲＭは、最後のレンズ要素の開口数外に反射されることがあり（ＯＮ参照）、装置は高さマップを測定することができない。

この特許出願では、傾斜面又は曲面は、反射測定ビームが光学プロファイラの対物レンズの開口数外又はその近傍に反射され、そのため、光学プロファイラを用いて法線高さマップを測定することができないような傾斜を有する表面として定義される。角度が角度制限に近い場合、上面からの信号は弱くなり得、本発明の方法を適用する必要がある。

図５ａは、反射平面上の透明球面キャップを開示する。球面キャップ又は球面ドームは、平面で切り取られた球面の一部である。球面キャップは、傾斜面ＩＳを有する、屈折率（ｎ）を有する透明体ＢＤを含む。傾斜面ＩＳは、透明体の縁部に沿って設けられ得る。透明体は、透明体の下から水平方向（側方）に延びる基板ＵＳ上に提供し得る。基板ＵＳは平面であり得る。平面を有することにより、基板ＵＳの高さをそのまま使用して、傾斜面の高さを計算し得る。基板ＵＳは、金属表面又は半導体表面であり得る。更なる表面ＦＳは、球面キャップの上部及びその周囲並びに傾斜面ＩＳの近傍に画定し得る。

図５ｂは、光学プロファイラを用いて測定される図５ａの高さマップの球面キャップの中心を通る断面を開示する。更なる表面ＦＳの高さマップは、傾斜が比較的小さく、反射測定ビームが大方、光学プロファイラの対物レンズの最後のレンズ要素の開口数内に入るため、光学プロファイラを用いて測定し得る。

更なる表面ＦＳの第３のエリアの高さマップが、式：ＺＵＳ−ＺＩＳ＜０に従う場合、当該第３のエリアは傾斜面とみなし得る。なお、式中、ＺＵＳは基板ＵＳの測定高さである。

光学プロファイラは、傾斜面ＩＳの高さマップをそのまま測定することが難しい。傾斜面の反射測定ビームは大方、光学プロファイラの開口数外になってしまう。

しかし、光学プロファイラは、基板ＵＳから散乱し、傾斜面の下で透明体を透過してきた測定ビームを受信し得る。透明体材料の屈折率は、空気の屈折率よりも大きいため、透明体を通る測定ビームの光路長が伸びる。したがって、基板ＵＳの位置は、実際よりも低い高さに示される。この測定値から、基板の屈折率並びに基板の実際の位置及び仮想の位置がわかる場合、傾斜面の実際の高さを再構築することができ、その理由は、透明体を通る光路長ＯＰＬが透明体の厚さｄの（ｎ−１）倍に伸びるためである。

したがって、水平方向に延びる基板上に設けられ、傾斜面又は曲面を有し、屈折率（ｎ）を有する透明体を含む試料の高さマップを計算するために、以下の方法を実行することができる：
傾斜面又は曲面を有する透明体の第１のエリアと、透明体の下から水平方向に延びる基板の第２のエリアとを光学プロファイラ下に位置決めすることと、
光学プロファイラを用いて第１のエリアの高さマップ（ＺＩＳ）及び第２のエリアの高さマップ（ＺＵＳ）を測定することと、
屈折率、第１のエリアの測定された高さマップ（ＺＩＳ）及び第２のエリアの測定された高さマップ（ＺＵＳ）を使用することにより、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＨＩＳ）を計算すること。

この表面からの直接測定信号は測定装置の開口数外になり得るが、関心のある透明体に対応する第１のエリア及び透明体の下に延在する基板に対応する第２のエリアの高さマップを測定することにより、傾斜面又は曲面の高さマップを計算し得る。

透明体の下に延在する基板の第２のエリアに対応する高さマップ内のピクセルを分離し得る。これは、ピクセルコントラスト差を使用するか、ピクセル強度差を使用するか、又はパターン認識方法により、関心のある透明体に対応する物体形状を探すことによって行い得る。

続けて、これらのピクセルの高さを使用して、例えば、これらのピクセルを通る平面を当てはめることにより、基板に対応する平面を特定し得る。基板に対応する平面は、第１のエリアの元の高さマップから減算し得る。

減算後、これらのピクセルの基板に対応する平面は、負の高さ値を有し得る。

次のステップで、基板の測定位置と、基板の計算平面とのオフセットを特定し得る。これらのオフセットは、負の高さを有するピクセルの高さの絶対値である。

屈折率及び前のステップのオフセットの両方を使用して、基板の負の高さ値に対応するピクセルの透明体表面の対応する高さを計算することができる。任意選択的に、基板の前の減算された平面を加算して、元の座標を復元することができる。

光学プロファイラを用いて傾斜面又は曲面の高さマップ（ＺＩＳ）を測定する間、光学プロファイラのセンサによって受信される光は、傾斜面からではなく基板からの散乱光であり、その理由は、傾斜面が対物レンズの開口数外に測定光を反射するためである。屈折率（ｎ）を有する透明体は、傾斜面の高さマップ（ＺＩＳ）の測定中、透明体内に光路長を生じさせ得、この光路長は屈折率ｎと、透明体の厚さとによって決まる。この光路長は物理的長さとは異なり、透明体の下にある基板を実際よりも低い高さで測定させる。

したがって、基板の仮想高さと実際の高さとのオフセット（ΔＺＵＳ）及び透明体材料の屈折率ｎがわかる場合、傾斜面又は曲面の高さマップ（ＺＩＳ）の、光学プロファイラによる測定値から、傾斜面又は曲面からの高さマップ（ＨＩＳ）を計算することができる。

透明体を通る光路長ＯＰＬは、透明体の厚さｄの（ｎ−１）倍に拡大されるため、
ΔＺＵＳ＝ＺＵＳ−ＺＩＳ＝（ｎ−１）ｄ （１）
ｄ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１） （２）
ＨＩＳ＝ＺＵＳ＋ｄ （３）
ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳ （４）
である。

したがって、傾斜面又は曲面の高さマップＨＩＳは、式：ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳにより計算することができる。

図５ｃは、図５ａの球面キャップの断面での測定及び計算される高さマップを開示する。傾斜面ＩＳの高さマップは、上記式を用いて計算し得る。基板ＵＳの高さマップ及び更なる表面ＦＳの高さマップは、光学プロファイラを用いて測定される。

ＺＵＳ−ＺＩＳ＞０である測定値の場合、表面の傾斜が開口数に対して大きすぎることが示され、したがって、傾斜面又は曲面の高さマップＨＩＳの計算に、式：ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳを使用し得る。

ＺＵＳ−ＺＩＳ＜０である測定値の場合、傾斜が開口数の範囲内にあることが示され、したがって、高さマップＺＩＳの直接測定値を使用することができる。

上記式は、平坦ではない基板にも使用し得る。その場合、透明体下の基板の特定の形状を前もって測定する必要がある。例えば、基板の特定のＸ、Ｙ値の各Ｚ値を測定する必要がある。続くステップにおいて、透明体を表面上に適用され、上記式を使用して、異なるＸ、Ｙ値を有する位置毎に、傾斜面又は曲面の高さＨＩＳを計算し得る。

上記説明した単純なモデルを使用する場合、傾斜面が入力光線及び出力光線の両方を屈折させることを無視する。この単純な方法が十分に正確ではない場合、より正確なモデルを使用し得る。基本的に、概念は同じである。より高精度の場合、屈折効果を含むように、単純なモデルを拡張し得る。この問題を解くには、単純な収束反復プロセスが必要であり得る。

開示される実施形態が本発明の単なる例示であり、本発明を様々な形態で実施可能なことを理解されたい。したがって、本明細書に開示される特定の構造的詳細及び機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に特許請求の範囲のベースとして、及び適宜詳細な略あらゆる構造で本発明を様々に利用するための、当業者への教示の代表的なベースとして解釈されるべきである。さらに、本明細書で使用される用語及び語句は、限定を意図せず、むしろ、本発明の理解可能な説明の提供を意図する。

本明細書で使用される場合、別のという用語は、少なくとも第２又は第３以上として定義される。本明細書で使用される場合、含む及び／又は有するを含む用語は、包含（すなわち、他の要素又はステップを除外しない）として定義される。特許請求の範囲での任意の参照符号は、特許請求の範囲又は本発明の範囲の限定として解釈されるべきではない。特定の測定値が相互に異なる従属クレームに記載されているという事実だけでは、有利にこれらの測定値の組み合わせを使用できないことを示さない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１ 試料
４ 干渉計装置
５ 放射源
６ 第１のレンズ
７ 第１のミラー
８ 第２のレンズ
９ ブレード
１０ 照明ビームスプリッタ
１１ スキャナ
１２ ビームスプリッタ
１４ 参照リフレクタ
１５ レンズ
１６ 検出器
１７ 対物レンズ
２３ 照明器
２４ 測定ビーム
２５ 参照ビーム

Claims (11)

1. 屈折率（ｎ）で傾斜面又は曲面を有する透明立体を含む試料の高さマップを計算する方法であって、前記透明立体は、前記透明立体の下から水平方向に延びる基板上に設けられ、前記方法は、
   前記透明立体における前記傾斜面又は前記曲面を有する第１のエリアと、前記透明立体の下から水平方向に延び出た前記基板上の第２のエリアとを光学プロファイラ下に位置決めすることと、
   前記光学プロファイラを用いて前記第１のエリアの高さマップ（ＺＩＳ）及び前記第２のエリアの高さマップ（ＺＵＳ）を測定することと、
   前記屈折率（ｎ）、測定された前記第１のエリアの高さマップ（ＺＩＳ）及び測定された前記第２のエリアの高さマップ（ＺＵＳ）を使用することにより、前記傾斜面又は前記曲面の高さマップ（ＨＩＳ）を計算することと、
   を含み、
   前記傾斜面又は前記曲面の前記高さマップ（ＨＩＳ）は、式：ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳによって計算される
   ことを特徴とする方法。
2. 前記基板は平面である、請求項１に記載の方法。
3. 前記基板は金属面である、請求項１又は２の何れか一項に記載の方法。
4. 前記基板は半導体面である、請求項１又は２の何れか一項に記載の方法。
5. 前記式：ＨＩＳ＝（ＺＵＳ−ＺＩＳ）／（ｎ−１）＋ＺＵＳは、ＺＵＳ−ＺＩＳ＞０であるエリアに適用される、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記傾斜面又は前記曲面は前記透明立体の縁部に沿って設けられる、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記透明立体は更なる表面を更に含み、
   前記方法は、
   前記光学プロファイラを用いて前記第１及び第２のエリアの高さマップを測定する間、前記更なる表面（ＦＳ）の第３のエリアの高さマップを測定することを含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記更なる表面は、前記透明立体の上部に設けられ、前記傾斜面又は前記曲面に隣接する、請求項７に記載の方法。
9. 前記更なる表面は式：ＺＵＳ−ＺＩＳ＜０に従う、請求項８に記載の方法。
10. 前記透明立体は球面キャップであり、例えばマイクロレンズである、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記光学プロファイラは、白色光干渉装置、位相シフト干渉装置、波長走査干渉装置、共焦点装置、クロマティック共焦点装置、シェイプフロムフォーカス装置、構造化照明顕微鏡法装置、又はホログラフィ装置のうちの１つを含む、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。