TWI467127B - Means, observation means and an image processing method for measuring the shape of - Google Patents

Means, observation means and an image processing method for measuring the shape of Download PDF

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TWI467127B
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Description

形狀測定裝置、觀察裝置及影像處理方法
本發明係關於從一邊使被測定物相對攝影裝置移動一邊拍攝被測定物而取得之影像求出被測定物之表面形狀之形狀測定裝置、觀察裝置及其影像處理方法。
形狀測定裝置中，有一種算出藉由光學顯微鏡觀察之被測定物之表面高度以求出該表面高度之裝置(參照例如專利文獻1)。此種形狀測定裝置500，例如圖14所示，藉由壓電驅動裝置530使物鏡540以例如一秒間十五次之比率連續地(既定之上下寬度)往返掃描於上下方向、例如沿顯微鏡之光軸之方向。一邊如上述地往返掃描，一邊藉由物鏡540成像之試料550之影像，係以每1/900秒間一張之比例藉由高速攝影機510被拍攝，並轉換成數位訊號輸出至控制用處理器590。控制用處理器590，係針對所輸入之影像之各像素計算聚焦度(聚焦之程度)，並在往返掃描之上限位置至下限位置之範圍內，將已檢測出各像素中最高聚焦度之光軸方向位置分別求出作為與各像素對應之點之相對高度。
專利文獻
[專利文獻1]日本專利第3737486號公報
此外，習知之形狀測定裝置500中，針對所輸入之影像之各像素求出上述聚焦度之手法，例如圖15(A)所示，於所取得之影像內抽出3×3像素之像素格B100，以矚目像素之像素值G05與其周邊八像素之各像素值G01～G04,G06～G09為對象，在與數位運算(微分算子)OP100之間進行微分算子，以求出該矚目像素之聚焦度。
此時，如圖15(B)所示，在光學顯微鏡之焦點附近之光束I之光線密度，在焦點位置理論上並非成為點，而係藉由繞射現象成為光之波長(例如約500nm)之等級。因此，高速攝影機510之攝影面之一像素(矚目像素)內所成像之干涉光之光量分布亦於攝影面內方向擴展成500nm等級之模糊。是以，當考量將攝影面之一像素投影至試料面上時之大小(像素節距)為100nm程度時，恐有矚目像素之像素值與周邊像素之像素值之間幾乎不產生濃淡變化(像素值變化)之虞。此情形下，由於即使在光軸方向之焦點位置附近聚焦度亦不會成為最大，或聚焦度之變化會成為平坦，因此即使以高解像力定位表面高度方向並進行測定，亦無法從已算出之聚焦度大小以高解像力決定焦點位置。
本發明有鑑於上述課題，提供能以高解像力測定被測定物之形狀之構成之形狀測定裝置、觀察裝置及其影像處理方法。
為達成上述目的，本發明之形狀測定裝置，具備：攝影裝置，係接收來自以照明部照明之被測定物表面之光以拍攝前述被測定物之表面像；相對移動部，係沿構成攝影裝置之光學系統之光軸使被測定物相對攝影裝置移動；以及影像處理部，係一邊利用相對移動部使被測定物相對攝影裝置移動、一邊對以攝影裝置拍攝而取得之被測定物表面之複數個影像進行影像處理；影像處理部，具備：第1運算處理部，係從複數個影像中抽出一個對象影像與除了對象影像以外之至少一個參考影像，並使微分算子作用於對象影像與參考影像，就抽出之對象影像與參考影像之各組以對象影像之像素單位算出既定之特徵量；以及第2運算處理部，係根據以像素單位算出之複數個特徵量中依各像素為最大之相對移動位置，求出被測定物之表面高度；微分算子，具有在算出特徵量後，對對象影像之矚目像素之像素值與參考影像中存在於與矚目像素不同像素位置之相鄰像素之像素值賦予權重之係數；特徵量，係以微分算子產生之矚目像素之像素值與相鄰像素之像素值之微分值。
此外，上述形狀測定裝置中，較佳為進一步具備干涉光學系統，係將來自照明部之光分割並分別照射於被測定物與參照面，使來自被測定物與參照面之反射光彼此干涉以產生干涉紋。又，較佳為係以相對移動部使被測定物相對攝影裝置移動，據以使被測定物之表面與光分割至參照面與被測定物表面之分割位置之距離變動，藉以使干涉紋產生變化。
又，上述形狀測定裝置中，較佳為攝影裝置具備用以形成被測定物之表面像之攝影光學系統、以及拍攝透過攝影光學系統形成之被測定物之表面像之攝影元件；攝影元件之像素較攝影光學系統之光學解像力微細。
又，上述形狀測定裝置中，較佳為進一步具備移動機構，係使被測定物相對攝影裝置往與構成攝影裝置之光學系統之光軸垂直之方向移動；移動機構，係以較像素之寬度小之移動節距進行前述相對移動。
又，上述形狀測定裝置中，較佳為照明部能射出具有100nm以上之波長帶寬之照明光。
又，上述形狀測定裝置中，較佳為微分算子，具有對對象影像之矚目像素之像素值、於影像取得間隔中較對象影像先拍攝之第1參考影像中像素位置與矚目影像一致之像素之周邊四像素之像素值、以及於影像取得間隔中較對象影像後拍攝之第2參考影像中像素位置與矚目影像一致之像素之周邊四像素之像素值賦予權重之係數；第1及第2參考影像中之前述周邊四像素之像素位置彼此不同。
又，上述形狀測定裝置中，較佳為影像取得間隔，係較從照明部射出之照明光之中心波長區小。
又，本發明之觀察裝置，具備：成像系統，藉由將來自被測定物之某一點之光束在成像面聚光於既定之區域，以將前述被測定物之像在前述成像面形成；攝影裝置，在前述成像系統之光軸上之至前述被測定物為止之距離不同之複數個位置拍攝前述被測定物之像，並依各距離輸出前述影像資料；影像選擇部，係從自前述攝影裝置輸出之影像資料中選擇至前述被測定物為止之距離不同之第1影像資料與第2影像資料；變化資訊輸出部，係輸出構成前述影像選擇部所選擇之第1影像資料之像素中之各像素與第2影像資料之像素之輸出變化，該第2影像資料之像素，係以與構成前述第1影像資料之各像素之位置對應之構成第2影像資料之像素之位置為中心，而位於前述光束所聚集之區域內；以及高度資訊決定部，根據來自前述變化資訊輸出部之輸出，從構成前述第1影像資料之像素中特定出作為聚焦位置之像素，根據取得前述第1影像資料時之至前述被測定物為止之距離，決定與前述特定出之像素對應之前述被測定物表面之高度資訊。
又，上述觀察裝置較佳為，前述變化資訊輸出部，係輸出構成前述影像選擇部所選擇之前述第1影像資料之像素中之各像素與第2影像資料之像素之輸出變化，該第2影像資料之像素，係位於與構成前述第1影像資料之各像素之位置對應之構成第2影像資料之像素所相鄰之位置。
又，本發明之影像處理方法，係使用上述形狀測定裝置進行之影像處理方法，其具有：第1步驟，在以移動機構使被測定物相對攝影裝置每移動移動節距之同時，從複數個影像抽出與被測定物表面中同一處相符之部分並求出抽出之部分之表面高度，以求出抽出之部分中表面高度之次數分布；第2步驟，根據次數分布算出表面高度之機率密度函數，求出機率密度函數為最大之表面高度作為抽出之部分之表面高度之真值；以及第3步驟，根據求出為真值之表面高度生成被測定物表面之影像。
根據本發明，能以高解像力測定被測定物之形狀。
以下，參照圖式說明本發明之較佳實施形態。圖1顯示本實施形態之形狀測定裝置之概略構成圖，首先，利用此圖說明形狀測定裝置1之整體構成。此形狀測定裝置1，係以顯微鏡本體10、攝影部20、控制用處理器30為主體構成。
顯微鏡本體10具有支撐攝影部20之顯微鏡底座11、固設於顯微鏡底座11底部之顯微鏡用試料台12、以及設於顯微鏡用試料台12上面之微細驅動載台13。
於微細驅動載台13之上面載置測定對象物即例如形成為平板狀之試料5。微細驅動載台13，係根據來自構成於控制用處理器30之驅動控制裝置36(參照圖3)之載台驅動訊號，以nm等級高精度地使以上面支撐之試料5相對攝影部20移動於水平方向、亦即與構成攝影部20之攝影光學系統之光軸垂直之方向。於微細驅動載台13內藏有線性編碼器13a(參照圖3)，此線性編碼器13a係以nm等級高精度地檢測試料5(微細驅動載台13)之水平方向位置，並將該檢測訊號往控制用處理器30之控制用電腦35(參照圖3)。此外，本實施形態中，如圖1所示，係將微細驅動載台13之面內方向稱為XY軸方向(水平方向)、將攝影部20之攝影光學系統之光軸方向稱為Z軸方向(上下方向)來說明。
攝影部20具有與顯微鏡用試料台12上方對向設置之具有圖2所示構成之二光束干涉物鏡21、於下側安裝有二光束干涉物鏡21之顯微鏡用照明裝置22、安裝於顯微鏡用照明裝置22上側之顯微鏡鏡筒裝置23、安裝於顯微鏡鏡筒裝置23上側之高速攝影機24。二光束干涉物鏡21，係經由壓電驅動裝置25(係使此二光束干涉物鏡21沿朝向該試料5側之對象物用明視野物鏡29之光軸微動)安裝於顯微鏡用照明裝置22下側。
壓電驅動裝置25具有藉由改變施加電壓而使長度變化之壓電元件(未圖示)與驅動壓電元件之控制器(未圖示)，本實施形態中，係能以一秒間複數次之比率連續地在既定寬度(例如100μm之寬度)之範圍往返移動。由於此壓電驅動裝置25安裝於二光束干涉物鏡21與顯微鏡用照明裝置22之間，因此藉由壓電驅動裝置25之驅動力，二光束干涉物鏡21沿構成攝影部20之攝影光學系統之光軸之方向(上下方向)往返移動。
此外，壓電驅動裝置25係根據自構成於控制用處理器30之驅動控制裝置36(參照圖3)發出之壓電元件驅動訊號而作動。又，於壓電驅動裝置25之控制器內藏有檢測壓電驅動裝置25(亦即二光束干涉物鏡21)之往返移動位置之感測器25a(參照圖3)。此感測器25a係檢測二光束干涉物鏡21在光軸方向之位置，並將該檢測訊號往控制用處理器30之控制用電腦35(參照圖3)輸出。
顯微鏡用照明裝置22具有射出照明光之光源(白色光源)22a、僅使特定波長帶寬(例如中心波長λ為520nm之波長帶寬)之光通過之帶通過濾器22b、使通過帶通過濾器22b之照明光反射往二光束干涉物鏡21之方向且使來自二光束干涉物鏡21之光透射之分束器22c等，係經由二光束干涉物鏡21使照明光照射於試料5表面(上面)之落射照明。此外，帶通過濾器22b中，最好係使具有至少100nm以上之波長帶寬之光通過。
二光束干涉物鏡21如圖2所示，係以分束器26、參照面用明視野物鏡27、參照面28、以及對象物用明視野物鏡29為主體構成，本實施形態中，例示有林尼克(Linnik)型之光干涉光學系統。顯微鏡鏡筒裝置23於其內部具有成像透鏡(未圖示)而構成，如後所述，係與二光束干涉物鏡21協同動作，使包含干涉紋之干涉像光成像於高速攝影機24之攝影面上。
高速攝影機24具有CCD或CMOS等攝影元件24a，能以既定之影像擷取數連續進行拍攝，將拍攝成像於攝影元件24a表面之攝影面上之影像(包含干涉紋之試料5之表面影像)而取得之影像訊號(亮度資訊)轉換成數位訊號，並往控制用處理器30之第1數位影像記憶體31(參照圖3)輸出。此處，影像之取樣間隔(影像取得間隔)△P係取決於高速攝影機24之影像擷取數與二光束干涉物鏡21之掃描寬度，例如係以較使用光之中心波長區λ小之間隔設定。
控制用處理器30之主體構成如圖3所示，具有將從高速攝影機24取得之影像資料以一畫面(一幀框)單位儲存之數位影像記憶體31,32,33、控制微細驅動載台13及壓電驅動裝置25之作動之驅動控制裝置36、進行於後詳述之影像處理之高速影像處理器34、以及統籌控制此等之作動之控制用電腦35。
以上述方式構成之形狀測定裝置1中，從光源22a射出而通過帶通過濾器22b之照明光，係在分束器22c往大致90°下方反射後，到達二光束干涉物鏡21(參照圖1及圖2)。接著，射入二光束干涉物鏡21之光，係在二光束干涉物鏡21內之分束器26分割成兩個，其中一方通過對象物用明視野物鏡29而照射於試料5表面(上面)，且另一方通過參照面用明視野物鏡27而照射於參照面28。接著，在試料5表面與參照面28反射之照明光，係在二光束干涉物鏡21內之分束器26一起透射過分束器22c而成像於高速攝影機24之攝影元件24a之攝影面上，並基於該光路差(相位差)產生干涉紋。高速攝影機24係拍攝干涉像光，且將拍攝而取得之影像訊號數位轉換，往控制用處理器30之第1數位影像記憶體31輸出。
此時，二光束干涉物鏡21係藉由壓電驅動裝置25之驅動力以一秒間複數次之比率，沿構成攝影部20之攝影光學系統之光軸之方向(上下方向)往返移動，而使光學系統之焦點位置(成像面)於光軸方向連續變化。相對於此，高速攝影機24由於係以攝影部20之取樣間隔(往光軸方向之微幅進給節距)△P連續進行試料5表面(上面)之攝影，因此能取得與二光束干涉物鏡21之往返移動位置對應之複數個影像。
此外，控制用處理器30除了被輸入來自高速攝影機24之影像訊號以外，亦被輸入來自內藏於微細驅動載台13之線性編碼器13a之檢測訊號、或來自內藏於壓電驅動裝置25之控制器之感測器25a之檢測訊號。是以，能檢測拍攝試料5時之微細驅動載台13之水平方向位置(XY方向位置)或二光束干涉物鏡21之往返移動位置(Z方向位置)。
本實施形態中，上述干涉紋由於係基於來自試料5之表面(上面)之反射光與來自參照面28之反射光之光路差(相位差)而產生，因此控制用處理器30可藉由對從高速攝影機24輸入之包含干涉紋之複數個影像進行既定之影像處理，藉以求出試料5之表面高度。又，關於用以求出試料5之表面高度之影像處理方法，係參照圖4所示之流程圖而說明如下。
控制用電腦35，係對驅動控制裝置36，連續地輸出使壓電驅動裝置25(二光束干涉物鏡21)在既定掃描寬度內往返移動之作動訊號，且與此作動訊號之輸出同步地將以高速攝影機24拍攝且轉換成數位訊號之影像輸入第1數位影像記憶體31(步驟S101)。藉此，控制用電腦35可將沿攝影光學系統(構成攝影部20)之光軸方向之移動距離資訊與各移動位置中之影像賦予關聯關係後保存。
控制用電腦35係將從高速攝影機24依序輸入之攝影影像以一影像單位分別儲存於第1～第3數位影像記憶體31,32,33，且在取得次一影像時陸續更新儲存影像(步驟S102)。例如，如圖5(A)所示，以既定取樣間隔△P依序取得各一張之影像P1 ,P2 ,P3 ,…Pn 之過程中，首先取得第一個(最初)之影像P1 後，將此影像P1 儲存於第1數位影像記憶體31。接著，取得次一(第二個)影像P2 後，將此影像P2 移行至第2數位影像記憶體32並加以儲存，在此次中該影像P2 儲存於第1數位影像記憶體31。其次，在取得第三個影像P3 後，將影像P1 移行至第3數位影像記憶體33並加以儲存，將影像P2 移行至第2數位影像記憶體32並加以儲存，本次輸入之影像P3 儲存於第1數位影像記憶體31(參照圖5(B))。在取得第四個影像P4 後，將此影像P4 移行至第1數位影像記憶體31並加以儲存，將影像P3 移行至第2數位影像記憶體32並加以儲存，將影像P2 移行至第3數位影像記憶體33並加以儲存，最初取得之影像P1 從數位影像記憶體31～33陸續消失。
如上述，成像面往光軸方向之位置在光軸方向上逐次改變，並於每次取得影像。接著，在成像面每往光軸方向移動時，所輸入之影像即依第1數位影像記憶體31→ 第2數位影像記憶體32→ 第3數位影像記憶體33之順序連續地儲存且陸續更新。是以，每在輸入一張影像時，即將以彼此在上下方向錯開取樣間隔△P而取得之影像逐一儲存於各影像記憶體31～33。
此時，高速影像處理器34係在每取得影像時實施次一動作。最初，設定取得後述之局部聚焦度之像素。此外，以下中，將此取得局部聚焦度之像素稱為矚目像素來說明。其次，根據所設定之像素之位置，從儲存於各數位影像記憶體31,32,33之影像資料之像素特定出以數位運算(微分算子)OP10,OP20,OP30作用之對象像素。將此數位運算之係數乘以以數位運算OP10,OP20,OP30所作用之像素值，並以既定之運算式取得局部聚焦度。此時，儲存於影像記憶體32之影像為對象影像，儲存於影像記憶體31或33之影像為參考影像。
如上述般，從依序取樣之三個影像資料之组陸續取得局部聚焦度之候補值，而取得為最大之局部聚焦度。此等係以像素單位求出局部聚焦度(LFS)(步驟S103)。亦即，除了儲存於第2數位影像記憶體32之影像內之最外周像素以外之所有像素為局部聚焦度之算出對象。
此處，以取樣間隔△P依序取得影像P1 ,P2 ,P3 ,…Pn 之過程中，如圖6所示，當將分別儲存於數位影像記憶體31,32,33之任意影像設為PK10 ,PK20 ,PK30 時，係依儲存於第2數位影像記憶體32之影像PK20 內之各像素(矚目像素)算出局部聚焦度。
局部聚焦度之算出方式，係如圖6所示，抽出儲存於第2數位影像記憶體32之影像PK20 中以矚目像素(像素值G25)為中心之3×3像素之像素格B20、儲存於第1數位影像記憶體31之影像PK10 中像素位置與上述像素格B20對應之3×3像素之像素格B10、儲存於第3數位影像記憶體33之影像PK30 中像素位置與上述像素格B20對應之3×3像素之像素格B30，並在此像素格B10,B20,B30與各自對應之數位運算OP10,OP20,OP30之間進行卷積運算(積和運算)。
此處，像素格B10中矚目像素(像素值G25)成為運算對象(基準)，像素格B30內3×3像素中位於四角之像素(像素值G31,G33,G37,G39)成為運算對象，像素格B10內3×3像素中位於十字狀之像素(像素值G12,G14,G16,G18)成為運算對象。另一方面，數位運算OP10～30中，對矚目像素(G25)之係數之權重設定為24，對其周邊像素(G31,G33,…G12,G14,…)之係數之權重設定為-3。
藉由對此等運算對象之九個像素值，使用數位運算OP10～30進行卷積運算，而如次式(1)所示求出矚目像素之局部聚焦度LFS。
LFS=24×G25+{-3×(G12+G14+G16+G18)}+{-3×(G31+G33+G37+G39)}
‧‧‧(1)
控制用電腦35，係依各像素算出上述之局部聚焦度(LFS)，並根據所算出之局部聚焦度為最大之對象影像在光軸方向之位置，求出作為與各像素之區域共軛之區域中試料5之表面高度之真值(步驟S104)。此時，在二光束干涉物鏡21往返移動中之上限位置至下限位置之範圍中，依各像素分別求出取得最高之局部聚焦度時之影像在光軸方向之位置，作為與各像素之區域共軛之區域之試料5之相對高度，並藉由此相對高度與已知之試料5(之測定點)之高度基準位置等算出表面高度。
具體而言，控制用電腦35，係在使微細驅動載台13停止之狀態下，將從最出之三張影像資料之组求出之局部聚焦度依各像素儲存於LFS影像記憶體37(參照圖3)。其後，將每次取得影像所求得之局部聚焦度與儲存於LFS影像記憶體37之局部聚焦度與對應之各像素比較，當新取得之局部聚焦度較截至目前為止儲存於LFS影像記憶體37之局部聚焦度為高值時，即僅針對該像素之局部聚焦度陸續換寫(陸續更新)LFS影像記憶體37。亦即，此LFS影像記憶體37，係在取得影像之過程中，陸續更新該次最大之局部聚焦度，且僅儲存截至目前為止算出之局部聚焦度中最高值之局部聚焦度。
與此同時地，控制用電腦35係根據內藏於壓電驅動裝置25之控制器之感測器25a之檢測值，擷取二光束干涉物鏡21之位置資訊，並將與儲存於LFS影像記憶體37之局部聚焦度對應之像素之表面高度資料儲存於高度影像記憶體38(隨著LFS影像記憶體37之更新而更新高度資料)。
最後，係將成為最大之局部聚焦度依各像素儲存於LFS影像記憶體37，且將與此對應之各像素之表面高度(從相對於已取得最高之局部聚焦度之影像資料之相對高度求出之表面高度)之資訊儲存於高度影像記憶體38。將儲存於此高度影像記憶體38之局部聚焦度為最大之表面高度作為與各像素共軛之區域之表面高度。
儲存於LFS影像記憶體37及高度影像記憶體38之各資訊(LFS影像及高度影像)，藉由控制用電腦35往圖3所示之外部監視器40輸出，並作為試料5之表面高度之測定結果顯示於外部監視器40。藉此，能透過外部監視器40觀察試料5之表面形狀。
此外，圖14所示之習知形狀測定裝置500中，作為針對已輸入之影像之各像素求出聚焦度之手法，例如可如圖15(A)所示，以一張影像內之矚目像素之像素值G05與同一像素中其周邊八像素之像素值G01～G04,G06～G09為對象，使用數位運算OP100進行微分算子，藉此求出矚目像素之聚焦度(換言之，僅從一張影像抽出包含矚目像素之3×3像素之像素格B100，使用二維(僅具有X,Y方向成分之係數)之數位運算OP100進行過濾處理，藉此求出該矚目像素之聚焦度)。接著，藉由依各像素檢測聚焦度最高之位置，來測定試料5之表面高度。
此處，如圖15(B)所示，在光學顯微鏡之焦點附近之光束I之光線密度，在焦點位置理論上並非成為點，而係藉由繞射現象成為光之波長(例如約500nm)之等級。因此，高速攝影機24之攝影面之一像素(矚目像素)內所成像之干涉像亦於XY方向(對象物面內方向)擴展成約500nm等級之模糊。是以，當考量將攝影面之一像素投影至對象物面上時之大小(像素節距)為100nm程度時，恐有矚目像素之像素值與周邊像素之像素值之間幾乎不產生濃淡變化(無法以像素單位檢測出干涉像)之虞。又，針對與矚目像素共軛之試料5之表面區域，來自相鄰試料5表面之一點之光束亦射入矚目像素。因此，與相鄰像素共軛之試料表面之干涉光係以疊合之方式射入矚目像素。
此外，圖7(A)顯示自試料5(與一張影像內(像素格)中任意之矚目像素共軛)表面起之位置(a點)之干涉光所產生之光強度變化之樣子、以及與相鄰像素共軛之位置(b點)之干涉光所產生之光強度變化之樣子。當與矚目像素共軛之試料5之表面位置(a點)及與相鄰像素共軛之試料5之表面位置(b點)之間有光軸方向上之位置差時，在a點之干涉光與在b點之干涉光之強度變化，其強度在各自之光軸方向上不同。然而，如上所述，由於在形成干涉像之成像透鏡有因繞射極限產生之模糊，因此在a點及在b點與除此以外之相鄰像素所共軛之位置之干涉光係疊合於矚目像素。又，於相鄰像素亦同樣地，疊合有與矚目像素或除此以外之相鄰像素共軛之位置之干涉光。其結果，矚目像素之共軛位置與該相鄰像素之共軛位置中之光強度變化會相對光軸方向之變化大致相同地出現，同一像素內(同一光軸方向位置)中相鄰之像素位置(例如矚目像素(G05)與相鄰像素(G06)之位置)之間之光強度差係微小差距。因此，在使用習知之過濾處理時，縱使光強度之變化係顯示原本峰值(最大值)之位置，同一像素內之矚目像素與其周邊像素(相鄰之八像素)之間幾乎無法取得濃淡變化(像素值變化)，在該像素格B100與數位運算OP100之間進行積合運算而求出之矚目像素之聚焦度亦成為低值而被算出。因此，使用習知之數位運算OP100之過濾處理中，即使在光軸方向之焦點位置附近聚焦度亦不會成為最高值，或聚焦度之變化會成為平坦，因此即使以高解像力定位表面高度方向並檢測出干涉光，亦無法從已算出之聚焦度大小以高解像力決定焦點位置。
另一方面，矚目像素之共軛位置之干涉光，當如上所述使用中心波長520nm之光時，係如圖7(B)所示，在成像透鏡(未圖示)之焦深內反覆出現半波長週期之峰值(極大點)與谷值(極小點)，強度(振幅)最大之峰值係0次之干涉紋，此出現位置相當於聚焦位置，當以此位置作為基準考量，即使將攝影位置往光軸方向僅偏移中心波長λ之1/25(約20nm)，亦可捕捉為大的光強度變化。進而，當往光軸方向僅偏移中心波長λ之1/4(130nm)時，相鄰之峰值與谷值之間係捕捉為最大之光強度變化。
此處，圖8(A)係例示像素之共軛區域之光軸上之位置位於表面附近時之像素格B70之像素值。又，圖8(B)係例示位於從該表面充分離開之位置時之像素格B80之像素值。圖8(A)所示之像素格B70之情形，數位運算OP100之微分值為40，圖8(B)所示之像素格B80之情形，數位運算OP100之微分值為16。再者，圖8(C)係顯示假設將往光軸方向偏移波長之1/4時之值代入於矚目像素以外者時之像素格B90之像素值。此像素格B90之數位運算100之微分值為1480。
由上述例示可清楚得知，當試料面上之一像素大小較500nm小時，或者，當試料面為充分平滑且矚目像素與相鄰像素之間之高度差較波長之1/4充分小時，即不論像素格B70中各像素之像素值是否較大，其微分值均係與像素格B80(位於從表面充分離開之位置)之微分值幾乎無相異之程度之小值。然而，當於矚目像素以外之相鄰像素代入往光軸方向偏移波長之1/4時之值，其微分值即成為30倍以上之大值。另一方面，當從表面往光軸方向充分離開時，即使於矚目像素以外之相鄰像素代入往光軸方向偏移波長之1/4時之值，由於係干涉光無法觀測之處因此使數位運算OP100作用之微分值，係幾乎無變化且相當小。再者，針對以上例示之內容使用次式(2)詳述之。干涉光學系統中，係觀測次式(2)所示之光波。
I=Hcos(wt+β)‧‧‧(2)
此處之振幅H及相位差β能以下式表示：
H=(A2 +2Abcosα+B2 )1/2
β=tan-1 (Bsinα/(A+Bcosα))
上述A及B係參照光之振幅及反射光之振幅，此等參照光及反射光之光波能以次式表示：
IA =Acos(wt)
IB =Bcos(wt+α)
此外，w=2πC/λ，α係顯示相位差，C係顯示光速度，λ係顯示光之波長，t係顯示時間。此時，參照光與反射光之相位差為α=0時，透過振幅H=A+B之式則成為最大值。另一方面，當相位差為α=π時，則係從試料面之真表面偏移波長λ之1/4之處。亦即，採用從與矚目像素共軛之區域往光軸方向偏移波長λ之1/4程度之值來作為相鄰像素之像素值，藉此能穩定地捕捉試料5之表面位置。
又，干涉紋之峰值會隨著從聚焦位置離開而成為1次、2次、…之方式，干涉光強度(振幅)一邊降低一邊逐漸變化。因此，即使係相同之峰值，在0次之峰值位置(聚焦位置)與1次之峰值位置檢測出之光強度亦有大差異，即使往光軸方向偏移相同之移動量，在0次之峰值位置(聚焦位置)附近，與1次之峰值位置附近相較，光強度變化亦可捕捉到更大之變化。此處，所謂之1次干涉，係指相較於來自參照面28之反射光其相位延遲1波長量或進而射入之光所產生者，其峰值之位置會因波長相異，因此所觀測之1次之峰值之強度較0次低。然而，當照射光之波長帶寬成為100nm以下而增加單色性時，高次干涉之峰值強度之降低程度係減少，而有可能檢測出錯誤之0次干涉位置。因此，照射光之波長帶寬最好係100nm以上。
射入與矚目像素共軛之區域之光之一部分有時會因微細之凹凸而散射。當光散射時相位關係即會紊亂，如此會導致無法產生參照光與干涉光。此光係即使將位置往光軸方向偏移波長λ之1/4程度(約0.12μm)仍包含於高倍率透鏡之焦深0.3μm內，因此與矚目像素共軛之區域與往光軸方向僅偏移些許之區域之光量差分較小。藉由光之可加性，干涉光與散射光成為一加總光束到達攝影元件24a之攝影面(圖9係示意顯示此狀況)。為了偵測此散射光為最大之光軸上之點，如後詳述之圖10所例示之數位運算OP可見，矚目像素在光軸上之上下像素之權重均為0。上述說明係敘述散射光之檢測，若以更一般之表現來說明，即光軸方向中在焦深內之反射光量之變化極微小，為了偵測在XY方向變化較大之光學現象，不將光軸上之上下像素之差分作為對象之方式較能提升檢測感度。不過，本發明中，藉由對位置僅於光軸方向改變、在與光軸垂直之平面內位於相同位置之上下像素之輸出值求出差分，以取得局部聚焦度之方式，並未從權利範圍中排除。
此處，上述數位運算OP1(OP10～30)中，對矚目像素之權重為24，在光軸方向上於上下錯開1取樣間隔△P而取得之影像內對周邊八像素之權重為-3。另一方面，使用此數位運算OP1對矚目像素算出之局部聚焦度LFS係以上述式(1)求出，將此式(1)變形後可如次式(3)所表示。
LFS=24×{G25-1/8×(G31+G12+G33+G14+G16+G37+G18+G39}
‧‧‧(3)
從此式(3)可知，局部聚焦度(LFS)係對象影像內之矚目像素之像素值G25與相對對象影像在光軸方向之上、下影像內之周邊八像素之平均像素值之差之比例值。此點係意指，與矚目像素在XYZ軸方向相鄰之二十六個像素中、與所假定之光學現象共通地，取從十六個像素(除去矚目像素之受光光量之影像較大之像素、亦即光軸上之上下兩像素與正交於光軸之面內位於與矚目像素在光軸上相同之面內之相鄰像素)選擇之八像素之平均值與矚目像素之差。
因此，例如將取樣間隔△P設定成微小間隔(例如如上所述之使用光之中心波長λ之1/25程度：約20nm)時，依該間隔所取得之影像內各像素之局部聚焦度亦可求得作為大幅變化之量。進而，在算出局部聚焦度後，矚目像素之像素值與周邊八像素之平均像素值之差為最大之攝影位置，由於係矚目像素位置位於干涉光之光強度之峰值位置時，因此能在依各像素局部聚焦度為最大之位置以高解像力檢測出焦點位置。
具備如上所述之影像處理機能之本實施形態之形狀測定裝置1，具有XYZ方向(三維)之成分之原本數位運算OP1(OP10～30)係空間過濾器，其藉由兼具對干涉光之光強度變化之XY方向之檢測感度與Z方向之非常高之檢測感度，並隨著接近焦點位置(聚焦位置)而能強調矚目像素之像素值。另一方面，藉由此數位運算OP1求出之局部聚焦度，可作為對象影像之矚目像素與相對對象影像在光軸方向之上、下影像內之同一像素區域內周邊八像素之濃淡變化(像素值變化)大幅反應之特徵量而算出。因此，針對各像素，將依取得影像之各像素使用數位運算OP1而取得之局部聚焦度為最大之表面高度，求出作為對應之點之表面高度之真值，藉此能提高表面高度之測定精度，提升試料表面高度之測定解像力。
又，根據本形狀測定裝置1，例如試料5之表面為光澤面(例如表面粗度0.1μm以下之平滑平面)之情形下所代表者，用於測定之影像訊號之S/N比(用於測定之影像之濃淡)極低時，亦可如上所述，藉由數位運算OP1使用試料5之表面形狀(微細之凹凸)已忠實反應之局部聚焦度來提高表面高度之測定精度。
此外，上述中，雖例示圖6所示之數位運算OP1(OP10,OP20,OP30)而求出對矚目像素之局部聚焦度，但數位運算之情形不限定於此，例如，亦可係數位運算OP10與OP30之要素交替配置之數位運算OP2(參照圖10(A))、將運算OP10,OP30之要素彙整配置於一個運算之數位運算OP3,OP4(參照圖10(B))、將運算OP10,OP30之要素彙整而均等配置於兩個運算之數位運算OP5(參照圖10(C))等，又，數位運算內之係數(「8」及「-3」)亦可係其他值，仍能發揮相同之效果。特別是，在數位運算OP3,OP4之情形下，除了對象影像以外所使用之影像係一張之影像。又，除了對象影像以外所使用之具有參考像素之影像，只要係對象影像在光軸方向之攝影位置不同之影像即可，可另外設置可儲存一邊掃描於光軸方向一邊拍攝之影像之影像記憶部，並藉由控制用電腦從該影像記憶部選出任意之一張。
又，如前所述，與矚目像素在XY平面上大致相同之位置，檢測出在光軸方向上與位置不同之參照像素之差分，即使該差分值與在光軸上之其他位置拍攝之影像在XY平面上為相同位置之參照像素比較，亦可根據是否具有最大值一事算出局部聚焦度。
又，數位運算之各係數與運算式，只要設定成相對於矚目像素(G25)各相鄰像素或對光軸之位置為相同，且與光軸方向之位置不同之參照像素之差為相同時，即輸出某既定值(例如0)，當該差為不同時，則輸出不同之值。
再者，本實施形態中，控制用處理器30能藉由對從高速攝影機24輸入之試料5表面之複數個影像進行既定之影像處理，而能取得更提高解像力之試料5之影像。此處，追加參照圖11所示之流程圖，說明用以取得更提高解像力之試料5之影像之影像處理方法如下。
首先，控制用電腦35，係經由驅動控制裝置36使微細驅動載台13驅動而定位試料5與攝影部20之位置，以使攝影部20成為能拍攝試料5表面之測定區域之位置(步驟S201)。從此狀態執行上述步驟S101～S104，亦即，一邊使二光束干涉物鏡21往返移動於Z方向、一邊使用以高速攝影機24拍攝取得之複數個影像，依各像素算出局部聚焦度，求出此局部聚焦度為最大之表面高度作為與各像素共軛之區域中表面高度之真值，並生成試料5之高度影像(步驟S202)。
針對各像素求出表面高度後，即例如圖12(A)所示，將試料5之表面影像(高度影像)之一個像素區域K分割成7×7之次像素區域k,k,…，並依各分割之區域k算出表面高度(步驟S203)。
此處，使用圖12及圖13(A)等說明求出次像素區域中之表面高度之方法。求出在次像素區域之表面高度(相對高度)之方法，首先，在與各像素共軛之區域之中心位置之表面高度由於藉由上述步驟S203而取得(將與各像素共軛之區域之表面高度擬制為與該各像素共軛之區域之中心位置(中心之次像素區域)表面高度)，因此使用此等之表面高度，在與像素(包含欲矚目之次像素區域)共軛之區域之中心位置與相鄰於此之像素之共軛區域之中心位置之間進行函數匹配(內插)。接著，根據藉由函數匹配而取得之表面高度之曲線C，將像素區域K於像素排列之方向分割成七個，藉以能求出欲矚目之各次像素區域之表面高度。
接著，判定是否已進行相當於次像素區域k之長度之移動節距Δk之移動既定次數(步驟S204)。本實施形態之情形下，由於將次像素區域設定於49像素(區域)，因此係相對攝影部20使試料5之相對移動方向毎往X方向移動一次即往Y方向移動七次。又，由於進行七次往X方向之移動，因此合計進行四十九次之移動次數。又，在未進行四十九次之移動時，藉由微細驅動載台13以移動節距Δk使試料5相對攝影部縱橫相對移動於水平方向(參照圖12(B))。藉此，再次執行步驟S201至S203。接著，依內藏於微細驅動載台13之線性編碼器13a之各檢測值，反覆進行步驟S201至步驟S204，而求出合計四十九次之各次像素素區域之表面高度。藉此，在各次像素區域於相當於該一像素內之區域以上述移動節距Δk縱橫一循環之期間，毎一次像素區域求出四十九個表面高度資訊。因此，依各次像素區域抽出與欲矚目之位置對應之表面高度之次數分布並加以求出(步驟S205)。
依各次像素區域求出試料5表面影像在矚目之位置之表面高度後，例如圖13(B)所示，表面高度之次數分布D可視為產生該表面高度之機率分布。因此，於各次像素區域之次數分布D分別代入正規分布函數，算出機率密度函數E。求出此機率密度函數E為最大之表面高度作為各次像素區域之表面高度之真值(步驟S206)。
接著，根據在步驟S205求出之與各次像素區域對應之點之表面高度，再次生成試料5之高度影像(步驟S207)。藉此，如前所述，例如具有1000×1000之像素之攝影元件中，只要對位於其中心側之500×500之像素區域進行分割成7×7之次像素區域之處理，即可於原本由500×500之像素構成之高度影像，取得具有3500×3500之像素之解像力高之試料5之高度影像。進而，此高度影像係如上述般，求出依各像素使用數位運算OP1而取得之局部聚焦度為最大之表面高度，作為與各像素共軛之區域之表面高度之真值，因此成為試料5之表面高度之測定解像力亦提高之影像，其結果，能於高度方向及面內方向從高解像力之試料5之高度影像測定試料5之表面形狀。
如以上所述，根據本實施形態之形狀測定裝置1，能取得解像力高之試料5之表面影像。特別是能以較光學解像力微細之解像力測定試料5上之區域之形狀。又，只要藉由本實施形態之形狀測定裝置1將移動節距Δk縮小至較光學解像力小，即使攝影元件之像素節距未較光學解像力微細，仍能以較光學解像力微細之解像力測定試料5之形狀。
再者，與以本實施形態之形狀測定裝置1取得之影像之最小畫素對應之、成像於攝影元件之像素之被測定物之面上之區域，由於較攝影光學系統之光學解像力微細，因此能取得高解像力。
至此為止，雖說明了本發明之實施形態，但本發明並不限定於上述實施形態，可在不脫離本發明之技術範圍之範圍內作適當之改良。
上述實施形態中，雖係藉由將微細驅動載台13驅動於水平方向以使試料5相對攝影部20移動，但並不限定於此，亦可使攝影部20整體相對試料5移動，或亦可僅使高速攝影機24之攝影元件(未圖示)相對試料5移動。
又，上述實施形態中，雖例示了使用二光束干涉物鏡作為生成干涉紋之方法之構成，但並不限定於此，例如亦可係使用微分干涉光學系統生成干涉紋之構成，進而，亦可使用紋投影法來生成紋之構成。又，由於只要係藉由光軸方向之移動使來自被測定物之一點之光束之每一單位面積之光量改變者即可，因此可係使來自一點之光束以某聚束角聚束或發散之成像光學系統之構成。又，由於只要係形成像者即可，因此能適用於電子顯微鏡等、使用光以外之能量射線使來自被測定物表面之能量束聚集以形成像之成像系統。
又，上述實施形態中，雖例示通過了帶通過濾器22b之中心波長區λ=520nm之光，但並不限定於此，例如亦可係其他波長帶之光。此外，此時最好係具有100nm以上之波長帶寬，具有200nm以上之波長帶寬則又更佳。其原因在於，干涉光中波形之起伏(峰值)可更明確地出現，而能更加提升測定精度。
又，上述實施形態中，雖自光源22a所射出之白色光藉由帶通過濾器22b僅使特定波長帶寬之光通過，但並不限定於此，例如，亦可不使用帶通過濾器22b而使來自光源22a之白色光直接照射。此時，光源22a最好係使用向量波形更寬之鹵素燈等。
1．．．形狀測定裝置
5．．．試料
10．．．顯微鏡本體
11．．．顯微鏡底座
12．．．顯微鏡用試料台
13．．．微細驅動載台
13a．．．線性編碼器
20．．．攝影部
21．．．二光束干涉物鏡
22．．．顯微鏡用照明裝置
22a．．．光源
22b．．．帶通過濾器
22c．．．分束器
23．．．顯微鏡鏡筒裝置
24．．．高速攝影機
24a．．．攝影元件
25．．．壓電驅動裝置
25a．．．感測器
26．．．分束器
27．．．參照面用明視野物鏡
28．．．參照面
29．．．對象物用明視野物鏡
30．．．控制用處理器
31．．．第1數位影像記憶體
32．．．第2數位影像記憶體
33．．．第3數位影像記憶體
34．．．高速影像處理器
35．．．控制用電腦
36．．．驅動控制裝置
37．．．LFS影像記憶體
38．．．高度影像記憶體
40．．．外部監視器
500．．．形狀測定裝置
510．．．高速攝影機
530．．．壓電驅動裝置
540．．．物鏡
550．．．試料
590．．．控制用處理器
圖1係顯示本實施形態之形狀測定裝置之概略構成圖。
圖2係二光束干涉物鏡之概略構成圖。
圖3係控制用處理器之控制方塊圖。
圖4係顯示以像素單位求出表面高度之影像處理方法之流程圖。
圖5(A)係用以說明取得影像之過程之圖，圖5(B)係用以說明將影像儲存於各數位影像記憶體之步驟之圖。
圖6係用以說明數位運算之卷積運算之圖。
圖7(A)係以示意方式顯示干涉光在相鄰之像素位置之光強度變化之圖，圖7(B)係以示意方式顯示在矚目像素位置資訊之光強度變化之圖。
圖8係顯示像素方塊之像素值，圖8(A)係於像素之共軛區域之光軸上之位置具有表面之情形，圖8(B)係位於從表面充分離開之位置之情形，圖8(C)係從表面往光軸方向偏移波長之1/4之情形之像素格。
圖9係顯示干涉光與散射光之加總光束之變化狀態之圖。
圖10係顯示數位運算之變更例之圖。
圖11係顯示以次像素區域單位求出表面高度之影像處理方法之流程圖。
圖12(A)係次像素區域之示意圖，圖12(B)係用以說明以次像素之大小進行像素偏移後之狀態之圖。
圖13(A)係用以說明對矚目像素之函數擬合之圖，圖13(B)係表面高度之次數分布。
圖14係習知例之形狀測定裝置之概略構成圖。
圖15(A)係用以說明習知聚焦度之算出方法之圖，圖15(B)係顯示焦點附近之光束之光線密度之圖。
13．．．微細驅動載台
13a．．．線性編碼器
24．．．高速攝影機
25．．．壓電驅動裝置
25a．．．感測器
30．．．控制用處理器
31．．．第1數位影像記憶體
32．．．第2數位影像記憶體
33．．．第3數位影像記憶體
34．．．高速影像處理器
35．．．控制用電腦
36．．．驅動控制裝置
37．．．LFS影像記憶體
38．．．高度影像記憶體
40．．．外部監視器

Claims (11)

  1. 一種形狀測定裝置，其特徵在於，具備：攝影裝置，係接收來自以照明部照明之被測定物表面之光以拍攝前述被測定物之表面像；相對移動部，係沿構成前述攝影裝置之光學系統之光軸使前述被測定物相對前述攝影裝置移動；以及影像處理部，係一邊利用前述相對移動部使前述被測定物相對前述攝影裝置移動、一邊對以前述攝影裝置拍攝而取得之前述被測定物表面之複數個影像進行影像處理；前述影像處理部，具備：第1運算處理部，係從前述複數個影像中抽出一個對象影像與除了前述對象影像以外之至少一個參考影像，並使微分算子作用於前述對象影像與前述參考影像，就抽出之前述對象影像與前述參考影像之各組以前述對象影像之像素單位算出既定之特徵量；以及第2運算處理部，係根據以像素單位算出之複數個前述特徵量中就各像素為最大之前述相對移動位置，求出前述被測定物之表面高度；前述微分算子，具有在算出前述特徵量後，對前述對象影像之矚目像素之像素值與前述參考影像中存在於與前述矚目像素不同像素位置之相鄰像素之像素值賦予權重之係數；前述特徵量，係以前述微分算子產生之前述矚目像素之像素值與前述相鄰像素之像素值之微分值。
  2. 如申請專利範圍第1項之形狀測定裝置，其進一步具備干涉光學系統，係將來自前述照明部之光分割並分別照射於前述被測定物與參照面，使來自前述被測定物與參照面之反射光彼此干涉以產生干涉紋。
  3. 如申請專利範圍第2項之形狀測定裝置，其中，係以前述相對移動部使前述被測定物相對前述攝影裝置移動，據以使前述被測定物之表面與光分割至前述參照面與前述被測定物表面之分割位置之距離變動，藉以使前述干涉紋產生變化。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之形狀測定裝置，其中，前述攝影裝置，具備用以形成前述被測定物之表面像之攝影光學系統、以及拍攝透過前述攝影光學系統形成之前述被測定物之表面像之攝影元件；前述攝影元件之像素較前述攝影光學系統之光學解像力微細。
  5. 如申請專利範圍第4項之形狀測定裝置，其進一步具備移動機構，係使前述被測定物相對前述攝影裝置往與構成前述攝影裝置之光學系統之光軸垂直之方向移動；前述移動機構，係以較前述像素之寬度小之移動節距進行前述相對移動。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之形狀測定裝置，其中，前述照明部能射出具有100nm以上之波長帶寬之照明光。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之形狀測定裝置，其中，前述微分算子，具有對前述對象影像之矚目像素之像素值、於影像取得間隔中較前述對象影像先拍攝之第1參考影像中像素位置與前述矚目影像一致之像素之周邊四像素之像素值、以及於前述影像取得間隔中較前述對象影像後拍攝之第2參考影像中像素位置與前述矚目影像一致之像素之周邊四像素之像素值賦予權重之係數；前述第1及第2參考影像中之前述周邊四像素之像素位置彼此不同。
  8. 如申請專利範圍第7項之形狀測定裝置，其中，前述影像取得間隔，係較從前述照明部射出之照明光之中心波長區小。
  9. 一種使用申請專利範圍第5項之形狀測定裝置進行之影像處理方法，其特徵在於，具有：第1步驟，在以前述移動機構使前述被測定物相對前述攝影裝置每移動前述移動節距之同時，從前述複數個影像抽出與前述被測定物表面中同一處相符之部分並求出前述抽出之部分之表面高度，以求出前述抽出之部分中前述表面高度之次數分布；第2步驟，根據前述次數分布算出前述表面高度之機率密度函數，求出前述機率密度函數為最大之前述表面高度作為前述抽出之部分之前述表面高度之真值；以及第3步驟，根據求出為前述真值之前述表面高度生成前述被測定物表面之影像。
  10. 一種觀察裝置，其特徵在於，具備：成像系統，藉由將來自被測定物之某一點之光束在成像面聚光於既定區域，以將前述被測定物之像在前述成像面形成；攝影裝置，在前述成像系統之光軸上至前述被測定物之距離不同之複數個位置拍攝前述被測定物之像，並就各距離輸出前述影像資料；影像選擇部，係從自前述攝影裝置輸出之影像資料中選擇至前述被測定物之距離不同之第1影像資料與第2影像資料；變化資訊輸出部，係輸出構成前述影像選擇部選擇之前述第1影像資料之像素中之各像素與前述第2影像資料之像素之輸出變化，該第2影像資料之像素，係以與構成前述第1影像資料之各像素之位置對應之構成第2影像資料之像素之位置為中心，位於前述光束聚集之區域內；以及高度資訊決定部，根據來自前述變化資訊輸出部之輸出，從構成前述第1影像資料之像素中特定出作為聚焦位置之像素，根據取得前述第1影像資料時之至前述被測定物之距離，決定與前述特定出之像素對應之前述被測定物表面之高度資訊。
  11. 如申請專利範圍第10項之觀察裝置，其中，前述變化資訊輸出部，係輸出構成前述影像選擇部選擇之前述第1影像資料之像素中之各像素與前述第2影像資料之像素之輸出變化，該第2影像資料之像素，係位於與構成前述第1影像資料之各像素之位置對應之構成第2影像資料之像素相鄰之位置。
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