專利名稱：高度測量方法和高度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高度測量方法并且涉及一種高度測量裝置。
背景技術(shù)：
為了測量對象的表面的高度，現(xiàn)有技術(shù)中需要為用于獲得測量對象的表面的圖像的光學(xué)系統(tǒng)補充用于測量高度的光學(xué)系統(tǒng)，例如，激光照射光學(xué)系統(tǒng)、共焦光學(xué)系統(tǒng)、白光干涉光學(xué)系統(tǒng)、多個電子顯微鏡的檢測器等等(例如，參見專利文獻I)。現(xiàn)有技術(shù)列表專利文獻專利文獻I :日本特開專利公開No. 2001-289621 (A)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題然而，對于如上所述的補充光學(xué)系統(tǒng)或者裝置，增加了整個設(shè)備的復(fù)雜程度，并且這導(dǎo)致了設(shè)備的尺寸和價格的增加，這一點是不利的。鑒于前述問題做出了本發(fā)明，本發(fā)明的目的在于提供一種高度測量方法和高度測量裝置，從而即使在使用包括用于焦點位置的相對掃描系統(tǒng)和圖像形成系統(tǒng)的簡單光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造時，也能夠以高精度測量高度。解決問題的手段為了解決上述問題，在本發(fā)明的第一方面，一種高度測量方法，包括沿著用于在第一表面上形成測量對象的圖像的光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對移動測量對象和該光學(xué)系統(tǒng)；以及基于第一表面上的亮度變化測量測量對象的相對高度，其中，該方法進一步包括求出指示與相對移動有關(guān)的亮度變化并且基于與相對移動有關(guān)的亮度變化較大的部分的第一特性與指示與測量對象的測量期間的相對移動有關(guān)的亮度變化的第二特性之間的相關(guān)度；以及基于該相關(guān)度求出相對高度。高度測量方法還能夠包括使用相對移動對于第一特性和第二特性相對移動時的相關(guān)度的變化執(zhí)行偏微分，以求出相關(guān)度達到最大時的相對移動量；以及使用該相對移動量作為相對高度。在本發(fā)明的第二方面，一種高度測量方法包括沿著用于在第一表面上形成測量對象的圖像的光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對移動測量對象和光學(xué)系統(tǒng)；捕獲該第一表面的圖像；以及基于形成的圖像測量測量對象的相對高度，該方法進一步包括對于獲得的多個圖像的各像素，基于擬合到包括光軸上的位置和像素的光強度值的特性的第一函數(shù)定義第二函數(shù)；以及使用當測量期間獲得的特性和第二函數(shù)之間的相關(guān)值示出極值時的光軸上的位置用作對應(yīng)于像素的位置處的測量對象的相對高度。在高度測量方法中，第二函數(shù)還能夠是其中對第一函數(shù)的一階微分函數(shù)的絕對值或者該一階微分函數(shù)進行平方的函數(shù)。
在高度測量方法中，第二函數(shù)還能夠是其中第一函數(shù)乘以常數(shù)的函數(shù)。高度測量方法還能夠包括確定想要的移動量以獲得對應(yīng)于像素的位置處的測量對象的相對高度，在所述想要的移動量的情況下，通過使用移動量對在光軸的方向上已經(jīng)相對地移動了移動量的第二函數(shù)與測量期間獲得的特性之間的相關(guān)度執(zhí)行偏微分獲得零值。根據(jù)本發(fā)明的高度測量裝置包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)能夠形成測量對象的圖像；驅(qū)動部，該驅(qū)動部用于沿著光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對移動測量對象和/或光學(xué)系統(tǒng)；相機，該相機用于捕獲圖像；以及控制部，該控制部用于重復(fù)地執(zhí)行相對移動和圖像捕獲并且用于基于通過捕獲圖像獲得的多個結(jié)果執(zhí)行高度測量。在高度測量裝置中，采用下述構(gòu)造其中光學(xué)系統(tǒng)是顯微鏡；并且顯微鏡的物鏡在光軸方向上相對于測量對象相對移動，并且執(zhí)行掃描。
在高度測量裝置中，可以采用下述構(gòu)造其中顯微鏡是暗場光學(xué)顯微鏡、偏振顯微鏡、熒光顯微鏡、差分干涉顯微鏡、雙光束干涉顯微鏡、立體顯微鏡或者變焦顯微鏡，并且其中焦點位置移動機構(gòu)、圖像捕獲機構(gòu)和控制處理器并入在顯微鏡中。在高度測量裝置中，可以采用下述構(gòu)造其中顯微鏡由雙光束干涉顯微鏡構(gòu)成，用于對象的物鏡在光軸方向上相對于測量對象相對移動并且執(zhí)行掃描。在高度測量裝置中，可以采用下述構(gòu)造其中顯微鏡由雙光束干涉顯微鏡構(gòu)成，參考光物鏡和參考光形成鏡在光軸方向上一起移動并且執(zhí)行掃描。本發(fā)明的有利效果根據(jù)本發(fā)明的高度測量方法和使用該方法的高度測量裝置，即使利用使用諸如用于焦點位置的相對掃描系統(tǒng)和圖像形成光學(xué)系統(tǒng)的簡單的光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造，也能夠以高分辨率和高精度測量高度。


圖I示出了高度測量裝置的成像系統(tǒng)的構(gòu)造；圖2示出了經(jīng)由成像系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)點序列；圖3的(a)_ (d)示出了用于確定第二函數(shù)的方法，其中，圖3的(a)示出了第一方法，圖3的(b)示出了第二方法，圖3的(c)示出了第三方法，并且圖3的(d)示出了第四方法；圖4的(a)_ (d)示出了根據(jù)本示例的高度測量方法，其中，圖4的(a)示出了數(shù)據(jù)點序列和第一函數(shù)，圖4的(b)示出了第二函數(shù)，圖4的(c)示出了第二函數(shù)已經(jīng)移位的情況，并且圖4的(d)示出了相關(guān)值；圖5是示出用于確定第二函數(shù)的過程的框圖；圖6示出了使用顯微鏡的高度測量裝置的構(gòu)造；圖7是示出用于確定相關(guān)值最大坐標值的過程的框圖；圖8的(a) - (b)示出了用于獲取圖像的方法，其中，圖8的(a)示出了用于獲取圖像的步驟，并且圖8的(b)示出了用于在各圖像存儲器中存儲圖像的過程；圖9示出了通過數(shù)字算符進行的卷積演算；圖10是示出用于確定最終高度的過程的框圖；以及
圖11是示出使用雙光束干涉顯微鏡的高度測量裝置的示意性構(gòu)造圖。
具體實施例方式下面參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例。該描述將首先參考圖I描述根據(jù)本示例的高度測量裝置。圖I是高度測量裝置的成像系統(tǒng)的基本構(gòu)造的一個示例，并且包括圖像捕獲元件30和圖像形成系統(tǒng)20，該圖像形成系統(tǒng)20包括用于收集來自測量對象10的光的物鏡21和成像透鏡22，其用于收集從物鏡21發(fā)射的光并且用于在圖像捕獲元件30上形成位于物鏡21的焦平面上的測量對象10的圖像。圖像捕獲元件30被布置為使得成像表面位于成像透鏡22的焦點位置處，采用下述構(gòu)造其中來自測量對象10的表面的光由物鏡21變?yōu)槠叫泄馔坎⑶胰肷涞匠上裢哥R22上，并且測量對象10的表面的圖像形成在圖像捕獲元件30的成像表面上，然后該圖像由圖像捕獲元件30捕獲。測量對象10相對于物鏡21的相對位置(支撐測量對象10的載物臺的相對位置)能夠移動和調(diào)整。例如，能夠使用壓電驅(qū)動機構(gòu)來調(diào)整物鏡21的豎直位置，能夠?qū)ο鄬ξ恢眠M行非常微小且高精度的調(diào)整。
在如上所述構(gòu)造的高度測量裝置中，當測量測量對象10的高度時，物鏡21沿著圖像形成光學(xué)系統(tǒng)20的光軸相對于測量對象10相對移動(可以如上所述地通過壓電驅(qū)動機構(gòu)移動物鏡21，移動支撐測量對象10的載物臺或者對這兩種移動方式進行組合)，從而物鏡的焦點位置相對于測量對象10相對移動；由圖像捕獲元件30獲取和存儲測量對象10的多個連續(xù)圖像，并且獲取每個圖像時的光軸上的相對位置被與每個圖像關(guān)聯(lián)地存儲。在以該方式獲取的多個圖像中的每個圖像中，獲得圖2中所示的數(shù)據(jù)點序列(數(shù)值序列)M，其中，作為給定像素的光強度值(下面稱為“濃度”)的“I”和作為每個圖像的光軸上的位置的“Z”被繪制到圖上。這里，數(shù)據(jù)點序列M表示為M (Zi, Ii)，其中i=l至n。“i”是如上所述連續(xù)獲取的圖像的序號，并且示出了已經(jīng)獲取了 “η”個圖像的情況。如圖2中所示，經(jīng)由上述圖像形成光學(xué)系統(tǒng)20獲取的圖像的濃度I在物鏡21的焦平面和測量對象10的表面(測量表面)彼此匹配時達到最大值。為此，在傳統(tǒng)方法中，通過找出最佳地擬合到數(shù)據(jù)點序列M的函數(shù)并且找出該函數(shù)(濃度)達到最大值時的光軸上的位置來測量測量對象10的高度。例如，作為傳統(tǒng)技術(shù)的日本特開專利公開2009-276269中公開的方法涉及下述方法，其中，使用傅立葉變換來確定最佳地擬合到數(shù)據(jù)點序列M的函數(shù)，并且基于該函數(shù)的相位項獲得高度數(shù)據(jù)。該方法在函數(shù)擬合到獲取的數(shù)據(jù)點序列時具有關(guān)于自由度的振幅項和相位項，并且因此，出現(xiàn)了在確定相位項時存在冗余并且相位項的高度的分辨率較低的問題。鑒于此，如下面所示，根據(jù)本示例的高度測量方法被構(gòu)造為求出在預(yù)先設(shè)置的函數(shù)(第二函數(shù)g)沿著光軸相對于數(shù)據(jù)點序列M移動時的濃度與數(shù)據(jù)點序列的相關(guān)值，并且基于該相關(guān)值達到峰值時的位置計算測量對象10的高度位置。更具體地，在其上布置有參考板(具有均勻反射率的表面的平板)來替代測量對象的情況下，如上所述地使用上述高度測量裝置來測量數(shù)據(jù)點序列M，并且求出最佳地擬合到數(shù)據(jù)點序列M的第一函數(shù)f。這里，原點被定義為第一函數(shù)f中的濃度I達到最大值(示出峰值)時的光軸上的位置Zp。接下來，求出用于求出測量對象10的高度的第二函數(shù)g，并且該第二函數(shù)g用于測量測量表面10的表面上的各位置(其對應(yīng)于圖像捕獲元件30的各像素)處的高度。更具體地，如下面所描述的，求出第二函數(shù)g沿著光軸相對于數(shù)據(jù)點序列M移動時濃度與數(shù)據(jù)點序列M的相關(guān)值，并且基于該相關(guān)值達到峰值時的位置計算測量對象10的高度位置。下面描述用于求出第一函數(shù)f和第二函數(shù)g的方法。首先，如上所述，獲取數(shù)據(jù)點序列M，并且求出最佳地擬合到獲取的數(shù)據(jù)點序列M的函數(shù)以用作第一函數(shù)f。這時，圖2中所示的Z軸的原點(Zp)用作Zi的值，其具有通過采樣獲得的濃度Ii的最大值。根據(jù)圖像形成光學(xué)系統(tǒng)20的焦點深度和其它關(guān)系，焦點位置附近的數(shù)據(jù)點序列M中的濃度Ii的變化變得較小，并且因此，在第一函數(shù)f直接用于求出濃度Ii的峰值的情況下，測量準確性不是特別高。鑒于此，在本方法中，用于利用數(shù)據(jù)點序列M中濃度的變化較大的部分來求得光軸方向上濃度I達到峰值(或者從峰值離開)的位置Z的第二函數(shù)g用于求得濃度I的峰值(或者從峰值離開)。更具體地，選擇能夠利用濃度在第一函數(shù)f達到峰值的部分之前和之后的變化較大的部分求得相關(guān)值的函數(shù)形式作為第二函數(shù)g。具體地，使用下述方法來基于第一函數(shù)f生成第二函數(shù)g。由于在變化較大的部分處以該方式求得相關(guān)度，因此，能夠準確地求得測量對象10的高度位置。光學(xué)系統(tǒng)和測量對象沿著光軸相對移動時的濃度(亮度) 的變化特性(方式)是由光學(xué)系統(tǒng)確定的特性并且因此，第一函數(shù)f也能夠被確定為對應(yīng)于光學(xué)系統(tǒng)。下面將描述用于基于第一函數(shù)f生成第二函數(shù)g的方法的若干示例?，F(xiàn)在參考圖3的(a)描述用于產(chǎn)生第二函數(shù)g的第一方法。圖3的(a)的左側(cè)示出了圖2中所示的最佳地擬合到數(shù)據(jù)點序列M的第一函數(shù)f并且濃度Ii達到最大值的位置為原點(Zp)。圖3的(a)的右側(cè)示出的第二函數(shù)g表示通過對第一函數(shù)f的一階微分進行平方或者對第一函數(shù)f的一階微分取絕對值獲得的結(jié)果。在例如第一函數(shù)f具有圖2中所示的形狀的情況下，第二函數(shù)g將具有分別對應(yīng)于第一函數(shù)f中Y的值增加的部分和Y的值減小的部分形成達到峰值的兩個部分的形狀。第二函數(shù)g中達到峰值的兩個部分的中間(中心)將是原點(Zp)。原點(Zp)不必是峰值部分的中間(中心)?，F(xiàn)在參考圖3的(b)描述用于產(chǎn)生第二函數(shù)g的第二方法。在該方法中，在圖3的(b)的左側(cè)示出的第一函數(shù)f的一階差分單調(diào)減小或增大的情況下，該一階差分在增大的起點或者減小的終點附近達到峰值。在該情況下，當以上述方式使用一階差分達到峰值的部分來產(chǎn)生第二函數(shù)g時，將利用具有小的濃度的采樣數(shù)據(jù)來求出相關(guān)度，并且將導(dǎo)致誤差。為此，在第一函數(shù)f等于預(yù)先設(shè)置的閾值的兩個點處達到最大或最小值的函數(shù)將用作第二函數(shù)g。在該情況下，第二函數(shù)g也具有與第一方法類似的形狀。也能夠使用在不管閾值如何而能夠夾持第一函數(shù)f的峰值(焦點位置)的任意兩個位置具有峰值的第二函數(shù)g?，F(xiàn)在參考圖3的(C)描述用于產(chǎn)生第二函數(shù)g的第三方法。在該方法中，在圖3的(C)的左側(cè)示出的第一函數(shù)f的一階差分單調(diào)減小或者單調(diào)增大的情況下，在第一函數(shù)f等于預(yù)先設(shè)置的閾值的兩個點之間為I并且在其它點為O的函數(shù)用作第二函數(shù)g。在該情況下，第二函數(shù)g將是臺階狀函數(shù)。現(xiàn)在將參考圖3的(d)描述用于產(chǎn)生第二函數(shù)g的第四方法。在該方法中，圖3的(d)的左側(cè)示出的第一函數(shù)f被乘以常數(shù)以用作第二函數(shù)g。在常數(shù)為I的情況下，第一函數(shù)f和第二函數(shù)g將是相同的。在前面的描述中，根據(jù)使用參考板來進行測量時得到的結(jié)果(數(shù)據(jù)點序列)來求得第二函數(shù)g，但是也能夠預(yù)先使用測量對象10來進行測量并且根據(jù)測量結(jié)果來求得第二函數(shù)g。還能夠使用在能夠夾持第一函數(shù)f的峰值(焦點位置)的任意兩個位置處具有峰值的第二函數(shù)而沒有基于測量結(jié)果來求得第二函數(shù)g。
在下面的描述中，將描述圖4的(b)中所示的第二函數(shù)g由第四方法確定并且用于進行高度測量的情況。更具體地，將描述下述情況，如圖4的(a)中所示，最佳地擬合到經(jīng)由圖像形成光學(xué)系統(tǒng)20計算的參考板的測量值(數(shù)據(jù)點序列M)的第一函數(shù)乘以常數(shù)以確定第二函數(shù)g，如圖4的(b)中所示，并且第二函數(shù)用于進行高度測量。首先，高度測量裝置用于相對于測量對象10相對移動物鏡21，并且物鏡的焦點位置相對于測量對象10相對移動；由圖像捕獲元件30獲取并存儲測量對象10的多個連續(xù)圖像(“η”個圖像)，并且圖像被與光軸上的相對位置Zi (i=l至η)關(guān)聯(lián)地存儲。在以該方式獲取的多個圖像中，對應(yīng)于測量對象10的表面上的預(yù)定位置(Xi，Yi)的像素的濃度(光強度值)示出了高度位置Zi發(fā)生的變化，參見圖4A中由“〇”的標記示出的數(shù)據(jù)點序列M(Zi,Ii)。在測量測量對象10的高度之前，預(yù)先通過圖5中所示的過程確定第二函數(shù)g。關(guān)于 該過程，首先，根據(jù)使用參考板測量的數(shù)據(jù)預(yù)先確定最佳地擬合到數(shù)據(jù)點序列M的函數(shù)(SP是圖4的(a)中用實線示出的函數(shù)的函數(shù)f)(步驟S400)。然后，在改變物鏡21和測量對象10的相對位置的同時經(jīng)由圖像形成光學(xué)系統(tǒng)20從由圖像捕獲元件獲取的多個圖像提取特定像素的數(shù)據(jù)點序列M，從而通過最小二乘法等方法確定第一函數(shù)f的參數(shù)(步驟S401 )。基于以該方式確定的第一函數(shù)f通過上述第四方法確定第二函數(shù)g(步驟S402)。在圖4的(b)中示出了該第二函數(shù)g。接下來，如圖4C中所示，在光軸方向(Z軸方向)上在預(yù)定范圍內(nèi)移動第二函數(shù)g，并且求出每個測量點Zi的濃度Ii與對應(yīng)的測量點Zi處的第二函數(shù)g的值之間的相關(guān)值E。該相關(guān)值E表示為下面的等式(I)。這里，a表示第二函數(shù)g在Z軸方向上移動的量。E= Σ (Ii · g (Zi-a)) (I)當如圖4的(C)中所示，從負到正地移動了移動量a并且求出濃度Ii與第二函數(shù)g (Zi-a)之間的相關(guān)值E時，移動量a的較大的絕對值對應(yīng)于較小的相關(guān)值，如圖4的(d)中所示；相關(guān)值在移動量a為O附近達到峰值。為了求得由等式(I)表示的相關(guān)值E的峰值(最大值)，利用移動量a對等式(I)進行偏微分，如下面的等式(2)中所示，并且求出當偏微分值達到O時的移動量a。dE/da = O(2)用于求得滿足該等式(2)的移動量a的可能方法包括解析地確定該量、牛頓方法、逐次迭代或者類似的數(shù)值計算技術(shù)。當以該方式對于每個高度位置Zi根據(jù)等式等式(2)求出根據(jù)濃度Ii和第二函數(shù)g (Zi-a)求出的相關(guān)值E達到峰值時的移動量a的值時，在Ps為用作原點的測量點的Z軸上的值的情況下，Ps+a為對應(yīng)于對應(yīng)像素的位置處的測量對象10的相對高度值。如果求出兩個位置之間的高度差，則該高度差將是該兩個位置處相關(guān)值E達到峰值的移動量a的差。上面描述了第二函數(shù)g在光軸方向上相對于數(shù)據(jù)點序列M移動以求出相關(guān)值的情況，但是也可以采用下述構(gòu)造，其中第二函數(shù)g固定并且數(shù)據(jù)點序列M在光軸方向上移動以求出相關(guān)值。示例(示例I)參考圖6描述示例1，示例I是上述高度測量方法應(yīng)用于使用顯微鏡裝置的高度測量裝置的情況。該高度測量裝置100包括成像裝置109，其用于在多個高度位置中的每個高度位置處獲取測量對象105的上表面的圖像；控制處理器110，其用于控制成像裝置109的操作并且用于根據(jù)獲取的圖像計算測量對象105的相對高度值；以及顯示裝置111，用于顯示來自控制處理器110的處理結(jié)果。成像裝置109包括成像相機101，其具有內(nèi)置的圖像捕獲元件；顯微鏡的鏡筒裝置102，其具有內(nèi)置的光學(xué)系統(tǒng)(成像透鏡)；顯微鏡的物鏡104 ;壓電驅(qū)動裝置103，其用于向上或向下驅(qū)動顯微鏡的物鏡104并且在相對于測量對象105的上下相對位置壓電地掃描，該壓電驅(qū)動裝置具有壓電元件；顯微鏡的樣品載物臺106，其上布置有測量對象105 ;顯微鏡的照明裝置107，其容納用于發(fā)射白光的光源并且照亮測量對象105 ;以及顯微鏡底部108，其用于支撐顯微鏡的鏡筒裝置102和顯微鏡的照明裝置107?，F(xiàn)在描述使用高度測量裝置100對測量對象10的上表面進行的高度測量。首先，如圖7中所示，在高度測量裝置100中，由控制處理器110將信 號發(fā)送給壓電驅(qū)動裝置103，并且顯微鏡的物鏡104的焦點位置移動到預(yù)定位置(步驟S410)。利用從顯微鏡的照明裝置107照射的光照射被放置在顯微鏡的樣品載物臺106上的測量對象105。從測量對象105的表面反射的光通過顯微鏡的物鏡104和顯微鏡的鏡筒裝置102 (通過成像透鏡)，并且集中到成像相機101的成像表面上，并且因此，由成像相機101捕獲測量對象105的圖像。以該方式從成像相機101獲取的數(shù)字圖像被發(fā)送到控制處理器110 (步驟S411)?？刂铺幚砥?10存儲獲取的圖像的像素的濃度，或者通過下述處理計算由濃度求得的數(shù)值(針對每個像素的校正值或者局部合焦度)(步驟412)。然后，控制壓電驅(qū)動裝置103并且重復(fù)焦點位置的移動和圖像的捕獲直到對于每個像素獲取了預(yù)定數(shù)目的數(shù)據(jù)點(步驟S413)。此外，針對相關(guān)值E達到最大值的采樣點，通過解析或者數(shù)值計算技術(shù)求出相關(guān)值E的偏微分達到O的采樣點之間的移動量的值，并且保存該值(步驟413)。在上述步驟412中，計算了已經(jīng)對濃度進行了處理的數(shù)值；這是因為，在某些情況下，與不改變地使用獲取的圖像的每個像素的濃度的情況相比，基于每個像素周邊的像素的濃度對濃度進行校正的處理能夠在相關(guān)值E的計算中實現(xiàn)更大的精確度。鑒于此，現(xiàn)在將參考圖8和圖9描述用于在步驟S412中計算每個像素的校正值(局部合焦度)的方法。如上所述，控制處理器110以單個圖像為單位在提供給控制處理器110的圖像存儲器中存儲按順序從成像相機101輸入的成像圖像；而且，在獲取了新的圖像時對存儲的圖像進行連續(xù)的更新。這里，控制處理器110被假定為具有三個數(shù)字圖像存儲器31-33。例如，如圖8A中所示，首先，當在以預(yù)定采樣間隔Λ P逐個依次獲取圖像Pl，Ρ2，Ρ3，. . . Pn的步驟中獲取第一(初始)圖像Pl時，將圖像Pl存儲在第一數(shù)字圖像存儲器31中。然后，當獲取下一個(第二)圖像Ρ2時，將圖像Pl轉(zhuǎn)移到第二數(shù)字圖像存儲器32并且存儲在其中，并且相應(yīng)地將圖像Ρ2存儲在第一數(shù)字圖像存儲器31中。接下來，當獲取第三圖像Ρ3時，相繼地將圖像Pl轉(zhuǎn)移到第三數(shù)字圖像存儲器33并且將圖像Ρ2轉(zhuǎn)移到第二數(shù)字圖像存儲器32 ;相應(yīng)地，將輸入的圖像Ρ3存儲在第一數(shù)字圖像存儲器31中(參見圖8的(b))。當獲取第四圖像P4時，相繼地將圖像P4轉(zhuǎn)移并且存儲在第一數(shù)字圖像存儲器31中，將圖像P3轉(zhuǎn)移并存儲在第二數(shù)字圖像存儲器32中，并且將圖像P2轉(zhuǎn)移并存儲在第三數(shù)字圖像存儲器33中；從數(shù)字圖像存儲器31-33刪除初始獲取的圖像P1。當連續(xù)地獲取圖像時，輸入的圖像被連續(xù)地更新并且按照所述的順序相繼地存儲在第一數(shù)字圖像存儲器31、第二數(shù)字圖像存儲器32和第三數(shù)字圖像存儲器33中。因此，每次連續(xù)逐個地輸入圖像時，存在下述狀態(tài)，其中圖像存儲器31-33中的每一個已經(jīng)逐個地存儲了在上下方向上以采樣間隔ΛΡ相互移位的情況下獲取的圖像。這時，每次獲取圖像時，控制處理器110執(zhí)行以下操作。首先，設(shè)置將在下面描述的用于獲取局部合焦度的像素設(shè)置的像素。在下文中，將用于獲取局部合焦度的像素描述為“關(guān)注像素”。接著，基于設(shè)置的像素的位置，從數(shù)字圖像存儲器31、32、33中存儲的圖像數(shù)據(jù)的像素中指定由數(shù)字算符(差分算符)ΟΡΙΟ、0P20、0P30作用的目標像素。由數(shù)字算符0P10.0P20.0P30作用的像素的值乘以根據(jù)數(shù)字算符的系數(shù)，以利用預(yù)定計算等式來獲取局部合焦度。以該方式，從依次采樣的三組圖像數(shù)據(jù)連續(xù)地獲取局部合焦度的候選值，并且獲取局部合焦度。因此以像素為單位求出局部合焦度(LFS)。更具體地，除了第二數(shù)字圖像存儲器32中存儲的圖像的最外圍的像素之外的所有像素都是用于計算局部合焦度的目標。這里，在以采樣間隔ΛΡ依次獲取圖像Ρ1，Ρ2，Ρ3，···Ρη的處理中，在Pkl0、Pk20、Pk30是分別存儲在數(shù)字圖像存儲器31、32和33中的任意想要的圖像(參見圖9)的情況下， 針對第二數(shù)字圖像存儲器32中存儲的圖像Pk20內(nèi)的每個像素(關(guān)注像素)計算局部合焦度。如圖9中所示，通過下述方式執(zhí)行局部合焦度的計算在第二數(shù)字圖像存儲器32中存儲的圖像Pk20中提取中心位于關(guān)注像素(像素值G25)的3X3像素的像素塊B20 ;在第一數(shù)字圖像存儲器31中存儲的圖像PklO中提取其中像素位置對應(yīng)于像素塊20的像素位置的3X3像素的像素塊BlO ;并且在第三數(shù)字圖像存儲器33中存儲的圖像Pk30中提取其中像素位置對應(yīng)于像素塊B20的像素位置的3X3像素的像素塊B30 ;以及在像素塊B10、B20、B30與各對應(yīng)的數(shù)字算符ΟΡΙΟ、0P20、0P30之間進行卷積運算(積-和運算)。在這里，在像素塊BlO中，關(guān)注像素(像素值G25)將是計算對象(基準)；在像素塊B30中，在3X3像素中，位于四個角的像素(像素值G31、G33、G37、G39)將是計算對象；并且在像素塊BlO中，在3 X 3像素中，成十字形狀的像素(像素值G12、G14、G16、G18)將是計算對象。對于數(shù)字算符0P10-0P30，用于關(guān)注像素(G25)的系數(shù)的權(quán)重為24，并且用于其周邊像素(G31，G33，· · ·，G12，G14，· · ·)的權(quán)重均被設(shè)置為_3。如下面的等式(3)所示地，針對這些計算對象的九個像素值使用數(shù)字算符0P10-0P30，通過卷積運算求出關(guān)注像素的局部合焦度LFS。LFS=24XG25+{_3 X (G12+G14+G16+G18)}+{-3X (G31+G33+G37+G39)} (3)根據(jù)示例I的高度測量裝置100被構(gòu)造為在上述步驟412中，局部合焦度LFS被用作校正后的濃度來執(zhí)行上述處理。下面，如圖10中所示，以前述方式測量并計算的每個像素的相關(guān)值E的絕對值的最大點(其中，“Ps”是坐標值)被用于使用解析地求解的方法、牛頓方法、逐次迭代或者類似的數(shù)值計算技術(shù)求解等式(I)和(2 )，從而獲得每個像素的移動量a的值(步驟S420 )。對于每個像素計算的Ps+a (或a)然后被保存作為該像素的相對高度值(步驟S421)。能夠通過下述方式來實施根據(jù)本示例的高度測量方法將焦點位置移動機構(gòu)、圖像捕獲機構(gòu)和控制處理器并入到各種類型的顯微鏡(包括暗場光學(xué)顯微鏡、偏振顯微鏡、熒光顯微鏡、差分干涉顯微鏡、雙光束干涉顯微鏡、立體顯微鏡或者變焦顯微鏡)中。該示例I中的高度分辨率將是用于選擇適當?shù)牡诙瘮?shù)g的值，并且與焦點深度無關(guān)地，光軸方向上的采樣間隔ΛΡ從而被除以m。這里，m是由樣品(對象)相對于物鏡移動時的雙軸模糊、圖像捕獲元件的誤差、當獲得移動量a時的計算誤差等等確定的。在示例I的情況下，d=10nm, m=10000并且高度分辨率為O. OOlnm。 如上所述，在作為傳統(tǒng)技術(shù)的使用傅立葉變換的方法中，擬合到獲取的數(shù)據(jù)點序列的自由度具有振幅項和相位項；因此，在確定相位項時存在冗余，并且相位項的高度分辨率為約O. Inm0然而，在本方案中，第二函數(shù)g的除了相位項之外的所有項都被固定，并且求出相關(guān)值達到峰值的相位項；因此，實現(xiàn)了比傳統(tǒng)方法更高的分辨率(如上所述，O. OOlnm)。此外，傳統(tǒng)的高分辨率高度測量裝置將使用依賴于焦點附近的信號的光軸方向上的寬度的方法，因此需要使用白光干涉儀；然而，使用本方案使得即使當使用具有約3 μ m的焦點深度的亮場顯微鏡時也能夠在適當?shù)剡x擇第二函數(shù)g時實現(xiàn)采樣間隔ΛΡ的約萬分之一的分辨率。 (示例2)在上述示例I中，描述了根據(jù)示例I的高度測量方法應(yīng)用于使用顯微鏡的高度測量裝置的情況，然而，還能夠?qū)⒏叨葴y量方法應(yīng)用于使用掃描電子顯微鏡(SEM)的高度測量裝置。在這樣的情況下，處理的過程與示例I的過程類似。如上所述，當使用根據(jù)本示例的高度測量方法時，選擇適當?shù)牡诙瘮?shù)g使得高度分辨率成為通過與焦點深度無關(guān)地將光軸方向上的采樣間隔ΛΡ除以m獲得的值。掃描電子顯微鏡的焦點深度在10000倍的倍率下為約8 μ m。掃描范圍必須是焦點深度的至少三倍；因此，由于獲取的圖像的數(shù)目增加并且當采樣間隔ΛΡ減小時要求更多的時間，因此用作高度測量裝置沒有任何實際的優(yōu)點。為此，在當例如采樣間隔ΛΡ為IOOnm時使用掃描電子顯微鏡的情況下，m能夠被設(shè)置為10000，并且因此，高度分辨率變?yōu)镺. Olnm。使用傳統(tǒng)的SEM的高度測量裝置將具有下述方法，其中使用兩個或更多檢測器來從根據(jù)輸出信號的差預(yù)先設(shè)置的斜率和輸出差的校準曲線求出斜率；這樣求出的斜率然后被積分以求出高度。利用該方法，高度分辨率為約3nm。然而，根據(jù)本方案，能夠?qū)崿F(xiàn)如上所述的O. Olnm的高度分辨率，并且此外，能夠在不改變的情況下使用通常的SEM，并且因此，能夠構(gòu)造成本較低。(示例3)根據(jù)本示例的高度測量方法也能夠應(yīng)用于使用配備有微距鏡頭的相機的高度測量裝置。使用配備有微距鏡頭的相機的高度測量裝置是指配備有微距鏡頭的圖像捕獲相機，該圖像捕獲相機安裝在載物臺上并且經(jīng)由載物臺相對于測量對象的表面相對地移動，從而獲取用于測量高度的圖像。用于測量高度的方法與示例I類似。在使用配備有微距鏡頭的相機的情況下，現(xiàn)有技術(shù)的分辨率為約8 μ m。然而，在本方案中，當微距鏡頭的景深為Imm并且采樣間隔ΔΡ為O. Imm時,分辨率為10nm。為此,能夠?qū)τ诟鱾€階段以較低成本實現(xiàn)高分辨率裝置。(示例4)根據(jù)本示例的方法也能夠應(yīng)用于使用雙光束干涉顯微鏡構(gòu)造的高度測量裝置。圖11示出了使用雙光束干涉顯微鏡的高度測量裝置20，其構(gòu)造如下。該裝置200具有雙光束干涉顯微鏡作為基本構(gòu)造，并且包括圖像捕獲元件201、成像透鏡202、半鏡203、用于對象的物鏡204、參考光物鏡206、參考光形成鏡207和其上布置有測量對象210的載物臺209。圖像捕獲元件201的成像表面201a布置在成像透鏡202的焦點位置處，并且用于對象的物鏡204和參考光物鏡206是焦距相同并且構(gòu)造相同(均具有相同的光學(xué)性能)的透鏡；參考光形成鏡207被布置在參考光物鏡206的焦點位置處。雖然未示出，但是提供了用于將照明光(平行光通量)入射在成像透鏡202和用于對象的物鏡204之間的光學(xué)路徑上的照明裝置，并且以該方式入射的照明光中的一些通過半鏡203并且由用于對象的物鏡204集中以照射已經(jīng)布置在載物臺209上的測量對象210的上表面。照明光的剩余部分在半鏡203上反射并且入射在參考光物鏡206上并且集中在其上以照射參考光形成鏡207。照射測量對象210的上表面的光在該測量對象210的上表面上反射，入射在用于對象的物鏡204上并且形成平行光通量，該平行光通量通過半鏡203，由成像透鏡202收集，并且在圖像捕獲元件201的成像表面201a上形成測量對象210的上表面的圖像。同時，照射參考光形成鏡207的光整體地在該參考光形成鏡207上反射并且返回參考光物鏡206以變?yōu)槠叫泄馔?，該平行光通量由半鏡203部分地反射，由圖像形成透鏡202收集，并且在圖像捕獲元件201的成像表面201a上形成參考光形成鏡207的表面的圖像。 能夠調(diào)整以該方式構(gòu)造的裝置200中的載物臺209的高度位置(光軸方向上的高度位置)，并且當通過這樣的位置調(diào)整使已經(jīng)布置在載物臺209上的測量對象210的上表面位于用于對象的物鏡204的焦點位置處時，從圖像捕獲元件201的成像表面201a到測量對象210的上表面的光學(xué)路徑長度與從圖像捕獲元件201的成像表面201a到參考光形成鏡207的光學(xué)路徑長度變?yōu)橄嗟?。從成像表?01a到半鏡203的部分是共享的光學(xué)路徑，并且因此，從半鏡203到測量對象210上的測量位置的光學(xué)路徑長度(測量光學(xué)路徑長度)和從半鏡203到參考光形成鏡207的光學(xué)路徑長度(參考光學(xué)路徑)將相等。然而，雖然在這里參考光形成鏡207的表面是光滑的，但是根據(jù)測量對象210的表面的不規(guī)則性，也可能出現(xiàn)兩個光學(xué)路徑長度的差，并且可能發(fā)生光學(xué)干涉，但是在使用白光的情況下，只有測量光學(xué)路徑長度和參考光學(xué)路徑長度嚴格匹配的部分將進行明亮的成像。本示例中的高度測量裝置200采用如上所述的雙光束干涉顯微鏡構(gòu)造，并且也能夠采用具有用于在光軸方向上高精度地調(diào)整用于對象的物鏡204的位置的壓電驅(qū)動裝置205的構(gòu)造，該壓電驅(qū)動裝置包括壓電元件。用于對象的物鏡204由該壓電驅(qū)動裝置205在光軸方向上移動，由圖像捕獲元件201獲取多個干涉圖像，并且該多個干涉圖像用于測量測量對象210的上表面的高度。這里的用于測量高度的方法與示例I類似。替代在光軸方向上相對地移動用于對象的物鏡204和測量對象210的構(gòu)造，還能夠采用其中在光軸方向上相對地移動參考光物鏡206和參考光形成鏡207的構(gòu)造。在根據(jù)該示例的使用雙光束干涉顯微鏡的高度測量裝置200中，替代用于在光軸方向上移動用于對象的物鏡204的壓電驅(qū)動裝置205，也能夠采用其中使用用于在光軸方向上一起移動參考光物鏡206和參考光形成鏡207的第二壓電驅(qū)動裝置208的構(gòu)造(或者，替選地，組合這兩種構(gòu)造)。在該構(gòu)造的情況下，使用第二壓電驅(qū)動裝置208來在光軸方向上一起移動參考光物鏡206和參考光形成鏡207使得能夠使用圖像捕獲元件201獲取多個干涉圖像并且使用該多個干涉圖像來測量測量對象210的上表面的高度。附圖標記說明10，210:測量對象
20:圖像形成光學(xué)系統(tǒng)100，200 :高度測量 裝置
權(quán)利要求
1.一種高度測量方法，所述高度測量方法包括沿著在第一表面上形成測量對象的圖像的光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對移動所述測量對象和所述光學(xué)系統(tǒng)；以及基于所述第一表面上的亮度變化測量所述測量對象的相對高度， 其中，所述方法進一步包括求出第一特性與第二特性之間的相關(guān)度；以及基于所述相關(guān)度求出所述相對高度，其中，所述第一特性指示所述亮度相對于所述相對移動的變化并且基于所述亮度相對于所述相對移動變化較大的部分，所述第二特性指示所述亮度相對于所述測量對象的測量期間的所述相對移動的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高度測量方法，所述高度測量方法進一步包括使用所述相對移動對于相對移動所述第一特性和所述第二特性時的所述相關(guān)度的變化進行偏微分，以求出所述相關(guān)度達到最大時的相對移動量；以及使用所述相對移動量作為所述相對高度。
3.一種高度測量方法，所述高度測量方法包括沿著在第一表面上形成測量對象的圖像的光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對移動所述測量對象和所述光學(xué)系統(tǒng)；捕獲所述第一表面的圖像；以及基于捕獲的圖像測量所述測量對象的相對高度， 所述方法進一步包括重復(fù)地執(zhí)行所述相對移動和所述捕獲；并且基于第一函數(shù)定義第二函數(shù)，其中所述第一函數(shù)擬合到由針對所得到的所述多個圖像的每個像素得到的所述光軸上的位置和該像素的光強度值構(gòu)成的特性；以及 把測量時獲得的所述特性和所述第二函數(shù)之間的相關(guān)值示出極值時的所述光軸上的位置作為對應(yīng)于所述像素的位置處的所述測量對象的相對高度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高度測量方法，其特征在于，所述第二函數(shù)是所述第一函數(shù)的一階微分函數(shù)的絕對值或者該一階微分函數(shù)的平方的函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高度測量方法，其特征在于，所述第二函數(shù)是使所述第一函數(shù)成為常數(shù)倍后的函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中的任一項所述的高度測量方法，所述高度測量方法進一步包括求出下述移動量作為對應(yīng)于所述像素的位置處的所述測量對象的相對高度值，其中，在該移動量下，按移動量對以任意的移動量在所述光軸方向上相對移動后的所述第二函數(shù)與測量時獲得的所述特性之間的相關(guān)值進行偏微分而得的值為零。
7.一種高度測量裝置，所述高度測量裝置包括 光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)能夠形成測量對象的圖像； 驅(qū)動部，所述驅(qū)動部沿著所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸相對移動所述測量對象和所述光學(xué)系統(tǒng)中的至少一個； 相機，所述相機捕獲所述圖像；以及 控制部，所述控制部重復(fù)地執(zhí)行所述相對移動和所述捕獲，并且基于所得到的多個捕獲結(jié)果執(zhí)行權(quán)利要求I至6中的任一項所述的高度測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高度測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)是顯微鏡，所述顯微鏡的物鏡在光軸方向上相對于所述測量對象相對移動而進行掃描。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高度測量裝置，其特征在于，采用了下述構(gòu)造所述顯微鏡是暗場光學(xué)顯微鏡、偏光顯微鏡、突光顯微鏡、差分干涉顯微鏡、雙光束干涉顯微鏡、立體顯微鏡或者變焦顯微鏡，并且焦點位置移動機構(gòu)、圖像捕獲機構(gòu)和控制處理器組合在所述顯微鏡中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高度測量裝置，其特征在于，所述顯微鏡由雙光束干涉顯微鏡構(gòu)成，使對象物用的物鏡在光軸方向上相對于所述測量對象相對移動而進行掃描。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高度測量裝置，其特征在于，所述顯微鏡由雙光束干涉顯微鏡構(gòu)成，參考光用物鏡和參考光形成鏡在光軸方向上一起移動而進行掃描。
全文摘要
一種高度測量裝置(100)，其中圖像形成光學(xué)系統(tǒng)(20)的焦點位置在光軸方向上相對于測量對象(10)相對地移動；執(zhí)行掃描；依次獲得由圖像形成光學(xué)系統(tǒng)(20)形成的測量對象(10)的圖像；并且求出圖像的各像素的焦點位置，從而獲得對應(yīng)于像素的位置處的測量對象(10)的相對高度值；其中對于通過掃描獲得的多個圖像的像素，基于包括擬合到光軸上的坐標值和光強度值或者包括坐標值和通過對光強度值進行處理獲得的數(shù)值的數(shù)值序列的第一函數(shù)(f)定義第二函數(shù)(g)；并且數(shù)值序列與第二函數(shù)(g)之間的相關(guān)值變?yōu)樽畲笾祷蜃钚≈禃r的光軸上的位置用作對應(yīng)于像素的位置處的測量對象的相對高度值。
文檔編號G01B11/24GK102884395SQ201180022928
公開日2013年1月16日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者西川孝 申請人:株式會社 尼康