(57)【要約】  本発明は基板上の部分透過層、特に炭素に基づく摩耗保護層の層厚の測定のための干渉測定装置に関し、この層を自動的にその深さ方向（Ｚ）に走査する走査装置を有し、この走査装置を用いて層構造に対して相対的に干渉平面（ＬＥ）がシフト可能であり、白色光干渉計（ＷＬＩ）及び/又は波長走査干渉計（ＷＬＳＩ）を有する干渉計部分（ＩＴ）を有する。本発明はさらに相応の評価方法に関する。
2009509149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の部分透過層の層厚の測定のための干渉測定装置であって、この部分透過層を自動的にその深さ方向（Ｚ）において走査する走査装置を有し、該走査装置によって干渉平面（ＩＥ）が層構造に対して相対的にシフト可能であり、白色光干渉計（ＷＬＩ）及び/又は波長走査干渉計（ＷＬＳＩ）を有する干渉計部分（ＩＴ）を有し、該干渉計部分（ＩＴ）には測定のために照射ユニット（ＬＱ）から入力放射が供給され、該入力放射はビームスプリッタ（ＳＴ）によって分割され、一部分は基準ビーム路を介して基準ビーム（ＲＳＴ）として基準アーム（ＲＡ）に供給され、もう一方の部分はオブジェクトビーム路を介してオブジェクトビーム（ＯＳＴ）として測定において層構造を有するオブジェクトアーム（ＯＡ）に供給され、画像撮影器（ＢＡ）を有し、該画像撮影器（ＢＡ）は基準アーム（ＲＡ）及びオブジェクトアーム（ＯＡ）から戻ってくる干渉する放射を撮影し、電気信号に変換し、ならびに測定結果を供給するための後置配置された評価装置（ＡＷ）を有する、基板上の部分透過層の層厚の測定のための干渉測定装置において、
同じままである基準ビーム路及びオブジェクトビーム路において所属の走査路が場合によっては境界面の予期される深さ構造を含めて少なくとも２つの互いに連続的に配置された検出すべき層構造の境界面の予期される又は事前測定においてもとめられた間隔と少なくとも同じ大きさに構成されているように、走査装置は形成されており、
さらにａ）白色光干渉計（ＷＬＩ）として照射ユニット（ＬＱ）を有する干渉計部分（ＩＴ）の形成において、入力放射のコヒーレンス長（ＬＣ）はせいぜい深さ走査において連続的に発生するコレログラムの干渉最大値が検出すべき境界面において異なるような大きさに選択され、及び/又は
ｂ）波長走査干渉計（ＷＬＳＩ）として照射ユニットを有する干渉計部分（ＩＴ）の形成において、狭帯域の常に同調可能な入力放射を有する照射ユニット（ＬＱ）が形成され、この入力放射の帯域幅は、検出すべき連続的に存在する境界面の最小の予期される又は測定により推定された間隔が解像できるほどの大きさに選択され、及び/又は、
ｃ）スペクトル広帯域の照射ユニット及び検出器として波長走査光学スペクトルアナライザを有する波長走査干渉計（ＷＬＳＩ）としての干渉計部分（ＩＴ）の形成において、入力放射の帯域幅は、検出すべき連続的に存在する境界面の最小の予期される又は測定により推定された間隔が解像できるほどの大きさに選択され、及び、
ｄ）照射ユニット（ＬＱ）の使用される波長スペクトルはスベクトル透過性に関して測定すべき層に適合されており、この層は少なくとも部分的に透過されることを特徴とする、基板上の部分透過層の層厚の測定のための干渉測定装置。
【請求項２】
測定すべき層は炭素に基づく摩耗保護層（Ｃ層）であり、照射ユニット（ＬＱ）の波長スペクトルは近赤外線スペクトル領域（ＮＩＲ）にあることを特徴とする、請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
照射ユニット（ＬＱ）の波長スペクトルは１１００ｎｍ〜１８００ｎｍまでの領域にあることを特徴とする、請求項１又は２記載の測定装置。
【請求項４】
照射ユニット（ＬＱ）はレーザポンピングされるフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）を有することを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の測定装置。
【請求項５】
画像撮影器（ＢＡ）はｘ／ｙ方向における面分解能を有し、この面分解能はｘ／ｙ方向における層表面の局所的高さ変化の結像よりも高いことを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項記載の測定装置。
【請求項６】
画像撮影器（ＢＡ）はInGaAs-CCDカメラであることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の測定装置。
【請求項７】
基準アーム（ＲＡ）は基準面（ＲＦ）として形成されたシフト可能な基準ミラー（ＲＳ）を有することを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の測定装置。
【請求項８】
基準面（ＲＦ）は圧電式位置調整ユニット（ＶＥ）によってシフト可能であることを特徴とする、請求項７記載の測定装置。
【請求項９】
基準アーム（ＲＡ）及び/又はオブジェクトアーム（ＯＡ）はレンズ系（ＬＳ２、ＬＳ３）を有し、該レンズ系（ＬＳ２、ＬＳ３）はＮＩＲマイクロスコープ対物レンズとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のうちの１項記載の測定装置。
【請求項１０】
評価装置（ＡＷ）にはアルゴリズムがプログラミングされており、境界面において生じるコレログラム（ＫＧ）の順序による割り当てが深さ走査サイクルの間に行われることにより、これらのアルゴリズムによって層の境界面が互いに別個に検出可能であることを特徴とする、請求項１〜９のうちの１項記載の測定装置。
【請求項１１】
基板上の部分透過層の層厚の干渉測定のための方法であって、干渉平面（ＩＥ）はオブジェクトビーム路に導かれるオブジェクトビーム（ＯＳＴ）の光路長によって及び基準ビーム路に導かれる基準ビーム（ＲＳＴ）の光路長によって決定されており、前記干渉平面（ＩＥ）は層構造の深さ走査のために深さ方向（Ｚ）に層の位置に対して相対的にシフトされ、干渉パターンが白色光干渉法又は波長走査干渉法の方法によって発生され、前記干渉パターンは画像撮影器（ＢＡ）によって撮影され、評価装置（ＡＷ）によって自動的に評価され、その結果、層構造の境界面に関連する測定結果が示される、基板上の部分透過層の層厚の干渉測定のための方法において、
測定すべき層及びこの層を限定する境界面の深さ走査において、オブジェクトビーム（ＯＳＴ）は走査サイクルにおいて同一のオブジェクトビーム路を介して導かれ、基準ビーム（ＲＳＴ）は同一の基準ビーム路を介して導かれ、さらに、
白色光干渉法の方法を適用する場合には干渉計に入力結合される照射ユニット（ＬＱ）の入力放射のコヒーレント長（ＬＣ）はせいぜい深さ走査において連続的に検出すべき境界面で発生するコレログラム（ＫＧ）の干渉最大値が区別されるほどの大きさに選択され、さらに波長走査干渉法の方法を適用する場合には、入力放射の帯域幅は、最小の予期される又は事前測定により推定される検出すべき境界面の間隔が解像できるほどの大きさに選択され、測定すべき層が少なくとも部分的に透過されうる照射ユニット（ＬＱ）の波長スペクトルが選択されることを特徴とする、基板上の部分透過層の層厚の干渉測定のための方法
【請求項１２】
測定のために炭素に基づく摩耗保護層がオブジェクトアーム（ＯＡ）の中に挿入され、入力放射として近赤外線スペクトル領域（ＮＩＲ）が使用されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
コレログラム（ＫＧ）の強度経過はピクセル毎に深さ走査の間に画像撮影器（ＢＡ）によって撮影され、後置接続された評価装置（ＡＷ）に格納されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
コレログラム（ＫＧ）の強度経過は評価装置（ＡＷ）において別個のメモリ領域（ＳＢ１、ＳＢ２・・・）に割り当てられ、深さ走査中に境界面と関連するコレログラムは干渉パターンから得られる強度の最大モジュレーションに基づいてもとめられ、前記メモリ領域（ＳＢ１、ＳＢ２・・・）に割り当てられ、それぞれのコレログラムはその深さ走査位置と関連付けられることを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
評価装置（ＡＷ）において深さ走査中に各画素毎に別個に２つの連続するコレログラム（ＫＧ）が検出され、これらのコレログラムの位置から層の光学的層厚が決定されることを特徴とする、請求項１１〜１４のうちの１項記載の方法。
【請求項１６】
コレログラムの位置はコレログラム（ＫＧ）の包絡線の重心決定によって決定されることを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
２つの部分的に互いにオーバーラップするコレログラム（ＫＧ）の位置の決定において、強度信号の分離の際にこれらの信号の相互影響が考慮されることを特徴とする、請求項１１〜１６のうちの１項記載の方法。
【請求項１８】
層の予め決定された屈折率を用いて光学的層厚から実際の層の層厚が各画素毎に計算されることを特徴とする、請求項１１〜１７のうちの１項記載の方法。
【請求項１９】
層の屈折率は部分被覆された基準サンプルを用いて決定されることを特徴とする、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の部分透過層の層厚の測定のための干渉測定装置に関し、この部分透過層を自動的にその深さ方向において走査する走査装置を有し、前記走査装置によって干渉平面が層構造に対して相対的にシフト可能であり、白色光干渉計及び/又は波長走査干渉計を有する干渉計部分を有し、干渉計部分には測定のために照射ユニットから入力放射が供給され、この入力放射はビームスプリッタによって分割され、一部分は基準ビーム路を介して基準ビームとして基準アームに供給され、もう一方の部分はオブジェクトビーム路を介してオブジェクトビームとして測定において層構造を有するオブジェクトアームに供給され、画像撮影器を有し、画像撮影器は基準アーム及びオブジェクトアームから戻ってくる干渉する放射を撮影し、電気信号に変換し、ならびに測定結果を供給するための後置配置された評価装置を有する。
【０００２】
本発明はさらに基板上の部分透過層の層厚の干渉測定のための方法に関し、干渉平面はオブジェクトビーム路に導かれるオブジェクトビームの光路長によって及び基準ビーム路に導かれる基準ビームの光路長によって決定されており、干渉平面は層構造の深さ走査のために深さ方向に層の位置に対して相対的にシフトされ、干渉パターンが白色光干渉法又は波長走査干渉法の方法によって発生され、干渉パターンは画像撮影器によって撮影され、評価装置によって自動的に評価され、その結果、層構造の境界面に関連する測定結果が示される。
【０００３】
このような干渉測定装置はＤＥ１０１３１７７９Ａ１に記載されている。いわゆる白色光干渉法の測定原理により作動するこの公知の干渉測定装置では、基準光路の長さがオブジェクト光路の長さに対して相対的に変化されることによって、測定オブジェクトの表面構造が深さ方向（ｚ方向）において走査装置により走査され、この結果、干渉平面が基準アームにより導かれる基準ビーム及びオブジェクトアームにより導かれるオブジェクトビームの協働から生じ、この干渉平面はオブジェクト表面に対して相対的にシフトされる。この公知の干渉測定装置の独自性は、同時に測定オブジェクトの複数の面領域が検出され走査され、このために特別な光学系、すなわちいわゆる重畳光学系又は十分に大きな焦点深度を有する光学系又は多重焦点光学系がオブジェクトアームに配置されており、これらの光学系によって同時に異なる面領域が検出されるという点にある。これによって測定すべき異なる面領域に対して相応に異なるビーム路がオブジェクトアームの中に生じ、この結果、これらの面領域が基準光路の光学長に対するオブジェクト光路の光学長の相対的な変化の下で、例えば深さ走査方向における基準ミラーの位置調整によってそのトポグラフィックな表面構造に関して測定される。この構成はとりわけ横方向に互いに並んでいる面領域の走査に適しており、これらの面領域は異なる配向を有するか又は深さ方向においてシフトされていてもよい。異なる面の平行性又は厚さも測定されうる。常にこの場合空間的に互いに別個の面が同時に検出され、この結果、２つの測定すべき面の相対的位置関係を考慮する光学系の適合がオブジェクトアームにおいて行われなければならない。上記の刊行物では基板の上の部分透過層は記述されていない。
【０００４】
ＤＥ１９７２１８４３Ｃ１に示された干渉測定装置でもとりわけ狭い孔の中のオブジェクトの異なる表面領域が部分的に共通のオブジェクトアームを用いて測定され、同様に異なる面領域に割り当てられたオブジェクトビーム路が形成される。この場合、測定された面領域は横方向に互いに別個にあり、この結果、シリンダ孔の丸みが検査される。異なる面領域は割り当てられたオブジェクトビームの異なる偏光方向に基づいて区別される。この場合も異なる面領域の結像はオブジェクトアームを介して同時に行われる。
【０００５】
ＷＯ０１／３８８２０Ａ１に示された更に別の干渉測定装置は同様に白色光干渉法の原理に基づき、次のように構成されている。すなわち、この測定装置によって厚さ、間隔及び/又はプロフィール測定が連続的に配置された層でも行われ、例えば眼科学的測定においても角膜厚さ、心房深さ、網膜層厚又は網膜表面プロフィールが測定される。このために、オブジェクトアームには同様に異なる光路が形成され、これらの光路は異なる層乃至は境界面に割り当てられ、この結果、できるだけ迅速な測定が実現される。異なる測定された表面乃至は境界面の区別及び割り当てのために、オブジェクトビーム（測定ビーム）は例えば異なる偏光方向又は異なる波長のような異なる光学特性を有する。またオブジェクトアームにおける異なるオブジェクト光路の迂回路の変化も可能であるが、感度損失をもたらす。これについてはこの刊行物において指摘されている。
【０００６】
白色光干渉法の基本的な説明はT Dresel, G. Haeusler, H Venzke, "Three-dimensional sensing of rough smiaces by coherence radar", Applied Optics Vol, 20 31,919, 1992及びP. de Groot et L Deck, Journal of Modern Optics, "Surface profiling by analysis of'white-light interferograms in the spatial ffequency domain", Journal of Modern Optics, Vol, 42 389-501,1995に示されている。Kieran G. Larkin ,≫Efiicient nonlinear algorithm for envelope detection m white light mterferometry", J, Opt.Soc, Am, A, (4):832-843,1996にはどのようにいわゆるＦＳＡ法（five-sample-adaptive-Methode）による検出された強度値から特別なアルゴリズムによってコレログラムのモジュレーション（Modulation）Ｍを決定できるかが説明されている。
コレログラムの識別及び評価のための他の方法は干渉コントラストの観察にある。
【０００７】
現在、炭素に基づく摩耗保護層、いわゆるＣ層の層厚を非破壊でかつ十分な速度ならびに精度で測定することは不可能である。現在使用されている方法では層厚測定のためにＣ層が研磨され、従って破壊される（Calotest方法）。商業的に入手できる白色光干渉計（WLI）は高精度で迅速に測定する干渉計測定システムであるが、トポグラフィックな表面しか測定できない（２ 1/2 D測定）。
【０００８】
表面に設けられたＣ層は今日のシステムでは層厚に関しては測定できない。
【０００９】
本発明の課題は、層厚、とりわけＣ層の層厚の測定のための干渉測定装置及び方法を提供することである。
【００１０】
本発明の利点
上記課題は請求項１の特徴部分記載の装置及び請求項１１の特徴部分記載の方法において解決される。
【００１１】
装置においては、走査装置は次のように形成されており、すなわち、
同じままである基準ビーム路及びオブジェクトビーム路において所属の走査路が場合によっては境界面の予期される深さ構造を含めて少なくとも２つの互いに連続的に配置された検出すべき層構造の境界面の予期される又は事前測定においてもとめられた間隔と少なくとも同じ大きさに構成されているように、走査装置は形成されており、白色光干渉計ＷＬＩとして照射ユニットＬＱを有する干渉計部分ＩＴの形成において、入力放射のコヒーレンス長ＬＣはせいぜい深さ走査において互いに連続的に発生するコレログラムの干渉最大値が検出すべき境界面において異なるような大きさに選択され、及び/又は波長走査干渉計ＷＬＳＩとして照射ユニットを有する干渉計部分ＩＴの形成において、狭帯域の常に同調可能な入力放射を有する照射ユニットＬＱが形成され、この入力放射の帯域幅は、予期される最小の又は測定により推定される検出すべき互いに前後して存在する境界面の間隔が解像できるほどの大きさに選択され、及び/又は、スペクトル広帯域の照射ユニット及び検出器として波長走査光学スペクトルアナライザを有する波長走査干渉計ＷＬＳＩとして干渉計部分ＩＴの形成において、入力放射の帯域幅は、検出すべき互いに連続的に存在する境界面の最小の予期される又は測定により推定される間隔が解像できるほどの大きさに選択され、及び、照射ユニットＬＱの使用される波長スペクトルはスベクトル透過性に関して測定すべき層に適合されており、この層は少なくとも部分的に透過される。
【００１２】
方法に関する上記課題は次のことによって解決される。すなわち、
測定すべき層及び層を限定する境界面の深さ走査において、オブジェクトビームＯＳＴは走査サイクルで同一のオブジェクトビーム路を介して導かれ、基準ビームＲＳＴは同一の基準ビーム路を介して導かれ、さらに、白色光干渉法の方法を適用する場合には干渉計に入力結合される照射ユニットＬＱの入力放射のコヒーレント長ＬＣはせいぜい深さ走査において互いに連続的に検出すべき境界面で発生するコレログラムＫＧの干渉最大値が区別されるほどの大きさに選択され、
波長走査干渉法の方法を適用する場合には入力放射の帯域幅は最小の予期される又は事前測定により推定される検出すべき境界面の間隔が解像できるほどの大きさに選択され、測定される層が少なくとも部分的に透過されうる照射ユニットＬＱの波長スペクトルが選択される。
【００１３】
これらの手段によって外側境界面（表面）を含む層構造の境界面が確実に検出でき、所望するならば、精確に分析できる。この場合、例えば接合部（境界面乃至は境界層）も層構造の比較的小さい領域において走査路の通過の間に検出でき、所望するならば、さらに詳しく測定される。なぜなら、コレログラムが明確に検出されるからである。接合部の評価によって層厚が決定される。
【００１４】
測定すべき層が炭素に基づく摩耗保護層（Ｃ層）であり、照射ユニットＬＱの波長スペクトルが近赤外線スペクトル領域（ＮＩＲ）にある場合、ここで記述される装置及び適用される方法において非破壊の、点状の及び面状の測定が可能となる。これによって、トモグラフィックにこのようなＣ層の上側及び下側が測定され、Ｃ層の層厚がもとめられ、これは後置接続されたプロセス及び/又は品質管理を該当製品部分において可能とする。
【００１５】
とりわけ有利には、照射ユニットＬＱの波長スペクトルは１１００ｎｍ〜１８００ｎｍまでの領域にある。この場合、Ｃ層はその光学特性に基づいて部分透過性を有し、これによってこの層の上側（境界層空気／Ｃ層）でも下側（境界層Ｃ層／基板）でもコレログラムが発生し、これが検出される。
【００１６】
有利な変形実施形態は、この場合、照射ユニットＬＱとしてレーザポンピングされるフォトニック結晶ファイバＰＣＦを有する。このような光源は非常に幅広い光学スペクトルによって際立っている（Δλ＞５００ｎｍ）。
【００１７】
境界面の比較的大きな横方向領域は、比較的に迅速にまた互いに関連し合って、画像撮影器ＢＡがｘ／ｙ方向における面分解能を有し、この面分解能がｘ／ｙ方向における層表面の局所的高さ変化の結像よりも高いことによって測定される。この手段によってさらに層経過の相対的な変化が互いに関連し合って識別され、評価される。
【００１８】
画像撮影器BAがＩｎGａＡｓ−ＣＣＤカメラである場合、とりわけPCF光源と結びついて相応のスペクトル領域における高いセンシビリティが得られ、この結果、記録されたコレログラムは非常に小さい半値幅＜４μｍを有する。
【００１９】
更に別の有利な実施形態では、基準アームＲＡは基準面ＲＦとして形成されたシフト可能な基準ミラーＲＳを有する。これによって深さ走査が可動部材なしでオブジェクトアームOAにおいて実施される。
【００２０】
基準面ＲＦが圧電式位置調整ユニットＶＥによってシフト可能である場合、これによって高い精度が得られる。さらに、このような装置は大きなロバスト性によって際立っている。
【００２１】
有利な変形実施形態は、基準アームＲＡ及び/又はオブジェクトアームＯＡにレンズ系ＬＳ２、ＬＳ３を有し、これらのレンズ系ＬＳ２、ＬＳ３はＮＩＲマイクロスコープ対物レンズとして形成されている。これによって、とりわけコンパクトな測定装置が実現され、この測定装置はさらに最適にＣ層の層厚を測定するという測定課題に適応される。
【００２２】
検出及び評価のための有利な実施形態では、評価装置ＡＷにはアルゴリズムがプログラミングされており、境界面に生じるコレログラムＫＧの順序による割り当てが深さ走査サイクルの間に行われることにより、これらのアルゴリズムによって層の境界面が互いに別個に検出可能である。
【００２３】
有利な方法変形実施形態では、コレログラムＫＧの強度経過はピクセル毎に深さ走査の間に画像撮影器ＢＡによって撮影され、後置接続された評価装置ＡＷに格納される。これによって面状に層厚情報が収集される。
【００２４】
コレログラムＫＧの強度経過が評価装置ＡＷにおいて別個のメモリ領域に割り当てられ、深さ走査中に境界面と関連するコレログラムが干渉パターンから得られる強度の最大モジュレーションMに基づいてもとめられ、メモリ領域に割り当てられ、それぞれのコレログラムがその深さ走査位置と関連付けられる場合、比較的僅少なコストで測定結果の評価及び提供において高い効率が生じる。
【００２５】
評価装置ＡＷにおいて深さ走査中に各画素毎に別個に２つの互いに連続するコレログラムＫＧが検出され、これらのコレログラムの位置から層の光学的層厚が決定されるならば、これにより非常に効率的に層厚の面状の表示が計算され、相応にグラフィカルに表示される。これは層検査に関して品質確実性においてとりわけ有利である。
【００２６】
とりわけ簡単な評価がこの場合に設けられ、コレログラムの位置はコレログラムＫＧの包絡線の重心決定によって決定される。この方法によって境界層の位置がとりわけ精確に深さ方向Zにおいて決定される。
【００２７】
２つの部分的に互いにオーバーラップするコレログラムＫＧの位置の決定において、本発明の変形方法実施形態では、強度信号の分離の際にこれらの信号の相互影響が考慮される。コレログラムKGの小さい半値幅に基づいてこれによってｄ＜１．５μｍを有する非常に僅少な層厚も測定されうる。
【００２８】
さらに方法ステップにおいて、光学的層厚から層の予め決定された屈折率を用いて実際の層の層厚が各画素毎に計算される。これは冒頭に言及した層の検査に関して有利である。従って、測定結果は各ピクセルにおける実際の層厚ならびにＣ層のトモグラフィックな画像である。
【００２９】
この場合、層の屈折率は予め非常に簡単に部分被覆された基準サンプルを用いて決定される。
【００３０】
図面
本発明を次に図面に図示された実施例に基づいて詳しく説明する。
図１は概略図における層厚の測定のための干渉測定装置を示し、
図２は層厚の測定のための白色光干渉計ＷＬＩの概略図を示し、
図３はＣ層の測定における２つの部分的に互いにオーバーラップするコレログラムによる走査路に亘るInGaAs-CCDカメラのピクセルの典型的な強度経過を示す。
【００３１】
実施例の記述
図１は概略的に干渉測定装置を示し、この干渉測定装置は、層、とりわけオブジェクトＯの上の炭素に基づく摩耗保護層、いわゆるＣ層ＣＳの測定のための装置であり、このＣ層ＣＳはオブジェクトビームＯＳＴに対して少なくとも部分透過的に形成されている。
【００３２】
白色光干渉計ＷＬＩとして形成された干渉計部分ＩＴはビームスプリッタＳＴを有し、このビームスプリッタＳＴによって照射ユニットＬＱを用いて入力放射がオブジェクトアームＯＡにより導かれるオブジェクトビームＯＳＴと基準アームＲＡにより導かれる基準ビームＲＳＴとに分割され、この結果、周知のように及び例えば冒頭に挙げた刊行物に詳しく記述されているように、基準面ＲＦに戻ってくる基準ビームＲＳＴと走査されたオブジェクトＯの層構造から戻ってくるオブジェクトビームＯＳＴとの重畳によって評価可能な干渉パターンが発生される。オブジェクトアームＯＡに関して、干渉平面ＩＥが測定オブジェクトＯ乃至はＣ層ＣＳの領域に設けられる。深さ方向Ｚの層構造の深さ走査の際に干渉平面ＩＥは深さ方向ＺにＣ層ＣＳに対して相対的にシフトされ、これによって様々な異なる干渉パターンが深さ走査のトラックに亘って生じる。干渉平面ＩＥのＣ層ＣＳの深さ走査は様々なやり方で行われ、すなわち基準ビームの光路長の変化によって、とりわけ基準ミラーＲＳとして形成された基準面ＲＦの移動によって、深さ方向Ｚの測定オブジェクトＯの移動によって、又は、深さ方向の対物レンズの移動によって、又は、測定オブジェクトＯに対して相対的にセンサ全体の移動によって行われる。
【００３３】
図１に示された実施例では基準アームＲＡの基準ミラーＲＦの位置調整が位置調整ユニットＶＥ、例えば圧電式位置調整ユニットＶＥによってディスクリートなステップで深さ方向Ｚにおいて位置調整される。Ｃ層ＣＳの測定のためには、干渉パターンが画像撮影器ＢＡによって撮影され、相応の電気信号に変換され、後続の評価装置ＡＷにおいて評価され、この結果、測定結果が得られ、これらの測定結果がＣ層の層厚に関する情報を与える。
【００３４】
画像撮影器ＢＡとしては有利にはカメラが設けられ、このカメラはピクセル毎にＸ−ｙ-方向に互いに隣接して配置された画像撮影素子を有し、さらに結像された干渉パターンを面状に解像し、この結果、深さ走査において同時に個々の画素に割り当てられた層構造の複数の痕跡が検出され、評価される。
【００３５】
Ｃ層ＣＳの境界面の測定は有利には白色光干渉法の原理に従って実施される。このために、照射ユニット乃至は光源ＬＱが使用され、この照射ユニット乃至は光源ＬＱは短コヒーレント放射を送出し、この光源は例えば１つ又は複数の結合されたスーパールミネッセンスダイオードＳＬＤ１・・・ＳＬＤ４である。この場合、基準ビームＲＳＴとオブジェクトビームＯＳＴとの間の光路長差が照射ユニットＬＱから送出される放射のコヒーレンス長ＬＣの範囲内にある場合にだけ、干渉が発生する。発生する干渉信号は白色光干渉法においてコレログラムＫＧとも呼ばれる。
【００３６】
本発明によればこの場合オブジェクトビームＯＳＴは少なくとも部分的にＣ層ＣＳの中に侵入し、上側境界面（例えば空気／Ｃ層ＣＳ）においても下側境界面（Ｃ層ＣＳ／オブジェクトＯのオブジェクト表面ＯＯ）においても反射され、重畳された基準ビームＲＳＴによって画像撮影器ＢＡにおいて各画素毎に上側信号ＯＳＳ及び下側信号ＵＳＳが発生され、上側信号ＯＳＳ及び下側信号ＵＳＳは別個に又は部分的にオーバーラップして検出され、評価され、これから屈折率を考慮して層厚ｄが決定されうる。
【００３７】
図２はＣ層の層厚の面状測定のための白色光干渉計ＷＬＩの概略図を示す。基本的な構造は図１に図示されている干渉測定装置に相応する。
【００３８】
照射ユニット乃至は光源ＬＱは測定課題に相応して近赤外線スペクトル領域（ＮＩＲ）を有する光源として形成される。近赤外線スペクトル領域の光源ＬＱとしていわゆるＡＳＥ（amplified spontaneous emission）光源（例えばレーザポンピングされたＥｒファイバ）、レーザポンピングされたフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）又はスーパールミネッセンスダイオードＳＬＤが使用される。ＡＳＥ光源及びスーパールミネッセンスダイオードは自由ビームを介して又は光ファイバーによって白色光干渉計ＷＬＩの中に入力結合される。レーザーポンピングされたフォトニック結晶ファイバーは直接白色光干渉計ＷＬＩの干渉計部分ＩＴに接続される。
【００３９】
白色光干渉計ＷＬＩとして干渉測定装置を形成する場合には、次のことに注意すべきである。すなわち、その広帯域光源ＬＱの光学スペクトルは、検査すべき層構造が少なくとも下側の非透過性担体基板にまでは部分透過性を有するように選択される。相応して画像撮影器ＢＡ乃至は検出器は使用されるスペクトル領域においてできるだけ高い感度を得るために照射ユニット乃至は光源ＬＱに適合される。従って、画像撮影器ＢＡとしては近赤外線スペクトル領域（約１０００ｎｍ〜１８００ｎｍまで）において面状に測定する白色光干渉計ではＩｎＧａＡｓ−ＣＣＤカメラが使用される。これは、画像撮影器ＢＡがｘ／ｙ方向の層表面の局所的な高さ変化の結像よりも大きいｘ／ｙ方向の面分解能を有することも可能にする。
【００４０】
深さスキャンはここに示された例では基準アームＲＡにおいてピエゾ結晶の上に取り付けられた基準ミラーＲＳによって実施され、この基準ミラーＲＳは基準面ＲＦとして使用される。ピエゾ結晶は位置調整ユニットＶＥであり、この位置調整ユニットＶＥは例えばコンピュータによって駆動され、従って、非常に精確に基準ミラーを位置にもたらす。オブジェクトアームＯＡはこの場合可動部分を持たない。
【００４１】
基準アームＲＡ及びオブジェクトアームＯＡはレンズ系ＬＳ２、ＬＳ３を有し、これらのレンズ系ＬＳ２、ＬＳ３はここに示された例ではＮＩＲマイクロ対物レンズとして形成されている。レンズ系ＬＳ１及びＬＳ４は入力放射の入力結合乃至は画像撮影器ＢＡへの重畳された基準ビームＲＳＴを有するオブジェクトビームＯＳＴのフォーカシングのために使用される。
【００４２】
深さ走査サイクル中の境界面で生じるコレログラムＫＧの順序によって割り当てが行われることによって、画像撮影器ＢＡに後置接続された評価装置ＡＷにはアルゴリズムがプログラミングされており、これらのアルゴリズムによって層の境界面が互いに別個に検出される。コレログラムＫＧの強度経過はこの場合ピクセル毎に深さ走査の間に画像撮影器ＢＡによって撮影され、後置接続された評価装置ＡＷに格納される。
【００４３】
この場合、本発明の方法では、測定すべき層及びこの層を限定する境界面の深さ走査の際にオブジェクトビームＯＳＴが走査サイクルにおいて同一のオブジェクトビーム路を介して導かれ、基準ビームＲＳＴが同一の基準ビーム路を介して導かれる。白色光干渉法の方法の適用において、干渉計に入力結合される照射ユニットＬＱの入力放射のコヒーレンス長ＬＣはせいぜい深さ走査の際に次々と検出すべき境界面で生じるコレログラムＫＧの干渉最大値が区別される程度の大きさに選択される。波長走査干渉法の方法を適用する場合には入力放射の帯域幅は最小の予期される又は事前測定により推定される検出すべき境界面の間隔が解像できるほどの大きさに選択される。この場合、測定すべき層が少なくとも部分的に透過されうる照射ユニットＬＱの波長スペクトルが選択される。
【００４４】
それぞれの境界面に対するコレログラムＫＧの精確な検出及び割り当てのためには、干渉コントラストに基づく評価が行われる。しかし、改善された検出のためには有利には所属の強度経過と共に走査路に亘って深さ方向Ｚにおいて示されるようなモジュレーションＭがもとめられる。モジュレーションＭをもとめるためには、評価装置ＡＷにおいて特別なアルゴリズムを基礎とする。すなわち、いわゆるＦＳＡ（five-sample-adaptive）アルゴリズムであり、このＦＳＡアルゴリズムはインターフェログラムの５個の連続する強度値の走査に基づき、このインターフェログラムからそれぞれの走査位置のフェーズ（Phase）も走査路において決定される。ＦＳＡアルゴリズムのより詳しい詳細は冒頭に挙げた刊行物（Larkin）を参照のこと。
【００４５】
本発明の干渉測定装置及び測定方法の独自性は次の点にある。すなわち、深さ方向Ｚの走査路は検出すべき境界層が含まれる領域全体が走査されるような大きさに選択され、走査中に異なる境界面で生じるコレログラムが検出され、この結果、これらのコレログラムから境界面の存在が評価装置ＡＷによって決定されるのである。この場合、境界面の粗い検出の他に既に個々の境界面の高さ構造の微細検出も行われうる。画像撮影器ＢＡ乃至はカメラの画像撮影エレメントを介する面状検出はこの場合同時に複数の横方向に並んでいる（深さ方向Ｚの）痕跡に関する高さ測定データの検出を可能にし、この結果、それぞれの境界面の３Ｄ高さ情報が得られるのである。
【００４６】
この場合、コレログラムＫＧの強度経過は評価装置ＡＷにおいて別個のメモリ領域ＳＡ１、ＳＢ２・・・に割り当てられ、深さ走査の間に境界面と関連するコレログラムが干渉パターンから得られる強度の最大モジュレーションＭに基づいてもとめられ、メモリ領域ＳＡ１、ＳＢ２・・・に割り当てられ、それぞれのコレログラムはその深さ走査位置と関連付けられる。
【００４７】
深さ走査の間に評価装置ＡＷにおいて各画素と毎に別個に２つの連続するコレログラムＫＧが検出され、これらのコレログラムの位置から層の光学的な層厚がもとめられる。コレログラムの精確な位置は一方でコレログラムＫＧの包絡線の重心決定を用いて決定される。２つの部分的にオーバーラップしているコレログラムＫＧでは、強度信号の分離において位置の決定のために信号の相互影響が考慮される。
【００４８】
深さ方向Ｚにおける走査に関するコレログラムの位置の差形成によって、各画素毎に光学的な層厚が計算されうる。層の予め決定された屈折率を用いて、後続の計算ステップで光学的な層厚から層の実際の層厚が各画素毎に計算されうる。層の屈折率は例えば予め部分被覆された基準サンプルを用いて決定され、既に評価装置ＡＷに格納される。
【００４９】
図３はＣ層の測定の際のＩｎＧａＡｓ−ＣＣＤカメラのピクセルの強度経過の測定例を示す。
【００５０】
深さ方向Ｚの走査路に依存して強度が図示されている。この図は示された例における部分的にオーバーラップしている２つのコレログラムＫＧを示す。上側境界面（空気／Ｃ層ＣＳ）及び下側境界面（Ｃ層/オブジェクトＯのオブジェクト表面ＯＯ）から上側信号ＯＳＳ及び下側信号ＵＳＳが結果的に得られ、これから位置から及び屈折率を考慮してＣ層の層厚ｄがこの画素に対して決定されうる。
【００５１】
干渉測定装置の上述の構造及びこれにより実施される方法は、放射に対して光学的に部分透過的な層の境界面、とりわけ炭素に基づく摩耗保護層の非破壊で点状測定も面状測定も可能にする。これによって、トモグラフィックにこのようなＣ層の上側及び下側が測定され、Ｃ層の層厚が非破壊でもとめられ、これは後置接続されたプロセス及び/又は品質管理を例えばコモンレールインジェクタノズルニードル先端部のような該当製品部分において可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】概略図における層厚の測定のための干渉測定装置を示す。
【図２】層厚の測定のための白色光干渉計ＷＬＩの概略図を示す。
【図３】Ｃ層の測定における２つの部分的に互いにオーバーラップするコレログラムによる走査路に亘るＩｎＧａＡｓ−ＣＣＤカメラのピクセルの典型的な強度経過を示す。
【符号の説明】
【００５３】
ＬＱ  光源
ＩＴ  干渉計部分
ＯＳＴ  オブジェクトビーム
ＯＡ  オブジェクトアーム
ＲＳＴ  基準ビーム
ＲＡ  基準アーム
ＫＧ  コレログラム
ＬＣ  コヒーレンス長
ＢＡ  画像撮影器
ＲＦ  基準面
ＲＳ  基準ミラー
ＡＷ  評価装置
ＶＥ  位置調整ユニット
Ｚ  深さ方向
ＩＥ  干渉平面
ＳＴ  ビームスプリッタ
Ｏ  オブジェクト
ＯＯ  オブジェクト表面
ＣＳ  Ｃ層
ＷＬＩ  白色光干渉計
【図１】
2009509149.tif 000003
【図２】
2009509149.tif 000004
【図３】
2009509149.tif 000005
【国際調査報告】
2009509149.tif 000006
2009509149.tif 000007
2009509149.tif 000008
2009509149.tif 000009
2009509149.tif 000010
2009509149.tif 000011