(57)【要約】      （修正有）【課題】サンプル表面に関する情報を測定するための装置を提供する。【解決手段】波長選択器５が広帯域光源４の波長を選択し、光導波器ＢＳ１、ＢＳ２が、波長選択器からの光を測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導すると共に基準経路に沿って基準表面に向けて誘導し、サンプル表面で反射された光及び基準表面によって反射された光が干渉してインターフェログラムを生成する。コントローラ２０が、波長選択器を制御して、選択される波長を変更する。記録器６３が、連続した画像を記録し、各画像は、波長選択器によって選択された波長のそれぞれによって生成されたインターフェログラムを表す。データプロセッサ１８０が、記録された画像を処理し、サンプル表面の一部の表面プロファイル及び表面高マップのうちの一方を作成する。データプロセッサは、グラフィックス処理装置を用いて、ピクセルデータを並列に処理することを可能にする。【選択図】図１ａ
2015145876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、
広帯域光源の波長を選択する波長選択器と、
前記波長選択器からの光を、測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導するとともに基準経路に沿って基準表面に向けて誘導する光導波器であって、前記サンプル表面の前記領域によって反射された光及び前記基準表面によって反射された光が干渉してインターフェログラムを生成するようにする光導波器と、
前記波長選択器を制御して、前記波長選択器によって選択される前記波長を変更するコントローラと、
各画像が前記波長選択器によって選択された前記波長のそれぞれ１つによって生成された前記インターフェログラムを表す、連続画像を記録する記録器と、
前記記録器によって記録された前記画像を処理して、前記サンプル表面の少なくとも一部の表面プロファイル及び表面高マップのうちの少なくとも一方を作成するデータプロセッサと、
を備える装置。
【請求項２】
少なくとも前記基準経路の経路長を制御して、環境影響に起因した位相変動を補償する経路コントローラをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記サンプル表面及び前記基準表面のうちの少なくとも一方を移動させて少なくとも前記基準経路の経路長を制御し、環境影響に起因した位相変動を補償する経路コントローラをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記経路コントローラは、追加の光源からの光を、前記測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導するとともに前記基準経路に沿って基準表面に向けて誘導するようにも構成されている前記光導波器であって、前記サンプル表面の前記領域によって反射された前記追加の光源からの光及び前記基準表面によって反射された前記追加の光源からの光が干渉するようにする前記光導波器を備え、さらに前記経路コントローラは、前記追加の光源からの光によって生成された前記干渉を検出して出力を与える検出器と、前記基準表面及び前記サンプル表面のうちの少なくとも一方を移動させる移動器と、前記検出器の前記出力に従って前記移動器を制御する移動器コントローラとを備える、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記追加の光源はレーザダイオードのようなコヒーレント光源を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記経路コントローラは圧電コントローラを含む、請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
前記移動器は圧電移動器を含む、請求項４又は５に記載の装置。
【請求項８】
前記波長選択器は、音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）又は波長可変レーザを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記光導波器は、ビームスプリッタ、例えばダイクロイックビームスプリッタを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記光導波器はＬｉｎｎｉｋ干渉計を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記光導波器は、前記広帯域光源のための第１の干渉計及び前記追加の光源のための第２の干渉計を提供し、該第１の干渉計及び該第２の干渉計は、前記基準経路及び前記測定経路の少なくとも一部を含む光路を共有する、請求項２〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の干渉計及び前記第２の干渉計はＬｉｎｎｉｋ干渉計を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理する少なくとも１つのグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記光源又は複数の光源を前記光導波器に結合する光ファイバ結合をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記記録器は、検知ピクセルのアレイを有するイメージセンサを含み、該検知ピクセルのそれぞれは、前記サンプル表面の対応する表面エリア又は表面ピクセルからの光を検知するように構成されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記イメージセンサはＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラを含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理して、前記記録器によって撮像された前記表面ピクセルの少なくともいくつかの表面高を表すデータを作成するように構成されている、請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理して、前記記録器によって撮像された前記表面ピクセルの一次元アレイ又はサンプルの表面高を表すデータを作成し、それらの表面ピクセルの相対的な高さを表す表面プロファイルを作成するように構成されている、請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理して、前記記録器によって撮像された前記表面ピクセルの二次元アレイ又はサンプルの表面高を表すデータを作成し、それらの表面ピクセルの相対的な高さを表す表面高マップを作成するように構成されている、請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項２０】
サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、
広帯域光源からの光を測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導するとともに基準経路に沿って基準表面に向けて誘導し、かつ前記サンプル表面の前記領域によって反射された光及び前記基準表面によって反射された光を干渉させてインターフェログラムを生成する測定干渉計と、
基準光源を有する基準干渉計であって、前記測定干渉計及び前記基準干渉計が前記基準経路の少なくとも一部を含む共通の光路を共有し、前記サンプル表面によって反射された前記基準光源からの光と前記基準表面によって反射された前記基準光源からの光との間の干渉を表す出力を生成する基準干渉計と、
各画像が前記波長選択器によって選択された前記波長のそれぞれ１つによって生成された前記インターフェログラムを表す、連続画像を記録する記録器と、
前記記録器によって記録された前記画像を処理して、前記サンプル表面の領域の少なくとも一部の表面プロファイル及び表面高マップのうちの少なくとも一方を作成するデータプロセッサと、
前記基準干渉計の前記出力を検出する検出器と、
前記検出器によって検出された前記出力に基づいて前記基準経路を制御する経路長コントローラと、
を備える装置。
【請求項２１】
前記経路長コントローラは、前記基準表面を移動させて、前記基準経路の経路長を制御し、環境影響に起因した位相変動を補償するように構成されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記経路長コントローラは、前記基準表面に結合された圧電デバイスと、前記検出器の前記出力に従って前記圧電デバイスを制御する圧電コントローラとを備える、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記広帯域光源の波長を選択する波長選択器と、該波長選択器を制御して、該波長選択器によって選択される前記波長を変更するコントローラとをさらに備え、前記記録器は、連続画像を記録するように構成され、各画像は前記波長選択器によって選択された前記波長のそれぞれ１つによって生成された前記インターフェログラムを表し、前記データプロセッサは、前記連続画像を処理して、前記サンプル表面の領域の少なくとも一部の表面プロファイル及び表面高マップのうちの少なくとも一方を作成するように構成されている、請求項２０、２１又は２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記波長選択器は、音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）又は波長可変レーザを含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記干渉計はＬｉｎｎｉｋ干渉計を含む、請求項２０〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理する少なくとも１つのグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を含む、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記光源又は複数の光源を前記光導波器に結合する光ファイバ結合をさらに備える、請求項２０〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
前記記録器は、検知ピクセルのアレイを有するイメージセンサを含み、該検知ピクセルのそれぞれは、前記サンプル表面の対応する表面領域又は表面ピクセルからの光を検知するように構成されている、請求項２０〜２７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、各データセットが前記サンプル表面の表面ピクセルのアレイ又はサンプルセットのそれぞれのピクセル画像データを含むインターフェログラム画像データセットを作成する干渉測定システムと、異なる表面ピクセルの前記ピクセル画像データを並列に処理することができるグラフィックス処理装置を含み、前記インターフェログラムを処理して、表面プロファイルデータ及び表面高マップデータのうちの少なくとも一方を作成するデータプロセッサとを備える装置。
【請求項３０】
請求項１〜２９のいずれか１項に記載の特徴の任意の組み合わせを有する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面特性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高さ、形状、波打ち及び粗さのような表面特性を測定することは、数多くの技術分野において、特にマイクロスケール及びナノスケールの製造工程における品質管理及び解析にとって重要である。表面特性を測定するのに用いられる技法は、旋回可能なスタイラス、又は軸方向に移動可能なスタイラスを、特徴付けられることになる表面に沿ってスタイラスと表面との間で相対的に動かしながら、変換器を用いてスタイラスの変位を求めるような接触技法、及び光学的技法のような非接触技法に分かれ、非接触技法の例は、非特許文献１の第１４章において検討されているように、干渉計の基準位相が変更されるのに応じて、一連のインターフェログラムが記録され、その後、位相抽出アルゴリズムを用いて、実際の位相が求められる（その位相は、相対的な表面高に関連する）位相シフト干渉法、又は、空間的にインコヒーレントな光源で生成される干渉縞の振幅が、サンプル表面と基準表面との間の経路差がない走査経路に沿った位置において最大値に達し、その後、急激に減少するという事実を巧みに利用して、サンプル表面の異なる表面要素又は表面ピクセルについてコヒーレンスピークの走査経路に沿った位置を求めることによって、表面高プロファイルを求めることができるようにする、白色光又は広帯域走査干渉法のような干渉技法がある。
【０００３】
経済先進国では、高付加価値の重要な構成要素の生産が、マイクロ構造化及びナノ構造化された自由形状の表面の設計及び製造に急速にシフトしている。これらの表面を有する構成要素の市場は巨大であって、毎年２５％ずつ成長しており（１９９６年〜２００５年）、多くの投資を世界的に受けている。
【０００４】
ナノスケールかつ超高精度の構造化表面の使用の増加は、広範囲にわたり、光学、シリコンウェハ、ハードディスク、ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ、マイクロ流体工学、及びマイクロ成形の産業に及んでいる。これらの産業はすべて超高精度の表面に非常に大きく依拠している。しかしながら、このような表面の製造には、根本的な制限因子、すなわち生産環境内で迅速かつ容易に製品を測定できるということがある。現在、製造品質は、高くつく試行錯誤手法によって支えられたプロセス技術者の経験に大きく依存していることが報告されている。その結果、これらの製造された品目の多くは、スクラップ率が５０％〜７０％もの高さであるという難点を有する。
【０００５】
光干渉法は、インターロゲーションが非接触かつ高い正確度であるという利点のために表面測定用に広く探求されてきた。しかしながら、従来の光干渉法技法は、機械的振動、乱流、温度ドリフトのような環境雑音の影響を極めて受けやすい。これらの雑音によって、表面測定に誤差が生じ、無効な結果が生じる可能性がある。これらの雑音の影響の低減を試みる多くの方法が存在する。振動絶縁ステージを用いかつ定温を維持することによって環境を制御することは、研究室及びオフラインの用途については、雑音を低減する効果的な方法であるが、生産状況において、例えば、対象物があまりにも大きく機械的に絶縁することができないときは実際的でないことがある。別の方法は、高速カメラ及び高速位相シフト方法を用いることによって可能な限り高速にデータを取得することであるか、むしろ必要とされるすべてのデータを同時に取り込むことでさえある。散乱プレート干渉計のような完全共通光路干渉計も、雑音の影響を受けにくい。しかしながら、これらの雑音低減方法は、通例、レーザベースの位相シフト干渉法のためのものであり、レーザベースの位相シフト干渉法は、単色干渉法の既知の２πの位相曖昧性問題のために比較的平滑な表面の測定に限定されている。
【０００６】
白色光又は広帯域垂直走査干渉法（ＷＬＳＩ）は、２πの位相曖昧性問題を克服することができ、したがって、より大きなステップ高さを有する粗い表面及び構造化表面に干渉形状測定（interferometric profilometry）の適用分野を拡大できる。垂直走査干渉法（ＶＳＩ）によって、インターフェログラムからピーク位置を求めることによって光路差（ＯＰＤ）の絶対測定が可能になる。しかしながら、重量のあるプローブヘッド又は被検物若しくはサンプルステージの機械的走査を行う必要があることから、測定速度には限界がある。加えて、データの取得手順及び処理は、単色干渉法よりも複雑になる場合がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Daniel Malacara著「Optical Shop Testing」第２版（ISBN 0-471-52232-5）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の態様は、サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、光学スペクトル走査干渉計と、波長変動に起因した位相シフトに基づいて表面トポグラフィー測定データを求めるデータプロセッサとを備え、これにより、機械的動作によるあらゆる走査を回避又は少なくとも削減し、２πの位相曖昧性のない絶対光路長差の測定を可能にする、装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、
広帯域光源の波長を選択する波長選択器と、
前記波長選択器からの光を、測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導するとともに基準経路に沿って基準表面に向けて誘導する光導波器であって、前記サンプル表面の前記領域によって反射された光及び前記基準表面によって反射された光が干渉してインターフェログラムを生成するようにする光導波器と、
前記波長選択器を制御して、前記波長選択器によって選択される前記波長を変更するコントローラと、
各画像が前記波長選択器によって選択された前記波長のそれぞれ１つによって生成された前記インターフェログラムを表す、連続画像を記録する記録器と、
前記記録器によって記録された前記画像を処理して、前記サンプル表面の少なくとも一部の表面プロファイル及び表面高マップのうちの少なくとも一方を作成するデータプロセッサと、
を備える装置を提供する。
【００１０】
前記装置は、少なくとも前記基準経路長を制御して、環境影響に起因した位相変動を補償する経路コントローラを備えることができる。該経路コントローラは、前記基準表面を移動させて少なくとも前記基準経路長を制御し、環境影響に起因した位相変動を補償するように構成することができる。前記経路コントローラは、追加の光源からの光を、前記測定経路に沿ってサンプル表面領域に向けて誘導すると共に前記基準経路に沿って基準表面に向けて誘導するようにも構成されている前記光導波器であって、前記サンプル表面の前記領域によって反射された前記追加の光源からの光及び前記基準表面によって反射された前記追加の光源からの光が干渉するようにしている、前記光導波器を備えることができる。前記経路コントローラは、前記追加の光源からの光によって生成された前記干渉を検出する検出器と、前記基準表面を移動させる移動器と、前記検出器の前記出力に従って前記移動器を制御する移動器コントローラとを備えることができる。前記追加の光源は、レーザダイオード、例えばバイオレットレーザダイオード又は赤色レーザダイオードのようなコヒーレント光源を含むことができる。前記経路コントローラは圧電コントローラを含むことができる。
【００１１】
前記波長選択器は、音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）を含み得るが、他の波長可変デバイス、例えば波長可変レーザ（tuneable laser）を用いてもよい。
【００１２】
前記光導波器は、１つ又は複数のビームスプリッタ、場合によってはダイクロイックビームスプリッタを含み得る。前記光導波器はＬｉｎｎｉｋ干渉計を含んでいてもよい。
【００１３】
前記光導波器は、前記広帯域光源のための第１の干渉計及び前記追加の光源のための第２の干渉計を提供することができ、該第１の干渉計及び該第２の干渉計は、前記基準経路及び前記測定経路の少なくとも一部を含む光路を共有する。前記第１の干渉計及び前記第２の干渉計はＬｉｎｎｉｋ干渉計を含み得るが、他の干渉計構成であっても構わない。
【００１４】
一実施の形態は、少なくとも１つのグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を有する干渉計システムを用いて前記インターフェログラムを処理し、ピクセルデータを並列に処理することを可能にする表面測定装置を提供する。
【００１５】
前記光源又は複数の光源は、前記装置のそれ以外のものから遠隔とすることができる。例えば、光ファイバ結合を用いて前記光源又は複数の光源を前記光導波器に結合することができる。
【００１６】
前記記録器は、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラなどのイメージセンサを含む場合がある。
【００１７】
前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理して、前記記録器によって撮像された前記表面ピクセルの一次元（１Ｄ）アレイ若しくは二次元（２Ｄ）アレイ又はサンプルの相対的な表面高を表すデータを作成するように構成されている。
【００１８】
一態様では、本発明は、サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、
広帯域光源からの光を測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導すると共に基準経路に沿って基準表面に向けて誘導し、かつ前記サンプル表面の前記領域によって反射された光及び前記基準表面によって反射された光を干渉させてインターフェログラムを生成する測定干渉計と、
基準光源を有する基準干渉計であって、前記測定干渉計及び該基準干渉計は、前記測定経路及び前記基準経路の少なくとも一部を含む共通の光路を共有し、該基準干渉計は、前記サンプル表面によって反射された前記基準光源からの光と前記基準表面によって反射された前記基準光源からの光との間の干渉を表す出力を生成する、基準干渉計と、
連続した画像を記録する記録器であって、各画像は、前記サンプル表面によって生成された前記インターフェログラムを表す、記録器と、
前記記録器によって記録された前記画像を処理して、前記サンプル表面の少なくとも一領域の表面プロファイル及び表面高マップのうちの少なくとも一方を作成するデータプロセッサと、
前記基準干渉計の前記出力を検出する検出器と、
前記検出器によって検出された前記出力に基づいて前記基準経路の長さを制御する経路長コントローラと、
を備える、装置を提供する。
【００１９】
前記干渉計はＬｉｎｎｉｋ干渉計を含み得る。前記データプロセッサは、前記インターフェログラムを処理する少なくとも１つのグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を含み得る。
【００２０】
一態様では、本発明は、サンプル表面に関する情報を測定するための装置であって、インターフェログラム画像データセットを作成する干渉測定システムであって、各データセットは、前記サンプル表面の表面ピクセルのアレイのそれぞれのピクセル画像データを含む、干渉測定システムと、前記インターフェログラムを処理して、前記サンプル表面の少なくとも一部の表面プロファイルデータ及び表面高マップデータのうちの少なくとも一方を作成するデータプロセッサであって、異なる表面ピクセルの前記ピクセルデータを並列に処理することができるグラフィックス処理装置を含む、データプロセッサとを備える、装置を提供する。
【００２１】
一態様では、本発明は、波長選択可能な広帯域又は白色光干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計を用いて、サンプル表面の表面高データを得ることができる異なる波長における前記サンプル表面のインターフェログラムを得る干渉測定装置を提供する。
【００２２】
一態様では、本発明は、干渉測定装置であって、広帯域又は白色光測定干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計を用いて、サンプル表面の表面高データを得ることができる該サンプル表面のインターフェログラムを得て、基準干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計を用いて、振動、熱的効果及び／又は乱流のような環境雑音を補償する干渉測定装置を提供する。
【００２３】
一態様では、本発明は、干渉測定装置であって、広帯域又は白色光測定干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計を用いて、サンプル表面の表面高データを得ることができる該サンプル表面のインターフェログラムを得て、前記測定干渉計と光路を共有する基準干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計を用いて、振動、熱的効果及び／又は乱流のような環境雑音を補償する干渉測定装置を提供する。
【００２４】
一態様では、本発明は、サンプル表面の表面高データを得ることができる該サンプル表面のインターフェログラムを得る広帯域又は白色光測定干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計と、基準干渉計であって、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計であり、例えばバイオレットレーザダイオードといったレーザダイオードのようなレーザ光源を用いることができ、前記測定干渉計と光路を共有する基準干渉計と、前記基準干渉計の出力に基づいて前記測定干渉計の測定経路及び基準経路のうちの少なくとも一方を制御することによって振動、熱的効果及び／又は乱流のような環境雑音を補償する経路長コントローラとを有する干渉測定装置を提供する。前記広帯域又は白色光測定干渉計は、異なる波長においてインターフェログラムを生成できるように調整可能である。グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を用いて、前記インターフェログラムを処理することができる。
【００２５】
一態様では、本発明は、サンプル表面の表面高データを得ることができる該サンプル表面のインターフェログラムを得る広帯域又は白色光測定干渉計、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計と、基準干渉計であって、例えばＬｉｎｎｉｋ干渉計であり、（例えばバイオレットレーザダイオードといったレーザダイオードのようなレーザ光源を用いることができ、）前記測定干渉計と光路を共有する基準干渉計と、前記基準干渉計の出力に基づいて前記測定干渉計の基準経路の基準表面の位置を制御することによって振動、熱的効果及び／又は乱流のような環境雑音を補償する経路長コントローラとを有する干渉測定装置を提供する。前記広帯域又は白色光測定干渉計は、異なる波長においてインターフェログラムを生成できるように調整可能である。グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を用いて、前記インターフェログラムを処理することができる。
【００２６】
本発明の複数の態様においては、装置を使用する方法を含む。
【００２７】
本明細書において用いられる場合、「光」は必ずしも可視光を意味しない。当該光は、例えば、赤外光及び紫外光とすることができる。本明細書において用いられる場合、「ビーム」は必ずしも連続ビームを意味するのではなく、パルスビーム、又は振幅が変化するビームとすることもできる。
【００２８】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態を例示して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１ａ】本発明の一実施形態による表面特性測定装置の一例の機能図である。
【図１ｂ】本発明の一実施形態による表面特性測定装置の一例の機能図である。
【図２】本発明の一実施形態による、表面特性測定装置の形をとる計測機器の一例を示す簡略化した側面図である。
【図３】本発明の一実施形態による表面特性測定装置の信号処理及び制御回路を設けるために、コンピュータプログラム命令によってプログラムすることができる処理装置のブロック図である。
【図４ａ】本発明の一実施形態による装置のセンサのピクセル（検知素子）によって記録された強度分布を示す図である。
【図４ｂ】対応する取得された位相分布を示す図である。
【図５ａ】本発明の一実施形態による装置を用いて２．９７μｍの標準的なステップのサンプルを測定することにより得られた測定結果の面領域又は３Ｄ図である。
【図５ｂ】２．９７μｍの標準的なサンプルに対する測定の結果得られた断面プロファイルを示す図である。
【図６ａ】本発明の一実施形態による装置を用いて２９２ｎｍのステップ高さの標準的なサンプルを測定することにより得られた測定結果の面領域又は３Ｄ図である。
【図６ｂ】２９２ｎｍのステップ高さの標準的なサンプルに対する測定の結果得られた断面プロファイルを示す図である。
【図７ａ】電気光学ハイブリッドチップのサンプルの表面のカメラ写真である。
【図７ｂ】本発明の一実施形態による装置を用いて電気光学ハイブリッドチップのサンプルについて得られた測定結果の面領域又は３Ｄ図である。
【図８ａ】シリコンウェハのサンプルの表面のカメラ写真である。
【図８ｂ】本発明の一実施形態による装置を用いてシリコンウェハのサンプルについて得られた測定結果の面領域又は３Ｄ図である。
【図９】本発明の一実施形態による表面特性測定装置の別の例の機能図である。
【図１０】本発明の一実施形態による表面特性測定装置の形態の計測機器の別の例の簡略化した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面を全体として参照するときに、いずれの機能ブロック図も、デバイス内に存在する機能を示すことだけを意図しており、その機能ブロック図内に示される各ブロックが必ずしも別個の、又は離れている実体であることを意味するように解釈されるべきでないことを理解されたい。１つのブロックによって提供される機能は、別個とすることもできるし、デバイス全体の中に、若しくはデバイスの一部の中に分散することもできる。さらに、その機能は、必要に応じて、ハードワイヤード要素、ソフトウェア要素若しくはファームウェア要素、又はこれらの任意の組み合わせを組み込むことができる。
【００３１】
図１ａは、表面特性測定装置１００の機能図を示している。この装置は、共通の光路を共有する２つのＬｉｎｎｉｋ干渉計と信号処理及び制御回路３を備える。干渉計のうちの一方は測定干渉計を形成し、他方は基準干渉計を形成する。
【００３２】
測定干渉計は、ハロゲンランプのような白色光源（又は広帯域光源）４を有し、以下で説明するように、サンプルの３次元表面プロファイルを取得するのに用いられる。基準干渉計は、バイオレットレーザダイオードのようなレーザ光源４０を有し、以下で説明するように、環境雑音、例えば温度ドリフト又は温度変動、機械的振動、及び乱流を監視及び補償するのに用いられる。
【００３３】
白色光源４からの光は、特定の波長の選択を可能にする音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）５に誘導される。ＡＯＴＦによって出力された光は、レンズ６を介して第１の結合素子ＢＳ１に誘導される。
【００３４】
レーザ光源４０からの光は、ビームエキスパンダＢＥを介して結合素子ＢＳ１に誘導される。任意の適した形態のビームエキスパンダを用いることができる。図１ａ及び図１ｂに示すように、ビームエキスパンダＢＥは、収束レンズＢＥ２と直列の発散レンズＢＥ１を備える。
【００３５】
結合素子ＢＳ１は、図１ａに示すように、誘電体ビームスプリッタＢＳ１とすることができる。別の可能性として、ビームスプリッタは、可能な限り大きな光強度を使用できるように、レーザ波長域では高い反射性を有すると共に可視光波長域では高い透過性を有するダイクロイックミラーとすることができる。光ビームは、ビームスプリッタＢＳ１を通過した後、互いに合成される。
【００３６】
光は、結合素子ＢＳ１から、２つの干渉計のそれぞれのビームスプリッタを形成する第２の結合素子ＢＳ２に誘導される。システムは、このように、第２の結合素子ＢＳ２が双方の干渉計のビームスプリッタとして働くＬｉｎｎｉｋ構成を採用する。この構成の利点は、該構成が色分散及び他の光学収差を補償できる点にある。
【００３７】
結合素子ＢＳ２は、光を、基準経路ＲＰに沿って基準表面、一般的には基準ミラー１２に向けて誘導すると共に、サンプル経路又は測定経路ＳＰに沿って、サンプル支持ステージ１１上に取り付けられたサンプル１０の表面１０’に向けて誘導する。サンプル経路に沿って誘導された光は、対物レンズＬ１によってサンプル表面１０’上に合焦され、基準経路に沿って誘導された光はレンズＬ２によって基準表面１２上に合焦される。サンプル表面１０’によって反射された光は、サンプル経路に沿ってレンズＬ１を介し結合素子ＢＳ２に戻る一方、基準表面１２によって反射された光は、基準経路に沿ってレンズＬ２を介し結合素子ＢＳ２に戻る。サンプル表面によって反射された光及び基準表面によって反射された光は干渉して、干渉信号又はインターフェログラムを生成する。
【００３８】
第３のビームスプリッタＢＳ３は、干渉信号又はインターフェログラムを測定干渉計からレンズＬ３に誘導し、レンズＬ３は、測定干渉信号又はインターフェログラムをセンサ６２上に合焦する。この例では、センサは、２次元アレイの検知素子を備える２次元イメージセンサである。センサは、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ又はＣＣＤカメラであってもよいし、２次元ＣＭＯＳイメージセンサ又は２次元ＣＭＯＳカメラとしてもよい。
【００３９】
第３のビームスプリッタＢＳ３は、干渉信号又はインターフェログラムを基準干渉計からさらなる光センサ又は光検出器６３に誘導する。光検出器６３は、例えば、ＰＩＮフォトダイオード又は他の適切な感光性半導体デバイスとすることができる。
【００４０】
光センサ又は光検出器６３の出力は、信号処理及び制御回路３のＰＺＴコントローラ１５に供給される。基準ミラー１２に取り付けられた補償圧電変換器（ＰＺＴ）１３は、基準ミラーの位置、ひいては基準経路の長さを光検出器６３の出力に従って調整できるように、ＰＺＴコントローラ１５から制御信号を受信するように結合されている。
【００４１】
サンプル支持ステージ１１は、Ｘ軸並進機構１６ｘ、Ｙ軸並進機構１６ｙ、及びＺ軸並進機構１６ｚのうちの少なくとも１つによって移動可能とすることができ、サンプル表面を水平にし、サンプル支持体を対物レンズＬ１の焦点に位置付けできるようにしている。Ｘ並進機構及びＹ並進機構のうちの少なくとも一方を用いて、サンプル表面の異なる領域をセンサ６２の視野内に移動させることができ、サンプル表面の異なる領域に対して測定を行うことができる。
【００４２】
図１ａに示されるように、信号処理及び制御回路３は、信号処理及び制御回路３の全般的な動作を制御する汎用コントローラ１７と、位相、ひいては表面高データを求める位相特性測定器１８と、ＡＯＴＦ５の動作を制御する、１つ又は複数のＡＯＴＦコントローラ２０と、ユーザが装置とのインターフェースを構成し、その装置の動作を制御し、その動作の結果を視認できるようにするユーザインターフェース２１とを有する。信号処理及び制御回路３は、位相特性測定器１８によって求められるデータを処理し、二次元（２Ｄ）表面プロファイル又は三次元（３Ｄ）表面高マップを作成できるようにする表面データプロセッサ１８０を有することがある。
【００４３】
Ｘ軸並進機構１６ｘ、Ｙ軸並進機構１６ｙ及びＺ軸並進機構１６ｚが設けられる場合、信号処理及び制御回路３は、対応するＸ軸並進コントローラ２２ｘ、Ｙ軸並進コントローラ２２ｙ、及びＺ軸並進コントローラ２２ｚも有することになり、それらは開ループサーボコントローラ又は閉ループサーボコントローラであってもよい。
【００４４】
２つのＬｉｎｎｉｋ干渉計及びいずれかの並進機構１６ｘ、１６ｙ、１６ｚは、合わさって計測機器を形成するものとみなすことができ、それによって、表面特性測定装置は、この計測機器と、信号処理及び制御回路３とを備える。
【００４５】
図２は、計測機器の一例の簡略化した側面図を示しており、サンプル１０がサンプル支持体１１上に取り付けられることになる。図２に概略的に示されるように、この例では、電波干渉計Ｉ（図２において、破線のボックスとして簡略化して表される）はハウジング１ａ内に配置され、ハウジング１ａは、キャリッジ１ｂを介して、Ｚ軸基準支柱１ｃに取り付けられる。表面特性測定装置がＺ並進機構を有する場合、キャリッジ１ｂは、ボールねじ駆動機構又は親ねじ駆動機構のような駆動機構（図示せず）を介して、Ｚ並進機構１６ｚに結合することができる。Ｚ並進機構１６ｚは、手動で操作可能なコントロールの形をとるか、又は、例えば、キャリッジ１ｂ、それゆえ測定ヘッド１を、Ｚ方向において支柱１ｃに沿って上下に移動できるようにするＤＣモータの形をとることができる。
【００４６】
Ｘ並進機構１６ｘ及びＹ並進機構１６ｙが存在する場合には、図２に示されるように、それらの並進機構は、サンプル支持ステージ１１内に収容できる。Ｘ並進機構１６ｘ及びＹ並進機構１６ｙは、この例では、ラック・アンド・ピニオン又はボールねじ駆動機構（図示せず）のような適切な従来の駆動機構によって、サンプル支持ステージ１１に結合されるＤＣモータである場合がある。
【００４７】
信号処理及び制御回路３は、コンピューティング装置、例えば、パーソナルコンピュータをプログラムすることによって少なくとも部分的に実現できる。こうして、特定のシステム要件に応じて、信号処理及び制御回路のいくつかの構成要素をソフトウェアによって、いくつかをハードウェアによって、いくつかをファームウェアによって等で、設けることができる。高速の処理が要求される場合には、１つ又は複数のＤＳＰを用いることができ、かつ／又はピクセルデータの並行処理を可能にするために１つ又は複数のグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）を用いることができる。
【００４８】
図３は、例えばパソコン又は他の汎用コンピューティング装置などのコンピューティング装置の簡略化されたブロック図を示す。図に示されるように、そのコンピューティング装置は、プロセッサ２５を有し、そのプロセッサには、メモリ２６（ＲＯＭ及び／又はＲＡＭ）と、ハードディスクドライブのような大容量記憶装置２７と、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等のような取出し可能な媒体（ＲＭ）を収容するための取出し可能媒体ドライブ（ＲＭＤ）２８と、例えば、汎用インターフェースバス（ＧＰＩＢ）カード２３００、又はＮＩ  ＤＡＱカードの形をとると共に、ＡＯＴＦコントローラ、ＰＺＴコントローラ、及び存在するならＸ並進コントローラ、Ｙ並進コントローラ、Ｚ並進コントローラのような構成要素とインターフェースするための入力及び出力（Ｉ／Ｏ）制御回路とが関連付けられ、プロセッサ２５がこれらの構成要素の動作を制御できるようにし、かつ正確で高速の位相決定及び測定を提供できるようにする。
【００４９】
この例において、ユーザインターフェース２１は、この例ではキーボード３１ａ及びポインティングデバイス３１ｂを有するユーザ入力３１、並びにこの例ではＣＲＴ又はＬＣＤディスプレイ３６ａのようなディスプレイ、及びプリンタ３６ｂからなるユーザ出力３６からなる。また、そのコンピューティング装置は、そのコンピューティング装置が、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、イントラネット又はインターネットのようなネットワークを介して他のコンピューティング装置と通信できるようにするモデム又はネットワークカードのような通信インターフェース（ＣＯＭＭＳ  ＩＮＴ）１９９も備えることができる。
【００５０】
プロセッサ２５は、例えば、以下の方法のうちの任意の１つ又は複数の方法によって、必要な機能を提供するようにプログラムできる。
１．メモリ２６の不揮発性部分、又は大容量記憶装置２７に、プログラム命令及び任意の関連付けられたデータを予めインストールすること。
２．取出し可能媒体ドライブ２８内に収容される取出し可能媒体２９からプログラム命令及び任意の関連付けられたデータをダウンロードすること。
３．通信インターフェース１９９を介して、別のコンピューティング装置から供給される信号ＳＧとして、プログラム命令及び任意の関連付けられたデータをダウンロードすること。
４．ユーザインターフェースのユーザ入力を使用すること。
【００５１】
プログラム命令によってプログラムされるときに、そのコンピューティング装置によって、ユーザインターフェースを介してユーザによって受信される命令に従って測定動作を制御できるようになり、上記のように、測定結果を解析し、解析結果をユーザに表示できるようになる。
【００５２】
上述した表面特性測定装置の動作中、ＡＯＴＦコントローラ２０は、音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）５を制御して、ＡＯＴＦによって出力された光の波長を選択し、インターフェログラムが、ＡＯＴＦコントローラによって選択された異なる波長ごとにセンサ６２によって記録される。次に、これらの「異なる波長」のインターフェログラムは、位相特性測定器１８によって解析され、センサ６２によって撮像された領域表面の表面ピクセルごとに表面高（位相）が求められる。その表面領域にわたる１つ又は複数の方向において求められた表面高の変化は、表面データプロセッサ１８０によって求めることができ、表面プロファイルが提供される。この表面プロファイルは、ユーザインターフェースによってユーザに表示することができる。同様に、表面データプロセッサ１８０は、求めた表面高データを用いて３Ｄ又は面領域高マップ（表面高マップ）を作成することができる。この３Ｄ又は面領域高マップは、ユーザインターフェースによってユーザに表示できる。基準干渉計と、検出器６３、ＰＺＴ１３及びＰＺＴコントローラ１５並びに基準表面１２のフィードバックループによって提供されるサーボループとがないと、例えば機械的振動といった振動、乱流、及び／又は温度ドリフト若しくは温度変動のような熱的効果のような環境雑音によって、測定経路及び／又は基準経路が変動することがあり、その結果、測定が不正確となることがある。しかしながら、この装置では、サーボループは、検出器６３の出力に従って基準ミラー又は表面１２を移動させるように働き、基準干渉計を位相ロックして各測定前に環境雑音を補償する。サーボループは、環境外乱に対する感度を最大にするために、ほぼ直交位相（around quadrature）で基準干渉計を位相ロックするように構成することができる。ＰＺＴの応答速度はどの環境雑音の周波数よりも高速であるべきであること、及びどの環境雑音の周波数もＡＯＴＦコントローラがＡＯＴＦの出力波長を変化させる周波数よりも高く、センサ６２がインターフェログラムをキャプチャするのに要する時間がどの環境雑音変動と比較しても短く、その結果、位相ロックを達成することができ、経路長を測定ごとの環境雑音に対して安定化させることができることが理解されよう。
【００５３】
したがって、基準干渉計及びそのサーボループによって、あらゆる環境誘発雑音の補償が可能になるはずである。床振動は、２０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲で発生する傾向がある一方、最近のＰＺＴは、０．０５ｎｍまでの分解能及び３５ｋＨｚの周波数応答を有し（例えば英国イングランドのベッドフォードのクランフィールドにあるPＩ（Physik Instrumente）Ltdによって供給されているP-249.10）、それにより、負荷が軽いという条件で、環境雑音補償を非常に高速かつ正確にすることができる。
【００５４】
図１ｂは、信号処理及び制御回路３がフレーマグラバ（framer grabber）３００、パーソナルコンピュータ３０１、データ取得（ＤＡＱ）カード３０２、ＡＯＴＦドライバ３０３及びサーボエレクトロニクス３０４によって提供される表面特性測定装置１００の一実施態様を示している。パーソナルコンピュータは、フレーマグラバ３００、データ取得（ＤＡＱ）カード３０２、ＡＯＴＦドライバ３０３及びサーボエレクトロニクス３０４と共に、図１ａに示す機能を提供するソフトウェアを格納するデータストアを有し、これにより、フレームグラバ及びパーソナルコンピュータのソフトウェアが図１ａの位相特性測定器１８に対応し、データ取得（ＤＡＱ）カード３２０及びＡＯＴＦドライバ３０３が図１ａのＡＯＴＦコントローラ２０に対応し、サーボエレクトロニクスが図１ａのＰＺＴコントローラ１５に対応する一方、パーソナルコンピュータのソフトウェアが図１ａの表面データプロセッサに対応するようになっている。パーソナルコンピュータは、当然ながら、図３のユーザインターフェースに対応するユーザインターフェースを提供する。
【００５５】
上記のように、この例では、白色光源又は広帯域光源によって照射される測定干渉計は、サンプルの３次元表面プロファイルを取得するのに用いられる。レーザ光源４０によって照射される基準干渉計は、環境雑音、例えば温度ドリフト、機械的振動及び乱流を監視及び補償するのに用いられる。これは、基準表面１２の位置を調整して環境雑音を補償するＰＺＴコントローラ１５（図１ｂのサーボエレクトロニクス３０４）を用いることによって達成される。これらの２つの干渉計は、（それらの共通経路に起因した）同様の環境雑音を受けるので、基準干渉計が環境雑音補償モードに位相ロックされると、測定干渉計は表面情報を測定することができる。
【００５６】
白色光源４及びレーザ光源４０からの光ビームは、結合素子ＢＳ１によって結合される。上述したように、結合素子ＢＳ１は、誘電体ビームスプリッタとすることもできるし、可能な限り多くの光強度を利用するために、レーザ波長域では高い反射性を有すると共に可視光波長域では高い透過性を有するダイクロイックミラーとすることもできる。光ビームは、ビームスプリッタＢＳ１を通過した後、互いに合成される。
【００５７】
この装置は、ＢＳ２がビームスプリッタとして働くＬｉｎｎｉｋ構成を採用する。この構成の利点は、該構成が色分散及び他の光学収差を補償することができるということである。サンプル表面１０’によって反射された光及び基準表面又は基準ミラー１２によって反射された光は、ビームスプリッタＢＳ２によって合成されて、インターフェログラムを生成する。
【００５８】
白色光源４の後に配置された音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）５は、ＡＯＴＦドライバ３０３によって制御され、特定の波長を選択し、さらにこれによって、センサ６２において１組のインターフェログラムを生成する。これらのインターフェログラムのそれぞれはその特定の波長によってのみ供給される。選択された光波長は以下によって求められる。
【００５９】
【数１】
2015145876.tif 000003
【００６０】
ただし、Δｎは、ＡＯＴＦ５の回折材料として用いられる結晶の複屈折であり、αは、ＡＯＴＦの設計に依存する複素パラメータであり、ｖａ及びｆａは、それぞれ音波の伝播速度及び周波数である。したがって、この回折によって選択される光の波長は、単にＡＯＴＦコントローラがＡＯＴＦ駆動周波数ｆａを変更することによって変化させることができる。ＡＯＴＦコントローラによって、さまざまな波長の光がＡＯＴＦを順に通過することが可能になり、その結果、これらのさまざまな波長における一連のインターフェログラムがセンサによって検出される。絶対光路差（ひいてはセンサ６２によって撮像された表面領域の各表面ピクセルの相対的な表面高）は、以下で述べるように、これらのインターフェログラムを解析することによって計算できる。
【００６１】
現在のＡＯＴＦは、通常の分解能が設計パラメータによって決まる１ｎｍ〜１０ｎｍである。この結果、回折光について、コヒーレンス長は約３０μｍ〜４００μｍになる。測定干渉計の光路差がコヒーレンス長よりも大きいとき、インターフェログラムは検出されない。実験用の実施形態で用いられる特定のＡＯＴＦは、この技法の垂直測定範囲をおよそ２００μｍに制限している。より大きな垂直測定範囲は、他のＡＯＴＦ、又は波長可変レーザを用いて可能にできる。
【００６２】
上述したように、干渉計法は、振動、特に軸方向（垂直）振動の影響を非常に受けやすいので、作業場／製造環境での表面測定は、干渉計法を用いて達成することが困難であった。さらに、測定雑音は温度ドリフト及び乱流によっても誘発される可能性がある。上述した装置では、単一波長レーザによって照射された基準干渉計は、サーボフィードバックと共に用いられて、環境雑音を効果的に補償する。レーザから出力された光は、測定光と合成されて、測定干渉計とほぼ同じ光路を進む。基準干渉計の干渉信号は、ビームスプリッタＢＳ３によってフィルタリングされた後、センサ又は検出器６３によって取得される。測定干渉計及び基準干渉計の光路が共有されている結果、基準干渉計で発生した雑音が監視及び補償される場合、測定干渉計は、測定中、雑音を「捕捉（see）」しないことになる。基準ミラー１２に取り付けられた補償圧電変換器（ＰＺＴ）１３は、サーボエレクトロニクス３０４（又はＰＺＴコントローラ１５）によって駆動され、あらゆる環境誘発雑音を補償するのに用いられる。したがって、ＰＺＴコントローラは、ＰＺＴ１３に、検出器６３の出力に依存する制御電圧を供給し、それによって、基準ミラー１２を、環境外乱に起因したあらゆる光路変化に対抗する光路変化を引き起こすように移動させる。このようにして、測定干渉計における環境雑音は補償される。基準干渉計は、環境外乱に対する感度を最大にするためにほぼ直角位相で位相ロックされることになる。最も標準的な床振動は、２０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲で発生する。最近のＰＺＴは０．０５ｎｍまでの分解能及び３５ｋＨｚの周波数応答を有し（例えば英国イングランドのベッドフォードのクランフィールドにあるPＩ（Physik Instrumente）Ltdによって供給されているP-249.10）、雑音補償は、負荷が軽いという条件で、非常に高速かつ正確にすることができる。
【００６３】
位相計算
検査表面又はサンプル表面の１つの点（表面ピクセル、又は検知素子がそこから光を受け取るサンプル表面のエリア）に対応する、センサ６２（一例ではＣＣＤカメラ）の検知素子又はピクセル（ｘ，ｙ）によって検出される光強度は、以下によって表すことができる。
【００６４】
【数２】
2015145876.tif 000004
【００６５】
ただし、ａ（ｘ，ｙ；ｋ）及びｂ（ｘ，ｙ；ｋ）は、それぞれ背景強度及びフリンジ可視度（fringe visibility）であり、ｋは波長の逆数である波数であり、ｈ（ｘ，ｙ）は干渉計の絶対光路差である。
【００６６】
干渉信号の位相φ（ｘ，ｙ；ｋ）は、以下によって与えられる。
【００６７】
【数３】
2015145876.tif 000005
【００６８】
波数シフトによる干渉信号の位相シフトは以下によって与えられる。
【００６９】
【数４】
2015145876.tif 000006
【００７０】
干渉信号の位相変化は波数ｋの変化に比例する。この場合、光路差ｈ（ｘ，ｙ）は以下によって与えられる。
【００７１】
【数５】
2015145876.tif 000007
【００７２】
ｋの変化は、最初に光スペクトルアナライザを用いることによって較正することができる。位相特性測定器１８が用いることができる多くの位相計算方法がある。これらのアルゴリズムには、例えばX. Dai及びS. Katuoの「High-accuracy absolute distance measurement by means of wavelength scanning heterodyne interferometry」（Meas.Sci.Technol. 9、1031-1035 (1998)）（この全内容は参照により本明細書に援用される）に記載されているようなロックイン増幅器を用いた位相復調；例えばP. Sandoz、G. Tribillon、H. Perrinの「High-resolution profilometry by using phase calculation algorithms for spectroscopic analysis of white-light interferograms」（J. Modern Opt. 43(4), 701-708 (1996)）（この全内容は参照により本明細書に援用される）に記載されているような古典的な位相シフト干渉法に用いられる７点法による位相計算；例えばJ. Schwider、L. Zhouの「Dispersive interferometric profilometer」（Opt. Lett. 19(13), 995-997 (1994)）（この全内容は参照により本明細書に援用される）に記載されているような極値位置係数（extremum position counting）；並びに例えばM. Takeda、H. Yamamotoの「Fourier-transform speckle profilometry: three-dimensional shape measurements of diffuse objects with large height steps and/or spatially isolated surfaces」（Applied Optics 33(34), 7829-7837）（この全内容は参照により本明細書に援用される）に記載されているようなフーリエ変換ベースの技法が含まれる。
【００７３】
この例では、フーリエ変換による位相計算が、高速かつ正確であり、強度雑音の影響を受けにくいことから、位相特性測定器１８はフーリエ変換による位相計算を用いる。しかしながら、他の上記手法の任意のもの又は他の適した技法を用いることもできる。
【００７４】
式（２）では、上述したように、ａ（ｘ，ｙ；ｋ）及びｂ（ｘ，ｙ；ｋ）は、光源のスペクトル強度及びセンサ６２の応答に起因して、ｋに関してゆっくりと変動し得る。実際に、干渉計の経路差は、余弦項の周波数が、項ａ（ｘ，ｙ；ｋ）及びｂ（ｘ，ｙ；ｋ）の変動周波数よりも高くなるように十分に大きくなるよう調整され、その結果、これらの周波数は、互いに容易に分離することができる。式（２）は、以下のように書き換えることができる。
【００７５】
【数６】
2015145876.tif 000008
【００７６】
次に、ｋに関する式（６）のフーリエ変換を以下のように記述することができる。
【００７７】
【数７】
2015145876.tif 000009
【００７８】
ただし、大文字は、対応する小文字によって表された信号のフーリエスペクトルを示す。ｈ（ｘ，ｙ）が、ａ（ｘ，ｙ；ｋ）及びｂ（ｘ，ｙ；ｋ）の変動よりも高くなるように選ばれる場合、３つのスペクトルを互いに分離することができる。フリンジの位相分布を取得するために、項Ｂ（ｘ，ｙ；ξ−ｈ（ｘ，ｙ））が選択され、したがって、背景強度ａ（ｘ，ｙ；ｋ）がフィルタリング除去される。Ｂ（ｘ，ｙ；ξ−ｈ（ｘ，ｙ））の逆フーリエ変換は以下の式となる。
【００７９】
【数８】
2015145876.tif 000010
【００８０】
この信号の自然対数をとると、以下の式が得られる。
【００８１】
【数９】
2015145876.tif 000011
【００８２】
この式（９）から、式（９）の虚数部は、まさに測定されることになる位相分布である。上記手順に続いて、位相特性測定器１８は、各センサピクセル（センサピクセルのそれぞれはサンプル表面の１つの表面ピクセルに対応する）の位相分布（一連の異なる波長測定インターフェログラムにわたる位相分布）を測定することができ、したがって、表面データプロセッサ１８０は、センサによって検知された表面の領域の表面プロファイル及び／又は表面高マップを求めることができる。ここでの主な演算はＦＦＴ及びＩＦＦＴであるので、データ処理はかなり高速である。Ｘ並進機構及びＹ並進機構を用いて、サンプルをセンサ６２に対して位置決めしなおすことによりサンプル表面の異なる領域を測定できる。表面の異なる領域をセンサ６２によって検知できるように、上述したＸ並進機構及びＹ並進機が利用可能である場合、表面データプロセッサは、スティッチングアルゴリズムを用いて、サンプルの異なる領域からの表面測定データを組み合わせ、より大きな表面高プロファイル及び／又はマップにすることができる。
【００８３】
測定結果
上述した方法を用いて、２つの標準的な高さの被検物を測定した。実験では、ＡＯＴＦ（この例では、中国の重慶にあるSIPAT Co.によって供給されているModel LSGDN-1）に印加される無線周波数を、８０ＭＨｚから１１０ＭＨｚまで、０．４８ｎｍの波長間隔に対応する１０ｋＨｚのステップで走査した。同時に、インターフェログラムを、高速ＣＣＤカメラ（この例では、JoinHope Image Tech. Ltd.のModel OK-AM1131）によって１００フレーム／ｓのフレームレートで記録した。図４ａは、ＣＣＤピクセルの１つによって記録された強度分布を示し、図４ｂは、式（７）〜式（９）によって記載されたデータ処理手順によって求められるような対応する取得された位相を示している。
【００８４】
図５ａは、英国のNational Physical Laboratory（NPL）によって供給されるような２．９７０μｍのステップ高さの標準規格品に対して行われた同様の測定の結果の面領域図を示している。明らかに、サンプル表面には３つの溝がある。図５ｂは、求められた表面プロファイル又は測定された溝の断面図を示している。測定された平均ステップ高さは２．９７１μｍである。測定誤差は１ｎｍである。
【００８５】
図６ａは、Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）によって較正された２９２ｎｍの標準的な被検物に対する同様の測定の結果の面領域図を示しているのに対して、図６ｂは、ステップの対応する断面図又はプロファイルを示している。測定された平均ステップ高さは２９１．１ｎｍである。測定誤差は０．９ｎｍである。
【００８６】
説明した装置を用いて、電気光学ハイブリッドチップ及びシリカウェハも測定した。これらの２つのサンプルの測定結果を図７ａ及び図８ｂにそれぞれ示す。比較を容易にするために、カメラ写真（図７ａ及び図８ａ）もサンプルごとに提示されている。写真及び測定結果（図７ｂ及び図８ｂ）を比較することによって、ステップ及び小さなひっかき傷が明確に測定され、詳細に明らかにされていることを見て取ることができる。
【００８７】
高速表面測定のためのスペクトル走査干渉法を用いる表面特性測定装置２００の別の例が図９によって示されている。
【００８８】
装置２００は以下の３つの部を有する。
１）光源部２０１
２）干渉計部２０２
３）制御部２０３。
【００８９】
干渉計部２０２は、ハロゲンランプ等の白色光源（又は広帯域光源）２０４を有する測定干渉計を提供する。基準干渉計は、バイオレットレーザダイオードのようなレーザ光源２１１を有する。
【００９０】
白色光源２０４からの光は、集光レンズ２０５、ピンホールアパーチャ２０６及びコリメーションレンズ２０７を介して、特定の波長の選択を可能にする音響光学波長可変フィルタ（ＡＯＴＦ）２０８に誘導される。ＡＯＴＦによって出力された光は、ダイクロイックビームスプリッタの形態の第１の結合素子２０９に誘導される。レーザ光源２１１からの光は、レンズ２４０を介して結合素子２０９に誘導される。
【００９１】
光は、結合素子２０９からレンズ２１０を介して光ファイバ結合２３０の入力２３２に誘導される。この入力２３２は干渉計部２０２に結合している。光ファイバ結合の出力２３１からの光は、レンズ２２５を介して結合素子又はビームスプリッタ２５０に供給される。ビームスプリッタ２５０は、光を、基準経路ＲＰに沿って基準表面、一般的には基準ミラー２２１に向けて誘導すると共に、サンプル経路ＳＰに沿ってサンプル１０の表面１０’に向けて誘導する。サンプル経路に沿って誘導された光は、レンズ２２４によってサンプル表面１０’上に合焦され、基準経路に沿って誘導された光は、レンズ２２２によって基準表面１２上に合焦される。サンプル表面１０’によって反射された光は、サンプル経路に沿ってレンズ２２４を介して結合素子２５０に戻る一方、基準表面２２１によって反射された光は、基準経路に沿ってレンズ２２２を介して結合素子２５０に戻る。サンプル表面によって反射され光及び基準表面によって反射された光は干渉する。
【００９２】
レンズ２２３は、測定干渉信号又はインターフェログラムをダイクロイックビームスプリッタ２１７を介して高速ＣＣＤカメラ２１６上に合焦させる。ダイクロイックビームスプリッタ２１７は、基準干渉信号又はインターフェログラムを光検出器２１８に誘導する。光検出器２１８の出力は、基準表面２２１に取り付けられたＰＺＴ２２０を制御するＰＩＤ（比例・微分・積分）コントローラ２１９に結合されている。
【００９３】
カメラ２１６は、測定インターフェログラムフレームデータをコンピュータ２１３に提供するフレームグラバ２１２に結合されている。コンピュータ２１３は、ＤＡＱカード２１４を介してＡＯＴＦドライバ２１５に結合されている。
【００９４】
光源部２０１は、干渉部２０２から分離されており、分離されていない場合に白色又は広帯域光源２０４の稼動中に生成される熱によって干渉部２０２に導入されていた可能性のある熱的効果が低減される。これは、光ファイバ結合によって達成される。
【００９５】
図９に示す装置の動作中、白色光源２０４は、合焦され、コリメートされ、そしてＡＯＴＦ２０８によってフィルタリングされて、選択された波長が提供される。フィルタリングされた光源は、次に、光ファイバ２３０内に結合される。基準干渉計のレーザ光源２１１の出力も、コリメートされ、ダイクロイックビームスプリッタ２０９を通じて光ファイバ２３０内に結合される。
【００９６】
前の例と同様に、干渉計部は、この干渉計部内に共通の光路を共有する２つのＬｉｎｎｉｋ干渉計、すなわち主干渉計及び基準干渉計を設けている。ＡＯＴＦによってフィルタリングされた白色光源からの光により照射された測定干渉計は、サンプルの或る領域の３次元表面高データを、場合によってはリアルタイムで取得するのに用いられる。レーザダイオードによって照射された基準干渉計は、環境雑音、例えば温度ドリフト、機械的振動及び乱流を監視及び補償するのに用いられる。２つの干渉計は同様の環境雑音を受けるので、基準干渉計が環境雑音補償モードに「ロック」されると、測定干渉計は、表面情報を測定することができる。ＡＯＴＦは、その特定の波長の光だけがＡＯＴＦを通過し、インターフェログラムを生成し、ビデオカメラによって検出されるように、主干渉計を照射する光波長を選択するよう実施される。
【００９７】
図９の制御部２０３は、フレームグラバ２１２、高性能コンピュータ（ＰＣ）２１３、ＧＰＵカード（図示せず）、ＤＡＱカード２１４及びＡＯＴＦドライバ２１５を含む。ＰＣ２１３は、ＡＯＴＦドライバ２１５を駆動して、ＡＯＴＦデバイスを通過する波長を選択する。フレームグラバは、ＣＣＤカメラによって検出されたインターフェログラムを表す対応する画像をグラブし、これらの画像はＧＰＵによって処理される。したがって、選択された波長は、上述したように、異なる波長のインターフェログラムを生成するように変更され、上記で説明したように、これらのインターフェログラム解析することによって、表面トポグラフィーをリアルタイムで計算できる。
【００９８】
図１０は、本発明を実施する表面特性測定装置の形態の計測機器の別の例の簡略化した側面図を示している。この例では、例えば図９の干渉計部２０２又は図１ｂの対応する構成要素を備える干渉計システム４０１が、ゴニオメータ４０２を介して、Ｘ、Ｙステージ４０４上に取り付けられたＺ軸支柱４０３自体に取り付けられている。干渉計システム４０１をゴニオメータによって回転させて、測定されるサンプル（図示せず）に向けることができ、それによって、工作機械上でインライン測定が可能になる。ゴニオメータ４０２は、干渉計システムの垂直位置を調整可能なキャリッジによってＺ軸支柱４０３に取り付けることができる。干渉計システムのＸ位置及び／又はＹ位置は、図２を参照して上述したものと同様の方法でＸ、Ｙステージ４０４によって調整できる。上記で説明した例と同様に、光源は遠隔に位置付けることができる。制御システムは、図９に示されていないが、図９を参照して説明したものと同様のものとしてもよいし、図１ａ、図１ａ及び図３を参照して説明した機能によって提供することもできる。
【００９９】
上記で説明したように、これらの例のそれぞれにおいて、安定化レーザダイオードによって照射された基準干渉計が、環境雑音、例えば温度ドリフト、機械的振動及び乱流を監視及び補償するのに用いられる。２つの干渉計は同様の環境雑音を受けるので、測定干渉計は、基準干渉計が補償モードに「ロック」されると、表面情報を測定することができる。
【０１００】
干渉計の絶対光路長は、光学的な角波数（optical angular wave number）の変化にわたる位相変化の比率を計算することによって求められる。ゼロクロスアルゴリズムを用いて、位相変化の全体期間（integral period）を検出することができる。ゼロクロスアルゴリズムは、効果的ではあるが、実際には、キャプチャされた画像フレームの一部しか利用されない場合には十分正確でない場合があり、高さの分解能が数十ナノメートルに制限される場合がある。さまざまな位相計算方法を上述したように用いることができ、適切な前置フィルタリングパラメータの選択及び疑似位相シフトアルゴリズムを用いて、位相シフト誤差の影響を最も受けにくい適切な位相シフト値及びステップを見つけることができる。
【０１０１】
信号処理及び制御回路は、汎用コンピュータ、ＤＳＰ、マイクロコントローラ、ＧＰＩＢ、ＣＰＵ、ＧＰＵ等を単独又は任意の適切な組み合わせで用いて任意の適切な方法で実施することができる。制御は、状況及び要件に応じて、ハードウェアに組み込むこともできるし、ソフトウェア駆動とすることもできる。ＧＰＵ（グラフィックス処理装置）は、一般にピクセルごとに画像を処理するＣＰＵと異なり、さまざまな画像ピクセルのデータを並列に処理することができるので、上述したように、大量のキャプチャ画像データを処理するには、ＣＰＵよりもむしろＧＰＵを用いることが有利となり得る。その結果、ＧＰＵ技術を用いると、処理時間が大幅に削減されるはずである。
【０１０２】
実施形態は、スペクトル走査干渉法を利用する能動的雑音制御を有する表面測定技法を提供する。ナノメートル精度の表面測定結果が得られている。白色光垂直走査干渉法のように光路走査の必要はない。用いられる画像キャプチャセンサに応じて１秒未満のデータ取得時間を達成可能とすることができる。ＣＣＤカメラが上記で説明されているが、ＣＭＯＳカメラも用いることができる。並列処理技法、例えばＧＰＵを用いると、手ごろな価格でデータ処理速度を１００倍まで改善することができる。
【０１０３】
上記で説明したように、ＰＺＴが、基準ミラーの位置を制御するのに用いられる。別の可能性として、電気光学変調器（印加電圧の関数である屈折率を有するニオブ酸リチウムのような材料を含むデバイス）を基準経路において用いて基準経路長／位相を制御し、環境影響を補償することを可能とすることができる。その高速な応答時間のため、ＥＯＭの使用は、基準ミラーを物理的に移動させることよる周波数の環境影響よりも高い周波数の環境影響を補償できることを意味し得る。
【０１０４】
上記で説明した例のそれぞれにおいて、サンプルは、サンプル支持体上に取り付けることができる。別の可能性として、干渉計システムを、サンプル表面に対向した支持体又はガントリに懸吊することができるプローブヘッドに取り付けることができる。後者は、例えば、表面がより大きな構成要素又はアセンブリの一部である場合に、そのままの状態でのサンプル表面を測定するのを容易にすることが可能である。
【０１０５】
上記で説明したように、ＡＯＴＦコントローラによる波長選択は段階的に行われる。別の可能性として、ＡＯＴＦコントローラによる波長選択は連続的とすることができ、測定の時間調節は、画像キャプチャデバイス若しくはセンサ検出器の起動又は位相特性測定器１８（図１ａ）若しくはフレームグラバによる測定信号（インターフェログラム）データの記憶を制御することによって行うことができる。他の波長選択デバイス、例えば波長可変レーザを用いることもできる。
【０１０６】
図９を参照して説明した光ファイバ結合は、他の例のいずれにおいても用いることができる。例えば図２において、１ｄは、干渉計部Ｉと、別個のハウジング１ｅに設けることができる光源部との間の光ファイバ結合を提供することができる。ハウジング１ｅは、図２に示すように、作業面ＷＳに取り付けることもできるし、さらに遠隔にすることもできる。信号処理及び制御回路３は、光学システムの近く又は遠くの何れであっても構わない。また、信号処理及び制御回路３は、単一のエンティティを構成する場合があるし構成しない場合もある。
【０１０７】
上記ではＬｉｎｎｉｋ干渉計を説明したが、他の適切な干渉計を用いることもできる。
【０１０８】
一実施形態では、波長選択器５は広帯域光源４の波長を選択する。光導波器ＢＳ１、ＢＳ２は、波長選択器からの光を測定経路に沿ってサンプル表面の領域に向けて誘導すると共に基準経路に沿って基準表面に向けて誘導し、サンプル表面の領域によって反射された光及び基準表面によって反射された光が干渉してインターフェログラムを生成するようにしている。コントローラ２０は、波長選択器を制御して、波長選択器によって選択される波長を変更する。記録器６３は、連続した画像を記録し、各画像は、波長選択器によって選択された波長のそれぞれ１つによって生成されたインターフェログラムを表す。データプロセッサ１８、１８０は、記録された画像を処理して、サンプル表面の少なくとも一部の表面プロファイル及び表面高マップの少なくとも一方を作成する。基準経路を制御して、振動、熱的効果及び乱流のような環境影響を補償することができる。データプロセッサは、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）を用いて、ピクセルデータの並列処理を可能にすることができる。
【０１０９】
図に示すさまざまなレンズの位置及び存在は設計上の選択事項である場合があること、及び代替的なシナリオが可能な場合があることが理解されよう。
【０１１０】
いずれか１つの例に関連して説明される任意の特徴は単独で、又は記述される他の特徴と組み合わせて用いることができ、また、他のいずれかの例の１つ若しくは複数の特徴と組み合わせて、又は他のいずれかの例の任意の組み合わせにおいて用いることができることは理解されたい。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、上述されない同等形態及び変更形態も具現化することができる。
【図１ａ】
2015145876.tif 000012
【図１ｂ】
2015145876.tif 000013
【図２】
2015145876.tif 000014
【図３】
2015145876.tif 000015
【図４ａ】
2015145876.tif 000016
【図４ｂ】
2015145876.tif 000017
【図５ａ】
2015145876.tif 000018
【図５ｂ】
2015145876.tif 000019
【図６ａ】
2015145876.tif 000020
【図６ｂ】
2015145876.tif 000021
【図７ａ】
2015145876.tif 000022
【図７ｂ】
2015145876.tif 000023
【図８ａ】
2015145876.tif 000024
【図８ｂ】
2015145876.tif 000025
【図９】
2015145876.tif 000026
【図１０】
2015145876.tif 000027