(57)【要約】【課題】本発明は光学的結像系の結像品質を決定する方法、並びに特に振幅分布が知られている照明光の振幅および位相前面分布への試料の影響を求めるための方法【解決手段】試料２．１を検出装置上へ結像させることが可能なように構築群を互いに調整すること、いくつかの試料画像を最良焦点面に近いさまざまな設定平面で撮像し、特にノイズの低減化、検出装置の局所的感度差補正のための、および光強度の重心をそれぞれ結像の１箇所へセンタリングするための、画像加工による結像品質の改良すること、結像系４に起因する波面の歪曲を特徴付ける指数の評価および算定の目的で行う、ドット分解画像情報、光学的結像系に関する設定値およびシステム値ならびに試料情報の計算面で関連づけること、および結像品質に相当するものとしての指数のアウトプットおよび結像系への振り分け。
2006527353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を含む照明系、試料収納用試料ホルダ、結像光学系および少なくとも１つのドット分解検出装置を主要構成群とする光学的結像系の結像品質を決定する方法であって、以下の処理ステップ、すなわち
−  検出装置への試料の結像が可能になるようになされる構成群の相互調整、
−  焦点面近くの様々な設定平面からの試料の複数結像の取り込み時における、画像面に対する検出装置、または対物面に対する試料、あるいは試料に対する対物レンズ、それぞれの相対的位置調整、
−  特にノイズの低減化、検出装置の局所的感度差補正のため、および光強度の重心をそれぞれ結像の１箇所へセンタリングするための、画像加工による画像品質の改良、
−  結像系に起因する波面の歪曲を特徴付ける指数の評価および算定の目的で行う、ドット分解画像情報、光学的結像系に関する設定値およびシステム値ならびに試料情報の計算面での関連づけ、
−  結像品質に相当するものとしての指数のアウトプットおよび結像系への振り分け、
−  その際、指数としてそれぞれ設定面に振り分けられているゼルニケ係数のアウトプット、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、指数を求めるために、
−  第１ステップで、まず解析的な評価が行われること、
−  次の第２ステップでは、第１ステップから得られた結果が、プリセットした中断基準に到達するまで改めて反復加工されること、
を特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
画像情報の解析的評価によるゼルニケ多項式の決定が、プリセットされた次数まで行われることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２あるいは３に記載の方法であって；画像情報の反復的評価によりゼルニケ係数の決定が行われることを特徴とする、ただし
−  試料の画像スタックからの各波面が１単位とみなされる、あるいは
−  ピクセルごとに評価が行われる、その場合
−  求めたゼルニケ係数が、出力する指数に相当している、
という方法。
【請求項５】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
設定面の変更が常に対物空間で行われる、すなわち試料と対物面との間隔の変更によって行われることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
設定面の変更がプリセットされたステップ幅で行われることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５あるいは６に記載の方法であって、
評価の反復ステップにおける変数の数が、先行解析ステップの場合に比べて増やされていること、好ましくは倍化されていることを特徴とする方法。
【請求項８】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
−  試料が直径ｄＰＨ  ＝  ３００ｎｍのピンホールを有する、
−  波長２４８ｎｍの照明光を使用する、
−  試料におけるピクセルの大きさが、４５ｎｍである、
−  結像系の開口数が、０．２である、
−  照明の開口が、結像系の開口数に相当する、
−  試料の照明が、σが約０．８の部分コヒーレント光で行われる、
−  結像におけるエアリーディスクの直径が１．５１２μｍである、
−  焦点深度が６．２μｍである、
−  結像間のデフォーカシングが、焦点深度領域内にて、±１ＲＥ（ＲＥ  ＝  Ｒａｙｌｅｉｇｈ−  Ｅｉｎｈｅｉｔ、レイリー単位）、±３ＲＥ、  ±０．８ＲＥ  および  ±６．２μｍ、±１８．６μｍ、±５μｍで行われる、
−  結像の数が奇数に、好ましくは７、１１あるいは２１にプリセットされる、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
ピンホールの大きさによる結果への影響を排除するために、試料におけるピンホールの大きさ別に画像情報が展開される、ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
画像情報の評価において、好ましくは、たとえばベルトランドシステムの適用下で得られる絞り画像を基に、結像系の絞りの影響が考慮される、ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
アポディゼーションに対して絞りの機能がプリセットされる、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
複数の検出装置が、画像面に対して様々な距離に配置されていて、それにより様々な設定面からの結像が、選択的に、つまり同時に、あるいは然るべき制御下で時間的に相前後して取り込まれる、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
−  隣り合わせに並べられている複数の試料、あるいは隣り合わせに並べられている複数の対象物から成る１つの試料が、試料ホルダにセットされていて、そのため結像系の視野内における各当該ポジションについて、結像品質の情報が同時に求められること、および／または
−  散乱あるいは波長に依存する影響を捕捉するために、複数の異なる波長による測定が同時に行われること、
を特徴とする方法。
【請求項１４】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
バイナリー対象物を有する、すなわち、好ましくは、円形あるいは正方形のピンホール形態をした純粋な振幅性対象物を有する試料が想定されている、ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
試料の位置決めから指数の出力まで、結像品質の決定過程が自動的に行われる、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
設定面の変更に応じて試料の照明が最適化され、それによって画像中の信号−雑音比が最適化されるように照明制御が行われる、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
先行請求項のいずれかに記載の方法であって、
低シグマ値および絞りにおけるガウス強度分布を達成するために、試料の照明用としてビームウエストが、対物面にくるレーザ光が用いられる、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
様々な試料が照明光の振幅波面分布および位相波面分布に及ぼす影響を測定するための方法であって、以下の処理ステップ、すなわち
−  光学的結像系に特有の波面歪曲が、定義付けされた既知の光学的特性を持つ試料を基に、請求項１から請求項１７のいずれかに基づく指数形式で決定されること、
−  既知の試料がまだ光学的特性の不明な検査対象試料と交換されること、
−  検査対象試料の影響下での波面の歪曲が、請求項１から請求項１７のいずれかに基づく指数形式により改めて決定されること、
−  定義付けされた試料の影響下での結像品質に対する指数と検査対象試料の影響のないときの結像品質に対する指数との差を基に、検査対象試料の影響が求められること、
−  指数の差から検査対象試料の特性が求められること、
を特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、
まず不明の試料によって得られた画像情報が後加工され、その場合、結像系の特性決定に用いられた試料の特性によって結像系の特性が較正され、それにより不明試料の結像の際、同時に固有の装置特性が補正される、ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
画像情報の後処理の際、同時に、画像情報の中から試料固有特性の影響要因が、特に観察対象物の大きさが補正される、ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１９あるいは２０に記載の方法であって、
特にマイクロリソグラフィーにおけるステッパの試料画像への影響が、畳み込みにより改めて計算に含み入れられること、を特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１８あるいは１９に記載の方法であって、
試料としてリソグラフィーマスク、特に位相シフト作用のあるマスクが用いられること、を特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は本質的に光源を含む照明系、試料収納用試料ホルダ、結像光学系および少なくとも１つのドット分解検出装置を主要構成群とする光学的結像系の結像品質を決定する方法に関する。
本発明はさらに、特に振幅分布が知られている照明光の振幅および位相前面分布に及ぼす試料の影響を求めるための本発明による方法の利用に関する。
【０００２】
価値の高い、特に顕微鏡法に使用するための結像光学系の製造との関係において、達成可能な結像品質の評価が必要である。
【背景技術】
【０００３】
少数のレンズから成る結像系ばかりでなく、複雑な光学構築群を含む結像系の結像品質も、少なくとも半定量的に決定すべきことが知られている。そのためにはいわゆる星像テストを実行するのが普通で、ここでは円形の対象物が固有の光学系の分解能制限下でテスト試料として使用される。これらの試料をデフォーカシング調整およびそれに含まれる対称性により結像させる際の回折像の振る舞いに基づき、結像の品質を最も不十分な精度で定量的に決定しなければならない。
【非特許文献１】ジョセフ・ジアリー（Ｊｏｓｅｐｈ  Ｇｅａｒｙ）著、“Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｓｅｎｓｏｒｓ”、ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ  １９５５年発行
【非特許文献１】ダニエル・マラカーラ（Ｄａｎｉｅｌ  Ｍａｌａｃａｒａ）著、“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｈｏｐ  Ｔｅｓｔｉｎｇ“、  Ｗｉｌｅｙ  Ｖｅｒｌａｇ  １９９２年発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにたとえば、閉じた第１の干渉リングが第１のレーリー領域の縁で、干渉により制限を受ける光学の証拠事実として観察できる。短所としては、この評価は単に全体として表現したにすぎないと理解すべきである。そしてこの方法によって残りの結像誤差をさまざまな誤差タイプ、たとえば球面収差、コマ収差、非点収差に分配することについてより詳細な定量的な表現を得ることもできない。
【０００５】
他の方法の場合、個別の光学構築群のパスは、たとえばシステムの制限を受ける結像誤差に換算されるレンズ体の幾何学的誤差について表現を得られるよう、干渉により試験される。
【０００６】
この場合、干渉計の測定波長が作業波長もしくは照明光の波長スペクトルに一致している限り、すでにシステムで制限される影響因子も把握されている。より高価な光学系の場合、結像品質を与えられた境界条件および正しい作業波長の下で全結像系に関して試験するため、時により特別に適合させた干渉計も利用される。
【０００７】
これが利用されるのは、たとえば半導体マイクロリソグラフィで使用されるべきステッパまたはスキャナのための結像対物レンズにおいてである。この方法は比較的高い技術的費用を要求し、それによって非常にコストが高く、したがって顕微鏡製造に関連してはほとんど利用されない。
【０００８】
知られているのはさらに、いわゆるハルトマン（Ｈａｒｔｍａｎｎ）またはシャック−ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ）波面センサ、または類似の動作原理を持つセンサ類を有する光学的結像系により波面を測定することである。ここでも比較的高い技術的費用が運用されなければならず、それゆえ対応する測定システムの多くは、測定が単にさまざまな部分システムについて装備されているにすぎないように設計されているのみであるが、それにもかかわらず、それらの部分システムは顕微鏡法用のマイクロ対物レンズのようなものに似たインターフェースを有する。
【０００９】
この関係において、特に顕微鏡製造者にとっては、光学的、幾何学的および機械的パラメータの異なる多種多様な光学的結像系について、結像品質ができる限り正確に決定されることが可能な、一般的な試験法が利用できないという問題が繰り返し起きる。
【００１０】
またこの問題も、製造もしくは調整過程中のみならず、すでに顧客のもとで使用中の結像系の品質を監視することにも関連している。
【００１１】
さらに従来知られている方法すべてにおいて、結像系のいくつかの視野位置について結像品質を求めることは費用がかかり、もしくは不正確である。
【００１２】
この関連の文献は以下のものが挙げられる：ジョセフ・ジアリー（Ｊｏｓｅｐｈ  Ｇｅａｒｙ）“Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  ｓｅｎｓｏｒｓ”，ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ  １９５５およびダニエル・マラカーラ（Ｄａｎｉｅｌ  Ｍａｌａｃａｒａ）“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｈｏｐ  Ｔｅｓｔｉｎｇ“，Ｗｉｌｅｙ  Ｖｅｒｌａｇ  １９９２．
【００１３】
この現状技術から出発した本発明の根底には、従来知られた方法をさらに発展させ、少ない技術的費用により光学的結像系の結像品質をより正確に定量的に決定することが可能となり、および特に振幅分布が知られている照明光の振幅および位相前面分布への、最初に知られていない試料の影響を求めるための結像品質決定の結果も利用できるようにするという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に則して、冒頭に挙げられた種類の方法の際に行われる処理ステップが以下に示されている：
−  検出装置への試料の結像が可能になるようになされる構成群の相互調整、
−  焦点面近くの様々な設定平面からの試料の複数結像の取り込み時における、画像面に対する検出装置、または対物面に対する試料、あるいは試料に対する対物レンズ、それぞれの相対的位置調整、
−  特にノイズの低減化、検出装置の局所的感度差補正のための、および光強度の重心をそれぞれ結像の１箇所へセンタリングするための、画像加工による結像品質の改良、
−  結像系に起因する波面の歪曲を特徴づける指数の評価および算定の目的で行う、ドット分解画像情報、光学的結像系に関する設定値およびシステム値ならびに試料情報の計算面での関連づけ、および
−  結像品質に相当するものとしての指数のアウトプットおよび結像系へ振り分けること。
【００１５】
原則的に本発明の考えは、まず波長、開口数、シグマ（照明のコヒーレント角として）、読み取り、画像サイズ（画素単位で）、倍率等のような撮像パラメータが知られているか、決定されることのできる運用準備の整った光学的結像系により、一個の試料、望ましくはピンホールつきの一個の試料からいくつかの撮影、いわゆる画像スタックを得ることにあり、この際この画像スタックの個別の撮影が焦点面近くのさまざまな焦点距離に、すなわちさまざまなデフォーカシング調整に起源する。
【００１６】
言いかえると：試料は何回もそれぞれ変化したデフォーカシングによりドット分解検出装置上に結像し、この際画素単位で得られた画像情報は保存される。これによって互いに積み重なった画像層から成る、各画像が強度値の形の多数の画像情報から成る積層が利用できる。
【００１７】
画像スタックの個別像は、まず、画像処理の技術的分野で知られている結像品質を改善するために措置がなされる。この措置は特に以下のことに関する：
−  雑音の軽減すなわち信号−雑音比の改善、
−  検出装置の個別センサ素子（画素）の局所的感度差の均等化、
−  センサ素子のダイナミックス範囲の線形化、
−  雑音バックグラウンドの差し引き、
−  あらかじめ与えられた場所ごとの個別画像の強度重心のセンタリング、および／または
−  縁仕上げ部を避けて重要な画像部分、たとえば軸点および視野点の切り出し。
【００１８】
これらの結像品質を改善するための措置は、特に別の本発明による処理ステップにより達成され得る精度の観点から長所となる。
【００１９】
結像品質を改善した後、画像情報並びにすべての重要なデータ、たとえば光学的結像系に関する設定値およびシステム値、並びに試料についての情報（試料タイプ、試料特性）が、あらかじめ与えられた計算プログラムに基づき評価装置に結びつけられるために渡される。
【００２０】
評価装置に渡されると共に、同時にオプションとして、試料の影響を結像系および照明の影響から分離するために、画像情報の展開が行われるべきかどうかが決定される。この決定は、たとえば試料内のピンホール直径ｄＰＨと結像系の対象物側エアリー直径ｄＡｉｒｙとの比較、および達成せられるべき精度に依存してなされる。ピンホール直径またはたとえばチホノフ正規化のためのパラメータのような展開のための対応する制御パラメータは、展開を決定する場合に同様に評価装置に入力される。
【００２１】
さらに、評価の前に固定すべき、もしくは評価のためあらかじめ与えられるべきは：
−  望ましい評価もしくは評価結果の精度、
−  結像品質を評価する際に決定され、もしくは根底に置かれるべき指数の数、
−  評価のため利用すべき計算プログラムをフロントエンド・プロセッサ利用可能なプログラムから選択すること、
−  評価のための打ち切り基準、たとえば残存誤差の大きさ、反復的なサイクルの数または評価の継続時間、
−  評価が一段階に行われるべきか、または数段階に行われるべきか、ここで数段階評価では目標は、より迅速に結果に至り、収束を速め、および経過を安定化させるため、および
−  評価中に対象物空間においてデフォーカシングが、すなわち対物面に相対的な試料の調節が、または試料に相対的な対物レンズの調節が考慮されるべきかどうか、この場合たとえば、対象物空間デフォーカシングに由来する影響が考慮されることができるよう、備えられている反復的な計算のためのパラメータ空間が高められるべきである。
【００２２】
別の方法経過では瞳機能が考慮されることができ、たとえばベルトラン・システムを介し瞳結像を通じた実際の照明測定の結果、または結像系のデザイン特性としての瞳の理論的に決定可能なアポディゼーションがある。
【発明の効果】
【００２３】
特に望ましい本発明の構成では、指数を求めることが、第１ステップにおいて解析的評価によって、および続く第２ステップにおいて反復的な評価によって行われ、このとき第１ステップの結果が第２ステップでのスタート値として渡され、そこであらかじめ与えられた中断基準に到達するまでさらに処理されることが備えられている。
【００２４】
第１ステップは、指数についての結果の目標範囲を、粗い方法により迅速に見出すのに役立っており、しかしながらすでに結果をある程度の精度で与えることができる。第２ステップは、まだ不正確な第１ステップの結果に基づき、すなわちスタート値として用い、より正確な結果を求めるのに役立つ。
【００２５】
第１の解析ステップにおいて、まず結像品質に等価である一組の第１の指数が、たとえばゼルニケ多項式の形で希望のオーダーまで求められる。そのために評価に取り入れられた情報もしくはデータは、たとえば拡張ゼルニケ法に従い解析される。
【００２６】
解析的評価により生じる指数は、通常まだ光学的結像系の結像品質を評価する際の精度要求には十分でない。それゆえ解析的決定に続いて反復的な追処理が行われる。
【００２７】
反復的な評価プロセスにおいて、画像情報、光学的結像系の像撮影パラメータ、先行解析的評価のステップで求められた結像品質についての指数および検索された強度分布と測定された強度分布との間の残存誤差としての残余がずっと挿入される。
【００２８】
評価の反復・フェーズは、画素ごとに誤差を最小化することによって、たとえばメリット関数または導き出された別形方法に基づいて行うか、または面的に（像内容を考慮して）行うことができる。優遇される方法は、専門界に知られているＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ，Ｇａｕβまたは非最小自乗法に従う選択的な最適法が振り分けられているＧｅｒｃｈｂｅｒｇもしくはＧｅｒｃｈｂｅｒｇ‐Ｓａｘｔｏｎ原理に従う反復法の使用である。
【００２９】
これと並んで、反復的な評価には解析的評価は先行せず、画像情報並びに結像系についての提示が、すぐに反復的な評価へと続くのも考えうるものであり、ここで優遇されるのは試料に依存せず必要な場合展開される画像情報が考慮されうることである。たしかに解析的評価が先行することは、求める残余の絶対的最小を実際に見出すため、収束および安定性をはっきりと高めるスタート値が反復に利用可能であるという本質的な長所を持つのではあるが。
【００３０】
デフォーカシングが、画像スタック撮影の際に、対象物空間内で行われるなら、また、対象物空間デフォーカシングが、評価の際にも考慮されるべきなら、結像品質についての各指数に１つまたはいくつかのデフォーカシングを記述するパラメータが振り分けられることができるよう、それでデフォーカシング効果が反復の際に考慮されるよう、反復のためのパラメータ空間は高められるべきで、優遇されて線形展開において二重にされるべきである。指数は線形の場合それぞれ
ｃｉ＝ｃｉ，ｆ＋Δｚ＊ｃｉ，ｄ
の形を取り、ここでｃｉ，ｆは結像品質の指数、Δｚは光軸方向の送り、またｃｉ，ｄはデフォーカシング項である。
【００３１】
反復の根底となるべきデータおよび情報は、測定値を求めるさまざまな先行段階または理論的なシステム計算の結果から選択的に受け取ることができる。
【００３２】
評価を粗く、安定に、すなわち外乱に抵抗力を持つように構成するため、反復的な評価へ、、知られたグローバルな最適化法、たとえば「シミュレートされた焼きなまし」、または自己学習する計算経過も取り入れることができる。
【００３３】
評価結果のアウトプットは、結像品質を記述する指数の形式で、好適にはゼルニケ係数として、画像情報として、検索された強度分布と測定された強度分布との間の残存誤差としての残余の形で、および求められたゼルニケ係数に振り分けられたデフォーカシングパラメータとして備えている。
【００３４】
本発明による方法は、さらに、結像品質により今は知られている結像誤差も、任意の最初はまだ知られていない試料から同じ結像系により撮影される像から計算するという趣旨で使用される。
【００３５】
そのために最初まだ知られていない試料により得られる画像情報が追処理され、その中で結像系の特性が展開によって考慮される。この方法で試料結像の際に固有の機器特性が考慮され、同時に訂正もされる。有利なのは、結像系の特性を試料像から展開する際に、同時に最終の対象物サイズの影響も点像から訂正できることである。
【００３６】
この方法で、同様に、マイクロリソグラフィのたとえば１つのステッパの影響を、測定システムの特性を訂正するため、およびステッパが作り出したとおりに像を保つため、１つの像の特性へ再び折りたたみごとに計算することが可能である。
【００３７】
画像スタックを撮影するために設定平面を変更することは、あらかじめ与えられたステップで行われるべきことが有利である。
【００３８】
画像スタックはドット分解検出装置を介して撮影することができ、このとき検出装置または試料の各一回の調節が必要である。その代わりに、画像スタックを撮影するためにドット分解検出装置を用いることも可能で、これらはそのときそれぞれ希望の設定平面に配置されている。この最後の場合、同時にすべての画像スタック画像を撮影するばかりでなく、制御に応じて時間的に次々続く１つの画像スタックに属する画像の撮影も可能である。
【００３９】
結像品質が結像系の視野内のさまざまな位置に関して求められるべきであれば、本発明の構成では、指数を決定するのに、試料取り付けホルダ中に隣り合って位置しているいくつかの試料に基づき行うように備えることができる。したがって試料はどの撮影についてもその時々に振り分けられることのできる画像情報を供給する。
【００４０】
同様に、１つの画像スタック中で、情報が視野内の像誤差に関して求められるように、いくつかの対象物を有する１つの試料が、結像系の視野内に配置されることが可能である。結像系の特性に関する試料の設計の際、配置された対象物が相互に影響し合わないことに留意することが有利である。
【００４１】
このような試料としては、二進の対象物、すなわちたとえばリソグラフィ・マスクのような純粋な振幅性対象物が観察に供される。
【００４２】
別の特に優遇される本発明の構成は、すべて評価へと流入するデータおよび情報を、並びに評価結果のアウトプットを含めた評価をも、求めることがすべて自動的に進行するという備えとなっている。
【００４３】
事情によっては、画像スタックを得るときに露光制御を使用するのが有利で、これは変化する設定平面にもかかわらず常に最適な試料照明を保証し、それによってすでに撮影の間に像中の信号−雑音比が最適化される。
【００４４】
また、試料を照明するために、対物面内でビームウエストを有するレーザ光線を利用することが考えられ、これは結像系の瞳において、低シグマ値へ、またガウス強度分布への典型的な方法に導く。
【００４５】
本発明による別の発展において、最初にまだ知られていない試料が、分布の知られている照明光の振幅前面分布および位相前面分布に及ぼす影響を決定することが、以下の処理ステップにより備えられている：
−  光学的結像系に特有の波面歪曲が、定義付けされた既知の光学的特性を持つ試料を基に決定されること、
−  既知の試料がまだ光学的特性の不明な検査対象試料と交換されること、
−  検査対象試料の影響下での波面の歪曲が、先行処理ステップに従い改めて決定されること、
−  定義付けされた試料の影響下での結像品質に対する指数と、検査対象試料の影響のないときの結像品質に対する指数との差を基に、検査対象試料の影響が求められること、および
−  既知の試料の特性をこの分離の結果により決定すること。
【００４６】
この種の試料特性の決定は従来の処理ステップに続くもので、結像品質についての特有の指数がすでに存在する運用準備のできた光学的結像系から出発している。この結像系には、照明光の波長、開口数、シグマ、読み取り、倍率、画像サイズ（画素単位で）およびデフォーカシングパラメータ（結像品質についての指数に分類される）のような撮像パラメータも知られており、もしくは決定される。
【００４７】
この知られた撮像特性を有する結像系中へ、検査すべきまだ知られていない試料が装入され、または試料の像が入射される。検査すべき試料により一連の画像が、すなわち再び画像スタックが撮影される。すでに記述されたようにここでも画像ごとに焦点距離が変更され、このとき試料の照明を常に焦点面に適合させるよう、ここでもデフォーカシングに依存する露光制御を利用することができる。
【００４８】
このようにして検査すべき試料から得られた画像は、それらの品質に関して処理され、このとき再び信号−雑音比がおおよそ暗像補正によって改善され、画素の線形化（フラット・フィールディング）が行われ、雑音背景が差し引かれ、強度重心が各画像においてセンタリングされ、重要な画像部分が切り出され、および／または雑音フィルタリングが備えられることができるから、表現力のある評価可能な画像を有する画像スタックが後続処理にゆだねられる。
【００４９】
このとき強度重心をセンタリングすることは、画像中に保持されるデータ値を利用している間に、直接、またはしかし相関を通じて行うことができ、このことは、あらかじめＸ，Ｙ方向の水平進行が結像系のｚ位置に関連して平面調整ごとに決定され、必要な場合、中間平面を内挿することもあるならば、画像が、現在（画像スタックを撮影するのと反対に純粋な結像系の指数を決定するために）カメラ視野の縁で終わっておらず、純粋に機械的に行われるからである。
【００５０】
この処理の後にある画像情報、結像系についての情報、各撮像に関する調整についての情報、並びに結像品質についての指数は、評価装置へ渡される。
【００５１】
評価については特にあらかじめ与えられている：
−  望まれる評価もしくは評価結果の精度、
−  結像品質を相当するものとしての指数の数、たとえば評価もしくは結果の根底となっているゼルニケ係数の数、
−  評価装置がいくつかの適合する計算アルゴリズムを通じて利用される限り、使用されるべき計算法および最適化法の選択、
−  たとえば残存誤差、反復的なサイクルの数、評価の所要時間のような、反復的な評価についてのあらかじめ与えられた中断基準、
−  一段階評価か数段階評価か、ここで数段階評価によれば、計算時間を短縮すること、反復の際に収束および安定した結果の見出しを高めること、または計算進行を安定化させることという目標が追求される、
−  場合により行われる対象物空間デフォーカシングの考慮、このため、対象物空間デフォーカシングに由来する結像品質の指数の変化を考慮することができるよう、パラメータ空間が反復の正当性について高められるべきである、並びに
−  たとえば残存誤差、評価の所要時間等のような、解析的評価から反復的な評価への移行についての基準。
【００５２】
本発明に則して数段階評価の際第１ステップで、結像系の結像品質についての指数がまだ知られていない試料により再び解析的に決定される。このため、たとえば拡張ゼルニケ法に従いゼルニケ多項式が希望の次数まで求められる。
【００５３】
後置された評価の第２ステップで、結像品質についての指数が反復により決定され、このとき先行解析的評価の結果が反復のためのスタート値として、反復法の収束を強めるために使用される。
【００５４】
評価の反復段階についての入口値が、再び画像情報、結像品質についての指数（たとえばゼルニケ係数の形式で）、および比較のため試料の画像中の検索された強度分布と測定された強度分布との間の残存誤差としての残余、並びに必要な場合焦点はずし特性についてのシステムパラメータである。
【００５５】
反復はここで再び、画素ごとに、たとえばＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ法に従う誤差最小化を用いるか、たとえば非最小自乗法、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ、またはその他に従う後置された最適化法を用いるかのどちらかで行うことができる。
【００５６】
評価を粗く、安定にすなわち外乱に抵抗力のあるように構成するため、反復的な評価で知られているグローバルな最適化法において、たとえば「シミュレートされた焼きなまし」、または自己学習する計算経過が取り入れられることができる。
【００５７】
初めにはまだ知られていない試料構造についての情報が得られるべきであるから、優遇されるのは画素ごとの反復的な方法を利用することである。平面的な反復的な方法を利用するのは、たとえば若干の生物学試料を検査する際のように、単に横広の構造および比較的小さい勾配を有する試料の際に優遇されて勧められる。
【００５８】
本発明による方法の構成法の一つが、対象物空間デフォーカシングを考慮し、それとの関連において反復についてのパラメータ空間を拡大することにあるから、結像品質について求められるどの指数にもデフォーカシングパラメータが振り分けられることができ、デフォーカシング効果が反復の際に考慮されている。この際、スタート値として結像系の値のみが使用されることができる。
【００５９】
評価の結果において、検査すべき試料により影響されており、その結果知られている試料により、あらかじめ決定されてあった指数から逸脱した結像系の結像品質の指数が存在する。
【００６０】
試料特性を結像系の特性から分離するため、以下のように進めることができる：
１．得られた画像スタックについての最良焦点決定が実行され、結像系の結像品質の指数に基づきシミュレートされた最も単純な対象物構造、たとえば点像、稜または隙間の焦点シリーズが、結像系についてのみ測定された画像スタックの焦点位置へ算出される。測定された画像スタックの像を対応するシミュレートされた画像スタックの画像により展開することによって、測定された画像スタックの画像は結像系の特性から解放される。この画像スタックから試料単独についての結像品質の指数が決定される。
この方法で求められた試料に関する結像品質の指数により、試料特性を得るよう対物面内の振幅分布、位相分布および／または強度分布へ、試料単独について計算し戻すことが可能である。原理的にはシミュレートされた画像スタックの代わりに、測定された画像シリーズも、たしかにより少ない精度で計算されるのではあるが、使用できる。
２．結像系の指数は、冒頭に記載された処理ステップに従い知られている試料により求められているように、検査すべき試料の影響下で求められた結像系の指数により減じられている。この方法で試料特性は分離され、適合する形で、たとえば空間振幅分布または強度分布についての表示の形で、空間位相分布について表示の形で、等振幅、等強度面または等位相面として出力できる。
特に画素ごとの算出法の場合には、位相面の“ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ”が必須となることができる。ここでもこのように決定された試料に関する結像品質の指数により、試料特性を精確化するよう、さらに振幅分布、位相分布または強度分布へ対物面内で計算し戻すことができる。
３．一方では、知られている試料による結像系についての結像品質の指数に基づき、他方では検査すべき試料なしでの結像系の結像品質の指数に基づき、対物面内の光学的な場の分布は、帰還計算によって決定され、展開され、また試料単独の特性についての表示が得られる。
【００６１】
結果出力は優遇されて、画像情報、結像品質についての指数の形式で、たとえばゼルニケ係数、測定されたゼルニケ係数についてのデフォーカシングパラメータ、振幅、位相または強度についての表示のように行われ、これらは試料の影響に帰せられている。
【００６２】
原理的に、結果出力は三つの前記表示変数に同一方法で行われるが、しかし選択された変数に依存してさまざまな追加情報が共に表示されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
本発明による方法を実施例によって以下に説明する。
図１による構成群は、基本的には、照明装置１、対物面３の上あるいはその近くに置かれた試料２．１を保持する試料ホルダ２、対物レンズ４、および対物レンズ４の画像面６の上あるいはその近くに置かれているドット分解検出装置としてのＣＣＤカメラ５から成る。この構成群は、共通の光軸７を有し、この光軸は必ずしも直線である必要はない。
【００６４】
構成群は最初の処理ステップにおいては、試料２．１、これは実物でも結像の形でも良いが、ＣＣＤカメラ５の受像面で結像するように相互に調整する。ＣＣＤカメラ５の受像面はセンサ素子（ピクセル）の配列から成り、出力としてそこに当たる試料の影響を受けた照明光の強さの情報を送り出すことができる。
【００６５】
第２の処理ステップにおいては、いろいろなデフォーカシング領域から結像が取り込まれる。この結像は、図２に簡略化して示すように全体として画像スタックを形成する。個々の結像をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥで示す。画像スタックの厚さは光軸７の方向であって、間隔ｄａｂとｄｄｅの合計である。
【００６６】
画像の数はもちろんここで表している数に限定されるのではなく、実際には自由に選択できる。しかしながら設定によって最良の焦点面の画像と、最良焦点面に対して対蹠的にデフォーカシングしたその他のデフォーカシング領域の画像とが得られるように、奇数を選ぶのが好ましい。
【００６７】
表示したＡからＥまでの画像はｉ行ｊ列に配列された多数の画像情報のパターンから成る。この画像情報は光の強さの値であり、その大きさはＣＣＤカメラ５の受像面に配置されたセンサ素子（ピクセル）のそれぞれの出力信号の大きさに相当し、試料の像を表す。
【００６８】
図２において、光軸７の方向に順番に並んでいる画像情報Ａｉｊ、Ｂｉｊ、Ｃｉｊ、ＤｉｊおよびＥｉｊは、理想的には試料の同じ領域からのものであり、いろいろな焦点面から取り込んだものであり、またそのためさまざまな強さの値を有する。
【００６９】
光軸７の方向は、理想的な場合デカルト座標系のＺ軸に一致し、一方で各画像は座標軸ＸおよびＹが張る面上にある。
【００７０】
原理的に、画像情報は、可視顕微鏡、紫外顕微鏡あるいはその他の結像システムを用いて得ることができる。
【００７１】
図３に示すように、画像スタックは、たとえばＣＣＤカメラ５を画像面６に対して相対的にずらすことにより取り込むことができる、つまり取り込みを結像領域内で焦点をずらして行う。その際に試料２．１と対物レンズ４との間隔は一定に保つ。試料２．１のピンホールは、このとき設定する面のいろいろな位置によって図３に示すように光の強さの断面を生じる。
【００７２】
代替の方法としてデフォーカシングを、試料２．１と対物レンズ４との間隔を変化させる、つまり図４に示すように対物領域でデフォーカシングさせることによって達成することもできる。この場合たとえばＣＣＤカメラ５と対物レンズ４あるいは絞り面８との間隔は一定である。
【００７３】
試料を、光軸７の方向にずらし、さまざまなデフォーカシング位置を選択することによって、絞り面８においてさまざまな波面の歪曲が生じ、図４に示すようにそれぞれのデフォーカシング位置に対応するいろいろな光の強さの断面ができる。
【００７４】
次の処理ステップで、画像および画像情報を改善する。たとえば画像加工の周知の方法によりノイズの抑制を行う。ただ、光の強さの値は、このあとの評価のことを考慮し、閾値を超える値は、フィルタを通すまたは平滑化する、あるいはその両方を行う。
【００７５】
これによってＣＣＤカメラ５の局部的な感度差も同時に補償される。その他に、その画像の光の強さの重心を、画像の所定の位置に置くことによって、たとえば、位置Ａｉｊ、Ｂｉｊ、Ｃｉｊ、ＤｉｊおよびＥｉｊにおけるそれぞれの光の強さの重心が直線上に並ぶ（図２参照）。
【００７６】
本発明を図５に示す光学的結像系をもとにして詳しく説明する。その際にたとえば図１に簡略化して示した構成群を手がかりとして用いる。
この光学的結像系は以下を前提としている
−  試料が直径ｄＰＨ＝３００ｎｍのピンホールを有する、
−  波長２４８ｎｍの照明光を使用する、
−  試料におけるピクセルの大きさが４５ｎｍである、
−  結像系の開口数が０．２である、
−  照明の開口が結像系の開口数に相当する、
−  試料の照明がσが約０．８の部分コヒーレント光で行われる、
−  結像におけるエアリーディスクの直径が１．５１２μｍである、
−  焦点深度が６．２μｍである、
−  結像間のデフォーカシングが、焦点深度領域内にて、±１ＲＥ（ＲＥ＝Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｅｉｎｈｅｉｔ、レイリー単位）、±３ＲＥ、±０．８ＲＥおよび±６．２μｍ、±１８．６μｍ、±５μｍで行われる、
−  結像数を２１に選択
【００７７】
これらのデータおよび画像スタックからの画像情報を以下の具体的な例に関する評価に基づいて設定した。
−  拡張ゼルニケ式による結像系の結像品質に対する指数の解析的決定
−  たとえば図６に示すように反復ステップにおいてＭａｒｑｕａｒｄｔ−Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ法による最適化を用いた２次元の反復法
−  対物領域のデフォーカシングを部分的に考慮
【００７８】
評価の結果として図７に示すような数値表が得られる。特にそこには静的ゼルニケ値も与えられている。この値は、フリンジ正規化後のインデックス１から２５に対応した結像品質を表す。
【００７９】
このようにして図５に示す結像系に対する結像品質の具体的な証明が得られる。この証明は、たとえばこのような装置をさらに応用するために出荷する際に証明として顧客に渡したり、あるいはサービス部門に渡したりできる。このようにして顧客が現場で結像系の品質を定期的にあるいは必要に応じて調査し、記録することができる。
【００８０】
本発明による方法を主に顕微鏡を用いた結像系に関して説明した。もちろん本発明の方法はその他の応用、特にすべての有限から有限までの結像システム、たとえば、双眼鏡、プロジェクタ、測地用光学装置、カメラシステム、写真装置、医学用観察装置、また場合によってはステッパやスキャナの光学系に適用でき、効果がある。原理的に試料あるいは対象物を結像するすべての光学系に応用が可能である。本発明による方法は、波長にほとんど無関係なので、原理的にすべての波長について適用できる。
【００８１】
結像系が平面の波面を作ることは必ずしも望ましいことではないので、発明の説明に用いた「波面の歪曲」の概念は所定の波面からの変位を意味する。これは伝送系においては「結像誤差」の概念に相当する。
【００８２】
指数を求めるための解析および反復ステップにおいて、本発明の処理ステップを段階的に行えるのは特に有用である。さらに反復処理ステップの１つの段階で反復を複数のステップで行うことも可能である。
【００８３】
結果を得る際に対物領域デフォーカシングを考慮することに関して、できるだけ早く所望の結果の値の範囲に到達するために、本発明により提案している反復をまず対物領域に対する余計なパラメータなしで実行するのが好ましいことに留意が必要である。結果の値の範囲を見出したとき、たとえばその画像について信号−雑音比に対する剰余の比、反復ループの数、反復の期間、前回の反復サイクルに対する今回の反復サイクルの結果の僅かな偏差などのような遷移パラメータによって特性化したとき、対象物領域でのデフォーカシングに関するパラメータの計算経路を拡張し、同時にまた変数のパラメータ範囲を拡大し、対象物領域でのデフォーカシングの線形展開の場合は２倍にすることができる。
【００８４】
対象物領域でのデフォーカシングを直接規定することはパラメータが多数あるために誤差につながる可能性がある。またこの理由により、まず反復を対象物領域でのデフォーカシングを考慮せずに行い、そのあとでさらに同様の反復する処理段階で対象物領域でのデフォーカシングを考慮するのがよい。これによって計算プロセスがより安定し、収束を達成できる。
【００８５】
さらにまた、対象物領域でのデフォーカシングを解析的に直接考慮することも考えられる。しかしながらこれは誤差率を増す結果となる可能性があるので、既定条件に従ってまず対象物領域でのデフォーカシングなしで行い、そのあとで対象物領域でのデフォーカシングを解析的に考慮して１回あるいは複数回の反復ステップを行うのがよい。
【００８６】
本発明の説明において例示しているように結像品質をゼルニケ係数の形で表示することは絶対に必要というわけではない。結像品質をゼルニケ係数の形で記述すると、その中にはたとえば迷光、コントラスト、歪みについて、またデフォーカシング、伝送、視野、画像域のアーチ、画像の傾斜、散乱の場合の画像のはみ出しについての記述がない。このような記述が結像系の評価に関して同様に重要であるか、あるいは少なくとも望ましい場合には、これらの値を既知の試料の適当なまたシミュレーションした画像スタックに基づいて、あるいは画像のセンタリングから、さらに調べることにより求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】光学的結像系に用いる光学的構成群。
【図２】１個の試料から得られる画像の複数のいろいろな焦点設定から得られる画像スタックの簡略化した図。
【図３】画像領域内でのデフォーカシングの場合に画像スタックを取り込む例。
【図４】対物領域内でのデフォーカシングの場合に画像スタックを取り込む例。
【図５】光学的結像系の具体的構成。
【図６】反復による評価の場合の原理的手順。
【図７】図５による光学的結像系の結像品質を数値表の形で表したもの。
【符号の説明】
【００８８】
１  照明装置
２  試料ホルダ
３  対物面
４  対物レンズ
５  ＣＣＤカメラ
６  画像面
７  光軸
８  絞り面
【図１】
2006527353.tif 000003
【図２】
2006527353.tif 000004
【図３】
2006527353.tif 000005
【図４】
2006527353.tif 000006
【図５】
2006527353.tif 000007
【図６】
2006527353.tif 000008
【図７】
2006527353.tif 000009
【国際調査報告】
2006527353.tif 000010
2006527353.tif 000011
2006527353.tif 000012
2006527353.tif 000013