专利名称：高度测量方法和高度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高度测量方法并且涉及一种高度测量装置。
背景技术：
为了测量对象的表面的高度，现有技术中需要为用于获得测量对象的表面的图像的光学系统补充用于测量高度的光学系统，例如，激光照射光学系统、共焦光学系统、白光干涉光学系统、多个电子显微镜的检测器等等(例如，参见专利文献I)。现有技术列表专利文献专利文献I :日本特开专利公开No. 2001-289621 (A)
发明内容
本发明要解决的技术问题然而，对于如上所述的补充光学系统或者装置，增加了整个设备的复杂程度，并且这导致了设备的尺寸和价格的增加，这一点是不利的。鉴于前述问题做出了本发明，本发明的目的在于提供一种高度测量方法和高度测量装置，从而即使在使用包括用于焦点位置的相对扫描系统和图像形成系统的简单光学系统构造时，也能够以高精度测量高度。解决问题的手段为了解决上述问题，在本发明的第一方面，一种高度测量方法，包括沿着用于在第一表面上形成测量对象的图像的光学系统的光轴相对移动测量对象和该光学系统；以及基于第一表面上的亮度变化测量测量对象的相对高度，其中，该方法进一步包括求出指示与相对移动有关的亮度变化并且基于与相对移动有关的亮度变化较大的部分的第一特性与指示与测量对象的测量期间的相对移动有关的亮度变化的第二特性之间的相关度；以及基于该相关度求出相对高度。高度测量方法还能够包括使用相对移动对于第一特性和第二特性相对移动时的相关度的变化执行偏微分，以求出相关度达到最大时的相对移动量；以及使用该相对移动量作为相对高度。在本发明的第二方面，一种高度测量方法包括沿着用于在第一表面上形成测量对象的图像的光学系统的光轴相对移动测量对象和光学系统；捕获该第一表面的图像；以及基于形成的图像测量测量对象的相对高度，该方法进一步包括对于获得的多个图像的各像素，基于拟合到包括光轴上的位置和像素的光强度值的特性的第一函数定义第二函数；以及使用当测量期间获得的特性和第二函数之间的相关值示出极值时的光轴上的位置用作对应于像素的位置处的测量对象的相对高度。在高度测量方法中，第二函数还能够是其中对第一函数的一阶微分函数的绝对值或者该一阶微分函数进行平方的函数。
在高度测量方法中，第二函数还能够是其中第一函数乘以常数的函数。高度测量方法还能够包括确定想要的移动量以获得对应于像素的位置处的测量对象的相对高度，在所述想要的移动量的情况下，通过使用移动量对在光轴的方向上已经相对地移动了移动量的第二函数与测量期间获得的特性之间的相关度执行偏微分获得零值。根据本发明的高度测量装置包括光学系统，该光学系统能够形成测量对象的图像；驱动部，该驱动部用于沿着光学系统的光轴相对移动测量对象和/或光学系统；相机，该相机用于捕获图像；以及控制部，该控制部用于重复地执行相对移动和图像捕获并且用于基于通过捕获图像获得的多个结果执行高度测量。在高度测量装置中，采用下述构造其中光学系统是显微镜；并且显微镜的物镜在光轴方向上相对于测量对象相对移动，并且执行扫描。
在高度测量装置中，可以采用下述构造其中显微镜是暗场光学显微镜、偏振显微镜、荧光显微镜、差分干涉显微镜、双光束干涉显微镜、立体显微镜或者变焦显微镜，并且其中焦点位置移动机构、图像捕获机构和控制处理器并入在显微镜中。在高度测量装置中，可以采用下述构造其中显微镜由双光束干涉显微镜构成，用于对象的物镜在光轴方向上相对于测量对象相对移动并且执行扫描。在高度测量装置中，可以采用下述构造其中显微镜由双光束干涉显微镜构成，参考光物镜和参考光形成镜在光轴方向上一起移动并且执行扫描。本发明的有利效果根据本发明的高度测量方法和使用该方法的高度测量装置，即使利用使用诸如用于焦点位置的相对扫描系统和图像形成光学系统的简单的光学系统的构造，也能够以高分辨率和高精度测量高度。
图I示出了高度测量装置的成像系统的构造；图2示出了经由成像系统获取的数据点序列；图3的(a)_ (d)示出了用于确定第二函数的方法，其中，图3的(a)示出了第一方法，图3的(b)示出了第二方法，图3的(c)示出了第三方法，并且图3的(d)示出了第四方法；图4的(a)_ (d)示出了根据本示例的高度测量方法，其中，图4的(a)示出了数据点序列和第一函数，图4的(b)示出了第二函数，图4的(c)示出了第二函数已经移位的情况，并且图4的(d)示出了相关值；图5是示出用于确定第二函数的过程的框图；图6示出了使用显微镜的高度测量装置的构造；图7是示出用于确定相关值最大坐标值的过程的框图；图8的(a) - (b)示出了用于获取图像的方法，其中，图8的(a)示出了用于获取图像的步骤，并且图8的(b)示出了用于在各图像存储器中存储图像的过程；图9示出了通过数字算符进行的卷积演算；图10是示出用于确定最终高度的过程的框图；以及
图11是示出使用双光束干涉显微镜的高度测量装置的示意性构造图。
具体实施例方式下面参考附图详细描述本发明的示例。该描述将首先参考图I描述根据本示例的高度测量装置。图I是高度测量装置的成像系统的基本构造的一个示例，并且包括图像捕获元件30和图像形成系统20，该图像形成系统20包括用于收集来自测量对象10的光的物镜21和成像透镜22，其用于收集从物镜21发射的光并且用于在图像捕获元件30上形成位于物镜21的焦平面上的测量对象10的图像。图像捕获元件30被布置为使得成像表面位于成像透镜22的焦点位置处，采用下述构造其中来自测量对象10的表面的光由物镜21变为平行光通量并且入射到成像透镜22上，并且测量对象10的表面的图像形成在图像捕获元件30的成像表面上，然后该图像由图像捕获元件30捕获。测量对象10相对于物镜21的相对位置(支撑测量对象10的载物台的相对位置)能够移动和调整。例如，能够使用压电驱动机构来调整物镜21的竖直位置，能够对相对位置进行非常微小且高精度的调整。
在如上所述构造的高度测量装置中，当测量测量对象10的高度时，物镜21沿着图像形成光学系统20的光轴相对于测量对象10相对移动(可以如上所述地通过压电驱动机构移动物镜21，移动支撑测量对象10的载物台或者对这两种移动方式进行组合)，从而物镜的焦点位置相对于测量对象10相对移动；由图像捕获元件30获取和存储测量对象10的多个连续图像，并且获取每个图像时的光轴上的相对位置被与每个图像关联地存储。在以该方式获取的多个图像中的每个图像中，获得图2中所示的数据点序列(数值序列)M，其中，作为给定像素的光强度值(下面称为“浓度”)的“I”和作为每个图像的光轴上的位置的“Z”被绘制到图上。这里，数据点序列M表示为M (Zi, Ii)，其中i=l至n。“i”是如上所述连续获取的图像的序号，并且示出了已经获取了 “η”个图像的情况。如图2中所示，经由上述图像形成光学系统20获取的图像的浓度I在物镜21的焦平面和测量对象10的表面(测量表面)彼此匹配时达到最大值。为此，在传统方法中，通过找出最佳地拟合到数据点序列M的函数并且找出该函数(浓度)达到最大值时的光轴上的位置来测量测量对象10的高度。例如，作为传统技术的日本特开专利公开2009-276269中公开的方法涉及下述方法，其中，使用傅立叶变换来确定最佳地拟合到数据点序列M的函数，并且基于该函数的相位项获得高度数据。该方法在函数拟合到获取的数据点序列时具有关于自由度的振幅项和相位项，并且因此，出现了在确定相位项时存在冗余并且相位项的高度的分辨率较低的问题。鉴于此，如下面所示，根据本示例的高度测量方法被构造为求出在预先设置的函数(第二函数g)沿着光轴相对于数据点序列M移动时的浓度与数据点序列的相关值，并且基于该相关值达到峰值时的位置计算测量对象10的高度位置。更具体地，在其上布置有参考板(具有均匀反射率的表面的平板)来替代测量对象的情况下，如上所述地使用上述高度测量装置来测量数据点序列M，并且求出最佳地拟合到数据点序列M的第一函数f。这里，原点被定义为第一函数f中的浓度I达到最大值(示出峰值)时的光轴上的位置Zp。接下来，求出用于求出测量对象10的高度的第二函数g，并且该第二函数g用于测量测量表面10的表面上的各位置(其对应于图像捕获元件30的各像素)处的高度。更具体地，如下面所描述的，求出第二函数g沿着光轴相对于数据点序列M移动时浓度与数据点序列M的相关值，并且基于该相关值达到峰值时的位置计算测量对象10的高度位置。下面描述用于求出第一函数f和第二函数g的方法。首先，如上所述，获取数据点序列M，并且求出最佳地拟合到获取的数据点序列M的函数以用作第一函数f。这时，图2中所示的Z轴的原点(Zp)用作Zi的值，其具有通过采样获得的浓度Ii的最大值。根据图像形成光学系统20的焦点深度和其它关系，焦点位置附近的数据点序列M中的浓度Ii的变化变得较�。⑶乙虼耍诘谝缓齠直接用于求出浓度Ii的峰值的情况下，测量准确性不是特别高。鉴于此，在本方法中，用于利用数据点序列M中浓度的变化较大的部分来求得光轴方向上浓度I达到峰值(或者从峰值离开)的位置Z的第二函数g用于求得浓度I的峰值(或者从峰值离开)。更具体地，选择能够利用浓度在第一函数f达到峰值的部分之前和之后的变化较大的部分求得相关值的函数形式作为第二函数g。具体地，使用下述方法来基于第一函数f生成第二函数g。由于在变化较大的部分处以该方式求得相关度，因此，能够准确地求得测量对象10的高度位置。光学系统和测量对象沿着光轴相对移动时的浓度(亮度) 的变化特性(方式)是由光学系统确定的特性并且因此，第一函数f也能够被确定为对应于光学系统。下面将描述用于基于第一函数f生成第二函数g的方法的若干示例。现在参考图3的(a)描述用于产生第二函数g的第一方法。图3的(a)的左侧示出了图2中所示的最佳地拟合到数据点序列M的第一函数f并且浓度Ii达到最大值的位置为原点(Zp)。图3的(a)的右侧示出的第二函数g表示通过对第一函数f的一阶微分进行平方或者对第一函数f的一阶微分取绝对值获得的结果。在例如第一函数f具有图2中所示的形状的情况下，第二函数g将具有分别对应于第一函数f中Y的值增加的部分和Y的值减小的部分形成达到峰值的两个部分的形状。第二函数g中达到峰值的两个部分的中间(中心)将是原点(Zp)。原点(Zp)不必是峰值部分的中间(中心)。现在参考图3的(b)描述用于产生第二函数g的第二方法。在该方法中，在图3的(b)的左侧示出的第一函数f的一阶差分单调减小或增大的情况下，该一阶差分在增大的起点或者减小的终点附近达到峰值。在该情况下，当以上述方式使用一阶差分达到峰值的部分来产生第二函数g时，将利用具有小的浓度的采样数据来求出相关度，并且将导致误差。为此，在第一函数f等于预先设置的阈值的两个点处达到最大或最小值的函数将用作第二函数g。在该情况下，第二函数g也具有与第一方法类似的形状。也能够使用在不管阈值如何而能够夹持第一函数f的峰值(焦点位置)的任意两个位置具有峰值的第二函数g。现在参考图3的(C)描述用于产生第二函数g的第三方法。在该方法中，在图3的(C)的左侧示出的第一函数f的一阶差分单调减小或者单调增大的情况下，在第一函数f等于预先设置的阈值的两个点之间为I并且在其它点为O的函数用作第二函数g。在该情况下，第二函数g将是台阶状函数。现在将参考图3的(d)描述用于产生第二函数g的第四方法。在该方法中，图3的(d)的左侧示出的第一函数f被乘以常数以用作第二函数g。在常数为I的情况下，第一函数f和第二函数g将是相同的。在前面的描述中，根据使用参考板来进行测量时得到的结果(数据点序列)来求得第二函数g，但是也能够预先使用测量对象10来进行测量并且根据测量结果来求得第二函数g。还能够使用在能够夹持第一函数f的峰值(焦点位置)的任意两个位置处具有峰值的第二函数而没有基于测量结果来求得第二函数g。
在下面的描述中，将描述图4的(b)中所示的第二函数g由第四方法确定并且用于进行高度测量的情况。更具体地，将描述下述情况，如图4的(a)中所示，最佳地拟合到经由图像形成光学系统20计算的参考板的测量值(数据点序列M)的第一函数乘以常数以确定第二函数g，如图4的(b)中所示，并且第二函数用于进行高度测量。首先，高度测量装置用于相对于测量对象10相对移动物镜21，并且物镜的焦点位置相对于测量对象10相对移动；由图像捕获元件30获取并存储测量对象10的多个连续图像(“η”个图像)，并且图像被与光轴上的相对位置Zi (i=l至η)关联地存储。在以该方式获取的多个图像中，对应于测量对象10的表面上的预定位置(Xi，Yi)的像素的浓度(光强度值)示出了高度位置Zi发生的变化，参见图4A中由“〇”的标记示出的数据点序列M(Zi,Ii)。在测量测量对象10的高度之前，预先通过图5中所示的过程确定第二函数g。关于 该过程，首先，根据使用参考板测量的数据预先确定最佳地拟合到数据点序列M的函数(SP是图4的(a)中用实线示出的函数的函数f)(步骤S400)。然后，在改变物镜21和测量对象10的相对位置的同时经由图像形成光学系统20从由图像捕获元件获取的多个图像提取特定像素的数据点序列M，从而通过最小二乘法等方法确定第一函数f的参数(步骤S401 )。基于以该方式确定的第一函数f通过上述第四方法确定第二函数g(步骤S402)。在图4的(b)中示出了该第二函数g。接下来，如图4C中所示，在光轴方向(Z轴方向)上在预定范围内移动第二函数g，并且求出每个测量点Zi的浓度Ii与对应的测量点Zi处的第二函数g的值之间的相关值E。该相关值E表示为下面的等式(I)。这里，a表示第二函数g在Z轴方向上移动的量。E= Σ (Ii · g (Zi-a)) (I)当如图4的(C)中所示，从负到正地移动了移动量a并且求出浓度Ii与第二函数g (Zi-a)之间的相关值E时，移动量a的较大的绝对值对应于较小的相关值，如图4的(d)中所示；相关值在移动量a为O附近达到峰值。为了求得由等式(I)表示的相关值E的峰值(最大值)，利用移动量a对等式(I)进行偏微分，如下面的等式(2)中所示，并且求出当偏微分值达到O时的移动量a。dE/da = O(2)用于求得满足该等式(2)的移动量a的可能方法包括解析地确定该量、牛顿方法、逐次迭代或者类似的数值计算技术。当以该方式对于每个高度位置Zi根据等式等式(2)求出根据浓度Ii和第二函数g (Zi-a)求出的相关值E达到峰值时的移动量a的值时，在Ps为用作原点的测量点的Z轴上的值的情况下，Ps+a为对应于对应像素的位置处的测量对象10的相对高度值。如果求出两个位置之间的高度差，则该高度差将是该两个位置处相关值E达到峰值的移动量a的差。上面描述了第二函数g在光轴方向上相对于数据点序列M移动以求出相关值的情况，但是也可以采用下述构造，其中第二函数g固定并且数据点序列M在光轴方向上移动以求出相关值。示例(示例I)参考图6描述示例1，示例I是上述高度测量方法应用于使用显微镜装置的高度测量装置的情况。该高度测量装置100包括成像装置109，其用于在多个高度位置中的每个高度位置处获取测量对象105的上表面的图像；控制处理器110，其用于控制成像装置109的操作并且用于根据获取的图像计算测量对象105的相对高度值；以及显示装置111，用于显示来自控制处理器110的处理结果。成像装置109包括成像相机101，其具有内置的图像捕获元件；显微镜的镜筒装置102，其具有内置的光学系统(成像透镜)；显微镜的物镜104 ;压电驱动装置103，其用于向上或向下驱动显微镜的物镜104并且在相对于测量对象105的上下相对位置压电地扫描，该压电驱动装置具有压电元件；显微镜的样品载物台106，其上布置有测量对象105 ;显微镜的照明装置107，其容纳用于发射白光的光源并且照亮测量对象105 ;以及显微镜底部108，其用于支撑显微镜的镜筒装置102和显微镜的照明装置107。现在描述使用高度测量装置100对测量对象10的上表面进行的高度测量。首先，如图7中所示，在高度测量装置100中，由控制处理器110将信 号发送给压电驱动装置103，并且显微镜的物镜104的焦点位置移动到预定位置(步骤S410)。利用从显微镜的照明装置107照射的光照射被放置在显微镜的样品载物台106上的测量对象105。从测量对象105的表面反射的光通过显微镜的物镜104和显微镜的镜筒装置102 (通过成像透镜)，并且集中到成像相机101的成像表面上，并且因此，由成像相机101捕获测量对象105的图像。以该方式从成像相机101获取的数字图像被发送到控制处理器110 (步骤S411)。控制处理器110存储获取的图像的像素的浓度，或者通过下述处理计算由浓度求得的数值(针对每个像素的校正值或者局部合焦度)(步骤412)。然后，控制压电驱动装置103并且重复焦点位置的移动和图像的捕获直到对于每个像素获取了预定数目的数据点(步骤S413)。此外，针对相关值E达到最大值的采样点，通过解析或者数值计算技术求出相关值E的偏微分达到O的采样点之间的移动量的值，并且保存该值(步骤413)。在上述步骤412中，计算了已经对浓度进行了处理的数值；这是因为，在某些情况下，与不改变地使用获取的图像的每个像素的浓度的情况相比，基于每个像素周边的像素的浓度对浓度进行校正的处理能够在相关值E的计算中实现更大的精确度。鉴于此，现在将参考图8和图9描述用于在步骤S412中计算每个像素的校正值(局部合焦度)的方法。如上所述，控制处理器110以单个图像为单位在提供给控制处理器110的图像存储器中存储按顺序从成像相机101输入的成像图像；而且，在获取了新的图像时对存储的图像进行连续的更新。这里，控制处理器110被假定为具有三个数字图像存储器31-33。例如，如图8A中所示，首先，当在以预定采样间隔Λ P逐个依次获取图像Pl，Ρ2，Ρ3，. . . Pn的步骤中获取第一(初始)图像Pl时，将图像Pl存储在第一数字图像存储器31中。然后，当获取下一个(第二)图像Ρ2时，将图像Pl转移到第二数字图像存储器32并且存储在其中，并且相应地将图像Ρ2存储在第一数字图像存储器31中。接下来，当获取第三图像Ρ3时，相继地将图像Pl转移到第三数字图像存储器33并且将图像Ρ2转移到第二数字图像存储器32 ;相应地，将输入的图像Ρ3存储在第一数字图像存储器31中(参见图8的(b))。当获取第四图像P4时，相继地将图像P4转移并且存储在第一数字图像存储器31中，将图像P3转移并存储在第二数字图像存储器32中，并且将图像P2转移并存储在第三数字图像存储器33中；从数字图像存储器31-33删除初始获取的图像P1。当连续地获取图像时，输入的图像被连续地更新并且按照所述的顺序相继地存储在第一数字图像存储器31、第二数字图像存储器32和第三数字图像存储器33中。因此，每次连续逐个地输入图像时，存在下述状态，其中图像存储器31-33中的每一个已经逐个地存储了在上下方向上以采样间隔ΛΡ相互移位的情况下获取的图像。这时，每次获取图像时，控制处理器110执行以下操作。首先，设置将在下面描述的用于获取局部合焦度的像素设置的像素。在下文中，将用于获取局部合焦度的像素描述为“关注像素”。接着，基于设置的像素的位置，从数字图像存储器31、32、33中存储的图像数据的像素中指定由数字算符(差分算符)ΟΡΙΟ、0P20、0P30作用的目标像素。由数字算符0P10.0P20.0P30作用的像素的值乘以根据数字算符的系数，以利用预定计算等式来获取局部合焦度。以该方式，从依次采样的三组图像数据连续地获取局部合焦度的候选值，并且获取局部合焦度。因此以像素为单位求出局部合焦度(LFS)。更具体地，除了第二数字图像存储器32中存储的图像的最外围的像素之外的所有像素都是用于计算局部合焦度的目标。这里，在以采样间隔ΛΡ依次获取图像Ρ1，Ρ2，Ρ3，···Ρη的处理中，在Pkl0、Pk20、Pk30是分别存储在数字图像存储器31、32和33中的任意想要的图像(参见图9)的情况下， 针对第二数字图像存储器32中存储的图像Pk20内的每个像素(关注像素)计算局部合焦度。如图9中所示，通过下述方式执行局部合焦度的计算在第二数字图像存储器32中存储的图像Pk20中提取中心位于关注像素(像素值G25)的3X3像素的像素块B20 ;在第一数字图像存储器31中存储的图像PklO中提取其中像素位置对应于像素块20的像素位置的3X3像素的像素块BlO ;并且在第三数字图像存储器33中存储的图像Pk30中提取其中像素位置对应于像素块B20的像素位置的3X3像素的像素块B30 ;以及在像素块B10、B20、B30与各对应的数字算符ΟΡΙΟ、0P20、0P30之间进行卷积运算(积-和运算)。在这里，在像素块BlO中，关注像素(像素值G25)将是计算对象(基准)；在像素块B30中，在3X3像素中，位于四个角的像素(像素值G31、G33、G37、G39)将是计算对象；并且在像素块BlO中，在3 X 3像素中，成十字形状的像素(像素值G12、G14、G16、G18)将是计算对象。对于数字算符0P10-0P30，用于关注像素(G25)的系数的权重为24，并且用于其周边像素(G31，G33，· · ·，G12，G14，· · ·)的权重均被设置为_3。如下面的等式(3)所示地，针对这些计算对象的九个像素值使用数字算符0P10-0P30，通过卷积运算求出关注像素的局部合焦度LFS。LFS=24XG25+{_3 X (G12+G14+G16+G18)}+{-3X (G31+G33+G37+G39)} (3)根据示例I的高度测量装置100被构造为在上述步骤412中，局部合焦度LFS被用作校正后的浓度来执行上述处理。下面，如图10中所示，以前述方式测量并计算的每个像素的相关值E的绝对值的最大点(其中，“Ps”是坐标值)被用于使用解析地求解的方法、牛顿方法、逐次迭代或者类似的数值计算技术求解等式(I)和(2 )，从而获得每个像素的移动量a的值(步骤S420 )。对于每个像素计算的Ps+a (或a)然后被保存作为该像素的相对高度值(步骤S421)。能够通过下述方式来实施根据本示例的高度测量方法将焦点位置移动机构、图像捕获机构和控制处理器并入到各种类型的显微镜(包括暗场光学显微镜、偏振显微镜、荧光显微镜、差分干涉显微镜、双光束干涉显微镜、立体显微镜或者变焦显微镜)中。该示例I中的高度分辨率将是用于选择适当的第二函数g的值，并且与焦点深度无关地，光轴方向上的采样间隔ΛΡ从而被除以m。这里，m是由样品(对象)相对于物镜移动时的双轴�：�、图像捕获元件的误差、当获得移动量a时的计算误差等等确定的。在示例I的情况下，d=10nm, m=10000并且高度分辨率为O. OOlnm。 如上所述，在作为传统技术的使用傅立叶变换的方法中，拟合到获取的数据点序列的自由度具有振幅项和相位项；因此，在确定相位项时存在冗余，并且相位项的高度分辨率为约O. Inm0然而，在本方案中，第二函数g的除了相位项之外的所有项都被固定，并且求出相关值达到峰值的相位项；因此，实现了比传统方法更高的分辨率(如上所述，O. OOlnm)。此外，传统的高分辨率高度测量装置将使用依赖于焦点附近的信号的光轴方向上的宽度的方法，因此需要使用白光干涉仪；然而，使用本方案使得即使当使用具有约3 μ m的焦点深度的亮场显微镜时也能够在适当地选择第二函数g时实现采样间隔ΛΡ的约万分之一的分辨率。 (示例2)在上述示例I中，描述了根据示例I的高度测量方法应用于使用显微镜的高度测量装置的情况，然而，还能够将高度测量方法应用于使用扫描电子显微镜(SEM)的高度测量装置。在这样的情况下，处理的过程与示例I的过程类似。如上所述，当使用根据本示例的高度测量方法时，选择适当的第二函数g使得高度分辨率成为通过与焦点深度无关地将光轴方向上的采样间隔ΛΡ除以m获得的值。扫描电子显微镜的焦点深度在10000倍的倍率下为约8 μ m。扫描范围必须是焦点深度的至少三倍；因此，由于获取的图像的数目增加并且当采样间隔ΛΡ减小时要求更多的时间，因此用作高度测量装置没有任何实际的优点。为此，在当例如采样间隔ΛΡ为IOOnm时使用扫描电子显微镜的情况下，m能够被设置为10000，并且因此，高度分辨率变为O. Olnm。使用传统的SEM的高度测量装置将具有下述方法，其中使用两个或更多检测器来从根据输出信号的差预先设置的斜率和输出差的校准曲线求出斜率；这样求出的斜率然后被积分以求出高度。利用该方法，高度分辨率为约3nm。然而，根据本方案，能够实现如上所述的O. Olnm的高度分辨率，并且此外，能够在不改变的情况下使用通常的SEM，并且因此，能够构造成本较低。(示例3)根据本示例的高度测量方法也能够应用于使用配备有微距镜头的相机的高度测量装置。使用配备有微距镜头的相机的高度测量装置是指配备有微距镜头的图像捕获相机，该图像捕获相机安装在载物台上并且经由载物台相对于测量对象的表面相对地移动，从而获取用于测量高度的图像。用于测量高度的方法与示例I类似。在使用配备有微距镜头的相机的情况下，现有技术的分辨率为约8 μ m。然而，在本方案中，当微距镜头的景深为Imm并且采样间隔ΔΡ为O. Imm时,分辨率为10nm。为此,能够对于各个阶段以较低成本实现高分辨率装置。(示例4)根据本示例的方法也能够应用于使用双光束干涉显微镜构造的高度测量装置。图11示出了使用双光束干涉显微镜的高度测量装置20，其构造如下。该装置200具有双光束干涉显微镜作为基本构造，并且包括图像捕获元件201、成像透镜202、半镜203、用于对象的物镜204、参考光物镜206、参考光形成镜207和其上布置有测量对象210的载物台209。图像捕获元件201的成像表面201a布置在成像透镜202的焦点位置处，并且用于对象的物镜204和参考光物镜206是焦距相同并且构造相同(均具有相同的光学性能)的透镜；参考光形成镜207被布置在参考光物镜206的焦点位置处。虽然未示出，但是提供了用于将照明光(平行光通量)入射在成像透镜202和用于对象的物镜204之间的光学路径上的照明装置，并且以该方式入射的照明光中的一些通过半镜203并且由用于对象的物镜204集中以照射已经布置在载物台209上的测量对象210的上表面。照明光的剩余部分在半镜203上反射并且入射在参考光物镜206上并且集中在其上以照射参考光形成镜207。照射测量对象210的上表面的光在该测量对象210的上表面上反射，入射在用于对象的物镜204上并且形成平行光通量，该平行光通量通过半镜203，由成像透镜202收集，并且在图像捕获元件201的成像表面201a上形成测量对象210的上表面的图像。同时，照射参考光形成镜207的光整体地在该参考光形成镜207上反射并且返回参考光物镜206以变为平行光通量，该平行光通量由半镜203部分地反射，由图像形成透镜202收集，并且在图像捕获元件201的成像表面201a上形成参考光形成镜207的表面的图像。 能够调整以该方式构造的装置200中的载物台209的高度位置(光轴方向上的高度位置)，并且当通过这样的位置调整使已经布置在载物台209上的测量对象210的上表面位于用于对象的物镜204的焦点位置处时，从图像捕获元件201的成像表面201a到测量对象210的上表面的光学路径长度与从图像捕获元件201的成像表面201a到参考光形成镜207的光学路径长度变为相等。从成像表面201a到半镜203的部分是共享的光学路径，并且因此，从半镜203到测量对象210上的测量位置的光学路径长度(测量光学路径长度)和从半镜203到参考光形成镜207的光学路径长度(参考光学路径)将相等。然而，虽然在这里参考光形成镜207的表面是光滑的，但是根据测量对象210的表面的不规则性，也可能出现两个光学路径长度的差，并且可能发生光学干涉，但是在使用白光的情况下，只有测量光学路径长度和参考光学路径长度严格匹配的部分将进行明亮的成像。本示例中的高度测量装置200采用如上所述的双光束干涉显微镜构造，并且也能够采用具有用于在光轴方向上高精度地调整用于对象的物镜204的位置的压电驱动装置205的构造，该压电驱动装置包括压电元件。用于对象的物镜204由该压电驱动装置205在光轴方向上移动，由图像捕获元件201获取多个干涉图像，并且该多个干涉图像用于测量测量对象210的上表面的高度。这里的用于测量高度的方法与示例I类似。替代在光轴方向上相对地移动用于对象的物镜204和测量对象210的构造，还能够采用其中在光轴方向上相对地移动参考光物镜206和参考光形成镜207的构造。在根据该示例的使用双光束干涉显微镜的高度测量装置200中，替代用于在光轴方向上移动用于对象的物镜204的压电驱动装置205，也能够采用其中使用用于在光轴方向上一起移动参考光物镜206和参考光形成镜207的第二压电驱动装置208的构造(或者，替选地，组合这两种构造)。在该构造的情况下，使用第二压电驱动装置208来在光轴方向上一起移动参考光物镜206和参考光形成镜207使得能够使用图像捕获元件201获取多个干涉图像并且使用该多个干涉图像来测量测量对象210的上表面的高度。附图标记说明10，210:测量对象
20:图像形成光学系统100，200 :高度测量 装置
权利要求
1.一种高度测量方法，所述高度测量方法包括沿着在第一表面上形成测量对象的图像的光学系统的光轴相对移动所述测量对象和所述光学系统；以及基于所述第一表面上的亮度变化测量所述测量对象的相对高度， 其中，所述方法进一步包括求出第一特性与第二特性之间的相关度；以及基于所述相关度求出所述相对高度，其中，所述第一特性指示所述亮度相对于所述相对移动的变化并且基于所述亮度相对于所述相对移动变化较大的部分，所述第二特性指示所述亮度相对于所述测量对象的测量期间的所述相对移动的变化。
2.根据权利要求I所述的高度测量方法，所述高度测量方法进一步包括使用所述相对移动对于相对移动所述第一特性和所述第二特性时的所述相关度的变化进行偏微分，以求出所述相关度达到最大时的相对移动量；以及使用所述相对移动量作为所述相对高度。
3.一种高度测量方法，所述高度测量方法包括沿着在第一表面上形成测量对象的图像的光学系统的光轴相对移动所述测量对象和所述光学系统；捕获所述第一表面的图像；以及基于捕获的图像测量所述测量对象的相对高度， 所述方法进一步包括重复地执行所述相对移动和所述捕获；并且基于第一函数定义第二函数，其中所述第一函数拟合到由针对所得到的所述多个图像的每个像素得到的所述光轴上的位置和该像素的光强度值构成的特性；以及 把测量时获得的所述特性和所述第二函数之间的相关值示出极值时的所述光轴上的位置作为对应于所述像素的位置处的所述测量对象的相对高度值。
4.根据权利要求3所述的高度测量方法，其特征在于，所述第二函数是所述第一函数的一阶微分函数的绝对值或者该一阶微分函数的平方的函数。
5.根据权利要求3所述的高度测量方法，其特征在于，所述第二函数是使所述第一函数成为常数倍后的函数。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的高度测量方法，所述高度测量方法进一步包括求出下述移动量作为对应于所述像素的位置处的所述测量对象的相对高度值，其中，在该移动量下，按移动量对以任意的移动量在所述光轴方向上相对移动后的所述第二函数与测量时获得的所述特性之间的相关值进行偏微分而得的值为零。
7.一种高度测量装置，所述高度测量装置包括 光学系统，所述光学系统能够形成测量对象的图像； 驱动部，所述驱动部沿着所述光学系统的光轴相对移动所述测量对象和所述光学系统中的至少一个； 相机，所述相机捕获所述图像；以及 控制部，所述控制部重复地执行所述相对移动和所述捕获，并且基于所得到的多个捕获结果执行权利要求I至6中的任一项所述的高度测量。
8.根据权利要求7所述的高度测量装置，其特征在于，所述光学系统是显微镜，所述显微镜的物镜在光轴方向上相对于所述测量对象相对移动而进行扫描。
9.根据权利要求8所述的高度测量装置，其特征在于，采用了下述构造所述显微镜是暗场光学显微镜、偏光显微镜、突光显微镜、差分干涉显微镜、双光束干涉显微镜、立体显微镜或者变焦显微镜，并且焦点位置移动机构、图像捕获机构和控制处理器组合在所述显微镜中。
10.根据权利要求8所述的高度测量装置，其特征在于，所述显微镜由双光束干涉显微镜构成，使对象物用的物镜在光轴方向上相对于所述测量对象相对移动而进行扫描。
11.根据权利要求8所述的高度测量装置，其特征在于，所述显微镜由双光束干涉显微镜构成，参考光用物镜和参考光形成镜在光轴方向上一起移动而进行扫描。
全文摘要
一种高度测量装置(100)，其中图像形成光学系统(20)的焦点位置在光轴方向上相对于测量对象(10)相对地移动；执行扫描；依次获得由图像形成光学系统(20)形成的测量对象(10)的图像；并且求出图像的各像素的焦点位置，从而获得对应于像素的位置处的测量对象(10)的相对高度值；其中对于通过扫描获得的多个图像的像素，基于包括拟合到光轴上的坐标值和光强度值或者包括坐标值和通过对光强度值进行处理获得的数值的数值序列的第一函数(f)定义第二函数(g)；并且数值序列与第二函数(g)之间的相关值变为最大值或最小值时的光轴上的位置用作对应于像素的位置处的测量对象的相对高度值。
文档编号G01B11/24GK102884395SQ201180022928
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月7日
发明者西川孝 申请人:株式会社 尼康
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
