用于光学检查和测量物体表面的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于光学检查和测量物体表面的方法，特别是用于对存在于所述表面上的图案进行成像的方法。本发明还涉及一种实现这种方法的用于检查物体的表面的系统。

本发明的领域更具体地但非限制性地为光学轮廓测量领域。

背景技术

光学轮廓测量使得可以检查物体表面，以便特别地检测图案(例如存在于所述表面上的阶梯或沟槽)以及对图案进行成像。

光学轮廓测量基于对发送到被检查表面并由所述表面反射的参考光辐射与源自同一光源的检查光辐射之间获得的干涉信号的测量和研究。通过相对地改变参考或检查辐射的光路，可以根据对干涉条纹的分析确定反射的检查光辐射行进的光路长度相对于参考辐射的光路长度的差异；并据其推断被检查的表面在每个测量点处的深度或高度，以便检测存在于所述表面上的图案并对该图案进行成像。

然而，当前的光学轮廓测量技术在横向分辨率上受到可以对物体的面和干涉条纹进行成像的光学成像系统的分辨率的限制。特别地，即使使用具有高放大倍数的透镜，例如50x透镜，当前的光学轮廓测量技术也不能检查或测量接近光学系统的分辨率极限的特征尺寸的窄图案。在这种情况下，由于与不同深度的两个相邻的面(例如沟槽或阶梯的两个面)相关的信息项总是混在一起，因此不能适当地利用所获得的干涉信号。

本发明的目的是提出一种用于更准确地检查和测量物体表面的方法和系统。

本发明的另一目的是提出一种用于检查和测量物体表面的方法和系统，使得可以精确地检测窄图案并对窄图案进行成像，而无需使用昂贵的光学装置。

本发明的另一目的是提出一种用于检查和测量物体表面的方法和系统，使得可以精确地检测窄图案并对窄图案进行成像，该窄图案的特征尺寸大约为或小于光学成像系统的分辨率极限。

本发明的另一目的是提出一种用于检查和测量物体表面的方法和系统，使得可以在对当前的硬件结构做很少修改甚至不做修改的情况下，利用当前的检查仪器对窄图案进行成像。

技术实现要素：

利用用于检查和测量物体表面的方法实现这些目的中的至少一个，该表面包括至少两个相对于彼此在深度上交错的面，所述面特别地形成所述表面上或所述表面中的阶梯或沟槽，所述方法包括以下步骤：

-在所述被检查表面的称为测量点的几个点处测量称为被测信号的干涉信号；

-针对至少一个、特别是每个测量点，相对于至少一个、特别是每个面提取被测信号，所述提取为所述测量点提供针对所述面、特别是针对每个面的称为单独信号的干涉信号；

-分别对每个面的单独信号进行轮廓测量分析。

当测量点位于不同深度的两个相邻表面之间的界面处时，通过根据本发明的方法提出的这种提取步骤是特别有用的。实际上，在这种情况下，所测量的干涉信号包含与每个相邻表面相关的混在一起的信息项。

因此，根据本发明的方法提出在轮廓测量分析步骤之前，通过从测量的干涉信号中选出所述测量信号的对应于每个面的部分，单独分离与构成被检查表面的每个面相关的信息项。一旦被分离，就能够根据已知的轮廓测量技术分析每个单独的干涉信号。

因此，根据本发明的方法使得可以减少或者甚至消除与不同深度的两个相邻的面、特别是与这两个面的界面处相关的信息项的混合，这使得可以更精确地检查物体的表面。

此外，通过减少与不同深度的两个相邻的面、特别是与这两个面的界面处相关的信息项的混合，与现有技术的方法相比，根据本发明的方法使得利用给定的光学成像系统和传感器可以对较小、特别是较窄尺寸的图案进行成像。

此外，提取步骤能够通过数字或模拟处理来执行，并且对信号测量步骤的影响很小或没有影响。因此，根据本发明的方法能够由当前的检查或测量装置、特别是这些装置的光学部件来实现，而对这些装置做很少或不做结构修改。

换句话说，通过允许检查和对具有尺寸特征约为或小于光学成像系统和传感器施加的横向分辨率极限的图案进行尺寸测量，根据本发明的方法使得可以推回该分辨率极限，否则该光学系统无法检查或测量所述图案。

能够对所有测量点实施提取步骤。

或者，能够仅对位于不同深度的两个相邻的面之间的界面处的测量点实施提取步骤。

有利地，测量干涉信号的步骤能够针对执行全场测量的传感器的每个像素测量干涉信号。

在这种情况下，每个像素都能够对应于用于测量干涉信号的测量点。

有利地，根据本发明的方法还能够包括如下步骤：根据来自所述面的单独信号的轮廓测量分析，独立地构建每个面。

实际上，通过利用针对每个测量点在每个单独干涉信号中检测到的深度，可以合并与该面相关的单独信号并独立地构造该面。

为此，将每个测量点置于针对所述测量点在与所述测量点相关的单独干涉信号中检测到的深度处。

此外，根据本发明的方法还能够包括如下步骤：构造被检查表面的表示，特别是所述表面的三维表示，该表示包括在所述被检查表面上找到的图案。

能够通过连结所有面的、在每个测量点处的每个单独信号中测量的深度值来生成这种结构，特别是三维结构。

换句话说，这种结构能够通过连结所有面的、在单独干涉信号中检测到的深度处的测量点来生成。

在特别有利的版本中，构造被检查表面的表示的步骤能够根据面的单独表示来执行。

在这种情况下，构造步骤能够包括以下步骤的迭代，对于至少一个测量点：

-在所述测量点处，确定至少两个单独表示中的信号质量值，以及

-根据针对所述两个单独表示中的每一个获得的信号质量值，将所述测量点分配给面中的一个。

特别地，能够对分配给不同深度的两个相邻的面的至少一个、特别是每个测量点执行这些步骤。在这种情况下，所考虑的单独表示是所述相邻的面的表示。

因此，根据本发明的方法使得可以更精确地确定被检查表面的三维表示。

实际上，可能发生这样的情况：位于不同深度的两个相邻的面之间的界面处的测量点被分配给这两个面中的每一个。在这种情况下，标准的三维表示将在这些相邻的面的每一个中示出所述测量点。这是不正确的。根据本发明的方法使得可以通过根据针对相邻的面中的每一个获得的信号的质量来区分并仅将测量点分配给相邻的面中的一个来避免这种双重分配。

在非限制性实施例中，能够通过考虑以下因素的预定比较关系来执行分配步骤：

-每个单独表示的信号质量值；和

-应用于单独表示的信号质量值的乘数系数。

因此，针对一个测量点，当一个面的单独表示中的信号质量(可选地乘以乘数系数)大于另一面的单独表示中的信号质量值时，根据本发明的方法允许将所述测量点分配给一个面。

根据非限制性实施例，可以凭经验或通过实验来确定乘数系数。

根据另一非限制性实施例，乘数系数可以通过例如从已知特征的物体的参考测量中学习来确定。

替选地或另外地，乘数系数可以是在测量步骤期间使用的测量传感器的至少一个参数的函数。测量传感器的这种参数例如可以是传感器的灵敏度或所述传感器的测量不确定度，这些参数例如由制造商给出或是在先前测试期间测量的。

替选地或另外地，可以根据被检查表面的至少一个参数来确定乘数系数。被检查表面的这种参数例如可以是所使用的材料的反射/折射值、两个相邻的面之间的理论深度的差值、图案的特征尺寸等。

在特别优选的实施例中，对于至少一个面，轮廓测量分析步骤可以包括：针对每个单独信号，

-对所述单独信号进行傅里叶变换；以及

-对得到的傅立叶变换的相位进行分析。

实际上，简单面的单独干涉信号的傅里叶变换的相位是线性的，对这种相位的分析使得可以精确地推导出分布信息项。另一方面，应当注意，该简单方法不适用于包括与两个或更多个相邻的面相关的信息项的混合的干涉信号，因为在这种情况下所测量的干涉信号的傅立叶变换的相位不表现出这种线性。

在根据本发明的方法的一个版本中，对于至少一个面，提取与所述面相关的被测信号的步骤可以包括选择所述被测干涉信号的一部分，该部分包括所述被干涉信号中的对应于所述面的包络。该包络可以对应于条纹的或干涉信号的显著的局部振幅。

这样的提取步骤实现起来不是很复杂、需要的资源少且处理时间非常短。

特别地，对于不同深度的两个相邻的面，选择步骤可以有利地将被测干涉信号分割成两部分，每个部分包括所述测量信号中对应于所述面中的一个的包络，每个面的单独信号对应于所述部分中的一个。

当然，当对于一个测量点存在两个以上不同深度的相邻的面时，可以通过成对地考虑测量信号中的相邻包络来执行分割。

对于被测干涉信号，这种分割实现起来不是很复杂、需要的资源少且处理时间非常短。

根据特别优选的实施例，对于两个相邻的包络，可以在被测信号的以下位置处分割所述被测信号：

-位于所述两个相邻包络之间的位置，并且

-与所述相邻包络的位置基本等距的位置。

包络的位置可以例如对应于它们各自的峰值。

例如，如果被测干涉信号中对应于两个相邻的面的包络分开深度δ的距离，则在位于两个包络之间的、距离每个包络的位置的距离为δ/2的位置处将被测干涉信号分割成两部分。

在一个版本中，在检查之前，可以例如由设计者或被检查表面的物体的制造商特别是近似地或在理论上预先提供每个面的深度，并且因此预先提供了每个包络在被测干涉信号中的位置。

可以提供被检查表面的至少一个面相对于所述面的另一个面的深度。

替选地或另外地，根据本发明的方法可以包括在提取步骤之前估计对应于面的至少一个包络在被测干涉信号中的位置。

通过分析被测干涉信号，可以以不同的方式执行这种估计包络位置的步骤。

具体地，估计被测干涉信号中的包络的位置的步骤可以包括以下步骤：

-解调被测干涉信号，和/或

-分析被测干涉信号的能量，和/或

-分析被测干涉信号的条纹的对比度。

例如，在能量分析的情况下，可以通过检测被测干涉信号的能量的局部最大值的位置来检测被测信号中的包络的位置。

在通过解调进行分析的情况下，可以通过对整流信号应用低通滤波器来检测测量信号中包络的位置。该低通滤波器使得可以消除整流信号的高频分量，即条纹，同时保持低频分量，即信号的包络。整流信号可以例如利用绝对值运算符、平均值阈值处理、平方或乘以相同频率的载波(同步解调)来获得。

在分析条纹对比度的情况下，可以通过查找干涉条纹的振幅和/或峰值，例如利用比较运算符或通过推导，来检测被测信号中包络的位置。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于检查和测量物体表面的系统，该表面包括至少两个相对于彼此在深度上交错的面，所述面特别地形成所述表面上或所述表面中的阶梯或沟槽，所述系统包括：

-装置，用于在所述被检查表面的称为测量点的几个点处测量称为被测信号的干涉信号；

-模块，用于处理被测干涉信号，其被配置成执行根据本发明的方法的所有步骤。

可以通过电子和/或计算机，特别是利用可以由处理器或电子芯片(例如eeprom类型的电子芯片)执行的指令，来配置处理模块。

处理模块可以集成在测量装置中，或者在测量装置外部并以有线或无线的方式连接到所述测量装置。

在有利的版本中，测量装置可包括全场干涉测量传感器。

在这种情况下，测量点可以对应于所述传感器的像素。

根据本发明的方法和系统都可以用于检查半导体或晶片元件的表面，特别是用于测量存在于所述表面上的沟槽的深度和/或阶梯的高度，或者还用于对所述表面进行成像。

更一般地，根据本发明的方法和系统都可以用于检查物体的表面，特别是用于检测和/或表征和/或成像所述表面的至少一个图案。

附图和实施例的说明

通过阅读非限制性示例的详细描述以及附图，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，附图中：

-图1是根据本发明的方法的非限制性实施例示例的示意图；

-图2a-2h是利用本发明特别是利用图1的方法检查和测量物体(例如晶片)的表面的非限制性示例的示意图；

-图3是根据本发明的系统的非限制性实施例示例的示意图。

应该理解，下文描述的实施例绝不是限制性的。能够设想本发明的变型仅包括下文描述的特征的选集，而独立于所描述的其他特征，只要该特征的选集足以赋予一定技术优点或将本发明与现有技术区分开。该选集包括不具有结构细节或者仅具有一部分结构细节的至少一个优选地功能特征，只要该部分结构细节单独足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开。

特别地，可以将所描述的所有变型和所有实施例组合在一起，只要在技术上对该组合没有异议即可。

在附图中，各图共有的元素使用相同的附图标记。

图1是根据本发明的方法的非限制性实施例示例的示意图。

图1中示出的方法100包括步骤102，步骤102例如使用全场干涉测量传感器，在物体表面上的若干测量点处测量干涉信号。在这种情况下，传感器的每个像素对应于测量点，并且干涉信号通过所述传感器的每个像素来测量。

方法100还包括针对每个测量点、即针对每个被测干涉信号执行的处理阶段104。

处理阶段104包括步骤106，步骤106估计被测干涉信号中的每个包络的位置。通过在减去背景之后对整流信号应用低通滤波器而解调被测干涉信号(或通过执行同步解调)来执行该估计步骤106。通过用足够宽的平均滑动窗口使信号平滑来计算背景。低通滤波器使得可以在去除整流信号的高频分量的同时保持低频分量，即包络。检测超过预定振幅阈值的解调信号的局部最大值并存储它们的位置。可以选择振幅阈值，例如以便在包络的多个错误检测和多个未检测之间找到良好的折衷，挑战在于检测微弱信号而没有导致过多错误检测的干涉信号中的噪声。该检测阈值可以是设定的，或可以根据例如以下自适应变化：

-与所有信号或邻域中的解调信号的振幅(峰值、均方根值)相关的标准；和/或

-与被测干涉信号的噪声的测量相关的标准。

然后在步骤108，通过考虑在步骤106中检测到的每个包络对应于不同深度的面来处理干涉信号。特别地，该处理包括将干涉信号分成与所述被测干涉信号中的包络一样多的部分。在成对的相邻包络之间在与所述两个相邻包络中的每一个的位置基本等距的位置处分割干涉信号。例如，当干涉信号包括n个包络ek，其中1≤k≤n，且dk是所述被测干涉信号中包络k的位置时，首先在位于位置d1和d2之间并且到位置d1和d2的距离相等的分割位置dd1处分割包括包络e1的第一部分p1。然后，分割包括包络e2的第二部分p2：该第二部分对应于位于第一分割位置dd1和第二分割位置dd2之间的被测干涉信号的部分，其中，第二分割位置dd2位于位置d2和d3之间并且到位置d2和d3的距离相等；以此类推。最后部分pn对应于位于倒数第二分割位置ddn-1和被测干涉信号的终点之间的被测干涉信号的部分。

当被测干涉信号仅包括两个包络e1和e2时，其在位于位置d1和d2之间并且到位置d1和d2的距离相等的分割位置dd1处被分割成两部分。第一部分p1包括被测信号的起点直到分割位置dd1，第二部分p2包括从分割位置dd1到被测信号的终点。

分割步骤过程中获得的每个部分形成针对被检查表面的每个面的单独的信号。

在步骤110，对每个单独的信号进行轮廓测量分析，以检测包含在该单独的信号中的单个包络所对应的面的位置。在该步骤110期间，每个单独的信号都经历：

-对所述单独的信号进行傅里叶变换；以及

-对得到的傅立叶变换的相位进行分析。

傅立叶变换的相位为线性的频域对应于轮廓测量仪的光源的频域。

另外，相应测量点处的面的深度能够从该频域中的相位的斜率或者从轮廓测量仪的光源的中心频率的相位值推导出。

处理阶段104结束于步骤110。

在步骤112，根据对单独的信号的轮廓测量分析，通过对在给定深度处检测的测量点进行连结来分别构造所述深度的每个面。

在分别构造每个面的过程中，特别在使用具有高放大倍数(例如50x)的透镜的情况下，可能频繁地在同一测量点处检测到两个不同的深度，因此该测量点被分配给不同深度的两个面。特别是当测量点处于不同深度的两个相邻的面之间的界线处时，会发生这种情况。

在阶段114期间，执行被检查表面的三维表示。

在阶段114期间，步骤116，针对所有测量点，对在步骤112期间获得的各个表示进行连结/合并。

当有争议的测量点(表示为(i,j))被检测为属于两个不同的面时，步骤118确定分别对应于面1和面2的单独测量信号的质量q1(i,j)和q2(i,j)。该质量测量是从在检测界面/包络的步骤(步骤106)的过程中的解调信号上观察到的最大值获得的。例如，它对应于所考虑的面的包络的最大振幅。

步骤120通过比较质量q1(i,j)和q2(i,j)，将所述有争议的测量点分配给两个面中的一个。例如：

-如果q1(i,j)<β.q2(i,j)，则测量点(i,j)分配给面2；

-如果q1(i,j)≥β.q2(i,j)，则测量点(i,j)分配给面1。

将加权系数或乘数系数β应用于质量测量以便进行比较。在所实施的实施例中，该乘数系数β是通过实验确定的，以大体上补偿由图案的不同面反射的光能的差异。实际上，图案的底部(所示示例中的面2)通常自然地反射比上部的面(面1)更少的光。因此，选择乘数系数β>1，例如β＝5。

在步骤122，生成被检查表面的图形表示。

方法100还可以包括与图案(例如阶梯或沟槽)的宽度、高度、深度相关的分析和统计步骤。

图2a-2g给出了根据本发明方法，例如图1的方法100被检查的表面实例的示意图。

具体地，如图2a所示，表面200是包括阶梯202和沟槽204的半导体的表面。

图2b是位于阶梯202和沟槽204之间的界面处的点206处的干涉信号的示例，例如在图1的方法100的步骤102中测量的干涉信号。x轴对应于深度，y轴对应于摄像机的强度等级值(摄像机的灰度级)。如图2b所示，被测干扰信号208包括两个包络：包络2101对应于阶梯202，包络2102对应于沟槽204。

图2c是两个单独的信号的示例，该单独的信号是例如在图1的方法100的步骤108中，在位于包络2101和2102之间并且与所述包络2101和2102的位置等距的分割位置212处将信号208分割后获得的。单独的信号2141和2142分别包括包络2101和包络2102。

图2d是两个信号2161和2162的示例，其分别表示图2c的单独的信号2141和2142的傅里叶变换的相位，例如在图1的方法100的步骤110中获得的相位。注意，每个信号2161和2162分别包括区域2181和2182，在区域2181和2182处相位基本上是线性的。每个线性区域2181和2182使得可以针对测量点206计算相应面的深度，即分别为阶梯202或沟槽204的深度。

图2d还给出了表示被测干扰信号208的傅立叶变换的相位的信号2163的示例。注意，在这种情况下，相位不包括使得可以容易地从中推导出深度信息项的线性区域。

图2e是每个面的单独表示的示例，即由阶梯202形成的面的表示2181以及由沟槽204和图案外部的面形成的面的表示2182，例如，在图1的方法100的步骤112中获得的。如图2e所示，在表示2181-2182中，某些测量点已分配给由阶梯202形成的面和沟槽204形成的面。特别地，由于表示2181示出了阶梯202之间的连续面，因此用于位于阶梯202之间的沟槽204的测量点已被分配给每个面。

图2f是平面表示的示例，图2g是例如在步骤120中处理争议点之后，在图1的方法100的步骤122中获得的被检查表面200的三维表示。

能够特别地注意到，获得了图案的平面的表示，其具有比图2a中的原始图像更好的过渡定位，因此，相较于成像系统的分辨率极限得到了改善。图2g中的三维表示示出了在每个测量点处获得的深度测量的准确度。

图2h以直方图的形式示出了与所有测量点以及这些测量点的深度相关的统计分析。这使得尤其可以看到：

-对应于峰值2201的图案外的下部的面的深度分布；

-对应于峰值2202的沟槽内的下部的面的深度分布；

-对应于峰值2203的上部的面的深度分布。

图3是根据本发明的系统的非限制性实施例示例的示意图。

如图3所示，系统300包括光源302，例如基于发光二极管或卤素源的光源，其产生可见光和/或近红外波长的光束304。该光束304被立方体或分束器308导向全场干涉仪306。

在全视场干涉仪306中，光束304被分成参考光束和测量光束，参考光束照射参考镜，测量光束照射待检查的面，例如图2a中的面200。分别由面200和参考镜反射的光被重定向到检测器阵列310，例如ccd或cmos类型的检测器阵列。

系统300包括布置成使得面200在检测器阵列310上成像的光学器件和透镜，该透镜包括成像透镜。当测量光束和参考光束之间的光学路径的差小于光源302的相干长度时，由测量光束和参考光束之间的干涉引起的干涉条纹也是可见的。

在本发明的上下文中能够使用不同类型的全场干涉仪306，这些干涉仪是本领域技术人员公知的，不再详述。

系统300还包括电子/计算机模块312，例如处理器或电子芯片或个人计算机，电子/计算机模块312连接到检测器阵列310，并配置成执行根据本发明的方法的所有步骤，例如图1的方法100的步骤104-122。

当然，本发明不限于所描述的示例，在不超出本发明的范围的情况下能够对这些示例进行许多调整。