分析设备、分析方法、干涉测量系统和存储介质与流程

本发明涉及分析设备、分析方法、干涉测量系统和存储介质。

背景技术：

对半导体晶片和高精度反射镜等的表面几何形状的检查可能需要高精度，并且使用菲索(fizeau)激光干涉仪或twyman-green干涉仪等来进行这样的检查。使用普通的单色激光器的干涉仪可以以纳米量级的精度对测量对象物体的表面上的凹凸的几何形状进行测量，但由于不能指定相序，因此不能测量包括1/4波长或更大波长的凹凸的几何形状。为了测量这样的包括1/4波长或更大波长的凹凸的几何形状，已知有用于扫描从光源输出的光的波长的波长扫描干涉仪(例如，参见非专利文献1：d.malacara,“opticalshoptesting3rded.”,wiley-interscience,2007和非专利文献2：g.moschetti,et.al.,“phaseandfringeorderdeterminationinwavelengthscanninginterferometry”,opt.express,24,#258089,2016)。

技术实现要素：

发明要解决的问题

已知在波长扫描干涉仪中，可以通过例如扩大扫描所用的光源的波长范围来提高高度分辨率。然而，当光源的波长范围扩大时，由于光源的光强度水平的波长依赖性、或者测量对象物体反射光的反射率的波长依赖性等，因此干涉光的光强度水平可能会波动，结果有时不能以高精度对测量对象物体进行测量。

本发明关注于这些点，并且本发明的目的是即使在波长扫描干涉仪中光源的波长范围扩大到干涉光的光强度水平波动的程度，也能够以高精度对测量对象物体的凹凸进行测量。

用于解决问题的方案

本发明的第一方面提供一种分析设备，用于分析波长扫描型干涉测量设备所生成的干涉图像，所述干涉测量设备用于生成通过用具有多个不同波长的光照射参考面和测量对象物体的表面所反射的参考光和测量光的所述干涉图像，所述分析设备包括：获取部，用于从所述干涉测量设备获取基于具有所述多个不同波长的光的多个所述干涉图像；去除部，用于通过去除多个所述干涉图像中的各像素的干涉信号中所包含的非干涉分量，来输出干涉分量；转换部，用于通过对所述干涉分量进行希尔伯特变换，来生成分析信号；以及计算部，用于基于所述干涉分量和所述分析信号，通过指定照射到所述参考面和所述测量对象物体的表面上的光的波长的相位梯度，来计算所述参考面和所述测量对象物体的表面之间的距离。

所述计算部可以包括：瞬时相位计算部，用于基于所述干涉分量和所述分析信号来计算所述干涉分量的瞬时相位；相位梯度计算部，用于基于所述瞬时相位来计算所述干涉信号的相位梯度；以及距离计算部，用于基于所述相位梯度，针对各像素来计算所述参考面和所述测量对象物体的表面之间的距离。

所述相位梯度计算部可以在校准所述干涉测量设备的波长色散特性之后，计算所述干涉信号的所述相位梯度。

在所述获取部所获取到的干涉图像是n×m个像素的图像数据ii(xn,ym)的情况下，所述去除部可以将各像素的干涉信号定义为n×m个干涉信号s(i)n,m＝ii(xn,ym)，假定所述干涉信号s(i)n,m通过以下的等式来表示：

[等式1]

并且如以下的等式计算所述干涉信号s(i)n,m中所包含的非干涉分量的影响被去除的干涉分量x(ki)n,m：

[等式2]

其中：i＝1,2,3,…,j，n＝1,2,3,…,n，并且m＝1,2,3,…,m，ki＝2π/λi，λi是测量光和参考光的波长，ki是波数，ei(ki)是照射到所述测量对象物体上的光的振幅，r(k)是所述测量对象物体的振幅反射率，并且是由所述测量对象物体的表面上的与像素(xn,ym)相对应的位置(xn,ym)和所述参考面之间的光路长度所引起的相位差。

所述转换部如以下的等式，可以通过对所述干涉分量x(ki)n,m进行所述希尔伯特变换来生成所述分析信号y(k)n,m：

[等式3]

所述瞬时相位计算部如以下的等式，可以通过使用所述干涉分量x(ki)n,m和所述分析信号y(k)n,m来计算所述干涉分量x(ki)n,m的瞬时相位θ(ki)n,m：

[等式4]

所述相位梯度计算部可以通过使用所述瞬时相位θ(ki)n,m，来计算作为所述干涉信号的恒定值的所述干涉信号的相位梯度dθ(ki)n,m/dki≈dθn,m/dk，所述距离计算部如以下的等式，可以通过使用所述相位梯度dθn,m/dk，针对各像素来计算所述参考面和所述测量对象物体的表面之间的距离ln,m：

[等式5]

本发明的第二方面提供一种分析方法，用于分析波长扫描型干涉测量设备所生成的干涉图像，所述干涉测量设备用于生成通过用具有多个不同波长的光照射参考面和测量对象物体的表面所反射的参考光和测量光的所述干涉图像，所述分析方法包括以下步骤：从所述干涉测量设备获取基于具有所述多个不同波长的光的多个所述干涉图像；通过去除多个所述干涉图像中的各像素的干涉信号中所包含的非干涉分量，来输出干涉分量；通过对所述干涉分量进行希尔伯特变换，来生成分析信号；以及基于所述干涉分量和所述分析信号来计算所述参考面和所述测量对象物体的表面之间的距离。

本发明的第三方面提供一种干涉测量系统，包括：波长扫描型干涉测量设备；以及根据第一方面的分析设备，用于分析所述干涉测量设备所拍摄到的多个所述干涉图像，其中，所述干涉测量设备包括：光源部，用于用具有多个不同波长的光照射所述测量对象物体的表面；所述参考面，其设置在具有所述多个不同波长的光的光轴上；以及摄像部，用于拍摄在所述参考面处反射的参考光和在所述测量对象物体的表面处反射的测量光的所述干涉图像。

本发明的第四方面提供一种存储有程序的存储介质，所述程序在由计算机执行时，使得所述计算机用作根据第一方面的分析设备(200)。

发明的效果

根据本发明，即使在波长扫描干涉仪中光源的波长范围扩大到干涉光的光强度水平波动的程度，也可以以高精度对测量对象物体的凹凸进行测量。

附图说明

图1示出根据本实施例的干涉测量系统1000的结构示例以及测量对象物体10。

图2示出根据本实施例的分析设备200的结构示例。

图3示出根据本实施例的分析设备200的操作流程的示例。

图4示出根据本实施例的转换部240转换得到的分析信号的示例。

图5示出根据本实施例的相位梯度计算部254所计算出的相对于波数的相位的示例。

附图标记说明

10测量对象物体

110光源部

120光学系统

122放大透镜

124准直透镜

126分束器

128成像透镜

130参考物体

132参考面

140摄像部

150控制部

200分析设备

210获取部

220存储部

230去除部

240转换部

250计算部

252瞬时相位计算部

254相位梯度计算部

256距离计算部

260输出部

1000干涉测量系统

具体实施方式

<干涉测量系统1000的结构示例>

图1示出根据本实施例的干涉测量系统1000的结构示例以及测量对象物体10。干涉测量系统1000构成菲索干涉仪，并且对测量对象物体10的表面几何形状进行测量。测量对象物体10例如是诸如包括si、gaas或gan等的半导体晶片、高精度反射镜和金属等的固态物体。干涉测量系统1000设置有干涉测量设备100和分析设备200。干涉测量设备100包括光源部110、光学系统120、参考物体130、摄像部140和控制部150。

光源部110是可以根据所输入的控制信号来改变要输出的光的波长的可调谐波长光源。光源部110用光照射测量对象物体10的表面。光源部110例如包括可调谐型激光器。此外，光源部110可以包括用于输出具有预定波长范围的光的宽带光源和用于根据所输入的控制信号来改变要通过的波长的可变带通滤波器的组合。

光学系统120用从光源部110输出的光照射测量对象物体10和参考物体130。此外，光学系统120在摄像部140上形成来自测量对象物体10和参考物体130的反射光的图像。光学系统120包括放大透镜122、准直透镜124、分束器126和成像透镜128。

放大透镜122放大从光源部110输出的激光的直径。准直透镜124使从放大透镜122入射的光准直，并且用准直光照射测量对象物体10的表面。此外，被测量对象物体10的表面反射的光入射到准直透镜124，并且准直透镜124在缩小该反射光的直径的同时，将该反射光出射到分束器126。这里，将被测量对象物体10的表面反射的光称为测量光。

参考物体130设置在准直透镜124和测量对象物体10之间，并且从准直透镜124出射的准直光的一部分被参考物体130的参考面132反射。因而，准直透镜124将测量光和被参考面132反射的光出射到分束器126。这里，将被参考面132反射的光称为参考光。

分束器126将从准直透镜124出射的测量光和反射光的一部分向着摄像部140反射。分束器126例如包括半透半反镜。成像透镜128使被分束器126反射的光的图像形成在摄像部140上。也就是说，成像透镜128使测量光和参考光彼此干涉的干涉图像形成在摄像部140上。

如上所述，参考物体130包括参考面132。参考物体130例如是具有参考面132作为镜面的半透半反镜。参考面132是基本上垂直于从光源部110输出的激光的光轴而设置的。此外，参考面132可移动地设置在激光的光轴上。

摄像部140拍摄被参考面132反射的参考光和被测量对象物体10的表面反射的测量光的干涉图像。摄像部140例如包括照相机等，并且响应于控制信号来拍摄由光学系统120形成的干涉图像。

控制部150控制光源部110和摄像部140以拍摄多个波长处的参考光和测量光的多个干涉图像。例如，控制部150将用于指定要输出的光的波长的控制信号发送至光源部110。此外，控制部150将包括拍摄干涉图像的指示的控制信号发送至摄像部140。作为示例，控制部150控制光源部110和摄像部140以利用与预定相移量相对应的波长间隔改变光源部110所输出的光的波长，并且每当光的波长改变时拍摄干涉图像。控制部150例如包括中央处理单元(cpu)等。

以这种方式，干涉测量设备100用激光照射参考面132和测量对象物体10的表面，以生成被反射的参考光和测量光的干涉图像。具有图1所示的光学系统120的干涉测量设备100被称为菲索干涉仪，并且原理上，能够以纳米量级的精度对测量对象物体10的表面上的凹凸的几何形状进行测量。

这样的干涉测量设备100通过波长扫描进行光强度调制的频率测量，并且例如使用傅立叶变换来分析干涉图像。在这种情况下，几何形状测量的高度分辨率dh与傅立叶变换的频率分辨率相对应，并且已知是如以下的等式那样确定的。

[等式6]

这里，λmax是光源部110所输出的光的最长波长，并且λmin是光源部110所输出的光的最短波长。从[等式6]可以看出，如果光源部110扩大扫描所用的波长的范围，则干涉测量设备100的几何形状测量的分辨率dh变小，并且可以进行更高分辨率测量。然而，如果光源部110扩大扫描所用的波长的范围，则光源部110所输出的光的强度水平的波长依赖性变得显著，并且波长的扫描范围内的光强度水平的波动有时增加。

此外，测量对象物体反射光的反射率的波长依赖性也变得显著，并且反射光的光强度水平相对于光源部110所输出的光的波长的扫描的波动有时增加。因而，当由于光源部110扩大波长的扫描范围、因而干涉光中的光强度水平的波动增加时，在光强度调制的频率测量中发生误差，并且可能无法准确地对测量对象物体10进行测量。

因此，根据本实施例的分析设备200将希尔伯特变换应用于干涉测量设备100所生成的干涉图像中的各像素的分析信号以减少这种误差，从而容易地以高分辨率和高精度进行干涉测量。以下将说明分析设备200。

<分析设备200的结构示例>

图2示出根据本实施例的分析设备200的结构示例。作为示例，分析设备200是诸如服务器等的计算机。分析设备200分析波长扫描型干涉测量设备100所生成的干涉图像，该干涉测量设备100用具有多个不同波长的光照射参考面132和测量对象物体10的表面，以生成被反射的参考光和测量光的多个干涉图像。分析设备200可以执行干涉测量设备100的控制部150的操作的至少一部分。分析设备200包括获取部210、存储部220、去除部230、转换部240、计算部250和输出部260。

获取部210基于来自干涉测量设备100的具有多个不同波长的光来获取多个干涉图像。获取部210可以连接至干涉测量设备100的摄像部140以获取干涉图像，并且可替代地，可以经由网络等获取干涉图像。获取部210可以从外部数据库等获取多个干涉图像。在这种情况下，获取部210例如获取干涉测量设备100先前生成的干涉图像。

存储部220存储获取部210所获取到的干涉图像的图像数据。存储部220优选将多个干涉图像的图像数据与测量光和参考光的相位差或者干涉测量的顺序相关联地存储。此外，存储部220可以存储分析设备200在工作的过程中生成(或使用)的中间数据、计算结果、阈值和参数等。此外，响应于来自分析设备200中的各部的请求，存储部220可以将所存储的数据提供至请求方。

存储部220可以存储供服务器等用作分析设备200所用的操作系统(os)、以及程序的信息。此外，存储部220可以存储包括执行该程序时所参考的数据库的各种类型的信息。例如，诸如服务器等的计算机通过执行存储部220所存储中的程序而用作获取部210、存储部220、去除部230、转换部240、计算部250和输出部260的至少一部分。

存储部220例如包括用于存储计算机等的基本输入输出系统(bios)的只读存储器(rom)和作为工作区域的随机存取存储器(ram)。此外，存储部220还可以包括诸如硬盘驱动器(hdd)和/或固态硬盘(ssd)等的大容量存储装置。此外，计算机还可以包括图形处理单元(gpu)等。

去除部230通过去除多个干涉图像中的各像素的干涉信号中所包括的非干涉分量来输出干涉分量。去除部230从多个干涉图像生成各像素的干涉信号。例如，如果干涉图像是n×m个像素的图像数据，则去除部230生成n×m个干涉信号。然后，去除部230针对各干涉信号，通过去除非干涉分量来输出干涉分量。

转换部240对从去除部230输出的干涉分量进行希尔伯特变换，以生成分析信号。计算部250包括瞬时相位计算部252、相位梯度计算部254和距离计算部256，并且基于干涉分量和分析信号来计算测量对象物体10的表面几何形状。后面将说明利用转换部240和计算部250的测量对象物体10的表面几何形状的计算。

输出部260将表面几何形状的计算结果输出至显示装置等。输出部260可以显示数值数据，并且可选地或附加地，可以示意性地显示测量对象物体10的表面几何形状。此外，输出部260可以将测量对象物体10的表面几何形状的计算结果存储在外部数据库等中。

上述的根据本实施例的分析设备200从多个干涉图像生成各像素的干涉信号，由此在无需使用多个参数的迭代计算的情况下计算与各像素相对应的从测量对象物体10的参考面起的高度。以下将说明分析设备200的更具体操作。

<分析设备200的操作流程>

图3示出根据本实施例的分析设备200的操作流程的示例。分析设备200通过执行图3中的从步骤s310到步骤s380的操作，来计算并输出根据多个干涉图像校正了基于光源部110的光的波长扫描的误差的测量对象物体10的表面几何形状

首先，获取部210从干涉测量设备100获取多个干涉图像(步骤s310)。在本实施例中，将说明获取部210从干涉测量设备100获取j个干涉图像的示例。这里，假定干涉图像是n×m个像素的图像数据、并且获取部210所获取到的干涉图像的图像数据被称为ii(xn,ym)。这里，i＝1,2,3,…,j，n＝1,2,3,…,n，并且m＝1,2,3,…,m。

接着，去除部230从多个干涉图像生成各像素的干涉信号(步骤s320)。例如，去除部230如以下的等式那样生成n×m个干涉信号s(i)n,m。各干涉信号将包含j个数据。

[等式7]

s(i)n，m＝ii(xn，ym)

接着，去除部230去除干涉信号中所包含的非干涉分量并输出干涉分量(步骤s330)。这里，当将与光源部110所输出的波长λi相对应的波数k定义为ki＝2π/λi时，如以下的等式那样，通过使用i)照射至测量对象物体10的光的振幅ei(k)和ii)测量对象物体10的振幅反射率r(k)来示出干涉信号s(i)n,m。应当注意，ki缩写为k。

[等式8]

这里，是由与像素(xn,ym)相对应的测量对象物体10的表面上的位置(xn,ym)与参考面132之间的光路长度引起的相位差。也就是说，在干涉信号s(k)n,m中，包括的项是基于干涉所生成的干涉分量，并且其它项是独立于干涉的非干涉分量。通过利用k对[等式8]求微分，可以如以下的等式那样计算非干涉分量的影响被去除的干涉分量。

[等式9]

假定波数k的变化量微小，则满足dr/dk<<r和dei(k)/dk<<ei(k)。由于如[等式9]那样、干涉分量由包括相位差的项与函数a(k)的乘积表示，因此函数a(k)是包括相位差的项的包络函数。期望包络函数a(k)基本上是恒定的。然而，如上所述，由于光源部110和测量对象物体10的光学性质具有波长依赖性等，因此包络函数a(k)将根据波数k而变化。

去除部230通过针对各像素从数值上对干涉信号求微分来输出这样的干涉分量。应当注意，如果由于噪声等的影响而导致sn比劣化，则去除部230可以通过使用fir微分器等来进行具有降噪处理的微分处理。

接着，转换部240通过对由去除部230去除了非干涉分量的干涉信号的干涉分量x(k)n,m进行希尔伯特变换来生成分析信号y(k)n,m(步骤s340)。希尔伯特变换例如是通过干涉分量x(k)和1/πk的卷积来进行的，并且如以下的等式那样示出分析信号y(k)n,m。

[等式10]

这里，函数u(t)的希尔伯特变换h(u)(t)引起向u(t)的负频率分量的+90°(π/2)的相移和向正频率分量的-90°(-π/2)的相移。因此，分析信号y(k)n,m具有与干涉分量x(k)基本上相同的包络函数a(k)，并且与干涉分量x(k)n,m相比相移了π/2。

图4示出根据本实施例的转换部240转换得到的分析信号y(k)n,m的示例。图4的横轴表示波数k，并且纵轴表示信号水平。应当注意，对信号水平进行标准化，使得最大值为1且最小值为-1。在图4中，用实线表示的信号是干涉信号的干涉分量x(k)n,m，并且用虚线表示的信号是希尔伯特变换之后的分析信号y(k)n,m。图4例如示出：分析信号y(k)n,m的峰值与干涉分量x(k)n,m相比在水平轴方向上偏移了基本上恒定的值，并且干涉分量x(k)n,m的包络函数和分析信号y(k)n,m的包络函数大致相同。

接着，瞬时相位计算部252基于干涉分量x(k)n,m和分析信号y(k)n,m来计算干涉分量x(k)n,m的瞬时相位(步骤s350)。瞬时相位计算部252如以下的等式那样计算瞬时相位θ(k)n,m。

[等式11]

在利用瞬时相位计算部252计算瞬时相位θ(k)n,m的处理中，如[等式11]所示，将分析信号y(k)n,m除以干涉分量x(k)n,m。由于分析信号y(k)n,m和干涉分量x(k)n,m具有基本上相同的包络函数a(k)，因此通过这种相除几乎消除了包络函数a(k)的影响。因此，瞬时相位计算部252所计算出的瞬时相位θ(k)n,m是极少包含来自光源部110的光的影响和由于测量对象物体10的反射光的波长扫描而引起的光强度水平的波动的值。

接着，相位梯度计算部254基于瞬时相位θ(k)n,m来计算干涉信号的相位梯度(步骤s360)。相位梯度计算部254例如将作为波数k的相位θ(k)n,m的函数的多个波数k的多个瞬时相位θ(k)n,m连接，并且计算相位θ(k)n,m的梯度dθ(k)n,m/dk。这里，连接相位梯度计算部254，使得相对于波数k的相位θ(k)n,m线性地改变。

作为示例，相位梯度计算部254通过使用最小二乘法来计算相对于波数k的相位θ(k)n,m。因而，例如，在利用摄像部140拍摄干涉图像时，即使在干涉图像中混合了随机噪声，也通过利用线性函数表示相位θ(k)n,m来减少随机噪声。

图5示出根据本实施例的相位梯度计算部254所计算出的相对于波数k的相位θ(k)n,m的示例。图5的横轴表示波数k，并且纵轴表示相位θ。这里，纵轴上的相位θ的最大值为π并且最小值为-π。应当注意，由于构成光学系统120等的光学构件的折射率的波长色散，因此相对于波数k的瞬时相位θ(k)n,m可能改变成曲线而不是线性地改变。

在这种情况下，例如，预先测量干涉测量设备100中所设置的光学组件的折射率的波长色散并存储在存储部220中。然后，相位梯度计算部254在校准干涉测量设备100的波长色散特性之后，计算干涉信号的相位梯度dθ(k)n,m/dk。如上所述，由于连接相位θ使得相位θ相对于波数k线性地改变，因此相位梯度计算部254所计算出的相位梯度dθ(k)n,m/dk变得基本上恒定。因此，将相位梯度表示为dθn,m/dk。

接着，距离计算部256针对各像素，基于相位梯度dθn,m/dk来计算参考面132和测量对象物体10的表面之间的距离l(步骤s370)。对于图1所示的干涉测量设备100，由于来自光源部110的光在参考面132和测量对象物体10的表面之间往复运动，因此距离计算部256如以下的等式那样计算距离l。

[等式12]

如上所述，计算部250基于干涉分量x(k)n,m和分析信号y(k)n,m来指定照射在参考面132和测量对象物体10的表面上的光的波长的相位梯度dθn,m/dk，并且针对各像素计算参考面132和测量对象物体10的表面之间的距离ln,m。计算部250计算所有n×m个像素的距离ln,m，由此计算与测量对象物体10的表面几何形状相对应的图像数据。

接着，输出部260将表面几何形状的计算结果输出至显示装置等(步骤s380)。因而，根据本实施例的分析设备200可以通过减小由于光源的光强度水平的波长依赖性、测量对象物体发射光的反射率的波长依赖性和光学组件的波长色散等而引起的误差来精确地测量测量对象物体10的表面几何形状。由于分析设备200可以减小这种误差，因此即使干涉测量设备100的光源部110所输出的光的波长范围扩大到干涉光的光强度水平波动的程度，干涉测量系统1000也可以以高精度和高分辨率来测量测量对象物体10的凹凸。

上述分析设备200对干涉信号进行希尔伯特变换，并且计算干涉信号与希尔伯特变换之后的信号的比，由此减少由干涉测量设备100的波长扫描所引起的光学性质的波动的影响。因而，分析设备200可以在无需直接测量由于光源部110和测量对象物体10的反射光中的波长扫描而引起的信号水平的未知波动的情况下，方便地测量测量对象物体10的表面几何形状。

应当注意，利用用于分析具有菲索型干涉仪的干涉测量设备100所生成的干涉图像的示例说明了根据本实施例的分析设备200，但分析设备200不限于此。分析设备200即使利用包括其它类型的干涉仪的干涉测量设备100也可以分析干涉图像，只要该干涉仪是生成相移误差的干涉仪即可。例如，干涉测量设备100可以包括twyman-green干涉仪。

基于这些典型实施例说明了本发明。本发明的技术范围不限于在上述实施例中说明的范围，并且可以使各种改变和修改在本发明的范围内。例如，设备的全部或一部分可被配置为在功能上或物理上以任意单位分布和集成。此外，通过这些典型实施例的任意组合所生成的新典型实施例包括在本发明的典型实施例中。由该组合引起的新实施例的效果同时具有原始实施例的效果。