[发明专利]用于计算物体表面的高度图的方法和系统

说明书

用于计算物体表面的高度图的方法和系统。在用于从通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓的图像栈计算物体表面的高度图的方法和系统中，在相对于物体表面的不同高度位置处扫描焦平面。在焦平面的各高度位置处拍摄图像以形成图像栈。扫描所述焦平面包括长距离感测和短距离感测焦平面的位移以感测低空间频率分量和高空间频率分量。通过将低空间频率分量和高空间频率分量结合估算焦平面的高度位置。基于估算的各相应焦平面的高度位置计算图像栈中各图像的高度位置。将图像栈的图像插值到等距的高度位置以获得校正的图像栈。从校正的图像栈计算物体表面的高度图。

技术领域

本发明涉及通过光学系统扫描物体表面的光学2.5D轮廓领域中的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于从在该扫描光学轮廓中的图像栈计算物体表面的高度图的方法和系统。光学系统被构造成在相对于物体表面的不同高度位置处扫描焦平面、在各高度位置处拍摄图像以形成图像栈并且从该图像栈计算物体表面的高度图。本文中扫描光学2.5D轮廓包括像白光干涉仪(White Light Interferometry，即，WLI)、结构照明显微镜(Structured Illumination Microscopy，即，SIM)、变焦(Ponit From Focus，同义词：Focus Variation)显微镜、共聚焦显微镜等的技术。

背景技术

在光学扫描2.5D轮廓仪中，光学传感器系统相对于试验样品扫描。在各扫描位置处记录样品的图像以生成图像栈。将这些图像进行处理以计算高度图。

在大多数用于从图像栈计算高度图的算法中，采用所有图像之间的恒定光程长度差(步长)、或者至少需要已知拍摄各图像的精确位置。

实际上，由于伺服误差或者内部和外部振动源，图像之间的步长将存在误差。这些步长的误差将相应地导致结果高度图的误差。

本文中讨论WLI作为示例来说明这些误差。在干涉仪中，光束被分成两束：测量光束和参考光束。当两束光重新结合时，可以记录干涉图样(条纹)随着测量光束和参考光束之间的路径长度差的变化。在窄角分布的完全相干光的情况下，干涉图样将不确定地拉伸。在这种情况下，根据干涉图样求解路径长度差是不明确的。通过降低光谱相干性(使用宽带光谱，也称为白光)，将会减小干涉图样的长度(相干长度)并且测量光束和参考光束之间的路径长度差能够由条纹图样决定。

在应用WLI进行样品的表面测量时，相对于样品表面竖直地扫描焦平面。在各焦点位置处拍摄图像。结合的图像形成3D图像栈。该图像栈的各横向位置定义了干涉图。从各干涉图能够确定出在样品的横向位置处的局部高度位置。

大多数市售的WLI设备被指定为测量具有仅几纳米(nm)的重复性的高度图。

通过使用傅里叶变换(FT)方法完成干涉数据的分析。在标准的FT方法中，计算记录的干涉信号的傅里叶变换或快速傅里叶变换。作为示例，首先可以计算所记录的干涉信号的FT。接下来，可以将除了对应于照明光谱的正空间频率之外的所有的频率贡献设置为零。通过进行傅立叶逆变换，所获得的信号的模数表示原始干涉图案的包络函数，而幅角(argument)表示原始干涉图案的中心波长的相位。通过确定重量中心找到包络线的顶点。该顶点能够用作局部样品高度的第一估算值。接下来，通过展开相位的线性插值来找到最近的相位过零点(phase-zero-crossing)。与相位过零点相对应的位置提供了高精度的样品高度。

其它人使用了FT方法的变型，也使用了其它方法。然而，这些方法对于非等距扫描步进都具有几乎相同的灵敏度。

标准的FT方法采用完全等距扫描步进。如果扫描步进并非完全等距，则在结果高度图中将存在误差。能够区分关于非等距扫描步进的三种误差：

1.如果非等距误差小，这将导致包络线顶点和相位过零点两者的小的偏移。这导致了所测量的高度图中对应于试验样品内的高度变化的波纹。