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CN103858426A - 测量图形化基板的3d显微镜和方法 - Google Patents

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CN103858426A CN201180036105.7A CN201180036105A CN103858426A CN 103858426 A CN103858426 A CN 103858426A CN 201180036105 A CN201180036105 A CN 201180036105A CN 103858426 A CN103858426 A CN 103858426A
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J·N·斯坦顿
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Abstract

用于图形化基板测量的三维（3D）显微镜可包括物镜、反射照明器、透射照明器、调焦设备、光学传感器、以及处理器。调焦设备可分多个Z步进对物镜自动调焦。光学传感器能够在这些Z步进中的每一步进采集图像。处理器可控制反射照明器、透射照明器、调焦设备、以及光学传感器。处理器可被配置成在多个Z步进采集第一和第二图像，该第一图像具有使用反射照明器的图案而该第二图像不具有使用反射照明器和透射照明器之一的图案。

Description

测量图形化基板的3D显微镜和方法
侯震、J·J·徐、K·K·李、J·N·斯坦顿、
H·P·源、R·库迪纳、R·索塔曼
相关申请
本申请要求侯震于2010年7月23日提交且通过引用结合于此的题为“测量图形化基板的3D显微镜和方法（3D Microscope And Methods Of MeasuringPatterned Substrates）”的美国临时申请61/367,352的权益。本申请还与2010年6月1日授权给J·J·徐的题为“3D光学显微镜（3D Optical Microscope）”的美国专利7,729,049、2011年5月17日授权给J·J·徐的题为“3D光学显微镜（3D Optical Microscope）”的美国专利7,944,609、J·J·徐于2010年2月3日提交且题为“3D光学显微镜（3D Optical Microscope）”的美国公开申请2010/0135573、以及J·J·徐于2009年6月27日提交且题为“3D光学显微镜的照明器（Illuminator For A3D Optical Microscope）”的美国公开申请2008/0291533相关。
发明背景
技术领域
本发明涉及光学显微镜，具体地涉及三维（3D）显微镜和测量图形化基板（PS）的方法。
相关技术描述
在与常规光源相比时，由于高亮度发光二极管（HBLED）的可靠性、长寿命、以及环境优势，它在研究机构和各种产业中引起了极大的兴趣。通常，在诸如兰宝石、碳化硅、以及其他材料之类的透明基板上制造常规HBLED。为了提高光提取效率，制造商经常将基板表面粗糙化以形成图形，从而可发射更大部分的在有源层中生成的光。
2003年12月2日授权给Thibeault的题为“通过使用内部和外部光学元件增强LED中的光提取（Enhanced Light Extraction In LEDs Through The Use OfInternal And External Optical Element）”的美国专利6,657,236、以及2008年6月10日授权给Donofrio的题为“用于在发光二极管上形成三维特征以供改进光提取的方法（Method Of Forming Three-Dimensional Features On LightEmitting Diodes For Improved Light Extraction）”的美国专利7,384,809公开了在碳化硅基板上创建各种重复图形以提高HBLED的光提取效率的方法。如在美国专利7,384,809中描述的，来自二次电子显微镜（SEM）的图像可用于验证这些图形化基板的形状。
2010年3月23日授权给Tanaka的题为“具有提高外部效率和晶体生长的突起的半导体发光器件（Semiconductor Light Emitting Device With ProtrusionsTo Improve External Efficiency And Crystal Growth）”的美国专利7,683,386、2010年6月29日授权给Niki的题为“半导体发光器件（Semiconductor LightEmitting Device）”的美国专利7,745,245、以及Hsu于2007年7月30日提交的题为“具有图形化基板的发光器件及其方法（Light Emitting Device Having APatterned Substrate And The Method Thereof）”的美国公开申请2008/0067916示教了在蓝宝石基板上产生重复图形的各种方式。在这些参考文献中，提供SEM图像以确认图形化蓝宝石基板的质量。
2010年4月27日授权给Fuji的题为“经由在N面表面上制造特征的高效的基于III族氮化物的发光二极管（Highly Efficient Group-III Nitride Based LightEmitting Diodes Via Fabrication Of Features On An N-Face Surface）”的美国专利7,704,763公开了在蓝宝石基板上制造HBLED、随后使用激光剥离（lift-off）以使该基板从二极管结构脱离的方法。此时，蚀刻工艺可用于在N面的GaP表面上产生随机的锥形体以实现粗糙化的表面。而来自SEM的图像可在监测随机锥形体特征的形成中使用。
作为制造工艺开发和工艺控制的一部分，制造商需要测量基板上图形的几何形状。这些测量通常包括图形特征的形状、高度、尺寸、间距、以及间隙。虽然常规SEM可对各个图形化特征成像，但是它无法测量高度信息。由此，在HBLED产业中，截面SEM（x-SEM）已变成了标准计量工具。然而，x-SEM是破坏性的方法，其需要在进行测量之前破坏HBLED。另外，x-SEM测量必须在真空环境中进行，因此整个测量过程较慢。此外，购买和维护x-SEM系统的费用是昂贵的。
数年来，已在半导体产业中使用非破坏性、非接触式光学系统来测量透明基板上的掩模。例如，2001年11月27日授权给Blaesing-Bangert的题为“用于测量透明基板上的特征的方法和设备（Method And Device For MeasuringFeatures On A Transparent Substrate）”的美国专利6,323,953、以及2003年3月25日授权给Fiekowsky的题为“显微镜特征维度测量系统（MicroscopicFeature Dimension Measurement System）”的美国专利6,539,331示教了使用光学显微镜设置来准确地测量光掩模上的线宽的方法。然而，这些方法只可测量线宽（即，横向维度），却无法提供准确的高度信息。
因此，需要有一种准确、容易使用且相对便宜的非破坏性方法来测量和监测图形化基板。将在以下详细描述的本发明满足该需要。
发明内容
用于图形化基板测量的三维（3D）显微镜可包括物镜、反射照明器、以及透射照明器。反射照明器可被配置成向图形化基板样品提供反射光，并且将图案化制品的图像投影到物镜的焦平面上且从该焦平面移除图案化制品的图像。透射照明器可被配置成向图形化基板样品提供透射照明。
3D显微镜还可包括调焦设备、光学传感器、以及处理器。调焦设备可分多个Z步进对物镜自动调焦。光学传感器能够在这些Z步进中的每一步进采集图像。处理器可控制反射照明器、透射照明器、调焦设备、以及光学传感器。处理器可被配置成在多个Z步进采集第一和第二图像，该第一图像具有使用反射照明器的图案而该第二图像不具有使用反射照明器和透射照明器之一的图案图像图像。
在一个实施例中，图案化制品是其上具有预定图案的玻璃。光学传感器可包括电荷耦合器件（CCD）相机或互补金属氧化物半导体（CMOS）相机。透射照明器可以是透镜和透镜组之一以及发光二极管（LED）。调焦设备可以是机动化的机械Z载台或压电Z载台。机动化的Z载台可包括耦合到线性轴承的引导螺杆和滚珠螺杆之一。压电Z载台可安装在样品卡盘或显微镜镜头转台上。
还描述了一种设计用于测量图形化基板的3D显微镜的方法。该方法包括提供上述组件。
还描述了一种测量图形化基板样品的方法。图形化基板样品被定义为包括多个图形化基板特征。在该方法中，可按预定步进改变图形化基板样品和物镜之间的相对距离。在一个或多个预定步进，可执行以下附加步骤。
可将图案化制品的图像投影到物镜的焦平面上。可采集带有与图案化制品和样品相关联的图案的第一图像，并且随后将其存储在第一图像阵列中。然后，可从物镜的焦平面移除图案化制品的图像。可采集不带有与图案化制品相关联的图案的样品的第二图像，并且随后将其存储在第二图像阵列中。
可生成第一掩模以将图形化基板特征与图形化基板样品的背景区域粗略地区分开。该第一掩模基于第二图像阵列。可生成第二掩模以将图形化基板特征与背景区域准确地区分开。该第二掩模基于第一图像阵列和第一掩模。
可使用第一图像阵列和第二图像阵列之一以及第二掩模来确定每一图形化基板特征的顶部。可使用第二掩模和每一图形化基板特征的顶部来计算图形化基板特征的几何参数。
采集第二图像可包括使用反射照明器或透射照明器。透射照明器可以是透镜和透镜组之一以及发光二极管（LED）。生成第一掩模可包括使用色彩、或者强度、或者色彩和强度两者的组合。生成第二掩模可包括使用取阈值（thresholding）方法。几何参数可包括图形化基板特征的尺寸、间距、高度、间隙、以及顶部尺寸。改变图形化基板样品和物镜之间的相对距离可包括使用机动化的机械Z载台或压电Z载台。机动化的Z载台可包括耦合到线性轴承的引导螺杆和滚珠螺杆之一。压电Z载台可安装在样品卡盘或显微镜镜头转台上。
在一个实施例中，测量图形化基板样品的方法可包括自动地改变图形化基板样品和物镜之间的相对距离。该自动改变可包括第一自动聚焦技术和第二自动聚焦技术。第一自动聚焦技术可包括有条件的提前退出。该有条件的提前退出可包括确定一个以上阈值扫描范围是否完成。当一个以上阈值扫描范围完成时，随后可计算累积对比度值的标准偏差，否则可继续扫描。有条件的提前退出还可包括确定最大对比度值是否大于指定的最小提前退出阈值、以及当前步进对比度是否比最大对比度小至少标准偏差。如果为是，则批准提前退出，否则不批准。第一自动聚焦技术包括采集Z载台在扫描步进之间移动时的图像，由此允许第一自动聚焦的速度与相机帧速率一样快。
在一个实施例中，第二自动聚焦技术可采用比第一自动聚焦技术小的步长。第二自动聚焦技术可包括检测对比度下降趋势。该对比度下降趋势可以是具有峰值对比度的扫描步进，跟随其后的是逐渐降低对比度值的至少多个扫描步进。在一个实施例中，多个扫描步进可以是四个扫描步进。
附图说明
图1A示出可便于测量图形化基板的示例性照明器。
图1B示出示例性图案化制品。
图2示出配置成测量图形化基板的3D显微镜系统的第一实施例。
图3示出配置成测量图形化基板的3D显微镜系统的第二实施例。
图4示出配置成测量图形化基板的3D显微镜系统的第三实施例。
图5示出可替代图2和3所示的光源的示例性光源。
图6示出相对于样品移动光学器件的示例性定位组件。
图7示出在上述3D显微镜系统中可用的示例性软件代码和界面。
图8示出示例性两轮（two-pass）自动聚焦技术。
图9A示出示例性自动聚焦首轮技术。
图9B示出示例性自动聚焦首轮提前退出确定技术。
图9C示出示例性自动聚焦次轮技术。
图10示出示例性图形化基板测量技术。
图11示出可便于将图形化基板特征与基板区分开的示例性二元掩模。
图12示出使用手动3D光学系统的示例性测量技术。
图13示出使用自动3D光学系统的示例性测量技术。
附图的详细描述
如在本文中所使用的术语“图形化基板”描述粗糙化的表面。该粗糙化的表面可在HBLED产业中使用的透明基板（例如，蓝宝石、碳化硅、GaP等）上形成。图形化基板的各个实施例可使用重复特征或随机特征。
图1A示出配置成在用于测量图形化基板的3D显微镜中使用的示例性照明器100。照明器100包括可构成两个光路（如点划线所示）的两个光源101和102。具体地，第一光路包括光源101、第一分束器103、消色差双合透镜105、双凸透镜106、以及第二分束器107。第二光路包括光源102、图案化制品104、第一分束器103、消色差双合透镜105、双凸透镜106、以及第二分束器107。多引脚连接器108可经由电线激活光源101和102。
在一个实施例中，照明器100的光学组件可安装在具有两个开口（例如，顶部开口和底部开口）的暗箱（未示出）内部。顶部开口可位于分束器107正上方，而底部开口可位于分束器107的正下方。这两个开口允许来自两个光路的光与外部世界交互。
如在下文中详细描述的，在照射到分束器107之后，来自第一和第二光源之一的光传播通过物镜并且随后照射到样品表面。反射光向后传播通过物镜、分束器107、以及耦合透镜（未示出）。相机接收该反射光并形成图像（参见例如图2）。
在优选实施例中，光源101和102可包括发光二极管（LED）；然而，诸如卤素灯、光纤耦合灯、激光器等其他光源也可使用并且在本发明的范围内。注意，虽然透镜105和106可被描述为消色差双合透镜和双凸透镜，本领域技术人员应当理解，其他类型的透镜也可使用并且在本发明的范围内。
图1B示出图案化制品104的一个实施例。在本实施例中，图案化制品104包括其上具有二维网格图案的表面。在其他实施例中，也可使用诸如均匀间隔的暗点（opaque dot）阵列之类的不同类型的图案。实际上，任何图案都可以，只要它满足以使条件：（1）它具有高对比度；（2）它是有规律的或者随机的；（3）它是半透明的；以及（4）其最小特征尺寸与所使用的成像光学传感器的采样分辨率相匹配。
注意，图案化制品104可以是玻璃、摄像胶片、或者能够携载该图案的其他透明材料。图案化制品104的图案化表面位于包括透镜105和106的透镜组的有效焦平面。如在下文中详细描述的，图案化制品104可在照明器100中用于将该图案的图像投影到物镜的焦平面上以产生足够的对比度，从而可获取样品（例如，图形化基板）的3D高度信息。
图2示出配置成测量图形化基板的3D显微镜系统200的第一实施例。注意，照明器100在图2中的侧视图中示出。为了避免不必要的混乱，在示出系统200时，只示出照明器100内部的光源101和分束器107。无论何时提及照明器100的其他组件，都建议读者参考图1。由于照明器100在该配置中提供了反射照明，因此它被称为反射照明器。图2中的点划线示出光沿其传播的光轴。
显微镜物镜210安装在转台260上。转台260可装至少一个物镜，并且安装在照明器100的底部开口正下方。当光源101或102接通时，包括透镜105和106的透镜组将光源的图像投影到显微镜物镜210的入射光瞳上，由此确保样品220的均匀照明。此外，当光源102接通时，包括透镜105和106的透镜组将该图案化制品104上的图案的图像投影到物镜210的焦平面上。
定位装置230（为了简便起见被示为双箭头）可用来改变样品220和物镜210之间的相对位置。由此，样品220上的不同特征可进入物镜210的焦面。在优选实施例中，定位装置230可包括机动化的Z载台或压电Z载台。在其他实施例中，可使用能改变样品220和物镜210之间的相对位置的其他方式。例如，物镜210可安装在压电致动器上，由此允许样品220在物镜210上下移动时保持静止。定位装置230还可包括手动或机动化的XY载台（未示出），由此允许样品220在水平面上移动。因此，定位装置230可提供XYZ范围的运动。本领域技术人员应当了解所述定位装置230的变体。
耦合器240结合物镜210在光学传感器250上产生样品220的图像。在优选实施例中，光学传感器250可以是电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）相机。取决于图形化基板样品的类型，耦合器240可具有单一放大倍率或可变放大倍率。例如，耦合器240可包含安装在线性滑动器上的1X透镜和2X透镜。
光源280向样品220提供透射照明。由此，光源280被称为透射照明器。在优选实施例中，光源280是LED。在其他实施例中，可使用诸如卤素灯、光纤耦合灯、激光器等光源。样品220可坐落在由中间有通孔的透明玻璃板或金属板构成的卡盘270上，从而允许来自光源280的光穿过。处理器290可用于控制定位装置230、照明器100、光源280、以及光学传感器250。处理器290还可分析数据并产生样品220的3D图像。在一个实施例中，处理器290可包括个人计算机。
图3示出配置成测量图形化基板的3D显微镜系统300的第二实施例。注意，具有相同附图标记（例如，跨诸如图2和3之类的各个附图）的组件指示那些组件提供相同的功能，因此在本文余下部分中不再详细地描述。在系统300中，可将透镜301插在光源280和卡盘270之间以更好地集中透射光。注意，透镜301可以是单个透镜或透镜组。
图4示出配置成测量图形化基板的3D显微镜系统400的第三实施例。在本实施例中，在系统400中可包括提供透射照明的两个照明器100A和100B（参见例如图1）、以及将图案化制品（图1）的图像从底部侧投影到物镜210的焦平面上的装置。聚光透镜401可插在光源101（在照明器100B中）和卡盘270之间，以使物镜210的数值孔径与透射光的数值孔径相匹配。
图5示出提供在系统200和300（图2和3）中使用的光源280的替换物的光源500。在一个实施例中，光源500包括可经由电子板控制的发光二极管（LED）阵列。LED阵列可置于压电台510的顶部。包括中间有通孔的透明玻璃板或金属板的卡盘270可置于光源500的顶部，并且样品220随后可置于卡盘270的顶部。注意，为了使读者理解，在图5中卡盘270、光源500、以及压电台510被示为间隔开，并且在实际实现中可以分层配置紧固在一起。
当要测量的样品220上的区域在物镜210下移动时，该阵列中的接近所测量区域的特定LED可接通以提供透射照明。压电台510允许样品220的精确垂直移动。注意，压电台510提供定位装置230（图2和4）的一个可能的实施例。此外注意，样品220可置于具有或不具有光源500的卡盘270上。定位装置230可用于相对于样品220将光学器件移动到标称焦点。然后，在较高精度的步进中，压电台510可相对于光学器件移动样品220。
图6示出定位装置230（图2、3、4）的另一实施例。在本实施例中，定位装置可相对于样品移动光学器件。该移动可由一对线性轴承600引导。引导螺杆或滚珠螺杆610可由马达620驱动。为了实现高Z移动分辨率，物镜可安装在压电Z驱动器630上，该压电Z驱动器630进而可安装在物镜转台上。在准确步进中，压电Z驱动器630可上下移动物镜。注意，相同类型的机构可用于相对于光学器件移动样品。
在提供高Z移动分辨率的另一实施例中，可将压电Z驱动器安装到引导螺杆/滚珠螺杆610上。在该配置中，随后可通过引导螺杆/滚珠螺杆610将照明器、物镜转台、以及物镜移动到标称焦点位置。
3D显微镜系统可采用两种相机控制方法来进行数据和图像采集。在第一方法中，对于每一扫描，该系统接通第一和第二光源之一，将Z载台移动到期望位置，并且将触发信号发给相机以采集图像。一旦图像数据从相机传送到计算机存储器，该系统就切换到另一光源（如果需要），并且将另一触发信号发给相机。然后，该系统将Z载台移动到下一位置并且重复该过程，直至多个Z步进完成。
在第二方法中，对于每一扫描，该系统在连续运动中将样品从起始位置移动到结束位置，而不停止。从在引导螺杆/滚珠螺杆机构中使用的马达的编码器计数的位置或者从Z驱动器或Z载台的位置传感器生成相机触发信号。然后，该系统电子器件以相等间隔向相机发出触发信号以采集图像。每一触发信号之间的间隔被编程为与相机的传送率相匹配。该系统将数据连续地传送到PC存储器，直至该载台完成其运动。注意，在第二方法中，该系统在扫描开始时将第一和第二光源中的一个接通，并且在扫描期间不切换光源。如果需要次轮，则该系统使用另一光源来进行另一连续的运动扫描。
图7示出用于测量图形化基板的3D显微镜系统软件和界面700的示例性组件。操作人员可经由图形用户界面710与3D显微镜系统交互。自动聚焦算法720可优化数据收集设置并且增强测量可重复性。配方730可控制数据采集参数并且调用适当的分析算法。图形化基板分析软件包740可包括处理原始数据且计算各个图形化基板特征的几何参数的各种算法。报告软件包750可提供图形化基板特征尺寸、间距、高度、间隙等的格式化输出。
由于样品厚度变化，图形化基板样品上的不同位置可具有相对于物镜的不同Z位置。另外，图形化基板样品不是平坦的，而是具有表面纹理（即，垂直方向轮廓）。因此，在每一图形化基板测量之前，样品上要测量的点需要聚焦。该聚焦可手动地完成，但是所得起点的精度或重复性可变化。为了减小扫描起点变化对图形化基板测量的重复性的影响，可用自动聚焦过程让扫描从一致的起始Z位置开始。
注意，用于搜索最佳聚焦的简单的常规方法可能将命令Z载台以预定义步长且在每一步进处步进通过整个搜索范围、等待直至Z运动了结、命令相机采集图像，并且随后等待图像数据到达。在分析来自所有步进的图像对比度之后，可确定与最高对比度相对应的Z位置。最高对比度的位置可以是最佳猜测焦点Z位置。当该简单的方法起作用且准确时，它是非预期地慢。
本发明的自动聚焦技术可利用来自所投影图案以及样品本身在3D显微镜图像上所产生的对比度。当一部分样品表面接近焦平面时，相应部分的图像对比度变高，并且将在该部分样品表面位于焦平面时达到峰值。本文中所描述的自动聚焦技术可分为两轮：对速度进行优化的首轮；以及对精度进行优化的次轮。
图8示出示例性两轮自动聚焦技术800。在技术800中，假设定位装置为可上下移动图形化基板样品的Z载台。在步骤801，该系统可设置用于首轮的参数。示例性参数可包括扫描范围、步长和速度、以及提前退出阈值（在下文中详细描述）。在一个实施例中，提前退出阈值可以是用户提供的。在步骤802，进行首轮的自动聚焦，这产生一个聚焦Z位置的最佳估计值。在步骤803，基于经验结果（例如，用典型系统的先前实验）确定与首轮最佳估计值的偏移量。表格1（在下文中）示出各个步长和相机帧速率的典型偏移量。
表格1
帧速率（fps） 步长（微米） 偏移量（微米）
1至15 最长达0.5 0
1至15 大于0.5 1
16至60 最长达0.5 1
16至60 大于0.5 2
快于60 最长达0.5 3
快于60 大于0.5 5
该偏移量可用于生成更准确的首轮聚焦Z位置的最佳估计值（参考图9A更详细的描述）。
在步骤804，将Z载台移动到次轮起始Z位置。在一个实施例中，次轮起始Z位置被计算为位于首轮聚焦Z位置的最佳估计值以下的次轮扫描范围的一半。
在步骤805，可设置用于次轮自动聚焦的参数。例如，在一个实施例中，步长可被设为首轮中步长的一半以提高分辨率。此外，次轮扫描范围可被设为首轮步长的N倍，其中N是正整数或分数。在一个实施例中，扫描范围由用户设置。在另一实施例中，扫描范围由特定样品和系统配置专用的配方设置。次轮扫描范围的优化选择可由首轮聚焦Z位置的最佳估计值的精度确定。如果次轮扫描范围被设为太大，则次轮的速度较慢。然而，如果扫描范围被设为太小，则有可能覆盖不到实际焦点，由此可能错过真实的最佳焦点。在一个实施例中，次轮扫描范围可比首轮步长大或小8倍。
在步骤806，可进行次轮自动聚焦以生成次轮聚焦Z位置的最佳估计值。在步骤807，可将Z载台移动到聚焦Z位置的最佳估计值加上最终Z偏移量。该定位可确保图形化样品测量可从一致的特定点开始。
图9A示出用于首轮自动聚焦（可用于步骤802）的示例性步骤。在步骤901，存取用于首轮自动聚焦的参数。在步骤902，将Z载台移动到起始扫描位置。在步骤903，采集一幅图像，并且命令Z载台移动一个扫描步进。在步骤904，计算图像对比度值，随后可将该对比度值及其相应的Z位置保持在存储器中。
注意，在步骤903，可在采集到图像帧而非到达指定扫描步进时触发Z载台移动。由此，可在Z载台在扫描步进之间移动时采集图像，使得自动聚焦速度与相机帧速率一样快。为了加快每一扫描步进，首轮自动聚焦可以其最快的帧速率运行相机，此时相机运行于自由运行、连续采集模式，可连续地采集图像并将其传送到处理器290（图2）采集。在采集到每一帧图像之后，处理器命令Z载台移动到下一扫描步进，计算图像对比度，并且随后等待下一帧图像。如果下一帧图像在Z载台完成其运动之前到达，则该算法仍然发出移动到下一扫描步进的命令。注意，由于对比度值的计算在Z载台的移动期间进行，因此步骤903和904在图9A中的相同步骤中示出。
由于该算法不等待Z载台来完成其运动，因此与接收到的图像相对应的实际的Z位置将小于所命令的Z位置。如果相机帧速率慢，则该差值通常为小，但是在相机帧速率快时变得更加显著。由于所命令的Z位置和实际的Z位置之间的该差值，与所命令的Z位置相对应的聚焦Z位置的最佳估计值可能将偏离实际的聚焦Z位置的最佳估计值。因此，基于该移位与步长和相机帧速率的关联的校准偏移量表格（参见图8的步骤803）可用于补偿该移位的一部分，由此使得首轮聚焦Z位置的最佳估计值更准确。
步骤905确定是否找到了焦点（参考图9B更详细的描述），若满足退出条件，这里允许提前退出。如果不满足提前退出条件，则步骤906检查所命令的Z位置是否等于停止扫描位置。如果为是，则步骤907计算首轮聚焦Z位置的最佳估计值。首轮聚焦Z位置的最佳估计值可以是与所采集图像的最佳对比度相对应的Z位置。此时，步骤908可输出首轮聚焦Z位置的最佳估计值，并且停止扫描。如果在步骤905提前退出是可能的，则首轮技术可直接行进到步骤907并跳过步骤906。如果所命令的Z位置不等于停止扫描位置，则首轮技术可返回到步骤903以进行进一步扫描。
图9B示出用于首轮扫描提前退出确定技术的示例性技术。如上所述，如果找到有效的焦点，则首轮可有利地提前停止而不扫描该扫描范围的其余部分。一般而言，如果来自采集图像的图像对比度值示出上升和下降的趋势，则可确认找到焦点。为了量化对比度的相对上升和下降，该技术需要最少量的扫描步进来获得图像对比度的有意义的统计计算。在一个实施例中，需要最少总扫描步进的一半，但是少于一半或者多于一半也是可能的。
该提前退出技术的步骤921可设置不提前退出的默认标志（即，提前退出为假（FALSE））。步骤922可确定一个以上阈值扫描范围（即，最少量的扫描步进）是否完成。例如，在一个实施例中，如果扫描了少于一半的扫描步进，则步骤923继续扫描，并且随后返回到步骤922。如果扫描了多于一半的扫描步进，则步骤924可计算所有累积对比度值的标准偏差（σ）。
步骤925可确定最大对比度值是否大于指定的最小提前退出阈值，并且当前扫描步进的对比度值是否比所累积对比度值的最大对比度值小至少一个标准偏差。对于对比度值在0和1000之间的典型图像，阈值10对大多数样品而言可能是可靠的。如果为是，则找到焦点，并且步骤926可将提前退出标志设为真（TRUE）。如果为否，则未找到焦点，并且步骤927可保持提前退出标志设为假。步骤926和/或步骤927之后的步骤928可随适当标志返回到步骤905的首轮技术。
图9C示出示例性自动聚焦次轮技术。步骤931可存取用于次轮的自动聚焦参数，并且将Z载台移动到其起始位置。步骤832可将Z载台移动到下一扫描步进并等待，直至移动完成。步骤933可在该扫描步进采集图像帧，计算其对比度值，并且（在存储器中）保存该对比度值及其相应的所命令的Z位置。
由于焦点位置应位于次轮起始位置和结束位置内，因此次轮中的所保存对比度值应该具有上升和下降的趋势。因此，在步骤934，可完成下降对比度值的简单检查以确定是否找到了焦点，由此指示次轮自动聚焦完成。注意，由于次轮扫描步长小于首轮的扫描步长，因此上升和下降的趋势可以是不尖锐的（例如，若干扫描步进可具有相同或相似的最大对比度值，由此对比度值的改变不显著）。同样，由于次轮的搜索范围只需要覆盖首轮的不确定性，因此它可比首轮的搜索范围小很多。由此，次轮中的搜索步进的数量较少。在优选实施例中，次轮搜索步进的最大数量为19。关于对这种有限数量的对比度值计算的统计数据可能是没有意义的。因此，在一个实施例中，下降对比度值趋势可被定义为具有峰值对比度的扫描步进之后紧跟着4个具有较低对比度值的扫描步进。小于4的值使得次轮停止得过早，而大于4的值使得次轮更准确。
如果检测到下降对比度趋势，则步骤935可计算最佳聚焦Z位置的最佳估计值。在一个实施例中，最佳聚焦Z位置的最佳估计值可以是与最大对比度范围中点相对应的Z位置范围中点。
如上所述，两轮图形化样品测量技术可包括首轮和次轮。首轮自动聚焦可有利地提前停止焦点搜索，而不经历所有步进。此外，可于Z载台在扫描步进之间移动时采集图像，由此允许自动聚焦速度与相机帧速率一样快。为了进一步提高首轮自动聚焦精度，次轮可以在首轮中找到的聚焦Z位置的最佳估计值周围的小范围内以较小步长进行搜索。
还可提供对两轮自动聚焦技术的附加改进。例如，在一个实施例中，不同的准则可用于确定最大对比度或最佳焦点。即，代替计算整个图像的总对比度，可计算图像的一部分的对比度或者图像的若干不同部分的对比度，并且随后将其用于确定最佳焦点的最大对比度。
由于自动聚焦过程的目标是将图形化基板样品定位在一致的点以开始图形化样品测量，因此可在其他实施例中使用包括不同自动聚焦方法的其他手段（诸如代替如上所述的图像对比度在共焦光学设置的情况下使用图像强度或者使用来自单独焦点传感器的焦点信号的自动聚焦方法）来实现相同的结果。这些变体在本发明的范围内。
在又一实施例中，用户还可指定根据自动聚焦算法找到的位置来表示扫描范围的中点、底部、或顶部（或者其间的任何位置）。由于自动聚焦算法将始终在最高平均对比度表面找到最佳焦点，因此需要该指定。取决于图形化样品结构的形状和分布，最高对比度表面位置可位于图形化样品结构的基底、中间、或顶部。该额外控制可在GUI/配方中指定，由此为不同的图形化样品晶片或芯片定制GUI/配方。
图10示出示例性图形化基板测量技术1000。技术1000可接收图案化图像阵列1004以及非图案化图像阵列1001两者作为输入，该非图案化图像阵列1001包括在多个Z位置采集的图像。这些输入可在测量图形化基板特征的尺寸、间距、高度、间隙、以及顶部尺寸中使用。注意，术语“非图案化图像阵列”是指在成像路径中不存在图案化制品104（参见图1A）的情况下取得的图像阵列。相反，术语“图案化图像阵列”是指在成像路径中存在图案化制品104的情况下取得的图像阵列。
对于特定图形化基板特征（举例而言诸如圆锥形和三角形特征），非图案化图像可通过透射照明来收集（参见例如图2、3、4的实施例）并且随后被存储在非图案化图像阵列1001中。对于其他图形化基板特征（诸如平坦顶部特征），非图案化图像通过反射照明来收集，并且随后被存储在非图案化图像阵列1001中。在一个实施例中，软件实现的二元掩模（在下文中描述的）可用于将图形化基板特征与该基板（也称为背景，因为图形化基板特征位于基板平面上方）粗略和准确地区分开、以及测量图形化基板特征。现在详细地解释技术1000。
步骤1002可计算非图案化图像阵列1001的直方图分布作为色彩或图像强度分布的指示。注意，当Z位置在图形化基板特征的底部周围（即，在该基板处）时，直方图的分布趋于在最大值处。因此，基板的Z位置可通过获取直方图散布的最大值来粗略地确定。步骤1003可通过向非图案化图像阵列1001施加由直方图的中值指示的阈值而在该Z位置处生成第一掩模。注意，第一掩模是包含具有透明特征的不透明背景的二元掩模，这些透明特征粗略地表示图形化基板特征的基底。注意，该二元掩模在软件中实现而不是物理掩模。
第一掩模可用于将图形化基板特征与该基板粗略地区分开。由于从图形化基板特征的实际形状引入了部分噪声，图形化基板特征和该基板之间的边界可能不是很准确。
步骤1005可使用图案化图像阵列1004和第一掩模（来自步骤1003）在该Z位置处计算基板上的对比度。如上所述，第一掩模的图形化基板特征位置通常具有噪声问题。因此，步骤1005可使用第一掩模从对比度计算中去除那些区域。由此，使用去除图形化基板特征区域的图案化图像阵列1004的对比度计算允许确定该基板的准确Z位置。在一个实施例中，该准确Z位置可基于最大对比度值。
步骤1006可通过向非图案化图像阵列1001施加由直方图的中值指示的阈值而在该Z位置处生成准确的二元掩模，该二元掩模被称为第二掩模。该第二掩模可用于将图形化基板特征与该基板准确地区分开。图11示出示例性第二掩模1100，其示出白色的图形化基板特征的基底以及黑色的基板。注意，基于白色特征的形状，图形化基板特征为圆柱形（也称为平坦顶部）、穹形、或圆锥形。
步骤1007可使用第二（即，准确的）掩模以及非图案化图像阵列1001或图案化图像阵列1004来计算每一图形化基板特征的顶部和Z位置。来自配方（在下文中参考图12描述的）的与图形化基板特征相关的信息可在步骤1007用于确定是使用非图案化图像阵列1001还是使用图案化图像阵列1004。具体地，如果图形化基板特征的形状是锥形或三角形，则步骤1007可使用非图案化图像阵列1001。然而，如果图形化基板特征的形状是平坦的（例如，圆柱形），则步骤1007可使用图案化图像阵列1004。在一个实施例中，插值法可用于将图形基板特征形状的可能的变化和/或组合考虑在内。在步骤1007进行的计算可基于对每一特征内部的像素的对比度计算。
步骤1008可基于在步骤1007计算的顶部和Z位置值以及第二掩模来计算每一图形化基板特征的尺寸、间距、高度、间隙、以及顶部尺寸。尺寸可被定义为圆形图形化基板特征的直径、或者具有等边三角形基底的图案化基板的高度。间距可被定义为当前图形化基板特征的中心和相邻图形化基板特征的中心之间的距离。在一个实施例中，可计算所有相邻的图形化基板特征之间的距离的平均值并将其用作间距。高度可由图形化基板特征内的最大Z位置和最小Z位置的绝对差确定。间隙可被定义为间距和尺寸之间的差异。注意，顶部尺寸只适用于在其顶部具有平坦平面的图形化基板特征。这些值（诸如平均值、中值、标准偏差、以及其他值）的统计数据可在整个视场上获取以获得图形化基板特征的更可靠读数。步骤1009可报告这些值。
图12示出根据一个实施例的使用手动3D显微镜系统的图形化基板测量技术1200中的示例性步骤。注意，手动系统被定义为具有手动XY载台的系统。在步骤1201，操作人员可加载图形化基板样品，挑选物镜，并且在该样品上定位测量点。对于图形化基板测量，可挑选具有放大倍率为100X且数值孔径为0.9或0.95的透镜（即，图2中的物镜210）的物镜。在步骤1202，操作人员可加载与样品相对应的配方。在步骤1203，操作人员可通过点击按钮来发起数据采集。此时，该系统可获得和分析原始数据以提供必要的输出信息。在步骤1204，操作人员可保存结果和/或进行具体的所选分析。在步骤1205，操作人员可判定是否要测量样品上的更多点。如果为是，则该技术可返回到步骤1203。如果为否，则技术1200可行进到步骤1206，在该点上操作人员可卸载样品并且图形化样品测量技术结束。
图13示出根据另一实施例的使用自动3D显微镜系统的图形化基板测量技术中的示例性步骤。自动系统被定义为具有机动化的XY载台的系统。在步骤1301，操作人员可加载图形化基板样品并且挑选物镜。对于图形化基板测量，挑选具有放大倍率为100X且数值孔径为0.9或0.95的透镜的物镜。在步骤1302，操作人员可加载包括与样品相对应的配方和预定测量位置图等的序列文件。在步骤1303，操作人员可通过例如点击按钮来发起数据采集。此时，该系统将移动到样品上的第一测量点，获得原始数据，分析该原始数据以提供必要的结果，并且将这些结果保存在文件中。当测量完成时，样品自动地移动到下一点。该过程将重复，直至测量到所有指定位置并且保存了这些结果。在步骤1304，操作人员可卸载样品，由此终止图形化样品测量技术。
与现有技术相比，本文中所描述的3D显微镜系统具有若干优点。具体地，3D显微镜系统易于使用，基于非接触式的非破坏性方法，在一类现有图形化样品测量工具中提供低拥有成本，特别是提供了对与图形化基板制造商相关的关键参数的快速、准确和重复性高的测量。这些参数包括图形化基板特征的尺寸、间距、高度、以及间隙。
本文中所描述的实施例不旨在是穷尽性的，或者将本发明限于所公开的确切形式。由此，许多修改和变体将是显而易见的。因此，本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等效物定义。

Claims (42)

1.一种用于图形化基板测量的3D显微镜，所述3D显微镜包括：
物镜；
反射照明器，所述反射照明器被配置成向包括图形化基板的样品提供反射光，并且将图案化制品的图像投影到所述物镜的焦平面上且从所述焦平面移除所述图案化制品的图像；
透射照明器，所述透射照明器被配置成向所述样品提供透射照明；
用于分多个Z步进对物镜自动调焦的调焦设备；
能够在每一Z步进采集图像的光学传感器；以及
用于控制所述反射照明器、所述透射照明器、所述调焦设备、以及所述光学传感器的处理器，所述处理器被配置成在多个Z步进采集第一和第二图像，所述第一图像具有使用所述反射照明器的图案而所述第二图像不具有使用所述反射照明器和所述透射照明器之一的图案。
2.如权利要求1所述的3D显微镜，其特征在于，所述图案化制品是其上具有预定图案的玻璃。
3.如权利要求1所述的3D显微镜，其特征在于，所述光学传感器包括电荷耦合器件（CCD）相机和互补金属氧化物半导体（CMOS）相机之一。
4.如权利要求1所述的3D显微镜，其特征在于，所述透射照明器是透镜和透镜组之一以及发光二极管（LED）。
5.如权利要求1所述的3D显微镜，其特征在于，所述调焦设备是机动化的机械Z载台和压电Z载台之一。
6.如权利要求5所述的3D显微镜，其特征在于，机动化的Z载台包括耦合到线性轴承的引导螺杆和滚珠螺杆之一。
7.如权利要求5所述的3D显微镜，其特征在于，所述压电Z载台安装在样品卡盘和显微镜镜头转台之一上。
8.一种设计测量用3D显微镜的方法，所述方法包括：
提供物镜；
提供反射照明器，所述反射照明器被配置成向样品提供反射光，并且将图案化制品的图像投影到所述物镜的焦平面上且从所述焦平面移除所述图案化制品的图像；
提供透射照明器，所述透射照明器被配置成向所述样品提供透射照明；
提供用于分多个Z步进对物镜自动调焦的调焦设备；
提供能够在每一Z步进采集图像的光学传感器；以及
提供用于控制所述反射照明器、所述透射照明器、所述调焦设备、以及所述光学传感器的处理器，所述处理器被配置成在多个Z步进采集第一和第二图像，所述第一图像具有使用所述反射照明器的图案而所述第二图像不具有使用所述反射照明器和所述透射照明器之一的图案。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述图案化制品是具有预定图案的玻璃。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光学传感器包括电荷耦合器件（CCD）相机和互补金属氧化物半导体（CMOS）相机之一。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述透射照明器是透镜和透镜组之一以及发光二极管（LED）。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述调焦设备是机动化的机械Z载台和压电Z载台之一。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，机动化的Z载台包括耦合到线性轴承的引导螺杆和滚珠螺杆之一。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述压电Z载台安装在样品卡盘和显微镜镜头转台之一上。
15.一种测量图形化基板样品的方法，所述图形化基板样品包括多个图形化基板特征，所述方法包括：
按预定步进改变所述图形化基板样品和物镜之间的相对距离；
在所述预定步进中的一个或多个预定步进：
将图案化制品的图像投影到所述物镜的焦平面上；
采集带有与所述图案化制品和所述样品相关联的图案的第一图像，并且将所述第一图像存储在第一图像阵列中；
采集不带有与所述图案化制品相关联的图案的样品的第二图像，并且将所述第二图像存储在第二图像阵列中；
基于所述第二图像阵列生成第一掩模，从而将所述图形化基板特征与所述图形化基板样品的背景区域粗略地区分开；
基于所述第一图像阵列和所述第一掩模生成第二掩模，从而将所述图形化基板特征与所述背景区域准确地区分开；
使用所述第一图像阵列和所述第二图像阵列之一以及所述第二掩模来确定每一图形化基板特征的顶部；以及
使用所述第二掩模和每一图形化基板特征的顶部来计算图形化基板特征的几何参数。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，采集所述第二图像包括使用反射照明器和透射照明器之一。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述透射照明器是透镜和透镜组之一以及发光二极管（LED）。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，生成所述第一掩模包括使用色彩或者强度、或者色彩和强度两者的组合。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，生成所述第二掩模包括使用取阈值方法。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述几何参数包括所述图形化基板特征的尺寸、间距、高度、间隙、以及顶部尺寸。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，改变所述图形化基板样品和所述物镜之间的相对距离包括使用机动化的机械Z载台和压电Z载台之一。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，机动化的Z载台包括耦合到线性轴承的引导螺杆和滚珠螺杆之一。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压电Z载台安装在样品卡盘和显微镜镜头转台之一上。
24.一种测量图形化基板样品的方法，所述图形化基板样品包括多个图形化基板特征，所述方法包括：
按预定步进自动改变所述图形化基板样品和物镜之间的相对距离，所述自动改变包括自动聚焦；
在所述预定步进中的一个或多个预定步进：
将图案化制品的图像投影到所述物镜的焦平面上；
采集带有与所述图案化制品和所述样品相关联的图案的第一图像，并且将所述第一图像存储在第一图像阵列中；
采集不带有与所述图案化制品相关联的图案的样品的第二图像，并且将所述第二图像存储在第二图像阵列中；
基于所述第二图像阵列生成第一掩模，从而将所述图形化基板特征与所述图形化基板样品的背景区域粗略地区分开；
基于所述第一图像阵列和所述第一掩模生成第二掩模，从而将所述图形化基板特征与所述背景区域准确地区分开；
使用所述第一图像阵列和所述第二图像阵列之一以及所述第二掩模来确定每一图形化基板特征的顶部；以及
使用所述第二掩模和每一图形化基板特征的顶部来计算图形化基板特征的几何参数。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，采集所述第二图像包括使用反射照明器和透射照明器之一。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述透射照明器是透镜和透镜组之一以及发光二极管（LED）。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，生成所述第一掩模包括使用色彩或强度、或色彩和强度两者的组合。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，生成所述第二掩模包括使用阈值方法。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述几何参数包括所述图形化基板特征的尺寸、间距、高度、间隙、以及顶部尺寸。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，改变所述图形化基板样品和所述物镜之间的相对距离包括使用机动化的机械Z载台和压电Z载台之一。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，机动化的Z载台包括耦合到线性轴承的引导螺杆和滚珠螺杆之一。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述压电Z载台安装在样品卡盘和显微镜镜头转台之一上。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述自动聚焦包括第一自动聚焦技术和第二自动聚焦技术。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一自动聚焦技术包括有条件的提前退出。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述有条件的提前退出包括确定一个以上阈值扫描范围是否完成。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，当一个或多个阈值扫描范围完成时，则计算累积对比度值的标准偏差，否则继续扫描。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述有条件的提前退出还包括确定最大对比度值是否大于指定的最小提前退出阈值、以及当前步进的对比度是否比最大对比度小至少所述标准偏差。
38.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述第一自动聚焦技术包括在所述Z载台在扫描步进之间移动时采集图像，由此允许所述第一自动聚焦的速度与相机帧速率一样快。
39.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述第二自动聚焦技术采用比所述第一自动聚焦技术小的步长。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述第二自动聚焦技术包括检测对比度下降的趋势。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述对比度下降的趋势是具有峰值对比度的扫描步进，之后是逐渐下降对比度值的至少多个扫描步进。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述多个扫描步进是四个扫描步进。
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