多層結構測量方法和多層結構測量設備的製作方法

2023-07-11 11:47:36

專利名稱：多層結構測量方法和多層結構測量設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過使用光學相干光學系統來測量多層結構的
技術,
背景技術：
如今，作為通過使用光學相干光學系統來測量多層結構的多層結 構測量設備(光學相干設備)，各種類型的這樣的設備被使用。例如， 存在反射鐠膜厚度測量設備和光學相干斷層成像設備
(optical-coherence tomographic imaging apparatus)(光學相干斷 層技術OCT,以下稱為OCT設備)，反射鐠膜厚度測量設備測量 在半導體或玻璃的表面上布置的薄膜的厚度，OCT設備對諸如活體等 的光散射介質的斷層結構成像。這些設備的相同之處在於都使用光千
裡，在表面上具有^結:的對象(諸如半導體的抗獨劑等)被二5為膜: 在其內部具有結構的對象(諸如眼睛的視網膜)被稱為斷面層
(sectioned layer)或者簡單地稱為層。
在上述設備中，通過將測量光照射到待觀察對象上並分析從其反 射的光，可測量對象的膜、層等的結構。對於它的光源(根據使用領 域，有時稱為寬帶光源、白光源、低相干光源等)，應該根據待觀察 對象的結構和特性來選擇合適的波長和帶寬。另外，存在通過僅使用
的幹涉的方法以及觀察由從參考反射鏡反射的光和從待觀察對象反 射的光構成的組合光的幹涉的方法。通過使用分光儀對這些反射光進 行分析，並通過線傳感器等使這些反射光成像為光譜。
通過使用傅立葉變換等對如此成像的譜數據進行分析，從而可獲得膜或層的結構。此外，可通過以二維方式在樣本上掃描測量光來獲 得二維斷層圖像。
曰本專利申請特開第H11-325849號〃>開了用於醫學應用的 OCT。這裡，以不連續的方式三次改變參考反射鏡的位置，以使得在 每個位置獲得光i普。然後，通過執行使用這些個數據的計算來獲得斷 層圖像。據說，通過這樣的技術，可防止解析度劣化。

發明內容
在曰本專利申請特開第H11-325849號中，對於一次測量多次改 變參考反射鏡的位置。這樣的方案不僅花費過多的時間用於測量，而 且還要求對參考反射鏡進行精確的位置控制。另一方面，在醫學領域 中使用的OCT中，存在通過具有被固定的參考反射鏡的分光儀並通 過對來自分光儀的鐠數據進行傅立葉變換來測量斷面層的方法。由於 線傳感器的像素的數量有限，所以此時的譜數據變為離散傅立葉變 換。結果，層的值可能僅被表示為離散值。因此，要求改進層的測量 精度。
因此，鑑於上述問題提出本發明，本發明的目的是以更精確的方 式獲得斷層圖像。
本發明的第一方面是下述設備中的多層結構測量方法，所述設備 包括光源；光學系統，其將來自所述光源的光引向待觀察的多層結 構的對象，同時將來自所述待觀察對象的回光引向檢測位置；分光儀，
其被置於所述檢測位置處，用於檢測入射在其上的光的波數譜；和分 析單元，其從檢測的波數語測量所述待觀察對象的多層結構；所述方 法包括
第一步，從所述波數i普計算與每個層厚度的光學距離對應的信
息；
第二步，從與所述每個層厚度的光學距離對應的信息分離並提取 與每層的光學距離對應的信息；
第三步，分別將與所述每層的光學距離對應的信息再轉換為波數
7語；
第四步，從所述第三步的結果獲得幹涉發生的波數或波長；
第五步，從在所述第四步中獲得的所述波數或波長和所述每層的
光學距離計算幹涉級(order of interference);和
第六步，將在所述第五步中獲得的幹涉級近似為最接近的整數，
並從如此近似的所述幹涉級和幹涉發生的所述波數或波長計算每層
的光學距離。
根據本發明的第二方面是一種用於測量待觀察對象的多層結構 的多層結構測量設備，所述設備包括光源；光學系統，其將來自所 述光源的光引向待觀察的多層結構的對象，同時將來自所述待觀察對 象的回光引向檢測位置；分光儀，其被置於所述檢測位置處，用於檢 測入射在其上的光的波數i普；和分析單元，其從檢測的波數譜測量所 述待觀察對象的多層結構；其中，所述分析單元執行以下步驟
第一步，從所述波數鐠計算與每個層厚度的光學距離對應的信
息；
第二步，從與所述每個層厚度的光學距離對應的信息分離並提取
與每層的光學距離對應的信息；
第三步，分別將與所述每層的光學距離對應的信息再轉換為波數
譜；
第四步，從所述第三步的結果獲得幹涉發生的波數或波長； 第五步，從在所述第四步中獲得的所述波數或波長和所述每層的
光學距離計算幹涉級；和
第六步，將在所述第五步中獲得的所述幹涉級近似為最接近的整
數，並從如此近似的所迷千涉級和幹涉發生的所述波數或波長計算每
層的光學距離。
根據本發明，在多層結構測量設備中，可獲得其測量精度得到改 進的斷層圖像。
從以下參考附圖對示例性實施例的描述，本發明的進一步的特徵 將變得清楚。


圖l是用於解釋本發明的第一實施例中的OCT設備的光學系統 的視圖。
圖2是用於解釋本發明的第一實施例中的層結構的視圖。
圖3A是示出本發明的第一實施例中的信號處理的流程的流程圖。
圖3B是示出本發明的第一實施例中的測量光的語波形的示意圖。
圖3C是示出本發明的第一實施例中的離散傅立葉變換的結果的 示意圖。
圖3D是示出本發明的第 一 實施例中的作為鐠信號在被帶通濾波 之後的逆傅立葉變換的結果的i脊波形的示意圖。
圖4是用於解釋本發明的第二實施例中的使用參考反射鏡的 OCT設備的光學系統的視圖。
圖5是用於解釋本發明的第二實施例中的層結構的視圖。
圖6A是示出本發明的第二實施例中的測量光的鐠波形的示意圖。
圖6B是示出本發明的第二實施例中的離散傅立葉變換的結果的 示意圖。
圖6C是示出本發明的第二實施例中的作為譜信號在被帶通濾波 之後的逆傅立葉變換的結果的譜波形的示意圖。
圖7是用於解釋本發明的第三實施例中的眼用OCT設備的光學 系統的視圖。
具體實施例方式
根據本發明的光學相干設備(多層結構測量設備)使測量光通過 樣本臂(arm)(測量光路)照射到待檢驗對象(待觀察對象)上， 並將這個測量光的回光從待檢驗對象引向檢測位置。回光是包含關於 在照射到待檢驗對象的光的方向上的界面的信息等的反射光或散射
9光。另外，通過使用分光儀和分析單元獲取待檢驗對象的斷層圖像， 分光儀檢測引向檢測位置的回光的波長鐠，分析單元分析該鐠。
為了解決上述問題，本發明以這樣的方式構造多層結構測量設備 中的分析單元，即，它可根據將如下所述的第一步至第六步來測量多 層結構的每級或每層的光學距離。
在第一步中，通過傅立葉變換等從回光的波數譜計算與光學距離
對應的信息。可從每個對應的峰值的位置獲得每層的光學距離nd。在 第二步中，從與光學距離對應的信息分離並提取與多層結構的每層的 光學距離對應的信息。在第三步中，通過逆傅立葉變換等將與每層的 光學距離對應的信息又轉換為波數譜。在第四步中，從波數譜獲得幹 涉(相長幹涉或相消幹涉)發生的波數(或波長)。在第五步中，從 如此獲得的波數(波長)和每層的光學距離計算幹涉級。在第六步中， 通過利用幹涉級在理論上變為整數的事實將幹涉級近似(校正)為整 數，並從如此近似的整數和幹涉發生的波數(波長)計算每層的光學 距離。
通過上述構造，可獲得改進的測量精度的斷層圖像。 現在，將論述本發明的特定實施例。 [第一實施例
在本發明的第 一實施例中，將使用附圖討論應用本發明的光學相 幹設備。

首先，將參考圖1大致地描述光學相干設備的構造。從光源101 發射的測量光通過透鏡102、分束器103、 XY掃描儀104和物鏡105 到達作為待觀察對象的樣本或樣品106，諸如半導體。透明的膜設置 在樣本的表面上，被樣本的表面和膜與樣本之間的界面反射的光通過 物鏡105、 XY掃描儀104、分束器103和成〗象透鏡107到達分光儀 108。
對於光源101，例如，^使用具有400~800nm波長的卣素燈等。 這裡，對於分光儀108，使用衍射光柵型分光儀。在這種情況下，分光儀108包括衍射光柵109、圖像拾取元件110等。通過分光儀108
數據。圖像拾取元件110為CCD型線傳感器等。這裡，採用衍射光 柵型分光儀的長處或優點包括其種類多、在所使用的波長的區域中散 射基本恆定等。另一方面，其缺陷或缺點包括低透射率、大量雜散光、 幹涉級的重複或重疊的發生、發射光的過多偏振等。另外，可將稜鏡 用於分光儀108。
計算機111對通過圖像拾取元件110成像的譜數據進行分析。當 然，計算機111不僅具有分析譜數據的功能，而且還具有存儲譜數據、 顯示圖像和發出測量命令的功能。另外，可通過XY掃描儀H4在計 算機111的控制下在與其光軸垂直的方向上使測量光對樣本進行光柵 掃描來獲得樣本的截面圖像。計算機lll包括CPU、存儲器等，並通 過CPU執行程序來實現上述功能。然而，可用硬體實現上述各功能 的一部分或者全部。

將使用圖2討論多層結構的幹涉條件。這裡，為了簡化起見，不 考慮多個反射的影響。
多層結構的樣本或樣品具有這樣的構造，該構造具有在折射率 Ns的基底204上布置的折射率N2的第二膜203和折射率W的第一膜 202。假設這個樣本設置在折射率N。的介質中。各邊界為表面205、 第一界面206和第二界面207。用Di表示表面205和第一界面206之 間的空間距離，用D2表示第一界面206和第二界面207之間的空間 距離。這裡，假設彼此接觸的相鄰介質的折射率彼此不同。
這裡，當光從低折射率的介質進入到高折射率的介質時，在它們 之間的界面上反射的光的相位不變。然而，當光從高折射率的介質進
入到低折射率的介質時，在它們之間的界面上反射的光的相位改變7T。
這裡，考慮對具有折射率N。、 Np N2、 Ns的樣本進行測量，Nn、 N" N2、 Ns滿足關係N^N^N2〈Ns。例如，這些樣本為折射率No (N。=l) 的空氣、折射率K (N屍1.5)的抗蝕劑、折射率N2 (N2=2.0)的矽氮化物和折射率Ns (Ns=3.5)的矽基底。在這種條件下，在其反射之前 和之後，測量光201的相位不改變。
因此，通過下面的使用膜的折射率n、界面之間的空間距離d、 整數(幹涉級)m和波數k的表達式1來將下述條件表示為相長條件， 在所述條件下，在某個膜的相對兩側的界面上反射的光彼此幹涉或相 幹。
(表達式l) 一 w
2打d
另外，通過以下表達式2表示相消條件。 (表達式2)
當然，膜的構造各種各樣，因此，應該考慮折射率的組合的情況， 在所述情況下，在其反射之前和之後存在光的相位的變化。結果，可 通過上述表達式1和2使相長條件和相消條件變得相反。

將使用圖3A至圖3D描述本發明的信號處理步驟。這裡，將通 過將對如圖2中示出的構造的膜進行測量的情況作為示例來進行解 釋。這裡，由計算機lll執行以下各個步驟。
在步驟S1中，獲取來自分光儀108的i脊數據。在圖3B中用曲 線圖示出此時的數據。在圖3B中，縱坐標軸表示強度或幅度，橫坐 標軸表示波數。這裡，通常用強度相對於其波長表示普通分光儀的鐠。 然而，這裡，使用波數鐠，因而，必須將波長轉換為對應的波數，波 數為波長的倒數。此外，波長譜為相對于波長的相等間隔的數據，所 以，當被轉換為作為波長的倒數的對應的波數時，轉換之後的數據相 對于波數具有不相等的間隔。因此，必須通過內插處理等使如此轉換 的數據具有相等的間隔。
在步驟S2 (與本發明的第一步對應)中，對譜數據進行傅立葉 變換。這裡，線傳感器的樣本的數量有限，所以，執行離散傅立葉變換。通常，將值512、 1024、 2048等選擇為樣本的數量N (線傳感器 的像素的數量)。在圖3C中概略示出此時的結果。在離散傅立葉變 換的情況下的橫坐標軸表示與光學距離成比例的值(即，與光學距離 對應的信息)。可分別從這些值計算光學距離。為了簡化解釋的目的， 以下將通過傅立葉變換獲得的結果稱為光學距離，儘管該結果為與光 學距離成比例的值。用於光學距離的橫坐標軸被劃分為線傳感器的抽 樣的數量。
這裡，如圖3C所示，對^Dp N2D2和N^Du的峰值進行測量。 當然，可將這些峰值的值用作各個膜的光學距離。然而，在離散傅立 葉變換中，測量的結果變為離散值。也就是說，如在下面的使用整數 i和圖3B中示出的分光儀的帶寬AK的表達式3中所示的那樣來表示 光學距離的測量結果。這裡，i為滿足關係05iSN/2的整數。另夕卜，Xmax 和Xmin分別為分光儀的最大檢測波長和最小檢測波長。 (表達式3) "d =-
如在下面的表達式4中所示的那樣來表示膜厚度的測量解析度S (nd) ， 8 (nd)為可被取作測量結果的光學距離的最小的可能間隔。 這裡，這個表達式還表示可被測量的最小距離ndmin。 (表達式4)
另外，如在下面的表達式5中用N/2代入以上表達式3的i所示 的那樣來獲得可被測量的最大距離ndmax。這通過抽樣定理來決定。 (表達式5)
max 4m:
然而，在幹涉在多層結構的第i層和第t層的相對端發生的情況
下，如在下面的表達式6中所示那樣，第i層至第t層的光學距離NitDit (即，第i層和第t層之間的光學距離)為第i層至第(t-l)層的光學距
13離NjwDiw (即，第i層和第(t-l)層之間的光學距離)與第t層的光學 距離NtDt (即，第(t-l)層和第t層之間的光學距離)之和。如果這4皮 連續地重複，則第i層至第t層(作為一個整體)的光學距離NitDit 與第i層至第t層的各個層的光學距離之和一致。 (表達式6)
當然，這些值在傅立葉變換之後作為峰值出現。當存在n層時的 峰值的數量為當從(n+l)層選擇兩層時的組合的數量。例如，如圖3C 所示，從如圖2所示的兩層構造的膜獲得三個峰值。
在步驟S3 (與本發明的第二步對應)中，通過將濾波器應用於 傅立葉變換的結果來選擇與一個峰值對應的光學距離。帶通濾波器可 被用作這樣的濾波器。就此而言，這裡的帶具有與就物理量而言所表 示的長度對應的單位。當按數字數據考慮它時，在不考慮單位的情況 下處理相同，所以方便地這樣稱呼它。此外，帶寬是通過將像素數量 乘以用於數字處理目的的轉換係數而獲得的值，這裡，有時將像素的 數量稱為帶寬來進行討論。因此，這裡所使用的帶寬不同於一般頻率 或一般波長的帶寬。如圖3C所示，根據NiD" ]\202和]\12012的峰值 的每個設置濾波器的帶寬301。順便一提的是，將這些光學距離存儲 在存儲器等中，從而可在步驟S7中再次讀出它們。
可使在濾波器中設置的帶寬(提取範圍)為例如這樣的範圍，在 該範圍中，峰值等於或者高於閾值302。另外，理想情況是這樣設置 帶寬，以使得各個區域應該彼此不重疊。此外，帶寬越寬，包含越多 不同於理想的光學距離的分量，所以每個帶寬應該為必要的最小值。 例如，接觸閾值的寬度兩倍的寬度被設置為帶寬。當然，理想情況是 使得帶寬可變，以使得處理強度小如N2D2的峰值的情況。當大致的 層構造已知時，可使帶寬固定。
在步驟S4 (與本發明的第三步對應)中，對濾波後的信號進行 逆離散傅立葉變換。在圖3D中概略示出如此獲得的信號的波形。存 在光學距離的一個峰值，從而導致產生與單層的結果對應的基本正弦波。也就是說，獲得這樣的波形，在該波形中，最大值和最小值重複。
在步驟S5中，確定是否已對必要數量的峰值進行了逆傅立葉變換。如果還沒有，則對後面的峰值的數據進行逆傅立葉變換。在這個示例中，執行三個逆傅立葉變換。
在步驟S6 (與本發明的第四步對應)中，提取與正弦波的最大值或最小值對應的波數。這裡，如圖3D所示，獲得與相長條件對應的包括km的四個波數和與相消條件對應的包括km+。.5的三個波數。
在步驟S7 (與本發明的第五步對應)中，計算幹涉級。具體地講，通過在相長條件的表達式(這裡，表達式1)中代入在步驟S3中提取的峰值的光學距離和在步驟S6中提取的最大值的波數來計算幹涉條件中的幹涉級m。計算兩個反射波之間的光程差(層厚度的光學距離的兩倍)與在圖3D中取作最大值的波數(對應的波長)的比率。對於此時的波數，可從多個最大值中選擇最小的一個，或者在其波形穩定的峰值的波數。這裡，指出，通過使用最大值處的波數和相長條件表達式獲得m,但是還可通過使用最小值處的波數和相消條件表達式獲得它。
然而，可從步驟S6中的結果計算在步驟S7中使用的每級或每層的光學距離。換句話說，可通過使用圖3D中的兩個峰值處的波數km和kmw計算它，其中，l表示圖3D中的從m起的第l個。如下面的表達式7所示，通過從在上述表達式1中分別代入、和km+1而獲得的兩個方程消去m，可獲得每層的光學距離。以這種方式，可通過從經過逆傅立葉變換之後的波數譜獲得取作峰值的多個波數來計算各層的光學距離，這些值也可在步驟S7中使用。(表達式7)
formula see original document page 15
通常，當對多層結構進行分析時，每級或每層的折射率已知，因此，可預先決定在步驟S6中是使用表達式1還是使用表達式2。然而，在各層的折射率未知的情況下，應該使用哪個表達式也是未知的。在這樣的情況下，分別通過使用表達式l和表達式2計算m。其後，分 別在1^+1、 km+2......中計算光學距離nd。通過選擇提供lld的最小誤差的一個，可決定m。另外，通過這種方式，可知道各層的折射率之間 的幅度相關性。在步驟S8 (與本發明第六步對應)中，通過將在步驟S7中獲得 的m四^^五入為整數Mm並再次使用相長條件或相消條件來重新計算 光學距離。本質上，在相長幹涉條件中，光程差變為整數倍的波長。 在步驟S7中獲得的m沒有變為整數的情況下，這種情況的原因是由 於誤差而導致的。因此，通過將如此獲得的值m近似(校正)為最接 近的整數Mm，可消除m中包含的這樣的誤差。當在步驟S7中使用 相長條件時，通過使用下面的表達式8計算光學距離。 (表達式8)2、 2另一方面，在相消條件中，光程差應該為半整數倍的波長。在步驟S7中使用相消條件的情況下，通過下面的表達式9計算光學距離。 (表達式9 )在步驟S9中，確定在期望的區域中是否完成測量。當還沒有完 成時，在後面的區域中執行測量。如果通過重複這些步驟完成期望次 數的測量，則可獲得與圖2的斷層圖像對應的斷層圖像。這裡，根據樣本的數量N為斷層圖像的深度方向劃定界線。在 本方法中，執行等於或者少於抽樣數量的次數的測量。因此，必須構 造反映這樣的測量或計算結果的斷層圖像。另外，即使當沒有構造新 的斷層圖像時，也可附屬地顯示測量值。這裡，將通過使用數值給出簡單的描述。假設這樣進行測量，以 使得檢查或檢驗製備的樣本是否滿足設計構造。也就是說，這是樣本16不明顯偏離設計值的條件。
假設測量系統使用卣素燈的400nm 800nm的整個光i普。此時， 如從上述表達式4所計算的，可被測量的最小距離ndmin或測量分辨 率為400nm(0.4nm)。這裡，分光儀108的帶寬AK為1.25xlo6[m1
(=l/400nm - l/800nm )。另夕卜，在分光儀108的抽樣的數量N為1,024 (即，N-1024)的情況下，如從上述表達式5所計算的，可被測量的 最大多巨離ndmax為205nm。
這裡，假設樣本具有約5nm的空間距離D^D產5nm)和約10nm 的空間距離D2 (D2=10nm)，在N,3.5的Si基底上形成N產1.5的層 和N2=2的層。光學距離近似如下分別地，N!D產7.5jim， N2D2=20nm, N12D12=27.5nm，在其附近，將產生作為傅立葉變換的結果的峰值(圖 3A中的S2 )。
當對抽樣數量N(這裡，1,024)的數據進行離散傅立葉變換時， 將橫坐標軸劃分為N段。這裡，如此獲得的結果變為相對於N/2 (= 512 )對稱，因此，僅對一側進行以下討論。首先，測量解析度為0.4nm, 所以，在步驟S2中，在被劃分成512段的橫坐標軸上，峰值將分別 在第19像素(-7.5/0.4 )、第50像素(-20/0.4 )和第69像素(-27.5/0.4 ) 附近出現。由於相鄰峰值之間的間隔彼此分離，所以可通過在步驟S3 中在三個帶中設置帶通濾波器來使三個峰值彼此分離。在步驟S4中， 執行逆離散傅立葉變換。首先，當層厚度的光學距離為7nm時，m=19 (X=789.4nm)至m=37 ( k=405.5nm )的峰值出現在作為相長條件的 400nm 800nm範圍內。此外，當層厚度的光學距離為20nm時，具有 m=50 (X=800nm)至m=100 (3i=400nm )的峰值作為相長條件出現。 然而，由於不能將相對端確定為峰值，所以實際上，m變為51 99的 範圍。
這裡，將進一步論述層厚度的光學距離約為7.5jim的情況。從 步驟S2中的傅立葉變換的結果(在第19像素出現峰值)，獲得7.6fim (0.4x19 )作為這層的光學距離。該值之前和之後的值分別變為7.2nm 和8.0nm，所以，可僅以增量0.4pm進行測量。另一方面，假設在步驟S7中，最小的最大值的波數為2.466xl06 (X=405.5nm)。通過在 上述表示相長幹涉條件的表達式1中代入這些值，獲得37.03的m。 通過將m的這個值近似為整數，獲得M=37。另外，通過在步驟S8 中在上述表達式8中代入如此獲得的M，可更精確地獲得這層的光學 距離為7.502nm(=37/(2x2.466xl06))。
這裡，將描述測量精度。測量精度指示在使各層彼此分離之後的 定位精確性，測量解析度是各層彼此分離的空間距離。由於分光儀108 根據1,024個像素劃分400nm的帶，所以分光儀108的鐠解析度為 0.39nm。可消除相對於m的誤差，所以，在理論上用下面的表達式 10表示測量精度。在m近似等於100的上述條件下，測量精確約為 20nm。當然，m的值越小，測量精度改進得越多。 (表達式10)
另一方面，在僅通過離散傅立葉變換測量光學距離的情況下，測 量精度和測量解析度相同，並根據上述表達式4變為400nm。
因而，根據本發明的測量方法，將測量精度在顯著的程度上得到 改進。換句話說，由於在通過僅使用離散傅立葉變換計算多層結構中 的光學距離的傳統方法中，僅用上述表達式3表示的光學距離可被表 示，所以變為離散值。因而，在實際值存在於離散值之間的情況下， 發生所謂的語洩漏，在鐠洩漏中，數據在它的邊緣分散(即，導致圖 3C的例子的情況下的具有鈍的峰值的波形)，並且通過光源的帶寬 (即，波數的寬度AK)決定它的解析度。另一方面，在本發明的方 法中，通過帶通濾波器截掉多個數據，然後對這些數據進行逆離散傅 立葉變換，由此可構造用於一層的基本正弦波形的波數譜。換句話說， 收集洩漏的i普以重新構造波形。在這種情況下，意味著可用分光儀的 帶寬AK表示具有非整數值周期的正弦波。然而，當帶寬為最小分辨 率(即，1個像素)時，它將與離散傅立葉變換的結果一致。這是由 於洩漏到邊緣中的數據不能被使用。因此，當通過離散傅立葉變換用足夠的帶寬分離數據時，本發明的方法是有效的。另外，在折射率取 決于波長的情況下，由於可使用與波長對應的折射率，所以可進行更 高精確性的測量。
這裡，當然存在層構造不滿足測量條件的情況。例如，這是這樣
的情況，在該情況下，即使多層結構的各層滿足可用上述表達式3表 示的條件，加到彼此的這些層的狀態也超過ndmax。即使在這樣的情 況下，本發明的技術也不是完全不能使用，儘管這樣的分量作為測量 噪聲施加於分光儀。
另外，在能夠掃掠波長的掃掠光源用作光源的情況下，光電二極 管用作檢測器，通過AD轉換器將被運算放大器等放大之後的光電二 極管的檢測信號輸入進個人計算機中。即使在這樣的情況下，也可使 用本發明的技術。\2的第二層203和折射率&的第一層202。分別用Dt和
D2表示各層的空間距離。

將取圖5的構造作為示例論述這個實施例的信號處理步驟與第 一實施例的信號處理步驟的不同之處。在步驟Sl中，從分光儀獲取 譜數據。在圖6A中概略示出此時的數據。
在步驟S3中，將濾波應用於鐠數據的傅立葉變換的結果。首先， 傅立葉變換的結果變為如圖6B所示，在圖6B中，光學距離的峰值分 別在位置N。L。、 Nnn"和Nm2L2出現。這些光學距離分別對應於樣本 表面205、第一界面206和第二界面207距參考反射鏡501的光學距 離。同時，與第一實施例類似，由於多層結構自身的幹涉，而導致峰 值還分別在NiDp ]\202和N12D12出現。
這裡，優選以這樣的方式設置參考反射鏡501,即，該反射鏡501 和樣本表面205之間的光學距離N。L。比整個多層結構的厚度N12D12 長。結果，可使第一區域601和第二區域602彼此分離，在第一區域 601中，樣本自身的千涉分量出現，在第二區域602中，樣本和參考 反射鏡的幹涉分量出現。
在通過濾波器選擇作為以上結果而獲得的峰值之一之後，通過與 上述第一實施例中的技術類似的技術計算如此選擇的峰值的光學距 離。換句話說，在步驟S4中，通過對所選擇的峰值執行逆傅立葉變 換獲得如圖6C中示出的結果。
然後，在步驟S6 (與本發明的第七步對應)中，通過從圖6C的 結果指定波數根據上述幹涉條件表達式1計算幹涉級m。在步驟S7 中，將如此獲得的幹涉級m四捨五入為整數，然後通過在幹涉條件表 達式中代入該整數來計算光學距離。
這裡，在使用參考反射鏡的情況下，各層的距離為以下關係。 (表達式12)
21因此，第一層的空間距離變為如下面的表達式13所示, (表達式13)
義Wo
類似地，第二層的空間距離變為如下面的表達式14所示。 (表達式14)
"一 -1A
2 W
通過將這個表達式擴展到第(i+l)層，將獲得下面的表達式15<
(表達式15)
AL.丄，二」-AL上
A+1 =
換句話說，每層的空間距離是通過從到其位於遠離參考反射鏡的
一側的界面的光學距離(Nmi+1Li+1)中減去到其位於接近參考反射鏡的 一側的界面的光學距離(NmiLi)並將它除以這兩個界面之間的折射率 (Nw)來獲得的。
如果使這些空間距離成像，則可獲得基於圖5的空間距離的斷層 圖像。這裡，傳統的斷層圖像為光學距離的斷層圖像。 [第三實施例I
在本發明的第三實施例中，將使用圖7論述應用本發明的眼用光 學相干設備中的光學系統。該系統具有使用第二實施例的參考反射鏡 的類型的基本構造。

圖7示出構造作為整體的Mach-Zehnder幹涉系統。通過分束器 703-1將從光源701發射的光劃分為參考光705和測量光706。測量光 706在通過反射或散射被作為待觀察對象的眼睛707作為回光708返 回之後，通過分束器703-2與參考光705組合而進入分光儀721。
首先，將論述光源701的環境。光源701為作為典型的低相干光源的SLD (Super Luminescent Diode,超輻射發光二極體)。光源 701具有830nm的波長和50nm的帶寬。這裡，由於帶寬影響將獲得 的斷層圖像的光軸方向上的解析度，所以帶寬為重要的參數。另外， 雖然這裡選擇SLD用於光源，但是可使用僅需要能夠發射低相干光 的任何類型的光源，ASE (Amplified Spontaneous Emission,放大自 發發射)等可被使用。此外，考慮到對眼睛進行測量的事實，近紅外 光適合於將使用的波長。此外，由于波長影響將獲得的斷層圖像的水 平方向上的解析度，所以理想情況是波長儘可能地短。這裡，使用 830nm的波長。當然，可根據待觀察對象的測量部分選擇其它波長。 將從光源701發射的光通過單模光纖710-1引向透鏡711-1。
接下來，將論述參考光705的光路。被分束器703-1劃分的參考 光705進入連續的反射鏡714-1至714-3，通過反射鏡714-1至714-3， 它在其行進方向上改變以通過分束器703-2進入分光儀721。這裡， 標號715-1和715-2表示色散補償玻璃。色散補償玻璃715-1補償當 測量光706相對於眼睛707往復來回時測量光706相對於參考光705 的散射。換句話說，理想情況是色散補償玻璃715-1的長度LI等於 一般眼睛深度的兩倍。這裡，將長度LI設置為46mm， 46mm為假 設為日本人的平均眼球的直徑的23mm的兩倍。此外，電子級717可 在箭頭所指示的方向上移動，從而它可調整和控制參考光705的光路 長度。色散補償玻璃715-2用於補償用於掃描眼睛707的透鏡720-1 和720-2的色散的目的。
將論述測量光706的光路。被分束器703-1劃分的測量光706通 過色散補償玻璃715-3，並被分束器703-3反射。然後，測量光706 入射在XY掃描儀719的反射鏡上。XY掃描儀719在與測量光706 的光軸垂直的方向上對視網膜723進行光柵掃描。另外，調整測量光 706的中心，以使得與XY掃描儀719的反射鏡的旋轉的中心一致。 透鏡720-1和720-2 —起構成用於掃描視網膜723的光學系統，具有 使測量光706在被設置為支點的角膜722附近的位置對視網膜723進 行掃描的作用。這裡，透鏡720-1和720-2的焦距分別為50mm和50mm。當測量光706進入眼睛707時，它從視網膜723作為回光708 反射或散射。此外，通過分束器703-3將回光708劃分為回光708-1 和回光708-2，從而將一個回光708-1引向分光儀721，另 一回光708-2 通過分束器703-1被引向檢測器724。與幹涉信號類似，檢測器724 的輸出信號被以電的方式取到計算機725中，從而可記錄和顯示回光 708-2的強度。另外，通過檢測器724獲得的信號為由於視網膜723 上的反射或散射而引起的回光708-2的強度信號，它不具有任何深度 解析度。例如，作為高速度高靈敏性傳感器的APD( Avalanche Photo Diode,雪崩光電二極體)被用作檢測器724。
這裡，將使用數值給出描述。待觀察對象為眼睛，其物理大小和 結構不根據個人而變化許多。然而，為了簡單起見，假設眼睛的結構 如下。首先，整個視網膜的空間距離為560jim,包括七層，每層的空 間距離為80nm。另外，每層的折射率為1.5 (雖然除非各層的折射率 彼此不同，否則在相鄰層之間的每個界面上將沒有反射發生，但是為 了筒化數值的計算，這裡將所有的折射率設置為相同值)。因此，每 層的光學距離為120nm，整個視網膜的光學距離為840nm。這樣設置 反射鏡的位置，以使得空間距離Lo變為400nm (L0 = 400 pm)，其 光學距離為600nm。
當使用805nm 855nm的所有光鐠時，可被測量的最小距離 ndmin為6.9nm。此外，當N = 1，024時，可被測量的最大距離ndmax 為3mm (光學距離)。如果對幹涉語進行離散傅立葉變換，則由於每 個像素的6.9阿，所以峰值在87、 104、 122、 139、 157、 174、 191 和209像素的附近出現。這些峰值彼此遠離，所以可使它們彼此分離。 當光學距離為600nm，即，最短時，相長條件為m-l，404 ~ 1,490， 而當光學距離為1，440m，即，最長時，相長條件為m = 3，369~3,577。 另一方面，為了將50nm劃分為1,024個部分，分光儀的解析度為 0.049nm。當m=4，000時，儘管條件根據將計算的波長而改變，但理 論上，測量精度將約為100nm。由於根據離散傅立葉變換的測量精度
24為6.9nm，所以可以說，測量精度在顯著的程度上得到改進。
儘管已參考示例性實施例描迷了本發明，但是應該理解，本發明 不限於所公開的示例性實施例。將給予權利要求的範圍以最廣泛的解 釋以包括所有這樣的修改及等同的結構和功能。
權利要求
1、一種設備中的多層結構測量方法，所述設備包括光源；光學系統，其將來自所述光源的光引向待觀察的多層結構的對象，同時將來自所述待觀察對象的回光引向檢測位置；分光儀，其被置於所述檢測位置處，用於檢測入射在其上的光的波數譜；和分析單元，其從檢測的波數譜測量所述待觀察對象的多層結構；所述方法包括第一步，從所述波數譜計算與每個層厚度的光學距離對應的信息；第二步，從與所述每個層厚度的光學距離對應的信息分離並提取與每層的光學距離對應的信息；第三步，分別將與所述每層的光學距離對應的信息再轉換為波數譜；第四步，從所述第三步的結果獲得幹涉發生的波數或波長；第五步，從在所述第四步中獲得的所述波數或波長和所述每層的光學距離計算幹涉級；和第六步，將在所述第五步中獲得的所述幹涉級近似為最接近的整數，並從如此近似的所述幹涉級和幹涉發生的所述波數或波長計算每層的光學距離。
2、 根據權利要求l所述的多層結構測量方法，其中，所述第一 步是將傅立葉變換應用於所述波數譜的步驟。
3、 根據權利要求l所述的多層結構測量方法，其中，所述第二 步是通過帶通濾波器提取與每層的光學距離對應的信息，以及對於每 層的提取範圍是可變的。
4、 根據權利要求1所述的多層結構測量方法，其中，所述第三 步是將逆傅立葉變換應用於與光學距離對應的信息的步驟。
5、 根據權利要求1所述的多層結構測量方法，其中，在所述第 五步中，通過利用每層的光學距離的兩倍是波長的整數倍的事實來計 算所述幹涉級。
6、 根據權利要求1所述的多層結構測量方法，其中，在所述第 五步中，通過利用每層的光學距離的兩倍是波長的半整數倍的事實來 計算所述幹涉級。
7、 根據權利要求1所述的多層結構測量方法，其中，在所述第 五步和第六步中，將取作所述第一步的結果中的峰值的光學距離用作 每層的光學距離。
8、 根據權利要求1所述的多層結構測量方法，還包括 從所述第三步的結果獲得幹涉發生的多個波數或波長並從如此獲得的所述波數或波長和幹涉條件計算每層的光學距離的步驟；其中，在所述第五步和第六步中，在從所述第三步的結果獲得多 個波數或波長的所述步驟中計算的每層的光學距離被用於計算所述 幹涉級。
9、 根據權利要求l所述的多層結構測量方法，還包括 第七步，在所述第六步之後將每層的光學距離轉換為空間距離。
10、 根據權利要求1所述的多層結構測量方法，其中，所述設備 的所述光學系統包括用於將來自所述光源的光劃分為測量光和參考光的單元；用於將所述測量光引向所述待觀察對象並同時將來自所述待觀察對象的回光引向所述檢測位置的單元；和用於將所述參考光通過參考臂引向所述檢測位置的單元； 其中，所述分光儀檢測所述回光和所述參考光的組合光的波數鐠；以及所述分析單元基於所述組合光的波數譜測量所述待觀察對象的 多層結構。
11、 根據權利要求10所述的多層結構測量方法，其中，所述參 考光和在所述待觀察對象的表面上反射的回光之間的光程差的光學距離比所述待觀察對象的整個多層結構的光學距離長。
12、 根據權利要求IO所述的多層結構測量方法，其中，用於將 所述參考光引向所述檢測位置的所述單元包括用於反射所述參考光的參考反射鏡；所述方法還包括第七步，在所述第六步之後將每層的光學距離 轉換為空間距離；以及在所述第七步中，通過從到位於遠離所述參考反射鏡的一側的界 面的光學距離中減去到位於接近所述參考反射鏡的一側的界面的光 學距離並將它除以所述兩個界面之間的折射率來計算所述空間距離。
13、 一種用於測量待觀察對象的多層結構的多層結構測量設備， 所述i殳備包括光源；光學系統，其將來自所述光源的光引向待觀察的多層結構的對 象，同時將來自所述待觀察對象的回光引向檢測位置；分光儀，其被置於所述檢測位置處，用於檢測入射在其上的光的 波數鐠；和分析單元，其從檢測的波數鐠測量所述待觀察對象的多層結構； 其中，所述分析單元執行以下步驟第一步，從所述波數語計算與每個層厚度的光學距離對應的信息；第二步，從與所述每個層厚度的光學距離對應的信息分離並提取與每層的光學距離對應的信息；第三步，分別將與所述每層的光學距離對應的信息再轉換為波數鐠；第四步，從所述第三步的結果獲得幹涉發生的波數或波長； 第五步，從在所述第四步中獲得的所述波數或波長和所述每層的光學距離計算幹涉級；和第六步，將在所述第五步中獲得的所述幹涉級近似為最接近的整數，並從如此近似的所述幹涉級和幹涉發生的所述波數或波長計算每層的光學距離。
14、根據權利要求13所述的多層結構測量設備，其中，所述設備的所述光學系統包括用於將來自所述光源的光劃分為測量光和參考光的單元；用於將所述測量光引向所述待觀察對象並同時將來自所述待觀察對象的回光引向所述檢測位置的單元；和用於通過參考臂將所述參考光引向所述檢測位置的單元； 其中，所述分光儀檢測所述回光和所述參考光的組合光的波數譜；以及所述分析單元基於所述組合光的波數譜測量所述待觀察對象的 多層結構。
全文摘要
本發明公開了一種多層結構測量方法和多層結構測量設備。根據本發明的斷層圖像測量方法包括第一步，從波數譜計算與每個層厚度的光學距離對應的信息；第二步，從與每個層厚度的光學距離對應的信息分離並提取每層的信息；第三步，分別將每層的信息再轉換為波數譜；第四步，從第三步的結果獲得幹涉波數；第五步，從幹涉波數和每層的光學距離計算幹涉級；和第六步，利用幹涉級為整數的事實計算每層的光學距離。從而，當使用離散傅立葉變換時，層的測量精確性得到改進。
文檔編號G01N21/45GK101625319SQ20091014023
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者末平信人 申請人:佳能株式會社