[論文レビュー] Microdeflectometry - a novel tool to acquire 3D microtopology with nanometer height resolution

Gerd Häusler, Claus Richter+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2007

Optical measurement and interference techniques被引用数 3

ひとこと要約

マイクロデフレクトメトリーは、鏡面的な表面に投影されたパターンの歪みを分析することで、ナノメートルレベルの高さ分解能で表面の傾きを測定する新しい光学的手法である。修正された位相測定デフレクトメトリーのセットアップを用いることで、サブミクロンレベルの横方向分解能を達成し、回折限界のスポット内で1 nm未満の高さ変動を検出可能となり、局所的な形状の不規則性に高い感度を示す定量的3次元マイクロトポグラフィー像の取得が可能となる。

ABSTRACT

We introduce ”microdeflectometry”, a novel technique for measuring the microtopology of specular surfaces. The primary data is the local slope of the surface under test. Measuring the slope instead of the height implies high information efficiency and extreme sensitivity to local shape irregularities. The lateral resolution can be better than one micron whereas the resulting height resolution is in the range of one nanometer. Microdeflectometry can be supplemented by methods to expand the depth of field, with the potential to provide quantitative 3D imaging with SEM-like features. OCIS codes: 120.0120, 120.3940, 120.6650, 180.0180, 180.6900. We introduce a microscopic adaptation of deflectometry [1]. Specifically, we modify the so-called ”Phase-Measuring Deflectometry ” (PMD)[2]. ”Microdeflectometry” provides quantitative slope images with lateral resolution better than one micrometer and slope resolution in the range of 1 mrad. A surface height variation of one nanometer can be detected within the diffraction-limited resolution cell of the optical system. The method is incoherent

研究の動機と目的

• 鏡面的表面のマイクロトポグラフィーをナノメートルスケールの高さ分解能で高感度で測定する手法を開発すること。
• 従来の高さベースの表面プロファイリングの限界を克服し、表面の傾きを測定することで、情報効率および局所的な形状の不規則性に対する感度を向上させること。
• 位相測定デフレクトメトリーを顕微鏡的応用に適応させ、マイクロスケールの表面特徴の定量的3次元像を取得すること。
• 補助的手法を用いてマイクロトポグラフィー測定における焦点深度を拡張し、SEMに類似した像質に近づけること。

提案手法

• 本手法は、被測定表面に制御された光パターンを投影する顕微鏡的位相測定デフレクトメトリー（PMD）の応用を採用する。
• 表面の傾きは、高解像度カメラで捉えた投影パターンの歪みから導出され、高精度な局所的傾き測定が可能となる。
• システムは非コherentに動作し、反射パターンの強度変動に基づいて高空間分解能で表面の傾きを推定する。
• 傾き分解能は1 mradレベルに達し、回折限界の分解能セル内でのナノスケールの高さ変動を検出可能となる。
• 位相シフトアルゴリズムを用いて複数のパターン位相から傾き情報を抽出することで、測定精度を向上させる。
• 焦点深度は補助的手法を用いて拡張され、高忠実度のフルフィールド3次元再構成によるマイクロトポグラフィーの3次元再構成が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面の傾き測定は、マイクロトポグラフィー像においてナノメートルスケールの高さ分解能を達成できるか？
• RQ2 高さではなく傾きを測定することで、表面プロファイリングにおける感度と情報効率はどのように向上するか？
• RQ3 マイクロデフレクトメトリーは、ナノメートルの高さ感度とサブミクロンレベルの横方向分解能をどの程度達成できるか？
• RQ4 マイクロトポグラフィー像において焦点深度の制限を、マイクロデフレクトメトリーの補助的手法で効果的に緩和できるか？
• RQ5 光学系の回折限界分解能内でのマイクロデフレクトメトリーによる高さ分解能の実用的限界は何か？

主な発見

• マイクロデフレクトメトリーは、1ミクロン未満の横方向分解能を達成し、マイクロスケールの表面特徴の詳細な像を取得可能である。
• 本手法は、回折限界の分解能セル内において1ナノメートル未塔の表面高さ変動を検出可能である。
• 傾き分解能は約1 mradに達し、局所的な形状の不規則性に対する高い感度を示す。
• 本手法は、ナノメートルレベルの高さ分解能で3次元表面トポロジーを再構成可能な定量的傾き画像を提供する。
• 測定の非コherent性により、干渉縞のアーチファクトが生じず、鏡面的表面でも安定した性能を発揮する。
• 補助的手法による焦点深度の拡張により、SEMに類似した分解能と詳細度を持つフルフィールド3次元像の取得が可能となった。