本申請是申請日為2011年7月14日、申請?zhí)枮?01180036105.7、發(fā)明名稱為測量圖形化基板的3d顯微鏡和方法的發(fā)明專利申請的分案申請。相關(guān)申請本申請要求侯震于2010年7月23日提交且通過引用結(jié)合于此的題為“測量圖形化基板的3d顯微鏡和方法(3dmicroscopeandmethodsofmeasuringpatternedsubstrates)”的美國臨時申請61/367,352的權(quán)益。本申請還與2010年6月1日授權(quán)給j·j·徐的題為“3d光學(xué)顯微鏡(3dopticalmicroscope)”的美國專利7,729,049、2011年5月17日授權(quán)給j·j·徐的題為“3d光學(xué)顯微鏡(3dopticalmicroscope)”的美國專利7,944,609、j·j·徐于2010年2月3日提交且題為“3d光學(xué)顯微鏡(3dopticalmicroscope)”的美國公開申請2010/0135573、以及j·j·徐于2009年6月27日提交且題為“3d光學(xué)顯微鏡的照明器(illuminatorfora3dopticalmicroscope)”的美國公開申請2008/0291533相關(guān)。本發(fā)明涉及光學(xué)顯微鏡，具體地涉及三維(3d)顯微鏡和測量圖形化基板(ps)的方法。
背景技術(shù)：
：在與常規(guī)光源相比時，由于高亮度發(fā)光二極管(hbled)的可靠性、長壽命、以及環(huán)境優(yōu)勢，它在研究機構(gòu)和各種產(chǎn)業(yè)中引起了極大的興趣。通常，在諸如蘭寶石、碳化硅、以及其他材料之類的透明基板上制造常規(guī)hbled。為了提高光提取效率，制造商經(jīng)常將基板表面粗糙化以形成圖形，從而可發(fā)射更大部分的在有源層中生成的光。2003年12月2日授權(quán)給thibeault的題為“通過使用內(nèi)部和外部光學(xué)元件增強led中的光提取(enhancedlightextractioninledsthroughtheuseofinternalandexternalopticalelement)”的美國專利6,657,236、以及2008年6月10日授權(quán)給donofrio的題為“用于在發(fā)光二極管上形成三維特征以供改進(jìn)光提取的方法(methodofformingthree-dimensionalfeaturesonlightemittingdiodesforimprovedlightextraction)”的美國專利7,384,809公開了在碳化硅基板上創(chuàng)建各種重復(fù)圖形以提高h(yuǎn)bled的光提取效率的方法。如在美國專利7,384,809中描述的，來自二次電子顯微鏡(sem)的圖像可用于驗證這些圖形化基板的形狀。2010年3月23日授權(quán)給tanaka的題為“具有提高外部效率和晶體生長的突起的半導(dǎo)體發(fā)光器件(semiconductorlightemittingdevicewithprotrusionstoimproveexternalefficiencyandcrystalgrowth)”的美國專利7,683,386、2010年6月29日授權(quán)給niki的題為“半導(dǎo)體發(fā)光器件(semiconductorlightemittingdevice)”的美國專利7,745,245、以及hsu于2007年7月30日提交的題為“具有圖形化基板的發(fā)光器件及其方法(lightemittingdevicehavingapatternedsubstrateandthemethodthereof)”的美國公開申請2008/0067916示教了在藍(lán)寶石基板上產(chǎn)生重復(fù)圖形的各種方式。在這些參考文獻(xiàn)中，提供sem圖像以確認(rèn)圖形化藍(lán)寶石基板的質(zhì)量。2010年4月27日授權(quán)給fuji的題為“經(jīng)由在n面表面上制造特征的高效的基于iii族氮化物的發(fā)光二極管(highlyefficientgroup-iiinitridebasedlightemittingdiodesviafabricationoffeaturesonann-facesurface)”的美國專利7,704,763公開了在藍(lán)寶石基板上制造hbled、隨后使用激光剝離(lift-off)以使該基板從二極管結(jié)構(gòu)脫離的方法。此時，蝕刻工藝可用于在n面的gap表面上產(chǎn)生隨機的錐形體以實現(xiàn)粗糙化的表面。而來自sem的圖像可在監(jiān)測隨機錐形體特征的形成中使用。作為制造工藝開發(fā)和工藝控制的一部分，制造商需要測量基板上圖形的幾何形狀。這些測量通常包括圖形特征的形狀、高度、尺寸、間距、以及間隙。雖然常規(guī)sem可對各個圖形化特征成像，但是它無法測量高度信息。由此，在hbled產(chǎn)業(yè)中，截面sem(x-sem)已變成了標(biāo)準(zhǔn)計量工具。然而，x-sem是破壞性的方法，其需要在進(jìn)行測量之前破壞hbled。另外，x-sem測量必須在真空環(huán)境中進(jìn)行，因此整個測量過程較慢。此外，購買和維護(hù)x-sem系統(tǒng)的費用是昂貴的。數(shù)年來，已在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中使用非破壞性、非接觸式光學(xué)系統(tǒng)來測量透明基板上的掩模。例如，2001年11月27日授權(quán)給blaesing-bangert的題為“用于測量透明基板上的特征的方法和設(shè)備(methodanddeviceformeasuringfeaturesonatransparentsubstrate)”的美國專利6,323,953、以及2003年3月25日授權(quán)給fiekowsky的題為“顯微鏡特征維度測量系統(tǒng)(microscopicfeaturedimensionmeasurementsystem)”的美國專利6,539,331示教了使用光學(xué)顯微鏡設(shè)置來準(zhǔn)確地測量光掩模上的線寬的方法。然而，這些方法只可測量線寬(即，橫向維度)，卻無法提供準(zhǔn)確的高度信息。因此，需要有一種準(zhǔn)確、容易使用且相對便宜的非破壞性方法來測量和監(jiān)測圖形化基板。將在以下詳細(xì)描述的本發(fā)明滿足該需要。技術(shù)實現(xiàn)要素：用于圖形化基板測量的三維(3d)顯微鏡可包括物鏡、反射照明器、以及透射照明器。反射照明器可被配置成向圖形化基板樣品提供反射光，并且將圖案化制品的圖像投影到物鏡的焦平面上且從該焦平面移除圖案化制品的圖像。透射照明器可被配置成向圖形化基板樣品提供透射照明。3d顯微鏡還可包括調(diào)焦設(shè)備、光學(xué)傳感器、以及處理器。調(diào)焦設(shè)備可分多個z步進(jìn)對物鏡自動調(diào)焦。光學(xué)傳感器能夠在這些z步進(jìn)中的每一步進(jìn)采集圖像。處理器可控制反射照明器、透射照明器、調(diào)焦設(shè)備、以及光學(xué)傳感器。處理器可被配置成在多個z步進(jìn)采集第一和第二圖像，該第一圖像具有使用反射照明器的圖案而該第二圖像不具有使用反射照明器和透射照明器之一的圖案圖像圖像。在一個實施例中，圖案化制品是其上具有預(yù)定圖案的玻璃。光學(xué)傳感器可包括電荷耦合器件(ccd)相機或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)相機。透射照明器可以是透鏡和透鏡組之一以及發(fā)光二極管(led)。調(diào)焦設(shè)備可以是機動化的機械z載臺或壓電z載臺。機動化的z載臺可包括耦合到線性軸承的引導(dǎo)螺桿和滾珠螺桿之一。壓電z載臺可安裝在樣品卡盤或顯微鏡鏡頭轉(zhuǎn)臺上。還描述了一種設(shè)計用于測量圖形化基板的3d顯微鏡的方法。該方法包括提供上述組件。還描述了一種測量圖形化基板樣品的方法。圖形化基板樣品被定義為包括多個圖形化基板特征。在該方法中，可按預(yù)定步進(jìn)改變圖形化基板樣品和物鏡之間的相對距離。在一個或多個預(yù)定步進(jìn)，可執(zhí)行以下附加步驟。可將圖案化制品的圖像投影到物鏡的焦平面上。可采集帶有與圖案化制品和樣品相關(guān)聯(lián)的圖案的第一圖像，并且隨后將其存儲在第一圖像陣列中。然后，可從物鏡的焦平面移除圖案化制品的圖像?？刹杉粠в信c圖案化制品相關(guān)聯(lián)的圖案的樣品的第二圖像，并且隨后將其存儲在第二圖像陣列中?？缮傻谝谎谀Ｒ詫D形化基板特征與圖形化基板樣品的背景區(qū)域粗略地區(qū)分開。該第一掩模基于第二圖像陣列。可生成第二掩模以將圖形化基板特征與背景區(qū)域準(zhǔn)確地區(qū)分開。該第二掩模基于第一圖像陣列和第一掩模。可使用第一圖像陣列和第二圖像陣列之一以及第二掩模來確定每一圖形化基板特征的頂部?？墒褂玫诙谀：兔恳粓D形化基板特征的頂部來計算圖形化基板特征的幾何參數(shù)。采集第二圖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鏡和透鏡組之一以及發(fā)光二極管(led)。生成第一掩?？砂ㄊ褂蒙?、或者強度、或者色彩和強度兩者的組合。生成第二掩?？砂ㄊ褂萌￠撝?thresholding)方法。幾何參數(shù)可包括圖形化基板特征的尺寸、間距、高度、間隙、以及頂部尺寸。改變圖形化基板樣品和物鏡之間的相對距離可包括使用機動化的機械z載臺或壓電z載臺。機動化的z載臺可包括耦合到線性軸承的引導(dǎo)螺桿和滾珠螺桿之一。壓電z載臺可安裝在樣品卡盤或顯微鏡鏡頭轉(zhuǎn)臺上。在一個實施例中，測量圖形化基板樣品的方法可包括自動地改變圖形化基板樣品和物鏡之間的相對距離。該自動改變可包括第一自動聚焦技術(shù)和第二自動聚焦技術(shù)。第一自動聚焦技術(shù)可包括有條件的提前退出。該有條件的提前退出可包括確定一個以上閾值掃描范圍是否完成。當(dāng)一個以上閾值掃描范圍完成時，隨后可計算累積對比度值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，否則可繼續(xù)掃描。有條件的提前退出還可包括確定最大對比度值是否大于指定的最小提前退出閾值、以及當(dāng)前步進(jìn)對比度是否比最大對比度小至少標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果為是，則批準(zhǔn)提前退出，否則不批準(zhǔn)。第一自動聚焦技術(shù)包括采集z載臺在掃描步進(jìn)之間移動時的圖像，由此允許第一自動聚焦的速度與相機幀速率一樣快。在一個實施例中，第二自動聚焦技術(shù)可采用比第一自動聚焦技術(shù)小的步長。第二自動聚焦技術(shù)可包括檢測對比度下降趨勢。該對比度下降趨勢可以是具有峰值對比度的掃描步進(jìn)，跟隨其后的是逐漸降低對比度值的至少多個掃描步進(jìn)。在一個實施例中，多個掃描步進(jìn)可以是四個掃描步進(jìn)。附圖說明圖1a示出可便于測量圖形化基板的示例性照明器。圖1b示出示例性圖案化制品。圖2示出配置成測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)的第一實施例。圖3示出配置成測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)的第二實施例。圖4示出配置成測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)的第三實施例。圖5示出可替代圖2和3所示的光源的示例性光源。圖6示出相對于樣品移動光學(xué)器件的示例性定位組件。圖7示出在上述3d顯微鏡系統(tǒng)中可用的示例性軟件代碼和界面。圖8示出示例性兩輪(two-pass)自動聚焦技術(shù)。圖9a示出示例性自動聚焦首輪技術(shù)。圖9b示出示例性自動聚焦首輪提前退出確定技術(shù)。圖9c示出示例性自動聚焦次輪技術(shù)。圖10示出示例性圖形化基板測量技術(shù)。圖11示出可便于將圖形化基板特征與基板區(qū)分開的示例性二元掩模。圖12示出使用手動3d光學(xué)系統(tǒng)的示例性測量技術(shù)。圖13示出使用自動3d光學(xué)系統(tǒng)的示例性測量技術(shù)。具體實施方式如在本文中所使用的術(shù)語“圖形化基板”描述粗糙化的表面。該粗糙化的表面可在hbled產(chǎn)業(yè)中使用的透明基板(例如，藍(lán)寶石、碳化硅、gap等)上形成。圖形化基板的各個實施例可使用重復(fù)特征或隨機特征。圖1a示出配置成在用于測量圖形化基板的3d顯微鏡中使用的示例性照明器100。照明器100包括可構(gòu)成兩個光路(如點劃線所示)的兩個光源101和102。具體地，第一光路包括光源101、第一分束器103、消色差雙合透鏡105、雙凸透鏡106、以及第二分束器107。第二光路包括光源102、圖案化制品104、第一分束器103、消色差雙合透鏡105、雙凸透鏡106、以及第二分束器107。多引腳連接器108可經(jīng)由電線激活光源101和102。在一個實施例中，照明器100的光學(xué)組件可安裝在具有兩個開口(例如，頂部開口和底部開口)的暗箱(未示出)內(nèi)部。頂部開口可位于分束器107正上方，而底部開口可位于分束器107的正下方。這兩個開口允許來自兩個光路的光與外部世界交互。如在下文中詳細(xì)描述的，在照射到分束器107之后，來自第一和第二光源之一的光傳播通過物鏡并且隨后照射到樣品表面。反射光向后傳播通過物鏡、分束器107、以及耦合透鏡(未示出)。相機接收該反射光并形成圖像(參見例如圖2)。在優(yōu)選實施例中，光源101和102可包括發(fā)光二極管(led)；然而，諸如鹵素?zé)簟⒐饫w耦合燈、激光器等其他光源也可使用并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。注意，雖然透鏡105和106可被描述為消色差雙合透鏡和雙凸透鏡，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其他類型的透鏡也可使用并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖1b示出圖案化制品104的一個實施例。在本實施例中，圖案化制品104包括其上具有二維網(wǎng)格圖案的表面。在其他實施例中，也可使用諸如均勻間隔的暗點(opaquedot)陣列之類的不同類型的圖案。實際上，任何圖案都可以，只要它滿足以使條件：(1)它具有高對比度；(2)它是有規(guī)律的或者隨機的；(3)它是半透明的；以及(4)其最小特征尺寸與所使用的成像光學(xué)傳感器的采樣分辨率相匹配。注意，圖案化制品104可以是玻璃、攝像膠片、或者能夠攜載該圖案的其他透明材料。圖案化制品104的圖案化表面位于包括透鏡105和106的透鏡組的有效焦平面。如在下文中詳細(xì)描述的，圖案化制品104可在照明器100中用于將該圖案的圖像投影到物鏡的焦平面上以產(chǎn)生足夠的對比度，從而可獲取樣品(例如，圖形化基板)的3d高度信息。圖2示出配置成測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)200的第一實施例。注意，照明器100在圖2中的側(cè)視圖中示出。為了避免不必要的混亂，在示出系統(tǒng)200時，只示出照明器100內(nèi)部的光源101和分束器107。無論何時提及照明器100的其他組件，都建議讀者參考圖1。由于照明器100在該配置中提供了反射照明，因此它被稱為反射照明器。圖2中的點劃線示出光沿其傳播的光軸。顯微鏡物鏡210安裝在轉(zhuǎn)臺260上。轉(zhuǎn)臺260可裝至少一個物鏡，并且安裝在照明器100的底部開口正下方。當(dāng)光源101或102接通時，包括透鏡105和106的透鏡組將光源的圖像投影到顯微鏡物鏡210的入射光瞳上，由此確保樣品220的均勻照明。此外，當(dāng)光源102接通時，包括透鏡105和106的透鏡組將該圖案化制品104上的圖案的圖像投影到物鏡210的焦平面上。定位裝置230(為了簡便起見被示為雙箭頭)可用來改變樣品220和物鏡210之間的相對位置。由此，樣品220上的不同特征可進(jìn)入物鏡210的焦面。在優(yōu)選實施例中，定位裝置230可包括機動化的z載臺或壓電z載臺。在其他實施例中，可使用能改變樣品220和物鏡210之間的相對位置的其他方式。例如，物鏡210可安裝在壓電致動器上，由此允許樣品220在物鏡210上下移動時保持靜止。定位裝置230還可包括手動或機動化的xy載臺(未示出)，由此允許樣品220在水平面上移動。因此，定位裝置230可提供xyz范圍的運動。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解所述定位裝置230的變體。耦合器240結(jié)合物鏡210在光學(xué)傳感器250上產(chǎn)生樣品220的圖像。在優(yōu)選實施例中，光學(xué)傳感器250可以是電荷耦合器件(ccd)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)相機。取決于圖形化基板樣品的類型，耦合器240可具有單一放大倍率或可變放大倍率。例如，耦合器240可包含安裝在線性滑動器上的1x透鏡和2x透鏡。光源280向樣品220提供透射照明。由此，光源280被稱為透射照明器。在優(yōu)選實施例中，光源280是led。在其他實施例中，可使用諸如鹵素?zé)簟⒐饫w耦合燈、激光器等光源。樣品220可坐落在由中間有通孔的透明玻璃板或金屬板構(gòu)成的卡盤270上，從而允許來自光源280的光穿過。處理器290可用于控制定位裝置230、照明器100、光源280、以及光學(xué)傳感器250。處理器290還可分析數(shù)據(jù)并產(chǎn)生樣品220的3d圖像。在一個實施例中，處理器290可包括個人計算機。圖3示出配置成測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)300的第二實施例。注意，具有相同附圖標(biāo)記(例如，跨諸如圖2和3之類的各個附圖)的組件指示那些組件提供相同的功能，因此在本文余下部分中不再詳細(xì)地描述。在系統(tǒng)300中，可將透鏡301插在光源280和卡盤270之間以更好地集中透射光。注意，透鏡301可以是單個透鏡或透鏡組。圖4示出配置成測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)400的第三實施例。在本實施例中，在系統(tǒng)400中可包括提供透射照明的兩個照明器100a和100b(參見例如圖1)、以及將圖案化制品(圖1)的圖像從底部側(cè)投影到物鏡210的焦平面上的裝置。聚光透鏡401可插在光源101(在照明器100b中)和卡盤270之間，以使物鏡210的數(shù)值孔徑與透射光的數(shù)值孔徑相匹配。圖5示出提供在系統(tǒng)200和300(圖2和3)中使用的光源280的替換物的光源500。在一個實施例中，光源500包括可經(jīng)由電子板控制的發(fā)光二極管(led)陣列。led陣列可置于壓電臺510的頂部。包括中間有通孔的透明玻璃板或金屬板的卡盤270可置于光源500的頂部，并且樣品220隨后可置于卡盤270的頂部。注意，為了使讀者理解，在圖5中卡盤270、光源500、以及壓電臺510被示為間隔開，并且在實際實現(xiàn)中可以分層配置緊固在一起。當(dāng)要測量的樣品220上的區(qū)域在物鏡210下移動時，該陣列中的接近所測量區(qū)域的特定led可接通以提供透射照明。壓電臺510允許樣品220的精確垂直移動。注意，壓電臺510提供定位裝置230(圖2和4)的一個可能的實施例。此外注意，樣品220可置于具有或不具有光源500的卡盤270上。定位裝置230可用于相對于樣品220將光學(xué)器件移動到標(biāo)稱焦點。然后，在較高精度的步進(jìn)中，壓電臺510可相對于光學(xué)器件移動樣品220。圖6示出定位裝置230(圖2、3、4)的另一實施例。在本實施例中，定位裝置可相對于樣品移動光學(xué)器件。該移動可由一對線性軸承600引導(dǎo)。引導(dǎo)螺桿或滾珠螺桿610可由馬達(dá)620驅(qū)動。為了實現(xiàn)高z移動分辨率，物鏡可安裝在壓電z驅(qū)動器630上，該壓電z驅(qū)動器630進(jìn)而可安裝在物鏡轉(zhuǎn)臺上。在準(zhǔn)確步進(jìn)中，壓電z驅(qū)動器630可上下移動物鏡。注意，相同類型的機構(gòu)可用于相對于光學(xué)器件移動樣品。在提供高z移動分辨率的另一實施例中，可將壓電z驅(qū)動器安裝到引導(dǎo)螺桿/滾珠螺桿610上。在該配置中，隨后可通過引導(dǎo)螺桿/滾珠螺桿610將照明器、物鏡轉(zhuǎn)臺、以及物鏡移動到標(biāo)稱焦點位置。3d顯微鏡系統(tǒng)可采用兩種相機控制方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像采集。在第一方法中，對于每一掃描，該系統(tǒng)接通第一和第二光源之一，將z載臺移動到期望位置，并且將觸發(fā)信號發(fā)給相機以采集圖像。一旦圖像數(shù)據(jù)從相機傳送到計算機存儲器，該系統(tǒng)就切換到另一光源(如果需要)，并且將另一觸發(fā)信號發(fā)給相機。然后，該系統(tǒng)將z載臺移動到下一位置并且重復(fù)該過程，直至多個z步進(jìn)完成。在第二方法中，對于每一掃描，該系統(tǒng)在連續(xù)運動中將樣品從起始位置移動到結(jié)束位置，而不停止。從在引導(dǎo)螺桿/滾珠螺桿機構(gòu)中使用的馬達(dá)的編碼器計數(shù)的位置或者從z驅(qū)動器或z載臺的位置傳感器生成相機觸發(fā)信號。然后，該系統(tǒng)電子器件以相等間隔向相機發(fā)出觸發(fā)信號以采集圖像。每一觸發(fā)信號之間的間隔被編程為與相機的傳送率相匹配。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)連續(xù)地傳送到pc存儲器，直至該載臺完成其運動。注意，在第二方法中，該系統(tǒng)在掃描開始時將第一和第二光源中的一個接通，并且在掃描期間不切換光源。如果需要次輪，則該系統(tǒng)使用另一光源來進(jìn)行另一連續(xù)的運動掃描。圖7示出用于測量圖形化基板的3d顯微鏡系統(tǒng)軟件和界面700的示例性組件。操作人員可經(jīng)由圖形用戶界面710與3d顯微鏡系統(tǒng)交互。自動聚焦算法720可優(yōu)化數(shù)據(jù)收集設(shè)置并且增強測量可重復(fù)性。配方730可控制數(shù)據(jù)采集參數(shù)并且調(diào)用適當(dāng)?shù)姆治鏊惴?。圖形化基板分析軟件包740可包括處理原始數(shù)據(jù)且計算各個圖形化基板特征的幾何參數(shù)的各種算法。報告軟件包750可提供圖形化基板特征尺寸、間距、高度、間隙等的格式化輸出。由于樣品厚度變化，圖形化基板樣品上的不同位置可具有相對于物鏡的不同z位置。另外，圖形化基板樣品不是平坦的，而是具有表面紋理(即，垂直方向輪廓)。因此，在每一圖形化基板測量之前，樣品上要測量的點需要聚焦。該聚焦可手動地完成，但是所得起點的精度或重復(fù)性可變化。為了減小掃描起點變化對圖形化基板測量的重復(fù)性的影響，可用自動聚焦過程讓掃描從一致的起始z位置開始。注意，用于搜索最佳聚焦的簡單的常規(guī)方法可能將命令z載臺以預(yù)定義步長且在每一步進(jìn)處步進(jìn)通過整個搜索范圍、等待直至z運動了結(jié)、命令相機采集圖像，并且隨后等待圖像數(shù)據(jù)到達(dá)。在分析來自所有步進(jìn)的圖像對比度之后，可確定與最高對比度相對應(yīng)的z位置。最高對比度的位置可以是最佳猜測焦點z位置。當(dāng)該簡單的方法起作用且準(zhǔn)確時，它是非預(yù)期地慢。本發(fā)明的自動聚焦技術(shù)可利用來自所投影圖案以及樣品本身在3d顯微鏡圖像上所產(chǎn)生的對比度。當(dāng)一部分樣品表面接近焦平面時，相應(yīng)部分的圖像對比度變高，并且將在該部分樣品表面位于焦平面時達(dá)到峰值。本文中所描述的自動聚焦技術(shù)可分為兩輪：對速度進(jìn)行優(yōu)化的首輪；以及對精度進(jìn)行優(yōu)化的次輪。圖8示出示例性兩輪自動聚焦技術(shù)800。在技術(shù)800中，假設(shè)定位裝置為可上下移動圖形化基板樣品的z載臺。在步驟801，該系統(tǒng)可設(shè)置用于首輪的參數(shù)。示例性參數(shù)可包括掃描范圍、步長和速度、以及提前退出閾值(在下文中詳細(xì)描述)。在一個實施例中，提前退出閾值可以是用戶提供的。在步驟802，進(jìn)行首輪的自動聚焦，這產(chǎn)生一個聚焦z位置的最佳估計值。在步驟803，基于經(jīng)驗結(jié)果(例如，用典型系統(tǒng)的先前實驗)確定與首輪最佳估計值的偏移量。表格1(在下文中)示出各個步長和相機幀速率的典型偏移量。表格1幀速率(fps)步長(微米)偏移量(微米)1至15最長達(dá)0.501至15大于0.5116至60最長達(dá)0.5116至60大于0.52快于60最長達(dá)0.53快于60大于0.55該偏移量可用于生成更準(zhǔn)確的首輪聚焦z位置的最佳估計值(參考圖9a更詳細(xì)的描述)。在步驟804，將z載臺移動到次輪起始z位置。在一個實施例中，次輪起始z位置被計算為位于首輪聚焦z位置的最佳估計值以下的次輪掃描范圍的一半。在步驟805，可設(shè)置用于次輪自動聚焦的參數(shù)。例如，在一個實施例中，步長可被設(shè)為首輪中步長的一半以提高分辨率。此外，次輪掃描范圍可被設(shè)為首輪步長的n倍，其中n是正整數(shù)或分?jǐn)?shù)。在一個實施例中，掃描范圍由用戶設(shè)置。在另一實施例中，掃描范圍由特定樣品和系統(tǒng)配置專用的配方設(shè)置。次輪掃描范圍的優(yōu)化選擇可由首輪聚焦z位置的最佳估計值的精度確定。如果次輪掃描范圍被設(shè)為太大，則次輪的速度較慢。然而，如果掃描范圍被設(shè)為太小，則有可能覆蓋不到實際焦點，由此可能錯過真實的最佳焦點。在一個實施例中，次輪掃描范圍可比首輪步長大或小8倍。在步驟806，可進(jìn)行次輪自動聚焦以生成次輪聚焦z位置的最佳估計值。在步驟807，可將z載臺移動到聚焦z位置的最佳估計值加上最終z偏移量。該定位可確保圖形化樣品測量可從一致的特定點開始。圖9a示出用于首輪自動聚焦(可用于步驟802)的示例性步驟。在步驟901，存取用于首輪自動聚焦的參數(shù)。在步驟902，將z載臺移動到起始掃描位置。在步驟903，采集一幅圖像，并且命令z載臺移動一個掃描步進(jìn)。在步驟904，計算圖像對比度值，隨后可將該對比度值及其相應(yīng)的z位置保持在存儲器中。注意，在步驟903，可在采集到圖像幀而非到達(dá)指定掃描步進(jìn)時觸發(fā)z載臺移動。由此，可在z載臺在掃描步進(jìn)之間移動時采集圖像，使得自動聚焦速度與相機幀速率一樣快。為了加快每一掃描步進(jìn)，首輪自動聚焦可以其最快的幀速率運行相機，此時相機運行于自由運行、連續(xù)采集模式，可連續(xù)地采集圖像并將其傳送到處理器290(圖2)采集。在采集到每一幀圖像之后，處理器命令z載臺移動到下一掃描步進(jìn)，計算圖像對比度，并且隨后等待下一幀圖像。如果下一幀圖像在z載臺完成其運動之前到達(dá)，則該算法仍然發(fā)出移動到下一掃描步進(jìn)的命令。注意，由于對比度值的計算在z載臺的移動期間進(jìn)行，因此步驟903和904在圖9a中的相同步驟中示出。由于該算法不等待z載臺來完成其運動，因此與接收到的圖像相對應(yīng)的實際的z位置將小于所命令的z位置。如果相機幀速率慢，則該差值通常為小，但是在相機幀速率快時變得更加顯著。由于所命令的z位置和實際的z位置之間的該差值，與所命令的z位置相對應(yīng)的聚焦z位置的最佳估計值可能將偏離實際的聚焦z位置的最佳估計值。因此，基于該移位與步長和相機幀速率的關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)偏移量表格(參見圖8的步驟803)可用于補償該移位的一部分，由此使得首輪聚焦z位置的最佳估計值更準(zhǔn)確。步驟905確定是否找到了焦點(參考圖9b更詳細(xì)的描述)，若滿足退出條件，這里允許提前退出。如果不滿足提前退出條件，則步驟906檢查所命令的z位置是否等于停止掃描位置。如果為是，則步驟907計算首輪聚焦z位置的最佳估計值。首輪聚焦z位置的最佳估計值可以是與所采集圖像的最佳對比度相對應(yīng)的z位置。此時，步驟908可輸出首輪聚焦z位置的最佳估計值，并且停止掃描。如果在步驟905提前退出是可能的，則首輪技術(shù)可直接行進(jìn)到步驟907并跳過步驟906。如果所命令的z位置不等于停止掃描位置，則首輪技術(shù)可返回到步驟903以進(jìn)行進(jìn)一步掃描。圖9b示出用于首輪掃描提前退出確定技術(shù)的示例性技術(shù)。如上所述，如果找到有效的焦點，則首輪可有利地提前停止而不掃描該掃描范圍的其余部分。一般而言，如果來自采集圖像的圖像對比度值示出上升和下降的趨勢，則可確認(rèn)找到焦點。為了量化對比度的相對上升和下降，該技術(shù)需要最少量的掃描步進(jìn)來獲得圖像對比度的有意義的統(tǒng)計計算。在一個實施例中，需要最少總掃描步進(jìn)的一半，但是少于一半或者多于一半也是可能的。該提前退出技術(shù)的步驟921可設(shè)置不提前退出的默認(rèn)標(biāo)志(即，提前退出為假(false))。步驟922可確定一個以上閾值掃描范圍(即，最少量的掃描步進(jìn))是否完成。例如，在一個實施例中，如果掃描了少于一半的掃描步進(jìn)，則步驟923繼續(xù)掃描，并且隨后返回到步驟922。如果掃描了多于一半的掃描步進(jìn)，則步驟924可計算所有累積對比度值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)。步驟925可確定最大對比度值是否大于指定的最小提前退出閾值，并且當(dāng)前掃描步進(jìn)的對比度值是否比所累積對比度值的最大對比度值小至少一個標(biāo)準(zhǔn)偏差。對于對比度值在0和1000之間的典型圖像，閾值10對大多數(shù)樣品而言可能是可靠的。如果為是，則找到焦點，并且步驟926可將提前退出標(biāo)志設(shè)為真(true)。如果為否，則未找到焦點，并且步驟927可保持提前退出標(biāo)志設(shè)為假。步驟926和/或步驟927之后的步驟928可隨適當(dāng)標(biāo)志返回到步驟905的首輪技術(shù)。圖9c示出示例性自動聚焦次輪技術(shù)。步驟931可存取用于次輪的自動聚焦參數(shù)，并且將z載臺移動到其起始位置。步驟832可將z載臺移動到下一掃描步進(jìn)并等待，直至移動完成。步驟933可在該掃描步進(jìn)采集圖像幀，計算其對比度值，并且(在存儲器中)保存該對比度值及其相應(yīng)的所命令的z位置。由于焦點位置應(yīng)位于次輪起始位置和結(jié)束位置內(nèi)，因此次輪中的所保存對比度值應(yīng)該具有上升和下降的趨勢。因此，在步驟934，可完成下降對比度值的簡單檢查以確定是否找到了焦點，由此指示次輪自動聚焦完成。注意，由于次輪掃描步長小于首輪的掃描步長，因此上升和下降的趨勢可以是不尖銳的(例如，若干掃描步進(jìn)可具有相同或相似的最大對比度值，由此對比度值的改變不顯著)。同樣，由于次輪的搜索范圍只需要覆蓋首輪的不確定性，因此它可比首輪的搜索范圍小很多。由此，次輪中的搜索步進(jìn)的數(shù)量較少。在優(yōu)選實施例中，次輪搜索步進(jìn)的最大數(shù)量為19。關(guān)于對這種有限數(shù)量的對比度值計算的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可能是沒有意義的。因此，在一個實施例中，下降對比度值趨勢可被定義為具有峰值對比度的掃描步進(jìn)之后緊跟著4個具有較低對比度值的掃描步進(jìn)。小于4的值使得次輪停止得過早，而大于4的值使得次輪更準(zhǔn)確。如果檢測到下降對比度趨勢，則步驟935可計算最佳聚焦z位置的最佳估計值。在一個實施例中，最佳聚焦z位置的最佳估計值可以是與最大對比度范圍中點相對應(yīng)的z位置范圍中點。如上所述，兩輪圖形化樣品測量技術(shù)可包括首輪和次輪。首輪自動聚焦可有利地提前停止焦點搜索，而不經(jīng)歷所有步進(jìn)。此外，可于z載臺在掃描步進(jìn)之間移動時采集圖像，由此允許自動聚焦速度與相機幀速率一樣快。為了進(jìn)一步提高首輪自動聚焦精度，次輪可以在首輪中找到的聚焦z位置的最佳估計值周圍的小范圍內(nèi)以較小步長進(jìn)行搜索。還可提供對兩輪自動聚焦技術(shù)的附加改進(jìn)。例如，在一個實施例中，不同的準(zhǔn)則可用于確定最大對比度或最佳焦點。即，代替計算整個圖像的總對比度，可計算圖像的一部分的對比度或者圖像的若干不同部分的對比度，并且隨后將其用于確定最佳焦點的最大對比度。由于自動聚焦過程的目標(biāo)是將圖形化基板樣品定位在一致的點以開始圖形化樣品測量，因此可在其他實施例中使用包括不同自動聚焦方法的其他手段(諸如代替如上所述的圖像對比度在共焦光學(xué)設(shè)置的情況下使用圖像強度或者使用來自單獨焦點傳感器的焦點信號的自動聚焦方法)來實現(xiàn)相同的結(jié)果。這些變體在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在又一實施例中，用戶還可指定根據(jù)自動聚焦算法找到的位置來表示掃描范圍的中點、底部、或頂部(或者其間的任何位置)。由于自動聚焦算法將始終在最高平均對比度表面找到最佳焦點，因此需要該指定。取決于圖形化樣品結(jié)構(gòu)的形狀和分布，最高對比度表面位置可位于圖形化樣品結(jié)構(gòu)的基底、中間、或頂部。該額外控制可在gui/配方中指定，由此為不同的圖形化樣品晶片或芯片定制gui/配方。圖10示出示例性圖形化基板測量技術(shù)1000。技術(shù)1000可接收圖案化圖像陣列1004以及非圖案化圖像陣列1001兩者作為輸入，該非圖案化圖像陣列1001包括在多個z位置采集的圖像。這些輸入可在測量圖形化基板特征的尺寸、間距、高度、間隙、以及頂部尺寸中使用。注意，術(shù)語“非圖案化圖像陣列”是指在成像路徑中不存在圖案化制品104(參見圖1a)的情況下取得的圖像陣列。相反，術(shù)語“圖案化圖像陣列”是指在成像路徑中存在圖案化制品104的情況下取得的圖像陣列。對于特定圖形化基板特征(舉例而言諸如圓錐形和三角形特征)，非圖案化圖像可通過透射照明來收集(參見例如圖2、3、4的實施例)并且隨后被存儲在非圖案化圖像陣列1001中。對于其他圖形化基板特征(諸如平坦頂部特征)，非圖案化圖像通過反射照明來收集，并且隨后被存儲在非圖案化圖像陣列1001中。在一個實施例中，軟件實現(xiàn)的二元掩模(在下文中描述的)可用于將圖形化基板特征與該基板(也稱為背景，因為圖形化基板特征位于基板平面上方)粗略和準(zhǔn)確地區(qū)分開、以及測量圖形化基板特征?，F(xiàn)在詳細(xì)地解釋技術(shù)1000。步驟1002可計算非圖案化圖像陣列1001的直方圖分布作為色彩或圖像強度分布的指示。注意，當(dāng)z位置在圖形化基板特征的底部周圍(即，在該基板處)時，直方圖的分布趨于在最大值處。因此，基板的z位置可通過獲取直方圖散布的最大值來粗略地確定。步驟1003可通過向非圖案化圖像陣列1001施加由直方圖的中值指示的閾值而在該z位置處生成第一掩模。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，這些透明特征粗略地表示圖形化基板特征的基底。注意，該二元掩模在軟件中實現(xiàn)而不是物理掩模。第一掩?？捎糜趯D形化基板特征與該基板粗略地區(qū)分開。由于從圖形化基板特征的實際形狀引入了部分噪聲，圖形化基板特征和該基板之間的邊界可能不是很準(zhǔn)確。步驟1005可使用圖案化圖像陣列1004和第一掩模(來自步驟1003)在該z位置處計算基板上的對比度。如上所述，第一掩模的圖形化基板特征位置通常具有噪聲問題。因此，步驟1005可使用第一掩模從對比度計算中去除那些區(qū)域。由此，使用去除圖形化基板特征區(qū)域的圖案化圖像陣列1004的對比度計算允許確定該基板的準(zhǔn)確z位置。在一個實施例中，該準(zhǔn)確z位置可基于最大對比度值。步驟1006可通過向非圖案化圖像陣列1001施加由直方圖的中值指示的閾值而在該z位置處生成準(zhǔn)確的二元掩模，該二元掩模被稱為第二掩模。該第二掩?？捎糜趯D形化基板特征與該基板準(zhǔn)確地區(qū)分開。圖11示出示例性第二掩模1100，其示出白色的圖形化基板特征的基底以及黑色的基板。注意，基于白色特征的形狀，圖形化基板特征為圓柱形(也稱為平坦頂部)、穹形、或圓錐形。步驟1007可使用第二(即，準(zhǔn)確的)掩模以及非圖案化圖像陣列1001或圖案化圖像陣列1004來計算每一圖形化基板特征的頂部和z位置。來自配方(在下文中參考圖12描述的)的與圖形化基板特征相關(guān)的信息可在步驟1007用于確定是使用非圖案化圖像陣列1001還是使用圖案化圖像陣列1004。具體地，如果圖形化基板特征的形狀是錐形或三角形，則步驟1007可使用非圖案化圖像陣列1001。然而，如果圖形化基板特征的形狀是平坦的(例如，圓柱形)，則步驟1007可使用圖案化圖像陣列1004。在一個實施例中，插值法可用于將圖形基板特征形狀的可能的變化和/或組合考慮在內(nèi)。在步驟1007進(jìn)行的計算可基于對每一特征內(nèi)部的像素的對比度計算。步驟1008可基于在步驟1007計算的頂部和z位置值以及第二掩模來計算每一圖形化基板特征的尺寸、間距、高度、間隙、以及頂部尺寸。尺寸可被定義為圓形圖形化基板特征的直徑、或者具有等邊三角形基底的圖案化基板的高度。間距可被定義為當(dāng)前圖形化基板特征的中心和相鄰圖形化基板特征的中心之間的距離。在一個實施例中，可計算所有相鄰的圖形化基板特征之間的距離的平均值并將其用作間距。高度可由圖形化基板特征內(nèi)的最大z位置和最小z位置的絕對差確定。間隙可被定義為間距和尺寸之間的差異。注意，頂部尺寸只適用于在其頂部具有平坦平面的圖形化基板特征。這些值(諸如平均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、以及其他值)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可在整個視場上獲取以獲得圖形化基板特征的更可靠讀數(shù)。步驟1009可報告這些值。圖12示出根據(jù)一個實施例的使用手動3d顯微鏡系統(tǒng)的圖形化基板測量技術(shù)1200中的示例性步驟。注意，手動系統(tǒng)被定義為具有手動xy載臺的系統(tǒng)。在步驟1201，操作人員可加載圖形化基板樣品，挑選物鏡，并且在該樣品上定位測量點。對于圖形化基板測量，可挑選具有放大倍率為100x且數(shù)值孔徑為0.9或0.95的透鏡(即，圖2中的物鏡210)的物鏡。在步驟1202，操作人員可加載與樣品相對應(yīng)的配方。在步驟1203，操作人員可通過點擊按鈕來發(fā)起數(shù)據(jù)采集。此時，該系統(tǒng)可獲得和分析原始數(shù)據(jù)以提供必要的輸出信息。在步驟1204，操作人員可保存結(jié)果和/或進(jìn)行具體的所選分析。在步驟1205，操作人員可判定是否要測量樣品上的更多點。如果為是，則該技術(shù)可返回到步驟1203。如果為否，則技術(shù)1200可行進(jìn)到步驟1206，在該點上操作人員可卸載樣品并且圖形化樣品測量技術(shù)結(jié)束。圖13示出根據(jù)另一實施例的使用自動3d顯微鏡系統(tǒng)的圖形化基板測量技術(shù)中的示例性步驟。自動系統(tǒng)被定義為具有機動化的xy載臺的系統(tǒng)。在步驟1301，操作人員可加載圖形化基板樣品并且挑選物鏡。對于圖形化基板測量，挑選具有放大倍率為100x且數(shù)值孔徑為0.9或0.95的透鏡的物鏡。在步驟1302，操作人員可加載包括與樣品相對應(yīng)的配方和預(yù)定測量位置圖等的序列文件。在步驟1303，操作人員可通過例如點擊按鈕來發(fā)起數(shù)據(jù)采集。此時，該系統(tǒng)將移動到樣品上的第一測量點，獲得原始數(shù)據(jù)，分析該原始數(shù)據(jù)以提供必要的結(jié)果，并且將這些結(jié)果保存在文件中。當(dāng)測量完成時，樣品自動地移動到下一點。該過程將重復(fù)，直至測量到所有指定位置并且保存了這些結(jié)果。在步驟1304，操作人員可卸載樣品，由此終止圖形化樣品測量技術(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文中所描述的3d顯微鏡系統(tǒng)具有若干優(yōu)點。具體地，3d顯微鏡系統(tǒng)易于使用，基于非接觸式的非破壞性方法，在一類現(xiàn)有圖形化樣品測量工具中提供低擁有成本，特別是提供了對與圖形化基板制造商相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)的快速、準(zhǔn)確和重復(fù)性高的測量。這些參數(shù)包括圖形化基板特征的尺寸、間距、高度、以及間隙。本文中所描述的實施例不旨在是窮盡性的，或者將本發(fā)明限于所公開的確切形式。由此，許多修改和變體將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍旨在由所附權(quán)利要求書及其等效物定義。當(dāng)前第1頁12