JP2002236003A - 微小高さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度で、かつ高速に微小突起物の高さを測
定できるようにする。 【構成】 光ビームＩｓは被検査物２０に角度θｉで照
射される。被検査物２０は矢印５１の方向に相対的に移
動される。被検査物２０の移動によって微小突起物４
１，４２のように２カ所に微小突起物が存在するかのよ
うになる。光ビームＩｓの強度分布はガウス状なので、
微小突起物４１，４２からはその強度分布に応じた強度
の散乱光ｒａ，ｒｂが発生する。集光レンズ３１は、間
隔Ｔだけ離れた２カ所の光ビームＩｓの光路中に微小物
体４１，４２からの散乱光ｒａ，ｒｂに基づいた像をそ
れぞれ光学センサ３２，３３に結像させている。散乱光
ｒａ，ｒｂの強度は微小突起物４１，４２の高さに依存
した値である。従って、高さ測定回路３８は、光学セン
サ３２，３３から出力される検出信号ａ，ｂの除算値ｂ
／ａに基づいて微小突起物４１，４２の高さを測定する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液晶表示装置
（ＬＣＤ）の基板やフィルタに使用されるスペーサや基
板上の異物などの微小突起物の高さを測定する微小高さ
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板上に形成された突起物や異物
などの微小突起物の高さを測定するものとして、共焦点
方式や光切断方式などの方式を用いて光学的に非接触で
これらの高さを測定するものが種々提案されている。図
１は従来の共焦点方式の微小高さ測定装置の概略を示す
図である。図１（ａ）の微小高さ測定装置は、半導体レ
ーザ１１から出射したレーザ光１２をハーフミラー１３
及び対物レンズ１４を介してその被検査試料１５の表面
が共焦点位置（０位置）となるように被検査試料１５に
照射する。被検査試料１５の表面にスペーサや異物など
の微小突起物（凸部）が存在する場合には、その大きさ
に応じたプラス位置（＋）でレーザ光１２は反射する。
逆に、被検査試料１５の表面に凹部（窪み）が存在する
場合には、その大きさに応じたマイナス位置（−）でレ
ーザ光１２は反射する。

【０００３】それぞれ高さの異なる面から反射した光
は、対物レンズ１４、ハーフミラー１３及びピンホール
１６を介してホトセンサ１７に入射する。このとき、ピ
ンホール１６と被検査試料１５の表面位置（０位置）と
は共役関係にある。共焦点位置（０位置）で反射した光
は、ピンホール１６を全て通過してホトセンサ１７に入
射し、それ以外のプラス位置（＋）やマイナス位置
（−）で反射した光は、その一部がピンホール１６を通
過してホトセンサ１７に入射する。ホトセンサ１７に
は、ピンホール１６を通過した光だけが入射するので、
光学系と試料の距離を変化させた時、ホトセンサ１７で
検出された電気的信号の大きさに基づいて被検査試料１
５の表面の高さを測定することができる。すなわち、レ
ーザ光１２が共焦点位置（０位置）で反射した場合に
は、図１（ｂ）に示すようにホトセンサ１７の出力は０
位置で最大を示し、それ以外のプラス位置（＋）やマイ
ナス位置（−）で反射した場合には、それに対応した位
置で最大出力を示す。従って、このホトセンサ１７の出
力値の大きさに基づいて被検査試料１５の表面の高さを
測定することができる。検査装置は、このようにして測
定された高さ情報に基づいて、スペーサなどに欠陥が存
在しないか否か、又は基板上に異物などの微小突起物が
存在しないか否かの検査を行う。

【０００４】一方、光切断方式の微小高さ測定装置は、
被検査試料に対して斜め上方からスリット状の光ビーム
を照射し、上方に配置した撮像装置を用いて被検査試料
表面のスリット像を撮像し、撮像した光切断像に基づい
て被検査試料の高さを求めるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】共焦点方式の微小高さ
測定装置は、光学系のピントを合わせたり、焦点深度内
に被検査試料表面を置いたりするために機械的な動作が
必要であり、測定に多大な時間を要するという問題があ
る。一方、光切断方式の微小高さ測定装置は、被検査試
料の高さ測定に要する情報量も多く、撮像装置の受光画
素も対象物に応じて微小なものにしなければ十分な測定
精度を得ることができず、同じく測定に多大な時間を要
するという問題がある。

【０００６】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、高精度で、かつ高速に微小突起物の高さを測定
することができる微小高さ測定装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された微
小高さ測定装置は、ガウス状の光ビームを被検査試料の
表面に対して所定の角度で照射させる投光光学系手段
と、前記光ビームの進行方向を前記被検査試料表面に投
影した場合の方向と同じ方向に沿って所定の間隔だけ離
れた少なくとも２カ所の前記光ビームの光路中に物体の
測定点が存在する場合にその物体から散乱する光ビーム
に基づいた像をそれぞれ結像させる検出光学系手段と、
前記被検査試料と前記投光光学系手段及び前記検出光学
系手段とを前記光ビームの進行方向を前記被検査試料表
面に投影した場合の方向と同じ方向に沿って所定の速度
で相対的に移動させる移動手段と、前記少なくとも２ヶ
所の測定点のうち前記検出光学系手段によって先に結像
された像に対応した第１の検出信号を出力する第１の光
学センサ手段と、前記少なくとも２ヶ所の測定点のうち
前記検出光学系手段によって後から結像された像に対応
した第２の検出信号を出力する第２の光学センサ手段
と、前記所定間隔を前記所定速度で除した値に相当する
時間だけ前記第１の検出信号を遅延させ、その遅延され
た前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づい
て前記物体の前記被検査試料の表面からの高さを測定す
る測定手段とを備えたものである。

【０００８】投光光学系手段によって、被検査試料の表
面に所定の角度でガウス状の光ビームが照射されている
状態で、移動手段によって被検査試料が相対的に移動さ
れる。被検査試料の移動方向は、光ビームの進行方向を
被検査試料表面に投影した場合の方向に沿った方向であ
る。被検査試料表面に微小突起物が存在する場合、被検
査試料の相対的な移動によって微小突起物に対して光ビ
ームが斜め上方から照射されることになる。このとき、
光ビームの強度分布はガウス状なので、その時々の移動
位置によって微小突起物から散乱する光の強度はその分
布に応じて変化する。一方、検出光学系手段は、所定の
間隔だけ離れた少なくとも２カ所の光ビームの光路中に
物体が存在する場合にその物体から散乱する光ビームに
基づいた像をそれぞれ結像させているので、微小突起物
がその２カ所を通過する時に微小突起物から散乱光が発
生する。このときの散乱光の強度は微小突起物の高さに
依存した値となるので、測定手段は、第１及び第２の光
学センサ手段から出力される第１及び第２の検出信号に
基づいて微小突起物の高さを測定する。これによって、
光学系のピントを合わせたり、焦点深度内に被検査試料
表面を置いたりなどといった機械的な動作は不要とな
り、また、被検査試料の高さ測定に要する情報量も少な
くてすみ、光学センサ手段の受光画素も対象物に応じて
微小にしなくても十分な測定精度を得ることができ、高
速に微小突起物の高さを測定することができるようにな
る。

【０００９】請求項２に記載された微小高さ測定装置
は、請求項１において、前記測定手段は、前記所定間隔
を前記所定速度で除した値に相当する時間だけ前記第１
の検出信号を遅延させる遅延手段と、前記第２の検出信
号を前記遅延手段によって遅延された前記第１の検出信
号で除算する除算手段と、前記除算手段から出力される
除算値に基づいて前記物体の前記被検査試料の表面から
の高さを測定する高さ測定手段とを備えたものである。
これは、請求項１に記載の測定手段を具体的にしたもの
であり、光学センサ手段から出力される第１及び第２の
検出信号は時間的に異なるタイミングで出力されるの
で、遅延手段を用いてそれを調整し、第１及び第２の検
出信号の比を除算手段によって求め、それに基づいて微
小突起物の高さを測定するようにしている。

【００１０】請求項３に記載された微小高さ測定装置
は、請求項１又は２において、さらに前記投光光学系手
段の反対側に設けられ、前記被検査試料の表面で反射し
た前記光ビームを受光素子に集光させ、前記受光素子の
信号に基づいてオートフォーカス処理にて前記被検査試
料と前記投光光学系手段との間の高さを一定に保持する
ように動作する高さ保持手段を備えたものである。これ
は、被検査試料表面と投光光学系手段との間の高さが異
なると、それによって測定される微小突起物の高さが変
化するので、そのようなことがないようにオートフォー
カス処理にて投光光学系手段の高さを一定に保持するよ
うにしたものである。

【００１１】請求項４に記載された微小高さ測定装置
は、請求項１、２又は３において、前記光ビームの断面
形状は前記被検査試料の表面に平行な面上で前記光ビー
ムの進行方向に垂直な方向に細長い楕円形状であり、前
記第１及び第２の光学センサ手段は前記細長い楕円形状
に沿ったライン型のセンサ手段で構成されているもので
ある。これは、細長い楕円形状の光ビームを用いること
によって、被検査試料表面全体における微小突起物の高
さ測定を高速に行うことができる。

【００１２】請求項５に記載された微小高さ測定装置
は、請求項１、２、３又は４において、前記第１及び第
２の光学センサ手段は、前記物体から散乱する前記光ビ
ームのガウス状のエネルギー分布の両側面に位置するよ
うに少なくとも２個の画素を備え、前記エネルギー分布
がズレた場合でも前記２個の画素の出力が相補的な関係
となるように構成され、前記測定手段は、前記２個の画
素の出力の加算値に基づいて前記物体の前記被検査試料
の表面からの高さを測定するものである。ガウス状のエ
ネルギー分布の両側面付近は近似的に傾きが正負逆とな
る直線と見なせるので、ここでは、その両側面付近に２
個の画素を配置し、エネルギー分布がズレた場合でも一
方の画素の出力が増加すれば、他方の画素の出力が減少
するという２個の画素出力に相補的な関係が生じるよう
にする。その結果、測定手段はこの２個の画素の出力の
加算値に基づいて被検査試料表面における微小突起物の
高さ測定を行なうことによって、ガウス状のエネルギー
分布が多少ずれても正確に高さを測定することができる
ようになる。

【００１３】請求項６に記載された微小高さ測定装置
は、請求項５において、前記検出光学系手段は、前記第
１及び第２の光学センサ手段を構成する画素の配列ピッ
チと、前記物体から散乱する前記光ビームのガウス状の
エネルギー分布の最大傾斜点ｕとを一致させることによ
って、前記最大傾斜点ｕに対応する画素同士の出力を相
補的な関係とし、前記測定手段は、前記最大傾斜点ｕに
対応する画素同士の出力の加算値に基づいて前記物体の
前記被検査試料の表面からの高さを測定するものであ
る。これは、ガウス状のエネルギー分布の最大傾斜点ｕ
付近に２個の画素を配置するようにしたものである。す
なわち、ガウス状のエネルギー分布の最大傾斜点ｕは、
その両側面に位置して最も直線性が高いので、この最大
傾斜点ｕの位置に２個の画素が配置されるように、画素
ピッチを最大傾斜点ｕに一致させた。画素の配列ピッチ
が最大傾斜点ｕだと、真ん中に画素を挟んでその両側２
個の画素は丁度最大傾斜点ｕ付近に位置することになる
ので、測定手段はその最大傾斜点ｕに対応する画素同士
の出力の加算値に基づいて被検査試料表面における微小
突起物の高さ測定を行なえばよい。なお、最大傾斜点ｕ
は、一般にガウス状エネルギー分布のピーク値に対し、
１３．５％のエネルギー位置をガウス状エネルギー分布
の直径としたとき、その直径の約４分の１の値となる点
である。

【００１４】請求項７に記載された微小高さ測定装置
は、請求項６において、前記測定手段は、前記第１及び
第２の光学センサ手段の一つ置きに隣接する画素同士の
出力の加算値の中の最大値に基づいて前記物体の前記被
検査試料の表面からの高さを測定するものである。請求
項６では、ガウス状のエネルギー分布の最大傾斜点ｕに
対応する画素同士の出力を加算しているが、ここでは、
さらにこれに追加して、ガウス状のエネルギー分布の最
大値、２ｕに位置する画素であって、隣接するもの同士
の画素出力を加算し、これらの加算値の中で最大のもの
を選択して、それを測定値として微小突起物の高さ測定
を行なうようにした。これによって、ガウス状のエネル
ギー分布のズレ幅が大きい場合でも正確に高さを測定す
ることができるようになる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って説明する。図２は本発明の微小高さ測定装
置の一実施の形態を示す構成図である。微小高さ測定装
置は、ガラス基板などの被検査物２０を移動テーブル２
１上に搭載し、テーブル駆動回路２２によってガラス基
板である被検査物２０を矢印５１の方向に一定速度Ｆ
［ｍ／ｓ］で移動させる。微小突起物４１，４２は一定
速度Ｆで被検査物２０が移動することによって、異なる
タイミングｔ１，ｔ２において同じ高さの微小突起物４
１，４２がそれぞれ異なる位置に存在しているかのよう
に示されたものである。微小突起物４１と微小突起物４
２との間の距離Ｔは、移動テーブル２１の移動速度Ｆと
微小突起物４１が微小突起物４２の位置に移動するのに
要した時間（ｔ２−ｔ１）の積、すなわちＴ＝Ｆ×（ｔ
２−ｔ１）のような関係になる。

【００１６】被検査物２０には、レーザ光源（図示せ
ず）から出射されたレーザ光Ｉｓが結像レンズ（図示せ
ず）を介して被検査物２０の表面に所定の角度θｉで照
射される。このレーザ光Ｉｓは、断面形状が図面の奥行
き方向に細長い楕円形状のレーザ光である。この実施の
形態では、一例としてレーザ光Ｉｓの断面形状の短径方
向の距離（ビーム幅Ｂ）が約２０［μｍ］、長径方向の
距離が約１００〜１５０［μｍ］とする。図２ではレー
ザ光Ｉｓの照射角度θｉは、約２０度であるが、これは
一例であり、これ以外の角度でもよいことは言うまでも
ない。レーザ光Ｉｓの強度分布は点線３０のようなガウ
ス状である。

【００１７】集光レンズ３１は、被検査物２０に照射さ
れたレーザ光Ｉｓがスペーサや微小突起物に照射するこ
とによって発生した散乱光ｒａ，ｒｂを受光素子群３
２，３３に集光するためのレンズであり、図示のよう
に、レーザ光Ｉｓの照射位置から所定距離Ｄだけレーザ
光源側に離れた位置の上方に設けられている。そして、
集光レンズ３１は、レーザ光Ｉｓの進行方向を被検査物
２０の表面に投影した場合の方向と同じ方向（矢印５１
と同じ方向）に沿って所定の間隔だけ離れた少なくとも
２カ所のレーザ光Ｉｓの光路中に微小突起物４１，４２
が存在する場合にその微小突起物４１，４２からそれぞ
れ散乱する散乱光ｒａ，ｒｂに基づいた像をそれぞれ上
方の受光素子群３２，３３に結像させる。集光レンズ３
１は、被検査物２０上における種々の高さから反射する
光を集光するので、焦点深度の長いもので構成される。
受光素子群３２，３３は、集光レンズ３１によって集光
された光の強度に応じた電圧を出力するものであり、Ｃ
ＣＤ受光素子などで構成される。受光素子群３２，３３
は、レーザ光の細長い楕円形状に対応して図面の奥行き
方向に複数の受光素子を有するライン型ＣＣＤで構成さ
れる。

【００１８】増幅回路群３４は、受光素子群３２から出
力される電圧ａを増幅して遅延回路３６に出力する。増
幅回路群３５は、受光素子群３３から出力される電圧ｂ
を増幅して除算回路３７に出力する。遅延回路３６は、
増幅回路群３４によって増幅された受光素子群３２から
の出力電圧ａを所定時間だけ遅延させて、除算回路３７
に出力する。なお、この遅延時間は前述の微小突起物４
１と微小突起物４２との間の距離Ｔと速度Ｆとの関係式
に対応したものであり、時間（ｔ２−ｔ１）である。従
って、タイミングｔ１では微小突起物４１からの散乱光
ｒａが受光素子群３２に入射して結像し、タイミングｔ
２では微小突起物４２からの散乱光ｒｂが受光素子群３
３に入射して結像する。このとき、受光素子群３２から
の出力電圧ａは所定時間（ｔ２−ｔ１）だけ遅延されて
いるので、受光素子群３３から出力された電圧ｂと受光
素子群３２から出力された電圧ａは同じタイミングで除
算回路３７に入力されることになる。

【００１９】除算回路３７は受光素子群３３から出力さ
れた電圧ｂを受光素子群３２から出力された電圧ａで除
算し、その除算値（ｂ／ａ）を高さ測定回路３８に出力
する。高さ測定回路３８は、予め求めておいた変換テー
ブルに基づいて除算値（ｂ／ａ）に対応する高さを算出
する。なお、除算値（ｂ／ａ）に対応する値が変換テー
ブルに存在しない場合には、その値は補間処理によって
算出される。集光レンズ３９は、被検査物２０で反射し
たレーザ光を図示していない受光素子に集光させ、その
受光素子の信号に基づいてオートフォーカス処理にて被
検査物２０とレーザ光源との間の高さを一定に保持する
ように動作させるオートフォーカス系のレンズである。

【００２０】この微小高さ測定装置は、レーザ光Ｉｓの
強度分布がガウス状をしていることを利用して微小物の
高さを測定するものである。以下、微小高さ測定装置が
どのようにして微小物の高さを測定するのか、その原理
について図面を用いて説明する。図３及び図４は、微小
高さ測定装置がどのようにして高さを測定するのかその
高さ測定の原理を説明するための図である。図３は、図
２の被検査物２０とレーザ光Ｉｓと集光レンズ３１とを
抜き出して拡大した図であり、図３（ａ）〜（ｃ）はそ
れぞれ異なる高さの微小突起物に対するレーザ光Ｉｓと
散乱光ｒａ，ｒｂとの関係を示す図である。図４は、レ
ーザ光Ｉｓのガウス状の強度分布中において各高さの微
小突起物からの散乱光の光強度の関係を示す図である。

【００２１】図３（ａ）の微小突起物４３，４４の高さ
ｈ１が最も低く、図３（ｃ）の微小突起物４７，４８の
高さｈ３が最も高く、図３（ｂ）の微小突起物４５，４
６の高さｈ２がその中間くらいの高さである。図４はガ
ウス状のレーザ光の照射によって微小突起物から散乱し
た光の強度と各微小突起物の高さとの関係を示す図であ
る。

【００２２】まず、図３（ａ）の場合、微小突起物４
３，４４は、タイミングｔ１では微小突起物４３の位
置、タイミングｔ２では微小突起物４４の位置であって
それぞれ集光レンズ３１の直下に存在している。このと
き、微小突起物４３からの散乱光ｒａ１によって受光素
子群３２には微小突起物４３の上面付近の像が結像され
る。この像の明るさは図４のレーザ光Ｉｓのガウス状の
強度分布中では光強度ａ１に対応する。一方、微小突起
物４４からの散乱光ｒｂ１によって受光素子群３３には
微小突起物４４の上面付近の像が結像される。この像の
明るさは図４のレーザ光Ｉｓのガウス状の強度分布中で
は光強度ｂ１に対応する。従って、除算回路３７からは
この光強度ａ１，ｂ１に対応した除算値（ｂ１／ａ１）
が高さ測定回路３８に出力される。高さ測定回路３８
は、除算値（ｂ１／ａ１）に基づいて微小突起物４３，
４４の高さをｈ１と測定する。

【００２３】図３（ｂ）の場合、微小突起物４５，４６
は、タイミングｔ１では微小突起物４５の位置、タイミ
ングｔ２では微小突起物４６の位置であってそれぞれ集
光レンズ３１の直下に存在している。このとき、微小突
起物４５からの散乱光ｒａ２によって受光素子群３２に
は微小突起物４５の上面付近の像が結像される。この像
の明るさは図４のレーザ光Ｉｓのガウス状の強度分布中
では光強度ａ２に対応する。一方、微小突起物４６から
の散乱光ｒｂ２によって受光素子群３３には微小突起物
４６の上面付近の像が結像される。この像の明るさは図
４のレーザ光Ｉｓのガウス状の強度分布中では光強度ｂ
２に対応する。従って、除算回路３７からはこの光強度
ａ２，ｂ２に対応した除算値（ｂ２／ａ２）が高さ測定
回路３８に出力される。高さ測定回路３８は、除算値
（ｂ２／ａ２）に基づいて微小突起物４５，４６の高さ
をｈ２と測定する。

【００２４】図３（ｃ）の場合、微小突起物４７，４８
は、タイミングｔ１では微小突起物４７の位置、タイミ
ングｔ２では微小突起物４８の位置であってそれぞれ集
光レンズ３１の直下に存在している。このとき、微小突
起物４７からの散乱光ｒａ３によって受光素子群３２に
は微小突起物４７の上面付近の像が結像される。この像
の明るさは図４のレーザ光Ｉｓのガウス状の強度分布中
では光強度ａ３に対応する。一方、微小突起物４８から
の散乱光ｒｂ３によって受光素子群３３には微小突起物
４８の上面付近の像が結像される。この像の明るさは図
４のレーザ光Ｉｓのガウス状の強度分布中では光強度ｂ
３に対応する。従って、除算回路３７からはこの強度ａ
３，ｂ３に対応した除算値（ｂ３／ａ３）が高さ測定回
路３８に出力される。高さ測定回路３８は、除算値（ｂ
３／ａ３）に基づいて微小突起物４７，４８の高さをｈ
３と測定する。

【００２５】図３（ａ）の場合、除算値（ｂ１／ａ１）
は約０．２５であり、１よりも小さな値であり、図３
（ｂ）の場合、除算値（ｂ２／ａ２）は約１であり、図
３（ｃ）の場合、除算値（ｂ３／ａ３）は約４であり、
１よりも十分に大きな値である。すなわち、微小突起物
の高さに応じて除算値（ｂ／ａ）の値がそれぞれ異なる
結果となる。従って、この除算値と微小突起物の高さと
の関係をテーブルに予め記憶しておくことによって、除
算値が求まればそれに基づいて微小突起物の高さを測定
することが可能となる。なお、上述の実施の形態では、
図３（ａ）のタイミングｔ２の位置において微小突起物
の高さがｈ１よりも小さくて、レーザ光Ｉｓが照射され
ることのないような低い微小突起物については測定不能
であり、また、図３（ｃ）のタイミングｔ１の位置にお
いて微小突起物の高さがｈ３よりも大きくて、レーザ光
Ｉｓが照射されることのないような高い微小突起物につ
いても測定不能である。すなわち、測定可能な微小突起
物の高さの範囲は、レーザ光Ｉｓの照射角度θｉと、レ
ーザ光Ｉｓの短径方向のビーム幅Ｂと、微小突起物間の
距離Ｔに依存する。照射角度θｉが小さいと測定可能な
微小突起物の高さの範囲は小さくなり、逆に照射角度θ
ｉが大きいと測定可能な微小突起物の高さの範囲も大き
くなる。また、レーザ光Ｉｓの照射中心位置から集光レ
ンズ３１の中心までの距離Ｄが小さいと、測定可能な微
小突起物の高さは全体的に低くなり、逆に距離Ｄが大き
いと測定可能な微小突起物の高さは全体的に高くなる。
以上のことを踏まえて、測定したい微小突起物の特性に
応じて所定の照射角度θｉ、ビーム幅Ｂ、距離Ｔ及び距
離Ｄを適宜設定する必要がある。

【００２６】なお、上述の実施の形態では、微小突起物
を例に説明したが、この発明は、バンプやボール、そし
てハンダ付けの際の突起、ＬＣＤフィルタのスペーサな
ど、各種の微小突起物の検出に応用できることは言うま
でもない。また、液晶カラーフィルタの異物検出、スペ
ーサーの高さ検査、ＰＤＰの隔壁高さ測定等、ＦＰＤ向
け検査装置などに応用することができる。微小構造、微
小異物の検査・測定装置やサイズ分解能が必要な散乱光
検出方式の測定装置などに応用可能である。なお、最近
では、ＬＣＤのスペーサとしてビーズレス方式が採用さ
れている。これは、ホトレジで作成されたスペーサ柱を
ブラックマトリックス（ＢＭ）部にのみ設け、画素部は
１００パーセント光を透過できるようにしたものであ
る。上述の実施の形態の微小突起物の高さ測定装置は、
このようなスペーサ柱の高さを測定するのに非常に有効
である。

【００２７】上述の実施の形態では、受光素子群３２，
３３としてライン型ＣＣＤを例に説明したが２次元状の
ＣＣＤ受光素子を用いてもよい。２次元状のＣＣＤ受光
素子を用いて、散乱光強度を精度良く測定する場合、そ
の発光点と画素の相対位置を精度良く合わせなければな
らない。発光点の中心が画素の中心と一致したときと、
分割による感度の無い領域と一致した場合では測定値に
誤差を生じるからである。欠陥検査装置などの場合、発
光点の位置は定まらず、従って発光点の中心と画素中心
との間にズレを生じ、正確な測定を行なうことが出来な
くなる。かといって、分割センサの画素サイズを、発光
点の結像面積より充分小さくし、結像面積分の移動積分
を行なえば誤差が軽減されるが、計算量の増加などによ
り高速測定ができなくなるという問題がある。

【００２８】そこで、この実施の形態では、発光点と画
素の相対な位置関係を図５及び図６に示すようにした。
図５は、図２の一部を拡大して示した図であり、検査対
象となる微小突起物４１，４２と、結像光学系となる集
光レンズ３１、分割センサとなるＣＣＤ受光素子と、加
算アンプとの関係を示す図である。微小突起物４１，４
２からの散乱光ｒａ，ｒｂは、点光源となり、集光レン
ズ３１によってＣＣＤ受光素子の各画素５０〜５９の表
面に集光され、図示のようなガウス形状のエネルギー分
布Ｇａ，Ｇｂを示すようになる。図５では、散乱光ｒａ
及びエネルギー分布Ｇａが点線で示され、散乱光ｒｂ及
びエネルギー分布Ｇｂが一点鎖線で示されている。

【００２９】図６は、図５の一部を拡大して示す図であ
り、図５のガウス形状のエネルギー分布ＧａとＣＣＤ受
光素子の各画素５０〜５４との関係及びエネルギー分布
ＧｂとＣＣＤ受光素子の各画素５５〜５９との関係を示
す図である。図では、エネルギー分布ＧｂとＣＣＤ受光
素子の各画素５５〜５９は括弧付きで表示してある。エ
ネルギー分布Ｇａ，Ｇｂの最大値を示す位置０は、ＣＣ
Ｄ受光素子の画素５２，５７の中心位置に一致するもの
とする。エネルギー分布Ｇａの最大傾斜点ｕの位置は、
ＣＣＤ受光素子の画素５１，５３の中心位置に一致し、
エネルギー分布Ｇｂの最大傾斜点ｕの位置は、ＣＣＤ受
光素子の画素５６，５８の中心位置に一致する。さら
に、エネルギー分布Ｇａの２ｕの位置は、ＣＣＤ受光素
子の画素５０，５４の中心位置に一致し、エネルギー分
布Ｇｂの２ｕの位置は、ＣＣＤ受光素子の画素５５，５
９の中心位置に一致する。すなわち、ＣＣＤ受光素子の
画素５０〜５９の配列ピッチＰとエネルギー分布Ｇａ，
Ｇｂの最大傾斜点ｕとがほぼ一致するように結合光学系
（集光レンズ３１）の開口数ＮＡを設定してやる。

【００３０】そして、ＣＣＤ受光素子の画素５１，５３
の出力を加算アンプ６２で加算し、画素５６，５８の出
力を加算アンプ６７で加算する。これらの加算アンプ６
２，６７の加算値出力に基づいて微小突起物の高さ測定
を行なう。これによって、発光点の移動（ズレ）によっ
て、エネルギー分布Ｇａ，Ｇｂが図６の点線で示すエネ
ルギー分布Ｇａ１，Ｇｂ１のようにずれた場合、ＣＣＤ
受光素子の画素５１，５６の出力は増加するが、画素５
３，５８の出力は減少するので、その出力変化が互いに
打ち消しあって、発光点ズレにより誤差を吸収すること
ができるようになる。すなわち、発光点のガウス形状の
エネルギー分布の両側面に位置するように少なくとも２
個の画素を設け、発光点すなわちエネルギー分布の位置
がズレた場合でもその２個の画素の出力が相補的な関係
となるような画素ピッチとし、２個の画素の出力の加算
値に基づいて微小突起物の高さを測定するようにした。
図６に示すように発光点（エネルギー分布）のズレ幅が
小さい場合には、これで対応することができるが、ズレ
幅が大きい場合には対応することができない。そこで、
エネルギー分布Ｇａ，Ｇｂの最大値０、２ｕに対応する
点線で示したＣＣＤ受光素子の画素５０，５２，５４，
５５，５７，５９の隣接するもの同士の出力を加算アン
プ６１，６３，６６，６８で加算する。そして、これら
の加算アンプ６１〜６３，６６〜６８の中で最大出力の
ものを選択して、それを測定値として微小突起物の高さ
測定を行なうようにすれば、発光点のズレ幅が大きい場
合でもそれを吸収することができる。なお、加算アンプ
で加算する代わりに、Ａ／Ｄ変換後の出力値をデジタル
的に加算するようにしてもよい。

【００３１】なお、同時に多数の発光点を測定する場合
にも同様にして、多数の加算アンプの出力の中で最大の
ものを利用するようにすればよい。また、ＣＣＤ受光素
子の画素サイズと結像性能を合わせるには、画素サイズ
に対して適切な開口数ＮＡのレンズを使用するか、空間
フィルタによってＮＡを制限するなどの手段を用いるこ
とが望ましい。これによって、センサと発光点の相対位
置に影響されない光強度検出系を構成することができ
る。また、微小突起物の高さ測定では２点の散乱強度比
較により高さを求めているため、検出光強度の精度を向
上することができる。さらに、散乱光検出による欠陥検
出系では欠陥サイズ検出の分解能を向上することができ
る。上述の実施の形態では、画素の配列ピッチＰと発光
点のガウス形状のエネルギー分布の最大傾斜点ｕを一致
させる場合について説明したが、これに限らず、最大傾
斜点ｕと配列ピッチＰとが所定の関係となるように設定
してもよい。すなわち、ガウス形状の両側面付近（最大
傾斜点ｕの付近）は近似的に直線と見なせるので、画素
サイズとガウス形状の広がりの関係を適切に選択してや
れば、発光点の位置に影響されない検出系を実現するこ
とができる。

【００３２】上述の実施の形態では、投光光学系として
半導体レーザ光源を例に説明したが、白色光などのその
他の光源を用いてもよいことは言うまでもない。上述の
実施の形態では、ステージ駆動回路によって移動テーブ
ルを移動させているが、光学系の方を移動させるように
してもよいことは言うまでもない。上述の実施の形態で
は、１つのレーザ光Ｉｓに基づいて高さを測定する場合
について説明したが、集光レンズを中心としてその円周
方向に複数個のレーザ光源を設け、種々の角度から微小
突起物の高さを測定するようにしてよい。また、光学系
に特定の偏光成分の光のみを通過させるための光学素子
である偏光板を設けてもよい。

【００３３】上述の実施の形態では、それぞれ異なる２
カ所に位置する微小突起物から散乱する光に基づいて高
さを測定する場合について説明したが、それぞれ異なる
３カ所以上に位置する微小突起物から散乱する光に基づ
いて高さを測定するようにしてもよい。また、上述の実
施の形態では、受光素子群３３から出力された電圧ｂを
受光素子群３２から出力された電圧ａで除算し、その除
算値（ｂ／ａ）に基づいて高さを求める場合について説
明したが、その逆数の（ａ／ｂ）に基づいて求めてもよ
いし、それぞれの電圧ａ，ｂに対応した変換テーブルを
作成し、それに基づいて高さを求めるようにしてもよ
い。上述の実施の形態では、被検査物２０は矢印５１の
方向に移動する場合について説明したが、逆方向に移動
するものであってもよい。この場合には、受光素子群３
３から出力された電圧ｂを遅延するようにすればよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明の微小高さ測定装置によれば、高
精度で、かつ高速に微小突起物の高さを測定することが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の共焦点方式の微小高さ測定装置の概略
を示す図である。

【図２】 本発明の微小高さ測定装置の一実施の形態を
示す構成図である。

【図３】 微小高さ測定装置がどのようにして高さを測
定するのかその高さ測定の原理を説明するための図であ
る。

【図４】 ガウス状のレーザ光の照射によって微小突起
物から散乱した光の強度と各微小突起物の高さとの関係
を示す図である。

【図５】 図２の一部を拡大して示した図であり、検査
対象となる微小突起物と、結像光学系となる集光レン
ズ、分割センサとなるＣＣＤ受光素子と、加算アンプと
の関係を示す図

【図６】 図５の一部を拡大して示す図であり、図５の
ガウス形状のエネルギー分布とＣＣＤ受光素子の各画素
との関係を示す図

【符号の説明】 ２０…被検査物 ２１…移動テーブル ２２…テーブル駆動回路 ３１…集光レンズ ３２，３３…受光素子群 ３４，３５…増幅回路群 ３６…遅延回路 ３７…除算回路 ３８…高さ測定回路 ４１〜４８…微小突起物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 正臣 東京都渋谷区東３丁目16番３号 日立電子 エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 加藤 昇 東京都渋谷区東３丁目16番３号 日立電子 エンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA24 BB01 BB22 CC17 FF01 FF41 GG04 HH04 HH12 JJ03 JJ26 MM03 QQ11

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガウス状の光ビームを被検査試料の表面
   に対して所定の角度で照射させる投光光学系手段と、 前記光ビームの進行方向を前記被検査試料表面に投影し
   た場合の方向と同じ方向に沿って所定の間隔だけ離れた
   少なくとも２カ所の前記光ビームの光路中に物体の測定
   点が存在する場合にその物体から散乱する光ビームに基
   づいた像をそれぞれ結像させる検出光学系手段と、 前記被検査試料と前記投光光学系手段及び前記検出光学
   系手段とを前記光ビームの進行方向を前記被検査試料表
   面に投影した場合の方向と同じ方向に沿って所定の速度
   で相対的に移動させる移動手段と、 前記少なくとも２ヶ所の測定点のうち前記検出光学系手
   段によって先に結像された像に対応した第１の検出信号
   を出力する第１の光学センサ手段と、 前記少なくとも２ヶ所の測定点のうち前記検出光学系手
   段によって後から結像された像に対応した第２の検出信
   号を出力する第２の光学センサ手段と、 前記所定間隔を前記所定速度で除した値に相当する時間
   だけ前記第１の検出信号を遅延させ、その遅延された前
   記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて前
   記物体の前記被検査試料の表面からの高さを測定する測
   定手段とを備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記測定手段は、 前記所定間隔を前記所定速度で除した値に相当する時間
   だけ前記第１の検出信号を遅延させる遅延手段と、 前記第２の検出信号を前記遅延手段によって遅延された
   前記第１の検出信号で除算する除算手段と、 前記除算手段から出力される除算値に基づいて前記物体
   の前記被検査試料の表面からの高さを測定する高さ測定
   手段とを備えたことを特徴とする微小高さ測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、さらに前記投
   光光学系手段の反対側に設けられ、前記被検査試料の表
   面で反射した前記光ビームを受光素子に集光させ、前記
   受光素子の信号に基づいてオートフォーカス処理にて前
   記被検査試料と前記投光光学系手段との間の高さを一定
   に保持するように動作する高さ保持手段を備えたことを
   特徴とする微小高さ測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３において、 前記光ビームの断面形状は前記被検査試料の表面に平行
   な面上で前記光ビームの進行方向に垂直な方向に細長い
   楕円形状であり、 前記第１及び第２の光学センサ手段は前記細長い楕円形
   状に沿ったライン型のセンサ手段で構成されていること
   を特徴とする微小高さ測定装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３又は４において、 前記第１及び第２の光学センサ手段は、前記物体から散
   乱する前記光ビームのガウス状のエネルギー分布の両側
   面に位置するように少なくとも２個の画素を備え、前記
   エネルギー分布がズレた場合でも前記２個の画素の出力
   が相補的な関係となるように構成され、 前記測定手段は、前記２個の画素の出力の加算値に基づ
   いて前記物体の前記被検査試料の表面からの高さを測定
   することを特徴とする微小高さ測定装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記検出光学系手段は、前記第１及び第２の光学センサ
   手段を構成する画素の配列ピッチと、前記物体から散乱
   する前記光ビームのガウス状のエネルギー分布の最大傾
   斜点ｕとを一致させることによって、前記最大傾斜点ｕ
   に対応する画素同士の出力を相補的な関係とし、 前記測定手段は、前記最大傾斜点ｕに対応する画素同士
   の出力の加算値に基づいて前記物体の前記被検査試料の
   表面からの高さを測定することを特徴とする微小高さ測
   定装置。
7. 【請求項７】 請求項６において、 前記測定手段は、前記第１及び第２の光学センサ手段の
   一つ置きに隣接する画素同士の出力の加算値の中の最大
   値に基づいて前記物体の前記被検査試料の表面からの高
   さを測定することを特徴とする微小高さ測定装置。