JP2003247817A - リニアスキャン型共焦点表面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共焦点光学系による高速な表面形状計測を実
現するリニアスキャン型共焦点表面形状計測装置を提供
する。 【解決手段】 リニアスキャン型共焦点表面形状計測装
置において、周期性を持って配列された複数の開口を有
する共焦点開口アレイ３を、リニアに等速走査し、終端
までに複数回の焦点移動および焦点移動した位置での共
焦点画像入力を終了させて、共焦点開口アレイ３におけ
る一回の走査で、一回の表面形状計測を終了させるよう
にして、高速な表面形状計測を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状を
計測するためのリニアスキャン型共焦点表面形状計測装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点光学系を用いて画像を撮る（以下
では共焦点光学系による画像を共焦点画像と呼ぶことに
する）と、ぼけて広がった光は消失しピントの合った部
分だけが画像化される。一般の結像光学系ではぼけた光
は像面上に広がり画像を劣化させるが、共焦点光学系で
はそのようなことがない（あるいは非常に少ない）た
め、コントラストの高いシャープな画像が得られる。ま
た、コントラストだけでなく、画像の分解能自体も一般
の結像光学系より高くなるため、高分解能な観察が可能
である。また、ピントの合った部分だけが画像化される
特徴を用いて撮像物体の表面形状が計測可能なことでも
知られており、このような特長を生かして、近年その産
業界への適用が広がりつつある。

【０００３】共焦点光学系（反射型）の基本構造を図８
に示す。点光源１０１からでた光は対物レンズ１０３に
より集光され、物体に投影される。物体から反射して再
び対物レンズ１０３に入射した光はハーフミラー１０２
を介して点光源１０１と光学的に同じ位置にあるピンホ
ール１０４に入射し、ピンホール１０４を通過した光の
量が検出器１０５により計測される。これが共焦点光学
系の基本的な構造である。

【０００４】この光学系を利用することにより次のよう
にして物体表面の各位置の高さが計測できる。物体表面
が点光源１０１に共役な位置にある場合、反射光は同じ
く共役な位置であるピンホール１０４面に収束し多くの
反射光がピンホール１０４を通過する。しかし物体表面
が点光源１０１に共役な位置から離れると、ピンホール
１０４を通過する光量は急速に減少する。このことから
物体と対物レンズ１０３との距離を変化させて検出器１
０５が最大出力を示す点を見つければ物体表面の高さが
わかることになる。

【０００５】共焦点光学系は基本的に点検出の光学系で
あるため、共焦点画像を得るためには一般にＸＹの走査
を行う必要がある。ＸＹ走査の方法としてはレーザービ
ーム走査またはＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋと呼ばれる回転
円盤を用いた走査が一般的であり、これらの走査手法を
使って共焦点画像を得る光学系は、共焦点顕微鏡として
知られている。

【０００６】共焦点顕微鏡を使った表面形状計測も、基
本的には先ほどの点計測型の共焦点光学系を用いた表面
形状計測と同じで、物体と対物レンズ１０３との距離を
変化させて検出器１０５が最大出力を示す点を見つける
訳であるが、物体と対物レンズ１０３との距離を変化さ
せるごとに得られるデータは物体表面１点のデータでは
なく、２次元的な画像データであり、最大出力位置は画
像データの各点ごとに異なる。

【０００７】具体的には、高さ計測の分解能をｄとする
と、物体と対物レンズ１０３との距離をｄずつ変化させ
る毎に共焦点画像を取得、保存し、光軸方向計測範囲す
べてを走査（つまり物体と対物レンズ１０３との距離を
変化）し終わった後、各画素毎に最も検出器１０５の出
力が大きい画像の位置を探索することで、各画素毎に物
体表面の位置を求めることができ、２次元的な表面形状
計測データが得られることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来型の共焦点表面形状計測手法では高速な計測が難しい
という問題がある。

【０００９】半導体業界では、ＩＣパッケージのような
大量生産部品の電極端子（大きさ数十ミクロン〜数百ミ
クロン）寸法検査をサブミクロンからミクロンレベルの
精度で全数検査をしたいという強いニーズがある。従
来、ミクロン、サブミクロンレベルの計測は、干渉計や
触針式形状測定器によりオフライン的に時間をかけて計
測されてきたが、ここではインライン的に高速に計測す
ることが求められる。この場合、数十万点〜数百万点の
高さ計測をサブ秒レベルで計測できなければならない。
このような高速な計測は先に述べた従来型の共焦点表面
形状計測手法では達成できない。

【００１０】まず第一の問題は共焦点顕微鏡である。共
焦点顕微鏡は先に述べたように、レーザービーム走査あ
るいはＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査が行われるが、レー
ザービーム走査は１本のビームで画像全体を走査するた
め、高速な走査は難しい。速くても一共焦点画像あたり
１／３０秒程度はかかってしまう。

【００１１】Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査においては、
高速走査は可能であり、一共焦点画像あたり１／１００
０秒というような高速な走査も報告されているが、この
場合、Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋを１０００回転／秒の高
速回転で回転させなければならない。半導体生産ライン
でのインライン検査機を考えた場合、２４時間／日、３
６５日／年動き続ける事を想定する必要があるが、上記
のような高速回転では耐久的に無理がある。

【００１２】また、第二の問題は必要な画像の数であ
る。計測範囲／分解能で決まる数の共焦点画像を必要と
するため、膨大な共焦点画像を取得、処理しなければな
らない。例えば、典型的な例では２５６ミクロンの計測
範囲を１ミクロン分解能で計測する場合、２５６枚の共
焦点画像が必要となる。

【００１３】第三の問題は、物体と対物レンズ１０３と
の距離を変える（以下では焦点移動と呼ぶ）方法であ
る。通常、載物台（Zテーブル）を移動させることで、
焦点移動を行うのが一般的であるが、分解能ｄ毎に止め
るステップ移動か、または非常に低速で連続移動させる
（低速とするのはＸＹ走査中の焦点変化の量を小さくす
るため）必要があり、高速化を妨げている。

【００１４】本発明はこのような従来技術の問題点を克
服し、高速な表面形状計測を実現する装置を提供するも
のである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の技術的課題を解決
するために、周期性を持って配列された複数の開口を有
する共焦点開口アレイと、像面位置に該共焦点開口アレ
イが配置された対物レンズと、該共焦点開口アレイを該
対物レンズの像面内で光軸と垂直な方向にリニアに移動
させる移動機構と、該対物レンズの有効像面全体を照明
する照明光学系と、計測物体で反射して該対物レンズに
入射し、該共焦点開口アレイを通過した物体反射光を該
照明光学系とは異なる方向へ偏向する偏向光学素子と、
該偏向光学素子により偏向した該物体反射光を受光して
光電変換し、電気信号として出力する検出器と、該共焦
点開口アレイの像を、該偏向光学素子を介して該検出器
上に結像せしめる結像光学系と、該対物レンズの焦点位
置を、計測物体に対して光軸方向に相対的に移動させる
焦点位置変化手段と、該検出器の出力をデジタル信号と
して入力し、得られた一連の焦点位置の異なるデータを
用いて、そのデータを得た焦点位置間隔を超える分解能
で、最大値を与える焦点位置を内挿処理を用いて推定
し、推定した焦点位置をその点の高さとする処理を実行
する画像処理装置とにより構成され、少なくとも、該焦
点位置変化手段により計測範囲全体が走査される間は、
該共焦点開口アレイは該移動機構により一定速度で移動
させられ、該検出器の１回の露光時間は、該共焦点開口
アレイ移動方向の開口配列周期の整数倍の移動時間と同
じになるよう設定するようにした。

【００１６】また、前記共焦点開口アレイの開口形状は
該共焦点開口アレイ移動方向を短辺とするスリットであ
り、複数のスリットが同一周期で該共焦点開口アレイ移
動方向に配列されることが好ましい。

【００１７】さらに、前記焦点位置変化手段は、互いに
厚さが異なるか又は互いに屈折率が異なる複数の平行平
板形の透明体が、前記対物レンズの光軸と交差するよう
に回転軸から等距離に配列されている回転体と、該回転
体を連続回転させる駆動手段とを有し、前記検出器の毎
回の撮像タイミング毎に、前記平行平板形の透明体のそ
れぞれが前記対物レンズの光軸と交差するように同期を
とることで、該検出器の撮像画像１枚毎に焦点位置の異
なる画像を得るようにすることが好ましい。

【００１８】以上のように装置を構成することで、定速
でリニアに共焦点開口アレイをスキャンし、そのスキャ
ン内に焦点移動を行い、表面形状計測に必要な画像を取
得してしまうことができるようになり、高速な計測が可
能になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して具体的に本
発明の実施の形態を説明する。図１に本発明の実施の形
態を示す。照明光学系１より射出された光は、偏向光学
素子２を透過して共焦点開口アレイ３を照明する。共焦
点開口アレイ３の開口部を透過した照明光は対物レンズ
４により結像作用を受けて、共焦点開口アレイ３の開口
のある面に対して対物レンズ４の共役な位置に共焦点開
口アレイ３の像を結ぶ。その後、物体５で反射した光は
再び対物レンズ４に入り共焦点開口アレイ３に到達す
る。共焦点開口アレイ３を透過した光は偏向光学素子２
により偏向作用を受けて結像光学系６に入射し、検出器
７に到達する。検出器７に到達した光は光電変換され電
気信号として出力され、画像処理装置８に入力される。
画像処理装置８は入力信号をデジタル化し、演算を行
う。ここで、結像光学系６は共焦点開口アレイ３の像を
検出器７の光電変換面に結ぶように構成されている。

【００２０】以上のような構成は、一般的なＮｉｐｋｏ
ｗ ｄｉｓｋ走査顕微鏡と全く同じであり（実際上は共
焦点開口アレイ３を透過せず、上面で反射した照明光が
検出器７に到達するのを防ぐために、偏向光学素子２を
偏光ビームスプリッタとし、対物レンズ４の光路中に１
／４波長板を入れてある場合が多い）、このような光学
配置で共焦点の効果が得られることは明らかである。

【００２１】Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査顕微鏡と本願
発明との違いは、共焦点開口アレイ３の動きにある。Ｎ
ｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査顕微鏡においては共焦点開口
アレイ３がＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋそのものであり、終
端のない回転運動を行うが、本願発明においては、リニ
アアクチュエータ９とそのコントローラ１０よりなる移
動機構によりリニアな往復運動を行う。Ｎｉｐｋｏｗ
ｄｉｓｋ走査顕微鏡においてはＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ
一回転で共焦点画像一枚が得られる訳であるが、本願発
明では往復運動の片道分（以下では１スキャンと呼ぶ）
で一回の表面形状計測を行う。つまり１スキャン中に複
数の共焦点画像を得る。

【００２２】共焦点開口アレイ３の１スキャンの動作を
図２、図３を用いて詳細に述べる。図２は本願発明にお
ける典型的な共焦点開口アレイ３の模式図である。移動
方向に直交する方向に長辺を持つスリット３ａが、移動
方向に同一ピッチで多数並んでいるものである。このよ
うな開口を持つ共焦点開口アレイ３の場合、共焦点画像
を得るのに必要な最低限のスキャン幅はスリット３ａの
ピッチに等しい。つまり、スリット３ａのピッチ分共焦
点開口アレイ３が移動すれば、検出器７（通常は２次元
ＣＣＤカメラ）全面で共焦点データが得られることにな
る。

【００２３】図３は共焦点開口アレイ３の１スキャン時
間内での移動速度の変化を示している。この等速運動部
分で計測を行う。等速運動部分の速度と、検出器７の露
光時間（シャッター時間）を調整すれば、共焦点開口ア
レイ３がちょうどスリット３ａの１ピッチ分移動する間
だけ露光させることが可能であり、このようにすれば露
光開始のタイミングに関係なく（つまり共焦点開口アレ
イ３と検出器７との相対的な位置関係に関係なく）、同
じ露光時間で画像を取れば、共焦点開口アレイ３が等速
運動をしている限り、自由なタイミングで共焦点画像を
得ることができることになる。

【００２４】より具体的に数値を与えて例示する。検出
器７は５０フレーム／ｓの撮像速度の２次元ＣＣＤカメ
ラであり、任意のタイミング、任意の露光時間でシャッ
ターを切ることができるとする。共焦点開口アレイ３は
スリット３ａの幅２０μm、スリットピッチは、スリッ
ト３ａ間の漏洩光がないようにスリット幅の１０倍で２
００μmで製作されているとする。検出器７の露光時間
を１０ｍｓと設定したとすれば、０．２ｍｍ／０．０１
ｓ＝２０ｍｍ／ｓで共焦点開口アレイ３を等速運動させ
れば、露光時間中に丁度１ピッチ分共焦点開口アレイ３
が移動することになる。１秒間等速運動をさせれば、５
０フレームの共焦点画像を１スキャンで得ることができ
ることになる。このときのトータルな共焦点開口アレイ
３の移動量（加速減速部分は除く）はたかだか２０ｍｍ
にすぎない。

【００２５】共焦点開口アレイ３として、スリットアレ
イ型のものを示したが、本願発明の共焦点開口アレイ３
はこれに限られるものではない。例えば、図４に、開口
部分を拡大して示しているような、ピンホールアレイタ
イプのものでも良い。この場合は、１スキャンの移動量
がかなり大きくなるデメリットがあるが、ＸＹに差のな
い完全な共焦点画像を得ることができる。

【００２６】Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査型の共焦点顕
微鏡はＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋが回転している限り、共
焦点画像がとぎれることなく得られる。共焦点顕微鏡で
あるから観察が主体であるためとぎれることのない撮像
が必要となるわけであるが、表面形状計測においては、
１回（１視野）の計測という区切りがあることからとぎ
れのない撮像は必要不可欠ではない。通常、共焦点表面
形状計測では焦点移動を行う必要があり、焦点移動は通
常リニアなＺテーブル移動であり、上記の共焦点開口ア
レイ３スキャンと同様に終端があり、加減速が不可欠で
あることから、一回の計測と次の計測の間はどうしても
無意味な時間（この時間に共焦点画像は必要ない時間）
が存在する。であれば、ｄｉｓｋの回転のような終端の
ないスキャンでなく、終端のあるスキャンであっても、
そのスキャン中に一回の計測が終了してしまえば問題は
ない。上記の例で言えば、１スキャン１秒５０フレーム
内で計測が終了すればよい。

【００２７】しかしながら、従来の共焦点表面形状計測
では１回の計測に２００枚を越えるような共焦点画像
を、Ｚテーブルにより焦点位置を変えながら得る必要が
あり、これをすべて取得する間、リニアにスキャンを行
っていては非常に長い共焦点開口アレイ３が必要にな
り、全く現実的ではない。そこで、まず１回の計測に必
要な共焦点画像を減らす演算方法を採用する。

【００２８】図５を用いて演算方法を示す。図の山型の
カーブは共焦点光学系の軸上応答曲線（物体５に対し
て、対物レンズ４の焦点位置を変化させた場合の検出器
７の出力）である。山のピークが最もピントが合った位
置であり、この位置を入力データの中から探索すること
で、物体５の表面高さを知ることができるわけである
が、従来は（ａ）のように焦点位置を細かく、必要分解
能ステップで移動させてデータをとり、得られたデータ
の中から最大を与える焦点位置を見つけるという処理を
行っていた。

【００２９】しかし本願発明では、必要分解能より大幅
に大きいステップで（より具体的には、山の中で３点程
度のデータが得られるようなステップで）データをと
り、山のピーク位置は、補間演算を用いて推定するよう
にしている。

【００３０】具体的には、例えば山の形をＧａｕｓｓ分
布であると考え、Ｇａｕｓｓ関数にフィッテイングして
求めることにすれば、最大値ｆｐとその前後の各１点ｆ
ｐ−１，ｆｐ＋１の計３点から以下のような式で推定で
きる。ｚｆｏｃｕｓ＝ｚｐ＋（ｌｎ（ｆｐ＋１）−ｌｎ
（ｆｐ−１））／ （２（２ｌｎ（ｆｐ）−ｌｎ（ｆｐ
−１）−ｌｎ（ｆｐ＋１）））ここで、ｚｆｏｃｕｓは
山のピークを与える焦点位置であり、ｚｐは最大値ｆｐ
を与える焦点位置、ｌｎは自然対数を示している。

【００３１】このような補間演算を行うことで、従来法
に比べて必要焦点位置の数、すなわち入力共焦点画像の
数を一桁少なくすることが可能になる。つまり、従来２
００枚必要であった画像が、２０枚以下で済むことにな
る。

【００３２】再び図１を参照して、焦点位置変化手段１
１により２０段階程度の焦点位置変化を高速に行えば、
サブ秒レベルの高速計測が行えることになる。

【００３３】先の例で言えば、５０枚の共焦点画像を得
るのが１ｓであるから、必要画像が２０枚である場合、
一回の計測の少なくともデータ（共焦点画像）入力時間
は０．４ｓで終了させることができる。従来の共焦点表
面形状計測が、一回の計測につき数十秒を要することを
考えれば２桁近い高速化が達成できることになる。

【００３４】補間演算の方法は他にも色々考えられる。
同じような山形をした関数（例えば放物線関数）を用い
てフィッティングしてもよいし、重心を演算しても良
い。典型的な山の形をテンプレートとして保存してお
き、計測データと正規化相関演算を行って求めることも
できる。また、３点を使うのではなく、２点あるいは４
点以上の点を用いて演算しても良い。

【００３５】次に焦点位置変化手段１１について詳しく
述べる。一般的に焦点移動は、載物台をＺテーブルによ
り移動させるかまたは対物レンズ４をピエゾ素子などを
用いて移動させて行う。レーザー走査、Ｎｉｐｋｏｗ
ｄｉｓｋ走査そして本願発明のリニア走査のうちどれを
用いるにしても走査を行う限り、焦点移動を高速に行う
ことはできない。

【００３６】高速な焦点移動を行うためには、載物台を
移動させるにせよ、対物レンズ４を移動させるにせよ、
連続移動を行う必要があるが、高速な連続移動を行え
ば、露光時間中つまりレーザー走査、Ｎｉｐｋｏｗ ｄ
ｉｓｋ走査などを行っているまさにその最中に移動して
しまうことになり、画像の場所によって異なる焦点位置
でのデータを得ることになってしまう。これでは高精度
な計測は不可能である。結局連続移動をするにしても非
常に低速で移動するしかない。もちろん、ステップ的な
移動では高速化は不可能である。

【００３７】本願発明における焦点位置変化手段１１の
一実施例を図６と図７とを参照して説明する。図６に示
すように、対物レンズ４の光路中に平行平板形の透明体
１１１を挿入すると、対物レンズ４の焦点面が移動す
る。移動量は透明体１１１の屈折率または厚さにより制
御することが可能である。この原理を用いて、図７に示
すように、回転体１１２の円周上に互いに厚さまたは屈
折率の異なる透明体１１１を並べ、この円周上に対物レ
ンズ４の光軸がくるように配置して、駆動手段１１３に
より回転体１１２を連続回転させることにする。このよ
うにすると、各透明体１１１が対物レンズ４の光軸と交
わる毎にステップ的に対物レンズ４の焦点位置が移動す
ることになる。

【００３８】各透明体１１１が対物レンズ４の光軸と交
わるタイミングと検出器７の毎回の露光タイミングとの
同期を取れば、検出器７の撮像画像１枚毎に焦点位置の
異なる画像が得られることになる。平行平板形の透明体
１１１は、光軸に対して直交するように水平移動しても
１枚の透明体１１１の中であれば、厚さあるいは屈折率
は変わることがないから焦点位置は移動しない。すなわ
ち、検出器７の露光時間中、つまりリニア走査中であっ
ても、露光時間中は一つの透明体１１１と交わっている
状態にすることにより、載物台または対物レンズ４の連
続高速移動時のような不具合が発生することはない。

【００３９】

【発明の効果】本発明により高速な共焦点表面形状計測
が実現できることになる。従来、共焦点表面形状計測は
計測速度の問題からオフライン的にしか行われていなか
ったが、本発明により高速性が必要とされるインライン
検査にも適用が可能になる。高速かつ高精度な計測が特
に必要とされる半導体業界に対して大きい効果が期待で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を説明するための図であ
る。

【図２】本発明の共焦点開口アレイの一例を示す図であ
る。

【図３】本発明の共焦点開口アレイの移動速度の変化の
一例を示す図である。

【図４】本発明の共焦点開口アレイの別の一例を示す図
である。

【図５】本発明の高さ演算方法を説明するための図であ
る。

【図６】本発明の焦点位置変化手段の原理を示す図であ
る。

【図７】本発明の焦点位置変化手段を説明するための図
である。

【図８】共焦点光学系の計測原理を示す図である。

【符号の説明】

１ 照明光学系 ２ 偏向光学素子 ３ 共焦点開口アレイ ３ａ スリット ４ 対物レンズ ６ 結像レンズ ７ 検出器 ８ 画像処理装置 ９ アクチュエータ １０ コントローラ １１ 焦点位置変化手段 １１１ 平行平板形の透明体 １１２ 回転体 １１３ 駆動手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期性を持って配列された複数の開口を
   有する共焦点開口アレイと、 像面位置に該共焦点開口アレイが配置された対物レンズ
   と、 該共焦点開口アレイを該対物レンズの像面内で光軸と垂
   直な方向にリニアに移動させる移動機構と、 該対物レンズの有効像面全体を照明する照明光学系と、 計測物体で反射して該対物レンズに入射し、該共焦点開
   口アレイを通過した物体反射光を該照明光学系とは異な
   る方向へ偏向する偏向光学素子と、 該偏向光学素子により偏向した該物体反射光を受光して
   光電変換し、電気信号として出力する検出器と、 該共焦点開口アレイの像を、該偏向光学素子を介して該
   検出器上に結像せしめる結像光学系と、 該対物レンズの焦点位置を、計測物体に対して光軸方向
   に相対的に移動させる焦点位置変化手段と、 該検出器の出力をデジタル信号として入力し、得られた
   一連の焦点位置の異なるデータを用いて、そのデータを
   得た焦点位置間隔を超える分解能で、最大値を与える焦
   点位置を内挿処理を用いて推定し、推定した焦点位置を
   その点の高さとする処理を実行する画像処理装置とによ
   り構成され、 少なくとも、該焦点位置変化手段により計測範囲全体が
   走査される間は、該共焦点開口アレイは該移動機構によ
   り一定速度で移動させられ、該検出器の１回の露光時間
   は、該共焦点開口アレイ移動方向の開口配列周期の整数
   倍の移動時間と同じになるよう設定されることを特徴と
   するリニアスキャン型共焦点表面形状計測装置。
2. 【請求項２】 前記共焦点開口アレイの開口形状は該共
   焦点開口アレイ移動方向を短辺とするスリットであり、
   複数のスリットが同一周期で該共焦点開口アレイ移動方
   向に配列されたことを特徴とする請求項１記載のリニア
   スキャン型共焦点表面形状計測装置。
3. 【請求項３】 前記焦点位置変化手段は、互いに厚さが
   異なるか又は互いに屈折率が異なる複数の平行平板形の
   透明体が、前記対物レンズの光軸と交差するように回転
   軸から等距離に配列されている回転体と、該回転体を連
   続回転させる駆動手段とを有し、 前記検出器の毎回の撮像タイミング毎に、前記平行平板
   形の透明体のそれぞれが前記対物レンズの光軸と交差す
   るように同期をとることで、該検出器の撮像画像１枚毎
   に焦点位置の異なる画像を得るようにしたことを特徴と
   する請求項１又は請求項２記載のリニアスキャン型共焦
   点表面形状計測装置。