JP2004286533A

JP2004286533A - 高さ測定方法及びその装置

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Publication number: JP2004286533A
Application number: JP2003077712A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Kakemizu; 孝彦掛水
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】簡単な制御で、高速な撮像を可能とし、汎用性が高く高速な高さ測定を行なうこと。
【解決手段】試料５をＸＹＺステージ１５によってＺ方向に連続的に等速で移動させ、このときにＣＣＤカメラ１１の垂直同期信号に同期してスケール３３のスケール値Ｚを順次読み取り、これらスケール値Ｚを読み取った時点でそれぞれＣＣＤカメラ１１から出力される画像信号を共焦点画像データとして取り込み、これら共焦点画像データの輝度情報Ｉとそのスケール値Ｚとを対応させてデータ蓄積部３６に記憶し、ピーク処理を行なって試料４の高さを算出する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点光学系のセクショニング効果を利用して試料の微小構造や３次元形状を高速で測定する高さ測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度に高さ測定するのに共焦点の原理を利用した共焦点高さ測定装置が用いられている。図６は共焦点高さ測定装置の構成図である。光源１から放射された光は、コリメートレンズ２により平行光に整形され、偏光板３を透過し、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４により試料５側に反射され、ピンホール６に照射される。
【０００３】
このピンホール６を通過した光は、第１の結像レンズ７により集光され、λ／４波長板８を透過し、対物レンズ９により試料５上に照射される。
【０００４】
試料５からの反射光は、この試料５に照射する光路と同一光路を戻り、ピンホール６の位置で焦点の合った光だけが透過し、偏光ビームスプリッタ４、第２の結像レンズ１０を透過してＣＣＤカメラ１１に結像される。
【０００５】
このＣＣＤカメラ１１は、対物レンズ９の焦点の合った試料５の共焦点画像（セクショニング像）を撮像してその画像信号を出力する。
【０００６】
コンピュータ１２は、ステージ移動機構コントローラ１４に対して試料５を載置するＸＹＺステージ１５を光軸方向（Ｚ方向）に所定のサンプリング間隔毎に移動動作させる指令を発し、Ｚ方向に対して共焦点位置を所定のステップ間隔毎に変えてＣＣＤカメラ１１から取り込まれた複数枚の共焦点画像データを取得し、これら共焦点画像データをデータ蓄積部１３に蓄積する。
【０００７】
コンピュータ１２は、データ蓄積部１３に蓄積された複数枚の共焦点画像データを読み出し、これらＺ方向の複数枚の共焦点画像データから試料５の３次元形状を求めてモニタ装置１６に表示出力する。
【０００８】
これと共に演算処理部１７は、データ蓄積部１３に蓄積された複数枚の共焦点画像データを演算処理して試料５の高さを算出する。この高さの算出は、ピーク処理と呼ばれ、試料５の表面に焦点が合ったときに最大輝度になることを利用するもので、各焦点位置での各共焦点画像データから一番輝度が高くなった焦点位置を試料５の光軸方向の表面位置とするか、又は離散的な輝度と焦点位置との関係から近似曲線を求め、一番高くなる位置を推測して試料５の光軸方向の表示位置として算出する。
【０００９】
例えば、上記装置を用いて、図７に示すように試料５としてウエハ１９上に形成されたバンプ２０をウエハ表面ｂからバンプ頂上ａまでの高さを測定する場合は、バンプ頂上ａと基準となるウエハ表面ｂとに対してピーク処理を行ない、それぞれの光軸方向のバンプ頂上ａとウエハ表面ｂとの各位置を算出し、これら位置の差分を取ることでウエハ表面ｂからバンプ頂上ａまでの高さとしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記装置では、例えば特開平９−１０５６１５号公報にも記載されているように、ＸＹＺステージ１５を所定のステップ間隔毎に移動させて各焦点位置に位置決めし、この位置決め毎に共焦点画像を撮像するというシーケンスを繰り返している。これは、共焦点の原理を利用して高さ測定において、撮像された輝度情報がどの焦点位置に対する情報なのかが明確に対応していなければ、測定精度誤差に影響を及ぼす為である。
【００１１】
しかしながら、上記装置では、ＸＹＺステージ１５を移動させて各焦点位置に位置決めする時間を要することやＣＣＤカメラ１１とＸＹＺステージ１５とを連動させる必要があるために、インライン計測で必要となる高速応答には不向きである。
【００１２】
これら問題を解決するための技術として例えば特開平９−５０４６号公報がある。この技術は、図８に示すように厚さの異なる複数の平行平面板２１を共焦点光学系の光軸２２に対して垂直になるように回転板２３の円周上に配置する。そして、回転板２３をモータ２４の駆動により回転させて、共焦点光学系の光軸２２上に複数の平行平面板２１を順次挿入することで、高速撮像を可能にしている。なお、モータ２４を駆動するモータドライバ２５である。この技術は、試料５を特定し、ＣＣＤカメラ１２の撮像枚数能力（以下、フレームレートと称する）に十分に余裕がある場合に有効である。
【００１３】
しかしながら、上記技術では、全ての平行平面板２１の傾きを光軸２２に対して厳密に調整する必要がある。又、試料５によって共焦点画像データを取得する各焦点位置（サンプリング間隔）を変更したい場合、平行平面板２１の厚み構成を全て変更する必要があり、汎用性に欠ける。さらに、回転板２３の回転とＣＣＤカメラの撮像タイミングとの同期を取る必要がある為、ＣＣＤカメラのフレームレートを全て使うことはできない。これは、近年における半導体分野の高精細化の高精度検査には欠かすことの出来ない高画素ＣＣＤ（フレームレートが低い）を使用する場合に有効でない。
【００１４】
そこで本発明は、ＸＹＺステージを移動させて各焦点位置に位置決めすることやＣＣＤカメラとＸＹＺステージとを連動させることもなく、簡単な制御で、高速な撮像を可能とし、汎用性が高く高速な高さ測定ができる高さ測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、共焦点光学系により取得される試料の共焦点画像に基づいて試料の高さ測定を行なう高さ測定方法において、共焦点光学系の共焦点パターンを光軸に対して直交する方向に走査して共焦点画像を得る工程と、共焦点光学系の光軸上における試料に対して焦点位置を等速で連続的に変化させる工程と、試料と共焦点光学系の焦点位置との距離情報と、共焦点光学系の焦点位置における輝度情報とを関連付けて記憶する工程と、これら関連付けられた距離情報と輝度情報とに基づいてピーク処理を行い試料の高さを算出する工程とを有する高さ測定方法である。
【００１６】
本発明は、試料の共焦点画像に基づいて試料の高さ測定を行なう高さ測定装置において、共焦点パターンを光軸に対して直交する方向に走査して共焦点画像を得る共焦点光学系と、共焦点光学系の光軸上における試料に対して焦点位置を等速で連続的に変化させる移動機構と、共焦点光学系により取得される試料の共焦点画像を撮像して共焦点画像データを得る撮像手段と、試料と共焦点光学系の焦点位置との距離を検出する距離検出手段と、試料と共焦点光学系の焦点位置との距離情報と、共焦点光学系の焦点位置における共焦点画像データの輝度情報とを関連付けて記憶する記憶手段と、これら関連付けられた距離情報と輝度情報とに基づいてピーク処理を行い試料の高さを算出する高さ算出手段とを具備した高さ測定装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図６と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００１８】
図１は高さ測定装置の構成図である。偏光ビームスプリッタ４の反射光路上には、ピンホール６に代えて共焦点ディスク３０が配置されている。この共焦点ディスク３０は、セクショニング効果を発生するものであればどのような形状の開口部（開口パターン）３０ａが形成されたものでもよく、例えば複数のスリット開口が形成された複スリットディスク、円形の複数のピンホール開口が形成された回転ディスク（Ｎｉｐｋｏｗディスクなど）などである。この共焦点ディスク３０は、その中心部がモータ３１の回転軸３１ａに連結されている。
【００１９】
又、ステージ移動機構コントローラ３２は、ＸＹＺステージ１５に対して共焦点画像をサンプリングするサンプリング範囲においてＺ方向（光軸方向）に等速で移動させる移動制御信号を送出するもので、具体的にはサンプリング範囲に到達するまで加速し、サンプリング範囲内に入る所定距離だけ手前から等速で移動させ、サンプリング範囲を外れると減速して停止させる機能を有する。
【００２０】
ＸＹＺステージ１５には、Ｚ方向にスケール３３が設けられている。このスケール３３は、ＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動位置を読み取り、この移動位置をスケール値として出力するものである。このスケール値は、試料５と共焦点光学系の対物レンズ９による焦点位置との距離を示す。
【００２１】
一方、コンピュータ３４は、ＣＣＤカメラ１１の撮像により取得される試料５の複数の共焦点画像データを用いてピーク処理を行なって試料５の高さ測定を行うもので、演算処理部３５とデータ蓄積部３６とを有する。
【００２２】
コンピュータ３４は、スケール３３から出力されるスケール値を読み取り、ＸＹＺステージ１５のＺ方向の移動位置がサンプリング範囲内に入ると、ＣＣＤカメラ１１を連続撮像させると共に、ＣＣＤカメラ１１から出力される画像信号を共焦点画像データとして取り込み、この共焦点画像データの輝度情報Ｉとスケール値Ｚとを関連付けてデータ蓄積部３６に記憶する機能を有する。
【００２３】
具体的にコンピュータ３４は、ＸＹＺステージ１５が等速でＺ方向に移動しているときに、ＣＣＤカメラ１１の垂直同期信号に同期してスケール３３のスケール値を読み取り、このスケール値を読み取った時点での共焦点画像データの輝度情報Ｉ（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…，）とそのスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）とを例えば図２に示すように対応させてデータ蓄積部３６に記憶する機能を有する。
【００２４】
演算処理部３５は、データ蓄積部３６に記憶した共焦点画像データとそのスケール値とを読み出し、これらスケール値Ｚと共焦点画像データにおける輝度情報Ｉとの関係（以下、Ｉ−Ｚ特性と称する）を求めるピーク処理を行ない、試料４の高さを算出する高さ算出手段としての機能を有する。図３はスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）と共焦点画像データにおける輝度情報Ｉ（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…，）との関係を示すＩ−Ｚ特性図の例を示す。
【００２５】
なお、コリメートレンズ２と偏光板３との間の光路上には、ＮＤフィルタ３７が配置されるが、これについては第２の実施形態において説明する。
【００２６】
次に、上記の如く構成された装置の動作について説明する。
【００２７】
コンピュータ３４は、モータ３１に対して回転指令を発して共焦点ディスク３０を一定の回転速度で回転させ、これと共にステージ移動機構コントローラ３２に対してＺ方向への移動を開始する指令を発し、かつスケール３３から出力されるスケール値の読み取りを開始する。ステージ移動機構コントローラ３２は、ＸＹＺステージ１５に対して移動制御信号を送出し、ＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動を、先ずは、サンプリング範囲に到達するまで加速し、次にサンプリング範囲内に入る所定距離だけ手前から等速で移動させ、次にサンプリング範囲を外れると減速して停止させる。
【００２８】
このとき、ＸＹＺステージ１５がサンプリング範囲に入って等速でＺ方向に移動するようになると、コンピュータ３４は、図４のタイミングチャートに示すようにＣＣＤカメラ１１の垂直同期信号に同期してスケール３３のスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）を順次読み取り、これらスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）を読み取った時点でそれぞれＣＣＤカメラ１１から出力される画像信号を共焦点画像データとして取り込む。
【００２９】
そして、コンピュータ３４は、各共焦点画像データの輝度情報Ｉ（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…，）とそのスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）とを例えば図２に示すように対応させてデータ蓄積部３６に記憶する。
【００３０】
次に、演算処理部３５は、データ蓄積部３６に記憶した共焦点画像データの輝度情報Ｉ（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…，）とそのスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）とを読み出してピーク処理を行なって例えば図３に示すような輝度情報Ｉ（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…，）とスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）との関係を示すＩ−Ｚ特性図を求め、このＩ−Ｚ特性図から試料４の高さを算出する。
【００３１】
このように上記第１の実施の形態においては、試料５をＸＹＺステージ１５によってＺ方向に連続的に等速で移動させ、このときにＣＣＤカメラ１１の垂直同期信号に同期してスケール３３のスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）を順次読み取り、これらスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）を読み取った時点でそれぞれＣＣＤカメラ１１から出力される画像信号を共焦点画像データとして取り込み、これら共焦点画像データの輝度情報Ｉ（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…，）とそのスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）とを対応させてデータ蓄積部３６に記憶し、ピーク処理を行なって試料４の高さを算出するので、ＸＹＺステージ１５を焦点位置に高精度に位置決めする必要はなく、ＸＹＺステージ１５をＺ方向に連続的に等速で移動させればよく、ＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動制御を非常な簡単化できる。
【００３２】
そのうえ、ＸＹＺステージ１５は連続的に移動させればよいので、複数枚の共焦点画像データを取り込む時間を速くでき、試料５の高速な高さ測定ができる。これにより、高速応答が必要なインライン計測に適用できる。
【００３３】
又、ＣＣＤカメラ１１の垂直同期信号に同期してスケール３３のスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）を順次読み取るので、ＣＣＤカメラ１１の露光タイミングと試料５のＺ方向のスケール値との対応が確実に取れてその関係が安定化でき、かつＣＣＤカメラ１１の撮像を連続に行なうことができ、ＣＣＤカメラ１１のフレームレートをフルに使うことができる。
【００３４】
なお、上記一実施の形態では、ＣＣＤカメラ１１の垂直同期信号に同期してスケール３３のスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）を順次読み取り、これらスケール値Ｚ（Ｚ_１，Ｚ_２，Ｚ_３，…，）に対応してＣＣＤカメラ１１から共焦点画像を取り込んでいるが、これに限らず、ＸＹＺステージ１５が等速移動であれば、コンピュータ３４の内部タイマ等の時刻を読み取って所定時間毎に共焦点画像を取り込んでもよい。
【００３５】
又、ＸＹＺステージ１５に当該ＸＹＺステージ１５の移動距離に対応した測定値を検出するためのセンサ類を取り付けたり、ロータリーエンコーダを取り付けて、ＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動位置を検出するようにしてもよい。
【００３６】
又、ＣＣＤカメラ１１の撮像間隔とスケール３３の読み取り間隔とが一定であればよいので、キャブレーションし、１回補正を掛けることにより、ＣＣＤカメラ１１の撮像時のスケール値でなくても済む。これによって、タイマや、ディスクスキュン共焦点方式で使用される共焦点ディスク３０の回転をＣＣＤカメラ１１の撮像タイミングと同期させて得た信号すなわち時間間隔を同期信号として発生させ、この同期信号に同期させて共焦点画像データを取り込んでもよい。
【００３７】
上記一実施の形態では、試料５をＸＹＺステージ１５上に載置してＺ方向に移動されているが、これに限らず、共焦点光学系における対物レンズ９又は第１の結像レンズ７を光軸方向に移動させてもよい。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、高さ測定装置の構成は、上記図１と同様なので、図１を援用して説明する。
【００３９】
この第２の実施の形態において、ステージ移動機構コントローラ３２は、ＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動速度を、予め定められた標準測定時の移動速度のα倍で等速移動させる機能を有する。
【００４０】
ＣＣＤカメラ１１の露光時間は、コンピュータ３４によって標準測定時の露光時間の（１／α）倍に設定する。
【００４１】
さらに、コリメートレンズ２と偏光板３との間の光路上には、ＮＤフィルタ３７を配置する。このＮＤフィルタ３７を配置することにより、光源１から共焦点光学系への投光量を標準測定時の投光量のα倍にする。
【００４２】
図５はＩ−Ｚ特性に対応させてＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動速度（標準測定時の移動、α倍の等速移動）と、ＣＣＤカメラ１１の露光時間（標準測定時の速度での露光時間Ｑ_１、α倍の等速移動の速度での露光時間Ｑ_２）とを示している。
【００４３】
上記装置の動作は、上記第１の実施の形態と同様なのでここでは省略する。
【００４４】
このように上記第２の実施の形態においては、ＸＹＺステージ１５のＺ方向への移動速度を、予め定められた標準測定時の移動速度のα倍で等速移動させ、ＣＣＤカメラ１１の露光時間を標準測定時の露光時間の（１／α）倍に設定し、かつＮＤフィルタ３７により光源１から共焦点光学系への投光量を標準測定時の投光量のα倍にするので、上記第１の実施の形態の効果に加えて、ＸＹＺステージ１５による試料５のＺ方向への移動速度をどうような等速な速度に設定しても、試料５における任意の焦点面で得られた輝度情報であって、これら輝度情報とＺ方向の位置とを対応させることができ、Ｉ−Ｚ特性をオフセットさせることなく面倒な位置補正をする必要が無く、共焦点画像を取り込むサンプリング間隔を容易に変更できる。
【００４５】
なお、本発明は、上記第１及び第２の実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【００４６】
例えば、本発明は、スケール値Ｚとこのスケール値Ｚを読み取った時点での共焦点画像データとを対応させてデータ蓄積部３６に記憶すればよいので、ＸＹＺステージ１５による試料５のＺ方向への移動速度が変動しても、スケール値Ｚに対応した共焦点画像データの輝度情報を用いてピーク処理を行なって試料４の高さを算出できる。
【００４７】
さらに、上記実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、ＸＹＺステージを移動させて各焦点位置に位置決めすることやＣＣＤカメラとＸＹＺステージとを連動させることもなく、簡単な制御で、高速な撮像を可能とし、汎用性が高く高速な高さ測定ができる高さ測定方法及びその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高さ測定装置の第１の実施の形態を示す概略構成図。
【図２】本発明に係わる高さ測定装置の第１の実施の形態におけるデータ蓄積部の模式図。
【図３】本発明に係わる高さ測定装置の第１の実施の形態におけるＩ−Ｚ特性図。
【図４】本発明に係わる高さ測定装置の第１の実施の形態におけるスケール値読み取りのタイミングチャート。
【図５】本発明に係わる高さ測定装置の第２の実施の形態におけるＩ−Ｚ特性に対応させてＺ方向への移動速度とＣＣＤカメラの露光時間とを示した図。
【図６】従来の共焦点高さ測定装置の構成図。
【図７】ウエハ表面からバンプ頂上までの高さ測定を説明するための図。
【図８】従来におけるインライン計測で必要となる高速応答に対応する共焦点高さ測定装置の一部構成図。
【符号の説明】
１：光源、２：コリメートレンズ、３：偏光板、４：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、５：試料、６：ピンホール、７：第１の結像レンズ、８：λ／４波長板、９：対物レンズ、１０：第２の結像レンズ、１１：ＣＣＤカメラ、１５：ＸＹＺステージ、１６：モニタ装置、３０：共焦点ディスク、３０ａ：開口部（開口パターン）、３１：モータ、３２：ステージ移動機構コントローラ、３３：スケール、３４：コンピュータ、３５：演算処理部、３６：データ蓄積部。

Claims

共焦点光学系により取得される試料の共焦点画像に基づいて前記試料の高さ測定を行なう高さ測定方法において、
前記共焦点光学系の共焦点パターンを光軸に対して直交する方向に走査して前記共焦点画像を得る工程と、
前記共焦点光学系の光軸上における前記試料に対して前記焦点位置を等速で連続的に変化させる工程と、
前記試料と共焦点光学系の焦点位置との距離情報と、前記共焦点光学系の焦点位置における輝度情報とを関連付けて記憶する工程と、
これら関連付けられた前記距離情報と前記輝度情報とに基づいてピーク処理を行い前記試料の高さを算出する工程と、
を有することを特徴とする高さ測定方法。
前記共焦点光学系の焦点位置をサンプリング範囲内において等速で変化させ、この等速度に同期して前記輝度情報を取得することを特徴とする請求項１記載の高さ測定方法。
前記共焦点光学系の焦点位置の移動速度に応じて前記共焦点画像を取得する露光時間と前記試料に投光する光量とを可変することを特徴とする請求項１記載の高さ測定方法。
試料の共焦点画像に基づいて前記試料の高さ測定を行なう高さ測定装置において、
共焦点パターンを光軸に対して直交する方向に走査して前記共焦点画像を得る共焦点光学系と、
前記共焦点光学系の光軸上における前記試料に対して前記焦点位置を等速で連続的に変化させる移動機構と、
前記共焦点光学系により取得される前記試料の共焦点画像を撮像して共焦点画像データを得る撮像手段と、
前記試料と前記共焦点光学系の焦点位置との距離を検出する距離検出手段と、前記試料と共焦点光学系の焦点位置との距離情報と、前記共焦点光学系の焦点位置における前記共焦点画像データの輝度情報とを関連付けて記憶する記憶手段と、
これら関連付けられた前記距離情報と前記輝度情報とに基づいてピーク処理を行い前記試料の高さを算出する高さ算出手段と、
を具備したことを特徴とする高さ測定装置。
前記移動機構は、前記試料に対する前記共焦点光学系の焦点位置がサンプリング範囲内において等速で移動させることを特徴とする請求項４記載の高さ測定装置。
前記距離検出手段は、前記撮像手段による前記共焦点画像の撮像タイミングに同期して前記試料と前記共焦点光学系の焦点位置との距離を検出することを特徴とする請求項４記載の高さ測定装置。
前記移動機構による前記試料に対する前記共焦点光学系の焦点位置の移動速度に応じて前記撮像手段により取得する前記共焦点画像の露光時間と前記試料に投光する光量とを可変することを特徴とする請求項４記載の高さ測定装置。