JP2004286608A

JP2004286608A - 共焦点高さ測定装置

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Publication number: JP2004286608A
Application number: JP2003079396A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Kakemizu; 孝彦掛水
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】誤差要因に関わらず高精度な試料の高さ測定が可能な共焦点高さ測定装置を提供すること。
【解決手段】光源１からの照明光を、所定のパターン部を有するディスク５から対物レンズ９を介して試料１０に結像し、前記試料からの光を再び前記対物レンズから前記ディスクを介して撮像手段（１２）に入射して前記試料の観察画像を得る共焦点顕微鏡からなる共焦点高さ測定装置であり、前記対物レンズの光軸に対する前記ディスクの傾きと前記試料を載置するステージの傾きと前記対物レンズの像面湾曲との少なくとも一つに起因する光軸方向の位置補正データを記憶する記憶手段（１３ｃ）と、前記記憶手段に記憶された位置補正データを使用して前記共焦点顕微鏡により得られた高さ情報を補正する補正手段（１３ｄ）と、を具備。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のピンホールまたはスリットパターン等を有したディスク共焦点光学系を利用し、被測定物の微小構造や３次元の形状を高精度に測定する共焦点高さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被測定物の高さ測定を高精度に行なうために、共焦点光学系を利用した装置がある。
【０００３】
図４は、従来のディスク共焦点高さ測定装置の構成を示す図である。光源１から出射した照明光は、コリメートレンズ２を通り、偏光板３で偏光された後にＰＢＳ４で反射され、複数のピンホールを持ったＮｉｐｋｏｗディスク５’を通過し、第１結像レンズ７、１／４波長板８、対物レンズ９を通過して、試料１０に照射される。試料１０からの反射光は、上記の光路を戻り、Ｎｉｐｋｏｗディスク５’のピンホールの位置で焦点の合った光だけが透過し、ＰＢＳ４、第２結像レンズ１１を通過してＣＣＤカメラ１２にて撮像される。ここで撮像されるのは、試料１０の光軸方向に対して垂直な焦点面での共焦点画像である。
【０００４】
このような作用を利用して、ステージ移動機構コントローラ１５でＸ−Ｙ−Ｚステージ１６を高さ（光軸）方向へ移動させることにより、焦点面を光軸方向へ移動させ、各焦点面の画像をＣＣＤカメラ１２にて撮像し共焦点画像を取得する。これら共焦点画像のデータは、コンピュータ１３のデータ蓄積部１３ａで蓄積され、演算処理部１３ｂでの演算処理により試料１０の高さが算出される。
【０００５】
この高さの算出方法として、物体の表面に焦点が合った時が最大輝度となることを利用して、各焦点位置での画像データから輝度が一番高くなった焦点位置を検出し、物体の光軸方向での表面位置とする。または、離散的な輝度と焦点位置の関係から近似曲線を求め、輝度が一番高くなる位置を推測して物体の光軸方向での表面位置とする。これらの高さの算出方法をピーク処理という。
【０００６】
例えば、図５に示すようなウエハ５１上のバンプ５２について、ウエハ表面１０ｂからバンプ頂点１０ａまでの高さを上記の方法によって測定するには、測定対象のバンプ５２と基準となる底面（ウエハ表面）に対してピーク処理をし、光軸方向の各表面位置を算出してその差分をとることにより、基準となる底面からのバンプ５２の高さとする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示したディスク共焦点光学系では、対物レンズ９を有しているために像面湾曲により視野内での光軸方向の表面位置が異なる。像面湾曲とは、図６に示すように、対物レンズ９の湾曲によってディスク５’の平面像が検査面に対して湾曲して結像する現象である。このため、試料１０が平面なものであっても、視野内の位置（例えば図７のＡ〜Ｅ点）によって光軸方向の表面位置が異なり、平面物体として測定ができない。よって、精度の高い高さ測定を無し得ない。
【０００８】
この問題を解決するための装置が、特開平９−１７８４４６号公報に開示されている。ここでは、上述した対物レンズの視野内での像面湾曲データを、理想的な平面ミラーを実際に計測したり、光学設計のシュミレーションを行なうことにより得る。そして、その像面湾曲データを使用して、実際の測定装置の構成で得られた試料の光軸方向の表面位置を補正し、対物レンズの湾曲による誤差を相殺して精度良く測定をする。
【０００９】
しかし、ディスク共焦点光学系で高さ測定をする場合、図８に示すように、光軸に対するディスク５’の傾きが、視野内での光軸方向の位置の誤差となる。これによる視野内の光軸方向の位置誤差の影響は、
ΔＥ＝１／（対物レンズの倍率）^２
となるので、特に対物レンズが低倍率の時に大きくなる。
【００１０】
また、図４の回転軸６の様にディスク５’の中心を支持して回転させると、回転軸６の中心から外に向かって光軸方向の位置誤差が大きくなるので、特に広視野の時に誤差が大きくなる。また図９のイメージ図に示す様に、光軸に対する試料を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージ１６の傾きも、当然視野内での光軸方向の位置誤差となる。また、試料を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージ１６をＸ−Ｙ方向に移動させて試料を何分割かに分けて測定する場合には、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１６の持つピッチング・ヨーイング、真直度の影響を受けて、全ストローク内でリニアに傾きが生じないので、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１６のＸ−Ｙ方向位置によって試料の光軸方向の傾きが異なる。これらの誤差は調整により光軸に対する傾きを合わせるが、ゼロ調整は不可能であり、光軸方向の位置誤差への影響が大きく、高精度に高さ測定を行うことができない。
【００１１】
本発明の目的は、誤差要因に関わらず高精度な試料の高さ測定が可能な共焦点高さ測定装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の共焦点高さ測定装置は以下の如く構成されている。
【００１３】
本発明の共焦点高さ測定装置は、光源からの照明光を、所定のパターン部を有するディスクから対物レンズを介して試料に結像し、前記試料からの光を再び前記対物レンズから前記ディスクを介して撮像手段に入射して前記試料の観察画像を得る共焦点顕微鏡からなる共焦点高さ測定装置であり、前記対物レンズの光軸に対する前記ディスクの傾きと前記試料を載置するステージの傾きと前記対物レンズの像面湾曲との少なくとも一つに起因する光軸方向の位置補正データを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された位置補正データを使用して前記共焦点顕微鏡により得られた高さ情報を補正する補正手段と、から構成されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るディスク共焦点高さ測定装置の構成を示す図である。図１において図４と同一な部分には同符号を符している。
【００１６】
図１に示すディスク共焦点高さ測定装置は、共焦点顕微鏡から構成されている。光源１には、ハロゲン光源または水銀光源等が用いられる。この光源１から出射される光の光路上には、コリメートレンズ２、偏光板３、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）４が配置され、ＰＢＳ４の反射光路上には、回転ディスク５、第１の結像レンズ７、１／４波長板８、対物レンズ９を介して試料１０が配置されている。試料１０は表面にバンプを備えたウエハからなり、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１６上に載置されている。回転ディスク５は、回転軸６を介して図示しないＤＣモータの軸に連結され、一定の回転速度で回転する。
【００１７】
回転ディスク５は、ランダムピンホールディスクからなる。このディスクには、多数のピンホールがそのピンホール径とほぼ同じ間隔でランダムに配置されたランダムピンホールパターン部と、光が自由に通過できる開口部とが形成され、これらランダムピンホールパターン部と開口部との間に光を遮断する遮蔽部が形成されている。
【００１８】
この回転ディスク５は透明ガラス円板からなり、その円板上における各遮光部に相当する部分に、Ｃｒ膜等の低反射膜が蒸着されている。同様に、ランダムピンホールパターン部におけるピンホール以外の部分に、Ｃｒ膜等の低反射膜が蒸着されている。これにより、各遮光部とランダムピンホールパターン部上のピンホール以外の部分とで、遮光がなされる。
【００１９】
なお、回転ディスク５にラインパターンディスクを用いることもできる。このディスクには、前記したランダムピンホールパターン部の代わりに、複数のラインが透明ガラス上にほぼ同じ間隔で配置された縞状のラインパターン部が形成されている。そして、このラインパターン部における各ラインに、例えばＣｒ膜が蒸着されており、各ラインにて遮光がなされる。すなわちラインパターン部は、線状の遮光部と光透過部とを交互に有している。
【００２０】
一方、ＰＢＳ４の透過光路上には、第２の結像レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２が配置されている。このＣＣＤカメラ１２の画像出力端子にはコンピュータ１３が接続され、コンピュータ１３にはモニター１４が接続されている。コンピュータ１３は、データ蓄積部１３ａ、演算処理部１３ｂ、補正データ蓄積部１３ｃ、及び補正処理部１３ｄを備えている。コンピュータ１３での画像処理により、画像がモニター１４に表示される。また、コンピュータ１３には、ステージ移動機構コントローラ１５を介してＸ−Ｙ−Ｚステージ１６が接続されている。
【００２１】
このような構成をなすディスク共焦点高さ測定装置では、光源１から出射された照明光は、コリメートレンズ２及び偏光板３を介してＰＢＳ４に導かれる。ＰＢＳ４で反射された光は、一定の速度で回転する回転ディスク５に入射される。この回転ディスク５のランダムピンホールパターン部または開口部を通過した光は、第１の結像レンズ７を介して１／４波長板８で円偏光になり、対物レンズ９によって結像されて試料１０に入射される。
【００２２】
この試料１０からの光は、対物レンズ９で結像し、１／４波長板８を通って入射光とは直交する偏光となって、再度、第１の結像レンズ７を介して回転ディスク５のランダムピンホールパターン部または開口部を通過し、さらにＰＢＳ４を透過し、第２の結像レンズ１１を介して観察像としてＣＣＤカメラ１２に入射する。
【００２３】
このＣＣＤカメラ１２は、回転ディスク５の回転速度に同期して撮像タイミングが制御され、ランダムピンホールパターン部を通過した画像と開口部を通過した画像の２つの画像を撮像する。このＣＣＤカメラ１２の出力画像は、コンピュータ１３に蓄積される。コンピュータ１３は、ランダムピンホールパターン部から得られた非共焦点成分を含む共焦点画像データと、開口部から得られた非共焦点画像データとの差分演算を行なうことによって、共焦点成分のみの共焦点画像データに変換し、その共焦点画像データを基にモニター１４上に共焦点画像を表示する。
【００２４】
以上のように構成されたディスク共焦点高さ測定装置にて、まず操作者は、理想的な平面ミラー（図示せず）をゲージとしてＸ−Ｙ−Ｚステージ１６上に載置する。次に、ステージ移動機構コントローラ１５でＸ−Ｙ−Ｚステージ１６を高さ（対物レンズ９の光軸）方向に移動させることにより焦点面を光軸方向に移動させ、各焦点面の画像をＣＣＤカメラ１２にて撮像することで共焦点画像を取得する。
【００２５】
ここで、焦点面の移動は試料１０を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージ１６を光軸方向に移動させることにより行った。その他、対物レンズ９や第１の結像レンズ７を光軸方向に移動させる、または平行平面板（図示せず）を試料１０と対物レンズ９の間や第１の結像レンズ７とディスク５の間に入れることで、焦点面の移動を行うことができる。
【００２６】
このようにして得られた平面ミラーの共焦点画像のデータは、コンピュータ１３のデータ蓄積部１３ａで蓄積され、演算処理部１３ｂにて演算処理され、平面ミラーの光軸方向の表面位置が上記したピーク処理によりＣＣＤカメラ１２の画素毎に算出される。このようにＣＣＤカメラ１２の画素毎に得られた平面ミラーの光軸方向の表面位置は平面をなすべきなので、任意の平面を仮定し、この平面の表面位置と前記平面ミラーの光軸方向の表面位置との差分を演算処理部１３ｂで算出し、視野内の光軸方向の位置補正データとして補正データ蓄積部１３ｃに記憶する。
【００２７】
上記では、ＣＣＤカメラ１２の画素毎に光軸方向の位置補正データを作成したが、任意の画素毎に作成しても良い。この場合、操作者が入力部（図示せず）から観察画像中の補正処理を要する領域を選択し、演算処理部１３ｂはその領域の画素に対して位置補正データを算出し補正データ蓄積部１３ｃに記憶する。また、ＣＣＤカメラ１２の画素位置をＸ−Ｙ座標で表わし上記で得られた光軸方向の表面位置をＺとして、最小自乗法等の統計的手段により仮想平面にし、求めた平面式を光軸方向の位置補正データとして作成しても良い。この理想的な平面ミラーをゲージとした上記の方法による光軸方向の位置補正データの作成は、製造工程時や測定前に行う。特に、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１６は取り外す場合が多いので、測定前に行った方がより良い。
【００２８】
実際の測定時には、光軸方向の表面位置の測定を要する試料１０をＸ−Ｙ−Ｚステージ１６に載置し、上記と同様に光軸方向の表面位置を演算処理部１３ｂで算出する。この算出された試料１０の光軸方向の表面位置（高さ）のデータに対して、補正データ蓄積部１３ｃに記憶されている光軸方向の位置補正データを補正処理部１３ｄで加算、減算することにより、補正を行う。
【００２９】
図２は、上記ディスク共焦点高さ測定装置の補正データ取得手順を示すフローチャートである。補正データの取得が開始されると、ステップＳ１で、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１６が光軸方向へ移動して焦点位置が移動する。ステップＳ２で、ＣＣＤカメラ１２で撮影をする。ステップＳ３で、データ蓄積部１３ａは、共焦点画像と焦点位置情報とを蓄積する。ステップＳ４で、上記ステップＳ１〜Ｓ３がＮ回繰り返されると、ステップＳ５で、演算処理部１３ｂはピーク処理を行い、各画素又は任意の画素毎に得られた表面位置を基に位置補正データを算出する。ステップＳ６で、補正データ蓄積部１３ｃは、得られた位置補正データを保存する。
【００３０】
図３は、上記ディスク共焦点高さ測定装置の検査手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１で、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１６が光軸方向へ移動して焦点位置が移動する。ステップＳ１２で、ＣＣＤカメラ１２で撮影をする。ステップＳ１３で、データ蓄積部１３ａは、共焦点画像と焦点位置情報とを蓄積する。ステップＳ１４で、上記ステップＳ１１〜Ｓ１３がＮ回繰り返されると、ステップＳ１５で、演算処理部１３ｂはピーク処理にて表面位置を算出する。ステップＳ１６で、補正処理部１３ｄは、算出された表面位置と補正データ蓄積部１３ｃに保存されている位置補正データとの加減算で補正を行う。
【００３１】
本第１の実施の形態によれば、光軸に対するディスクの傾きと、光軸に対する試料を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージの傾きと、対物レンズの像面湾曲とに起因する光軸方向の位置誤差を補正することができるので、高精度な高さ測定が可能となる。また、補正をすることで調整時の許容誤差を緩くすることが可能となる。また、光軸方向の位置補正データを作成する際、上述したディスク共焦点高さ測定装置で行うと、装置のその他の構成に誤差要因があったとしても補正可能になり、より高精度な高さ測定が可能になる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
本第２の実施の形態に係るディスク共焦点高さ測定装置の構成は、図１の構成と同一である。本第２の実施の形態では、光軸に対するディスク５の傾き、光軸に対する試料を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージ１６の傾き、及び対物レンズ９の像面湾曲に対して、それぞれ別個に、第１の実施の形態と同様に各々光軸方向の位置補正データを作成し、補正データ蓄積部１３ｃに記憶し、第１の実施の形態と同様に補正処理部１３ｄで光軸位置の補正を行う。
【００３３】
ここで、光軸方向の位置補正データの作成を要するユニット以外の光軸方向の位置補正データは分かっているものとする。また、ディスク５の傾き及び試料を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージ１６の傾きについては、光電コリメータ等の角度を測定できる測定器を使用し、それぞれ光軸（基準）に対する角度誤差を測定し、光軸方向の位置誤差に変換して光軸方向の位置補正データを作成しても良い。また、対物レンズについては、干渉系高さ測定器等の形状測定器を使用して、レンズの加工精度等を計測したり、対物レンズ設計シュミレーションにより像面湾曲を算出したりして、光軸位置補正データを作成しても良い。
【００３４】
本第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、各光軸方向の位置誤差の要因となる各ユニットの光軸方向の位置補正データが記憶される記憶手段を備えることで、各ユニットの交換等があった場合にも、交換したユニットの光軸方向の位置補正データを書き換えるだけで高精度な補正が可能になり、その結果、高精度な高さ測定が可能になる。
【００３５】
（第３の実施の形態）
本第３の実施の形態に係るディスク共焦点高さ測定装置の構成は、図１の構成と同一である。本第３の実施の形態では、第１，第２の実施の形態と同様に理想的な平面ミラー（図示せず）をゲージとし、この平面ミラーをＸ−Ｙ−Ｚステージ１６に載置してＸ−Ｙ方向に全ストローク移動させる。そして、第１，第２の実施の形態と同様にＸ−Ｙ−Ｚステージ１６の各Ｘ−Ｙ座標毎に光軸方向の位置補正データを作成し、補正データ蓄積部１３ｃに記憶して、第１，第２の実施の形態と同様に補正処理部１３ｄで光軸位置の補正を行う。
【００３６】
本第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、試料を載置するＸ−Ｙ−Ｚステージ１６の全ストローク内で発生する光軸に対する傾きに起因する光軸方向の位置誤差を補正することで、試料を分割して測定する場合でも高精度な高さ測定が可能になる。
【００３７】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、光軸に対するディスクの傾きと試料を載置するステージの傾きと対物レンズの像面湾曲とで発生する光軸方向の位置誤差を補正することにより、誤差要因に関わらず高精度な試料の高さ測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るディスク共焦点高さ測定装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るディスク共焦点高さ測定装置の補正データ取得手順を示すフローチャート。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るディスク共焦点高さ測定装置の検査手順を示すフローチャート。
【図４】従来例に係るディスク共焦点高さ測定装置の構成を示す図。
【図５】従来例に係るウエハ上のバンプを示す図。
【図６】従来例に係る像面湾曲を示す図。
【図７】従来例に係る視野を示す図。
【図８】従来例に係る光軸に対するディスクの傾きを示す図。
【図９】従来例に係る光軸に対するステージの傾きを示す図。
【符号の説明】
１…光源
２…コリメートレンズ
３…偏光板
４…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）
５…回転ディスク
６…回転軸
７…第１の結像レンズ
８…１／４波長板
９…対物レンズ
１０…試料
１１…第２の結像レンズ
１２…ＣＣＤカメラ
１３…コンピュータ
１３ａ…データ蓄積部
１３ｂ…演算処理部
１３ｃ…補正データ蓄積部
１３ｄ…補正処理部
１４…モニター
１５…ステージ移動機構コントローラ
１６…Ｘ−Ｙ−Ｚステージ

Claims

光源からの照明光を、所定のパターン部を有するディスクから対物レンズを介して試料に結像し、前記試料からの光を再び前記対物レンズから前記ディスクを介して撮像手段に入射して前記試料の観察画像を得る共焦点顕微鏡からなる共焦点高さ測定装置であり、
前記対物レンズの光軸に対する前記ディスクの傾きと前記試料を載置するステージの傾きと前記対物レンズの像面湾曲との少なくとも一つに起因する光軸方向の位置補正データを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された位置補正データを使用して前記共焦点顕微鏡により得られた高さ情報を補正する補正手段と、
を具備したことを特徴とする共焦点高さ測定装置。
前記記憶手段は、前記光軸に対する前記ディスクの傾きと前記ステージの傾きと前記対物レンズの像面湾曲とに対して、それぞれ個別に前記位置補正データを記憶することを特徴とする請求項１に記載の共焦点高さ測定装置。
前記記憶手段は、前記ステージの全ストローク内での前記位置補正データを記憶することを特徴とする請求項１に記載の共焦点高さ測定装置。
前記記憶手段は、前記観察画像中の所定の領域の前記位置補正データを記憶することを特徴とする請求項１に記載の共焦点高さ測定装置。