JP2006145487A - 形状計測装置用光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、被測定物体の影像をイメージセンサに投影させるに際し、平行光が延びる光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体であっても、イメージセンサにおいて輪郭のボケの程度が小さく、かつ、輪郭の近傍に発生する回折縞が少なく、良好な被測定物体の影像を得ることができる形状計測装置用光学系を提供すること。
【解決手段】 白色ＬＥＤ１１を有する点光源１０と、点光源１０からの光を入射させて平行光をつくるためのコリメータレンズ２０と、コリメータレンズ２０からの光が被測定物体１越しに照射される、両側又は物体側テレセントリック構造のテレセントリックレンズ３１と、テレセントリックレンズ３１を通過した光による被測定物体１の影像が投影されるイメージセンサ３２と、を備えたことを特徴とする形状計測装置用光学系。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、イメージセンサに投影された被測定物体の影像により被測定物体の２次元形状を計測する形状計測装置に備えられ、被測定物体の輪郭のボケの程度が小さく、かつ、輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な被測定物体の影像が得られるようにした形状計測装置用光学系に関するものである。

平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、イメージセンサに投影された被測定物体の影像（投影像）により被測定物体の形状計測を行う装置として、例えば特公平４−１８４５号公報に示されている光学式外形寸法測定器がある。この光学式外形寸法測定器は、イメージセンサに投影された被測定物体（線材）の影像に長さにより被測定物体（線材）の外形寸法を測定するものであり、形状計測装置用光学系として、図７，図８に示すような光学系を備えている。図７は従来技術を説明するためのものであって、光学式外形寸法測定器の光学系を示す正面図、図８は図７に示す光学系の側面図である。

この従来の形状計測装置用光学系は、図７及び図８に示すように、発光源４ａ、棒レンズ４ｂ及びレンズ４ｃからなる投光器４と、シリンドリカルレンズ（円筒面レンズ）５ａ及びイメージセンサ５ｂからなる受光器５とにより構成されている。６は被測定物体である線材であり、投光器４と受光器５の間に配されている。

前記発光源４ａには、ＬＥＤ（発光ダイオード）あるいはフラッシュランプが使用されており、棒レンズ４ｂは発光源４ａの光を集光して光強度分布が均一な線光源を形成している。レンズ４ｃは棒レンズ４ｂの形成する線光源から拡散された光を平行にし、被測定物体（線材）越しに受光器５に入射させる。シリンドリカルレンズ５ａは、受光器５に入射した光の光量を有効に利用して検出感度を高めるために使用され、入射光の平行化された方向と直交する成分を集光して線状の光としてイメージセンサ５ｂに入射させる。このように構成される形状計測装置用光学系が用いられている。なお、発光源４ａとして使用されるＬＥＤは、当時の技術から、赤色等の単色（単波長）のＬＥＤであることがわかる。
特公平４−１８４５号公報（第２図、第３図） 特開平７−３３２９３３号公報（図１） 特開２００３−１６７２１２号公報（図２、図３、図５）

前述した従来の形状計測装置用光学系では、被測定物体が線材であり、対象とする被測定物体が、他の一般的な被測定物体と同様に、平行光が延びる光軸方向に沿う奥行き長さ（被測定物体の光軸方向長さ）が短いものであった。

ところが、被測定物体に照射される平行光（平行光束）として完全に絶対に平行な光を実現することが困難なことから、例えば、直径３００ｍｍ程度の半導体ウエハの外周端縁部分（厚み０．８ｍｍ程度のサブミリスケール）の２次元形状を計測するというように、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体の場合には、前記レンズ４ｃからの光が被測定物体における光軸方向に沿う面（半導体ウエハの円形面）の多くのポイントにて散乱されることになる。このため、イメージセンサに投影された被測定物体の影像の輪郭（エッジ）が明瞭でなくそのボケの程度が大きく、真の輪郭の特定が難しく被測定物体の形状計測精度が悪くなってしまう。

また、前述した従来の形状計測装置用光学系では、発光源４ａとして単色（単波長）のＬＥＤを使用している。しかしながら、単色ＬＥＤを使用したものでは、単色ＬＥＤが干渉性（コヒーレンシー）に比較的優れるという特徴のため、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体の場合、投影の光路が長いために回折するポイントも多くなって、イメージセンサに投影された被測定物体の影像には真の輪郭の近傍に該輪郭に沿う何重にもわたる回折縞が発生する。このため、真の輪郭の誤検出を防ぐための画像処理が複雑となり、画像処理系の負荷が増大することで形状計測精度が低下したり、計測に要する時間が長くなったりすることになる。

なお、前述した従来の形状計測装置用光学系では、発光源４ａとしてＬＥＤ（発光ダイオード）以外に、フラッシュランプが開示されている。フラッシュランプ（キセノンフラッシュランプ）は、ＬＥＤとは違って干渉性のない白色光源であるものの、大きさの点で、できるだけ完全に近い平行光をつくるのに必要な点光源を得ることが困難であり、光源の大きさが大きくなる場合、それに応じて被測定物体の影像はその輪郭のボケの程度が大きくなってしまうことになる。また、フラッシュランプでは耐久性の問題もある。

そこで本発明の課題は、平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、被測定物体の影像をイメージセンサに投影させるに際し、平行光が延びる光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体であっても、イメージセンサにおいて輪郭（エッジ）のボケの程度が小さく、かつ、輪郭の近傍に発生する回折縞が少なく、良好な被測定物体の影像を得ることができる形状計測装置用光学系を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次のような技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、白色ＬＥＤを有する点光源と、前記点光源からの光を入射させて平行光をつくるためのコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの光が被測定物体越しに照射される、両側又は物体側テレセントリック構造のテレセントリックレンズと、前記テレセントリックレンズを通過した光による前記被測定物体の影像が投影されるイメージセンサと、を備えたことを特徴とする形状計測装置用光学系である。

請求項２の発明は、請求項１記載の形状計測装置用光学系において、前記点光源が前記白色ＬＥＤとピンホールとにより構成されていることを特徴とするものである。

本発明による形状計測装置用光学系は、点光源を備えることで、コリメータレンズを経て、できるだけ完全に近い平行な光を被測定物体越しに照射することができるとともに、テレセントリックレンズにより、被測定物体通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させることができるので、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体であっても、イメージセンサにおいて輪郭（エッジ）のボケの程度が小さい良好な被測定物体の影像を得ることができる。また、干渉性の強い単波長でなく、多波長成分を有する白色ＬＥＤを用いた点光源としているので、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体であっても、イメージセンサにおいて輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な被測定物体の影像を得ることができる。よって、平行光を被測定物体越しにイメージセンサに向けて照射し、被測定物体の影像をイメージセンサに投影させるに際し、例えば半導体ウエハの外周端縁部分の２次元形状の計測というように、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体であっても、イメージセンサにおいて輪郭のボケの程度が小さく、かつ、輪郭の近傍に発生する回折縞が少なく、良好な被測定物体の影像を得ることができる。

したがって、光軸方向に沿う奥行き長さが長い被測定物体であっても、輪郭のボケの程度が小さく、回折縞が少ない良好な被測定物体の影像を得ることができるので、従来よりも精度良く輪郭を求めることができ計測精度の向上に寄与することができる。また、輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な被測定物体の影像を得ることができるので、従来とは違って、真の輪郭の誤検出をなくすための画像処理系の負荷を軽減することができ、計測精度の低下の回避や、計測に要する時間の遅延の回避に寄与することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態による形状計測装置用光学系の構成を示す平面図である。

本実施形態の形状計測装置用光学系は、例えば、直径：３００ｍｍ、厚み：０．８ｍｍ程度の半導体ウエハの外周端縁部分の２次元寸法（図２に示す傾斜部半径方向長さｄ、厚みｔ１，ｔ２など）を計測する形状計測装置に備えられるものである。なお、この計測は半導体ウエハにおけるデバイス形成領域の設定などのために行われるものである。

本実施形態の形状計測装置用光学系は、図１に示すように、点光源１０と、点光源１０の平行光学系としてのコリメータレンズ２０と、撮像光学系３０とにより構成されている。点光源１０は、白色ＬＥＤ１１と、例えばφ１００〜２００μｍ程度の開孔を有し、該開孔をコリメータレンズ２０の焦点位置に位置させたピンホール１２とにより構成されている。白色ＬＥＤ１１から発して前記開孔から拡がった光は、平行光（平行光束）をつくるためのコリメータレンズ２０に入射される。

撮像光学系３０は、コリメータレンズ２０からの光が被測定物体である半導体ウエハ１越しに照射されるテレセントリックレンズ３１と、テレセントリックレンズ３１を通過した光による半導体ウエハ１の影像が投影されるイメージセンサとしての２次元ＣＣＤラインセンサ３２とにより構成されている。テレセントリックレンズ３１は、その構造そのものは広く知られており、本実施形態では両側テレセントリック構造のものであり、第１レンズ（レンズ群を含む）３１ａの後側焦点と第２レンズ（レンズ群を含む）３１ｂの前側焦点とを一致させて２つのレンズ３１ａ，３１ｂを配列し、この焦点位置に可変の絞り（開口絞り）３１ｃを設けた構成とされている。このテレセントリックレンズ３１は、物体側（半導体ウエハ１側）、像側（２次元ＣＣＤラインセンサ３２側）とも主光線が光軸に対して平行であり、半導体ウエハ１通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させるものである。コリメータレンズ２０と第１レンズ３１ａとの間隔距離は、例えば２００ｍｍ程度に設定されており、半導体ウエハ１は、このコリメータレンズ２０から第１レンズ３１ａへの平行光束のなかに配される。

なお、半導体ウエハ１通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させるようにすべく、両側テレセントリック構造の両側テレセントリックレンズに代えて、物体側（半導体ウエハ１側）のみ主光線が光軸に対して平行となる物体側テレセントリック構造のもの（物体側テレセントリックレンズ）を用いるようにしてもよい。この物体側テレセントリックレンズの場合、絞りの後側の第２レンズとしては一般の結像レンズが用いられるようになっている。

このように、本実施形態の形状計測装置用光学系は、点光源１０を備えることで、コリメータレンズ２０を経て、できるだけ完全に近い平行な光を半導体ウエハ１（被測定物体）越しに照射することができるとともに、テレセントリックレンズ３１により、半導体ウエハ１通過後の光のうち平行光（平行に極めて近い光を含む）のみを通過させることができるので、光軸方向に沿う奥行き長さが長い半導体ウエハ１であっても、２次元ＣＣＤラインセンサ３２において輪郭のボケの程度が小さい良好な半導体ウエハ１の影像を得ることができる。また、干渉性の強い単波長でなく、多波長成分を有する白色ＬＥＤ１１を用いた点光源１０としているので、奥行き長さが長い半導体ウエハ１であっても、２次元ＣＣＤラインセンサ３２において輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な半導体ウエハ１の影像を得ることができる。よって、被測定物体が光軸方向に沿う奥行き長さが長い半導体ウエハ１であっても、２次元ＣＣＤラインセンサ３２において輪郭のボケの程度が小さく、かつ、輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な半導体ウエハ１の影像を捉えることができる。

実施例と比較例の形状計測装置用光学系により、直径：３００ｍｍ、厚み：０．８ｍｍ程度の半導体ウエハについて、その外周端縁部分の影像を２次元ＣＣＤラインセンサにて捉え、その画像から得られる輪郭位置情報について調べた。

実施例の形状計測装置用光学系の構成を説明すると、点光源は、大きさ約５００μｍの面発光型の白色ＬＥＤと、φ２００μｍの開孔を有するピンホールとを用いた。白色ＬＥＤは、ＩｎＧａＮ系青色ＬＥＤの表面に例えばＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を塗布したものであって、青色ＬＥＤ光で前記蛍光体（黄色発光）を励起し、ＬＥＤの青色と蛍光体の黄色光とで白色光を得るものである。点光源の平行光学系は、焦点距離ｆ：５０ｍｍのコリメータレンズを用いた。撮像光学系は、光学倍率２倍の物体側テレセントリックレンズと、２次元ＣＣＤラインセンサとを用いた。前記物体側テレセントリックレンズは、焦点位置に可変の絞りを有し、ワーキングディスタンス（レンズ先端から被測定物体までの距離）：約１００ｍｍである。

比較例の形状計測装置用光学系の構成を説明すると、点光源としては、大きさが約φ５００μｍの赤色ＬＥＤを用いた。点光源の平行光学系は、焦点距離ｆ：５０ｍｍのコリメータレンズを用いた。撮像光学系は、テレセントリックレンズではなく一般の結像レンズと、２次元ＣＣＤラインセンサとを用いた。

図３は本発明の実施例の形状計測装置用光学系による半導体ウエハの外周端縁部分の画像をスケッチして概略的に示す模式図、図４は本発明の実施例に係る図であって、その（ａ）は図３における矢印Ａの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度（階調値）との関係を示すグラフ、その（ｂ）は図３における矢印Ｂの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度との関係を示すグラフである。図５は比較例の形状計測装置用光学系による半導体ウエハの外周端縁部分の画像をスケッチして概略的に示す模式図、図６は比較例に係る図であって、その（ａ）は図５における矢印Ａの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度（階調値）との関係を示すグラフ、その（ｂ）は図５における矢印Ｂの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度との関係を示すグラフである。

図３、図５において、斜線部分は完全な暗部（階調値がゼロ）、黒塗り部分で示す輪郭付近（真の輪郭を含む）は輝度が明から暗（階調値が大→小→ゼロ）へと変化している部分、回折縞は適度の輝度を有している。

比較例による画像は、図５、図６に示すように、輪郭のボケの程度が大きく、また、輪郭の近傍に多数の回折縞（図５では輪郭部分に近い３本のみを示してあるが、実際にはこれらの外側にさらに多くの回折縞が生じている）が発生した。

これに対して、実施例では、図３に示すように、比較例に比べて輪郭のボケの程度が小さく、回折縞の発生が少ない良好な画像が得られた。図４からわかるように、真の輪郭を含む輪郭付近の輝度勾配が比較例に比べて急峻（輝度微分値が大きい）であり、比較例に比べて輪郭がシャープな良好な画像が得られた。

このように、本実施例の形状計測装置用光学系によれば、輪郭のボケの程度が小さく、輪郭付近の輝度勾配が急峻な画像が得られるので、例えばサブピクセル処理によって輪郭付近の輝度勾配が最も急峻な点（輝度微分値が最大の点）を輪郭位置として定めるにあたり、輪郭位置を精度良く定めることができ、半導体ウエハの外周端縁部分の２次元寸法計測精度の向上に寄与することができる。また、輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な被測定物体の影像を得ることができるので、従来とは違って、多数の回折縞をそれぞれ分離して真の輪郭の誤検出をなくすための画像処理を行うという画像処理系の負荷が軽減されることから、計測精度の低下の回避や、計測に要する時間の遅延の回避に寄与することができる。

本発明の一実施形態による形状計測装置用光学系の構成を示す平面図である。 半導体ウエハの外周端縁部分の計測部位を説明するための図である。 本発明の実施例の形状計測装置用光学系による半導体ウエハの外周端縁部分の画像をスケッチして概略的に示す模式図である。 本発明の実施例に係る図であって、その（ａ）は図３における矢印Ａの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度（階調値）との関係を示すグラフ、その（ｂ）は図３における矢印Ｂの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度との関係を示すグラフである。 比較例の形状計測装置用光学系による半導体ウエハの外周端縁部分の画像をスケッチして概略的に示す模式図である。 比較例に係る図であって、その（ａ）は図５における矢印Ａの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度（階調値）との関係を示すグラフ、その（ｂ）は図５における矢印Ｂの先端より下方でのウエハ厚み方向の位置情報と輝度との関係を示すグラフである。 従来技術を説明するためのものであって、光学式外形寸法測定器の光学系を示す正面図である。 図７に示す光学系の側面図である。

符号の説明

１…半導体ウエハ
１０…点光源
１１…白色ＬＥＤ
１２…ピンホール
２０…コリメータレンズ
３０…撮像光学系
３１…テレセントリックレンズ
３１ａ…第１レンズ
３１ｂ…第２レンズ
３１ｃ…絞り
３２…２次元ＣＣＤラインセンサ

Claims (2)

1. 白色ＬＥＤを有する点光源と、前記点光源からの光を入射させて平行光をつくるためのコリメータレンズと、前記コリメータレンズからの光が被測定物体越しに照射される、両側又は物体側テレセントリック構造のテレセントリックレンズと、前記テレセントリックレンズを通過した光による前記被測定物体の影像が投影されるイメージセンサと、を備えたことを特徴とする形状計測装置用光学系。
2. 前記点光源が前記白色ＬＥＤとピンホールとにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の形状計測装置用光学系。

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