JP2008026065A - Shape measuring apparatus and confocal microscope - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measuring apparatus and a laser microscope which, even when external mechanical vibrations and acoustic vibrations are propagated, are unaffected by the external vibrations. <P>SOLUTION: A light beam emitted by a light source (1) is projected onto a sample (9) through an objective lens (8). The surface of the sample is scanned by the light beam in a two-dimensional manner. An objective lens drive means (10) for moving the objective lens in its optical axis direction is provided, allowing the surface of the sample to be scanned, while the objective lens is moved in the optical axis direction, where the spacing between the objective lens (8) and the surface of the sample (9) is measured as Z-axis direction position information (12), and the measured spacing is used as the Z-axis direction position information. A signal processing circuit (20), using a brightness signal from a one-dimensional image sensor receiving reflected light from the surface of the sample and the position information from the spacing measuring means (12), outputs the two-dimensional image information of the sample and the height information of the surface of the sample. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は形状測定装置、特に外部振動の影響を受け易い試料の表面に存在する突起の高さを測定するのに好適な形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a shape measuring apparatus, and more particularly to a shape measuring apparatus suitable for measuring the height of a protrusion existing on the surface of a sample that is easily affected by external vibration.

液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造工程においては、製造されたカラーフィルタについて欠陥検査が行われ、欠陥が検出された場合修正装置を用いて修正ないし欠陥の除去が行われている。例えば、欠陥の種類としてカラーフィルタの表面に形成された突起欠陥があり、突起欠陥が検出されると、テープ研磨により突起欠陥が修正されている(例えば、特許文献1参照)。この突起欠陥を修正する際、研磨量を決定する必要がある。すなわち、研磨量が不足している場合追加の研磨が必要であり、研磨が過多の場合ガラス基板に傷を付ける不具合が生じてしまう。このため、カラーフィルタに形成された突起の高さを高精度に測定する形状測定装置の開発が強く要請されている。   In a manufacturing process of a color filter used in a liquid crystal display device, a defect inspection is performed on the manufactured color filter, and when a defect is detected, correction or defect removal is performed using a correction device. For example, there is a protrusion defect formed on the surface of the color filter as the type of defect, and when the protrusion defect is detected, the protrusion defect is corrected by tape polishing (for example, see Patent Document 1). When correcting this projection defect, it is necessary to determine the polishing amount. That is, if the polishing amount is insufficient, additional polishing is necessary, and if the polishing is excessive, there is a problem of scratching the glass substrate. For this reason, there is a strong demand for the development of a shape measuring apparatus that measures the height of the protrusion formed on the color filter with high accuracy.

数μm程度の微小な突起の高さを測定する方法として、共焦点光学系を用いた形状測定装置が既知である(例えば、特許文献2参照)この既知の形状測定装置では、対物レンズと試料との間の距離を変えながら光ビームにより試料表面を2次元走査し、試料からの反射光を光検出器により受光し、最大輝度値を発生する対物レンズの光軸方向の位置情報から高さ情報が出力されている。   A shape measuring device using a confocal optical system is known as a method for measuring the height of a minute protrusion of about several μm (see, for example, Patent Document 2). In this known shape measuring device, an objective lens and a sample are used. The surface of the sample is two-dimensionally scanned with a light beam while changing the distance between and the reflected light from the sample is received by the photodetector, and the height from the position information in the optical axis direction of the objective lens that generates the maximum luminance value Information is output.

特開平6−313871号公報JP-A-6-313871 特開平9−61720号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-61720

共焦点光学系を用いた形状測定装置は、微小な突起の高さを高精度に測定できる利点がある。しかしながら、液晶表示装置用のカラーフィルタは大型であるため、カラーフィルタを支持するステージは、例えば1.5m×2m程度の大きさである。しかも、透過光により欠陥の観察及び判別を行うため、ステージは光学的に透明なガラスにより構成されている。このようなガラスステージは外部振動の影響を受け易く、測定中に床面からの外部機械振動やダクトから発生する音響振動によりステージ自身が振動してしまう。一方、測定中に外部からの振動が伝達されると、カラーフィルタの表面が振動すると共に対物レンズも振動してしまい、測定誤差が生じてしまう。すなわち、従来の共焦点光学系を利用した形状測定装置では、対物レンズの光軸方向の位置情報は、対物レンズの移動量又はステージの移動量から求められているため、測定中にカラーフィルタ自身が振動すると対物レンズとカラーフィルタ表面までの実際の距離と出力される位置情報とが一致しない不具合が生じてしまう。このような状態で出力された高さ情報を用いて突起欠陥をテープ研磨したのでは、研磨過多又は研磨不足になってしまう。   A shape measuring apparatus using a confocal optical system has an advantage that the height of a minute protrusion can be measured with high accuracy. However, since a color filter for a liquid crystal display device is large, a stage that supports the color filter has a size of about 1.5 m × 2 m, for example. In addition, since the defect is observed and discriminated by transmitted light, the stage is made of optically transparent glass. Such a glass stage is easily affected by external vibration, and the stage itself vibrates due to external mechanical vibration from the floor surface or acoustic vibration generated from the duct during measurement. On the other hand, when external vibration is transmitted during measurement, the surface of the color filter vibrates and the objective lens also vibrates, resulting in a measurement error. That is, in the conventional shape measuring apparatus using the confocal optical system, the position information in the optical axis direction of the objective lens is obtained from the movement amount of the objective lens or the movement amount of the stage. Vibrates, the actual distance between the objective lens and the surface of the color filter does not match the output position information. If the protrusion defects are tape-polished using the height information output in such a state, excessive polishing or insufficient polishing will occur.

上述した外部振動による影響は、形状測定装置だけでなく、対物レンズと試料表面との間の相対的な距離を変位させながら試料表面を2次元走査し、試料から反射光に基づいて三次元形状測定を行うレーザ顕微鏡についてもあてはまるものである。   The effect of the external vibration described above is not only due to the shape measuring device, but also the two-dimensional scanning of the sample surface while displacing the relative distance between the objective lens and the sample surface, and the three-dimensional shape based on reflected light from the sample This also applies to laser microscopes that perform measurements.

従って、本発明の目的は、外部からの機械振動や音響振動が伝達されても、外部振動の影響を受けない形状測定装置及びレーザ顕微鏡を実現することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to realize a shape measuring apparatus and a laser microscope that are not affected by external vibration even when mechanical vibration or acoustic vibration is transmitted from the outside.

本発明による形状測定装置は、試料の表面形状を測定する形状測定装置であって、
光源から出射した光ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料表面を光ビームにより2次元走査する2次元走査光学系と、
前記対物レンズの光軸と直交するXY面内で自在に移動し、前記試料を支持するステージと、
試料表面からの反射光を受光して輝度信号を出力する光検出手段と、
前記対物レンズを、その光軸(Z軸)方向にそって移動させる対物レンズ駆動手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の間隔を測定し、Z軸方向の位置情報として出力する間隔測定手段と、
前記光検出手段から出力される輝度信号と間隔測定手段から出力される位置情報とを用い、試料表面の高さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする。
The shape measuring device according to the present invention is a shape measuring device for measuring the surface shape of a sample,
A two-dimensional scanning optical system that projects a light beam emitted from a light source toward a sample via an objective lens and two-dimensionally scans the surface of the sample with the light beam;
A stage that freely moves in an XY plane orthogonal to the optical axis of the objective lens and supports the sample;
Photodetection means for receiving reflected light from the sample surface and outputting a luminance signal;
Objective lens driving means for moving the objective lens along its optical axis (Z-axis) direction;
An interval measuring means for measuring an interval between the objective lens and the sample surface, and outputting as position information in the Z-axis direction;
Signal processing means for outputting height information of the sample surface using the luminance signal output from the light detection means and the position information output from the interval measurement means is provided.

本発明では、Z軸方向のスキャン情報として、対物レンズの送り量やステージの移動量を検出するのではなく、対物レンズと試料表面との間の間隔ないし距離を測定する。対物レンズと試料表面との間の実際の間隔又は距離を測定すれば、ステージや対物レンズがZ軸方向に振動しても、Z軸方向の変位情報は常時実際の位置情報が検出されるため、外部振動による影響を受けないZ軸方向の位置情報が検出される。   In the present invention, as the scan information in the Z-axis direction, the distance or distance between the objective lens and the sample surface is measured instead of detecting the feed amount of the objective lens and the movement amount of the stage. If the actual distance or distance between the objective lens and the sample surface is measured, even if the stage or objective lens vibrates in the Z-axis direction, displacement information in the Z-axis direction is always detected as actual position information. Position information in the Z-axis direction that is not affected by external vibration is detected.

対物レンズと試料表面との間の間隔を測定する間隔測定手段として、既存の各種距離センサを用い、距離センサを対物レンズの鏡筒に一体的に結合して使用することが可能である。別の方法として、光テコの原理を利用した間隔測定装置を用いることができる。例えば、別に設けたレーザ光源から放出されたレーザビームをダイクロイックミラーやハーフミラーのようなカップリング部材を介して対物レンズの光路に光学的に結合し、対物レンズを介して試料表面に向けて投射する。試料表面からの反射光をカップリング部材を介して1次元イメージセンサで受光する。この場合、試料からの反射光は、対物レンズと試料表面との間隔に応じて、1次元イメージセンサ上で変位するので、その変位量(例えば、画素番号)に基づいて間隔が測定される。この場合、対物レンズを共用しているので、走査ビームにより走査される部位の間隔が測定される利点がある。   Various existing distance sensors can be used as the distance measuring means for measuring the distance between the objective lens and the sample surface, and the distance sensor can be integrally coupled to the objective lens barrel. As another method, an interval measuring device using the principle of optical lever can be used. For example, a laser beam emitted from a separately provided laser light source is optically coupled to the optical path of the objective lens via a coupling member such as a dichroic mirror or a half mirror, and projected toward the sample surface via the objective lens. To do. Reflected light from the sample surface is received by a one-dimensional image sensor through a coupling member. In this case, since the reflected light from the sample is displaced on the one-dimensional image sensor in accordance with the distance between the objective lens and the sample surface, the distance is measured based on the amount of displacement (for example, pixel number). In this case, since the objective lens is shared, there is an advantage that the interval between the parts scanned by the scanning beam is measured.

本発明では、Z軸方向の位置情報として対物レンズと試料表面との間の間隔を測定しているから、外部振動によりステージ又は対物レンズが振動しても、振動の影響を受けないZ軸方向の位置情報が出力される。この結果、カラーフィルタの表面に形成された突起欠陥の高さを測定する場合、一層正確な高さ情報を出力することができる。   In the present invention, since the distance between the objective lens and the sample surface is measured as position information in the Z-axis direction, even if the stage or the objective lens vibrates due to external vibration, the Z-axis direction is not affected by the vibration. Position information is output. As a result, when measuring the height of the protrusion defect formed on the surface of the color filter, more accurate height information can be output.

図1は本発明による形状測定装置の一例を示す線図である。光源として白色光を放出する水銀ランプを用い、水銀ランプから出射したライン状の光ビームを光ファイバ1から出射させ、走査ビームとして利用する。光ファイバ1から出射した光ビームはエキスパンダ光学系2により紙面と直交する方向に延在するライン状光ビームを変換する。ライン状光ビームは、全反射ミラー3で反射し、ビームスプリッタとして機能するハーフミラー4で反射し、ガルバノミラー5に入射する。ガルバノミラー5は、入射したライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に所定の周波数で周期的に偏向する。   FIG. 1 is a diagram showing an example of a shape measuring apparatus according to the present invention. A mercury lamp that emits white light is used as a light source, and a linear light beam emitted from the mercury lamp is emitted from the optical fiber 1 and used as a scanning beam. The light beam emitted from the optical fiber 1 is converted by the expander optical system 2 into a linear light beam extending in a direction perpendicular to the paper surface. The line-shaped light beam is reflected by the total reflection mirror 3, reflected by the half mirror 4 that functions as a beam splitter, and enters the galvanometer mirror 5. The galvanometer mirror 5 periodically deflects the incident line-shaped light beam at a predetermined frequency in a direction orthogonal to the extending direction.

ガルバノミラー5から出射した光ビームは、2つのリレーレンズ6及び7を経て対物レンズ8に入射し、集束性のライン状光ビームとなり、試料9に入射する。従って、試料表面は、集束性のライン状光ビームにより2次元的に走査されることになる。本例では、試料として、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタを用い、カラーフィルタの表面形状を測定すると共にカラーフィルタの表面に存在する突起欠陥の高さを測定する。対物レンズ8には、ヘッドを介してモータ10を連結する。従って、対物レンズは、モータ10により光軸方向に移動することができ、Z軸スキャンが行われる。   The light beam emitted from the galvanometer mirror 5 enters the objective lens 8 through the two relay lenses 6 and 7, becomes a converging line light beam, and enters the sample 9. Therefore, the sample surface is scanned two-dimensionally by the converging line light beam. In this example, a color filter used in a liquid crystal display device is used as a sample, the surface shape of the color filter is measured, and the height of the protrusion defect existing on the surface of the color filter is measured. A motor 10 is connected to the objective lens 8 via a head. Therefore, the objective lens can be moved in the optical axis direction by the motor 10, and Z-axis scanning is performed.

試料9は、透明ガラスにより構成されるステージ11上に載置する。ステージ11はXY駆動機構(図示せず)に連結され、対物レンズ8の光軸(Z軸)と直交する面(XY面)内において自在に移動することができる。従って、欠陥検出装置により検出された突起欠陥のアドレス情報に基づいてカラーフィルタの表面に存在する突起欠陥を対物レンズの視野内に位置させ、突起欠陥及びその周囲を光ビームにより2次元走査することができる。本例では、試料であるカラーフィルタをステージ9上に載置した状態において、欠陥検出及び欠陥観察並びに欠陥の修正が行われる。従って、欠陥検出装置により検出された欠陥のアドレス情報を用いて欠陥観察及び欠陥修正が行われる。   The sample 9 is placed on a stage 11 made of transparent glass. The stage 11 is connected to an XY drive mechanism (not shown) and can freely move in a plane (XY plane) orthogonal to the optical axis (Z axis) of the objective lens 8. Therefore, the projection defect existing on the surface of the color filter is positioned in the field of view of the objective lens based on the address information of the projection defect detected by the defect detection device, and the projection defect and its periphery are scanned two-dimensionally with the light beam. Can do. In this example, defect detection, defect observation, and defect correction are performed in a state where a color filter as a sample is placed on the stage 9. Therefore, defect observation and defect correction are performed using the address information of the defect detected by the defect detection device.

前述したように、カラーフィルタを支持するステージ9は、例えば1.5m×2.0m程度の大型のガラス基板で構成され、振動し易い特性を有する。このため、ステージを支持する架台を介して外部振動が伝達され、カラーフィルタの表面が振動してしまう。また、架台を通して伝達される外部機械振動だけでなく、ダクトの騒音等による音響振動による影響も受け易く、近くに騒音源が存在する場合空気を介して伝達される音響振動によりステージ及びカラーフィルタが振動してしまう。一方、測定中にステージ又は対物レンズが振動すると、対物レンズから出射する走査ビームの集束点とカラーフィルタ表面と間の相対距離が変動し、出力されるZ軸方向の位置情報と実際の試料又は対物レンズのZ軸方向の位置とが対応しない事態が発生する。   As described above, the stage 9 that supports the color filter is composed of a large glass substrate of about 1.5 m × 2.0 m, for example, and has a characteristic of being easily vibrated. For this reason, external vibration is transmitted through the gantry supporting the stage, and the surface of the color filter vibrates. Also, not only external mechanical vibration transmitted through the gantry but also easily affected by acoustic vibration due to duct noise, etc., if there is a noise source nearby, the stage and color filter are affected by acoustic vibration transmitted through the air. It will vibrate. On the other hand, if the stage or the objective lens vibrates during the measurement, the relative distance between the focal point of the scanning beam emitted from the objective lens and the color filter surface changes, and the output position information in the Z-axis direction and the actual sample or A situation occurs in which the position of the objective lens in the Z-axis direction does not correspond.

上述した不具合を解消するため、本発明では、Z軸方向のスキャン情報として、対物レンズの送り量やステージの移動量を検出するのではなく、対物レンズと試料表面との間の実際の間隔ないし距離を測定する。すなわち、対物レンズと試料表面との間の実際の間隔又は距離を測定すれば、ステージや対物レンズがZ軸方向に振動しても、Z軸方向の変位情報は常時正確な位置情報が検出されるため、外部振動による影響を受けないZ軸方向の位置情報が検出される。   In order to eliminate the above-described problems, the present invention does not detect the feed amount of the objective lens or the movement amount of the stage as the scan information in the Z-axis direction, but instead of detecting the actual distance between the objective lens and the sample surface. Measure distance. In other words, if the actual distance or distance between the objective lens and the sample surface is measured, even if the stage or objective lens vibrates in the Z-axis direction, displacement information in the Z-axis direction is always detected accurately. Therefore, position information in the Z-axis direction that is not affected by external vibration is detected.

対物レンズと試料表面との間の間隔を検出するため、対物レンズ8の支持枠(鏡筒)に距離センサ12一体的に結合する。距離センサ12は、対物レンズ8と試料9の表面との間の距離を測定するセンサであり、例えばレーザ変位計や静電容量センサを用いることができる。レーザ変位計は、光テコの原理を利用した変位計であり、レーザ光源と試料表面からの反射光を受光する1次元イメージセンサとを有する。レーザ光源から光ビームを投射し、試料表面からの反射光を1次元イメージセンサにより受光し、1次元イメージセンサからの出力信号を用いて三角測量の原理に基づいて試料表面までの距離が測定される。そして、距離センサ12から出力される距離情報をZ軸方向スキャンの位置情報として利用する。このように、対物レンズに一体的に結合した距離センサから出力される距離情報を用いることにより、外部振動による影響を受けないZ軸方向の変位情報が測定される。   In order to detect the distance between the objective lens and the sample surface, the distance sensor 12 is integrally coupled to a support frame (lens barrel) of the objective lens 8. The distance sensor 12 is a sensor that measures the distance between the objective lens 8 and the surface of the sample 9, and for example, a laser displacement meter or a capacitance sensor can be used. The laser displacement meter is a displacement meter that uses the principle of optical lever, and includes a laser light source and a one-dimensional image sensor that receives reflected light from the sample surface. A light beam is projected from the laser light source, the reflected light from the sample surface is received by the one-dimensional image sensor, and the distance to the sample surface is measured based on the principle of triangulation using the output signal from the one-dimensional image sensor. The The distance information output from the distance sensor 12 is used as position information for the Z-axis direction scan. Thus, by using the distance information output from the distance sensor integrally coupled to the objective lens, the displacement information in the Z-axis direction that is not affected by external vibration is measured.

試料9の表面からのライン状の反射ビームは、対物レンズ8により集光され、2つのリレーレンズ7及び6を経てガルバノミラー5に入射する。入射した反射ビームは、ガルバノミラー5によりデスキャンされ、ハーフミラー4を透過し、結像レンズ13を経て1次元イメージセンサ14に入射する。入射したライン状の反射ビームは、ガルバノミラー5によりデスキャンされているので、1次元イメージセンサの光入射面上に静止した状態になる。1次元イメージセンサ14は、光ファイバ1から出射するライン状光ビームの延在方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、各受光素子に蓄積された電荷量をガルバノミラー5の偏向周波数と同期して読み出し、輝度信号として出力する。1次元イメージセンサ14は、光入射面に位置する枠がピンホールと同様な作用を果たすため、共焦点光学系を構成することになる。1次元イメージセンサ14から出力される輝度信号は、増幅器15により増幅され、信号処理回路20に供給される。   The line-like reflected beam from the surface of the sample 9 is collected by the objective lens 8 and enters the galvanometer mirror 5 through the two relay lenses 7 and 6. The incident reflected beam is descanned by the galvanometer mirror 5, passes through the half mirror 4, and enters the one-dimensional image sensor 14 through the imaging lens 13. Since the incident line-shaped reflected beam is descanned by the galvanometer mirror 5, it becomes stationary on the light incident surface of the one-dimensional image sensor. The one-dimensional image sensor 14 has a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the extending direction of the line-shaped light beam emitted from the optical fiber 1, and the amount of electric charge accumulated in each light receiving element is galvanomirror 5. Are read out in synchronism with the deflection frequency and output as a luminance signal. The one-dimensional image sensor 14 constitutes a confocal optical system because the frame located on the light incident surface performs the same function as a pinhole. The luminance signal output from the one-dimensional image sensor 14 is amplified by the amplifier 15 and supplied to the signal processing circuit 20.

試料の2次元画像の撮像及び形状測定に際し、対物レンズを光軸方向に移動させながら複数回2次元画像を撮像すると共に対物レンズと試料表面との間の間隔を測定する。例えば、基準位置から対物レンズを徐々に降下又は上昇させると、対物レンズから出射した光ビームの集束点が試料表面上に位置していない場合、試料表面からの反射光はピンホールとして作用する1次元イメージセンサの枠により遮光され、信号レベルの低い輝度信号が出力される。対物レンズの移動に伴い、光ビームの集束点が試料表面上に位置すると、共焦点光学系の原理より、試料表面からの大量の反射光が1次元イメージセンサの受光素子に入射する。従って、対物レンズを光軸方向に移動させながら、光検出手段から出力される輝度信号の最大輝度値及び最大輝度値を発生するZ軸方向の位置情報を検出することにより、試料表面の合焦した2次元画像が撮像されると共に試料表面の各部位のZ軸方向の位置が検出されることになる。   When capturing a two-dimensional image of a sample and measuring the shape, a two-dimensional image is captured a plurality of times while moving the objective lens in the optical axis direction, and the distance between the objective lens and the sample surface is measured. For example, when the objective lens is gradually lowered or raised from the reference position, the reflected light from the sample surface acts as a pinhole if the focal point of the light beam emitted from the objective lens is not located on the sample surface1 The light is shielded by the frame of the three-dimensional image sensor and a luminance signal having a low signal level is output. When the focal point of the light beam is positioned on the sample surface as the objective lens moves, a large amount of reflected light from the sample surface enters the light receiving element of the one-dimensional image sensor due to the principle of the confocal optical system. Therefore, while moving the objective lens in the optical axis direction, the maximum luminance value of the luminance signal output from the light detection means and the position information in the Z-axis direction that generates the maximum luminance value are detected, thereby focusing the sample surface. The obtained two-dimensional image is picked up and the position in the Z-axis direction of each part on the sample surface is detected.

図2は信号処理回路の一例を示す線図である。信号処理回路20には、1次元イメージセンサ14からの輝度信号が入力すると共に距離センサ12から出力される間隔情報がZ軸方向の位置情報として入力する。1次元イメージセンサ14からの輝度信号は増幅器15により増幅され、A/D器21によりデジタル信号に変換され、比較器22及びセレクタ23にそれぞれ供給する。セレクタ23により選択された輝度情報は第1のフレームメモリ24に記憶する。第1のフレームメモリ24に記憶されている輝度情報は比較器22及びセレクタ23に供給する。比較器22において、新たに入力した各画素毎の輝度値とフレームメモリ24に記憶されている輝度値とを比較し、輝度値が大きい方の信号を選択する選択信号をセレクタ23に出力する。セレクタ23は、入力した選択信号に基づき、輝度の高い方の輝度信号を選択して第1のフレームメモリ24に出力する。第1のフレームメモリに記憶された輝度情報を読み出すことにより、試料の2次元画像情報が出力される。   FIG. 2 is a diagram showing an example of a signal processing circuit. The signal processing circuit 20 receives the luminance signal from the one-dimensional image sensor 14 and the interval information output from the distance sensor 12 as position information in the Z-axis direction. The luminance signal from the one-dimensional image sensor 14 is amplified by the amplifier 15, converted into a digital signal by the A / D device 21, and supplied to the comparator 22 and the selector 23. The luminance information selected by the selector 23 is stored in the first frame memory 24. The luminance information stored in the first frame memory 24 is supplied to the comparator 22 and the selector 23. In the comparator 22, the newly input luminance value for each pixel is compared with the luminance value stored in the frame memory 24, and a selection signal for selecting the signal having the larger luminance value is output to the selector 23. The selector 23 selects the higher luminance signal based on the input selection signal and outputs it to the first frame memory 24. By reading the luminance information stored in the first frame memory, the two-dimensional image information of the sample is output.

距離センサ12からの出力は、A/D変換器25によりデジタル信号に変換され、第2のフレームメモリ26に出力される。比較器22から出力される選択信号は第2のフレームメモリ26に書込制御信号として入力する。従って、距離センサから出力される位置情報は、最大輝度値が発生したときのZ軸方向の位置情報として第2フレームメモリ26に書き込まれる。第2のフレームメモリ26から試料表面の高さ情報が出力される。   The output from the distance sensor 12 is converted into a digital signal by the A / D converter 25 and output to the second frame memory 26. The selection signal output from the comparator 22 is input to the second frame memory 26 as a write control signal. Therefore, the position information output from the distance sensor is written in the second frame memory 26 as position information in the Z-axis direction when the maximum luminance value is generated. The height information on the sample surface is output from the second frame memory 26.

次に、対物レンズと試料表面との間の間隔を測定して位置情報として出力する間隔測定手段の変形例について説明する。図3は間隔測定手段の変形例を示す線図である。本例では、試料に向けて走査ビームを投射する対物レンズを走査ビームと共用し、光テコの原理により対物レンズと試料表面との間の間隔を測定する。例えば830μmの近赤外のレーザビームを放出する半導体レーザ30を用いる。レーザ30はから出射した測定ビームは、ハーフミラー31で反射し、対物レンズ8の光路中に配置したダイクロイックミラー32に入射する。このダイクロイックミラー32はカップリング光学系として作用し、830μm以下の波長光を透過し、830μm以上の波長光を反射する特性を有する。従って、測定ビームはダイクロイックミラー32で反射し、対物レンズ8を経て試料9の表面に入射する。一方、走査ビームの大部分は、ダイクロイックミラー32を透過して試料表面に入射するため、試料の形状測定に影響を与えることはない。   Next, a description will be given of a modified example of the interval measuring means for measuring the interval between the objective lens and the sample surface and outputting it as position information. FIG. 3 is a diagram showing a modification of the interval measuring means. In this example, the objective lens that projects the scanning beam toward the sample is also used as the scanning beam, and the distance between the objective lens and the sample surface is measured by the principle of optical lever. For example, a semiconductor laser 30 that emits a near-infrared laser beam of 830 μm is used. The measurement beam emitted from the laser 30 is reflected by the half mirror 31 and enters a dichroic mirror 32 disposed in the optical path of the objective lens 8. The dichroic mirror 32 functions as a coupling optical system, and has a characteristic of transmitting light having a wavelength of 830 μm or less and reflecting light having a wavelength of 830 μm or more. Accordingly, the measurement beam is reflected by the dichroic mirror 32 and enters the surface of the sample 9 through the objective lens 8. On the other hand, most of the scanning beam passes through the dichroic mirror 32 and is incident on the sample surface, and thus does not affect the shape measurement of the sample.

測定ビームは、試料表面で反射し、再び対物レンズを透過し、ダイクロイックミラー32で反射する。さらに、ハーフミラー31を透過して1次元イメージセンサ33に入射する。1次元イメージセンサ33は、y方向(図3参照)である対物レンズの光軸と平行な方向に配列した複数の受光素子を有する。対物レンズ8が実線で示す基準位置から距離Δzだけ下降し、破線で示す位置まで変位したものとする。対物レンズのΔzの下降に伴い、試料表面上において測定ビームはx方向に変位し、1次元イメージセンサ33上においてy方向にΔyだけ変位し、Δyだけ変位した画素に測定ビームが入射する。この場合、対物レンズの移動量Δzと1次元イメージセンサの移動画素数Δyとの関係を予め記憶しておくことにより、1次元イメージセンサからの出力信号(例えば、画素番号)に基づいて対物レンズと試料表面との間の間隔が検出される。本例では、間隔測定用の測定ビームが走査ビームに近接して試料表面に入射するため、一層正確な間隔情報が得られる利点が達成される。   The measurement beam is reflected by the sample surface, passes through the objective lens again, and is reflected by the dichroic mirror 32. Further, the light passes through the half mirror 31 and enters the one-dimensional image sensor 33. The one-dimensional image sensor 33 has a plurality of light receiving elements arranged in a direction parallel to the optical axis of the objective lens in the y direction (see FIG. 3). It is assumed that the objective lens 8 is lowered from the reference position indicated by the solid line by the distance Δz and displaced to the position indicated by the broken line. As the objective lens Δz is lowered, the measurement beam is displaced in the x direction on the sample surface, displaced by Δy in the y direction on the one-dimensional image sensor 33, and the measurement beam is incident on the pixel displaced by Δy. In this case, the relationship between the movement amount Δz of the objective lens and the number of moving pixels Δy of the one-dimensional image sensor is stored in advance, so that the objective lens is based on an output signal (for example, a pixel number) from the one-dimensional image sensor. And the sample surface is detected. In this example, since the measurement beam for interval measurement is incident on the sample surface in the vicinity of the scanning beam, an advantage that more accurate interval information can be obtained is achieved.

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、本発明を形状測定装置に適用した例をもって説明したが、形状測定機能を有する共焦点顕微鏡においても外部振動の影響を受けるため、形状測定を行うレーザ顕微鏡にも本発明を適用することが可能である。尚、2次元走査型共焦点顕微鏡に本発明を適用する場合、対物レンズ又は試料ステージのいずれか一方を駆動して対物レンズと試料表面との間の距離を変化させることが可能であり、この場合にも対物レンズと試料表面との間の間隔を測定してZ軸方向の位置情報として利用する。
また、2次元走査光学系としてライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に周期的に偏向する構成を採用したが、光源としてレーザ光源を用い、例えば音響光学素子とガルバノミラーとの2つのビーム偏向装置の組み合わせにより試料表面を2次元走査することも可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made. For example, in the above-described embodiments, the present invention has been described with reference to an example in which the present invention is applied to a shape measuring apparatus. The invention can be applied. When the present invention is applied to a two-dimensional scanning confocal microscope, it is possible to drive either the objective lens or the sample stage to change the distance between the objective lens and the sample surface. Even in this case, the distance between the objective lens and the sample surface is measured and used as position information in the Z-axis direction.
In addition, a configuration in which a linear light beam is periodically deflected in a direction orthogonal to its extending direction is adopted as a two-dimensional scanning optical system. It is also possible to scan the sample surface two-dimensionally by combining two beam deflectors.

本発明による形成測定装置の光学系の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of the optical system of the formation measuring apparatus by this invention. 信号処理回路の一例を示す線図である。It is a diagram which shows an example of a signal processing circuit. 間隔測定手段の変形例を示す線図である。It is a diagram which shows the modification of a space | interval measurement means.

符号の説明Explanation of symbols

1 光ファイバ
2 エキスパンダ光学系
3 全反射ミラー
4 ハーフミラー
5 ガルバノミラー
6,7 リレーレンズ
8 対物レンズ
9 試料
10 モータ
11 ステージ
12 距離センサ
13 結像レンズ
14 1次元イメージセンサ
15 増幅器
21,25 A/D変換器
22 比較器
23 セレクタ
24 第1のフレームメモリ
26 第2のフレームメモリ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical fiber 2 Expander optical system 3 Total reflection mirror 4 Half mirror 5 Galvano mirror 6,7 Relay lens 8 Objective lens 9 Sample 10 Motor 11 Stage 12 Distance sensor 13 Imaging lens 14 One-dimensional image sensor 15 Amplifier 21, 25 A / D converter 22 comparator 23 selector 24 first frame memory 26 second frame memory

Claims (9)

試料の表面形状を測定する形状測定装置であって、
光源から出射した光ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料表面を光ビームにより走査する走査光学系と、
前記対物レンズの光軸と直交するXY面内で自在に移動し、前記試料を支持するステージと、
試料表面からの反射光を受光して輝度信号を出力する光検出手段と、
前記対物レンズを、その光軸(Z軸)方向にそって移動させる対物レンズ駆動手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の間隔を測定し、Z軸方向の位置情報として出力する間隔測定手段と、
前記光検出手段から出力される輝度信号と間隔測定手段から出力される位置情報とを用い、試料表面の高さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする形状測定装置。
A shape measuring device for measuring the surface shape of a sample,
A scanning optical system that projects a light beam emitted from a light source toward a sample via an objective lens, and scans the surface of the sample with the light beam;
A stage that freely moves in an XY plane orthogonal to the optical axis of the objective lens and supports the sample;
Photodetection means for receiving reflected light from the sample surface and outputting a luminance signal;
Objective lens driving means for moving the objective lens along its optical axis (Z-axis) direction;
An interval measuring means for measuring an interval between the objective lens and the sample surface, and outputting as position information in the Z-axis direction;
A shape measuring apparatus comprising signal processing means for outputting height information of a sample surface using a luminance signal outputted from the light detecting means and position information outputted from an interval measuring means.
請求項1に記載の形状測定装置において、前記間隔測定手段は、前記対物レンズに一体的に結合され、対物レンズと前記試料表面との間の距離を測定する距離センサにより構成したことを特徴とする形状測定装置。   2. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the distance measuring means is constituted by a distance sensor that is integrally coupled to the objective lens and measures a distance between the objective lens and the sample surface. Shape measuring device. 請求項2に記載の形状測定装置において、前記距離センサは、試料表面に向けて光ビームを投射する手段と試料表面からの反射光を受光する光検出手段とを有し、光検出手段からの出力信号に基づいて対物レンズと試料表面との間の間隔の変位量を出力することを特徴とする形状測定装置。   3. The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the distance sensor includes means for projecting a light beam toward the sample surface and light detecting means for receiving reflected light from the sample surface. A shape measuring apparatus that outputs a displacement amount of an interval between an objective lens and a sample surface based on an output signal. 請求項1に記載の形状測定装置において、前記間隔測定手段は、レーザビームを発生するレーザ光源と、レーザビームを前記対物レンズの光路に結合するカップリング部材と、対物レンズの光軸と平行な方向に沿って配列した複数の受光素子を有し、試料表面で反射したレーザビームを受光する1次元イメージセンサとを有し、1次元イメージセンサからの出力情報に基づいて対物レンズと試料表面との間の間隔を検出する間隔測定装置で構成したことを特徴とする形状測定装置。   2. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the distance measuring means includes a laser light source that generates a laser beam, a coupling member that couples the laser beam to the optical path of the objective lens, and an optical axis of the objective lens. A plurality of light receiving elements arranged along a direction, and a one-dimensional image sensor that receives a laser beam reflected by the sample surface, and an objective lens and the sample surface based on output information from the one-dimensional image sensor A shape measuring device comprising an interval measuring device for detecting an interval between the two. 請求項1から4までのいずれか1項に記載の形状測定走査において、前記対物レンズを光軸方向に移動させながら試料表面を2次元走査し、前記信号処理手段は、対物レンズが光軸方向に沿って移動する間に得られた各画素の最大輝度値を記憶する第1のフレームメモリと、前記最大輝度値を発生するZ軸方向の位置情報を記憶する第2のフレームメモリとを有することを特徴とする形状測定装置。   5. The shape measurement scan according to claim 1, wherein the sample surface is two-dimensionally scanned while moving the objective lens in the optical axis direction, and the signal processing means has the objective lens in the optical axis direction. A first frame memory for storing the maximum luminance value of each pixel obtained during the movement along the line, and a second frame memory for storing position information in the Z-axis direction for generating the maximum luminance value. A shape measuring apparatus characterized by that. 請求項1から5までのいずれか1項に記載の形状測定装置において、前記試料をカラーフィルタとし、カラーフィルタの表面に存在する突起の高さを検出することを特徴とする形状測定装置。   6. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the sample is a color filter, and a height of a protrusion existing on the surface of the color filter is detected. 前記2次元走査光学系は、ライン状の光ビームを発生する手段と、ライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に周期的に偏向するビーム偏向手段とを有し、前記光検出手段は、前記ライン状光ビームの延在方向と対応する方向に配列した複数の受光素子を有する1次元イメージセンサで構成されていることを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の形状測定装置。   The two-dimensional scanning optical system includes means for generating a line-shaped light beam, and beam deflecting means for periodically deflecting the line-shaped light beam in a direction orthogonal to the extending direction thereof. 7 is a one-dimensional image sensor having a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the extending direction of the linear light beam. The shape measuring apparatus described. 光源から出射した光ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料表面を光ビームにより2次元走査する2次元走査光学系と、
前記試料を支持するステージと、
試料表面からの反射光を受光して輝度信号を出力する光検出手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の距離を相対的に変化させる駆動手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の間隔を測定し、Z軸方向の位置情報として出力する間隔測定手段と、
前記光検出手段から出力される輝度信号と間隔測定手段から出力される位置情報とを用い、試料表面の2次元画像情報及び形状情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
A two-dimensional scanning optical system that projects a light beam emitted from a light source toward a sample via an objective lens and two-dimensionally scans the surface of the sample with the light beam;
A stage for supporting the sample;
Photodetection means for receiving reflected light from the sample surface and outputting a luminance signal;
Driving means for relatively changing the distance between the objective lens and the sample surface;
An interval measuring means for measuring an interval between the objective lens and the sample surface, and outputting as position information in the Z-axis direction;
And a signal processing means for outputting two-dimensional image information and shape information of the sample surface using the luminance signal output from the light detection means and the position information output from the interval measurement means. Focus microscope.
請求項8に記載の共焦点顕微鏡において、前記2次元走査光学系は、レーザ光源と、レーザ光源から発生したレーザビームを第1の方向に周期的に偏向する第1のビーム偏向装置と、第1のビーム偏向装置から出射したレーザビームを前記第1の方向と直交する第2の方向に周期的に偏向する第2のビーム偏向装置とを具え、レーザビームにより試料表面を2次元走査することを特徴とする共焦点顕微鏡。
9. The confocal microscope according to claim 8, wherein the two-dimensional scanning optical system includes a laser light source, a first beam deflecting device that periodically deflects a laser beam generated from the laser light source in a first direction, A second beam deflecting device that periodically deflects a laser beam emitted from one beam deflecting device in a second direction orthogonal to the first direction, and two-dimensionally scanning the sample surface with the laser beam; A confocal microscope.
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