JP2010139419A

JP2010139419A - 形状測定装置

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Publication number: JP2010139419A
Application number: JP2008316980A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】投影されるパターンのピッチと対物レンズの開口数とを最適化して、十分な高さ検出精度を得ることができる形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１は、投影パターン１３の像を、対物レンズ１７の焦点面に結像して検査対象物Ｓに照射する照明光学系２と、検査対象物Ｓの像を結像する撮像光学系３と、検査対象物Ｓの像を検出して画像信号を出力する撮像素子２１と、検査対象物Ｓ又は対物レンズ１７を相対的に移動させて、撮像素子２１により、合焦状態の異なる複数の像の画像データを取得して検査対象物Ｓの形状を得る制御部２０と、を有し、対物レンズ１７の焦点面に形成された投影パターン１３の像のピッチ及び対物レンズ１７の開口数が、撮像光学系３により、検査対象物Ｓから出射する回折光のうち、少なくとも３次の回折光までを取り込むことができるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

光学的に検査対象物の三次元形状を測定する形状測定装置は、検査対象物にパターン光を投影する投影機と、この投影機の光軸とは異なる方向から検査対象物を観察するカメラユニットと、を有し、カメラユニットで撮像したパターン光の変形から検査対象物の形状を算出する方式の、いわゆる三角測量方式のものが一般的に用いられている。ところが、検査対象物の形状を高精度に測定するためには、投光器の光軸とカメラユニットの光軸との角度を大きくする必要があるが、このような配置にすると検査対象物の形状によって影となる部分が大きくなり測定できない領域が増えてしまうという欠点がある。一方、焦点深度の浅い光学系を用いて検査対象物に対して相対的に焦点面をずらしながら移動させ、焦点の合っている位置を物体の高さとして算出する立体形状検出方法が開示されている。この方法はＳＦＦ（Shape From Focus）法と呼ばれ、画像として見えている部分の高さ測定が可能となっているが、合焦位置を検出するためには、合焦していることがわかるために検査対象物の表面にテクスチャがなければならない。

ところが、近年、金属加工技術が発達し、ほとんど鏡面に近い検査対象物の形状を測定する必要が出てきた。鏡面に近い金属面では、光はほとんど正反射してしまい、上述の三角測量方式の三次元形状測定装置ではカメラユニットに十分な光が入らず測定できない。また、ＳＦＦ法でも検査対象物の表面のテクスチャがないため、合焦していることを検出することが困難である。そこで、検査対象物のテクスチャの代わりにパターンを投影して合焦状態を検出する方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−０７４４２２号公報

しかしながら、パターンを投影して合焦状態を検出することにより検査対象物の形状を測定する際に、投影されるパターンのピッチとこのパターンを検出する光学系の開口数とが最適な値に設定されていないと、検査対象物の形状を正確に測定することはできないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、投影されるパターンのピッチと光学系（対物レンズ）の開口数とを最適化することにより、十分な高さ検出精度を得ることができる形状測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、対物レンズを有し、光を透過する領域及び遮断する領域の繰り返しパターンが形成された投影パターンの像を、対物レンズを介して当該対物レンズの焦点面に結像して検査対象物に照射する照明光学系と、上記対物レンズと結像レンズとを有し、検査対象物で反射若しくは散乱した光により、検査対象物の像を結像する撮像光学系と、この撮像光学系により結像された検査対象物の像を検出して画像信号を出力する撮像素子と、検査対象物又は対物レンズを、対物レンズの光軸方向に相対的に移動させて、撮像素子により、合焦状態の異なる複数の像の画像データを取得して検査対象物の形状を得る制御部と、を有し、対物レンズの焦点面に形成された投影パターンの像における繰り返しパターンのピッチ及び対物レンズの開口数を、撮像光学系により、検査対象物から出射する回折光のうち、少なくとも３次の回折光までを取り込むことができるように設定される。

このような形状測定装置は、投影パターンの像における繰り返しパターンのピッチ及び対物レンズの開口数を、撮像光学系により、検査対象物から出射する回折光のうち、多くとも２１次の回折光までを取り込むことができるように設定することが好ましい。

また、このような形状測定装置において、制御部は、画像信号のうち、投影パターンの像における繰り返しパターンのピッチの３次高調波から２１高調波までを抽出するフィルタを有し、このフィルタを通過した画像信号による画像データを取得して検査対象物の形状を得るように構成されることが好ましい。

さらに、このような形状測定装置において、検査対象物が平面であって、且つ、対物レンズの焦点面に配置されているときに、撮像素子により検出される検査対象物の像における投影パターンの繰り返しパターンのピッチが、少なくとも撮像素子の画素サイズの４倍以上であることが好ましい。

本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、投影されるパターンのピッチと光学系の開口数とを最適化することにより、検査対象物の十分な高さ検出精度を得て、測定回数を少なくして短時間で測定することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本実施の形態に係る形状測定装置の構成について説明する。この形状測定装置１は、ハロゲンランプやＬＥＤ等の光源１１から放射された光を検査対象物Ｓに照射する照明光学系２と、検査対象物Ｓの表面で反射若しくは散乱した光を結像してこの検査対象物Ｓの像を形成する撮像光学系３と、撮像光学系３で結像された像を検出する撮像素子２１と、検査対象物Ｓが載置されるステージ２２と、このステージ２２を光軸方向に移動させるステージ駆動機構２３と、撮像素子２１から出力される画像信号を取り込み、また、ステージ駆動機構２３の動作を制御してステージ２２を作動させる制御部２０と、を有して構成される。

照明光学系２は、光源１１側から順に、コンデンサレンズ１２と、光を透過する領域及び遮断する領域の繰り返しパターンであって、検査対象物Ｓに照射されるパターンがガラス基板上にクロムマスクなどでエッチングされて形成されている投影パターン１３と、リレーレンズ１４と、ハーフミラー１５と、開口絞り１６と、対物レンズ１７と、を有している。また、撮像光学系３は、照明光学系２のうち対物レンズ１７、開口絞り１６及びハーフミラー１５を共用し、検査対象物Ｓから順に、対物レンズ１７と、開口絞り１６と、ハーフミラー１５と、結像レンズ１８と、を有している。

光源１から出射された光は、コンデンサレンズ１２で集光されて投影パターン１３を照明し、この投影パターン１３を透過した光はリレーレンズ１４に入射する。ここで、投影パターン１３はリレーレンズ１４のほぼ前側焦点位置に配置されているため、投影パターン１３上の１点から出た光はこのリレーレンズ１４により平行光となり、ハーフミラー１５で反射された後、開口絞り１６を通過して対物レンズ１７へと導かれる。そして、対物レンズ１７によりこの対物レンズ１７の焦点面近傍に投影パターン１３の像が結像されて、この焦点面近傍に配置された検査対象物Ｓの表面に照射される。

検査対象物Ｓで反射または散乱された光は再び対物レンズ１７で集光され、開口絞り１６を介してハーフミラー１５に入射し、このハーフミラー１５を透過して結像レンズ１８に導かれる。この結像レンズ１８は、対物レンズ１７で集光された光をＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子２１の撮像面２１ａに結像させる。すなわち、投影パターン１３の像が投影された検査対象物Ｓの像が撮像素子２１の撮像面２１ａに形成される。この像を光電変換し、制御部２０に画像信号として取り込む。また、制御部２０では、ステージ駆動機構２３に指令を出して、検査対象物Ｓを載せたステージ２２を対物レンズ１７の光軸方向に移動させ、前出の対物レンズ１７の焦点面と検査対象物Ｓとの位置関係を変化させて画像信号を取り込む。得られた画像信号では、検査対象物Ｓの表面と対物レンズ１７の焦点面が合致した部分のみ、投影パターン１３の像がはっきり見える。そこで、画像処理により像のはっきり見える部分を抽出して、その部分の高さ情報とする。ここで、はっきり見えるとは、合焦測度が一番高いところをいい、この合焦測度は、繰り返しパターン（黒と白）の境界部分のコントラスト、像の高周波数成分等の概念を含む。ステージ２２を対物レンズ１７の光軸方向に移動させることにより、検査対象物Ｓ上の各点の高さ情報を求めることができる。

このような照明光学系２及び撮像光学系３は無限遠系設計の光学系なので、投影パターン１３から対物レンズ１７の焦点面までの投影倍率は、対物レンズ１７の焦点距離とリレーレンズ１４の焦点距離との比となる。また、対物レンズ１７の焦点面から撮像素子２１の撮像面２１ａまでの投影倍率は、結像レンズ１８の焦点距離と対物レンズ１７の焦点距離との比となる。なお、本実施の形態においては、照明光学系２は、光源１１から出射された光がハーフミラー１５で反射されて対物レンズ１７に導かれるように、このハーフミラー１５の側方に折り曲げられて配置されており、撮像光学系３は、検査対象物Ｓから出射した光がハーフミラー１５を透過して撮像素子２１の撮像面２１ａで検出されるように配置されているが、ハーフミラー１５に対するこれらの光学系２，３の位置関係を逆にしても良い。

検査対象物Ｓが対物レンズ１７の光軸に垂直な平面であって、対物レンズ１７の焦点位置からずれたときに、検査対象物Ｓで反射若しくは散乱して撮像素子２１の撮像面２１ａに形成される投影パターン１３の像の形状が変化する様子を図２に示す。この図２は、投影パターン１３の像のピッチ（対物レンズ１７の焦点面上におけるパターン像の繰り返しピッチ）が１３．４４μｍで、上記光学系２，３の開口数（対物レンズ１７の物体側の開口数）が０．２９５の場合であって、対物レンズ１７の焦点面と検査対象物８の面とのずれが、ぞれぞれ０μｍ，５μｍ，１０μｍの場合について、試料面（検査対象物８の面）での座標と光強度との関係をシミュレートしたものである。この図２に示すように、投影パターン１３の像のピッチ（対物レンズ１７の焦点面上におけるパターン像の繰り返しピッチ）と、上記光学系２，３の開口数との関係が適正な場合には、合焦状態ではかなり矩形に近い形状をしているのに対し、対物レンズ１７の焦点面からずれてくるに従い、角が落ちて徐々に正弦波に近い形状に変化していることが分かる。

撮像素子２１では、撮像面２１ａを所定の大きさで切り取り、画素内の光を積算してひとつの画像信号として出力する。検査対象物Ｓの反射率は低いことも考えられるので、できるだけ画素を大きくして捉えることのできる光を増やしたいという要求があるが、合焦状態の変化（上述のように、試料面上での座標に対する光強度の関係としての、矩形形状から正弦形状へ変化）を捉えるためには、画素の大きさを、投影パターン３の繰り返しパターンの像の撮像面２１ａ上でのピッチの１／４以下にする必要がある。

この図２に示す条件の開口数（０．２９５）では、投影パターン１３の像が検査対象物Ｓの表面に照射されたときの５次回折光までが撮像光学系３で取り込まれる。光学系２，３の開口数を０．１６２に小さくして、投影パターン１３の取り込まれる回折次数を３次までにしたものを図３に示し、さらに、光学系２，３の開口数を０．０９２まで小さくして１次までとしたものを図４に示す。これらの図２〜図４から分かるように、対物レンズ１７の焦点位置と検査対象物Ｓの面のずれを検知するためには、少なくとも３次の回折光まで撮像光学系３で取り込む必要がある。例えば、波長５５０ｎｍの可視光の場合、検査対象物Ｓの表面上での投影パターン１３の像のピッチ（対物レンズ１７の焦点面上におけるパターン像の繰り返しピッチ）が１１μｍのときに、光学系２，３の開口は、少なくとも０．１５以上の開口数を持つ必要がある。

一方、投影パターン１３の像のピッチ（対物レンズ１７の焦点面上におけるパターン像の繰り返しピッチ）を４倍の５３．６８μｍまで粗くして多くの回折次数の光が撮像光学系３に取り込まれるようにすると、図５に示すように、対物レンズ１７の焦点面からの検査対象物Ｓの面のずれに対して、いずれも略矩形状になり、エッジ部だけの変化になるため、画像信号の変化として捉えにくくなってしまう。なお、この図５に示す例では、光学系２，３の開口数は、図２と同様に、０．２９５とした場合を示し、このとき２７次の回折光までが取り込まれることになる。

投影パターン１３に形成された繰り返しパターンの明部及び暗部の幅が等しい場合には、回折次数ｎの回折光の振幅Ａ_nは、次式（１）で表される。

つまり、奇数次の回折光の振幅は回折次数に反比例する。一方、光学系の光軸とのなす角度が大きい光ほど、焦点位置ずれの波面収差の変化が大きい（光軸とのなす角度の２乗に比例）。光学系全体の焦点位置ずれの影響は、被検物体からの回折光（の振幅）に波面収差の影響をかけて回折光すべてについて積算したものであるため、必要以上に高次の回折光が取り込まれてもその振幅が小さいので、結像への影響が小さく、焦点位置ずれの検出感度を向上する効果はない。投影パターン１３の像のピッチを粗くすると、光の回折角が小さくなり、光学系の開口数を変えない場合にはより高次の回折光が取り込まれるが、焦点位置ずれの検出感度に貢献しない。さらに焦点位置ずれの検出に寄与する低次の回折光の回折角が小さくなることにより焦点位置ずれの波面収差の変化が小さくなり、焦点位置ずれの検出感度が低下する。したがって、焦点位置ずれによる波面収差の変化に寄与するに足りる振幅をもった回折次数のみが取り込まれる必要がある。

図６に示すように、回折光の次数が高くなるとこの回折光の振幅の絶対値が小さくなり、対物レンズ１７の焦点面と検査対象物Ｓの面とのずれが結像に与える影響が小さくなる。ここで、光学系の焦点深度は、光学系の開口の端での波面収差がおよそπ／２となるときの焦点ずれ量に相当する。この焦点深度をｄとすると、開口数ＮＡと波長λとから次式（２）の関係を有する。

このとき、３次の回折光に与えられる波面収差がおよそ０．０１π以上無いと、焦点ずれの影響が像に現れないことがシミュレーションの結果から分かった。そこで、投影パターン１３の像のピッチ（対物レンズ１７の焦点面上に形成されたパターン像の繰り返しピッチ）をｐとしたとき、３次の回折光が受ける波面収差による位相の変化の大きさが０．０１π以下となる必要がある。この関係を式で表すと、次の式（３）のようになる。

そして、この式（３）を、上述の式（２）に代入すると、次の式（４）のような条件となる。

以上より、撮像光学系３に取り込まれる回折光の次数は、多くとも２１次までとすることにより、対物レンズ１７の焦点位置と検査対象物Ｓの面のずれを良好に検知することができる。すなわち、形状測定装置１において、投影パターン１３の像のピッチ（対物レンズ１７の焦点面上に形成されたパターン像の繰り返しピッチ）と、光学系２，３（対物レンズ１７）の開口数（解像度）との関係を最適化して、検査対象物Ｓの表面で発生する回折光のうち、撮像光学系３で取り込まれる回折次数を３次から２１次の範囲にすることにより、撮像素子２１で取得された画像の変化から、対物レンズ１７の焦点位置と検査対象物Ｓの面のずれを良好に検知することができる。

なお、以上のように光学系２，３により回折光の次数を制限するのではなく、撮像素子２１で取得された画像信号を制御部２０により電気的に処理することも可能である。具体的には、撮像素子２１により投影パターン１３の像を画像信号として取り込んだ後、制御部２０で、上述のように試料面上での座標に対する光強度の関係におけるエッジの検出を行うが、このために、画像信号に対して微分処理又はこの画像信号の高周波成分を取り出す処理を加える。このときに、画像信号上で、投影パターン１３のピッチに対する３次高調波以上の成分を通過させる（３次高調波より低い成分をカットする）フィルタリングを行うと、回折光のうち、０次と１次の成分を取り除くことができ、画像信号のうち対物レンズ１７の焦点面に対する検査対象物Ｓの面のずれに敏感な成分を取り出すことができ、エッジ検出の精度を向上させて、安定した形状検出を行うことができる。また、同様に、画像信号上で、投影パターン１３のピッチに対する２１次高調波以下の成分を通過させる（２１次高調波より高い成分をカットする）フィルタリングを行うことにより、画像信号のノイズ成分を低減することができ、エッジ検出の精度を向上させて、安定した形状検出を行うことができる。例えば、このような高調波を通過させるバンドパスフィルタを設けることで実現できる。

本発明に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。撮像光学系で５次の回折光までを取り込んだ投影パターン像の光強度分布を示すグラフである。撮像光学系の開口数を絞り３次の回折光まで取り込んだ投影パターン像の光強度分布を示すグラフである。撮像光学系の開口数をさらに絞り１次の回折光まで取り込んだ投影パターン像の光強度分布を示すグラフである。投影パターンの繰り返しパターンのピッチを広げ２７次の回折光まで取り込んだ投影パターン像の光強度分布を示すグラフである。回折次数毎の投影パターン像の状態を示すグラフであって、（ａ）は回折次数に対する回折光の振幅の状態を示し、（ｂ）は回折次数に対する波面収差の状態を示す。

符号の説明

１形状測定装置２照明光学系３撮像光学計１３投影パターン
１７対物レンズ１８結像レンズ２０制御部２１撮像素子

Claims

対物レンズを有し、光を透過する領域及び遮断する領域の繰り返しパターンが形成された投影パターンの像を、前記対物レンズを介して当該対物レンズの焦点面に結像して検査対象物に照射する照明光学系と、
前記対物レンズと結像レンズとを有し、前記検査対象物で反射若しくは散乱した光により、前記検査対象物の像を結像する撮像光学系と、
前記撮像光学系により結像された前記検査対象物の像を検出して画像信号を出力する撮像素子と、
前記検査対象物又は前記対物レンズを、前記対物レンズの光軸方向に相対的に移動させて、前記撮像素子により、合焦状態の異なる複数の前記像の画像データを取得して前記検査対象物の形状を得る制御部と、を有し、
前記対物レンズの焦点面に形成された前記投影パターンの像における前記繰り返しパターンのピッチ及び前記対物レンズの開口数を、前記撮像光学系により、前記検査対象物から出射する回折光のうち、少なくとも３次の回折光までを取り込むことができるように設定した形状測定装置。
前記投影パターンの像における前記繰り返しパターンのピッチ及び前記対物レンズの開口数を、前記撮像光学系により、前記検査対象物から出射する前記回折光のうち、多くとも２１次の回折光までを取り込むことができるように設定した請求項１に記載の形状測定装置。
前記制御部は、前記画像信号のうち、前記投影パターンの像における前記繰り返しパターンのピッチの３次高調波から２１高調波までを抽出するフィルタを有し、前記フィルタを通過した前記画像信号による前記画像データを取得して前記検査対象物の形状を得るように構成された請求項１に記載の形状測定装置。
前記検査対象物が平面であって、且つ、前記対物レンズの焦点面に配置されているときに、前記撮像素子により検出される前記検査対象物の像における前記投影パターンの前記繰り返しパターンのピッチが、少なくとも前記撮像素子の画素サイズの４倍以上である請求項１〜３いずれか一項に記載の形状測定装置。