JP2013213695A - Shape measurement device - Google Patents

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Yasuhiro Takemura
安弘 竹村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional shape measurement device having confocal resolution in a lateral direction and resolution of a wavelength order or less in a vertical direction.SOLUTION: A shape measurement device includes: a confocal optical system 1A including a coherent light source 12, a scanning optical system 21 and a first detection optical system 31; and a movable mechanism 29 changing a height up to a surface of a sample S. The confocal optical system 1A includes a beam splitter 24 branching a luminous flux and a reference mirror 26 reflecting one luminous flux branched by the beam splitter 24 and making the luminous flux incident on the first detection optical system 31. The shape measurement device detects interference outputs of measuring heights in at least three portions adjacent to a measuring object portion on the sample S, repeatedly performs an operation for determining a peak position and amplitude of an interference output in the vicinities of the measuring heights in the at least three portions for each measuring height, and calculates height and quantity of light emitted at each measuring object portion on the sample S on the basis of a maximum value of the amplitude of the obtained inference pattern and the height.

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に詳しくは、走査型の共焦点光学系を用いて微細な3次元形状の測定あるいは観察を行う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 that measures or observes a fine three-dimensional shape using a scanning confocal optical system.

微細な3次元形状の測定/観察を行う装置として、白色光干渉光学系を用いた装置(特許文献1、2)や共焦点光学系を用いた装置(非特許文献1)が知られている。
いずれの装置も、高さ方向の測定は、光学系と試料(対象物)との距離(測定高さ)を所定の間隔でずらしながら、試料に照明光を照射し、試料から出射した光束の光量を測定することにより行う。
As a device for measuring / observing a fine three-dimensional shape, a device using a white light interference optical system (Patent Documents 1 and 2) and a device using a confocal optical system (Non-Patent Document 1) are known. .
Both devices measure the height direction by irradiating the sample with illumination light while shifting the distance (measurement height) between the optical system and the sample (object) at a predetermined interval. This is done by measuring the amount of light.

白色光干渉光学系を用いた装置においては、可視光域の広いスペクトル成分を有するコヒーレンスの低い光束を試料と参照面に照射して、それぞれから反射した光束を合波し、撮像素子に入射させる。この撮像素子の各画素上では、試料から反射した光束と参照面から反射した光束とが重なりあうが、光源のコヒーレンスが低いので、それぞれの光路長がほぼ一致した領域のみ干渉波形が現れる。この干渉波形の包絡線ピークの位置から各画素に対応した試料の部位の高さが測定され、ピーク時の干渉振幅により試料の当該部位の強度画像が得られる。   In an apparatus using a white light interference optical system, a sample and a reference surface are irradiated with a low-coherence light beam having a wide spectral component in the visible light range, and the light beams reflected from the sample and the reference surface are combined and incident on an image sensor. . On each pixel of this image sensor, the light beam reflected from the sample and the light beam reflected from the reference surface overlap each other. However, since the coherence of the light source is low, an interference waveform appears only in a region where the respective optical path lengths are approximately the same. The height of the part of the sample corresponding to each pixel is measured from the position of the envelope peak of the interference waveform, and an intensity image of the part of the sample is obtained from the interference amplitude at the peak.

試料と光学系との距離は、所定の間隔にてサンプリングしていく。ここで、ピークの位置を求めるには、垂直走査白色光干渉(VSI:Vertical Scanning Interferometry)法を基本として、幾つかの方法が提案されている(特許文献3等参照)。
一方、共焦点光学系を用いた装置については、幾つかの方式があるが、レーザを光源として共焦点光学系を構成し、試料上にできたレーザスポット位置を測定面内で走査して、各サンプリングポイントにおける反射光量を検出することにより、2次元画像を得る方式が広く用いられている。この共焦点光学系を用いる場合、通常の白色光方式と比較して測定面内の分解能(横分解能)やコントラストが高いのが特徴であり、特にNAが大きい対物レンズを使用した場合には、波長レベルの高さ方向分解能(縦分解能)が得られる。
The distance between the sample and the optical system is sampled at a predetermined interval. Here, in order to obtain the peak position, several methods have been proposed based on the vertical scanning white light interference (VSI: Vertical Scanning Interferometry) method (see Patent Document 3, etc.).
On the other hand, there are several methods for an apparatus using a confocal optical system, but the confocal optical system is configured using a laser as a light source, and the laser spot position formed on the sample is scanned within the measurement plane. A method of obtaining a two-dimensional image by detecting the amount of reflected light at each sampling point is widely used. When this confocal optical system is used, the resolution (lateral resolution) and contrast in the measurement surface are high compared to the normal white light method, and particularly when an objective lens with a large NA is used, A resolution in the height direction (vertical resolution) at the wavelength level can be obtained.

特表2009−509150号公報Special table 2009-509150 特表平09−503065号公報Japanese National Patent Publication No. 09-503065 特許第3511097号公報Japanese Patent No. 3511097

河田 聡、南 茂夫、「光学走査顕微鏡」、光学、1989年発行、第18巻、第8号、第380頁Satoshi Kawada, Shigeo Minami, "Optical Scanning Microscope", Optics, 1989, Vol. 18, No. 8, p. 380

ところで、従来の白色光干渉光学系を用いた装置では、共焦点光学系を用いた装置と比較して横分解能が低いという問題点があった。
一方、共焦点光学系を用いた装置では、対物レンズのNAが小さいときに、NAの二乗に比例して縦分解能が著しく低くなるという問題点があった。
このように、それぞれの方式により特長が異なり、横分解能と縦分解能の両方が高い形状測定装置が得られないという問題点があった。
By the way, the apparatus using the conventional white light interference optical system has a problem that the lateral resolution is low as compared with the apparatus using the confocal optical system.
On the other hand, the apparatus using the confocal optical system has a problem that when the NA of the objective lens is small, the vertical resolution is remarkably reduced in proportion to the square of NA.
As described above, the features differ depending on each method, and there is a problem that a shape measuring apparatus having both high lateral resolution and high vertical resolution cannot be obtained.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、共焦点光学系を用いた装置の場合に、横分解能と縦分解能の双方を高めることができ、したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the case of an apparatus using a confocal optical system, it is possible to increase both the horizontal resolution and the vertical resolution. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional shape measuring apparatus having a resolution of 2 nm and a resolution of the order of the wavelength or less in the longitudinal direction regardless of the focal length of the objective lens.

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、共焦点光学系を用いた形状測定装置について、走査光学系に第1の光源から出射した光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し検出光学系に入射させる反射手段を設け、試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力(出力光量)を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力(出力光量)のピーク位置(高さ)と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することとすれば、横分解能と縦分解能の双方を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors, as a result of the first measurement for branching the light beam emitted from the first light source to the scanning optical system, for the shape measuring apparatus using the confocal optical system. In addition to providing a branching means, a reflecting means for reflecting one of the light beams branched by the first branching means and entering the detection optical system is provided, and interference of three or more measurement heights adjacent to the measurement target part on the sample is provided. Obtaining the peak position (height) and amplitude of the interference output (output light quantity) in the vicinity of these three or more measurement heights by repeatedly detecting the output (output light quantity) for each measurement height. It is found that both the horizontal resolution and the vertical resolution can be improved by calculating the height and the amount of emitted light of each measurement target portion of the sample based on the maximum amplitude of the interference pattern and its height. To complete the present invention .

すなわち、本発明の形状測定装置は、第1の光源と、前記第1の光源から出射した光束を試料の表面上にて走査しつつ前記表面上に収束させる走査光学系と、前記試料と相互作用した光束を検出する検出光学系とを備えた共焦点光学系と、前記試料の表面上までの高さを変化させる可変手段とを備えた形状測定装置であって、
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、前記第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする。
That is, the shape measuring apparatus of the present invention includes a first light source, a scanning optical system that converges on the surface of the sample while scanning the light beam emitted from the first light source, and the sample. A shape measuring apparatus comprising a confocal optical system including a detection optical system for detecting an actuated light beam, and variable means for changing the height of the sample to the surface,
The confocal optical system is provided with a first branching unit for branching the light beam, and a reflecting unit for reflecting one light beam branched by the first branching unit and entering the detection optical system,
The operation of detecting the interference output at three or more measurement heights adjacent to the measurement target site on the sample and obtaining the peak position and amplitude of the interference output near the three or more measurement heights for each measurement height. The measurement is repeated every time, and the height and the amount of emitted light of each measurement target portion of the sample are calculated based on the maximum amplitude value and the height of the obtained interference pattern.

前記高さの位相解析を行う範囲を、前記干渉パターンの1周期を超えて設定し、前記範囲の始点から干渉パターンの1周期を超えた各測定点の始点からの相対的な位相を、前記1周期の範囲に対応させて位相解析を行うことが好ましい。
前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト(PSI)法を用いて算出することが好ましい。
The range for performing the phase analysis of the height is set to exceed one period of the interference pattern, and the relative phase from the start point of each measurement point that exceeds one period of the interference pattern from the start point of the range, It is preferable to perform the phase analysis corresponding to the range of one cycle.
The peak position and amplitude of the interference pattern are preferably calculated using a phase shift (PSI) method.

前記光源と比べてコヒーレンスの低い第2の光源と、この第2の光源から発生した第2の光束を前記走査光学系の対物レンズを介して前記試料の表面上に導く第2の光学系と、前記試料と相互作用した第2の光束を結像させる結像レンズと、この結像レンズの結像面に配置した撮像素子とからなり、前記反射手段を前記共焦点光学系と共有する低コヒーレンス光学系を備え、前記反射手段から前記分岐手段までの光学距離は、前記分岐手段から前記対物レンズの焦点までの光学距離と略等しく、前記試料の高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置における各高さの情報から、前記低コヒーレンス像の測定部位に対する画素の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、前記共焦点光学系の干渉出力データから、前記共焦点光学系におけるピーク位置の出射光量を求めることが好ましい。
前記第1の分岐手段は,前記反射手段への分岐比が1/3以下であることが好ましい。
A second light source having lower coherence than the light source, and a second optical system for guiding a second light beam generated from the second light source onto the surface of the sample via the objective lens of the scanning optical system; And an imaging lens that forms an image of the second light flux that interacts with the sample, and an imaging device that is disposed on the imaging surface of the imaging lens, and the reflection means is shared with the confocal optical system. A coherence optical system, and an optical distance from the reflecting means to the branching means is substantially equal to an optical distance from the branching means to the focal point of the objective lens, and corresponds to a position for measuring the height of the sample. From the height information at the position of the low-coherence image, the height at which the intensity of the pixel with respect to the measurement site of the low-coherence image reaches a peak is obtained. From the interference output data it is preferable to determine the amount of light emitted from the peak position in the confocal optical system.
The first branching unit preferably has a branching ratio to the reflecting unit of 1/3 or less.

校正時または測定開始時に、前記第1の光源の名目上の波長から求められる干渉パターンの1周期分の高さ変位の中から4箇所以上の位置を選び出して干渉出力を取得し、これらの干渉出力データから実際の波長を求めることが好ましい。
前記4箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または1ラインのデータのみとすることが好ましい。
At the time of calibration or measurement start, four or more positions are selected from the height displacement for one period of the interference pattern obtained from the nominal wavelength of the first light source, and interference outputs are obtained, and these interferences are obtained. It is preferable to obtain the actual wavelength from the output data.
The interference output data acquired at the four or more positions is preferably only one point or one line data in the scanning plane on the surface of the sample.

本発明の形状測定装置によれば、共焦点光学系に光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し検出光学系に入射させる反射手段を設け、試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出するので、横分解能と縦分解能の双方を高めることができる。したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を実現することができる。   According to the shape measuring apparatus of the present invention, the confocal optical system is provided with the first branching unit for branching the light beam, and the reflection for reflecting one of the light beams branched by the first branching unit and entering the detection optical system. Means for detecting interference outputs at three or more measurement heights adjacent to the measurement target site on the sample, and performing operations for obtaining peak positions and amplitudes of interference outputs near the three or more measurement heights. The measurement is repeated at each measurement height, and the height and the amount of emitted light of each measurement target part of the sample are calculated based on the maximum amplitude value and the height of the obtained interference pattern. Can be increased. Accordingly, it is possible to realize a three-dimensional shape measuring apparatus having a confocal resolution in the horizontal direction and having a resolution of the wavelength order or less regardless of the focal length of the objective lens in the vertical direction.

本発明の一実施形態の形状測定装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the shape measuring apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の形状測定装置における様々な干渉波形を示す図である。It is a figure which shows various interference waveforms in the shape measuring apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の形状測定装置によりデータを取得する手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the procedure which acquires data with the shape measuring apparatus of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の形状測定装置により取得したデータから対象部位の高さと出射光量を求める手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the procedure which calculates | requires the height of an object part, and emitted light quantity from the data acquired by the shape measuring apparatus of one Embodiment of this invention.

本発明の形状測定装置を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The form for implementing the shape measuring apparatus of this invention is demonstrated.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.

図1は、本発明の一実施形態の形状測定装置を示す概略構成図であり、この形状測定装置1は、共焦点光学系1Aと、低コヒーレンス光学系1Bと、形状測定装置1の動作制御及び信号処理を実行する制御装置2と、形状測定装置1からの微細な3次元形状の画像や測定に関する情報等を表示するためのディスプレイ(図示略)とを備えている。
共焦点光学系1Aは、コヒーレントな光束を出射する第1照明光学系11と、この第1照明光学系11から出射した光束を試料Sの表面上にて走査しつつ、この表面上に収束させる走査光学系21と、試料Sから発生する光をピンホール(共焦点絞り)34を介して検出する第1検出光学系31とを備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The shape measuring apparatus 1 is a confocal optical system 1A, a low coherence optical system 1B, and an operation control of the shape measuring apparatus 1. And a control device 2 that executes signal processing, and a display (not shown) for displaying a fine three-dimensional image from the shape measuring device 1, information on measurement, and the like.
The confocal optical system 1A converges the first illumination optical system 11 that emits a coherent light beam and the light beam emitted from the first illumination optical system 11 on the surface of the sample S while being scanned. A scanning optical system 21 and a first detection optical system 31 that detects light generated from the sample S through a pinhole (confocal stop) 34 are provided.

第1照明光学系11は、コヒーレントな光束を出射するコヒーレント光源(第1の光源)12と、コヒーレント光源12から出射する光束を平行光化するコリメータレンズ13とを備えている。
コヒーレント光源12は、コヒーレントな光束を出射するレーザ光源、例えば、紫色レーザ光を発光する半導体レーザ(LD)である。このコヒーレント光源12は、制御装置2により制御されるレーザ駆動回路(図示略)により駆動される。
The first illumination optical system 11 includes a coherent light source (first light source) 12 that emits a coherent light beam, and a collimator lens 13 that collimates the light beam emitted from the coherent light source 12.
The coherent light source 12 is a laser light source that emits a coherent light beam, for example, a semiconductor laser (LD) that emits violet laser light. The coherent light source 12 is driven by a laser drive circuit (not shown) controlled by the control device 2.

走査光学系21は、第1走査ミラー22と、瞳リレーレンズ(fθレンズ)や走査ミラー等を組み合わせて光路を構成する光学系23と、ビームスプリッタ(第1の分岐手段)24と、対物レンズ25と、参照ミラー(反射手段)26と、対物レンズ27とを備えている。
第1走査ミラー22はレゾナンスミラーにより構成されており、この第1走査ミラー22を紙面に垂直なY軸の回りに回転させることで、反射する光束をX軸方向(紙面に水平な一方向)に偏向させる。この第1走査ミラー22は、ミラー駆動部(図示略)により回転可能であり、その回転駆動は制御装置2により制御されている。
The scanning optical system 21 includes a first scanning mirror 22, an optical system 23 that forms an optical path by combining a pupil relay lens (fθ lens), a scanning mirror, and the like, a beam splitter (first branching unit) 24, and an objective lens. 25, a reference mirror (reflecting means) 26, and an objective lens 27.
The first scanning mirror 22 is constituted by a resonance mirror. By rotating the first scanning mirror 22 around the Y axis perpendicular to the paper surface, the reflected light beam is in the X-axis direction (one direction horizontal to the paper surface). To deflect. The first scanning mirror 22 can be rotated by a mirror driving unit (not shown), and the rotation driving is controlled by the control device 2.

光学系23は、瞳リレーレンズ(fθレンズ)や走査ミラー(図示略)等を組み合わせた光学系である。この光学系23では、図示しない走査ミラーを紙面に水平なX軸の回りに回転させることで、光束をY軸方向(紙面に垂直な一方向)に偏向させることが可能である。
参照ミラー26は、この参照ミラー26からビームスプリッタ24までの光学距離が、ビームスプリッタ24から対物レンズ27の焦点面までの光学距離と略等しくなる位置に配置され、ビームスプリッタ24により分岐され対物レンズ25により集光された光束を、参照光束として元の方向に反射し、第1検出光学系31に入射させる。
The optical system 23 is an optical system that combines a pupil relay lens (fθ lens), a scanning mirror (not shown), and the like. In this optical system 23, it is possible to deflect the light beam in the Y-axis direction (one direction perpendicular to the paper surface) by rotating a scanning mirror (not shown) around the X-axis horizontal to the paper surface.
The reference mirror 26 is arranged at a position where the optical distance from the reference mirror 26 to the beam splitter 24 is substantially equal to the optical distance from the beam splitter 24 to the focal plane of the objective lens 27, and is branched by the beam splitter 24. The light beam collected by 25 is reflected in the original direction as a reference light beam and is incident on the first detection optical system 31.

なお、参照光束の生成に関するビームスプリッタ24、対物レンズ25、参照ミラー26の機能を対物レンズ27に組み込んだ干渉対物レンズが市販されている。干渉対物レンズには、ミラウ型、マイケルソン型があり、これらは共に使用可能であるが、マイケルソン型は低倍率等、ワーキングディスタンス(WD)が長い対物レンズに好適である。したがって、これらの干渉対物レンズを使用する場合、低コヒーレンス光学系1Bも使用しなければ、ビームスプリッタ24、対物レンズ25、参照ミラー26を図示の位置に配設することは不要となる。   An interference objective lens in which the functions of the beam splitter 24, the objective lens 25, and the reference mirror 26 relating to the generation of the reference light beam are incorporated in the objective lens 27 is commercially available. The interference objective lens includes a Mirau type and a Michelson type, and both can be used. The Michelson type is suitable for an objective lens having a long working distance (WD) such as a low magnification. Therefore, when these interference objective lenses are used, it is not necessary to arrange the beam splitter 24, the objective lens 25, and the reference mirror 26 at the illustrated positions unless the low coherence optical system 1B is used.

ステージ28は試料Sを載置するもので、光軸に沿って移動させることで試料Sの表面の高さを変化させることができるように可動機構(可変手段)29上に固定されている。この可動機構29により試料Sの表面の高さを変化させることで、光束の縦走査を行うことができる。なお、可動機構29を可動させる替わりに、対物レンズ27を可動機構29に固定し、試料Sとの距離を可変にしてもよい。   The stage 28 mounts the sample S, and is fixed on a movable mechanism (variable means) 29 so that the height of the surface of the sample S can be changed by moving the sample S along the optical axis. By changing the height of the surface of the sample S by the movable mechanism 29, the vertical scanning of the light beam can be performed. Instead of moving the movable mechanism 29, the objective lens 27 may be fixed to the movable mechanism 29 and the distance from the sample S may be variable.

このように、第1走査ミラー22により、試料Sの表面にて光束をX軸方向に偏向させる動作を行うことにより、試料Sの表面(XY平面)における一次元走査(X軸方向の走査)が可能である。
また、第1走査ミラー22による光束をX軸方向に偏向させる動作と、光学系23による光束をY軸方向に偏向させる動作とを組み合わせれば、試料Sの表面(XY平面)の二次元走査が可能になる。
この第1走査ミラー22によりX軸方向に偏向された光束は、ビームスプリッタ24を透過して対物レンズ27に入射し、試料S上に集光される。
In this way, the first scanning mirror 22 performs an operation of deflecting the light beam in the X-axis direction on the surface of the sample S, thereby performing one-dimensional scanning (scanning in the X-axis direction) on the surface (XY plane) of the sample S. Is possible.
Further, when the operation of deflecting the light beam by the first scanning mirror 22 in the X-axis direction and the operation of deflecting the light beam by the optical system 23 in the Y-axis direction are combined, two-dimensional scanning of the surface (XY plane) of the sample S is performed. Is possible.
The light beam deflected in the X-axis direction by the first scanning mirror 22 passes through the beam splitter 24, enters the objective lens 27, and is condensed on the sample S.

第1検出光学系31は、ビームスプリッタ32と、ピンホールレンズ33と、ピンホール(共焦点絞り)34と、光検出器35とを備えている。
ビームスプリッタ32は、第1照明光学系11と走査光学系21との間に配置され、試料Sに照射する光束と試料Sから発生する光束とを分離する。
The first detection optical system 31 includes a beam splitter 32, a pinhole lens 33, a pinhole (confocal stop) 34, and a photodetector 35.
The beam splitter 32 is disposed between the first illumination optical system 11 and the scanning optical system 21 and separates the light beam applied to the sample S and the light beam generated from the sample S.

ピンホールレンズ33は、ビームスプリッタ32から入射する光をピンホール34に集光する。
光検出器35は、ピンホール34を通過して入射する光を検出し、その受光量を電気信号に変換して出力する素子であり、この光検出器35としては、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管等を挙げることができる。
この光検出器35では上記の電気信号を制御装置2に出力し、この制御装置2では演算部62が光検出器35からの電気信号に基づき表示画像の電気信号を作製し、ディスプレイ(図示略)にて表示画像を表示する。
The pinhole lens 33 condenses the light incident from the beam splitter 32 in the pinhole 34.
The photodetector 35 is an element that detects light incident through the pinhole 34, converts the amount of received light into an electrical signal, and outputs the electrical signal. As the photodetector 35, a photodiode or an avalanche photodiode is used. And photomultiplier tubes.
The photodetector 35 outputs the electrical signal to the control device 2, and in the control device 2, the calculation unit 62 creates an electrical signal of a display image based on the electrical signal from the photodetector 35, and displays a display (not shown). ) To display the display image.

この共焦点光学系1Aにおいては、コヒーレント光源12から出射された光束は、コリメータレンズ13により平行光とされた後、ビームスプリッタ32を透過し、走査光学系21の第1走査ミラー22に入射する。
この走査光学系21に入射した光束は、第1走査ミラー22により試料Sの表面のXY平面内のX軸方向に偏向され、ビームスプリッタ24を透過して対物レンズ27により試料Sの表面の任意の位置に焦点が合わされて照射される。
例えば、試料Sの表面にて、光束をX軸方向に偏向させる動作を、Y軸方向に沿って繰り返し行うことにより、試料Sの表面(XY平面)の二次元走査が可能である。
In this confocal optical system 1 </ b> A, the light beam emitted from the coherent light source 12 is converted into parallel light by the collimator lens 13, passes through the beam splitter 32, and enters the first scanning mirror 22 of the scanning optical system 21. .
The light beam incident on the scanning optical system 21 is deflected in the X-axis direction in the XY plane of the surface of the sample S by the first scanning mirror 22, passes through the beam splitter 24, and arbitrarily passes on the surface of the sample S by the objective lens 27. The position is focused and irradiated.
For example, two-dimensional scanning of the surface of the sample S (XY plane) is possible by repeatedly performing the operation of deflecting the light beam in the X-axis direction on the surface of the sample S along the Y-axis direction.

この共焦点光学系1Aでは、試料S上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力(出力光量)を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力(出力光量)のピーク位置(高さ)と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に、試料Sの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することができる。   In this confocal optical system 1A, interference outputs (output light amounts) at three or more measurement heights adjacent to a measurement target site on the sample S are detected, and interference outputs (output light amounts) near these three or more measurement heights ( The operation for obtaining the peak position (height) and amplitude of the output light amount) is repeated for each measurement height, and each measurement target part of the sample S is based on the maximum value and the height of the obtained interference pattern amplitude. And the amount of emitted light can be calculated.

一方、低コヒーレンス光学系1Bは、試料Sに低コヒーレンス(白色)の光を照射する第2照明光学系(第2の光学系)41と、この光が照射された試料Sからの反射光を検出する第2検出光学系51とを備えている。
この低コヒーレンス光学系1Bは、ビームスプリッタ24、対物レンズ27、対物レンズ25、参照ミラー26を共焦点光学系1Aと共有しており、上述したビームスプリッタ24により光路を分岐させている。
On the other hand, the low-coherence optical system 1B is configured to receive a second illumination optical system (second optical system) 41 that irradiates the sample S with low-coherence (white) light and reflected light from the sample S irradiated with this light. And a second detection optical system 51 for detection.
In the low coherence optical system 1B, the beam splitter 24, the objective lens 27, the objective lens 25, and the reference mirror 26 are shared with the confocal optical system 1A, and the optical path is branched by the beam splitter 24 described above.

第2照明光学系41は、白色の照明光を出射する白色光源(第2の光源)42と、コレクタレンズ43と、ハーフミラー44とを備えている。このハーフミラー44により光路を分岐させており、試料Sおよび参照ミラー26から戻ってきた光束は、ハーフミラー44で反射されて、第2検出光学系51に到達する。   The second illumination optical system 41 includes a white light source (second light source) 42 that emits white illumination light, a collector lens 43, and a half mirror 44. The optical path is branched by the half mirror 44, and the light flux returned from the sample S and the reference mirror 26 is reflected by the half mirror 44 and reaches the second detection optical system 51.

白色光源42としては、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、LED等が挙げられる。
コレクタレンズ43は、白色光源42から出射された白色光を集光して結像させる。その際、白色光干渉光学系では、対物レンズを通して、光源の像が試料S面上および参照ミラー26上に結像するようにすることが多いが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、光源の像が対物レンズ27および対物レンズ25の瞳面近傍に結像するように設定することも可能である。
ハーフミラー44は、白色光源42から出射される光を透過させる一方、試料Sから発生する光を反射させる光学素子である。
Examples of the white light source 42 include a halogen lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, and an LED.
The collector lens 43 collects white light emitted from the white light source 42 to form an image. At that time, in the white light interference optical system, the image of the light source is often formed on the sample S surface and the reference mirror 26 through the objective lens, but it is not always necessary to do so. For example, it is possible to set so that the image of the light source is formed near the pupil planes of the objective lens 27 and the objective lens 25.
The half mirror 44 is an optical element that transmits light emitted from the white light source 42 and reflects light generated from the sample S.

第2検出光学系51は、ハーフミラー44と、結像レンズ52と、この結像レンズ52の結像面に配置した撮像素子53とを備えている。
ハーフミラー44は、第2照明光学系41と第2検出光学系51の分岐を行うもので、第2照明光学系41の光軸に配置されることで、試料Sにて反射された光を結像レンズ52側へ反射させる。結像レンズ52は、入射光を撮像素子53の撮像面に集光させ、試料Sの像を撮像素子53上に結像させる。撮像素子53は、入射光を検出することにより試料Sの画像を形成する。
The second detection optical system 51 includes a half mirror 44, an imaging lens 52, and an imaging element 53 disposed on the imaging surface of the imaging lens 52.
The half mirror 44 divides the second illumination optical system 41 and the second detection optical system 51, and is arranged on the optical axis of the second illumination optical system 41 so that the light reflected by the sample S can be reflected. Reflected toward the imaging lens 52 side. The imaging lens 52 condenses incident light on the imaging surface of the imaging element 53 and forms an image of the sample S on the imaging element 53. The image sensor 53 forms an image of the sample S by detecting incident light.

この低コヒーレンス光学系1Bにおいては、白色光源42から出射された白色の照明光は、コレクタレンズ43、ハーフミラー44を通過し、ビームスプリッタ24に入射する。その後、この白色の照明光はビームスプリッタ24にて反射され、対物レンズ27により試料S上に集光される。   In the low coherence optical system 1B, the white illumination light emitted from the white light source 42 passes through the collector lens 43 and the half mirror 44 and enters the beam splitter 24. Thereafter, the white illumination light is reflected by the beam splitter 24 and condensed on the sample S by the objective lens 27.

試料Sの表面にて反射された光は、対物レンズ27を通過し、ビームスプリッタ24にて反射され、さらにハーフミラー44にて反射され、結像レンズ52にて集光されて撮像素子53の撮像面に結像する。これにより、試料Sの観察画像(非共焦点画像)が形成される。それと同時に、ビームスプリッタ24を透過した照明光は、参照ミラー26で反射され、再びビームスプリッタ24を透過してハーフミラー44で反射され、結像レンズ52を通って撮像素子53に入射する。   The light reflected by the surface of the sample S passes through the objective lens 27, is reflected by the beam splitter 24, is further reflected by the half mirror 44, is collected by the imaging lens 52, and is collected by the imaging element 53. An image is formed on the imaging surface. Thereby, an observation image (non-confocal image) of the sample S is formed. At the same time, the illumination light transmitted through the beam splitter 24 is reflected by the reference mirror 26, is again transmitted through the beam splitter 24, is reflected by the half mirror 44, and enters the image sensor 53 through the imaging lens 52.

この低コヒーレンス光学系1Bを用いることにより、試料Sの高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置(画素)における各測定高さの出力から、この低コヒーレンス像の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、共焦点光学系1Aの出力データから、出力光量のピーク値、すなわち試料Sの対象部位の出射光量を求めることができる。   By using this low-coherence optical system 1B, the intensity of this low-coherence image peaks from the output of each measurement height at the position (pixel) of the low-coherence image corresponding to the position of the sample S that is the height measurement target. And the peak value of the output light quantity, that is, the emitted light quantity of the target portion of the sample S can be obtained from the output data of the confocal optical system 1A for the height around the peak height. .

また、制御装置2は、共焦点光学系1Aの二次元走査を制御する図示しない制御部と、ステージ28の高さを制御する制御部61と、共焦点光学系1A及び低コヒーレンス光学系1Bそれぞれからの出力信号を基に各種演算を行う演算部62と、撮像素子53からの出力信号を入力し演算部62に送る受像回路63とにより構成されている。   The control device 2 includes a control unit (not shown) that controls the two-dimensional scanning of the confocal optical system 1A, a control unit 61 that controls the height of the stage 28, the confocal optical system 1A, and the low coherence optical system 1B. And an image receiving circuit 63 that inputs an output signal from the image sensor 53 and sends the output signal to the computing unit 62.

次に、この形状測定装置1の動作について説明する。
まず、ステージ28の縦走査の範囲を決め、この縦走査の開始位置にステージ28をセットする。ここでは、コヒーレント干渉波形の種類や白色光干渉を併用するか否かに合わせて、データ取得を行う。
Next, the operation of the shape measuring apparatus 1 will be described.
First, the range of vertical scanning of the stage 28 is determined, and the stage 28 is set at the start position of this vertical scanning. Here, data acquisition is performed according to the type of coherent interference waveform and whether to use white light interference together.

(1)図2のコヒーレント干渉波形(1)に対応している場合
まず、ステージ28の位置を縦方向に一定間隔で動かしながら、所定の縦走査の範囲のデータ取得を行い、その後、取得したデータを用いてPSI法等により各対象部位の高さ、出射光量を算出(推定)する。
PSI法は、干渉の周期を一定間隔に分割して干渉出力データを取るのが基本であり、例えば、4箇所以上のデータを使用する場合には、分割する位置にはある程度の誤差が許容されている。この詳細については、文献1「Kieran G. Larkin,J.O.S.A,Vol.13,No.4,p.832,1996」に記載されている。
また、光学系の焦点深度が浅い場合には、焦点ずれによる受光強度の変化が波長と同等の距離の中で発生するので、干渉波形の1周期程度の間隔内で処理をしていく必要がある。
例えば、5箇所から取得したデータを使用する5ステップ法を用いた場合、データ取得の間隔は、用いる光源のレーザ波長の1/8程度が好ましい。これにより、干渉出力変化の1周期内に、4つの測定位置が入ることになる。
(1) When Corresponding to Coherent Interference Waveform (1) in FIG. 2 First, data in a predetermined vertical scanning range is acquired while moving the position of the stage 28 in the vertical direction at regular intervals, and then acquired. Using the data, the height of each target part and the amount of emitted light are calculated (estimated) by the PSI method or the like.
In the PSI method, the interference output data is basically obtained by dividing the interference period into fixed intervals. For example, when using data of four or more locations, a certain amount of error is allowed in the division position. ing. The details are described in Reference 1, “Kieran G. Larkin, JOSA, Vol. 13, No. 4, p. 832, 1996”.
In addition, when the optical system has a shallow depth of focus, a change in received light intensity due to defocusing occurs within a distance equivalent to the wavelength, so it is necessary to perform processing within an interval of about one cycle of the interference waveform. is there.
For example, when the 5-step method using data acquired from five locations is used, the data acquisition interval is preferably about 1/8 of the laser wavelength of the light source used. As a result, four measurement positions are included in one cycle of the interference output change.

したがって、所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、下記の解析により、干渉波形のバイアス及び位相を求める。
ここでは、光検出器35について、検出光量がピークに対して一定割合(例えば50%)以上となっている測定高さの範囲のみ、下記の解析を行う。
なお、上記の一定割合の判定を行う場合、検出光量が干渉により変動するので、測定ごとの移動平均を取る等して、測定データの平滑化を図るとよい。
所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、干渉波形のバイアス及び位相を求める。
Therefore, when the data acquisition in the predetermined vertical scanning range is completed, the bias and phase of the interference waveform are obtained by the following analysis.
Here, for the photodetector 35, the following analysis is performed only in the range of the measurement height where the detected light amount is a certain ratio (for example, 50%) or more with respect to the peak.
Note that when performing the above-described determination at a certain ratio, the detected light amount fluctuates due to interference. Therefore, it is preferable to smooth the measurement data by taking a moving average for each measurement.
When the data acquisition in the predetermined vertical scanning range is completed, the bias and phase of the interference waveform are obtained.

干渉波形S(z)は、下記の式(1)により表すことができる。

Figure 2013213695
ただし、式(1)中、zは原点からの縦(光軸)方向の測定位置、φは原点からのピーク位置(位相)、λは波長、Aは振幅、Bはバイアス、nは屈折率(既知)である。 The interference waveform S (z) can be expressed by the following equation (1).
Figure 2013213695
In the formula (1), z is a measurement position in the longitudinal (optical axis) direction from the origin, φ is a peak position (phase) from the origin, λ is a wavelength, A is an amplitude, B is a bias, and n is a refractive index. (Known).

この形状測定装置1では、光束は試料Sで反射するので、高さ変位(z)に対して2倍の光路長変化を受けることになる。
なお、A、B、λ、φの4つの未知数は、4つ以上の測定高さにおける高さ変位(z)各々について干渉出力S(z)を取得することで求めることができる。
上記の演算を、使用するデータ位置(測定高さ)を一定個数ずつずらして繰り返して行うと、各々の位置(測定高さ)の近傍の干渉ピークの位置(包絡線のピーク位置から干渉パターン周期の1/4ずれた位置)と、その干渉出力S(z)が求められる。そこで、ひとつずつずらして繰り返し演算を行えば、演算量は多くなるものの、振幅の変化が急激な場合に対応することができる。
In the shape measuring apparatus 1, since the light beam is reflected by the sample S, the optical path length change is twice as large as the height displacement (z).
The four unknowns A, B, λ, and φ can be obtained by obtaining the interference output S (z) for each of the height displacements (z) at four or more measurement heights.
If the above calculation is repeated by shifting the data position (measurement height) to be used by a certain number, the position of the interference peak near each position (measurement height) (from the peak position of the envelope curve to the interference pattern period) And the interference output S (z) is obtained. Therefore, if the calculation is repeated by shifting one by one, the amount of calculation increases, but it is possible to cope with a sudden change in amplitude.

次いで、この干渉出力S(z)が最も大きい位置(包絡線のピーク位置)について、次のようにして試料Sからの出射光の光量を求める。
ここで、参照光の振幅をA、試料Sからの光の振幅をAとすると、式(1)のバイアスB及び振幅Aは、次の式(2)及び式(3)により表すことができる。
B=A +A ……(2)
A=2A・A ……(3)
ただし、参照光の光量(A )は一定で、事前に測定しておくことが可能であるから、式(2)を用いて、バイアスから参照光の光量を差し引くことにより、試料からの光の光量(A )を求めることができる。また、参照光の振幅Aは定数であるから、試料Sからの光の振幅AはAと比例するとみなすことができ、したがって、式(3)のAを求めることで、相対値としての試料Sからの光の振幅をAを求めることができる。
Subsequently, the light quantity of the emitted light from the sample S is calculated | required as follows about the position (peak position of an envelope) where this interference output S (z) is the largest.
Here, assuming that the amplitude of the reference light is A r and the amplitude of the light from the sample S is A 0 , the bias B and the amplitude A in equation (1) are expressed by the following equations (2) and (3). Can do.
B = A r 2 + A 0 2 (2)
A = 2A r · A 0 (3)
However, since the amount of reference light (A r 2 ) is constant and can be measured in advance, the amount of reference light from the sample is subtracted from the bias using equation (2). The amount of light (A 0 2 ) can be obtained. Further, since the amplitude A r of the reference light is constant, the amplitude A 0 of the light from the sample S can be regarded as proportional to A, therefore, by obtaining the A of the formula (3), as a relative value A 0 can be obtained from the amplitude of light from the sample S.

なお、干渉を使わない通常の反射型共焦点光学系では、フォーカスずれ(上記のzに相当)に対する検出光量の特性を取ると、ピーク光量に対して半分の光量となるzの範囲が、対物レンズのNAが0.9程度以上の高いときには、概ね波長のオーダーとなる。したがって、共焦点光学系のz方向の分解能は、可視光を用いた場合、0.1μm〜1μmとなる。
これに対して、上記のように位相を解析してピーク位置を求めた場合、共焦点光学系のSN比等に依存するが、干渉周期の1/100〜1/10000の分解能を得ることができる。この分解能は、可視光においては0.1nm〜0.01μm程度に相当する。
In a normal reflection type confocal optical system that does not use interference, if the detected light quantity characteristic with respect to defocus (corresponding to z above) is taken, the range of z that is half the light quantity with respect to the peak light quantity is When the NA of the lens is as high as about 0.9 or higher, the order of wavelengths is generally reached. Therefore, the resolution in the z direction of the confocal optical system is 0.1 μm to 1 μm when visible light is used.
In contrast, when the peak position is obtained by analyzing the phase as described above, it is possible to obtain a resolution of 1/100 to 1/10000 of the interference period, depending on the SN ratio of the confocal optical system. it can. This resolution corresponds to about 0.1 nm to 0.01 μm in visible light.

なお、共焦点光学系に干渉を導入することにより、光量の変化が通常の光学系と比較して急峻になるので、ピークを示す干渉周期を特定し易くなり、高さ変化の大きい試料Sに対しても、高分解能で高さを検出することが可能となる。   By introducing interference into the confocal optical system, the change in the amount of light becomes steeper compared to a normal optical system. Therefore, it becomes easier to specify the interference cycle showing the peak, and the sample S having a large height change is used. In contrast, the height can be detected with high resolution.

(2)図2のコヒーレント干渉波形(2)に対応する場合
対物レンズのNAが比較的小さく、かつ焦点深度が深い場合には、光検出器35の各画素については、ピーク光量に対して一定以上の割合になる範囲が広くなる。これに伴ない、その期間に含まれる干渉周期の数も多くなり、特にピークの近くでは干渉周期毎の光量変化が小さくなる。
ここで、焦点深度が波長より著しく深い場合、例えば、波長が1μm以下かつ焦点深度が50μm以上の場合には、振幅とバイアスが一定とみなせるような、焦点深度より十分小さく、かつ波長の1/2より長い間隔、例えば2μmの中で決められた数のデータを取得し、上記(1)と同様の処理を行う。
(2) Corresponding to the coherent interference waveform (2) in FIG. 2 When the NA of the objective lens is relatively small and the depth of focus is deep, each pixel of the photodetector 35 is constant with respect to the peak light quantity. The range of the above ratio becomes wider. Along with this, the number of interference periods included in the period also increases, and the light amount change for each interference period becomes small particularly near the peak.
Here, when the depth of focus is significantly deeper than the wavelength, for example, when the wavelength is 1 μm or less and the depth of focus is 50 μm or more, the amplitude and the bias are sufficiently smaller than the depth of focus and 1 / of the wavelength so that the amplitude and the bias can be regarded as constant. A predetermined number of data is acquired in an interval longer than 2, for example, 2 μm, and the same processing as in the above (1) is performed.

ただし、処理する3つ以上のデータの範囲が1周期を超えると、下記の式(4)のようになる。

Figure 2013213695
ただし、式(4)中、zは原点からの縦(光軸)方向の測定位置、φは原点からのピーク位置(位相)、λは波長、Aは振幅、Bはバイアス、nは屈折率(既知)、Nは整数である。 However, when the range of three or more data to be processed exceeds one cycle, the following equation (4) is obtained.
Figure 2013213695
In equation (4), z is the measurement position in the longitudinal (optical axis) direction from the origin, φ is the peak position (phase) from the origin, λ is the wavelength, A is the amplitude, B is the bias, and n is the refractive index. (Known), N is an integer.

この場合、位相が一意に決まらなくなるので、測定したデータ範囲の平均の位置に最も近いNを採用する必要がある。この式(4)においても、B及びAは一定とみなすことができるので、全く問題はない。
次いで、上記のデータ範囲を一つずつずらして計算し、Aの値が最も大きくなる位置の近傍の位相と振幅(A)を採用する。
なお、3ステップ法を用いる場合に、測定開始時に出力光量の変化が大きい場合には、干渉周期内で4箇所以上のデータをとり、このデータに基づき波長を正確に求めておき、次いで、干渉周期に対して0度+360度×n、90度+360度×n、180度+360度×n(ただし、nは整数)の各ステップでデータを取得するのがよい。
この方法では、縦方向の走査範囲が長くなった場合においても高速化が可能である。
In this case, since the phase cannot be uniquely determined, it is necessary to adopt N closest to the average position of the measured data range. Also in this formula (4), B and A can be regarded as constant, so there is no problem at all.
Next, the calculation is performed by shifting the data range one by one, and the phase and amplitude (A) in the vicinity of the position where the value of A is the largest are adopted.
When using the three-step method, if the change in the output light quantity is large at the start of measurement, take data at four or more locations within the interference period, obtain the wavelength accurately based on this data, and then use the interference It is preferable to acquire data at each step of 0 degree + 360 degrees × n, 90 degrees + 360 degrees × n, 180 degrees + 360 degrees × n (where n is an integer) with respect to the cycle.
This method can increase the speed even when the longitudinal scanning range becomes long.

(3)図2のコヒーレント干渉波形(3)で焦点深度が非常に深い場合
焦点深度が非常に深く、コヒーレント干渉波形(3)のようになると、振幅とバイアスがほぼ一定に近くなるので、包絡線ピークを正確に求めることが難しくなる。
そこで、低コヒーレンス光学系1Bを併用して、低コヒーレンス干渉法(VSI法)により包絡線ピーク位置を求める。
低コヒーレンス光学系1Bを用いる場合には、ビームスプリッタ24から試料Sの表面までの光学距離と、ビームスプリッタ24から参照ミラー26までの光学距離とを、正確に一致させる必要がある。その理由は、コヒーレンス長が短い光は、光路長がコヒーレンス長以下(数μm程度)で一致しないと干渉パターンが得られないからである。
(3) When the depth of focus is very deep in the coherent interference waveform (3) of FIG. 2 When the depth of focus is very deep and the coherent interference waveform (3) is obtained, the amplitude and bias are almost constant, so the envelope It becomes difficult to accurately determine the line peak.
Therefore, the envelope peak position is obtained by the low coherence interference method (VSI method) using the low coherence optical system 1B together.
When the low coherence optical system 1B is used, it is necessary to accurately match the optical distance from the beam splitter 24 to the surface of the sample S and the optical distance from the beam splitter 24 to the reference mirror 26. The reason is that an interference pattern cannot be obtained for light having a short coherence length unless the optical path length is equal to or less than the coherence length (about several μm).

この場合には、共焦点光学系1Aの干渉出力データ(共焦点画像)及び共焦点光学系1Aの1点あるいは1ラインの干渉出力部分データの取得時に、同じステージ位置で低コヒーレンス画像の取得を行う。
なお、VSI法を用いて低コヒーレンス光学系1Bのデータにより高さを求める場合、精度良く高さを求めるには、測定高さのステップをより細かく設定する必要がある。その場合、低コヒーレンス画像の取得は、共焦点画像を取得するときだけではなく、その間の高さでも取得を行うとよい。
低コヒーレンス画像の取得時には、共焦点光学系1Aの半導体レーザ等のコヒーレント光源12の出力をオフにし、共焦点光学系1Aの干渉出力データの取得時には、シャッタ等を用いて低コヒーレンス光学系1Bから出力される光束が共焦点光学系1Aに入らないようにする必要がある。
In this case, when acquiring the interference output data (confocal image) of the confocal optical system 1A and the interference output partial data of one point or one line of the confocal optical system 1A, the low coherence image is acquired at the same stage position. Do.
When the height is obtained from the data of the low coherence optical system 1B using the VSI method, it is necessary to set the measurement height step more finely in order to obtain the height with high accuracy. In that case, the low-coherence image may be acquired not only when the confocal image is acquired but also at a height in between.
When acquiring a low coherence image, the output of the coherent light source 12 such as a semiconductor laser of the confocal optical system 1A is turned off, and when acquiring interference output data of the confocal optical system 1A, a shutter or the like is used to start from the low coherence optical system 1B. It is necessary to prevent the output light beam from entering the confocal optical system 1A.

この場合のデータ取得の手順を図3を用いて説明する。
まず、縦走査開始位置にステージ28をセットする(ステップS1)。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ4箇所で1点または1ラインの共焦点データを取得し、これらの共焦点データから波長を算出する(ステップS2)。
The data acquisition procedure in this case will be described with reference to FIG.
First, the stage 28 is set at the vertical scanning start position (step S1).
Next, after starting vertical scanning, confocal data of one point or one line is acquired at four heights for pixels or lines in which a certain amount of light is first detected, and a wavelength is calculated from these confocal data. (Step S2).

このようにして波長を算出することができたならば、低コヒーレンス画像を取得し(ステップS3)、次いで、設定された共焦点画像取得間隔から共焦点画像を取得するか否かの判定を行い(ステップS4)、共焦点画像を取得する場合には共焦点画像取得の動作を行い(ステップS5)、次いで、対物レンズが縦走査終了位置に到達したか否かを判定し(ステップS6)、対物レンズが縦走査終了位置に到達していなかった場合には、対物レンズを縦方向に移動させ(ステップS7)て再度、低コヒーレンス画像取得(ステップS3)以降のステップを行い、対物レンズが縦走査終了位置に到達していた場合には、画像取得を終了する(ステップS8)。   If the wavelength can be calculated in this way, a low coherence image is acquired (step S3), and then it is determined whether or not a confocal image is acquired from the set confocal image acquisition interval. (Step S4) When a confocal image is acquired, a confocal image acquisition operation is performed (Step S5), and then it is determined whether or not the objective lens has reached the vertical scanning end position (Step S6). If the objective lens has not reached the vertical scanning end position, the objective lens is moved in the vertical direction (step S7), and the steps after the acquisition of the low coherence image (step S3) are performed again. If the scanning end position has been reached, the image acquisition is terminated (step S8).

なお、低コヒーレンス画像の取得は、そのコヒーレンス長(数μm〜数十μm)より十分短い間隔で行なっていく必要があるが、共焦点画像は、焦点深度の数分の1程度の間隔に設定すればよい。このように、低コヒーレンス画像と比較して、共焦点画像の取得回数を小さくすることができる。
また、低コヒーレンス光学系1Bの白色光源42がレーザダイオード(LED)等の比較的高速にオン/オフできるものである場合には、別途シャッター等を用いずに、白色光源42自体でオン/オフしてもよい。
Note that low-coherence images need to be acquired at intervals sufficiently shorter than the coherence length (several μm to several tens of μm), but confocal images are set at intervals of about a fraction of the depth of focus. do it. In this way, the number of confocal image acquisitions can be reduced compared to a low-coherence image.
When the white light source 42 of the low coherence optical system 1B can be turned on / off at a relatively high speed such as a laser diode (LED), the white light source 42 itself is turned on / off without using a separate shutter or the like. May be.

次に、このようにして取得したデータから、対象部位(画素)の高さと出射光量を求める手順について、図4に基づき説明する。
縦走査が終了したら、取得した低コヒーレンス画像データの各画素について、高さ(z位置)と干渉出力のパターンを作成する(ステップS11)。このパターンの一例が図2の「(4)白色光干渉波形」である。
Next, a procedure for obtaining the height of the target part (pixel) and the amount of emitted light from the data acquired in this way will be described with reference to FIG.
When the vertical scanning is completed, a pattern of height (z position) and interference output is created for each pixel of the acquired low coherence image data (step S11). An example of this pattern is “(4) white light interference waveform” in FIG.

次いで、このパターンから包絡線ピーク位置、すなわち、対象画素に相当する部位の高さを求める(ステップS12)。白色光(低コヒーレンス)干渉の包絡線ピーク位置を求める方法については、最も簡便には、各測定高さのデータを補間したり、移動平均を取ったりして求めることができるが、そのほかにも、できるだけ少ないデータで精度の高い検出を行うために、既に様々な方法が提案されている(例えば、上記の文献1等)。
ここで算出した高さに隣接する高さ3箇所以上の共焦点光学系1Aの出力データを用いて、白色光干渉包絡線ピークに隣接する走査画像取得位置(高さ)5箇所の対象画素干渉波形の位相を算出し(ステップS13)、次いで、走査画像対象画素の出射光強度を算出する(ステップS14)。
Next, the envelope peak position, that is, the height of the portion corresponding to the target pixel is obtained from this pattern (step S12). As for the method of obtaining the envelope peak position of white light (low coherence) interference, the simplest method is to interpolate the data of each measurement height or take a moving average, but there are other methods. In order to perform highly accurate detection with as little data as possible, various methods have already been proposed (for example, Document 1 above).
Using the output data of the confocal optical system 1A at three or more heights adjacent to the calculated height, target pixel interference at five scanning image acquisition positions (heights) adjacent to the white light interference envelope peak The phase of the waveform is calculated (step S13), and then the emitted light intensity of the scanned image target pixel is calculated (step S14).

(4)上記の(1)〜(3)の場合において、測定の最初に波長を求めて測定回数を削減する場合
測定の最初に波長を求めることにより、測定回数の削減が可能である。その場合、次の手順で測定を行う。
まず、縦走査開始位置にステージ28をセットする。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ4箇所で1点または1ラインの共焦点データを取得し、式(1)によりこれらの共焦点データから波長を算出する。
(4) In the cases of (1) to (3) above, the number of measurements can be reduced by obtaining the wavelength at the beginning of measurement by obtaining the wavelength at the beginning of measurement and reducing the number of measurements. In that case, the measurement is performed according to the following procedure.
First, the stage 28 is set at the vertical scanning start position.
Next, after starting vertical scanning, confocal data of one point or one line is acquired at four heights for pixels or lines in which a certain amount of light is first detected, and these confocal data are obtained by equation (1). The wavelength is calculated from

これらの共焦点データを画面に表示した場合、波長は画面全体に亘って一定であるから、画面上の全てのデータを取る必要はなく、面内走査は、副走査方向の走査は止めておいて1ラインのみの走査を行うか、あるいは全く面内走査を行わず1点のみのデータを取得しても良い。   When these confocal data are displayed on the screen, since the wavelength is constant over the entire screen, it is not necessary to take all the data on the screen, and in-plane scanning is stopped in the sub-scanning direction. Alternatively, only one line may be scanned, or only one point of data may be acquired without performing in-plane scanning at all.

その後、画面全体のデータを取る際には、干渉波形1周期につき、波長の1/8ずつ(すなわち干渉波形S(z)の1/4ずつ)位置をずらして計3回のデータをとり、3ステップ法でピーク位置と出力を求める。通常、走査による共焦点画像を取得する方が、白色光画像を取得するよりも時間がかかるので、共焦点画像の取得回数が減れば、それだけ測定の高速化が期待される。   Thereafter, when taking the data of the entire screen, the data is taken three times by shifting the position by 1/8 of the wavelength (that is, 1/4 of the interference waveform S (z)) per cycle of the interference waveform, The peak position and output are obtained by a three-step method. Usually, it takes more time to acquire a confocal image by scanning than to acquire a white light image. Therefore, if the number of acquisition of confocal images decreases, the speed of measurement is expected to increase accordingly.

なお、1ラインの各画素で波長を求めた場合には、これを平均して波長の実測値としてもよい。
また、干渉波形の1周期を4分割して移動していくので、共焦点画像をとった3回の他に、残りの1回で1画素または1ラインのデータを取得することにより、これら計4回のデータを基に波長を算出し、測定途中で波長を補正してもよい。これにより、測定中の波長変動の影響を軽減することができる。
In addition, when a wavelength is calculated | required with each pixel of 1 line, this is good also as averaged as the measured value of a wavelength.
Further, since one cycle of the interference waveform is divided into four parts and moved, in addition to the three times when the confocal image is taken, one pixel or one line of data is acquired in the remaining one time, so that The wavelength may be calculated based on four times of data, and the wavelength may be corrected during the measurement. Thereby, the influence of the wavelength fluctuation during measurement can be reduced.

上記の(1)〜(4)においては、参照光路の分岐比を1/10程度とした場合、光検出器35に入る光量は1/100程度となり、試料S上で相互作用した結果1/10000程度の光量になったとしても、参照光との干渉パターンを検出することが可能である。   In the above (1) to (4), when the branching ratio of the reference optical path is about 1/10, the amount of light entering the photodetector 35 is about 1/100. Even when the amount of light reaches about 10,000, it is possible to detect an interference pattern with reference light.

以上説明したように、本実施形態の形状測定装置1によれば、試料S上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料Sの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出するので、横分解能と縦分解能の双方を高めることができる。したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を実現することができる。   As described above, according to the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, interference outputs at three or more measurement heights adjacent to the measurement target site on the sample S are detected, and the three or more measurement heights are detected. The operation of obtaining the peak position and amplitude of the interference output in the vicinity of is repeatedly performed for each measurement height, and the height of each measurement target portion of the sample S is determined based on the maximum value and the height of the obtained interference pattern. Since the amount of emitted light is calculated, both the horizontal resolution and the vertical resolution can be improved. Accordingly, it is possible to realize a three-dimensional shape measuring apparatus having a confocal resolution in the horizontal direction and having a resolution of the wavelength order or less regardless of the focal length of the objective lens in the vertical direction.

1 形状測定装置
1A 共焦点光学系
1B 低コヒーレンス光学系
2 制御装置
11 第1照明光学系
12 コヒーレント光源(第1の光源)
21 走査光学系
22 第1走査ミラー
24 ビームスプリッタ(第1の分岐手段)
25、27 対物レンズ
26 参照ミラー(反射手段)
28 ステージ
29 可動機構
31 第1検出光学系
32 ビームスプリッタ
35 光検出器
41 第2照明光学系(第2の光学系)
42 白色光源(第2の光源)
51 第2検出光学系
52 結像レンズ
53 撮像素子
S 試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shape measuring apparatus 1A Confocal optical system 1B Low coherence optical system 2 Control apparatus 11 1st illumination optical system 12 Coherent light source (1st light source)
21 scanning optical system 22 first scanning mirror 24 beam splitter (first branching means)
25, 27 Objective lens 26 Reference mirror (reflecting means)
28 Stage 29 Movable mechanism 31 First detection optical system 32 Beam splitter 35 Photo detector 41 Second illumination optical system (second optical system)
42 White light source (second light source)
51 Second detection optical system 52 Imaging lens 53 Image sensor S Sample

Claims (7)

第1の光源と、前記第1の光源から出射した光束を試料の表面上にて走査しつつ前記表面上に収束させる走査光学系と、前記試料と相互作用した光束を検出する検出光学系とを備えた共焦点光学系と、前記試料の表面上までの高さを変化させる可変手段とを備えた形状測定装置であって、
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、前記第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする形状測定装置。
A first optical source, a scanning optical system for converging the light beam emitted from the first light source on the surface of the sample while converging on the surface, and a detection optical system for detecting the optical beam interacting with the sample; A shape measuring apparatus comprising: a confocal optical system comprising: a variable means for changing the height of the sample up to the surface;
The confocal optical system is provided with a first branching unit for branching the light beam, and a reflecting unit for reflecting one light beam branched by the first branching unit and entering the detection optical system,
The operation of detecting the interference output at three or more measurement heights adjacent to the measurement target site on the sample and obtaining the peak position and amplitude of the interference output near the three or more measurement heights for each measurement height. A shape measuring apparatus, which is repeatedly performed every time, and calculates the height and the amount of emitted light of each measurement target portion of the sample based on the maximum value and the height of the amplitude of the obtained interference pattern.
前記高さの位相解析を行う範囲を、前記干渉パターンの1周期を超えて設定し、前記範囲の始点から干渉パターンの1周期を超えた各測定点の始点からの相対的な位相を、前記1周期の範囲に対応させて位相解析を行うことを特徴とする請求項1記載の形状測定装置。   The range for performing the phase analysis of the height is set to exceed one period of the interference pattern, and the relative phase from the start point of each measurement point that exceeds one period of the interference pattern from the start point of the range, The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein phase analysis is performed corresponding to a range of one cycle. 前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト(PSI)法を用いて算出することを特徴とする請求項1または2記載の形状測定装置。   3. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the peak position and amplitude of the interference pattern are calculated using a phase shift (PSI) method. 前記光源と比べてコヒーレンスの低い第2の光源と、この第2の光源から発生した第2の光束を前記走査光学系の対物レンズを介して前記試料の表面上に導く第2の光学系と、前記試料と相互作用した第2の光束を結像させる結像レンズと、この結像レンズの結像面に配置した撮像素子とからなり、前記反射手段を前記共焦点光学系と共有する低コヒーレンス光学系を備え、
前記反射手段から前記分岐手段までの光学距離は、前記分岐手段から前記対物レンズの焦点までの光学距離と略等しく、前記試料の高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置における各高さの情報から、前記低コヒーレンス像の測定部位に対する画素の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、前記共焦点光学系の干渉出力データから、前記共焦点光学系におけるピーク位置の出射光量を求めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載の形状測定装置。
A second light source having lower coherence than the light source, and a second optical system for guiding a second light beam generated from the second light source onto the surface of the sample via the objective lens of the scanning optical system; And an imaging lens that forms an image of the second light flux that interacts with the sample, and an imaging device that is disposed on the imaging surface of the imaging lens, and the reflection means is shared with the confocal optical system. With coherence optics,
The optical distance from the reflecting means to the branching means is substantially equal to the optical distance from the branching means to the focal point of the objective lens, and is at the position of the low coherence image corresponding to the position to be measured for the height of the sample. From the height information, the height at which the intensity of the pixel with respect to the measurement site of the low coherence image reaches a peak is obtained, and the height around the peak height is obtained from the interference output data of the confocal optical system. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein an emitted light amount at a peak position in the confocal optical system is obtained.
前記第1の分岐手段は,前記反射手段への分岐比が1/3以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の形状測定装置。   5. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the first branching unit has a branching ratio to the reflecting unit of 1/3 or less. 校正時または測定開始時に、前記第1の光源の名目上の波長から求められる干渉パターンの1周期分の高さ変位の中から4箇所以上の位置を選び出して干渉出力を取得し、これらの干渉出力データから実際の波長を求めることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の形状測定装置。   At the time of calibration or measurement start, four or more positions are selected from the height displacement for one period of the interference pattern obtained from the nominal wavelength of the first light source, and interference outputs are obtained, and these interferences are obtained. 6. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein an actual wavelength is obtained from the output data. 前記4箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または1ラインのデータのみとしたことを特徴とする請求項6記載の形状測定装置。   7. The shape measuring apparatus according to claim 6, wherein the interference output data acquired at the four or more positions is only data of one point or one line in the scanning plane on the surface of the sample.
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