JP2014001965A - Shape measuring apparatus and shape measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置および形状測定方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method.
共焦点顕微鏡では、光が対物レンズにより測定対象物に集光される。測定対象物からの反射光が受光レンズにより集光され、ピンホールを通して受光素子に入射する(例えば、特許文献1参照)。光は測定対象物の表面で二次元的に走査される。また、測定対象物と対物レンズとの間の相対的な距離を変化させることにより受光素子の受光量の分布が変化する。測定対象物の表面に焦点が合ったときに受光量のピークが現れる。受光量分布のピーク位置に基づいて測定対象物の表面の高さ形状を測定することができる。 In a confocal microscope, light is condensed on a measurement object by an objective lens. The reflected light from the measurement object is collected by the light receiving lens and enters the light receiving element through the pinhole (see, for example, Patent Document 1). The light is scanned two-dimensionally on the surface of the measurement object. Further, the distribution of the amount of light received by the light receiving element is changed by changing the relative distance between the measurement object and the objective lens. A peak in the amount of received light appears when the surface of the measurement object is focused. The height shape of the surface of the measurement object can be measured based on the peak position of the received light amount distribution.
特許文献2の微細構造の測定装置においては、測定対象物に照射される光の一部を透過させ残りの光を反射する薄膜が、共焦点顕微鏡の対物レンズと測定対象物との間に配置される。また、薄膜により反射される光を薄膜に向けて反射するミラーが、薄膜に関して対物レンズの焦点とほぼ対称の位置に配置される。
In the fine structure measuring apparatus of
上記のように、測定対象物が対物レンズの焦点位置にあるときには受光量分布のピーク(最大ピーク)が検出される。これに加えて、測定対象物が対物レンズの焦点位置から1/4×(2n+1)波長(nは整数)ずれた位置にあると、受光量は極小となる。測定対象物が対物レンズの焦点位置から1/4×2n波長ずれた位置にあると、最大ピークより小さい受光量のピークが検出される。これらのピークと最大ピークとを比較することにより測定対象物の表面の高さ形状の測定における分解能を向上させることができる。 As described above, when the measurement object is at the focal position of the objective lens, the peak (maximum peak) of the received light amount distribution is detected. In addition to this, when the measurement object is at a position shifted by 1/4 × (2n + 1) wavelengths (n is an integer) from the focal position of the objective lens, the amount of received light is minimized. When the object to be measured is at a position shifted by 1/4 × 2n wavelength from the focal position of the objective lens, the peak of the received light amount smaller than the maximum peak is detected. By comparing these peaks with the maximum peak, the resolution in measuring the height shape of the surface of the measurement object can be improved.
しかしながら、特許文献2の微細構造の測定装置においては、最大ピークと隣接するピークとの受光量の差が小さい場合には、正確に最大ピークを検出することが困難になる。この場合、測定される測定対象物の表面の高さに1/2×波長の整数倍の誤差が生じる。そのため、特許文献2の微細構造の測定装置では、測定対象物の表面の高さ形状を精密に測定することができない場合がある。
However, in the fine structure measuring apparatus of
本発明の目的は、測定対象物の表面の高さ形状を精密に測定することが可能な形状測定装置および形状測定方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a shape measuring device and a shape measuring method capable of accurately measuring the height shape of the surface of a measurement object.
(1)第1の発明に係る形状測定装置は、測定対象物の表面の形状を測定する形状測定装置であって、測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、複数の部分で反射される光を受光することにより、複数の部分について光の照射方向における干渉方式の受光強度分布成分と共焦点方式の受光強度分布成分との重畳波形を有する重畳受光強度分布を取得する受光強度分布取得部と、受光強度分布取得部により取得された重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分をそれぞれ抽出し、抽出された干渉方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第1のデータをそれぞれ算出可能でかつ抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第2のデータをそれぞれ算出可能に構成される算出部と、複数の部分について第1および第2のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成する処理部とを備えるものである。 (1) A shape measuring apparatus according to a first invention is a shape measuring apparatus for measuring the shape of the surface of a measurement object, and irradiates a plurality of portions on the surface of the measurement object with a plurality of portions. By receiving the reflected light, the received light intensity for obtaining a superimposed received light intensity distribution having a superimposed waveform of the interference received light intensity distribution component and the confocal received light intensity distribution component in the light irradiation direction for a plurality of portions Interference-type received light intensity distribution component and confocal-type received light intensity distribution component are extracted from the distribution acquisition unit and the superimposed received light intensity distribution acquired by the received light intensity distribution acquisition unit, respectively, and the extracted interference-type received light intensity distribution component The first data indicating the positions in the light irradiation direction for the plurality of portions can be calculated based on each of the plurality of portions, and the plurality of portions are connected based on the extracted confocal received light intensity distribution components. And a calculation unit configured to be able to calculate second data indicating the position in the light irradiation direction, and shape data indicating the shape of the surface of the measurement object using the first and second data for a plurality of portions. And a processing unit for generating.
この形状測定装置においては、複数の部分について光の照射方向における重畳受光強度分布が取得される。取得された重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ抽出される。抽出された干渉方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第1のデータがそれぞれ算出される。また、抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第2のデータがそれぞれ算出される。複数の部分について第1および第2のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データが生成される。 In this shape measuring apparatus, the superimposed received light intensity distribution in the light irradiation direction is acquired for a plurality of portions. The interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component are respectively extracted from the acquired superimposed received light intensity distribution. Based on the extracted interference-type received light intensity distribution component, first data indicating positions in the light irradiation direction is calculated for each of the plurality of portions. Further, second data indicating positions in the light irradiation direction is calculated for a plurality of portions based on the extracted confocal light intensity distribution components. Shape data indicating the shape of the surface of the measurement object is generated using the first and second data for a plurality of portions.
上記の構成によれば、重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ抽出される。共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて算出された第2のデータによれば、特定の距離差を有する複数の位置を識別できないという不都合が生じない。また、干渉方式の受光強度分布成分に基づいて算出された第1のデータによれば、特定の距離差の範囲内で第2のデータよりも高い分解能が得られる。 According to the above configuration, the interference received light intensity distribution component and the confocal received light intensity distribution component are respectively extracted from the superimposed received light intensity distribution. According to the second data calculated based on the confocal received light intensity distribution component, there is no inconvenience that a plurality of positions having a specific distance difference cannot be identified. Further, according to the first data calculated based on the received light intensity distribution component of the interference method, higher resolution than the second data can be obtained within a specific distance difference range.
したがって、複数の部分について第1および第2のデータを用いて形状データを生成することにより、特定の距離差を有する複数の位置を識別しつつより高い分解能で位置を検出することができる。この場合、干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ重畳受光強度分布から分離されているので、第1および第2のデータを正確に算出することができる。その結果、測定対象物の表面の高さ形状を精密に測定することができる。 Therefore, by generating shape data using the first and second data for a plurality of portions, it is possible to detect a position with higher resolution while identifying a plurality of positions having a specific distance difference. In this case, since the interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component are separated from the superimposed received light intensity distribution, the first and second data can be accurately calculated. As a result, the height shape of the surface of the measurement object can be accurately measured.
(2)算出部は、抽出された干渉方式の受光強度分布成分から位相シフト干渉方式により第1のデータを算出してもよい。 (2) The calculation unit may calculate the first data by the phase shift interference method from the extracted received light intensity distribution component of the interference method.
この場合、第1のデータにより(1/2×光の波長)の範囲内で、第2のデータよりも高い分解能で位置を検出することができる。 In this case, the position can be detected with higher resolution than the second data within the range of (1/2 × wavelength of light) by the first data.
(3)算出部は、抽出された共焦点方式の受光強度分布成分のピークに対応する位置を第2のデータとして算出してもよい。この場合、第2のデータにより(1/2×光の波長)の整数倍の位置の差異を識別することができる。 (3) The calculation unit may calculate a position corresponding to the peak of the extracted confocal received light intensity distribution component as the second data. In this case, a difference in position that is an integral multiple of (1/2 × wavelength of light) can be identified by the second data.
(4)算出部は、受光強度分布取得部により取得された重畳受光強度分布に周波数フィルタを適用することにより、重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を抽出してもよい。この場合、重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を確実に抽出することができる。 (4) The calculation unit may extract a confocal received light intensity distribution component from the superimposed received light intensity distribution by applying a frequency filter to the superimposed received light intensity distribution acquired by the received light intensity distribution acquiring unit. In this case, a confocal light intensity distribution component can be reliably extracted from the superimposed light intensity distribution.
(5)周波数フィルタは、低域通過フィルタを含んでもよい。この場合、重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を確実かつ容易に抽出することができる。 (5) The frequency filter may include a low-pass filter. In this case, it is possible to reliably and easily extract the confocal light intensity distribution component from the superimposed light intensity distribution.
(6)算出部は、受光強度分布取得部により取得された重畳受光強度分布にモルフォロジカルフィルタを適用することにより、重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を抽出してもよい。この場合、重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を確実かつ容易に抽出することができる。 (6) The calculation unit may extract a confocal received light intensity distribution component from the superimposed received light intensity distribution by applying a morphological filter to the superimposed received light intensity distribution acquired by the received light intensity distribution acquiring unit. In this case, it is possible to reliably and easily extract the confocal light intensity distribution component from the superimposed light intensity distribution.
(7)算出部は、抽出された受光強度分布成分の振幅を均一にすることにより重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分を抽出してもよい。この場合、この場合、重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分を確実に抽出ことができる。 (7) The calculation unit may extract the interference-type received light intensity distribution component from the superimposed received light intensity distribution by making the amplitude of the extracted received light intensity distribution component uniform. In this case, in this case, the interference-type received light intensity distribution component can be reliably extracted from the superimposed received light intensity distribution.
(8)処理部は、複数の部分について第1のデータを第2のデータに加算することにより形状データを生成してもよい。この場合、形状データを容易に生成することができる。 (8) The processing unit may generate shape data by adding the first data to the second data for a plurality of portions. In this case, shape data can be easily generated.
(9)処理部は、複数の部分の各々が隣接する部分に連続に接続されるように第1のデータにアンラッピング処理を行ってもよい。 (9) The processing unit may perform the unwrapping process on the first data so that each of the plurality of parts is continuously connected to the adjacent part.
第1のデータは、干渉方式の受光強度分布成分に基づいて算出されるので、(1/2×光の波長)の整数倍の任意性が有する場合がある。このような場合でも、第1のデータにアンラッピング処理が行われることにより、複数の部分の各々の形状が不連続に接続されることを防止することができる。 Since the first data is calculated based on the received light intensity distribution component of the interference method, the first data may have an arbitrary multiple of (½ × wavelength of light). Even in such a case, by performing the unwrapping process on the first data, it is possible to prevent the shapes of the plurality of portions from being connected discontinuously.
(10)受光強度分布取得部は、光を発生する光源、受光素子、ならびに測定対象物に照射される光および測定対象物からの反射光が通過する光学経路を含むとともに、光学経路中に配置可能な干渉型対物レンズを含み、光源により発生された光が干渉型対物レンズを通して測定対象物に照射されるとともに測定対象物からの反射光が受光素子に導かれ、受光素子により重畳受光強度分布が得られるように構成されてもよい。 (10) The received light intensity distribution acquisition unit includes a light source that generates light, a light receiving element, and an optical path through which light irradiated to the measurement target and reflected light from the measurement target pass, and is disposed in the optical path. Including a possible interference type objective lens, the light generated by the light source is irradiated to the measurement object through the interference type objective lens, and the reflected light from the measurement object is guided to the light receiving element, and the received light intensity overlapped by the light receiving element May be obtained.
この場合、簡単な構成で重畳受光強度分布を得ることができる。これにより、形状測定装置を小型化することができる。また、形状測定装置の製造コストを低減することができる。 In this case, the superimposed received light intensity distribution can be obtained with a simple configuration. Thereby, a shape measuring apparatus can be reduced in size. Moreover, the manufacturing cost of the shape measuring apparatus can be reduced.
(11)第2の発明に係る形状測定方法は、測定対象物の表面の形状を測定する形状測定方法であって、測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、複数の部分で反射される光を受光することにより、複数の部分について光の照射方向における干渉方式の受光強度分布成分と共焦点方式の受光強度分布成分との重畳波形を有する重畳受光強度分布を取得するステップと、取得された重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分をそれぞれ抽出するステップと、抽出された干渉方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第1のデータをそれぞれ算出するステップと、抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第2のデータをそれぞれ算出するステップと、複数の部分について第1および第2のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成するステップとを備えるものである。 (11) The shape measuring method according to the second invention is a shape measuring method for measuring the shape of the surface of the measuring object, and irradiates a plurality of parts of the surface of the measuring object with a plurality of parts. Obtaining a superimposed received light intensity distribution having a superimposed waveform of an interference received light intensity distribution component and a confocal received light intensity distribution component in a light irradiation direction by receiving reflected light; and Extracting the interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component from the acquired superimposed received light intensity distribution, and light for a plurality of portions based on the extracted interference-type received light intensity distribution component Calculating each of the first data indicating the position in the irradiation direction of light, and how to irradiate a plurality of portions based on the extracted confocal received light intensity distribution component Respectively, calculating the second data indicating the position of the measurement object, and generating shape data indicating the shape of the surface of the measurement object using the first and second data for a plurality of portions. .
この形状測定方法においては、複数の部分について光の照射方向における重畳受光強度分布が取得される。取得された重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ抽出される。抽出された干渉方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第1のデータがそれぞれ算出される。また、抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて複数の部分について光の照射方向における位置を示す第2のデータがそれぞれ算出される。複数の部分について第1および第2のデータを用いて測定対象物の表面の形状を示す形状データが生成される。 In this shape measuring method, the superimposed received light intensity distribution in the light irradiation direction is acquired for a plurality of portions. The interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component are respectively extracted from the acquired superimposed received light intensity distribution. Based on the extracted interference-type received light intensity distribution component, first data indicating positions in the light irradiation direction is calculated for each of the plurality of portions. Further, second data indicating positions in the light irradiation direction is calculated for a plurality of portions based on the extracted confocal light intensity distribution components. Shape data indicating the shape of the surface of the measurement object is generated using the first and second data for a plurality of portions.
上記の方法によれば、重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ抽出される。共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて算出された第2のデータによれば、特定の距離差を有する複数の位置を識別できないという不都合が生じない。また、干渉方式の受光強度分布成分に基づいて算出された第1のデータによれば、特定の距離差の範囲内で第2のデータよりも高い分解能が得られる。 According to the above method, the interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component are respectively extracted from the superimposed received light intensity distribution. According to the second data calculated based on the confocal received light intensity distribution component, there is no inconvenience that a plurality of positions having a specific distance difference cannot be identified. Further, according to the first data calculated based on the received light intensity distribution component of the interference method, higher resolution than the second data can be obtained within a specific distance difference range.
したがって、複数の部分について第1および第2のデータを用いて形状データを生成することにより、特定の距離差を有する複数の位置を識別しつつより高い分解能で位置を検出することができる。この場合、干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ重畳受光強度分布から分離されているので、第1および第2のデータを正確に算出することができる。その結果、測定対象物の表面の高さ形状を精密に測定することができる。 Therefore, by generating shape data using the first and second data for a plurality of portions, it is possible to detect a position with higher resolution while identifying a plurality of positions having a specific distance difference. In this case, since the interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component are separated from the superimposed received light intensity distribution, the first and second data can be accurately calculated. As a result, the height shape of the surface of the measurement object can be accurately measured.
本発明によれば、測定対象物の表面の高さ形状を精密に測定することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to accurately measure the height shape of the surface of the measurement object.
以下、本発明の実施の形態に係る形状測定装置について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1)形状測定装置の基本構成
図1は、本発明の実施の形態に係る形状測定装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、形状測定装置500は、測定部100、PC(パーソナルコンピュータ)200、制御部300および表示部400を備える。測定部100は、レーザ光源10、X−Yスキャン光学系20、受光素子30およびステージ60を含む。ステージ60上には、測定対象物Sが載置される。
(1) Basic Configuration of Shape Measuring Device FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the shape measuring device according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
レーザ光源10は、例えば半導体レーザである。レーザ光源10から出射されたレーザ光は、レンズ1により平行光に変換された後、ハーフミラー4を透過してX−Yスキャン光学系20に入射する。なお、レーザ光源10に代えて水銀ランプ等の他の光源と帯域通過フィルタとが用いられてもよい。この場合、水銀ランプ等の光源とX−Yスキャン光学系20との間に帯域通過フィルタが配置される。水銀ランプ等の光源から出射された光は、帯域通過フィルタを通過することにより単色光となり、X−Yスキャン光学系20に入射する。
The
X−Yスキャン光学系20は、例えばガルバノミラーである。X−Yスキャン光学系20は、ステージ60上の測定対象物Sの表面上においてレーザ光をX方向およびY方向に走査する機能を有する。X方向、Y方向およびZ方向の定義については後述する。X−Yスキャン光学系20により走査されたレーザ光は、ミラー5により反射された後、対物レンズ3によりステージ60上の測定対象物Sに集光される。対物レンズ3は、測定対象物Sに照射される光および測定対象物Sからの反射光が通過する光学経路中に配置される。
The XY scan
本例においては、対物レンズ3は、例えばマイケルソン干渉方式、ミラウ干渉方式またはリニック干渉方式の干渉型対物レンズである。干渉型対物レンズに代えて、干渉型対物レンズが実現されるように組み合わされた非干渉型対物レンズと例えばマイケルソン干渉方式、ミラウ干渉方式またはリニック干渉方式の光学系とが用いられてもよい。また、ハーフミラー4に代えて偏光ビームスプリッタが用いられてもよい。
In this example, the
測定対象物Sにより反射されたレーザ光は、対物レンズ3を透過した後、ミラー5により反射され、X−Yスキャン光学系20を通過する。X−Yスキャン光学系20を通過したレーザ光は、ハーフミラー4により反射され、レンズ2により集光され、ピンホール部材7のピンホールを通過して受光素子30に入射する。ピンホール部材7のピンホールは、レンズ2の焦点位置に配置される。このように、本実施の形態においては反射型の形状測定装置500が用いられるが、測定対象物Sが細胞等の透明体である場合には、透過型の形状測定装置が用いられてもよい。
The laser light reflected by the measuring object S passes through the
本実施の形態では、受光素子30は光電子増倍管である。受光素子30としてフォトダイオードおよび増幅器を用いてもよい。受光素子30は、受光量に対応するアナログの電気信号(以下、受光信号と呼ぶ)を出力する。制御部300は、A/D変換器(アナログ/デジタル変換器)、FIFO(First In First Out)メモリおよびCPU(中央演算処理装置)を含む。受光素子30から出力される受光信号は、制御部300のA/D変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。A/D変換器から出力されるデジタル信号は、FIFOメモリに順次蓄積される。FIFOメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次PC200に転送される。
In the present embodiment, the
制御部300は、画素データをPC200に与えるとともに、PC200からの指令に基づいて受光素子30の受光感度(ゲイン)を制御する。また、制御部300は、PC200からの指令に基づいてX−Yスキャン光学系20を制御することによりレーザ光を測定対象物S上でX方向およびY方向に走査させる。
The
対物レンズ3は、レンズ駆動部63によりZ方向に移動可能に設けられる。制御部300は、PC200からの指令に基づいてレンズ駆動部63を制御することにより対物レンズ3をZ方向に移動させることができる。これにより、対物レンズ3に対する測定対象物Sの相対的なZ方向の位置を変化させることができる。
The
PC200は、CPU210、ROM(リードオンリメモリ)220、作業用メモリ230および記憶装置240を含む。ROM220には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ230は、RAM(ランダムアクセスメモリ)からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置240は、ハードディスク等からなる。記憶装置240には、画像処理プログラムが記憶される。また、記憶装置240は、制御部300から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。
The
CPU210は、制御部300から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、CPU210は、生成した画像データに作業用メモリ230を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部400に表示させる。さらに、CPU210は、後述するステージ駆動部62に駆動パルスを与える。表示部400は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機EL(エレクトロルミネッセンス)パネルにより構成される。
The
ステージ60は、X方向移動機構、Y方向移動機構およびZ方向移動機構を有する。X方向移動機構、Y方向移動機構およびZ方向移動機構には、ステッピングモータが用いられる。ステージ60のX方向移動機構、Y方向移動機構およびZ方向移動機構は、ステージ操作部61およびステージ駆動部62により駆動される。
The
使用者は、ステージ操作部61を手動で操作することにより、ステージ60を対物レンズ3に対して相対的にX方向、Y方向およびZ方向に移動させることができる。ステージ駆動部62は、PC200より与えられる駆動パルスに基づいて、ステージ60のステッピングモータに電流を供給することにより、ステージ60を対物レンズ3に相対的にX方向、Y方向またはZ方向に移動させることができる。
The user can move the
上記の形状測定装置500によれば、簡単な構成で後述する重畳受光強度分布を得ることができる。これにより、形状測定装置500を小型化することができる。また、形状測定装置500の製造コストを低減することができる。
According to the
(2)X方向、Y方向およびZ方向の定義
図2は、X方向、Y方向およびZ方向の定義を示す図である。図2に示すように、対物レンズ3により集光されたレーザ光が測定対象物Sに照射される。本実施の形態においては、対物レンズ3の光軸の方向をZ方向と定義する。また、Z方向と直交する面内において、互いに直交する二方向をそれぞれX方向およびY方向と定義する。X方向、Y方向およびZ方向を矢印X,Y,Zでそれぞれ示す。
(2) Definition of X direction, Y direction, and Z direction FIG. 2 is a diagram illustrating the definition of the X direction, the Y direction, and the Z direction. As shown in FIG. 2, the measuring object S is irradiated with the laser light condensed by the
Z方向において対物レンズ3に対する測定対象物Sの表面の相対的な位置を測定対象物SのZ方向の位置と呼ぶ。画像データの生成は、単位領域ごとに行なわれる。単位領域は対物レンズ3の倍率により定まる。
The relative position of the surface of the measuring object S with respect to the
測定対象物SのZ方向の位置が一定の状態で、X−Yスキャン光学系20により単位領域内のY方向の端部でレーザ光がX方向に走査される。X方向の走査が終了すると、レーザ光がX−Yスキャン光学系20によりY方向に一定の間隔だけ変移される。この状態でレーザ光がX方向に走査される。単位領域内でレーザ光のX方向の走査およびY方向の変移が繰り返されることにより、単位領域のX方向およびY方向の走査が終了する。次に、対物レンズ3がZ方向に移動される。それにより、対物レンズ3のZ方向の位置が前回と異なる一定の状態で、単位領域のX方向およびY方向の走査が行なわれる。測定対象物SのZ方向の複数の位置で単位領域のX方向およびY方向の走査が行なわれる。
While the position of the measuring object S in the Z direction is constant, the XY scanning
測定対象物SのZ方向の位置ごとにX方向およびY方向の走査により画像データが生成される。これにより、単位領域内でZ方向の位置が異なる複数の画像データが生成される。 Image data is generated by scanning in the X direction and the Y direction for each position of the measuring object S in the Z direction. Thereby, a plurality of pieces of image data having different positions in the Z direction within the unit area are generated.
ここで、画像データのX方向の画素数は、X−Yスキャン光学系20によるレーザ光のX方向の走査速度と制御部300のサンプリング周期とにより定まる。1回のX方向の走査(1本の走査線)におけるサンプリング数がX方向の画素数となる。また、単位領域の画像データのY方向の画素数は、X方向の走査の終了ごとのX−Yスキャン光学系20によるレーザ光のY方向の変移量により定まる。Y方向における走査線の数がY方向の画素数となる。さらに、単位領域の画像データの数は、測定対象物SのZ方向の移動回数により定まる。
Here, the number of pixels in the X direction of the image data is determined by the scanning speed of the laser beam in the X direction by the XY scanning
図2の例では、まず、ステージ60の最初の位置で一の単位領域における測定対象物Sの複数の画像データが生成される。続いて、ステージ60が順次移動することにより他の単位領域における測定対象物Sの複数の画像データが生成される。この場合、隣接する単位領域の一部が互いに重なるように、単位領域が設定されてもよい。
In the example of FIG. 2, first, a plurality of pieces of image data of the measuring object S in one unit region are generated at the initial position of the
(3)受光強度分布
図3は、対物レンズ3の構成を示す図である。図3の例においては、対物レンズ3は、ミラウ干渉方式の干渉型対物レンズである。図3に示すように、対物レンズ3は、レンズ31、ビームスプリッタ32および参照ミラー33を含む。
(3) Light Received Intensity Distribution FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the
図1のレーザ光源10から出射されたレーザ光は、図3のレンズ31を通過した後、ビームスプリッタ32により2つのレーザ光に分離される。一方のレーザ光についてのレンズ31の焦点位置に参照ミラー33が配置される。他方のレーザ光についてのレンズ31の焦点位置付近に測定対象物Sが配置される。
The laser light emitted from the
一方のレーザ光は、参照ミラー33により反射され、ビームスプリッタ32により反射され、レンズ31を通過した後、図1のミラー5およびハーフミラー4に反射されて受光素子30に入射する。他方のレーザ光は、測定対象物Sにより反射され、ビームスプリッタ32およびレンズ31を通過した後、図1のミラー5およびハーフミラー4に反射されて受光素子30に入射する。
One laser beam is reflected by the
このように、対物レンズ3のレンズ31、ビームスプリッタ32および参照ミラー33により干渉光学系が構成される。本例においては、対物レンズ3はミラウ干渉方式の干渉型対物レンズであるが、これに限定されない。図4は、対物レンズ3の他の構成を示す図である。図4(a)の例においては、対物レンズ3は、マイケルソン干渉方式の干渉型対物レンズである。図4(b)の例においては、対物レンズ3は、リニック干渉方式の干渉型対物レンズである。
In this way, the
図4(a)に示すように、マイケルソン干渉方式の対物レンズ3は、図3のミラウ干渉方式の対物レンズ3と同様に、レンズ31、ビームスプリッタ32および参照ミラー33により構成される。一方、図4(b)に示すように、リニック干渉方式の対物レンズ3は、干渉型対物レンズはレンズ31、ビームスプリッタ32、参照ミラー33およびレンズ34により構成される。リニック干渉方式の対物レンズ3においては、図1のレーザ光源10から出射されたレーザ光は、レンズ31を通過する前にビームスプリッタ32により2つのレーザ光に分離される。そのため、ビームスプリッタ32と測定対象物Sとの間にレンズ31が配置されるとともに、ビームスプリッタ32と参照ミラー33との間にレンズ34が配置される。
As shown in FIG. 4A, the Michelson interference type
図5は、1つの画素についての受光強度分布の一例を示す図である。図5(a)〜(c)の横軸は測定対象物SのZ方向の位置を表わし、縦軸は受光素子30の受光強度を表わす。以下、一方のレーザ光が受光素子30に入射するまでの光路長と他方のレーザ光の光路長が受光素子30に入射するまでの光路長との差を光路差と呼ぶ。本例において、参照ミラー33はレンズ31の焦点位置に配置される。この場合、光路差は、測定対象物Sとレンズ31の焦点位置との間のずれの2倍に等しい。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the received light intensity distribution for one pixel. 5A to 5C, the horizontal axis represents the position of the measuring object S in the Z direction, and the vertical axis represents the received light intensity of the
まず、測定対象物Sにより反射されたレーザ光について考える。図1に示したように、ピンホール部材7のピンホールはレンズ2の焦点位置に配置される。測定対象物Sの表面が対物レンズ3の焦点位置にあるときに、測定対象物Sにより反射されたレーザ光がピンホール部材7のピンホールの位置に集光される。それにより、測定対象物Sにより反射されたレーザ光の大部分がピンホール部材7のピンホールを通過して受光素子30に入射する。この場合、図5(a)に示すように、受光素子30に入射するレーザ光の受光強度は最大となる。
First, consider the laser beam reflected by the measuring object S. As shown in FIG. 1, the pinhole of the
一方、測定対象物Sが対物レンズ3の焦点位置から外れた位置にあるときには、測定対象物Sにより反射されたレーザ光はピンホール部材7のピンホールの前または後の位置に集光される。この場合、図5(a)に示すように、受光素子30に入射するレーザ光の受光強度は低下する。このように、測定対象物Sの表面が対物レンズ3の焦点位置にある状態で受光素子30の受光強度分布にピークが現れる。以下、共焦点光学系に基づく図5(a)の受光強度分布を共焦点方式の受光強度分布と呼ぶ。
On the other hand, when the measuring object S is at a position deviating from the focal position of the
次に、参照ミラー33により反射されたレーザ光と測定対象物Sにより反射されたレーザ光との干渉により得られるレーザ光について考える。ここでは、ピンホール部材7が存在しないものとする。光路差が1/2×(2n)×λ(n:整数、λ:波長)である場合、すなわち測定対象物Sが対物レンズ3のレンズ31の焦点位置から1/4×(2n)×λずれた位置にある場合、受光素子30に入射する2つのレーザ光は強め合う。
Next, consider the laser beam obtained by the interference between the laser beam reflected by the
一方、光路差が1/2×(2n+1)×λである場合、すなわち測定対象物Sがレンズ31の焦点位置から1/4×(2n+1)×λずれた位置にある場合、受光素子30に入射する2つのレーザ光は弱め合う。この場合、図5(b)に示すように、測定対象物SのZ方向の位置に対する受光素子30に入射する2つのレーザ光の強度は正弦波状に変化する。以下、干渉光学系に基づく図5(b)の受光強度分布を干渉方式の受光強度分布と呼ぶ。
On the other hand, when the optical path difference is ½ × (2n + 1) × λ, that is, when the measurement object S is at a position shifted by ¼ × (2n + 1) × λ from the focal position of the
図5(c)は、受光素子30により得られる受光強度分布を示す。受光素子30により得られる受光強度は、図5(a)の共焦点方式の受光強度分布と図5(b)の干渉方式の受光強度分布との重ね合わせとなる。これにより、受光素子30により得られる受光強度には、複数のピークが含まれる。測定対象物Sの表面が対物レンズ3の焦点位置にあるときは、2つのレーザ光の光路長が等しいため、2つのレーザ光が強め合う。この場合、図5(c)に示すように、受光素子30により得られる受光強度は最大となる。
FIG. 5C shows the received light intensity distribution obtained by the
一方、測定対象物Sが干渉型対物レンズ3Bの焦点位置から外れた位置にあるときには、受光素子30へ向かうレーザ光の一部がピンホール部材7のピンホールにより遮られる。この場合、図5(c)に示すように、2つのレーザ光が強め合う場合であっても、受光素子30により得られる受光強度は、測定対象物Sが対物レンズ3の焦点位置にあるときの受光強度よりも低下する。以下、受光素子30により得られる図5(c)の受光強度分布を重畳受光強度分布と呼ぶ。
On the other hand, when the measurement object S is at a position deviating from the focal position of the interference
(4)共焦点高さデータ
各単位領域の複数の画像データから、画素ごとにZ方向における図5(c)の重畳受光強度分布が得られる。得られた重畳受光強度分布に演算処理が行われることにより、図5(a)の共焦点方式の受光強度分布および図5(b)の干渉方式の受光強度分布が抽出される。重畳受光強度分布から抽出された共焦点方式の受光強度分布を共焦点方式の受光強度分布成分と呼ぶ。また、重畳受光強度分布から抽出された干渉方式の受光強度分布を干渉方式の受光強度分布成分と呼ぶ。
(4) Confocal height data The superimposed received light intensity distribution in FIG. 5C in the Z direction is obtained for each pixel from a plurality of image data of each unit area. By performing arithmetic processing on the obtained superimposed light reception intensity distribution, the confocal light reception intensity distribution of FIG. 5A and the interference light reception intensity distribution of FIG. 5B are extracted. The confocal light intensity distribution extracted from the superimposed light intensity distribution is referred to as a confocal light intensity distribution component. The interference-type received light intensity distribution extracted from the superimposed received-light intensity distribution is referred to as an interference-type received light intensity distribution component.
抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に例えばガウシアン曲線またはスプライン曲線をフィッティングさせることにより、画素ごとにZ方向における共焦点方式の受光強度分布成分のピーク位置とピーク強度(ピークの受光強度)とが算出される。Z方向におけるピーク位置に基づいて、測定対象物Sの表面の高さ形状を測定することができる。 By fitting, for example, a Gaussian curve or spline curve to the extracted confocal light intensity distribution component, the peak position and peak intensity of the confocal light intensity distribution component in the Z direction for each pixel (peak light intensity) And are calculated. Based on the peak position in the Z direction, the height shape of the surface of the measuring object S can be measured.
高さ形状の測定の分解能は、図5(a)の曲線の半値全幅Γに依存する。半値全幅Γは、対物レンズ3の開口数が大きく、レーザ光の波長が短いほど小さくなる。例えば、対物レンズ3の開口数が0.95であり、レーザ光の波長が408nmである場合、半値全幅Γは500nmとなる。この場合、分解能は0.5〜1nmとなる。
The resolution of the measurement of the height shape depends on the full width at half maximum Γ of the curve in FIG. The full width at half maximum Γ becomes smaller as the numerical aperture of the
各単位領域の各画素についてのZ方向におけるピーク位置を表わすデータを共焦点高さデータと呼ぶ。PC200は、制御部300から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の画像データを生成し、複数の画像データに基づいて単位領域の各画素についての共焦点高さデータを生成する。この場合、共焦点高さデータによりλ/2の整数倍の位置の差異を識別することができる。
Data representing the peak position in the Z direction for each pixel in each unit area is referred to as confocal height data. The
(5)干渉高さデータ
本実施の形態においては、以下の位相シフト干渉方式により測定対象物Sの表面の高さ形状を測定する。まず、光路長をλ/4ずつ、すなわち測定対象物SのZ方向の位置をλ/8ずつ4回変化させる。また、測定対象物SのZ方向の位置に対応する4つの受光強度を受光素子30により測定する。
(5) Interference Height Data In the present embodiment, the height shape of the surface of the measuring object S is measured by the following phase shift interference method. First, the optical path length is changed by λ / 4, that is, the position of the measuring object S in the Z direction is changed four times by λ / 8. Further, the four light receiving intensities corresponding to the positions in the Z direction of the measuring object S are measured by the
具体的には、まず、測定対象物SがZ方向の任意の初期位置にあるときの受光強度を受光素子30により測定する。次に、測定対象物Sが初期位置からλ/8の位置にあるときの受光強度を受光素子30により測定する。その後、測定対象物Sが初期位置からλ/4の位置にあるときの受光強度を受光素子30により測定する。最後に、測定対象物Sが初期位置から3λ/8の位置にあるときの受光強度を受光素子30により測定する。測定により得られた4つの受光強度からなる受光強度分布に演算処理が行われることにより、図5(b)の干渉方式の受光強度分布成分が抽出される。
Specifically, first, the
測定対象物SがZ方向の初期位置にあるときの受光強度に対応する干渉方式の受光強度分布成分の強度を第1の受光強度I1と呼ぶ。測定対象物Sが初期位置からλ/8の位置にあるときの受光強度に対応する干渉方式の受光強度分布成分の強度を第2の受光強度I2と呼ぶ。測定対象物Sが初期位置からλ/4の位置にあるときの受光強度に対応する干渉方式の受光強度分布成分の強度を第3の受光強度I3と呼ぶ。測定対象物Sが初期位置から3λ/8の位置にあるときの受光強度に対応する干渉方式の受光強度分布成分の強度を第4の受光強度I4と呼ぶ。 The intensity of the received light intensity distribution component of the interference method corresponding to the received light intensity when the measurement object S is at the initial position in the Z direction is referred to as a first received light intensity I1. The intensity of the received light intensity distribution component of the interference method corresponding to the received light intensity when the measurement object S is at a position λ / 8 from the initial position is referred to as a second received light intensity I2. The intensity of the received light intensity distribution component of the interference method corresponding to the received light intensity when the measurement object S is at a position λ / 4 from the initial position is referred to as a third received light intensity I3. The intensity of the received light intensity distribution component of the interference method corresponding to the received light intensity when the measurement object S is at a position 3λ / 8 from the initial position is referred to as a fourth received light intensity I4.
このとき、2つの光の位相差φは、φ=tan−1[(I1−I3)/(I2−I4)]で与えられる。また、対物レンズ3の焦点位置、すなわち図5(a)の共焦点方式の受光強度分布成分のピーク位置からの高さhは、h=φλ/(4π)で与えられる。なお、位相差φには2πの整数倍の任意性があるので、高さhが連続的に変化しているという仮定に基づいて、近傍位相接続法またはMST(Minimum Spanning Tree)法等の演算処理が行われる。
At this time, the phase difference φ between the two lights is given by φ = tan −1 [(I1−I3) / (I2−I4)]. Further, the height h from the focal position of the
測定対象物Sの表面全体について高さhを算出することにより、測定対象物Sの表面の高さ形状を測定することができる。位相シフト干渉方式による高さ形状の測定の分解能は、0.1nm以下となる。 By calculating the height h for the entire surface of the measuring object S, the height shape of the surface of the measuring object S can be measured. The resolution of height shape measurement by the phase shift interference method is 0.1 nm or less.
各単位領域の各画素についての高さhを表わすデータを干渉高さデータと呼ぶ。PC200は、制御部300から与えられる単位領域の複数の画素データに基づいて単位領域の複数の画像データを生成し、複数の画像データに基づいて単位領域の各画素についての干渉高さデータを生成する。この場合、干渉高さデータによりλ/2の範囲内で、共焦点高さデータよりも高い分解能で位置を検出することができる。
Data representing the height h for each pixel in each unit area is referred to as interference height data. The
(6)共焦点方式の受光強度分布成分の抽出
受光素子30により得られた受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を抽出する手順について説明する。図6は、重畳受光強度分布から抽出された共焦点方式の受光強度分布成分を示す図である。
(6) Extraction of Confocal Light Receiving Intensity Distribution Component A procedure for extracting the confocal light receiving intensity distribution component from the light receiving intensity distribution obtained by the
図6(a)の例においては、低域通過フィルタが点線で示す重畳受光強度分布に適用されることにより、所定のカットオフ波長よりも長い波長を有する成分(低周波成分)が重畳受光強度分布から抽出される。抽出された実線で示す曲線を平均線Laと呼ぶ。重畳受光強度分布から抽出された平均線Laが共焦点方式の受光強度分布成分となる。 In the example of FIG. 6A, the low-pass filter is applied to the superimposed received light intensity distribution indicated by the dotted line, so that a component having a wavelength longer than a predetermined cutoff wavelength (low frequency component) is superimposed received light intensity. Extracted from the distribution. A curve indicated by the extracted solid line is referred to as an average line La. The average line La extracted from the superimposed received light intensity distribution becomes a confocal received light intensity distribution component.
低域通過フィルタは、例えばISO(国際標準化機構)規格番号16610−21に従うガウシアンフィルタまたはISO規格番号規格番号16610−22に従うスプラインフィルタ等の線形フィルタを含む。カットオフ波長は、レーザ光の波長よりも十分に大きい値に設定される。カットオフ波長は、レーザ光の波長の10〜20倍に設定されることが好ましい。図6(a)の例においては、カットオフ波長は13μmである。 The low-pass filter includes, for example, a linear filter such as a Gaussian filter according to ISO (International Organization for Standardization) standard number 16610-21 or a spline filter according to ISO standard number standard number 16610-22. The cutoff wavelength is set to a value sufficiently larger than the wavelength of the laser light. The cutoff wavelength is preferably set to 10 to 20 times the wavelength of the laser beam. In the example of FIG. 6A, the cutoff wavelength is 13 μm.
このように、低域通過フィルタを重畳受光強度分布に適用することにより、容易かつ安定的に重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を抽出することができる。一方で、図3の参照ミラー33により反射されたレーザ光の強度と測定対象物Sにより反射されたレーザ光の強度との関係によっては、平均線Laのピーク強度が十分に大きくならない場合がある。この場合、共焦点方式の受光強度分布成分のピーク位置およびピーク強度の算出の精度が低下する。
In this way, by applying the low-pass filter to the superimposed received light intensity distribution, it is possible to easily and stably extract the confocal received light intensity distribution component from the superimposed received light intensity distribution. On the other hand, depending on the relationship between the intensity of the laser beam reflected by the
このような場合には、共焦点方式の受光強度分布成分が低域通過フィルタに代えて他のフィルタを用いて重畳受光強度分布から抽出されてもよい。図6(b)の例においては、ISO規格番号規格番号16610−41に従うモルフォロジカルフィルタの円Closingフィルタが点線で示す重畳受光強度分布に適用される。これにより、実線で示す重畳受光強度分布の包絡線Leが重畳受光強度分布から抽出される。重畳受光強度分布から抽出された包絡線Leが共焦点方式の受光強度分布成分となる。 In such a case, the confocal received light intensity distribution component may be extracted from the superimposed received light intensity distribution using another filter instead of the low-pass filter. In the example of FIG. 6B, a circular Closing filter of a morphological filter according to ISO standard number standard number 16610-41 is applied to the superimposed received light intensity distribution indicated by a dotted line. Thereby, the envelope Le of the superimposed received light intensity distribution indicated by the solid line is extracted from the superimposed received light intensity distribution. The envelope Le extracted from the superimposed received light intensity distribution is a confocal received light intensity distribution component.
円Closingフィルタの円の半径は、レーザ光の波長よりも十分に大きい値に設定される。円Closingフィルタの円の半径は、レーザ光の波長の5〜10倍に設定されることが好ましい。図6(b)の例においては、円Closingフィルタの円の半径は3.2μmである。 The radius of the circle of the circle closing filter is set to a value sufficiently larger than the wavelength of the laser beam. The radius of the circle of the circle closing filter is preferably set to 5 to 10 times the wavelength of the laser beam. In the example of FIG. 6B, the radius of the circle of the circle Closing filter is 3.2 μm.
包絡線Leには、高周波成分が残存している場合がある。そのため、包絡線Leには、高周波成分を除去する補正処理が行われる。具体的には、上記の低域通過フィルタが包絡線Leに適用される。これにより、包絡線Leから高周波成分が除去される。 A high frequency component may remain in the envelope Le. For this reason, the envelope Le is subjected to correction processing for removing high-frequency components. Specifically, the above low-pass filter is applied to the envelope Le. Thereby, the high frequency component is removed from the envelope Le.
重畳受光強度分布から共焦点方式の受光強度分布成分を抽出するために、低域通過フィルタおよびモルフォロジカルフィルタの両方が適用されてもよい。この場合、平均線Laに基づくピーク位置および包絡線Leに基づくピーク位置の平均値が共焦点方式の受光強度分布成分のピーク位置となる。 In order to extract the confocal light intensity distribution component from the superimposed light intensity distribution, both a low-pass filter and a morphological filter may be applied. In this case, the average value of the peak position based on the average line La and the peak position based on the envelope Le is the peak position of the confocal received light intensity distribution component.
(7)干渉方式の受光強度分布成分の抽出
受光素子30により得られた重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分を抽出する手順について説明する。図7は、重畳受光強度分布から抽出された干渉方式の受光強度分布成分を示す図である。
(7) Extraction of Interference-Based Light Intensity Distribution Component A procedure for extracting the interference-type received light intensity distribution component from the superimposed received light intensity distribution obtained by the
図7(a)の例においては、点線で示す重畳受光強度分布から図6(a)の平均線Laまたは補正処理が行われた図6(b)の包絡線Leを減算する処理が行われる。これにより、実線で示す高周波成分の曲線Lcが重畳受光強度分布から抽出される。曲線Lcには複数のピークが含まれる。重畳受光強度分布から抽出された曲線Lcが干渉方式の受光強度分布成分となる。 In the example of FIG. 7A, a process of subtracting the average line La of FIG. 6A or the envelope Le of FIG. 6B subjected to correction processing from the superimposed received light intensity distribution indicated by the dotted line is performed. . As a result, the curve Lc of the high frequency component indicated by the solid line is extracted from the superimposed received light intensity distribution. The curve Lc includes a plurality of peaks. A curve Lc extracted from the superimposed received light intensity distribution is a light intensity distribution component of the interference method.
この状態では、抽出された曲線Lcの複数のピークの振幅は、共焦点方式の受光強度分布成分の影響により、測定対象物SのZ方向の位置に応じて変動する。そのため、曲線Lcの複数のピークの振幅を略均一にする補正処理が行われる。具体的には、上記のモルフォロジカルフィルタが曲線Lcに適用される。この場合、図7(a)に一点鎖線で示すように、曲線Lcの上部に接する上部包絡線Le1および曲線Lcの下部に接する下部包絡線Le2が曲線Lcから抽出される。上部包絡線Le1と下部包絡線Le2との差分に基づいて、曲線Lcの各ピークの振幅が略均一になるように曲線Lcに演算処理が行われる。これにより、図7(b)に示すように、曲線Lcの各ピークの振幅が略均一化される。 In this state, the amplitudes of the plurality of peaks of the extracted curve Lc vary according to the position of the measuring object S in the Z direction due to the influence of the confocal received light intensity distribution component. Therefore, a correction process is performed to make the amplitudes of the plurality of peaks of the curve Lc substantially uniform. Specifically, the above morphological filter is applied to the curve Lc. In this case, as indicated by a one-dot chain line in FIG. 7A, an upper envelope Le1 in contact with the upper portion of the curve Lc and a lower envelope Le2 in contact with the lower portion of the curve Lc are extracted from the curve Lc. Based on the difference between the upper envelope Le1 and the lower envelope Le2, a calculation process is performed on the curve Lc so that the amplitude of each peak of the curve Lc is substantially uniform. Thereby, as shown in FIG.7 (b), the amplitude of each peak of the curve Lc is substantially equalized.
(8)高さデータの生成
本実施の形態においては、測定対象物Sが、例えば対物レンズ3の焦点位置よりも十分下方に配置される。この状態で、各単位領域内でレーザ光がX方向およびY方向に走査される。
(8) Generation of Height Data In the present embodiment, the measurement object S is disposed sufficiently below the focal position of the
各単位領域内の走査が終了した後、対物レンズ3がλ/8だけ下方に移動される。これにより、測定対象物Sが対物レンズ3の焦点位置に近づくように上方に移動する。この状態で、各単位領域内でレーザ光がX方向およびY方向に走査される。各単位領域内の走査が終了した後、対物レンズ3がλ/8だけさらに下方に移動される。これにより、測定対象物Sが対物レンズ3の焦点位置に近づくように上方にさらに移動する。この状態で、各単位領域内でレーザ光がX方向およびY方向に走査される。
After the scanning in each unit area is completed, the
測定対象物Sが対物レンズ3の焦点位置よりも十分上方に移動するまで同様の動作が繰り返される。これにより、測定対象物Sの表面全体の各画素について、測定対象物SのZ方向の位置および受光強度が得られる。得られた測定対象物SのZ方向の位置および受光強度は、図1の作業用メモリ230に記憶される。
The same operation is repeated until the measurement object S moves sufficiently above the focal position of the
作業用メモリ230に記憶された測定対象物SのZ方向の位置および受光強度に基づいて、各画素についての重畳受光強度分布が生成される。また、各画素についての重畳受光強度分布から各画素についての共焦点方式の受光強度分布成分および干渉方式の受光強度分布成分が抽出される。
Based on the position in the Z direction of the measuring object S and the received light intensity stored in the
抽出された共焦点方式の受光強度分布成分におけるピーク位置に基づいて共焦点高さデータが生成される。また、抽出された干渉方式の受光強度分布成分における図5(b)の第1〜第4の強度I1〜I4に基づいて干渉高さデータが生成される。生成された共焦点高さデータおよび干渉高さデータは、作業用メモリ230に記憶される。なお、上記の測定において対物レンズ3はZ方向にλ/8の間隔で移動されるが、これに限定されない。対物レンズ3はZ方向に例えばλ/8よりも小さい間隔で移動されてもよい。
Confocal height data is generated based on the peak position in the extracted confocal received light intensity distribution component. Further, interference height data is generated based on the first to fourth intensities I1 to I4 in FIG. 5B in the extracted received light intensity distribution components of the interference method. The generated confocal height data and interference height data are stored in the
なお、図1の測定部100には、干渉型対物レンズである対物レンズ3に加えて、非干渉型対物レンズを取り付けることができる。測定対象物Sの表面に照射されるレーザ光および測定対象物Sにより反射されたレーザ光の光学経路に対物レンズ3および非干渉型対物レンズを選択的に配置することが可能である。
In addition to the
対物レンズ3が光学経路に配置されている場合には、上述のように、受光素子30により図5(c)の重畳受光強度分布が得られる。一方、非干渉型対物レンズが光学経路に配置されている場合には、受光素子30により図5(a)の共焦点方式の受光強度分布が得られる。
When the
使用者は、対物レンズ3および非干渉型対物レンズのいずれが光学経路に配置されているかを図1のCPU210に指定することができる。あるいは、CPU210は、対物レンズ3および非干渉型対物レンズのいずれが光学経路に配置されているかを判定してもよい。例えば、受光素子30により得られる受光強度分布が比較的高い周波数成分と比較的低い周波数成分との重畳成分を有する場合、CPU210は対物レンズ3が光学経路に配置されていると判定する。一方、受光素子30により得られる受光強度分布が比較的低い周波数成分を有し、比較的高い周波数成分を有さない場合、CPU210は非干渉型対物レンズが光学経路に配置されていると判定する。
The user can specify to the
対物レンズ3が光学経路に配置されている場合には、CPU210は、重畳受光強度分布から抽出された図5(a)の共焦点方式の受光強度分布および図5(b)の干渉方式の受光強度分布に基づいて、共焦点高さデータおよび干渉高さデータをそれぞれ生成する処理を行う。一方、非干渉型対物レンズが光学経路に配置されている場合には、CPU210は、図5(a)の共焦点方式の受光強度分布に基づいて、共焦点高さデータを生成する処理を行う。
When the
(9)高さ形状測定処理
図8は、高さ形状測定処理を示すフローチャートである。図8を用いてCPU210による高さ形状測定処理を説明する。CPU210は、画素ごとにZ方向における重畳受光強度分布を得る(ステップS1)。次に、CPU210は、得られた重畳受光強度分布から、共焦点方式の受光強度分布成分および干渉方式の受光強度分布成分を抽出する(ステップS2)。
(9) Height shape measurement process FIG. 8 is a flowchart showing the height shape measurement process. The height shape measurement process by the
その後、CPU210は、抽出された共焦点方式の受光強度分布成分および干渉方式の受光強度分布成分に補正処理を行う(ステップS3)。ここで、重畳受光強度分布に低域通過フィルタが適用されることにより共焦点方式の受光強度分布成分が抽出された場合には、その共焦点方式の受光強度分布成分に補正処理は行われない。重畳受光強度分布にモルフォロジカルフィルタが適用されることにより共焦点方式の受光強度分布成分が抽出された場合には、その共焦点方式の受光強度分布成分に高周波成分を除去する補正処理が行われる。干渉方式の受光強度分布成分には、複数のピークの振幅を略均一にする補正処理が行われる。
Thereafter, the
次に、CPU210は、共焦点方式の受光強度分布成分におけるピーク位置に基づいて共焦点高さデータを生成する(ステップS4)。また、CPU210は、干渉方式の受光強度分布成分における図5(b)の第1〜第4の強度I1〜I4に基づいて干渉高さデータを生成する(ステップS5)。
Next, the
最後に、CPU210は、共焦点高さデータと干渉高さデータとを合成することにより、測定対象物Sの表面の高さ形状を示す形状データを生成する(ステップS6)。これにより、測定対象物Sの高さ形状が測定される。ここで、共焦点高さデータと干渉高さデータとの合成は、共焦点高さデータに干渉高さデータが加算されることにより行われる。
Finally, the
なお、対物レンズ3の開口数が小さい場合、または対物レンズ3の収差が大きい場合には、共焦点高さデータと干渉高さデータとの接続の精度が低下する。この場合には、一の画素とその画素に隣接する画素の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、干渉高さデータに公知のアンラッピング処理が行われてもよい。
In addition, when the numerical aperture of the
(10)効果
本実施の形態に係る形状測定装置500においては、重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ抽出される。共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて算出された共焦点高さデータによれば、λ/2の整数倍の距離差を有する複数の位置を識別できないという不都合が生じない。また、干渉方式の受光強度分布成分に基づいて算出された干渉高さデータによれば、λ/2の範囲内で共焦点高さデータよりも高い分解能が得られる。
(10) Effect In the
したがって、測定対象物Sの複数の部分について干渉高さデータおよび共焦点高さデータを用いて形状データを生成することにより、λ/2の整数倍の距離差を有する複数の位置を識別しつつより高い分解能で位置を検出することができる。この場合、干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分がそれぞれ重畳受光強度分布から分離されているので、干渉高さデータおよび共焦点高さデータを正確に算出することができる。その結果、測定対象物Sの表面の高さ形状を精密に測定することができる。 Accordingly, by generating shape data using the interference height data and the confocal height data for a plurality of portions of the measuring object S, a plurality of positions having a distance difference that is an integral multiple of λ / 2 are identified. The position can be detected with higher resolution. In this case, since the interference-type received light intensity distribution component and the confocal-type received light intensity distribution component are separated from the superimposed received light intensity distribution, interference height data and confocal height data can be accurately calculated. . As a result, the height shape of the surface of the measuring object S can be accurately measured.
(11)他の実施の形態
(11−1)上記実施の形態において、X−Yスキャン光学系20が制御されることによりレーザ光が測定対象物S上でX方向およびY方向に走査されるが、これに限定されない。ステージ60が移動されることによりレーザ光が測定対象物S上でX方向およびY方向に走査されてもよい。
(11) Other Embodiments (11-1) In the above embodiment, the XY scanning
(11−2)上記実施の形態において、対物レンズ3がZ方向に移動されることにより対物レンズ3に対する測定対象物Sの相対的なZ方向の位置が変化されるが、これに限定されない。ステージ60がZ方向に移動されることにより対物レンズ3に対する測定対象物Sの相対的なZ方向の位置が変化されてもよい。
(11-2) In the above embodiment, the relative position of the measuring object S with respect to the
(11−3)上記実施の形態において、PC200のCPU210が制御部300の機能を有していてもよい。この場合、制御部300は設けられなくてもよい。
(11-3) In the above embodiment, the
(11−4)上記実施の形態において、レーザ光としてライン光(例えばX方向に延びる細長い光)が用いられてもよい。この場合、X−Yスキャン光学系20に代えてX方向への走査を行わないYスキャン光学系が用いられる。また、受光素子30に代えて、X方向に対応する方に配列された複数の受光素子からなるラインCCDカメラ等が用いられる。
(11-4) In the above embodiment, line light (for example, elongated light extending in the X direction) may be used as the laser light. In this case, instead of the XY scan
なお、ラインCCDカメラの各受光素子のY方向に対応する方向の受光面のサイズは一般的に数10μmである。この場合、ラインCCDカメラの受光面がレンズ2の焦点位置に配置される。観察対象物Sの表面が対物レンズ3の焦点位置にあるときに、観察対象物Sにより反射されたライン光がラインCCDカメラの受光面に集光される。それにより、観察対象物Sにより反射されたライン光の大部分がラインCCDカメラの受光面に入射する。
The size of the light receiving surface in the direction corresponding to the Y direction of each light receiving element of the line CCD camera is generally several tens of μm. In this case, the light receiving surface of the line CCD camera is disposed at the focal position of the
一方、観察対象物Sが対物レンズ3の焦点位置が外れた位置にあるときには、観察対象物Sにより反射されたライン光はラインCCDカメラの受光面の前または後の位置に集光される。それにより、観察対象物Sにより反射されたライン光の一部のみがラインCCDカメラの受光面に入射する。したがって、ラインCCDカメラの前にピンホール部材7を配置することが不要となる。
On the other hand, when the observation object S is at a position out of the focal position of the
あるいは、レーザ光源10およびX−Yスキャン光学系20が設けられることに代えて、X方向およびY方向に走査される点光源が設けられてもよい。
Alternatively, instead of providing the
あるいは、面光源と複数のピンホールが形成された円板状の回転部材とが設けられてもよい。この場合において、面光源から出力された面状の光は、回転部材のピンホールを通過することにより線状の光となる。ここで、複数のピンホールは、回転部材が1回転する間に、通過した光が測定対象物Sの単位領域内の全ての画素に照射されるように回転部材に形成される。 Alternatively, a surface light source and a disk-shaped rotating member formed with a plurality of pinholes may be provided. In this case, the planar light output from the surface light source becomes linear light by passing through the pinhole of the rotating member. Here, the plurality of pinholes are formed in the rotating member such that all the pixels in the unit region of the measuring object S are irradiated while the rotating member makes one rotation.
(12)請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
(12) Correspondence between each component of claim and each part of embodiment The following describes an example of a correspondence between each component of the claim and each part of the embodiment. It is not limited.
測定対象物Sが測定対象物の例であり、形状測定装置500が形状測定装置の例であり、測定部100が受光強度分布取得部の例であり、干渉高さデータが第1のデータの例であり、共焦点高さデータが第2のデータの例である。CPU210が算出部および処理部の例であり、レーザ光源10が光源の例であり、受光素子30が受光素子の例であり、対物レンズ3が干渉型対物レンズの例である。
The measuring object S is an example of the measuring object, the
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。 As each constituent element in the claims, various other elements having configurations or functions described in the claims can be used.
本発明は、種々の形状測定装置および形状測定方法に有効に利用することができる。 The present invention can be effectively used in various shape measuring apparatuses and shape measuring methods.
1,2,31,34 レンズ
3 対物レンズ
4 ハーフミラー
5 ミラー
7 ピンホール部材
10 レーザ光源
20 X−Yスキャン光学系
30 受光素子
32 ビームスプリッタ
33 参照ミラー
60 ステージ
61 ステージ操作部
62 ステージ駆動部
63 レンズ駆動部
100 測定部
200 PC
210 CPU
220 ROM
230 作業用メモリ
240 記憶装置
300 制御部
400 表示部
500 形状測定装置
La 平均線
Lc 曲線
Le 包絡線
Le1 上部包絡線
Le2 下部包絡線
S 測定対象物
1, 2, 31, 34
210 CPU
220 ROM
230
Claims (11)
前記測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、前記複数の部分で反射される光を受光することにより、前記複数の部分について光の照射方向における干渉方式の受光強度分布成分と共焦点方式の受光強度分布成分との重畳波形を有する重畳受光強度分布を取得する受光強度分布取得部と、
前記受光強度分布取得部により取得された重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分をそれぞれ抽出し、抽出された干渉方式の受光強度分布成分に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第1のデータをそれぞれ算出可能でかつ抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第2のデータをそれぞれ算出可能に構成される算出部と、
前記複数の部分について第1および第2のデータを用いて前記測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成する処理部とを備える、形状測定装置。 A shape measuring device for measuring the shape of the surface of a measurement object,
By irradiating a plurality of portions on the surface of the measurement object and receiving the light reflected by the plurality of portions, the plurality of portions are shared with the received intensity distribution component of the interference method in the light irradiation direction. A received light intensity distribution acquisition unit for acquiring a superimposed received light intensity distribution having a superimposed waveform with a received light intensity distribution component of a focus method;
Interference-type received light intensity distribution components and confocal-type received light intensity distribution components are respectively extracted from the superimposed received light intensity distribution acquired by the received light intensity distribution acquisition unit, and based on the extracted interference-type received light intensity distribution components The first data indicating the position in the light irradiation direction can be calculated for a plurality of portions, and the positions in the light irradiation direction can be determined for the plurality of portions based on the extracted confocal light intensity distribution components. A calculation unit configured to be able to calculate the second data to be shown
A shape measuring apparatus comprising: a processing unit that generates shape data indicating a shape of a surface of the measurement object using first and second data for the plurality of portions.
前記光源により発生された光が前記干渉型対物レンズを通して前記測定対象物に照射されるとともに前記測定対象物からの反射光が前記受光素子に導かれ、前記受光素子により重畳受光強度分布が得られるように構成される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The received light intensity distribution acquisition unit includes a light source that generates light, a light receiving element, and an optical path through which light irradiated to the measurement target and reflected light from the measurement target pass, and can be disposed in the optical path Including an interference type objective lens,
Light generated by the light source is applied to the measurement object through the interference objective lens, and reflected light from the measurement object is guided to the light receiving element, and a superimposed light reception intensity distribution is obtained by the light receiving element. The shape measuring apparatus according to claim 1, configured as described above.
前記測定対象物の表面の複数の部分に光を照射し、前記複数の部分で反射される光を受光することにより、前記複数の部分について光の照射方向における干渉方式の受光強度分布成分と共焦点方式の受光強度分布成分との重畳波形を有する重畳受光強度分布を取得するステップと、
前記取得された重畳受光強度分布から干渉方式の受光強度分布成分および共焦点方式の受光強度分布成分をそれぞれ抽出するステップと、
抽出された干渉方式の受光強度分布成分に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第1のデータをそれぞれ算出するステップと、
抽出された共焦点方式の受光強度分布成分に基づいて前記複数の部分について前記光の照射方向における位置を示す第2のデータをそれぞれ算出するステップと、
前記複数の部分について第1および第2のデータを用いて前記測定対象物の表面の形状を示す形状データを生成するステップとを備える、形状測定方法。 A shape measuring method for measuring the shape of the surface of a measurement object,
By irradiating a plurality of portions on the surface of the measurement object and receiving the light reflected by the plurality of portions, the plurality of portions are shared with the received intensity distribution component of the interference method in the light irradiation direction. Obtaining a superimposed received light intensity distribution having a superimposed waveform with a focus type received light intensity distribution component;
Extracting an interference-type received light intensity distribution component and a confocal-type received light intensity distribution component from the acquired superimposed received light intensity distribution; and
Calculating first data indicating positions in the light irradiation direction for the plurality of portions based on the extracted light-receiving intensity distribution components of the interference method;
Calculating respective second data indicating positions in the light irradiation direction for the plurality of portions based on the extracted confocal received light intensity distribution components;
Generating shape data indicating the shape of the surface of the measurement object using the first and second data for the plurality of portions.
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