JP3652014B2 - 距離計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウェハーのパターンの厚み等を測定する際に使用する距離計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の距離計測装置として、以下に述べる第１の例と、第２の例と、第３の例が一般に知られている。
第１の例は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向のいずれにも独立に移動できるステージとそれぞれの軸に位置を読み取るためのスケールを備えた顕微鏡を用いるものである。このような構成のものにおいて、測定したい測定点が２点ある場合、一方の測定点にピントを合わせ、その時点でのＸ，Ｙ，Ｚの位置をスケールから読み取り記憶する。さらに他方の測定点にピントを合わせ、その時点での位置を記憶する。この記憶内容に基づき、３次元の距離を算出できるように構成したものである。
【０００３】
第２の例は、前述の第１の例に合焦位置を明確にするために、光学的にＺ方向、つまり、光軸方向に特開平４−２５７１１号公報で示す光学式変位計を装備させたものである。
【０００４】
この公知の光学式変位計は、光源と、該光源から放射された光を被測定表面に集光させるための対物レンズと、被測定表面による反射光を結像するための結像レンズと、前記反射光を分割するためのビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分割された各反射光の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置された、複数の絞りと、各絞りを通過した反射光の光量をそれぞれ検出するための、複数の受光素子とを備え、各受光素子の出力の差に基づいて被測定表面の変位信号を得るものである。
【０００５】
第３の例は、図９に示すようにレーザ光源３１、光検出器３２、１次元走査機構３３、反射鏡３４、半射鏡３５からなるレーザー走査型顕微鏡本体３０と、走査制御ユニット３６、Ｚ方向移動制御回路３７、画像メモリ３８、コンピュータ３９、モニタ４０から構成されたレーザ走査型顕微鏡を利用し、合焦面の極小領域の光量を検出するために工夫を施したものを用いる例である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した第１の例では、視野内にある測定点に対してでも、光軸方向の位置が異なれば、各々の測定点でピント合わせが必要となり、手間がかかる。
【０００７】
第２の例では、一般的に視野の中心部分でしか、前述のような公知の光学式変位計が動作しないため、測定点が視野内であってもＸ，Ｙ方向の移動を余儀なくされる。
【０００８】
第３の例では、図１０のようにレーザー光線などの点光源４１や、ピンホール４５を使って半射体４２、レンズ４３を介して合焦面４４の極小領域の光量を検出する光量検出器４６などの特殊な光学系が必要となると共に、Ｘ，Ｙ方向に走査する機構、例えばステージを駆動する機構か、レンズ４３の入力側に光路を移動させるための機構を持たなければならず、このような機構を必要とすることから高価となる。
【０００９】
本発明では、以上のような課題を除去するためなされたもので、その目的とするところは、既存の光学顕微鏡に何等変更を加えずに標本の距離を測定できる距離計測装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、標本に対する合焦位置を調節可能な焦準機構を有する光学顕微鏡と、
前記焦準機構により合焦位置を変化させながら前記標本の複数の画像を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段により撮影した複数の画像を記憶する画像記憶手段と、
前記画像記憶手段により記憶された複数枚の画像を加算し、記憶する画像加算記憶手段と、
前記画像加算記憶手段により加算記憶された画像を読出し２次元の画像の回復処理を行う画像処理手段と、
前記画像処理手段により処理された画像を表示する画像表示手段と、
測定したい位置の画像を前記画像表示手段の画面で指示する座標位置指示手段と、
前記画像記憶手段と、前記画像加算記憶手段と、前記座標位置指示手段の制御・演算を行う中央処理手段と、
前記座標位置指示手段で指示した位置において前記撮影手段によって得られた複数の画像のうち最大コントラスト値を有する画像に対応するステージの位置を求め、それらの差から前記標本の距離を検出する合焦位置検出手段と、
を具備したことを特徴とする距離計測装置である。
【００１１】
請求項１に対応する発明によれば、顕微鏡のステージを光軸方向に駆動し、標本画像を加算することで深さ方向に複数の合焦面を持つ画像が得られ、測定点毎にピント調整がいらず、視野内にある複数の測定点を１度に指示、測定できる。さらに、取り込んだ画像を１度に１画面で見ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る距離計測装置の構成図である。
【００１３】
本実施例の距離計測装置は、概略以下の構成からなっている。すなわち、焦準機構として図示しない標本を載置するステージ３を光軸方向にステージ駆動回路４により移動可能に構成した光学顕微鏡１と、
ステージ１の高さ位置を変える毎に標本の画像を撮影する撮影手段例えばＣＣＤカメラ２と、ＣＣＤカメラ２により撮影した画像を記憶する画像記憶手段例えばアナログ信号処理回路７、フレームメモリ８からなるものと、
フレームメモリ８により記憶された複数枚の画像をフレーム単位で加算し、記憶する画像加算記憶手段、例えば画像加算器１０、加算メモリ１２からなるものと、
加算メモリ１２により加算記憶された画像を読出し２次元の画像の回復処理を行う画像処理手段、例えば除算器１３、空間フィルタ回路１４からなるものと、
フレームメモリ８により記憶された複数枚の画像を圧縮し、１画面分の画像に構成する画像構成手段、例えばフレームメモリ制御回路９と、
空間フィルタ回路１４により処理された画像、またはフレームメモリ制御回路９により圧縮された画像の何れか１つの画像を表示する画像表示手段、例えば信号切換器１５、画像表示メモリ１７、信号切換器１９、ビデオ信号処理回路２０、テレビモニター５からなるものと、
測定したい位置の画像をテレビモニター５の画面で指示する座標位置指示手段、例えばポインティングデバイス６、ポインティングデバイス制御回路２５からなるものと、
フレームメモリ制御回路９と、加算メモリ制御回路１１と、ポインティングデバイス制御回路２５の制御・演算を行う中央処理手段、例えばＣＰＵ２２からなるものと、
ポインティングデバイス６で指示した位置のＣＣＤカメラ２によって得られた画像のコントラストの最大値に対応するステージ３の位置を求め、それらの差から標本の距離を検出する合焦位置検出手段、例えばＲＡＭ２３、ＣＰＵ２２からなるものである。
【００１４】
以下、以上の構成について具体的に説明する。撮影手段としてのＣＣＤカメラ２から標本画像を入力し、加工した画像を表示するテレビモニター５が装置本体２６に接続される。また、装置本体２６にポインティングデバイス６が接続されており、ポインティングデバイス６によってテレビモニター５に表示された画像上の任意の位置の座標を指示できるようになっている。
【００１５】
装置本体２６は、ＣＣＤカメラ２、アナログ信号処理回路７、フレームメモリ８、フレームメモリ制御回路９、画像データ加算器１０、加算メモリ制御回路１１、加算メモリ１２、除算器１３、空間フィルタ回路１４、信号切換器１５、表示メモリ制御回路１６、画像表示メモリ１７、オーバーレイメモリ１８、信号切換器１９、ビデオ信号処理回路２０、ステージ駆動Ｉ／Ｆ回路２１、ＣＰＵ２２、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４、ポインティングデバイス制御回路２５を備えている。
【００１６】
ＣＣＤカメラ２の映像出力端子に、ＣＣＤカメラ２からの映像アナログ信号をデジタル画像に変換するアナログ信号処理回路７が接続され、アナログ信号処理回路７の出力（デジタル画像データ）は、１６画面分の画像を格納できる容量を有するフレームメモリ８に接続されている。フレームメモリ８には、書き込みアドレス及び読み出しアドレスを出力するフレームメモリ制御回路９が接続されている。
【００１７】
フレームメモリ８に格納されたデジタル画像データは、画像データ加算器１０の一方の入力端子と信号切換器１５の一方の入力端子に接続される。画像データ加算器１０の他方の入力端子には、加算メモリ１２の出力端子が接続されている。
【００１８】
画像データ加算器１０の出力端子は加算メモリ１２の入力端子に接続され、画像データ加算器１０内では加算メモリ１２の内容とフレームメモリ８から入力された画像の加算演算が行われる。
【００１９】
加算メモリ１２の出力端子は、除算器１３の一方の入力端子に接続され、除算器１３の他方の入力端子にはＣＰＵ２２からの画像加算枚数信号が入力され、除算器１３で適切なデータ値に加工される。除算器１３の出力端子には、公知の空間フィルタ回路１４の入力端子が接続され、空間フィルタ回路１４内では、画像の回復処理などが行われる。具体的には、例えば予め求めた積算点像強度分布（ある点についてピントがあっている状態から無限に離した状態での全ての点像強度分布を積算したもの）を逆に変換することにより、画像の回復処理が行われ、加算された複数の画像のそれぞれの合焦面の全体に渡ってピントの合った画像を得ることができる。
【００２０】
ここで、図２を参照して空間フィルタ回路１４について説明する。空間フィルタ回路１４は、３×３から７×７のマトリクスからなり、（図２では３×３のマトリックス）、各行は対応するラインの画素データを順次ラッチするデータラッチ回路５１〜５３が直列に設けられている。各ラッチ回路５１〜５３でラッチされた画素データは、それぞれ対応して設けられた乗算部５４〜５６で所定の係数が乗算される。これらの各乗算部５４〜５６に設定される係数は、係数レジスタ５７〜５９に記憶されており、各々対応する係数ラッチ回路６１〜６３を介して各乗算部５４〜５６に与えられる。各段の行５０，７０，９０には、対応するラインの画素データが入力され、各データラッチ回路５１〜５３でラッチされた画素値と、対応する各係数レジスタ５７〜５９に記憶された係数との積が加算器１００に入力される。そして、加算器１００は入力された全ての積を加算して、その加算値を空間フィルタ回路１４の出力とする。
【００２１】
このような空間フィルタ回路１４では、係数レジスタの記憶する係数値をマトリクスで変更することで入力する画像に対して、エッジ強調や、平均化、ノイズ除去などを施し、処理後の画像として出力することができる。
【００２２】
空間フィルタ回路１４の出力端子は信号切換器１５の一方の入力端子に接続され、信号切換器１５の他方の入力端子にフレームメモリ８の出力端子が接続され、空間フィルタ回路１４の出力である加算・フィルタ処理された画像と、フレームメモリ８からの何も加工されない画像のいずれかに切換えることが可能になっている。信号切換器１５の出力端子は、画像表示メモリ１７の入力端子に接続される。また、画像表示メモリ１７には読みだしアドレスと書き込みアドレスを画像表示メモリ１７またはオーバーレイメモリ１８に出力する表示メモリ制御回路１６が接続されている。
【００２３】
また、オーバーレイメモリ１８の出力端子と画像表示メモリ１７の出力端子は、それぞれ信号切換器１９の入力端子に接続され、信号切換器１９により画像表示メモリ１７の出力またはオーバーレイメモリ１８の出力のどちらか一方が選択されてビデオ信号処理回路２０に送られ、ビデオ信号処理回路２０によりビデオ信号に処理され、これがテレビモニター５に出力表示される。
【００２４】オーバーレイメモリ１８には、ポインティングデバイス６の座標位置を示す矢印などの形状データや現在のステージの座標を表す文字データなどを書き込むことで、測定操作を補助することができる。
【００２５】
ＣＰＵ２２は、内部バスを介してフレームメモリ制御回路９、加算メモリ制御回路１１、表示メモリ制御回路１６に接続されると共に、これらを通してそれぞれフレームメモリ８、加算メモリ１２、画像表示メモリ１７、オーバーレイメモリ１８に接続されている。
【００２６】
さらに、ＣＰＵ２２は、画像データ加算器１０、除算器１３、空間フィルタ回路１４、ステージ駆動Ｉ／Ｆ回路２１、ＲＡＭ２３、ＲＯＭ２４とポインティングデバイス制御回路２５には、内部バスを介して接続されている。ステージ駆動Ｉ／Ｆ回路２１は顕微鏡１のステージ駆動回路４に接続されている。
【００２７】
次に、以上のように構成された第１の実施の形態の動作について説明する。
顕微鏡１に取り付けられたＣＣＤカメラ２により、ステージ３に載置されている標本の画像を取り込み、この標本画像信号は、アナログ信号処理回路７でデジタル信号に変換され、画像データとしてフレームメモリ制御回路９から発生する書き込みアドレス及び読みだしアドレスと共に、フレームメモリ８に順次格納される。
【００２８】
画像データ加算器１０は、加算メモリ制御回路１１により加算メモリ１２から読み出された画像データとフレームメモリ８から読み出された画像データを加算する。加算された画像データは、加算メモリ制御回路１１により生成された加算メモリ１２の書き込みアドレスに格納される。また、加算メモリ１２から読み出された画像データは次の除算器１３で適切なデータ値に加工され、空間フィルタ回路１４へ入力される。空間フィルタ回路１４では、７行×７列のマトリックスまでの２次元の画像処理が施され、除算器１３の出力画像の回復処理が行われる。
【００２９】
空間フィルタ回路１４は、前記顕微鏡１の結像光学系の射出の開口数、結像光学系の瞳関数及び結像光学系の波長等で決まる受光素子上で積算点像強度分布の広がりと、ＣＣＤカメラ２の受光素子の大きさと相対関係によって空間フィルタ回路１４のフィルタ特性を変更させる。空間フィルタ特性を変更させるためには、フィルタ係数またはフィルタサイズの一方または両方を変化させる。
【００３０】
信号切換器１５から出力された画像データは、画像表示メモリ制御回路１６によって生成される書き込みアドレスに従って、画像表示メモリ１７に記憶される。
【００３１】
フレームメモリ制御回路９でフレームメモリ８から１枚ずつ画像を読み出すとき、画素、ラインを間引くことで縦横方向に画像を圧縮することができる。そして、画像表示メモリ制御回路１６によって、画像表示メモリ１７の格納アドレスを圧縮された画素数、ライン数分だけにして、図３のように１枚ごとに右方向にずらしていくことで、画像表示メモリ１７にフレームメモリ８から取り込んだ１６枚の画像を１度に表示することができる。
【００３２】
画像表示メモリ制御回路１６によって生成された読みだしアドレスで画像表示メモリ１７から読み出された画像データと、オーバーレイメモリ１８から読み出された補足情報データは、信号切換器１９で補足情報データが優先的に選択され、ビデオ信号処理回路２０で映像信号に変換され、画像と共にテレビモニター５に表示される。
【００３３】
ＣＰＵ２２は、フレームメモリ制御回路９を通して、フレームメモリ８を読み書きし、加算メモリ制御回路１１を通して、加算メモリ１２を読み書きし、画像表示メモリ制御回路１６を通して画像表示メモリ１７とオーバーレイメモリ１８を読み書きする。また、ＣＰＵ２２は３つのフレームメモリ制御回路９、加算メモリ制御回路１１、表示メモリ制御回路１６を適切にコントロールすると共に、空間フィルタ回路１４の設定や２次元の画像処理係数を設定できる。ＣＰＵ２２の動作を記録したプログラム、または、演算に必要な変数等は、ＲＡＭ２３やＲＯＭ２４に記憶される。
【００３４】
ＣＰＵ２２は、ポインティングデバイス制御回路２５を通して接続されたポインティングデバイス６から指示ポイントの平面上の移動量を検出し、移動量にあった座標位置を矢印などの形状（補足情報データ）をオーバーレイメモリ１８に書き込むことで、画面上の座標を指示することができる。
【００３５】
ＣＰＵ２２は、ステージ駆動Ｉ／Ｆ回路２１を通してステージ３を上下に駆動すると共に、ステージ３の位置をステージ駆動回路４から読み取ることができる。
【００３６】
このような装置本体２６は、ＣＰＵ２２によって装置本体２６内の動作が管理される。装置本体２６を使って、半導体ウェハーのパターン検査工程でシリコンウェハー上に形成されたパターンの厚みを測定する方法について説明する。
【００３７】
図４のような厚さの異なるパターンの測定点Ｐ０からＰ２までの高さの差を測定する場合を例にとる。
まず、光軸方向に複数の面にピントのあった画像を取り込む手法から説明する。
【００３８】
一般に、光学顕微鏡は、高倍率の対物レンズを使用した場合、焦点深度が浅くなり、焦点が合っていない画像のコントラストは、図５のように低くなる。そこで、予め、使用する顕微鏡の光学性能から低コントラストの場合のコントラスト値を得て、コントラストのしきい値を決定しておく。ステージ３を光軸方向に移動しながらコントラストを求め、しきい値に達した位置を画像取込位置とする。
【００３９】
または、ＣＣＤカメラ２で取り込んだ画像をテレビモニター５で確認しながらオペレータが画像取込位置を決定するようにしてもよい。
コントラスト測定ライン（コントラストの計算領域）は、図６のようにし、例えば次の（１）式のような計算式で行う。
【００４０】
【数１】

【００４１】
半導体ウェハーの場合、シリコン面から形成されるパターンの膜厚は、重ねる層ごとの厚さと枚数によっておおよそ決定できる。そこから、ステージ３の光軸方向の移動量と加算する画像の枚数を決める。そこで、画像取込位置から、決定されたステージ３の光軸方向の移動量と加算する画像の枚数に従って、加算メモリ１２に加算画像を生成する。加算された画像は、除算器１３で加算枚数で画像データを除算し、空間フィルタ回路１４で、エッジ強調などの回復処理を施した後に画像表示メモリ１７に送り、テレビモニター５で表示する。この光軸方向の複数の面にピントのあった画像で標本全体のイメージをつかむ。
【００４２】
次に、測定したい測定点をポインティングデバイス６を使ってテレビモニター５の画面上で指定する。このように指定した測定点を中心にコントラストを求める領域を限定する。測定領域は、図７のようにＸ，Ｙ方向にパターンを充分含む範囲とする。そして、ステージ３をはじめの画像取込位置に戻し、ステージ３を制御可能な最小の移動量で移動させながら、移動するごとに測定点のコントラスト値とステージ３の移動位置をＲＡＭ２３に記録する。ステージ３の移動終了点は、メカ的な移動限界点かコントラスト値としきい値とに基づいてＣＰＵ２２が判断する。
【００４３】
ステージ３が移動終了点に達した段階で、ＲＡＭ２３には図８のように測定点毎のステージ位置とそのときのコントラスト値が記録されているので、コントラストの最大値に対応するステージ３の位置（Ｚ0 面、Ｚ1 面）をそれぞれ求め、それらのテージ３の位置の差から測定点の高さが求められる。当然、測定点毎の平面座標も使えば、３次元空間の距離を算出できる。
【００４４】
このように本実施形態によれば、予め測定画像の光軸方向の複数の面にピントの合った画像を作り出すことで、視野内の任意の計測点を一度に指定できるとともに計測毎に光軸を移動させる必要がない。
【００４５】
また、測定点毎にコントラストを算出する領域を独立に設定することで、より正確に測定点に依存したコントラストが求められ、合焦位置の決定の精度が向上する。
【００４６】
＜実施形態の変形＞
なお、前述した実施形態では、コントラストを求める際の計算領域として縦、横方向のコントラストの測定ラインを選んであるが、対角線上の測定ラインでもよい。
【００４７】
また、コントラストの計算式は、（１）式に基づいて行う場合について説明したが、これに限らない。
さらに、顕微鏡１のステージ駆動回路４から、ステージ位置を読み取れる構成としたが、ステージ位置を読み取れる機構がない場合は、ステージ３を移動する際にロータリーエンコーダー等で移動量を測定するようにすればよい。
【００４８】
また、テレビモニター５の画面上のＸＹ方向の長さは、長さがあらかじめわかっている標本でテレビモニター５上の１画素当たりの長狭を校正（キャリブレーション）しておけばよい。
【００４９】
標本の合焦位置を調節する焦準機構として標本を載置するステージを移動させるようにしているが、ステージは動かずに対物レンズ等の光学系を移動させるようにしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、既存の光学顕微鏡に何等変更を加えずに標本の距離を測定できる距離計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の距離計測装置の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１の空間フィルタ回路の機能を説明するための図。
【図３】図１の表示メモリ制御回路１６の機能を説明するための図。
【図４】図１の距離計測装置の動作を説明するための図。
【図５】光学顕微鏡における画像のコントラストと光軸の関係を示す図。
【図６】図１のコントラストの計算領域を説明するための図。
【図７】図１のポインティングデバイスを使用して測定領域を限定する場合の説明図。
【図８】図１の測定原理を説明するための図。
【図９】従来のレーザ走査型顕微鏡の概略構成を示す図。
【図１０】図９の課題を説明するための図。
【符号の説明】
１…顕微鏡、
２…ＣＣＤカメラ、
３…ステージ、
４…ステージ駆動回路、
５…テレビモニター、
６…ポインティングデバイス、
７…アナログ信号処理回路、
８…フレームメモリ、
９…フレームメモリ制御回路、
１０…画像データ加算器、
１１…加算メモリ制御回路、
１２…加算メモリ、
１３…除算器、
１４…空間フィルタ回路、
１５…信号切換器、
１６…表示メモリ制御回路、
１７…画像表示メモリ、
１８…オーバーレイメモリ、
１９…信号切換器、
２０…ビデオ信号処理回路、
２１…ステージ駆動Ｉ／Ｆ回路、
２２…ＣＰＵ、
２３…ＲＡＭ、
２４…ＲＯＭ、
２５…ポインティングデバイス制御回路、
２６…装置本体。

Claims (2)

1. 標本に対する合焦位置を調節可能な焦準機構を有する光学顕微鏡と、
   前記焦準機構により合焦位置を変化させながら前記標本の複数の画像を撮影する撮影手段と、
   前記撮影手段により撮影した複数の画像を記憶する画像記憶手段と、
   前記画像記憶手段により記憶された複数枚の画像を加算し、記憶する画像加算記憶手段と、
   前記画像加算記憶手段により加算記憶された画像を読出し２次元の画像の回復処理を行う画像処理手段と、
   前記画像処理手段により処理された画像を表示する画像表示手段と、
   測定したい位置の画像を前記画像表示手段の画面で指示する座標位置指示手段と、
   前記画像記憶手段と、前記画像加算記憶手段と、前記座標位置指示手段の制御・演算を行う中央処理手段と、
   前記座標位置指示手段で指示した位置において前記撮影手段によって得られた複数の画像のうち最大コントラスト値を有する画像に対応するステージの位置を求め、それらの差から前記標本の距離を検出する合焦位置検出手段と、
   を具備したことを特徴とする距離計測装置。
2. 前記画像記憶手段により記憶された複数枚の画像を圧縮し、１画面分の画像に構成する画像構成手段を有する請求項１記載の距離計測装置。

Images