JP4401126B2

JP4401126B2 - 寸法測定装置の所定部位登録方法

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Publication number: JP4401126B2
Application number: JP2003298240A
Authority: JP
Inventors: 高博清水; 正吾小菅; 重信大塚
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005069795A

Description

本発明は、ＴＶカメラ等の二次元センサを用いて非接触で対象物の寸法を測定する装置の改良に関するものである。

半導体や液晶表示装置等の微細な配線パターン等の線幅を測定する微小寸法測定方法として微小寸法測定装置（例えば、特許文献１参照）が知られている。この微小寸法測定装置は、図７に示すように被測定物７０１、例えば、半導体素子の表面を光学顕微鏡７０２でＴＶカメラの撮像部７０３に投影する。投影された被測定物７０１の表面の空間像は、ＴＶカメラ７０３の撮像部で撮像され、寸法測定演算処理装置７０４で被測定物７０１の所望部分の寸法を電気的に測定し、ＴＶモニタ７０５に被測定物７０１の画像と寸法測定値を表示するものがある。なお、７０６は、操作用のマウスを示す。

ここで、上記の微小寸法測定装置を使用して被測定物７０１の配線パターン等の線幅を測定する方法について図８を用いて説明する。まず、図８（ａ）は、ＴＶカメラ７０３で撮影された被測定物７０１の表面のモニタ画像８０１を示す。８０２は、モニタ画像８０１を走査する水平走査線を示し、８０３は、被測定物７０１の表面の例えば、配線パターンを示している。また、配線パターン８０３は、光の反射率が高く、明るく、その周囲は、反射率が低く、暗くなっている状態を示している。以下の図においても同様とする。Ｌｉは、ｉ番目の水平走査線を示し、このｉ番目の水平走査線上の輝度分布を図８（ｂ）に示している。即ち、図８（ｂ）は、輝度−画素特性を示し、横軸は、モニタ画像８０１の横方向の画素数Ｎ、縦軸は、輝度レベルを示す。

配線パターン８０３の測定原理としては、上記輝度−画素特性より寸法を求める。即ち、図８（ｂ）の輝度分布曲線８０４における最大輝度レベル８０５を100％とし、最小輝度レベル８０６を０％とし、５０％の輝度レベル８０７に相当するａ番目の画素とｂ番目の画素間の位置差Ｎａｂを求める。次に、この位置差Ｎａｂに、この時の光学顕微鏡７０２の測定倍率とＴＶカメラ７０３から被測定物７０１までの被写体距離により決まる係数ｋとから対応する被測定物の配線パターン８０３の寸法Ｘは、次の（１）式で求められる。

Ｘ＝ｋ×Ｎａｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
このような原理を用いて被測定物７０１の配線パターン８０３を測定する方法を説明する。図８（ｃ）に示すように、まず、測定基準窓８０８（その中心の座標軸を（０，０）とする。）と左側測定窓８０９（その中心の座標軸を（Ｌｘ，Ｌｙ）とする。）および右側測定窓８１０（その中心の座標軸を（Ｒｘ，Ｒｙ）とする。）を登録する方法を説明する。なお、窓とは、図８（ｃ）で示されている矩形状の範囲を意味する。以下の図においても同様である。図８（ｃ）に示すように、先ず、既知の基準となる被測定物７０１の配線パターン８０３をＴＶモニタ７０５上に撮像し、画像を見ながら測定基準窓８０８をマウス７０６でドラッグし、測定基準窓８０８を選択し、その測定基準窓範囲内の画像をパターンマッチング画像として登録する。次に、左側測定窓８０９および右側測定窓８１０をマウス７０６でそれぞれドラッグして選択し、これを測定範囲として登録する。なお、測定基準窓８０８と左側測定窓８０９および右側測定窓８１０は、既知の基準となる被測定物で前もって定められた位置として登録される。

次に、未知の被測定物７０１に置換え、未知の被測定物の配線パターンをＴＶモニタ７０５上に撮像し、上述した登録されている測定基準窓８０８と一致する場所を検出する。この検出方法は、従来周知のパターンマッチング法が使用されるので、詳細な説明は、省略する。このパターンマッチング法で未知の被測定物７０１の配線パターン８０３から測定基準窓８０８を検出し、これを基準にして既に登録してある左側測定窓８０９、右側測定窓８１０を決定する。そして左側測定窓８０９内で左側輪郭を、また、右側測定窓８１０内で右側輪郭を検出する。

この時のそれぞれの位置関係を次のように登録する。即ち、測定基準窓８０８の中心位置を（０，０）座標とし、次に左側測定窓８０９の中心位置を（Ｌｘ，Ｌｙ）座標、右側測定窓８１０の中心位置を（Ｒｘ，Ｒｙ）座標とし登録する。また、測定基準窓８０８の幅をＫＷｘ，ＫＷｙとし、次に左側測定窓８０９の幅をＬＷｘ，ＬＷｙ、右側測定窓８１０の幅をＲＷｘ、ＲＷｙとし登録することにより未知の被測定物７０１の配線パターン８０３の所定の位置の寸法を計測することが可能である。

ここで、図９、１０、１１を用いて更に詳細に寸法測定の方法を説明する。まず、図９は、ＴＶモニタ７０５のモニタ画像８０１に表示された被測定物７０１の配線パターン８０３の輝度−画素特性を示しており、そして左側測定窓８０９および右側測定窓８１０の範囲内に最大輝度および最小輝度がある場合を説明する図である。寸法測定は、まず右側測定窓８１０の処理としてＲｘ−（ＲＷｘ／２）からＲｘ＋（ＲＷｘ／２）の間で、最大輝度１００％と最低輝度０％の輝度レベルから５０％の輝度レベルを決定する。その５０％の輝度レベルを有する画素位置ｂを寸法測定演算処理装置７０４で演算し、算出する。次に左側測定窓８０９の処理としてＬｘ−（ＬＷｘ／２）からＬｘ＋（ＬＷｘ／２）の間で最大輝度１００％と最低輝度０％の輝度レベルから５０％の輝度レベルを決定し、上述と同様にその５０％の輝度レベルを有する画素位置ａを寸法測定演算処理装置７０４で演算し、算出する。これら画素位置ａとｂの差（画素間の位置差Ｎａｂ）を求め、この位置差Ｎａｂに、この時の光学顕微鏡７０２の測定倍率とＴＶカメラ７０３から被測定物７０１までの被写体距離により決まる係数ｋとから上述した式（１）により被測定物７０１の配線パターン８０３の所定の寸法値Ｘを求めることができる。

また、図１０は、図９と同様にＴＶモニタ７０５のモニタ画像８０１に表示された被測定物７０１の配線パターン８０３の輝度−画素特性を示しているが、左側測定窓８０９および右側測定窓８１０のいずれか一方の範囲内に最大輝度がない場合、例えば、図１０では、左側測定窓８０９の範囲内に最大輝度がない場合は、左側測定窓８０９の幅ＬＷｘを自動的に広げ、最大輝度位置８１１を求め、最大輝度１００％と最低輝度０％の輝度レベルから５０％の輝度レベルを求めている。

同様に図１１では、左側測定窓８０９および右側測定窓８１０のいずれの範囲内にも最大輝度がない場合、左側測定窓８０９および右側測定窓８１０の幅ＬＷｘおよびＲＷｘを自動的に広げ、最大輝度位置８１１を求め、最大輝度１００％と最低輝度０％の輝度レベルから５０％の輝度レベルを求めている。この方法により被測定物７０１の配線パターン８０３の所定の寸法値Ｘを求めることができる。なお、図１０および１１は、説明の都合上、輝度レベルの低い部分をＮａｂで示してあり、図９とは異なっている。

特公平６−１０３１６８号公報

従来技術では、測定範囲内またはその周辺に最大輝度位置または最小輝度位置があることを前提にその位置を登録し、演算で所定の部位の寸法を求めている。この場合、最大輝度あるいは最小輝度のいずれかの位置が測定範囲からはみ出ている場合、測定範囲をどこにさだめたら良いか作業者が迷うし、範囲を確定できない要素が測定結果の不安定さに繋がる。また、画像を見ながら測定基準窓、左側測定窓、右側測定窓を登録する等の作業が必要で操作に時間がかかると言う問題もある。

本発明の目的は、簡単な操作で被測定物の所定部位を登録することのできる寸法測定装置の所定部位登録方法を提供することである。

本発明の寸法測定装置の所定部位登録方法は、被測定物を光学顕微鏡を介して撮像し、得られた映像信号から上記被測定物の所定の部位の寸法を測定する寸法測定装置において、上記被測定物の所定の部位の少なくとも２箇所にそれぞれ測定窓を設定し、上記測定窓との間に所定の関係を持たせた測定基準窓を設定することにより構成される。

本発明の寸法測定装置の所定部位登録方法において、上記測定窓は、上記被測定物の所定の部位の輝度分布特性曲線の微分曲線に基づいて設定される。

本発明の寸法測定装置の所定部位登録方法において、上記測定基準窓は、上記測定窓と上記被測定物の所定の部位の上記輝度分布特性曲線とは異なる方向の輝度分布特性曲線の微分曲線に基づいて設定される。

本発明の寸法測定装置の所定部位登録方法は、測定位置を自動認識し、輝度の極大位置および極小位置を決定し、これを最大最小位置としたことにより登録者の判断誤差がなくなる。また、画像を見ながら左右の測定位置を指定するだけで登録でき操作が短縮される。

具体的には、画像を見ながら左側測定位置、右側測定位置を指定後、画像処理により左側測定窓、右側測定窓の範囲を決定し、基準パターンの測定基準窓を決定する方法を採用することで登録作業を２回のマウス指示作業で行うことができ、寸法測定の操作の短縮化が計れる。

図１は、本発明の一実施例を説明するためのフローチャートである。なお、本発明に使用する寸法測定装置の一実施例を図６に示す。図６において、図７と同じものには同じ符号が付されている。６０１は、被測定物を搭載するＸＹステージ、６０２は、ＸＹステージ６０１の駆動部を示す。この微小寸法測定装置は、被測定物７０１、例えば、半導体素子の表面を光学顕微鏡７０２でＴＶカメラ７０３の撮像部に投影する。投影された被測定物７０１の表面の空間像は、ＴＶカメラ７０３の撮像部で撮像され、映像信号に変換されて寸法測定演算処理装置７０４に供給される。寸法測定演算処理装置７０４では、この映像信号を処理し、被測定物７０１の所望部分の寸法を電気的に演算し、ＴＶモニタ７０５に被測定物７０１の画像と寸法測定値が表示される。

上記微小寸法測定装置を用いた本発明の所定部位登録方法について図１を用いて説明する。先ずステップ１０１では、被測定物７０１を搭載されたＸＹステージ６０１を駆動して、例えば、線幅を測定する半導体素子の配線パターン１１２をＴＶモニタ７０５の画面にモニタ画像１１１として表示されるように調節する。

ステップ１０２では、配線パターン１１２の右側位置をマウス７０６でクリックし、右側測定窓１１３のおおよその位置を指定する。

ステップ１０３では、自動エッジ検出範囲を決定する。この自動エッジ検出範囲の決定方法について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、右側測定窓１１３（図示せず）の近傍を示し、マウス７０６のクリック点Ｐ１上の走査線Ａ−Ａ’の輝度分布特性曲線２０１（図９の８０４に対応する。）を示している。曲線２０２は、輝度分布特性曲線２０１の微分曲線を示し、この曲線から極小値ａ、極小値ａから左側へ傾斜がなだらかになるｂ点および極小値ａから右側へ傾斜がなだらかになるｃ点を検出する。その結果、ｂ点からｃ点までを右側測定窓１１３の幅ＲＷｘとする。なお、傾斜がなだらかになるｂ点およびｃ点は、所定の傾斜を持つ位置として設定することもできるし、また、前もって実験的に定めることもできる。また、右側測定窓１１３の幅ＲＷｙは、前もって適宜定めておく。

ステップ１０４では、配線パターン１１２の左側位置をマウス７０６でクリックし、左側測定窓１１４のおおよその位置を指定する。この時、Ｙ方向は、右側測定窓１１３と同じにする。

ステップ１０５では、ステップ１０３と同様に自動エッジ検出範囲を決定する。即ち、図２（ｂ）は、左側測定窓１１４（図示せず）の近傍を示し、マウス７０６のクリック点Ｐ２上の走査線Ｂ−Ｂ’の輝度分布特性曲線２０３（図９の８０４に対応する。）を示している。なお、走査線Ｂ−Ｂ’は、走査線Ａ−Ａ’と同じ走査線である。曲線２０４は、輝度分布特性曲線２０３の微分曲線を示し、この曲線から極大値ａ、極大値ａから左側へ傾斜がなだらかになるｂ点および極大値ａから右側へ傾斜がなだらかになるｃ点を検出する。その結果、ｂ点からｃ点までを右側測定窓１１４の幅ＬＷｘとする。なお、傾斜がなだらかになるｂ点およびｃ点は、所定の傾斜を持つ位置として設定することもできるし、また、前もって実験的に定めることもできる。また、左側測定窓１１４の幅ＬＷｙは、前もって適宜定めておく。

ステップ１０６は、自動基準位置窓１１５を決定する。この自動基準位置窓１１５の決定方法について図３を用いて説明する。図３において右側測定窓１１３のｂ点を通るＹ方向の直線Ａ−Ａ’上の輝度分布曲線３０１を得る。この輝度分布曲線３０１を得るには、
モニタ画像１１１の各走査線の各画素の輝度値の中から右側測定位置のｂ点を通る直線Ａ−Ａ’上に位置する各画素の輝度値を寸法測定演算処理装置７０４で求めて輝度分布曲線３０１を得る。

次に、この輝度分布曲線３０１を微分し、微分曲線３０２を得る。そして微分曲線３０２上でＲ点（ステップ１０２で配線パターン１１２の右側位置をマウス７０６でクリックした位置に対応する。）よりピーク３０３側で変位点ｆ、ｄ、ｅ点を探す。変位点ｆ、ｄ、ｅ点を探すには、極大値ｄ、極大値ｄから下側へ傾斜がなだらかになるｆ点および極大値ｄから上側へ傾斜がなだらかになるｅ点を検出する。なお、傾斜がなだらかになるｆ点およびｅ点は、所定の傾斜を持つ位置として設定することもできるし、また、前もって実験的に定めることもできる。

その結果、ｆ点およびｅ点を通るＸ方向の直線Ｅ、Ｆおよびｂ点、ｃ点を通るＹ方向の直線Ａ―Ａ’、Ｂ―Ｂ’で囲まれた範囲３０５を自動基準位置窓１１５とする。これによって自動基準位置窓１１５が決定される。なお、微分曲線３０２上でピーク３０３側で変位点がない場合は、ピーク３０４側で変位点ｇ、ｈ、ｉ点を探し、上述と同様にｇ点およびｉ点を通るＸ方向の直線Ｇ、Ｉおよびｂ点、ｃ点を通るＹ方向の直線Ａ―Ａ’、Ｂ―Ｂ’で囲まれた範囲３０６を自動基準位置窓（測定基準窓）１１５とする。

上記の方法で変位点が見つけられなかった場合には、右側測定窓１１３を右にシフトし、ｃ点を通る直線Ｂ-Ｂ'上に直線Ａ−Ａ'を置き、同様に変位点を探す。

このようにしても変位点がない場合は、右側測定窓１１３を左側測定窓１１４に置き換えて同様の検出をおこなう。その結果、変位点がない場合は、自動検出を断念し、マウスドラッグによる手動設定を行う。

ステップ１０７は、修正と登録を行うステップである。図４（ａ）は、修正と登録のフローチャートを示す図である。上述したステップ１０１から１０６で自動的に求めたモニタ画像１１１上の測定基準窓１１５、右側測定窓１１３、左側測定窓１１４を確認し、修正が必要な場合には、ステップ４０１からステップ４０２に進み、図４（ｂ）で示すようにマウスでそれぞれの位置を自由に設定し、登録ステップ４０３で登録する。自動設定で修正が必要でない場合は、そのまま登録ステップ４０３に進む。この登録ステップ４０３では、測定基準窓１１５の中心位置は、（０，０）座標とし、次に左側測定窓１１４の中心位置を（Ｌｘ，Ｌｙ）、右側測定窓１１３の中心位置を（Ｒｘ，Ｒｙ）とし登録する。また、同時に測定基準窓１１５の幅をＫＷｘ，ＫＷｙとし、左側測定窓１１４幅をＬＷｘ，ＬＷｙ、右側測定窓１１３の幅をＲＷｘ，ＲＷｙとし登録する。

ステップ１０８では、図５で示すように登録された測定基準窓１１５、右側測定窓１１３、左側測定窓１１４を用いて例えば、配線パターン１１２の線幅測定を実行する。即ち、
（１）マウスで測定開始ボタンを押す。
（２）モニタ画像１１１内に測定すべき被測定物、例えば、半導体の配線パターンの一部の光学顕微鏡像が表示される。表示された配線パターンの像から測定基準窓１１５内の例えば、例えば、配線パターンの中で相関性の一番高い場所をパターンマッチング等の手法で自動認識し、測定基準窓１１５の中心位置の（０，０）座標を検出する。
（３）寸法測定は、前述したように右側測定窓１１３の処理としてＲｘ−（ＲＷｘ／２）からＲｘ＋（ＲＷｘ／２）の間で、最大輝度レベル１００％と最低輝度レベル０％の輝度レベルから５０％の輝度レベルを有する画素位置ｂを検出する。次にＬｘ−（ＬＷｘ／２）からＬｘ＋（ＬＷｘ／２）の間で最大輝度レベル１００％と最低輝度レベル０％の輝度レベルから５０％の輝度レベルを有する画素位置ａを検出し、寸法Ｎａｂを得る。結果として（１）式から配線パターン１１２の線幅Ｘが測定される。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された寸法測定装置の所定部位登録方法の実施例に限定されるものではなく、上記以外の寸法測定装置や寸法測定方法に広く適応することが出来ることは、言うまでも無い。また、測定窓として２つの測定窓を用いて説明したが、必要に応じて２つ以上の測定窓を設定することもできる。

本発明の一実施例の動作を説明するフローチャートを示す図である。本発明の測定窓の設定の原理を説明するための図である。本発明の測定基準窓の設定の原理を説明するための図である。本発明の修正、登録について説明するための図である。本発明を被測定物の一部の光線幅測定に適応した図である。本発明の一実施例を示すブロック図である。従来の寸法測定装置の一例を示すブロック図である。従来の寸法測定装置の基本原理を説明するための図である。従来の寸法測定装置の詳細な測定原理を説明するための図である。従来の寸法測定装置の詳細な測定原理を説明するための図である。従来の寸法測定装置の詳細な測定原理を説明するための図である。

符号の説明

１１１：モニタ画像、１１２：配線パターン、１１３：右側測定窓、１１４：左側測定窓、１１５：測定基準窓、３０１：輝度分布曲線、３０２：微分曲線、３０３、３０４：ピーク、６０１：ＸＹステージ、６０２：ＸＹ駆動部、７０１：被測定物、７０２：光学顕微鏡、７０３：ＴＶカメラ、７０４：寸法測定演算処理装置、７０５：ＴＶモニタ、７０６：マウス。

Claims

被測定物を光学顕微鏡を介してＴＶカメラで撮像し、得られた映像信号から前記被測定物の所定の部位の寸法を電気的に測定し、ＴＶモニタに被測定物の画像と寸法測定値を表示する寸法測定装置の所定部位登録方法であって、前記被測定物の所定の部位の右側と左側の少なくとも２箇所を指定することで、当該箇所のＸ方向の直線上の輝度分布特性曲線の微分曲線に基づいて右側測定窓と左側測定窓の少なくとも２箇所の測定窓の範囲は、前記当該箇所のＸ方向の直線上の輝度分布の微分曲線の傾斜が、左からなだらかになる点と右側からなだらかになる点までとして設定され、該設定された測定窓の範囲とＹ方向の直線上の輝度分布曲線の微分曲線に基づいて測定基準窓の範囲は、前記右側測定窓の前記左からなだらかになる点を通るＹ方向の直線上の輝度分布曲線の微分曲線の傾斜がなだらかになる点若しくは所定の傾斜を持つ第１の位置、あるいは、前記左側測定窓の前記右からなだらかになる点を通るＹ方向の直線上の輝度分布曲線の微分曲線の傾斜がなだらかになる点若しくは所定の傾斜を持つ第２位置、のいずれかで設定されることを特徴とする寸法測定装置の所定部位登録方法。
請求項１記載の寸法測定装置の所定部位登録方法において、前記少なくとも２箇所の測定窓の範囲の指定におけるＹ方向の位置は、同じにすることを特徴とする寸法測定装置の所定部位登録方法。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の寸法測定装置の所定部位登録方法において、前記測定基準窓のＸ方向の範囲は、前記測定基準窓のＹ方向の範囲が前記第１の位置で設定された場合には、前記右側測定窓の範囲であり、前記測定基準窓のＹ方向の範囲が前記第２の位置で設定された場合には、前記左側測定窓の範囲であることを特徴とする寸法測定装置の所定部位登録方法。