JP4691375B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡により拡大被写体像を撮像して検査または寸法測定を行う検査装置または測定装置にかかわり、特に、寸法測定等の画像処理に関するものである。

従来の技術を図５と図７により説明する。
図５は、線幅測定装置の略構成を示すブロック図である。また、図７は、従来の透過照明部の構成を示すブロック図である。
線幅測定器は、例えば、LCD（ Liquid Crystal Display ）基板等の表面に形成された膜パターンの寸法やパターン間隔、位置等を測定し、それらの寸法が定められた値の範囲に入っているかどうか測定する装置である（例えば、特許文献１参照。）。

図５において、8 は観察用カラーカメラユニット、測定カメラユニット、電動レボルバユニット、及びレーザーオートフォーカスユニット等からなる顕微鏡部、9 は X ステージ、10 は Y ステージ、11 は Z ステージ、12 はエアー除振台、13 は照明用電源、14 はカラーモニタ、15 は測定用モニタ、16 は測定結果表示用モニタ、17 はビデオプリンタ、18 は画像処理 PC（ Personal Computer ）、19 は制御 PC 、20 はステージ制御部、21 は透過照明用電源、22 は透過照明ヘッド部である。

また図７において、1 は顕微鏡部 8 の対物レンズ、2 は被測定対象物、3 は吸着やエアブロー等に使用して被測定対象物 2 を固定、支持、及び搬送入するためのピン、5 は被測定対象物 2 をピン 3 を使って戴置する試料台、6 は対物レンズ、反射ミラー等からなる透過照明ヘッド部、7 は光ファイバである。被測定対象物2 は、透過照明ヘッド部 6 から出力される光を透過する基材、例えば、ガラス基板である。なお、本書では、以降、図７と同様の図で説明をしているが、顕微鏡部、被測定対象物、ピン、試料台等は紙面の関係で、一部しか記載していないことがある。

図５において、顕微鏡部 8 の観察用カラーカメラで撮られた画像はカラーモニタ 14 に表示され、測定カメラで撮られた画像は測定用モニタ 15 に表示される。
測定装置は、外部ＨＯＳＴまたは制御 PC 19 の指令により測定を開始する。測定は、予め設定されたレシピに基づいて、自動またはマニュアル動作で開始され、測定結果は測定結果表示用モニタ 16 に表示され、かつ測定結果は例えば制御 PC 19 内の HD（ Hard Disk ）等の磁気ディスクの所定のエリアに書込まれる。また、それらの測定結果データは、外部ＨＯＳＴの要求により、外部ＨＯＳＴに配信される。
なお、エアー除振台 12 によって、外部の振動がステージに伝わらないようにしている。

図７によって、図５の透過照明ヘッド部をさらに説明する。照明光は、画像処理 PC 18 の制御により透過照明用光源 21 をオンオフし、光ファイバ 7 、透過照明ヘッド部 6 を通って被測定対象物 2 を照らしている。

線幅測定の原理について図６により説明する。図６は透過照明による線幅測定の一例を説明するための図である。図６(a) は、被測定対象物 2 の一部の断面図、図６(b) は、図６(a) に光（図６(a) で矢印で模式的に示す）が照射され、透過光が顕微鏡部 8 に入射し、測定カメラが撮像した画像から、画像処理 PC が画像処理して、測定用モニタ 15 に表示された輝度波形である。

被測定対象物 2 であるガラス基板上に光の透過率が小さい膜パターン 61 がある場合、膜パターンが有る部分は輝度レベルが低く、膜パターンの無い部分は輝度レベルが高い。
このため、図６(a) に示すような輝度波形が得られる。ここで、線幅を測定するときは、例えば、一番高い部分の輝度レベルと一番低い部分の輝度レベルとの差が 50 ％の位置での間隔を測定する。

特開２００３−２７９３１８号公報

近年のガラス基板等の被測定対象物 2 は大型化していく傾向があり、被測定対象物の大型化に伴い、装置の試料台も大型化している。試料台の剛性を確保するためには、試料台の厚み（ステージ厚）を増加させる必要がある。
また、大型化により、ピン 3 の高さ調整が困難になることから、ピン 3 の長さ（ピン長）を大きくする必要もあった。
しかし、現在の WD（被測定対象物 2 と透過照明ヘッド部 6 との距離）のままでステージ厚の増加とピン長を増加することはできないため、WD を大きくする必要がある。WD を大きくした時の透過照明ヘッド部の様子を図８に示す。図８は、WD を大きくした時の従来の透過照明部の構成例を示すブロック図である。

図２は、WD を大きくした場合の輝度波形の一例を示したものである。図２は、測定用モニタ 15 の表示部に表示された画面の一例である。201 は撮像された部分の表示画像の領域、202 は領域 201 について Y 方向に測定する走査ラインを示す縦線、203 は X 方向に測定する走査ラインを示す横線、204 は走査ラインを示す縦線 202 での輝度波形、205 は走査ラインを示す横線 203 での輝度波形である。

図２のように、WD を大きくした場合には、輝度波形のエッジ部に突起部分が生じることがある。
前述の説明のように、線幅を輝度レベルの指定スライスレベルの位置で計算しているため、突起部分があると一番高いまたは一番低い輝度レベルが、実際よりも大きな値で観測されてしまい、測定誤差が生じる。
またこの突起部分の輝度レベルはフォーカスが少しずれただけでも変わってしまうため、測定の再現性に悪影響を与えてしまう。

このような輝度波形になる原因は、WD を大きくしたことにより照明光の NA 値が、対物レンズ 1 の NA 値よりも小さくなってしまうためである。ここで、NA は対物レンズの性能として重要な開口数の値を表し、NA ＝ sinθで表される（θは、対物レンズの先端のレンズの最外周部から被写体を見込む角度）。
図８の場合は、WD を現在（図７）の 30 mm から 75 mm にしたため、透過照明ヘッド部の口径が 46 mm であるので、透過照明光の NA 値は 0.77 から 0.31 になる。また使用している対物レンズの NA 値は、５倍のレンズで 0.13 であり５０倍のレンズでは 0.50 である。このように対物レンズのNA 値は、高倍率のレンズほど大きくなるので、高倍率のときほど測定誤差が生じやすくなる。

従って、WD を大きくしたときも照明光の NA 値を対物レンズの NA 値よりも大きくする必要がある。
透過照明ヘッド部の口径を大きくすることによって改善することもできるが、その場合ステージ厚も大きくする必要があるため、現在のステージ厚で改善することが要求される。

本発明の目的は、ステージ厚の大きい場合でも、NA 値の大きな測定装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、ステージと基板の間に拡散板をいれることによって擬似的に照明光の NA 値を大きくしたものである。
即ち、本発明の測定装置は、被測定対象物を光学的に拡大して測定する測定装置において、透過照明と被測定対象物の間に拡散板を挿入し、拡散板を通過した透過照明からの光が被測定対象物を透過した後光学的に拡大される。
また、好ましくは、拡散板は、測定時の光量不足が発生しない程度に光を透過するものである。

本発明によれば、輝度波形が突起部分の無い正常な波形が得られるため、測定誤差が小さく、また再現性の良い測定が可能になる。

本発明の実施例を図１、図２、図３、図４により説明する。図１は本発明の透過照明部の一実施例の構成を示すブロック図である。1 は顕微鏡部 8 の対物レンズ、2 はガラス基板等の被測定対象物、3 は被測定対象物 2 を固定、支持、及び搬送入するためのピン、4 は拡散板、5 は被測定対象物 2 をピン 3 を使って戴置する試料台、6 は対物レンズ、反射ミラー等からなる透過照明ヘッド部、7 は光ファイバである。

図１において、図示しない透過照明光源から出力され、光ファイバ 7 、透過照明ヘッド部 6 を通ってきた透過照明光は、拡散板 4 によって拡散される。そのため対物レンズ 1 に入る光の NA 値は大きくなる。なお、この NA 値は、使用する拡散板の種類により異なる。
図１では、拡散板 4 は試料台 5 の上に配置され、ピン 3 は拡散板 4 の該当する箇所にあけられた貫通穴を通ることによって、拡散板 4 を動かさずに自在に上下する。
もちろん、拡散板 4 の位置は、NA 値を満足させればどこでも良い。例えば、ピン 3 の中腹の位置に固定しても良い。また、上下駆動機構を設け、任意に上下位置を変更するようにしても良い。

図２は拡散板の無い状態、図３は拡散板の種類が A の拡散板を使用した状態、図４は拡散板の種類が B の拡散板を使用した状態で、同じ被測定対象物 2 に透過照明光が照射され、照射された透過光が顕微鏡部 8 に入射し、測定カメラが撮像した画像から、画像処理 PC 18 が画像処理して、測定用モニタ 15 に表示した画像である。

図２〜図４において、201 、301 、及び 401 は、被測定対象物の一部のパターンが表示されている領域である。また領域 201 、301 、及び 401 内の縦線 202 、302 、402 は、領域 201 、301 、及び 401 について Y 方向に測定する走査ラインを示す縦線、横線 203 、303 、403 は、領域 201 、301 、及び 401 について X 方向に測定する走査ラインを示す横線、204 、304 、404 は走査ラインを示す縦線 202 、302 、402 での輝度波形、205 、305 、405 は走査ラインを示す横線 203 、303 、403 での輝度波形である。

これらの図から、拡散板を使用することによって波形のエッジ部の突起部分が無くなっていることが分かる。しかし使用する拡散板の種類によって得られる輝度レベルが大きく違っており、拡散板の種類が A の拡散板では画像処理に必要な光量を確保できていない（例えば、図３）。
これは拡散板を使用したことにより対物レンズ 1 に入射する光の明るさ（光量）が少なくなってしまうためである。このため、光量不足が発生しない程度に光を透過し、かつエッジ部の突起部分の無くなる拡散板を選定して使用することになる。

なお、上記実施例では、顕微鏡部で拡大した被測定対象物を撮像した画像を画像処理で測定しているが、画像処理せず目視で確認するような測定装置あるいは検査装置であっても良い。

本発明の透過照明部の一実施例の構成を示すブロック図。 拡散板無し時の測定結果を示す図。 拡散板を使用したときの測定結果を示す図。 本発明の一実施例のモニタの表示画面を示す図。 線幅測定装置の略構成を示すブロック図。 線幅測定の原理を示す図。 従来の透過照明部の構成例を示すブロック図。 従来の透過照明部の構成例を示すブロック図。

符号の説明

1：対物レンズ、 2：被測定対象物、 3：ピン、 4：拡散板、 5：試料台、 6：透過照明ヘッド部、 7：光ファイバ、 8：顕微鏡部、 9：X ステージ、 10：Y ステージ、 11：Z ステージ、 12：エアー除振台、 13：反射照明用電源、 14：カラーモニタ、 15：測定用モニタ、 16：測定結果表示用モニタ、 17：ビデオプリンタ、 18：画像処理 PC、 19：制御 PC 、 20：ステージ制御部、 21:透過照明用電源、 22：透過照明ヘッド部、 61：膜パターン、 201，301，401：撮像された部分の表示画像の領域、 202，302，402：Y 方向に測定する走査ラインを示す縦線、 203，303，403：X 方向に測定する走査ラインを示す横線、 204，304，404，205，305，405：輝度波形。

Claims (1)

1. ガラス基板である被測定対象物を当該被測定対象物の上部に備えた顕微鏡部で光学的に拡大し、拡大した上記被測定対象物を撮像した画像を画像処理して上記被測定対象物の表面に形成されたパターンの寸法やパターン間隔または位置を測定する測定装置において、上記被測定対象物をピンを使って載置する試料台と、上記試料台を透過し、上記被測定対象物の測定箇所を上記試料台の下方から照らす透過照明と、上記試料台の上に配置され、上記透過照明からの光を拡散する拡散板とを備え、上記ピンは上記拡散板の該当する箇所にあけられた貫通穴を通ることによって上記拡散板を動かさずに自在に上下し、上記透過照明からの光は、上記拡散板を通過して拡散され、上記顕微鏡部の対物レンズに入る光のＮＡ値が大きくなり、上記被測定対象物を透過した後光学的に拡大されることを特徴とする測定装置。