JP6086274B2

JP6086274B2 - 寸法測定装置

Info

Publication number: JP6086274B2
Application number: JP2011124132A
Authority: JP
Inventors: 英男小茂田; 珍哲朴
Original assignee: V Technology Korea Co Ltd
Current assignee: V Technology Korea Co Ltd
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: WO2012165549A1; KR102019978B1; KR20140026416A; JP2012251853A

Description

本発明は、凹凸パターンの縁部間の寸法を測定する寸法測定装置に関し、特に凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定しようとする寸法測定装置に係るものである。

従来の寸法測定装置は、被測定物を照明する照明手段と、被測定物の像を結ぶ撮像光学系と、上記像を撮像し画像データに変換する撮像手段と、画像データを用いて測定処理を行う処理手段と、測定処理の結果を出力する出力手段とを具備し、上記撮像光学系が、被測定物の像を結像させる結像手段と、上記像を拡大し撮像手段が備える撮像素子上に結像させる拡大結像手段とを備えたものであり、上記結像手段として長焦点距離の結像光学系を用いることにより、被測定物と撮像光学系との間に距離を設けることを可能としていた（例えば、特許文献１参照）。そして、ここで使用される上記照明手段は、透過照明又は同軸落射照明であった。

特開２０００−２４１１２３号公報

しかし、このような従来の寸法測定装置において、照明手段が透過照明の場合、凹凸パターンとその周辺との透過率の差が大きいときには、凹凸パターンを明瞭に検出することはできるものの、凹凸パターンの縁部における斜面部を検出することができず、凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定することができなかった。

また、照明手段が透過照明の場合、凹凸パターンとその周辺との透過率の差が小さいときには、凹凸パターンそのものを明瞭に検出することができず、この場合も、凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定することができなかった。

さらに、照明手段が同軸落射照明の場合、凹凸パターンとその周辺との反射率の差が大きいときには、凹凸パターンを明瞭に検出することはできるものの、凹凸パターンの縁部における斜面部を明瞭に検出することができず、凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定することができなかった。

そして、照明手段が同軸落射照明の場合、凹凸パターンとその周辺との反射率の差が小さいときには、凹凸パターンそのものを明瞭に検出することができず、この場合も、凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定しようとする寸法測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による寸法測定装置は、基板上に形成された凹凸パターンを拡大観察する顕微鏡と、前記顕微鏡を通して観察される前記凹凸パターンを撮像する撮像カメラと、前記顕微鏡の対物レンズの視野外からその視野内に散乱光を照射する照明光学系と、前記撮像カメラの画像を入力して表示部の画面上に表示し、入力手段により入力して前記画面上に指定された範囲内の前記凹凸パターンの線画像の輝度を予め定められたサーチラインに沿って往復サーチし、各サーチにおいて夫々最初に検出される暗から明へ輝度変化した点の往復２点間の距離、又は明から暗へ輝度変化した点の往復２点間の距離から前記範囲内の前記凹凸パターンの上部及び下部のいずれか一方、又は両方の寸法を測定する制御手段と、を備えたものである。

このような構成により、基板上に形成された凹凸パターンを拡大観察する顕微鏡の対物レンズの視野外からその視野内に照明光学系により散乱光を照射し、撮像カメラで顕微鏡を通して観察される凹凸パターンを撮像し、制御手段で撮像カメラの画像を入力して表示部の画面上に表示し、入力手段により入力して前記画面上に指定された範囲内の凹凸パターンの線画像の輝度を定められたサーチラインに沿って往復サーチし、各サーチにおける最初に検出される暗から明へ輝度変化した点の往復２点間の距離、又は明から暗へ輝度変化した点の往復２点間の距離から上記範囲内の凹凸パターンの上部及び下部のいずれか一方、又は両方の寸法を測定する。

さらに、前記入力手段により指定された範囲は、四角形であり、該四角形の一辺に平行方向に往復サーチすると共に該往復サーチを前記辺と交差する方向に等間隔で複数回実施する。これにより、入力手段により指定された範囲内を四角形の一辺に平行方向に往復サーチすると共に該往復サーチを上記辺と交差する方向に等間隔で複数回実施する。

前記凹凸パターンは、前記基板の透過率又は反射率と略同等の透過率又は反射率を有する薄膜パターンである。これにより、基板の透過率又は反射率と略同等の透過率又は反射率を有する薄膜パターンに対して対物レンズの視野外からその視野内に散乱光を照射し、薄膜パターンの寸法を測定する。

請求項１に係る発明によれば、顕微鏡の光軸に直交する凹凸パターンの上面及び基板面で反射する光は顕微鏡の対物レンズに取り込まれず、凹凸パターンの縁部の斜面部で反射される光だけが対物レンズに取り込まれ観察される。したがって、凹凸パターンの撮像画像は黒の背景に輝線で描かれた線画となり、線画の輝線の内側縁部間の寸法及び外側縁部間の寸法を測定することにより、凹凸パターンの上部及び下部の寸法を明確に区別して測定することができる。これにより、凹凸パターンを精度よく測定することができる。また、入力手段で指定した範囲内の寸法測定を行うことができ、凹凸パターンの所望の部分の寸法測定を正確に行うことができる。

さらに、請求項２に係る発明によれば、指定された領域内の寸法測定を行うことができ、上記領域内の寸法の最大値、最小値及び平均値を算出することができる。したがって、寸法測定をより精度よく行うことができる。

そして、請求項３に係る発明によれば、基板の透過率又は反射率と略同等の透過率又は反射率を有する薄膜パターンの寸法測定も精度よく行なうことができる。

本発明による寸法測定装置の実施形態を示す正面図である。本発明による寸法測定装置の動作及び寸法測定について説明するフローチャートである。上記寸法測定装置の照明光学系による照明について示す説明図である。上記寸法測定装置の表示部の画面上に表示される凹凸パターンの画像を示す説明図である。上記寸法測定装置による寸法測定について示す説明図であり、（ａ）は輝度変化を示し、（ｂ）は（ａ）の輝度変化に対応する凹凸パターンを示す。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による寸法測定装置の実施形態を示す正面図である。この寸法測定装置は、凹凸パターンの縁部間の寸法を測定するもので、顕微鏡１と、撮像カメラ２と、計測用照明光学系３と、制御手段４と、を備えて構成されている。

上記顕微鏡１は、基板５上に形成された凹凸パターンを拡大観察するもので、ＸＹステージ６に載置された基板５に対向して設けられた対物レンズ７と、該対物レンズ７で取り込んだ基板５上の凹凸パターンの像を後述の撮像カメラ２の受光部に結像する結像レンズ８とを備えて結像光学系を構成している。

上記顕微鏡１の光路上にて上記基板５とは反対側には、撮像カメラ２が設けられている。この撮像カメラ２は、顕微鏡１を通して観察される上記凹凸パターンを撮像するもので、例えば二次元のＣＣＤカメラ等である。

上記基板５上の凹凸パターンを照明可能に計測用照明光学系３が設けられている。この計測用照明光学系３は、上記顕微鏡１の対物レンズ７の視野外からその視野内に散乱光を照射するものであり、光の進行方向上流から下流に向かって、光源９と、円錐状ミラー１０と、リング状ミラー１１と、穴あき平面ミラー１２と、リング状導光部材１３とをこの順に備えて構成されている。

ここで、上記光源９は、白色散乱光を発生するものである。また、上記円錐状ミラー１０は、円錐の外表面を全反射ミラーとしたもので、光源９からの光を直交方向に放射状に反射するもので、円錐の頂点を通る中心軸を計測用照明光学系３の光軸に合致させて設けられている。さらに、リング状ミラー１１は、リング状に形成された部材の内周面を円錐状の全反射ミラーとして形成し、リングの中心軸を上記光軸に合致させて内周面を上記円錐状ミラー１０のミラー面と対向させた状態に配置され、上記円錐状ミラー１０で放射状に反射された光をリング状の照明光として直交方向前方に反射するものである。さらにまた、上記穴あき平面ミラー１２は、穴１２ａの中心を上記計測用照明光学系３の光軸及び顕微鏡１の光軸に合致させて４５度傾けて設けられ、リング状ミラー１１で反射されたリング状の照明光を基板５側に反射するものである。この場合、上記穴１２ａの径は、顕微鏡１の結像光学系における光路径よりも大きくされている。そして、上記リング状導光部材１３は、穴あき平面ミラー１２で反射されたリング状の照明光を顕微鏡１の対物レンズ７の先端部まで導き、対物レンズ７の視野外からその視野内に照射するもので、対物レンズ７を取り囲んだリング状の部材の内周面にて基板５側の先端部近傍部を凹面鏡１３ａに形成し、リング状の照明光を対物レンズ７の外周面とリング状部材の内周面との間の隙間１４を基板５側に向かって導き、上記凹面鏡１３ａで対物レンズ７の焦点近傍部に集光させるようになっている。

上記撮像カメラ２に接続して制御手段４が設けられている。この制御手段４は、撮像カメラ２の画像を入力して表示部の画面上に表示し、入力手段により入力して前記画面上に指定された範囲内の凹凸パターンの画像の輝度を予め定められたサーチラインに沿って往復サーチし、各サーチにおいて夫々最初に検出される暗から明へ輝度変化した点の往復２点間の距離、又は明から暗へ輝度変化した点の往復２点間の距離から上記範囲内の凹凸パターンの上部及び下部のいずれか一方、又は両方の寸法を測定するもので、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。そして、制御部１５と、入力手段１６と、表示部１７とを備えている。

次に、このように構成された寸法測定装置の動作及び寸法測定手順について図２のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１においては、ＸＹステージ６を移動して顕微鏡１を基板５上の被測定位置に位置付ける。

次に、ステップＳ２においては、図示省略の例えば同軸落射照明により基板５の被測定位置を照明し、観察されるパターンの画像が鮮明になるように顕微鏡１の高さを変えてオートフォーカスを実行する。

続いて、ステップＳ３においては、照明を計測用照明光学系３による照明に切り換えて、顕微鏡１の対物レンズ７の視野外から視野内に向かって散乱光を照射し、基板５の被測定位置の凹凸パターンを照明する。

ステップＳ４においては、顕微鏡１の対物レンズ７により上記被測定位置の凹凸パターンの像を取り込み結像レンズ８により撮像カメラ２の受光部に結像する。これにより、撮像カメラ２により基板５上の凹凸パターンが拡大して撮像される。撮像カメラ２で取得した凹凸パターンの像は、制御手段４の表示部１７の画面１７ａ上に表示される。

この場合、計測用照明光学系３による照明は、上述したように顕微鏡１の対物レンズ７の視野外から視野内に向かって散乱光を照射するものであるため、図３に示すように、対物レンズ７の光軸に直交する面（例えば凹凸パターン１８の上面１８ａ）で反射された同図に破線で示す反射光は、顕微鏡１の対物レンズ７に取り込まれず、凹凸パターン１８の縁部の斜面部１８ｂで反射された同図に実線で示す反射光が対物レンズ７に取り込まれることになる。したがって、撮像カメラ２で撮像され制御手段４の表示部１７に表示される画像は、図４に示すような線画像１８ｃとなる。なお、図４においては、図を明瞭にするために、白黒を反転して示している。即ち、実際の表示においては、黒い線の部分が「明部」であり、白で示した部分が「暗部」となる。

ステップＳ５においては、入力手段１６の一つである例えばマウス１９を使用して測定範囲ＡＲを指定する。具体的には、マウス１９をクリックして、図４に示すように画面１７ａ上に点ａ，ｂ，ｃを順番に指定すると、該点ａ，ｂ，ｃを頂点とする平行四辺形の範囲が確定される。

ステップＳ６においては、制御部１５に保存されたプログラムに従って、上記確定された平行四辺形の測定範囲ＡＲの例えば辺ａｂに平行方向に（同図に示すサーチライン２０に沿って）往復サーチし、それにより検出される輝度変化における暗から明へ変化した部分の間隔、又は明から暗へ変化した部分の間隔から凹凸パターン１８の上部及び下部のいずれか一方、又は両方の寸法を測定する。ここでは、暗から明へ変化した部分を検出して計測する場合について述べる。

先ず、図４に示すように、辺ａｂに平行に矢印Ａ方向にサーチして輝度変化を調べる。この場合、スタート位置を基準とした位置と検出輝度との関係を調べると、図５（ａ）に示すようなグラフとなる。これにより、矢印Ａ方向のサーチにおいて最初に暗から明へ変化した点Ｐ１を検出し、該点Ｐ１の位置を制御部１５のメモリに記憶する。

次に、図４に示すように、矢印Ａとは逆の矢印Ｂ方向にサーチして輝度変化を調べる。そして、矢印Ｂ方向のサーチにおいて最初に暗から明へ変化した点Ｐ２（図５（ａ）参照）を検出し、該点Ｐ２の位置を制御部１５のメモリに記憶する。

続いて、上記検出された点Ｐ１，Ｐ２の位置をメモリから読出し、制御部１５で演算してＰ１，Ｐ２間の距離Ｌを算出する。そして、メモリに記憶する。この場合、算出された距離Ｌは、図５（ｂ）に示す凹凸パターン１８の下部の寸法に相当する。

ステップＳ７においては、指定された平行四辺形の領域内の寸法測定を全て終了したか否かを制御部１５で判定する。ここで、未だ終了していないときには、ステップＳ７は“ＮＯ”判定となって、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８においては、サーチ位置を辺ａｂに直交する方向に予め定められた一定距離だけずらし、ステップＳ６に戻り、新たなサーチ位置で往復サーチし、上述と同様にして凹凸パターン１８の下部の寸法を測定する。この寸法測定は、指定された平行四辺形の領域内の寸法測定が全て終了し、ステップＳ７において、“ＹＥＳ”判定となるまで繰り返し実行される。そして、ステップＳ７において“ＹＥＳ”判定となるとステップＳ９に進む。

ステップＳ９においては、メモリに保存された全ての測定結果を読み出して制御部１５で演算し、指定された測定範囲ＡＲ内の凹凸パターン１８の寸法の最大値、最小値及び平均値を求め、表示部１７に表示する。又は、図示省略のプリンターによりプリントアウトしてもよい。

また、凹凸パターン１８の上部の寸法測定は、輝度変化における「明」から「暗」に変化する点を検出し、上述のようにして行えばよい。

さらに、指定した平行四辺形の測定範囲ＡＲ内において、例えば辺ａｂに平行方向に測定した後、辺ｂｃ方向に測定するようにプログラムを設定すれば、四角形の凹凸パターン１８の大きさを測定することができる。

このように、上記実施形態によれば、凹凸パターン１８の上部及び下部の寸法を明確に区別して測定することができ、特に、基板５の透過率又は反射率と略同等の透過率又は反射率を有する薄膜パターンの寸法も精度よく測定することができる。

また、上記撮像カメラ２は、シャッタスピードを可変にするとよい。これにより、例えば、反射輝度が小さい場合には、シャッタスピードを遅くして受光光量を増すことができる。逆に、反射輝度が高くて受光素子の出力が飽和するときには、シャッタスピードを速くして受光光量を減らすことができる。したがって、いずれの場合にも、凹凸パターン１８を適切な輝度で検出することができ、寸法測定を高精度に行なうことができる。

なお、上記実施形態においては、平行四辺形の測定範囲ＡＲを指定する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、測定範囲ＡＲは直線で指定してもよい。これにより、直線で指定された範囲の寸法測定を行うことができる。

また、上記実施形態においては、計測用照明光学系３が光源９から発した光を複数の反射ミラーを介して対物レンズ７の視野外からその視野内に導くように構成したものである場合について説明したが、本発明はこれに限られず、対物レンズ７の外周部分に設けた例えばＬＥＤや光ファイバー等により光を対物レンズ７の視野内に直接供給するようにしてもよい。

１…顕微鏡
２…撮像カメラ
３…計測用照明光学系（照明光学系）
４…制御手段
５…基板
７…対物レンズ
１６…入力手段
１７…表示部
１７ａ…画面
１８…凹凸パターン
１８ｃ…線画像
２０…サーチライン
ＡＲ…測定範囲(範囲)

Claims

基板上に形成された凹凸パターンを拡大観察する顕微鏡と、
前記顕微鏡を通して観察される前記凹凸パターンを撮像する撮像カメラと、
前記顕微鏡の対物レンズの視野外からその視野内に散乱光を照射する照明光学系と、
前記撮像カメラの画像を入力して表示部の画面上に表示し、入力手段により入力して前記画面上に指定された範囲内の前記凹凸パターンの線画像の輝度を予め定められたサーチラインに沿って往復サーチし、各サーチにおいて夫々最初に検出される暗から明へ輝度変化した点の往復２点間の距離、又は明から暗へ輝度変化した点の往復２点間の距離から前記範囲内の前記凹凸パターンの上部及び下部のいずれか一方、又は両方の寸法を測定する制御手段と、
を備えたことを特徴とする寸法測定装置。
前記入力手段により指定された範囲は、四角形であり、該四角形の一辺に平行方向に往復サーチすると共に該往復サーチを前記辺と交差する方向に等間隔で複数回実施することを特徴とする請求項１記載の寸法測定装置。
前記凹凸パターンは、前記基板の透過率又は反射率と略同等の透過率又は反射率を有する薄膜パターンであることを特徴とする請求項１又は２記載の寸法測定装置。