JPH10132521A - 画像回転による傾き補正方法及び微少寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定対象パターンの傾きに左右されることなく
確実に素早く走査線方向とパターンとの交差角を許容値
以内に自動修正すること。 【解決手段】平行線を含む測定対象パターンを平行線に
対してある交差角で走査して当該測定対象パターンの画
像情報を取り込み、測定対象パターンの走査角度を変化
させて測定対象パターン像の走査線方向に対する傾きを
補正する方法において、測定対象パターンの走査角度を
変化させて測定対象パターンの画像情報を取り込み、こ
の画像情報から走査線のラインデータを取出して当該走
査線上での前記平行線のエッジ間隔を測定し、このエッ
ジ間隔が最小値になるまで前記走査角度変化と前記エッ
ジ間隔の測定とを繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象パターン
像の画像情報を演算処理することにより測定対象パター
ンに含まれた平行線の間隔を算出する微少寸法測定装置
に有効な傾き補正方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型共焦点顕微鏡では、点状光源によ
って観察試料の表面を点状に照明し、この試料表面から
の透過光、反射光または蛍光を再び点状に集光してピン
ホール開口を有する検出器に結像させ、この検出器の出
力する検出信号から像の濃淡情報を得る。このような点
状照明をラスタ走査等により試料の表面の測定領域全体
にわたって２次元走査を行い、そのとき反射光等を検出
している検出器の検出信号を画像表示することにより試
料表面の２次元画像が得られる。

【０００３】このように走査型共焦点顕微鏡で取り込ん
だ測定領域全体の観察画像から平行線を含む測定対象パ
ターンを検出し、当該平行線の間隔を画像情報の演算処
理によって求めるようにした微少寸法測定装置がある。
測定対象パターンの画像情報を演算処理して走査方向の
水平方向のラインデータから平行線の両端に対応する一
対のエッジを検出し、このエッジ間の走査方向の画素数
及び観察倍率に基づいて平行線の間隔を算出する。

【０００４】ところで、図８に示すように測定対象パタ
ーンＭの平行線が画像の走査方向の垂直方向に対して角
度θで傾いている場合、測定対象の平行線間隔Ｌを水平
方向の走査ラインと交差する２点の間隔と見做して測定
すると、走査線方向の線幅ｌを測定することになる。本
来の測定対象の平行線間隔Ｌに対してｌ／ｃｏｓθの誤
差が発生する。

【０００５】上記した誤差は測定対象パターンＭの平行
線が走査線方向と直交するように像回転補正することに
より解消できる。特開平４−２７８５５５号公報に走査
線方向に対する測定対象パターンの傾きを画像回転機構
による像回転により補正するようにした微少寸法測定装
置が開示されている。図９に示すように、光源４１から
の照明光によって点状照明した試料４２からの反射光を
対物レンズ４３から投影レンズ４４に導く光路上に像回
転光学系４５を備えている。像回転光学系４５は光学顕
微鏡部の光軸と同軸で測定対象パターン像を点対称に回
転させるプリズム構成体を有して構成されている。投影
レンズ４４の結ぶ像を検出した検出器４６の検出信号を
演算処理部４７に取り込み、走査線方向と測定対象パタ
ーン（平行線）との交差角を求め、両者の交差角が許容
値内に入るようにプリズム構成体を回転させる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−２７８５５５号公報に記載されているように領域内
の複数の場所のエッジを検出して測定対象パターン像の
傾きを検出する場合、測定対象パターンが複数隣合って
存在しその傾きが大きいと、輝度情報から多数のエッジ
が検出されるのでエッジ組み合わせによるパターン推定
を誤り、不適当なエッジの組み合わせから寸法測定する
可能性がある。

【０００７】例えば、図１０に示すような測定対象パタ
ーンが複数隣合って存在する場合、実際の画像Ｍ１に対
応する輝度データから検出すべきパターンはａ−ｄ、ｂ
−ｅ−ｇ、ｃ−ｆ−ｈをそれぞれ結ぶパターンである
が、同図中に破線で示すようなｂ−ｄ、ｃ−ｅ、ｆ−ｇ
を結ぶパターンまたは一点鎖線のｄ−ｇ、ａ−ｅ−ｈ、
ｂ−ｆ−ｉを結ぶパターンも測定対象パターンとして認
識することができ、輝度データからはその区別がつかな
い。したがって、本当に測定対象とすべきパターン（ａ
−ｄ、ｂ−ｅ−ｇ、ｃ−ｆ−ｈ）に基づいて寸法測定す
べきであるのに、それ以外の（ａ−ｄ、ｃ−ｅ、ｆ−
ｇ）または（ｄ−ｇ、ａ−ｅ−ｈ、ｂ−ｆ−ｉ）をパタ
ーンと誤認識して寸法測定したのでは正確な像回転量を
計算できない。

【０００８】本発明は、以上のような実情に鑑みてなさ
れたもので、測定対象パターンの走査線方向に対する傾
きに左右されることなく測定対象パターンの平行線と走
査線方向との交差角を迅速に許容値内に自動修正するこ
とのできる画像回転による傾き補正方法及び微少寸法測
定装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために以下のような手段を講じた。本発明は、少
なくとも１つの平行線を含む測定対象パターンを前記平
行線に対してある交差角で走査して当該測定対象パター
ンの画像情報を取り込み、前記測定対象パターンの走査
角度を変化させて測定対象パターン像の走査線方向に対
する傾きを補正する方法において、前記測定対象パター
ンの走査角度を変化させて前記測定対象パターンの画像
情報を取り込み、この画像情報から走査線のラインデー
タを取出して当該走査線上での前記平行線のエッジ間隔
を測定し、このエッジ間隔が最小値になるまで前記走査
角度変化と前記エッジ間隔の測定とを繰り返す。

【００１０】本発明によれば、測定対象パターン像の特
定走査線に着目して平行線を横切る走査線上でのエッジ
間隔を測定し、平行線と特定走査線とが直交する状態の
ときに平行線と交差する特定走査線上でのエッジ間隔が
最小値になることを利用して測定対象パターンの走査角
度すなわち測定対象パターン像の傾きが補正される。し
たがって、測定対象パターンが複数隣あって存在しその
傾きが大きい場合であっても各走査線間の輝度情報から
エッジ組み合わせによるパターン推定によって生じるパ
ターン推定ミスを防止でき、測定対象パターンの傾きに
左右されることなく確実に素早く走査線方向と平行線の
交差角を許容値以内に自動修正することができる。

【００１１】また本発明は、少なくとも１つの平行線を
含む測定対象パターンを前記平行線に対してある交差角
で走査して当該測定対象パターンの画像情報を取り込
み、前記測定対象パターンの走査角度を変化させて測定
対象パターン像の走査線方向に対する傾きを補正する方
法において、前記測定対象パターンの走査角度を第１方
向に変化させて取り込んだ前記測定対象パターン像の画
像情報から走査線のラインデータを取出して当該走査線
上での前記平行線のエッジ間隔を測定し、走査角度を第
１方向に変化させた後のエッジ間隔が走査角度変化前の
エッジ間隔よりも狭くなっていれば再び走査角度を第１
方向に変化させて同一走査線上でのエッジ間隔を測定
し、走査角度を第１方向に変化させた後のエッジ間隔が
走査角度変化前のエッジ間隔よりも広くなっていれば第
１方向とは逆方向の第２方向へ走査角度を変化させて同
一走査線上でのエッジ間隔を測定し、エッジ間隔が最小
値になる走査角度を検出して測定対象パターンに含まれ
た平行線と走査線方向とが互いに直交するように測定対
象パターン像の傾きを補正する。

【００１２】また本発明は、少なくとも１つの平行線を
含む測定対象パターンを走査型顕微鏡にて前記平行線に
対してある交差角で走査して取り込んだ当該測定対象パ
ターンの画像情報を演算処理して前記平行線の間隔を測
定する微少寸法測定装置において、前記測定対象パター
ンの像を前記走査型顕微鏡の光軸と同軸に回転させる像
回転手段と、前記像回転手段で像回転させた測定対象パ
ターン像の画像情報から特定の走査線のラインデータを
取出して当該特定走査線上での前記平行線のエッジ間隔
を算出する寸法測定手段と、前記寸法測定手段で算出さ
れる平行線のエッジ間隔が最小値となるように前記像回
転手段の像回転量を制御する制御手段とを具備する。

【００１３】

【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。図１は本発明を適用した走査型共焦点顕微
鏡装置の全体構成を示している。同図に示す走査型共焦
点顕微鏡装置は、走査光学系及び共焦点光学系を備えた
顕微鏡本体１と、この顕微鏡本体１の動作を制御して画
像情報を獲得し該画像情報を演算処理して傾き補正及び
寸法測定を実行するコンピュータ２と、このコンピュー
タ２に接続されたモニタ３とを具備している。

【００１４】顕微鏡本体１は、２次元走査駆動制御回路
４の制御下で動作する２次元走査機構５にレーザ光源６
で発生させたレーザ光を入射している。レーザ光源６か
ら出射したレーザ光を反射鏡７で２次元走査機構５側へ
反射させてハーフミラー８を通して２次元走査機構５へ
導いている。２次元走査機構５を通過したレーザ光は観
察光路に入射する。顕微鏡本体１に回転自在に取り付け
られたレボルバ９には複数の対物レンズ１０を取り付け
ることができ、試料１１と２次元走査機構５との間の観
察光路上に設定する対物レンズをレボルバ９により切り
替える。

【００１５】２次元走査機構５は、対物レンズ１０によ
って試料１１に形成されるスポット光をＸＹ走査するも
のであり、例えばＸ軸方向走査用のガルバノミラーとＹ
軸方向走査用のガルバノミラーとを有している。２つの
ガルバノミラーをＸ軸方向、Ｙ軸方向に振ることで対物
レンズ１０に対するスポット光の光路をＸＹ方向に振ら
せることができる。

【００１６】試料１１はステージ１２上に保持される。
試料１１を２次元走査機構５からのスポット光で照明し
たときの試料１１からの反射光は対物レンズ１０に入射
して観察光路上を２次元走査機構５へ戻る。対物レンズ
１０と２次元走査機構５との間に形成された観察光路上
にローテータ１６を光軸を中心に回転可能に配置してい
る。ローテータ１６は２次元走査機構５からのレーザ光
の２次元走査位置を光軸を中心として回転させる像回転
光学系でありプリズム構成体で構成されている。このロ
ーテータ１６の回転制御はコンピュータ２から指令を受
けた回転制御機構１７によって行われる。

【００１７】対物レンズ１０からローテータ１６及び２
次元走査機構５に戻った反射光は、２次元走査機構５に
対するレーザ光源６の出射光路上に設けられたハーフミ
ラー８によって検出系に取り込まれる。検出系に配置し
たレンズ１３によって反射光を集光し、レンズ１３の焦
点位置である反射光の集光位置に所要の径のピンホール
が位置するようにピンホール板１４を設置している。ピ
ンホール板１４のピンホールを通過した光を光電変換素
子の検出器１５で検出して入射光量に対応した電気信号
に変換する。

【００１８】コンピュータ２は、検出器１５で光電変換
された信号を２次元走査駆動制御回路４からのタイミン
グ信号に同期して画像化しモニタ３に表示させる。これ
により試料１１の表面情報を可視化することができる。

【００１９】図２にコンピュータ２の内蔵する演算処理
部１８の構成が示されている。Ａ／Ｄコンバータ１９で
検出器１５から入力する映像信号をディジタルデータに
変換してメモリ２０に記憶する。メモリ２０は走査線１
ライン分の画像データを記憶できるラインバッファであ
る。同期検出回路２１は、２次元走査駆動制御回路４か
ら水平、垂直同期信号を受け、例えばＹ方向中央の走査
線に対応するラインに対してのみカウンタ２２を有効に
する信号を発生する。カウンタ２２は、２次元走査駆動
制御回路４からのサンプリングクロックを受け、該サン
プリングクロックに対応してメモリ２０のアドレスを進
めるアドレスカウンタである。ＣＰＵ２３は、後述する
顕微鏡本体１の制御及び各種演算処理を実行する部分で
ある。

【００２０】以上のように構成された走査型共焦点顕微
鏡装置における自動平行線間隔測定について述べる。図
３は自動平行線間隔測定のフローチャートである。オペ
レータは図示しない入力装置によりコンピュータ２に走
査の開始を要求し顕微鏡本体１を動作させ、モニタ３に
図５に示すような測定対象パターンの画像を得ているも
のとする。また、前記画像のコントラストも装置のゲイ
ン、オフセットの調整にて最適に調整されているものと
する。

【００２１】コンピュータ２に測定開始の指示が入力さ
れると（Ｓ１）、コンピュータ２内の演算処理部１８が
動作しラインデータの取得を開始する（Ｓ２）。図４に
ラインデータを取得するフローチャートが示されてい
る。ラインデータの取得処理では、ＣＰＵ２３が同期検
出回路２１に動作許可信号を出力すると（ＳＳ１）、同
期検出回路２１が着目走査線の先頭画素から同走査線の
最終画素が演算処理部１８に入力している間だけカウン
タ２２を動作状態にする。例えば、図５に示すようにＹ
方向中央の走査線を着目走査線にする場合は、Ｙ方向中
央の走査線に対応するラインデータが入力されるとカウ
ンタ２２を動作状態にする信号を発生する。カウンタ２
２が動作開始して着目走査線に対応する１ライン分の映
像信号がＡ／Ｄコンバータ１９にてＡ／Ｄ変換されメモ
リ２０に１画素１アドレスの対応で１ライン分記憶され
る。

【００２２】カウンタ２２は１ラインのアドレスが進み
終わるとＣＰＵ２３に信号を発生し、ラインデータの取
得が終わったことを通知する。この結果、図５に示すＹ
方向中央の着目走査線の１ラインデータがメモリ２０に
保存されたことになる。ＣＰＵ２３は、カウンタ２２か
らラインデータ取得完了の通知を受信すると（ＳＳ
２）、同期検出回路２１の動作を禁止する（ＳＳ３）。

【００２３】メモリ２０に保存した着目走査線の１ライ
ンデータを読み出し（ＳＳ４）、そのラインデータを２
値化して図６に示すような走査線上の輝度分布を求め
る。画素値を０，１に２値化している場合であれば、画
素値＝１が連続している部分の画素数を計数して測定パ
ターンの平行線間隔ｌ（１）を得る（ＳＳ５）。１ライ
ンの全画素数Ｎと計数した平行線間隔の画素数ｎとの比
から幅ｌ（１）を求めることができる。１ラインの全画
素数Ｎに対応した寸法を観察倍率等の設定条件から求め
ることができるからである。

【００２４】以上のようにしてある角度で傾いている測
定パターンの着目走査線での平行線間隔ｌ（１）を求め
たならば、所定角度だけ測定パターンを回転した後に同
じ着目走査線での平行線間隔ｌ（２）を求める。

【００２５】すなわち、ＣＰＵ２３は回転制御機構１７
に例えば一方向に一定量だけローテータ１６を回転させ
る指示を出す（Ｓ３）。ローテータ１６が一方向に一定
量だけ回転した後に取り込まれた測定パターンは光軸を
中心に所定角度だけ傾きが変化する。傾き変更後の測定
パターンの画像をモニタ３に表示する。

【００２６】再び、図４のフローチャートにしたがって
回転後の測定パターンに対して、着目走査線での平行線
間隔ｌ（２）を取得する（Ｓ４）。前回の平行線間隔ｌ
（１）と今回の平行線間隔ｌ（２）とを比較し、前回の
平行線間隔ｌ（１）に比べ一方向に回転させた後の今回
の平行線間隔ｌ（２）が大きくなっていれば一方向とは
逆の他の方向に、小さくなればそのまま一方向を選択し
（Ｓ５，６）、引き続きローテータ１６を回してライン
データを取得しながら線幅データが小さくなる限り繰り
返し行う（Ｓ７，８，９）。

【００２７】ある角度まで回転すると平行線間隔ｌが逆
に大きくなるので（この時モニタ３上の測定対象パター
ンは垂直よりほんの少し傾いている）、ＣＰＵ２３は回
転制御機構１７に今までとは逆の他方向に一回戻してか
ら（Ｓ１０）、もう一度着目走査線での平行線間隔Ｌを
取得する（Ｓ１１）。この時得られたデータが求める測
定線間隔となる。

【００２８】以上の処理を行うことで、ステージ１２上
に走査線方向に対し傾いて配置された測定試料１１に対
しても着目走査線上の線幅の変化を追いこむだけで傾き
補正ができる（最小の状態が走査線に対し垂直であ
る）。

【００２９】但し、ラインデータの演算時に「ラインの
始まりか終わりのデータが１である時はその端のパター
ンは無視し、その線幅には注目しない」旨の条件を付け
る。これは図７（ａ）（ｂ）に示すようなパターンが得
られているときは像回転による線幅の変化はどこでも一
様であるが、図７（ｃ）（ｄ）に示すようなパターンが
得られているとすると像回転による線幅の変化は画像が
正しく左廻りするとライン先頭のパターンのみ広がる方
向となってしまい，これに注目していると判断を誤って
しまうためである。上記条件を満たしていればライン上
のどの位置に注目して演算しても構わない。

【００３０】なお、測定対象パターンからのデータ取得
ラインとなる着目走査線位置は任意に選択して良い。ま
た、取得したラインデータにはノイズ成分があるので一
回の走査からだけでなく複数画面の同じ走査線からのデ
ータの平均を取るなどしてノイズを除去することもでき
る。また、回転制御機構１７へローテータ１６の回転指
示量として粗動、微動を組み合わせて最小値検出を行っ
ても良い。試料１１と２次元走査の角度を相対的に変化
させるためにローテータ１６でなくステージ１２を回転
させても良い。走査方向はＸ方向を例に挙げたがパター
ンの配列によってはＹ方向であっても良い。また、ライ
ンデータからのパターン抽出法は上述の方法に限らず別
の方法を用いてもなんら差し障りない。また、共焦点顕
微鏡に限定されず、非共焦点顕微鏡にも同様に適用でき
る。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施可能で
ある。

【００３１】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、あ
る走査線のみに着目して測定対象パターンの走査方向に
対する相対角変化を行うので、測定対象パターンが複数
隣り合って存在しその傾きが大きくとも各走査線間の輝
度情報からのエッジ組合せによるパターン推定によって
生じるような判断ミスを起こすこともなくなり、測定対
象パターンの傾きに左右されることなく確実に素早く走
査線方向とパターンの交差角を許容値以内に自動修正す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る走査型共焦点顕微鏡
装置の全体構成図である。

【図２】上記実施の形態に備えた演算処理部の内部構成
図である。

【図３】上記実施の形態における自動平行線間隔測定の
フローチャートである。

【図４】上記実施の形態における着目走査線のラインデ
ータ取得及び寸法測定に関するフローチャートである。

【図５】測定対象パターン画像の例を示す図である。

【図６】図５に示す測定対象パターン画像の着目走査線
での輝度分布を示す図である。

【図７】像回転前後における測定対象パターン画像及び
着目走査線での輝度分布を示す図である。

【図８】測定寸法誤差の発生原理を説明するためのモデ
ル図である。

【図９】従来の微少寸法測定装置の概略図である。

【図１０】エッジ検出によるパターン抽出例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…顕微鏡本体 ２…コンピュータ ３…モニタ ４…２次元走査駆動制御回路 ５…２次元走査機構 ６…レーザ光源 １０…対物レンズ １１…試料 １４…ピンホール板 １５…検出器 １６…ローテータ １８…演算処理部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの平行線を含む測定対象
   パターンを前記平行線に対してある交差角で走査して当
   該測定対象パターンの画像情報を取り込み、前記測定対
   象パターンの走査角度を変化させて測定対象パターン像
   の走査線方向に対する傾きを補正する方法において、 前記測定対象パターンの走査角度を変化させて前記測定
   対象パターンの画像情報を取り込み、この画像情報から
   走査線のラインデータを取出して当該走査線上での前記
   平行線のエッジ間隔を測定し、このエッジ間隔が最小値
   になるまで前記走査角度変化と前記エッジ間隔の測定と
   を繰り返すことを特徴とする画像回転による傾き補正方
   法。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの平行線を含む測定対象
   パターンを前記平行線に対してある交差角で走査して当
   該測定対象パターンの画像情報を取り込み、前記測定対
   象パターンの走査角度を変化させて測定対象パターン像
   の走査線方向に対する傾きを補正する方法において、 前記測定対象パターンの走査角度を第１方向に変化させ
   て取り込んだ前記測定対象パターン像の画像情報から走
   査線のラインデータを取出して当該走査線上での前記平
   行線のエッジ間隔を測定し、 走査角度を第１方向に変化させた後のエッジ間隔が走査
   角度変化前のエッジ間隔よりも狭くなっていれば再び走
   査角度を第１方向に変化させて同一走査線上でのエッジ
   間隔を測定し、 走査角度を第１方向に変化させた後のエッジ間隔が走査
   角度変化前のエッジ間隔よりも広くなっていれば第１方
   向とは逆方向の第２方向へ走査角度を変化させて同一走
   査線上でのエッジ間隔を測定し、 エッジ間隔が最小値になる走査角度を検出して測定対象
   パターンに含まれた平行線と走査線方向とが互いに直交
   するように測定対象パターン像の傾きを補正することを
   特徴とする画像回転による傾き補正方法。
3. 【請求項３】 少なくとも１つの平行線を含む測定対象
   パターンを走査型顕微鏡にて前記平行線に対してある交
   差角で走査して取り込んだ当該測定対象パターンの画像
   情報を演算処理して前記平行線の間隔を測定する微少寸
   法測定装置において、 前記測定対象パターンの像を前記走査型顕微鏡の光軸と
   同軸に回転させる像回転手段と、 前記像回転手段で像回転させた測定対象パターン像の画
   像情報から特定の走査線のラインデータを取出して当該
   特定走査線上での前記平行線のエッジ間隔を算出する寸
   法測定手段と、 前記寸法測定手段で算出される平行線のエッジ間隔が最
   小値となるように前記像回転手段の像回転量を制御する
   制御手段とを具備したことを特徴とする微少寸法測定装
   置。