JPS6219681B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動焦点を応用した非接触方式の厚膜
ハイブリツドIC等の膜厚測定装置に関するもの
である。

第１図は、微細パターンを被測定物体表面に投
影し、焦点合せ用サーボ機構によつて被測定物体
表面が合焦点面に位置する様に被測定物体を移動
させ、被測定物体の位置の検出を行い被測定物の
凹凸を測定する厚膜ハイブリツドICの膜厚測定
装置の一例を示すものである。

第１図において、光源１からの照明光は一様照
明用レンズ２を通してパターンマスク３に照射さ
れる。パターンマスク３には微細パターンが形成
されており、この微細パターンがハーフミラー４
と照射撮像レンズ５からなる射影光学系の働きに
より被測定物体６の表面上に結像される。この被
測定物体６上に結像した微細パターンの射影像
は、射影撮像レンズ５からなる撮像光学系により
撮像装置７の撮像面上に結像される。

撮像装置７はこの微細パターンの射撮像を受け
て、撮像信号を出力する。この撮像信号は焦点合
せ制御回路８に入力され、これによつて焦点合せ
制御回路８は被測定物体６が合焦点面に移動する
様にサーボ駆動回路９を制御する。即ち、撮像信
号のコントラストが増大する方向に被測定物体６
が移動する様にサーボ駆動回路９が制御される。

パターンマスク３に形成される微細パターン
は、例えば第２図に示す様な大きい周期（Ｐ_cは
1/2周期を示す）と小さい周期（Ｐ_Fは1/2周期を
示す）のグレーテイングを合成したものである。

この微細パターンが被測定物体６上に照射さ
れ、その射影像を撮像装置７によつて矢印Ａで示
す走査方向に走査して得られる撮像信号の一例を
第３図に示す。尚、通常撮像装置７はホトダイオ
ードアレイ等が用いられる。第３図は被測定物体
６が合焦点状態に位置する場合の撮像信号の一例
を示したもので上記した撮像装置（ホトダイオー
ドアレイ）７のセンサピツチと小周期グレーテイ
ングの幅とを等しく決めている。合焦点状態から
焦点がずれるに従つて、第３図に示す状態から先
ず小周期グレーテイングのコントラストが低下し
て行き、第４図に示す様に大周期グレーテイング
のコントラストが残る。そして、この大周期グレ
ーテイングもやがて徐々に低下する。

第５図は焦点ずれとコントラストの関係の一例
を示すものである。第５図は二つの種類の試料Ｓ
１，Ｓ２の例を示すものであるが、両者は信号レ
ベルに相当の差が存在する。これは、試料の材質
の光学的性質あるいは試料表面の粗さなどによつ
て得られるコントラスト信号のレベルが異なるた
めである。各試料Ｓ１，Ｓ２の実線１０１，１１
１が粗パターンコントラスト信号を示し、破線１
０２，１１２が密パターンコントラスト信号を示
している。

微細パターンに大きな周期のグレーテイングと
小さな周期のグレーテイングを形成し、粗パター
ンコントラスト信号と密パターンコントラスト信
号の２種類のコントラスト信号を用いる理由は次
の理由による。即ち、密パターンコントラスト信
号は合焦点面付近で急峻な変化を示す特徴を有
し、粗パターンコントラスト信号は広範囲に亘つ
て信号を得られる特徴を有している。そこで、粗
パターンコントラスト信号によつて焦点の粗合せ
を行ない、その後密パターンコントラスト信号に
よつて精合せを行うのである。焦点合せ制御回路
８は、密パターンコントラスト信号と粗パターン
コントラスト信号の各コントラストを所定の時間
周期で検出し、その増減を検出することによつて
焦点合せのために被測定物体６が移動している方
向が正しいか否かを判定するものである。コント
ラストの検出は、第２図及び第３図に示す様に密
パターンではＰ_F（１ビツト）間隔でのレベル差
を一定領域について積分して求め、粗パターンで
はＰ_C（８ビツト）間隔でのレベル差を一定領域
について積分して求める。

第６図は、かかる動作を実行する焦点合せ制御
回路８のコントラスト増減判定部のブロツク図を
示すものである。同図において、アナログ・デイ
ジタル変換器８１に入力される撮像信号はデイジ
タル信号に変換された後、シフトレジスタ８２に
入力される。シフトレジスタ８２は１ビツト遅延
信号と８ビツト遅延信号を出力し、両信号がそれ
ぞれ密パターンと粗パターンとに対応する。密パ
ターンコントラスト信号系（１ビツト遅延信号を
処理する系）は第６図の左半分に相当する８３〜
８７の番号が付された回路であり、粗パターンコ
ントラスト信号系（８ビツト遅延信号を処理する
系）は第６図の右半分に相当する８８〜９２の番
号が付された回路である。この密パターンコント
ラスト信号系と粗パターンコントラスト信号系は
同一の構成を有しているので、密パターンコント
ラスト信号系を例にしてその動作を説明する。

減算器８３には撮像信号と撮像信号の１ビツト
遅延信号が入力されるため、減算器８３は両信号
のレベル差（絶対値）に相当する信号を出力す
る。このレベル差の信号は加算器８４とレジスタ
８５から構成される積分回路に入力され、撮像視
野内の一定領域に亘つて積分される。この積分値
はレジスタ８６と比較器８７に入力され、比較器
８７はレジスタ８６に記憶されている前回の積分
値と今回の積分値とを比較する。全く同様の動作
が撮像信号の８ビツト遅延信号について粗パター
ンコントラスト信号系（減算器８８、加算器８
９、レジスタ９０，９１、比較器９２）で実行さ
れる。

この様にして得られる密パターンコントラスト
増減半定結果Ｃ１と粗パターンコントラスト増減
半定結果Ｃ２は、選択信号出力回路９４から出力
される粗密選択信号CSに応じて選択回路９３で
一方が選択され、その後第１図に示すサーボ駆動
回路９に入力される。

上記の粗密選択動作は、合焦点付近のみで密パ
ターンコントラスト増減半定結果Ｃ１を選択し
て、サーボ駆動回路９によつて図示しない合焦点
サーボを駆動する必要がある。この様な粗密選択
信号CSを得るために、従来の選択信号出力回路
９４は、例えば密パターンコントラスト信号のレ
ベルが所定のしきい値よりも大きくなつた場合に
密パターンによる制御を実行し、該しきい値より
も小さい場合には粗パターンによる制御を実行す
るべく、粗密選択信号を出力する様に構成されて
いた。

しかしながら、被測定物体の色、反射率、表面
の粗さ等が異なるとコントラストが大幅にばらつ
くため、かかる場合には固定しきい値による粗密
パターン選択の領域判定は困難である。即ち、被
測定物体の色、反射率、表面の粗さ等に応じてし
きい値を変更しなければならないのである。

更に、第５図に示す様に密パターンコントラス
トは、焦点がずれるとこれに対応して単調に減少
するとは限らず、減少の過程で小さなピークが表
われるのが通常である。そのため、かかる小さな
ピーク付近で精合せが実行されるのを防止するた
め、合焦点における主ピーク以外の小さなピーク
よりも高いレベルに密パターンコントラスト検出
用のしきい値を設定する必要がある。しかし、高
コントラストの試料を基準として高いレベルにし
きい値を設定した場合には、第５図に示す試料Ｓ
２の様に低いレベルの主ピークの検出を困難にす
る。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点に鑑みて
なされたもので、コントラストが大幅にばらつい
ても真の合焦点位置で現われるコントラストの主
ピークを確実に検出することができ、被測定物体
の色や材質や表面状態等による制約を緩和し、測
定対象を大幅に拡大することを可能にした測定装
置を提供することにある。

即ち、本発明は、上記目的を達成するために、
小なる周期を有する密パターン及び該密パターン
よりも大なる周期を有する粗パターンとの合成パ
ターンを被測定物体表面に投影し、且つ該被測定
物体表面上の投影像を撮像装置の撮像面上に結像
させる光学系と、上記撮像装置から出力される撮
像信号から粗パターンコントラスト信号と密パタ
ーンコントラスト信号を形成して合焦点状態を検
出し、制御信号を出力する焦点合せ制御回路と、
上記制御信号を受けてサーボ機構を駆動するサー
ボ機構駆動回路とを備え、焦点合せを行うときの
被測定物体表面の凹凸を測定する如き測定装置に
おいて、上記焦点合せ制御回路が、粗パターンコ
ントラスト信号による粗合せモードと密パターン
コントラスト信号による精合せモードとの切替え
を行う切替手段と、該切替手段により粗合せモー
ドに切替られた状態で、上記サーボ機構駆動回路
を駆動して粗パターン及び密パターンの両コント
ラスト信号が同時に極大点を通過することを検出
する第１の検出手段と、該第１の検出手段により
両極大点通過信号が検出されたら上記サーボ機構
駆動回路を駆動して上下に往復動して所定時間内
に上記検出手段から検出される両極大点通過信号
を計数する計数手段と、該計数手段によつて計数
された値が所定数になつたか否かを判定し、所定
数になつたと判定されたとき、上記切替手段によ
り粗合せモードから精合せモードへと切替える判
定手段とを備えたことを特徴とする測定装置であ
る。更に具体的には本発明の測定装置は、粗パタ
ーンによる粗合せモードによる主ピークの検出と
密パターンによる精合せモードによる主ピークの
検出とを次の様に切替えることによつて実行する
ことにより、合焦点面付近でのみ密パターンによ
る精合せモードの主ピーク検出を行なうものであ
る。

先ず粗合せモードで合焦点検出動作を行い主ピ
ークの検出を行う。その後精合せモードによる合
焦点検出動作を実行し、粗合せモードで主ピーク
が検出されたのと同じタイミングで精合せモード
でも主ピークが検出された場合に限り、粗合せモ
ードによる主ピーク検出を有効なものと判定す
る。これは焦点ずれが大きい場所で粗パターンコ
ントラストの焦点ずれに対する変化が小さい場
合、即ち第５図における勾配が小さい場合、ノイ
ズ等で誤つた主ピーク検出を行なう可能性があ
り、かかる誤動作の確率を低減するためである。

上記した主ピーク検出の方法は、例えばレンズ
と試料の間の距離を一方向に変化させていると
き、増大していたコントラストが減少した場合、
ピークと判定する。

更に粗合せから精合せに切替える場合には、上
記粗合せモードによるピーク検出動作を所定時間
内に所定回数だけ繰返し実行し主ピークの存在を
確認した後、精合せモードへの切替を実行する。

更に粗合せモードから精合せモードに切替える
場合には、第７図に示す様に粗合せモードでコン
トラストの増加状態から減少状態を検出した点Ｐ
_o+1から、被測定物体の移動方向をサーボ駆動回
路の働きによつて反転させ、粗合せモードの１判
定周期分に相当するＴ_Jだけ移動させ、被測定物
体を最も合焦点面に近い判定実施点Ｐ_oに位置さ
せ、ここで精合せモードに切替える。これは、精
合せモードによる主ピーク検出は判定周期内の被
測定物体の移動量が少ないため、合焦点面から離
れた点で精合せモードに切替えると、合焦点面に
到着するまで長い時間を必要とし、これを短縮す
るためである。

また、上記の如き段階を経て精合せモードに切
替え、合焦点状態となり、その点の高さ方向の位
置が検出される。その後測定点を移動させていつ
て、高さ方向の位置が大幅に変動し、コントラス
トのピークが一定時間内に検出されない場合に
は、再び粗合せモードに切替えられ粗合せモード
による主ピークの検出が実行される。

第８図は本発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。

先ず粗合せパターンモードから精合せパターン
モードに移行する場合について説明する。この場
合には粗合せパターンモード実行中を示す粗合せ
パターンモード信号CMがリセツト状態にあるフ
リツプフロツプ（切替手段）１０６から出力され
アンド回路１０１に入力されている。この状態で
サーボ駆動回路９により被測定物体６を一方向に
移動していつて、第７図に示すように粗パターン
コントラスト信号と密粗パターンコントラスト信
号とが同時に極大点を通過した（Ｐ_o+1、または
Ｐ_o-1がＰ_oより減少した）ことが、Ｐ_o+1、または
Ｐ_o-1の時点で検出されて粗パターンコントラス
トピーク点検出信号CPと密パターンコントラス
トピーク点検出信号FPが同時に出力されると、
アンド回路（第１の検出手段）１０１が導通し、
被測定物体６の移動方向をサーボ駆動回路９の働
きにより反転して微移動され、また粗パターンコ
ントラスト信号と密粗パターンコントラスト信号
とが同時に極大点を通過したことが検出されて粗
パターンコントラストピーク点検出信号CPと密
パターンコントラストピーク点検出信号FPが同
時に出力されると、アンド回路（第１の検出手
段）１０１が導通し、被測定物体６の移動方向を
反転し、これらを繰り返すと共にカウンタ１０３
はその回数を計数する。カウンタ１０３の計数値
が設定値に到達するとデコーダ（判定手段）１０
４が論理値“１”を出力し、シフト回路１０５に
入力される。シフト回路１０５は１判定周期遅延
した後論理値“１”を出力しフリツプフロツプ１
０６をセツトする。これによつてフリツプフロツ
プ１０６が精合せパターンモード実行中を示す精
合せパターンモード信号FMを出力する。これに
よつて精合せモードによる主ピーク検出動作が実
行される。

この場合、カウンタ１０３がアンド回路１０１
からの出力を計数する際に、アンド回路１０１か
らの出力間隔（コントラストピーク点検出周期）
が所定の時間より長くなつた場合、例えばコント
ラスト増減判定周期の所定倍数以上になつた場
合、カウンタ１０７とデコーダ１０８がこれを検
出してカウンタ１０３をクリアする。なお、計数
手段は、カウンタ１０３，１０７、及びデコーダ
１０８等から構成される。

また精合せモードから粗合せモードへの切替は
次の様にして実行される。即ち、密パターンコン
トラストピーク点検出信号FPの周期が長く、ア
ンド回路１０２のアンド条件が取れず、この時間
に対応してクロツクパルスKPを計数するカウン
タ１０７が所定の計数値（所定時間）に到達する
と、デコーダ１０９が論理値“１”を出力する。
これによつてフリツプフロツプ１０６がリセツト
され、再び粗合せパターンモード信号CMが出力
される。これは、精合せモードが正しく合焦点付
近で作動していれば、測定点を僅か移動させたす
ぐ近くでは通常第１図に示すように被測定物体６
の平面部であるかぎり、コントラストピーク点が
あるはずであり、精合せモードで測定が続行され
る。しかし、通常測定点が第１図に示すように、
被測定物体６の段差部に移行していつて精合せモ
ードで長時間コントラストピーク点が検出されな
い場合にはそこに合焦点となりうる測定点がない
ということである。そのため、再度精合せモード
から粗合せモードにもどす必要がある。

以上の説明から明らかな様に本発明によれば、
粗合せモードと精合せモード相互間切替えを行う
ため、被測定物の色、反射率、面の粗さ、材質等
が原因となつて生じる撮像信号のレベルのばらつ
きやコントラストのレベルのばらつきによる誤動
作が防止され、対象とされる被測定物の対象範囲
を大幅に拡大する効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の厚膜ハイブリツドICの膜厚測
定装置の例を示す説明図、第２図は被測定物に投
影する微細パターンの例を示す図、第３図及び第
４図はそれぞれ撮像信号の例を示す図、第５図は
焦点ずれと撮像信号のコントラストの関係を示す
図、第６図は焦点合せ制御回路のコントラスト増
減判定部のブロツク図、第７図は本発明によつて
実行される合焦点面近くのコントラスト増減判定
順序を示す説明図、第８図は本発明の一実施例を
示す説明図である。 １……光源、３……パターンマスク、４……ハ
ーフミラー、５……射影撮像レンズ、６……被測
定物体、７……撮像装置、８……焦点合せ制御回
路、９……サーボ機構駆動回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 小なる周期を有する密パターン及び該密パタ
   ーンよりも大なる周期を有する粗パターンとの合
   成パターンを被測定物体表面に投影し、且つ該被
   測定物体表面上の投影像を撮像装置の撮像面上に
   結像させる光学系と、上記撮像装置から出力され
   る撮像信号から粗パターンコントラスト信号と密
   パターンコントラスト信号を形成して合焦点状態
   を検出し、制御信号を出力する焦点合せ制御回路
   と、上記制御信号を受けてサーボ機構を駆動する
   サーボ機構駆動回路とを備え、焦点合せを行うと
   きの被測定物体表面の凹凸を測定する如き測定装
   置において、上記焦点合せ制御回路が、粗パター
   ンコントラスト信号による粗合せモードと密パタ
   ーンコントラスト信号による精合せモードとの切
   替えを行う切替手段と、該切替手段により粗合せ
   モードに切替られた状態で、上記サーボ機構駆動
   回路を駆動して粗パターン及び密パターンの両コ
   ントラスト信号が同時に極大点を通過することを
   検出する第１の検出手段と、該第１の検出手段に
   より両極大点通過信号が検出されたら上記サーボ
   機構駆動回路を駆動して上下に往復動して所定時
   間内に上記検出手段から検出される両極大点通過
   信号を計数する計数手段と、該計数手段によつて
   計数された値が所定数になつたか否かを判定し、
   所定数になつたと判定されたとき、上記切替手段
   により粗合せモードから精合せモードへと切替え
   る判定手段とを備えたことを特徴とする測定装
   置。