KR102019978B1

KR102019978B1 - 치수 측정 장치

Info

Publication number: KR102019978B1
Application number: KR1020137027327A
Authority: KR
Inventors: 히데오 고모다; 진철 박
Original assignee: 브이 테크놀로지 씨오. 엘티디; 브이테크놀로지코리아 (주)
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2019-09-09
Also published as: WO2012165549A1; KR20140026416A; JP6086274B2; JP2012251853A

Abstract

본 발명은 기판(5) 위에 형성된 요철 패턴을 확대 관찰하는 현미경(1)과, 상기 현미경(1)을 통하여 관찰되는 상기 요철 패턴을 촬상하는 촬상 카메라(2)와, 상기 현미경(1)의 대물 렌즈(7)의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 산란광을 조사하는 조명 광학계(3)와, 상기 촬상 카메라(2)의 화상을 입력하고, 표시부(17)의 화면(17a) 위에 표시하고, 입력 수단(16)에 의하여 입력하여 상기 표시 화면(17a) 상에 지정된 범위 내의 상기 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽의 치수를 측정하는 제어 수단(4)을 구비한 것이다. 이에 의하여, 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정한다.

Description

치수 측정 장치 {DIMENSION MEASURING APPARATUS}

본 발명은 요철 패턴의 가장자리부 사이의 치수를 측정하는 치수 측정 장치에 관한 것으로, 특히 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정하는 치수 측정 장치에 관한 것이다.

종래의 치수 측정 장치는 피측정물을 조명하는 조명 수단과, 피측정물의 상을 결상하는 촬상 광학계와, 상기 상을 촬상하여 화상 데이터로 변환하는 촬상 수단과, 화상 데이터를 사용하여 측정 처리를 행하는 처리 수단과, 측정 처리의 결과를 출력하는 출력 수단을 구비하고, 상기 촬상 광학계가 피측정물의 상을 결상시키는 결상 수단과, 상기 상을 확대하여 촬상 수단이 구비한 촬상 소자 위에 결상시키는 확대 결상 수단을 구비한 것으로, 상기 결상 수단으로서 긴 초점거리의 결상 광학계를 사용함으로써, 피측정물과 촬상 광학계와의 사이에 거리를 두는 것을 가능하게 하였다 (예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 또한, 여기서 사용되는 상기 조명 수단은 투과 조명 또는 동축 낙사 조명이었다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 2000－241123호 공보

그러나, 이와 같은 종래의 치수 측정 장치에 있어서, 조명 수단이 투과 조명인 경우, 요철 패턴과 그 주변과의 투과율의 차이가 클 때에는 요철 패턴을 명료하게 검출할 수 있지만, 요철 패턴의 가장자리부에 있어서의 사면부(斜面部)를 검출할 수 없어서, 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정할 수 없었다.

또한, 조명 수단이 투과 조명인 경우, 요철 패턴과 그 주변과의 투과율의 차이가 작을 때에는 요철 패턴 그 자체를 명료하게 검출할 수 없어서, 이 경우에도 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정할 수 없었다.

또한, 조명 수단이 동축 낙사 조명인 경우, 요철 패턴과 그 주변과의 반사율의 차이가 클 때에는, 요철 패턴을 명료하게 검출할 수 있지만, 요철 패턴의 가장자리부에 있어서의 사면부를 명료하게 검출할 수 없어서, 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정할 수 없었다.

또한, 조명 수단이 동축 낙사 조명인 경우, 요철 패턴과 그 주변과의 반사율의 차이가 작을 때에는, 요철 패턴 그 자체를 명료하게 검출할 수 없어서, 이 경우에도 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정할 수 없었다.

이에, 본 발명은 이와 같은 문제점에 대처하고, 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정하는 치수 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 치수 측정 장치는 기판 위에 형성된 요철 패턴을 확대 관찰하는 현미경과, 상기 현미경을 통하여 관찰되는 상기 요철 패턴을 촬상하는 촬상 카메라와, 상기 현미경의 대물 렌즈의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 산란 광을 조사하는 조명 광학계와, 상기 촬상 카메라의 화상을 입력하여 표시부의 화면 위에 표시하고, 입력 수단에 의하여 입력하여 상기 표시 화면 위에 지정된 범위 내의 상기 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두의 치수를 측정하는 제어 수단을 구비한 것이다.

이와 같은 구성에 의하여, 기판 위에 형성된 요철 패턴을 확대 관찰하는 현미경의 대물 렌즈의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 조명 광학계에 의하여 산란 광을 조사하고, 촬상 카메라로 현미경을 통하여 관찰되는 요철 패턴을 촬상하며, 제어 수단으로 촬상 카메라의 화상을 입력하여 표시부의 화면 위에 표시하고, 입력 수단에 의하여 입력하여 표시 화면 위에 지정된 범위 내의 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두의 치수를 측정한다.

좋기로는, 상기 제어 수단은 상기 입력 수단에 의하여 지정된 범위 내를 왕복 서치하는 동시에, 상기 왕복 서치로 얻은 휘도 변화에 있어서의 암(暗)으로부터 명(明)으로 변화한 부분의 간격, 또는 명으로부터 암에 변화한 부분의 간격으로부터 상기 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두의 치수를 측정하는 것이 좋다.

더 좋기로는, 상기 입력 수단에 의하여 지정된 범위는 사각형이며, 이 사각형의 한 변에 평행 방향으로 왕복 서치하는 동시에, 이 왕복 서치를 상기 변과 교차하는 방향으로 등간격으로 복수 회 실시하는 것이 좋다.

상기 요철 패턴은 상기 기판의 투과율 또는 반사율과 동등한 투과율 또는 반사율을 가진 박막 패턴이어도 좋다.

청구항 1에 관한 발명에 의하면, 현미경의 광축에 직교하는 요철 패턴의 윗면 및 기판 면에서 반사하는 광은 현미경의 대물 렌즈로 들어가지 않고, 요철 패턴의 가장자리부의 사면부에서 반사되는 광만이 대물 렌즈로 들어가 관찰된다. 따라서, 요철 패턴의 촬상 화상은 검은 배경에 휘선으로 그려진 선화(線畵)가 되어, 선화의 휘선의 내측 가장자리부 사이의 치수 및 바깥쪽 가장자리부 사이의 치수를 측정함으로써, 요철 패턴의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정할 수 있다. 이에 의하여, 요철 패턴을 양호한 정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 청구항 2에 관한 발명에 의하면, 입력 수단에서 지정한 범위 내의 치수 측정을 할 수 있고, 요철 패턴의 소망하는 부분의 치수 측정을 정확하게 실시할 수 있다.

또한, 청구항 3에 관한 발명에 의하면, 지정된 영역 내의 치수 측정을 실시할 수 있고, 상기 영역 내의 치수의 최대값, 최소값 및 평균값을 산출할 수 있다. 따라서, 치수 측정을 양호한 정밀도로 실시할 수 있다.

또한, 청구항 4에 관한 발명에 의하면, 기판의 투과율 또는 반사율과 동등한 투과율 또는 반사율을 가진 박막 패턴의 치수 측정도 양호한 정밀도로 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 치수 측정 장치의 실시 형태를 나타내는 정면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 치수 측정 장치의 동작 및 치수 측정에 대하여 설명하는 플로우차트이다.
도 3은 상기 치수 측정 장치의 조명 광학계에 의한 조명에 대하여 도시하는 설명도이다.
도 4는 상기 치수 측정 장치의 표시 화면 위에 표시되는 요철 패턴의 화상을 도시하는 설명도이다.
도 5는 상기 치수 측정 장치에 의한 치수 측정에 대하여 도시하는 설명도이고, (a)는 휘도 변화를 나타내며, (b)는(a)의 휘도 변화에 대응하는 요철 패턴을 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 치수 측정 장치의 실시 형태를 나타내는 정면도이다. 이 치수 측정 장치는 요철 패턴의 가장자리부 사이의 치수를 측정함으로써, 현미경(1)과, 촬상 카메라(2)와, 계측용 조명 광학계(3)와, 제어 수단(4)을 구비하여 구성되어 있다.

상기 현미경(1)은 기판(5) 위에 형성된 요철 패턴을 확대 관찰함으로써, XY스테이지(6)에 탑재된 기판(5)에 대향하여 설치된 대물 렌즈(7)와, 이 대물 렌즈(7)로 수용한 기판(5) 위의 요철 패턴의 상을 후술하는 촬상 카메라(2)의 수광부에 결상하는 결상 렌즈(8)를 구비하여 결상 광학계를 구성하고 있다.

상기 현미경(1)의 광로 위에서 상기 기판(5)의 반대측에는 촬상 카메라(2)가 설치되어 있다. 이 촬상 카메라(2)는 현미경(1)을 통하여 관찰되는 상기 요철 패턴을 촬상하는 것으로, 예를 들면 이차원의 CCD 카메라 등이다.

상기 기판(5) 위의 요철 패턴을 조명 가능하게 계측용 조명 광학계(3)가 설치되어 있다. 이 계측용 조명 광학계(3)는 상기 현미경(1)의 대물 렌즈(7)의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 산란광을 조사하는 것으로, 광의 진행 방향 상류에서 하류를 향하여, 광원(9)과, 원추상의 미러(10)와, 링상의 미러(11)와, 구멍이 난 평면 미러(12)와, 링상 도광 부재(13)를 이 순서대로 구비하여 구성되어 있다.

이 때, 상기 광원(9)은 백색 산란광을 발생하는 것이다. 또한, 상기 원추상의 미러(10)는 원추의 외표면을 전반사 미러로 함으로써, 광원(9)로부터의 광을 직교 방향으로 방사상으로 반사하는 것으로, 원추의 정점을 통과하는 중심축을 계측용 조명 광학계(3)의 광축에 합치시켜서 설치되어 있다. 또한, 링상 미러(11)은 링상으로 형성된 부재의 내주면을 원추상의 전반사 미러로서 형성하고, 링의 중심축을 상기 광축에 합치시켜 내주면을 상기 원추상 미러(10)의 미러면과 대향시킨 상태로 배치되고, 상기 원추상 미러(10)에서 방사상으로 반사된 광을 링상의 조명 광으로 하여 직교 방향 전방에 반사하는 것이다. 또한, 상기 구멍이 난 평면 미러(12)는 구멍(12a)의 중심을 상기 계측용 조명 광학계(3)의 광축 및 현미경(1)의 광축에 합치시켜 45도 기울여서 설치되고, 링상 미러(11)에서 반사된 링상의 조명 광을 기판(5)측에 반사하는 것이다. 이 경우, 상기 구멍(12a)의 지름은 현미경(1)의 결상 광학계에 있어서의 광로 지름보다 크게 되어 있다. 또한, 상기 링상 도광 부재(13)는 구멍이 난 평면 미러(12)에서 반사된 링상의 조명 광을 현미경(1)의 대물 렌즈(7)의 선단부까지 안내하고, 대물 렌즈(7)의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 조사하는 것으로, 대물 렌즈(7)를 둘러싼 링상의 부재의 내주면에서 기판(5)측의 선단부 근방부를 오목면 거울(13a)로 형성하여, 링상의 조명 광을 대물 렌즈(7)의 외주면과 링상 부재의 내주면과의 사이의 간극(14)을 기판(5)측에 향하여 안내하여, 상기 오목면 거울(13a)로 대물 렌즈(7)의 초점 근방부에 집광시키게 되어 있다.

상기 촬상 카메라(2)에 전기적으로 접속하여 제어 수단(4)이 설치되어 있다. 이 제어 수단(4)은 촬상 카메라(2)의 화상을 입력하여 표시부의 화면 위에 표시하고, 입력 수단에 의하여 입력하여 표시 화면 위에 지정된 범위 내의 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽의 치수를 측정하는 것으로, 예를 들면 퍼스널 컴퓨터(PC)이다. 또한, 제어부(15)와, 입력 수단(16)과, 표시부(17)를 구비하고 있다.

다음으로, 이와 같이 구성된 치수 측정 장치의 동작 및 치수 측정 순서에 따라서, 도 2의 플로우차트를 참조하여 설명한다.

먼저, 스텝 S1에 있어서는, XY 스테이지(6)를 이동하여 현미경(1)을 기판(5) 상의 피측정 위치에 위치시킨다.

다음으로, 스텝 S2에 있어서는, 도시를 생략한 예를 들면 동축 낙사 조명에 의하여 기판(5)의 피측정 위치를 조명하고, 관찰되는 패턴의 화상이 선명하게 되도록 현미경(1)의 높이를 변경하여 오토 포커스를 실행한다.

이어서, 스텝 S3에 있어서는 조명을 계측용 조명 광학계(3)에 의한 조명으로 변경하고, 현미경(1)의 대물 렌즈(7)의 시야 밖으로부터 시야 안을 향하여 산란 광을 조사하여, 기판(5)의 피측정 위치의 요철 패턴을 조명한다.

스텝 S4에 있어서는, 현미경(1)의 대물 렌즈(7)에 의하여 상기 피측정 위치의 요철 패턴의 상을 수용한 결상 렌즈(8)에 의하여 촬상 카메라(2)의 수광부에 결상한다. 이에 의하여, 촬상 카메라(2)에 의하여 기판(5) 위의 요철 패턴이 확대되어 촬상된다. 촬상 카메라(2)로 취득한 요철 패턴의 상은 제어 수단(4)의 표시부(17)의 화면(17a) 위에 표시된다.

이 경우, 계측용 조명 광학계(3)에 의한 조명은, 전술한 바와 같이, 현미경(1)의 대물 렌즈(7)의 시야 밖에서 시야 안을 향하여 산란광을 조사하는 것이기 때문에, 도 3에 도시하는 바와 같이, 대물 렌즈(7)의 광축에 직교하는 면(예를 들면 요철 패턴(18)의 윗면(18a))에서 반사된 도 3에 파선으로 나타내는 반사광은 현미경(1)의 대물 렌즈(7)에 수용되지 않고, 요철 패턴(18)의 가장자리부의 사면부(18b)에서 반사된 도 3에 실선으로 나타내는 반사광이 대물 렌즈(7)에 들어가게 된다. 따라서, 촬상 카메라(2)로 촬상되어 제어 수단(4)의 표시부(17)에 표시되는 화상은 도 4에 도시하는 바와 같은 선화가 된다. 또한, 도 4에 있어서는 도면을 명료하게 하기 위하여, 흑백을 반전시켜 나타내고 있다. 즉, 실제의 표시에 있어서는 검은 선의 부분이 「밝은 부분」이며, 흰색으로 나타내는 부분이 「어두운 부분」이 된다.

스텝 S5에 있어서는, 입력 수단(16)의 하나인, 예를 들면 마우스(19)를 사용하여 측정 범위 AR를 지정한다. 구체적으로는, 마우스(19)를 클릭하여, 도 4에 나타내는 바와 같이, 화면(17a) 상에 점 a, b, c를 차례로 지정하면, 이 점 a, b, c를 정점으로 하는 평행사변형의 범위가 확정된다.

스텝 S6에 있어서는, 제어부(15)에 보존된 프로그램에 따라서, 상기 확정된 평행사변형의 측정 범위 AR의, 예를 들면 변 ab에 평행 방향으로(도 4에 나타내는 서치 라인(20)을 따라서) 왕복 서치하고, 그것에 의하여 검출되는 휘도 변화에 있어서의 암으로부터 명으로 변화한 부분의 간격, 또는 명으로부터 암으로 변화한 부분의 간격으로부터 요철 패턴(18)의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽의 치수를 측정한다. 여기에서는 암으로부터 명으로 변화한 부분을 검출하여 계측하는 경우에 대하여 설명한다.

먼저, 도 4에 나타내는 바와 같이, 변 ab에 평행하게 화살표 A 방향으로 서치하여 휘도 변화를 조사한다. 이 경우, 스타트 위치를 기준으로 한 위치와 검출 휘도와의 관계를 조사하면, 도 5(a)에 도시하는 바와 같은 그래프가 된다. 이에 의하여, 화살표 A 방향의 서치에 있어서 최초로 암으로부터 명으로 변화한 점 P1를 검출하고, 이 점 P1의 위치를 제어부(15)의 메모리에 기억한다.

다음으로, 도 4에 도시하는 바와 같이, 화살표 A와는 반대인 화살표 B 방향으로 서치하여 휘도 변화를 조사한다. 또한, 화살표 B 방향의 서치에 있어서 최초로 암으로부터 명으로 변화한 점 P2 (도 5(a) 참조)를 검출하고, 이 점 P2의 위치를 제어부(15)의 메모리에 기억한다.

이어서, 상기 검출된 점 P1, P2의 위치를 메모리로부터 읽어내어, 제어부(15)에서 연산하여 P1, P2간의 거리(L)를 산출한다. 그리고, 메모리에 기억한다. 이 경우, 산출된 거리(L)는 도 5(b)에 나타내는 요철 패턴(18)의 하부의 치수에 상당한다.

스텝 S7에 있어서는, 지정된 평행사변형의 영역 내의 치수 측정을 모두 종료하였는지 아닌지를 제어부(15)에서 판정한다. 이 때, 아직 종료되지 않았을 때에는 스텝 S7는 "No" 판정이 되어, 스텝 S8로 진행한다.

스텝 S8에 있어서는, 서치 위치를 변 ab에 직교하는 방향에 미리 정해진 일정 거리만큼 어긋나게 하고, 스텝 S6으로 되돌아와, 새로운 서치 위치에서 왕복 서치하고, 전술한 것과 동일하게 하여 요철 패턴(18)의 하부의 치수를 측정한다. 이 치수 측정은 지정된 평행사변형의 영역 내의 치수 측정이 모두 종료되고, 스텝 S7에 있어서, "YES" 판정이 될 때까지 반복 실행된다. 또한, 스텝 S7에 있어서 "YES"판정이 되면 스텝 S9로 진행한다.

스텝 S9에 있어서는, 메모리에 기억된 모든 측정 결과를 읽어내어 제어부(15)에서 연산하고, 지정된 측정 범위 AR 내의 요철 패턴(18)의 치수의 최대 값, 최소 값 및 평균 값을 구하고, 표시부(17)에 표시한다. 또한, 도시를 생략한 프린터에 의하여 프린트아웃하여도 좋다.

또한, 요철 패턴(18)의 상부의 치수 측정은, 휘도 변화에 있어서의 「명」으로부터 「암」으로 변화하는 점을 검출하고, 위에서 설명한 바와 같이 하여 실시하면 좋다.

또한, 지정한 평행사변형의 측정 범위 AR 내에 있어서, 예를 들면 변 ab에 평행한 방향으로 측정한 후, 변 bc 방향으로 측정하도록 프로그램을 설정하면, 사각형의 요철 패턴(18)의 크기를 측정할 수 있다.

이와 같이, 상기 실시 형태에 의하면, 요철 패턴(18)의 상부 및 하부의 치수를 명확하게 구별하여 측정할 수 있고, 특히, 기판(5)의 투과율 또는 반사율과 동등한 투과율 또는 반사율을 가진 박막 패턴의 치수도 양호한 정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 상기 촬상 카메라(2)는 셔터 스피드를 가변으로 하면 좋다. 이에 의하여, 예를 들면, 반사 휘도가 작은 경우에는, 셔터 스피드를 느리게 하여 수광 광량을 늘릴 수 있다. 반대로, 반사 휘도가 높고 수광 소자의 출력이 포화할 때에는 셔터 스피드를 빠르게 하여 수광 광량을 줄일 수 있다. 따라서, 어느 경우에도, 요철 패턴(18)을 적절한 휘도로 검출할 수 있어, 치수 측정을 고정밀도로 행할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서는 평행사변형의 측정 범위 AR를 지정하는 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 측정 범위 AR는 직선으로 지정하여도 좋다. 이에 의하여, 직선으로 지정된 범위의 치수 측정을 실시할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서는 계측용 조명 광학계(3)가 광원(9)으로부터 발한 광을 복수의 반사 미러를 거쳐 대물 렌즈(7)의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 안내하도록 구성한 것인 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 대물 렌즈(7)의 외주 부분에 설치한, 예를 들면 LED나 광섬유 등에 의하여 광을 대물 렌즈(7)의 시야 안에 직접 공급하도록 하여도 좋다.

1　　현미경
2　　촬상 카메라
3　　계측용 조명 광학계(조명 광학계)
4　　제어 수단
5　　기판
16　　입력 수단
17　　표시부
17a　　화면
AR　　측정 범위

Claims

기판 위에 형성된 요철 패턴을 확대 관찰하는 현미경과,
상기 현미경을 통하여 관찰되는 상기 요철 패턴을 촬상하는 촬상 카메라와,
상기 현미경의 대물 렌즈의 시야 밖으로부터 그 시야 안으로 산란광을 조사하는 조명 광학계와,
상기 촬상 카메라의 화상을 입력하여 표시부의 화면 위에 표시하고, 입력 수단에 의하여 입력하여 상기 표시 화면 위에 지정된 범위 내의 상기 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두의 치수를 측정하는 제어 수단을 구비하고,
상기 제어 수단은, 상기 요철 패턴의 가장자리부의 사면부에 대응하여 나타나는 밝은부분과, 상기 현미경의 광축에 직교하는 면에 대응하여 나타나는 어두운 부분에 기초하여 상기 치수를 측정하는 것을 특징으로 하는 치수 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 입력 수단에 의하여 지정된 범위 내를 왕복 서치하는 동시에, 이 왕복 서치로 얻은 휘도 변화에 있어서의 암으로부터 명으로 변화한 부분의 간격, 또는 명으로부터 암으로 변화한 부분의 간격으로부터 상기 요철 패턴의 상부 및 하부의 어느 한쪽, 또는 양쪽 모두의 치수를 측정하는 것을 특징으로 하는 치수 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 입력 수단에 의하여 지정된 범위는 사각형이며, 이 사각형의 한 변에 평행 방향으로 왕복 서치하는 동시에, 이 왕복 서치를 상기 변과 교차하는 방향으로 등간격으로 복수 회 실시하는 것을 특징으로 하는 치수 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,　상기 요철 패턴은 상기 기판의 투과율 또는 반사율과 동등한 투과율 또는 반사율을 가진 박막 패턴인 것을 특징으로 하는 치수 측정 장치.