WO2000033025A1 - Instrument de mesure - Google Patents

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WO2000033025A1
WO2000033025A1 PCT/JP1999/006662 JP9906662W WO0033025A1 WO 2000033025 A1 WO2000033025 A1 WO 2000033025A1 JP 9906662 W JP9906662 W JP 9906662W WO 0033025 A1 WO0033025 A1 WO 0033025A1
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WO
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light
subject
measuring
measuring device
field image
Prior art date
Application number
PCT/JP1999/006662
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yukinaga Shitamichi
Original Assignee
Olympus Optical Co., Ltd.
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only

Definitions

  • the present invention relates to a measurement device that measures a height, a position, and the like of a subject.
  • a method of controlling the amount of laser light of the laser diode a method of controlling the amount of laser light by varying the power supply voltage of the laser diode and a method of sequentially changing the transmission amount are used.
  • the ND filter that has been set is placed in front of the laser diode, and from this state, the ND filter is moved to change the amount of transmission of laser light to control the amount of light. Is used.
  • the wavelength of the laser light becomes unstable, and it becomes difficult to capture a high-quality image. Since the laser beam has a cross section of a predetermined size, the laser beam that has passed through the ND filter varies in the amount of light at various points on the cross section, and a uniform amount of light is obtained. There is no problem.
  • an object of the present invention is to provide a measuring device capable of performing various highly accurate measurements in a short time and reducing the burden on an operator.
  • Another object of the present invention is to provide a measuring apparatus that can always stably capture an image having an optimal brightness even when a measurement position or a measurement condition of a subject changes.
  • a subject is scanned with a laser beam from a laser light source, and at least a portion of the beam is reflected from the subject.
  • an objective lens provided in an optical path in which the laser light in the first measuring means and the illumination light in the second measuring means overlap.
  • the two-dimensional information obtained by the second measurement unit may include at least one of luminance image information of a dark field image and a bright field image of the subject.
  • the two-dimensional information obtained by the second measurement means includes both luminance image information of a dark-field image and luminance image information of a bright-field image of the subject. You can.
  • the measuring apparatus further includes a die-cloth mirror for separating reflected light or scattered light from the subject into the first measuring means side and the second measuring means side. You may.
  • a surface of the die-cloth mirror may be set at an angle smaller than 45 ° with respect to a surface orthogonal to an optical axis of the objective lens.
  • the first measurement means may include a reflection mirror that reflects the laser beam and oscillates to scan the object.
  • the second measurement means may include a line sensor camera that captures a dark field image or a bright field image of the subject.
  • the illumination light source may include an epi-illumination illumination light source.
  • the second measurement means includes a light source that emits illumination light for dark-field images, and a filter that converts illumination light from the light source into a single wavelength. You may.
  • the first measuring means may also obtain two-dimensional information of the subject.
  • the measuring device may further include means for detecting the amount of reflected light of the illumination light, and means for controlling the illumination light in accordance with the detected amount of light.
  • the measurement device may further include a wavelength plate provided in the optical path of the laser beam and rotatably disposed.
  • the measurement device may further include a rotation drive unit that drives the wavelength plate to rotate and that determines a rotation angle with respect to the laser beam.
  • the measuring device further includes: a unit configured to detect a light amount of the reflected light of the laser beam; and a unit configured to control the laser beam by driving the rotation driving unit according to the detected light amount. It may be what was done.
  • the wave plate may be set at an angle such that light reflected by the laser light from the laser light source does not hit the laser light source.
  • the wave plate may be a one-wave plate.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining characteristics of a die-cloth mirror used in one embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an arrangement state of a die-cloth mirror used in one embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the principle of triangulation in one embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view showing an aperture for a light receiving element according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a detection device to which the present invention is applied.
  • reference numeral 101 denotes a subject (sample), and the subject 101 is mounted on a stage 102.
  • the stage 102 can be moved by a stage drive unit 205, and can be moved in the Z direction, X direction and Y direction (depth direction in the figure) as necessary. It can be moved.
  • An objective lens 103 is arranged for the subject 101 on the stage 102.
  • the objective lens 103 uses an object-side telecentric lens designed at infinity.
  • a ring-shaped light 13 1 is arranged between the objective lens 103 and the stage 102.
  • the ring-shaped illumination 13 1 is connected to a light source 13 3 via an optical fiber 13 2, and the light from the light source 13 3 is used to surround the objective lens 10 3. From the subject 1 0 Illumination light is emitted toward 1, and a dark-field image of the subject 101 is acquired.
  • a die-cloth mirror 134 is disposed between the objective lens 103 and a galvano mirror 104 described later, and a halfway is provided in the reflection optical path of the die-cloth mirror 130.
  • Mirrors 1 3 6 are arranged.
  • a light source 133 for epi-illumination is arranged in the transmission optical path of the half mirror 135.
  • the light source 1337 emits epi-illumination light toward the subject 101 through a mirror, a mirror 135, a dichroic mirror 134, and an objective lens 103. Then, a bright-field image of the subject 101 is acquired.
  • the die-cloth mirror 13 4 is a dark-field image formed by the ring-shaped illumination 13 1 described above and a bright-field image formed by the light source (for epi-illumination) 13 7
  • the image has a low transmission amount (high reflection) in the wavelength region of each observation system of the image, and has a high transmission amount in the wavelength region of the measurement light from the laser diode 105 described later.
  • a material having various characteristics is used.
  • the dark-field image or the bright-field image of the subject 101 passes through the objective lens 103, is reflected by the dichroic mirror 135, and is further reflected by the half mirror 130.
  • the light is reflected at 6, passes through the imaging lens 135, and is taken into the lens camera 130 located at the focal position of the imaging lens 135.
  • the line sensor camera 1338 is connected to the ⁇ field image of the subject 101, which is taken in from the reflection optical path of the dichroic mirror 135 through the imaging lens 135. To take a bright-field image It is.
  • the line sensor camera 1338 shifts the imaging position of each line from the scanning position of the galvanomirror 104 described later to eliminate the influence of laser light, and to provide a dark-field image or bright-field image. The image is obtained well.
  • the position calculation unit 1339 calculates the position of the subject 101 from the two-dimensional image information captured by the license camera 130, and optimizes the position corresponding to illumination and defects.
  • a sophisticated image processing algorithm has been implemented to enable inspection of defects such as foreign matter, chips, spots, and sizes.
  • the bright field image captured by the line sensor camera 1338 is also input to the controller 122 as luminance image information.
  • the control device 121 executes the optimal image processing algorithm corresponding to the illumination and the defect from the luminance image information of the line sensor camera 132, and detects the foreign object, the chip, and the It also has a function to detect spots, sizes, and the like.
  • a half mirror 201 is provided in the optical path between the die mirror 13 4 and the half mirror 13 36.
  • the mirror 201 reflects light of a dark field image or a bright field image from the subject 101 and guides the light to the light receiving element 203 through the imaging lens 135.
  • the output of the light receiving element 203 is input to the control device 121.
  • the figure shows a case where the half mirror 201 is provided in the optical path between the magnetic mirror 1334 and the half mirror 1336.
  • La 1 3 6 and It may be provided in the optical path between the imaging lens 13 and the imaging lens 13.
  • the control device 122 Based on the output of the light-receiving element 203, the control device 122 sets the light amount within a predetermined range (the upper limit value and the lower limit value) so as to obtain a brightness that enables two-dimensional measurement. In this case, feed-pack control the light amount of the light source 133 or 133 so that it falls within the range.
  • a predetermined range the upper limit value and the lower limit value
  • a filter 140 is arranged in front of the light source 133 of the ring-shaped lighting 13 1.
  • the filter 140 converts the light from the light source 133 into a single wavelength, and efficiently converts the dark-field image of the subject 101 with the dichroic mirror 134. The light is reflected so that it can be taken into the line sensor camera 13.
  • a filter 141 is arranged on the imaging surface of the line sensor camera 1338. In this filter 1401, a part of the laser light from a laser diode 105, which will be described later, is reflected by the surface of the subject 101, and a part of the dichroic light is further increased. This is to prevent the light from being reflected by the mirror 13 and entering the line sensor camera 13.
  • a galvano mirror 104 as scanning means is arranged on a pupil plane 103 'of the objective lens 103 via a dichroic mirror 134.
  • the Garno mirror 104 is driven by a mirror drive unit 120 to swing around the center of the pupil of the pupil plane 103 ′, and reflects the measurement light.
  • the object 101 can be scanned in the X direction and the Y direction (the depth direction in the figure), respectively, as shown in the figure.
  • scanning in both the X and Y directions This is realized by the oscillation of the mirror 104, but instead, the scanning in the X direction is realized by the oscillation of the galvanometer mirror 104, and the scanning in the Y direction is performed on the stage.
  • the scanning in the X direction is realized by moving the stage, and the scanning in the Y direction is realized by the oscillation of the galvanomirror 104. You may do so.
  • Reference numeral 105 denotes a laser diode.
  • a collimating lens 106 In front of the laser diode 105, a collimating lens 106, a 12-wavelength plate 3, and a polarizing beam splitter 107, 14
  • the galvanomirror 104 described above is arranged via the wave plate 108, and the laser light from the laser diode 105 is collimated by the collimating lens 106 to form a half wavelength.
  • Plate 3, polarizing beam splitter 107, 1/4 wavelength plate 108 passes through and enters galvanomirror 104, and the reflected light from galvanomirror 104 is used as measurement light.
  • the light is condensed on the surface of the subject 101 through the dike mirror 134 and the objective lens 103.
  • the 12-wavelength plate 3 is disposed substantially orthogonal to the optical axis of the laser light from the laser diode 105.
  • the 1Z2 wave plate 3 should not be perpendicular (90 degrees) to the optical axis of the laser beam, but should be tilted in the range of 0 to 10 degrees. Is desirable. This is to prevent the harmful effect that the laser light reflected by the one- and two-wavelength plate 3 is irradiated on the light emitting portion of the laser diode 105.
  • the half-wave plate 3 has a circular shape and forms a gear 3 a along the periphery thereof.
  • the gear 3 a is used as a gear 13 a of the rotating shaft of the motor 13.
  • the motor 13 can be rotated by using the motor 13 as a drive source.
  • the motor 13 is connected to the controller 12 1, and sets the rotation angle of the 1 Z 2 wave plate 3 by a control signal from the controller 12, and sets the rotation angle to this rotation angle.
  • the amount of transmission of the laser beam can be changed accordingly.
  • the dichroic mirror 134 is reflected by the galvanometer mirror 104 as shown in FIG. 3, and the light of the objective lens 103 which guides the measurement light to the surface of the subject 101 is shown in FIG. It is preferable to set an angle smaller than 45 ° with respect to a plane perpendicular to the axis. In this case, the angle is set to 35 ° shown by a solid line. In other words, by setting the angle of incidence for the measurement light to be smaller than 45 °, the loss of the measurement light at the die-cloth mirror 13 4 is minimized. .
  • the measurement light on the subject 101 is telecentrically located at an arbitrary position on the subject 101 as convergent light of NA determined by the pupil diameter of the objective lens 103 and the focal length. It is collected.
  • the measurement light reflected on the object 101 surface passes through the objective lens 103 and the die-cloth mirror 134, and is reflected by the galvanometer mirror 104. Then, the light passes through a 1Z 4 wavelength plate 108 to be incident on a polarized beam splitter 107, and is reflected by the polarized beam splitter 107.
  • the luminous flux of the measurement light reflected by the polarized beam splitter 107 is condensed on the primary image plane 110 by the first imaging lens 109.
  • the light beam passing through the primary image plane 110 passes through the pupil relay lens 1 12 as a second objective lens designed as an infinite system, and has a half mirror surface 1 13 a Incident on prisms 1 1 3 It is split into a reflected light beam L 1 and a transmitted light beam L 2.
  • the light beam L 1 reflected by the half mirror surface 113 a of the prism 113 passes through the mirror 113, the first aperture 111, and then passes through the separation lens, which is the second imaging lens. Evening light is condensed on an optical position detecting element (hereinafter, referred to as PSD (Position Sensing Device)) 116 by the lens 115.
  • PSD Position Sensing Device
  • This PSD 116 outputs a current signal that changes according to the photometry position (spot position) S.
  • the spot position S moves left and right by an amount proportional to the change in height of the subject 101. This is based on the principle of triangulation, which will be explained in detail later.
  • the output from the PSD 1 16 is input to the control device 121 as luminance image information of the clear visual field image of the subject 101, and the height calculating unit 122 Is input to The height calculator 1 2 2 calculates the measurement position coordinates x and y (position coordinates in the X and Y directions) on the subject 101 surface according to the swing angle of the galvanometer mirror 104 and the PSD.
  • the height z on the surface of the subject 101 is calculated based on the spot position signal obtained from 116.
  • the spot on the PSD 116 may have a certain width and accurate detection may not be performed.
  • the PSD 116 can detect only the peripheral portion of the optical spot, which causes a considerable detection error.
  • the light beam L 2 transmitted through the half mirror surface 113 a of the prism 113 is provided at the rear end side of the prism 113.
  • the light is guided to the divided light receiving element 125 through the mirror surface 113b and the second aperture 124.
  • the measurement availability determination section 126 determines whether or not the brightness is such that height measurement is possible based on the output of the divided light receiving element 125. Specifically, a measurable range (lower limit, upper limit) is set, and it is determined whether or not the light amount is within the range.
  • control device 122 based on the output of the divided light receiving element 125, so that the brightness capable of measuring the height can be obtained (the light amount is within a preset range (upper limit and lower limit).
  • the amount of laser light of laser diode 105 is feedback controlled so that the value falls within the range between the values).
  • the control device 122 sends a control signal to activate the motor 13 and rotates the 1Z2 wave plate 3. Then, the 12-wavelength plate 3 arranged almost orthogonal to the laser beam is rotated by the rotation angle set by the control signal from the control device 121, and the rotation angle at this time is changed. The transmission amount of the laser light is set accordingly. As a result, the laser light that is transmitted as the spot light onto the subject 101 on the stage 102 after passing through the 12-wavelength plate 3 can be set to a desired optimal light amount. And. As a result, on the control device 121 side, an image of the subject 101 measured at the optimal brightness can be obtained.
  • the front focal plane of the first imaging lens 109 is placed on the pupil plane of the first objective lens 103 or its conjugate plane 103.
  • the overnight lens 115 is located on the rear focal plane of the pupil relay lens 112, which is the second objective lens. Therefore, the separator lens 115 is located at a position conjugate with the pupil plane 103 ′ of the first objective lens 103. For this reason, the separator lens 115 receives the measurement spot from the measurement light reflected from all the measurement points by the light beam that has passed through the same part of the objective pupil plane 103 ′. Will be formed on PSD 1 16.
  • the first stop 114 is disposed at the edge of the pupil (a position separated by a certain distance h from the center) as shown in FIG. By doing so, the position of the spot incident on the PSD 116 moves in a desired direction based on the principle of triangulation due to the unevenness of the subject 101.
  • the first stop 114 and the second stop 124 facing the divided light receiving element 125 are provided at conjugate positions. In this way, the light beam projected on the split photodetector 125 becomes a light beam that has passed through the same part of the objective pupil plane 103 ′ as the light beam projected on the PSD 116. .
  • the light reflected by the subject 101 becomes the ⁇ field image.
  • Reflected by the dichroic mirror 13 4 through the objective lens 10 3 and The light is reflected by the lens 1336, passes through the imaging lens 135, and is imaged by the line sensor camera 1338 located at the focal position of the imaging lens 1335.
  • the dark-field image captured by the line sensor camera 1338 is input to the position calculation unit 1339 of the control device 121 as luminance image information, and is received by the position calculation unit 1339.
  • Position measurement is performed by calculating the position of the sample 101.
  • the light is divided into a half mirror 13 6, an imaging lens 13 5, a die-cloth mirror 13 4, and an objective lens 1. It is irradiated toward the subject 101 through 0 3. Then, the light reflected by the subject 101 passes through the objective lens 103 as a bright-field image, and is reflected by the dike-mouth mirror 1304, and furthermore, The light is reflected by the half mirror 13 6, passes through the imaging lens 13 5, and is picked up by the line sensor camera 13 8 disposed at the focal position of the imaging lens 13 5.
  • the bright-field image captured by the line sensor camera 1338 is input to the controller 122 as luminance image information, and an optimal algorithm corresponding to various defects of the subject 101 is determined. The selected defect is detected.
  • the ring-shaped illumination 13 1 and the light source 13 7 are selectively turned on, and the luminance image information of the dark field image or the bright field image of the subject 101 is controlled by the control device 1 2 1
  • the position measurement of the object 101 and the inspection accuracy of various defects can be improved, and erroneous detection can be reduced.
  • the ring-shaped illumination 13 1 and the light source 13 7 are simultaneously turned on, and the dark field image of the subject 101 is turned on.
  • the luminance image information obtained by superimposing the image and the bright-field image to the control unit 121, the luminance of the object 101 can be reduced by various algorithm processing of the luminance image information at this time. Various measurements can be made.
  • the laser beam passes through the collimating lens 106, the polarizing beam splitter 107, and the 14-wave plate 108.
  • the light enters the galvanometer mirror 104, and the reflected light from the galvanomirror 104 passes through the dichroic mirror 134 as the measurement light and the subject 1 through the objective lens 103. 0 Focused on the 1 plane.
  • the measurement light reflected from the object 101 surface passes through the objective lens 103 and the die mirror 130, is reflected by the galvanomirror 104, and is reflected by the galvanomirror 104.
  • the light is reflected by the polarizing beam splitter 107 through the wave plate 108 and condensed on the primary image plane 110 by the first imaging lens 109.
  • the light beam passing through the primary image plane 110 passes through the pupil relay lens 1 12 and is incident on the prism 1 13 having the first mirror 1 13 a and the half mirror surface.
  • the luminous flux L 1 reflected by the 1 13 a passes through the mirror 1 1 3, passes through the first aperture 1 1 4, and then collects on the PSD 1 16 via the lens 1 15. Be lighted.
  • the output of the PSD 1 16 force and the like is input to the control device 121 as luminance information of a bright-field image of the subject 101, and the height calculation unit 122 Is input to
  • the control device 121 executes various tests on the subject 101 based on the luminance information of the bright field image of the subject 101,
  • the height calculation unit 122 determines the coordinates x and y of the measurement position on the object 101 surface according to the swing angle of the galvanometer mirror 104, and the spot obtained from the PSD 116.
  • the height z on the surface of the object 101 is calculated based on the position signal and.
  • Such height measurement may be performed independently or simultaneously with the acquisition of the luminance image information of the dark field image or the bright field image of the subject 101 described above.
  • FIG. 4 shows only the portion after the primary image plane 110 in FIG. 1 .
  • the object image on the primary image plane 110 is considered as a new object plane 101 ′. ing.
  • the focal length of the pupil relay lens (second objective lens) 112 is f P
  • the focal length of the separation lens 115 is fs
  • the imaging magnification of the primary image is M
  • the height from the optical axis to the center of the separation lens 1 15 is h
  • the distance between the pupil relay lens 1 12 and the separation lens 1 15 is D
  • the first imaging lens 109 Let NA of NA be NA OB.
  • the height calculation unit 122 provided in the control device 121 is configured to include the PSD
  • the spot position signal ⁇ is received from 1 16.
  • the height calculation unit 122 Using the pot position signal (5, the system parameters f, ⁇ , 0, and the measurement position information X, y sequentially input from the mirror drive unit 120, the height Z of each measurement position is used. Is output continuously.
  • height measurement with a wide measurement area and a wide dynamic range can be performed at extremely high speed without moving each optical system and the subject 101 up and down.
  • the height of the surface of the subject 101 can be measured at high speed from the laser diode 105 based on the principle of triangulation using measurement light. Then, the ring-shaped illumination 13 1 and the light source 13 7 capture a dark-field image or a bright-field image of the subject 101 with the line sensor camera 13 8, and the respective luminance image information By obtaining the position, the position measurement and defect inspection of the subject 101 can be performed under the optimal conditions corresponding to the defect. Measurement can be performed with high accuracy and in a short time with high efficiency.
  • the two-dimensional measuring means for obtaining two-dimensional image information such as a dark-field image or a bright-field image and the three-dimensional measuring means (measuring means for measuring at least height) by triangulation or the like have the same objective lens.
  • the three-dimensional measuring means measuring means for measuring at least height
  • the laser diode 105 that generates the laser light is substantially orthogonal to the laser light and rotated on the front surface.
  • the laser beam transmission amount is set by using this method, so that the wavelength of the laser beam does not fluctuate as compared with the conventional laser diode in which the power supply voltage is varied, and high quality is achieved.
  • This makes it possible to capture an accurate image, and even when compared with the conventional ND filer, there is no variation in the amount of light at various points on the cross section of the laser beam.
  • a uniform amount of laser light can be obtained continuously, and stable dimming control of laser light can be realized.
  • a measuring device capable of performing various highly accurate measurements in a short time and reducing the burden on an operator.
  • a measuring device which can always stably capture an image having an optimal brightness even when the measuring position and measuring conditions of the test object change.

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Description

明 細 書
測定装置
技術分野
本発明は、 被検体の高さや位置などの測定を行う測定装置 に関する。
背景技術
近年、 半導体部品は、 益々高集積化および大型化する傾向 があ り 、 これに伴いベアチッ プなどを実装する電気部品実装 と して B G Aノ \°ッケージなどが考え られている。 このよ う な B G Aパ ッ ケージについても、 最近は、 ベアチッ プ自身につ いて F Cボンディ ングによるバンプを採用 したものがあ り 、 このよ う な実装については、 さ ら に精度の高い微小物体の位 置測定や高さ測定などが要求されている。
そこで、 従来では、 このよ う なバンプを採用 した電気部品 実装については、 作業者が 1 個ずつ実態顕微鏡を用いて観察 しながら位置測定と と もに、 高さ測定な どを行う よ う に して いる。
しか し、 これでは 1 個の電気部品実装の外観検査を行う の に多大な時間がかかってしまい、 作業能率が低下するだけで な く 、 作業者に多大の負担をかける とい う 問題がある。
また、 被検体か ら良質の画像を取 り込むには、 光源である レーザダイ ォ一 ドの光量を最適に調整する必要がある。
そこで、 従来、 レーザダイ オー ド の レーザ光の光量を制御 する方法と して、 レーザダイ オー ドの電源電圧を可変する こ と によ り レーザ光の光量を制御する方法や透過量を順次変化 させた N D フ ィ ル夕 を レーザダイ ォ一 ドの前面に配置し、 こ の状態か ら N D フ ィ ル夕を移動して レーザ光に対する透過量 を変化させる こ とで、 光量を制御する方法などが用い られて いる。
しかし、 レーザダイ オー ドの電源電圧を可変する と、 レ一 ザ光の波長が安定しなく な り 、 良質な画像の取り込みが難し く 、 また、 N D フ ィ ルタは、 レーザ光に対する透過量が順次 変化する もので、 これに対する レーザ光は、 所定の大きさ の 断面を有するため、 N D フ ィ ル夕を通った レーザ光は、 その 断面の各所において光量にバラツキを生じ、 均一な光量が得 られない とい う 問題がある。
また、 光ビームの光路中に偏光板を設け、 これを回転させ る こ と によ り 、 偏光板を通過する光ビームの強度を変化させ る技術もあるが、 被検体の測定箇所や測定条件が変わる と最 適な明るさ も変化するため、 常に良質な画像を安定して取 り 込めるよ う にする こ とは困難である とい う 問題がある。
したがって、 本発明の 目的は、 精度の高い各種の測定を短 時間で行う こ とができる と と もに、 作業者にかかる負担を軽 減できる測定装置を提供する こ とにある。
また、 本発明の他の 目的は、 被検体の測定箇所や測定条件 が変わっても常に最適な明る さ の画像を安定して取 り込むこ とのできる測定装置を提供する こ とにある。
発明の開示
本発明の一観点によれば、 レーザ光源か らの レーザ光によ り 被検体上を走査して該被検体か ら の反射光か ら少な く と も 高さ情報を得る第 1 の測定手段と、 照明光源か らの照明光を 被検体上に照射して該被検体か らの反射光または散乱光か ら 二次元情報を得る第 2 の測定手段と、 前記第 1 の測定手段に おける レーザ光と前記第 2 の測定手段における照明光とが重 なる光路中に設け られる対物 レンズと を具備した測定装置が 提供される。
前記測定装置において、 前記第 2 の測定手段によ り得られ る二次元情報は、 前記被検体の暗視野画像および明視野画像 の少な く と も一方の輝度画像情報を含むものであってもよい 前記測定装置において、 前記第 2 の測定手段によ り得られ る二次元情報は、 前記被検体の暗視野画像の輝度画像情報及 び明視野画像の輝度画像情報の両方を含むものであってもよ い。
前記測定装置は、 前記被検体か らの反射光または散乱光を 前記第 1 の測定手段側と前記第 2 の測定手段側とに分離する ダイ ク ロイ ッ ク ミ ラーを更に具備したも のであってもよい。
前記測定装置において、 前記ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラーの面は 前記対物 レンズの光軸に直交する面に対して、 4 5 ° よ り 小 さな角度に設定される も のであっ てもよい。
前記測定装置において、 前記第 1 の測定手段は、 レーザ光 を反射する と と もに揺動して前記被検体上を走査する反射ミ ラーを有する ものであってもよい。
前記測定装置において、 前記第 2 の測定手段は、 前記被検 体の暗視野像または明視野像を撮像する ライ ンセンサカメ ラ を有する ものであってもよい。 前記測定装置において、 前記照明光源は、 落射照明光源を 有する ものであってもよい。
前記測定装置において、 前記第 2 の測定手段は、 暗視野画 像用の照明光を発する光源と、 この光源か ら の照明光を単波 長に変換する フ ィ ル夕 とを有する ものであってもよい。
前記測定装置において、 前記第 1 の測定手段は、 前記被検 体の二次元情報を も得る ものであっ てもよい。
前記測定装置は、 前記照明光の反射光の光量を検出する手 段と、 検出された光量に応じて前記照明光を制御する手段と を更に具備したものであってもよい。
前記測定装置は、 前記レーザ光の光路中に設け られ回転可 能に配置された波長板を更に具備したものであってもよい。
前記測定装置は、 前記波長板を回転駆動する と と もに、 前 記レーザ光に対する回転角度を決定する回転駆動手段を更に 具備したものであってもよい。
前記測定装置は、 前記レーザ光の反射光の光量を検出する 手段と、 検出された光量に応じて前記回転駆動手段を駆動す る こ とによ り 前記レーザ光を制御する手段とを更に具備した ものであってもよい。
前記測定装置において、 前記波長板は、 前記レーザ光源か ら の レーザ光を反射した分の光が該レーザ光源に当た らない よ う な角度に設定されている ものであってもよい。
前記測定装置において、 前記波長板は、 1 ノ 2 波長板か ら なる ものであってもよい。
図面の簡単な説明 図 1 は、 本発明の一実施の形態の概略構成を示す図である。 図 2 は、 一実施の形態に用い られるダイ ク ロイ ッ ク ミ ラー の特性を説明するための図である。
図 3 は、 一実施の形態に用い られるダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー の配置状態を説明するための図である。
図 4 は、 一実施の形態での三角測量の原理を説明するため の模式図である。
図 5 は、 一実施の形態の受光素子用の絞り を示す平面図で ある。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の一実施形態を図面に従い説明する。
図 1 は、 本発明が適用 される検出装置の概略構成を示して いる。 図において、 1 0 1 は被検体 （試料） で、 こ の被検体 1 0 1 は、 ステージ 1 0 2 上に載置される。
このステージ 1 0 2 は、 ステージ駆動部 2 0 5 によ り移動 できるよ う になつ てお り 、 必要に応じて図に示した Z方向、 X方向及び Y方向 （図の奥行き方向） にそれぞれ移動する こ とができるよ う になっ ている。
ステージ 1 0 2 上の被検体 1 0 1 に対して対物 レンズ 1 0 3 を配置している。 こ の対物レンズ 1 0 3 は、 無限遠設計の 物側テレセン ト リ ッ ク レンズを用いている。
対物 レンズ 1 0 3 とステージ 1 0 2 との間に、 リ ング状照 明 1 3 1 を配置している。 こ の リ ング状照明 1 3 1 は、 光フ アイ バ 1 3 2 を介して光源 1 3 3 を接続していて、 こ の光源 1 3 3 か ら の光によ り対物 レンズ 1 0 3 周囲か ら被検体 1 0 1 に向けて照明光を発し、 被検体 1 0 1 の暗視野像を取得す るよ う に している。
対物レンズ 1 0 3 と後述するガルバノ ミ ラ一 1 0 4 との間 にダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 を配置し、 こ のダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 の反射光路にハーフ ミ ラー 1 3 6 を配置して いる。
また、 ハーフ ミ ラ一 1 3 6 の透過光路に、 落射照明用の光 源 1 3 7 を配置している。 こ の光源 1 3 7 は、 ノ、一フ ミ ラー 1 3 6 、 ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 および対物 レンズ 1 0 3 を通って被検体 1 0 1 に向けて落射照明光を発し、 被検体 1 0 1 の明視野像を取得するよ う に している。
こ こで、 ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 は、 図 2 に示すよ う に、 上述した リ ング状照明 1 3 1 による暗視野像および光源 (落射照明用） 1 3 7 による明視野像のそれぞれの観察系の 波長領域に対して低い透過量 （高反射） を呈し、 また、 後述 する レーザダイ オー ド 1 0 5 か らの測定光の波長域に対して 高い透過量を呈するよ う な特性を有する ものが用い られる。
そして、 これら被検体 1 0 1 の暗視野像または明視野像は、 対物レンズ 1 0 3 を通ってダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 で反 射し、 さ ら にハーフ ミ ラ一 1 3 6 で反射し、 結像レンズ 1 3 5 を透過して、 こ の結像レンズ 1 3 5 の集光位置に配置した ライ ンセ ンサカメ ラ 1 3 8 に取 り込まれるよ う になつている。
こ こで、 ライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 は、 ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 の反射光路よ り 結像レンズ 1 3 5 を介して取り 込 まれる被検体 1 0 1 の喑視野像または明視野像を撮像する も のである。 また、 ライ ンセンサカ メ ラ 1 3 8 は、 各ライ ン毎 の撮像位置を後述するガルバノ ミ ラー 1 0 4 の走査位置とず ら して、 レーザ光の影響を無く し、 暗視野像または明視野像 を良好に得られるよ う に している。
そして、 ライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 によ り 撮像された喑視 野画像は、 輝度画像情報と して制御装置 1 2 1 の位置演算部 1 3 9 に入力される。 この位置演算部 1 3 9 は、 ライ ンセ ン サカ メ ラ 1 3 8 で取り込まれた二次元画像情報か ら被検体 1 0 1 の位置を算出する と と もに、 照明や欠陥に対応した最適 な画像処理のアルゴリ ズムが実行され、 異物、 欠け、 シミ 、 大きさな どの欠陥検査を可能にしている。
また、 ライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 によ り撮像された明視野 画像も、 輝度画像情報と して制御装置 1 2 1 に入力される。 この場合、 制御装置 1 2 1 は、 ライ ンセンサカ メ ラ 1 3 8 の 輝度画像情報か ら照明や欠陥に対応した最適な画像処理アル ゴリ ズムを実行し、 被検体 1 0 1 の異物、 欠け、 シミ 、 大き さなどのを検出する機能も有している。
と こ ろで、 ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 とハーフ ミ ラー 1 3 6 との間の光路中に、 ハーフ ミ ラー 2 0 1 が設け られてい る。 このミ ラー 2 0 1 は、 被検体 1 0 1 か らの暗視野像また は明視野像の光を反射し、 結像レンズ 1 3 5 を介して受光素 子 2 0 3 に導く 。 受光素子 2 0 3 の出力は、 制御装置 1 2 1 に入力される。 なお、 図ではハーフ ミ ラー 2 0 1 をイ ク ロイ ッ ク ミ ラー 1 3 4 とハーフ ミ ラー 1 3 6 との間の光路中に設 ける場合を示しているが、 代わ り に、 ハーフ ミ ラ一 1 3 6 と 結像レンズ 1 3 5 との間の光路中に設けるよ う に しても構わ ない。
制御装置 1 2 1 は、 受光素子 2 0 3 の出力に基づき、 二次 元測定が可能な明る さが得られるよ う に （光量が予め設定さ れた範囲内 （上限値と下限値との間） に収まるよ う に） 、 光 源 1 3 3 又は 1 3 7 の光量をフ ィ ー ドパッ ク制御する。
また、 リ ング状照明 1 3 1 の光源 1 3 3 の前面には、 フ ィ ル夕 1 4 0 を配置している。 このフ ィ ル夕 1 4 0 は、 光源 1 3 3 か ら の光を単波長に変換して、 被検体 1 0 1 の暗視野像 を効率よ く ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 で反射させ、 ライ ン センサカ メ ラ 1 3 8 に取 り込みできるよ う に している。 また、 ライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 の撮像面には、 フ ィ ル夕 1 4 1 を 配置している。 こ のフ ィ ル夕 1 4 1 は、 後述する レーザダイ オー ド 1 0 5 か らの レーザ光が被検体 1 0 1 面で反射された 際の一部が、 さ ら にダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 で反射され、 ライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 に侵入するのを防止するための も のである。
一方、 対物レンズ 1 0 3 の瞳面 1 0 3 ' にダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 を介して走査手段と してのガルバノ ミ ラ一 1 0 4 が配置されている。 このガルノ ノ ミ ラー 1 0 4 は、 ミ ラ一 駆動部 1 2 0 によ り 瞳面 1 0 3 ' の瞳中心付近を軸と して揺 動駆動される も のであ り 、 測定光を反射し、 被検体 1 0 1 面 を図に示した X方向及び Y方向 （図の奥行き方向） に、 それ ぞれ走査する こ とができるよ う になつている。
なお、 こ こでは X方向及び Y方向の両方の走査をガルバノ ミ ラー 1 0 4 の揺動によ り実現しているが、 代わ り に、 X方 向の走査をガルバ ノ ミ ラー 1 0 4 の揺動によ り 実現し、 Y方 向の走査をステージの移動によ り実現するよ う に してもよい また、 X方向の走査をステージの移動によ り 実現 し、 Y方向 の走査をガルバノ ミ ラ一 1 0 4 の揺動によ り実現するよ う に してもよい。
1 0 5 は レ一ザダイ オー ドであ り 、 この レーザダイ オー ド 1 0 5 の前方にコ リ メ一 卜 レンズ 1 0 6 、 1 2 波長板 3 、 偏光ビームス プリ ツ 夕 1 0 7 、 1 4 波長板 1 0 8 を介して 上述したガルバノ ミ ラー 1 0 4 を配置し、 レーザダイ オー ド 1 0 5 か ら の レーザ光をコ リ メー ト レンズ 1 0 6 で平行光に し、 1 / 2 波長板 3 、 偏光ビームス プリ ツ 夕 1 0 7 、 1 / 4 波長板 1 0 8 を透過してガルバノ ミ ラー 1 0 4 に入射させ、 このガルバノ ミ ラー 1 0 4 での反射光を測定光と してダイ ク 口イ ツ ク ミ ラー 1 3 4 、 対物 レンズ 1 0 3 を通して被検体 1 0 1 面に集光するよ う に している。
1 2 波長板 3 は、 レーザダイ オー ド 1 0 5 か ら の レーザ 光の光軸に対し、 ほぼ直交して配置されている。 この場合、 1 Z 2 波長板 3 は、 レーザ光の光軸に対し、 直角 （ 9 0度） ではな く 、 これよ り 0 〜 1 0 度の範囲で傾斜させた状態に し てお く こ とが望ま しい。 これは、 1 ノ 2 波長板 3 によ り 反射 された分の レーザ光がレーザダイ オー ド 1 0 5 の発光部に照 射されて しま う と い う弊害を防止するためである。 1 / 2 波 長板 3 は、 円形をなしていて、 その周縁部に沿っ てギア 3 a を形成し、 このギア 3 a をモー夕 1 3 の回転軸のギア 1 3 a に嚙合され、 こ のモー夕 1 3 を駆動源と して回転可能になつ ている。 モ一夕 1 3 は、 制御装置 1 2 1 に接続されてお り 、 制御装置 1 2 か ら の制御信号によ り 1 Z 2 波長板 3 の回転角 度を設定し、 こ の回転角度に応じてレーザ光の透過量を可変 可能に している。
ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 は、 図 3 に示すよ う にガルバ ノ ミ ラー 1 0 4 で反射され被検体 1 0 1 面に測定光を導光す る対物 レンズ 1 0 3 の光軸に直交する面に対して、 4 5 ° よ り 小さな角度に設定する こ とが好ま し く 、 こ こでは、 実線で 示す 3 5 ° に設定している。 つま り 、 測定光に対して入射角 度を 4 5 ° よ り 小さ く 設定する こ と によ り 、 ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 での測定光の損失を最小限に している。
被検体 1 0 1 上の測定光は、 対物レンズ 1 0 3 の瞳径と焦 点距離で決まる N Aの収束光と して被検体 1 0 1 上の任意の 位置にテ レセン ト リ ッ ク に集光される。
また、 被検体 1 0 1 面で反射された測定光を、 対物レンズ 1 0 3 およびダイ ク ロイ ツ ク ミ ラ一 1 3 4 を通過させ、 ガル バノ ミ ラー 1 0 4 で反射させた後、 1 Z 4波長板 1 0 8 を通 して偏光ビ一ムス プリ ッ 夕 1 0 7 に入射させ、 この偏光ビ一 ムス プリ ッ 夕 1 0 7 で反射させるよ う に している。 そして、 偏光ビ一ムス プリ ッ 夕 1 0 7 で反射した測定光の光束は、 第 1 の結像 レンズ 1 0 9 によって一次像面 1 1 0 に集光される。 一次像面 1 1 0 を通過した光束は、 無限系に設計された第 2 の対物 レ ンズ と しての瞳 リ レー レ ンズ 1 1 2 を通過 し 、 ハーフ ミ ラ一面 1 1 3 a を有する プリ ズム 1 1 3 に入射し、 反射する光束 L 1 と透過する光束 L 2 とに分割される。
プリ ズム 1 1 3 のハーフ ミ ラー面 1 1 3 a で反射した光束 L 1 は、 ミ ラ一 1 1 3 、 第 1 の絞り 1 1 4 を経て、 第 2 の結 像レンズてあるセパ レ一夕 レンズ 1 1 5 によ り 、 光位置検出 素子 （以下、 P S D ( Position Sencing Device) と称する） 1 1 6 上に集光される。
こ の P S D 1 1 6 は、 測光位置 （スポッ ト位置） S によつ て変化する電流信号を出力する ものである。 スポッ 卜位置 S は、 被検体 1 0 1 の高さ変化に比例した量だけ左右に移動す る。 これは、 後で詳し く 説明する三角測量の原理に基づく も のである。
そして、 P S D 1 1 6 か らの出力は、 被検体 1 0 1 の明視 野画像の輝度画像情報と して制御装置 1 2 1 に入力される と と もに、 高さ演算部 1 2 2 に入力される。 高さ演算部 1 2 2 は、 ガルバノ ミ ラ一 1 0 4 の揺動角度に応じた被検体 1 0 1 面での測定位置座標 x 、 y ( X方向、 Y方向の位置座標） と、 P S D 1 1 6 か ら得られたスポッ 卜位置信号とに基づいて、 被検体 1 0 1 表面での高さ z を演算する ものである。
と こ ろで、 被検体 1 0 1 の表面に凹凸が存在する場合、 P S D 1 1 6 上のスポッ 卜は一定の広が り を持ってしまい正確 な検出が行なえない こ とがある。 この場合、 P S D 1 1 6 で は光スポッ 卜 の周辺部分しか検出できない と い う こ とにな り 、 少なか らぬ検出誤差が生じる こ とになる。
したがって、 このよ う な場合には、 被検体 1 0 1 の高さ検 出は不能である と して、 検出結果を破棄する こ とが妥当であ る。 この実施形態では、 測定の可否を判断するため、 前記プ リ ズム 1 1 3 のハーフ ミ ラ一面 1 1 3 a を透過した光束 L 2 を前記プリ ズム 1 1 3 の後端側に設けられたミ ラー面 1 1 3 b 、 第 2 の絞り 1 2 4 を通して分割受光素子 1 2 5 に導く 。
そして、 この分割受光素子 1 2 5 の出力 （光量） は、 測定 可否判断部 1 2 6 に入力される。 測定可否判断部 1 2 6 は、 分割受光素子 1 2 5 の出力に基づき、 高さ測定が可能な明る さ になっ ているか否かを判断する。 具体的には、 測定可能な 範囲 （下限値、 上限値） を設定しておき、 光量がその範囲内 に収まっ ているか否かを判断する。
また、 制御装置 1 2 1 は、 分割受光素子 1 2 5 の出力に基 づき、 高さ測定が可能な明る さが得られるよ う に （光量が予 め設定された範囲内 （上限値と下限値との間） に収まるよ う に） 、 レ一ザダイ オー ド 1 0 5 の レーザ光の光量をフ ィ ー ド バッ ク制御する。
具体的には、 制御装置 1 2 1 は、 制御信号を送る こ と によ り モ一夕 1 3 を起動し、 1 Z 2 波長板 3 を回転させる。 する と、 レーザ光に対しほぼ直交して配置される 1 2 波長板 3 は、 制御装置 1 2 1 か ら の制御信号によ り 設定される回転角 度だけ回転され、 この時の回転角度に応じて レーザ光の透過 量が設定される。 これによ り 、 1 2 波長板 3 を透過した後 ステージ 1 0 2 上の被検体 1 0 1 上にスポッ 卜光と して照射 される レーザ光は、 所望する最適な光量に設定される こ と に なる。 これによ り 、 制御装置 1 2 1 の側では、 最適な明る さ で測定された被検体 1 0 1 の画像が得られる こ と になる。 と こ ろで、 第 1 の結像 レンズ 1 0 9 の前側焦点面は第 1 の 対物レンズ 1 0 3 の瞳面又はその共役面 1 0 3 ， に置かれて いる。 一方、 セノ レ一夕 レンズ 1 1 5 は、 第 2 の対物レンズ である瞳リ レー レンズ 1 1 2 の後側焦点面に配置されている。 したがって、 セパ レ一タ レンズ 1 1 5 は第 1 の対物 レンズ 1 0 3 の瞳面 1 0 3 ' と共役の位置にある こ とになる。 このた め、 セパ レ一タ レンズ 1 1 5 は、 全ての測定点か ら反射され た測定光の う ち、 対物瞳面 1 0 3 ' の同一部分を通過した光 束によっ て、 測定スポッ ト を P S D 1 1 6 上に形成する こ と になる。
また、 前記第 1 の絞り 1 1 4 は、 図 5 に示すよ う に瞳の縁 部 （中心部か ら一定距離 h離間した位置） に配置されている。 このよ う にする と、 被検体 1 0 1 の凹凸によって、 P S D 1 1 6 に入射するスポッ 卜の位置は三角測量の原理に基づいて 所望の方向に移動する。
そして、 この第 1 の絞り 1 1 4 と、 分割受光素子 1 2 5 に 対向する第 2 の絞り 1 2 4 は、 共役な位置に設け られている。 このよ う にする こ とによって、 分割受光素子 1 2 5 上に投影 される光束は、 P S D 1 1 6 上に投影される光束と対物瞳面 1 0 3 ' の同一部分を通過した光束になる。
次に、 このよ う に構成した実施形態の動作を説明する。
まず、 リ ング状照明 1 3 1 よ り対物 レンズ 1 0 3 周囲か ら 被検体 1 0 1 に向けて照明光が発せられる場合、 被検体 1 0 1 で反射した光は、 喑視野像と して対物レンズ 1 0 3 を通つ てダイ ク ロ イ ツ ク ミ ラ ー 1 3 4 で反射 し 、 さ ら にハ一 フ ミ ラー 1 3 6 で反射し、 結像レンズ 1 3 5 を透過して、 こ の結 像レンズ 1 3 5 の集光位置に配置したライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 で撮像される。 そして、 このライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 で撮像された暗視野画像は、 輝度画像情報と して制御装置 1 2 1 の位置演算部 1 3 9 に入力され、 位置演算部 1 3 9 によ り被検体 1 0 1 の位置が算出されるなど して位置測定が行わ れる。
次に、 光源 1 3 7 よ り 照明光が発せられる場合、 こ の光は、 ハーフ ミ ラー 1 3 6 、 結像レンズ 1 3 5 、 ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラ一 1 3 4 および対物レンズ 1 0 3 を通って被検体 1 0 1 に 向けて照射される。 する と、 今度は、 被検体 1 0 1 で反射し た光は、 明視野像と して対物 レンズ 1 0 3 を通っ てダイ ク 口 イ ツ ク ミ ラー 1 3 4 で反射し、 さ ら にハーフ ミ ラー 1 3 6 で 反射し、 結像レンズ 1 3 5 を透過して、 この結像レンズ 1 3 5 の集光位置に配置したライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 で撮像さ れる。 そして、 このライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 で撮像された 明視野画像は、 輝度画像情報と して制御装置 1 2 1 に入力さ れ、 被検体 1 0 1 の各種欠陥に対応した最適なアルゴリ ズム が選択され欠陥検出が行われる。
このよ う にすれば、 これら リ ング状照明 1 3 1 および光源 1 3 7 を選択的に点灯し、 被検体 1 0 1 の暗視野画像または 明視野画像の輝度画像情報を制御装置 1 2 1 に入力する こ と によ り 、 被検体 1 0 1 の位置測定や各種欠陥の検査精度を高 め、 誤検出を低減できる。 また、 これら リ ング状照明 1 3 1 および光源 1 3 7 を同時に点灯し、 被検体 1 0 1 の暗視野画 像および明視野画像を重ね合わせた輝度画像情報を制御装置 1 2 1 に入力する こ とによつても、 こ の時の輝度画像情報の 様々なアルゴリ ズム処理によ り被検体 1 0 1 の各種測定を行 う こ とができる。
次に、 レーザダイ オー ド 1 0 5 か ら レーザ光が発せられる と、 レーザ光は、 コ リ メー ト レンズ 1 0 6 、 偏光ビームス プ リ ツ 夕 1 0 7 、 1 4波長板 1 0 8 を介してガルバノ ミ ラ一 1 0 4 に入射され、 ガルバノ ミ ラー 1 0 4 での反射光が測定 光と してダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー 1 3 4 、 対物レンズ 1 0 3 を 通して被検体 1 0 1 面に集光される。 また、 被検体 1 0 1 面 で反射された測定光は、 対物レンズ 1 0 3 およびダイ ク ロイ ッ ク ミ ラ一 1 3 4 を通過し、 ガルバノ ミ ラー 1 0 4 で反射さ れ、 1 4波長板 1 0 8 を通して偏光ビームス プリ ツ 夕 1 0 7 で反射され、 第 1 の結像レンズ 1 0 9 によって一次像面 1 1 0 に集光される。 また、 一次像面 1 1 0 を通過した光束は 瞳 リ レ一 レンズ 1 1 2 を通過し、 ノヽ一フ ミ ラ一面 1 1 3 a を 有する プリ ズム 1 1 3 に入射され、 ハーフ ミ ラー面 1 1 3 a で反射した光束 L 1 は、 ミ ラ一 1 1 3 、 第 1 の絞 り 1 1 4 を 経て、 セノ \° レ一夕 レンズ 1 1 5 を介して P S D 1 1 6 上に集 光される。
そして、 この P S D 1 1 6 力、 らの出力は、 被検体 1 0 1 の 明視野画像の輝度情報と して制御装置 1 2 1 に入力される と と もに、 高さ演算部 1 2 2 に入力される。
制御装置 1 2 1 では、 被検体 1 0 1 の明視野画像の輝度情 報に基づいて被検体 1 0 1 にかかる各種検査を実行し、 また 高さ演算部 1 2 2 によ り ガルバノ ミ ラー 1 0 4 の揺動角度に 応じた被検体 1 0 1 面での測定位置座標 x 、 y と、 P S D 1 1 6 か ら得られたスポッ ト位置信号と に基づいて、 被検体 1 0 1 表面での高さ z を演算する。
なお、 このよ う な高さ測定は、 単独に行っても、 上述した 被検体 1 0 1 の暗視野画像や明視野画像の輝度画像情報の取 得と同時に行う よ う に してもよい。
次に、 高さ演算部 1 2 2 での動作を詳し く 説明する。
まず、 高さ演算部 1 2 2 による高さ演算の原理及びその具 体的方法について詳し く 説明する。
図 4 は図 1 の一次像面 1 1 0 か ら後の部分のみを示したも のであ り 、 一次像面 1 1 0 の被検体像を新たに被検体面 1 0 1 ' と して考えている。
システムパラメ一夕 と して、 瞳リ レーレンズ （第 2 の対物 レンズ） 1 1 2 の焦点距離を f P 、 セパ レー夕 レンズ 1 1 5 の焦点距離を f s 、 一次像の結像倍率を M、 光軸か らセパ レー夕 レンズ 1 1 5 の中心までの高さ を h 、 瞳リ レー レンズ 1 1 2 とセパレ一夕 レンズ 1 1 5 の距離を D、 第 1 の結像レ ンズ 1 0 9 の N Aを N A OB とする。
一次像のデフ ォーカス量 （高さ） z ' は被検体の高さ を z とする と Z M 2 であ り 、 P S D 1 1 6 には中心力 ら （5 の位置 に光スポ ッ 卜が形成される。 この時 δ は、 図か ら、
δ = f s · t a n a … 、 1 ) t a n α = h / ( b — D ) … （ 2 ) となる。 したがつて、 次式が導かれる。
δ = f s - h / ( b - D ) … （ 3 ) h = f P · N A QB/ P … （ 4 ) こ こで、 P は、 図 3 に示すよ う に、 結像レンズ 1 0 9 の瞳 上で算出 した絞り 中心と瞳の半径の比 P = Φ hである。
次に、 b を計算する と、
b = ( 1 / f p ) - ( 1 / ( f p + M 2 z ) )
… （ 5 )
であるか ら、
b = f p ( f + M2z ) M 2z "- ( 6 ) となる。 これらの式をま とめる と、
δ - f s - ( f p N A OB M / P ) · Ζ · { 1 / { ί
Ρ ( f Ρ + Μ 2Ζ ) - D M 2z ) } ·'· ( 7 )
となる。 さ ら に、 前述 したよ う に、 セパ レー夕 レンズ 1 1 5 と瞳リ レ一レンズ 1 1 2 の距離 Dは f p なので、
δ = ( f s / f p ) · ( N A OB / P ) · Z
… （ 8 )
とな り 、 6 と Z は完全に線形の関係となる。
実際の測定量は である。 したがって、 式 （ 8 ) を変形し Ζ = { f D P / ( f s N A 0BM ) } · (5 … （ 9 ) となる。
次に、 このよ う な原理に基づいて被検体 1 0 1 の高さ Z を 具体的に算出するために、 前記制御装置 1 2 1 に設け られた 高さ演算部 1 2 2 は、 前記 P S D 1 1 6 か らスポ ッ ト位置信 号 δ を受け取る。 そ して、 この高さ演算部 1 2 2 は、 このス ポッ ト位置信号 （5 、 前記システムパラメ一夕 f 、 β 、 0 及び 前記ミ ラー駆動部 1 2 0 か ら順次入力される測定位置情報 X 、 y とを用 い、 各測定位置の高さ Z を連続的に出力する。
これによれば、 各光学系や被検体 1 0 1 を上下させなく と も、 広い測定エ リ ア と広いダイ ナミ ッ ク レンジを持った高さ 測定を、 極めて高速に行う こ とができる。
従って、 このよ う にすれば、 レ一ザダイ オー ド 1 0 5 か ら 測定光による三角測量の原理に基づいた被検体 1 0 1 表面の 高さ測定を高速に行う こ とができる と と もに、 リ ング状照明 1 3 1 および光源 1 3 7 によ り 、 被検体 1 0 1 の暗視野画像 または明視野画像をライ ンセンサカメ ラ 1 3 8 で撮像し、 そ れぞれの輝度画像情報を取得する こ とによ り 、 欠陥に対応し た最適な条件で被検体 1 0 1 の位置測定や欠陥検査などを行 う こ と もできるので、 これら高さ測定や位置測定などの各種 の測定を精度よ く 、 しかも短時間で効率よ く 行う こ とができ る。 また、 暗視野画像または明視野画像な どの二次元画像情 報を得る二次元測定手段と三角測量などによる三次元測定手 段 （少な く と も高さ を測定する測定手段） を同一対物レンズ 1 0 3 によ り取 り込むこ とによ り 、 被検体 1 0 1 を動かすこ とな く 複数の測定手段を実行する こ とができるため、 測定手 段の切換えには被検体 1 0 1 の位置ずれが生じる こ とがな く 、 作業者にかかる負担を大幅に軽減する こ とができる と と もに、 面倒な調整機構も無く すこ とができ る。
また、 上記実施形態では、 レーザ光を発生する レーザダイ オー ド 1 0 5 の前面に レーザ光に対しほぼ直交に、 且つ回転 可能に 1 2 波長板 3 を配置し、 制御装置 1 2 1 の制御信号 によ り 設定される回転角度だけ 1 3 によ り 1 / 2 波長 板 3 を回転させ、 この時の回転角度に応じて レーザ光の透過 量を設定するよ う に したので、 従来の レーザダイ オー ドの電 源電圧を可変する もの と比べ、 レーザ光の波長に変動を生じ るよ う な こ とがな く 、 良質な画像の取 り込みが可能とな り 、 また、 従来の従来の N D フ ィ ル夕 を用いたもの と比べても、 レーザ光の断面の各所において光量にバラツキを生じるよ う なこ とがな く 、 均一な光量の レ一ザ光を連続的に得る こ とが でき、 安定した レーザ光の調光制御を実現できる
産業上の利用可能性
以上述べたよ う に本発明によれば、 精度の高い各種の測定 を短時間で行う こ とができる と と もに、 作業者にかかる負担 を軽減する こ とのできる測定装置が提供される。 また、 被検 体の測定箇所や測定条件が変わつても常に最適な明るさ の画 像を安定して取 り込むこ とのできる測定装置が提供される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . レーザ光源 （ 1 0 5 ) か ら の レーザ光によ り被検体上 を走査して該被検体か ら の反射光か ら少なく と も高さ情報を 得る第 1 の測定手段と、
照明光源 （ 1 3 7 又は 1 3 3 ) か らの照明光を被検体上に 照射して該被検体か らの反射光または散乱光か ら二次元情報 を得る第 2 の測定手段と、
前記第 1 の測定手段における レーザ光と前記第 2 の測定手 段における照明光とが重なる光路中に設け られる対物レンズ ( 1 0 3 ) と
を具備した こ とを特徴とする測定装置。
2 . 前記第 2 の測定手段によ り得られる二次元情報は、 前 記被検体の暗視野画像および明視野画像の少なく と も一方の 輝度画像情報を含むこ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載 の測定装置。
3 . 前記第 2 の測定手段によ り得られる二次元情報は、 前 記被検体の暗視野画像の輝度画像情報及び明視野画像の輝度 画像情報の両方を含むこ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記 載の測定装置。
4 . 前記被検体か らの反射光または散乱光を前記第 1 の測 定手段側と前記第 2 の測定手段側とに分離するダイ ク ロイ ッ ク ミ ラー （ 1 3 4 ) を更に具備したこ とを特徴とする請求の 範囲第 1 項記載の測定装置。
5 . 前記ダイ ク ロイ ツ ク ミ ラー （ 1 3 4 ) の面は、 前記対 物 レンズ （ 1 0 3 ) の光軸に直交する面に対して、 4 5 ° よ り 小さな角度に設定される こ とを特徴とする請求の範囲第 4 項記載の測定装置。
6 . 前記第 1 の測定手段は、 レーザ光を反射する と と も に 揺動して前記被検体上を走査する反射ミ ラ一 （ 1 0 4 ) を有 する こ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の測定装置。
7 . 前記第 2 の測定手段は、 前記被検体の暗視野像または 明視野像を撮像する ライ ンセ ンサカメ ラ （ 1 3 8 ) を有する こ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の測定装置。
8 . 前記照明光源は、 落射照明光源 （ 1 3 7 ) を有する こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項記載の測定装置。
9 . 前記第 2 の測定手段は、 暗視野画像用の照明光を発す る光源 （ 1 3 3 ) と、 こ の光源か らの照明光を単波長に変換 する フ ィ ル夕 （ 1 4 0 ) とを有する こ とを特徴とする請求の 範囲第 1 項記載の測定装置。
1 0 . 前記第 1 の測定手段は、 前記被検体の二次元情報を も得る こ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の測定装置。
1 1 . 前記照明光の反射光の光量を検出する手段 （ 2 0 3 ) と、 検出された光量に応じて前記照明光を制御する手段 （ 1 2 1 ) と を更に具備した こ とを特徴とする請求の範囲第 1 項記載の測定装置。
1 2 . 前記レーザ光の光路中に設け られ回転可能に配置さ れた波長板 （ 3 ) を更に具備したこ とを特徴とする請求の範 囲第 1 項記載の測定装置。
1 3 . 前記波長板を回転駆動する と と もに、 前記レーザ光 に対する回転角度を決定する回転駆動手段 （ 1 3 ) を更に具 備したこ と を特徴とする請求の範囲第 1 2 項記載の測定装置。
1 4 . 前記レーザ光の反射光の光量を検出する手段 （ 1 2 5 ) と、 検出された光量に応じて前記回転駆動手段を駆動す る こ と によ り 前記レーザ光を制御する手段 （ 1 2 1 ) とを更 に具備した こ と を特徴とする請求の範囲第 1 3 項記載の測定 装置。
1 5 . 前記波長板 （ 3 ) は、 前記レーザ光源 （ 1 0 5 ) か らの レーザ光を反射した分の光が該レーザ光源に当た らない よ う な角度に設定されている こ とを特徴とする請求の範囲第 1 2 項記載の測定装置。
1 6 . 前記波長板 （ 3 ) は、 1 2 波長板か らなる こ と を 特徴とする請求項 1 2 記載の測定装置。
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