| 【発明の名称】 |
高さ測定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】西村 重雄
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| 【要約】 |
【課題】測定対象物の表面が鏡面状でその主反射成分しか得られないような場合であっても、高精度にその高さ測定を行い得る高さ測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象物１１に斜め方向からスリット光１３を照射する光源１２と、測定対象物によるスリット光の主反射方向に設けられて、テレセントリック系レンズ１５を介して測定対象物を視野してスリット光の反射光像を撮像するイメージセンサ１４と、このイメージセンサにより撮像された前記スリット光の反射光像から測定対象物表面の高さを求める画像処理手段とを備える。更にスリット光の主反射方向に設けたハーフミラー１６を介してその反射光像を分割し、この反射光像をテレセントリック系レンズを介してそれぞれ視野してスリット光の反射光像を撮像する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高さ測定対象部位に斜め方向からスリット光を照射する光源と、前記高さ測定対象部位による前記スリット光の主反射方向に設けられ、テレセントリック系レンズを介して前記高さ測定対象部位を視野して前記スリット光の反射光像を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサにより撮像された前記スリット光の反射光像から前記高さ測定対象部位の高さを求める画像処理手段とを具備したことを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】 高さ測定対象部位に斜め方向からスリット光を照射する光源と、前記高さ測定対象部位による前記スリット光の反射方向に設けられて該スリット光の反射光像を透過すると共に、その透過方向とは異なる向きに反射するハーフミラーと、このハーフミラーの前記反射光像の射出方向にそれぞれテレセントリック系レンズを介して設けられ、前記高さ測定対象部位の互いに異なる領域を視野して該ハーフミラーを透過した前記反射光像および該ハーフミラーにより反射された反射光像をそれぞれ撮像する複数のイメージセンサと、これらのイメージセンサによりそれぞれ撮像された前記スリット光の反射光像から前記高さ測定対象部位の高さを求める画像処理手段とを具備したことを特徴とする高さ測定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光切断法により測定対象部位の高さを光学的に測定する高さ測定装置に係り、特に測定対象部位の表面粗度が極め細かく、散乱光が殆ど生じない場合であっても高精度にその高さ測定を行い得る高さ測定装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】測定対象物の高さを光学的に測定する手法の１つに光切断法がある。この光切断法は、例えば図３に示すように測定対象物１に対して光源２からスリット光３を照射し、このスリット光３の照射方向とは異なる角度から前記測定対象物１を視野することで該測定対象物１上におけるスリット光３の照射ライン４を求め、三角測量法に原理に従ってその高さを計測するものである。具体的にはカメラ５により上記スリット光３の照射ライン４を撮像し、画像処理によってその高さの計測が行われる。尚、図中６はカメラ５により撮像された測定対象物１上のスリット光３の像を示しており、７はカメラ５のレンズである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで半導体ウェハやチップ等のようにその表面粗度が極め細かく、鏡面状の表面を有するような場合、スリット光を照射しても殆ど散乱光が生じることがなく、専ら、スリット光の照射角度に対応する反射方向への主反射成分だけが生じる。この為、単に上記スリット光の照射方向とは異なる方向から測定対象物を視野してもスリット光の反射光像を得ることは困難である。
【０００４】即ち、図４(ａ)に示すように測定対象物１に対して直角方向からスリット光３を照射しても、その反射光は光源２の方向に戻るだけであり、スリット光３の照射部位を斜め方向からカメラ５により視野しても、散乱光成分が殆どないのでその反射光像を撮像することは困難である。また図４(ｂ)に示すようにスリット光３を斜め方向から照射し、その反射方向に設けたカメラ５にてスリット光３の照射部位を視野しても、カメラ５の撮像光軸から離れた部位での主反射成分は、図中Ａにその反射方向を示すようにカメラ５に向かうことがなく、また当該部位での散乱光成分が殆どないので、カメラ５の撮像光軸から離れた部位での反射光像を撮像することはできない。つまりスリット光３の測定対象物１１による反射光の内、カメラ５の撮像光軸の近傍における主反射成分だけがカメラ５に入力するので、測定対象物１１に照射されたスリット光３の照射ライン４の全てを撮像することはできない。
【０００５】本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、測定対象物の表面が鏡面状であり、殆どその主反射成分しか得られないような場合であっても、高精度にその高さ測定を行い得る高さ測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成するべく本発明に係る高さ測定装置は、請求項１に記載するように、高さ測定対象部位（測定対象物）に斜め方向からスリット光を照射する光源と、前記高さ測定対象部位による前記スリット光の主反射方向に設けられて、テレセントリック系レンズを介して前記高さ測定対象部位を視野して前記スリット光の反射光像を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサにより撮像された前記スリット光の反射光像から前記高さ測定対象部位の高さを求める画像処理手段とを備えることを特徴としている。
【０００７】また或いは請求項２に記載するように、高さ測定対象部位（測定対象物）に斜め方向からスリット光を照射する光源と、前記高さ測定対象部位による前記スリット光の反射方向に設けられて該スリット光の反射光像を透過すると共に、その透過方向とは異なる向きに反射するハーフミラーと、このハーフミラーの前記反射光像の射出方向にそれぞれテレセントリック系レンズを介して設けられ、前記高さ測定対象部位の互いに異なる領域を視野して該ハーフミラーを透過した前記反射光像および該ハーフミラーにより反射された反射光像をそれぞれ撮像する複数のイメージセンサと、これらのイメージセンサによりそれぞれ撮像された前記スリット光の反射光像から前記高さ測定対象部位の高さを求める画像処理手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】即ち、本発明に係る高さ測定装置は、測定対象物により反射されたスリット光の主反射成分の向きと平行に、テレセントリック系レンズを介して上記測定対象物を視野することにより、前記測定対象物による前記スリット光の反射光像をイメージセンサにより確実に撮像するようにし、これによってその反射光像から測定対象物の高さを高精度に計測し得るようにしたことを特徴としている。
【０００９】またハーフミラーを介して反射光像を分割した上で、これらの分割された反射光像の互いに異なる領域をテレセントリック系レンズを介して複数のイメージセンサによりそれぞれ視野することで、スリット光による測定対象物の照射ラインの全て情報を得ることを特徴としている。この場合、各イメージセンサによりそれぞれ視野する互いに異なる領域の一部が互いに重なるように設定することが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る高さ測定装置について説明する。この高さ測定装置は、基本的には光切断法を用いて測定対象物１１の高さを光学的に測定するものであるが、特に半導体ウェハやチップ等の、その表面粗度が極めて細かい鏡面状の表面を有する測定対象物１１の高さを測定するに好適な構成を有する。
【００１１】図１はこの実施形態に係る高さ測定装置の要部概略構成、およびその光学的な位置関係を示す側面図であり、図２はこの高さ測定装置を構成する各部の平面的な配置構成を示す図である。この高さ測定装置は、概略的には測定対象物１１の表面（高さ測定部位）に斜め方向からスリット光１３を照射する光源１２と、このスリット光１３の前記測定対象物１１による主反射方向に設けられて、該測定対象物１１のスリット光１３の照射部位を視野して、その反射光像（スリットライン１３ａ）を撮像する複数のイメージセンサ１４とを備えて構成される。特に各イメージセンサ１４は、その撮像レンズとしてテレセントリック系レンズ１５をそれぞれ備えてなり、その撮像光軸を前記スリット光１３の主反射方向に一致させている。そして各イメージセンサ１４はその撮像光軸と平行で、且つ該テレセントリック系レンズ１５の有効レンズ径により規定される所定範囲の領域だけを視野することで、前記測定対象物１１によるスリット光１３の反射光像をそれぞれ部分的に撮像するように設けられている。
【００１２】またこの装置においては、前記スリット光１３の主反射方向にハーフミラー１６が設けられており、テレセントリック系レンズ１５をそれぞれ備えた複数のイメージセンサ１４（１４ａ,１４ｂ,１４ｃ,１４ｄ）は上記ハーフミラー１６を介して、該ハーフミラー１６の透過光および反射光の各射出方向から前記測定対象物１１をそれぞれ視野するように設けられている。特に複数のイメージセンサ１４は、図２に示すように測定対象物１１のスリット光１３の照射部位（スリットライン１３ａ）の互いに異なる領域Ｄａ,Ｄｂ,Ｄｃ,Ｄｄを、その一部を互いに重ね合わせながらそれぞれ視野して、その反射光像を測定対象物１１の全幅に亘って撮像するように設けられている。尚、イメージセンサ１４の数は、各イメージセンサ１４がそれぞれ視野する領域Ｄの幅と、測定対象物１１の幅とに応じて定められる。
【００１３】即ち、レーザ装置等からなる光源１２は、例えば測定対象物１１の全幅をカバーする幅の、所謂カーテン状のスリット光１３を上記測定対象物１１に対して斜め方向から照射することで、図２に示すように該測定対象物１１の表面にスリットライン１３ａを光学的に形成する役割を担う。尚、この光源１２は、微小径のスポット光を所定の幅に亘って走査することで、等価的にスリット光１３を得るものであっても良い。
【００１４】しかして上記スリット光１３は、この例においては測定対象物１１の表面が、表面粗度の細かい鏡面状をなすことから、散乱光を殆ど生じることなくその主反射方向にだけ強く反射される。このようなスリット光１３の主反射方向に設けられたハーフミラー１６は、該スリット光１３の反射光像を上記主反射方向に透過すると共に、この透過方向とは異なる向き（例えば主反射方向に対して直交する方向）に反射するものである。従って上記反射光像はハーフミラー１６を介することにより、透過光成分および反射光成分としてその進行方向を異にする２つの像に分割される。この場合、上記透過光成分および反射光成分の各光量は、理想的には測定対象物１１にて反射されたスリット光１３の１／２となる。
【００１５】前述した複数のイメージセンサ１４（１４ａ,１４ｂ,１４ｃ,１４ｄ）は、このようなハーフミラー１６を挟むように、その透過光および反射光の各射出面に交互に対向させて設けられ、テレセントリック系レンズ１５を介して前記測定対象物１１のスリット光１３の照射部位の、互いに異なる領域をそれぞれ視野するように設けらる。そしてマイクロコンピュータ等を主体として構成される画像処理手段（図示せず）にて、上記各イメージセンサ１４にて撮像された前記スリット光１３の反射光像を画像処理し、スリット光像の結像位置の位置変化と、測定対象物１１とイメージセンサ１４の撮像光軸との角度（主反射成分の反射角度）とに基づいて、所定の演算処理を施してその表面高さを測定する。
【００１６】かくしてこのような光学系をなして構成された本装置によれば、複数のイメージセンサ１４は、測定対象物１１にて反射されたスリット光１３の反射光像を、その主反射方向においてテレセントリック系レンズ１５を介してそれぞれ視野するので、その反射光像を確実に撮像することが可能となる。即ち、測定対象物１１の表面が鏡面状であり、その殆どが主反射方向に反射して散乱光が殆ど生じない場合であっても、その反射光を確実に検出し、測定対象物１１の表面におけるスリット光１３の照射ライン（スリットライン）を撮像することができる。この結果、測定対象物１１が半導体ウェハ等の鏡面をなすような場合であっても、その高さ（凹凸）を確実に測定することが可能となる。しかもテレセントリック系レンズ１５を介して測定対象物１１の表面を視野してスリット光１３の照射ライン（スリットライン）を撮像しているので、その像に多少のボケが生じても、その像の大きさ自体は変わることがないので、常に安定に画像を入力しながら高さ測定を高精度に実行し得る等の効果が奏せられる。
【００１７】また本装置によれば、ハーフミラー１６を介して分割された反射光像を、該ハーフミラー１６の透過光射出面および反射光射出面にそれぞれテレセントリック系レンズ１５を介して交互に対向させた複数のイメージセンサ１４にて、その視野領域の一部を互いに重ね合わせながら撮像するので、テレセントリック系レンズ１５を介して撮像可能な測定対象物１１の視野領域がイメージセンサ１４の大きさ（筐体幅）よりも狭い場合であっても、測定対象物１１の表面におけるスリット光１３の照射ラインの全体を、途切れなく撮像することができる等の効果も奏せられる。
【００１８】ちなみに上述したようにテレセントリック系レンズ１５を介して測定対象物１１を視野する構成であれば、測定対象物１１にて散乱光が生じる場合には、仮にイメージセンサ１４をその主反射方向に設けなくても、その散乱光によって示される照射ライン（スリットライン）を精度良く撮像することができるので、上述した実施形態と同様な効果が奏せられる。
【００１９】尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばテレセントリック系レンズ１５を介して撮像する測定対象物１１の上の視野領域は、該テレセントリック系レンズ１５の仕様（実効レンズ径）に応じて定めれられるものであり、従って測定対象物１１の大きさ（幅）に応じた数のイメージセンサ１４を準備して、その反射光像を撮像するようにすればよい。またハーフミラー１６を多段に設けることで、反射光像を３分割、更には４分割してスリット光１３の反射光像をそれぞれ検出することも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、測定対象物に対して斜め方向から照射されたスリット光の反射光像を、その主反射方向に設けられたイメージセンサにてテレセントリック系レンズを介して視野して撮像して測定対象物の高さを測定するので、測定対象物が鏡面状の表面を有し、散乱光を殆ど生じることなくその主反射方向にのみ反射するような場合であっても、その反射光像を確実に撮像することができる。しかもテレセントリック系レンズの特性を活かして、その像の大きさ正確に検出して高さ測定を行うことができ、その測定精度の向上を図ることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３９６８７
【氏名又は名称】株式会社安永
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| 【出願日】 |
平成１２年１月１４日（２０００．１．１４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９００２２
【弁理士】
【氏名又は名称】長門 侃二
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１９４１１６（Ｐ２００１−１９４１１６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月１９日（２００１．７．１９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−６７８０（Ｐ２０００−６７８０） |
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