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JP2003161890A - 形状観察装置 - Google Patents

形状観察装置

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Publication number
JP2003161890A
JP2003161890A JP2001364359A JP2001364359A JP2003161890A JP 2003161890 A JP2003161890 A JP 2003161890A JP 2001364359 A JP2001364359 A JP 2001364359A JP 2001364359 A JP2001364359 A JP 2001364359A JP 2003161890 A JP2003161890 A JP 2003161890A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
image
light
optical system
observed
shape observation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001364359A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazuhiro Aoyama
和弘 青山
Toru Ariga
亨 有賀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2001364359A priority Critical patent/JP2003161890A/ja
Publication of JP2003161890A publication Critical patent/JP2003161890A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 SPMや微分干渉顕微鏡などの高価な装置や
光学部品を用い複雑な構成にしなくても、単純かつ安価
な光学系でミクロンスケールの微細形状を観察する。 【解決手段】 光源からの白色光を光学系の対物レンズ
外部に配置されたミラーに照射し、そこで反射された光
を光学系に入射させる。これにより、微小な凹凸形状も
コントラストを強調した画像が得られ、微分干渉顕微鏡
で観察される画像と同様の画像が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は形状観察装置に関
し、特に半導体や液晶パネルのミクロンスケールの形状
観察や微細加工部のプロセス中のモニタリング、インク
ジェットプリンタや電子デバイス等の微細な部品の三次
元形状を非接触で観察できる形状観察装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、微細な形状の測定や観察には、走
査型プローブ顕微鏡(SPM)の一種である原子間力顕
微鏡(AFM)や共焦点レーザー顕微鏡および微分干渉
顕微鏡などが用いられている。
【0003】AFMは、長さ100〜200μm程度の
小さなテコを用いて、試料表面の凹凸を試料とテコの先
端間に働く力の変化に伴うテコの変化量として測定する
装置であり、絶縁体の測定も可能である。
【0004】テコの変形には、垂直変位、たわみ、ねじ
れなどがあり変位検出方法により測定量が異なる。一般
的には、テコの変形をテコの背面に斜めから入射する光
の反射角変化として測定する光テコ方式の変位検出方法
が用いられている。測定により得られた変位量はデータ
処理し、画像化される。
【0005】プローブにおいては、ICチップを作製す
る時のプロセス技術を応用し作製されている。
【0006】AFMの測定精度は、原理上、原子分解能
に達するが広範なエリアの測定が出来ないことや測定に
時間がかかるなどの問題がある。また、表面凹凸の高さ
が数ミクロン以上ある場合、プローブの形状の制約によ
り段差に追従できず測定が不可能になってしまう。
【0007】さらに、先端を加工した専用のプローブや
高精度の検出機構などが必要であり、これらを制御して
観察画像を得るには高価な装置が必要となってしまう。
【0008】次に共焦点レーザー顕微鏡の構成を図2に
示す。共焦点レーザー顕微鏡の基本構成としては、レー
ザー発振器、ピンホール、照射系コンデンサ、対物レン
ズ、ガルバノミラー、光路分割を行うミラー、フィルタ
ー、結像点のピンホールおよび結像した光を測定する光
電子倍増管(フォトマル)である。
【0009】具体的には、点光源(レーザー)は対物レ
ンズによって回折限界まで集光されて被観察物体を照明
する。被観察物体からの反射光は共焦点開口(ピンホー
ル)に結像する光のみがフォトマルに達し、光電変換さ
れて光強度データとなるのでデフォーカス情報は排除さ
れる。共焦点レーザー顕微鏡では、上記のように点光源
とフォトマルの各点を対応させるために被観察物体上の
各点の情報のみが得られるので、二次元の情報を得るた
めには被観察物体上を走査する必要がある。結果とし
て、共焦点レーザー顕微鏡は深さ方向の分解能が存在す
るので、光学的切片による三次元観察が可能となる。さ
らに、観察がフォトマルによる光の検出であるので、そ
のまま測定データを定量的に扱うことができる。
【0010】但し、共焦点レーザー顕微鏡においては、
レーザーやフォトマルが用いられ、各部品を高精度に組
み立てる必要があり高価な装置になってしまう。
【0011】次に従来使用されている微分干渉顕微鏡の
構成を図3に示す。光学系においては、光源から照射さ
れた照明光を対物レンズに導入するため、光学系内部に
ハーフミラーとノマルスキープリズムが配置されてい
る。
【0012】具体的には、光源から照射された照明光が
コンデンサレンズ、偏光板を通り直線偏光の光に変換さ
れハーフミラーに入射される。入射された直線偏光の光
は反射され、ノマルスキープリズムに導入され、一定距
離(シェア量)だけ分離され振動方向が互いに垂直な二
つの直線偏光に分離される。この二つの直線偏光が対物
レンズの後側焦点位置で交差し、対物レンズを介して被
観察物体に平行に入射する。
【0013】被観察物体で反射した光は、対物レンズを
通過しノマルスキープリズムに入射され、二つの光を再
び一つの光に合成する。この光を検光子に通すことによ
り被観察物体上でシェア量だけ離れた段差や勾配が干渉
像となって形成される。干渉像は段差や勾配に応じてコ
ントラストが強調された画像を得ることができる。
【0014】微分干渉顕微鏡においては、ノマルスキー
プリズム、偏光板などの光学部品が必要で、各部品の位
置関係を高精度に組み立てる必要がある。また、一般的
な微分干渉顕微鏡では、作動距離を長くとることが難し
いために、例えば微細加工部品の加工プロセスをインラ
インでその場観察することは難しい。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体や液晶パ
ネル、さらにインクジェットプリンタや各種電子デバイ
ス等の技術開発が進み、ミクロンスケールの微細構造の
観察やパーティクルによる欠陥の解析のために形状観察
装置が求められている。また、歩留り向上のために微細
加工部のプロセスをモニタリングするなどミクロンスケ
ールの形状をその場で観察する必要性が生じてきてい
る。
【0016】ところが従来使用している原子間力顕微鏡
(AFM)や共焦点レーザー顕微鏡、微分干渉顕微鏡に
おいては、装置が高価であったり、限定された条件のみ
でしか観察できないといった欠点があった。
【0017】本発明は、上記の問題点を鑑みたもので、
高価な装置や光学部品を用い複雑な装置構成にしなくて
も良好に観察でき、作動距離が長いことからプロセス中
のインラインでの観察も可能である。さらにこの光学系
を用いると、微小な凹凸もコントラストが強調された画
像を得ることが可能で、微分干渉顕微鏡で得られる画像
と同様の画像が得られ、単純かつ安価な光学系でミクロ
ンスケールの微細形状を観察できる。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点
を解決するために、照明用の光源、照明光を反射するミ
ラー、対物レンズを配置している光学系、画像入力のた
めの撮像素子、画像を処理するための制御装置を配置し
ている観察装置であり、光源からの照明光を光学系外部
に配置されたミラーに照射し、そこで反射された光を光
学系に入射することを特徴とする。これにより、安価で
単純な装置構成でも微小な凹凸形状のコントラストを強
調した画像を得ることが可能で、微分干渉顕微鏡で得ら
れる画像と同様の画像を得ることが可能になる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて詳細に説明する。
【0020】図1は、本発明の実施の形態に係わる観察
装置の構成図である。
【0021】本観察装置は、光学系と画像入力・画像処
理系から構成されている。
【0022】光学系は、照明光として白色光を照射する
光源、光源からの照明光を反射するミラー、ズームレン
ズまたは固定焦点レンズを有する。画像入力・処理系
は、観察画像を撮像するためのCCDカメラ、CCDカ
メラからの画像データを入力するための変換ボード、画
像を処理するためのパーソナルコンピュータである。
【0023】具体的には、ズーム光学系の対物レンズ外
部に光源からの照明光を反射するミラーを配置する。光
源には白色光が用いられる。特定波長の光を用いる際に
は、光源から照射された白色光を光源と反射ミラーの間
に波長を選択するための偏光板を配置しても構わない。
【0024】ミラーには高反射率を得るためにガラスの
研磨面に高反射率の金属(アルミニウムなど)薄膜を蒸
着したものを用いる。
【0025】ミラーの位置は照明光を反射した後、反射
光が光学系に入射されるように調整がなされる。
【0026】ミラーで反射された照明光は、ズームレン
ズや固定焦点レンズに入射され被観察物体を観察する。
【0027】観察された画像は、光学系上部に配置され
たCCDカメラで撮像される。CCDカメラからの画像
は、画像変換ボードに入力され、パーソナルコンピュー
タ等の画像処理装置へ送られ画像化される。得られた画
像から種々の画像処理技術を用いて特徴を抽出すること
により被観察物体の位置、寸法、形状、変位等の計測を
行う。
【0028】
【実施例】以下に本発明の実施例を示す。
【0029】(実施例1)図1は本実施例を示す形状観
察装置の構成図である。
【0030】具体的には、光学系として、エドモンドサ
イエンティフィックジャパン(株)製ビデオレンズ(V
ZM1000:レンズ倍率2.5〜10倍、作動距離3
5mm)を用いた。照明光を反射するミラーは直角プリ
ズムの斜面にアルミニウムを蒸着したものを用い、ビデ
オレンズの対物レンズ外部に配置した。照明光の光源と
しては、(株)モリテックス製ハロゲン光源MHF−1
50Lを用い、ライトガイドを通して照明光をミラーに
照射した。ミラーで反射された照明光がビデオレンズに
入射されるようにミラーの位置を調整した。ビデオレン
ズ上部に配置した撮像素子として、ソニー(株)製カラ
ーCCDカメラXC−33(1/4インチCCDカメラ
ヘッド)を用いた。CCDカメラにより撮像された画像
は、画像変換ボートを通して入力され、画像データとし
てパーソナルコンピュータに取り込まれ、画像をモニタ
ー上に表示した。表面に形成された高さ0.1μm、幅
8μmの凹凸形状を観察したところ、凹凸形状のコント
ラストが強調された画像が認められた。同じ位置を微分
干渉顕微鏡で観察し比較したところ、同様の画像あっ
た。
【0031】(実施例2)実施例1と同様の微細な凹凸
形状を観察した。但し、装置構成として、光学系には
(株)モリテックス製固定焦点レンズ(MML8−4
0:光学倍率8倍、作動距離39.9mm)を用いた。
【0032】上記の構成で観察したところ、実施例1と
同様に高さ0.1μm、幅8μmの凹凸形状のコントラ
ストが強調された画像が観察された。この画像において
も、微分干渉顕微鏡での観察画像と同様の画像が認めら
れた。
【0033】(比較例1)実施例1と同様の装置構成で
微細な凹凸形状を観察した。但し、照明を直接観察物体
に照射した。この装置構成において観察したところ、表
面の凹凸形状は観察されなかった。
【0034】(比較例2)実施例1と同様の装置構成で
微細な凹凸形状を観察した。但し、照明光を光学系途中
から導入し、同軸落射照明とした。この装置構成で観察
したところ、表面の凹凸形状は観察されなかった。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば微
細形状を観察する際に、従来用いられていたAFM、微
分干渉顕微鏡のような複雑な構成かつ高価な装置を用い
なくとも、対物レンズの外部に配置されたミラーに光源
からの照明光を照射し、ミラーで反射された反射光を光
学系に入射するだけの単純かつ安価な構成の装置におい
て観察物体を観察することにより、微細な凹凸形状もコ
ントラストが強調された画像を得ることができる。さら
に、作動距離が長いことから、微細加工部のプロセスの
モニタリングも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における形状観察装置の装置構成図であ
る。
【図2】共焦点レーザー顕微鏡の構成図である。
【図3】落射型微分干渉顕微鏡の構成図である。
【符号の説明】
1 光源 2 反射ミラー 3 対物レンズ 4 撮像素子 5 画像入力・処理部 6 被観察物体 7 コンデンサレンズ 8 偏光板 9 ハーフミラー 10 検光子 11 ノマルスキープリズム 12 ピンホール 13 検出器(フォトマル)
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月18日(2002.11.
18)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0002
【補正方法】変更
【補正内容】
【0002】
【従来の技術】従来、微細な形状の測定や観察には、走
査型プローブ顕微鏡(SPM)の一種である原子間力顕
微鏡(AFM)や共焦点顕微鏡および微分干渉顕微鏡な
どが用いられている。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】次に共焦点顕微鏡の構成を図2に示す。共
焦点顕微鏡の基本構成としては、光源(レーザー)、ピ
ンホール、対物レンズ、光路分割を行うミラー、結像点
のピンホールおよび結像した光を測定する光電子倍増管
(フォトマル)である。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】具体的には、点光源(レーザー)は対物レ
ンズによって回折限界まで集光されて被観察物体を照明
する。被観察物体からの反射光は共焦点開口(ピンホー
ル)に結像する光のみがフォトマルに達し、光電変換さ
れて光強度データとなるのでデフォーカス情報は排除さ
れる。共焦点顕微鏡では、上記のように点光源とフォト
マルの各点を対応させるために被観察物体上の各点の情
報のみが得られるので、二次元の情報を得るためには被
観察物体上を走査する必要がある。結果として、共焦点
顕微鏡は深さ方向の分解能が存在するので、光学的切片
による三次元観察が可能となる。さらに、観察がフォト
マルによる光の検出であるので、そのまま測定データを
定量的に扱うことができる。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0010
【補正方法】変更
【補正内容】
【0010】但し、共焦点顕微鏡においては、レーザー
やフォトマルが用いられ、各部品を高精度に組み立てる
必要があり高価な装置になってしまう。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0016
【補正方法】変更
【補正内容】
【0016】ところが従来使用している原子間力顕微鏡
(AFM)や共焦点顕微鏡、微分干渉顕微鏡において
は、装置が高価であったり、限定された条件のみでしか
観察できないといった欠点があった。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における形状観察装置の装置構成図であ
る。
【図2】共焦点顕微鏡の構成図である。
【図3】落射型微分干渉顕微鏡の構成図である。
【符号の説明】 1 光源 2 反射ミラー 3 対物レンズ 4 撮像素子 5 画像入力・処理部 6 被観察物体 7 コンデンサレンズ 8 偏光板 9 ハーフミラー 10 検光子 11 ノマルスキープリズム 12 ピンホール 13 検出器(フォトマル)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA53 BB05 CC17 DD06 FF04 FF26 GG02 GG24 JJ03 JJ26 LL01 LL06 LL12 LL33 QQ31 SS02 SS13 2G051 AA51 AA73 AB20 BA20 BB11 BB17 CA04 CA06 CC09 EA12 EA17 2H052 AB05 AC04 AC09 AC26 AC27 AF14 AF21 AF25

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 照明用の光源、照明光を反射するミラ
    ー、対物レンズを配置している光学系、画像入力のため
    の撮像素子、画像を処理するための制御装置を配置して
    いる観察装置において、光源からの照明光を光学系外部
    に配置されたミラーに照射し、そこで反射された光を光
    学系に入射する構成であることを特徴とする形状観察装
    置。
  2. 【請求項2】 上記形状観察装置において、被観察物体
    を観察する光学系がズームレンズであることを特徴とす
    る請求項1記載の形状観察装置。
  3. 【請求項3】 上記形状観察装置において、被観察物体
    と対物レンズとの作動距離が10mm以上であることを
    特徴とする請求項1記載の形状観察装置。
  4. 【請求項4】 上記形状観察装置において、光源からの
    照射光が白色光であることを特徴とする請求項1記載の
    形状観察装置。
  5. 【請求項5】 上記形状観察装置において、被観察物体
    を観察する光学系が固定焦点レンズであることを特徴と
    する請求項1記載の形状観察装置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006029881A (ja) * 2004-07-14 2006-02-02 Hitachi High-Technologies Corp パターン欠陥検査方法および装置
CN101915555A (zh) * 2010-07-09 2010-12-15 上海理工大学 采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法
CN102507596A (zh) * 2011-11-18 2012-06-20 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种基于激光束主动扫描的光学元件表面疵病检测系统
CN105157625A (zh) * 2015-05-29 2015-12-16 北京航空航天大学 一种基于变焦成像透镜的光纤端面显微干涉测量系统
CN109187495A (zh) * 2018-11-13 2019-01-11 北京理工大学 飞秒激光加工参数分光瞳差动共焦Raman光谱监测方法与装置

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