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JP2009288162A - 3D measuring device - Google Patents

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JP2009288162A
JP2009288162A JP2008143029A JP2008143029A JP2009288162A JP 2009288162 A JP2009288162 A JP 2009288162A JP 2008143029 A JP2008143029 A JP 2008143029A JP 2008143029 A JP2008143029 A JP 2008143029A JP 2009288162 A JP2009288162 A JP 2009288162A
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JP
Japan
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image
pixel
camera
sample
correction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2008143029A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Nogami
大 野上
Tetsuya Ito
哲也 伊藤
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Kokusai Denki Electric Inc
Original Assignee
Hitachi Kokusai Electric Inc
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Publication date
Application filed by Hitachi Kokusai Electric Inc filed Critical Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority to JP2008143029A priority Critical patent/JP2009288162A/en
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Abstract

【課題】2次元画像生成時にZ軸真直度の機械的な誤差に基づく画素のずれを補正し、2次元画像の2点間の幅測定を正確に行える次元測定装置を提供する。
【解決手段】共焦点顕微鏡10は、Zステージ21によりZ軸方向に移動可能に設けられ、試料16に対して異なるZ位置での焦点画像を測定カメラ18で撮像し、制御ユニット20へ出力する。制御ユニット20は、Zステージ21のZ軸真直度のずれに基づく画素のずれを補正する補正テーブル201を備えている。制御ユニット20は、カメラ画像取込時にZ軸の高さ位置をリニアスケール23から読取り、補正テーブル201に記憶されている補正データに基づいてカメラ画素の位置を補正し、最大値メモリに保持されている最大輝度値と比較して2次元画像を生成し、Z軸真直度のずれに起因する画素の位置ずれを防止する。
【選択図】 図1
Provided is a dimension measuring apparatus capable of correcting a pixel shift based on a mechanical error of Z-axis straightness when generating a two-dimensional image and accurately measuring a width between two points of the two-dimensional image.
A confocal microscope 10 is provided so as to be movable in the Z-axis direction by a Z stage 21, and a focus image at a different Z position with respect to a sample 16 is captured by a measurement camera 18 and output to a control unit 20. . The control unit 20 includes a correction table 201 that corrects a pixel shift based on the Z-axis straightness shift of the Z stage 21. The control unit 20 reads the height position of the Z-axis from the linear scale 23 when capturing the camera image, corrects the position of the camera pixel based on the correction data stored in the correction table 201, and is held in the maximum value memory. Compared with the maximum luminance value, a two-dimensional image is generated, and pixel position shift due to Z-axis straightness shift is prevented.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、高さに関する2次元画像を生成し、この2次元画像から2点間の幅を測定する3次元測定装置に関する。   The present invention relates to a three-dimensional measuring apparatus that generates a two-dimensional image related to height and measures a width between two points from the two-dimensional image.

近年、LCD基板や半導体ウェハ等の試料の共焦点画像を共焦点顕微鏡により取得し、その画像を用いて試料の表面形状(高さ)を測定する3次元測定装置が提供されている。この種の3次元測定装置は、例えば被写界深度の浅い共焦点光学顕微鏡を用い、この共焦点光学顕微鏡の合焦位置を光軸方向(Z軸)に移動させながら当該顕微鏡により拡大された試料の光学像を測定カメラで撮像して、その撮像画像データをメモリに格納する。そして、この撮像画像データの各画素に対して輝度が最大となる画素を検出し、その最大輝度の画素を集めて1枚の画像を合成することで全焦点画像(extended focus image)を取得できる。または、その最大輝度が得られたときの合焦位置(高さ)を各画素の位置であるとして1枚の画像を作成することで、高さ画像または断面プロファイルを取得できる。   In recent years, there has been provided a three-dimensional measuring apparatus that acquires a confocal image of a sample such as an LCD substrate or a semiconductor wafer with a confocal microscope and measures the surface shape (height) of the sample using the image. This type of three-dimensional measurement apparatus uses, for example, a confocal optical microscope with a shallow depth of field, and is enlarged by the microscope while moving the in-focus position of the confocal optical microscope in the optical axis direction (Z-axis). An optical image of the sample is picked up by the measurement camera, and the picked-up image data is stored in the memory. Then, by detecting a pixel having the maximum luminance with respect to each pixel of the captured image data, and collecting the pixels having the maximum luminance and composing one image, an omnifocal image (extended focus image) can be acquired. . Alternatively, a height image or a cross-sectional profile can be acquired by creating one image assuming that the focus position (height) when the maximum luminance is obtained is the position of each pixel.

また、従来、上記3次元測定装置で生成された2次元画像から2点間の幅を測定することが行われている。   Conventionally, a width between two points is measured from a two-dimensional image generated by the three-dimensional measuring apparatus.

上記3次元測定装置は、図4に示すようにして2次元画像を生成し、この2次元画像から2点間の幅を測定する。すなわち、測定カメラで撮像された図4(a)に示すカメラ画像1の各画素(ピクセル)2において、同図(b)に示すようにZ軸を上下の1方向に移動(スキャン)した時の測定カメラから得られる各画素ZP1、ZP2、…毎の輝度値を最大値メモリに保持されている対応画素の最大輝度値と比較し、輝度値のピークによって示される平面画像とピーク時のZ軸高さ値をメモリに記憶する。なお、3次元測定装置では、共焦点光学顕微鏡をZ軸方向に移動するZステージ駆動部に高さ情報を得るためのリニアスケールを搭載しているので、このリニアスケールにより測定された値を上記Z軸高さ値としてメモリに記憶する。   The three-dimensional measuring apparatus generates a two-dimensional image as shown in FIG. 4 and measures the width between two points from the two-dimensional image. That is, when each pixel (pixel) 2 of the camera image 1 shown in FIG. 4A captured by the measurement camera is moved (scanned) in one vertical direction as shown in FIG. The brightness value of each pixel ZP1, ZP2,... Obtained from the measurement camera is compared with the maximum brightness value of the corresponding pixel held in the maximum value memory, and the planar image indicated by the peak of the brightness value and the Z at the peak time are compared. The axis height value is stored in the memory. In the three-dimensional measuring apparatus, a linear scale for obtaining height information is mounted on the Z stage driving unit that moves the confocal optical microscope in the Z-axis direction. It is stored in the memory as the Z-axis height value.

上記2次元画像の生成において、図5に示すようにZ軸真直度に誤差がある場合、Z軸の上下動作が試料に対して垂直に行われないために、異なる高さの共焦点画像の各画素の最大値比較は、例えば画素ZP2の位置がずれていた場合には、その近隣の画素ZPxと誤って比較することになる。従って、生成した2次元画像は、Z軸真直度の誤差を含んだものとなり、この画像を用いて2点間の幅を測定すると正しい結果が得られない可能性がある。   In the generation of the two-dimensional image, when there is an error in the Z-axis straightness as shown in FIG. 5, the vertical movement of the Z-axis is not performed perpendicular to the sample. For example, when the position of the pixel ZP2 is shifted, the maximum value comparison of each pixel is erroneously compared with the neighboring pixel ZPx. Therefore, the generated two-dimensional image includes an error of the Z-axis straightness, and if the width between two points is measured using this image, a correct result may not be obtained.

なお、画像のずれを補正する公知技術として、床や装置内部の電動部分による振動に起因するX−Y平面上のずれ量を検出しつつ、ずれを補正し、補正した画像データを保存する走査型レーザ顕微鏡(例えば、特許文献1参照。)や、時間経過と共に標本がXY軸方向にずれる量を検出して補正するレーザ走査型顕微鏡(例えば、特許文献2参照。)等が知られている。
特開2002−98901号公報 特開2004−191846号公報
As a publicly known technique for correcting image displacement, a scanning type that corrects displacement and stores the corrected image data while detecting the displacement amount on the XY plane caused by vibration caused by the floor or an electric part inside the apparatus. A laser microscope (for example, refer to Patent Document 1), a laser scanning microscope (for example, refer to Patent Document 2) that detects and corrects an amount by which a specimen shifts in the XY-axis direction over time are known.
JP 2002-98901 A JP 2004-191846 A

上記のように3次元測定装置により2次元画像を生成し、この2次元画像から2点間の幅を測定する場合、2次元画像生成時にZ軸真直度に機械的な誤差があると、Z軸の上下動作が試料に対して垂直に行われないために、その誤差に応じて画素の位置が変動し、異なる高さの共焦点画像の各画素の最大値比較を行う際に、その近隣の画素と誤って比較することになり、2点間の幅測定に測定誤差を生じるという問題がある。   As described above, when a two-dimensional image is generated by the three-dimensional measuring apparatus and the width between two points is measured from the two-dimensional image, if there is a mechanical error in the Z-axis straightness when generating the two-dimensional image, Z Since the vertical movement of the axis is not performed perpendicularly to the sample, the position of the pixel fluctuates according to the error, and when comparing the maximum value of each pixel of confocal images with different heights, Therefore, there is a problem that a measurement error occurs in the width measurement between two points.

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、2次元画像生成時にZ軸真直度の機械的な誤差に基づく画素のずれを補正し、2次元画像における2点間の幅測定を正しく行うことができる3次元測定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and corrects a pixel shift based on a mechanical error of the Z-axis straightness when generating a two-dimensional image, and measures a width between two points in the two-dimensional image. An object of the present invention is to provide a three-dimensional measuring apparatus that can be performed correctly.

上記目的を達成するため、本発明に係る3次元測定装置は、試料の光学像を拡大する共焦点顕微鏡と、前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像してその画像データを出力するカメラと、前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置をその光軸方向に可変移動する駆動機構と、前記駆動機構により駆動される前記共焦点顕微鏡の光軸方向の位置を測定するリニアスケールと、前記駆動機構を制御する共に、前記カメラにより撮像された画像データを処理する制御ユニットとを具備し、
前記制御ユニットは、前記駆動機構の光軸方向真直度のずれに基づく画素のずれを補正するための補正データを記憶してなる補正テーブルと、前記カメラにより撮像された前記試料の画像データを取得する画像取得手段と、前記画像取得手段により前記カメラの画像データを取得する際、前記リニアスケールの測定値に基づいて前記補正テーブルに記憶されている補正データを参照し、前記画像データの各画素の位置を補正する補正手段と、前記補正手段により補正された各画素の輝度値を最大値メモリに保持される最大輝度値と比較し、輝度値のピークによって示される2次元画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a three-dimensional measurement apparatus according to the present invention captures an optical image of a sample that has been magnified by the confocal microscope that magnifies the optical image of the sample and the confocal microscope, and acquires the image data. An output camera; a drive mechanism that variably moves the focal position of the confocal microscope with respect to the sample in the optical axis direction; and a linear scale that measures the position in the optical axis direction of the confocal microscope driven by the drive mechanism And a control unit that controls the drive mechanism and processes image data captured by the camera,
The control unit obtains a correction table storing correction data for correcting pixel shift based on a shift in straightness in the optical axis direction of the driving mechanism, and image data of the sample imaged by the camera Each of the pixels of the image data by referring to the correction data stored in the correction table based on the measurement value of the linear scale when acquiring the image data of the camera by the image acquisition means and the image acquisition means An image for generating a two-dimensional image indicated by the peak of the luminance value by comparing the luminance value of each pixel corrected by the correcting unit with the maximum luminance value held in the maximum value memory. And generating means.

本発明によれば、2次元画像生成時に、予め作成した補正テーブルに基づいてZ軸真直度のずれに伴うカメラ画素の位置ずれを補正して画像を生成することで、2次元画像における2点間の幅測定を正確に行うことができる。   According to the present invention, at the time of generating a two-dimensional image, two points in the two-dimensional image are generated by correcting the positional deviation of the camera pixels due to the deviation of the Z-axis straightness based on a correction table created in advance. The width measurement can be accurately performed.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る3次元測定装置の構成図である。図1において、10は共焦点顕微鏡で、共焦点ユニット11を主体として構成される。上記共焦点ユニット11は、下側に対物レンズ12を備えると共に、内部にビームスプリッタ(図示せず)を備え、このビームスプリッタ部に外部の照明装置13から照射される光がライトガイド14及び投光管15を介して導かれ、上記ビームスプリッタ部から対物レンズ12を介して試料16に集光される。   FIG. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a confocal microscope, which is mainly composed of a confocal unit 11. The confocal unit 11 includes an objective lens 12 on the lower side and a beam splitter (not shown) inside, and light irradiated from an external illuminating device 13 is projected onto the beam splitter unit and the light guide 14. The light is guided through the light tube 15 and condensed on the sample 16 from the beam splitter section through the objective lens 12.

照明装置13は、例えばメタルハライドランプを用いた光源であり、制御ユニット20からの指令に従って電動絞りやフィルタにより光量(照度)及び波長帯域を変更できるようになっている。   The illuminating device 13 is a light source using, for example, a metal halide lamp, and can change the light amount (illuminance) and the wavelength band by an electric diaphragm or filter according to a command from the control unit 20.

上記試料16は検査ステージ17上に載置される。この検査ステージ17は、制御ユニット20により駆動部(図示せず)が制御され、X、Yの水平方向に駆動される。また、上記共焦点ユニット11の上部には、例えばCCDカメラを用いた測定カメラ18が装着される。   The sample 16 is placed on the inspection stage 17. The inspection stage 17 is driven in the X and Y horizontal directions by a drive unit (not shown) controlled by the control unit 20. In addition, a measurement camera 18 using a CCD camera, for example, is mounted on the confocal unit 11.

上記照明装置13から対物レンズ12を介して試料16に照射された光は、該試料16で反射されて対物レンズ12を通り共焦点ユニット11に入る。共焦点ユニット11は、焦点の合った光のみ通過する特性があり、測定カメラ18には現在焦点が合っている部分の画像のみ映るようになっている。   The light irradiated on the sample 16 from the illumination device 13 via the objective lens 12 is reflected by the sample 16 and passes through the objective lens 12 and enters the confocal unit 11. The confocal unit 11 has a characteristic of allowing only focused light to pass therethrough, and the measurement camera 18 is configured to display only an image of a currently focused part.

共焦点顕微鏡10は、Zステージ21により垂直方向に移動可能に設けられる。Zステージ21は、Zモータ22により駆動され、試料16に対する共焦点顕微鏡10の焦点位置を垂直方向(Z軸方向)、つまり共焦点顕微鏡10の光軸方向に移動させる。   The confocal microscope 10 is provided so as to be movable in the vertical direction by the Z stage 21. The Z stage 21 is driven by a Z motor 22 to move the focal position of the confocal microscope 10 with respect to the sample 16 in the vertical direction (Z-axis direction), that is, in the optical axis direction of the confocal microscope 10.

上記Zモータ22は、制御ユニット20からの指示に従って動作するZステージ駆動部(図示せず)により駆動される。このZステージ駆動部は、共焦点顕微鏡10のZ軸方向における焦点位置を高精度に測定する高分解能リニアスケール23を搭載し、このリニアスケール23により取得したZ軸座標が制御ユニット20からの指示と一致するようにZステージ21を制御する。   The Z motor 22 is driven by a Z stage drive unit (not shown) that operates according to an instruction from the control unit 20. This Z stage drive unit is equipped with a high-resolution linear scale 23 that measures the focal position in the Z-axis direction of the confocal microscope 10 with high accuracy, and the Z-axis coordinates acquired by the linear scale 23 are instructions from the control unit 20. The Z stage 21 is controlled so as to coincide with.

上記のようにZステージ21を移動させることにより、異なるZ位置での焦点画像を測定カメラ18で撮像することができる。この測定カメラ18で撮像された画像は、制御ユニット20へ送られて処理される。   By moving the Z stage 21 as described above, focus images at different Z positions can be taken by the measurement camera 18. An image captured by the measurement camera 18 is sent to the control unit 20 for processing.

制御ユニット20は、装置全体を制御する機能を備えると共に、Zステージ21をZ軸方向に移動したときのZ軸真直度のずれに基づく画素の位置ずれを補正するための補正テーブル201を備えている。この補正テーブル201には、予め例えばレーザ干渉計等の高精度の測定器を使用して、Zステージ21をZ軸方向に移動したときの各位置を測定し、その測定結果に基づいてZ軸真直度のずれに伴う画素の位置ずれを補正するための補正データを記憶させている。   The control unit 20 has a function of controlling the entire apparatus, and also includes a correction table 201 for correcting pixel positional deviation based on deviation of Z-axis straightness when the Z stage 21 is moved in the Z-axis direction. Yes. In this correction table 201, for example, a high-precision measuring instrument such as a laser interferometer is used to measure each position when the Z stage 21 is moved in the Z-axis direction, and the Z-axis is based on the measurement result. Correction data for correcting a pixel position shift accompanying a straightness shift is stored.

また、制御ユニット20は、図示しないが、測定カメラ18により撮像された試料16の画像データを取得する画像取得手段と、前記画像取得手段により測定カメラ18の画像データを取得する際、リニアスケール23の測定値に基づいて予め補正テーブル201に記憶されている補正データを参照し、画像データの各画素2の位置を補正する補正手段と、前記補正手段により補正された各画素の輝度値を最大値メモリに保持される最大輝度値と比較し、輝度値のピークによって示される2次元画像を生成してメモリに記憶する画像生成手段等からなる画像処理機能を備えている。   Although not shown, the control unit 20 obtains image data of the sample 16 imaged by the measurement camera 18, and the linear scale 23 when obtaining the image data of the measurement camera 18 by the image acquisition means. The correction data stored in advance in the correction table 201 is referred to based on the measured value of the correction data, the correction means for correcting the position of each pixel 2 in the image data, and the luminance value of each pixel corrected by the correction means is maximized. Compared with the maximum luminance value held in the value memory, an image processing function including an image generating means for generating a two-dimensional image indicated by the peak of the luminance value and storing it in the memory is provided.

次に上記のように構成された3次元測定装置を用いて2次元画像を生成する場合の動作を説明する。2次元画像の生成時、照明装置13は制御ユニット20からの制御指令に従って所定の照明光を照射する。照明装置13から照射された光は、ライトガイド14及び投光管15を通って共焦点ユニット11内に導かれ、対物レンズ12により試料16上に集光される。   Next, an operation when generating a two-dimensional image using the three-dimensional measuring apparatus configured as described above will be described. At the time of generating a two-dimensional image, the illumination device 13 emits predetermined illumination light in accordance with a control command from the control unit 20. The light emitted from the illumination device 13 is guided into the confocal unit 11 through the light guide 14 and the light projecting tube 15, and is condensed on the sample 16 by the objective lens 12.

試料16に照射された光は、該試料16で反射されて対物レンズ12を通り共焦点ユニット11に入り、焦点の合った光のみが共焦点ユニット11を通過して測定カメラ18で撮像される。この測定カメラ18で撮像された試料16の画像は、制御ユニット20へ送られる。   The light irradiated on the sample 16 is reflected by the sample 16 and passes through the objective lens 12 and enters the confocal unit 11. Only the focused light passes through the confocal unit 11 and is imaged by the measurement camera 18. . The image of the sample 16 captured by the measurement camera 18 is sent to the control unit 20.

制御ユニット20は、図4(a)に示したように測定カメラ18で撮像されたカメラ画像1の各画素2において、同図(b)に示すようにZ軸を上下の1方向に移動した時の測定カメラ18から得られる各画素ZP1、ZP2、…毎の輝度値を最大値メモリに保持されている最大輝度値と比較し、輝度値のピークによって示される2次元画像とピーク時のZ軸高さ値をメモリに記憶する。   As shown in FIG. 4A, the control unit 20 moves the Z axis in one vertical direction as shown in FIG. 4B in each pixel 2 of the camera image 1 captured by the measurement camera 18 as shown in FIG. The brightness value of each pixel ZP1, ZP2,... Obtained from the hour measurement camera 18 is compared with the maximum brightness value held in the maximum value memory, and the two-dimensional image indicated by the peak of the brightness value and the Z at the peak The axis height value is stored in the memory.

すなわち、制御ユニット20は、照明装置13から照明光が試料16に照射された状態で、Zステージ21を駆動して共焦点顕微鏡10の焦点位置を光軸方向に段階的に移動させながら、各焦点位置における試料16の画像を測定カメラ18に撮像させる。また、この撮像により各焦点位置における試料16の画像が得られるごとに、最大輝度画像の同一位置の画素との間で輝度値を比較する。このとき、今撮像したカメラ画像1における画素2の輝度値の方が高ければ、最大輝度画像の当該画素の輝度値を更新して最大値メモリに記憶させる。またそれと共に、この輝度値が高い画素を撮像したときの共焦点顕微鏡10の焦点位置を、当該画素に対応付けてメモリに記憶させる。これが高さ画像となる。上記共焦点顕微鏡10の焦点位置(光軸方向の高さ)は、リニアスケール23で測定した値を用いる。なお、最大輝度画像の初期値は全て0なので、焦点位置を移動させる最初の位置で得られた最初の画像は、そのままその時点での最大輝度画像となる。   That is, the control unit 20 drives the Z stage 21 in a state where the illumination light is irradiated from the illumination device 13 to move the focal position of the confocal microscope 10 stepwise in the optical axis direction. The image of the sample 16 at the focal position is taken by the measurement camera 18. Further, every time an image of the sample 16 at each focal position is obtained by this imaging, the luminance value is compared with the pixel at the same position of the maximum luminance image. At this time, if the luminance value of the pixel 2 in the currently captured camera image 1 is higher, the luminance value of the pixel of the maximum luminance image is updated and stored in the maximum value memory. At the same time, the focal position of the confocal microscope 10 when the pixel having the high luminance value is imaged is stored in the memory in association with the pixel. This is the height image. As the focal position (the height in the optical axis direction) of the confocal microscope 10, a value measured with the linear scale 23 is used. Since the initial values of the maximum brightness image are all 0, the first image obtained at the first position where the focal position is moved becomes the maximum brightness image at that time.

制御ユニット20は、上記2次元画像を作成する際、画像取込時のZ軸の高さ位置をリニアスケール23から読取り、予め作成しておいた補正テーブル201に基づいてZ軸真直度を計算してカメラ画像1の画素位置を補正し、最大値メモリに保持されている最大輝度値と比較し、輝度値のピークによって示される2次元画像を生成してメモリに記憶する。   When creating the two-dimensional image, the control unit 20 reads the Z-axis height position at the time of image capture from the linear scale 23 and calculates the Z-axis straightness based on the correction table 201 created in advance. Then, the pixel position of the camera image 1 is corrected, compared with the maximum luminance value held in the maximum value memory, and a two-dimensional image indicated by the peak of the luminance value is generated and stored in the memory.

上記2次元画像生成時のZ軸真直度を考慮した補正動作を図2を参照して説明する。図2はZ軸真直度において、画素ZP2に対しては矢印aで示す右方向の誤差、画素ZP3に対しては矢印bで示す左方向の誤差を生じている場合を示している。矢印a、bの長さは実際の真直度を表しており、その長さに応じて真直度の方向とは反対方向に画素ZP2、ZP3を矢印a’、b’で示すように補正し、最大値メモリに保持されている最大輝度値と比較する。これらの処理は、測定カメラ18で撮像された画像の全ての画素に対して行う。   A correction operation in consideration of the Z-axis straightness at the time of generating the two-dimensional image will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a case where, in the Z-axis straightness, an error in the right direction indicated by the arrow a is generated for the pixel ZP2 and an error in the left direction indicated by the arrow b is generated for the pixel ZP3. The lengths of the arrows a and b represent actual straightness, and the pixels ZP2 and ZP3 are corrected in the direction opposite to the direction of straightness according to the length as indicated by arrows a ′ and b ′. Compare with the maximum brightness value stored in the maximum value memory. These processes are performed on all pixels of the image captured by the measurement camera 18.

上記のように2次元画像の生成時に、予め作成した補正テーブル201に基づいてZ軸真直度のずれに伴うカメラ画素の位置ずれを補正して画像を生成することで、2次元画像を利用した2点間の幅測定において、誤差を生じることなく正確に測定することができる。   As described above, at the time of generating a two-dimensional image, the two-dimensional image is used by generating an image by correcting the positional deviation of the camera pixel accompanying the deviation of the Z-axis straightness based on the correction table 201 created in advance. In measuring the width between two points, it is possible to accurately measure without causing an error.

また、上記2次元画像を利用した2点間の幅測定において、更に測定分解能を向上したい場合には、図3(a)、(b)に示すように測定カメラ18により撮像されたカメラ画像1の各画素2について隣接画素との間で画素補間を行って画素数を数倍に拡張し、例えば画素2bについて左右隣の画素2a、2cとの間で画素補間を行って画素数を5倍に拡張し、補正テーブル201に基づいてZ軸真直度を考慮した補正を行うことで、測定カメラ18の画素分解能の1/5の分解能で測定を行うことができる。なお、図3(b)に示す画素2a〜2cは、カメラ画素中の任意の3画素を示している。実際の2次元画像に対しては、3×3画素の積和演算(フィルタ)により補間する。   In the case of measuring the width between two points using the two-dimensional image, if it is desired to further improve the measurement resolution, the camera image 1 captured by the measurement camera 18 as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). For each pixel 2, the number of pixels is expanded several times by interpolating between adjacent pixels, and for example, the pixel 2 b is interpolated between the left and right adjacent pixels 2 a and 2 c to increase the number of pixels by 5 times. By performing the correction considering the Z-axis straightness based on the correction table 201, the measurement can be performed with a resolution of 1/5 of the pixel resolution of the measurement camera 18. Note that the pixels 2a to 2c shown in FIG. 3B represent arbitrary three pixels in the camera pixels. An actual two-dimensional image is interpolated by a product-sum operation (filter) of 3 × 3 pixels.

上記のように測定カメラ18により撮像された画像1について画素補間を行って画素数を数倍に拡張し、サブピクセル単位でZ軸真直度を補正することで、測定分解能を向上させることができる。   Measurement resolution can be improved by performing pixel interpolation on the image 1 captured by the measurement camera 18 as described above, expanding the number of pixels several times, and correcting the Z-axis straightness in units of subpixels. .

以下に補正テーブル201の作成方法の他の一例を説明する。この作成方法では、結晶性に由来する直線的な構造を持つ試料を校正用に用いる。校正試料としては、例えばシリコン(100)基板上に成長させたピラミッド状のシリコン単結晶を用いることができ、このSiピラミッドは正確に4つの(111)面を有し、その辺(ファセットエッジ)は直線である。このような校正試料を前述の共焦点顕微鏡で測定し、全焦点画像と高さ画像を得る。   Hereinafter, another example of a method for creating the correction table 201 will be described. In this preparation method, a sample having a linear structure derived from crystallinity is used for calibration. As the calibration sample, for example, a pyramid-shaped silicon single crystal grown on a silicon (100) substrate can be used. This Si pyramid has exactly four (111) planes, and its sides (facet edges). Is a straight line. Such a calibration sample is measured with the above-mentioned confocal microscope, and an omnifocal image and a height image are obtained.

図6は、完全でない補正テーブルを用いたときのSiピラミッドの全焦点画像である。基板面とエッジだけから強い反射光が戻ってくるため、エッジは他の部分とは容易に判別することができる。真直度が完全に補償されていないため、直線になるはずのエッジがわずかに曲線になっている。   FIG. 6 is an omnifocal image of the Si pyramid when an incomplete correction table is used. Since strong reflected light returns only from the substrate surface and the edge, the edge can be easily distinguished from other parts. Since straightness is not fully compensated, the edges that should be straight are slightly curved.

次に、得られた全焦点画像と高さ画像をパソコンなどに取り込み、操作者の操作により画像処理によりエッジを検出すべきエリアを帯状に指定する。図6にはこのエリアを斜線で示してある。帯状エリアは、その内部にエッジを1本のみ含むように設定する。そして、Canny法のような公知のエッジ検出法を用いて、帯状エリア内の全焦点画像からエッジを検出し、エッジとして検出された画素のX、Y座標と、高さ画像の値(Z座標)の組を、複数得る。   Next, the obtained omnifocal image and height image are taken into a personal computer or the like, and an area where an edge is to be detected by image processing is designated in a band shape by an operation of the operator. In FIG. 6, this area is indicated by hatching. The belt-like area is set so that only one edge is included therein. Then, using a known edge detection method such as the Canny method, an edge is detected from the omnifocal image in the band-like area, and the X and Y coordinates of the pixel detected as the edge and the height image value (Z coordinate) are detected. ) To obtain a plurality of sets.

次に、これらの組について最小二乗法により回帰直線を計算し、当回帰直線からのx、yの偏差を必要な補償量とする。即ち、偏差Vx、VyをそれぞれZの関数として多項式(2次式)近似やナイキスト補間等で補間し、その偏差Vx(Z)、Vy(Z)を現在の補正テーブルの値に足しこめばよい。   Next, a regression line is calculated for these sets by the least square method, and the deviation of x and y from the regression line is set as a necessary compensation amount. That is, the deviations Vx and Vy are each interpolated by polynomial (quadratic) approximation, Nyquist interpolation, etc. as functions of Z, and the deviations Vx (Z) and Vy (Z) are added to the current correction table values. .

この方法によれば、全焦点画像と高さ画像を元に補償料を算出するので、3次元測定方法自体は変更する必要が無いほか、Zスキャンの開始終了位置やスキャン速度等が実際の測定と同じ条件(Zスキャン速度)で補正テーブルを作成できる利点がある。ただし、そのZスキャン範囲で合焦点像が得られるように、校正試料の高さは(基板を底上げするなどして)実際の試料と同程度に合わせておく必要がある、なお、本方法を繰り返せば、更に補正テーブルの精度向上が見込める。   According to this method, the compensation fee is calculated based on the omnifocal image and the height image. Therefore, the three-dimensional measurement method itself does not need to be changed, and the Z scan start / end position, the scan speed, and the like are actually measured. There is an advantage that a correction table can be created under the same conditions (Z scan speed). However, the height of the calibration sample must be adjusted to the same level as the actual sample (by raising the substrate, etc.) so that a focused image can be obtained in the Z scan range. If it is repeated, the accuracy of the correction table can be further improved.

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.

本発明の一実施形態に係る3次元測定装置の構成図である。It is a block diagram of the three-dimensional measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 同実施形態における2次元画像生成時のZ軸真直度を考慮した補正動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the correction | amendment operation | movement which considered the Z-axis straightness at the time of the two-dimensional image generation in the same embodiment. 同実施形態において、2次元画像生成時に画素補間によりカメラ画素を拡張して測定分解能を向上させる場合の動作説明図である。FIG. 6 is an operation explanatory diagram in the case where the measurement resolution is improved by extending camera pixels by pixel interpolation when generating a two-dimensional image in the embodiment. 3次元測定装置により2次元画像を生成する場合の説明図である。It is explanatory drawing in the case of producing | generating a two-dimensional image with a three-dimensional measuring apparatus. 従来の3次元測定装置により2次元画像を生成する場合において、Z軸方向真直度による影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence by Z-axis direction straightness in the case of producing | generating a two-dimensional image with the conventional three-dimensional measuring apparatus. 完全でない補正テーブルを用いたときのSiピラミッドの全焦点画像である。It is an omnifocal image of Si pyramid when a correction table which is not perfect is used.

符号の説明Explanation of symbols

10…共焦点顕微鏡、11…共焦点ユニット、12…対物レンズ、13…照明装置、14…ライトガイド、15…投光管、16…試料、17…検査ステージ、18…測定カメラ、20…制御ユニット、21…Zステージ、22…Zモータ、23…リニアスケール、201…補正テーブル。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Confocal microscope, 11 ... Confocal unit, 12 ... Objective lens, 13 ... Illuminating device, 14 ... Light guide, 15 ... Projection tube, 16 ... Sample, 17 ... Inspection stage, 18 ... Measurement camera, 20 ... Control Unit: 21 ... Z stage, 22 ... Z motor, 23 ... linear scale, 201 ... correction table.

Claims (1)

試料の光学像を拡大する共焦点顕微鏡と、前記共焦点顕微鏡により拡大された前記試料の光学像を撮像してその画像データを出力するカメラと、前記試料に対する前記共焦点顕微鏡の焦点位置をその光軸方向に可変移動する駆動機構と、前記駆動機構により駆動される前記共焦点顕微鏡の光軸方向の位置を測定するリニアスケールと、前記駆動機構を制御する共に、前記カメラにより撮像された画像データを処理する制御ユニットとを具備し、
前記制御ユニットは、
前記駆動機構の光軸方向真直度のずれに基づく画素のずれを補正するための補正データを記憶してなる補正テーブルと、
前記カメラにより撮像された前記試料の画像データを取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段により前記カメラの画像データを取得する際、前記リニアスケールの測定値に基づいて前記補正テーブルに記憶されている補正データを参照し、前記画像データの各画素の位置を補正する補正手段と、
前記補正手段により補正された各画素の輝度値を最大値メモリに保持される最大輝度値と比較し、輝度値のピークによって示される2次元画像を生成する画像生成手段と
を備えることを特徴とする3次元測定装置。
A confocal microscope that magnifies an optical image of the sample, a camera that captures an optical image of the sample magnified by the confocal microscope and outputs the image data, and a focal position of the confocal microscope with respect to the sample A drive mechanism that variably moves in the optical axis direction, a linear scale that measures a position in the optical axis direction of the confocal microscope driven by the drive mechanism, and an image captured by the camera while controlling the drive mechanism A control unit for processing data,
The control unit is
A correction table that stores correction data for correcting a shift of a pixel based on a shift in straightness in the optical axis direction of the drive mechanism;
Image acquisition means for acquiring image data of the sample imaged by the camera;
Correction for correcting the position of each pixel of the image data by referring to the correction data stored in the correction table based on the measurement value of the linear scale when acquiring the image data of the camera by the image acquisition means Means,
Image generation means for comparing the luminance value of each pixel corrected by the correction means with a maximum luminance value held in a maximum value memory, and generating a two-dimensional image indicated by the peak of the luminance value. 3D measuring device.
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