JP2009288162A - ３次元測定装置 - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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。

Claims (1)

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。

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