JP2005195539A

JP2005195539A - Optical measurement equipment

Info

Publication number: JP2005195539A
Application number: JP2004004273A
Authority: JP
Inventors: Sukenori Mano; 祐徳真野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure highly speedily without lowering precision, and capable of measuring highly precisely without lowering measuring speed. <P>SOLUTION: A reflected light obtained through the confocal optical system 10 is split by an optical split means 20 into two optical paths as follows; the images of split reflection light are made to differ in acquisition timing by a timing adjusting means 510 and obtained by an image acquisition means 40; a displacement amount obtaining means 540 obtains the amount of displacement by relatively moving the focus point of object lens of the confocal optical system to the optical axial direction; a height computing means 530 calculates the height of measurement surface of the object at the time the measurement surface of the object reaches the focus point based on the image obtained by the image acquisition means using the amount of deviation obtained by the deviation obtaining means. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、共焦点光学系を利用して高さの測定を行う光学測定装置に関する。 The present invention relates to an optical measurement apparatus that performs height measurement using a confocal optical system.

共焦点光学系を利用して高さ測定を行う場合、共焦点光学系を持つヘッドをＺ軸（高さ）方向に変位させて、複数点の共焦点画像を取得することにより高さ測定を行う装置が知られている（特許文献１）。この種の装置では、Ｚ軸（高さ方法）にヘッドを変位させながら、複数の共焦点画像を取得して、撮像したその画像のうち、最も輝度が高い画像が撮像された時のＺ軸の値を用いて高さを測定する。 When performing height measurement using a confocal optical system, the height measurement is performed by displacing the head having the confocal optical system in the Z-axis (height) direction and acquiring a plurality of confocal images. An apparatus for performing this is known (Patent Document 1). In this type of apparatus, a plurality of confocal images are acquired while the head is displaced in the Z-axis (height method), and the Z-axis when the image with the highest luminance is captured among the captured images. The height is measured using the value of.

特開２００２-２３６００２号公報JP 2002-236002 A

この種の測定においては、Ｚ軸方向の変位中に、複数回測定を行って、反射光の輝度がピークになる点を見つけることによって高さを求める。その際、測定時間を短くするには、Ｚ軸方向の変位速度を大きくする必要がある。ところが、画像を取得する素子として使用されるＣＣＤ等の撮像素子は、一般的にフレームレートが決まっている。そのため、変位速度は、このフレームレートに依存することとなり、フレームレートによって定まる速度より速い速度によりＺ軸方向の変位を行わせると、結局、サンプリング回数、すなわち、測定位置が少なくなり、精度が下がることとなる。そのため、この種の測定をより短時間で行うことを可能とする技術の開発が望まれていた。 In this type of measurement, the height is obtained by measuring a plurality of times during the displacement in the Z-axis direction and finding a point where the luminance of the reflected light reaches a peak. At that time, in order to shorten the measurement time, it is necessary to increase the displacement speed in the Z-axis direction. However, an image sensor such as a CCD used as an element for acquiring an image generally has a determined frame rate. For this reason, the displacement speed depends on the frame rate, and if the displacement in the Z-axis direction is performed at a speed faster than the speed determined by the frame rate, the number of samplings, that is, the measurement position is decreased, and the accuracy is lowered. It will be. Therefore, it has been desired to develop a technique capable of performing this kind of measurement in a shorter time.

本発明の目的は、高速で精度を落とさずに測定が行える光学測定装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical measuring device capable of performing measurement at high speed without reducing accuracy.

本願の請求項１に係る発明は、
対象物に対して対物レンズ系を介して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系と、
前記共焦点光学系を介して得られる、前記対象物からの反射光を少なくとも二つの光路に分割する光路分割手段と、
前記光路分割手段により分割された少なくとも二つの光路のそれぞれに対応して配置され、分割された各光路からの画像を取得する画像取得手段と、
前記分割された各光路において、取得タイミングを異ならせて前記画像取得手段による画像の取得を行わせるタイミング調整手段と、
前記共焦点光学系の前記対物レンズの焦点位置を前記対象物に対して光軸方向に相対変位させると共に、その変位量を取得する手段と、
異なる前記焦点位置毎に前記画像取得手段において取得した画像と前記変位量とに基づいて、前記対象物の測定面の高さを算出する高さ算出手段と、を備えることを特徴とする。 The invention according to claim 1 of the present application is
A confocal optical system for obtaining reflected light by irradiating an object with illumination light through an objective lens system;
An optical path dividing means for dividing the reflected light from the object obtained through the confocal optical system into at least two optical paths;
Image acquisition means arranged to correspond to each of at least two optical paths divided by the optical path dividing means, and acquiring images from the divided optical paths;
In each of the divided optical paths, a timing adjustment unit that causes the image acquisition unit to acquire an image with different acquisition timings;
Means for relatively displacing the focal position of the objective lens of the confocal optical system in the optical axis direction with respect to the object, and acquiring the displacement amount;
Height calculating means for calculating the height of the measurement surface of the object based on the image acquired by the image acquiring means and the amount of displacement for each different focal position.

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学測定装置において、
前記タイミング調整手段は、前記分割される光路がｎ本である場合に、ｎ本の光路に対応したｎ個の画像取込手段について、１／ｎ周期ずれた取得タイミングにより画像の取込を行わせることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the optical measurement apparatus according to claim 1,
The timing adjusting unit captures an image at an acquisition timing shifted by 1 / n period with respect to n image capturing units corresponding to the n optical paths when the number of divided optical paths is n. It is characterized by making it.

本発明によれば、高速で精度を落とさずに測定を行うことができる。 According to the present invention, measurement can be performed at high speed without reducing accuracy.

図１は、本発明の一実施形態に係る光学測定装置の概要を示す説明図である。図２は、高さ測定を行う際の制御および測定情報の処理を行う部分の機能構成を示す説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of an optical measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a functional configuration of a portion that performs control of height measurement and processing of measurement information.

図１に示すように、本実施形態の光学測定装置は、対物レンズ系１４を介して対象物Ｍに対して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系１０と、共焦点光学系１０を介して得られる、対象物Ｍからの反射光を少なくとも二つの光路に分割する光路分割手段２０と、光路分割手段２０により分割された光路のそれぞれに対応して配置され、分割された各光路の画像を取得する画像取得手段４０と、共焦点光学系１０の対物レンズ系１４の焦点位置を対象物Ｍに対して光軸方向に相対変位させると共に、変位量を取得する手段５３０（図２参照）、画像取得手段４０において取得した画像に基づいて、対象物Ｍが焦点位置に達した際における対象物の高さを、変位量を取得する手段５３０において取得された変位量を用いて算出する高さ算出手段５２０（図２参照）、および、ニポーディスクの駆動を制御するニポーディスク制御手段５４０（図２参照）を実現すると共に、これらの動作を制御する中央制御部５１０を実現するコンピュータ５０と、を有する。 As shown in FIG. 1, the optical measurement apparatus of this embodiment includes a confocal optical system 10 that obtains reflected light by irradiating an object M with illumination light via an objective lens system 14, and a confocal optical system. 10, the optical path dividing means 20 that divides the reflected light from the object M obtained through 10 into at least two optical paths, and the optical paths divided by the optical path dividing means 20. An image acquisition means 40 for acquiring an image of the optical path, and a means 530 for acquiring a displacement amount while relatively displacing the focal position of the objective lens system 14 of the confocal optical system 10 in the optical axis direction with respect to the object M (FIG. 2), based on the image acquired by the image acquisition means 40, the height of the object when the object M reaches the focal position is determined using the displacement amount acquired by the means 530 for acquiring the displacement amount. Calculate the height A stage 520 (see FIG. 2) and a Nipo disk control means 540 (see FIG. 2) for controlling the driving of the Nipo disk and a computer 50 for realizing a central control unit 510 for controlling these operations Have.

コンピュータ５０は、分割された各光路において、取得タイミングを異ならせて画像取得手段による画像の取得を行わせるタイミング調整手段として機能するほか、他の機能を実現する手段としても機能する。 The computer 50 functions as a timing adjustment unit that causes the image acquisition unit to acquire an image at different acquisition timings in each of the divided optical paths, and also functions as a unit that realizes other functions.

共焦点光学系１０は、光源１１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２、結像レンズ１３、対物レンズ系１４、および、１／４波長板１５を有する。また、この対物レンズ系１４の下方位置に、高さを測定すべき対象物Ｍを載置すると共に、ＸＹＺの３軸方向に変位可能なＸＹＺステージ５３３が配置される。 The confocal optical system 10 includes a light source 11, a polarizing beam splitter (PBS) 12, an imaging lens 13, an objective lens system 14, and a quarter wavelength plate 15. In addition, an object M whose height is to be measured is placed below the objective lens system 14, and an XYZ stage 533 that can be displaced in the XYZ triaxial directions is disposed.

対物レンズ系１４は、例えば、対物レンズとチューブレンズとを組み合わせた無限遠補正対物レンズを用いることができる。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２と１／４波長板１５とは、これらを用いることにより、対象物からの反射光を光源１１に戻さずに、光路分割手段２０を介して撮像装置４１，４２に導くよう作用する。 As the objective lens system 14, for example, an infinity corrected objective lens in which an objective lens and a tube lens are combined can be used. By using these, the polarization beam splitter (PBS) 12 and the quarter wavelength plate 15 do not return the reflected light from the object to the light source 11 and pass it to the imaging devices 41 and 42 via the optical path dividing means 20. Acts to guide.

光路分割手段２０は、プリズム２１および２２を有し、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２から出射される反射光を二つの光路Ｌ１，Ｌ２に分割する。二つの光路Ｌ１，Ｌ２への光量の分割比率は、本実施形態の場合、１：１としてある。 The optical path dividing means 20 has prisms 21 and 22 and divides the reflected light emitted from the polarization beam splitter (PBS) 12 into two optical paths L1 and L2. In the present embodiment, the split ratio of the light quantity to the two optical paths L1 and L2 is 1: 1.

画像取得手段４０は、分割される光路に対応して、複数の撮像装置を有する。本実施形態の場合、二つの光路Ｌ１，Ｌ２に対応して二つの撮像装置４１、４２を有する。これらの撮像装置４１および４２は、同じ仕様および性能のものを用いる。撮像装置４１，４２は、それぞれ、例えば、ＣＣＤ等の撮像素子と、映像信号増幅器と、Ａ／Ｄ変換器等を有する。この画像取得手段４０では、入力された光信号を受光して電気信号に変換し、さらに、アナログ信号をディジタル信号に変換して出力する。これらの撮像装置４１，４２は、後述するコンピュータ５０の中央制御部５１０によるサンプリングタイミング信号に基づいてサンプリングを行う。本実施形態では、交互にサンプリングを行う。 The image acquisition means 40 has a plurality of imaging devices corresponding to the divided optical paths. In the case of the present embodiment, the two imaging devices 41 and 42 are provided corresponding to the two optical paths L1 and L2. These imaging devices 41 and 42 have the same specifications and performance. Each of the imaging devices 41 and 42 includes, for example, an imaging device such as a CCD, a video signal amplifier, an A / D converter, and the like. The image acquisition means 40 receives an input optical signal and converts it into an electrical signal, and further converts an analog signal into a digital signal and outputs it. These imaging devices 41 and 42 perform sampling based on a sampling timing signal from a central control unit 510 of a computer 50 described later. In this embodiment, sampling is performed alternately.

コンピュータ５０は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）５１と、予め与えられたプログラムおよびデータを記憶するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）５２と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５３とを有する。このコンピュータ５０には、図示していないが、補助記憶装置を設けることができる。補助記憶装置としては、例えば、ハードディスク装置等を用いることができる。ハードディスク装置には、例えば、コンピュータ５０を動作させるためのプログラム、データ等が格納される。また、各種指示、設定等の入力を行うための入力装置、データ、操作画面等を表示するための表示装置等を接続することができる。 The computer 50 includes a central processing unit (CPU) 51, a read only memory (ROM) 52 that stores a program and data given in advance, and a random access memory (RAM) 53. Although not shown, the computer 50 may be provided with an auxiliary storage device. As the auxiliary storage device, for example, a hard disk device or the like can be used. The hard disk device stores, for example, programs and data for operating the computer 50. In addition, an input device for inputting various instructions and settings, a display device for displaying data, an operation screen, and the like can be connected.

次に、本実施形態の動作について、コンピュータ５０により実現される本発明の各種機能と共に説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described together with various functions of the present invention realized by the computer 50.

本実施形態では、光源１１からの照明光がＰＢＳ１２を介して共焦点光学系１０に導かれ、ＸＹＺステージ上に置かれた対象物Ｍ上に投射される。この際、照明光は、結像レンズ１３により絞り込まれ、ニポーディスク５４２に設けられた孔（図示せず）を介して対物レンズ系１４に導かれて、対象物Ｍに投射される。一方、対象物Ｍにおいて反射された反射光は、対物レンズ系１４を経てニポーディスク５４２の孔に至る。ここで、対象物Ｍの反射面が対物レンズ系１４の焦点位置に存在する場合には、反射光は絞り込まれているため、その光束の大部分がこの孔を通って結像レンズ１３に戻る。しかし、対象物Ｍの反射面が対物レンズ系１４の焦点位置にない場合には、反射光は空間的に広がりを持つため、その光束の一部のみがニポーディスク５４２の孔を通過するに過ぎない。結果的に、対象物Ｍの反射面が焦点位置にある時は、光量の多い反射光が結像レンズ１３に戻り、そうでない場合には、ニポーディス面における、光束の広がりの断面積が大きくなるほど光量が減少した反射光が戻ることになる。 In the present embodiment, the illumination light from the light source 11 is guided to the confocal optical system 10 via the PBS 12 and projected onto the object M placed on the XYZ stage. At this time, the illumination light is narrowed down by the imaging lens 13, guided to the objective lens system 14 through a hole (not shown) provided in the Nipo disk 542, and projected onto the object M. On the other hand, the reflected light reflected by the object M reaches the hole of the Nipo disk 542 through the objective lens system 14. Here, when the reflecting surface of the object M exists at the focal position of the objective lens system 14, the reflected light is narrowed down, so that most of the luminous flux returns to the imaging lens 13 through this hole. . However, when the reflecting surface of the object M is not at the focal position of the objective lens system 14, the reflected light has a spatial spread, so that only a part of the light beam passes through the hole of the Nipo disk 542. Not too much. As a result, when the reflecting surface of the object M is at the focal position, the reflected light with a large amount of light returns to the imaging lens 13; otherwise, the cross-sectional area of the spread of the light beam on the Nipodis surface increases. The reflected light with the reduced amount of light returns.

反射光は、ＰＢＳ１２を通り光路分割手段２０に至る。ここで、反射光がＰＢＳ１２を透過するのは、ＰＢＳ１２と１／４波長板１５の存在により、反射光がＰＢＳを透過する偏光となっているためである。一方、光路分割手段２０のプリズム２１，２２により、反射光は２分割されて撮像装置４１，４２に導かれる。 The reflected light passes through the PBS 12 and reaches the optical path dividing means 20. Here, the reason why the reflected light passes through the PBS 12 is that the reflected light is polarized light that passes through the PBS due to the presence of the PBS 12 and the quarter wavelength plate 15. On the other hand, the reflected light is divided into two by the prisms 21 and 22 of the optical path dividing means 20 and guided to the imaging devices 41 and 42.

撮像装置４１、４２は、それぞれ中央制御部５１０によるサンプリングタイミングに従って、入射光のサンプリングを行う。すなわち、対象物Ｍからの反射光を取り込む。ここで、二つの撮像装置が用いられる場合、サンプリングタイミングは、例えば、図３（Ａ）に示すように、撮像装置４１については奇数回目、撮像装置４２について偶数回目にサンプリングを行うことになる。そして、それぞれのサンプリング周期をＴとすると、図３（Ｂ）に示すように、Ｔ／ｎ、具体的には、ｎ＝２であるから、Ｔ／２ずつずれたタイミングで交互にサンプリングを行っている。この例では、各サンプリング位置での露出時間を１／３０秒に設定してある。 The imaging devices 41 and 42 respectively sample incident light according to the sampling timing by the central control unit 510. That is, the reflected light from the object M is captured. Here, when two imaging devices are used, for example, as shown in FIG. 3A, sampling is performed at an odd number for the imaging device 41 and an even number for the imaging device 42. If each sampling period is T, as shown in FIG. 3B, since T / n, specifically, n = 2, sampling is performed alternately at a timing shifted by T / 2. ing. In this example, the exposure time at each sampling position is set to 1/30 second.

撮像装置４１，４２は、反射光を、撮像素子（ＣＣＤ）により、後述するサンプリングタイミングに従って、定められた露出時間受光して、電気信号に変換する。この電気信号は、露出時間と光量とに依存する電荷量として蓄積される。すなわち、撮像装置４１，４２は、対象物Ｍからの反射光を光電変換して、蓄積した電荷量に応じた映像信号とする。また、撮像装置４１，４２は、この映像信号を、映像信号増幅器において予め定められたゲインにより増幅し、さらに、映像信号を、Ａ／Ｄ変換器により、アナログ信号からディジタル信号に変換して、コンピュータ５０に送る。 The imaging devices 41 and 42 receive the reflected light by an imaging device (CCD) according to a sampling timing described later and convert it into an electrical signal. This electric signal is accumulated as a charge amount depending on the exposure time and the light amount. That is, the imaging devices 41 and 42 photoelectrically convert the reflected light from the object M to obtain a video signal corresponding to the accumulated charge amount. The imaging devices 41 and 42 amplify the video signal with a predetermined gain in the video signal amplifier, and further convert the video signal from an analog signal to a digital signal by an A / D converter. Send to computer 50.

コンピュータ５０では、図２に示すように、中央制御部５１０において、タイミング信号が生成され、それに基づいて、各部の動作が制御される。中央制御部５１０は、具体的には、ＸＹＺステージ制御部５３１、ニポーディスク制御部５４１、撮像装置４１，４２、ピーク検出部５２２、データ合成部５２４、および、高さ算出部５２３のそれぞれに対応するタイミング信号を出力する。例えば、対象物のＸＹ方向変位をＸＹＺステージ５３３に行わせるためのタイミング信号をＸＹＺステージ制御部５３１出力する。また、ＸＹＺステージ上の対象物の測定すべき範囲について照明の落射点（観測点）をスキャンさせるためのタイミング信号をニポーディスク制御部５４１に出力する。これにより、スキャンされて照明される各点において、対物レンズ系１４と対象物とをＺ軸方向に相対変位させるためタイミング信号をＸＹＺステージ制御部５３１に出力する。このタイミング信号は、これを計数することで、Ｚ軸の変位量を示すことができる。一方、画像データの取得および処理のためのタイミング信号も生成して出力する。このタイミング信号は、前述したＸＹＺステージの変位のためのタイミング信号と同期している。すなわち、Ｚ軸方向の変位中に、予め定めたＺ軸上でのサンプリング位置に対応するサンプリングタイミング信号を出力する。 In the computer 50, as shown in FIG. 2, the central control unit 510 generates a timing signal, and the operation of each unit is controlled based on the timing signal. Specifically, the central control unit 510 includes the XYZ stage control unit 531, the Nipo disk control unit 541, the imaging devices 41 and 42, the peak detection unit 522, the data synthesis unit 524, and the height calculation unit 523, respectively. Outputs the corresponding timing signal. For example, the XYZ stage controller 531 outputs a timing signal for causing the XYZ stage 533 to perform the XY direction displacement of the object. In addition, a timing signal for scanning the epi-illumination point (observation point) of the illumination within the range to be measured of the object on the XYZ stage is output to the Nipo disk control unit 541. Accordingly, a timing signal is output to the XYZ stage control unit 531 in order to relatively displace the objective lens system 14 and the object in the Z-axis direction at each point scanned and illuminated. This timing signal can indicate the amount of Z-axis displacement by counting this. On the other hand, a timing signal for obtaining and processing image data is also generated and output. This timing signal is synchronized with the timing signal for displacement of the XYZ stage described above. That is, during the displacement in the Z-axis direction, a sampling timing signal corresponding to a predetermined sampling position on the Z-axis is output.

また、この中央制御部５１０は、当該コンピュータ５０に対する外部からの指示、データの入力、出力、記憶、読み出し等の、システムの各種動作についての制御も行う。 The central control unit 510 also controls various operations of the system such as external instructions to the computer 50, data input, output, storage, and reading.

対象物の高さを算出する手段５２０は、撮像装置４１，４２により交互にサンプリングされた各出力信号を合成して一連の出力信号とするデータ合成部５２４と、合成された信号に基づいてピーク値を検出するピーク検出部５２２と、ピーク検出部５２２において得られたピークに対応するＺ軸上の対象物の相対変位量を取得する手段５３０から取得し、当該変位量に基づいて高さを算出する高さ算出部５２３とを有する。 The means 520 for calculating the height of the object includes a data combining unit 524 that combines the output signals sampled alternately by the imaging devices 41 and 42 into a series of output signals, and a peak based on the combined signals. A peak detection unit 522 that detects a value, and a unit 530 that acquires a relative displacement amount of an object on the Z axis corresponding to the peak obtained by the peak detection unit 522, and the height is obtained based on the displacement amount. And a height calculating unit 523 for calculating.

画像合成部５２４は、撮像装置４１，４２により、周期Ｔが１／ｎずれた状態で出力される映像信号を、Ｔ／ｎの周期のシリアルな信号列として、ピーク検出部に順次送る。すなわち、ｎ系列（本実施形態の場合２系列）の信号を１系列の信号に合成する。 The image synthesizing unit 524 sequentially sends video signals output by the imaging devices 41 and 42 in a state where the period T is shifted by 1 / n to the peak detecting unit as a serial signal sequence having a period of T / n. That is, n series (two series in this embodiment) signals are combined into one series of signals.

ピーク検出部５２２は、撮像装置４１および４２によって一定のサンプリング間隔で取得され、合成された画像データについて、各画素のピークを検出する。ピークの検出は、例えば、最新データと１つ前のデータを記憶しておくことにより行う。そして、Peak,(Peak-1),(Peak+1)という３つの値を更新する。最新データが、既に記憶されているPeakの値より大きい場合には、そのPeakの値を１つ前のデータとして置き換え、さらに、その最新データをPeakの値として置き換えて記憶する。 The peak detector 522 detects the peak of each pixel in the image data acquired and synthesized by the imaging devices 41 and 42 at a constant sampling interval. For example, the peak is detected by storing the latest data and the previous data. Then, three values of Peak, (Peak-1), and (Peak + 1) are updated. If the latest data is larger than the previously stored Peak value, the Peak value is replaced with the previous data, and the latest data is replaced with the Peak value and stored.

次の最新データとPeakの値とを比較し、この最新データがPeakの値より小さい場合には、この最新データを(Peak+1)の値として記憶する。(Peak+1)の値を更新するのは、１つ前のデータがPeakの値として採用されている（すなわちPeakの値が更新された）ときだけとする。それ以外のときは、(Peak+1)の値を更新しない。そして、この最新データがPeakの値より大きい場合は、１つ前のデータを(Peak-1)の値として記憶し、その最新データをPeakの値として記憶する。これらの手順を全データに対して行い、Peak,(Peak-1),(Peak+1)の３つの値から補間演算を行い、ピーク値を決定する。 The next latest data is compared with the value of Peak, and if this latest data is smaller than the value of Peak, this latest data is stored as the value of (Peak + 1). The value of (Peak + 1) is updated only when the previous data is adopted as the value of Peak (that is, the value of Peak is updated). In other cases, the value of (Peak + 1) is not updated. If the latest data is larger than the Peak value, the previous data is stored as the (Peak-1) value, and the latest data is stored as the Peak value. These procedures are performed on all the data, and interpolation is performed from the three values Peak, (Peak-1), and (Peak + 1) to determine the peak value.

ここで、撮像装置４１，４２から出力される信号の合成について、図４を参照してさらに具体的に説明する。 Here, synthesis of signals output from the imaging devices 41 and 42 will be described more specifically with reference to FIG.

図４（Ａ）においては、対象物Ｍについて、撮像装置４１によりサンプリング位置Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５…において対象物Ｍからの反射光の受光が行われ、かつ、撮像装置４２によりサンプリング位置Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６…において対象物Ｍからの反射光の受光が行われる。そして、撮像装置４１の出力Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５…と、撮像装置４２の出力Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６…とが、２系列の信号としてデータ合成部５２４に取り込まれる。データ合成部５２４では、これを、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…のように一連の１系列のデータとして出力する。ピーク値検出部５２２は、これらのデータを用いてピークの検出を行う。 In FIG. 4 (A), with respect to the object M, the imaging device 41 receives reflected light from the object M at the sampling positions S1, S3, S5..., And the imaging device 42 performs the sampling positions S2, S4. , S6... Receives reflected light from the object M. The outputs S1, S3, S5... Of the imaging device 41 and the outputs S2, S4, S6... Of the imaging device 42 are taken into the data synthesis unit 524 as two series of signals. The data synthesis unit 524 outputs this as a series of data such as S1, S2, S3,. The peak value detection unit 522 performs peak detection using these data.

一方、図４（Ｂ）においても同様に、対象物Ｍについて、撮像装置４１によりサンプリング位置Ｓ１、Ｓ３、…、Ｓ（２ｎ−１）において対象物Ｍから反射光の受光が行われ、かつ、撮像装置４２によりＳ２、Ｓ４、…、Ｓ（２ｎ）において対象物Ｍからの反射光の受光が行われる。そして、前述した図４（Ａ）の場合と同様に、データ合成部５２４において、２系列のデータが一連の１系列のデータＳ１からＳ（２ｎ）に合成される。そして、この合成されたデータに基づいて、ピーク検出部５２２は、これらのデータを用いてピークの検出を行う。 On the other hand, in FIG. 4B as well, reflected light is received from the object M at the sampling positions S1, S3,..., S (2n-1) by the imaging device 41 for the object M, and The imaging device 42 receives reflected light from the object M in S2, S4,..., S (2n). Similarly to the case of FIG. 4A described above, the data synthesizing unit 524 synthesizes two series of data into a series of one series of data S1 to S (2n). Then, based on the synthesized data, the peak detection unit 522 performs peak detection using these data.

図４（Ａ）と同（Ｂ）とを比較すると、図４（Ａ）では、Ｚ軸方向のサンプリング位置の間隔が長い、すなわち、Ｚ軸方向に高速で変位している状態を示す。この例では、撮像装置４１と４２とが交互にサンプリングを行っている。従って、高速に変位していても、サンプリング可能となっている。一方、図４（Ｂ）では、Ｚ軸方向のサンプリング位置の間隔が短い、すなわち、Ｚ軸方向に低速で変位している状態で、撮像装置４１と４２とが交互にサンプリングを行っている。従って、Ｚ軸方向の変位の範囲において多くのサンプリング位置を配置することができる。その結果、精度良くピークを求めることが可能となる。 Comparing FIG. 4A and FIG. 4B, FIG. 4A shows a state in which the interval between the sampling positions in the Z-axis direction is long, that is, it is displaced at high speed in the Z-axis direction. In this example, the imaging devices 41 and 42 perform sampling alternately. Therefore, it is possible to sample even if it is displaced at high speed. On the other hand, in FIG. 4B, the imaging devices 41 and 42 are alternately sampling in a state where the interval between the sampling positions in the Z-axis direction is short, that is, in a state of being displaced at a low speed in the Z-axis direction. Therefore, many sampling positions can be arranged in the range of displacement in the Z-axis direction. As a result, the peak can be obtained with high accuracy.

次に、高さ算出部５２３において、反射光の出力について得られたピークの情報を用いて、当該ピークが生じたＺ軸上の位置を求める。これは、サンプリングタイミングと同期するＺ軸上のサンプリング位置をＸＹＺステージ制御部５３１から取得することにより実現できる。ところで、ピークとなるタイミングは、サンプリング位置と一致するとは限らない。そこで、補間演算で求められたピークに対応するＺ軸上の位置を同様の補間演算により求める。これにより、対象物Ｍの反射面が焦点位置にある場合のＺ軸の値が求まる。従って、予め定めた基準面のＺ軸上の値（Ｚ座標）がわかれば、それを用いて、対象物の反射面の基準面からの高さが求まる。 Next, the height calculation unit 523 obtains the position on the Z axis where the peak occurs using the peak information obtained for the output of the reflected light. This can be realized by acquiring from the XYZ stage control unit 531 a sampling position on the Z axis that is synchronized with the sampling timing. By the way, the peak timing does not always coincide with the sampling position. Therefore, the position on the Z axis corresponding to the peak obtained by the interpolation calculation is obtained by the same interpolation calculation. Thereby, the value of the Z axis when the reflecting surface of the object M is at the focal position is obtained. Therefore, if a predetermined value (Z coordinate) on the Z-axis of the reference surface is known, the height of the reflection surface of the object from the reference surface can be obtained using the value.

この後、ニポーディスク５４３を駆動モータ５４２により回動させて、次の測定位置に照明光を照射させて、Ｚ軸方向の変位を開始して、前述した測定を行う。このようにして、すべての測定点について測定を繰り返す。得られた高さ情報は、ＲＡＭ５３に記憶され、必要に応じて出力され、また、ハードディスク等に記録される。 Thereafter, the Nipo disk 543 is rotated by the drive motor 542, the illumination light is irradiated to the next measurement position, the displacement in the Z-axis direction is started, and the above-described measurement is performed. In this way, measurement is repeated for all measurement points. The obtained height information is stored in the RAM 53, output as necessary, and recorded on a hard disk or the like.

このように、本実施形態では、次のような手順により、対象物の高さの測定が行われる。まず、共焦点光学系１０を介して得た反射光を光路分割手段２０により二つの光路に分割する。分割された反射光の画像を、タイミング調整手段５１０により取得タイミングを異ならせて画像取得手段４０により取得する。変位量を取得する手段５４０により、共焦点光学系の対物レンズの焦点位置を光軸方向に相対変位させて変位量を取得する。高さ算出手段５３０により、対象物の測定面が焦点位置に達した際における当該対象物の測定面の高さを、画像取得手段４０において取得した画像に基づいて、変位量を取得する手段において取得された変位量を用いて算出する。 Thus, in the present embodiment, the height of the object is measured by the following procedure. First, the reflected light obtained through the confocal optical system 10 is divided into two optical paths by the optical path dividing means 20. The divided reflected light images are acquired by the image acquisition unit 40 at different acquisition timings by the timing adjustment unit 510. The displacement amount is obtained by the relative displacement of the focal position of the objective lens of the confocal optical system in the optical axis direction by means 540 for obtaining the displacement amount. In the means for acquiring the amount of displacement by the height calculation means 530 based on the image acquired by the image acquisition means 40, the height of the measurement surface of the object when the measurement surface of the object reaches the focal position. Calculation is performed using the obtained displacement amount.

本発明の一実施形態に係る光学測定装置の概要を示す説明図。Explanatory drawing which shows the outline | summary of the optical measuring device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるコンピュータの機能構成の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the function structure of the computer in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるサンプリングタイミングの取り方の他の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows another example of how to take the sampling timing in one Embodiment of this invention. （Ａ）、（Ｂ）は、対象物からの反射光を二つの撮像装置によって交互に受光した場合におけるデータの出力例を示す説明図。(A), (B) is explanatory drawing which shows the example of a data output when the reflected light from a target object is light-received by two imaging devices alternately.

符号の説明Explanation of symbols

１０…共焦点光学系、１１…光源、１２…偏光ビームスプリッタ、１３…結像レンズ、１４…対物レンズ系、１５…１／４波長板、２０…光路分割手段、２１，２２…プリズム、４０…画像取得手段、４１，４２…撮像装置、５０…コンピュータ、５１０…中央制御部、５２０…高さを算出する手段、５２２…ピーク検出部、５２３…高さ算出部、５２４…データ合成部、５３０…変位量を取得する手段、５３１…ＸＹＺステージ制御部、５２２…ＸＹＺステージ駆動部、５２３…ＸＹＺステージ、５４０…ニポーディスク制御手段。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Confocal optical system, 11 ... Light source, 12 ... Polarizing beam splitter, 13 ... Imaging lens, 14 ... Objective lens system, 15 ... 1/4 wavelength plate, 20 ... Optical path dividing means, 21,22 ... Prism, 40 ... image acquisition means, 41, 42 ... imaging device, 50 ... computer, 510 ... central control section, 520 ... means for calculating height, 522 ... peak detection section, 523 ... height calculation section, 524 ... data synthesis section, 530... Means for obtaining displacement, 531... XYZ stage controller, 522... XYZ stage driver, 523.

Claims

対象物に対して対物レンズ系を介して照明光を照射して反射光を得る共焦点光学系と、
前記共焦点光学系を介して得られる、前記対象物からの反射光を少なくとも二つの光路に分割する光路分割手段と、
前記光路分割手段により分割された少なくとも二つの光路のそれぞれに対応して配置され、分割された各光路からの画像を取得する画像取得手段と、
前記分割された各光路において、取得タイミングを異ならせて前記画像取得手段による画像の取得を行わせるタイミング調整手段と、
前記共焦点光学系の前記対物レンズの焦点位置を前記対象物に対して光軸方向に相対変位させると共に、その変位量を取得する手段と、
異なる前記焦点位置毎に前記画像取得手段において取得した画像と前記変位量とに基づいて、前記対象物の測定面の高さを算出する高さ算出手段と、を備えることを特徴とする光学測定装置。 A confocal optical system for obtaining reflected light by irradiating an object with illumination light through an objective lens system;
An optical path dividing means for dividing the reflected light from the object obtained through the confocal optical system into at least two optical paths;
Image acquisition means arranged to correspond to each of at least two optical paths divided by the optical path dividing means, and acquiring images from the divided optical paths;
In each of the divided optical paths, a timing adjustment unit that causes the image acquisition unit to acquire an image with different acquisition timings;
Means for relatively displacing the focal position of the objective lens of the confocal optical system in the optical axis direction with respect to the object, and acquiring the displacement amount;
An optical measurement comprising: a height calculation unit that calculates a height of a measurement surface of the object based on an image acquired by the image acquisition unit and the amount of displacement for each different focal position; apparatus.

請求項１に記載の光学測定装置において、
前記タイミング調整手段は、前記分割される光路がｎ本である場合に、ｎ本の光路に対応したｎ個の画像取込手段について、１／ｎ周期ずれた取得タイミングにより画像の取込を行わせることを特徴とする光学測定装置。

The optical measurement apparatus according to claim 1,
The timing adjusting unit captures an image at an acquisition timing shifted by 1 / n period with respect to n image capturing units corresponding to the n optical paths when the number of divided optical paths is n. An optical measuring device characterized by that.