(57)【要約】【課題】本発明は、白色光走査干渉原理を用いる単一装備で２次元と３次元情報の獲得を全て実施することができ、測定物の全体面積に対する検査を行う代わりに、特定領域のみに対して３次元検査を行えるようにする表面形状測定システム及びそれを用いた測定方法に関するものである。【解決手段】本発明の表面形状測定システムは、主光源、集光レンズ及び投影レンズで構成される照明部と、前記照明部からの照明光がそれぞれ基準ミラーの基準面Ｒと測定物の測定面Ｐに照射されるように照明光を分割するビーム分割器と、前記測定面Ｐと前記基準面Ｒからそれぞれ反射される基準光と測定光の干渉によって生成された干渉縞を撮影する光検出素子と、前記光検出素子を通して撮像された画像から白色光干渉縞解析を通して表面形状情報を獲得し、獲得された情報を通して欠陥有無を検出する制御コンピュータとを含む表面形状測定システムにおいて、前記測定物とビーム分割器との間には、測定物に対して落射照明を提供する補助光源をさらに備えており、前記主光源と補助光源の点灯及び前記基準面Ｒへの照明照射を選択的に断続し、表面形状に対する２次元情報及び３次元情報を獲得するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主光源（１１）、集光レンズ（１２）及び投影レンズ（１３）で構成される照明部（１）と、該照明部（１）からの照明光がそれぞれ基準ミラー（４）の基準面（Ｒ）と測定物（３）の測定面（Ｐ）に照射されるように照明光を分割するビーム分割器（２）と、前記測定面（Ｐ）と前記基準面（Ｒ）からそれぞれ反射される基準光と測定光の干渉によって生成された干渉縞を撮影する光検出素子（５）と、該光検出素子（５）を通して撮像された画像から白色光干渉縞解析を通して表面形状情報を獲得し、獲得された情報を通して欠陥有無を検出する制御コンピュータ（６）とを含む表面形状測定システムにおいて、
前記測定物（３）に対して落射照明を提供する補助光源（７）が、前記測定物（３）およびビーム分割器（２）間にさらに設けられ、
前記主光源（１１）と前記補助光源（７）の点灯及び前記基準面（Ｒ）への照明照射を選択的に断続し、表面形状に対する２次元情報及び３次元情報を獲得することを特徴とする表面形状測定システム。
【請求項２】
前記基準面（Ｒ）への光の照射を選択的に断続する機械的シャッター（８）が、前記ビーム分割器（２）と前記基準ミラー（４）との間にさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定システム。
【請求項３】
前記補助光源（７）が、リング状本体（７１）と、該リング状本体（７１）の内周面に沿って備えられた多数の発光ダイオード（７２）とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状測定システム。
【請求項４】
前記主光源（１１）が、照明パネル（１１'）と、該照明パネル（１１'）にマトリックス状に配列される多数の発光ダイオード（１１１）とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記多数の発光ダイオード（１１１）が、中央の発光ダイオード（１１１ａ）を基準にして外郭方向にレイヤ別にグループ化されているとともに該グループ別に点灯が制御されることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記多数の発光ダイオード（１１１）のうち中央の発光ダイオード（１１１ａ）が、周辺の発光ダイオードの明るさ値より高い明るさ値を有していることを特徴とする請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記照明部（１）が、前記集光レンズ（１２）と投影レンズ（１３）との間に備えられているとともに中央にピンホール１４１が形成された照明パネル（１４）と、該照明パネル（１４）にマトリックス状に配列された多数の発光ダイオード（１４２）とをさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
前記多数の発光ダイオード（１４２）が、中央から外郭方向にレイヤ別にグループ化されているとともに該グループ別に点灯が制御されることを特徴とする請求項７に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
前記集光レンズ（１２）が、顕微鏡対物レンズ（１２'）で構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
前記表面形状測定システムが、前記主光源（１１）の点灯による同軸照明によって撮像された第１の映像による寸法情報と、前記主光源（１１）と補助光源（７）の点灯による同軸落射照明によって撮像された第２の映像による表面欠陥情報を通して測定物の表面の２次元情報を獲得することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定システム。
【請求項１１】
前記表面形状測定システムが、前記２次元情報を用いて測定物の３次元検査領域を抽出し、該抽出された３次元検査領域のみに対して３次元測定を行うことを特徴とする請求項１０に記載の表面形状測定システム。
【請求項１２】
主光源からの光をそれぞれビーム分割器を用いて基準ミラーの基準面と測定物の測定面に分割して照射し、前記基準面と前記測定面からそれぞれ反射される基準光と測定光の干渉によって生成される干渉縞を通して前記測定物の表面形状を測定する表面形状測定方法において、
前記ビーム分割器と前記測定物との間に補助光源を備えており、
前記基準面への照明光の供給を遮断し、前記主光源又は補助光源の点灯を選択的に断続して測定物の２次元情報を獲得する段階と、
該獲得された２次元情報から３次元検査領域を抽出する段階と、
該抽出された検査領域に対する干渉縞を生成し、これを撮像して３次元情報を獲得する段階とを含んで構成されていることを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項１３】
前記２次元情報を獲得する段階が、前記主光源の点灯による同軸照明を用いて前記測定物の２次元寸法情報を獲得し、前記主光源と補助光源の点灯による同軸落射照明を用いて前記測定物の表面欠陥情報を検出することを特徴とする請求項１２に記載の表面形状測定方法。
【請求項１４】
前記２次元情報を獲得する段階における基準面への照明光の遮断が、機械的シャッターの断続を通して選択的に実施されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定システム及び測定方法に関するもので、より詳細には、白色光走査干渉原理を用いる単一装備で２次元と３次元情報の獲得を全て実施することができ、測定物の全体面積に対する検査を行う代わりに、特定領域のみに対して３次元検査を行えるようにする表面形状測定システム及びそれを用いた測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、電子・機械部品の小型化及び精密化により、複雑な段差形状を有する微細構造物の加工と製造状態を確認するためには、寸法、形状及び表面粗度に対する計測高精度化が要求されている。
【０００３】
したがって、現在、小型の電子・機械部品などの計測には、光学式２次元測定装置を用いた寸法測定方法と、光学式３次元測定装置を用いた形状や厚さ（表面粗度）測定方法が用いられている。
【０００４】
従来の光学式３次元測定装置の一つとして、白色光走査干渉法（ＷＳＩ：Ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）が提案された。
【０００５】
図７を参照すれば、白色光走査干渉法は、光源１００から発生し、ビームスプリッタ２００で分離された基準光と測定光が基準ミラー４００の基準面と測定物３００の測定面Ｐからそれぞれ反射され、相互干渉信号を発生すれば、これを光検出素子５００で撮影してから解析する原理を用いる方法であって、基準光と測定光が同一の光経路を通過するときのみに干渉信号が発生する特性を用い、位置検出を通して３次元形状を計測する。
【０００６】
このような原理を用いて、ＰＺＴアクチュエータなどの移送手段で測定物を光軸方向に微小間隔ずつ移動させながら測定領域内の各測定点での干渉信号を観察すれば、各点の測定光が基準光と同一の光経路を有する地点で短い干渉信号が発生する。
【０００７】
したがって、干渉信号の発生位置を測定領域内の全ての測定点で算出すれば、測定面の３次元形状に対する情報を獲得するようになり、獲得された３次元情報から薄膜層の厚さ及び形状を測定することができる。
【０００８】
白色光干渉計測装置は、微細構造物の３次元形状計測だけでなく、誘電体多層膜の膜厚さ測定や、例えば、眼底（ｅｙｅｇｒｏｕｎｄ）や皮膚などの連続体（拡散体）の構造解析などにも使用される。
【０００９】
ところが、従来の形状測定装置は、測定物の寸法を測定する２次元測定装置と測定物の形状及び厚さ（表面粗度）を測定する３次元測定装置がそれぞれ独立的に設計されて別個に使用されるので、測定物の２次元寸法と３次元形状を測定するためには、２次元及び３次元測定装置を交互に使用し、測定物の寸法と形状を測定しなければならないという煩雑さがある。
【００１０】
また、従来の３次元測定装置を用いる場合、測定物の全体領域に対してスキャンし、干渉縞を得て測定物の欠陥有無を検出することによって、検査速度が遅くなるという短所があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、白色光走査干渉計を用いた表面形状測定において、単一装備を用いて寸法測定と表面欠陥検査に関する２次元情報を獲得し、３次元形状と厚さに関する３次元情報を獲得できるようにする表面形状測定システム及びそれを用いた測定方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、白色光走査干渉計を用いた表面形状測定において、単一装備で同軸照明と同軸落射照明を選択的に照射して２次元情報を獲得し、獲得された２次元情報から３次元検査領域を抽出した後、抽出された検査領域のみに対して選択的に３次元測定を行うことによって装備を簡素化し、検査速度を向上できるようにする表面形状測定システム及びそれを用いた測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するための本発明の表面形状測定システムは、主光源、集光レンズ及び投影レンズで構成される照明部と、前記照明部からの照明光が基準ミラーの基準面と測定物の測定面にそれぞれ照射されるように照明光を分割するビーム分割器と、前記測定面と前記基準面からそれぞれ反射される基準光と測定光の干渉によって生成された干渉縞を撮影する光検出素子と、前記光検出素子を通して撮像された画像から白色光干渉縞解析を通して表面形状情報を獲得し、獲得された情報を通して欠陥有無を検出する制御コンピュータとを含む表面形状測定システムにおいて、前記測定物とビーム分割器との間には、測定物に対して落射照明を提供する補助光源をさらに備えており、前記主光源と補助光源の点灯及び前記基準面への照明照射を選択的に断続し、表面形状に対する２次元情報及び３次元情報を獲得するものである。
【００１４】
また、前記課題を解決するための本発明の表面形状測定方法は、主光源からの光をそれぞれビーム分割器を用いて基準ミラーの基準面と測定物の測定面に分割して照射し、基準面と測定物の表面からそれぞれ反射される基準光と測定光の干渉によって生成される干渉縞を通して測定物の表面形状を測定する方法において、前記ビーム分割器と測定物との間に補助光源を備えており、前記基準面への照明光の供給を遮断し、前記主光源又は補助光源の点灯を選択的に断続して測定物の２次元情報を獲得する段階と、前記獲得された２次元情報から３次元検査領域を抽出する段階と、前記抽出された検査領域に対する干渉縞を生成し、これを撮像して３次元情報を獲得する段階とを含んで構成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、測定物に対して同軸照明と落射照明をそれぞれ提供する主光源と補助光源をそれぞれ備えており、各光源の点灯を選択的に断続し、２次元情報を獲得することができ、獲得された情報から３次元検査領域を抽出した後、抽出された検査領域のみに対して３次元検査を行うことによって、単一装備を用いて２次元と３次元情報を全て獲得することができ、装備を簡素化することができる。
【００１６】
また、本発明は、２次元情報の獲得を先に行い、獲得された２次元情報から３次元検査領域を抽出した後、該当領域のみに対して３次元情報の獲得を行うので、検査速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の表面形状測定システムの装置構成図である。
【図２】本発明の図１の照明部の変形例を示した装置構成図である。
【図３】本発明の図１の照明部の変形例を示した装置構成図である。
【図４】本発明の図１の照明部の変形例を示した装置構成図である。
【図５】図１の補助光源の実施例を示した装置斜視図である。
【図６】本発明の表面形状測定方法の実施例を示した例示図である。
【図７】従来技術による白色光走査干渉を用いた表面形状測定システムの装置構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の表面形状測定システムの装置構成図である。
【００１９】
図１を参照すれば、本発明の表面形状測定システムは、照明部１、ビーム分割器２、光検出素子５及び補助光源７を含んで構成される。
【００２０】
ここで、照明部１は、主光源１１と、主光源１１からの光を集光する集光レンズ１２と、集光レンズ１２から集光された光をビーム分割器２に投影させる投影レンズ１３とを含む。
【００２１】
図２は、図１の照明部の他の実施例を示した構成図で、主光源１１は、照明パネル１１と、照明パネル１１にマトリックス状に配列される多数の発光ダイオード１１１とを含んで構成される。
【００２２】
ここで、多数の発光ダイオード１１１は、中央の発光ダイオード１１１ａを基準にして外郭方向にレイヤ別にグループ化され、グループ別に点灯が制御される。
【００２３】
そして、中央の発光ダイオードは、周辺の発光ダイオードの明るさ値より高い明るさ値を有する。
【００２４】
すなわち、２Ｄ検査時には、検査領域より大きい同軸照明が必要であるので、発光ダイオード全体を点灯したり、多数のレイヤを点灯して照明を照射する。
【００２５】
そして、３Ｄ検査時には、干渉縞がよく生成される点光源に近い照明を供給するために、中央の発光ダイオード１１１ａのみを点灯することが望ましい。
【００２６】
図３は、図１の照明部の更に他の実施例を示した構成図で、照明部１は、主光源１１、集光レンズ１２、投影レンズ１３及び照明パネル１４を含んで構成される。
【００２７】
ここで、照明パネル１４には、マトリックス状に配列される多数の発光ダイオード１４２が備えられ、その中央にピンホール１４１が形成される。
【００２８】
このような構成により、２Ｄ検査時には、検査領域より大きい同軸照明が必要であるので、主光源１１と照明パネル１４の発光ダイオード１４２全体を点灯したり、発光ダイオード１４２の多数のレイヤを選択的に点灯することによって照明を照射する。
【００２９】
そして、３Ｄ検査時には、干渉縞がよく生成される点光源に近い照明を供給するために、主光源１１のみを点灯することが望ましい。
【００３０】
図４は、図１の照明部の更に他の実施例を示した構成図で、照明部１は、主光源１１、顕微鏡対物レンズ１２''及び照明パネル１４を含む。
【００３１】
ここで、照明パネル１４には、マトリックス状に配列される多数の発光ダイオード１４２が備えられ、その中央にピンホール１４１が形成される。
【００３２】
本発明は、２Ｄ検査時、主光源１１と照明パネル１４にマトリックス状に配列される多数の発光ダイオード１４２を点灯し、検査領域より広い光を照射する。
【００３３】
そして、３Ｄ検査時、主光源１１のみを点灯し、主光源１１からの照明光が顕微鏡対物レンズ１２'を通過するようにし、その結果、分解能は維持しながら干渉縞の可視度を高めることが望ましい。
【００３４】
すなわち、光源の波長が狭いか、レーザソースのように点光源に近いほど、干渉縞がよく生じ、波長が高くなれば分解能が低下するので、光を一点に集める能力に優れた顕微鏡対物レンズ１２''を用いることが望ましい。
【００３５】
一方、ビーム分割器２は、照明部１からの照明光が基準面Ｒと測定物の表面Ｐにそれぞれ照射されるように照明光を分割し、光検出素子５は、干渉縞が形成された画像を撮影する。
【００３６】
すなわち、光検出素子５は、基準面Ｒと測定物の表面Ｐで反射されたそれぞれの基準光と測定光の干渉によって生成される干渉縞を撮影するもので、投影レンズ１３を含む。
【００３７】
そして、制御コンピュータ６は、光検出素子５を通して撮像された画像から白色光干渉縞解析を通して表面形状情報を獲得し、獲得された情報分析を通して欠陥有無を検出する。
【００３８】
また、補助光源７は、測定物３とビーム分割器２との間に備えられ、測定物３に対して落射照明を提供する。
【００３９】
ここで、補助光源７は、図５に示すように、リング状本体７１と、リング状本体７１の内周面に沿って備えられた多数の発光ダイオード７２とを含んで構成される。
【００４０】
そして、ビーム分割器２と基準ミラー４との間には、基準面Ｒへの光照射を選択的に断続する機械的シャッター８がさらに備えられることが望ましい。
【００４１】
このような表面形状測定システムは、主光源１１の点灯による同軸照明を照査した後、撮影された画像から寸法情報を獲得し、主光源１１と補助光源７の点灯による同軸落射照明を照射した後、撮影された画像から表面欠陥情報を獲得することによって、寸法と表面欠陥に関する２次元情報を獲得する。
【００４２】
また、このように獲得された２次元情報を用いて測定物の３次元検査領域を抽出し、抽出された３次元検査領域のみに対して３次元測定を実施する。
【００４３】
すなわち、抽出された３次元検査領域のみに対して基準光と測定光を形成して干渉縞を生成し、これを撮像して３次元情報を獲得する過程を実施する。
【００４４】
以下、本発明の表面形状測定システムを用いた表面形状測定方法を説明する。
【００４５】
まず、主光源１１と補助光源７の点灯を選択的に断続し、測定物に対する２次元情報を獲得する。
【００４６】
換言すれば、主光源１１による同軸照明のみを測定物の表面Ｐに照射し、測定物の表面Ｐの映像を光検出素子５で撮影して第１の画像を獲得した後、これを分析して寸法を測定する。
このとき、補助光源７は消灯し、機械的シャッター８を用いて基準面Ｒへの光の照射を遮断する。
【００４７】
そして、主光源１１と補助光源７を同時に点灯して同軸落射照明を照射し、測定物３の表面を光検出素子５で撮影して第２の画像を獲得した後、これを分析して表面欠陥有無を判断する。
このとき、機械的シャッター８を用いて基準面Ｒへの光の照射を遮断する。
【００４８】
このとき、図２〜図４に示すように照明部１が構成された場合、マトリックス状に配列された発光ダイオードがレイヤ別にグループ化されているので、所望の面積又は明るさによって各グループ別発光ダイオードの点灯を選択的に制御することが望ましい。
【００４９】
このように獲得された測定物の寸法と表面欠陥に対する２次元情報を用いて３次元検査を行うための検査領域を抽出する。
【００５０】
例えば、図６に示すように、測定物の全体表面に対する２次元情報を獲得し、ここで、“Ａ”領域のように３次元検査が必要な領域を抽出し、該当領域のみに対して基準光と測定光の干渉縞を生成して３次元形状検査を行うことによって、検査速度を向上させる。
【００５１】
ここで、３次元形状検査方法は、基準面Ｒと測定面Ｐからそれぞれ反射される基準光と測定光の干渉によって生成された干渉縞を解析する白色光走査干渉を用いる方法であって、以下、これについて簡略に説明する。
【００５２】
まず、補助光源７は消灯し、主光源１１のみを点灯した後、機械的シャッター８を開け、光源１１からの光が基準面Ｒと測定面Ｐにそれぞれ照射されるようにする。
【００５３】
これによって、基準面Ｒと測定面Ｐから反射が起き、基準光と測定光が生成されるので、基準光と測定光の干渉によって生成された干渉縞を光検出素子５で撮影する。
【００５４】
このとき、基準光と測定光の干渉による干渉縞は、同一の光経路を有するときに生成されるので、図面には具体的に示していないが、ＰＺＴアクチュエータなどの微細駆動手段を用いて測定物３の高さ又は基準ミラー４の距離を適切に調節することが望ましい。
【００５５】
本発明の実施例において、図２に示すように、主光源１１をマトリックス状に配列された多数の発光ダイオードで構成した場合、３次元検査時、周辺領域に比べて高い明るさ値を有する中央の発光ダイオードのみを点灯し、干渉縞生成能力を高めることが望ましい。
【００５６】
以上のように、本発明は、測定物に対して同軸照明と落射照明をそれぞれ提供する主光源と補助光源をそれぞれ備えており、各光源の点灯を選択的に断続し、基準面への光照射を遮断して２次元情報を獲得するとともに、獲得された情報から３次元検査領域を抽出した後、抽出された検査領域のみに対して３次元検査を行う。
【符号の説明】
【００５７】
１  ・・・  照明部
２  ・・・  ビーム分割器
３  ・・・  測定物
４  ・・・  基準ミラー
５  ・・・  光検出素子
６  ・・・  制御コンピュータ
７  ・・・  補助光源
８  ・・・  機械的シャッター
１１  ・・・  主光源
１１'、１４３  ・・・  照明パネル
１２  ・・・  集光レンズ
１２'  ・・・  顕微鏡対物レンズ
１３  ・・・  投影レンズ
７１  ・・・  リング状本体
７２  ・・・  発光ダイオード
１１１、１１１ａ、１３２  ・・・  発光ダイオード
Ｐ  ・・・  基準面
Ｒ  ・・・  測定物の表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011519016.tif 000007
【図６】
2011519016.tif 000008
【図７】
2011519016.tif 000009
【国際調査報告】
2011519016.tif 000010
2011519016.tif 000011