(57)【要約】【課題】外部からの機械振動や音響振動が伝達されても、外部振動の影響を受けない形状測定装置及びレーザ顕微鏡を実現する。【解決手段】本発明では、光源（１）から出射した光ビームを対物レンズ（８）を介して試料（９）に向けて投射し、試料表面を光ビームにより2次元走査する。一方、対物レンズをその光軸方向に移動させる対物レンズ駆動手段（１０）を有し、対物レンズを光軸方向に移動させながら試料表面を2次元走査する。この際、Ｚ軸方向の位置情報として、対物レンズ（８）と試料（９）の表面との間の間隔を測定し（１２）、測定された間隔をＺ軸方向の位置情報として用いる。信号処理回路（２０）において、試料表面からの反射光を受光する1次元イメージセンサからの輝度信号及び間隔測定手段（１２）からの位置情報を用いて試料の2次元画像情報及び試料表面の高さ情報を出力する。【選択図】  図１
2008026065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面形状を測定する形状測定装置であって、
光源から出射した光ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料表面を光ビームにより走査する走査光学系と、
前記対物レンズの光軸と直交するＸＹ面内で自在に移動し、前記試料を支持するステージと、
試料表面からの反射光を受光して輝度信号を出力する光検出手段と、
前記対物レンズを、その光軸（Ｚ軸）方向にそって移動させる対物レンズ駆動手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の間隔を測定し、Ｚ軸方向の位置情報として出力する間隔測定手段と、
前記光検出手段から出力される輝度信号と間隔測定手段から出力される位置情報とを用い、試料表面の高さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の形状測定装置において、前記間隔測定手段は、前記対物レンズに一体的に結合され、対物レンズと前記試料表面との間の距離を測定する距離センサにより構成したことを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の形状測定装置において、前記距離センサは、試料表面に向けて光ビームを投射する手段と試料表面からの反射光を受光する光検出手段とを有し、光検出手段からの出力信号に基づいて対物レンズと試料表面との間の間隔の変位量を出力することを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の形状測定装置において、前記間隔測定手段は、レーザビームを発生するレーザ光源と、レーザビームを前記対物レンズの光路に結合するカップリング部材と、対物レンズの光軸と平行な方向に沿って配列した複数の受光素子を有し、試料表面で反射したレーザビームを受光する1次元イメージセンサとを有し、1次元イメージセンサからの出力情報に基づいて対物レンズと試料表面との間の間隔を検出する間隔測定装置で構成したことを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載の形状測定走査において、前記対物レンズを光軸方向に移動させながら試料表面を2次元走査し、前記信号処理手段は、対物レンズが光軸方向に沿って移動する間に得られた各画素の最大輝度値を記憶する第１のフレームメモリと、前記最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報を記憶する第２のフレームメモリとを有することを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記試料をカラーフィルタとし、カラーフィルタの表面に存在する突起の高さを検出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項７】
前記2次元走査光学系は、ライン状の光ビームを発生する手段と、ライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に周期的に偏向するビーム偏向手段とを有し、前記光検出手段は、前記ライン状光ビームの延在方向と対応する方向に配列した複数の受光素子を有する1次元イメージセンサで構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
光源から出射した光ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料表面を光ビームにより2次元走査する2次元走査光学系と、
前記試料を支持するステージと、
試料表面からの反射光を受光して輝度信号を出力する光検出手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の距離を相対的に変化させる駆動手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の間隔を測定し、Ｚ軸方向の位置情報として出力する間隔測定手段と、
前記光検出手段から出力される輝度信号と間隔測定手段から出力される位置情報とを用い、試料表面の2次元画像情報及び形状情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする共焦点顕微鏡。
【請求項９】
請求項８に記載の共焦点顕微鏡において、前記2次元走査光学系は、レーザ光源と、レーザ光源から発生したレーザビームを第１の方向に周期的に偏向する第１のビーム偏向装置と、第１のビーム偏向装置から出射したレーザビームを前記第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する第２のビーム偏向装置とを具え、レーザビームにより試料表面を2次元走査することを特徴とする共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は形状測定装置、特に外部振動の影響を受け易い試料の表面に存在する突起の高さを測定するのに好適な形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造工程においては、製造されたカラーフィルタについて欠陥検査が行われ、欠陥が検出された場合修正装置を用いて修正ないし欠陥の除去が行われている。例えば、欠陥の種類としてカラーフィルタの表面に形成された突起欠陥があり、突起欠陥が検出されると、テープ研磨により突起欠陥が修正されている（例えば、特許文献１参照）。この突起欠陥を修正する際、研磨量を決定する必要がある。すなわち、研磨量が不足している場合追加の研磨が必要であり、研磨が過多の場合ガラス基板に傷を付ける不具合が生じてしまう。このため、カラーフィルタに形成された突起の高さを高精度に測定する形状測定装置の開発が強く要請されている。
【０００３】
数μｍ程度の微小な突起の高さを測定する方法として、共焦点光学系を用いた形状測定装置が既知である（例えば、特許文献２参照）この既知の形状測定装置では、対物レンズと試料との間の距離を変えながら光ビームにより試料表面を2次元走査し、試料からの反射光を光検出器により受光し、最大輝度値を発生する対物レンズの光軸方向の位置情報から高さ情報が出力されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３１３８７１号公報
【特許文献２】特開平９−６１７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
共焦点光学系を用いた形状測定装置は、微小な突起の高さを高精度に測定できる利点がある。しかしながら、液晶表示装置用のカラーフィルタは大型であるため、カラーフィルタを支持するステージは、例えば１．５ｍ×２ｍ程度の大きさである。しかも、透過光により欠陥の観察及び判別を行うため、ステージは光学的に透明なガラスにより構成されている。このようなガラスステージは外部振動の影響を受け易く、測定中に床面からの外部機械振動やダクトから発生する音響振動によりステージ自身が振動してしまう。一方、測定中に外部からの振動が伝達されると、カラーフィルタの表面が振動すると共に対物レンズも振動してしまい、測定誤差が生じてしまう。すなわち、従来の共焦点光学系を利用した形状測定装置では、対物レンズの光軸方向の位置情報は、対物レンズの移動量又はステージの移動量から求められているため、測定中にカラーフィルタ自身が振動すると対物レンズとカラーフィルタ表面までの実際の距離と出力される位置情報とが一致しない不具合が生じてしまう。このような状態で出力された高さ情報を用いて突起欠陥をテープ研磨したのでは、研磨過多又は研磨不足になってしまう。
【０００６】
上述した外部振動による影響は、形状測定装置だけでなく、対物レンズと試料表面との間の相対的な距離を変位させながら試料表面を2次元走査し、試料から反射光に基づいて三次元形状測定を行うレーザ顕微鏡についてもあてはまるものである。
【０００７】
従って、本発明の目的は、外部からの機械振動や音響振動が伝達されても、外部振動の影響を受けない形状測定装置及びレーザ顕微鏡を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による形状測定装置は、試料の表面形状を測定する形状測定装置であって、
光源から出射した光ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料表面を光ビームにより2次元走査する2次元走査光学系と、
前記対物レンズの光軸と直交するＸＹ面内で自在に移動し、前記試料を支持するステージと、
試料表面からの反射光を受光して輝度信号を出力する光検出手段と、
前記対物レンズを、その光軸（Ｚ軸）方向にそって移動させる対物レンズ駆動手段と、
前記対物レンズと試料表面との間の間隔を測定し、Ｚ軸方向の位置情報として出力する間隔測定手段と、
前記光検出手段から出力される輝度信号と間隔測定手段から出力される位置情報とを用い、試料表面の高さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、Ｚ軸方向のスキャン情報として、対物レンズの送り量やステージの移動量を検出するのではなく、対物レンズと試料表面との間の間隔ないし距離を測定する。対物レンズと試料表面との間の実際の間隔又は距離を測定すれば、ステージや対物レンズがＺ軸方向に振動しても、Ｚ軸方向の変位情報は常時実際の位置情報が検出されるため、外部振動による影響を受けないＺ軸方向の位置情報が検出される。
【００１０】
対物レンズと試料表面との間の間隔を測定する間隔測定手段として、既存の各種距離センサを用い、距離センサを対物レンズの鏡筒に一体的に結合して使用することが可能である。別の方法として、光テコの原理を利用した間隔測定装置を用いることができる。例えば、別に設けたレーザ光源から放出されたレーザビームをダイクロイックミラーやハーフミラーのようなカップリング部材を介して対物レンズの光路に光学的に結合し、対物レンズを介して試料表面に向けて投射する。試料表面からの反射光をカップリング部材を介して1次元イメージセンサで受光する。この場合、試料からの反射光は、対物レンズと試料表面との間隔に応じて、1次元イメージセンサ上で変位するので、その変位量（例えば、画素番号）に基づいて間隔が測定される。この場合、対物レンズを共用しているので、走査ビームにより走査される部位の間隔が測定される利点がある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、Ｚ軸方向の位置情報として対物レンズと試料表面との間の間隔を測定しているから、外部振動によりステージ又は対物レンズが振動しても、振動の影響を受けないＺ軸方向の位置情報が出力される。この結果、カラーフィルタの表面に形成された突起欠陥の高さを測定する場合、一層正確な高さ情報を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明による形状測定装置の一例を示す線図である。光源として白色光を放出する水銀ランプを用い、水銀ランプから出射したライン状の光ビームを光ファイバ１から出射させ、走査ビームとして利用する。光ファイバ１から出射した光ビームはエキスパンダ光学系２により紙面と直交する方向に延在するライン状光ビームを変換する。ライン状光ビームは、全反射ミラー３で反射し、ビームスプリッタとして機能するハーフミラー４で反射し、ガルバノミラー５に入射する。ガルバノミラー５は、入射したライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に所定の周波数で周期的に偏向する。
【００１３】
ガルバノミラー５から出射した光ビームは、２つのリレーレンズ６及び７を経て対物レンズ８に入射し、集束性のライン状光ビームとなり、試料９に入射する。従って、試料表面は、集束性のライン状光ビームにより2次元的に走査されることになる。本例では、試料として、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタを用い、カラーフィルタの表面形状を測定すると共にカラーフィルタの表面に存在する突起欠陥の高さを測定する。対物レンズ８には、ヘッドを介してモータ１０を連結する。従って、対物レンズは、モータ１０により光軸方向に移動することができ、Ｚ軸スキャンが行われる。
【００１４】
試料９は、透明ガラスにより構成されるステージ１１上に載置する。ステージ１１はＸＹ駆動機構（図示せず）に連結され、対物レンズ８の光軸（Ｚ軸）と直交する面（ＸＹ面）内において自在に移動することができる。従って、欠陥検出装置により検出された突起欠陥のアドレス情報に基づいてカラーフィルタの表面に存在する突起欠陥を対物レンズの視野内に位置させ、突起欠陥及びその周囲を光ビームにより2次元走査することができる。本例では、試料であるカラーフィルタをステージ９上に載置した状態において、欠陥検出及び欠陥観察並びに欠陥の修正が行われる。従って、欠陥検出装置により検出された欠陥のアドレス情報を用いて欠陥観察及び欠陥修正が行われる。
【００１５】
前述したように、カラーフィルタを支持するステージ９は、例えば１．５ｍ×２．０ｍ程度の大型のガラス基板で構成され、振動し易い特性を有する。このため、ステージを支持する架台を介して外部振動が伝達され、カラーフィルタの表面が振動してしまう。また、架台を通して伝達される外部機械振動だけでなく、ダクトの騒音等による音響振動による影響も受け易く、近くに騒音源が存在する場合空気を介して伝達される音響振動によりステージ及びカラーフィルタが振動してしまう。一方、測定中にステージ又は対物レンズが振動すると、対物レンズから出射する走査ビームの集束点とカラーフィルタ表面と間の相対距離が変動し、出力されるＺ軸方向の位置情報と実際の試料又は対物レンズのＺ軸方向の位置とが対応しない事態が発生する。
【００１６】
上述した不具合を解消するため、本発明では、Ｚ軸方向のスキャン情報として、対物レンズの送り量やステージの移動量を検出するのではなく、対物レンズと試料表面との間の実際の間隔ないし距離を測定する。すなわち、対物レンズと試料表面との間の実際の間隔又は距離を測定すれば、ステージや対物レンズがＺ軸方向に振動しても、Ｚ軸方向の変位情報は常時正確な位置情報が検出されるため、外部振動による影響を受けないＺ軸方向の位置情報が検出される。
【００１７】
対物レンズと試料表面との間の間隔を検出するため、対物レンズ８の支持枠（鏡筒）に距離センサ１２一体的に結合する。距離センサ１２は、対物レンズ８と試料９の表面との間の距離を測定するセンサであり、例えばレーザ変位計や静電容量センサを用いることができる。レーザ変位計は、光テコの原理を利用した変位計であり、レーザ光源と試料表面からの反射光を受光する1次元イメージセンサとを有する。レーザ光源から光ビームを投射し、試料表面からの反射光を1次元イメージセンサにより受光し、1次元イメージセンサからの出力信号を用いて三角測量の原理に基づいて試料表面までの距離が測定される。そして、距離センサ１２から出力される距離情報をＺ軸方向スキャンの位置情報として利用する。このように、対物レンズに一体的に結合した距離センサから出力される距離情報を用いることにより、外部振動による影響を受けないＺ軸方向の変位情報が測定される。
【００１８】
試料９の表面からのライン状の反射ビームは、対物レンズ８により集光され、２つのリレーレンズ７及び６を経てガルバノミラー５に入射する。入射した反射ビームは、ガルバノミラー５によりデスキャンされ、ハーフミラー４を透過し、結像レンズ１３を経て1次元イメージセンサ１４に入射する。入射したライン状の反射ビームは、ガルバノミラー５によりデスキャンされているので、1次元イメージセンサの光入射面上に静止した状態になる。1次元イメージセンサ１４は、光ファイバ１から出射するライン状光ビームの延在方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、各受光素子に蓄積された電荷量をガルバノミラー５の偏向周波数と同期して読み出し、輝度信号として出力する。1次元イメージセンサ１４は、光入射面に位置する枠がピンホールと同様な作用を果たすため、共焦点光学系を構成することになる。1次元イメージセンサ１４から出力される輝度信号は、増幅器１５により増幅され、信号処理回路２０に供給される。
【００１９】
試料の2次元画像の撮像及び形状測定に際し、対物レンズを光軸方向に移動させながら複数回2次元画像を撮像すると共に対物レンズと試料表面との間の間隔を測定する。例えば、基準位置から対物レンズを徐々に降下又は上昇させると、対物レンズから出射した光ビームの集束点が試料表面上に位置していない場合、試料表面からの反射光はピンホールとして作用する1次元イメージセンサの枠により遮光され、信号レベルの低い輝度信号が出力される。対物レンズの移動に伴い、光ビームの集束点が試料表面上に位置すると、共焦点光学系の原理より、試料表面からの大量の反射光が1次元イメージセンサの受光素子に入射する。従って、対物レンズを光軸方向に移動させながら、光検出手段から出力される輝度信号の最大輝度値及び最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報を検出することにより、試料表面の合焦した2次元画像が撮像されると共に試料表面の各部位のＺ軸方向の位置が検出されることになる。
【００２０】
図２は信号処理回路の一例を示す線図である。信号処理回路２０には、1次元イメージセンサ１４からの輝度信号が入力すると共に距離センサ１２から出力される間隔情報がＺ軸方向の位置情報として入力する。1次元イメージセンサ１４からの輝度信号は増幅器１５により増幅され、Ａ／Ｄ器２１によりデジタル信号に変換され、比較器２２及びセレクタ２３にそれぞれ供給する。セレクタ２３により選択された輝度情報は第１のフレームメモリ２４に記憶する。第１のフレームメモリ２４に記憶されている輝度情報は比較器２２及びセレクタ２３に供給する。比較器２２において、新たに入力した各画素毎の輝度値とフレームメモリ２４に記憶されている輝度値とを比較し、輝度値が大きい方の信号を選択する選択信号をセレクタ２３に出力する。セレクタ２３は、入力した選択信号に基づき、輝度の高い方の輝度信号を選択して第１のフレームメモリ２４に出力する。第１のフレームメモリに記憶された輝度情報を読み出すことにより、試料の2次元画像情報が出力される。
【００２１】
距離センサ１２からの出力は、Ａ／Ｄ変換器２５によりデジタル信号に変換され、第２のフレームメモリ２６に出力される。比較器２２から出力される選択信号は第２のフレームメモリ２６に書込制御信号として入力する。従って、距離センサから出力される位置情報は、最大輝度値が発生したときのＺ軸方向の位置情報として第２フレームメモリ２６に書き込まれる。第２のフレームメモリ２６から試料表面の高さ情報が出力される。
【００２２】
次に、対物レンズと試料表面との間の間隔を測定して位置情報として出力する間隔測定手段の変形例について説明する。図３は間隔測定手段の変形例を示す線図である。本例では、試料に向けて走査ビームを投射する対物レンズを走査ビームと共用し、光テコの原理により対物レンズと試料表面との間の間隔を測定する。例えば８３０μｍの近赤外のレーザビームを放出する半導体レーザ３０を用いる。レーザ３０はから出射した測定ビームは、ハーフミラー３１で反射し、対物レンズ８の光路中に配置したダイクロイックミラー３２に入射する。このダイクロイックミラー３２はカップリング光学系として作用し、８３０μｍ以下の波長光を透過し、８３０μｍ以上の波長光を反射する特性を有する。従って、測定ビームはダイクロイックミラー３２で反射し、対物レンズ８を経て試料９の表面に入射する。一方、走査ビームの大部分は、ダイクロイックミラー３２を透過して試料表面に入射するため、試料の形状測定に影響を与えることはない。
【００２３】
測定ビームは、試料表面で反射し、再び対物レンズを透過し、ダイクロイックミラー３２で反射する。さらに、ハーフミラー３１を透過して1次元イメージセンサ３３に入射する。1次元イメージセンサ３３は、ｙ方向（図３参照）である対物レンズの光軸と平行な方向に配列した複数の受光素子を有する。対物レンズ８が実線で示す基準位置から距離Δｚだけ下降し、破線で示す位置まで変位したものとする。対物レンズのΔｚの下降に伴い、試料表面上において測定ビームはｘ方向に変位し、1次元イメージセンサ３３上においてｙ方向にΔｙだけ変位し、Δｙだけ変位した画素に測定ビームが入射する。この場合、対物レンズの移動量Δｚと1次元イメージセンサの移動画素数Δｙとの関係を予め記憶しておくことにより、1次元イメージセンサからの出力信号（例えば、画素番号）に基づいて対物レンズと試料表面との間の間隔が検出される。本例では、間隔測定用の測定ビームが走査ビームに近接して試料表面に入射するため、一層正確な間隔情報が得られる利点が達成される。
【００２４】
本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、本発明を形状測定装置に適用した例をもって説明したが、形状測定機能を有する共焦点顕微鏡においても外部振動の影響を受けるため、形状測定を行うレーザ顕微鏡にも本発明を適用することが可能である。尚、2次元走査型共焦点顕微鏡に本発明を適用する場合、対物レンズ又は試料ステージのいずれか一方を駆動して対物レンズと試料表面との間の距離を変化させることが可能であり、この場合にも対物レンズと試料表面との間の間隔を測定してＺ軸方向の位置情報として利用する。
また、2次元走査光学系としてライン状光ビームをその延在方向と直交する方向に周期的に偏向する構成を採用したが、光源としてレーザ光源を用い、例えば音響光学素子とガルバノミラーとの２つのビーム偏向装置の組み合わせにより試料表面を2次元走査することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による形成測定装置の光学系の一例を示す線図である。
【図２】信号処理回路の一例を示す線図である。
【図３】間隔測定手段の変形例を示す線図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  光ファイバ
２  エキスパンダ光学系
３  全反射ミラー
４  ハーフミラー
５  ガルバノミラー
６，７  リレーレンズ
８  対物レンズ
９  試料
１０  モータ
１１  ステージ
１２  距離センサ
１３  結像レンズ
１４  1次元イメージセンサ
１５  増幅器
２１，２５  Ａ／Ｄ変換器
２２  比較器
２３  セレクタ
２４  第１のフレームメモリ
２６  第２のフレームメモリ
【図１】
2008026065.tif 000003
【図２】
2008026065.tif 000004
【図３】
2008026065.tif 000005