(57)【要約】【課題】高速オートフォーカス機構を用いて、エリア型撮像装置を測定対象に高速でかつ正確にオートフォーカスさせること。【解決手段】本寸法計測方法は、寸法計測位置教示時に、撮像エリア内で測定対象外に設定した基準領域に対し高速オートフォーカス機構が結像する結像位置と、撮像エリア内の測定対象に対しエリア型撮像装置が結像する結像位置との差（補正値）を得る工程を実施し、寸法計測時に、エリア型撮像装置の結像位置を、高速オートフォーカス機構により得られた結像位置から上記補正値だけ補正した位置に設定する工程を実施する。【選択図】図１
2007218846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像エリア内の測定対象を撮像するエリア型撮像装置と、撮像エリアのオートフォーカス動作を高速で行う高速オートフォーカス機構とを一体として使用する、測定対象の寸法を計測する方法であって、
寸法計測位置教示時に、
測定対象の近傍に設定した基準領域が高速オートフォーカス機構に結像する、高速オートフォーカス機構の位置を求めるステップと、
上記ステップで得た位置（第１結像位置）を第１記憶領域に記憶するステップと、
撮像エリア内の測定対象がエリア型撮像装置に結像する、エリア型撮像装置の位置を求めるステップと、
このステップで得た位置（第２結像位置）を第２記憶領域に記憶するステップと、
第１、第２記憶領域にそれぞれ記憶している第１、第２結像位置の差を演算するステップと、
この演算した値を補正値として第３記憶領域に記憶するステップと、を実施し、
寸法計測時に、
測定対象の近傍に設定した基準領域が高速オートフォーカス機構に結像する、高速オートフォーカス機構の位置を求めるステップと、
上記ステップで得た第１結像位置から第３記憶領域に記憶されている上記補正値だけエリア型撮像装置の位置を補正するステップと、を実施する、
ことを特徴とする寸法計測方法。
【請求項２】
測定対象が、基板上にエッチングにより形成されたパターンである、ことを特徴とする請求項１に記載の寸法計測方法。
【請求項３】
前記基準領域の形状が、点状、線状、面状のいずれかの形状である、ことを特徴とする請求項１ないし２に記載の寸法計測方法。
【請求項４】
寸法計測位置教示および寸法計測時に、
上記基板を、直交二次元ＸＹ座標系内を移動可能な移動テーブル上に配置するステップと、
上記配置した基板上における測定対象のＸＹ座標系内での位置を検出するステップと、
上記検出からエリア型撮像装置をＸＹ座標系内を移動させて測定対象に対する撮像位置を設定するステップと、
をそれぞれ実施してエリア型撮像装置および高速オートフォーカス機構を撮像エリアに移動する、ことを特徴とする請求項２または３に記載の寸法計測方法。
【請求項５】
撮像基台上を直交二次元ＸＹ座標系内のＸ軸方向に移動可能とされた移動テーブルと、
上記移動テーブル上に位置決めされた基板上をＹ軸方向に移動可能とされたエリア型撮像装置と、
上記エリア型撮像装置と一体に移動可能とされて基板上の基準領域にオートフォーカス可能に配置された高速オートフォーカス機構と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像装置を制御するコンピュータ内蔵制御装置であって、
当該コンピュータは、請求項１ないし４のいずれかに記載の寸法計測方法を実施するよう上記撮像装置内のエリア型撮像装置と高速オートフォーカス機構とを制御するためのコンピュータプログラムを搭載している、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項５に記載の撮像装置と、請求項６に記載の制御装置とを組み合わせてなる、ことを特徴とする寸法計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サブミクロンオーダーに微細加工される半導体集積回路やそれに付随するエッチング製品等の測定対象をエリア型撮像装置で撮像し、その撮像画像を処理して当該測定対象の寸法を計測する寸法計測方法およびこの方法の実施に用いる撮像装置、制御装置ならびにこれらの組み合わせに係る寸法計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エリア型撮像装置はＣＣＤを二次元配列してなる撮像面を備え、撮像エリア内の測定対象をレンズ系でその撮像面に結像するようになっている。このようなエリア型撮像装置で測定対象の寸法計測を正確に行うには測定対象を撮像面に合焦（フォーカス）させることが必要である。このようなフォーカス動作を自動的に行うオートフォーカス（自動合焦制御）機構や（特許文献１、２参照）、さらには自動かつ高速で行う高速オートフォーカス機構も提案されている（特許文献３参照）。
【０００３】
ところで、エリア型撮像装置を用いて測定対象の寸法計測を行うに際してエリア型撮像装置の撮像面に測定対象像をオートフォーカスさせる方式として、測定対象の寸法測定面に垂直な方向にエリア型撮像装置を２箇所以上に移動しそれぞれの移動位置で測定対象を撮像し、これら撮像に係る画像の処理によりエリア型撮像装置が測定対象に対してオートフォーカスする位置を演算し、その演算に従いエリア型撮像装置を結像位置に移動させる方式がある。しかしながら、この方式では、撮像、移動、演算を繰り返し実施する必要があり、エリア型撮像装置をオートフォーカスさせるまでの処理に時間がかかっていた。
【特許文献１】特開平７−１０５５４７
【特許文献２】特開平５−１２２５８２
【特許文献３】特表２００５−５２５５５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明により解決すべき課題は、エリア型撮像装置のオートフォーカスを高速に行うことができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明による寸法計測方法は、撮像エリア内の測定対象を撮像するエリア型撮像装置と、撮像エリアのオートフォーカス動作を高速で行う高速オートフォーカス機構とを一体として使用する、測定対象の寸法を計測する方法であって、寸法計測位置教示時に、測定対象の近傍に設定した基準領域が高速オートフォーカス機構に結像する、高速オートフォーカス機構の位置を求めるステップと、上記ステップで得た位置（第１結像位置）を第１記憶領域に記憶するステップと、撮像エリア内の測定対象がエリア型撮像装置に結像する、エリア型撮像装置の位置を求めるステップと、このステップで得た位置（第２結像位置）を第２記憶領域に記憶するステップと、第１、第２記憶領域にそれぞれ記憶している第１、第２結像位置の差を演算するステップと、この演算した値を補正値として第３記憶領域に記憶するステップと、を実施し、寸法計測時に、測定対象の近傍に設定した基準領域が高速オートフォーカス機構に結像する、高速オートフォーカス機構の位置を求めるステップと、上記ステップで得た第１結像位置から第３記憶領域に記憶されている上記補正値だけエリア型撮像装置の位置を補正するステップと、を実施する、ことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明によると、測定対象の近傍に設定した基準領域が高速オートフォーカス機構に結像する、高速オートフォーカス機構の位置と、撮像エリア内の測定対象がエリア型撮像装置に結像する、エリア型撮像装置の位置とが一致していない場合でも、寸法計測時には、撮像エリア内に設定した基準領域が高速オートフォーカス機構に結像する、高速オートフォーカス機構の位置を求めるステップと、上記ステップで得た第１結像位置から第３記憶領域に記憶されている上記補正値だけエリア型撮像装置の位置を補正するステップと、を実施するのみで、エリア型撮像装置を測定対象に高速でオートフォーカスさせられる。
【０００７】
（２）測定対象が、基板上にエッチングにより形成されたパターンであることが好ましい。
【０００８】
（３）上記基準領域の形状が、点状、線状、面状のいずれかの形状であることが好ましい。基準領域に凹凸がある場合では、線状や面状とし、高速オートフォーカス機構からのオートフォーカス信号の平均値からその凹凸の影響を軽減することができる。
【０００９】
（４）寸法計測位置教示および寸法計測時に、上記基板を、直交二次元ＸＹ座標系内を移動可能な移動テーブル上に配置するステップと、上記配置した基板上における測定対象のＸＹ座標系内での位置を検出するステップと、上記検出からエリア型撮像装置をＸＹ座標系内を移動させて測定対象に対する撮像位置を設定するステップと、をそれぞれ実施してエリア型撮像装置および高速オートフォーカス機構を撮像エリアに移動することが好ましい。
【００１０】
基板上の測定対象の位置情報を正確に制御装置等のコンピュータに伝送することができ、寸法計測をより高速かつ正確に実施することができるようになる。
【００１１】
（５）本発明による撮像装置は、撮像基台上を直交二次元ＸＹ座標系内のＸ軸方向に移動可能とされた移動テーブルと、上記移動テーブル上に位置決めされた基板上をＹ軸方向に移動可能とされたエリア型撮像装置と、上記エリア型撮像装置と一体に移動可能とされて基板上の基準領域にオートフォーカス可能に配置された高速オートフォーカス機構と、を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
（６）本発明による制御装置は、上記（５）に記載の撮像装置を制御するコンピュータ内蔵制御装置であって、当該コンピュータは、上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の寸法計測方法を実施するよう上記撮像装置内のエリア型撮像装置と高速オートフォーカス機構とを制御するためのコンピュータプログラムを搭載している、ことを特徴とするものである。
【００１３】
（７）本発明による寸法計測装置は、上記（５）に記載の撮像装置と、上記（６）に記載の制御装置とを組み合わせてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高速オートフォーカス機構を用いてエリア型撮像装置を測定対象に高速でかつ正確にオートフォーカスさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る寸法計測方法を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、同寸法計測方法を実施するために用いる寸法計測装置と該寸法計測装置を制御する制御装置との概略構成を示す斜視図、図２は、同寸法計測装置の平面図である。図１はＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向が示されている。これら各軸は互いに直交している。寸法計測装置２は、測定対象を撮像するための撮像装置４と、撮像装置４を制御するコンピュータ内蔵の制御装置６とから構成されている。撮像装置４と制御装置６は、相互に情報伝送可能に接続されている。制御装置６は撮像装置４が撮像した画像から寸法を演算する機能も備える。
【００１７】
撮像装置４は、Ｘ軸方向長手でＹ軸方向一定幅の平面視矩形形状の撮像基台８を備える。撮像基台８上にはＸ軸方向に互いに平行に延びる一対のガイドレール１０が設けられている。この一対のガイドレール１０に矩形平板形状の移動テーブル１２がＸ軸方向に移動可能になっている。移動テーブル１２には、図示略のエンコーダが一体的に設置されている。ガイドレール１０に沿って設けられたリニアスケール１４とエンコーダとによって、移動テーブル１２のＸ軸方向の移動量を測定することができる。図示略のエンコーダには、投光部と受光部が備えられ、投光部から出射されてリニアスケール１４で反射光を受光部で受けることにより、移動テーブル１２の移動量に応じた数のパルス信号を得ることができる。また、リニアスケール１４の１箇所には原点パターンが設けられていることにより、移動テーブル１２のＸ軸方向上の移動位置の原点信号を得ることもできる。
【００１８】
撮像基台８には、移動テーブル１２上をＹ軸方向に跨ぐ形で門型の撮像架台１６が架設されている。撮像架台１６には図示略のカメラ移動機構にカメラ機構であるエリア型撮像装置１８と高速オートフォーカス機構２０とがＹ軸方向に移動可能に設けられている。カメラ移動機構は、制御装置６から指令されたＸ座標にエリア型撮像装置１８と高速オートフォーカス機構２０とを一体移動させる。エリア型撮像装置１８は、顕微鏡のように対物レンズを有する構成となっており、２次元ＣＣＤ撮像素子を備える。対物レンズの交換により撮像倍率を変更できるようになっている。
【００１９】
基板２２は、例えば、液晶パネル用のガラス基板であり、移動テーブル１２上に複数の位置決めピン２３と、複数のプッシャ２６とにより位置決めされている。この基板２２上には、金属膜のエッチングにより、配線パターンと十字型基準マークＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓとが形成されている。
【００２０】
図３は、図２で示す基板２２上の点線で囲む撮像エリア２４を拡大して示す。この撮像エリア２４は、エリア型撮像装置１８で撮像され、制御装置６のコンピュータが備えるディスプレイ上に表示される撮像画面になる。
【００２１】
また、図４に、図３で示す撮像エリア２４における基板２２のＡ−Ａ線に沿う断面を拡大して示している。なお、図１においてエリア型撮像装置１８と高速オートフォーカス機構は横に並べて設置してあるが、共通の導光部を利用し、ビームスプリッタなどにより入力した光を分岐し、それぞれの撮像部に結像させる構造をとっている。図４ならびに以下の図５、図６では、エリア型撮像装置１８と高速オートフォーカス機構２０共通の導光部が、それぞれ、別々に測定箇所、基準領域を測定する状態を示している。撮像エリア２４の基板２２上には、例えば、エッチングにより形成された第１配線パターン２６と、この第１配線パターン２６上にエッチングにより形成された第２配線パターン２８とが簡略化して示されている。両配線パターン２６，２８はＹ軸方向に延びており、第１、第２配線パターン２６，２８のトータルした配線厚みはｄであり、第２配線パターン２８のＸ軸方向配線幅はｗである。また、図３で点線円で示す箇所は高速オートフォーカス機構２０の基準領域３０である。
【００２２】
制御装置６は、キーボードとディスプレイとを備えており、撮像装置４に対して指令を送ったり、撮像装置４のエリア型撮像装置１８で撮像した画像を観察したり、撮像装置４を制御するプログラムを入力したりできるようになっている。撮像装置４を制御する寸法計測用のコンピュータプログラムは、制御装置６のコンピュータに当初からインストールさせておいてもよいし、ネットワーク経由で外部からダウンロードすることもできる。
【００２３】
制御装置６は、基板２２上の任意の点の画像を得るよう移動テーブル１２をＸ軸方向に移動制御するとともに、撮像架台１６に対してエリア型撮像装置１８をＹ軸方向に移動制御することにより、第２配線パターン２８を撮像する撮像エリア２４上にエリア型撮像装置１２を設定することができる。
【００２４】
そして、制御装置６は、第２配線パターン２８の配線幅ｗを寸法計測する前に高速オートフォーカス機構２０を駆動して基準領域３０に結像させたり、エリア型撮像装置１８を駆動して第２配線パターン２８を撮像するよう撮像装置４を制御することができる。
【００２５】
以上の結像動作により制御装置６は、高速オートフォーカス機構２０が基準領域３０に結像する第１結像位置と、エリア型撮像装置１８が上下しつつ何枚も撮像してフォーカス位置を決定して第２配線パターン２８に結像する第２結像位置との情報を得ると、第１結像位置は記憶手段の第１記憶領域に、第２結像位置は記憶手段の第２記憶領域に、それぞれ、記憶させるとともに、演算手段により、第１、第２結像位置の差を演算し、この演算の値を記憶手段の第３記憶領域に補正値として記憶させる。この場合、制御装置６は、寸法計測用のコンピュータプログラムがダウンロードされたコンピュータを内蔵している。コンピュータは、ハードウェア構成で表現すると、ＣＰＵが上記エリア型撮像装置１８と高速オートフォーカス機構２０それぞれの結像動作を制御する制御手段と、上記演算を行う演算手段とを構成し、ＲＡＭが上記記憶を行う記憶手段を構成し、ハードディスク装置が当該コンピュータの基本ソフトや寸法計測用のコンピュータプログラムがダウンロードされた記憶手段を構成する。
【００２６】
次に、図５、図６を参照して実施の形態の寸法計測方法を説明する。この寸法計測方法を実行する工程は、制御装置６のコンピュータのコンピュータプログラムに搭載されている。
【００２７】
この寸法計測方法は、寸法計測位置教示と、寸法計測とに分かれる。
【００２８】
（寸法計測位置教示）
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して１枚あるいは数枚の基板を使用して、最初の１回だけ実施する場合を説明する。図５（ａ）はカメラ機構における高速オートフォーカス機構２０が第１結像位置Ｐ１にあるときの状態を示し、図５（ｂ）はカメラ機構におけるエリア型撮像装置１８が第２結像位置Ｐ２にあるときの状態を示す。図５（ｃ）は動作説明に用いるフローチャートを示す。
【００２９】
スタートしてステップｓ１では、制御装置６は作業者のコンピュータ操作により寸法計測位置（ＸＹ座標系においてＸ座標位置とＹ座標位置）が設定入力されると、そのＸＹ座標データに対応して撮像装置４のテーブル１２をＸ座標位置にカメラ機構（エリア型撮像装置１８、高速オートフォーカス機構２０）をＹ座標位置に移動させて、そのカメラ機構を寸法計測位置に移動させる。
【００３０】
制御装置６は、ステップｓ１でカメラ機構の寸法計測位置への移動が完了すると、ステップｓ２で高速オートフォーカス機構２０をフォーカス動作させ基準領域３０に結像させる。
【００３１】
制御装置６は、高速オートフォーカス機構２０が基準領域３０に結像すると、ステップｓ３でその第１結像位置Ｐ１を取得し、その取得した第１結像位置Ｐ１をコンピュータ内の記憶手段の第１記憶領域に記憶させる。
【００３２】
次いで、制御装置６はステップｓ４でエリア型撮像装置１８を上下させつつ何枚も撮像し第２配線パターン２８上へフォーカスさせる制御動作を開始し、エリア型撮像装置１８が第２配線パターン２８上に結像すると、ステップｓ５でその結像位置Ｐ２を取得し、その取得した第２結像位置Ｐ２をコンピュータ内の記憶手段の第２記憶領域に記憶させる。
【００３３】
そして、制御装置６はステップｓ６で、第１記憶領域に記憶している第１結像位置Ｐ１と第２記憶領域に記憶している第２結像位置Ｐ２との差をコンピュータ内の演算手段で演算し、この演算した値を補正値ΔＰとして第３記憶領域に記憶させて、寸法計測位置教示をエンドにする。
【００３４】
（寸法計測時）
図６を参照して教示が済んで、製品の寸法を測定する場合を説明する。図６（ａ）は高速オートフォーカス機構２０が結像位置Ｐ１にあるときの状態を示し、図６（ｂ）はエリア型撮像装置１８がΔＰ補正により結像位置Ｐ２にあるときの状態を示す。図６（ｃ）は動作説明に用いるフローチャートを示す。
【００３５】
スタートしてステップｓ１１では、制御装置６は作業者のコンピュータ操作により寸法計測位置（ＸＹ座標系においてＸ座標位置とＹ座標位置）が設定入力されると、自動でそのＸＹ座標データに対応して撮像装置４のテーブル１２をＸ座標位置にエリア型撮像装置１８をＹ座標位置に移動させてエリア型撮像装置１８を含むカメラ機構を寸法計測位置に移動させる。
【００３６】
制御装置６は、ステップｓ１１でカメラ機構の寸法計測位置への移動が完了すると、次にステップｓ１２で高速オートフォーカス機構２０をフォーカス動作させ基準領域３０に結像させる。
【００３７】
制御装置６は、ステップｓ１２で高速オートフォーカス機構２０が基準領域３０に結像すると、次いでステップｓ１３で第３記憶領域に記憶されている補正値ΔＰに従い高速オートフォーカス機構２０のフォーカス位置をΔＰだけ移動させる。この移動により高速オートフォーカス機構２０と一体移動するエリア型撮像装置１８は結像位置Ｐ２に移動している。
【００３８】
制御装置６は、ステップｓ１３で上記移動が完了すると、ステップｓ１４で制御装置６はエリア型撮像装置１８を駆動して撮像エリア内の第２配線パターン２８を撮像し、ステップｓ１５でその撮像にかかる第２配線パターン２８の画像を制御装置６のコンピュータのディスプレイ上に表示する一方で、コンピュータ内蔵のソフトを用いて第２配線パターン２８の配線幅ｗを寸法計測してエンドする。
【００３９】
なお、この実施の形態ではエリア型撮像装置で撮像の高さを変えつつ何枚も撮像し、フォーカスを合わせるという時間がかかる作業が、測定には無くなり、高速で寸法測定を実施することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る寸法計測方法の実施に用いる寸法計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は図１の寸法計測装置の平面図である。
【図３】図３は図２の基板上の点線矩形で囲む部分を拡大して示す図である。
【図４】図４は図３のＡ−Ａ線の断面図である。
【図５】図５（ａ）は寸法計測位置教示時において、カメラ機構における高速オートフォーカス機構が結像位置Ｐ１にあるときの状態を示し、図５（ｂ）はカメラ機構におけるエリア型撮像装置が結像位置Ｐ２にあるときの状態を示し、図５（ｃ）は動作説明に用いるフローチャートを示す図である。
【図６】図６（ａ）は寸法計測時において高速オートフォーカス機構が結像位置Ｐ１にあるときの状態を示し、図６（ｂ）はエリア型撮像装置がΔＰ補正により結像位置Ｐ２にあるときの状態を示し、図６（ｃ）は動作説明に用いるフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２  寸法計測装置
４  撮像装置
６  制御装置
８  撮像基台
１０  ガイドレール
１２  移動テーブル
１４  リニアスケール
１６  撮像架台
１８  エリア型撮像装置
２０  高速オートフォーカス機構
２２  基板
２４  撮像エリア
２６  第１配線パターン
２８  第２配線パターン
【図１】
2007218846.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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