(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のピンホールを形成したピンホール部材に計測光を照射する計測用光源と、
被測定物に対向して設けられ前記ピンホールを通過した計測光を前記被測定物上に集光する対物レンズと、
前記対物レンズから前記ピンホール部材に向かう光路が分岐された光路上に設けられ、複数の受光素子を備えて前記ピンホールを通過した計測光が前記被測定物上に照射して指定した測定点からの反射光をそのまま受光する撮像手段と、
前記対物レンズと前記被測定物との間の距離を変位させる変位手段と、
を備え、
前記ピンホール部材の任意の一つのピンホールを通過した計測光により指定された前記被測定物上の測定点からの反射光を受光する前記撮像手段の複数の受光素子のうち、最も高い検出出力を示した一つの受光素子からの出力を前記測定点に対応した受光素子からの出力として選択することを特徴とする微小高さ測定装置。
【請求項２】
前記ピンホール部材は、透明な基板上に複数のピンホールを所定間隔でマトリクス状に形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の微小高さ測定装置。
【請求項３】
前記ピンホール部材は、複数のピンホールを螺旋状に形成したニッポウディスクであることを特徴とする請求項１に記載の微小高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物上の突起等の微小高さを測定する微小高さ測定装置に関し、詳しくは、ピンホールを用いた微小高さ測定装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の微小高さ測定装置は、計測光を放射して複数のピンホールを形成したニッポウディスクに照射する計測用光源と、被測定物に対向して設けられ上記ピンホールを通過した計測光を上記被測定物上に集光する対物レンズと、上記ピンホールを通過した計測光の被測定物からの反射光を上記ピンホールを通して受光する撮像手段と、上記対物レンズをその光軸方向に変位させる変位手段と、を備えたものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７７１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような従来の微小高さ測定装置は、ニッポウディスクのピンホールを通過した計測光の被測定物からの反射光を同じピンホールを通して受光するようにしているため、計測光源からの計測光をニッポウディスクに均一に照射するための光学系と、該光学系の光路から分岐された光路上に設けられた撮像手段の受光面上に上記ピンホールの像を結像するための結像光学系と、をニッポウディスクの背後に設ける必要があり、装置の光学構成が複雑になるという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、装置の光学構成を簡単にしようとする微小高さ測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明による微小高さ測定装置は、複数のピンホールを形成したピンホール部材に計測光を照射する計測用光源と、被測定物に対向して設けられ前記ピンホールを通過した計測光を前記被測定物上に集光する対物レンズと、前記対物レンズから前記ピンホール部材に向かう光路が分岐された光路上に設けられ、複数の受光素子を備えて前記ピンホールを通過した計測光が前記被測定物上に照射して指定した測定点からの反射光をそのまま受光する撮像手段と、前記対物レンズと前記被測定物との間の距離を変位させる変位手段と、を備え、前記ピンホール部材の任意の一つのピンホールを通過した計測光により指定された前記被測定物上の測定点からの反射光を受光する前記撮像手段の複数の受光素子のうち、最も高い検出出力を示した一つの受光素子からの出力を前記測定点に対応した受光素子からの出力として選択するものである。
【０００６】
このような構成により、複数のピンホールを形成したピンホール部材に計測用光源で計測光を照射し、被測定物に対向して設けられた対物レンズで上記ピンホールを通過した計測光を被測定物上に集光し、対物レンズからピンホール部材に向かう光路が分岐された光路上に設けられ、複数の受光素子を備えた撮像手段でピンホール部材を通過した計測光が被測定物上に照射して指定した測定点からの反射光をそのまま受光し、変位手段で対物レンズと被測定物との間の距離を変位させ、上記ピンホール部材の任意の一つのピンホールを通過した計測光により指定された被測定物上の測定点からの反射光を受光する撮像手段の複数の受光素子のうち、最も高い検出出力を示した一つの受光素子からの出力を上記測定点に対応した受光素子からの出力として選択して微小高さを測定する。
【０００７】
また、前記ピンホール部材は、透明な基板上に複数のピンホールを所定間隔でマトリクス状に形成したものである。これにより、透明な基板上に所定間隔でマトリクス状に形成された複数のピンホールで計測光を通過させる。
【０００８】
そして、前記ピンホール部材は、複数のピンホールを螺旋状に形成したニッポウディスクである。これにより、ニッポウディスクに螺旋状に形成された複数のピンホールで計測光を通過させる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、ピンホール部材の任意の一つのピンホールを通過した計測光により指定された被測定物上の測定点からの反射光を受光する撮像手段の複数の受光素子のうち、最も高い検出出力を示した一つの受光素子からの出力を上記測定点に対応した受光素子からの出力として選択して微小高さを測定することができる。したがって、ピンホールを通過した計測光が被測定物上に照射して指定した測定点からの反射光を撮像手段で上記ピンホールを介することなくそのまま受光することができ、撮像手段の受光面上に上記ピンホールの像を結像するための結像光学系をピンホール部材の背後に設ける必要がない。また、このような結像光学系を設ける必要がないため計測光源をピンホール部材に近接して設けることができ、計測光源からの計測光をピンホール部材に均一に照射するための光学系を設ける必要がない。したがって、装置の光学構成を簡単にすることができ、装置を安価に製造することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明によれば、微小高さの測定が簡便になり、装置の製造コストを低減することができる。
【００１１】
そして、請求項３に係る発明によれば、観察領域内の高さ測定をより緻密に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による微小高さ測定装置の実施形態を示す正面図である。この微小高さ測定装置は、被測定物上の突起等の微小高さを測定するもので、ステージ１と、白色光源２と、ピンホール部材３と、対物レンズ４と、結像レンズ５と、撮像手段６と、照明光源７と、レーザ光源８と、光束規制手段９と、変位手段１０と、からなる。
【００１３】
上記ステージ１は、上面に被測定物１１を載置して水平面内をＸ，Ｙ方向に移動させるものであり、図示省略のモータ及びギア等を組み合わせた駆動手段によって移動するようになっている。なお、Ｙ方向は、図１において奥行き方向である。
【００１４】
上記ステージ１の上方には、計測用光源としての白色光源２が、後述のピンホール部材３に近接して設けられている。この白色光源２は、ピンホール部材３に白色光（計測光）Ｌ１を照射するもので、キセノンランプ、超高圧水銀ランプ、白色レーザ光源、白色ＬＥＤ等である。
【００１５】
上記白色光源２の白色光Ｌ１の放射方向前方には、ピンホール部材３が設けられている。このピンホール部材３は、図２に示すように、複数のピンホール１２を所定間隔でマトリクス状に形成したもので、例えば、透明な基板１３上に形成されたクロム（Ｃｒ）等の不透明膜１４をエッチングして複数のピンホール１２を形成したピンホールマスクである。なお、ピンホール１２の配列ピッチは、後述の撮像手段６の受光素子の配列ピッチの略整数倍となるようにするとよい。さらに、ピンホール１２の配列ピッチは、隣接するピンホール１２を通過した光の被測定物１１からの反射光が撮像手段６の受光面上で干渉しないように、十分に広くするとよい。そして、各ピンホール１２は、それぞれ撮像手段６の各受光素子と１対１の対応関係を成すように位置合わせされるとよい。
【００１６】
上記白色光源２とステージ１とを結ぶ光軸上にて、ステージ１に載置された被測定物１１に対向して対物レンズ４が設けられている。この対物レンズ４は、ピンホール部材３のピンホール１２を通過した白色光Ｌ１を被測定物１１上に集光するものであり、ステージ１の面に平行に移動可能とされたレンズホルダー１５に着脱可能に保持された倍率の異なる複数種の対物レンズ４ａ〜４ｄからなっている。
【００１７】
上記白色光源２と対物レンズ４との間の光路上には、結像レンズ５が設けられている。この結像レンズ５は、対物レンズ４と組み合わされて被測定物１１上にピンホール部材３のピンホール１２の像を結像させるものである。
【００１８】
上記結像レンズ５からピンホール部材３に向かう光路がビームスプリッタ１６によって分岐された光路上には、撮像手段６が設けられている。この撮像手段６は、複数の受光素子をマトリクス状に備えて被測定物１１上の二次元画像を撮像するものであり、微小高さを測定する際には、上記ピンホール部材３のピンホール１２を通過した白色光Ｌ１の被測定物１１からの反射光Ｌ２をピンホール部材を介することなくそのまま受光して反射光Ｌ２の輝度を検出する検出手段として機能する、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等である。この場合、任意の一つのピンホール１２を通過した白色光Ｌ１が被測定物１１上に照射して指定した測定点からの反射光Ｌ２を受光する受光素子は、一つではなく、一群の複数の受光素子である。しかし、高さ計測時には、図示省略の画像処理部において、この一群の複数の受光素子のうち最も高い輝度の検出出力を示した一つの受光素子からの出力を上記測定点に対応した受光素子からの出力として選択するようになっている。
【００１９】
上記対物レンズ４から結像レンズ５に向かう光路がビームスプリッタ１７によって分岐された光路上には、照明光源７が設けられている。この照明光源７は、被測定物１１上に照明光Ｌ３を照射して撮像手段６による被測定物１１表面の撮像を可能にさせるものであり、ハロゲンランプ等である。
【００２０】
上記結像レンズ５から白色光源２に向かう光路がビームスプリッタ１８によって分岐された光路上には、レーザ光源８が設けられている。このレーザ光源８は、レーザ光Ｌ４を放射し、被測定物１１に照射して該被測定物１１を加工するものであり、例えば532nm又は355nmの波長のレーザ光Ｌ４を放射するパルスレーザである。
【００２１】
上記結像レンズ４とレーザ光源８との間には、光束規制手段９が設けられている。この光束規制手段９は、被測定物１１に照射されるレーザ光Ｌ４の光束断面形状を形状規制部１９で加工形状に対応した形状に規制して射出するものであり、例えばＸＹ平面内をスライド可能な複数の部材を組み合わせて構成されている。その構成の具体的一例は、図３に示すように、ＸＹ平面内をＸ方向にスライドすると共に該平面内を矢印Ａ，Ｂ方向に回動する一対の第１の部材２０と、その上方に配設されＹ方向にスライドすると共に上記ＸＹ平面内を矢印Ｃ，Ｄ方向に回動する一対の第２の部材２１と、から成り、上記一対の第１の部材２０及び第２の部材２１によって囲まれた開口部を上記形状規制部１９としている。
【００２２】
上記白色光源２、ピンホール部材３、対物レンズ４、結像レンズ５、撮像手段６、照明光源７、レーザ光源８、及び光束規制手段９を含む光学系の本体部を上下動可能に変位手段１０が設けられている。この変位手段１０は、光学系本体部を所定の移動範囲内を下方から上方に向かって、又は上方から下方に向かって所定速度で移動させて、対物レンズ４と被測定物１１との間隔を変位させるもので、例えばモータとギア等を組み合わせて構成されている。
【００２３】
なお、上記光学系において、ピンホール部材３のピンホール１２の形成位置、撮像手段６の受光面の位置及び光束規制手段９の形状規制部１９の位置は、それぞれ対物レンズ４の結像位置に対して共役の関係となるようにされている。また、図１において、符号２２はレンズホルダー１５をＸ方向に移動させるためのモータ、符号２３はモータ２２に連結されて回転しレンズホルダー１５をＸ方向に移動させるボールネジ、符号２４はレンズホルダー１５をＹ方向に移動させるためのモータ、符号２５は全反射ミラー、及び符号２６は撮像手段６による撮像領域内を均一に照明するフィールドレンズである。
【００２４】
次に、このように構成された微小高さ測定装置の動作及び異常突起（異物）の除去手順について、図４及び図５を参照して説明する。なお、以下の説明においては、被測定物１１がカラーフィルタ基板の場合について述べる。
先ず、ステップＳ１においては、カラーフィルタ基板が微小高さ測定装置のステージ１上に載置される。そして、装置の起動スイッチが投入されて、照明光源７が点灯する。これにより、照明光Ｌ３が対物レンズ４を介してカラーフィルタ基板面に照射する。また、同時に撮像手段６がＯＮ駆動してカラーフィルタ基板表面を撮像する。このとき、白色光源２及びレーザ光源８は消灯されたままである。また、対物レンズ４としては、低倍率の対物レンズ４ａ〜４ｃのいずれかが選択されている。
【００２５】
ステップＳ２においては、変位手段１０がＯＮ駆動して光学系本体部を上下動し、撮像手段６で撮像されるカラーフィルタ基板のパターンの画像が鮮明となるようにオートフォーカス調整がなされる。このとき、撮像手段６による撮像画像は、図示省略のモニター画面に表示される。
【００２６】
ステップＳ３においては、撮像手段６により撮像されたカラーフィルタ基板のパターン画像に対して公知のパターンマッチング法が適用され、パターンの欠陥、例えばパターン上に付着した異物（異常突起）が検出される。ここで、パターン欠陥が検出されない（“ＮＯ”判定）ときには、ステップＳ４に進んでステージ１が所定方向に所定量だけ移動されて次の観察領域が選択される。
【００２７】
一方、ステップＳ３において、パターン欠陥が検出されると（“ＹＥＳ”判定）、ステップＳ５に進んで、ステージ１がＸ，Ｙ方向に移動されて欠陥部（異物２７）（図５参照）が対物レンズ４の視野Ｆの中心に位置付けられる。
【００２８】
そして、ステップＳ６において、モータ２２が駆動されてレンズホルダー１５がＸ方向に移動され、対物レンズ４が高倍率の対物レンズ４ｄに交換される。また、対物レンズ４ｄの光軸と光学系本体部の光軸とがずれている場合には、さらに、モータ２４が駆動されてレンズホルダー１５がＹ方向に移動され、光軸合わせがなされる。
【００２９】
対物レンズ４が高倍率の対物レンズ４ｄに交換されると、変位手段１０が再度ＯＮ駆動して光学系本体部を上下動し、撮像手段６で撮像されるカラーフィルタ基板のパターンの画像が鮮明となるようにオートフォーカス調整がなされる（図５（ａ）参照）。
【００３０】
ステップＳ７においては、照明光源７が消灯され、白色光源２が点灯される。これにより、白色光源２から放射した白色光Ｌ１は、ピンホール部材３の複数のピンホール１２を通過し、対物レンズ４を介してカラーフィルタ基板上に照射する。そして、カラーフィルタ基板上に上記ピンホール１２に対応する複数の測定点２８を指定する（図５（ｂ）参照）。さらに、各測定点２８からの反射光Ｌ２は、対物レンズ４を通って白色光源２側に戻り、ビームスプリッタ１６で反射されて撮像手段６にそのまま入射する。
【００３１】
ステップＳ８においては、高さ測定が開始される。即ち、上記反射光Ｌ２の輝度が撮像手段６の受光素子によって検出され、その輝度情報が反射光を受光した受光素子毎に図示省略の記憶部の対応領域に保存される。同時に、このときの変位手段１０の高さ情報が変位手段１０に備えられた位置センサーによって検出され、上記輝度情報に関連付けて記憶部に保存される。
【００３２】
続いて、変位手段１０がＯＮ駆動して、光学系本体部を所定速度で例えば上方に移動する。このとき、複数のピンホール１２を通過した白色光Ｌ１のカラーフィルタ基板からの反射光Ｌ２が撮像手段６の複数の受光素子によって受光され、所定の時間間隔で上記反射光Ｌ２の輝度が検出される。同時に、変位手段１０の高さ情報が変位手段１０の位置センサーの出力に基づいて上記輝度の検出に同期して取得される。そして、これら輝度情報及び高さ情報は、互いに関連付けられて受光素子毎に記憶部に保存される。
【００３３】
具体的には、輝度情報が所定時間間隔で入力される度に、新たに入力された輝度情報が記憶部に保存されている一つ前の輝度情報と比較される。そして、この新たな輝度情報が一つ前の輝度情報を上回ると、記憶部に保存された輝度情報が更新される。同時に、高さ情報も更新される。一方、輝度情報の更新が予め設定された複数回だけ行われないときには、上記保存された輝度情報を最大輝度として検出し、最後に輝度情報の更新が行われたときの高さ情報をその測定点の高さとして保存する。
【００３４】
なお、本発明においては、カラーフィルタ基板の任意の一つの測定点２８からの反射光Ｌ２は、撮像手段６の複数の受光素子によって受光される。しかし、各受光素子は個別に輝度情報を出力するため、高さ測定時には、図示省略の画像処理部において、上記複数の受光素子のうち最も高い輝度情報を出力した一つの受光素子からの出力を上記測定点２８に対応した受光素子からの出力として選択し、高さ測定に使用する。
【００３５】
ステップＳ９において、全ての測定点２８の高さ測定が終了すると（“ＹＥＳ”判定）、ステップＳ１０に進んで白色光源２が消灯される。同時に、変位手段１０を駆動して光学系本体部の高さを所定の高さに合わせる。この高さは、照射するレーザ光のパワーに依存し、例えばカラーフィルタ基板のパターン表面、異物２７の頂点、又はその中間高さ位置等であり、実験により決められる。
【００３６】
続いて、レーザ照射による異物２７の除去段階に移る。この場合、先ず、ステップＳ１１において、照明光源７が点灯され、異物２７を含む欠陥パターンの画像が撮像手段６により撮像される。
【００３７】
ステップＳ１２においては、光束規制手段９の第１の部材２０及び第２の部材２１を動かして形状規制部１９の大きさが上記異物２７の大きさに合わされる。この動作は、例えば、第１の部材２０及び第２の部材２１の動きに連動して変わり上記形状規制部１９に対応した窓２９をモニター画面上に表示させ、該窓２９内に上記異物２７が納まるように第１の部材２０及び第２の部材２１の位置を手動調整する（図５（ｃ）参照）。又は、撮像手段６により撮像された画像のコントラストから異物２７の輪郭を検出し、それに基づいて異物２７のＸ，Ｙ方向の最大幅（対物レンズ４の倍率を考慮した幅）を算出し、光束規制手段９の形状規制部１９のＸ，Ｙ方向の幅が上記算出されたＸ，Ｙ方向の幅と一致するように第１の部材２０及び第２の部材２１の位置を自動調整するようにしてもよい。なお、上記窓２９は、第１の部材２０及び第２の部材２１に位置センサーを備え、該位置センサーの出力を利用して生成することができる。
【００３８】
ステップＳ１３においては、レーザ光源８がＯＮ駆動され、レーザ光Ｌ４が予め設定されたパワー、又は異物２７の高さに応じて自動設定されたパワーで所定時間だけ照射される。これにより、異物２７がレーザ光Ｌ４の熱により瞬時にガス化されて除去される（図５（ｄ）参照）。
【００３９】
ステップＳ１４においては、基板表面がモニターにより観察され、異物２７の除去状況が確認される。そして、ステップＳ１５において、モータ２２を駆動し、レンズホルダー１５を移動して対物レンズ４を低倍率の対物レンズ４ａ〜４ｃのいずれかに交換した後、ステップＳ４に進んで、ステージ１をＸ，Ｙ方向に移動してカラーフィルタ基板の観察領域を次の領域まで移動する。このようにして、次の観察領域において、ステップＳ１〜Ｓ１４が実行される。
【００４０】
ステップＳ１４において、異物２７の除去状況を確認した後、上述と同様にして、高さ測定を再度行ってもよい。この場合、例えば、異物２７が取りきれず、許容範囲を超えた高さが検出されたときには、レーザ光の照射を再度行うとよい。
【００４１】
なお、以上の説明においては、カラーフィルタ基板の欠陥修正、特に異物２７の除去について述べたが、本発明はこれに限られず、被測定物１１に所定の深さの凹部を形成する場合にも適用することができる。この場合、被測定物１１に対する加工量（加工深さ）を測定しながらレーザ加工を行うことにより、加工精度を向上することができる。
【００４２】
また、上記実施形態においては、高さ測定を行う際に、光学系本体部を上下方向に移動して対物レンズ４と被測定物１１との間の距離を変位させる場合について説明したが、本発明はこれに限られず、ステージ１を上下方向に移動してもよく、又は結像レンズ５をその光軸方向に変位させてもよい。
【００４３】
さらに、上記実施形態においては、ピンホール部材３、白色光源２及び撮像手段６を結像レンズ５から光束規制手段９に向かう光路がビームスプリッタ１８によって分岐された光路上に設ける場合について説明したが、本発明はこれに限られず、上記各構成要素を対物レンズ４から結像レンズ５に向かう光路が分岐された光路上に設けてもよい。この場合も、ピンホール部材３のピンホール１２の形成位置、撮像手段６の受光面の位置及び光束規制手段９の形状規制部１９の位置は、それぞれ対物レンズ４の結像位置に対して共役の関係となるように構成される。
【００４４】
また、上記実施形態においては、計測用光源が白色光源２の場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば赤、緑、青の単色光を放射するレーザ光源又はＬＥＤ等であってもよく、又は白色光源２と上記レーザ光源等とをスイッチで切り換えて使用できるようにしてもよい。
【００４５】
さらに、上記実施形態においては、光束規制手段９がＸＹ平面内をスライド可能な複数の部材を組み合わせて構成したものである場合について説明したが、本発明はこれに限られず、光束規制手段９は、個別に傾動可能な複数のマイクロミラーをマトリクス状に並べたマイクロミラーデバイスであってもよい。これにより、レーザ光の光束断面形状を加工形状に合わせて任意に設定することができる。
【００４６】
さらにまた、上記実施形態においては、ピンホール部材３が透明な基板上に複数のピンホール１２を所定間隔でマトリクス状に形成したものである場合について説明したが、本発明はこれに限られず、ピンホール部材３は、複数のピンホールを螺旋状に形成したニッポウディスクであってもよい。この場合、ニッポウディスクを所定速度で回転させることにより、観察領域内の高さ測定をより緻密に行うことができる。
【００４７】
そして、以上の説明においては、レーザ加工機能を備えたものについて述べたが、本発明はこれに限られず、突起の高さを測定し該突起をテープ研磨して除去するようにしたものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による微小高さ測定装置の実施形態を示す正面図である。
【図２】上記微小高さ測定装置において使用されるピンホール部材の一構成例を示す平面図である。
【図３】上記微小高さ測定装置において使用される光束規制手段の一構成例を示す平面図である。
【図４】上記微小高さ測定装置による異常突起（異物）の除去手順について説明するフローチャートである。
【図５】上記微小高さ測定装置による異常突起（異物）の除去手順について示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
２…白色光源（計測用光源）
３…ピンホール部材
４…対物レンズ
５…結像レンズ
６…撮像手段
８…レーザ光源
９…光束規制手段
１０…変位手段
１１…被測定物
１９…形状規制部
Ｌ１…白色光（計測光）
Ｌ２…反射光
Ｌ４…レーザ光
【要約】
【課題】装置の光学構成を簡単にする。
【解決手段】複数のピンホールを形成したピンホール部材３に白色光Ｌ１を照射する白色光源２と、被測定物１１に対向して設けられ上記ピンホールを通過した白色光Ｌ１を被測定物１１上に集光する対物レンズ４と、複数の受光素子を備えて上記ピンホールを通過した白色光Ｌ１の被測定物１１からの反射光Ｌ２をそのまま受光する撮像手段６と、対物レンズ４と被測定物１１との間の距離を変位させる変位手段１０と、を備えたものである。
【選択図】図１【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】
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