JP2009052989A - Optical measuring apparatus for microscopic object - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、微小物体の大きさを光学的に計測する微小物体の光学的計測装置の構成に関するものである。 The present invention relates to a configuration of an optical measuring device for a minute object that optically measures the size of the minute object.
従来、微小物体の所定の位置間の段差や3次元形状、例えば半導体や液晶ディスプレーの製造ライン、マイクロマシンなどの製造ラインにおけるナノメータレベルでのパターン間の段差や微小な機構部分の高さを光学的に計測する微小物体の計測装置として、例えば光源に白色光源を用い、当該白色光源からの白色光の干渉を利用して計測するものが知られている(例えば特許文献1を参照)。 Conventionally, the steps between predetermined positions of a minute object and the three-dimensional shape, for example, the steps between nanometer-level patterns and the height of minute mechanisms in a manufacturing line such as a semiconductor or liquid crystal display production line or a micromachine are optically measured. 2. Description of the Related Art As a measurement apparatus for a minute object to be measured, for example, a white light source is used as a light source and measurement is performed using interference of white light from the white light source (see, for example, Patent Document 1).
白色光源は、合成光の光源であるから多数の波長の光を発生させる。したがって、同白色光源からの多数の波長の光を上記のような測定対象物上で干渉させた場合、干渉により光が強め合う位置は、当該物体上の非常に短い区間となる。 Since the white light source is a light source of synthetic light, it generates light having a number of wavelengths. Therefore, when light of many wavelengths from the white light source is caused to interfere on the measurement object as described above, the position where the light strengthens due to the interference is a very short section on the object.
そこで、例えばCCDカメラなどの固体撮像手段により測定対象物を撮像しながら光学系を上下に動かして光路長を変え、撮像された測定対象物の画像内の各点で、その光量が最大になった時の光学系上の位置を求めるようにすれば、計測対象である微小物体表面の、例えば凹凸形状等の3次元形状を計測することができる。 Therefore, the optical system is moved up and down while imaging the measurement object with a solid-state imaging means such as a CCD camera to change the optical path length, and the light quantity becomes maximum at each point in the image of the imaged measurement object. If the position on the optical system at this time is obtained, it is possible to measure the three-dimensional shape such as the concave-convex shape of the surface of the minute object to be measured.
今例えば図12に、そのような構成を採用した従来の微小物体の計測装置の具体的な構成を示す。 Now, for example, FIG. 12 shows a specific configuration of a conventional minute object measuring apparatus employing such a configuration.
図12中、符号1は上記ナノレベルの微小な測定対象物、2は同測定対象物1を臨むCCDカメラ6からの光学系路上の位置に設けられていて、上記測定対象物1からの反射光を集光する対物レンズ、3は上記対物レンズ2を上記光学系路上においてフォーカス方向(光軸方向)に微小駆動することによって光路長を変える例えばピエゾアクチュエータよりなる光路長可変手段、4はハーフミラー4aを備え、白色光源5からの光を上記対物レンズ2を通して測定対象物に照射するビームスプリッター、6は上記測定対象物1からの反射光を対物レンズ2を介して収束させながら上記ビームスプリッター4を介して受光素子部分に入力し、上記測定対象物1の画像を得るCCDカメラである。
In FIG. 12,
しかし、上記従来の計測装置は、原理的にナノメートル単位の計測精度での光学系路上の位置決めを必要とするため、例えば数10マイクロメートルの測定対象物の高さを測定しようとした場合、数100回の位置決め工程を必要とし、相当に長い計測時間が必要となる。 However, the above-described conventional measuring device, in principle, needs to be positioned on the optical system path with a measurement accuracy of nanometer units, and for example, when trying to measure the height of a measurement object of several tens of micrometers, Several hundreds of positioning steps are required, and a considerably long measurement time is required.
したがって、上記従来の計測装置では、必要な計測精度が高くなるほど、また必要な計測レンジが広くなるほど、多大な計測時間を要することになり、極めて計測効率が悪く、半導体製造ライン等の製造効率向上の妨げとなっている。 Therefore, in the above conventional measurement apparatus, the higher the required measurement accuracy and the wider the required measurement range, the more measurement time is required, and the measurement efficiency is extremely poor, and the production efficiency of semiconductor production lines and the like is improved. It is an obstacle.
そこで、これを解消するために、例えば図1に示されるように複数の異なる波長のレーザ光を発生する第1,第2,第3の複数のレーザ光発生手段L1,L2,L3とこれら第1,第2,第3の複数のレーザ光発生手段L1,L2,L3に対応した第1,第2,第3の複数の撮像手段C1,C2,C3とを設け、第1,第2,第3の複数のレーザ光発生手段L1,L2,L3から照射されたレーザ光が第1,第2のビームスプリッターB1,B2部分で合流したあと、第3のビームスプリッターで測定対象物体への照射光とミラーへの参照光との2つのレーザ光に分けられて照射されるようにする。 In order to solve this problem, for example, as shown in FIG. 1, first, second, and third laser light generating means L 1 , L 2 , L 3 that generate laser light having a plurality of different wavelengths are used. And first, second and third imaging means C 1 , C 2 and C 3 corresponding to the first, second and third laser light generating means L 1 , L 2 and L 3 , The laser beams emitted from the first, second, and third laser beam generating means L 1 , L 2 , and L 3 merge at the first and second beam splitters B 1 and B 2 . After that, the third beam splitter irradiates the laser beam by being divided into two laser beams, that is, irradiation light to the measurement target object and reference light to the mirror.
そして、測定対象物に当たった反射光は、再び第3のビームスプリッターB3でミラーMからの反射光と合流して、干渉像を作りながら、第4,第5のビームスプリッターB4,B5を通って、第1,第2,第3の撮像手段C1,C2,C3により撮像されるようにする。 Then, the reflected light hitting the measurement object is again merged with the reflected light from the mirror M by the third beam splitter B 3 to form an interference image, and the fourth and fifth beam splitters B 4 , B are formed. 5 , the first, second, and third imaging means C 1 , C 2 , and C 3 are used for imaging.
これら第1〜第3の各撮像手段C1,C2,C3の前には、それぞれ各レーザ光の波長にあった特性の光学フィルタF1〜F3が装着されており、各レーザ光の波長毎の干渉像を撮像する。 In front of each of the first to third imaging means C 1 , C 2 , C 3 , optical filters F 1 to F 3 having characteristics corresponding to the wavelengths of the respective laser beams are mounted, and the respective laser beams. An interference image for each wavelength is taken.
一方、測定対象物は所定のステージST上に載置されており、同測定対象物を載せたステージSTは、ピエゾ素子などで駆動され、光路長を所望に変化させるようになっている。光路長を数10nm単位で変化させると、資料からの反射光と参照光との干渉状態が変化するために、像の明るさが変わる。この変化は、光路長の変化量に応じて図2のようにサイン波状に変化し、光路長の変化の1波長が周期となる。 On the other hand, the measurement object is placed on a predetermined stage ST, and the stage ST on which the measurement object is placed is driven by a piezo element or the like to change the optical path length as desired. When the optical path length is changed in units of several tens of nm, the state of interference between the reflected light from the material and the reference light changes, so that the brightness of the image changes. This change changes like a sine wave as shown in FIG. 2 according to the change amount of the optical path length, and one wavelength of the change of the optical path length becomes a period.
同光路長は、測定対象物表面の凹凸に応じて場所毎に異なるため、明暗の変化の仕方も場所によって違い、場所毎のサイン波状の明るさ変化の位相差となって表れる。したがって、図3のように、この位相差を測定すると、高さの差を計算することができることになる。 Since the optical path length varies from place to place according to the unevenness of the surface of the measurement object, the way in which the brightness changes changes from place to place, and appears as a phase difference of a sine wave-like brightness change from place to place. Therefore, when this phase difference is measured as shown in FIG. 3, the difference in height can be calculated.
しかし、上記明るさが変化するサイン波は波長の一周期で元に戻るので、結局1波長のレーザ光源では、1波長分の長さまでしか差が計測できない。 However, since the sine wave whose brightness changes returns to the original in one period of the wavelength, the difference can be measured only up to the length of one wavelength with the laser light source of one wavelength after all.
ところが、上記のように、複数の波長のレーザ光源L1,L2,L3を使用し、個別に位相を測定するようにすると、光路長の変化は波長に依存するため、例えば図4に示すように、光路長の変化の位相との関係が2つのレーザ光源間で相互にずれてくる。したがって相互に波長が異なる複数の光源で計測された位相を組み合わせれば、1つの光源の波長以上の計測が可能になる。 However, as described above, when laser light sources L 1 , L 2 , and L 3 having a plurality of wavelengths are used and the phases are individually measured, the change in optical path length depends on the wavelength. As shown, the relationship with the phase of the change in optical path length shifts between the two laser light sources. Therefore, if the phases measured by a plurality of light sources having different wavelengths are combined, it is possible to measure more than the wavelength of one light source.
このような複数の波長のレーザ光を用いた位相シフト法による微小物体の計測では、例えば図5に示すように、光路長をΔL毎に移動させることにより明るさ変化のサイン波の位相θをΔL毎にコード化し、同コードの組み合わせで1波長以上の長さを計測するものである。 In the measurement of a minute object by such a phase shift method using laser beams of a plurality of wavelengths, for example, as shown in FIG. 5, the phase θ of the sine wave of the brightness change is changed by moving the optical path length by every ΔL. It is coded for each ΔL, and a length of one wavelength or more is measured by a combination of the codes.
例えば光の波長から、光源1では0−4の5段階で評価され、光源2では0-3の4段階で評価された場合、その組み合わせコードは20種類あるため、光源1の波長の4倍まで計測できることになる。したがって、例えば図6に示すような位相コード変換テーブルを作製しておくことにより、レーザ光の波長を超えた計測が可能になる。
For example, when the
また、光源毎の明るさ変化の位相の計測は、計測する長さによらず、光源の波長内を数10分割した程度の計測で済むため、従来の白色光の干渉を使用する計測装置に比べて、大幅に計測時間を短縮することができることになる。 In addition, the measurement of the phase of the brightness change for each light source can be performed by dividing the wavelength of the light source into several tens of wavelengths regardless of the length to be measured. Therefore, the conventional measurement apparatus using white light interference can be used. Compared to this, the measurement time can be greatly shortened.
しかし、上記位相コード変換テーブルの作製に当たっては、光の波長が光路長の移動量の整数倍でなかった場合の位相コードの変動や、位相計測時の計測精度、ノイズなどによる計測誤差への対応がなされておらず、これらの点を解決しない限り計測装置としての実用化は困難である。 However, when preparing the above phase code conversion table, it is possible to deal with measurement errors due to phase code fluctuations, measurement accuracy during phase measurement, noise, etc. when the wavelength of light is not an integral multiple of the optical path length movement. However, unless these points are solved, it is difficult to put it into practical use as a measuring device.
本願発明は、このような技術的課題に対応してなされたもので、上述した位相コード変換テーブル上の使用領域を制限することにより、上記計測誤差を吸収できるようにした微小物体の光学的な計測装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in response to such a technical problem. By limiting the use area on the above-described phase code conversion table, the optical object of the minute object that can absorb the above measurement error can be obtained. The object is to provide a measuring device.
本願発明は、同目的を達成するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。 In order to achieve the same object, the present invention is configured with the following problem solving means.
(1) 請求項1の発明
この発明は、観測光と対象光を含む複数の波長のレーザ光を発生するレーザ光発生手段と、該レーザ光発生手段からの観測光と対象光を測定物を介して干渉可能な状態で撮像装置に導く光学系と、該光学系の光路長を可変する光路長可変手段と、該光路長可変手段によって上記光学系の光路長を変えながら観測光と対象光との複数の干渉画像を撮像する撮像手段とを備え、上記複数の波長のレーザ光の各波長毎の干渉画像の画像内各点の明るさが変化する部分の位相を計測し、同計測された位相値の組み合わせによって測定物の大きさを計測するようにしてなる微小物体の光学的計測装置であって、上記計測された位相値を測定対象物の所定の測定区間毎に分割し、その区間の組み合わせを区間番号で表した位相変換テーブルによって解析することにより、使用するレーザ光の波長を超えた大きさの計測を行えるようにするとともに、予じめ上記位相変換テーブルの区間番号の組み合わせを粗にしておき、その空いた区間番号の組み合わせについては、同区間の近傍の組み合わせ番号で補間することにより、計測された位相値の誤差を吸収補正するようにしたことを特徴とするものである。
(1) The invention of
測定対象物の大きさの変化に従って位相変換テーブル上での区間番号の変化は、同位相変換テーブル上を斜めに直線状に移動していく。そして、同位相変換テーブルの端に達すると、そこから組み合わせた複数のレーザ光の波長差分だけずれた場所に平行に次の区間番号の組み合わせが直線状に表れる。 The change in the section number on the phase conversion table moves diagonally and linearly on the phase conversion table according to the change in the size of the measurement object. Then, when the end of the same phase conversion table is reached, the next combination of section numbers appears in a straight line in parallel with the location shifted by the wavelength difference of the plurality of laser beams combined therefrom.
したがって、これら2つの直線の間を別の区間番号の組み合わせで埋めてしまわず、2つの直線の近い方に属する領域とすると、この区間番号間の波長差が位相変換テーブル上でn番分の距離があるとした場合、n/2番分の計測誤差の変化を吸収できることになる。 Therefore, if the area between these two straight lines is not filled with a combination of different section numbers, and the area belongs to the closer of the two straight lines, the wavelength difference between the section numbers will be n times on the phase conversion table. If there is a distance, it is possible to absorb a change in measurement error for n / 2.
このように、使用する位相変換テーブル上の所定の使用領域部分を制限することによって、組み合わせられる2つの直線の間に空き領域を設け、そこに近傍の直線上の組み合わせ番号を入れてデータ補間するようにすれば、上述した計測誤差などによる計測値の変動を吸収することができる。 In this way, by limiting a predetermined use area portion on the phase conversion table to be used, an empty area is provided between two combined straight lines, and data is interpolated by inserting a combination number on a nearby straight line there. By doing so, it is possible to absorb the fluctuation of the measurement value due to the above-described measurement error or the like.
(2) 請求項2の発明
この発明は、上記請求項1の発明における位相変換テーブルは、使用するレーザ光源の数に応じたn次元構造となっていることを特徴としている。
(2) Invention of
請求項1の発明の構成の位相変換テーブルは、2つの波長の2組のレーザ光源を用いる場合には2次テーブル、また3つの波長の3組のレーザ光源を用いた場合には、3次元テーブルとなるが、基本的な計測補間処理は同じであり、同様に処理することができる。
The phase conversion table of the configuration of the invention of
以上の結果、本願発明によると、光の波長が光路長の移動量の整数倍でなかった場合の位相コードの変動や、位相計測時の計測精度、ノイズの影響などによる計測誤差を吸収した高精度の計測が可能となり、十分に実用化が可能となる。 As a result of the above, according to the present invention, it is possible to absorb the measurement error due to the variation of the phase code when the wavelength of the light is not an integral multiple of the movement amount of the optical path length, the measurement accuracy at the time of phase measurement, the influence of noise, etc. Accurate measurement is possible, and practical use is possible.
図1〜図11は、上記のような特徴を備えた本願発明の最良の実施の形態に係る微小物体の光学的計測装置の構成を示している。 FIGS. 1-11 has shown the structure of the optical measurement apparatus of the micro object based on the best embodiment of this invention provided with the above characteristics.
同装置は、例えば図1に示されるように、複数の異なる波長のレーザ光を発生する第1,第2,第3のレーザ光発生手段(半導体レーザ)L1,L2,L3と、これら第1,第2,第3のレーザ光発生手段L1,L2,L3に対応した第1,第2,第3の撮像手段(CCDカメラ)C1,C2,C3と、第1,第2,第3,第4,第5のビームスプリッターB1,B2,B3,B4,B5と、参照光を形成する参照ミラーRMと、参照ミラーRMを回転させる回転駆動手段Dと、測定対象物(微小物体)Wと、該測定対象物Wを載置したナノステージSTと、該ナノステージSTを光軸方向に所定微小距離駆動し、光路長を変える光路長可変手段(圧電駆動型のピエゾアクチュエータ)Aとを設け、第1,第2,第3の複数のレーザ光発生手段L1,L2,L3から照射された複数の波長のレーザ光が第1,第2のビームスプリッターB1,B2部分で合流したあと、第3のビームスプリッターB3部分で測定対象物Wへの照射光と参照ミラーRMへの参照光との2つのレーザ光に分けられて照射されるようになっている。 For example, as shown in FIG. 1, the apparatus includes first, second, and third laser light generating means (semiconductor lasers) L 1 , L 2 , L 3 for generating a plurality of laser beams having different wavelengths, First, second and third imaging means (CCD cameras) C 1 , C 2 and C 3 corresponding to the first, second and third laser light generating means L 1 , L 2 and L 3 ; First, second, third, fourth, and fifth beam splitters B 1 , B 2 , B 3 , B 4 , and B 5 , a reference mirror RM that forms reference light, and a rotation that rotates the reference mirror RM Driving means D, measurement object (micro object) W, nano stage ST on which the measurement object W is mounted, and optical path length for changing the optical path length by driving the nano stage ST by a predetermined micro distance in the optical axis direction. Variable means (piezoelectric drive type piezo actuator) A, and a plurality of first, second and third laser light generating means 1, L 2, L 3 a plurality of the laser light is first wavelength emitted from, after merging with the second beam splitter B 1, B 2 portions, the third beam splitter B 3 parts by the object W The laser beam is divided into two laser beams, i.e., an irradiation light to the reference mirror and a reference light to the reference mirror RM.
そして、測定対象物Wに当たった反射光は、再び第3のビームスプリッターB3で参照ミラーRMからの反射光と合流して、干渉像を作りながら、第4,第5のビームスプリッターB4,B5を通って、第1,第2,第3の撮像手段C1,C2,C3により撮像される。これら各撮像手段C1,C2,C3の前には、それぞれ各レーザ光源L1,L2,L3のレーザ光の波長にあった特性の第1,第2,第3の光学フィルタF1,F2,F3が装着されており、各レーザ光の波長毎の干渉像を撮像するようになっている。 Then, the reflected light hitting the measuring object W is merged with the reflected light from the reference mirror RM again by the third beam splitter B 3 to form an interference image, and the fourth and fifth beam splitters B 4. , B 5, and images are taken by the first, second and third imaging means C 1 , C 2 and C 3 . Before each of these imaging means C 1 , C 2 , C 3 , first, second, and third optical filters having characteristics corresponding to the laser light wavelengths of the laser light sources L 1 , L 2 , L 3 , respectively. F 1 , F 2 , and F 3 are attached to capture an interference image for each wavelength of each laser beam.
一方、測定対象物Wは上述のようにナノステージST上に載置されており、同測定対象物Wを載せたナノステージSTは、光路長可変手段Aによってナノレベルで駆動され、光路長を所望の距離ΔL毎に変化させるようになっている。例えば上記光路長を数10nm単位で変化させると、測定対象物Wからの反射光と参照光の干渉状態が変化するため、像の明るさが変わる。 On the other hand, the measurement target W is placed on the nanostage ST as described above, and the nanostage ST on which the measurement target W is mounted is driven at the nano level by the optical path length varying means A, and the optical path length is set. It is changed every desired distance ΔL. For example, when the optical path length is changed in units of several tens of nanometers, the interference state between the reflected light from the measurement object W and the reference light changes, so that the brightness of the image changes.
この像の明るさの変化は、例えば図2に示すように、光路長の変化量に応じてサイン波状に変化し、光路長の変化の1波長が周期となる。同光路長は、測定対象物Wの表面の凹凸に応じて場所毎に異なるため、図3から明らかなように、明暗の変化の仕方も場所によって違い、場所毎のサイン波状の明るさ変化の位相差となって表れる。したがって、この位相差を測定すると、測定対象物Wの高さhの差を計算することができる。 For example, as shown in FIG. 2, the brightness change of the image changes in a sine wave shape according to the change amount of the optical path length, and one wavelength of the change of the optical path length becomes a period. Since the optical path length varies from place to place according to the unevenness of the surface of the measuring object W, as is apparent from FIG. 3, the way of changing light and dark also varies from place to place. Appears as a phase difference. Therefore, when this phase difference is measured, the difference in the height h of the measuring object W can be calculated.
明るさが変化するサイン波は波長の1周期で元に戻るので、結局1波長のレーザ光源では、1波長分の長さまでしか差が計測できない。ところが、上記のように、複数の波長のレーザ光源を使用し、個別に位相を測定するようにすると、光路長の変化は波長に依存するため、光路長の変化の位相との関係が波長λ1/2、λ2/2の2つのレーザ光源1(L1)、2(L2)間で、例えば図4に示すようにずれてくる。したがって、複数のレーザ光源1,2で計測された位相を組み合わせれば、1つの光源の波長以上の計測が可能になる。なお、図4中の横軸Xは位相の進み量を示している。
Since the sine wave whose brightness changes returns in one period of the wavelength, the difference can be measured only up to the length of one wavelength with a laser light source of one wavelength. However, as described above, if a laser light source having a plurality of wavelengths is used and the phase is individually measured, the change in the optical path length depends on the wavelength. 1/2, lambda 2/2 of the two laser light sources 1 (L 1), between 2 (L 2), coming shifted as shown in FIG 4, for example. Therefore, if the phases measured by the plurality of
この複数の波長の光源を用いた位相シフト法による微小物体の計測では、例えば図5に示すように、光路長をΔL毎に移動させることにより明るさ変化のサイン波の位相θをΔL毎にコード化し、同コード値の組み合わせで1波長以上の長さを計測する。 In the measurement of a minute object by the phase shift method using light sources having a plurality of wavelengths, for example, as shown in FIG. 5, the phase θ of the sine wave of the brightness change is changed every ΔL by moving the optical path length every ΔL. Encode and measure the length of one wavelength or more by combining the same code value.
レーザ光の波長から、光源1では0−4の5段階で評価され、光源2では0-3の4段階で評価された場合、その組み合わせコードは20種類あるため、光源1の波長の4倍まで計測することができる。そして、例えば先に述べた図6に示すような位相コード変換テーブルを用いることにより、レーザ光の波長を超えた計測が可能になる。また、光源毎の明るさ変化の位相の計測は、計測する長さによらず、光源の波長内を数10分割した程度の計測で済むため、従来の白色光の干渉を使用する計測装置に比べて、大幅に計測時間を短縮することができる。
When the
しかし、先にも述べたように、上記位相コード変換テーブルの作製にあたっては、光の波長Rが上記光路長の移動量ΔLの整数倍でなかった場合の位相コードの変動や、各位相計測時の計測精度やノイズなどによる計測誤差への対応が必要であり、そうでなければ実用に供し得ない。 However, as described above, in the preparation of the phase code conversion table, when the wavelength R of the light is not an integer multiple of the movement amount ΔL of the optical path length, It is necessary to deal with measurement errors due to the measurement accuracy and noise, otherwise it cannot be put into practical use.
そこで、この実施の形態における位相変換コードテーブルでは、以下のような構成および作成方法が採用されている。 Therefore, the following configuration and creation method are employed in the phase conversion code table in this embodiment.
すなわち、同位相コード変換テーブルでは、先ず1回のナノステージSTの作動する光路長の変化をΔLとするとき、それぞれの光源波長L毎に、ΔLで区分した位相コード(区間番号)を付ける。すなわち、レーザ光の波長をLとするとき、その位相コードは、0−L/ΔLのコードが付く。 That is, in the same phase code conversion table, when a change in the optical path length at which one nanostage ST operates is ΔL, a phase code (section number) divided by ΔL is attached for each light source wavelength L. That is, when the wavelength of the laser beam is L, the phase code has a code of 0−L / ΔL.
図6の2波長2組のレーザ光の組み合わせ例では、波長1のレーザ光では0−37の、波長2のレーザ光では0−43の値が付けられている。そして、(0,0)−(37,37)までの第1の直線状の組み合わせでテーブルの端に達すると、次の直線状の並びは(0,38)から始まり、(5,43)まで、そして次は・・・、と順次テーブル上を移り変わっていく。
In the example of the combination of two sets of two wavelengths of laser light in FIG. 6, a value of 0-37 is assigned to the laser light of
ところで、このように移り変わっていくとき、0から順次高さコードを付けていくならば、該高さコードは、最大図6のテーブル全体を一杯にするまで続き、この場合、38×44=1672までコード化することができる。したがって、1672×ΔLまでの高さを計測することができることになる。 By the way, when changing in this way, if a height code is sequentially added from 0, the height code continues until the entire table of FIG. 6 is filled, and in this case, 38 × 44 = 1672. Can be coded. Therefore, the height up to 1672 × ΔL can be measured.
そして、具体的にこの位相コード変換テーブルを作製する方法としては、上記光路長可変手段によりナノステージSTを1672×ΔLの各々について全て移動させて、その時の個々のコードを求め、それら2つのレーザ光での組み合わせ位置に、そのときの光路長可変手段Aによる移動回数nを入れていけば良い。 As a specific method for preparing the phase code conversion table, the nanostage ST is moved for each of 1672 × ΔL by the optical path length varying means to obtain individual codes at that time, and the two lasers are obtained. The number n of movements by the optical path length varying means A at that time may be put in the combination position with light.
しかし、この方法では、光の波長Rが光路長の移動量ΔLの整数倍でなかった場合の位相コードの変動や位相自体の測定誤差が有った場合に、計測エラーとなる問題がある。 However, this method has a problem that a measurement error occurs when there is a variation in phase code or a measurement error in the phase itself when the wavelength R of light is not an integral multiple of the movement amount ΔL of the optical path length.
そこで、この実施の形態では、例えば図7に示すように、予じめ上記図6の位相コード変換テーブルの区間番号の組み合わせを粗にしておき(計測範囲に幅を持たせるようにしておき)、その空いた区間番号の組み合わせについては、同区間の近傍の組み合わせ番号で補間することにより、位相コードの変動や測定誤差を吸収補正するようにしている。 Therefore, in this embodiment, for example, as shown in FIG. 7, the combinations of the section numbers in the phase code conversion table of FIG. 6 are coarsened in advance (the measurement range has a width). The combinations of the vacant section numbers are interpolated with the combination numbers in the vicinity of the section to absorb and correct phase code fluctuations and measurement errors.
図8のフロチャート(ステップS1〜S9)は、このような観点から構成された本実施の形態における位相コード変換テーブルの具体的な構成方法を示している。 The flowchart (steps S 1 to S 9 ) in FIG. 8 shows a specific method for configuring the phase code conversion table in the present embodiment configured from such a viewpoint.
すなわち、まず最初のステップS1で、上述したナノステージST上に平坦なミラーなどの測定対象物Wを載せて同ステージSTを所定の計測間隔(光路長可変間隔)ΔL毎に移動させるとともに、希望する測定レンジを動かし、移動量ΔL毎にその計測レンジ分の画像を撮像、記録する。 That is, in the first step S 1 , the measurement object W such as a flat mirror is placed on the nanostage ST described above, and the stage ST is moved every predetermined measurement interval (optical path length variable interval) ΔL. The desired measurement range is moved, and an image for the measurement range is taken and recorded for each movement amount ΔL.
次にステップS2に進み、その画面内の安定な位置で明るさを得て、その位置での位相コードCiを決める。すなわち、上記のようにして撮像された画像毎に、その前後の画像を使って位相を計測し、位相コードCiを得る。ここで位相コードCiは、例えば標準パターンとの正規化相関などの方法で求めたレーザ光の位相位置θiを、計測精度Δθで割った値とする。 Next, in step S 2, to obtain a brightness in a stable position of the screen, determining the phase code Ci at that position. That is, for each image captured as described above, the phase is measured using the images before and after it to obtain the phase code Ci. Here, the phase code Ci is, for example, a value obtained by dividing the phase position θi of the laser beam obtained by a method such as normalized correlation with the standard pattern by the measurement accuracy Δθ.
このようにして、レーザ光源毎に各高さでの位相コードCiが求められると、上記図10の位相コード変換テーブルの位相コードの組み合わせ位置に高さコードを入れる(図10の粗な位相コード変換テーブルの空き領域に書き込める限り書き込む)。 In this way, when the phase code Ci at each height is obtained for each laser light source, the height code is put into the combination position of the phase code in the phase code conversion table of FIG. 10 (the coarse phase code of FIG. 10). Write as long as you can write to free space in the conversion table).
位相コード変換テーブルは、使用するレーザ光源の数nによりn次元で構成される。光源が2つの2次元テーブルの例では上記図10のように、光源が3つの3次元テーブルの例では図11のようになっており、テーブルの枠の数は、レーザ光源毎に1周期を計測精度から決まる一定の値Δθで割った値となっている。 The phase code conversion table is configured in n dimensions depending on the number n of laser light sources to be used. The example of a two-dimensional table with two light sources is as shown in FIG. 10 above, and the example of a three-dimensional table with three light sources is as shown in FIG. 11. The number of table frames is one period for each laser light source. It is a value divided by a constant value Δθ determined from the measurement accuracy.
次にステップS4では、このような位相コード変換テーブル中に上記ステップS2で求めた位相コードCiを組み合わせた点を求め、その間をつなぐと、例えば図7のように、各点は位相コードCiの組み合わせを座標値として見るとき原理的に直線(図7中のA,B,Cの2点鎖線部分を参照)になる。つまり、組み合わせコードは直線上に並ぶので、同位相コード変換テーブル上の位置を座標と見なして、近似直線の式を計算し、直線1本毎に誤差を補正する(補正を繰り返す)。 In step S 4, obtains a point that combines a phase code Ci obtained in step S 2 in such a phase code conversion table, when connecting therebetween, for example, as shown in FIG. 7, each point phase code When a combination of Ci is viewed as a coordinate value, it is in principle a straight line (see the two-dot chain line portions of A, B, and C in FIG. 7). That is, since the combination codes are arranged on a straight line, the position on the same phase code conversion table is regarded as a coordinate, an approximate straight line formula is calculated, and the error is corrected for each straight line (correction is repeated).
この場合、上記変換テーブル上の位相コードCiの組み合わせ点は、直線状ではあるがとびとびに並ぶ。したがって、計測精度的にも多少の誤差が有るため、例えば続くステップS5では、最小自乗法などで近似直線を計算して、その直線上の全ての枠の組み合わせ位置全てに対して直線補間した高さコードを入れ、高さコードも線形補間して、中間の高さを入れる。 In this case, the combination points of the phase codes Ci on the conversion table are arranged in a straight line although they are linear. Therefore, since some errors there also the measurement accuracy, in step S 5 subsequent example, by calculating an approximate straight line by a least square method and the linear interpolation for all combinations positions of all the frames on the straight line Insert a height code and linearly interpolate the height code to enter an intermediate height.
しかし、この補間操作中において直線上の高さコードを入れる時、高さ値を入れる位置から誤差範囲として規定するn次元空間の±nの範囲のコードを入れる位置(±n区間の位置)にすでにその直線以外の所定の値が入っていた場合には、ステップS6に示すように、そこで補間操作を終了し、その直線のデータを削除する。 However, when a height code on a straight line is inserted during this interpolation operation, the position where the code in the range of ± n in the n-dimensional space defined as the error range is inserted from the position where the height value is entered (the position of the ± n section). if already contains a predetermined value other than the straight line, as shown in step S 6, where it ends the interpolation operation, it deletes the data of the straight line.
以上のステップS3〜S6の処理は、ステップS7で各列毎に割り当てることができなくなったことが確認されるまで繰り返される。 The above steps S 3 to S 6 are repeated until it is confirmed in step S 7 that assignment to each column is no longer possible.
次に上述のようにして割り当てが完了すると、ステップS8に示すように直線状に高さコードを入れた後、空いた枠を、その枠に最も近接する高さコードで埋める。これには、例えば画像処理での太め処理が適用できる。このため同処理では、まず変換テーブルの前空間の空いている位置の前後±1の空間を調べ、そこにすでに高さコードがあればそれを移し、なければ空けたままとする。すなわち図7の位相コード変換テーブル上で空いている枠を探す。そして、空いてる枠があれば、同枠に対して当該図7の2次元テーブルの場合だと、例えば図9に示すような3×3の2次元ウィンドウを当てる。 If then assign as described above is completed, after putting a height code in a linear shape as shown in step S 8, the empty frame, filled with high code that is closest to the frame. For this, for example, thickening processing in image processing can be applied. For this reason, in this process, first, a space of ± 1 before and after the vacant position in the previous space of the conversion table is examined, and if there is already a height code, it is moved, otherwise it is left vacant. That is, an empty frame is searched for on the phase code conversion table of FIG. If there is a free frame, for example, a 3 × 3 two-dimensional window as shown in FIG. 9 is applied to the frame in the case of the two-dimensional table of FIG.
今、例えば図9の2次元ウインドウ(3×3)の真ん中のA0の枠が空いている枠であるとするとき、その真ん中と直前に値を入れた枠以外のウィンドウ位置を調べ、そこに、すでに高さコードが入っていれば、そのコードを移し、他方入っていなければ空けたままにしておく、という処理を空いた枠がなくなるまで何度も繰り返す(ステップS9)。そして、同位相コード変換コードテーブル中に空いた枠が無くなれば終了とする。 Now, for example, when as a frame is empty frame of A 0 in the middle of a two-dimensional window (3 × 3) of FIG. 9, examine the window position other than the frame containing the value to the middle and immediately before, there If the height code has already been entered, the process of moving that code and leaving it unoccupied is repeated many times until there is no empty frame (step S 9 ). Then, when there is no empty frame in the in-phase code conversion code table, the process is terminated.
これらの処理の結果、図7の2次元テーブルの場合、最終的に図10の様な位相コード変換テーブルが出来上る。 As a result of these processes, in the case of the two-dimensional table of FIG. 7, a phase code conversion table as shown in FIG. 10 is finally obtained.
また3つの波長の3組のレーザ光源を用いた場合、図11のような3次元的な変換テーブルが出来るが、この場合にも基本的な処理は同じであり、直線は同図11中に空間的に引かれるようになり、空いている枠へ埋める方法も、3×3×3の3次元ウィンドウ(図9のウインドウ3組の組合せ)を構成することになる(図11中の直線は省略)。 When three sets of laser light sources having three wavelengths are used, a three-dimensional conversion table as shown in FIG. 11 can be obtained. In this case, the basic processing is the same, and straight lines are shown in FIG. The method of filling a space that is drawn spatially also forms a 3 × 3 × 3 three-dimensional window (combination of three sets of windows in FIG. 9) (the straight line in FIG. 11 is (Omitted).
以上の構成によれば、相互に波長を異にする複数のレーザ光源による干渉像の位相の組み合わせによる微小高さ計測装置において、位相計測値に多少の誤差が含まれていたり、位相計測値がコード化幅の整数倍でないなどのために多少のコード化誤差が出るような場合にも、それらの誤差を吸収した実用に供し得る正確かつ安定した計測を可能にすることができる。 According to the above configuration, in the minute height measurement device based on the combination of phases of interference images from a plurality of laser light sources having different wavelengths, the phase measurement value includes some errors or the phase measurement value is Even when some coding errors occur due to not being an integral multiple of the coding width, it is possible to perform accurate and stable measurement that can be used in practice by absorbing these errors.
L1〜L3は第1〜第3のレーザ光源、B1〜B5は第1〜第5のビームスプリッター、C1〜C3は第1〜第3のCCDカメラ、F1〜F3は第1〜第3の光学フィルタ、RMは参照光ミラー、Dは回転駆動手段、STは測定対象物Wを載置したナノメータステージ、Aは光路長可変手段である。 L 1 ~L 3 the first to third laser light sources, B 1 .about.B 5 first to fifth beam splitter, C 1 -C 3 first to third CCD camera, F 1 to F 3 Are the first to third optical filters, RM is the reference light mirror, D is the rotation drive means, ST is the nanometer stage on which the measurement object W is placed, and A is the optical path length variable means.
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