JP2021032628A

JP2021032628A - 顕微鏡画像測定装置及び顕微鏡画像測定方法

Info

Publication number: JP2021032628A
Application number: JP2019151061A
Authority: JP
Inventors: 水村　通伸; Michinobu Mizumura; 通伸水村
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-03-01
Also published as: CN114270134B; CN114270134A; WO2021033416A1; KR20220046575A; US20220284614A1; US11935259B2

Abstract

【課題】顕微鏡画像測定において、焦点深度を超える段差がある測定対象物の測定や、顕微鏡の光軸方向に沿って異なる位置のパターン比較などをする際に、精度の高い測定を行うことができるようにする。【解決手段】顕微鏡画像測定装置は、測定対象物の表面に白色落射光を照射して表面の拡大像を得る顕微鏡と、拡大像の分光画像を得る分光カメラと、分光画像を波長毎に抽出して画像測定処理を行う画像処理部とを備え、顕微鏡は、波長毎に異なる焦点位置の像を分光カメラの撮像面に結像し、画像処理部は、測定箇所のコントラストが最も高い波長の分光画像を抽出してエッジ検出を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡画像測定装置及び測定方法に関するものである。

測定対象物の表面の顕微鏡拡大像を撮像装置で撮像し、取得した画像のエッジ検出などを行うことで、表面各部の寸法測定や形状測定などを行う顕微鏡画像測定装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１７−４９０３６号公報

このような顕微鏡画像測定装置は、顕微鏡の光軸に垂直な測定対象物上の２次元平面を撮像装置の撮像面に結像して、測定対象物表面の画像を取得しており、画像のコントラストによって測定対象位置の検出を行っている。このため、表面に顕微鏡の焦点深度を超えた段差のある測定対象物は、２次元の画像の中に、焦点が合っている部分と焦点が合っていないぼけた部分が混在することになり、ぼけた部分が測定対象位置になると、精度の高い位置検出を行うことができず、測定誤差が大きくなる問題が生じる。

このような場合に、顕微鏡の焦点調整を行って光軸方向に沿った異なる位置に焦点を合わせることはできるが、そうした場合には、光学系を移動させた異なる状態の画像を取得することになるので、光学系の移動に伴う様々な誤差が測定に加わることになり、これによっても精度の高い測定を行うことができなくなる。

また、測定対象物が多層膜である場合に、各層のパターン形状などを比較することが必要になる場合がある。このような場合に、透明な層を介していれば、各層のパターン形状の重なり状態などを２次元の画像として取得することができる。しかしながら、比較対象のパターンの層間距離が焦点深度を超えていると、前述した問題と同様に、一つの層のパターンに焦点を合わせると他の層のパターンに焦点が合わなくなり、両パターンの比較を精度良く行うことができない問題が生じる。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものである。すなわち、顕微鏡画像測定において、焦点深度を超える段差がある測定対象物の測定や、顕微鏡の光軸方向に沿って異なる位置のパターン比較などをする際に、精度の高い測定を行うことができるようにすること、などを課題としている。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
測定対象物の表面に白色落射光を照射して前記表面の拡大像を得る顕微鏡と、前記拡大像の分光画像を得る分光カメラと、前記分光画像を波長毎に抽出して画像測定処理を行う画像処理部とを備え、前記顕微鏡は、波長毎に異なる焦点位置の像を前記分光カメラの撮像面に結像し、前記画像処理部は、測定箇所のコントラストが最も高い波長の分光画像を抽出してエッジ検出を行うことを特徴とする顕微鏡画像測定装置。

本発明の実施形態に係る顕微鏡画像測定装置を示した説明図。顕微の光学特性（色収差）を示した説明図。画像処理部の機能を示した説明図。顕微鏡画像測定方法の一例を示したフロー図。顕微鏡画像測定方法の一例を示した説明図。顕微鏡画像測定方法の他の例を示したフロー図。顕微鏡画像測定方法の他の例を示した説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

図１に示すように、顕微鏡画像測定装置１は、測定対象物Ｗの表面Ｗａの測定箇所間の距離測定やパターン比較などを行うものであり、顕微鏡１０、分光カメラ２０、画像処理部３０を備えている。測定対象物Ｗは、表面Ｗａに測定対象の段差を有する基板や層間毎に測定対象のパターンを有する多層膜基板である。

顕微鏡１０は、測定対象物Ｗの表面Ｗａに白色落射光を照射して、表面Ｗａの拡大像を得る光学顕微鏡であり、対物レンズ１１やチューブレンズ１７などの光学系を備えると共に、白色落射光を表面Ｗａに照射するための白色光源１２とその光学系（ミラー１３及びハーフミラー１４）を備えている。また、顕微鏡１０は、必要に応じて、表面Ｗａの拡大像のモニタ画像を得るためのモニターカメラ１５とそのための光学系（ハーフミラー１６）などを備えている。

分光カメラ２０は、顕微鏡１０の光学系の光軸１０Ｐ上に、スリット２３とグレーティング素子（回折格子）２１を配置して、表面Ｗａにて反射される光を波長分離し、この分離された光をリレーレンズ系２４を介して２次元カメラ２２の撮像面２２ａに結像し、ライン分光方式によって、表面Ｗａの拡大像の分光画像を波長毎に取得するものである。

画像処理部３０は、分光カメラ２０が取得した波長毎の分光画像に対して、エッジ検出などの画像測定処理を行うことで、表面Ｗａの測定位置間の距離測定やパターン比較などを行うものである。

顕微鏡１０の光学系には、様々な収差が発生するが、特に色収差を積極的に利用することで、顕微鏡１０は、波長毎に異なる焦点位置の像を分光カメラ２０の撮像面２２ａに結像する。一般に顕微鏡の対物レンズは、図２に破線で示すように、色収差に対して収差補正がなされている。アクロマートやフルオリートと呼ばれる補正では、Ｆ線（波長４８６ｎｍ）とｃ線（波長６５６ｎｍ）の２色に対して色収差の補正が行われており、アポクロマートと呼ばれる補正では、ｇ線（４３６ｎｍ）とＦ線とｃ線の３色に対して色収差の補正が行われている。ここで、フルオリートやアポクロマートの補正は、比較的波長毎の焦点位置のずれ量が小さく抑えられているが、アクロマートの補正は、補正されている２色以外では、波長毎の焦点位置のずれ量が比較的大きくなっている。顕微鏡１０の光学系は、比較的波長毎の焦点位置のずれ量が大きいアクロマートの補正がなされているレンズ系を用いるか、或いは、図２の実線で示しているように、波長毎の焦点位置のずれ量が大きいレンズ系を用いることで、波長毎に異なる焦点位置の像を分光カメラ２０の撮像面２２ａに結像することができる。

画像処理部３０の機能は、例えば図３に示すように、分光画像保存部３１、分光画像抽出部３２、エッジ検出部３３、パターン検出部３４、距離測定部３５などによって構成される。

分光画像保存部３１は、分光カメラ２０の２次元カメラ２２から出力される波長毎の分光画像を随時メモリに保存する。分光画像抽出部３２は、分光画像保存部３１によって保存された波長毎の分光画像の中から、測定箇所のコントラストが最も高い波長の分光画像を抽出する。

エッジ検出部３３は、分光画像抽出部３２によって抽出された分光画像を画像処理することで、測定箇所のエッジ検出を行い、エッジ位置をメモリに記憶する。パターン検出部３４は、エッジ検出部３３で検出されたエッジ点が複数有る場合に、そのエッジ点を連ねたパターンを検出して、そのパターンの位置をメモリに記憶する。距離測定部３５は、エッジ検出部３３にて検出されたエッジ間の距離、或いは、パターン検出部３４で検出されたパターン間の距離を測定する。

図４及び図５にて、前述した顕微鏡画像測定装置１による測定例を説明する。ここでは、図５に示すような段差断面を有する基板（例えば、ＴＦＴ基板やカラーフィルタ基板など）を測定対象物Ｗとしており、段差が顕微鏡１０の焦点深度以上の深さを有している。

測定を開始すると、先ず、測定対象物Ｗを測定用のステージなどに設定し（ステップＳ０１）、測定対象物Ｗの表面Ｗａにおける測定箇所に顕微鏡１０の光軸１０Ｐを移動させる（ステップＳ０２）。そして、分光カメラのモニタ出力をみながら、特定波長画像によって焦点調整を行う（ステップＳ０３）。

そして、分光カメラ２０によって測定箇所の波長毎の分光画像を取得し、取得された分光画像が画像処理部３０に送られる（ステップＳ０４）。画像処理部３０では、分光画像保存部３１によって、取得された分光画像が波長毎に保存され、分光画像抽出部３２によって、測定箇所におけるコントラストが最も高い波長の分光画像が抽出される。図５に示した例では、ａ点における最大コントラストの分光画像として、波長４８０ｎｍの分光画像１が抽出され、ｂ点における最大コントラストの分光画像として、波長５５０ｎｍの分光画像２が抽出され、ｃ点における最大コントラストの分光画像として、波長６５０ｎｍの分光画像３が抽出されている（ステップＳ０５）。

次に、抽出された分光画像を用いてエッジ検出が行われ、検出されたエッジ位置がメモリに保存される（ステップＳ０６）。エッジ検出は、画像上で急峻なコントラスト変化がある位置をエッジとして特定し、その画像上の位置をメモリに保存している。図５に示した例では、分光画像１を用いたエッジ検出では、エッジＥ１が検出されており、分光画像２を用いたエッジ検出では、エッジＥ２が検出されており、分光画像３を用いたエッジ検出では、エッジＥ３が検出されている。

そして、検出されたエッジ間の距離を測定することで、所望の寸法距離や形状距離の測定が行われる（ステップＳ０７）。図５に示した例では、分光画像１におけるエッジＥ１，Ｅ１間の距離Ｌ１を測定することで、同一平面（同一高さ）の２点ａ−ａ間の距離を測定することができ、分光画像２におけるエッジＥ２，Ｅ２間の距離Ｌ２を測定することで、同一平面（同一高さ）の２点ｂ−ｂ間の距離を測定することができ、分光画像３におけるエッジＥ３，Ｅ３間の距離Ｌ３を測定することで、同一平面（同一高さ）の２点ｃ−ｃ間の距離を測定することができる。

また、分光画像１〜３は、顕微鏡１０の光学系を移動させること無く撮像した一つの拡大像の画像を波長分離したものであるから、分光画像１〜３の相対位置関係には、顕微鏡の光学系を移動することによって生じる位置ずれなどが含まれない。このため、異なる波長の分光画像で検出されたエッジ間距離を比較することで、異なる高さ位置の水平距離を測定することができる。例えば、図５に示した例では、分光画像１におけるエッジＥ１と分光画像２におけるエッジＥ２間の距離Ｌ４を測定することで、ａ点とｂ点の水平距離を測定することができ、分光画像１におけるエッジＥ１と分光画像３におけるエッジＥ３間の距離Ｌ５を測定することで、ａ点とｃ点の水平距離を測定することができ、分光画像２におけるエッジＥ２と分光画像３におけるエッジＥ３間の距離Ｌ６を測定することで、ｂ点とｃ点の水平距離を測定することができる。

その後は、次の測定箇所に移動する際は（ステップＳ０８：「ＹＥＳ」）、顕微鏡１０の光軸を次の測定箇所に移動させて、ステップＳ０２以降の処理を継続し、次の測定箇所に移動しない場合は（ステップＳ０８：「ＮＯ」）、処理を終了する。

図６及び図７にて、前述した顕微鏡画像測定装置１による他の測定例を説明する。ここでは、図７に示すように、異なる層にそれぞれパターンＰ１，Ｐ２を有する多層膜基板を測定対象物Ｗとしており、異なる層に存在するパターンＰ１，Ｐ２間の相対位置を比較する。この際、異なる層は顕微鏡１０の焦点深度以上の層間距離を有している。図７に示した測定対象物Ｗは、一例であり、基板１００上にパターンＰ２の層が形成され、その上に透明層１０１を介してパターンＰ１の層が積層されている。

図６におけるステップＳ１０〜Ｓ１３は、前述したステップＳ０１〜Ｓ０４と同様である。ステップＳ１４では、パターンＰ１が最大コントラストになる波長の分光画像１が抽出され、パターンＰ２が最大コントラストになる波長の分光画像２が抽出される。

次に、抽出された分光画像１，２を用いてエッジ検出が行われ、検出されたエッジ位置がメモリに保存される（ステップＳ１５）。また、検出されたエッジ点を連ねることでパターン検出を行い、検出されたパターン位置をメモリに保存する（ステップＳ１６）。図７に示した例では、分光画像１を用いてパターンＰ１の位置検出が行われ、分光画像２を用いてパターン２の位置検出が行われる。

ステップＳ１７では、一つの波長の分光画像１で検出されたエッジ点を連ねたパターンＰ１と他の波長の分光画像２で検出されたエッジ点を連ねたパターンＰ２の相対位置を比較することで、パターン間の距離測定を行う。図７に示した例では、分光画像１で検出したパターンＰ１によって、パターンＰ１の幅Ｌ１０を測定することができ、分光画像２で検出したパターンＰ２によって、パターンＰ２の幅Ｌ２０を測定することできる、そして、パターンＰ１とパターンＰ２の相対位置を比較することで、距離Ｌ３０を測定することができる。

その後は、前述した例と同様に、次の測定箇所に移動する際は（ステップＳ１８：「ＹＥＳ」）、顕微鏡１０の光軸を次の測定箇所に移動させて、ステップＳ１１以降の処理を継続し、次の測定箇所に移動しない場合は（ステップＳ１８：「ＮＯ」）、処理を終了する。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る顕微鏡画像測定装置及び顕微鏡画像測定方法によると、顕微鏡１０の色収差を積極的に利用することで、光軸方向に沿って異なる位置の画像を顕微鏡１０の光学系を移動させること無く取得して、波長毎の画像でエッジ検出を行う。これによって、焦点深度を超える段差がある測定対象物の測定や、顕微鏡の光軸方向に沿って異なる位置のパターン比較などをする際に、精度の高い測定を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：顕微鏡画像測定装置，
１０：顕微鏡，１０Ｐ：光軸，２０：分光カメラ，３０：画像処理部，
１１：対物レンズ，１２：白色光源，
１３：ミラー，１４，１６：ハーフミラー，
１５：モニターカメラ，１７：チューブレンズ，
２１：グレーティング素子（回折格子），
２２：２次元カメラ．２２ａ：撮像面，
２３：スリット，２４：リレーレンズ系，
３１：分光画像保存部，３２：分光画像抽出部，３３：エッジ検出部，
３４：パターン検出部，３５：距離測定部，１００：基板，１０１：透明層，
Ｅ１〜Ｅ３：エッジ，Ｐ１，Ｐ２：パターン，
Ｗ：測定対象物，Ｗａ：表面

Claims

測定対象物の表面に白色落射光を照射して前記表面の拡大像を得る顕微鏡と、
前記拡大像の分光画像を得る分光カメラと、
前記分光画像を波長毎に抽出して画像測定処理を行う画像処理部とを備え、
前記顕微鏡は、波長毎に異なる焦点位置の像を前記分光カメラの撮像面に結像し、
前記画像処理部は、測定箇所のコントラストが最も高い波長の分光画像を抽出してエッジ検出を行うことを特徴とする顕微鏡画像測定装置。
前記画像処理部は、異なる波長の分光画像で検出されたエッジ間の距離測定を行うことを特徴とする請求項１記載の顕微鏡画像測定装置。
前記画像処理部は、一つの波長の分光画像で検出されたエッジ点を連ねたパターンと他の波長の分光画像で検出されたエッジ点を連ねたパターンの相対位置を比較することを特徴とする請求項１記載の顕微鏡画像測定装置。
測定対象物の表面に白色落射光を照射して顕微鏡にて前記表面の拡大像を得ると共に、分光カメラにて前記拡大像の分光画像を得る工程と、
前記分光画像を波長毎に抽出して画像測定処理を行う工程とを備え、
前記顕微鏡は、波長毎に異なる焦点位置の像を前記分光カメラの撮像面に結像し、
前記画像測定処理では、測定箇所のコントラストが最も高い波長の分光画像を抽出してエッジ検出を行うことを特徴とする顕微鏡画像測定方法。
前記画像測定処理では、異なる波長の分光画像で検出されたエッジ間の距離測定を行うことを特徴とする請求項４記載の顕微鏡画像測定方法。
前記画像測定処理では、一つの波長の分光画像で検出されたエッジ点を連ねたパターンと他の波長の分光画像で検出されたエッジ点を連ねたパターンの相対位置を比較することを特徴とする請求項４記載の顕微鏡画像測定方法。
前記測定対象物は、表面の段差が前記顕微鏡の焦点深度以上の深さを有する基板であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の顕微鏡画像測定方法。
前記測定対象物は、前記顕微鏡の焦点深度以上の層間毎に測定対象のパターンを有する多層膜基板であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項記載の顕微鏡画像測定方法。