スポット位置測定方法および計測装置
【課題】光学系を変更することなく、撮像画像内のスポット中心の位置を確認できるようにする。
【解決手段】膜厚サンプル３５を、例えば、Ｘ方向に位置をずらして、複数の位置でそれぞれ撮像するとともに、各位置でのスポット光に基づいて膜厚をそれぞれ計測し、撮像した画像を処理して、画像の中心Ｐと膜厚サンプル３５の中心Ｐ１との中心位置の差を算出し、この中心位置の差に対する膜厚の変化に基づいて、画像の中心Ｐに対するスポット光のＸ方向のずれ量を求め、同様に、画像の中心Ｐに対するスポット光のＹ方向のずれ量を求める。
【解決手段】膜厚サンプル３５を、例えば、Ｘ方向に位置をずらして、複数の位置でそれぞれ撮像するとともに、各位置でのスポット光に基づいて膜厚をそれぞれ計測し、撮像した画像を処理して、画像の中心Ｐと膜厚サンプル３５の中心Ｐ１との中心位置の差を算出し、この中心位置の差に対する膜厚の変化に基づいて、画像の中心Ｐに対するスポット光のＸ方向のずれ量を求め、同様に、画像の中心Ｐに対するスポット光のＹ方向のずれ量を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚計測などの計測用のスポット光の位置を測定する方法およびそれを用いた計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜厚計測では、計測対象物の微小領域からの反射光に基づいて膜厚の計測を行うようにしている（例えば、特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９４４６９３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる膜厚計測では、計測対象物の微小領域からのスポット光に基づいて膜厚を計測するのであるが、数ミクロン程度のサイズのスポット光の中心と計測対象物を撮像した画像の中心とは、機械的精度などの要因によって完全には一致しておらず、このため、従来では、装置の組立時に、撮像した画像におけるスポット光の位置を確認し、画像中心とスポット光の中心であるスポット中心とのずれ量を計測し、オフセット値として設定している。
【０００５】
従来のスポット中心の確認は、図８に示すように、計測対象物、例えば、基板２で反射された反射光が、対物レンズ１２、レンズ１６，１８、ビームスプリッタ−２６、レンズ２２、スリット２７、受光端２５および光ファイバ２４を介して導かれる分光器の位置に、光源３７を配置し、本来とは逆の方向から光を導入にして基板２にスポット光を照射し、それをカメラ１４で撮像することによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を確認し、図９に示すように、撮像した画像の中心Ｐと光スポット中心Ｐ２とのＸ，Ｙ方向のずれ量をオフセット値として設定している。
【０００６】
実際の膜厚の測定では、このオフセット値に基づいて、基板の微小な計測領域が、画像の中心Ｐではなく、スポット中心Ｐ２に一致するように調整して膜厚の計測を行っている。
【０００７】
このスポット中心Ｐ２の位置は、経時変化などによって数ミクロン単位でずれることが考えられ、スポットサイズが小さい場合には、そのずれが問題となり、定期的にスポット位置を確認してオフセット値を修正する必要がある。
【０００８】
上述のように、装置の組立時には、本来と逆方向から光を導入してスポット位置を確認することもできるが、組立後の実際の装置では、光の導入位置には、分光器が設置されているので、上述のようにしてスポット位置を確認するのは困難である。
【０００９】
光学系を工夫し、スポット中心の確認時には、光を導入できるように切り換える機構を設けることも考えられるが、それでは、光学系が複雑となり、また、そのような機構の追加が、却ってスポット中心をずらす要因になる虞もある。
【００１０】
本発明は、上述のような課題に鑑みて為されたものであって、光学系を変更することなく、画像内におけるスポット中心の位置を確認できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明のスポット位置測定方法は、計測対象物からのスポット光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する計測装置における前記スポット光の位置を測定する方法であって、予め準備した膜厚サンプルの位置を相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測する第１のステップと、前記複数の各位置でそれぞれ撮像した撮像画像内の膜厚サンプルの位置と前記各位置で計測される膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を求める第２のステップとを含んでいる。
【００１２】
膜厚サンプルは、膜厚を計測できるとともに、画像処理によって位置を認識できるものであるのが好ましい。
【００１３】
「膜厚サンプルの位置を相対的にずらして」とは、膜厚サンプル自体の位置をずらしてもよいし、膜厚サンプルの撮像等を行う計測用のヘッドの位置をずらしてもよいし、あるいは、両者をずらしてもよいことをいう。
【００１４】
膜厚サンプルの位置を相対的にずらして、複数の位置で膜厚を計測するので、膜厚計測用のスポット光の位置に、前記膜厚サンプルがないときには、膜厚は計測されないが、スポット光の位置に、膜厚サンプルが入ると、膜厚が計測され始め、更に、スポット光の位置から膜厚サンプルが外れると、膜厚の計測は終了することになる。したがって、複数の位置でそれぞれ計測される膜厚の変化からスポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握することができる。
【００１５】
一方、複数の位置でそれぞれ撮像した撮像画像を処理することによって、各撮像画像内の膜厚サンプルの位置を把握することができる。
【００１６】
本発明のスポット位置測定方法によると、複数の位置での膜厚サンプルの膜厚の計測によって、スポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握できる一方、前記複数の位置で撮像した画像の画像処理によって撮像画像内における膜厚サンプルの位置を把握できるので、膜厚サンプルの位置を対応させることによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を求めることができる。
【００１７】
（２）本発明のスポット位置測定方法の他の実施形態では、前記第１のステップは、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップと、前記膜厚サンプルの位置を、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップとを含み、前記第２のステップでは、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向および前記第２の方向のずれ量を求めるものであり、前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有している。
【００１８】
前記第１の方向および第２の方向は、Ｘ，Ｙ直交座標系のＸ方向およびＹ方向であるのが好ましい。
【００１９】
膜厚サンプルは、正四角形、正六角形、正八角形などの偶数の正多角形状に膜が形成されているのが好ましい。
【００２０】
この膜厚サンプルは、平行な対向辺を有する多角形状に膜が形成されている、すなわち、平行な対向辺間に膜が形成されているので、平行な対向辺間に形成された膜が、スポット光を横切るように位置をずらして膜厚を計測することによって、その膜厚変化に基づいて、平行な対向辺間に形成された膜の中心、すなわち、膜厚サンプルの中心が、スポット光を通過する位置を把握することができる。
【００２１】
膜厚サンプルを、第１の方向、例えば、Ｘ方向に相対的にずらして、複数の位置で膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測することによって、スポット光を、膜厚サンプルのＸ方向の中心が通過する位置を把握することができる。
【００２２】
一方、膜厚サンプルを、Ｘ方向に相対的にずらして、複数の位置で撮像した画像を画像処理して膜厚サンプルのＸ方向の中心を把握できるので、膜厚サンプルの前記中心が、撮像画像の中心にあるときの位置を把握することができる。
【００２３】
このようにＸ方向に沿う複数の位置での膜厚サンプルの膜厚計測によって、スポット光が、膜厚サンプルのＸ方向の中心にある位置を把握することができる一方、前記Ｘ方向に沿う複数の位置での撮像画像を画像処理することによって、膜厚サンプルのＸ方向の中心が、撮像画像の中心にあるときの位置を把握することができるので、膜厚サンプルのＸ方向の中心を対応させることによって、撮像画像の中心に対するスポット光のＸ方向の位置を求めることができる。
【００２４】
同様に、撮像画像の中心に対するスポット光のＹ方向の位置を求めることができる。
【００２５】
以上のようにして、この実施形態によると、撮像画像の中心に対するスポット光の第１の方向および第２の方向のずれ量として、撮像画像内のスポット光の位置を求めることができる。
【００２６】
（３）本発明のスポット位置測定方法の一つの実施形態では、前記第１のステップでは、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を計測し、前記第２のステップでは、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を求めるとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を求めるようにしている。
【００２７】
この実施形態では、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を計測するので、その差が「０」になる位置、すなわち、膜厚サンプルを、第１の方向に相対的にずらしたときに、撮像画像の中心と膜厚サンプルの第１の方向の中心とが一致する位置、および、膜厚サンプルを、第２の方向に相対的にずらしたときに、撮像画像の中心と膜厚サンプルの第２の方向の中心とが一致する位置を把握できることになる。
【００２８】
一方、第１の方向に沿う複数の位置での膜厚サンプルの膜厚計測によって、スポット光が、膜厚サンプルの第１の方向の中心にある位置、および、スポット光が、膜厚サンプルの第２の方向の中心にある位置を把握することができる。
【００２９】
したがって、画像処理によって得られる膜厚サンプルの第１の方向の中心および第２の方向の中心と、膜厚計測によって得られる膜厚サンプルの第１の方向の中心および第２の方向の中心とを対応させることによって、撮像画像の中心に対するスポット光の第１の方向および第２の方向のずれ量を求めてスポット光の位置を特定することができる。
【００３０】
（４）本発明の計測装置は、計測対象物の膜厚を計測する計測装置であって、前記計測対象物を撮像する撮像手段と、前記計測対象物からのスポット光を分光する分光手段と、前記撮像手段からの撮像画像を処理する画像処理手段と、前記分光手段の出力に基づいて、膜厚を演算する演算手段と、前記撮像手段で撮像される画像内の前記スポット光の位置を測定する測定手段とを備え、前記撮像手段は、予め準備した膜厚サンプルを、相対的に位置をずらした複数の位置でそれぞれ撮像するものであり、前記分光手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、前記画像処理手段は、前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像内の膜厚サンプルの位置を求めるものであり、前記演算手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、前記測定手段は、前記画像処理手段で求めた撮像画像内の膜厚サンプルの位置と、前記演算手段で演算した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を測定するものである。
【００３１】
本発明の計測装置によると、複数の位置での膜厚サンプルの膜厚の計測によって、スポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握できるとともに、前記複数の位置で撮像した画像の画像処理によって撮像画像内における膜厚サンプルの位置を把握できるので、膜厚サンプルの位置を対応させることによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を求めることができる。
【００３２】
（５）本発明の計測装置の他の実施形態では、前記撮像手段は、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するものであり、前記分光手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、前記画像処理手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を求めるものであり、前記演算手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、前記測定手段は、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を測定するとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を測定するものであり、前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有している。
【００３３】
この実施形態によると、撮像画像の中心に対するスポット光の第１の方向および第２の方向のずれ量を求めてスポット光の位置を特定することができる。
【００３４】
（６）本発明の計測装置の一つの実施形態では、前記画像処理手段は、計測対象の撮像画像を処理して寸法を算出するものである。
【００３５】
この実施形態によれると、膜厚計測に加えて、計測対象物の線幅などの寸法を計測することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、複数の位置での膜厚サンプルの膜厚の計測によって、スポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握できるとともに、前記複数の位置で撮像した画像の画像処理によって撮像画像内における膜厚サンプルの位置を把握できるので、膜厚サンプルの位置を対応させることによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を求めることができる。
【００３７】
これによって、光学系を変更することなく、膜厚サンプルを計測することによって、画像内におけるスポット中心の位置を確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の計測ヘッドの構成を示す図である。
【図３】図１の計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】膜厚サンプルの測定領域を示す図である。
【図５】膜厚サンプルの位置をずらして撮像した画像を示す図である。
【図６】画像中心と膜厚サンプルの中心との中心位置の差に対する膜厚変化を示す図である。
【図７】動作説明に供するフローチャートである。
【図８】従来のスポット位置確認方法を説明するための図である。
【図９】撮像画像の中心からのスポット位置のずれ量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
（実施形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す斜視図である。
【００４１】
この実施形態の計測装置１は、画像計測および膜厚計測のためのデータを取り込む計測系３と、この計測系３に相互に情報伝送可能に接続されて、取り込んだデータを処理して計測を行なうとともに、各部の制御を行なう制御系４とを備えており、制御系４は、計測系３を制御する制御プログラムを実行するコンピュータを内蔵している。
【００４２】
計測系３は、基台５と、その上に設置された一対のガイドレール６に沿って移動可能なステージ７と、このステージ７を跨ぐ形で基台５上の固定位置に架設された門型の架台８と、この架台８内に設けられた図示しないヘッド移動機構と、ヘッド移動機構に支持された計測ヘッド９とを備えている。ステージ７には、計測対象物である基板２が載置される。
【００４３】
計測ヘッド９は、図示しない光ファイバやケーブルによって、制御系４に接続されている。
【００４４】
矩形板状のステージ７は、図示しないリニアモータなどの駆動機構によって図のＹ方向に移動可能である。計測ヘッド９は、Ｙ方向に直交する図のＸ方向を可動方向とするヘッド移動機構によって、Ｘ方向に移動可能である。
【００４５】
基台５上には、ステージ７の移動方向であるＹ方向に沿って延びるリニアスケール１０が設けられる一方、ステージ７には、該ステージ７と一体的に移動する図示しないエンコーダヘッドが設置されており、リニアスケール１０とエンコーダヘッドとによって、ステージ７のＹ方向の移動量を測定するリニアエンコーダが構成される。
【００４６】
各エンコーダヘッドには、投光部と受光部とが備えられ、投光部から出射されてリニアスケール１０で変調された反射光を受光部で受けることにより、ステージ７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、各リニアスケール１０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、ステージ位置の原点信号を得ることもできる。
【００４７】
架台８に内蔵されるヘッド移動機構は、ステージ７上に載置された基板２を撮像するとともに、膜厚計測用の投受光を行う計測ヘッド９を、Ｘ方向に移動させるものである。このヘッド移動機構は、リニアエンコーダを備えており、このリニアエンコーダで計測ヘッド９のＸ方向の移動量を測定しながら、制御系４から指令されたＸ座標に計測ヘッド９を移動させる。
【００４８】
計測ヘッド９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、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。また、この計測ヘッド９には、後述のようにカメラが搭載されるとともに、オートフォーカスユニット１１を備えている。
【００４９】
制御系４は、膜厚計測のための膜の材質や光学定数などのデータを入力するとともに、画像計測のための計測位置などを特定するための計測レシピ等を入力するキーボードやマウスなどの入力装置２０と、計測値などが表示されるディスプレイなどの表示装置２１とを備えており、計測系３に対してリアルタイムに指令を送ったり、計測系３で撮像した画像を観察したり、計測系３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。計測系３を制御するプログラムは、ネットワークを経由して、外部からダウンロードすることもできる。
【００５０】
図２は、図１の計測ヘッド９の概略構成図である。
【００５１】
この実施形態の計測ヘッド９は、対物レンズ１２を保持する鏡筒本体１３と、上部にカメラ１４が装備された副鏡筒１５とを備えており、鏡筒本体１３には、レンズ１６が配置されるとともに、上述のオートフォーカスユニット１１が装備されている。この鏡筒本体１３には、ハーフミラー１７を介して図示しない照明光学系からの照明光が導入される。
【００５２】
副鏡筒１５には、複数のレンズ１８，１９，２２が配置されるとともに、基板２からの反射光を、カメラ１４側へ透過させる一方、分光器２３に接続された光ファイバ２４の受光端２５側へ反射させるビームスプリッター２６が配置されている。なお、２７はスリットである。
【００５３】
図示しない照明光学系からの照明光が、鏡筒本体１３に導入されてハーフミラー１７を介して基板２に向けて反射され、対物レンズ１２を介して基板２に照射される。
【００５４】
基板２で反射された反射光は、ビームスプリッター２６を透過して撮像手段としてのカメラ１４のＣＣＤ二次元撮像素子上に結像される一方、ビームスプリッター２６で反射されて、レンズ２２、スリット２７、光ファイバ２４を介してスポット光として分光器２３に取り込まれる。カメラ１４の画像は、比較的広い領域を撮像しており、この撮像画像に基づいて、後述のようにスポット中心の計測や基板２のパターンの線幅などの計測が行われる。
【００５５】
図３は、計測ヘッド９を含む計測装置１の全体構成を示す要部のブロック図である。
【００５６】
照明光が照射された計測対象からの反射光は、計測ヘッド９を介して上述の分光器２３に導光され、分光器２３で分光されて、波長単位の反射光の強度が取り出される。
【００５７】
制御回路２８は、例えば、マイクロコンピュータによって構成され、膜厚や寸法を算出するための演算処理を行なうとともに、カメラのフォーカス制御部２９、ステージ７や計測ヘッド９の移動制御部３０などに対する制御処理を行なう。
【００５８】
制御回路２８は、分光器２３からの反射光のスペクトルと、膜厚を所定値に想定したときの理論上の反射光のスペクトルとの比較を、膜厚の想定値を変えながら順に行い、膜厚毎の比較結果に基づいて、膜厚の値を特定する、いわゆる、カーブフィッティング法によって膜厚を計測する膜厚計測部３１としての機能を備えている。
【００５９】
また、制御回路２８は、上述のカメラ１４で撮像した画像を、画像入力部３２を介して取り込み、画像処理して計測対象の基板２上に形成されたパターン等の寸法を測定するとともに、後述にように膜厚サンプルの中心位置を求めるための画像処理部３３としての機能を有している。更に、スポット光の位置を測定するスポット位置測定部３４としての機能を有する。
【００６０】
この実施形態の計測装置１では、光学系を変更することなく、撮像画像内におけるスポット光の位置を確認できるように、図４に示す矩形の膜厚サンプル３５を、位置をずらして複数の位置で撮像するとともに、膜厚を計測してスポット光の位置を求めるようにしている。
【００６１】
この実施形態の膜厚サンプル３５は、矩形（正方形）のガラス基板上に、画像認識できるように、着色膜が形成されたものであり、この膜厚サンプル３５は、例えば、上述のステージ７の端の所定位置に、各辺がＸ方向またはＹ方向に沿うように設置されている。したがって、スポット光の位置を定期的に確認する際には、膜厚サンプル３５を容易に撮像できるとともに、その膜厚を計測できるようになっている。なお、膜厚サンプル３５は、スポット光の位置を確認する際に、ステージ７に載置するようにしてもよい。
【００６２】
この実施形態では、図４に示すように、矩形の膜厚サンプル３５を含む領域を、矢符Ａで示すようにＸ方向にＮ回位置をずらして各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測し、撮像画像を画像処理して矩形の膜厚サンプル３５のＸ方向の中心位置を計測する。更に、矩形の膜厚サンプル３５を含む領域を、矢符Ｂで示すようにＹ方向にＭ回位置をずらして各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測し、撮像画像を画像処理して矩形の膜厚サンプル３５のＹ方向の中心位置を計測する。なお、Ｎ回、Ｍ回は、特に、制限はないが、スポット光の位置が精度よく測定できるように任意に設定すればよい。
【００６３】
図５ａ〜ｆは、例えば、Ｘ方向に位置をずらして矩形の膜厚サンプル３５を複数回撮像した画像の一部の画像を示す図である。
【００６４】
先ず、図５ａに示される位置で膜厚サンプル３５を撮像し、撮像した画像を処理して矩形の膜厚サンプル３５の中心位置Ｐ１の座標を求める。この画像処理は、例えば、予め、膜厚サンプルを撮像して登録したテンプレート画像とのマッチングを行い、マッチングしたときの位置を基準として、計測レシピの計測パラメータに従って、指定された計測位置のサーチ範囲をサーチし、指定された閾値を超える微分波形のピーク位置から矩形のパターンの両エッジ（両辺）を認識し、両エッジ間の中心として中心位置の座標を求める。この中心位置Ｐ１の座標と、一義的に規定されている矩形の撮像画像３６の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ１を算出する。
【００６５】
また、スポット光を分光器２３で分光し、上述のようにカーブフィッティング法によってスポット光に基づく膜厚を計測する。
【００６６】
次に、図５ｂに示すように、Ｘ方向に膜厚サンプル３５の位置をずらし、上述と同様に、撮像した画像を処理して求めた矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と撮像画像３６の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ２を算出する一方、スポット光に基づいて膜厚を計測する。
【００６７】
更に、図５ｃに示すように、Ｘ方向に膜厚サンプル３５の位置をずらし、上述と同様に、撮像した画像を処理して求めた矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と画像の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ３を算出する一方、スポット光に基づいて膜厚を計測する。
【００６８】
以下、図５（ｄ）〜（ｆ）に示すように、Ｘ方向に位置をずらして、矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と画像の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ４〜ΔＸ６を算出する一方、スポット光に基づいて膜厚を計測する。
【００６９】
以上のようにして得られた画像の中心Ｐと膜厚サンプル３５の中心Ｐ１との中心座標の差ΔＸｎを横軸、各位置で計測された膜厚を縦軸としてグラフにすると、図６に示すようになる。
【００７０】
このグラフにおいて、膜厚サンプル３５を相対的に移動させて、スポット光に、矩形の膜厚サンプル３５が徐々にかかるにつれて膜厚の値が徐々に上昇し、スポット光を、矩形の膜厚サンプル３５が通過する間は、膜厚が略一定となり、スポット光から矩形の膜厚サンプル３５が徐々に外れるにつれて膜厚の値が徐々に低下することになる。
【００７１】
したがって、スポット光の位置に、矩形の膜厚サンプル３５の中心位置Ｐ１があるのは、膜厚の変化の中心、すなわち、膜厚が略一定の区間の中心の位置である。
【００７２】
一方、矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と画像の中心Ｐの座標とが一致する位置は、グラフのΔＸｎが「０」の位置である。
【００７３】
したがって、画像の中心ＰのＸ座標とスポット中心のＸ座標とが一致している場合には、ΔＸｎが「０」の位置と、膜厚の変化の中心の位置とが一致するはずであり、ΔＸｎが「０」の位置と、膜厚の変化の中心の位置とのずれ量ΔＸｇが、画像の中心に対するスポット中心のＸ方向のずれ量となる。
【００７４】
同様にして、Ｙ方向についても、画像の中心に対するスポット中心のＹ方向のずれ量を求めることができる。
【００７５】
図７は、以上の処理のフローチャートである。
【００７６】
先ず、膜厚サンプル３５を含む領域を撮像できるように、ステージ７および計測ヘッド９を移動させる（ステップｎ１）。次に、膜厚サンプル３５を画像認識して、上述の矢符Ａおよび矢符Ｂで示す測定場所を決定する（ステップｎ２）。
【００７７】
次に、Ｘ方向にＮ回ステップ移動し、各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測する（ステップｎ３）。次に、上述のように膜厚変化の位置からスポット光の画像中心からのＸ方向のずれ量を算出する（ステップｎ４）。
【００７８】
次に、Ｙ方向にＭ回ステップ移動し、各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測する（ステップｎ５）。次に、上述のように膜厚変化の位置からスポット光の画像中心からのＹ方向のずれ量を算出する（ステップｎ６）。
【００７９】
なお、Ｘ方向の撮像および膜厚計測（ステップｎ３）に引き続いて、Ｙ方向の撮像および膜厚計測（ステップｎ５）を行い、その後、スポット光の画像中心からのＸ方向のずれ量の算出（ステップｎ４）およびスポット光の画像中心からのＹ方向のずれ量の算出ステップｎ６）を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、基板等の計測対象物の膜厚および寸法の計測などに有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 計測装置
２ 基板
９ 計測ヘッド
１４ カメラ
２３ 分光器
３５ 膜厚サンプル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚計測などの計測用のスポット光の位置を測定する方法およびそれを用いた計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜厚計測では、計測対象物の微小領域からの反射光に基づいて膜厚の計測を行うようにしている（例えば、特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９４４６９３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる膜厚計測では、計測対象物の微小領域からのスポット光に基づいて膜厚を計測するのであるが、数ミクロン程度のサイズのスポット光の中心と計測対象物を撮像した画像の中心とは、機械的精度などの要因によって完全には一致しておらず、このため、従来では、装置の組立時に、撮像した画像におけるスポット光の位置を確認し、画像中心とスポット光の中心であるスポット中心とのずれ量を計測し、オフセット値として設定している。
【０００５】
従来のスポット中心の確認は、図８に示すように、計測対象物、例えば、基板２で反射された反射光が、対物レンズ１２、レンズ１６，１８、ビームスプリッタ−２６、レンズ２２、スリット２７、受光端２５および光ファイバ２４を介して導かれる分光器の位置に、光源３７を配置し、本来とは逆の方向から光を導入にして基板２にスポット光を照射し、それをカメラ１４で撮像することによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を確認し、図９に示すように、撮像した画像の中心Ｐと光スポット中心Ｐ２とのＸ，Ｙ方向のずれ量をオフセット値として設定している。
【０００６】
実際の膜厚の測定では、このオフセット値に基づいて、基板の微小な計測領域が、画像の中心Ｐではなく、スポット中心Ｐ２に一致するように調整して膜厚の計測を行っている。
【０００７】
このスポット中心Ｐ２の位置は、経時変化などによって数ミクロン単位でずれることが考えられ、スポットサイズが小さい場合には、そのずれが問題となり、定期的にスポット位置を確認してオフセット値を修正する必要がある。
【０００８】
上述のように、装置の組立時には、本来と逆方向から光を導入してスポット位置を確認することもできるが、組立後の実際の装置では、光の導入位置には、分光器が設置されているので、上述のようにしてスポット位置を確認するのは困難である。
【０００９】
光学系を工夫し、スポット中心の確認時には、光を導入できるように切り換える機構を設けることも考えられるが、それでは、光学系が複雑となり、また、そのような機構の追加が、却ってスポット中心をずらす要因になる虞もある。
【００１０】
本発明は、上述のような課題に鑑みて為されたものであって、光学系を変更することなく、画像内におけるスポット中心の位置を確認できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明のスポット位置測定方法は、計測対象物からのスポット光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する計測装置における前記スポット光の位置を測定する方法であって、予め準備した膜厚サンプルの位置を相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測する第１のステップと、前記複数の各位置でそれぞれ撮像した撮像画像内の膜厚サンプルの位置と前記各位置で計測される膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を求める第２のステップとを含んでいる。
【００１２】
膜厚サンプルは、膜厚を計測できるとともに、画像処理によって位置を認識できるものであるのが好ましい。
【００１３】
「膜厚サンプルの位置を相対的にずらして」とは、膜厚サンプル自体の位置をずらしてもよいし、膜厚サンプルの撮像等を行う計測用のヘッドの位置をずらしてもよいし、あるいは、両者をずらしてもよいことをいう。
【００１４】
膜厚サンプルの位置を相対的にずらして、複数の位置で膜厚を計測するので、膜厚計測用のスポット光の位置に、前記膜厚サンプルがないときには、膜厚は計測されないが、スポット光の位置に、膜厚サンプルが入ると、膜厚が計測され始め、更に、スポット光の位置から膜厚サンプルが外れると、膜厚の計測は終了することになる。したがって、複数の位置でそれぞれ計測される膜厚の変化からスポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握することができる。
【００１５】
一方、複数の位置でそれぞれ撮像した撮像画像を処理することによって、各撮像画像内の膜厚サンプルの位置を把握することができる。
【００１６】
本発明のスポット位置測定方法によると、複数の位置での膜厚サンプルの膜厚の計測によって、スポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握できる一方、前記複数の位置で撮像した画像の画像処理によって撮像画像内における膜厚サンプルの位置を把握できるので、膜厚サンプルの位置を対応させることによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を求めることができる。
【００１７】
（２）本発明のスポット位置測定方法の他の実施形態では、前記第１のステップは、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップと、前記膜厚サンプルの位置を、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップとを含み、前記第２のステップでは、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向および前記第２の方向のずれ量を求めるものであり、前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有している。
【００１８】
前記第１の方向および第２の方向は、Ｘ，Ｙ直交座標系のＸ方向およびＹ方向であるのが好ましい。
【００１９】
膜厚サンプルは、正四角形、正六角形、正八角形などの偶数の正多角形状に膜が形成されているのが好ましい。
【００２０】
この膜厚サンプルは、平行な対向辺を有する多角形状に膜が形成されている、すなわち、平行な対向辺間に膜が形成されているので、平行な対向辺間に形成された膜が、スポット光を横切るように位置をずらして膜厚を計測することによって、その膜厚変化に基づいて、平行な対向辺間に形成された膜の中心、すなわち、膜厚サンプルの中心が、スポット光を通過する位置を把握することができる。
【００２１】
膜厚サンプルを、第１の方向、例えば、Ｘ方向に相対的にずらして、複数の位置で膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測することによって、スポット光を、膜厚サンプルのＸ方向の中心が通過する位置を把握することができる。
【００２２】
一方、膜厚サンプルを、Ｘ方向に相対的にずらして、複数の位置で撮像した画像を画像処理して膜厚サンプルのＸ方向の中心を把握できるので、膜厚サンプルの前記中心が、撮像画像の中心にあるときの位置を把握することができる。
【００２３】
このようにＸ方向に沿う複数の位置での膜厚サンプルの膜厚計測によって、スポット光が、膜厚サンプルのＸ方向の中心にある位置を把握することができる一方、前記Ｘ方向に沿う複数の位置での撮像画像を画像処理することによって、膜厚サンプルのＸ方向の中心が、撮像画像の中心にあるときの位置を把握することができるので、膜厚サンプルのＸ方向の中心を対応させることによって、撮像画像の中心に対するスポット光のＸ方向の位置を求めることができる。
【００２４】
同様に、撮像画像の中心に対するスポット光のＹ方向の位置を求めることができる。
【００２５】
以上のようにして、この実施形態によると、撮像画像の中心に対するスポット光の第１の方向および第２の方向のずれ量として、撮像画像内のスポット光の位置を求めることができる。
【００２６】
（３）本発明のスポット位置測定方法の一つの実施形態では、前記第１のステップでは、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を計測し、前記第２のステップでは、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を求めるとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を求めるようにしている。
【００２７】
この実施形態では、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を計測するので、その差が「０」になる位置、すなわち、膜厚サンプルを、第１の方向に相対的にずらしたときに、撮像画像の中心と膜厚サンプルの第１の方向の中心とが一致する位置、および、膜厚サンプルを、第２の方向に相対的にずらしたときに、撮像画像の中心と膜厚サンプルの第２の方向の中心とが一致する位置を把握できることになる。
【００２８】
一方、第１の方向に沿う複数の位置での膜厚サンプルの膜厚計測によって、スポット光が、膜厚サンプルの第１の方向の中心にある位置、および、スポット光が、膜厚サンプルの第２の方向の中心にある位置を把握することができる。
【００２９】
したがって、画像処理によって得られる膜厚サンプルの第１の方向の中心および第２の方向の中心と、膜厚計測によって得られる膜厚サンプルの第１の方向の中心および第２の方向の中心とを対応させることによって、撮像画像の中心に対するスポット光の第１の方向および第２の方向のずれ量を求めてスポット光の位置を特定することができる。
【００３０】
（４）本発明の計測装置は、計測対象物の膜厚を計測する計測装置であって、前記計測対象物を撮像する撮像手段と、前記計測対象物からのスポット光を分光する分光手段と、前記撮像手段からの撮像画像を処理する画像処理手段と、前記分光手段の出力に基づいて、膜厚を演算する演算手段と、前記撮像手段で撮像される画像内の前記スポット光の位置を測定する測定手段とを備え、前記撮像手段は、予め準備した膜厚サンプルを、相対的に位置をずらした複数の位置でそれぞれ撮像するものであり、前記分光手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、前記画像処理手段は、前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像内の膜厚サンプルの位置を求めるものであり、前記演算手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、前記測定手段は、前記画像処理手段で求めた撮像画像内の膜厚サンプルの位置と、前記演算手段で演算した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を測定するものである。
【００３１】
本発明の計測装置によると、複数の位置での膜厚サンプルの膜厚の計測によって、スポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握できるとともに、前記複数の位置で撮像した画像の画像処理によって撮像画像内における膜厚サンプルの位置を把握できるので、膜厚サンプルの位置を対応させることによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を求めることができる。
【００３２】
（５）本発明の計測装置の他の実施形態では、前記撮像手段は、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するものであり、前記分光手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、前記画像処理手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を求めるものであり、前記演算手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、前記測定手段は、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を測定するとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を測定するものであり、前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有している。
【００３３】
この実施形態によると、撮像画像の中心に対するスポット光の第１の方向および第２の方向のずれ量を求めてスポット光の位置を特定することができる。
【００３４】
（６）本発明の計測装置の一つの実施形態では、前記画像処理手段は、計測対象の撮像画像を処理して寸法を算出するものである。
【００３５】
この実施形態によれると、膜厚計測に加えて、計測対象物の線幅などの寸法を計測することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、複数の位置での膜厚サンプルの膜厚の計測によって、スポット光と膜厚サンプルとの位置関係を把握できるとともに、前記複数の位置で撮像した画像の画像処理によって撮像画像内における膜厚サンプルの位置を把握できるので、膜厚サンプルの位置を対応させることによって、撮像画像内におけるスポット光の位置を求めることができる。
【００３７】
これによって、光学系を変更することなく、膜厚サンプルを計測することによって、画像内におけるスポット中心の位置を確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の計測ヘッドの構成を示す図である。
【図３】図１の計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】膜厚サンプルの測定領域を示す図である。
【図５】膜厚サンプルの位置をずらして撮像した画像を示す図である。
【図６】画像中心と膜厚サンプルの中心との中心位置の差に対する膜厚変化を示す図である。
【図７】動作説明に供するフローチャートである。
【図８】従来のスポット位置確認方法を説明するための図である。
【図９】撮像画像の中心からのスポット位置のずれ量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
（実施形態１）
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す斜視図である。
【００４１】
この実施形態の計測装置１は、画像計測および膜厚計測のためのデータを取り込む計測系３と、この計測系３に相互に情報伝送可能に接続されて、取り込んだデータを処理して計測を行なうとともに、各部の制御を行なう制御系４とを備えており、制御系４は、計測系３を制御する制御プログラムを実行するコンピュータを内蔵している。
【００４２】
計測系３は、基台５と、その上に設置された一対のガイドレール６に沿って移動可能なステージ７と、このステージ７を跨ぐ形で基台５上の固定位置に架設された門型の架台８と、この架台８内に設けられた図示しないヘッド移動機構と、ヘッド移動機構に支持された計測ヘッド９とを備えている。ステージ７には、計測対象物である基板２が載置される。
【００４３】
計測ヘッド９は、図示しない光ファイバやケーブルによって、制御系４に接続されている。
【００４４】
矩形板状のステージ７は、図示しないリニアモータなどの駆動機構によって図のＹ方向に移動可能である。計測ヘッド９は、Ｙ方向に直交する図のＸ方向を可動方向とするヘッド移動機構によって、Ｘ方向に移動可能である。
【００４５】
基台５上には、ステージ７の移動方向であるＹ方向に沿って延びるリニアスケール１０が設けられる一方、ステージ７には、該ステージ７と一体的に移動する図示しないエンコーダヘッドが設置されており、リニアスケール１０とエンコーダヘッドとによって、ステージ７のＹ方向の移動量を測定するリニアエンコーダが構成される。
【００４６】
各エンコーダヘッドには、投光部と受光部とが備えられ、投光部から出射されてリニアスケール１０で変調された反射光を受光部で受けることにより、ステージ７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、各リニアスケール１０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、ステージ位置の原点信号を得ることもできる。
【００４７】
架台８に内蔵されるヘッド移動機構は、ステージ７上に載置された基板２を撮像するとともに、膜厚計測用の投受光を行う計測ヘッド９を、Ｘ方向に移動させるものである。このヘッド移動機構は、リニアエンコーダを備えており、このリニアエンコーダで計測ヘッド９のＸ方向の移動量を測定しながら、制御系４から指令されたＸ座標に計測ヘッド９を移動させる。
【００４８】
計測ヘッド９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、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。また、この計測ヘッド９には、後述のようにカメラが搭載されるとともに、オートフォーカスユニット１１を備えている。
【００４９】
制御系４は、膜厚計測のための膜の材質や光学定数などのデータを入力するとともに、画像計測のための計測位置などを特定するための計測レシピ等を入力するキーボードやマウスなどの入力装置２０と、計測値などが表示されるディスプレイなどの表示装置２１とを備えており、計測系３に対してリアルタイムに指令を送ったり、計測系３で撮像した画像を観察したり、計測系３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。計測系３を制御するプログラムは、ネットワークを経由して、外部からダウンロードすることもできる。
【００５０】
図２は、図１の計測ヘッド９の概略構成図である。
【００５１】
この実施形態の計測ヘッド９は、対物レンズ１２を保持する鏡筒本体１３と、上部にカメラ１４が装備された副鏡筒１５とを備えており、鏡筒本体１３には、レンズ１６が配置されるとともに、上述のオートフォーカスユニット１１が装備されている。この鏡筒本体１３には、ハーフミラー１７を介して図示しない照明光学系からの照明光が導入される。
【００５２】
副鏡筒１５には、複数のレンズ１８，１９，２２が配置されるとともに、基板２からの反射光を、カメラ１４側へ透過させる一方、分光器２３に接続された光ファイバ２４の受光端２５側へ反射させるビームスプリッター２６が配置されている。なお、２７はスリットである。
【００５３】
図示しない照明光学系からの照明光が、鏡筒本体１３に導入されてハーフミラー１７を介して基板２に向けて反射され、対物レンズ１２を介して基板２に照射される。
【００５４】
基板２で反射された反射光は、ビームスプリッター２６を透過して撮像手段としてのカメラ１４のＣＣＤ二次元撮像素子上に結像される一方、ビームスプリッター２６で反射されて、レンズ２２、スリット２７、光ファイバ２４を介してスポット光として分光器２３に取り込まれる。カメラ１４の画像は、比較的広い領域を撮像しており、この撮像画像に基づいて、後述のようにスポット中心の計測や基板２のパターンの線幅などの計測が行われる。
【００５５】
図３は、計測ヘッド９を含む計測装置１の全体構成を示す要部のブロック図である。
【００５６】
照明光が照射された計測対象からの反射光は、計測ヘッド９を介して上述の分光器２３に導光され、分光器２３で分光されて、波長単位の反射光の強度が取り出される。
【００５７】
制御回路２８は、例えば、マイクロコンピュータによって構成され、膜厚や寸法を算出するための演算処理を行なうとともに、カメラのフォーカス制御部２９、ステージ７や計測ヘッド９の移動制御部３０などに対する制御処理を行なう。
【００５８】
制御回路２８は、分光器２３からの反射光のスペクトルと、膜厚を所定値に想定したときの理論上の反射光のスペクトルとの比較を、膜厚の想定値を変えながら順に行い、膜厚毎の比較結果に基づいて、膜厚の値を特定する、いわゆる、カーブフィッティング法によって膜厚を計測する膜厚計測部３１としての機能を備えている。
【００５９】
また、制御回路２８は、上述のカメラ１４で撮像した画像を、画像入力部３２を介して取り込み、画像処理して計測対象の基板２上に形成されたパターン等の寸法を測定するとともに、後述にように膜厚サンプルの中心位置を求めるための画像処理部３３としての機能を有している。更に、スポット光の位置を測定するスポット位置測定部３４としての機能を有する。
【００６０】
この実施形態の計測装置１では、光学系を変更することなく、撮像画像内におけるスポット光の位置を確認できるように、図４に示す矩形の膜厚サンプル３５を、位置をずらして複数の位置で撮像するとともに、膜厚を計測してスポット光の位置を求めるようにしている。
【００６１】
この実施形態の膜厚サンプル３５は、矩形（正方形）のガラス基板上に、画像認識できるように、着色膜が形成されたものであり、この膜厚サンプル３５は、例えば、上述のステージ７の端の所定位置に、各辺がＸ方向またはＹ方向に沿うように設置されている。したがって、スポット光の位置を定期的に確認する際には、膜厚サンプル３５を容易に撮像できるとともに、その膜厚を計測できるようになっている。なお、膜厚サンプル３５は、スポット光の位置を確認する際に、ステージ７に載置するようにしてもよい。
【００６２】
この実施形態では、図４に示すように、矩形の膜厚サンプル３５を含む領域を、矢符Ａで示すようにＸ方向にＮ回位置をずらして各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測し、撮像画像を画像処理して矩形の膜厚サンプル３５のＸ方向の中心位置を計測する。更に、矩形の膜厚サンプル３５を含む領域を、矢符Ｂで示すようにＹ方向にＭ回位置をずらして各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測し、撮像画像を画像処理して矩形の膜厚サンプル３５のＹ方向の中心位置を計測する。なお、Ｎ回、Ｍ回は、特に、制限はないが、スポット光の位置が精度よく測定できるように任意に設定すればよい。
【００６３】
図５ａ〜ｆは、例えば、Ｘ方向に位置をずらして矩形の膜厚サンプル３５を複数回撮像した画像の一部の画像を示す図である。
【００６４】
先ず、図５ａに示される位置で膜厚サンプル３５を撮像し、撮像した画像を処理して矩形の膜厚サンプル３５の中心位置Ｐ１の座標を求める。この画像処理は、例えば、予め、膜厚サンプルを撮像して登録したテンプレート画像とのマッチングを行い、マッチングしたときの位置を基準として、計測レシピの計測パラメータに従って、指定された計測位置のサーチ範囲をサーチし、指定された閾値を超える微分波形のピーク位置から矩形のパターンの両エッジ（両辺）を認識し、両エッジ間の中心として中心位置の座標を求める。この中心位置Ｐ１の座標と、一義的に規定されている矩形の撮像画像３６の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ１を算出する。
【００６５】
また、スポット光を分光器２３で分光し、上述のようにカーブフィッティング法によってスポット光に基づく膜厚を計測する。
【００６６】
次に、図５ｂに示すように、Ｘ方向に膜厚サンプル３５の位置をずらし、上述と同様に、撮像した画像を処理して求めた矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と撮像画像３６の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ２を算出する一方、スポット光に基づいて膜厚を計測する。
【００６７】
更に、図５ｃに示すように、Ｘ方向に膜厚サンプル３５の位置をずらし、上述と同様に、撮像した画像を処理して求めた矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と画像の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ３を算出する一方、スポット光に基づいて膜厚を計測する。
【００６８】
以下、図５（ｄ）〜（ｆ）に示すように、Ｘ方向に位置をずらして、矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と画像の中心ＰのＸ座標との差ΔＸ４〜ΔＸ６を算出する一方、スポット光に基づいて膜厚を計測する。
【００６９】
以上のようにして得られた画像の中心Ｐと膜厚サンプル３５の中心Ｐ１との中心座標の差ΔＸｎを横軸、各位置で計測された膜厚を縦軸としてグラフにすると、図６に示すようになる。
【００７０】
このグラフにおいて、膜厚サンプル３５を相対的に移動させて、スポット光に、矩形の膜厚サンプル３５が徐々にかかるにつれて膜厚の値が徐々に上昇し、スポット光を、矩形の膜厚サンプル３５が通過する間は、膜厚が略一定となり、スポット光から矩形の膜厚サンプル３５が徐々に外れるにつれて膜厚の値が徐々に低下することになる。
【００７１】
したがって、スポット光の位置に、矩形の膜厚サンプル３５の中心位置Ｐ１があるのは、膜厚の変化の中心、すなわち、膜厚が略一定の区間の中心の位置である。
【００７２】
一方、矩形の膜厚サンプル３５の中心Ｐ１の座標と画像の中心Ｐの座標とが一致する位置は、グラフのΔＸｎが「０」の位置である。
【００７３】
したがって、画像の中心ＰのＸ座標とスポット中心のＸ座標とが一致している場合には、ΔＸｎが「０」の位置と、膜厚の変化の中心の位置とが一致するはずであり、ΔＸｎが「０」の位置と、膜厚の変化の中心の位置とのずれ量ΔＸｇが、画像の中心に対するスポット中心のＸ方向のずれ量となる。
【００７４】
同様にして、Ｙ方向についても、画像の中心に対するスポット中心のＹ方向のずれ量を求めることができる。
【００７５】
図７は、以上の処理のフローチャートである。
【００７６】
先ず、膜厚サンプル３５を含む領域を撮像できるように、ステージ７および計測ヘッド９を移動させる（ステップｎ１）。次に、膜厚サンプル３５を画像認識して、上述の矢符Ａおよび矢符Ｂで示す測定場所を決定する（ステップｎ２）。
【００７７】
次に、Ｘ方向にＮ回ステップ移動し、各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測する（ステップｎ３）。次に、上述のように膜厚変化の位置からスポット光の画像中心からのＸ方向のずれ量を算出する（ステップｎ４）。
【００７８】
次に、Ｙ方向にＭ回ステップ移動し、各位置で膜厚サンプル３５を撮像するとともに、膜厚を計測する（ステップｎ５）。次に、上述のように膜厚変化の位置からスポット光の画像中心からのＹ方向のずれ量を算出する（ステップｎ６）。
【００７９】
なお、Ｘ方向の撮像および膜厚計測（ステップｎ３）に引き続いて、Ｙ方向の撮像および膜厚計測（ステップｎ５）を行い、その後、スポット光の画像中心からのＸ方向のずれ量の算出（ステップｎ４）およびスポット光の画像中心からのＹ方向のずれ量の算出ステップｎ６）を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、基板等の計測対象物の膜厚および寸法の計測などに有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 計測装置
２ 基板
９ 計測ヘッド
１４ カメラ
２３ 分光器
３５ 膜厚サンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物からのスポット光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する計測装置における前記スポット光の位置を測定する方法であって、
予め準備した膜厚サンプルの位置を相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測する第１のステップと、
前記複数の位置でそれぞれ撮像した撮像画像内の膜厚サンプルの位置と前記各位置で計測される膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を求める第２のステップと、
を含むことを特徴とするスポット位置測定方法。
【請求項２】
前記第１のステップは、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップと、前記膜厚サンプルの位置を、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップとを含み、
前記第２のステップでは、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向および前記第２の方向のずれ量を求めるものであり、
前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有する請求項１に記載のスポット位置測定方法。
【請求項３】
前記第１のステップでは、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を計測し、
前記第２のステップでは、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を求めるとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を求める請求項２に記載のスポット位置測定方法。
【請求項４】
計測対象物の膜厚を計測する計測装置であって、
前記計測対象物を撮像する撮像手段と、
前記計測対象物からのスポット光を分光する分光手段と、
前記撮像手段からの撮像画像を処理する画像処理手段と、
前記分光手段の出力に基づいて、膜厚を演算する演算手段と、
前記撮像手段で撮像される画像内の前記スポット光の位置を測定する測定手段とを備え、
前記撮像手段は、予め準備した膜厚サンプルを、相対的に位置をずらした複数の位置でそれぞれ撮像するものであり、
前記分光手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、
前記画像処理手段は、前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像内の膜厚サンプルの位置を求めるものであり、
前記演算手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、
前記測定手段は、前記画像処理手段で求めた撮像画像内の膜厚サンプルの位置と、前記演算手段で演算した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を測定することを特徴とする計測装置。
【請求項５】
前記撮像手段は、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するものであり、
前記分光手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、
前記画像処理手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を求めるものであり、
前記演算手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、
前記測定手段は、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を測定するとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を測定するものであり、
前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有する請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記画像処理手段は、計測対象の撮像画像を処理して寸法を算出する請求項４または５に記載の計測装置。
【請求項１】
計測対象物からのスポット光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する計測装置における前記スポット光の位置を測定する方法であって、
予め準備した膜厚サンプルの位置を相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測する第１のステップと、
前記複数の位置でそれぞれ撮像した撮像画像内の膜厚サンプルの位置と前記各位置で計測される膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を求める第２のステップと、
を含むことを特徴とするスポット位置測定方法。
【請求項２】
前記第１のステップは、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップと、前記膜厚サンプルの位置を、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらして、複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記膜厚サンプルの膜厚をそれぞれ計測するステップとを含み、
前記第２のステップでは、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向および前記第２の方向のずれ量を求めるものであり、
前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有する請求項１に記載のスポット位置測定方法。
【請求項３】
前記第１のステップでは、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を計測し、
前記第２のステップでは、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を求めるとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を求める請求項２に記載のスポット位置測定方法。
【請求項４】
計測対象物の膜厚を計測する計測装置であって、
前記計測対象物を撮像する撮像手段と、
前記計測対象物からのスポット光を分光する分光手段と、
前記撮像手段からの撮像画像を処理する画像処理手段と、
前記分光手段の出力に基づいて、膜厚を演算する演算手段と、
前記撮像手段で撮像される画像内の前記スポット光の位置を測定する測定手段とを備え、
前記撮像手段は、予め準備した膜厚サンプルを、相対的に位置をずらした複数の位置でそれぞれ撮像するものであり、
前記分光手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、
前記画像処理手段は、前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像内の膜厚サンプルの位置を求めるものであり、
前記演算手段は、前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、
前記測定手段は、前記画像処理手段で求めた撮像画像内の膜厚サンプルの位置と、前記演算手段で演算した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像内の前記スポット光の位置を測定することを特徴とする計測装置。
【請求項５】
前記撮像手段は、前記膜厚サンプルの位置を、第１の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するとともに、前記第１の方向に直交する第２の方向に相対的にずらした複数の位置で前記膜厚サンプルをそれぞれ撮像するものであり、
前記分光手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルからのスポット光を分光するものであり、
前記画像処理手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像および前記第２の方向に沿う前記複数の位置でそれぞれ撮像した画像を処理して、撮像画像の中心と膜厚サンプルの中心との前記第１の方向に沿う中心位置の差および前記第２の方向に沿う中心位置の差を求めるものであり、
前記演算手段は、前記第１の方向に沿う前記複数の位置での前記膜厚サンプルの膜厚を演算するとともに、前記第２の方向に沿う前記複数の位置での膜厚サンプルの膜厚を演算するものであり、
前記測定手段は、前記第１の方向に沿う中心位置の差と前記第１の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第１の方向のずれ量を測定するとともに、前記第２の方向に沿う中心位置の差と前記第２の方向に沿う複数の位置で計測した膜厚サンプルの膜厚とに基づいて、撮像画像の中心に対する前記スポット光の前記第２の方向のずれ量を測定するものであり、
前記膜厚サンプルは、前記第１の方向に延びる平行な対向辺および前記第２の方向に延びる平行な対向辺を有する多角形状に形成された膜を有する請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記画像処理手段は、計測対象の撮像画像を処理して寸法を算出する請求項４または５に記載の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２１０３８９（Ｐ２０１０−２１０３８９Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６３２８（Ｐ２００９−５６３２８）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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