照明装置、計測ヘッドおよび計測装置
【課題】画像計測用および膜厚計測用のヘッドを兼用できるようにするとともに、光源からの照明光の光量の損失を抑制して、効率的な計測が行えるようにする。
【解決手段】画像計測用の第１，第２の光源からの照明光を１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイド１１からの照明光は、拡散板１３を介して対物レンズ１７に導かれるので、第１，第２の光源の内のいずれかを選択して駆動させたときの照明ムラが拡散板１３によって解消される一方、膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光は、拡散板１３を介することなく、対物レンズ１７に導かれるので、拡散板１３による光量の損失がない。しかも、いずれのライトガイド１１，１２からの照明光も共通の対物レンズ１７から対象物に照射できる、すなわち、対物レンズ１７を共用することができる。
【解決手段】画像計測用の第１，第２の光源からの照明光を１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイド１１からの照明光は、拡散板１３を介して対物レンズ１７に導かれるので、第１，第２の光源の内のいずれかを選択して駆動させたときの照明ムラが拡散板１３によって解消される一方、膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光は、拡散板１３を介することなく、対物レンズ１７に導かれるので、拡散板１３による光量の損失がない。しかも、いずれのライトガイド１１，１２からの照明光も共通の対物レンズ１７から対象物に照射できる、すなわち、対物レンズ１７を共用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの照明光を対象物に照射する照明装置、それを用いた計測ヘッドおよび計測装置に関し、更に詳しくは、基板などを撮像した画像に基づいて、基板上に成形されたパターンの線幅などを計測する一方、基板上に形成された電極膜や配向膜などの膜厚を計測する複合型の計測装置、それに好適な照明装置および計測ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体ウェハやガラス基板を撮像し、撮像した画像を処理して、半導体ウェハやガラス基板上に形成された配線パターン等の線幅などを計測する装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、半導体基板や液晶パネル用のガラス基板などの基板上に形成された酸化膜や電極膜などの各種の薄膜の厚みを計測する装置が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０５９６０２号公報
【特許文献２】特開２００２−８１９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
計測対象物を撮像した画像を処理して線幅等の計測を行なう計測装置と、計測対象物からの反射光に基づいて膜厚の計測を行なう計測装置とを複合化して、線幅等の画像計測と膜厚計測とが同時に行えるようにすることが望まれる。
【０００６】
この複合化に当たって、コストを抑制するとともに、スペース効率を高めるために、計測対象物の画像を撮像する画像計測用のヘッドと、前記計測対象物に投受光する膜厚計測用のヘッドとを兼用する構成とすることが考えられる。
【０００７】
一般に、画像計測の計測対象物であるワークには、例えば、白色で見易いワークや青色で見易いワークなどがあり、計測を容易にするために、ワークに応じて、複数の光源を選択的に切換えたり、あるいは、複数の光源を組み合わせたりして照明している。
【０００８】
このため、複数の光源からの照明光の伝送には、例えば、図７に示すような分岐されたライトガイド４０が用いられる。このライトガイド４０は、多数の光ファイバが束ねられて構成されており、複数の光源、例えば、第１，第２の各光源に個別的に対応するように、二組の光ファイバ束から構成されている。
【０００９】
各入射端４０ａ−１，４０ａ−２では、各組の光ファイバ束が臨み、１つに結束された出射端４０ｂでは、図８の拡大図に示すように、第１の光源に対応する第１の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ４１−１と、第２の光源に対応する第２の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ４１−２とが、各組が均一に混在して分布するように分散された状態で円形に結束されており、各組の光ファイバ４１−１，４１−２が占める発光面積は、等しくなっており、出射端全体の発光面積の１／２となっている。
【００１０】
このように各光源に個別的に対応する各組の光ファイバの発光面積が、１／２となっているので、一方の光源だけを点灯した場合には、照明ムラが生じる。このため、スリガラス等の拡散板を配置して照明光を均一に拡散させている。
【００１１】
このように複数の光源からの照明光を、拡散板を介して計測対象物に照射する画像計測用のヘッドに、膜厚計測用の光源からの照明光を導入してヘッドを兼用しようとすると、前記拡散板によって、膜厚計測用の光源からの照明光の光量の損失が大きなものとなり、露光時間を延ばす必要が生じ、膜厚計測に要する時間が長くなってしまう。
【００１２】
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、画像計測用および膜厚計測用のヘッドを兼用できるようにするとともに、光源からの照明光の光量の損失を抑制して、効率的な計測が行え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】
【００１３】
（１）本発明の照明装置は、３つ以上の光源からの照明光を、対物レンズを介して対象物に照射する照明装置であって、前記３つ以上の光源の内の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する第１のライトガイドと、前記複数の光源以外の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する第２のライトガイドと、前記第１のライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して前記対物レンズに導く第１の光路と、前記第２のライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く第２の光路とを備えている。
【００１４】
３つ以上の光源の内の複数の光源は、同時に、または、選択的に切換えて点灯されるのが好ましい。
【００１５】
複数の光源以外の光源は、１つの光源であるのが好ましい。
【００１６】
本発明の照明装置によると、複数の光源からの照明光を入射して１つに結束された出射端から出射する第１のライトガイドからの照明光は、拡散板を介して対物レンズに導かれるので、複数の光源の内のいずれかの光源を選択して点灯させたときの照明ムラが拡散板によって解消される一方、第２のライトガイドからの照明光は、拡散板を介することなく、対物レンズに導かれるので、拡散板による光量の損失がなく、しかも、いずれのライトガイドからの照明光も共通の対物レンズから対象物に照射できる、すなわち、対物レンズを共用することができる。
【００１７】
これによって、用途が異なる光源から照明光、例えば、画像計測用の複数の光源からの照明光を、照明ムラなく対物レンズを介して対象物に照射することができる一方、膜厚計測用の光源からの照明光を、光量の損失なく、共通の対物レンズを介して対象物に照射することができる。
【００１８】
（２）本発明の計測ヘッドは、画像計測用の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイドと、膜厚計測用の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する膜厚計測用ライトガイドと、前記画像計測用ライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して対物レンズに導く画像計測用光路と、前記膜厚計測用ライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く膜厚計測用光路とを備えている。
【００１９】
画像計測とは、計測対象物の画像を処理して寸法、形状や位置などを計測することをいう。
【００２０】
膜厚計測とは、計測対象物に形成されている膜厚を計測することをいう。
【００２１】
計測対象物とは、計測する対象をいい、例えば、基板、部品などをいう。
【００２２】
画像計測用の複数の光源としては、例えば、赤色、青色、白色といった出力波長の異なる複数のＬＥＤなどがある。
【００２３】
膜厚計測用の光源としては、キセノンランプ、ハロゲンランプ、あるいは、出力波長の異なる複数のＬＥＤを組み合わせた光源などがある。
【００２４】
本発明の計測ヘッドによると、画像計測用の複数の光源からの照明光を入射して１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイドからの照明光は、拡散板を介して対物レンズに導かれるので、複数の光源の内のいずれかの光源を選択して点灯させたときの照明ムラが拡散板によって解消される一方、膜厚計測用ライトガイドからの照明光は、拡散板を介することなく、対物レンズに導かれるので、拡散板による光量の損失がない。しかも、いずれのライトガイドからの照明光も共通の対物レンズから対象物に照射できる、すなわち、対物レンズを共用することができ、当該計測ヘッドを、画像計測用および膜厚計測用のヘッドとして兼用することができる。
【００２５】
（３）本発明の計測ヘッドの好ましい実施形態では、前記画像計測用の複数の光源は、同時に、または、選択的に切換えて点灯されるものであり、前記膜厚計測用の光源は、１つである。
【００２６】
ここで、選択的に切換えて点灯とは、複数の光源のいずれかを選択的に駆動して点灯させてもよいし、複数の光源を同時に駆動し、シャッタによって、いずれかを遮光することによって、選択的に点灯させてもよい。
【００２７】
この実施形態によると、画像計測用の複数の光源は、計測対象物に応じて、選択的に切換えて点灯されるので、いずれかの光源を選択して点灯した場合には、画像計測用ライトガイドから出射される照明光には、照明ムラが生じるが、拡散板によって照明ムラを解消することができる。また、膜厚計測用の光源は、１つであるので、画像計測用の光源のような照明ムラが生じることもなく、拡散板を通過させる必要がない。
【００２８】
（４）本発明の計測ヘッドの一つの実施形態では、前記画像計測用光路と前記膜厚計測用光路とが交差する位置に配置されたビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタは、前記画像計測用ライトガイドおよび前記膜厚計測用ライトガイドの一方のライトガイドから出射される照明光を透過させて前記対物レンズ側へ導き、他方のライトガイドから出射される照明光を反射させて前記対物レンズ側へ導くようにしている。
【００２９】
この実施形態によると、画像計測用ライトガイドの出射端から出射される照明光および膜厚計測用ライトガイドの出射端から出射される照明光を、ビームスプリッタによって対物レンズ側へ導くことができるので、ビームスプリッタ以降の光路を共用して小型化を図ることができる。
【００３０】
（５）本発明の計測ヘッドの他の実施形態では、前記画像計測用ライトガイドの出射端または前記膜厚計測用ライトガイドの出射端のいずれかが、照明光を前記対物レンズに導く共通の光路の入射端に、対向するように相対移動させる移動機構を備えている。
【００３１】
この実施形態によると、画像計測用ライトガイドの出射端または膜厚計測用ライトガイドの出射端のいずれかが、照明光を対物レンズに導く共通の光路の入射端に、対向するように相対移動させるので、ビームスプリッタを介することなく、共通の光路に導くことができ、ビームスプリッタによる光量の損失がない。
【００３２】
（６）本発明の計測ヘッドの更に他の実施形態では、前記画像計測用ライトガイドの出射端は、前記画像計測用の複数の各光源に個別的に対応する複数組の光ファイバ束をそれぞれ構成する各光ファイバが、円形に、かつ、各組が混在して分布するように結束される。
【００３３】
この実施形態によると、画像計測用ライトガイドの出射端では、各光源に個別的に対応する各組の光ファイバが、各組が混在して分布するように円形に結束されるので、複数の光源のいずれかの光源を選択して駆動した場合に、各光源からの照明光が局在することがない。
【００３４】
（７）本発明の計測ヘッドの他の実施形態では、前記画像計測用光路または前記膜厚計測用光路からの照明光が、前記対物レンズを介して計測対象物に照射され、前記画像計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、撮像素子側へ導く第１のハーフミラーが配置され、前記膜厚計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、分光器側へ導く第２のハーフミラーが配置される。
【００３５】
この実施形態によると、第１のハーフミラーまたは第２のハーフミラーによって、対物レンズを通過した計測対象物からの反射光を、撮像素子側または分光器側にそれぞれ導いて画像計測または膜厚計測を行うことが可能となる。
【００３６】
（８）本発明の計測装置は、本発明に係る計測ヘッドと、前記撮像素子で撮像された画像を処理して前記計測対象物の寸法を計測する画像計測手段と、前記分光器で分光された反射光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する膜厚計測手段とを備えている。
【００３７】
本発明の計測装置によると、計測ヘッドを兼用して計測対象物の寸法を計測できるとともに、計測対象物の膜厚を計測することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の照明装置によれば、複数の光源からの照明光は、照明ムラなく、また、他の光源からの照明光は、光量の損失なく、共通の対物レンズを用いて対象物に照射することができ、これによって、当該照明装置を、異なる用途の効率のよい照明装置として兼用することができる。
【００３９】
本発明の計測ヘッドによれば、画像計測用の複数の光源からの照明光は、照明ムラなく、また、膜厚計測用の光源からの照明光は、光量の損失なく、共通の対物レンズを用いて照射することができるので、当該計測ヘッドを、画像計測および膜厚計測に兼用することができ、しかも、膜厚計測用の光源からの照明光は、光量の損失がないので、効率的な膜厚計測が可能となる。
【００４０】
本発明の計測装置によれば、計測ヘッドを兼用して画像計測および膜厚計測を効率的に行えるとともに、当該計測装置のコストを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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２の画像計測用ライトガイドの出射端の拡大図である。
【図４】図１の計測装置の構成を示すブロック図である。
【図５】比較例の構成を示す図２に対応する図である。
【図６】本発明の他の実施形態の図２に対応する図である。
【図７】分岐ライトガイドを示す図である。
【図８】図７のライトガイドの出射端の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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を撮像する一方、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。
【００５１】
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、オートフォーカス機構を備えている。
【００５２】
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。
【００５３】
図２は、図１の計測ヘッド９の概略構成図である。
【００５４】
この実施形態の計測ヘッド９は、画像計測用の第１，第２の光源（図示せず）からの照明光を、二つに分岐された各入射端からそれぞれ入射して１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイド１１と、膜厚計測用の第３の光源（図示せず）からの照明光を入射端から入射して出射端から出射する膜厚計測用ライトガイド１２とを備えている。
【００５５】
この実施形態では、画像計測用の第１，第２の光源は、例えば、白色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤであり、膜厚計測用の第３の光源は、例えば、キセノンランプである。
【００５６】
各ライトガイド１１，１２は、光ファイバを多数束ねて構成されており、画像計測用ライトガイド１１は、入射端が２つに分岐された分岐ライトガイドである。
【００５７】
図３は、第１，第２の光源から照明光を導光する画像計測用ライトガイド１１の結束端、すなわち、出射端を拡大して示す図である。
【００５８】
画像計測用ライトガイド１１の出射端では、第１の光源に対応する第１の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ１１−１と、第２の光源に対応する第２の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ１１−２とが、円形に結束されている。
【００５９】
各組の光ファイバ束を構成する各光ファイバ１１−１，１１−２は、各組が均一に混在して分布するように分散された状態で結束されている。各組の光ファイバ１１−１，１１−２が占める発光面積は、等しくなっており、出射端全体の発光面積（結束面積）の１／２となっている。
【００６０】
このように各光源に個別的に対応する各組の光ファイバの発光面積が、１／２となっているので、一方の光源だけを点灯駆動した場合には、照明ムラが生じる。
【００６１】
このため、画像計測用ライトガイド１１の出射端には、上述の図２に示すように、照明ムラを解消するために、スリガラスなどからなる拡散板１３が配置されている。
【００６２】
一方、膜厚計測用の第３の光源からの照明光を導光する膜厚計測用ライトガイド１２は、画像計測用ライトガイド１１と結束することなく、分離しており、これによって、膜厚計測用の照明光を、拡散板１３を通過させる必要がなく、拡散板１３による光量の損失が生じないようにしている。
【００６３】
各ライトガイド１１，１２の出射端が取り付けられた支持体１４の内部には、全反射ミラー１５およびビームスプリッタ１６が配置されている。全反射ミラー１５は、膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光をビームスプリッタ１６へ全反射する。ビームスプリッタ１６は、この全反射ミラー１５からの反射光を、下方へ反射させる一方、上方の画像計測用ライトガイド１１からの照明光を下方へ透過させる。
【００６４】
この実施形態のビームスプリッタ１６では、透過光と反射光との比率を、例えば、７：１としている。すなわち、画像計測用ライトガイド１１からの、拡散板１３を通過した照明光は、その７割がビームスプリッタ１６を透過する一方、全反射ミラー１５で全反射された膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光は、その３割がビームスプリッタ１６で反射される。
【００６５】
全反射ミラー１５およびビームスプリッタ１６が配置された支持体１４は、対物レンズ１７およびカメラ１８を保持する保持体１９に取り付けられ、この保持体１９の内部には、全反射ミラー２２および第１，第２のハーフミラー２３，２４が配置されている。全反射ミラー２２は、ビームスプリッタ１６からの照明光を、第２のハーフミラー２４へ全反射する。第２のハーフミラー２４は、全反射ミラー２２からの照明光を、第１のハーフミラー２３へ透過させる。また、この第２のハーフミラー２４は、第１のハーフミラーからの反射光を、計測ヘッド９外の分光器２５に接続された光ファイバ２６側へ反射させる。第１のハーフミラー２３は、第２のハーフミラー２４からの照明光を、対物レンズ１７へ反射する。また、この第１のハーフミラー２３は、対物レンズ１７からの反射光を、上方のカメラ１８側へ透過させる一方、第２のハーフミラー２４へ反射させる。
【００６６】
かかる構成の計測ヘッド９では、膜厚の計測時には、膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光は、全反射ミラー１５、ビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７を介して計測対象物である基板２の計測領域に照射される。すなわち、画像計測用ライトガイド１１から全反射ミラー１５、ビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７に至る膜厚計測用光路が構成される。
【００６７】
照射された光による基板２からの反射光は、対物レンズ１７および第１のハーフミラー２３を介してカメラ１８の２次元ＣＣＤ撮像素子上に結像する。
【００６８】
また、画像計測時には、画像計測用ライトガイド１１からの照明光は、ビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７を介して計測対象物である基板２の計測領域に照射される。すなわち、画像計測用ライトガイド１１からビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７に至る画像計測用光路が構成される。
【００６９】
照射された光による基板２からの反射光は、対物レンズ１７および第１，第２のハーフミラー２３，２４を介して分光器２５に導かれる。
【００７０】
図４は、計測ヘッド９を含む計測装置１の全体構成を示すブロック図である。
【００７１】
膜厚計測用の光源部２７は、上述の第３の光源を備えており、膜厚計測時に、点灯駆動される。この第３の光源からの照明光が、上述の膜厚計測用ライトガイド１２によって計測ヘッド９へ導光される。
【００７２】
画像計測用の光源部２８は、上述の第１，第２の光源を備えており、画像計測時に、これら光源の両方あるいは一方が点灯駆動される。これら光源からの照明光が、上述の画像計測用ライトガイド１１によって計測ヘッド９へ導光される。
【００７３】
膜厚計測時には、計測対象物である基板２からの反射光は、光ファイバ２６を介して上述の分光器２５に導かれ、分光器２５で分光されて、波長単位の反射光の強度が取り出される。
【００７４】
制御回路２９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１８のフォーカス制御部３０、ステージ７や計測ヘッド９の移動制御部３１などの各部の制御処理を行なう。
【００７５】
制御回路２９は、分光器２５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３２としての機能を備えている。
【００７６】
また、制御回路２９は、上述のカメラ１８で撮像した画像を、画像入力部３３を介して取り込み、画像処理して計測対象物である基板２上に形成されたパターンの線幅などの寸法を計測する寸法計測部３４としての機能を有する。
【００７７】
この寸法計測部３４では、カメラ１８で撮像した画像と、予め登録されているテンプレート画像とを、マッチングさせて計測位置を求めて計測を行う。
【００７８】
ここで、この実施形態の計測装置の効率を、図５に示すように、画像計測用の第１，第２の光源および膜厚計測用の第３の光源の各光源からの照明光を、３つの入射端にそれぞれ入射させ、１つに結束された出射端から出射するライトガイド３５を備えた構成の効率と比較する。なお、この図５において、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００７９】
ライトガイド３５の出射端では、各光源に対応する光ファイバが占める面積は、等しくなっており、それぞれ出射端全体（結束面積）の発光面積の１／３となっている。
【００８０】
この図５の構成では、画像計測用と膜厚計測用とを一つのライトガイド３５で兼用するので、上述の全反射ミラー１４およびビームスプリッタ１６が不要となるが、第３の光源からの照明光も拡散板１３を通過することになる。
図２の実施形態の構成を実施例とし、この図５の構成を比較例として、画像計測用の光源および膜厚計測用の光源としての効率の比較結果を表１に示す。
【００８１】
【表１】
【００８２】
表１に示すように、画像計測用の光源について、実施例では、結束面積に占める発光面積の割合が５０％、拡散板１３の透過率を５０％とし、ビームスプリッタ１６での損失が３０％であるので、総合した効率は、１７．５％（＝０．５×０．５×０．７×１００）となる。これに対して、比較例では、結束面積に占める発光面積の割合が３３％、拡散板１３の透過率を５０％とすると、総合した効率は、１６．５％（＝０．３３×０．５×１００）となる。
【００８３】
したがって、実施例の方が、画像計測用の光源としての光の利用効率が比較例よりも上回っている。
【００８４】
膜厚計測用の光源については、実施例では、結束面積に占める発光面積の割合が１００％、ビームスプリッタ１６での損失が７０％であるので、総合した効率は、３０％（＝１×０．３×１００）となる。これに対して、比較例では、結束面積に占める発光面積の割合が３３％、拡散板１３の透過率を５０％とすると、総合した効率は、１６．５％（＝０．３３×０．５×１００）となる。
【００８５】
したがって、実施例の方が、膜厚計測用の光源としての光の利用効率が比較例の２倍近く上回っている。
【００８６】
この例は、上述のように、ビームスプリッタ１６での透過光と反射光との比率を、７：１とした場合であり、したがって、この比率を調整して、効率を調整することができる。
【００８７】
以上のように計測ヘッド９を、画像計測および膜厚計測に兼用するので、複合機としての計測装置１のコストを抑制することができるとともに、スペース効率を高めることができる。しかも、複数の光源を同時に、あるいは、選択的に切換えて点灯駆動する画像計測用の複数の光源からの照明光は、拡散板１３によって照明ムラを解消できる一方、膜厚計測用の光源からの照明光は、拡散板１３を介さないので、光量の損失がなく、膜厚計測を効率的に行える。
【００８８】
（実施形態２）
上述の実施形態１では、画像計測用ライトガイド１１の照明光と膜厚計測用ライトガイド１２の照明光とを、ビームスプリッタ１６を介して共通の光路に導いたけれども、本発明の他の実施形態として、図６に示すように、拡散板１３を含む画像計測用ライトガイド１１と、膜厚計測用ライトガイド１２とを、図示しないレールに沿ってスライド移動可能な移動体３６に取り付け、いずれかのライトガイド１１（１２）の出射端を、全反射ミラー２２に至る共通の光路の入射端に対向配置させて光源を切換えるようにしてもよい。
【００８９】
この構成では、ビームスプリッタ１６が不要となるので、ビームスプリッタでの光量損失がなくなり、効率が更に上昇する。
【００９０】
（その他の実施形態）
光源の数や種類は、上述の実施の形態に限らないのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、基板等の計測対象物の寸法および膜厚の計測などに有用である。
【符号の説明】
【００９２】
１ 計測装置
２ 基板
９ 計測ヘッド
１１ 画像計測用ライトガイド
１２ 膜厚計測用ライトガイド
１３ 拡散板
１６ ビームスプリッタ
１７ 対物レンズ
１８ カメラ
２３，２４ 第１，第２のハーフミラー
２５ 分光器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの照明光を対象物に照射する照明装置、それを用いた計測ヘッドおよび計測装置に関し、更に詳しくは、基板などを撮像した画像に基づいて、基板上に成形されたパターンの線幅などを計測する一方、基板上に形成された電極膜や配向膜などの膜厚を計測する複合型の計測装置、それに好適な照明装置および計測ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体ウェハやガラス基板を撮像し、撮像した画像を処理して、半導体ウェハやガラス基板上に形成された配線パターン等の線幅などを計測する装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、半導体基板や液晶パネル用のガラス基板などの基板上に形成された酸化膜や電極膜などの各種の薄膜の厚みを計測する装置が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０５９６０２号公報
【特許文献２】特開２００２−８１９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
計測対象物を撮像した画像を処理して線幅等の計測を行なう計測装置と、計測対象物からの反射光に基づいて膜厚の計測を行なう計測装置とを複合化して、線幅等の画像計測と膜厚計測とが同時に行えるようにすることが望まれる。
【０００６】
この複合化に当たって、コストを抑制するとともに、スペース効率を高めるために、計測対象物の画像を撮像する画像計測用のヘッドと、前記計測対象物に投受光する膜厚計測用のヘッドとを兼用する構成とすることが考えられる。
【０００７】
一般に、画像計測の計測対象物であるワークには、例えば、白色で見易いワークや青色で見易いワークなどがあり、計測を容易にするために、ワークに応じて、複数の光源を選択的に切換えたり、あるいは、複数の光源を組み合わせたりして照明している。
【０００８】
このため、複数の光源からの照明光の伝送には、例えば、図７に示すような分岐されたライトガイド４０が用いられる。このライトガイド４０は、多数の光ファイバが束ねられて構成されており、複数の光源、例えば、第１，第２の各光源に個別的に対応するように、二組の光ファイバ束から構成されている。
【０００９】
各入射端４０ａ−１，４０ａ−２では、各組の光ファイバ束が臨み、１つに結束された出射端４０ｂでは、図８の拡大図に示すように、第１の光源に対応する第１の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ４１−１と、第２の光源に対応する第２の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ４１−２とが、各組が均一に混在して分布するように分散された状態で円形に結束されており、各組の光ファイバ４１−１，４１−２が占める発光面積は、等しくなっており、出射端全体の発光面積の１／２となっている。
【００１０】
このように各光源に個別的に対応する各組の光ファイバの発光面積が、１／２となっているので、一方の光源だけを点灯した場合には、照明ムラが生じる。このため、スリガラス等の拡散板を配置して照明光を均一に拡散させている。
【００１１】
このように複数の光源からの照明光を、拡散板を介して計測対象物に照射する画像計測用のヘッドに、膜厚計測用の光源からの照明光を導入してヘッドを兼用しようとすると、前記拡散板によって、膜厚計測用の光源からの照明光の光量の損失が大きなものとなり、露光時間を延ばす必要が生じ、膜厚計測に要する時間が長くなってしまう。
【００１２】
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、画像計測用および膜厚計測用のヘッドを兼用できるようにするとともに、光源からの照明光の光量の損失を抑制して、効率的な計測が行え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】
【００１３】
（１）本発明の照明装置は、３つ以上の光源からの照明光を、対物レンズを介して対象物に照射する照明装置であって、前記３つ以上の光源の内の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する第１のライトガイドと、前記複数の光源以外の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する第２のライトガイドと、前記第１のライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して前記対物レンズに導く第１の光路と、前記第２のライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く第２の光路とを備えている。
【００１４】
３つ以上の光源の内の複数の光源は、同時に、または、選択的に切換えて点灯されるのが好ましい。
【００１５】
複数の光源以外の光源は、１つの光源であるのが好ましい。
【００１６】
本発明の照明装置によると、複数の光源からの照明光を入射して１つに結束された出射端から出射する第１のライトガイドからの照明光は、拡散板を介して対物レンズに導かれるので、複数の光源の内のいずれかの光源を選択して点灯させたときの照明ムラが拡散板によって解消される一方、第２のライトガイドからの照明光は、拡散板を介することなく、対物レンズに導かれるので、拡散板による光量の損失がなく、しかも、いずれのライトガイドからの照明光も共通の対物レンズから対象物に照射できる、すなわち、対物レンズを共用することができる。
【００１７】
これによって、用途が異なる光源から照明光、例えば、画像計測用の複数の光源からの照明光を、照明ムラなく対物レンズを介して対象物に照射することができる一方、膜厚計測用の光源からの照明光を、光量の損失なく、共通の対物レンズを介して対象物に照射することができる。
【００１８】
（２）本発明の計測ヘッドは、画像計測用の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイドと、膜厚計測用の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する膜厚計測用ライトガイドと、前記画像計測用ライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して対物レンズに導く画像計測用光路と、前記膜厚計測用ライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く膜厚計測用光路とを備えている。
【００１９】
画像計測とは、計測対象物の画像を処理して寸法、形状や位置などを計測することをいう。
【００２０】
膜厚計測とは、計測対象物に形成されている膜厚を計測することをいう。
【００２１】
計測対象物とは、計測する対象をいい、例えば、基板、部品などをいう。
【００２２】
画像計測用の複数の光源としては、例えば、赤色、青色、白色といった出力波長の異なる複数のＬＥＤなどがある。
【００２３】
膜厚計測用の光源としては、キセノンランプ、ハロゲンランプ、あるいは、出力波長の異なる複数のＬＥＤを組み合わせた光源などがある。
【００２４】
本発明の計測ヘッドによると、画像計測用の複数の光源からの照明光を入射して１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイドからの照明光は、拡散板を介して対物レンズに導かれるので、複数の光源の内のいずれかの光源を選択して点灯させたときの照明ムラが拡散板によって解消される一方、膜厚計測用ライトガイドからの照明光は、拡散板を介することなく、対物レンズに導かれるので、拡散板による光量の損失がない。しかも、いずれのライトガイドからの照明光も共通の対物レンズから対象物に照射できる、すなわち、対物レンズを共用することができ、当該計測ヘッドを、画像計測用および膜厚計測用のヘッドとして兼用することができる。
【００２５】
（３）本発明の計測ヘッドの好ましい実施形態では、前記画像計測用の複数の光源は、同時に、または、選択的に切換えて点灯されるものであり、前記膜厚計測用の光源は、１つである。
【００２６】
ここで、選択的に切換えて点灯とは、複数の光源のいずれかを選択的に駆動して点灯させてもよいし、複数の光源を同時に駆動し、シャッタによって、いずれかを遮光することによって、選択的に点灯させてもよい。
【００２７】
この実施形態によると、画像計測用の複数の光源は、計測対象物に応じて、選択的に切換えて点灯されるので、いずれかの光源を選択して点灯した場合には、画像計測用ライトガイドから出射される照明光には、照明ムラが生じるが、拡散板によって照明ムラを解消することができる。また、膜厚計測用の光源は、１つであるので、画像計測用の光源のような照明ムラが生じることもなく、拡散板を通過させる必要がない。
【００２８】
（４）本発明の計測ヘッドの一つの実施形態では、前記画像計測用光路と前記膜厚計測用光路とが交差する位置に配置されたビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタは、前記画像計測用ライトガイドおよび前記膜厚計測用ライトガイドの一方のライトガイドから出射される照明光を透過させて前記対物レンズ側へ導き、他方のライトガイドから出射される照明光を反射させて前記対物レンズ側へ導くようにしている。
【００２９】
この実施形態によると、画像計測用ライトガイドの出射端から出射される照明光および膜厚計測用ライトガイドの出射端から出射される照明光を、ビームスプリッタによって対物レンズ側へ導くことができるので、ビームスプリッタ以降の光路を共用して小型化を図ることができる。
【００３０】
（５）本発明の計測ヘッドの他の実施形態では、前記画像計測用ライトガイドの出射端または前記膜厚計測用ライトガイドの出射端のいずれかが、照明光を前記対物レンズに導く共通の光路の入射端に、対向するように相対移動させる移動機構を備えている。
【００３１】
この実施形態によると、画像計測用ライトガイドの出射端または膜厚計測用ライトガイドの出射端のいずれかが、照明光を対物レンズに導く共通の光路の入射端に、対向するように相対移動させるので、ビームスプリッタを介することなく、共通の光路に導くことができ、ビームスプリッタによる光量の損失がない。
【００３２】
（６）本発明の計測ヘッドの更に他の実施形態では、前記画像計測用ライトガイドの出射端は、前記画像計測用の複数の各光源に個別的に対応する複数組の光ファイバ束をそれぞれ構成する各光ファイバが、円形に、かつ、各組が混在して分布するように結束される。
【００３３】
この実施形態によると、画像計測用ライトガイドの出射端では、各光源に個別的に対応する各組の光ファイバが、各組が混在して分布するように円形に結束されるので、複数の光源のいずれかの光源を選択して駆動した場合に、各光源からの照明光が局在することがない。
【００３４】
（７）本発明の計測ヘッドの他の実施形態では、前記画像計測用光路または前記膜厚計測用光路からの照明光が、前記対物レンズを介して計測対象物に照射され、前記画像計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、撮像素子側へ導く第１のハーフミラーが配置され、前記膜厚計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、分光器側へ導く第２のハーフミラーが配置される。
【００３５】
この実施形態によると、第１のハーフミラーまたは第２のハーフミラーによって、対物レンズを通過した計測対象物からの反射光を、撮像素子側または分光器側にそれぞれ導いて画像計測または膜厚計測を行うことが可能となる。
【００３６】
（８）本発明の計測装置は、本発明に係る計測ヘッドと、前記撮像素子で撮像された画像を処理して前記計測対象物の寸法を計測する画像計測手段と、前記分光器で分光された反射光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する膜厚計測手段とを備えている。
【００３７】
本発明の計測装置によると、計測ヘッドを兼用して計測対象物の寸法を計測できるとともに、計測対象物の膜厚を計測することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の照明装置によれば、複数の光源からの照明光は、照明ムラなく、また、他の光源からの照明光は、光量の損失なく、共通の対物レンズを用いて対象物に照射することができ、これによって、当該照明装置を、異なる用途の効率のよい照明装置として兼用することができる。
【００３９】
本発明の計測ヘッドによれば、画像計測用の複数の光源からの照明光は、照明ムラなく、また、膜厚計測用の光源からの照明光は、光量の損失なく、共通の対物レンズを用いて照射することができるので、当該計測ヘッドを、画像計測および膜厚計測に兼用することができ、しかも、膜厚計測用の光源からの照明光は、光量の損失がないので、効率的な膜厚計測が可能となる。
【００４０】
本発明の計測装置によれば、計測ヘッドを兼用して画像計測および膜厚計測を効率的に行えるとともに、当該計測装置のコストを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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２の画像計測用ライトガイドの出射端の拡大図である。
【図４】図１の計測装置の構成を示すブロック図である。
【図５】比較例の構成を示す図２に対応する図である。
【図６】本発明の他の実施形態の図２に対応する図である。
【図７】分岐ライトガイドを示す図である。
【図８】図７のライトガイドの出射端の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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を撮像する一方、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。
【００５１】
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、オートフォーカス機構を備えている。
【００５２】
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。
【００５３】
図２は、図１の計測ヘッド９の概略構成図である。
【００５４】
この実施形態の計測ヘッド９は、画像計測用の第１，第２の光源（図示せず）からの照明光を、二つに分岐された各入射端からそれぞれ入射して１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイド１１と、膜厚計測用の第３の光源（図示せず）からの照明光を入射端から入射して出射端から出射する膜厚計測用ライトガイド１２とを備えている。
【００５５】
この実施形態では、画像計測用の第１，第２の光源は、例えば、白色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤであり、膜厚計測用の第３の光源は、例えば、キセノンランプである。
【００５６】
各ライトガイド１１，１２は、光ファイバを多数束ねて構成されており、画像計測用ライトガイド１１は、入射端が２つに分岐された分岐ライトガイドである。
【００５７】
図３は、第１，第２の光源から照明光を導光する画像計測用ライトガイド１１の結束端、すなわち、出射端を拡大して示す図である。
【００５８】
画像計測用ライトガイド１１の出射端では、第１の光源に対応する第１の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ１１−１と、第２の光源に対応する第２の組の光ファイバ束を構成する複数の光ファイバ１１−２とが、円形に結束されている。
【００５９】
各組の光ファイバ束を構成する各光ファイバ１１−１，１１−２は、各組が均一に混在して分布するように分散された状態で結束されている。各組の光ファイバ１１−１，１１−２が占める発光面積は、等しくなっており、出射端全体の発光面積（結束面積）の１／２となっている。
【００６０】
このように各光源に個別的に対応する各組の光ファイバの発光面積が、１／２となっているので、一方の光源だけを点灯駆動した場合には、照明ムラが生じる。
【００６１】
このため、画像計測用ライトガイド１１の出射端には、上述の図２に示すように、照明ムラを解消するために、スリガラスなどからなる拡散板１３が配置されている。
【００６２】
一方、膜厚計測用の第３の光源からの照明光を導光する膜厚計測用ライトガイド１２は、画像計測用ライトガイド１１と結束することなく、分離しており、これによって、膜厚計測用の照明光を、拡散板１３を通過させる必要がなく、拡散板１３による光量の損失が生じないようにしている。
【００６３】
各ライトガイド１１，１２の出射端が取り付けられた支持体１４の内部には、全反射ミラー１５およびビームスプリッタ１６が配置されている。全反射ミラー１５は、膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光をビームスプリッタ１６へ全反射する。ビームスプリッタ１６は、この全反射ミラー１５からの反射光を、下方へ反射させる一方、上方の画像計測用ライトガイド１１からの照明光を下方へ透過させる。
【００６４】
この実施形態のビームスプリッタ１６では、透過光と反射光との比率を、例えば、７：１としている。すなわち、画像計測用ライトガイド１１からの、拡散板１３を通過した照明光は、その７割がビームスプリッタ１６を透過する一方、全反射ミラー１５で全反射された膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光は、その３割がビームスプリッタ１６で反射される。
【００６５】
全反射ミラー１５およびビームスプリッタ１６が配置された支持体１４は、対物レンズ１７およびカメラ１８を保持する保持体１９に取り付けられ、この保持体１９の内部には、全反射ミラー２２および第１，第２のハーフミラー２３，２４が配置されている。全反射ミラー２２は、ビームスプリッタ１６からの照明光を、第２のハーフミラー２４へ全反射する。第２のハーフミラー２４は、全反射ミラー２２からの照明光を、第１のハーフミラー２３へ透過させる。また、この第２のハーフミラー２４は、第１のハーフミラーからの反射光を、計測ヘッド９外の分光器２５に接続された光ファイバ２６側へ反射させる。第１のハーフミラー２３は、第２のハーフミラー２４からの照明光を、対物レンズ１７へ反射する。また、この第１のハーフミラー２３は、対物レンズ１７からの反射光を、上方のカメラ１８側へ透過させる一方、第２のハーフミラー２４へ反射させる。
【００６６】
かかる構成の計測ヘッド９では、膜厚の計測時には、膜厚計測用ライトガイド１２からの照明光は、全反射ミラー１５、ビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７を介して計測対象物である基板２の計測領域に照射される。すなわち、画像計測用ライトガイド１１から全反射ミラー１５、ビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７に至る膜厚計測用光路が構成される。
【００６７】
照射された光による基板２からの反射光は、対物レンズ１７および第１のハーフミラー２３を介してカメラ１８の２次元ＣＣＤ撮像素子上に結像する。
【００６８】
また、画像計測時には、画像計測用ライトガイド１１からの照明光は、ビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７を介して計測対象物である基板２の計測領域に照射される。すなわち、画像計測用ライトガイド１１からビームスプリッタ１６、全反射ミラー２２、第２，第１のハーフミラー２４，２３および対物レンズ１７に至る画像計測用光路が構成される。
【００６９】
照射された光による基板２からの反射光は、対物レンズ１７および第１，第２のハーフミラー２３，２４を介して分光器２５に導かれる。
【００７０】
図４は、計測ヘッド９を含む計測装置１の全体構成を示すブロック図である。
【００７１】
膜厚計測用の光源部２７は、上述の第３の光源を備えており、膜厚計測時に、点灯駆動される。この第３の光源からの照明光が、上述の膜厚計測用ライトガイド１２によって計測ヘッド９へ導光される。
【００７２】
画像計測用の光源部２８は、上述の第１，第２の光源を備えており、画像計測時に、これら光源の両方あるいは一方が点灯駆動される。これら光源からの照明光が、上述の画像計測用ライトガイド１１によって計測ヘッド９へ導光される。
【００７３】
膜厚計測時には、計測対象物である基板２からの反射光は、光ファイバ２６を介して上述の分光器２５に導かれ、分光器２５で分光されて、波長単位の反射光の強度が取り出される。
【００７４】
制御回路２９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１８のフォーカス制御部３０、ステージ７や計測ヘッド９の移動制御部３１などの各部の制御処理を行なう。
【００７５】
制御回路２９は、分光器２５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３２としての機能を備えている。
【００７６】
また、制御回路２９は、上述のカメラ１８で撮像した画像を、画像入力部３３を介して取り込み、画像処理して計測対象物である基板２上に形成されたパターンの線幅などの寸法を計測する寸法計測部３４としての機能を有する。
【００７７】
この寸法計測部３４では、カメラ１８で撮像した画像と、予め登録されているテンプレート画像とを、マッチングさせて計測位置を求めて計測を行う。
【００７８】
ここで、この実施形態の計測装置の効率を、図５に示すように、画像計測用の第１，第２の光源および膜厚計測用の第３の光源の各光源からの照明光を、３つの入射端にそれぞれ入射させ、１つに結束された出射端から出射するライトガイド３５を備えた構成の効率と比較する。なお、この図５において、図２に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００７９】
ライトガイド３５の出射端では、各光源に対応する光ファイバが占める面積は、等しくなっており、それぞれ出射端全体（結束面積）の発光面積の１／３となっている。
【００８０】
この図５の構成では、画像計測用と膜厚計測用とを一つのライトガイド３５で兼用するので、上述の全反射ミラー１４およびビームスプリッタ１６が不要となるが、第３の光源からの照明光も拡散板１３を通過することになる。
図２の実施形態の構成を実施例とし、この図５の構成を比較例として、画像計測用の光源および膜厚計測用の光源としての効率の比較結果を表１に示す。
【００８１】
【表１】
【００８２】
表１に示すように、画像計測用の光源について、実施例では、結束面積に占める発光面積の割合が５０％、拡散板１３の透過率を５０％とし、ビームスプリッタ１６での損失が３０％であるので、総合した効率は、１７．５％（＝０．５×０．５×０．７×１００）となる。これに対して、比較例では、結束面積に占める発光面積の割合が３３％、拡散板１３の透過率を５０％とすると、総合した効率は、１６．５％（＝０．３３×０．５×１００）となる。
【００８３】
したがって、実施例の方が、画像計測用の光源としての光の利用効率が比較例よりも上回っている。
【００８４】
膜厚計測用の光源については、実施例では、結束面積に占める発光面積の割合が１００％、ビームスプリッタ１６での損失が７０％であるので、総合した効率は、３０％（＝１×０．３×１００）となる。これに対して、比較例では、結束面積に占める発光面積の割合が３３％、拡散板１３の透過率を５０％とすると、総合した効率は、１６．５％（＝０．３３×０．５×１００）となる。
【００８５】
したがって、実施例の方が、膜厚計測用の光源としての光の利用効率が比較例の２倍近く上回っている。
【００８６】
この例は、上述のように、ビームスプリッタ１６での透過光と反射光との比率を、７：１とした場合であり、したがって、この比率を調整して、効率を調整することができる。
【００８７】
以上のように計測ヘッド９を、画像計測および膜厚計測に兼用するので、複合機としての計測装置１のコストを抑制することができるとともに、スペース効率を高めることができる。しかも、複数の光源を同時に、あるいは、選択的に切換えて点灯駆動する画像計測用の複数の光源からの照明光は、拡散板１３によって照明ムラを解消できる一方、膜厚計測用の光源からの照明光は、拡散板１３を介さないので、光量の損失がなく、膜厚計測を効率的に行える。
【００８８】
（実施形態２）
上述の実施形態１では、画像計測用ライトガイド１１の照明光と膜厚計測用ライトガイド１２の照明光とを、ビームスプリッタ１６を介して共通の光路に導いたけれども、本発明の他の実施形態として、図６に示すように、拡散板１３を含む画像計測用ライトガイド１１と、膜厚計測用ライトガイド１２とを、図示しないレールに沿ってスライド移動可能な移動体３６に取り付け、いずれかのライトガイド１１（１２）の出射端を、全反射ミラー２２に至る共通の光路の入射端に対向配置させて光源を切換えるようにしてもよい。
【００８９】
この構成では、ビームスプリッタ１６が不要となるので、ビームスプリッタでの光量損失がなくなり、効率が更に上昇する。
【００９０】
（その他の実施形態）
光源の数や種類は、上述の実施の形態に限らないのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、基板等の計測対象物の寸法および膜厚の計測などに有用である。
【符号の説明】
【００９２】
１ 計測装置
２ 基板
９ 計測ヘッド
１１ 画像計測用ライトガイド
１２ 膜厚計測用ライトガイド
１３ 拡散板
１６ ビームスプリッタ
１７ 対物レンズ
１８ カメラ
２３，２４ 第１，第２のハーフミラー
２５ 分光器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つ以上の光源からの照明光を、対物レンズを介して対象物に照射する照明装置であって、
前記３つ以上の光源の内の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する第１のライトガイドと、
前記複数の光源以外の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する第２のライトガイドと、
前記第１のライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して前記対物レンズに導く第１の光路と、
前記第２のライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く第２の光路と、
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
画像計測用の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイドと、
膜厚計測用の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する膜厚計測用ライトガイドと、
前記画像計測用ライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して対物レンズに導く画像計測用光路と、
前記膜厚計測用ライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く膜厚計測用光路と、
を備えることを特徴とする計測ヘッド。
【請求項３】
前記画像計測用の複数の光源は、同時に、または、選択的に切換えて点灯されるものであり、
前記膜厚計測用の光源は、１つである請求項２に記載の計測ヘッド。
【請求項４】
前記画像計測用光路と前記膜厚計測用光路とが交差する位置に配置されたビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタは、前記画像計測用ライトガイドおよび前記膜厚計測用ライトガイドの一方のライトガイドから出射される照明光を透過させて前記対物レンズ側へ導き、他方のライトガイドから出射される照明光を反射させて前記対物レンズ側へ導く請求項２または３に記載の計測ヘッド。
【請求項５】
前記画像計測用ライトガイドの出射端または前記膜厚計測用ライトガイドの出射端のいずれかが、照明光を前記対物レンズに導く共通の光路の入射端に、対向するように相対移動させる移動機構を備える請求項２または３に記載の計測ヘッド。
【請求項６】
前記画像計測用ライトガイドの出射端は、前記画像計測用の複数の各光源に個別的に対応する複数組の光ファイバ束をそれぞれ構成する各光ファイバが、円形に、かつ、各組が混在して分布するように結束される請求項２ないし５のいずれか一項に記載の計測ヘッド。
【請求項７】
前記画像計測用光路または前記膜厚計測用光路からの照明光が、前記対物レンズを介して計測対象物に照射され、
前記画像計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、撮像素子側へ導く第１のハーフミラーが配置され、前記膜厚計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、分光器側へ導く第２のハーフミラーが配置される請求項２ないし６のいずれか一項に記載の計測ヘッド。
【請求項８】
前記請求項７に記載の計測ヘッドと、
前記撮像素子で撮像された画像を処理して前記計測対象物の寸法を計測する画像計測手段と、
前記分光器で分光された反射光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する膜厚計測手段とを備えることを特徴とする計測装置。
【請求項１】
３つ以上の光源からの照明光を、対物レンズを介して対象物に照射する照明装置であって、
前記３つ以上の光源の内の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する第１のライトガイドと、
前記複数の光源以外の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する第２のライトガイドと、
前記第１のライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して前記対物レンズに導く第１の光路と、
前記第２のライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く第２の光路と、
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
画像計測用の複数の光源からの照明光を、複数に分岐された各入射端にそれぞれ入射させて、１つに結束された出射端から出射する画像計測用ライトガイドと、
膜厚計測用の光源からの照明光を、入射端に入射させて出射端から出射する膜厚計測用ライトガイドと、
前記画像計測用ライトガイドから出射される照明光を、拡散板を介して対物レンズに導く画像計測用光路と、
前記膜厚計測用ライトガイドから出射される照明光を、前記拡散板を介することなく、前記対物レンズに導く膜厚計測用光路と、
を備えることを特徴とする計測ヘッド。
【請求項３】
前記画像計測用の複数の光源は、同時に、または、選択的に切換えて点灯されるものであり、
前記膜厚計測用の光源は、１つである請求項２に記載の計測ヘッド。
【請求項４】
前記画像計測用光路と前記膜厚計測用光路とが交差する位置に配置されたビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタは、前記画像計測用ライトガイドおよび前記膜厚計測用ライトガイドの一方のライトガイドから出射される照明光を透過させて前記対物レンズ側へ導き、他方のライトガイドから出射される照明光を反射させて前記対物レンズ側へ導く請求項２または３に記載の計測ヘッド。
【請求項５】
前記画像計測用ライトガイドの出射端または前記膜厚計測用ライトガイドの出射端のいずれかが、照明光を前記対物レンズに導く共通の光路の入射端に、対向するように相対移動させる移動機構を備える請求項２または３に記載の計測ヘッド。
【請求項６】
前記画像計測用ライトガイドの出射端は、前記画像計測用の複数の各光源に個別的に対応する複数組の光ファイバ束をそれぞれ構成する各光ファイバが、円形に、かつ、各組が混在して分布するように結束される請求項２ないし５のいずれか一項に記載の計測ヘッド。
【請求項７】
前記画像計測用光路または前記膜厚計測用光路からの照明光が、前記対物レンズを介して計測対象物に照射され、
前記画像計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、撮像素子側へ導く第１のハーフミラーが配置され、前記膜厚計測用光路には、前記対物レンズを通過した前記計測対象物からの反射光を、分光器側へ導く第２のハーフミラーが配置される請求項２ないし６のいずれか一項に記載の計測ヘッド。
【請求項８】
前記請求項７に記載の計測ヘッドと、
前記撮像素子で撮像された画像を処理して前記計測対象物の寸法を計測する画像計測手段と、
前記分光器で分光された反射光に基づいて、前記計測対象物の膜厚を計測する膜厚計測手段とを備えることを特徴とする計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２０３９３８（Ｐ２０１０−２０３９３８Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０２８２（Ｐ２００９−５０２８２）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【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１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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