JP2004061334A - 共焦点走査型顕微鏡、高さ測定方法、プログラム及び記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、Ｚ方向の移動ステップ量を大きくしても、ばらつきを抑えることができる共焦点走査型顕微鏡を提供することを課題とする。
【解決手段】共焦点画像を撮影後、測定結果を用いて複数の高さ推定方法を用いて複数の推定値を求める。そしてこの複数の推定方法それぞれの結果を、用いて高さの測定値を求める。
【選択図】 図４
【解決手段】共焦点画像を撮影後、測定結果を用いて複数の高さ推定方法を用いて複数の推定値を求める。そしてこの複数の推定方法それぞれの結果を、用いて高さの測定値を求める。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系を介して試料を光で走査することにより試料の表面情報を測定する光学顕微鏡及びその測定方法に係り、特に共焦点走査型顕微鏡による測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点走査型顕微鏡は、点光源を用いて試料面を走査すると共に、試料面からの反射光のうちピンホールを通過した光のみを光検出器により電気信号に変換することによって、試料面の３次元情報を得るようにしたものである。
【０００３】
このような共焦点走査型顕微鏡は、レーザ光などの点光源とピンホールを組み合わせた光源からの光束によって、試料面をピンポイントで照明し、また、光検出器の前面に空間フィルタとしてのピンホールを配置して測定点と同一面内にあるノイズ光をピンホール周辺に結像させている。そして、光軸方向にずれた面からの光を対物レンズによってピンホールの前で広げてピンホールを通過する光を抑制することにより、測定点以外からの散乱光を抑制して、３次元空間中の一点からの反射光の強度を測定できるようにしている。
【０００４】
一方、共焦点走査型顕微鏡は、光軸方向に分解能を持つことも知られている。つまり、照射された試料面が光軸上で焦点の合った位置にあるときに光検出器に入力される光の強度が増大し、焦点から外れた位置では光強度がほぼゼロになることから、試料面をスポット光で二次元走査し、各位置で試料と対物レンズの距離を所定の移動量で離散的に移動して光軸方向に焦点を移動し、各位置で光強度を検出することによって、３次元空間のスライス像が得られることになる。
【０００５】
半導体基板など表面を光源からの光が通過しないような試料については、光強度が最大となる光軸方向の位置が試料表面に焦点が合っている位置と考えられるので、複数枚のスライス像の中で光軸方向の最大の光強度を与える高さから、その試料の表面とした３次元の表面形状画像が得られる。
【０００６】
この３次元の表面形状画像は、光軸方向（Ｚ方向）の移動量を小さくして測定を行えば、それだけ高分解能の画像を得ることができるが、その分測定時間が大きくなってしまう。
ここで、Ｚ方向の移動量を大きくすることによって高さ測定のスループットを向上させると共に高い分解能を得る方法として、表面形状の測定再現性を改善する方法、例えば特開平９−６８４１３号公報に開示されている方法が応用できる。
【０００７】
上記公報に開示されている方法では、対物レンズの集束位置と前記試料との相対位置を光軸方向となるＺ方向に離散的に変化させ、各相対位置において、光源からの出射光を光学顕微鏡の対物レンズを通して試料に入射し、各位置における試料からの反射光の光強度を検出した後、最大の光強度検出値を含む複数の検出値に基づいて光強度が示す変化曲線を求める。そしてこの変化曲線上において最大値を与える相対位置を推定し、その推定した相対位置を高さ情報とする高さ測定する。
【０００８】
具体的には、最大の光強度を検出したＺ方向の位置及びその前後のＺ方向の位置の計３点の共焦点画像を用いて、光強度が示す変化曲線を２次曲線で近似することによって、光強度が最大となる高さ位置を推定する。
この方法によりＺ方向の走査において１回に移動する移動量を大きくして高さ測定することで、移動回数を減少させ、高さ測定のスループットを向上させている。
【０００９】
また、その他の高さの推定方法には、最大の光強度を挟む前後の２点のＺ位置の共焦点画像で、対応する各画素毎に、光強度検出値の差／和を計算し、この計算値に所定の係数を乗ずることによって高さ位置を推定する方法などがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した方法では、光軸方向の移動誤差や装置の振動等の影響から、推定した高さ位置にばらつきが生じる。そしてこのばらつきは、移動量を大きくすればするほど大きくなる。
【００１１】
よって高さ測定のスループットを向上するために、光軸方向の１回の移動量を大きくすると、得られた高さデータは真の高さからかけ離れたデータになっていることがある。
例えば、共焦点走査型顕微鏡に試料として鏡を斜めに設置し、これを次の２つの方法で高さ測定したとする。
（方法１）光軸方向に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画素と、Ｚ方向の位置がその１つ前の位置及び１つ後の位置での光強度用いて、光強度が示す変化曲線を２次関数で近似して光強度が最大となる高さ位置を推定する。
（方法２）光軸方向に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画索に対して、Ｚ位置が１つ前の画索及び１つ後の画素を用いて、差／和を計算し、この計算値に所定の係数を乗じて高さ位置を推定する。
【００１２】
図８（ａ）に方法１による測定結果、同図（ｂ）に方法２による測定結果を示す。同図において縦軸はＺ方向の位置、横軸は光軸に対して垂直なＸ−Ｙ方向のうちのＸ方向の位置を示している。
斜めに置いた鏡を試料として測定しているので、測定結果は本来直線となるはずだが、図８（ａ）に示すように、方法１による測定結果には本来ないはずの微小なうねりが生じている。また図８（ｂ）に示すように方法２による測定結果には、本来ないはずの微小な段差が生じている。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、高さ方向の移動量を大きくすることによって高さ測定のスループットを向上させると共に高い分解能を得ることが出来、また高さ位置の測定結果にばらつきが生じるのを抑えることを可能にする高さ測定方法及び共焦点走査型顕微鏡、プログラム及び記憶媒体を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決する為、本発明による、共焦点走査型顕微鏡による高さ測定方法は、試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査し、該試料の表面からの反射光の強度から共焦点画像を測定し、複数の推定方法を用いて、上記複数の共焦点画像から、試料の高さの推定値を求め、上記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、例えば上記第１の推定方法による推定値と、上記第２の推定方法による推定値を加算平均して上記高さ情報を求める。
【００１５】
これにより１つの推定方法による高さの推定値が含む誤差を他の推定値によって、誤差の大きさを小さくすることができる。
上記複数の推定方法としては、例えば、第１の推定方法と、該第１の推定方法と逆の誤差を生じる第２の推定方法とを用いて、上記高さの推定値を求める。これによって、第１の推定方法による誤差と第２の推定方法による誤差が相殺される。
【００１６】
上記第１の推定方法としては、例えば各画素毎に、上記強度が最も大きい位置及びその強度を示す値と、当該位置の前後の位置による上記強度を示す値とを用いて上記強度が示す変化曲線を近似し、該変化曲線に基づいて上記高さの推定値を求める方法が、また上記第２の推定方法は、各画素毎に、上記強度に基いた値の差／和を計算し、当該差／和の値に基いて上記高さの推定値を求める方法が用いられる。
【００１７】
また本発明による共焦点走査型顕微鏡は、試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査して複数の共焦点画像を測定する測定手段と、複数の推定方法を用いて、上記複数の共焦点画像から、試料の高さの推定値を求める高さ推定手段と、上記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、上記試料表面の高さを示す高さ情報を求める高さ情報算出手段とを備える。
【００１８】
また本発明は、コンピュータによって実行されるプログラムや、コンピュータが読み出し可能な可搬記憶媒体もその範囲として含む。
本発明によれば、試料と対物レンズとの距離を変化させる変化幅を大きく取っても、精度の高い高さ測定を行うことが出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
本実施形態における共焦点走査型顕微鏡では、光学系を使用して試料を２次元走査することにより表面情報を取得し、その結果を元に複数の方法を用いて高さの推定を行う。そしてこの複数の方法によって得られた複数の推定結果を用いて、高さ情報を求める。
【００２０】
以下の例では、高さの推定には次の２つの方法を用いるものとする。尚本実施形態で用いられる高さの推定方法は、この２つに限られるものではない。
（方法１）光軸方向（Ｚ方向）に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画素と、Ｚ位置がその１つ前の画素及び１つ後の画素を用いて、光強度が示す変化曲線を２次関数で近似して光強度が最大となる高さ位置を推定する。
（方法２）光軸方向に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画素に対して、Ｚ位置が１つ前の画素及び１つ後の画素を用いて、差／和を計算し、この計算値に所定の係数を乗じて高さ位置を推定する。
【００２１】
まず、方法１による推定方法について説明する。
共焦点走査型顕微鏡において、対物レンズと試料の相対位置を連続的に変化させた場合の光強度の変化は、例えば、ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ Ｐ１２６に開示されているように以下のように理論的に求められる。
【００２２】
Ｉ（Ｚ）＝｛ｓｉｎ（ｕ／２）／（ｕ／２）｝２ ・・・▲１▼
ｕ＝８πＺ・ｓｉｎ２ （θ／２）／λ
ＮＡ＝ｓｉｎθ
Ｚ：焦点からの距離
Ｉ（Ｚ）：位置Ｚでの光強度
ＮＡ：対物レンズの開口数
λ：光の波長
▲１▼式によれば、Ｚ＝０すなわち、試料が光学系の焦点位置にあるとき、試料からの反射強度Ｉ（Ｚ）が最大となる。前述の▲１▼式をＺの２次関数で近似すると、Ｉ（Ｚ）＝αＺ２ ＋βＺ＋γ・・・▲２▼
と表される。
【００２３】
図１は方法１による高さの推定方法の説明図である。
同図はＸ，Ｙ方向に位置を固定し、Ｚ方向に離散的に位置を移動した場合のＺ方向の位置Ｚと光検出器６による出力Ｉの関係を示したもので、同図中○で示してある位置で測定を行っている。
【００２４】
同図に示すように、複数回測定を行った中で、光検出器６の出力値Ｉが最大となった位置をＺｍ 、Ｚｍ に対して１つ前に測定を行った位置をＺｍ−１ 、１つ後に測定を行った位置をＺｍ＋１ とすると、それぞれの位置での出力値Ｉ（Ｚ）の値をＩｍ 、Ｉｍ−１ 、Ｉｍ＋１ として、▲２▼式に代入すると、
Ｉｍ ＝αＺｍ２ ＋βＺｍ ＋γ・・・▲３▼
Ｉｍ−１ ＝αＺｍ−１２ ＋βＺｍ−１ ＋γ
Ｉｍ＋１ ＝αＺｍ＋１２ ＋βＺｍ＋１ ＋γ
となる。
【００２５】
ここで、対物レンズと試料の相対位置を離散的に移動させた時のＺ方向の移動開始位置をＺ０ 、１回あたりのＺ方向の移動量を△Ｚ、光検出器の出力が最大の位置となった時のＺ方向の移動回数をｍとすると、
Ｚｍ ＝Ｚ０ ＋△Ｚ・ｍ・・・▲４▼
Ｚｍ−１ ＝Ｚｍ −△Ｚ
Ｚｍ＋１ ＝Ｚｍ ＋△Ｚ
となる。よって、▲３▼、▲４▼式からαを求めると、
α＝｛（Ｉｍ−１ −Ｉｍ ）＋（Ｉｍ＋１ −Ｉｍ ）｝／（２・△Ｚ２ ）・・・▲５▼
となる。
【００２６】
ここで、Ｉｍ は光検出器６の出力Ｉの最大値であるから、Ｉｍ ＞Ｉｍ−１ 、Ｉｍ ＞Ｉｍ＋１ の関係になり、よって▲５▼式からα＜０となるので、Ｚ＝−β／２αのときにＩ（Ｚ）が最大となる。ゆえに、光強度が最大となる位置Ｚｔ は、
となる。
【００２７】
よって、Ｉｍ 、Ｉｍ−１ 、Ｉｍ＋１ 、ｍ、Ｚ０ 、及び△Ｚから、▲６▼式に基づいて真に光強度が最大となる対物レンズ３と試料４の相対位置Ｚｔを求めることができる。
【００２８】
次に方法２による推定方法について説明する。
図２に示すように測定対象となる試料Ｓの表面Ｓｓを挟むような位置関係にあるＺａ 、Ｚｂ の高さが共焦点位置となるようなＺ方向の位置で共焦点画像を得たとする。
【００２９】
図３（ａ）にこの時の試料ＳのＺ方向の位置と、光検出器６の出力との関係を示す。同図中曲線Ｉａ は図２のＺａ が共焦点位置となるように試料と対物レンズの位置関係の位置を設定した場合、曲線Ｉｂ は、図２のＺｂ が共焦点位置となる位置に設定した場合の、試料Ｓの高さ（Ｚ方向の位置）と光検出器６の出力Ｉとの関係を示している。
【００３０】
同図において、試料Ｓの高さと光検出器６の出力Ｉとの関係Ｉａ 及びＩｂ は、図３（ａ）に示すように、それぞれ、共焦点位置Ｚａ 及びＺｂ で出力Ｉが最も大きくなり、そこから離れるとだんだん小さくなる曲線となる。
ここでＺａ 、Ｚｂ で共焦点となる位置での光検出器６の出力を示すＩａ ，Ｉｂ に対して、差／和（Ｉａ −Ｉｂ ）／（Ｉａ ＋Ｉｂ ）を計算すると、試料Ｓの各高さに対して図３（ｂ）に示す関係が得られる。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、光検出器６の出力の差／和はＺａ とＺｂ の中点で０となり、その近傍では試料の高さにほぼ比例して単調増加する。そこで、この差／和の曲線から得られる値にＺａ とＺｂ の間隔で決まる所定の値を乗ずることにより試料Ｓの高さを推定値として得ることができる。
【００３２】
次にこの方法１及び方法２を用いて得られた高さの推定値を用いて、例えば加算平均等の方法によって高さを求める。これにより各推定値に含まれている誤差による影響を小さくすることが出来る。
図８（ａ）及び（ｂ）を見ると、Ｘ方向（およびＹ方向）において同じ位置において、方法１による高さの推定値が実際の値より大きな値となる誤差を生じている時、方法２による高さの推定値は実際の値より小さな値となる誤差を誤差を生じている。また逆に、同一画素において、方法１による高さの推定値が実際の値より小さな値となる誤差を生じている時、方法２による高さの推定値は実際の値より大きな値となる誤差を生じている。
【００３３】
本実施形態で用いる高さの推定方法は、この方法１及び方法２に限定されるものではないが、上述したように方法１と方法２による高さの推定値が、同一画素において、逆の方向に誤差が生じることが経験的に知られており、この２つの方法による推定値を加算平均すると、各方法による誤差が相殺されるので他の方法と組み合わせるより、より精度の高い結果を得る事が出来る。
【００３４】
図４は、本実施形態における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す図である。
同図に示す共焦点走査型顕微鏡の構成は、レーザ光などの点光源からなる光源１から出射されたスポット光は二次元走査スキャナ２に導かれている。
二次元走査スキャナ２は、試料４に対して、入射光を光軸に対して垂直な方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に２次元走査するものである。二次元走査スキャナ２は、例えばＸ方向走査用のガルバノミラー又はレゾナントスキャナ（Ｘスキャナ）とＹ方向走査用のガルバノミラー（Ｙスキャナ）を有し、これらＸスキャナとＹスキャナによって光源１からのスポット光をＸ方向及びＹ方向に振ることでスポット光を試料４上でＸＹ方向に２次元走査して出力し、対物レンズ３へと導く。対物レンズ３へ入射した光束は収束光となり試料４に照射され、二次元走査スキャナ２によってＸ，Ｙ方向に試料４の表面上を２次元走査される。
【００３５】
試料４はＺステージ５上に載置され、Ｚステージ５は移動駆動部８によって光軸方向（Ｚ方向）に移動可能になっており、コンピュータ１４の制御に基いて試料４の表面と対物レンズ３の焦点位置の距離が変化する。
試料４からの反射光は、対物レンズ３を通して二次元走査スキャナ２に戻り、この二次元走査スキャナ２から光検出器６に導かれる。光検出器６は、受光面の前面に図示しないピンホールを有し、このピンホールを介して光検出器６に入力される光は、集光点以外からの反射光がカットされている。そして光検出器６は、検出した光の強度に応じた電気信号を出力する。
【００３６】
光検出器６からの出力は、Ａ／Ｄ変換器７によってデジタル値に変換され、コンピュータ１４に入力される。
コンピュータ１４は、ＣＰＵ９、メモリ１０、フレームメモリ１１、表示部１２及び記憶装置１３を備えており、２次元走査用スキャナ２、Ｚステージ５及び光検出器６を制御している。コンピュータ１４は、Ｚステージ５によってＺ方向に試料４を移動した後、２次元走査用スキャナ２によってＸ、Ｙ方向に試料４の表面を走査して、Ｘ、Ｙ、Ｚの各値とその時の光検出器６の出力値を対応付けて記憶してゆく。
【００３７】
ＣＰＵ９はメモリ１０若しくは記憶装置１３上のプログラムに基いて、コンピュータ１４に接続されている共焦点走査型顕微鏡の２次元走査用スキャナ２、Ｚステージ５及び光検出器６等に制御命令を出し、Ａ／Ｄ変換器７を介して得られる光検出器６からの出力値を用いて表面形状画像を求める。例えば、二次元走査スキャナ２に対しレーザビーム走査の開始やＺステージ５のＺ方向（高さ）の走査を指示すると共に、光検出器６より検出される試料４からの反射光の強度の検出値から、その画素において検出された光強度の最大検出値、その位置情報（Ｚ方向）、またその前後のＺ方向の位置における光強度の検出値を求め、これより３次元の表面形状画像を生成する。即ち、光強度が最大となる高さ位置からの推定と、推定された複数の位置情報から表面形状画像を生成している。そしてこの表面形状画像をメモリ１０の画像メモリＰａ、Ｐｂ及びＰｃの領域に記憶する。
【００３８】
メモリ１０は、ＣＰＵ９で決定される検出値が最大の光強度とその位置情報、またその前後の高さ位置の光強度の検出値、ＣＰＵ９で生成される表面形状情報等を記憶する。またＣＰＵ９が実行するプログラム記憶装置１３からダウンロードされたり、ワークメモリとして用いられる。
【００３９】
表示部１２は、ＣＰＵ９で生成された３次元の表面形状画像を、フレームメモリ１１を介して表示する。
コンピュータ１４は、専用のコンピュータを用いても汎用のコンピュータを利用しても良い。またこの専用のコンピュータとしては、ＣＰＵ９及びメモリ１０を共焦点走査型顕微鏡内に組み込む形とし、表示部１２や記憶装置１３を共焦点走査型顕微鏡に設けたインタフェースによって接続する構成としても良い。
【００４０】
また、後述する図５にフローチャートで示す処理はコンピュータプログラムによって処理可能で、その処理プログラムはＣＤ−ＲＯＭ等の可搬記録媒体に記録させておくことが出来る。そして必要に応じてコンピュータ１４のメモリ上にこのプログラムを読み出し、ＣＰＵ９により実行してコンピュータ１４に接続されている各装置を制御することが出来る。
【００４１】
図５は、図４に示した本実施形態における共焦点走査型顕微鏡による高さ測定の動作処理を示すフローチャートである。
なお、図５中で用いている記号は、
ｉ，ｊ：画素のＸ方向、Ｙ方向の座標（Ｘ，Ｙ座標）（ｉ＝１，２，３，・・・，Ｎｉ、ｊ＝１，２，３，・・・，Ｎｊ）
ｋ：Ｚステージの移動回数（ｋ＝０，１，２，３，・・・，Ｎｋ）
Ｉ（ｉ，ｊ，ｋ）：スライス像のデータ
Ｉｏ （ｉ，ｊ，ｋ）：Ｚ位置が１つ前のスライス像のデータ
Ｐｃ （ｉ，ｊ）：光強度の最大検出値
Ｐａ （ｉ，ｊ）：光強度の検出値が最大を示した位置に対し、Ｚ方向に１つ前の位置での光強度検出値
Ｐｂ （ｉ，ｊ）：光強度が最大検出値を示したＺ方向の位置に対し、位置に対し、Ｚ方向に１つ後の位置での光強度検出値
Ｈ（ｉ，ｊ）：光強度の検出値が最大の時のＺステージの移動回数
Ｚ（ｉ，ｊ）：表面形状画像
を示している。
【００４２】
同図において、まずステップＳ１としてＩ（ｉ，ｊ，０）、Ｉｏ （ｉ，ｊ，０）、Ｐｃ （ｉ，ｊ）、Ｐａ （ｉ，ｊ）、Ｐｂ （ｉ，ｊ）、Ｈ（ｉ，ｊ）、Ｚ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｎｉ、ｊ＝１〜Ｎｊ）にそれぞれの初期値として０を入力する。またこの時、Ｚステージ５の高さを最も低い位置に移動し、Ｚステージの移動回数ｋに０をセットする。
【００４３】
次にステップＳ２としてこのＺステージ５の高さ位置Ｚ＝ｋにおいて、２次元走査用スキャナ２によって、Ｘ、Ｙ方向に２次元走査して（ｉ＝１，２，３，・・・，Ｎｉ、ｊ＝１，２，３，・・・，Ｎｊ）スライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）を測定する。
【００４４】
そしてステップＳ３として、ｉ＝１〜Ｎｉ、ｊ＝１〜Ｎｊの範囲で変化させて各画素毎に、このスライス画像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）と最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）を比較し、Ｉ（ｉ，ｊ，ｋ）＞Ｐｃ（ｉ，ｊ）ならば（ステップＳ
３、Ｙｅｓ）、ステップＳ４として、Ｚ位置が１つ前の光強度検出値データＰａ （ｉ，ｊ）に１つ前のスライス像データＩｏ （ｉ，ｊ，ｋ）を、最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）にスライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）を、光強度検出値が最大の時のＺステージ５の移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）にＺステージの移動回数ｋをそれぞれ格納して更新した後、ステップＳ５に処理を進める。また、ステップＳ３でＩ（ｉ，ｊ，ｋ）＞Ｐｃ（ｉ，ｊ）でなければ（ステップＳ３、Ｎｏ）、そのまま最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）を更新せずに、ステップＳ５に処理を進める。
【００４５】
次にステップＳ５として高さ位置ｋが光強度検出値が最大の時のＺステージ５の移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）＋１であるかどうか、即ち１つ前の測定時に光強度の最大値が更新されたかどうかを判断する。
前回の測定値が最大値でなかった場合（ステップＳ５、Ｎｏ）、最大値を示した位置の１つ後の光強度検出値データＰｂ は更新されないので、ステップＳ７にスキップする。また前回の測定値が最大値を示し、ステップＳ４の処理が行われて最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）が更新された場合、即ちｋ＝Ｈ（ｉ，ｊ）＋１のときに（ステップＳ５、Ｙｅｓ）、スライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）をＺ位置が１つ後の光強度検出値データＰｂ （ｉ，ｊ）に格納する（ステップＳ６）。
【００４６】
続いて、ステップＳ７として１つ前のスライス像データＩｏ （ｉ，ｊ，ｋ）を更新、すなわち１つ前のスライス像データＩｏ （ｉ，ｊ，ｋ）にスライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）を格納する。
次にステップＳ８としてＺステージ５の高さが最大位置かどうか、つまりｋ＝Ｎｋ かどうかを判定する。ここでＺステージ５の高さ位置ｋ≠Ｎｋ の場合（ステップＳ８、ＮＯ）、ステップＳ９としてＺステージの高さ位置を更新、即ちｋ＝ｋ＋１とすると共にＺステージ５を対応する位置に移動するように移動駆動部８に指示し、ステップＳ２のスライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）の測定処理に戻る。またステップＳ８で、ｋ＝ＮｋでＺステージが最大位置であったなら（ステップＳ８、Ｙｅｓ）、これまでの測定結果から、真に光強度が最大となる対物レンズと試料の相対位置Ｚｔを求める。
【００４７】
ステップＳ１０として、方法１によって高さを推定する。この方法１による高さ推定ではコンピュータ１４内でＣＰＵ９が、メモリ１０上の、最大の光強度検出値データＰｃ（ｉ，ｊ）、Ｚ位置が１つ前の光強度検出値データＰａ （ｉ，ｊ）、Ｚ位置が１つ後の光強度検出値データＰｂ （ｉ，ｊ）、光強度検出値が最大の時のＺステージの移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）を用いて推定値Ｚ１（ｉ，ｊ）を求める。
【００４８】
次にステップＳ１１として方法２によって高さを推定を行う。方法２による高さ推定では、コンピュータ１４内でＣＰＵ９が、メモリ１０上の、Ｚ位置が１つ前の光強度検出値データＰａ （ｉ，ｊ）、Ｚ位置が１つ後の光強度検出値データＰｂ （ｉ，ｊ）、光強度検出値が最大の時のＺステージの移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）を用いて高さ推定値Ｚ２（ｉ，ｊ）を求める。
【００４９】
そしてステップＳ１２としてステップＳ１０で求めた方法１による高さの推定値Ｚ１（ｉ，ｊ）と、ステップＳ１１で求めた方法２による高さの推定値Ｚ２（ｉ，ｊ）とを用いて、例えば加算平均等の方法によって高さＺ（ｉ，ｊ）を求め、表面形状画像を生成して処理を終了する。
【００５０】
本実施形態による共焦点走査型顕微鏡を用いて、鏡を斜めに設置したものを試料としてときの高さ計測結果を図８（ｃ）に示す。
図８（ｃ）にあるように、同図（ａ）の方法１による測定結果に見られた微小なうねりや、同図（ｂ）に示す方法２による測定結果に見られた微小な段差が発生せず、ほぼ直線となっている。
【００５１】
このように本実施形態に拠れば、Ｚ方向の移動量を大きくとることができ、結果として測定に要する時間を減縮することが出来ると共に、これまでの方法で生じていた、高さ位置の測定結果のばらつきを抑えることが出来る。
図６は、コンピュータ１４を汎用のコンピュータとして実現した場合のシステム環境図である。
【００５２】
同図のコンピュータは、ＣＰＵ２１、各プログラムのワークエリアとなる主記憶装置２２、各プログラムやデータベースが記録されるハードディスク等の補助記憶装置２３、ディスプレイ、キーボード等の入出力装置（Ｉ／Ｏ）２４、モデムや共焦点顕微鏡とのインタフェース等のネットワーク接続装置２５及びディスク、磁気テープなどの可搬記憶媒体から記憶内容を読み出す媒体読取り装置２６を有し、これらが互いにバス２８により接続される構成を備えている。
【００５３】
上記した各実施形態による高さ情報の算出やコンピュータ１４に接続された各装置の制御をソフトウエアによって実現した場合、ＣＰＵ２１がプログラムに基いて、主記憶装置２２をワークエリアとして、主記憶装置２２若しくは補助記憶装置２３内に記憶された、撮影した共焦点画像のデータ等を用いて実現する。
【００５４】
図６のコンピュータでは、媒体読取り装置２６により磁気テープ、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ等の記憶媒体２７に記憶されているプログラム、データを読み出し、これを主記憶装置２２または補助記憶装置２３にダウンロードする。そして本実施形態による各処理は、ＣＰＵ２１がこのプログラムやデータを実行することにより、ソフトウエア的に実現させることが出来る。
【００５５】
また、図６のコンピュータでは、フレキシブルディスク等の記憶媒体２７を用いてアプリケーションソフトの交換が行われる場合がある。よって、本発明は、共焦点顕微鏡やその高さ測定方法に限らず、コンピュータにより使用されたときに、上述した本発明の実施形態の機能をコンピュータに行わせるためのプログラムやコンピュータ読み出し可能な記憶媒体２７として構成することもできる。
【００５６】
この場合、「記憶媒体」には、例えば図７に示されるように、ＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（あるいはＭＯ、ＤＶＤ、リムーバブルハードディスク等であってもよい）等の媒体駆動装置３７に脱着可能な可搬記憶媒体３６や、ネットワーク回線３３経由で送信される外部の装置（サーバ等）内の記憶手段（データベース等）３２、あるいはコンピュータ３１の本体３４内のメモリ（ＲＡＭ又はハードディスク等）３５等が含まれる。可搬記憶媒体３６や記憶手段（データベース等）３２に記憶されているプログラムは、本体３４内のメモリ（ＲＡＭ又はハードディスク等）３５にロードされて、実行される。
【００５７】
尚、これまで説明してきた例では、高さ推定方法として、（方法１）（方法２）の２つの方法を用いてきたが、この限りではなく、他の方法、例えば方法１による最大値を求める際、２次関数ではなく、ガウス関数による近似、多次元式による近似などを用いる方法を用いても良い。
【００５８】
また、表面形状画像を生成するときに２種類の方法による高さ推定の結果を用いたが、３種類以上の手法の結果を用いてもよい。また、複数の高さ推定の結果を用いる際、それぞれの結果を加算平均しているが、この限りではなく、中央値や、中央付近の数データの平均などの一般的な統計手法を用いてもよい。
【００５９】
更に、高さ推定方法の元データとして、２個または３個のデータを用いたが、この限りではなく、４個以上のデータを用いても良い。また、光強度検出値が最大のＺ位置の前後でなくともよい。
また、高さの推定をＺ方向への移動が終了してから実施しているが、最大の光強度検出値を更新する度に実施しても良い。また、最大の光強度検出値の更新を画像取得時に実施しているが、Ｚ移動した時のすべての画像を保持し、Ｚ移動が終了してから最大の光強度検出値の検索と高さの推定を実施してもよい。
【００６０】
更に図４の共焦点走査型顕微鏡は、Ｚステージ５を移動して試料４の表面と対物レンズ３の焦光位置との距離を移動しているが、Ｚステージ５を移動させるのではなく、対物レンズ３を移動させる構成としても良い。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施可能である。
【００６１】
また、本発明は共焦点走査型顕微鏡の基本的なシステム構成は変更せずに、高さ推定処理を行うソフトウエアのみを変更することによっても実現することができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｚ方向の移動ステップ量を大きくしても、ばらつきを抑えることができる。従って本発明によれば、Ｚ方向の移動量を大きくとることができ、結果として測定に要する時間を減縮することが出来ると共に、これまでの方法で生じていた高さ位置の測定結果のばらつきを抑え、精度を向上することが出来る。
【００６３】
また、本発明はシステム構成を変更せずともソフトウエアの変更のみによって実現することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】方法１による高さの推定方法の説明図である。
【図２】方法２による高さの推定方法の説明図（その１）である。
【図３】方法２による高さの推定方法の説明図（その２）である。
【図４】本実施形態における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図５】本実施形態における共焦点走査型顕微鏡による高さ測定の動作処理を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態におけるコンピュータのシステム環境図である。
【図７】媒体例を示す図である。
【図８】（ａ）は方法１による、（ｂ）は方法２による、（ｃ）は本実施形態による高さ測定の結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 二次元走査スキャナ
３ 対物レンズ
４ 試料
５ ステージ
６ 光検出器
７ Ａ／Ｄ変換器
８ 移動駆動部
９ ＣＰＵ
１０ メモリ
１１ フレームメモリ
１２ 表示部
１３ 記憶装置
１４ コンピュータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系を介して試料を光で走査することにより試料の表面情報を測定する光学顕微鏡及びその測定方法に係り、特に共焦点走査型顕微鏡による測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点走査型顕微鏡は、点光源を用いて試料面を走査すると共に、試料面からの反射光のうちピンホールを通過した光のみを光検出器により電気信号に変換することによって、試料面の３次元情報を得るようにしたものである。
【０００３】
このような共焦点走査型顕微鏡は、レーザ光などの点光源とピンホールを組み合わせた光源からの光束によって、試料面をピンポイントで照明し、また、光検出器の前面に空間フィルタとしてのピンホールを配置して測定点と同一面内にあるノイズ光をピンホール周辺に結像させている。そして、光軸方向にずれた面からの光を対物レンズによってピンホールの前で広げてピンホールを通過する光を抑制することにより、測定点以外からの散乱光を抑制して、３次元空間中の一点からの反射光の強度を測定できるようにしている。
【０００４】
一方、共焦点走査型顕微鏡は、光軸方向に分解能を持つことも知られている。つまり、照射された試料面が光軸上で焦点の合った位置にあるときに光検出器に入力される光の強度が増大し、焦点から外れた位置では光強度がほぼゼロになることから、試料面をスポット光で二次元走査し、各位置で試料と対物レンズの距離を所定の移動量で離散的に移動して光軸方向に焦点を移動し、各位置で光強度を検出することによって、３次元空間のスライス像が得られることになる。
【０００５】
半導体基板など表面を光源からの光が通過しないような試料については、光強度が最大となる光軸方向の位置が試料表面に焦点が合っている位置と考えられるので、複数枚のスライス像の中で光軸方向の最大の光強度を与える高さから、その試料の表面とした３次元の表面形状画像が得られる。
【０００６】
この３次元の表面形状画像は、光軸方向（Ｚ方向）の移動量を小さくして測定を行えば、それだけ高分解能の画像を得ることができるが、その分測定時間が大きくなってしまう。
ここで、Ｚ方向の移動量を大きくすることによって高さ測定のスループットを向上させると共に高い分解能を得る方法として、表面形状の測定再現性を改善する方法、例えば特開平９−６８４１３号公報に開示されている方法が応用できる。
【０００７】
上記公報に開示されている方法では、対物レンズの集束位置と前記試料との相対位置を光軸方向となるＺ方向に離散的に変化させ、各相対位置において、光源からの出射光を光学顕微鏡の対物レンズを通して試料に入射し、各位置における試料からの反射光の光強度を検出した後、最大の光強度検出値を含む複数の検出値に基づいて光強度が示す変化曲線を求める。そしてこの変化曲線上において最大値を与える相対位置を推定し、その推定した相対位置を高さ情報とする高さ測定する。
【０００８】
具体的には、最大の光強度を検出したＺ方向の位置及びその前後のＺ方向の位置の計３点の共焦点画像を用いて、光強度が示す変化曲線を２次曲線で近似することによって、光強度が最大となる高さ位置を推定する。
この方法によりＺ方向の走査において１回に移動する移動量を大きくして高さ測定することで、移動回数を減少させ、高さ測定のスループットを向上させている。
【０００９】
また、その他の高さの推定方法には、最大の光強度を挟む前後の２点のＺ位置の共焦点画像で、対応する各画素毎に、光強度検出値の差／和を計算し、この計算値に所定の係数を乗ずることによって高さ位置を推定する方法などがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した方法では、光軸方向の移動誤差や装置の振動等の影響から、推定した高さ位置にばらつきが生じる。そしてこのばらつきは、移動量を大きくすればするほど大きくなる。
【００１１】
よって高さ測定のスループットを向上するために、光軸方向の１回の移動量を大きくすると、得られた高さデータは真の高さからかけ離れたデータになっていることがある。
例えば、共焦点走査型顕微鏡に試料として鏡を斜めに設置し、これを次の２つの方法で高さ測定したとする。
（方法１）光軸方向に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画素と、Ｚ方向の位置がその１つ前の位置及び１つ後の位置での光強度用いて、光強度が示す変化曲線を２次関数で近似して光強度が最大となる高さ位置を推定する。
（方法２）光軸方向に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画索に対して、Ｚ位置が１つ前の画索及び１つ後の画素を用いて、差／和を計算し、この計算値に所定の係数を乗じて高さ位置を推定する。
【００１２】
図８（ａ）に方法１による測定結果、同図（ｂ）に方法２による測定結果を示す。同図において縦軸はＺ方向の位置、横軸は光軸に対して垂直なＸ−Ｙ方向のうちのＸ方向の位置を示している。
斜めに置いた鏡を試料として測定しているので、測定結果は本来直線となるはずだが、図８（ａ）に示すように、方法１による測定結果には本来ないはずの微小なうねりが生じている。また図８（ｂ）に示すように方法２による測定結果には、本来ないはずの微小な段差が生じている。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、高さ方向の移動量を大きくすることによって高さ測定のスループットを向上させると共に高い分解能を得ることが出来、また高さ位置の測定結果にばらつきが生じるのを抑えることを可能にする高さ測定方法及び共焦点走査型顕微鏡、プログラム及び記憶媒体を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決する為、本発明による、共焦点走査型顕微鏡による高さ測定方法は、試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査し、該試料の表面からの反射光の強度から共焦点画像を測定し、複数の推定方法を用いて、上記複数の共焦点画像から、試料の高さの推定値を求め、上記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、例えば上記第１の推定方法による推定値と、上記第２の推定方法による推定値を加算平均して上記高さ情報を求める。
【００１５】
これにより１つの推定方法による高さの推定値が含む誤差を他の推定値によって、誤差の大きさを小さくすることができる。
上記複数の推定方法としては、例えば、第１の推定方法と、該第１の推定方法と逆の誤差を生じる第２の推定方法とを用いて、上記高さの推定値を求める。これによって、第１の推定方法による誤差と第２の推定方法による誤差が相殺される。
【００１６】
上記第１の推定方法としては、例えば各画素毎に、上記強度が最も大きい位置及びその強度を示す値と、当該位置の前後の位置による上記強度を示す値とを用いて上記強度が示す変化曲線を近似し、該変化曲線に基づいて上記高さの推定値を求める方法が、また上記第２の推定方法は、各画素毎に、上記強度に基いた値の差／和を計算し、当該差／和の値に基いて上記高さの推定値を求める方法が用いられる。
【００１７】
また本発明による共焦点走査型顕微鏡は、試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査して複数の共焦点画像を測定する測定手段と、複数の推定方法を用いて、上記複数の共焦点画像から、試料の高さの推定値を求める高さ推定手段と、上記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、上記試料表面の高さを示す高さ情報を求める高さ情報算出手段とを備える。
【００１８】
また本発明は、コンピュータによって実行されるプログラムや、コンピュータが読み出し可能な可搬記憶媒体もその範囲として含む。
本発明によれば、試料と対物レンズとの距離を変化させる変化幅を大きく取っても、精度の高い高さ測定を行うことが出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
本実施形態における共焦点走査型顕微鏡では、光学系を使用して試料を２次元走査することにより表面情報を取得し、その結果を元に複数の方法を用いて高さの推定を行う。そしてこの複数の方法によって得られた複数の推定結果を用いて、高さ情報を求める。
【００２０】
以下の例では、高さの推定には次の２つの方法を用いるものとする。尚本実施形態で用いられる高さの推定方法は、この２つに限られるものではない。
（方法１）光軸方向（Ｚ方向）に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画素と、Ｚ位置がその１つ前の画素及び１つ後の画素を用いて、光強度が示す変化曲線を２次関数で近似して光強度が最大となる高さ位置を推定する。
（方法２）光軸方向に離散的に位置を変化させて得られた複数の共焦点画像の中から、対応する画素毎に、最大の光強度検出値を示す画素に対して、Ｚ位置が１つ前の画素及び１つ後の画素を用いて、差／和を計算し、この計算値に所定の係数を乗じて高さ位置を推定する。
【００２１】
まず、方法１による推定方法について説明する。
共焦点走査型顕微鏡において、対物レンズと試料の相対位置を連続的に変化させた場合の光強度の変化は、例えば、ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ Ｐ１２６に開示されているように以下のように理論的に求められる。
【００２２】
Ｉ（Ｚ）＝｛ｓｉｎ（ｕ／２）／（ｕ／２）｝２ ・・・▲１▼
ｕ＝８πＺ・ｓｉｎ２ （θ／２）／λ
ＮＡ＝ｓｉｎθ
Ｚ：焦点からの距離
Ｉ（Ｚ）：位置Ｚでの光強度
ＮＡ：対物レンズの開口数
λ：光の波長
▲１▼式によれば、Ｚ＝０すなわち、試料が光学系の焦点位置にあるとき、試料からの反射強度Ｉ（Ｚ）が最大となる。前述の▲１▼式をＺの２次関数で近似すると、Ｉ（Ｚ）＝αＺ２ ＋βＺ＋γ・・・▲２▼
と表される。
【００２３】
図１は方法１による高さの推定方法の説明図である。
同図はＸ，Ｙ方向に位置を固定し、Ｚ方向に離散的に位置を移動した場合のＺ方向の位置Ｚと光検出器６による出力Ｉの関係を示したもので、同図中○で示してある位置で測定を行っている。
【００２４】
同図に示すように、複数回測定を行った中で、光検出器６の出力値Ｉが最大となった位置をＺｍ 、Ｚｍ に対して１つ前に測定を行った位置をＺｍ−１ 、１つ後に測定を行った位置をＺｍ＋１ とすると、それぞれの位置での出力値Ｉ（Ｚ）の値をＩｍ 、Ｉｍ−１ 、Ｉｍ＋１ として、▲２▼式に代入すると、
Ｉｍ ＝αＺｍ２ ＋βＺｍ ＋γ・・・▲３▼
Ｉｍ−１ ＝αＺｍ−１２ ＋βＺｍ−１ ＋γ
Ｉｍ＋１ ＝αＺｍ＋１２ ＋βＺｍ＋１ ＋γ
となる。
【００２５】
ここで、対物レンズと試料の相対位置を離散的に移動させた時のＺ方向の移動開始位置をＺ０ 、１回あたりのＺ方向の移動量を△Ｚ、光検出器の出力が最大の位置となった時のＺ方向の移動回数をｍとすると、
Ｚｍ ＝Ｚ０ ＋△Ｚ・ｍ・・・▲４▼
Ｚｍ−１ ＝Ｚｍ −△Ｚ
Ｚｍ＋１ ＝Ｚｍ ＋△Ｚ
となる。よって、▲３▼、▲４▼式からαを求めると、
α＝｛（Ｉｍ−１ −Ｉｍ ）＋（Ｉｍ＋１ −Ｉｍ ）｝／（２・△Ｚ２ ）・・・▲５▼
となる。
【００２６】
ここで、Ｉｍ は光検出器６の出力Ｉの最大値であるから、Ｉｍ ＞Ｉｍ−１ 、Ｉｍ ＞Ｉｍ＋１ の関係になり、よって▲５▼式からα＜０となるので、Ｚ＝−β／２αのときにＩ（Ｚ）が最大となる。ゆえに、光強度が最大となる位置Ｚｔ は、
【００２７】
よって、Ｉｍ 、Ｉｍ−１ 、Ｉｍ＋１ 、ｍ、Ｚ０ 、及び△Ｚから、▲６▼式に基づいて真に光強度が最大となる対物レンズ３と試料４の相対位置Ｚｔを求めることができる。
【００２８】
次に方法２による推定方法について説明する。
図２に示すように測定対象となる試料Ｓの表面Ｓｓを挟むような位置関係にあるＺａ 、Ｚｂ の高さが共焦点位置となるようなＺ方向の位置で共焦点画像を得たとする。
【００２９】
図３（ａ）にこの時の試料ＳのＺ方向の位置と、光検出器６の出力との関係を示す。同図中曲線Ｉａ は図２のＺａ が共焦点位置となるように試料と対物レンズの位置関係の位置を設定した場合、曲線Ｉｂ は、図２のＺｂ が共焦点位置となる位置に設定した場合の、試料Ｓの高さ（Ｚ方向の位置）と光検出器６の出力Ｉとの関係を示している。
【００３０】
同図において、試料Ｓの高さと光検出器６の出力Ｉとの関係Ｉａ 及びＩｂ は、図３（ａ）に示すように、それぞれ、共焦点位置Ｚａ 及びＺｂ で出力Ｉが最も大きくなり、そこから離れるとだんだん小さくなる曲線となる。
ここでＺａ 、Ｚｂ で共焦点となる位置での光検出器６の出力を示すＩａ ，Ｉｂ に対して、差／和（Ｉａ −Ｉｂ ）／（Ｉａ ＋Ｉｂ ）を計算すると、試料Ｓの各高さに対して図３（ｂ）に示す関係が得られる。
【００３１】
図３（ｂ）に示すように、光検出器６の出力の差／和はＺａ とＺｂ の中点で０となり、その近傍では試料の高さにほぼ比例して単調増加する。そこで、この差／和の曲線から得られる値にＺａ とＺｂ の間隔で決まる所定の値を乗ずることにより試料Ｓの高さを推定値として得ることができる。
【００３２】
次にこの方法１及び方法２を用いて得られた高さの推定値を用いて、例えば加算平均等の方法によって高さを求める。これにより各推定値に含まれている誤差による影響を小さくすることが出来る。
図８（ａ）及び（ｂ）を見ると、Ｘ方向（およびＹ方向）において同じ位置において、方法１による高さの推定値が実際の値より大きな値となる誤差を生じている時、方法２による高さの推定値は実際の値より小さな値となる誤差を誤差を生じている。また逆に、同一画素において、方法１による高さの推定値が実際の値より小さな値となる誤差を生じている時、方法２による高さの推定値は実際の値より大きな値となる誤差を生じている。
【００３３】
本実施形態で用いる高さの推定方法は、この方法１及び方法２に限定されるものではないが、上述したように方法１と方法２による高さの推定値が、同一画素において、逆の方向に誤差が生じることが経験的に知られており、この２つの方法による推定値を加算平均すると、各方法による誤差が相殺されるので他の方法と組み合わせるより、より精度の高い結果を得る事が出来る。
【００３４】
図４は、本実施形態における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す図である。
同図に示す共焦点走査型顕微鏡の構成は、レーザ光などの点光源からなる光源１から出射されたスポット光は二次元走査スキャナ２に導かれている。
二次元走査スキャナ２は、試料４に対して、入射光を光軸に対して垂直な方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に２次元走査するものである。二次元走査スキャナ２は、例えばＸ方向走査用のガルバノミラー又はレゾナントスキャナ（Ｘスキャナ）とＹ方向走査用のガルバノミラー（Ｙスキャナ）を有し、これらＸスキャナとＹスキャナによって光源１からのスポット光をＸ方向及びＹ方向に振ることでスポット光を試料４上でＸＹ方向に２次元走査して出力し、対物レンズ３へと導く。対物レンズ３へ入射した光束は収束光となり試料４に照射され、二次元走査スキャナ２によってＸ，Ｙ方向に試料４の表面上を２次元走査される。
【００３５】
試料４はＺステージ５上に載置され、Ｚステージ５は移動駆動部８によって光軸方向（Ｚ方向）に移動可能になっており、コンピュータ１４の制御に基いて試料４の表面と対物レンズ３の焦点位置の距離が変化する。
試料４からの反射光は、対物レンズ３を通して二次元走査スキャナ２に戻り、この二次元走査スキャナ２から光検出器６に導かれる。光検出器６は、受光面の前面に図示しないピンホールを有し、このピンホールを介して光検出器６に入力される光は、集光点以外からの反射光がカットされている。そして光検出器６は、検出した光の強度に応じた電気信号を出力する。
【００３６】
光検出器６からの出力は、Ａ／Ｄ変換器７によってデジタル値に変換され、コンピュータ１４に入力される。
コンピュータ１４は、ＣＰＵ９、メモリ１０、フレームメモリ１１、表示部１２及び記憶装置１３を備えており、２次元走査用スキャナ２、Ｚステージ５及び光検出器６を制御している。コンピュータ１４は、Ｚステージ５によってＺ方向に試料４を移動した後、２次元走査用スキャナ２によってＸ、Ｙ方向に試料４の表面を走査して、Ｘ、Ｙ、Ｚの各値とその時の光検出器６の出力値を対応付けて記憶してゆく。
【００３７】
ＣＰＵ９はメモリ１０若しくは記憶装置１３上のプログラムに基いて、コンピュータ１４に接続されている共焦点走査型顕微鏡の２次元走査用スキャナ２、Ｚステージ５及び光検出器６等に制御命令を出し、Ａ／Ｄ変換器７を介して得られる光検出器６からの出力値を用いて表面形状画像を求める。例えば、二次元走査スキャナ２に対しレーザビーム走査の開始やＺステージ５のＺ方向（高さ）の走査を指示すると共に、光検出器６より検出される試料４からの反射光の強度の検出値から、その画素において検出された光強度の最大検出値、その位置情報（Ｚ方向）、またその前後のＺ方向の位置における光強度の検出値を求め、これより３次元の表面形状画像を生成する。即ち、光強度が最大となる高さ位置からの推定と、推定された複数の位置情報から表面形状画像を生成している。そしてこの表面形状画像をメモリ１０の画像メモリＰａ、Ｐｂ及びＰｃの領域に記憶する。
【００３８】
メモリ１０は、ＣＰＵ９で決定される検出値が最大の光強度とその位置情報、またその前後の高さ位置の光強度の検出値、ＣＰＵ９で生成される表面形状情報等を記憶する。またＣＰＵ９が実行するプログラム記憶装置１３からダウンロードされたり、ワークメモリとして用いられる。
【００３９】
表示部１２は、ＣＰＵ９で生成された３次元の表面形状画像を、フレームメモリ１１を介して表示する。
コンピュータ１４は、専用のコンピュータを用いても汎用のコンピュータを利用しても良い。またこの専用のコンピュータとしては、ＣＰＵ９及びメモリ１０を共焦点走査型顕微鏡内に組み込む形とし、表示部１２や記憶装置１３を共焦点走査型顕微鏡に設けたインタフェースによって接続する構成としても良い。
【００４０】
また、後述する図５にフローチャートで示す処理はコンピュータプログラムによって処理可能で、その処理プログラムはＣＤ−ＲＯＭ等の可搬記録媒体に記録させておくことが出来る。そして必要に応じてコンピュータ１４のメモリ上にこのプログラムを読み出し、ＣＰＵ９により実行してコンピュータ１４に接続されている各装置を制御することが出来る。
【００４１】
図５は、図４に示した本実施形態における共焦点走査型顕微鏡による高さ測定の動作処理を示すフローチャートである。
なお、図５中で用いている記号は、
ｉ，ｊ：画素のＸ方向、Ｙ方向の座標（Ｘ，Ｙ座標）（ｉ＝１，２，３，・・・，Ｎｉ、ｊ＝１，２，３，・・・，Ｎｊ）
ｋ：Ｚステージの移動回数（ｋ＝０，１，２，３，・・・，Ｎｋ）
Ｉ（ｉ，ｊ，ｋ）：スライス像のデータ
Ｉｏ （ｉ，ｊ，ｋ）：Ｚ位置が１つ前のスライス像のデータ
Ｐｃ （ｉ，ｊ）：光強度の最大検出値
Ｐａ （ｉ，ｊ）：光強度の検出値が最大を示した位置に対し、Ｚ方向に１つ前の位置での光強度検出値
Ｐｂ （ｉ，ｊ）：光強度が最大検出値を示したＺ方向の位置に対し、位置に対し、Ｚ方向に１つ後の位置での光強度検出値
Ｈ（ｉ，ｊ）：光強度の検出値が最大の時のＺステージの移動回数
Ｚ（ｉ，ｊ）：表面形状画像
を示している。
【００４２】
同図において、まずステップＳ１としてＩ（ｉ，ｊ，０）、Ｉｏ （ｉ，ｊ，０）、Ｐｃ （ｉ，ｊ）、Ｐａ （ｉ，ｊ）、Ｐｂ （ｉ，ｊ）、Ｈ（ｉ，ｊ）、Ｚ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｎｉ、ｊ＝１〜Ｎｊ）にそれぞれの初期値として０を入力する。またこの時、Ｚステージ５の高さを最も低い位置に移動し、Ｚステージの移動回数ｋに０をセットする。
【００４３】
次にステップＳ２としてこのＺステージ５の高さ位置Ｚ＝ｋにおいて、２次元走査用スキャナ２によって、Ｘ、Ｙ方向に２次元走査して（ｉ＝１，２，３，・・・，Ｎｉ、ｊ＝１，２，３，・・・，Ｎｊ）スライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）を測定する。
【００４４】
そしてステップＳ３として、ｉ＝１〜Ｎｉ、ｊ＝１〜Ｎｊの範囲で変化させて各画素毎に、このスライス画像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）と最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）を比較し、Ｉ（ｉ，ｊ，ｋ）＞Ｐｃ（ｉ，ｊ）ならば（ステップＳ
３、Ｙｅｓ）、ステップＳ４として、Ｚ位置が１つ前の光強度検出値データＰａ （ｉ，ｊ）に１つ前のスライス像データＩｏ （ｉ，ｊ，ｋ）を、最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）にスライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）を、光強度検出値が最大の時のＺステージ５の移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）にＺステージの移動回数ｋをそれぞれ格納して更新した後、ステップＳ５に処理を進める。また、ステップＳ３でＩ（ｉ，ｊ，ｋ）＞Ｐｃ（ｉ，ｊ）でなければ（ステップＳ３、Ｎｏ）、そのまま最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）を更新せずに、ステップＳ５に処理を進める。
【００４５】
次にステップＳ５として高さ位置ｋが光強度検出値が最大の時のＺステージ５の移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）＋１であるかどうか、即ち１つ前の測定時に光強度の最大値が更新されたかどうかを判断する。
前回の測定値が最大値でなかった場合（ステップＳ５、Ｎｏ）、最大値を示した位置の１つ後の光強度検出値データＰｂ は更新されないので、ステップＳ７にスキップする。また前回の測定値が最大値を示し、ステップＳ４の処理が行われて最大の光強度検出値Ｐｃ（ｉ，ｊ）が更新された場合、即ちｋ＝Ｈ（ｉ，ｊ）＋１のときに（ステップＳ５、Ｙｅｓ）、スライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）をＺ位置が１つ後の光強度検出値データＰｂ （ｉ，ｊ）に格納する（ステップＳ６）。
【００４６】
続いて、ステップＳ７として１つ前のスライス像データＩｏ （ｉ，ｊ，ｋ）を更新、すなわち１つ前のスライス像データＩｏ （ｉ，ｊ，ｋ）にスライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）を格納する。
次にステップＳ８としてＺステージ５の高さが最大位置かどうか、つまりｋ＝Ｎｋ かどうかを判定する。ここでＺステージ５の高さ位置ｋ≠Ｎｋ の場合（ステップＳ８、ＮＯ）、ステップＳ９としてＺステージの高さ位置を更新、即ちｋ＝ｋ＋１とすると共にＺステージ５を対応する位置に移動するように移動駆動部８に指示し、ステップＳ２のスライス像データＩ（ｉ，ｊ，ｋ）の測定処理に戻る。またステップＳ８で、ｋ＝ＮｋでＺステージが最大位置であったなら（ステップＳ８、Ｙｅｓ）、これまでの測定結果から、真に光強度が最大となる対物レンズと試料の相対位置Ｚｔを求める。
【００４７】
ステップＳ１０として、方法１によって高さを推定する。この方法１による高さ推定ではコンピュータ１４内でＣＰＵ９が、メモリ１０上の、最大の光強度検出値データＰｃ（ｉ，ｊ）、Ｚ位置が１つ前の光強度検出値データＰａ （ｉ，ｊ）、Ｚ位置が１つ後の光強度検出値データＰｂ （ｉ，ｊ）、光強度検出値が最大の時のＺステージの移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）を用いて推定値Ｚ１（ｉ，ｊ）を求める。
【００４８】
次にステップＳ１１として方法２によって高さを推定を行う。方法２による高さ推定では、コンピュータ１４内でＣＰＵ９が、メモリ１０上の、Ｚ位置が１つ前の光強度検出値データＰａ （ｉ，ｊ）、Ｚ位置が１つ後の光強度検出値データＰｂ （ｉ，ｊ）、光強度検出値が最大の時のＺステージの移動回数Ｈ（ｉ，ｊ）を用いて高さ推定値Ｚ２（ｉ，ｊ）を求める。
【００４９】
そしてステップＳ１２としてステップＳ１０で求めた方法１による高さの推定値Ｚ１（ｉ，ｊ）と、ステップＳ１１で求めた方法２による高さの推定値Ｚ２（ｉ，ｊ）とを用いて、例えば加算平均等の方法によって高さＺ（ｉ，ｊ）を求め、表面形状画像を生成して処理を終了する。
【００５０】
本実施形態による共焦点走査型顕微鏡を用いて、鏡を斜めに設置したものを試料としてときの高さ計測結果を図８（ｃ）に示す。
図８（ｃ）にあるように、同図（ａ）の方法１による測定結果に見られた微小なうねりや、同図（ｂ）に示す方法２による測定結果に見られた微小な段差が発生せず、ほぼ直線となっている。
【００５１】
このように本実施形態に拠れば、Ｚ方向の移動量を大きくとることができ、結果として測定に要する時間を減縮することが出来ると共に、これまでの方法で生じていた、高さ位置の測定結果のばらつきを抑えることが出来る。
図６は、コンピュータ１４を汎用のコンピュータとして実現した場合のシステム環境図である。
【００５２】
同図のコンピュータは、ＣＰＵ２１、各プログラムのワークエリアとなる主記憶装置２２、各プログラムやデータベースが記録されるハードディスク等の補助記憶装置２３、ディスプレイ、キーボード等の入出力装置（Ｉ／Ｏ）２４、モデムや共焦点顕微鏡とのインタフェース等のネットワーク接続装置２５及びディスク、磁気テープなどの可搬記憶媒体から記憶内容を読み出す媒体読取り装置２６を有し、これらが互いにバス２８により接続される構成を備えている。
【００５３】
上記した各実施形態による高さ情報の算出やコンピュータ１４に接続された各装置の制御をソフトウエアによって実現した場合、ＣＰＵ２１がプログラムに基いて、主記憶装置２２をワークエリアとして、主記憶装置２２若しくは補助記憶装置２３内に記憶された、撮影した共焦点画像のデータ等を用いて実現する。
【００５４】
図６のコンピュータでは、媒体読取り装置２６により磁気テープ、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ等の記憶媒体２７に記憶されているプログラム、データを読み出し、これを主記憶装置２２または補助記憶装置２３にダウンロードする。そして本実施形態による各処理は、ＣＰＵ２１がこのプログラムやデータを実行することにより、ソフトウエア的に実現させることが出来る。
【００５５】
また、図６のコンピュータでは、フレキシブルディスク等の記憶媒体２７を用いてアプリケーションソフトの交換が行われる場合がある。よって、本発明は、共焦点顕微鏡やその高さ測定方法に限らず、コンピュータにより使用されたときに、上述した本発明の実施形態の機能をコンピュータに行わせるためのプログラムやコンピュータ読み出し可能な記憶媒体２７として構成することもできる。
【００５６】
この場合、「記憶媒体」には、例えば図７に示されるように、ＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（あるいはＭＯ、ＤＶＤ、リムーバブルハードディスク等であってもよい）等の媒体駆動装置３７に脱着可能な可搬記憶媒体３６や、ネットワーク回線３３経由で送信される外部の装置（サーバ等）内の記憶手段（データベース等）３２、あるいはコンピュータ３１の本体３４内のメモリ（ＲＡＭ又はハードディスク等）３５等が含まれる。可搬記憶媒体３６や記憶手段（データベース等）３２に記憶されているプログラムは、本体３４内のメモリ（ＲＡＭ又はハードディスク等）３５にロードされて、実行される。
【００５７】
尚、これまで説明してきた例では、高さ推定方法として、（方法１）（方法２）の２つの方法を用いてきたが、この限りではなく、他の方法、例えば方法１による最大値を求める際、２次関数ではなく、ガウス関数による近似、多次元式による近似などを用いる方法を用いても良い。
【００５８】
また、表面形状画像を生成するときに２種類の方法による高さ推定の結果を用いたが、３種類以上の手法の結果を用いてもよい。また、複数の高さ推定の結果を用いる際、それぞれの結果を加算平均しているが、この限りではなく、中央値や、中央付近の数データの平均などの一般的な統計手法を用いてもよい。
【００５９】
更に、高さ推定方法の元データとして、２個または３個のデータを用いたが、この限りではなく、４個以上のデータを用いても良い。また、光強度検出値が最大のＺ位置の前後でなくともよい。
また、高さの推定をＺ方向への移動が終了してから実施しているが、最大の光強度検出値を更新する度に実施しても良い。また、最大の光強度検出値の更新を画像取得時に実施しているが、Ｚ移動した時のすべての画像を保持し、Ｚ移動が終了してから最大の光強度検出値の検索と高さの推定を実施してもよい。
【００６０】
更に図４の共焦点走査型顕微鏡は、Ｚステージ５を移動して試料４の表面と対物レンズ３の焦光位置との距離を移動しているが、Ｚステージ５を移動させるのではなく、対物レンズ３を移動させる構成としても良い。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施可能である。
【００６１】
また、本発明は共焦点走査型顕微鏡の基本的なシステム構成は変更せずに、高さ推定処理を行うソフトウエアのみを変更することによっても実現することができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｚ方向の移動ステップ量を大きくしても、ばらつきを抑えることができる。従って本発明によれば、Ｚ方向の移動量を大きくとることができ、結果として測定に要する時間を減縮することが出来ると共に、これまでの方法で生じていた高さ位置の測定結果のばらつきを抑え、精度を向上することが出来る。
【００６３】
また、本発明はシステム構成を変更せずともソフトウエアの変更のみによって実現することも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】方法１による高さの推定方法の説明図である。
【図２】方法２による高さの推定方法の説明図（その１）である。
【図３】方法２による高さの推定方法の説明図（その２）である。
【図４】本実施形態における共焦点走査型顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図５】本実施形態における共焦点走査型顕微鏡による高さ測定の動作処理を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態におけるコンピュータのシステム環境図である。
【図７】媒体例を示す図である。
【図８】（ａ）は方法１による、（ｂ）は方法２による、（ｃ）は本実施形態による高さ測定の結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 二次元走査スキャナ
３ 対物レンズ
４ 試料
５ ステージ
６ 光検出器
７ Ａ／Ｄ変換器
８ 移動駆動部
９ ＣＰＵ
１０ メモリ
１１ フレームメモリ
１２ 表示部
１３ 記憶装置
１４ コンピュータ
Claims (16)
- 共焦点走査型顕微鏡による高さ測定方法において
試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査し、該試料の表面からの反射光の強度から共焦点画像を測定し、
複数の推定方法を用いて、前記複数の共焦点画像から、試料の高さの推定値を求め、
前記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、前記試料表面の高さを示す高さ情報を求める
ことを特徴とする高さ測定方法。 - 前記複数の推定方法として、第１の推定方法と、該第１の推定方法と逆の誤差を生じる第２の推定方法とを用いて、前記高さの推定値を求めることを特徴とする請求項１に記載の高さ測定方法。
- 前記第１の推定方法による推定値と、前記第２の推定方法による推定値を加算平均して前記高さ情報を求めることを特徴とする請求項２に記載の高さ測定方法。
- 前記第１の推定方法は、各画素毎に、前記強度が最も大きい位置及びその強度を示す値と、当該位置の前後の位置による前記強度を示す値とを用いて前記強度が示す変化曲線を近似し、該変化曲線に基づいて前記高さの推定値を求め、前記第２の推定方法は、各画素毎に、前記強度に基いた値の差／和を計算し、当該差／和の値に基いて前記高さの推定値を求めることを特徴とする請求項２又は３に記載の高さ推定方法。
- 試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査して複数の共焦点画像を測定する測定手段と、
複数の推定方法を用いて、前記複数の共焦点画像から、試料の高さの推定値を求める高さ推定手段と、
前記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、前記試料表面の高さを示す高さ情報を求める高さ情報算出手段と、
を備えることを特徴とする共焦点走査型顕微鏡。 - 前記高さ推定手段は、第１の推定方法と、該第１の推定方法と逆の誤差を生じる第２の推定方法とを用いて、前記推定値を求めることを特徴とする請求項５に記載の共焦点走査型顕微鏡。
- 前記情報算出手段は、前記第１の推定方法による推定値と、前記第２の推定方法による推定値を加算平均して前記高さ情報を求めることを特徴とする請求項６に記載の共焦点走査型顕微鏡。
- 前記第１の推定方法は、各画素毎に、前記強度が最も大きい位置及びその強度を示す値と、当該位置の前後の位置による前記強度を示す値とを用いて前記強度が示す変化曲線を近似し、該変化曲線に基づいて前記高さの推定値を求め、前記第２の推定方法は、各画素毎に、前記強度に基いた値の差／和を計算し、当該差／和の値に基いて前記高さの推定値を求めることを特徴とする請求項８又は７に記載の高さ共焦点走査型顕微鏡。
- 試料を測定する共焦点顕微鏡を制御するコンピュータによって実行されるプログラムであって、
前記試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査し、該試料の表面からの反射光の強度を測定し、
該測定結果に基いたデータをメモリに記憶し、
複数の推定方法を用いて、前記メモリ内のデータに基いて、試料の高さの推定値を求め、
前記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、前記試料表面の高さを示す高さ情報を求める
ことを前記コンピュータに実行させるプログラム。 - 前記複数の推定方法として、第１の推定方法と、該第１の推定方法と逆の誤差を生じる第２の推定方法とを用いて、前記高さの推定値を求めることを前記コンピュータに実行させる請求項９に記載のプログラム。
- 前記第１の推定方法による推定値と、前記第２の推定方法による推定値を加算平均して前記高さ情報を求めることを前記コンピュータに実行させる請求項１０に記載のプログラム。
- 前記第１の推定方法は、各画素毎に、前記強度が最も大きい位置及びその強度を示す値と、当該位置の前後の位置による前記強度を示す値とを用いて前記強度が示す変化曲線を近似し、該変化曲線に基づいて前記高さの推定値を求め、前記第２の推定方法は、各画素毎に、前記強度に基いた値の差／和を計算し、当該差／和の値に基いて前記高さの推定値を求めることを前記コンピュータに実行させる請求項１０又は１１に記載のプログラム。
- 試料を測定する共焦点顕微鏡を制御するコンピュータによって使用された時、
前記試料と対物レンズとの距離を変化させて、該試料の表面を光源からの出射光によって走査し、該試料の表面からの反射光の強度を測定し、
該測定結果に基いたデータをメモリに記憶し、
複数の推定方法を用いて、前記メモリ内のデータに基いて、試料の高さの推定値を求め、
前記複数の推定方法それぞれによって求めた複数の推定値を用いて、前記試料表面の高さを示す高さ情報を求める
ことを前記コンピュータに実行させるプログラムを記憶した前記コンピュータが読み出し可能な可搬記憶媒体。 - 前記複数の推定方法として、第１の推定方法と、該第１の推定方法と逆の誤差を生じる第２の推定方法とを用いて、前記高さの推定値を求めることを前記コンピュータに実行させるプログラムを記憶した請求項１３に記載の可搬記憶媒体。
- 前記第１の推定方法による推定値と、前記第２の推定方法による推定値を加算平均して前記高さ情報を求めることを前記コンピュータに実行させるプログラムを記憶した請求項１４に記載の可搬記憶媒体。
- 前記第１の推定方法は、各画素毎に、前記強度が最も大きい位置及びその強度を示す値と、当該位置の前後の位置による前記強度を示す値とを用いて前記強度が示す変化曲線を近似し、該変化曲線に基づいて前記高さの推定値を求め、前記第２の推定方法は、各画素毎に、前記強度に基いた値の差／和を計算し、当該差／和の値に基いて前記高さの推定値を求めることを前記コンピュータにプログラムを記憶した請求項１４又は１５に記載の可搬記憶媒体。
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| JP2002220797A JP2004061334A (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 共焦点走査型顕微鏡、高さ測定方法、プログラム及び記憶媒体 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011004077A (ja) * | 2009-06-17 | 2011-01-06 | Sharp Corp | スピーカ位置検出システム及びスピーカ位置検出方法 |
| JP2018519524A (ja) * | 2015-06-29 | 2018-07-19 | ケーエルエー−テンカー コーポレイション | 半導体ウェハ上の高さを測定するための方法および装置 |
-
2002
- 2002-07-30 JP JP2002220797A patent/JP2004061334A/ja not_active Withdrawn
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