JP2007147756A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の任意の点に合焦位置を確実に誘導することができる光学測定装置を提供する。
【解決手段】光源１１からの光を試料８に対して集束させる対物レンズ７と、集束光の光軸方向に沿って対物レンズ７の集光位置と試料８の位置を相対的に移動させるＺレボルバ２１を有し、予め入力されるオフセット情報づいてＺレボルバ２１による対物レンズ７の集光位置を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査型共焦点光学顕微鏡を用いた光学測定装置に関するものである。

従来、測定対象物の表面情報等を光学的に取得する光学測定装置として走査型共焦点光学顕微鏡を用いたものが知られている。かかる共焦点光学顕微鏡は、測定対象物である試料を点状照明し、試料からの透過光又は反射光、蛍光を共焦点絞り上に集光させた後、この共焦点絞りを通過する光の強度を光検出器で検出することによって試料の表面情報を取得する。また、点状照明を種々の方法によって試料面上で二次元走査することにより、試料上の広い範囲の表面情報を取得している。

図７は、一般的な走査型共焦点光学顕微鏡の概略的構成を示している。この場合、光源１から出射した光束が、ビームスプリッタ２を透過した後、ミラー４を介して２次元走査機構３に入射する。２次元走査機構３は、第１の光スキャナ３ａと第２の光スキャナ３ｂを有し、光束を２次元に走査して出力する。２次元走査された光束は、リレー光学系の複数のレンズ５を介して対物レンズ７に導かれる。対物レンズ７へ入射した光束は、集束光となって試料８の表面上を走査する。試料８の表面で反射した光は、再び対物レンズ７から２次元走査機構３、ミラー４を介してビームスプリッタ２に導入され、このビームスプリッタ２で反射し結像レンズ９によってピンホール１０上に集光する。この場合、対物レンズ７による集光位置は、ピンホール１０と光学的に共役な位置にあるため、試料８面上に焦点が合っている試料８面からの反射光はピンホール１０を通過し、焦点ずれがある試料８面からの反射光はピンホール１０をほとんど通過しない。これにより、ピンホール１０を通過した光だけが光検出器１１によって検出され、この検出光の強度に応じた信号が制御部１２に出力される。この場合、試料８は、試料台１３に載置されており、Ｚ軸方向に移動可能なＺステージ１４によって対物レンズ７の光軸方向に移動可能となっている。また、２次元走査機構３、Ｚステージ１４及び光検出器１１は、コンピュータなどの制御部１２によって制御されている。制御部１２での処理により得られた各種情報は、モニタ１５に表示される。

図８は、対物レンズ７と試料８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１の出力(Ｉ)の関係を示している。以下、この関係をＩ−Ｚカーブと呼ぶ。図８に示すＩ−Ｚカーブでは、試料８が対物レンズ７の集光位置Ｚ０にある場合、光検出器１１の出力は最大となる。また、この集光位置Ｚ０から対物レンズ７と試料８の相対位置が離れると、これに従い光検出器１１の出力は急激に低下する。

このようなＩ−Ｚカーブに基づいて、２次元走査機構３によって集光点を２次元走査し、光検出器１１の出力を２次元走査機構３に同期して画像化すれば、試料８のある特定の高さのみが画像化され、試料８を光学的にスライスした画像(共焦点画像)が得られる。また、Ｚステージ１４で試料８を光軸方向に離散的に移動させ、各位置で２次元走査機構３を走査して共焦点画像を取得し、試料８上各点で光検出器１１の出力が最大になるＺステージ１４の位置を検出することにより試料８の高さ情報を得ることができる。さらに、試料８上各点における光検出器１１の出力の最大値を取得してこれを表示することにより、全ての面にピントの合った画像(以降、エクステンド画像)を得ることができる。

エクステンド画像を取得可能にした走査型共焦点光学顕微鏡には、操作性を向上させる目的でオートフォーカス機能を搭載していることが多い。このオートフォーカス機能は、Ｚステージ１４により試料８を光軸方向に離散的に移動させ対物レンズ７の焦点位置との相対位置を変化させると、上述した図８に示すようなＩ−Ｚカーブの関係が得られ、合焦位置で光検出器１１からの出力が最大になる点で試料８のある表面に焦点を合わせることができることに着目したものである。

図９は、Ｉ-Ｚカーブを利用したオートフォーカスの一つの方法を示すフローチャートである。まず、対物レンズ７と試料８の相対位置が離れる方向に移動させる（ステップ９０１）。このとき、比較的移動ピッチを広く取ってＺステージ１４の移動による光検出器１１の出力の変化を調べる（ステップ９０２）。次に、Ｉ-Ｚカーブのピークを検出、つまり焦点位置Ｚ０に達したかを検出する（ステップ９０３）。この場合、焦点位置Ｚ０に近づけば光検出器１１の出力が増してくるが、焦点位置Ｚ０を一度通り過ぎると光検出器１１の出力は減少し始める。この状態を検出すると（ステップ９０４）、Ｚステージ１４の移動方向を逆転し、移動ピッチを細かく設定する(ステップ９０５)。そして、Ｉ-Ｚカーブのピークを再検出して(ステップ９０６)、焦点位置Ｚ０付近で最大値を検出するまで追い込んだ後、停止し（ステップ９０７）、試料８のある表面での焦点合わせを終了する。一方、ステップ９０３のピーク検出で、対物レンズ７と試料８の相対位置が離れる方にＷＤ(対物レンズ７の焦点位置とレンズ先端までの距離)だけ移動してもピークが見つからなければ（ステップ９０８）（ステップ９０９）、開始位置へ戻してから対物レンズ７と試料８の相対位置の移動方向を反転し（ステップ９１０）、対物レンズ７と試料８の相対位置が近づく方へ移動させながら上述したと同様にピーク検出を行いながら焦点合わせを行なう。

ところで、一般的な光学顕微鏡では、図８で述べたような共焦点効果は存在しないため、観察のための照明光源とは別に赤外波長などのレーザ光源をオートフォーカス用の光源として併せ持っている。特許文献１は、光路を光軸で左右に２分割し半分だけ照明することで、合焦位置では戻り光の焦点位置がちょうど光軸上に来ることを利用したものが開示されている。このような方法によって試料８表面への焦点合わせを行うと、観察用の可視光源とオートフォーカス用の赤外レーザ光源では色収差の違いから焦点位置が異なり適切なオートフォーカス動作が得られない。そこで、オートフォーカス用光学系に色収差補正機構を設け、オートフォーカス用光学系での合焦位置が観察用可視光学系と一致するように対物レンズ７ごとに色収差補正レンズを移動させるようにしている。

その他、特許文献２に開示されるように、上述した図８のＩ−Ｚカーブによる共焦点効果を利用して基板表面の透明膜の厚さを測定するようにしたものもある。この特許文献２では、複数のＩ-Ｚカーブのピークを保持できるようにして膜の厚さを含むエクステンド画像を生成し、透明膜の表面で生じるＩ-Ｚカーブの第１のピークと、基板表面で生じる第２のピークとの間の距離を測定することで、透明膜の厚みを測定可能にしている。

このように従来では、共焦点効果によるＩ-Ｚカーブを利用したオートフォーカスを始め、各種のオートフォーカス機能による試料表面のある位置に自動的に焦点を合わせる技術を応用することにより、測定対象物である試料に対する各種の情報を光学的に取得することが考えられている。
特許第２６１４８４３号公報 特開平０８-２１０８１８号公報

ところで、近年、電子部品の微細化や高密度実装が盛んになってきているため、実装方法においても従来とは異なった手法が用いられ、それに伴って検査の方法も変化してきている。１つの例を挙げると、図１０(ａ)に示すような測定対象が存在している。これはベースとなる基板１０１上に接続端子１０２を介して半導体回路の形成されたシリコンチップ１０３を裏返しに実装したものである。そして、このような測定対象については、シリコンチップ１０３の基板１０１上への実装状態の正確さ(基板１０１に対するズレ)を測定する用途がある。

このような測定対象を通常の可視の光学顕微鏡で観察すると、シリコンチップ１０３裏面側のシリコンが見えるだけで、ベースとなる基板１０１との相対的な実装位置関係を確認することができない。そこで、光源として半導体の基本材質であるシリコンに高い透過率を有する赤外光を利用することで観察を可能とした赤外光学顕微鏡を使用することが考えられている。しかしながら、従来の赤外光学顕微鏡によると、観察することは可能であるが、コントラストが低く、画像の解像感の不足やデータの精度的にも問題があり、測定に堪えられないものがほとんどである。その他に、Ｘ線観察装置を用いても透過観察が可能であるが、手軽に使用することが難しいという問題点がある。

そこで、従来、高コントラストに精度良く、手軽に透過観察や計測ができるものとして、走査型共焦点赤外レーザ顕微鏡が注目されている。しかし、このような走査型共焦点赤外レーザ顕微鏡は、上述した図１０(ａ)に示す測定対象を試料として観察・測定する場合、試料の表面や裏面に対してオートフォーカス動作を実行すると、以下のような問題が発生する。一般に図１０(ａ)に示すような試料の場合、シリコンチップ１０３裏面のシリコン部での反射率が一番高い。このため、先に説明したＩ-Ｚカーブによる最高輝度の点へ移動をさせるために試料をＺステージ１４にセットして普通にオートフォーカスを動作させると、図１０(ｂ)に示すようにシリコンチップ１０３裏面の反射率が高い最上部分Ａでは図示ａのＩ-Ｚカーブにより合焦が得られるものの、シリコンチップ１０３表面のパターン面Ｂや基板１０１の表面ＣではＩ-Ｚカーブによる合焦が得られないことがある。このことは、使用者がシリコン内部を透過してシリコンチップ１０３表面の回路や基板１０１上への実装ポイントのズレなどの確認をするため、目的とする観察や測定位置への誘導ができなくなるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、試料の任意の点に合焦位置を確実に誘導することができる光学測定装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、光源と、前記光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、前記集束光の光軸方向に沿って前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動手段と、オフセット情報を入力するオフセット情報入力手段と、前記オフセット情報入力手段より入力されるオフセット情報に基づいて前記移動手段による前記対物レンズの集光位置を制御するオフセット制御手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、光源と、前記光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、前記集束光の光軸方向に沿って前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動手段と、前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された絞り手段と、前記絞り手段を通過する光の強度を検出する光検出器とを有し、前記移動手段によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を変化させ、各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光検出器でそれぞれ取得し、これら取得した複数の光強度情報の最大値とそれを与える前記相対位置(合焦位置)を決定することで前記試料表面に前記対物レンズの集光位置を合わせる自動焦点調節手段と、オフセット情報を入力するオフセット情報入力手段と、前記オフセット情報入力手段より入力されるオフセット情報に基づいて前記自動焦点調節手段による前記対物レンズの集光位置を制御するオフセット制御手段とを具備したことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記オフセット入力手段より入力されるオフセット情報は、焦点位置の移動量を指示するオフセット移動量が複数存在し、これらが選択可能であることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記オフセット入力手段より入力されるオフセット情報は、前記自動焦点調節手段で検出される前記光強度情報の最大値の出現回数が複数存在し、これらが選択可能であることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記光源は、赤外光源であることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項２乃至５のいずれかに記載の発明において、前記光検出器からの出力レベルを調節する輝度調節手段をさらに備え、前記輝度調節手段は、前記自動焦点調節手段が前記オフセット入力手段より入力されるオフセット情報に基づいて前記合焦位置を調整するのに合わせて前記光検出器からの出力レベルを調節することを特徴としている。

本発明によれば、試料の任意の点に合焦位置を確実に誘導することができる光学測定装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に適用される走査型共焦点光学顕微鏡の概略的構成を示すもので、図７と同一部分には、同符号を付してその説明を省略する。

この場合、光源１は、シリコンに高い透過率を持つ赤外光源が用いられる。また、対物レンズ７は、倍率の異なるものが複数個用意されている。これら複数の対物レンズ７は、Ｚレボルバ２１に保有されている。Ｚレボルバ２１は、回転操作により所望の倍率の対物レンズ７を２次元走査の光路中に挿入可能とするとともに、Ｚ軸方向に移動可能となっていて、対物レンズ７の集光位置と試料８の相対位置を変化させることができるようになっている。また、試料８は試料台１３上に載置されており、ステージ１４によってＺ軸に直行する面に沿ってＸＹ方向に移動可能となっている。

一方、制御部１２は、２次元走査機構３、Ｚレボルバ２１及び光検出器１１などの顕微鏡の各部を予め記憶された顕微鏡制御プログラムよって制御する機能の他に、上述した図８のフローに従ってオートフォーカス動作を実行するオートフォーカス動作機能１２０１及び予め入力されるオフセット情報に基づいて対物レンズ７の集光位置を制御するオフセット制御機能１２０２を有している。また、制御部１２は、モニタ１５上に表示される操作画面を通じて各部の操作を可能にしている。

一方、対物レンズ７による集光位置は、ピンホール１０と光学的に共役な位置にあり、試料８が対物レンズ７による集光位置にある場合は、試料８からの反射光がピンホール１０上で集光し、ピンホール１０を通過し、試料８が対物レンズ７による集光位置からずれた位置にある場合は試料８からの反射光はピンホール１０上では集光しておらず、ピンホール１０を通過しない。このときの対物レンズ７と試料８の相対位置（Ｚ）と光検出器１１の出力(Ｉ)の関係は、前述した図８に示すＩ-Ｚカーブを描き、試料８が対物レンズ７の集光位置Ｚ０にある場合、光検出器１１の出力は最大となり、この位置から対物レンズ７と試料８の相対位置が離れるに従い光検出器１１の出力は急激に低下する。この特性により、２次元走査機構３によって集光点を２次元走査し、光検出器１１の出力を２次元走査機構３に同期して画像化すれば、試料８のある特定の高さのみが画像化され、試料８を光学的にスライスした画像(共焦点画像)が得られる。

このような画像(共焦点画像)は、モニタ１５上に表示される前記操作画面と合わせて表示される。図２（ａ）は、モニタ１５上の表示画面の一例を示すもので、顕微鏡操作ウィンドウ１５１、顕微鏡画像ウィンドウ１５２、輝度プロファイルウィンドウ１５３、輝度プロファイルカーソル１５４を有している。

顕微鏡操作ウィンドウ１５１には、走査型共焦点光学顕微鏡の各機能を操作するための機能ボタンとして、光源１の点灯／消灯と共に、２次元走査機構３の光スキャナ３ａ、３ｂを同期して動作させ、試料８への２次元走査の開始／停止を操作する「走査開始／停止」ボタン１５１ａ、Ｚレボルバ２１を回転させ、所望の倍率の対物レンズ７を光路中に挿入する「対物」ボタン１５１ｂ、２次元走査機構３の光スキャナ３ａ,３ｂの走査振幅を調整し、得られる共焦点画像の視野(ズーム倍率)を調節する「ズーム」スクロールバー１５１ｃ、Ｚレボルバ２１を光軸方向に上下動させ、対物レンズ７の焦点位置を移動する「Ｚ位置」スクロールバー１５１ｄ、光検出器１１のゲインを変化させ、得られる共焦点画像の明るさを調節する「輝度」スクロールバー１５１ｅ及び詳細を後述する「ＡＦ」ボタン１５１ｆが表示される。また、顕微鏡画像ウィンドウ１５２には、試料８を２次元走査して得られる、そのときのＺ位置の共焦点画像が更新されつつ表示される。さらに輝度プロファイルウィンドウ１５３には、輝度プロファイルカーソル１５４の位置のラインの輝度情報が表示されるとともに、輝度の飽和や不足が起こらないように調整する際の目安となる情報が表示される。

前記「ＡＦ」ボタン１５１ｆは、使用者が制御部１２に接続されているマウスなどのポインティング・デバイス（図示せず）によりカーソルを合わせることによって、図２(ｂ)に示すようなポップアップメニュー１５１ｆ１を開くようにしている。ポップアップメニュー１５１ｆ１には、「ＡＦ」ボタン１５１ｆを押下したときと同じで、通常のオートフォーカスが動作する「オフセット無し」ボタン１５１ｆ２、オートフォーカス動作後に登録されたオフセット量だけ焦点位置を移動させる「オフセット１」ボタン１５１ｆ３、「オフセット２」ボタン１５１ｆ４及び図２（ｃ）に示すオフセット移動量登録ウィンドウ１５１ｇを開くための「オフセット指定」ボタン１５１ｆ５が表示される。なお、ここでは指定できるオフセット量を２つにして説明するが、この数は後述する登録操作により増減できるものとする。

オフセット移動量登録ウィンドウ１５１ｇは、図２(ｂ)に示すポップアップメニュー１５１ｆ１中の「オフセット指定」ボタン１５１ｆ５を選択すると開かれるもので、例えば図２(ｃ)のように「ＡＦ」ボタン１５１ｆのポップアップメニュー１５１ｆ１に表示されるオフセットボタン番号を指定する「オフセット番号」１５１ｇ１、対応するオフセットボタンでの焦点位置の移動量を指定する「オフセット移動量」１５１ｇ２、オフセット番号に移動量を登録する「登録」ボタン１５１ｇ３、既に設定されたオフセット番号の設定を取り消す「削除」ボタン１５１ｇ４、登録作業を中止／完了してオフセット移動量登録ウィンドウ１５１ｇを閉じる「終了」ボタン１５１ｇ５が表示される。

次に、このような走査型共焦点光学顕微鏡を使用して、測定対象として図３(ａ)に示すようにベースとなる基板８０１上に接続端子８０２を介して半導体回路などのパターンが形成されたシリコンチップ８０３を裏返しに実装した試料８を観察する場合を説明する。ここでは、試料８は、その設計値からシリコンチップ８０３の厚みが３００μｍ、シリコンチップ８０３と基板８０１間の空隙が２００μｍと仮定する。

まず、使用者は、顕微鏡操作ウィンドウ１５１の「ＡＦ」ボタン１５１ｆにマウスカーソルを合わせ、図２(ｂ)に示すのポップアップメニュー１５１ｆ１を表示させる。続いて「オフセット指定」ボタン１５１ｆ５を選択する。すると、図２(ｃ)に示すオフセット移動量登録ウィンドウ１５１ｇが開かれ表示されるので、まず「オフセット番号」１５１ｇ１を「１」に指定し、「オフセット移動量」１５１ｇ２に、オフセット情報としてシリコンチップ８０３の厚みに対応する「３００」を入力して「登録」ボタン１５１ｇ３を押下する。続けて、「オフセット番号」１５１ｇ１を「２」に指定し、「オフセット移動量」１５１ｇ２にオフセット情報として「５００」(チップ厚３００＋シリコンチップ８０３と基板８０１間の空隙「２００」)を入力して「登録」ボタン１５１ｇ３を押下する。もし、さらに指定したい位置があれば同様の作業を繰り返してオフセット量の登録をする。

これにより、図３（ａ）に示すように試料８の相対的な焦点位置関係として、「オフセット量１」３００μｍ、「オフセット量２」５００μｍがそれぞれ登録され、「ＡＦ」ボタン１５１ｆのポップアップメニュー１５１ｆ１は、同図（ｂ）に示すように表示される。

次に、このような初期作業が完了した時点で、実際の試料８の観察を行う。まず、試料８を試料台１３に搭載し、走査型共焦点光学顕微鏡の２次元走査を開始する。この場合、最初、顕微鏡の粗動機構やＺレボルバ２１の粗動により対物レンズ７の焦点位置を試料８上面近傍に寄せてから図２(ａ)に示す「ＡＦ」ボタン１５１ｆにマウスカーソルを合わせる。そして、そのまま「ＡF」ボタン１５１ｆを押下すると、制御部１２のオートフォーカス動作機能１２０１によりオートフォーカス動作が実行される。このオートフォーカス動作は、上述した図９のステップ９０１〜ステップ９１０が実行されるが、ここでは、ステージ１４に代わってＺレボルバ２１が移動する。また、Ｚレボルバ２１は、図３（ａ）に示す試料８のシリコンチップ８０３裏面（上面）Ａにおいて図示ａのＩ−Ｚカーブの最高輝度位置で対物レンズ７の焦点位置が合うように移動される。なお、「ＡＦ」ボタン１５１ｆのポップアップメニュー１５１ｆ１を表示させ、「オフセット無し」ボタン１５１ｆ２を選択しても同様である。

次に、試料８内部のシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面へ焦点位置を合わせを行なうには、「ＡＦ」ボタン１５１ｆのポップアップメニュー１５１ｆ１から「オフセット１」ボタン１５１ｆ３を選択する（図３（ｂ）参照）。すると、あらかじめ登録されたオフセット量「３００μｍ」がオートフォーカス処理に組み込まれる。その後は、制御部１２のオフセット制御機能１２０２により、対物レンズ７は、シリコンチップ８０３裏面（上面）Ａに焦点位置が合った状態から、さらに３００μm分だけ下げられ、シリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面へ誘導される。これにより、対物レンズ７は、図３（ａ）に示す試料８のシリコンチップ８０３表面（下面）Ｂにおいて図示ｂのＩ−Ｚカーブの最高輝度位置に焦点位置が合わされる。

一方、試料８内部の基板８０１表面に焦点位置合わせを行なう場合には、「ＡＦ」ボタン１５１ｆのポップアップメニュー１５１ｆ１から「オフセット２」ボタン１５１ｆ４を選択する（図３（ｂ）参照）。すると、あらかじめ登録されたオフセット量「５００μｍ」がオートフォーカス処理に組み込まれ、その後は、制御部１２のオフセット制御機能１２０２により、対物レンズ７は、シリコンチップ８０３裏面（上面）Ａに焦点位置が合った状態で、さらに５００μm分だけ下げられ、基板８０１表面へ誘導される。これにより対物レンズ７は、図３（ａ）に示す試料８の基板８０１の表面Ｃにおいて図示ｃのＩ−Ｚカーブの最高輝度位置に焦点位置が合わされる。

したがって、このようにすれば、「オフセット１」ボタン１５１ｆ３及び「オフセット２」ボタン１５１ｆ４に対応させて、あらかじめ複数のオフセット量を登録することにより、通常のオートフォーカス動作に加え、これら登録されたオフセット量に応じた量だけ試料８と対物レンズ７の相対位置を移動をさせることが可能になるので、従来のオートフォーカス処理をそのままにして試料８のシリコンチップ８０３を透過したシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面や基板８０１の表面の観察・測定を行なうことができる。つまり、観察・測定する必要のある試料８のシリコンチップ８０３の表面輝度に影響されずに所望する観察・測定点へのオートフォーカス動作が可能になる。これにより、試料８の構造に影響を受けることなく、任意の点に対物レンズ７の合焦位置を誘導することが可能となり、操作性を向上する機能を備えた共焦点型光学測定装置を提供することができる。

なお、上述した実施の形態では、オフセット情報として２つの「オフセット量１、２」を登録するようにしているが、これらのオフセット量は、実際には対物レンズ７の焦点位置とレンズ先端までの距離（ＷＤ）によって制限を受けるため、いくら増やしても良いわけではない。このため、対物レンズ７ごとに決まっているＷＤの値に応じてオフセット移動量登録ウィンドウ１５１ｇでの入力時に制限を与える、または、ポップアップメニュー１５１ｆ１から選択できないようにするなどして試料８と対物レンズ７の衝突を防止する必要がある。

また、操作性を向上させるために、次のような機能を組み合わせても良い。第１の実施の形態の試料８の場合、シリコンチップ８０３裏面が最高輝度を与え、パターンを有するシリコンチップ８０３表面は、それより暗い状態にある。このため、シリコンチップ８０３裏面にオートフォーカスした後、オフセット移動して得られる共焦点画像は輝度レベルが適切ではないことが考えられる。そこで、光検出器１１からの出力レベルを調節する輝度調整手段を用意し、オフセット移動を完了した後に自動的にオートゲインコントロール機能を実行することにより、適切な輝度レベルの共焦点画像を得られるようにすることも可能である。このオートゲインコントロールは、センサの感度(ゲイン)や信号処理回路のゲイン、光源の出力などを調節して実現すればよい。

さらに、オフセット移動量登録ウィンドウ１５１ｇで入力するオフセット移動量はマイナスの値を入カしても良い。その場合は、最高輝度を与える焦点面に対して上方に位置する焦点面への誘導が可能となる。

さらに、赤外光がシリコンチップ８０３を透過するとき、シリコンにより屈折率の変化から焦点位置がずれるので、空気中の長さとシリコン透過時の長さに差が出てしまう。これを回避するために別途屈折率入力部を設けておくとさらに良い。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

この場合、第２の実施の形態にかかる走査型共焦点光学顕微鏡の概略的構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。

この第２の実施の形態では、オートフォーカス動作で最大輝度を判定する過程を有することが第１の実施の形態と相違している。この場合、制御部１２のオートフォーカス動作機能１２０１は、後述する図６に示すフローの実行プログラム中に含まれている。また、モニタ１５上の表示画面は、図４（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様に顕微鏡操作ウィンドウ１５１、顕微鏡画像ウィンドウ１５２、輝度プロファイルウィンドウ１５３、輝度プロファイルカーソル１５４を有している。顕微鏡操作ウィンドウ１５１中の「ＡＦ」ボタン１５１ｆは、図４(ｂ)に示すようなポップアップメニュー１５１ｈ１を開くようになっている。このポップアップメニュー１５１ｈ１には、第１の実施の形態と同様に、通常のオートフォーカス処理が動作する「オフセット無し」ボタン１５１ｈ２、オフセット情報としてオートフォーカス処理で検出される輝度ピークの出現回数を指定する「オフセット１」ボタン１５１ｈ３及び「オフセット２」ボタン１５１ｈ４、オフセットボタン数を決定することができる機能を有し、選択している対物レンズのＷＤ内に検出されるピーク数を認識し、オフセットボタン数に反映する「ピークサーチ」ボタン１５１ｈ５が表示される。

このような走査型共焦点光学顕微鏡を使用して、測定対象として図５に示すような試料８を観察する場合を説明する。試料８は、図３（ａ）と同一部分には、同符号を付している。
この場合も試料８を試料台１３に搭載し、顕微鏡の粗動機構やＺレボルバ２１の粗動により対物レンズ７の焦点位置を試料８上面近傍に寄せてから図４(ａ)に示す「ＡＦ」ボタン１５１ｆにマウスカーソルを合わせる。そして、そのまま「ＡF」ボタン１５１ｆを押下すると、制御部１２のオートフォーカス動作機能１２０１によりオートフォーカス動作が実行される。図６は、本実施の形態でのオートフォーカス処理の一例であり、ここでは、図４(ｂ)に示す「ＡＦ」ボタン１５１ｆのポップアップメニュー１５１ｈ１から「オフセット１」ボタン１５１ｈ３により図３（ａ）に示すシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面Ｂに対応する２番目のピークを選択した場合を示している。

この場合、オートフォーカスの処理が起動し、まずＺレボルバ２１により対物レンズ７がそのＷＤ分の距離だけ上方、つまり試料８から離れる方向へ移動する（ステップ６０１）。続いて、移動方向を反転し下方へ向けて移動を開始する。このとき試料８と対物レンズ７の衝突を防止するため、ＷＤ分の範囲制限をして移動を開始する（ステップ６０２）。この移動と共に光検出器１１の出力をサンプリング開始し(ステップ６０３)、輝度変化をモニタする。ここで、輝度のピークを検出し(ステップ６０４)、ピークを検出せずにＷＤ分の移動をしてしまったら検出不可で終了する（ステップ６０５）。一方、ピークを検知した場合は内部のカウントを１つ進める（ステップ６０６）。この場合、図５に示す試料８のシリコンチップ８０３裏面（上面）Ａにおいて図示ａのＩ−Ｚカーブによる最初（１回目）のピークを検出するので(ステップ６０７)、移動範囲の制限をその位置からＷＤ分に変更する（ステップ６０８）。そして、ステップ６０９において、ピーク回数を判定する。この段階では、ピーク回数は１回目なので、ステップ６０４に戻り、ピーク検出を再度行いながら対物レンズ７をさらに下方向に移動させる。そして、試料８のシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面Ｂにおいて図示ｂのＩ−Ｚカーブによるピークを検出すると、内部のカウントをさらに１つ進める（ステップ６０６）。これによりピーク回数は、「２」となって指定のピーク数と一致するので（ステップ６０９）、ステップ６１０に進み、目的のピーク位置を少し過ぎてから停止し、移動方向を反転して追い込み用の移動ピッチに変更する（ステップ６１１）。そして、さらに再度のピーク検出をすることで(ステップ６１２)、目的のシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面へ焦点位置を合わせることができる（ステップ６１３）。

なお、ここでは、ポップアップメニュー１５１ｈ１から「オフセット１」ボタン１５１ｈ３により図３（ａ）に示すシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面Ｂに対応する２番目のピーク数を選択した場合を述べたが、「オフセット２」ボタン１５１ｈ４により図３（ａ）に示す試料８の基板８０１の表面Ｃに対応する３番目のピーク数を選択した場合も同様に実施できる。この場合は、図３（ａ）に示す基板８０１の表面Ｃにおいて図示ｃのＩ−Ｚカーブによるピークを３番目のピークとして検出することとなる。

また、図４(ｂ)のポップアップメニュー１５１ｈ１内のオフセットのボタン数は、初期値で「オフセット１」ボタン１５１ｈ３及び「オフセット２」ボタン１５１ｈ４の２つを表示するようにしているが、このボタン数を任意に決定することができる。この場合、「ピークサーチ」ボタン１５１ｈ５を押下することで、図６に示すフローと同様の手順でピークカウントを行っていき、対物レンズ７のＷＤで制限されるまでの間にカウントされたピーク数分だけポップアップメニュー１５１ｈ１内にオフセットボタンとして表示するようにすれば良い。このようにして各ピーク位置を登録すれば、以降の観察・測定における層間の移動が素早く実施できることになる。

したがって、このようにすれば、「オフセット１」ボタン１５１ｈ３及び「オフセット２」ボタン１５１ｈ４に対応させて、あらかじめ複数の輝度ピークの数を指定することにより、通常のオートフォーカス動作の中で指定された複数のピーク位置に応じて試料８と対物レンズ７の相対位置を移動させることが可能になるので、この場合も、試料８のシリコンチップ８０３を透過したシリコンチップ８０３表面（下面）のパターン面や基板８０１の表面の観察・測定を行なうことができる。つまり、このようにしても観察・測定する必要のある試料８のシリコンチップ８０３の表面輝度に影響されずに所望する観察・測定点へのオートフォーカス動作が可能になる。これにより、試料８の構造に影響を受けることなく、任意の点に対物レンズ７の合焦位置を誘導することが可能となり、操作性を向上する機能を備えた共焦点型光学測定装置を提供することができる。

(変形例)
上述した走査型共焦点野微鏡は、図１に示す構成としたが、これに限らず各種の走査型共焦点顕微鏡に適用することができる。例えば、ピンホール１０に代えて円盤上にスパイラル状の複数の微小開口を設けたＮｉｐｋｏｗディスクを高速回転させる構成のものであっても良い。このとき、前記Ｎｉｐｋｏｗディスクが対物レンズ７の集光位置と共役な位置に配置される微小開口を兼ね、光検出器としてＣＣＤ等の２次元画像センサが用いられる。また、２次元走査機構３に変えて、１次元光スキャナによって対物レンズ７の集束光を試料８の１ライン上で走査し、試料８の断面形状を測定する構成であっても良い。

さらに、対物レンズ７の集光位置と試料８の位置を相対的に移動させる移動手段として、対物レンズ７を移動するＺレボルバ２１に変えて試料８の位置を移動させるステージ機構を用いても良い。また、赤外光源でなく可視光源であっても、試料８が透明膜のようなものであれば、本発明を適用することもできる。

その他、上記の構成に限らず、各種の共焦点型光学測定装置に適用することもできるなど、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態に適用される走査型共焦点光学顕微鏡の概略的構成を示す図。 第１の実施の形態のモニタ上の表示画面及び同表示画面上から開かれるポップアップメニュー及びオフセット移動量登録ウィンドウの一例を示す図。 第１の実施の形態に用いられる試料に対するＺ位置と輝度値の関係及びポップアップメニューへの登録例を示す図。 本発明の第２の実施の形態のモニタ上の表示画面及び同表示画面上から開かれるポップアップメニューの一例を示す図。 第２の実施の形態に用いられる試料に対するＺ位置と輝度値の関係及びポップアップメニューへの登録例を示す図。 第２の実施の形態でのオートフォーカス動作を説明するためのフローチャート。 従来の走査型共焦点光学顕微鏡の概略構成を示す図。 従来の走査型共焦点光学顕微鏡の対物レンズと試料の相対位置(Ｚ)と光検出器の出力(Ｉ)の関係を表す図。 従来のオートフォーカス動作を説明するためのフローチャート。 従来のオートフォーカス動作の特性を説明するための図。

符号の説明

１…光源、２…ビームスプリッタ
３…２次元走査機構、３ａ…第１の光スキャナ
３ｂ…第２の光スキャナ、４…ミラー
５…レンズ、７…対物レンズ、８…試料
８０１…基板、８０２…接続端子、８０３…シリコンチップ
９…結像レンズ、１０…ピンホール
１１…光検出器、１２…制御部
１２０１…オートフォーカス動作機能
１２０２…オフセット制御機能
１３…試料台、１４…Ｚステージ、２１…Ｚレボルバ
１５…モニタ、１５１…顕微鏡操作ウィンドウ
１５１ａ…「走査開始／停止」ボタン
１５１ｂ…「対物」ボタン、１５１ｃ…「ズーム」スクロールバー
１５１ｄ…「Ｚ位置」スクロールバー、１５１ｅ…「輝度」スクロールバー
１５１ｆ…「ＡＦ」ボタン、１５１ｆ１…ポップアップメニュー
１５１ｆ２…「オフセット無し」ボタン、１５１ｆ３…「オフセット１」ボタン
１５１ｆ４…「オフセット２」ボタン、１５１ｆ５…「オフセット指定」ボタン
１５１ｇ…オフセット移動量登録ウィンドウ、１５１ｇ１…「オフセット番号」
１５１ｇ２…「オフセット移動量」、１５１ｇ３…「登録」ボタン
１５１ｇ４…「削除」ボタン、１５１ｇ５…「終了」ボタン
１５１ｈ１…ポップアップメニュー、１５１ｈ２…「オフセット無し」ボタン
１５１ｈ３…「オフセット１」ボタン、１５１ｈ４…「オフセット２」ボタン
１５１ｈ５…「ピークサーチ」ボタン、１５２…顕微鏡画像ウィンドウ
１５３…輝度プロファイルウィンドウ、１５４…輝度プロファイルカーソル

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、
   前記集束光の光軸方向に沿って前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動手段と、
   オフセット情報を入力するオフセット情報入力手段と、
   前記オフセット情報入力手段より入力されるオフセット情報に基づいて前記移動手段による前記対物レンズの集光位置を制御するオフセット制御手段と
   を具備したことを特徴とする光学測定装置。
2. 光源と、
   前記光源からの光を試料に対して集束させる対物レンズと、
   前記集束光の光軸方向に沿って前記対物レンズの集光位置と前記試料の位置を相対的に移動させる移動手段と、
   前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された絞り手段と、前記絞り手段を通過する光の強度を検出する光検出器とを有し、前記移動手段によって前記対物レンズの集光位置と前記試料の相対的な位置を変化させ、各相対位置での前記試料からの光強度情報を前記光検出器でそれぞれ取得し、これら取得した複数の光強度情報の最大値とそれを与える前記相対位置(合焦位置)を決定することで前記試料表面に前記対物レンズの集光位置を合わせる自動焦点調節手段と、
   オフセット情報を入力するオフセット情報入力手段と、
   前記オフセット情報入力手段より入力されるオフセット情報に基づいて前記自動焦点調節手段による前記対物レンズの集光位置を制御するオフセット制御手段と
   を具備したことを特徴とする光学測定装置。
3. 前記オフセット入力手段より入力されるオフセット情報は、焦点位置の移動量を指示するオフセット移動量が複数存在し、これらが選択可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学測定装置。
4. 前記オフセット入力手段より入力されるオフセット情報は、前記自動焦点調節手段で検出される前記光強度情報の最大値の出現回数が複数存在し、これらが選択可能であることを特徴とする請求項２に記載の光学測定装置。
5. 前記光源は、赤外光源であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学測定装置。
6. 前記光検出器からの出力レベルを調節する輝度調節手段をさらに備え、前記輝度調節手段は、前記自動焦点調節手段が前記オフセット入力手段より入力されるオフセット情報に基づいて前記合焦位置を調整するのに合わせて前記光検出器からの出力レベルを調節することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の光学測定装置。

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