JP2517406B2 - Ｔ面形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、サブミクロン程度の平面形状（表面の凹
凸）を光学式のフォーカスエラー方式を用いて測定する
平面形状測定装置における測定精度の改善に関する。

＜従来の技術＞ 従来より、測定試料のサブミクロン程度の平面形状を
光学式フォーカスエラー方式を用いて測定する平面形状
測定装置がある。フォーカスエラー方式には臨界角法と
非点収差法とがある。

第６図（イ）は臨界角法の原理構成図、同図（ロ）は
その出力特性を示す図である。対象物表面で反射した光
は、対物レンズ１を通って臨界角プリズム２に入射し、
プリズム端面で反射した後光電検出器3a,3bに入射す
る。この２分割された光電検出器は光軸を境として配置
されており、差動増幅器４はこの光電検出素子の出力の
差（Vout）を求めるようになっている。

図において、Ｂ点が合焦点であり、そのときは光電検
出器3a,3bに同一光量が戻り、出力Voutは零となる。A,C
点は焦点からずれた位置であり、そのときはプリズム２
の臨界角より小さいと光電検出器に光が戻らず、Voutは
同図（ロ）に示すA,C点のように零以外の値となる。

第７図（イ）は非点収差法の原理構成図、同図（ロ）
はその出力特性を示す図である。測定試料の反射光路上
の、対物レンズ１の後に円筒レンズ５を設置することに
より、Ａ（焦点内）,C（焦点外）点で非点収差が発生す
る。同図（ハ）に示すように４分割された光電検出器a,
b,c,dを反射光集束点の近傍に配置しておき、反射光を
受光した時同図（ロ）に示すような光スポット形状にな
る。

各光電検出器の出力より、（ｃ＋ｂ）−（ａ＋ｄ）を
演算し、その値からフォーカス状態を知ることができ
る。フォーカスエラーは第７図（ニ）に示すような特性
となる。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、臨界角法においては次のような問題が
ある。第８図に示すように、合焦点にある均一表面の対
象試料における反射率が部分的に異なる（低反射率と高
反射率）ような場合、光学系が移動したとき高反射率表
面ａおよび低反射率表面ｃでは光電検出器3a,3bに戻る
光量は同一であり、差動増幅器４の出力Voutは零となる
が、反射率の変化する境界ｂの近傍では同一平面上であ
るにもかかわらず戻る光量が同一でなく出力Voutは零と
はならない。

すなわち、反射率の変化によってもフォーカスエラー
が生じ、平面形状を正しく測定することができないとい
う問題があった。なお、非点収差法においても同様であ
る。

本発明の目的は、このような点に鑑みてなされたもの
で、反射率の変化する試料でも正しく平面形状を測定す
ることのできる平面形状測定装置を提供することにあ
る。

＜課題を解決するための手段＞ このような目的を達成するために、本発明では、 被測定試料表面に光を照射し、その反射光を収束レン
ズの合焦点位置からずれた位置に配置された多分割の光
電検出器で受け、各光電変換器により電気信号に変換し
て出力する測定光学系出力回路と、 この測定光学系出力回路の出力信号が記憶されるメモ
リと、 前記測定光学系出力回路より与えられる新たな測定値
と前記メモリに記憶されている以前の値とを比較し、変
化のあるときは新たな値を前記メモリに記憶すると同時
に平面形状を示す信号を出力する比較演算器 を具備したことを特徴とする。

＜作用＞ 本発明では、被測定試料からの反射光を多分割の光電
検出器で受けるが、光電検出器を焦点位置よりわずかに
ずれた位置に配置しておく。

比較演算器では、メモリに記憶した以前の測定値と、
多分割の光電検出器より出力される今回値を比較観察
し、変化の状態により同一反射率面か反射率境界領域で
あるかなどを判断し、メモリへの新たな値の書き込みお
よび平面形状を示す信号の出力を行う。

＜実施例＞ 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。第１図
は本発明に係る平面形状測定装置の一実施例を示す構成
図である。図において、10は対象試料、20は測定光学系
出力回路、30はメモリ、40は比較演算器である。

測定光学系出力回路20は後述するように多分割の光電
検出器を備えており、その光電検出器の出力値は測定の
初期においてはそのままメモリ30に格納される。比較演
算器40はその後の測定値（光電検出器の出力値）をメモ
リ30に格納された以前のデータと比較し、差異のあった
場合のみその新たな測定値を格納する。

第２図は測定光学系出力回路20の詳細を示す構成図で
ある。レーザダイオード等の光源（図示せず）からの光
ビームはプリズム22で偏向した後対物レンズ21により試
料10上に集束される。試料で反射した光は対物レンズ21
およびプリズム22を通過して収束レンズ23により絞ら
れ、焦点より少しずれた位置に配置された光電検出器24
に入射する。

光電検出器24は第３図（イ）に示すような８分割され
たフォトダイオードセンサアレイである。すなわち、四
角形をまず４つの四角形に等分割し、更に分割の中心を
中心とする円で分割する。これにより、図示のように外
側にａ〜ｄ、内側に１〜４の分割光電検出素子が形成さ
れる。

なお、合焦時に光電検出器の出力（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）
−（１＋２＋３＋４）が零になる位置に光電検出器を設
置し、試料の平面形状（凹凸）により焦点がずれるとそ
の信号は第４図に示すように＋−に変化する。

変換回路25は、分割光電検出素子の各出力（電流出
力）を電気信号（電圧信号）に変換し、更にこれをディ
ジタル変換して出力するものである。

このような構成における測定動作を第５図の動作フロ
ーを参照して次に測定する。

：測定光学系出力回路20で試料10表面からの反射光を
光電検出器24で受光し、変換回路25で変換された各検出
素子ａ〜d,1〜４の各出力値をメモリ30に格納する。

：比較演算器40において光電検出器の出力（ａ＋ｂ＋
ｃ＋ｄ）−（１＋２＋３＋４）を演算する。この演算
結果によりフォーカスエラー信号（平面形状信号）を出
力しホールドする。

：測定終了なら、メモリ30をリセットする。

：時間Ｔ後にサンプリングして光電検出器出力の総和
（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋１＋２＋３＋４）とメモリの値を比
較する。一致すれば（変化がなければ）同一反射率面で
あり、そのまま演算を行う。光電検出器出力の総和が変
化すると反射率が変化している領域になる。

〜： 光電検出器出力のすべてが変化すれば新しい反射率面
に完全に移動したことになるので、メモリ30に新たな値
を記録する。一部の値のみの変化は反射率変化の境界領
域にいることになるので、変化した値はメモリの値を使
用してフォーカスエラー信号を演算する。

＜発明の効果＞ 以上詳細に説明したように、本発明では、フォーカス
エラー検出光学系として収束レンズと８分割の光電検出
器より構成され、光学系からの信号を電気信号に変換
し、メモリに記録する。そして、時分割で順次測定した
信号とメモリの信号の値を比較することにより、被測定
物の面が反射率の変化している領域にあるのかどうか判
断することが可能になる。その結果反射率の変化してい
る領域の場合には、メモリの値を用いて演算することに
より反射率変化に伴う平面形状（粗度）の測定でも正し
い値を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る平面形状測定装置の一実施例を示
す構成図、第２図は測定光学系出力回路の詳細を示す構
成図、第３図は光電検出器の詳細を示す構成図、第４図
は光電検出器の出力の特性を示す図、第５図は動作フロ
ーを示す図、第６図は臨界角法の原理構成図、第７図は
非点収差法の原理構成図、第８図は反射率の変化が出力
に及ぼす影響を説明するための図である。 10……被測定試料、20……測定光学系出力回路、30……
メモリ、40……比較演算器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定試料表面に光を照射し、その反射光
   を多分割の光電検出器で受け、各光電変換器により電気
   信号に変換して出力する測定光学系出力回路と、 この測定光学系出力回路の出力信号が記憶されるメモリ
   と、 前記測定光学系出力回路より与えられる新たな測定値と
   前記メモリに記憶されている以前の値とを比較し、変化
   のあるときは新たな値を前記メモリに記憶すると同時に
   平面形状を示す信号を出力する比較演算器 を具備したことを特徴とする平面形状測定装置。