JP3789515B2 - 膜厚測定機能付光学顕微鏡 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は試料の深度の測定機能を備えた光学顕微鏡による膜厚の測定に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、試料(被写体)の外観を観察するための観察用光学系と、レーザ光の反射光の強度を測定して試料の深度に関する情報を検出する共焦点光学系とを備えた光学顕微鏡が知られている(たとえば、特開平1−123102号、同−277812号公報参照)。この種の顕微鏡は、試料の拡大像だけでなく、試料の深度も含めた三次元的なデータが得られ、半導体集積回路のような微細な構造を知る上で有用である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、試料によっては試料表面に透明ないし半透明の膜を有していることがあり、その膜厚や膜の断面形状を知りたい場合がある。かかる場合、従来の光学顕微鏡では、膜厚を測定することができず、別途、膜厚計を購入しなければならない。
【0004】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、試料の外観を観察することができると共に、深度に関する情報が得られ、かつ、膜厚の測定や膜の断面形状の表示を行うことができる光学顕微鏡を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、対物レンズと試料ステージとの距離を相対的に変化させる制御手段と、レーザ光を上記対物レンズにより上記試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器に集光し、上記反射光の受光光量に基づいて上記試料の深度情報を検出する検出手段と、上記試料表面の1次元方向に連続した複数の位置における深度情報を得るために上記レーザ光を走査する走査手段とを備えた共焦点光学系と、上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で上記試料の外観を観察するための観察用光学系と、上記観察用光学系からの上記試料の外観を表示するモニタとを備えた光学顕微鏡において、上記試料は、表面に透明ないし半透明の膜を有しており、上記制御手段が上記対物レンズと試料ステージとの距離を相対的に変化させた時に、上記試料表面の同一位置からの反射光の受光光量の変化に基づいて第1および第2の極大値を求め、上記第1の極大値から上記試料表面位置の膜の表面位置に対応する第1の深度情報を算出し、一方、上記第2の極大値から上記膜の下面位置に対応する第2の深度情報を算出すると共に、上記走査手段が上記レーザ光を走査することによって、上記試料表面の1次元方向に連続した複数位置における上記第1および第2の深度情報を算出する算出手段と、上記算出手段により算出された上記試料表面の1次元方向に連続した複数位置における第1および第2の深度情報に基づいて、上記試料の1次元方向に連続した膜の断面形状をモニタに出力する出力手段と、を備えたことを特徴としている。
【0006】
【作用】
本発明は、上記共焦点光学系の検出器として焦点位置にイメージセンサを配設し、上記試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサにおける1つの受光素子の受光光量の2つのピーク位置に基づいて膜厚を求める。
本発明の原理を図13を用いて説明する。
図13(a)のように、共焦点光学系1は、対物レンズ18の2つの焦点位置に、試料wおよびイメージセンサ19を配設しており、試料wの表面wfに焦点が合ったとき、レーザ10からの反射光L1がイメージセンサ19上で結像するから、イメージセンサ19の1つの受光素子における受光光量が著しく大きくなる。一方、図13(b)のように、試料wが透明または半透明の膜w1を有していると、試料wの表面wfにおいてレーザ光L1が反射すると共に、図13(c)の試料wにおける膜w1の下面waにおいてもレーザ光L1が反射するから、この下面waに焦点が合ったときにも、図13(a)のイメージセンサ19の1つの受光素子における受光光量が著しく大きくなる。したがって、試料wを対物レンズ18に対して相対的に上下動させたときのイメージセンサ19における同一の受光素子の受光光量の変化から、受光光量がピークとなる2つのピーク位置を知ることができる。これらのピーク位置は、図13(c)の膜w1の表面wfおよび下面waの位置に対応するから、図5(b)の2つのピーク位置Zp1 ,Zp2 間の距離から試料wの膜厚を測定することができる。
なお、本明細書において、「受光光量がピークとなる」とは、「受光光量が極大値となる」ということを意味し、ピーク位置とは、受光光量が極大値を呈するときの試料ステージの対物レンズに対する相対高さ(測定位置)をいう。
【0007】
光学顕微鏡は、イメージセンサにおける同一の受光素子の受光光量の変化を記憶する光量記憶部を備え、この光量記憶部の内容に基づいて受光光量の2つのピーク位置に関する情報をモニタに表示してもよい。
【0008】
光学顕微鏡は、試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサにおける1つの受光素子の受光光量の変化に基づいて受光光量がピークとなる2つのピーク位置を求めるピーク位置検出部を備えていてもよい。
【0009】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
図1ないし図6は、本発明の第1実施例を示す。
図1において、光学顕微鏡は、共焦点光学系1と観察用光学系2とを備えている。
【0010】
まず、共焦点光学系1について説明する。
共焦点光学系1は、試料wの深度(深さ,膜厚)に関する情報を検出するもので、たとえば赤色のレーザ光L1を出射するHe−Neレーザ10を光源としている。このレーザ10の光軸上には、ビームエキスパンダ11、ガルバノミラー12およびfθレンズ13が設けられている。レーザ光L1はfθレンズ13により点光源となり、この点光源となったレーザ光L1の光軸上には、ビームスプリッタ14、1/4波長板15、第1のハーフミラー16、結像レンズ17および対物レンズ18が、順次配設されている。上記対物レンズ18は、レボルバ(図示せず)により切換が可能で、複数種類の倍率を選択できるようになっている。
【0011】
対物レンズ18の焦点位置の付近には、対物レンズ18に対して上下動する試料ステージ30が配設されており、対物レンズ18はレーザ光L1を試料wの表面に集光させる。レーザ光L1は試料wで反射され、対物レンズ18、結像レンズ17を透過する。この結像レンズ17の焦点位置には、たとえばCCDラインセンサのような一次元イメージセンサ19が配設されており、結像レンズ17を透過したレーザ光L1は、第1のハーフミラー16およびビームスプリッタ14で反射されて、一次元イメージセンサ19の表面に集光する。前述のガルバノミラー12は、図示しない駆動装置により回転駆動され、レーザ光L1を偏向させることで、試料wへの集光位置を紙面に直交する方向Yに一次元的に走査する。この走査方向Yに対応する方向に一次元イメージセンサ19の長手方向Yが設定されている。
【0012】
つぎに、観察用光学系2について説明する。
観察用光学系2は、試料wの外観を拡大して観察するためのもので、たとえば白色光L2を出射するランプ20を光源(観察用光源)としている。ランプ20の光軸上には、集光レンズ21および第2のハーフミラー23が配設されており、第2のハーフミラー23において観察用光学系2の光軸と共焦点光学系1の光軸とが合致するように、観察用光学系2が配設されている。
【0013】
上記第2のハーフミラー23は対物レンズ18の光軸上にあり、白色光L2は試料wの表面の所定の領域に集光されて照射される。試料wで反射された白色光L21は、対物レンズ18、結像レンズ17および第1のハーフミラー16を通過して、CCDカメラ24に入射する。CCDカメラ24で撮像された画像は、画像信号eとして図2のスーパーインポーザ31を介してモニタ32に出力されて表示される。
【0014】
つぎに、図1の共焦点光学系1の駆動回路等について説明する。
同期回路40は、ステージ制御回路41、ガルバノ駆動回路42およびCCD駆動回路43に同期信号を出力する。CCD駆動回路43は同期信号を受けた後、一次元イメージセンサ19の各素子に蓄積された電荷を読出し用クロックパルスに基づいて読み出し、図2のゲイン制御回路44およびA/Dコンバータ45を介して、光量信号aをマイコン50に出力する。マイコン50は、CPU51およびメモリ60を備えており、後述するように、試料ステージ30の高さおよび当該高さにおける一次元イメージセンサ19の受光光量に基づいて試料wの深度(高さ)に関する情報を求める。なお、52はキーボードである。
【0015】
上記メモリ60は、図3(a)に示すピーク光量記憶部61およびピーク位置記憶部62を備えている。上記各記憶部61,62は、それぞれ、一次元イメージセンサ19の受光素子の数に対応した記憶素子610 〜61n および620 〜62n を有している。
【0016】
つぎに、深さ測定の原理を簡単に説明する。
図1の共焦点光学系1において、前述の一次元イメージセンサ19は、結像レンズ17の焦点位置に配設されており、一方、一次元イメージセンサ19の各素子は極めて微小であるから、レーザ光L1が試料w上で焦点を結ぶと、その反射光L1が一次元イメージセンサ19上で結像し、一次元イメージセンサ19の1つの受光素子における受光光量が著しく大きくなり、逆に、レーザ光L1が試料w上で拡がっていると、その反射光L1も一次元イメージセンサ19上で拡がるので、当該素子の受光光量が著しく小さくなる。したがって、試料ステージ30を上下方向つまりZ軸方向に上下させると、その受光光量Iは、図3(b)のように変化して、ピントの合ったZ軸の位置で、つまりピーク位置Zpにおいて最大となる。このピーク位置Zpを一次元イメージセンサ19の各素子について求めることにより、図3(c)のように、紙面に垂直な方向Y(図1)についての深さの情報、つまり、試料wの1つの断面における表面形状を求めることができる。なお、図1の一次元イメージセンサ19にはランプ20の観察光L21が入射するが、本実施例では一次元イメージセンサ19が観察光L21を感じない時間(5msec) だけ、CCD駆動回路43が一次元イメージセンサ19に電荷を蓄積させることで、観察光L21によるノイズを除去している。
【0017】
つぎに、深さの測定方法について説明する。
図4において、まず、ステップS1でガルバノミラー12を駆動させて、レーザ光L1を走査し、ステップS2で、一次元イメージセンサ19において受光した光量およびZ軸の位置をメモリ60の各記憶部61,62に記憶させる。つづいて、ステップS3で試料ステージ30を1段階下降させた後、ステップS4に進み、再び、レーザ光L1を走査して、ステップS5に進む。ステップS5では、今回測定した光量がピーク光量記憶部61の各記憶素子61i に記憶されている光量よりも大きいか否かを各素子についてCPU51が判断し、大きければステップS6に進んで、測定光量とZ軸の位置を書き換える。一方、小さければステップS7に進む。ステップS7では、試料ステージ30が所定の下降端まで下降したか否かを判断し、下降端でなければステップS3に戻り、一方、下降端であれば測定を終了する。
【0018】
こうして、図3(a)の両記憶部61および62には、それぞれ、ピークの光量Ii とピーク位置Zpi が記憶される。この後、ピーク位置Zpi の情報は、図2のマイコン50のイメージRAM64に書き込まれてイメージとなり、マイコン50はイメージ(図3(c))をスーパーインポーザ31に出力する。スーパーインポーザ31は、CCDカメラ24の画像と上記断面情報(イメージ)を重ね合わせ、モニタ32に出力する。これにより、オペレータは試料wの拡大画像と共に一つの断面における断面情報を知ることができる。
【0019】
つぎに、本発明の要部について説明する。
上記マイコン50は、指定座標の光量記憶部63および補正係数記憶部65を備えている。この光量記憶部63は、膜厚測定モードにおいて、図1の試料ステージ30を対物レンズ18に対して上下動させたときのイメージセンサ19における1つの受光素子、つまり、指定されたY座標に対応する受光素子の受光光量の変化を記憶するものである。上記指定座標の光量記憶部63(図2)は、試料ステージ30のZ軸方向の(m+1)個の停止位置に対応する数だけ、図5(a)のように、光量記憶素子630 〜63m を有しており、試料ステージ30の高さごとの受光光量を記憶する。
【0020】
上記イメージRAM64(図2)は、前述の図3(c)のように、イメージセンサ19の長手方向Yに対する試料ステージ30の高さ(深さ)の変化をイメージで記憶する。また、イメージRAM64は、図5(a)の光量記憶素子630 〜63m に記憶された試料ステージ30の高さの変化に対する受光光量の変化を、図5(b)のように、直角座標上のイメージに変換した状態で記憶する。このイメージRAM64の記憶内容は、図2のマイコン50により、スーパーインポーザ31を介して、モニタ32に表示される。
【0021】
CPU51には膜厚算出部53が内蔵されている。この膜厚算出部53は、図5(b)のように、モニタ32に表示された直角座標上の試料ステージ30の2つのZ座標Zp1 ,Zp2 を指定されることで、指定された2つのピーク座標(ピーク位置)Zp1 ,Zp2 間の距離に対応する膜厚Tを下記の(1) 式に従って算出する。
T=C・n(Zp2 −Zp1 ) …(1)
C:定数
n:屈折率
【0022】
上記定数Cと屈折率nとの積である補正係数は、図2のメモリ60の補正係数記憶部65に記憶されている。なお、補正係数記憶部65は、屈折率n自体を記憶するものであってもよい。
【0023】
つぎに、膜厚測定のフローを図6にしたがって説明する。
まず、オペレータはキーボード52(図2)を操作して膜厚測定モードに設定し、ステップS11において、モニタ32に表示された試料wの外観(平面情報)を見ながら、所望のY座標をカーソルで選択する。つづいて、ステップS12に進み、レーザ光L1を走査し、ステップS13で指定座標の光量記憶部63の1つの記憶素子63i (i=0…m)に受光光量が記憶される。ステップS14では試料ステージ30が下降端であるか否かが判断され、下降端でなければ、ステップS15で試料ステージ30を1段階下降させ、ステップS12に戻って、ステップS12からステップS15を繰り返すことで、図5(a)の光量記憶部63の各記憶素子630 〜63m に順次光量が記憶される。一方、図6のステップS14で試料ステージ30が下降端であると判断された場合は、ステップS16に進む。
【0024】
ステップS16では、光量記憶部63内の記憶内容がイメージRAM64に書き込まれて、マイコン50が図5(b)の直角座標のイメージ情報をスーパーインポーザ31を介してモニタ32に出力する。図6のステップS17では、オペレータが図5(b)のような映像からピークの座標Zp1 ,Zp2 をカーソルで指定し入力する。つづいて、図6のステップS18に進み、前述の(1) 式に基づいて膜厚Tが算出され、ステップS19において、当該膜厚Tが数値でモニタ32に表示される。
【0025】
このように、この光学顕微鏡では、マイコンのソフトウェアを追加ないし変更することで、膜厚測定機能を付加したので、別途、膜厚計を購入するのと異なり大幅なコストダウンを図り得る。
【0026】
ところで、膜等の屈折率は空気よりも大きいので、図13(c)のレーザ光L1が膜w1の表面wfで屈折するから、本実施例では、前述の(1) 式において、見かけの厚みtに屈折率nを乗算することで、実際の膜厚Tを求めている。
【0027】
なお、補正係数は、屈折率nを図2のキーボード52から入力することで、補正係数記憶部65に記憶させてもよいが、予め膜厚が既知の標準試料wについて本光学顕微鏡を用いて膜厚測定を行うことで補正係数(C・n)を求め、求めた補正係数を補正係数記憶部65に記憶させてもよい。また、膜厚が所定の範囲内に入っているか否かにより試料wの合否の判定を行う場合には、補正係数記憶部65を備えていなくてもよく、したがって、本発明の範囲に含まれる。
【0028】
また、本発明においては、ピーク位置に基づいて膜厚に関する情報を表示すればよく、たとえば、図5(b)の直交座標やピーク位置の座標自体を表示し、膜厚の算出はオペレータが行うものであってもよい。
【0029】
ところで、上記第1実施例では、オペレータがモニタを見てピークのZ座標(ピーク位置)Zp1 ,Zp2 を入力設定することとしたが、上記ピーク位置をマイコン50により求めてもよい。この一例を図7の第2実施例に示す。
【0030】
図7において、CPU51はピーク位置検出部54を備えている。このピーク位置検出部54は、図5(a)の光量記憶部63に記憶された内容から受光光量がピークとなる2つのピーク位置Zp1 ,Zp2 (図5(b))を求めるもので、たとえば、光量記憶部63の連続する4つの光量記憶素子63i 〜63i+4 に記憶された受光光量を順次比較して、受光光量の変化からピーク位置Zp1 ,Zp2 を求め、図7の膜厚算出部53に出力する。膜厚算出部53は、上記ピーク位置検出部54からのピーク位置Zp1 ,Zp2 と、前述の(1) 式に基づいて膜厚を算出する。
【0031】
また、上記実施例では、指定座標の光量記憶部63に受光光量を記憶させてからピーク位置を求めたが、光量記憶部63は必ずしも設ける必要はない。たとえば、受光光量の変化を示す波形をスムージングした後、微分し、更にゼロクロス時点を検出して2つのピーク時点(ピーク位置)をピーク検出回路(ピーク位置検出部)により求め、この2つのピーク位置間のクロックパルスをカウントして膜厚を算出してもよい。
【0032】
また、上記各実施例では、図5(a)の光量記憶部63を1つだけ設けたが、本発明では、図5(a)の光量記憶部63を多数設け、一度の走査で多数の測定点の膜厚や膜の断面形状を図5(c)のように知るようにしてもよい。しかし、こうすると、試料ステージ30(図1)の停止位置の数に対応した数の光量記憶部63を設けなければならない。つまり、イメージセンサ19(図1)の全ての画素(受光素子)について、全ての停止位置に対応する光量データを記憶せねばならず、そのため、メモリの容量が大きくなると共に回路の構成も複雑になるのは避けられない。そこで、以下に、かかる問題を解消した第3実施例を説明する。
【0033】
図8〜図12は第3実施例を示す。
まず、第3実施例の構成の説明に先立って、第3実施例のピーク位置検出の測定原理について説明する。
【0034】
図8は、任意のY座標における測定位置Zと受光光量Ii の関係を模式的に表したものである。この図において、今、座標の左端からの2つの光量I0 ,I1 を比較し大きい方の光量IM とその測定位置(Z座標)ZM を記憶する。つぎに、I2 以後については、記憶された最大受光光量(以下、「最大光量」という。)IM と今回の測定光量Ii を直ちに比較し、順次、最大光量IM および当該測定位置ZM を更新記憶していく。ピーク位置ZP1を過ぎると、しばらくの間更新はなされないのであるが、この更新のなされなかった距離(回数)が膜厚Tよりも小さい所定値α(たとえばα=T/4〜T/2)だけ続けば、膜厚Tは、たとえばICパターンのような試料の場合、予め概略の厚さが分かっているので、第1のピーク位置ZP1を通過したと考えてよい。つづいて、ZPi+αを通過した後は、再び光量Ii を座標ZP1+α〜Zm まで順次比較することにより、第2のピーク位置ZP2を発見することができる。なお、上記測定位置Zは、試料ステージ30から対物レンズ18(図1)までの距離によって定まる。
【0035】
図9は第3実施例のマイコン50の概略構成を示す。
CPU51は、膜厚算出部53の他に、比較演算部54aを備えている。この比較演算部54aには、そのレジスタ54b内に、今回測定した測定光量Ii と当該測定光量Ii を測定した測定位置(試料ステージの位置)Zi が順次入力される。
【0036】
メモリ60は、イメージRAM64、補正係数記憶部65の他に、第1記憶部66Aおよび第2記憶部66Bを備えている。第1記憶部は、イメージセンサ19の画素ごとに第1ピーク光量IP1i および第1ピーク位置ZP1i を記憶させるためのものである。一方、第2記憶部は、イメージセンサ19の画素ごとに第2ピーク光量IP2i および第2ピーク位置ZP2i を記憶させるためのものである。これらの第1および第2記憶部66A,66Bの記憶内容は、後述するように、比較演算部54aの演算の結果、順次更新されて、最終的に前記ピーク光量およびピーク位置に書き換えられる。なお、比較演算部54a、第1記憶部66Aおよび第2記憶部66Bによってピーク位置検出部54が構成されている。
【0037】
つぎに、説明を分かり易くするために、任意のY座標についてのピーク位置検出の方法について説明する。
まず、図10のステップS30において、膜厚の予測値が入力されると、ステップS31で走査が開始され、ステップS32に進む。ステップS32では、測定光量I0 および当該測定位置Z0 が、それぞれ、第1最大光量IM1および測定位置ZM1として第1記憶部66Aに記憶される。つづいて、ステップS33で試料ステージ30が1段下降し、ステップS34に進んで再びレーザ光L1が走査され、ステップS35に進む。ステップS35では、レジスタ54bに、今回の測定光量Ii および測定位置Zi が順次取り込まれ、比較演算部54aが測定光量Ii と前回までの第1最大光量IM1とを直ちに比較する。比較の結果、測定光量Ii が第1最大光量IM1以上である場合はステップS36に進んで、今回の測定光量Ii および測定位置Zi を第1最大光量IM1および測定位置ZM1として第1記憶部66Aに更新記憶させ、一方、測定光量Ii が第1最大光量IM1よりも小さい場合には、ステップS37に進む。
【0038】
ステップS37では、今回の測定位置Zi が前回までの第1最大光量IM1に対応する測定位置ZM1に所定値αを加算した値よりも大きいか否かを判断する。この判断の結果、今回の測定位置Zi がZM1+α以下である場合はステップS33に戻る。以上のステップS33〜S37を繰り返すことにより、比較演算部54aは、図8の第1ピーク光量IP1および第1ピーク位置ZP1を検出する。つまり、比較演算部54aは、測定位置Z0 〜ZP1+αの間における第1最大光量IM1および測定位置ZM1を第1記憶部66Aに更新記憶させることで、第1ピーク光量IP1および第1ピーク位置ZP1を検出する。
【0039】
図10のステップS37における判断の結果、Zi がZM1+αよりも大きい場合は、図11のステップS40に進み、第2ピーク位置ZP2の検出に入る。
【0040】
ステップS40では試料ステージ30が1段下降し、ステップS41でレーザ光が走査され、ステップS42に進む。ステップS42では、測定光量Ii および当該測定位置Zi が、それぞれ第2最大光量IM2および測定位置ZM2として第2記憶部66Bに記憶される。つづいて、ステップS43で試料ステージ30が1段下降し、ステップS44に進んで再びレーザ光L1が走査され、ステップS45に進む。ステップS45では、レジスタ54bに、今回の測定光量Ii および測定位置Zi が順次取り込まれ、比較演算部54aが、測定光量Ii と前回までの第2最大光量IM2とを直ちに比較する。比較の結果、測定光量Ii が第2最大光量IM2以上である場合はステップS46に進んで、今回の測定光量Ii および測定位置Zi を、それぞれ第2最大光量IM2および測定位置ZM2として第2記憶部66Bに更新記憶させ、一方、測定光量Ii が第2最大光量IM2よりも小さい場合には、ステップS47に進む。
【0041】
ステップS47では、試料ステージ30が所定の下降端まで下降したか否かを判断し、下降端でなければステップS43に戻り、一方、下降端であればピーク位置検出が終了する。以上のステップS43〜S47を繰り返すことにより、比較演算部54aは図8の第2ピーク光量IP2および第2ピーク位置ZP2を検出する。つまり、比較演算部54aは、測定位置ZP1+α〜Zmの間における最大光量IM2および測定位置ZM2を第2記憶部66Bに順次更新記憶させることで、第2ピーク光量IP2および第2ピーク位置ZP2を検出する。なお、第1および第2ピーク位置ZP1,ZP2に基づいて、膜厚算出部53で膜厚Tを算出してもよいし、後述するように、膜のプロフィール(断面形状)をモニタに表示させてもよい。
【0042】
このように、本実施例では、予想される膜厚Tに対応する所定値α(たとえばα=T/4〜T/2)を用いて、第1および第2のピーク位置ZP1,ZP2を検出する領域を区画すると共に、入力された受光光量を比較しながら、順次、第1および第2最大光量IM1,IM2を記憶させるので、第1および第2記憶部66A,66Bには、それぞれ、第1および第2最大光量IM1,IM2および測定位置ZM1,ZM2のみを記憶させればよい。したがって、図5(a)のように、試料ステージ30の全ての停止位置における受光光量を記憶する必要がないから、メモリ60の容量が小さくなると共に回路の構成が簡単になる。
【0043】
ところで、本発明において、膜の表面wfおよび下面wa(図13)に対応する2つのピーク位置は、一般に、ピーク光量のうちの最大値および第2番目に大きい値が現れる測定位置Zとなる。一方、本発明において、「ピーク位置」とは、受光光量が極大値となる測定位置Zを意味するから、ピーク位置が3つ以上現れる場合がある。この場合においては、順次時系列的に、第1番目および第2番目に現れたピーク位置を検出すると、当該2つのピーク位置のピーク光量が、実際のピーク光量のうちの最大値および第2番目に大きい値でないこともある。しかし、そのような場合でもオペレータは、試料のおおよその膜厚や表面の形状を知っているので、かかる既知情報に基づいて測定精度を認識できるから、測定を直ちに誤るおそれはない。また、検出した2つのピーク位置のうちの一方のピーク光量は、ピーク光量のうちの最大値となるから、有用な深度情報となり得る。
【0044】
したがって、本発明において、ピーク位置検出部54が検出する2つのピーク位置は、ピーク光量のうちの最大値および第2番目に大きい値を呈した測定位置に限らず、順次、時系列的に現れた第1番目および第2番目の測定位置も含まれる。
【0045】
つぎに、図12(a)〜(c)を用いて、図5(c)のように、多数のY座標についてのピーク位置を、つまり、膜のプロフィールを求める方法について説明する。図12(a)は、走査方向をY座標とし、測定位置をZ座標とし、Y−Z平面に直交する方向に測定光量Ii をとって模式的に表したものである。図12(b)〜(c)は第1記憶部66Aの内容を模式的に表したものである。
上記図9の比較演算部54aは、レジスタ54bに図12(a)の座標(0,0),(1,0)…(i,0)…(n,0)の光量Ii0が順次入力されると、直ちにその光量Ii0を第1最大光量IM1i として図12(b)のように順次記憶させると共に、当該最大光量IM1i に対応する測定位置ZM1i を記憶させる。つづいて、試料ステージ30(図1)が1段下降し、レジスタ54bに座標(i,1)の測定光量が順次入力されると、その測定光量Ii1と、前述の第1記憶部66Aに記憶させた最大光量IM1i とを順次比較し、測定光量Ii1が最大光量IM1i 以上またはIM1i を超える場合に測定光量Ii1および当該測定位置Zi1を第1記憶部66Aに更新記憶させる。
【0046】
その後、試料ステージ30(図1)が所定値αに相当する分だけ下降する間に、最大光量IM1i が更新されないと、当該最大光量IM1i を第1ピーク光量IP1i と認定し、第1記憶部66Aは図12(c)のように、全てのY座標について、第1ピーク光量IP1i および第1ピーク位置ZP1i を記憶した状態となる。
【0047】
この後、第2ピーク光量IP2i および第2ピーク位置ZP2i も前述の図11のフローチャートで説明したと同様にして求められる。第1ピーク位置ZP1i および第2ピーク位置ZP2i は、図9のイメージRAM64にイメージとして記憶され、各々ピーク位置ZP1i,ZP2i を連ねた膜のプロフィールが、図5(c)のようにモニタ32に表示される。
【0048】
なお、本実施例では、図10のステップS35および図11のステップS45において、測定光量Ii が第1最大光量IM1(または第2最大光量IM2)以上であるか否かを判断したが、本発明においては、測定光量Ii が第1最大光量IM1(または第2最大光量IM2)を超えるか否かを判断してもよい。
【0049】
ところで、上記各実施例では、図1のレーザ光L1を検出する検出器として一次元イメージセンサ19を用いて、Y方向にのみレーザ光L1を走査した。しかし、本発明では、一次元イメージセンサ19に代えてCCD固体撮像素子などの二次元イメージセンサを用い、レーザ光L1をY方向およびX方向(Y方向に直交する方向)に走査(二次元的に走査)して、試料表面の任意の位置の膜厚を測定可能としてもよい。また、観察用光学系のCCDカメラ24で共焦点光学系のイメージセンサを兼用してもよい(たとえば、特開平2−267512号公報参照)。
【0050】
しかし、上記各実施例のように、レーザ光L1を、たとえば1つのガルバノミラー12により一次元的にのみ走査すれば、2枚のガルバノミラーでレーザ光L1を二次元的に走査したり、試料ステージ30をX,Y方向(二次元的)に駆動させて走査する従来の顕微鏡に比べ、機械的構造が簡単になる。特に、二次元的に走査するものに比べ、X,Y,Z方向に同期させる必要がなく、Y,Z方向にのみ同期させればよいので、顕微鏡の電気的な構造が著しく簡単になるから、大幅なコストダウンを図ることができる。
【0051】
なお、上記実施例では、ガルバノミラー12を駆動してレーザ光L1を走査したが、本発明では、ポリゴンミラーを用いてもよく、あるいは、試料ステージ30をY方向に駆動してレーザ光L1の試料wへの集光位置を走査してもよい。
【0052】
また、上記各実施例では、試料ステージ30を上下動させたが、対物レンズ18を試料ステージ30に対して上下動させてもよい。つまり、試料ステージ30は対物レンズ18に対して相対的に上下動すればよい。さらに、深さ測定や膜厚測定モードにおいて、試料ステージ30は、1段階ずつ下降させたが、1段階ずつ上昇させてもよい。
【0053】
さらに、上記各実施例では、図1の共焦点光学系1および観察用光学系2に結像レンズ17を設けて無限補正系を採用したが、結像レンズ17を設けずに有限補正系を採用してもよい。また、本発明では集光レンズ21と第2のハーフミラー23との間に、レーザ光L1の波長とは異なる波長のみを透過させるバンドパス光学フィルタを設けてもよい。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料の外観を観察することができると共に深度に関する情報が得られる光学顕微鏡において、共焦点光学系の焦点位置に設けたイメージセンサにおける1つの受光素子の受光光量の変化から、受光光量の2つのピーク位置に基づいて膜厚を測定することができる。しかも、本光学顕微鏡は、元々、共焦点の原理により深さに関する測定を行うことができるものであるから、差程コストもアップしない。
【0055】
また、試料ステージの高さの変化に対する受光光量の変化を直交座標上のイメージに変換してモニタに表示すれば、オペレータが目視でピーク位置を容易に探し出すことができる。
【0056】
また、受光光量がピークとなる2つのピーク位置を求めるピーク位置検出部を設ければ、ピーク位置から自動的に膜の厚さやプロフィール(断面形状)を知ることができる。
【0057】
また、2つのピーク位置を求める際に、入力された受光光量を直ちに比較すれば、メモリの容量を小さくすることができると共に回路の構成を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例にかかる光学顕微鏡の光学系を示す概略構成図である。
【図2】同測定回路等を示す概略構成図である。
【図3】深さ測定の原理を説明するための概念図である。
【図4】深さの測定方法を示すフローチャートである。
【図5】(a)は光量記憶部の概念図、(b)は膜がある場合の受光光量の特性図、(c)は膜厚の変化を示す図である。
【図6】膜厚測定モードを示すフローチャートである。
【図7】第2実施例を示す測定回路等の概略構成図である。
【図8】第3実施例のピーク検出の原理を説明するための光量変化を示す概念図である。
【図9】第3実施例のマイコンの概略構成図である。
【図10】第1ピーク位置の検出方法を示すフローチャートである。
【図11】第2ピーク位置の検出方法を示すフローチャートである。
【図12】第3実施例のピーク検出の原理を説明するための概念図である。
【図13】共焦点光学系による膜厚測定の原理を示す概念図である。
【符号の説明】
1:共焦点光学系
18:対物レンズ
19:(一次元)イメージセンサ
2:観察用光学系
20:観察用光源
30:試料ステージ
32:モニタ
53:膜厚算出部
54:ピーク位置検出部
63:(指定座標の)光量記憶部
64:イメージRAM
65:補正係数記憶部
L1:レーザ光
L2:白色光
Zp1 ,Zp2 :ピーク位置
Claims (6)
- 対物レンズと試料ステージとの距離を相対的に変化させる制御手段と、
レーザ光を上記対物レンズにより上記試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器に集光し、上記反射光の受光光量に基づいて上記試料の深度情報を検出する検出手段と、
上記試料表面の1次元方向に連続した複数の位置における深度情報を得るために上記レーザ光を走査する走査手段とを備えた共焦点光学系と、
上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で上記試料の外観を観察するための観察用光学系と、
上記観察用光学系からの上記試料の外観を表示するモニタとを備えた光学顕微鏡において、
上記試料は、表面に透明ないし半透明の膜を有しており、
上記制御手段が上記対物レンズと上記試料ステージとの距離を相対的に変化させた時に、上記試料表面の同一位置からの反射光の受光光量の変化に基づいて第1および第2の極大値を求め、上記第1の極大値から上記試料表面位置の膜の表面位置に対応する第1の深度情報を算出し、一方、上記第2の極大値から上記膜の下面位置に対応する第2の深度情報を算出すると共に、上記走査手段が上記レーザ光を走査することによって、上記試料表面の1次元方向に連続した複数位置における上記第1および第2の深度情報を算出する算出手段と、
上記算出手段により算出された上記試料表面の1次元方向に連続した複数位置における第1および第2の深度情報に基づいて、上記試料の1次元方向に連続した膜の断面形状を上記モニタに出力する出力手段と、
を備えたことを特徴とする光学顕微鏡。 - 請求項1において、上記算出手段は上記第1および第2の深度情報から膜厚を算出する機能を更に備えた光学顕微鏡。
- 請求項2において、上記算出手段は、上記試料表面の一次元方向に連続した複数の位置について、上記膜厚を算出する機能を更に備えた光学顕微鏡。
- 請求項1、2もしくは3において、上記算出手段は、上記試料ステージから上記対物レンズまでの距離によって定まる今回の測定位置が前回までの第1最大受光光量に対応する測定位置から所定の範囲にある場合に、上記第1最大受光光量と今回測定した測定光量とを比較して、当該測定光量が第1最大受光光量以上またはそれを超える場合に、今回の測定光量および当該測定位置を第1記憶部に更新記憶させて上記第1の極大値および第1の深度情報を算出し、
一方、今回の測定位置が前回までの第1最大受光光量に対応する測定位置から所定の範囲外である場合に、当該所定の範囲外における前回までの第2最大受光光量と今回測定した測定光量とを比較して、当該測定光量が第2最大受光光量以上またはそれを超える場合に、今回の測定光量および当該測定位置を第2記憶部に更新記憶させて上記第2の極大値および第2の深度情報を算出することを特徴とする光学顕微鏡。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかにおいて、
上記出力手段は、上記観察用光学系による画像と上記断面形状の情報とを重ね合わせて、上記モニタに出力することを特徴とする光学顕微鏡。 - 請求項2もしくは3において、膜を構成する材料の屈折率に対応する補正係数を記憶する補正係数記憶部を更に備え、上記算出手段が上記補正係数に基づいて上記第1および第2の深度情報から補正された膜厚を算出することを特徴とする光学顕微鏡。
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