JP3847422B2 - 高さ測定方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点を利用して試料の高さ情報を取得する高さ測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、共焦点走査型光学顕微鏡は、試料を点光源によって点状照明し、試料からの透過光又は反射光をピンホール上に集光させ、このピンホールを透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ものである。
【０００３】
図８は一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図である。
点光源１から出射された点状光は、ハーフミラー２を透過した後、収差補正された対物レンズ３によって試料４の面上に点状集光される。
【０００４】
この照明された試料４の面で反射した光は、再び対物レンズ３により集光され、ハーフミラー２によって反射されて、対物レンズ３の集光位置に配置されたピンホール５により試料４上の集光点以外からの反射光がカットされ、ピンホール５を透過した光だけが光検出器６よって検出される。
【０００５】
このように点状に集光された照明光を試料４の面全体に亘ってラスター走査し、このラスター走査に対応させて光検出器６からの濃度情報をモニタに表示することによって、試料４の面の２次元像が得られる。
【０００６】
このような顕微鏡で試料４の２次元像を得る場合、試料４の表面は、平坦な面でなく、例えば符号Ａに示すような対物レンズ３の集光位置からずれた面も存在する。
【０００７】
このような面Ａから反射した光は、上記顕微鏡では破線で示すようにピンホール５上に集光することはないので、対物レンズ３の集光位置以外からの反射光は、ピンホール５でカットされて光検出器６で検出されることはない。
【０００８】
このような事から上記顕微鏡では、対物レンズ３の集光位置、すなわち合焦位置に存在する試料４の面の光学像のみを高精度に測定できる。
又、図９に示すように高さの異なる３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料７を通常の光学顕微鏡で観察する場合を想定する。
【０００９】
このような試料７で、例えば試料面Ａに合焦させたとき、他の試料面Ｂ、Ｃの光学像は惚けてしまう。このため、全ての試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画像、すなわち試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対してピントがあった際に得られる光学像を観察することは不可能である。
【００１０】
一方、共焦点走査型光学顕微鏡では、各試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画像を各々保存した後、これら試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画像を光学的に足し合わせることによって、全ての試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画素を得ることができる。なお、実際には、各試料面Ａ、Ｂ、Ｃから発生する光学像の明るさの最大値を相互に足し合わせればよい。
【００１１】
以上のような試料の表面状態の測定方法は、文献として『ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ』トニーウィルソン、コーリンシェパード著：ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＲＥＳＳ発行の１２６頁〜１３０頁に記載されている。
【００１２】
又、この文献中には、試料の表面形状を測定する技術が記載されている。
すなわち、試料面の１点に集束光を照射した状態で、この集束光をその光軸方向（Ｚ方向）にＺ走査し、この走査中に輝度が最も高くなる位置（Ｚ位置）を検出して保存する。
【００１３】
次に上記集束光をＸ方向に移動させることによって試料面の次の１点に集束光を照射し、この点で上記同様のＺ走査を行い、この走査中に輝度が最も高くなる位置（Ｚ位置）を検出して保存する。
【００１４】
このように集束光を試料面上でＸＹ方向に移動させて各点で集束光を照射し、その点でＺ走査を行って輝度が最も高くなるＺ位置を検出することを繰り返すことによって、輝度変化に基づいて試料の表面形状が測定される。
【００１５】
具体的に共焦点走査型光学顕微鏡を用いた試料の高さ測定動作について説明すると、図１０には共焦点走査型光学顕微鏡の構成図を示す。
顕微鏡本体１０には、レーザ光源１１が備えられ、このレーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射する。
【００１６】
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５により動作制御され、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて２次元平面（ＸＹ平面）上に走査するものとなっている。
【００１７】
この２次元走査機構１４の下方には、レボルバ１６が設けられ、これに対物レンズ１７が取り付けられている。
そして、この対物レンズ１７の下方には、ステージ１８が設けられ、このステージ１８上に試料１９が載置されている。
【００１８】
又、ハーフミラー１３の分岐方向には、ピンホール２０を介して光検出器２１が配置されている。
このピンホール２０は、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置に配置されたものであり、光検出器２１は、このピンホール２０を通過した光をその光量に対応した電気信号に変換出力するものである。
【００１９】
ステージ１８は、Ｚ方向移動制御回路２２の制御によりＺ方向に上下動するものとなっている。
画像処理ユニット２３は、光検出器２１から出力された電気信号を入力すると共にＺ方向移動制御回路２２によるステージ１８の移動回数のカウント値を入力し、光検出器２１により検出された光量が最大値を示したステージ１８の移動回数のカウント値から合焦位置を求める機能を有している。
【００２０】
この画像処理ユニット２３には、第１の画像メモリＭ1 、第２の画像メモリＭ2 が備えられ、第１の画像メモリＭ1 には、ステージ１８０移動させたときの光検出器２１からの電気信号の最大値が保存され、第２の画像メモリＭ2 には、光検出器２１からの電気信号が最大となるときのステージ１８の移動回数のカウント値が保存される。
【００２１】
コンピュータ２４は、走査制御ユニット１５、Ｚ方向移動制御回路２２及び画像処理ユニット２３に対して各指令を発して制御するものであり、かつ測定範囲の設定及び各測定範囲内のステージ１８の移動量や、画像表示及び顕微鏡システムの制御等をモニタ２５に表示して観察者に報知するものとなっている。
【００２２】
このように構成された顕微鏡の作用について図１１に示す動作フローチャートに従って説明する。
ここで、第１、第２の画像メモリＭ1 、Ｍ2 に保存される値をそれぞれＭa 、Ｍb とし、ステージ１８の移動回数のカウント値をｋ、このときに光検出器２１から出力される電気信号をＩk とする。Ｍb ≠ｋ Ｍb はＩk が最大となるときのｋの値
測定が開始されると、ステップＳ1 において、コンピュータ２４の指令によりステージ１８が測定開始位置Ｚo に設定され、かつステージ１８の移動回数のカウント値ｋがクリア（ｋ＝０）され、第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa がクリア （＝Ｉo ）されるとともに、第２の画像メモリＭ2 に保存されている値Ｍb リセット（Ｍb ＝０）される。
【００２３】
次に、ステージ１８は、ステップＳ2 においてＺ方向移動制御回路２２の制御によりΔＺ分だけ例えば上方に移動される。ステージ１８の移動回数のカウント値ｋ（Ｍb ≠ｋ）は、「１」だけカウントアップされる。
【００２４】
この状態で、レーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射する。
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５の動作制御により、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて試料１９の２次元平面上に走査する。
【００２５】
この２次元平面上に走査したときの試料１９から反射されたレーザ光は、２次元走査機構１４からハーフミラー１３に導かれ、ここで反射してピンホール２０を通って光検出器２１に入射する。
【００２６】
この光検出器２１は、ピンホール２０を通過した光をその光量に対応した電気信号に変換出力する。
そして、コンピュータ２４は、ステップＳ3 において、第１の画像メモリＭ1 に保存されている値Ｍa と現在の光検出器２１からの電気信号Ｉk とを比較し、現在の光検出器２１からの電気信号Ｉk が値Ｍa よりも大きければ、ステップＳ4 に移って第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa をＩk に書き替えるとともに、第２の画像メモリＭ2 の値Ｍb をｋに書き替える。
【００２７】
なお、現在の光検出器２１からの電気信号Ｉk が第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa よりも小さければ、第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa 及び第２の画像メモリＭ2 の値Ｍb はそのままである。
【００２８】
このように上記ステップＳ2 〜Ｓ4 の処理をステップＳ5 の判断で所定のＮ回繰り返すことによって、光検出器２１から出力される電気信号Ｉk の最大値が第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa として保存され、そのときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが第２の画像メモリＭ2 に保存される。
【００２９】
なお、実際の共焦点走査型光学顕微鏡では、ガルバノメータやＡＯＤ素子などの高速な２次元走査機構を用いて集束光をＸＹ平面上に移動させ、このｘｙ走査を行って試料１９の各点の輝度を検出し、順次Ｚ位置を移動させながら、試料１９上の各点での電気信号Ｉk の大小を比較することによって試料１９の全体の測定時間を短くしている。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高さ測定測定の場合、Ｚ走査による輝度の値は、例えば図１２に示す各測定データ「○」のようになり、対物レンズ１７と試料１９との相対位置を連続的に変化させた場合の輝度の変化曲線Ｗ1 上で輝度の値が最大となる位置Ｚt より、ずれた位置Ｚm がＺ位置として保存されてしまう。
【００３１】
このずれは、Ｚ走査を離散的に行っていること、すなわちＺ走査の量子化により生じる誤差であり、そのずれ量は最大でＺ方向の移動ステップΔｚの２分の１となる。そして、このずれ量は、Ｚ走査の開始位置で決まるので、測定の度にばらつき、測定再現性を悪くする原因となる。
【００３２】
例えば、２点間の高さを測定する場合、これらの点で各々、Ｚ移動ステップの２分の１の誤差が生じるので、全体でＺ移動ステップΔｚ分の誤差が生じることになる。
【００３３】
そこで、このような誤差を小さくするためにＺ移動ステップΔｚを小さくすればよいが、輝度が最大となる位置を検出するには、Ｚ方向に１ステップ駆動したときの光検出器２１の出力変化が、電気的なノイズや第１の画像メモリＭ1 の１階調分に相当する輝度の値よりも大きくなければならない。
【００３４】
仮にＺ移動ステップΔｚを小さくしたとしても、光強度が最大となる位置近傍における輝度の値が、電気的なノイズや第１の画像メモリＭ1 の１階調分に相当する強度以下であれば、本来の光強度と検出した光強度との大小が一致しない場合があり、輝度の値が最大となるＺ位置を正確に検出することにはならない。
【００３５】
すなわち、上記方法では、Ｚ移動ステップΔｚは、光強度が最大となる位置近傍における輝度の変化量と電気的なノイズや第１の画像メモリＭ1 の１階調に相当する光強度で制限されることになるが、図１２に示すように光強度が最大となる位置近傍では、輝度の変化が小さいので、必然的にＺ移動ステップΔｚは、ある所定の量より小さくすることができない。
【００３６】
従って、最近の半導体プロセスでは、半導体ウエハ上のパターンの厚さ等の測定において０．１μｍ以下の分解能で測定し、かつその再現性が０．０５μｍ以下であることが求められており、上記の高さ測定方法及びこの方法を適用した顕微鏡ではこうした要求に応えられなくなってきている。
そこで本発明は、Ｚ移動ステップを小さくしても正確に高さ情報を得ることができる高さ測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、光を光学レンズを通して試料に照射し、この試料から反射された光を光学レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光強度を検出する工程と、
光学レンズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させたときの光強度の変化における変曲点となる光学レンズと試料との相対位置を高さ情報として取得する工程と、
を有する高さ測定方法である。
【００３８】
請求項２によれば、光を対物レンズを通して試料に照射したときの試料表面からの反射光を対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光検出器に入射し、この光検出器により検出された光強度に基づいて光学レンズと試料との高さ情報として得る高さ測定装置において、
対物レンズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させる移動機構と、この移動機構により対物レンズと試料との相対位置を変化させときの光検出器により検出される光強度の変化における変曲点を検出する変曲点検出手段と、
この変曲点検出手段により検出された変曲点に基づいて対物レンズと試料との相対位置を高さ情報として得るに高さ情報取得手段と、
を備えた高さ測定装置である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
(1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の高さ測定方法は、光を光学レンズを通して試料に照射し、この試料から反射された光を光学レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光強度を検出する工程と、光学レンズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させたときの光強度の変化における変曲点となる光学レンズと試料との相対位置を高さ情報として取得する工程とを有するものである。
【００４０】
図１はかかる高さ測定方法を適用した共焦点走査型光学顕微鏡の構成図である。なお、図１０と同一部分には同一符号を付して簡単に説明する。
顕微鏡本体１０に備えられたレーザ光源１１から出射された走査用レーザ光の光路上には、ミラー１２、ハーフミラー１３を介して２次元走査機構１４が配置されている。
【００４１】
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５から出力される走査制御信号Ｐ1 を受けて動作制御され、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて２次元平面（ＸＹ平面）上に走査する機能を有している。
【００４２】
この２次元走査機構１４の下方には、対物レンズ１７が取り付けられたレボルバ１６が設けられている。
そして、この対物レンズ１７の下方側には、試料１９を載置するステージ１８が設けられている。
【００４３】
又、ハーフミラー１３の分岐方向には、ピンホール２０を介して光検出器２１が配置されている。
このピンホール２０は、上記の如く対物レンズ１７の集光位置と共役な位置に配置されている。
【００４４】
ステージ１８は、Ｚ方向移動制御回路２２から出力されるＺ制御信号Ｐ2 を受けて駆動制御され、Ｚ方向に所定のＺ移動ステップΔｚ毎に上下動する機能を有しいる。
【００４５】
画像処理ユニット３０は、光検出器２１から出力された電気信号を入力すると共にＺ方向移動制御回路２２によるステージ１８の移動回数のカウント値を入力し、光検出器２１により検出された光強度の変化における変曲点、例えば光強度の変化が最大を示したステージ１８の移動回数のカウント値ｋに基づいて対物レンズ１７と試料１９との相対位置を高さ情報として取得する機能を有している。
【００４６】
この画像処理ユニット３０には、それぞれ５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）から成る第１の画像メモリＭ10、第２の画像メモリＭ11及び第３の画像メモリＭ12が備えられている。
【００４７】
このうち第１の画像メモリＭ10には、ステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動させたときの前回の測定点において光検出器２１から出力された電気信号Ｉk-1 と今回の測定点において光検出器２１から出力された電気信号Ｉk との差の最大値、すなわち光強度の変化の最大を示す値Ｉk −Ｉk-1 が保存される。
【００４８】
又、第２の画像メモリＭ11には、今回の測定点において光検出器２１から出力された電気信号Ｉk が保存される。
又、第３の画像メモリＭ12には、Ｉk −Ｉk-1 が最大となるステージ１８の移動回数のカウント値ｋが保存されるものとなっている。
【００４９】
コンピュータ３１は、図２に示す動作フローチャートに従って、走査制御ユニット１５、Ｚ方向移動制御回路２２及び画像処理ユニット３０に対して各指令を発して制御するものであり、かつ測定範囲の設定及び各測定範囲内のステージ１８の移動量や、画像表示及び顕微鏡システムの制御等をモニタ２５に表示して観察者に報知するものとなっている。
【００５０】
次に上記の如く構成された光学顕微鏡の作用について説明する。
観察者が試料１９をステージ１８上に載置の後、コンピュータ３１の制御によって試料１９上に集光された微小スポットの走査用レーザ光がＸＹ平面上に走査される。
【００５１】
すなわち、レーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射する。
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５の動作制御により、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて試料１９の２次元平面上にラスター走査する。
【００５２】
これと同時に、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動制御によりステージ８をＺ方向にステップ状に移動して対物レンズ１７と試料１９との相対距離を変化させる。このとき、試料１９にピントが合ったか否かの判断は、モニタ２４に表示された画像を観察者が見ながら行う。
【００５３】
次に、観察者は、測定動作に関係する各パラメータの設定を行う。
先ず、コンピュータ３１によって試料１９の測定範囲Ｌ及び測定を開始するステージ１８の位置Ｚo が設定され、この後、ステージ１８の１回あたりのＺ方向への移動量（Ｚ方向移動ステップ）Δｚが設定される。
【００５４】
このＺ方向移動ステップΔｚは、ここでは対物レンズ１７の集光位置に対して試料１９の位置をＺ方向に移動させる際の１回の移動量である。
又、測定範囲Ｌとステージ１８の１回あたりのＺ方向移動ステップΔｚとが設定されると、ステージ１８の移動回数Ｎは、
Ｌ／Δｚ≦Ｎ …(1)
という関係に従って決定される。
【００５５】
ステージ１８の移動回数Ｎのカウント値は、第３の画像メモリＭ12に保存されるので、ステージ１８の移動回数Ｎは、第３の画像メモリＭ12の階調数２５５以下に制限される。
【００５６】
このように測定範囲Ｌ、移動量Δｚ及び移動回数Ｎが設定された後、試料１９に対する測定が開始される。
ここで、第１〜第３の画像メモリＭ10〜Ｍ12に保存される値をそれぞれＭa 、Ｍb 、Ｍc とし、ステージ１８の移動回数のカウント値をｋ、このときに光検出器２１から出力される電気信号をＩk とする。
【００５７】
次に図２に示す光学顕微鏡の動作フローチャートに従って説明する。
測定が開始されると、ステップ＃１において、ステージ１８はＺ方向移動制御回路２２の駆動により測定開始位置ＺO に移動され、かつステージ１８の移動回数のカウント値ｋがリセットされる。
【００５８】
これと共に第１の画像メモリＭ10に保存される値Ｍa がクリアされるととともに、このときに例えば図３に示す光検出器２１から出力される電気信号Ｉo が第２の画像メモリＭ11に保存される。
【００５９】
次に、ステージ１８は、ステップ＃２において、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動によりＺ方向移動ステップΔｚ分だけＺ方向に移動し、ステージ１８の移動回数のカウント値ｋが「＋１」だけカウントアップされる。
【００６０】
続いて、画像処理ユニット３０は、ステップ＃３において、このとき光検出器２１から出力される電気信号Ｉk を入力し、この電気信号Ｉk と第２の画像メモリＭ11に保存される電気信号Ｍb との差、
Ｉk −Ｍb （Ｉk −Ｉk-1 ） …(2)
を求め、これと第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa （＝０）とを比較する。
【００６１】
この比較の結果、
Ｍa ＜Ｉk −Ｍb …(3)
上記式(3) の関係が成り立ち、Ｉk −Ｍb がＭa よりも大きければ、画像処理ユニット３０は、ステップ＃４に移って第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa をＩk −Ｍb に書き替えて保存する。
【００６２】
これと共に画像処理ユニット３０は、第３の画像メモリＭ12の値Ｍc を、このときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋに書き替えて保存する。続くステップ＃５において第２の画像メモリＭ11の値Ｍb を光検出器２１から出力される電気信号Ｉk に書き替えて保存する。
【００６３】
具体的に図３に示すように、例えばステージ１８がＺ方向移動制御回路２２の駆動によりステージ１８の移動回数のカウント値「ｋ＝３」から「ｋ＝４」のｚ位置方向に移動したときを例にして説明すると、画像処理ユニット３０は、ステップ＃３において、現在のステージ１８の位置（ｋ＝４）で光検出器２１から出力される電気信号Ｉ4 を入力し、この電気信号Ｉ4 と第２の画像メモリＭ11に保存される前回のステージ１８の位置（ｋ＝３）での電気信号Ｍb （＝Ｉ3 ）との差、
Ｉ4 −Ｉ3 …(4)
を求め、これと第１の画像メモリＭ10に保存されているこれまでの値Ｍa （＝Ｉk+1 −Ｉk ）の最大値、例えば図３ではＩ3 −Ｉ2 とを比較する。
【００６４】
この比較の結果、Ｉ4 −Ｉ3 がＩ3 −Ｉ2 よりも大きければ、画像処理ユニット３０は、ステップ＃４に移って第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa をＩ3 −Ｉ2 からＩ4 −Ｉ3 に書き替えて保存する。
【００６５】
このとき第３の画像メモリＭ12には、ステージ１８の移動回数のカウント値ｋ（＝４）が保存され、続くステップ＃５において第２の画像メモリＭ11には、光検出器２１から出力される電気信号Ｉ4 が保存される。
【００６６】
このように上記ステップ＃２〜＃５の処理がステップ＃６での判断によって所定のＮ回繰り返えされることによって、光検出器２１から出力される電気信号Ｉk のレベル変化の最大値、すなわち光強度の変化の最大値が第１の画像メモリＭ10に保存され、そのときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが第３の画像メモリＭ12に保存される。
【００６７】
図４はステージ１８をＺ方向に移動したときの光検出器２１から出力された電気信号Ｉk の変化曲線Ｗ2 について、電気信号Ｉk の変化（Ｉk −Ｉk-1 ）すなわち微分値を取った図である。
【００６８】
この図から電気信号Ｉk の変化Ｉk −Ｉk-1 の最大値ΔＩma、最小値ΔＩmb、すなわち微分値ｄＩk ／ｄｘの最大値Ｇ1 、最小値Ｇ2 がＺ方向のＺa 、Ｚb に現れることが分かり、これら電気信号Ｉk の変化Ｉk −Ｉk-1 の最大値ΔＩmaが第１の画像メモリＭ10の値Ｍa として保存される。
【００６９】
ここで、ステッブ＃３でＭa ＜Ｉk −Ｉb のときステップ＃４を行えば、Ｍa にはＩk −Ｉk-1 の最大値ΔＩmaが保存され、Ｍa ＞Ｉk −Ｉb のときステップ＃４を行えば、Ｍa にはＩk −Ｉk-1 の最小値ΔＩmbが保存される。
【００７０】
実際の測定では、電気信号Ｉk の変化Ｉk −Ｉk-1 の最大値ΔＩmaとΔＩmbの一方のみを検出するのみでよい。
ここで、共焦点走査型光学顕微鏡において、対物レンズ１７と試料１９と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、例えば前述の文献『ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ』１２６頁に記載されているように理論的に求められており、以下のように表される。
【００７１】
Ｉ（Ｚ）＝［｛ sin（ｕ／２）｝／（ｕ／２）］2 …(5)
ｕ＝８πＺ・ sin2 （θ／２）／λ
ＮＡ＝ sinθ
Ｉは光強度、Ｚは焦点からの距離、ＮＡは対物レンズ１７の開口数、λは光の波長である。
【００７２】
試料１９の各点ごとの反射率・透過率が変化すれば、これら反射率・透過率に応じて光強度Ｉが係数倍されることになり、図３において輝度の変化曲線Ｗ2 が縦方向に係数倍されることになるが、この輝度の変化曲線Ｗ2 の形自体は変化しない。
光強度Ｉが最大になるのは、光強度Ｉの微分係数が「０」なるときであるから、上記式(5) をＺで微分して、
【００７３】
【数１】
を得る。
【００７４】
この式(6) において、ｕ／２＝０のとき、すなわちＺ＝０のときｄＩ／ｄＺ＝０となり、このときに輝度が最大となる。
一方、光強度の変化ｄＩ／ｄＺが最大となるのは、ｄＩ／ｄＺの微分係数が 「０」になるときであるから、上記式(6) をさらにＺで微分して、
【００７５】
【数２】
を得る。
【００７６】
そこで、ｕ／２＝±１．３０３のとき、ｄ2 Ｉ／ｄＺ2 ＝０となる。
ここで、符号の正負「±」は、光強度の変化が正であるか負であるかを示し、符号の正負で光強度の変化の絶対値は等しくなる。なお、符号が「＋」のとき、光強度の変化が最大の極大値となり、符号が「−」のとき、光強度の変化が最小の極小値となる。すなわち、図４に示すＺa 、Ｚb に現れる最大値ΔＩma、最小値ΔＩmbを示す。
【００７７】
例えば、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとすると、光強度の変化が最大となるのはＺ＝±０．１４７μｍとなる。
従って、この場合は、試料１９のある点で、ｚ走査を行って光強度の変化が最大となるＺ位置を検出し、その値に０．１４７μｍを加算すると、その点での試料１９の高さが求められる。
【００７８】
又は、光強度の変化が最小となるＺ位置を検出し、その値に０．１４７μｍを減算しても、その点での試料１９の高さが求められる。
すなわち、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、図４に示す位置Ｚa 、Ｚb の位置を求めれば、これら位置Ｚa 、Ｚb から変化曲線Ｗa の最大値までの各距離ｅa 、ｅb は開口数ＮＡ及び波長λにより定まるので、位置Ｚa に０．１４７μｍを加算することにより試料１９の高さが求められ、又位置Ｚb から０．１４７μｍを減算することにより試料１９の高さが求められる。
【００７９】
従って、画像処理ユニット３０は、光強度の変化が最大又は最小となるＺ位置、例えば図４に示すＺa 、Ｚb を検出すると、このうちのＺa に０．１４７μｍを加算してその点での試料１９の高さを求め、又はＺb から０．１４７μｍを減算してその点での試料１９の高さを求める。
【００８０】
一般的には、例えば上記図９に示すように３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９（７）における各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定するものであり、このような場合の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する各変化曲線は、例えば図５に示す通りＷa は試料面Ａの変化曲線、Ｗb は試料面Ｂの変化曲線、Ｗc は試料面Ｃの変化曲線を表す。
【００８１】
なお、これら変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc は、ステージ１８上に試料１９（７）を載置し、２次元走査機構１４によって走査用レーザ光を試料９の全体に走査し、このときに試料１９（７）から反射されるレーザ光の光強度を光検出器２１により検出し、その電気信号Ｉk を画像処理ユニット３０に入力し、ここで電気信号Ｉk の最大値を順次検出する処理で得られるが、本発明の顕微鏡を用いれば、各試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の各最大を示す位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcが求められる。
【００８２】
従って、画像処理ユニット３０は、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、これら位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcにそれぞれ０．１４７μｍを加算することにより試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを求め、さらにこれら試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを比較して各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。
【００８３】
又、画像処理ユニット３０は、上記各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の最大を示す各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの高さに換算せずに、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。例えば、試料面ＡとＢの高さの差Ｚtb−ＺtaとＺwb−Ｚwaが等しくなるからである。
【００８４】
このように上記第１の実施の形態においては、対物レンズ１７と試料１９（７）との相対位置を光軸方向に変化させ、このときの光検出器２１により検出される光強度の変化における最大又は最小を検出し、これら最大又は最小となる位置から対物レンズ１７と試料１９（７）との相対位置を求めるようにしたので、光強度の変化が光検出器２１の電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10の１階調分に相当する光強度差と同程度になるまでＺ移動ステップを小さくでき、Ｚ移動ステップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定ができる。
【００８５】
すなわち、光強度の変化が最大又は最小となる点での光強度変化の絶対値は、光強度の変化曲線（例えば図３に示す変化曲線Ｗ2 ）上で文字通り最大になる。従って、この位置では、光検出器２１の電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10の１階調と同レベルになる限界のＺ移動ステップΔｚは、輝度が最大となる位置近傍での光強度変化が同様の関係になるＺ移動ステップΔｚより当然小さくなるので、Ｚ移動ステップΔｚを小さくして、ｚ移動の量子化により生じる誤差を少なくできる。
【００８６】
又、３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定する場合でも、これら試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の最大となる各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcから光強度の最大となる位置に換算することなく、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）、例えば半導体ウエハ上の各パターンの高さの差を得ることができる。
【００８７】
さらに構成上は、従来顕微鏡と比較しても画像メモリを１つ増設するだけの簡単な変更だけでよい。
(2) 次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００８８】
図６は共焦点走査型光学顕微鏡の構成図である。
顕微鏡本体１０内におけるハーフミラー１３の分岐方向には、試料１９からの反射光を等量に分岐するビームスプリッタ４０が配置されている。
【００８９】
このビームスプリッタ４０の一方の分岐方向に対物レンズ１７の集光位置と共役に位置に配置された第１のピンホール４１を介して第１の光検出器４２が配置されている。
【００９０】
又、ビームスプリッタ４０の他方の分岐方向には、対物レンズ１７の集光位置と共役に位置ｆよりもずれた位置に配置された第２のピンホール４３を介して第２の光検出器４４が配置されている。
【００９１】
第２のピンホール４３の配置位置は、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置ｆすなわち第１のピンホール４１に対してｚ移動の最小ステップに相当する距離だけずれた位置となっている。つまり第２のピンホール４３は、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置ｆから、光強度の変化が最大となる位置近傍における輝度の変化量と、電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10に保存される１階調に相当する光強度とで制限される最小のＺ移動ステップΔｚに対し、試料１９からピンホール４３への光学系の縦倍率倍された位置に配置されている。
【００９２】
差分回路４５は、第１の光検出器４２から出力された第１の電気信号と第２の光検出器４４から出力された第２の電気信号との差分を求め、この差分信号を画像処理ユニット４６の第１の画像メモリＭ10に送る機能を有している。
【００９３】
この差分回路４５から出力される差分信号は、対物レンズ１７と試料１９との相対位置をＺ方向に最小のステップに相当する距離だけ移動させたときの光強度の変化量と等価、すなわち図７に示すようにステージ１８をｚ移動ステッブΔｚだけ移動させたときの、例えば電気信号Ｉ11とＩ10との差分Ｉ11−Ｉ10と等価となっている。
【００９４】
画像処理ユニット４６は、差分回路４５から出力された差分信号を入力すると共にＺ方向移動制御回路２２によるステージ１８の移動回数のカウント値を入力し、差分回路４５から出力された差分信号の変化が最大を示したステージ１８の移動回数のカウント値に基づいて対物レンズ１７と試料１９との相対位置を高さ情報として取得する。
【００９５】
この画像処理ユニット４６は、それぞれ５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）から成る第１の画像メモリＭ10及び第３の画像メモリＭ12を備え、このうち第１の画像メモリＭ10に差分信号の最大値、すなわち光強度の変化の最大を示す値Ｍa （＝Ｉk −Ｉk-1 ）が保存され、かつ第３の画像メモリＭ12に光強度の変化が最大となるステージ１８の移動回数のカウント値ｋが保存されるものとなっている。
【００９６】
次に上記の如く構成された顕微鏡の作用について説明する。
レーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射し、この２次元走査機構１４の走査動作によって試料１９の２次元平面上に走査される。
【００９７】
これと同時に、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動制御によりステージ１８をＺ方向にステップ状に移動して対物レンズ１７と試料１９との相対距離を変化させる。このとき、試料１９にピントが合ったか否かの判断は、モニタ２４に表示された画像を観察者が見ながら行う。
【００９８】
次に、観察者により測定動作に関係する各パラメータの設定、すなわちコンピュータ３１によって試料１９の測定範囲Ｌ及び測定を開始するステージ１８の位置Ｚo が設定され、この後、ステージ１８１回あたりのＺ方向への移動量Δｚが設定される。
【００９９】
そして、測定が開始されると、ステージ１８はＺ方向移動制御回路２２の駆動により測定開始位置ＺO に移動され、かつステージ１８の移動回数のカウント値ｋがリセットされる。
【０１００】
これと共に第１の画像メモリＭ10に保存される値Ｍa がクリアされるととともに、このときに差分回路４５から出力される差分信号が第１の画像メモリＭ10に保存される。
【０１０１】
次に、ステージ１８は、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動により移動量Δｚ分だけＺ方向に移動し、ステージ１８の移動回数のカウント値ｋが「＋１」だけカウントアップされる。
【０１０２】
この状態に、試料１９からの反射光は、２次元走査機構１４からハーフミラー１３を経てビームスプリッタ４０に入射し、ここで第１のピンホール４１側と第２のピンホール４３側との２方向に分岐される。
【０１０３】
このうち第１のピンホール４１を透過した光は第１の光検出器４２に入射し、この第１の光検出器４２は、入射した光量に応じた第１の電気信号Ｉk を出力する。
【０１０４】
又、第２のピンホール４３を透過した光は第２の光検出器４４に入射し、この第２の光検出器４４は、入射した光量に応じた第２の電気信号Ｉk-1 を出力する。
【０１０５】
差分回路４５は、第１の光検出器４２から出力された第１の電気信号Ｉk と第２の光検出器４４から出力された第２の電気信号Ｉk-1 との差分Ｉk −Ｉk-1 を求め、この差分信号Ｉk −Ｉk-1 を画像処理ユニット４６の第１の画像メモリＭ10に送る。
【０１０６】
すなわち、この差分回路４５から出力される差分信号Ｉk −Ｉk-1 は、対物レンズ１７と試料１９との相対位置をＺ方向に最小のステップに相当する距離だけ移動させたときの光強度の変化量と等価、例えば図７に示すようにステージ１８をｚ移動ステッブΔｚだけ移動させたときの、第１と第２の電気信号Ｉ11とＩ10との差分Ｉ11−Ｉ10と等価となっている。
【０１０７】
画像処理ユニット４６は、差分信号Ｉk −Ｉk-1 と第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa とを比較する。
この比較の結果、
Ｍa ＜Ｉk −Ｉk-1 …(8)
上記式(8) の関係が成り立ち、Ｉk −Ｉk-1 がＭa よりも大きければ、画像処理ユニット４６は、第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa をＩk −Ｉk-1 に書き替えて保存する。
【０１０８】
このとき第３の画像メモリＭ12には、このときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが保存される。
このように上記処理が所定のＮ回繰り返えされることによって、第１の光検出器４２と第２の光検出器４４とから出力される各電気信号Ｉk 、Ｉk-1 との差分信号の最大値が第１の画像メモリＭ10に値Ｍa として保存され、そのときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが第３の画像メモリＭ12に保存される。
【０１０９】
従って、画像処理ユニット４６は、上記第１の実施の形態と同様に、例えばＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、上記図４に示す位置Ｚa 、Ｚb の位置を求めることができ、これら位置Ｚa 、Ｚb から変化曲線Ｗa の最大値までの各距離ｅa 、ｅb は開口数ＮＡ及び波長λにより定まるので、位置Ｚa に０．１４７μｍを加算することにより試料１９の高さを求める。又位置Ｚb から０．１４７μｍを減算することにより試料１９の高さを求めてもよい。
【０１１０】
又、例えば上記図９に示すように３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定する場合でも、画像処理ユニット４６は、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、図５に示すように各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcにそれぞれ０．１４７μｍを加算することにより試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを求め、さらにこれら試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを比較して各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。
【０１１１】
又、画像処理ユニット４６は、上記各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の最大となる各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの高さに換算せずに、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。
【０１１２】
このように上記第２の実施の形態においては、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置に配置された第１のピンホール４１を介して第１の光検出器４２を配置するとともに対物レンズ１７の集光位置と共役な位置ｆよりもずれた位置に配置された第２のピンホール４３を介して第２の光検出器４４を配置し、これら第１と第２の光検出器４２、４４から各出力される第１と第２の電気信号の差分信号の最大値を検出するようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、光強度の変化の最大値を検出することと等価となり、光強度の変化が第１及び第２の光検出器４２、４４の電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10の１階調分に相当する光強度差と同程度になるまでＺ移動ステップを小さくでき、Ｚ移動ステップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定ができる。
【０１１３】
又、３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定する場合でも、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）、例えば半導体ウエハ上の各パターンの高さの差を得ることができる。
【０１１４】
さらに構成上は、従来顕微鏡と比較しても従来の顕微鏡と同等の画像メモリで対応できる。
なお、本発明は、上記第１及び第２の実施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。
【０１１５】
例えば、図９に示す試料７の３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃの高さ情報を得る場合、先ず、ステージ１８を粗動させて対物レンズ１７を例えば試料面Ｃに対して粗に位置合わせし、この後にステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動して高精度に試料面Ｃの高さ情報を取得する。
【０１１６】
次に、ステージ１８を粗動させて対物レンズ１７を試料面Ａに対して粗に位置合わせし、この後にステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動して高精度に試料面Ａの高さ情報を取得する。
【０１１７】
そして、ステージ１８を粗動させて対物レンズ１７を試料面Ｂに対して粗に位置合わせし、この後にステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動して高精度に試料面Ｂの高さ情報を取得する。
【０１１８】
このようにステージ１８を粗動とＺ移動ステップΔｚとを組み合わせて動作させれば、ステージ１８を全てＺ移動ステップΔｚ毎に移動させることなく、高さ情報の取得時間を短縮できる。
【０１１９】
又、上記第２の実施の形態において、ｚ移動のステップを、その最小値より大きな値に設定した場合でも、差分回路４５の出力は、最小ステップでのｚ移動による輝度の変化量を検出している。
【０１２０】
このようにＺ移動ステップがその最小値より大きな値に設定した場合には、設定したＺ移動ステップに応じて第２のピンホール４３を対物レンズ１７の集光位置と共役な位置から離すように構成すれば、差分回路４５から出力される光強度の変化量が大きくなり、電気的なノイズの影響がより小さくなってより高精度な測定ができる。
【０１２１】
又、上記第２の実施の形態において、第２のピンホール４３は対物レンズ１７の集光位置と共役な位置から離して対物レンズ１７からの距離を広くした位置に配置しているが、これとは反対に対物レンズ１７からの距離を短くする位置に配置してもよい。この場合、第２の光検出器４４の方が第１の光検出器４２よりもＺ移動ステップΔｚ分だけ前の光強度を検出するものとなる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、Ｚ移動ステップを小さくしても正確に輝度の値が最大となるところを検出して高さ情報が得られる、すなわち光強度の変化が光検出器の電気的なノイズや画像メモリの１階調分に相当する光強度差と同程度になるまでＺ移動ステップを小さくでき、Ｚ移動ステップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定方法及びその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共焦点走査型光学顕微鏡の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】同光学顕微鏡の動作フローチャート。
【図３】光強度の変化の最大値を検出するための作用を説明するための図。
【図４】ステージをＺ方向移動したときの電気信号の変化の最大値を示す図。
【図５】３つの試料面に対する各変化曲線を示す図。
【図６】本発明に係わる共焦点走査型光学顕微鏡の第２の実施の形態を示す構成図。
【図７】同顕微鏡における差分回路の作用を説明するための図。
【図８】一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図。
【図９】高さの異なる３つの試料面を有する試料の外観図。
【図１０】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の構成図。
【図１１】同顕微鏡の動作フローチャート。
【図１２】光検出器から出力される電気信号の最大値を検出する作用を説明するための図。
【符号の説明】
１０…顕微鏡本体、
１１…レーザ光源、
１４…２次元走査機構、
１５…走査制御ユニット、
１６…レボルバ、
１７…対物レンズ、
１８…ステージ、
１９…試料、
２０…ピンホール、
２１…光検出器、
２２…Ｚ方向移動制御回路、
２５…モニタ、
３０…画像処理ユニット、
Ｍ10…第１の画像メモリ、
Ｍ11…第２の画像メモリ、
Ｍ12…第３の画像メモリ、
３１…コンピュータ、
４０…ビームスプリッタ、
４１…第１のピンホール、
４２…第１の光検出器、
４３…第２のピンホール、
４４…第２の光検出器、
４５…差分回路、
４６…画像処理ユニット。
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦点を利用して試料の高さ情報を取得する高さ測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、共焦点走査型光学顕微鏡は、試料を点光源によって点状照明し、試料からの透過光又は反射光をピンホール上に集光させ、このピンホールを透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ものである。
【０００３】
図８は一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図である。
点光源１から出射された点状光は、ハーフミラー２を透過した後、収差補正された対物レンズ３によって試料４の面上に点状集光される。
【０００４】
この照明された試料４の面で反射した光は、再び対物レンズ３により集光され、ハーフミラー２によって反射されて、対物レンズ３の集光位置に配置されたピンホール５により試料４上の集光点以外からの反射光がカットされ、ピンホール５を透過した光だけが光検出器６よって検出される。
【０００５】
このように点状に集光された照明光を試料４の面全体に亘ってラスター走査し、このラスター走査に対応させて光検出器６からの濃度情報をモニタに表示することによって、試料４の面の２次元像が得られる。
【０００６】
このような顕微鏡で試料４の２次元像を得る場合、試料４の表面は、平坦な面でなく、例えば符号Ａに示すような対物レンズ３の集光位置からずれた面も存在する。
【０００７】
このような面Ａから反射した光は、上記顕微鏡では破線で示すようにピンホール５上に集光することはないので、対物レンズ３の集光位置以外からの反射光は、ピンホール５でカットされて光検出器６で検出されることはない。
【０００８】
このような事から上記顕微鏡では、対物レンズ３の集光位置、すなわち合焦位置に存在する試料４の面の光学像のみを高精度に測定できる。
又、図９に示すように高さの異なる３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料７を通常の光学顕微鏡で観察する場合を想定する。
【０００９】
このような試料７で、例えば試料面Ａに合焦させたとき、他の試料面Ｂ、Ｃの光学像は惚けてしまう。このため、全ての試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画像、すなわち試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対してピントがあった際に得られる光学像を観察することは不可能である。
【００１０】
一方、共焦点走査型光学顕微鏡では、各試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画像を各々保存した後、これら試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画像を光学的に足し合わせることによって、全ての試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する合焦画素を得ることができる。なお、実際には、各試料面Ａ、Ｂ、Ｃから発生する光学像の明るさの最大値を相互に足し合わせればよい。
【００１１】
以上のような試料の表面状態の測定方法は、文献として『ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ』トニーウィルソン、コーリンシェパード著：ＡＣＡＤＥＭＩＣ ＰＲＥＳＳ発行の１２６頁〜１３０頁に記載されている。
【００１２】
又、この文献中には、試料の表面形状を測定する技術が記載されている。
すなわち、試料面の１点に集束光を照射した状態で、この集束光をその光軸方向（Ｚ方向）にＺ走査し、この走査中に輝度が最も高くなる位置（Ｚ位置）を検出して保存する。
【００１３】
次に上記集束光をＸ方向に移動させることによって試料面の次の１点に集束光を照射し、この点で上記同様のＺ走査を行い、この走査中に輝度が最も高くなる位置（Ｚ位置）を検出して保存する。
【００１４】
このように集束光を試料面上でＸＹ方向に移動させて各点で集束光を照射し、その点でＺ走査を行って輝度が最も高くなるＺ位置を検出することを繰り返すことによって、輝度変化に基づいて試料の表面形状が測定される。
【００１５】
具体的に共焦点走査型光学顕微鏡を用いた試料の高さ測定動作について説明すると、図１０には共焦点走査型光学顕微鏡の構成図を示す。
顕微鏡本体１０には、レーザ光源１１が備えられ、このレーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射する。
【００１６】
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５により動作制御され、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて２次元平面（ＸＹ平面）上に走査するものとなっている。
【００１７】
この２次元走査機構１４の下方には、レボルバ１６が設けられ、これに対物レンズ１７が取り付けられている。
そして、この対物レンズ１７の下方には、ステージ１８が設けられ、このステージ１８上に試料１９が載置されている。
【００１８】
又、ハーフミラー１３の分岐方向には、ピンホール２０を介して光検出器２１が配置されている。
このピンホール２０は、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置に配置されたものであり、光検出器２１は、このピンホール２０を通過した光をその光量に対応した電気信号に変換出力するものである。
【００１９】
ステージ１８は、Ｚ方向移動制御回路２２の制御によりＺ方向に上下動するものとなっている。
画像処理ユニット２３は、光検出器２１から出力された電気信号を入力すると共にＺ方向移動制御回路２２によるステージ１８の移動回数のカウント値を入力し、光検出器２１により検出された光量が最大値を示したステージ１８の移動回数のカウント値から合焦位置を求める機能を有している。
【００２０】
この画像処理ユニット２３には、第１の画像メモリＭ1 、第２の画像メモリＭ2 が備えられ、第１の画像メモリＭ1 には、ステージ１８０移動させたときの光検出器２１からの電気信号の最大値が保存され、第２の画像メモリＭ2 には、光検出器２１からの電気信号が最大となるときのステージ１８の移動回数のカウント値が保存される。
【００２１】
コンピュータ２４は、走査制御ユニット１５、Ｚ方向移動制御回路２２及び画像処理ユニット２３に対して各指令を発して制御するものであり、かつ測定範囲の設定及び各測定範囲内のステージ１８の移動量や、画像表示及び顕微鏡システムの制御等をモニタ２５に表示して観察者に報知するものとなっている。
【００２２】
このように構成された顕微鏡の作用について図１１に示す動作フローチャートに従って説明する。
ここで、第１、第２の画像メモリＭ1 、Ｍ2 に保存される値をそれぞれＭa 、Ｍb とし、ステージ１８の移動回数のカウント値をｋ、このときに光検出器２１から出力される電気信号をＩk とする。Ｍb ≠ｋ Ｍb はＩk が最大となるときのｋの値
測定が開始されると、ステップＳ1 において、コンピュータ２４の指令によりステージ１８が測定開始位置Ｚo に設定され、かつステージ１８の移動回数のカウント値ｋがクリア（ｋ＝０）され、第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa がクリア （＝Ｉo ）されるとともに、第２の画像メモリＭ2 に保存されている値Ｍb リセット（Ｍb ＝０）される。
【００２３】
次に、ステージ１８は、ステップＳ2 においてＺ方向移動制御回路２２の制御によりΔＺ分だけ例えば上方に移動される。ステージ１８の移動回数のカウント値ｋ（Ｍb ≠ｋ）は、「１」だけカウントアップされる。
【００２４】
この状態で、レーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射する。
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５の動作制御により、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて試料１９の２次元平面上に走査する。
【００２５】
この２次元平面上に走査したときの試料１９から反射されたレーザ光は、２次元走査機構１４からハーフミラー１３に導かれ、ここで反射してピンホール２０を通って光検出器２１に入射する。
【００２６】
この光検出器２１は、ピンホール２０を通過した光をその光量に対応した電気信号に変換出力する。
そして、コンピュータ２４は、ステップＳ3 において、第１の画像メモリＭ1 に保存されている値Ｍa と現在の光検出器２１からの電気信号Ｉk とを比較し、現在の光検出器２１からの電気信号Ｉk が値Ｍa よりも大きければ、ステップＳ4 に移って第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa をＩk に書き替えるとともに、第２の画像メモリＭ2 の値Ｍb をｋに書き替える。
【００２７】
なお、現在の光検出器２１からの電気信号Ｉk が第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa よりも小さければ、第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa 及び第２の画像メモリＭ2 の値Ｍb はそのままである。
【００２８】
このように上記ステップＳ2 〜Ｓ4 の処理をステップＳ5 の判断で所定のＮ回繰り返すことによって、光検出器２１から出力される電気信号Ｉk の最大値が第１の画像メモリＭ1 の値Ｍa として保存され、そのときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが第２の画像メモリＭ2 に保存される。
【００２９】
なお、実際の共焦点走査型光学顕微鏡では、ガルバノメータやＡＯＤ素子などの高速な２次元走査機構を用いて集束光をＸＹ平面上に移動させ、このｘｙ走査を行って試料１９の各点の輝度を検出し、順次Ｚ位置を移動させながら、試料１９上の各点での電気信号Ｉk の大小を比較することによって試料１９の全体の測定時間を短くしている。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記高さ測定測定の場合、Ｚ走査による輝度の値は、例えば図１２に示す各測定データ「○」のようになり、対物レンズ１７と試料１９との相対位置を連続的に変化させた場合の輝度の変化曲線Ｗ1 上で輝度の値が最大となる位置Ｚt より、ずれた位置Ｚm がＺ位置として保存されてしまう。
【００３１】
このずれは、Ｚ走査を離散的に行っていること、すなわちＺ走査の量子化により生じる誤差であり、そのずれ量は最大でＺ方向の移動ステップΔｚの２分の１となる。そして、このずれ量は、Ｚ走査の開始位置で決まるので、測定の度にばらつき、測定再現性を悪くする原因となる。
【００３２】
例えば、２点間の高さを測定する場合、これらの点で各々、Ｚ移動ステップの２分の１の誤差が生じるので、全体でＺ移動ステップΔｚ分の誤差が生じることになる。
【００３３】
そこで、このような誤差を小さくするためにＺ移動ステップΔｚを小さくすればよいが、輝度が最大となる位置を検出するには、Ｚ方向に１ステップ駆動したときの光検出器２１の出力変化が、電気的なノイズや第１の画像メモリＭ1 の１階調分に相当する輝度の値よりも大きくなければならない。
【００３４】
仮にＺ移動ステップΔｚを小さくしたとしても、光強度が最大となる位置近傍における輝度の値が、電気的なノイズや第１の画像メモリＭ1 の１階調分に相当する強度以下であれば、本来の光強度と検出した光強度との大小が一致しない場合があり、輝度の値が最大となるＺ位置を正確に検出することにはならない。
【００３５】
すなわち、上記方法では、Ｚ移動ステップΔｚは、光強度が最大となる位置近傍における輝度の変化量と電気的なノイズや第１の画像メモリＭ1 の１階調に相当する光強度で制限されることになるが、図１２に示すように光強度が最大となる位置近傍では、輝度の変化が小さいので、必然的にＺ移動ステップΔｚは、ある所定の量より小さくすることができない。
【００３６】
従って、最近の半導体プロセスでは、半導体ウエハ上のパターンの厚さ等の測定において０．１μｍ以下の分解能で測定し、かつその再現性が０．０５μｍ以下であることが求められており、上記の高さ測定方法及びこの方法を適用した顕微鏡ではこうした要求に応えられなくなってきている。
そこで本発明は、Ｚ移動ステップを小さくしても正確に高さ情報を得ることができる高さ測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、光を光学レンズを通して試料に照射し、この試料から反射された光を光学レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光強度を検出する工程と、
光学レンズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させたときの光強度の変化における変曲点となる光学レンズと試料との相対位置を高さ情報として取得する工程と、
を有する高さ測定方法である。
【００３８】
請求項２によれば、光を対物レンズを通して試料に照射したときの試料表面からの反射光を対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光検出器に入射し、この光検出器により検出された光強度に基づいて光学レンズと試料との高さ情報として得る高さ測定装置において、
対物レンズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させる移動機構と、この移動機構により対物レンズと試料との相対位置を変化させときの光検出器により検出される光強度の変化における変曲点を検出する変曲点検出手段と、
この変曲点検出手段により検出された変曲点に基づいて対物レンズと試料との相対位置を高さ情報として得るに高さ情報取得手段と、
を備えた高さ測定装置である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
(1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の高さ測定方法は、光を光学レンズを通して試料に照射し、この試料から反射された光を光学レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光強度を検出する工程と、光学レンズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させたときの光強度の変化における変曲点となる光学レンズと試料との相対位置を高さ情報として取得する工程とを有するものである。
【００４０】
図１はかかる高さ測定方法を適用した共焦点走査型光学顕微鏡の構成図である。なお、図１０と同一部分には同一符号を付して簡単に説明する。
顕微鏡本体１０に備えられたレーザ光源１１から出射された走査用レーザ光の光路上には、ミラー１２、ハーフミラー１３を介して２次元走査機構１４が配置されている。
【００４１】
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５から出力される走査制御信号Ｐ1 を受けて動作制御され、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて２次元平面（ＸＹ平面）上に走査する機能を有している。
【００４２】
この２次元走査機構１４の下方には、対物レンズ１７が取り付けられたレボルバ１６が設けられている。
そして、この対物レンズ１７の下方側には、試料１９を載置するステージ１８が設けられている。
【００４３】
又、ハーフミラー１３の分岐方向には、ピンホール２０を介して光検出器２１が配置されている。
このピンホール２０は、上記の如く対物レンズ１７の集光位置と共役な位置に配置されている。
【００４４】
ステージ１８は、Ｚ方向移動制御回路２２から出力されるＺ制御信号Ｐ2 を受けて駆動制御され、Ｚ方向に所定のＺ移動ステップΔｚ毎に上下動する機能を有しいる。
【００４５】
画像処理ユニット３０は、光検出器２１から出力された電気信号を入力すると共にＺ方向移動制御回路２２によるステージ１８の移動回数のカウント値を入力し、光検出器２１により検出された光強度の変化における変曲点、例えば光強度の変化が最大を示したステージ１８の移動回数のカウント値ｋに基づいて対物レンズ１７と試料１９との相対位置を高さ情報として取得する機能を有している。
【００４６】
この画像処理ユニット３０には、それぞれ５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）から成る第１の画像メモリＭ10、第２の画像メモリＭ11及び第３の画像メモリＭ12が備えられている。
【００４７】
このうち第１の画像メモリＭ10には、ステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動させたときの前回の測定点において光検出器２１から出力された電気信号Ｉk-1 と今回の測定点において光検出器２１から出力された電気信号Ｉk との差の最大値、すなわち光強度の変化の最大を示す値Ｉk −Ｉk-1 が保存される。
【００４８】
又、第２の画像メモリＭ11には、今回の測定点において光検出器２１から出力された電気信号Ｉk が保存される。
又、第３の画像メモリＭ12には、Ｉk −Ｉk-1 が最大となるステージ１８の移動回数のカウント値ｋが保存されるものとなっている。
【００４９】
コンピュータ３１は、図２に示す動作フローチャートに従って、走査制御ユニット１５、Ｚ方向移動制御回路２２及び画像処理ユニット３０に対して各指令を発して制御するものであり、かつ測定範囲の設定及び各測定範囲内のステージ１８の移動量や、画像表示及び顕微鏡システムの制御等をモニタ２５に表示して観察者に報知するものとなっている。
【００５０】
次に上記の如く構成された光学顕微鏡の作用について説明する。
観察者が試料１９をステージ１８上に載置の後、コンピュータ３１の制御によって試料１９上に集光された微小スポットの走査用レーザ光がＸＹ平面上に走査される。
【００５１】
すなわち、レーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射する。
この２次元走査機構１４は、走査制御ユニット１５の動作制御により、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を用いて試料１９の２次元平面上にラスター走査する。
【００５２】
これと同時に、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動制御によりステージ８をＺ方向にステップ状に移動して対物レンズ１７と試料１９との相対距離を変化させる。このとき、試料１９にピントが合ったか否かの判断は、モニタ２４に表示された画像を観察者が見ながら行う。
【００５３】
次に、観察者は、測定動作に関係する各パラメータの設定を行う。
先ず、コンピュータ３１によって試料１９の測定範囲Ｌ及び測定を開始するステージ１８の位置Ｚo が設定され、この後、ステージ１８の１回あたりのＺ方向への移動量（Ｚ方向移動ステップ）Δｚが設定される。
【００５４】
このＺ方向移動ステップΔｚは、ここでは対物レンズ１７の集光位置に対して試料１９の位置をＺ方向に移動させる際の１回の移動量である。
又、測定範囲Ｌとステージ１８の１回あたりのＺ方向移動ステップΔｚとが設定されると、ステージ１８の移動回数Ｎは、
Ｌ／Δｚ≦Ｎ …(1)
という関係に従って決定される。
【００５５】
ステージ１８の移動回数Ｎのカウント値は、第３の画像メモリＭ12に保存されるので、ステージ１８の移動回数Ｎは、第３の画像メモリＭ12の階調数２５５以下に制限される。
【００５６】
このように測定範囲Ｌ、移動量Δｚ及び移動回数Ｎが設定された後、試料１９に対する測定が開始される。
ここで、第１〜第３の画像メモリＭ10〜Ｍ12に保存される値をそれぞれＭa 、Ｍb 、Ｍc とし、ステージ１８の移動回数のカウント値をｋ、このときに光検出器２１から出力される電気信号をＩk とする。
【００５７】
次に図２に示す光学顕微鏡の動作フローチャートに従って説明する。
測定が開始されると、ステップ＃１において、ステージ１８はＺ方向移動制御回路２２の駆動により測定開始位置ＺO に移動され、かつステージ１８の移動回数のカウント値ｋがリセットされる。
【００５８】
これと共に第１の画像メモリＭ10に保存される値Ｍa がクリアされるととともに、このときに例えば図３に示す光検出器２１から出力される電気信号Ｉo が第２の画像メモリＭ11に保存される。
【００５９】
次に、ステージ１８は、ステップ＃２において、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動によりＺ方向移動ステップΔｚ分だけＺ方向に移動し、ステージ１８の移動回数のカウント値ｋが「＋１」だけカウントアップされる。
【００６０】
続いて、画像処理ユニット３０は、ステップ＃３において、このとき光検出器２１から出力される電気信号Ｉk を入力し、この電気信号Ｉk と第２の画像メモリＭ11に保存される電気信号Ｍb との差、
Ｉk −Ｍb （Ｉk −Ｉk-1 ） …(2)
を求め、これと第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa （＝０）とを比較する。
【００６１】
この比較の結果、
Ｍa ＜Ｉk −Ｍb …(3)
上記式(3) の関係が成り立ち、Ｉk −Ｍb がＭa よりも大きければ、画像処理ユニット３０は、ステップ＃４に移って第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa をＩk −Ｍb に書き替えて保存する。
【００６２】
これと共に画像処理ユニット３０は、第３の画像メモリＭ12の値Ｍc を、このときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋに書き替えて保存する。続くステップ＃５において第２の画像メモリＭ11の値Ｍb を光検出器２１から出力される電気信号Ｉk に書き替えて保存する。
【００６３】
具体的に図３に示すように、例えばステージ１８がＺ方向移動制御回路２２の駆動によりステージ１８の移動回数のカウント値「ｋ＝３」から「ｋ＝４」のｚ位置方向に移動したときを例にして説明すると、画像処理ユニット３０は、ステップ＃３において、現在のステージ１８の位置（ｋ＝４）で光検出器２１から出力される電気信号Ｉ4 を入力し、この電気信号Ｉ4 と第２の画像メモリＭ11に保存される前回のステージ１８の位置（ｋ＝３）での電気信号Ｍb （＝Ｉ3 ）との差、
Ｉ4 −Ｉ3 …(4)
を求め、これと第１の画像メモリＭ10に保存されているこれまでの値Ｍa （＝Ｉk+1 −Ｉk ）の最大値、例えば図３ではＩ3 −Ｉ2 とを比較する。
【００６４】
この比較の結果、Ｉ4 −Ｉ3 がＩ3 −Ｉ2 よりも大きければ、画像処理ユニット３０は、ステップ＃４に移って第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa をＩ3 −Ｉ2 からＩ4 −Ｉ3 に書き替えて保存する。
【００６５】
このとき第３の画像メモリＭ12には、ステージ１８の移動回数のカウント値ｋ（＝４）が保存され、続くステップ＃５において第２の画像メモリＭ11には、光検出器２１から出力される電気信号Ｉ4 が保存される。
【００６６】
このように上記ステップ＃２〜＃５の処理がステップ＃６での判断によって所定のＮ回繰り返えされることによって、光検出器２１から出力される電気信号Ｉk のレベル変化の最大値、すなわち光強度の変化の最大値が第１の画像メモリＭ10に保存され、そのときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが第３の画像メモリＭ12に保存される。
【００６７】
図４はステージ１８をＺ方向に移動したときの光検出器２１から出力された電気信号Ｉk の変化曲線Ｗ2 について、電気信号Ｉk の変化（Ｉk −Ｉk-1 ）すなわち微分値を取った図である。
【００６８】
この図から電気信号Ｉk の変化Ｉk −Ｉk-1 の最大値ΔＩma、最小値ΔＩmb、すなわち微分値ｄＩk ／ｄｘの最大値Ｇ1 、最小値Ｇ2 がＺ方向のＺa 、Ｚb に現れることが分かり、これら電気信号Ｉk の変化Ｉk −Ｉk-1 の最大値ΔＩmaが第１の画像メモリＭ10の値Ｍa として保存される。
【００６９】
ここで、ステッブ＃３でＭa ＜Ｉk −Ｉb のときステップ＃４を行えば、Ｍa にはＩk −Ｉk-1 の最大値ΔＩmaが保存され、Ｍa ＞Ｉk −Ｉb のときステップ＃４を行えば、Ｍa にはＩk −Ｉk-1 の最小値ΔＩmbが保存される。
【００７０】
実際の測定では、電気信号Ｉk の変化Ｉk −Ｉk-1 の最大値ΔＩmaとΔＩmbの一方のみを検出するのみでよい。
ここで、共焦点走査型光学顕微鏡において、対物レンズ１７と試料１９と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、例えば前述の文献『ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＰＲＡＣＴＩＣＥ ＯＦ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ』１２６頁に記載されているように理論的に求められており、以下のように表される。
【００７１】
Ｉ（Ｚ）＝［｛ sin（ｕ／２）｝／（ｕ／２）］2 …(5)
ｕ＝８πＺ・ sin2 （θ／２）／λ
ＮＡ＝ sinθ
Ｉは光強度、Ｚは焦点からの距離、ＮＡは対物レンズ１７の開口数、λは光の波長である。
【００７２】
試料１９の各点ごとの反射率・透過率が変化すれば、これら反射率・透過率に応じて光強度Ｉが係数倍されることになり、図３において輝度の変化曲線Ｗ2 が縦方向に係数倍されることになるが、この輝度の変化曲線Ｗ2 の形自体は変化しない。
光強度Ｉが最大になるのは、光強度Ｉの微分係数が「０」なるときであるから、上記式(5) をＺで微分して、
【００７３】
【数１】
【００７４】
この式(6) において、ｕ／２＝０のとき、すなわちＺ＝０のときｄＩ／ｄＺ＝０となり、このときに輝度が最大となる。
一方、光強度の変化ｄＩ／ｄＺが最大となるのは、ｄＩ／ｄＺの微分係数が 「０」になるときであるから、上記式(6) をさらにＺで微分して、
【００７５】
【数２】
【００７６】
そこで、ｕ／２＝±１．３０３のとき、ｄ2 Ｉ／ｄＺ2 ＝０となる。
ここで、符号の正負「±」は、光強度の変化が正であるか負であるかを示し、符号の正負で光強度の変化の絶対値は等しくなる。なお、符号が「＋」のとき、光強度の変化が最大の極大値となり、符号が「−」のとき、光強度の変化が最小の極小値となる。すなわち、図４に示すＺa 、Ｚb に現れる最大値ΔＩma、最小値ΔＩmbを示す。
【００７７】
例えば、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとすると、光強度の変化が最大となるのはＺ＝±０．１４７μｍとなる。
従って、この場合は、試料１９のある点で、ｚ走査を行って光強度の変化が最大となるＺ位置を検出し、その値に０．１４７μｍを加算すると、その点での試料１９の高さが求められる。
【００７８】
又は、光強度の変化が最小となるＺ位置を検出し、その値に０．１４７μｍを減算しても、その点での試料１９の高さが求められる。
すなわち、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、図４に示す位置Ｚa 、Ｚb の位置を求めれば、これら位置Ｚa 、Ｚb から変化曲線Ｗa の最大値までの各距離ｅa 、ｅb は開口数ＮＡ及び波長λにより定まるので、位置Ｚa に０．１４７μｍを加算することにより試料１９の高さが求められ、又位置Ｚb から０．１４７μｍを減算することにより試料１９の高さが求められる。
【００７９】
従って、画像処理ユニット３０は、光強度の変化が最大又は最小となるＺ位置、例えば図４に示すＺa 、Ｚb を検出すると、このうちのＺa に０．１４７μｍを加算してその点での試料１９の高さを求め、又はＺb から０．１４７μｍを減算してその点での試料１９の高さを求める。
【００８０】
一般的には、例えば上記図９に示すように３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９（７）における各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定するものであり、このような場合の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する各変化曲線は、例えば図５に示す通りＷa は試料面Ａの変化曲線、Ｗb は試料面Ｂの変化曲線、Ｗc は試料面Ｃの変化曲線を表す。
【００８１】
なお、これら変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc は、ステージ１８上に試料１９（７）を載置し、２次元走査機構１４によって走査用レーザ光を試料９の全体に走査し、このときに試料１９（７）から反射されるレーザ光の光強度を光検出器２１により検出し、その電気信号Ｉk を画像処理ユニット３０に入力し、ここで電気信号Ｉk の最大値を順次検出する処理で得られるが、本発明の顕微鏡を用いれば、各試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の各最大を示す位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcが求められる。
【００８２】
従って、画像処理ユニット３０は、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、これら位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcにそれぞれ０．１４７μｍを加算することにより試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを求め、さらにこれら試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを比較して各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。
【００８３】
又、画像処理ユニット３０は、上記各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の最大を示す各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの高さに換算せずに、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。例えば、試料面ＡとＢの高さの差Ｚtb−ＺtaとＺwb−Ｚwaが等しくなるからである。
【００８４】
このように上記第１の実施の形態においては、対物レンズ１７と試料１９（７）との相対位置を光軸方向に変化させ、このときの光検出器２１により検出される光強度の変化における最大又は最小を検出し、これら最大又は最小となる位置から対物レンズ１７と試料１９（７）との相対位置を求めるようにしたので、光強度の変化が光検出器２１の電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10の１階調分に相当する光強度差と同程度になるまでＺ移動ステップを小さくでき、Ｚ移動ステップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定ができる。
【００８５】
すなわち、光強度の変化が最大又は最小となる点での光強度変化の絶対値は、光強度の変化曲線（例えば図３に示す変化曲線Ｗ2 ）上で文字通り最大になる。従って、この位置では、光検出器２１の電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10の１階調と同レベルになる限界のＺ移動ステップΔｚは、輝度が最大となる位置近傍での光強度変化が同様の関係になるＺ移動ステップΔｚより当然小さくなるので、Ｚ移動ステップΔｚを小さくして、ｚ移動の量子化により生じる誤差を少なくできる。
【００８６】
又、３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定する場合でも、これら試料面Ａ、Ｂ、Ｃに対する各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の最大となる各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcから光強度の最大となる位置に換算することなく、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）、例えば半導体ウエハ上の各パターンの高さの差を得ることができる。
【００８７】
さらに構成上は、従来顕微鏡と比較しても画像メモリを１つ増設するだけの簡単な変更だけでよい。
(2) 次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００８８】
図６は共焦点走査型光学顕微鏡の構成図である。
顕微鏡本体１０内におけるハーフミラー１３の分岐方向には、試料１９からの反射光を等量に分岐するビームスプリッタ４０が配置されている。
【００８９】
このビームスプリッタ４０の一方の分岐方向に対物レンズ１７の集光位置と共役に位置に配置された第１のピンホール４１を介して第１の光検出器４２が配置されている。
【００９０】
又、ビームスプリッタ４０の他方の分岐方向には、対物レンズ１７の集光位置と共役に位置ｆよりもずれた位置に配置された第２のピンホール４３を介して第２の光検出器４４が配置されている。
【００９１】
第２のピンホール４３の配置位置は、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置ｆすなわち第１のピンホール４１に対してｚ移動の最小ステップに相当する距離だけずれた位置となっている。つまり第２のピンホール４３は、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置ｆから、光強度の変化が最大となる位置近傍における輝度の変化量と、電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10に保存される１階調に相当する光強度とで制限される最小のＺ移動ステップΔｚに対し、試料１９からピンホール４３への光学系の縦倍率倍された位置に配置されている。
【００９２】
差分回路４５は、第１の光検出器４２から出力された第１の電気信号と第２の光検出器４４から出力された第２の電気信号との差分を求め、この差分信号を画像処理ユニット４６の第１の画像メモリＭ10に送る機能を有している。
【００９３】
この差分回路４５から出力される差分信号は、対物レンズ１７と試料１９との相対位置をＺ方向に最小のステップに相当する距離だけ移動させたときの光強度の変化量と等価、すなわち図７に示すようにステージ１８をｚ移動ステッブΔｚだけ移動させたときの、例えば電気信号Ｉ11とＩ10との差分Ｉ11−Ｉ10と等価となっている。
【００９４】
画像処理ユニット４６は、差分回路４５から出力された差分信号を入力すると共にＺ方向移動制御回路２２によるステージ１８の移動回数のカウント値を入力し、差分回路４５から出力された差分信号の変化が最大を示したステージ１８の移動回数のカウント値に基づいて対物レンズ１７と試料１９との相対位置を高さ情報として取得する。
【００９５】
この画像処理ユニット４６は、それぞれ５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）から成る第１の画像メモリＭ10及び第３の画像メモリＭ12を備え、このうち第１の画像メモリＭ10に差分信号の最大値、すなわち光強度の変化の最大を示す値Ｍa （＝Ｉk −Ｉk-1 ）が保存され、かつ第３の画像メモリＭ12に光強度の変化が最大となるステージ１８の移動回数のカウント値ｋが保存されるものとなっている。
【００９６】
次に上記の如く構成された顕微鏡の作用について説明する。
レーザ光源１１から出射された走査用レーザ光は、ミラー１２で反射し、ハーフミラー１３を透過して２次元走査機構１４に入射し、この２次元走査機構１４の走査動作によって試料１９の２次元平面上に走査される。
【００９７】
これと同時に、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動制御によりステージ１８をＺ方向にステップ状に移動して対物レンズ１７と試料１９との相対距離を変化させる。このとき、試料１９にピントが合ったか否かの判断は、モニタ２４に表示された画像を観察者が見ながら行う。
【００９８】
次に、観察者により測定動作に関係する各パラメータの設定、すなわちコンピュータ３１によって試料１９の測定範囲Ｌ及び測定を開始するステージ１８の位置Ｚo が設定され、この後、ステージ１８１回あたりのＺ方向への移動量Δｚが設定される。
【００９９】
そして、測定が開始されると、ステージ１８はＺ方向移動制御回路２２の駆動により測定開始位置ＺO に移動され、かつステージ１８の移動回数のカウント値ｋがリセットされる。
【０１００】
これと共に第１の画像メモリＭ10に保存される値Ｍa がクリアされるととともに、このときに差分回路４５から出力される差分信号が第１の画像メモリＭ10に保存される。
【０１０１】
次に、ステージ１８は、Ｚ方向移動制御回路２２の駆動により移動量Δｚ分だけＺ方向に移動し、ステージ１８の移動回数のカウント値ｋが「＋１」だけカウントアップされる。
【０１０２】
この状態に、試料１９からの反射光は、２次元走査機構１４からハーフミラー１３を経てビームスプリッタ４０に入射し、ここで第１のピンホール４１側と第２のピンホール４３側との２方向に分岐される。
【０１０３】
このうち第１のピンホール４１を透過した光は第１の光検出器４２に入射し、この第１の光検出器４２は、入射した光量に応じた第１の電気信号Ｉk を出力する。
【０１０４】
又、第２のピンホール４３を透過した光は第２の光検出器４４に入射し、この第２の光検出器４４は、入射した光量に応じた第２の電気信号Ｉk-1 を出力する。
【０１０５】
差分回路４５は、第１の光検出器４２から出力された第１の電気信号Ｉk と第２の光検出器４４から出力された第２の電気信号Ｉk-1 との差分Ｉk −Ｉk-1 を求め、この差分信号Ｉk −Ｉk-1 を画像処理ユニット４６の第１の画像メモリＭ10に送る。
【０１０６】
すなわち、この差分回路４５から出力される差分信号Ｉk −Ｉk-1 は、対物レンズ１７と試料１９との相対位置をＺ方向に最小のステップに相当する距離だけ移動させたときの光強度の変化量と等価、例えば図７に示すようにステージ１８をｚ移動ステッブΔｚだけ移動させたときの、第１と第２の電気信号Ｉ11とＩ10との差分Ｉ11−Ｉ10と等価となっている。
【０１０７】
画像処理ユニット４６は、差分信号Ｉk −Ｉk-1 と第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa とを比較する。
この比較の結果、
Ｍa ＜Ｉk −Ｉk-1 …(8)
上記式(8) の関係が成り立ち、Ｉk −Ｉk-1 がＭa よりも大きければ、画像処理ユニット４６は、第１の画像メモリＭ10に保存されている値Ｍa をＩk −Ｉk-1 に書き替えて保存する。
【０１０８】
このとき第３の画像メモリＭ12には、このときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが保存される。
このように上記処理が所定のＮ回繰り返えされることによって、第１の光検出器４２と第２の光検出器４４とから出力される各電気信号Ｉk 、Ｉk-1 との差分信号の最大値が第１の画像メモリＭ10に値Ｍa として保存され、そのときのステージ１８の移動回数のカウント値ｋが第３の画像メモリＭ12に保存される。
【０１０９】
従って、画像処理ユニット４６は、上記第１の実施の形態と同様に、例えばＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、上記図４に示す位置Ｚa 、Ｚb の位置を求めることができ、これら位置Ｚa 、Ｚb から変化曲線Ｗa の最大値までの各距離ｅa 、ｅb は開口数ＮＡ及び波長λにより定まるので、位置Ｚa に０．１４７μｍを加算することにより試料１９の高さを求める。又位置Ｚb から０．１４７μｍを減算することにより試料１９の高さを求めてもよい。
【０１１０】
又、例えば上記図９に示すように３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定する場合でも、画像処理ユニット４６は、ＮＡ＝０．９５、λ＝４８８ｎｍとした場合、図５に示すように各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcにそれぞれ０．１４７μｍを加算することにより試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを求め、さらにこれら試料面Ａ、Ｂ、Ｃの各高さを比較して各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。
【０１１１】
又、画像処理ユニット４６は、上記各変化曲線Ｗa 、Ｗb 、Ｗc の変化の最大となる各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの高さに換算せずに、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さの差を求める。
【０１１２】
このように上記第２の実施の形態においては、対物レンズ１７の集光位置と共役な位置に配置された第１のピンホール４１を介して第１の光検出器４２を配置するとともに対物レンズ１７の集光位置と共役な位置ｆよりもずれた位置に配置された第２のピンホール４３を介して第２の光検出器４４を配置し、これら第１と第２の光検出器４２、４４から各出力される第１と第２の電気信号の差分信号の最大値を検出するようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、光強度の変化の最大値を検出することと等価となり、光強度の変化が第１及び第２の光検出器４２、４４の電気的なノイズや第１の画像メモリＭ10の１階調分に相当する光強度差と同程度になるまでＺ移動ステップを小さくでき、Ｚ移動ステップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定ができる。
【０１１３】
又、３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃを有する試料１９（７）の各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）を測定する場合でも、直接各位置Ｚwa、Ｚwb、Ｚwcを比較することにより各試料面Ａ、Ｂ、Ｃの相対的な高さ（の差）、例えば半導体ウエハ上の各パターンの高さの差を得ることができる。
【０１１４】
さらに構成上は、従来顕微鏡と比較しても従来の顕微鏡と同等の画像メモリで対応できる。
なお、本発明は、上記第１及び第２の実施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。
【０１１５】
例えば、図９に示す試料７の３つの試料面Ａ、Ｂ、Ｃの高さ情報を得る場合、先ず、ステージ１８を粗動させて対物レンズ１７を例えば試料面Ｃに対して粗に位置合わせし、この後にステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動して高精度に試料面Ｃの高さ情報を取得する。
【０１１６】
次に、ステージ１８を粗動させて対物レンズ１７を試料面Ａに対して粗に位置合わせし、この後にステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動して高精度に試料面Ａの高さ情報を取得する。
【０１１７】
そして、ステージ１８を粗動させて対物レンズ１７を試料面Ｂに対して粗に位置合わせし、この後にステージ１８をＺ移動ステップΔｚ毎に移動して高精度に試料面Ｂの高さ情報を取得する。
【０１１８】
このようにステージ１８を粗動とＺ移動ステップΔｚとを組み合わせて動作させれば、ステージ１８を全てＺ移動ステップΔｚ毎に移動させることなく、高さ情報の取得時間を短縮できる。
【０１１９】
又、上記第２の実施の形態において、ｚ移動のステップを、その最小値より大きな値に設定した場合でも、差分回路４５の出力は、最小ステップでのｚ移動による輝度の変化量を検出している。
【０１２０】
このようにＺ移動ステップがその最小値より大きな値に設定した場合には、設定したＺ移動ステップに応じて第２のピンホール４３を対物レンズ１７の集光位置と共役な位置から離すように構成すれば、差分回路４５から出力される光強度の変化量が大きくなり、電気的なノイズの影響がより小さくなってより高精度な測定ができる。
【０１２１】
又、上記第２の実施の形態において、第２のピンホール４３は対物レンズ１７の集光位置と共役な位置から離して対物レンズ１７からの距離を広くした位置に配置しているが、これとは反対に対物レンズ１７からの距離を短くする位置に配置してもよい。この場合、第２の光検出器４４の方が第１の光検出器４２よりもＺ移動ステップΔｚ分だけ前の光強度を検出するものとなる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、Ｚ移動ステップを小さくしても正確に輝度の値が最大となるところを検出して高さ情報が得られる、すなわち光強度の変化が光検出器の電気的なノイズや画像メモリの１階調分に相当する光強度差と同程度になるまでＺ移動ステップを小さくでき、Ｚ移動ステップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定方法及びその装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる共焦点走査型光学顕微鏡の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】同光学顕微鏡の動作フローチャート。
【図３】光強度の変化の最大値を検出するための作用を説明するための図。
【図４】ステージをＺ方向移動したときの電気信号の変化の最大値を示す図。
【図５】３つの試料面に対する各変化曲線を示す図。
【図６】本発明に係わる共焦点走査型光学顕微鏡の第２の実施の形態を示す構成図。
【図７】同顕微鏡における差分回路の作用を説明するための図。
【図８】一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成図。
【図９】高さの異なる３つの試料面を有する試料の外観図。
【図１０】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の構成図。
【図１１】同顕微鏡の動作フローチャート。
【図１２】光検出器から出力される電気信号の最大値を検出する作用を説明するための図。
【符号の説明】
１０…顕微鏡本体、
１１…レーザ光源、
１４…２次元走査機構、
１５…走査制御ユニット、
１６…レボルバ、
１７…対物レンズ、
１８…ステージ、
１９…試料、
２０…ピンホール、
２１…光検出器、
２２…Ｚ方向移動制御回路、
２５…モニタ、
３０…画像処理ユニット、
Ｍ10…第１の画像メモリ、
Ｍ11…第２の画像メモリ、
Ｍ12…第３の画像メモリ、
３１…コンピュータ、
４０…ビームスプリッタ、
４１…第１のピンホール、
４２…第１の光検出器、
４３…第２のピンホール、
４４…第２の光検出器、
４５…差分回路、
４６…画像処理ユニット。
Claims (2)
- 光を光学レンズを通して試料に照射し、この試料から反射された光を前記光学レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光強度を検出する工程と、
前記光学レンズと前記試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させたときの前記光強度の変化における変曲点となる前記光学レンズと前記試料との相対位置を高さ情報として取得する工程と、
を有することを特徴とする高さ測定方法。 - 光を対物レンズを通して試料に照射したときの前記試料表面からの反射光を前記対物レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光検出器に入射し、この光検出器により検出された光強度に基づいて前記光学レンズと前記試料との高さ情報として得る高さ測定装置において、
前記対物レンズと前記試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させる移動機構と、
この移動機構により前記対物レンズと前記試料との相対位置を変化させときの前記光検出器により検出される光強度の変化における変曲点を検出する変曲点検出手段と、
この変曲点検出手段により検出された変曲点に基づいて前記対物レンズと前記試料との相対位置を高さ情報として得るに高さ情報取得手段と、
を具備したことを特徴とする高さ測定装置。
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