JP4503804B2 - 三次元情報取得方法及び共焦点走査型顕微鏡 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料面の三次元情報を取得する三次元情報取得方法、及び試料面の三次元情報を取得する機能を有する共焦点走査型顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
共焦点走査型顕微鏡は、点光源として例えばスポット光を試料面上に走査すると共に、この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で受光して光電変換し、その電気信号から試料面の三次元情報を取得す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では、レーザ光などの点光源とピンホールとを組み合わせ、試料面をピンポイントで照明することで測定点以外からの散乱光を抑制し、かつ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、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、さらに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、測定点以外からの反射光をカットして光検出器により三次元空間中の一点だけを測定できるようにしている。
【0004】
又、共焦点走査型顕微鏡は、対物レンズを通る光軸方向に分解能を持つことが知られている。このことについて説明すると、光軸上で焦点が合っているときに光量が増大し、焦点から外れた点では光量がほぼゼロになる。そこで、試料と対物レンズとの距離を変化させながら試料面上にスポット光を二次元走査して光軸方向に各スライス画像データを取得する。ここで、試料として例えば半導体基板などの表面が光源からの光を反射するような試料については、最大が光量となる光軸位置が試料表面の位置と考えられるので、複数枚のスライス画像データの中で光軸方向の最大光量が得られる対物レンズのZ軸方向の高さをその試料の表面とした三次元の表面形状画像データを取得するものとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
試料と対物レンズとの距離を変化させながら試料面上にスポット光を二次元走査して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で受光したときの光検出器の検出信号Iとその光軸位置(試料と対物レンズとの距離)Zとの関係(I−Z特性)は、例えば図6に示す通りとなり、最大光量の輝度情報がIp、その位置の高さ情報がZpとなる。
【0006】
このようなI−Z特性から最大光量を検出する場合、最大光量位置に大きな誤差が発生することがあり、その結果として測定精度が低下する。そこで、測定精度の向上を図るために例えば特開平11−148811号公報に記載されているような各種の技術が提案されている。上記特開平11−148811号公報に記載されている技術は、図7に示すように光検出器から出力された検出信号をそのまま用いたときの最大光量の輝度情報Ipから高さ情報Zpを演算し、さらに最大光量の輝度情報Ipの半値(Ip/2)の位置の高さ情報Zhから半値幅ΔZを求める。そして、この半値幅ΔZを予め設定された所定のしきい値と比較し、この比較結果に基づいて上記計測した表面高さの有効性を判定する方法である。さらに上記特開平11−148811号公報には、高さ情報を演算するときに、光検出器により検出される最大光量近傍のデータから光検出器の出力波形の近似波形を導いてそのピークを用いることも記載されている。
【0007】
しかしながら、試料表面の反射率にむらがあったり、低倍率の対物レンズを用いた場合に最大光量を特定できるような先鋭なI−Z特性を得ることが出来ず、なだらかな曲線を描くI−Z特性となる。又、ノイズ等により最大光量となり得る極大値が図8に示すように2つ以上現れるようなI−Z特性となる場合もある。
【0008】
このように最大光量となり得る極大値が2つ以上現れるようなI−Z特性の場合、光検出器の出力信号をそのまま用いると、高さ情報Zpそのものの計測方法が変わっていないので、その検出誤差は大きくなる。又、最大光量近傍のデータから光検出器の出力波形の近似波形を導きそのピークを用いる場合には、近似波形を求める処理に時間がかかる。
【0009】
そこで本発明は、先鋭なI−Z特性を得ることが出来なくても、試料の表面形状を高精度にかつ高速に計測できる三次元情報取得方法及び共焦点走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載による本発明は、共焦点走査型顕微鏡を用いて試料面の三次元情報を取得する三次元情報取得方法において、前記共焦点走査型顕微鏡の対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させたときに得られ前記試料の前記画像データから光量が最大となるときの最大輝度情報を検出し、この最大輝度情報に基づいて前記試料面の三次元情報を取得するためのしきい値用輝度情報を算出し、前記対物レンズと前記試料とが相対的に移動したときに得られた相対距離に応じた前記試料の前記画像データに対して前記しきい値用輝度情報を用いて前記試料面の三次元情報を取得するもので、前記画像データは、前記共焦点走査型顕微鏡の前記対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させたときに得られる輝度情報と光軸方向の位置情報との関係を示すI-Z曲線であり、前記I-Z曲線と前記しきい値用輝度情報との交点位置を前記三次元情報として取得することを特徴とする三次元情報取得方法である。
請求項2記載による本発明は、請求項1記載の三次元情報取得方法において、前記しきい値用輝度情報は、前記最大輝度情報に対して所定の係数を乗算して算出することを特徴とする。
請求項3記載による本発明は、スポット光を対物レンズを通して試料面上に走査し、この試料面からの光のうちピンホールを通過した光を受光し、受光した画像データに基づいて前記試料面の三次元情報を取得する共焦点走査型顕微鏡において、前記対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させる移動手段と、前記対物レンズと前記試料とが相対的に移動したときに得られる前記相対距離に応じた前記試料の画像データから光量が最大となるときの最大輝度情報を検出する輝度検出手段と、この輝度検出手段により検出された前記最大輝度情報に基づいて前記試料面の前記三次元情報を取得するためのしきい値用輝度情報を算出するしきい値算出手段と、前記対物レンズと前記試料とが相対的に移動したときに得られる前記相対距離に応じた前記試料の前記画像データに対して前記しきい値算出手段により算出された前記しきい値用輝度情報を用いて前記試料面の前記三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、を具備し、前記画像データは、前記共焦点走査型顕微鏡の前記対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させたときに得られる輝度情報と光軸方向の位置情報との関係を示すI-Z曲線であり、前記I-Z曲線と前記しきい値用輝度情報との交点位置を前記三次元情報として取得する、ことを特徴とする共焦点走査型顕微鏡である。
【0011】
請求項4記載による本発明は、請求項3記載の共焦点走査型顕微鏡において、前記輝度検出手段は、前記相対距離に応じた複数の前記試料のスライス画像データにおける同一座標の画素についての光量が最大となるときの輝度情報を検出する機能を有することを特徴とする。
【0012】
請求項5記載による本発明は、請求項3記載の共焦点走査型顕微鏡において、前記しきい値算出手段は、前記最大輝度情報に対して所定の係数を乗算して前記しきい値用輝度情報を算出することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【0015】
図1は共焦点走査型顕微鏡の全体構成を示す全体構成図である。Zステージ1には、試料2が載せられている。このZステージ1は、スポット光の光軸方向(Z軸方向)に移動自在となっている。
【0016】
光源3は、レーザ光によるスポット光などの点光源からなっている。二次元走査スキャナ4は、光源3から出力されたスポット光で試料2上を二次元走査するもので、例えばX軸方向走査用のガルバノミラー又はレゾナントスキャナのXスキャナとY軸方向走査用のガルバノミラーのYスキャナとを有し、これらXスキャナとYスキャナとをX軸方向及びY軸方向にそれぞれ振ることでスポット光を対物レンズ5を通して試料2上でXY軸方向に走査するものとなっている。又、二次元走査スキャナ4は、試料2からの光、ここでは反射光をピンホール6を通して光検出器7に導くようになっている。
【0017】
この光検出器7は、上記の如く受光面の前面にピンホール6を有するもので、試料2からの反射光のうちピンホール6を通過した反射光のみを受光し、その光量に応じた電気信号に変換する機能を有している。
【0018】
この光検出器7には、A/D変換器8を介してCPU9が接続されている。このCPU9には、Zステージ1、二次元走査スキャナ4、メモリ10、及びフレームメモリ11を介して表示部12が接続されている。
【0019】
CPU9は、二次元走査スキャナ4に対してスポット光の走査の開始やステージ1のZ軸(高さ)方向の走査を指示すると共に、光検出器7のA/D変換された検出信号(試料2の像の輝度情報)を取り込み、試料2の像の輝度情報に基づいて光量が最大となる画素の輝度情報とそれに基づいた高さ情報とを求め、これらの情報の結果から試料2の三次元の表面形状画像を生成する機能を有している。
【0020】
具体的にCPU9は、図2に示すように輝度検出手段13、しきい値算出手段14及び三次元情報取得手段15の各機能を有している。これらの手段は、コンピュータのプログラムを記録媒体に記録することも可能で、この場合、記録されているプログラムがメモリ10にコピーされCPU内にて各手段として実行される。輝度検出手段13は、対物レンズ5と試料2とが相対的に移動、この実施の形態では試料2がZステージ1によりZ軸の高さ方向に移動したときに得られる相対距離すなわちZ軸の高さに応じた試料2の複数のスライス画像データにおける同一座標の画素についての光量が最大となるときの輝度情報を検出する機能を有している。
【0021】
しきい値算出手段14は、輝度検出手段13により検出された輝度情報に基づいて試料2の面の三次元情報を取得するためのしきい値用輝度情報(以下、しきい値と省略する)Ithを算出する機能を有している。このしきい値Ithは、例えば光量が最大となるときの輝度情報に対して所定の係数(高さデータを取得するためのしきい値のためのもので、最大光量のときの輝度情報に対する割合)rを乗算して求めている。
【0022】
三次元情報取得手段15は、対物レンズ5と試料2とがz軸方向で相対的に移動したとき、すなわち試料2をZステージ1によりZ軸の高さ方向に移動したときの光検出器7の検出信号Iとその光軸位置Zとの関係を示すI−Z特性に対してしきい値算出手段14により算出された上記しきい値Ithを用いて試料2の面の三次元情報を取得する機能を有している。
【0023】
メモリ10には、CPU9により決定された光量が最大となるときの輝度情報、CPU9により求められたZ軸の高さに応じた試料2の複数のスライス画像データ、試料2をZステージ1により移動させたときのZ軸の高さ情報などが記憶されるようになっている。
【0024】
又、このメモリ10には、試料2をZステージ1により光軸方向に沿って移動させたときに得られる試料2の複数のスライス画像データから光量が最大となるときの輝度情報を検出させ、この輝度情報に基づいて試料2の面の三次元情報を取得するためのしきい値Ithを算出させ、試料2を光軸方向に移動させたときに得られた複数のスライス画像データに対してしきい値Ithを用いて試料2の面の三次元情報を取得させる三次元情報取得方法のプログラムが記憶されている。
【0025】
又、このメモリ10には、試料2をZステージ1によりZ軸の高さ方向に移動させて得られるZ軸の高さに応じた試料2の複数のスライス画像データにおける同一座標の画素についての光量が最大となるときの輝度情報を検出するためのプログラム、すなわち上記輝度検出手段13を作動させるための図3に示す輝度検出フローチャートのプログラムが記憶されている。このプログラムは、CPU9に接続されている記憶媒体、例えばフロッピーディスク、CD−ROM、MOなどに記録されており、メモリ上にコピーされCPU9にて実行される。
【0026】
表示部12は、CPU9により生成された試料2の三次元の表面形状画像を、フレームメモリ11を介して表示するものとなっている。
【0027】
次に、上記の如く構成された共焦点走査型顕微鏡の作用について説明する。
【0028】
Zステージ1は、CPU9からの指令を受けてZ軸方向に移動する。
【0029】
これと共に光源3からレーザ光によるスポット光が出力されると、二次元走査スキャナ4は、XスキャナとYスキャナとをX軸方向及びY軸方向にそれぞれ振ることでスポット光を対物レンズ5を通して試料2上でXY軸方向に走査する。そして、この二次元走査スキャナ4は、スポット光を試料2上に二次元走査したときの試料2からの反射光をピンホール6を通して光検出器7に導く。
【0030】
この光検出器7は、試料2からの反射光のうちピンホール6を通過した反射光のみを受光し、その光量に応じた電気信号に変換出力する。この電気信号は、A/D変換器8によりディジタル電気信号に変換されてCPU9に送られる。
【0031】
CPU9の輝度検出手段13は、光検出器7からのディジタル電気出力を取り込んで図4に示すように順次スライス画像データa(i,j,k)を作成し、試料2がZステージ1によりZ軸の高さ方向に移動したときに得られるZ軸の高さに応じた試料2の複数のスライス画像データa(i,j,k)における同一座標(i,j)の画素についての光量が最大となるときの輝度情報p(i,j)を検出する。
【0032】
なお、図4において、(i,j)は画素のx,y座標(i=1,2,3,…,Ni、j=1,2,3,…,Nj)、kはZステージ1の高さ位置(k=1,2,3,…,Nk)、a(i,j,k)はスライス画像データを示す。
【0033】
ここで、上記複数のスライス画像データa(i,j,k)における同一座標(i,j)の画素について光量が最大となるときの輝度情報p(i,j)を検出する具体的な方法について図3に示す輝度検出フローチャートに従って説明する。
【0034】
輝度検出手段13は、ステップ#1において、スライス画像データa(i,j,k)、輝度情報p(i,j)、光量がしきい値用輝度情報のときのZステージ1の高さ情報h(i,j)をそれぞれ初期値として0を入力し、スライス画像データa(0,0,0)、輝度情報p(0,0)、高さ情報h(0,0)に初期化する。
【0035】
次に、輝度検出手段13は、ステップ#2において、Zステージ1の高さが最高位置か否か、すなわちZステージ1の高さ位置kがk=Nkであるか否かを判定する。
【0036】
この判定の結果、Zステージ1の高さ位置kがk=Nkでなければ、すなわちZステージ1が最高位置まで到達していなければ、輝度検出手段13は、ステップ#3において、光検出器7からのディジタル電気信号を取り込んで、そのZステージ1の高さ位置kのスライス画像データa(i,j,k)を取得してメモリ10に記憶する。
【0037】
次に、輝度検出手段13は、ステップ#4において、スライス画像データa(i,j,k)と光量最大のときの座標(i,j)の画素の輝度情報p(i,j)とを比較する。
【0038】
この比較の結果、スライス画像データa(i,j,k)が輝度情報p(i,j)よりも大きければ、輝度検出手段13は、ステップ#5に移り、光量最大のときの画素の輝度情報p(i,j)にスライス画像データa(i,j,k)を格納するとともに、光量がしきい値IthのときのZステージ1の高さ情報h(i,j)に0を格納する。なお、しきい値Ithは、上記しきい値算出手段14により光量が最大となるときの輝度情報に対して所定の係数rを乗算して算出されるものであり、例えばp(i,j)×rにより算出される。
【0039】
次に、輝度検出手段13は、ステップ#6において、スライス画像データa(i,j,k)としきい値Ith{=p(i,j)×r}とを比較し、スライス画像データa(i,j,k)がしきい値Ithよりも小さく、かつZステージ1の高さ情報h(i,j)が0であれば、ステップ#7に移って、光量がしきい値用輝度情報p(i,j)×rのときのZステージ1の高さ情報h(i,j)にZステージ1の高さ位置kを格納する。
【0040】
最後に輝度検出手段13は、ステップ#8において、Zステージ1の高さ位置kをk=k+1として更新し、再び上記ステップ#2に戻る。
【0041】
そうして、Zステージ1の高さ位置kが最高位置k=Nkに到達するまで上記ステップ#2〜#8が繰り返され、Zステージ1の高さ位置kが最高位置k=Nkに到達すると、上記高さデータの演算が終了する。
【0042】
以上のような高さデータの演算が終了すると、上記図6に示すようなI−Z特性、又は図5に示すようなノイズ等により最大光量となり得る極大値A、Cが2つ以上現れるI−Z特性が得られる。
【0043】
ここで、演算終了時の高さデータkと上記図5に示すI−Z特性との関係について説明する。図5においてA点はノイズによる最大光量位置、C点は本来の最大光量位置とすると、従来はA点のZステージの高さ情報がh(i,j)となり、本来のC点のZステージの高さ情報に対してA−C点の誤差が発生することになる。
【0044】
最大光量位置Aでの画素の輝度情報がp(i,j)に格納され、しきい値用輝度情報Ith=p(i,j)×rとI−Z特性との2つの交点位置B、Dのうち交点位置BにおけるZステージ1の高さ情報がh(i,j)として格納される。
【0045】
従って、三次元情報取得手段15は、I−Z特性に対してしきい値Ithと交わる交点位置BでのZステージ1の高さ情報h(i,j)を試料2の面の三次元情報として取得する。なお、三次元情報取得手段15は、しきい値Ithと交わる交点位置DでのZステージ1の高さ情報を試料2の面の三次元情報として取得してもよい。このとき、A点又はC点のいずれの光量からしきい値を導きだしても、B点でのZステージの高さ情報の誤差はA−C間に比べて十分に小さい。
【0046】
このように上記一実施の形態においては、試料2をZステージ1により光軸方向に沿って移動させたときに得られる試料2の複数のスライス画像データから光量が最大となるときの輝度情報を検出し、この輝度情報に基づいて試料2の面の三次元情報を取得するためのしきい値Ithを算出し、試料2を光軸方向に移動させたときに得られたI−Z特性に対してしきい値Ithを用いて試料2の面の三次元情報h(i,j)を取得するようにしたので、試料2の表面の反射率にむらがあったり、低倍率の対物レンズ5を用いた場合のようになだらかな曲線を描くI−Z特性となったり、又、ノイズ等により最大光量となり得る極大値が2つ以上現れるようなI−Z特性が現れても、交点位置B又はDのようなI−Z特性の曲線の最も急峻な部分を用いることができ、2つ以上の極大値が現れる交点位置A−C間を用いるよりも誤差が十分に小さく、試料2の表面形状を高精度に計測できる。
【0047】
又、Zステージ1の高さ情報h(i,j)を求める処理は、これまでの処理の中に、光量がしきい値IthのときのZステージ1の高さ位置kを使用する処理を加えるだけなので、その処理に負担がかかるものでなく、高速で高さ情報h(i,j)を演算できる。
【0048】
なお、本発明は、上記一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逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【0049】
さらに、上記実施形態には、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が解決でき、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。
【0050】
例えば、光量が最大となるときの輝度情報の検出は、Zステージ1の駆動により試料2を移動させるのに限らず、レボルバにより対物レンズ5をZ軸方向に移動したり、対物レンズ5と試料2とを相互に移動させるようにしてもよい。
【0051】
又、I−Z特性は、例えば上記図5に示すI−Z特性であれば、2つの極大値A、Cが検出されて、この後、極大値が検出されないことが確認されれば、Zステージ1を最高位置まで到達させる前にZステージ1を停止し、交点位置DからZステージ1の高さ情報h(i,j)を求めてもよい。
【0052】
又、Zステージ1は、最高位置から最低位置に移動させてもI−Z特性を得ることが可能である。
【0053】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、先鋭なI−Z特性を得ることが出来なくても、試料の表面形状を高精度にかつ高速に計測できる三次元情報取得方法及び共焦点走査型顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる共焦点走査型顕微鏡の一実施の形態を示す構成図。
【図2】本発明に係わる共焦点走査型顕微鏡の一実施の形態におけるCPUの機能ブロック図。
【図3】本発明に係わる共焦点走査型顕微鏡の一実施の形態における輝度検出フローチャート。
【図4】本発明に係わる共焦点走査型顕微鏡の一実施の形態における高さに応じた試料の複数のスライス画像データを示す模式図。
【図5】本発明に係わる共焦点走査型顕微鏡の一実施の形態における極大値が2つ以上現れるI−Z特性から試料面の三次元情報を取得する作用を説明するための図。
【図6】試料と対物レンズとの距離に対する試料面からの反射光量との関係(I−Z特性)を示す図。
【図7】従来における光検出器から出力された検出信号をそのまま用いて表面高さの有効性を判定する方法を示す図。
【図8】ノイズ等により最大光量となり得る極大値が2つ以上現れるようなI−Z特性を示す図。
【符号の説明】
1:Zステージ
2:試料
3:光源
4:二次元走査スキャナ
5:対物レンズ
6:ピンホール
7:光検出器
8:A/D変換器
9:CPU
10:メモリ
11:フレームメモリ
12:表示部
13:輝度検出手段
14:しきい値算出手段
15:三次元情報取得手段
Claims (5)
- 共焦点走査型顕微鏡を用いて試料面の三次元情報を取得する三次元情報取得方法において、
前記共焦点走査型顕微鏡の対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させたときに得られる前記試料の画像データから光量が最大となるときの最大輝度情報を検出し、
この最大輝度情報に基づいて前記試料面の三次元情報を取得するためのしきい値用輝度情報を算出し、
前記対物レンズと前記試料とが相対的に移動したときに得られた相対距離に応じた前記試料の画像データに対して前記しきい値用輝度情報を用いて前記試料面の三次元情報を取得するもので、
前記画像データは、前記共焦点走査型顕微鏡の前記対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させたときに得られる輝度情報と光軸方向の位置情報との関係を示すI-Z曲線であり、前記I-Z曲線と前記しきい値用輝度情報との交点位置を前記三次元情報として取得する、
ことを特徴とする三次元情報取得方法。 - 前記しきい値用輝度情報は、前記最大輝度情報に対して所定の係数を乗算して算出することを特徴とする請求項1記載の三次元情報取得方法。
- スポット光を対物レンズを通して試料面上に走査し、この試料面からの光のうちピンホールを通過した光を受光し、受光した画像データに基づいて前記試料面の三次元情報を取得する共焦点走査型顕微鏡において、
前記対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させる移動手段と、
前記対物レンズと前記試料とが相対的に移動したときに得られる前記相対距離に応じた前記試料の画像データから光量が最大となるときの最大輝度情報を検出する輝度検出手段と、
この輝度検出手段により検出された前記最大輝度情報に基づいて前記試料面の前記三次元情報を取得するためのしきい値用輝度情報を算出するしきい値算出手段と、
前記対物レンズと前記試料とが相対的に移動したときに得られる前記相対距離に応じた前記試料の前記画像データに対して前記しきい値算出手段により算出された前記しきい値用輝度情報を用いて前記試料面の前記三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、
を具備し、
前記画像データは、前記共焦点走査型顕微鏡の前記対物レンズと前記試料とを光軸方向に沿って相対的に移動させたときに得られる輝度情報と光軸方向の位置情報との関係を示すI-Z曲線であり、前記I-Z曲線と前記しきい値用輝度情報との交点位置を前記三次元情報として取得する、
ことを特徴とする共焦点走査型顕微鏡。 - 前記輝度検出手段は、前記相対距離に応じた複数の前記試料のスライス画像データにおける同一座標の画素についての光量が最大となるときの輝度情報を検出する機能を有することを特徴とする請求項3記載の共焦点走査型顕微鏡。
- 前記しきい値算出手段は、前記最大輝度情報に対して所定の係数を乗算して前記しきい値用輝度情報を算出することを特徴とする請求項3記載の共焦点走査型顕微鏡。
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