JP4635145B2

JP4635145B2 - コンフォーカル顕微鏡及び膜厚測定装置

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Publication number: JP4635145B2
Application number: JP2004076276A
Authority: JP
Inventors: 治彦楠瀬; 直樹粟村
Original assignee: Lasertec Corp
Current assignee: Lasertec Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005266084A

Description

本発明は試料等を撮像するコンフォーカル顕微鏡に関する。

従来のコンフォーカル顕微鏡では、１本のスリットを透過した光が試料に対して照明され、試料からの反射光は、１次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）により検出される構成を採用している（例えば、特許文献１）。従来のコンフォーカル顕微鏡では、一本のスリットを透過した光のみが試料に対して照明されるため、光の使用効率が低いという問題点があった。その結果、充分な輝度信号を得るために長時間露光が必要となるので、撮像時間が長くなるという問題点もあった。

この問題点を解決するために、マルチスリット、シリンドリカルレンズ等を用いて複数本のスリット光を試料に照明する装置が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。また、本件の出願人により、マイクロデバイスミラーを用いて輝線を走査するコンフォーカル顕微鏡が開示されている（特許文献５）。これらの装置では複数のスリット光をＣＣＤ等のエリアセンサにより検出しているため、撮像時間を短縮することが可能になる。

しかし、従来のコンフォーカル顕微鏡には以下に示す問題点があった。一般にＣＣＤエリアセンサでは各画素で検出した光に基づいて電荷を蓄積させている。全ての画素に対して電荷を取り出さなければ、蓄積された電荷を放出することができないため、次の検出を行うことができない。ＣＣＤ上では照明領域の光学的な広がりによって、非照明領域と共役な部分にも電荷が蓄積されているので、例えば、スリットの開口部以外の遮光部に対応する画素についても、電荷を取り出す必要がある。コンフォーカル光学系において、試料の照明領域の信号は読み出す必要があるが、非照明領域に対応する画素については電荷を読み出しても撮像に寄与しない。

特開平１０−１０４５２３号公報特表２０００−５０６６３４号公報特表平６−５０５０９６号公報特開２００１−３１１８７４号公報特開２００３−１６７１９７号公報

従って、従来のコンフォーカル顕微鏡では撮像に寄与しない遮光部に対応する画素についても信号電荷の読み出しを行っているため、撮像時間の短縮に限界が生じるという問題点があった。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、撮像時間を短縮することができるコンフォーカル顕微鏡及び簡易な構成で膜厚を測定することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は、光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる光源１１）と、前記光源からの光をライン状に光に変換する光変換手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるマルチスリット１４）と、前記光変換手段を移動してライン状の光を走査する走査手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるＶＣＭ１６）と、前記光変換手段と共役な位置に設置された試料上に前記ライン状の光を結像し、前記試料からの透過光又は反射光を結像面に結像する結像手段（例えば、本発明の実施の形態にかかる対物レンズ２２）と、前記結像面に配置され、アレイ状に配置された複数の画素を有する２次元アレイ光検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかるＣＣＤカメラ２８）と、前記走査手段の走査により移動する前記光変換手段に設けられ、前記光源からの光を透過する透過パターンと、前記ライン状の光が前記試料を反射又は透過して前記２次元アレイ光検出器の受光面に照射される照明領域に対応する画素列を前記光変換手段の位置に応じて記憶する画素列記憶手段（例えば、本発明の実施の形態にかかる画素列記憶部９１）と、前記透過パターンを透過した光に基づいて、前記走査手段の走査によって移動した前記光変換手段の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段での検出結果と前記画素列記憶部に記憶されている画素列とに基づいて、前記２次元アレイ光検出器において前記照明領域以外の非照明領域に対応する複数の画素列の信号を蓄積させ、まとめて取り出すよう制御する制御手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるＣＣＤカメラ制御部９４）とを備えるものである。これにより、撮像時間を短縮することができる。

本発明の第３の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記２次元アレイ検出器の出力信号に基づいて、前記画素列記憶手段により記憶された画素列が前記照明領域となるようフィードバックするものである。これにより、照明領域を所定の画素列に正確に配置することができ、正確な撮像を行うことができる。

本発明の第４の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記光変換手段の前後に移動可能に設けられ、前記光変換手段をバイパスする光学手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるプリズム１５）をさらに備え、前記光学手段が前記光変換手段の前後に移動された状態では、前記制御手段が全ての画素列に対応する信号のそれぞれを読み出すよう前記２次元アレイ光検出器を制御することを特徴とするものである。これにより、簡易な構成でコンフォーカル画像及びノンコンフォーカル画像をそれぞれ撮像することができる。

本発明の第５の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記光変換手段によって変換されたライン状の光を屈折させる２群レンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる２群レンズ１９、２５）をさらに備え、前記２群レンズの間隔を調整することにより倍率を調整することを特徴とするものである。これにより簡易な構成で倍率を調整することができ、像倍率を容易に一致させることができる。

本発明の第６の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記２次元アレイ検出器がＣＣＤカメラであり、前記非照明領域に対応する複数の画素列の信号電荷を蓄積して、まとめて取り出すことを特徴とするものである。簡易な構成で撮像時間を短縮することができる。

本発明の第７の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記光変換手段が複数のスリットを有するマルチスリットであることを特徴とするものである。これにより。簡易な構成で撮像時間を短縮することができる。

本発明の第８の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記走査手段を走査しない状態で、透明膜が形成された前記試料上における結像面の高さを変位して、焦点高さを走査する焦点高さ走査手段と、前記焦点高さ走査手段により走査された結像面において、前記照明領域に対応する画素列で検出される光に基づく信号を前記結像面の高さと対応付けて記憶する測定データ記憶手段（例えば、本実施の形態における測定データ記憶部１０１）と、前記焦点高さを変数とし、前記測定データ記憶部により前記透明膜の光学的な膜厚を算出するために参照される参照関数を記憶する参照関数記憶手段（例えば、本実施の形態における参照関数記憶部１０２）と、前記参照関数と前記測定データに基づいて最小二乗法により、前記透明膜の光学的な膜厚を算出する算出手段（例えば、本実施の形態における変数算出部１０５）とをさらに有するものである。これにより、簡易な構成で膜厚を測定することができ、新たなコンフォーカル顕微鏡のアプリケーションを追加することができる。

本発明の第１１の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は、上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記算出手段では、前記測定データの前記透明膜の表面で反射された表面反射光の成分と前記透明膜と前記試料との界面で反射された界面反射光との成分とに分離することにより光学的な膜厚が算出されるものである。これにより、透明膜の光学的な膜厚を正確に測定することができる。

本発明の第１２の態様にかかるコンフォーカル顕微鏡は、上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記透明膜の屈折率を記憶する屈折率記憶部（例えば、本実施の形態における定数記憶部１０３）をさらに備え、前記屈折率により、前記透明膜の絶対的な膜厚を算出するものである。これにより、透明膜の絶対的な膜厚を算出することができる。
また、上述のコンフォーカル顕微鏡において、前記照明領域に対応する画素列の信号と、まとめて取り出された前記非照明領域に対応する画素列との信号の差を算出してもよい。

本発明の第１３の態様にかかる膜厚測定方法は、光源と、前記光源からの光をライン状に光に変換する光変換手段と、前記光変換手段を移動してライン状の光を走査する走査手段と、前記光変換手段と共役な位置に設置された透明な薄膜を有する試料上に前記ライン状の光を結像し、前記試料からの反射光を結像面に結像する結像手段と、前記結像面に配置され、アレイ状に配置された複数の画素を有する２次元アレイ光検出器と、前記走査手段の走査により移動する前記光変換手段に設けられ、前記光源からの光を透過する透過パターンと、前記透過パターンを透過した光に基づいて、前記走査手段の走査によって移動した前記光変換手段の位置を検出する位置検出手段と、前記薄膜の表面で反射した表面反射光又は前記薄膜と前記試料との界面で反射した界面反射光とが前記２次元アレイ光検出器の受光面に照射される照明領域に対応する画素列を前記光変換手段の位置に応じて記憶する画素列記憶手段と、前記位置検出手段での検出結果と前記画素列記憶部に記憶されている画素列とに基づいて、前記２次元アレイ光検出器において前記照明領域以外の非照明領域に対応する複数の画素列の信号を蓄積させ、まとめて取り出すよう制御する制御手段と、を用いて前記透明な薄膜の光学的な膜厚を測定する膜厚測定方法であって、前記試料上において結像面の高さを変位して、前記薄膜の表面から前記薄膜と前記試料の界面まで焦点高さを走査する焦点高さ走査ステップと、前記焦点高さ走査ステップにより走査された結像面において、前記照明領域に対応する画素列で検出される光に基づく信号を前記結像面の高さと対応付けて測定データを記憶する測定データ記憶ステップと、前記焦点高さを変数とし、前記測定データ記憶部により前記薄膜の光学的な膜厚を求めるために参照される参照関数と前記測定データとに基づいて最小二乗法により、前記薄膜の光学的な膜厚を算出する算出ステップとを有するものである。

本発明の第１５の態様にかかる膜厚測定方法は、上述の膜厚測定方法において、前記算出ステップでは、前記測定データを前記表面反射光の成分と前記界面反射光の成分とに分離することにより光学的な膜厚が算出されるものである。これにより、透明膜の光学的な膜厚を正確に測定することができる。
また、上述の膜厚測定方法において、前記照明領域に対応する画素列の信号と、まとめて取り出された前記非照明領域に対応する画素列との信号の差を算出してもよい。

本発明によれば、撮像時間を短縮することができるコンフォーカル顕微鏡及び簡易な構成で膜厚を測定することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。

発明の実施の形態１．
本発明にかかるコンフォーカル顕微鏡の構成について図１を用いて説明する。図１はコンフォーカル顕微鏡１の構成を示す図である。１１は光源、１２はレンズ、１３は赤外線カットフィルタ、１４はマルチスリット、１５はプリズム、１６はボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭとする）１７はミラー、１９は２群レンズ、２０はビームスプリッタ、２１はビームスプリッタ、２２は対物レンズ、２３は試料、２４はステージ、２５は２群レンズ、２６はミラー、２７は結像レンズ、２８はＣＣＤカメラ、４０はレンズ、４１は２分割フォトダイオードである。

本実施の形態では、試料２３のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤカメラ２８及びマルチスリット１４の位置を検出するための２分割フォトダイオード４１を備えている。光源１１からマルチスリット１４を透過した光がＣＣＤカメラ２８により検出される。

光源１１は、例えば白色光源、蛍光励起光源等であり、さらに具体的には、水銀ランプ、ハロゲンランプ等種々の光源を用いることができる。また、発振位相の異なるレーザダイオードを２次元に配列して光源を構成してもよい。発振位相の異なるレーザダイオードを発振させることにより、スペックル（小さな斑点）の発生を抑制することができる。

マルチスリット１４は、光源１１の近傍に設けられている。マルチスリット１４には光を透過するスリットが複数設けられ、光路上に配置される。これにより光源１１からの光はライン状の光に変換される。光源１１とマルチスリット１４の間には、光源１１からの光を集光するレンズ１２と赤外線をカットする赤外線カットフィルタ１３が設けられている。赤外線カットフィルタ１３は試料２３が加熱されるのを防ぐため、光源１１からの赤外線をカットしている。

マルチスリット１４はＶＣＭ１６に取り付けられ、直線移動可能になっている。このＶＣＭ１６を駆動することによって、マルチスリット１４は光軸と垂直な方向に移動する。そして、マルチスリット１４はマルチスリット１４の設けられているそれぞれのスリットと垂直な方向に移動する。ＶＣＭ１６はカメラコントローラ２９からの信号により駆動される。そして、ＶＣＭ１６は、例えばＰＩＤ制御により所定の位置にマルチスリット１４を移動させることができる。

このマルチスリット１４の構成について図２及び図３を用いて説明する。図２はＶＣＭ１６に接続されたマルチスリット１４の構成を示す図である。図３はマルチスリット１４の構成を示す平面図である。

図２に示すようにＶＣＭ１６に接続されたマルチスリット１４は光源１１からの光をライン状の光に変換するためのスリット部５１が設けられている。スリット部５１の横には２分割フォトダイオード４１に検出される光を透過する矩形パターン５２が設けられている。このスリット部５１と矩形パターン５２が設けられているマルチスリット１４はＶＣＭ１６を駆動することによって矢印の方向に移動する。

このマルチスリット１４について図３を用いて詳細に説明する。マルチスリット１４の中央にはスリット部５１が設けられている。スリット部５１はライン状の光を生成するためのスリット５３とスリット５３との間に設けられて遮光部５４により構成される。スリット部５１ではスリット５３に入射した光のみが透過し、遮光部５４に入射した光は遮られる。したがって、光源１１からの光がライン状の光に変換される。マルチスリット１４はガラス等の透明基板にフォトリソグラフィー工程で遮光パターンを設けることにより形成される。

スリット５３と遮光部５４とはそれぞれ一定の幅で繰り返し設けられており、周期的な空間パターンが形成される。Ｙ方向の配列された複数のスリット５３のそれぞれはＸ方向に長いスリット光を生成する。スリット５３と遮光部５４との比は例えば、１：７又は１：１５である。すなわち、スリット部５１に入射した光の１／８又は１／１６が使用される。マルチスリット１４を透過したスリット状の照明光を試料上に投影して、ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４をＹ方向に走査することで試料全面を順次照明する。スリット５３の間隔については、試料２３の反射光がＣＣＤカメラ２８に入射された際に、各スリット５３に対応する反射光間で互いに影響を及ぼさない程度の間隔とする。

スリット部５１と異なる位置に設けられた矩形パターン５２は、２分割フォトダイオード４１に受光される光を透過する。図３では２分割フォトダイオード４１におけるそれぞれのフォトダイオードの受光面４５ａ、４５ｂをマルチスリット１４上に投影して図示している。２分割フォトダイオード４１の受光面４５ａ及び受光面４５ｂのそれぞれは矩形パターン５２を通過した光を検出することができるように配置される。すなわち、矩形パターン５２からの光は２分割フォトダイオード４１の受光面４５ａと受光面４５ｂの境界線をまたぐように投影される。そして、マルチスリット１４がＹ方向に移動すると受光面上で矩形パターン５２からの光が移動して、受光面４５ａ、受光面４５ｂに受光される光量が変化する。この２分割フォトダイオード４１の出力の比に基づいてマルチスリット１４の位置が検出される。すなわち、マルチスリット１４がＹ方向に移動することで、受光面４５ａ又は受光面４５ｂの一方に入射する光量が多くなり、他方が少なくなる。この２分割フォトダイオード４１の出力信号の差分により、マルチスリット１４の位置が検出される。

マルチスリット１４のスリット５３を通過した光は、ミラー１７によって試料２３の方向に反射される。ミラー１７で反射した光は２群レンズ１９により集光され、ビームスプリッタ２０、２１を通過して対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２に入射された光は集光され試料２３上に結像する。ＶＣＭ１６によってマルチスリット１４を移動させることにより、試料２３上の任意の位置を照明することができる。試料２３はマルチスリット１４と共役な位置に配置される。

ステージ２４はＸＹステージであり、試料２３の任意の点を観察するため水平方向（ＸＹ方向）に移動することができる。さらに、ステージ２４は試料の任意の高さにおける画像を撮像するため、上下方向（Ｚ方向）に移動可能になっている。Ｚ方向にステージ２４を移動することにより、試料２３の任意の高さにおける２次元画像を撮像することができる。

試料２３からの反射光は再度、対物レンズ２２により集光された後、ビームスプリッタ２１により反射される。これにより、試料２３に入射する入射光と試料２３で反射される反射光とを分離することができる。ビームスプリッタ２１により反射された光は２群レンズ２５により屈折され、ミラー２６に入射する。ミラー２６に入射した光はＣＣＤカメラ２８の方向に反射される。対物レンズとなる２群レンズ２５の間隔を調整することにより、焦点距離を微調整することができるのでスリットとＣＣＤカメラの像倍率を容易に一致させることができる。照明側に配置された２群レンズ１９と像面側に配置された２群レンズ２５とを同一設計とし、その間隔を調整することによって倍率を調整できる構造としている。

ＣＣＤカメラ２８は受光素子がアレイ状に配置された２次元アレイ光検出器である。ＣＣＤカメラ２８は各受光素子により検出された光の強度に基づいて電荷を蓄積し、この電荷を順次転送することにより光強度分布を出力する。ＣＣＤカメラ２８は試料を透過した照明光が当たっている照明領域の画素データだけを読み取り、照明光が当たっていない非照明領域の画素のデータは高速に転送して読み捨て、利用しない。ＣＣＤカメラ２８は画素が受光した光に基づく光強度信号をカメラコントローラ２９に出力する。これにより、コンフォーカル画像を取得することができる。

ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４を移動して、試料２３上の照明領域を走査する。試料２３の全体を照明することにより、ＣＣＤカメラ上の全ての画素に対応するデータの取得が完了したら、カメラコントローラ２９に接続された処理装置（図示せず）によりこれらのデータを合成して２次元の画像を形成する。この２次元画像は処理装置に記憶されるとともに、ディスプレイ上に表示される。これにより、試料２３の画像であるスライス像を撮像することができる。ステージ２４を上下方向（Ｚ方向）に移動してこの画像の撮像を繰り返す。そして処理装置により複数の画像を処理することにより、共焦点３次元画像を撮像することができる。

また、マルチスリット１４の矩形パターン５２を透過した光はミラー１７、２群レンズ１９を介してレンズ４０に入射する。レンズ４０は２分割フォトダイオード４１の受光面上で矩形パターン５２を透過した光が適当なスポットになるように光を屈折する。

２分割フォトダイオード４１に設けられた２つのフォトダイオードはマルチスリット１４の矩形パターン５２を透過した光をそれぞれ検出して、検出光の強度に基づく信号をカメラコントローラ２９に出力する。カメラコントローラ２９は２分割フォトダイオードの出力の比に基づいてマルチスリット１４の位置を算出し、マルチスリット１４が定められた位置に配置されているかを判断する。マルチスリット１４が所定の位置に配置されている場合は、ＣＣＤカメラ２８により撮像する。マルチスリット１４が定められた位置に配置されていない場合はＶＣＭ１６を駆動して、マルチスリット１４を所定の位置に移動する。そして、その位置で撮像を行う。

さらに本発明では光源１１からの光がマルチスリット１４をバイパスすることができるように２つのプリズム１５が設けられている。２つのプリズム１５はマルチスリット１４の前後に移動可能に設けられている。プリズム１５を光路上に移動させることにより、光源１１からの光がマルチスリット１４をバイパスし、試料２３の全面を照明することができる。すなわち、マルチスリット１４の前に配置されたプリズム１５は光源１１からの光がマルチスリット１４に入射されないように光を屈折する。このプリズム１５により屈折した光はマルチスリット１４の後に配置されたプリズム１５により元の光路に戻る。そしてマルチスリット１４をバイパスされた光が試料２３に照射される。これにより、簡易な光学系でマルチスリットをバイパスすることができる。もちろん、マルチスリット１４をバイパスするための構成はプリズム１５に限らず、ミラーなどの光学部品であってもよい。さらにはＶＣＭ１６を駆動して、光路上からマルチスリット１４を外してもよい。これにより、光源１１からの光は面照明となり、通常の顕微鏡として使用することができる。

次にＣＣＤカメラ２８における画像処理について図４を用いて説明する。図４（ａ）はＣＣＤカメラ２８の受光面並びにその受光面に検出される光の強度及び出力信号を模式的に示した図である。図４（ｂ）は２分割フォトダイオード４１の受光面の構成を模式的に示した図である。ここではスリット５３と遮光部５４の幅の比が１：７のマルチスリット１４を使用している。

ＣＣＤカメラ２８の受光面８０には複数の画素８１がアレイ状に配列されている。実際には例えば、横１２８０×縦１０２４の画素が配列されているが図４（ａ）では説明の簡略化のため横（Ｘ方向）１５×縦（Ｙ方向）１６に省略して図示している。まず、図４（ａ）に示すように下から４列目の画素列及び下から１２列目の画素列にスリット光が入射する場合を考える。すなわち、図４の受光面８０の左側に図示されるようにマルチスリット１４からの光の強度分布８８が下から４列目の画素列及び下から１２列目の画素列に対応する位置がピークとなっている場合を考える。このスリット光が入射する下から４列目の画素列及び下から１２列目の画素列を照明領域８４とし、その他の画素列を非照明領域８３とする。すなわち、ＣＣＤカメラの受光面において試料で反射されたスリット光が照射された領域に対応する画素列を照明領域８４とし、それ以外の領域を非照明領域８３とする。従って、照明領域８４に対応する画素列の間には非照明領域８３に対応する画素列が配置される。なお、非照明領域には完全にスリット光が照射されない領域のみにかぎらず、若干のスリット光が入射する領域も含むものとする。

照明領域８４と非照明領域８３との割合はマルチスリット１４のスリット５３と遮光部５４と同じ１：７となる。従って、照明領域８４は１画素列となるのに対して照明領域間の非照明領域８３は７画素列となる。また、マルチスリット１４に対応して照明領域８４となる画素列の間には７画素列分の非照明領域８３が配置される。照明領域８４では非照明領域８３に比べて入射光の強度が高いため、ＣＣＤカメラ２８の出力信号８９は図４の受光面８０の右側に図示されるように照明領域８４に対応する画素列だけ高くなる。

このようにＣＣＤカメラ２８の受光面８０に光が照射されるときのマルチスリット１４の位置を図４（ｂ）に示す。図４は２分割フォトダイオード４１の受光面の構成を模式的に示す図である。下から４列目の画素列及び下から１２列目の画素列が照明領域８４となる状態では、２分割フォトダイオード４１の中央に矩形パターン５２からの光が入射する。受光面４５ａに入射した光４７ａに対応した出力信号をＡ、受光面４５ｂに入射した光４７ｂに対応した出力信号をＢとするとＡ＝Ｂとなる。このような配置においてマルチスリット１４が静止した状態で、スリット光がＣＣＤカメラ２８により検出される。

この位置におけるスリット光の検出が終了したら、ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４をＹ方向（図５における下方向）に移動する。図５に図４の状態からマルチスリット１４を移動した状態の受光面８０の構成を示す。図５に示すようにマルチスリット１４の移動により、下から３列目の画素列及び下から１１列目の画素列が照明領域８４となる。すなわち、図４と図５では照明領域８４が１画素列ずれている。従って、ＣＣＤカメラ２８に入射した光の強度分布８８のピーク及びＣＣＤカメラ２８の出力信号８９の高い画素列も図４に示す構成から１画素列ずれる。

この状態における２分割フォトダイオード４１の受光面は図５（ｂ）に示す。マルチスリット１４が移動したため矩形パターン５２の位置もマルチスリット１４と連動して移動する。従って、図４に示す状態では２分割フォトダイオード４１の中央に矩形パターン５２からの光が受光されていたが、図５に示す状態では受光面４５ｂに入射する光４７ｂが受光面４５ａに入射する光４７ａに入射する光よりも面積が大きくなる。これにより、受光面４５ｂに入射する光４７ｂの出力信号Ｂは受光面４５ａに入射する光４７ａの出力信号Ａよりも高くなる。従って、出力信号Ｂ＞出力信号Ａとなり、マルチスリット１４の移動が検出される。この出力信号Ａと出力信号Ｂとの比はマルチスリット１４の位置に応じて変化する。この出力信号Ａと出力信号Ｂの比に基づいて、マルチスリット１４の位置が検出される。

このように照明領域８４を１画素列ずつずらしていき、検出を行う。それぞれの画素列に対応したマルチスリット１４の位置は出力信号Ａと出力信号Ｂの差分に基づいて検出される。具体的には（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）によりマルチスリット１４の位置が検出される。カメラコントローラ２９にはそれぞれの画素列が照明領域８４になるマルチスリット１４の位置に対応付けられた２分割フォトダイオード４１の出力比がそれぞれ記憶されている。さらにカメラコントローラ２９にはその出力比に対応してＶＣＭ１６を駆動するための駆動信号が記憶されている。すなわち、カメラコントローラ２９は各画素列を照明領域とするよう、それぞれの画素列に対応するスリット位置と対応付けて２分割フォトダイオードの出力比及びＶＣＭ１６の駆動信号が記憶されている。

カメラコントローラ２９はＶＣＭ１６に駆動信号を出力する。これにより、ＶＣＭ１６が駆動し、マルチスリット１４が所定の位置に移動する。この位置でマルチスリット１４を固定して、ＣＣＤカメラ２８で試料２３からの反射光の検出を行う。次に、照明領域８４が１画素列ずれるように駆動信号を出力してＶＣＭ１６を駆動する。そして、マルチスリット１４を移動させ、隣の画素列が照明領域となった状態で反射光の検出を行う。これを繰り返して全画素列に対応するスリット光の検出を行う。ここでは、開口部と遮光部の比が１：７のマルチスリット１４を用いているためマルチスリット１４の移動を８回繰り返して、試料２３からの反射光の検出を行う。全ての画素列に対応する検出が完了したらカメラコントローラ２９に接続された処理装置により、２次元画像を生成する。

次に、ＣＣＤカメラ２８で非照明領域８３に対応する画素列の信号を読み捨てる手順について図６を用いて説明する。図６はＣＣＤカメラ２８の原理的構成図である。ＣＣＤカメラ２８はインターライン型のエリアセンサである。

図６に示されるように、ＣＣＤカメラ２８は、水平及び垂直方向に所定ピッチで配列された複数の画素８１と、各列の画素８１の一側に設けた垂直方向に延びるＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ８６と、各垂直転送レジスタ８６の一端に設けたＣＣＤ構造の水平転送レジスタ８５とを有している。そして、各画素８１にその受光量に応じて生じた信号電荷を各々対応する垂直転送レジスタ８６に転送する。これら各垂直転送レジスタ８６の信号電荷を水平転送レジスタ８５へと転送する。垂直転送レジスタ８６及び水平転送レジスタ８５では信号電荷をバケツリレー方式により順次、転送する。ＣＣＤセンサでは、水平転送レジスタ８５に蓄積された信号電荷を取り出すことにより、電荷結合素子に蓄積された電荷が放出される。

ＣＣＤエリアセンサでは、通常、全画素に対応するデータが一旦、垂直転送レジスタ８６に送られる。垂直転送レジスタ８６に蓄積された信号電荷は水平転送レジスタ８５へ転送される。垂直転送レジスタ８６において１列分の信号電荷が水平転送レジスタ８５に転送されたら、水平転送レジスタ８５の信号電荷を取り出す。すなわち、各垂直転送レジスタ８６の信号電荷を１列分、水平転送レジスタ８５に転送した後、水平転送レジスタ８５において信号電荷が転送され、各画素の信号電荷が読み出される。これを繰り返し全画素の信号電荷を取り出す。この方式では、非照明領域８３に対応する画素においても１列毎に水平転送レジスタで転送される。従って、転送速度が遅くなり、測定時間が長時間になってしまう。

本発明では、転送速度を上げるため、非照明領域８３に対応する画素列の信号電荷を水平転送レジスタ８５に蓄積してから、まとめて取り出すようにしている。すなわち、照明領域８４に対応する画素列では、水平転送レジスタにおいて１列分の信号電荷を転送して読み出すようにしている。そして、非照明領域８３に対応する画素列では水平転送レジスタにおいて複数の画素列に対応する信号電荷を蓄積して、まとめて取り出すようにしている。ＣＣＤカメラ２８はこのようにして取り出された信号電荷に基づく信号をカメラコントローラ２９に出力する。従って、ＣＣＤカメラ２８は照明領域に対応する信号電荷と非照明領域に対応する信号電荷を交互に取り出し、カメラコントローラ２９に出力する。すなわち、照明領域８４に対応する信号電荷の次には非照明領域８３に対応する信号電荷が取り出され、さらにその次には照明領域８４に対応する信号電荷が取り出される。そして、非照明領域８３においては、複数の画素列の信号電荷が１列分の信号電荷としてまとめて取り出される。

この転送方式について詳細に説明する。図６では最下列が照明領域８４に対応する画素列である。そして、下から２〜８列目が非照明領域８３に対応する画素列である。さらに、下から９列目の画素列が照明領域８４に対応する画素列であり、照明領域８４と非照明領域８３はこれを繰り返すよう投影される。

まず照明領域８４に対応する１列分の画素を垂直転送レジスタ８６により、水平転送レジスタ８５に転送する。水平転送レジスタ８５では垂直転送レジスタ８６から転送された１列分の画素に対応する信号電荷を順次転送して、取り出す。次に、垂直転送レジスタ８６により、下から２列目の非照明領域８３に対応する画素列の信号電荷を水平転送レジスタ８５に送り出す。従来のコンフォーカル顕微鏡におけるＣＣＤエリアセンサでは、この列の信号電荷を水平転送レジスタ８５により送り出して、１列毎に信号電荷を読み出す。しかし、非照明領域８３に対応する画素列は画像の撮像に寄与しないため、信号電荷を読み出す必要がない。従って、本発明では転送速度を上げるため、２列目の画素列が水平転送レジスタ８５に送り出された後、読み出しを行わずに、下から３〜８列目の画素列に対応する信号電荷を垂直転送レジスタ８６から水平転送レジスタ８５に続けて送り出す。そして、下から３〜８列目の画素列に対して同様に転送していく。

２〜８列目の画素列に対応する信号電荷が水平転送レジスタ８５に送り出されたら、水平転送レジスタ８５はこの信号電荷をまとめて送り出し、取り出しを行う。２〜７列目の画素列では非照明領域８３に対応するため、信号電荷量が少なく電荷結合素子が飽和することがない。従って、受光した光の強度を正確に検出することができる。

２〜８列目の信号電荷の取り出しが終了したら、同様に下から９列目の画素列の信号電荷を垂直転送レジスタ８６から水平転送レジスタ８５に送り出す。そして、水平転送レジスタ８５により転送して、信号電荷を読み出す。これを繰り返して全画素列に対応する信号電荷の転送を行い、電荷を放出する。本発明では非照明領域８３に対応する画素列をまとめて取り出しているため、転送時間を短縮することができる。例えば、横１２８０×縦１０２４の画素が配列されている場合、従来の１画素列毎に信号電荷を読み出す方式では、１画素列毎に１２８０の画素を水平転送レジスタ８５で送り出す必要があるが、本発明では、非照明領域８３に対応する下から２〜８列目の画素列をまとめて水平転送レジスタ８５により転送している。これにより、８列の取り出しを２回の取り出しで行うことができる。横１２８０画素分の転送回数を約１／４に減らすことができ、転送時間を短縮することができる。

このような、転送処理は演算処理回路及びメモリ等を備えたカメラコントローラ２９により行うことができる。このカメラコントローラ２９の構成について図７を用いて説明する。図７はカメラコントローラ２９の構成を示すブロック図である。カメラコントローラ２９は各画素列が照明領域となるマルチスリット１４の位置をそれぞれ記憶する画素列記憶部部９１、ＶＣＭ１６を制御するＶＣＭ制御部９２、２分割フォトダイオードからの出力によりマルチスリットの位置を検出する位置検出部９３及びＣＣＤカメラ２８を制御するＣＣＤカメラ制御部９４を備えている。

画素列記憶部部９１にはそれぞれの画素列が照明領域となるマルチスリット１４の位置が予め記憶されている。例えば、図４に示す構成では照明領域８４が各画素列に移動するようにマルチスリット１４のポジションが８つ記憶されている。すなわち、マルチスリット１４のポジションとそのポジションで照明領域８４となる画素列が対応付けて記憶されている。これに基づいて、それぞれの画素列が照明領域となるようマルチスリット１４を移動することができる。ＶＣＭ制御部９２は画素列記憶部部９１に記憶されているマルチスリット１４の位置に基づいた駆動信号をＶＣＭ１６に出力する。そして、この駆動信号によりＶＣＭ１６が駆動して、マルチスリット１４が所定の位置に移動する。マルチスリット１４が所定の位置に移動した後、位置検出部９３が２分割フォトダイオードの出力によりマルチスリット１４が所定の位置に配置されているかを判別する。画素列記憶部部９１にはマルチスリット１４の位置と２分割フォトダイオードの出力比が対応付けて記憶されており、２分割フォトダイオードの出力に基づいて所定の位置にマルチスリット１４が移動しているか否かを判別する。

さらに、画素列記憶部部９１にはマルチスリット１４の位置とその位置に対応する画素列が記憶されている。すなわち、試料で反射したライン状のスリット光により照明されるＣＣＤカメラ２８の受光面上の照明領域８４に対応する画素列がＶＣＭ１６の走査状態に応じて記憶されており、スリット位置とそのスリット位置で照明領域となる画素列が対応付けられている。そして、ＣＣＤカメラ制御部９４では照明領域となる画素列以外の非照明領域に対応する画素列をまとめて転送するようにＣＣＤカメラ２８を制御する。ＣＣＤカメラ制御部９４ではスリット位置に対応する画素列において各画素に対応する信号電荷を読み出し、スリット位置に対応する画素列以外の画素列では水平転送レジスタに信号電荷を蓄積していく。そして照明領域間の非照明領域に対応する画素列の信号電荷が全て蓄積されたら、信号電荷をまとめて取り出すようにする。これにより、転送時間を短縮することができ、画像の撮像時間を短くすることができる。

上述の処理はカメラコントローラ２９のハードウェアまたはソフトウェアにより実行することができる。例えば、カメラコントローラ２９は制御プログラムを記憶するためのメモリ及び制御プログラムを実行するためのＣＰＵを備えている。さらにメモリにはマルチスリットの位置とその位置で照明領域となる画素列が対応付けて記憶されている。制御プログラムは１列目の画素列が照明領域となるようマルチスリットを移動するための駆動信号をＶＣＭ１６に出力する。ＶＣＭ１６はその駆動信号に基づいて駆動し、マルチスリット１４を移動させる。２分割フォトダイオード４１の出力に基づいてマルチスリット１４の位置を検出して、マルチスリット１４が所定の位置に移動したかを制御プログラムが判別する。

マルチスリット１４が所定の位置に移動していることが確認できたら、カメラコントローラ２９の制御プログラムはその位置に対応する画素列以外の画素列について蓄積して取り出すようにＣＣＤカメラ２８を制御する。そして、照明領域８４となる画素列の信号電荷を読み出し、その画素列と対応付けてフレームメモリに記憶する。

次に、隣の画素列が照明領域となるようにＶＣＭ１６に駆動信号を出力する。ＶＣＭ１６は駆動信号に基づいて、隣の画素列が照明領域となるようマルチスリット１４を移動させる。所定の位置にマルチスリット１４が移動したら、再度カメラコントローラ２９の制御プログラムはその位置に対応する画素列以外の画素列について蓄積して取り出すようにＣＣＤカメラ２８を制御する。そして、照明領域となる画素列の信号電荷を読み出し、その画素列と対応付けてフレームメモリに記憶する。これらの処理を繰り返して、全ての画素の信号がフレームメモリに記憶されたら、カメラコントローラ２９に接続された処理装置にデータを転送する。

このように、本発明ではマルチスリットの位置と照明領域となる画素列を対応付けて記憶している。そして非照明領域に対応する画素では複数の画素列で信号電荷をまとめて取り出すようにしている。これにより、転送速度を短縮することができ、画像の撮像時間を短くすることができる。さらに、マルチスリット１４にスリット部以外に光を透過するパターンを設け、その光を検出することでマルチスリット１４の位置を検出することができる。これにより、所定の画素列を照明領域とすることができ、正確な検出を行うことができる。この画像を繰り返し撮像し、処理装置により合成することで３次元共焦点画像を短時間で撮像することができる。

上述の構成でプリズム１５を光路上に挿入したときは、上述の転送処理を行わずに全画素に対応する全ての信号電荷をそれぞれ読み出すようにする。これにより、ノンコンフォーカル画像を撮像することができる。プリズムの位置に応じて転送処理を切り替える切替手段を設けることにより、コンフォーカル画像とノンフォーカル画像を別々に撮像することができる。

さらに本発明では、照明領域がＣＣＤカメラ２８の画素列に正確に投影されるようにマルチスリット１４の位置を調整することができる。このマルチスリット１４を調整する手順について図８を用いて説明する。図８はＣＣＤカメラ２８の受光面並びにその受光面に検出される光の強度及び出力信号を模式的に示した図である。

図８では、照明領域８４が所定の画素列からずれて２つの画素列にまたがって投影されている状態を示している。すなわち、何らかの要因により照明領域が設定された位置からずれてしまい、正確に１つの画素列に投影されていない状態を示している。例えば、図８に示すように下から４列目の画素列が照明領域となる設定位置からずれて下から3列目と４列目の画素列が照明領域８４となってしまった状態を示している。

ＣＣＤカメラ２８の受光面における光強度分布は図８に示すようにピークが下から３列目の画素列と４列目の画素列の間に配置されている。従って、３列目の画素列と４列目の画素列が照明領域８３となっている。照明領域が下から４列目の画素列に投影されるようにマルチスリットの位置を調整する。例えば、マルチスリット１４の位置を微調整しながら下から４列目の画素列の光強度を検出する。そして、４列目の画素列が受光した光の強度が極大となる位置でマルチスリット１４の位置を固定して、スリット光の検出を行う。これにより、所定の画素列に対して正確にスリット光を投影することができる。次にマルチスリット１４を移動して隣の画素列を照明領域とし、スリット光の検出を繰り返し行う。このマルチスリット１４の位置の調整とスリット光の検出を繰り返し行うことにより、より精度の高いコンフォーカル画像を撮像することが可能になる。

これにより、照明領域を正確に画素列に投影することができ、画像を精度よく撮像することができる。このようにＣＣＤカメラ２８の出力信号に基づいてフィードバックを行いマルチスリット１４の位置を調整することにより、正確に所定の画素列に照明領域８４を投影することができる。この画像を繰り返し撮像し、処理装置により合成することで３次元共焦点画像を短時間で撮像することができる。

本発明ではマルチスリットを走査する走査手段としてＶＣＭ１６を用いたが、走査手段はこれに限るものではない。例えば、圧電素子等を用いることができる。また、マルチスリットに矩形パターンを設けて位置検出を行ったが、マルチスリットと連動して移動するパターンであればよい。位置検出のために設けるパターンはこれに限るものではなく、矩形以外の形状で検出を行うことが可能である。また、照明領域に対応する画素列が１列に限らず、２列以上の画素列であってもよい。さらに照明領域と非照明領域との比は任意の値を用いることができる。

また、ＣＣＤカメラ２８と２分割フォトダイオード４１を同じ光源１１からの光を検出していたが、ＣＣＤカメラ２８と２分割フォトダイオード４１で異なる光源からの光を検出するようにしてもよい。すなわち、光源１１とは異なる位置検出用光源を用意して、この位置検出用光源から矩形パターンを透過した光を２分割フォトダイオードで検出するようにしてもよい。

マルチスリットからの位置検出には２分割フォトダイオードを用いたが、これに限らずラインセンサやエリアセンサを用いてもよい。本発明においてスリット光の検出にはＣＣＤカメラを用いたが、ＣＣＤエリアセンサ以外のエリアセンサを用いた場合でも非照明領域に対応する複数の画素列をまとめて取り出すことにより撮像時間を短縮することができる。

上述のコンフォーカル顕微鏡では、試料で反射した反射光により画像を撮像したが、試料を透過した透過光を用いる構成のコンフォーカル顕微鏡に対しても同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では光源からの光をライン状のスリット光に変換するための光変換手段として複数のスリット光を生成するマルチスリット１４を用いたが高原からの光を１本以上のライン状の光に変換する光変換手段であればよい。例えば、機械的に加工したマスクや液晶パネルによって構成することも可能である。さらにカラーフィルターを用いてカラー画像を撮像することが可能である。

発明の実施の形態２．
さらに、実施の形態１のコンフォーカル顕微鏡は他のアプリケーションに対しても利用可能である。図１のコンフォーカル顕微鏡の構成を用いて、透明薄膜の膜厚を測定することができる。例えば、実施の形態１の構成を用いることにより、Ｓｉウエハ上に形成された透明なレジストの膜厚測定を行うことができる。以下に透明薄膜の膜厚測定について図９と図１０とを用いて説明する。図９は膜厚測定時における受光面並びにその受光面で検出される光の強度を模式的に示した図である。図１０は受光した光の強度の信号を示す図である。実施の形態１と同様の構成については説明を省略する。透明薄膜の膜厚測定には照明領域８４に対応する画素列の信号に加えて、非照明領域８３に対応する画素列の信号を使用する。

本実施の形態ではマルチスリット１４は移動せず、対物レンズ２２を移動させている。すなわち、マルチスリット１４を走査しない状態で試料上において結像面の高さを走査するため、対物レンズ２２の位置を光軸に沿って移動している。まず、対物レンズ２２を光軸の方向に移動した場合の試料２３の表面で反射する光について説明する。ＣＣＤカメラ２８の受光面は図９に示す構成となっている。そして、対物レンズ２２の位置を変えていき、試料上における結像面の高さすなわち焦点高さを試料上において変位させていく。すると、ＣＣＤカメラ２８の受光面に受光される光の光強度分布８８が変化する。例えば、試料の表面に焦点がある場合、鋭いピークを持つ光強度分布８８ａに示すようになる。そして、焦点高さを変えていくと、ピークがなだらかになって、光強度分布８８ｂに示すようになる。さらに焦点高さをずらしていくと、さらにブロードなピークとなって、光強度分布８８ｃに示すようになる。すなわち、焦点高さに応じて光強度分布８８のピークの高さが変化していく。

マルチスリット１４のそれぞれのスリットを通過した光はＣＣＤカメラ２８の受光面においてピークを持つ。それぞれのピークの中心は照明領域８４に対応する画素列となる。従って、ピークが８画素列毎に配置される。膜厚測定ではマルチスリット１４の移動を伴わないため、照明領域８４に対応する画素列は変化しない。

焦点が試料の表面にある場合、ＣＣＤカメラ２８の受光面において光強度分布８８ａを持つ光が検出される。従って、焦点が試料の表面にある場合、照明領域８４において受光される光の強度が最も強くなる。一方、非照明領域８３に対応する画素列は照明領域８４の周辺に配置されるため、照明領域８４に受光されなかった光が受光される。従って、焦点が試料の表面にある場合、非照明領域８３において受光される光の強度が最も弱くなる。そして、焦点が試料表面からずれるに従って、照明領域８４において受光される光の強度が弱くなっていき、非照明領域８３において受光される光の強度が強くなっていく。ここで、照明領域８４と非照明領域８３とにおいて受光される光の総量は焦点高さによらず同じである。

非照明領域８３及び照明領域８４に対応する画素列で検出される光の強度と焦点高さの関係を図１０に示す。ここではマルチスリット１４のうち、１つのスリットを透過する光について説明する。図１０において照明領域８３に対応する画素列で検出される光の強度をＩとし、非照明領域８４に対応する画素列で検出される光の強度をＩ'とする。ここで非照明領域８４に対応する画素列で検出される光の強度Ｉ'は７画素列の合計の光強度である。本実施の形態では実施の形態１と同様に、非照明領域８３において複数の画素列の信号をまとめて取り出している。これにより、高速処理が可能になる。

図１０において横軸は焦点高さを示し、縦軸は検出光の光強度を示している。ここで、焦点が試料２３の表面にある場合の焦点高さを０とする。焦点高さを変えていくことにより、Ｉ及びＩ'が変化していく。照明領域８４に対応する画素列では焦点が試料表面にあるときが最も光強度が大きい。したがって、照明領域８４に対応する画素列の光強度は焦点高さ０が極大値となり、焦点高さ０からずれるにしたがって光強度が弱くなっていく。すなわち、焦点高さ０がピークとなる上に凸の分布を有している。一方、非照明領域８４の画素列では焦点高さ０が極小値となり、焦点高さ０からずれるにしたがって光強度が強くなっていく。すなわち、非照明領域８４の画素列では下に凸の分布を有している。従って、Ｉ−Ｉ'は焦点高さ０におけるピークの高さが２倍にエンハンスされた信号となる。この信号を用いることにより、測定精度を向上することができる。一方、Ｉ＋Ｉ'は焦点高さによらず一定の光強度となる。

次に基板上に形成されている平坦な透明薄膜の膜厚測定を考える。ここでは、図１１に示すように基板２３ａ上に形成されている均一な透明薄膜２３ｂについての膜厚測定を行うものとする。基板２３ａ上に透明薄膜２３ｂが形成されている試料において、焦点高さを変えていくと、透明薄膜２３ｂの表面のみならず、基板２３ａと透明薄膜２３ｂの界面において入射光が反射される。

ここで、透明薄膜２３ｂの表面において反射される反射光を表面反射光３０ａとし、基板２３ａと透明薄膜２３ｂとの界面で反射される光を界面反射光３０ｂとする。透明薄膜２３ｂの膜厚をｔとし、焦点高さをｚとする。照明領域８４に対応する画素列で検出される光の光強度は焦点高さｚを変数とした関数となる。ここで、ｚを変数とした光の強度の関数を光強度関数とする。任意の平坦な試料の表面で反射した光の光強度関数７０をｆ（ｚ）とする。この光強度関数ｆ（ｚ）は図１０に示したＩに基づいた関数である。

任意の平坦な試料の表面で反射した光の光強度関数７０を関数ｆ（ｚ）とすると、透明薄膜２３ｂの表面で反射した表面反射光３０ａの光強度関数はａｆ（ｚ＋ｚ_０）となる。ここでａは表面反射率で、ｚ_０は試料の高さの違いにより生じるオフセットである。すなわち、表面反射率ａによって光強度関数７０の振幅が変化して、基板２３ａの厚さ及び透明薄膜２３ｂの膜厚によって光強度関数７０の位相が変化する。ｚ_０は基板２３ａの厚さ及び透明薄膜２３ｂの膜厚によって決定される。一方、基板２３ａと透明薄膜２３ｂの界面で反射した界面反射光３０ｂの光強度関数はｂｆ（ｚ＋ｚ_１）となる。ここでｂは界面反射率で、ｚ_１は試料の高さの違いにより生じるオフセットである。すなわち、界面反射率ｂによって光強度の振幅が変化して、基板２３ａの厚さによって光強度の位相が変化する。ｚ_１は基板２３ａの厚さによって決定される。ＣＣＤカメラ２８の非照明領域８４に対応する画素列で検出された光強度関数Ｉ（ｚ）は表面反射光３０ａの光強度関数と界面反射光３０ｂの光強度関数の和となり、具体的にはＩ（ｚ）＝ａｆ（ｚ＋ｚ_０）＋ｂｆ（ｚ＋ｚ１）となる。

表面反射光３０ａと界面反射光３０ｂとのオフセットのずれｚ_１−ｚ_０は透明薄膜２３ｂの光学的な膜厚を示すことになる。さらに、透明薄膜２３ｂの膜厚をｔとし、透明薄膜２３ｂの屈折率をｎとして場合、透明薄膜２３ｂの絶対的な膜厚はｔ＝ｎ（ｚ_１−ｚ_０）となる。

実際の測定において、焦点高さｚを変えていくと、受光面で検出される光は図１１の光強度関数７１に示すようになる。すなわち、表面反射光３０ａと界面反射光３０ｂとによって、光強度関数７１に２つのピークが生じる。図１１では上側のピークが表面反射光３０ａによるピークであり、下側のピークが表面反射光３０ｂによるピークとなる。このピークとなる２つの焦点高さの間隔が（ｚ_１−ｚ_０）となる。透明薄膜２３ｂの屈折率が既知の値である場合、透明薄膜２３ｂの絶対的な膜厚を測定することができる。また、透明薄膜２３ｂの屈折率が既知の値でない場合であっても、相対的な膜厚変化を測定することができる。このように、焦点高さｚを変えて照明領域８４に対応する画素列で受光した光の光強度に基づいて、透明薄膜２３ｂの膜厚を測定することができる。

なお、図１１に示す光強度関数７１では、説明の簡略化のため、表面反射光３０ａによるピークと界面反射光３０ｂによるピークを同じ高さのピークとしている。すなわち、表面反射率ａと界面反射率ｂを同じものとし、透明薄膜２３ｂにおける吸収や散乱がないものとしている。また、実際の光強度関数は図１１の光強度関数７１がマルチスリット１４のスリットの数だけ、繰り返し配置された構成となる。マルチスリット１４のそれぞれのスリットに対して測定を行うことにより、試料面内において一定間隔で膜厚を測定することができる。さらに、マルチスリット１４をＶＣＭ１６により移動させて同様の測定を行うことにより、試料２３の全面において透明薄膜の膜厚を求めることができる。

さらに、図１０で示した照明領域８４に対応する画素列の光強度と非照明領域８３に対応する画素列の光強度との差（Ｉ−Ｉ'）を用いても（ｚ１−ｚ０）を算出することができる。この場合、ピークがエンハンスされるため図１１に示す光強度関数７１のピークが顕著に表れる。よって精度の高い膜厚測定を行うことができる。

発明の実施の形態３．
実施の形態２で示した膜厚測定では、表面反射光３０ａによるピークと界面反射光３０ｂによるピークを分離することができない場合がある。すなわち、一方の光強度関数の裾野に他方の光強度関数のピークが隠れてしまう場合がある。この現象は、例えば、透明薄膜２３ｂの膜厚が非常に薄い場合や表面反射率ａあるいは界面反射率ｂのいずれか一方が他方に比べて非常に小さい場合に発生する。本実施の形態では、表面反射光３０ａによるピークと界面反射光３０ｂによるピークを分離することができない場合であっても膜厚測定が可能な方法について説明する。なお、実施の形態１及び実施の形態２と同様の構成については説明を省略する。

本実施の形態では実施の形態１で示したコンフォーカル顕微鏡を用いて膜厚測定を行う。また、上述の実施の形態と同様に照明領域８４に対応する画素列において受光した光に基づく信号を使用し、非照明領域８３に対応する画素列において受光した光に基づく電荷についてはまとめて取り出して捨てるようにする。さらに本実施の形態においても、試料上において結像面の高さを走査するため、対物レンズ２２の位置を移動する。すなわち、対物レンズ２２の位置を変えていき、試料上における結像面の高さすなわち焦点高さを試料の表面から走査させていく。

実施の形態２と同様に任意の平坦な試料の表面で反射した光の光強度関数７０をｆ（ｚ）とする。本実施の形態では光強度関数７０をｆ（ｚ）を参照して、膜厚を算出する。透明薄膜２３ｂの膜厚が非常に薄い場合、光強度は光強度関数７１ａに示すようになる。この光強度関数７１ａは表面反射光３０ａによる光強度関数７２ａの成分と界面反射光３０ｂにより光強度関数７２ｂの成分とを有している。膜厚が非常に薄い場合、表面反射光３０ａによる光強度関数７２ａの極大値と、界面反射光３０ｂによる光強度関数７２ｂの極大値との間隔が狭くなってしまう。受光面で検出される光は表面反射光３０ａによるピークと界面反射光３０ｂによるピークとの間隔が狭くなる。

さらに表面反射率ａが界面反射率ｂに比べて非常に小さい場合、光強度は光強度関数７１ｂに示すようになる。この場合、界面反射光３０ｂの光強度関数７２ｂの裾野に表面反射光３０ａの光強度関数のピークが隠れてしまう。表面反射光３０ａのピークに対応する極大値の位置が算出できなくなる。図１２に示すように光強度関数７１ｂにおいて、表面反射光３０ａによるピークがなくなるため、界面反射光３０ｂによるピークのみとなる。従って、極大値が１つとなり、表面反射光３０ａによるピークの位置を特定できなくなってしまう。

本実施の形態ではこのような場合であっても、透明薄膜２３ｂの膜厚ｔを測定するため最小自乗法を用いている。例えば、表面反射率ａ及び界面反射率ｂが既知の値であったとする。さらに任意の平坦な試料の表面で反射した光の光強度関数７０すなわち、ｆ（ｚ）は使用するコンフォーカル光学系の構成によって定められるため、ｆ（ｚ）は既に測定した結果を用いることができる。この場合、表面反射光３０ａによる光強度分布の形と界面反射光３０ｂにより光強度分布の形が既知のものとなっている。そして、ｚ_０とｚ_１とが変数となる。

検出された光強度関数Ｉ（ｚ）は理想的にはａｆ（ｚ＋ｚ_０）＋ｂｆ（ｚ＋ｚ_１）と等しくなるはずである。表面反射光３０ａの光強度関数７１ａはａｆ（ｚ＋ｚ_０）で表され、界面反射光３０ｂの光強度関数７１ｂはｂｆ（ｚ＋ｚ_１）で表される。ａｆ（ｚ＋ｚ_０）とｂｆ（ｚ＋ｚ_１）との和が検出された光強度関数Ｉ（ｚ）に対して最も近くなるようｚ_０とｚ_１とが最小自乗法により決定される。すなわち、ａｆ（ｚ＋ｚ_０）＋ｂｆ（ｚ＋ｚ_１）においてｚ_０とｚ_１とが変数となる。そして、ａｆ（ｚ＋ｚ_０）＋ｂｆ（ｚ＋ｚ_１）と検出された光強度関数Ｉ（ｚ）との差の二乗が極小となるようｚ_０とｚ_１とを変数として最小二乗法によりフィッティングする。測定値であるＩ（ｚ）との残差が極小値となるｚ_０及びｚ_１を求める。これにより、ｚ_０とｚ_１について最も確からしい値を算出することができる。そして、最も確からしい値によってｚ_１−ｚ_０を算出する。ｚ_１−ｚ_０により実施の形態１と同様に膜厚ｔを算出する。

なお、上述の説明では、表面反射率ａ及び界面反射率ｂとが既知の値としてが、表面反射率ａ及び界面反射率ｂが未知の値であっても最小自乗法により求めることができる。すなわち、ａｆ（ｚ＋ｚ_０）＋ｂｆ（ｚ＋ｚ_１）においてａ、ｂ、ｚ_０及びｚ_１が変数となる。ａｆ（ｚ＋ｚ_０）＋ｂｆ（ｚ＋ｚ_１）と検出された光強度関数Ｉ（ｚ）との差の二乗が極小となるようａ、ｂ、ｚ_０及びｚ_１を変数として最小二乗法によりフィッティングする。すなわち、測定値であるＩ（ｚ）との残差が極小値となるａ、ｂ、ｚ_０及びｚ_１を求める。これにより、ａ、ｂ、ｚ_０及びｚ_１について最も確からしい値を算出することができる。そして、最も確からしい値によってｚ_１−ｚ_０を算出する。ｚ_１−ｚ_０により同様に膜厚ｔを算出する。この場合、さらに表面反射率ａと界面反射率ｂについても算出することができる。

上述の算出において、ｚ_０及びｚ_１にさらにはａ及びｂの誤差が大きくならないよう、焦点高さｚの値を変えて照明領域８４における光の強度を多数測定する。すなわち、焦点高さｚの測定点を多数設けるよう、対物レンズ２２を小刻みに移動して測定することが必要である。また、マルチスリット１４のそれぞれのスリットに対して膜厚測定を行うことができる。マルチスリット１４をＶＣＭ１６により移動させて同様の膜厚測定を行うことにより、試料２３の全面において透明薄膜の膜厚を求めることができる。

このように最小二乗法によりｚ_１−ｚ_０とを算出することにより、ピークが分離できない場合であっても、膜厚を求めることが可能になる。これにより、検出された光強度関数Ｉ（ｚ）において合成されていた表面反射光３０ａによる成分と界面反射光による成分を分離することができる。さらに図１３に示すように膜厚がさらに薄くなり、１つのピークしか表れない光強度関数となる場合であっても膜厚測定が可能になる。

上述の演算処理はカメラコントローラにより接続された処理装置によって実現することができる。処理装置は例えば、パーソナルコンピュータであり、ハードウェア及びそれに読み込まれるソフトウェアにより上記の演算処理を実現することができる。この処理装置について図１４を用いて説明する。図１４は処理装置１００の構成を示すブロック図である。１０１は測定データ記憶部、１０２は参照関数記憶部、１０３は定数記憶部、１０４は変数算出部、１０５は膜厚算出部、１０６は焦点高さ走査手段である。

焦点高さ走査部１０６は対物レンズ２２の位置を光軸に沿って変えて、試料面における焦点高さｚを変位するための信号を出力する。例えば、対物レンズ２２はアクチュエータ（図示せず）に接続されており、焦点高さ走査部１０６はアクチュエータを駆動するためのアクチュエータ駆動回路に信号を出力する。アクチュエータ駆動回路は焦点高さ走査部１０６からの信号により、対物レンズ２２を変位させて焦点高さｚを走査する。ある焦点高さにおける光強度が検出されたら、焦点高さｚを変位して再度光強度を検出する。これを繰り返して光強度関数Ｉ（ｚ）を検出する。焦点高さｚは薄膜２３ｂの表面から薄膜２３ｂと基板２３ａとの界面に渡って変位される。これにより精度の高い測定を行うことができる。

測定データ記憶部１０１はＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ等の記憶装置から構成されており、焦点高さｚと照明領域８４に対応する画素列で検出された光に基づく信号とを対応付けて記憶する。焦点高さ走査部１０６により焦点高さｚを変位させた場合において、測定データ記憶部１０１には、それぞれの焦点高さｚと対応付けて光強度が記憶される。すなわち、測定データ記憶部１０１には光強度関数Ｉ（ｚ）が記憶される。なお、照明領域８４に対応する画素列はカメラコントローラ２９の画素列記憶部９１に記憶されている情報に基づいて定められる。この時、非照明領域８３に対応する複数の画素列の電荷をまとめて取り出すようにすることにより、処理の高速化を図ることができる。

参照関数記憶部１０２はＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ等の記憶装置から構成されており、参照となる光強度関数ｆ（ｚ）を記憶する。この光強度関数ｆ（ｚ）は、例えば、参照となるシリコンウエハにおいて、焦点高さｚを走査して、ウエハ表面からの反射光を検出することにより求めることができる。過去に行われた検出結果から光強度関数ｆ（ｚ）すなわち参照関数が記憶される。この参照関数を記憶することにより、膜厚を短時間で算出することができる。

定数記憶部１０３はＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲ等の記憶装置から構成されており、膜厚を求めるために必要な定数を記憶する。定数記憶部１０３には例えば、透明薄膜２３ｂの屈折率ｎが記憶される。さらに、表面反射率ａ又は界面反射率ｂが既知である場合、表面反射率ａ又は界面反射率ｂが記憶される。これらの定数は材料に応じて異なる値となるため、ユーザーが入力した値を定数として記憶することが可能である。あるいは、代表的な材料に応じた定数を記憶しておき、その材料をユーザーが選択することにより、定数が決定されてもよい。

変数算出部１０４は、演算処理回路により構成された演算処理装置であり、上記の測定データ記憶部１０１に記憶された測定データ、参照関数記憶部１０２に記憶された参照関数及び定数記憶部１０３に記憶された定数に基づいてｚ_１−ｚ_０を算出する。実施の形態２においては、測定データによる光強度関数Ｉ（ｚ）における極大値を２つ算出する。一方、実施の形態３においては最小自乗法により、ｚ_１−ｚ_０を算出する。ｚ_１−ｚ_０を算出することにより、測定データである光強度関数Ｉ（ｚ）において、界面反射光３０ｂの成分と表面反射光３０ａの成分とが分離される。界面反射光３０ｂの成分と表面反射光３０ａの成分との間隔から透明薄膜の光学的な膜厚を測定することができる。なお、実施の形態２において表面反射率ａ及び界面反射率ｂは不要であり、実施の形態３において表面反射率ａ、界面反射率ｂが未知である場合、変数算出部１０４は表面反射率ａ、界面反射率ｂを算出する。

膜厚算出部１０５は演算処理回路により構成された演算処理装置であり、定数記憶部に記憶された透明薄膜の屈折率ｎと変数算出部に基づいて算出されたｚ_１−ｚ_０により膜厚ｔを算出する。具体的には透明薄膜２３ｂの膜厚ｔ＝ｎ（ｚ１−ｚ０）となる。なお、屈折率ｎが未知である場合であって絶対的な膜厚ｔは算出されない。この場合であっても、相対的な膜厚を測定することができる。また、透明薄膜２３ｂは光源１１からの光の一部を透過するものであれば膜厚測定が可能である。

実施の形態２及び実施の形態３では、照明領域に対応する画素列が予め記憶されていなくてもよい。例えば、１回目の測定において受光面において受光される光の強度から照明領域に対応する画素列を求め、これを記憶するようにしてもよい。実施の形態２及び実施の形態３による膜厚測定方法により膜厚を測定することにより、コンフォーカル顕微鏡により膜厚を測定することができる。これにより、簡易な構成で膜厚を測定することができ、コンフォーカル顕微鏡の新たなアプリケーションを提供することができる。もちろん、コンフォーカル顕微鏡の光学系を利用しない場合であっても、必要な手段を備えた光学系により膜厚を測定することができる。

なお、上述の実施の形態において参照となる光強度関数ｆ（ｚ）は１表面からの反射光に基づいて定めされたが、これに限るものではない。例えば、任意の膜厚を有する試料において表面反射光３０ａと界面反射光３０ｂによる光強度を合成した光強度関数を用いてもよい。この場合、膜厚が異なる多数のサンプルにおいて、光強度関数を検出し、その異なる膜厚を有する複数の光強度関数のそれぞれが参照となる光強度関数となる。そして、参照となる光強度関数の膜厚を変数として、最小自乗法により、試料に形成された透明薄膜２３ｂの光学的な膜厚を算出する。

本発明にかかるコンフォーカル顕微鏡の構成を示す図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡におけるマルチスリットの構成を模式的に示す図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡におけるマルチスリットの構成を示す平面図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡における受光面並びにその受光面で検出される光の強度及び出力信号を模式的に示した図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡における受光面並びにその受光面で検出される光の強度及び出力信号を模式的に示した図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡におけるＣＣＤカメラの原理的構成図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡におけるＣＣＤカメラコントローラの構成を示すブロック図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡における受光面並びにその受光面で検出される光の強度及び出力信号を模式的に示した図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡において、焦点高さを変えた時の受光面並びにその受光面で検出される光の強度の模式的に示した図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡において、焦点高さと検出光の光強度との関係を示す図である。本発明のコンフォーカル顕微鏡において、膜厚を測定するときの信号処理を示す図である。本発明の実施の形態３にかかるコンフォーカル顕微鏡において、膜厚を測定するときの信号処理を示す図である。本発明の実施の形態３にかかるコンフォーカル顕微鏡において、膜厚を測定するときの信号処理を示す図である。実施の形態２及び実施の形態３での演算処理を実行する処理装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１コンフォーカル顕微鏡、１１光源、１２レンズ、１３赤外線カットフィルタ、１４マルチスリット、１５プリズム、１６ボイスコイルモータ、
１７ミラー、１９２群レンズ、２０ビームスプリッタ、
２１ビームスプリッタ、２２対物レンズ、２３試料、２３ａ基板、
２３ｂ透明薄膜、２４ステージ、２５２群レンズ、２６ミラー、
２８ＣＣＤカメラ、４０レンズ、４１２分割フォトダイオード、
４５２分割フォトダイオードの受光面、４７２分割フォトダイオードの入射光、
５１スリット部、５１矩形パターン、５３スリット、５４遮光部、
７０参照となる光強度関数、７１検出された光強度関数
７２ａ表面反射光により光強度関数、７２ｂ界面反射光により光強度関数
８０受光面、８１画素、８３非照明領域、８４照明領域、
８５水平転送レジスタ、８６垂直転送レジスタ、
８８光強度分布、８９出力信号、
９１画素列記憶部部、９２ＶＣＭ制御部、９３スリット位置検出部
９４ＣＣＤカメラ制御部
１００処理装置、１０１測定データ記憶部、１０２参照関数記憶部
１０３定数記憶部、１０４変数算出部、１０５膜厚算出部、
１０６焦点高さ走査部

Claims

光源と、
前記光源からの光をライン状に光に変換する光変換手段と、
前記光変換手段を移動してライン状の光を走査する走査手段と、
前記光変換手段と共役な位置に設置された試料上に前記ライン状の光を結像し、前記試料からの透過光又は反射光を結像面に結像する結像手段と、
前記結像面に配置され、アレイ状に配置された複数の画素を有する２次元アレイ光検出器と、
前記走査手段の走査により移動する前記光変換手段に設けられ、前記光源からの光を透過する透過パターンと、
前記ライン状の光が前記試料を反射又は透過して前記２次元アレイ光検出器の受光面に照射される照明領域に対応する画素列を前記光変換手段の位置に応じて記憶する画素列記憶手段と、
前記透過パターンを透過した光に基づいて、前記走査手段の走査によって移動した前記光変換手段の位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段での検出結果と前記画素列記憶部に記憶されている画素列とに基づいて、前記２次元アレイ光検出器において前記照明領域以外の非照明領域に対応する複数の画素列の信号を蓄積させ、まとめて取り出すよう制御する制御手段とを備えるコンフォーカル顕微鏡。
前記２次元アレイ光検出器の出力信号に基づいて、前記画素列記憶手段により記憶された画素列が前記照明領域となるようフィードバックする請求項１記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記光変換手段の前後に移動可能に設けられ、前記光変換手段をバイパスする光学手段をさらに備え、
前記光学手段が前記光変換手段の前後に移動された状態では、前記制御手段が全ての画素列に対応する信号のそれぞれを読み出すよう前記２次元アレイ光検出器を制御することを特徴とする請求項１、又は２に記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記光変換手段によって変換されたライン状の光を屈折させる２群レンズをさらに備え、
前記２群レンズの間隔を調整することにより倍率を調整することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記２次元アレイ光検出器がＣＣＤカメラであり、
前記非照明領域に対応する複数の画素列の信号電荷を蓄積して、まとめて取り出すことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記光変換手段が複数のスリットを有するマルチスリットであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記走査手段を走査しない状態で、透明膜が形成された前記試料上における結像面の高さを変位して、焦点高さを走査する焦点高さ走査手段と、
前記焦点高さ走査手段により走査された結像面において、前記照明領域に対応する画素列で検出される光に基づく信号を前記結像面の高さと対応付けて記憶する測定データ記憶手段と、
前記焦点高さを変数とし、前記測定データ記憶部により前記透明膜の光学的な膜厚を算出するために参照される参照関数を記憶する参照関数記憶手段と、
前記参照関数と前記測定データに基づいて最小二乗法により、前記透明膜の光学的な膜厚を算出する算出手段とをさらに有する請求項１乃至６いずれかにコンフォーカル顕微鏡。
前記算出手段では、前記測定データの前記透明膜の表面で反射された表面反射光の成分と前記透明膜と前記試料との界面で反射された界面反射光との成分とに分離することにより光学的な膜厚が算出される請求項７記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記透明膜の屈折率を記憶する屈折率記憶部をさらに備え、
前記屈折率により、前記透明膜の絶対的な膜厚を測定する請求項７、又は８に記載のコンフォーカル顕微鏡。
前記照明領域に対応する画素列の信号と、まとめて取り出された前記非照明領域に対応する画素列との信号の差を算出する請求項１乃至９のいずれか１項に記載のコンフォーカル顕微鏡。
光源と、
前記光源からの光をライン状に光に変換する光変換手段と、
前記光変換手段を移動してライン状の光を走査する走査手段と、
前記光変換手段と共役な位置に設置された透明な薄膜を有する試料上に前記ライン状の光を結像し、前記試料からの反射光を結像面に結像する結像手段と、
前記結像面に配置され、アレイ状に配置された複数の画素を有する２次元アレイ光検出器と、
前記走査手段の走査により移動する前記光変換手段に設けられ、前記光源からの光を透過する透過パターンと、
前記透過パターンを透過した光に基づいて、前記走査手段の走査によって移動した前記光変換手段の位置を検出する位置検出手段と、
前記薄膜の表面で反射した表面反射光又は前記薄膜と前記試料との界面で反射した界面反射光とが前記２次元アレイ光検出器の受光面に照射される照明領域に対応する画素列を前記光変換手段の位置に応じて記憶する画素列記憶手段と、
前記位置検出手段での検出結果と前記画素列記憶部に記憶されている画素列とに基づいて、前記２次元アレイ光検出器において前記照明領域以外の非照明領域に対応する複数の画素列の信号を蓄積させ、まとめて取り出すよう制御する制御手段と、を用いて前記透明な薄膜の光学的な膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記試料上において結像面の高さを変位して、前記薄膜の表面から前記薄膜と前記試料の界面まで焦点高さを走査する焦点高さ走査ステップと、
前記焦点高さ走査ステップにより走査された結像面において、前記照明領域に対応する画素列で検出される光に基づく信号を前記結像面の高さと対応付けて測定データを記憶する測定データ記憶ステップと、
前記焦点高さを変数とし、前記測定データ記憶部により前記薄膜の光学的な膜厚を求めるために参照される参照関数と前記測定データとに基づいて最小二乗法により、前記薄膜の光学的な膜厚を算出する算出ステップとを有する膜厚測定方法。
前記算出ステップでは、前記測定データを表面反射光の成分と前記界面反射光の成分とに分離することにより光学的な膜厚が算出される請求項１１記載の膜厚測定方法。
前記照明領域に対応する画素列の信号と、まとめて取り出された前記非照明領域に対応する画素列との信号の差を算出する請求項１１、又は１２に記載の膜厚測定方法。