JP4963567B2

JP4963567B2 - 微小高さ測定装置

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Publication number: JP4963567B2
Application number: JP2006135381A
Authority: JP
Inventors: 通伸水村
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-05-15
Also published as: JP2007304058A

Description

本発明は、被測定物の微小高さを測定する微小高さ測定装置に関し、詳しくは、被測定物上に測定点を指定してその測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定装置に係るものである。

従来のこの種の微小高さ測定装置は、光源であるレーザ発振器と、被測定物をレーザビームで走査するためのレーザビーム偏向部と、走査されるレーザビームを被測定物に集光する対物レンズと、被測定物からの反射光を二つの光路に分岐する光学系と、分岐された各々の光路における反射光の結像位置付近に配置した光学的に大きさの異なる二つの開口と、各開口を通過した反射光をそれぞれ検出する光検出器と、この光検出器の出力信号から被測定物の高さを算出する処理部とを備え、小さな開口を配置した光路から得られた反射光の高さに依存する測定値を、大きな開口を配置した光路から得られた反射光の絶対量値で除算して被測定物の高さを求め、これを予め計算・記憶しておいた高さ換算表と照らし合わせることにより、計算結果に応じた高さを得るようになっている（特許文献１参照）。

しかし、上記微小高さ測定装置は、レーザビームをガルバノミラー等を用いて走査するため、走査スピードに限界があり、また走査ビームの揺らぎ現象の問題があった。

そこで、このような問題に対処するために、他の装置は、多数のマイクロレンズをアレイ状に配列したマイクロレンズディスクと、該マイクロレンズディスクと同一の回転軸により一体的に回転するようにされ、上記マイクロレンズディスクの各マイクロレンズの焦点位置にピンホールを形成したピンホールディスクと、上記マイクロレンズディスクのマイクロレンズ及びピンホールディスクのピンホールを通過した光ビームを被測定物上に集光させる対物レンズと、該対物レンズの焦点位置と光学的に共役の関係に配置され被測定物からの反射光を検出する光検出器と、上記マイクロレンズディスクとピンホールディスクとの間に配設され被測定物からの反射光を上記光検出器側に反射するハーフミラーと、該反射光を上記光検出器の検出面上に集光するリレーレンズとを備えている（特許文献２参照）。

上記他の装置は、このような構成により、レーザビームをマイクロレンズディスクに配置された各マイクロレンズにより個別の光束として集光し、ハーフミラーを透過後、ピンホールディスクに設けられた個々のピンホールを通過させ、対物レンズにより被測定物上に集光させる。そして、被測定物からの反射光を再び対物レンズによりピンホールディスクの個々のピンホール上に集光させ、個々のピンホールを通過後、上記ハーフミラーにより反射してリレーレンズにより光検出手段上に集光させる。これにより、マイクロレンズディスクとピンホールディスクとを一体的に回転してレーザビームを観察領域全体に高速走査することができる。
特開平０７−１２８０２５号公報特開２００４−３４０６６３号公報

しかし、このような従来の微小高さ測定装置においては、いずれも光ビームの走査を機械的に行うものであったので、光ビームの走査速度には限界があり、高速測定が困難であった。また、観察領域全体をレーザビームで走査して被測定物の高さを測定するものであったので、被測定物上に測定点を指定して測定することができず、測定点の高さを高速度で測定することができなかった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、被測定物上に測定点を指定してその測定点の高さを高速で測定しようとする微小高さ測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明による微小高さ測定装置は、光ビームを放射する光源と、前記光源からの光ビームを被測定物上に指定された測定点に集光してビームスポットを形成する対物レンズと、前記光源と対物レンズとを結ぶ光路上に該光路に沿って変位可能に配設された集光レンズと、前記集光レンズがその変位範囲内の所定位置に配置されているとき、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記集光レンズが前記所定位置に対して前記対物レンズ側に配置されているとき、前記対物レンズから前記光源に向かう光路にて前記測定点選択手段で反射される光の光路上に、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、該被測定物上の測定点の像を撮像する撮像手段と、前記光源からの光ビームにて前記被測定物上の測定点で反射され、前記測定点選択手段で反射されて戻る光を検出する光検出手段と、前記集光レンズを前記対物レンズの光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、前記測定点選択手段の各マイクロミラーを駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の前記測定点の高さとして求める制御手段と、を備え、前記集光レンズをその変位範囲内の前記所定位置に対して前記対物レンズ側に位置させた状態で、前記撮像手段により前記被測定物上の測定点を撮像してフォーカス調整した後、前記集光レンズを前記光源側に向かう一定方向に移動させて前記測定点の高さを求めるものである。

このような構成により、先ず、集光レンズをその変位範囲内にて測定点選択手段の配設位置を確定する所定位置に対して対物レンズ側に配置した状態で撮像手段により被測定物上の測定点の像を測定点選択手段を介して撮像し、次に、光源から光ビームを放射し、制御手段で測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に駆動制御し、対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上の測定点に集光してビームスポットを形成する。その後、制御手段で変位手段を制御して集光レンズを光源側に向かう一定方向に変位させる。その際、光検出手段で光源からの光ビームにて被測定物上の測定点で反射され、測定点選択手段で反射されて戻る光を検出し、制御手段により上記光検出手段で検出された光の輝度及び上記変位手段から入力した集光レンズの変位量のデータに基づいて最大輝度値を示す変位量を被測定物の上記測定点の高さとして求める。

また、第２の発明による微小高さ測定装置は、光ビームを放射する光源と、前記光源からの光ビームを被測定物上に指定された測定点に集光してビームスポットを形成する対物レンズと、前記光源と対物レンズとを結ぶ光路上に該光路に沿って変位可能に配設された集光レンズと、前記集光レンズがその変位範囲内の所定位置に配置されているとき、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、前記集光レンズが前記所定位置に対して前記対物レンズ側又は前記光源側のいずれか一方に配置されているとき、前記対物レンズから前記光源に向かう光路にて前記集光レンズと前記測定点選択手段との間で分岐された光路上に、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、該被測定物上の測定点の像を撮像する撮像手段と、前記光源からの光ビームにて前記被測定物上の測定点で反射され、前記測定点選択手段で反射されて戻る光を検出する光検出手段と、前記集光レンズを前記対物レンズの光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、前記測定点選択手段の各マイクロミラーを駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の前記測定点の高さとして求める制御手段と、を備え、前記集光レンズをその変位範囲内の前記所定位置に対して前記対物レンズ側又は前記光源側のいずれか一方に位置させた状態で、前記撮像手段により前記被測定物上の測定点を撮像してフォーカス調整した後、前記集光レンズを前記光源側又は前記対物レンズ側のいずれかに向かう一定方向に移動させて前記測定点の高さを求めるものである。

このような構成により、先ず、集光レンズをその変位範囲内にて測定点選択手段の配設位置を確定する所定位置に対して対物レンズ側又は光源側に配置した状態で撮像手段により被測定物上の測定点の像を撮像し、次に、光源から光ビームを放射し、制御手段で測定点選択手段のマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に駆動制御し、対物レンズにより上記マイクロミラーで反射された光ビームを被測定物上の測定点に集光してビームスポットを形成する。その後、制御手段で変位手段を制御して、撮像手段による測定点の像の撮像時に集光レンズが対物レンズ側に配置されているときには、集光レンズを光源側に向かう一定方向に変位させ、光源側に配置されているときには、対物レンズ側に向かう一定方向に変位させる。その際、光検出手段で光源からの光ビームにて被測定物上の測定点で反射され、測定点選択手段で反射されて戻る光を検出し、制御手段により上記光検出手段で検出された光の輝度及び上記変位手段から入力した集光レンズの変位量のデータに基づいて最大輝度値を示す変位量を被測定物の上記測定点の高さとして求める。

請求項１に係る発明によれば、測定点選択手段のマイクロミラーを傾けて被測定物上に測定点を指定し、その測定点の高さを測定することができ、高速で測定することができる。また、測定点選択手段と対物レンズとを結ぶ光路上に配設された集光レンズを該光路に沿って変位させてその変位量から測定点の高さを測定するようにしているので、被測定物を対物レンズに対して相対的に変位させる場合よりもイナーシャが小さくなり変位速度を向上することができる。したがって、微小高さをより高速に測定することができる。この場合、集光レンズがその変位範囲内の所定位置に配置されているとき、対物レンズによる被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に測定点選択手段を配設し、集光レンズが上記所定位置に対して対物レンズ側に配置されているとき、対物レンズから光源に向かう光路にて測定点選択手段で反射される光の光路上に、対物レンズによる被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に撮像手段を配設しているので、集光レンズをその変位範囲内の上記所定位置に対して対物レンズ側に位置させた状態で、撮像手段により被測定物上の測定点を撮像してフォーカス調整した後、測定点の高さを測定する際には、上記集光レンズを、常に、光源側に向かう一定方向に変位させればよく、微小高さをより一層高速に測定することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、測定点選択手段のマイクロミラーを傾けて被測定物上に測定点を指定し、その測定点の高さを測定することができ、高速で測定することができる。また、測定点選択手段と対物レンズとを結ぶ光路上に配設された集光レンズを該光路に沿って変位させてその変位量から測定点の高さを測定するようにしているので、被測定物を対物レンズに対して相対的に変位させる場合よりもイナーシャが小さくなり変位速度を向上することができる。したがって、微小高さをより高速に測定することができる。この場合、集光レンズがその変位範囲内の所定位置に配置されているとき、対物レンズによる被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に測定点選択手段を配設し、集光レンズが上記所定位置に対して対物レンズ側又は光源側のいずれか一方に配置されているとき、対物レンズから光源に向かう光路にて集光レンズと測定点選択手段との間で分岐された光路上に、対物レンズによる被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に撮像手段を配設しているので、集光レンズをその変位範囲内の上記所定位置に対して対物レンズ側又は光源側のいずれか一方に位置させた状態で、撮像手段により被測定物上の測定点を撮像してフォーカス調整した後、測定点の高さを測定する際には、上記集光レンズを、常に、光源側又は対物レンズ側のいずれかに向かう一定方向に変位させればよく、微小高さをより一層高速に測定することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による微小高さ測定装置の第１の実施形態を示す概念図であり、図２は図１の要部を示す側面図である。この微小高さ測定装置は、被測定物上の測定点の微小高さを測定するもので、光源１と、対物レンズ２と、集光レンズ３と、測定点選択手段４と、撮像手段５と、光検出手段６と、変位手段７と、照明用光源８と、フォーカス調整手段９と、制御手段１０とからなる。

上記光源１は、被測定物上の測定点の微小高さを測定するために所定波長の光ビームを放射するものであり、例えばレーザ発振器である。なお、光源１は、波長の異なる複数のレーザ光源を組み合わせて構成し、ステージ１１の上面に載置された被測定物１２の測定点の下地の色に応じてスイッチで切り換えて選択可能としてもよい。また、光源１から放射された光ビームは、ビームエキスパンダ１３でその径が広げられ、コリメータレンズ１４で平行光とされて射出するようになっている。

上記被測定物１２を載置するステージ１１の上方には、該被測定物１２と対向して対物レンズ２が配設されている。この対物レンズ２は、光源１からの光ビームを被測定物１２上に集光するものであり、図１に示すように、例えば低倍率から高倍率の五種類の対物レンズ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅからなる。そして、これら五種類の対物レンズ２ａ〜２ｅは、顕微鏡の鏡筒１５の下端部に上記ステージ１１の面に平行に移動可能に設けられたレンズホルダー１６に着脱可能に取り付けられている。

上記光源１と対物レンズ２とを結ぶ光路上には、集光レンズ３が配設されている。この集光レンズ３は、被測定物１２上の測定点の像を後述の撮像手段５の受光面に結像させ、またこの測定点に集光された光ビームスポットの像を後述の測定点選択手段４のマイクロミラー１７上に結像させるレンズであり、上記光路に沿って矢印Ａ，Ｂ方向に変位可能とされている。

上記集光レンズ３がその変位範囲内の所定位置、例えば、図２に破線で示すように変位範囲の中間位置Ｏ_１に配置されているとき、上記対物レンズ２による上記被測定物１２上の結像点と光学的に共役の関係に測定点選択手段４が配設されている。この測定点選択手段４は、被測定物１２上に指定された側定点に光ビームを照射するものであり、複数のマイクロミラー１７をマトリクス状に配列しており、図３に実線で示すように各マイクロミラー１７が光源１からの光ビームを被測定物１２方向に反射するように個別に傾くようになっている。そして、この状態を以下「マイクロミラー１７がオン状態」という。一方、「マイクロミラー１７がオフ状態」においては、マイクロミラー１７は、同図に破線で示すように傾き、光源１からの光ビームを被測定物１２方向とは異なる方向に反射することとなる。上記マイクロミラー１７のサイズは、例えば16μm角程度に形成することが可能であり、該マイクロミラー１７でそれと略同サイズのスポット光を生成することができる。また、このマイクロミラー１７は、被測定物１２の測定点で反射されて戻る光ビームに対してはピンホールとして作用する。なお、図２において、符号１８Ａは反射ミラーである。

上記対物レンズ２から光源１に向かう光路にて上記測定点選択手段４で反射される光の光路上には、撮像手段５が配置されている。具体的には、撮像手段５は、図４に破線で示すように、マイクロミラー１７がオフ状態において、測定点からの反射光が光検出手段６方向（マイクロミラー１７がオン状態において反射される方向）と異なる方向に反射されるその反射光の光路上に配設されている。この撮像手段５は、被測定物１２上の測定点の像を撮像するものであり、例えば二次元画像の取得が可能なＣＣＤカメラであり、同図に実線で示すように、上記集光レンズ３が上記位置Ｏ_１に対して対物レンズ２側の位置Ｏ_２（ここでは、変位範囲の最下点で示す）に配置されているとき、上記対物レンズ２による上記被測定物１２上の結像点と光学的に共役の関係をなしている。

上記光源１と測定点選択手段４との間には、光検出手段６が設けられている。この光検出手段６は、上記光源１からの光ビームにて上記複数のマイクロミラー１７のうち選択されたマイクロミラー１７で反射されて上記被測定物１２上に指定された測定点に集光し、そこで反射されて戻る光を検出するものであり、光の強度を電気信号の振幅に光電変換する例えば光電子増倍管（Photo Multiplier Tube：PMT）である。なお、光検出手段６は、測定点選択手段４から光源１に向かう光路がハーフミラー１９Ａにより分岐された光路上に配設されて、上記被測定物１２の測定点からの戻り光にて上記測定点選択手段４で反射された光を、光源１から放射される光ビームと干渉することなく受光できるようになっている。さらに、上記ハーフミラー１９Ａで反射された測定点選択手段４からの光ビームは、リレーレンズ２０で光検出手段６の受光面に集光するようになっている。

上記集光レンズ３には、変位手段７が設けられている。この変位手段７は、集光レンズ３を対物レンズ２の光軸方向にて矢印Ａ，Ｂ方向に変位させるものであり、図示省略のモータ又はアクチュエータと位置検出センサーとを備え、後述の制御手段１０からの制御信号に基づいて上記モータ又はアクチュエータを駆動して集光レンズ３を変位させ、予め設定した基準位置からの変位量を上記位置検出センサーで検出してその検出信号を制御手段１０に送るようになっている。

上記対物レンズ２から集光レンズ３へ向かう光路からハーフミラー１８Ｂで分岐された光路上には、照明用光源８が配設されている。この照明用光源８は、被測定物１２上の測定点を照明し、上記撮像手段５で測定点の像を撮像可能とさせるものであり、撮像手段５と対物レンズ２とを結ぶ撮像系の光路上に照明光を導入するようになっており、照明系を形成している。そして、この撮像系と照明系とにより顕微鏡の光学系が構成され鏡筒１５内に収められている。なお、図１において、符号１８Ｂは、照明用光源８からの光を顕微鏡の鏡筒１５の内側に反射する反射ミラーであり、符号２１は、上記撮像手段５による撮像領域を均一に照明するためのフィールドレンズである。

上記顕微鏡の鏡筒１５の外側面には、フォーカス調整手段９が設けられている。このフォーカス調整手段９は、上記顕微鏡の鏡筒１５を上下動させて、対物レンズ２を介して撮像手段５に取り込まれる被測定物１２上の画像のフォーカスを調整するためのものであり、例えばモータとキヤ等で構成されている。

上記測定点選択手段４と、撮像手段５と、光検出手段６と、変位手段７と、フォーカス調整手段９と、光源１と、照明用光源８とに接続して制御手段１０が設けられている。この制御手段１０は、図５に示すように、上記測定点選択手段４の複数のマイクロミラー１７のうちから選択されたマイクロミラー１７を駆動すると共に、上記光検出手段６で検出された光の輝度及び上記集光レンズ３の変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物１２の測定点における高さとして求めるものであり、制御及び処理部２２と、Ａ／Ｄ変換部２３と、メモリ２４と、ホームコンピュータ（以下、「制御用ＰＣ」と記載する）２５とを備えている。

上記制御及び処理部２２は、外部に接続して備えた制御用ＰＣ２５により、予め指定された各測定点に対応するマイクロミラー１７のアドレス情報を測定点選択手段４に送って、該アドレス情報により指定されたアドレスのマイクロミラー１７を選択して駆動するものである。また、上記制御用ＰＣ２５により予め設定されたサンプリング間隔及びサンプリング回数並びに変位速度に関する指令信号を変位手段７に送り、上記集光レンズ３を該指令信号で定められる最大変位量だけ所定の速度で変位させるものである。さらに、上記サンプリング間隔のタイミングで上記サンプリング回数だけＡ／Ｄ変換部２３を起動する変換タイミング信号を上記Ａ／Ｄ変換部２３に出力すると共に、上記Ａ／Ｄ変換部２３から上記タイミングで取得する輝度データと上記変位手段７から上記タイミングで入力する位置検出センサーの検出信号に基づいて生成される変位量データとを関連付けて上記メモリ２４に書き込むものである。また、上記メモリ２４から読み出した各測定点の全ての輝度データとそれに関連付けられた変位量データとを制御用ＰＣ２５に出力するものである。さらに、上記撮像手段５から入力した画像データを画像処理し、その画像の先鋭度に基づいてフォーカス調整手段９を駆動してフォーカス調整するものである。そして、光源１及び照明用光源８の点灯及び消灯の制御を行なうものである。

上記Ａ／Ｄ変換部２３は、上記光検出手段６から入力したアナログ信号をデジタルデータに変換するものであり、上記制御及び処理部２２から入力する変換タイミング信号に基づいて所定のタイミングでデジタル変換するようになっている。また、上記メモリ２４は、輝度データと変位量データとを関連付けて記憶するものであり、例えばＲＡＭである。そして、制御用ＰＣ２５は、オペレータが各測定点に対応するマイクロミラー１７のアドレス情報や、集光レンズ３の変位速度及びサンプリング間隔並びにサンプリング回数等の各種パラメータを入力することを可能とすると共に、制御及び処理部２２から互いに関連付けて出力された光の輝度及び変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物１２における各測定点の高さとして求めるものであり、その結果を表示部２６に表示させるようになっている。なお、この表示部２６は、上記撮像手段５で取得された画像も表示させることができる。

次に、このように構成された微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて行なう微小高さ測定について図６を参照して説明する。
先ず、初期状態においては、集光レンズ３は、その変位範囲の最下点Ｏ_２に位置しており、測定点選択手段４の全マイクロミラー１７がオフ状態にされている。この状態で、ステップＳ１においては、集光レンズ３の変位速度及び変位量データを取得するためのサンプリング間隔並びにそのサンプリング回数等の予め設定された各種パラメータを制御用ＰＣ２５により入力してメモリ２４に保存する。

次に、ステップＳ２において、照明用光源８が点灯され、対物レンズ２を介して取得された被測定物１２上の像が図４に破線で示すように測定点選択手段４のマイクロミラー１７で反射されて撮像手段５により撮像される。そして、撮像手段５で撮像された被測定物１２上の像は、制御手段１０の制御及び処理部２２にて画像処理される。このとき、制御及び処理部２２は、撮像手段５から入力した被測定物１２上の画像の先鋭度に基づいてフォーカス調整手段９を駆動し、顕微鏡の鏡筒１５を上下動させて対物レンズ２の焦点を被測定物１２上に合わせる。

ステップＳ３においては、予め測定してメモリ２４に保存された測定点の座標位置のうち、第１番目の測定点の座標データに基づいて例えば顕微鏡をＸＹ軸方向に移動し、第１番目の測定点を上記対物レンズ２の視野内に設定する。このとき、レンズホルダー１６を移動して五種類の対物レンズ２ａ〜２ｅを低倍率から高倍率まで切換えながら第１番目の測定点が対物レンズ２の中心に位置付けられ、同時にフォーカス調整手段９を駆動して顕微鏡の鏡筒１５を上下動して第１番目の測定点に対するフォーカス調整が行われる。なお、顕微鏡の移動及び測定点のフォーカス調整は、オペレータが表示部に表示された像を観察しながら手動で行ってもよい。また、移動するのは顕微鏡側ではなくて被測定物１２側であってもよい。

ここで、オペレータが表示部の画面上で制御用ＰＣ２５に備えるマウスのカーソルを上記測定点に合わせ、また該測定点の近傍部の平坦面を参照点として選択してマウスをクリックして測定箇所を指定する。これにより、制御及び処理部２２から測定点選択手段４の上記測定点と参照点とに対応するマイクロミラー１７を駆動するためのフレーム情報が作成されて測定点選択手段４に出力される。

ステップＳ４において、制御及び処理部２２は、被測定物１２面を観察するために点灯していた照明用光源８をオフすると共に光源１をオンする。

ステップＳ５においては、上記フレーム情報に基づいて測定点選択手段４が駆動されて、上記測定点及びに参照点対応するマイクロミラー１７が光源１からの光ビームを被測定物１２方向に反射するように傾けられる。

ステップＳ６においては、制御及び処理部２２は、メモリ２４に保存された各種パラメータから、集光レンズ３を変位させるための速度データとサンプリング間隔のデータを読み出し、該データに基づいて変位手段７を駆動し、集光レンズ３を所定量だけ図１において矢印Ａ方向に変位させる。

集光レンズ３が変位されると、制御及び処理部２２で生成された変換タイミング信号がＡ／Ｄ変換部２３に出力され、該Ａ／Ｄ変換部２３が所定時間だけ駆動されて指定された被測定物１２の上記測定点及び参照点から反射されて光検出手段６で検出された光の輝度データを上記測定箇所の指定順番に取り込む。そして、この時の集光レンズ３の変位量のデータ及び光検出手段６で検出された輝度データを互いに関連付けてメモリ２４に保存する。

ステップＳ７においては、予め設定されたサンプリング回数の測定が全て終了したか否かを制御及び処理部２２で判定する。ここで、上記測定点及び参照点に対する測定が終了していないときには、“ＮＯ”判定となってステップＳ６に戻り、集光レンズ３をさらに所定量だけ矢印Ａ方向に変位して上記各点における新たな輝度データを取得する。一方、上記測定点及び参照点に対する全ての測定が終了すると、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ８に進む。

ステップＳ８においては、被測定物１２上に設定された全ての測定点に対する高さ測定が終了したか否かを制御及び処理部２２で判定する。ここで、まだ測定が終了していないときには、“ＮＯ”判定となってステップＳ９に進み、光源１をオフすると共に照明用光源８をオンする。同時に、測定点選択手段４のマイクロミラー１７は全てオフ状態にされ、集光レンズ３は変位範囲の最下点Ｏ_２まで矢印Ｂ方向に戻される。そして、ステップＳ３に戻り、顕微鏡を次の測定点まで移動し、上述と同様にして集光レンズ３を矢印Ａ方向に移動しながら上記測定点の高さ測定を行う。一方、全ての測定点に対する測定が終了したときには、“ＹＥＳ”判定となってステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０においては、各測定点及び参照点における測定データをメモリ２４から読み出して制御用ＰＣ２５に送る。制御用ＰＣ２５は、入力した各測定点及び参照点における測定データに基づいて各点の最大輝度値を示す集光レンズ３の変位量を各点における高さとして定める。そして、上記各測定点の高さを参照点の高さと比較して相対高さを算出し、表示部２６に各測定点の高さの値を表示する。

本発明の微小高さ測定装置によれば、集光レンズ３がその変位範囲の最下点Ｏ_２にあるとき、対物レンズ２による被測定物１２上の結像点と撮像手段５とが光学的に共役の関係となるように配置され、集光レンズ３がその変位範囲の中間位置Ｏ_１にあるとき、対物レンズ２による被測定物１２上の結像点と測定点選択手段４とが光学的に共役の関係となるように配置されているので、撮像手段５で被測定物１２上を観察しながら顕微鏡を測定点に位置付けた後、当該測定点の高さ測定を開始するときには、常に集光レンズ３を矢印Ａ方向に変位させればよい。この場合、集光レンズ３がその変位範囲の略中間位置Ｏ_１に達したときに測定点の光ビームスポットの像が測定点選択手段４の選択されたマイクロミラー１７面に結像されることとなり、上記中間位置Ｏ_１において光検出手段６による検出輝度が最大となる。このように、本発明の微小高さ測定装置によれば、微小高さを測定するために移動する集光レンズ３の移動方向が常に一定方向となり、集光レンズ３を上下動して光検出手段６による検出輝度が最大となる集光レンズ３の変位量を見つける必要がないので、測定速度をより向上することができる。

なお、以上の説明においては、測定点及び参照点の指定を手動で指定する場合について述べたが、本発明はこれに限られず、自動的に指定するようにしてもよい。

また、上記第１の実施形態において、撮像手段５を測定点選択手段４のマイクロミラー１７がオフ状態において、測定点からの反射光が光検出手段６方向と異なる方向に反射されるその反射光の光路上に配設した場合について説明したが、撮像手段５は、光検出手段６と同じ側にて、測定点選択手段４から光検出手段６へ向かう光路から分岐された光路上に配設し、測定点選択手段４を介して被測定物１２上の測定点の像を撮像可能としてもよい。この場合、撮像手段５で測定点の像を撮像する際には、測定点選択手段４の全マイクロミラー１７はオン状態とするのがよい。

図７は、本発明による微小高さ測定装置の第２の実施形態を示す概念図である。この微小高さ測定装置において、第１の実施形態と異なる点は、図８に示すように、撮像手段５を、対物レンズ２から光源１に向かう光路にて集光レンズ３と測定点選択手段４との間でハーフミラー１９Ｃにより分岐された光路上に配設した点である。この場合も、撮像手段５は、集光レンズ３がその変位範囲内にて測定点選択手段４の配設位置を確定する所定位置（中間位置Ｏ_１）に対して対物レンズ２側に配置されているとき、対物レンズ２による被測定物１２上の結像点と光学的に共役の関係となる位置に配設される。

なお、この第２の実施形態においては、撮像手段５は、集光レンズ３が上記所定位置（中間位置Ｏ_１）に対して光源１側に配置されているとき、対物レンズ２による被測定物１２上の結像点と光学的に共役の関係となる位置に配置することも可能である。この場合、微小高さを測定する際には、集光レンズ３を常に下方（矢印Ｂ方向）に移動することになる。

また、光検出手段６はＰＭＴに限らず、ＣＣＤやＣＭＯＳの撮像素子であってもよく、それらを切換スイッチで切り換えて使用してもよい。この場合、ＰＭＴは、一点ずつの測定に限られるが、光の検出感度が高いため測定精度を向上することができる。一方、撮像素子は検出感度が低いものの同時に多点の測定が可能であるため測定速度を向上することができる。

本発明による微小高さ測定装置の第１の実施形態を示す概念図である。図１の要部を示す側面図である。上記微小高さ測定装置において、測定点選択手段のマイクロミラーのオン状態及びオフ状態を示す説明図である。上記第１の実施形態において、撮像手段の配設について示す説明図である。上記微小高さ測定装置の制御手段を説明するブロック図である。本発明による微小高さ測定装置の動作及びそれを用いて実施する微小高さの測定について説明するフローチャートである。本発明による微小高さ測定装置の第２の実施形態を示す概念図である。上記第２の実施形態において、撮像手段の配設について説明する側面図である。

符号の説明

１…光源
２…対物レンズ
３…集光レンズ
４…測定点選択手段
５…撮像手段
６…光検出手段
７…変位手段
１０…制御手段
１２…被測定物
１７…マイクロミラー

Claims

光ビームを放射する光源と、
前記光源からの光ビームを被測定物上に指定された測定点に集光してビームスポットを形成する対物レンズと、
前記光源と対物レンズとを結ぶ光路上に該光路に沿って変位可能に配設された集光レンズと、
前記集光レンズがその変位範囲内の所定位置に配置されているとき、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
前記集光レンズが前記所定位置に対して前記対物レンズ側に配置されているとき、前記対物レンズから前記光源に向かう光路にて前記測定点選択手段で反射される光の光路上に、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、該被測定物上の測定点の像を撮像する撮像手段と、
前記光源からの光ビームにて前記被測定物上の測定点で反射され、前記測定点選択手段で反射されて戻る光を検出する光検出手段と、
前記集光レンズを前記対物レンズの光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、
前記測定点選択手段の各マイクロミラーを駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の前記測定点の高さとして求める制御手段と、
を備え、
前記集光レンズをその変位範囲内の前記所定位置に対して前記対物レンズ側に位置させた状態で、前記撮像手段により前記被測定物上の測定点を撮像してフォーカス調整した後、前記集光レンズを前記光源側に向かう一定方向に移動させて前記測定点の高さを求めることを特徴とする微小高さ測定装置。
光ビームを放射する光源と、
前記光源からの光ビームを被測定物上に指定された測定点に集光してビームスポットを形成する対物レンズと、
前記光源と対物レンズとを結ぶ光路上に該光路に沿って変位可能に配設された集光レンズと、
前記集光レンズがその変位範囲内の所定位置に配置されているとき、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、前記光源からの光ビームが被測定物方向に反射するように個別に傾く複数のマイクロミラーをマトリクス状に配列した測定点選択手段と、
前記集光レンズが前記所定位置に対して前記対物レンズ側又は前記光源側のいずれか一方に配置されているとき、前記対物レンズから前記光源に向かう光路にて前記集光レンズと前記測定点選択手段との間で分岐された光路上に、前記対物レンズによる前記被測定物上の結像点と光学的に共役の関係に配設され、該被測定物上の測定点の像を撮像する撮像手段と、
前記光源からの光ビームにて前記被測定物上の測定点で反射され、前記測定点選択手段で反射されて戻る光を検出する光検出手段と、
前記集光レンズを前記対物レンズの光軸方向に変位させると共にその変位量を検出して出力する変位手段と、
前記測定点選択手段の各マイクロミラーを駆動制御し、前記変位手段の変位を制御すると共に、前記光検出手段で検出された光の輝度及び前記変位手段より入力した変位量のデータから最大輝度値を示す変位量を被測定物の前記測定点の高さとして求める制御手段と、
を備え、
前記集光レンズをその変位範囲内の前記所定位置に対して前記対物レンズ側又は前記光源側のいずれか一方に位置させた状態で、前記撮像手段により前記被測定物上の測定点を撮像してフォーカス調整した後、前記集光レンズを前記光源側又は前記対物レンズ側のいずれかに向かう一定方向に移動させて前記測定点の高さを求めることを特徴とする微小高さ測定装置。