JPH07128025A

JPH07128025A - レーザ走査式高さ測定装置

Info

Publication number: JPH07128025A
Application number: JP27794293A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Kitawaki; 知己北脇
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-11-08
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】共焦点レーザ走査式顕微鏡を用いた高さ測定
装置において、高さ方向の測定精度を向上させることで
ある。【構成】レーザ発振器１０と、試料物体をレーザスポ
ットで走査するためのレーザビーム偏向部１５〜２０
と、走査レーザビームを試料物体の対象面２３に集光・
照射する対物レンズ２２と、対象面２３からの反射光を
２光路に分割する光学系２４と、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
２つの開口２６，２９と、各開口２６，２９を通過した
反射光をそれぞれ検出する光検出器２７，３０と、光検
出器２７，３０の出力信号から試料物体の高さを算出す
る処理部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点レーザ走査式顕
微鏡を用いた物体の高さ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点レーザ走査式顕微鏡を用いて物体
の高さ測定を行う装置として、ＵＳＰ4,900,144 には、
試料物体からの散乱光（反射光）を２光路に分離し、そ
の各々の光路における散乱光の共焦点位置から少し離れ
た位置にピンホール又はスリットを置き、このピンホー
ル又はスリットを通過した散乱光を光検出器で検出し、
得られた２つの散乱光強度を処理することによって物体
の高さを測定する装置が開示されている。

【０００３】この装置は、図４に示すような構成であ
り、用途として眼底検査を対象としている。図４では、
レーザ光源５０からのレーザは、ミラー５１、レンズ５
２，音響光学偏向素子（ＡＯＤ）５３、ミラー５４、レ
ンズ５５を順に通り、更にミラー５６、凹面鏡５７、ミ
ラー５８、対物レンズ５９を順に通過して、人体の眼球
６０に照射される。眼球６０からの反射光は、凹面鏡５
７まで同じ光路を通ってレンズ６１を通過し、ハーフミ
ラー６２で２光路に分岐される。一方の光路の光はスリ
ット６３を通過して、フォトセンサ６４に達し、他方の
光路の光はスリット６５を通過して、フォトセンサ６６
に達する。そして、フォトセンサ６４，６６で得られた
信号を演算処理して、眼底の凹凸情報（即ち高低）を検
出するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この２
光路に分離した共焦点レーザ走査式顕微鏡を利用する高
さ測定では、共焦点位置から離れている散乱光量の少な
い部分のデータを利用するため、高さ方向の測定精度が
十分でないという問題点がある。従って、本発明は、上
記問題点に着目してなされたもので、共焦点レーザ走査
式顕微鏡を用いた高さ測定装置において、高さ方向の測
定精度を向上させることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のレーザ走査式高さ測定装置は、光源である
レーザ発振器と、試料物体をレーザスポットで走査する
ためのレーザビーム偏向部と、走査レーザビームを試料
物体に集光照射する対物レンズと、試料物体からの反射
光を２光路に分割する光学系と、分割された各々の光路
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２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
ら試料物体の高さを算出する処理部とを備えることを特
徴とする。

【０００６】

【作用】この測定装置では、試料物体からの反射光を２
光路に分離し、その各々の光路の共焦点位置付近に光学
的に大きさの異なる開口を配置することによって、即ち
大小２種類の開口を使用することによって、試料物体か
らの散乱光のうち、大きな開口を配置した光路からは散
乱光強度を、小さな開口を配置した光路からは散乱光の
高さに依存する強度を入手し、この各々の強度を除算す
れば、試料物体の高さ情報が得られ、従来よりも精度の
良い高さ測定を行うことができる。

【０００７】このことについて補足すると、大きさの異
なる大小２種類の開口を使用すれば、大きな開口から得
られる光の強度が十分大きいことから、同じ大きさの開
口を使用する図４に示す如き従来装置で得られる光強度
の測定値よりも、測定誤差を小さくすることができる。
更には、従来では、入力した光強度から、その後の処理
にて高さを得るためには、各々の光路から得られる散乱
光強度をＸ１、Ｘ２とすると、（Ｘ１−Ｘ２）／（Ｘ１
＋Ｘ２）なる計算をする必要があり、その計算処理にお
ける誤差が積算されてしまうことになる。これに対し、
大小２種類の開口を使用すれば、大きな開口から得られ
る光強度をＸ１とし、小さな開口から得られる強度をＸ
２とすると、Ｘ２／Ｘ１の演算を行うだけで、高さに依
存する成分を抽出することができるため、演算処理に計
算誤差の入る要因が少なくなり、結果的に高さ測定の精
度が向上する訳である。

【０００８】

【実施例】以下、本発明のレーザ走査式高さ測定装置を
実施例に基づいて説明する。本発明の測定装置は、前記
したように、光学的に大きさの異なる２つの開口を用い
たことに特徴があり、共焦点光学系を用いた高さ測定の
原理は前記ＵＳＰ等に説明されているので、ここではま
ず大小２つの開口を用いる測定原理について、図１（概
略構成図）及び図２〔それぞれ（ａ）：試料物体の対象
面でのレーザ光の形状、（ｂ）：大きな開口でのレーザ
光の形状、（ｃ）：小さな開口でのレーザ光の形状、を
示す図〕を参照して述べる。

【０００９】レーザ共振器１からのレーザ光を対物レン
ズ２によって試料物体の対象面（レーザ照射面）３に集
光・照射し、対象面３からの反射光をハーフミラー４で
反射し、更にハーフミラー５で２つの光路に分岐させ、
一方の光路には大きな開口６を配置し、この開口６を通
過する光を光検出器７で受光すると共に、他方の光路に
は小さな開口８を配置し、この開口８を通過する光を光
検出器９で受光するように構成する。

【００１０】ところで、レーザ共振器１から出る光は、
ガウシアン分布という各面において回転正規分布をとっ
ている。この光の特徴は、１）どの面でも光の強度の面
内での和が一定である、２）レーザ強度形状は、分布は
違うが相似形である、３）レンズの集光により、レンズ
位置からの距離によってその形が変動する、ことであ
る。そこで、試料物体の対象面３において、対物レンズ
２によって集光したレーザ光は、対象面３での高さの違
いにより形を変えることになる〔図２の（ａ）参照〕。

【００１１】この現象を更に共焦点位置に存在する２つ
の開口６，８でみてみると、大きな開口６では、反射光
が対象面３の高さの変動によらずに全て光検出器７に入
射する〔図２の（ｂ）参照〕。これに対し、小さな開口
８では、対象面３の高さの違いに応じて反射光の一部し
か光検出器９に入射しないことになる〔図２の（ｃ）参
照〕。従って、大きな開口６から得られる信号から、対
象面３の任意点における反射光の絶対量を測定する一
方、小さな開口８から得られる信号から、反射光の高さ
に依存する成分を取り出し、後者の値を前者の値で割り
算すれば、反射光の絶対的強度によらずに高さに依存す
る測定が可能になる。

【００１２】図３は、上記測定原理を用いた一実施例の
構成を示す。レーザ発振器１０から放射されたレーザ光
４０は、球面レンズ１１によって集光され、開口１２に
よって不要光が除去された後、球面レンズ１３にてビー
ム径が適正な寸法に拡大される。このレーザビームは、
ハーフミラー１４を通過した後、ガルバノ式ミラー１
５，１９及び球面レンズ１７，１８で構成される２次元
偏向部によって走査され、球面レンズ２１を通り、対物
レンズ２２によって試料物体の対象面２３に集光・照射
される。なお、ガルバノ式ミラー１５，１９は、それぞ
れモータ１６，２０に連結されており、モータ１６，２
０の駆動によりそれぞれ矢印方向に回転自在であり、向
きを変えることができる。

【００１３】試料物体の対象面２３からの散乱反射光
は、対物レンズ２２で集光され、照射用のレーザビーム
とは逆の光路を経て、ハーフミラー１４で反射された
後、更にハーフミラー２４で２つの光路に分離される。
一方の光路を進む反射光は、球面レンズ２５で大きい円
形開口２６に集光されて不要光が取り除かれ、光検出器
２７に入射する。他方の光路を進む反射光は、球面レン
ズ２８で小さい円形開口２９に集光されて不要光が除去
され、光検出器３０に入射する。各光検出器２７，３０
では、試料物体からの散乱反射光の画像情報を得る。

【００１４】光検出器２７，３０から出力された信号
は、装置の処理部（図示せず）に入力され、前記したよ
うな除算処理等が行われる。即ち、小さな開口２９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２６を配置した光路から得られた反射光
の絶対量値で除算すれば、対象面２３の高さが求まる。
計算結果は、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が決定
される。そして、レーザビームの走査に伴い、対象面２
３の凹凸情報が得られる。この凹凸情報は、必要に応じ
て画像表示部（ＣＲＴ等）に表示したり、プリンタで印
字したりする。

【００１５】上記実施例は一例であって、種々の変更が
可能である。例えば、上記実施例では、２つのガルバノ
式ミラーを用いて２次元偏向部を構成したが、一方をガ
ルバノ式ミラー、他方をＡＯＤ（音響光学偏向素子）に
してもよい。或いは、必ずしも２次元走査を行う必要は
なく、ガルバノ式ミラー又はＡＯＤを用い、対象面上に
おいてレーザスポットを１次元的に走査してもよい。こ
の他に、試料物体の対象面を機械的に移動させる手段を
設けても構わないし、高さ測定の結果を利用して、試料
物体が何であるかの判定を行う処理を付加することも可
能である。

【００１６】

【発明の効果】本発明のレーザ走査式高さ測定装置は、
以上説明したように光学的に大きさの異なる２つの開口
を備えるため、下記の効果を有する。（１）同じ大きさの２つの開口を用いる従来の測定装置
に比べて、高さ方向の測定精度が向上する。（２）精度の良い高さ測定を行うことができるから、高
精度を要求される半導体製品等の高さ測定に有用であ
る。（３）レーザを走査させながら走査範囲の高さ情報を得
る場合は、高さ画像情報を高速に作成することができる
ため、半導体製品の良・不良等を識別することができ
る。（４）製品検査の段階で初めて不良と判定できていた製
品を、製造段階での全数検査によって不良品を判別・除
去できるので、半導体製品の歩留り向上に大きく貢献
し、工業生産の分野に多大に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定装置の測定原理を説明するための
構成図である。

【図２】図１に示す構成において、試料物体の対象面
（ａ）、大きな開口（ｂ）、小さな開口（ｃ）でのレー
ザ光の形状を示す図である。

【図３】本発明の測定装置の一実施例に係る構成図であ
る。

【図４】従来例に係る測定装置の構成図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２対物レンズ３試料物体の対象面４，５ハーフミラー６大きな開口７，９光検出器８小さな開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源であるレーザ発振器と、試料物体をレ
ーザスポットで走査するためのレーザビーム偏向部と、
走査レーザビームを試料物体に集光照射する対物レンズ
と、試料物体からの反射光を２光路に分割する光学系
と、分割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２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試料物体の高さを算出する
処理部とを備えることを特徴とするレーザ走査式高さ測
定装置。
【請求項２】前記レーザビーム偏向部は、試料物体の対
象面上においてレーザスポットを２次元的に走査するこ
とを特徴とする請求項１記載のレーザ走査式高さ測定装
置。
【請求項３】前記試料物体からの反射光がレーザビーム
偏向部を、レーザ発振器からのレーザが試料物体に照射
される方向とは逆方向に通過することによって、結像位
置の変動を１次元とし、前記大小２つの開口がスリット
型開口であることを特徴とする請求項２記載のレーザ走
査式高さ測定装置。
【請求項４】前記処理部によって算出した試料物体の高
さ結果を画像情報として表示する画像表示部を備えるこ
とを特徴とする請求項１記載のレーザ走査式高さ測定装
置。