JPH08210818A

JPH08210818A - 膜厚測定機能付光学顕微鏡

Info

Publication number: JPH08210818A
Application number: JP16689895A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Okamoto; 陽一岡本; Tomoyuki Miki; 智之三木; Takeshi Moriwaki; 武森脇
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-08-20
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP3789515B2

Abstract

(57)【要約】【目的】試料の外観を観察することができると共に、
深度に関する情報が得られ、かつ、膜厚の測定を行うこ
とができる光学顕微鏡を提供する。【構成】共焦点光学系の検出器として焦点位置にイメ
ージセンサを配設し、試料ステージを対物レンズに対し
て相対的に上下動させたときのイメージセンサにおける
１つの受光素子の受光光量の２つのピーク位置Ｚｐ₁ ，
Ｚｐ₂ に基づいて膜厚を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は試料の深度の測定機能を
備えた光学顕微鏡による膜厚の測定に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、試料（被写体）の外観を観察
するための観察用光学系と、レーザ光の反射光の強度を
測定して試料の深度に関する情報を検出する共焦点光学
系とを備えた光学顕微鏡が知られている（たとえば、特
開平１−１２３１０２号、同−２７７８１２号公報参
照）。この種の顕微鏡は、試料の拡大像だけでなく、試
料の深度も含めた三次元的なデータが得られ、半導体集
積回路のような微細な構造を知る上で有用である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、試料によって
は試料表面に透明ないし半透明の膜を有していることが
あり、その膜厚や膜の断面形状を知りたい場合がある。
かかる場合、従来の光学顕微鏡では、膜厚を測定するこ
とができず、別途、膜厚計を購入しなければならない。

【０００４】本発明は上記従来の課題に鑑みてなされた
もので、その目的は、試料の外観を観察することができ
ると共に、深度に関する情報が得られ、かつ、膜厚の測
定や膜の断面形状の表示を行うことができる光学顕微鏡
を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、まず、対物レンズに対して相対的に上下
動する試料ステージと、レーザ光を上記対物レンズによ
り試料の表面に集光すると共に、その反射光を検出器表
面に集光して受光させて、上記反射光の強度に基づいて
試料の深度に関する情報を検出する共焦点光学系と、上
記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で試料の外観
を観察するための観察用光学系とを備えている。本発明
の特徴は、上記共焦点光学系の検出器として焦点位置に
イメージセンサを配設し、上記試料ステージを対物レン
ズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサ
における１つの受光素子の受光光量の２つのピーク位置
に基づいて膜厚を求めることである。

【０００６】

【作用】本発明の原理を図１３を用いて説明する。図１
３（ａ）のように、共焦点光学系１は、対物レンズ１８
の２つの焦点位置に、試料ｗおよびイメージセンサ１９
を配設しており、試料ｗの表面ｗｆに焦点が合ったと
き、レーザ１０からの反射光Ｌ１がイメージセンサ１９
上で結像するから、イメージセンサ１９の１つの受光素
子における受光光量が著しく大きくなる。一方、図１３
（ｂ）のように、試料ｗが透明または半透明の膜ｗ１を
有していると、試料ｗの表面ｗｆにおいてレーザ光Ｌ１
が反射すると共に、図１３（ｃ）の試料ｗにおける膜ｗ
１の下面ｗａにおいてもレーザ光Ｌ１が反射するから、
この下面ｗａに焦点が合ったときにも、図１３（ａ）の
イメージセンサ１９の１つの受光素子における受光光量
が著しく大きくなる。したがって、試料ｗを対物レンズ
１８に対して相対的に上下動させたときのイメージセン
サ１９における同一の受光素子の受光光量の変化から、
受光光量がピークとなる２つのピーク位置を知ることが
できる。これらのピーク位置は、図１３（ｃ）の膜ｗ１
の表面ｗｆおよび下面ｗａの位置に対応するから、図５
（ｂ）の２つのピーク位置Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂ 間の距離から
試料ｗの膜厚を測定することができる。なお、本明細書
において、「受光光量がピークとなる」とは、「受光光
量が極大値となる」ということを意味し、ピーク位置と
は、受光光量が極大値を呈するときの試料ステージの対
物レンズに対する相対高さ（測定位置）をいう。

【０００７】第２発明の光学顕微鏡は、イメージセンサ
における同一の受光素子の受光光量の変化を記憶する光
量記憶部を備え、この光量記憶部の内容に基づいて受光
光量の２つのピーク位置に関する情報をモニタに表示す
ることを特徴とする。

【０００８】第３発明の光学顕微鏡は、試料ステージを
対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメー
ジセンサにおける１つの受光素子の受光光量の変化に基
づいて受光光量がピークとなる２つのピーク位置を求め
るピーク位置検出部を備えていることを特徴とする。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。図１ないし図６は、本発明の第１実施例を示
す。図１において、光学顕微鏡は、共焦点光学系１と観
察用光学系２とを備えている。

【００１０】まず、共焦点光学系１について説明する。
共焦点光学系１は、試料ｗの深度（深さ，膜厚）に関す
る情報を検出するもので、たとえば赤色のレーザ光Ｌ１
を出射するＨｅ−Ｎｅレーザ１０を光源としている。こ
のレーザ１０の光軸上には、ビームエキスパンダ１１、
ガルバノミラー１２およびｆθレンズ１３が設けられて
いる。レーザ光Ｌ１はｆθレンズ１３により点光源とな
り、この点光源となったレーザ光Ｌ１の光軸上には、ビ
ームスプリッタ１４、１／４波長板１５、第１のハーフ
ミラー１６、結像レンズ１７および対物レンズ１８が、
順次配設されている。上記対物レンズ１８は、レボルバ
（図示せず）により切換が可能で、複数種類の倍率を選
択できるようになっている。

【００１１】対物レンズ１８の焦点位置の付近には、対
物レンズ１８に対して上下動する試料ステージ３０が配
設されており、対物レンズ１８はレーザ光Ｌ１を試料ｗ
の表面に集光させる。レーザ光Ｌ１は試料ｗで反射さ
れ、対物レンズ１８、結像レンズ１７を透過する。この
結像レンズ１７の焦点位置には、たとえばＣＣＤライン
センサのような一次元イメージセンサ１９が配設されて
おり、結像レンズ１７を透過したレーザ光Ｌ１は、第１
のハーフミラー１６およびビームスプリッタ１４で反射
されて、一次元イメージセンサ１９の表面に集光する。
前述のガルバノミラー１２は、図示しない駆動装置によ
り回転駆動され、レーザ光Ｌ１を偏向させることで、試
料ｗへの集光位置を紙面に直交する方向Ｙに一次元的に
走査する。この走査方向Ｙに対応する方向に一次元イメ
ージセンサ１９の長手方向Ｙが設定されている。

【００１２】つぎに、観察用光学系２について説明す
る。観察用光学系２は、試料ｗの外観を拡大して観察す
るためのもので、たとえば白色光Ｌ２を出射するランプ
２０を光源（観察用光源）としている。ランプ２０の光
軸上には、集光レンズ２１および第２のハーフミラー２
３が配設されており、第２のハーフミラー２３において
観察用光学系２の光軸と共焦点光学系１の光軸とが合致
するように、観察用光学系２が配設されている。

【００１３】上記第２のハーフミラー２３は対物レンズ
１８の光軸上にあり、白色光Ｌ２は試料ｗの表面の所定
の領域に集光されて照射される。試料ｗで反射された白
色光Ｌ２１は、対物レンズ１８、結像レンズ１７および
第１のハーフミラー１６を通過して、ＣＣＤカメラ２４
に入射する。ＣＣＤカメラ２４で撮像された画像は、画
像信号ｅとして図２のスーパーインポーザ３１を介して
モニタ３２に出力されて表示される。

【００１４】つぎに、図１の共焦点光学系１の駆動回路
等について説明する。同期回路４０は、ステージ制御回
路４１、ガルバノ駆動回路４２およびＣＣＤ駆動回路４
３に同期信号を出力する。ＣＣＤ駆動回路４３は同期信
号を受けた後、一次元イメージセンサ１９の各素子に蓄
積された電荷を読出し用クロックパルスに基づいて読み
出し、図２のゲイン制御回路４４およびＡ／Ｄコンバー
タ４５を介して、光量信号ａをマイコン５０に出力す
る。マイコン５０は、ＣＰＵ５１およびメモリ６０を備
えており、後述するように、試料ステージ３０の高さお
よび当該高さにおける一次元イメージセンサ１９の受光
光量に基づいて試料ｗの深度（高さ）に関する情報を求
める。なお、５２はキーボードである。

【００１５】上記メモリ６０は、図３（ａ）に示すピー
ク光量記憶部６１およびピーク位置記憶部６２を備えて
いる。上記各記憶部６１，６２は、それぞれ、一次元イ
メージセンサ１９の受光素子の数に対応した記憶素子６
１₀ 〜６１_nおよび６２₀ 〜６２_nを有している。

【００１６】つぎに、深さ測定の原理を簡単に説明す
る。図１の共焦点光学系１において、前述の一次元イメ
ージセンサ１９は、結像レンズ１７の焦点位置に配設さ
れており、一方、一次元イメージセンサ１９の各素子は
極めて微小であるから、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上で焦点
を結ぶと、その反射光Ｌ１が一次元イメージセンサ１９
上で結像し、一次元イメージセンサ１９の１つの受光素
子における受光光量が著しく大きくなり、逆に、レーザ
光Ｌ１が試料ｗ上で拡がっていると、その反射光Ｌ１も
一次元イメージセンサ１９上で拡がるので、当該素子の
受光光量が著しく小さくなる。したがって、試料ステー
ジ３０を上下方向つまりＺ軸方向に上下させると、その
受光光量Ｉは、図３（ｂ）のように変化して、ピントの
合ったＺ軸の位置で、つまりピーク位置Ｚｐにおいて最
大となる。このピーク位置Ｚｐを一次元イメージセンサ
１９の各素子について求めることにより、図３（ｃ）の
ように、紙面に垂直な方向Ｙ（図１）についての深さの
情報、つまり、試料ｗの１つの断面における表面形状を
求めることができる。なお、図１の一次元イメージセン
サ１９にはランプ２０の観察光Ｌ２１が入射するが、本
実施例では一次元イメージセンサ１９が観察光Ｌ２１を
感じない時間（５msec) だけ、ＣＣＤ駆動回路４３が一
次元イメージセンサ１９に電荷を蓄積させることで、観
察光Ｌ２１によるノイズを除去している。

【００１７】つぎに、深さの測定方法について説明す
る。図４において、まず、ステップＳ１でガルバノミラ
ー１２を駆動させて、レーザ光Ｌ１を走査し、ステップ
Ｓ２で、一次元イメージセンサ１９において受光した光
量およびＺ軸の位置をメモリ６０の各記憶部６１，６２
に記憶させる。つづいて、ステップＳ３で試料ステージ
３０を１段階下降させた後、ステップＳ４に進み、再
び、レーザ光Ｌ１を走査して、ステップＳ５に進む。ス
テップＳ５では、今回測定した光量がピーク光量記憶部
６１の各記憶素子６１_iに記憶されている光量よりも大
きいか否かを各素子についてＣＰＵ５１が判断し、大き
ければステップＳ６に進んで、測定光量とＺ軸の位置を
書き換える。一方、小さければステップＳ７に進む。ス
テップＳ７では、試料ステージ３０が所定の下降端まで
下降したか否かを判断し、下降端でなければステップＳ
３に戻り、一方、下降端であれば測定を終了する。

【００１８】こうして、図３（ａ）の両記憶部６１およ
び６２には、それぞれ、ピークの光量Ｉ_iとピーク位置
Ｚｐ_iが記憶される。この後、ピーク位置Ｚｐ_iの情報
は、図２のマイコン５０のイメージＲＡＭ６４に書き込
まれてイメージとなり、マイコン５０はイメージ（図３
（ｃ））をスーパーインポーザ３１に出力する。スーパ
ーインポーザ３１は、ＣＣＤカメラ２４の画像と上記断
面情報（イメージ）を重ね合わせ、モニタ３２に出力す
る。これにより、オペレータは試料ｗの拡大画像と共に
一つの断面における断面情報を知ることができる。

【００１９】つぎに、本発明の要部について説明する。
上記マイコン５０は、指定座標の光量記憶部６３および
補正係数記憶部６５を備えている。この光量記憶部６３
は、膜厚測定モードにおいて、図１の試料ステージ３０
を対物レンズ１８に対して上下動させたときのイメージ
センサ１９における１つの受光素子、つまり、指定され
たＹ座標に対応する受光素子の受光光量の変化を記憶す
るものである。上記指定座標の光量記憶部６３（図２）
は、試料ステージ３０のＺ軸方向の（ｍ＋１）個の停止
位置に対応する数だけ、図５（ａ）のように、光量記憶
素子６３₀ 〜６３_mを有しており、試料ステージ３０の
高さごとの受光光量を記憶する。

【００２０】上記イメージＲＡＭ６４（図２）は、前述
の図３（ｃ）のように、イメージセンサ１９の長手方向
Ｙに対する試料ステージ３０の高さ（深さ）の変化をイ
メージで記憶する。また、イメージＲＡＭ６４は、図５
（ａ）の光量記憶素子６３₀〜６３_mに記憶された試料
ステージ３０の高さの変化に対する受光光量の変化を、
図５（ｂ）のように、直角座標上のイメージに変換した
状態で記憶する。このイメージＲＡＭ６４の記憶内容
は、図２のマイコン５０により、スーパーインポーザ３
１を介して、モニタ３２に表示される。

【００２１】ＣＰＵ５１には膜厚算出部５３が内蔵され
ている。この膜厚算出部５３は、図５（ｂ）のように、
モニタ３２に表示された直角座標上の試料ステージ３０
の２つのＺ座標Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂ を指定されることで、指
定された２つのピーク座標（ピーク位置）Ｚｐ₁ ，Ｚｐ
₂ 間の距離に対応する膜厚Ｔを下記の(1) 式に従って算
出する。Ｔ＝Ｃ・ｎ（Ｚｐ₂ −Ｚｐ₁ ） …(1) Ｃ：定数ｎ：屈折率

【００２２】上記定数Ｃと屈折率ｎとの積である補正係
数は、図２のメモリ６０の補正係数記憶部６５に記憶さ
れている。なお、補正係数記憶部６５は、屈折率ｎ自体
を記憶するものであってもよい。

【００２３】つぎに、膜厚測定のフローを図６にしたが
って説明する。まず、オペレータはキーボード５２（図
２）を操作して膜厚測定モードに設定し、ステップＳ１
１において、モニタ３２に表示された試料ｗの外観（平
面情報）を見ながら、所望のＹ座標をカーソルで選択す
る。つづいて、ステップＳ１２に進み、レーザ光Ｌ１を
走査し、ステップＳ１３で指定座標の光量記憶部６３の
１つの記憶素子６３_i（ｉ＝０…ｍ）に受光光量が記憶
される。ステップＳ１４では試料ステージ３０が下降端
であるか否かが判断され、下降端でなければ、ステップ
Ｓ１５で試料ステージ３０を１段階下降させ、ステップ
Ｓ１２に戻って、ステップＳ１２からステップＳ１５を
繰り返すことで、図５（ａ）の光量記憶部６３の各記憶
素子６３₀ 〜６３_mに順次光量が記憶される。一方、図
６のステップＳ１４で試料ステージ３０が下降端である
と判断された場合は、ステップＳ１６に進む。

【００２４】ステップＳ１６では、光量記憶部６３内の
記憶内容がイメージＲＡＭ６４に書き込まれて、マイコ
ン５０が図５（ｂ）の直角座標のイメージ情報をスーパ
ーインポーザ３１を介してモニタ３２に出力する。図６
のステップＳ１７では、オペレータが図５（ｂ）のよう
な映像からピークの座標Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂ をカーソルで指
定し入力する。つづいて、図６のステップＳ１８に進
み、前述の(1) 式に基づいて膜厚Ｔが算出され、ステッ
プＳ１９において、当該膜厚Ｔが数値でモニタ３２に表
示される。

【００２５】このように、この光学顕微鏡では、マイコ
ンのソフトウェアを追加ないし変更することで、膜厚測
定機能を付加したので、別途、膜厚計を購入するのと異
なり大幅なコストダウンを図り得る。

【００２６】ところで、膜等の屈折率は空気よりも大き
いので、図１３（ｃ）のレーザ光Ｌ１が膜ｗ１の表面ｗ
ｆで屈折するから、本実施例では、前述の(1) 式におい
て、見かけの厚みｔに屈折率ｎを乗算することで、実際
の膜厚Ｔを求めている。

【００２７】なお、補正係数は、屈折率ｎを図２のキー
ボード５２から入力することで、補正係数記憶部６５に
記憶させてもよいが、予め膜厚が既知の標準試料ｗにつ
いて本光学顕微鏡を用いて膜厚測定を行うことで補正係
数（Ｃ・ｎ）を求め、求めた補正係数を補正係数記憶部
６５に記憶させてもよい。また、膜厚が所定の範囲内に
入っているか否かにより試料ｗの合否の判定を行う場合
には、補正係数記憶部６５を備えていなくてもよく、し
たがって、本発明の範囲に含まれる。

【００２８】また、本発明においては、ピーク位置に基
づいて膜厚に関する情報を表示すればよく、たとえば、
図５（ｂ）の直交座標やピーク位置の座標自体を表示
し、膜厚の算出はオペレータが行うものであってもよ
い。

【００２９】ところで、上記第１実施例では、オペレー
タがモニタを見てピークのＺ座標（ピーク位置）Ｚｐ
₁ ，Ｚｐ₂ を入力設定することとしたが、上記ピーク位
置をマイコン５０により求めてもよい。この一例を図７
の第２実施例に示す。

【００３０】図７において、ＣＰＵ５１はピーク位置検
出部５４を備えている。このピーク位置検出部５４は、
図５（ａ）の光量記憶部６３に記憶された内容から受光
光量がピークとなる２つのピーク位置Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂
（図５（ｂ））を求めるもので、たとえば、光量記憶部
６３の連続する４つの光量記憶素子６３_i〜６３_i+4 に
記憶された受光光量を順次比較して、受光光量の変化か
らピーク位置Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂ を求め、図７の膜厚算出部
５３に出力する。膜厚算出部５３は、上記ピーク位置検
出部５４からのピーク位置Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂ と、前述の
(1) 式に基づいて膜厚を算出する。

【００３１】また、上記実施例では、指定座標の光量記
憶部６３に受光光量を記憶させてからピーク位置を求め
たが、光量記憶部６３は必ずしも設ける必要はない。た
とえば、受光光量の変化を示す波形をスムージングした
後、微分し、更にゼロクロス時点を検出して２つのピー
ク時点（ピーク位置）をピーク検出回路（ピーク位置検
出部）により求め、この２つのピーク位置間のクロック
パルスをカウントして膜厚を算出してもよい。

【００３２】また、上記各実施例では、図５（ａ）の光
量記憶部６３を１つだけ設けたが、本発明では、図５
（ａ）の光量記憶部６３を多数設け、一度の走査で多数
の測定点の膜厚や膜の断面形状を図５（ｃ）のように知
るようにしてもよい。しかし、こうすると、試料ステー
ジ３０（図１）の停止位置の数に対応した数の光量記憶
部６３を設けなければならない。つまり、イメージセン
サ１９（図１）の全ての画素（受光素子）について、全
ての停止位置に対応する光量データを記憶せねばなら
ず、そのため、メモリの容量が大きくなると共に回路の
構成も複雑になるのは避けられない。そこで、以下に、
かかる問題を解消した第３実施例を説明する。

【００３３】図８〜図１２は第３実施例を示す。まず、
第３実施例の構成の説明に先立って、第３実施例のピー
ク位置検出の測定原理について説明する。

【００３４】図８は、任意のＹ座標における測定位置Ｚ
と受光光量Ｉ_iの関係を模式的に表したものである。こ
の図において、今、座標の左端からの２つの光量Ｉ₀，
Ｉ₁を比較し大きい方の光量Ｉ_Mとその測定位置（Ｚ座
標）Ｚ_Mを記憶する。つぎに、Ｉ₂以後については、記
憶された最大受光光量（以下、「最大光量」という。）
Ｉ_Mと今回の測定光量Ｉ_iを直ちに比較し、順次、最大
光量Ｉ_Mおよび当該測定位置Ｚ_Mを更新記憶していく。
ピーク位置Ｚ_P1を過ぎると、しばらくの間更新はなされ
ないのであるが、この更新のなされなかった距離（回
数）が膜厚Ｔよりも小さい所定値α（たとえばα＝Ｔ／
４〜Ｔ／２）だけ続けば、膜厚Ｔは、たとえばＩＣパタ
ーンのような試料の場合、予め概略の厚さが分かってい
るので、第１のピーク位置Ｚ_P1を通過したと考えてよ
い。つづいて、Ｚ_Pi＋αを通過した後は、再び光量Ｉ_i
を座標Ｚ_P1＋α〜Ｚ_mまで順次比較することにより、第
２のピーク位置Ｚ_P2を発見することができる。なお、上
記測定位置Ｚは、試料ステージ３０から対物レンズ１８
（図１）までの距離によって定まる。

【００３５】図９は第３実施例のマイコン５０の概略構
成を示す。ＣＰＵ５１は、膜厚算出部５３の他に、比較
演算部５４ａを備えている。この比較演算部５４ａに
は、そのレジスタ５４ｂ内に、今回測定した測定光量Ｉ
_iと当該測定光量Ｉ_iを測定した測定位置（試料ステー
ジの位置）Ｚ_iが順次入力される。

【００３６】メモリ６０は、イメージＲＡＭ６４、補正
係数記憶部６５の他に、第１記憶部６６Ａおよび第２記
憶部６６Ｂを備えている。第１記憶部は、イメージセン
サ１９の画素ごとに第１ピーク光量Ｉ_P1iおよび第１ピ
ーク位置Ｚ_P1iを記憶させるためのものである。一方、
第２記憶部は、イメージセンサ１９の画素ごとに第２ピ
ーク光量Ｉ_P2iおよび第２ピーク位置Ｚ_P2iを記憶させ
るためのものである。これらの第１および第２記憶部６
６Ａ，６６Ｂの記憶内容は、後述するように、比較演算
部５４ａの演算の結果、順次更新されて、最終的に前記
ピーク光量およびピーク位置に書き換えられる。なお、
比較演算部５４ａ、第１記憶部６６Ａおよび第２記憶部
６６Ｂによってピーク位置検出部５４が構成されてい
る。

【００３７】つぎに、説明を分かり易くするために、任
意のＹ座標についてのピーク位置検出の方法について説
明する。まず、図１０のステップＳ３０において、膜厚
の予測値が入力されると、ステップＳ３１で走査が開始
され、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、測
定光量Ｉ₀および当該測定位置Ｚ₀が、それぞれ、第１
最大光量Ｉ_M1および測定位置Ｚ_M1として第１記憶部６６
Ａに記憶される。つづいて、ステップＳ３３で試料ステ
ージ３０が１段下降し、ステップＳ３４に進んで再びレ
ーザ光Ｌ１が走査され、ステップＳ３５に進む。ステッ
プＳ３５では、レジスタ５４ｂに、今回の測定光量Ｉ_i
および測定位置Ｚ_iが順次取り込まれ、比較演算部５４
ａが測定光量Ｉ_iと前回までの第１最大光量Ｉ_M1とを直
ちに比較する。比較の結果、測定光量Ｉ_iが第１最大光
量Ｉ_M1以上である場合はステップＳ３６に進んで、今回
の測定光量Ｉ_iおよび測定位置Ｚ_iを第１最大光量Ｉ_M1
および測定位置Ｚ_M1として第１記憶部６６Ａに更新記憶
させ、一方、測定光量Ｉ_iが第１最大光量Ｉ_M1よりも小
さい場合には、ステップＳ３７に進む。

【００３８】ステップＳ３７では、今回の測定位置Ｚ_i
が前回までの第１最大光量Ｉ_M1に対応する測定位置Ｚ_M1
に所定値αを加算した値よりも大きいか否かを判断す
る。この判断の結果、今回の測定位置Ｚ_iがＺ_M1＋α以
下である場合はステップＳ３３に戻る。以上のステップ
Ｓ３３〜Ｓ３７を繰り返すことにより、比較演算部５４
ａは、図８の第１ピーク光量Ｉ_P1および第１ピーク位置
Ｚ_P1を検出する。つまり、比較演算部５４ａは、測定位
置Ｚ₀〜Ｚ_P1＋αの間における第１最大光量Ｉ_M1および
測定位置Ｚ_M1を第１記憶部６６Ａに更新記憶させること
で、第１ピーク光量Ｉ_P1および第１ピーク位置Ｚ_P1を検
出する。

【００３９】図１０のステップＳ３７における判断の結
果、Ｚ_iがＺ_M1＋αよりも大きい場合は、図１１のステ
ップＳ４０に進み、第２ピーク位置Ｚ_P2の検出に入る。

【００４０】ステップＳ４０では試料ステージ３０が１
段下降し、ステップＳ４１でレーザ光が走査され、ステ
ップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、測定光量Ｉ_i
および当該測定位置Ｚ_iが、それぞれ第２最大光量Ｉ_M2
および測定位置Ｚ_M2として第２記憶部６６Ｂに記憶され
る。つづいて、ステップＳ４３で試料ステージ３０が１
段下降し、ステップＳ４４に進んで再びレーザ光Ｌ１が
走査され、ステップＳ４５に進む。ステップＳ４５で
は、レジスタ５４ｂに、今回の測定光量Ｉ_iおよび測定
位置Ｚ_iが順次取り込まれ、比較演算部５４ａが、測定
光量Ｉ_iと前回までの第２最大光量Ｉ_M2とを直ちに比較
する。比較の結果、測定光量Ｉ_iが第２最大光量Ｉ_M2以
上である場合はステップＳ４６に進んで、今回の測定光
量Ｉ_iおよび測定位置Ｚ_iを、それぞれ第２最大光量Ｉ
_M2および測定位置Ｚ_M2として第２記憶部６６Ｂに更新記
憶させ、一方、測定光量Ｉ_iが第２最大光量Ｉ_M2よりも
小さい場合には、ステップＳ４７に進む。

【００４１】ステップＳ４７では、試料ステージ３０が
所定の下降端まで下降したか否かを判断し、下降端でな
ければステップＳ４３に戻り、一方、下降端であればピ
ーク位置検出が終了する。以上のステップＳ４３〜Ｓ４
７を繰り返すことにより、比較演算部５４ａは図８の第
２ピーク光量Ｉ_P2および第２ピーク位置Ｚ_P2を検出す
る。つまり、比較演算部５４ａは、測定位置Ｚ_P1＋α〜
Ｚｍの間における最大光量Ｉ_M2および測定位置Ｚ_M2を第
２記憶部６６Ｂに順次更新記憶させることで、第２ピー
ク光量Ｉ_P2および第２ピーク位置Ｚ_P2を検出する。な
お、第１および第２ピーク位置Ｚ_P1，Ｚ_P2に基づいて、
膜厚算出部５３で膜厚Ｔを算出してもよいし、後述する
ように、膜のプロフィール（断面形状）をモニタに表示
させてもよい。

【００４２】このように、本実施例では、予想される膜
厚Ｔに対応する所定値α（たとえばα＝Ｔ／４〜Ｔ／
２）を用いて、第１および第２のピーク位置Ｚ_P1，Ｚ_P2
を検出する領域を区画すると共に、入力された受光光量
を比較しながら、順次、第１および第２最大光量Ｉ_M1，
Ｉ_M2を記憶させるので、第１および第２記憶部６６Ａ，
６６Ｂには、それぞれ、第１および第２最大光量Ｉ_M1，
Ｉ_M2および測定位置Ｚ_M1，Ｚ_M2のみを記憶させればよ
い。したがって、図５（ａ）のように、試料ステージ３
０の全ての停止位置における受光光量を記憶する必要が
ないから、メモリ６０の容量が小さくなると共に回路の
構成が簡単になる。

【００４３】ところで、本発明において、膜の表面ｗｆ
および下面ｗａ（図１３）に対応する２つのピーク位置
は、一般に、ピーク光量のうちの最大値および第２番目
に大きい値が現れる測定位置Ｚとなる。一方、本発明に
おいて、「ピーク位置」とは、受光光量が極大値となる
測定位置Ｚを意味するから、ピーク位置が３つ以上現れ
る場合がある。この場合においては、順次時系列的に、
第１番目および第２番目に現れたピーク位置を検出する
と、当該２つのピーク位置のピーク光量が、実際のピー
ク光量のうちの最大値および第２番目に大きい値でない
こともある。しかし、そのような場合でもオペレータ
は、試料のおおよその膜厚や表面の形状を知っているの
で、かかる既知情報に基づいて測定精度を認識できるか
ら、測定を直ちに誤るおそれはない。また、検出した２
つのピーク位置のうちの一方のピーク光量は、ピーク光
量のうちの最大値となるから、有用な深度情報となり得
る。

【００４４】したがって、本発明において、ピーク位置
検出部５４が検出する２つのピーク位置は、ピーク光量
のうちの最大値および第２番目に大きい値を呈した測定
位置に限らず、順次、時系列的に現れた第１番目および
第２番目の測定位置も含まれる。

【００４５】つぎに、図１２（ａ）〜（ｃ）を用いて、
図５（ｃ）のように、多数のＹ座標についてのピーク位
置を、つまり、膜のプロフィールを求める方法について
説明する。図１２（ａ）は、走査方向をＹ座標とし、測
定位置をＺ座標とし、Ｙ−Ｚ平面に直交する方向に測定
光量Ｉ_iをとって模式的に表したものである。図１２
（ｂ）〜（ｃ）は第１記憶部６６Ａの内容を模式的に表
したものである。上記図９の比較演算部５４ａは、レジ
スタ５４ｂに図１２（ａ）の座標（０，０），（１，
０）…（ｉ，０）…（ｎ，０）の光量Ｉ_i0が順次入力さ
れると、直ちにその光量Ｉ_i0を第１最大光量Ｉ_M1iとし
て図１２（ｂ）のように順次記憶させると共に、当該最
大光量Ｉ_M1iに対応する測定位置Ｚ_M1iを記憶させる。
つづいて、試料ステージ３０（図１）が１段下降し、レ
ジスタ５４ｂに座標（ｉ，１）の測定光量が順次入力さ
れると、その測定光量Ｉ_i1と、前述の第１記憶部６６Ａ
に記憶させた最大光量Ｉ_M1iとを順次比較し、測定光量
Ｉ_i1が最大光量Ｉ_M1i以上またはＩ_M1iを超える場合に
測定光量Ｉ_i1および当該測定位置Ｚ_i1を第１記憶部６６
Ａに更新記憶させる。

【００４６】その後、試料ステージ３０（図１）が所定
値αに相当する分だけ下降する間に、最大光量Ｉ_M1iが
更新されないと、当該最大光量Ｉ_M1iを第１ピーク光量
Ｉ_P1iと認定し、第１記憶部６６Ａは図１２（ｃ）のよ
うに、全てのＹ座標について、第１ピーク光量Ｉ_P1iお
よび第１ピーク位置Ｚ_P1iを記憶した状態となる。

【００４７】この後、第２ピーク光量Ｉ_P2iおよび第２
ピーク位置Ｚ_P2iも前述の図１１のフローチャートで説
明したと同様にして求められる。第１ピーク位置Ｚ_P1i
および第２ピーク位置Ｚ_P2iは、図９のイメージＲＡＭ
６４にイメージとして記憶され、各々ピーク位置Ｚ_P1i,
Ｚ_P2iを連ねた膜のプロフィールが、図５（ｃ）のよう
にモニタ３２に表示される。

【００４８】なお、本実施例では、図１０のステップＳ
３５および図１１のステップＳ４５において、測定光量
Ｉ_iが第１最大光量Ｉ_M1（または第２最大光量Ｉ_M2）以
上であるか否かを判断したが、本発明においては、測定
光量Ｉ_iが第１最大光量Ｉ_M1（または第２最大光量
Ｉ_M2）を超えるか否かを判断してもよい。

【００４９】ところで、上記各実施例では、図１のレー
ザ光Ｌ１を検出する検出器として一次元イメージセンサ
１９を用いて、Ｙ方向にのみレーザ光Ｌ１を走査した。
しかし、本発明では、一次元イメージセンサ１９に代え
てＣＣＤ固体撮像素子などの二次元イメージセンサを用
い、レーザ光Ｌ１をＹ方向およびＸ方向（Ｙ方向に直交
する方向）に走査（二次元的に走査）して、試料表面の
任意の位置の膜厚を測定可能としてもよい。また、観察
用光学系のＣＣＤカメラ２４で共焦点光学系のイメージ
センサを兼用してもよい（たとえば、特開平２−２６７
５１２号公報参照）。

【００５０】しかし、上記各実施例のように、レーザ光
Ｌ１を、たとえば１つのガルバノミラー１２により一次
元的にのみ走査すれば、２枚のガルバノミラーでレーザ
光Ｌ１を二次元的に走査したり、試料ステージ３０を
Ｘ，Ｙ方向（二次元的）に駆動させて走査する従来の顕
微鏡に比べ、機械的構造が簡単になる。特に、二次元的
に走査するものに比べ、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に同期させる必
要がなく、Ｙ，Ｚ方向にのみ同期させればよいので、顕
微鏡の電気的な構造が著しく簡単になるから、大幅なコ
ストダウンを図ることができる。

【００５１】なお、上記実施例では、ガルバノミラー１
２を駆動してレーザ光Ｌ１を走査したが、本発明では、
ポリゴンミラーを用いてもよく、あるいは、試料ステー
ジ３０をＹ方向に駆動してレーザ光Ｌ１の試料ｗへの集
光位置を走査してもよい。

【００５２】また、上記各実施例では、試料ステージ３
０を上下動させたが、対物レンズ１８を試料ステージ３
０に対して上下動させてもよい。つまり、試料ステージ
３０は対物レンズ１８に対して相対的に上下動すればよ
い。さらに、深さ測定や膜厚測定モードにおいて、試料
ステージ３０は、１段階ずつ下降させたが、１段階ずつ
上昇させてもよい。

【００５３】さらに、上記各実施例では、図１の共焦点
光学系１および観察用光学系２に結像レンズ１７を設け
て無限補正系を採用したが、結像レンズ１７を設けずに
有限補正系を採用してもよい。また、本発明では集光レ
ンズ２１と第２のハーフミラー２３との間に、レーザ光
Ｌ１の波長とは異なる波長のみを透過させるバンドパス
光学フィルタを設けてもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料の外観を観察することができると共に深度に関する
情報が得られる光学顕微鏡において、共焦点光学系の焦
点位置に設けたイメージセンサにおける１つの受光素子
の受光光量の変化から、受光光量の２つのピーク位置に
基づいて膜厚を測定することができる。しかも、本光学
顕微鏡は、元々、共焦点の原理により深さに関する測定
を行うことができるものであるから、差程コストもアッ
プしない。

【００５５】また、試料ステージの高さの変化に対する
受光光量の変化を直交座標上のイメージに変換してモニ
タに表示すれば、オペレータが目視でピーク位置を容易
に探し出すことができる。

【００５６】また、受光光量がピークとなる２つのピー
ク位置を求めるピーク位置検出部を設ければ、ピーク位
置から自動的に膜の厚さやプロフィール（断面形状）を
知ることができる。

【００５７】また、請求項９の発明によれば、２つのピ
ーク位置を求める際に、入力された受光光量を直ちに比
較するから、メモリの容量を小さくすることができると
共に回路の構成を簡単にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる光学顕微鏡の光学
系を示す概略構成図である。

【図２】同測定回路等を示す概略構成図である。

【図３】深さ測定の原理を説明するための概念図であ
る。

【図４】深さの測定方法を示すフローチャートである。

【図５】（ａ）は光量記憶部の概念図、（ｂ）は膜があ
る場合の受光光量の特性図、（ｃ）は膜厚の変化を示す
図である。

【図６】膜厚測定モードを示すフローチャートである。

【図７】第２実施例を示す測定回路等の概略構成図であ
る。

【図８】第３実施例のピーク検出の原理を説明するため
の光量変化を示す概念図である。

【図９】第３実施例のマイコンの概略構成図である。

【図１０】第１ピーク位置の検出方法を示すフローチャ
ートである。

【図１１】第２ピーク位置の検出方法を示すフローチャ
ートである。

【図１２】第３実施例のピーク検出の原理を説明するた
めの概念図である。

【図１３】共焦点光学系による膜厚測定の原理を示す概
念図である。

【符号の説明】

１：共焦点光学系１８：対物レンズ１９：（一次元）イメージセンサ２：観察用光学系２０：観察用光源３０：試料ステージ３２：モニタ５３：膜厚算出部５４：ピーク位置検出部６３：（指定座標の）光量記憶部６４：イメージＲＡＭ６５：補正係数記憶部Ｌ１：レーザ光Ｌ２：白色光Ｚｐ₁ ，Ｚｐ₂ ：ピーク位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対物レンズに対して相対的に上下動する
試料ステージと、レーザ光を上記対物レンズにより試料の表面に集光する
と共に、その反射光を検出器表面に集光して受光させ
て、上記反射光の強度に基づいて試料の深度に関する情
報を検出する共焦点光学系と、上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で試料の外
観を観察するための観察用光学系とを備えた光学顕微鏡
において、上記共焦点光学系の検出器として焦点位置に配設された
イメージセンサと、上記試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動
させたときの上記イメージセンサにおける１つの受光素
子の受光光量の２つのピーク位置に基づいて膜厚を求め
る膜厚算出部とを備えたことを特徴とする膜厚測定機能
付光学顕微鏡。
【請求項２】対物レンズに対して相対的に上下動する
試料ステージと、レーザ光を上記対物レンズにより試料の表面に集光する
と共に、その反射光を検出器表面に集光して受光させ
て、上記反射光の強度に基づいて試料の深度に関する情
報を検出する共焦点光学系と、上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で試料の外
観を観察するための観察用光学系とを備えた光学顕微鏡
において、上記共焦点光学系の検出器として焦点位置に配設された
イメージセンサと、上記試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動
させたときの上記イメージセンサにおける１つの受光素
子の受光光量の変化を記憶する光量記憶部と、この光量記憶部に記憶された内容に基づいて受光光量の
２つのピーク位置に関する情報を表示するモニタとを備
えていることを特徴とする膜厚測定機能付光学顕微鏡。
【請求項３】請求項２において、上記光量記憶部に記
憶された上記試料ステージの高さの変化に対する受光素
子の受光光量の変化を直角座標上のイメージに変換した
状態で記憶するイメージＲＡＭを備え、このイメージＲ
ＡＭの記憶内容を上記モニタに表示する膜厚測定機能付
光学顕微鏡。
【請求項４】請求項３において、上記モニタにおける
直角座標上の試料ステージの２つの座標を指定されるこ
とで、指定された２つの座標間の距離に対応する膜厚を
算出する膜厚算出部を備えた膜厚測定機能付光学顕微
鏡。
【請求項５】請求項２において、上記光量記憶部に記
憶された内容から受光光量がピークとなる２つのピーク
位置を求めるピーク位置検出部と、このピーク位置検出
部からの２つのピーク位置に基づいて膜厚を算出する膜
厚算出部とを備えた膜厚測定機能付光学顕微鏡。
【請求項６】対物レンズに対して相対的に上下動する
試料ステージと、レーザ光を上記対物レンズにより試料の表面に集光する
と共に、その反射光を検出器表面に集光して受光させ
て、上記反射光の強度に基づいて試料の深度に関する情
報を検出する共焦点光学系と、上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で試料の外
観を観察するための観察用光学系とを備えた光学顕微鏡
において、上記共焦点光学系の検出器として焦点位置に配設された
イメージセンサと、上記試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動
させたときの上記イメージセンサにおける１つの受光素
子の受光光量の変化に基づいて受光光量がピークとなる
２つの第１および第２ピーク位置を求めるピーク位置検
出部とを備えていることを特徴とする膜厚測定機能付光
学顕微鏡。
【請求項７】請求項６において、上記第１ピーク位置
および第２ピーク位置をそれぞれ連ねた膜のプロフィー
ルを表示するモニタを備えた膜厚測定機能付光学顕微
鏡。
【請求項８】請求項６において、上記ピーク位置検出
部によって求めた２つのピーク位置に基づいて膜厚を算
出する膜厚算出部を備えた膜厚測定機能付光学顕微鏡。
【請求項９】請求項６，７もしくは８において、前記
ピーク位置検出部は、試料ステージから対物レンズまで
の距離によって定まる今回の測定位置が前回までの第１
最大受光光量に対応する測定位置から所定の範囲にある
場合に、上記第１最大受光光量と今回測定した測定光量
とを比較して、測定光量が第１最大受光光量以上または
それを超える場合に、今回の測定光量および当該測定位
置を第１記憶部に更新記憶させて第１ピーク光量および
第１ピーク位置を検出し、一方、今回の測定位置が前回までの第１最大受光光量に
対応する測定位置から所定の範囲外である場合に、当該
所定の範囲外における前回までの第２最大受光光量と今
回測定した測定光量とを比較して、当該測定光量が第２
最大受光光量以上またはそれを超える場合に、今回の測
定光量および当該測定位置を第２記憶部に更新記憶させ
て第２ピーク光量および第２ピーク位置を検出すること
を特徴とする膜厚測定機能付光学顕微鏡。
【請求項１０】請求項１，４，５もしくは８におい
て、膜を構成する材料の屈折率に対応する補正係数を記
憶する補正係数記憶部を備え、上記膜厚算出部が上記補
正係数に基づいて上記２つの指定された座標またはピー
ク位置間の距離を補正して膜厚を算出することを特徴と
する膜厚測定機能付光学顕微鏡。