JPH08210819A

JPH08210819A - レーザ顕微鏡

Info

Publication number: JPH08210819A
Application number: JP16834495A
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: 1995-06-09
Publication date: 1996-08-20
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP3789516B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光検出器のピーク光量が小さくなるような表
面を有する試料についても、表面形状を誤ることなく把
握し得るレーザ顕微鏡を提供する。【構成】共焦点光学系を有するレーザ顕微鏡におい
て、ピーク光量Ｉｐが所定の下限レベルＩ_DCよりも小さ
いか否かを判別して、ピーク位置Ｚｐの情報が不確かな
部分Ａについては、たとえばデータを表示せずに、確か
なピーク位置（表面形状）のみをモニタに表示する。

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
備えたレーザ顕微鏡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
学系とを備えたレーザ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。共焦点の光学系の一例を図１６に示す。

【０００３】図１６において、レーザ１０からのレーザ
光Ｌ１は、ビームスプリッタ１４により反射されて対物
レンズ１８により試料ｗの表面ｗｆに集光され、その反
射光Ｌ１がイメージセンサ１９に入射する。ここで、共
焦点光学系１は、対物レンズ１８の２つの焦点位置に、
上記試料ｗとイメージセンサ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。したがって、試料ｗをＺ軸方向に移動
させて、受光光量がピークとなるピーク位置を測定すれ
ば、試料ｗの表面ｗｆの深さ方向の情報が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図７（ａ）の
平面図および（ｂ）の断面図に示すように、試料ｗの表
面に大きな角度の傾斜部ｗｓがある場合には、レーザ光
の反射光が対物レンズ１８（図１６）に戻らない。その
ため、傾斜部ｗｓでは、図７（ｄ）のようにピークの受
光光量（以下、「ピーク光量」という。）Ｉｐが著しく
小さくなって、Ｓ／Ｎ比の低下などにより、傾斜部ｗｓ
における測定精度が、図７（ｃ）のように著しく低下す
る。ここで、測定データが実物と明らかに異なる場合は
オペレータが判断できるが、不明瞭な場合は、誤った測
定データを本物として信用するという不都合がある。

【０００５】また、図１０（ａ）のように、試料ｗの表
面に反射率が互いに大きく異なる暗い部分ｗｄと、明る
い部分ｗｌとが、混在している場合がある。この場合、
明暗の部分ｗｄ，ｗｌで、ピーク光量Ｉｐのレベルが、
図１０（ｂ）のように大きく異なり、ＣＣＤラインセン
サのようなイメージセンサのダイナミックレンジの幅Ｉ
_MIN〜Ｉ_MAXを超える。従来、このような場合には、暗
い部分ｗｄまたは明るい部分ｗｌの一方の測定精度を犠
牲にして測定を行っている。

【０００６】また、試料の表面に反射率の大きい部分が
ある場合にも、以下に説明するように、形状の認識を誤
る場合がある。図１７は、Ｚ軸に対する受光光量Ｉの変
化を示す特性図である。反射率の大きい部分の受光光量
Ｉは大きいから、図１７（ａ）に示すように、ピーク光
量がダイナミックレンジの最大値Ｉ_MAXに達し、かつ、
２箇所以上（Ｚ_i〜Ｚ₂）にピーク光量が現れる場合が
ある。このような場合、座標Ｚ₁〜Ｚ₂の平均値をピー
ク位置Ｚ_Pとしている。

【０００７】しかし、図１７（ｂ）の破線で示すよう
に、実際のピーク位置Ｚ_P1 が一方の座標Ｚ₁に偏って
いる場合もある。そのため、この場合には、求めたピー
ク位置Ｚ_Pと実際のピーク位置Ｚ_P1 とは異なってい
る。したがって、試料表面の形状の認識を誤るおそれが
ある。

【０００８】このように、従来のレーザ顕微鏡では、イ
メージセンサの受光光量が著しく小さい場合や大きい場
合に、試料の表面形状を誤って認識したり、正確に認識
できないという問題があった。

【０００９】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、光検出器のピーク光量が小さくな
るような表面または大きくなるような表面を有する試料
についても、表面形状を誤ることなく把握し得るレーザ
顕微鏡を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、第１発明のレーザ顕微鏡は、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、その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共
焦点光学系とを備え、ピーク光量の生じたピーク位置に
基づいて試料の深度に関する情報をモニタに表示する。
第１発明の特徴は、光量の下限レベルを記憶する下限レ
ベル記憶部と、ピーク光量を上記下限レベルと比較して
ピーク光量が下限レベルよりも大きいか否かを判別する
下限判別手段とを備えていることである。ここで、ピー
ク光量とは、試料表面上の同一の位置についての受光光
量の極大値をいう。

【００１１】第１発明によれば、図７（ｄ）のピーク光
量Ｉｐが所定の下限レベルＩ_DCよりも小さいか否かを判
別し得る。したがって、光量が小さいために図７（ｃ）
のピーク位置Ｚｐの情報が不確かな部分Ａについては、
たとえば図７（ｅ）のようにデータを表示せずに、確か
なピーク位置、つまり、試料の１つの断面における確か
な表面形状（以下、単に「表面形状」という。）のみを
モニタに表示することができる。

【００１２】第２発明のレーザ顕微鏡は、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、
その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点
光学系とを備え、ピーク光量の生じたピーク位置に基づ
いて試料の深度に関する情報をモニタに表示する。第２
発明の特徴は、光量の下限レベルを記憶する下限レベル
記憶部と、ピーク光量を下限レベルと比較してピーク光
量が下限レベルよりも大きいか否かを判別する下限判別
手段と、光量の上限レベルを記憶する上限レベル記憶部
と、ピーク光量を上限レベルと比較してピーク光量が上
限レベルよりも小さいか否かを判別する上限判別手段
と、両判別の結果、下限レベルから上限レベルまでの間
のピーク光量に対応するピーク位置に基づいたイメージ
を記憶するイメージＲＡＭと、同一の試料ステージの位
置および試料への同一の照射位置において上記光検出器
への受光光量を変化させる光量可変手段とを備えている
ことである。

【００１３】第２発明によれば、同一の試料ステージの
位置において光検出器への受光光量を変化させる光量可
変手段を備えているので、同一の試料について図１０
（ｃ）および図１０（ｄ）のように、光量を変えて２種
類の測定を行い、２種類の測定結果のうち、ピーク光量
が上下限レベルＩ_MAX，Ｉ_MINの間の情報のみを選択し
て組み合わせることができるから、ダイナミックレンジ
の範囲内で測定することができる。したがって、明暗の
差が大きい試料についてもピーク位置、つまり、形状を
正確に求めることができる。

【００１４】第３発明のレーザ顕微鏡は、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、
その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点
光学系とを備え、ピーク光量の生じたピーク位置に基づ
いて試料の深度に関する情報をモニタに表示する。第３
発明の特徴は、光量の上限レベルを記憶する上限レベル
記憶部と、ピーク光量を上限レベルと比較してピーク光
量が上限レベルよりも小さいか否かを判別する上限判別
手段と、同一の試料ステージの位置および試料への同一
の照射位置において光検出器での受光光量を変化させる
光量可変手段とを備えていることである。

【００１５】第３発明によれば、ピーク光量がダイナミ
ックレンジの最大値と等しくなった場合は、これを上限
判別手段により判別することができるから、その旨を所
定の表示でモニタに出力して、オペレータに認識させる
ことができる。したがって、このような場合には、光量
可変手段により、照射する光量を小さくして、ピーク光
量をダイナミックレンジの最大値よりも小さくすること
で、ダイナミックレンジの範囲内で測定することができ
る。

【００１６】

【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４は、本発明の第１実施例を示
す。図１において、レーザ顕微鏡は、共焦点光学系１と
観察用光学系２とを備えている。

【００１７】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。

【００１８】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角な方向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。

【００１９】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。

【００２０】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（撮
像装置）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。

【００２１】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、一次元イメージセンサ１９
の受光光量と試料ステージ３０の高さに基づいて試料ｗ
の深度（高さ）に関する情報を求める。なお、７０はキ
ーボードである。

【００２２】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の素子の数に対応した記憶素子６１₀
〜６１_nおよび６２₀ 〜６２_nを有している。

【００２３】また、図２の上記メモリ６０は、下限レベ
ル記憶部６３およびイメージＲＡＭ６４を備えている。
上記下限レベル記憶部６３は、図３（ａ）のピーク光量
記憶部６１の各記憶素子６１_i（ｉ＝０〜ｎ）に記憶さ
れたピーク光量Ｉ_Piが、所定の下限レベルよりも大きい
か否かの基準となる図３（ｂ），（ｄ）のダークカット
レベルＩ_DCを記憶している。上記イメージＲＡＭ６４
は、図３（ａ）のピーク位置記憶部６２の各記憶素子６
２_iに記憶されたピーク位置Ｚ_piをモニタ３２に表示す
るために、図３（ｅ）のように、イメージで記憶する。

【００２４】図２の上記ＣＰＵ５１は、ピーク検出手段
５２、下限判別手段５３および書込手段５４を備えてい
る。上記ピーク検出手段５２は、今回測定した光量が図
３（ａ）のピーク光量記憶部６１の各記憶素子６１_iに
記憶されている光量（前回までに測定した光量のうち最
大の光量）よりも大きいか否かをイメージセンサ１９
（図１）の各素子について判断し、大きければ測定光量
とピーク位置（Ｚ軸）とを書き換えることで、最終的に
ピーク光量Ｉｐ_iおよびピーク位置Ｚｐ_iを両記憶部６
１，６２に記憶させて検出するものである。

【００２５】上記下限判別手段５３（図２）は、一回の
走査において、ピーク光量記憶部６１の各記憶素子６１
_iに記憶されたピーク光量Ｉｐ_iと、下限レベル記憶部
６３（図２）に記憶された図７（ｄ）のダークカットレ
ベルＩ_DCとを比較して、当該ピーク光量Ｉｐ_iがダーク
カットレベルＩ_DCよりも大きいか否かを判別し、その判
別結果を図２の書込手段５４に出力する。

【００２６】上記書込手段５４は、下限判別手段５３か
らの判別結果に基づいて、任意のピーク位置Ｚｐ_iにお
けるピーク光量Ｉｐ_iがダークカットレベルＩ_DCよりも
大きい場合にのみ、当該ピーク位置Ｚｐ_iを連ねた図３
（ｅ）のようなイメージをイメージＲＡＭ６４（図２）
に書き込む。

【００２７】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（試料ステージ３０の高さ）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、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。

【００２８】ここで、図７（ｃ）のイメージは、図７
（ｂ）の試料ｗの断面における表面形状を測定したもの
であるが、傾斜部ｗｓの部分の形状が実際の形状と大き
く異なっている。その理由は、図７（ｂ）の傾斜部ｗｓ
の部分では、図３（ｄ）のように、レーザ光Ｌ１の反射
光が十分に得られず、たとえば、ノイズなどによりピー
ク位置Ｚｐの検出を誤ることがあるためである。したが
って、図３（ａ）のピーク光量記憶部６１に記憶された
図７（ｄ）のピーク光量ＩｐをダークカットレベルＩ_DC
と比較し、このダークカットレベルＩ_DCよりも光量の小
さい部分についてデータをカットすれば、図７（ｅ）の
ように、一部のデータが欠落しているが、実際の表面形
状が得られる。

【００２９】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（前回ま
での最大受光光量）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Ｓ３に戻り、一方、下降端で
あれば走査を終了する。こうして、図３（ａ）の両記憶
部６１および６２には、それぞれ、図７（ｄ），（ｃ）
のように、ピーク光量Ｉｐ_iとピーク位置Ｚｐ_iが記憶
される。

【００３０】その後、図４のステップＳ８に進み、下限
判別手段５３（図２）が図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐ_i
とダークカットレベルＩ_DCとを比較し、その比較結果を
書込手段５４（図２）に出力する。つづいて、図４のス
テップＳ９に進み、図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐ_iがダ
ークカットレベルＩ_DCよりも大きいピーク位置Ｚｐ_iに
ついてのみ、当該ピーク位置Ｚｐ_iを連ねた図７（ｅ）
のようなイメージをイメージＲＡＭ６４に書き込む。こ
の後、図４のステップＳ１０に進んで、図２のマイコン
５０はイメージ（図７（ｅ））をスーパーインポーザ３
１に出力する。

【００３１】スーパーインポーザ３１は、ＣＣＤカメラ
２４の画像と上記深度情報を重ね合わせ、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確かな表面形状を知ることが
できる。したがって、表面形状を誤って認識するおそれ
がない。

【００３２】ところで、本発明では、図３（ｅ）のよう
に、確かなイメージ情報のみをモニタに出力してもよい
が、図３（ｆ）のように、不確かな情報と確かな情報と
を、たとえば破線と実線などのように、区別して表示し
てもよい。つまり、図２の書込手段５４は、下限判別手
段５３からの判別結果に基づいて、ピーク光量がダーク
カットレベルＩ_DCよりも大きいピーク位置については、
図３（ｆ）のようにモニタ３２による表示が実線となる
ようにイメージＲＡＭ６４（図２）に書き込み、一方、
ピーク光量がダークカットレベルＩ_DCよりも小さいピー
ク位置については、モニタ３２（図２）による表示が破
線となるようにイメージＲＡＭ６４（図２）に書き込ん
でもよい。

【００３３】図５および図６は本発明の第２実施例を示
す。この第２実施例では、図５のＣＰＵ５１が形状演算
手段５５を備えている点において上記第１実施例と異な
る。この形状演算手段５５は、図７（ｃ）の任意のピー
ク位置Ｚｐ_iについて、図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐ_i
がダークカットレベルＩ_DCよりも小さい場合に、当該ピ
ーク位置（図７（ｃ）のＡの部分）については、図６
（ｂ），（ｃ）のように、推定した試料の形状を演算す
るものである。

【００３４】この演算方法の一例を簡単に説明する。図
６（ａ）において、形状演算手段５５は、下限判別手段
５３からの判別結果に基づいて、イメージにおける欠落
しているＹ座標の端部の座標Ｙ_iを求め、更に、このＹ
座標Ｙ_iに対応するＺ座標Ｚ_iを求める。つづいて、欠
落しているＹ座標の間の直線の式Ｙ＝ａＺ＋ｂを、２つ
の座標（Ｙ₁ ，Ｚ₁ ）および（Ｙ₂ ，Ｚ₂ ）から求め、
この２つの座標間を図６（ｂ）のように、直線Ｌで結
ぶ。

【００３５】形状演算手段５５は、こうして得た直線Ｌ
の式およびその値域を図５の書込手段５４に出力する。
書込手段５４は、上記直線ＬのイメージをイメージＲＡ
Ｍ６４に書き込む。これにより、モニタ３２には、図６
（ｂ）のように試料の表面形状が表示される。

【００３６】なお、この第２実施例においても、前述の
第１実施例と同様に、確かな情報と不確かな情報とを、
図６（ｃ）のように区別して表示してもよい。

【００３７】図８〜図１０は本発明の第３実施例を示
す。この第３実施例では、観察用光学系２の集光レンズ
２１と第２のハーフミラー２３との間に光学フィルタ２
２が介挿されている。この光学フィルタ２２は、白色光
Ｌ２のうちレーザ光Ｌ１と同一および近似した波長の光
をカットするものである。一方、共焦点光学系１のレー
ザ１０とビームエキスパンダ１１との間には、ＮＤフィ
ルタ８１が介挿されている。このＮＤフィルタ８１は、
レーザ光Ｌ１の透過率が図９の円周方向Ｒに徐々に変化
しており、フィルタ駆動モータ８２とで光量可変手段８
０を構成している。この光量可変手段８０は、マイコン
５０からの光量設定信号ｃを受けてＮＤフィルタ８１を
透過するレーザ光Ｌ１の光量を変化させることで、同一
の試料ステージ３０の位置および試料ｗの同一の照射位
置において、イメージセンサ１９での受光光量を変化さ
せるものである。

【００３８】マイコン５０は、前述の第１実施例の構成
に加えて、ＣＰＵ５１が上限判別手段５６を備えてい
る。一方、メモリ６０は、第１および第２ピーク光量記
憶部６１Ａ，６１Ｂと、第１および第２ピーク位置記憶
部６２Ａ，６２Ｂと、上下限レベル記憶部６５，６３
と、イメージＲＡＭ６４とを備えている。

【００３９】上記両ピーク光量記憶部６１Ａ，６１Ｂお
よび両ピーク位置記憶部６２Ａ，６２Ｂは、それぞれ、
第１実施例のピーク光量記憶部６１およびピーク位置記
憶部６２と同様の構成である。下限および上限レベル記
憶部６３，６５は、それぞれ、一次元イメージセンサ１
９の図１０（ｂ）に示すダイナミックレンジの下限値Ｉ
_MINおよび上限値Ｉ_MAXを記憶している。

【００４０】図９の上記下限判別手段５３は、下限値Ｉ
_MINを下限レベル記憶部６３から読み出して、ピーク光
量Ｉｐ_iが下限値Ｉ_MINよりも大きいか否かを判別し、
大きければ、そのピーク光量Ｉｐ_iおよびピーク位置Ｚ
ｐ_iを上限判別手段５６に出力する。上限判別手段５６
は、上限値Ｉ_MAXを上限レベル記憶部６５から読み出し
て、ピーク光量Ｉｐ_iが上限値Ｉ_MAXよりも小さいか否
かを判別し、小さければ、そのピーク光量Ｉｐ_iに対応
するピーク位置Ｚｐ_iを書込手段５４に出力する。書込
手段５４は、上限判別手段５６から入力されたピーク位
置Ｚｐ_iをイメージＲＡＭ６４に書き込む。

【００４１】つぎに、図１０（ａ）のように、明暗の差
が大きい試料ｗについての深さの測定方法を説明する。
まず、図９のマイコン５０からの光量設定信号ｃを受け
て、フィルタ駆動モータ８２が駆動し、レーザ光Ｌ１の
透過率が低い回転位置までＮＤフィルタ８１が回転す
る。つづいて、前述の図４のステップＳ１〜Ｓ７と同様
にして、第１回目の走査がなされる。この第１回目の走
査時には、図９の第１ピーク光量記憶部６１Ａと、第１
ピーク位置記憶部６２Ａに、ピーク光量およびピーク位
置が記憶される。この第１回目の走査によるピーク光量
の変化を図１０（ｃ）に示す。

【００４２】この後、図９のマイコン５０からの光量設
定信号ｃを受けて、レーザ光Ｌ１の透過率が高い回転位
置までＮＤフィルタ８１が回転する。つづいて、図４の
ステップＳ１〜Ｓ７と同様にして、第２回目の走査がな
される。この第２回目の走査時には、図９の第２ピーク
光量記憶部６１Ｂと第２ピーク位置記憶部６２Ｂに、ピ
ーク光量およびピーク位置が記憶される。この第２回目
の走査によるピーク光量の変化を図１０（ｄ）に示す。

【００４３】上記２回の走査の後、図９の下限判別手段
５３および上限判別手段５６により、第１ピーク光量記
憶部６１Ａに記憶されている図１０（ｃ）のピーク光量
Ｉｐ_iがダイナミックレンジの範囲Ｉ_MIN〜Ｉ_MAXに入
っているか否かを判別し、その判別結果に基づいて図９
の書込手段５４が範囲Ｉ_MIN〜Ｉ_MAXに入っているピー
ク光量に対応するピーク位置をイメージＲＡＭ６４に書
き込む。つづいて、同様に、第２ピーク光量記憶部６１
Ｂに記憶されている図１０（ｄ）のピーク光量Ｉｐ_iに
ついても同様な処理がなされる。

【００４４】これにより、図１０（ａ）の明るい部分ｗ
ｌについては、図１０（ｃ）のＹ₀〜Ｙ₁ およびＹ₂ 〜
Ｙ₃ のように、小さな光量で測定して、上限値Ｉ_MAXに
近いピーク光量Ｉｐを得ることができ、一方、図１０
（ａ）の暗い部分ｗｄについては、図１０（ｄ）のＹ₂
〜Ｙ₃ のように、大きな光量で測定して、やはり上限値
Ｉ_MAXに近いピーク光量Ｉｐを得ることができる。した
がって、明暗差の大きな表面を有する試料ｗについて
も、ダイナミックレンジＩ_MIN〜Ｉ_MAXの幅内で測定で
きると共に、上限値Ｉ_MAXに近い値で測定できるから、
測定精度が向上する。

【００４５】ところで、上記実施例では、図８のＮＤフ
ィルタ８１とフィルタ駆動モータ８２とで光量可変手段
８０を構成したが、本発明では、ＮＤフィルタ８１単体
で光量可変手段８０を構成し、手動でＮＤフィルタ８１
を回転させてもよい。また、本発明では、ＣＣＤ駆動回
路４３で光量可変手段８０を構成してもよい。つまり、
ＣＣＤ駆動回路４３の電子シャッタによりイメージセン
サ１９の電荷蓄積時間を変化させることによって受光光
量を変化させてもよい。また、レーザ１０として半導体
レーザを用いる場合は、レーザの出力自体を変化させて
もよい。

【００４６】図１１ないし図１３は第４実施例を示す。
この第４実施例は、図１２のマイコン５０の構成が前述
の第３実施例と異なっているが、図１１の光学系につい
ては第３実施例（図８）と同様の構造を備えている。ま
た、本実施例の光量可変手段８０は、ＮＤフィルタ８１
と、これを回転させる手動ボリューム８２Ａとで構成さ
れている点において、前述の第３実施例（図８）と異な
る。

【００４７】図１２のマイコン５０のＣＰＵ５１は、ピ
ーク検出手段５２、書込手段５４Ａ、上限判別手段５６
および表示制御手段５７を備えている。一方、メモリ６
０は、ピーク光量記憶部６１、ピーク位置記憶部６２お
よびイメージＲＡＭ６４の他に、上限レベル記憶部６５
を備えている。これらのうち、ピーク検出手段５２、ピ
ーク光量記憶部６１、ピーク位置記憶部６２およびイメ
ージＲＡＭ６４は、前述の第１実施例と同様の機能を有
するものである。

【００４８】書込手段５４Ａは、ピーク位置記憶部６２
に記憶されたピーク位置をＹ方向（図１１）に連ねた表
面形状を、つまり、図１３（ｂ）のモニタの画面に示す
表面形状をイメージＲＡＭ６４に書き込む。また、図１
２の前記書込手段５４Ａは、ピーク光量記憶部６１に記
憶されたピーク光量をＹ方向（図１１）に連ねたイメー
ジを、つまり、図１３（ｃ）のモニタの画面に表示する
ためのピーク光量変化曲線を図１２のイメージＲＡＭ６
４に書き込む。

【００４９】上限レベル記憶部６５は、イメージセンサ
１９のダイナミックレンジの上限値、つまり、図１３
（ａ）の上限値Ｉ_MAXを記憶している。図１２の上限判
別手段５６は、上限値Ｉ_MAXを上限レベル記憶部６５か
ら読み出して、全てのピーク光量Ｉ_Piが上限値Ｉ_MAXよ
りも小さいか否かを判別し、任意のピーク光量Ｉ_Piが上
限値Ｉ_MAXに等しければ、光量飽和信号を表示制御手段
５７に出力する。表示制御手段５７は、光量飽和信号が
入力されたとき、スーパーインポーザ３１に光量飽和信
号を出力して、モニタ３２に光量が飽和している旨を示
す記号「＊」を、図１３（ｂ）のように表示させる。

【００５０】つぎに、本レーザ顕微鏡の使用方法につい
て説明する。図１３（ａ）のように、ピーク光量がダイ
ナミックレンジの最大値Ｉ_MAXと等しい場合には、図１
２の上限判別手段５６がこれを判別し、表示制御手段５
７が図１３（ｂ）のモニタの画面に記号「＊」を表示さ
せる。この記号「＊」が表示された場合には、いずれか
のＹ座標（レーザ光Ｌ１の走査方向）について光量が飽
和しているのであるから、図１３（ｃ）のモニタの画面
に示すように、ピーク光量変化曲線を表示させて、飽和
しているＹ座標を調べる。該ピーク光量変化曲線におい
て、ピーク光量が最大となっている箇所は、光量が飽和
していることになるので、該最大箇所は測定精度が低
い。したがって、該ピーク光量の最大箇所が、知りたい
箇所であるか否かをオペレータは目視で判断し、深度情
報を知りたい箇所でなければ、そのまま測定を終了す
る。

【００５１】一方、前記ピーク光量の最大箇所が、深度
情報を知りたい箇所である場合は、図１１の光量可変手
段８０の手動ボリューム８２Ａを調節して、レーザ光Ｌ
１の透過率が低い回転位置までＮＤフィルタ８１を回転
させる。その後、小さな光量で再度測定することによ
り、図１３（ｄ）のように、光量が飽和していない状態
でピーク位置Ｚ_Pを知り得る。したがって、測定の精度
が向上する。

【００５２】なお、本実施例においても、第３実施例と
同様に、任意のピーク光量Ｉ_Piが上限値Ｉ_MAXと等しい
場合は、自動的に２回の測定を行わせることにしてもよ
い。

【００５３】図１４は第５実施例を示す。この第５実施
例は、マイコン５０に表示制御手段５７Ａを備えている
点において、図２の第１実施例と異なっている。図１４
（ａ）において、書込手段５４は、前述の下限判別手段
５３からの判別結果に基づいて、ピーク光量Ｉｐ_iがダ
ークカットレベルＩ_DCよりも大きいピーク位置Ｚｐ_iに
ついてのみ、当該ピーク位置Ｚ_Piを連ねた図３（ｅ）の
ようなイメージを、図１４（ａ）のイメージＲＡＭ６４
に書き込むもので、本発明の補正手段を構成している。
つまり、書込手段５４は、深度に関する情報に対して設
定入力された条件に応じた補正を施す手段であり、ダー
クカットレベルＩ_DCを基準としたダークカット補正を施
す。なお、該ダークカット補正を行うか否かは、キーボ
ード７０から設定入力される。

【００５４】表示制御手段５７Ａは、スーパーインポー
ザ３１を介して、上記補正した内容に対応する表示をモ
ニタ３２に表示させる。たとえば、図１４（ｂ）のよう
に、ダークカットレベルＩ_DCによる補正を行った場合に
は、モニタの画面の右下部に絵文字Ｄを表示する。この
表示Ｄは、スムージングや傾き補正などの他の補正につ
いても行うが、補正の内容によって、表示Ｄを変える。
なお、スムージングとは、点（ピーク位置）と他の点を
基にして行なう補正をいい、傾き補正とは、試料の表面
が傾斜している場合に、その傾斜による影響を除く補正
をいう。

【００５５】こうすることにより、設定した補正の内容
を画面から直ちに知ることができる。また、画面の内容
をビデオプリンタなどによって紙面に印字した場合など
においても、紙面に印字された内容から、補正の内容を
直ちに知ることができる。

【００５６】図１５はスーパーインポーザ３１の変形例
を示す。スーパーインポーザ３１には、合成回路３１ａ
の他に輝度変更回路３１ｂが内蔵されている。輝度変更
回路３１ｂは、マイコン５０から入力された文字やイメ
ージのデータを表示する輝度を変更するもので、手動操
作ボリューム３１ｃによって輝度が設定される。合成回
路３１ａは、輝度変更回路３１ｂからのイメージ等のデ
ータと、ＣＣＤカメラ２４からの外観のデータとを合成
して、モニタ３２に表示させる。

【００５７】ここで、本レーザ顕微鏡は、拡大像をモニ
タに映し出すので、通常の画面と異なり、拡大像が極め
て明るい場合や、逆に暗い場合があるので、拡大像と共
に映し出す表面形状が見にくいことがある。これに対
し、本変形例のように、輝度変更回路３１ｂを設けれ
ば、背影に映っている拡大像との明暗の差が大きくなる
ように、表面形状を映し出すことができるから、表面形
状の表示が見易くなる。

【００５８】また、上記各実施例では、光検出器として
イメージセンサ１９を用いたが、本発明ではイメージセ
ンサ１９に代えて、二次元イメージセンサを用いてもよ
く、あるいは、フォトダイオード（ＰＤ）を用いてもよ
い。なお、ＰＤを用いる場合は、焦点にピンホールを配
設する（たとえば、特開平０１−１２３１０２号公報参
照）。また、深さ測定モードにおいて、試料ステージ３
０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。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本出願の第１発明
によれば、光検出器で検出したピーク光量が下限レベル
よりも大きいか否かを判別するので、下限レベルよりも
小さい場合は、当該ピーク光量に対応するピーク位置を
連ねたイメージ（表面形状）を表示しないか、あるい
は、別の表示をすることができる。したがって、ピーク
光量が小さい不確かなデータ（イメージ情報）をオペレ
ータが信用するという不都合を防止し得る。

【００６０】一方、第２発明および第３発明によれば、
同一の試料ステージの位置および試料への同一の照射位
置において、受光光量を変化させる光量可変手段を備え
ているので、同一の試料について、２回の走査を行うこ
とで光量の異なる２つのピーク光量を得ることができ
る。したがって、たとえばＣＣＤのダイナミックレンジ
の範囲を越えるような明暗の差が大きい試料について
も、２回の測定を行うことで、正確に形状を知ることが
できる。

【００６１】さらに、請求項８の発明によれば、光量が
飽和していることをモニタに表示させるので、光量を小
さくして再測定する必要があるか否かを一見で判別する
ことができる。

【００６２】また、請求項９の発明によれば、設定した
補正内容に対応する表示をモニタに表示することができ
るから、補正の内容を直ちに知ることができると共に、
後に、ビデオプリンタなどで出力した場合にも補正の内
容を直ちに知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかるレーザ顕微鏡の光
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および
表示方法を示す概念図である。

【図４】測定方法を示すフローチャートである。

【図５】第２実施例を示す測定回路等の概略構成図であ
る。

【図６】表示方法を示す概念図である。

【図７】第１発明の原理を示すもので、（ａ）は試料の
平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ），（ｄ）および（ｅ）
はそれぞれ測定した表面形状、ピーク光量および表示方
法を示す線図である。

【図８】第３実施例にかかるレーザ顕微鏡の光学系を示
す概略構成図である。

【図９】同測定回路等を示す概略構成図である。

【図１０】第２発明の原理を示すもので、（ａ）は試料
の概念的な断面図、（ｂ）〜（ｄ）はピーク光量の変化
を示す線図である。

【図１１】第４実施例にかかるレーザ顕微鏡の光学系を
示す概略構成図である。

【図１２】同測定回路を示す概略構成図である。

【図１３】第３発明の原理を示す線図である。

【図１４】（ａ）は第５実施例にかかる測定回路を示す
概略構成図、（ｂ）はモニタの画面の一例を示す線図で
ある。

【図１５】スーパーインポーザの変形例を示す概略構成
図である。

【図１６】一般的な共焦点光学系を示す概略構成図であ
る。

【図１７】Ｚ軸に対する光量の変化を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

１：共焦点光学系１８：対物レンズ１９：光検出器（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：下限判別手段５４：書込手段（補正手段）５５：形状演算手段５６：上限判別手段５７，５７Ａ：表示制御手段６１，６１Ａ，６１Ｂ：ピーク光量記憶部６２，６２Ａ，６２Ｂ：ピーク位置記憶部６３：下限レベル記憶部６４：イメージＲＡＭ６５：上限レベル記憶部

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、その反射光を光検出器表面に
集光して受光させる共焦点光学系とを備え、ピークの受
光光量の生じたピーク位置に基づいて試料の深度に関す
る情報をモニタに表示するレーザ顕微鏡において、光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、上記ピークの受光光量を上記下限レベルと比較してピー
クの受光光量が下限レベルよりも大きいか否かを判別す
る下限判別手段とを備えたレーザ顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、上記モニタに表示す
るためのピーク位置に基づいたイメージを記憶するイメ
ージＲＡＭを備えているレーザ顕微鏡。
【請求項３】請求項２において、上記下限判別手段か
らの判別結果に基づいて、任意のピーク位置におけるピ
ークの受光光量が下限レベルよりも大きいピーク位置に
ついてのみ、当該ピーク位置に基づいたイメージを上記
イメージＲＡＭに書き込む書込手段を備えているレーザ
顕微鏡。
【請求項４】請求項２において、任意のピーク位置の
ピークの受光光量が上記下限レベルよりも小さい場合
に、当該ピーク位置については、推定した試料の形状を
演算する形状演算手段を備えたレーザ顕微鏡。
【請求項５】請求項２もしくは４において、上記下限
判別手段からの判別結果に基づいて、ピークの受光光量
が下限レベルよりも大きいか否かによって、上記イメー
ジＲＡＭによるモニタへの表示が異なるように上記イメ
ージＲＡＭにピーク位置に基づくイメージを書き込む書
込手段を備えているレーザ顕微鏡。
【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、その反射光を光検出器表面に
集光して受光させる共焦点光学系とを備え、ピークの受
光光量の生じたピーク位置に基づいて試料の深度に関す
る情報をモニタに表示するレーザ顕微鏡において、光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、上記ピークの受光光量を上記下限レベルと比較してピー
クの受光光量が下限レベルよりも大きいか否かを判別す
る下限判別手段と、光量の上限レベルを記憶する上限レベル記憶部と、上記ピークの受光光量を上記上限レベルと比較してピー
クの受光光量が上限レベルよりも小さいか否かを判別す
る上限判別手段と、上記両判別の結果、上記下限レベルから上限レベルまで
の間のピークの受光光量に対応するピーク位置に基づい
たイメージを記憶するイメージＲＡＭと、同一の試料ステージの位置および試料への同一の照射位
置において上記光検出器での受光光量を変化させる光量
可変手段とを備えたレーザ顕微鏡。
【請求項７】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、その反射光を光検出器表面に
集光して受光させる共焦点光学系とを備え、ピークの受
光光量の生じたピーク位置に基づいて試料の深度に関す
る情報をモニタに表示するレーザ顕微鏡において、光量の上限レベルを記憶する上限レベル記憶部と、上記ピークの受光光量を上記上限レベルと比較してピー
クの受光光量が上限レベルよりも小さいか否かを判別す
る上限判別手段と、同一の試料ステージの位置および試料への同一の照射位
置において上記光検出器での受光光量を変化させる光量
可変手段とを備えたレーザ顕微鏡。
【請求項８】請求項７において、上記判別の結果、上
記上限レベルと同一のピークの受光光量のピーク位置が
ある場合には、光量が飽和していることをモニタに表示
させる表示制御手段を備えたレーザ顕微鏡。
【請求項９】請求項１ないし請求項８のいずれかにお
いて、深度に関する情報に対して設定入力された条件に
応じた補正を施す補正手段と、補正した内容に対応する
表示をモニタに表示させる表示制御手段とを備えたレー
ザ顕微鏡。
【請求項１０】請求項１ないし請求項９のいずれかに
おいて、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を備えたレー
ザ顕微鏡。
【請求項１１】請求項１ないし請求項１０のいずれか
において、上記共焦点光学系の光検出器として一次元イ
メージセンサを共焦点光学系の焦点位置に配設したレー
ザ顕微鏡。