JPH09105615A - 三次元計測方法および表示方法、ならびに三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の表面形状を正確に計測することができ
る三次元計測方法および装置を提供する。 【解決手段】 試料が高さ方向に移動しながら、高さ方
向において互いに異なる複数の高さ位置で共焦点画像Ｆ
j（ただし、ｊ＝１，２，…，ｎ）がそれぞれ撮像され
る。これらの共焦点画像Ｆjに基づき、画素（ｘ，ｙ）
ごとに高さ方向において光量が極大となるピーク高さ位
置Ｐ（ｘ，ｙ，Ｌ）が求められ、さらに画素（ｘ，ｙ）
ごとに、ピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，Ｌ）のうち最も高
い位置Ｐ（ｘ，ｙ，０）が当該画素（ｘ，ｙ）に対応す
る試料の表面情報として選択される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、試料の高さ方向
において互いに異なる複数の高さ位置で複数の画素より
なる水平面の共焦点画像をそれぞれ撮像し、これら複数
の共焦点画像に基づき前記試料の表面情報を求める三次
元計測方法および装置に関する。また、この発明は、上
記三次元計測方法により求められた表面情報などに基づ
き試料の表面形状などを表示する三次元表示方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置や液晶装置の製造に関
する技術分野では、デバイス（装置）の微細化や製造工
程の複雑化に伴い、基板表面の三次元構造を観察した
り、測定したいというニーズが高まっている。これは、
三次元的にデバイス観察を行うことで、製造プロセスの
把握がより容易になるとともに、デバイスに生じる欠陥
の種類や発生原因を突き止めることができる等の理由か
らである。また、バイオテクノロジに関する技術分野に
おいても、細胞や分子の三次元構造に対する関心の高ま
りにつれて、当該三次元構造を観察したり、測定したい
というニーズが高くなっている。

【０００３】このようなニーズに対応するべく、従来よ
り、共焦点の原理を利用した共焦点顕微鏡が提案されて
いる。例えば、特開平６−３０８３９０号公報に記載さ
れた共焦点顕微鏡は、試料を高さ方向に移動させなが
ら、その高さ方向において互いに異なる複数の高さ位置
で水平面の共焦点画像をそれぞれ撮像する構成を有して
いる。そして、画素ごとに光量が最大となる光軸位置、
つまり高さ方向における高さ位置を求め、これを試料表
面を表す表面情報としている。

【０００４】また、このようにして試料の三次元計測を
行うとともに、この計測により求められた表面情報に基
づき、ＣＲＴなどの表示部に当該試料の表面形状を表示
し、オペレータなどの観察に供している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の三次
元計測においては、上記のように光量が最大となる高さ
位置が試料表面であるという判断基準に基づいて試料の
表面を特定しているが、試料によっては当該判断基準を
適用することができない場合がある。例えば、半導体デ
バイスに代表されるように基板の表面に複数の膜が形成
された試料では、複数の光量ピークが現れ、それらの光
量ピークのうち光量が最大となる光量ピークが常に表面
に対応するというわけではなく、膜の透明度や干渉によ
って異なる場合がある。このため、真の試料表面に対応
する光量ピークでの光量が他の光量ピークでの光量より
小さくなると、計測結果が誤ったものとなってしまう。
このように、従来より知られている共焦点顕微鏡を用い
た試料の三次元計測では、基板上の膜種や膜厚などに応
じて計測結果が異なり、正確な試料表面の計測を行うこ
とができないという問題があった。

【０００６】また、上記のように従来の三次元計測方法
では、試料の表面情報を正確に求めることができないた
め、試料の表面形状を正確に表示することができなかっ
た。

【０００７】さらに、従来においては、試料の表面形状
を計測する技術については開示されているものの、試料
の内部構造、特に断面形状を計測し、表示する技術につ
いては提案されていない。ここで、試料の断面形状に関
する情報、つまり断面情報を求めることができ、それを
表示することができれば、試料内部の欠陥や層構造など
を容易に知ることができ、有益である。

【０００８】そこで、この発明は、上記課題を解決する
ためになされたもので、試料の表面形状を正確に計測す
ることができる三次元計測方法および装置を提供するこ
とを第１の目的とする。

【０００９】また、この発明は、試料の表面形状を正確
に表示することができる三次元表示方法を提供すること
を第２の目的とする。

【００１０】さらに、この発明は、上記第２の目的に加
えて、試料の断面形状を表示することができる三次元表
示方法を提供することを第３の目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、試料
の高さ方向において互いに異なる複数の高さ位置で複数
の画素よりなる水平面の共焦点画像をそれぞれ撮像し、
これら複数の共焦点画像に基づき前記試料の表面情報を
求める三次元計測方法であって、上記第１の目的を達成
するため、前記複数の共焦点画像に基づき、各画素ごと
に前記高さ方向において光量が極大となるピーク高さ位
置を求める工程と、各画素ごとに、前記ピーク高さ位置
のうち最も高い位置を当該画素に対応する試料の表面情
報として選択する工程と、を備えている。

【００１２】請求項２の発明は、上記第２の目的を達成
するため、請求項１の三次元計測方法により求められた
表面情報に基づき、各画素に対応して試料表面を示す印
を付して試料の表面形状を表示する。

【００１３】請求項３の発明は、上記第３の目的を達成
するため、請求項１の三次元計測方法により求められた
前記ピーク高さ位置のうち前記表面情報を除いた位置を
試料の内部情報とし、試料内部を示す印を付して前記試
料の断面形状をさらに表示する。

【００１４】請求項４の発明は、上記第１の目的を達成
するため、試料の高さ方向において互いに異なる複数の
高さ位置で複数の画素よりなる水平面の共焦点画像をそ
れぞれ撮像する撮像手段と、前記複数の共焦点画像に基
づき、各画素ごとに前記高さ方向において光量が極大と
なるピーク高さ位置を求めるピーク位置検出手段と、各
画素ごとに、前記ピーク高さ位置のうち最も高い位置を
当該画素に対応する試料の表面情報として選択する表面
情報決定手段と、を備えている。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、この発明にかかる三次元
計測装置の一実施形態を示す図である。この三次元計測
装置では、顕微鏡ステージ１１が高さ方向Ｚに移動自在
に設けられるとともに、装置全体を制御する制御部２０
からの信号に応じて駆動するモータ１２と連結されてい
る。したがって、顕微鏡ステージ１１の上面に試料ＯＢ
を載置した後モータ１２を適当に制御することで、試料
ＯＢを高さ方向Ｚの任意の高さ位置に位置決めすること
ができる。このように、この実施形態では、顕微鏡ステ
ージ１１とモータ１２とで、試料ＯＢを高さ方向Ｚにお
いて互いに異なる複数の高さ位置に位置決めする移動手
段が構成されている。

【００１６】また、顕微鏡ステージ１１の上方位置にお
いて、試料ＯＢの共焦点画像を撮像するための撮像ユニ
ット３０が配置されている。この撮像ユニット３０は、
キセノンランプなどの光源３１と、共焦点用光スキャナ
３２と、対物レンズ３３と、ＣＣＤカメラ３４とで備え
ており、上記のようにして所定の高さ位置に位置決めさ
れた試料ＯＢの水平面ＸＹの共焦点画像をＣＣＤカメラ
３４で撮像し、当該画像に関連するアナログ画像信号を
制御部２０のビデオキャプチャ２１に与える。

【００１７】制御部２０では、ビデオキャプチャ２１に
与えられたアナログ画像信号がディジタル信号に変換さ
れ、後で詳述する三次元計測処理のためにＣＰＵ２２に
与える。このＣＰＵ２２は図示を省略する入出力ポート
を介してモータ１２と接続されており、モータ１２を制
御して試料ＯＢを高さ方向Ｚに互いに異なる高さ位置に
位置決めしながら各高さ位置での水平面ＸＹの共焦点画
像を得るとともに、これら複数の共焦点画像に基づき後
で詳説する三次元計測処理を実行して試料ＯＢの表面を
表す表面情報や内部構造を示す内部情報を求める。この
ように本実施形態では、制御部２０が試料ＯＢの表面情
報を決定するピーク位置検出手段および表面情報決定手
段として機能する。また、ＣＰＵ２２は入出力ポートを
介して表示モニタ４０と接続されており、求められた表
面情報や内部情報に基づき試料ＯＢの表面形状や断面形
状を表示モニタ４０上に表示する。なお、同図における
符号２３は画像データ等を一時的に記憶したり、後述の
三次元計測処理を実行するためのプログラムなどを記憶
するメモリである。

【００１８】なお、この実施形態では、撮像ユニット３
０を固定し、顕微鏡ステージ１１を高さ方向Ｚに移動さ
せているが、顕微鏡ステージ１１を固定しておき、撮像
ユニット３０、あるいは対物レンズ３３を高さ方向Ｚに
移動させる形態であっても、試料ＯＢの共焦点画像を異
なる高さ位置で複数得ることができる。

【００１９】図２および図３は上記のように構成された
三次元計測装置の動作を示すフローチャートである。

【００２０】まず、オペレータが制御部２０に設けられ
たキーボード（図示省略）を介してステージの下限高さ
Ｚl、上限高さＺhおよび取り込み画像枚数ｎ（ｎ＞２）
を入力する（ステップＳ１）。ここで、「取り込み画像
枚数ｎ」とは、顕微鏡ステージ１１を何段階に位置決め
しながら各高さ位置で試料ＯＢの共焦点画像を撮像する
かを示す値である。

【００２１】そして、ステップＳ１で与えられた値を次
式、 ΔＺ＝（Ｚh−Ｚl）／（ｎ−１） に代入してステージ移動ピッチΔＺを演算し、メモリ２
３に記憶する（ステップＳ２）。

【００２２】それに続いて、制御部２０からモータ１２
に駆動指令信号を与えて、顕微鏡ステージ１１を下限高
さＺl（高さ位置Ｄ（１））に位置決めする（図４
（ａ））とともに、カウント値ｊを「１」に初期化する
（ステップＳ３）。このカウント値ｊは顕微鏡ステージ
１１の高さ位置に関連するものであり、「１」から
「ｎ」までの整数値をとる。

【００２３】次に、ステップＳ４〜Ｓ７をｎ回実行して
顕微鏡ステージ１１を下限高さＺlから上限高さＺhの範
囲内で互いに異なる高さ位置に位置決めしながら、各高
さ位置で水平面ＸＹの共焦点画像Ｆjを撮像し、メモリ
２３に記憶する。すなわち、ステップＳ４で試料ＯＢの
相対高さ位置Ｄ（ｊ）を次式、 Ｄ（ｊ）＝Ｚh−Ｚl−ΔＺ×（ｊ−１） にしたがって演算する。また、ステップＳ５で、その高
さ位置Ｄ（ｊ）での共焦点画像Ｆjを撮像し、メモリ２
３に格納する。このことを概念的に示したのが、図５で
あり、例えば下限高さ位置Ｄ（１）では共焦点画像Ｆ1
が、また高さ位置Ｄ（２）では共焦点画像Ｆ2が、さら
に上限高さ位置Ｄ（ｎ）では共焦点画像Ｆnがそれぞれ
撮像され、メモリ２３に格納される。そして、ステップ
Ｓ６で画像取り込みをｎ回実行したかどうかを判別す
る。このステップＳ６で「Ｎｏ」と判断される間、ステ
ップＳ７で顕微鏡ステージ１１をステージ移動ピッチΔ
Ｚだけ上昇させるとともに、カウント値ｊを「１」だけ
インクリメントする。一方、ステップＳ６で「Ｙｅｓ」
と判別されると、ステップＳ４〜Ｓ７の処理ループを抜
け出し、ステップＳ８に進む。

【００２４】ステップＳ８では、共焦点画像を構成する
複数の画素のＸ，Ｙ座標をそれぞれ示すカウンタ値ｘ，
ｙを「１」，「１」に初期化する。

【００２５】そして、ステップＳ９でカウント値Ｌを
「０」に初期化するとともに、カウント値ｊを「２」に
初期化する。ここで、カウント値Ｌは、当該画素（ｘ，
ｙ）での光量の極大ピークが試料ＯＢの表面に関連する
ものであるか、試料ＯＢの内部構造に関連するものであ
るかを示す値であり、Ｌ＝０での極大ピークが試料ＯＢ
の表面を示す一方、Ｌ≧１での極大ピークが試料ＯＢの
内部構造を示す。なお、その理由については、後で詳説
する。

【００２６】次のステップＳ１０では、次の不等式、 Ｆj（ｘ，ｙ）−Ｆj+1（ｘ，ｙ）＞０、かつ Ｆj（ｘ，ｙ）−Ｆj-1（ｘ，ｙ）＞０、 が満足されているかどうかを判別する。すなわち、共焦
点画像Ｆj-1，Ｆj，Ｆj+1の画素（ｘ，ｙ）での光量を
比較し、カウンタ値ｊ（高さ位置Ｄ（ｊ））で光量の極
大ピークが存在するかどうかを判別する。

【００２７】このステップＳ１０で「Ｙｅｓ」と判別さ
れると、画素（ｘ，ｙ）に関しては、共焦点画像Ｆjが
極大ピークであることがわかる。そこで、このときの高
さ位置Ｄ（ｊ）をピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，Ｌ）と
し、メモリ２３に記憶するとともに、カウント値Ｌを
「１」だけインクリメントし（ステップＳ１１）、次の
ステップＳ１２に進む。一方、ステップＳ１０で「Ｎ
ｏ」と判別された時には、ステップＳ１１を実行せず、
直接ステップＳ１２に進む。

【００２８】このステップＳ１２ではカウンタ値ｊが値
（ｎ−１）よりも小さいかどうかを判別する。そして、
ステップＳ１２で「Ｙｅｓ」と判別されると、ステップ
Ｓ１３でカウンタ値ｊが「１」だけインクリメントさ
れ、ステップＳ１０に戻る。この処理ループ（ステップ
Ｓ１０〜Ｓ１３）をステップＳ１２で「Ｎｏ」と判別さ
れるまで繰り返した場合の動作を図４と図６を参照しつ
つ具体的モデルを挙げて説明する。

【００２９】ここでは、図４に示すように、試料ＯＢの
内部に層境界面が存在する場合について説明する。この
ような試料ＯＢを下限高さＺlからステージ移動ピッチ
ΔＺで徐々に上昇させていくと、やがて高さ位置Ｄ
（ｐ）で画素（ｘ1，ｙ1）に対応する試料ＯＢの表面が
焦点位置に位置決めされ（図４（ｂ））、当該画素（ｘ
1，ｙ1）では高さ位置Ｄ（ｐ）での光量がその上下高さ
位置Ｄ（ｐ−１），Ｄ（ｐ＋１）での光量よりも大きく
なり、その結果ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」と判別され
る。ただし、ｐは２＜ｐ＜ｎである。そのため、ステッ
プＳ１１でピーク高さ位置Ｐ（ｘ1，ｙ1，０）として高
さ位置Ｄ（ｐ）が与えられる。そして、さらに、顕微鏡
ステージ１１を上昇させていくと、図４（ｃ）に示すよ
うに、高さ位置Ｄ（ｐ＋ｑ）で試料ＯＢの内部に形成さ
れた層境界面が焦点位置に位置決めされることとなり、
上記と同様に、当該画素（ｘ1，ｙ1）では高さ位置Ｄ
（ｐ＋ｑ）での光量がその上下高さ位置Ｄ（ｐ＋ｑ−
１），Ｄ（ｐ＋ｑ＋１）での光量よりも大きくなり、そ
の結果ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」と判別され、ステッ
プＳ１１でピーク高さ位置Ｐ（ｘ1，ｙ1，１）として高
さ位置Ｄ（ｐ＋ｑ）が与えられる。このように、この実
施形態では、試料ＯＢを徐々に上昇させながら光量が極
大となるピーク高さ位置を求めるようにしているので、
最初に現れる光量のピーク高さ位置Ｐ（ｘ1，ｙ1，０）
が試料ＯＢの表面の高さ位置を示すこととなる。したが
って、上記のように１つに画素（ｘ1，ｙ1）に複数のピ
ーク高さ位置Ｐ（ｘ1，ｙ1，０）、（ｘ1，ｙ1，１）が
存在したとしても、試料ＯＢの表面に該当するピーク高
さ位置Ｐ（ｘ1，ｙ1，０）を的確に、しかも簡単に特定
することができる。なお、それ以外のピーク高さ位置Ｐ
（ｘ1，ｙ1，１）は試料ＯＢの内部構造、この具体的モ
デルでは層境界面に関連する。

【００３０】再度、図３に戻って説明を続ける。ステッ
プＳ１２で「Ｎｏ」と判別される、つまり当該画素
（ｘ，ｙ）について光量の極大ピークの検出が完了する
と、ステップＳ１０〜Ｓ１３の処理ループを抜け出し、
ステップＳ１４を実行する。

【００３１】このステップＳ１４では、当該画素（ｘ，
ｙ）でのピーク数ＰＮ（ｘ，ｙ）にカウント値Ｌの最終
値を与える。

【００３２】そして、ステップＳ１５で、ｘ＝ｘmaxか
つｙ＝ｙmaxが満足されているかどうか、つまりすべて
の画素（ｘ，ｙ）について上記ステップＳ９〜Ｓ１４の
一連の処理（ピーク判定処理）を実行したかどうかを判
別し、このステップＳ１５での判別の結果が「Ｎｏ」の
間、ステップＳ１６で座標値ｘ，ｙを適当に設定するこ
とで対象画素をずらした後、上記ピーク判定処理を繰り
返す。こうして、すべての画素（ｘ，ｙ）について試料
ＯＢの表面位置を表すピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，０）
と内部構造を示すピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，１），
（ｘ，ｙ，２），…を求める。

【００３３】以上のように、試料ＯＢを高さ方向Ｚに移
動させながら、高さ方向Ｚにおいて互いに異なる複数の
高さ位置Ｄ（ｊ）で水平面ＸＹの共焦点画像Ｆ1，Ｆ2，
…，Ｆｎをそれぞれ撮像し、これらの共焦点画像Ｆ1，
Ｆ2，…，Ｆｎに基づき、各画素（ｘ，ｙ）ごとに高さ
方向Ｚにおいて光量が極大となるピーク高さ位置Ｐ
（ｘ，ｙ，Ｌ）を求め、最も高い位置、つまりピーク高
さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，０）を当該画素（ｘ，ｙ）に対応す
る試料ＯＢの表面情報としている。したがって、各画素
（ｘ，ｙ）において光量の極大ピークが複数存在したと
しても、的確に、しかも簡易に試料ＯＢの表面の高さ位
置を求めることができ、その結果、試料ＯＢの表面形状
を正確に計測することができる。また、上記のようにし
て求まった複数のピーク高さ位置Ｐ（ｘ、ｙ、Ｌ）のう
ち試料ＯＢの表面情報に相当するピーク高さ位置Ｐ
（ｘ，ｙ、０）以外のものは試料ＯＢの内部構造に関連
する内部情報であり、これにより試料ＯＢの断面形状を
理解することができる。

【００３４】ところで、この三次元計測装置は、単に試
料ＯＢの表面情報や内部情報を求めて試料ＯＢの三次元
計測を行うだけでなく、ステップＳ２０を実行して試料
ＯＢの表面形状を表示モニタ４０上に表示するととも
に、ステップＳ３０を実行して試料ＯＢの断面形状を表
示モニタ４０上で表面形状と重ね併せて表示する。

【００３５】図７は、試料の表面形状を表示する処理を
示すフローチャートである。ここでは、まずステップＳ
２１で画素のＸ，Ｙ座標をそれぞれ示すカウンタ値ｘ，
ｙを「１」，「１」に初期化する。そして、ステップＳ
１４において与えれた画素（ｘ，ｙ）でのピーク数ＰＮ
（ｘ，ｙ）が「０」であるかどうかを判別する（ステッ
プＳ２２）。

【００３６】このステップＳ２２で、「Ｎｏ」、つまり
ピーク数ＰＮ（ｘ，ｙ）が「１」以上であると判別され
ると、当該画素（ｘ，ｙ）に対応するピーク高さ位置Ｐ
（ｘ、ｙ、Ｌ）のうち最初、つまり表面を表すピーク高
さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，０）を表面高さデータＨ（ｘ，ｙ）
に与える（ステップＳ２３）。一方、ステップＳ２２で
「Ｙｅｓ」、つまりピーク数ＰＮ（ｘ，ｙ）が「０」で
あると判別された場合には、表面高さデータＨ（ｘ，
ｙ）として「０」を設定する（ステップＳ２４）。

【００３７】続いて、ステップＳ２５で、上記ステップ
Ｓ２２〜Ｓ２４の一連の処理（表面高さ設定処理）が全
画素について行われたどうかを判別し、全画素について
表面高さ設定処理が実行されていない間は、対象画素を
適当にずらし（ステップＳ２６）、ステップＳ２２〜Ｓ
２４の表面高さ設定処理を実行する。

【００３８】ステップＳ２５で全画素について表面高さ
設定処理を実行したと判別したときには、上記のように
して得られた表面高さデータＨ（ｘ，ｙ）に基づき各画
素に対応して試料表面を表す印を付すことで表示モニタ
４０上に試料ＯＢの表面形状を表示する。こうして表示
モニタ４０に描かれた表面形状の一例を図８に参考例と
して示す。

【００３９】このように、この実施形態では、単に試料
ＯＢの表面情報、つまりピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，
０）を求めて試料ＯＢの三次元計測を行うのみならず、
その表面情報に基づき試料ＯＢの表面形状を表示モニタ
４０上に表示しているので、オペレータなどが試料ＯＢ
の表面形状を視覚的に、しかも容易に把握することがで
きる。

【００４０】図９は、試料の断面形状を表示する処理を
示すフローチャートである。ここでは、まずステップＳ
３１でオペレータが表示させたい断面を指定するため
に、切断方向（ｘ，ｙ）および切断位置をキーボード
（図示省略）を介して入力する。

【００４１】次に、ステップＳ３２でカウンタ値ｊを
「０」に初期化する。

【００４２】そして、ステップＳ３３でピーク高さ位置
Ｐ（ｘ，ｙ，ｊ）に対応して適当な印を表示モニタ４０
上にプロットする。ここで、ｊ＝０の場合には、ピーク
高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，０）となり、これに対応する表示
モニタ４０上のプロットは試料ＯＢの表面を示すことと
なる。一方、ｊ＞０の場合には、ピーク高さ位置Ｐ
（ｘ，ｙ，ｊ）は試料ＯＢの内部構造に関連する内部情
報となり、これに対応する表示モニタ４０上のプロット
は試料ＯＢの断面を示すこととなる。

【００４３】そして、ステップＳ３４でカウンタ値ｊが
ピーク数ＰＮ（ｘ，ｙ）と一致するかどうかを判断する
ことで当該画素（ｘ，ｙ）について、すべてのピーク高
さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｊ）に対応して表示モニタ４０への
印のプロットが完了したかどうかを判別する。もし、こ
のステップＳ３４で「Ｎｏ」と判別されるならば、ステ
ップＳ３５でカウンタ値ｊを「１」だけインクリメント
し、ステップＳ３３に戻る。これを繰り返すことで、画
素（ｘ，ｙ）に対応して試料ＯＢの表面および断面が表
示されることとなる。

【００４４】一方、ステップＳ３４で「Ｙｅｓ」と判別
されると、ステップＳ３６に進み、切断方向の全画素に
ついて、上記ステップＳ３２〜Ｓ３５の一連の処理（断
面表示処理）が完了したどうかを判別する。このステッ
プＳ３６で「Ｎｏ」と判別されると、ステップＳ３２に
戻り、表面および断面プロット処理（ステップＳ３２〜
Ｓ３５）が繰り返されて、例えば図１０に示すような切
断方向における試料ＯＢの断面が表示される。一方、ス
テップＳ３６で「Ｙｅｓ」と判別されて切断方向におけ
る試料ＯＢの断面形状の表示が完了すると、試料ＯＢの
断面形状を表示する処理を終了する。こうして表示モニ
タ４０に描かれた断面形状の一例を図１０に参考例とし
て示す。

【００４５】このように、この実施形態では、単に試料
ＯＢの表面および断面情報、つまりピーク高さ位置Ｐ
（ｘ，ｙ，Ｌ）を求めて試料ＯＢの三次元計測を行うの
みならず、その表面および断面情報に基づき試料ＯＢの
内部構造に関連する断面形状を表示モニタ４０上に表示
しているので、オペレータなどが試料ＯＢの内部構造を
視覚的に、しかも容易に把握することができる。そし
て、表示モニタ４０に映し出された断面形状から、試料
内部の層構造を容易に理解することができ、また異物な
どの欠陥を容易に発見することができる。

【００４６】ところで、上記実施形態では、各高さ位置
Ｄ（ｊ）での共焦点画像Ｆ1，Ｆ2，…，Ｆnを撮像し、
メモリ２３に記憶させているが、分解能を高めるために
取り込み画像枚数ｎを増やすと、必要なメモリ容量が比
例的に増大し、三次元計測装置のコストアップを招く。
一方、メモリ容量を抑えるために、共焦点画像Ｆ1，Ｆ
2，…，Ｆnを磁気ディスクに記録させておき、適宜読み
出すことでメモリ容量を抑えることができるが、読み出
しに時間がかかり、全体の処理時間が長くなってしまう
という問題がある。このような問題を解消するために
は、共焦点画像を撮像しながら、逐次極大ピークの検出
を行い、得られたピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，Ｌ）をメ
モリ２３に記憶させるようにすればよい。以下、この実
施形態にかかる三次元計測装置について詳述する。

【００４７】図１１は、この発明にかかる三次元計測装
置の別の実施形態の動作を示すフローチャートである。
なお、この実施形態にかかる三次元計測装置の構成につ
いては、先に説明した装置と同一であるため、ここで
は、その構成の説明は省略し、三次元計測処理、表面形
状の表示処理および断面形状の表示処理について説明す
る。

【００４８】この実施形態では、先の実施形態のステッ
プＳ１〜Ｓ３と同様の処理を実行する。すなわち、オペ
レータが制御部２０に設けられたキーボード（図示省
略）を介してステージの下限高さＺl、上限高さＺhおよ
び取り込み画像枚数ｎ（ｎ＞２）を入力した（ステップ
Ｓ４１）後、ステージ移動ピッチΔＺを演算し、メモリ
に記憶する（ステップＳ４２）のに続いて、制御部２０
からモータ１２に駆動指令信号を与えて、顕微鏡ステー
ジ１１を下限高さＺlに位置決めする（図４（ａ））と
ともに、カウント値ｊを「１」に初期化する（ステップ
Ｓ４３）。

【００４９】次に、ステップＳ４４ですべての画素につ
いて、ピーク数ＰＮ（ｘ，ｙ）を「０」に初期化する。

【００５０】それに続いて、先の実施形態のステップＳ
４，Ｓ５と同様に、試料ＯＢの相対高さ位置Ｄ（ｊ）を
次式、 Ｄ（ｊ）＝Ｚh−Ｚl−ΔＺ×（ｊ−１） にしたがって演算した（ステップＳ４５）後、その高さ
位置Ｄ（ｊ）での共焦点画像Ｆjを撮像し、メモリ２３
に格納する（ステップＳ４６）。

【００５１】そして、ステップＳ４７でカウンタ値ｊが
「２」より大きいかどうかを判別する。これは、光量の
極大ピークを検出するためには、少なくとも３つの共焦
点画像が必要となるためであり、ステップＳ４７でカウ
ンタ値ｊが「１」，「２」であると判別される間は、極
大ピーク検出処理（ステップＳ５０）を実行することな
く、共焦点画像Ｆ1，Ｆ2の取り込みのみを行う。

【００５２】一方、ステップＳ４７で「Ｙｅｓ」、カウ
ンタ値ｊが３以上であると判別されると、極大ピークの
検出処理が実行される（ステップＳ５０）。この検出処
理の内容を図１２を参照しつつ説明する。

【００５３】図１２は極大ピークの検出処理を示すフロ
ーチャートである。まず、ステップＳ５１で、共焦点画
像を構成する画素のＸ，Ｙ座標をそれぞれ示すカウンタ
値ｘ，ｙを「１」，「１」に初期化する。

【００５４】そして、ステップＳ５２で、次の不等式、 Ｆj-1（ｘ，ｙ）−Ｆj（ｘ，ｙ）＞０、かつ Ｆj-1（ｘ，ｙ）−Ｆj-2（ｘ，ｙ）＞０、 が満足されているかどうかを判別する。すなわち、共焦
点画像Ｆj-2，Ｆj-1，Ｆjの画素（ｘ，ｙ）での光量を
比較し、カウンタ値ｊ−１（高さ位置Ｄ（ｊ−１））で
光量の極大ピークが存在するかどうかを判別する。

【００５５】このステップＳ５２で「Ｙｅｓ」と判別さ
れると、画素（ｘ，ｙ）に関しては、共焦点画像Ｆj-1
が極大ピークであることがわかる。そこで、このときの
高さ位置Ｄ（ｊ−１）をピーク高さ位置Ｐ（ｘ，ｙ，Ｐ
Ｎ（ｘ，ｙ））とし、メモリ２３に記憶するとともに、
ピーク数ＰＮ（ｘ，ｙ）を「１」だけインクリメントし
（ステップＳ５３）、次のステップＳ５４に進む。一
方、ステップＳ５２で「Ｎｏ」と判別された時には、ス
テップＳ５３を実行せず、直接ステップＳ５４に進む。

【００５６】このステップＳ５４では、ｘ＝ｘmaxかつ
ｙ＝ｙmaxが満足されているかどうか、つまりすべての
画素（ｘ，ｙ）について上記ステップＳ５２，Ｓ５３の
一連の処理（ピーク判定処理）を実行したかどうかを判
別し、このステップＳ５４での判別の結果が「Ｎｏ」の
間、ステップＳ５５で座標値ｘ，ｙを適当に設定するこ
とで対象画素をずらした後、上記ピーク判定処理（ステ
ップＳ５２，Ｓ５３）を繰り返す。こうして、３つの共
焦点画像が得られた時点で、これら３つの共焦点画像に
基づく試料ＯＢの表面位置を表すピーク高さ位置Ｐ
（ｘ，ｙ，０）と内部構造を示すピーク高さ位置Ｐ
（ｘ，ｙ，１），（ｘ，ｙ，２），…を求める。

【００５７】そして、ステップＳ５４で「Ｙｅｓ」と判
別されてすべての画素（ｘ，ｙ）についてのピーク判定
処理が完了すると、図１１のステップＳ４８に進む。

【００５８】再度、図１１に戻って説明を続ける。この
ステップＳ４８では、画像取り込みをｎ回実行したかど
うかを判別する。このステップＳ４８で「Ｎｏ」と判断
される間、ステップＳ４９で顕微鏡ステージ１１をステ
ージ移動ピッチΔＺだけ上昇させるとともに、カウント
値ｊを「１」だけインクリメントした後、ステップＳ４
５〜Ｓ４８，Ｓ５０の一連の処理を繰り返す。一方、ス
テップＳ４９で「Ｙｅｓ」と判別されると、ステップＳ
４５〜Ｓ５０の処理ループを抜け出し、先の実施形態と
同様に、ステップＳ２０で試料ＯＢの表面形状を、また
ステップＳ３０で試料ＯＢの断面形状をそれぞれ表示す
る。

【００５９】以上のように、この実施形態では、試料Ｏ
Ｂを高さ方向Ｚに移動させながら、高さ方向Ｚにおいて
互いに異なる複数の高さ位置Ｄ（ｊ）で水平面ＸＹの共
焦点画像Ｆ1，Ｆ2，…をそれぞれ撮像していき、連続す
る３つの共焦点画像が得られた時点で表面情報や内部情
報となるピーク高さ位置（ｘ，ｙ，Ｌ）を求めているの
で、メモリ２３に記憶させるべき共焦点画像は３つに限
られ、メモリ容量を抑制することができる。もちろん、
磁気ディスクにデータを記録させる必要がないので、短
時間で三次元計測処理を行うことができる。

【００６０】

【発明の効果】請求項１および４の発明によれば、試料
の高さ方向において互いに異なる複数の高さ位置で共焦
点画像をそれぞれ撮像し、これらの共焦点画像に基づ
き、各画素ごとに高さ方向において光量が極大となるピ
ーク高さ位置を求め、さらに各画素ごとに、ピーク高さ
位置のうち最も高い位置を当該画素に対応する試料の表
面情報として選択しているので、試料の内部構造に関連
するピーク高さ位置が現れたとしても、試料の表面形状
を正確に計測することができる。

【００６１】請求項２の発明によれば、上記のようにし
て求められた正確な表面情報に基づき、各画素に対応し
て試料表面を示す印を付して試料の表面形状を表示して
いるので、試料の表面形状を正確に表示することができ
る。

【００６２】請求項３の発明によれば、上記のようにし
て求められたピーク高さ位置のうち表面情報を除いた位
置を試料の内部情報としているので、内部情報を正確に
求めることができる。しかも、これらの内部情報に基づ
き、各画素に対応して試料内部を示す印を付して試料の
断面形状を表示しているので、試料の断面形状を正確に
表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる三次元計測装置の一実施形態
を示す図である。

【図２】図１の三次元計測装置の動作を示すフローチャ
ートである。

【図３】図１の三次元計測装置の動作を示すフローチャ
ートである。

【図４】図１の三次元計測装置の動作を示す模式図であ
る。

【図５】高さ位置Ｄ（ｊ）と、各高さ位置Ｄ（ｊ）での
共焦点画像Ｆjとの関係を示す概念図である。

【図６】高さ位置Ｄ（ｊ）と、ピーク高さ位置Ｐ（ｘ，
ｙ，Ｌ）との関係を示す概念図である。

【図７】試料の表面形状を表示する処理を示すフローチ
ャートである。

【図８】図１の表示モニタに表示された試料の表面形状
の一例（中間調画像）を示す図である。

【図９】試料の断面形状を表示する処理を示すフローチ
ャートである。

【図１０】図１の表示モニタに表示された試料の断面形
状の一例を示す図である。

【図１１】この発明にかかる三次元計測装置の別の実施
形態の動作を示すフローチャートである。

【図１２】極大ピーク検出処理を示すフローチャートで
ある。

【符号の説明】

１１ 顕微鏡ステージ １２ モータ ２０ 制御部 ３０ 撮像ユニット ４０ 表示モニタ Ｆ1，Ｆ2，…，Ｆj，…，Ｆn 共焦点画像 ＯＢ 試料 Ｐ（ｘ，ｙ，０） ピーク高さ位置（表面情報） Ｐ（ｘ，ｙ，１） ピーク高さ位置（内部情報） Ｐ（ｘ，ｙ，２） ピーク高さ位置（内部情報） Ｐ（ｘ，ｙ，Ｌ） ピーク高さ位置 ＰＮ（ｘ，ｙ） ピーク数 Ｚ 高さ方向

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１０月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項４

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の高さ方向において互いに異なる複
   数の高さ位置で複数の画素よりなる水平面の共焦点画像
   をそれぞれ撮像し、これら複数の共焦点画像に基づき前
   記試料の表面情報を求める三次元計測方法において、 前記複数の共焦点画像に基づき、各画素ごとに前記高さ
   方向において光量が極大となるピーク高さ位置を求める
   工程と、 各画素ごとに、前記ピーク高さ位置のうち最も高い位置
   を当該画素に対応する試料の表面情報として選択する工
   程と、を備えたことを特徴とする三次元計測方法。
2. 【請求項２】 請求項１の三次元計測方法により求めら
   れた表面情報に基づき、各画素に対応して試料表面を示
   す印を付して試料の表面形状を表示することを特徴とす
   る三次元表示方法。
3. 【請求項３】 請求項１の三次元計測方法により求めら
   れた前記ピーク高さ位置のうち前記表面情報を除いた位
   置を試料の内部情報とし、試料内部を示す印を付して前
   記試料の断面形状をさらに表示する請求項２記載の三次
   元表示方法。
4. 【請求項４】 試料の高さ方向において互いに異なる複
   数の高さ位置で複数の画像よりなる水平面の共焦点画像
   をそれぞれ撮像する撮像手段と、 前記複数の共焦点画像に基づき、各画素ごとに前記高さ
   方向において光量が極大となるピーク高さ位置を求める
   ピーク位置検出手段と、 各画素ごとに、前記ピーク高さ位置のうち最も高い位置
   を当該画素に対応する試料の表面情報として選択する表
   面情報決定手段と、を備えたことを特徴とする三次元計
   測装置。