JPH09251128A

JPH09251128A - 光学顕微鏡

Info

Publication number: JPH09251128A
Application number: JP8760596A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Okamoto; 陽一岡本
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】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、比較的安価な光学顕
微鏡を提供する。【解決手段】受光素子を共焦点に配置し、試料の１方
向にのみレーザ光Ｌ１を走査して、１つの断面における
深さ情報を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。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、三次元的なデ
ータを得るには、レーザ光ないし試料を二次元的（平面
的）に走査し、一方、試料ステージをＺ軸方向（深さ方
向）に移動させる必要がある。したがって、３軸方向へ
の駆動装置が必要になるばかりでなく、３軸方向の走
査、駆動について同期を制御する必要があるので、機械
的・電気的構造が複雑になる。その結果、顕微鏡が高価
になるのは避けられない。

【０００４】本発明は前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、機械的・
電気的構造が簡単な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】前記目的を達成するため
に、本発明の光学顕微鏡は、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、その反射光を受光素子
に受光させて、前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、該共焦点光学
系における試料に対する集光位置を走査する走査機構と
を備えた光学顕微鏡であって、前記共焦点光学系の受光
素子に至る光路に光絞り部を配設し、前記走査機構とし
て一次元方向にのみ試料への集光位置を走査する一次元
走査機構を備えている。

【０００６】本発明によれば、試料の外観を観察するだ
けでなく、共焦点光学系により試料の深度に関する情報
が得られる。ここで、本発明は一次元方向にのみ試料へ
の集光位置を一次元的に走査する。したがって、深度に
ついては、試料の一つの断面についてのみの情報しか得
られない。しかし、半導体集積回路などにおいては、微
細な溝に直交する方向についての断面情報が得られれば
十分である場合があり、したがって、本発明の顕微鏡は
有用である。その一方で、試料への集光位置を一次元的
に走査するので、二次元的な走査を行う顕微鏡に比べ、
機械的および電気的な構造が簡単になる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
したがって説明する。図１ないし図４は、本発明の第１
実施形態を示す。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。

【０００８】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。該
レーザ１０の光軸上には、ビームエキスパンダ１１、ビ
ームスプリッタ１４、ガルバノミラー（偏向手段）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、該点光源となっ
たレーザ光Ｌ１の光軸上には１／４波長板１５、第１の
ハーフミラー１６、第１の結像レンズ１７および対物レ
ンズ１８が、順次配設されている。前記対物レンズ１８
は、レボルバ７１（図７）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。対物レンズ１
８の焦点位置の付近には、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。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
にのみ一次元的に走査する。なお、試料ステージ３０
は、ステージ制御回路４１によりＺ方向に駆動制御さ
れ、Ｘ，Ｙ方向については手動ハンドルで移動可能とな
っている。

【０００９】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。該結像レンズ１
７を透過したレーザ光Ｌ１は、第１のハーフミラー１６
で反射された後ｆθレンズ１３を通ってガルバノミラー
１２に入射する。ガルバノミラー１２は、入射したレー
ザ光Ｌ１を再び偏向させることで、レーザ光Ｌ１をビー
ムスプリッタ１４に向って反射する。ビームスプリッタ
１４で反射されたレーザ光Ｌ１は、第２の結像レンズ１
９ａを介して、ピンホールまたはスリットを有する光絞
り部１９ｂを通過して受光素子１９ｃに入射する。受光
素子１９ｃは、たとえばフォトダイオードまたはフォト
マルチプライヤなどで構成され、入射したレーザ光Ｌ１
を光電変換してアナログ光量信号を出力アンプ４３に出
力する。アナログ光量信号は出力アンプ４３からゲイン
制御回路４４を介してＡ／Ｄコンバータ４５に出力され
る。

【００１０】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。

【００１１】前記第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、第１の結像レンズ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。

【００１２】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およびマイコン５０に同
期信号を出力する。ガルバノ駆動回路４２は、画素タイ
ミング発生回路４７に走査位置の情報を出力し、該出力
に基づいて画素タイミング発生回路４７がＡ／Ｄコンバ
ータ４５にタイミング信号を出力する。Ａ／Ｄコンバー
タ４５は、該タイミング信号に応じてデジタル化した光
量信号ａをマイコン５０に出力する。図２のマイコン５
０は、ＣＰＵ５１およびメモリ６０を備えており、後述
するように、受光素子１９ｃ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。

【００１３】前記メモリ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。前記各記憶部６１，６２は、それぞれ、分解能に
対応した数の記憶素子６１₀ 〜６１_nおよび６２₀ 〜６
２_nを有している。

【００１４】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、前述の光絞り部１
９ｂは、第２の結像レンズ１９ａの焦点位置に配設され
ており、一方、光絞り部１９ｂのピンホールは極めて微
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が光絞り部１９ｂのピンホールで結
像し、受光素子１９ｃに入射す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は、光絞り部１９ｂのピンホールを
殆ど通過しないので、受光素子１９ｃ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。該ピ
ーク位置Ｚｐを試料ｗの各Ｙ座標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。

【００１５】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、受光素子１９ｃ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Ｓ３に戻り、一
方、下降端であれば測定を終了する。

【００１６】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のイメージＲＡＭに転送され、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
画像と前記断面情報を重ね合わせ、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表面形状を知ることができる。

【００１７】前記構成において、該光学顕微鏡は、図１
のレーザ光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るので、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。

【００１８】ところで、１／４波長板１５からｆθレン
ズ１３に向かうレーザ光Ｌ１をビームスプリッタで反射
して一次元イメージセンサに入射させ、この一次元イメ
ージセンサを第１の結像レンズ１７の焦点位置に配置す
ることによっても、本光学顕微鏡と同様に前記効果を得
ることができる。しかし、こうすると、以下に説明する
ような場合に、誤検出が生じる。

【００１９】図３（ｅ）に示すような凹凸状態の試料ｗ
において、反射率の高い部分ｗｆ₁と低い部分ｗｆ₂が
隣接していると、一次元イメージセンサ１００の素子１
０２に入射すべきレーザ光Ｌ１が、隣の素子１０３にも
入射する。そのため、隣の素子１０３は、焦点が合って
いないときの光量の方が大きくなり、表面の深度を図３
（ｆ）のように誤って検出する。これに対し、本発明で
は、図１の受光素子１９ｃに至る光路に光絞り部１９ｂ
を設けているので、かかる誤検出を生じるおそれはな
い。

【００２０】なお、前記実施形態では、ガルバノミラー
１２を駆動してレーザ光Ｌ１を走査したが、本発明で
は、ポリゴンミラーや音響光学素子などのレーザ光Ｌ１
の方向を変化させる偏向手段を用いてもよく、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。

【００２１】ところで、この種の一般の顕微鏡では、集
光レンズ２１と第２のハーフミラー２３との間に光学フ
ィルタを設けて、観察光Ｌ２のうちのレーザ光Ｌ１と同
一の波長の成分をカットして深さ測定の精度の低下を防
止している。しかし、こうすると、試料ｗの映像の色味
が、実際のものとは異なって見える。一方、光学フィル
タを設けないで、ランプ２０を消して深さ測定を行うこ
とでノイズの発生を防止すると、深さ測定中には映像が
真っ暗になってしまう。そこで、つぎの第２実施形態で
は、かかる問題に鑑み、実際の試料ｗの色味と同じ色味
の映像が得られ、かつ、深さ測定中においても、モニタ
に映像を映し出すことのできる顕微鏡を提供する。

【００２２】図５は第２実施形態を示す。なお、以下の
実施形態において、第１実施形態と同一部分または相当
部分には同一符号を付して、その詳しい説明および図示
を省略し、異なる部分について主に説明する。第２実施
形態の顕微鏡は、図５（ａ）のフレームメモリ３３、セ
レクタ３４およびランプ制御回路４６を備えている。本
実施形態では、キーボード５２からの設定で、外観観察
モードと深さ測定モードに切り換えられ、深さ測定モー
ドにおいてはランプ２０（図１）を自動的に消灯させ
る。前記フレームメモリ３３は、深さ測定モードにおい
て、マイコン５０からのトリガ信号ｂを受けて、ＣＣＤ
カメラ２４からの消灯前の出力を取り込んで画像信号ｅ
を記憶する。前記セレクタ３４は、外観観察モードにお
いては、図５（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ２４の
出力をスーパーインポーザ３１に出力する一方で、深さ
測定モードにおいては、マイコン５０からの切換信号ｃ
を受けて、フレームメモリ３３の画像信号ｅをスーパー
インポーザ３１に出力する。前記ランプ制御回路４６は
深さ測定モードにおいて、マイコン５０からの消灯信号
ｄを受けて、ランプ２０（図１）を消灯する。

【００２３】つぎに、深さ測定モードのフローについて
説明する。図５（ｂ）のステップＳ１１において、フレ
ームメモリ３３はトリガ信号ｂを受けると、ランプ２０
が消える直前の画像を記憶する。つづいて、ステップＳ
１２に進み、切換信号ｃで、セレクタ３４が切り換わ
り、モニタ３２には、フレームメモリ３３に記憶された
画像が映し出される。その後、ステップＳ１３に進み、
消灯信号ｄによりランプ２０（図１）が消灯し、ステッ
プＳ１４で深さの測定（図４のステップＳ１〜Ｓ７）が
なされる。

【００２４】ここで、図１のランプ２０は消えているの
で、光学フィルタがなくても、レーザ光Ｌ１による深さ
測定の精度が低下するおそれはない。一方、図５（ａ）
のモニタ３２には、フレームメモリ３３に記憶された画
像が映し出されるので、測定中に映像が真っ暗になると
いう不都合も生じない。

【００２５】図６は第３実施形態を示す。図６（ａ）に
おいて、第３実施形態の光学顕微鏡は、オートフォーカ
ス装置５１ａを備えている。オートフォーカス装置５１
ａはマイコン５０に内蔵されており、オートフォーカス
モードにおいて、試料ステージ３０を上下動させ、受光
素子１９ｃからの出力を取り込んで受光光量が最大とな
ったときの試料ステージ３０の高さを選択するものであ
る。

【００２６】前記オートフォーカスモードの動作につい
て説明する。キーボード５２を操作して、顕微鏡のスイ
ッチをＯＮすると、オートフォーカスモードに設定さ
れ、図６（ｂ）のステップＳ２１において、一回の走査
の所定タイミングにおける受光素子１９ｃの受光光量が
記憶される。つづいて、ステップＳ２２に進み、試料ス
テージ３０がステージ制御回路４１によって１段階下降
され、ステップＳ２３において受光素子１９ｃの受光光
量が減少したか否かを判断し、減少していなければステ
ップＳ２２に戻って、再び試料ステージ３０を１段階下
降させ、一方、減少していれば、ステップＳ２４に進ん
で試料ステージ３０を１段階下降させる。つづいて、ス
テップＳ２５に進み、前記受光素子１９ｃの受光光量が
連続して減少したか否かを判断する。ここで、図３
（ｂ）から分かるように、受光光量が連続して減少して
おればピーク位置（焦点の合った位置）を通過したと考
えられるから、図６（ｂ）のステップＳ２６に進んで、
試料ステージ３０を２段階上昇させることにより、ピー
ク位置、つまり、焦点の合った位置に試料ステージ３０
を自動的にセットすることができる。一方、ステップＳ
２５において受光光量が連続して減少しなかった場合は
ステップＳ２２に戻る。

【００２７】なお、前記各実施形態では、深さ測定やオ
ートフォーカスモードにおいて、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。

【００２８】つぎに、光学顕微鏡の外観について説明す
る。図７（ａ）において、５０Ａはマイコン５０などを
内蔵した制御器本体、７０は顕微鏡本体、７２は手動操
作部で、ピントの調節、視野の絞り、開口の絞りなどを
操作するものである。この図に示すように、キーボード
５２を制御器本体５０Ａと別体にすれば、キーボード５
２を自由な位置に配置できるから、キーボード５２の操
作時に手が邪魔にならず、モニタ３２が見易くなると共
に、制御器本体５０Ａをテーブル８０の下に配置するこ
とで、スペース効率が良くなる。

【００２９】図７（ｂ）は他の例を示す。この図におい
て、手動操作部７２は顕微鏡７０の前面の下部に設けら
れている。ここで、この光学顕微鏡は、レーザ光を使用
するので、試料ステージ３０に試料ｗを置いた後はモニ
タ３２を見ながら手動操作部７２を操作する。したがっ
て、モニタ３２の正面に座った状態で、手動操作部７２
を操作できれば便利である。これに対し、本実施形態で
は、手動操作部７２を顕微鏡７０の前面に配置している
ので、モニタ３２を見ながら手動操作部７２を操作し易
くなり、操作性が向上する。

【００３０】図７（ｃ）は更に他の例を示す。この図に
おいて、モニタ３２は液晶モニタで、顕微鏡７０の上部
フレーム７０ａの前面に設けられている。一方、手動操
作部７２は顕微鏡７０の側面に設けられている。この例
においては、オペレータは顕微鏡７０の前方に座り、モ
ニタ３２を見ながら、手動操作部７２を操作することが
でき、通常の光学式顕微鏡と同様な操作ができるから、
操作性が向上する。

【００３１】ところで、前記各実施形態では、図１の共
焦点光学系１および観察用光学系２に第１の結像レンズ
１７を設けて無限補正系を採用したが、第１の結像レン
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。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試料への集光位置を一次元的に走査するので、従来の二
次元的な走査を行うものに比べ、機械的および電気的な
構造が簡単になるので、コストダウンを図り得ると共
に、一つの断面についての深さの情報でも十分に有用な
光学顕微鏡を提供できる。

【００３３】また、フレームメモリとセレクタを設け
て、観察用光源を消す直前の映像をモニタに映し出すこ
ととすれば、観察用光源を消した状態で深さ測定ができ
るから、観察用光学系に光学フィルタを設ける必要がな
くなる。したがって、モニタの映像の色味が実際のもの
と大きく変わることがなく、かつ、レーザ光による深さ
測定の際には、観察用光源を消しても、直前の映像が映
し出されるので、モニタが真っ暗になることもない。

【００３４】また、受光光量が最大となるピーク位置か
ら焦点の合った位置を検出し得るので、ソフトウェアを
変更するだけで、オートフォーカスの機能を付加するこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態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】（ａ）〜（ｃ）は深さ測定の原理を説明するた
めの概念図、（ｄ）〜（ｆ）は本発明に含まれない他の
測定方法の欠点を説明するための概念図である。

【図４】測定方法を示すフローチャートである。

【図５】（ａ）は第２実施形態を示す測定回路等の概略
構成図、（ｂ）は深さ測定モードを示すフローチャート
である。

【図６】（ａ）は第３実施形態を示す測定回路等の概略
構成図、（ｂ）は深さ測定モードを示すフローチャート
である。

【図７】光学顕微鏡の外観を示す斜視図である。

【符号の説明】

１：共焦点光学系１２：ガルバノミラー（一次元走査機構）１９ｂ：光絞り部１９ｃ：受光素子２：観察用光学系２０：観察用光源２４：ＣＣＤカメラ（撮像装置）３２：モニタ３３：フレームメモリ３４：セレクタ４１：ステージ制御回路５１ａ：オートフォーカス装置Ｌ１：レーザ光Ｌ２：白色光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 21/26 Ｇ０２Ｂ 21/36 21/36 7/11 ＪＧ０３Ｂ 13/36 Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、その反射光を受光素子に受光させ
て、前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、該共焦点光学系における試料に対する集光位置を走査す
る走査機構とを備えた光学顕微鏡であって、前記共焦点光学系の受光素子に至る光路に光絞り部を配
設し、前記走査機構として一次元方向にのみ試料への集
光位置を走査する一次元走査機構を備えている光学顕微
鏡。
【請求項２】請求項１において、前記レーザ光とは異
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光学顕微鏡。
【請求項３】請求項１もしくは２において、試料を載
置した試料ステージを深さ方向にのみ駆動するステージ
制御回路を備え、前記一次元走査機構は、試料に向かう
レーザ光を偏向させて一次元的に走査する偏向手段で構
成されている光学顕微鏡。
【請求項４】請求項２において、前記観察用光学系に
設けられ試料を撮像する撮像装置と、該撮像装置からの画像信号を記憶するフレームメモリ
と、該フレームメモリの画像信号または前記撮像装置からの
出力を選択的に切り換えてモニタに出力するセレクタと
を備えた光学顕微鏡。
【請求項５】請求項１において、試料を載置した試料
ステージをオートフォーカスモードにおいて上下動さ
せ、前記受光素子からの出力を取り込んで受光光量が最
大となったときの試料ステージの高さを選択するオート
フォーカス装置を備えた光学顕微鏡。