JPH1026515A

JPH1026515A - 段差測定装置

Info

Publication number: JPH1026515A
Application number: JP18354996A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ono; 修大野; Hirohisa Fujimoto; 洋久藤本
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な測定方法によって連続的且つ短時間に段
差を測定することが可能な段差測定装置を提供する。【解決手段】測定基準面に対して所定の高さを有する複
数の段差が形成された測定対象物４の測定面４ａにレー
ザー光を照射可能な拡大光学系と、測定面からの反射光
の光強度を検出することによって測定基準面に対する拡
大光学系の焦点位置Ｓを検出する焦点検出系と、この焦
点検出系からの焦点検出信号Ｔに基づいて焦点位置を測
定基準面に位置付ける合焦制御機構と、レーザー光を測
定面に沿って走査させた際、測定面からの反射光の光強
度信号Ｖを出力可能な光強度検出系３６と、光強度信号
を微分した微分信号と光強度信号とに基づいたタイミン
グ信号が出力された際、焦点検出信号を検出し、この焦
点検出信号から複数の段差を連続的に測定する信号処理
装置３８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、測定対象
物の測定面に規則的に形成された段差の高さを連続的に
測定することが可能な段差測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の段差測定装置では、ステ
ージ上に載置された測定対象物の測定面を拡大光学系に
よって拡大観察しながら、測定面上に形成された段差の
高さを測定している。

【０００３】例えば、図５に示すように、ステージ２上
に載置された測定対象物４を照明系（図示しない）によ
って照明しながら、この測定対象物４の測定面４ａに形
成された段差（図示しない）を測定する段差測定装置
（以下、従来技術という）が知られている。

【０００４】この従来技術の段差測定装置において、半
導体レーザ６から出射した測定光即ちレーザー光は、偏
光ビームスプリッタ８から反射した後、λ／４板１０及
び対物レンズ１２を介して測定対象物４に照射される。
このとき、測定対象物４の測定面４ａから反射した反射
光は、再び、対物レンズ１２及びλ／４板１０を介して
偏光ビームスプリッタ８に伝波された後、第１のビーム
スプリッタ１４から焦点検出系に反射される。

【０００５】焦点検出系には、第１のビームスプリッタ
１４から反射した反射光を２方向に振り分ける第２のビ
ームスプリッタ１６と、この第２のビームスプリッタ１
６によって２方向に振り分けられた夫々の光の光強度を
検出する第１及び第２の検出光学系１８，２０と、これ
ら第１及び第２の検出光学系１８，２０から出力された
電気信号Ａ，Ｂに所定の演算を施すことによって対物レ
ンズ１２を所定量だけ移動させるための移動制御信号Ｊ
を出力する焦点検出回路２２とが設けられている。な
お、第１の検出光学系１８には、焦点位置Ｐよりも物体
側に配置された第１の絞り手段１８ａと、この第１の絞
り手段１８ａを通過した光を受光する第１の受光素子１
８ｂとが設けられており、また、第２の検出光学系２０
には、焦点位置Ｐよりも像側に配置された第２の絞り手
段２０ａと、この第２の絞り手段２０ａを通過した光を
受光する第２の受光素子２０ｂとが設けられている。

【０００６】このような構成において、第２のビームス
プリッタ１６を透過した光は、第１の絞り手段１８ａを
通過した後、第１の受光素子１８ｂによって所定の電気
信号Ａに変換される。また、第２のビームスプリッタ１
６から反射した光は、第２の絞り手段２０ａを通過した
後、第２の受光素子２０ｂによって所定の電気信号Ｂに
変換される。

【０００７】第１及び第２の受光素子１８ｂ，２０ｂか
ら出力された電気信号Ａ，Ｂは、焦点検出回路２２によ
って、所定の演算処理が施される。具体的には、焦点検
出回路２２において、電気信号Ａ，Ｂには、（Ａ−Ｂ）
／（Ａ＋Ｂ）なる信号処理が施される。この結果、図６
に示すような焦点検出信号が算出される。

【０００８】ここで、図６において、焦点位置は、電気
信号Ａ，Ｂの出力が同じになったときであるから、原点
０であることが分かる。このとき、焦点検出回路２２
は、焦点検出信号（図６参照）に基づいて、対物レンズ
１２を所定量だけ移動させるための移動制御信号Ｊを合
焦制御機構に出力する。

【０００９】合焦制御機構は、駆動回路２４と対物レン
ズ駆動用モータ２６とを備えており、移動制御信号Ｊに
基づいて、駆動回路２４が対物レンズ駆動用モータ２６
を駆動制御することによって、対物レンズ１２を光軸Ｌ
に沿って移動させるように制御されている。この結果、
対物レンズ１２と測定対象物４の測定面４ａとの間の距
離を相対的に変化させることが可能となる。

【００１０】この場合、対物レンズ１２の移動状態は、
例えばスケール等の測定器２８によって常時測定されて
おり、測定器２８から出力された移動信号に基づいて、
移動量カウンタ３０が、対物レンズ１２の移動量を計数
するようになっている。

【００１１】以下、このような段差測定装置を用いて、
測定対象物４の測定面４ａ上に規則的に形成されている
段差（図示しない）を測定する方法について説明する。
まず、ステージ駆動回路３２から出力した駆動信号に基
づいて、ステージ駆動用モータ３４を駆動させることに
よって、ステージ２を所定の方向に移動させて、対物レ
ンズ１２の焦点位置Ｓを測定対象物４の測定面４ａに位
置付ける（第１の測定工程）。

【００１２】続いて、ステージ２を所定方向に移動させ
ることによって、対物レンズ１２の焦点位置Ｓを測定面
４ａの段差部分に移動させる（第２の測定工程）。次
に、焦点検出回路２２から駆動回路２４に出力した移動
制御信号Ｊに基づいて、対物レンズ駆動用モータ２６を
駆動させることによって、対物レンズ１２の焦点位置Ｓ
を段差の上面（図示しない）に位置付ける（第３の測定
工程）。

【００１３】そして、測定面４ａから段差の上面に焦点
位置Ｓを移動させた際、測定器２８から移動量カウンタ
３０に出力された移動信号に基づいて、対物レンズ１２
の移動量を計数する（第４の測定工程）。このような工
程を繰り返し行うことによって、測定面４ａに規則的に
形成されている段差の高さが測定されることになる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
段差測定装置を用いて各段差の高さを測定する場合、ス
テージ２を各段差部分（測定ポイント）で一時的に停止
させた状態で、対物レンズ１２を上下動させることによ
って焦点合わせを行わなければならない。このため、測
定に要する工程数が増加して測定時間が増大してしまう
といった問題が生じる。更に、各測定ポイントにおいて
一時的にステージ２を停止させなければならないため、
断続的な測定方法しか適用することができないといった
問題も生じる。従って、簡単な方法によって連続的且つ
短時間に段差を測定することが可能な段差測定装置の開
発が望まれている。

【００１５】本発明は、このような要望に答えるために
成されており、その目的は、簡単な測定方法によって連
続的且つ短時間に段差を測定することが可能な段差測定
装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の段差測定装置は、測定基準面に対し
て所定の高さを有する複数の段差が形成された測定対象
物の測定面に測定光を照射可能であると共に、前記測定
面から反射した反射光を集光させる拡大光学系と、前記
反射光の光強度を検出することによって、前記測定基準
面に対する拡大光学系の焦点位置を検出する焦点検出系
と、この焦点検出系によって検出された焦点検出信号に
基づいて、前記拡大光学系の焦点位置を前記測定基準面
に位置付ける合焦制御機構と、前記測定光を前記測定面
に沿って走査させた際、前記測定面から反射した反射光
の光強度信号を出力可能な光強度検出系と、前記光強度
信号に所定の演算を施した演算結果と前記光強度信号と
に基づいたタイミング信号が出力された際、前記焦点検
出信号を検出し、この焦点検出信号から前記複数の段差
を連続的に測定する信号処理装置とを備えている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る段差測定装置について、図１〜図４を参照して説明す
る。なお、本実施の形態の説明に際し、上記従来技術の
段差測定装置（図５参照）と同一の構成には、同一符号
を付して、その説明を省略する。

【００１８】図１及び図２に示すように、本実施の形態
の段差測定装置は、複数の段差４ｂ（図２参照）が形成
された測定対象物４の測定面４ａに測定光即ちレーザー
光を照射可能であると共に、測定対象物４の測定面４ａ
から反射した反射光を集光させる拡大光学系と、前記反
射光の光強度を検出することによって、測定面４ａ上の
測定基準面４ｃ（図２参照）に対する拡大光学系の焦点
位置Ｓを検出する焦点検出系と、この焦点検出系によっ
て検出された焦点検出信号Ｔ（図４参照）に基づいて、
拡大光学系の焦点位置Ｓを測定基準面４ｃに位置付ける
合焦制御機構と、前記測定光を前記測定面４ａに沿って
走査させた際、測定面４ａから反射した反射光の光強度
信号Ｖ（図３（ｂ）参照）を出力可能な光強度検出系３
６と、光強度信号Ｖに所定の演算を施した演算結果Ｖ′
（図３（ｃ）参照）と光強度信号Ｖとに基づいたタイミ
ング信号が出力された際、焦点検出信号Ｔを検出し、こ
の焦点検出信号Ｔから複数の段差４ｂを連続的に測定す
る信号処理装置３８とを備えている。

【００１９】測定対象物４の測定面４ａに形成された複
数の段差４ｂは、測定基準面４ｃに対して一定の高さＨ
１（図２参照）を有している。なお、光強度信号Ｖ及び
演算結果Ｖ′と段差４ｂとの関係が明らかになるよう
に、図３（ａ）には、測定対象物４の測定面４ａに形成
されている複数の段差４ｂが模式的に示されている。

【００２０】光強度検出系３６には、焦点位置Ｐよりも
像側に配置された光強度検出用絞り手段３６ａと、この
絞り手段３６ａを通過した光を受光する光強度検出用受
光素子３６ｂとが設けられている。また、光強度検出用
受光素子３６ｂによって検出された光強度信号Ｖは、信
号処理装置３８に出力されるように構成されている。

【００２１】焦点検出系の焦点検出回路２２は、Ｔ＝
（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）なる信号処理の結果得られた焦
点検出信号Ｔを信号処理装置３８に出力する。なお、焦
点検出系の他の構成作用は、上記従来技術と同様である
ため、その説明は省略する。

【００２２】信号処理装置３８は、光強度検出用受光素
子３６ｂからの光強度信号Ｖ（図３（ｂ）参照）、及
び、この光強度信号Ｖを微分した微分信号Ｖ′（図３
（ｃ）参照）に夫々任意の閾値Ｖ_th1 ，Ｖ_th2 （図３
（ｂ），（ｃ）参照）を設定する。そして、光強度信号
Ｖが閾値Ｖ_th1 （図３（ｂ）参照）を越え且つ微分信号
Ｖ′が閾値Ｖ_th2 （図３（ｃ）参照）内に入ったときに
タイミング信号を出力して焦点検出信号Ｔ（図４参照）
を検出する。

【００２３】ここで、図３（ａ）は、測定対象物４の測
定面４ａの一例を示しており、同図（ｂ），（ｃ）の信
号波形は、同図（ａ）の測定面４ａに形成された複数の
段差４ｂに対応している。

【００２４】この場合、光強度信号Ｖの閾値Ｖ_th1 は、
測定基準面４ｃ（図２参照）の微分信号Ｖ′が検出され
てしまうといった誤作動を防止可能な値に設定されてお
り、一方、微分信号Ｖ′の閾値Ｖ_th2 は、ノイズ成分に
起因した誤差が補償可能な幅を持たせた値に設定されて
いる。また、閾値Ｖ_th1 ，Ｖ_th2 は、測定対象物４の材
質や特性及び複数の段差４ｂの高さＨ１を考慮した値と
なっており、予め設定することが可能である。

【００２５】このような条件の下で検出された焦点検出
信号Ｔから段差４ｂを測定することができる。そして、
信号処理装置３８の制御に基づいて、レーザー光を測定
面４ａに沿って走査させることによって、複数の段差４
ｂが連続的に測定されることになる。

【００２６】なお、合焦制御機構は、上記従来技術と同
様であるため、その説明は省略する。また、本実施の形
態に適用した拡大光学系は、偏光ビームスプリッタ８と
λ／４板１０と対物レンズ１２と第１のビームスプリッ
タ１４とを備えている。

【００２７】以下、本実施の形態の動作について、図１
〜図４を参照して説明する。なお、図２には、簡単化を
図るため、本実施の形態の段差測定装置のうち、対物レ
ンズ１２及び光強度検出系３６のみを示す。

【００２８】まず、従来技術と同様に、半導体レーザ６
から出射した測定光即ちレーザー光を対物レンズ１２を
介して測定対象物４の測定面４ａに照射した状態におい
て、ステージ２を所定の方向に移動させることによっ
て、対物レンズ１２の焦点位置Ｓを測定対象物４の測定
面４ａの近くに位置付ける（第１の測定工程）。

【００２９】次に、焦点検出回路２２から駆動回路２４
に出力された移動制御信号Ｊに基づいて、対物レンズ駆
動用モータ２６を駆動することによって、対物レンズ１
２の焦点位置Ｓを測定面４ａの測定基準面４ｃに位置付
ける（第２の測定工程）。

【００３０】なお、上記第２の測定工程に合わせて、測
定基準面４ｃを焦点位置Ｓとした焦点検出信号Ｔを検出
し、図４に示す曲線を信号処理装置３８に記憶させるこ
とが有効である。この結果、測定面４ａの変位と焦点検
出信号Ｔとの関係が正確に測定されることになる。

【００３１】図４に示す曲線は、測定対象物４の種類に
よって大きく変動しないため、測定対象物４を交換する
度に曲線を更新する必要はないが、高い測定精度が要求
される場合には、その度に曲線を更新することが有効で
ある。また、光強度検出用受光素子３６ｂの感度の経時
変化を考慮して、測定の度に曲線を更新することも有効
である。

【００３２】続いて、対物レンズ１２の焦点位置Ｓを測
定基準面４ｃに位置付けた状態を維持しながらステージ
２を矢印方向（図２参照）に移動させることによって、
レーザー光を測定面４ａに沿って走査する（第３の測定
工程）。

【００３３】このとき、信号処理装置３８は、光強度検
出用受光素子３６ｂからの光強度信号Ｖ（図３（ｂ）参
照）を検出し、更に、この光強度信号Ｖを微分した微分
信号Ｖ′（図３（ｃ）参照）を演算する（第４の測定工
程）。

【００３４】そして、光強度信号Ｖが任意に予め設定し
た閾値Ｖ_th1 （図３（ｂ）参照）を越え、且つ、微分信
号Ｖ′が任意に予め設定した閾値Ｖ_th2 （図３（ｃ）参
照）内に入ったとき、信号処理装置３８は、タイミング
信号を出力して、焦点検出信号Ｔを検出する（第５の測
定工程）。

【００３５】このとき信号処理装置３８によって検出さ
れた焦点検出信号Ｔの値は、測定基準面４ｃを原点０と
する図４に示す曲線上にプロットされる（第６の測定工
程）。この結果、測定基準面４ｃに対する段差４ｂの高
さＨ１が測定されることになる。

【００３６】この後、ステージ２を矢印方向（図２参
照）に移動させながら、上記第３〜第６の測定工程を繰
り返すことによって、測定面４ａに規則的に形成されて
いる複数の段差４ｂの高さＨ１が連続的に測定されるこ
とになる。

【００３７】このように、本実施の形態の段差測定装置
によれば、ステージ２を停止させること無く、簡単な測
定方法によって連続的且つ短時間に段差を測定すること
が可能となる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な測定方法によっ
て連続的且つ短時間に段差を測定することが可能な段差
測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る段差測定装置の構
成を示す図。

【図２】測定面に形成された複数の段差を測定している
状態を示す図。

【図３】（ａ）は、測定対象物の測定面に形成されてい
る複数の段差を模式的に示す図、（ｂ）は、光強度検出
系からの光強度信号の特性を示す図、（ｃ）は、同図
（ｂ）に示された光強度信号を微分した微分信号の特性
を示す図。

【図４】図１に示された段差測定装置の焦点検出回路に
よって算出された焦点検出信号の特性を示す図。

【図５】従来技術の段差測定装置の構成を示す図。

【図６】図５に示された段差測定装置の焦点検出回路に
よって算出された焦点検出信号の特性を示す図。

【符号の説明】

４測定対象物４ａ測定面３６光強度検出系３８信号処理装置Ｓ焦点位置Ｔ焦点検出信号Ｖ光強度信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定基準面に対して所定の高さを有する
複数の段差が形成された測定対象物の測定面に測定光を
照射可能であると共に、前記測定面から反射した反射光
を集光させる拡大光学系と、前記反射光の光強度を検出することによって、前記測定
基準面に対する拡大光学系の焦点位置を検出する焦点検
出系と、この焦点検出系によって検出された焦点検出信号に基づ
いて、前記拡大光学系の焦点位置を前記測定基準面に位
置付ける合焦制御機構と、前記測定光を前記測定面に沿って走査させた際、前記測
定面から反射した反射光の光強度信号を出力可能な光強
度検出系と、前記光強度信号に所定の演算を施した演算結果と前記光
強度信号とに基づいたタイミング信号が出力された際、
前記焦点検出信号を検出し、この焦点検出信号から前記
複数の段差を連続的に測定する信号処理装置とを備えて
いることを特徴とする段差測定装置。
【請求項２】前記信号処理装置は、前記光強度信号が
所定の値を越え、且つ、前記光強度信号の微分値が所定
の値の範囲に入った際、前記タイミング信号を出力し、
前記焦点検出信号を検出することを特徴とする請求項１
に記載の段差測定装置。
【請求項３】前記所定の値は、前記測定対象物の材質
や特性及び前記複数の段差の高さに基づいて、予め規定
されていることを特徴とする請求項２に記載の段差測定
装置。