JPS61182508A - 微少段差計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、入射光ビームを光軸方向に摂動する寸法計測
装置に係り、特に物体表面の微少な段差を評価するのに
好適な微少段差計測装置に関するものである。　　　　
゛ 〔発明の背景〕 物体表面の観察あるいは物体表面の微少な段差等の高低
情報を検出するのに光学顕微鏡が用いられているが、上
記光学顕微鏡は観察対象部外からの迷光成分があるため
コントラストが悪く、かつ深さ方向の分解能が２μｍ程
度しかなく、生物体や集積回路の表面観察には満足が得
られなかった。

これに対処する顕微鏡の一例が、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ
、　Ｂ。

２１１−２１３　（１９８２）におけるＨａｍｉｌｔｏ
ｎおよびＷｉｌｓｏｎによる”　Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅ
ｎｓｉｏｎａｌ　５ｕｒｆａｃｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅ
ｎｔＵｓｉｎｇ　Ｔｈｅ　Ｃｏｎｆｏｃａｌ　Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ″に紹介されている。

上記顕微鏡の概略構成を第４図によって説明する。第４
図において、点光源１の放射光は対物レンズ２を通過後
焦点位置に配置した物体３の表面に集光する。該集光点
の光は共焦点位置にアルコレクタレンズ４を通過して観
察面に集まる。

上記光学系は共焦点顕微鏡と呼ばれている。共焦点顕微
鏡では上記観察面にピンホール５を設けることによって
、物体３における観察対象とする部分以外からの迷光成
分を除去している。つぎに、物体３が光軸方向に変位し
た場合に、光検出器６に表われる信号がどのように変化
するかを第４図と第５図（ａｌとを用いて説明する。第
４図において物体３が合焦点位置にある場合は、点光源
７を発する光は実線で示すように全光量がピンホール５
を通過する。これに対して物体３がＺ＝０からずれて３
′あるいは３“に移動すると、３′にある物体の一点７
′から発する光は１点鎖線で示すような光路となり、ピ
ンホール５の位置の手前に集光してピンホール５を通過
する光量が減少する。同様に物体が３″にあるときに物
体の一点から発する光は２点鎖線で示すような光路とな
り、ピンホール５の位置の後方に集光するためピンホー
ル５を通過する光量が減少する。これにより、物体３を
合焦点位置Ｚ＝０の前後に変位して光検出器６で得た信
号は第５図（ａ）の形となり、この結果、変位量と受光
量との関係が明らかになる。上記第４図に示した構成に
よる共焦点顕微鏡では、深さ方向（Ｚ方向）の分解能が
０．１μｍ程度得られ、かつコントラストも向上する。

すなわち上記構成によって結果的に、物体３の３次元形
状が求められる。

従来行われていた物体の３次元形状の同定方法は、大別
すると３種類に分類可能であるが、物体３でＺ方向に垂
直な面内に関しては、いずれも単純なｘ、ｙ走査であり
、また面内情報は照射ビーム径で制限される。したがっ
て上記分類はＺ方向の位置検出法に係ることになる。

第１は物体の各場所からの絶対光量を検出し、第５図（
ａ）に示した光量変化曲線と照合することで対応する変
化量Ｚｉを求める方法である。しかしこの方法によると
きは、（１）表面の凹凸状態を判定することが不可能で
あり、（２）光量変化曲線において、曲線が緩慢に変化
する範囲では読取り誤差が大きくなるなどの欠点を伴う
。特に上記（１）の欠点は３次元のプロフィールを描く
上で致命的である。第２の方法は、常時光量の最大値を
保存するように物体３をバイモルフなどの電歪素子で移
動し、その時の移動量を電圧値として計測する。この場
合にも光量変化曲線の頂点近傍がある平坦さを有するこ
とから、最大光量を示す位置を同定するに際しては位置
判定誤差を生じるという欠点がある。

つぎに第３の方法は現在量も広く用いられている方法で
、物体３の光量変化曲線を電気的に微分して零点を求め
、基準位置からのずれ量を検出する方法である。電気的
な微分によって第５図（ｂ）に示す微分曲線が得られる
。ＺＯが零点となり面内各点の走査に従ってＺｏの位置
が移動し変位が求められる。しかしこのような微分方式
の場合、電気回路的に微分値が正確に零である点を検出
すること信号を検出する。認知幅Δυは一般に窓幅と呼
ばれることが多い。これは信号増幅器の雑音レベルとの
かねあいで有限の値にセットされる。また温度変化等に
よって増幅器の零点ドリフトなども生じる。これらの因
子によって、本方法の計測精度は±０．１μｍか、それ
よりも悪くなる。

上記の各方法にはそれぞれ大きな欠点があり、今後、深
さ方向（Ｚ方向）の分解能の向上をはかるうえで困難を
伴うことになる。また、これら３種の方法ではＺ方向の
移動を行うのに物体を移動させている。このため物体か
らの反射光を検出する共焦点顕微鏡では、物体の反射面
が移動の際に傾いたりすると大きな誤差を生じることに
なる。

つまり物体の表面と垂直な方向が′共焦点系の光軸とあ
る深さのところで一致しても、物体表面に垂直な軸と上
記光軸とが平行になるように物体を移動しなければ、反
射型の共焦点顕微鏡は動作不良になってしまうという問
題点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、共焦点顕微鏡の深さ方向の位置同定を、従来
の電気的微分法などによる零点検出に較べて測定精度、
安定性、検出値の信頼性などの点ですぐれた方法を求め
、この方法を利用した微少段差計測装置を得ることを目
的とする。

〔発明の概要〕

物体の３次元形状の同定方法における従来の第３方法で
ある零点検出法は、電気的な微分操作によるものであっ
た。これに対し深さ方向の変化量を求めるには、物体に
機械的な摂動を与えることで微分操作を行い位置検出す
る方法が考えられる。

また物体の移動に伴う光軸調整の乱れは、物体を固定し
て光ビームの収束位置をＺ方向に変化させることにより
解決できると考えられる。

第５図（ａｌに示す光量変化曲線を。

ｉ　＝　ｒｏ−ａ　（Ｚｔ−Ｚｏ　）２−・・−・・−
・ｆｉｔで表わす。ここでＺｌ：対物レンズ２の物体側
主平面から物体３までの距離、ＺＯ：物体３が合焦点位
置にあるときの対物レンズ２からの距離、ａ：光検出器
の定数である。なおこの（１）式は物体３の変位に伴っ
て検出される光量変化に関して、■０ｅｘｐ（−１）と
なるＺ位置あたりまで近似的に成立する。

目的とする微分操作は、第６図に示すようにＺ軸上の任
意位置Ｚｌでｂ　ｓｉｎωｔ（ｂ：振幅）の摂動を与え
、光量変化曲線を変調する技法で行う。この結果Ｚｉ位
置では。

Ｉ　＝　Ｉ（、−ａ　（Ｚｔ　＋　ｂ　ｓｉｎ　ωｔ　
−ＺＯ）２−・−・−−−−−−−−（２）が得られる
。（２）式を整理すると が求められる。ここで第１〜第３項が直流成分、第４項
がωの交流成分で、第５項が２ωの交流成分を表わす。

したがってωの交流成分だけを帯域フィルタで検出して
その振幅を求めれば、その出力信号ｅは６ｃｘ：　−２
ａｂ　（Ｚｉ　　ｚＯ）になる。つまり位相同期検波増
幅器でω成分を検出すれば、Ｚ工＝Ｚ。

のときｅ吹Ｏ，Ｚｌ〉ＺｏとＺｉ＜Ｚｏの場合にはｅ＝
Ｑであるが符号が異なる信号になる。したがって第５図
（ｂ）に示した微分信号に相当する信号が得られること
になる。

しかし上記の微分操作を行っただけでは、上記第３の方
法である電気的な微分操作で求め得る測定精度と何ら変
ることがなく、深さ方向の分解能　　　１を向上するこ
とはできない。本発明で重要なのは、信号増幅器からの
雑音成分を減少することであり、上記第３の方法の問題
点であった雑音−やドリフトによる窓幅を狭めることが
分解能向上にとって重要点である。本発明は交流摂動に
よる交流信号を位相同期検波増幅器でＳ／Ｎよ（検出す
ることにより、従来法の問題点の一つを解決するもので
ある。

もう一つの問題点である物体に対する光ビームの光軸方
向への移動は、レンズの波長分散を利用して行うことが
できる。例えばレンズを光学材料ＢＫ−７で作ると、光
源の波長を４３６　ｎｍから４８６ｎｍまで変化させ、
レンズの焦点距離をｌＱｍｍとしたときの焦点距離移動
量は約２８μｍである。この物体移動に対する光軸調整
の変動は、特に反射光を利用する場合に重要になる。

また、上記物体に対する光ビームの光軸方向への移動は
、物体を機械的に摂動させることによってその目的が達
せられる。すなわち時間的および空間的に安定な状態で
摂動できる、例えばボイスフィル方式または電歪方式な
どが使用できる。ただし、物体の摂動振幅はｂ；１μｍ
とし、摂動周波数としてはω＞１００Ｈｚを選ぶ。上記
方式における深さ方向の分解能を制限する因子は、電気
的に微分する方式と異り、摂動振幅の大きさやその安定
性などである。

本発明による微少段差計測装置は、共焦点状態に配置し
た対物レンズとコレクタレンズとを有し、該コレクタレ
ンズの結像位置にピンホールを配し、該ピンホールを通
過した光ビームを電気信号に変換する手段を設けた微少
段差計測装置において、上記対物レンズを通過して試料
に入射する光ビームの収束位置の試料面に対する相対位
置を光軸方向に摂動させる手段と、上記電気信号の増幅
器出力側に設けた位相同期検波増幅器とを備えたことに
より、物体表面の微少な段差を高精度に計測できるよう
にしたものである。

〔発明の実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による微少段差計測装置の第１実施例を
示す構成図、第２図は上記微少段差計測装置の第２実施
例を示す構成図、第３図は上記微少段差計測装置の第３
実施例を示す構成図である。

本発明の詳細な説明した前記第４図では透過光を利用す
る構成を示したが、上記各実施例はＳｉ表面などに形成
した凹凸形状を計測することを目的にした反射型の構成
について説明する。

第１図において、白色光源８から出射された光はモノク
ロメータ９で単色光にされ、フリメータ光学系１０で平
行光束にされたのちビームスプリッタ１１で分割される
。該ビームスプリッタ１１で反射された光は対物レンズ
２／で集光され、試料である物体３の表面近傍に焦点を
結ぶ。物体３からの反射光は再び対物レンズ２′を通り
ビームスプリッタ１１ヲ透過してコレクタレンズ４に集
光され、光検出器６で電気信号に変換される。コレクタ
レンズ４の焦点位置には、該焦点位置における光ビーム
の直径にほぼ等しい穴のピンホール５を設置している。

上記ピンホール５は物体３の観察対象以外の部分から反
射してくる迷光成分を除去する役目をもっている。本実
施例では上記光学系の対物レンズ２′として波長分散が
大きい材料からなるものを用いる。他の光学素子である
コリメータ１０、ビームスプリッタ１１およびコレクタ
レンズ４は、それぞれ波長分散がないものを用いる。上
記波長分散が大きい対物レンズ２′を用いることによっ
て、対物レンズ２′の焦点位置が変化する。すなわち、
Ｚ方向の移動を、物体３を移動させるのではなく、対物
レンズ２′の焦点位置の移動で行う。そのためにモノク
ロメータ９の波長を、モノクロメータ波長制御装置９′
からの電気信号で変化させる。微少なＺ方向の摂動は、
発振器１３によって波長制御装置９′からの波長制御信
号を、波長掃引の繰返し周波数より高い周波数（１００
Ｈｚ以上）で浅く変調してやることにより達成される。

これによりモノクロメータ９からの光の波長は、発振器
１３の周波数で微少変動しながら掃引される。この結果
、対物レンズ２／の焦点位置もＺ方向に微少振動（約１
μｍ位）しながら光軸方向（Ｚ方向）に掃引される。

このことは第６図に示したように光検出器６に交流成分
を発生させる。摂動の周波数成分を位相同期検波増幅器
（ロックインアンプ）１４で検出すると、その出力は第
５図（ｂ）に示した信号変化になる。

そこで零クロス点検出回路１５で位相同期検波増幅器１
４の出力信号の零クロス点を検出し、同時にゲート回路
１６にパルスを送ってゲートを開く。すると、その時の
光の波長に相当する電気信号が波長制御装置９′からイ
ンターフェイス１７を通してマイクロコンピュータ１８
に伝達される。マイクロコンピュータ１８では波長と対
物レンズ２′の焦点位置との関係が既に記憶されている
ので、零クロス点の波長から焦点位置は直ちに求められ
る。つぎに光軸に垂直な方向への試料台２２の移動を試
料台移動装置２１で行い、上記に説明した零クロス点の
検出から焦点位置を求める。この動作を繰返すことによ
り、物体表面における各位置での焦点位置（Ｚ方向の位
置）の分布が求められる。したがっである基準の場所で
の焦点位置からそれぞれの場所の焦点位置の差を求めて
、その差を表示装置２０に表示すれば、物体３の表面の
凹凸分布が得られることになる。上記分布を求めるには
上記試料台２２の移動量を検出する必要があるが、これ
を移動量検出器２３で行い、その位置情報をインターフ
ェイス１７を通してマイクロコンピュータ１８で処理し
、分布を表示させる際のデータにする。

またモノクロメータ９からの出力光を一定に制御□する
ため、ビームスプリッタ１１を透過した光を光検出器１
２でモニタし、その電気信号により光源強度制御装置８
′を用いて光源強度を制御する。上記のように第１図に
示した本実施例では、光強度、波長掃引の仕方、摂動の
振幅と周波数、試料台の移動と測定場所の位置等はマイ
クロコンピュータ１８で制御できるようになっており、
それらの制御は入力端末装置１９を通して行うことがで
きる。

なお、本実施例では波長可変光源として白色光源８とモ
ノクロメータ９との組合わせを用いているが、モノクロ
メータ９の代りに音響光学型可変波長光フィルタを用い
たり、光源８として波長可変のレーザを使用することも
当然可能である。

第２図に示す第２実施例は、レーザなどの光源からの光
を平行光束にしたのちビームスプリッタ１１に入射し、
光路を変更して対物レンズ２の焦点位置にある物体３に
集光する。物体３の反射光は対物レンズ２で再び平行光
束になりビームスプリツタ１１を通過後、コレクタレン
ズ４で観察面に集光される。このとき上記観察面と物体
３の表面とが共焦点関係を形成するが、上記観察面の位
置にピンホール５を配置しその後方に光検出器６を設け
ている。光量減衰対策として、光源（図示せず）には直
線偏光したレーザを用い、ビームスプリッタ１１として
偏光プリズムを用いているが、これら２４をビームスプ
リッタ１１と対物レンズ２との間に設けている。また雑
音対策としては光路中の光学素子による散乱光成分を除
去するために、検光子２５をビームスプリッタ１１とコ
レクタレンズ４との間に設けている。

第２実施例では本発明の主眼である物体３の移動および
摂動を、一般に知られているスピーカと同様にボイスコ
イルで行っている。物体３を補助治具２６に載せ、駆動
装置３２によりボイスコイル２７に電流を流し、光軸方
向に力を発生させることでＺ方向の移動を行う。微小な
Ｚ方向の摂動は、実施例１と同様に、発振器１３によっ
て駆動装置３２からの電気信号を、移動時の繰返し周波
数より高い周波数（１００Ｈｚ以上）で浅く変調するこ
とにより行う。ここで注意すべきことは、物体３と補助
治具２６との重量で決まる共振周波数付近の周波数を摂
動周波数に用いるのを避けることである。

物体３の表面の２次元走査は、物体３と補助治具２６と
をＸＹテーブル２８上に固定し、駆動回路２９でステッ
プモータを動作させて行う。その際、それぞれの走査位
置はＸ軸およびＹ軸に対応するリニアエンコーダ３０お
よび３１で読み取られる。

光検出器６で得られた信号は位相同期検波増幅器１４に
導かれ、これは第５図（ｂｌに示した信号変化になる。

第１実施例と同様に零クロス点検出回路１５で位相同期
検波増幅器１４の出力信号の零クロス点を検出し、同時
にゲート回路１６にパルスを送りゲートを開く。その時
の電流値が駆動装置３２からインターフェイス１７を通
してマイクロコンピユー　　　１り１８に伝達される。

マイクロコンピュータ１８では電流値と対物レンズ２の
焦点位置との関係が既に記憶されているので、零クロス
点を示す電流値から合焦点位置を基準にしたときの位置
ずれが求められる。ＸＹテーブル２８を動作させること
で得たリニアエンコーダ３０および３１の信号とインタ
ーフェイス１７におけるＺ方向の位置信号を、表示装置
２０に表示することによって、物体３の表面形状が得ら
れる。

第３図に示す第３実施例は、上記第２実施例と同様の構
成であるが、物体３に摂動を与える素子としては、ボイ
スコイルの代りにバイモルフ等の電歪素子３３を使用し
たものである。電歪素子３３は１μｍ程度の振幅を与え
るのに１０〜１００Ｖのかなり大きな印加電圧を必要と
する欠点があるが、振幅の安定性が上記ボイスコイルに
較べてすぐれている。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による微少段差計測装置は、共焦点
状態に配置した対物レンズとコレクタレンズとを有し、
該コレクタレンズの結像位置にピンホールを配し、該ピ
ンホールを通過した光ビームを電気信号に変換する手段
を設けた微少段差計測装置において、上記対物レンズを
通過して試料に入射する光ビームの収束位置の試料面に
対する相対位置を光軸方向に摂動させる手段と、上記電
気信号の増幅器出力側に設けた位相同期検波増幅器とを
備えたことにより、従来の電気的に微分操作を行う方法
と異り、試料である物体に摂動を与えて微分操作を行い
位置検出をするとともに、摂動により光検出器で得られ
る電気信号に対して位相同期検波増幅器による零クロス
点を検出するため、物体表面における微少段差の位置同
定を、安定性にすぐれ信頼性が高い測定精度をもって計
測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による微少段差計測装置の第１実施例を
示す構成図、第２図は上記微少段差計測装置の第２実施
例を示す構成図、第３図は上記微少段差計測装置の第３
実施例を示す構成図、第４図は共焦点顕微鏡の原理を示
す説明図、第５図は従来法による共焦点顕微鏡の深さ方
向の信号変化説明図で、（ａ）は光量変化曲線、（ｂ）
は上記光量変化曲線を電気的に微分した曲線、第６図は
変調入力信号付加時の出力信号の説明図である。 ２・・・対物レンズ ２′・・・対物レンズ（波長分散型） ３・・・試料（物体） ４・・・コレクタレンズ ５・・・ピンホール ６・・・光検出器 １４・・・位相同期検波増幅器 ２７・・・ボイスコイル ３３・・・電歪素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）共焦点状態に配置した対物レンズとコレクタレン
   ズを有し、該コレクタレンズの結像位置にピンホールを
   配し、該ピンホールを通過した光ビームを電気信号に変
   換する手段を設けた微少段差計測装置において、上記対
   物レンズを通過して試料に入射する光ビームの収束位置
   の試料面に対する相対位置を光軸方向に摂動させる手段
   と、上記電気信号の増幅器出力側に設けた位相同期検波
   増幅器とを備えたことを特徴とする微少段差計測装置。
2. （２）上記摂動手段は、波長分散型の対物レンズである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微少段差
   計測装置。
3. （３）上記摂動手段は、試料を載架したボイスコイルま
   たは電歪素子であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の微少段差計測装置。