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JPH1172308A - Method and apparatus for measurement of height - Google Patents

Method and apparatus for measurement of height

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Publication number
JPH1172308A
JPH1172308A JP9232529A JP23252997A JPH1172308A JP H1172308 A JPH1172308 A JP H1172308A JP 9232529 A JP9232529 A JP 9232529A JP 23252997 A JP23252997 A JP 23252997A JP H1172308 A JPH1172308 A JP H1172308A
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JP
Japan
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sample
photodetector
light
objective lens
light intensity
Prior art date
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JP9232529A
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Japanese (ja)
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JP3847422B2 (en
Inventor
Nobuhiro Kita
信浩 北
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a method and an apparatus in which height information is obtained even if a Z-movement step is made small. SOLUTION: The relative position of an objective lens 17 to a sample 19 is changed discretely in the direction of an optical axis by a Z-direction- movement control circuit 22. Then, an inflection point, i.e., the maximum value or a minimum value, in a change in an optical intensity detected by a photodetector 21 through a pinhole 20 at this time is detected. At this time, on the basis of the relative position of the objective lens 17 to the sample 19 as the inflection point, height information on the sample 19 is found.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、共焦点を利用して
試料の高さ情報を取得する高さ測定方法及びその装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a height measuring method and a height measuring apparatus for acquiring height information of a sample using confocal.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、共焦点走査型光学顕微鏡は、試
料を点光源によって点状照明し、試料からの透過光又は
反射光をピンホール上に集光させ、このピンホールを透
過する光の強度を光検出器で検出することによって試料
の表面情報を取得するものである。
2. Description of the Related Art For example, in a confocal scanning optical microscope, a sample is illuminated by a point light source in a point-like manner, and transmitted light or reflected light from the sample is focused on a pinhole. The surface information of the sample is obtained by detecting the intensity with a photodetector.

【0003】図8は一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の
概略構成図である。点光源1から出射された点状光は、
ハーフミラー2を透過した後、収差補正された対物レン
ズ3によって試料4の面上に点状集光される。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a general confocal scanning optical microscope. The point light emitted from the point light source 1 is
After passing through the half mirror 2, the light is focused on the sample 4 by the aberration-corrected objective lens 3.

【0004】この照明された試料4の面で反射した光
は、再び対物レンズ3により集光され、ハーフミラー2
によって反射されて、対物レンズ3の集光位置に配置さ
れたピンホール5により試料4上の集光点以外からの反
射光がカットされ、ピンホール5を透過した光だけが光
検出器6よって検出される。
The light reflected on the illuminated surface of the sample 4 is condensed again by the objective lens 3 and is reflected by the half mirror 2.
The reflected light is cut off by the pinhole 5 arranged at the condensing position of the objective lens 3, and the reflected light from other than the converging point on the sample 4 is cut off. Is detected.

【0005】このように点状に集光された照明光を試料
4の面全体に亘ってラスター走査し、このラスター走査
に対応させて光検出器6からの濃度情報をモニタに表示
することによって、試料4の面の2次元像が得られる。
The illumination light condensed in a dot-like manner is raster-scanned over the entire surface of the sample 4, and the density information from the photodetector 6 is displayed on a monitor in correspondence with the raster scanning. , A two-dimensional image of the surface of the sample 4 is obtained.

【0006】このような顕微鏡で試料4の2次元像を得
る場合、試料4の表面は、平坦な面でなく、例えば符号
Aに示すような対物レンズ3の集光位置からずれた面も
存在する。
When a two-dimensional image of the sample 4 is obtained with such a microscope, the surface of the sample 4 is not a flat surface but also has a surface which is shifted from the condensing position of the objective lens 3 as indicated by a symbol A, for example. I do.

【0007】このような面Aから反射した光は、上記顕
微鏡では破線で示すようにピンホール5上に集光するこ
とはないので、対物レンズ3の集光位置以外からの反射
光は、ピンホール5でカットされて光検出器6で検出さ
れることはない。
The light reflected from the surface A does not converge on the pinhole 5 as indicated by the broken line in the microscope, and the light reflected from a position other than the converging position of the objective lens 3 The light is not cut by the hole 5 and detected by the photodetector 6.

【0008】このような事から上記顕微鏡では、対物レ
ンズ3の集光位置、すなわち合焦位置に存在する試料4
の面の光学像のみを高精度に測定できる。又、図9に示
すように高さの異なる3つの試料面A、B、Cを有する
試料7を通常の光学顕微鏡で観察する場合を想定する。
In view of the above, in the above-mentioned microscope, the sample 4 located at the converging position of the objective lens 3, that is, the in-focus position.
Only the optical image of the surface can be measured with high accuracy. Assume that a sample 7 having three sample surfaces A, B, and C having different heights as shown in FIG. 9 is observed with a normal optical microscope.

【0009】このような試料7で、例えば試料面Aに合
焦させたとき、他の試料面B、Cの光学像は惚けてしま
う。このため、全ての試料面A、B、Cに対する合焦画
像、すなわち試料面A、B、Cに対してピントがあった
際に得られる光学像を観察することは不可能である。
When the sample 7 is focused on, for example, the sample surface A, the optical images of the other sample surfaces B and C fall in love. For this reason, it is impossible to observe a focused image on all the sample surfaces A, B, and C, that is, an optical image obtained when the sample surfaces A, B, and C are in focus.

【0010】一方、共焦点走査型光学顕微鏡では、各試
料面A、B、Cに対する合焦画像を各々保存した後、こ
れら試料面A、B、Cに対する合焦画像を光学的に足し
合わせることによって、全ての試料面A、B、Cに対す
る合焦画素を得ることができる。なお、実際には、各試
料面A、B、Cから発生する光学像の明るさの最大値を
相互に足し合わせればよい。
On the other hand, in the confocal scanning optical microscope, after the focused images on the sample surfaces A, B, and C are stored, the focused images on the sample surfaces A, B, and C are optically added. As a result, in-focus pixels for all sample surfaces A, B, and C can be obtained. In practice, the maximum value of the brightness of the optical image generated from each of the sample surfaces A, B, and C may be added to each other.

【0011】以上のような試料の表面状態の測定方法
は、文献として『THEORY AND PRACTI
CE OF SCANNING OPTICAL MI
CROSCOPY』トニーウィルソン、コーリンシェパ
ード著:ACADEMIC PRESS発行の126頁
〜130頁に記載されている。
The method of measuring the surface condition of a sample as described above is described in "THEORY AND PRACTI" in the literature.
CE OF SCANNING OPTICAL MI
CROSCOPY, "by Tony Wilson and Colin Sheppard, pages 126-130, published by ACADEMIC PRESS.

【0012】又、この文献中には、試料の表面形状を測
定する技術が記載されている。すなわち、試料面の1点
に集束光を照射した状態で、この集束光をその光軸方向
(Z方向)にZ走査し、この走査中に輝度が最も高くな
る位置(Z位置)を検出して保存する。
In this document, a technique for measuring the surface shape of a sample is described. That is, in a state where the focused light is irradiated to one point on the sample surface, the focused light is Z-scanned in the direction of the optical axis (Z direction), and a position (Z position) where the brightness becomes highest during the scanning is detected. And save.

【0013】次に上記集束光をX方向に移動させること
によって試料面の次の1点に集束光を照射し、この点で
上記同様のZ走査を行い、この走査中に輝度が最も高く
なる位置(Z位置)を検出して保存する。
Next, the focused light is moved in the X direction to irradiate the next point on the sample surface with the focused light, and the same Z-scan is performed at this point, and the luminance is maximized during this scanning. The position (Z position) is detected and stored.

【0014】このように集束光を試料面上でXY方向に
移動させて各点で集束光を照射し、その点でZ走査を行
って輝度が最も高くなるZ位置を検出することを繰り返
すことによって、輝度変化に基づいて試料の表面形状が
測定される。
As described above, it is repeated to move the focused light in the XY directions on the sample surface, irradiate the focused light at each point, and perform Z scanning at that point to detect the Z position at which the brightness becomes the highest. Thus, the surface shape of the sample is measured based on the luminance change.

【0015】具体的に共焦点走査型光学顕微鏡を用いた
試料の高さ測定動作について説明すると、図10には共
焦点走査型光学顕微鏡の構成図を示す。顕微鏡本体10
には、レーザ光源11が備えられ、このレーザ光源11
から出射された走査用レーザ光は、ミラー12で反射
し、ハーフミラー13を透過して2次元走査機構14に
入射する。
The operation of measuring the height of a sample using a confocal scanning optical microscope will be specifically described. FIG. 10 shows a configuration diagram of the confocal scanning optical microscope. Microscope body 10
Is provided with a laser light source 11, and this laser light source 11
The scanning laser light emitted from the mirror is reflected by the mirror 12, passes through the half mirror 13, and enters the two-dimensional scanning mechanism 14.

【0016】この2次元走査機構14は、走査制御ユニ
ット15により動作制御され、入射した走査用レーザ光
をガルバノミラー等を用いて2次元平面(XY平面)上
に走査するものとなっている。
The operation of the two-dimensional scanning mechanism 14 is controlled by the scanning control unit 15, and scans the incident scanning laser light on a two-dimensional plane (XY plane) using a galvanometer mirror or the like.

【0017】この2次元走査機構14の下方には、レボ
ルバ16が設けられ、これに対物レンズ17が取り付け
られている。そして、この対物レンズ17の下方には、
ステージ18が設けられ、このステージ18上に試料1
9が載置されている。
Below the two-dimensional scanning mechanism 14, a revolver 16 is provided, on which an objective lens 17 is mounted. And below this objective lens 17,
A stage 18 is provided.
9 are placed.

【0018】又、ハーフミラー13の分岐方向には、ピ
ンホール20を介して光検出器21が配置されている。
このピンホール20は、対物レンズ17の集光位置と共
役な位置に配置されたものであり、光検出器21は、こ
のピンホール20を通過した光をその光量に対応した電
気信号に変換出力するものである。
A photodetector 21 is arranged in the branching direction of the half mirror 13 via a pinhole 20.
The pinhole 20 is arranged at a position conjugate with the condensing position of the objective lens 17, and the photodetector 21 converts the light passing through the pinhole 20 into an electric signal corresponding to the light amount and outputs the electric signal. Is what you do.

【0019】ステージ18は、Z方向移動制御回路22
の制御によりZ方向に上下動するものとなっている。画
像処理ユニット23は、光検出器21から出力された電
気信号を入力すると共にZ方向移動制御回路22による
ステージ18の移動回数のカウント値を入力し、光検出
器21により検出された光量が最大値を示したステージ
18の移動回数のカウント値から合焦位置を求める機能
を有している。
The stage 18 includes a Z-direction movement control circuit 22
Is controlled to move up and down in the Z direction. The image processing unit 23 receives the electric signal output from the photodetector 21 and the count value of the number of times the stage 18 has been moved by the Z-direction movement control circuit 22 so that the amount of light detected by the photodetector 21 is maximum. It has a function of obtaining the in-focus position from the count value of the number of movements of the stage 18 indicating the value.

【0020】この画像処理ユニット23には、第1の画
像メモリM1 、第2の画像メモリM2 が備えられ、第1
の画像メモリM1 には、ステージ180移動させたとき
の光検出器21からの電気信号の最大値が保存され、第
2の画像メモリM2 には、光検出器21からの電気信号
が最大となるときのステージ18の移動回数のカウント
値が保存される。
The image processing unit 23 includes a first image memory M 1 and a second image memory M 2 .
Largest in the image memory M 1, stored maximum value of the electric signal from the photodetector 21 obtained while the stage 180 moves, the second in the image memory M 2, electrical signals from the photodetector 21 is The count value of the number of movements of the stage 18 at the time of is stored.

【0021】コンピュータ24は、走査制御ユニット1
5、Z方向移動制御回路22及び画像処理ユニット23
に対して各指令を発して制御するものであり、かつ測定
範囲の設定及び各測定範囲内のステージ18の移動量
や、画像表示及び顕微鏡システムの制御等をモニタ25
に表示して観察者に報知するものとなっている。
The computer 24 includes the scanning control unit 1
5. Z-direction movement control circuit 22 and image processing unit 23
, And controls the measurement range, the amount of movement of the stage 18 within each measurement range, the image display, and the control of the microscope system.
And informs the observer.

【0022】このように構成された顕微鏡の作用につい
て図11に示す動作フローチャートに従って説明する。
ここで、第1、第2の画像メモリM1 、M2 に保存され
る値をそれぞれMa 、Mb とし、ステージ18の移動回
数のカウント値をk、このときに光検出器21から出力
される電気信号をIk とする。Mb ≠k Mb はIk
最大となるときのkの値 測定が開始されると、ステップS1 において、コンピュ
ータ24の指令によりステージ18が測定開始位置Zo
に設定され、かつステージ18の移動回数のカウント値
kがクリア(k=0)され、第1の画像メモリM1 の値
a がクリア(=Io )されるとともに、第2の画像メ
モリM2 に保存されている値Mb リセット(Mb =0)
される。
The operation of the thus constructed microscope will be described with reference to the operation flowchart shown in FIG.
Here, the values stored in the first and second image memories M 1 and M 2 are M a and M b , respectively, and the count value of the number of movements of the stage 18 is k. Let the electrical signal to be taken be I k . M b ≠ k M b is the value measured of k is initiated when I k is maximum, at step S 1, the measurement initiating position stage 18 by a command from the computer 24 Z o
It is set to, and the count value k of the number of times of movement of the stage 18 is cleared (k = 0) is, together with the first image memory M 1 value M a is cleared (= I o), the second image memory the value stored in M 2 M b reset (M b = 0)
Is done.

【0023】次に、ステージ18は、ステップS2 にお
いてZ方向移動制御回路22の制御によりΔZ分だけ例
えば上方に移動される。ステージ18の移動回数のカウ
ント値k(Mb ≠k)は、「1」だけカウントアップさ
れる。
Next, the stage 18 is moved by ΔZ partial example above by controlling the Z-direction movement control circuit 22 in step S 2. The count value k ( Mb ≠ k) of the number of movements of the stage 18 is counted up by “1”.

【0024】この状態で、レーザ光源11から出射され
た走査用レーザ光は、ミラー12で反射し、ハーフミラ
ー13を透過して2次元走査機構14に入射する。この
2次元走査機構14は、走査制御ユニット15の動作制
御により、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等
を用いて試料19の2次元平面上に走査する。
In this state, the scanning laser light emitted from the laser light source 11 is reflected by the mirror 12, passes through the half mirror 13, and enters the two-dimensional scanning mechanism 14. The two-dimensional scanning mechanism 14 scans the incident laser beam on the two-dimensional plane of the sample 19 using a galvanometer mirror or the like under the operation control of the scanning control unit 15.

【0025】この2次元平面上に走査したときの試料1
9から反射されたレーザ光は、2次元走査機構14から
ハーフミラー13に導かれ、ここで反射してピンホール
20を通って光検出器21に入射する。
Sample 1 when scanned on this two-dimensional plane
The laser light reflected from 9 is guided from the two-dimensional scanning mechanism 14 to the half mirror 13, reflected there, and incident on the photodetector 21 through the pinhole 20.

【0026】この光検出器21は、ピンホール20を通
過した光をその光量に対応した電気信号に変換出力す
る。そして、コンピュータ24は、ステップS3 におい
て、第1の画像メモリM1に保存されている値Ma と現
在の光検出器21からの電気信号Ik とを比較し、現在
の光検出器21からの電気信号Ik が値Ma よりも大き
ければ、ステップS4 に移って第1の画像メモリM1
値Ma をIk に書き替えるとともに、第2の画像メモリ
2 の値Mb をkに書き替える。
The photodetector 21 converts the light passing through the pinhole 20 into an electric signal corresponding to the amount of light and outputs the electric signal. Then, the computer 24, in step S 3, compares the electric signal I k from the first value M a stored in the image memory M 1 current of the photodetector 21, the current of the photodetector 21 if the electrical signal I k is greater than the value M a from the first image memory M 1 value M a with rewriting the I k proceeds to step S 4, the second image memory M 2 value M Replace b with k.

【0027】なお、現在の光検出器21からの電気信号
k が第1の画像メモリM1 の値Ma よりも小さけれ
ば、第1の画像メモリM1 の値Ma 及び第2の画像メモ
リM2の値Mb はそのままである。
[0027] Incidentally, the smaller the electric signal I k from the current of the photodetector 21 than the value M a of the first image memory M 1, a first image memory M 1 value M a and the second image value M b of the memory M 2 is as it is.

【0028】このように上記ステップS2 〜S4 の処理
をステップS5 の判断で所定のN回繰り返すことによっ
て、光検出器21から出力される電気信号Ik の最大値
が第1の画像メモリM1 の値Ma として保存され、その
ときのステージ18の移動回数のカウント値kが第2の
画像メモリM2 に保存される。
As described above, the processing of steps S 2 to S 4 is repeated a predetermined number of N times in the judgment of step S 5 , so that the maximum value of the electric signal I k output from the photodetector 21 becomes the first image. is stored as the value M a memory M 1, the count value k of the number of times of movement of the stage 18 at the time is stored second image memory M 2.

【0029】なお、実際の共焦点走査型光学顕微鏡で
は、ガルバノメータやAOD素子などの高速な2次元走
査機構を用いて集束光をXY平面上に移動させ、このx
y走査を行って試料19の各点の輝度を検出し、順次Z
位置を移動させながら、試料19上の各点での電気信号
k の大小を比較することによって試料19の全体の測
定時間を短くしている。
In an actual confocal scanning optical microscope, a focused light is moved on an XY plane using a high-speed two-dimensional scanning mechanism such as a galvanometer or an AOD element.
The y-scan is performed to detect the luminance at each point of the sample 19, and the Z
While moving the position, and to shorten the measurement time of the whole of the sample 19 by comparing the magnitude of the electrical signal I k at each point on the sample 19.

【0030】[0030]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記高
さ測定測定の場合、Z走査による輝度の値は、例えば図
12に示す各測定データ「○」のようになり、対物レン
ズ17と試料19との相対位置を連続的に変化させた場
合の輝度の変化曲線W1 上で輝度の値が最大となる位置
t より、ずれた位置Zm がZ位置として保存されてし
まう。
However, in the case of the above-mentioned height measurement, the luminance value by the Z-scanning becomes, for example, each measurement data “○” shown in FIG. the relative position than continuously the value of the luminance on the change curve W 1 of the luminance in the case of changing becomes maximum position Z t, a position shifted Z m from being stored as the Z position.

【0031】このずれは、Z走査を離散的に行っている
こと、すなわちZ走査の量子化により生じる誤差であ
り、そのずれ量は最大でZ方向の移動ステップΔzの2
分の1となる。そして、このずれ量は、Z走査の開始位
置で決まるので、測定の度にばらつき、測定再現性を悪
くする原因となる。
This shift is an error caused by discretely performing the Z scan, that is, an error caused by quantization of the Z scan. The shift amount is a maximum of 2 steps of the movement step Δz in the Z direction.
It will be a fraction. Since this shift amount is determined by the start position of the Z scan, it varies at every measurement, which causes deterioration of measurement reproducibility.

【0032】例えば、2点間の高さを測定する場合、こ
れらの点で各々、Z移動ステップの2分の1の誤差が生
じるので、全体でZ移動ステップΔz分の誤差が生じる
ことになる。
For example, when measuring the height between two points, an error of one half of the Z movement step is generated at each of these points, so that an error of the Z movement step Δz is generated as a whole. .

【0033】そこで、このような誤差を小さくするため
にZ移動ステップΔzを小さくすればよいが、輝度が最
大となる位置を検出するには、Z方向に1ステップ駆動
したときの光検出器21の出力変化が、電気的なノイズ
や第1の画像メモリM1 の1階調分に相当する輝度の値
よりも大きくなければならない。
In order to reduce such an error, the Z movement step Δz may be reduced. However, in order to detect the position where the luminance is maximum, the photodetector 21 when driven one step in the Z direction is detected. output change must be greater than the electric noise and the first value of the luminance corresponding to one gradation of the image memory M 1.

【0034】仮にZ移動ステップΔzを小さくしたとし
ても、光強度が最大となる位置近傍における輝度の値
が、電気的なノイズや第1の画像メモリM1 の1階調分
に相当する強度以下であれば、本来の光強度と検出した
光強度との大小が一致しない場合があり、輝度の値が最
大となるZ位置を正確に検出することにはならない。
Even if the Z-movement step Δz is reduced, the luminance value near the position where the light intensity becomes the maximum is equal to or less than the intensity corresponding to electric noise or one gradation of the first image memory M 1. If so, the magnitude of the original light intensity and the detected light intensity may not match, and the Z position at which the luminance value becomes maximum cannot be accurately detected.

【0035】すなわち、上記方法では、Z移動ステップ
Δzは、光強度が最大となる位置近傍における輝度の変
化量と電気的なノイズや第1の画像メモリM1 の1階調
に相当する光強度で制限されることになるが、図12に
示すように光強度が最大となる位置近傍では、輝度の変
化が小さいので、必然的にZ移動ステップΔzは、ある
所定の量より小さくすることができない。
That is, in the above method, the Z movement step Δz is determined by the amount of change in luminance near the position where the light intensity is maximum, the electrical noise, and the light intensity corresponding to one gradation of the first image memory M 1. In the vicinity of the position where the light intensity is maximum as shown in FIG. 12, since the change in luminance is small, the Z movement step Δz is necessarily smaller than a predetermined amount. Can not.

【0036】従って、最近の半導体プロセスでは、半導
体ウエハ上のパターンの厚さ等の測定において0.1μ
m以下の分解能で測定し、かつその再現性が0.05μ
m以下であることが求められており、上記の高さ測定方
法及びこの方法を適用した顕微鏡ではこうした要求に応
えられなくなってきている。そこで本発明は、Z移動ス
テップを小さくしても正確に高さ情報を得ることができ
る高さ測定方法及びその装置を提供することを目的とす
る。
Therefore, in recent semiconductor processes, the measurement of the thickness of a pattern on a semiconductor wafer or the like requires 0.1 μm.
m and a reproducibility of 0.05μ
m or less, and the height measurement method described above and a microscope to which this method is applied cannot meet such requirements. Therefore, an object of the present invention is to provide a height measuring method and a height measuring method capable of accurately obtaining height information even when the Z movement step is reduced.

【0037】[0037]

【課題を解決するための手段】請求項1によれば、光を
光学レンズを通して試料に照射し、この試料から反射さ
れた光を光学レンズの集光位置と共役な位置に配置され
た微小開口を通して光強度を検出する工程と、光学レン
ズと試料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させた
ときの光強度の変化における変曲点となる光学レンズと
試料との相対位置を高さ情報として取得する工程と、を
有する高さ測定方法である。
According to a first aspect of the present invention, a sample is irradiated with light through an optical lens, and the light reflected from the sample is subjected to a minute aperture disposed at a position conjugate with the condensing position of the optical lens. Detecting the light intensity through the optical axis, and increasing the relative position between the optical lens and the sample, which is an inflection point in the change in the light intensity when the relative position between the optical lens and the sample is discretely changed in the optical axis direction. And acquiring the height information as height information.

【0038】請求項2によれば、光を対物レンズを通し
て試料に照射したときの試料表面からの反射光を対物レ
ンズの集光位置と共役な位置に配置された微小開口を通
して光検出器に入射し、この光検出器により検出された
光強度に基づいて光学レンズと試料との高さ情報として
得る高さ測定装置において、対物レンズと試料との相対
位置を光軸方向に離散的に変化させる移動機構と、この
移動機構により対物レンズと試料との相対位置を変化さ
せときの光検出器により検出される光強度の変化におけ
る変曲点を検出する変曲点検出手段と、この変曲点検出
手段により検出された変曲点に基づいて対物レンズと試
料との相対位置を高さ情報として得るに高さ情報取得手
段と、を備えた高さ測定装置である。
According to the second aspect, the reflected light from the sample surface when the sample is irradiated with the light through the objective lens is incident on the photodetector through the minute aperture arranged at a position conjugate with the condensing position of the objective lens. Then, in a height measuring device that obtains height information between the optical lens and the sample based on the light intensity detected by the photodetector, the relative position between the objective lens and the sample is discretely changed in the optical axis direction. A moving mechanism; an inflection point detecting means for detecting an inflection point in a change in light intensity detected by the photodetector when the relative position between the objective lens and the sample is changed by the moving mechanism; And a height information obtaining means for obtaining the relative position between the objective lens and the sample as height information based on the inflection point detected by the output means.

【0039】[0039]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(1) 以下、本発明の第1の実施の形態について図面を参
照して説明する。本発明の高さ測定方法は、光を光学レ
ンズを通して試料に照射し、この試料から反射された光
を光学レンズの集光位置と共役な位置に配置された微小
開口を通して光強度を検出する工程と、光学レンズと試
料との相対位置を光軸方向に離散的に変化させたときの
光強度の変化における変曲点となる光学レンズと試料と
の相対位置を高さ情報として取得する工程とを有するも
のである。
(1) Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The height measuring method according to the present invention includes a step of irradiating a sample with light through an optical lens, and detecting the light intensity of the light reflected from the sample through a minute aperture arranged at a position conjugate with the condensing position of the optical lens. And obtaining a relative position between the optical lens and the sample as an inflection point in a change in light intensity when the relative position between the optical lens and the sample is discretely changed in the optical axis direction as height information. It has.

【0040】図1はかかる高さ測定方法を適用した共焦
点走査型光学顕微鏡の構成図である。なお、図10と同
一部分には同一符号を付して簡単に説明する。顕微鏡本
体10に備えられたレーザ光源11から出射された走査
用レーザ光の光路上には、ミラー12、ハーフミラー1
3を介して2次元走査機構14が配置されている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a confocal scanning optical microscope to which the height measuring method is applied. It is to be noted that the same parts as those in FIG. A mirror 12 and a half mirror 1 are provided on the optical path of the scanning laser light emitted from the laser light source 11 provided in the microscope body 10.
A two-dimensional scanning mechanism 14 is arranged via the reference numeral 3.

【0041】この2次元走査機構14は、走査制御ユニ
ット15から出力される走査制御信号P1 を受けて動作
制御され、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等
を用いて2次元平面(XY平面)上に走査する機能を有
している。
The operation of the two-dimensional scanning mechanism 14 is controlled in response to the scanning control signal P 1 output from the scanning control unit 15, and the two-dimensional scanning mechanism 14 converts the incident scanning laser light into a two-dimensional plane (XY plane) ) Has the function of scanning on.

【0042】この2次元走査機構14の下方には、対物
レンズ17が取り付けられたレボルバ16が設けられて
いる。そして、この対物レンズ17の下方側には、試料
19を載置するステージ18が設けられている。
Below the two-dimensional scanning mechanism 14, a revolver 16 to which an objective lens 17 is attached is provided. A stage 18 on which a sample 19 is placed is provided below the objective lens 17.

【0043】又、ハーフミラー13の分岐方向には、ピ
ンホール20を介して光検出器21が配置されている。
このピンホール20は、上記の如く対物レンズ17の集
光位置と共役な位置に配置されている。
A photodetector 21 is arranged in the branching direction of the half mirror 13 via a pinhole 20.
The pinhole 20 is disposed at a position conjugate with the light condensing position of the objective lens 17 as described above.

【0044】ステージ18は、Z方向移動制御回路22
から出力されるZ制御信号P2 を受けて駆動制御され、
Z方向に所定のZ移動ステップΔz毎に上下動する機能
を有しいる。
The stage 18 has a Z-direction movement control circuit 22
Is driven and controlled in response to the Z control signal P 2 output from
It has a function of moving up and down in the Z direction at every predetermined Z movement step Δz.

【0045】画像処理ユニット30は、光検出器21か
ら出力された電気信号を入力すると共にZ方向移動制御
回路22によるステージ18の移動回数のカウント値を
入力し、光検出器21により検出された光強度の変化に
おける変曲点、例えば光強度の変化が最大を示したステ
ージ18の移動回数のカウント値kに基づいて対物レン
ズ17と試料19との相対位置を高さ情報として取得す
る機能を有している。
The image processing unit 30 receives the electric signal output from the photodetector 21, the count value of the number of times the stage 18 has been moved by the Z-direction movement control circuit 22, and has been detected by the photodetector 21. A function of acquiring the relative position between the objective lens 17 and the sample 19 as height information based on the inflection point in the change in the light intensity, for example, the count value k of the number of movements of the stage 18 at which the change in the light intensity is the largest. Have.

【0046】この画像処理ユニット30には、それぞれ
512画素×512画素×8ビット(256階調)から
成る第1の画像メモリM10、第2の画像メモリM11及び
第3の画像メモリM12が備えられている。
The image processing unit 30 includes a first image memory M 10 , a second image memory M 11, and a third image memory M 12 each of 512 pixels × 512 pixels × 8 bits (256 gradations). Is provided.

【0047】このうち第1の画像メモリM10には、ステ
ージ18をZ移動ステップΔz毎に移動させたときの前
回の測定点において光検出器21から出力された電気信
号Ik-1 と今回の測定点において光検出器21から出力
された電気信号Ik との差の最大値、すなわち光強度の
変化の最大を示す値Ik −Ik-1 が保存される。
[0047] Among the above first image memory M 10, and the electric signal I k-1 which is output from the photodetector 21 in the previous measurement point when moving the stage 18 for each Z moving step Δz time the maximum value of the difference between the electric signal I k output from the photodetector 21 at the measurement point, i.e. the value I k -I k-1 indicating the maximum change in light intensity is stored.

【0048】又、第2の画像メモリM11には、今回の測
定点において光検出器21から出力された電気信号Ik
が保存される。又、第3の画像メモリM12には、Ik
k-1 が最大となるステージ18の移動回数のカウント
値kが保存されるものとなっている。
[0048] Also, in the second image memory M 11, the electric signal I k output from the optical detector 21 in the current measuring point
Is saved. Further, in the third image memory M 12 of, I k -
The count value k of the number of times of movement of the stage 18 at which I k−1 becomes the maximum is stored.

【0049】コンピュータ31は、図2に示す動作フロ
ーチャートに従って、走査制御ユニット15、Z方向移
動制御回路22及び画像処理ユニット30に対して各指
令を発して制御するものであり、かつ測定範囲の設定及
び各測定範囲内のステージ18の移動量や、画像表示及
び顕微鏡システムの制御等をモニタ25に表示して観察
者に報知するものとなっている。
The computer 31 issues commands to the scanning control unit 15, the Z-direction movement control circuit 22, and the image processing unit 30 in accordance with the operation flowchart shown in FIG. 2, and controls the measurement range. The movement amount of the stage 18 within each measurement range, the image display, the control of the microscope system, and the like are displayed on the monitor 25 to notify the observer.

【0050】次に上記の如く構成された光学顕微鏡の作
用について説明する。観察者が試料19をステージ18
上に載置の後、コンピュータ31の制御によって試料1
9上に集光された微小スポットの走査用レーザ光がXY
平面上に走査される。
Next, the operation of the optical microscope configured as described above will be described. The observer places the sample 19 on the stage 18
After being placed on the sample, the sample 1 is controlled by the computer 31.
9 is a laser beam for scanning a minute spot focused on XY
It is scanned on a plane.

【0051】すなわち、レーザ光源11から出射された
走査用レーザ光は、ミラー12で反射し、ハーフミラー
13を透過して2次元走査機構14に入射する。この2
次元走査機構14は、走査制御ユニット15の動作制御
により、入射した走査用レーザ光をガルバノミラー等を
用いて試料19の2次元平面上にラスター走査する。
That is, the scanning laser light emitted from the laser light source 11 is reflected by the mirror 12, passes through the half mirror 13, and enters the two-dimensional scanning mechanism 14. This 2
The dimensional scanning mechanism 14 performs raster scanning of the incident scanning laser light on a two-dimensional plane of the sample 19 using a galvanomirror or the like under the operation control of the scanning control unit 15.

【0052】これと同時に、Z方向移動制御回路22の
駆動制御によりステージ8をZ方向にステップ状に移動
して対物レンズ17と試料19との相対距離を変化させ
る。このとき、試料19にピントが合ったか否かの判断
は、モニタ24に表示された画像を観察者が見ながら行
う。
At the same time, the stage 8 is moved stepwise in the Z direction under the drive control of the Z direction movement control circuit 22 to change the relative distance between the objective lens 17 and the sample 19. At this time, whether or not the sample 19 is in focus is determined by an observer watching the image displayed on the monitor 24.

【0053】次に、観察者は、測定動作に関係する各パ
ラメータの設定を行う。先ず、コンピュータ31によっ
て試料19の測定範囲L及び測定を開始するステージ1
8の位置Zo が設定され、この後、ステージ18の1回
あたりのZ方向への移動量(Z方向移動ステップ)Δz
が設定される。
Next, the observer sets each parameter related to the measurement operation. First, the measurement range L of the sample 19 and the stage 1 for starting the measurement by the computer 31
Position Z o of 8 is set, after this, the movement amount in the Z direction per one stage 18 (Z-direction moving step) Delta] z
Is set.

【0054】このZ方向移動ステップΔzは、ここでは
対物レンズ17の集光位置に対して試料19の位置をZ
方向に移動させる際の1回の移動量である。又、測定範
囲Lとステージ18の1回あたりのZ方向移動ステップ
Δzとが設定されると、ステージ18の移動回数Nは、 L/Δz≦N …(1) という関係に従って決定される。
In this Z-direction movement step Δz, the position of the sample 19 with respect to the converging position of the objective lens 17 is set to Z.
It is the amount of one movement when moving in the direction. Further, when the measurement range L and the Z-direction movement step Δz of the stage 18 once are set, the number of times N of movement of the stage 18 is determined according to the relationship L / Δz ≦ N (1).

【0055】ステージ18の移動回数Nのカウント値
は、第3の画像メモリM12に保存されるので、ステージ
18の移動回数Nは、第3の画像メモリM12の階調数2
55以下に制限される。
The count value of the transfer times N of the stage 18 are stored on the third image memory M 12, the transfer times N of the stage 18, the gradation number of the third image memory M 12 2
Limited to 55 or less.

【0056】このように測定範囲L、移動量Δz及び移
動回数Nが設定された後、試料19に対する測定が開始
される。ここで、第1〜第3の画像メモリM10〜M12
保存される値をそれぞれMa 、Mb 、Mc とし、ステー
ジ18の移動回数のカウント値をk、このときに光検出
器21から出力される電気信号をIk とする。
After the measurement range L, the amount of movement Δz and the number of movements N are set in this way, the measurement on the sample 19 is started. Here, the first to third image memory M 10 ~M 12 respectively M a saved values in, M b, and M c, the count value of the number of times of movement of the stage 18 k, the light detector in this case the electric signal output from the 21 and I k.

【0057】次に図2に示す光学顕微鏡の動作フローチ
ャートに従って説明する。測定が開始されると、ステッ
プ#1において、ステージ18はZ方向移動制御回路2
2の駆動により測定開始位置ZO に移動され、かつステ
ージ18の移動回数のカウント値kがリセットされる。
Next, the operation will be described with reference to the operation flowchart of the optical microscope shown in FIG. When the measurement is started, in step # 1, the stage 18 moves the Z-direction movement control circuit 2
The stage 18 is moved to the measurement start position Z O by the drive of 2, and the count value k of the number of times the stage 18 moves is reset.

【0058】これと共に第1の画像メモリM10に保存さ
れる値Ma がクリアされるととともに、このときに例え
ば図3に示す光検出器21から出力される電気信号Io
が第2の画像メモリM11に保存される。
[0058] with the first image memory M value M a stored in 10 therewith is cleared, an electrical signal I o output from the photodetector 21 shown in this case in FIG. 3, for example
There is stored in the second image memory M 11.

【0059】次に、ステージ18は、ステップ#2にお
いて、Z方向移動制御回路22の駆動によりZ方向移動
ステップΔz分だけZ方向に移動し、ステージ18の移
動回数のカウント値kが「+1」だけカウントアップさ
れる。
Next, in step # 2, the stage 18 moves in the Z direction by the Z direction movement step Δz by driving the Z direction movement control circuit 22, and the count value k of the number of movements of the stage 18 becomes “+1”. Is only counted up.

【0060】続いて、画像処理ユニット30は、ステッ
プ#3において、このとき光検出器21から出力される
電気信号Ik を入力し、この電気信号Ik と第2の画像
メモリM11に保存される電気信号Mb との差、 Ik −Mb (Ik −Ik-1 ) …(2) を求め、これと第1の画像メモリM10に保存されている
値Ma (=0)とを比較する。
[0060] Subsequently, the image processing unit 30, stored in step # 3, this time enter the electric signal I k output from the photodetector 21, on the electric signal I k and the second image memory M 11 the difference between the electric signal M b is, I k -M b (I k -I k-1) ... (2) a determined, this first image memory M is stored in the 10 and the value M a (= 0).

【0061】この比較の結果、 Ma <Ik −Mb …(3) 上記式(3) の関係が成り立ち、Ik −Mb がMa よりも
大きければ、画像処理ユニット30は、ステップ#4に
移って第1の画像メモリM10に保存されている値Ma
k −Mb に書き替えて保存する。
As a result of this comparison, M a <I k −M b (3) The relationship of the above equation (3) holds, and if I k −M b is larger than M a , the image processing unit 30 proceeds to step # the value M a stored in the first image memory M 10 for moving to 4 save rewritten to I k -M b.

【0062】これと共に画像処理ユニット30は、第3
の画像メモリM12の値Mc を、このときのステージ18
の移動回数のカウント値kに書き替えて保存する。続く
ステップ#5において第2の画像メモリM11の値Mb
光検出器21から出力される電気信号Ik に書き替えて
保存する。
At the same time, the image processing unit 30
The value M c of the image memory M 12, the stage at this time 18
Is rewritten and saved as the count value k of the number of times of movement. Save rewritten in step # 5 following the electrical signal I k output the values M b of the second image memory M 11 from the photodetector 21.

【0063】具体的に図3に示すように、例えばステー
ジ18がZ方向移動制御回路22の駆動によりステージ
18の移動回数のカウント値「k=3」から「k=4」
のz位置方向に移動したときを例にして説明すると、画
像処理ユニット30は、ステップ#3において、現在の
ステージ18の位置(k=4)で光検出器21から出力
される電気信号I4 を入力し、この電気信号I4 と第2
の画像メモリM11に保存される前回のステージ18の位
置(k=3)での電気信号Mb (=I3 )との差、 I4 −I3 …(4) を求め、これと第1の画像メモリM10に保存されている
これまでの値Ma (=Ik+1 −Ik )の最大値、例えば
図3ではI3 −I2 とを比較する。
As specifically shown in FIG. 3, for example, when the stage 18 is driven by the Z-direction movement control circuit 22, the count value of the number of times of movement of the stage 18 is changed from “k = 3” to “k = 4”.
In the case where the image processing unit 30 moves in the z position direction, the image processing unit 30 determines in step # 3 that the electric signal I 4 output from the photodetector 21 at the current position of the stage 18 (k = 4). And the electric signal I 4 and the second
From the previous electric signal M b (= I 3 ) at the position (k = 3) of the stage 18 stored in the image memory M 11 , I 4 −I 3 ... (4). The maximum value of the previous value M a (= I k + 1 −I k ) stored in the one image memory M 10 is compared with, for example, I 3 −I 2 in FIG.

【0064】この比較の結果、I4 −I3 がI3 −I2
よりも大きければ、画像処理ユニット30は、ステップ
#4に移って第1の画像メモリM10に保存されている値
をI −I2 からI4 −I3 に書き替えて保存す
る。
As a result of this comparison, I 4 -I 3 becomes I 3 -I 2
Greater than, the image processing unit 30 stores rewrites the value M a stored in the first image memory M 10 of the process shifts to a step # 4 I 3 -I 2 to I 4 -I 3 .

【0065】このとき第3の画像メモリM12には、ステ
ージ18の移動回数のカウント値k(=4)が保存さ
れ、続くステップ#5において第2の画像メモリM11
は、光検出器21から出力される電気信号I4 が保存さ
れる。
[0065] At this time the third image memory M 12, the count value k of the number of times of movement of the stage 18 (= 4) is stored, in the second image memory M 11 in step # 5 that follows is photodetector electrical signals I 4 that is output from the 21 is stored.

【0066】このように上記ステップ#2〜#5の処理
がステップ#6での判断によって所定のN回繰り返えさ
れることによって、光検出器21から出力される電気信
号Ik のレベル変化の最大値、すなわち光強度の変化の
最大値が第1の画像メモリM10に保存され、そのときの
ステージ18の移動回数のカウント値kが第3の画像メ
モリM12に保存される。
As described above, the processing in steps # 2 to # 5 is repeated a predetermined number of N times by the determination in step # 6, so that the level change of the electric signal Ik output from the photodetector 21 is obtained . maximum value, that is, the maximum value of the change in light intensity is stored in the first image memory M 10, the count value k of the number of times of movement of the stage 18 at that time is stored in the third image memory M 12 of.

【0067】図4はステージ18をZ方向に移動したと
きの光検出器21から出力された電気信号Ik の変化曲
線W2 について、電気信号Ik の変化(Ik −Ik-1
すなわち微分値を取った図である。
[0067] Figure 4 for variation curve W 2 of the electric signal I k output from the photodetector 21 when the user moves the stage 18 in the Z direction, the change of the electric signal I k (I k -I k- 1)
That is, it is a diagram in which a differential value is taken.

【0068】この図から電気信号Ik の変化Ik −I
k-1 の最大値ΔIma、最小値ΔImb、すなわち微分値d
k /dxの最大値G1 、最小値G2 がZ方向のZa
b に現れることが分かり、これら電気信号Ik の変化
k −Ik-1 の最大値ΔImaが第1の画像メモリM10
値Ma として保存される。
From this figure, it can be seen that the change I k -I of the electric signal I k
The maximum value ΔI ma and the minimum value ΔI mb of k−1 , that is, the differential value d
I k / maximum value G 1 of dx, the minimum value G 2 in the Z-direction Z a,
Found that appear to Z b, changes in these electrical signals I k I k -I k-1 of the maximum value [Delta] I ma is stored as the value M a of the first image memory M 10.

【0069】ここで、ステッブ#3でMa <Ik −Ib
のときステップ#4を行えば、MaにはIk −Ik-1
最大値ΔImaが保存され、Ma >Ik −Ib のときステ
ップ#4を行えば、Ma にはIk −Ik-1 の最小値ΔI
mbが保存される。
[0069] Here, in Sutebbu # 3 M a <I k -I b
By performing the step # 4 when, the M a stored maximum value [Delta] I ma of I k -I k-1, by performing the step # 4 when M a> I k -I b, the M a is Minimum value ΔI of I k −I k−1
mb is saved.

【0070】実際の測定では、電気信号Ik の変化Ik
−Ik-1 の最大値ΔImaとΔImbの一方のみを検出する
のみでよい。ここで、共焦点走査型光学顕微鏡におい
て、対物レンズ17と試料19との相対位置を連続的に
変化させた場合の光強度の変化は、例えば前述の文献
『THEORY AND PRACTICE OF S
CANNING OPTICALMICROSCOP
Y』126頁に記載されているように理論的に求められ
ており、以下のように表される。
[0070] In actual measurement, the change I k of the electrical signal I k
Only one of the maximum values ΔI ma and ΔI mb of −I k−1 needs to be detected. Here, in the confocal scanning optical microscope, the change in the light intensity when the relative position between the objective lens 17 and the sample 19 is continuously changed is described in, for example, the above-mentioned document “THEORY AND PRACTICE OF S”.
CANNING OPTICALMICROSCOP
Y ", theoretically, as described on page 126, and is expressed as follows.

【0071】 I(Z)=[{ sin(u/2)}/(u/2)]2 …(5) u=8πZ・ sin2 (θ/2)/λ NA= sinθ Iは光強度、Zは焦点からの距離、NAは対物レンズ1
7の開口数、λは光の波長である。
I (Z) = [{sin (u / 2)} / (u / 2)] 2 (5) u = 8πZ · sin 2 (θ / 2) / λ NA = sin θ I is the light intensity, Z is the distance from the focal point, NA is the objective lens 1
The numerical aperture of 7, and λ is the wavelength of light.

【0072】試料19の各点ごとの反射率・透過率が変
化すれば、これら反射率・透過率に応じて光強度Iが係
数倍されることになり、図3において輝度の変化曲線W
2 が縦方向に係数倍されることになるが、この輝度の変
化曲線W2 の形自体は変化しない。光強度Iが最大にな
るのは、光強度Iの微分係数が「0」なるときであるか
ら、上記式(5) をZで微分して、
If the reflectance and transmittance at each point of the sample 19 change, the light intensity I is multiplied by a factor in accordance with the reflectance and transmittance, and the brightness change curve W in FIG.
2 but will be coefficients multiplied longitudinally, form themselves change curve W 2 of the brightness does not change. Since the light intensity I becomes maximum when the differential coefficient of the light intensity I becomes “0”, the above equation (5) is differentiated by Z, and

【0073】[0073]

【数1】 を得る。(Equation 1) Get.

【0074】この式(6) において、u/2=0のとき、
すなわちZ=0のときdI/dZ=0となり、このとき
に輝度が最大となる。一方、光強度の変化dI/dZが
最大となるのは、dI/dZの微分係数が「0」になる
ときであるから、上記式(6) をさらにZで微分して、
In this equation (6), when u / 2 = 0,
That is, when Z = 0, dI / dZ = 0, and at this time, the luminance becomes maximum. On the other hand, since the change in light intensity dI / dZ becomes maximum when the differential coefficient of dI / dZ becomes “0”, the above equation (6) is further differentiated by Z, and

【0075】[0075]

【数2】 を得る。(Equation 2) Get.

【0076】そこで、u/2=±1.303のとき、d
2 I/dZ2 =0となる。ここで、符号の正負「±」
は、光強度の変化が正であるか負であるかを示し、符号
の正負で光強度の変化の絶対値は等しくなる。なお、符
号が「+」のとき、光強度の変化が最大の極大値とな
り、符号が「−」のとき、光強度の変化が最小の極小値
となる。すなわち、図4に示すZa 、Zb に現れる最大
値ΔIma、最小値ΔImbを示す。
Therefore, when u / 2 = ± 1.303, d
2 I / dZ 2 = 0. Here, the sign “±”
Indicates whether the change in light intensity is positive or negative, and the sign of the sign indicates that the absolute value of the change in light intensity is equal. When the sign is "+", the change in light intensity is the maximum value, and when the sign is "-", the change in light intensity is the minimum value. That, Z a, the maximum value [Delta] I ma appearing in Z b shown in FIG. 4, the minimum value [Delta] I mb.

【0077】例えば、NA=0.95、λ=488nm
とすると、光強度の変化が最大となるのはZ=±0.1
47μmとなる。従って、この場合は、試料19のある
点で、z走査を行って光強度の変化が最大となるZ位置
を検出し、その値に0.147μmを加算すると、その
点での試料19の高さが求められる。
For example, NA = 0.95, λ = 488 nm
Then, the change of the light intensity becomes maximum when Z = ± 0.1.
47 μm. Therefore, in this case, a z-scan is performed at a certain point of the sample 19 to detect the Z position where the change in the light intensity is maximum, and 0.147 μm is added to the value. Is required.

【0078】又は、光強度の変化が最小となるZ位置を
検出し、その値に0.147μmを減算しても、その点
での試料19の高さが求められる。すなわち、NA=
0.95、λ=488nmとした場合、図4に示す位置
a、Zb の位置を求めれば、これら位置Za 、Zb
ら変化曲線Wa の最大値までの各距離ea 、eb は開口
数NA及び波長λにより定まるので、位置Za に0.1
47μmを加算することにより試料19の高さが求めら
れ、又位置Zb から0.147μmを減算することによ
り試料19の高さが求められる。
Alternatively, the height of the sample 19 at that point can be obtained by detecting the Z position where the change in light intensity is minimum and subtracting 0.147 μm from the value. That is, NA =
0.95, when the lambda = 488 nm, the position Z a shown in FIG. 4, by obtaining the position of the Z b, these positions Z a, the distance e a from Z b to the maximum value of the change curve W a, e since b is determined by the numerical aperture NA and the wavelength lambda, 0.1 at the position Z a
The height of the sample 19 is obtained by adding the 47 [mu] m, also the height of the sample 19 is determined by subtracting the 0.147μm from the position Z b.

【0079】従って、画像処理ユニット30は、光強度
の変化が最大又は最小となるZ位置、例えば図4に示す
a 、Zb を検出すると、このうちのZa に0.147
μmを加算してその点での試料19の高さを求め、又は
b から0.147μmを減算してその点での試料19
の高さを求める。
[0079] Thus, the image processing unit 30, Z position changes of the light intensity becomes maximum or minimum, Z a shown in FIG. 4, for example, upon detecting a Z b, 0.147 to Z a of this
μm is added to obtain the height of the sample 19 at that point, or 0.147 μm is subtracted from Z b to obtain the sample 19 at that point.
Find the height of

【0080】一般的には、例えば上記図9に示すように
3つの試料面A、B、Cを有する試料19(7)におけ
る各試料面A、B、Cの相対的な高さ(の差)を測定す
るものであり、このような場合の各試料面A、B、Cに
対する各変化曲線は、例えば図5に示す通りWa は試料
面Aの変化曲線、Wb は試料面Bの変化曲線、Wc は試
料面Cの変化曲線を表す。
Generally, for example, as shown in FIG. 9, the relative height (difference between the respective sample surfaces A, B, and C in the sample 19 (7) having three sample surfaces A, B, and C is shown. ) is to measure the respective sample surface a in such a case, B, each change curve for C is, for example, as W a shown in FIG. 5 variation curve of the specimen surface a, W b is the sample surface B change curve, W c represents a change curve of the sample surface C.

【0081】なお、これら変化曲線Wa 、Wb 、Wc
は、ステージ18上に試料19(7)を載置し、2次元
走査機構14によって走査用レーザ光を試料9の全体に
走査し、このときに試料19(7)から反射されるレー
ザ光の光強度を光検出器21により検出し、その電気信
号Ik を画像処理ユニット30に入力し、ここで電気信
号Ik の最大値を順次検出する処理で得られるが、本発
明の顕微鏡を用いれば、各試料面A、B、Cに対する各
変化曲線Wa 、Wb 、Wc の変化の各最大を示す位置Z
wa、Zwb、Zwcが求められる。
The change curves W a , W b , W c
Mounts a sample 19 (7) on a stage 18 and scans the entire sample 9 with a scanning laser beam by a two-dimensional scanning mechanism 14, and at this time, the laser beam reflected from the sample 19 (7) is The light intensity is detected by the photodetector 21 and the electric signal Ik is input to the image processing unit 30, where the maximum value of the electric signal Ik is sequentially detected. in each sample surface a, B, each change curve W to C a, W b, the position Z shown each maximum change in W c
wa , Z wb and Z wc are determined.

【0082】従って、画像処理ユニット30は、NA=
0.95、λ=488nmとした場合、これら位置
wa、Zwb、Zwcにそれぞれ0.147μmを加算する
ことにより試料19(7)の各試料面A、B、Cの各高
さを求め、さらにこれら試料面A、B、Cの各高さを比
較して各試料面A、B、Cの相対的な高さの差を求め
る。
Therefore, the image processing unit 30 determines that NA =
When 0.95 and λ = 488 nm, by adding 0.147 μm to each of these positions Z wa , Z wb , and Z wc , the heights of the sample surfaces A, B, and C of the sample 19 (7) are adjusted. Then, the respective heights of the sample surfaces A, B, and C are compared to determine a difference between the relative heights of the sample surfaces A, B, and C.

【0083】又、画像処理ユニット30は、上記各変化
曲線Wa 、Wb 、Wc の変化の最大を示す各位置Zwa
wb、Zwcを各試料面A、B、Cの高さに換算せずに、
直接各位置Zwa、Zwb、Zwcを比較することにより各試
料面A、B、Cの相対的な高さの差を求める。例えば、
試料面AとBの高さの差Ztb−ZtaとZwb−Zwaが等し
くなるからである。
[0083] The image processing unit 30, the respective change curves W a, W b, W each position showing the maximum change in c Z wa,
Without converting Z wb , Z wc to the height of each sample surface A, B, C,
Direct each position Z wa, Z wb, obtaining a difference between relative height of each sample surfaces A, B, C by comparing the Z wc. For example,
This is because the difference Z tb -Z ta and Z wb -Z wa between the heights of the sample surfaces A and B are equal.

【0084】このように上記第1の実施の形態において
は、対物レンズ17と試料19(7)との相対位置を光
軸方向に変化させ、このときの光検出器21により検出
される光強度の変化における最大又は最小を検出し、こ
れら最大又は最小となる位置から対物レンズ17と試料
19(7)との相対位置を求めるようにしたので、光強
度の変化が光検出器21の電気的なノイズや第1の画像
メモリM10の1階調分に相当する光強度差と同程度にな
るまでZ移動ステップを小さくでき、Z移動ステップに
よる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測定がで
きる。
As described above, in the first embodiment, the relative position between the objective lens 17 and the sample 19 (7) is changed in the optical axis direction, and the light intensity detected by the photodetector 21 at this time is changed. Is detected, and the relative position between the objective lens 17 and the sample 19 (7) is determined from the position where the maximum or minimum is obtained. such noise and to a same extent as the light intensity difference corresponding to one gradation of the first image memory M 10 can be reduced Z moving step, good heights quantization error less measurement reproducibility by Z moving step Can measure.

【0085】すなわち、光強度の変化が最大又は最小と
なる点での光強度変化の絶対値は、光強度の変化曲線
(例えば図3に示す変化曲線W2 )上で文字通り最大に
なる。従って、この位置では、光検出器21の電気的な
ノイズや第1の画像メモリM10の1階調と同レベルにな
る限界のZ移動ステップΔzは、輝度が最大となる位置
近傍での光強度変化が同様の関係になるZ移動ステップ
Δzより当然小さくなるので、Z移動ステップΔzを小
さくして、z移動の量子化により生じる誤差を少なくで
きる。
That is, the absolute value of the change in light intensity at the point where the change in light intensity is maximum or minimum is literally maximum on the change curve of light intensity (for example, the change curve W 2 shown in FIG. 3). Thus, in this position, Z moving step Δz limit becomes 1 gradation at the same level of electrical noise and the first image memory M 10 of the photodetector 21, the light at the position near the luminance is maximum Since the intensity change is naturally smaller than the Z-movement step Δz having the same relationship, the Z-movement step Δz can be reduced to reduce the error caused by the quantization of the z-movement.

【0086】又、3つの試料面A、B、Cを有する試料
19(7)の各試料面A、B、Cの相対的な高さ(の
差)を測定する場合でも、これら試料面A、B、Cに対
する各変化曲線Wa 、Wb 、Wc の変化の最大となる各
位置Zwa、Zwb、Zwcから光強度の最大となる位置に換
算することなく、直接各位置Zwa、Zwb、Zwcを比較す
ることにより各試料面A、B、Cの相対的な高さ(の
差)、例えば半導体ウエハ上の各パターンの高さの差を
得ることができる。
Also, when measuring the relative height (difference) between each sample surface A, B, and C of the sample 19 (7) having three sample surfaces A, B, and C, these sample surfaces A , B, each change curve W a for C, W b, W each position Z wa as the maximum change in c, Z wb, without converting the maximum a position of the light intensity from Z wc, direct the position Z By comparing wa , Z wb , and Z wc , it is possible to obtain the relative height (difference) between the sample surfaces A, B, and C, for example, the difference between the heights of the patterns on the semiconductor wafer.

【0087】さらに構成上は、従来顕微鏡と比較しても
画像メモリを1つ増設するだけの簡単な変更だけでよ
い。 (2) 次に本発明の第2の実施の形態について説明する。
なお、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。
Further, in comparison with the conventional microscope, only a simple change of adding one image memory is required. (2) Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0088】図6は共焦点走査型光学顕微鏡の構成図で
ある。顕微鏡本体10内におけるハーフミラー13の分
岐方向には、試料19からの反射光を等量に分岐するビ
ームスプリッタ40が配置されている。
FIG. 6 is a configuration diagram of a confocal scanning optical microscope. A beam splitter 40 that splits the reflected light from the sample 19 into equal amounts is disposed in the branching direction of the half mirror 13 in the microscope main body 10.

【0089】このビームスプリッタ40の一方の分岐方
向に対物レンズ17の集光位置と共役に位置に配置され
た第1のピンホール41を介して第1の光検出器42が
配置されている。
A first photodetector 42 is arranged in one branch direction of the beam splitter 40 via a first pinhole 41 arranged at a position conjugate with the condensing position of the objective lens 17.

【0090】又、ビームスプリッタ40の他方の分岐方
向には、対物レンズ17の集光位置と共役に位置fより
もずれた位置に配置された第2のピンホール43を介し
て第2の光検出器44が配置されている。
Further, in the other branching direction of the beam splitter 40, the second light is transmitted through a second pinhole 43 disposed at a position conjugate to the condensing position of the objective lens 17 and shifted from the position f. A detector 44 is arranged.

【0091】第2のピンホール43の配置位置は、対物
レンズ17の集光位置と共役な位置fすなわち第1のピ
ンホール41に対してz移動の最小ステップに相当する
距離だけずれた位置となっている。つまり第2のピンホ
ール43は、対物レンズ17の集光位置と共役な位置f
から、光強度の変化が最大となる位置近傍における輝度
の変化量と、電気的なノイズや第1の画像メモリM10
保存される1階調に相当する光強度とで制限される最小
のZ移動ステップΔzに対し、試料19からピンホール
43への光学系の縦倍率倍された位置に配置されてい
る。
The position of the second pinhole 43 is different from the position f conjugate with the condensing position of the objective lens 17, that is, the position shifted by the distance corresponding to the minimum step of the z movement with respect to the first pinhole 41. Has become. That is, the second pinhole 43 is positioned at a position f conjugate with the converging position of the objective lens 17.
From a minimum of change in light intensity is limited by the amount of change in luminance in the vicinity of positions corresponding to the maximum, and the electrical noise or equivalent light intensity 1 gradation stored in the first image memory M 10 of The optical system from the sample 19 to the pinhole 43 is placed at a position multiplied by the vertical magnification with respect to the Z movement step Δz.

【0092】差分回路45は、第1の光検出器42から
出力された第1の電気信号と第2の光検出器44から出
力された第2の電気信号との差分を求め、この差分信号
を画像処理ユニット46の第1の画像メモリM10に送る
機能を有している。
The difference circuit 45 calculates the difference between the first electric signal output from the first photodetector 42 and the second electric signal output from the second photodetector 44, and calculates the difference signal. the has a function of sending to the first image memory M 10 of the image processing unit 46.

【0093】この差分回路45から出力される差分信号
は、対物レンズ17と試料19との相対位置をZ方向に
最小のステップに相当する距離だけ移動させたときの光
強度の変化量と等価、すなわち図7に示すようにステー
ジ18をz移動ステッブΔzだけ移動させたときの、例
えば電気信号I11とI10との差分I11−I10と等価とな
っている。
The difference signal output from the difference circuit 45 is equivalent to the amount of change in light intensity when the relative position between the objective lens 17 and the sample 19 is moved in the Z direction by a distance corresponding to the smallest step. That is, as shown in FIG. 7, when the stage 18 is moved by the z movement step Δz, for example, it is equivalent to the difference I 11 −I 10 between the electric signals I 11 and I 10 .

【0094】画像処理ユニット46は、差分回路45か
ら出力された差分信号を入力すると共にZ方向移動制御
回路22によるステージ18の移動回数のカウント値を
入力し、差分回路45から出力された差分信号の変化が
最大を示したステージ18の移動回数のカウント値に基
づいて対物レンズ17と試料19との相対位置を高さ情
報として取得する。
The image processing unit 46 receives the difference signal output from the difference circuit 45 and the count value of the number of times the stage 18 has been moved by the Z-direction movement control circuit 22, and receives the difference signal output from the difference circuit 45. The relative position between the objective lens 17 and the sample 19 is acquired as height information based on the count value of the number of movements of the stage 18 at which the change in the maximum has been shown.

【0095】この画像処理ユニット46は、それぞれ5
12画素×512画素×8ビット(256階調)から成
る第1の画像メモリM10及び第3の画像メモリM12を備
え、このうち第1の画像メモリM10に差分信号の最大
値、すなわち光強度の変化の最大を示す値Ma (=Ik
−Ik-1 )が保存され、かつ第3の画像メモリM12に光
強度の変化が最大となるステージ18の移動回数のカウ
ント値kが保存されるものとなっている。
This image processing unit 46 has 5
12 pixels × 512 pixels × an 8-bit (256 gradations) the first image memory M 10 and the third image memory M 12 consisting of a maximum value of these difference signals in the first image memory M 10, i.e. Value M a (= I k) indicating the maximum change in light intensity
-I k-1) is stored, and the change in light intensity in the third image memory M 12 of which is intended to count value k of the number of times of movement of the stage 18 becomes maximum are stored.

【0096】次に上記の如く構成された顕微鏡の作用に
ついて説明する。レーザ光源11から出射された走査用
レーザ光は、ミラー12で反射し、ハーフミラー13を
透過して2次元走査機構14に入射し、この2次元走査
機構14の走査動作によって試料19の2次元平面上に
走査される。
Next, the operation of the microscope configured as described above will be described. The scanning laser light emitted from the laser light source 11 is reflected by the mirror 12, passes through the half mirror 13 and enters the two-dimensional scanning mechanism 14, and the two-dimensional scanning mechanism 14 performs a two-dimensional scanning of the sample 19. It is scanned on a plane.

【0097】これと同時に、Z方向移動制御回路22の
駆動制御によりステージ18をZ方向にステップ状に移
動して対物レンズ17と試料19との相対距離を変化さ
せる。このとき、試料19にピントが合ったか否かの判
断は、モニタ24に表示された画像を観察者が見ながら
行う。
At the same time, the stage 18 is moved stepwise in the Z direction under the drive control of the Z direction movement control circuit 22 to change the relative distance between the objective lens 17 and the sample 19. At this time, whether or not the sample 19 is in focus is determined by an observer watching the image displayed on the monitor 24.

【0098】次に、観察者により測定動作に関係する各
パラメータの設定、すなわちコンピュータ31によって
試料19の測定範囲L及び測定を開始するステージ18
の位置Zo が設定され、この後、ステージ181回あた
りのZ方向への移動量Δzが設定される。
Next, the observer sets the parameters related to the measurement operation, that is, the measurement range L of the sample 19 and the stage 18 where the measurement is started by the computer 31.
Position Z o of the set, after which the movement amount Δz in the Z direction per stage 181 times is set.

【0099】そして、測定が開始されると、ステージ1
8はZ方向移動制御回路22の駆動により測定開始位置
O に移動され、かつステージ18の移動回数のカウン
ト値kがリセットされる。
When the measurement is started, the stage 1
8 is moved to the measurement start position Z O by the driving of the Z-direction movement control circuit 22, and the count value k of the number of movements of the stage 18 is reset.

【0100】これと共に第1の画像メモリM10に保存さ
れる値Ma がクリアされるととともに、このときに差分
回路45から出力される差分信号が第1の画像メモリM
10に保存される。
[0100] with the value M a stored in the first image memory M 10 together with this is clear, the differential signal output from the difference circuit 45 at this time is the first image memory M
Stored in 10 .

【0101】次に、ステージ18は、Z方向移動制御回
路22の駆動により移動量Δz分だけZ方向に移動し、
ステージ18の移動回数のカウント値kが「+1」だけ
カウントアップされる。
Next, the stage 18 is moved in the Z direction by the movement amount Δz by driving the Z direction movement control circuit 22.
The count value k of the number of movements of the stage 18 is incremented by “+1”.

【0102】この状態に、試料19からの反射光は、2
次元走査機構14からハーフミラー13を経てビームス
プリッタ40に入射し、ここで第1のピンホール41側
と第2のピンホール43側との2方向に分岐される。
In this state, the reflected light from the sample 19 is 2
The light enters the beam splitter 40 from the dimensional scanning mechanism 14 via the half mirror 13, and is branched there in two directions, that is, the first pinhole 41 side and the second pinhole 43 side.

【0103】このうち第1のピンホール41を透過した
光は第1の光検出器42に入射し、この第1の光検出器
42は、入射した光量に応じた第1の電気信号Ik を出
力する。
The light transmitted through the first pinhole 41 is incident on a first photodetector 42, which outputs a first electric signal I k corresponding to the amount of incident light. Is output.

【0104】又、第2のピンホール43を透過した光は
第2の光検出器44に入射し、この第2の光検出器44
は、入射した光量に応じた第2の電気信号Ik-1 を出力
する。
The light transmitted through the second pinhole 43 is incident on the second photodetector 44, and the second photodetector 44
Outputs a second electric signal I k-1 corresponding to the amount of incident light.

【0105】差分回路45は、第1の光検出器42から
出力された第1の電気信号Ik と第2の光検出器44か
ら出力された第2の電気信号Ik-1 との差分Ik −I
k-1 を求め、この差分信号Ik −Ik-1 を画像処理ユニ
ット46の第1の画像メモリM10に送る。
The difference circuit 45 calculates a difference between the first electric signal I k output from the first photodetector 42 and the second electric signal I k-1 output from the second photodetector 44. I k -I
The calculated k-1, sends the differential signals I k -I k-1 in the first image memory M 10 of the image processing unit 46.

【0106】すなわち、この差分回路45から出力され
る差分信号Ik −Ik-1 は、対物レンズ17と試料19
との相対位置をZ方向に最小のステップに相当する距離
だけ移動させたときの光強度の変化量と等価、例えば図
7に示すようにステージ18をz移動ステッブΔzだけ
移動させたときの、第1と第2の電気信号I11とI10
の差分I11−I10と等価となっている。
That is, the difference signal I k -I k -1 output from the difference circuit 45 is obtained by the objective lens 17 and the sample 19
Is equivalent to the amount of change in light intensity when the relative position is moved in the Z direction by a distance corresponding to the minimum step, for example, when the stage 18 is moved by the z movement step Δz as shown in FIG. and it has a differential I 11 -I 10 equivalent to the first and second electrical signals I 11 and I 10.

【0107】画像処理ユニット46は、差分信号Ik
k-1 と第1の画像メモリM10に保存されている値Ma
とを比較する。この比較の結果、 Ma <Ik −Ik-1 …(8) 上記式(8) の関係が成り立ち、Ik −Ik-1 がMa より
も大きければ、画像処理ユニット46は、第1の画像メ
モリM10に保存されている値Ma をIk −Ik-1に書き
替えて保存する。
The image processing unit 46 outputs the difference signal I k
I k−1 and the value M a stored in the first image memory M 10
Compare with As a result of this comparison, M a <I k −I k−1 (8) The relationship of the above equation (8) holds, and if I k −I k−1 is larger than M a , the image processing unit 46 the value M a stored in the first image memory M 10 for storing rewrites the I k -I k-1.

【0108】このとき第3の画像メモリM12には、この
ときのステージ18の移動回数のカウント値kが保存さ
れる。このように上記処理が所定のN回繰り返えされる
ことによって、第1の光検出器42と第2の光検出器4
4とから出力される各電気信号Ik 、Ik-1 との差分信
号の最大値が第1の画像メモリM10に値Ma として保存
され、そのときのステージ18の移動回数のカウント値
kが第3の画像メモリM12に保存される。
[0108] At this time the third image memory M 12, the count value k of the number of times of movement of the stage 18 at this time is saved. By repeating the above process N times, the first photodetector 42 and the second photodetector 4
Each electrical signal I k output from the 4 which the maximum value of the difference signal between I k-1 is stored in the first image memory M 10 as the value M a, the count value of the number of times of movement of the stage 18 at that time k is stored in the third image memory M 12 of.

【0109】従って、画像処理ユニット46は、上記第
1の実施の形態と同様に、例えばNA=0.95、λ=
488nmとした場合、上記図4に示す位置Za 、Zb
の位置を求めることができ、これら位置Za 、Zb から
変化曲線Wa の最大値までの各距離ea 、eb は開口数
NA及び波長λにより定まるので、位置Za に0.14
7μmを加算することにより試料19の高さを求める。
又位置Zb から0.147μmを減算することにより試
料19の高さを求めてもよい。
Accordingly, as in the first embodiment, the image processing unit 46 has, for example, NA = 0.95 and λ = 0.95.
If a 488 nm, the position Z a shown in FIG. 4, Z b
It is possible to obtain the position, these positions Z a, the distance e a from Z b to the maximum value of the change curve W a, since e b is determined by the numerical aperture NA and the wavelength lambda, 0.14 at the position Z a
The height of the sample 19 is obtained by adding 7 μm.
Or it may also be determined height of the sample 19 by subtracting the 0.147μm from the position Z b.

【0110】又、例えば上記図9に示すように3つの試
料面A、B、Cを有する試料199(7)の各試料面
A、B、Cの相対的な高さ(の差)を測定する場合で
も、画像処理ユニット46は、NA=0.95、λ=4
88nmとした場合、図5に示すように各位置Zwa、Z
wb、Zwcにそれぞれ0.147μmを加算することによ
り試料19(7)の各試料面A、B、Cの各高さを求
め、さらにこれら試料面A、B、Cの各高さを比較して
各試料面A、B、Cの相対的な高さの差を求める。
For example, as shown in FIG. 9, the relative height (difference) of each of the sample surfaces A, B, and C of the sample 199 (7) having three sample surfaces A, B, and C is measured. In this case, the image processing unit 46 determines that NA = 0.95 and λ = 4.
If a 88 nm, the positions Z wa as shown in FIG. 5, Z
By adding 0.147 μm to wb and Z wc respectively, each height of each sample surface A, B and C of the sample 19 (7) is obtained, and each height of these sample surfaces A, B and C is compared. Then, the difference between the relative heights of the sample surfaces A, B, and C is obtained.

【0111】又、画像処理ユニット46は、上記各変化
曲線Wa 、Wb 、Wc の変化の最大となる各位置Zwa
wb、Zwcを各試料面A、B、Cの高さに換算せずに、
直接各位置Zwa、Zwb、Zwcを比較することにより各試
料面A、B、Cの相対的な高さの差を求める。
[0111] The image processing unit 46, the respective change curves W a, W b, W becomes maximum each position change of c Z wa,
Without converting Z wb , Z wc to the height of each sample surface A, B, C,
Direct each position Z wa, Z wb, obtaining a difference between relative height of each sample surfaces A, B, C by comparing the Z wc.

【0112】このように上記第2の実施の形態において
は、対物レンズ17の集光位置と共役な位置に配置され
た第1のピンホール41を介して第1の光検出器42を
配置するとともに対物レンズ17の集光位置と共役な位
置fよりもずれた位置に配置された第2のピンホール4
3を介して第2の光検出器44を配置し、これら第1と
第2の光検出器42、44から各出力される第1と第2
の電気信号の差分信号の最大値を検出するようにしたの
で、上記第1の実施の形態と同様に、光強度の変化の最
大値を検出することと等価となり、光強度の変化が第1
及び第2の光検出器42、44の電気的なノイズや第1
の画像メモリM10の1階調分に相当する光強度差と同程
度になるまでZ移動ステップを小さくでき、Z移動ステ
ップによる量子化誤差が少なく測定再現性のよい高さ測
定ができる。
As described above, in the second embodiment, the first photodetector 42 is disposed via the first pinhole 41 disposed at a position conjugate to the condensing position of the objective lens 17. And a second pinhole 4 arranged at a position shifted from a position f conjugate with the light condensing position of the objective lens 17.
3, a second photodetector 44 is disposed, and the first and second photodetectors 42 and 44 output the first and second photodetectors 44 respectively.
Since the maximum value of the difference signal of the electric signal is detected, it is equivalent to detecting the maximum value of the change of the light intensity as in the first embodiment, and the change of the light intensity is the first value.
And electrical noise of the second photodetectors 42 and 44 and the first
Image until the same extent as corresponding to the light intensity difference in one gradation of the memory M 10 can be reduced Z moving step, it is good height measurement quantization error of less measurement reproducibility by Z moving step of.

【0113】又、3つの試料面A、B、Cを有する試料
19(7)の各試料面A、B、Cの相対的な高さ(の
差)を測定する場合でも、直接各位置Zwa、Zwb、Zwc
を比較することにより各試料面A、B、Cの相対的な高
さ(の差)、例えば半導体ウエハ上の各パターンの高さ
の差を得ることができる。
Also, when measuring the relative height (difference) between the sample surfaces A, B, and C of the sample 19 (7) having three sample surfaces A, B, and C, each position Z is directly measured. wa , Z wb , Z wc
Can be obtained to obtain the relative height (difference) between the sample surfaces A, B, and C, for example, the difference between the heights of the patterns on the semiconductor wafer.

【0114】さらに構成上は、従来顕微鏡と比較しても
従来の顕微鏡と同等の画像メモリで対応できる。なお、
本発明は、上記第1及び第2の実施の形態に限定される
ものでなく次の通り変形してもよい。
Further, in terms of the configuration, even when compared with the conventional microscope, it is possible to cope with an image memory equivalent to that of the conventional microscope. In addition,
The present invention is not limited to the first and second embodiments, but may be modified as follows.

【0115】例えば、図9に示す試料7の3つの試料面
A、B、Cの高さ情報を得る場合、先ず、ステージ18
を粗動させて対物レンズ17を例えば試料面Cに対して
粗に位置合わせし、この後にステージ18をZ移動ステ
ップΔz毎に移動して高精度に試料面Cの高さ情報を取
得する。
For example, when obtaining the height information of the three sample surfaces A, B, and C of the sample 7 shown in FIG.
Is coarsely moved to roughly position the objective lens 17 with respect to, for example, the sample surface C. Thereafter, the stage 18 is moved at each Z movement step Δz to acquire the height information of the sample surface C with high accuracy.

【0116】次に、ステージ18を粗動させて対物レン
ズ17を試料面Aに対して粗に位置合わせし、この後に
ステージ18をZ移動ステップΔz毎に移動して高精度
に試料面Aの高さ情報を取得する。
Next, the stage 18 is coarsely moved to roughly position the objective lens 17 with respect to the sample surface A, and thereafter, the stage 18 is moved at every Z movement step Δz to precisely move the sample surface A. Get height information.

【0117】そして、ステージ18を粗動させて対物レ
ンズ17を試料面Bに対して粗に位置合わせし、この後
にステージ18をZ移動ステップΔz毎に移動して高精
度に試料面Bの高さ情報を取得する。
Then, the stage 18 is coarsely moved to roughly position the objective lens 17 with respect to the sample surface B, and thereafter, the stage 18 is moved at every Z movement step Δz to precisely adjust the height of the sample surface B. Get information.

【0118】このようにステージ18を粗動とZ移動ス
テップΔzとを組み合わせて動作させれば、ステージ1
8を全てZ移動ステップΔz毎に移動させることなく、
高さ情報の取得時間を短縮できる。
As described above, when the stage 18 is operated by combining the coarse movement and the Z movement step Δz, the stage 1
8 without being moved every Z movement step Δz,
Acquisition time of height information can be shortened.

【0119】又、上記第2の実施の形態において、z移
動のステップを、その最小値より大きな値に設定した場
合でも、差分回路45の出力は、最小ステップでのz移
動による輝度の変化量を検出している。
Further, in the second embodiment, even when the step of z movement is set to a value larger than the minimum value, the output of the difference circuit 45 is the amount of change in luminance due to the z movement in the minimum step. Has been detected.

【0120】このようにZ移動ステップがその最小値よ
り大きな値に設定した場合には、設定したZ移動ステッ
プに応じて第2のピンホール43を対物レンズ17の集
光位置と共役な位置から離すように構成すれば、差分回
路45から出力される光強度の変化量が大きくなり、電
気的なノイズの影響がより小さくなってより高精度な測
定ができる。
When the Z movement step is set to a value larger than the minimum value, the second pinhole 43 is moved from the position conjugate with the condensing position of the objective lens 17 according to the set Z movement step. If they are separated from each other, the amount of change in the light intensity output from the difference circuit 45 increases, and the effect of electrical noise is reduced, so that more accurate measurement can be performed.

【0121】又、上記第2の実施の形態において、第2
のピンホール43は対物レンズ17の集光位置と共役な
位置から離して対物レンズ17からの距離を広くした位
置に配置しているが、これとは反対に対物レンズ17か
らの距離を短くする位置に配置してもよい。この場合、
第2の光検出器44の方が第1の光検出器42よりもZ
移動ステップΔz分だけ前の光強度を検出するものとな
る。
In the second embodiment, the second
The pinhole 43 is arranged at a position apart from a position conjugate with the light-converging position of the objective lens 17 and at a position where the distance from the objective lens 17 is widened. On the contrary, the distance from the objective lens 17 is shortened. It may be arranged at a position. in this case,
The second photodetector 44 has a higher Z than the first photodetector 42.
The light intensity before the movement step Δz is detected.

【0122】[0122]

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、Z
移動ステップを小さくしても正確に輝度の値が最大とな
るところを検出して高さ情報が得られる、すなわち光強
度の変化が光検出器の電気的なノイズや画像メモリの1
階調分に相当する光強度差と同程度になるまでZ移動ス
テップを小さくでき、Z移動ステップによる量子化誤差
が少なく測定再現性のよい高さ測定方法及びその装置を
提供できる。
As described in detail above, according to the present invention, Z
Height information can be obtained by accurately detecting the position where the luminance value is maximum even if the moving step is reduced, that is, a change in the light intensity is caused by the electrical noise of the photodetector or the image memory.
It is possible to provide a height measuring method and a height measuring method which can reduce the Z movement step until the light intensity difference corresponding to the gradation becomes almost the same, has a small quantization error due to the Z movement step, and has good measurement reproducibility.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係わる共焦点走査型光学顕微鏡の第1
の実施の形態を示す構成図。
FIG. 1 shows a first example of a confocal scanning optical microscope according to the present invention.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment.

【図2】同光学顕微鏡の動作フローチャート。FIG. 2 is an operation flowchart of the optical microscope.

【図3】光強度の変化の最大値を検出するための作用を
説明するための図。
FIG. 3 is a diagram for explaining an operation for detecting a maximum value of a change in light intensity.

【図4】ステージをZ方向移動したときの電気信号の変
化の最大値を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a maximum value of a change in an electric signal when the stage is moved in a Z direction.

【図5】3つの試料面に対する各変化曲線を示す図。FIG. 5 is a diagram showing change curves for three sample surfaces.

【図6】本発明に係わる共焦点走査型光学顕微鏡の第2
の実施の形態を示す構成図。
FIG. 6 shows a second example of the confocal scanning optical microscope according to the present invention.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment.

【図7】同顕微鏡における差分回路の作用を説明するた
めの図。
FIG. 7 is a view for explaining the operation of the difference circuit in the microscope.

【図8】一般的な共焦点走査型光学顕微鏡の概略構成
図。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a general confocal scanning optical microscope.

【図9】高さの異なる3つの試料面を有する試料の外観
図。
FIG. 9 is an external view of a sample having three sample surfaces with different heights.

【図10】従来の共焦点走査型光学顕微鏡の構成図。FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional confocal scanning optical microscope.

【図11】同顕微鏡の動作フローチャート。FIG. 11 is an operation flowchart of the microscope.

【図12】光検出器から出力される電気信号の最大値を
検出する作用を説明するための図。
FIG. 12 is a diagram illustrating an operation of detecting a maximum value of an electric signal output from a photodetector.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…顕微鏡本体、 11…レーザ光源、 14…2次元走査機構、 15…走査制御ユニット、 16…レボルバ、 17…対物レンズ、 18…ステージ、 19…試料、 20…ピンホール、 21…光検出器、 22…Z方向移動制御回路、 25…モニタ、 30…画像処理ユニット、 M10…第1の画像メモリ、 M11…第2の画像メモリ、 M12…第3の画像メモリ、 31…コンピュータ、 40…ビームスプリッタ、 41…第1のピンホール、 42…第1の光検出器、 43…第2のピンホール、 44…第2の光検出器、 45…差分回路、 46…画像処理ユニット。Reference Signs List 10: microscope body, 11: laser light source, 14: two-dimensional scanning mechanism, 15: scanning control unit, 16: revolver, 17: objective lens, 18: stage, 19: sample, 20: pinhole, 21: photodetector , 22 ... Z direction movement control circuit, 25 ... monitor, 30 ... image processing unit, M 10 ... first image memory, M 11 ... second image memory, M 12 ... third image memory, 31 ... computer, 40: Beam splitter 41: First pinhole 42: First photodetector 43: Second pinhole 44: Second photodetector 45: Difference circuit 46: Image processing unit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光を光学レンズを通して試料に照射し、
この試料から反射された光を前記光学レンズの集光位置
と共役な位置に配置された微小開口を通して光強度を検
出する工程と、 前記光学レンズと前記試料との相対位置を光軸方向に離
散的に変化させたときの前記光強度の変化における変曲
点となる前記光学レンズと前記試料との相対位置を高さ
情報として取得する工程と、を有することを特徴とする
高さ測定方法。
Irradiating a sample with light through an optical lens;
Detecting the light intensity of the light reflected from the sample through a small aperture disposed at a position conjugate to the light-converging position of the optical lens; and dispersing the relative position between the optical lens and the sample in the optical axis direction. Acquiring a relative position between the optical lens and the sample, which is an inflection point in the change of the light intensity when the light intensity is changed, as height information.
【請求項2】 光を対物レンズを通して試料に照射した
ときの前記試料表面からの反射光を前記対物レンズの集
光位置と共役な位置に配置された微小開口を通して光検
出器に入射し、この光検出器により検出された光強度に
基づいて前記光学レンズと前記試料との高さ情報として
得る高さ測定装置において、 前記対物レンズと前記試料との相対位置を光軸方向に離
散的に変化させる移動機構と、 この移動機構により前記対物レンズと前記試料との相対
位置を変化させときの前記光検出器により検出される光
強度の変化における変曲点を検出する変曲点検出手段
と、 この変曲点検出手段により検出された変曲点に基づいて
前記対物レンズと前記試料との相対位置を高さ情報とし
て得るに高さ情報取得手段と、を具備したことを特徴と
する高さ測定装置。
2. A light reflected from the sample surface when the sample is irradiated with light through an objective lens is incident on a photodetector through a minute aperture arranged at a position conjugate with a condensing position of the objective lens. In a height measurement device that obtains height information of the optical lens and the sample based on light intensity detected by a photodetector, a relative position between the objective lens and the sample is discretely changed in an optical axis direction. A moving mechanism that changes the relative position between the objective lens and the sample by the moving mechanism, and an inflection point detecting unit that detects an inflection point in a change in light intensity detected by the photodetector; Height information obtaining means for obtaining a relative position between the objective lens and the sample as height information based on the inflection point detected by the inflection point detecting means. Measurement Setting device.
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