(57)【要約】【課題】試料の表面形状により、Ｉ−Ｚカーブの形状が変化しても、Ｚのステップを変えずに、近似式の係数の計算に用いるＩの数を増やさず、ノイズの影響を抑えて、Ｉ−Ｚカーブの近似式の係数を計算することで、高速かつ正確に高さを測定すること。【解決手段】共焦点走査型光学顕微鏡を用いた高さ測定方法であって、試料と対物レンズとの相対位置を所定の間隔で変化させながら、複数の位置における輝度を測定し、前記複数の位置における輝度の測定結果のうち、最大輝度を含む連続した少なくとも３点の位置における輝度データを用いてノイズの影響を評価し、前記ノイズの評価結果に基づいて、近似曲線を求めて、輝度のピーク位置を計算する。【選択図】　　図２
2004020443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点走査型光学顕微鏡を用いた高さ測定方法であって、
試料と対物レンズとの相対位置を所定の間隔で変化させながら、複数の位置における輝度を測定し、
前記複数の位置における輝度の測定結果のうち、前記最大輝度を含む連続した少なくとも３点の位置における輝度データを用いてノイズの影響を評価し、
前記ノイズの評価結果に基づいて、近似曲線を求めて、輝度のピーク位置を計算することを特徴とする高さ測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高さ測定方法において、前記近似曲線を求める場合において、
ノイズの影響が小さい場合には、ノイズ評価に用いた輝度データを用いて近似曲線を求め、
ノイズの影響が大きい場合には、測定した輝度データのうち、少なくとも前記最大輝度の位置に隣接した位置の輝度データを除いた輝度データを用いて近似曲線を求めることを特徴とする高さ測定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の高さ測定方法において、前記近似曲線を求める場合において、前記ノイズの評価基準として近似曲線の幅を用いることを特徴とする高さ測定方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の高さ測定方法において、近似曲線の再計算は、抽出済みの５点のうち、中心と両端の３点を用いることを特徴とする高さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学顕微鏡の光学系を介して試料を光で走査することにより試料の表面情報を測定する方法に係り、特に共焦点走査型光学顕微鏡による高さ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共焦点走査型光学顕微鏡は、試料を点状照明し、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た後、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。このような光検出を試料面の全体に亘って行うことにより試料面の２次元像を得ることができる。
【０００３】
この場合において、対物レンズと試料の相対位置（Ｚ）を光軸方向に変化させると輝度（Ｉ）が変化し、試料表面に光源からの光が集束した時（試料表面が合焦したとき）、Ｉが最大となる（以下、このＺとＩとの関係を「Ｉ−Ｚカーブ」と称する）。
【０００４】
共焦点走査型光学顕微鏡を用いた高さ測定では、Ｉ−ＺカーブでＩが最大になるＺをその点での高さとしている。この場合、高さの測定精度を向上させるには、Ｚを細かく変化させてＩの最大値を検出する必要があり、測定に時間が掛かる。
【０００５】
そこで、特開平９−６８４１３号公報に開示されている方法では、複数のＺでのＩを用いてＩ−Ｚカーブを２次式やガウス関数などの式で近似する。この近似式でＩが最大になるＺを、当該近似式の係数から計算し、Ｉ−ＺカーブでＩが最大になるＺに変えて、その点での高さとする。これにより、広いステップ（＝少ない取り込み枚数）で、精度良く高さ情報を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、Ｚのステップは、Ｉ−Ｚカーブの形状と、測定で必要とする精度・時間を勘案して決定される。しかし、Ｉ−Ｚカーブの形状（広がり）は、試料の表面形状で決まり、表面が散乱面の場合には、鏡面に比べ、Ｉ−Ｚカーブは広がる（広がりは、表面状態により、最大で鏡面の２倍程度である）。この時、Ｉ−Ｚカーブの広がりが画面内で一様かつ既知であれば、Ｉ−Ｚカーブの広がりに対応してＺのステップ幅を広げることも可能であるが、表面形状が未知でＩ−Ｚカーブの広がりが不明な場合や、画面内で分布がある場合には、Ｚのステップ幅を変えることはできない。
【０００７】
また、近似式の計算に用いるＩの抽出は、
（１）　抽出点数（Ｎ）を求めて、Ｉの最大値及びその前後Ｎ点のＩを抽出。
（２）　しきい値を求めて、そのしきい値以上になるＩを抽出。
等によるので、Ｚのステップを固定したままだと、上記Ｉの抽出方法において、
（１）　Ｉ−Ｚカーブのピーク付近のＩの変化が少ない部分をサンプリングするので、ノイズの影響が大きい。
（２）　抽出したデータ点数が増え、計算に時間が掛かる。
といった不具合を生じる。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、試料の表面形状により、Ｉ−Ｚカーブの形状が変化しても、Ｚのステップを変えずに、近似式の係数の計算に用いるＩの数を増やさず、ノイズの影響を抑えて、Ｉ−Ｚカーブの近似式の係数を計算することで、高速かつ正確に高さを測定する高さ測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る高さ測定方法は、共焦点走査型光学顕微鏡を用いた高さ測定方法であって、試料と対物レンズとの相対位置を所定の間隔で変化させながら、複数の位置における輝度を測定し、前記複数の位置における輝度の測定結果のうち、最大輝度を含む連続した少なくとも３点の位置における輝度データを用いてノイズの影響を評価し、前記ノイズの評価結果に基づいて、近似曲線を求めて、輝度のピーク位置を計算することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る高さ測定方法に適用される共焦点走査型光学顕微システムの概略構成を示す図である。本実施形態においては、共焦点走査型光学顕微１６の光学系を使用して試料を２次元走査することにより表面情報を取得している。
【００１１】
図１に示す共焦点走査型光学顕微１６は、レーザ光源１８から出射した走査用レーザ光をミラー２０で反射すると共にハーフミラー２２を介して走査機構２４に入射する。
【００１２】
走査機構２４は、走査制御ユニット２６を介してコンピュータ２８に接続されており、コンピュータ２８からの命令によって走査制御ユニット２６から出力される走査制御信号Ｐ１に基づいて駆動制御される。走査機構２４は、走査制御信号Ｐ１に基づいて走査用レーザ光をレボルバ３０にセットされた対物レンズ３２を介してステージ３４上の試料３６に微小スポットに集光し、この状態で走査用レーザ光を試料３６上にテレビのラスター走査と同様にＸＹ方向に走査する。
【００１３】
走査用レーザ光による試料走査で試料３６から反射した反射光は、対物レンズ３２及び走査機構２４を介してハーフミラー２２まで導光され、このハーフミラー２２によって光検出器４０側へ反射される。
【００１４】
ハーフミラー２２で反射した反射光は、対物レンズの集光位置と共役な位置に配置したピンホール３８を透過した後、光検出器４０に入射する。光検出器４０は、入射した反射光をその光量に対応した電気信号に変換して画像処理ユニット４２へ出力する。
【００１５】
画像処理ユニット４２は、例えば５１２画素×５１２画素×８ビット（２５６階調）から構成された画像メモリ４２ａが内蔵されている。画像メモリ４２ａは光検出器４０が接続されており、光検出器４０から出力される電気信号を保存できる。更に、画像メモリ４２ａは、ステージ３４をＺ方向（即ち、上記走査用レーザ光の光軸方向）に移動制御して上記走査用レーザ光をＺ方向に走査させるＺ方向移動制御回路４４が接続されている。Ｚ方向移動制御回路４４から出力された信号に基づいてステージ３４の移動回数をカウントしたカウント値が画像メモリ４２ａに保存される。
【００１６】
また、ステージ３４は、コンピュータ２８の命令によってＺ方向移動制御回路４４から出力されるＺ制御信号Ｐ２に基づいて、Ｚ方向へ所定量だけ移動制御される。このとき、ステージ３４の一回あたりの移動量は、コンピュータ２８によって制御される。
【００１７】
また、測定範囲の設定及び各測定範囲内のステージ３４の移動量の設定や、画像表示及び顕微鏡システムの制御等は、コンピュータ２８に接続されたモニタ４６を介して観察者によって設定される。
【００１８】
以上のように構成された共焦点走査型顕微鏡システムでは、観察者が試料３６をステージ３４上に載置した後、コンピュータ２８による制御によって試料３６上に集光される微小スポットをＸＹ方向に走査する。そして、同時に、各測定点（ｘ，ｙ）においてステージ３４をＺ方向に移動制御して試料３６に対する合焦制御を行う。このとき、試料３６にピントが合ったか否かの判断は、モニタ４６に表示された画像を見ながら行う。
【００１９】
次に、観察者は、測定動作に関する各パラメータの設定を行う。まず、コンピュータ２８によって試料３６の測定範囲Ｌ及び、測定を開始するステージ３４の位置Ｚ０を設定した後、Ｚ走査でのステージ３４の１回あたりの移動量Δを設定する。この移動量Δとは、本実施形態では、対物レンズ３２の焦光位置に対して試料３６の位置を移動させる際の１回の移動量である。
【００２０】
測定範囲Ｌとステージ３４の１回あたりの移動量Δとを設定すると、ステージ３４の移動回数ＮはＬ／Δ≦Ｎという関係に従って決定される。ところで、ステージ３４の移動回数のカウント値は、画像メモリ４２ａに保存されるため、ステージ３４の移動回数Ｎは、画像メモリ４２ａの階調数２５５以下に制限される。
【００２１】
上記のように測定範囲Ｌと移動量Δ及び移動回数Ｎを設定した後、試料３６に対する測定が開始されると、光検出器４０でＺ方向の各相対位置Ｚ１、Ｚ２、…Ｚｎにおける電気信号Ｉ１、Ｉ２、…Ｉｎが検出される。
【００２２】
以上のように構成された共焦点走査型光学顕微システムに適用される本発明の一実施形態に係る高さ測定方法を図２のフローチャートを参照して説明する。
まず、Ｚ走査して輝度をサンプリングし、輝度最大値及びその前後計５点の輝度、輝度が最大になるＺカウンタの値を格納する（ステップＳ２からステップ９を含むステップＳ１）。ステップＳ２からステップＳ９の具体的な内容は、以下の通りである。
【００２３】
測定開始時における初期設定を行う（ステップＳ２）。具体的な初期設定としては、ＺステージをＺ０に移動し、カウンタをリセット（ｋに０を代入）し、輝度の初期値Ｉ０を取り込んで、Ｉ０の値を最大輝度値Ｍｃに格納する。次に、ＺステージをΔ移動して、カウンタ値ｋをインクリメントすると共に、輝度Ｉｋを取り込む（ステップＳ３）。
【００２４】
輝度Ｉｋと最大輝度値Ｍｃの値とを比較し（ステップＳ４）、ＩｋがＭｃより大きければ、ＩｋをＭｃに、１つ前の輝度Ｌ１をＭａ１に、２つ前の輝度Ｌ２をＭａ２に、ｋをＭｄにそれぞれ格納して（ステップＳ５）、ステップＳ８に進む。ステップＳ４において、ＩｋがＭｃ以下の値であれば、カウンタの値がｋ＝Ｍｄ＋２であるかどうかを判定し（ステップＳ６）、ｋ＝Ｍｄ＋２であれば、輝度ＩｋをＭｂ２へ、Ｌ１をＭｂ１にそれぞれ格納して（ステップＳ７）、ステップＳ８に進む。ステップＳ６において、ｋ＝Ｍｄ＋２でなければ、ステップＳ８に進む。
【００２５】
そして、ステップＳ８において、１つ前の輝度Ｌ１を２つ前の輝度Ｌ２へ、輝度Ｉｋを１つ前の輝度Ｌ１へそれぞれ格納する。次に、カウンタ値が終了値Ｎになった時点で輝度のサンプリングと最大値前後の５点の抽出が完了する（ステップＳ９）。なお、ステップＳ９において、カウンタ値が終了値に至っていない場合には、ステップＳ３からの処理を繰り返す。
【００２６】
輝度のサンプリングが終了すると、最大値前後の５点のデータＭａ２、Ｍａ１、Ｍｃ、Ｍｂ１、Ｍｂ２を用いて近似曲線の係数を最小自乗法で求める（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で求めた近似曲線の二次の係数ａに従って、ノイズの影響の大小を判定する（ステップＳ１１）。この場合における、ノイズの影響の大小について、図３を参照して説明する、図３は、ノイズの影響を説明するための図である。なお、図３において、試料Ａはノイズの影響が小さい場合のＩ−Ｚカーブ、試料Ｂはノイズの影響が大きい場合のＩ−Ｚカーブである。
【００２７】
ステップＳ１１において、係数ａが負（ａ＜０）の場合には、図３の試料Ａの５点近似曲線に示すように、二次関数が上に凸であることから、ノイズの影響は小さいものと判断し、ステップＳ１０で求めた係数を用いてピーク位置を計算する（ステップＳ１２）。ところが、ステップＳ１１において、係数ａが負ではなく、正の場合には、試料Ｂの５点近似曲線のように下に凸になっており、０の場合には、直線になっている。従って、このような場合には、最大値Ｍｃの両側の輝度Ｍａ１とＭｂ１を使用せずに、Ｍａ２、Ｍｃ、Ｍｂ２を用いて近似式の係数を計算し（ステップＳ１３）、この係数に基づいてピーク位置を計算する（ステップＳ１４）。このようにすることにより、試料Ｂの３点近似曲線に示すような近似曲線が得られる。
【００２８】
上記のような方法によれば、Ｚの走査範囲が広くなっても、格納されるデータは６フレーム分となり、メモリの消費を少なくできる。
【００２９】
なお、上記の説明では、説明を簡単にするために、ノイズ影響を判断する条件としてａ＜０（下に凸）を用いたが、上に凸の場合でも近似式が広がりすぎの場合があるので、より適切なしきい値（＜０）を用いることが好ましい。
【００３０】
また、ノイズがなければ、ステップＳ１０の結果を使ってピーク位置を計算すると、結果は必ずＺステップの±１／２以内になる。そこで、ステップＳ１０では、ピーク位置までを計算し、ステップＳ１１では、計算して得られたピーク位置が±１／２×Δの範囲にあるときは、ステップＳ１２にてステップＳ１０で計算したピーク位置を使い、それ以外の場合は、ステップＳ１３以降の手順でピーク位置を求めると良い（なお、サンプリングした輝度にノイズがのることはやむを得ないので、ステップＳ１１の基準を多少広め、±Δや±２×Δとしても良い）。
【００３１】
メモリに余裕があればステップＳ４でＺ走査範囲の全ての位置で輝度Ｉ１、Ｉ２、…Ｉｎをメモリに格納するようにすれば、ステップＳ５からステップＳ８の処理は不要である。
【００３２】
この場合、ステップＳ１０で輝度の最大値及びその前後のＮ点を抽出するが、この場合に抽出点数は３以上であればよく、３点や５点に制限されるものではない。
【００３３】
更にステップＳ１１でノイズ大と評価された場合において、ステップＳ１３での輝度データの再抽出は、ステップＳ１０で抽出した輝度の中からではなく、ステップＳ４で一次格納されているＺ走査範囲の全ての位置での輝度Ｉ１、Ｉ２、…Ｉｎから最大値を挟んでその前後、１つおきに５点抽出するようにしても良い。
【００３４】
このように、Ｚ走査範囲の全ての位置での輝度Ｉ１、Ｉ２、…Ｉｎをメモリに格納するようにすると、輝度のサンプリング時（ステップＳ１）の処理が少なくなり、より、高速でサンプリングできると共に、ノイズの影響の大小に関わらずピーク位置の計算に用いる輝度の個数を一定にできるなど、ノイズの評価や輝度データの再抽出の自由度が増す。
【００３５】
上記の各実施形態から下記の発明が抽出される。
本発明に係る高さ測定方法は、共焦点走査型光学顕微鏡を用いた高さ測定方法であって、試料と対物レンズの相対位置を所定の間隔で変化させながら、複数の位置における輝度を測定し、前記複数の位置における輝度の測定結果のうち、最大輝度を含む連続した少なくとも３点の位置における輝度データを用いてノイズの影響を評価し、前記ノイズの評価結果に基づいて、近似曲線を求めて、輝度のピーク位置を計算することを特徴とする。
【００３６】
上記の高さ測定方法において、前記近似曲線を求める場合において、ノイズの影響が小さい場合には、前記最大輝度を含む連続した少なくとも３点の位置における輝度データを用いて近似曲線を求め、ノイズの影響が大きい場合には、測定した輝度データのうち、少なくとも前記最大輝度の位置に隣接した位置の輝度データを除いた輝度データを用いて近似曲線を求めることを特徴とする。
【００３７】
上記の各高さ測定方法において、前記近似曲線を求める場合において、前記ノイズの評価基準として近似式の幅を用いることを特徴とする。また、近似曲線の再計算は、抽出済みの５点のうち、中心と両端の３点を用いることを特徴とする。
【００３８】
なお、本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
試料の表面形状により、Ｉ−Ｚカーブの形状が変化しても、Ｚのステップを変えずに、近似式の係数の計算に用いるＩの数を増やさず、ノイズの影響を抑えて、Ｉ−Ｚカーブの近似式の係数を計算することで、高速かつ正確に高さを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る高さ測定方法に適用される共焦点走査型光学顕微システムの概略構成を示す図。
【図２】共焦点走査型光学顕微システムに適用される本発明の一実施形態に係る高さ測定方法の動作を示すフローチャート。
【図３】本発明の高さ測定方法を説明するための図。
【符号の説明】
１６…共焦点走査型光学顕微
１８…レーザ光源
２０…ミラー
２２…ハーフミラー
２４…走査機構
２６…走査制御ユニット
２８…コンピュータ
３０…レボルバ
３２…対物レンズ
３４…ステージ
３６…試料
３８…ピンホール
４０…光検出器
４２…画像処理ユニット
４２ａ…画像メモリ
４４…Ｚ方向移動制御回路
４６…モニタ
【図１】
2004020443.tif 000003
【図２】
2004020443.tif 000004
【図３】
2004020443.tif 000005