(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズと試料ステージとの距離を相対的に変化させる制御手段と、
レーザ光を上記対物レンズにより上記試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器に集光し、上記反射光の受光光量に基づいて上記試料の深度情報を検出する検出手段と、
上記試料表面の１次元方向に連続した複数の位置における深度情報を得るために上記レーザ光を走査する走査手段とを備えた共焦点光学系と、
上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で上記試料の外観を観察するための観察用光学系と、
上記観察用光学系からの上記試料の外観を表示するモニタとを備えた光学顕微鏡において、
上記試料は、表面に透明ないし半透明の膜を有しており、
上記制御手段が上記対物レンズと上記試料ステージとの距離を相対的に変化させた時に、上記試料表面の同一位置からの反射光の受光光量の変化に基づいて第１および第２の極大値を求め、上記第１の極大値から上記試料表面位置の膜の表面位置に対応する第１の深度情報を算出し、一方、上記第２の極大値から上記膜の下面位置に対応する第２の深度情報を算出すると共に、上記走査手段が上記レーザ光を走査することによって、上記試料表面の１次元方向に連続した複数位置における上記第１および第２の深度情報を算出する算出手段と、
上記算出手段により算出された上記試料表面の１次元方向に連続した複数位置における第１および第２の深度情報に基づいて、上記試料の１次元方向に連続した膜の断面形状を上記モニタに出力する出力手段と、
を備えたことを特徴とする光学顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、上記算出手段は上記第１および第２の深度情報から膜厚を算出する機能を更に備えた光学顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、上記算出手段は、上記試料表面の一次元方向に連続した複数の位置について、上記膜厚を算出する機能を更に備えた光学顕微鏡。
【請求項４】
請求項１、２もしくは３において、上記算出手段は、上記試料ステージから上記対物レンズまでの距離によって定まる今回の測定位置が前回までの第１最大受光光量に対応する測定位置から所定の範囲にある場合に、上記第１最大受光光量と今回測定した測定光量とを比較して、当該測定光量が第１最大受光光量以上またはそれを超える場合に、今回の測定光量および当該測定位置を第１記憶部に更新記憶させて上記第１の極大値および第１の深度情報を算出し、
一方、今回の測定位置が前回までの第１最大受光光量に対応する測定位置から所定の範囲外である場合に、当該所定の範囲外における前回までの第２最大受光光量と今回測定した測定光量とを比較して、当該測定光量が第２最大受光光量以上またはそれを超える場合に、今回の測定光量および当該測定位置を第２記憶部に更新記憶させて上記第２の極大値および第２の深度情報を算出することを特徴とする光学顕微鏡。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
上記出力手段は、上記観察用光学系による画像と上記断面形状の情報とを重ね合わせて、上記モニタに出力することを特徴とする光学顕微鏡。
【請求項６】
請求項２もしくは３において、膜を構成する材料の屈折率に対応する補正係数を記憶する補正係数記憶部を更に備え、上記算出手段が上記補正係数に基づいて上記第１および第２の深度情報から補正された膜厚を算出することを特徴とする光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は試料の深度の測定機能を備えた光学顕微鏡による膜厚の測定に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、試料（被写体）の外観を観察するための観察用光学系と、レーザ光の反射光の強度を測定して試料の深度に関する情報を検出する共焦点光学系とを備えた光学顕微鏡が知られている（たとえば、特開平１−１２３１０２号、同−２７７８１２号公報参照）。この種の顕微鏡は、試料の拡大像だけでなく、試料の深度も含めた三次元的なデータが得られ、半導体集積回路のような微細な構造を知る上で有用である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、試料によっては試料表面に透明ないし半透明の膜を有していることがあり、その膜厚や膜の断面形状を知りたい場合がある。かかる場合、従来の光学顕微鏡では、膜厚を測定することができず、別途、膜厚計を購入しなければならない。
【０００４】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、試料の外観を観察することができると共に、深度に関する情報が得られ、かつ、膜厚の測定や膜の断面形状の表示を行うことができる光学顕微鏡を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、対物レンズと試料ステージとの距離を相対的に変化させる制御手段と、レーザ光を上記対物レンズにより上記試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器に集光し、上記反射光の受光光量に基づいて上記試料の深度情報を検出する検出手段と、上記試料表面の１次元方向に連続した複数の位置における深度情報を得るために上記レーザ光を走査する走査手段とを備えた共焦点光学系と、上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で上記試料の外観を観察するための観察用光学系と、上記観察用光学系からの上記試料の外観を表示するモニタとを備えた光学顕微鏡において、上記試料は、表面に透明ないし半透明の膜を有しており、上記制御手段が上記対物レンズと試料ステージとの距離を相対的に変化させた時に、上記試料表面の同一位置からの反射光の受光光量の変化に基づいて第１および第２の極大値を求め、上記第１の極大値から上記試料表面位置の膜の表面位置に対応する第１の深度情報を算出し、一方、上記第２の極大値から上記膜の下面位置に対応する第２の深度情報を算出すると共に、上記走査手段が上記レーザ光を走査することによって、上記試料表面の１次元方向に連続した複数位置における上記第１および第２の深度情報を算出する算出手段と、上記算出手段により算出された上記試料表面の１次元方向に連続した複数位置における第１および第２の深度情報に基づいて、上記試料の１次元方向に連続した膜の断面形状をモニタに出力する出力手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００６】
【作用】
本発明は、上記共焦点光学系の検出器として焦点位置にイメージセンサを配設し、上記試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサにおける１つの受光素子の受光光量の２つのピーク位置に基づいて膜厚を求める。
本発明の原理を図１３を用いて説明する。
図１３（ａ）のように、共焦点光学系１は、対物レンズ１８の２つの焦点位置に、試料ｗおよびイメージセンサ１９を配設しており、試料ｗの表面ｗｆに焦点が合ったとき、レーザ１０からの反射光Ｌ１がイメージセンサ１９上で結像するから、イメージセンサ１９の１つの受光素子における受光光量が著しく大きくなる。一方、図１３（ｂ）のように、試料ｗが透明または半透明の膜ｗ１を有していると、試料ｗの表面ｗｆにおいてレーザ光Ｌ１が反射すると共に、図１３（ｃ）の試料ｗにおける膜ｗ１の下面ｗａにおいてもレーザ光Ｌ１が反射するから、この下面ｗａに焦点が合ったときにも、図１３（ａ）のイメージセンサ１９の１つの受光素子における受光光量が著しく大きくなる。したがって、試料ｗを対物レンズ１８に対して相対的に上下動させたときのイメージセンサ１９における同一の受光素子の受光光量の変化から、受光光量がピークとなる２つのピーク位置を知ることができる。これらのピーク位置は、図１３（ｃ）の膜ｗ１の表面ｗｆおよび下面ｗａの位置に対応するから、図５（ｂ）の２つのピーク位置Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 間の距離から試料ｗの膜厚を測定することができる。
なお、本明細書において、「受光光量がピークとなる」とは、「受光光量が極大値となる」ということを意味し、ピーク位置とは、受光光量が極大値を呈するときの試料ステージの対物レンズに対する相対高さ（測定位置）をいう。
【０００７】
光学顕微鏡は、イメージセンサにおける同一の受光素子の受光光量の変化を記憶する光量記憶部を備え、この光量記憶部の内容に基づいて受光光量の２つのピーク位置に関する情報をモニタに表示してもよい。
【０００８】
光学顕微鏡は、試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサにおける１つの受光素子の受光光量の変化に基づいて受光光量がピークとなる２つのピーク位置を求めるピーク位置検出部を備えていてもよい。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
図１ないし図６は、本発明の第１実施例を示す。
図１において、光学顕微鏡は、共焦点光学系１と観察用光学系２とを備えている。
【００１０】
まず、共焦点光学系１について説明する。
共焦点光学系１は、試料ｗの深度（深さ，膜厚）に関する情報を検出するもので、たとえば赤色のレーザ光Ｌ１を出射するＨｅ−Ｎｅレーザ１０を光源としている。このレーザ１０の光軸上には、ビームエキスパンダ１１、ガルバノミラー１２およびｆθレンズ１３が設けられている。レーザ光Ｌ１はｆθレンズ１３により点光源となり、この点光源となったレーザ光Ｌ１の光軸上には、ビームスプリッタ１４、１／４波長板１５、第１のハーフミラー１６、結像レンズ１７および対物レンズ１８が、順次配設されている。上記対物レンズ１８は、レボルバ（図示せず）により切換が可能で、複数種類の倍率を選択できるようになっている。
【００１１】
対物レンズ１８の焦点位置の付近には、対物レンズ１８に対して上下動する試料ステージ３０が配設されており、対物レンズ１８はレーザ光Ｌ１を試料ｗの表面に集光させる。レーザ光Ｌ１は試料ｗで反射され、対物レンズ１８、結像レンズ１７を透過する。この結像レンズ１７の焦点位置には、たとえばＣＣＤラインセンサのような一次元イメージセンサ１９が配設されており、結像レンズ１７を透過したレーザ光Ｌ１は、第１のハーフミラー１６およびビームスプリッタ１４で反射されて、一次元イメージセンサ１９の表面に集光する。前述のガルバノミラー１２は、図示しない駆動装置により回転駆動され、レーザ光Ｌ１を偏向させることで、試料ｗへの集光位置を紙面に直交する方向Ｙに一次元的に走査する。この走査方向Ｙに対応する方向に一次元イメージセンサ１９の長手方向Ｙが設定されている。
【００１２】
つぎに、観察用光学系２について説明する。
観察用光学系２は、試料ｗの外観を拡大して観察するためのもので、たとえば白色光Ｌ２を出射するランプ２０を光源（観察用光源）としている。ランプ２０の光軸上には、集光レンズ２１および第２のハーフミラー２３が配設されており、第２のハーフミラー２３において観察用光学系２の光軸と共焦点光学系１の光軸とが合致するように、観察用光学系２が配設されている。
【００１３】
上記第２のハーフミラー２３は対物レンズ１８の光軸上にあり、白色光Ｌ２は試料ｗの表面の所定の領域に集光されて照射される。試料ｗで反射された白色光Ｌ２１は、対物レンズ１８、結像レンズ１７および第１のハーフミラー１６を通過して、ＣＣＤカメラ２４に入射する。ＣＣＤカメラ２４で撮像された画像は、画像信号ｅとして図２のスーパーインポーザ３１を介してモニタ３２に出力されて表示される。
【００１４】
つぎに、図１の共焦点光学系１の駆動回路等について説明する。
同期回路４０は、ステージ制御回路４１、ガルバノ駆動回路４２およびＣＣＤ駆動回路４３に同期信号を出力する。ＣＣＤ駆動回路４３は同期信号を受けた後、一次元イメージセンサ１９の各素子に蓄積された電荷を読出し用クロックパルスに基づいて読み出し、図２のゲイン制御回路４４およびＡ／Ｄコンバータ４５を介して、光量信号ａをマイコン５０に出力する。マイコン５０は、ＣＰＵ５１およびメモリ６０を備えており、後述するように、試料ステージ３０の高さおよび当該高さにおける一次元イメージセンサ１９の受光光量に基づいて試料ｗの深度（高さ）に関する情報を求める。なお、５２はキーボードである。
【００１５】
上記メモリ６０は、図３（ａ）に示すピーク光量記憶部６１およびピーク位置記憶部６２を備えている。上記各記憶部６１，６２は、それぞれ、一次元イメージセンサ１９の受光素子の数に対応した記憶素子６１0 〜６１n および６２0 〜６２n を有している。
【００１６】
つぎに、深さ測定の原理を簡単に説明する。
図１の共焦点光学系１において、前述の一次元イメージセンサ１９は、結像レンズ１７の焦点位置に配設されており、一方、一次元イメージセンサ１９の各素子は極めて微小であるから、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上で焦点を結ぶと、その反射光Ｌ１が一次元イメージセンサ１９上で結像し、一次元イメージセンサ１９の１つの受光素子における受光光量が著しく大きくなり、逆に、レーザ光Ｌ１が試料ｗ上で拡がっていると、その反射光Ｌ１も一次元イメージセンサ１９上で拡がるので、当該素子の受光光量が著しく小さくなる。したがって、試料ステージ３０を上下方向つまりＺ軸方向に上下させると、その受光光量Ｉは、図３（ｂ）のように変化して、ピントの合ったＺ軸の位置で、つまりピーク位置Ｚｐにおいて最大となる。このピーク位置Ｚｐを一次元イメージセンサ１９の各素子について求めることにより、図３（ｃ）のように、紙面に垂直な方向Ｙ（図１）についての深さの情報、つまり、試料ｗの１つの断面における表面形状を求めることができる。なお、図１の一次元イメージセンサ１９にはランプ２０の観察光Ｌ２１が入射するが、本実施例では一次元イメージセンサ１９が観察光Ｌ２１を感じない時間（５msec) だけ、ＣＣＤ駆動回路４３が一次元イメージセンサ１９に電荷を蓄積させることで、観察光Ｌ２１によるノイズを除去している。
【００１７】
つぎに、深さの測定方法について説明する。
図４において、まず、ステップＳ１でガルバノミラー１２を駆動させて、レーザ光Ｌ１を走査し、ステップＳ２で、一次元イメージセンサ１９において受光した光量およびＺ軸の位置をメモリ６０の各記憶部６１，６２に記憶させる。つづいて、ステップＳ３で試料ステージ３０を１段階下降させた後、ステップＳ４に進み、再び、レーザ光Ｌ１を走査して、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、今回測定した光量がピーク光量記憶部６１の各記憶素子６１i に記憶されている光量よりも大きいか否かを各素子についてＣＰＵ５１が判断し、大きければステップＳ６に進んで、測定光量とＺ軸の位置を書き換える。一方、小さければステップＳ７に進む。ステップＳ７では、試料ステージ３０が所定の下降端まで下降したか否かを判断し、下降端でなければステップＳ３に戻り、一方、下降端であれば測定を終了する。
【００１８】
こうして、図３（ａ）の両記憶部６１および６２には、それぞれ、ピークの光量Ｉi とピーク位置Ｚｐi が記憶される。この後、ピーク位置Ｚｐi の情報は、図２のマイコン５０のイメージＲＡＭ６４に書き込まれてイメージとなり、マイコン５０はイメージ（図３（ｃ））をスーパーインポーザ３１に出力する。スーパーインポーザ３１は、ＣＣＤカメラ２４の画像と上記断面情報（イメージ）を重ね合わせ、モニタ３２に出力する。これにより、オペレータは試料ｗの拡大画像と共に一つの断面における断面情報を知ることができる。
【００１９】
つぎに、本発明の要部について説明する。
上記マイコン５０は、指定座標の光量記憶部６３および補正係数記憶部６５を備えている。この光量記憶部６３は、膜厚測定モードにおいて、図１の試料ステージ３０を対物レンズ１８に対して上下動させたときのイメージセンサ１９における１つの受光素子、つまり、指定されたＹ座標に対応する受光素子の受光光量の変化を記憶するものである。上記指定座標の光量記憶部６３（図２）は、試料ステージ３０のＺ軸方向の（ｍ＋１）個の停止位置に対応する数だけ、図５（ａ）のように、光量記憶素子６３0 〜６３m を有しており、試料ステージ３０の高さごとの受光光量を記憶する。
【００２０】
上記イメージＲＡＭ６４（図２）は、前述の図３（ｃ）のように、イメージセンサ１９の長手方向Ｙに対する試料ステージ３０の高さ（深さ）の変化をイメージで記憶する。また、イメージＲＡＭ６４は、図５（ａ）の光量記憶素子６３0 〜６３m に記憶された試料ステージ３０の高さの変化に対する受光光量の変化を、図５（ｂ）のように、直角座標上のイメージに変換した状態で記憶する。このイメージＲＡＭ６４の記憶内容は、図２のマイコン５０により、スーパーインポーザ３１を介して、モニタ３２に表示される。
【００２１】
ＣＰＵ５１には膜厚算出部５３が内蔵されている。この膜厚算出部５３は、図５（ｂ）のように、モニタ３２に表示された直角座標上の試料ステージ３０の２つのＺ座標Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 を指定されることで、指定された２つのピーク座標（ピーク位置）Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 間の距離に対応する膜厚Ｔを下記の(1) 式に従って算出する。
Ｔ＝Ｃ・ｎ（Ｚｐ2 −Ｚｐ1 ）              …(1)
Ｃ：定数
ｎ：屈折率
【００２２】
上記定数Ｃと屈折率ｎとの積である補正係数は、図２のメモリ６０の補正係数記憶部６５に記憶されている。なお、補正係数記憶部６５は、屈折率ｎ自体を記憶するものであってもよい。
【００２３】
つぎに、膜厚測定のフローを図６にしたがって説明する。
まず、オペレータはキーボード５２（図２）を操作して膜厚測定モードに設定し、ステップＳ１１において、モニタ３２に表示された試料ｗの外観（平面情報）を見ながら、所望のＹ座標をカーソルで選択する。つづいて、ステップＳ１２に進み、レーザ光Ｌ１を走査し、ステップＳ１３で指定座標の光量記憶部６３の１つの記憶素子６３i （ｉ＝０…ｍ）に受光光量が記憶される。ステップＳ１４では試料ステージ３０が下降端であるか否かが判断され、下降端でなければ、ステップＳ１５で試料ステージ３０を１段階下降させ、ステップＳ１２に戻って、ステップＳ１２からステップＳ１５を繰り返すことで、図５（ａ）の光量記憶部６３の各記憶素子６３0 〜６３m に順次光量が記憶される。一方、図６のステップＳ１４で試料ステージ３０が下降端であると判断された場合は、ステップＳ１６に進む。
【００２４】
ステップＳ１６では、光量記憶部６３内の記憶内容がイメージＲＡＭ６４に書き込まれて、マイコン５０が図５（ｂ）の直角座標のイメージ情報をスーパーインポーザ３１を介してモニタ３２に出力する。図６のステップＳ１７では、オペレータが図５（ｂ）のような映像からピークの座標Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 をカーソルで指定し入力する。つづいて、図６のステップＳ１８に進み、前述の(1) 式に基づいて膜厚Ｔが算出され、ステップＳ１９において、当該膜厚Ｔが数値でモニタ３２に表示される。
【００２５】
このように、この光学顕微鏡では、マイコンのソフトウェアを追加ないし変更することで、膜厚測定機能を付加したので、別途、膜厚計を購入するのと異なり大幅なコストダウンを図り得る。
【００２６】
ところで、膜等の屈折率は空気よりも大きいので、図１３（ｃ）のレーザ光Ｌ１が膜ｗ１の表面ｗｆで屈折するから、本実施例では、前述の(1) 式において、見かけの厚みｔに屈折率ｎを乗算することで、実際の膜厚Ｔを求めている。
【００２７】
なお、補正係数は、屈折率ｎを図２のキーボード５２から入力することで、補正係数記憶部６５に記憶させてもよいが、予め膜厚が既知の標準試料ｗについて本光学顕微鏡を用いて膜厚測定を行うことで補正係数（Ｃ・ｎ）を求め、求めた補正係数を補正係数記憶部６５に記憶させてもよい。また、膜厚が所定の範囲内に入っているか否かにより試料ｗの合否の判定を行う場合には、補正係数記憶部６５を備えていなくてもよく、したがって、本発明の範囲に含まれる。
【００２８】
また、本発明においては、ピーク位置に基づいて膜厚に関する情報を表示すればよく、たとえば、図５（ｂ）の直交座標やピーク位置の座標自体を表示し、膜厚の算出はオペレータが行うものであってもよい。
【００２９】
ところで、上記第１実施例では、オペレータがモニタを見てピークのＺ座標（ピーク位置）Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 を入力設定することとしたが、上記ピーク位置をマイコン５０により求めてもよい。この一例を図７の第２実施例に示す。
【００３０】
図７において、ＣＰＵ５１はピーク位置検出部５４を備えている。このピーク位置検出部５４は、図５（ａ）の光量記憶部６３に記憶された内容から受光光量がピークとなる２つのピーク位置Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 （図５（ｂ））を求めるもので、たとえば、光量記憶部６３の連続する４つの光量記憶素子６３i 〜６３i+4 に記憶された受光光量を順次比較して、受光光量の変化からピーク位置Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 を求め、図７の膜厚算出部５３に出力する。膜厚算出部５３は、上記ピーク位置検出部５４からのピーク位置Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 と、前述の(1) 式に基づいて膜厚を算出する。
【００３１】
また、上記実施例では、指定座標の光量記憶部６３に受光光量を記憶させてからピーク位置を求めたが、光量記憶部６３は必ずしも設ける必要はない。たとえば、受光光量の変化を示す波形をスムージングした後、微分し、更にゼロクロス時点を検出して２つのピーク時点（ピーク位置）をピーク検出回路（ピーク位置検出部）により求め、この２つのピーク位置間のクロックパルスをカウントして膜厚を算出してもよい。
【００３２】
また、上記各実施例では、図５（ａ）の光量記憶部６３を１つだけ設けたが、本発明では、図５（ａ）の光量記憶部６３を多数設け、一度の走査で多数の測定点の膜厚や膜の断面形状を図５（ｃ）のように知るようにしてもよい。しかし、こうすると、試料ステージ３０（図１）の停止位置の数に対応した数の光量記憶部６３を設けなければならない。つまり、イメージセンサ１９（図１）の全ての画素（受光素子）について、全ての停止位置に対応する光量データを記憶せねばならず、そのため、メモリの容量が大きくなると共に回路の構成も複雑になるのは避けられない。そこで、以下に、かかる問題を解消した第３実施例を説明する。
【００３３】
図８〜図１２は第３実施例を示す。
まず、第３実施例の構成の説明に先立って、第３実施例のピーク位置検出の測定原理について説明する。
【００３４】
図８は、任意のＹ座標における測定位置Ｚと受光光量Ｉi の関係を模式的に表したものである。この図において、今、座標の左端からの２つの光量Ｉ0 ，Ｉ1 を比較し大きい方の光量ＩM とその測定位置（Ｚ座標）ＺM を記憶する。つぎに、Ｉ2 以後については、記憶された最大受光光量（以下、「最大光量」という。）ＩM と今回の測定光量Ｉi を直ちに比較し、順次、最大光量ＩM および当該測定位置ＺM を更新記憶していく。ピーク位置ＺP1を過ぎると、しばらくの間更新はなされないのであるが、この更新のなされなかった距離（回数）が膜厚Ｔよりも小さい所定値α（たとえばα＝Ｔ／４〜Ｔ／２）だけ続けば、膜厚Ｔは、たとえばＩＣパターンのような試料の場合、予め概略の厚さが分かっているので、第１のピーク位置ＺP1を通過したと考えてよい。つづいて、ＺPi＋αを通過した後は、再び光量Ｉi を座標ＺP1＋α〜Ｚm まで順次比較することにより、第２のピーク位置ＺP2を発見することができる。なお、上記測定位置Ｚは、試料ステージ３０から対物レンズ１８（図１）までの距離によって定まる。
【００３５】
図９は第３実施例のマイコン５０の概略構成を示す。
ＣＰＵ５１は、膜厚算出部５３の他に、比較演算部５４ａを備えている。この比較演算部５４ａには、そのレジスタ５４ｂ内に、今回測定した測定光量Ｉi と当該測定光量Ｉi を測定した測定位置（試料ステージの位置）Ｚi が順次入力される。
【００３６】
メモリ６０は、イメージＲＡＭ６４、補正係数記憶部６５の他に、第１記憶部６６Ａおよび第２記憶部６６Ｂを備えている。第１記憶部は、イメージセンサ１９の画素ごとに第１ピーク光量ＩP1i および第１ピーク位置ＺP1i を記憶させるためのものである。一方、第２記憶部は、イメージセンサ１９の画素ごとに第２ピーク光量ＩP2i および第２ピーク位置ＺP2i を記憶させるためのものである。これらの第１および第２記憶部６６Ａ，６６Ｂの記憶内容は、後述するように、比較演算部５４ａの演算の結果、順次更新されて、最終的に前記ピーク光量およびピーク位置に書き換えられる。なお、比較演算部５４ａ、第１記憶部６６Ａおよび第２記憶部６６Ｂによってピーク位置検出部５４が構成されている。
【００３７】
つぎに、説明を分かり易くするために、任意のＹ座標についてのピーク位置検出の方法について説明する。
まず、図１０のステップＳ３０において、膜厚の予測値が入力されると、ステップＳ３１で走査が開始され、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、測定光量Ｉ0 および当該測定位置Ｚ0 が、それぞれ、第１最大光量ＩM1および測定位置ＺM1として第１記憶部６６Ａに記憶される。つづいて、ステップＳ３３で試料ステージ３０が１段下降し、ステップＳ３４に進んで再びレーザ光Ｌ１が走査され、ステップＳ３５に進む。ステップＳ３５では、レジスタ５４ｂに、今回の測定光量Ｉi および測定位置Ｚi が順次取り込まれ、比較演算部５４ａが測定光量Ｉi と前回までの第１最大光量ＩM1とを直ちに比較する。比較の結果、測定光量Ｉi が第１最大光量ＩM1以上である場合はステップＳ３６に進んで、今回の測定光量Ｉi および測定位置Ｚi を第１最大光量ＩM1および測定位置ＺM1として第１記憶部６６Ａに更新記憶させ、一方、測定光量Ｉi が第１最大光量ＩM1よりも小さい場合には、ステップＳ３７に進む。
【００３８】
ステップＳ３７では、今回の測定位置Ｚi が前回までの第１最大光量ＩM1に対応する測定位置ＺM1に所定値αを加算した値よりも大きいか否かを判断する。この判断の結果、今回の測定位置Ｚi がＺM1＋α以下である場合はステップＳ３３に戻る。以上のステップＳ３３〜Ｓ３７を繰り返すことにより、比較演算部５４ａは、図８の第１ピーク光量ＩP1および第１ピーク位置ＺP1を検出する。つまり、比較演算部５４ａは、測定位置Ｚ0 〜ＺP1＋αの間における第１最大光量ＩM1および測定位置ＺM1を第１記憶部６６Ａに更新記憶させることで、第１ピーク光量ＩP1および第１ピーク位置ＺP1を検出する。
【００３９】
図１０のステップＳ３７における判断の結果、Ｚi がＺM1＋αよりも大きい場合は、図１１のステップＳ４０に進み、第２ピーク位置ＺP2の検出に入る。
【００４０】
ステップＳ４０では試料ステージ３０が１段下降し、ステップＳ４１でレーザ光が走査され、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、測定光量Ｉi および当該測定位置Ｚi が、それぞれ第２最大光量ＩM2および測定位置ＺM2として第２記憶部６６Ｂに記憶される。つづいて、ステップＳ４３で試料ステージ３０が１段下降し、ステップＳ４４に進んで再びレーザ光Ｌ１が走査され、ステップＳ４５に進む。ステップＳ４５では、レジスタ５４ｂに、今回の測定光量Ｉi および測定位置Ｚi が順次取り込まれ、比較演算部５４ａが、測定光量Ｉi と前回までの第２最大光量ＩM2とを直ちに比較する。比較の結果、測定光量Ｉi が第２最大光量ＩM2以上である場合はステップＳ４６に進んで、今回の測定光量Ｉi および測定位置Ｚi を、それぞれ第２最大光量ＩM2および測定位置ＺM2として第２記憶部６６Ｂに更新記憶させ、一方、測定光量Ｉi が第２最大光量ＩM2よりも小さい場合には、ステップＳ４７に進む。
【００４１】
ステップＳ４７では、試料ステージ３０が所定の下降端まで下降したか否かを判断し、下降端でなければステップＳ４３に戻り、一方、下降端であればピーク位置検出が終了する。以上のステップＳ４３〜Ｓ４７を繰り返すことにより、比較演算部５４ａは図８の第２ピーク光量ＩP2および第２ピーク位置ＺP2を検出する。つまり、比較演算部５４ａは、測定位置ＺP1＋α〜Ｚｍの間における最大光量ＩM2および測定位置ＺM2を第２記憶部６６Ｂに順次更新記憶させることで、第２ピーク光量ＩP2および第２ピーク位置ＺP2を検出する。なお、第１および第２ピーク位置ＺP1，ＺP2に基づいて、膜厚算出部５３で膜厚Ｔを算出してもよいし、後述するように、膜のプロフィール（断面形状）をモニタに表示させてもよい。
【００４２】
このように、本実施例では、予想される膜厚Ｔに対応する所定値α（たとえばα＝Ｔ／４〜Ｔ／２）を用いて、第１および第２のピーク位置ＺP1，ＺP2を検出する領域を区画すると共に、入力された受光光量を比較しながら、順次、第１および第２最大光量ＩM1，ＩM2を記憶させるので、第１および第２記憶部６６Ａ，６６Ｂには、それぞれ、第１および第２最大光量ＩM1，ＩM2および測定位置ＺM1，ＺM2のみを記憶させればよい。したがって、図５（ａ）のように、試料ステージ３０の全ての停止位置における受光光量を記憶する必要がないから、メモリ６０の容量が小さくなると共に回路の構成が簡単になる。
【００４３】
ところで、本発明において、膜の表面ｗｆおよび下面ｗａ（図１３）に対応する２つのピーク位置は、一般に、ピーク光量のうちの最大値および第２番目に大きい値が現れる測定位置Ｚとなる。一方、本発明において、「ピーク位置」とは、受光光量が極大値となる測定位置Ｚを意味するから、ピーク位置が３つ以上現れる場合がある。この場合においては、順次時系列的に、第１番目および第２番目に現れたピーク位置を検出すると、当該２つのピーク位置のピーク光量が、実際のピーク光量のうちの最大値および第２番目に大きい値でないこともある。しかし、そのような場合でもオペレータは、試料のおおよその膜厚や表面の形状を知っているので、かかる既知情報に基づいて測定精度を認識できるから、測定を直ちに誤るおそれはない。また、検出した２つのピーク位置のうちの一方のピーク光量は、ピーク光量のうちの最大値となるから、有用な深度情報となり得る。
【００４４】
したがって、本発明において、ピーク位置検出部５４が検出する２つのピーク位置は、ピーク光量のうちの最大値および第２番目に大きい値を呈した測定位置に限らず、順次、時系列的に現れた第１番目および第２番目の測定位置も含まれる。
【００４５】
つぎに、図１２（ａ）〜（ｃ）を用いて、図５（ｃ）のように、多数のＹ座標についてのピーク位置を、つまり、膜のプロフィールを求める方法について説明する。図１２（ａ）は、走査方向をＹ座標とし、測定位置をＺ座標とし、Ｙ−Ｚ平面に直交する方向に測定光量Ｉi をとって模式的に表したものである。図１２（ｂ）〜（ｃ）は第１記憶部６６Ａの内容を模式的に表したものである。
上記図９の比較演算部５４ａは、レジスタ５４ｂに図１２（ａ）の座標（０，０），（１，０）…（ｉ，０）…（ｎ，０）の光量Ｉi0が順次入力されると、直ちにその光量Ｉi0を第１最大光量ＩM1i として図１２（ｂ）のように順次記憶させると共に、当該最大光量ＩM1i に対応する測定位置ＺM1i を記憶させる。つづいて、試料ステージ３０（図１）が１段下降し、レジスタ５４ｂに座標（ｉ，１）の測定光量が順次入力されると、その測定光量Ｉi1と、前述の第１記憶部６６Ａに記憶させた最大光量ＩM1i とを順次比較し、測定光量Ｉi1が最大光量ＩM1i 以上またはＩM1i を超える場合に測定光量Ｉi1および当該測定位置Ｚi1を第１記憶部６６Ａに更新記憶させる。
【００４６】
その後、試料ステージ３０（図１）が所定値αに相当する分だけ下降する間に、最大光量ＩM1i が更新されないと、当該最大光量ＩM1i を第１ピーク光量ＩP1i と認定し、第１記憶部６６Ａは図１２（ｃ）のように、全てのＹ座標について、第１ピーク光量ＩP1i および第１ピーク位置ＺP1i を記憶した状態となる。
【００４７】
この後、第２ピーク光量ＩP2i および第２ピーク位置ＺP2i も前述の図１１のフローチャートで説明したと同様にして求められる。第１ピーク位置ＺP1i および第２ピーク位置ＺP2i は、図９のイメージＲＡＭ６４にイメージとして記憶され、各々ピーク位置ＺP1i,ＺP2i を連ねた膜のプロフィールが、図５（ｃ）のようにモニタ３２に表示される。
【００４８】
なお、本実施例では、図１０のステップＳ３５および図１１のステップＳ４５において、測定光量Ｉi が第１最大光量ＩM1（または第２最大光量ＩM2）以上であるか否かを判断したが、本発明においては、測定光量Ｉi が第１最大光量ＩM1（または第２最大光量ＩM2）を超えるか否かを判断してもよい。
【００４９】
ところで、上記各実施例では、図１のレーザ光Ｌ１を検出する検出器として一次元イメージセンサ１９を用いて、Ｙ方向にのみレーザ光Ｌ１を走査した。しかし、本発明では、一次元イメージセンサ１９に代えてＣＣＤ固体撮像素子などの二次元イメージセンサを用い、レーザ光Ｌ１をＹ方向およびＸ方向（Ｙ方向に直交する方向）に走査（二次元的に走査）して、試料表面の任意の位置の膜厚を測定可能としてもよい。また、観察用光学系のＣＣＤカメラ２４で共焦点光学系のイメージセンサを兼用してもよい（たとえば、特開平２−２６７５１２号公報参照）。
【００５０】
しかし、上記各実施例のように、レーザ光Ｌ１を、たとえば１つのガルバノミラー１２により一次元的にのみ走査すれば、２枚のガルバノミラーでレーザ光Ｌ１を二次元的に走査したり、試料ステージ３０をＸ，Ｙ方向（二次元的）に駆動させて走査する従来の顕微鏡に比べ、機械的構造が簡単になる。特に、二次元的に走査するものに比べ、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に同期させる必要がなく、Ｙ，Ｚ方向にのみ同期させればよいので、顕微鏡の電気的な構造が著しく簡単になるから、大幅なコストダウンを図ることができる。
【００５１】
なお、上記実施例では、ガルバノミラー１２を駆動してレーザ光Ｌ１を走査したが、本発明では、ポリゴンミラーを用いてもよく、あるいは、試料ステージ３０をＹ方向に駆動してレーザ光Ｌ１の試料ｗへの集光位置を走査してもよい。
【００５２】
また、上記各実施例では、試料ステージ３０を上下動させたが、対物レンズ１８を試料ステージ３０に対して上下動させてもよい。つまり、試料ステージ３０は対物レンズ１８に対して相対的に上下動すればよい。さらに、深さ測定や膜厚測定モードにおいて、試料ステージ３０は、１段階ずつ下降させたが、１段階ずつ上昇させてもよい。
【００５３】
さらに、上記各実施例では、図１の共焦点光学系１および観察用光学系２に結像レンズ１７を設けて無限補正系を採用したが、結像レンズ１７を設けずに有限補正系を採用してもよい。また、本発明では集光レンズ２１と第２のハーフミラー２３との間に、レーザ光Ｌ１の波長とは異なる波長のみを透過させるバンドパス光学フィルタを設けてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料の外観を観察することができると共に深度に関する情報が得られる光学顕微鏡において、共焦点光学系の焦点位置に設けたイメージセンサにおける１つの受光素子の受光光量の変化から、受光光量の２つのピーク位置に基づいて膜厚を測定することができる。しかも、本光学顕微鏡は、元々、共焦点の原理により深さに関する測定を行うことができるものであるから、差程コストもアップしない。
【００５５】
また、試料ステージの高さの変化に対する受光光量の変化を直交座標上のイメージに変換してモニタに表示すれば、オペレータが目視でピーク位置を容易に探し出すことができる。
【００５６】
また、受光光量がピークとなる２つのピーク位置を求めるピーク位置検出部を設ければ、ピーク位置から自動的に膜の厚さやプロフィール（断面形状）を知ることができる。
【００５７】
また、２つのピーク位置を求める際に、入力された受光光量を直ちに比較すれば、メモリの容量を小さくすることができると共に回路の構成を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる光学顕微鏡の光学系を示す概略構成図である。
【図２】同測定回路等を示す概略構成図である。
【図３】深さ測定の原理を説明するための概念図である。
【図４】深さの測定方法を示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は光量記憶部の概念図、（ｂ）は膜がある場合の受光光量の特性図、（ｃ）は膜厚の変化を示す図である。
【図６】膜厚測定モードを示すフローチャートである。
【図７】第２実施例を示す測定回路等の概略構成図である。
【図８】第３実施例のピーク検出の原理を説明するための光量変化を示す概念図である。
【図９】第３実施例のマイコンの概略構成図である。
【図１０】第１ピーク位置の検出方法を示すフローチャートである。
【図１１】第２ピーク位置の検出方法を示すフローチャートである。
【図１２】第３実施例のピーク検出の原理を説明するための概念図である。
【図１３】共焦点光学系による膜厚測定の原理を示す概念図である。
【符号の説明】
１：共焦点光学系
１８：対物レンズ
１９：（一次元）イメージセンサ
２：観察用光学系
２０：観察用光源
３０：試料ステージ
３２：モニタ
５３：膜厚算出部
５４：ピーク位置検出部
６３：（指定座標の）光量記憶部
６４：イメージＲＡＭ
６５：補正係数記憶部
Ｌ１：レーザ光
Ｌ２：白色光
Ｚｐ1 ，Ｚｐ2 ：ピーク位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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