(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試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点光学系とを備えたレーザ顕微鏡において、
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変化に基づいて当該同一位置における受光光量の極大値を求め、上記極大値から上記試料表面位置の深度情報を算出する算出手段と、
上記試料表面の複数位置における各々の深度情報を上記算出手段から得ることにより上記試料の表面形状を表示するモニタと、
上記光検出器が受光する受光光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、
上記受光光量の極大値と上記下限レベルとを比較して、上記受光光量の極大値が上記下限レベルよりも大きい場合には真と判別し、一方、上記受光光量の極大値が上記下限レベルよりも小さい場合には偽と判別する判別手段と、
上記試料表面の各位置での表面形状を表示する際に、上記試料表面の各位置における上記判別手段の判別結果に基づいて、上記判別結果が上記真である場合の第１の表示と上記偽である場合の第２の表示とをそれぞれ異なる表示で上記モニタに出力する出力手段と、
を備えているレーザ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、上記偽である場合の第２の表示では、演算して推定された表面形状が表示されることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１において、上記偽である場合の第２の表示では、上記試料の表面形状が表示されないことを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１もしくは２において、上記第１の表示と上記第２の表示とでは、線種が互いに異なることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項５】
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試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点光学系とを備えたレーザ顕微鏡において、
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変化に基づいて当該同一位置における受光光量の極大値を求め、上記極大値から上記試料表面位置の深度情報を算出する算出手段と、
上記試料表面の複数位置における各々の深度情報を上記算出手段から得ることにより上記試料の表面形状を表示するモニタと、
上記光検出器が受光する受光光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、
上記光検出器が受光する受光光量の上限レベルを記憶する上限レベル記憶部と、
上記受光光量の極大値と上記下限レベルおよび上限レベルとを比較して、上記受光光量の極大値が上記下限レベルよりも大きく上記上限レベルより小さい場合には真と判別し、一方、上記受光光量の極大値が上記下限レベルよりも小さい場合には偽と判別する判別手段と、
上記試料表面の各位置での表面形状を表示する際に、上記試料表面の各位置における上記判別手段の判別結果に基づいて、上記判別結果が上記真である場合の第１の表示と上記偽である場合の第２の表示とをそれぞれ異なる表示で上記モニタに出力する出力手段と、
を備えているレーザ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１ないし５において、
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一定とし、上記試料表面の同一位置からの反射光を上記光検出器で受光する時に、上記レーザ光の光量を変化させることにより上記光検出器の受光光量を変化させる第１の光量可変手段を更に備えたレーザ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１ないし５において、
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一定とし、上記試料表面の同一位置からの反射光を上記光検出器で受光する時に、上記光検出器の電子シャッタにより電荷蓄積時間を変化させることにより上記光検出器の受光光量を変化させる第２の光量可変手段を更に備えたレーザ顕微鏡。
【請求項８】
請求項５において、上記判別の結果、上記上限レベルと同一の受光光量の極大値がある場合には、上記受光光量が飽和していることをモニタに表示させることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、上記レーザ光とは異なる観察用光源からの光で試料の外観を観察するための観察用光学系を更に備え、
上記観察用光学系による映像と上記断面形状の表示とを重ねた表示が上記モニタに表示されることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【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レーザ顕微鏡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レーザ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。共焦点の光学系の一例を図１６に示す。
【０００３】
図１６において、レーザ１０からのレーザ光Ｌ１は、ビームスプリッタ１４により反射されて対物レンズ１８により試料ｗの表面ｗｆに集光され、その反射光Ｌ１がイメージセンサ１９に入射する。ここで、共焦点光学系１は、対物レンズ１８の２つの焦点位置に、上記試料ｗとイメージセンサ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。したがって、試料ｗをＺ軸方向に移動させて、受光光量がピークとなるピーク位置を測定すれば、試料ｗの表面ｗｆの深さ方向の情報が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７（ａ）の平面図および（ｂ）の断面図に示すように、試料ｗの表面に大きな角度の傾斜部ｗｓがある場合には、レーザ光の反射光が対物レンズ１８（図１６）に戻らない。そのため、傾斜部ｗｓでは、図７（ｄ）のようにピークの受光光量（以下、「ピーク光量」という。）Ｉｐが著しく小さくなって、Ｓ／Ｎ比の低下などにより、傾斜部ｗｓにおける測定精度が、図７（ｃ）のように著しく低下する。ここで、測定データが実物と明らかに異なる場合はオペレータが判断できるが、不明瞭な場合は、誤った測定データを本物として信用するという不都合がある。
【０００５】
また、図１０（ａ）のように、試料ｗの表面に反射率が互いに大きく異なる暗い部分ｗｄと、明るい部分ｗｌとが、混在している場合がある。この場合、明暗の部分ｗｄ，ｗｌで、ピーク光量Ｉｐのレベルが、図１０（ｂ）のように大きく異なり、ＣＣＤラインセンサのようなイメージセンサのダイナミックレンジの幅ＩMIN 〜ＩMAX を超える。従来、このような場合には、暗い部分ｗｄまたは明るい部分ｗｌの一方の測定精度を犠牲にして測定を行っている。
【０００６】
また、試料の表面に反射率の大きい部分がある場合にも、以下に説明するように、形状の認識を誤る場合がある。
図１７は、Ｚ軸に対する受光光量Ｉの変化を示す特性図である。反射率の大きい部分の受光光量Ｉは大きいから、図１７（ａ）に示すように、ピーク光量がダイナミックレンジの最大値ＩMAX に達し、かつ、２箇所以上（Ｚi 〜Ｚ2 ）にピーク光量が現れる場合がある。このような場合、座標Ｚ1 〜Ｚ2 の平均値をピーク位置ＺP としている。
【０００７】
しかし、図１７（ｂ）の破線で示すように、実際のピーク位置ＺP 1 が一方の座標Ｚ1 に偏っている場合もある。そのため、この場合には、求めたピーク位置ＺP と実際のピーク位置ＺP 1 とは異なっている。したがって、試料表面の形状の認識を誤るおそれがある。
【０００８】
このように、従来のレーザ顕微鏡では、イメージセンサの受光光量が著しく小さい場合や大きい場合に、試料の表面形状を誤って認識したり、正確に認識できないという問題があった。
【０００９】
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、光検出器のピーク光量が小さくなるような表面または大きくなるような表面を有する試料についても、表面形状を誤ることなく把握し得るレーザ顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ顕微鏡は、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試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点光学系とを備えたレーザ顕微鏡において、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変化に基づいて当該同一位置における受光光量の極大値を求め、上記極大値から上記試料表面位置の深度情報を算出する算出手段と、上記試料表面の複数位置における各々の深度情報を上記算出手段から得ることにより上記試料の表面形状を表示するモニタと、上記光検出器が受光する受光光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、上記受光光量の極大値と上記下限レベルとを比較して、上記受光光量の極大値が上記下限レベルよりも大きい場合には真と判別し、一方、上記受光光量の極大値が上記下限レベルよりも小さい場合には偽と判別する判別手段と、上記試料表面の各位置での表面形状を表示する際に、上記試料表面の各位置における上記判別手段の判別結果に基づいて、上記判別結果が上記真である場合の第１の表示と上記偽である場合の第２の表示とをそれぞれ異なる表示で上記モニタに出力する出力手段と、を備えている。
【００１１】
本発明の特徴は、光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、ピーク光量を上記下限レベルと比較してピーク光量が下限レベルよりも大きいか否かを判別する判別手段とを備えていることである。ここで、ピーク光量とは、試料表面上の同一の位置についての受光光量の極大値をいう。
本発明によれば、図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐが所定の下限レベルＩDCよりも小さいか否かを判別し得る。したがって、光量が小さいために図７（ｃ）のピーク位置Ｚｐの情報が不確かな部分Ａについては、たとえば図７（ｅ）のようにデータを表示せずに、確かなピーク位置、つまり、試料の１つの断面における確かな表面形状（以下、単に「表面形状」という。）のみをモニタに表示することができる。
【００１２】
本発明にかかるレーザ顕微鏡の１つの実施例においては、まず、対物レンズに対して相対的に上下動する試料ステージと、レーザ光を対物レンズにより試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点光学系とを備え、ピーク光量の生じたピーク位置に基づいて試料の深度に関する情報をモニタに表示する。本実施例の特徴は、光量の下限レベルを記憶する下限レベル記憶部と、ピーク光量を下限レベルと比較してピーク光量が下限レベルよりも大きいか否かを判別する下限判別手段と、光量の上限レベルを記憶する上限レベル記憶部と、ピーク光量を上限レベルと比較してピーク光量が上限レベルよりも小さいか否かを判別する上限判別手段と、両判別の結果、下限レベルから上限レベルまでの間のピーク光量に対応するピーク位置に基づいたイメージを記憶するイメージＲＡＭと、同一の試料ステージの位置および試料への同一の照射位置において上記光検出器への受光光量を変化させる光量可変手段とを備えていることである。
【００１３】
この実施例によれば、同一の試料ステージの位置において光検出器への受光光量を変化させる光量可変手段を備えているので、同一の試料について図１０（ｃ）および図１０（ｄ）のように、光量を変えて２種類の測定を行い、２種類の測定結果のうち、ピーク光量が上下限レベルＩMAX ，ＩMIN の間の情報のみを選択して組み合わせることができるから、ダイナミックレンジの範囲内で測定することができる。したがって、明暗の差が大きい試料についてもピーク位置、つまり、形状を正確に求めることができる。
【００１４】
本発明にかかるレーザ顕微鏡の別の実施例においては、まず、対物レンズに対して相対的に上下動する試料ステージと、レーザ光を対物レンズにより試料の表面に集光すると共に、その反射光を光検出器表面に集光して受光させる共焦点光学系とを備え、ピーク光量の生じたピーク位置に基づいて試料の深度に関する情報をモニタに表示する。本実施例の特徴は、光量の上限レベルを記憶する上限レベル記憶部と、ピーク光量を上限レベルと比較してピーク光量が上限レベルよりも小さいか否かを判別する上限判別手段と、同一の試料ステージの位置および試料への同一の照射位置において光検出器での受光光量を変化させる光量可変手段とを備えていることである。
【００１５】
この実施例によれば、ピーク光量がダイナミックレンジの最大値と等しくなった場合は、これを上限判別手段により判別することができるから、その旨を所定の表示でモニタに出力して、オペレータに認識させることができる。したがって、このような場合には、光量可変手段により、照射する光量を小さくして、ピーク光量をダイナミックレンジの最大値よりも小さくすることで、ダイナミックレンジの範囲内で測定することができる。
【００１６】
【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４は、本発明の第１実施例を示す。
図１において、レーザ顕微鏡は、共焦点光学系１と観察用光学系２とを備えている。
【００１７】
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。
【００１８】
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角な方向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。
【００１９】
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。
【００２０】
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（撮像装置）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。
【００２１】
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、一次元イメージセンサ１９の受光光量と試料ステージ３０の高さに基づいて試料ｗの深度（高さ）に関する情報を求める。なお、７０はキーボードである。
【００２２】
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。
【００２３】
また、図２の上記メモリ６０は、下限レベル記憶部６３およびイメージＲＡＭ６４を備えている。上記下限レベル記憶部６３は、図３（ａ）のピーク光量記憶部６１の各記憶素子６１i （ｉ＝０〜ｎ）に記憶されたピーク光量ＩPiが、所定の下限レベルよりも大きいか否かの基準となる図３（ｂ），（ｄ）のダークカットレベルＩDCを記憶している。上記イメージＲＡＭ６４は、図３（ａ）のピーク位置記憶部６２の各記憶素子６２i に記憶されたピーク位置Ｚpiをモニタ３２に表示するために、図３（ｅ）のように、イメージで記憶する。
【００２４】
図２の上記ＣＰＵ５１は、ピーク検出手段５２、下限判別手段５３および書込手段５４を備えている。
上記ピーク検出手段５２は、今回測定した光量が図３（ａ）のピーク光量記憶部６１の各記憶素子６１i に記憶されている光量（前回までに測定した光量のうち最大の光量）よりも大きいか否かをイメージセンサ１９（図１）の各素子について判断し、大きければ測定光量とピーク位置（Ｚ軸）とを書き換えることで、最終的にピーク光量Ｉｐi およびピーク位置Ｚｐi を両記憶部６１，６２に記憶させて検出するものである。
【００２５】
上記下限判別手段５３（図２）は、一回の走査において、ピーク光量記憶部６１の各記憶素子６１i に記憶されたピーク光量Ｉｐi と、下限レベル記憶部６３（図２）に記憶された図７（ｄ）のダークカットレベルＩDCとを比較して、当該ピーク光量Ｉｐi がダークカットレベルＩDCよりも大きいか否かを判別し、その判別結果を図２の書込手段５４に出力する。
【００２６】
上記書込手段５４は、下限判別手段５３からの判別結果に基づいて、任意のピーク位置Ｚｐi におけるピーク光量Ｉｐi がダークカットレベルＩDCよりも大きい場合にのみ、当該ピーク位置Ｚｐi を連ねた図３（ｅ）のようなイメージをイメージＲＡＭ６４（図２）に書き込む。
【００２７】
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（試料ステージ３０の高さ）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、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。
【００２８】
ここで、図７（ｃ）のイメージは、図７（ｂ）の試料ｗの断面における表面形状を測定したものであるが、傾斜部ｗｓの部分の形状が実際の形状と大きく異なっている。その理由は、図７（ｂ）の傾斜部ｗｓの部分では、図３（ｄ）のように、レーザ光Ｌ１の反射光が十分に得られず、たとえば、ノイズなどによりピーク位置Ｚｐの検出を誤ることがあるためである。したがって、図３（ａ）のピーク光量記憶部６１に記憶された図７（ｄ）のピーク光量ＩｐをダークカットレベルＩDCと比較し、このダークカットレベルＩDCよりも光量の小さい部分についてデータをカットすれば、図７（ｅ）のように、一部のデータが欠落しているが、実際の表面形状が得られる。
【００２９】
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（前回までの最大受光光量）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、下降端であれば走査を終了する。こうして、図３（ａ）の両記憶部６１および６２には、それぞれ、図７（ｄ），（ｃ）のように、ピーク光量Ｉｐi とピーク位置Ｚｐi が記憶される。
【００３０】
その後、図４のステップＳ８に進み、下限判別手段５３（図２）が図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐi とダークカットレベルＩDCとを比較し、その比較結果を書込手段５４（図２）に出力する。つづいて、図４のステップＳ９に進み、図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐi がダークカットレベルＩDCよりも大きいピーク位置Ｚｐi についてのみ、当該ピーク位置Ｚｐi を連ねた図７（ｅ）のようなイメージをイメージＲＡＭ６４に書き込む。この後、図４のステップＳ１０に進んで、図２のマイコン５０はイメージ（図７（ｅ））をスーパーインポーザ３１に出力する。
【００３１】
スーパーインポーザ３１は、ＣＣＤカメラ２４の画像と上記深度情報を重ね合わせ、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確かな表面形状を知ることができる。したがって、表面形状を誤って認識するおそれがない。
【００３２】
ところで、本発明では、図３（ｅ）のように、確かなイメージ情報のみをモニタに出力してもよいが、図３（ｆ）のように、不確かな情報と確かな情報とを、たとえば破線と実線などのように、区別して表示してもよい。つまり、図２の書込手段５４は、下限判別手段５３からの判別結果に基づいて、ピーク光量がダークカットレベルＩDCよりも大きいピーク位置については、図３（ｆ）のようにモニタ３２による表示が実線となるようにイメージＲＡＭ６４（図２）に書き込み、一方、ピーク光量がダークカットレベルＩDCよりも小さいピーク位置については、モニタ３２（図２）による表示が破線となるようにイメージＲＡＭ６４（図２）に書き込んでもよい。
【００３３】
図５および図６は本発明の第２実施例を示す。
この第２実施例では、図５のＣＰＵ５１が形状演算手段５５を備えている点において上記第１実施例と異なる。この形状演算手段５５は、図７（ｃ）の任意のピーク位置Ｚｐi について、図７（ｄ）のピーク光量Ｉｐi がダークカットレベルＩDCよりも小さい場合に、当該ピーク位置（図７（ｃ）のＡの部分）については、図６（ｂ），（ｃ）のように、推定した試料の形状を演算するものである。
【００３４】
この演算方法の一例を簡単に説明する。
図６（ａ）において、形状演算手段５５は、下限判別手段５３からの判別結果に基づいて、イメージにおける欠落しているＹ座標の端部の座標Ｙi を求め、更に、このＹ座標Ｙi に対応するＺ座標Ｚi を求める。つづいて、欠落しているＹ座標の間の直線の式Ｙ＝ａＺ＋ｂを、２つの座標（Ｙ1 ，Ｚ1 ）および（Ｙ2 ，Ｚ2 ）から求め、この２つの座標間を図６（ｂ）のように、直線Ｌで結ぶ。
【００３５】
形状演算手段５５は、こうして得た直線Ｌの式およびその値域を図５の書込手段５４に出力する。書込手段５４は、上記直線ＬのイメージをイメージＲＡＭ６４に書き込む。これにより、モニタ３２には、図６（ｂ）のように試料の表面形状が表示される。
【００３６】
なお、この第２実施例においても、前述の第１実施例と同様に、確かな情報と不確かな情報とを、図６（ｃ）のように区別して表示してもよい。
【００３７】
図８〜図１０は本発明の第３実施例を示す。
この第３実施例では、観察用光学系２の集光レンズ２１と第２のハーフミラー２３との間に光学フィルタ２２が介挿されている。この光学フィルタ２２は、白色光Ｌ２のうちレーザ光Ｌ１と同一および近似した波長の光をカットするものである。一方、共焦点光学系１のレーザ１０とビームエキスパンダ１１との間には、ＮＤフィルタ８１が介挿されている。このＮＤフィルタ８１は、レーザ光Ｌ１の透過率が図９の円周方向Ｒに徐々に変化しており、フィルタ駆動モータ８２とで光量可変手段８０を構成している。この光量可変手段８０は、マイコン５０からの光量設定信号ｃを受けてＮＤフィルタ８１を透過するレーザ光Ｌ１の光量を変化させることで、同一の試料ステージ３０の位置および試料ｗの同一の照射位置において、イメージセンサ１９での受光光量を変化させるものである。
【００３８】
マイコン５０は、前述の第１実施例の構成に加えて、ＣＰＵ５１が上限判別手段５６を備えている。一方、メモリ６０は、第１および第２ピーク光量記憶部６１Ａ，６１Ｂと、第１および第２ピーク位置記憶部６２Ａ，６２Ｂと、上下限レベル記憶部６５，６３と、イメージＲＡＭ６４とを備えている。
【００３９】
上記両ピーク光量記憶部６１Ａ，６１Ｂおよび両ピーク位置記憶部６２Ａ，６２Ｂは、それぞれ、第１実施例のピーク光量記憶部６１およびピーク位置記憶部６２と同様の構成である。下限および上限レベル記憶部６３，６５は、それぞれ、一次元イメージセンサ１９の図１０（ｂ）に示すダイナミックレンジの下限値ＩMIN および上限値ＩMAX を記憶している。
【００４０】
図９の上記下限判別手段５３は、下限値ＩMIN を下限レベル記憶部６３から読み出して、ピーク光量Ｉｐi が下限値ＩMIN よりも大きいか否かを判別し、大きければ、そのピーク光量Ｉｐi およびピーク位置Ｚｐi を上限判別手段５６に出力する。上限判別手段５６は、上限値ＩMAX を上限レベル記憶部６５から読み出して、ピーク光量Ｉｐi が上限値ＩMAX よりも小さいか否かを判別し、小さければ、そのピーク光量Ｉｐi に対応するピーク位置Ｚｐi を書込手段５４に出力する。書込手段５４は、上限判別手段５６から入力されたピーク位置Ｚｐi をイメージＲＡＭ６４に書き込む。
【００４１】
つぎに、図１０（ａ）のように、明暗の差が大きい試料ｗについての深さの測定方法を説明する。
まず、図９のマイコン５０からの光量設定信号ｃを受けて、フィルタ駆動モータ８２が駆動し、レーザ光Ｌ１の透過率が低い回転位置までＮＤフィルタ８１が回転する。つづいて、前述の図４のステップＳ１〜Ｓ７と同様にして、第１回目の走査がなされる。この第１回目の走査時には、図９の第１ピーク光量記憶部６１Ａと、第１ピーク位置記憶部６２Ａに、ピーク光量およびピーク位置が記憶される。この第１回目の走査によるピーク光量の変化を図１０（ｃ）に示す。
【００４２】
この後、図９のマイコン５０からの光量設定信号ｃを受けて、レーザ光Ｌ１の透過率が高い回転位置までＮＤフィルタ８１が回転する。つづいて、図４のステップＳ１〜Ｓ７と同様にして、第２回目の走査がなされる。この第２回目の走査時には、図９の第２ピーク光量記憶部６１Ｂと第２ピーク位置記憶部６２Ｂに、ピーク光量およびピーク位置が記憶される。この第２回目の走査によるピーク光量の変化を図１０（ｄ）に示す。
【００４３】
上記２回の走査の後、図９の下限判別手段５３および上限判別手段５６により、第１ピーク光量記憶部６１Ａに記憶されている図１０（ｃ）のピーク光量Ｉｐi がダイナミックレンジの範囲ＩMIN 〜ＩMAX に入っているか否かを判別し、その判別結果に基づいて図９の書込手段５４が範囲ＩMIN 〜ＩMAX に入っているピーク光量に対応するピーク位置をイメージＲＡＭ６４に書き込む。つづいて、同様に、第２ピーク光量記憶部６１Ｂに記憶されている図１０（ｄ）のピーク光量Ｉｐi についても同様な処理がなされる。
【００４４】
これにより、図１０（ａ）の明るい部分ｗｌについては、図１０（ｃ）のＹ0 〜Ｙ1 およびＹ2 〜Ｙ3 のように、小さな光量で測定して、上限値ＩMAX に近いピーク光量Ｉｐを得ることができ、一方、図１０（ａ）の暗い部分ｗｄについては、図１０（ｄ）のＹ2 〜Ｙ3 のように、大きな光量で測定して、やはり上限値ＩMAX に近いピーク光量Ｉｐを得ることができる。したがって、明暗差の大きな表面を有する試料ｗについても、ダイナミックレンジＩMIN 〜ＩMAX の幅内で測定できると共に、上限値ＩMAX に近い値で測定できるから、測定精度が向上する。
【００４５】
ところで、上記実施例では、図８のＮＤフィルタ８１とフィルタ駆動モータ８２とで光量可変手段８０を構成したが、本発明では、ＮＤフィルタ８１単体で光量可変手段８０を構成し、手動でＮＤフィルタ８１を回転させてもよい。また、本発明では、ＣＣＤ駆動回路４３で光量可変手段８０を構成してもよい。つまり、ＣＣＤ駆動回路４３の電子シャッタによりイメージセンサ１９の電荷蓄積時間を変化させることによって受光光量を変化させてもよい。また、レーザ１０として半導体レーザを用いる場合は、レーザの出力自体を変化させてもよい。
【００４６】
図１１ないし図１３は第４実施例を示す。
この第４実施例は、図１２のマイコン５０の構成が前述の第３実施例と異なっているが、図１１の光学系については第３実施例（図８）と同様の構造を備えている。また、本実施例の光量可変手段８０は、ＮＤフィルタ８１と、これを回転させる手動ボリューム８２Ａとで構成されている点において、前述の第３実施例（図８）と異なる。
【００４７】
図１２のマイコン５０のＣＰＵ５１は、ピーク検出手段５２、書込手段５４Ａ、上限判別手段５６および表示制御手段５７を備えている。一方、メモリ６０は、ピーク光量記憶部６１、ピーク位置記憶部６２およびイメージＲＡＭ６４の他に、上限レベル記憶部６５を備えている。これらのうち、ピーク検出手段５２、ピーク光量記憶部６１、ピーク位置記憶部６２およびイメージＲＡＭ６４は、前述の第１実施例と同様の機能を有するものである。
【００４８】
書込手段５４Ａは、ピーク位置記憶部６２に記憶されたピーク位置をＹ方向（図１１）に連ねた表面形状を、つまり、図１３（ｂ）のモニタの画面に示す表面形状をイメージＲＡＭ６４に書き込む。また、図１２の前記書込手段５４Ａは、ピーク光量記憶部６１に記憶されたピーク光量をＹ方向（図１１）に連ねたイメージを、つまり、図１３（ｃ）のモニタの画面に表示するためのピーク光量変化曲線を図１２のイメージＲＡＭ６４に書き込む。
【００４９】
上限レベル記憶部６５は、イメージセンサ１９のダイナミックレンジの上限値、つまり、図１３（ａ）の上限値ＩMAX を記憶している。図１２の上限判別手段５６は、上限値ＩMAX を上限レベル記憶部６５から読み出して、全てのピーク光量ＩPiが上限値ＩMAX よりも小さいか否かを判別し、任意のピーク光量ＩPiが上限値ＩMAX に等しければ、光量飽和信号を表示制御手段５７に出力する。表示制御手段５７は、光量飽和信号が入力されたとき、スーパーインポーザ３１に光量飽和信号を出力して、モニタ３２に光量が飽和している旨を示す記号「＊」を、図１３（ｂ）のように表示させる。
【００５０】
つぎに、本レーザ顕微鏡の使用方法について説明する。
図１３（ａ）のように、ピーク光量がダイナミックレンジの最大値ＩMAX と等しい場合には、図１２の上限判別手段５６がこれを判別し、表示制御手段５７が図１３（ｂ）のモニタの画面に記号「＊」を表示させる。この記号「＊」が表示された場合には、いずれかのＹ座標（レーザ光Ｌ１の走査方向）について光量が飽和しているのであるから、図１３（ｃ）のモニタの画面に示すように、ピーク光量変化曲線を表示させて、飽和しているＹ座標を調べる。該ピーク光量変化曲線において、ピーク光量が最大となっている箇所は、光量が飽和していることになるので、該最大箇所は測定精度が低い。したがって、該ピーク光量の最大箇所が、知りたい箇所であるか否かをオペレータは目視で判断し、深度情報を知りたい箇所でなければ、そのまま測定を終了する。
【００５１】
一方、前記ピーク光量の最大箇所が、深度情報を知りたい箇所である場合は、図１１の光量可変手段８０の手動ボリューム８２Ａを調節して、レーザ光Ｌ１の透過率が低い回転位置までＮＤフィルタ８１を回転させる。その後、小さな光量で再度測定することにより、図１３（ｄ）のように、光量が飽和していない状態でピーク位置ＺP を知り得る。したがって、測定の精度が向上する。
【００５２】
なお、本実施例においても、第３実施例と同様に、任意のピーク光量ＩPiが上限値ＩMAX と等しい場合は、自動的に２回の測定を行わせることにしてもよい。
【００５３】
図１４は第５実施例を示す。
この第５実施例は、マイコン５０に表示制御手段５７Ａを備えている点において、図２の第１実施例と異なっている。図１４（ａ）において、書込手段５４は、前述の下限判別手段５３からの判別結果に基づいて、ピーク光量Ｉｐi がダークカットレベルＩDCよりも大きいピーク位置Ｚｐi についてのみ、当該ピーク位置ＺPiを連ねた図３（ｅ）のようなイメージを、図１４（ａ）のイメージＲＡＭ６４に書き込むもので、本発明の補正手段を構成している。つまり、書込手段５４は、深度に関する情報に対して設定入力された条件に応じた補正を施す手段であり、ダークカットレベルＩDCを基準としたダークカット補正を施す。なお、該ダークカット補正を行うか否かは、キーボード７０から設定入力される。
【００５４】
表示制御手段５７Ａは、スーパーインポーザ３１を介して、上記補正した内容に対応する表示をモニタ３２に表示させる。たとえば、図１４（ｂ）のように、ダークカットレベルＩDCによる補正を行った場合には、モニタの画面の右下部に絵文字Ｄを表示する。この表示Ｄは、スムージングや傾き補正などの他の補正についても行うが、補正の内容によって、表示Ｄを変える。なお、スムージングとは、点（ピーク位置）と他の点を基にして行なう補正をいい、傾き補正とは、試料の表面が傾斜している場合に、その傾斜による影響を除く補正をいう。
【００５５】
こうすることにより、設定した補正の内容を画面から直ちに知ることができる。また、画面の内容をビデオプリンタなどによって紙面に印字した場合などにおいても、紙面に印字された内容から、補正の内容を直ちに知ることができる。
【００５６】
図１５はスーパーインポーザ３１の変形例を示す。
スーパーインポーザ３１には、合成回路３１ａの他に輝度変更回路３１ｂが内蔵されている。輝度変更回路３１ｂは、マイコン５０から入力された文字やイメージのデータを表示する輝度を変更するもので、手動操作ボリューム３１ｃによって輝度が設定される。合成回路３１ａは、輝度変更回路３１ｂからのイメージ等のデータと、ＣＣＤカメラ２４からの外観のデータとを合成して、モニタ３２に表示させる。
【００５７】
ここで、本レーザ顕微鏡は、拡大像をモニタに映し出すので、通常の画面と異なり、拡大像が極めて明るい場合や、逆に暗い場合があるので、拡大像と共に映し出す表面形状が見にくいことがある。これに対し、本変形例のように、輝度変更回路３１ｂを設ければ、背影に映っている拡大像との明暗の差が大きくなるように、表面形状を映し出すことができるから、表面形状の表示が見易くなる。
【００５８】
また、上記各実施例では、光検出器としてイメージセンサ１９を用いたが、本発明ではイメージセンサ１９に代えて、二次元イメージセンサを用いてもよく、あるいは、フォトダイオード（ＰＤ）を用いてもよい。なお、ＰＤを用いる場合は、焦点にピンホールを配設する（たとえば、特開平０１−１２３１０２号公報参照）。また、深さ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。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光検出器で検出したピーク光量が下限レベルよりも大きいか否かを判別するので、下限レベルよりも小さい場合は、当該ピーク光量に対応するピーク位置を連ねたイメージ（表面形状）を表示しないか、あるいは、別の表示をすることができる。したがって、ピーク光量が小さい不確かなデータ（イメージ情報）をオペレータが信用するという不都合を防止し得る。
【００６０】
また、同一の試料ステージの位置および試料への同一の照射位置において、受光光量を変化させる光量可変手段を備えていれば、同一の試料について、２回の走査を行うことで光量の異なる２つのピーク光量を得ることができる。したがって、たとえばＣＣＤのダイナミックレンジの範囲を越えるような明暗の差が大きい試料についても、２回の測定を行うことで、正確に形状を知ることができる。
【００６１】
さらに、光量が飽和していることをモニタに表示させれば、光量を小さくして再測定する必要があるか否かを一見で判別することができる。
【００６２】
また、設定した補正内容に対応する表示をモニタに表示することができるようにすれば、補正の内容を直ちに知ることができると共に、後に、ビデオプリンタなどで出力した場合にも補正の内容を直ちに知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかるレーザ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および表示方法を示す概念図である。
【図４】測定方法を示すフローチャートである。
【図５】第２実施例を示す測定回路等の概略構成図である。
【図６】表示方法を示す概念図である。
【図７】第１発明の原理を示すもので、（ａ）は試料の平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ），（ｄ）および（ｅ）はそれぞれ測定した表面形状、ピーク光量および表示方法を示す線図である。
【図８】第３実施例にかかるレーザ顕微鏡の光学系を示す概略構成図である。
【図９】同測定回路等を示す概略構成図である。
【図１０】第２発明の原理を示すもので、（ａ）は試料の概念的な断面図、（ｂ）〜（ｄ）はピーク光量の変化を示す線図である。
【図１１】第４実施例にかかるレーザ顕微鏡の光学系を示す概略構成図である。
【図１２】同測定回路を示す概略構成図である。
【図１３】第３発明の原理を示す線図である。
【図１４】（ａ）は第５実施例にかかる測定回路を示す概略構成図、（ｂ）はモニタの画面の一例を示す線図である。
【図１５】スーパーインポーザの変形例を示す概略構成図である。
【図１６】一般的な共焦点光学系を示す概略構成図である。
【図１７】Ｚ軸に対する光量の変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１：共焦点光学系
１８：対物レンズ
１９：光検出器（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：下限判別手段
５４：書込手段（補正手段）
５５：形状演算手段
５６：上限判別手段
５７，５７Ａ：表示制御手段
６１，６１Ａ，６１Ｂ：ピーク光量記憶部
６２，６２Ａ，６２Ｂ：ピーク位置記憶部
６３：下限レベル記憶部
６４：イメージＲＡＭ
６５：上限レベル記憶部
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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