JPH0875414A

JPH0875414A - 微小位置測定装置

Info

Publication number: JPH0875414A
Application number: JP6234154A
Authority: JP
Inventors: Yu Koishi; 結小石; Koichi Shirakawa; 光一白川; Hirotoshi Terada; 浩敏寺田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-22
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JP2852190B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】サブミクロンから数ミリメートルまでの層状
の試料の層の厚さを非接触で比較的簡単に測定すること
を可能とした微小位置測定装置を提供する。【構成】レーザダイオード駆動電源１６により一定の
順方向電流が印加されているレーザダイオード１２は、
一定の光量の光を出力している。この光は、共焦点光学
系２０により試料Ｓ中に光スポットを結ぶ。試料からの
反射光は、再び共焦点光学系２０を経て光源１２に戻
る。ピエゾステージ２６が共焦点光学系２２の位置を光
軸Ｚ方向に走査しており、光スポットが試料中の境界面
に当たったとき、光源１２に帰還する光量が増加する。
この光出力の増大をホトダイオード１４が検出する。演
算・制御装置３０が、光出力が増倍した時点の走査手段
２６による共焦点光学系２０の位置から、試料の該光軸
Ｚ方向における各境界面の位置を演算し、各境界面の位
置から境界面間の距離を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の境界面の位置を
測定するための微小位置測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料の境界面の位置を測定するための微
小位置測定装置としては、従来より、試料の有する複数
の境界面の相対的位置たる試料の寸法を測定するための
装置（以下、「微小寸法測定装置」という）や、試料の
有する境界面の位置の分布を測定することにより、試料
の形状を求めるための装置（以下、「微小形状測定装
置」という）が知られている。

【０００３】従来の微小寸法測定装置としては、層構造
をもつ試料の層の厚さ寸法を測定するためのエリプソメ
ータがある。エリプソメータでは、試料表面に偏光した
光を斜入射させ、反射光の偏光の変化を測定することに
より、層厚寸法と屈折率を演算・出力する。従来の微小
寸法測定装置としては、また、白色光の干渉を利用して
層の厚さ寸法を測定する装置もある。この装置は、マイ
ケルソン干渉計の光学系からなり、その参照ミラーを振
動させ各層からの反射光と参照光を干渉させる。干渉光
強度が最も強くなる参照ミラーの位置から層厚寸法を測
定する。一方、従来の微小形状測定装置としては、接触
式三次元形状測定機や、光学式非接触変位形がある。接
触式三次元形状測定機は、一般に、針を試料の表面上に
移動させ、針の位置情報をもとに試料の形状を測定す
る。また、光学式非接触変位形では、一般に、レーザビ
ームを集光して試料表面に照射し、レンズを上下させる
ことで、オートフォーカッシングしながら試料面を走査
する。レンズの上下位置と、試料の送りから、試料の形
状を測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の微小寸法測定装置では、サブミクロンから数ミリ
メートルまでの範囲の寸法の測定をすることができなか
った。したがって、例えば、１０ミクロン程度の液晶セ
ルギャップを測定することはできなかった。エリプソメ
ータでは、さらに、多層構造の試料の表面近傍の層厚は
測定できても、深層部の層厚は測定できないという問題
もあった。また、光の干渉を利用した装置では、振動等
の外乱に弱く光学系のセッティングにも手間がかかるな
どの欠点もあった。また、従来の微小形状測定装置で
は、層状構造の試料の各層の形状を同時に測定すること
はできなかった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、試料の境界面の
位置をサブミクロンから数ミリメートル単位でも測定で
き、また、多層構造の試料が有する複数の境界面のそれ
ぞれの位置を比較的簡単に測定できるため、従来では不
可能であったサブミクロンから数ミリメートルまでの厚
さ寸法の測定を可能とすると共に、多層構造の試料の各
層の寸法・形状を非接触で比較的簡単に測定することを
可能とする微小位置測定装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、増倍
機能を有する光源と、該光源からの光の光軸方向に沿っ
て共焦点系を構成することにより、該光源からの光を少
なくとも一つの境界面を有する試料に集束照射し、か
つ、該試料からの反射光を該光源に帰還入射させるため
の共焦点光学系と、該共焦点光学系に対する該試料の相
対位置を該光軸方向に移動させる走査手段と、該光源に
帰還入射する試料からの反射光の光量により変動する該
光源の出力状態を検出するための検出手段と、該検出手
段の検出結果と該走査手段による該試料の該共焦点光学
系に対する相対位置に基づき、該試料の該少なくとも一
つの境界面の該光軸方向における位置を演算するための
演算手段を備えることを特徴とする、試料の境界面の位
置を測定するための微小位置測定装置を提供している。

【０００７】ここで、該演算手段は、該試料の該少なく
とも一つの境界面の該光軸方向における該微小位置測定
装置に対する相対位置を演算するための相対位置演算手
段を備えることが好ましい。

【０００８】ここで、試料の有する少なくとも一つの境
界面とは、該試料が該光軸方向に沿って向かい合う一対
の表面（以下、「外部境界面」という）を有する場合に
は、これら二つの外部境界面をいう。特に、該試料が、
複数の層が該光軸方向に沿って積み重なってできている
多層構造である場合には、該少なくとも一つの境界面と
は、該複数の層の境界面（以下、「内部境界面」とい
う）と該一対の外部境界面をいう。

【０００９】また、該演算手段は、該試料が該光軸方向
に沿って複数の境界面を有する場合には、該複数の境界
面のそれぞれの該光軸方向における相対的位置を演算す
ることにより、各境界面間の距離を演算するための寸法
演算手段を備えることが好ましい。

【００１０】該走査手段は、該共焦点光学系に対する該
試料の相対位置を該光軸方向に移動させるための第一の
走査手段と、該共焦点光学系に対する該試料の相対位置
を該光軸に直交する方向に移動させるための第二の走査
手段からなり、該第一の走査手段が、該共焦点光学系に
対する該試料の相対位置を該光軸方向に所定の走査周期
にて走査しており、該第二の走査手段が、該第一の走査
手段の走査周期より遅い周期で、該共焦点光学系に対す
る該試料の相対位置を該光軸に直交する方向に移動さ
せ、該演算手段が、該試料の該少なくとも一つの境界面
の該光軸方向における位置の該光軸方向に直交する方向
における分布を演算するための分布演算手段を備えてい
ても良い。

【００１１】該光源は、これを一定の駆動状態に維持す
るための一定状態駆動源を備え、該検出手段は、該光源
の出力光量を検出するための光検出手段であることが好
ましい。より好ましくは、該光源は、レーザダイオード
と、これに一定の駆動電流を印加するためのレーザダイ
オード駆動電源からなることが好ましい。この場合、該
光検出手段は、該レーザダイオードの出力光を検出する
ための光検出器からなることが好ましい。ここで、該光
源は、さらに駆動電流制御装置を備え、試料からの反射
光の光量に応じて、レーザダイオードの発振を適当な条
件に保つための制御を行うようにしても良い。

【００１２】また、該光源は、その出力光量が一定にな
るようにフィードバック駆動するためのフィードバック
駆動源を備え、該検出手段は該フィードバック駆動源の
駆動状態を検出するものでも良い。より好ましくは、該
光源は、レーザダイオードと、該レーザダイオードに駆
動電流を印加するためのレーザダイオード駆動電源と、
該レーザダイオードの出力光を検出するための光検出器
と、該光検出器の検出結果に基づき該レーザダイオード
駆動電源が該レーザダイオードに印加する駆動電流をフ
ィードバック制御するフィードバック制御装置からなる
ことが好ましい。また、該検出手段は、該フィードバッ
ク制御装置がフィードバック制御する該駆動電流値を検
出する。

【００１３】

【作用】上記構成を有する本発明の微小位置測定装置に
おいては、該共焦点光学系が、該光源からの光を少なく
とも一つの境界面を有する試料に集束照射すると共に、
その照射により得られる該試料からの反射光を該光源に
帰還入射させる。該走査手段が、該共焦点光学系に対す
る該試料の相対位置を該光軸方向に移動させる。かかる
移動に伴い、該共焦点光学系からの光が試料の該少なく
とも一つの境界面に集束照射されると、該試料からの反
射光光量が増大する。この結果、該光源に帰還入射する
試料からの反射光光量が増大する。ここで、該光源は増
幅機能を有しているため、その出力状態が変動する。該
検出手段がこの出力状態の変動を検出する。該演算手段
が、該検出手段の検出結果と該走査手段による該試料の
該共焦点光学系に対する相対位置に基づき、該試料の該
少なくとも一つの境界面の該光軸方向における位置を演
算する。

【００１４】ここで、該演算手段が該相対位置演算手段
を備えている場合には、該相対位置演算手段は、該試料
の該少なくとも一つの境界面の該光軸方向における該微
小位置測定装置に対する相対位置を演算する。

【００１５】ここで、該試料が該光軸方向に沿って複数
の境界面を有する場合には、該走査手段による移動に伴
い、該共焦点光学系からの光が該複数の境界面のそれぞ
れに集束照射される度に、該試料からの反射光光量が増
大する。したがって、該演算手段は、該検出手段の検出
結果と該走査手段による該試料の該共焦点光学系に対す
る相対位置に基づき、該試料の該複数の境界面のそれぞ
れの該光軸方向における位置を演算する。ここで、該演
算手段が該寸法演算手段を備えている場合には、該寸法
演算手段は、該試料の該複数の境界面の相対的位置であ
る各境界面間の距離を演算する。ここで、該試料が該光
軸方向に沿って向かい合う一対の外部境界面を有する場
合には、該寸法演算手段は、該一対の外部境界面間距離
を演算して、該試料の該光軸方向における寸法を求め
る。また、該試料が一対の外部境界面と複数の内部境界
面を有する多層構造である場合には、該寸法演算手段
は、該一対の外部境界面と該複数の内部境界面間の距離
を演算して、該試料の該光軸方向における各層の層厚を
求める。

【００１６】該走査手段が、該第一の走査手段と該第二
の走査手段からなる場合には、該第一の走査手段が、該
共焦点光学系に対する該試料の相対位置を該光軸方向に
該所定の走査周期にて走査する。該第二の走査手段が、
該第一の走査手段の走査周期より遅い周期で、該共焦点
光学系に対する該試料の相対位置を該光軸に直交する方
向に移動させる。該演算手段の該分布演算手段が、該試
料の該少なくとも一つの境界面の該光軸方向における位
置の該光軸方向に直交する方向における分布を演算す
る。

【００１７】ここで、該光源がこれを一定の駆動状態に
維持するための一定状態駆動源を備えている場合には、
該光源は一定の光量の光を出力している。該走査手段に
よる走査に伴い、該光源からの光が該共焦点光学系によ
り該試料の該少なくとも一つの境界面に集束照射される
と、該試料からの反射光光量が増大する。この結果、該
光源に帰還入射する試料からの反射光光量が増大する。
ここで、該光源は増幅機能を有しているため、その出力
光量が増大する。該光検出手段が、この出力光量の増大
を検出する。該演算手段が、該光検出手段の検出結果と
該走査手段による該試料の該共焦点光学系に対する相対
位置に基づき、該試料の該少なくとも一つの境界面の該
光軸方向の位置を演算する。特に、該光源がレーザダイ
オードとこれに一定の駆動電流を印加するためのレーザ
ダイオード駆動電源からなり、該光検出手段が該レーザ
ダイオードの出力光を検出するための光検出器からなる
場合には、該光検出器は、該レーザダイオードに帰還入
射する試料からの反射光により制御させられる該レーザ
ダイオードの出力光を検出する。ここで、該光源が駆動
電流制御装置を備えている場合には、該駆動電流制御装
置は、該試料からの反射光光量に応じて該一定の駆動電
流の値を調整することにより、該レーザダイオードの発
振を適当な条件に保つ。

【００１８】一方、該光源がフィードバック駆動源を備
えている場合には、該光源は、常に一定の光量の光を出
力するようフィードバックされている。該光源からの光
が該共焦点光学系により該試料の該少なくとも一つの境
界面に集束照射されると、該試料からの反射光光量が増
大し、該光源に帰還入射する反射光光量が増大する。こ
こで、該光源は増幅機能を有しているため、その出力光
量が増大する。該フィードバック駆動源は、該出力光量
の増大に伴い、該出力光量を低減させるべくその駆動状
態を変動させる。該検出手段が、この駆動状態の変動を
検出する。該演算手段が、該検出手段の検出結果と該走
査手段による該試料の該共焦点光学系に対する相対位置
に基づき、該試料の該少なくとも一つの境界面の該光軸
方向の位置を演算する。特に、該光源が、レーザダイオ
ードとレーザダイオード駆動電源と光検出器とフィード
バック制御装置からなる場合には、レーザダイオード
は、試料から帰還入射する反射光の光量により出力光量
を変動させる。該光検出器が、その出力光量の変動を検
出し、該フィードバック制御装置が、該光検出器の検出
結果に基づき、該レーザダイオード駆動電源をフィード
バック制御して、該レーザダイオードに印加する駆動電
流を調整する。該検出手段が、この駆動電流値を検出す
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【００２０】まず、本発明の第一の実施例について、説
明する。本発明の第一の実施例は、試料の有する複数の
境界面の位置を測定し、その相対的位置である境界面間
距離を測定するための微小位置測定装置（微小寸法測定
装置）である。例えば、試料が向かい合う一対の表面
（外部境界面）を有する場合には、これら二つの外部境
界面の位置を測定し、その間の距離（相対的位置）であ
る試料の寸法を求めることができる。また、試料が複数
の層が積み重なってできた多層構造である場合には、該
複数の層の境界面（内部境界面）と一対の外部境界面の
位置を測定し、その間の距離（相対的位置）である各層
の厚み寸法を求めることができる。

【００２１】この微小位置測定装置の概要を、図１を参
照して簡単に説明する。本実施例の微小位置測定装置１
は、主に、増倍機能を有する光源たるレーザダイオード
１２と、該光源１２を一定の駆動状態にて駆動する一定
駆動状態駆動源たるレーザダイオード駆動電源１６と、
光源１２からの光の光軸Ｚ方向に沿って共焦点系を構成
する共焦点光学系２０と、該共焦点光学系２０に対する
試料Ｓの相対位置を光軸Ｚ方向に移動させる走査手段た
るピエゾステージ２６と、試料で反射され共焦点光学系
２０により該光源１２に帰還入射する戻り光により変動
する光源１２の出力光量を検出するための光検出手段た
るホトダイオード１４と、ホトダイオード１４の検出結
果と走査手段２６による該共焦点光学系２０に対する試
料Ｓの相対位置に基づき、試料Ｓの有する複数の境界面
の光軸Ｚ方向における位置を演算し、その間の距離を演
算する演算手段たる演算・制御装置３０を備えている。

【００２２】かかる構成の本実施例の微小位置測定装置
１によれば、レーザダイオード駆動電源１６により一定
の駆動状態にて駆動されているレーザダイオード１２
は、一定の光量の光を出力している。この光は、共焦点
光学系２０により試料Ｓ中に光スポットを結ぶ。試料か
らの反射光は、再び共焦点光学系２０を経て光源１２に
戻る。走査手段２６が共焦点光学系２２の位置を光軸Ｚ
方向に走査しており、光スポットが試料中の境界面に当
たったとき、光源１２に帰還する光量が増加する。ここ
で、光源１２は増倍機能を有しているため、かかる帰還
光量の増加に伴いその光出力が増倍する。この光出力の
増大を、ホトダイオード１４が検出する。演算・制御装
置３０が、光出力が増倍した時点の走査手段２６による
共焦点光学系２０の位置から、試料の該光軸Ｚ方向にお
ける各境界面の位置を演算する。演算・制御装置３０
は、さらに、各境界面の位置から、境界面間の距離を演
算する。

【００２３】以下、本実施例の微小位置測定装置１につ
いて、より詳細に説明する。本実施例の微小位置測定装
置１では、光源１２と光検出器１４として、ＬＤパッケ
ージ１０に内蔵されたレーザダイオードとホトダイオー
ドを利用している。一般に、レーザダイオードパッケー
ジには、内蔵したレーザダイオードの温度変化などによ
る出力変動を抑えるべく、その光出力をモニターするた
めのホトダイオードが組み込まれている。本実施例で
は、このホトダイオードを、レーザダイオード１２の出
力光量を検出するための光検出器１４として利用してい
るのである。レーザダイオード１２には、レーザダイオ
ード駆動電源１６から、一定の順方向電流が印加されて
いる。一方、ホトダイオード１４は、増幅器１８を介し
て、例えば、マイクロコンピュータからなる演算・制御
装置３０に接続されている。演算・制御装置３０は、ホ
トダイオード１４から出力され増幅器１８にて増幅され
た検出信号（以下、「光出力信号」という）を受け取
る。

【００２４】コリメータレンズ２２と対物レンズ２４
が、レーザダイオード１２の光軸Ｚに沿って共焦点光学
系２０を構成している。コリメータレンズ２２は、レー
ザダイオード１２から出力されたレーザ光をコリメート
して略平行光とするべく、レーザダイオード１２から、
所定の距離（焦点距離）だけ離間した位置に固定されて
いる。対物レンズ２４は、コリメータレンズ２２からの
略平行光を受け取り、その焦点距離ｆだけ離間した位置
にスポット像を結像する機能を有する。一方、固定台３
４が、光軸Ｚ方向に沿って対物レンズ２４に対向して固
定配置されている。この固定台３４の表面上に、複数の
境界面を有する試料Ｓが配置される。ここで、試料Ｓ
は、その境界面が光軸Ｚ方向に沿って並ぶように配置さ
れる。

【００２５】対物レンズ２４はピエゾステージ２６上に
固定配置され、固定台３４上に配置された試料Ｓに対向
しながら光軸Ｚ方向に往復走査されるようになってい
る。すなわち、ピエゾステージ２６は、光軸Ｚ方向に振
動可能に配置された図示しない圧電素子を備えている。
ピエゾドライバー２８が、このピエゾステージ２６上の
圧電素子に接続されており、これに駆動電圧を印加す
る。ピエゾドライバー２８は、この駆動電圧をスキャン
することにより、圧電素子を振動させて、ピエゾステー
ジ２６を光軸Ｚ方向に往復走査させるのである。ここ
で、ピエゾステージ２６の光軸Ｚ方向の位置は、ピエゾ
ドライバー２８のピエゾステージ２６へ印加する駆動電
圧によって定まる。ピエゾドライバー２８は、演算・制
御装置３０に接続されており、ピエゾステージ２６に印
加する駆動電圧を示す信号、すなわち、ピエゾステージ
２６の光軸Ｚ方向上の位置を示す位置信号を演算・制御
装置３０に出力する。この位置信号としては、例えば、
固定台３４表面からピエゾステージ２６までの距離（す
なわち、共焦点光学系２０の対物レンズ２４と試料Ｓと
の距離）ｚを示すものとすることができる。

【００２６】かかる構成の微小位置測定装置１において
は、レーザダイオードパッケージ１０内のレーザダイオ
ード１２から発した一定光量のレーザ光は、コリメータ
レンズ２２により略平行光とされ、対物レンズ２４によ
り試料Ｓ中にスポット像を結ぶ。試料Ｓからの反射光
は、対物レンズ２４、コリメータレンズ２２を経て、レ
ーザダイオード１２に戻る。レーザダイオードパッケー
ジ１０内のレーザダイオード出力モニター用のホトダイ
オード１４が、レーザダイオード１２の出力光量の変動
を検出する。

【００２７】コリメータレンズ２２と対物レンズ２４は
共焦点光学系２０を構成しているため、試料中のレーザ
スポット像が形成されている位置以外の部分からの戻り
光は、効率良くレーザダイオード１２の開口によりカッ
トされる。したがって、対物レンズ２４を光軸方向に走
査すると、レーザスポットが試料Ｓ中の高反射率部分で
ある異なる物質の境界面（試料の表面たる外部境界面や
試料が多層膜である場合の内部境界面）に当たると、大
量の反射光がレーザダイオード１２に帰還する。この大
量の反射光はレーザダイオード発振を増幅変動させるた
め、レーザダイオード１２の出力光量が増大する。ホト
ダイオード１４がこの変動した光出力を検出して、その
検出結果を示す光出力信号を出力する。この光出力信号
は、増幅器１８で増幅された後、演算・制御装置３０に
入力される。

【００２８】演算・制御装置３０は、この光出力信号と
ピエゾドライバ２８の位置信号の同期をとり、表示装置
３２を制御して、対物レンズ２４の移動距離とレーザダ
イオード１２の出力光量との関係を表示させる。例え
ば、表示装置３２がオシロスコープの場合には、これを
位置信号でトリガをかけ光出力信号を表示させればよ
い。この結果、試料の各境界面からの反射光が、パルス
状の光出力信号として得られる。演算・制御装置３０
は、光出力信号と位置信号を演算し、パルス状の光出力
信号（より詳しくは、パルス状の光出力信号の頂点、重
心、あるいは、最小微分値）の得られた際の対物レンズ
２４の移動距離を求めることにより、試料Ｓの各境界面
の対物レンズ２４に対する相対位置を求める。ここで、
試料Ｓは、光軸Ｚ方向に複数の境界面（少なくとも二つ
の外部境界面）を有するため、該複数の境界面からの反
射光が、複数（境界面の数と同数）のパルス状の光出力
信号として得られる。演算・制御装置３０は、各パルス
間の距離として、パルスの頂点間隔、パルスの重心間
隔、あるいは、パルスの最小微分値位置間隔を演算する
ことにより、境界面間距離を求める。したがって、試料
Ｓの相対向する二つの表面（外部境界面）間の距離を求
めることにより、試料Ｓの寸法を求めることができる。
また、試料Ｓが多層膜構造の場合には、隣合う境界面間
の距離を求めることにより、各層の層厚を求めることが
できる。

【００２９】本発明者らは、本実施例の微小位置測定装
置１を実際に作製し、レーザダイオード駆動電源１６の
レーザダイオード１２に印加する順方向電流値と、一つ
の境界面からの反射光により形成されるパルス状の光出
力信号の半値幅との関係を調べるべく、測定を行った。
その結果、図２に示すように、レーザダイオード１２に
その発振しきい値よりやや低めの値の順方向電流を印加
した場合に、半値幅が最も小さくなることが確認され
た。発振しきい値よりやや低めの順方向電流にて駆動さ
せているレーザダイオードにおいては、これに帰還する
光量があるレベル以上になると、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）の特性が支配的な状態から、レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）の特性が支配的な状態へと移行し、レーザダイオー
ドへの光の入射に対するその出力光量が極端に増加す
る。換言すれば、試料からの多量の戻り光に対し、レー
ザダイオードの出力が非線形となる。したがって、光帰
還量が少ない場合の光量の変化はあまり現れず、光帰還
が多い場合の光量変化が強調されることになる。結果と
して、光学系の収差の影響などにより発生するサブパル
スが効率的に抑えられると共に、パルス信号の半値幅が
狭くなり、測定精度を向上させることができる。そこ
で、本実施例の微小位置測定装置１では、レーザダイオ
ード駆動電源１６は、レーザダイオード１２に印加する
順方向電流をその発振しきい値よりやや低めの値に設定
している。

【００３０】ただし、レーザダイオード１２への帰還光
量のピーク値は、試料の境界面状態（特に反射率）によ
り異なる。したがって、レーザダイオード１２に印加す
る順方向電流値を発振しきい値よりどれだけ低くするか
は、試料によって異なってくる。このため、レーザダイ
オード１２へ印加する順方向電流値を、測定する試料に
応じて微妙に調整し、任意の試料に対し常に半値幅を最
小にすることが好ましい。そこで、図１に点線で示すよ
うに、増幅器１８とレーザダイオード駆動電源１６に接
続された駆動電流値設定装置１７を設けることが好まし
い。この駆動電流値設定装置１７は、マイクロコンピュ
ータ等からなり、増幅器１８から、レーザダイオード１
２の出力光量を示す光出力信号を受け取り、その値に基
づいて、レーザダイオード駆動電源１６がレーザダイオ
ード１２に印加すべき順方向電流値を設定するためのも
のである。より詳しくは、駆動電流値設定装置１７は、
まず最初に、適当な順方向電流値を初期設定し、レーザ
ダイオード駆動電源１６を制御してその初期設定値の順
方向電流をレーザダイオード１２に印加させる。この状
態で、対物レンズ２４を走査しながらレーザ光を照射し
て、試し測定を行う。駆動電流値設定装置１７は、増幅
器１８より光出力信号を受け取り、その信号波形から、
その半値幅が最も小さくなる駆動電流値を算出する。そ
の後、駆動電流値設定装置１７は、レーザダイオード駆
動電源１６を制御して、その設定値の順方向電流をレー
ザダイオード１２に印加させ、実際の測定を行う。な
お、駆動電流値設定装置１７を、ホトダイオード１４に
直接接続し、ホトダイオード１４の直流成分の電流値に
基づいて最適な駆動電流値を算出するようにしてもよ
い。

【００３１】このような構成の本実施例の微小位置測定
装置１によれば、レーザダイオード１２の出力光量の極
端な増加（パルス）を、試料の各境界面による帰還光の
増大と判断することができる。すなわち、出力光量が極
端に増加した時に、試料の各境界面が対物レンズ２４の
焦点位置に達したと判断することができる。そこで、演
算・制御装置３０は、互いに同期した光出力信号と位置
信号を受け取り、該光出力信号が出力光量の極端な増加
を示すパルスを形成した時点を求め、この時点において
得られた位置信号を求める。ここで、この位置信号は、
試料の各境界面の位置を示している。例えば、位置信号
がレンズ２４と固定台３４表面との距離ｚを示している
場合には、図１に示すように、このｚからレンズ２４の
焦点距離ｆをひいた距離z-fが、固定台３４表面と各境
界面の距離を示すからである。したがって、各境界面の
位置を示すこの位置信号ｚに基づき、試料の各境界面間
の距離を演算することができる。

【００３２】以下、演算・制御装置３０の構成とその演
算動作について、図１及び図３〜８を参照して、具体的
に説明する。演算・制御装置３０は、図示しないＣＰＵ
と、各種プログラム等を格納したＲＯＭと、演算結果等
を一時的に格納するためのＲＡＭ、及び、アナログ／デ
ジタル変換器等からなるマイクロコンピュータで構成さ
れている。演算・制御装置３０は、増幅器１８から出力
されてくるアナログの光出力信号と、ピエゾドライバー
２８から送られてくるやはりアナログの位置信号を受け
取ると、アナログ／デジタル変換器により、これらをデ
ジタル信号に変換する。演算・制御装置３０は、さら
に、これらデジタル化された光出力信号と位置信号の位
相を合わせることにより、同期した個々の光出力データ
と位置データからなるデータ対を生成する。以下、個々
の光出力データと位置データを、それぞれ、I(i)、及
び、Z(i)（iは整数）とし、これらからなるデータ対を
データ対（I(i),Z(i)）という。なお、これら個々の光
出力データと位置データからなるデータ対（I(i),Z
(i)）は、いったん、ＲＡＭに格納される。演算・制御
装置３０は、ＲＡＭに格納されたデータ対を読みだし、
図３に示すように、横軸を位置（Z(i)）、縦軸を光強度
（I(i)）としてこれらのデータ対の形成するパルス信号
波形を表示装置３２に表示してもよい。

【００３３】演算・制御装置３０は、また、読みだした
データ対に対して以下の演算処理を施すことにより、デ
ータ対の形成する複数のパルス信号波形のそれぞれの特
徴点（頂点位置、重心位置、または、微分値最小位置）
を演算して、特徴点間の距離を演算する。なお、この演
算に際しては、演算・制御装置３０は、ピエゾステージ
２６の全走査区間で得られた全データ対のうち、ピエゾ
有効走査区間（折り返し部約５％を除く走査区間）で得
られたデータ対をＲＡＭより読みだし、演算に供する。
また、ピエゾ有効走査区間の両端の位置を、それぞれ、
Z(e1)（i = e1）、及び、Z(e2)（i = e2）とする（e1 <
e2）。この場合、演算に供されるデータ対の数Nは、N
= e2 - e1 +1で与えられる。より詳しくは、演算・制御
装置３０は、図４のフローチャートに示すしきい値決定
処理と、図５のフローチャートに示すパルス−パルス分
離処理を行った後、分離した各パルスについて、図６〜
８のフローチャートに示すパルス頂点演算処理か、パル
ス重心点演算処理か、または、パルス最小微分値点演算
処理のいずれかを行う。演算・制御装置３０は、その
後、求めた各パルスの特徴点（頂点、重心点、または、
最小微分値点）間の距離を算出する。ここで、しきい値
決定処理では、試料の境界面による帰還光の増大により
得られる出力光量の極端な増加を示すパルスと光学系の
収差などを示すサブパルスとを区別するのに必要なしき
い値Ithを決定する。また、パルス−パルス分離処理で
は、試料Ｓの有する複数の境界面に対応して得られる複
数のパルスを、それぞれのパルス毎に分離する。パルス
頂点演算処理、パルス重心点演算処理、及び、パルス最
小微分値点演算処理では、それぞれ、各パルスの頂点、
重心点、及び、最小微分値点を演算する。

【００３４】しきい値決定処理では、図４に示すよう
に、まず、ステップＳ１にて、iを初期値e1に設定す
る。次に、ステップＳ２にて、ＲＡＭよりI(i)（すなわ
ち、I(e1)）を読み出す。さらに、ステップＳ３にて、
最大値Imax及び総和IintをI(i)（=I(e1)）に初期設定す
る。したがって、この場合には、Imax = I(e1), Iint =
I(e1)となる。次に、iを1だけインクリメントして（ス
テップＳ４）、ステップＳ５にて、再び、ＲＡＭよりI
(i)を読み出す。ステップＳ６にて、Iintに現在のI(i)
を加算する。さらに、ステップＳ７にて、I(i)と前回読
みだしたI(i-1)とを比較し、I(i)の方が大きかったらIm
axをI(i)に置き換える（ステップＳ８）。一方、I(i)が
I(i-1)と等しいかそれより小さい場合には、Imaxはその
ままにする。次に、ステップＳ９で、iがe2より小さい
か否か判断し、e2より小さければ、ステップＳ４に戻っ
て、ステップＳ４〜Ｓ９を繰り返す。一方、iがe2に達
したら、（ステップＳ９で”Ｙｅｓ”の場合）、ステッ
プＳ１０にて、有効走査区間に得られた全光量データI
の総和値Iintをデータ数Nで割って、平均値Iaveを求め
る。さらに、ステップＳ１１にて、しきい値Ithを、以
下の数式により演算して、処理を終了する。 Ith=0.1(Imax-Iave)+Iave =0.1Imax+0.9Iave

【００３５】パルス−パルス分離処理では、図５に示す
ように、まず、ステップＳ２１にて、iを初期値e1に設
定すると共に、パルスの番号としてjを初期値０に設定
する。つぎに、ステップＳ２２にて、ＲＡＭより、I(i)
及びZ(i)（すなわち、I(e1),Z(e1)）を読み出す。そし
て、ステップＳ２３にて、読みだしたI(i)と、しきい値
決定処理にて求めたしきい値Ithとを比較する。I(i)の
方がしきい値Ithより小さい場合には（ステップＳ２３
が”Ｙｅｓ”）、このI(i)はパルスを形成していないと
判断できるため、I(i)がパルス中に位置しているか否か
を判断するためのパルス判断値fを0に設定する（ステッ
プＳ２４）。そして、ステップＳ２５にて、iを１イン
クリメントする。つぎに、Ｓ２６にて、iがe2に達した
か否かを判断し、e2以下の場合には、ステップＳ２２に
戻り、I(i),Z(i)を読み出す。一方、iがe2に達したら
（ステップＳ２６で”Ｎｏ”）、処理を終了する。

【００３６】上記のように、iをインクリメントしなが
ら、I(i),Z(i)を読みだしていき、I(i)が初めてしきい
値Ithを越えると（ステップＳ２３が”Ｙｅｓ”）、ス
テップＳ２７にて、現在設定されているパルス判断値f
が0か否かを判断する。I(i)が初めてしきい値Ithを越え
た時には、fはまだ0に設定されているので（ステップＳ
２７が”Ｙｅｓ”）、I(i)が初めてパルス内に位置した
と判断できる。そこで、ステップＳ２８で、jを１イン
クリメントし、さらに、各パルスを形成する光出力デー
タI(i)の符番を示すkを０に初期設定すると共に、パル
ス判断値fを１に変更する。つぎに、ステップＳ２９
で、符番kを１インクリメントして、ステップＳ３０
で、I(i)を、j番目のパルス内でk番目の信号であること
を示すM(j,k）として、ＲＡＭに格納する。そして、ス
テップＳ２５にて、iを１インクリメントし、そのiがe2
に達していない場合には（ステップＳ２６で”Ｎ
ｏ”）、再び、I(i),Z(i)を読み出す。こうして読みだ
したI(i)が、再び、しきい値Ith以上である場合には
（ステップＳ２３で”Ｎｏ”）、現在設定されているパ
ルス判断値fは１であるので（ステップＳ２７で”Ｎ
ｏ”）、信号の符番kのみを１インクリメントして（ス
テップＳ２９）、I(i)をM(j,k)として、再び、ＲＡＭに
格納する（ステップＳ３０）。一方、読みだしたI(i)
が、再び、しきい値Ithより小さくなった場合には（ス
テップＳ２３で”Ｙｅｓ”）、パルス判断値fを０に設
定しなおして（ステップＳ２４）、iを１インクリメン
トする（ステップＳ２５）。

【００３７】以上の処理により、光出力データI(i)のう
ちパルスを形成しているもののみが、ＲＡＭに格納され
る。より詳しくは、j番目のパルスを形成しているk番目
の光出力データI(i)が、M(j,k）データとして、ＲＡＭ
に格納される。

【００３８】パルス頂点演算処理では、図６に示すよう
に、ステップＳ４１〜Ｓ５０で、パルス−パルス分離処
理のステップＳ２１〜Ｓ３０と同様な処理を行うことに
より、j番目のパルスを形成しているk番目の光出力デー
タIiを、M(j,k）データとしてＲＡＭに格納する。つぎ
に、ステップＳ５１にて、k番目の光出力データM(j,k)
と、その一つ前の光出力データM(J,k-1)とを比較して、
M(j,k)の方が大きい場合にのみ（ステップＳ５１で、”
Ｙｅｓ”）、これを、j番目のパルスの最大（頂点）値P
maxとしてＲＡＭに格納し（ステップＳ５２）、かかるM
(j,k)たるI(i)に対応するZiを、j番目のパルスのピーク
位置Pz(j)として、ＲＡＭに格納する（ステップＳ５
３）。この結果、iがe2に達して（ステップＳ４６で”
Ｙｅｓ”）処理が終了した際には、各j番目のパルスを
形成する光出力データM(j,k)の中の最大値Pmax(j)が求
められると共に、光出力データが最大Pmax(j)となった
時、すなわち、パルス頂点が得られた時点の位置データ
Pz(j)が求められ、ＲＡＭに格納される。このようにし
て求められた各j番目のパルスの頂点位置Pz(j)は、試料
の有する複数の境界面の各j番目の境界面の位置を示し
ている。したがって、演算・制御装置３０は、隣合うパ
ルスの頂点位置間距離Pz(j)-Pz(j-1)を演算することに
より、試料Ｓの隣あう境界面間の距離を求める。

【００３９】一方、パルス重心点演算処理では、図７に
示すように、ステップＳ６０〜Ｓ６７にてパルス−パル
ス分離処理のステップＳ２１〜Ｓ２８と同様な処理を行
うことにより、光出力データI(i)のうち各j番目のパル
スを形成しているもののみについて、以下の処理を行
う。すなわち、光出力データIiが初めてしきい値Ithを
越えてj番目のパルス内に入ると（ステップＳ６６
で、”Ｙｅｓ”）、重み付け和Sum(j,0）を０に初期設
定し（ステップＳ６８）、パルス内符番kを１インクリ
メントして（ステップＳ６９）、以下の数式を演算し、
その演算結果たる重み付け和Sum(j,k)を、ＲＡＭに格納
する。 Sum(j,k) = Sum(j,k-1) + I(i)*z(i) つぎに、現在の符番kをKmax(j)として設定し、現在のパ
ルス番号jをJmaxとして設定し、さらに、現在のI(i)に
対応するZ(i)を、Zk(j,k)として設定する（ステップＳ
７１）。

【００４０】ステップＳ６４にてiを１インクリメント
しながら、各j番目のパルスについて、上記処理を繰り
返していくことにより、ステップＳ６５にて、iがe2に
達した時点では、各j番目のパルスについて、これを構
成するすべての位置データZ(i)を対応する光出力データ
I(i)で重み付けした値の和ΣI(i)*Z(i)が、Sum(j,Kma
x）として求められ、ＲＡＭに格納されている。また、
全パルス数として、Jmaxが設定される。さらに、各j番
目のパルスを構成するすべての位置データZ(i)が、Zk
(j,k)として、ＲＡＭに格納されている。

【００４１】つぎに、ステップＳ７２で、まず、jを１
に設定し、第１番目のパルスについて、ステップＳ７３
で以下の数式を演算する。 MSum(j) = Sum(j,Kmax(j))/2 すなわち、ステップＳ７３では、各j番目のパルスにつ
いて、それを構成するすべての位置データZ(i)を対応す
る光出力データI(i)で重み付けした値の和Sum(j,Kmax
(j))の半分の値（＝ΣI(i)*Z(i)／２）であるMSum(j)を
求める。つぎに、符番kをまず１に設定して（ステップ
Ｓ７４）、ＲＡＭに格納されている対応するSum(j,k)
と、求めたMSum(j)とを比較する（ステップＳ７５）。
そして、Sum(j,k)がMSum(j)を越えるまで、符番kを１ず
つインクリメントしながら（ステップＳ７６）、比較を
繰り返し行う（ステップＳ７５）。Sum(j,k)がMSum(j)
を越えたら（ステップＳ７５で、”Ｙｅｓ”）、以下の
数式を演算して、各j番目のパルスの重心位置ZG(j)を求
める。 ZG(j) = Zk(j,k-1) + {Zk(j,k)-Zk(j,k-1)}{MSum(j) -
Sum(j,k-1)}/{Sum(j,k)- Sum(j,k-1)} そして、現在のjが全パルス数Jmaxに達するまで（ステ
ップＳ７８）、jを１ずつインクリメントしながら（ス
テップＳ７９）、ステップＳ７３〜Ｓ７７を繰り返して
いくことにより、各j番目のパルスの重心位置ZG(j)が求
められ、ＲＡＭに格納される。このようにして求められ
た各j番目のパルスの重心点位置ZG(j)も、試料の有する
複数の境界面の各j番目の境界面の位置を示している。
したがって、演算・制御装置３０は、隣あうパルスの重
心点位置間距離ZG(j)-ZG(j-1)を演算することにより、
試料Ｓの隣あう境界面間の距離を求める。

【００４２】パルス最小微分値点演算処理では、図８に
示すように、ステップＳ９０〜Ｓ９７にて、パルス重心
位置演算処理のステップＳ６０〜Ｓ６７と同様な処理を
行うことにより、光出力データI(i)のうち各j番目のパ
ルスを形成しているもののみについて、以下の処理を行
う。すなわち、光出力データI(i)が初めてしきい値Ith
を越えてj番目のパルス内に入ると（ステップＳ９６
で、”Ｙｅｓ”）、最小差分値Dmin(j)を、I(i)-I(i-1)
に初期設定し（ステップＳ９８）、パルス内符番kを１
インクリメントする（ステップＳ９９）。そして、各j
番目のパルスのk番目の光出力データI(i)に対する差分
値D(j,k)として、I(i)-I(i-1)を演算する（ステップＳ
１００）。そして、この各j番目のパルスのk番目の光出
力データI(i)に対する差分値D(j,k)の絶対値（ABS(D(j,
k))）を、最小差分値Dmin(j)と比較する（ステップＳ１
０１）。ABS(D(j,k))の方が小さい場合には（ステップ
Ｓ１０１で、”Ｙｅｓ”）、最小差分値Dmin(j)とし
て、このk番目の光出力データI(i)に対する差分値D(j,
k)を設定する（ステップＳ１０２）。また、各j番目の
パルスの最小差分値位置ZD(j)として、このk番目の光出
力データI(i)に対応するZ(i)を設定する。

【００４３】ステップＳ９４にてiを１インクリメント
しながら、各j番目のパルスについて、上記処理を繰り
返していくことにより、ステップＳ９５にて、iがe2に
達した時点では、各j番目のパルスについて、差分値が
最小となる位置ZD(j)が求められ、ＲＡＭに格納され
る。このようにして求められた各j番目のパルスの最小
微分値点位置ZD(j)も、試料の有する複数の境界面の各j
番目の境界面の位置を示している。したがって、演算・
制御装置３０は、隣あうパルスの最小差分値点間距離ZD
(j)-ZD(j-1)を演算することにより、試料Ｓの隣あう境
界面間の距離を求める。

【００４４】図９は、上記本実施例の微小位置測定装置
１を具体化した液晶セルギャップ測定装置を示す。この
液晶セルギャップ測定装置は、液晶ディスプレイモジュ
ールの液晶セルギャップを測定すると共にその顕微鏡像
をも同時に観察可能としたものである。

【００４５】図９に示すように、この液晶セルギャップ
測定装置では、レーザダイオードパッケージ１０と、増
幅器１８と、コリメータレンズ２２と、対物レンズ２４
を載置したピエゾステージ２６とが、顕微鏡ホルダー５
２上に配置されている。ピエゾステージ２６は、顕微鏡
ホルダー５２に対し、光軸Ｚ方向に振動可能に設けられ
ている。また、試料Ｓたる液晶ディスプレイモジュール
を載置するための試料台５４が、顕微鏡ホルダー５２に
対し、光軸Ｚ方向に微調整可能に設けられている。な
お、対物レンズ２４としては、無限鏡筒長補正タイプ、
あるいは、有限鏡筒長補正タイプの射出瞳側端面におよ
そ光学鏡筒長の正負反転させた焦点距離をもつ凹レンズ
を使用することができる。なお、計測の分解能を上げる
ためには、対物レンズ２４はできるだけ開口数ＮＡの大
きなものを使用することが望ましい。なお、本具体例で
は、位置センサー２７をピエゾステージ２６上に新たに
設け、ピエゾステージ２６の光軸Ｚ方向の位置（例え
ば、ピエゾステージ２６の固定台３４からの距離ｚ）を
検出するようにしている。この位置センサー２７は、ピ
エゾステージ２６と共に、ピエゾドライバー２８により
駆動される。

【００４６】顕微鏡ホルダー５２上には、さらに、顕微
鏡像撮像用光源５０と、集光レンズ系４６と、結像レン
ズ４４と、ビデオカメラ４８が、設けられている。ビー
ムスプリッタ４０が、コリメータレンズ２２からのレー
ザ光を反射して対物レンズ２４に導くと共に、液晶ディ
スプレイモジュールＳで反射されたレーザ光をレーザダ
イオードパッケージ１０に帰還させるべく、設けられて
いる。このビームスプリッタ４０は、偏光ビームスプリ
ッタあるいはダイクロイックミラーとし、レーザダイオ
ードパッケージ１０からのレーザ光と、液晶セルＳで反
射されたレーザ光を効率良く反射させるようにすること
が好ましい。また、別のビームスプリッタ４２が、集光
レンズ系４６からの光を反射して対物レンズ２４に導く
ように設けられている。この光は、液晶ディスプレイモ
ジュールＳで反射され、その像を担持する。なお、ビー
ムスプリッタ４０及び４２は、液晶ディスプレーモジュ
ールの像を担持した対物レンズ２４からの光を透過さ
せ、ビデオカメラ４８に導く役割をも果たす。モニタ３
３が、ビデオカメラ４８に接続されており、ビデオカメ
ラ４８で撮像された像を表示する。

【００４７】上記構成の光学系においては、顕微鏡像撮
像用光源５０からの光は、集光レンズ系４６にて集光さ
れ、ビームスプリッタ４２で反射され、さらに、ビーム
スプリッタ４０を透過して、液晶ディスプレイモジュー
ルＳ上に照射される。この光は、液晶ディスプレイモジ
ュールＳで反射され、その顕微鏡像を担持する。かかる
顕微鏡像担持光は、ビームスプリッタ４０、４２を透過
して、結像レンズ４４にて、ビデオカメラ４８の撮像面
に結像される。こうしてビデオカメラ４８で捕らえられ
た液晶ディスプレイモジュール像は、モニタ３３の画面
上に映し出される。また、レーザダイオードパッケージ
１０からのレーザ光は、コリメータレンズ２２にて平行
光束とされ、ビームスプリッタ４０により９０度曲げら
れて対物レンズ２４に向かう。液晶ディスプレイモジュ
ールＳにて反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ４
０にて反射されて、レーザダイオードパッケージ１０に
帰還する。ここで、対物レンズ２４がピエゾステージ２
６と共に光軸Ｚ方向に振動しているため、レーザダイオ
ード１２に帰還する光量は、試料が対物レンズ焦点深度
内に入ると、試料Ｓと対物レンズ２４との距離に対応し
て変動する。なお、液晶ディスプレイモジュールＳで反
射されたレーザ光のうちビームスプリッタ４０及び４２
を透過したもれ光は、レーザビームスポットとして、ビ
デオカメラ４８に撮像され、モニタ３３の画面ほぼ中心
に映し出される。

【００４８】本具体例では、演算・制御装置３０は、演
算部たるコンピュータ３００と制御部たるコントローラ
３０１から構成されている。コンピュータ３００は、図
４〜８の演算処理を行うためのものである。コントロー
ラ３０１は、マイクロコンピュータに、ピエゾドライバ
ー２８とレーザダイオード駆動電源１６が一体内蔵され
たものである。コントローラ３０１には、さらに、増幅
器１８から出力されるアナログの光出力信号と位置セン
サー２７から出力されるアナログの位置信号を受け取
り、それらを、デジタル信号に変換するためのアナログ
／デジタル変換器も設けられている。コントローラ３０
１の外側表面には、ピエゾドライバー２８をパワーオン
して、ピエゾステージ２６の圧電素子に電圧を印加する
と共に位置センサ２７の駆動を開始するためのピエゾ駆
動電源スイッチ３０２と、レーザダイオード駆動電源１
６をパワーオンするためのレーザダイオードスイッチ３
０４と、ピエゾドライバー２８にピエゾステージ２６へ
の印加電圧を走査させるためのピエゾスキャンスイッチ
３０６と、光源５０を点灯させるための光源スイッチ３
０８と、レーザダイオード１２が点灯状態にあることを
示す警告ランプ３１０と、ピエゾドライバー２８が電圧
走査状態にあることを示すピエゾインジケータ３１２が
設けられている。

【００４９】上記構成の本具体例の操作方法を、以下、
説明する。まず操作者は、試料たる液晶ディスプレイモ
ジュールを試料台５４上にセットし、ピエゾ駆動電源ス
イッチ３０２を投入する。ピエゾドライバー２８は、ピ
エゾステージ２６の圧電素子に電圧を印加すると共に、
位置センサ２７の駆動を開始する。この結果、位置セン
サ２７は、ピエゾステージの位置信号をコントローラ３
０１へ送出しはじめる。次に、操作者は、レーザダイオ
ードスイッチ３０４をＯＮにする。すると、警告ランプ
３１０が点灯し、レーザダイオード１２が点灯状態にな
る。操作者は、さらに、ピエゾスキャンスイッチ３０６
をＯＮにする。ピエゾドライバー２８が、ピエゾステー
ジの圧電素子へ印加する駆動電圧のスキャンを開始す
る。操作者は、さらに、光源スイッチ３０８をＯＮし、
光源５０を点灯させる。この結果、通常の顕微鏡像とし
てビデオカメラ４８で捕らえられた試料像が、モニタ３
３画面上に映し出され、同時にレーザビームスポット
も、モニタ画面ほぼ中心に映し出される。コントローラ
３０１は、ホトダイオード１４から出力され増幅器１８
で増幅された光出力信号と、位置センサー２７から出力
された位置信号を受取り、ＡＤ変換する。コントローラ
３０１は、さらに、デジタル変換された光出力信号と位
置信号の位相を合せ同期をとった後、コンピュータ３０
０に送り込む。コンピュータ３００は、さらに、図４〜
８に示す演算処理を行うことにより、信号波形の特徴点
たるピーク位置、重心位置、または、微分値最小位置を
演算し、その間の距離を演算して液晶セルギャップを求
める。

【００５０】本発明者らは、上記図９の微小位置測定装
置を作製し、液晶ディスプレイモジュールのセルギャッ
プの測定実験を行った。なお、レーザダイオードパッケ
ージ１０のレーザダイオード１２として、波長６７０ｎ
ｍで５ｍＷパワーのものを使用した。そして、このレー
ザダイオード１２を、その発振しきい値より０．５ｍＡ
程度低めで駆動した。さらに、ピエゾステージ２６への
印加電圧が３０Ｈｚで正弦波駆動スキャンするように、
ピエゾドライバー２８を制御した。ピエゾステージの走
査長は、ピエゾ印加電圧を最大１００Ｖに設定すること
により最大１００μｍまで設定することができた。さら
に、対物レンズ２４として、開口数ＮＡ０．９の対物レ
ンズを使用したところ、パルス半値幅として０．４μｍ
が得られ、パルスピーク位置の読み取り精度は０．１μ
ｍ以下と高精度となり、良好な測定を行うことができ
た。

【００５１】次に、本発明の第二の実施例を、図１０を
参照して説明する。第二の実施例も、第一の実施例と同
様、試料の有する複数の境界面の位置を測定し、その相
対的位置である試料の寸法を測定するための微小位置測
定装置（微小寸法測定装置）である。

【００５２】本実施例の微小位置測定装置１では、フィ
ードバック制御装置１５を設け、レーザダイオード１２
が常に一定の光量の光を出力するようにフィードバック
制御（オートパワーコントロール）する。すなわち、本
実施例では、フィードバック制御装置１５を、レーザダ
イオード駆動電源１６と増幅器１８に接続している。フ
ィードバック制御装置１５は、比較回路等からなり、ホ
トダイオード１４から出力され増幅器１８にて増幅され
た光出力信号を受け取り、この光出力信号に基づき、レ
ーザダイオード駆動電源１６をフィードバック制御して
レーザダイオード１２に印加する駆動電流（順方向電
流）を調整する。すなわち、レーザダイオード１２が一
定の光量の光を出力するようレーザダイオード駆動電源
１６の印加順方向電流をフィードバック制御する。レー
ザダイオード駆動電源１６は演算・制御装置３０にも接
続されており、レーザダイオード１２へ印加する順方向
電流を示す信号（以下、「駆動電流信号」という）を、
演算・制御装置３０に出力する。なお、フィードバック
制御装置１５のフィードバック応答周波数は、ピエゾド
ライバー２８の駆動周波数とストローク、対物レンズ２
４の開口数、及び、レーザダイオード１２の発振波長に
応じて決定する。また、本実施例の場合にも、オートパ
ワーコントロールのパワー（順方向電流）は、レーザダ
イオード１２の発振しきい値より数パーセント低めに初
期設定することが好ましい。第一の実施例と同様、信号
出力のサブピークを抑えることができるからである。

【００５３】かかる構成においては、ピエゾステージ２
６の走査にしたがいレーザスポットが試料中の境界面に
当たると、反射光がレーザダイオード１２に大量に帰還
し、レーザダイオード発振が増幅変動され、レーザダイ
オード１２の出力光量が増大する。ホトダイオード１４
がこの増大した光出力を検出して光出力信号を出力す
る。この光出力信号は、増幅器１８により増幅された
後、フィードバック制御装置１５に入力される。フィー
ドバック制御装置１５は、レーザダイオード駆動電源１
６がレーザダイオード１２へ印加する順方向電流値を下
げることにより、レーザダイオード１２への帰還光の増
大によるレーザダイオードの発光量の増加を抑え、発光
量を一定となるようにフィードバック制御する。このよ
うに、本実施例では、発光量自体は一定であるが駆動電
流が変化するため、この駆動電流を測定することで試料
中の境界の位置を測定する。

【００５４】本実施例では、演算・制御装置３０は、レ
ーザダイオード駆動電源１６から出力されたアナログの
駆動電流信号とピエゾドライバ２８から出力されたアナ
ログの位置信号を受け取り、これらをアナログ／デジタ
ル変換した後、その位相を合わせることにより、同期し
た駆動電流データD(i)と位置データZ(i)からなるデータ
対（D(i),Z(i)）を求める。演算・制御装置３０は、表
示装置３２を制御して、図１１に示すように、対物レン
ズ２４の移動距離Z(i)とレーザダイオード１２の駆動電
流D(i)の関係を表示する。この結果、試料の境界面から
の反射光が、下向きのパルス状の駆動電流信号として得
られる。演算・制御装置３０は、さらに、駆動電流デー
タと位置データを演算し、かかる下向きパルス（より詳
しくは、下向きパルスの頂点、重心、あるいは、最小微
分値）の得られた際の対物レンズ２４の移動距離を求め
ることにより、試料Ｓの境界面の対物レンズ２４に対す
る相対位置を求める。試料Ｓは光軸Ｚ方向に複数の境界
面をもつため、該複数の境界面からの反射光が、複数の
下向きパルス状の駆動電流信号として得られる。したが
って、演算・制御装置３０は、第一の実施例と同様に、
各下向きパルス間の距離として、パルスの頂点間隔、パ
ルスの重心間隔、あるいは、パルスの最小微分値位置間
隔を演算することにより、試料の寸法を求める。

【００５５】本実施例の演算・制御装置３０の行う演算
処理は、光出力データI(i)の代わりに駆動電流データD
(i)を使用する点を除き、図４〜８に示した演算処理と
略同一である。より詳しくは、本実施例では、レーザダ
イオード駆動電流の極端な減少を、試料の境界面による
帰還光の増大による影響と判断する。演算・制御装置３
０は、互いに同期した駆動電流信号と位置信号を受け取
り、駆動電流信号がその極端な減少を示す下向きパルス
を形成した時点を求め、この時点において得られた位置
信号から各境界面の位置を求める。さらに、各境界面間
の距離を求める。

【００５６】本発明者らは、本実施例を具体化し図９の
構成と同様な構成をした液晶セルギャップ測定装置を作
製した。開口数ＮＡが０．６５の対物レンズ２４と、波
長６７０ｎｍのレーザダイオード１２を使用し、ピエゾ
ステージ２６をピエゾドライバー２８で２０Ｈｚ、４０
μｍストロークで走査した。オートパワーコントロール
のパワーの初期設定値を、レーザダイオード１２の発振
しきい値より数パーセント低めにした。また、フィード
バック制御装置１５のフィードバック応答を、百数十キ
ロＨｚとした。この結果、良好な結果が得られた。

【００５７】本実施例によれば、レーザダイオードの発
光量が常に一定となるようフィードバック（オートパワ
ーコントロール）をかけておき、レーザダイオードの駆
動電流を信号として取り出す。したがって、レーザダイ
オードを、常に、その定格出力を超えることなく、一定
の出力となるよう駆動することができるため、レーザダ
イオードの負担を低減できる上、外界の温度変化やレー
ザダイオード自身の発熱による影響を抑えることもでき
る。

【００５８】なお、上記第一及び第二の実施例では、演
算・制御装置３０は、各パルスの特徴点を演算して各境
界面の位置を求めた後、境界面間距離を演算した。しか
しながら、単に、図４〜８の演算処理を行い、境界面の
微小位置測定装置に対する位置を求めるのでもよい。例
えば、位置信号ｚが、対物レンズ２４と固定台３４表面
との距離を示している場合には、求めた各j番目のパル
スの頂点位置Pz(j)、重心点位置ZG(j)、または、最小微
分値位置ZD(j)から焦点距離fをひく演算を行うことによ
り、各j番目の境界面の固定台３４表面からの距離を求
めることができる。

【００５９】また、図５のパルス−パルス分離処理によ
れば、パルス部分のデータのみを記憶させておき、これ
らデータを他の処理に利用することができる。しかしな
がら、この処理は省略しても良い。すなわち、図４のし
きい値決定処理を行った後、図５のパルス−パルス分離
処理を行わず、図６〜８の処理のいずれかを直接行うよ
うにしても良い。また、図６〜８の処理はそのいずれを
行っても良いが、信号出力にノイズが少ない場合には図
６の処理で頂点位置を求めるので十分であるが、ノイズ
が多い場合には図７の処理で重心位置を求めるのが好ま
しい。

【００６０】さらに、試料の有する複数の境界面の反射
率が境界面によって大幅に異なる場合には、ホトダイオ
ード１４の発する光出力信号が形成するパルスの高さが
かなり異なってしまう。かかる場合には、パルスの高さ
の差を減らすために、増幅器１８をログアンプとし、信
号のばらつきを抑えるようにしても良い。ログアンプで
は、その入力に対し、出力を対数にすることができるか
らである。

【００６１】上記第一及び第二の実施例においては、試
料Ｓに対して対物レンズ２４を走査するものとしたが、
試料Ｓを走査するようにしてもよい。図１２は、ピエゾ
ステージ２６が試料Ｓを移動走査させるように変更した
場合の構成を示したものである。なお、この図では、対
物レンズ２４をＸＹＺステージ８０上に固定し、対物レ
ンズ２４と試料Ｓの相対位置を微調整できるようにして
いる。

【００６２】上記第一及び第二の実施例では、試料境界
面の１次元（Ｚ軸）方向における位置を測定している
が、本発明によれば、試料境界面の１次元における位置
を２次元的に測定することもできる。第三の実施例は、
第一の実施例の構成を応用し、２次元的測定を可能とし
た２次元走査微小位置測定装置である。すなわち、第三
の実施例は、試料の有する境界面の位置の分布を測定す
ることにより試料の形状を求めることができる微小位置
測定装置（微小形状測定装置）である。

【００６３】以下、本発明の第三の実施例を、図１３〜
１５を参照して説明する。図１３及び１４に示すよう
に、この２次元走査微小位置測定装置の光学系は、顕微
鏡ホルダー５２に対しＺ軸方向に摺動可能に設けられた
Ｚステージ１０４上に取付られている。また、試料Ｓ
を、顕微鏡ホルダー５２に対しＺ軸に垂直なＸ軸とＹ軸
に移動可能なＸ−Ｙステージ１０２上に載置し、光学系
と試料との位置合わせを簡便に行えるようにしている。
この装置では、コリメータ２２と対物レンズ２４の間
に、ガルバノメータミラー９６と瞳リレーレンズ９０と
が設けられている。ガルバノメータミラー９６は、コリ
メータ２２からのレーザ光をＺ軸に直交するＸ軸方向に
偏向するためのものである。瞳リレーレンズ９０は、対
物レンズ２４の射出瞳をガルバノメータミラー９６に結
像し、さらに、対物レンズ２４の像点位置にレーザ光の
スポットを形成するためのものである。さらに、ガルバ
ノメータミラー９６と瞳リレーレンズ９０の間には、３
０゜プリズム９２が設けられている。この３０゜プリズ
ム９２は、試料Ｓで反射され対物レンズ２４と瞳リレー
レンズ９０を経て戻ってきたレーザ光の一部をビデオカ
メラ９５のカメラレンズ９４に導く分岐光路を形成す
る。ビデオカメラ９５は、レーザ光が照射されている試
料Ｓ上の位置を確認するためのものである。また、対物
レンズ２４は、レボルバ９８に装着され、試料にあわせ
て種類を選択できるようになっている。

【００６４】かかる構成においては、レーザダイオード
１２から出たレーザ光は、コリメータ２２で平行光とさ
れ、ガルバノメータミラー９６、３０゜プリズム９２、
瞳リレーレンズ９０を経て、対物レンズ２４に入射し、
試料Ｓ上にスポットを形成する。試料Ｓからの反射光
は、以上の光路を逆にたどってレーザダイオード１２に
帰還する。ガルバノメータミラー９６は、レーザ光を試
料上で光軸方向Ｚに対して垂直なＸ軸方向に走査する。
ここで、ガルバノメータミラー９６は、ピエゾドライバ
２８によるピエゾステージ２６のＺ軸方向の走査周期よ
り遅い周期で、光軸Ｚと直角なＸ軸方向にレーザ光を走
査する。演算・制御装置３０は、レーザダイオードパッ
ケージ１０内のホトダイオード１４からの光出力信号
と、ガルバノメータミラー９６のＸ軸方向における位置
信号、及び、ピエゾステージ２６のＺ軸方向の位置信号
より、試料の光軸（Ｚ軸）方向の断面形状のＸ軸方向に
おける分布状態を表示装置に表示する。

【００６５】図１５は、この２次元微小位置測定装置で
の信号処理を示す説明図である。今、試料の表面がＸ軸
方向に沿って図１５（Ａ）のように分布しているとす
る。この場合に、２次元微小位置測定装置においてレー
ザ光を光軸Ｚ方向に走査しながらＸ方向に走査すると、
信号は、図１５（Ｂ）に示すようなパルスの連なりとし
て観測することができる。図４〜６に示す演算処理によ
りこのパルスの特徴点としてピーク点をつなげていくこ
とにより、図１５（Ｃ）に示すように試料の表面形状を
求めることができる。なお、試料が一対の外部境界面を
有する場合に、各境界面のＸ軸方向における分布状態か
ら、試料の形状のＸ軸方向における分布状態を求めるこ
とができる。さらに、試料が多層構造を有する場合に、
各境界面のＸ軸方向における分布状態から、試料の各層
の形状のＸ軸方向における分布状態を求めることができ
る。なお、第二の実施例の構成を応用して同様な２次元
微小位置測定装置を構成することができるのは勿論であ
る。

【００６６】本発明は、上述した実施例の微小位置測定
装置に限定されることなく、本発明の主旨から逸脱する
ことなく、種々の変更が可能となる。例えば、上記実施
例では、光源としてレーザダイオードを用いているが、
これに限られない。増倍機能を有している光源であれば
よい。例えば、レーザや、メーザ等でもよい。さらに、
ファイバ増幅器の付加された光源でも良い。

【００６７】また、試料と対物レンズとの間の距離を調
整する手段としては、圧電素子を利用したピエゾステー
ジに限られない。例えば、比較的長距離の計測には、微
動ステージを用いてもよく、ピエゾステージと微動ステ
ージを併用してもよい。さらに、レーザイオード１２の
出力光を検出するためのホトダイオード１４としては、
上記具体例に記載したように、レーザダイオードパッケ
ージ１０に内蔵されたモニター用ホトダイオードを使用
することが好ましい。しかしながら、ホトダイオード１
４は通常通りモニター用として使用し、レーザダイオー
ド１２とホトダイオード１４の間のビーム光路中にハー
フミラーを設けて光を分岐し、分岐された光を別に設け
られたホトダイオードにて検出して、この結果を測定に
利用するようにしてもよい。また、パルスの特徴点とし
ては、パルスのピーク点、重心点、微分値最小点の他、
様々な点が考えられる。

【００６８】

【発明の効果】以上詳述したことから明かなように、本
発明の微小位置測定装置においては、該共焦点光学系
が、該光源からの光を少なくとも一つの境界面を有する
試料に集束照射すると共に、その照射により得られる該
試料からの反射光を該光源に帰還入射させる。該走査手
段が、該共焦点光学系に対する該試料の相対位置を該光
軸方向に移動させる。かかる移動に伴い、該共焦点光学
系からの光が該少なくとも一つの境界面に集束照射され
ると、該試料からの反射光光量が増大する。この結果、
該光源に帰還入射する試料からの反射光光量が増大す
る。ここで、該光源は増幅機能を有しているため、その
出力状態が変動する。該検出手段がこの出力状態の変動
を検出する。該演算手段が、該検出手段の検出結果と該
走査手段による該試料の該共焦点光学系に対する相対位
置に基づき、該試料の該少なくとも一つの境界面の該光
軸方向における位置を演算する。かかる微小位置測定装
置によれば、試料の境界面の位置をサブミクロンから数
ミリメートル単位でも測定でき、多層構造の試料の各境
界面の位置を比較的簡単に測定できる。したがって、従
来では不可能であったサブミクロンから数ミリメートル
までの厚さ寸法の測定ができると共に、多層構造の試料
の各層の寸法・形状を非接触で比較的簡単に測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の微小位置測定装置の構
成を示す説明図である。

【図２】図１の微小位置測定装置のレーザダイオード印
加順方向電流と得られる光出力信号のパルス半値幅との
関係を示すグラフである。

【図３】図１の微小位置測定装置で得られる位置データ
と光出力データからなるデータ対の形成するパルス信号
波形を示す説明図である。

【図４】図１の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うしきい値決定処理を示すフローチャートである。

【図５】図１の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス−パルス分離処理を示すフローチャートであ
る。

【図６】図１の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス頂点演算処理を示すフローチャートである。

【図７】図１の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス重心点演算処理を示すフローチャートである。

【図８】図１の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス最小微分値点演算処理を示すフローチャートで
ある。

【図９】図１の微小位置測定装置を具体化した液晶セル
ギャップ測定装置の構成を示す説明図である。

【図１０】本発明の第二の実施例の微小位置測定装置の
構成を示す説明図である。

【図１１】図１０の微小位置測定装置で得られる位置デ
ータと駆動電流データからなるデータ対の形成するパル
ス信号波形を示す説明図である。

【図１２】試料をピエゾステージに載置する変更例を示
す斜視図である。

【図１３】図１の微小位置測定装置を応用して構成する
本発明の第三の実施例の２次元走査微小位置測定装置の
構成を示す断面説明図である。

【図１４】図１３の２次元走査微小位置測定装置の斜視
図である。

【図１５】（Ａ）は、試料の表面の断面形状を示す図で
あり、（Ｂ）は、この試料を図１３の２次元走査微小位
置測定装置にて測定した結果得られる一連のパルス信号
を示すグラフであり、（Ｃ）は、（Ｂ）のパルスのピー
ク点をつなげていくことにより求められる試料の表面の
断面形状を示す図である。

【符号の説明】

１微小位置測定装置１２レーザダイオード１４ホトダイオード１５フィードバック制御装置１６レーザダイオード駆動電源２０共焦点光学系２６ピエゾステージ３０演算・制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】増倍機能を有する光源と、該光源からの
光の光軸方向に沿って共焦点系を構成することにより、
該光源からの光を少なくとも一つの境界面を有する試料
に集束照射し、かつ、該試料からの反射光を該光源に帰
還入射させるための共焦点光学系と、該共焦点光学系に
対する該試料の相対位置を該光軸方向に移動させる走査
手段と、該光源に帰還入射する試料からの反射光の光量
により変動する該光源の出力状態を検出するための検出
手段と、該検出手段の検出結果と該走査手段による該試
料の該共焦点光学系に対する相対位置に基づき、該試料
の該少なくとも一つの境界面の該光軸方向における位置
を演算するための演算手段を備えることを特徴とする、
試料の境界面の位置を測定するための微小位置測定装
置。