JPH102721A

JPH102721A - 段差測定装置

Info

Publication number: JPH102721A
Application number: JP15718796A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ono; 修大野
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1998-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】単純な構成でありながらも、素早く正確に規
則的な段差を有する測定対象物の測定が可能な段差測定
装置を提供する。【解決手段】本発明による段差測定装置は、測定対象
物２を載置するステージ１と、半導体レーザ３からの光
を測定対象物２の被測定面へ向けて照射しその被測定面
からの反射光を集光する対物レンズ６と、前記被測定面
からの反射光の光量に対応した信号を出力する第１，第
２の光検出手段（受光素子１０，１２）と、第１，第２
の光検出手段からの出力信号に基づき前記測定面の位置
を判定するための信号を出力する信号処理手段１３と、
光軸に沿って上下に振動し前記測定対象物の段差の大き
さを測定するために用いる信号を出力する第３の光検出
手段２２とにより構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光検出センサを備え
た段差測定装置に関し、特に、規則的な段差を有する測
定物の高さ情報を素早く正確に測定するための段差測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の段差測定装置では、測定対象物を
ステージ上に載置し、その測定対象物の測定点を対物レ
ンズを介して撮像装置等により拡大観察しながら前記ス
テージを移動させ、焦点検出手段によって測定対象物の
段差を測定している。

【０００３】図７は、このような従来の段差測定装置の
概略構成を示す図である。ここに示すように、ステージ
１上には測定対象物２が載置されており、測定対象物２
の被測定面が図示しない照明系により照明されるように
なっている。一方、半導体レーザ３から出射されるレー
ザビームは、偏光ビームスプリッタ４により反射され、
１／４波長板５，対物レンズ６を介して測定対象物２の
被測定面に照射される。そして、この被測定面からの反
射光は、再度、対物レンズ６，１／４波長板５を介して
偏光ビームスプリッタ４へ入射される。このとき偏光ビ
ームスプリッタ４への入射光は、１／４波長板５を透過
した際、その偏光方向が９０°ずらされる。従って、こ
の入射光は偏光ビームスプリッタ４を透過することが可
能となる。更に、偏光ビームスプリッタ４を透過した前
記被測定面からの反射光は、第１のビームスプリッタ７
で反射された後、第２のビームスプリッタ８により更に
２方向へ振り分けられる。ここで、一方の光は、第２の
ビームスプリッタ８を透過したのち、集光点Ｐよりも前
方に配置された絞り手段９を介して受光素子１０に入射
する。又、他方の光は、第２のビームスプリッタ８によ
り反射された後、集光点Ｐよりも後方に配置された絞り
手段１１を介して受光素子１２に入射するようになって
いる。尚、絞り手段９及び絞り手段１１は、夫々集光点
Ｐを基準に前方向及び後方向に同じ距離だけ離されて配
置されている。

【０００４】受光素子１０，１２は夫々受光した測定対
象物２の被測定面からの反射光の光量に対応した電気信
号を信号処理手段１３へ送信する機能を有している。図
３（ａ）は受光素子１０，１２から夫々出力される出力
信号Ｂ，Ａの変化特性を示す図である（Ｆは対物レンズ
６の合焦点を示し、横軸は測定対象物２の被測定面の位
置を示している）。信号処理手段１３では送信された各
信号Ａ，Ｂに対して所定の演算を行い、測定対象物２の
被測定面の変位に応じた変位信号Ｊが生成される。図４
（ｂ）は、信号処理手段１３において信号Ａ，Ｂに対す
る演算が実行された結果得られた変位信号Ｊの特性を示
しているが、具体的にはこの変位信号Ｊは、信号Ａ，Ｂ
に基づき演算（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が実行されて生成
される。

【０００５】次に、測定対象物２の被測定面上に対物レ
ンズ６の焦点を合わせるために、信号処理手段１３から
変位信号ＪがＺ軸駆動回路１４へ送信される。このＺ軸
駆動回路１４は送信された変位信号Ｊに基づきＺ軸駆動
手段１５を作動させることにより、対物レンズ６を光軸
に沿う方向（図の矢印イの方向）に移動させることがで
きる。これにより、ステージ１と対物レンズ６との間の
相対的な距離を変化させることができる。即ち、測定対
象物２の被測定面に対して対物レンズ６の焦点を合わせ
ることができる。又、対物レンズ６の移動量は、Ｚ軸ス
ケール１６で検出し、Ｚ軸スケール１６から送信される
電気信号に基づいてＺ軸移動量カウンタ１７で計数でき
るようになっている。従来の装置では、対物レンズ６の
移動量をＺ軸移動量カウンタ１７で計数することによ
り、測定対象物２の段差の大きさを求めている。尚、観
察対象物２を載置するステージ１には、ステージ駆動手
段１８とステージ駆動回路１９とが設けられ、これによ
り図の矢印ロの方向にステージ１を移動させることが可
能になっている。

【０００６】以下、このように構成された従来の段差測
定装置を用いて測定対象物２の段差の大きさを測定する
方法を具体的に述べる。まず、ステージ１を図の矢印ロ
の方向に移動させて測定対象物２の基準とすべき被測定
面を対物レンズ６の下側に位置させ、対物レンズ６を光
軸に沿う方向に移動させることによりその被測定面に対
する焦点位置を検出する（このときの焦点位置の検出方
法は前述の通りである）。次に、再びステージ１を移動
させて、測定対象物２における前記被測定面と高さの異
なる被測定面を対物レンズ６の下側に位置させ、対物レ
ンズ６を光軸に沿う方向に移動させることによりその被
測定面に対する焦点位置を検出する。そして、この過程
における対物レンズ６の移動量をＺ軸スケール１６で検
出し、このＺ軸スケール１６からの電気信号に基づきＺ
軸カウンタ１７で計数することにより、測定対象物２の
段差を測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の段差測定装置を用いて規則的な段差を有する測定対
象物を測定する場合、次のような問題がある。

【０００８】図２は測定対象物２の段差の大きさを段差
測定装置を用いて測定している様子を示す図であるが、
このとき、測定対象物２の測定ポイント毎にステージ１
を停止させ固定し、対物レンズ６を光軸方向に移動させ
ることにより、測定対象物２の各測定ポイントにおける
焦点位置検出の作業が必要になる。このような作業を繰
り返し行うことは、非常に煩雑で多くの時間を費やすこ
とになり、好ましくない。更に、煩雑な作業を伴うとな
れば、測定精度の低下を招くことにもなりかねない。

【０００９】そこで、上記のような従来技術の有する問
題点に鑑み、本発明は、単純な構成でありながらも、素
早く正確に規則的な段差を有する測定対象物の測定が可
能な段差測定装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による段差測定装置は、測定対象物を載置す
るステージと、光源からの光を前記測定対象物の被測定
面へ向けて照射しその被測定面からの反射光を集光する
対物レンズと、前記被測定面からの反射光の光量に対応
した信号を出力する第１，第２の光検出手段と、第１，
第２の光検出手段からの出力信号に基づき前記被測定面
の位置を判定するための信号を出力する信号処理手段
と、光軸に沿って上下に振動し前記測定対象物の段差の
大きさを測定するために用いる信号を出力する第３の光
検出手段とにより構成されていることを特徴とする。更
に、本発明の段差装置において、前記第３の光検出手段
は前記測定対象物の被測定面からの反射光の集光位置に
配置された絞り手段と受光素子とから構成されており、
又、第３の光検出手段にはこの第３の光検出手段を光軸
に沿って上下に振動させるための駆動手段が設けられて
いることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至６に基づき本発明
を詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明による段差測定装置の概略構
成を示す図である。尚、図７に示した従来装置に用いら
れた部材等と同一のものには同符号を付している。本発
明の段差測定装置では、従来装置に加えて新たに、絞り
手段２０と受光素子２１とからなる光検出手段２２と、
この光検出手段２２を光軸に沿って上下に振動させるた
めの駆動手段２３と、駆動手段２３を駆動するための駆
動回路２４とが設けられている。

【００１３】図１に示すように、本発明の装置では、ス
テージ１上には測定対象物２が載置されており、測定対
象物２の被測定面が図示しない照明系により照明される
ようになっている。一方、半導体レーザ３から出射され
るレーザビームは、偏光ビームスプリッタ４により反射
され、１／４波長板５，対物レンズ６を介して測定対象
物２の被測定面に照射される。そして、この被測定面か
らの反射光は、再度、対物レンズ６，１／４波長板５を
介して偏光ビームスプリッタ４へ入射される。このとき
偏光ビームスプリッタ４への入射光は、１／４波長板５
を透過した際、その偏光方向が９０°ずらされる。従っ
て、この入射光は偏光ビームスプリッタ４を透過するこ
とが可能となる。更に、偏光ビームスプリッタ４を透過
した前記被測定面からの反射光は、第１のビームスプリ
ッタ７で反射された後、第２のビームスプリッタ８によ
り更に２方向へ振り分けられる。ここで、一方の光は、
第２のビームスプリッタ８を透過したのち、集光点Ｐよ
りも前方に配置された絞り手段９を介して受光素子１０
に入射する。又、他方の光は、第２のビームスプリッタ
８により反射された後、集光点Ｐよりも後方に配置され
た絞り手段１１を介して受光素子１２に入射するように
なっている。

【００１４】受光素子１０，１２は夫々受光した測定対
象物２からの反射光の光量に対応した電気信号を信号処
理手段１３へ送出する機能を有している。図３（ａ）は
受光素子１０，１２から夫々出力された出力信号Ｂ，Ａ
の変化特性を示す図である（Ｆは対物レンズ６の合焦点
を示し、横軸は測定対象物２の被測定面の位置を示して
いる）。信号処理手段１３では送信された各信号Ａ，Ｂ
に対して所定の演算を行い、測定対象物２の被測定面の
変位に応じた変位信号Ｊが生成される。図３（ｂ）は信
号Ａ，Ｂに対して演算が実行された結果得られた変位信
号Ｊの特性を示しているが、具体的には、この変位信号
Ｊは信号Ａ，Ｂに基づき演算（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が
実行されて生成される。

【００１５】次に、測定対象物２の被測定面上に対物レ
ンズ６の焦点を合わせるために、信号処理手段１３から
変位信号ＪがＺ軸駆動回路１４へ向けて送信される。こ
のＺ軸駆動回路１４は送信された変位信号Ｊに基づきＺ
軸駆動手段１５を作動させることにより、対物レンズ６
を光軸に沿う方向（図の矢印イの方向）に移動させるこ
とが可能になっている。これにより、ステージ１と対物
レンズ６との間の相対的な距離を変化させることがで
き、測定対象物２の被測定面に対して対物レンズ６の焦
点を合わせることができる。尚、観察対象物２を載置す
るステージ１には、ステージ駆動手段１８とステージ駆
動回路１９とが設けられ、これにより図の矢印ロの方向
にステージ１を移動させることが可能になっている。以
上の構成は従来の装置と同様である。

【００１６】一方、第１のビームスプリッタ７を透過し
た測定対象物２の被測定面からの反射光は、光軸に沿っ
て上下方向に振動可能な光検出手段２２の絞り手段２０
を介し受光素子２１に入射する。受光素子２１は前記被
測定面からの反射光の強度に応じた出力信号Ｃを信号処
理手段１３へ送信する機能を有している。信号処理手段
１３では、図５に示すように、受光素子２１の出力信号
Ｃを微分演算処理し、これによって得られた微分信号
Ｃ’を用いて測定対象物２の段差の大きさが測定され
る。

【００１７】以下、このような構成において、ステージ
１を移動させながら、規則的な段差を有する測定対象物
２の段差の大きさを測定する方法を図２を参照して詳細
に説明する。

【００１８】まず、信号処理系１３からの変位信号Ｊに
基づき対物レンズ６を駆動させ、測定対象物２のＳ₁面
に対物レンズ６の焦点を合わせる（図２の状態(i) ）。
このとき、Ｓ₁面における変位信号Ｊの値は０であるの
で、本発明の装置では、図３（ｂ）に示すように、グラ
フの原点をＰとし、この点Ｐを基準として後述する演算
を行うことにより、測定対象物２の段差の大きさを測定
する。次に、対物レンズ６の位置を保持したまま、ステ
ージ１を図の左方向に移動させ、測定対象物２のＳ₂面
を対物レンズ６の下側に位置させる（図２の状態(ii)の
状態）。前記状態(i) から状態(ii)へ移動する際に、光
検出手段２２はその駆動手段２３及び駆動回路２４によ
り、光軸に対し上下に振動している。尚、対物レンズ６
の光軸は常に光検出手段２２の受光素子２１に入射する
ようになっており、又、光検出手段２２の振動速度はス
テージ１の移動速度よりも速くなるように設定されてい
る。

【００１９】図４は前記状態(ii)における光検出手段２
２の変位と光検出手段２２への検出光の入射する様子を
示す図である。又、図５は、このとき光検出手段２２か
ら出力される信号Ｃとこの信号Ｃを微分演算処理した後
の状態を示すグラフである。尚、図４及び図５中に夫々
示された〜は、図４中の〜の状態における信号
Ｃの出力が夫々図５中の曲線Ｃの〜に対応している
ことを示している。測定対象物２のＳ₂面を測定する場
合（図２に示された状態(ii)）、光検出手段２２は図４
に示す状態〜のように光軸に沿って上下方向に振動
し、このとき、前記Ｓ₂面からの反射光を受光した受光
素子２１は、図５に示すような出力信号Ｃを信号処理手
段１３へ向けて出力する。信号処理手段１３では、この
信号Ｃの出力が所定値ｆ_th以上のとき、信号Ｃの微分演
算が行われる。更に、図５に示すように、信号Ｃの微分
信号Ｃ’の強度が所定値Ｖ_th内である場合（尚、ここで
は、所定値Ｖ_thは０を基準にして微分信号Ｃ’の絶対値
の最大値の±３％程度の幅に設定されている）には、信
号処理手段１３は図３（ｂ）に示された変位信号Ｊを出
力し、本発明の装置ではこれに基づいて測定対象物２の
段差の大きさを求める。例えば、図５における状態を
みると、信号Ｃは所定値ｆ_thより大きく、且つ、この信
号Ｃの微分信号Ｃ’は所定値Ｖ_th内にある。このとき、
本発明の装置では、図３（ｂ）に示された変位信号Ｊに
対応するＳ₂面の位置（即ち、点Ｑ）が検出され、これ
と基準となる点Ｐとから測定対象物２の段差の大きさｘ
が算出されることになる。

【００２０】尚、本発明の段差測定装置では、信号処理
手段１３において、受光素子１２及び受光素子１０から
の出力信号Ａ，Ｂに基づく（Ａ＋Ｂ）の値を求め、これ
に予め設定された閾値Ｔを適用することにより装置の合
焦動作範囲を規定している（図６参照）。このようにす
ることにより、本発明の装置における段差測定範囲を規
定し、又、誤検出を防止している。

【００２１】このように、本発明による段差測定装置を
用いれば、従来装置のようにステージ１を測定ポイント
毎に停止させずに、測定対象物２の段差測定を正確に行
うことができる。又、対物レンズ６を段差毎に駆動させ
ずに、連続的な測定が可能となる。

【００２２】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、単純な
構成でありながらも、素早く正確に規則的な段差を有す
る測定対象物の段差の大きさを求めることが可能な段差
測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による段差測定装置の概略構成を示す図
である。

【図２】段差測定装置を用いて規則的な段差を有する測
定対象物を測定する方法を説明するための図である。

【図３】光検出手段２２の動作を説明するための図であ
る。

【図４】光検出手段２２から出力される信号とその処理
方法を説明するためのグラフである。

【図５】（ａ）は受光素子１０，１２からの出力信号
Ｂ，Ａの特性を示すグラフ、（ｂ）は信号Ａ，Ｂに基づ
き生成された変位信号Ｊの特性を示すグラフである。

【図６】本発明の装置における段差測定範囲の規定及び
誤検出の方法を説明するためのグラフである。

【図７】従来の段差測定装置の概略構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ステージ２測定対象物３半導体レーザ４偏光ビームスプリッタ５１／４波長板６対物レンズ７第１のビームスプリッタ８第２のビームスプリッタ９，１１，２０絞り１０，１２，２１受光素子１３信号処理手段１４Ｚ軸駆動回路１５Ｚ軸駆動手段１６Ｚ軸スケール１７Ｚ軸移動カウンタ１８ステージ駆動回路１９ステージ駆動手段２２光検出手段２３光検出手段駆動手段２４光検出手段駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物を載置するステージと、光源
からの光を前記測定対象物の被測定面へ向けて照射し該
被測定面からの反射光を集光する対物レンズと、前記被
測定面からの反射光の光量に対応した信号を出力する第
１，第２の光検出手段と、該第１，第２の光検出手段か
らの出力信号に基づき前記被測定面の位置を判定するた
めの信号を出力する信号処理手段と、光軸に沿って上下
に振動し前記測定対象物の段差の大きさを測定するため
に用いる信号を出力する第３の光検出手段とにより構成
されていることを特徴とする段差測定装置。
【請求項２】前記第３の光検出手段は、前記測定対象
物の被測定面からの反射光の集光位置に配置された絞り
手段と受光素子とから構成されていることを特徴とする
請求項１に記載の段差測定装置。
【請求項３】前記第３の光検出手段には、該第３の光
検出手段を光軸に沿って上下に振動させるための駆動手
段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
段差測定装置。