JPS6236502A

JPS6236502A - 微小変位測定顕微鏡

Info

Publication number: JPS6236502A
Application number: JP7033885A
Authority: JP
Inventors: Akimasa Morita; 晃正森田; Makoto Yoshinaga; 吉永　允; Masami Kawasaki; 川崎　正美; Yoichi Iba; 陽一井場; Noriyuki Miyahara; 宮原　則行; Takashi Nagano; 長野　隆
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1985-04-03
Filing date: 1985-04-03
Publication date: 1987-02-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ｌ五豆見本発明は、工作物の表面粗さや微小変位（上下変化）等
を測定する微小変位測定顕微鏡に関するものである。

ｌ米且土最近、工作物の表面粗さや微小変位等の測定に非接触の
光学式測定器として微小変位測定顕微鏡が用いられるよ
うになってきているが、その中でも測定精度の向上、装
置の小型化の可能性を存するものとして焦点検出方式を
応用したものが注目されており、これらのものとして臨
界角法、非点収差法等を応用したものがある。

まず、臨界角法を用いたものとしては、例えば第６図に
示したものがある。これは、レーザダイオードｌからの
赤外レーザ光が、コリメータレンズ２．偏光ビームスプ
リッタ３．λ／４仮４．対物レンズ５を通って試料６上
に投射され、反射された光は対物レンズ５．λ／４板４
．偏光ビームスプリッタ３．ビームスプリンタ７を通っ
て臨界角プリズム８又は９に入射し、臨界角プリズム８
又は９で反射した光は夫々二つのフォトダイオード１０
．１１又は１２．１３（第７図参照）に入射するように
構成されている。そして、試料６の測定面が対物レンズ
５の焦点位置にある場合、測定面で反射された光は対物
レンズ５によって平行光束となり、臨界角プリズム８又
は９に入射するが、この時入射光が全て全反射するよう
にＨｆｉ界角プリズム８又はりを設定しておくと、各二
個のフォトダイオード１０．１１又は１２．１３には第
７図（ｂ）に示した如く同一光量の光が到達する。

又、測定面が焦点位置より対物レンズ５に近い位置にあ
る場合、反射光は対物レンズ５を通った後発散光となり
臨界角プリズＬ８又は９に入射するが、この時光軸の両
側で入射角が異なるため、全反射の条（１を満たさない
側の光はプリズム８又は９の外へ出てしまい且つ全反射
の条件を満たす側の光は全反射されるので、第７図（ａ
）に示した如くフメートダイオード１０又は１２には少
量の光Ｕ７か到達せず且つフォトダイオード１１又は１
３には充分な光が到達する。又、測定面が焦点位置より
対物レンズ５から遠い位置にある場合は、上記と逆にな
り、第７図（Ｃ）に示した如くフォトダイオード１０又
は１２には充分な光が到達し且つフォトダイオード１１
又は１３には少量の光しか到達しない。従って、各二つ
のフォトダイオード１０．１１又は１２．１３の出力差
を読み取りつつ試料６を移動させて走査することにより
、その測定面の表面粗さや微小変位等を測定することが
できる。

又、Ｊト点収差法を用いたものとして、例えば第８図に
示したものがある。これは１、レーザ光源１４からのレ
ーザ光が空間フィルター１５を通って偏光ビームスプリ
ッタ１６に入射し、続いてλ／４仮１７．対物レンズ１
８を通って試１１１９上に投射され、反射された光は対
物レンズ１８．　　λ、／４＋ｆｆｌ？、Ｗ光ビームス
プリッタ１６．ビームスプリッタ２０を通ってシリンド
リカルレンズ２１又は２２に入射し、ノリンドリカルレ
ンズ２１又は２２により１１９点収差が生しるように集
光された光束は夫々四個のフォトダ・イオード２．５．
２６゜２７．２８から成る検出器２３又は２４（第９図
参照）に入射するように構成されている。そして、この
光学系において非点収差があるので、レーザ光ｔＡ１４
からの点像を試料１９の測定面に入射した場合、測定面
で反射した後検出器２３ヌは２４上に結像する点像の形
状は焦点の前後で第９図（ａ）。

！ｂ１．　（Ｃ１に示した如く変化する。その像をフォ
トダイオード２５．２６．２７．２８で検出し、演算（
Ｖ２Ｓ　＋　Ｖｚ’＋）　　　（Ｖ２６＋　Ｖｚｓ）を
行ってその値を読み取りつつ試料１９を移動させて走査
することにより、その測定面の表面粗さや微小変位等を
測定することができる。但し、Ｖｉ　　は検出器ｉの出
力である。

ところが、上記いずれの微小変位測定８微鏡も、測定面
上における測定スポットの径が１〜２μと非常に小さい
ので、測定している位置が正確にわからないという問題
があった。特に、Ｉｃウェハのように倣細な構造を有し
ているものに対してはミクロンオーダーでの測定点の位
置ぎめが必要であるのに、それができなかった。又、測
定点上の傷、ゴミ等により異常信号が出ても、それが本
当に傷、ゴミ等によるものなのかＩ＋ＩＩ認できないと
いう問題もあった。

旦一旦本考案は、上記問題点にニレみ、測定している位置が正
確にわかると共に、測定点上に傷、ゴミ等が存在してい
るか否かを確認し得るようにした微小変位測定顕微鏡を
提供せんとするものである。

互＝１本発明による微小変位測定顕微鏡は、変位測定光学系と
観察光学系とを備え、両光学系の対物レンズを含む部分
の光軸を同軸にして、測定点を観察しながら測定できる
ようにすると共に、測定点上の傷、ゴミ等の有無を目視
により確認し得るようにしたものである。

１鴇」随以下、第１図乃至第４図で示した一実施例に基づき本発
明の詳細な説明すれば、第１図は臨界角法を用いた場合
の光学系を示しており、３１は直線偏光レーザを出力す
るレーザ光源であって、レーザ光はビームエクスパンダ
３２によりビーム径が拡大され且つ平行光となっ一ζビ
ームスプリッタ３４に入射する。一方、ランプ３５ａ、
レンズ３　５ｂ、３５ｃにより構成される観察用照明系
からの光もビームスプリッタ３４に入射し２、レーザ光
と一つになってビームスプリンタ３６に入る。ビームス
ブリフタ３６により観察光軸に入ったレーザ光と照明光
は偏光ビームスブリット面３６ａ及び１／４波長板３７
を通過して無限設計系対物レンズ（例えば５０倍、焦点
深度１μ）３８に入射する。尚、１／４波長板３７を通
過する時レーザ光は直線偏光から円偏光へと変換される
。又、照明光は対物レンズ３８により視野全体を照明し
、レーザ光は試料３９上に変位測定用の微小スポットを
投影する。

照明光の試料反射光は、逆の経路即ち対物レンズ３８．
１／４波長板３７．ビームスプリッタ３６を通過し、結
像レンズ４０．プリズム４１により接眼レンズ４２の視
野絞り面に結像する。レーザ光の試料反射光は対物レン
ズ３８で集光され１／４波長板３７を通ることにより入
射時と９０゜振動面が回転した直線偏光となって偏光ビ
ームスブリット面３６ａに入る。レーザ光はこの面３６
ａで反射して観察照明光カントフィルター（バンドパス
フィルター）４３を通りビームスプリッタ４４で部分さ
れて臨界角プリズム４５又は４６に入射し、臨界角付近
で反射して夫々二分割受光素子４７又は４８に入る。尚
、観察照明光カットフィルター４３を透過する照明光も
一部あるが、測定には問題のないレヘルになる。これ以
降の変位測定の原理は上記従来の臨界角法を用いた場合
と同じである。

このように構成すると、変位測定用光源のフレアーを最
少にしレーザ光を有効に変位測定により利用できるだけ
でなく、観察系へのレーザ光の直接入射も防ぐことが可
能となる。又、偏光ビームスプリット面３６ａは観察系
へ若干のレーザ光が入射するようにその消光比が設定さ
れている。従って、観察視野には非常に減光したレーザ
スポットが見えることになり、変位測定位置を正確に対
応づけて観察することができる。この光量が少ない場合
はレーザ光の偏光を若干ずらすことにより調整すること
も可能である。このための操作としては、直線偏光のレ
ーザであればレーザ光源３１を回転させれば良く、又レ
ーザ光源３１からビームスプリンタ３４までの間に偏光
板を配置し、これを回転させて観察光とレーザ光の光量
比を調節するようにしても良い。

又、偏光していないレーザを用いて観察光学系にレーザ
光源光フィルター４９を挿入することによっても、観察
視野に非常に減光したレーザスポットが見えるようにす
ることができる。

又、変位測定用の光源は、Ｈｅ−Ｎｅ等のレーザ光源の
他に、レーザ光源以外でも輝度の高い点光源であれば何
でも可能である。いずれの場合であっても測定光が可視
光にならない場合が考えられるが、第２圓に示した如く
変位測定用光源５０から出た光を、線光ｒＡ５０と共役
な位置に置いた可視光源（ランプ、ＬＥＤ等）５１から
の光とビームスプリッタ５２で一つにするように構成し
てこの部分を第１図のレーザ光ｔＡ３１及びビームスプ
リンタ３２の部分と置き換えることにより、変位測定位
置の確認ができるようにすることも可能である。又、ビ
ームスプリッタ３６におけるレーザ及び観察照明光の光
軸と変位測定用の光軸の位置関係は逆にすることも可能
である。

上記実施例では対物レンズ３８は無限設計系となってい
るが、存限設計系の対物レンズを用いて構成することも
可能である。この場合、ビームエクスパンダ３２とビー
ムスブリック３４との間に絞り３３を配置し、その絞り
像を対物レンズ３日により測定点に投射すれば、測定範
囲を決めるレーザスポ−／　）径をその単位面積当たり
の光量を一定にしたまま変化させることができ、測定点
範囲を確認しながら微小変位測定を行うのに好都合であ
る。

尚、臨界角プリズム４５．４６及び受光素子４７．４８
は、試料３９の（頃き、１大村３９のエツジによる干渉
光の影響、ノイズ等を相殺する目的で二個ずつ設定しで
あるが、そのような問題がなければ、−個ずつの臨界角
プリズム及び受光素子でも原理的には可能である。

第３図は上記実施例の信号処理系のブロック図を示して
おり、各二分割受光素子５４及び５５から出力された光
電信号は夫々差動回ｒ！Ｂ５６及び５７により三信号の
差が求められ、更にそれらが加算回路５８により加算さ
れて変位出力として出力される。又、一般には試ギ４３
９の反射率が一定でないので、四つの受光素子の和信号
により変位出力を補正することも行われる。

又、試料３９の表面の大きな上下変位（第４図）や、試
料３９を横方向に走査した場合に起きるステージ５９　
（第１図）の上下方向のブレにより、測定点がボケで見
えなくなってしまうことが多いが、試料３９を一定の速
度で走査した場合変位測定系により大きな変位は低周波
の信号として小さな変位は高周波の信号として夫々検出
されるので、第３図に示した如く高周波カット回路６゜
を介して得た信号によりステージ上下サーボ回路６１を
制御してステージ上下動用モータ６２を駆動することに
より、測定点が常に見えるようにすることができる。こ
れは、対物レンズ３８を上下動させることによっても可
能である。又、この方法は、変位検出系が高感度であっ
て試料３９の微細な凹凸を検出することができる反面リ
ニアリティーの確保できるダイナミックレンジが狭いた
め大きな変位がダイナミックレンジから外れてしまうよ
うな場合に、これを補正してダイナミックレンジを越え
た変位の中の小さな変位の測定を可能にする（第４図参
照）。又、第３図において、変位信号をそのままザーボ
回路６１に入力させることによりオートフォーカス機構
として作用させれば、変位測定系のダイナミックレンジ
の中央に試料位置を設定することも容易に行える。

第５図は他の実施例として非点収差法を用いた場合の光
学系を示しており、レーザ照明系、観察用照明及び観察
系は上記実施例と同じであるので、その説明は省略する
。異なるのは変位測定系であって、試料３９で反射して
戻ってきたレーザ光は偏光ビームスブリット面３６ａで
反射して結像レンズ６３及び観察用光カットフィルター
４３を通り、ビームスプリッタ４４により二つに分けら
れて夫々シリンドリカルレンズ６４及び６５を介して四
分割光軸素子６６又は６７上にスポット状に結像する。

そして、上記従来の非点収差法を用いた例と同じ原理に
より、変位測定が行われる。ここで、シリンドリカルレ
ンズ及び四分割受光素子を二個ずつ用いたのは、臨界角
法の場合と同様に、試料の傾き、干渉光の影響、ノイズ
等を相殺するためであって、そのような問題がなければ
言うまでもなく一個ずつでも原理的には可能である。そ
の他の信号処理系及び周辺の利用技術等は上記実り面倒
と全く同様である。

１」しし「敦上述の如く、本発明による微小変位測定顕微鏡は、変位
測定光学系と観察光学系とを備え、両光学系の対物レン
ズを含む部分の光軸を同軸にしたので、測定している位
置が正確にわかると共に、測定点上に傷、ゴミ等が存在
しているが否かを確Ｂ、２　Ｌ、　得るという実用上重
要な利点を存している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による微小変位測定顕微鏡の一実施例の
光学系を示す図、第２図は上記実施例の変位測定用光源
部の変形例を示す図、ト記実り面倒の信号処理系のプロ
・ツク図、ｍ４図しよ試事＋１表面の変位の状態を示す
図、第５図は他の実施例の光学系を示す図、第６図は一
従来例の光学系を示す図、第７図は上記−従来例のフォ
トダイオード上の受光状態を示す図、第８図は他の従来
例を示す図、第９図は上記他の従来例のフォトダイオー
ド上の受光状態を示す図である。３Ｉ・・・・レーザ光源、３２・・・、ビームエクスバ
ンタ、３３・・・・絞り、３４・・・・ビームスプリフ
タ、３５・・・・観察用照明系、３６・・・・ビームス
プリッタ、３６ａ・・・・偏光ビームスブリット面、３
７・・・・１／４波長板、３８・・・・対物レンズ、３
９・・・・試料、４０・・・・結像レンズ、４１・・・
・プリズム、４２・・・・接眼レンズ、４３・・・・観
察照明光カットフィルター−，４４・・・・ビームスプ
リッタ、４５゜４６・・・・臨界角プリズム、４７．４
８・・・・二分割受光素子、４９・・・・レーザ光減光
フィルター、５０、・・・変位測定用光源、５１・・・
・可視光源、５２・・・・ビームスブリック、５４．５
５・９０．二分割受光素子、５６．５７・・・・差動回
路、５８・０．・加算回路、５９・・・・ステージ、６
０・・・・高周波力ノト回路、６１．０８．ステージ上
下サーボ回路、６２・・・・ステージ上下動用モータ、
６３・・・・結像レンズ、６４．６５・・・・シリンド
リカルレンズ、６６．６７・・・・四分割受光素子。第５図２′６図６〜［＝＝トニタコー、ｉ７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）変位測定光学系と観察光学系とを備え、両光学系
の対物レンズを含む部分の光軸を同軸にして成る微小変
位測定顕微鏡。
（２）変位測定用光源を可視光源としたことを特徴とす
る特許請求の範囲（１）に記載の微小変位測定顕微鏡。
（３）変位測定用光源を不可視光源と可視光源とから構
成し、両光源の出射光軸を途中で一致させたことを特徴
とする特許請求の範囲（１）に記載の微小変位測定顕微
。