３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法
【課題】
表層以外の層の３次元形状を測定することができる３次元形状測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる３次元形状測定装置は、光源１１からの照明光の波長を切り替える波長切替機構３０と、試料２３に対する焦点位置を光軸に沿って走査するステージ駆動機構３４と、前記試料で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出するＣＣＤカメラ２８と、焦点位置を走査したときのＣＣＤカメラ２８とＣＣＤカメラ２８で検出した検出光に基づいて処理を行なう処理装置３３とを備える。処理装置３３はＣＣＤカメラ２８で検出した検出光に基づいて合焦点位置を算出して３次元形状を構築する。波長切替機構３０によって異なる波長に切り替えて、第１層２３ａの上面と第２層２３ｂの上面との３次元形状を構築する。
表層以外の層の３次元形状を測定することができる３次元形状測定装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】
本発明にかかる３次元形状測定装置は、光源１１からの照明光の波長を切り替える波長切替機構３０と、試料２３に対する焦点位置を光軸に沿って走査するステージ駆動機構３４と、前記試料で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出するＣＣＤカメラ２８と、焦点位置を走査したときのＣＣＤカメラ２８とＣＣＤカメラ２８で検出した検出光に基づいて処理を行なう処理装置３３とを備える。処理装置３３はＣＣＤカメラ２８で検出した検出光に基づいて合焦点位置を算出して３次元形状を構築する。波長切替機構３０によって異なる波長に切り替えて、第１層２３ａの上面と第２層２３ｂの上面との３次元形状を構築する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコンフォーカル光学系を用いて試料の３次元形状を測定する３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、コンフォーカル（共焦点）顕微鏡が広く利用されている。コンフォーカル顕微鏡では、点光源からの光を試料上に結像し、試料からの反射光をピンホールを介して検出している。点光源及び試料、並びに試料及びピンホールが共役な位置に配置されている。従って、合焦点位置以外からの光はピンホールにより遮られる。これにより、光軸方向の分解能を高くすることができる。また、点光源を用いたものに限らず、ライン状の光を試料上に結像し、１次元光検出器で検出するスリットコンフォーカルも利用されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このような、コンフォーカル顕微鏡では、焦点位置と表面とが一致すると反射光の光強度が高くなることから、３次元形状を測定することができる。すなわち、対物レンズの焦点位置を光軸に沿って走査して、反射光の検出を行なう。このとき、反射光の強度が最大になる位置で焦点位置と試料表面とが一致する合焦点位置となる。これにより試料表面の高さを求めることができる。光ビームをガルバノミラー等で光軸と垂直な方向に走査して、各点の合焦点位置を求めることにより、試料の３次元形状を測定することができる。
【０００４】
さらに、Ｓ／Ｎ比の劣化を防止して３次元画像を得ることができるコンフォーカル顕微鏡が開示されている（特許文献２）。このコンフォーカル顕微鏡では、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長を選択する波長選択フィルタを備えている。そして、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色の光の強度をカラー撮像素子でそれぞれ検出している。Ｒ，Ｇ、Ｂのうち最も高い強度の色の輝度信号に基づいて試料表面を求めている。すなわち、Ｒ、Ｇ、Ｂの輝度信号に基づいて、最適な波長帯域の輝度信号を選択して、３次元画像を構築している。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１０４５２３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４００５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のコンフォーカル顕微鏡では、試料の表面の形状しか測定することができなかった。すなわち、試料が多層からなる積層構造体の場合、最上層の形状しか測定することができなかった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、多層構造を有する試料の最上層及びその下層の３次元形状を測定することができる３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様にかかる３次元形状測定装置は、下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、前記試料を照明するための照明光を出射する光源と、前記光源からの照明光を前記試料に集光する対物レンズと、前記試料に対する前記対物レンズの焦点位置を光軸に沿って走査する焦点位置走査手段と、前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に垂直走査手段と、前記試料で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器と、前記焦点位置走査手段によって焦点位置を走査したときの前記検出器で検出した検出光に基づいて合焦点位置を算出する合焦点位置算出手段と、前記合焦点位置算出手段で合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択する波長選択手段と、前記垂直走査手段によって照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築する３次元形状構築手段であって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築する３次元形状構築手段と、前記３次元形状構築手段によって構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なう表示部とを備えるものである。これにより、下層の３次元形状、すなわち試料の表層以外の層の３次元形状を測定することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記波長選択手段によって、前記上層を透過する第１の波長を選択し、前記第１の波長の検出光に基づいて前記上層と前記下層との界面の３次元形状を構築することを特徴とするものである。これにより、試料の下層の形状を高い精度で測定することができる。
【００１０】
本発明の第３の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記波長選択手段が、前記照明光又は反射光の光路中に設けられ、光の入射位置に応じて透過する光の波長を変化させる波長フィルタを有し、前記波長フィルタに対する前記照明光又は反射光の入射位置を移動することにより、前記照明光又は反射光の波長を異なる波長に切り替えて、前記検出光の波長を選択するとするものである。これにより、装置の構成を簡易なものとすることができる。
【００１１】
本発明の第４の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する屈折率補正部をさらに備えるとするものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【００１２】
本発明の第５の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記３次元形状測定装置の光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する収差補正部をさらに備えるとするものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【００１３】
本発明の第６の態様にかかる３次元形状測定方法は、下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、照明光を前記試料に集光して照射するステップと、前記試料で反射した反射光をコンフォーカル光学系を介して検出するステップと、前記試料に対する前記照明光の焦点位置を光軸に沿って走査するステップと、前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査するステップと、前記検出するステップで検出した検出光に基づいて、前記照明光の焦点位置を光軸に沿って移動したときの合焦点位置を算出するステップと、前記合焦点位置を算出するステップで、合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択するステップと、前記照明光の焦点位置を光軸と垂直な方向に走査するステップによって焦点位置を走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築するステップであって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築するステップと、前記３次元形状を構築するステップで構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なうステップとを備えるものである。これにより、下層の３次元形状、すなわち試料の表層以外の層の３次元形状を測定することができる。
【００１４】
本発明の第７の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記波長を選択するステップでは、前記上層を透過する第１の波長を選択し、前記下層と前記上層との界面の３次元形状を前記第１の波長の検出光によって算出された合焦点位置に基づいて構築することを特徴とするものである。これにより、試料の下層の形状を高い精度で測定することができる。
【００１５】
本発明の第８の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記波長を選択するステップでは、照明光又は反射光の波長を切り替えることによって波長を選択することを特徴とするものである。これにより、試料の表層以外の層の形状を測定することができる。
【００１６】
本発明の第９の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記光軸に沿った方向において、選択波長を切り替える切替位置を設定するステップをさらに備え、前記合焦点位置を光軸に沿って走査するステップでは、前記切替位置よりも試料の表面側では、前記上層の表面で反射される第２の波長に選択波長を固定して、走査を行うことを特徴とするものである。これにより、測定時間を短縮することができる。
【００１７】
本発明の第１０の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備えるものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【００１８】
本発明の第１１の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備えるものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、多層構造を有する試料の表層以外の層の形状を測定することができる３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００２１】
本発明にかかる３次元形状測定装置の構成について図１を用いて説明する。図１は３次元形状測定装置の構成を示す図である。図１において１１は光源、１２はレンズ、１３は赤外線カットフィルタ、１４はマルチスリット、１５はプリズム、１６はボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭとする）１７はミラー、１９は２群レンズ、２０はビームスプリッタ、２１はビームスプリッタ、２２は対物レンズ、２３は試料、２４はステージ、２５は２群レンズ、２６はミラー、２７は結像レンズ、２８はＣＣＤカメラ、３０は波長切替機構、３１は波長フィルタ。３２は回転機構、３３は処理装置、３４はステージ駆動機構、４０はレンズ、４１は２分割フォトダイオードである。
【００２２】
本実施の形態では、試料２３のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤカメラ２８及びマルチスリット１４の位置を検出するための２分割フォトダイオード４１を備えている。光源１１からマルチスリット１４を透過した光がＣＣＤカメラ２８により検出される。すなわち、３次元形状測定装置１は、コンフォーカル光学系により、試料２３の形状を測定している。すなわち、水平方向及び鉛直方向の走査におけるＸＹＺ座標と、コンフォーカル光学系を介して検出した光の強度とに基づいて試料２３の３次元形状を測定している。
【００２３】
光源１１は、試料２３を照明するための照明光を出射する。光源１１は、例えば白色光源等であり、さらに具体的には、水銀ランプ、ハロゲンランプ等種々のランプ光源を用いることができる。もちろん、これ以外の光源であってもよい。すなわち、光源１１は、ブロードなスペクトルを有しており、様々な波長の光を照明光として出射するものであることが好ましい。
【００２４】
マルチスリット１４は、光源１１の近傍に設けられている。光を透過するスリットが複数設けられたマルチスリット１４が光路上に配置される。これにより光源１１からの光はライン状の光に変換される。光源１１とマルチスリット１４の間には、波長を選択する波長切替機構３０の一部である波長フィルタ３１と、光源１１からの光を集光するレンズ１２と、赤外線をカットする赤外線カットフィルタ１３とが設けられている。赤外線カットフィルタ１３は試料２３が加熱されるのを防ぐため、光源１１からの赤外線をカットしている。波長フィルタ３１を有する波長切替機構３０の構成については後述する。
【００２５】
マルチスリット１４はＶＣＭ１６に取り付けられ、直線移動可能になっている。このＶＣＭ１６を駆動することによって、マルチスリット１４は光軸と垂直な方向に移動する。そして、マルチスリット１４はマルチスリット１４の設けられているそれぞれのスリットと垂直な方向に移動する。ＶＣＭ１６はカメラコントローラ２９からの信号により駆動される。そして、ＶＣＭ１６は、例えばＰＩＤ制御により所定の位置にマルチスリット１４を移動させることができる。
【００２６】
このマルチスリット１４の構成について図２及び図３を用いて説明する。図２はＶＣＭ１６に接続されたマルチスリット１４の構成を示す図である。図３はマルチスリット１４の構成を示す平面図である。
【００２７】
図２に示すようにＶＣＭ１６に接続されたマルチスリット１４は光源１１からの光をライン状の光に変換するためのスリット部５１が設けられている。スリット部５１の横には２分割フォトダイオード４１に検出される光を透過する矩形パターン５２が設けられている。このスリット部５１と矩形パターン５２が設けられているマルチスリット１４はＶＣＭ１６を駆動することによって矢印の方向に移動する。
【００２８】
このマルチスリット１４について図３を用いて詳細に説明する。マルチスリット１４の中央にはスリット部５１が設けられている。スリット部５１はライン状の光を生成するためのスリット５３とスリット５３との間に設けられた遮光部５４により構成される。スリット部５１ではスリット５３に入射した光のみが透過し、遮光部５４に入射した光は遮られる。したがって、光源１１からの光がライン状の光に変換される。マルチスリット１４はガラス等の透明基板にフォトリソグラフィー工程で遮光パターンを設けることにより形成される。
【００２９】
スリット５３と遮光部５４とはそれぞれ一定の幅で繰り返し設けられており、周期的な空間パターンが形成される。Ｙ方向の配列された複数のスリット５３のそれぞれはＸ方向に長いスリット光を生成する。スリット５３と遮光部５４との比は例えば、１：７又は１：１５である。すなわち、スリット部５１に入射した光の１／８又は１／１６が使用される。マルチスリット１４を透過したスリット状の照明光を試料上に投影して、ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４をＹ方向に走査することで試料全面を順次照明する。すなわち、Ｘ方向に沿って設けられたスリット５３を有するマルチスリット１４をＹ方向に移動することにより、光軸と垂直な方向に照明光を走査することができる。スリット５３の間隔については、試料２３の反射光がＣＣＤカメラ２８に入射された際に、各スリット５３に対応する反射光間で互いに影響を及ぼさない程度の間隔とする。
【００３０】
スリット部５１と異なる位置に設けられた矩形パターン５２は、２分割フォトダイオード４１に受光される光を透過する。図３では２分割フォトダイオード４１におけるそれぞれのフォトダイオードの受光面４５ａ、４５ｂをマルチスリット１４上に投影して図示している。２分割フォトダイオード４１の受光面４５ａ及び受光面４５ｂのそれぞれは矩形パターン５２を通過した光を検出することができるように配置される。すなわち、矩形パターン５２からの光は２分割フォトダイオード４１の受光面４５ａと受光面４５ｂの境界線をまたぐように投影される。そして、マルチスリット１４がＹ方向に移動すると受光面上で矩形パターン５２からの光が移動して、受光面４５ａ、受光面４５ｂに受光される光量が変化する。この２分割フォトダイオード４１の出力の比に基づいてマルチスリット１４の位置が検出される。すなわち、マルチスリット１４がＹ方向に移動することで、受光面４５ａ又は受光面４５ｂの一方に入射する光量が多くなり、他方が少なくなる。この２分割フォトダイオード４１の出力信号の差分により、マルチスリット１４の位置が検出される。
【００３１】
ここで、図１の説明に戻る。マルチスリット１４のスリット５３を通過した光は、ミラー１７によって試料２３の方向に反射される。ミラー１７で反射した光は２群レンズ１９により集光され、ビームスプリッタ２０、２１を通過して対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２に入射された光は集光され試料２３上に結像する。ＶＣＭ１６によってマルチスリット１４を移動させることにより、試料２３上の任意の位置を照明することができる。ステージ２４上に載置された試料２３はマルチスリット１４と共役な位置に配置される。
【００３２】
ステージ２４はＸＹＺステージであり、ステージ駆動機構３４に接続されている。すなわち、ステージ駆動機構３４は、ステージ２４を水平方向（ＸＹ方向）及び、鉛直方向（Ｚ方向）に移動させることができる。ステージ２４を水平方向（ＸＹ方向）を移動させることにより、試料２３の任意の箇所を観察することができる。ステージ２４を鉛直方向に移動させることにより、対物レンズ２２と試料２３との距離を変化させることができる。対物レンズ２２と試料２３との相対距離を変化させることによって、対物レンズ２２の焦点位置を光軸に沿って走査することができる。スリットを用いることによりコンフォーカル光学系を構成しているので、焦点が合っている高さのみの像（スライス像）を捉えることができる。従って、対物レンズ２２とステージ２４との相対距離が、３次元測定時のＺ座標に対応する。すなわち、対物レンズ２２とステージ２４との相対距離から、対物レンズ２２の焦点位置のステージ２４表面からの高さを求めることができる。従って、焦点位置のステージ２４表面からの高さがＺ座標となる。なお、ステージ２４ではなく対物レンズ２２を移動させるようにしてもよい。試料２３と対物レンズ２２との相対距離を変化させることにより、焦点位置のステージ２４からの高さを変化させることができる。このように、マルチスリット１４による水平方向の走査と、ステージ２４による鉛直方向の走査とによって、試料２３の３次元形状を測定することができる。
【００３３】
試料２３からの反射光は再度、対物レンズ２２により集光された後、ビームスプリッタ２１により反射される。これにより、試料２３を照明する照明光と試料２３で反射される反射光とを分離することができる。ビームスプリッタ２１により反射された光は２群レンズ２５により屈折され、ミラー２６に入射する。ミラー２６に入射した光はＣＣＤカメラ２８の方向に反射される。対物レンズとなる２群レンズ２５の間隔を調整することにより、焦点距離を微調整することができるのでスリット５３とＣＣＤカメラの像倍率を容易に一致させることができる。照明側に配置された２群レンズ１９と像面側に配置された２群レンズ２５とを同一設計とし、その間隔を調整することによって倍率を調整できる構造としている。
【００３４】
ＣＣＤカメラ２８は受光素子がアレイ状に配置された２次元アレイ光検出器である。ＣＣＤカメラ２８の受光面は試料と共役な位置に配置される。ＣＣＤカメラ２８は各受光素子により検出された光の強度に基づいて電荷を蓄積し、この電荷を順次転送することにより検出信号を出力する。ＣＣＤカメラ２８は試料を透過した照明光が当たっている照明領域の画素データだけを読み取り、照明光が当たっていない非照明領域の画素のデータは高速に転送して読み捨て、利用しない。すなわち、試料上における照明光の入射位置と共役な位置に配置されている画素列以外の画素からの検出信号は利用しない。ＣＣＤカメラ２８は試料２３で反射した反射光のうち、画素が受光した光に基づく信号をカメラコントローラ２９に出力する。すなわち、ＣＣＤカメラ２８は検出した検出光に基づき検出信号を出力する。これにより、コンフォーカル画像を取得することができる。カメラコントローラ２９は検出信号を、例えば、増幅及びＡ／Ｄ変換して処理装置３３に出力される。処理装置３３はパーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、カメラコントローラから入力された検出信号に対して所定の演算処理を行なう。この、処理装置３３は、３次元形状を測定するための演算処理を行い、処理結果を表示する。処理装置３３における処理については後述する。
【００３５】
ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４を移動して、試料２３上の照明領域を走査する。マルチスリット１４の位置が変化すると、ＣＣＤカメラ２８の画素列のうちマルチスリット１４のスリット５３と共役な位置となるものが変化する。すなわち、マルチスリット１４が所定の距離だけ移動すると、ＣＣＤカメラ２８の受光面においてスリット５３と共役な位置の画素列が隣の画素列に移動する。具体的には、ＣＣＤカメラ２８の１列目の画素列がマルチスリット１４のスリット５３と共役な位置に配置されている状態から、マルチスリット１４を所定の距離だけ移動させると、ＣＣＤカメラの２列目の画素列がマルチスリット１４のスリット５３と共役な位置に配置される。そして、マルチスリット１４の移動を所定の距離だけ繰り返すことにより、スリット５３と共役な位置の画素列が順番にずれていく、これにより、Ｙ方向に走査されている照明光の反射光がコンフォーカル光学系を介して検出される。試料２３の全体を照明することにより、ＣＣＤカメラ上の全ての画素に対応するデータの取得が完了する。ここで、ＣＣＤカメラ２８の受光面における画素の位置によって、３次元測定を行う時のＸＹ座標が決定する。すなわち、試料２３の異なる位置からの反射光は、ＣＣＤカメラ２８の異なる画素で検出されるため、受光面上の画素の位置がＸＹ座標に対応する。これにより、ＸＹ平面における照明光が集光されている位置、すなわち、３次元測定時のＸＹ座標を求めることができる。カメラコントローラ２９に接続された処理装置３３によりこれらのデータを合成して２次元の画像を形成する。この２次元画像は処理装置３３に記憶されるとともに、ディスプレイ上に表示される。これにより、試料２３のスライス像を撮像することができる。ステージ２４を上下方向（Ｚ方向）に移動してこの画像の撮像を繰り返す。このように走査を行い、試料中の任意の点に照明光を集光する。そして、集光位置からの反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する。検出結果を処理装置により処理し、スライス像を合成することによって全焦点画像を得たり、３次元画像を得ることができる。
【００３６】
また、マルチスリット１４の矩形パターン５２を透過した光はミラー１７、２群レンズ１９を介してレンズ４０に入射する。レンズ４０は２分割フォトダイオード４１の受光面上で矩形パターン５２を透過した光が適当なスポットになるように光を屈折する。
【００３７】
２分割フォトダイオード４１に設けられた２つのフォトダイオードはマルチスリット１４の矩形パターン５２を透過した光をそれぞれ検出して、検出光の強度に基づく信号をカメラコントローラ２９に出力する。カメラコントローラ２９は２分割フォトダイオードの出力の比に基づいてマルチスリット１４の位置を算出し、マルチスリット１４が定められた位置に配置されているかを判断する。マルチスリット１４が所定の位置に配置されている場合は、ＣＣＤカメラ２８により撮像する。マルチスリット１４が定められた位置に配置されていない場合はＶＣＭ１６を駆動して、マルチスリット１４を所定の位置に移動する。そして、その位置で撮像を行う。このように、フィードバック制御を行うことにより、正確に測定を行うことができる。さらに、カメラコントローラ２９には、マルチスリット１４の位置に対応するＣＣＤカメラ２８の画素が記憶されている。すなわち、カメラコントローラ２９は、マルチスリット１４の位置と、その位置におけるスリット５３と共役な位置となるＣＣＤカメラ２８の画素列とを対応付けて記憶している。そして、スリット５３と共役な位置の画素列の検出信号がカメラコントローラ２９を介して処理装置３３に記憶される。マルチスリット１４に設けられたスリット５３と共役な位置の画素列の検出信号を用いることによってコンフォーカル画像を撮像することができる。これにより、スリットコンフォーカル光学系を構成することができる。
【００３８】
さらに本発明では光源１１からの光がマルチスリット１４をバイパスすることができるように２つのプリズム１５が設けられている。２つのプリズム１５はマルチスリット１４の前後に移動可能に設けられている。プリズム１５を光路上に移動させることにより、光源１１からの光がマルチスリット１４をバイパスし、試料２３の全面を照明することができる。すなわち、マルチスリット１４の前に配置されたプリズム１５は光源１１からの光がマルチスリット１４に入射されないように光を屈折する。このプリズム１５により屈折した光はマルチスリット１４の後に配置されたプリズム１５により元の光路に戻る。そしてマルチスリット１４をバイパスされた光が試料２３に照射される。これにより、簡易な光学系でマルチスリットをバイパスすることができる。もちろん、マルチスリット１４をバイパスするための構成はプリズム１５に限らず、ミラーなどの光学部品であってもよい。さらにはＶＣＭ１６を駆動して、光路上からマルチスリット１４を外してもよい。これにより、光源１１からの光は面照明となり、通常の顕微鏡として使用することができる。
【００３９】
次に、波長切替機構３０の構成について図４を用いて説明する。図４は波長切替機構３０に設けられた波長フィルタ３１の構成を示す正面図である。円板状の波長フィルタ３１は図４に示すように６分割されている。すなわち、波長フィルタ３１は３１ａ〜３１ｆの６つの領域に分割されている。ここで、６分割された領域のうち、３１ａを白色領域とし、３１ｂ〜３１ｆを着色領域とする。透過領域３１ａは光源１１からの白色光を透過する。着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆはそれぞれ異なる色の光を透過する。すなわち、着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆは、透過する光の波長帯域がそれぞれ異なる。換言すると、着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆは、光源１１からの照明光のうち、所定の波長帯域の光以外の光を遮光する。そして、着色領域３１ｂ〜３１ｆで、透過する光の波長帯域が異なる。例えば、着色領域３１ｂは波長が４０５ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｃは波長が４３６ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｄは波長が５４６ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｅは波長が５８０ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｆは波長が６００ｎｍ付近の光を透過する。すなわち、着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆを透過する透過光の波長帯域のピークは、それぞれ、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、５８０ｎｍ、６００ｎｍとなる。なお、透過する光の波長帯域は一部が重なっていてもよい。波長フィルター３１は透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着した干渉フィルターや色素を塗布したカラーフィルター、また、色ガラスなどによって構成することができる。
【００４０】
波長フィルタ３１の中心には、回転機構３２が取り付けられている。回転機構３２は波長フィルタ３１を回転させるためのモータなどを備えている。回転機構３２の駆動を制御することによって、波長フィルタ３１を所定の回転位置で停止させることができる。波長フィルタ３１の回転中心は光軸とずれて配置されている。従って、回転機構３２によって波長フィルタ３１を回転させて回転角度を変化させると、光源１１からの照明光が入射する領域が変化する。具体的には、着色領域３１ｂに照明光が入射している状態から、波長フィルタ３１を６０°回転させると、着色領域３１ｃに照明光が入射する。回転機構３２を制御することにより、光源１１からの照明光を、白色領域３１ａ及び着色領域３１ｂ〜３１ｆのうちのいずれかの領域に入射させることができる。これにより、照明光の波長を変化させることができ、照明光を所望の波長に切り替えることができる。よって、複数の色の光を用いて３次元形状を測定することができる。すなわち、３次元形状の測定に寄与する光の波長を選択することができる。
【００４１】
透明領域３１ａからの照明光は白色光となる。白色光では、波長に依存しない自然光下の色での観察ができる。従って、透明領域３１ａからの照明光を用いることによって、白色光下でのコンフォーカル画像を撮像することができる。また、透過領域３１ａは、例えば、ノンコンフォーカル画像を撮像するときに使用してもよい。ノンコンフォーカル画像の撮像時には、プリズム１５を光路中に配置して、試料２３をＣＣＤカメラ２８で撮像する。これにより、ノンコンフォーカル画像を撮像することができる。ノンコンフォーカル画像を用いれば、通常の光学顕微鏡と同等の画像が得られる。白色光の場合、フィルタによる光量の減衰がないため、高輝度の映像を得ることができる。
【００４２】
次に、試料２３の形状について図５を用いて説明する。図５は試料２３の形状の一例を示す斜視図である。試料２３は基板２３ｃ、第２層２３ｂ及び第１層２３ａの３層構造をしている。基板２３ｃの上に、第２層２３ｂが形成されている。第２層２３ｂの上には、第１層２３ａが形成されている。すなわち、試料２３は基板２３ｃの上に、下層となる第２層２３ｂと最上層となる第１層２３ａとが形成された積層構造体である。この試料２３には、図５に示すように、Ｘ方向に沿ったライン状の照明光３５が入射されている。そして、マルチスリット１４を移動させることによって照明光の焦点位置が矢印の方向（Ｙ方向）に走査される。ここで、第２層２３ｂは第１層２３ａ及び基板２３ｃと異なる材料で構成される。すなわち、第１層２３ａ、第２層２３ｂ及び基板２３ｃはそれぞれ異なる屈折率及び透過率を有している。たとえば、試料２３がフレキシブル配線基板の場合、基板２３ｃがベース材、第２層２３ｂが導体材料、第1層２３ａがカバーレイ材料となる。この試料２３がステージ２４上に載置されているとする。本発明にかかる３次元形状測定装置１では、図５に示す第１層２３ａ、第２層２３ｂ及び基板２３ｃの各層の３次元形状を測定することができる。
【００４３】
上記の構成を有する試料２３に対してＺ方向に照明光を走査した時の構成について図６を用いて説明する。図６は照明光が入射している試料２３の構成を示す断面図である。また、図６では、第１層２３ａと第２層２３ｂとを透過する長波長側の照明光で照明した時の様子を示している。図６に示すように、試料２３は下から、基板２３ｃ、第２層２３ｂ、第１層２３ａの順番で構成されている。ここで、照明光の焦点位置を光軸に沿って走査すると、試料２３の様々な高さに照明光が集光される。照明光の焦点位置をＺ方向に走査すると、例えば、焦点位置が、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように変化する。例えば、ステージ２４を上昇させて、対物レンズ２２と試料２３との距離を近づけた状態では、図６（ｃ）に示すよう基板２３ｃの上面に、照明光３５が集光される。一方、ステージ２４を下降させて、対物レンズ２２と試料２３とを遠ざけると、図６（ａ）に示すように、第１層２３ａの表面に照明光３５が集光される。もちろん、照明光３５の焦点位置は図６（ａ）〜図６（ｃ）以外の位置になることもある。なお、図６では、第１層２３ａと空気層の界面及び第２層２３ｂと第１層２３ａの界面での屈折については省略して図示している。
【００４４】
対物レンズ２２と試料２３との距離を徐々に変化させていくと、対物レンズ２２の合焦点位置がＺ方向に沿って変位していく。これにより、各層の界面に照明光を集光することができる。第１層２３ａと空気層との界面、すなわち第１層２３ａの表面に照明光３５が集光されている時は、図６（ａ）に示す構成となる。また、第２層２３ｂの上面、すなわち、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面に照明光３５が集光されている場合は、図６（ｂ）に示す構成となる。また、第２層２３ｂの下面、すなわち、第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面に照明光３５が集光されている場合は、図６（ｃ）に示す構成となる。ここで、照明光３５は屈折率の違いによって、積層構造を有する試料２３の各界面において反射される。具体的には、第１層２３ａと空気層との界面（第１層２３ａの上面）、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面（第２層２３ｂの上面）及び第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面（基板２３ｃの上面）において照明光３５が反射される。コンフォーカル光学系ではは、界面と焦点位置とが一致している合焦点位置で、ピークとなる。なお、実際には、基板２３ｃとステージ２４との界面（基板２３ｃの下面）においても照明光３５が反射されるが、ここでは省略して説明する。
【００４５】
ここで、各層の透過率は、波長に応じて異なる。従って、照明光３５のうち、各界面に入射する入射光の強度は、波長に応じて異なる。さらに、各層における屈折率及び各界面での反射率も波長に応じて異なる。もちろん、光源１１から出射される照明光３５の輝度も波長に応じて変化している。従って、対物レンズ２２から試料２３に入射する照明光３５のうち、各界面で反射される反射光の強度も波長に応じて異なる。ここで、図７に、対物レンズ２２とステージ２４との距離を変化させたときの、検出光の強度の変化を示す。図７のグラフにおいて、横軸はＺ方向におけるステージ２４の位置で、縦軸が検出光の強度である。図７のグラフでは、右側ほど、ステージ２４が上側に上がっており、対物レンズ２２と試料２３との距離が近づいている。すなわち、ステージ２４を上昇していくと、グラフの右側に移っていく。換言すると、グラフの右側になるほど、対物レンズ２２の相対的な焦点位置が下側（基板２３ｃ側）に下がっており、グラフの左側になるほど、対物レンズ２２の相対的な焦点位置が上側（第１層２３ａ側）に上がっている。
【００４６】
図１に示した３次元形状測定装置１では、コンフォーカル光学系を介して反射光を検出しているため、対物レンズ２２の焦点位置が各層の界面と一致したときに検出光強度のピークが現れる。すなわち、コンフォーカル光学系では、界面と焦点位置が合った位置、すなわち合焦点位置からの光が検出光によって検出され、合焦点位置以外からの光は検出器によって検出されない。よって、各層の界面に照明光３５が集光されたとき、ＣＣＤカメラ２８によって検出される検出光の強度が強くなる。換言すれば、検出光強度のピークが界面での合焦点位置に対応することになる。Ｚ方向に焦点位置を走査したときの、各画素における検出光のピークに基づいて各層の３次元形状を測定することができる。例えば、ＣＣＤカメラ２８からは、この検出光強度に基づく検出信号が出力される。処理装置３３は、検出信号をＡ／Ｄ変換して得られる検出データを画素と対応付けて記憶する。すなわち、各画素毎に合焦点位置を求める。ここで、Ｚ方向に走査したときの各画素の検出光強度のピークとなる位置が合焦点位置となる。従って、合焦点位置での対物レンズと試料との相対距離がその画素における界面の高さに対応する。すなわち、合焦点位置に基づいて、界面の高さ（Ｚ方向の位置）を求めることができる。照明光３５をＹ方向に走査してＣＣＤカメラ２８の全画素における合焦点位置を検出光強度のピークに基づいて算出することによって、３次元形状を測定することができる。
【００４７】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、波長切替機構３０によって、それぞれ異なる波長を選択したときの、ステージ２４の位置と、ＣＣＤカメラ２８によって検出した検出光強度を示している。ここでは、試料と共役な位置にあるＣＣＤカメラ２８の画素からの検出光強度を示している。図７（ａ）は６００ｎｍの波長を選択したとき、図７（ｂ）は５４６ｎｍを選択したとき、図７（ｃ）は４０５ｎｍの波長を選択したときのグラフを示している。ここで、４０５ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａの表面で反射され、５４６ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａと透過して第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面で反射され、６００ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａ及び第２層２３ｂを透過して第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面で反射されるものとする。すなわち、試料２３の第１層２３ａ及び第２層２３ｂは可視光領域のうち、長波長側の光を透過し、短波長側の光を反射する材質から形成されているとする。また、基板２３ｃは長波長側の光を反射する材質であるとする。さらに、第１層２３ａは第２層２３ｂよりも短い波長の光を透過することができる材質であるとする。なお、図７では３種類の選択波長について示したが、選択波長は２つ以上であればよい。
【００４８】
ここで、ステージ２４を上昇させていく方向に走査する場合について説明する。ステージ２４を所定の位置から上げていくと、試料２３と対物レンズ２２の距離が徐々に近づいていく。従って、対物レンズ２２の焦点位置が図６（ａ）の状態に示すよう、第１層２３ａの表面と一致し、その後、図６（ｂ）に示すよう第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面と一致し、さらにその後、図６（ｃ）に示すよう第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面と一致する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように対物レンズ２２の焦点位置が第１層２３ａの表面と一致するするときのステージ２４の位置を図７のグラフ上でｚ１とする。ｚ１の位置では、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すよう検出光強度にピークが現れる。すなわち、６００ｎｍ、５４６ｎｍ、４０５ｎｍの全ての波長でピークが出現する。ここで、長波長側の光、具体的には、６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５のうちの大半は、第１層２３ａを透過する。そのため、６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５のうちの一部しか、第１層２３ａの表面で反射しない。従って、ｚ１における６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５の検出光の強度は小さくなる。一方、短波長の光、具体的には、４０５ｎｍの照明光３５のうちの大半は、第１層２３ａの表面で反射する。従って、ｚ１における４０５ｎｍの照明光３５の検出光の強度は大きくなる。これにより、第１層２３ａの表面における、６００ｎｍ及び５４６ｎｍの検出光強度のピークは、４０５ｎｍの検出光強度のピークよりも小さくなる。従って、図７（ｃ）に示すように、４０５ｎｍの照明光３５では、ｚ１の位置に最大のピークが現れる。６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５では、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ｚ１の位置に小さなピークが表れる。
【００５０】
ステージ２４を上昇させると、図６（ｂ）に示すように対物レンズ２２の焦点位置が第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面と一致する。このときのステージ２４の位置をｚ２とする。ｚ２の位置では、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すよう検出光強度にピークが現れる。すなわち、６００ｎｍと５４６ｎｍの波長の光は、第１層２３ａを透過するため、第２層２３ｂと第１層２３ａとの界面まで到達する。第１層２３ａと透過した照明光３５は、第２層２３ｂと第１層２３ａとの界面で反射される。従って、６００ｎｍと５４６ｎｍの波長の照明光３５では、ｚ２の位置にピークが現れる。また、５４６ｎｍの照明光３５では、第１層２３ａを透過して第２層２３ｂの上面に入射した光の大半が、第２層２３ｂの上面で反射される。従って、５４６ｎｍの照明光３５はｚ２の位置で、検出光が最大のピークとなる。一方、６００ｎｍの照明光３５では、第１層２３ａを透過して第２層２３ｂの上面に入射した光の大半は第２層２３ｂを透過して、一部のみ第２層２３ｂの上面で反射される。６００ｎｍの照明光ではｚ２の位置に小さなピークが表れる。従って、ｚ２の位置での検出光のピークは、５４６ｎｍの照明光３５の方が、６００ｎｍの照明光３５より高くなる。一方、４０５ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａの表面で反射されるため、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面まで到達しない。よって、図７（ｃ）に示すように、４０５ｎｍの照明光３５では、ｚ２の位置にピークが現れない。
【００５１】
さらに、ステージ２４を上昇させると、図６（ｃ）に示すように対物レンズ２２の焦点位置が基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面と一致する。このときのステージ２４の位置をｚ３とする。ｚ３の位置では、図７（ａ）に示すよう検出光強度にピークが現れる。すなわち、６００ｎｍの波長の光は、第１層２３ａ及び第２層２３ｂを透過するため、第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面まで到達する。第２層２３ｂを透過した光は、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面で反射される。従って、６００ｎｍの波長の照明光３５では、ｚ３の位置にピークが現れる。また、６００ｎｍの照明光３５では、第２層２３ｂを透過して基板２３ｃの上面に入射した光の大半が、基板２３ｃの上面で反射される。従って、６００ｎｍの照明光では、ｚ１及びｚ２よりもｚ３でのピークが高くなる。よって、６００ｎｍの照明光３５では、ｚ３の位置における検出光強度が最大となる。一方、４０５ｎｍ及び５４６ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａの表面又は、第２層２３ｂの表面で反射されるため、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面まで到達しない。よって、図７（ｃ）及び図７（ｂ）に示すように、５４６ｎｍ及び４０５ｎｍの照明光３５では、ｚ３の位置にピークが現れない。
【００５２】
このように、本発明では、複数の波長の光で別々に照明して、各波長の光をコンフォーカル光学系で検出している。そして、検出光強度のピークに基づく試料２３の高さをそれぞれの波長毎に求めている。積層構造体からなる試料２３の高さを異なる波長の検出光を用いて測定することによって、積層構造の各層の形状を測定することができる。例えば、第１層２３ａは、４０５ｎｍの波長の照明光３５に基づいて形状を測定し、第２層２３ｂは５４６ｎｍの波長の照明光３５に基づいて形状を測定し、基板２３ｃは６００ｎｍの波長の照明光３５に基づいて形状を測定する。これにより、積層構造体の下層の３次元形状の測定を精度よく行うことができる。すなわち、積層構造体では各層によって、光学的性質が異なるため、反射率や透過率に違いが生じる。このため、各層での反射率の高い波長の光に基づいて、その層の形状を測定する。具体的には、上層で反射する波長の光で上層の形状を測定し、上層を透過する波長の光で下層を測定する。これによって、表層以外の下層についても３次元形状を測定することができる。すなわち、上層が設けられている箇所に対応する下層の形状についても測定することができる。例えば、全体が表層で覆われている試料についても、下層の形状を測定することが可能になる。従って、本発明は、表面に設けられた保護層などによって下層のパターンが覆われている試料の形状測定に好適である。様々な試料に対応するため、波長切替機構３０で選択することのできる波長の数は、より多い方が好ましい。もちろん、より短い波長及びより長い波長を選択できることが好ましい。これにより、様々な試料２３に対して下層の３次元形状の測定が可能になる。なお、試料に応じて、光源１１や波長フィルタ３１を変えるようにしてもよい。
【００５３】
上述の３次元測定を行うための処理はカメラコントローラ２９に接続された処理装置３３によって実現することができる。処理装置３３は例えば、パーソナルコンピュータであり、ハードウェア及びそれに読み込まれるソフトウェアにより上記の演算処理を実現する。上記の処理を行なうための構成について図８を用いて説明する。図８は処理装置３３の構成を示すブロック図である。図８に示すよう、処理装置３３は、ステージ制御部７０と、ＶＣＭ制御部７１と、波長選択部７２と、走査範囲設定部７３と、検出データ記憶部７４と、合焦点位置算出部７５と、収差補正部７６と、屈折率補正部７７と、３次元形状構築部７８と、表示部７９とを備えている。
【００５４】
ステージ制御部７０は、ステージ２４の位置制御を行う。ステージ制御部７０は、例えば、ステージ駆動機構３４にステージ２４を駆動するためのステージ駆動信号を出力する。このステージ駆動信号がステージ駆動機構３４に入力される。ステージ駆動機構３４がステージ駆動信号に基づいてステージ２４を所定の位置に移動させる。具体的には、ステージ２４を水平方向（ＸＹ方向）に移動させる。これにより、試料２３の所定の位置に対して測定を行うことができる。さらに、ステージ駆動信号に基づいてＺ方向にステージを移動させることができる。これにより、試料２３の任意の高さにおける断層画像を撮像することができる。さらに、ステージ２４の高さを徐々に変化させていき、Ｚ方向の走査を行う。これにより、試料２３の３次元形状を測定することができる。また、ステージ制御部７０にはステージ駆動機構３４からステージの位置を示す位置信号が入力される。この位置信号に基づいて、ステージ制御部７０はＸＹＺ方向におけるステージ２４の現在位置を認識する。
【００５５】
ＶＣＭ制御部７１はカメラコントローラ２９を介してＶＣＭ１６を制御する。これにより、マルチスリット１４の位置を移動させることができる。具体的には、ＶＣＭ１６を駆動するＶＣＭ駆動信号を出力する。このＶＣＭ駆動信号によって、ＶＣＭ１６が駆動してマルチスリット１４を所定の位置に移動させることができる。例えば、マルチスリット１４のスリット５３と共役な位置に配置されるＣＣＤカメラ２８の画素列が走査されるように、マルチスリット１４を駆動する。よって、照明光３５を試料２３に対して走査することができる。これにより、ＣＣＤカメラ２８の受光面におけるスリット５３と共役な位置が隣の画素列へと順番に移動していく。
【００５６】
波長選択部７２は、波長切替機構３０の回転機構３２を制御して、照明光３５の波長を選択する。これにより、照明光３５の波長を切り替えることができる。さらに、波長選択部７２は、回転機構３２の角度を記憶しているため、波長フィルタ３１のうちのどの波長を選択しているかを検出することができる。走査範囲設定部７３は、Ｚ方向の走査範囲を設定する。例えば、試料２３のおおよその厚みが既知の場合、作業者がその厚みに基づいてＺ方向の走査範囲を設定する。例えば、試料２３の全体の厚みより広い領域を設定する。また、表層の対物レンズ側の位置から基板２３ｃの上面よりもステージ側までの範囲を設定してもよい。あるいは、試料２３のうち３次元形状を測定する範囲に基づいてＺ方向の走査範囲を設定してもよい。また、走査範囲設定部７３は、ＸＹ方向の走査範囲を設定する。例えば、ノンコンフォーカル画像から、作業者が３次元形状を測定したい範囲を設定する。これにより、ＸＹ方向の走査範囲が設定される。この走査範囲設定部７３に設定された走査範囲に基づいて、ステージ制御部７０がステージ駆動信号を出力する。そして、このステージ駆動信号に基づいてステージ駆動機構３４がステージ２４の高さを変化させ、かつステージ２４を水平方向に移動させる。これにより、試料の任意の箇所の３次元形状を測定することができる。
【００５７】
検出データ記憶部７４は、ＣＣＤカメラ２８からの検出信号に対応する検出データを記憶する。具体的には、ＣＣＤカメラ２８からの検出信号はカメラコントローラ２９によってＡ／Ｄ変換される。検出データ記憶部７４は変換されたデジタルデータを検出データとして記憶する。さらに、検出データ記憶部７４は、照明光の入射位置に対応する３次元座標と、選択波長とを検出データに対応付けて記憶する。すなわち、ステージ制御部７０において認識されているステージ２４のＺ方向の位置により、対物レンズ２２とステージ２４との相対距離が決定する。これにより、各検出データに対応するＺ座標が決定する。また、ＶＣＭ制御部７１に記憶されているマルチスリット１４の位置、及び、ステージ制御部７０において認識されているステージ２４のＸＹ方向の位置から、対物レンズ２２の焦点位置上のＸＹ平面における照明位置が決定する。よって、試料２３からの反射光を検出するＣＣＤカメラ２８の画素に応じてＸＹ座標が決定する。各画素毎に検出データを記憶することにより、ＸＹＺ座標と検出データとを対応付けることができる。これにより、試料上の任意の点のＸＹＺ座標が決まるため、検出データとＸＹＺ座標とを対応付けることができる。さらに、波長選択部７２によって動作する回転機構３２の回転角度から選択波長が決まる。これにより、検出データと選択波長とを対応付けて記憶することができる。このようにして、検出データ記憶部７４は、検出データを、試料２３中の任意の点のＸＹＺ座標と、選択波長とに対応付けて記憶する。換言すると、検出データ記憶部７４は、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標、選択波長、及び検出データの５項目をテーブルとして記憶する。
【００５８】
合焦点位置算出部７５は、検出データ記憶部７４に記憶されている検出データに基づいて合焦点位置を算出する。そして、各界面の高さを求める。具体的には、各画素毎に、検出光強度のピークとなるＺ方向の位置を算出する。例えば、図７に示すグラフの極大値の位置をピーク位置とすることができる。もちろん、既知となっている様々な演算処理方法によって検出光強度のピークを算出することができる。このピーク位置が合焦点位置となる。選択波長毎に、検出光強度のピーク位置を各画素に対して算出する。このとき、上層を透過する波長では、例えば、図７（ａ）又は図７（ｂ）に示すように複数の検出光ピークが表れる。この場合、算出された全ての検出光強度のピーク位置を記憶する。
【００５９】
次に、合焦点位置の補正をするための収差補正部７６及び屈折率補正部７７について説明する。収差補正部７６は、収差による焦点位置のずれを補正する。すなわち、本発明では、異なる波長の照明光を検出しているため、色収差によって焦点位置がずれてしまうことがある。この収差による焦点位置のずれを補正するため、収差補正部７６によって収差を補正している。例えば、色収差によって対物レンズ２２の焦点位置がＺ方向にずれてしまう場合、収差補正部７６に対物レンズ２２の選択波長毎の特性を記憶させておく。そして、基準となる位置に対するオフセットを波長毎に記憶させておく。そして、選択した波長毎に、各層の高さの補正を行う。すなわち、検出光強度のピーク位置を選択波長に応じたオフセット量だけ変化させる。これにより、収差による焦点位置のずれを補正することができ、正確に３次元形状を測定することができる。このように、収差補正部７６は、３次元形状測定装置の光学系の収差に基づく補正値を記憶し、この補正値に基づいて各層の高さの補正を行う。
【００６０】
屈折率補正部７７は屈折率による焦点位置のずれを補正する。例えば、図６に示す構成で第１層２３ａの屈折率が既知の値であるとき、その屈折率によって生じる焦点位置のずれを補正する。具体的には、各界面での屈折の屈折角から、高さを補正する。さらに、選択波長毎に屈折率の値が異なる場合、それぞれの波長に対して異なる屈折率を用いて補正を行うようにしてもよい。このように屈折率による補正を行うことによって、正確に３次元形状を測定することができる。さらに、各層の屈折率を用いることによって、各層の絶対的な膜厚の測定が可能になる。このように、屈折率補正部７７は、上層の屈折率を記憶し、この屈折率に基づいて各層の高さの補正を行う。各層の屈折率は、例えば、試料２３の種類に応じた値が作業者により入力されることにより設定される。
【００６１】
３次元形状構築部７８は、合焦点位置算出部７５で算出した合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する。具体的には、各画素毎の合焦点位置を合成して、各層の３次元形状を構築する。すなわち、各画素毎の界面の高さをつなぎ合わせることで、各層の３次元形状を構築することができる。ここで、各層毎に異なる波長で算出された合焦点位置を使用して、３次元形状を構築する。例えば、図５に示す構成の試料２３の場合、第１層２３ａの表面形状は４０５ｎｍの波長により算出した合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する。一方、第２層２３ｂは５４６ｎｍ、基板２３ｃは６００ｎｍの波長による合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する。ここでは、ピーク位置での検出光強度が最も高い波長により、その層の高さを求める。すなわち、全界面で、各選択波長に対するピーク強度を比較する。そして、複数の選択波長のうちピーク強度が最も高くなっている選択波長により算出された合焦点位置をその界面の高さとする。具体的には、図７に示すように、第１層２３ａの表面では、ピーク強度が最も高い４０５ｎｍの波長を使用して、第１層２３ａの表面形状を求める。また、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面では、ピーク強度が最も高い５４６ｎｍの波長を使用して、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面の形状、すなわち、第２層の２３ｂの高さ分布を求める。さらに、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面では、ピーク強度が最も高い６００ｎｍの波長を使用して、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面の形状を求める。これにより、複数の選択波長の中から、好適な波長を選択することができる。このように、本発明では、各層毎に最適な波長を使用して、それぞれの層の３次元形状を構築することができる。
【００６２】
表示部７９は、液晶表示装置等のディスプレイを備えており、３次元形状構築部７８によって構築された３次元形状の表示を行なう。例えば、所定の角度から見た試料２３の３次元形状を表示する。これにより、試料２３の斜視図が表示される。このとき、最上層を半透明な色として表示してもよい。これにより、下層の形状を視認しやすくすることができる。また、各層の表示色を対応する選択波長の色に応じて決定してもよい。例えば、第１層２３ａの形状が４０５ｎｍの波長の光によって検出されている場合、ディスプレイ上で、その４０５ｎｍの波長に対応する色（例えば、紫色）で表示する。これにより、どの層がどの波長で見えたかを可視化することができる。試料２３を構成する物質の透過・反射特性が可視化され、試料２３の３次元形状の理解に役立てることができる。もちろん、高さの差を色に変換して、グラデーションで表示してもよい。さらに、任意の断面を指定して、その断面における断面形状を表示できるようにしてもよい。また、３次元形状を構築する際に、ＸＹＺ座標も同時に取得しているため、任意の距離、高さ、幅、体積などを計測することも可能である。具体的には、表示画面上において表示されている試料の任意の点を指定して、計測を行なうようにしてもよい。これにより、各層の膜厚や試料２３に設けられたパターンの幅やパターン間の距離等を求めることが可能になる。
【００６３】
次に、図９を用いて本発明にかかる３次元形状の測定方法の手順について説明する。図９は本発明にかかる３次元形状の測定方法の手順を示すフローチャートである。まず、最初に補正値の設定を行う（ステップＳ１０１）。具体的には、作業者が収差補正部７６における補正値及び屈折率補正部７７における屈折率の補正値を入力する。収差補正用の補正値は、波長切替機構３０の選択波長に応じたオフセットであり、対物レンズ２２の色収差などによって決まる。従って、収差補正用の補正値は、３次元形状測定装置１に対して固有の値である。そのため、収差補正用の補正値は一度だけ設定すればよい。収差補正用の補正値は表面が平坦な試料を標準試料として、その標準試料の平坦面に対して波長毎の合焦点位置の測定を行い、合焦点位置のずれから算出することができる。
【００６４】
屈折率の補正値は、試料２３に設けられている各層の屈折率によって決まる。従って、屈折率の補正値は、試料２３に対して固有の値である。これらの補正値が不明な場合、あるいは、補正を行う必要がない場合は、補正値の設定を行なわなくてもよい。これらの補正値は、それぞれメモリ等に記憶される。収差補正部７６及び屈折率補正部７７は、設定された補正値に基づいて補正を行う。
【００６５】
次に、走査範囲を設定する（ステップＳ１０２）。具体的には、水平方向の走査範囲と、鉛直方向の走査範囲を設定する。これらの走査範囲はメモリ等に記憶される。ステージ制御部７０は後述する検出データ取得ステップで、この設定された走査範囲に基づいて、ステージ２４を移動させる。
【００６６】
ここで、測定時間を短縮するためのＺ方向走査ステップ（ステップＳ１０３）及び波長切換ポイント設定ステップ（ステップＳ１０４）について説明する。Ｚ方向走査ステップ（ステップＳ１０３）では、ステージ２４を移動してＺ方向の走査を行う。そして、この時の検出データから、試料２３の表面の位置を検出する。すなわち、試料２３の最も上面側の検出光強度のピーク位置から、試料２３の表面の高さを求めることができる。例えば、表面が平坦な試料２３では、このステップで表面のおおよその高さを検出することができる。ここでは、波長を固定してＺ方向の走査を行ってもよいし、波長を切り替えてＺ方向の走査を行ってもよい。
【００６７】
ステップＳ１０３のＺ方向走査において検出した試料の表面位置から、波長の切換ポイントを設定する（ステップＳ１０４）。具体的には、試料２３の表層の途中の位置を波長切替ポイントとする。試料２３の上側から下側へとＺ方向の走査を行う場合、試料２３の対物レンズ側の走査開始点から切替ポイントまで、一つに波長で検出データを取得する。すなわち、切替ポイントまでの間、選択波長を固定して検出を行なう。これにより、表層の３次元形状が１つの選択波長によって測定される。そして、Ｚ方向の位置が切替ポイントよりも下に移動したら、違う波長に切り替えて測定を行う。また、最上層の表面に限らず、下層に対する波長切換ポイントを設定してもよい。もちろん、複数の層に対して波長切換ポイントをそれぞれ設定してもよい。切替ポイントは、表層全体の形状を測定できるよう、マージンを持って設定することが好ましい。波長切換ポイントを設定することで、全ての波長に対して検出データを取得する必要がなくなる。これにより、測定時間を短縮することができる。波長切換ポイントの設定は、平坦な層を有する試料２３に対して特に有効である。すなわち、その層の形状を測定するための選択波長を単一の選択波長とすることができる。従って、その層の形状を測定するために複数の波長を切り替えて検出データを取得する必要がなくなり、測定時間を短縮することができる。さらに、選択波長の数が多い場合、波長切換ポイントの設定による測定時間短縮の効果が大きい。
【００６８】
試料２３の少なくとも１層において、波長切換ポイントを設定することで、測定時間を短縮することができる。なお、波長切換ポイントを設定しない場合は、上記のＺ方向走査ステップ（ステップＳ１０３）及び波長切換ポイント設定ステップ（ステップＳ１０４）を行なわなくてもよい。
【００６９】
次に、設定された走査範囲に対して検出データを取得する（ステップＳ１０５）。ここでは、マルチスリット１４による走査及びステージ２４によるＺ方向の走査を行い、その間の検出データを処理装置３３のメモリに順番に蓄積していく。さらに、より広い範囲の測定を行いたい場合は、ＸＹ方向にステージ２４を移動して検出データを取得する。このとき、上記の波長切換ポイントに応じて波長を切り替える。すなわち、ステージ２４のＺ方向の位置が設定された波長切換ポイントとなったら、選択波長を切り替える。これにより、設定範囲全体に対する検出データを取得することができる。
【００７０】
なお、波長切換ポイントが設定されていない場合は、各断層で複数の選択波長を用いて検出データを取得する。このとき、検出データは任意の順番で取得することができる。例えば、選択波長を固定したまま、Ｚ方向の位置を移動して検出データを測定する。この場合、Ｚ方向の走査範囲の検出データを取得した後、選択波長を切り替える。あるいは、Ｚ方向の位置を固定したまま、選択波長を切り替えるようにしてもよい。この場合、全選択波長の検出データを取得したら、Ｚ方向の位置を変える。いずれの手順でも同様の検出データを取得することができる。もちろん、上述の順番に限られるものではない。
【００７１】
このようにして取得した検出データから合焦点位置を算出する（ステップＳ１０６）。上述のように、ＣＣＤカメラ２８の全ての画素に対して合焦点位置を算出する。さらに、複数の選択波長毎に合焦点位置を算出する。ステージ２４のＸＹ方向の位置を移動した場合、移動したそれぞれの位置に対して合焦点位置を算出する。すなわち、ＸＹ方向の各位置における合焦点位置を算出する。ステージ２４のＸＹ方向の位置を移動した場合、移動前と移動後とで照明光の入射位置の一部が重複するようにしてもよい。これによって、入射位置が重複する位置で、高さ方向の位置合わせを行なうことができる。すなわち、ステージ２４の移動による高さ方向のずれを修正することができる。処理装置３３は、波長毎に算出した合焦点位置を画素と対応付けて記憶する。
【００７２】
次に、算出した合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する（ステップＳ１０７）。すなわち、積層構造体の各層の形状をそれぞれ異なる波長に基づく合焦点位置により決定する。そして、各層の形状を重ね合わせて３次元形状を構築する。波長切換ポイントが設定されている層では、その波長での高さにより、形状を決定する。波長切換ポイントが設定されていない層では、検出光強度に基づいて好適な波長を選択する。そして、その選択波長での高さから層形状を決定する。このようにして、積層構造体の各層の形状を３次元を求め、３次元形状を構築する。
【００７３】
このようにして構築された３次元形状に基づいて３次元画像を表示する（ステップＳ１０８）。例えば、表示画面上に所定の角度から見た試料２３の３次元形状を表示する。この表示画像はＧＵＩによって、様々な操作を行なうことができるようにする。例えば、３次元画像の仰角、回転角、スケール、レンジなどは変更可能とする。また、任意の位置の断面情報をグラフとして、３次元画像と同時又は別々に表示するようにしてもよい。さらに、断面のグラフに表れた上層と下層のプロファイルデータにカーソルを合わせることで、膜厚や間隔などを計測するようにしてもよい。もちろん、表示方法は上記のものに限られるものではない。このように、層毎に異なる波長で表面形状を測定し、各層の表面形状を合成する。これにより、表層のみならず、下層の形状についても表示することができる。
【００７４】
尚、上記の説明では、スリットコンフォーカル光学系を有する測定装置について説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ピンホール等及び点光源を用いたコンフォーカル光学系でもよい。上述の説明ではステージ２４を鉛直方向に移動して、対物レンズ２２の焦点位置を光軸に沿って走査したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、対物レンズ２２を移動して焦点位置を走査してもよい。試料上における照明光の位置を走査する照明位置走査は、マルチスリット１４によるものに限られるものではない。例えば、照明光の位置を走査する走査手段として、ガルバノミラーなどのビーム走査やステージ走査などを用いることができる。また、スリットコンフォーカル光学系を構成する場合、シリンドリカルレンズを用いて光源１１からの光をライン状の照明光３５に変換してもよい。なお、試料２３は、異なる２種類以上の材質から構成される積層構造体であればよい。
【００７５】
なお、波長切替機構３０の位置は光源１１とのレンズ１２の間に限られるものではなく、他の位置でもよい。すなわち、光源１１とＣＣＤカメラ２８の間の光路中であればよく、例えば、ＣＣＤカメラ２８の前に配置することにより、反射光の波長を切り替えることができる。さらに、波長切替機構３０は複数の波長フィルタにより構成するものに限られるものではない。例えば、波長切替機構３０を分光器などによって構成してもよい。複数の単色光源を配置して、それぞれを切り替えて使用するようにしてもよい。また、波長可変の光源やフィルタを用いてもよい。このような構成でも、波長を選択することができる。さらには、カラーＣＣＤカメラのように受光素子の各画素の前にフィルタが形成された検出器を用いてもよい。一般的なカラーＣＣＤカメラを用いる場合、画素となる各受光素子の前に、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれのカラーフィルタが形成されている。従って、カラーＣＣＤカメラでは、３波長に対応する検出信号を同時に検出することができる。そして、処理装置３３において、各画素毎にＺ方向における検出光強度のピークを算出する。換言すると、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての検出光をそれぞれ検出して、処理装置３３で合焦点位置を算出する波長を選択する。これにより、各層の高さが異なる色により検出され、３次元形状を測定することができる。このような、カラーＣＣＤカメラを用いることによって簡易な構成で波長を選択することができる。さらに、３波長を同時に測定することができるため、測定時間を短縮することができる。このように本発明にかかる３次元形状測定装置において、波長切替機構３０は様々な構成を用いることができる。すなわち、波長切替機構３０はハードウェアによる構成に限らず、ハードウエハとソフトウエハとを組み合わせた構成でも実現することができる。すなわち、処理装置３３で合焦点位置を算出するときに、検出信号に対応する照明光の波長を選択できるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明にかかる３次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の３次元形状測定装置におけるマルチスリットの構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の３次元形状測定装置におけるマルチスリットの構成を示す正面図である。
【図４】本発明の３次元形状測定装置における波長切替機構に用いられる波長フィルタの構成を示す正面図である。
【図５】本発明の３次元形状測定装置における測定対象である試料の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の３次元形状測定装置における測定対象である試料の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の３次元形状測定装置において、Ｚ方向の位置と検出光の強度との関係を示す図である。
【図８】本発明の３次元形状測定装置における処理装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の３次元形状測定方法における測定手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１ ３次元形状測定装置、１１ 光源、１２ レンズ、１３ 赤外線カットフィルタ、
１４ マルチスリット、１５ プリズム、１６ ボイスコイルモータ、
１７ ミラー、１９ ２群レンズ、２０ ビームスプリッタ、
２１ ビームスプリッタ、２２ 対物レンズ、２３ 試料、２３ａ 第１層、
２３ｂ 第２層、２３ｃ 基板、２４ ステージ、２５ ２群レンズ、２６ ミラー、
２８ ＣＣＤカメラ、３０ 波長切替機構、３１ 波長フィルタ、３２ 回転機構、
３３ 処理装置、３４ ステージ駆動機構、３５ 照明光、
４０ レンズ、４１ ２分割フォトダイオード、４５ ２分割フォトダイオードの受光面
５１ スリット部、５１ 矩形パターン、５３ スリット、５４ 遮光部、
７０ ステージ制御部、７１ ＶＣＭ制御部、７２ 波長選択部、
７３ 検出データ記憶部、７５、合焦点位置算出部、７６ 収差補正部、
７７ 屈折率補正部、７８ ３次元形状構築部、７９ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明はコンフォーカル光学系を用いて試料の３次元形状を測定する３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、コンフォーカル（共焦点）顕微鏡が広く利用されている。コンフォーカル顕微鏡では、点光源からの光を試料上に結像し、試料からの反射光をピンホールを介して検出している。点光源及び試料、並びに試料及びピンホールが共役な位置に配置されている。従って、合焦点位置以外からの光はピンホールにより遮られる。これにより、光軸方向の分解能を高くすることができる。また、点光源を用いたものに限らず、ライン状の光を試料上に結像し、１次元光検出器で検出するスリットコンフォーカルも利用されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このような、コンフォーカル顕微鏡では、焦点位置と表面とが一致すると反射光の光強度が高くなることから、３次元形状を測定することができる。すなわち、対物レンズの焦点位置を光軸に沿って走査して、反射光の検出を行なう。このとき、反射光の強度が最大になる位置で焦点位置と試料表面とが一致する合焦点位置となる。これにより試料表面の高さを求めることができる。光ビームをガルバノミラー等で光軸と垂直な方向に走査して、各点の合焦点位置を求めることにより、試料の３次元形状を測定することができる。
【０００４】
さらに、Ｓ／Ｎ比の劣化を防止して３次元画像を得ることができるコンフォーカル顕微鏡が開示されている（特許文献２）。このコンフォーカル顕微鏡では、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長を選択する波長選択フィルタを備えている。そして、Ｒ，Ｇ、Ｂの各色の光の強度をカラー撮像素子でそれぞれ検出している。Ｒ，Ｇ、Ｂのうち最も高い強度の色の輝度信号に基づいて試料表面を求めている。すなわち、Ｒ、Ｇ、Ｂの輝度信号に基づいて、最適な波長帯域の輝度信号を選択して、３次元画像を構築している。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１０４５２３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４００５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のコンフォーカル顕微鏡では、試料の表面の形状しか測定することができなかった。すなわち、試料が多層からなる積層構造体の場合、最上層の形状しか測定することができなかった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、多層構造を有する試料の最上層及びその下層の３次元形状を測定することができる３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様にかかる３次元形状測定装置は、下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、前記試料を照明するための照明光を出射する光源と、前記光源からの照明光を前記試料に集光する対物レンズと、前記試料に対する前記対物レンズの焦点位置を光軸に沿って走査する焦点位置走査手段と、前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に垂直走査手段と、前記試料で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器と、前記焦点位置走査手段によって焦点位置を走査したときの前記検出器で検出した検出光に基づいて合焦点位置を算出する合焦点位置算出手段と、前記合焦点位置算出手段で合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択する波長選択手段と、前記垂直走査手段によって照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築する３次元形状構築手段であって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築する３次元形状構築手段と、前記３次元形状構築手段によって構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なう表示部とを備えるものである。これにより、下層の３次元形状、すなわち試料の表層以外の層の３次元形状を測定することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記波長選択手段によって、前記上層を透過する第１の波長を選択し、前記第１の波長の検出光に基づいて前記上層と前記下層との界面の３次元形状を構築することを特徴とするものである。これにより、試料の下層の形状を高い精度で測定することができる。
【００１０】
本発明の第３の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記波長選択手段が、前記照明光又は反射光の光路中に設けられ、光の入射位置に応じて透過する光の波長を変化させる波長フィルタを有し、前記波長フィルタに対する前記照明光又は反射光の入射位置を移動することにより、前記照明光又は反射光の波長を異なる波長に切り替えて、前記検出光の波長を選択するとするものである。これにより、装置の構成を簡易なものとすることができる。
【００１１】
本発明の第４の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する屈折率補正部をさらに備えるとするものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【００１２】
本発明の第５の態様にかかる３次元形状測定装置は、上述の３次元形状測定装置であって、前記３次元形状測定装置の光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する収差補正部をさらに備えるとするものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【００１３】
本発明の第６の態様にかかる３次元形状測定方法は、下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、照明光を前記試料に集光して照射するステップと、前記試料で反射した反射光をコンフォーカル光学系を介して検出するステップと、前記試料に対する前記照明光の焦点位置を光軸に沿って走査するステップと、前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査するステップと、前記検出するステップで検出した検出光に基づいて、前記照明光の焦点位置を光軸に沿って移動したときの合焦点位置を算出するステップと、前記合焦点位置を算出するステップで、合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択するステップと、前記照明光の焦点位置を光軸と垂直な方向に走査するステップによって焦点位置を走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築するステップであって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築するステップと、前記３次元形状を構築するステップで構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なうステップとを備えるものである。これにより、下層の３次元形状、すなわち試料の表層以外の層の３次元形状を測定することができる。
【００１４】
本発明の第７の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記波長を選択するステップでは、前記上層を透過する第１の波長を選択し、前記下層と前記上層との界面の３次元形状を前記第１の波長の検出光によって算出された合焦点位置に基づいて構築することを特徴とするものである。これにより、試料の下層の形状を高い精度で測定することができる。
【００１５】
本発明の第８の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記波長を選択するステップでは、照明光又は反射光の波長を切り替えることによって波長を選択することを特徴とするものである。これにより、試料の表層以外の層の形状を測定することができる。
【００１６】
本発明の第９の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記光軸に沿った方向において、選択波長を切り替える切替位置を設定するステップをさらに備え、前記合焦点位置を光軸に沿って走査するステップでは、前記切替位置よりも試料の表面側では、前記上層の表面で反射される第２の波長に選択波長を固定して、走査を行うことを特徴とするものである。これにより、測定時間を短縮することができる。
【００１７】
本発明の第１０の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備えるものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【００１８】
本発明の第１１の態様にかかる３次元形状測定方法は、上述の３次元形状測定方法であって、光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備えるものである。これにより、正確に３次元形状を測定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、多層構造を有する試料の表層以外の層の形状を測定することができる３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
【００２１】
本発明にかかる３次元形状測定装置の構成について図１を用いて説明する。図１は３次元形状測定装置の構成を示す図である。図１において１１は光源、１２はレンズ、１３は赤外線カットフィルタ、１４はマルチスリット、１５はプリズム、１６はボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭとする）１７はミラー、１９は２群レンズ、２０はビームスプリッタ、２１はビームスプリッタ、２２は対物レンズ、２３は試料、２４はステージ、２５は２群レンズ、２６はミラー、２７は結像レンズ、２８はＣＣＤカメラ、３０は波長切替機構、３１は波長フィルタ。３２は回転機構、３３は処理装置、３４はステージ駆動機構、４０はレンズ、４１は２分割フォトダイオードである。
【００２２】
本実施の形態では、試料２３のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤカメラ２８及びマルチスリット１４の位置を検出するための２分割フォトダイオード４１を備えている。光源１１からマルチスリット１４を透過した光がＣＣＤカメラ２８により検出される。すなわち、３次元形状測定装置１は、コンフォーカル光学系により、試料２３の形状を測定している。すなわち、水平方向及び鉛直方向の走査におけるＸＹＺ座標と、コンフォーカル光学系を介して検出した光の強度とに基づいて試料２３の３次元形状を測定している。
【００２３】
光源１１は、試料２３を照明するための照明光を出射する。光源１１は、例えば白色光源等であり、さらに具体的には、水銀ランプ、ハロゲンランプ等種々のランプ光源を用いることができる。もちろん、これ以外の光源であってもよい。すなわち、光源１１は、ブロードなスペクトルを有しており、様々な波長の光を照明光として出射するものであることが好ましい。
【００２４】
マルチスリット１４は、光源１１の近傍に設けられている。光を透過するスリットが複数設けられたマルチスリット１４が光路上に配置される。これにより光源１１からの光はライン状の光に変換される。光源１１とマルチスリット１４の間には、波長を選択する波長切替機構３０の一部である波長フィルタ３１と、光源１１からの光を集光するレンズ１２と、赤外線をカットする赤外線カットフィルタ１３とが設けられている。赤外線カットフィルタ１３は試料２３が加熱されるのを防ぐため、光源１１からの赤外線をカットしている。波長フィルタ３１を有する波長切替機構３０の構成については後述する。
【００２５】
マルチスリット１４はＶＣＭ１６に取り付けられ、直線移動可能になっている。このＶＣＭ１６を駆動することによって、マルチスリット１４は光軸と垂直な方向に移動する。そして、マルチスリット１４はマルチスリット１４の設けられているそれぞれのスリットと垂直な方向に移動する。ＶＣＭ１６はカメラコントローラ２９からの信号により駆動される。そして、ＶＣＭ１６は、例えばＰＩＤ制御により所定の位置にマルチスリット１４を移動させることができる。
【００２６】
このマルチスリット１４の構成について図２及び図３を用いて説明する。図２はＶＣＭ１６に接続されたマルチスリット１４の構成を示す図である。図３はマルチスリット１４の構成を示す平面図である。
【００２７】
図２に示すようにＶＣＭ１６に接続されたマルチスリット１４は光源１１からの光をライン状の光に変換するためのスリット部５１が設けられている。スリット部５１の横には２分割フォトダイオード４１に検出される光を透過する矩形パターン５２が設けられている。このスリット部５１と矩形パターン５２が設けられているマルチスリット１４はＶＣＭ１６を駆動することによって矢印の方向に移動する。
【００２８】
このマルチスリット１４について図３を用いて詳細に説明する。マルチスリット１４の中央にはスリット部５１が設けられている。スリット部５１はライン状の光を生成するためのスリット５３とスリット５３との間に設けられた遮光部５４により構成される。スリット部５１ではスリット５３に入射した光のみが透過し、遮光部５４に入射した光は遮られる。したがって、光源１１からの光がライン状の光に変換される。マルチスリット１４はガラス等の透明基板にフォトリソグラフィー工程で遮光パターンを設けることにより形成される。
【００２９】
スリット５３と遮光部５４とはそれぞれ一定の幅で繰り返し設けられており、周期的な空間パターンが形成される。Ｙ方向の配列された複数のスリット５３のそれぞれはＸ方向に長いスリット光を生成する。スリット５３と遮光部５４との比は例えば、１：７又は１：１５である。すなわち、スリット部５１に入射した光の１／８又は１／１６が使用される。マルチスリット１４を透過したスリット状の照明光を試料上に投影して、ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４をＹ方向に走査することで試料全面を順次照明する。すなわち、Ｘ方向に沿って設けられたスリット５３を有するマルチスリット１４をＹ方向に移動することにより、光軸と垂直な方向に照明光を走査することができる。スリット５３の間隔については、試料２３の反射光がＣＣＤカメラ２８に入射された際に、各スリット５３に対応する反射光間で互いに影響を及ぼさない程度の間隔とする。
【００３０】
スリット部５１と異なる位置に設けられた矩形パターン５２は、２分割フォトダイオード４１に受光される光を透過する。図３では２分割フォトダイオード４１におけるそれぞれのフォトダイオードの受光面４５ａ、４５ｂをマルチスリット１４上に投影して図示している。２分割フォトダイオード４１の受光面４５ａ及び受光面４５ｂのそれぞれは矩形パターン５２を通過した光を検出することができるように配置される。すなわち、矩形パターン５２からの光は２分割フォトダイオード４１の受光面４５ａと受光面４５ｂの境界線をまたぐように投影される。そして、マルチスリット１４がＹ方向に移動すると受光面上で矩形パターン５２からの光が移動して、受光面４５ａ、受光面４５ｂに受光される光量が変化する。この２分割フォトダイオード４１の出力の比に基づいてマルチスリット１４の位置が検出される。すなわち、マルチスリット１４がＹ方向に移動することで、受光面４５ａ又は受光面４５ｂの一方に入射する光量が多くなり、他方が少なくなる。この２分割フォトダイオード４１の出力信号の差分により、マルチスリット１４の位置が検出される。
【００３１】
ここで、図１の説明に戻る。マルチスリット１４のスリット５３を通過した光は、ミラー１７によって試料２３の方向に反射される。ミラー１７で反射した光は２群レンズ１９により集光され、ビームスプリッタ２０、２１を通過して対物レンズ２２に入射する。対物レンズ２２に入射された光は集光され試料２３上に結像する。ＶＣＭ１６によってマルチスリット１４を移動させることにより、試料２３上の任意の位置を照明することができる。ステージ２４上に載置された試料２３はマルチスリット１４と共役な位置に配置される。
【００３２】
ステージ２４はＸＹＺステージであり、ステージ駆動機構３４に接続されている。すなわち、ステージ駆動機構３４は、ステージ２４を水平方向（ＸＹ方向）及び、鉛直方向（Ｚ方向）に移動させることができる。ステージ２４を水平方向（ＸＹ方向）を移動させることにより、試料２３の任意の箇所を観察することができる。ステージ２４を鉛直方向に移動させることにより、対物レンズ２２と試料２３との距離を変化させることができる。対物レンズ２２と試料２３との相対距離を変化させることによって、対物レンズ２２の焦点位置を光軸に沿って走査することができる。スリットを用いることによりコンフォーカル光学系を構成しているので、焦点が合っている高さのみの像（スライス像）を捉えることができる。従って、対物レンズ２２とステージ２４との相対距離が、３次元測定時のＺ座標に対応する。すなわち、対物レンズ２２とステージ２４との相対距離から、対物レンズ２２の焦点位置のステージ２４表面からの高さを求めることができる。従って、焦点位置のステージ２４表面からの高さがＺ座標となる。なお、ステージ２４ではなく対物レンズ２２を移動させるようにしてもよい。試料２３と対物レンズ２２との相対距離を変化させることにより、焦点位置のステージ２４からの高さを変化させることができる。このように、マルチスリット１４による水平方向の走査と、ステージ２４による鉛直方向の走査とによって、試料２３の３次元形状を測定することができる。
【００３３】
試料２３からの反射光は再度、対物レンズ２２により集光された後、ビームスプリッタ２１により反射される。これにより、試料２３を照明する照明光と試料２３で反射される反射光とを分離することができる。ビームスプリッタ２１により反射された光は２群レンズ２５により屈折され、ミラー２６に入射する。ミラー２６に入射した光はＣＣＤカメラ２８の方向に反射される。対物レンズとなる２群レンズ２５の間隔を調整することにより、焦点距離を微調整することができるのでスリット５３とＣＣＤカメラの像倍率を容易に一致させることができる。照明側に配置された２群レンズ１９と像面側に配置された２群レンズ２５とを同一設計とし、その間隔を調整することによって倍率を調整できる構造としている。
【００３４】
ＣＣＤカメラ２８は受光素子がアレイ状に配置された２次元アレイ光検出器である。ＣＣＤカメラ２８の受光面は試料と共役な位置に配置される。ＣＣＤカメラ２８は各受光素子により検出された光の強度に基づいて電荷を蓄積し、この電荷を順次転送することにより検出信号を出力する。ＣＣＤカメラ２８は試料を透過した照明光が当たっている照明領域の画素データだけを読み取り、照明光が当たっていない非照明領域の画素のデータは高速に転送して読み捨て、利用しない。すなわち、試料上における照明光の入射位置と共役な位置に配置されている画素列以外の画素からの検出信号は利用しない。ＣＣＤカメラ２８は試料２３で反射した反射光のうち、画素が受光した光に基づく信号をカメラコントローラ２９に出力する。すなわち、ＣＣＤカメラ２８は検出した検出光に基づき検出信号を出力する。これにより、コンフォーカル画像を取得することができる。カメラコントローラ２９は検出信号を、例えば、増幅及びＡ／Ｄ変換して処理装置３３に出力される。処理装置３３はパーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、カメラコントローラから入力された検出信号に対して所定の演算処理を行なう。この、処理装置３３は、３次元形状を測定するための演算処理を行い、処理結果を表示する。処理装置３３における処理については後述する。
【００３５】
ＶＣＭ１６によりマルチスリット１４を移動して、試料２３上の照明領域を走査する。マルチスリット１４の位置が変化すると、ＣＣＤカメラ２８の画素列のうちマルチスリット１４のスリット５３と共役な位置となるものが変化する。すなわち、マルチスリット１４が所定の距離だけ移動すると、ＣＣＤカメラ２８の受光面においてスリット５３と共役な位置の画素列が隣の画素列に移動する。具体的には、ＣＣＤカメラ２８の１列目の画素列がマルチスリット１４のスリット５３と共役な位置に配置されている状態から、マルチスリット１４を所定の距離だけ移動させると、ＣＣＤカメラの２列目の画素列がマルチスリット１４のスリット５３と共役な位置に配置される。そして、マルチスリット１４の移動を所定の距離だけ繰り返すことにより、スリット５３と共役な位置の画素列が順番にずれていく、これにより、Ｙ方向に走査されている照明光の反射光がコンフォーカル光学系を介して検出される。試料２３の全体を照明することにより、ＣＣＤカメラ上の全ての画素に対応するデータの取得が完了する。ここで、ＣＣＤカメラ２８の受光面における画素の位置によって、３次元測定を行う時のＸＹ座標が決定する。すなわち、試料２３の異なる位置からの反射光は、ＣＣＤカメラ２８の異なる画素で検出されるため、受光面上の画素の位置がＸＹ座標に対応する。これにより、ＸＹ平面における照明光が集光されている位置、すなわち、３次元測定時のＸＹ座標を求めることができる。カメラコントローラ２９に接続された処理装置３３によりこれらのデータを合成して２次元の画像を形成する。この２次元画像は処理装置３３に記憶されるとともに、ディスプレイ上に表示される。これにより、試料２３のスライス像を撮像することができる。ステージ２４を上下方向（Ｚ方向）に移動してこの画像の撮像を繰り返す。このように走査を行い、試料中の任意の点に照明光を集光する。そして、集光位置からの反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する。検出結果を処理装置により処理し、スライス像を合成することによって全焦点画像を得たり、３次元画像を得ることができる。
【００３６】
また、マルチスリット１４の矩形パターン５２を透過した光はミラー１７、２群レンズ１９を介してレンズ４０に入射する。レンズ４０は２分割フォトダイオード４１の受光面上で矩形パターン５２を透過した光が適当なスポットになるように光を屈折する。
【００３７】
２分割フォトダイオード４１に設けられた２つのフォトダイオードはマルチスリット１４の矩形パターン５２を透過した光をそれぞれ検出して、検出光の強度に基づく信号をカメラコントローラ２９に出力する。カメラコントローラ２９は２分割フォトダイオードの出力の比に基づいてマルチスリット１４の位置を算出し、マルチスリット１４が定められた位置に配置されているかを判断する。マルチスリット１４が所定の位置に配置されている場合は、ＣＣＤカメラ２８により撮像する。マルチスリット１４が定められた位置に配置されていない場合はＶＣＭ１６を駆動して、マルチスリット１４を所定の位置に移動する。そして、その位置で撮像を行う。このように、フィードバック制御を行うことにより、正確に測定を行うことができる。さらに、カメラコントローラ２９には、マルチスリット１４の位置に対応するＣＣＤカメラ２８の画素が記憶されている。すなわち、カメラコントローラ２９は、マルチスリット１４の位置と、その位置におけるスリット５３と共役な位置となるＣＣＤカメラ２８の画素列とを対応付けて記憶している。そして、スリット５３と共役な位置の画素列の検出信号がカメラコントローラ２９を介して処理装置３３に記憶される。マルチスリット１４に設けられたスリット５３と共役な位置の画素列の検出信号を用いることによってコンフォーカル画像を撮像することができる。これにより、スリットコンフォーカル光学系を構成することができる。
【００３８】
さらに本発明では光源１１からの光がマルチスリット１４をバイパスすることができるように２つのプリズム１５が設けられている。２つのプリズム１５はマルチスリット１４の前後に移動可能に設けられている。プリズム１５を光路上に移動させることにより、光源１１からの光がマルチスリット１４をバイパスし、試料２３の全面を照明することができる。すなわち、マルチスリット１４の前に配置されたプリズム１５は光源１１からの光がマルチスリット１４に入射されないように光を屈折する。このプリズム１５により屈折した光はマルチスリット１４の後に配置されたプリズム１５により元の光路に戻る。そしてマルチスリット１４をバイパスされた光が試料２３に照射される。これにより、簡易な光学系でマルチスリットをバイパスすることができる。もちろん、マルチスリット１４をバイパスするための構成はプリズム１５に限らず、ミラーなどの光学部品であってもよい。さらにはＶＣＭ１６を駆動して、光路上からマルチスリット１４を外してもよい。これにより、光源１１からの光は面照明となり、通常の顕微鏡として使用することができる。
【００３９】
次に、波長切替機構３０の構成について図４を用いて説明する。図４は波長切替機構３０に設けられた波長フィルタ３１の構成を示す正面図である。円板状の波長フィルタ３１は図４に示すように６分割されている。すなわち、波長フィルタ３１は３１ａ〜３１ｆの６つの領域に分割されている。ここで、６分割された領域のうち、３１ａを白色領域とし、３１ｂ〜３１ｆを着色領域とする。透過領域３１ａは光源１１からの白色光を透過する。着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆはそれぞれ異なる色の光を透過する。すなわち、着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆは、透過する光の波長帯域がそれぞれ異なる。換言すると、着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆは、光源１１からの照明光のうち、所定の波長帯域の光以外の光を遮光する。そして、着色領域３１ｂ〜３１ｆで、透過する光の波長帯域が異なる。例えば、着色領域３１ｂは波長が４０５ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｃは波長が４３６ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｄは波長が５４６ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｅは波長が５８０ｎｍ付近の光を透過し、着色領域３１ｆは波長が６００ｎｍ付近の光を透過する。すなわち、着色領域３１ｂ〜着色領域３１ｆを透過する透過光の波長帯域のピークは、それぞれ、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、５８０ｎｍ、６００ｎｍとなる。なお、透過する光の波長帯域は一部が重なっていてもよい。波長フィルター３１は透明なガラス基板等に誘電体多層膜を蒸着した干渉フィルターや色素を塗布したカラーフィルター、また、色ガラスなどによって構成することができる。
【００４０】
波長フィルタ３１の中心には、回転機構３２が取り付けられている。回転機構３２は波長フィルタ３１を回転させるためのモータなどを備えている。回転機構３２の駆動を制御することによって、波長フィルタ３１を所定の回転位置で停止させることができる。波長フィルタ３１の回転中心は光軸とずれて配置されている。従って、回転機構３２によって波長フィルタ３１を回転させて回転角度を変化させると、光源１１からの照明光が入射する領域が変化する。具体的には、着色領域３１ｂに照明光が入射している状態から、波長フィルタ３１を６０°回転させると、着色領域３１ｃに照明光が入射する。回転機構３２を制御することにより、光源１１からの照明光を、白色領域３１ａ及び着色領域３１ｂ〜３１ｆのうちのいずれかの領域に入射させることができる。これにより、照明光の波長を変化させることができ、照明光を所望の波長に切り替えることができる。よって、複数の色の光を用いて３次元形状を測定することができる。すなわち、３次元形状の測定に寄与する光の波長を選択することができる。
【００４１】
透明領域３１ａからの照明光は白色光となる。白色光では、波長に依存しない自然光下の色での観察ができる。従って、透明領域３１ａからの照明光を用いることによって、白色光下でのコンフォーカル画像を撮像することができる。また、透過領域３１ａは、例えば、ノンコンフォーカル画像を撮像するときに使用してもよい。ノンコンフォーカル画像の撮像時には、プリズム１５を光路中に配置して、試料２３をＣＣＤカメラ２８で撮像する。これにより、ノンコンフォーカル画像を撮像することができる。ノンコンフォーカル画像を用いれば、通常の光学顕微鏡と同等の画像が得られる。白色光の場合、フィルタによる光量の減衰がないため、高輝度の映像を得ることができる。
【００４２】
次に、試料２３の形状について図５を用いて説明する。図５は試料２３の形状の一例を示す斜視図である。試料２３は基板２３ｃ、第２層２３ｂ及び第１層２３ａの３層構造をしている。基板２３ｃの上に、第２層２３ｂが形成されている。第２層２３ｂの上には、第１層２３ａが形成されている。すなわち、試料２３は基板２３ｃの上に、下層となる第２層２３ｂと最上層となる第１層２３ａとが形成された積層構造体である。この試料２３には、図５に示すように、Ｘ方向に沿ったライン状の照明光３５が入射されている。そして、マルチスリット１４を移動させることによって照明光の焦点位置が矢印の方向（Ｙ方向）に走査される。ここで、第２層２３ｂは第１層２３ａ及び基板２３ｃと異なる材料で構成される。すなわち、第１層２３ａ、第２層２３ｂ及び基板２３ｃはそれぞれ異なる屈折率及び透過率を有している。たとえば、試料２３がフレキシブル配線基板の場合、基板２３ｃがベース材、第２層２３ｂが導体材料、第1層２３ａがカバーレイ材料となる。この試料２３がステージ２４上に載置されているとする。本発明にかかる３次元形状測定装置１では、図５に示す第１層２３ａ、第２層２３ｂ及び基板２３ｃの各層の３次元形状を測定することができる。
【００４３】
上記の構成を有する試料２３に対してＺ方向に照明光を走査した時の構成について図６を用いて説明する。図６は照明光が入射している試料２３の構成を示す断面図である。また、図６では、第１層２３ａと第２層２３ｂとを透過する長波長側の照明光で照明した時の様子を示している。図６に示すように、試料２３は下から、基板２３ｃ、第２層２３ｂ、第１層２３ａの順番で構成されている。ここで、照明光の焦点位置を光軸に沿って走査すると、試料２３の様々な高さに照明光が集光される。照明光の焦点位置をＺ方向に走査すると、例えば、焦点位置が、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように変化する。例えば、ステージ２４を上昇させて、対物レンズ２２と試料２３との距離を近づけた状態では、図６（ｃ）に示すよう基板２３ｃの上面に、照明光３５が集光される。一方、ステージ２４を下降させて、対物レンズ２２と試料２３とを遠ざけると、図６（ａ）に示すように、第１層２３ａの表面に照明光３５が集光される。もちろん、照明光３５の焦点位置は図６（ａ）〜図６（ｃ）以外の位置になることもある。なお、図６では、第１層２３ａと空気層の界面及び第２層２３ｂと第１層２３ａの界面での屈折については省略して図示している。
【００４４】
対物レンズ２２と試料２３との距離を徐々に変化させていくと、対物レンズ２２の合焦点位置がＺ方向に沿って変位していく。これにより、各層の界面に照明光を集光することができる。第１層２３ａと空気層との界面、すなわち第１層２３ａの表面に照明光３５が集光されている時は、図６（ａ）に示す構成となる。また、第２層２３ｂの上面、すなわち、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面に照明光３５が集光されている場合は、図６（ｂ）に示す構成となる。また、第２層２３ｂの下面、すなわち、第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面に照明光３５が集光されている場合は、図６（ｃ）に示す構成となる。ここで、照明光３５は屈折率の違いによって、積層構造を有する試料２３の各界面において反射される。具体的には、第１層２３ａと空気層との界面（第１層２３ａの上面）、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面（第２層２３ｂの上面）及び第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面（基板２３ｃの上面）において照明光３５が反射される。コンフォーカル光学系ではは、界面と焦点位置とが一致している合焦点位置で、ピークとなる。なお、実際には、基板２３ｃとステージ２４との界面（基板２３ｃの下面）においても照明光３５が反射されるが、ここでは省略して説明する。
【００４５】
ここで、各層の透過率は、波長に応じて異なる。従って、照明光３５のうち、各界面に入射する入射光の強度は、波長に応じて異なる。さらに、各層における屈折率及び各界面での反射率も波長に応じて異なる。もちろん、光源１１から出射される照明光３５の輝度も波長に応じて変化している。従って、対物レンズ２２から試料２３に入射する照明光３５のうち、各界面で反射される反射光の強度も波長に応じて異なる。ここで、図７に、対物レンズ２２とステージ２４との距離を変化させたときの、検出光の強度の変化を示す。図７のグラフにおいて、横軸はＺ方向におけるステージ２４の位置で、縦軸が検出光の強度である。図７のグラフでは、右側ほど、ステージ２４が上側に上がっており、対物レンズ２２と試料２３との距離が近づいている。すなわち、ステージ２４を上昇していくと、グラフの右側に移っていく。換言すると、グラフの右側になるほど、対物レンズ２２の相対的な焦点位置が下側（基板２３ｃ側）に下がっており、グラフの左側になるほど、対物レンズ２２の相対的な焦点位置が上側（第１層２３ａ側）に上がっている。
【００４６】
図１に示した３次元形状測定装置１では、コンフォーカル光学系を介して反射光を検出しているため、対物レンズ２２の焦点位置が各層の界面と一致したときに検出光強度のピークが現れる。すなわち、コンフォーカル光学系では、界面と焦点位置が合った位置、すなわち合焦点位置からの光が検出光によって検出され、合焦点位置以外からの光は検出器によって検出されない。よって、各層の界面に照明光３５が集光されたとき、ＣＣＤカメラ２８によって検出される検出光の強度が強くなる。換言すれば、検出光強度のピークが界面での合焦点位置に対応することになる。Ｚ方向に焦点位置を走査したときの、各画素における検出光のピークに基づいて各層の３次元形状を測定することができる。例えば、ＣＣＤカメラ２８からは、この検出光強度に基づく検出信号が出力される。処理装置３３は、検出信号をＡ／Ｄ変換して得られる検出データを画素と対応付けて記憶する。すなわち、各画素毎に合焦点位置を求める。ここで、Ｚ方向に走査したときの各画素の検出光強度のピークとなる位置が合焦点位置となる。従って、合焦点位置での対物レンズと試料との相対距離がその画素における界面の高さに対応する。すなわち、合焦点位置に基づいて、界面の高さ（Ｚ方向の位置）を求めることができる。照明光３５をＹ方向に走査してＣＣＤカメラ２８の全画素における合焦点位置を検出光強度のピークに基づいて算出することによって、３次元形状を測定することができる。
【００４７】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、波長切替機構３０によって、それぞれ異なる波長を選択したときの、ステージ２４の位置と、ＣＣＤカメラ２８によって検出した検出光強度を示している。ここでは、試料と共役な位置にあるＣＣＤカメラ２８の画素からの検出光強度を示している。図７（ａ）は６００ｎｍの波長を選択したとき、図７（ｂ）は５４６ｎｍを選択したとき、図７（ｃ）は４０５ｎｍの波長を選択したときのグラフを示している。ここで、４０５ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａの表面で反射され、５４６ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａと透過して第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面で反射され、６００ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａ及び第２層２３ｂを透過して第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面で反射されるものとする。すなわち、試料２３の第１層２３ａ及び第２層２３ｂは可視光領域のうち、長波長側の光を透過し、短波長側の光を反射する材質から形成されているとする。また、基板２３ｃは長波長側の光を反射する材質であるとする。さらに、第１層２３ａは第２層２３ｂよりも短い波長の光を透過することができる材質であるとする。なお、図７では３種類の選択波長について示したが、選択波長は２つ以上であればよい。
【００４８】
ここで、ステージ２４を上昇させていく方向に走査する場合について説明する。ステージ２４を所定の位置から上げていくと、試料２３と対物レンズ２２の距離が徐々に近づいていく。従って、対物レンズ２２の焦点位置が図６（ａ）の状態に示すよう、第１層２３ａの表面と一致し、その後、図６（ｂ）に示すよう第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面と一致し、さらにその後、図６（ｃ）に示すよう第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面と一致する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように対物レンズ２２の焦点位置が第１層２３ａの表面と一致するするときのステージ２４の位置を図７のグラフ上でｚ１とする。ｚ１の位置では、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すよう検出光強度にピークが現れる。すなわち、６００ｎｍ、５４６ｎｍ、４０５ｎｍの全ての波長でピークが出現する。ここで、長波長側の光、具体的には、６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５のうちの大半は、第１層２３ａを透過する。そのため、６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５のうちの一部しか、第１層２３ａの表面で反射しない。従って、ｚ１における６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５の検出光の強度は小さくなる。一方、短波長の光、具体的には、４０５ｎｍの照明光３５のうちの大半は、第１層２３ａの表面で反射する。従って、ｚ１における４０５ｎｍの照明光３５の検出光の強度は大きくなる。これにより、第１層２３ａの表面における、６００ｎｍ及び５４６ｎｍの検出光強度のピークは、４０５ｎｍの検出光強度のピークよりも小さくなる。従って、図７（ｃ）に示すように、４０５ｎｍの照明光３５では、ｚ１の位置に最大のピークが現れる。６００ｎｍと５４６ｎｍの照明光３５では、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ｚ１の位置に小さなピークが表れる。
【００５０】
ステージ２４を上昇させると、図６（ｂ）に示すように対物レンズ２２の焦点位置が第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面と一致する。このときのステージ２４の位置をｚ２とする。ｚ２の位置では、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すよう検出光強度にピークが現れる。すなわち、６００ｎｍと５４６ｎｍの波長の光は、第１層２３ａを透過するため、第２層２３ｂと第１層２３ａとの界面まで到達する。第１層２３ａと透過した照明光３５は、第２層２３ｂと第１層２３ａとの界面で反射される。従って、６００ｎｍと５４６ｎｍの波長の照明光３５では、ｚ２の位置にピークが現れる。また、５４６ｎｍの照明光３５では、第１層２３ａを透過して第２層２３ｂの上面に入射した光の大半が、第２層２３ｂの上面で反射される。従って、５４６ｎｍの照明光３５はｚ２の位置で、検出光が最大のピークとなる。一方、６００ｎｍの照明光３５では、第１層２３ａを透過して第２層２３ｂの上面に入射した光の大半は第２層２３ｂを透過して、一部のみ第２層２３ｂの上面で反射される。６００ｎｍの照明光ではｚ２の位置に小さなピークが表れる。従って、ｚ２の位置での検出光のピークは、５４６ｎｍの照明光３５の方が、６００ｎｍの照明光３５より高くなる。一方、４０５ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａの表面で反射されるため、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面まで到達しない。よって、図７（ｃ）に示すように、４０５ｎｍの照明光３５では、ｚ２の位置にピークが現れない。
【００５１】
さらに、ステージ２４を上昇させると、図６（ｃ）に示すように対物レンズ２２の焦点位置が基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面と一致する。このときのステージ２４の位置をｚ３とする。ｚ３の位置では、図７（ａ）に示すよう検出光強度にピークが現れる。すなわち、６００ｎｍの波長の光は、第１層２３ａ及び第２層２３ｂを透過するため、第２層２３ｂと基板２３ｃとの界面まで到達する。第２層２３ｂを透過した光は、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面で反射される。従って、６００ｎｍの波長の照明光３５では、ｚ３の位置にピークが現れる。また、６００ｎｍの照明光３５では、第２層２３ｂを透過して基板２３ｃの上面に入射した光の大半が、基板２３ｃの上面で反射される。従って、６００ｎｍの照明光では、ｚ１及びｚ２よりもｚ３でのピークが高くなる。よって、６００ｎｍの照明光３５では、ｚ３の位置における検出光強度が最大となる。一方、４０５ｎｍ及び５４６ｎｍの照明光３５の大半は、第１層２３ａの表面又は、第２層２３ｂの表面で反射されるため、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面まで到達しない。よって、図７（ｃ）及び図７（ｂ）に示すように、５４６ｎｍ及び４０５ｎｍの照明光３５では、ｚ３の位置にピークが現れない。
【００５２】
このように、本発明では、複数の波長の光で別々に照明して、各波長の光をコンフォーカル光学系で検出している。そして、検出光強度のピークに基づく試料２３の高さをそれぞれの波長毎に求めている。積層構造体からなる試料２３の高さを異なる波長の検出光を用いて測定することによって、積層構造の各層の形状を測定することができる。例えば、第１層２３ａは、４０５ｎｍの波長の照明光３５に基づいて形状を測定し、第２層２３ｂは５４６ｎｍの波長の照明光３５に基づいて形状を測定し、基板２３ｃは６００ｎｍの波長の照明光３５に基づいて形状を測定する。これにより、積層構造体の下層の３次元形状の測定を精度よく行うことができる。すなわち、積層構造体では各層によって、光学的性質が異なるため、反射率や透過率に違いが生じる。このため、各層での反射率の高い波長の光に基づいて、その層の形状を測定する。具体的には、上層で反射する波長の光で上層の形状を測定し、上層を透過する波長の光で下層を測定する。これによって、表層以外の下層についても３次元形状を測定することができる。すなわち、上層が設けられている箇所に対応する下層の形状についても測定することができる。例えば、全体が表層で覆われている試料についても、下層の形状を測定することが可能になる。従って、本発明は、表面に設けられた保護層などによって下層のパターンが覆われている試料の形状測定に好適である。様々な試料に対応するため、波長切替機構３０で選択することのできる波長の数は、より多い方が好ましい。もちろん、より短い波長及びより長い波長を選択できることが好ましい。これにより、様々な試料２３に対して下層の３次元形状の測定が可能になる。なお、試料に応じて、光源１１や波長フィルタ３１を変えるようにしてもよい。
【００５３】
上述の３次元測定を行うための処理はカメラコントローラ２９に接続された処理装置３３によって実現することができる。処理装置３３は例えば、パーソナルコンピュータであり、ハードウェア及びそれに読み込まれるソフトウェアにより上記の演算処理を実現する。上記の処理を行なうための構成について図８を用いて説明する。図８は処理装置３３の構成を示すブロック図である。図８に示すよう、処理装置３３は、ステージ制御部７０と、ＶＣＭ制御部７１と、波長選択部７２と、走査範囲設定部７３と、検出データ記憶部７４と、合焦点位置算出部７５と、収差補正部７６と、屈折率補正部７７と、３次元形状構築部７８と、表示部７９とを備えている。
【００５４】
ステージ制御部７０は、ステージ２４の位置制御を行う。ステージ制御部７０は、例えば、ステージ駆動機構３４にステージ２４を駆動するためのステージ駆動信号を出力する。このステージ駆動信号がステージ駆動機構３４に入力される。ステージ駆動機構３４がステージ駆動信号に基づいてステージ２４を所定の位置に移動させる。具体的には、ステージ２４を水平方向（ＸＹ方向）に移動させる。これにより、試料２３の所定の位置に対して測定を行うことができる。さらに、ステージ駆動信号に基づいてＺ方向にステージを移動させることができる。これにより、試料２３の任意の高さにおける断層画像を撮像することができる。さらに、ステージ２４の高さを徐々に変化させていき、Ｚ方向の走査を行う。これにより、試料２３の３次元形状を測定することができる。また、ステージ制御部７０にはステージ駆動機構３４からステージの位置を示す位置信号が入力される。この位置信号に基づいて、ステージ制御部７０はＸＹＺ方向におけるステージ２４の現在位置を認識する。
【００５５】
ＶＣＭ制御部７１はカメラコントローラ２９を介してＶＣＭ１６を制御する。これにより、マルチスリット１４の位置を移動させることができる。具体的には、ＶＣＭ１６を駆動するＶＣＭ駆動信号を出力する。このＶＣＭ駆動信号によって、ＶＣＭ１６が駆動してマルチスリット１４を所定の位置に移動させることができる。例えば、マルチスリット１４のスリット５３と共役な位置に配置されるＣＣＤカメラ２８の画素列が走査されるように、マルチスリット１４を駆動する。よって、照明光３５を試料２３に対して走査することができる。これにより、ＣＣＤカメラ２８の受光面におけるスリット５３と共役な位置が隣の画素列へと順番に移動していく。
【００５６】
波長選択部７２は、波長切替機構３０の回転機構３２を制御して、照明光３５の波長を選択する。これにより、照明光３５の波長を切り替えることができる。さらに、波長選択部７２は、回転機構３２の角度を記憶しているため、波長フィルタ３１のうちのどの波長を選択しているかを検出することができる。走査範囲設定部７３は、Ｚ方向の走査範囲を設定する。例えば、試料２３のおおよその厚みが既知の場合、作業者がその厚みに基づいてＺ方向の走査範囲を設定する。例えば、試料２３の全体の厚みより広い領域を設定する。また、表層の対物レンズ側の位置から基板２３ｃの上面よりもステージ側までの範囲を設定してもよい。あるいは、試料２３のうち３次元形状を測定する範囲に基づいてＺ方向の走査範囲を設定してもよい。また、走査範囲設定部７３は、ＸＹ方向の走査範囲を設定する。例えば、ノンコンフォーカル画像から、作業者が３次元形状を測定したい範囲を設定する。これにより、ＸＹ方向の走査範囲が設定される。この走査範囲設定部７３に設定された走査範囲に基づいて、ステージ制御部７０がステージ駆動信号を出力する。そして、このステージ駆動信号に基づいてステージ駆動機構３４がステージ２４の高さを変化させ、かつステージ２４を水平方向に移動させる。これにより、試料の任意の箇所の３次元形状を測定することができる。
【００５７】
検出データ記憶部７４は、ＣＣＤカメラ２８からの検出信号に対応する検出データを記憶する。具体的には、ＣＣＤカメラ２８からの検出信号はカメラコントローラ２９によってＡ／Ｄ変換される。検出データ記憶部７４は変換されたデジタルデータを検出データとして記憶する。さらに、検出データ記憶部７４は、照明光の入射位置に対応する３次元座標と、選択波長とを検出データに対応付けて記憶する。すなわち、ステージ制御部７０において認識されているステージ２４のＺ方向の位置により、対物レンズ２２とステージ２４との相対距離が決定する。これにより、各検出データに対応するＺ座標が決定する。また、ＶＣＭ制御部７１に記憶されているマルチスリット１４の位置、及び、ステージ制御部７０において認識されているステージ２４のＸＹ方向の位置から、対物レンズ２２の焦点位置上のＸＹ平面における照明位置が決定する。よって、試料２３からの反射光を検出するＣＣＤカメラ２８の画素に応じてＸＹ座標が決定する。各画素毎に検出データを記憶することにより、ＸＹＺ座標と検出データとを対応付けることができる。これにより、試料上の任意の点のＸＹＺ座標が決まるため、検出データとＸＹＺ座標とを対応付けることができる。さらに、波長選択部７２によって動作する回転機構３２の回転角度から選択波長が決まる。これにより、検出データと選択波長とを対応付けて記憶することができる。このようにして、検出データ記憶部７４は、検出データを、試料２３中の任意の点のＸＹＺ座標と、選択波長とに対応付けて記憶する。換言すると、検出データ記憶部７４は、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標、選択波長、及び検出データの５項目をテーブルとして記憶する。
【００５８】
合焦点位置算出部７５は、検出データ記憶部７４に記憶されている検出データに基づいて合焦点位置を算出する。そして、各界面の高さを求める。具体的には、各画素毎に、検出光強度のピークとなるＺ方向の位置を算出する。例えば、図７に示すグラフの極大値の位置をピーク位置とすることができる。もちろん、既知となっている様々な演算処理方法によって検出光強度のピークを算出することができる。このピーク位置が合焦点位置となる。選択波長毎に、検出光強度のピーク位置を各画素に対して算出する。このとき、上層を透過する波長では、例えば、図７（ａ）又は図７（ｂ）に示すように複数の検出光ピークが表れる。この場合、算出された全ての検出光強度のピーク位置を記憶する。
【００５９】
次に、合焦点位置の補正をするための収差補正部７６及び屈折率補正部７７について説明する。収差補正部７６は、収差による焦点位置のずれを補正する。すなわち、本発明では、異なる波長の照明光を検出しているため、色収差によって焦点位置がずれてしまうことがある。この収差による焦点位置のずれを補正するため、収差補正部７６によって収差を補正している。例えば、色収差によって対物レンズ２２の焦点位置がＺ方向にずれてしまう場合、収差補正部７６に対物レンズ２２の選択波長毎の特性を記憶させておく。そして、基準となる位置に対するオフセットを波長毎に記憶させておく。そして、選択した波長毎に、各層の高さの補正を行う。すなわち、検出光強度のピーク位置を選択波長に応じたオフセット量だけ変化させる。これにより、収差による焦点位置のずれを補正することができ、正確に３次元形状を測定することができる。このように、収差補正部７６は、３次元形状測定装置の光学系の収差に基づく補正値を記憶し、この補正値に基づいて各層の高さの補正を行う。
【００６０】
屈折率補正部７７は屈折率による焦点位置のずれを補正する。例えば、図６に示す構成で第１層２３ａの屈折率が既知の値であるとき、その屈折率によって生じる焦点位置のずれを補正する。具体的には、各界面での屈折の屈折角から、高さを補正する。さらに、選択波長毎に屈折率の値が異なる場合、それぞれの波長に対して異なる屈折率を用いて補正を行うようにしてもよい。このように屈折率による補正を行うことによって、正確に３次元形状を測定することができる。さらに、各層の屈折率を用いることによって、各層の絶対的な膜厚の測定が可能になる。このように、屈折率補正部７７は、上層の屈折率を記憶し、この屈折率に基づいて各層の高さの補正を行う。各層の屈折率は、例えば、試料２３の種類に応じた値が作業者により入力されることにより設定される。
【００６１】
３次元形状構築部７８は、合焦点位置算出部７５で算出した合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する。具体的には、各画素毎の合焦点位置を合成して、各層の３次元形状を構築する。すなわち、各画素毎の界面の高さをつなぎ合わせることで、各層の３次元形状を構築することができる。ここで、各層毎に異なる波長で算出された合焦点位置を使用して、３次元形状を構築する。例えば、図５に示す構成の試料２３の場合、第１層２３ａの表面形状は４０５ｎｍの波長により算出した合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する。一方、第２層２３ｂは５４６ｎｍ、基板２３ｃは６００ｎｍの波長による合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する。ここでは、ピーク位置での検出光強度が最も高い波長により、その層の高さを求める。すなわち、全界面で、各選択波長に対するピーク強度を比較する。そして、複数の選択波長のうちピーク強度が最も高くなっている選択波長により算出された合焦点位置をその界面の高さとする。具体的には、図７に示すように、第１層２３ａの表面では、ピーク強度が最も高い４０５ｎｍの波長を使用して、第１層２３ａの表面形状を求める。また、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面では、ピーク強度が最も高い５４６ｎｍの波長を使用して、第１層２３ａと第２層２３ｂとの界面の形状、すなわち、第２層の２３ｂの高さ分布を求める。さらに、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面では、ピーク強度が最も高い６００ｎｍの波長を使用して、基板２３ｃと第２層２３ｂとの界面の形状を求める。これにより、複数の選択波長の中から、好適な波長を選択することができる。このように、本発明では、各層毎に最適な波長を使用して、それぞれの層の３次元形状を構築することができる。
【００６２】
表示部７９は、液晶表示装置等のディスプレイを備えており、３次元形状構築部７８によって構築された３次元形状の表示を行なう。例えば、所定の角度から見た試料２３の３次元形状を表示する。これにより、試料２３の斜視図が表示される。このとき、最上層を半透明な色として表示してもよい。これにより、下層の形状を視認しやすくすることができる。また、各層の表示色を対応する選択波長の色に応じて決定してもよい。例えば、第１層２３ａの形状が４０５ｎｍの波長の光によって検出されている場合、ディスプレイ上で、その４０５ｎｍの波長に対応する色（例えば、紫色）で表示する。これにより、どの層がどの波長で見えたかを可視化することができる。試料２３を構成する物質の透過・反射特性が可視化され、試料２３の３次元形状の理解に役立てることができる。もちろん、高さの差を色に変換して、グラデーションで表示してもよい。さらに、任意の断面を指定して、その断面における断面形状を表示できるようにしてもよい。また、３次元形状を構築する際に、ＸＹＺ座標も同時に取得しているため、任意の距離、高さ、幅、体積などを計測することも可能である。具体的には、表示画面上において表示されている試料の任意の点を指定して、計測を行なうようにしてもよい。これにより、各層の膜厚や試料２３に設けられたパターンの幅やパターン間の距離等を求めることが可能になる。
【００６３】
次に、図９を用いて本発明にかかる３次元形状の測定方法の手順について説明する。図９は本発明にかかる３次元形状の測定方法の手順を示すフローチャートである。まず、最初に補正値の設定を行う（ステップＳ１０１）。具体的には、作業者が収差補正部７６における補正値及び屈折率補正部７７における屈折率の補正値を入力する。収差補正用の補正値は、波長切替機構３０の選択波長に応じたオフセットであり、対物レンズ２２の色収差などによって決まる。従って、収差補正用の補正値は、３次元形状測定装置１に対して固有の値である。そのため、収差補正用の補正値は一度だけ設定すればよい。収差補正用の補正値は表面が平坦な試料を標準試料として、その標準試料の平坦面に対して波長毎の合焦点位置の測定を行い、合焦点位置のずれから算出することができる。
【００６４】
屈折率の補正値は、試料２３に設けられている各層の屈折率によって決まる。従って、屈折率の補正値は、試料２３に対して固有の値である。これらの補正値が不明な場合、あるいは、補正を行う必要がない場合は、補正値の設定を行なわなくてもよい。これらの補正値は、それぞれメモリ等に記憶される。収差補正部７６及び屈折率補正部７７は、設定された補正値に基づいて補正を行う。
【００６５】
次に、走査範囲を設定する（ステップＳ１０２）。具体的には、水平方向の走査範囲と、鉛直方向の走査範囲を設定する。これらの走査範囲はメモリ等に記憶される。ステージ制御部７０は後述する検出データ取得ステップで、この設定された走査範囲に基づいて、ステージ２４を移動させる。
【００６６】
ここで、測定時間を短縮するためのＺ方向走査ステップ（ステップＳ１０３）及び波長切換ポイント設定ステップ（ステップＳ１０４）について説明する。Ｚ方向走査ステップ（ステップＳ１０３）では、ステージ２４を移動してＺ方向の走査を行う。そして、この時の検出データから、試料２３の表面の位置を検出する。すなわち、試料２３の最も上面側の検出光強度のピーク位置から、試料２３の表面の高さを求めることができる。例えば、表面が平坦な試料２３では、このステップで表面のおおよその高さを検出することができる。ここでは、波長を固定してＺ方向の走査を行ってもよいし、波長を切り替えてＺ方向の走査を行ってもよい。
【００６７】
ステップＳ１０３のＺ方向走査において検出した試料の表面位置から、波長の切換ポイントを設定する（ステップＳ１０４）。具体的には、試料２３の表層の途中の位置を波長切替ポイントとする。試料２３の上側から下側へとＺ方向の走査を行う場合、試料２３の対物レンズ側の走査開始点から切替ポイントまで、一つに波長で検出データを取得する。すなわち、切替ポイントまでの間、選択波長を固定して検出を行なう。これにより、表層の３次元形状が１つの選択波長によって測定される。そして、Ｚ方向の位置が切替ポイントよりも下に移動したら、違う波長に切り替えて測定を行う。また、最上層の表面に限らず、下層に対する波長切換ポイントを設定してもよい。もちろん、複数の層に対して波長切換ポイントをそれぞれ設定してもよい。切替ポイントは、表層全体の形状を測定できるよう、マージンを持って設定することが好ましい。波長切換ポイントを設定することで、全ての波長に対して検出データを取得する必要がなくなる。これにより、測定時間を短縮することができる。波長切換ポイントの設定は、平坦な層を有する試料２３に対して特に有効である。すなわち、その層の形状を測定するための選択波長を単一の選択波長とすることができる。従って、その層の形状を測定するために複数の波長を切り替えて検出データを取得する必要がなくなり、測定時間を短縮することができる。さらに、選択波長の数が多い場合、波長切換ポイントの設定による測定時間短縮の効果が大きい。
【００６８】
試料２３の少なくとも１層において、波長切換ポイントを設定することで、測定時間を短縮することができる。なお、波長切換ポイントを設定しない場合は、上記のＺ方向走査ステップ（ステップＳ１０３）及び波長切換ポイント設定ステップ（ステップＳ１０４）を行なわなくてもよい。
【００６９】
次に、設定された走査範囲に対して検出データを取得する（ステップＳ１０５）。ここでは、マルチスリット１４による走査及びステージ２４によるＺ方向の走査を行い、その間の検出データを処理装置３３のメモリに順番に蓄積していく。さらに、より広い範囲の測定を行いたい場合は、ＸＹ方向にステージ２４を移動して検出データを取得する。このとき、上記の波長切換ポイントに応じて波長を切り替える。すなわち、ステージ２４のＺ方向の位置が設定された波長切換ポイントとなったら、選択波長を切り替える。これにより、設定範囲全体に対する検出データを取得することができる。
【００７０】
なお、波長切換ポイントが設定されていない場合は、各断層で複数の選択波長を用いて検出データを取得する。このとき、検出データは任意の順番で取得することができる。例えば、選択波長を固定したまま、Ｚ方向の位置を移動して検出データを測定する。この場合、Ｚ方向の走査範囲の検出データを取得した後、選択波長を切り替える。あるいは、Ｚ方向の位置を固定したまま、選択波長を切り替えるようにしてもよい。この場合、全選択波長の検出データを取得したら、Ｚ方向の位置を変える。いずれの手順でも同様の検出データを取得することができる。もちろん、上述の順番に限られるものではない。
【００７１】
このようにして取得した検出データから合焦点位置を算出する（ステップＳ１０６）。上述のように、ＣＣＤカメラ２８の全ての画素に対して合焦点位置を算出する。さらに、複数の選択波長毎に合焦点位置を算出する。ステージ２４のＸＹ方向の位置を移動した場合、移動したそれぞれの位置に対して合焦点位置を算出する。すなわち、ＸＹ方向の各位置における合焦点位置を算出する。ステージ２４のＸＹ方向の位置を移動した場合、移動前と移動後とで照明光の入射位置の一部が重複するようにしてもよい。これによって、入射位置が重複する位置で、高さ方向の位置合わせを行なうことができる。すなわち、ステージ２４の移動による高さ方向のずれを修正することができる。処理装置３３は、波長毎に算出した合焦点位置を画素と対応付けて記憶する。
【００７２】
次に、算出した合焦点位置に基づいて３次元形状を構築する（ステップＳ１０７）。すなわち、積層構造体の各層の形状をそれぞれ異なる波長に基づく合焦点位置により決定する。そして、各層の形状を重ね合わせて３次元形状を構築する。波長切換ポイントが設定されている層では、その波長での高さにより、形状を決定する。波長切換ポイントが設定されていない層では、検出光強度に基づいて好適な波長を選択する。そして、その選択波長での高さから層形状を決定する。このようにして、積層構造体の各層の形状を３次元を求め、３次元形状を構築する。
【００７３】
このようにして構築された３次元形状に基づいて３次元画像を表示する（ステップＳ１０８）。例えば、表示画面上に所定の角度から見た試料２３の３次元形状を表示する。この表示画像はＧＵＩによって、様々な操作を行なうことができるようにする。例えば、３次元画像の仰角、回転角、スケール、レンジなどは変更可能とする。また、任意の位置の断面情報をグラフとして、３次元画像と同時又は別々に表示するようにしてもよい。さらに、断面のグラフに表れた上層と下層のプロファイルデータにカーソルを合わせることで、膜厚や間隔などを計測するようにしてもよい。もちろん、表示方法は上記のものに限られるものではない。このように、層毎に異なる波長で表面形状を測定し、各層の表面形状を合成する。これにより、表層のみならず、下層の形状についても表示することができる。
【００７４】
尚、上記の説明では、スリットコンフォーカル光学系を有する測定装置について説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ピンホール等及び点光源を用いたコンフォーカル光学系でもよい。上述の説明ではステージ２４を鉛直方向に移動して、対物レンズ２２の焦点位置を光軸に沿って走査したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、対物レンズ２２を移動して焦点位置を走査してもよい。試料上における照明光の位置を走査する照明位置走査は、マルチスリット１４によるものに限られるものではない。例えば、照明光の位置を走査する走査手段として、ガルバノミラーなどのビーム走査やステージ走査などを用いることができる。また、スリットコンフォーカル光学系を構成する場合、シリンドリカルレンズを用いて光源１１からの光をライン状の照明光３５に変換してもよい。なお、試料２３は、異なる２種類以上の材質から構成される積層構造体であればよい。
【００７５】
なお、波長切替機構３０の位置は光源１１とのレンズ１２の間に限られるものではなく、他の位置でもよい。すなわち、光源１１とＣＣＤカメラ２８の間の光路中であればよく、例えば、ＣＣＤカメラ２８の前に配置することにより、反射光の波長を切り替えることができる。さらに、波長切替機構３０は複数の波長フィルタにより構成するものに限られるものではない。例えば、波長切替機構３０を分光器などによって構成してもよい。複数の単色光源を配置して、それぞれを切り替えて使用するようにしてもよい。また、波長可変の光源やフィルタを用いてもよい。このような構成でも、波長を選択することができる。さらには、カラーＣＣＤカメラのように受光素子の各画素の前にフィルタが形成された検出器を用いてもよい。一般的なカラーＣＣＤカメラを用いる場合、画素となる各受光素子の前に、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれのカラーフィルタが形成されている。従って、カラーＣＣＤカメラでは、３波長に対応する検出信号を同時に検出することができる。そして、処理装置３３において、各画素毎にＺ方向における検出光強度のピークを算出する。換言すると、Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての検出光をそれぞれ検出して、処理装置３３で合焦点位置を算出する波長を選択する。これにより、各層の高さが異なる色により検出され、３次元形状を測定することができる。このような、カラーＣＣＤカメラを用いることによって簡易な構成で波長を選択することができる。さらに、３波長を同時に測定することができるため、測定時間を短縮することができる。このように本発明にかかる３次元形状測定装置において、波長切替機構３０は様々な構成を用いることができる。すなわち、波長切替機構３０はハードウェアによる構成に限らず、ハードウエハとソフトウエハとを組み合わせた構成でも実現することができる。すなわち、処理装置３３で合焦点位置を算出するときに、検出信号に対応する照明光の波長を選択できるものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明にかかる３次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の３次元形状測定装置におけるマルチスリットの構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の３次元形状測定装置におけるマルチスリットの構成を示す正面図である。
【図４】本発明の３次元形状測定装置における波長切替機構に用いられる波長フィルタの構成を示す正面図である。
【図５】本発明の３次元形状測定装置における測定対象である試料の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の３次元形状測定装置における測定対象である試料の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の３次元形状測定装置において、Ｚ方向の位置と検出光の強度との関係を示す図である。
【図８】本発明の３次元形状測定装置における処理装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の３次元形状測定方法における測定手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１ ３次元形状測定装置、１１ 光源、１２ レンズ、１３ 赤外線カットフィルタ、
１４ マルチスリット、１５ プリズム、１６ ボイスコイルモータ、
１７ ミラー、１９ ２群レンズ、２０ ビームスプリッタ、
２１ ビームスプリッタ、２２ 対物レンズ、２３ 試料、２３ａ 第１層、
２３ｂ 第２層、２３ｃ 基板、２４ ステージ、２５ ２群レンズ、２６ ミラー、
２８ ＣＣＤカメラ、３０ 波長切替機構、３１ 波長フィルタ、３２ 回転機構、
３３ 処理装置、３４ ステージ駆動機構、３５ 照明光、
４０ レンズ、４１ ２分割フォトダイオード、４５ ２分割フォトダイオードの受光面
５１ スリット部、５１ 矩形パターン、５３ スリット、５４ 遮光部、
７０ ステージ制御部、７１ ＶＣＭ制御部、７２ 波長選択部、
７３ 検出データ記憶部、７５、合焦点位置算出部、７６ 収差補正部、
７７ 屈折率補正部、７８ ３次元形状構築部、７９ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、
前記試料を照明するための照明光を出射する光源と、
前記光源からの照明光を前記試料に集光する対物レンズと、
前記試料に対する前記対物レンズの焦点位置を光軸に沿って走査する焦点位置走査手段と、
前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査する垂直走査手段と、
前記試料で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器と、
前記焦点位置走査手段によって焦点位置を走査したときの前記検出器で検出した検出光に基づいて合焦点位置を算出する合焦点位置算出手段と、
前記合焦点位置算出手段で合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択する波長選択手段と、
前記垂直走査手段によって焦点位置を光軸に垂直な方向に走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築する３次元形状構築手段であって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築する３次元形状構築手段と、
前記３次元形状構築手段によって構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なう表示部とを備える３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記波長選択手段によって、前記上層を透過する第１の波長を選択し、前記第１の波長の検出光に基づいて前記上層と前記下層との界面の３次元形状を構築することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記波長選択手段が、前記照明光又は反射光の光路中に設けられ、光の入射位置に応じて透過する光の波長を変化させる波長フィルタを有し、
前記波長フィルタに対する前記照明光又は反射光の入射位置を移動することにより、前記照明光又は反射光の波長を異なる波長に切り替えて、前記検出光の波長を選択する請求項１又は２に記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する屈折率補正部をさらに備える請求項１、２又は３に記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記３次元形状測定装置の光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する収差補正部をさらに備える請求項１、２、３又は４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、
照明光を前記試料に集光して照射するステップと、
前記試料で反射した反射光をコンフォーカル光学系を介して検出するステップと、
前記試料に対する前記照明光の焦点位置を光軸に沿って走査するステップと、
前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査するステップと、
前記検出するステップで検出した検出光に基づいて、前記照明光の焦点位置を光軸に沿って移動したときの合焦点位置を算出するステップと、
前記合焦点位置を算出するステップで、合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択するステップと、
前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査するステップによって照明位置を走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築するステップであって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築するステップと、
前記３次元形状を構築するステップで構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なうステップとを有する３次元形状測定方法。
【請求項７】
前記波長を選択するステップでは、前記上層を透過する第１の波長を選択し、
前記下層と前記上層との界面の３次元形状を前記第１の波長の検出光によって算出された合焦点位置に基づいて構築することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定方法。
【請求項８】
前記波長を選択するステップでは、照明光又は反射光の波長を切り替えることによって所望の波長を選択することを特徴とする請求項６又は７に記載の３次元形状測定方法。
【請求項９】
前記光軸に沿った方向において、選択波長を切り替える切替位置を設定するステップをさらに備え、
前記合焦点位置を光軸に沿って走査するステップでは、前記切替位置よりも対物レンズ側では、前記上層の表面で反射する第２の波長に選択波長を固定して、走査を行うことを特徴とする請求項６、７又は８に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１０】
前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備える請求項６乃至９のいずれかに記載の３次元形状測定方法。
【請求項１１】
光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備える請求項６乃至１０のいずれかに記載の３次元形状測定方法。
【請求項１】
下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、
前記試料を照明するための照明光を出射する光源と、
前記光源からの照明光を前記試料に集光する対物レンズと、
前記試料に対する前記対物レンズの焦点位置を光軸に沿って走査する焦点位置走査手段と、
前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査する垂直走査手段と、
前記試料で反射された反射光をコンフォーカル光学系を介して検出する検出器と、
前記焦点位置走査手段によって焦点位置を走査したときの前記検出器で検出した検出光に基づいて合焦点位置を算出する合焦点位置算出手段と、
前記合焦点位置算出手段で合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択する波長選択手段と、
前記垂直走査手段によって焦点位置を光軸に垂直な方向に走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築する３次元形状構築手段であって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築する３次元形状構築手段と、
前記３次元形状構築手段によって構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なう表示部とを備える３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記波長選択手段によって、前記上層を透過する第１の波長を選択し、前記第１の波長の検出光に基づいて前記上層と前記下層との界面の３次元形状を構築することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記波長選択手段が、前記照明光又は反射光の光路中に設けられ、光の入射位置に応じて透過する光の波長を変化させる波長フィルタを有し、
前記波長フィルタに対する前記照明光又は反射光の入射位置を移動することにより、前記照明光又は反射光の波長を異なる波長に切り替えて、前記検出光の波長を選択する請求項１又は２に記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する屈折率補正部をさらに備える請求項１、２又は３に記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記３次元形状測定装置の光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置算出手段で算出する合焦点位置を補正する収差補正部をさらに備える請求項１、２、３又は４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
下層と前記下層の上に設けられた上層とを少なくとも有する試料の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、
照明光を前記試料に集光して照射するステップと、
前記試料で反射した反射光をコンフォーカル光学系を介して検出するステップと、
前記試料に対する前記照明光の焦点位置を光軸に沿って走査するステップと、
前記試料上における前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査するステップと、
前記検出するステップで検出した検出光に基づいて、前記照明光の焦点位置を光軸に沿って移動したときの合焦点位置を算出するステップと、
前記合焦点位置を算出するステップで、合焦点位置を算出するために用いられる前記検出光の波長を選択するステップと、
前記照明光の焦点位置を光軸に垂直な方向に走査するステップによって照明位置を走査したときの前記合焦点位置の変化に基づいて３次元形状を構築するステップであって、前記上層の上面と前記下層の上面との３次元形状を、前記選択手段によって選択された異なる波長の検出光に基づいて構築するステップと、
前記３次元形状を構築するステップで構築された前記上層の上面及び前記下層の上面の３次元形状に基づいて表示を行なうステップとを有する３次元形状測定方法。
【請求項７】
前記波長を選択するステップでは、前記上層を透過する第１の波長を選択し、
前記下層と前記上層との界面の３次元形状を前記第１の波長の検出光によって算出された合焦点位置に基づいて構築することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定方法。
【請求項８】
前記波長を選択するステップでは、照明光又は反射光の波長を切り替えることによって所望の波長を選択することを特徴とする請求項６又は７に記載の３次元形状測定方法。
【請求項９】
前記光軸に沿った方向において、選択波長を切り替える切替位置を設定するステップをさらに備え、
前記合焦点位置を光軸に沿って走査するステップでは、前記切替位置よりも対物レンズ側では、前記上層の表面で反射する第２の波長に選択波長を固定して、走査を行うことを特徴とする請求項６、７又は８に記載の３次元形状測定方法。
【請求項１０】
前記第２の層の屈折率に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備える請求項６乃至９のいずれかに記載の３次元形状測定方法。
【請求項１１】
光学系の収差に基づいて、前記合焦点位置を算出するステップで算出される合焦点位置を補正するステップをさらに備える請求項６乃至１０のいずれかに記載の３次元形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
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【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【公開番号】特開２００６−３５００７８（Ｐ２００６−３５００７８Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７７５４３（Ｐ２００５−１７７５４３）
【出願日】平成１７年６月１７日（２００５．６．１７）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１７日（２００５．６．１７）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
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