JPH06241720A

JPH06241720A - 変位量の測定方法及び変位計

Info

Publication number: JPH06241720A
Application number: JP2942493A
Authority: JP
Inventors: Yuko Abe; 勇幸安部; Yujiro Endo; 雄次郎遠藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】穴の底部や配線パターンなどのように、被測
定対象面が非常に狭い場合においても確実にその変位を
光学的に測定できるようにする。【構成】レーザダイオード１３からの光Ｌを収束して
被測定対象面被測定対象面（穴６１の底部６１ａや凸部
６２の上面６２ａなど）に照射する対物レンズ１６とを
有し、かつ被測定対象面に対して接離方向に移動可能と
された光学系１２と、この光学系１２のレーザダイオー
ド１３からの光出射によって、被測定対象面にて往光路
に沿って反射された反射光Ｌに基づいて、対物レンズ１
６と被測定対象面との距離が一定となるように、光学系
１２を被測定対象面に対して接離方向に移動させる自動
焦点合わせ機構（ナイフエッジ付きミラー１４、光検出
器１８、移動駆動機構３及び制御系５）と、光学系１２
の移動量を検出する移動量検出器４とを設けて構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定対象面の基準面
に対する変位量を測定する変位量の測定方法及び変位計
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の変位計は、図４に示すように、被
測定対象面１０１に対して斜め方向からレーザ光Ｌを照
射させるレーザ光源１０２と、被測定対象面１０１にて
斜め方向に反射されたレーザ光Ｌが対物レンズ１０３を
介して入射される光検出器１０４とから構成されてい
る。この光検出器１０４には、多数の受光素子が設けら
れており、具体的には、長手方向中央に設けられた受光
素子を基点として、左右にそれぞれ同数個の受光素子が
配置されている。

【０００３】実際の変位測定においては、まず、基準面
１０１ａを決定し、光検出器１０４を以下のように位置
決めする。即ち、基準面１０１ａに対してレーザ光源１
０２からレーザ光Ｌを照射し、この光照射によって、基
準面１０１ａにて反射された反射光Ｌの光軸が、光検出
器１０４の中央の受光素子と一致し、かつ上記光軸と上
記受光面とが垂直になるように光検出器１０４を位置決
めする。このとき、光検出器１０４の長手方向（受光素
子の配列方向）は、基準面１０１ａに対して所定角度傾
いた配置関係となる。

【０００４】そして、実際の変位測定に入るわけだが、
この変位測定においては、被測定対象面１０１ｂが基準
面１０１ａに対してどのくらい変位したかを、光検出器
１０４の移動量によって測定するものである。例えば、
被測定対象面１０１ｂが基準面１０１ａに対して上方に
位置している場合、レーザ光源１０２から出射された光
は、基準面１０１ａよりも上方の位置にて反射されるこ
ととなるため、その反射光Ｌは、対物レンズ１０３の中
心線よりも上方位置の光路を通ることになり、その結
果、中央の受光素子よりも斜め下方の位置に存する受光
素子上にて結像することになる。

【０００５】この状態から、対物レンズ１０３と光検出
器１０４との位置関係を維持したまま、反射光Ｌの光軸
と対物レンズ１０３の中心線とが一致するまで対物レン
ズ１０３と光検出器１０４を斜め上方に移動させる。即
ち、反射光Ｌが中央の受光素子に入射される位置まで対
物レンズ１０３と光検出器１０４を移動させる。そし
て、このときの移動量が被測定対象面１０１ｂの基準面
１０１ａに対する変位量と対応することになるため、上
記移動量を例えば表示手段を介して表示することによ
り、被測定対象面１０１ｂの変位量を知ることができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の変位測定においては、レーザ光Ｌを被測定対象面１
０１に対して斜め方向から照射して、被測定対象面１０
１の変位を測定するようにしているため、例えば、基準
面１０１ａに形成された小さな穴等の深さを測定する場
合、以下のような不都合が生じる。即ち、図５に示すよ
うに、レーザ光Ｌを穴１０２の底部１０２ａに照射させ
ようとしてもレーザ光Ｌが穴１０２の上縁部分にて遮ら
れてしまうことや、レーザ光Ｌが穴の側壁１０２ｂで乱
反射したり、たとえレーザ光Ｌが穴１０２の底部１０２
ａに照射されたとしてもその反射光Ｌの光検出器１０４
への入射が穴１０２の対向側壁１０２ｂによって遮られ
てしまうという不都合が生じ、穴１０２の深さを測定す
ることが不可能となる。

【０００７】これは、物体の表面粗さを光学的に測定す
る場合、基板上に形成した例えば配線パターンの配列ピ
ッチ等を測定する場合においても同様である。このよう
に、従来の変位測定においては、凹凸のある面の特に凹
部の底や、穴の底部、及び配線パターンの底部などのよ
うに、被測定対象面が非常に狭い場合においての測定が
できないという問題があった。

【０００８】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、凹凸のある面の特に凹
部の底や、穴の底部、及び配線パターンの底部などのよ
うに、被測定対象面が非常に狭い場合においても確実に
その変位量を光学的に測定することができる変位量の測
定方法を提供することにある。

【０００９】また、他の発明は、凹凸のある面の特に凹
部の底や、穴の底部、及び配線パターンの底部などのよ
うに、被測定対象面が非常に狭い場合においても確実に
その変位量を光学的に測定することができる変位計を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定対象面
（穴６１の底部６１ａや凸部６２の上面６２ａなど）の
基準面２ａに対する変位量を光学的に測定する変位の測
定方法において、光源１３からの光Ｌを対物レンズ１６
を介して収束して被測定対象面（６１ａ，６２ａなど）
に照射し、この被測定対象面（６１ａ，６２ａなど）か
ら往光路に沿って反射された光Ｌに基づいて焦点合わせ
を行う自動焦点合わせ機構（ナイフエッジ付きミラー１
４、光検出器１８、移動駆動機構３及び制御系５）によ
り、対物レンズ１６と被測定対象面（６１ａ，６２ａな
ど）との距離が一定となるように、対物レンズ１６を被
測定対象面（６１ａ，６２ａなど）に対して接離方向に
移動させ、その移動量を被測定対象面（６１ａ，６２ａ
など）の基準面２ａに対する変位量とする。

【００１１】また、他の発明は、被測定対象面（穴６１
の底部６１ａや凸部６２の上面６２ａなど）の基準面２
ａに対する変位量を光学的に測定する変位計において、
光源１３とこの光源１３からの光Ｌを収束して被測定対
象面（６１ａ，６２ａなど）に照射する対物レンズ１６
とを有し、かつ被測定対象面（６１ａ，６２ａなど）に
対して接離方向に移動可能とされた光学系１２と、光学
系１２の光源１３からの光出射によって、被測定対象面
（６１ａ，６２ａなど）にて往光路に沿って反射された
反射光Ｌに基づいて、対物レンズ１６と被測定対象面
（６１ａ，６２ａなど）との距離が一定となるように、
光学系１２を被測定対象面（６１ａ，６２ａなど）に対
して接離方向に移動させる自動焦点合わせ機構（ナイフ
エッジ付きミラー１４、光検出器１８、移動駆動機構３
及び制御系５）と、光学系１２の移動量を検出する移動
量検出手段４とを設けて構成する。

【００１２】

【作用】本発明に係る変位の測定方法においては、ま
ず、光源１３からの光Ｌを対物レンズ１６を介して収束
して被測定対象面（６１ａ，６２ａなど）に照射する。
そして、この被測定対象面（６１ａ，６２ａなど）から
往光路に沿って反射された光Ｌに基づいて焦点合わせを
行う自動焦点合わせ機構（ナイフエッジ付きミラー１
４、光検出器１８、移動駆動機構３及び制御系５）によ
り、対物レンズ１６と被測定対象面（６１ａ，６２ａな
ど）との距離が一定となるまで、対物レンズ１６を被測
定対象面（６１ａ，６２ａなど）に対して接離方向に移
動させ、その移動量を被測定対象面（６１ａ，６２ａな
ど）の基準面２ａに対する変位量とする。

【００１３】この場合、被測定対象面（６１ａ，６２ａ
など）にて反射された光Ｌが往光路に沿うこととなるた
め、凹凸のある面の特に凹部の底や、穴の底部、及び配
線パターンの底部などのように、被測定対象面（６１
ａ，６２ａなど）が非常に狭い場合においても確実にそ
の変位を光学的に測定することができる。

【００１４】次に、他の発明に係る変位計においては、
まず、光学系１２における光源１３からの光Ｌを被測定
対象面（６１ａ，６２ａなど）に照射する。そして、自
動焦点合わせ機構（ナイフエッジ付きミラー１４、光検
出器１８、移動駆動機構３及び制御系５）が、被測定対
象面（６１ａ，６２ａなど）にて反射された光Ｌに基づ
いて、対物レンズ１６と被測定対象面（６１ａ，６２ａ
など）との距離が一定となるまで、上記光学系１２を被
測定対象面（６１ａ，６２ａなど）に対して接離方向に
移動させる。このとき、上記光学系１２が移動した量が
移動量検出手段４にて検出される。そして、この移動量
検出手段４にて検出された移動量が、被測定対象面（６
１ａ，６２ａなど）の変位量として、例えば既知の表示
手段５５を通して表示されることになる。

【００１５】この場合、被測定対象面（６１ａ，６２ａ
など）にて反射された光Ｌが往光路に沿うこととなるた
め、凹凸のある面の特に凹部の底や、穴の底部、及び配
線パターンの底部などのように、被測定対象面（６１
ａ，６２ａなど）が非常に狭い場合においても確実にそ
の変位を光学的に測定することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明に係る変位量の測定方法を変位
計として具現させた実施例（以下、単に実施例に係る変
位計と記す）を図１〜図３を参照しながら説明する。

【００１７】この実施例に係る変位計は、図１に示すよ
うに、センサーユニット１と、このセンサーユニット１
を被測定物２に対して接離方向に移動させる移動駆動機
構３と、センサーユニット３の移動量を検出する移動量
検出器４と、数値演算及び各種回路を電気的に制御する
制御系５とを有する。

【００１８】センサーユニット１は、その筺体１１内に
ナイフエッジ方式の光学系１２が組み込まれている。こ
の光学系１２は、少なくともレーザダイオード１３、ミ
ラー付きナイフエッジ１４、レンズ１５、対物レンズ１
６、ミラー１７及び光検出器１８とを有して構成されて
いる。これら光学部品のうち、ミラー付きナイフエッジ
１４、レンズ１５及び対物レンズ１６がレーザダイオー
ド１３の出射光路上に順に配されており、ミラー１７
は、ミラー付きナイフエッジ１４にて分離された反射光
が通る光路上で、かつその反射光を光検出器１８側に導
く位置に配されている。

【００１９】また、レーザダイオード１３から出射され
るレーザ光Ｌの光軸と被測定物２の表面とが垂直の関係
になるようにセンサーユニット１が位置決めされてい
る。光検出器１８は、この例では、互いに分離された２
つのフォトダイオード（図１においては図示せず）で構
成されている。また、対物レンズ１６は、センサーユニ
ット１の筺体１１に対して着脱自在とされたホルダ１９
内に組み込まれており、適宜その交換を行えるようにな
っている。

【００２０】また、このセンサーユニット１の筺体１１
側面には、後述する移動駆動機構３の駆動ギヤ３３が噛
合されるラック２１が設けられている。このラック２１
は、多数のギヤ歯の配列方向が、筺体１１の上下方向に
沿うように設けられている。従って、駆動ギヤ３３が回
転することによって、センサーユニット１が上下方向に
移動することになる。

【００２１】また、このセンサーユニット１における筺
体１１の下部には、横方向に突出する例えば板状の舌片
２２が設けられている。この舌片２２の上面には、後述
する移動量検出器４の接触子４１の先端が常時接触され
ている。

【００２２】移動駆動機構３は、上下に延びる固定板３
１に、駆動源であるモータ３２と、このモータ３２の回
転力を減速して駆動ギヤ３３に伝達する減速機構が設け
られて構成されている。この減速機構としては、例えば
ベルト伝達機構やギヤ列にて構成される。図１において
は、この減速機構によるモータ３２の回転力の伝達を矢
印のみで示す。

【００２３】また、この移動駆動機構３の固定板３１に
は、その下部において、移動量検出器４が取り付けられ
ている。この移動量検出器４は、上下方向に摺動可能と
された接触子４１が設けられており、この接触子４１
は、検出器筺体４２内部に取り付けられたばね（図示せ
ず）によって、常時下方に突出するように付勢されてい
る。また、この接触子４１はその長手方向中央部に、抵
抗体（図示せず）と接触する摺動片（図示せず）が固定
されている。

【００２４】従って、この移動量検出器４は、接触子４
１、摺動片及び抵抗体からなる可変抵抗器であり、接触
子４１が、センサーユニットの上下移動（即ち、先端に
接触されている舌片の上下移動）に伴って上下に摺動す
ることにより、等価的に抵抗体の長さが変化して、その
電気抵抗が変化し、その抵抗変化に応じて降下された電
圧信号が出力されるようになっている。この電圧信号
は、この移動量検出器４内においてディジタル信号に変
換されて外部に出力される。

【００２５】制御系５は、入力される各種信号に基づい
て演算を行い、その演算に基づいて各種回路に対して制
御を行うコンピュータ５１と、センサーユニット１内の
光学系１２における光検出器１８からの検出信号（Ｓ
ａ，Ｓｂ）をディジタルの検出データ（Ｄａ，Ｄｂ）に
変換して上記コンピュータ５１に供給するＡ／Ｄ変換器
５２と、移動量検出器４から入力されたディジタルの移
動量データＤｃをコンピュータ５１からの読み込み信号
Ｓｒに基づいて、コンピュータ５１に移動量データＤｃ
の出力を行うディジタル入出力回路（以下、単にＩ／Ｏ
回路と記す）５３と、コンピュータ５１からの駆動信号
Ｓｄに基づいて移動駆動機構３のモータ３２に駆動電流
ｉを供給するモータ駆動回路５４と、コンピュータ５１
からの表示データＤｄを数字や線画像として表示する表
示器５５とを有して構成されている。

【００２６】次に、この実施例に係る変位計の動作につ
いて説明するが、その前に光学系１２の動作原理につい
て図２及び図３も参照しながら説明する。

【００２７】レーザダイオード１３から出射されたレー
ザ光Ｌは、ナイフエッジ付きミラー１４により、そのス
ポット形状が半円となり、レンズ１５及び対物レンズ１
６を通って被測定物２に結像する。ところで、この被測
定物２で反射したレーザ光Ｌは、対物レンズ１６及びレ
ンズ１５を逆に戻り、ナイフエッジ付きミラー１４にて
反射し、更にミラー１７にて反射して光検出器１８に入
射する。

【００２８】この光検出器１８は、図２に示すように、
互いに分割された２つのフォトダイオード（第１のフォ
トダイオードＰA 及び第２のフォトダイオードＰB ）に
て構成されており、これらフォトダイオードＰA 及びＰ
B の配置は、図２Ｂに示すように、対物レンズ１６の焦
点距離ｆに被測定物２の表面２ａが存在する場合に、即
ち被測定物２の表面２ａがジャスト・フォーカス点（以
下、単にＪ・Ｆ点と記す）と一致するときに、ちょうど
２つのフォトダイオードＰA 及びＰB の中間点に反射光
Ｌが結像するように上記２つのフォトダイオードＰA 及
びＰB の位置を合わせておく。

【００２９】このような配置関係にすると、被測定物２
の表面２ａがＪ・Ｆ点から遠ざかったとき、図２Ｃに示
すように、反射光Ｌの半円スポットが、第１のフォトダ
イオードＰA の方へ移動し、図３Ａの特性図に示すよう
に、第１のフォトダイオードＰA における検出信号Ｓａ
のレベルが大きくなる。この検出信号Ｓａの波形は、被
測定物２の表面２ａがＪ・Ｆ点から徐々に遠ざかって、
第１のフォトダイオードＰA の受光面内に半円スポット
が完全に入った位置をレベルピークとするほぼガウス分
布に近似した波形を有する。

【００３０】一方、被測定物２の表面２ａがＪ・Ｆ点か
ら対物レンズ１６側に近づいたときは、図２Ａに示すよ
うに、反射光Ｌの半円スポットが、今度は、第２のフォ
トダイオードＰB の方へ移動し、図３Ａの特性図に示す
ように、第２のフォトダイオードＰB における検出信号
Ｓｂのレベルが大きくなる。この検出信号Ｓｂの波形
は、被測定物２の表面２ａがＪ・Ｆ点から対物レンズ１
６側に徐々に近づいて、第２のフォトダイオードＰB の
受光面内に半円スポットが完全に入った位置をレベルピ
ークとするほぼガウス分布に近似した波形を有する。

【００３１】上記図３Ａで示す各検出信号Ｓａ及びＳｂ
との差（Ｓａ−Ｓｂ）をとると、図３Ｂに示すように、
ほぼＳ字状の波形となり、その中間点（零点）がＪ・Ｆ
点に対応する。また、このＳ字状の波形は、その零点付
近が直線にちかい特性を示しており、この変位計におい
ては、直線部分を変位の計測領域として利用するもので
ある。従って、上記検出信号の差（Ｓａ−Ｓｂ）は、被
測定物２の表面２ａとＪ・Ｆ点とのずれ量にほぼ比例す
ることになる。なお、実際の変位測定では、コンピュー
タ５１でキャリブレーションを行うようにしておけば、
直線性が問題となることはない。

【００３２】但し、試料（被測定物２）の光反射率やレ
ーザダイオード１３の光量変動などによって、検出信号
Ｓａ及びＳｂの出力レベルが変化するため、このまま上
記直線領域を変位の計測領域として利用すると、測定誤
差が大きくなる。そこで、本実施例においては、図３Ａ
で示す各検出信号Ｓａ及びＳｂの和（Ｓａ＋Ｓｂ）をと
り（図３Ｃ参照）、（Ｓａ−Ｓｂ）／（Ｓａ＋Ｓｂ）を
計算することにより、上記変動を補正して、精度の高い
変位を読み取るようにしている。

【００３３】具体的に、上記変位計の全体の動作を説明
すると、まず、変位測定の基準となる面（基準面）を決
定して、基準合わせ処理（キャリブレーション）を行
う。例えば、被測定物２の表面２ａ中、基準となる面
（便宜的に２ａとする）を予め決めておき、その基準面
２ａに対して変位測定を行う。この測定においては、ま
ず、例えば試料（被測定物２）が載置されているステー
ジ（図示せず）を横方向に移動させて、対物レンズ１６
の直下に基準面２ａがくるようにする。このステージ
は、その上面に載置された試料２の表面２ａがセンサー
ユニット１における光学系１２のＪ・Ｆ点にほぼ近い位
置にくるように予め位置決めされるものである。

【００３４】また、初期段階において、移動量検出器４
から中間値が出力されるように、センサーユニット１の
上下位置を決定する。これは、例えば、コンピュータ５
１のプログラムＲＯＭ内に、移動量検出器４からＩ／Ｏ
回路５３を介して入力される移動量データＤｃが中間値
となるまで、モータ駆動回路５４に対して駆動信号Ｓｄ
を出力するというプログラムを登録しておき、電源オン
と同時にそのプログラムが起動されるように設定してお
くなどの手法により達成できる。

【００３５】その後、上記試料２の基準面２ａがＪ・Ｆ
点からどのくらい離れているかが測定される。これは、
基準面２ａからの反射光Ｌの第１及び第２のフォトダイ
オードＰA 及びＰB への入射に伴うこれら第１及び第２
のフォトダイオードＰA 及びＰB からの検出信号Ｓａ及
びＳｂによって測定される。即ち、この例では、第１及
び第２のフォトダイオードＰA 及びＰB からの検出信号
Ｓａ及びＳｂがＡ／Ｄ変換器５２にてディジタルの検出
データＤａ及びＤｂにそれぞれ変換されて次段のコンピ
ュータ５１に供給される。コンピュータ５１は、プログ
ラムＲＯＭから動作用ＲＡＭに転送された演算用のプロ
グラムに基づいて、上記供給された検出データＤａ及び
Ｄｂに対して演算を行う。この演算値Ｄは、以下の数１
で表される。

【００３６】

【数１】Ｄ＝（Ｄａ−Ｄｂ）／（Ｄａ＋Ｄｂ）

【００３７】ここで、例えばＤ＞０で、基準面２ａがＪ
・Ｆ点から遠い位置にあるとき、モータ駆動回路５４に
対して例えば正方向の駆動信号＋Ｓｄが出力される。モ
ータ駆動回路５４は、コンピュータ５１から正方向の駆
動信号＋Ｓｄが供給されたとき、モータ３２に例えば正
方向の駆動電流＋ｉを供給して、モータ３２を正回転さ
せる。このモータ３２の正回転に伴って、駆動ギヤ３３
とラック２１との回転−直動変換により、センサーユニ
ット１自体が基準面２ａに近づくように移動する。この
移動は、Ｄ＝０、即ち基準面２ａがＪ・Ｆ点に一致する
まで行われる。

【００３８】そして、基準面２ａがＪ・Ｆ点に一致した
とき、コンピュータ５１は、Ｉ／Ｏ回路５３に対して読
み込み信号Ｓｒを出力してＩ／Ｏ回路５３のゲートを開
き、現時点においてＩ／Ｏ回路５３に入力されている移
動量データＤｃを読み込み、このデータＤｃを基準デー
タとしてＲＡＭのデータ領域に登録する。この段階で、
変位計における基準合わせ処理（キャリブレーション）
が完了する。

【００３９】その後、実際の被測定対象面に対する変位
の測定が行われる。この被測定対象面としては、例えば
試料２に設けられた穴６１の底部や、試料２の表面に形
成されている凹凸、あるいは配線パターンなどが対象と
なる。

【００４０】ここで、例えば基準面２ａに形成された穴
６１の底部６１ａの変位（深さ）を測定する場合につい
て説明すると、試料２が載置されているステージ（図示
せず）を移動させて、上記基準合わせ処理が終えたセン
サーユニット１の直下に、被測定対象である穴６１を位
置させる。このとき、レーザダイオード１３から出射さ
れたレーザ光Ｌが穴６１の底部６１ａに照射され、更に
その穴６１の底部６１ａにて反射された光（反射光）Ｌ
が往光路に沿って光学系１２に入射する。光学系１２に
入射された反射光Ｌは、ナイフエッジ付きミラー１４及
びミラー１７を経て光検出器１８に入射する。

【００４１】そして、反射光Ｌの入射に伴って、光検出
器（第１及び第２のフォトダイオードＰA 及びＰB ）か
らそれぞれ検出信号Ｓａ及びＳｂが出力され、コンピュ
ータ５１に検出データＤａ及びＤｂとして入力される。
コンピュータ５１は、入力された検出データＤａ及びＤ
ｂを上記数１で示す演算式に基づいて演算を行う。この
場合、穴６１の底部６１ａが基準面２ａよりも下方に位
置することから、その深さに応じた＋方向の値（Ｄ＞
０）となる。

【００４２】コンピュータ５１は、上記基準合わせ処理
の場合と同様に、モータ駆動回路５４に正方向の駆動信
号＋Ｓｄを供給してモータ３２を正回転させる。このモ
ータ３２の正回転に伴って、センサーユニット１自体が
下方に、即ち穴６１に近づく方向に移動する。この移動
は、Ｄ＝０になるまで行われる。

【００４３】そして、穴６１の底部６１ａがＪ・Ｆ点に
一致したとき、コンピュータ５１は、Ｉ／Ｏ回路５３に
対して読み込み信号Ｓｒを出力してＩ／Ｏ回路５３のゲ
ートを開き、現時点においてＩ／Ｏ回路５３に入力され
ている移動量データＤｃを読み込む。その後、コンピュ
ータ５１は、この読み込んだデータＤｃと、ＲＡＭのデ
ータ領域に登録されている基準データとの差を演算し、
更にその差分データに対して変位換算及び単位換算を行
って、実際の変位量を割り出す。その後、コンピュータ
５１は、上記のようにして割り出した変位量を変位デー
タ（表示データ）Ｄｄとして外部に接続されている表示
器５５に供給する。

【００４４】表示器５５は、コンピュータ５１からの変
位データＤｄをキャラクタデータ（この場合、数字デー
タ）に変換して、例えば液晶ディスプレイ等で構成され
る表示面に、キャラクタ表示する。操作者は、この表示
器５５に表示された数字を読むことによって、穴６１の
深さを確認することができる。

【００４５】次に、例えば基準面２ａに形成された凸部
６２の変位（高さ）を測定する場合について説明する
と、試料２が載置されているステージを移動させて、上
記基準合わせ処理が終えたセンサーユニット１の直下
に、被測定対象である凸部６２を位置させる。このと
き、レーザダイオード１３から出射されたレーザ光Ｌが
凸部６２に照射され、更に凸部６２の上面６２ａにて反
射された光（反射光）Ｌが往光路に沿って光学系１２に
入射する。光学系１２に入射された反射光Ｌは、ナイフ
エッジ付きミラー１４及びミラー１７を経て光検出器１
８に入射する。

【００４６】そして、反射光Ｌの入射に伴って、光検出
器（第１及び第２のフォトダイオードＰA 及びＰB ）か
らそれぞれ検出信号Ｓａ及びＳｂが出力され、コンピュ
ータ５１に検出データＤａ及びＤｂとして入力される。
コンピュータ５１は、入力された検出データＤａ及びＤ
ｂを上記数１で示す演算式に基づいて演算を行う。この
場合、凸部６２の上面６２ａが基準面２ａよりも上方に
位置することから、その高さに応じた−方向の値（Ｄ＜
０）となる。

【００４７】コンピュータ５１は、上記基準合わせ処理
の場合と同様に、モータ駆動回路５４に負方向の駆動信
号−Ｓｄを供給してモータ３２を逆回転させる。このモ
ータ３２の逆回転に伴って、センサーユニット１自体が
上方に、即ち凸部６２から遠ざかる方向に移動する。こ
の移動は、Ｄ＝０になるまで行われる。

【００４８】そして、凸部６２の上面６２ａがＪ・Ｆ点
に一致したとき、コンピュータ５１は、Ｉ／Ｏ回路５３
に対して読み込み信号Ｓｒを出力してＩ／Ｏ回路５３の
ゲートを開き、現時点においてＩ／Ｏ回路５３に入力さ
れている移動量データＤｃを読み込む。その後、コンピ
ュータ５１は、この読み込んだデータＤｃと、ＲＡＭの
データ領域に登録されている基準データとの差を演算
し、更にその差分データに対して変位換算及び単位換算
を行って、実際の変位量を割り出す。その後、コンピュ
ータ５１は、上記のようにして割り出した変位量を変位
データＤｄとして外部に接続されている表示器５５に供
給する。操作者は、この表示器５５に表示された数字を
読んで、凸部６２の高さを確認することができる。

【００４９】上記例は、穴６１の深さ及び凸部６２の高
さを測定する場合について説明したが、その他、試料の
表面に形成されている凹凸や配線パターンの段差を、上
記と同じ方法で測定することができる。また、上記の穴
６１や凸部６２のように、被測定対象面を適宜プロット
して測定するようにしてもよいが、被測定対象面に対
し、センサーユニット１を走査させることによって（あ
るいはステージを移動させることによって）、連続的に
検出データＤａ及びＤｂを取り込み、同時にＩ／Ｏ回路
５３からリアルタイムで移動量データＤｃを読み込むこ
とにより、被測定対象面の表面状態（粗さ等）を測定す
ることもできる。

【００５０】この場合、走査タイミングに同期したクロ
ック信号を表示器５５に供給することにより、コンピュ
ータ５１から順次送られてくる変位データＤｄの変化を
クロック信号の時間軸に沿って画像処理して、その変位
データＤｄの変化を線画像として表示させるようにして
もよい。線画像として表示した場合、被測定対象面の表
面状態を一目で確認することができる。

【００５１】このように、本実施例に係る変位計によれ
ば、被測定対象面（穴６１の底部６１ａや凸部６２の上
面６２ａなど）にて反射された光Ｌが往光路に沿うこと
となるため、凹凸のある面の特に凹部の底や、穴の底
部、及び配線パターンの底部などのように、被測定対象
面が非常に狭い場合においても確実にその変位を光学的
に測定することができる。

【００５２】また、反射率が比較的小さい試料（水の表
面やガラス等）でも高精度にその変位を測定することが
でき、しかも、対物レンズ１６を交換することにより、
測定位置の分解能や変位データの分解能を適宜選定する
ことができる。

【００５３】上記実施例では、光学系１２としてナイフ
エッジ法を用いたが、その他、検出信号Ｓａ及びＳｂの
差（Ｓａ−Ｓｂ）が、被測定物２の表面２ａとＪ・Ｆ点
とのずれ量に対してＳ字状の波形を描く特性を有するも
のであれば、非点収差法等の方法でもよい。

【００５４】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る変位量の測
定方法によれば、被測定対象面の基準面に対する変位量
を光学的に測定する変位量の測定方法において、光源か
らの光を対物レンズを介して収束して上記被測定対象面
に照射し、この被測定対象面から往光路に沿って反射さ
れた光に基づいて焦点合わせを行う自動焦点合わせ機構
により、上記対物レンズと上記被測定対象面との距離が
一定となるように、上記対物レンズを被測定対象面に対
して接離方向に移動させ、その移動量を上記被測定対象
面の上記基準面に対する変位量とするようにしたので、
凹凸のある面の特に凹部の底や、穴の底部、及び配線パ
ターンの底部などのように、被測定対象面が非常に狭い
場合においても確実にその変位を光学的に測定すること
ができる。

【００５５】また、他の発明に係る変位計によれば、被
測定対象面の基準面に対する変位量を光学的に測定する
変位計において、光源とこの光源からの光を収束して上
記被測定対象面に照射する対物レンズとを有し、かつ上
記被測定対象面に対して接離方向に移動可能とされた光
学系と、上記光学系の上記光源からの光出射によって、
上記被測定対象面にて往光路に沿って反射された反射光
に基づいて、対物レンズと上記被測定対象面との距離が
一定となるように、上記光学系を被測定対象面に対して
接離方向に移動させる自動焦点合わせ機構と、上記光学
系の移動量を検出する移動量検出手段とを設けるように
したので、凹凸のある面の特に凹部の底や、穴の底部、
及び配線パターンの底部などのように、被測定対象面が
非常に狭い場合においても確実にその変位を光学的に測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る変位量の測定方法を変位計として
具現させた実施例（以下、単に実施例に係る変位計と記
す）を示す構成図である。

【図２】本実施例に係る変位計で使用される光学系（ナ
イフエッジ法）の動作原理、即ち反射光の結像状態を示
す説明図であり、同図Ａは被測定物の表面が光学系のジ
ャスト・フォーカス点（以下、単にＪ・Ｆ点と記す）よ
り対物レンズ側に近づいたときの結像状態を示し、同図
Ｂは被測定物の表面がＪ・Ｆ点と一致したときの結像状
態を示し、同図Ｃは被測定物の表面がＪ・Ｆ点から遠ざ
かったときの結像状態を示す。

【図３】光検出器を構成する第１及び第２のフォトダイ
オードの出力特性を示す特性図であり、同図Ａは被測定
物の表面とＪ・Ｆ点とのずれ量に対する第１及び第２の
フォトダイオードの出力波形分布を示し、同図Ｂは第１
及び第２のフォトダイオードにおける各出力の差をとっ
たときの波形分布を示し、同図Ｃは第１及び第２のフォ
トダイオードにおける各出力の和をとったときの波形分
布を示す。

【図４】従来例に係る変位測定の原理を示す構成図であ
る。

【図５】従来例に係る変位測定の不都合点を示す説明図
である。

【符号の説明】

１センサーユニット２被測定物２ａ表面（基準面）３移動駆動機構４移動量検出器５制御系１２光学系１３レーザダイオード１４ナイフエッジ付きミラー１５レンズ１６対物レンズ１７ミラー１８光検出器２１ラック２２舌片３２モータ３３駆動ギヤ４１接触子５１コンピュータ５２Ａ／Ｄ変換器５３ディジタル入出力回路５４モータ駆動回路５５表示器ＰA 第１のフォトダイオードＰB 第２のフォトダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定対象面の基準面に対する変位量を
光学的に測定する変位量の測定方法において、光源からの光を対物レンズを介して収束して上記被測定
対象面に照射し、この被測定対象面から往光路に沿って
反射された光に基づいて焦点合わせを行う自動焦点合わ
せ機構により、上記対物レンズと上記被測定対象面との
距離が一定となるように、上記対物レンズを被測定対象
面に対して接離方向に移動させ、その移動量を上記被測
定対象面の上記基準面に対する変位量とすることを特徴
とする変位量の測定方法。
【請求項２】被測定対象面の基準面に対する変位量を
光学的に測定する変位計において、光源とこの光源からの光を収束して上記被測定対象面に
照射する対物レンズとを有し、かつ上記被測定対象面に
対して接離方向に移動可能とされた光学系と、上記光学系の上記光源からの光出射によって、上記被測
定対象面にて往光路に沿って反射された反射光に基づい
て、対物レンズと上記被測定対象面との距離が一定とな
るように、上記光学系を被測定対象面に対して接離方向
に移動させる自動焦点合わせ機構と、上記光学系の移動量を検出する移動量検出手段とを有す
ることを特徴とする変位計。