JP2000304518A - 表面形状測定方法及び表面形状測定器 - Google Patents
表面形状測定方法及び表面形状測定器Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ウエハ表面の段差等、被測定物体の微小部分
の計測を可能にする。 【解決手段】 ２つの波長の異なるレーザー光の偏光面
を直交させて合成し、合成したレーザー光を２つに分割
して一方を周波数シフトすると共にさらに２分割し、２
分割した１組のレーザー光の一方を集光ビームとして被
測定物体に入射させ、かつ他方を直接被測定物体に入射
させ、被測定物体から反射した組のレーザー光と残りの
組のレーザー光とを合成して２つの光ヘテロダイン干渉
光を生成し、合成した一方の干渉光を偏光面に対応して
２つの干渉光に分割してビート信号Ｉ１，Ｉ３を検出
し、同様に合成した他方の干渉光を偏光面に対応して２
つの干渉光に分割してビート信号Ｉ２，Ｉ４を検出し、
ビート信号Ｉ１，Ｉ２の位相差及びビート信号Ｉ３，Ｉ
４の位相差に基づき被測定物体の表面形状を算出する。
の計測を可能にする。 【解決手段】 ２つの波長の異なるレーザー光の偏光面
を直交させて合成し、合成したレーザー光を２つに分割
して一方を周波数シフトすると共にさらに２分割し、２
分割した１組のレーザー光の一方を集光ビームとして被
測定物体に入射させ、かつ他方を直接被測定物体に入射
させ、被測定物体から反射した組のレーザー光と残りの
組のレーザー光とを合成して２つの光ヘテロダイン干渉
光を生成し、合成した一方の干渉光を偏光面に対応して
２つの干渉光に分割してビート信号Ｉ１，Ｉ３を検出
し、同様に合成した他方の干渉光を偏光面に対応して２
つの干渉光に分割してビート信号Ｉ２，Ｉ４を検出し、
ビート信号Ｉ１，Ｉ２の位相差及びビート信号Ｉ３，Ｉ
４の位相差に基づき被測定物体の表面形状を算出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状に
ついて、レーザー光の干渉を利用し波長を単位として高
精度、長ストロークの測定を行うことができ、特に半導
体ＩＣやＬＳＩ製造プロセスにおいてのウエハ段差の測
定装置、Ｘ線露光装置においてマスクとウエハを位置合
せする際のマスク・ウエハ間のギャップ測定装置、或い
はレンズ、ミラー、光ディスクなどの光学素子の表面の
面荒さや面形状の測定装置に応用して好適な表面形状測
定方法及び表面形状測定器に関する。
ついて、レーザー光の干渉を利用し波長を単位として高
精度、長ストロークの測定を行うことができ、特に半導
体ＩＣやＬＳＩ製造プロセスにおいてのウエハ段差の測
定装置、Ｘ線露光装置においてマスクとウエハを位置合
せする際のマスク・ウエハ間のギャップ測定装置、或い
はレンズ、ミラー、光ディスクなどの光学素子の表面の
面荒さや面形状の測定装置に応用して好適な表面形状測
定方法及び表面形状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】物体の表面形状を計測する装置として
は、表面形状を原子レベルで計測する装置からμｍオー
ダーの段差を測定する装置まで、用途によって種々の測
定器がある。これらの測定装置の中で、半導体ＩＣやＬ
ＳＩ製造プロセスにおいて、パタン加工されたウエハ面
の段差の測定やＸ線露光でのマスクとウエハを位置合せ
するときにおけるマスク・ウエハ間のギャップ測定、或
いはレンズ、ミラー、光ディスクなどの光学素子の表面
の面荒さや面形状の測定などにはμｍオーダーの比較的
長い測定可能範囲とｎｍオーダーの高分解能が要求され
る。
は、表面形状を原子レベルで計測する装置からμｍオー
ダーの段差を測定する装置まで、用途によって種々の測
定器がある。これらの測定装置の中で、半導体ＩＣやＬ
ＳＩ製造プロセスにおいて、パタン加工されたウエハ面
の段差の測定やＸ線露光でのマスクとウエハを位置合せ
するときにおけるマスク・ウエハ間のギャップ測定、或
いはレンズ、ミラー、光ディスクなどの光学素子の表面
の面荒さや面形状の測定などにはμｍオーダーの比較的
長い測定可能範囲とｎｍオーダーの高分解能が要求され
る。
【０００３】本願発明者は、物体の表面形状を計測する
装置として、図９に示すようなパタン加工されたウエハ
面の表面形状測定器を特願平９−８０９０８号に開示し
た。図９において、１，２はレーザー光源、３は１／２
波長板、４，７，１２，２５，２６はミラー、５，２１
は偏光ビームスプリッター、６，１３，２８は無偏光ビ
ームスプリッター、８，９は音響光学素子、１０，１１
は平行プリズム、１９はウエハ、２０はウエハステー
ジ、２２，２３は２分割ディテクタ、２４はビート信号
処理制御部、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４はレーザービー
ム、２７はプリズム、ＬＥ１，ＬＥ２，ＬＥ３は集光レ
ンズ、２９，３０はウエハ面ビームスポットである。
装置として、図９に示すようなパタン加工されたウエハ
面の表面形状測定器を特願平９−８０９０８号に開示し
た。図９において、１，２はレーザー光源、３は１／２
波長板、４，７，１２，２５，２６はミラー、５，２１
は偏光ビームスプリッター、６，１３，２８は無偏光ビ
ームスプリッター、８，９は音響光学素子、１０，１１
は平行プリズム、１９はウエハ、２０はウエハステー
ジ、２２，２３は２分割ディテクタ、２４はビート信号
処理制御部、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４はレーザービー
ム、２７はプリズム、ＬＥ１，ＬＥ２，ＬＥ３は集光レ
ンズ、２９，３０はウエハ面ビームスポットである。
【０００４】図９に示す装置の動作を説明すると、まず
レーザー光源１，２はそれぞれ波長がλ１（周波数：ｆ
１），λ２（周波数：ｆ２）の水平偏光（Ｐ波）のレー
ザー光を発生する。レーザー光源１から発生したレーザ
ー光は、１／２波長板３により垂直偏光（Ｓ波）とな
り、ミラー４を介して偏光ビームスプリッ夕ー５により
レーザー光源２から発生したレーザー光と合成される。
この合成光は、偏光面が互いに垂直で周波数が異なる２
波長直交偏光光である。この２波長直交偏光光は、無偏
光ビームスプリッター６により２つのレーザー光に分岐
され、一つはミラー７を介して音響光学素子８に入射す
る。音響光学素子８の駆動周波数をｆ11とすると、音響
光学素子８から出射するレーザー光の周波数はそれぞれ
（ｆ１＋ｆ11）、（ｆ２＋ｆ11）に周波数シフトされた
２波長直交偏光光となる。一方、分岐された他の一方
は、音響光学素子９に入射する。音響光学素子９の駆動
周波数をｆ22とすると、音響光学素子９から出射するレ
ーザー光の周波数はそれぞれ（ｆ１＋ｆ22）、（ｆ２＋
ｆ22）に周波数シフトされた２波長直交偏光光となる。
レーザー光源１，２はそれぞれ波長がλ１（周波数：ｆ
１），λ２（周波数：ｆ２）の水平偏光（Ｐ波）のレー
ザー光を発生する。レーザー光源１から発生したレーザ
ー光は、１／２波長板３により垂直偏光（Ｓ波）とな
り、ミラー４を介して偏光ビームスプリッ夕ー５により
レーザー光源２から発生したレーザー光と合成される。
この合成光は、偏光面が互いに垂直で周波数が異なる２
波長直交偏光光である。この２波長直交偏光光は、無偏
光ビームスプリッター６により２つのレーザー光に分岐
され、一つはミラー７を介して音響光学素子８に入射す
る。音響光学素子８の駆動周波数をｆ11とすると、音響
光学素子８から出射するレーザー光の周波数はそれぞれ
（ｆ１＋ｆ11）、（ｆ２＋ｆ11）に周波数シフトされた
２波長直交偏光光となる。一方、分岐された他の一方
は、音響光学素子９に入射する。音響光学素子９の駆動
周波数をｆ22とすると、音響光学素子９から出射するレ
ーザー光の周波数はそれぞれ（ｆ１＋ｆ22）、（ｆ２＋
ｆ22）に周波数シフトされた２波長直交偏光光となる。
【０００５】これらの２波長直交偏光光は、平行プリズ
ム１０、１１によりそれぞれ２つの平行なレーザービー
ムＬ１とＬ２、及びＬ３とＬ４に分割され、Ｌ１とＬ２
はミラー１２，２６を介して無偏光ビームスプリッター
２８に入射する。一方、Ｌ３とＬ４は、無偏光ビームス
プリッター１３を透過して、プリズム２７によりビーム
の入射角を所定の角度に設定し、集光レンズＬＥ１，Ｌ
Ｅ２，ミラー２５及び集光レンズＬＥ３を介して、レー
ザ光のビームが絞られてウエハステージ２０上に設置さ
れたウエハ１９にビームスポット２９，３０として入射
する。このレーザー光は、ウエハ面で反射され、再度集
光レンズＬＥ３，ミラー２５，集光レンズＬＥ１２，Ｌ
Ｅ１及び無偏光ビームスプリッター１３を介して無偏光
ビームスプリッター２８に入射する。
ム１０、１１によりそれぞれ２つの平行なレーザービー
ムＬ１とＬ２、及びＬ３とＬ４に分割され、Ｌ１とＬ２
はミラー１２，２６を介して無偏光ビームスプリッター
２８に入射する。一方、Ｌ３とＬ４は、無偏光ビームス
プリッター１３を透過して、プリズム２７によりビーム
の入射角を所定の角度に設定し、集光レンズＬＥ１，Ｌ
Ｅ２，ミラー２５及び集光レンズＬＥ３を介して、レー
ザ光のビームが絞られてウエハステージ２０上に設置さ
れたウエハ１９にビームスポット２９，３０として入射
する。このレーザー光は、ウエハ面で反射され、再度集
光レンズＬＥ３，ミラー２５，集光レンズＬＥ１２，Ｌ
Ｅ１及び無偏光ビームスプリッター１３を介して無偏光
ビームスプリッター２８に入射する。
【０００６】この時、無偏光ビームスプリッター２８に
より、周波数ｆ11で周波数シフトされた２波長直交偏光
光Ｌ１、Ｌ２と周波数ｆ22で周波数シフトされたウエハ
側からの反射光Ｌ３、Ｌ４とは、それぞれ、Ｌ１とＬ
４、Ｌ２とＬ３で光ヘテロダイン干渉光を生成し、さら
に偏光ビームスプリッター２１により水平偏光の光ヘテ
ロダイン干渉光と垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光に分
離される。
より、周波数ｆ11で周波数シフトされた２波長直交偏光
光Ｌ１、Ｌ２と周波数ｆ22で周波数シフトされたウエハ
側からの反射光Ｌ３、Ｌ４とは、それぞれ、Ｌ１とＬ
４、Ｌ２とＬ３で光ヘテロダイン干渉光を生成し、さら
に偏光ビームスプリッター２１により水平偏光の光ヘテ
ロダイン干渉光と垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光に分
離される。
【０００７】垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光は、波長
がλ１（周波数：ｆ１）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の垂直偏光の
光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の垂直偏光の光ヘ
テロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ
２２により検出されてビート信号Ｉ１、Ｉ２としてビー
ト信号処理制御部２４に送られる。また、水平偏光の光
ヘテロダイン干渉光は、波長がλ２（周波数：ｆ２）の
レーザー光を基に生成された光ヘテロダイン干渉光であ
り、Ｌ２とＬ３の水平偏光の光ヘテロダイン干渉光と、
Ｌ１とＬ４の水平偏光の光ヘテロダイン干渉光は、それ
ぞれ独立に２分割ディテクタ２３により検出されてビー
ト信号Ｉ３、Ｉ４としてビート信号処理制御部２４に送
られる。
がλ１（周波数：ｆ１）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の垂直偏光の
光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の垂直偏光の光ヘ
テロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ
２２により検出されてビート信号Ｉ１、Ｉ２としてビー
ト信号処理制御部２４に送られる。また、水平偏光の光
ヘテロダイン干渉光は、波長がλ２（周波数：ｆ２）の
レーザー光を基に生成された光ヘテロダイン干渉光であ
り、Ｌ２とＬ３の水平偏光の光ヘテロダイン干渉光と、
Ｌ１とＬ４の水平偏光の光ヘテロダイン干渉光は、それ
ぞれ独立に２分割ディテクタ２３により検出されてビー
ト信号Ｉ３、Ｉ４としてビート信号処理制御部２４に送
られる。
【０００８】ビート信号処理制御部２４では、ビート信
号Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）との位相差Φ２１、Ｉ３
（ｔ）とＩ４（ｔ）との位相差Φ４３を算出する。 Φ２１＝φ１０＋２π（２Ｄ）／λ１ （１） Φ４３＝φ２０＋２π（２Ｄ）／λ２ （２） ただし、Ｄはウエハ１９の図１０に示す段差、φ１０は
ビート信号Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）の固定位相差、φ２
０はビート信号Ｉ３（ｔ）とＩ４（ｔ）の固定位相差で
ある。
号Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）との位相差Φ２１、Ｉ３
（ｔ）とＩ４（ｔ）との位相差Φ４３を算出する。 Φ２１＝φ１０＋２π（２Ｄ）／λ１ （１） Φ４３＝φ２０＋２π（２Ｄ）／λ２ （２） ただし、Ｄはウエハ１９の図１０に示す段差、φ１０は
ビート信号Ｉ１（ｔ）とＩ２（ｔ）の固定位相差、φ２
０はビート信号Ｉ３（ｔ）とＩ４（ｔ）の固定位相差で
ある。
【０００９】さらに、位相差Φ２１と位相差Φ４３との
差を演算することによりウエハ面上の段差を求めること
ができる。 ΔΦ＝Φ４３−Φ２１ ＝（φ２０−φ１０）＋２π（２Ｄ）／λ２−２π（２Ｄ）／λ１） ＝（φ２０−φ１０）＋２π（２Ｄ）／｛（λ１・λ２）／（λ１−λ２）｝ （３） 式（３）から明らかなように、（φ２０−φ１０）は固
定値であるから位相差信号｛△Φ−（φ２０−φ１
０）｝は、段差Ｄ＝λ１・λ２／｛２・（λ１−λ
２）｝を周期として位相変化する。
差を演算することによりウエハ面上の段差を求めること
ができる。 ΔΦ＝Φ４３−Φ２１ ＝（φ２０−φ１０）＋２π（２Ｄ）／λ２−２π（２Ｄ）／λ１） ＝（φ２０−φ１０）＋２π（２Ｄ）／｛（λ１・λ２）／（λ１−λ２）｝ （３） 式（３）から明らかなように、（φ２０−φ１０）は固
定値であるから位相差信号｛△Φ−（φ２０−φ１
０）｝は、段差Ｄ＝λ１・λ２／｛２・（λ１−λ
２）｝を周期として位相変化する。
【００１０】したがって、レーザー光源１，２の波長λ
１とλ２を選択することにより、段差測定範囲が決定さ
れる。例えば、ＬＳＩのプロセスウエハでは、段差の測
定範囲としては最大１０μｍ程度あれば十分であり、λ
１＝６９０ｎｍ、λ２＝６７０ｎｍを選択すると、位相
差信号｛△Φ−（φ２０−φ１０）｝の周期は、約１
１．６μｍとなる。位相差検出分解能を０．５゜とすれ
ば、約１６ｎｍの段差検出分解能が得られる。
１とλ２を選択することにより、段差測定範囲が決定さ
れる。例えば、ＬＳＩのプロセスウエハでは、段差の測
定範囲としては最大１０μｍ程度あれば十分であり、λ
１＝６９０ｎｍ、λ２＝６７０ｎｍを選択すると、位相
差信号｛△Φ−（φ２０−φ１０）｝の周期は、約１
１．６μｍとなる。位相差検出分解能を０．５゜とすれ
ば、約１６ｎｍの段差検出分解能が得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
表面形状測定器では、ビームスポット２９と３０の径の
大きさ、及びこれらのスポット間隔が固定されているた
め、測定する試料面のパタン形状に制約があるという欠
点を有していた。例えば図１１に示すように、ビームス
ポット間隔に近いパタンが繰り返し配置されているよう
な場合、ビームスポットをパタン段差の上部と下部にそ
れぞれ設定することが困難である。したがって上記図１
１に示すようなパタンの密集している部分ではパタン段
差の計測ができないという問題があった。
表面形状測定器では、ビームスポット２９と３０の径の
大きさ、及びこれらのスポット間隔が固定されているた
め、測定する試料面のパタン形状に制約があるという欠
点を有していた。例えば図１１に示すように、ビームス
ポット間隔に近いパタンが繰り返し配置されているよう
な場合、ビームスポットをパタン段差の上部と下部にそ
れぞれ設定することが困難である。したがって上記図１
１に示すようなパタンの密集している部分ではパタン段
差の計測ができないという問題があった。
【００１２】また、２つのビームスポット間の位相差か
ら、ビームスポットが照射している２点間の高さしか検
出できないので、試料面の３次元の凸凹状態を測定でき
ないという問題があった。例えば、上記図１１に示した
ビームスキャンのように、２つのビームスポットをｙ方
向に少しづつずらしてｘ方向に繰り返し走査した場合、
ビームスポット２９，３０がそれぞれパタン段差の上部
と下部を繰り返すため、位相の変わらない基準のビーム
スポットが得られないのでパタンの凸凹状態を測定する
ことが困難であった。
ら、ビームスポットが照射している２点間の高さしか検
出できないので、試料面の３次元の凸凹状態を測定でき
ないという問題があった。例えば、上記図１１に示した
ビームスキャンのように、２つのビームスポットをｙ方
向に少しづつずらしてｘ方向に繰り返し走査した場合、
ビームスポット２９，３０がそれぞれパタン段差の上部
と下部を繰り返すため、位相の変わらない基準のビーム
スポットが得られないのでパタンの凸凹状態を測定する
ことが困難であった。
【００１３】本発明は、従来技術の以上のような問題点
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、ウエハ表面、或いは光学素子などの段差形状、表面
の面荒さや面形状などの表面形状、さらにマスク・ウエ
ハ間のギャップを、非接触かつ被測定物が微小部分でも
計測でき、しかも光の干渉を利用して直接計測するため
の誤差要因の発生がない高精度の表面形状測定方法及び
測定器を提供することにある。
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、ウエハ表面、或いは光学素子などの段差形状、表面
の面荒さや面形状などの表面形状、さらにマスク・ウエ
ハ間のギャップを、非接触かつ被測定物が微小部分でも
計測でき、しかも光の干渉を利用して直接計測するため
の誤差要因の発生がない高精度の表面形状測定方法及び
測定器を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明の表面形状測定方法は、偏光面が互いに
直交し周波数が異なる２周波光を発生して、この２周波
光を第１及び第２の周波光の２つに分割し、第１及び第
２の周波光の何れか一方の周波光の周波数をシフトさ
せ、第１の周波光を２つに分割して第３及び第４の周波
光を生成し、第２の２周波光を２つに分割して第５及び
第６の周波光を生成し、第５及び第６の周波光の何れか
一方を集光レンズを含む光学素子による集光ビームとし
て被測定物体上に入射させ、かつ第５及び第６の周波光
の何れか他方を被測定物体上に入射させる一方、第３及
び第４の周波光と被測定物体によって反射された第５及
び第６の周波光をそれぞれ合成し、第３及び第５の各周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏
光面の異なる第１及び第３の光ヘテロダイン干渉光に分
離して第１及び第３のビート信号を求めるとともに、第
４及び第６の各周波光の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光を偏光面の異なる第２及び第４の光ヘテロ
ダイン干渉光に分離して第２及び第４のビート信号を求
め、第１のビート信号と第２のビート信号の位相差及び
第３のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づい
て被測定物体の表面形状を算出するようにしたことによ
り特徴づけられる。また、偏光面が互いに直交し周波数
が異なる２周波光のうち一方の偏光面の１周波光を発生
して、発生したこの１周波光を第１及び第２の周波光の
２つに分割し、第１及び第２の周波光の何れか一方の周
波光の周波数をシフトさせ、かつ第１の周波光を２つに
分割して第３及び第４の周波光を生成するとともに、第
２の周波光を２つに分割して第５及び第６の周波光を生
成し、第５及び第６の周波光の何れか一方を集光レンズ
を含む光学素子による集光ビームとして被測定物体上に
入射させ、かつ第５及び第６の周波光の何れか他方を被
測定物体上に入射させる一方、第３及び第４の周波光と
被測定物体によって反射された第５及び第６の周波光を
それぞれ合成し、第３及び第５の各周波光の合成によっ
て得られた第１の光ヘテロダイン干渉光を第１のビート
信号として検出するとともに、第４及び第６の各周波光
の合成によって得られた第２の光ヘテロダイン干渉光を
第２のビート信号として検出し、第１及び第２のビート
信号の位相差に基づいて被測定物体の表面形状を算出す
る。また、第５及び第６の周波光の何れか一方の集光ビ
ームの被測定物体上でのスポット領域を、第５及び第６
の周波光の何れか他方のビームの被測定物体上のスポッ
ト領域内に含ませるようにする。また、第１及び第２の
２周波光をそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさせる
こともできる。
るために本発明の表面形状測定方法は、偏光面が互いに
直交し周波数が異なる２周波光を発生して、この２周波
光を第１及び第２の周波光の２つに分割し、第１及び第
２の周波光の何れか一方の周波光の周波数をシフトさ
せ、第１の周波光を２つに分割して第３及び第４の周波
光を生成し、第２の２周波光を２つに分割して第５及び
第６の周波光を生成し、第５及び第６の周波光の何れか
一方を集光レンズを含む光学素子による集光ビームとし
て被測定物体上に入射させ、かつ第５及び第６の周波光
の何れか他方を被測定物体上に入射させる一方、第３及
び第４の周波光と被測定物体によって反射された第５及
び第６の周波光をそれぞれ合成し、第３及び第５の各周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏
光面の異なる第１及び第３の光ヘテロダイン干渉光に分
離して第１及び第３のビート信号を求めるとともに、第
４及び第６の各周波光の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光を偏光面の異なる第２及び第４の光ヘテロ
ダイン干渉光に分離して第２及び第４のビート信号を求
め、第１のビート信号と第２のビート信号の位相差及び
第３のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づい
て被測定物体の表面形状を算出するようにしたことによ
り特徴づけられる。また、偏光面が互いに直交し周波数
が異なる２周波光のうち一方の偏光面の１周波光を発生
して、発生したこの１周波光を第１及び第２の周波光の
２つに分割し、第１及び第２の周波光の何れか一方の周
波光の周波数をシフトさせ、かつ第１の周波光を２つに
分割して第３及び第４の周波光を生成するとともに、第
２の周波光を２つに分割して第５及び第６の周波光を生
成し、第５及び第６の周波光の何れか一方を集光レンズ
を含む光学素子による集光ビームとして被測定物体上に
入射させ、かつ第５及び第６の周波光の何れか他方を被
測定物体上に入射させる一方、第３及び第４の周波光と
被測定物体によって反射された第５及び第６の周波光を
それぞれ合成し、第３及び第５の各周波光の合成によっ
て得られた第１の光ヘテロダイン干渉光を第１のビート
信号として検出するとともに、第４及び第６の各周波光
の合成によって得られた第２の光ヘテロダイン干渉光を
第２のビート信号として検出し、第１及び第２のビート
信号の位相差に基づいて被測定物体の表面形状を算出す
る。また、第５及び第６の周波光の何れか一方の集光ビ
ームの被測定物体上でのスポット領域を、第５及び第６
の周波光の何れか他方のビームの被測定物体上のスポッ
ト領域内に含ませるようにする。また、第１及び第２の
２周波光をそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさせる
こともできる。
【００１５】さらに、本発明の表面形状測定器は偏光面
が互いに直交し周波数が異なる２周波光を発生する周波
光発生手段と、この２周波光を第１及び第２の周波光の
２つに分割する第１の周波光分割手段と、第１及び第２
の周波光の何れか一方の周波数をシフトさせる周波数シ
フト手段と、被測定物体を載せるためのステージと、第
１の周波光を第３及び第４の２つの周光に分割する第２
の周波光分割手段と、第２の周波光を第５及び第６の２
つの周光に分割する第３の周波光分割手段と、第５及び
第６の周波光の何れか一方を集光レンズを含む光学素子
により集光ビームとして生成しこの集光ビームを第１の
ビームとして被測定物体上に入射させると共に、第５及
び第６の周波光の何れか他方を第２のビームとして被測
定物体上に入射させるビーム入射手段と、第３及び第４
の周波光と被測定物体によって反射された第５及び第６
の周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、第３及び第
５の各周波光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉
光を偏光面の異なる第１及び第３の光ヘテロダイン干渉
光に分離する第１の干渉光分離手段と、第４及び第６の
各周波光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を
偏光面の異なる第２及び第４の光ヘテロダイン干渉光に
分離する第２の干渉光分離手段と、第１及び第３の光ヘ
テロダイン干渉光からそれぞれ独立に第１及び第３のビ
ート信号を検出すると共に、第２及び第４の光ヘテロダ
イン干渉光からそれぞれ独立に第２及び第４のビート信
号を検出する信号検出手段と、第１のビート信号と第２
のビート信号の位相差及び第３のビート信号と第４のビ
ート信号の位相差に基づいて被測定物体の表面形状を算
出する信号処理制御手段とを有するものである。
が互いに直交し周波数が異なる２周波光を発生する周波
光発生手段と、この２周波光を第１及び第２の周波光の
２つに分割する第１の周波光分割手段と、第１及び第２
の周波光の何れか一方の周波数をシフトさせる周波数シ
フト手段と、被測定物体を載せるためのステージと、第
１の周波光を第３及び第４の２つの周光に分割する第２
の周波光分割手段と、第２の周波光を第５及び第６の２
つの周光に分割する第３の周波光分割手段と、第５及び
第６の周波光の何れか一方を集光レンズを含む光学素子
により集光ビームとして生成しこの集光ビームを第１の
ビームとして被測定物体上に入射させると共に、第５及
び第６の周波光の何れか他方を第２のビームとして被測
定物体上に入射させるビーム入射手段と、第３及び第４
の周波光と被測定物体によって反射された第５及び第６
の周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、第３及び第
５の各周波光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉
光を偏光面の異なる第１及び第３の光ヘテロダイン干渉
光に分離する第１の干渉光分離手段と、第４及び第６の
各周波光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を
偏光面の異なる第２及び第４の光ヘテロダイン干渉光に
分離する第２の干渉光分離手段と、第１及び第３の光ヘ
テロダイン干渉光からそれぞれ独立に第１及び第３のビ
ート信号を検出すると共に、第２及び第４の光ヘテロダ
イン干渉光からそれぞれ独立に第２及び第４のビート信
号を検出する信号検出手段と、第１のビート信号と第２
のビート信号の位相差及び第３のビート信号と第４のビ
ート信号の位相差に基づいて被測定物体の表面形状を算
出する信号処理制御手段とを有するものである。
【００１６】また、偏光面が互いに直交し周波数が異な
る２周波光のうち一方の偏光面の１周波光を発生する周
波光発生手段と、発生した１周波光を第１及び第２の周
波光の２つに分割する第１の周波光分割手段と、第１及
び第２の周波光の何れか一方の周波光の周波数をシフト
させる周波数シフト手段と、被測定物体を載せるための
ステージと、第１の周波光を第３及び第４の周波光に分
割する第２の周波光分割手段と、第２の周波光を第５及
び第６の周波光に分割する第３の周波光分割手段と、第
５及び第６の周波光の何れか一方を集光レンズを含む光
学素子により集光ビームとして生成しこの集光ビームを
第１のビームとして被測定物体上に入射させると共に、
第５及び第６の周波光の何れか他方を第２のビームとし
て被測定物体上に入射させるビーム入射手段と、第３及
び第４の周波光と被測定物体によって反射された第５及
び第６の周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、第３
及び第５の各周波光の合成により得られた第１の光ヘテ
ロダイン干渉光を第１のビート信号として検出するとと
もに、第４及び第６の各周波光の合成により得られた第
２の光ヘテロダイン干渉光を第２のビート信号として検
出する信号検出手段と、第１及び第２のビート信号の位
相差に基づいて被測定物体の表面形状を算出する信号処
理制御手段とを有するものである。また、ビーム入射手
段は、第１のビームの被測定物体上でのビームスポット
領域を示す第１の領域を、第２のビームの被測定物体上
でのビームスポット領域を示す第２の領域内に含ませる
ようにしたものである。また、ビーム入射手段は、前記
第２の領域を被測定物体の領域より大きな領域として形
成するものである。また、周波数シフト手段は、第１及
び第２の各周波光に対しそれぞれ異なる周波数で周波数
シフトさせるものである。また、前記ステージは、被測
定物体の表面に対して平行な方向に移動可能なものであ
る。また、周波光発生手段、周波数シフト手段、第１な
いし第３の周波光分割手段、ビーム入射手段、光合成手
段、第１及び第２の干渉光分離手段、及び信号検出手段
を同一の光学系ステージ上に配置し、この光学ステージ
を被測定物体の表面に対して平行方向に移動可能とした
ものである。したがって、集光させないレーザービーム
は測定対象上の広い領域を照射し、測定対象上のパタン
の影響を避け、位相の変わらない基準光となる。また、
集光させたレーザービームは、段差、表面の凸凹などの
測定したい形状の近傍に入射させ、形状を検知するプロ
ーブ光となる。そして、測定対象からの２つの反射光と
２波長のレーザー光からなる参照光２本とを光ヘテロダ
イン干渉させ、位相差信号に基づきウエハ表面、或いは
光学素子などの段差形状、表面の面荒さや面形状などの
表面形状、さらにはマスク・ウエハ間のギャップを非接
触で直接計測でき、しかも測定面上のパタン形状やビー
ムスポット位置の制約を受けることなく、高精度の表面
形状の測定が可能になる。
る２周波光のうち一方の偏光面の１周波光を発生する周
波光発生手段と、発生した１周波光を第１及び第２の周
波光の２つに分割する第１の周波光分割手段と、第１及
び第２の周波光の何れか一方の周波光の周波数をシフト
させる周波数シフト手段と、被測定物体を載せるための
ステージと、第１の周波光を第３及び第４の周波光に分
割する第２の周波光分割手段と、第２の周波光を第５及
び第６の周波光に分割する第３の周波光分割手段と、第
５及び第６の周波光の何れか一方を集光レンズを含む光
学素子により集光ビームとして生成しこの集光ビームを
第１のビームとして被測定物体上に入射させると共に、
第５及び第６の周波光の何れか他方を第２のビームとし
て被測定物体上に入射させるビーム入射手段と、第３及
び第４の周波光と被測定物体によって反射された第５及
び第６の周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、第３
及び第５の各周波光の合成により得られた第１の光ヘテ
ロダイン干渉光を第１のビート信号として検出するとと
もに、第４及び第６の各周波光の合成により得られた第
２の光ヘテロダイン干渉光を第２のビート信号として検
出する信号検出手段と、第１及び第２のビート信号の位
相差に基づいて被測定物体の表面形状を算出する信号処
理制御手段とを有するものである。また、ビーム入射手
段は、第１のビームの被測定物体上でのビームスポット
領域を示す第１の領域を、第２のビームの被測定物体上
でのビームスポット領域を示す第２の領域内に含ませる
ようにしたものである。また、ビーム入射手段は、前記
第２の領域を被測定物体の領域より大きな領域として形
成するものである。また、周波数シフト手段は、第１及
び第２の各周波光に対しそれぞれ異なる周波数で周波数
シフトさせるものである。また、前記ステージは、被測
定物体の表面に対して平行な方向に移動可能なものであ
る。また、周波光発生手段、周波数シフト手段、第１な
いし第３の周波光分割手段、ビーム入射手段、光合成手
段、第１及び第２の干渉光分離手段、及び信号検出手段
を同一の光学系ステージ上に配置し、この光学ステージ
を被測定物体の表面に対して平行方向に移動可能とした
ものである。したがって、集光させないレーザービーム
は測定対象上の広い領域を照射し、測定対象上のパタン
の影響を避け、位相の変わらない基準光となる。また、
集光させたレーザービームは、段差、表面の凸凹などの
測定したい形状の近傍に入射させ、形状を検知するプロ
ーブ光となる。そして、測定対象からの２つの反射光と
２波長のレーザー光からなる参照光２本とを光ヘテロダ
イン干渉させ、位相差信号に基づきウエハ表面、或いは
光学素子などの段差形状、表面の面荒さや面形状などの
表面形状、さらにはマスク・ウエハ間のギャップを非接
触で直接計測でき、しかも測定面上のパタン形状やビー
ムスポット位置の制約を受けることなく、高精度の表面
形状の測定が可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図１は、本発明に係る表面形状測定装置
の第１の実施の形態を示す図であり、半導体ＩＣやＬＳ
Ｉ製造においてパタン加工されたウエハ面の段差測定装
置の概略構成を示すものである。
して説明する。図１は、本発明に係る表面形状測定装置
の第１の実施の形態を示す図であり、半導体ＩＣやＬＳ
Ｉ製造においてパタン加工されたウエハ面の段差測定装
置の概略構成を示すものである。
【００１８】図１において、１，２はレーザー光源、３
は１／２波長板、４，７，１２，１４はミラー、５，２
１は偏光ビームスプリッター、６，１３は無偏光ビーム
スプリッター、８，９は音響光学素子、１０，１１は平
行プリズム、１５は投影光学系、１６は縮小光学系、１
７，１８はウエハ面ビームスポット、１９はウエハ、２
０はウエハステージ、２２，２３は２分割ディテクタ、
２４はビート信号処理制御部、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４
はレーザービームである。
は１／２波長板、４，７，１２，１４はミラー、５，２
１は偏光ビームスプリッター、６，１３は無偏光ビーム
スプリッター、８，９は音響光学素子、１０，１１は平
行プリズム、１５は投影光学系、１６は縮小光学系、１
７，１８はウエハ面ビームスポット、１９はウエハ、２
０はウエハステージ、２２，２３は２分割ディテクタ、
２４はビート信号処理制御部、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４
はレーザービームである。
【００１９】レーザー光源１、２はそれぞれ波長がλ１
（周波数：ｆ１）、λ２（周波数：ｆ２）の水平偏光
（Ｐ波）のレーザー光を発生する。レーザー光源１から
発生したレーザー光は、１／２波長板３により垂直偏光
（Ｓ波）となり、ミラー４を介して偏光ビームスプリッ
ター５によりレーザー光源２から発生したレーザー光と
合成される。この合成光は、偏光面が互いに垂直で周波
数が異なる２波長直交偏光光である。この２波長直交偏
光光は、無偏光ビームスプリッター６により２つのレー
ザー光に分岐され、一つはミラー７を介して音響光学素
子８に入射する。
（周波数：ｆ１）、λ２（周波数：ｆ２）の水平偏光
（Ｐ波）のレーザー光を発生する。レーザー光源１から
発生したレーザー光は、１／２波長板３により垂直偏光
（Ｓ波）となり、ミラー４を介して偏光ビームスプリッ
ター５によりレーザー光源２から発生したレーザー光と
合成される。この合成光は、偏光面が互いに垂直で周波
数が異なる２波長直交偏光光である。この２波長直交偏
光光は、無偏光ビームスプリッター６により２つのレー
ザー光に分岐され、一つはミラー７を介して音響光学素
子８に入射する。
【００２０】音響光学素子８の駆動周波数をｆ11とする
と、音響光学素子８から出射するレーザー光の周波数は
それぞれ（ｆ１＋ｆ11）、（ｆ２＋ｆ11）に周波数シフ
トされた２波長直交偏光光となる。一方、分岐された他
の一方は、音響光学素子９に入射する。音響光学素子９
の駆動周波数をｆ22とすると、音響光学素子９から出射
するレーザー光の周波数はそれぞれ（ｆ１＋ｆ22）、
（ｆ２＋ｆ22）に周波数シフトされた２波長直交偏光光
となる。
と、音響光学素子８から出射するレーザー光の周波数は
それぞれ（ｆ１＋ｆ11）、（ｆ２＋ｆ11）に周波数シフ
トされた２波長直交偏光光となる。一方、分岐された他
の一方は、音響光学素子９に入射する。音響光学素子９
の駆動周波数をｆ22とすると、音響光学素子９から出射
するレーザー光の周波数はそれぞれ（ｆ１＋ｆ22）、
（ｆ２＋ｆ22）に周波数シフトされた２波長直交偏光光
となる。
【００２１】これらの２波長直交偏光光は、平行プリズ
ム１０、１１によりそれぞれ２つの平行なレーザービー
ムＬ１とＬ２、及びＬ３とＬ４に分割され、Ｌ１とＬ２
はミラー１２を介して無偏光ビームスプリッター１３に
入射する。Ｌ３とＬ４は、無偏光ビームスプリッター１
３、ミラー１４を介して、Ｌ３は投影光学系１５により
ビームが絞らないで、またＬ４は縮小光学系１６により
レーザー光のビームが絞られ、それぞれウエハステージ
２０上に設置されたウエハ１９にビームスポット１７，
１８として入射する。このレーザー光は、ウエハ面で反
射され、再度投影光学系１５，縮小光学系１６，ミラー
１４を介して無偏光ビームスプリッター１３に入射す
る。
ム１０、１１によりそれぞれ２つの平行なレーザービー
ムＬ１とＬ２、及びＬ３とＬ４に分割され、Ｌ１とＬ２
はミラー１２を介して無偏光ビームスプリッター１３に
入射する。Ｌ３とＬ４は、無偏光ビームスプリッター１
３、ミラー１４を介して、Ｌ３は投影光学系１５により
ビームが絞らないで、またＬ４は縮小光学系１６により
レーザー光のビームが絞られ、それぞれウエハステージ
２０上に設置されたウエハ１９にビームスポット１７，
１８として入射する。このレーザー光は、ウエハ面で反
射され、再度投影光学系１５，縮小光学系１６，ミラー
１４を介して無偏光ビームスプリッター１３に入射す
る。
【００２２】この時、無偏光ビームスプリッター１３に
より、周波数ｆ11で周波数シフトされた２波長直交偏光
光Ｌ１，Ｌ２と周波数ｆ22で周波数シフトされたウエハ
側からの反射光Ｌ３，Ｌ４とは、それぞれＬ１とＬ４、
Ｌ２とＬ３で光ヘテロダイン干渉光を生成し、さらに偏
向ビームスプリッター２１により水平偏光の光ヘテロダ
イン干渉光と垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光に分離さ
れる。
より、周波数ｆ11で周波数シフトされた２波長直交偏光
光Ｌ１，Ｌ２と周波数ｆ22で周波数シフトされたウエハ
側からの反射光Ｌ３，Ｌ４とは、それぞれＬ１とＬ４、
Ｌ２とＬ３で光ヘテロダイン干渉光を生成し、さらに偏
向ビームスプリッター２１により水平偏光の光ヘテロダ
イン干渉光と垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光に分離さ
れる。
【００２３】垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光は、波長
がλ１（周波数：ｆ１）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の垂直偏光の
光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の垂直偏光の光ヘ
テロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ
２２により検出されてビート信号Ｉ１、Ｉ２としてビー
ト信号処理制御部２４に送られる。
がλ１（周波数：ｆ１）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の垂直偏光の
光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の垂直偏光の光ヘ
テロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ
２２により検出されてビート信号Ｉ１、Ｉ２としてビー
ト信号処理制御部２４に送られる。
【００２４】また、水平偏光の光ヘテロダイン干渉光
は、波長がλ２（周波数：ｆ２）のレーザー光を基に生
成された光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の水
平偏光の光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の水平偏
光の光ヘテロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割デ
ィテクタ２３により検出されてビート信号Ｉ３、Ｉ４と
してビート信号処理制御部２４に送られる。
は、波長がλ２（周波数：ｆ２）のレーザー光を基に生
成された光ヘテロダイン干渉光であり、Ｌ２とＬ３の水
平偏光の光ヘテロダイン干渉光と、Ｌ１とＬ４の水平偏
光の光ヘテロダイン干渉光は、それぞれ独立に２分割デ
ィテクタ２３により検出されてビート信号Ｉ３、Ｉ４と
してビート信号処理制御部２４に送られる。
【００２５】図２は、投影光学系１５から出射したレー
ザービームＬ３のスポット１７が、ウエハ面上の段差パ
タン近傍付近に、縮小光学系１６により絞られたレーザ
ー光Ｌ４のビームスポット１８がウエハ面上の段差パタ
ンの下部に入射した場合の段差パタンの拡大図である。
この場合、ビームスポット１７，１８が段差の上部と下
部に入射する場合とで光学系内で光路長差を生じる。パ
タンの段差をＤとすると、パタン上部からの反射光とパ
タン下部からの反射光には２Ｄの光路長差が生じる。し
たがって従来技術で説明した段差Ｄの測定と同様、前述
の式（３）によりウエハ面上の段差測定が可能である。
ザービームＬ３のスポット１７が、ウエハ面上の段差パ
タン近傍付近に、縮小光学系１６により絞られたレーザ
ー光Ｌ４のビームスポット１８がウエハ面上の段差パタ
ンの下部に入射した場合の段差パタンの拡大図である。
この場合、ビームスポット１７，１８が段差の上部と下
部に入射する場合とで光学系内で光路長差を生じる。パ
タンの段差をＤとすると、パタン上部からの反射光とパ
タン下部からの反射光には２Ｄの光路長差が生じる。し
たがって従来技術で説明した段差Ｄの測定と同様、前述
の式（３）によりウエハ面上の段差測定が可能である。
【００２６】また、図２では、ウエハ面上のパタンの密
集やビームスポットの設定位置による制約を本装置が受
けない利点について説明している。即ち、図２では、測
定したいパタンＡの段差部に対し、リファレンス（参照
光）であるレーザー光Ｌ３のビームスポット１７の中に
パタンＢが置かれている例を示しているが、パタンＡの
微細部分の段差計測には問題にはならない。つまり、ビ
ームスポット１７からの反射光の位相差はビームスポッ
ト内の段差状態の平均化された値となって検出されるか
らである。
集やビームスポットの設定位置による制約を本装置が受
けない利点について説明している。即ち、図２では、測
定したいパタンＡの段差部に対し、リファレンス（参照
光）であるレーザー光Ｌ３のビームスポット１７の中に
パタンＢが置かれている例を示しているが、パタンＡの
微細部分の段差計測には問題にはならない。つまり、ビ
ームスポット１７からの反射光の位相差はビームスポッ
ト内の段差状態の平均化された値となって検出されるか
らである。
【００２７】したがって、検出光であるレーザー光Ｌ４
のビームスポット径を絞ることによって、より微細パタ
ン、或いは微細部分の段差、或いは表面形状が測定可能
である。また、参照光であるレーザー光Ｌ３のビームス
ポット径を十分大きな領域にすること、或いはビームス
ポット１８をビームスポット１７の領域に含ませること
によって、パタン形状、配置の制約を受けることが無く
なる。さらに、２つのレーザースポット、或いはウエハ
ステージ２０をｘ或いはｙ方向にスキャンすることによ
って、ウエハ面上の凸凹を検出できることは言うまでも
ない。
のビームスポット径を絞ることによって、より微細パタ
ン、或いは微細部分の段差、或いは表面形状が測定可能
である。また、参照光であるレーザー光Ｌ３のビームス
ポット径を十分大きな領域にすること、或いはビームス
ポット１８をビームスポット１７の領域に含ませること
によって、パタン形状、配置の制約を受けることが無く
なる。さらに、２つのレーザースポット、或いはウエハ
ステージ２０をｘ或いはｙ方向にスキャンすることによ
って、ウエハ面上の凸凹を検出できることは言うまでも
ない。
【００２８】図３は、本発明に係る表面形状測定器の第
２の実施の形態を示す図であり、Ｘ線露光におけるマス
ク・ウエハ間のギャップ測定装置の概略の構成を示す図
である。図３において、３５はＸ線マスク、３６はメン
ブレン部、３７はメンブレン窓である。ギャップ測定装
置全体の光学系、機構系、回路系などの構成要素につい
ては既に説明した図１の段差測定装置と同様のものであ
る。
２の実施の形態を示す図であり、Ｘ線露光におけるマス
ク・ウエハ間のギャップ測定装置の概略の構成を示す図
である。図３において、３５はＸ線マスク、３６はメン
ブレン部、３７はメンブレン窓である。ギャップ測定装
置全体の光学系、機構系、回路系などの構成要素につい
ては既に説明した図１の段差測定装置と同様のものであ
る。
【００２９】図４は図３に示す第２の実施の形態におい
て、マスク・ウエハ間のギャップ部を拡大して示した図
である。図４において、３８はＸ線吸収パタンからなる
マスクパタンである。ここでレーザー光Ｌ３は、マスク
のＸ線吸収体からなるマスクパタン３８により反射し、
レーザー光Ｌ４は、マスクメンブレン窓３７を透過して
ウエハ面に集光して入射し、ウエハ面からの反射光を利
用する。したがって、マスク面とウエハ面の間隔、即ち
ギャップをＤとすると、マスク面からの反射光とウエハ
面からの反射光には２Ｄの光路長差が生じる。したがっ
て第１の実施の形態の段差測定と同様、前述の式（３）
により、マスク・ウエハ間のギャップ測定が可能にな
る。
て、マスク・ウエハ間のギャップ部を拡大して示した図
である。図４において、３８はＸ線吸収パタンからなる
マスクパタンである。ここでレーザー光Ｌ３は、マスク
のＸ線吸収体からなるマスクパタン３８により反射し、
レーザー光Ｌ４は、マスクメンブレン窓３７を透過して
ウエハ面に集光して入射し、ウエハ面からの反射光を利
用する。したがって、マスク面とウエハ面の間隔、即ち
ギャップをＤとすると、マスク面からの反射光とウエハ
面からの反射光には２Ｄの光路長差が生じる。したがっ
て第１の実施の形態の段差測定と同様、前述の式（３）
により、マスク・ウエハ間のギャップ測定が可能にな
る。
【００３０】第１及び第２の実施の形態において、２Ｄ
の値がそれぞれのレーザー波長λ１，λ２について何波
長分に相当するかを求める。ここで、それぞれＮ１，Ｎ
２波長分以上であるとすると、Ｎ１，Ｎ２は従来技術で
説明した前述の式（３）から求めることができる。この
場合、Ｎ１は、｛ΔΦ−（φ２０−φ１０）｝・｛（λ
１・λ２）／（λ１−λ２）｝／（２π・λ１）の整数
部（小数点以下切り捨て）、Ｎ２は、｛ΔΦ−（φ２０
−φ１０）｝・｛（λ１・λ２）／（λ１−λ２）｝／
（２π・λ２）の整数部（小数点以下切り捨て）とな
る。したがって、２Ｄは次のように表すこともできる。
の値がそれぞれのレーザー波長λ１，λ２について何波
長分に相当するかを求める。ここで、それぞれＮ１，Ｎ
２波長分以上であるとすると、Ｎ１，Ｎ２は従来技術で
説明した前述の式（３）から求めることができる。この
場合、Ｎ１は、｛ΔΦ−（φ２０−φ１０）｝・｛（λ
１・λ２）／（λ１−λ２）｝／（２π・λ１）の整数
部（小数点以下切り捨て）、Ｎ２は、｛ΔΦ−（φ２０
−φ１０）｝・｛（λ１・λ２）／（λ１−λ２）｝／
（２π・λ２）の整数部（小数点以下切り捨て）とな
る。したがって、２Ｄは次のように表すこともできる。
【００３１】 ２Ｄ＝｛Ｎ１＋（Φ２１−φ１０）／２π｝・λ１ （４） ２Ｄ＝｛Ｎ２＋（Φ４３−φ１０）／２π｝・λ２ （５） この式より、例えば前記の例と同様に、位相差検出分解
能を０．５゜とすると、段差、或いはギャップの検出分
解能としては、λ１／７２０、またはλ２／７２０が得
られる。即ち、Ｎ１，Ｎ２は、２つの波長λ１，λ２の
計測によって求められる値である。
能を０．５゜とすると、段差、或いはギャップの検出分
解能としては、λ１／７２０、またはλ２／７２０が得
られる。即ち、Ｎ１，Ｎ２は、２つの波長λ１，λ２の
計測によって求められる値である。
【００３２】したがって、Ｎ１、或いはＮ２がゼロの場
合の測定試料、即ちパタンの段差部、或いはマスク・ウ
エハ間のギャップの大きさＤが、レーザー波長の１／２
の値（λ１／２，或いはλ２／２）に比べて小さい場
合、もしくは、Ｎ１、或いはＮ２の値が既知である場
合、即ちパタンの段差部、或いはマスク・ウエハ間のギ
ャップの大きさＤが、レーザー波長のλ１／２、或いは
λ２／２の値に対して何倍かがわかっている測定試料に
ついては、式（４）または式（５）によりパタンの段差
部、或いはマスク・ウエハ間のギャップの大きさＤが計
測できる。
合の測定試料、即ちパタンの段差部、或いはマスク・ウ
エハ間のギャップの大きさＤが、レーザー波長の１／２
の値（λ１／２，或いはλ２／２）に比べて小さい場
合、もしくは、Ｎ１、或いはＮ２の値が既知である場
合、即ちパタンの段差部、或いはマスク・ウエハ間のギ
ャップの大きさＤが、レーザー波長のλ１／２、或いは
λ２／２の値に対して何倍かがわかっている測定試料に
ついては、式（４）または式（５）によりパタンの段差
部、或いはマスク・ウエハ間のギャップの大きさＤが計
測できる。
【００３３】即ち、特定の段差、或いはマスク・ウエハ
間のギャップ条件の試料を用いる場合には、偏光面が互
いに直交し周波数が異なる２周波光の何れか一方の偏光
面のレーザー光のみを用いる。または、１つの波長のレ
ーザー光について光学系を組み上げても、同様の精度で
段差、或いはマスク・ウエハ間のギャップの計測が可能
である。この場合、レーザー光源１，２のうち一方のレ
ーザー光源のみを用いて計測することができ、レーザー
光源２のみを用いるようにすれば、図１，図３におい
て、レーザー光源１、１／２波長板３、ミラー４、偏光
ビームスプリッター５，２１、２分割ディテクタ２２を
省略できる。
間のギャップ条件の試料を用いる場合には、偏光面が互
いに直交し周波数が異なる２周波光の何れか一方の偏光
面のレーザー光のみを用いる。または、１つの波長のレ
ーザー光について光学系を組み上げても、同様の精度で
段差、或いはマスク・ウエハ間のギャップの計測が可能
である。この場合、レーザー光源１，２のうち一方のレ
ーザー光源のみを用いて計測することができ、レーザー
光源２のみを用いるようにすれば、図１，図３におい
て、レーザー光源１、１／２波長板３、ミラー４、偏光
ビームスプリッター５，２１、２分割ディテクタ２２を
省略できる。
【００３４】図５は、レーザー光Ｌ３，Ｌ４が試料面に
入射する投影光学系と縮小光学系の概略の構成を示す図
である。ここで、投影光学系は集光レンズＥＬ１，ＥＬ
２，ＥＬ３，ＥＬ４により構成され、縮小光学系は集光
レンズＥＬ４により構成される。
入射する投影光学系と縮小光学系の概略の構成を示す図
である。ここで、投影光学系は集光レンズＥＬ１，ＥＬ
２，ＥＬ３，ＥＬ４により構成され、縮小光学系は集光
レンズＥＬ４により構成される。
【００３５】図６は、レーザー光Ｌ３，Ｌ４が試料面に
入射する投影光学系と縮小光学系の第１の実施の形態を
示す図であり、この例は、ミラーＭ１，Ｍ２から構成さ
れている投影光学系のビームスポット１７の領域内に、
集光レンズＥＬ５により構成された縮小光学系のビーム
スポット１８の領域が含まれている入射光学系の例を示
している。
入射する投影光学系と縮小光学系の第１の実施の形態を
示す図であり、この例は、ミラーＭ１，Ｍ２から構成さ
れている投影光学系のビームスポット１７の領域内に、
集光レンズＥＬ５により構成された縮小光学系のビーム
スポット１８の領域が含まれている入射光学系の例を示
している。
【００３６】図７は、レーザー光Ｌ３，Ｌ４が試料面に
入射する投影光学系と縮小光学系の第２の実施の形態を
示す図であり、この例では、投影光学系は集光レンズＥ
Ｌ６，ＥＬ７，ＥＬ８，ＥＬ９、ミラーＭ３，Ｍ４から
構成され、縮小光学系は集光レンズＥＬ９、ミラーＭ４
により構成される。
入射する投影光学系と縮小光学系の第２の実施の形態を
示す図であり、この例では、投影光学系は集光レンズＥ
Ｌ６，ＥＬ７，ＥＬ８，ＥＬ９、ミラーＭ３，Ｍ４から
構成され、縮小光学系は集光レンズＥＬ９、ミラーＭ４
により構成される。
【００３７】図８は、前記図７で示した２つのビームス
ポット１７，１８の構成の投影光学系と縮小光学系を図
１１のパタンに適用した例を示す。密集しているパタン
に対して十分大きいビームスポット１７を形成すること
により、ビームスポット１７の微小変位に対しては位相
は平均化された値からほとんど変動せず、基準のビーム
スポットとして設定できる。
ポット１７，１８の構成の投影光学系と縮小光学系を図
１１のパタンに適用した例を示す。密集しているパタン
に対して十分大きいビームスポット１７を形成すること
により、ビームスポット１７の微小変位に対しては位相
は平均化された値からほとんど変動せず、基準のビーム
スポットとして設定できる。
【００３８】したがって、２つのビームスポット１７，
１８を密集しているパタンに対して相対的に移動させ
て、ビームスポット１８が試料面の凸凹によって変化す
る位相を、ビームスポット１７の位相を基準として２つ
のビームスポット１７，１８について位相差を検出する
ことにより取り出せる。即ち、この位相差が試料面の凸
凹になる。さらに図８に示すようにビームスキャンを行
って位相変動のほとんどないビームスポット１７の位相
を基準に、ビームスポット１８との位相差をｘｙの２次
元マップで検出することにより、ｚ方向を試料面の凸凹
の値として試料面の３次元の凸凹状態（表面形状）を測
定できる。
１８を密集しているパタンに対して相対的に移動させ
て、ビームスポット１８が試料面の凸凹によって変化す
る位相を、ビームスポット１７の位相を基準として２つ
のビームスポット１７，１８について位相差を検出する
ことにより取り出せる。即ち、この位相差が試料面の凸
凹になる。さらに図８に示すようにビームスキャンを行
って位相変動のほとんどないビームスポット１７の位相
を基準に、ビームスポット１８との位相差をｘｙの２次
元マップで検出することにより、ｚ方向を試料面の凸凹
の値として試料面の３次元の凸凹状態（表面形状）を測
定できる。
【００３９】なお、図１の第１の実施の形態及び図３の
第２の実施の形態において、光学系全体を同一基板から
なる光学ステージ上に配置し、光学ステージを任意のｘ
ｙ方向に移動させることにより、マスク、及びウエハの
任意の位置での段差、或いはギャップの測定が可能であ
る。また、図１の第１の実施の形態において、ウエハス
テージ２０を任意のｘｙ方向に移動させて任意の位置で
のウエハ面の段差を測定できることは言うまでもない。
第２の実施の形態において、光学系全体を同一基板から
なる光学ステージ上に配置し、光学ステージを任意のｘ
ｙ方向に移動させることにより、マスク、及びウエハの
任意の位置での段差、或いはギャップの測定が可能であ
る。また、図１の第１の実施の形態において、ウエハス
テージ２０を任意のｘｙ方向に移動させて任意の位置で
のウエハ面の段差を測定できることは言うまでもない。
【００４０】また、図１の第１の実施の形態及び図３の
第２の実施の形態において、２つの音響素子を用いて周
波数シフトさせる方法を示したが、何れか一方を用いて
片側のレーザー光のみを周波数シフトさせても同様の効
果を奏する。また、図１の第１の実施の形態及び図３の
第２の実施の形態において、試料面に入射するレーザー
ビームＬ３，Ｌ４の何れか一方について、試料面に入射
させないで無偏光ビームスプリッター１３とウエハ１９
との間の光路系に反射ミラーを設けてレーザービームを
反射させて干渉させるようにし、基準のレーザービーム
として試料面に１つのレーザービームを入射させる方法
を用いても同様の効果を奏する。
第２の実施の形態において、２つの音響素子を用いて周
波数シフトさせる方法を示したが、何れか一方を用いて
片側のレーザー光のみを周波数シフトさせても同様の効
果を奏する。また、図１の第１の実施の形態及び図３の
第２の実施の形態において、試料面に入射するレーザー
ビームＬ３，Ｌ４の何れか一方について、試料面に入射
させないで無偏光ビームスプリッター１３とウエハ１９
との間の光路系に反射ミラーを設けてレーザービームを
反射させて干渉させるようにし、基準のレーザービーム
として試料面に１つのレーザービームを入射させる方法
を用いても同様の効果を奏する。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ウ
エハ表面の段差形状、表面の面荒さ，面形状などの表面
状や、マスク・ウエハ間のギャップを非接触で直接計測
でき、しかも測定面上のパタン形状やビームスポット位
置の制約を受けることなく、高精度の表面形状の測定が
可能になるという効果が得られる。
エハ表面の段差形状、表面の面荒さ，面形状などの表面
状や、マスク・ウエハ間のギャップを非接触で直接計測
でき、しかも測定面上のパタン形状やビームスポット位
置の制約を受けることなく、高精度の表面形状の測定が
可能になるという効果が得られる。
【図１】 本発明に係る表面形状測定器の第１の実施の
形態を示すブロック図である。
形態を示すブロック図である。
【図２】 表面形状測定器の前記第１の実施の形態であ
る段差測定装置の段差部を拡大して示した図である。
る段差測定装置の段差部を拡大して示した図である。
【図３】 本発明に係る表面形状測定器の第２の実施の
形態を示すブロック図である。
形態を示すブロック図である。
【図４】 表面形状測定器の前記第２の実施の形態であ
るギャップ測定装置のギャップ部を拡大して示した図で
ある。
るギャップ測定装置のギャップ部を拡大して示した図で
ある。
【図５】 表面形状測定器を構成する投影光学系と縮小
光学系の概略構成を示す図である。
光学系の概略構成を示す図である。
【図６】 前記投影光学系と縮小光学系の第１の実施の
形態を示す図であり、投影光学系のビームスポット内に
縮小光学系のビームスポットが含まれる場合の図であ
る。
形態を示す図であり、投影光学系のビームスポット内に
縮小光学系のビームスポットが含まれる場合の図であ
る。
【図７】 前記投影光学系と縮小光学系の第２の実施の
形態を示す図であり、投影光学系のビームスポット内に
縮小光学系のビームスポットが含まれる場合の図であ
る。
形態を示す図であり、投影光学系のビームスポット内に
縮小光学系のビームスポットが含まれる場合の図であ
る。
【図８】 表面形状測定器をビームスポット間隔に近い
パタンが繰り返し配置されている被測定物に適用した例
を示す図である。
パタンが繰り返し配置されている被測定物に適用した例
を示す図である。
【図９】 従来の表面形状測定器の概略の構成を示す図
である。
である。
【図１０】 従来の表面形状測定器のパタン段差部を拡
大して示した図である。
大して示した図である。
【図１１】 従来の表面形状測定器をビームスポット間
隔に近いパタンが繰り返し配置されている被測定物に適
用した例を示す図である。
隔に近いパタンが繰り返し配置されている被測定物に適
用した例を示す図である。
１，２…レーザー光源、３…１／２波長板、４，７，１
２，１４，Ｍ１〜Ｍ４…ミラー、５，２１…偏光ビーム
スプリッター、６，１３…無偏光ビームスプリッター、
８，９…音響光学素子、１０，１１…平行プリズム、Ｌ
１〜Ｌ４…レーザービーム、１５，１６…縮小光学系、
１７，１８…ウエハ面ビームスポット、１９…ウエハ，
２０…ウエハステージ、２２，２３…２分割ディテク
タ、２４…ビート信号処理制御部、ＥＬ１〜ＥＬ９…集
光レンズ、３５…Ｘ線マスク、３６…メンブレン部、３
７…メンブレン窓、３８…Ｘ線吸収体からなるマスクパ
タン。
２，１４，Ｍ１〜Ｍ４…ミラー、５，２１…偏光ビーム
スプリッター、６，１３…無偏光ビームスプリッター、
８，９…音響光学素子、１０，１１…平行プリズム、Ｌ
１〜Ｌ４…レーザービーム、１５，１６…縮小光学系、
１７，１８…ウエハ面ビームスポット、１９…ウエハ，
２０…ウエハステージ、２２，２３…２分割ディテク
タ、２４…ビート信号処理制御部、ＥＬ１〜ＥＬ９…集
光レンズ、３５…Ｘ線マスク、３６…メンブレン部、３
７…メンブレン窓、３８…Ｘ線吸収体からなるマスクパ
タン。
Claims (11)
- 【請求項１】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光を発生して、この２周波光を第１及び第２の周波
光の２つに分割し、第１及び第２の周波光の何れか一方
の周波光の周波数をシフトさせ、前記第１の周波光を２
つに分割して第３及び第４の周波光を生成し、前記第２
の周波光を２つに分割して第５及び第６の周波光を生成
し、前記第５及び第６の周波光の何れか一方を集光レン
ズを含む光学素子による集光ビームとして被測定物体上
に入射させ、かつ前記第５及び第６の周波光の何れか他
方を前記被測定物体上に入射させる一方、前記第３及び
第４の周波光と前記被測定物体によって反射された第５
及び第６の周波光をそれぞれ合成し、前記第３及び第５
の各周波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉
光を偏光面の異なる第１及び第３の光ヘテロダイン干渉
光に分離し、第１及び第３のビート信号を求めるととも
に、前記第４及び第６の各周波光の合成によって得られ
た光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第２及び第４
の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２及び第４のビー
ト信号を求め、第１のビート信号と第２のビート信号の
位相差及び第３のビート信号と第４のビート信号の位相
差に基づいて前記被測定物体の表面形状を算出すること
を特徴とする表面形状測定方法。 - 【請求項２】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光のうち一方の偏光面の１周波光を発生して、発生
したこの１周波光を第１及び第２の周波光の２つに分割
し、第１及び第２の周波光の何れか一方の周波光の周波
数をシフトさせ、かつ前記第１の周波光を２つに分割し
て第３及び第４の周波光を生成するとともに、前記第２
の周波光を２つに分割して第５及び第６の周波光を生成
し、前記第５及び第６の周波光の何れか一方を集光レン
ズを含む光学素子による集光ビームとして被測定物体上
に入射させ、かつ前記第５及び第６の周波光の何れか他
方を前記被測定物体上に入射させる一方、前記第３及び
第４の周波光と前記被測定物体によって反射された第５
及び第６の周波光をそれぞれ合成し、前記第３及び第５
の各周波光の合成によって得られた第１の光ヘテロダイ
ン干渉光を第１のビート信号として検出するとともに、
前記第４及び第６の各周波光の合成によって得られた第
２の光ヘテロダイン干渉光を第２のビート信号として検
出し、第１及び第２のビート信号の位相差に基づいて前
記被測定物体の表面形状を算出することを特徴とする表
面形状測定方法。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２において、 前記第５及び第６の周波光の何れか一方の集光ビームの
被測定物体上でのスポット領域は、前記第５及び第６の
周波光の何れか他方のビームの前記被測定物体上のスポ
ット領域内に含まれることを特徴とする表面形状測定方
法。 - 【請求項４】 請求項１または請求項２において、 前記第１及び第２の周波光をそれぞれ異なる周波数で周
波数シフトさせることを特徴とする表面形状測定方法。 - 【請求項５】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光を発生する周波光発生手段と、周波光発生手段が
発生した２周波光を第１及び第２の周波光の２つに分割
する第１の周波光分割手段と、第１及び第２の周波光の
何れか一方の周波光の周波数をシフトさせる周波数シフ
ト手段と、被測定物体を載せるためのステージと、前記
第１の周波光を第３及び第４の２つの周波光に分割する
第２の周波光分割手段と、前記第２の周波光を第５及び
第６の２つの周波光に分割する第３の周波光分割手段
と、前記第５及び第６の周波光の何れか一方を集光レン
ズを含む光学素子により集光ビームとして生成しこの集
光ビームを第１のビームとして被測定物体上に入射させ
ると共に、前記第５及び第６の周波光の何れか他方を第
２のビームとして前記被測定物体上に入射させるビーム
入射手段と、前記第３及び第４の周波光と前記被測定物
体によって反射された第５及び第６の周波光をそれぞれ
合成する光合成手段と、前記第３及び第５の各周波光の
合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異
なる第１及び第３の光ヘテロダイン干渉光に分離する第
１の干渉光分離手段と、前記第４及び第６の各周波光の
合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異
なる第２及び第４の光ヘテロダイン干渉光に分離する第
２の干渉光分離手段と、第１及び第３の光ヘテロダイン
干渉光からそれぞれ独立に第１及び第３のビート信号を
検出すると共に、第２及び第４の光ヘテロダイン干渉光
からそれぞれ独立に第２及び第４のビート信号を検出す
る信号検出手段と、第１のビート信号と第２のビート信
号の位相差及び第３のビート信号と第４のビート信号の
位相差に基づいて前記被測定物体の表面形状を算出する
信号処理制御手段とを有することを特徴とする表面形状
測定器。 - 【請求項６】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光のうち一方の偏光面の１周波光を発生する周波光
発生手段と、前記周波光発生手段が発生した１周波光を
第１及び第２の周波光の２つに分割する第１の周波光分
割手段と、第１及び第２の周波光の何れか一方の周波光
の周波数をシフトさせる周波数シフト手段と、被測定物
体を載せるためのステージと、前記第１の周波光を第３
及び第４の周波光に分割する第２の周波光分割手段と、
前記第２の周波光を第５及び第６の周波光に分割する第
３の周波光分割手段と、前記第５及び第６の周波光の何
れか一方を集光レンズを含む光学素子により集光ビーム
として生成しこの集光ビームを第１のビームとして被測
定物体上に入射させると共に、前記第５及び第６の周波
光の何れか他方を第２のビームとして前記被測定物体上
に入射させるビーム入射手段と、前記第３及び第４の周
波光と前記被測定物体によって反射された第５及び第６
の周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、前記第３及
び第５の各周波光の合成により得られた第１の光ヘテロ
ダイン干渉光を第１のビート信号として検出するととも
に、前記第４及び第６の各周波光の合成により得られた
第２の光ヘテロダイン干渉光を第２のビート信号として
検出する信号検出手段と、第１及び第２のビート信号の
位相差に基づいて前記被測定物体の表面形状を算出する
信号処理制御手段とを有することを特徴とする表面形状
測定器。 - 【請求項７】 請求項５または請求項６において、 前記ビーム入射手段は、前記第１のビームの被測定物体
上でのビームスポット領域を示す第１の領域を、前記第
２のビームの前記被測定物体上でのビームスポット領域
を示す第２の領域内に含ませるようにしたことを特徴と
する表面形状測定器。 - 【請求項８】 請求項５または請求項６において、 前記ビーム入射手段は、前記第２のビームのビームスポ
ット領域を示す第２の領域を前記被測定物体の領域より
大きな領域として形成することを特徴とする表面形状測
定器。 - 【請求項９】 請求項５または請求項６において、 前記周波数シフト手段は、前記第１及び第２の各周波光
に対しそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさせること
を特徴とする表面形状測定器。 - 【請求項１０】 請求項５または請求項６において、 前記ステージは、前記被測定物体の表面に対して平行な
方向に移動可能なものであることを特徴とする表面形状
測定器。 - 【請求項１１】 請求項５または請求項６において、 前記周波光発生手段、周波数シフト手段、第１ないし第
３の周波光分割手段、ビーム入射手段、光合成手段、第
１及び第２の干渉光分離手段、及び信号検出手段は同一
の光学系ステージ上に配置され、この光学ステージは前
記被測定物体の表面に対して平行な方向に移動可能なも
のであることを特徴とする表面形状測定器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11110475A JP2000304518A (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 表面形状測定方法及び表面形状測定器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11110475A JP2000304518A (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 表面形状測定方法及び表面形状測定器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000304518A true JP2000304518A (ja) | 2000-11-02 |
Family
ID=14536665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11110475A Pending JP2000304518A (ja) | 1999-04-19 | 1999-04-19 | 表面形状測定方法及び表面形状測定器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000304518A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100443959C (zh) * | 2005-07-27 | 2008-12-17 | 三星电子株式会社 | 光学器件的检测装置及检测方法 |
| CN110514139A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-29 | 桂林电子科技大学 | 一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法 |
-
1999
- 1999-04-19 JP JP11110475A patent/JP2000304518A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100443959C (zh) * | 2005-07-27 | 2008-12-17 | 三星电子株式会社 | 光学器件的检测装置及检测方法 |
| CN110514139A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-29 | 桂林电子科技大学 | 一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040316 |