JP2002071326A - 表面形状測定方法及び表面形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウエハ表面、あるいは光学素子などの段差形
状、さらに表面の面荒さや面形状などの表面形状を非接
触、かつ被測定物の広範囲の領域について高速で測定で
き、しかも光の干渉を利用して直接測定するため、誤差
要因の発生がない、高精度の表面形状測定方法及び表面
形状測定器を提供する。 【解決手段】２つの２波長レーザー光からなり、その一
方のレーザー光を所望のビーム形状に調整して直接、測
定対象に入射させ、これによる測定対象からの反射光と
他方の２波長レーザー光とを光ヘテロダイン干渉させ、
この光ヘテロダイン干渉光に含まれる、測定対象上の照
射された領域の表面形状に対応する位相差情報から、該
表面形状を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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る物体の表面形状測定方法及び表面
形状測定器に係り、特に、半導体ＩＣやＬＳＩ製造プロ
セスにおけるウエハ表面の段差測定、Ｘ線露光において
マスクとウエハとの位置合わせをする場合のマスク・ウ
エハ間のギャップ測定、あるいはレンズ、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に
適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】物体の表面形状を測定する装置として
は、表面形状を原子レベルで測定する装置からμｍオー
ダーの段差を測定する装置まで、用途によって種種の測
定器がある。これらの測定器の中で、半導体ＩＣやＬＳ
Ｉ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との位置合
わせをする場合のマスク・ウエハ間のギャップ測定、あ
るいはレンズ、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】従来、物体の表面形状を測定する装置とし
て、図４に示すようなパタン加工されたウエハ面の段差
測定装置がある（特願平１１−１１０４７５号参照）。

【０００４】図４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、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４はレーザービー
ム、１５は投影光学系、１６は縮小光学系、１７、１８
はウエハ面ビームスポット、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、Ｉ１、Ｉ
２、Ｉ３、Ｉ４はビート信号、２４はビート信号処理制
御部である。

【０００５】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。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。

【０００６】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、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１３、
ミラー１４を介して、Ｌ３は投影光学系１５によりビー
ムを絞らないで、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２
０上に設置されたウエハ１９にビームスポット１７、１
８として入射する。このレーザー光は、ウエハ１９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。

【０００７】このとき、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１９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。

【０００８】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により検出してビート信号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２３により検出してビート
信号Ｉ３、Ｉ４としてビート信号処理制御部２４に送ら
れる。

【０００９】Ｌ２、Ｌ３の垂直偏光光は、波長がλ１
（周波数：ｆ１）のレーザー光の周波数が（ｆ１＋ｆ１
１）、（ｆ１＋ｆ２２）にシフトしたレーザー光であ
り、振幅強度をそれぞれＥ１、Ｅ２とすると、式
（１）、（２）のように表される。

【００１０】 Ｅ１(ｔ)＝Ａ１exp｛ｉ(２π(ｆ１＋ｆ１１)ｔ＋φ１)｝ …(１) Ｅ２(ｔ)＝Ａ２exp｛ｉ(２π(ｆ１＋ｆ２２)ｔ＋φ２)｝ …(２) ここで、Ａ１、Ａ２は振幅、φ１、φ２は初期位相であ
る。光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ１は、 Ｉ１(ｔ)＝｜Ｅ１(ｔ)＋Ｅ２(ｔ)｜^２ ＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２Ａ１Ａ２cos(２πｆ０ｔ＋△φ１２) …(３) で表され、ｆ０＝｜ｆ１１−ｆ２２｜、△φ１２＝φ１
−φ２である。

【００１１】同様に、Ｌ１、Ｌ４の垂直偏光光の光ヘテ
ロダイン干渉ビート信号Ｉ２は、 Ｉ２(ｔ)＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２Ａ１Ａ２cos(２πｆ０ｔ＋△φ１２＋２πＤ１ ／λ１) …(４) となり、Ｄ１は波長λ１のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。

【００１２】一方、Ｌ２、Ｌ３の水平偏光光は、波長が
λ２(周波数：ｆ２)のレーザー光の周波数が(ｆ２＋ｆ
１１)、(ｆ２＋ｆ２２)にシフトしたレーザー光であ
り、同様に振幅強度をそれぞれＥ３、Ｅ４とすると、式
(５)、(６)のように表される。

【００１３】 Ｅ３(ｔ)＝Ａ３exp｛ｉ(２π(ｆ２＋ｆ２２)ｔ＋φ３)｝ …(５) Ｅ４(ｔ)＝Ａ４exp｛ｉ(２π(ｆ２＋ｆ２２)ｔ＋φ４)｝ …(６) ここで、Ａ３、Ａ４は振幅、φ３、φ４は初期位相であ
る。同様に、光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ３は、 Ｉ３(ｔ)＝｜Ｅ３(ｔ)＋Ｅ４(ｔ)｜^２ ＝Ａ３^２＋Ａ４^２＋２Ａ３Ａ４cos(２πｆ０ｔ＋△φ３４) …(７) で表され、△φ３４＝φ３−φ４である。

【００１４】同様に、Ｌ１、Ｌ４の水平偏光光の光ヘテ
ロダイン干渉ビート信号Ｉ４は、 Ｉ４(ｔ)＝Ａ３^２＋Ａ４^２＋２Ａ３Ａ４cos(２πｆ０ｔ＋△φ３４＋２πＤ２ ／λ２) …(８) となり、Ｄ２は波長λ２のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。

【００１５】レーザー光Ｌ３、Ｌ４がウエハ１９面上の
平坦面に入射した場合は、光学系内で生じる光路長差は
一定値となり、ビート信号Ｉ１(ｔ)とＩ２(ｔ)の位相差
φ１０＝２πＤ１／λ１、Ｉ３(ｔ)とＩ４(ｔ)の位相差
φ２０＝２πＤ２／λ２は固定値となる。

【００１６】図５は、図４の投影光学系１５から出射し
たレーザービームＬ３のビームスポット１７が、ウエハ
１９面上の段差パタン近傍付近に、図４の縮小光学系１
６により絞られたレーザービームＬ４のビームスポット
１８がウエハ１９面上の段差パタンの下部に入射した場
合の段差パタン部の拡大図を示す。

【００１７】この場合、測定したいパタンＡの段差部に
対し、レファレンス(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。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１７内の段差状態の平均化された値とな
って検出されるため、ビームスポット１８が段差の上部
と下部に入射する場合に生じる光学系内の光路長差から
段差が検出できる。パタンの段差部の大きさを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。

【００１８】ビート信号は、前述の固定値φ１０、φ２
０を考慮して式(４)、(８)は、(９)、(１０)のように表
される。

【００１９】 Ｉ２(ｔ)＝Ａ１^２＋Ａ２^２＋２Ａ１Ａ２cos｛２πｆ０ｔ＋△φ１２＋φ１０ ＋２π(２Ｄ)／λ１｝ …(９) Ｉ４(ｔ)＝Ａ３^２＋Ａ４^２＋２Ａ３Ａ４cos｛２πｆ０ｔ＋△φ３４＋φ２０ ＋２π(２Ｄ)／λ２｝ …(１０) 図４の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。

【００２０】 Φ２１＝φ１０＋２π(２Ｄ)／λ１ …(１１) Φ４３＝φ２０＋２π(２Ｄ)／λ２ …(１２) 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１９面上の段差を求めることができ
る。

【００２１】 △Φ＝Φ４３−Φ２１ ＝(φ２０−φ１０)＋２π(２Ｄ)／λ２−２π(２Ｄ)／λ１ ＝(φ２０−φ１０)＋２π(２Ｄ)／｛(λ１・λ２)／(λ１−λ２)｝ …( １３) 式(１３)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−φ１０)｝
は、段差Ｄ＝(λ１・λ２)／｛２(λ１−λ２)｝を周期
として位相変化する。したがって、波長λ１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、λ１＝６９０
ｎｍ、λ２＝６７０ｎｍを選択すると、位相差信号｛△
Φ−(φ２０−φ１０)｝の周期は、約１１．６μｍ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。

【００２２】ここで、２Ｄの値がそれぞれのレーザー波
長λ１、λ２について、何波長分あるかを求める。それ
ぞれＮ１、Ｎ２波長分以上であるとすると、Ｎ１、Ｎ２
は、式(１３)から求めることができる。

【００２３】Ｎ１は、｛△Φ−(φ２０−φ１０)｝
｛(λ１・λ２)／(λ１−λ２)｝／(２π・λ１)の整数
部(小数点以下切り捨て)、Ｎ２は、｛△Φ−(φ２０−
φ１０)｝｛(λ１・λ２)／(λ１−λ２)｝／(２π・λ
２)の整数部(小数点以下切り捨て)となる。したがっ
て、２Ｄは、次のようにも表される。

【００２４】 ２Ｄ＝｛Ｎ１＋(Φ２１−φ１０)／２π｝λ１ …(１４) ２Ｄ＝｛Ｎ２＋(Φ４３−φ２０)／２π｝λ２ …(１５) 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、段差の検出分解能としては、λ
１／７２０、またはλ２／７２０が得られる。Ｎ１、Ｎ
２の値は、２波長による測定によって求められる値であ
る。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の段差測定器では、試料面上のパタン形状を測定
するためには、図５に示すようにビームスポット１８を
試料面上でスキャンし、それぞれの各点での位相差を検
出する必要があった。したがって、表面形状を細かく検
出するためにはスキャンの各点の間隔を小さくする必要
があり、検出時間が長くなるという課題を有していた。
広い領域での２次元、あるいは３次元の段差形状マップ
を出力するためには、さらに検出時間が長くなり、スキ
ャンをする機構系、あるいは光学系の安定性の問題も生
じ、高精度の測定ができないという課題もあった。

【００２６】本発明は、従来技術の以上の様な問題に鑑
み創案されたもので、ウエハ表面、あるいは光学素子な
どの段差形状、さらに表面の面荒さや面形状などの表面
形状を非接触、かつ被測定物の広範囲の領域について高
速で測定でき、しかも光の干渉を利用して直接測定する
ため、誤差要因の発生がない、高精度の表面形状測定方
法及び表面形状測定器を提供するものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の表面形状測定方法は、偏光面が互いに垂直
で、周波数が異なる２周波光を発生させ、前記２周波光
を第１の２周波光、第２の２周波光の２つに分割し、前
記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも一
方の周波数をシフトさせ、前記第１の２周波光を所望の
ビーム形状に調整して被測定物体上に入射させ、前記第
２の２周波光と、前記被測定物体によって反射された前
記第１の２周波光とをそれぞれ合成して、光ヘテロダイ
ン干渉光を得、前記光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の
異なる第１の光ヘテロダイン干渉光と第２の光ヘテロダ
イン干渉光に分離し、前記第１の光ヘテロダイン干渉光
から第１の位相差信号を検出し、前記第２の光ヘテロダ
イン干渉光から第２の位相差信号を検出し、前記第１の
位相差信号と前記第２の位相差信号に基づいて、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。

【００２８】また、本発明の表面形状測定方法は、偏光
面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を発生さ
せ、前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割し、前記第１の２周波光、前記第２の２周波
光の少なくとも一方の周波数をシフトさせ、前記第１の
２周波光を所望のビーム形状に調整して被測定物体上に
入射させ、前記第２の２周波光と、前記被測定物体によ
って反射された前記第１の２周波光とをそれぞれ合成し
て、光ヘテロダイン干渉光を得、前記光ヘテロダイン干
渉光を２つに分割して新たに光ヘテロダイン干渉光を取
り出し、新たに取り出した前記光ヘテロダイン干渉光か
らビート信号を検出し、前記ビート信号の位相を基にし
て、第１の位相差信号と第２の位相差信号を検出し、前
記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基づい
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。

【００２９】また、本発明の表面形状測定方法は、前記
第１の２周波光、前記第２の２周波光の両方についてそ
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。

【００３０】また、本発明の表面形状測定器は、偏光面
が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を発生させる
２周波光発生手段と、前記２周波光を第１の２周波光、
第２の２周波光の２つに分割する第１の２周波光分割手
段と、前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少な
くとも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、前記第１の
２周波光を所望のビーム形状に調整して前記被測定物体
上に入射させるビーム形状調整入射手段と、前記第２の
２周波光と前記被測定物体によって反射された前記第１
の２周波光とを合成する光合成手段と、前記合成により
得られた前記光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる
第１の光ヘテロダイン干渉光、第２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１の光
ヘテロダイン干渉光から第１の位相差信号を検出する第
１の位相差検出手段と、前記第２の光へテロダイン干渉
光から第２の位相差信号を検出する第２の位相差検出手
段と、前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に
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。

【００３１】また、本発明の表面形状測定器は、偏光面
が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を発生させる
２周波光発生手段と、前記２周波光を第１の２周波光、
第２の２周波光の２つに分割する第１の２周波光分割手
段と、前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少な
くとも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、前記第１の
２周波光を所望のビーム形状に調整して前記被測定物体
上に入射させるビーム形状調整入射手段と、前記第２の
２周波光と前記被測定物体によって反射された前記第１
の２周波光とを合成する光合成手段と、前記合成により
得られた前記光ヘテロダイン干渉光を２つに分割する第
２の２周波光分割手段と、分割して新たに得られた光ヘ
テロダイン干渉光からビート信号を検出するビート信号
検出手段と、前記第２の２周波光分割手段によって分割
されて得られた他の一方の光ヘテロダイン干渉光を、偏
光面の異なる第１の光ヘテロダイン干渉光、第２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、
前記ビート信号の位相を基に前記第１の光ヘテロダイン
干渉光から第１の位相差信号を検出する第１の位相差検
出手段と、前記ビート信号の位相を基に前記第２の光ヘ
テロダイン干渉光から第２の位相差信号を検出する第２
の位相差検出手段と、前記第１の位相差信号と前記第２
の位相差信号に基づいて、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。

【００３２】また、本発明の表面形状測定器は、前記第
１の２周波光、前記第２の２周波光の両方についてそれ
ぞれ異なる周波数で周波数シフトさせる周波数シフト手
段を有することを特徴とする。

【００３３】本発明では、２つの２波長レーザー光から
なり、その一方のレーザー光を所望のビーム形状に調整
して直接、測定対象に入射させる。これによる測定対象
からの反射光と他方の２波長レーザー光とを光ヘテロダ
イン干渉させる。この光ヘテロダイン干渉光に含まれ
る、測定対象上の照射された領域の表面形状に対応する
位相差情報から、該表面形状を算出する。本発明では、
測定対象からの反射光を一度に取り込むため、広い領域
を高速で検出でき、しかも測定対象領域を機構系、ある
いは光学系によりスキャンする必要はないので、安定性
の良い位相差信号が得られ、高精度の表面形状測定を実
現することが可能となる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明す
る図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、そ
の繰り返しの説明は省略する。

【００３５】実施の形態１ 図１は、本発明による表面形状測定器の実施の形態１、
すなわち、半導体ＩＣやＬＳＩ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測定装置の概略構成を示
す図である。

【００３６】図１において、１、２はレーザー光源、３
は１／２波長板、４、７、３０、３２はミラー、５、３
６は偏光ビームスプリッター、６、３１は無偏光ビーム
スプリッター、Ｌ５、Ｌ６はレーザービーム、８、９は
音響光学素子、３３−１、３７−１、３８−１はビーム
形状調整光学系、３３−２はビームスポット、３４はウ
エハ、３５はウエハステージ、３９、４０は光電検出
器、４１は位相差信号処理制御部である。

【００３７】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。音響光学素子８の駆動周波数をｆ１１
とすると、昔響光学素子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Ｌ５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Ｌ６となる。

【００３８】レーザービームＬ５はミラー３０を介して
無偏光ビームスプリッター３１に入射する。レーザービ
ームＬ６は、無偏光ビームスプリッター３１、ミラー３
２を介してビーム形状調整光学系３３−１によりビーム
の大きさを整えてウエハステージ３５上に設置されたウ
エハ３４にビームスポット３３−２として入射する。こ
のレーザー光は、ウエハ３４面で反射され、再度、ビー
ム形状調整光学系３３−１、ミラー３２を介して無偏光
ビームスプリッター３１に入射する。

【００３９】このとき、無偏光ビームスプリッター３１
により、周波数ｆ１１で周波数シフトされた２波長直交
偏光光であるレーザービームＬ５と、周波数ｆ２２で周
波数シフトされたウエハ３４側からの反射光であるレー
ザービームＬ６とは、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３６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。

【００４０】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、ビーム形状調整光学系３
７−１によりビーム形状を整えて結像状態で光電検出器
（例えばＣＣＤカメラ）３９に入射して電気信号（位相
差信号）に変換され、位相差信号処理制御部４１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、同様にビーム形状調整光
学系３８−１によりビーム形状を整えて結像状態で光電
検出器（例えばＣＣＤカメラ）４０に入射して電気信号
（位相差信号）に変換され、位相差信号処理制御部４１
に送られる。

【００４１】光電検出器３９、４０のおのおののエレメ
ントには周波数ｆ０（＝｜ｆ１１−ｆ２２｜）の正弦波
状（ビート信号）の光電流が流れる。各エレメントのビ
ート信号の位相は、試料面の凹凸に対応して変化する。
したがって、各エレメントから位相差を求めれば、試料
面の形状を検出できる。

【００４２】図２は本実施の形態の段差測定装置におい
て、位相差検出する信号処理の詳細図である。

【００４３】例えば、図１の位相差信号処理制御部４１
では、図２に示すように、基準ビート信号（周波数：ｆ
０）に対して１周期を４分割し、各時間間隔についての
エレメントから得られるビート信号の蓄積電流値Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄを検出し、基準ビート信号とビート信号との
位相差△φｉ（ｍ，ｎ）を、次式から求める方法があ
る。

【００４４】 △φｉ（ｍ，ｎ）＝Arctan｛（Ａ−Ｃ）／（Ｂ−Ｄ）｝ …（１６） これは、Ｗｙａｎｔによって提案されている“four buc
ket”法であり、図１の光電検出器３９、４０のｍ行、
ｎ列の各エレメントについて算出すれば、波長λ１、λ
２についての位相マップ情報△φ_λ１（ｍ，ｎ）、△φ
_λ２（ｍ，ｎ）が得られる。

【００４５】各エレメントの位相値については、式（１
３）を適用することにより段差値が求まり、全てのエレ
メントについて算出すれば２次元の段差情報が得られ
る。さらに、各エレメントの位相値について、Ｎ１、Ｎ
２を求め、式（１４）、（１５）を適用することにより
高分解能の２次元の段差情報が得られる。

【００４６】したがって、ビームを光学的にスキャンす
るとか、ステージ系をスキャンするとかの必要が無く、
安定で、しかも高速・高精度の２次元の表面形状の測定
が可能である。

【００４７】図１の実施の形態においては、周波数ｆ０
の基準ビート信号は、音響光学素子８、９を駆動する電
気信号の信号処理系で得られ、光電検出器３９、４０の
同期信号として用いられている例を示してあるが、光学
系から光ヘテロダイン干渉光を光電変換して得られたビ
ート信号を基準ビート信号としてもよい。

【００４８】すなわち、本実施の形態の表面形状測定方
法では、偏光面が互いに垂直で、周波数がλ１、λ２と
異なる２周波光を発生させ、前記２周波光を無偏光ビー
ムスプリッター６で第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割し、前記第１の２周波光、前記第２の２周波
光の両方（少なくとも一方でよい）の周波数を音響光学
素子８、９でシフトさせ、前記第１の２周波光Ｌ６をビ
ーム形状調整光学系３３−１、３７−１、３８−１で所
望のビーム形状に調整して被測定物体であるウエハ１９
上に入射させ、前記第２の２周波光と、前記被測定物体
によって反射された前記第１の２周波光とを無偏光ビー
ムスプリッター３１でそれぞれ合成して、光ヘテロダイ
ン干渉光を得、この光ヘテロダイン干渉光を、偏光ビー
ムスプリッター３６で偏光面の異なる第１の光ヘテロダ
イン干渉光と第２の光ヘテロダイン干渉光に分離し、光
電検出器３９で前記第１の光ヘテロダイン干渉光から第
１の位相差信号を検出し、光電検出器４０で前記第２の
光ヘテロダイン干渉光から第２の位相差信号を検出し、
前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基づい
て、位相差信号処理制御部４１で前記被測定物体の表面
形状を算出する。

【００４９】また、本実施の形態の表面形状測定器で
は、偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を
発生させる２周波光発生手段（レーザー光源１、２、１
／２波長板３、ミラー４、偏光ビームスプリッター５）
と、前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割する第１の２周波光分割手段（無偏光ビーム
スプリッター６）と、前記第１の２周波光、前記第２の
２周波光の少なくとも一方の周波数をシフトさせる周波
数シフト手段（音響光学素子８、９）と、被測定物体で
あるウエハ３４を載せるためのウエハステージ３５と、
前記第１の２周波光を、集光レンズなどの光学素子を用
いて所望のビーム形状に調整して前記被測定物体上に入
射させるビーム形状調整入射手段（ビーム形状調整光学
系３３−１、３７−１、３８−１）と、前記第２の２周
波光Ｌ５とウエハ３４によって反射された前記第１の２
周波光Ｌ６とを合成する光合成手段（無偏光ビームスプ
リッター３１）と、前記合成により得られた前記光ヘテ
ロダイン干渉光を、偏光面の異なる第１の光ヘテロダイ
ン干渉光、第２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（偏光ビームスプリッター３６）と、
前記第１の光ヘテロダイン干渉光から第１の位相差信号
を検出する第１の位相差検出手段（光電検出器３９）
と、前記第２の光へテロダイン干渉光から第２の位相差
信号を検出する第２の位相差検出手段（光電検出器４
０）と、前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号
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（位相差信号処理制御部４１）とを有す
る。

【００５０】本実施の形態では、２つの２波長レーザー
光からなり、その一方のレーザー光を所望のビーム形状
に調整して直接、測定対象に入射させる。これによる測
定対象からの反射光と他方の２波長レーザー光とを光ヘ
テロダイン干渉させる。この光ヘテロダイン干渉光に含
まれる、測定対象上の照射された領域の表面形状に対応
する位相差情報から、該表面形状を算出する。本実施の
形態では、測定対象からの反射光を一度に取り込むた
め、広い領域を高速で検出でき、しかも測定対象領域を
機構系、あるいは光学系によりスキャンする必要はない
ので、安定性の良い位相差信号が得られ、高精度の表面
形状測定を実現することが可能となる。

【００５１】実施の形態２ 図３は、本発明による表面形状測定器の実施の形態２の
概略構成を示す図である。

【００５２】図３において、４２は無偏光ビームスプリ
ッター、４３は偏光板、４４はホトディテクタである。

【００５３】すなわち、本実施の形態の表面形状測定方
法では、偏光面が互いに垂直で、周波数がλ１、λ２と
異なる２周波光を発生させ、前記２周波光を無偏光ビー
ムスプリッター６で第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割し、前記第１の２周波光、前記第２の２周波
光の両方（少なくとも一方でよい）の周波数を音響光学
素子８、９でシフトさせ、前記第１の２周波光Ｌ６をビ
ーム形状調整光学系３３−１、３７−１、３８−１で所
望のビーム形状に調整して被測定物体であるウエハ１９
上に入射させ、前記第２の２周波光と、前記被測定物体
によって反射された前記第１の２周波光とを無偏光ビー
ムスプリッター３１でそれぞれ合成して、光ヘテロダイ
ン干渉光を得、前記光ヘテロダイン干渉光を無偏光ビー
ムスプリッター４２で２つに分割して新たに光ヘテロダ
イン干渉光を取り出し、新たに取り出した前記光ヘテロ
ダイン干渉光からホトディテクタ４４でビート信号を検
出し、前記ビート信号の位相を基にして、光電検出器３
９、４０で第１の位相差信号と第２の位相差信号を検出
し、前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基
づいて、位相差信号処理制御部４１で前記被測定物体の
表面形状を算出する。

【００５４】また、本実施の形態の表面形状測定器で
は、偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２周波光を
発生させる２周波光発生手段（レーザー光源１、２、１
／２波長板３、ミラー４、偏光ビームスプリッター５）
と、前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の
２つに分割する第１の２周波光分割手段（無偏光ビーム
スプリッター６）と、前記第１の２周波光、前記第２の
２周波光の少なくとも一方の周波数をシフトさせる周波
数シフト手段（音響光学素子８、９）と、被測定物体で
あるウエハ３４を載せるためのウエハステージ３５と、
前記第１の２周波光を、集光レンズなどの光学素子を用
いて所望のビーム形状に調整して前記被測定物体上に入
射させるビーム形状調整入射手段（ビーム形状調整光学
系３３−１、３７−１、３８−１）と、前記第２の２周
波光Ｌ５とウエハ３４によって反射された前記第１の２
周波光Ｌ６とを合成する光合成手段（無偏光ビームスプ
リッター３１）と、前記合成により得られた前記光ヘテ
ロダイン干渉光を２つに分割する第２の２周波光分割手
段（無偏光ビームスプリッター４２）と、分割して新た
に得られた光ヘテロダイン干渉光からビート信号を検出
するビート信号検出手段（ホトディテクタ４４）と、前
記ビート信号の位相を基に前記第１の位相差信号と前記
第２の位相差信号を検出し、前記第１の位相差信号と前
記第２の位相差信号に基づいて、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（位相差信号処理制御
部４１）とを有する。

【００５５】無偏光ビームスプリッター３１により光ヘ
テロダイン干渉したレーザー光の一部を無偏光ビームス
プリッター４２により分割し、偏光板４３により水平偏
光光、あるいは垂直偏光光を取り出して、ホトディテク
タ４３でビート信号として検出する。このビート信号を
前記基準ビート信号として用い、光電検出器３９、４０
おのおののエレメントについての位相マップ情報△φ
_λ１（ｍ，ｎ）、△φ_{λ ２}（ｍ，ｎ）を算出しても同様
の効果が得られる。

【００５６】以上本発明を実施の形態に基づいて具体的
に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。例えば、前記実施の形
態１、２において、２つの音響光学素子を用いて周波数
シフトさせる方法を示したが、いずれか一つを用いて片
側のレーザー光のみを周波数シフトさせる方法を用いて
も同様の効果が得られる。

【００５７】

【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、表面の面荒さや面形状などの表
面形状を非接触で直接測定でき、しかも測定対象からの
反射光を一度に取り込むため、広い領域を高速で検出で
き、しかも測定対象領域を機構系、あるいは光学系によ
りスキャンする必要はないので、安定性の良い位相差信
号が得られ、高精度の表面形状測定ができるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の表面形状測定器の概略
構成図である。

【図２】実施の形態１の段差測定装置における位相差検
出の信号処理の詳細図である。

【図３】本発明の実施の形態２の表面形状測定器の概略
構成図である。

【図４】従来の段差測定器の概略構成図である。

【図５】従来の段差測定器における段差パタン部の拡大
図である。

【符号の説明】

１、２…レーザー光源、３…１／２波長板、４、７、３
０、３２…ミラー、５、３６…偏光ビームスプリッタ
ー、６、３１…無偏光ビームスプリッター、８、９…音
響光学素子、３３−１、３７−１、３８−１…ビーム形
状調整光学系、３３−２…ビームスポット、３４…ウエ
ハ、３５…ウエハステージ、３９、４０…光電検出器、
４１…位相差信号処理制御部、Ｌ５、Ｌ６…レーザービ
ーム、１０、１１…平行プリズム、１２、１４…ミラ
ー、１３…無偏光ビームスプリッター、１５…投影光学
系、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、２１…
偏光ビームスプリッター、２２、２３…２分割ディテク
タ、２４…ビート信号処理制御部、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、
Ｉ４…ビート信号、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４…レーザー
ビーム、４２…無偏光ビームスプリッター、４３…偏光
板、４４…ホトディテクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉原 秀雄 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株 式会社内 (72)発明者 三好 一功 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株 式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA25 AA50 AA52 AA53 BB02 BB17 BB18 CC18 CC19 CC20 CC22 DD06 FF04 FF49 FF52 GG04 GG23 HH04 HH09 HH13 JJ03 JJ05 JJ26 KK03 LL04 LL12 LL33 LL34 LL35 LL37 LL46 LL57 PP22 PP24 QQ00 QQ14 QQ26 UU01 UU02 UU05 UU07 5F046 CC16 DB05 GA02 GA14 GA18

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させ、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割し、 前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも
   一方の周波数をシフトさせ、 前記第１の２周波光を所望のビーム形状に調整して被測
   定物体上に入射させ、 前記第２の２周波光と、前記被測定物体によって反射さ
   れた前記第１の２周波光とをそれぞれ合成して、光ヘテ
   ロダイン干渉光を得、 前記光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる第１の光
   ヘテロダイン干渉光と第２の光ヘテロダイン干渉光に分
   離し、 前記第１の光ヘテロダイン干渉光から第１の位相差信号
   を検出し、前記第２の光ヘテロダイン干渉光から第２の
   位相差信号を検出し、 前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基づい
   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。
2. 【請求項２】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させ、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割し、 前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも
   一方の周波数をシフトさせ、 前記第１の２周波光を所望のビーム形状に調整して被測
   定物体上に入射させ、 前記第２の２周波光と、前記被測定物体によって反射さ
   れた前記第１の２周波光とをそれぞれ合成して、光ヘテ
   ロダイン干渉光を得、 前記光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して新たに光ヘ
   テロダイン干渉光を取り出し、 新たに取り出した前記光ヘテロダイン干渉光からビート
   信号を検出し、 前記ビート信号の位相を基にして、第１の位相差信号と
   第２の位相差信号を検出し、 前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基づい
   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。
3. 【請求項３】前記第１の２周波光、前記第２の２周波光
   の両方について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請求項１または２記載の表面形状
   測定方法。
4. 【請求項４】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させる２周波光発生手段と、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割する第１の２周波光分割手段と、 前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも
   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、 前記第１の２周波光を所望のビーム形状に調整して前記
   被測定物体上に入射させるビーム形状調整入射手段と、 前記第２の２周波光と前記被測定物体によって反射され
   た前記第１の２周波光とを合成する光合成手段と、 前記合成により得られた前記光ヘテロダイン干渉光を、
   偏光面の異なる第１の光ヘテロダイン干渉光、第２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１の光ヘテロダイン干渉光から第１の位相差信号
   を検出する第１の位相差検出手段と、 前記第２の光へテロダイン干渉光から第２の位相差信号
   を検出する第２の位相差検出手段と、 前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基づい
   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。
5. 【請求項５】偏光面が互いに垂直で、周波数が異なる２
   周波光を発生させる２周波光発生手段と、 前記２周波光を第１の２周波光、第２の２周波光の２つ
   に分割する第１の２周波光分割手段と、 前記第１の２周波光、前記第２の２周波光の少なくとも
   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、 前記第１の２周波光を所望のビーム形状に調整して前記
   被測定物体上に入射させるビーム形状調整入射手段と、 前記第２の２周波光と前記被測定物体によって反射され
   た前記第１の２周波光とを合成する光合成手段と、 前記合成により得られた前記光ヘテロダイン干渉光を２
   つに分割する第２の２周波光分割手段と、 分割して新たに得られた光ヘテロダイン干渉光からビー
   ト信号を検出するビート信号検出手段と、 前記第２の２周波光分割手段によって分割されて得られ
   た他の一方の光ヘテロダイン干渉光を、偏光面の異なる
   第１の光ヘテロダイン干渉光、第２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、 前記ビート信号の位相を基に前記第１の光ヘテロダイン
   干渉光から第１の位相差信号を検出する第１の位相差検
   出手段と、 前記ビート信号の位相を基に前記第２の光ヘテロダイン
   干渉光から第２の位相差信号を検出する第２の位相差検
   出手段と、 前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号に基づい
   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。
6. 【請求項６】前記第１の２周波光、前記第２の２周波光
   の両方についてそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさ
   せる周波数シフト手段を有することを特徴とする請求項
   ４または５記載の表面形状測定器。