JP2002530644A - 非接触トポグラフ解析装置および解析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 トポグラフ解析装置は、平行な光のビームで鏡面Ｏを照明するための光源（１）および関連するレンズ（２）からなる。鏡面から反射される光は、可動式の台車（５）に搭載され、鏡面Ｏの画像が、表面から複数の異なる距離において記録されるようにするカメラ（４）によって集光される。その後、この装置を用いて生成されるマコフトポグラムが、位相抽出ソフトウエアを用いて解析され、物体の表面のプロファイルおよび物体の反射率を繰返し判定する。このようにして、マコフトポグラムを、半導体ウェーハのような反射表面の定量的な解析および定性的な解析のために用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、非接触トポグラフ解析装置および解析方法に関し、詳細には、物体
の鏡面の変動を定量的に測定できるようにするマコフトポグラム（Makyoh topog
rams）の生成に関する。具体的には、これに限定するものではないが、本発明は
、半導体ウエハ表面内の欠陥のような、大きな鏡面研磨された表面の反射率の変
動および高さの変動を同時に測定することに関連する。

【０００２】 現在の世代の超小型電子回路の場合、製造工程において、完全に平坦な大径の
半導体ウェーハを必要とする。これらのウェーハの研磨品質を正確に評価するこ
とができ、かつ定性的な合否判定情報を提供する品質管理および製造ラインモニ
タ用装置として、さらに、詳細かつ正確に定量的な情報を提供する故障解析装置
として用いることができる特性解析技術が明らかに必要とされている。

【０００３】 コリメートされた光のビームが概ね平坦に鏡面研磨された物体によって反射さ
れ、かつ反射されたビームの経路内に、その物体からある距離だけ離れてスクリ
ーンが配置されるとき、スクリーン上に物体の「鏡像」が形成されることが従来
から知られている。一様な反射率を有する完全に平坦な物体の場合、その「鏡像
」内の光の強度は、物体の周辺付近のエッジ回折効果に起因して、いくつかの小
さな変動が生じるが、概ね一様になるであろう。しかしながら、表面の高さに変
動のある物体の場合には、もはや「鏡像」の強度分布は一様にはならない。物体
の表面にわずかな高さの変動しかなかった場合でも、大きく増幅されて、その「
鏡像」内に暗い、あるいは明るい小部分または線としてはっきりと現れるであろ
う。このタイプの「鏡像」は、マコフトポグラムあるいは「マジックミラー鏡像
（magic mirror image）」と呼ばれる。マコフトポグラフィは、鏡面研磨された
表面を検査するための手段として、詳細には半導体ウェーハ表面の評価のための
品質管理手段として、長年用いられてきた。

【０００４】 図１では、従来のマコフトポグラフが概略的に示される。レーザ１あるいは狭
帯域バンドパスフィルタを備える光源ランプからの光は、拡散板、フライアイレ
ンズ、あるいは空間フィルタアセンブリ２を用いて均質化される。その後、コリ
メータレンズ３が、概ね平行な光ビームを形成し、そのビームは試験下の物体Ｏ
によって反射される。反射されたビームは、直接視認するためのスクリーン４か
、あるいは画像を記録するためのフィルムまたは電子カメラのいずれかを横切る
。物体−カメラ間の距離は固定されており、通常０．５ｍ〜２ｍの範囲内にある
。

【０００５】 ３枚の異なる鏡面研磨されたＩｎＰウェーハからの典型的なマコフトポグラム
が図２ａ〜図２ｃに示される。図２ａでは、画像コントラストは、以下に記載す
る主成分を含んでおり相当に複雑である。その成分は、ソーマークあるいはラッ
ピングマークに対応している可能性が高い概ね平行した曲線、成長した筋状の線
に対応する可能性が高い画像の中央に位置する同心円、研磨中にワックスの分散
が平坦でないことから生じる表面の隆起部に対応する可能性が高い細胞状の形状
を有する暗い線、それぞれ凸部および凹部に対応する可能性が高い暗い小部分お
よび明るい小部分である。図２ｂに示されるウェーハは、より良好な全体品質か
らなり、トポグラムにおいて明らかにされる特徴は、中央に位置する同心円およ
びランダムに位置する少数の明るい小部分だけである。最後に、図２ｃに示され
るウェーハは優れた品質からなり、いくつかのかすかな低コントラストの線およ
び小部分を示すだけである。これらの画像は、ウェーハ研磨品質の定性的な指標
を与えるが、図２ａにおいて明らかにされる隆起部の網状部の実際の高さや、図
２ｂの凹部の深さを抽出することはできない。これらの画像によって示されるよ
うに、従来のマコフトポグラムは、定性的な比較のための非常に強力な手段とな
ることができるが、定量的な情報を提供することはなく、画像コントラストの判
定は非常に複雑になってしまう。

【０００６】 米国特許第４，５４７，０７３号は、焦点が合っていない画像をスクリーン上
に投射するために、物体から反射された光を集光するための凸レンズを備える、
マコフトポグラムを生成するための装置を記載する。米国特許第４，５４７，０
７３号に記載される装置を用いると、凸レンズを用いない装置に比べて物体とス
クリーンとの間の距離は低減され、それにより、その装置は産業上で利用するの
に、より便利になる。表面の高さの変動が、如何に鏡像の強度の変化をもたらす
かに関して、幾何光学的な説明が与えられる。しかしながら実際には、その説明
は非常に概括的であり、表面の高さの変動を単に凹面／凸面鏡効果に同等である
と見なすことに基づいているにすぎない。この明細書は、マコフトポグラムの定
量的な解析が如何に達成されることなるかに関して、全く役に立たない。

【０００７】 上記のようなマコフトトポグラフィの主な欠点には、トポグラムの判定の曖昧
さ、すなわち、ある所与の表面高さプロファイルおよび一定の反射率を有する物
体、一定の表面高さおよび所与の不均一な反射率プロファイルを有する物体、あ
るいは高さ変動と不均一な反射率プロファイルの両方を有する物体から概ね同一
のマコフトポグラムが生じるようになることと、およびトポグラムを定量的に判
定することを欠如していることがある。

【０００８】 本発明は、従来のマコフトポグラフィについて上に記載した欠点を少なくとも
改善し、多くの場合には解決し、詳細には、本発明により生成されたマコフトポ
グラムを定量的に判定できるようにする、改善されたトポグラフ解析装置および
解析方法を提供しようとするものである。

【０００９】 本発明は、光のビームで物体の反射表面を照明するステップと、各画像が全て
の他の画像に対して所定の光学的変換を有するような、表面から反射された光に
よって生成される物体の表面の複数の画像を、記録装置を用いて記録するステッ
プと、反射された光によって生成された各画像内の光強度分布を測定するステッ
プと、初期の理論的表面の反射率および相対表面高さを予測し、記録された各画
像の光学的変換に対応する、理論的表面のために計算された光強度分布が、記録
された画像に収束するまで、理論的表面を繰返し調整することにより、その物体
の反射表面の反射率および相対表面高さの少なくとも一方を判定し、かつ出力す
るステップとを有する、反射物体の反射率および表面高さの変動を測定するため
のトポグラフ解析方法を提供する。

【００１０】 理論的表面は、反射される光によって生成される各画像の検出された画像強度
で、理論的表面に対して計算された画像強度を周期的に置き換えることにより調
整されることが好ましい。好ましい実施形態では、理論的表面の光の分布は、計
算された画像強度と検出された画像強度との間の差が所定の閾値より小さいとき
に収束しているものと見なされる。

【００１１】 本発明の一実施形態では、物体の反射表面からの異なる距離において、複数の
画像がそれぞれ記録される。記録装置は、複数の画像を順次記録するために、反
射した光の光軸に沿って種々の位置に移動することができる。別法では、反射さ
れた光は複数の部分に分割され、反射された光の各部分は、物体の反射表面から
各記録装置までの経路長が異なるような個別の記録装置に配向される場合がある
。さらに別の実施形態では、物体と記録装置との間の有効経路長が、物体と記録
装置との間に配置される任意の光学素子を調整することにより変更される場合が
ある。

【００１２】 さらに別の実施形態では、反射された光によって生成される画像は、複数の異
なる個別の波長で記録される。光の入射ビームを変更（たとえば、コリメート）
するために、さらに別の光学素子が設けられる場合がある。そのような別の光学
素子が設けられる場合、その素子は、それぞれ異なる光学的変換を有する複数の
画像が生成されるように調整することができる。

【００１３】 第２の態様では、本発明は、物体の反射表面に光のビームを配向するための光
学系と、その表面から反射された光によって生成される物体の表面の第１の画像
を記録するための第１の記録装置と、物体の表面の１つあるいは複数のさらに別
の画像を記録し、それにより、各画像が全ての他の画像に対して所定の光学的変
換を有するような複数の画像を生成するための少なくとも１つのさらに別の記録
装置と、複数の画像それぞれの光強度分布を測定し、記録された各画像の光学的
変換に対応する、理論的表面に対して計算された光強度分布が、記録された画像
に収束するまで、所定の初期反射率および表面高さを有する理論的表面を繰返し
調整することにより、物体の反射表面の反射率および相対表面高さのうちの少な
くとも一方を判定し、かつ出力するための解析装置とを備える、反射物体の反射
率および表面高さの変動を測定するためのトポグラフ解析装置を提供する。

【００１４】 理想的には、解析装置はさらに、理論的表面の計算された画像強度と記録され
た画像強度との間の差をモニタし、その差が所定の値より小さくなるときに、理
論的表面が反射物体の表面に概ね対応するものと判定するための閾値判定装置を
備える。

【００１５】 光源には、レーザ等のような１つあるいは複数の狭帯域幅の光源を用いること
ができる。また、第１の記録装置および１つあるいは複数のさらに別の記録装置
には、電子カメラを用いることができる。

【００１６】 一実施形態では、第１の記録装置および１つあるい複数の別の記録装置は、物
体の反射表面からの種々の距離にカメラを配置するための可動式の支持体に搭載
された１台のカメラである。

【００１７】 さらに別の実施形態では、第１の記録装置および１つあるい複数の別の検出装
置は固有の波長に反応する装置であり、各装置は、異なる個別の波長を検出する
。

【００１８】 さらに別の態様では、本発明は、反射物体の反射率および表面高さの変動を判
定するための、データ担体上に配置される位相抽出ソフトウエアを提供し、その
ソフトウエアは、各画像が全ての他の画像に対して所定の光学的変換を有するよ
うな、反射物体の複数の画像の測定された光強度分布を格納するステップと、初
期の理論的表面の反射率および相対表面高さを予測し、かつ理論的表面のための
光強度分布を計算するステップと、格納された画像の光学的変換に対応する、調
整された理論的表面に対して計算された光強度分布が、格納された光強度分布に
収束するまで、理論的表面を繰返し調整するステップとを実行するようにプログ
ラミングされる。

【００１９】 本発明を用いる場合、同じ物体からの２つ以上のマコフトポグラムを記録する
ための光学装置が設けられる。そのトポグラムは、種々のトポグラムを生成する
光強度分布が、物体から記録装置に移動する際に、明確な種々の光学的変換（た
とえば、位相分散）にかけられるように生成される。その後、１組のそのような
トポグラムの定量的な判定は、反復数値アルゴリズムを用いて解決することがで
きる位相回収の問題になる。本発明を用いる場合、反復フーリエ変換技術が用い
られ、可能な場合には、物体の反射率および表面高さ（位相）分布のための固有
の解を得るために使用される。

【００２０】 ここで、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態が例示のために記載さ
れるであろう。

【００２１】 上記のように、従来のマコフトポグラフおよび幾何光学に関するその説明は、
表面高さの変動の定量的な指標を全く与えることができない。水平方向位置の関
数として強度の厳密な値を判定するために、回折効果が考慮されなければならな
い。近軸近似で、コヒーレントな場合には（それは、本明細書で検討される光学
系の場合の有効な近似である）、以下のように簡略化して取り扱うことができる
。光ビームが鏡によって反射され、軸位置が光ビームの直ぐ隣に位置する場合、
その複素振幅分布ａ_m（ｘ，ｙ）は、鏡の反射率ｒ（ｘ，ｙ）および鏡の表面高
さｈ（ｘ，ｙ）に演算子Ｐを適用すること、すなわちａ_m（ｘ，ｙ）＝Ｐ｛ｒ（
ｘ，ｙ），ｈ（ｘ，ｙ）｝により計算することができる。この表記において、演
算子Ｐは、鏡に入射する波長λおよび波面ａ₀（ｘ，ｙ）の関数である。ａ₀が大
きさＵ₀および波長λを有する一定の平面波であり、鏡面が滑らかである場合に
は、ａ_m＝Ｐ｛ｒ，ｈ｝は以下のような簡単な形をとる。

【００２２】

【数１】

【００２３】 ここで、垂直でない入射角によって引き起こされる波面の傾斜は無視される。し
かしながら、これは、その取扱いの一般性に影響を与えない。その後、カメラに
おける複素振幅分布ａ_i（ｘ_i，ｙ_i）は、ａ_mに自由空間位相分散演算子を適用す
ることにより計算することができる。フーリエ領域では、これは、Ｆ｛ａ_i｝＝
ＨＦ｛ａ_m｝の形をとる。ここで検討されている幾何光学の場合、Ｈは因子

【００２４】

【数２】

【００２５】 による乗算である。ただし、ｚは鏡面研磨された表面とカメラとの間の距離であ
り、ｆ_xおよびｆ_yはフーリエ空間座標であり、ａ_iは以下の式で与えられる。

【００２６】

【数３】

【００２７】 その後、画像強度Ｉ_iは、ａ_iの絶対値の二乗、すなわちＩ_i＝｜ａ_i｜²をとるこ
とにより計算することができる。

【００２８】 上記の式の有効性の証拠として、試験鏡面物体（図３ａおよび図３ｂ）は、ｒ
＝１．０の一定の反射率（図３ａ）と、深さ１／１００、１／５０、１／２０お
よび１／１０λの４つの凹部（図３ｂにおいて、それぞれＡ、Ｂ、ＣおよびＤを
付される）を有する平坦な表面を有するものと仮定した。その位相は物体の表面
高さに反比例するので、凹部Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは図３ｂの明るい小部分として
示される。上記の解析を用いるときに、２つのマコフ画像が、ｚ＝１ｍ（図４ａ
）およびｚ＝２ｍ（図４ｂ）の物体−スクリーン間距離の場合の試験物体に対し
て計算された。計算された画像と、従来のトポグラフを用いて生成される実際の
マコフトポグラムとの間の類似性は顕著であり、マコフトポグラムの定量的な測
定に対するこのアプローチの有効性を裏付けている。

【００２９】 照明がコヒーレントでなかった場合には、上記の結果は有効ではないであろう
が、必要に応じて、同様の取扱いを容易に開発し、適用することができたであろ
う。

【００３０】 マコフトポグラフィを定量的にするために、関数ｒ（ｘ、ｙ）およびｈ（ｘ、
ｙ）は、測定されたＩ_i（ｘ_i，ｙ_i）から再生される必要があるであろう。マコ
フ画像の位相が利用できたなら、式（１）によって表されるプロセスは反転され
、物体反射率および位相（高さ）が再生されることができたであろう。しかしな
がら、強度しか測定できないため、位相情報は失われる。１つのマコフトポグラ
ムに基づくと、式（１）は反転できず、ｒ（ｘ、ｙ）およびｈ（ｘ、ｙ）に対す
る固有の定量的な解を得ることはできない。

【００３１】 上記のように、この問題は、強度測定からｒ（ｘ、ｙ）およびｈ（ｘ、ｙ）を
判定しようとするときに生じる位相回収の問題である。トポグラフ解析方法およ
び装置、ならびに以下に記載する関連する位相抽出ソフトウエアを用いると、反
射された光によって生成される少なくとも２つの個別の画像が記録され、その画
像の光強度分布が測定される。所定の反射率および表面高さプロファイルを有す
る理論的表面が仮定され、以下に記載されるアルゴリズムを用いる位相回収ソフ
トウエアを使用して、繰返し調整されて、理論的表面の計算された画像強度が、
同じパラメータ下で、記録された画像強度に収束するようにする。一旦、計算さ
れた画像強度と記録された画像強度との間の差が、所定の閾値より小さくなる場
合には、理論的表面は、検討中の実際の表面の正確な表現であると見なされる。
そのような繰返しのアプローチが実際に如何に実施されるかに関する説明が以下
に記載される。

【００３２】 複素画像振幅に対する式（１）は、以下の一般形式で与えることができる。

【００３３】

【数４】

【００３４】 ただし、Ｐは照明複素振幅ａ₀および波長λの関数であり、Ｈは物体とカメラと
の間の距離ｚおよび波長λの関数である。式（２）の反転したものをａ_iに適用
すると、ｒおよびｈは以下の式として見出すことができる。

【００３５】

【数５】

【００３６】 その表記は、複合演算子Ｃを以下のように定義することにより簡略化することが
できる。

【００３７】

【数６】

【００３８】 この表記を用いると、上記のアルゴリズムは、以下のようにマコフトポグラムか
らの位相情報の回収に適用することができる。

【００３９】 対応する複素振幅ａ_Aおよびａ_Bと、画像演算子Ｃ_AおよびＣ_Bとを有する２つの
異なるイメージング条件の組において、２つのマコフトポグラムＩ_AおよびＩ_Bが
記録される。一対の画像から位相情報を回収するために上記の方法を用いると、
繰返しの１回目は、ａ_Aに対して想定される任意の位相で実行される。

【００４０】

【数７】

【００４１】 その後、そのプロセスは、Ａ_iおよびＡ_pの変化が所与の予め設定された限度ある
いは閾値より小さくなるまで、以前の繰返しからの値を用いて繰り返される。

【００４２】

【数８】

【００４３】 一旦、十分に収束した場合には、物体の反射率および高さを、ａ_Aあるいはａ_Bの
いずれかから計算することができる。

【００４４】 付加的な光学素子（たとえばレンズ）に含まれる、照明あるいは画像形成光路
、または幾分変更した形状が用いられた場合には、ＣおよびＣ^-1の実際の形は異
なるであろう。しかしながら、ａ）２つの測定される画像Ｉ_AおよびＩ_Bが、アル
ゴリズムが収束するだけの十分な相互関係を備えており、ｂ）逆演算子Ｈ^-1が存
在し、さらにｃ）逆演算子Ｐ^-1が存在し、ｒおよびｈにおいて分離可能であった
場合には、上記の一般的な論理およびアルゴリズムは依然として適用可能であろ
う。

【００４５】 上記の位相回収ソフトウエアを試験するために、そのソフトウエアが図４ａお
よび図４ｂに示されるトポグラムに適用された。再構成の結果は、図５ａおよび
図５ｂに示される（これに対して、元の物体は図３ａおよび図３ｂに示される）
。図５ａは、一定の再構成された反射率を示し、図５ｂは、高さが異なる４つの
凹部の形で変動する再構成された位相（高さ）を示す。再構成された情報と元の
試験画像との間の一致が、図６ａ〜図６ｄに示されるグラフによってさらに示さ
れる。そのトレースしたグラフは、図３ａおよび図３ｂに示される試験物体の表
面内の凹部の中央を進むように選択された。グラフの実線は元の表面に対応し、
丸印は再構成された表面高さプロファイルのためのデータ点を表す。

【００４６】 したがって、物体の鏡面研磨された表面を定量的に測定できるようにするため
に、十分な相互関係を有する２つ以上の独立した物体の鏡像が必要とされる。演
算子対Ｃ_A／Ｃ_Bの対応する成分の対、すなわちＨ_A／Ｈ_BおよびＰ_A／Ｐ_Bの１つあ
るいは複数の対が十分に異なる場合には、この条件が満たされるであろう。さら
に、光学的構成の形状によって、上で参照した再構成アルゴリズムによって必要
される逆演算子が確実に存在するようにしなければならない。

【００４７】 上記の方法を用いて、鏡面研磨された物体の反射率および位相（表面高さ）の
変動の定量的な指標および定性的な指標を提供することができるトポグラフ解析
装置が図７に示される。また、この装置の機構の多くは、図１に示され従来のマ
コフトポグラフにも見られ、適当な場合には同じ参照番号が用いられる。

【００４８】 トポグラフ解析装置は、物体Ｏの鏡面研磨された表面を照明するための、狭帯
域バンドパスフィルタを有するレーザあるいは光源ランプのような光源１を備え
る。光源１からの光は、光を均質化し、平行な光のビームを生成する光学系を通
過する。光学系は便宜上、拡散板、フライアイレンズ、あるいは空間フィルタア
センブリ３と、コリメータレンズとからなる場合がある。平行な光のビームは、
物体の表面全体を照明するだけの十分に大きな断面を有することが好ましい。別
法では、物体の表面の一部のみが照明される場合があり、その場合には、物体の
異なる部分が順次照明され、物体の表面の完全な画像が、トポグラフ解析装置を
用いて生成される個々の鏡像から再構成できるようにする。

【００４９】 物体の表面から反射された光は、鏡像を解析できるように、カメラ４を横切る
。カメラには、フィルムカメラ、あるいは画像フレームを画素化する電子カメラ
を用いることができる。カメラ４は、ガイドレール（図示せず）と係合して移動
する滑車あるいは台車のような可動式の支持体５に搭載される。可動式支持体５
は、反射した光のビームと平行に移動し、カメラ４が物体から種々の距離ｚに位
置する２つ以上の異なる位置に移動できるように構成される。２つの以上の各位
置では、複数の鏡像から定量的な情報を抽出できるように、物体の表面の個別の
鏡像が生成される。連続して変更可能な位置の代わりに、可動式支持体５の複数
の位置が予め決定される場合もある。カメラ４は、反射率および表面高さの定量
的なデータの両方を抽出するための上記のアルゴリズムを実施する解析装置に接
続される。

【００５０】 図８に示されるように、可動式支持体５を有するカメラ４の代わりに、反射さ
れた光のビームの経路に挿入されるビームスプリッタ９とともに、複数の固定さ
れたカメラ７、８が用いられる場合もある。複数のカメラはそれぞれ、種々の固
定されたｚ値を与えるように配置される。この構成は、カメラによって複数の鏡
像を同時に記録し、その画像を解析装置６に供給することができる点で有利であ
る。さらに別の実施形態では、物体−スクリーン間の光路が、付加的な光学素子
、すなわちレンズを含む場合には、可動式支持体にその光学素子のうちの１つあ
るいは複数の光学素子を搭載することにより、Ｈについての類似の効果を達成す
ることができる。

【００５１】 上記の所与の各実施形態を用いる場合、Ｈがｚの関数であるので、各カメラ位
置に対して、種々のＨ_A、Ｈ_B、．．．演算子を得ることができる。演算子が十分
に異なっているものと仮定すると、再構成アルゴリズムを用いて、解析装置６が
、実質的に独立した複数の鏡像から位相情報を繰返し抽出することができる。

【００５２】 物体−カメラ間の距離ｚを変動させる代わりに、実質的に独立した複数の鏡像
を再生成するために、照明の複素振幅分布を変更することもできる。これは便宜
上、コリメータレンズ３が光軸に沿って種々の位置に移動できるように、可動式
支持体（図示せず）にコリメータレンズ３を搭載することにより概ね達成するこ
とができる。このようにして、種々のＰ_A、Ｐ_B、．．．演算子を得ることができ
る。

【００５３】 ＨおよびＰはいずれも照明波長λの関数であるので、２つ以上の波長で照明し
、かつその波長で独立して画像を記録する（たとえば、カラーカメラを用いて）
ための準備がなされる場合には、種々のＣ_A、Ｃ_B、．．．演算子を得ることがで
きる。このタイプのシステムのための一例が図９に示される。トポグラフ解析装
置は、上記の実施形態の場合のように、物体Ｏの表面に平行な光のビームを配向
するための空間フィルタ２およびコリメータレンズ３を備える。カメラ４は、物
体表面の鏡像を生成するために、反射された光の光軸内に配置される。カメラ４
は、幅広い範囲の波長で画像を記録することができる、従来のフィルムカメラか
デジタルカメラを用いることができる。いずれの場合でも、物体上に入射する光
のビームは固有の波長を有し、異なる各波長において、１つあるいは複数のさら
に別の鏡像が連続して生成される。入射する光のビームが確実に固有の波長を有
するようにするために、光源には調整可能な狭帯域レーザか、あるいは別法では
、装置の光軸に順次位置合わせされる、それぞれ異なる周波数で光を生成する複
数のレーザを用いることができる。

【００５４】 カラー仕様のカメラが用いられる場合には、物体は複数の個別の波長の光で照
明されることができ、再び、種々の波長で複数の連続した鏡像を得ることができ
る。当然、異なる波長の鏡像が同時に生成されるようにするために、図８に示さ
れるようなビームスプリッタを用いることもできる。

【００５５】 さらに、上記の構成の任意の組み合わせを用いることもできる。たとえば、図
７および図９の構成を組み合わせることにより、複数の画像を、種々の波長で、
かつ種々の位置で記録することができる。

【００５６】 図９の装置は、ＨおよびＰが変動する際に選択される。また、２つ以上の独立
した鏡像が生成される場合には、再構成アルゴリズムの確実性および収束速度を
著しく改善することができる。

【００５７】 図７に示される装置を用いて、サンプル半導体ウェーハの一連のマコフトポグ
ラムをとっており、その１つが図１０に示される。ｍを付された暗い領域は、ウ
ェーハを保持するための搭載用ウエッジが配置される場所を示す。そのサンプル
は、研磨された直径が５０ｍｍのＩｎＰウェーハであり、画像−物体間の距離が
６５６．６ｍｍにおいて図１０のトポグラムが記録された。より物体に近い位置
で、さらに別のトポグラムが記録された。画像コントラストは、ウェーハの中心
をなす同心円と、不規則な暗い小部分および明るい小部分と、その中央領域に明
るい小部分を有する暗い線からなる顕著な細胞状の網状体とからなる複合物であ
る。上記の位相抽出ソフトウエアが適用され、初期ランダム画像位相で開始した
（ｉ＝０）。約１００回だけ繰返した後（ｉ＝１００）、再構成された画像のた
めの変化率は著しく低減され、最終的に、再構成された画像の精細な細部におい
てもそれ以上の変化が観測されない３００回の繰返しの後、そのプロセスは停止
された。その後、再構成されたトポグラム位相の測定された強度から、物体反射
率および位相シフトが計算された。物体反射率はウェーハ全体の場合に１に近い
ことがわかったが、その物体は著しい位相シフトを導入することがわかった。位
相シフトを再構成すると、物体の高さプロファイルの再構成に結び付く。

【００５８】 本発明は、従来のマコフトポグラフより優れた多数の利点を提供する。まず、
記録されたトポグラムの判定が明確になり、高さの検出も含む定量的なデータを
提供する。また、物体反射率および高さの両方の測定値も提供される。さらに、
従来のマコフトポグラフィと比較すると、トポグラフ装置は簡単な構成であり、
広い範囲に応用することができる。当然、上記の装置とは個別に、位相抽出ソフ
トウエアを用いることもでき、その場合には、解析を行うのに適した反射物体の
マコフトポグラムが提供されることは明らかであろう。

【００５９】 トポグラフ装置を簡略化することは、既存の従来のシステムに改良を加えるの
に適している。たとえば、既存のマコフトポグラフに、異なる高さに位置するビ
ームスプリッタおよび第２のカメラを加えることができる。別法では、ビームス
プリッタおよび第２のカメラを鏡と組み合わせて用いて、反射した光の一部の光
路を長くすることができる。実際には、上記の全ての実施形態を、既存の従来の
装置で実施することができる。

【００６０】 本明細書において、ウェーハの鏡面研磨された表面を定量的に測定するために
、本発明を使用することを参照してきたが、本発明は、ほぼ完全な鏡面が必要と
される多くの種々の状況において用いることができることは理解されよう。たと
えば、本発明を用いて、通信において、あるいはレーザとともに用いられる鏡の
品質をモニタすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のマコフトポグラフの概略図である。

【図２】 ａは、鏡面研磨されたＩｎＰウェーハからの従来のマコフトポグ
ラムであり、ｂ及びｃは、鏡面研磨された異なるＩｎＰウェーハからの従来のマ
コフトポグラムである。

【図３】 ａは、反射率が一定である試験物体表面の図であり、ｂは、反射
率が一定であるが、４つの表面凹部があるために位相が変動する試験物体表面の
図である。

【図４】 ａは、物体−カメラ間の距離が１ｍの場合の図３ａおよび図３ｂ
の試験物体の場合に生成される計算されたマコフトポグラムであり、ｂは、物体
−カメラ間の距離が２ｍの場合の図３ａおよび図３ｂの試験物体の場合に生成さ
れる計算されたマコフトポグラムである。

【図５】 ａは、図４ａおよび図４ｂのトポグラムに基づいて再構成された
物体表面の反射率の図であり、ｂは、図４ａおよび図４ｂのトポグラムに基づい
て再構成された物体表面の位相の図である。

【図６】 ａ〜ｄは、各々再構成された凹部を通してトレースされた、図３
ａ、図３ｂ、図５ａ、図５ｂの表面から得られたグラフである。

【図７】 本発明によるトポグラフ解析装置の概略図である。

【図８】 本発明による別のトポグラフ解析装置の概略図である。

【図９】 本発明によるトポグラフ解析装置の第３の実施形態の概略図であ
る。

【図１０】 サンプルＩｎＰウェーハのマコフトポグラムである。

【図１１】 図１０のトポグラム上に収束する一連の再構成されたマコフト
ポグラムである。

【図１２】 図１０のウェーハの表面の計算された３次元の表面プロファイ
ルである。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年２月１３日（２００１．２．１３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA24 AA49 BB03 BB25 CC19 FF04 FF41 GG04 GG22 GG23 HH03 JJ03 JJ05 JJ26 LL07 LL10 LL22 LL46 LL49 2G051 AA51 BA10 BA20 BB07 CA04 CA07 CB01 CC11 EA12 EA17 EB01 EC04 4M106 AA01 BA05 CA38 DB04 DB21 DJ14 DJ21

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射物体の反射率あるいは表面高さの変動を測定するための
   トポグラフ解析方法であって、 光のビームで前記物体の反射表面を照明するステップと、 前記物体の前記表面から反射される光によって生成される前記表面の複数の画
   像を記録装置で記録するステップであって、前記画像はそれぞれ、全ての他の画
   像に対して所定の光学的変換を有する、該記録するステップと、 前記反射される光によって生成される前記画像それぞれにおいて光強度分布を
   測定するステップと、 前記物体の前記反射表面の反射率および相対表面高さのうちの少なくとも一方
   を判定し、かつ出力するステップとを有し、 前記判定し、かつ出力するステップは、初期の理論的表面の反射率および相対
   表面高さを予測し、前記記録された各画像の光学的変換に対応する、前記理論的
   表面に対して計算された光強度分布が、前記記録された画像に収束するまで、前
   記理論的表面を繰返し調整することを含むトポグラフ解析方法。
2. 【請求項２】 前記理論的表面は、前記理論的表面に対して計算された画像
   強度を、前記反射された光によって生成される前記画像のうちの１つの検出され
   た画像強度で置き換えることにより調整される請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記複数の画像の各画像の前記検出された画像強度は、前記
   理論的表面の前記計算された画像強度の代わりに順次用いられる請求項２に記載
   の方法。
4. 【請求項４】 前記理論的表面は、前記計算された画像強度と前記検出され
   た画像強度との間の差が所定の閾値より小さくなるときに、収束したものと見な
   される請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記複数の画像は、前記物体の前記反射表面からの異なる位
   置においてそれぞれ記録される請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記記録装置は、前記複数の画像を順次記録するために、前
   記反射された光の光軸に沿った種々の位置に移動する請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記反射された光を複数の部分に分割するステップと、前記
   反射された光の前記各部分を個別の記録装置に配向するステップとをさらに含み
   、前記物体の前記反射表面から前記各記録装置までの経路長は異なる請求項５に
   記載の方法。
8. 【請求項８】 前記反射された光の有効経路長は、前記物体と前記記録装置
   との間に配置される光学素子を調整することにより変更される請求項１ないし７
   のいずれか一項に記載の方法。
9. 【請求項９】 光のビームを変更するステップと、調整可能な光学系を用い
   て、前記変更された光のビームを前記物体の前記反射表面に配向するステップと
   をさらに含み、前記調整可能な光学系は各画像記録毎に変更される請求項１ない
   し４のいずれか一項に記載の方法。
10. 【請求項１０】 前記反射された光によって生成される前記画像は、複数の
    異なる個別の波長で記録される請求項１ないし９のいずれか一項に記載の方法。
11. 【請求項１１】 反射物体の反射率あるいは表面高さの変動を測定するため
    のトポグラフ解析装置であって、前記物体の反射表面に光のビームを配向するた
    めの光学系と、前記表面から反射される光によって生成される、前記物体の前記
    表面の第１の画像を記録するための第１の記録装置と、前記物体の前記表面の１
    つあるいは複数のさらに別の画像を記録し、それにより各画像が全ての他の画像
    に対して所定の光学的変換を有するような複数の画像を生成するための少なくと
    も１つのさらに別の記録装置と、前記複数の各画像の光強度分布を測定し、記録
    された前記各画像の前記光学的変換に対応する、理論的表面に対して計算された
    光強度分布が前記記録された画像に収束するまで、所定の初期反射率と表面高さ
    とを有する前記理論的表面を繰返し調整することにより、前記物体の前記反射表
    面の前記反射率および前記相対表面高さのうちの少なくとも一方を判定し、かつ
    出力するための解析装置とを備えるトポグラフ解析装置。
12. 【請求項１２】 前記解析装置はさらに、前記理論的表面に対して計算され
    た画像強度と前記記録された画像強度との間の差をモニタし、前記差が所定の値
    より小さいときに、前記理論的表面が前記反射物体の前記表面に概ね対応するも
    のと判定するための閾値判定装置をさらに備える請求項１１に記載のトポグラフ
    解析装置。
13. 【請求項１３】 光源をさらに設けられる請求項１１あるいは１２に記載の
    トポグラフ解析装置。
14. 【請求項１４】 前記光源は狭帯域幅である請求項１３に記載のトポグラフ
    解析装置。
15. 【請求項１５】 前記第１の記録装置、および前記１つあるいは複数のさら
    に別の記録装置は電子カメラである請求項１１ないし１４のいずれか一項に記載
    のトポグラフ解析装置。
16. 【請求項１６】 前記反射された光を複数の部分に分割し、かつ前記各部分
    を異なる検出装置に配向するための１つあるいは複数のビームスプリッタをさら
    に備える請求項１１ないし１５のいずれか一項に記載のトポグラフ解析装置。
17. 【請求項１７】 前記第１の記録装置、および前記１つあるいは複数のさら
    に別の記録装置は、前記物体の前記反射表面から種々の距離にカメラを配置する
    ための可動式支持体に搭載される１台のカメラである請求項１１ないし１５のい
    ずれか一項に記載のトポグラフ解析装置。
18. 【請求項１８】 前記物体と前記記録装置との間に１つあるいは複数の調整
    可能な光学素子が設けられ、前記光学素子は、前記反射された光の有効経路長を
    変更するように前記可動式支持体に搭載される請求項１１ないし１７のいずれか
    一項に記載のトポグラフ解析装置。
19. 【請求項１９】 前記第１の検出装置および１つあるいは複数のさらに別の
    検出装置は固有の波長に反応する装置であり、前記各装置は異なる個別の波長を
    検出できる請求項１１ないし１６のいずれか一項に記載のトポグラフ解析装置。
20. 【請求項２０】 複数の固有の波長を有する光源をさらに備える請求項１９
    に記載のトポグラフ解析装置。
21. 【請求項２１】 前記光源と前記物体との間に調整可能な光学系が設けられ
    、前記光学系の１つあるいは複数の素子が、照明する前記光のビームを変更する
    ように前記可動式支持体に搭載される請求項１１ないし２０のいずれか一項に記
    載のトポグラフ解析装置。
22. 【請求項２２】 反射物体の表面を定量的に測定できるようにするためにマ
    コフトポグラフを調整する方法であって、それぞれ全ての他のトポグラムに対し
    て異なる光学的変換を有する１つあるいは複数のさらに別のトポグラムが検出さ
    れるようにするための複数のイメージング手段を導入するステップと、反射され
    た光によって生成される前記各トポグラムの光強度分布を測定するステップと、
    初期の理論的表面の反射率および相対表面高さを予測し、前記各トポグラムの光
    学的変換に対応する、前記理論的表面のための理論的光強度分布が前記トポグラ
    ムに収束するまで、前記理論的表面を繰返し調整することにより、前記物体の前
    記反射表面の反射率および相対表面高さのうちの少なくとも一方を判定するステ
    ップとを有する方法。
23. 【請求項２３】 反射物体の反射率あるいは表面高さの変動を判定するため
    にデータ担体上に配置される位相抽出ソフトウエアであって、前記ソフトウエア
    は、 前記反射物体の複数の画像の測定された光強度分布を格納するステップであっ
    て、前記各画像は全ての他の画像に対して所定の光学的変換を有する、該格納す
    るステップと、 初期の理論的表面の反射率および相対表面高さを予測し、かつ前記理論的表面
    に対する光強度分布を計算するステップと、 前記格納された画像の光学的変換に対応する、前記調整された理論的表面に対
    して計算された光強度分布が、前記格納された光強度分布に収束するまで、前記
    理論的表面を繰返し調整するステップとを実行するためにプログラミングされる
    位相抽出ソフトウエア。