JP2004340680A - Method for measuring surface profile and/or film thickness, and its apparatus - Google Patents

Method for measuring surface profile and/or film thickness, and its apparatus Download PDF

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英光 小川
Katsuichi Kitagawa
克一 北川
Susumu Sugiyama
将 杉山
Kenichi Shimoyama
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Rikogaku Shinkokai
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface profile and/or film thickness measuring method and its apparatus for precisely measuring the profile of the surface in a rugged state etc. of a measuring object or measuring object the surface of which is covered with a transparent film. <P>SOLUTION: By changing a distance of the measuring object surface, radiating white light from a white light source onto a reference surface and the measuring object surface or measuring object surface covered with a transparent film, an optical path difference between beams of reflected light by the measuring object surface and the reference surface is produced, and the intensity values of their interference light under these conditions are sampled at predetermined intervals. A physical model function is formed based on a group of the obtained intensity values. This function is adjusted to the group of the intensity values, and when they coincide approximately information on a peak position of the function is found. From the information on this found peak position, at least one out of the height of the surface of the transparent film at a specific spot, the height of the surface of the measuring object, and the thickness of the transparent film is found. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の表面または測定対象物の表面が透明膜で覆われた表面の凹凸形状および透明膜の厚みを測定する表面形状および／または膜厚測定方法およびその装置に係り、特に、白色光を用いて非接触で測定対象表面形状および／または膜厚を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の装置として、半導体ウエハや液晶表示器用ガラス基板などの精密加工品の凹凸形状を白色光の干渉を用いて測定する方法を利用した表面形状測定装置が広く知られている。
【０００３】
すなわち、白色光源からの白色光を測定対象物の測定対象面と参照面とに照射しながら、測定対象面の距離を変動させることにより測定対象面と参照面とを反射する反射光の光路差を生じさせて、このときの干渉光の強度値を所定間隔でサンプリングする。このサンプリングにより得られ強度値群に基づいて干渉縞波形ピークの特性値郡を求め、この特性値をローパスフィルタにより平滑化処理して求まる包絡線からそれぞれのピーク位置情報を求める。この求まったピーク位置情報から測定対象物の表面高さを求める。（特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
米国特許公報ＵＳＰ５，１３３，６０１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来例の場合には、測定対象物の表面高さなどを精度よく求めることができないといった問題がある。
【０００６】
すなわち、物体の表面が透明膜で覆われている場合、白色光は、透明膜の表面と、透明膜を透過して透明膜の裏面と接合している測定対象物の表面とで反射する２つの反射光が発生する。この反射光が重畳した状態で取得した複数枚の画像における所定画素の強度値を輝度波形で表すと、表面が透明膜で覆われていない物体を測定したときのように、単純な単峰性ピークとならず、透明膜の表面と測定対象物の表面に対応した２個のピークが発生する。
【０００７】
これら２個のピークは、透明膜の厚みよって、その現れ方が異なる。例えば、透明膜が薄い場合には、透明膜の表面と測定対象物の表面からの反射光の波形が略重畳した状態となり、それぞれのピークが波形上に重なった状態で現れる。このような場合には、従来の１個のピークの位置情報を求める方法では、２個のピークを分離することもできず、単純にローパスフィルタにより２個のピークを１個のピークとしてみなして平滑化処理をしてピーク位置情報を求めることとなる。したがって、測定対象物の正確な表面高さのピーク位置情報を得ることもできないし、透明膜の下にある測定対象物の表面高さのピーク位置情報をも正確に得ることができないといった問題がある。
【０００８】
また、透明膜が厚い場合には、２個のピークのそれぞれが個別に現れるものの、単純なローパスフィルタによる処理で、２個のピーク位置を単峰性のピークとしてとらえて処理するので、互いのピーク値情報が干渉しあって正確なピーク位置情報が得られないといった問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、表面が透明膜で覆われていない測定対象物の特定箇所の表面高さと、透明膜に覆われた測定対象物の特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象物の表面高さ、および透明膜の膜厚を精度よく求めることのできる表面形状および／または膜厚測定方法およびその装置を提供することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、白色光源からの白色光を測定対象面と参照面とに照射しながら、前記測定対象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉光の強度値に基づいて測定対象物面の特定箇所の表面高さを求める前記測定対象面の表面形状測定方法において、
前記特定周波数帯域の白色光が照射された前記測定対象面と参照面との距離を変動させる第１の過程と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させる過程で、測定対象面の画像を所定間隔で連続して取得する第２の過程と、
前記所定間隔で連続して取得した複数枚の画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める第３の過程と、
前記求めた強度値群から包絡線に相当する特性値群を取得する第４の過程と、
前記特性値群の変化を示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成する第５の過程と、
前記特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに物理モデルの関数を合せ込む第６の過程と、
前記特性値群の示す波形データを合せ込んだ物理モデルの関数から測定対象面と参照面に関連するピーク位置情報を求め、このピーク位置情報に基づいて、測定対対象面の特定箇所の表面高さを求める第７の過程と
を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
（作用・効果） 請求項１に記載の発明によれば、白色光源から発生した白色光を測定対象面と参照面とに照射する。測定対象面と参照面とでそれぞれ反射した白色光の光路差に応じて干渉した干渉縞が発生する。ここで、測定対象面と参照面との距離を変動させることにより、それぞれの光路差を変化させて干渉縞を変化させながら所定間隔で連続して複数枚の測定対象面の画像を取得し、画像ごとの各画素における干渉光の強度値群の変化を求める。この求めた強度値郡から包絡線に相当する特性値群を取得する。この特性値群の変化を示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成し、特性値群の示す波形データと作成した物理モデルの関数の所定の値とを比較し、求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに物理モデルの関数を合せ込んでゆく。この合せ込んだ物理モデルの関数から測定対象物と参照面に関するピーク位置情報を求め、このピーク位置情報に基づいて特定箇所の表面高さを求める。すなわち、干渉縞波形の高周波信号による雑音を除去した状態で物理モデル関数を強度値群の波形データに合せ込むことができるので、演算処理を短時間で行えるとともに、求まるピーク位置情報から測定対象面の表面高さを精度よく求めることができる。
【００１２】
請求項９に記載の測定対象面の表面が透明膜で覆われている場合には、請求項１に記載の発明と同様に第１１から第１７の過程が実施され、第１７の過程の演算処理において、求まるピーク位置情報に基づいて測定対象面の特定箇所の表面高さ、透明膜の表面高さ、および透明膜の膜厚の少なくともいずれかをもとめることができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の表面形状測定方法において、前記第４の過程における干渉光の特性値群は、前記強度値群に基づいて求める包絡線に近似する値であることを特徴とするものである。
【００１４】
（作用・効果）請求項２に記載の発明によれば、干渉光の強度値群が、強度値群に基づいて求める包絡線に近似する値である。つまり、包絡線は干渉縞波形を２乗したプラス側に強調した値に相当するものである。したがって、干渉縞波形に振幅成分を近似的に表したデータとなり、ピーク位置情報を得やすくなる。その結果、測定対象物の表面高さもより精度よく求めることができる。なお、請求項１０に記載の発明によれば、測定対象物の表面高さ、透明膜の表面高さ、および透明膜の膜厚を精度よく求めることができる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の表面形状測定方法において、前記第４の過程における干渉光の特性値群は、前記取得した複数枚の画像ごとの各画素における干渉光の強度値群の平均値を算出し、その平均値を各画像の所定画素の強度値から減算して算出した値を、さらに２乗した値であることを特徴とするものである。
【００１６】
（作用・効果）請求項３に記載の発明によれば、複数枚の画像における特定画素ごとの強度値群から強度値の平均値を算出する。その平均値を各強度値から減算した値を求め、さらに２乗することにより平均値からプラス側に強調した強度値を得ることができる。したがって、干渉縞波形に振幅成分を近似的に表したデータとなり、ピーク位置情報を得やすくなる。すなわち、請求項１に記載の方法を好適に実施することができる。
【００１７】
なお、請求項１１に記載の発明も、請求項３と同様の作用・効果を奏する。すなわち、請求項９に記載の方法を好適に実施することができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面形状測定方法において、前記第５の過程における物理モデルの関数は、特性値群の示す波形データに基づいて包絡線として求めた関数であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面形状測定方法において、前記第５の過程における物理モデルの関数は、特性値群の示す波形データをガウス分布関数とみなして求めた関数であることを特徴とする。
【００２０】
（作用・効果）特性値群の示す波形データに基づいて求めた包絡線の関数（請求項４）、または、特性値群の示す波形データをガウス分布関数とみなして求めた物理モデルの関数（請求項５）を特性値群の波形データに合せ込む。つまり、特性値群の波形データに物理モデルの関数が略一致する状態まで合せ込むことができる。したがって、合せ込まれた物理モデルの関数からより正確にピーク位置情報を求めることができ、このピーク位置情報から測定対象物の表面高さを精度よく求めることができる。
【００２１】
なお、請求項１２に記載の発明は請求項４と、請求項１３に記載の発明は請求項５と同様の作用・効果を奏する。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の表面形状測定方法において、前記第６の過程における誤差の補正は、特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差の２乗値が最小となるときの、物理モデルの関数のピーク位置、ピークの振幅、および所定箇所の帯域幅のパラメータ、あるいは、ピーク位置およびピークの振幅のパラメータのいずれかを求めることを特徴とするものである。
【００２３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の表面形状測定方法において、前記パラメータは、その初期値として強度値群の最大値とその位置の情報を用いることを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の表面形状測定方法において、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の表面形状測定方法において、前記第６の過程における特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正する際に物理モデルの関数を規定するためのパラメータとして、反射率が既知の測定対象物の試料を用いて装置パラメータを予め求めておくことを特徴とするものである。
【００２５】
（作用・効果）特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差の２乗値が最小となるときの、物理モデルの関数のピーク位置、ピークの振幅、および所定箇所の帯域幅のパラメータ、あるいは、ピーク位置およびピークの振幅のパラメータのいずれかを求める。つまり、最小２乗法を利用してパラメータの最適値を求め、この求まるパラメータからピーク位置を知ることができ、このピーク位置を読み取ることにより測定対象面の高さを求めることができる（請求項６）。また、この最小２乗法を利用する場合に、パラメータの初期値として強度値群のうちの最大値とその位置の情報を用いることにより、より精度よくピーク位置情報を得ることができる（請求項７）。さらに、反射率が既知の測定対象物の試料を用いて装置パラメータを求めおくことによって、より一層精度よくピーク位置情報を得ることができる。
【００２６】
なお、請求項１４に記載の発明は請求項６と、請求項１５に記載の発明は請求項７と同様の作用・効果を奏する。また、請求項１６および請求項１７に記載の発明によれば、測定対象物の表面が透明膜で覆われているので、反射率が既知の透明膜および測定対象物のそれぞれの試料を用いて（請求項１６）、さらに膜厚が既知の透明膜の試料を用いて（請求項１７）装置パラメータを求めておくことにより、より一層精度高くピーク位置情報を求めることができる。
【００２７】
また、請求項１８に記載の発明は、測定対象面と参照面とに照射する白色光を発生させる白色光源と、前記測定対象面と参照面との距離を変動させる変動手段と、前記白色光が照射された測定対象面と参照面との距離の変動に伴って測定対象面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせるとともに前記測定対象面を撮像する撮像手段と、前記撮像された測定対象面上の複数の特定箇所における干渉光の強度値を取り込むサンプリング手段と、前記サンプリング手段によって取り込まれた特定箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各干渉光強度値群に基づいて特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および透明膜の膜厚の少なくともいずれか一つを求める演算手段とを備えた表面形状および／または膜厚測定装置において、
前記演算手段は、測定対象面の特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および／または透明膜の膜厚の少なくともいずれか一つを以下の処理にしたがって求める
（１）前記記憶手段に記憶された各画素における干渉光から干渉光強度値群の変化を求め、
（２）前記求めた強度値群から包絡線に相当する特性値群を取得し、
（３）前記特性値群の示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成し、
（４）前記特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに関数を合せ込み、
（５）前記特性値群の示す波形データとを合せ込んだ関数から測定対象面と参照面に関連するピーク位置情報を求め、このピーク位置情報に基づいて、測定対対象面の特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および膜厚の少なくともいずれか一つを求めることを特徴とするものである。
【００２８】
（作用・効果）白色光源は、透明膜で覆われた測定対象面と参照面とに白色光を照射する。変動手段は、測定対象面と参照面との距離とを変動させる。撮像手段は、白色光が照射された測定対象面と参照面との相対的距離の変動に伴って発生する干渉縞の変化とともに前記測定対象面を撮像する。サンプリング手段は、撮像された測定対象面上の複数の特定箇所における干渉光の強度値を取り込む。記憶手段は、サンプリング手段によって取り込まれた特定箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する。演算手段は、記憶手段に記憶された各画素における干渉光強度値群から求まる干渉光の強度値の変化を求め、この求めた干渉光の強度値群から包絡線に相当する特性値群を取得し、この特性値群の変化を示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成する。この作成した物理モデルの関数と特性値群の示すの波形データとを比較して求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに物理モデルの関数が略一致するように合せ込んでゆく。物理モデルの関数が特性値群の示す波形データに略一致するときのピーク位置情報を求めることにより、測定対象面の特定箇所の表面高さ、透明膜の表面高さを求めることができ、これら測定対象面と透明膜の両表面高さを利用することにより、透明膜の膜厚を求めることができる。すなわち、請求項１または請求項９に記載の方法を好適に実現することができる。
【００２９】
また、請求項１９に記載の発明は、請求項１８に記載の表面形状および／または膜厚測定装置において、前記白色光源から前記撮像手段までの光路に、特定周波数帯域の白色光だけを通過させる前記周波数帯域制限手段を備えたことを特徴とするものである。
【００３０】
（作用・効果）請求項１９に記載の発明によれば、白色光源から撮像手段までの光路に取り付けられたバンドパスフィルタは、特定周波数帯域の白色光のみを通過させる。これにより、撮像手段では、特定周波数帯域の白色光による干渉縞および測定対象面が撮像される。したがって、任意の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタを利用することによって、特定周波数帯域を任意の周波数帯域にすることもできる。また、離散的な強度値データを利用した方法を用いた場合に、サンプリング間隔を広くすることができる、結果、測定に要する時間を短縮することができる。
【００３１】
また、請求項２０に記載の発明は、請求項１９に記載の表面形状および膜厚測定装置において、前記周波数帯域制限手段は、前記白色光源から発せられた白色光の周波数帯域を特定周波数帯域にまで狭める、前記白色光源から前記撮像手段までの光学系であることを特徴とするものである。
【００３２】
（作用・効果）請求項２０に記載の発明によれば、白色光源から撮像手段までの光学系は、白色光源から発生した白色光が撮像手段に届くまでの間に、その白色光の周波数帯域を特定周波数帯域にまで狭める。これにより、撮像手段では、特定周波数帯域の白色光による干渉縞および測定対象面が撮像される。したがって、離散的な強度値データを利用した方法を用いた場合に、サンプリング間隔を広くすることができる、結果、測定に要する時間を短縮することができる。
【００３３】
また、請求項２１に記載の発明は、請求項１９に記載の表面形状および／または膜厚測定装置において、前記周波数帯域制限手段は、特定周波数帯域の白色光を感知する前記撮像手段の周波数感度であることを特徴とするものである。
【００３４】
（作用・効果）請求項２１に記載の発明によれば、撮像手段は、その周波数特性によって、特定周波数帯域の白色光による干渉縞および測定対象面を撮像する。したがって、離散的な強度値データを利用した方法を用いた場合に、サンプリング間隔を広くすることができる、結果、測定に要する時間を短縮することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について具体的に説明をする。
図１は、本発明の実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【００３６】
この表面形状測定装置は、半導体ウエハ、ガラス基板や金属基板などの測定対象物３０の表面に形成された微細なパターンに、特定周波数帯域の白色光を照射する光学系ユニット１と、光学系ユニット１を制御する制御系ユニット２とを備えて構成されている。
【００３７】
光学系ユニット１は、測定対象面３０Ａおよび参照面１５に照射する白色光を発生させる白色光源１０と、白色光源１０から白色光を平行光にするコリメートレンズ１１と、コリメートレンズ１１からの白色光を測定対象物３０の方向に反射する一方、測定対象物３０の方向からの白色光を通過させるハーフミラー１３と、ハーフミラー１３で反射されてきた白色光を集光する対物レンズ１４と、対物レンズ１４を通過してきた白色光を、参照面１５へ反射させる参照光と、測定対象面３０へ通過させる測定光とに分けるとともに、参照面１５で反射してきた参照光と測定対象面３０で反射してきた測定光とを再びまとめて、干渉縞を発生させるビームスプリッタ１７と、参照面１５で参照光を反射させるために設けられたミラー１６と、参照光と測定光とがまとめられた白色光を結像する結像レンズ１８と、干渉縞とともに測定対象面３０を撮像するＣＣＤカメラ１９とを備えて構成されている。
【００３８】
白色光源１０は、例えば白色光ランプなどであり、比較的広い周波数帯域の白色光を発生させる。この白色光源１０から発生された白色光は、コリメートレンズ１１によって平行光とされ、ハーフミラー１３に到達する。
【００３９】
ハーフミラー１３は、コリメータレンズ１３からの平行光となった白色光を測定対象物３０の方向に向けて反射する一方、測定対象物３０の方向から戻ってきた白色光を通過させるものである。このハーフミラー１３で反射された特定周波数帯域の白色光は、対物レンズ１４に入射する。
【００４０】
対物レンズ１４は、入射してきた白色光を焦点Ｐに向けて集光するレンズである。この対物レンズ１４によって集光される白色光は、参照面１５を通過し、ビームスプリッタ１７に到達する。
【００４１】
ビームスプリッタ１７は、対物レンズ１４で集光される白色光を、参照面１５で反射させるために、ビームスプリッタ１７の例えば上面で反射させる参照光と、測定対象面３０Ａで反射させるために、ビームスプリッタ１７を通過させる測定光とに分けるとともに、それら参照光と測定光とを再びまとめることによって、干渉縞を発生させるものである。ビームスプリッタ１７に達した白色光は、ビームスプリッタ１７の上面で反射された参照光と、ビームスプリッタ１７を通過する測定光とに分けられ、その参照光は参照面１５に達し、その測定光は測定対象物３０の表面である測定対象面３０Ａに達する。
【００４２】
参照面１５には、参照光をビームスプリッタ１７の方向に反射させるためのミラー１６が取り付けられており、このミラー１６によって反射された参照光は、ビームスプリッタ１７に達し、さらに、この参照光はビームスプリッタ１７によって反射される。
【００４３】
ビームスプリッタ１７を通過した測定光は、焦点Ｐに向けて集光され、測定対象面３０Ａ上で反射する。この反射した２つの測定光は、ビームスプリッタ１７に達して、そのビームスプリッタ１７を通過する。
【００４４】
ビームスプリッタ１７は、参照光と測定光とを再びまとめる。このとき、参照面１５とビームスプリッタ１７との間の距離Ｌ１と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａとの間の距離Ｌ２との、距離の違いによって光路差が生じる。この光路差に応じて、参照光と測定光とは干渉し合うことで、干渉縞が生じる。この干渉縞が生じた状態の白色光は、ハーフミラー１３を通過し、結像レンズ１８によって結像されて、ＣＣＤカメラ１９に入射する。
【００４５】
ＣＣＤカメラ１９は、干渉縞が生じた状態の白色光とともに、測定光によって映し出される測定対象面３０Ａの焦点Ｐ付近の画像を撮像する。この撮像した画像データは、制御系ユニット２によって収集される。また、後述で明らかになるが、本願発明の変動手段に相当する制御系ユニット２の駆動部２４によって、例えば光学系ユニット１が上下左右に変動される。特に、光学系ユニット１が上下方向に駆動されることによって、距離Ｌ１と距離Ｌ２との距離が変動される。これにより、距離Ｌ１と距離Ｌ２との距離の差に応じて、干渉縞が徐々に変化する。ＣＣＤカメラ１９によって、後述する所定のサンプリング間隔ごとに、干渉縞の変化とともに測定対象面３０Ａの画像が撮像され、その画像データが制御系ユニット２によって収集される。ＣＣＤカメラ１９は、本発明における撮像手段に相当する。
【００４６】
制御系ユニット２は、表面形状測定装置の全体を統括的に制御や、所定の演算処理を行うためのＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０によって逐次収集された画像データやＣＰＵ２０での演算結果などの各種のデータを記憶するメモリ２１と、サンプリング間隔やその他の設定情報を入力するマウスやキーボードなどの入力部２２と、測定対象面３０Ａの画像などを表示するモニタ２３と、ＣＰＵ２０の指示に応じて光学系ユニット１を上下左右に駆動する例えば３軸駆動型のサーボモータなどの駆動機構で構成される駆動部２４とを備えるコンピュータシステムで構成されている。なお、ＣＰＵ２０は、本発明におけるサンプリング手段および演算手段に、メモリ２１は本発明における記憶手段に、駆動部２５は本発明における変動手段にそれぞれ相当する。
【００４７】
ＣＰＵ２０は、いわゆる中央処理装置であって、ＣＣＤカメラ１９、メモリ２１及び駆動部２４を制御するとともに、ＣＣＤカメラ１９で撮像した干渉縞を含む測定対象面３０Ａの画像データに基づいて、測定対象物３０の特定箇所の表面高さを求める演算処理を行う。この処理については後で詳細に説明する。さらに、ＣＰＵ２０には、モニタ２３と、キーボードやマウスなどの入力部２２とが接続されており、操作者は、モニタ２３に表示される操作画面を観察しながら、入力部２２から各種の設定情報の入力を行う。また、モニタ２３には、測定対象面３０Ａの測定終了後に、測定対象面３０Ａおよび測定対象面の凹凸形状などを数値や画像として表示される。
【００４８】
駆動部２４は、光学系ユニット１内の参照面１５とビームスプリッタ１７との間の固定された距離Ｌ１と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａとの間の可変の距離Ｌ２との距離の差を変化させるために、光学系ユニット１を直交３軸方向に変動させる装置であり、ＣＰＵ２０からの指示によって光学系ユニット１をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する例えば３軸駆動型のサーボモータを備える駆動機構で構成されている。なお、駆動部２４は、本発明における変動手段に相当し、本発明における相対的距離とは、参照面１５から測定対象面３０Ａまでの距離すなわち距離Ｌ１および距離Ｌ２を示す。本実施例では、光学系ユニット１を動作させるが、例えば測定対象物３０が載置される図示していないテーブルを直交３軸方向に変動させるようにしてもよい。
【００４９】
以下、本実施例の表面形状測定装置全体を用いて測定対象面３０Ａの表面が透明膜で覆われていない場合の表面高さを測定する処理を図２のフローチャートを参照しながら具体的に説明する。
【００５０】
［第１実施例］
＜ステップＳ１＞ 条件設定
光学系ユニットをｚ軸方向に移動させるための走査速度や走査レンジなどの種々の条件を設定する。
【００５１】
＜ステップＳ２＞ 測定データ取得
光学系ユニット１は、白色光源１０から発生される白色光を測定対象面３０Ａおよび参照面１５に照射する。
【００５２】
また、ＣＰＵ２０は、予め所定の測定場所に移動された光学系ユニット１をｚ軸方向に移動を開始させるための変動開始の指示を駆動部２４に与える。駆動部２４は、図示しないステッピングモータなどの駆動系を駆動して、光学系ユニット１をｚ軸方向に予め決められた距離だけ移動させる。これにより、参照面１５と測定対象面３０Ａとの距離が変動される。なお、本実施例のステップＳ２のこの過程までが、本発明における第１の過程に相当する。
【００５３】
ＣＰＵ２０は、光学系ユニット１がサンプリング間隔だけ移動するたびに、ＣＣＤ１９で撮像される干渉縞を含む測定対象面３０Ａの画像データを収集して、メモリ２１に順次記憶する。光学系ユニット１が予め決められた距離だけ移動することで、メモリ２１には光学系ユニット１の移動距離およびサンプリング間隔によって決まる複数枚の画像データが記憶される。なお、本実施例のステップＳ２のこの過程までが、本発明における第２の過程に相当する。
【００５４】
＜ステップＳ３＞ 特定箇所の干渉光強度値群を取得
測定対象面３０Ａの高さを測定したい複数の特定箇所を入力部２２から指定する。ＣＰＵ２０は、指定された複数の特定箇所を把握して、測定対象面３０Ａを撮像した画像上の前記複数の特定箇所に相当する画素の濃度値、すなわち特定箇所における干渉光の強度値を、複数枚の画像データからそれぞれ取込む。これにより、各特定箇所における複数個の強度値（干渉光強度値群）が得られる。なお本実施例のステップＳ３は、本発明の第３の過程に相当する。
【００５５】
＜ステップＳ４＞ 強度値の平均値から特性関数を求める
ＣＰＵ２０は、図３に示すように、離散的に取得した特定箇所における干渉光強度値群に基づいて、干渉光の強度値の平均値を求める。さらに、干渉光強度値群の各強度値から平均値を減算した各値（調整値群）を求める。つまり、図４に示すように、干渉縞波形から直流成分を除去し、交流成分のみを残す。
【００５６】
調整値をさらに２乗し、図５に示すように、強度値をプラス側に強調した特性値を求める。なお、本実施例のステップＳ４は、本発明における第４の過程に相当する。
【００５７】
＜ステップＳ５＞ 物理モデル関数の作成
ＣＰＵ２０は、ステップＳ３で求めた特性値から明らかなように、測定対象面３０Ａの特定箇所の特性値についは、図５に示すように、１個のピークを含む干渉縞波形が現れる。ここで、図５に示す特性値の波形データを利用して物理モデルの関数として包絡線の関数を作成する。本実施例では、特性値の波形データを正規分布（ガウス分布）とみなした関数を作成する。この関数は、図６に示すように、測定対象面の表面高さのピーク位置ｘ０（初期値）、ピーク振幅ａ、および所定箇所の帯域幅の３個のパラメータを有している。したがって、この関数は次式（１）により求めることができる。
【００５８】
ｇ（ｘ，ｘ０，ａ，ｗ）＝ａ×ｅｘｐ（−π・（（ｘ−ｘ０）／ｗ）２） … （１）
【００５９】
なお、ステップＳ５は、本発明における第５の過程に相当する。
【００６０】
＜ステップＳ６＞ 物理モデル関数の合せ込み
ＣＰＵ２０は、ステップＳ５で求めた関数を、図６に示すように、特性値の波形データと略一致するように合せ込んでゆくための演算処理を行う。具体的には、次の処理を行う。
【００６１】
先ず、ＣＰＵ２０は、初期パラメータを決定する。本実施例では、各パラメータの初期値として、（ピーク位置）＝（特性値の２乗の最大値）、（ピーク振幅の特性値の２乗の最大値）＝（（特性値の２乗の最大値）／２）の関係となるように決定する。なお、帯域幅は光源などの光学ユニットで略決まる装置パラメータであるので、理論値や実験により近似値を求めて初期値として設定してよい。
【００６２】
したがって、本実施例の場合、図６に示すように、初期パラメータとしてピーク位置ｘ０＝１２２、ピーク振幅ａ＝３７６１／２＝１８８０に設定する。このときの帯域幅ｗは２０と設定する。
【００６３】
次に、波形データの各特性値に対応する関数の値を読み取って比較して求めた誤差が最小値となる場合のこの関数のピーク位置ｘ０、ピーク振幅ａおよび帯域幅ｗの３つのパラメータの最適値を求めるために最小２乗法を利用する。最小２乗法は、求まる２乗誤差の総和を評価関数として、次の関係式で表すことができる。
【００６４】
ｆ（ｘ０，ｗ，ａ） ＝ Σ［ｑｉ− ｇ（ｘｉ，ｘ０，ａ，ｗ）］ ２ … （２）
【００６５】
なお、ｑｉは、図５に示すＩ枚目の画像における特定箇所の特性値であり、ｘｉは、図６に示すｉ枚目の関数の位置座標である。
【００６６】
本実施例の場合に上記式（２）を利用して関数の合せ込みを行い、各パラメータの最適値（収束値）を求めた結果、図７に示すようになった。つまり、各パラメータは、以下の表１に示す結果となった。
【００６７】
【表１】

Figure 2004340680
【００６８】
なお、本実施例のステップＳ６は、本発明における第６の過程に相当する。
【００６９】
＜ステップＳ７＞ 表面形状の測定
ＣＰＵ２０は、ステップＳ７で求めた関数の最適値から測定対象面３０Ａの表面高さを算出する。例えば、測定対象面３０Ａの表面高さのピーク位置は、取得画像の１２１．９５枚目にあるので、この位置の値と既知の標本点間隔の積をとることによって表面高さを求めることができる。なお、本実施例のステップＳ７は、本発明における第７の過程に相当する。
【００７０】
＜ステップＳ８＞ 全特定箇所が終了？
ＣＰＵ２０は、全ての特定箇所が終了するまで、ステップＳ３〜Ｓ７の処理を繰り返し行い、全ての特定箇所の高さを求める。
【００７１】
＜ステップＳ９＞ 表示
ＣＰＵ２０は、モニタ２３に測定対象物３０の表面高さの情報を表示したり、それら各特定箇所の高さの情報に基づいた３次元または２次元の画像を表示したりする。操作者は、これらの表示を観察することで、測定対象物３０の測定対象面３０Ａや透明膜３１の表面３１Ａの凹凸形状を把握することができる。
【００７２】
上記実施例によれば、取得した強度値（特性値）の波形データから物理モデルの関数を作成し、作成した関数を特性値の波形データに合せ込む。つまり、最小２乗法により各特性値に対応する関数の値を読み取って比較して求めた誤差が最小値となる場合のこの関数のピーク位置ｘ０、ピーク振幅ａおよび帯域幅ｗの３つのパラメータの最適値を求める。その結果、これらパラメータから精度よくピーク位置情報を取得でき、取得したピーク位置情報から測定対象面３０Ａの表面高さを求めることができる。
【００７３】
［第２実施例］
本実施例では図８に示すように、測定対象面３０Ａが厚い透明膜３１で覆われている場合について説明する。なお、装置構成は第１実施例と同じであり、測定する反射光の処理が異なるので、異なる点について具体的に説明する。
【００７４】
第１実施例と異なる点は以下の通りである。
すなわち、図８に示すように、測定対象面３０Ａの表面を覆うように形成された透明膜３１により、ビームスプリッタ１７で分けられた測定光が透明膜３１の表面３１Ａと、透明膜３１を透過して測定対象面３０Ａで反射する２つの反射光が発生する。この２つの反射光をビームスプリッタ１７で参照光と再びまとめられるようになっている。このときの、参照面１５とビームスプリッタ１７との間の距離Ｌ１と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａとの間の距離Ｌ２との距離の違いによって光路差を生じさせている。
【００７５】
次に、本実施例の表面形状測定装置全体を用いて測定対象面３０Ａの表面が厚い透明膜３１で覆われている場合の表面高さを測定する処理を図２のフローチャートを参照しながら具体的に説明する。なお、本実施例では、第１実施例と共通する処理（ステップＳ１およびステップＳ２）につていの説明は省略し、処理の異なる箇所について具体的に説明する。
【００７６】
また、本実施例では、測定対象物３０としてＳｉ基板を使用し、その測定対象物３０の表面に厚さ１μｍの酸化膜（ＳｉＯ２）を形成したものを用いている。
【００７７】
以下、ステップＳ３の処理からについて説明する。
＜ステップＳ３＞ 特定箇所の干渉光強度値群を取得
測定対象面３０Ａの高さを測定したい複数の特定箇所を入力部２２から指定する。ＣＰＵ２０は、指定された複数の特定箇所を把握して、測定対象面３０Ａを撮像した画像上の前記複数の特定箇所に相当する画素の濃度値、すなわち特定箇所における干渉光の強度値を、複数枚の画像データからそれぞれ取込む。これにより、各特定箇所における複数個の強度値（干渉光強度値群）が得られる。
【００７８】
つまり、図８に示すように、白色光は、透明膜３１の表面３１Ａと測定対象面３０Ａとで反射するために、図９に示すように、２個のピークを有する離散的な強度値が取得される。
【００７９】
なお、本実施例のステップＳ３は、本発明における第１３の過程に相当する。
【００８０】
＜ステップＳ４＞ 強度値の平均値から特性値を求める
ＣＰＵ２０は、図９に示す離散的に取得した特定箇所における干渉光強度値群に基づいて、干渉光の強度値の平均値を求める。さらに、干渉光強度値群の各強度値から平均値を減算した各値（調整値群）を求める。つまり、図１０に示すように、干渉縞波形から直流成分を除去し、交流成分のみを残す。
【００８１】
調整値をさらに２乗し、図１１に示すように、強度値をプラス側に強調した特性値を求める。なお、本実施例のステップＳ４は、本発明における第１４の過程に相当する。
【００８２】
＜ステップＳ５＞ 物理モデル関数の作成
ＣＰＵ２０は、ステップＳ３で求めた特性値から明らかなように、測定対象面３０Ａと透明膜３１の表面３１Ａとの２個のピークを含む干渉縞波形が現われる。ここで、図１１に示す特性値の波形データを利用して物理モデル関数として２つの包絡線からなる関数を作成する。つまり、次式で表すように２つの関数の和により求めることができる。
【００８３】
包絡線関数：ｇ（ｘ，ｘ０，ａ，ｗ）＋ｇ（ｘ，ｘ０’，ａ’，ｗ’） … （３）
【００８４】
なお、関数：ｇ（ｘ，ｘ０，ａ，ｗ）は、透明膜表面３１Ａの表面高さのピーク１（図１２では左側）であり、関数：ｇ（ｘ，ｘ０’，ａ’，ｗ’） は測定対象面３０Ａのピーク２（図１２では右側）である。それぞれの関数は、ピーク位置ｘ０，ｘ０’、ピーク振幅ａ，ａ’、および所定箇所の帯域幅ｗ，ｗ’からなる３個のパラメータをそれぞれ有している。なお、本実施例のステップＳ５は、本発明における第１５の過程に相当する。
【００８５】
＜ステップＳ６＞ 物理モデル関数の合せ込み
ＣＰＵ２０は、ステップＳ５で求めた関数を、図１２に示すように、特性値の波形データと略一致するように合せ込んでゆくための演算処理を行う。すなわち、第１実施例同様に上記式（２）に示す最小２乗法によって、特性値の２乗誤差が最小となるときの各パラメータの値を、２つの関数ごとに求める。
【００８６】
本実施例の場合に、各パラメータの最適値（収束値）を求めて関数の合せ込みを行った結果、図１３に示すようになる。つまり、各パラメータは、以下の表２に示す結果となる。
【００８７】
【表２】
Figure 2004340680
【００８８】
すなわち、透明膜３１側のピーク１においては、ピーク位置ｘ０が初期値２０から２１．１４に、ピーク振幅ａが初期値２００から１４７．３５に、帯域幅ｗが初期値２０から９．６９に収束した値になる。また、測定対象物３０側のピーク２においては、ピーク位置ｘ０’が初期値５０から３９．８４に、ピーク振幅ａ’が初期値２００から１１６．９８に、帯域幅ｗ’が初期値２０から１０．０９に収束した値になる。なお、本実施例のステップＳ６は、本発明における第１６の過程に相当する。
【００８９】
＜ステップＳ７＞ 表面形状の測定
ＣＰＵ２０は、ステップＳ７で求めた関数の最適値（収束値）から測定対象面３０Ａの表面高さ、透明膜表面３１Ａの表面高さ、および透明膜３１の膜厚Ｄの少なくともいずれか一つを算出する。例えば、特定箇所の透明膜３１の表面高さのピーク位置ｘ０は２１．１４である。このピーク位置ｘ０の値と既知の標本点間隔の積をとることによって透明膜３１の表面高さＺｐ１を求めることができる。同様に測定対象面３０Ａについてもピーク位置ｘ０の値と既知の標本点間隔の積をとることによって得られた透明膜３１の表面高さｚｐ１と、測定対象面３０Ａの光学的高さｚｐ’とから屈折率ｎとした場合に、透明膜３１の膜厚ＤはＤ＝（ｚｐ１−ｚｐ’）／ｎの式から求めることができ、さらに測定対象面３０の高さｚｐはｚｐ＝ｚｐ１−Ｄの式から求まる。なお、本実施例のステップＳ７は、本発明における第１７の過程に相当する。
【００９０】
＜ステップＳ８＞ 全特定箇所が終了？
ＣＰＵ２０は、全ての特定箇所が終了するまで、ステップＳ３〜Ｓ７の処理を繰り返し行い、全ての特定箇所の高さを求める。
【００９１】
＜ステップＳ９＞ 表示
ＣＰＵ２０は、モニタ２３に測定対象物３０の表面高さの情報を表示したり、それら各特定箇所の測定対象物３０、透明膜３１の高さの情報や透明膜３１の膜厚Ｄの情報に基づいた３次元または２次元の画像を表示したりする。操作者は、これらの表示を観察することで、測定対象物３０の測定対象面３０Ａや透明膜３１の表面３１Ａの凹凸形状を把握することができる。
【００９２】
上述した実施例によれば、発生する２個のピークについて、それぞれ個別に作成した物理モデル関数の和をとり、これら各関数と特性値について最小２乗法を利用してそれぞれのピーク位置ｘ０，ｘ０’、帯域幅ｗ，ｗ’、ピーク振幅ａ，ａ’のパラメータの最適値を求めることによって、測定対象物３０の表面高さ、透明膜３１の表面高さ、および透明膜３１の膜厚Ｄを精度よく求めることができる。
【００９３】
［第３実施例］
本実施例では、図８に示すように、測定対象面３０Ａが薄い透明膜３１で覆われている場合について説明する。なお、本実施例では、第２実施例と共通する処理（ステップＳ１およびステップＳ２）につていの説明は省略し、異なる処理の箇所について具体的に説明する。
【００９４】
また、本実施例では、測定対象物３０としてＳｉ基板を使用し、その測定対象面３０Ａの表面に厚さ０．５μｍ以下の酸化膜（ＳｉＯ２）を形成したものを用いている。
【００９５】
以下、ステップＳ３の処理からについて説明する。
＜ステップＳ３＞ 特定箇所の干渉光強度値群を取得
本実施例の場合、透明膜３１の膜厚Ｄが薄いために、透明膜３１の表面３１Ａと測定対象面３０Ａの表面からの反射光が略同時にＣＣＤに受光される。したがって、図１４に示すように、各表面に応じた干渉縞波形が略重なり合った状態で現われ、本来２個存在するピークが、１つの干渉縞波形上に点在することとなり、図１４からはピークが１個しか存在しないような離散的な干渉光の強度値が取得される。なお、本実施例のステップＳ３は、本発明における第１３の過程に相当する。
【００９６】
＜ステップＳ４＞ 強度値の平均値から特性関数を求める
ＣＰＵ２０は、離散的に取得した特定箇所における干渉光強度値群に基づいて、干渉光の強度値がプラス側に強調した特性値を求める。つまり、物理モデル関数を作成するために必要な特性値（２乗包絡線関数値ｒｉ）を求める。具体的には、次式（４）、（５）から求められる。
【００９７】
干渉計から得られる強度値ｙｍ（ｍ＝１からＭ）とし、表面高さｈがサンプリング点にないとき：
ｒｉ（ｈ）＝１／（ ４ωａ’ ２） ｛［１−ｃｏｓ２ωａ’ｈ］［Σ’ （ｙ２ｍ−１／（ｈ−ｈ２ｍ−１））］２ ＋［１＋ｃｏｓ２ωａ’ｈ］［Σ’’（ｙ２ｍ／（ｈ−ｈ２ｍ））］２ ｝ …（４）
Σ’ ：（ｍ＝１）から（Ｍ／２以上の最小の整数）までの総和
Σ’’：（ｍ＝１）から（Ｍ／２以下の最大の整数）までの総和
【００９８】
表面高さｈがサンプリング点のとき、すなわちｈ＝ｈＪ （Ｊは１≦Ｊ≦Ｍの整数）のとき：
ｒｉ （ｈ）＝１／（ ２ωａ’ ２） ｛（ ωａ’ｙＪ ）２ ＋［Σ’’’ （ｙＪ＋２ｍ＋１／（ｈＪ −ｈＪ＋２ｍ＋１））］２ ｝ …（５）
Σ’’’ ：−（ｍ＝Ｊ／２以下の最大の整数）から（〔［Ｍ−Ｊ］／２以上の最小の整数〕−１）までの総和である。なお、Ｊは１≦Ｊ≦Ｍの整数である。
【００９９】
なお、本実施例のステップＳ４は、本発明における第１４の過程に相当する。
【０１００】
＜ステップＳ５＞ 物理モデル関数の作成
ＣＰＵ２０は、物理モデル関数として、図１６の左側の一点鎖線で示すピークが１個である包絡線の関数を作成する。この包絡線の関数は、以下の演算処理により求まる。
【０１０１】
先ず簡素化するために、膜内の多重反射を無視し、膜内で１回反射する場合を仮定すると、干渉縞波形の観測輝度ｇ（強度値）は、次式で表される。
【０１０２】
【数１】
Figure 2004340680
【０１０３】
ここで、ｚｐは測定対象物３０Ａの表面高さ、Ｄは透明膜の膜厚、α＝２ｋ（空気の屈折率＝１と仮定する）、ｋは角波数、ｎｓは膜屈折率、ｋｌは照射される光の波数の下限値、ｋｕは照射される光の波数の上限値、Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓは装置と対象膜物性により決まるパラメータである。
【０１０４】
この強度値ｇの交流成分をｆとすると、次式で表される。
【０１０５】
【数２】
Figure 2004340680
【０１０６】
上式（７）をｃｏｓ関数と振幅成分の積として変形する。
【０１０７】
ｆ（ｚ；ｚｐ，Ｄ）＝ｍ（ｚ；ｚｉ，Ｄ）ｃｏｓ｛β（ｚ−ｚｐ）＋Ａ（ｚ）｝ …（８）
【０１０８】
上記（６）〜（８）により、包絡線関数ｒの２乗を次式（９）により定義することができる。
ｒ（ｚ；ｚｐ，Ｄ）＝ ［ｍ（ｚ；ｚｐ，Ｄ）］２ … （９）
【０１０９】
なお、本実施例のステップＳ５は、本発明における第１５の過程に相当する。
【０１１０】
＜ステップＳ６＞ 物理モデル関数の合せ込み
ＣＰＵ２０は、図１６に示すように、ステップＳ５で求めた物理モデルの包絡線の関数（図１６ではＭ）と、図１５に示すように、特性値である実データにより予め作成した関数を（図１６ではＤ）、図１７に示すように、物理モデルの包絡線の関数が実データの関数に略一致するように合せ込んでゆくための演算処理を行う。すなわち、次式に示す評価関数が最小となる、測定対象面３０Ａの表面高さｚｐ、と透明膜３１の膜厚Ｄの２個のパラメータを求める。
【０１１１】
ｆ（ｚｐ，Ｄ）＝ Σ［ｒｉ−ｒ（ｚｉ；ｚｐ，Ｄ）］２ … （１０）
【０１１２】
ここで、ｒｉはｉ番目の２乗包絡線関数値、ｚｉはｉ番目の位置座標である。
なお、本実施例のステップＳ６は、本発明における第１６の過程に相当する。
【０１１３】
＜ステップＳ７＞ 表面形状の測定
ＣＰＵ２０は、ステップＳ６で演算処理を行った結果から測定対象面３０Ａの表面高さと、透明膜３１の膜厚Ｄが求める。さらに、これら２つの値の和とることによって透明膜３１の表面高さを求めることできる。なお、本実施例のステップＳ７は、本発明における第１７の過程に相当する。
【０１１４】
以下、ステップＳ８およびステップＳ９の処理については、第２実施例と同じであるので、ここでの説明を省略する。
【０１１５】
上述した実施例によれば、取得した強度値に基づいてプラス側に強調した特性値、つまり、物理モデル関数を作成するのに必要な特性値（関数値）として上記式（４）、（５）により求めることができる。この関数値から物理モデル関数としての包絡線の関数を作成し、この関数を強度値である実データに基づいて作成した関数に合せ込む。このとき、上記式（１０）が最小となる２つのパラメータの値を求めることによって、測定対象面３０Ａの表面高さと膜厚Ｄとを求めることができる。また、測定対象面３０Ａの表面高さの値と膜厚Ｄの和をとることによって透明膜３１の表面高さをもとめることができる。
【０１１６】
本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。
（１）上記各実施例では、測定対象面３１の画像データを撮像した後で、特定箇所の干渉光の強度値を取得するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、撮像した画像上の特定箇所に相当する画素における強度値をリアルタイムに取得して、それら干渉光の強度値を順次メモリ２１に記憶するように構成することもできる。
【０１１７】
（２）上記実施例では、白色光源からの白色光が撮像手段であるＣＣＤカメラ１９までの光学系（光源，レンズ，各ミラーを含む）によって、白色光源からの白色光の周波数帯域が帯域制限されることを利用して、その周波数帯域を予め把握しておき、その帯域制限された周波数帯域を本発明における特定周波数帯域とすることもできる。
【０１１８】
（３）上記実施例では、撮像手段であるＣＣＤカメラ１９の周波数特性によって制限される周波数帯域を特定周波数帯域として、その特定周波数帯域を予め把握しておき、その帯域制限された周波数帯域を本発明における特定周波数帯域とすることもできる。
【０１１９】
（４）上記実施例では、撮像手段としてＣＣＤカメラ１９を用いたが、例えば、特定箇所の干渉光の強度値のみを撮像（検出）することに鑑みれば、一列または平面状に構成された受光素子など撮像手段を構成することもできる。
【０１２０】
（５）上記実施例では、白色光源１０から白色光をコリメートレンズ１１で平行光にした後に、ハーフミラー１３に向けて照射していたが、コリメートレンズ１１とハーフミラー１３との間に、特定周波数帯域の白色光を通過させるバンドパスフィルタを設けてもよい。
【０１２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれは、白色光を透明膜で覆われた測定対象面と参照面との距離を変動させながら照射し、取得した特定箇所における干渉光の強度値群を取得する。この強度値群から干渉縞波形の包絡線を表す特性値を求め、この特性値に対応する、あるいは、包絡線に対応する物理モデルの関数を作成し、この関数を特性値に合せ込んでゆく過程で互いの誤差が最小となるときのピーク位置情報を取得することによって、精度よく測定対象物の表面高さなどを求めることができる。すなわち、測定対象物の表面に透明膜がない場合は、測定対象物の表面高さを、測定対象物の表面が透明膜で覆われている場合は、測定対象物の表面高さ、透明膜の表面高さ、および透明膜の膜厚の少なくともいずれか一つを精度よく求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１〜第３実施例装置における処理を示すフローチャートである。
【図３】第１実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図４】第１実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図５】第１実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図６】第１実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図７】第１実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図８】第２および第３実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。
【図９】第２実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１０】第２実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１１】第２実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１２】第２実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１３】第２実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１４】第３実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１５】第３実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１６】第３実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【図１７】第３実施例の関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ … 光学系ユニット
２ … 制御系ユニット
１０ … 白色光源
１１ … コリメートレンズ
１２ … バンドパスフィルタ
１３ … ハーフミラー
１４ … 対物レンズ
１５ … 参照面
１６ … ミラー
１７ … ビームスプリッタ
１８ … 結像レンズ
１９ … ＣＣＤカメラ
２０ … ＣＰＵ
２１ … メモリ
２２ … 入力部
２３ … モニタ
２４ … 駆動部
３０ … 測定対象物
３０Ａ… 測定対象面（測定対象物）
３１ … 透明膜
３１Ａ… 測定対象面（透明膜）
Ｄ … 膜厚（透明膜）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface shape and / or film thickness measuring method and apparatus for measuring the unevenness of the surface of a measurement object or the surface of the measurement object covered with a transparent film and the thickness of the transparent film, and in particular, The present invention relates to a technique for measuring a surface shape and / or a film thickness of a measurement target in a non-contact manner using white light.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art As a conventional apparatus of this type, a surface shape measuring apparatus utilizing a method of measuring the uneven shape of a precision processed product such as a semiconductor wafer or a glass substrate for a liquid crystal display using interference of white light is widely known.
[0003]
That is, while irradiating white light from a white light source to the measurement target surface and the reference surface of the measurement target, the optical path difference of the reflected light that reflects the measurement target surface and the reference surface by changing the distance between the measurement target surfaces Is generated, and the intensity value of the interference light at this time is sampled at predetermined intervals. The characteristic value group of the interference fringe waveform peak is obtained based on the intensity value group obtained by the sampling, and the peak position information is obtained from the envelope obtained by performing smoothing processing on the characteristic value by the low-pass filter. The surface height of the measurement object is obtained from the obtained peak position information. (See Patent Document 1)
[0004]
[Patent Document 1]
US Patent Publication USP 5,133,601
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of these conventional examples, there is a problem that the surface height or the like of the measurement target cannot be accurately obtained.
[0006]
That is, when the surface of the object is covered with the transparent film, the white light is reflected by the surface of the transparent film and the surface of the measuring object that has passed through the transparent film and joined to the back surface of the transparent film. One reflected light is generated. When the intensity value of a predetermined pixel in a plurality of images acquired in a state in which the reflected light is superimposed is represented by a luminance waveform, a simple unimodal characteristic is obtained as when an object whose surface is not covered with a transparent film is measured. Instead of peaks, two peaks corresponding to the surface of the transparent film and the surface of the object to be measured are generated.
[0007]
The appearance of these two peaks differs depending on the thickness of the transparent film. For example, when the transparent film is thin, the waveform of the light reflected from the surface of the transparent film and the surface of the object to be measured is substantially superimposed, and each peak appears on the waveform. In such a case, the conventional method of obtaining the position information of one peak cannot separate the two peaks, and simply considers the two peaks as one peak by a low-pass filter. Peak position information is obtained by performing a smoothing process. Therefore, there is a problem that it is not possible to obtain accurate peak position information of the surface height of the measurement target object, and it is not possible to accurately obtain peak position information of the surface height of the measurement target object below the transparent film. is there.
[0008]
Further, when the transparent film is thick, although each of the two peaks appears individually, the two peak positions are treated as a single-peaked peak by a simple low-pass filter processing. There is a problem that peak value information interferes with each other and accurate peak position information cannot be obtained.
[0009]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has a surface height of a specific location of a measurement target whose surface is not covered with a transparent film, and a specific location of the measurement target covered with a transparent film. A main object of the present invention is to provide a surface shape and / or film thickness measuring method and apparatus capable of accurately determining the surface height of a transparent film, the surface height of an object to be measured, and the film thickness of the transparent film. .
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following configuration to achieve such an object.
In other words, the invention according to claim 1 irradiates white light from a white light source onto the measurement target surface and the reference surface, and varies the distance between the measurement target surface and the reference surface, whereby the measurement target surface A change in interference fringes is caused by reflected light that is reflected from the reference surface and returns along the same optical path, and the surface height of the measurement target surface for calculating the surface height of a specific portion of the measurement target object surface based on the intensity value of the interference light at this time. In the surface shape measurement method,
A first step of changing a distance between the measurement target surface and the reference surface irradiated with the white light of the specific frequency band;
In the process of changing the distance between the measurement target surface and the reference surface, a second process of continuously acquiring images of the measurement target surface at predetermined intervals,
A third step of determining a change in the intensity value group of the interference light in each pixel of the plurality of images continuously acquired at the predetermined interval;
A fourth process of acquiring a characteristic value group corresponding to an envelope from the obtained intensity value group;
A fifth step of creating a physical model function corresponding to the waveform data indicating the change in the characteristic value group;
A sixth step of comparing the waveform data indicated by the characteristic value group and the function of the physical model, and adjusting the function of the physical model to the waveform data indicated by the characteristic value group while correcting an obtained error;
The peak position information related to the measurement target surface and the reference surface is obtained from the function of the physical model in which the waveform data indicated by the characteristic value group is combined, and the surface height of the specific position of the measurement target surface is determined based on the peak position information. The seventh process for finding
It is characterized by having.
[0011]
(Operation / Effect) According to the first aspect of the present invention, the white light generated from the white light source is irradiated on the measurement target surface and the reference surface. Interference fringes occur according to the optical path difference between the white light reflected by the measurement target surface and the white light reflected by the reference surface. Here, by changing the distance between the measurement target surface and the reference surface, a plurality of images of the measurement target surface are continuously acquired at predetermined intervals while changing the interference fringes by changing the respective optical path differences, A change in the intensity value group of the interference light at each pixel for each image is obtained. A characteristic value group corresponding to the envelope is acquired from the obtained intensity value group. A function of the physical model corresponding to the waveform data indicating the change of the characteristic value group is created, and the waveform data indicated by the characteristic value group is compared with a predetermined value of the created function of the physical model, and the obtained error is corrected. The function of the physical model is fitted to the waveform data indicated by the characteristic value group. Peak position information on the measurement object and the reference surface is obtained from the function of the combined physical model, and the surface height of a specific location is obtained based on the peak position information. That is, since the physical model function can be fitted to the waveform data of the intensity value group in a state where noise due to the high-frequency signal of the interference fringe waveform has been removed, arithmetic processing can be performed in a short time, and the measurement target surface can be obtained from the obtained peak position information. Can be determined with high accuracy.
[0012]
When the surface of the measurement target surface according to the ninth aspect is covered with a transparent film, the eleventh to seventeenth steps are performed in the same manner as in the first aspect, and the calculation of the seventeenth step is performed. In the processing, at least one of the surface height of the specific portion of the measurement target surface, the surface height of the transparent film, and the film thickness of the transparent film can be obtained based on the obtained peak position information.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to the first aspect, the characteristic value group of the interference light in the fourth step is approximated to an envelope obtained based on the intensity value group. It is characterized by being a value.
[0014]
(Operation / Effect) According to the second aspect of the invention, the intensity value group of the interference light is a value approximating the envelope obtained based on the intensity value group. That is, the envelope corresponds to a value emphasized on the plus side obtained by squaring the interference fringe waveform. Therefore, the data is obtained by approximately representing the amplitude component in the interference fringe waveform, and the peak position information can be easily obtained. As a result, the surface height of the object to be measured can be obtained with higher accuracy. According to the tenth aspect, the surface height of the measurement object, the surface height of the transparent film, and the film thickness of the transparent film can be accurately obtained.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to the first aspect, the characteristic value group of the interference light in the fourth step is the interference value in each pixel of each of the plurality of acquired images. An average value of the light intensity value group is calculated, and a value calculated by subtracting the average value from the intensity value of a predetermined pixel of each image is further squared.
[0016]
(Operation / Effect) According to the third aspect of the invention, an average value of intensity values is calculated from an intensity value group for each specific pixel in a plurality of images. A value obtained by subtracting the average value from each intensity value is obtained, and the square value is further squared to obtain an intensity value emphasized on the plus side from the average value. Therefore, the data is obtained by approximately representing the amplitude component in the interference fringe waveform, and the peak position information can be easily obtained. That is, the method according to claim 1 can be suitably performed.
[0017]
The invention described in claim 11 has the same operation and effect as in claim 3. That is, the method according to claim 9 can be suitably performed.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to any one of the first to third aspects, the function of the physical model in the fifth step is converted into waveform data represented by a characteristic value group. The function is a function obtained as an envelope based on the function.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to any one of the first to third aspects, the function of the physical model in the fifth step is obtained by converting waveform data represented by a characteristic value group. It is characterized in that it is a function determined as a Gaussian distribution function.
[0020]
(Function / Effect) A function of an envelope obtained based on waveform data represented by a group of characteristic values (Claim 4) or a function of a physical model obtained by considering waveform data represented by a group of characteristic values as a Gaussian distribution function (Claim 4) Claim 5) is matched with the waveform data of the characteristic value group. That is, it is possible to fit the waveform data of the characteristic value group until the function of the physical model substantially matches. Therefore, the peak position information can be obtained more accurately from the function of the fitted physical model, and the surface height of the measuring object can be obtained accurately from the peak position information.
[0021]
The invention described in claim 12 has the same function and effect as the invention described in claim 4 and the invention described in claim 13.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to the fourth or fifth aspect, the correction of the error in the sixth step is performed by using a function of a physical model and waveform data represented by a characteristic value group. And the parameters of the peak position, the peak amplitude, and the bandwidth of the predetermined location of the function of the physical model or the parameters of the peak position and the peak amplitude when the square value of the obtained error is minimized. It is characterized in that one of them is obtained.
[0023]
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface shape measuring method according to the sixth aspect, the parameter uses information of a maximum value of a group of intensity values and a position of the parameter as an initial value. It is.
[0024]
The invention according to claim 8 is a method for measuring a surface shape according to any one of claims 1 to 8, and the method for measuring a surface shape according to any one of claims 1 to 7, The waveform data represented by the characteristic value group in the sixth process is compared with the function of the physical model, and as a parameter for defining the function of the physical model when correcting the obtained error, the reflectance of the measurement object whose reflectance is known is known. The apparatus is characterized in that device parameters are obtained in advance using a sample.
[0025]
(Function / Effect) The waveform data indicated by the characteristic value group is compared with the function of the physical model, and the peak position, peak amplitude, and predetermined position of the function of the physical model when the square value of the obtained error is minimized , Or one of the parameters of the peak position and the peak amplitude. That is, the optimum value of the parameter is obtained by using the least square method, the peak position can be known from the obtained parameter, and the height of the measurement target surface can be obtained by reading the peak position. ). When the least squares method is used, peak position information can be obtained more accurately by using information on the maximum value of the intensity value group and its position as the initial value of the parameter (claim 7). ). Furthermore, peak position information can be obtained with higher accuracy by determining device parameters using a sample of a measurement object whose reflectance is known.
[0026]
The invention according to claim 14 has the same operation and effect as the invention according to claim 6 and the invention according to claim 15 as the invention. Further, according to the inventions of claims 16 and 17, since the surface of the measurement object is covered with the transparent film, the reflectance is known using the transparent film and the sample of the measurement object, respectively. (Claim 16) Further, by obtaining the apparatus parameters using a transparent film sample having a known film thickness (Claim 17), the peak position information can be obtained with higher accuracy.
[0027]
Further, the invention according to claim 18 is a white light source that generates white light to irradiate the measurement target surface and the reference surface, a variation unit that changes a distance between the measurement target surface and the reference surface, and the white light. A change in interference fringes is caused by reflected light that returns from the measurement target surface and the reference surface and returns along the same optical path in accordance with a change in the distance between the measurement target surface and the reference surface that has been irradiated, and the measurement target surface is imaged. Imaging means for sampling, sampling means for capturing the intensity values of interference light at a plurality of specific locations on the imaged measurement target surface, and each interference being a plurality of intensity values for each specific location captured by the sampling means. Storage means for storing a light intensity value group, and a surface height of a transparent film at a specific location, a surface height of a surface to be measured, and a film of the transparent film based on each interference light intensity value group stored in the storage means Thin In the surface shape and / or thickness measuring device and a calculation means for calculating any one also,
The calculating means obtains at least one of the surface height of the transparent film at a specific location on the measurement target surface, the surface height of the measurement target surface, and / or the thickness of the transparent film according to the following processing.
(1) calculating a change in the interference light intensity value group from the interference light at each pixel stored in the storage means,
(2) acquiring a characteristic value group corresponding to an envelope from the obtained intensity value group;
(3) Create a physical model function corresponding to the waveform data indicated by the characteristic value group,
(4) The waveform data represented by the characteristic value group is compared with the function of the physical model, and the function is fitted to the waveform data represented by the characteristic value group while correcting an obtained error.
(5) Peak position information related to the measurement target surface and the reference surface is obtained from a function obtained by combining the waveform data indicated by the characteristic value group, and based on the peak position information, the transparency of a specific portion of the measurement target surface is determined. At least one of the surface height of the film, the surface height of the surface to be measured, and the film thickness is obtained.
[0028]
(Operation / Effect) The white light source emits white light to the measurement target surface and the reference surface covered with the transparent film. The change unit changes the distance between the measurement target surface and the reference surface. The imaging means captures an image of the measurement target surface together with a change in interference fringes generated due to a change in the relative distance between the measurement target surface irradiated with white light and the reference surface. The sampling means captures the intensity values of the interference light at a plurality of specific locations on the surface to be measured which are imaged. The storage unit stores a plurality of interference light intensity value groups, which are a plurality of intensity values for each specific location, which are taken in by the sampling unit. The calculating means obtains a change in the intensity value of the interference light obtained from the interference light intensity value group at each pixel stored in the storage means, and obtains a characteristic value group corresponding to an envelope from the obtained interference light intensity value group. Then, a function of the physical model corresponding to the waveform data indicating the change of the characteristic value group is created. The function of the physical model is matched to the waveform data indicated by the characteristic value group while correcting the error obtained by comparing the created function of the physical model with the waveform data indicated by the characteristic value group. By obtaining peak position information when the function of the physical model substantially matches the waveform data represented by the characteristic value group, the surface height of a specific portion of the measurement target surface and the surface height of the transparent film can be obtained. The thickness of the transparent film can be determined by using both surface heights of the surface to be measured and the transparent film. That is, the method according to claim 1 or claim 9 can be suitably realized.
[0029]
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the surface shape and / or film thickness measuring device according to the eighteenth aspect, only white light of a specific frequency band passes through an optical path from the white light source to the imaging unit. The frequency band limiting means is provided.
[0030]
According to the nineteenth aspect of the invention, the bandpass filter attached to the optical path from the white light source to the imaging means passes only white light in a specific frequency band. Accordingly, the imaging unit captures an image of the interference fringes and the measurement target surface due to the white light in the specific frequency band. Therefore, the specific frequency band can be changed to an arbitrary frequency band by using a band-pass filter that allows an arbitrary frequency band to pass. In addition, when a method using discrete intensity value data is used, the sampling interval can be widened, and as a result, the time required for measurement can be reduced.
[0031]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the surface shape and film thickness measuring device according to the nineteenth aspect, the frequency band limiting unit sets the frequency band of the white light emitted from the white light source to a specific frequency band. And an optical system from the white light source to the image pickup means.
[0032]
According to the twentieth aspect of the present invention, the optical system from the white light source to the image pickup means performs the frequency band of the white light before the white light generated from the white light source reaches the image pickup means. To a specific frequency band. Accordingly, the imaging unit captures an image of the interference fringes and the measurement target surface due to the white light in the specific frequency band. Therefore, when a method using discrete intensity value data is used, the sampling interval can be widened, and as a result, the time required for measurement can be reduced.
[0033]
According to a twenty-first aspect of the present invention, in the surface shape and / or film thickness measuring apparatus according to the nineteenth aspect, the frequency band limiting unit is configured to detect a frequency sensitivity of the imaging unit that senses white light in a specific frequency band. It is characterized by being.
[0034]
(Operation / Effect) According to the invention described in claim 21, the imaging means images the interference fringe and the measurement target surface by the white light in the specific frequency band based on the frequency characteristic. Therefore, when a method using discrete intensity value data is used, the sampling interval can be widened, and as a result, the time required for measurement can be reduced.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a surface shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0036]
The surface shape measuring device includes an optical system unit 1 that irradiates a fine pattern formed on the surface of a measurement target 30 such as a semiconductor wafer, a glass substrate, or a metal substrate with white light in a specific frequency band; 1 and a control system unit 2 for controlling the control system 1.
[0037]
The optical system unit 1 includes a white light source 10 that generates white light to irradiate the measurement target surface 30A and the reference surface 15, a collimating lens 11 that converts the white light from the white light source 10 into parallel light, and a white light from the collimating lens 11. A half mirror 13 that reflects white light from the direction of the measurement target 30 while reflecting white light in the direction of the measurement target 30, an objective lens 14 that condenses the white light reflected by the half mirror 13, The white light that has passed through the lens 14 is divided into reference light that is reflected on the reference surface 15 and measurement light that is passed on the measurement target surface 30, and the reference light that has been reflected on the reference surface 15 and reflection on the measurement target surface 30. The measurement light is collected again, and a beam splitter 17 for generating interference fringes and a mirror 16 provided for reflecting the reference light on the reference surface 15 are referred to. An imaging lens 18 for imaging the light and the measuring light and the white light gathered is configured by a CCD camera 19 for imaging the object surface 30 with the interference fringes.
[0038]
The white light source 10 is, for example, a white light lamp or the like, and generates white light in a relatively wide frequency band. The white light generated from the white light source 10 is collimated by the collimator lens 11 and reaches the half mirror 13.
[0039]
The half mirror 13 reflects the parallel white light from the collimator lens 13 toward the measurement target 30, while passing the white light returned from the measurement target 30. The white light of the specific frequency band reflected by the half mirror 13 enters the objective lens 14.
[0040]
The objective lens 14 is a lens that condenses incident white light toward the focal point P. The white light collected by the objective lens 14 passes through the reference surface 15 and reaches the beam splitter 17.
[0041]
The beam splitter 17 reflects white light condensed by the objective lens 14 on the reference surface 15, for example, reference light reflected on the upper surface of the beam splitter 17, and beam reflected on the measurement target surface 30 </ b> A. The light is divided into measurement light that passes through the splitter 17 and the reference light and the measurement light are combined again to generate interference fringes. The white light that has reached the beam splitter 17 is divided into reference light reflected by the upper surface of the beam splitter 17 and measurement light that passes through the beam splitter 17, and the reference light reaches the reference surface 15, and the measurement light is It reaches the measurement target surface 30A which is the surface of the measurement target 30.
[0042]
A mirror 16 for reflecting the reference light in the direction of the beam splitter 17 is attached to the reference surface 15. The reference light reflected by the mirror 16 reaches the beam splitter 17, and further, the reference light is The light is reflected by the beam splitter 17.
[0043]
The measurement light that has passed through the beam splitter 17 is focused toward the focal point P, and is reflected on the measurement target surface 30A. The two reflected measurement lights reach the beam splitter 17 and pass through the beam splitter 17.
[0044]
The beam splitter 17 combines the reference light and the measurement light again. At this time, an optical path difference occurs due to a difference in a distance L1 between the reference surface 15 and the beam splitter 17 and a distance L2 between the beam splitter 17 and the measurement target surface 30A. The reference light and the measurement light interfere with each other according to the optical path difference, thereby generating interference fringes. The white light having the interference fringes passes through the half mirror 13, is imaged by the imaging lens 18, and is incident on the CCD camera 19.
[0045]
The CCD camera 19 captures an image near the focal point P of the measurement target surface 30A projected by the measurement light, together with the white light in a state where the interference fringes are generated. The captured image data is collected by the control system unit 2. Further, as will become clear later, for example, the optical system unit 1 is moved up, down, left, and right by the drive unit 24 of the control system unit 2 corresponding to the variation means of the present invention. In particular, when the optical system unit 1 is driven in the vertical direction, the distance between the distance L1 and the distance L2 is changed. Thus, the interference fringes gradually change according to the difference between the distance L1 and the distance L2. The CCD camera 19 captures an image of the measurement target surface 30A together with a change in interference fringes at predetermined sampling intervals described later, and the control system unit 2 collects the image data. The CCD camera 19 corresponds to an imaging unit in the present invention.
[0046]
The control system unit 2 controls the overall operation of the surface shape measuring apparatus and performs a predetermined arithmetic processing on the CPU 20 and various data such as image data sequentially collected by the CPU 20 and calculation results of the CPU 20. A memory 21 for storing, an input unit 22 such as a mouse and a keyboard for inputting sampling intervals and other setting information, a monitor 23 for displaying an image of the measurement target surface 30A, and the like, and the optical system unit 1 according to instructions from the CPU 20. And a drive unit 24 configured by a drive mechanism such as a three-axis drive type servomotor for driving the drive up, down, left and right. Note that the CPU 20 corresponds to a sampling unit and an arithmetic unit in the present invention, the memory 21 corresponds to a storage unit in the present invention, and the drive unit 25 corresponds to a varying unit in the present invention.
[0047]
The CPU 20 is a so-called central processing unit that controls the CCD camera 19, the memory 21, and the drive unit 24, and based on image data of the measurement target surface 30A including interference fringes captured by the CCD camera 19, An arithmetic process is performed to determine the surface height of the specific portion 30. This processing will be described later in detail. Further, a monitor 23 and an input unit 22 such as a keyboard and a mouse are connected to the CPU 20, and an operator observes an operation screen displayed on the monitor 23 and receives various setting information from the input unit 22. Input. Also, after the measurement of the measurement target surface 30A is completed, the monitor 23 displays the measurement target surface 30A and the uneven shape of the measurement target surface as numerical values or images.
[0048]
The drive unit 24 calculates a difference between a fixed distance L1 between the reference surface 15 in the optical system unit 1 and the beam splitter 17 and a variable distance L2 between the beam splitter 17 and the measurement target surface 30A. Is a device that varies the optical system unit 1 in three orthogonal directions to change the optical system unit 1. For example, a three-axis drive type servo motor that drives the optical system unit 1 in the X, Y, and Z axis directions according to an instruction from the CPU 20 And a drive mechanism having: The driving unit 24 corresponds to a variation unit in the present invention, and the relative distance in the present invention indicates a distance from the reference surface 15 to the measurement target surface 30A, that is, the distance L1 and the distance L2. In this embodiment, the optical system unit 1 is operated. For example, a table (not shown) on which the measurement target 30 is placed may be changed in three orthogonal axes.
[0049]
Hereinafter, a process of measuring the surface height when the surface of the measurement target surface 30A is not covered with the transparent film using the entire surface shape measurement device of the present embodiment will be specifically described with reference to the flowchart of FIG. I do.
[0050]
[First embodiment]
<Step S1> Condition setting
Various conditions such as a scanning speed and a scanning range for moving the optical system unit in the z-axis direction are set.
[0051]
<Step S2> Obtain measurement data
The optical system unit 1 irradiates white light generated from the white light source 10 to the measurement target surface 30A and the reference surface 15.
[0052]
Further, the CPU 20 gives the driving unit 24 an instruction to start a change for starting the movement of the optical system unit 1 to a predetermined measurement location in the z-axis direction. The drive unit 24 drives a drive system such as a stepping motor (not shown) to move the optical system unit 1 by a predetermined distance in the z-axis direction. Thereby, the distance between the reference surface 15 and the measurement target surface 30A is changed. The process up to step S2 in this embodiment corresponds to a first process in the present invention.
[0053]
Each time the optical system unit 1 moves by the sampling interval, the CPU 20 collects image data of the measurement target surface 30 </ b> A including the interference fringe captured by the CCD 19, and sequentially stores the data in the memory 21. When the optical system unit 1 moves by a predetermined distance, the memory 21 stores a plurality of image data determined by the moving distance of the optical system unit 1 and the sampling interval. It should be noted that the steps up to the step S2 in the present embodiment correspond to a second step in the present invention.
[0054]
<Step S3> Acquire interference light intensity value group at specific location
A plurality of specific locations where the height of the measurement target surface 30A is to be measured are designated from the input unit 22. The CPU 20 grasps the specified plurality of specific locations, and calculates the density values of the pixels corresponding to the plurality of specific locations on the image obtained by capturing the measurement target surface 30A, that is, the intensity values of the interference light at the specific locations. Each image is taken from the image data. Thereby, a plurality of intensity values (interference light intensity value group) at each specific location are obtained. Step S3 of the present embodiment corresponds to a third process of the present invention.
[0055]
<Step S4> A characteristic function is obtained from the average value of the intensity values.
As shown in FIG. 3, the CPU 20 obtains an average value of the intensity values of the interference light based on the group of the intensity of the interference light at the specific portion which is discretely acquired. Further, each value (adjustment value group) is obtained by subtracting the average value from each intensity value of the interference light intensity value group. That is, as shown in FIG. 4, the DC component is removed from the interference fringe waveform, and only the AC component is left.
[0056]
The adjustment value is further squared to obtain a characteristic value in which the intensity value is emphasized on the plus side as shown in FIG. Step S4 in the present embodiment corresponds to a fourth process in the present invention.
[0057]
<Step S5> Creation of physical model function
As is clear from the characteristic values obtained in step S3, the CPU 20 has an interference fringe waveform including one peak as shown in FIG. 5 for the characteristic value at a specific location on the measurement target surface 30A. Here, an envelope function is created as a function of the physical model using the waveform data of the characteristic values shown in FIG. In this embodiment, a function is created in which the waveform data of the characteristic value is regarded as a normal distribution (Gaussian distribution). As shown in FIG. 6, this function has three parameters: a peak position x0 (initial value) of the surface height of the measurement target surface, a peak amplitude a, and a bandwidth at a predetermined position. Therefore, this function can be obtained by the following equation (1).
[0058]
g (x, x0, a, w) = a × exp (−π · ((x−x0) / w) 2 )… (1)
[0059]
Step S5 corresponds to a fifth step in the present invention.
[0060]
<Step S6> Fit physical model function
As shown in FIG. 6, the CPU 20 performs arithmetic processing for fitting the function obtained in step S5 so as to substantially match the waveform data of the characteristic value. Specifically, the following processing is performed.
[0061]
First, the CPU 20 determines initial parameters. In this embodiment, as the initial values of the parameters, (peak position) = (maximum value of the square of the characteristic value), (maximum value of the square of the characteristic value of the peak amplitude) = ((square of the square of the characteristic value) It is determined so as to have the relationship of (maximum value) / 2). Since the bandwidth is a device parameter substantially determined by an optical unit such as a light source, an approximate value may be obtained by a theoretical value or an experiment and set as an initial value.
[0062]
Therefore, in the case of the present embodiment, as shown in FIG. 6, the initial position is set to the peak position x0 = 122 and the peak amplitude a = 3761/2 = 1880. At this time, the bandwidth w is set to 20.
[0063]
Next, when the error obtained by reading and comparing the values of the function corresponding to each characteristic value of the waveform data is the minimum value, the three parameters of the peak position x0, peak amplitude a, and bandwidth w of this function are obtained. The least squares method is used to find the optimal value. The least squares method can be expressed by the following relational expression, using the sum of the square errors obtained as an evaluation function.
[0064]
f (x0, w, a) = Σ [qig-g (xi, x0, a, w)] 2 … (2)
[0065]
Here, qi is a characteristic value of a specific portion in the I-th image shown in FIG. 5, and xi is a position coordinate of the i-th function shown in FIG.
[0066]
In the case of the present embodiment, the function was matched using the above equation (2), and the optimum value (convergence value) of each parameter was obtained. As a result, the result is as shown in FIG. That is, each parameter resulted in the results shown in Table 1 below.
[0067]
[Table 1]
Figure 2004340680
[0068]
Step S6 in the present embodiment corresponds to a sixth process in the present invention.
[0069]
<Step S7> Measurement of surface shape
The CPU 20 calculates the surface height of the measurement target surface 30A from the optimal value of the function obtained in step S7. For example, since the peak position of the surface height of the measurement target surface 30A is located at the 121.95th image, the surface height can be determined by multiplying the value of this position by the known sample point interval. it can. Step S7 in this embodiment corresponds to a seventh process in the present invention.
[0070]
<Step S8> Are all specific locations completed?
The CPU 20 repeats the processing of steps S3 to S7 until all the specific locations are completed, and obtains the heights of all the specific locations.
[0071]
<Step S9> Display
The CPU 20 displays information on the surface height of the measurement target 30 on the monitor 23, and displays a three-dimensional or two-dimensional image based on the information on the height of each specific portion. By observing these displays, the operator can grasp the irregularities of the measurement target surface 30A of the measurement target 30 and the surface 31A of the transparent film 31.
[0072]
According to the above embodiment, a function of the physical model is created from the acquired waveform data of the intensity value (characteristic value), and the created function is matched with the waveform data of the characteristic value. That is, when the error obtained by reading and comparing the values of the functions corresponding to the respective characteristic values by the least square method becomes the minimum value, the three parameters of the peak position x0, the peak amplitude a, and the bandwidth w of the function are obtained. Find the optimal value. As a result, the peak position information can be accurately acquired from these parameters, and the surface height of the measurement target surface 30A can be obtained from the acquired peak position information.
[0073]
[Second embodiment]
In the present embodiment, a case will be described in which the measurement target surface 30A is covered with a thick transparent film 31, as shown in FIG. The configuration of the apparatus is the same as that of the first embodiment, and the processing of the reflected light to be measured is different. Therefore, the different points will be specifically described.
[0074]
The differences from the first embodiment are as follows.
That is, as shown in FIG. 8, the measurement light split by the beam splitter 17 is transmitted through the surface 31A of the transparent film 31 and the transparent film 31 by the transparent film 31 formed so as to cover the surface of the measurement target surface 30A. As a result, two reflected lights reflected by the measurement target surface 30A are generated. The two reflected lights are combined again with the reference light by the beam splitter 17. At this time, an optical path difference is generated due to a difference between a distance L1 between the reference surface 15 and the beam splitter 17 and a distance L2 between the beam splitter 17 and the measurement target surface 30A.
[0075]
Next, a process of measuring the surface height when the surface of the measurement target surface 30A is covered with the thick transparent film 31 using the entire surface shape measurement device of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. Will be explained. In the present embodiment, the description of the processing (steps S1 and S2) common to the first embodiment will be omitted, and different points of the processing will be specifically described.
[0076]
Further, in the present embodiment, an Si substrate is used as the measurement target 30, and an oxide film (SiO 2) having a thickness of 1 μm is formed on the surface of the measurement target 30.
[0077]
Hereinafter, the process from step S3 will be described.
<Step S3> Acquire interference light intensity value group at specific location
A plurality of specific locations where the height of the measurement target surface 30A is to be measured are designated from the input unit 22. The CPU 20 grasps the specified plurality of specific locations, and calculates the density values of the pixels corresponding to the plurality of specific locations on the image obtained by capturing the measurement target surface 30A, that is, the intensity values of the interference light at the specific locations. Each image is taken from the image data. Thereby, a plurality of intensity values (interference light intensity value group) at each specific location are obtained.
[0078]
That is, as shown in FIG. 8, the white light is reflected by the surface 31A of the transparent film 31 and the measurement target surface 30A, and therefore, as shown in FIG. Is obtained.
[0079]
Step S3 in the present embodiment corresponds to a thirteenth process in the present invention.
[0080]
<Step S4> A characteristic value is obtained from the average value of the intensity values.
The CPU 20 obtains an average value of the intensity values of the interference light based on the group of the interference light intensity values at the specific portion discretely acquired as shown in FIG. Further, each value (adjustment value group) is obtained by subtracting the average value from each intensity value of the interference light intensity value group. That is, as shown in FIG. 10, the DC component is removed from the interference fringe waveform, and only the AC component is left.
[0081]
The adjustment value is further squared to obtain a characteristic value in which the intensity value is emphasized on the positive side as shown in FIG. Step S4 in the present embodiment corresponds to a fourteenth process in the present invention.
[0082]
<Step S5> Creation of physical model function
As is clear from the characteristic values obtained in step S3, the CPU 20 produces an interference fringe waveform including two peaks of the measurement target surface 30A and the transparent film 31 surface 31A. Here, a function composed of two envelopes is created as a physical model function using the waveform data of the characteristic values shown in FIG. That is, it can be obtained by the sum of two functions as represented by the following equation.
[0083]
Envelope function: g (x, x0, a, w) + g (x, x0 ′, a ′, w ′) (3)
[0084]
The function: g (x, x0, a, w) is the peak 1 (left side in FIG. 12) of the surface height of the transparent film surface 31A, and the function: g (x, x0 ′, a ′, w ′). ) Indicates the peak 2 (right side in FIG. 12) of the measurement target surface 30A. Each function has three parameters including a peak position x0, x0 ', a peak amplitude a, a', and a bandwidth w, w 'at a predetermined position. Step S5 in this embodiment corresponds to a fifteenth process of the present invention.
[0085]
<Step S6> Fit physical model function
As shown in FIG. 12, the CPU 20 performs arithmetic processing for fitting the function obtained in step S5 so as to substantially match the waveform data of the characteristic value. That is, similarly to the first embodiment, the value of each parameter when the square error of the characteristic value is minimized is obtained for each of the two functions by the least square method shown in the above equation (2).
[0086]
In the case of the present embodiment, as a result of finding the optimum value (convergence value) of each parameter and fitting the functions, the result is as shown in FIG. That is, each parameter has a result shown in Table 2 below.
[0087]
[Table 2]
Figure 2004340680
[0088]
That is, in the peak 1 on the transparent film 31 side, the peak position x0 changes from the initial value 20 to 21.14, the peak amplitude a changes from the initial value 200 to 147.35, and the bandwidth w changes from the initial value 20 to 9.69. It becomes a converged value. Further, in the peak 2 on the measurement object 30 side, the peak position x0 ′ is changed from the initial value 50 to 39.84, the peak amplitude a ′ is changed from the initial value 200 to 116.98, and the bandwidth w ′ is changed from the initial value 20. The value converges to 10.09. Step S6 in the present embodiment corresponds to a sixteenth process in the present invention.
[0089]
<Step S7> Measurement of surface shape
The CPU 20 determines at least one of the surface height of the measurement target surface 30A, the surface height of the transparent film surface 31A, and the film thickness D of the transparent film 31 from the optimum value (convergence value) of the function obtained in step S7. calculate. For example, the peak position x0 of the surface height of the transparent film 31 at a specific location is 21.14. By taking the product of the value of the peak position x0 and the known sampling point interval, the surface height Zp of the transparent film 31 is obtained. 1 Can be requested. Similarly, for the measurement target surface 30A, the surface height zp of the transparent film 31 obtained by multiplying the value of the peak position x0 by the known sample point interval. 1 And the optical height zp ′ of the measurement target surface 30A, the thickness D of the transparent film 31 is D = (zp 1 −zp ′) / n, and the height zp of the measurement target surface 30 is zp = zp 1 It is obtained from the equation of −D. Step S7 in this embodiment corresponds to a seventeenth process in the present invention.
[0090]
<Step S8> Are all specific locations completed?
The CPU 20 repeats the processing of steps S3 to S7 until all the specific locations are completed, and obtains the heights of all the specific locations.
[0091]
<Step S9> Display
The CPU 20 displays information on the surface height of the measurement target 30 on the monitor 23, and displays information on the height of the measurement target 30 and the transparent film 31 and information on the thickness D of the transparent film 31 at each of these specific locations. For example, a three-dimensional or two-dimensional image based on the image is displayed. By observing these displays, the operator can grasp the irregularities of the measurement target surface 30A of the measurement target 30 and the surface 31A of the transparent film 31.
[0092]
According to the above-described embodiment, for each of the two generated peaks, the sum of the physical model functions created individually is calculated, and the peak positions x0, x0 of each of these functions and characteristic values are calculated using the least squares method. , Bandwidth w, w ', and peak amplitude a, a' are determined to obtain the optimum values of the surface height of the measuring object 30, the surface height of the transparent film 31, and the film thickness D of the transparent film 31. Can be obtained with high accuracy.
[0093]
[Third embodiment]
In the present embodiment, a case will be described in which the measurement target surface 30A is covered with a thin transparent film 31, as shown in FIG. In the present embodiment, the description of the processes (steps S1 and S2) common to the second embodiment will be omitted, and different processes will be specifically described.
[0094]
In the present embodiment, an Si substrate is used as the measurement target 30, and an oxide film (SiO 2) having a thickness of 0.5 μm or less is formed on the surface of the measurement target surface 30A.
[0095]
Hereinafter, the process from step S3 will be described.
<Step S3> Acquire interference light intensity value group at specific location
In the case of this embodiment, since the film thickness D of the transparent film 31 is small, light reflected from the surface 31A of the transparent film 31 and the surface of the measurement target surface 30A is received almost simultaneously by the CCD. Therefore, as shown in FIG. 14, the interference fringe waveforms corresponding to the respective surfaces appear in a substantially overlapping state, and two originally existing peaks are scattered on one interference fringe waveform. A discrete interference light intensity value having only one peak is obtained. Step S3 in the present embodiment corresponds to a thirteenth process in the present invention.
[0096]
<Step S4> A characteristic function is obtained from the average value of the intensity values.
The CPU 20 obtains a characteristic value in which the intensity value of the interference light is emphasized on the plus side based on the group of the interference light intensity values at the specific location which are discretely acquired. That is, the characteristic value (square envelope function value ri) required to create the physical model function is obtained. Specifically, it is obtained from the following equations (4) and (5).
[0097]
Intensity value y obtained from interferometer m (M = 1 to M) and the surface height h is not at the sampling point:
ri (h) = 1 / (4ωa ' 2 ) ｛[1-cos2ωa'h] [Σ '(y 2m-1 / (Hh 2m-1 ))] 2 + [1 + cos2ωa'h] [Σ '' (y 2m / (Hh 2m ))] 2 …… (4)
Σ ': sum from (m = 1) to (minimum integer of M / 2 or more)
Σ '': sum from (m = 1) to (the largest integer less than or equal to M / 2)
[0098]
When the surface height h is a sampling point, that is, when h = hJ (J is an integer of 1 ≦ J ≦ M):
ri (h) = 1 / (2ωa ' 2 ) ｛(Ωa'y J ) 2 + [Σ '''(y J + 2m + 1 / (H J -H J + 2m + 1 ))] 2 …… (5)
Σ ′ ″: A total sum from − (m = the maximum integer equal to or less than J / 2) to ([[MJ] / 2 / the minimum integer equal to or more] −1) −1. Note that J is an integer of 1 ≦ J ≦ M.
[0099]
Step S4 in the present embodiment corresponds to a fourteenth process in the present invention.
[0100]
<Step S5> Creation of physical model function
The CPU 20 creates, as a physical model function, an envelope function having one peak indicated by a one-dot chain line on the left side of FIG. The function of this envelope is obtained by the following arithmetic processing.
[0101]
First, for the sake of simplicity, assuming that multiple reflections in the film are ignored and reflection is performed once in the film, the observed luminance g (intensity value) of the interference fringe waveform is expressed by the following equation.
[0102]
(Equation 1)
Figure 2004340680
[0103]
Here, zp is the surface height of the measurement target 30A, D is the thickness of the transparent film, α = 2k (assuming that the refractive index of air = 1), k is the square wave number, ns is the film refractive index, and kl is The lower limit of the wave number of the irradiated light, ku is the upper limit of the wave number of the irradiated light, and P, Q, R, and S are parameters determined by the apparatus and physical properties of the target film.
[0104]
Assuming that an AC component of the intensity value g is f, it is expressed by the following equation.
[0105]
(Equation 2)
Figure 2004340680
[0106]
The above equation (7) is modified as a product of a cos function and an amplitude component.
[0107]
f (z; zp, D) = m (z; zi, D) cos {β (z−zp) + A (z)} (8)
[0108]
From the above (6) to (8), the square of the envelope function r can be defined by the following equation (9).
r (z; zp, D) = [m (z; zp, D)] 2 … (9)
[0109]
Step S5 in this embodiment corresponds to a fifteenth process of the present invention.
[0110]
<Step S6> Fit physical model function
The CPU 20 generates a function (M in FIG. 16) of the envelope of the physical model obtained in step S5 as shown in FIG. 16 and a function previously created from the actual data as the characteristic value as shown in FIG. As shown in FIG. 16, D), as shown in FIG. 17, an arithmetic process is performed to fit the function of the envelope of the physical model so as to substantially match the function of the actual data. That is, two parameters that minimize the evaluation function represented by the following equation, the surface height zp of the measurement target surface 30A and the film thickness D of the transparent film 31, are obtained.
[0111]
f (zp, D) = Σ [ri-r (zi; zp, D)] 2 … (10)
[0112]
Here, ri is the ith square envelope function value, and zi is the ith position coordinate.
Step S6 in the present embodiment corresponds to a sixteenth process in the present invention.
[0113]
<Step S7> Measurement of surface shape
The CPU 20 obtains the surface height of the measurement target surface 30A and the thickness D of the transparent film 31 from the result of performing the arithmetic processing in step S6. Further, the surface height of the transparent film 31 can be obtained by taking the sum of these two values. Step S7 in this embodiment corresponds to a seventeenth process in the present invention.
[0114]
Hereinafter, the processing in step S8 and step S9 is the same as that in the second embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0115]
According to the above-described embodiment, the above formulas (4) and (5) are used as characteristic values emphasized on the plus side based on the acquired intensity values, that is, characteristic values (function values) necessary to create a physical model function. ). A function of an envelope as a physical model function is created from this function value, and this function is matched with a function created based on actual data that is an intensity value. At this time, the surface height and the film thickness D of the measurement target surface 30A can be obtained by obtaining the values of the two parameters that minimize the above equation (10). Also, the surface height of the transparent film 31 can be determined by taking the sum of the surface height value of the measurement target surface 30A and the film thickness D.
[0116]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be modified as follows.
(1) In each of the above embodiments, the configuration is such that the intensity value of the interference light at the specific location is acquired after the image data of the measurement target surface 31 is captured. However, the present invention is not limited to this. For example, a configuration may be adopted in which the intensity value of a pixel corresponding to a specific portion on a captured image is acquired in real time, and the intensity values of the interference light are sequentially stored in the memory 21.
[0117]
(2) In the above embodiment, the frequency band of the white light from the white light source is band-limited by the optical system (including the light source, the lens, and each mirror) up to the CCD camera 19 serving as the imaging means. Utilizing this, the frequency band can be grasped in advance, and the limited frequency band can be used as the specific frequency band in the present invention.
[0118]
(3) In the above embodiment, the frequency band limited by the frequency characteristics of the CCD camera 19 as the image pickup means is set as the specific frequency band, the specific frequency band is grasped in advance, and the limited frequency band is used as the specific frequency band. The specific frequency band in the present invention may be used.
[0119]
(4) In the above embodiment, the CCD camera 19 is used as the imaging means. However, for example, in view of imaging (detecting) only the intensity value of the interference light at a specific location, the light reception arranged in a line or in a plane is used. An imaging unit such as an element can also be configured.
[0120]
(5) In the above-described embodiment, the white light from the white light source 10 is collimated by the collimating lens 11 and then emitted toward the half mirror 13. A band-pass filter that passes white light in a frequency band may be provided.
[0121]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the white light is irradiated while changing the distance between the measurement target surface covered with the transparent film and the reference surface, and the acquired intensity value of the interference light at the specific location Get the group. A characteristic value representing the envelope of the interference fringe waveform is obtained from the intensity value group, and a function of a physical model corresponding to the characteristic value or corresponding to the envelope is created, and the function is adjusted to the characteristic value. By acquiring the peak position information at which the mutual error is minimized in the process, the surface height or the like of the measurement target can be accurately obtained. That is, when there is no transparent film on the surface of the measurement object, the surface height of the measurement object is used.When the surface of the measurement object is covered with the transparent film, the surface height of the measurement object, At least one of the surface height of the transparent film and the thickness of the transparent film can be obtained with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a surface shape measuring apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing a process in the first to third embodiments.
FIG. 3 is an explanatory diagram for describing a process of obtaining a peak position of a function according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram for describing a process of obtaining a peak position of a function according to the first embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a process of obtaining a peak position of a function according to the first embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a process of obtaining a peak position of a function according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a surface shape measuring device according to second and third embodiments.
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the second embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram for describing a process of obtaining a peak position of a function according to the second embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram for describing a process of obtaining a peak position of a function according to the second embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the second embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the second embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the third embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the third embodiment.
FIG. 16 is an explanatory diagram for describing a process of obtaining a peak position of a function according to the third embodiment.
FIG. 17 is an explanatory diagram illustrating a process of obtaining a peak position of a function according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Optical unit
2 Control unit
10 White light source
11… Collimating lens
12… Bandpass filter
13… half mirror
14… Objective lens
15… Reference plane
16… Mirror
17… Beam splitter
18… imaging lens
19… CCD camera
20 ... CPU
21… memory
22 ... input section
23… Monitor
24… drive unit
30 ... measurement object
30A ... Measurement target surface (measurement target)
31… transparent film
31A ... Measurement target surface (transparent film)
D ... film thickness (transparent film)

Claims (21)

白色光源からの白色光を測定対象面と参照面とに照射しながら、前記測定対象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉光の強度値に基づいて測定対象面の特定箇所の表面高さを求める前記測定対象面の表面形状測定方法において、
前記特定周波数帯域の白色光が照射された前記測定対象面と参照面との距離を変動させる第１の過程と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させる過程で、測定対象面の画像を所定間隔で連続して取得する第２の過程と、
前記所定間隔で連続して取得した複数枚の画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める第３の過程と、
前記求めた強度値群から包絡線に相当する特性値群を取得する第４の過程と、
前記特性値群の変化を示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成する第５の過程と、
前記特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに物理モデルの関数を合せ込む第６の過程と、
前記特性値群の示す波形データに合せ込んだ物理モデルの関数から測定対象面と参照面に関連するピーク位置情報を求め、このピーク位置情報に基づいて、測定対対象面の特定箇所の表面高さを求める第７の過程と
を備えることを特徴とする表面形状測定方法。By irradiating white light from a white light source to the measurement target surface and the reference surface while changing the distance between the measurement target surface and the reference surface, the reflection from the measurement target surface and the reference surface returns to the same optical path. A change in interference fringes caused by light, the surface shape measurement method of the measurement target surface to determine the surface height of a specific location of the measurement target surface based on the intensity value of the interference light at this time,
A first step of changing a distance between the measurement target surface and the reference surface irradiated with the white light of the specific frequency band;
In the process of changing the distance between the measurement target surface and the reference surface, a second process of continuously acquiring images of the measurement target surface at predetermined intervals,
A third step of determining a change in the intensity value group of the interference light in each pixel of the plurality of images continuously acquired at the predetermined interval;
A fourth process of acquiring a characteristic value group corresponding to an envelope from the obtained intensity value group;
A fifth step of creating a physical model function corresponding to the waveform data indicating the change in the characteristic value group;
A sixth step of comparing the waveform data indicated by the characteristic value group and the function of the physical model, and adjusting the function of the physical model to the waveform data indicated by the characteristic value group while correcting an obtained error;
The peak position information relating to the measurement target surface and the reference surface is obtained from the function of the physical model adjusted to the waveform data indicated by the characteristic value group, and the surface height of the specific position of the measurement target surface is determined based on the peak position information. And a seventh step of determining the surface shape. 請求項１に記載の表面形状測定方法において、
前記第４の過程における干渉光の特性値群は、前記強度値群に基づいて求める包絡線に近似する値であることを特徴とする表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to claim 1,
The surface shape measuring method according to claim 4, wherein the characteristic value group of the interference light in the fourth step is a value approximating an envelope obtained based on the intensity value group. 請求項１に記載の表面形状測定方法において、
前記第４の過程における干渉光の特性値群は、前記取得した複数枚の画像ごとの各画素における干渉光の強度値群の平均値を算出し、その平均値を各画像の所定画素の強度値から減算して算出した値を、さらに２乗した値であることを特徴する表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to claim 1,
The characteristic value group of the interference light in the fourth step calculates an average value of the intensity value group of the interference light in each pixel for each of the plurality of acquired images, and calculates the average value as the intensity of a predetermined pixel of each image. A surface shape measuring method, characterized in that the value is a value obtained by further squaring a value calculated by subtracting from a value. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面形状測定方法において、
前記第５の過程における物理モデルの関数は、特性値群の示す波形データに基づいて包絡線として求めた関数であることを特徴とする表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to any one of claims 1 to 3,
The surface shape measuring method according to claim 5, wherein the function of the physical model in the fifth step is a function obtained as an envelope based on waveform data indicated by a characteristic value group. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面形状測定方法において、
前記第５の過程における物理モデルの関数は、特性値群の示す波形データをガウス分布関数とみなして求めた関数であることを特徴とする表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to any one of claims 1 to 3,
The surface shape measuring method according to claim 5, wherein the function of the physical model in the fifth step is a function obtained by regarding waveform data represented by the characteristic value group as a Gaussian distribution function. 請求項４または請求項５に記載の表面形状測定方法において、
前記第６の過程における誤差の補正は、特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差の２乗値が最小となるときの、物理モデルの関数のピーク位置、ピークの振幅、および所定箇所の帯域幅のパラメータ、あるいは、ピーク位置およびピークの振幅のパラメータのいずれかを求めることを特徴とする表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to claim 4 or 5,
The correction of the error in the sixth process is performed by comparing the waveform data indicated by the characteristic value group with the function of the physical model, and determining the peak position and the peak of the function of the physical model when the square value of the obtained error is minimized. The surface shape measurement method, wherein either the parameter of the bandwidth of a predetermined location or the parameter of the peak position and the peak amplitude is obtained. 請求項６に記載の表面形状測定方法において、
前記パラメータは、その初期値として強度値群の最大値とその位置の情報を用いることを特徴とする表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to claim 6,
The surface shape measurement method according to claim 1, wherein the parameters use information on the maximum value of the intensity value group and its position as initial values. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の表面形状測定方法において、
前記第６の過程における特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正する際に物理モデルの関数を規定するためのパラメータとして、反射率が既知の測定対象物の試料を用いて装置パラメータを予め求めておくことを特徴とする表面形状測定方法。In the surface shape measuring method according to any one of claims 1 to 7,
In the sixth process, the waveform data indicated by the characteristic value group is compared with a function of a physical model, and a measurement object having a known reflectance is used as a parameter for defining the function of the physical model when correcting an obtained error. A method for measuring a surface shape, wherein device parameters are obtained in advance using a sample. 白色光源からの白色光を透明膜で覆われた測定対象面と参照面とに照射しながら、前記測定対象面と参照面との距離を変動させることにより、測定対象面と参照面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉光の強度値に基づいて測定対象物面の特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および透明膜の膜厚の少なくともいずれか一つを求める前記測定対象面の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記特定周波数帯域の白色光が照射された前記測定対象面と参照面との距離を変動させる第１１の過程と、
前記測定対象面と参照面との距離を変動させる過程で、測定対象面の画像を所定間隔で連続して取得する第１２の過程と、
前記所定間隔で連続して取得した複数枚の画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める第１３の過程と、
前記求めた強度値群から包絡線に相当する特性値群を取得する第１４の過程と、
前記求めた特性値群の変化を示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成する第１５の過程と、
前記特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに物理モデルの関数を合せ込む第１６の過程と、
前記特性値群の示す波形データとを合せ込んだ物理モデルの関数から測定対象面と参照面に関連するピーク位置情報を求め、このピーク位置情報に基づいて、測定対対象面と特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および膜厚の少なくともいずれか一つを求める第１７の過程と
を備えることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。While irradiating white light from a white light source to the measurement target surface and the reference surface covered with the transparent film, by changing the distance between the measurement target surface and the reference surface, the light is reflected from the measurement target surface and the reference surface. The reflected light returning along the same optical path causes a change in interference fringes, and the surface height of the transparent film at a specific location on the object surface to be measured based on the intensity value of the interference light at this time, the surface height of the surface to be measured, In the method for measuring the surface shape and / or thickness of the surface to be measured for determining at least one of the thickness of the transparent film and / or
An eleventh step of changing a distance between the measurement target surface and the reference surface irradiated with the white light of the specific frequency band,
In the process of varying the distance between the measurement target surface and the reference surface, a twelfth process of continuously acquiring images of the measurement target surface at predetermined intervals,
A thirteenth process of determining a change in the intensity value group of the interference light in each pixel of the plurality of images continuously acquired at the predetermined interval;
A fourteenth process of acquiring a characteristic value group corresponding to an envelope from the obtained intensity value group;
A fifteenth step of creating a function of the physical model corresponding to the waveform data indicating the change in the obtained characteristic value group;
A sixteenth step of comparing the waveform data indicated by the characteristic value group with the function of the physical model, and adjusting the function of the physical model to the waveform data indicated by the characteristic value group while correcting an obtained error;
The peak position information related to the measurement target surface and the reference surface is obtained from the function of the physical model in which the waveform data indicated by the characteristic value group is combined. Based on the peak position information, the measurement target surface and the transparency of the specific location are determined. A seventeenth step of determining at least one of the surface height of the film, the surface height of the surface to be measured, and the film thickness. 請求項９に記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１４の過程における干渉光の特性値群は、前記強度値群を用いて求めた包絡線に近似する値であることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。In the surface shape and / or film thickness measuring method according to claim 9,
The surface shape and / or film thickness measuring method, wherein the characteristic value group of the interference light in the fourteenth step is a value approximating an envelope obtained using the intensity value group. 請求項９に記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１４の過程における干渉光の特性値群は、前記取得した複数枚の画像ごとの各画素における干渉光の強度値群の平均値を算出し、その平均値を各画像の所定画素の強度値から減算して算出した値を、さらに２乗した値であることを特徴する表面形状および／または膜厚測定方法。In the surface shape and / or film thickness measuring method according to claim 9,
The characteristic value group of the interference light in the fourteenth process calculates an average value of the intensity value group of the interference light in each pixel for each of the obtained plurality of images, and calculates the average value as the intensity of a predetermined pixel of each image. A surface shape and / or film thickness measuring method, characterized in that a value calculated by subtracting from a value is further squared. 請求項９ないし請求項１１のいずれかに記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１５の過程における物理モデルの関数は、特性値群の示す波形データに基づいて包絡線として求めた関数であることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。The method for measuring a surface shape and / or film thickness according to any one of claims 9 to 11,
The method of measuring a surface shape and / or film thickness, wherein the function of the physical model in the fifteenth step is a function obtained as an envelope based on waveform data represented by a group of characteristic values. 請求項９ないし請求項１１のいずれかに記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１５の過程における物理モデルの関数は、特性値群の示す波形データをガウス分布関数とみなして求めた関数であることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。The method for measuring a surface shape and / or film thickness according to any one of claims 9 to 11,
The method of measuring a surface shape and / or film thickness, wherein the function of the physical model in the fifteenth step is a function obtained by regarding waveform data represented by a group of characteristic values as a Gaussian distribution function. 請求項１２または請求項１３に記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１６の過程における誤差の補正は、特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差の２乗値が最小となるときの、物理モデルの関数のピーク位置、ピークの振幅、および所定箇所の帯域幅のパラメータ、あるいは、ピーク位置およびピーク振幅のパラメータのいずれかを求めることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。In the surface shape and / or film thickness measuring method according to claim 12 or 13,
The correction of the error in the sixteenth step is performed by comparing the waveform data indicated by the characteristic value group with the function of the physical model, and determining the peak position and the peak of the function of the physical model when the square value of the obtained error is minimum. A method of measuring a surface shape and / or a film thickness, wherein one of a parameter of a bandwidth of a predetermined portion or a parameter of a peak position and a peak amplitude is obtained. 請求項１４に記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記パラメータは、その初期値として強度値群のうちの最大値とその位置の情報を用いることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。In the surface shape and / or film thickness measuring method according to claim 14,
A method for measuring a surface shape and / or a film thickness, wherein information on a maximum value of a group of intensity values and a position thereof is used as an initial value of the parameter. 請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１６の過程における特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正する際に物理モデルの関数を規定するためのパラメータとして、反射率が既知の透明膜および測定対象物のそれぞれの試料を用いて装置パラメータを求めておくことを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。The surface shape and / or film thickness measuring method according to any one of claims 9 to 15,
The waveform data indicated by the characteristic value group in the sixteenth step is compared with a function of a physical model, and a transparent film having a known reflectance is used as a parameter for defining the function of the physical model when correcting an obtained error. A method for measuring a surface shape and / or a film thickness, wherein device parameters are determined using respective samples of an object to be measured. 請求項１６に記載の表面形状および／または膜厚測定方法において、
前記第１６の過程における波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正する際に物理モデルの関数を規定するためのパラメータとして、さらに、透膜厚が既知の透明膜の試料を用いて装置パラメータを求めておくことを特徴とする表面形状および／または膜厚測定方法。The surface shape and / or film thickness measuring method according to claim 16,
The waveform data in the sixteenth step is compared with the function of the physical model, and as a parameter for defining the function of the physical model when correcting an obtained error, a sample of a transparent film having a known film thickness is further used. A method for measuring a surface shape and / or a film thickness, wherein device parameters are obtained by using the method. 測定対象面と参照面とに照射する白色光を発生させる白色光源と、前記測定対象面と参照面との距離を変動させる変動手段と、前記白色光が照射された測定対象面と参照面との距離の変動に伴って測定対象面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせるとともに前記測定対象面を撮像する撮像手段と、前記撮像された測定対象面上の複数の特定箇所における干渉光の強度値を取り込むサンプリング手段と、前記サンプリング手段によって取り込まれた特定箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各干渉光強度値群に基づいて特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および透明膜の膜厚の少なくともいずれか一つを求める演算手段とを備えた表面形状および／または膜厚測定装置において、
前記演算手段は、測定対象面の特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および／または透明膜の膜厚の少なくともいずれか一つを以下の処理にしたがって求める
（１）前記記憶手段に記憶された各画素における干渉光から干渉光強度値群の変化を求め、
（２）前記求めた強度値群から包絡線に相当する特性値群を取得し、
（３）前記特性値群の示す波形データに対応する物理モデルの関数を作成し、
（４）前記特性値群の示す波形データと物理モデルの関数とを比較し、求まる誤差を補正しながら特性値群の示す波形データに関数を合せ込み、
（５）前記特性値群の示す波形データとを合せ込んだ関数から測定対象面と参照面に関連するピーク位置情報を求め、このピーク位置情報に基づいて、測定対対象面の特定箇所の透明膜の表面高さ、測定対象面の表面高さ、および膜厚の少なくともいずれか一つを求めることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定装置。A white light source that generates white light to irradiate the measurement target surface and the reference surface, a variation unit that changes the distance between the measurement target surface and the reference surface, and the measurement target surface and the reference surface irradiated with the white light Imaging means for causing an interference fringe change by reflected light reflected from the measurement target surface and the reference surface and returning along the same optical path with the variation of the distance, and imaging the measurement target surface, and the imaged measurement target Sampling means for capturing the intensity values of the interference light at a plurality of specific locations on the surface, and storage means for storing each interference light intensity value group that is a plurality of intensity values for each specific location captured by the sampling means; A calculating means for obtaining at least one of the surface height of the transparent film at a specific location, the surface height of the surface to be measured, and the film thickness of the transparent film based on each interference light intensity value group stored in the storage means; In the surface shape and / or thickness measuring device equipped with a preparative,
The calculating means obtains at least one of the surface height of the transparent film at a specific location on the surface to be measured, the surface height of the surface to be measured, and / or the film thickness of the transparent film according to the following processing (1). Determining the change in the interference light intensity value group from the interference light at each pixel stored in the storage means,
(2) acquiring a characteristic value group corresponding to an envelope from the obtained intensity value group;
(3) Create a physical model function corresponding to the waveform data indicated by the characteristic value group,
(4) The waveform data represented by the characteristic value group is compared with the function of the physical model, and the function is fitted to the waveform data represented by the characteristic value group while correcting an obtained error.
(5) Peak position information related to the measurement target surface and the reference surface is obtained from a function obtained by combining the waveform data indicated by the characteristic value group, and based on the peak position information, the transparency of a specific portion of the measurement target surface is determined. A surface shape and / or film thickness measuring device characterized in that at least one of a surface height of a film, a surface height of a surface to be measured, and a film thickness is obtained. 請求項１８に記載の表面形状および／または膜厚測定装置において、
前記白色光源から前記撮像手段までの光路に、特定周波数帯域の白色光だけを通過させる前記周波数帯域制限手段を備えたことを特徴とする表面形状および膜厚測定装置。The surface shape and / or film thickness measuring device according to claim 18,
A surface shape and film thickness measuring apparatus, characterized in that the optical path from the white light source to the imaging means includes the frequency band limiting means for passing only white light in a specific frequency band. 請求項１９に記載の表面形状および膜厚測定装置において、
前記周波数帯域制限手段は、前記白色光源から発せられた白色光の周波数帯域を特定周波数帯域にまで狭める、前記白色光源から前記撮像手段までの光学系であることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定装置。The surface shape and film thickness measuring device according to claim 19,
The surface shape and / or an optical system from the white light source to the imaging unit, wherein the frequency band limiting unit narrows a frequency band of white light emitted from the white light source to a specific frequency band. Film thickness measuring device. 請求項１９に記載の表面形状および／または膜厚測定装置において、
前記周波数帯域制限手段は、特定周波数帯域の白色光を感知する前記撮像手段の周波数感度であることを特徴とする表面形状および／または膜厚測定装置。The surface shape and / or film thickness measuring device according to claim 19,
The surface shape and / or film thickness measuring device is characterized in that the frequency band limiting unit is a frequency sensitivity of the imaging unit that senses white light in a specific frequency band.
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