JP2005049317A

JP2005049317A - 干渉計

Info

Publication number: JP2005049317A
Application number: JP2003284318A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Miura; 享博三浦; Satoshi Imaizumi; 智今泉
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24
Also published as: US20050046866A1; US7102762B2

Abstract

【課題】裏面干渉の影響を排除し、被測定物の表面形状をより精度良く測定できる干渉計を提供すること
【解決手段】測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、被測定物の表面形状を測定する干渉計に関する。

可干渉光の測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面からの反射光と参照面から反射された参照光とにより形成される干渉縞をＣＣＤカメラ等により撮像し、撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を検査する干渉計が知られている。

ところで、干渉縞を利用して半導体ウェハやガラスマスク等の被測定物の表面形状を検査する場合、被測定物が測定光を透過するものであると、被測定物の表面からの反射光と被測定物の裏面からの反射光とによる干渉（以下、裏面干渉）が発生し、これが表面形状の検査時にノイズとなる。この対策としては、被測定物裏面からの反射光を減衰させるために測定光の光量を減光させる方法や、裏面干渉の強度を相対的に低下させるためにスリガラス等で測定光の干渉性を低下させる方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−１２４５３２号公報

しかしながら、測定光の光量を減光させる方法は、測定光に対して透過率の高い被測定物の表面形状を測定する場合、十分に裏面干渉を除去できない問題がある。また、スリガラス等で測定光の干渉性を低下させる方法は、測定光の波面が乱れてしまうため、測定誤差の要因となる。

本発明は、上記問題点に鑑み、裏面干渉の影響を排除し、被測定物の表面形状をより精度良く測定できる干渉計を提供することを技術課題とする。

（１）測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射することを特徴とする。
（２）（１）の干渉計において、前記測定光源から出射されるパルスレーザのパルス幅は、測定光源から同時に出射して被測定物表面で反射される反射光と前記参照面で反射される参照光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間Ｔ１より長く、測定光源から同時に出射して被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間Ｔ２より短い時間であり、パルスレーザの休止時間は、前記時間Ｔ２より長く、前記撮像手段が撮像する１フレーム分の時間より短い時間であることを特徴とする。

本発明によれば、裏面干渉を除去し、被測定物の表面形状をより精度良く測定できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態である斜入射干渉計の要部概略図である。

６は被測定物であり、１３は被測定物６の載置台である。１は超短パルスレーザ光を発振するレーザ光源である。レーザ光源１より出射した超短パルスの測定光はエキスパンダレンズ２を通過した後、コリメータレンズ３により平行光束とされ、ロータリプリズム４を介して参照面５ａを持つプリズム５に入射する。参照面５ａは、被測定物６の表面に対向して位置する。ロータリプリズム４は制御部１１により駆動制御され、ロータリプリズム４の駆動により測定光の被測定物６への入射角（投光角度）が変更される。７は干渉縞が形成されるスクリーンである。スクリーン７上に形成された干渉縞はレンズ８を介してＣＣＤカメラ９の撮像面に結像する。なお、スクリーン７を用いずに、干渉縞がＣＣＤカメラ９の撮像面に直接結像するように構成しても良い。ＣＣＤカメラ９で撮像された干渉縞像は解析装置１０に送信され、モニタ１４に表示される。解析装置１０では干渉縞を基に表面形状を得るための演算解析等が行われ、干渉縞や各種情報はメモリ１５に記憶される。１２は測定感度の変更スイッチ等を持つ入力部である。

レーザ光源１より出射した測定光はエキスパンダレンズ２を通過した後、コリメータレンズ３により平行光束とされ、ロータリプリズム４を介してプリズム５に入射する。プリズム５に入射した測定光の一部は参照面５ａで反射されて参照光となり、スクリーン７に向かう。プリズム５に入射したその他の光は参照面５ａを透過する。参照面５ａを透過した光の一部は、被測定物６の表面６ａで反射され、再度プリズム５を通ってスクリーン７に向かう。参照面５ａで反射された光と被測定物６の表面６ａで反射された光は干渉現象を起こし、スクリーン７には干渉縞（表面干渉縞）が形成される。

ここで、被測定物６が測定光に対して透過特性を持つ場合、参照面５ａを透過した光の内、一部は被測定物６の表面６ａで反射され、残りの光は被測定物６の内部を透過して裏面６ｂに至り、さらに光の一部は裏面６ｂで反射される。裏面６ｂで反射された光は、再び被測定物６の内部を透過し、表面６ａから出射する。そして、測定光が連続光の場合には、図２に示すように、スクリーン７には参照面５ａでの反射による参照光と被測定物表面６ａでの反射光による干渉縞ＩＳ（以下、表面干渉縞ＩＳ）が形成されると共に、被測定物６の裏面６ｂで反射されて表面６ａから出射する光と被測定物６の表面６ａで反射された光とによる干渉縞ＩＴ（以下、裏面干渉縞ＩＴ）が形成されるようになる。干渉縞ＩＴは、被測定物の透過率が高い程、強く現われるようになる。なお、参照光と被測定物裏面６ｂでの反射光による干渉縞は、それぞれの反射光強度に大きな差があるため、スクリーン７上に形成される干渉縞の強度は無視できる程度である。

表面形状検査においては、表面干渉縞ＩＳを利用する。この際、裏面干渉縞ＩＴはノイズとなるため、裏面干渉縞ＩＴを生じさせずに表面干渉縞ＩＳのみを生じさせる間隔のパルスレーザをレーザ光源１から出射させる。

以下、表面干渉縞ＩＳを生じさせるが、裏面干渉縞ＩＴの発生を阻止する方法を、図３及び図４を使用して説明する。なお、以下の説明では、プリズム５での屈折率をｎ₁、被測定物６での屈折率をｎ₂、測定光の参照面への入射角をθ₁'、参照面５ａから透過した光が被測定物表面６ａに入射する時の入射角をθ₁、被測定物表面６ａを入射した透過光が被測定物裏面６ｂに入射する時の入射角をθ₂、参照面５ａから被測定物表面６ａまでの距離をＷＤ（ｍｍ）、被測定物６の厚さをｔ（ｍｍ）、光の速さをｃ（ｍ／ｓ）、空気中の屈折率をｎ＝１とする。

まず、参照光と被測定物表面６ａでの反射光による表面干渉縞ＩＳの発生条件について、図３を用いて説明する。参照面上の点Ａは、参照光と被測定物表面６ａでの反射光による干渉が発生する地点であり、点Ａにて干渉を起こす被測定物表面６ａからの反射光は、参照面５ａ上の点Ｂから透過した後、空気中を通過し、被測定物表面６ａ上の点Ｄで反射した後、参照面５ａ上の点Ａに至った光である。参照光を形成するためにプリズム５内を通過する光の光路上の点Ｂ'は、その光路に対して点Ｂより引かれた垂線が交わる点である。線分ＢＢ'は、レーザ光源１を出射して参照面５ａへ入射する同じ光路長を持つ光の集合であり、波面ＢＢ'として表す。

ここで、波面ＢＢ'が点Ｂ'を通って点Ａに到達する間に、点Ｂにあった光が進行する距離を求める。ホイヘンスの原理によれば、点Ｂ'にある光が点Ａに到達した時、点Ｂを透過した光は、被測定物６がないと仮定した場合、直線ＢＤに対して点Ａより引かれた垂線との交点部分である点Ａ''まで到達することがわかる。よって、波面ＢＢ'の光が点Ｂを透過した時には、被測定物表面６ａより反射するので、反射の法則より、点Ｂにある光は、点Ｄで反射して点Ａ'まで到達する。

以上のことを、光路長として表すと、波面ＢＢ'が点Ｂ'を通って点Ａに到達する光の光路長Ｂ'Ａと、点Ｂを通り点Ｄで反射して点Ａに到達する光路長ＢＤＡ'は、光が同一時間内に進行する距離であるから、同じ光路長であるといえる。

次に、点Ｂを通って点Ａ'に到達した光が、点Ａに到達するまでの光路長Ａ'Ａの長さを求めると、空気中の屈折率はｎ＝１であるから、

となり、光が光路長Ａ'Ａを進行するのに要する時間Ｔ１を求めると、光の速さはｃであるから、

となる。この時、

である。

以上より、光が光路Ｂ'Ａを進む時間と光路ＢＤＡ'を進む時間は等しいので、光が光路長Ａ'Ａを進行するのに要する時間Ｔ１以上継続して、測定光を照射することにより干渉が発生する。よって、参照面５ａで反射する参照光と被測定物表面６ａでの反射光により干渉が発生する条件は、少なくとも時間Ｔ１以上継続して測定光が照射されていることである。したがって、レーザ光源１は少なくとも時間Ｔ１より長いパルス幅を持つ光を被測定物６へ照射することにより、参照光と被測定物表面６ａでの反射光による表面干渉縞ＩＳを発生させることができる。

なお、光路長Ａ'Ａは、光路長ＢＤＡと、同じ光路長の長さを持つ光路長Ｂ'Ａ及び光路長ＢＤＡ'との光路差として表すこともできる。そして、波面ＢＢ'は、レーザ光源１から同じ光路長を持つ光の集合であるから、レーザ光源１を同時に出射した同じ光路長の長さを有する光の波面が参照面５ａに到達するまでの光路長と、レーザ光源１から参照面５ａを透過して、被測定物表面６ａで反射してから、参照面５ａに到達するまでの光路長との光路差として表すこともでき、時間Ｔ１はこの光路差を光が進行する時間であるといえる。

次に、被測定物表面６ａと裏面６ｂでの反射光による裏面干渉縞ＩＴの発生を阻止する条件について、図４を用いて説明する。被測定物表面６ａ上の点Ｆは、被測定物表面６ａと裏面６ｂでの反射光による干渉が発生する地点であり、点Ｆにて干渉を起こす被測定物裏面６ｂからの反射光は、被測定物６ａ上の点Ｄで被測定物６に入射した後、被測定物６内部を透過して、被測定物裏面６ｂの点Ｅで反射した後、点Ｆに到達した光である。

図４において、点Ｄ'は、被測定物表面６ａで反射する測定光と、その測定光に対して点Ｄより引かれた垂線とを結ぶ交点である。また、線分ＤＤ'は、レーザ光源１を出射してプリズム５を透過した後、被測定物表面６ａへ入射する同じ光路長を持つ光の集合であり、波面ＤＤ'として表す。波面ＤＤ'のうち、点Ｄ'を通る光は被測定物表面６ａにて反射する反射光となり、点Ｄを通る光は被測定物裏面６ｂで反射する反射光となる。

ここで、波面ＤＤ'の光が点Ｄ'を通って点Ｆに到達する間に、点Ｄにあった光が進む距離を求める。ホイヘンスの原理によれば、点Ｄ'にある光が点Ｆに到達した時、点Ｄを透過した光は、直線ＤＥに対して、点Ｆより引かれた垂線との交点である点Ｆ'まで到達することがわかる。

以上のことを、光路長として表すと、波面ＤＤ'が点Ｄ'を通って点Ｆに到達する光の光路長Ｄ'Ｆと、点Ｄを通り点Ｆ'に到達する光の光路長ＤＦ'は、光が同一時間内に進行する距離であるから、同じ光路長であるといえる。

次に、点Ｄを通って点Ｆ'に到達した光が、点Ｅで反射して点Ｆに到達するまでの光路長Ｆ'ＥＦの長さを求めると、被測定物６の屈折力はｎ₂であるから、

となり、光が光路Ｆ'ＥＦを進行するのに要する時間Ｔ２を求めると、光の速さはｃであるから、

となる。この時、

である。

以上より、光が光路Ｄ'Ｆを進む時間と光路ＤＦ'を進む時間は等しいので、光が光路長Ｆ'ＥＦを進行するのに要する時間Ｔ２以上継続して、測定光を照射することにより干渉が発生する。よって、被測定物表面６ａで反射する反射光と被測定物裏面６ｂでの反射光により干渉が発生する条件は、少なくとも時間Ｔ２以上継続して測定光が照射されていることである。

一方、測定光の照射が時間Ｔ２より短い時間で停止された場合、点Ｄにて入射した被測定物裏面６ｂでの反射光が点Ｆに到達した時には、表面６ｂでの反射光はすでに消えてしまっているため、干渉は発生しない。したがって、レーザ光源１は時間Ｔ２より短いパルス幅を持つ光を被測定物６へ照射することにより、被測定物表面６ａと裏面６ｂでの反射光による裏面干渉縞ＩＴの発生を阻止することができる。

なお、表面干渉の時と同様に、光路長Ｆ'ＥＦは、光路長ＤＥＦと、同じ光路長の長さを持つ光路長Ｄ'Ｆ及び光路長ＤＦ'との光路差として表すこともできる。そして、波面ＤＤ'は、レーザ光源１から同じ光路長を持つ光の集合であるから、レーザ光源１を同時に出射した同じ光路長の長さを有する光の波面がプリズム５を介して、被測定物表面６ａに到達するまでの光路長と、レーザ光源１からプリズム５を介して、被測定物表面６ａを透過した後、被測定物裏面６ｂで反射してから、表面６ａに到達するまでの光路長との光路差として表すこともでき、時間Ｔ２はこの光路差を光が進行する時間であるといえる。

また、一つのパルスの照射が終了してから、次のパルスを照射するまでの休止時間を時間Ｔ２より長くすることにより、先に照射したパルスと次に照射したパルスの間で発生する干渉を阻止することができる。なお、休止時間は、ＣＣＤカメラ９にて撮像する１フレーム分の時間より短いものとしておく。これは、１フレームごとに干渉縞を撮像するためである。

以上のように、表面干渉縞ＩＳが起きるために必要な光路差に対して、裏面干渉縞ＩＴが起きるために必要な光路差が大きいことを利用し、測定光が裏面干渉に必要な距離を進む前に測定光の照射を停止することで表面干渉縞ＩＳのみを生じさせることができる。したがって、測定光の波面の乱れを抑えつつ、裏面干渉縞ＩＴの発生を阻止することができるので、より精度の高い測定が可能になる。

レーザ光源１から出射させるパルスレーザのパルス幅、パルス休止時間の具体例を説明する。例えば、被測定物６は石英ガラスとし、その厚さｔ＝6.35ｍｍ、屈折率ｎ₂＝1.457とする。また、その他の条件について、θ₁＝71．555、θ₂＝40.632、ＷＤ＝0.1ｍｍ、光の速さｃ＝3.0×10⁸ｍ／ｓとすると、

よって、レーザ光源１からはピコ秒レベルのパルス幅をもつ超短パルスレーザとし、そのパルス幅は、０．２１ピコ秒より長く、４７ピコ秒より短いものとする。１パルスごとの休止時間は４７ピコ秒より長くする。ただし、パルスの休止時間はＣＣＤカメラの１フレーム分（1/30ｓ＝33ｍｓ）の時間より短いものとする。レーザパルスの繰り返し周波数は、１KHｚ以上あることが好ましい。レーザ波長は、ＣＣＤカメラで撮像される可視光領域から近赤外光領域であれば良く、単色性に優れたものが好ましい。例えば、Nｄ：YVO４に第二高長波レーザ結晶搭載し、波長５３２nmで繰り返し周波数MHｚレベルを出力するものを使用できる。

以上のようにして干渉縞ＩＴの発生が阻止できれば、ＣＣＤカメラ９には表面形状情報が含まれた干渉縞ＩＳだけが撮像されるので、干渉縞ＩＳを基に公知の位相シフト法により被測定物の表面形状を定量的に算出することができる。例えば、被測定物の表面形状を得る位相シフト法では、図示無きピエゾ素子を制御部１１で駆動制御してプリズム５、又は載置台１３を微妙に移動させることにより、参照面５ａと被測定物表面６ａとの距離を微妙に変化させる。この距離変化に応じて位相の異なる複数の干渉縞像をＣＣＤカメラ９で撮像し、メモリ１５に記憶する。解析装置１０では記憶された複数の干渉縞像を基に位相シフト法により被測定物６の表面形状を算出する。解析装置１０により得られた被測定物６の表面形状の測定結果は、鳥瞰図や断面形状としてモニタ１４に表示される。

以上の実施形態では斜入射干渉計を例にとって説明したが、本発明は、被測定物に対して測定光を垂直に入射させる垂直入射干渉計においても適用可能である。

実施形態である斜入射干渉計の要部概略図である。測定光が連続光の場合において、表面干渉縞ＩＳ及び裏面干渉縞ＩＴが形成された状態を説明する図である。参照光と被測定物表面での反射光による表面干渉縞ＩＳの発生条件を説明する図である。被測定物表面と裏面での反射光による裏面干渉縞ＩＴの発生を阻止する条件を説明する図である。

符号の説明

１レーザ光源
５ａ参照面
６被測定物
６ａ被測定物表面
６ｂ被測定物裏面
９ＣＣＤカメラ
１０解析装置
ＩＳ表面干渉縞
ＩＴ裏面干渉縞

Claims

測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射することを特徴とする干渉計。
請求項１の干渉計において、前記測定光源から出射されるパルスレーザのパルス幅は、測定光源から同時に出射して被測定物表面で反射される反射光と前記参照面で反射される参照光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間Ｔ１より長く、測定光源から同時に出射して被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間Ｔ２より短い時間であり、パルスレーザの休止時間は、前記時間Ｔ２より長く、前記撮像手段が撮像する１フレーム分の時間より短い時間であることを特徴とする干渉計。