JP2006208174A - 表面形状計測方法及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短い計測時間で計測対象面の形状を計測することが可能な表面形状計測方法及び計測装置を提供する。
【解決手段】 所定の波長幅を有する計測光を供給する計測光供給部１０と、計測対象面Ｓ１からの反射光及び参照光を干渉させる計測光学系２０と、干渉光強度を検出する検出手段であるＣＣＤカメラ１５と、計測制御装置５０とを備えて計測装置１Ａを構成する。そして、反射光と参照光との光路長差について微小計測間隔及び広域計測間隔を設定するとともに、広域計測間隔でｎ個の光路長差を設定し、そのそれぞれの近傍において微小計測間隔で光路長差を変化させて干渉光強度の変化を計測し、得られた計測結果から求められるｎ個の干渉強さに基づいて、計測対象面Ｓ１の照射方向の高さを導出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、計測対象面からの反射光と参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から計測対象面の形状を計測する表面形状計測方法、及び表面形状計測装置に関するものである。

垂直走査白色干渉法は、一定の波長幅を有する計測光（白色光）を用いて計測対象となる試料の表面を垂直方向に走査し、計測対象面からの反射光と参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から計測対象面の形状を計測する方法である。

このような計測方法では、計測光が波長幅に応じた短いコヒーレンス長を有するため、反射光と参照光との光路長が一致した付近でしか干渉が起こらず、その光路長が一致したときに干渉光強度の振幅（干渉強さ）が最大となる。したがって、反射光または参照光の光路長を変化させて計測対象面を垂直方向に走査し、得られる干渉強さのピーク位置を求めることで、計測位置における計測対象面の垂直方向の高さを導出することができる。さらに、このような計測を２次元で行えば、計測対象面の表面形状が計測できる（例えば、特許文献１、２参照）。
米国特許第５，１３３，６０１号公報 特開２００１−６６１２２号公報

上記した干渉法によって表面形状計測を行う装置として、例えば特許文献１に記載された装置がある。この装置では、その基本的な構成は顕微鏡であるが、対物レンズとして、内部にビームスプリッタと参照ミラーとを有する干渉対物レンズを用いている。このような構成において、干渉対物レンズを計測光の照射方向である垂直方向に移動させることにより、計測対象面の垂直方向の走査による高さの計測を行うことができる。

具体的には、このような計測方法では、ある程度の計測間隔で計測対象面からの反射光と参照光との光路長差を変化させて、各計測点での干渉光強度を取得する。そして、得られた干渉光強度の光路長差についての変化に対し、オフセットを引いて絶対値変換した後にデータの平滑化等によって包絡線に相当する曲線を求め、そのピーク位置によって計測対象面の高さを導出する。

しかしながら、このような方法では、ある程度以上の細かい計測間隔、例えば１００ｎｍ程度の間隔で光路長差（上記構成では干渉対物レンズの位置）を変化させて、計測対象面の垂直方向の走査を行う必要がある。したがって、垂直方向で広範囲に計測を行う必要がある場合には、その計測時間が非常に長くなるという問題がある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、短い計測時間で計測対象面の形状を計測することが可能な表面形状計測方法及び計測装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による表面形状計測方法は、所定の波長幅を有する計測光を計測対象面に照射し、計測対象面からの反射光、及び反射光に対する光路長差が制御可能な参照光を干渉させて、得られる干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面の形状を計測する計測方法であって、（１）計測対象面における計測光の照射方向からみた計測位置に対して、反射光と参照光との光路長差について、計測光の波長に基づく微小計測間隔、及び微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔を設定する設定ステップと、（２）計測位置に対して、光路長差として広域計測間隔でｎ個の光路長差（ｎは３以上の整数）を設定し、そのそれぞれの近傍において微小計測間隔で光路長差を変化させて干渉光強度の変化を計測する計測ステップと、（３）計測ステップで得られた干渉光強度の変化のｎ個の計測結果から求められるｎ個の光路長差のそれぞれでの干渉強さに基づいて、計測位置における計測対象面の照射方向の高さを導出する導出ステップとを備えることを特徴とする。

同様に、本発明による表面形状計測装置は、（ａ）所定の波長幅を有する計測光を供給する計測光供給手段と、（ｂ）計測光を計測対象面に照射するとともに、計測対象面からの反射光、及び反射光に対する光路長差が制御可能な参照光を干渉させる計測光学系と、（ｃ）計測光学系によって反射光及び参照光を干渉させて得られる干渉光強度を検出する検出手段と、（ｄ）反射光と参照光との光路長差を制御する光路長差制御手段と、（ｅ）検出手段によって検出された干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面の形状を導出する表面形状導出手段とを備え、（ｆ）光路長差制御手段は、計測対象面における計測光の照射方向からみた計測位置に対して、光路長差について、計測光の波長に基づく微小計測間隔、及び微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔を設定するとともに、光路長差として広域計測間隔でｎ個の光路長差（ｎは３以上の整数）を設定し、そのそれぞれの近傍において微小計測間隔で光路長差を変化させて干渉光強度の変化を計測するｎ個の計測条件で光路長差を制御し、（ｇ）表面形状導出手段は、ｎ個の計測条件で得られた干渉光強度の変化のｎ個の計測結果から求められるｎ個の光路長差のそれぞれでの干渉強さに基づいて、計測位置における計測対象面の照射方向の高さを導出することを特徴とする。

上記した表面形状計測方法及び計測装置においては、設定された光路長差の近傍において微小計測間隔で垂直方向の走査を行って、その光路長差での局所的な干渉強さを求めるとともに、このような局所的な計測を広域計測間隔でｎ個の光路長差について行うことにより、干渉強さのピーク位置の算出、及びそれによる計測対象面の垂直方向の高さの導出を行っている。このように、微小計測間隔及び広域計測間隔の２種類の計測間隔を設定して計測光による走査を行うことにより、短い計測時間で計測対象面の形状を計測することが可能となる。

ここで、計測方法は、計測ステップにおいて、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、微小計測間隔で光路長差を３回以上変化させて干渉光強度の変化を計測することが好ましい。同様に、計測装置は、光路長差制御手段が、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、微小計測間隔で光路長差を３回以上変化させて干渉光強度の変化を計測する計測条件で光路長差を制御することが好ましい。これにより、ｎ個の光路長差のそれぞれでの干渉強さを好適に求めることができる。

干渉強さの具体的な求め方については、計測方法は、設定ステップにおいて、微小計測間隔をπ／２の位相差に対応する間隔に設定するとともに、計測ステップにおいて、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、微小計測間隔で光路長差を３回変化させて３個の干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を計測し、導出ステップにおいて、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、式

によって干渉強さを求める方法を用いることができる。

同様に、計測装置は、光路長差制御手段が、微小計測間隔をπ／２の位相差に対応する間隔に設定するとともに、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、微小計測間隔で光路長差を３回変化させて３個の干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を計測する計測条件で光路長差を制御し、表面形状導出手段が、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、式

によって干渉強さを求める構成を用いることができる。

あるいは、計測方法は、導出ステップにおいて、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、干渉光強度の変化の計測結果に対してフィッティング計算を行って干渉強さを求める方法を用いることができる。同様に、計測装置は、表面形状導出手段が、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、干渉光強度の変化の計測結果に対してフィッティング計算を行って干渉強さを求める構成を用いることができる。

あるいは、計測方法は、導出ステップにおいて、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、干渉光強度の変化の計測結果でのばらつきによって干渉強さを求める方法を用いることができる。同様に、計測装置は、表面形状導出手段が、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、干渉光強度の変化の計測結果でのばらつきによって干渉強さを求める構成を用いることができる。

本発明によれば、設定された光路長差の近傍において微小計測間隔で垂直方向の走査を行って、その光路長差での局所的な干渉強さを求めるとともに、このような局所的な計測を広域計測間隔でｎ個の光路長差について行って計測対象面の垂直方向の高さを導出することにより、短い計測時間で計測対象面の形状を計測することが可能な表面形状計測方法及び計測装置が実現される。

以下、図面とともに本発明による表面形状計測方法及び計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による表面形状計測装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。この表面形状計測装置１Ａは、計測光供給部１０と、ＣＣＤカメラ１５と、計測光学系２０と、ＸＹステージ３０と、ピエゾ素子４０と、計測制御装置５０とを備えて構成されている。

本実施形態による表面形状計測装置１Ａは、所定の波長幅を有する計測光を試料Ｓの上面である計測対象面Ｓ１に照射し、計測対象面Ｓ１からの反射光、及び反射光に対する光路長差が制御可能な参照光を干渉させて、得られる干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面Ｓ１の形状を計測するように構成されている。ここで、本計測装置１Ａにおける計測光の照射方向となる垂直方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する水平方向をＸ方向及びＹ方向とし、また、紙面をＸＺ平面とする。

計測対象面Ｓ１の形状計測に用いられる計測光は、計測光供給部１０によって供給される。本実施形態においては、計測光供給部１０は、白色光を供給する計測光源１１と、白色光を平行光とするレンズ１２と、波長フィルタであるバンドパスフィルタ１３とを有している。このような構成において、計測光源１１からの白色光が所定の透過特性を有するバンドパスフィルタ１３を透過することにより、所定の中心波長、及び波長幅を有する計測光が生成される。そして、生成された計測光は、図１に示すように、計測光供給部１０からＸ方向に沿って計測光学系２０へと供給される。

計測光学系２０は、Ｚ方向に沿った軸Ａｘを光軸とし、干渉対物レンズ２１と、ビームスプリッタ２６とを有して構成されている。ビームスプリッタ２６は、光軸Ａｘに対して４５°の角度で傾いて配置されており、ビームスプリッタ２６で反射された計測光供給部１０からの計測光が、下方に位置するＸＹステージ３０上の試料Ｓの計測対象面Ｓ１へと光軸Ａｘに沿って照射されるようになっている。

ビームスプリッタ２６とＸＹステージ３０との間には、干渉対物レンズ２１が設置されている。この干渉対物レンズ２１は、ビームスプリッタ２６からの計測光を計測対象面Ｓ１上の計測位置へと集束させるレンズ２２に加えて、干渉光学系を構成するためのビームスプリッタ２３と、参照ミラー２４とを有している。これらのレンズ２２、ビームスプリッタ２３、及び参照ミラー２４は、光軸Ａｘを中心とした筒状の保持部材２５によって、位置決めされた状態で一体に保持されている。また、この保持部材２５に対して、ピエゾ素子４０が設置されている。

ビームスプリッタ２３は、レンズ２２からみてＸＹステージ３０側の所定位置に、光軸Ａｘに対して直交するように配置されている。また、レンズ２２とビームスプリッタ２３との間の光軸Ａｘ上の所定位置には、参照ミラー２４が配置されている。ビームスプリッタ２３は、レンズ２２からの計測光をＸＹステージ３０上の試料Ｓへと透過させるとともに、計測光の一部を反射して参照ミラー２４へと導く。

このような干渉対物レンズ２１の構成において、レンズ２２からの計測光がビームスプリッタ２３を透過し、試料Ｓの計測対象面Ｓ１で反射された反射光が再びビームスプリッタ２３を透過してレンズ２２に到達する光路が、計測光路となっている。また、レンズ２２からの計測光がビームスプリッタ２３で反射されて参照光となり、参照ミラー２４で反射された参照光が再びビームスプリッタ２３で反射されてレンズ２２に到達する光路が、参照光路となっている。そして、計測光路を通った計測対象面Ｓ１からの反射光と、参照光路を通った参照ミラー２４からの参照光とが干渉し、得られた干渉光が光軸Ａｘに沿って干渉対物レンズ２１の上方へと出射される。

ここで、計測光学系２０での上記した光路のうち、参照光路の光路長は一定であるが、計測光路の光路長については、干渉対物レンズ２１と計測対象面Ｓ１とのＺ方向の距離を変えることによって変化する。これにより、試料Ｓの計測対象面Ｓ１の形状計測に用いられる干渉光を生じさせる反射光と参照光との光路長差が制御可能となっている。

干渉対物レンズ２１及びビームスプリッタ２６に対して光軸Ａｘに沿って上方には、レンズ２７及びＣＣＤカメラ１５が設置されている。ＣＣＤカメラ１５は、計測光学系２０において反射光及び参照光が干渉した干渉光強度を検出する検出手段である。干渉対物レンズ２１から上方へと出射された干渉光は、レンズ２７によって集束されつつＣＣＤカメラ１５へと入射し、その干渉光強度がＣＣＤカメラ１５によって検出される。

計測光学系２０による試料Ｓの計測対象面Ｓ１の計測条件は、試料Ｓを載置するＸＹステージ３０、及び干渉対物レンズ２１に対して設置されたピエゾ素子４０によって設定または変更される。ＸＹステージ３０は、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に駆動可能なモータステージであり、試料Ｓの計測対象面Ｓ１における計測光の照射方向（垂直方向）からみた計測位置（ＸＹ平面上での位置）を設定するために用いられる。

ピエゾ素子４０は、干渉対物レンズ２１を垂直方向（Ｚ方向）に駆動させる駆動手段であり、干渉対物レンズ２１と計測対象面Ｓ１との距離を設定するために用いられる。本実施形態では、このピエゾ素子４０を駆動して干渉対物レンズ２１と計測対象面Ｓ１との距離を変化させることにより、反射光と参照光との光路長差が変化するようになっている。また、ＸＹステージ３０、及びピエゾ素子４０の駆動は、それぞれステージコントローラ６０、及びピエゾコントローラ７０によって制御されている。

これらの計測光供給部１０、計測光学系２０、ＣＣＤカメラ１５、ＸＹステージ３０、及びピエゾ素子４０に対し、コンピュータなどからなる計測制御装置５０が設けられている。この計測制御装置５０には、ＣＣＤカメラ１５、ステージコントローラ６０、及びピエゾコントローラ７０が接続されている。計測制御装置５０は、本計測装置１Ａの上記各部の動作を制御することにより、試料Ｓの計測対象面Ｓ１の形状計測を制御する。

計測制御装置５０は、光路長差制御部５１と、表面形状導出部５２とを有している。光路長差制御部５１は、試料Ｓの表面形状の計測において、計測光学系２０での反射光と参照光との光路長差などの計測条件を制御する。また、表面形状導出部５２は、ＣＣＤカメラ１５によって検出された反射光と参照光との干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面Ｓ１の形状を導出する。

具体的には、光路長差制御部５１は、計測対象面Ｓ１におけるＸＹ平面上での計測位置に対して、計測光学系２０での反射光と参照光との光路長差について、計測光の波長に基づく微小計測間隔と、微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔との２種類の計測間隔を設定する。そして、光路長差として広域計測間隔でｎ個の光路長差（ｎは３以上の整数）を設定し、そのそれぞれの近傍において微小計測間隔で光路長差を変化させて干渉光強度の変化を計測するｎ個の計測条件で光路長差を制御する。

また、表面形状導出部５２は、上記したｎ個の計測条件に対応して得られた干渉光強度の変化のｎ個の計測結果からｎ個の光路長差のそれぞれでの局所的な干渉強さを求める。そして、得られたｎ個の干渉強さに基づいて、計測位置における計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さを導出する。また、このような計測対象面Ｓ１の高さを導出する計測を２次元で行えば、試料Ｓの計測対象面Ｓ１の形状（３次元形状）を計測することができる。なお、計測対象面Ｓ１の具体的な形状計測方法については後述する。

次に、図１に示した表面形状計測装置１Ａを用いた、本発明による表面形状計測方法について説明する。

まず、所定の波長幅を有する計測光を用いた表面形状計測方法（垂直走査白色干渉法）について、図２を参照して説明する。図２は、計測対象面Ｓ１からの反射光と、参照ミラー２４からの参照光との干渉信号を示すグラフであり、横軸は光路長差に対応する干渉対物レンズ２１の位置を、縦軸は干渉光強度を示している。

このような計測光を用いた形状計測では、計測光が波長幅に応じた短いコヒーレント長を有する。このため、図２のグラフＦに示すように、得られる干渉信号は反射光と参照光との光路長が一致して光路長差＝０となる対物レンズの位置において干渉強さ（干渉信号の振幅）が最大となり、その付近の一定範囲で干渉が発生している信号となる。したがって、光路長差を変化させて干渉光強度の変化を計測し、その干渉強さが最大となる位置を求めることにより、そのときの反射光及び参照光の光路長から、計測位置での計測対象面Ｓ１の垂直方向（計測光の照射方向）の高さを導出することができる。

また、図２のグラフＧは干渉信号Ｆの包絡線を示している。このような包絡線Ｇは光路長差に対する干渉強さの変化に対応しており、したがって、包絡線Ｇのピーク位置が計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さに対応している。

なお、以下においては、反射光と参照光とが干渉可能な対物レンズの位置（光路長差）の範囲を可干渉距離として、図２に示す通り定義することとする。この可干渉距離（コヒーレンス長）は、計測光の波長幅によって決まるものである。また、この光路長差の制御は、図１に示す計測装置１Ａにおいては干渉対物レンズ２１をＺ方向に駆動することによって行われるが、このときの光路長差の変化は、計測光学系２０における計測光路及び参照光路の構成により、干渉対物レンズ２１の移動距離の２倍となる。

干渉光強度の光路長差についての変化における上記したピーク位置の決定、及びそれによる計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さの導出は、図２に示した干渉信号Ｆの波形全体を一定の計測間隔で取得することによって実行することができる。この場合、干渉信号Ｆの計測間隔は、計測光の波長等を考慮してある程度以上の細かい間隔とする必要がある。

これに対して、本発明による表面形状計測方法では、図２のグラフ中に模式的に示すように、反射光と参照光との光路長差について、微小計測間隔、及び微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔の２種類の計測間隔を設定して、干渉信号の計測を行う。これらの計測間隔のうち、微小計測間隔は、特定の光路長差の近傍における局所的な干渉強さを求めるための計測間隔であり、好ましくは、計測光の中心波長等に基づいて設定される。一方、広域計測間隔は、可干渉範囲における干渉強さの変化、及びそのピーク位置を求めるための計測間隔であり、好ましくは、計測光の波長幅（コヒーレンス長）等に基づいて設定される。

本計測方法では、干渉強さの計測を行う光路長差として、広域計測間隔でｎ個の光路長差（ｎは３以上の整数、図２の例においてはｎ＝３）を設定する。そして、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において微小計測間隔で光路長差を所定回数だけ変化（図２の例においては３回）させて局所的な干渉光強度の変化を計測し、その計測結果からｎ個の光路長差のそれぞれでの局所的な干渉強さを求める。このようにして得られたｎ個の干渉強さの光路長差に対する変化により、干渉強さのピーク位置が求まり、したがって、計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さが導出される。

図３は、本発明による表面形状計測方法の一例を示すフローチャートである。この計測方法では、まず、計測制御装置５０の光路長差制御部５１において、計測対象となる試料Ｓの種類、計測光供給部１０から供給される計測光の中心波長及び波長幅等の諸条件を考慮して、反射光と参照光との光路長差についての上記した微小計測間隔、及び広域計測間隔を設定する（ステップＳ１０１、設定ステップ）。

また、微小計測間隔及び広域計測間隔を参照し、試料Ｓの計測対象面Ｓ１上で設定された計測位置に対する計測条件を設定する（Ｓ１０２）。ここで設定される計測条件としては、例えば、干渉強さの垂直方向での広域計測点数ｎ（ｎは３以上の整数）、計測点となる広域計測間隔でのｎ個の光路長差（対物レンズの位置）、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍における微小計測間隔での局所的な計測点数、などがある。

なお、ステップＳ１０１及びＳ１０２において設定される計測間隔及び計測条件については、光路長差制御部５１において計測毎に設定しても良く、あるいはあらかじめ設定されたものを光路長差制御部５１に記憶させておいても良い。また、計測間隔及び計測条件の設定は、自動で、または操作者の入力等によって手動で行うことができる。

計測条件の設定が終了したら、計測位置における計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さの計測を実行する。このとき、光路長差制御部５１は設定された計測条件にしたがってピエゾ素子４０等を駆動し、これによって反射光と参照光との光路長差を制御する。まず、ピエゾ素子４０によって干渉対物レンズ２１をＺ方向に駆動し、計測光学系２０における反射光と参照光との光路長差を、最初の計測条件の第１の光路長差に設定する（Ｓ１０３）。続いて、設定された光路長差の近傍において微小計測間隔で光路長差を所定回数だけ変化させて、第１の光路長差での局所的な干渉光強度の変化を計測する（Ｓ１０４、計測ステップ）。さらに、得られた干渉光強度の変化の第１の計測結果から、第１の光路長差での干渉強さを算出する（Ｓ１０５）。

次に、所定の計測範囲（計測点数）での全計測が終了したかどうかを確認する（Ｓ１０６）。そして、計測が終了していなければ、反射光と参照光との光路長差を広域計測間隔だけ変化させて次の光路長差に設定し（Ｓ１０７）、ステップＳ１０４、Ｓ１０５を繰り返して実行する。例えば、現時点での光路長差が第１の光路長差であれば、その光路長差を広域計測間隔だけ変化させた第２の光路長差に変更して計測を行う。そして、得られた干渉光強度の変化の第２の計測結果から、第２の光路長差での干渉強さを算出する。

所定の計測範囲での全計測が終了したら、ｎ個の光路長差のそれぞれに対応して求められたｎ個の干渉強さに基づき、その干渉強さの光路長差についての変化から、そのピーク位置を求める。これにより、計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さが導出される（Ｓ１０８、導出ステップ）。また、計測対象面Ｓ１に対して複数の計測位置で垂直方向の高さを計測する必要がある場合には、計測位置を変えて繰り返して上記の計測を行う。以上により、計測対象面Ｓ１の表面形状が計測される。

本実施形態による表面形状計測方法及び計測装置の効果について説明する。

図１〜図３に示した表面形状計測方法及び計測装置１Ａにおいては、干渉対物レンズ２１を含む計測光学系２０において生成される計測対象面Ｓ１からの反射光と参照光との光路長差について、設定された光路長差の近傍において微小計測間隔で垂直方向の走査を行って、その光路長差での局所的な干渉強さを求める。そして、このような局所的な計測を広域計測間隔でｎ個の光路長差について行うことにより、干渉強さのピーク位置の算出、及びそれによる計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さの導出を行っている。このように、微小計測間隔及び広域計測間隔の２種類の計測間隔を設定して計測光による走査を行うことにより、広域計測間隔をある程度広くとって全体としての計測点数を大幅に減らすことができる。したがって、短い計測時間で高速に計測対象面Ｓ１の形状を計測することが可能となる。

ここで、干渉光強度の変化を局所的に計測する際の微小計測間隔については、上記したように計測光の波長に基づいて設定される。この微小計測間隔は、計測光の中心波長λに対してλ／２以下であることが好ましい。また、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍における微小計測間隔での計測回数については、微小計測間隔で光路長差を３回以上変化させて局所的な干渉光強度の変化を計測することが好ましい。これにより、ｎ個の光路長差のそれぞれでの干渉強さを好適に求めることができる。このような計測回数等は、局所的な干渉強さの具体的な算出方法等に応じて適宜設定すれば良い。

また、広域計測間隔については、計測光の波長幅を考慮して設定することが好ましい。すなわち、光路長差に対する干渉強さの変化、及びその可干渉距離（図２参照）は、計測光の波長幅によって決まるものである。したがって、可干渉範囲内で干渉強さの変化を計測するための広域計測間隔については、波長幅に応じた間隔に設定することが好ましい。

実際には、例えば、計測対象面Ｓ１の予想される高さ範囲、必要とされる形状の計測精度等の具体的な条件を考慮し、可干渉距離、及びそれに対応する広域計測間隔を設定する。そして、設定された可干渉距離及び広域計測間隔が得られるように計測光の波長幅を設定し、それに対応した波長フィルタを選択して、計測光供給部１０のバンドパスフィルタ１３として設置する方法を用いることができる。また、計測光の中心波長λについては、計測光源１１に充分な強度があり、ＣＣＤカメラ１５などの検出手段に充分な感度がある波長範囲で選択すれば良い。

また、干渉強さの変化におけるピーク位置（包絡線のピーク位置に対応）を、ある程度正確に求めるためには、ピークの半値幅の１／２程度の広域計測間隔が必要となる。ただし、ピークが存在する位置を大まかに求めるだけであれば、ピークの半値幅程度の計測間隔で良い。あるいは、最初にピークの半値幅程度の広域計測間隔で計測を行い、次にピークがあることが判明した高さ付近のみをピークの半値幅の１／２程度の間隔で計測して、ピーク位置を効率良くかつ正確に求めるなど、必要に応じて様々な方法を用いることが可能である。

ここで、計測対象の例として、計測対象面Ｓ１に形成された高さ５０μｍのバンプ（図４参照）を考える。また、計測範囲をバンプ高さに対して上下１０μｍのマージンを加えて７０μｍとする。このような計測対象に対して、計測光供給部１０の計測光源１１としてハロゲンランプなどの白色光源を用い、バンドパスフィルタ１３として中心波長６００ｎｍ、波長幅１０ｎｍの波長フィルタを用いると、このときの可干渉距離は４０μｍ程度と推定される。また、干渉光の計測には、検出手段のＣＣＤカメラ１５としてフレームレートが３０ｆｐｓのＣＣＤカメラを用いることとする。

このような計測例に対し、微小走査の計測間隔及び計測点数は、計測光の中心波長と干渉強さの算出アルゴリズムによって決めることができる。ここでは、微小計測間隔をπ／２の位相差に対応する間隔に設定し、３点で計測を行って局所的な干渉強さを求めることとする。この場合、計測光の中心波長がλ＝６００ｎｍであるから、微小計測間隔は光路長差で１５０ｎｍ、対物レンズの位置で７５ｎｍとなる。

一方、広域走査については、干渉強さのピーク位置の決定に２次関数によるフィッティング計算を用いることとする。この場合、フィッティング計算には最低３点が必要となるため、広域計測間隔の最大値は可干渉距離の１／３となる。実際には、広域計測間隔は計測速度と最終的に必要とされる計測精度とに応じて決めることができるが、ここでは計測速度を優先して広域計測間隔を可干渉距離の１／３の１３．３μｍとする。

このような計測条件において、従来の計測方法では、７０μｍの計測範囲の全範囲を微小計測間隔７５ｎｍで走査する必要がある。このとき、３０ｆｐｓのカメラでは、計測速度は７５ｎｍ×３０フレーム／ｓｅｃ＝２．２５μｍ／ｓｅｃとなる。したがって、７０μｍの計測範囲を計測するために必要な計測時間は３１．１ｓｅｃとなる。

一方、上記した本発明による計測方法では、広域走査１点につき微小走査が３点必要であり、広域走査の見かけ上でのフレームレートが１０ｆｐｓとなることから、計測速度は１３．３μｍ×１０フレーム／ｓｅｃ＝１３３μｍ／ｓｅｃとなる。したがって、７０μｍの計測範囲を計測するために必要な計測時間は０．５３ｓｅｃとなる。これは、従来法による計測時間の約１／５９である。このように、本発明による計測方法によれば、従来の計測方法に比べて計測時間を大幅に短縮することができる。このように、本発明による表面形状計測方法及び計測装置は、段差が大きいバンプ計測や、最大で数ｍｍ程度となる半導体ウエハの反り計測など、広い計測範囲での表面形状計測に特に有効である。

次に、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍における局所的な干渉強さの具体的な求め方について説明する。

干渉強さの具体的な求め方としては、微小計測間隔をπ／２の位相差に対応する間隔に設定するとともに、ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、微小計測間隔で光路長差を３回変化させて３個の干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を計測し、式

によって干渉強さを求める方法を用いることができる。

詳述すると、上記した計測方法で得られる干渉信号は、図２のグラフＦに示すように、正弦波に振幅変調を加えた波形の信号となる。したがって、１周期のみを取り出せば、干渉信号は局所的に正弦波信号で近似可能である。このとき、その正弦波信号は以下の式で表される。

ここで、Ｉは干渉信号の強度、Ａは振幅、Ｂはオフセット、φは位相、φ_０は初期位相である。

このとき、光路長差（対物レンズの位置）を微小に変化させて干渉光強度を計測することを考える。微小な変位量は位相の変位量としてφで表されるので、上記式において未知数は３個となる。よって、最低３点で計測を行えば、上記した干渉光強度Ｉの式は一意に定まり、したがって、干渉強さに相当する干渉信号の振幅が求められる。

ここで、上記したように位相をπ／２ずつ変化させて３点で計測を行うと、計測結果として得られる３個の干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は、以下のように表される。

また、これらの３式を変形すると、以下のようになる。

さらに、これらの３式より、以下の２式が求められる。

以上より、局所的な干渉強さに相当する干渉信号の振幅Ａは、次式によって求めることができる。

なお、この方法では、π／２ずつ位相を変えて計測を行っているが、π／２の位相差に相当する対物レンズの移動距離は、計測光の中心波長をλとして光路長差の１／２のλ／８である。

また、干渉強さの具体的な求め方としては、上記した方法以外にも、様々な方法を用いて良い。例えば、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、干渉光強度の変化の計測結果に対してフィッティング計算を行って干渉強さを求める方法を用いることができる。具体的な例としては、微小計測間隔で光路長差を３回以上変化させて３点以上の計測を行い、正弦関数などの関数でフィッティングを行って、得られた振幅から局所的な干渉強さを求めることができる。なお、１周期のみを取り出せば、干渉信号は局所的に正弦波信号で近似可能であることは、上述した通りである。

あるいは、ｎ個の光路長差のそれぞれについて、干渉光強度の変化の計測結果でのばらつきによって干渉強さを求める方法を用いることができる。このような方法としては、微小計測間隔で所定点数の計測を行い、それらの標準偏差を求める方法がある。具体的には例えば、π／２の位相差に対応する間隔で４点の計測を行い、その標準偏差を求めることによって局所的な干渉強さを求めることができる。

また、このような方法では、標準偏差を求めるための計測を以下の条件で行う必要がある。すなわち、まず設定された光路長差の近傍における微小計測間隔については、正弦波の周期（中心波長の半分）の整数（４以上の整数）分の１とする。例えば、１／４周期、１／５周期、１／６周期、…等を微小計測間隔に設定する。また、計測点数については、１周期分またはその整数倍とする。例えば１周期分であれば、１／４周期間隔なら４点、１／５周期間隔なら５点、…等に計測点数を設定する。

次に、試料Ｓの計測対象面Ｓ１に対する垂直方向の走査方法について、表面形状計測装置の他の実施形態とともに説明する。

本発明による表面形状計測方法では、上記したように微小計測間隔と広域計測間隔との２種類の計測間隔によって、計測対象面Ｓ１を垂直方向に走査する。ここで、微小計測間隔での走査については、干渉光強度の変化についての振幅情報を正確に取得するため、例えばｎｍオーダーなどの充分な精度で走査することが好ましい。一方、広域計測間隔での走査については、走査範囲や全体として必要な計測精度などに応じた精度とすれば良い。

また、計測対象面Ｓ１を垂直方向に走査するための装置構成については、図１に示す表面形状計測装置１Ａでは、微小計測間隔でのＺ方向の走査、及び広域計測間隔での走査の双方を、干渉対物レンズ２１に設けられたピエゾ素子４０によって行っている。このような構成については、これ以外にも様々な構成を用いることが可能である。

図５は、表面形状計測装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による計測装置１Ｂが図１に示した計測装置１Ａと異なる点は、ＸＹステージ３０及びピエゾ素子４０に代えて、ステージコントローラ６２によって制御されたＸＹＺステージ３２と、ピエゾコントローラ７０によって制御されたピエゾ素子４０とを用いている点にある。このような構成では、例えば、微小計測間隔での走査をピエゾ素子４０で行うとともに、広域計測間隔での走査をＸＹＺステージ３２で行うことが可能である。

図６は、表面形状計測装置のさらに他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による計測装置１Ｃが図１に示した計測装置１Ａと異なる点は、ＸＹステージ３０及びピエゾ素子４０に代えて、ステージコントローラ６４によって制御されたＸＹステージ３４及びＺステージ３５と、ピエゾコントローラ７０によって制御されたピエゾ素子４０とを用いている点にある。また、この構成では、Ｚステージ３５は、ピエゾ素子４０とともに干渉対物レンズ２１に対して設けられている。このような構成では、例えば、微小計測間隔での走査をピエゾ素子４０で行うとともに、広域計測間隔での走査をＺステージ３５で行うことが可能である。

このように、微小計測間隔での走査、及び広域計測間隔での走査については、必要とされる計測精度等に応じて、同じ走査機構またはそれぞれ別の走査機構を用いて実行することが可能である。例えば、高い計測精度が重視される場合には、図１に示す計測装置１Ａのように、微小走査及び広域走査をともに高精度のピエゾ素子で行う構成が可能である。一方、広い計測範囲が重視される場合には、図５に示す計測装置１Ｂ、及び図６に示す計測装置１Ｃのように、微小走査を高精度のピエゾ素子で行うとともに、広域走査をモータステージによるＺステージで行う構成が可能である。

なお、垂直方向の走査に用いられるピエゾ素子及びモータステージの一般的な性能としては、ピエゾ素子では、計測精度が１〜１０ｎｍ、計測範囲が１００〜５００μｍ程度である。また、モータステージでは、計測精度が０．１〜１０μｍ、計測範囲が１０〜２０ｍｍ程度である。

本発明による表面形状計測方法及び計測装置は上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、表面形状計測に用いる計測装置の具体的な構成については、図１の計測装置１Ａはその一例を示すものであり、この他にも様々な構成のものを用いることができる。例えば、計測対象面からの反射光と参照光とを干渉させる計測光学系については、図１に示した光学系以外にも、様々な構成を用いて良い。また、干渉光を検出する検出手段についても、図１に示したＣＣＤカメラ１５以外にも様々なものを用いて良い。

本発明は、短い計測時間で計測対象面の形状を計測することが可能な表面形状計測方法及び計測装置として利用可能である。

表面形状計測装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 計測対象面からの反射光と参照光との干渉信号を示すグラフである。 表面形状計測方法の一例を示すフローチャートである。 計測対象面の一例としてバンプを有する計測対象面を示す図である。 表面形状計測装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 表面形状計測装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…表面形状計測装置、１０…計測光供給部、１１…計測光源、１２…レンズ、１３…バンドパスフィルタ、１５…ＣＣＤカメラ、２０…計測光学系、２１…干渉対物レンズ、２２…レンズ、２３…ビームスプリッタ、２４…参照ミラー、２５…保持部材、２６…ビームスプリッタ、２７…レンズ、３０…ＸＹステージ、３２…ＸＹＺステージ、３４…ＸＹステージ、３５…Ｚステージ、４０…ピエゾ素子、５０…計測制御装置、５１…光路長差制御部、５２…表面形状導出部、６０、６２、６４…ステージコントローラ、７０…ピエゾコントローラ。

Claims (10)

1. 所定の波長幅を有する計測光を計測対象面に照射し、前記計測対象面からの反射光、及び前記反射光に対する光路長差が制御可能な参照光を干渉させて、得られる干渉光強度の前記光路長差についての変化から前記計測対象面の形状を計測する計測方法であって、
   前記計測対象面における前記計測光の照射方向からみた計測位置に対して、前記反射光と前記参照光との前記光路長差について、前記計測光の波長に基づく微小計測間隔、及び前記微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔を設定する設定ステップと、
   前記計測位置に対して、前記光路長差として前記広域計測間隔でｎ個の光路長差（ｎは３以上の整数）を設定し、そのそれぞれの近傍において前記微小計測間隔で光路長差を変化させて前記干渉光強度の変化を計測する計測ステップと、
   前記計測ステップで得られた前記干渉光強度の変化のｎ個の計測結果から求められる前記ｎ個の光路長差のそれぞれでの干渉強さに基づいて、前記計測位置における前記計測対象面の前記照射方向の高さを導出する導出ステップと
   を備えることを特徴とする表面形状計測方法。
2. 前記計測ステップにおいて、前記ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、前記微小計測間隔で光路長差を３回以上変化させて前記干渉光強度の変化を計測することを特徴とする請求項１記載の表面形状計測方法。
3. 前記設定ステップにおいて、前記微小計測間隔をπ／２の位相差に対応する間隔に設定するとともに、前記計測ステップにおいて、前記ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、前記微小計測間隔で光路長差を３回変化させて３個の前記干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を計測し、
   前記導出ステップにおいて、前記ｎ個の光路長差のそれぞれについて、式
   

   

   によって前記干渉強さを求めることを特徴とする請求項１または２記載の表面形状計測方法。
4. 前記導出ステップにおいて、前記ｎ個の光路長差のそれぞれについて、前記干渉光強度の変化の計測結果に対してフィッティング計算を行って前記干渉強さを求めることを特徴とする請求項１または２記載の表面形状計測方法。
5. 前記導出ステップにおいて、前記ｎ個の光路長差のそれぞれについて、前記干渉光強度の変化の計測結果でのばらつきによって前記干渉強さを求めることを特徴とする請求項１または２記載の表面形状計測方法。
6. 所定の波長幅を有する計測光を供給する計測光供給手段と、
   前記計測光を計測対象面に照射するとともに、前記計測対象面からの反射光、及び前記反射光に対する光路長差が制御可能な参照光を干渉させる計測光学系と、
   前記計測光学系によって前記反射光及び前記参照光を干渉させて得られる干渉光強度を検出する検出手段と、
   前記反射光と前記参照光との前記光路長差を制御する光路長差制御手段と、
   前記検出手段によって検出された前記干渉光強度の前記光路長差についての変化から前記計測対象面の形状を導出する表面形状導出手段とを備え、
   前記光路長差制御手段は、前記計測対象面における前記計測光の照射方向からみた計測位置に対して、前記光路長差について、前記計測光の波長に基づく微小計測間隔、及び前記微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔を設定するとともに、前記光路長差として前記広域計測間隔でｎ個の光路長差（ｎは３以上の整数）を設定し、そのそれぞれの近傍において前記微小計測間隔で光路長差を変化させて前記干渉光強度の変化を計測するｎ個の計測条件で前記光路長差を制御し、
   前記表面形状導出手段は、前記ｎ個の計測条件で得られた前記干渉光強度の変化のｎ個の計測結果から求められる前記ｎ個の光路長差のそれぞれでの干渉強さに基づいて、前記計測位置における前記計測対象面の前記照射方向の高さを導出する
   ことを特徴とする表面形状計測装置。
7. 前記光路長差制御手段は、前記ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、前記微小計測間隔で光路長差を３回以上変化させて前記干渉光強度の変化を計測する前記計測条件で前記光路長差を制御することを特徴とする請求項６記載の表面形状計測装置。
8. 前記光路長差制御手段は、前記微小計測間隔をπ／２の位相差に対応する間隔に設定するとともに、前記ｎ個の光路長差のそれぞれの近傍において、前記微小計測間隔で光路長差を３回変化させて３個の前記干渉光強度Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を計測する前記計測条件で前記光路長差を制御し、
   前記表面形状導出手段は、前記ｎ個の光路長差のそれぞれについて、式
   

   

   によって前記干渉強さを求めることを特徴とする請求項６または７記載の表面形状計測装置。
9. 前記表面形状導出手段は、前記ｎ個の光路長差のそれぞれについて、前記干渉光強度の変化の計測結果に対してフィッティング計算を行って前記干渉強さを求めることを特徴とする請求項６または７記載の表面形状計測装置。
10. 前記表面形状導出手段は、前記ｎ個の光路長差のそれぞれについて、前記干渉光強度の変化の計測結果でのばらつきによって前記干渉強さを求めることを特徴とする請求項６または７記載の表面形状計測装置。

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