JP2006329751A - 表面形状測定方法及び表面形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高さ測定の測定精度を高め、測定時間の短縮化を図ることができる表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供する。
【解決手段】 波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する第1のステップと、各系の干渉縞毎に位相データを算出する第2のステップと、当該位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する第3のステップと、当該位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する第4のステップと、当該縞次数がゼロとなる位置を高さ基準位置として算出する第5のステップとを有する。
【選択図】 図14
【解決手段】 波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する第1のステップと、各系の干渉縞毎に位相データを算出する第2のステップと、当該位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する第3のステップと、当該位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する第4のステップと、当該縞次数がゼロとなる位置を高さ基準位置として算出する第5のステップとを有する。
【選択図】 図14
Description
本発明は、測定物表面に形成された段差やパターンの高さを非接触で測定するための表面形状測定方法及び表面形状測定装置に関し、更に詳しくは、照明光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光を干渉計で干渉させた干渉光を利用して、測定点の高さ基準を測定する表面形状測定方法及び表面形状測定装置に関する。
近年、半導体ウェーハや液晶基板等の表面に形成された機能膜、各種能動素子等の欠陥検出技術に対する需要が高まっている。特に近年における半導体プロセス技術は微細化の一途を辿っており、測定物表面の形状測定技術には精細化、高精度化あるいは高分解能化が求められている。
従来、このような要望に応えるための表面形状測定装置が種々提案されている。この種の表面形状測定装置としては、光学的に(即ち非接触で)測定物表面の形状や高さを測定するものが一般的である。そのなかでも代表的なものとして、位相シフト干渉法やコンフォーカル(共焦点)法をベースとした表面形状測定方法が公知である。
位相シフト干渉法は、照明光を分割して測定物表面及び参照面にそれぞれ照射し、干渉光学系において測定物表面からの反射光と参照面からの反射光とを干渉させたときに、照明光の波長の1/2の光路差ごとに明暗の縞が観測されることを利用したもので、縞のピッチ、光路長差を既知量変化させたときの位相シフト量に基づいて測定物表面の凹凸情報を取得することを基本としている。
一般に、位相シフト干渉法は平滑面の精密測定に利用される技術であり、測定物表面の急峻な段差の高さ測定には馴染まない。そこで、この位相シフト干渉法をベースに改良を施して測定物表面の形状検出や高さ情報を取得する技術が、例えば下記特許文献1,2等に開示されている。
しかしながら、従来の表面形状測定方法においては、分解能がレンズの被写界深度に依存するために、数100nm以下の高さ精度、例えば、10nm以下の表面凹凸を精度よく測定できない。また、測定物表面の形状測定を行うに当たり、高さ測定領域を全て走査する必要があるために、例えば、±1μmの高さ測定領域を600×480程度の水平解像度で測定するのに走査時間に数秒、その後の演算処理を含めると10数秒以上かかる。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、測定物表面の高さ測定の測定精度を高め、更には測定時間の短縮化を図ることができる表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供することを課題とする。
以上の課題を解決するに当たり、本発明の表面形状測定方法は、波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する第1のステップと、各系の干渉縞毎に位相データを算出する第2のステップと、算出した位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する第3のステップと、算出した位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する第4のステップと、当該縞次数がゼロとなる位置を高さ基準位置として算出する第5のステップとを有している。
また、本発明の表面形状測定装置は、波長の異なる複数の系の単色光を照射する照明光源と、この照明光源からの照明光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光を干渉させて結像面に干渉縞を形成させる干渉計と、結像面に配置され干渉縞の画像データを取得する画面取得手段と、測定物表面と干渉計との間を高さ方向に変化させる駆動手段と、各系の干渉縞毎に算出した当該各系の干渉縞の位相データに基づいて当該干渉縞の縞次数を特定し、当該縞次数がゼロとなる位置を高さ基準位置として算出する演算手段とを備えている。
本発明においては、まず、波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する。
次いで、各系の干渉縞毎に位相データを算出する。この処理は、公知の位相シフト法等を用いて行うことで、測定物表面を基準とした各干渉縞の位相データが得られる。
次に、得られた各位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する。位相差の算出には、上記位相データを任意の2系間で求めてもよいし、各系毎に算出するようにしてもよい。
各干渉縞のピーク間の位相差(距離)は、単色光の波長を選択することで各々の干渉縞の縞次数に応じて固有の値をとる。好適には、単色光に赤、緑、青(RGB)三原色光の任意の2系統が用いられる。これにより、得られた位相差から各干渉縞の縞次数が特定される。
縞次数が特定されると、画像取込開始位置から高さ基準位置(縞次数0)までの距離を算出することができ、これにより測定物表面の高さデータが得られる。
次いで、各系の干渉縞毎に位相データを算出する。この処理は、公知の位相シフト法等を用いて行うことで、測定物表面を基準とした各干渉縞の位相データが得られる。
次に、得られた各位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する。位相差の算出には、上記位相データを任意の2系間で求めてもよいし、各系毎に算出するようにしてもよい。
各干渉縞のピーク間の位相差(距離)は、単色光の波長を選択することで各々の干渉縞の縞次数に応じて固有の値をとる。好適には、単色光に赤、緑、青(RGB)三原色光の任意の2系統が用いられる。これにより、得られた位相差から各干渉縞の縞次数が特定される。
縞次数が特定されると、画像取込開始位置から高さ基準位置(縞次数0)までの距離を算出することができ、これにより測定物表面の高さデータが得られる。
干渉縞の取得には、カラーCCDカメラ等の画像取得手段を用いるのが好適である。画像取得手段により取得された縞画像をその画面内において複数の領域に分割し、その分割領域毎に高さ基準位置を算出する。特に、画素単位で高さ基準位置を算出すると、より分解能の向上を図ることができる。
また、各系の単色光は同時に照射し、各系の干渉縞を同時に形成することによって、測定時間の短縮化が図れるようになる。
従って、本発明によれば、異なる複数の系の単色光を照明光として用い、各系毎に干渉縞を形成してそのピーク間の位相差から縞次数を特定し、高さ基準位置までの距離を求めるようにしているので、高さ測定の高精度化及び測定時間の短縮化を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1及び図2は、本発明の実施の形態による表面形状測定装置1の概略構成を示している。
表面形状測定装置1は、光学系2を有している。光学系2は、干渉対物レンズ部3と、鏡筒4と、画像取得手段としてのカラーCCD(Charge Coupled Device)カメラ5とで構成されている。鏡筒4の側壁部にはライトガイドを介して照明光源18(図2)が取り付けられている。これら干渉対物レンズ部3、鏡筒4及び照明光源18により本発明の「干渉計」が構成される。
図2は光学系2を構成する干渉計20の概略構成を示している。
照明光源18からの照明光は、鏡筒4内のビームスプリッタ21に入射する。ビームスプリッタ21で反射した照明光は干渉対物レンズ部3へ入射する。この干渉対物レンズ部3は、対物レンズ22とビームスプリッタ23と参照ミラー24とで構成されている。
対物レンズ22を透過した照明光は、ビームスプリッタ23によって測定物Wに向かう光と参照ミラー24に向かう光とに分割される。測定物Wの表面及び参照ミラー24の表面(参照面)で反射した各照明光の反射光は、ビームスプリッタ23及び対物レンズ22を介して、鏡筒4内の結像レンズ25へ平行入射する。
結像レンズ25へ入射した測定物W表面及び参照ミラー24からの各反射光は、結像レンズ25の結像面26に結像され、明暗の干渉縞を形成する。結像面26にはカラーCCDカメラ5の検出面が設置されており、測定物W表面の画像データと共に上記干渉縞の画像データが取得されるようになっている。
なお、本実施の形態では干渉対物レンズ部3をマイケルソン(Michelson)型干渉計で構成しているが、これに限らず、ミロー(Mirau)型等の他の干渉計で構成することも可能である。
照明光源18は、波長の異なる複数の系の単色光を同時に照射するように構成されている。ここでいう「単色光」とは、単一波長の光、又は単一の波長で代表できる程度の狭い波長範囲に含まれる光(狭帯域光)をいう。本実施の形態において、照明光源18は、赤(R:中心波長625nm)、緑(G:中心波長530nm)及び青(B:中心波長470nm)の可視光単色光を各々照射するLED(Light Emitting Diode)で構成されている。
そして、この照明光源18から照射された3系統の単色光は、干渉対物レンズ部3において各系毎に干渉が生じ、各系の干渉縞が結像面26上に形成され、その縞画像がカラーCCDカメラ5により取得されるようになっている。
次に、図1を参照して、表面形状測定装置1の駆動部6は、光学系2を取付フレーム7に対して高さ方向(フォーカス軸方向)Zに送り駆動する電動ステージとして構成されている。本実施の形態では、測定物W表面から光学系2が遠ざかる方向を+Z方向、逆に近づく方向を−Z方向としているが、Z軸の正負のとり方は任意である。駆動部6と取付フレーム7との間には粗調整用ステージ8が介装されているが、必要に応じて省略可能である。駆動部6は本発明の「駆動手段」に対応する。
取付フレーム7はベース9に支持されている。このベース9の上面には、測定物Wが載置されるプレート10が設けられている。測定物Wは、プレート10に載置されることによって、光学系2の干渉対物レンズ部3と対向する。
図3は制御部11の構成を示すブロック図である。
カラーCCDカメラ5は、駆動部6による光学系2の+Z方向への微小送りピッチ(サンプリング間隔)で、結像面26に結像された測定物Wの表面画像及び各系の干渉縞画像を取得し映像信号に変換する。変換された映像信号は、コンピュータ等で構成される制御部11に供給される。
制御部11に供給された映像信号は、フレームグラバ等のA/D変換器13を介してデジタル化された後、これを画像データとして1画面(1フレーム)単位で画像メモリ14に格納される。画像メモリ14は、複数の画面の画像データを格納するのに十分な容量のメモリを有している。
演算部15は、後述するように、取得した複数の画面の画像データに基づいて、各系の干渉縞(干渉光)毎に強度のピークを検出し、検出した各系の干渉縞のピーク間の位相差から当該干渉縞の縞次数を特定した後、当該縞次数がゼロとなる位置を算出する機能を有する。この演算部15は、本発明の「演算手段」に対応する。
なお、この演算部15は、干渉縞を包含する測定物Wの表面画像から縞画像を取り除く処理を行う機能をも有するが、その詳細については後述する。
表示装置12には、カラーCCDカメラ5により取得された映像が表示されると共に、制御部11の演算部15で処理された画像が表示される。また、必要に応じて、測定条件や演算部15における演算データ、光学系2のZ軸方向への移動量に対する各系の干渉縞の強度分布等が表示されるようになっている。
制御部11は、駆動部6の送り動作を制御するためのステージコントローラ17と、照明光源18を制御するための照明コントローラ19を有している。駆動部6は、ピエゾステージあるいはサーボモータ等の高精度送り動作機構を備えたステージで構成され、ステージコントローラ17の駆動制御により、微小ピッチで光学系2を高さ方向(Z軸方向)に連続送り駆動するように構成されている。なお、駆動方法は連続駆動に限らず、間欠駆動としてもよい。
次に、干渉計20を利用した測定物Wの表面形状測定方法について説明する。
図2に示したように、干渉対物レンズ部3は、照明光源18から照射された照明光を分割し、測定物W表面からの反射光と参照ミラー24表面からの反射光とをそれぞれ干渉させる。そして、対物レンズ22から測定物W表面までの光路長と、対物レンズ22から参照ミラー24までの光路長(既知)との差、すなわち光路差(OPD:Optical Path Difference)に対応した干渉縞を結像面26上に形成する。
図4にR,G,B各系の単色光についての干渉光の強度分布を示す。図において、Rを破線、Gを一点鎖線、Bを二点鎖線で示しており、縦軸は光の強度(明るさ)、横軸は高さ方向(Z軸方向)を示している。
図4において、最も強度(振幅)の大きなピークは0(ゼロ)次の干渉縞であり、これは、光路差OPDが0の位置に相当する。光学系2が光路差0の高さ位置(Z座標)にあるとき、結像面26には明るさの最も強い干渉縞が形成される。0次の縞の位置(縞次数0の位置)は、各系の干渉光においてそれぞれ一致し、測定物W表面の着目点における高さ基準位置、すなわち最表面となる。
光路差OPDが±方向に大きくなるに従い、0次の干渉光の左右に1次、2次、・・・の縞のピークが順に現れている。隣接するピーク間の位相差は、λ/2である。ここで、λは単色光の波長である。
なお、図の例においては0次の干渉縞の境として左右に分布する干渉縞のピークは徐々に振幅が小さくなり、±4次程度のピークまでしか認めることができないが、これは光のコヒーレント性によるものである。なお、レーザー等、コヒーレント性の比較的高い光を用いることにより、図示の例よりも振幅の減衰が小さく、更に高次の縞ピークを認めることが可能となる。
従って、R,G,B各系の干渉光のピークが合致する位置(縞次数0の位置)を検出することによって、光学系2の高さ位置(Z座標)に基づいて測定点の高さ基準位置を求めることができる。
ここで、高さ基準の位置を求めるために、高さ基準の位置を含む広範囲にわたって画像を取り込み、高さ基準の位置を求める方法がある。この場合、着目点が1カ所ではなく、既存の「山登り法」などの手法はとれないため、時間短縮は難しい。開始点から終了点までの範囲を仮に設定し、やみくもに取り込み画像を画像メモリに格納する方法は、走査時間が長くなる。また、ハードウェアに要求される仕様も大がかりになりがちである。画像取込み間隔(高さ方向の距離)を広げ短時間で走査する方法もあるが、振動、電気ノイズ等の外乱により、高さ基準の位置の繰り返し再現性を確保するのは難しい。
そこで、本発明では、以下のような手法を採用して、短時間かつ高精度に高さ基準位置を求めるようにしている。
すなわち本実施の形態においては、主として、
(1)波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射しその各反射光による干渉縞を各系毎に形成する第1のステップと、
(2)各系の干渉縞毎に位相データを算出する第2のステップと、
(3)位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する第3のステップと、
(4)算出した位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する第4のステップと、
(5)縞次数が0となる位置を高さ基準位置として算出する第5のステップと、
を有する。
以下、各ステップの詳細について説明するともに、図14を参照して本実施の形態の表面形状測定装置1の作用を説明する。
(1)波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射しその各反射光による干渉縞を各系毎に形成する第1のステップと、
(2)各系の干渉縞毎に位相データを算出する第2のステップと、
(3)位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する第3のステップと、
(4)算出した位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する第4のステップと、
(5)縞次数が0となる位置を高さ基準位置として算出する第5のステップと、
を有する。
以下、各ステップの詳細について説明するともに、図14を参照して本実施の形態の表面形状測定装置1の作用を説明する。
(第1のステップ)
このステップでは、波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する(工程S1(図14))。
このステップでは、波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する(工程S1(図14))。
本実施の形態では、上述のように、中心波長がそれぞれ625nm、530nmおよび470nmのR(赤)、緑(G)および青(B)の3系統の単色光を同時に照射する照明光源18を用いている。そして、これら3系統の単色光を系毎に各々干渉させるようにしている。
図4に示したように、各系の干渉縞はλ/2周期で極値(ピーク)を迎える干渉光波形を呈する。各系の干渉光はそれぞれ波長λが異なるため、各々干渉縞の周期が異なっている。
図4に示したように、各系の干渉縞はλ/2周期で極値(ピーク)を迎える干渉光波形を呈する。各系の干渉光はそれぞれ波長λが異なるため、各々干渉縞の周期が異なっている。
また、図5は、照明光源18から照射される各系の単色光R,G,Bの分光発光特性とカラーCCDカメラ5の分光感度特性Ra,Ga,Baとを示している。
各系の単色光R,G,Bの分光発光特性は、半値幅がおよそ20〜30nm程度と比較的鋭敏であるため、それぞれ中心波長で代表させることができる。なお、更に鋭敏にするためバンドパスフィルタを使用してもよい。各系の単色光R,G,Bは、対応するカラーCCDカメラ5の色プレーン(カラーフィルタ)に包含されるため、画像を取り込んだときにR,G,Bの色信号を排他的に分別することが可能である。
各系の単色光R,G,Bの分光発光特性は、半値幅がおよそ20〜30nm程度と比較的鋭敏であるため、それぞれ中心波長で代表させることができる。なお、更に鋭敏にするためバンドパスフィルタを使用してもよい。各系の単色光R,G,Bは、対応するカラーCCDカメラ5の色プレーン(カラーフィルタ)に包含されるため、画像を取り込んだときにR,G,Bの色信号を排他的に分別することが可能である。
(第2のステップ)
このステップでは、各系の干渉縞毎に位相データを算出する。
このステップでは、各系の干渉縞毎に位相データを算出する。
このステップでは、まず、駆動部6の駆動により光学系2をZ軸方向に移動させ、測定物Wと光学系2との間の距離を相対的に変化させながら、カラーCCDカメラ5により複数枚の画像を画像メモリ14に取り込む(工程S1)。測定物Wと光学系2との間の相対距離の変化により、分割した照明光の光路差OPDが変化するので、この光路差OPDに対する各系の干渉光の強度は図4に示したごとく、λ/2ピッチで変動する。
本実施の形態では、光学系2を+Z方向に走査しているが、勿論、−Z方向に走査してもよい。また、画素単位で移動平均処理を施して取得画像のノイズ成分を低減する(工程S2)。
一方、図7に模式的に示したように、測定物Wの着目点(測定点)が平面Waか、その上に形成された構造体Wbなのかによって高さ基準位置が異なる。カラーCCDカメラ5により取得される画像の中に単色光波長のλ/2以上高さ基準位置の離れた上記平面Waと構造体Wbが混在する場合、位相シフト干渉法などで高さ基準を求めることが困難となる。
そこで本実施の形態では、図6に模式的に示すように、取得した複数の画像平面P1,P2,・・・の同一座標領域を串刺しするようにして同一座標領域の複数の高さ位置における輝度情報を画像メモリ14から抽出し、当該座標領域毎に各系の干渉縞の位相データを算出する(工程S3)。
各系の干渉縞の位相データの算出には、位相計算で一般的に用いられている位相シフト法が用いられる。位相シフト法では、位相(光路差)を既知量変化させたときに得られる複数個の干渉縞画像から、当該干渉縞の位相データφが算出される。特に本実施の形態では、各系の干渉縞について、それぞれ単色光の1/8波長毎に光路差を変化させて得られる4点の縞の輝度データに基づいて位相データを算出する4ステップ法が適用される。
図8に干渉光(縞)の輝度波形を示す。縦軸は輝度データ、横軸は位相である。4ステップ法では、単色光波長の1/8ピッチで取得したA,B,C及びDの4点の高さ位置(Z座標位置)の縞画像の輝度データYa,Yb,Yc及びYdに基づいて、以下の式より当該干渉縞の位相データφを算出する。
φ=tan-1{(Ya−Yc)/(Yb−Yd)} ……(1)
φ=tan-1{(Ya−Yc)/(Yb−Yd)} ……(1)
算出された位相データφは、Sin 位相0とA点との間の位相差であり、縞次数をnとすると、高さ基準位置までの距離は2nπ+π/2+φで表される。この位相データφの算出は、各系の干渉縞毎にそれぞれ行われる。
続いて、干渉縞の画像取得範囲(走査範囲)について説明する。
R,G,B各系の単色光についての干渉光は図4に示した通りであり、結像面26(図2)にはこれら各系の干渉光の合成波が形成される。0次の干渉光が現れる高さ位置において、R,G,B全ての位相が一致し、最大輝度を有し、色も白色となる。各系の干渉光はそれぞれ波長が異なるため、図示するように干渉縞の発生周期は異なっている。
各系の干渉光を振幅1の三角関数で正規化したときの特性を図9に示す。図中、縦軸は干渉光の強度(振幅)、横軸は高さ方向(Z軸方向)を示しており、縞次数0の位置を原点としている。また、図において破線は赤(R:中心波長625nm)、一点鎖線は緑(G:中心波長530nm)、二点鎖線は青(B:中心波長470nm)をそれぞれ示している。
また、各系の干渉光のn次(nは整数)の縞のピーク(極値)の発生位置のプロットを図10に示す。図中丸は「R」について、三角は「G」について、四角は「B」についてそれぞれ示している。なお、図10において縦軸は強度を示し、図9と同様、各系の干渉光を振幅1の三角関数で正規化しているが、各系のピーク強度は各々一致するため、図では相互にずらして分かり易くしている。また、横軸は高さ方向(Z軸方向)であり、0次縞からn次縞までの距離(位相差)を示している。
R(赤),G(緑),B(青)各系の単色光のうち最も波長λが長いのはRの光であるので、各系の干渉光のうち最も縞ピッチ(λ/2)が大きいのはRの干渉光である。図9及び図10から明らかなように、R,G,B各系の単色光のうち、最も波長が長い光(R)の波長の1/2の範囲(干渉光Rの縞ピッチ)において、R,G,B各系について縞のピークが出現する。
そこで、本実施の形態では、単色光Rの1/2波長の大きさに相当する距離を走査範囲(画像取込範囲)とし、この走査範囲で得られた複数の縞画像から必要な高さ位置の画像データを参照することで、画素毎に、R,G,B各系の干渉縞の上記4ステップ法による位相データφの算出を行うようにしている。これにより短時間で効率良く、各系の干渉縞の位相データφを得ることができる。
なお、画像取込間隔は、位相データφの算出に支障がなければ特に制限されない。本実施の形態では画像取込間隔を10nmとしているが、測定精度向上のため取込間隔は小さいほど好ましい。
(第3のステップ)
このステップでは、算出した位相データφに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する。
このステップでは、算出した位相データφに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する。
第3のステップでは、上記(1)式で算出した各干渉縞の位相データφを、対象とする2系で差し引くことで、当該2系の干渉縞のピーク間距離を求めるようにしている。
図11Aは、単色光Rについての干渉縞の位相データφrとその位相距離(Z軸)との関係を示している。図11Aに示したように、上記(1)式は(tan-1)を含む演算式であるため、算出される位相データφの範囲は、−π/2〜π/2の範囲に制限される。これでは、干渉光波長全体の位相データを表現することができない。そこで、算出した各系の干渉縞の位相データを(Yb−Yd)項の正負から、A点の位相がどの象限領域に属するかを判定し、−π〜πへ変換する処理が行われる(工程S4)。変換後の位相データφrと位相距離との関係を図11Bに示す。
また、本実施の形態では、図8に示した干渉光波形のピークを求めるために、正弦波位相から余弦波位相へ変換する処理を行う(工程S5)。位相データφrと位相距離との関係を図11Cに示す。
さて、位相データφは角度で表現されているため、これを距離に変換した上で、干渉縞のピーク間の位相差(距離データ)を算出する(工程S6)。図12は、R及びGの干渉縞のピーク間の位相差Δφgrを示している。図12に示したように、位相差Δφgrの演算は、干渉縞Gの位相データφgの距離換算値Lgと、干渉縞Rの位相データφrの距離換算値Lrとの差、すなわち、
Δφgr=Lg−Lr ……(2)
で求めることができる。Δφgrの単位は[nm]である。
ここで、Lr=λr×(φr/2π)、Lg=λg×(φg/2π)である。
Δφgr=Lg−Lr ……(2)
で求めることができる。Δφgrの単位は[nm]である。
ここで、Lr=λr×(φr/2π)、Lg=λg×(φg/2π)である。
(第4のステップ)
このステップでは、算出した位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する(工程S7)。
このステップでは、算出した位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する(工程S7)。
本実施の形態では、R,G,B各系の干渉縞のうち、RG間のピーク間の距離(位相差)に着目し、これからR及びGの縞次数nを特定するようにしている。図13は、RG間のピーク距離(位相差)から縞次数nを特定するための変換テーブルを示している。R及びGの各々の次数の組合せに応じて固有の値を示すことがわかる。この変換テーブルは、制御部11(図1)に予め格納され、縞次数の特定に参照される。
例えば図9に示される走査範囲1の場合においては、上記第3のステップで検出したRのピークからGのピークまでの位相差は「−95nm(−Z方向に95nm)」となり、図13よりR及びGの縞次数は共に2と特定される。
また、走査範囲2の場合には、RのピークからGのピークまでの位相差は「+48nm(+Z方向に48nm)」となり、Rの縞次数は共に−1と特定される。
また、走査範囲3の場合には、R,Gピーク間の位相差は「0」となり、各々の縞次数は共に0と特定される。
また、走査範囲2の場合には、RのピークからGのピークまでの位相差は「+48nm(+Z方向に48nm)」となり、Rの縞次数は共に−1と特定される。
また、走査範囲3の場合には、R,Gピーク間の位相差は「0」となり、各々の縞次数は共に0と特定される。
なお、RとGの干渉縞のピーク間の位相差に着目してRの縞次数を特定する場合に限らず、RとB、GとB、あるいはRGB全てのピーク間の位相差を適宜参照して縞次数を特定するようにしてもよい。このように複数の異なる波長の単色光を用いることにより、被検体によって例えば赤の特性がとれない場合は緑と青の縞を用いるなど、応用範囲が広げられる。また、測定結果に対する信頼性の向上が図れる。
(第5のステップ)
このステップでは、縞次数が0となる位置を高さ基準位置として算出する(工程S8)。
このステップでは、縞次数が0となる位置を高さ基準位置として算出する(工程S8)。
上述したように、測定点が高さ基準位置の場合は、各系の干渉縞の縞次数はともに0である。上記第4のステップにおいて特定された縞次数nから縞次数0までの距離は、縞ピッチがλ/2であるために、nλ/2となる。
そこで、Rの干渉縞に関して説明すると、走査開始位置(図8のA点に相当)からRのピークまでの距離Dsr、縞次数n、及び、「R」の中心波長λrとすると、走査開始位置から高さ基準(縞次数0)までの距離Drは、以下の式で求められる。
Dr=−n×λr/2+Dsr ……(3)
Dr=−n×λr/2+Dsr ……(3)
ここで、図9及び図10を参照して、距離Drの算出手順の具体例をいくつか挙げて説明する。
(走査範囲1の例) RG間のピーク位相差は「−95nm」であるので、図13からRの縞次数n(=n1)を特定すると、n1=2となる。従って、特定した干渉縞Rの縞次数n1と、走査開始位置T1から干渉縞Rのピークまでの距離Dsr1と、単色光Rの波長λrとにより、走査開始位置T1から縞次数0となる高さ基準位置までの距離Dr1が上記(3)式を用いて算出される。
本例の場合、図10に示したように、Dr1=−(n1×λr/2)+Dsr1となり、縞次数が0となる高さ基準位置は、走査開始位置T1から見て−Z方向にある。
なお、n1×λr/2の大きさは、図13より、625nmである。
本例の場合、図10に示したように、Dr1=−(n1×λr/2)+Dsr1となり、縞次数が0となる高さ基準位置は、走査開始位置T1から見て−Z方向にある。
なお、n1×λr/2の大きさは、図13より、625nmである。
(走査範囲2の例) RG間のピーク位相差は「+48nm」であるので、図13からRの縞次数n(=n2)を特定すると、n2=−1となる。従って、特定した干渉縞Rの縞次数n2と、走査開始位置T2から干渉縞Rのピークまでの距離Dsr2と、単色光Rの波長λrとにより、走査開始位置T2から縞次数0となる高さ基準位置までの距離Dr2が上記(3)式を用いて算出される。
本例の場合、図10に示したように、Dr2=−(n2×λr/2)+Dsr2となり、縞次数が0となる高さ基準位置は、走査開始位置T1から見て+Z方向にある。
なお、n2×λr/2の大きさは、図13より、−313nmである。
本例の場合、図10に示したように、Dr2=−(n2×λr/2)+Dsr2となり、縞次数が0となる高さ基準位置は、走査開始位置T1から見て+Z方向にある。
なお、n2×λr/2の大きさは、図13より、−313nmである。
(走査範囲3の例) RG間のピーク位相差は「0」であるので、図13からRの縞次数n(=n3)を特定すると、n3=0となる。従って、特定した干渉縞Rの縞次数n3と、走査開始位置T3から干渉縞Rのピークまでの距離Dsr3と、単色光Rの波長λrとにより、走査開始位置T3から縞次数0となる高さ基準位置までの距離Dr3が上記(3)式を用いて算出される。
本例の場合、図10に示したように、Dr3=Dsr3となり、縞次数が0となる高さ基準位置は、走査開始位置T3から見て+Z方向に「Dsr3」である。
本例の場合、図10に示したように、Dr3=Dsr3となり、縞次数が0となる高さ基準位置は、走査開始位置T3から見て+Z方向に「Dsr3」である。
以上の例では、Rのピーク位置を基準として距離Drを算出したが、勿論、Gのピーク位置を基準として距離Drを算出してもよい。
その後、必要に応じて、得られた高さデータについて隣接画素の高さデータを参照した補間処理、フィルター処理を施す(工程S9)。これにより、ノイズの低減を図り、測定の高精度化を実現できる。
その後、必要に応じて、得られた高さデータについて隣接画素の高さデータを参照した補間処理、フィルター処理を施す(工程S9)。これにより、ノイズの低減を図り、測定の高精度化を実現できる。
以上のようにして、測定点の高さ基準位置が算出される。走査開始位置がどの位置であろうと、高さ基準位置までの距離を正確に算出することができる。また、高さ基準位置の算出は、CCDカメラ5(図2)の画素単位で行われるので、取込画像の領域内において測定物W表面の高さ分布、表面形状が高精度に測定できることになる。
特に本実施の形態によれば、異なる2系の干渉縞のピーク間距離(位相差)を算出するに当たり、当該各系の干渉縞について各々4ステップ法で算出した位相データに基づいて行うようにしている。従って、例えば10nm間隔で取り込んだ画像の輝度データ最大値を各系について各々探索しそれを縞ピーク位置として抽出して上記位相差を算出する場合に比べて、測定分解能を10nm以下、条件によってはサブナノメートルオーダーにまで測定精度を向上させることができる。
更に、画像取込走査範囲を複数の系の単色光のうち最も波長の長い単色光の1/2波長分としているので、測定時間の短縮化を図ることができる。
特に、走査範囲が625nm/2=312.5nm、画像取込間隔が10nmに設定されているので、32(312.5nm/10nm)枚の画像取込数となり、高さ方向にステージを300nm/secの等速動作、映像信号がNTSC(National Television System Committee)で30fpsの速度で取り込みを行うと、走査時間は32/30=1.07秒となる。
特に、走査範囲が625nm/2=312.5nm、画像取込間隔が10nmに設定されているので、32(312.5nm/10nm)枚の画像取込数となり、高さ方向にステージを300nm/secの等速動作、映像信号がNTSC(National Television System Committee)で30fpsの速度で取り込みを行うと、走査時間は32/30=1.07秒となる。
一方、本実施の形態によれば、撮影した縞画像から各系の干渉縞を取り除き、測定物Wの表面のカラー画像を取得することが可能である。
すなわち、干渉対物レンズ部3で測定物W表面を観察するとR,G,B各系の縞画像が生ずるため、これら縞画像の影響により、画像平面の明るさ及び測定物W表面のカラー情報を得ることはできない。
そこで、本実施の形態においては、ステップS1で高さ方向に走査し取得した画像データをもとに、1画素毎に、
画素の色情報RED=
((画素の色情報REDの最大値)+(画素の色情報REDの最小値))/2
画素の色情報GREEN=
((画素の色情報GREENの最大値)+(画素の色情報GREENの最小値))/2 画素の色情報BLUE=
((画素の色情報BLUEの最大値)+(画素の色情報BLUEの最小値))/2
の演算にて、干渉による明暗の分布をなくし、それぞれ1画素の色情報を代表させる。
このように、縞画像の構成画素領域毎に平均色データを抽出し、全画素について展開を行うことによって、測定物W表面の縞のないカラー画像を取得することができる。
そこで、本実施の形態においては、ステップS1で高さ方向に走査し取得した画像データをもとに、1画素毎に、
画素の色情報RED=
((画素の色情報REDの最大値)+(画素の色情報REDの最小値))/2
画素の色情報GREEN=
((画素の色情報GREENの最大値)+(画素の色情報GREENの最小値))/2 画素の色情報BLUE=
((画素の色情報BLUEの最大値)+(画素の色情報BLUEの最小値))/2
の演算にて、干渉による明暗の分布をなくし、それぞれ1画素の色情報を代表させる。
このように、縞画像の構成画素領域毎に平均色データを抽出し、全画素について展開を行うことによって、測定物W表面の縞のないカラー画像を取得することができる。
なお、図4に示した各系の干渉光の強度分布カーブを全体積分(積分値0)しても同様な結果が得られるが、この方法では走査範囲が著しく広くなり測定時間が長大化する。
これに対し、本実施の形態では、Rの波長の半分という微小領域を走査するだけでR,G,B各系の色情報最大値(明ピーク)及び最小値(暗ピーク)を取得できるので、これらから容易に各画素の色情報を代表させることが可能である。
これに対し、本実施の形態では、Rの波長の半分という微小領域を走査するだけでR,G,B各系の色情報最大値(明ピーク)及び最小値(暗ピーク)を取得できるので、これらから容易に各画素の色情報を代表させることが可能である。
なおまた、干渉対物レンズ部3から参照ミラー24を取り除いたり、ビームスプリッタ23と参照ミラー24との間に光吸収体やシャッタを設ける等しても、測定物W表面のカラー画像を取得することができる。
また、上述の工程で得られた2次元平面の高さ情報及びカラー画像をもとに3次元の鳥瞰図を生成することも容易であり、これにより実空間に近い視覚効果が得られ、観察作業での視認性を高めることが可能となる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の実施の形態では、波長の異なる複数の系の単色光として、中心波長がそれぞれ625nm、530nm、470nmのR,G,B各系の可視光を用いたが、これら以外の他の波長領域の単色光を用いてもよい。また、単色光は少なくとも2系統あればよい。
また、照明光源18として、波長の異なるLEDを使用したが、分別可能な波長の光を取り出すことができればよいため、これに限定されない。例えば、ランプ等の白色光源とダイクロイックミラー、フィルタ等の組合せにも、本発明は適用可能である。
また、以上の実施の形態では、照明光の光路差OPDを変化させるのに、測定物Wに対して光学系2を高さ方向に移動させたが、これに限らず、例えば干渉対物レンズ部3において、参照ミラー24を可動として対物レンズ22との光学的距離を変化させるようにしてもよい。
また、光学系2の走査方向を+Z方向としたが、これに代えて、光学系2の走査方向を−Z方向としてもよい。
また、光学系2の走査方向を+Z方向としたが、これに代えて、光学系2の走査方向を−Z方向としてもよい。
縞のピークを検出する際の走査範囲に関しては、必ずしも単色光Rの半波長に相当する大きさに限られず、これよりも広い範囲で走査範囲を設定することが可能である。この場合、単色光Rに関して−4次〜+4次までの範囲においては図13に示した変換テーブルが利用可能であり、これよりも更に広い範囲であれば、図13に準ずる参照データを別途準備すればよい。
走査範囲を広く設定することにより、特定される縞次数nの検証ができるようになり、測定の信頼性を高めることができる。
走査範囲を広く設定することにより、特定される縞次数nの検証ができるようになり、測定の信頼性を高めることができる。
更に、以上の実施の形態によれば、算出した高さ基準位置へ光学系2を移動させることにより、測定物Wに対する合焦が可能となるので、オートフォーカスとして動作させることも可能である。
一方、本発明は、例えば以下に挙げるような応用面を備えている。
[1.生産設備への応用]
上述のように、本発明によれば、±1μm程度の高さ測定領域10nm分解能にて、1秒程度の短時間で測定が可能であるので、例えば、半導体形成膜、フラットパネルディスプレイ(FPD)のTFT(薄膜トランジスタ)形成膜、カラーフィルタ形成膜、マイクロマシン、マイクロレンズなど、これらの膜厚管理、高さ・形状管理、欠陥検出管理の生産工程へ適用することができる。
従来の生産方式では、それらの管理項目をインプロセス、即ち、生産中におけるリアルタイムでの全数測定は難しく、オフラインで測定・検査していたので、プロセス条件へのフィードバックは時間的な遅れが生じがちになり、歩留まり改善活動の障害にもなっていた。また、既存の平面高さ測定装置は、複雑で精密な機構が必要なため、高価なものがほとんどである。さらに、スタンド・アロン型の観察用に目的を絞って商品化されているため、設備組込性も良くない。
しかし、本発明によれば、ワークの膜厚管理、高さ・形状管理、欠陥検出管理等を短時間かつ高精度に行うことができるので、プロセスの中でリアルタイムでワーク全品に対する形状測定、品質管理が可能であるので歩留まり改善活動に大きく貢献することができると共に、機構的にシンプルであるため組込性に優れており、価格も低く構成することが十分可能である。勿論、従来より行われているワークの抜き取り検査やオフラインにおけるスタンド・アロン的な測定にも、本発明は適用可能である。
上述のように、本発明によれば、±1μm程度の高さ測定領域10nm分解能にて、1秒程度の短時間で測定が可能であるので、例えば、半導体形成膜、フラットパネルディスプレイ(FPD)のTFT(薄膜トランジスタ)形成膜、カラーフィルタ形成膜、マイクロマシン、マイクロレンズなど、これらの膜厚管理、高さ・形状管理、欠陥検出管理の生産工程へ適用することができる。
従来の生産方式では、それらの管理項目をインプロセス、即ち、生産中におけるリアルタイムでの全数測定は難しく、オフラインで測定・検査していたので、プロセス条件へのフィードバックは時間的な遅れが生じがちになり、歩留まり改善活動の障害にもなっていた。また、既存の平面高さ測定装置は、複雑で精密な機構が必要なため、高価なものがほとんどである。さらに、スタンド・アロン型の観察用に目的を絞って商品化されているため、設備組込性も良くない。
しかし、本発明によれば、ワークの膜厚管理、高さ・形状管理、欠陥検出管理等を短時間かつ高精度に行うことができるので、プロセスの中でリアルタイムでワーク全品に対する形状測定、品質管理が可能であるので歩留まり改善活動に大きく貢献することができると共に、機構的にシンプルであるため組込性に優れており、価格も低く構成することが十分可能である。勿論、従来より行われているワークの抜き取り検査やオフラインにおけるスタンド・アロン的な測定にも、本発明は適用可能である。
[2.観察顕微鏡への応用]
観察用途の顕微鏡での立体画像取得方法としては、高さを変えた平面画像を複数枚取り込むパンフォーカスが挙げられる。得られる合焦情報をもとに高さ情報を生成し、立体画像を生成する手法はいくつか提案され、商品化されている。また、既存のレーザー光走査顕微鏡、コンフォーカル顕微鏡も立体画像取得が可能である。これらは高さの精度を、対物レンズの被写界深度以下にできないという限界がある。例えば、100倍の対物レンズの焦点深度は0.3μm程度である。
これに対して本発明は、10nm分解能での測定は実証されており、FFT解析などを適用することにより、更なる高精細化が可能である。
観察用途の顕微鏡での立体画像取得方法としては、高さを変えた平面画像を複数枚取り込むパンフォーカスが挙げられる。得られる合焦情報をもとに高さ情報を生成し、立体画像を生成する手法はいくつか提案され、商品化されている。また、既存のレーザー光走査顕微鏡、コンフォーカル顕微鏡も立体画像取得が可能である。これらは高さの精度を、対物レンズの被写界深度以下にできないという限界がある。例えば、100倍の対物レンズの焦点深度は0.3μm程度である。
これに対して本発明は、10nm分解能での測定は実証されており、FFT解析などを適用することにより、更なる高精細化が可能である。
[3.SEM(走査型顕微鏡)、AFM(原子間力顕微鏡)、段差計の分野への応用]
本発明は、非破壊、非接触による表面測定方法に関するものであるため、SEM、AFM等の顕微鏡分野にも応用可能である。この場合、SEM、AFM等のように被検体の測定段取り時間も必要なく、機動性に優れた測定装置として現場への提供が可能である。
本発明は、非破壊、非接触による表面測定方法に関するものであるため、SEM、AFM等の顕微鏡分野にも応用可能である。この場合、SEM、AFM等のように被検体の測定段取り時間も必要なく、機動性に優れた測定装置として現場への提供が可能である。
[4.オートフォーカス装置への応用]
上述のように、本発明によれば、高さ基準位置が分かるため、その距離を移動することにより、高精度に合焦させることができる。
オートフォーカス技術は、一般に、方式により得手、不得手の被検体がある。映像信号をもとに合焦状態を判断するパッシブ方式では、明るさが均一な面(例えば、ガラス表面、シリコンベアウェーハなど)への合焦は困難である。レーザー反射方式、パターン投影方式などのアクティブ方式ではそれが可能となるが、そのための投資が必要となる。
本発明は、明るさが均一な面であっても反射光さえあれば高さ情報を得ることができるため、合焦動作も可能である。また、比較的安価にそれを実現できる。
上述のように、本発明によれば、高さ基準位置が分かるため、その距離を移動することにより、高精度に合焦させることができる。
オートフォーカス技術は、一般に、方式により得手、不得手の被検体がある。映像信号をもとに合焦状態を判断するパッシブ方式では、明るさが均一な面(例えば、ガラス表面、シリコンベアウェーハなど)への合焦は困難である。レーザー反射方式、パターン投影方式などのアクティブ方式ではそれが可能となるが、そのための投資が必要となる。
本発明は、明るさが均一な面であっても反射光さえあれば高さ情報を得ることができるため、合焦動作も可能である。また、比較的安価にそれを実現できる。
1…表面形状測定装置、2…光学系、3…干渉対物レンズ部、4…鏡筒、5…カラーCCDカメラ、6…駆動部、11…制御部、12…表示部、14…画像メモリ、15…演算部、17…ステージコントローラ、18…照明光源、20…干渉計、21,23…ビームスプリッタ、22…対物レンズ、24…参照ミラー、25…結像レンズ、26…結像面、W…測定物。
Claims (6)
- 波長の異なる複数の系の単色光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光による干渉縞を各系毎に形成する第1のステップと、
前記各系の干渉縞毎に位相データを算出する第2のステップと、
前記位相データに基づいて各干渉縞のピーク間の位相差を算出する第3のステップと、
前記位相差から当該干渉縞の縞次数を特定する第4のステップと、
前記縞次数がゼロとなる位置を高さ基準位置として算出する第5のステップとを有する
ことを特徴とする表面形状測定方法。 - 前記第2のステップでは、前記各系の干渉縞について、それぞれ単色光の1/8波長毎に光路差を変化させて得られる干渉縞の輝度データに基づいて前記位相データを算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状測定方法。 - 前記第4のステップは、任意の2系の干渉縞のピーク間の位相差によって対応づけられた縞次数特定用の変換テーブルを参照して行われる
ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状測定方法。 - 前記複数の系の単色光として、赤、緑及び青の3系統の可視光を用いる
ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状測定方法。 - 波長の異なる複数の系の単色光を照射する照明光源と、
前記照明光源からの照明光を分割して測定物表面と参照面とにそれぞれ照射し、その各反射光を干渉させて結像面に干渉縞を形成させる干渉計と、
前記結像面に配置され前記干渉縞の画像データを取得する画面取得手段と、
前記測定物表面と前記干渉計との間を高さ方向に変化させる駆動手段と、
前記各系の干渉縞毎に算出した当該各系の干渉縞の位相データに基づいて当該干渉縞の縞次数を特定し、当該縞次数がゼロとなる位置を高さ基準位置として算出する演算手段とを備えた
ことを特徴とする表面形状測定装置。 - 前記画像取得手段は、カラーCCDカメラである
ことを特徴とする請求項5に記載の表面形状測定装置。
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JP2005152164A JP2006329751A (ja) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | 表面形状測定方法及び表面形状測定装置 |
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