JP2006329751A - 表面形状測定方法及び表面形状測定装置 - Google Patents

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

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。

特開２００２−３４０５２４号公報 特開２００１−１７４２３２号公報

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。

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。

（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））。

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。

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。

（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、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）

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。

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。

（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）。

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。

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）。

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）

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

［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。

［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。

本発明の実施の形態による表面形状測定装置１の概略構成図である。 光学系２を構成する干渉計２０の概略構成図である。 制御部１１の構成を示すブロック図である。 高さ方向に関してのＲ，Ｇ，Ｂ各系の干渉光の強度分布を模式的に示す図である。 照明光を構成するＲ，Ｇ，Ｂ各系の単色光の分光発光特性とカラーＣＣＤカメラ５の分光感度特性を説明する図である。 本発明による高さ測定方法を説明する原理図である。 測定物表面の測定領域の一例を示す説明図である。 ４ステップ法による干渉縞の位相データφの算出方法を説明する図である。 Ｒ，Ｇ，Ｂ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示す図である。 Ｒ，Ｇ，Ｂ各系の干渉光の縞のピーク発生位置をプロットした図である。 位相データφと位相距離との関係を示す図であり、Ａは−π／２〜π／２の範囲を示し、Ｂは−π〜πの範囲を示している。 Ｒ，Ｇ各系の干渉縞の位相データからピーク間の位相差Δφｇｒを算出する工程を説明する図である。 Ｒ，Ｇのピーク間距離から縞次数を特定する変換テーブルである。 本実施の形態の表面形状測定装置１の一作用を説明する工程フロー図である。

符号の説明

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)

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、
   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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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