JP2010151798A

JP2010151798A - 表面形状測定方法、表面形状測定装置および位置合わせ装置

Info

Publication number: JP2010151798A
Application number: JP2009246610A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Negishi; 武利根岸
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】測定対象物の表面形状を非接触で測定するための表面形状測定方法、表面形状測定装置、位置合わせ装置に関し、光源の種類に拘わらず高精度な測定を行うことを目的とする。
【解決手段】被対象物の表面像を結像する結像光学系と、被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に、電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子を配置し、電気光学素子の屈折率を電界の付与により変化して像面上で被対象物の表面像が形成されるようにし、この時に電気光学素子に付与した電界値に基づいて、被対象物の表面の基準面からの変位量を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の表面形状を非接触で測定するための表面形状測定方法、表面形状測定装置に関する。また、これを利用した位置合わせ装置に関する。

従来、複数の単波長を被対象物に照射し、被対象物で反射した反射光の干渉縞を測定し、波長の違いから生じる各干渉縞間の差異情報を用いて変位量の分解能を向上するようにした表面形状測定装置が知られている。

特開２００６−３２９７５１号公報

しかしながら、このような表面形状測定装置では、干渉現象を利用しているため、光源にレーザ光のようなコヒーレント光源を使用する必要があるという問題があった。また、使用する光の波長により計測精度が大きく影響されるため、計測精度を高めるためには、紫外線等の波長の短い光を用いる必要があるという問題があった。

本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、光源の種類に拘わらず高精度な測定を行うことができる表面形状測定方法、表面形状測定装置、および、これを利用した位置合わせ装置を提供することを目的とする。

本発明を例示する第１の態様に従えば、被対象物の表面像を結像する結像光学系と、前記被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に、電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子を配置し、前記電気光学素子の屈折率を電界の付与により変化して前記像面上で前記被対象物の表面像が形成されるようにし、この時に前記電気光学素子に付与した電界値に基づいて、前記被対象物の表面の前記基準面からの変位量を求めることを特徴とする表面形状測定方法が提供される。

本発明を例示する第２の態様に従えば、被対象物の表面に斜入射で局所的に照明光を照射する照明光学系と、前記被対象物の照射部分で発生する散乱光を集光して結像する結像光学系と、前記結像光学系と前記被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に配置され電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子と、前記像面上に配置されたエッジ部材と、前記エッジ部材を通過した前記散乱光の空間分布を検出する光検出器と、前記光検出器で検出される空間分布が前記被対象物の表面像が前記像面と一致する時に得られる空間分布となるように前記電気光学素子に付与する電界を調整する制御手段と、前記制御手段が前記電気光学素子に付与している電界値から、前記被対象物の前記基準面からの変位量を計算する演算手段とを有することを特徴とする表面形状測定装置が提供される。

本発明を例示する第３の態様に従えば、被対象物の位置合わせ部に斜入射で局所的に照明光を照射する照明光学系と、前記位置合わせ部で発生する散乱光を集光して結像する結像光学系と、前記結像光学系と前記被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に配置され電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子と、前記像面上に配置されたエッジ部材と、前記エッジ部材を通過した前記散乱光の空間分布を検出する光検出器と、前記被対象物を前記結像光学系の光軸方向に移動する移動手段と、前記電気光学素子に電界を付与して目標位置を設定する位置設定手段と、前記光検出器で検出される空間分布が前記被対象物の位置合わせ部の像が前記像面と一致する時に得られる空間分布となるように前記移動手段を移動する制御手段とを有することを特徴とする位置合わせ装置が提供される。

本発明では、光源の種類に拘わらず高精度な測定を行うことができる。

本発明の表面形状測定装置の一実施形態を示す説明図である。被対象物の表面形状を拡大して示す説明図である。光検出器で検出される空間分布を示す説明図である。図１の制御装置の動作を示す説明図である。本発明の位置合わせ装置の一実施形態を示す説明図である。図４のマスク部材を示す説明図である。図５の制御装置の動作を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
(第１の実施形態)
図１は、本発明の表面形状測定装置の一実施形態を示している。

この表面形状測定装置は、Ｘ−Ｙステージ１１、照明光学系１３、結像光学系１５、電気光学素子１７、エッジ部材１９、光検出器２１、制御装置２３、出力装置２５を有している。

Ｘ−Ｙステージ１１は、水平方向であるＸ−Ｙ方向に微細移動可能とされている。Ｘ−Ｙステージ１１上には、被対象物Ｗが載置される。この実施形態では、被対象物Ｗの表面形状が測定される。図２は、被対象物Ｗの表面を拡大して示しており、被対象物Ｗの基準面Ｋからの変位量Ｈ(Ｈ１，Ｈ２…)が測定される。この変位量Ｈは、非常に小さく、例えばナノメータのレベルである。

照明光学系１３は、被対象物Ｗの表面に斜入射で局所的に照明光Ｓ１を照射する。照明光学系１３は、図示しない光源およびレンズを備えている。光源には、ハロゲンランプ、キセノンランプ等の可視光を用いることができる。また、レーザ光を用いても良い。

結像光学系１５は、被対象物Ｗの照射部分で発生する散乱光Ｓ２を集光して結像する。結像光学系１５は、複数のレンズにより構成されているが１枚のレンズで示している。

電気光学素子１７は、結像光学系１５と被対象物Ｗの基準面Ｋと共役関係にある像面との間に配置されている。電気光学素子１７は、電界の付与により屈折率を変化可能とされている。電気光学素子１７は、ＫＴＮ結晶平板１７ａと電極１７ｂとを有している。なお、電気光学素子１７の結晶には、ＫＴＮ結晶１７ａの他にＢＢＯ結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶、ＫＴＢ結晶等を使用できる。また、ＬｉＮｂＯ_３、ＭｊＯ：ＬｉＮｂＯ_３、Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ_３の混合物等の結晶を使用できる。

エッジ部材１９は、基準面Ｋと共役関係にある像面上に配置されている。この実施形態では、エッジ部材１９にはナイフエッジが用いられている。

光検出器２１は、エッジ部材１９を通過した散乱光Ｓ２の空間分布を検出する。光検出器２１には、例えばＣＣＤ素子が使用される。

制御装置２３は、光検出器２１からの出力信号を入力する。また、電気光学素子１７に付与する電界値を調整する。さらに、Ｘ−Ｙステージ１１を駆動する。制御装置２３は、ＣＰＵ２３ａ、メモリ２３ｂを有している。ＣＰＵ２３ａは、各種制御を行う。そして、光検出器２１で検出される空間分布がメモリ２３ｂに記憶される空間分布と一致するように電気光学素子１７に付与する電界を調整する。メモリ２３ｂには、後述するように、散乱光Ｓ２がエッジ部材１９上で最も集光している際に得られる空間分布が記憶されている。ＣＰＵ２３ａは、電気光学素子１７に付与している電界値から、被対象物Ｗの基準面Ｋからの変位量Ｈを計算する。出力装置２５は、ＣＰＵ２３ａで演算された変位量Ｈを出力する。

上述した表面形状測定装置では、被対象物Ｗの表面上で集光するように、被対象物Ｗに対して照明光Ｓ１を照射する。このとき、被対象物Ｗの表面で反射した照明光Ｓ１が結像光学系１５に入射しないように斜入射させる。

局所的に照明された被対象物Ｗの表面から発生する散乱光Ｓ２は、結像光学系１５によって被対象物Ｗの表面の像を結像光学系１５の像界に形成する。ここで、被対象物Ｗの基準面Ｋを結像光学系１５の前側主点から距離ａの位置とし、結像光学系１５の焦点距離をｆとする。このとき、被対象物Ｗの基準面Ｋの像は結像光学系１５の後側主点からｂの位置に形成され、ｂは次の関係で表される。

ｂ＝ａ×ｆ／(ａ−ｆ)
結像光学系１５と基準面Ｋに共役な像面との間には、電気光学素子１７が配置される。ＫＴＮ結晶平板１７ａの両側は電極１７ｂにより挟まれ、ＫＴＮ結晶平板１７ａに対して電界を付与可能にされている。ＫＴＮ結晶平板１７ａの厚みをｔとする。また測定の初期状態で所定の電界を与えておくが、この電界下でのＫＴＮ結晶１７ａの屈折率をｎとする。初期状態で与える電界は、電界強度を強弱させることで、屈折率ｎの値を増減できる範囲にとる。

結像光学系１５と像面との間にＫＴＮ結晶平板１７ａを配置することで、基準面Ｋに共役な像面は、結像光学系１５の後側主点から、
ｂ＋ｔ×(１−１／ｎ)
の位置になる。

この位置に結像位置の検出精度を高めるために、フーコーテストのようにナイフエッジからなるエッジ部材１９を配置し、エッジ部材１９よりも後方に配置した光検出器２１で散乱光Ｓ２を検出する。光検出器２１は検出面上での散乱光Ｓ２の空間分布を取得できる。散乱光Ｓ２の空間分布は、エッジ部材１９上での光束の集中度に依存した回折分布を形成するため、検出した散乱光Ｓ２の空間分布から実際に表面像のできている位置と、基準面Ｋに共役な像面との一致具合を確認できる。従って、検出される空間分布がエッジ部材１９上で最も集光している際に得られる空間分布となるように、ＫＴＮ結晶平板１７ａに付与する電界を変化させて屈折率を制御し、光路を調整する。

図３は、光検出器２１で検出されたエッジ部材１９を通過した散乱光Ｓ２の空間分布を示している。図３の(ａ)は鳥瞰図であり、(ｂ)は等高線図である。なお、この空間分布は、光源の波長がｄ線（５８７．５６ｎｍ）、ｆ＝５０ｍｍ、物体側開口数０．０５、ａ＝１００ｍｍ、ｔ＝１ｍｍ、光検出器２１の検出面がエッジ部材１９の後方１ｍｍの位置にある条件で行ったシミュレーション結果である。

被対象物Ｗの照明された表面部分の基準面Ｋからの変位量Ｈに応じて、散乱光Ｓ２の発生地点は結像光学系１５の光軸方向に前後するが、散乱光Ｓ２の発生地点の基準面Ｋからの変位量ＨをΔａとする（結像光学系１５と表面が離れる方の変位量Ｈが＋）。Δａに応じて照明された被対象物Ｗの表面の像ができる像面は像界で前後するが、基準面Ｋと共役関係にある像面からの変位量Ｈ’をΔｂとする（結像光学系１５と像面が離れる方の変位量Ｈ’が＋）と、
Δｂ＝−（ｂ／ａ）^２×Δａ
となる。

被対象物Ｗの表面の変位量Ｈに応じて像面がΔｂだけ前後するのを、ＫＴＮ結晶平板１７ａに与える電界を調整して屈折率を変化させ、Δｂ＝０、つまり、常に基準面Ｋと共役関係にある像面上に被対象物Ｗの表面像ができるように光路を調整する。

像面位置が変化する分を打ち消すために必要なＫＴＮ結晶平板１７ａの屈折率の変化量は次のようになる。散乱光Ｓ２の発生地点が光軸方向にΔａだけ基準面Ｋからずれているとき、基準面Ｋに共役な像面に像を結像するために必要なＫＴＮ結晶平板１７ａの屈折率をｎ’とすると、

となる。

例えばＫＴＮ結晶平板１７ａの厚みを１ｍｍ、横倍率ｂ／ａ＝３の条件で結像光学系１５を像形成に利用する場合、Δａ＝＋１ｎｍの表面の変位量Ｈに対応する屈折率の変化量（ｎ’−ｎ）は、可視光域から遠赤外線域でのＫＴＮ結晶１７ａの屈折率ｎは約２．２９なので、
ｎ’−ｎ≒＋５×１０^−５
であり、この程度の屈折率変化を得るためには、ＫＴＮ結晶平板１７ａにΔ２０Ｖ／ｍｍ程度の電界変化を与えてやれば良い。被対象物Ｗの表面の変位量Ｈに対応する電界変化の感度は、結像光学系１５の使用倍率を変えることで変更できる。上記の例で、横倍率ｂ／ａを等倍にした場合は、同じΔａ＝＋１ｎｍのずれに対応するのに屈折率変化は＋５×１０^−６程度で良く、電界変化はΔ２Ｖ／ｍｍ程度で済む。

図４は、上述した表面形状測定装置の制御装置２３の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１：制御装置２３のＣＰＵ２３ａは、被対象物Ｗの基準点が結像光学系１５の光軸上に位置するようにＸ−Ｙステージ１１を移動する。基準点は、必ずしも特別な箇所でなくても良い。例えば図２の基準面Ｋの１箇所が基準点Ｐとされる。

ステップＳ２：ＣＰＵ２３ａは、光検出器２１で検出された散乱光Ｓ２の空間分布が、予め記憶された空間分布になるように電気光学素子１７に付与する電界を調整し、調整した電界値Ｄ１を記憶する。この実施形態では、メモリ２３ｂには、散乱光Ｓ２がエッジ部材１９上で最も集光している際に得られる空間分布が記憶されている。ＣＰＵ２３ａは、空間分布が記憶されている空間分布になるように電界を調整する。そして、調整した電界値Ｄ１をメモリ２３ｂに記憶する。

なお、この実施形態では、ステージの構造を簡単にするため、Ｘ−Ｙステージ１１は被対象物Ｗを光軸方向に移動する機能を有していない。従って、被対象物Ｗを基準点Ｐの高さに合わせるために加える電界値が比較的大きな影響を受ける。その結果、無駄に高い電界を与えなければならず、電力を多く浪費したり、屈折率の増減できる調整可能範囲に偏りが生じるおそれがある。そこで、ステージに光軸方向にも移動可能な３軸移動ステージを用い、結像光学系１５に関してエッジ部材１９のエッジ端と共役な物界面に被対象物Ｗの基準点Ｐの高さがおおよそ合うように調整できるようにするのが望ましい。これにより、電気光学素子１７に加える電界の初期設定値を、屈折率を増減する幅が均等にできる適当な電界値にすることが可能になり変位量の検出範囲に偏りが生じることを防止することができる。

ステップＳ３：ＣＰＵ２３ａは、被対象物Ｗの測定点が結像光学系１５の光軸上に位置するようにＸ−Ｙステージ１１を移動する。測定点は、予め決められており、例えば図２の点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３等が測定点とされる。例えば、測定点Ｐ１が光軸上に位置するようにＸ−Ｙステージ１１を移動する。

ステップＳ４：ＣＰＵ２３ａは、光検出器２１で検出された散乱光Ｓ２の空間分布が、予め記憶された空間分布になるように電気光学素子１７に付与する電界を調整し、調整した電界値Ｄ２を記憶する。この調整はステップＳ２と同様にして行われる。

ステップＳ５：ＣＰＵ２３ａは、変位量Ｈを演算する。ＣＰＵ２３ａは、ステップＳ２でメモリ２３ｂに記憶された電界値Ｄ１と、ステップＳ４でメモリ２３ｂに記憶された電界値Ｄ２を読み込み、電界値Ｄ１，Ｄ２に基づいて変位量Ｈを計算する。なお、この実施形態では、変位量Ｈを演算するために基準点Ｐにおける電界値Ｄ１、および測定点における電界値Ｄ２に基づいて変位量Ｈを計算している。しかしながら、結像光学系に対してエッジ部材と光学的に共役な物体面を基準面とし、各測定点の電界値のみに基づいて基準面からの変位量Ｈを計算するようにしても良い。

ステップＳ６：ＣＰＵ２３ａは、全ての測定点Ｐ１，Ｐ２，…が測定されたか否かを判断する。測定されていない場合には、ステップＳ３からステップＳ５を繰り返し全ての測定点を測定する。

ステップＳ７：ＣＰＵ２３ａは、全ての測定点が測定された場合には、測定点の変位量Ｈ１，Ｈ２，…を出力装置２５に出力する。なお、この実施形態では、被対象物Ｗの全体的な変位量を見るために全ての測定点が測定された後に測定点の変位量を一括して出力している。しかしながら、リアルタイムな情報を得るために各測定点での測定直後にその点の変位量を出力するようにしても良い。

上述した実施形態では、電気光学素子１７の屈折率を電界の付与により変化してエッジ部材１９の位置で被対象物Ｗの表面像が形成されるようにし、この時に電気光学素子１７に付与した電界値に基づいて、被対象物Ｗの表面の基準面Ｋからの変位量Ｈを求めるようにしたので、変位量Ｈを容易，確実に求めることができる。

そして、干渉現象を利用していないため、光源がレーザ光のようなコヒーレント光源である必要がない。また使用する光の波長も計測精度に本質的な影響を与えないので、ＫＴＮ結晶１７ａを透過する可視光域から遠赤外線域の広範囲の光源を用いて被検体の表面形状を高い分解能で精密に測定することができる。また、表面形状の検出のために機械的に稼動する部分がないため、一度精度よく装置を設定すれば、高い再現性のあるデータを取得することができる。
(第２の実施形態)
図５は、本発明の位置合わせ装置の一実施形態を示している。なお、この実施形態において第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この実施形態では、位置合わせ対象となる被対象物Ｗ２が３軸移動ステージ２７上に載置される。３軸移動ステージ２７は、水平方向(Ｘ−Ｙ方向)、垂直方向(Ｚ方向)の３軸方向に移動可能とされている。被対象物Ｗ２の上端には点とみなせる位置合わせ部Ｉが設けられている。この位置合わせ部Ｉは、３軸移動ステージ２７の移動により結像光学系１５の光軸上の所定位置に移動される。

この実施形態では、エッジ部材１９に代えてマスク部材２９が配置されている。マスク部材２９は、光軸と直交する方向の偏りが検出可能な開口形状を有している。マスク部材２９の開口形状は、例えば図６に示すように、結像光学系１５の光軸とマスク部材２９の中心Ｏが一致する直交座標系の第一象限部分が開口２９ａとなるような形状とされている。

この実施形態では、制御装置３１は、光検出器２１からの出力信号を入力する。また、電気光学素子１７に付与する電界値を調整する、さらに、３軸移動ステージ２７を駆動する。制御装置３１は、ＣＰＵ３１ａ、メモリ３１ｂを有している。ＣＰＵ３１ａは、各種制御を行う。そして、光検出器２１で検出される空間分布がメモリ３１ｂに記憶される空間分布と一致するように３軸移動ステージ２７を駆動する。メモリ３１ｂには、散乱光Ｓ２がマスク部材２９の中心Ｏで最も集光している際に得られる空間分布が記憶されている。制御装置３１は、電気光学素子１７に電界を付与して目標位置を設定する。

図７は、上述した位置合わせ装置の制御装置３１の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１：制御装置３１のＣＰＵ３１ａは、目標位置を設定する。ＣＰＵ３１ａは、被対象物Ｗ２の位置合わせ部Ｉを位置合わせすべき目標位置が入力装置３３から入力されると、目標位置を設定する。この目標位置は、結像光学系１５の光軸上の位置でありＺ方向の位置として入力される。例えば図５において結像光学系１５の位置からａ＋Δａの位置が目標位置として入力されると、この位置に被対象物Ｗ２の位置合わせ部Ｉが位置した時に、位置合わせ部Ｉの像がマスク部材２９の位置に結像するように電気光学素子１７に付与する電界を調整する。

ステップＳ２：ＣＰＵ３１ａは、光検出器２１で検出される空間分布が予め記憶された空間分布となるように３軸移動ステージ２７を移動する。これにより被対象物Ｗ２の位置合わせ部Ｉを結像光学系１５の目標位置に位置させることができる。

すなわち、位置合わせ部Ｉを照明することで発生した散乱光Ｓ２が、結像光学系１５を通りマスク部材２９を通過する際に、散乱光Ｓ２は回折の影響を受ける。この回折の影響は、マスク部材２９より後方に配置された光検出器２１の検出面上にできる散乱光Ｓ２の空間分布として捉えることができる。この散乱光Ｓ２の空間分布は位置合わせ部Ｉの位置に敏感に反応する。この実施形態では、メモリ３１ｂには、予め散乱光Ｓ２がマスク部材２９の中心Ｏ上で最も集光している際に得られる空間分布が記憶されている。この空間分布は、位置合わせ部Ｉが目標位置に存在し、かつ結像光学系１５の光軸上にある場合に、光検出器２１で検出される空間分布と同じである。従って、実際に光検出器２１で検出される空間分布が、記憶された空間分布と一致するように３軸移動ステージ２７を動かし、被対象物Ｗ２の位置合わせ部Ｉの位置を調整することにより、被対象物Ｗ２の位置合わせ部Ｉを目標位置に位置合わせすることができる。

この実施形態の位置合わせ装置では、被対象物Ｗ２の位置合わせ部Ｉを設定された位置に高い精度で位置合わせすることができる。
(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上述した実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような形態でも良い。

(１)上述した第１の実施形態では、エッジ部材１９にナイフエッジを用いた例について説明したが、例えば第２の実施形態と同様なマスク部材２９を用いても良い。

１１…Ｘ−Ｙステージ、１３…照明光学系、１５…結像光学系、１７…電気光学素子、１９…エッジ部材、２１…光検出器、２３，３１…制御装置、２７…３軸移動ステージ、２９…マスク部材、Ｗ，Ｗ２…被対象物。

Claims

被対象物の表面像を結像する結像光学系と、前記被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に、電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子を配置し、前記電気光学素子の屈折率を電界の付与により変化して前記像面上で前記被対象物の表面像が形成されるようにし、この時に前記電気光学素子に付与した電界値に基づいて、前記被対象物の表面の前記基準面からの変位量を求めることを特徴とする表面形状測定方法。
被対象物の表面に斜入射で局所的に照明光を照射する照明光学系と、
前記被対象物の照射部分で発生する散乱光を集光して結像する結像光学系と、
前記結像光学系と前記被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に配置され電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子と、
前記像面上に配置されたエッジ部材と、
前記エッジ部材を通過した前記散乱光の空間分布を検出する光検出器と、
前記光検出器で検出される空間分布が前記被対象物の表面像が前記像面と一致する時に得られる空間分布となるように前記電気光学素子に付与する電界を調整する制御手段と、
前記制御手段が前記電気光学素子に付与している電界値から、前記被対象物の前記基準面からの変位量を計算する演算手段と、
を有することを特徴とする表面形状測定装置。
被対象物の位置合わせ部に斜入射で局所的に照明光を照射する照明光学系と、
前記位置合わせ部で発生する散乱光を集光して結像する結像光学系と、
前記結像光学系と前記被対象物の基準面と共役関係にある像面との間に配置され電界の付与により屈折率を変化可能な電気光学素子と、
前記像面上に配置されたエッジ部材と、
前記エッジ部材を通過した前記散乱光の空間分布を検出する光検出器と、
前記被対象物を前記結像光学系の光軸方向に移動する移動手段と、
前記電気光学素子に電界を付与して目標位置を設定する位置設定手段と、
前記光検出器で検出される空間分布が前記被対象物の位置合わせ部の像が前記像面と一致する時に得られる空間分布となるように前記移動手段を移動する制御手段と、
を有することを特徴とする位置合わせ装置。