JP2011007556A - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆膜の厚さと独立して、基板よりも反射率の低い被覆膜付きの基板上に存在するパターンの三次元形状を非破壊で測定することができる三次元形状測定装置を提供することである。
【解決手段】可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、第１波長の照明光と、前記第１波長と異なる第２波長の照明光とを切り替えて照射する光源部と、前記第１波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第１仮想段差と、前記第２波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第２仮想段差とを測定する光検出器と、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記パターンの物理的三次元形状を決定する処理部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板表面よりも反射率が低い被覆膜が形成された基板上に存在する不透明なパターンの三次元形状を測定する三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法に関する。

半導体デバイスやＭＥＭＳなどの三次元構造体を製造する場合、一般的に、ＳｉＯ_２やフォトレジストなどの可視光に対して透明な被覆膜が形成されたＳｉ基板上に、不透明な金属などからなる配線や電極等のパターンが配置される試料が作製される。

また、太陽電池やＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造工程では、透明電極（例えば、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）で被覆された、ガラスやポリカーボネイト（ＰＣ：Polycarbonate）或いはＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）等の基板上に、不透明な有機半導体のパターンが形成された試料が作製される。

このようなパターンが設計どおりに作製できているかを評価するためには、試料の表面形状を非破壊で測定する技術が必要である。

被覆膜付きの基板上のパターンの三次元形状を測定する方法として、触針式三次元測定器や原子間力顕微鏡を用いる方法がある。しかし、触針式三次元測定器では、試料の表面に針が接触するため、試料の表面が破壊されてしまうおそれがある。原子間力顕微鏡では、カンチレバーにより試料の表面を走査するため、非破壊・非接触ではない。また、カンチレバーによる試料表面の走査では、数十μｍ四方程度の領域を測定するのに数十分もの膨大な時間がかかる。

他の測定方法として、干渉計や共焦点顕微鏡を用いる方法がある。これらは、非破壊・非接触であるが、測定対象となる被覆膜の下層に反射率が高い基板の表面が存在する場合、被覆膜を透過し基板の表面で反射された反射光が最も強い信号として検出される。

例えば、白色干渉計により測定すると、被覆膜の反射率が低いため、基板表面の反射光による干渉波形が強く検出される。図２に示すように、被覆膜３２が形成された基板３１に厚さｄ_０の不透明なパターン３３が形成された試料３０を測定する場合、本来、試料３０の表面の物理的（幾何学的）形状として図６のようにｄ_０の段差が測定されなければならない。

しかし、被覆膜３２の反射率に比べて基板３１の反射率が高い場合には、基板３１の光学的な高さを検出してしまう。このため、図７のように段差（ｈ＝ｄ_０＋Δｄ）が過剰に検出されてしまう。測定される段差の過剰量Δｄは、被覆膜３２の厚さをｄ_１、その屈折率をｎ_１とし、空気の屈折率をｎ_０＝１とするとｄ_１（ｎ_１−１）となる。

このように被覆膜３２の表面は、実際よりも被覆膜３２の厚さに依存して沈んで見える。被覆膜３２の厚さｄ_１が未知の場合は、この過剰量を見積もることができない。このように、干渉計による測定方法では、物理的な三次元形状ではなく、光学的な三次元形状しか得られない。

また、白色干渉計による測定方法では、基板材料とパターン材料の吸収の差により反射光の位相ずれが発生するため、段差補正が必要となる。この場合は、被覆膜３２上に形成されたパターンの材質も既知でなければなければならず、未知のパターン材質では正確に補正することができない。この解決策として試料全面を金蒸着する方法があるが、これは非破壊測定にはならない。

共焦点顕微鏡による場合、白色干渉計の場合と同様に、被覆膜３２に比べ基板３１の反射率が高い場合には、下層の基板３１の光学的な高さを検出してしまう。このため、図７に示すように、段差が過剰に測定されてしまう。なお、Δｄの大きさは白色干渉の場合とは異なる。

試料面への入射光は、対物レンズのＮＡ（開口数）に応じてある角度を持って試料に入射し、被覆膜３２によって屈折して基板面に到達する。この屈折の効果で、基板面は被覆膜３２の厚さｄ_１×αだけ浮き上がって見える。ここで、αは、空気の屈折率をｎ_０、被覆膜３２の屈折率をｎ_１すると以下の式で表される。
α＝｛１−（ｎ_０／ｎ_１）β｝

従って、被覆膜３２の厚さｄ_１が未知の場合は、屈折により生じる段差の過剰量を見積もることができない

分光干渉法では、被覆膜の厚さを測定することができるが、可視光に対して不透明なパターンの膜厚を測定することができない。また、測定スポットが大きいため、直径数十μｍ程度の領域の平均的な情報しか得られない。また、偏光解析法においても、分光干渉法と同様に、可視光に不透明な部分の表面形状やパターンの厚さを測定することができない。

特許文献１〜４には、対物レンズと試料との距離を変化させ、合焦点位置を検出することにより三次元形状を測定する共焦点顕微鏡が記載されている。また、特許文献５には、平行な光束を試料の表面に形成された膜に照射し、膜の表面及び裏面で反射された反射光束の強度分布に基づいて、膜厚の変動を測定する方法が記載されている。

しかしながら、特許文献１〜５のいずれにおいても、図２に示すような試料において、被覆膜の厚さと独立して、最表面に形成された不透明なパターンの三次元形状を測定する方法については記載されていない。

特開２００３−１４００５０号公報 特開２００６−１５３８５１号公報 特開２００８−１９１１２２号公報 特開平８−２１０８１８号公報 特開２００８−１３９０６５号公報

共焦点顕微鏡を用いて、被覆膜付き基板とパターンの段差を測定することによりパターンの膜厚を測定する場合、被覆膜表面の反射光ではなく、相対的に反射率の高い基板の反射光を検出してしまうため、段差測定結果とパターンの膜厚が一致しないという問題がある。基板からの反射光は、屈折により被覆膜の厚さに依存して浮き上がった高さ位置に測定されるため、被覆膜の厚さが既知であれば被覆膜の表面位置を計算できるが、未知であれば不可能である。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、被覆膜の厚さと独立して、基板よりも反射率の低い被覆膜付きの基板上に存在するパターンの三次元形状を非破壊で測定することができる三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することである。

本発明の第１の態様に係る三次元形状測定装置は、可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、第１波長の照明光と、前記第１波長と異なる第２波長の照明光とを切り替えて照射する光源部と、前記第１波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第１仮想段差と、前記第２波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第２仮想段差とを測定する光検出器と、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記パターンの物理的三次元形状を決定する処理部とを備えるものである。これにより、可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的な三次元形状を、被覆膜の膜厚と独立して求めることができる。

本発明の第２の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記パターンの三次元形状の決定と同時に、前記被覆膜の膜厚を決定することを特徴とする。このように、本発明に係る三次元形状測定装置は、被覆膜の膜厚測定装置としても適用することが可能である。

本発明の第４の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記光源部からの照明光を前記試料に導くとともに、前記試料からの前記反射光を光検出器まで共焦点光学系を備え、前記共焦点光学系を用いて、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差を測定する。共焦点光学系を用いることにより、非破壊・非接触での三次元形状の測定が実現可能である。

本発明の第４の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記処理部は、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、連立方程式を解くことにより、前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする。

本発明の第５の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記光検出器により、前記第１波長及び前記第２波長と異なる第３波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第３仮想段差を測定し、前記処理部は、少なくとも前記第１仮想段差、前記第２仮想段差及び前記第３仮想段差に基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、最小二乗法により前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記共焦点光学系は、前記試料に前記照明光を集光する対物レンズを有し、波長λの照明光を照射したときの仮想段差ｈ（λ）は、以下の式により表され、前記処理部は、この式を用いて最小二乗法による直線近似を行って、前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とするものである。
ｈ（λ）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ）

ここで、ｄ_１は前記被覆膜の膜厚、ｄ_０は前記パターンと前記被覆膜の物理的段差、ＮＡは前記対物レンズの開口数（有効開口数）、ｎ_０は測定雰囲気の屈折率、ｎ_１は被覆膜の屈折率である。

本発明の第７の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記第１波長及び前記第２波長は、可視光域の波長であるものである。これにより、試料へのダメージを軽減することができる。

本発明の第８の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の装置において、前記照明光を照射したときの前記試料からの測定光と参照光との干渉により、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差を測定する。このように干渉光学系を用いた場合にも、非破壊・非接触での三次元形状の測定が実現可能である。

本発明の第９の態様に係る三次元形状測定方法は、可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、第１波長の照明光を照射して、前記パターンと前記被覆膜との第１仮想段差を測定し、前記第１波長と異なる第２波長の照明光を照射して、前記パターンと前記被覆膜との第２仮想段差を測定し、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記パターンの物理的三次元形状を決定する。これにより、可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的な三次元形状を、被覆膜の膜厚と独立して求めることができる。

本発明の第１０の態様に係る三次元形状測定方法は、上記の方法において、前記パターンの三次元形状の決定と同時に、前記被覆膜の膜厚を決定する。このように、本発明に係る三次元形状測定方法は、被覆膜の膜厚測定方法としても適用することが可能である。

本発明の第１１の態様に係る三次元形状測定方法は、上記の方法において、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、連立方程式を解くことにより、前記パターンの物理的三次元形状を決定する。

本発明の第１２の態様に係る三次元液状測定方法は、上記の方法において、前記第１波長及び前記第２波長と異なる第３波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第３仮想段差を測定し、少なくとも前記第１仮想段差、前記第２仮想段差及び前記第３仮想段差に基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、最小二乗法により前記パターンの物理的三次元形状を決定する。

本発明の第１２の態様に係る三次元形状測定装置は、上記の方法において、前記試料に前記照明光を集光する対物レンズを有し、波長λの照明光を照射したときの仮想段差ｈ（λ）は、以下の式により表され、この式を用いて最小二乗法による直線近似を行って、前記パターンの物理的三次元形状を決定する。
ｈ（λ）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ）

ここで、ｄ_１は前記被覆膜の膜厚、ｄ_０は前記パターンと前記被覆膜の物理的段差、ＮＡは前記対物レンズの開口数（有効開口数）、ｎ_０は測定雰囲気の屈折率、ｎ_１は被覆膜の屈折率である。

本発明によれば、被覆膜の厚さと独立して、基板よりも反射率の低い被覆膜付きの基板上に存在するパターンの三次元形状を非破壊で測定することができる三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することができる。

実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態に係る表面形状測定装置で測定される試料の構成の一例を模式的に示す図である。 試料に光が入射したときの、被覆膜による焦点位置の変化を示す図である。 試料に照射する照明光の波長を変えて、仮想段差を測定した結果をプロットしたグラフである。 実施の形態に係る表面形状測定装置で測定される試料の構成の他の例を模式的に示す図である。 試料表面の物理的形状を示す図である。 試料表面の光学的形状を示す図である。

実施の形態．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。

本実施の形態に係る三次元形状測定装置は、被覆膜の付いた基板の上に存在するパターンの三次元形状（段差、膜厚）を、被覆膜の膜厚と独立して、可視光線を使い光学的に非破壊・非接触で測定することを実現するものである。また、基板上の被覆膜の膜厚も同時に決定することができる。

本発明の実施の形態に係る三次元形状測定装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る三次元形状測定装置１００の構成を模式的に示す図である。本発明では、共焦点光学系を備える顕微鏡を用いた例について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る三次元形状測定装置１００は、光源１１、干渉フィルター１２、レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６、対物レンズ１７、ステージ１８、光検出器１９、処理装置２０を備えている。三次元形状測定装置１００は、共焦点光学系を用いて試料３０の表面形状の測定を行う。

三次元形状測定装置１００では、半導体デバイスやＭＥＭＳなどの三次元構造体を製造する際に作成される、ＳｉＯ_２やフォトレジストなどの可視光に対して透明な被覆膜が形成された基板上に、不透明な金属からなる配線や電極等のパターンが配置される試料３０を測定対象とする。図２に、このような試料３０の構成の一例を示す。

図２に示すように、試料３０は、基板３１、被覆膜３２、不透明なパターン３３を備えている。基板３１としては、例えば、半導体の製造に用いられるＳｉ基板等を用いることができる。基板３１上には、被覆膜３２が形成されている。被覆膜３２の反射率は、基板３１よりも充分に低い。被覆膜３２は、例えば、可視光に対して透明なＳｉＯ_２層やフォトレジスト等である。なお、基板３１の反射率が被覆膜３２の反射率よりも充分に高ければよく、基板３１、被覆膜３２はこの例に限定されるものではない。

被覆膜３２の一部の上には、例えばＡｌ、Ａｕ、Ａｇ等の金属からなる可視光に対して不透明なパターン３３が形成されている。パターン３３は、可視光の透過率が低いものである。なお、パターン３３は金属に限定されず、樹脂や半導体であってもよい。本発明に係る三次元形状測定装置１００では、このパターン３３の厚さｄ_０、すなわち、パターン３３と被覆膜３２との段差を、被覆膜３２の膜厚に依存せずに測定する。

なお、図２に示すように、空気とパターン３３との界面を界面１、パターン３３と被覆膜３２との界面を界面２ａ、空気と被覆膜３２との界面を界面２ｂ、被覆膜３２と基板３１との界面を界面３とする。また、空気の屈折率をｎ_０、被覆膜３２の屈折率をｎ_１とする。

ここで、被覆膜３２の厚さは未知であるものとし、その膜厚をｄ_１とする。なお、本実施の形態においては媒質の一例として空気とした場合について説明するが、これに限定されるものではなく、アルゴンガス等他の気体中で測定してもよい。

本実施の形態に係る三次元形状測定装置１００では、照明光の波長の選択が可能である。光源１１としては、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源を用いることができる。なお、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源１１としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。後述するように、波長が選択できればどのような光源を用いてもよい。

光源１１からの光によって、試料３０を観察するための光学系について説明する。光源１１から出射した光は、干渉フィルター１２を通過し、特定の波長の光に変換される。干渉フィルター１２としては、例えば、特定波長の光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタを備えるものを用いることができる。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させることができる。

照明光の波長としては、可視光域の波長４０５ｎｍ〜６３０ｎｍの間の複数の任意の波長を選択することができる。これにより、ｉ線やＤＵＶなどによる試料３０へのダメージを抑制することができる。照明光の波長として、例えば、水銀キセノンランプの輝線に対応する波長（４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ）を選択することができる。

水銀キセノンランプを用いる場合、輝線に対応する波長以外の波長の光をフィルターで選択することも可能である。輝線の波長以外の光は強度が小さいため、干渉フィルターの半値幅を広くすることによりバランスを取ることができる。なお、照明光による試料３０のダメージが許容できるのであれば、照明光の波長は可視光域の波長以外の波長であっても構わない。

なお、光源１１として単波長のレーザ光を出射するレーザ光源を用い、波長変換素子を設けてもよい。例えば、第二高調波発生により、波長変換素子に入射する単波長の光の波長変換を行うことができる。また、光源１１として、可変波長レーザを用いることも可能である。さらに、異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、所望の波長のレーザ光を選択するようにしてもよい。

そして、干渉フィルター１２を透過した単一波長の照明光はレンズ１３ａを透過して、スリット１４に入射する。照明光は、スリット１４を通してＸ方向のライン状に整形される。そして、ライン状の照明光は、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５は、偏光状態によらずに、反射光と透過光の光量が略１：１になるように光を分岐する。従って、照明光の略半分がビームスプリッタ１５を透過する。

その後、図１中右方向に進む光は、振動ミラー１６に入射する。振動ミラー１６により、Ｘ方向のライン状の照明光で試料３０上をＹ方向に走査する。振動ミラー１６としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。

振動ミラー１６により、下方に反射された照明光は、対物レンズ１７により集光され、試料３０に照射される。試料３０は、ステージ１８上に載置されている。試料３０からの反射光は、再度対物レンズ１７を通過し、振動ミラー１６により再び反射され、ビームスプリッタ１５へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ１５で反射され、レンズ１３ｃに入射する。レンズ１３ｃは、光検出器１９の受光面に反射光を結像させる。レンズ１３ｃを透過した光は、光検出器１９で受光される。

本実施の形態では、光検出器１９は、試料３０のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤラインセンサである。光源１１から出射されスリット１４を透過した照明光が、試料３０で反射して、ＣＣＤラインセンサにより検出される。振動ミラー１６により、試料３０上を走査することにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。

なお、共焦点光学系が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリットや光検出器は方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、Ｘ方向とＹ方向にスキャンするための振動ミラーを用いてもよく、Ｘ方向に音響光学素子であるＡＯＤ（acousto-optic deflector）を用いることも可能である。

ステージ１８は、図示しないｚ軸駆動機構を有しており、試料３０を図１の上下方向に移動させることができる。このステージ１８は、ｚ軸方向に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ１８がｚ方向に移動するかわりに、対物レンズ１７を移動させることも可能である。

このように構成された三次元形状測定装置１００では、ステージ１８と対物レンズ１７との相対距離を変化させることによって、光検出器１９に入射する試料３０からの反射光の強度が変化する。反射光の強度は、試料３０の表面に焦点があったときに最大となる。光検出器１９の各画素は、試料３０の各位置の反射光の強度に対応した出力信号を出力する。画素毎に、最大強度を示すｚ方向の位置を求めることによって、試料３０の三次元形状を求めることができる。

なお、共焦点光学系において、観察波長を変えると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる反射光の強度変化が発生する場合がある。この場合には、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定して処理装置２０に記憶しておき、波長切り替えの際に、ズレ分だけ自動的に試料３０あるいは対物レンズ１７のｚ位置を微調整することでキャンセルするようにしてもよい。

処理装置２０には、各波長における被覆膜３２の屈折率ｎ_１が記憶されている。処理装置２０は、複数の異なる波長の照明光を照射したときの、光検出器１９で得られた試料３０のそれぞれの三次元形状から、各波長における被覆膜３２の屈折率ｎ_１を用いて、パターン３３の厚さｄ_０及び被覆膜３２の膜厚ｄ_１を算出する。

すなわち、処理装置２０は、ある波長の照明光によるコンフォーカル画像（高さ像）と、それと異なる波長の照明光によるコンフォーカル画像とに基づいて、試料３０の光学的な表面形状から物理的な表面形状を求める。つまり、処理装置２０による演算処理により、パターン３３と被覆膜３２との段差が求められる。また、パターン３３と被覆膜３２との段差の決定と同時に、被覆膜３２の膜厚も求められる。

ここで、上述した三次元形状測定装置１００を用いた、本実施の形態に係る三次元形状測定方法について詳細に説明する。求めたいパターン３３と被覆膜３２との段差、すなわち、パターン３３の膜厚をｄ_１とする。また、被覆膜３２の膜厚をｄ_０とする。なお、ここでは、三次元形状測定装置１００の高さ測定の分解能に応じて、ｄ_１は１μｍ以下であるものとし、ｄ_０は数百ｎｍ程度であるものとする。また、照明光の波長は、λ_１〜λ_５の５つの波長に切り替え可能であるものとする。

まず、波長λ_１の照明光を照射して、被覆膜３２と基板３１での反射光をそれぞれ検出し、光学的な表面形状である仮想段差ｈを測定する。ここで、図３を参照して、仮想段差ｈについて説明する。図３は、試料３０に光が入射したときの、被覆膜３２による焦点位置の変化を示す図である。

上述のとおり、共焦点光学系を用いた三次元形状測定装置１００では、試料３０上で焦点があった位置、すなわち、光検出器１９からの出力信号が最大になるｚを合焦点高さとする。被覆膜３２の表面の反射率が充分に高い場合には、図２において、界面２ｂと界面１の高さｚを検出することができる。このとき、光学的な表面形状と物理的な表面形状とは一致し、段差はｄ_０となる。

ところが、被覆膜３２が可視光を透過する場合には、その下層の光反射率の高い基板３１からの反射光が検出される。図３に示すように、開口数ＮＡの対物レンズ１７により、入射角θ_０で被覆膜３２に入射した光線は、以下の式（１）を満たす。
ＮＡ＝ｎ_０×ｓｉｎθ_０・・・（１）

この光線は、空気と被覆膜３２との界面２ｂでスネルの法則に従い、以下の式（２）を満たす。
ｎ_０ｓｉｎθ_０＝ｎ_１ｓｉｎθ_１・・・（２）

角度θ_１で膜厚ｄ_１の被覆膜３２中を進む光は、基板３１と被覆膜３２との界面３で反射される。界面３での反射光は、光軸（図３中一点鎖線で示す）に対して対称な光路を進む。このとき、被覆膜３２での屈折により、焦点を結ぶ位置が空気中に比べて対物レンズ１７側にｄ_３だけ浮き上がる。

被覆膜３２からの反射光は基板３１からの反射光よりも十分に弱いため、対物レンズ１７又は試料３０をｚ軸方向に移動させるｚスキャンを行うと、被覆膜３２が形成された基板３１での合焦点位置は、界面２ｂ、界面３ではなく界面３'であると測定されることになる。このため、段差測定結果とパターンの膜厚とは一致しない。

一方、パターン３３では、表面反射するので、界面２ｂから界面３'までの距離をｄ_２
とすると、仮想段差ｈは以下の式（３）となる。
ｈ＝ｄ_０＋ｄ_２・・・（３）

このように、共焦点顕微鏡で測定される仮想段差ｈは、最表面の被覆膜３２とパターン３３との段差（物理段差）とは一致しない。共焦点顕微鏡によって表面形状を測定する場合、１種類の単波長の照明光による測定結果だけでは、段差の過剰量を見積もることができない。

そこで、本発明では、照明光の波長を切り換えて、同一箇所を観察して段差測定を行うことにより、光学的形状の波長依存性を測定する。この波長依存性から段差の過剰量を見積もることができる。つまり、共焦点顕微鏡により得られた試料３０の光学的形状から、物理的形状を求めることができる。また、被覆膜３２の膜厚ｄ_１を分離することができる。

ここで、ｄ_２は、被覆膜３２の膜厚ｄ_１に比例する式（４）と表現できる。

このとき、空気の屈折率ｎ_０＝１で一定であるものとする。被覆膜３２の屈折率ｎ_１は波長依存性があるので、β^＊は波長により変化する。式（３）、（４）により、仮想段差ｈと物理段差ｄ_０との関係は、式（７）のように書ける。
ｈ＝ｄ_０＋β^＊ｄ_１・・・（７）
さらに、ｈとβ^＊を波長λの関数として式（８）のように書ける。
ｈ（λ_ｉ）＝ｄ_０＋β^＊（λ_ｉ）ｄ_１・・・（８）

従って、波長λ_１の光を照射したときの仮想段差ｈ（λ_１）は、
ｈ（λ_１）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ_１）
となる。

次に、照明光の波長をλ_１からλ_２に切り換えて、同様に仮想段差ｈの測定を行う。そして、順次、照明光の波長をλ_３、λ_４、λ_５に切り換えて、それぞれの仮想段差ｈの測定を行う。

複数の波長（λ_ｉ、ｉ＝１，２，３、・・・、５）に対して測定したそれぞれの仮想段差ｈは、以下のようになる。
ｈ（λ_２）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ_２）
ｈ（λ_３）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ_３）
ｈ（λ_４）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ_４）
ｈ（λ_５）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ_５）

これらの仮想段差ｈ（λ_１）〜ｈ（λ_５）を、照明光の波長、各波長における被覆膜３２の屈折率、対物レンズ１７のＮＡから計算したβ^＊（式（６））に対してプロットする。図４に、試料３０に照射する照明光の波長を変えて測定した仮想段差ｈの結果をプロットしたグラフを示す。図４において、横軸はβ^＊であり、縦軸は仮想段差ｈである。図４にプロットした測定結果を、式（８）の直線関係式で最小二乗近似式を求めると、ｙ切片からパターン３３の厚さｄ_０が得られ、傾きから被覆膜３２の膜厚ｄ_１が得られる。

なお、被覆膜３２の屈折率の波長分散が十分に大きい場合には、２種類の波長の仮想段差測定結果を使って、以下の連立方程式（９）を解いて、式（１０）からｄ_０とｄ_１を求めてもよい。

また、被覆膜３２の全面をスキャンして、パターン３３の任意の点に対する段差を求めることにより、そのパターン３３の任意の点に対する被覆膜３２の表面の高さ分布を測定することも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、複数の波長の切り替え可能機構を備えた共焦点顕微鏡を使い、各波長における段差測定値から、被覆膜３２の屈折率を用いて、パターン３３と被覆膜３２との段差と、被覆膜３２の膜厚とを同時に算出することができる。すなわち、可視光に対して透明な被覆膜が形成された基板上に不透明なパターンが存在する場合、図２に示すような試料の表面形状を測定するだけでなく、被覆膜の膜厚測定法としても使うことができる。また、被覆膜上にパターンが存在しない場合には、パターンを被覆膜上に配置することにより被覆膜の膜厚の測定を行うことができる。

本発明では、可視光を用いて被覆膜３２上のパターン３３の三次元形状を測定するため、試料３０へのダメージを抑制することができる。また、試料への金属コーティング等も不要であり、非接触・非破壊で試料の三次元形状を測定することが可能である。

共焦点顕微鏡の高さ測定分解能は対物レンズのＮＡで制限されるが、以下の方法により、分解能を上げることができる。すなわち、ｚスキャンによる輝度変化曲線から、最大値周辺の指定範囲の測定データを使って、２次関数近似を行うことにより、高さ分解能をｎｍレベルまで上げる方法である。このような方法を用いて、高分解能で段差を測定することにより、波長分散の小さい被覆膜に対して対応することが可能である。

本実施の形態においては、共焦点光学系を用いて、ｚスキャンすることにより被覆膜３２とパターン３３との段差を求めたが、干渉光学系を用いることも可能である。白色干渉計を用いる場合には、中心波長を変えた複数の白色照明光を照射し、それぞれ照明光を照射した時の測定光と参照光との間に一定の位相差を与えて干渉光の強度変化を測定することにより仮想段差を測定する。この仮想段差に基づいて、パターン３３と被覆膜３２の物理的は段差を求めることができる。

また、試料３０は、図２に示す構成のものに限定されず、例えば、図５に示すように、基板３１上に、被覆膜３２と被覆膜３２よりも膜厚が厚いパターン３３とが形成されたものでもよい。このような試料においても、上記の方法により被覆膜３２とパターン３３の段差と被覆膜３２の膜厚とを同時に求めることができる。なお、この場合、パターン３３の膜厚は、被覆膜３２とパターン３３との段差ｄ_０と被覆膜３２の膜厚ｄ_１との和になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記の説明においては、各波長での仮想段差を最小二乗法により直線近似して、被覆膜３２とパターン３３との段差及び被覆膜３２の膜厚を求めたが、これに限定されるものではない。曲線近似を行って、フィッティングパラメータからこれらの値を求めることも可能である。

また、上述の例では、断続的に複数の波長について反射率を測定したが、連続的に波長を切替えるようにしてもよい。連続波長の光源を用いることにより、測定する波長を多数選択することができる。

１１ 光源
１２ 干渉フィルター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レンズ
１４ スリット
１５ ビームスプリッタ
１６ 振動ミラー
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 光検出器
２０ 処理装置
３０ 試料
３１ 基板
３２ 被覆膜
３３ パターン
１００ 三次元形状測定装置

Claims (13)

1. 可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、
   第１波長の照明光と、前記第１波長と異なる第２波長の照明光とを切り替えて照射する光源部と、
   前記第１波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第１仮想段差と、前記第２波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第２仮想段差とを測定する光検出器と、
   前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記パターンの物理的三次元形状を決定する処理部と、
   を備える三次元形状測定装置。
2. 前記パターンの三次元形状の決定と同時に、前記被覆膜の膜厚を決定することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記光源部からの照明光を前記試料に導くとともに、前記試料からの前記反射光を光検出器まで共焦点光学系を備え、
   前記共焦点光学系を用いて、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差を測定する請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記処理部は、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、連立方程式を解くことにより、前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記光検出器により、前記第１波長及び前記第２波長と異なる第３波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第３仮想段差を測定し、
   前記処理部は、少なくとも前記第１仮想段差、前記第２仮想段差及び前記第３仮想段差に基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、最小二乗法により前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
6. 前記共焦点光学系は、前記試料に前記照明光を集光する対物レンズを有し、
   波長λの照明光を照射したときの仮想段差ｈ（λ）は、以下の式により表され、
   前記処理部は、この式を用いて最小二乗法による直線近似を行って、前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定装置。
   ｈ（λ）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ）
   

   

   ここで、ｄ_１は前記被覆膜の膜厚、ｄ_０は前記パターンと前記被覆膜の物理的段差、ＮＡは前記対物レンズの開口数、ｎ_０は測定雰囲気の屈折率、ｎ_１は被覆膜の屈折率である。
7. 前記第１波長及び前記第２波長は、可視光域の波長である請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
8. 前記照明光を照射したときの前記試料からの測定光と参照光との干渉により、前記第１仮想段差と前記第２仮想段差を測定する請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
9. 可視光に対して透明な被覆膜付きの基板上に設けられた不透明なパターンの物理的三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、
   第１波長の照明光を照射して、前記パターンと前記被覆膜との第１仮想段差を測定し、
   前記第１波長と異なる第２波長の照明光を照射して、前記パターンと前記被覆膜との第２仮想段差を測定し、
   前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記パターンの物理的三次元形状を決定する三次元形状測定方法。
10. 前記パターンの三次元形状の決定と同時に、前記被覆膜の膜厚を決定することを特徴とする請求項９に記載の三次元形状測定方法。
11. 前記第１仮想段差と前記第２仮想段差とに基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、連立方程式を解くことにより、前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする請求項９又は１０に記載の三次元形状測定方法。
12. 前記第１波長及び前記第２波長と異なる第３波長の照明光を照射したときの前記パターンと前記被覆膜との第３仮想段差を測定し、
    少なくとも前記第１仮想段差、前記第２仮想段差及び前記第３仮想段差に基づいて、前記被覆膜の屈折率を用い、最小二乗法により前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする請求項９又は１０に記載の三次元形状測定方法。
13. 前記試料に前記照明光を集光する対物レンズを有し、
    波長λの照明光を照射したときの仮想段差ｈ（λ）は、以下の式により表され、
    この式を用いて最小二乗法による直線近似を行って、前記パターンの物理的三次元形状を決定することを特徴とする請求項９又は１０に記載の三次元形状測定方法。
    ｈ（λ）＝ｄ_０＋ｄ_１β^＊（λ）
    

    

    ここで、ｄ_１は前記被覆膜の膜厚、ｄ_０は前記パターンと前記被覆膜の物理的段差、ＮＡは前記対物レンズの開口数、ｎ_０は測定雰囲気の屈折率、ｎ_１は被覆膜の屈折率である。

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