JP2019203760A - 変位計測装置及び変位計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に形成されたパターン間の反射率差の影響を抑制或いは低減可能な変位計測装置を提供する。【解決手段】変位計測装置は、対象物面で反射された第１の光の第１の反射光を受光して反射光の位置を検出するセンサ２０７と、第１の光の光路を逆に進むように、対象物面で反射された第２の光の第２の反射光を受光して反射光の位置を検出するセンサ２１７と、第１と第２の光とステージとを相対的に移動させることによって所定の高さ位置で第１と第２の光に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、それぞれの位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和が同時に変化するように、光路移動部を制御する光路調整回路１３０と、センサ２０７とセンサ２１７から出力される複数の強度信号に基づく対象物面の第１と第２の変位の平均値を対象物面の変位として測定する変位演算回路１１１と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、変位計測装置及び変位計測方法に関する。例えば、光てこの原理を利用して、対象物面の高さ変位を測定する手法に関する。

パターンが形成された基板の高さ変位を光てこ式の変位計で測定すると、パターン間（暗部と明部）の反射率差の影響で、計測ビームの重心がシフトしてしまい、高さ変化が生じたものと誤認識してしまうといった問題があった。そのため、パターンが形成された基板の高さ変位測定の精度を高めることが困難であった。

かかる問題に対して、光てこ式の変位計を２組用意して、２つのビームで同一光路を逆向きに進むように光学系を配置して、それぞれ同じ計測個所の高さ変位を測定し、得られた計測値の合成値を真の計測値とする手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上述した同一光路を互いに逆方向から測定するためには、２つのビームのスポット位置が完全一致している必要がある。２つのビームのスポット位置にずれが生じていれば、計測値を合成しても反射率差の影響を排除することは困難である。上述した光てこ式の変位計を２組用意する手法が開示された文献でも、１組の光てこ式の変位計を用いて、計測個所を支点に基板を回転させながら複数回の測定を行って各結果を合成する構成を開示していることからも２つのビームのスポット位置を一致させることが困難であることが伺える。

特開平８−０２１７０５号公報

そこで、本発明の一態様は、パターンが形成された基板の高さ変位を測定する場合に、２つのビームのスポット位置のずれを解消し、パターン間の反射率差の影響を抑制或いは低減可能な変位計測装置および方法を提供する。

本発明の一態様の変位計測装置は、
計測対象の対象物を配置する移動可能なステージと、
斜め方向から対象物面に入射する第１の光を発生する第１の光源と、
対象物面で反射された第１の光の第１の反射光を受光して、第１の反射光の位置を検出する第１の位置検出センサと、
第１の反射光の光路を逆に進むように、斜め方向から対象物面に入射する第２の光を発生する第２の光源と、
第１の光の光路を逆に進むように、対象物面で反射された第２の光の第２の反射光を受光して、第２の反射光の位置を検出する第２の位置検出センサと、
第１の光の光路と第１の反射光の光路と第２の光の光路と第２の反射光の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる光路移動部と、
第１と第２の光とステージとを相対的に移動させることによって所定の高さ位置で第１と第２の光に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和と第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和とが、同時に変化するように、光路移動部を制御する制御回路と、
第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく対象物面の第１の変位と、第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく対象物面の第２の変位と、の平均値を演算し、対象物面の変位として測定する変位測定回路と、
を備えたことを特徴とする。

光路移動部として、光路の角度を変化させる角度調整ミラーが用いられると好適である。

或いは／及び光路移動部として、光路をシフトするシフト調整レンズが用いられると好適である。

或いは／及び光路移動部として、第１と第２の光源の一方をシフトさせるシフトステージが用いられると好適である。

本発明の一態様の変位計測方法は、
第１の光源が発生する第１の光を斜め方向から、ステージ上に配置された対象物面に入射する工程と、
対象物面で反射された第１の光の第１の反射光を第１の位置検出センサで受光して、第１の反射光の位置を検出する工程と、
第２の光源が発生する第２の光を、第１の反射光の光路を逆に進むように、斜め方向から対象物面に入射する工程と、
第１の光の光路を逆に進むように、対象物面で反射された第２の光の第２の反射光を第２の位置検出センサで受光して、第２の反射光の位置を検出する工程と、
第１と第２の光とステージとを相対的に移動させることによって所定の高さ位置で第１と第２の光に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和と第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和とが、同時に変化するように、光路移動部を用いて、第１の光の光路と第１の反射光の光路と第２の光の光路と第２の反射光の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる工程と、
第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく対象物面の第１の変位と、第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく対象物面の第２の変位と、の平均値を演算し、対象物面の変位として測定する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、パターンが形成された基板の高さ変位を測定する場合に、２つの光線のスポット位置のずれを解消し、パターン間の反射率差の影響を抑制或いは低減できる。

実施の形態１における変位計測装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１における光てこ式の変位計測の仕方を説明するための図である。 実施の形態１におけるパターン間（暗部と明部）の反射率差の影響による高さ変化の誤認識を補正する手法を説明するための図である。 実施の形態１における位置センサの出力を説明するための図である。 実施の形態１における測定面の凹凸と強度信号の総和との関係を示す図である。 実施の形態１における集光効果を説明するための図である。 実施の形態２における変位計測装置の構成を示す構成図である。 実施の形態３における変位計測装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１における変位計測装置は、例えば、電子ビーム検査装置に搭載して利用できる。電子ビーム検査装置では、検査対象となる基板に照射するマルチビーム（或いはシングルビーム）の焦点を合わせる必要がある。そのため、検査装置では、変位計測装置を使って基板の高さ変位を計測する。そして、測定された基板の高さ変位ΔＺをオートフォーカスに利用する。但し、これに限るものではない。実施の形態１における変位計測装置は、パターンが形成された対象物面の高さ変位を測定するものであればよく、パターンが形成された対象物面の高さ変位の情報が必要な装置に搭載可能である。

図１は、実施の形態１における変位計測装置の構成を示す構成図である。図１において、変位計測装置１００は、光てこ式の変位計測装置の一例である。変位計測装置１００は、測定機構１５０と制御系回路１６０とを備えている。測定機構１５０は、ステージ１０５と、ステージ駆動機構１０４と、２組の光てこ式の変位計測機構とを有する。測定機構１５０は、２組の光てこ式の変位計測機構を使って、２つのビームで同一光路を逆向きに進むように光学系を配置して、それぞれ同じ計測個所の高さ変位を測定する。測定機構１５０は、１組目の変位計測機構として、光源２０１、ミラー２０２、レンズ２０３、レンズ２０６、及びセンサ２０７を有し、２組目の変位計測機構として、光源２１１、ミラー２１２、レンズ２１３、レンズ２１６、及びセンサ２１７を有し、共通の光学系として、ハーフミラー２０４、レンズ２０５、ハーフミラー２１４、及びレンズ２１５を有している。光源２０１，２１１として、例えば、ＬＥＤ、或いは光ファイバー等を用いると好適である。センサ２０７，２１７として、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサ（光位置センサ）を用いると好適である。また、実施の形態１におけるミラー２０２，２１２（光路移動部の一例）として、光路の角度を変化させる角度調整ミラーが用いられる。

ステージ１０５上には、検査対象となる図形パターンが形成された基板１０１が配置される。基板１０１には、露光用マスクやシリコンウェハ等の半導体基板が含まれる。基板１０１は、例えば、パターン形成面を上側に向けてステージ１０５に配置される。また、ステージ１０５上には、マーク１０６が配置される。マーク１０６は高さが調整可能に配置され、通常、基板１０１の検査面と同一高さに調整される。

制御系回路１６０では、変位計測装置１００全体を制御する制御計算機１１０が、図示しないバスを介して、比較回路１０８、変位演算回路１１１、総和演算回路１１２、変位演算回路１１４、総和演算回路１２２、変位演算回路１２４、光路調整回路１３０、及びステージ制御回路１４２に接続されている。また、ステージ１０５は、ステージ制御回路１４２の制御の下にステージ駆動機構１０４により駆動される。また、ステージ１０５は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びθ方向に駆動する３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータの様な駆動系によって移動可能となっている。これらの、図示しないＸモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。さらに、ステージ１０５は、ピエゾ素子等を用いてＺ方向に移動可能となっている。

光源２０１（第１の光源）が発生した光１０（第１の光）は、ミラー２０２で反射され、レンズ２０３によりハーフミラー２０４に投影される。そして、ハーフミラー２０４に投影された光１０は、ハーフミラー２０４で反射された後、レンズ２１５で集光され、斜め方向から計測対象の対象物となる基板１０１表面に所定のスポット径で入射する。基板１０１表面に入射した光１０は、基板１０１面で反射される。基板１０１面で反射された光１０の反射光１２（第１の反射光）は、レンズ２０５によりハーフミラー２１４に投影される。そして、ハーフミラー２１４を通過した反射光１２は、レンズ２０６で集光され、センサ２０７に入射する。センサ２０７（第１の位置検出センサ）は、反射光１２を受光して、反射光１２の位置を検出する。センサ２０７にて検出された強度信号は、総和演算回路１１２、及び変位演算回路１１４に出力される。

一方、光源２１１（第２の光源）が発生した光２０（第２の光）は、ミラー２１２で反射され、レンズ２１３によりハーフミラー２１４に投影される。そして、ハーフミラー２１４に投影された光２０は、ハーフミラー２１４で反射された後、レンズ２０５で集光され、斜め方向から計測対象の対象物となる基板１０１表面に所定のスポット径で入射する。光２０は、反射光１２の光路を逆に進むように、斜め方向から基板１０１面に入射する。光２０は、光１０と同じ計測個所に入射する。基板１０１表面に入射した光２０は、基板１０１面で反射される。基板１０１面で反射された光２０の反射光２２（第２の反射光）は、レンズ２１５によりハーフミラー２０４に投影される。そして、ハーフミラー２０４を通過した反射光２２は、レンズ２１６で集光され、センサ２１７に入射する。センサ２１７（第２の位置検出センサ）は、反射光２２を受光して、反射光２２の位置を検出する。センサ２１７は、光１０の光路を逆に進むように基板１０１面で反射された反射光２２を受光する。センサ２１７にて検出された強度信号は、総和演算回路１２２、及び変位演算回路１２４に出力される。

図２は、実施の形態１における光てこ式の変位計測の仕方を説明するための図である。検査対象となる基板１０１は、表面が完全な平面とは限らない。表面の凹凸、基板のたわみ、ステージ走行時のステージ１０５の上下動等により、基板１０１面の高さ位置は一様ではなく変化する場合が多い。そのため、ステージ１０５を移動させながら、変位計測装置１００でかかる基板１０１面の高さ変位を測定する。図２では、２組の光てこ式の変位計測機構のうち、１組目の変位計測機構を用いて説明する。図２において、基板１０１面上に角度θの斜め方向から光１０が照射されると、基板１０１から角度θで反射して、反射光１２（実線）が出力される。ここで、基板１０１面が高さ方向にΔｚだけ変位した場合、同じ位置から照射される光１０は、前回よりも変位ｘだけ手前で基板１０１に当たり、基板１０１から角度θで反射して、反射光１２（点線）が出力される。よって、基板１０１面の高さ位置がΔｚだけ変位する前と後とでは、反射光の光軸（重心）がΔＬだけ変位することになる。ここで、変位ｘは、次の式（１）で定義できる。
（１） ｘ＝Δｚ／ｔａｎθ

また、反射光の重心間距離ΔＬは、次の式（２）で定義できる。
（２） ΔＬ＝２ｘ・ｓｉｎθ

よって、重心間距離ΔＬは、次の式（３）に変換できる。
（３） ΔＬ＝２・ΔＺ／ｔａｎθ・ｓｉｎθ

したがって、基板１０１面の高さ変位Ｚは、次の式（４）で定義できる。
（４） ΔＺ＝ΔＬ・ｔａｎθ／（２・ｓｉｎθ）

よって、予め、光の入射角度θを固定した状態で、重心間距離ΔＬをセンサ２０７で測定することで、高さ変位ΔＺ（ここではΔＺ１）を演算（計測）できる。同様に、予め、光の入射角度θを固定した状態で、重心間距離ΔＬをセンサ２１７で測定することで、高さ変位ΔＺ（ここではΔＺ２）を演算（計測）できる。

図３は、実施の形態１におけるパターン間（暗部と明部）の反射率差の影響による高さ変化の誤認識を補正する手法を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、ステージ１０５の移動に伴って、基板１０１に入射した光１０のスポット１と光２０のスポット２内をパターンが横切る場合を想定する。図３（ａ）の例では、パターン１１部分が暗部で周辺が明部である場合を示している。暗部と明部は逆であっても構わない。ここでは、光の反射率が小さい部分を暗部、光の反射率が大きい部分を明部として説明する。光１０のスポット１と光２０のスポット２の位置が一致している場合、図３（ｂ）に示すように、ステージ１０５の−ｘ方向への移動に伴って、パターン１１（暗部）がスポットの一部が重なると、重なった部分の反射光の強度が小さくなるので、重心Ｇがスポット中心からパターン１１（暗部）とは逆側にΔｘだけシフトする。その結果、図２で説明したようにΔＬが変化してしまうので、１組の光てこ式の変位計測装置では、高さ変位が生じたものと誤認識することになる。実施の形態１では、同一光路を逆に進む２組の光てこ式の変位計測機構を使用しているので、例えば図面右側からパターン１１（暗部）がスポットの一部が重なると、センサ２０７（ＰＳＤ１）では、パターン１１（暗部）と重なる図面右側部分の受光強度が小さくなる。一方、センサ２１７（ＰＳＤ２）では、光路が逆なのでパターン１１（暗部）と重なる図面右側部分ではなく、逆の左側部分の受光強度が小さくなる。よって、センサ２０７（ＰＳＤ１）を使った高さ位置変位ΔＺ１は、本来の高さ変位ΔＺ０に誤差ｚ’が加算された、ΔＺ１＝ΔＺ０＋ｚ’と測定される。一方、センサ２１７（ＰＳＤ２）を使った高さ変位ΔＺ２では、誤差ｚ’が逆向きに検出されるので、ΔＺ２＝ΔＺ０−ｚ’と測定される。よって、両者の平均値ΔＺａｖｅを演算すれば、誤差が相殺され、ΔＺａｖｅ＝ΔＺ０と測定できる。しかしながら、製造誤差或いは光学系の調整不良等により、光１０のスポット１と光２０のスポット２とがずれている場合、図３（ｃ）に示すように、スポット１では、パターン１１（暗部）が一部重なるが、スポット２では、まだパターン１１（暗部）が重ならない、或いは重なり具合がスポット１とは異なる。そのため、センサ２０７（ＰＳＤ１）を使った高さ変位ΔＺ１は、本来の高さ変位ΔＺ０に誤差ｚ’が加算された、ΔＺ１＝ΔＺ０＋ｚ’と測定されるが、センサ２１７（ＰＳＤ２）を使った高さ変位ΔＺ２では、ΔＺ２＝ΔＺ０となり、ΔＺ１とΔＺ２を使って平均化しても誤差は相殺できない。よって、パターンの影響を排除した高さ変位を測定するためには、基板１０１面に入射する光１０のスポット１の位置と光２０のスポット２の位置とが一致する必要がある。しかしながら、光１０のスポット１の位置と光２０のスポット２の位置とを一致させるように、光学系を手動で調整するのは容易にはできない。そこで、実施の形態１では、ミラー２０２，２１２として、角度調整ミラーを用いて光路の角度を自動調整して、スポット位置を一致させる。また、そのために、センサ２０７，２１７の出力となる強度信号を利用する。

図４は、実施の形態１における位置センサの出力を説明するための図である。センサ２０７（２１７）では、反射光１２（２２）を受光すると、センサ基板の両端にその受光位置から端部までの距離に応じた抵抗によって決まる電流ｉ１，ｉ２が流れる。受光位置は、光の重心の位置となる。そして、一方の端部に流れる電流ｉ１は、電圧Ｖ１に変換され、電圧Ｖ１が強度信号として出力される。同様に、他方の端部に流れる電流ｉ２は、電圧Ｖ２に変換され、電圧Ｖ２が強度信号として出力される。かかる両端から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２を使って高さ変位Ｚが次の式（５）で演算できる。ｋは係数である。式（５）は、式（４）の変形式となる。
（５） ΔＺ＝ｋ・（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）

図５は、実施の形態１における測定面の凹凸と強度信号の総和との関係を示す図である。基板１０１面の凹凸により高さ位置Ｚは変位する。強度信号Ｖ１と強度信号Ｖ２は、高さ位置Ｚが変位すると値が変化する。一方、２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）は、基板１０１面の凹凸により高さ位置Ｚが変わっても、変化しない。２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）が変化するのは、ステージ１０５の移動に伴って基板１０１上のパターンが入射光のスポットの一部と重なることによる光強度（光量）が変化した場合である。かかる点は、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１、及びセンサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２について同様に成り立つ。よって、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１、及びセンサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２をモニタし、基板１０１上のパターンが入射光のスポット内に進入した場合に、同時に同じように変化した場合にはスポット１とスポット２が一致していると判断できる。そこで、実施の形態１では、かかる手法を用いて、まず、スポット１とスポット２を一致させる。

まず、変位計測装置１００の入射光１０のスポット１と入射光２０のスポット２が基板１０１面上でできるだけ一致するように設定する。設計寸法通りに変位計測装置１００の各構成を配置することで、理想的にはスポット１とスポット２が一致するはずである。しかし、実際には両者にずれが生じてしまう。

入射１工程として、光源２０１が発生する光１０を斜め方向から、ステージ１０５上に配置された基板１０１面（対象物面の一例）に入射する。そして、検出１工程として、基板１０１面で反射された光１０の反射光１２をセンサ２０７で受光して、反射光１２の位置を検出する。

同時に、入射２工程として、光源２１１が発生する光２０を、反射光１２の光路を逆に進むように、斜め方向から基板１０１面（対象物面の一例）に入射する。そして、検出２工程として、光１０の光路を逆に進むように、基板１０１面で反射された光２０の反射光２２をセンサ２１７で受光して、反射光２２の位置を検出する。

ステージ移動工程として、変位計測装置１００の入射光１０，２０のスポット位置にマーク１０６が位置するようにステージ１０５を移動させる。マーク１０６上には、ｘ方向に延びるラインパターンとｙ方向に延びるラインパターンとが形成される。例えば、両者をクロスさせた十字パターンが配置される。なお、マーク１０６の高さは、基板１０１面と同一高さに合わせている。言い換えれば、マーク１０６面で理想的にはスポット１とスポット２が一致するはずである。しかし、実際には両者にずれが生じてしまう。

或いは、先に、入射光１０，２０のスポット位置にマーク１０６が位置するようにステージ１０５を移動させた後、入射１工程として、光源２０１が発生する光１０を斜め方向から、ステージ１０５上に配置されたマーク１０６（対象物面の他の一例）に入射しても良い。そして、検出１工程として、マーク１０６で反射された光１０の反射光１２をセンサ２０７で受光して、反射光１２の位置を検出する。かかる場合には、同時に、入射２工程として、光源２１１が発生する光２０を、反射光１２の光路を逆に進むように、斜め方向からマーク１０６（対象物面の他の一例）に入射する。そして、検出２工程として、光１０の光路を逆に進むように、マーク１０６で反射された光２０の反射光２２をセンサ２１７で受光して、反射光２２の位置を検出する。

マーク１０６面上で検出されるセンサ２０７の強度信号Ｖ１と強度信号Ｖ２は、総和演算回路１１２及び変位演算回路１１４に出力される。総和１演算工程として、これらの回路のうち、総和演算回路１１２は、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１を演算する。演算された総和（Ｖ１＋Ｖ２）１は、比較回路１０８に出力される。

同様に、マーク１０６面上で検出されるセンサ２１７の強度信号Ｖ１と強度信号Ｖ２は、総和演算回路１２２及び変位演算回路１２４に出力される。総和２演算工程として、これらの回路のうち、総和演算回路１２２は、センサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２を演算する。演算された総和（Ｖ１＋Ｖ２）２は、比較回路１０８に出力される。

かかる状態で、光１０，２０とステージ１０５とを相対的に移動させることによってマーク１０６面の高さ位置（所定の高さ位置）で光１０，２０に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる。具体的には、ステージ１０５を例えばｘ方向に連続移動させる。かかるステージ移動により、マーク１０６上のｙ方向に延びるラインパターンを光１０のスポット１と光２０のスポット２内に進入させる。かかるステージ移動の間、センサ２０７，２１７で反射光１２，２２を検出し続ける。総和演算回路１１２は、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１を演算し続ける。例えば、所定のサンプリング周期（例えば、１０ｍＳ〜１Ｓ）で強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１を演算する。演算された総和（Ｖ１＋Ｖ２）１は、比較回路１０８に出力される。同様に、総和演算回路１２２は、総和演算回路１１２と同期させて、センサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２を演算し続ける。例えば、所定のサンプリング周期（例えば、１０ｍＳ〜１Ｓ）で強度信号Ｖ１，Ｖ２の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２を演算する。演算された総和（Ｖ１＋Ｖ２）２は、比較回路１０８に出力される。

比較工程として、比較回路１０８内では、総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２を比較する。例えば、所定のサンプリング周期（例えば、１０ｍＳ〜１Ｓ）で総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２との差分を演算する。スポット１とスポット２とが一致していれば、総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２との差分は、常にゼロになる。スポット１とスポット２とがずれていれば、総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２との差分は、常にゼロ以外の有限値になる。演算された総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２との差分は、光路調整回路１３０に出力される。

光路調整回路１３０（制御回路の一例）は、ミラー２０２を制御して、反射面の角度を可変に変更することで光１０の光路を移動させることができる。光１０の光路を移動することで反射光１２の光路も併せて移動できる。同様に、光路調整回路１３０は、ミラー２１２を制御して、反射面の角度を可変に変更することで光２０の光路を移動させることができる。光２０の光路を移動することで反射光２２の光路も併せて移動できる。

そこで、光路調整工程として、光１０，２０とステージ１０５とを相対的に移動させることによってマーク１０６面（所定の高さ位置）で光１０，２０に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２（複数の強度信号）の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１とセンサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２（複数の強度信号）の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２とが、同時に変化するように、光路調整回路１３０に制御されたミラー２０２及び／又はミラー２１２（光路移動部の一例）を用いて、光１０の光路と反射光１２の光路と光２０の光路と反射光２２の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる。かかる光路調整において、ステージ１０５の１回の移動動作で完了しない場合には、総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２とが、同時に変化するまで、ステージ１０５の移動動作を繰り返し実施すればよい。

以上により、２つの光線のスポット位置のずれを解消できる。

ステージ移動工程として、変位計測装置１００の入射光１０，２０のスポット位置に計測対象の基板１０１の最初の計測位置が位置するようにステージ１０５を移動させる。かかる状態から基板１０１の高さ変位を計測する。

入射１工程として、光源２０１が発生する光１０を斜め方向から、ステージ１０５上に配置された基板１０１面（対象物面の一例）に入射する。そして、検出１工程として、基板１０１面で反射された光１０の反射光１２をセンサ２０７で受光して、反射光１２の位置を検出する。検出されるセンサ２０７の強度信号Ｖ１と強度信号Ｖ２は、総和演算回路１１２及び変位演算回路１１４に出力される。変位１演算工程として、これらの回路のうち、変位演算回路１１４は、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２基づく基板１０１面の高さ変位ΔＺ１（第１の変位）を演算する。高さ変位ΔＺ１は、式（５）を用いて演算すればよい。これにより、センサ２０７による検出に基づく基板１０１面の高さ変位ΔＺ１を測定できる。演算された高さ変位ΔＺ１（第１の変位）は、変位演算回路１１１に出力される。

同時に、入射２工程として、光源２１１が発生する光２０を、反射光１２の光路を逆に進むように、斜め方向から基板１０１面（対象物面の一例）に入射する。そして、検出２工程として、光１０の光路を逆に進むように、基板１０１面で反射された光２０の反射光２２をセンサ２１７で受光して、反射光２２の位置を検出する。検出されるセンサ２１７の強度信号Ｖ１と強度信号Ｖ２は、総和演算回路１２２及び変位演算回路１２４に出力される。変位２演算工程として、これらの回路のうち、変位演算回路１２４は、センサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２基づく基板１０１面の高さ変位ΔＺ２（第２の変位）を演算する。高さ変位ΔＺ２は、式（５）を用いて演算すればよい。これにより、センサ２１７による検出に基づく基板１０１面の高さ変位ΔＺ２を測定できる。演算された高さ変位ΔＺ２（第２の変位）は、変位演算回路１１１に出力される。

変位測定工程として、変位演算回路１１１（変位測定回路）は、センサ２０７から出力される複数の強度信号に基づく基板１０１（対象物面）の高さ変位ΔＺ１（第１の変位）と、センサ２１７から出力される複数の強度信号に基づく基板１０１（対象物面）の高さ変位ΔＺ２（第２の変位）と、の平均値を演算し、平均値を基板１０１面の真の高さ変位ΔＺａｖｅとして測定する。測定された高さ変位ΔＺａｖｅは、出力される。

図６は、実施の形態１における集光効果を説明するための図である。図６（ａ）に示すように、実施の形態１では、光１０をレンズ２１５により集光して、スポット径を小さくしてから基板１０１上に照射する。同様に、光２０をレンズ２０５により集光して、スポット径を小さくしてから基板１０１上に照射する。これにより、パターンがスポット内を横切る場合、図６（ｂ）に示すように、スポット径が大きい構成よりもスポット径が小さい構成の方が、パターンにより減衰する光量は小さくなる。よって、スポット径が大きい構成よりもスポット径が小さい構成の方がパターンにより生じる強度（光量）誤差を小さくできる。その結果、高さ変位誤差もｚ”からｚ’へと小さくできる。

ここで、上述した例では、マーク１０６を使って、スポット１とスポット２の位置を合わせるように光路調整を行う場合を説明したが、これに限るものではない。計測対象の基板１０１上に形成されたパターンを使って、スポット１とスポット２の位置を合わせるように光路調整を行っても好適である。

以上のように、実施の形態１によれば、パターンが形成された基板１０１の高さ変位ΔＺａｖｅを測定する場合に、２つの光線のスポット位置のずれを解消し、パターン間の反射率差の影響を抑制或いは低減できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、角度調整ミラーを用いて光路の調整を行う場合を示したが、これに限るものではない。実施の形態２では、他の構成により光路の調整を行う場合を説明する。

図７は、実施の形態２における変位計測装置の構成を示す構成図である。図７において、変位計測装置１００は、レンズ駆動機構２０８，２１８を配置した点、及びミラー２０２，２１２が角度調整ミラーから固定ミラーに変わった点、以外は図１と同様である。また、以下、特に説明する点以外の内容は実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、角度調整ミラーの代わりに、光路移動部の他の一例として、光路をシフトするシフト調整レンズが用いられる。１組目の変位計測機構のシフト調整レンズは、レンズ２０３とレンズ駆動機構２０８との組合せにより構成される。レンズ駆動機構２０８によりレンズ２０３の位置を移動させることによりレンズ２０３を通過する光１０の光路をシフトする。同様に、２組目の変位計測機構のシフト調整レンズは、レンズ２１３とレンズ駆動機構２１８との組合せにより構成される。レンズ駆動機構２１８によりレンズ２１３の位置を移動させることによりレンズ２１３を通過する光２０の光路をシフトする。レンズ駆動機構２０８，２１８は、光路調整回路１３０により制御される。

光路調整工程として、光１０，２０とステージ１０５とを相対的に移動させることによってマーク１０６面（所定の高さ位置）で光１０，２０に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２（複数の強度信号）の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１とセンサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２（複数の強度信号）の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２とが、同時に変化するように、光路調整回路１３０に制御されたレンズ２０３とレンズ駆動機構２０８との組合せによるシフト調整レンズ及び／又はレンズ２１３とレンズ駆動機構２１８との組合せによるシフト調整レンズ（光路移動部の一例）を用いて、光１０の光路と反射光１２の光路と光２０の光路と反射光２２の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる。かかる光路調整において、ステージ１０５の１回の移動動作で完了しない場合には、総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２とが、同時に変化するまで、ステージ１０５の移動動作を繰り返し実施すればよい。

以上のように、実施の形態２によれば、シフト調整レンズにより光１０の光路と反射光１２の光路と光２０の光路と反射光２２の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させることで、スポット１とスポット２の位置を一致させることができる。よって、実施の形態１と同様の効果を発揮できる。

実施の形態３．
実施の形態１では角度調整ミラーを用いて光路の調整を行う場合を示し、実施の形態２ではシフト調整レンズを用いて光路の調整を行う場合を示したが、これに限るものではない。実施の形態３では、他の構成により光路の調整を行う場合を説明する。

図８は、実施の形態３における変位計測装置の構成を示す構成図である。図８において、変位計測装置１００は、シフトステージ２０９，２１９を配置した点、及びミラー２０２，２１２が角度調整ミラーから固定ミラーに変わった点、以外は図１と同様である。また、以下、特に説明する点以外の内容は実施の形態１と同様である。

実施の形態３では、角度調整ミラーの代わりに、光路移動部の他の一例として、光源２０１，２１１の一方をシフトさせるシフトステージ２０９，２１９が用いられる。光源２０１及び／又は光源２１１の位置を移動することで、発生する光の光路をシフトする。１組目の変位計測機構では、光源２０１がシフトステージ２０９上に配置される。シフトステージ２０９を移動させることで、光源２０１の位置をシフトし、光源２０１から発生する光１０の光路をシフトする。
同様に、２組目の変位計測機構では、光源２１１がシフトステージ２１９上に配置される。シフトステージ２１９を移動させることで、光源２１１の位置をシフトし、光源２１１から発生する光２０の光路をシフトする。シフトステージ２０９，２１９は、光路調整回路１３０により制御される。

光路調整工程として、光１０，２０とステージ１０５とを相対的に移動させることによってマーク１０６面（所定の高さ位置）で光１０，２０に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、センサ２０７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２（複数の強度信号）の総和（Ｖ１＋Ｖ２）１とセンサ２１７から出力される２つの強度信号Ｖ１，Ｖ２（複数の強度信号）の総和（Ｖ１＋Ｖ２）２とが、同時に変化するように、光路調整回路１３０に制御されたシフトステージ２０９及び／又はシフトステージ２１９（光路移動部の一例）を用いて、光１０の光路と反射光１２の光路と光２０の光路と反射光２２の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる。かかる光路調整において、ステージ１０５の１回の移動動作で完了しない場合には、総和（Ｖ１＋Ｖ２）１と総和（Ｖ１＋Ｖ２）２とが、同時に変化するまで、ステージ１０５の移動動作を繰り返し実施すればよい。

以上のように、実施の形態３によれば、シフトステージ２０９，２１９により光１０の光路と反射光１２の光路と光２０の光路と反射光２２の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させることで、スポット１とスポット２の位置を一致させることができる。よって、実施の形態１と同様の効果を発揮できる。

以上の説明において、一連の「〜回路」は、処理回路を含み、その処理回路には、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置等が含まれる。また、各「〜回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。プロセッサ等を実行させるプログラムは、図示しない磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録されればよい。例えば、比較回路１０８、変位演算回路１１１、総和演算回路１１２、変位演算回路１１４、総和演算回路１２２、変位演算回路１２４、光路調整回路１３０、及びステージ制御回路１４２等は、上述した少なくとも１つの処理回路で構成されても良い。例えば、制御計算機１１０内のコンピュータ、或いはプロセッサで構成されても良い。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。上述した実施の形態では、変位計測装置を搭載する検査装置として、電子ビームによるマルチビームを用いた検査装置について説明したが、これに限るものではない。その他の検査装置に搭載する場合であっても適用できる。また、上述した変位計測装置は、検査装置に搭載する場合に限らず、その他の装置に搭載する場合であっても良い。或いは、単独で使用する場合であっても良い。いずれにしても、パターンが形成された試料の表面に光を斜め方向から照射して、試料面からの反射光を受光することで試料の高さ方向変位を測定する光てこ法を用いた変位計測装置であれば、上述した実施の形態の変位計測装置を適用できる。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての変位計測装置及び変位計測方法は、本発明の範囲に包含される。

１０，２０ 光
１１ パターン
１２，２２ 反射光
１１０ 制御計算機
１１１ 変位演算回路
１１２，１２２ 総和演算回路
１１４，１２４ 変位演算回路
１３０ 光路調整回路
１４２ ステージ制御回路
１５０ 測定機構
１６０ 制御系回路
２０１，２１１ 光源
２０２，２１２ ミラー
２０３，２１３ レンズ
２０４，２１４ ハーフミラー
２０５，２１５ レンズ
２０６，２１６ レンズ
２０７，２１７ センサ
１００ 変位計測装置
１０１ 基板
１０４ ステージ駆動機構
１０５ ステージ
１０６ マーク
１０８ 比較回路

Claims (5)

1. 計測対象の対象物を配置する移動可能なステージと、
   斜め方向から対象物面に入射する第１の光を発生する第１の光源と、
   前記対象物面で反射された前記第１の光の第１の反射光を受光して、前記第１の反射光の位置を検出する第１の位置検出センサと、
   前記第１の反射光の光路を逆に進むように、斜め方向から前記対象物面に入射する第２の光を発生する第２の光源と、
   前記第１の光の光路を逆に進むように、前記対象物面で反射された前記第２の光の第２の反射光を受光して、前記第２の反射光の位置を検出する第２の位置検出センサと、
   前記第１の光の光路と前記第１の反射光の光路と前記第２の光の光路と前記第２の反射光の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる光路移動部と、
   前記第１と第２の光と前記ステージとを相対的に移動させることによって所定の高さ位置で前記第１と第２の光に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、前記第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和と前記第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和とが、同時に変化するように、前記光路移動部を制御する制御回路と、
   前記第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく前記対象物面の第１の変位と、前記第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく前記対象物面の第２の変位と、の平均値を演算し、前記対象物面の変位として測定する変位測定回路と、
   を備えたことを特徴とする変位計測装置。
2. 前記光路移動部として、光路の角度を変化させる角度調整ミラーが用いられることを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
3. 前記光路移動部として、光路をシフトするシフト調整レンズが用いられることを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
4. 前記光路移動部として、前記第１と第２の光源の一方をシフトさせるシフトステージが用いられることを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
5. 第１の光源が発生する第１の光を斜め方向から、ステージ上に配置された対象物面に入射する工程と、
   前記対象物面で反射された前記第１の光の第１の反射光を第１の位置検出センサで受光して、前記第１の反射光の位置を検出する工程と、
   第２の光源が発生する第２の光を、前記第１の反射光の光路を逆に進むように、斜め方向から前記対象物面に入射する工程と、
   前記第１の光の光路を逆に進むように、前記対象物面で反射された前記第２の光の第２の反射光を第２の位置検出センサで受光して、前記第２の反射光の位置を検出する工程と、
   前記第１と第２の光と前記ステージとを相対的に移動させることによって所定の高さ位置で前記第１と第２の光に反射率の異なる２つの領域の境界を横切らせる場合に、前記第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和と前記第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号の総和とが、同時に変化するように、光路移動部を用いて、前記第１の光の光路と前記第１の反射光の光路と前記第２の光の光路と前記第２の反射光の光路とのうち、少なくとも１つの光路を移動させる工程と、
   前記第１の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく前記対象物面の第１の変位と、前記第２の位置検出センサから出力される複数の強度信号に基づく前記対象物面の第２の変位と、の平均値を演算し、前記対象物面の変位として測定する工程と、
   を備えたことを特徴とする変位計測方法。
   
   

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