JP3184913B2 - 表面形状測定方法及び表面形状測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の表面形状を測定
する表面形状測定方法及び表面形状測定器に関し、特に
半導体ＩＣ等の製造プロセスにおけるウエハの段差を測
定する段差測定装置、あるいはマスク・ウエハ間のギャ
ップを測定するギャップ測定装置に応用して好適な表面
形状測定方法及び表面形状測定器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の表面形状を計測する装置として
は、表面形状を原子レベルで計測する装置からμｍオー
ダーの段差を測定する装置まで、用途によって種々の測
定器がある。これらの測定装置の中で、半導体ＩＣやＬ
ＳＩ製造プロセスにおけるウエハ面の段差測定や、マス
クとウエハを位置合わせした後のマスク・ウエハ間のギ
ャップ測定などにはμｍオーダーの比較的長い測定可能
範囲とｎｍオーダーの高分解能が要求される。

【０００３】図５はパターン加工されたウエハ面の段差
を測定する段差測定装置として使用される従来の表面形
状測定器のブロック図、図６はこの表面形状測定器の探
査針がウエハと接触している様子を示す拡大図である。
図５、６において、２０はウエハ、２１はウエハ２０を
保持しｘｙ方向に移動可能なウエハステージ、３０はウ
エハ２０の表面を走査する探査針、３１はウエハ２０上
の凹凸に応じてｚ方向に上下動する探査針３０の動きを
リニアエンコーダ等のセンサーにより電気信号変換する
段差形状センサー、３２は信号処理制御部である。

【０００４】この表面形状測定器では探査針３０をウエ
ハ２０に一定の針圧で接触させる。ウエハステージ２１
が信号処理制御部３２からの制御信号によって一定の速
度で指定方向に移動すると、探査針３０がウエハ２０上
の凹凸に応じてｚ方向に上下動し、この動きを段差形状
センサー３１が電気信号に変換して信号処理制御部３２
へ送る。図７はこの信号処理制御部３２で得られた段差
検出信号の出力例を示す図である。図６のように、探査
針３０がウエハ表面の段差を通過すると、段差に対応し
た探査針３０の微小なｚ方向の動きを段差形状センサー
３１が検出するので、検出信号波形からウエハ表面の段
差Ｌを計測できる。

【０００５】図８はマスク・ウエハ間のギャップを測定
するギャップ測定装置として使用される従来の表面形状
測定器のブロック図、図９はこの表面形状測定器の対物
レンズの様子を示す拡大図である。図８において、２２
はＸ線マスク、２３はこのＸ線マスク２２のＸ線を透過
させる薄膜であるメンブレン部、３３は照明用光源、３
４はコリメートレンズ、３５はハーフミラー、３６は対
物レンズ、３７は拡大レンズ、３８は撮像装置、３９は
画像信号処理制御部である。図９において、２４はメン
ブレン部２３に形成されたＸ線吸収体からなるマスクパ
ターン、２５はウエハパターンである。

【０００６】この表面形状測定器の基本原理は、通常の
光学式顕微鏡と同じであり、照明用光源３３によって観
察用試料面であるＸ線マスク２２のマスクパターン２４
を照明し、その反射光をハーフミラー３５、拡大レンズ
３７を介して撮像装置３８に入射させることにより、マ
スクパターン２４を拡大してモニタリングし、対物レン
ズ３６の位置を微調整してパターン２４に焦点を合わせ
る。対物レンズ３６のｚ方向の位置については、リニア
エンコーダ等の位置センサーにより画像信号処理制御部
３９で位置制御する。

【０００７】次に、対物レンズを３６ａの位置に移動さ
せ、メンブレン部２３を透かしてウエハ２０上のパター
ン２５に焦点を合わせる。こうして、対物レンズ３６の
マスクパターン２４に焦点合わせした位置Ａ及びウエハ
パターン２５に焦点合わせした位置Ｂを画像信号処理制
御部３９で検出し、その差を計算することにより、マス
ク・ウエハ間のギャップＬを求めることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の段差
測定装置では、探査針がウエハと接触しているため、ウ
エハ表面が傷つき汚染される恐れがあり、半導体ＩＣや
ＬＳＩ製造工程内のプロセスウエハには適用できないと
いう問題点があった。また、探査針の先端の大きさに制
約があるため、被測定物の大きさが限定され、微小部分
での段差測定ができないという問題点があった。さら
に、ウエハ面の段差を直接検出するのではなく、探査針
を介して間接的に段差形状センサーで検出するため、検
出誤差が発生しやすく、機構系等の外乱の影響を受けや
すいため、高い検出分解能を得ることが難しいという問
題点があった。

【０００９】また、従来のギャップ測定装置では、対物
レンズの開口数（ＮＡ）によりパターン解像度が制約さ
れるため、高解像度にすると光学系が大きくなるという
問題点があった。さらに、計測するマスクとウエハ間に
ある程度のずれ（図９左右方向）が必要であるため、被
測定物の大きさが限定され、微小部分でのギャップ測定
ができないという問題点があった。また、マスク・ウエ
ハ間のギャップを直接検出するのではなく、間接的に焦
点合わせした対物レンズの位置により検出しているた
め、焦点合わせ誤差あるいは対物レンズ位置検出誤差等
の検出精度を劣化させる要因が多く、高精度のギャップ
検出ができないという問題点があった。本発明は、上記
課題を解決するためになされたもので、ウエハ表面の段
差形状やマスク・ウエハ間のギャップを非接触で高精度
に、しかも微小な被測定物体でも計測できる表面形状測
定方法および表面形状測定器を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、偏光面が互い
に直交し周波数が異なる２周波光を発生して、この２周
波光を第１、第２の２周波光の２つに分割し、第１の２
周波光の周波数をシフトさせ、第２の２周波光のビーム
形状を縮小して被測定物体上に入射させ、周波数シフト
された第１の２周波光と被測定物体によって反射された
第２の２周波光を合成し、この合成によって得られた光
ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第２の光ヘ
テロダイン干渉光に分離し、第１の光ヘテロダイン干渉
光を２つに分割して独立に検出し、第１、第２のビート
信号を求めると共に、第２の光ヘテロダイン干渉光を２
つに分割して独立に検出し、第３、第４のビート信号を
求め、第１のビート信号と第３のビート信号の位相差及
び第２のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づ
いて、被測定物体の表面形状を算出するようにしたもの
である。また、被測定物体上に入射させる前に第２の２
周波光の周波数をシフトさせるようにしたものである。

【００１１】また、偏光面が互いに直交し周波数が異な
る２周波光を発生する２周波光発生手段と、この２周波
光を第１、第２の２周波光の２つに分割する２周波光分
割手段と、第１の２周波光の周波数をシフトさせる周波
数シフト手段と、被測定物体を載せるためのステージ
と、第２の２周波光のビーム形状を縮小し被測定物体上
に入射させる入射手段と、周波数シフト手段からの周波
数シフトされた第１の２周波光と被測定物体によって反
射された第２の２周波光を合成する光合成手段と、この
光合成手段により得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光
面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分離す
る干渉光分離手段と、第１の光ヘテロダイン干渉光を２
つに分割して独立に検出し、第１、第２のビート信号を
得ると共に、第２の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割
して独立に検出し、第３、第４のビート信号を得る信号
検出手段と、第１のビート信号と第３のビート信号の位
相差及び第２のビート信号と第４のビート信号の位相差
に基づいて、被測定物体の表面形状を算出する信号処理
制御手段とを有するものである。

【００１２】また、２周波光分割手段と入射手段の間
に、第２の２周波光の周波数をシフトさせる周波数シフ
ト手段を有するものである。また、ステージは、被測定
物体の表面に対して平行な方向に移動可能なものであ
る。また、２周波光発生手段、２周波光分割手段、周波
数シフト手段、入射手段、光合成手段、干渉光分離手
段、及び信号検出手段が同一の光学ステージ上に配置さ
れ、この光学ステージは被測定物体の表面に対して平行
な方向に移動可能なものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、第２の２周波光のビーム形状
を縮小して被測定物体上に入射させて得られた反射光と
周波数シフトされた第１の２周波光を光ヘテロダイン干
渉させて、この光を第１、第２の光ヘテロダイン干渉光
に分離し、第１の干渉光から第１、第２のビート信号を
求めると共に、第２の干渉光から第３、第４のビート信
号を求めることにより、被測定物体の表面形状を算出す
ることができる。また、第１の２周波光と共に、第２の
２周波光の周波数もシフトさせることにより、第１〜第
４のビート信号の周波数を低くすることができる。

【００１４】また、２周波光発生手段と２周波光分割手
段が第１、第２の２周波光を生成し、入射手段が第２の
２周波光のビーム形状を縮小して被測定物体上に入射さ
せ、光合成手段が周波数シフトされた第１の２周波光と
被測定物体によって反射された第２の２周波光とを光ヘ
テロダイン干渉させ、干渉光分離手段が第１、第２の干
渉光に分離し、信号検出手段が第１の干渉光から第１、
第２のビート信号を求めると共に、第２の干渉光から第
３、第４のビート信号を求め、信号処理制御手段がこれ
らのビート信号に基づいて被測定物体の表面形状を算出
する。また、第２の２周波光の周波数をシフトさせる周
波数シフト手段を設けることにより、第１〜第４のビー
ト信号の周波数を低くすることができる。また、ステー
ジは被測定物体の表面に対して平行な方向に移動する。
また、光学系を載せた光学ステージは被測定物体の表面
に対して平行な方向に移動する。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示す表面形状測定
器のブロック図である。１、２は周波数が異なる水平偏
光のレーザー光を発生するレーザー光源、３はレーザー
光源２からの光を垂直偏光にする１／２波長板、４、
７、９、１０はミラー、５はレーザー光源１から発した
光とミラー４からの光を合成して、偏光面が互いに直交
し周波数が異なる２周波光を生成する偏光ビームスプリ
ッター、６はこの２周波光を第１、第２の２周波光の２
つに分割する２周波光分割手段となる無偏光ビームスプ
リッター、８は第１の２周波光の周波数をシフトさせる
周波数シフト手段となる音響光学素子である。

【００１６】また、１１は音響光学素子８によって周波
数シフトされた第１の２周波光とウエハ２０によって反
射された第２の２周波光を合成する光合成手段となる無
偏光ビームスプリッター、１２は無偏光ビームスプリッ
ター１１によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光
面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分離す
る干渉光分離手段となる偏光ビームスプリッター、１
３、１４はそれぞれ第１、第２の光ヘテロダイン干渉光
を２つに分割するためのスリットである。

【００１７】また、１５は２つの第１の光ヘテロダイン
干渉光を独立に検出して第１、第２のビート信号を得る
光電検出器、１６は２つの第２の光ヘテロダイン干渉光
を独立に検出して第３、第４のビート信号を得る光電検
出器、１７は第１のビート信号と第３のビート信号の位
相差及び第２のビート信号と第４のビート信号の位相差
に基づいて、ウエハ２０の表面形状を算出する信号処理
制御手段となる信号処理制御部、１８はミラー１０から
の光のビーム形状を縮小してウエハ２０上に入射させる
複数枚のレンズ等からなる縮小光学系、１９はウエハ面
ビームスポットである。

【００１８】そして、レーザー光源１、２、１／２波長
板３、ミラー４、及び偏光ビームスプリッター５が２周
波光発生手段を構成し、ミラー１０、縮小光学系１８が
入射手段を構成し、スリット１３、１４、光電検出器１
５、１６が信号検出手段を構成している。この表面形状
測定器は、本発明を半導体ＩＣやＬＳＩ製造におけるウ
エハ面の段差を測定する段差測定装置に適用したもので
ある。

【００１９】レーザー光源１、２は、それぞれ波長がλ
１（周波数をｆ１とする）、λ２（周波数をｆ２とす
る）の水平偏光（Ｐ波）のレーザー光を発生する。レー
ザー光源２から発生したレーザー光は、１／２波長板３
により垂直偏光（Ｓ波）となり、偏光ビームスプリッタ
ー５に入射する。そして、レーザー光源１から発した光
とミラー４からの光が、偏光ビームスプリッター５によ
って合成される。

【００２０】したがって、合成されて偏光ビームスプリ
ッター５から出射する光は、偏光面が互いに直交し周波
数が異なる２周波（２波長）直交偏光光である。この２
周波光は、無偏光ビームスプリッター６によって第１、
第２の２周波光の２つに分割され、第１の２周波光はミ
ラー７を介して音響光学素子８に入射する。信号処理制
御部１７からの制御信号によって決定される音響光学素
子８の駆動周波数をｆ０とすると、音響光学素子８から
出射するレーザー光は、周波数がそれぞれｆ１＋ｆ０、
ｆ２＋ｆ０に周波数シフトされた２周波光となってミラ
ー９に入射する。

【００２１】また、もう一方の第２の２周波光は、無偏
光ビームスプリッター１１、ミラー１０を介して縮小光
学系１８によってレーザー光のビームが絞られてウエハ
ステージ２１上に設置されたウエハ２０に入射する。そ
して、このレーザー光は、ウエハ２０の表面で反射さ
れ、再度縮小光学系１８を透過し、ミラー１０を介して
無偏光ビームスプリッター１１に入射する。

【００２２】なお、本実施例では、後述するスリット１
３による第１の光ヘテロダイン干渉光の分割と、スリッ
ト１４による第２の光ヘテロダイン干渉光の分割を容易
にするために、ウエハ２０からの反射光を縮小光学系１
８に入射させることによっていったん絞ったビーム形状
を拡大しているが、上記分割に問題がなければ縮小光学
系１８を再度透過させなくてもよい。また、本実施例で
は、ミラー１０の後ろ（ウエハ２０側）に複数枚のレン
ズ等からなる縮小光学系１８を設置して入射手段を構成
しているが、ミラー１０の手前にもレンズを設けるなど
他の構成であってもよいことは言うまでもない。

【００２３】次に、無偏光ビームスプリッター１１は、
ミラー９からの周波数シフトされた第１の２周波光とウ
エハ２０によって反射された第２の２周波光とを合成す
る。このような合成によって光ヘテロダイン干渉光が生
成されるが、この干渉光には、周波数ｆ１の光と周波数
ｆ１＋ｆ０の光の干渉による第１の干渉光、及び周波数
ｆ２の光と周波数ｆ２＋ｆ０の光の干渉による第２の干
渉光が含まれる。

【００２４】そして、周波数ｆ１の光を基に生成された
第１の干渉光は水平偏光で、周波数ｆ２の光を基に生成
された第２の干渉光は垂直偏光なので、無偏光ビームス
プリッター１１から偏光ビームスプリッター１２に入射
した光ヘテロダイン干渉光は、第１、第２の光ヘテロダ
イン干渉光に分離される。

【００２５】次いで、第１の光ヘテロダイン干渉光は、
スリット１３に入射し、このスリット１３の２つの穴に
よって２つのビームに分割される。そして、この２つの
ビームが光電検出器１５の独立した２つの検出領域に入
射することにより、第１、第２のビート信号が得られ
る。同様に、第２の光ヘテロダイン干渉光は、スリット
１４に入射し、スリット１４の２つの穴によって２つの
ビームに分割される。そして、この２つのビームが光電
検出器１６の２つの検出領域に入射することにより、第
３、第４のビート信号が得られる。

【００２６】図２は縮小光学系１８によってビームが絞
られた第２の２周波光がウエハ２０に入射する様子を示
す拡大図である。図２のように、レーザー光がウエハ２
０の段差に入射すると、ビームスポット１９内におい
て、段差の高い方に入射する部分１９ａと低い方に入射
する部分１９ｂとで光路長差が生じる。ウエハ２０の段
差をＬとすると、この光路長差は２×Ｌである。

【００２７】ここで、周波数がｆ１のレーザー光と周波
数がｆ１＋ｆ０にシフトされたレーザー光の振幅強度を
それぞれＥ１、Ｅ２とすると、振幅強度Ｅ１、Ｅ２は次
式となる。 Ｅ１（ｔ）＝Ａ１×ｅｘｐ（２×π×ｆ１×ｔ×ｉ＋φ１） ・・・（１） Ｅ２（ｔ）＝Ａ２×ｅｘｐ（２×π×（ｆ１＋ｆ０）×ｔ×ｉ＋φ２） ・・・（２） ｔは時間、ｉは虚数単位、Ａ１、Ａ２は周波数ｆ１、ｆ
１＋ｆ０のレーザー光の振幅、φ１、φ２は初期位相で
ある。

【００２８】そして、段差の高い方に入射したレーザー
光（１９ａ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号Ｉ１は次式のように表される。 Ｉ１（ｔ）＝｜Ｅ１（ｔ）＋Ｅ２（ｔ）｜² ＝Ａ１² ＋Ａ２² ＋２×Ａ１×Ａ２×ｃｏｓ（２×π×ｆ０×ｔ＋Δφ12） ・・・（３） ここで、Δφ12＝φ１−φ２である。

【００２９】また、段差の低い方に入射したレーザー光
（１９ｂ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビート
信号Ｉ２は次式のように表される。 Ｉ２（ｔ）＝Ａ１² ＋Ａ２² ＋２×Ａ１×Ａ２×ｃｏｓ｛２×π×ｆ０×ｔ ＋Δφ12＋２×π×（２×Ｌ）／λ１｝ ・・・（４） 上述のように、第１の光ヘテロダイン干渉光はスリット
１３によって２つのビームに分割されるため、第２の２
周波光がウエハ２０の段差に入射すると、光電検出器１
５にて式（３）、（４）のような２つのビート信号Ｉ１
（ｔ）、Ｉ２（ｔ）が得られることになる。

【００３０】同様に、周波数がｆ２のレーザー光と周波
数がｆ２＋ｆ０にシフトされたレーザー光の振幅強度を
それぞれＥ３、Ｅ４とすると、振幅強度Ｅ３、Ｅ４は次
式となる。 Ｅ３（ｔ）＝Ａ３×ｅｘｐ（２×π×ｆ２×ｔ×ｉ＋φ３） ・・・（５） Ｅ４（ｔ）＝Ａ４×ｅｘｐ（２×π×（ｆ２＋ｆ０）×ｔ×ｉ＋φ４） ・・・（６） ここで、Ａ３、Ａ４は周波数ｆ２、ｆ２＋ｆ０のレーザ
ー光の振幅、φ３、φ４は初期位相である。

【００３１】そして、段差の高い方に入射したレーザー
光（１９ａ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号Ｉ３は次式のように表される。 Ｉ３（ｔ）＝｜Ｅ３（ｔ）＋Ｅ４（ｔ）｜² ＝Ａ３² ＋Ａ４² ＋２×Ａ３×Ａ４×ｃｏｓ（２×π×ｆ０×ｔ＋Δφ34） ・・・（７） ここで、Δφ34＝φ３−φ４である。

【００３２】また、段差の低い方に入射したレーザー光
（１９ｂ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビート
信号Ｉ４は次式のように表される。 Ｉ４（ｔ）＝Ａ３² ＋Ａ４² ＋２×Ａ３×Ａ４×ｃｏｓ｛２×π×ｆ０×ｔ ＋Δφ34＋２×π×（２×Ｌ）／λ２｝ ・・・（８） よって、第２の光ヘテロダイン干渉光はスリット１４に
よって２つのビームに分割されるため、第２の２周波光
がウエハ２０の段差に入射すると、光電検出器１６にて
式（７）、（８）のような２つのビート信号Ｉ３
（ｔ）、Ｉ４（ｔ）が得られることになる。

【００３３】なお、レーザー光がウエハ２０上の平坦な
面に入射した場合は、光路差長２×Ｌ＝０となり、Ｉ１
（ｔ）＝Ｉ２（ｔ）、Ｉ３（ｔ）＝Ｉ４（ｔ）となる。
次いで、信号処理制御部１７は、ビート信号Ｉ１（ｔ）
とＩ３（ｔ）の位相差φ13、Ｉ２（ｔ）とＩ４（ｔ）の
位相差φ24を演算し、さらに位相差φ13と位相差φ24の
差Δφを演算して、ウエハ２０の段差Ｌを求める。

【００３４】ここで、位相差φ13、φ24、位相差φ13と
位相差φ24の差Δφは次式のように表すことができる。 φ13＝Δφ12−Δφ34 ・・・（９） φ24＝｛Δφ12＋２×π×（２×Ｌ）／λ１｝ −｛Δφ34＋２×π×（２×Ｌ）／λ２｝ ・・・（１０） Δφ＝φ13−φ24＝２×π×（２×Ｌ）／λ２−２×π×（２×Ｌ）／λ１ ＝２×π×（２×Ｌ）×（λ１−λ２）／（λ１×λ２） ・・・（１１）

【００３５】したがって、ビート信号Ｉ１〜Ｉ４に基づ
いて位相差信号Δφが得られれば、式（１１）より段差
Ｌが求められることが分かる。また、式（１１）から明
らかなように、位相差信号Δφは、段差Ｌ＝（λ１×λ
２）／｛２×（λ１−λ２）｝を周期として位相変化す
る。よって、波長λ１とλ２を選択することにより、段
差測定範囲が決定される。

【００３６】例えば、ＬＳＩのプロセスウエハでは、段
差Ｌの測定範囲としては最大１０μｍ程度あれば十分で
あり、λ１＝７９０ｎｍ、λ２＝７７０ｎｍを選択する
と、位相差信号Δφの周期は、約１５．２μｍとなる。
位相差検出分解能を０．５°とすれば、約２１ｎｍの段
差検出分解能が得られる。このように、本発明では、異
なる２波長λ１、λ２のレーザー光を用いているため
に、位相差信号Δφの周期を１波長だけの場合に比べて
大きくすることができ、段差Ｌの絶対値を測定できる測
定可能範囲が大きくなる。したがって、段差が急激に変
化しているような試料についても精度よく測定すること
ができる。

【００３７】なお、本実施例は、式（３）、（４）、
（７）、（８）の関係を用いてウエハ２０上の段差を光
路長差として検出しようとするものであるが、これらの
式に関係する光路長差として、第１の２周波光と第２の
２周波光との光路長差が存在する。この光路長差には、
第１の２周波光がビームスプリッター６、ミラー７、音
響光学素子８、ミラー９、ビームスプリッター１１とい
う光路を通るのに対し、第２の２周波光がビームスプリ
ッター６からビームスプリッター１１という光路を通る
ことによるものがあり、更に第２の２周波光がビームス
プリッター１１、ミラー１０、縮小光学系１８、ウエハ
２０間を往復することによるものがある。

【００３８】しかし、これらは装置固有のオフセットと
して式（１）、（２）、（５）、（６）中の初期位相φ
１、φ２、φ３、φ４に含まれるものであり、装置固有
の値として処理できる。

【００３９】図３は本発明の他の実施例を示す表面形状
測定器のブロック図である。この表面形状測定器は、本
発明をＸ線露光におけるマスク・ウエハ間のギャップ測
定装置に適用したものであり、レーザー光源１、２を初
めとする光学系、信号処理制御部１７等の回路系の構成
要素は、図１の例と同様である。図４は縮小光学系１８
によってビームが絞られた第２の２周波光がＸ線マスク
２２、ウエハ２０に入射する様子を示す拡大図である。

【００４０】図４のように、ビームスポット１９の一部
は、メンブレン部２３を透過してウエハ２０に入射す
る。よって、ビームスポット１９内において、マスクパ
ターン２４に入射する部分１９ａとウエハ２０に入射す
る部分１９ｂとで光路長差が生じる。マスク面とウエハ
面のギャップをＬとすると、光路長差は２×Ｌである。
したがって、図１の例と同様に、信号処理制御部１７に
よってビート信号Ｉ１〜Ｉ４からマスク・ウエハ間のギ
ャップＬを求めることができる。

【００４１】なお、図１、３の例において、レーザー光
源１、２、１／２波長板３、ミラー４、７、９、１０、
偏光ビームスプリッター５、１２、無偏光ビームスプリ
ッター６、１１、音響光学素子８、スリット１３、１
４、光電検出器１５、１６、縮小光学系１８からなる光
学系全体を図示しない光学ステージ上に配置し、光学ス
テージを任意のｘｙ方向に移動させることにより、マス
ク及びウエハ上の任意の位置での段差、あるいはギャッ
プの測定が可能である。また、ウエハステージ２１を任
意のｘｙ方向に移動させても同様の効果が得られること
は言うまでもない。

【００４２】また、図１、３の例では、ビームスポット
から２つのビームを取り出す方法としてスリット１３、
１４を用いているが、遮光帯付きの２分割光電検出器を
用いて直接ビームスポットを検出し、２つのビート信号
を得ることも可能である。さらに、ビームスポットを三
角状プリズム等によって反射する部分と透過する部分に
分割し、それぞれ独立のホトディテクタ等によりビート
信号を検出しても同様の効果が得られる。

【００４３】また、図１、３の例では、第１の２周波光
を音響光学素子８に入射させてその周波数をｆ０だけシ
フトさせているが、この結果得られるビート信号Ｉ１〜
Ｉ４の周波数はｆ０である。これに対し、無偏光ビーム
スプリッター６と１１の間の第２の２周波光の経路に周
波数シフト手段である音響光学素子を設けて、音響光学
素子８による第１の２周波光の周波数シフトと同時に、
第２の２周波光の周波数もシフトさせるようにしてもよ
い。

【００４４】このときの音響光学素子の駆動信号の周波
数をｆ３とすると、この音響光学素子から出射する光
は、周波数がそれぞれｆ１＋ｆ３、ｆ２＋ｆ３に周波数
シフトされた２周波光となる。この結果得られるビート
信号Ｉ１〜Ｉ４の周波数は｜ｆ０−ｆ３｜となる。

【００４５】このように第１、第２の２周波光を共に周
波数シフトさせると以下のような利点がある。つまり、
音響光学素子が一般的にシフト可能な周波数はＭＨｚオ
ーダーであり、これにより信号処理制御部１７における
ビート信号Ｉ１〜Ｉ４の処理もＭＨｚオーダーとなり、
これは高速な回路が要求されることを意味する。これに
対し、例えばｆ０を８０ＭＨｚ、ｆ３を８０．１ＭＨｚ
として第１、第２の２周波光を共に周波数シフトさせる
と、ビート信号Ｉ１〜Ｉ４の周波数は１００ｋＨｚとな
り、信号処理制御部１７におけるビート信号Ｉ１〜Ｉ４
の処理が容易となり、高速な回路が不要となる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、２周波光を被測定物体
上に入射させて得られた反射光と周波数シフトされた２
周波光とを光ヘテロダイン干渉させて、この光を第１、
第２の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１の干渉光か
ら第１、第２のビート信号を求めると共に、第２の干渉
光から第３、第４のビート信号を求めることにより、被
測定物体の表面形状を非接触で直接計測することができ
るので、被測定物体の表面を汚染することがなく、誤差
要因の発生がない高精度の表面形状測定ができる。ま
た、周波数が異なる２周波光を基にした２つの光ヘテロ
ダイン干渉光を用いているので、１つの光ヘテロダイン
干渉光だけの場合に比べて、測定可能範囲を大きくする
ことができ、表面形状が急激に変化しているような被測
定物体についても精度よく測定することができる。ま
た、第２の２周波光のビーム形状を縮小して被測定物体
上に入射させるので、微小な被測定物体でも計測するこ
とができる。

【００４７】また、第１の２周波光と共に第２の２周波
光の周波数もシフトさせることにより、第１〜第４のビ
ート信号の周波数を低くすることができ、第１〜第４の
ビート信号から被測定物体の表面形状を算出する処理を
容易にすることができる。

【００４８】また、２周波光発生手段、２周波光分割手
段、周波数シフト手段、ステージ、入射手段、光合成手
段、干渉光分離手段、信号検出手段、及び信号処理制御
手段から表面形状測定器を構成することにより、第１〜
第４のビート信号を求めて被測定物体の表面形状を非接
触で直接算出するので、被測定物体の表面を汚染するこ
とがなく、誤差要因の発生がない高精度の表面形状測定
器を実現することができる。また、入射手段が第２の２
周波光のビーム形状を縮小して被測定物体上に入射させ
るので、微小な被測定物体でも計測することができる。

【００４９】また、第２の２周波光の周波数をシフトさ
せる周波数シフト手段を設けることにより、第１〜第４
のビート信号の周波数を低くすることができ、信号処理
制御手段における第１〜第４のビート信号の処理を容易
にすることができる。また、ステージが被測定物体の表
面に対して平行な方向に移動するので、被測定物体上の
任意の位置での測定が可能となる。また、光学系を載せ
た光学ステージが被測定物体の表面に対して平行な方向
に移動するので、同様に被測定物体上の任意の位置での
測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１実施例を示す表面形状測定器のブ
ロック図である。

【図２】 第２の２周波光がウエハに入射する様子を示
す拡大図である。

【図３】 本発明の他の実施例を示す表面形状測定器の
ブロック図である。

【図４】 第２の２周波光がＸ線マスク、ウエハに入射
する様子を示す拡大図である。

【図５】 段差測定装置として使用される従来の表面形
状測定器のブロック図である。

【図６】 図５の表面形状測定器の探査針がウエハと接
触している様子を示す拡大図である。

【図７】 段差検出信号の出力例を示す図である。

【図８】 ギャップ測定装置として使用される従来の表
面形状測定器のブロック図である。

【図９】 図８の表面形状測定器の対物レンズの様子を
示す拡大図である。

【符号の説明】

１、２…レーザー光源、、３…１／２波長板、４、７、
９、１０…ミラー、５、１２…偏光ビームスプリッタ
ー、６、１１…無偏光ビームスプリッター、８…音響光
学素子、１３、１４…スリット、１５、１６…光電検出
器、１７…信号処理制御部、１８…縮小光学系、２０…
ウエハ、２１…ウエハステージ、２２…Ｘ線マスク、２
３…メンブレン部、２４…マスクパターン。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
   周波光を発生して、この２周波光を第１、第２の２周波
   光の２つに分割し、 第１の２周波光の周波数をシフトさせ、 第２の２周波光のビーム形状を縮小して被測定物体上に
   入射させ、 前記周波数シフトされた第１の２周波光と前記被測定物
   体によって反射された第２の２周波光を合成し、 この合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光
   面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分離
   し、 第１の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検
   出し、第１、第２のビート信号を求めると共に、第２の
   光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検出し、
   第３、第４のビート信号を求め、 第１のビート信号と第３のビート信号の位相差及び第２
   のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づいて、
   前記被測定物体の表面形状を算出することを特徴とする
   表面形状測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の表面形状測定方法におい
   て、 被測定物体上に入射させる前に前記第２の２周波光の周
   波数をシフトさせることを特徴とする表面形状測定方
   法。
3. 【請求項３】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
   周波光を発生する２周波光発生手段と、 この２周波光を第１、第２の２周波光の２つに分割する
   ２周波光分割手段と、 第１の２周波光の周波数をシフトさせる周波数シフト手
   段と、 被測定物体を載せるためのステージと、 第２の２周波光のビーム形状を縮小し被測定物体上に入
   射させる入射手段と、 前記周波数シフト手段からの周波数シフトされた第１の
   ２周波光と前記被測定物体によって反射された第２の２
   周波光を合成する光合成手段と、 この光合成手段により得られた光ヘテロダイン干渉光を
   偏光面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分
   離する干渉光分離手段と、 第１の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検
   出し、第１、第２のビート信号を得ると共に、第２の光
   ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検出し、第
   ３、第４のビート信号を得る信号検出手段と、 第１のビート信号と第３のビート信号の位相差及び第２
   のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づいて、
   前記被測定物体の表面形状を算出する信号処理制御手段
   とを有することを特徴とする表面形状測定器。
4. 【請求項４】 請求項３記載の表面形状測定器におい
   て、 前記２周波光分割手段と入射手段の間に、第２の２周波
   光の周波数をシフトさせる周波数シフト手段を有するこ
   とを特徴とする表面形状測定器。
5. 【請求項５】 請求項３記載の表面形状測定器におい
   て、 前記ステージは、前記被測定物体の表面に対して平行な
   方向に移動可能なものであることを特徴とする表面形状
   測定器。
6. 【請求項６】 請求項３記載の表面形状測定器におい
   て、 前記２周波光発生手段、２周波光分割手段、周波数シフ
   ト手段、入射手段、光合成手段、干渉光分離手段、及び
   信号検出手段が同一の光学ステージ上に配置され、この
   光学ステージは前記被測定物体の表面に対して平行な方
   向に移動可能なものであることを特徴とする表面形状測
   定器。