JP3571161B2

JP3571161B2 - 試料検査装置及び試料検査方法

Info

Publication number: JP3571161B2
Application number: JP03334797A
Authority: JP
Inventors: 昌明羽根渕; 直幸近藤
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: JPH10221033A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は干渉計を利用してディスクやウェーハ及び光学部品等の試料の表面形状を測定解析する装置及び検査方法、より詳細には試料の表面形状を高精度に測定評価する位相シフト干渉法による試料検査装置及び検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体ウェーハ等の薄板状の試料は、全体的反りや傾斜と部分的な凹凸とを合わせ持っており、試料の表面や裏面はこれらが合成された形状をなしている。
【０００３】
微細パターンの焼き付けを行う半導体製造工程においては、ウェーハを基準平面に吸着固定したときのウェーハ表面の凹凸量が露光装置の焦点深度内にあることが必要であり、吸着基準平面に吸着されたウェーハ表面の凹凸量の測定が重要となっている。
【０００４】
この測定の精度の高度化に応える技術として、位相シフト干渉法（ＰｈａｓｅＳｃａｎｎｉｎｇＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｏｒｙ）が知られている。この方法では、参照光の光学的光路長を変えて（通常１縞感度）、測定光に対する位相差を変化させる。その位相差の変化に伴って干渉縞の強度は次の式のように変化し、ある干渉縞は次の縞へと動く様に見える。（ここで、Ｉは位相強度、θは初期位相、αはバイアス、βはコントラスト、ｈは高さ、Δｈは縞感度、とする。）
【数１】

よって各点での干渉縞強度と与えた位相差を変数と見なせば、その点の高さ情報に起因する位相を求めることができる。この方法によれば、１／１００波長程度の精度が可能となる。そして位相シフト干渉法の位相シフトの数は、一般的には４ステップと５ステップが知られている。［ＤａｖｉｄＷＲｏｂｉｎｓｏｎａｎｄＧｒａｅｍｅＴＲｅｉｄ，「ＩｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍＡｎａｌｙｓｉｓ：ＤｉｇｉｔａｌＦｒｉｎｇｅＰａｔｔｅｒｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓＰＵｂｌｉｓｈｉｎｇ，１９９３；ＤａｎｉｅｌＭａｌａｃａｒａ，「ＯｐｔｉｃａｌＳｈｏｐＴｅｓｔｉｎｇ−ＳｅｃｏｎｄＥｄｉｔｉｏｎ」，ＡＷｉｌｅｙ−ＩｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．Ｉｎｃ．，１９９２］
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の位相シフト干渉法は多重干渉を含まない干渉縞強度式に基づいて導出されていたので、多重干渉を含んだ干渉縞画像を処理した場合、従来から良く知られている４ステップ，５ステップでは十分ではなく、うまく処理できない欠点があった。そして多重干渉はサンプルの反射率によって容易に現れ得るため、処理をより困難なものにしていた。多重干渉成分を巧く消去できないと、その後のアンラッピング（位相のつなぎ合わせ）の過程でエラーが起こりやすく、４ステップ，５ステップでは僅かの多重干渉成分でアンラッピング・エラーになってしまうため、多重干渉が起こり得る干渉計測装置へは採用できない。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑み、多重干渉成分の多くを占める２次干渉成分と３次干渉成分の除去を可能にする位相シフト干渉法による試料検査装置及び試料検査方法を提供することを技術課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次のような構成を有することを特徴とする。
【０００８】
（１）試料の形状を測定解析する試料検査装置において、高精度に平面研磨された基準平面を有し前記試料を吸着する試料保持手段と、吸着された前記試料に干渉縞を形成する干渉縞形成手段と、参照光の位相を変化させるために参照平面と試料の測定面の光学的距離を少なくても７段階変化させる位相変化手段と、形成された干渉縞の各画像を取り込む画像取得手段と、取り込んだ画像から解析領域を決定する解析領域決定手段と、取り込んだ画像から２次及び３次干渉成分をキャンセルし試料測定面の形状を解析する画像解析手段と、該画像解析手段による解析結果を表示する表示手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
（２）（１）の干渉縞形成手段は、斜入射型干渉光学系または垂直入射型干渉光学系を持つことを特徴とする。
【００１０】
（３）（１）の位相変化手段は、参照光の位相を変化させるために、参照平面と試料の測定面との間の光学的距離を任意に変化させる移動手段を有することを特徴とする。
【００１１】
（４）（１）の位相変化手段は、８段階の位相を変化させることを特徴とする。
【００１２】
（５）（４）の位相変化手段の位相差をπ／４ずつずらすことを特徴として、８回画像を取り込む画像取得手段を有することを特徴とする。
【００１３】
（６）（５）の画像取得手段により取り込まれた画像から、閾値処理により解析領域を決定する解析領域決定手段を有することを特徴とする。
【００１４】
（７）（１）の試料検査装置において、前記画像解析手段は、前記画像取得手段によって取り込まれた画像から、逆正接関数によって各点の高さ情報に起因する位相データを抽出し、その位相データをつなぎ合わせるアンラッピング（ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）及び、位相データから高さデータへの変換を行う解析手段を有することを特徴とする。
【００１５】
（８）試料に形成された干渉縞に基づいて試料の形状を測定解析する試料検査方法において、干渉縞を形成する参照光の位相を変化させるために参照平面と前記試料の測定面の光学的距離を少なくても７段階変化させて形成された干渉縞の各画像を取り込む段階と、取り込まれた画像を閾値処理して解析領域を決定する段階と、取り込まれた画像から２次及び３次干渉成分をキャンセルし試料測定面の形状を解析する段階と、を有することを特徴とする。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は実施例の装置の光学系の概略配置を示す図であり、実施例では斜入射型干渉光学系を採用している。１は試料で本実施例ではウェーハである。２は基準平面２´を有する試料吸着台、３は被測定試料表面及び基準平面２´の干渉縞を発生させる参照平面３´を有するプリズムであり、４はピエゾ素子で参照平面３´と被測定平面との光学的距離を変え参照光の位相を変化させる。
【００１８】
図２は参照光の位相を変化させるためのプリズム移動機構の概略構成を示す図である。参照平面３´を有するプリズム３は２つの直動軸受１５のついた移動台１６の上に固定され、２つの直動軸受１５間に固定して設けられたピエゾ素子４によって移動台１６が移動する（移動台１６は、図示なきバネによりピエゾ素子４側に付勢されている）。この移動により参照平面３´と被測定試料表面間の光学的距離が変化することによって参照光の位相を変化させる。
【００１９】
５は参照光の光源で、本実施例では波長６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレ−ザ装置を用いている。光源５から出射された光束は、イクスパンダ６によって必要な大きさの光束に拡げられ、前側焦点位置にイクスパンダ６がくるように配置されたコリメ−タレンズ７により平行光束となり、プリズム３に入射する。入射角調整プリズム８によって測定感度を試料の平面度によって任意に変化させることができる。測定感度は１Ｆｒｉｎｇｅ＝１μｍから１Ｆｒｉｎｇｅ＝５μｍまで連続的に変化させることができる。
【００２０】
９は反射光を任意の方向に曲げるフレネル板で、フレネル板９によって曲げられた光はスクリ−ン１０上で干渉縞を形成する。スクリ−ン１０上の干渉縞はレンズ１１を介しテレビカメラ１２の撮像面上に結像される。テレビカメラは本実施例ではＣＣＤカメラを用いている。なお、本実施例では干渉縞をスクリ−ン１０に一旦投影し、スクリ−ン像をテレビカメラにより撮影するという方法を用いているが、フレネル板９とスクリ−ン１０を取り除き、空中像を直接テレビカメラにより撮影する方法でも良い。
【００２１】
１３は演算解析処理を行うコンピュ−タで、テレビカメラ１２を介し画像デ−タを取り込み、処理して被測定面の解析を行う。１４はテレビカメラ１２で撮影した像や解析結果を表示するモニタである。
【００２２】
図３は実施例の装置の駆動及び制御系の概略構成を示すブロック図である。１７はピエゾ素子４を動かすためのドライバであり、装置全体を制御するコンピュ−タ１３からＤ／Ａコンバ−タ１８を通じて制御される。２０は入射角調整プリズム８を動かすモ−タ１９のドライバであり、コンピュ−タ１３からＤ／Ａコンバ−タ２１を通じて制御される。
【００２３】
テレビカメラ１２からの映像信号はＡ／Ｄコンバ−タ２２を通じてコンピュ−タ１３に送られ、演算・解析される。撮影した像や解析結果はモニタ１４に表示され、また、印字装置２３によって印字される。２４はコンピュ−タ１３へ各種の測定モ−ドなどを設定・入力するための入力装置である。
【００２４】
以上のような構成を持つ装置において、その動作について説明する。
【００２５】
試料吸着台２を試料受渡位置まで図示なき駆動手段にて移動し、試料吸着台２の基準平面２´上に試料１を載せ、真空強制吸着した後、所定の測定位置に移動する。光源５から出射されたレ−ザ光はイクスパンダ６により光束を拡げられ、コリメ−タレンズ７により平行光束となり、試料の平面度に合わせて測定感度を変えるため入射角調整プリズム８によって角度を変えてプリズム３に入射する。
【００２６】
プリズム３に入射した光の一部はその参照平面３´を透過して試料１の表面で反射し、再度プリズム３を通り、フレネル板９で曲げられてスクリーン１０へ向かう。プリズム３に入射したその他の光はその参照平面３´で反射してスクリーン１０へ向かい、試料１表面で反射した光と干渉現象を引き起こし、スクリーン１０に投影される。スクリーン１０に投影された干渉縞はレンズ１１を介しテレビカメラ１２の撮像面に結像させ、映像信号として取り出し、Ａ／Ｄコンバータ２２によって信号変換しコンピュータ１３に取り込む。
【００２７】
本実施例では二次、三次の多重干渉をサンプリングするため、ピエゾ素子４をドライバ１７によって動かし、移動台１６に固定されたプリズム３を移動させ、参照平面３´−試料１表面間距離を縞感度／８ずつ変化させながら８枚の干渉画像をコンピュータ１３に取り込む。８枚の干渉画像を取り込むのは、次の理由による。
【００２８】
多重干渉を含む画像データからｎ次干渉の周期成分を抽出する方法として、フーリエ変換の方法を用いる。（フーリエ変換については一般的に知られているので、ここでは説明は省略する。）
ここでｎ次干渉の周期成分とは、アブラムソン（斜入射）型干渉計の場合、サンプルを参照平面であるプリズム底面から縞感度／ｎに等しい距離を上下しても変化しない干渉像成分である。そこで１次干渉の周期をＭ等分する間隔で位相変化させる場合の、第ｍステップ（ｍ＝０〜Ｍ−１）の強度成分を２次，３次の多重干渉を考慮して定式化すると、次の式のようになる。（ここで、Ｉは位相強度、θは初期位相、αはバイアス、βはコントラスト、ｈは高さ、Δｈは縞感度、とする。）
【数２】

ただし、ここでは干渉像の横ずれは無視する。これから信号Ｉ（ｘ，ｙ；ｍ）のｋ番目のスペクトルＧ（ｘ，ｙ；ｋ）は、次の式のように表すことができる。
【数３】

従って、
【数４】

となり、特にｋ＝１の１次干渉の周期スペクトルに注目すると、
【数５】

となって、高さデータを求める式ができる。
【００２９】
次に、２次、３次の多重干渉をキャンセルするステップ数Ｍを考える。まず注意しておくことは、２次の干渉は１次の干渉より参照平面であるプリズム底面での反射と透過を１回ずつ余分に経験していることである。プリズム底面での反射率をｒとすると、その係数はｒ（１−ｒ）でｒ（１−ｒ）≦１／４となり、各縞感度におけるフレネル反射率から求めた値は次の表のようになる。（ここで、ａはプリズム中から空気中へ進む光の入射角、ｂは空気中へ進んだ光の屈折角、ＲｐはＰ偏光、ＲｓはＳ偏光、とする。また、プリズムの屈折率ｎ＝１．５１６８とする。）
【表１】

【００３０】
このように、２次干渉強度は１次干渉強度の２５％以下である。同様に考えると３次干渉強度は１次干渉強度の２５％×２５％＝６．３％以下であるため、２次干渉と３次干渉がキャンセルできれば多重干渉の大部分を処理できることになる。そして２次干渉と３次干渉を求めるには、１次干渉のパラメ−タが３つであることから、２次干渉まででは５つ、３次干渉まででは７つのパラメータが必要なことになる。
【００３１】
さらに、大気の擾乱や干渉縞を検出するテレビカメラの擾乱などのノイズがあるので、これを除くために、７ステップにさらに少なくても１ステップを加える。
【００３２】
次に位相シフト法による解析の流れについて図４のフローチャートを基に説明する。
【００３３】
まず、参照平面と試料表面間距離を縞感度／８ずつ変化させながら、８枚の干渉画像をコンピュータに取り込んで周知の処理を施す（ＳＴＥＰ−１）。次に、取り込んだ８枚の干渉画像から数４の計算式に基づいて４βｓｉｎ，４βｃｏｓ画像を作成する（ＳＴＥＰ−２）。４βｓｉｎ，４βｃｏｓを２乗して加え１６β^２のコントラスト画像を算出し、閾値処理により解析領域を決定する（ＳＴＥＰ−３）。４βｓｉｎ，４βｃｏｓ画像から先述の数５の計算式に基づいて、各画素の位相を求める（ＳＴＥＰ−４）。ある点を基準にして、アンラッピング（位相の飛びを縦横につなぎ合わせる）を行う（ＳＴＥＰ−５）。位相データを高さデータに変換する（ＳＴＥＰ−６）。測定結果として表す（ＳＴＥＰ−７）
なお、上記の解析の流れについて、ＳＴＥＰ−３はＳＴＥＰ−２，ＳＴＥＰ−４，ＳＴＥＰ−５及びＳＴＥＰ−６のいずれかの段階の後におこなえばよい。
【００３４】
求められたデータはモニタ１４にて鳥瞰図や等高線図などで表示され、また、印字装置２３によって印字される。
【００３５】
以上の実施例では、テレビカメラ１２に接続されたコンピュ−タ１３により試料表面形状を解析するものとしたが、テレビカメラ１２からの８枚の干渉画像を記録媒体に記憶させ、これを前述のような解析プログラムを持つコンピュ−タに取り込んで解析するようにしても良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば位相シフト干渉法による干渉測定・解析において、多重干渉成分のうちの多くを占める２次干渉成分と３次干渉成分に影響されることなくデータを処理できるので、測定対象がその表面反射率によって限定されないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の装置の光学系の概略配置を示す図である。
【図２】実施例の装置の参照光の位相を変化させるためのプリズム移動機構の概略構成を示す図である。
【図３】実施例の装置の駆動及び制動系の概略構成を示すブロック図である。
【図４】位相シフトによる解析全体のフロ−チャ−トを示す図である。
【符号の説明】
１試料
３プリズム
４ピエゾ素子
５レーザ光源
１０スクリーン
１２テレビカメラ
１４モニタ
１５直動軸受
２２Ａ／Ｄコンバータ
２３プリンタ

Claims

試料の形状を測定解析する試料検査装置において、高精度に平面研磨された基準平面を有し前記試料を吸着する試料保持手段と、吸着された試料に干渉縞を形成する干渉縞形成手段と、参照光の位相を変化させるために参照平面と試料の測定面の光学的距離を少なくとも７段階変化させる位相変化手段と、形成された干渉縞の各画像を取り込む画像取得手段と、取り込んだ画像から解析領域を決定する解析領域決定手段と、取り込んだ画像から２次及び３次干渉成分をキャンセルし試料測定面の形状を解析する画像解析手段と、該画像解析手段による解析結果を表示する表示手段と、を有することを特徴とする試料検査装置。
請求項１の干渉縞形成手段は、斜入射型干渉光学系または垂直入射型干渉光学系を持つことを特徴とする試料検査装置。
請求項１の位相変化手段は、参照光の位相を変化させるために、参照平面と試料の測定面との間の光学的距離を任意に変化させる移動手段を有することを特徴とする試料検査装置。
請求項１の位相変化手段は、８段階の位相を変化させることを特徴とする試料検査装置。
請求項４の位相変化手段の位相差をπ／４ずつずらすことを特徴として、８回画像を取り込む画像取得手段を有することを特徴とする試料検査装置。
請求項５の画像取得手段により取り込まれた画像から、閾値処理により解析領域を決定する解析領域決定手段を有することを特徴とする試料検査装置。
請求項１の試料検査装置において、前記画像解析手段は、前記画像取得手段によって取り込まれた画像から、逆正接関数によって各点の高さ情報に起因する位相データを抽出し、その位相データをつなぎ合わせるアンラッピング（ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）及び、位相データから高さデータへの変換を行う解析手段を有することを特徴とする試料検査装置。
試料に形成された干渉縞に基づいて試料の形状を測定解析する試料検査方法において、干渉縞を形成する参照光の位相を変化させるために参照平面と前記試料の測定面の光学的距離を少なくとも７段階変化させて形成された干渉縞の各画像を取り込む段階と、取り込まれた画像を閾値処理して解析領域を決定する段階と、取り込まれた画像から２次及び３次干渉成分をキャンセルし試料測定面の形状を解析する段階と、を有することを特徴とする試料検査方法。