JP3693771B2 - 形状測定方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小物体の形状を測定、検査する形状測定方法、およびかかる方法を実施する形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計を用いて物体の形状を測定、検査する形状測定装置は、例えば、D.Malacara, “Optical Shop Testing", John Wiley and Sons, New York (1978)に示されているように、従来種々提案されている。特に、フリンジスキャンを用いた位相計測は、使用波長の１／１００以下の精度で表面凹凸を検出することが可能なことから、物体の微細表面形状の測定に広く用いられている。
【０００３】
ところで、物体表面に段差がある場合、その回折光には、段差の近傍に位相の飛び（特異点）が発生することが、例えば、C.Bouwhius,et.al., “Principles of Optical Disc Systems", Intern.Trens in Optic, Acad.Press (1991) に示されている。この大きさ無限小の特異点は、段差に限らず、物体の光学物性的不連続点（異なる二つの物質の境界または段差位置等）のごく近傍に発生することが多い。したがって、特異点の位置を高い精度で測定することにより、その発生原因となっている光学物性的不連続点を高い精度で測定することができる。
【０００４】
さらに、位相計測によれば、従来の解像限界と言われていたレーリーの限界よりも細かいものも観察できるということが、V.P.Tychinsky, “Computerized Phase Microscope for Investigation of Submicron Structure", Optics Communications, Vol.74 (1989), pp.37-40 に示されている。現在、ＩＣパターンや磁気ヘッドのヘッドギャップがますます細かくなり、従来の光学顕微鏡ではそれらの測定検査が困難なものになってきているが、位相計測がその問題解決の鍵になる可能性を示唆している。
【０００５】
図３は、従来の形状測定装置の構成を示すものである。この形状測定装置は、トワイマン・グリーンタイプの干渉計を用いたもので、レーザ光源１から平行光となって射出されたコヒーレントな照明光は、ビームエキスパンダ２により適当な径に広げられたのち、ハーフミラーよりなる干渉装置３により、観察物体４へ向かう観察光路５と、参照物体６へ向かう参照光路７とに分割される。観察物体４および参照物体６で反射された光は、観察光路５および参照光路７を引き返し、干渉装置３で合成されて干渉する。この合成された光は、対物レンズ８を通ることにより、観察物体４と参照物体６との合成像が、所定の結像位置に配置されたＣＣＤよりなる撮像装置９上に形成され、その像がコントローラ１０を経て画像表示装置１１に表示される。
【０００６】
ここで、撮像装置９の撮像面上に投影される合成像には、干渉装置３から観察物体４で反射されて再び干渉装置３まで戻る観察光路５の光路長と、干渉装置３から参照物体６で反射されて再び干渉装置３まで戻る参照光路７の光路長のと局所的な差に応じた干渉縞が発生している。したがって、コントローラ１０により位相変調器１２を駆動して、参照物体６を光軸方向に移動させ、これにより光路長差を少しずつ変化させて、干渉縞を移動させながら複数の干渉画像を撮像装置９によって取り込めば、それらの干渉画像に基づいて観察物体表面近辺の位相分布を算出することができる。なお、フリンジスキャンなどの複数の干渉画像より位相分布を算出する方法は、例えば、Catherine Creath, “PHASE-MEASUREMENT INTERFEROMETRY TECHNIQUES", Progress in Optics XXVI, Amsterdam 1988, pp.350-393、および特開平５−２３２３８４号公報に詳しく説明されている。
【０００７】
しかし、位相特異点を用いた観察物体の形状測定には、以下の問題がある。すなわち、従来は位相特異点の横位置のみを測定して、観察物体表面の光学物性的不連続点を求めるようにしているため、例えば、観察物体の表面に溝状構造体が存在した場合には、その溝状構造体の幅は測定できても、その深さは測定することができない。
【０００８】
さらに、本発明者による観察物体表面近傍における詳細かつ入念な電場解析によれば、特異点は必ずしも観察物体表面上に現れるのではなく、観察物体の形状に敏感に反応して出現する高さ位置を変化させること、そして、特異点が観察物体表面から離れた位置に出現する場合は、その特異点の横位置が必ずしも観察物体の光学物性的不連続点の横位置に一致するものではないことが判明した。このことを図４〜図７を用いて説明する。
【０００９】
図４は、本発明者が電場解析に用いた観察物体（回折格子）のモデルを示すものである。このモデルは、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）基板１５上に、２μｍの周期で、幅１．５μｍ（ｗ）、間隔（溝幅）０．５μｍ（ｗ）、厚さｔの窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）膜１６を形成したものである。ＳｉＯ2 基板１５およびＳｉ3 Ｎ4 膜１６の屈折率ｎは、それぞれｎ＝１．５およびｎ＝２とした。この観察物体に、上方から波長λ＝０．６３３μｍの平面波を垂直に入射させる。
【００１０】
図５（ａ）および（ｂ）は、図４に示した観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の厚さｔをｔ＝０．２μｍとして、真上からＮＡ＝０．９の対物レンズで見たときに、観察物体表面近傍にできる見かけの電場の位相分布の等高線を、Ｐ偏光の場合（図５（ａ））とＳ偏光の場合（図５（ｂ））とに分けて示したものである。ここで、Ｐ偏光とは、観察物体表面の格子に平行（紙面に垂直）な電場成分であり、Ｓ偏光とは、Ｐ偏光に垂直（紙面に平行）な電場成分である。
【００１１】
図５において、位相特異点は、位相分布の等高線が集中している箇所として示されており、観察物体表面の隣接するＳｉ3 Ｎ4 膜１６の間にできた溝の段差の近傍に出現している。しかし、位相特異点は、必ずしも観察物体表面と一致しておらず、観察物体表面からｈの高さ位置に出現し、しかもＰ偏光とＳ偏光とで高さｈが異なっている。さらに、位相特異点の横位置（間隔）ｓも、図５（ｂ）に示されているように、観察物体表面の段差の間隔と必ずしも一致するものではない。
【００１２】
図６（ａ）および（ｂ）は、上記観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の厚さｔを変えて、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の上面から見たときの、二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を、Ｐ偏光の場合（図６（ａ））とＳ偏光の場合（図６（ｂ））とに分けて示したものである。また、図７（ａ）および（ｂ）は、上記観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の溝幅（間隔）ｗを変えて、同様に、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の上面から見たときの、二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を、Ｐ偏光の場合（図７（ａ））とＳ偏光の場合（図７（ｂ））とに分けて示したものである。
【００１３】
図６および図７から明らかなように、位相特異点の出現する観察物体表面からの高さｈ、および位相特異点の間隔ｓとも、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の厚さｔ、および間隔ｗによって敏感に値を変える。特に、位相特異点の間隔ｓは、観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の間隔ｗと必ずしも一致するものではないことがわかる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことから、位相分布と観察物体の形状との相関が正しく把握されていなければ、位相分布の測定から観察物体の形状を正しく特定することはできないことになる。しかしながら、従来の干渉計を用いた形状測定装置にあっては、計測された位相分布をそのまま出力するようにしているため、観察物体の正しい形状を与えていたとは限らない。例えば、位相特異点を用いた光学物性的不連続点の検出においては、検出された位相特異点の横位置は、光学物性的不連続点の横位置と必ずしも一致しないため、例えば溝状構造物の幅測定に関しては、実際の値と異なる測定値を与えることになる。さらに、従来の形状測定装置にあっては、位相特異点の横位置のみを検出するようにしているため、例えば観察物体表面上にある溝状構造物の幅は測定できても、その深さは測定できない。
【００１５】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その第１の目的は、干渉計を用いて観察物体の形状測定をする場合でも、観察物体の形状を精度良く推定できる形状測定方法を提供しようとするものである。
【００１６】
さらに、この発明の第２の目的は、上記の形状測定方法を簡単な構成で実施でき、観察物体の形状を精度良く推定できるようにした形状測定装置を提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するため、この発明は、観察物体の形状情報を持つ光と参照光とを干渉させることにより、前記観察物体の形状に依存する干渉像を生成して前記観察物体の形状を推定するにあたり、
前記干渉像を直交する二つの偏光成分を用いて形成して、該干渉像によって観察される位相特異点と前記観察物体の基準点との相対位置を検出し、その相対位置に基づいて前記観察物体の形状を演算して推定することを特徴とするものである。
【００１８】
このように、この発明に係る形状測定方法においては、直交する二つの偏光成分毎の位相特異点と観察物体の基準点との相対位置を検出することができるので、上記の相対位置と観察物体の形状との相関を、あらかじめ理論的あるいは経験的に求めておけば、検出した相対位置をその相関に照らし合わせて演算することにより、観察物体の形状を精度良く推定することが可能となる。
【００２０】
この発明の好適一実施形態においては、複数の波長の光を用いるのが、観察物体の基準点を容易に検出すると共に、波長毎の位相特異点の位置を検出して観察物体の形状をより正確に推定する点で好ましい。
【００２１】
この発明の好適一実施形態では、所定の形状パラメータを用いて観察物体の形状を推定するのが、演算を容易にする点で好ましい。すなわち、所定の形状パラメータと、位相特異点および観察物体の基準点の相対位置との関数を、予想される形状パラメータの範囲内で計算あるいは経験より求めておけば、検出した位相特異点と基準点との相対位置から形状パラメータを代数的に容易に算出することができ、観察物体の形状をより正確に推定することが可能となる。
【００２２】
この発明の好適一実施形態では、形状パラメータは観察物体上の構造物の幅、高さ、および屈折率の少なくとも一つを含むようにする。ここで、構造物の幅を含む場合には、例えば、ＩＣや磁気ディスクの検査における線幅を容易に測定することが可能となり、構造物の高さを含む場合には、例えば、ＩＣ等のリードパターンの高さを容易に測定することが可能となり、構造物の屈折率を含む場合には、例えば、シリコン基板にドーピングされた不純物のドーピング量を同定することが可能となる。
【００２３】
さらに、上記第２の目的を達成するため、この発明の形状測定装置は、
光源と、
この光源から発した照明光を観察物体および参照物体にそれぞれ導く照明手段と、
前記観察物体および前記参照物体をそれぞれ透過あるいは反射した光を干渉させる干渉手段と、
この干渉手段により生成される干渉像を結像させる結像手段と、
この結像手段の光路中に配置した偏光変調手段と、
前記結像手段の焦点合わせを行う焦点調節手段と、
前記観察物体の基準点の位置を検出する観察物体位置検出手段と、
前記干渉像によって観察される位相特異点の位置を検出する特異点位置検出手段と、
前記観察物体位置検出手段で検出した前記基準点の位置と前記特異点位置検出手段で検出した前記位相特異点の位置との相対位置に基づいて前記観察物体の形状を算出する演算手段と、
を有することを特徴とするものである。
【００２４】
このように、この発明に係る形状測定装置においては、光源から発せられた照明光により、照明手段、干渉手段、偏光変調手段および結像手段によって干渉像を形成し、焦点調節手段により焦点位置を調節しながら特異点位置検出手段により位相特異点の位置を検出し、観察物体位置検出手段により観察物体の基準点の位置を検出するようにしたので、直交する二つの偏光成分毎の位相特異点と観察物体の基準点との相対位置を検出することが可能となる。したがって、これら位相特異点および基準点の相対位置に基づいて、演算手段において、あらかじめ求められた位相特異点および基準点の相対位置と観察物体の形状との相関を用いて観察物体の形状を算出することにより、観察物体の形状を精度良く推定することが可能となる。
【００２６】
この発明の好適一実施形態では、光源を、複数の波長の光を発するよう構成するのが、観察物体の基準点を容易に検出すると共に、波長毎の位相特異点の位置を検出して観察物体の形状をより正確に推定する点で好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
この発明に係る形状測定方法について、再び図４、図６および図７を用いて説明する。測定対象の観察物体が、図４に示すように、ＳｉＯ2 基板１５上に、２μｍの間隔で、幅１．５μｍ（ｗ）、膜厚ｔのＳｉ3 Ｎ4 膜１６を、間隔０．５μｍ（ｗ）で形成したもので、その厚さｔのみが不定であるとする。このような観察物体に対して、観察物体の上方から、波長λ＝０．６３３μｍの平面波を、観察物体表面に垂直に入射し、観察物体より反射した光を、真上からＮＡ＝０．９の対物レンズで結像させて位相分布を測定した場合、ＳｉＯ2 基板１５上で、膜厚ｔの隣接するＳｉ3 Ｎ4 膜１６で挟まれた、幅０．５μｍ（ｗ）、深さｔの溝の両側の段差に対応する二つの位相特異点の、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の上面からの高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓが、図６に示すように、溝の深さｔにより変化することが、計算で求まっているものとする。
【００２８】
したがって、図６の関係を用いれば、Ｓ偏光におけるｈとｓとを測定することにより、観察物体表面の溝の高さｔを求めることができる。特に、ｔ＝０．１５μｍ〜０．１７μｍにおいては、Ｓ偏光におけるｈがｔに対して敏感に変化しているので、Ｓ偏光におけるｈの測定値だけでもｔを高い精度で求めることが可能である。同様に、ｔ＝０．１３５μｍ〜０．１５μｍ、およびｔ＝０．１８μｍ〜０．２５μｍの場合でも、Ｐ偏光におけるｈの測定値だけでｔを高い精度で求めることが可能である。
【００２９】
さらに、溝の深さｔだけでなく、溝の幅ｗも不定である場合には、種々の溝の幅におけるｈとｓとの相関を、図７に示すようにあらかじめ求めておくことにより、測定対象の観察物体のｈとｓとを測定することにより、観察物体表面のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の幅ｗを求めることができる。このように、予想し得る様々なｔとｗに対するｈとｓとの関係を計算（シミュレーション）あるいは経験で求めておけば、ｈとｓとの実測値と、図６および図７に例示したような計算あるいは経験で求められたｔおよびｗに対するｈとｓとのマッチングにより、測定対象の観察物体のｔとｗとを推定することが可能となる。
【００３０】
なお、使用する光の波長が異なると、相対的にＳｉ3 Ｎ4 膜１６の間隔ｗおよび膜厚ｔが異なる場合と相似となり、図６および図７に示すｔおよびｗに対するｈとｓとの関係が全く別のものになるので、使用する光の波長毎のｔおよびｗに対するｈとｓとの関係をあらかじめ求めておけばよい。また、このように、複数の波長毎のｔおよびｗに対するｈとｓとの関係を求めておけば、複数の波長におけるｈとｓとの実測値を用いて観察物体の形状を推定することにより、より正確な推定が可能となる。
【００３１】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は、この発明を実施する形状測定装置の一実施例を示すものである。この形状測定装置は、高精度な平面ミラーよりなる参照ミラー２１と、レーザ光源２２と、レーザ光源２２から射出される直線偏光を円偏光の照明光に変換する１／４波長板２３と、この照明光の径を広げるビームエキスパンダ２４と、白色光源２５と、白色光源２５およびレーザ光源２２からの照明光を合成するダクロイックミラー２６と、合成された照明光を観察物体２７に導く観察光路と参照ミラー２１に導く参照光路とに分割すると共に、観察物体２７および参照ミラー２１でそれぞれ反射される光を再び合成して干渉させるハーフミラー２８と、観察物体２７および参照ミラー２１をそれぞれ拡大投影するために、ハーフミラー２８と観察物体２７との間およびハーフミラー２８と参照ミラー２１との間にそれぞれ配置され、それぞれの後側焦点位置が互いに共役関係にある観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０と、ダイクロイックミラー２６とハーフミラー２８との間の光路中に挿脱可能で、光路中に挿入された状態では後側焦点位置が観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０の瞳位置にほぼ一致するように配置したケーラーレンズ３１と、ハーフミラー２８によって形成される観察物体２７と参照ミラー２１との干渉像を結像する結像レンズ３２と、この結像レンズ３２の結像面に受光面を配置した、例えばＣＣＤよりなる撮像素子３３と、ハーフミラー２８と撮像素子３３との間に挿脱可能で、かつ回転可能に配置した偏光変調手段としてのアナライザ３４と、観察物体２７を保持すると共に、該観察物体２７を観察対物レンズ２９に対して焦点調節するための、例えばピエゾ素子を有する焦点調節装置３５と、参照ミラー２１を保持すると共に、参照光路のリタデーションを調節する、例えばピエゾ素子を有するリタデーション調節装置３６と、撮像素子３３、焦点調節装置３５およびリタデーション調節装置３６に電気的に接続したコントローラ３７と、このコントローラ３７に電気的に接続した演算装置３８とを有する。
【００３２】
次に、図１に示す形状測定装置の動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、ステップ５１および５２で、観察物体２７を焦点調節装置３５上にセットすると共に、アナライザ３４を選択的に回動させて位相特異点を検出する際の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）を選択する。その後、ステップ５３において、観察対物レンズ２９の焦点位置が、観察物体２７の段差表面近傍に位置するように、観察物体２７を移動させて焦点調節を行う。
【００３３】
この焦点調節においては、アナライザ３４を光路から退去させ、例えば、ケーラーレンズ３１を光路に挿入して、白色光源２５を点灯させ、その照明光（白色光）をダイクロイックミラー２６、ケーラーレンズ３１およびハーフミラー２８を経て観察対物レンズ２９の瞳位置に集光させるようにし、これにより照明光を観察物体２７に平行光で入射させて、該観察物体２７を広い範囲で照明する。なお、この場合、照明光は、参照対物レンズ３０の瞳位置にも集光して参照ミラー２１にも導かれるようになるが、この参照光路の照明光は、例えばシャッタ（図示せず）等により遮断して、ハーフミラー２８に反射光が戻らないようにしておく。
【００３４】
このようにして、白色光源２５からの照明光で観察物体２７を照明して、その像を観察対物レンズ２９、ハーフミラー２８および結像レンズ３２を経て撮像素子３３の受光面に形成し、この撮像素子３３の出力をコントローラ３７を経て図示しない画像表示装置に供給して明視野像を表示させ、この明視野像を観察しながら、焦点調節装置３５を手動で駆動して、観察対物レンズ２９の焦点位置が、観察物体２７の段差表面近傍に位置するように焦点調節する。なお、この焦点調節は、撮像素子３３の出力をコントローラ３７を経て演算装置３８に供給し、ここで焦点調節のための所要の演算を行い、その演算結果に基づいて、コントローラ３７により焦点調節装置３５を駆動して自動的に行うようにすることもできる。
【００３５】
その後、白色光源２５を消灯すると共に、アナライザ３４を光路中に挿入し、ケーラーレンズ３１を光路から退去させて、レーザ光源２２からレーザ光を射出させる。このレーザ光は、１／４波長板２３で円偏光に変換した後、ビームエキスパンダ２４で光束径の大きい平行光束に変換してダイクロイックミラー２６で反射させ、さらにハーフミラー２８で二分割して、それぞれ観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０を経て観察物体２７および参照ミラー２１の表面に集光させて、観察したい微小な領域を照明する。これら観察物体２７および参照ミラー２１で反射された照明光は、それぞれ観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０を経てハーフミラー２８で合成し、これにより形成される干渉像を結像レンズ３２を経てアナライザ３４を通すことにより、あらかじめ選択した偏光成分のコヒーレントな干渉像を撮像素子３３の受光面上に形成する。
【００３６】
次に、ステップ５４において、コントローラ３７により、リタデーション調節装置３６を駆動してフリンジスキャンを行い、その各位置での撮像素子３３の出力（干渉像）をステップ５５において演算装置３８に取り込む。その後、ステップ５６において、演算装置３８に取り込んだフリンジスキャンの各位置での干渉像に基づいて、該演算装置３８において位相パターンを算出した後、ステップ５７において、算出した位相パターンに特異点があるか否かを判定する。
【００３７】
ここで、位相特異点が検出された場合には、次に、ステップ５８において、そのときの焦点調節装置３５における位置情報ｔ１をコントローラ３７を経て演算装置３８に取り込む。これに対し、ステップ５７で位相特異点が検出されない場合には、ステップ５９において、コントローラ３７により焦点調節装置３５を駆動して観察物体２７を観察対物レンズ２９の光軸方向に微小移動させて、上記のステップ５４に戻り、位相特異点が検出されるまで繰り返す。なお、複数の異なる波長の光を用いての位相特異点の位置検出に際しては、波長毎の位相特異点の合焦位置を演算装置３８に取り込む。その後、ステップ６０においてその位相特異点の間隔ｓを演算装置３８で算出して保存する。
【００３８】
次に、ステップ６１において、レーザ光源２２をオフ、またはレーザ光を図示しないシャッタ等により遮断すると共に、白色光源２５を点灯させて光源を切り換え、ステップ６２において、ステップ５３で説明したと同様にして、観察対物レンズ２９の焦点位置が観察物体２７の段差表面近傍に位置するように焦点調節する。その後、白色光源２５からの照明光により、上述したレーザ光の場合と同様にして、観察物体２７および参照ミラー２１を照明し、それぞれの反射光をハーフミラー２８で合成して、撮像素子３３の受光面上にインコヒーレントな干渉像を形成する。なお、アナライザ３４は、光路から退去させたままとする。
【００３９】
この撮像素子３３の出力は、ステップ６３において演算装置３８に取り込む。その後、ステップ６４において、取り込んだ撮像素子３３の出力（インコヒーレントな干渉像）に基づいて、演算装置３８において干渉縞コントラストを算出する。ここで、撮像素子３３の受光面上に形成されるインコヒーレントな干渉像は、観察光路と参照光路との光路長が一致したときのみ最大の干渉縞コントラストを与えるので、次に、ステップ６５で算出した干渉縞コントラストが最大か否かを判定し、最大でない場合には、ステップ６６で、コントローラ３７により焦点調節装置３５を駆動して観察物体２７を観察対物レンズ２９の光軸方向に微小移動させて、上記のステップ６３に戻り、最大の干渉縞コントラストが得られるまで繰り返す。
【００４０】
このようにして、最大の干渉縞コントラストが得られるように、焦点調節装置３５の駆動を制御することにより、観察対物レンズ２９を観察物体２７の段差表面に精度良く合焦させることができる。上記のステップ６５において、最大の干渉縞コントラストが得られたら、次に、ステップ６７において、そのときの焦点調節装置３５における位置情報ｔ２をコントローラ３７を経て演算装置３８に取り込む。
【００４１】
以上のようにして、位相特異点の位置情報ｔ１および観察物体表面の位置情報ｔ２が得られたら、ステップ６８において、演算装置３８でそれらの差を演算して位相特異点の相対位置ｈを求める。その後、ステップ６９において、上記のステップ６０で算出した位相特異点の間隔ｓおよびステップ６８で算出した位相特異点の相対位置ｈに基づいて、演算装置３８で、あらかじめ理論的あるいは経験的に求まっているそれらの情報と、観察物体の不定な形状パラメータ、この場合は、段差の深さｔおよび段差の間隔ｗとの関係を用いて演算して、それらの形状パラメータの値ｔおよびｗを推定して、例えば図示しない画像表示装置に表示する。
【００４２】
この実施例によれば、位相特異点の間隔ｓに加え、位相特異点と観察物体２７との相対位置ｈが検出できるので、例えば、観察物体２７の表面上の溝構造物の幅を、従来の形状測定装置におけるよりも精度良く推定できるとともに、従来の形状測定装置では検出不可能であった溝構造物の深さも精度良く推定することができる。
【００４３】
また、アナライザ３４を回転させることにより、Ｐ偏光成分またはＳ偏光成分の干渉像を選択することができるので、それぞれの偏光成分による位相特異点の位置を検出することにより、観察物体２７の形状をより正確に推定することができる。
【００４４】
さらに、ケーラーレンズ３１を光路に対して挿脱可能に設けたので、これを光路に挿入することにより、照明光を観察対物レンズ２９の瞳位置に集光して、観察物体２７を広い範囲で観察することができる。したがって、図２に示したステップ５３および６２での焦点調節を容易に行うことが可能となる。
【００４５】
なお、この発明は、上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変更または変形が可能である。例えば、観察物体の基準位置については、その位置が検出し易いものを設定すれば良く、例えば、観察物体の表面にある程度広い平面が存在する場合には、その平面を基準位置として、その高さを干渉計を用いて測定したり、あるいは、観察物体の一部にマーカを付し、そのマーカを基準位置として設定することもできる。
【００４６】
また、観察物体の基準位置は、白色光を用いた干渉に限らず、複数の波長を発するレーザ光源を用いたヘテロダイン検出法により検出するようにすることもできるし、原子間力顕微鏡等のように、プローブを用いて直接検出するようにすることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る形状測定方法によれば、直交する二つの偏光成分を用いて干渉像を形成して、各干渉像によって観察される位相特異点と観察物体の基準点との相対位置を検出し、その相対位置に基づいて観察物体の形状を演算して推定するようにしたので、観察物体の形状を精度良く推定することができると共に、従来の位相特異点の横位置のみの検出による形状測定方法では不可能であった観察物体表面上における段差測定などの形状測定が可能となる。
【００４９】
また、この発明に係る形状測定装置によれば、公知の干渉計に、偏光変調手段、焦点調節手段、特異点位置検出手段、観察物体位置検出手段および演算手段を付加し、偏光変調手段による直交する二つの偏光成分毎に焦点調節手段により焦点位置を調節しながら特異点位置検出手段により位相特異点の位置を検出し、観察物体位置検出手段により観察物体の基準点の位置を検出して、偏光成分毎の位相特異点および基準点の相対位置に基づいて、演算手段により観察物体の形状を算出するようにしたので、簡単な構成で、観察物体の形状を精度良く推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る形状測定方法を実施する形状測定装置の一実施例を示す図である。
【図２】図１の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】従来の形状測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明者が電場解析に用いた観察物体のモデルを示す図である。
【図５】図４に示した観察物体の表面近傍にできる見かけの電場のＰ偏光成分とＳ偏光成分との位相分布を示す図である。
【図６】図４に示す観察物体において、Ｓｉ3 Ｎ4 膜の厚さｔを変えたときの、Ｐ偏光およびＳ偏光における二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を示す図である。
【図７】同じく、Ｓｉ3 Ｎ4 膜の溝幅ｗを変えたときの、Ｐ偏光およびＳ偏光における二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を示す図である。
【符号の説明】
２１ 参照ミラー
２２ レーザ光源
２３ １／４波長板
２４ ビームエキスパンダ
２５ 白色光源
２６ ダクロイックミラー
２７ 観察物体
２８ ハーフミラー
２９ 観察対物レンズ
３０ 参照対物レンズ
３１ ケーラーレンズ
３２ 結像レンズ
３３ 撮像素子
３４ アナライザ
３５ 焦点調節装置
３６ リタデーション調節装置
３７ コントローラ
３８ 演算装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小物体の形状を測定、検査する形状測定方法、およびかかる方法を実施する形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計を用いて物体の形状を測定、検査する形状測定装置は、例えば、D.Malacara, “Optical Shop Testing", John Wiley and Sons, New York (1978)に示されているように、従来種々提案されている。特に、フリンジスキャンを用いた位相計測は、使用波長の１／１００以下の精度で表面凹凸を検出することが可能なことから、物体の微細表面形状の測定に広く用いられている。
【０００３】
ところで、物体表面に段差がある場合、その回折光には、段差の近傍に位相の飛び（特異点）が発生することが、例えば、C.Bouwhius,et.al., “Principles of Optical Disc Systems", Intern.Trens in Optic, Acad.Press (1991) に示されている。この大きさ無限小の特異点は、段差に限らず、物体の光学物性的不連続点（異なる二つの物質の境界または段差位置等）のごく近傍に発生することが多い。したがって、特異点の位置を高い精度で測定することにより、その発生原因となっている光学物性的不連続点を高い精度で測定することができる。
【０００４】
さらに、位相計測によれば、従来の解像限界と言われていたレーリーの限界よりも細かいものも観察できるということが、V.P.Tychinsky, “Computerized Phase Microscope for Investigation of Submicron Structure", Optics Communications, Vol.74 (1989), pp.37-40 に示されている。現在、ＩＣパターンや磁気ヘッドのヘッドギャップがますます細かくなり、従来の光学顕微鏡ではそれらの測定検査が困難なものになってきているが、位相計測がその問題解決の鍵になる可能性を示唆している。
【０００５】
図３は、従来の形状測定装置の構成を示すものである。この形状測定装置は、トワイマン・グリーンタイプの干渉計を用いたもので、レーザ光源１から平行光となって射出されたコヒーレントな照明光は、ビームエキスパンダ２により適当な径に広げられたのち、ハーフミラーよりなる干渉装置３により、観察物体４へ向かう観察光路５と、参照物体６へ向かう参照光路７とに分割される。観察物体４および参照物体６で反射された光は、観察光路５および参照光路７を引き返し、干渉装置３で合成されて干渉する。この合成された光は、対物レンズ８を通ることにより、観察物体４と参照物体６との合成像が、所定の結像位置に配置されたＣＣＤよりなる撮像装置９上に形成され、その像がコントローラ１０を経て画像表示装置１１に表示される。
【０００６】
ここで、撮像装置９の撮像面上に投影される合成像には、干渉装置３から観察物体４で反射されて再び干渉装置３まで戻る観察光路５の光路長と、干渉装置３から参照物体６で反射されて再び干渉装置３まで戻る参照光路７の光路長のと局所的な差に応じた干渉縞が発生している。したがって、コントローラ１０により位相変調器１２を駆動して、参照物体６を光軸方向に移動させ、これにより光路長差を少しずつ変化させて、干渉縞を移動させながら複数の干渉画像を撮像装置９によって取り込めば、それらの干渉画像に基づいて観察物体表面近辺の位相分布を算出することができる。なお、フリンジスキャンなどの複数の干渉画像より位相分布を算出する方法は、例えば、Catherine Creath, “PHASE-MEASUREMENT INTERFEROMETRY TECHNIQUES", Progress in Optics XXVI, Amsterdam 1988, pp.350-393、および特開平５−２３２３８４号公報に詳しく説明されている。
【０００７】
しかし、位相特異点を用いた観察物体の形状測定には、以下の問題がある。すなわち、従来は位相特異点の横位置のみを測定して、観察物体表面の光学物性的不連続点を求めるようにしているため、例えば、観察物体の表面に溝状構造体が存在した場合には、その溝状構造体の幅は測定できても、その深さは測定することができない。
【０００８】
さらに、本発明者による観察物体表面近傍における詳細かつ入念な電場解析によれば、特異点は必ずしも観察物体表面上に現れるのではなく、観察物体の形状に敏感に反応して出現する高さ位置を変化させること、そして、特異点が観察物体表面から離れた位置に出現する場合は、その特異点の横位置が必ずしも観察物体の光学物性的不連続点の横位置に一致するものではないことが判明した。このことを図４〜図７を用いて説明する。
【０００９】
図４は、本発明者が電場解析に用いた観察物体（回折格子）のモデルを示すものである。このモデルは、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）基板１５上に、２μｍの周期で、幅１．５μｍ（ｗ）、間隔（溝幅）０．５μｍ（ｗ）、厚さｔの窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）膜１６を形成したものである。ＳｉＯ2 基板１５およびＳｉ3 Ｎ4 膜１６の屈折率ｎは、それぞれｎ＝１．５およびｎ＝２とした。この観察物体に、上方から波長λ＝０．６３３μｍの平面波を垂直に入射させる。
【００１０】
図５（ａ）および（ｂ）は、図４に示した観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の厚さｔをｔ＝０．２μｍとして、真上からＮＡ＝０．９の対物レンズで見たときに、観察物体表面近傍にできる見かけの電場の位相分布の等高線を、Ｐ偏光の場合（図５（ａ））とＳ偏光の場合（図５（ｂ））とに分けて示したものである。ここで、Ｐ偏光とは、観察物体表面の格子に平行（紙面に垂直）な電場成分であり、Ｓ偏光とは、Ｐ偏光に垂直（紙面に平行）な電場成分である。
【００１１】
図５において、位相特異点は、位相分布の等高線が集中している箇所として示されており、観察物体表面の隣接するＳｉ3 Ｎ4 膜１６の間にできた溝の段差の近傍に出現している。しかし、位相特異点は、必ずしも観察物体表面と一致しておらず、観察物体表面からｈの高さ位置に出現し、しかもＰ偏光とＳ偏光とで高さｈが異なっている。さらに、位相特異点の横位置（間隔）ｓも、図５（ｂ）に示されているように、観察物体表面の段差の間隔と必ずしも一致するものではない。
【００１２】
図６（ａ）および（ｂ）は、上記観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の厚さｔを変えて、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の上面から見たときの、二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を、Ｐ偏光の場合（図６（ａ））とＳ偏光の場合（図６（ｂ））とに分けて示したものである。また、図７（ａ）および（ｂ）は、上記観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の溝幅（間隔）ｗを変えて、同様に、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の上面から見たときの、二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を、Ｐ偏光の場合（図７（ａ））とＳ偏光の場合（図７（ｂ））とに分けて示したものである。
【００１３】
図６および図７から明らかなように、位相特異点の出現する観察物体表面からの高さｈ、および位相特異点の間隔ｓとも、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の厚さｔ、および間隔ｗによって敏感に値を変える。特に、位相特異点の間隔ｓは、観察物体のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の間隔ｗと必ずしも一致するものではないことがわかる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のことから、位相分布と観察物体の形状との相関が正しく把握されていなければ、位相分布の測定から観察物体の形状を正しく特定することはできないことになる。しかしながら、従来の干渉計を用いた形状測定装置にあっては、計測された位相分布をそのまま出力するようにしているため、観察物体の正しい形状を与えていたとは限らない。例えば、位相特異点を用いた光学物性的不連続点の検出においては、検出された位相特異点の横位置は、光学物性的不連続点の横位置と必ずしも一致しないため、例えば溝状構造物の幅測定に関しては、実際の値と異なる測定値を与えることになる。さらに、従来の形状測定装置にあっては、位相特異点の横位置のみを検出するようにしているため、例えば観察物体表面上にある溝状構造物の幅は測定できても、その深さは測定できない。
【００１５】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その第１の目的は、干渉計を用いて観察物体の形状測定をする場合でも、観察物体の形状を精度良く推定できる形状測定方法を提供しようとするものである。
【００１６】
さらに、この発明の第２の目的は、上記の形状測定方法を簡単な構成で実施でき、観察物体の形状を精度良く推定できるようにした形状測定装置を提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するため、この発明は、観察物体の形状情報を持つ光と参照光とを干渉させることにより、前記観察物体の形状に依存する干渉像を生成して前記観察物体の形状を推定するにあたり、
前記干渉像を直交する二つの偏光成分を用いて形成して、該干渉像によって観察される位相特異点と前記観察物体の基準点との相対位置を検出し、その相対位置に基づいて前記観察物体の形状を演算して推定することを特徴とするものである。
【００１８】
このように、この発明に係る形状測定方法においては、直交する二つの偏光成分毎の位相特異点と観察物体の基準点との相対位置を検出することができるので、上記の相対位置と観察物体の形状との相関を、あらかじめ理論的あるいは経験的に求めておけば、検出した相対位置をその相関に照らし合わせて演算することにより、観察物体の形状を精度良く推定することが可能となる。
【００２０】
この発明の好適一実施形態においては、複数の波長の光を用いるのが、観察物体の基準点を容易に検出すると共に、波長毎の位相特異点の位置を検出して観察物体の形状をより正確に推定する点で好ましい。
【００２１】
この発明の好適一実施形態では、所定の形状パラメータを用いて観察物体の形状を推定するのが、演算を容易にする点で好ましい。すなわち、所定の形状パラメータと、位相特異点および観察物体の基準点の相対位置との関数を、予想される形状パラメータの範囲内で計算あるいは経験より求めておけば、検出した位相特異点と基準点との相対位置から形状パラメータを代数的に容易に算出することができ、観察物体の形状をより正確に推定することが可能となる。
【００２２】
この発明の好適一実施形態では、形状パラメータは観察物体上の構造物の幅、高さ、および屈折率の少なくとも一つを含むようにする。ここで、構造物の幅を含む場合には、例えば、ＩＣや磁気ディスクの検査における線幅を容易に測定することが可能となり、構造物の高さを含む場合には、例えば、ＩＣ等のリードパターンの高さを容易に測定することが可能となり、構造物の屈折率を含む場合には、例えば、シリコン基板にドーピングされた不純物のドーピング量を同定することが可能となる。
【００２３】
さらに、上記第２の目的を達成するため、この発明の形状測定装置は、
光源と、
この光源から発した照明光を観察物体および参照物体にそれぞれ導く照明手段と、
前記観察物体および前記参照物体をそれぞれ透過あるいは反射した光を干渉させる干渉手段と、
この干渉手段により生成される干渉像を結像させる結像手段と、
この結像手段の光路中に配置した偏光変調手段と、
前記結像手段の焦点合わせを行う焦点調節手段と、
前記観察物体の基準点の位置を検出する観察物体位置検出手段と、
前記干渉像によって観察される位相特異点の位置を検出する特異点位置検出手段と、
前記観察物体位置検出手段で検出した前記基準点の位置と前記特異点位置検出手段で検出した前記位相特異点の位置との相対位置に基づいて前記観察物体の形状を算出する演算手段と、
を有することを特徴とするものである。
【００２４】
このように、この発明に係る形状測定装置においては、光源から発せられた照明光により、照明手段、干渉手段、偏光変調手段および結像手段によって干渉像を形成し、焦点調節手段により焦点位置を調節しながら特異点位置検出手段により位相特異点の位置を検出し、観察物体位置検出手段により観察物体の基準点の位置を検出するようにしたので、直交する二つの偏光成分毎の位相特異点と観察物体の基準点との相対位置を検出することが可能となる。したがって、これら位相特異点および基準点の相対位置に基づいて、演算手段において、あらかじめ求められた位相特異点および基準点の相対位置と観察物体の形状との相関を用いて観察物体の形状を算出することにより、観察物体の形状を精度良く推定することが可能となる。
【００２６】
この発明の好適一実施形態では、光源を、複数の波長の光を発するよう構成するのが、観察物体の基準点を容易に検出すると共に、波長毎の位相特異点の位置を検出して観察物体の形状をより正確に推定する点で好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
この発明に係る形状測定方法について、再び図４、図６および図７を用いて説明する。測定対象の観察物体が、図４に示すように、ＳｉＯ2 基板１５上に、２μｍの間隔で、幅１．５μｍ（ｗ）、膜厚ｔのＳｉ3 Ｎ4 膜１６を、間隔０．５μｍ（ｗ）で形成したもので、その厚さｔのみが不定であるとする。このような観察物体に対して、観察物体の上方から、波長λ＝０．６３３μｍの平面波を、観察物体表面に垂直に入射し、観察物体より反射した光を、真上からＮＡ＝０．９の対物レンズで結像させて位相分布を測定した場合、ＳｉＯ2 基板１５上で、膜厚ｔの隣接するＳｉ3 Ｎ4 膜１６で挟まれた、幅０．５μｍ（ｗ）、深さｔの溝の両側の段差に対応する二つの位相特異点の、Ｓｉ3 Ｎ4 膜１６の上面からの高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓが、図６に示すように、溝の深さｔにより変化することが、計算で求まっているものとする。
【００２８】
したがって、図６の関係を用いれば、Ｓ偏光におけるｈとｓとを測定することにより、観察物体表面の溝の高さｔを求めることができる。特に、ｔ＝０．１５μｍ〜０．１７μｍにおいては、Ｓ偏光におけるｈがｔに対して敏感に変化しているので、Ｓ偏光におけるｈの測定値だけでもｔを高い精度で求めることが可能である。同様に、ｔ＝０．１３５μｍ〜０．１５μｍ、およびｔ＝０．１８μｍ〜０．２５μｍの場合でも、Ｐ偏光におけるｈの測定値だけでｔを高い精度で求めることが可能である。
【００２９】
さらに、溝の深さｔだけでなく、溝の幅ｗも不定である場合には、種々の溝の幅におけるｈとｓとの相関を、図７に示すようにあらかじめ求めておくことにより、測定対象の観察物体のｈとｓとを測定することにより、観察物体表面のＳｉ3 Ｎ4 膜１６の幅ｗを求めることができる。このように、予想し得る様々なｔとｗに対するｈとｓとの関係を計算（シミュレーション）あるいは経験で求めておけば、ｈとｓとの実測値と、図６および図７に例示したような計算あるいは経験で求められたｔおよびｗに対するｈとｓとのマッチングにより、測定対象の観察物体のｔとｗとを推定することが可能となる。
【００３０】
なお、使用する光の波長が異なると、相対的にＳｉ3 Ｎ4 膜１６の間隔ｗおよび膜厚ｔが異なる場合と相似となり、図６および図７に示すｔおよびｗに対するｈとｓとの関係が全く別のものになるので、使用する光の波長毎のｔおよびｗに対するｈとｓとの関係をあらかじめ求めておけばよい。また、このように、複数の波長毎のｔおよびｗに対するｈとｓとの関係を求めておけば、複数の波長におけるｈとｓとの実測値を用いて観察物体の形状を推定することにより、より正確な推定が可能となる。
【００３１】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は、この発明を実施する形状測定装置の一実施例を示すものである。この形状測定装置は、高精度な平面ミラーよりなる参照ミラー２１と、レーザ光源２２と、レーザ光源２２から射出される直線偏光を円偏光の照明光に変換する１／４波長板２３と、この照明光の径を広げるビームエキスパンダ２４と、白色光源２５と、白色光源２５およびレーザ光源２２からの照明光を合成するダクロイックミラー２６と、合成された照明光を観察物体２７に導く観察光路と参照ミラー２１に導く参照光路とに分割すると共に、観察物体２７および参照ミラー２１でそれぞれ反射される光を再び合成して干渉させるハーフミラー２８と、観察物体２７および参照ミラー２１をそれぞれ拡大投影するために、ハーフミラー２８と観察物体２７との間およびハーフミラー２８と参照ミラー２１との間にそれぞれ配置され、それぞれの後側焦点位置が互いに共役関係にある観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０と、ダイクロイックミラー２６とハーフミラー２８との間の光路中に挿脱可能で、光路中に挿入された状態では後側焦点位置が観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０の瞳位置にほぼ一致するように配置したケーラーレンズ３１と、ハーフミラー２８によって形成される観察物体２７と参照ミラー２１との干渉像を結像する結像レンズ３２と、この結像レンズ３２の結像面に受光面を配置した、例えばＣＣＤよりなる撮像素子３３と、ハーフミラー２８と撮像素子３３との間に挿脱可能で、かつ回転可能に配置した偏光変調手段としてのアナライザ３４と、観察物体２７を保持すると共に、該観察物体２７を観察対物レンズ２９に対して焦点調節するための、例えばピエゾ素子を有する焦点調節装置３５と、参照ミラー２１を保持すると共に、参照光路のリタデーションを調節する、例えばピエゾ素子を有するリタデーション調節装置３６と、撮像素子３３、焦点調節装置３５およびリタデーション調節装置３６に電気的に接続したコントローラ３７と、このコントローラ３７に電気的に接続した演算装置３８とを有する。
【００３２】
次に、図１に示す形状測定装置の動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、ステップ５１および５２で、観察物体２７を焦点調節装置３５上にセットすると共に、アナライザ３４を選択的に回動させて位相特異点を検出する際の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）を選択する。その後、ステップ５３において、観察対物レンズ２９の焦点位置が、観察物体２７の段差表面近傍に位置するように、観察物体２７を移動させて焦点調節を行う。
【００３３】
この焦点調節においては、アナライザ３４を光路から退去させ、例えば、ケーラーレンズ３１を光路に挿入して、白色光源２５を点灯させ、その照明光（白色光）をダイクロイックミラー２６、ケーラーレンズ３１およびハーフミラー２８を経て観察対物レンズ２９の瞳位置に集光させるようにし、これにより照明光を観察物体２７に平行光で入射させて、該観察物体２７を広い範囲で照明する。なお、この場合、照明光は、参照対物レンズ３０の瞳位置にも集光して参照ミラー２１にも導かれるようになるが、この参照光路の照明光は、例えばシャッタ（図示せず）等により遮断して、ハーフミラー２８に反射光が戻らないようにしておく。
【００３４】
このようにして、白色光源２５からの照明光で観察物体２７を照明して、その像を観察対物レンズ２９、ハーフミラー２８および結像レンズ３２を経て撮像素子３３の受光面に形成し、この撮像素子３３の出力をコントローラ３７を経て図示しない画像表示装置に供給して明視野像を表示させ、この明視野像を観察しながら、焦点調節装置３５を手動で駆動して、観察対物レンズ２９の焦点位置が、観察物体２７の段差表面近傍に位置するように焦点調節する。なお、この焦点調節は、撮像素子３３の出力をコントローラ３７を経て演算装置３８に供給し、ここで焦点調節のための所要の演算を行い、その演算結果に基づいて、コントローラ３７により焦点調節装置３５を駆動して自動的に行うようにすることもできる。
【００３５】
その後、白色光源２５を消灯すると共に、アナライザ３４を光路中に挿入し、ケーラーレンズ３１を光路から退去させて、レーザ光源２２からレーザ光を射出させる。このレーザ光は、１／４波長板２３で円偏光に変換した後、ビームエキスパンダ２４で光束径の大きい平行光束に変換してダイクロイックミラー２６で反射させ、さらにハーフミラー２８で二分割して、それぞれ観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０を経て観察物体２７および参照ミラー２１の表面に集光させて、観察したい微小な領域を照明する。これら観察物体２７および参照ミラー２１で反射された照明光は、それぞれ観察対物レンズ２９および参照対物レンズ３０を経てハーフミラー２８で合成し、これにより形成される干渉像を結像レンズ３２を経てアナライザ３４を通すことにより、あらかじめ選択した偏光成分のコヒーレントな干渉像を撮像素子３３の受光面上に形成する。
【００３６】
次に、ステップ５４において、コントローラ３７により、リタデーション調節装置３６を駆動してフリンジスキャンを行い、その各位置での撮像素子３３の出力（干渉像）をステップ５５において演算装置３８に取り込む。その後、ステップ５６において、演算装置３８に取り込んだフリンジスキャンの各位置での干渉像に基づいて、該演算装置３８において位相パターンを算出した後、ステップ５７において、算出した位相パターンに特異点があるか否かを判定する。
【００３７】
ここで、位相特異点が検出された場合には、次に、ステップ５８において、そのときの焦点調節装置３５における位置情報ｔ１をコントローラ３７を経て演算装置３８に取り込む。これに対し、ステップ５７で位相特異点が検出されない場合には、ステップ５９において、コントローラ３７により焦点調節装置３５を駆動して観察物体２７を観察対物レンズ２９の光軸方向に微小移動させて、上記のステップ５４に戻り、位相特異点が検出されるまで繰り返す。なお、複数の異なる波長の光を用いての位相特異点の位置検出に際しては、波長毎の位相特異点の合焦位置を演算装置３８に取り込む。その後、ステップ６０においてその位相特異点の間隔ｓを演算装置３８で算出して保存する。
【００３８】
次に、ステップ６１において、レーザ光源２２をオフ、またはレーザ光を図示しないシャッタ等により遮断すると共に、白色光源２５を点灯させて光源を切り換え、ステップ６２において、ステップ５３で説明したと同様にして、観察対物レンズ２９の焦点位置が観察物体２７の段差表面近傍に位置するように焦点調節する。その後、白色光源２５からの照明光により、上述したレーザ光の場合と同様にして、観察物体２７および参照ミラー２１を照明し、それぞれの反射光をハーフミラー２８で合成して、撮像素子３３の受光面上にインコヒーレントな干渉像を形成する。なお、アナライザ３４は、光路から退去させたままとする。
【００３９】
この撮像素子３３の出力は、ステップ６３において演算装置３８に取り込む。その後、ステップ６４において、取り込んだ撮像素子３３の出力（インコヒーレントな干渉像）に基づいて、演算装置３８において干渉縞コントラストを算出する。ここで、撮像素子３３の受光面上に形成されるインコヒーレントな干渉像は、観察光路と参照光路との光路長が一致したときのみ最大の干渉縞コントラストを与えるので、次に、ステップ６５で算出した干渉縞コントラストが最大か否かを判定し、最大でない場合には、ステップ６６で、コントローラ３７により焦点調節装置３５を駆動して観察物体２７を観察対物レンズ２９の光軸方向に微小移動させて、上記のステップ６３に戻り、最大の干渉縞コントラストが得られるまで繰り返す。
【００４０】
このようにして、最大の干渉縞コントラストが得られるように、焦点調節装置３５の駆動を制御することにより、観察対物レンズ２９を観察物体２７の段差表面に精度良く合焦させることができる。上記のステップ６５において、最大の干渉縞コントラストが得られたら、次に、ステップ６７において、そのときの焦点調節装置３５における位置情報ｔ２をコントローラ３７を経て演算装置３８に取り込む。
【００４１】
以上のようにして、位相特異点の位置情報ｔ１および観察物体表面の位置情報ｔ２が得られたら、ステップ６８において、演算装置３８でそれらの差を演算して位相特異点の相対位置ｈを求める。その後、ステップ６９において、上記のステップ６０で算出した位相特異点の間隔ｓおよびステップ６８で算出した位相特異点の相対位置ｈに基づいて、演算装置３８で、あらかじめ理論的あるいは経験的に求まっているそれらの情報と、観察物体の不定な形状パラメータ、この場合は、段差の深さｔおよび段差の間隔ｗとの関係を用いて演算して、それらの形状パラメータの値ｔおよびｗを推定して、例えば図示しない画像表示装置に表示する。
【００４２】
この実施例によれば、位相特異点の間隔ｓに加え、位相特異点と観察物体２７との相対位置ｈが検出できるので、例えば、観察物体２７の表面上の溝構造物の幅を、従来の形状測定装置におけるよりも精度良く推定できるとともに、従来の形状測定装置では検出不可能であった溝構造物の深さも精度良く推定することができる。
【００４３】
また、アナライザ３４を回転させることにより、Ｐ偏光成分またはＳ偏光成分の干渉像を選択することができるので、それぞれの偏光成分による位相特異点の位置を検出することにより、観察物体２７の形状をより正確に推定することができる。
【００４４】
さらに、ケーラーレンズ３１を光路に対して挿脱可能に設けたので、これを光路に挿入することにより、照明光を観察対物レンズ２９の瞳位置に集光して、観察物体２７を広い範囲で観察することができる。したがって、図２に示したステップ５３および６２での焦点調節を容易に行うことが可能となる。
【００４５】
なお、この発明は、上述した実施例にのみ限定されるものではなく、幾多の変更または変形が可能である。例えば、観察物体の基準位置については、その位置が検出し易いものを設定すれば良く、例えば、観察物体の表面にある程度広い平面が存在する場合には、その平面を基準位置として、その高さを干渉計を用いて測定したり、あるいは、観察物体の一部にマーカを付し、そのマーカを基準位置として設定することもできる。
【００４６】
また、観察物体の基準位置は、白色光を用いた干渉に限らず、複数の波長を発するレーザ光源を用いたヘテロダイン検出法により検出するようにすることもできるし、原子間力顕微鏡等のように、プローブを用いて直接検出するようにすることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る形状測定方法によれば、直交する二つの偏光成分を用いて干渉像を形成して、各干渉像によって観察される位相特異点と観察物体の基準点との相対位置を検出し、その相対位置に基づいて観察物体の形状を演算して推定するようにしたので、観察物体の形状を精度良く推定することができると共に、従来の位相特異点の横位置のみの検出による形状測定方法では不可能であった観察物体表面上における段差測定などの形状測定が可能となる。
【００４９】
また、この発明に係る形状測定装置によれば、公知の干渉計に、偏光変調手段、焦点調節手段、特異点位置検出手段、観察物体位置検出手段および演算手段を付加し、偏光変調手段による直交する二つの偏光成分毎に焦点調節手段により焦点位置を調節しながら特異点位置検出手段により位相特異点の位置を検出し、観察物体位置検出手段により観察物体の基準点の位置を検出して、偏光成分毎の位相特異点および基準点の相対位置に基づいて、演算手段により観察物体の形状を算出するようにしたので、簡単な構成で、観察物体の形状を精度良く推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る形状測定方法を実施する形状測定装置の一実施例を示す図である。
【図２】図１の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】従来の形状測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明者が電場解析に用いた観察物体のモデルを示す図である。
【図５】図４に示した観察物体の表面近傍にできる見かけの電場のＰ偏光成分とＳ偏光成分との位相分布を示す図である。
【図６】図４に示す観察物体において、Ｓｉ3 Ｎ4 膜の厚さｔを変えたときの、Ｐ偏光およびＳ偏光における二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を示す図である。
【図７】同じく、Ｓｉ3 Ｎ4 膜の溝幅ｗを変えたときの、Ｐ偏光およびＳ偏光における二つの位相特異点の出現する高さｈ、およびその二つの位相特異点の間隔ｓの関係を示す図である。
【符号の説明】
２１ 参照ミラー
２２ レーザ光源
２３ １／４波長板
２４ ビームエキスパンダ
２５ 白色光源
２６ ダクロイックミラー
２７ 観察物体
２８ ハーフミラー
２９ 観察対物レンズ
３０ 参照対物レンズ
３１ ケーラーレンズ
３２ 結像レンズ
３３ 撮像素子
３４ アナライザ
３５ 焦点調節装置
３６ リタデーション調節装置
３７ コントローラ
３８ 演算装置
Claims (6)
- 観察物体の形状情報を持つ光と参照光とを干渉させることにより、前記観察物体の形状に依存する干渉像を生成して前記観察物体の形状を推定するにあたり、
前記干渉像を直交する二つの偏光成分を用いてそれぞれ形成して、各干渉像によって観察される位相特異点と前記観察物体の基準点との相対位置を検出し、その相対位置に基づいて前記観察物体の形状を演算して推定することを特徴とする形状測定方法。 - 請求項１記載の形状測定方法において、
前記観察物体の形状情報を持つ光および前記参照光として、複数の波長の光を用いることを特徴とする形状測定方法。 - 請求項１または２記載の形状測定方法において、
前記観察物体の形状を、所定の形状パラメータを用いて推定することを特徴とする形状測定方法。 - 請求項３記載の形状測定方法において、
前記パラメータは、前記観察物体上の構造物の幅、高さ、および屈折率の少なくとも一つを含むことを特徴とする形状測定方法。 - 光源と、
この光源から発した照明光を観察物体および参照物体にそれぞれ導く照明手段と、
前記観察物体および前記参照物体をそれぞれ透過あるいは反射した光を干渉させる干渉手段と、
この干渉手段により生成される干渉像を結像させる結像手段と、
この結像手段の光路中に配置した偏光変調手段と、
前記結像手段の焦点合わせを行う焦点調節手段と、
前記観察物体の基準点の位置を検出する観察物体位置検出手段と、
前記干渉像によって観察される位相特異点の位置を検出する特異点位置検出手段と、
前記観察物体位置検出手段で検出した前記基準点の位置と前記特異点位置検出手段で検出した前記位相特異点の位置との相対位置に基づいて前記観察物体の形状を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする形状測定装置。 - 請求項５記載の形状測定装置において、
前記光源を、複数の波長の光を発するよう構成したことを特徴とする形状測定装置。
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