JP4908273B2

JP4908273B2 - 表面形状計測装置及び表面形状計測方法

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Publication number: JP4908273B2
Application number: JP2007066072A
Authority: JP
Inventors: 貴史布施; 博之 ▲塚▼原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: JP2008224568A

Description

本発明は、表面形状計測装置及び表面形状計測方法に関し、特に、干渉を利用して対象の微小高さを求めて、該対象の表面形状を計測する表面形状計測装置及び表面形状計測方法に関する。

近年、電子機器の小型化に伴い、原料に使われる電子部品や材料の形状やサイズは多様化、微細化している。また、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System ）に代表されるデバイスでは、ミクロンオーダの凹凸構造とナノメートルオーダの微細表面形状が混在している。こうした状況から、サブミクロンから数百ミクロンの高低差を持つ表面形状を、ナノメートルオーダの計測精度で精密に行う必要が生じている。

測定対象の表面形状を測定する従来技術に、低コヒーレンス干渉法がある。図８は、干渉計を使ってサブミクロンから数百ミクロンの高低差を持つ表面形状を測定する低コヒーレンス干渉光学系を示す図である。低コヒーレンス干渉法は、試料台１の上に載った測定対象２を白色光源のような低コヒーレンス光源３が発光した照明光で照明し、ｚ方向に微小に動かしながら干渉対物レンズ４により干渉縞を発生させ、干渉縞をカメラ５により撮像し、該撮像された干渉縞画像を分析して、測定対象の高さを算出する。図８中の６はカメラによる撮像処理を制御するカメラコントローラ、７は干渉対物レンズ４に取り付けられたｚステージ４１を駆動するｚステージコントローラである。

干渉対物レンズ４は、上記ｚステージ４１と、ハーフミラー４２と、参照ミラー４３とを備える。参照ミラー４３は、参照面である。ｚステージ４１は干渉対物レンズ４に取り付けられたステージである。ハーフミラー４２は、低コヒーレンス光源３によって発生した照明光を測定対象の表面の方向と参照ミラーの方向とに分ける。照明光は、測定対象２の表面と参照ミラー４３とにおいて反射する。また、ハーフミラー４２は、測定対象２からの反射光と参照ミラー４３からの反射光とを同一の経路にまとめる。このとき、参照ミラー４３とハーフミラー４２との間の光の経路（参照光路）と測定対象２とハーフミラー４２との間の光の経路（対象光路）との距離の差（光路長差）に応じて上述した干渉縞が発生する。すなわち、干渉対物レンズ４は、発生した照明光を参照ミラー４３と測定対象２の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させる干渉縞発生手段である。

図８に示す例では、干渉対物レンズ４を高さ方向（ｚ方向）に移動させているが、測定対象２をｚ方向に移動させても良い。低コヒーレンス干渉法を用いると、白色光の短い可干渉距離（数μｍ）を利用して、長レンジの対象高さをナノメートルレベルで高精度に測定することができる。

従来の低コヒーレンス干渉法の測定原理を説明する。測定対象２の高さの測定は、ｚ方向にある一定の走査速度で干渉対物レンズ４を動かしながら、カメラ５の撮像素子によって、所定の取り込み間隔（又は該取り込み間隔の逆数であるフレームレート）で干渉縞を撮像し、該撮像された干渉縞の画像に基づいて得られるインターフェログラムから包絡線を求め、参照光路と対象光路との間の光路長差がゼロの位置（一般には干渉強度変化が最大となるピーク位置）を干渉画像内の各点について見つけることにより行う。

このインターフェログラムを精度良く得るためには、一般には撮像素子のフレームレートにより決まる標本点間隔が、光源により決まるナイキスト間隔以下である必要がある。可視光を使った場合は、この標本点間隔が数十ｎｍとなるのが一般的である。

なお、従来の具体的な表面形状測定技術として、下記の特許文献１に、試料が照明光学系の光軸に対して垂直な方向に移動している状態で白色干渉測定を行う３次元形状測定装置に関して記載されている。
特開２０００−３１０５１８号公報

図９（Ａ）は、ｚ方向の走査速度ｃ＝１μｍ／ｓｅｃ、露光時間ｔ＝１ｍｓの場合の露光中の（干渉縞の画像の撮像時の）測定対象２又はｚステージ４１の移動による対象光路の変動量を示す図である。図９（Ａ）中のｙ＝ｃｘ＋ｄ（ｘは時間）という式で示される直線は、測定対象２又はｚステージ４１を対象光路の光軸方向に移動させるための駆動信号を示す。参照ミラー４３を参照光路の光軸に沿った方向に移動させない場合、対象光路の変動量は、露光中の対象光路と参照光路との間の光路長差の変動量である。また、１００は、上記駆動信号を同期させるための同期信号である。同期信号は、カメラ５が干渉対物レンズ４によって発生した干渉縞の画像を撮像するときの取り込み動作を規定する信号である。該同期信号の周期によって、フレームレートが決まる。

図９（Ａ）に示すように、走査速度ｃ＝１μｍ／ｓｅｃ、露光時間ｔ＝１ｍｓのときの対象光路の変動量Δ₁として、例えば１ｎｍが算出される。ｚ方向の走査速度ｃ＝１μｍ／ｓｅｃ、露光時間ｔ＝１ｍｓの場合に得られるインターフェログラムが、図９（Ｂ）に示される。図９（Ｂ）中に示すインターフェログラムの縦軸は光干渉強度、横軸は変位（ハーフミラー４２に対する測定対象２の相対的位置）である。該インターフェログラムから包絡線を求め、干渉強度変化が最大となるピーク位置に対応する変位を決定することによって、測定対象２の高さが算出される。

上記算出される対象光路の変動量Δ₁が１ｎｍであるときは、ナノメータレベルの干渉計測は十分行うことができる。しかし、ｚ方向の走査速度ｃ＝１μｍ／ｓｅｃという条件の場合、例えば１００μｍの高さレンジを持つ対象を計測するときには、走査時間（≒撮像時間）だけで１００ｓｅｃかかることになる。そのため、干渉縞の画像取得時の干渉計への外乱の影響を小さくする観点からも、撮像時間の高速化が必要となる。

撮像時間の高速化には、１０〜１００μｍ／ｓｅｃ程度の走査速度を持つ垂直ステージが一般に用いられる。また、高速のフレームレートと短い露光時間を実現できる撮像素子が必要となる。

例えば、ｚ方向の走査速度ｃ＝１００μｍ／ｓｅｃ、露光時間ｔ＝１ｍｓの場合、図１０（Ａ）中に示すように、算出される露光中の対象光路の変動量Δ₂は、１００ｎｍである。反射測定の場合、露光中の対象光路の変動量が光源波長の１／４になると、干渉縞コントラスト（干渉強度のコントラスト）が０になり干渉測定ができなくなる。

例えば、低コヒーレンス光源３として中心波長が約５５０ｎｍの白色光源を用いた場合、露光中の光軸方向への１００ｎｍの移動は、干渉縞コントラストを極端に悪化させ高さ算出誤差を大きくする要因となる。

ｚ方向の走査速度ｃ＝１００μｍ／ｓｅｃ、露光時間ｔ＝１ｍｓの場合に得られるインターフェログラムを示す図１０（Ｂ）を参照すると、前述した図９（Ｂ）に示すインターフェログラムと比べて、干渉縞コントラストが悪化しており、測定対象２の高さを精度良く決定できないことがわかる。干渉縞コントラストの悪化の問題を解決するためには、垂直方向（測定対象２の高さ方向）の走査スピードを速くするに従って干渉縞の撮像露光時間を短くする必要があるが、その場合、露光時間に比例して対象からの反射光量が小さくなり、Ｓ／Ｎが悪くなるという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、露光中の対象光路と参照光路との間の光路長差の変動量を抑制して、測定対象の高さ方向への走査速度にかかわらず安定した干渉像の撮像を可能とし、精度良く測定対象の表面形状を計測する表面形状計測装置及び表面形状計測方法の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の表面形状計測装置は、表面形状計測装置であって、低コヒーレンスの光を発生する光源と、前記発生した光を参照面と測定対象の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させる干渉縞発生手段と、上記発生した干渉縞を所定のフレームレートで撮像する撮像手段と、前記干渉縞発生手段を対象光路の光軸に沿った方向に駆動する第１の駆動手段と、前記参照面又は前記測定対象を駆動させる第２の駆動手段と、前記撮像手段によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象の表面の高さを算出する分析手段と、前記干渉縞発生手段の駆動による前記対象光路と参照光路との間の光路長差の前記干渉縞の撮像時の変動量が所定の値以下になるような、前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号を生成し、該駆動信号を前記第２の駆動手段に与えて前記参照面又は前記測定対象を駆動させる制御手段とを備える。

好ましくは、本発明の表面形状計測装置において、前記制御手段が、前記第１の駆動手段が前記干渉縞発生手段を駆動する際の駆動信号と前記撮像手段が干渉縞を撮像する際のフレームレートとに基づいて決まる振幅を持つ正弦波を前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号として生成する。

好ましくは、本発明の表面形状計測装置において、前記干渉縞発生手段と前記反射面との間に、前記測定対象からの反射光と前記反射面からの反射光との光量比を調整する光量調整手段を設ける。

また、本発明の表面形状計測方法は、表面形状計測装置による表面形状計測方法であって、前記表面形状計測装置が備える干渉縞発生手段が、低コヒーレンスの光を発生する光源から発生した光を参照面と測定対象の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させ、前記表面形状計測装置が備える撮像手段が、上記発生した干渉縞を所定のフレームレートで撮像し、前記干渉縞発生手段を対象光路の光軸に沿った方向に駆動し、前記干渉縞発生手段の駆動による前記対象光路と参照光路との間の光路長差の前記干渉縞の撮像時の変動量が所定の値以下になるような、前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号を生成し、該駆動信号によって前記参照面又は前記測定対象を駆動させ、前記撮像手段によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象の表面の高さを算出する。

好ましくは、本発明の表面形状計測方法において、前記干渉縞発生手段を駆動する際の駆動信号と前記撮像手段が干渉縞を撮像する際のフレームレートとに基づいて決まる振幅を持つ正弦波を前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号として生成する。

好ましくは、本発明の表面形状計測方法において、前記干渉縞発生手段と前記反射面との間に設けられた光量調整手段が、前記測定対象からの反射光と前記反射面からの反射光との光量比を調整する。

本発明の表面形状計測装置は、干渉縞発生手段の駆動による対象光路と参照光路との間の光路長差の干渉縞の撮像時の変動量が所定の値以下になるような、参照面又は測定対象を駆動させるための駆動信号を生成し、該駆動信号を用いて、参照面又は測定対象を駆動させる。従って、本発明によれば、露光中の対象光路と参照光路との間の光路長差の変動量を抑制して、測定対象の高さ方向への走査速度にかかわらず安定した干渉像の撮像を可能とし、精度良く測定対象の表面形状を計測することが可能となる。その結果、例えばミクロンオーダの凹凸構造とナノメートルオーダの微細表面形状が混在している電子材料の表面形状を高速に精度良く計測することができる。

また、本発明の表面形状計測装置は、干渉縞発生手段を駆動する際の駆動信号と撮像手段が干渉縞を撮像する際のフレームレートとに基づいて決まる振幅を持つ正弦波を上記参照面又は上記測定対象を駆動させるための駆動信号として生成する。上記正弦波を上記駆動信号して用いることにより、参照面又は測定対象を駆動させる際の駆動素子への負荷を抑えることができる。

また、本発明の表面形状計測装置においては、対象光路と参照光路との間に、測定対象からの反射光と反射面からの反射光との光量比を調整する光量調整手段が設けられている。従って、本発明によれば、測定対象からの反射光と反射面からの反射光との光量比を適切な比率とすることにより、上記干渉縞発生手段と測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度のコントラストの悪化を防止して、測定対象の表面高さ算出の精度の低下を防ぐことができる。

図１は、本発明の表面形状計測装置の構成の一例を示す図である。本発明の表面形状計測装置は、試料台１、低コヒーレンス光源３、干渉対物レンズ４、カメラ５、カメラコントローラ６、ｚステージコントローラ７、参照ミラーコントローラ８、駆動信号発生回路９、制御部１０を備える。また、干渉対物レンズ４は、ｚステージ４１、ハーフミラー４２、参照ミラー４３を備える。２は測定対象である。図１に示す表面形状測定装置の構成要素のうち、前述した図８に示す低コヒーレンス干渉光学系の構成要素と同符号のものは、図８に示す低コヒーレンス干渉光学系の構成要素と同様であるので、詳細な説明は省略する。

参照ミラーコントローラ８は、駆動信号発生回路９から与えられた参照ミラー駆動信号に基づいて、参照ミラー４３を参照光路の光軸に沿った方向に移動させる。参照ミラー駆動信号は、参照ミラー４３を参照光路の光軸に沿った方向に移動させる信号であって、後述する同期信号と同期する駆動信号である。

駆動信号発生回路９は、制御部１０から与えられるｚステージ駆動信号と同期信号と露光時間とに基づいて、参照光路と対象光路との間の光路長差の露光中の（干渉縞の画像の撮像時の）変動量が所定の閾値（例えば、必要高さ分解能）以下になるような、上記同期信号と同期する参照ミラー駆動信号を作成して、作成された参照ミラー駆動信号を参照ミラーコントローラ８に与える。ｚステージ駆動信号は、ｚステージコントローラ７に与えられる駆動信号であって、ｚステージ４１を対象光路の光軸に沿った方向に移動させる駆動信号である。

本発明の一実施形態によれば、駆動信号発生回路９が、参照光路と対象光路との間の光路長差の露光中の変動量が所定の閾値（例えば、必要高さ分解能）以下になるような、同期信号と同期する制御信号を作成して、該作成された制御信号を試料台１を駆動させる試料ステージコントローラ（図１では図示を省略）に与えて、該試料台１を対象光路の光軸に沿った方向に移動させるようにしてもよい。

すなわち、駆動信号発生回路９及び後述する制御部１０は、干渉縞発生手段（干渉対物レンズ４）の駆動による対象光路と参照光路との間の光路長差の変動量が所定の値以下になるような、参照ミラー４３又は測定対象２を駆動させるための駆動信号を生成し、該駆動信号を駆動手段（参照ミラーコントローラ８又は上述した試料ステージコントローラ）に与えて参照ミラー４３又は測定対象２を駆動させる制御手段である。

また、本発明の一実施形態によれば、駆動信号発生回路９が、三角波、鋸波、又は正弦波（例えば図１中のｙ＝ａｓｉｎ（ｂｘ−φ）という式で示される信号波）を参照ミラー駆動信号又は上記試料台１を駆動させるための制御信号として作成するようにしてもよい。例えば参照ミラー駆動信号として三角波や鋸波を用いた場合、その周期と振幅を調整することによって、ｚ方向の走査に起因して生ずる参照光路と対象光路との間の光路長差の露光中の変動量を０とすることが可能となる。しかし、三角波や鋸波は、波形の折り返し頂点付近で急激な変動があって参照ミラーコントローラ８の駆動素子への負荷が大きい。従って、ｚ方向の走査速度が速くなり、フレームレートを数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度とする必要がある場合には、正弦波での制御が適当である。

制御部１０は、ｚステージ駆動信号と同期信号と露光時間とを駆動信号発生回路９に与えて、該同期信号と同期する参照ミラー駆動信号又は上記試料台１を駆動させるための制御信号を作成させる。また、制御部１０は、カメラコントローラに同期信号を与えて、カメラ５に該同期信号で規定されるフレームレートで干渉縞の画像を撮像させるための制御信号を作成させる。また、制御部１０は、ｚステージコントローラ７にｚステージ駆動信号と同期信号とを与えて、ｚステージ４１を該同期信号と同期するｚステージ駆動信号で駆動させる。

また、制御部１０は、カメラ５によって撮像された撮像データに基づいて、対象光路方向の干渉強度変化（ハーフミラー４２と測定対象２との間の相対的距離に応じた干渉強度の変化）を求め、該干渉強度の変化を分析して、測定対象２の表面高さを算出する。すなわち、制御部１０は、撮像手段（カメラ５）によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、干渉縞発生手段（干渉対物レンズ４）と測定対象２の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象２の表面の高さを算出する分析手段である。

図２は、参照ミラーを正弦波の参照ミラー駆動信号で駆動させる場合の、参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量の算出を説明する図である。図２（Ａ）は、ｚ方向の走査速度が１００μｍ／ｓｅｃの場合の、経過時間と対象光路の変動量との関係を示すグラフである。図２（Ａ）中に示す直線ｆ₂（ｘ）＝ｃｘ＋ｄは、ｚステージ駆動信号を示す。Δ₂は、ｆ₂（ｘ）によって決まる露光中の変動量である。図２（Ｂ）は、駆動信号発生回路９が発生する参照ミラー駆動信号ｆ₁（ｘ）を示すグラフである。図２に示すグラフでは、ｆ₁（ｘ）は正弦波である。

ｚステージコントローラ７が図２（Ａ）に示すｚステージ駆動信号ｆ₂（ｘ）に従ってｚステージ４１を駆動し、参照ミラーコントローラ８が図２（Ｂ）に示す参照ミラー駆動信号ｆ₁（ｘ）に従って参照ミラー４３を駆動することによって、参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量ｆ₃（ｘ）は、時間経過とともに図２（Ｃ）に示すように推移する。ｆ₃（ｘ）はｆ₂（ｘ）とｆ₁（ｘ）の動きを合成した関数であり、例えばｆ₃（ｘ）＝ｆ₂（ｘ）−ｆ₁（ｘ）である。

ここで、露光時間ｔ＝１ｍｓとすると、該露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δは、図２（Ｄ）に示すように約２ｎｍとなり、図１０（Ａ）を参照して前述した、従来技術を用いた場合の変動量１００ｎｍに比べて、光路長差の変動量を大幅に抑えることができる。露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δが図２（Ｄ）に示すように大幅に抑えられるのは、ｆ₃（ｘ）の変曲点の傾きが０であることに起因する。

図３は、露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δを抑えるための参照ミラー駆動信号ｆ₁（ｘ）の算出処理フローの一例である。ここで、参照ミラー駆動信号ｆ₁（ｘ）を、ｆ₁（ｘ）＝ａｓｉｎ（２πｂｘ−φ）とし、ｚステージ駆動信号ｆ₂（ｘ）を、ｆ₂（ｘ）＝ｃｘ＋ｄとする。ｆ₁（ｘ）における変数ｂとφとは、それぞれ、カメラ５の撮像素子のフレームレートと同期信号の初期位置とに依存する。また、制御部１０は、変数ｃとしてｚ方向の走査速度を設定し、変数ｄ（走査速度）を測定対象２の高さレンジに基づいて設定することによって、ｆ₂（ｘ）を予め生成して、駆動信号発生回路９に与える。また、制御部１０は、同期信号と露光時間と必要高さ分解能の情報を駆動信号発生回路に与える。

以下、ｆ₁（ｘ）の算出処理について具体的に説明する。まず、駆動信号発生回路９が、制御部１０から与えられたｆ₂（ｘ）、同期信号、露光時間、必要高さ分解能に基づいて、走査速度ｄ、カメラ５の撮像素子のフレームレート及び同期信号の初期位置、露光時間ｔの初期値、必要高さ分解能の初期値を設定する（ステップＳ１）。次に、駆動信号発生回路９が、設定されたフレームレート及び同期信号の初期位置に基づいて、ｆ₁（Ｘ）中のｂ及びφを決定する（ステップＳ２）。

次に、駆動信号発生回路９が、制御部１０から与えられるｚ方向への走査信号ｆ₂（ｘ）におけるｚ方向への走査速度ｄ、カメラ５の撮像素子のフレームレートが変更されるかを判断する（ステップＳ３）。駆動信号発生回路９が、制御部１０から与えられるｚ方向への走査速度ｄ、カメラ５の撮像素子のフレームレートが変更されると判断した場合には、上記ステップＳ１に戻る。駆動信号発生回路９が、制御部１０から与えられるｚ方向への走査速度ｄ、カメラ５の撮像素子のフレームレートが変更されないと判断した場合には、駆動信号発生回路９は、露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δが必要高さ分解能以下に抑えられるようにａを設定して、該設定されたａと上記ステップＳ２において設定されたｂ及びφとに基づいて、ｆ₁（ｘ）を生成する（ステップＳ４）。ステップＳ４においては、駆動信号発生回路９は、例えば、ａ＝ｃ／（２πｂ）に設定してｆ₁（ｘ）を生成する。

図４（Ｂ）は、ａ＝ｃ／（２πｂ）の場合に生成されるｆ₁（ｘ）とｆ₂（ｘ）とを合成した関数ｆ₃（ｘ）を示す図である。図４（Ｂ）に示すように、ａ＝ｃ／（２πｂ）に設定した場合に求まるｆ₃（ｘ）の変極点の傾きは０となり、露光時間ｔ（ｔ＝１ｍｓ）における上記光路長差の変動量Δは、２ｎｍである。該２ｎｍという光路長差の変動量Δは、図４（Ａ）に示すような、ａ＝０．９６に設定した場合のｆ₃（ｘ）に基づいて決まる光路長差の変動量（６ｎｍ）に比べて小さいことがわかる。

本発明の一実施形態によれば、駆動信号発生回路９は、制御部１０から与えられるｆ₂（ｘ）と生成すべきｆ₁（ｘ）とに基づいて決まる、参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量ｆ₃（ｘ）について、
ｆ₃（ｘ＋ｔ／２）＋ｆ₃（ｘ＋β）＝２ｆ₃（ｘ）
ｔ／２＞β＞０
の関係が満足されるように変数ａを設定し、該設定されたａを用いてｆ₁（ｘ）を生成するようにしてもよい。但し、

である。

上記の関係が満足されるように設定された変数ａ（例えば、ａ＝１．０１）を用いて生成されるｆ₁（ｘ）と、制御部１０から与えられるｆ₂（ｘ）とによって決まるｆ₃（ｘ）を、図４（Ｃ）中に示す。図４（Ｃ）中に示すように、該ｆ₃（ｘ）と露光時間ｔ（ｔ＝１ｍｓ）とによって求まる光路長差の変動量Δは、１ｎｍであり、該１ｎｍという変動量は、前述した図４（Ｂ）に示すような、ａ＝ｃ／（２πｂ）に設定した場合のｆ₃（ｘ）に基づいて決まる光路長差の変動量（２ｎｍ）より小さい変動量である。

なお，図４（Ｄ），図４（Ｅ）は，それぞれ，ａ＝１．０３，ａ＝１．０６に設定した場合のｆ3 （ｘ）と露光時間ｔとによって求まる光路長差の変動量を示している。ａ＝１．０３に設定した場合とａ＝１．０６に設定した場合のいずれの場合においても，光路長差の変動量は，上述したａ＝１．０１の場合の光路長差の変動量より大きくなる。

次に、制御部１０が、露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δが必要高さ分解能以下かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、制御部１０は、ｆ₁（ｘ）とｆ₂（ｘ）とを合成して求まるｆ₃（ｘ）と露光時間とに基づいて、上記光路長差の変動量Δを算出し、算出された光路長差の変動量Δが必要高さ分解能以下かを判断する。

制御部１０が、露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δが必要高さ分解能以下でないと判断した場合、制御部１０は、露光時間を減らすか、又は必要高さ分解能を増やして、該露光時間又は必要高さ分解能の情報を駆動信号発生回路９に与えて（ステップＳ６）、上記ステップＳ４に戻る。制御部１０が、露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δが必要高さ分解能以下であると判断した場合、制御部１０は、上記ステップＳ４によって生成されたｆ₁（ｘ）による参照ミラーコントローラ８の駆動素子振幅が素子の定格内であるかを判断する（ステップＳ７）。制御部１０が、ｆ₁（ｘ）による参照ミラーコントローラ８の駆動素子振幅が素子の定格内であると判断した場合は、処理を終了する。制御部１０が、ｆ₁（ｘ）による参照ミラーコントローラ８の駆動素子振幅が素子の定格内でないと判断した場合、制御部１０は、露光時間を増やすか、又は必要高さ分解能を増やして、該露光時間又は必要高さ分解能の情報を駆動信号発生回路９に与えて（ステップＳ８）、上記ステップＳ４に戻る。

図５は、本発明の一実施例を示す図である。図５に示す表面形状計測装置は、図１を参照して前述した表面形状計測装置が備える構成要素に加えて、試料ステージ２１、試料ステージコントローラ２２、出力部２３を備える。試料ステージ２１は、試料台１を載せるステージである。試料ステージコントローラ２２は、試料ステージ２１を駆動させる制御手段である。出力部２３は、制御部１０による測定対象２の表面の高さの算出結果を出力する。

まず、図示していないハンドラ等から測定対象２を試料台１上に設置する。設置したことが制御部１０に出力されると、制御部１０は試料ステージコントローラ２２に指示して、試料ステージ２１を水平方向、高さ方向又は傾き方向に駆動して、測定対象２を所定位置まで動かして測定準備を行う。低コヒーレンス光源３から射出した光は、干渉対物レンズ４を通って測定対象と参照ミラー４３とに当たり、測定対象２とハーフミラー４２との相対距離に応じた干渉縞が発生する。生じた干渉縞像は再び干渉対物レンズ４を通ってカメラで結像し撮像される。

干渉対物レンズ４はｚステージコントローラ７とｚステージ４１により微小量上下することができるようになっており、測定準備の段階で測定対象２の注目領域で光路長差がゼロとなるような範囲を含むことができるように予め高さ方向の位置決めを行っておく。

測定準備が整ったことが制御部１０に出力されると、制御部１０は試料ステージ２１を所定の初期位置まで動かす。そして、駆動信号発生回路９に指示して、露光中の参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量Δが必要高さ分解能以下に抑えられるようなｆ₁（ｘ）を生成させる。

次に、制御部１０は、ｚステージコントローラ７にｆ₂（ｘ）を与え、参照ミラーコントローラ８にｆ₁（ｘ）を与えることによって、ｚステージ４１、参照ミラーコントローラ８を駆動させるとともに、カメラコントローラ６に同期信号を与え、所定の標本点間隔での干渉像群の撮像を行わせる。撮像データは逐次カメラ５によりカメラコントローラ６を経由して制御部１０内のメモリ（図示を省略）に蓄積される。撮像データがメモリに蓄積されたことが制御部１０に出力されると、制御部１０は、該蓄積された撮像データに基づいて、対象光路方向の干渉強度変化を求め、該干渉強度変化を分析して、測定対象２の表面高さを算出する。対象光路方向の干渉強度変化は、例えば、図９（Ａ）を参照して前述したハーフミラー４２に対する測定対象２の相対的位置（ハーフミラー４２と測定対象２との間の相対的距離）に応じた干渉強度の変化である。

制御部１０は、ある領域の表面高さの算出が終了すると、試料ステージ２１を適宜動かして測定対象２上の次の領域を測定点として設定し、該領域の表面高さの算出を行う。制御部１０は、測定領域あるいは測定対象がなくなるまで上記表面高さの算出処理を繰り返す。

図６は、本発明の他の実施例を示す図である。図６に示す表面形状計測装置は、図５を参照して前述した表面形状計測装置が備える構成要素に加えて、参照光路上（ハーフミラー４２と参照ミラー４３との間）に設けられた光量調整部４４を備える。光量調整部４４は、例えばＮＤ（Neutral Density ）フィルタ又は絞りからなり、参照ミラー４３から反射される光の光量を調整する。測定対象２からの反射光と参照ミラー４３からの反射光との光量比が適切でないと（一般には１を大きく外れると）、ハーフミラー４２と測定対象２の表面との相対距離に応じた干渉強度のコントラストが悪化して、測定対象２の表面高さ算出の精度が低下してしまうが、光量調整部４４が参照ミラー４３から反射される光の光量を調整して測定対象２からの反射光と参照ミラー４３からの反射光との光量比を適切な比率とすることにより、ハーフミラー４２と測定対象２の表面との相対距離に応じた干渉強度のコントラストの悪化を防止する。その結果、測定対象２の表面高さ算出の精度の低下を防ぐことができる。

図７は、本発明の他の実施例を示す図である。図７に示す表面形状計測装置は、図６を参照して前述した表面形状計測装置が備える構成要素に加えて、対象光路上（ハーフミラー４２と測定対象２との間）に設けられた光路補償部４５を備える。光路補償部４５は、例えば平行平板ガラス等からなり、例えばＮＤフィルタが光量調整部４４として参照光路上に設けられたことによる、対象光路と参照光路との間の光路長差の変動を補償する。光路補償部４５を設けることによって、適正な可干渉距離内での干渉計測が可能となり、高精度な高さ計測を行うことが可能となる。

以上から把握できるように、本発明の実施形態の特徴を述べると以下の通りである。

（付記１）表面形状計測装置であって、
低コヒーレンスの光を発生する光源と、
前記発生した光を参照面と測定対象の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させる干渉縞発生手段と、
上記発生した干渉縞を所定のフレームレートで撮像する撮像手段と、
前記干渉縞発生手段を対象光路の光軸に沿った方向に駆動する第１の駆動手段と、
前記参照面又は前記測定対象を駆動させる第２の駆動手段と、
前記撮像手段によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象の表面の高さを算出する分析手段と、
前記干渉縞発生手段の駆動による前記対象光路と参照光路との間の光路長差の前記干渉縞の撮像時の変動量が所定の値以下になるような、前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号を生成し、該駆動信号を前記第２の駆動手段に与えて前記参照面又は前記測定対象を駆動させる制御手段とを備える
ことを特徴とする表面形状計測装置。

（付記２）付記１に記載の表面形状計測装置において、
前記制御手段が、前記第１の駆動手段が前記干渉縞発生手段を駆動する際の駆動信号と前記撮像手段が干渉縞を撮像する際のフレームレートとに基づいて決まる振幅を持つ正弦波を前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号として生成する
ことを特徴とする表面形状計測装置。

（付記３）付記１又は付記２に記載の表面形状計測装置において、
前記干渉縞発生手段と前記反射面との間に、前記測定対象からの反射光と前記反射面からの反射光との光量比を調整する光量調整手段を設けた
ことを特徴とする表面形状計測装置。

（付記４）付記３に記載の表面形状計測装置において、
前記光量調整手段が前記干渉縞発生手段と前記反射面との間に設けられたことによる対象光路と参照光路との間の光路長差の変動を補償する光路補償手段を前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との間に設けた
ことを特徴とする表面形状計測装置。

（付記５）表面形状計測装置による表面形状計測方法であって、
前記表面形状計測装置が備える干渉縞発生手段が、低コヒーレンスの光を発生する光源から発生した光を参照面と測定対象の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させ、
前記表面形状計測装置が備える撮像手段が、上記発生した干渉縞を所定のフレームレートで撮像し、
前記干渉縞発生手段を対象光路の光軸に沿った方向に駆動し、
前記干渉縞発生手段の駆動による前記対象光路と参照光路との間の光路長差の前記干渉縞の撮像時の変動量が所定の値以下になるような、前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号を生成し、該駆動信号によって前記参照面又は前記測定対象を駆動させ、
前記撮像手段によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象の表面の高さを算出する
ことを特徴とする表面形状計測方法。

（付記６）付記５に記載の表面形状計測方法において、
前記干渉縞発生手段を駆動する際の駆動信号と前記撮像手段が干渉縞を撮像する際のフレームレートとに基づいて決まる振幅を持つ正弦波を前記参照面又は前記測定対象を駆動させるための駆動信号として生成する
ことを特徴とする表面形状計測方法。

（付記７）付記５又は付記６に記載の表面形状計測方法において、
前記干渉縞発生手段と前記反射面との間に設けられた光量調整手段が、前記測定対象からの反射光と前記反射面からの反射光との光量比を調整する
ことを特徴とする表面形状計測方法。

（付記８）付記７に記載の表面形状計測方法において、
前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との間に設けられた光路補償手段が、前記光量調整手段が前記干渉縞発生手段と前記反射面との間に設けられたことによる対象光路と参照光路との間の光路長差の変動を補償する
ことを特徴とする表面形状計測方法。

以上、説明したように、本発明によれば、露光中の対象光路と参照光路との間の光路長差の変動量を抑制して、測定対象の高さ方向への走査速度にかかわらず安定した干渉像の撮像を可能とし、精度良く測定対象の表面形状を計測することが可能となる。その結果、例えばミクロンオーダの凹凸構造とナノメートルオーダの微細表面形状が混在している電子材料の表面形状を高速に精度良く計測することができる。

また、本発明によれば、正弦波を駆動信号して用いて参照面又は測定対象を駆動させることにより、参照面又は測定対象を駆動させる際の駆動素子への負荷を抑えることができる。

また、本発明によれば、測定対象からの反射光と反射面からの反射光との光量比を適切な比率とすることにより、上記干渉縞発生手段と測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度のコントラストの悪化を防止して、測定対象の表面高さ算出の精度の低下を防ぐことができる。

本発明の表面形状計測装置の構成の一例を示す図である。参照光路と対象光路との間の光路長差の変動量の算出を説明する図である。参照ミラー駆動信号ｆ₁（ｘ）の算出処理フローの一例である。ｆ₃（ｘ）を示す図である。本発明の一実施例を示す図である。本発明の他の実施例を示す図である。本発明の他の実施例を示す図である。低コヒーレンス干渉光学系を示す図である。対象光路の変動量及びインターフェログラムを示す図である。対象光路の変動量及びインターフェログラムを示す図である。

符号の説明

１試料台
２測定対象
３低コヒーレンス光源
４干渉対物レンズ
５カメラ
６カメラコントローラ
７ｚステージコントローラ
８参照ミラーコントローラ
９駆動信号発生回路
１０制御部
２１試料ステージ
２２試料ステージコントローラ
２３出力部
４１ｚステージ
４２ハーフミラー
４３参照ミラー
４４光量調整部
４５光路補償部
１００同期信号

Claims

表面形状計測装置であって、
低コヒーレンスの光を発生する光源と、
前記発生した光を参照面と測定対象の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させる干渉縞発生手段と、
上記発生した干渉縞を所定のフレームレートで撮像する撮像手段と、
第１の駆動信号に基づき前記干渉縞発生手段を対象光路の光軸に沿った方向に駆動する第１の駆動手段と、
前記第１の駆動信号と前記フレームレートと所定の露光時間とを基に、前記第１の駆動信号と前記参照面又は前記測定対象を駆動させる前記フレームレートと同じ周期の正弦波状の第２の駆動信号との合成関数で表される、前記光路長差の前記干渉縞の撮像時の変動量について、当該合成関数の周期的に生じる変曲点のうちの１つと前記所定の露光時間の半分を経過した時刻とが一致し、前記変曲点を中心に点対称となる前記合成関数の極値を前記所定の露光時間内に含み、かつ、前記極値のうち極大値と前記所定露光時間終了時の変位量、あるいは、極小値と前記所定の露光時間開始時の変位量の少なくともいずれかが同一の値となる振幅を求め、当該振幅を持つ正弦波状の第２の駆動信号を生成する制御手段と、
前記第２の駆動信号に基づき前記参照面又は前記測定対象を駆動させる第２の駆動手段と、
前記撮像手段によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象の表面の高さを算出する分析手段と、
を備えることを特徴とする表面形状計測装置。
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記干渉縞発生手段に前記光源からの照明光を測定対象の表面の方向と参照ミラーの方向とに分けると共に測定対象からの反射光と参照ミラーからの反射光とを同一の経路にまとめるハーフミラーを備え、前記ハーフミラーと前記参照ミラーの反射面との間に、前記測定対象からの反射光と前記反射面からの反射光との光量比を調整する光量調整手段を設けたことを特徴とする表面形状計測装置。
表面形状計測装置による表面形状計測方法であって、
前記表面形状計測装置が備える干渉縞発生手段が、低コヒーレンスの光を発生する光源から発生した光を参照面と測定対象の表面とに照射して、対象光路と参照光路との間の光路長差による干渉縞を発生させ、
前記表面形状計測装置が備える撮像手段が、上記発生した干渉縞を所定のフレームレートで撮像し、
前記干渉縞発生手段を第１の駆動信号に基づき対象光路の光軸に沿った方向に駆動し、
前記第１の駆動信号と前記フレームレートと所定の露光時間とを基に、前記第１の駆動信号と前記参照面又は前記測定対象を駆動させる前記フレームレートと同じ周期の正弦波状の第２の駆動信号との合成関数で表される、前記光路長差の前記干渉縞の撮像時の変動量について、当該合成関数の周期的に生じる変曲点のうちの１つと前記所定の露光時間の半分を経過した時刻とが一致し、前記変曲点を中心に点対称となる前記合成関数の極値を前記所定の露光時間内に含み、かつ、前記極値のうち極大値と前記所定露光時間終了時の変位量、あるいは、極小値と前記所定の露光時間開始時の変位量の少なくともいずれかが同一の値となる振幅を求め、当該振幅を持つ正弦波状の第２の駆動信号を生成し、前記第２の駆動信号によって前記参照面又は前記測定対象を駆動させ、
前記撮像手段によって撮像された干渉縞の画像に基づいて、前記干渉縞発生手段と前記測定対象の表面との相対距離に応じた干渉強度の変化を分析して、該測定対象の表面の高さを算出する
ことを特徴とする表面形状計測方法。
請求項３に記載の表面形状計測方法において、
前記干渉縞発生手段に前記光源からの照明光を測定対象の表面の方向と参照ミラーの方向とに分けると共に測定対象からの反射光と参照ミラーからの反射光とを同一の経路にまとめるハーフミラーと前記参照ミラーの反射面との間に設けられた光量調整手段が、前記測定対象からの反射光と前記反射面からの反射光との光量比を調整する
ことを特徴とする表面形状計測方法。