JP5198418B2 - Shape measuring device and shape measuring method - Google Patents
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Description
本発明は,半導体ウェハ等の被測定物の厚み分布を光干渉計を用いて測定する形状測定装置及びその方法に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring apparatus and method for measuring the thickness distribution of an object to be measured such as a semiconductor wafer using an optical interferometer.
半導体ウェハなどの薄板状の被測定物の形状測定において,干渉計を用いた非接触型の形状測定装置が普及している。これは,参照光と物体光とが重畳された干渉光により形成される干渉画像から,被測定物の表面形状,即ち,表面高さの分布を求めるものである。ここで,2つに分岐された一方の光束を基準となる参照面に反射させた光が参照光であり,もう一方の光束を被測定物の表面に反射させた光が物体光である。なお,半導体ウェハのことを,以下,単にウェハと称する。
より具体的には,光干渉計によるウェハの表面形状測定においては,ウェハの表面に対向配置された光干渉計により,そのウェハの表面上の多数の測定部位に物体光を照射して干渉光を得る。さらに,得られた干渉光の強度信号の位相の検出と,これにより得られる複数の測定部位ごとの位相データに基づく位相接続処理とが行われる。この位相接続処理により得られる位相の分布情報における各位相は,物体光の波長に基づいて表面高さの寸法値に換算できる。このため,位相接続処理により得られる位相の分布情報は,ウェハの表面高さの分布情報,即ち,形状情報と等価である。なお,前記位相接続処理は,アンラップ処理と称される。
これにより,非接触でウェハの表面形状を測定できるので,触針式の形状計で測定する場合とは異なり,ウェハ表面に傷等を生じさせることなくその表面形状を測定できる。ウェハの形状測定では,その表面全体に渡る形状を測定する必要があるため,一般に,ウェハ周辺のエッジ部を複数箇所で支持した状態で測定がなされる。
A non-contact type shape measuring apparatus using an interferometer is widely used for measuring the shape of a thin plate-like object to be measured such as a semiconductor wafer. This is to obtain the surface shape of the object to be measured, that is, the distribution of the surface height, from the interference image formed by the interference light in which the reference light and the object light are superimposed. Here, the light that reflects one of the light beams branched into two to the reference reference surface is reference light, and the light that reflects the other light beam to the surface of the object to be measured is object light. Hereinafter, the semiconductor wafer is simply referred to as a wafer.
More specifically, when measuring the surface shape of a wafer using an optical interferometer, an optical interferometer placed opposite the wafer surface is used to irradiate object light onto a number of measurement sites on the wafer surface, thereby causing interference light. Get. Further, the phase of the intensity signal of the obtained interference light is detected, and the phase connection processing based on the phase data for each of the plurality of measurement parts obtained thereby is performed. Each phase in the phase distribution information obtained by this phase connection process can be converted into a surface height dimension value based on the wavelength of the object light. Therefore, the phase distribution information obtained by the phase connection process is equivalent to the wafer surface height distribution information, that is, shape information. The phase connection process is referred to as an unwrap process.
As a result, the surface shape of the wafer can be measured in a non-contact manner, so that the surface shape can be measured without causing scratches or the like on the wafer surface, unlike measurement with a stylus type shape meter. In the measurement of the shape of the wafer, it is necessary to measure the shape over the entire surface thereof. Therefore, the measurement is generally performed with the edge portions around the wafer being supported at a plurality of locations.
また,特許文献1には,位相接続処理の詳細について示されている。
特許文献1には,セルに収容された流体の特性変化を,そのセルに通過させた物体光と他の参照光とが重畳された干渉光の位相の変化を検出することによって測定する技術について示されている。その際,位相データが所定周期でサンプリングされる。さらに,ある時点でサンプリングされた位相データについて,1つ前の時点の位相データを基準として位相差が−π〜+πの範囲に収まるように,前記ある時点の位相データに対して2πの整数倍分だけ位相をシフトする位相接続処理が行われる。
同様に,形状測定における位相接続処理においては,隣り合う2つの測定点で得られた2つの位相データの一方の位相の補正処理が行われる。その補正処理は,隣り合う2つの測定点の一方の位相について,他方の位相を基準とした位相差が−π〜+πの範囲に収まるように,2πの整数倍分だけ補正を行う処理である。この位相接続処理は,隣り合う2つの測定点の表面高さの差が,物体光の4分の1波長分を超えないという前提に基づく処理である。
Similarly, in phase connection processing in shape measurement, one phase correction processing of two phase data obtained at two adjacent measurement points is performed. The correction process is a process of correcting one phase of two adjacent measurement points by an integral multiple of 2π so that the phase difference based on the other phase is within the range of −π to + π. . This phase connection process is based on the premise that the difference in surface height between two adjacent measurement points does not exceed a quarter wavelength of object light.
また,特許文献2には,以下の方法により3つの干渉光を得る2次元情報取得装置について示されている。
即ち,特許文献2に示される装置では,レーザ光を拡大した平行光が参照面と被測定面とに照射され,参照光及び物体光を直交する偏光成分とするセンシング光が得られる。さらに,そのセンシング光が3分岐され,3つの分岐光から,3つの偏光板P1〜P3により偏光角度の異なる偏光成分を抽出することにより,参照光及び物体光の各成分の位相差が90°ずつシフトされた3つの干渉光が得られる。このように,参照光及び物体光についての位相シフトを,抽出対象とする偏光成分の異なる複数の偏光板を用いて光学的に行うことにより,前記位相シフトが行われた複数の干渉光が同時に得られる。そして,それら複数の干渉光の強度から,参照光と物体光との間の位相差を算出でき,その位相差の分布から,被測定物の表面高さの分布を算出できる。
また,特許文献3には,被測定物の表裏各面に対向配置された2つのヘテロダイン干渉計により,被測定物の表裏各面の測定部位について,参照光と物体光との関係を逆とした干渉光のビート信号を検出し,表裏のビート信号の位相差から被測定物の厚みを測定する装置について示されている。
That is, in the apparatus disclosed in
Further, in Patent Document 3, the relationship between the reference light and the object light is reversed with respect to the measurement sites on the front and back surfaces of the object to be measured by two heterodyne interferometers arranged opposite to the front and back surfaces of the object to be measured. An apparatus for detecting the beat signal of the interference light and measuring the thickness of the object to be measured from the phase difference between the front and back beat signals is shown.
ところで,ウェハのような厚みが1mm未満の薄板状の被測定物をそのエッジ部のみで支持した場合,わずかな風圧や他の機械の振動等によってウェハが振動する。この振動は,例えば,誤差20nm以下を満たすような非常に高い測定精度が要求されるウェハの形状測定においては,無視できない振幅の振動となる。
しかしながら,特許文献1に示される技術では,被測定物の一方の面における1箇所の測定部位について得られた1つの干渉光の強度から,直接的にその測定部位についての位相データが導出される。そのため,被測定物の振動や,光源の特性変動,測定部位ごとの光の反射率の違い等の外乱要因により,参照光及び物体光の位相や強度が変動した場合,それがそのまま測定結果の誤差として表れ,高精度での形状測定を行うことができないという問題点があった。
また,特許文献2に示される測定法では,参照面及び被測定物の表面に平行光を照射して得られる干渉光の干渉縞画像が,複数台の2次元のカメラで撮像される。そして,特許文献2の測定法では,複数の干渉縞画像それぞれにおける対応する位置の画素データを用いて位相シフト法の演算が行われる。そのため,特許文献2の測定法では,2次元の広がりを有する物体光及び参照光,並びにそれらの干渉光の複数の撮像画像相互における各画素の対応関係を厳密に合わせることが難しく,その対応関係のズレが測定誤差に大きく影響する。
一方,一般に,2次元の広がりを有する光の波面を高精度で調整することは難しい。従って,特許文献2の測定法は,高い測定精度を確保するための光学機器の位置調整が非常に難しいという問題点があった。
さらに,特許文献2の測定法は,動作周波数が高々20Hz〜100Hz程度である2次元のカメラを用いるため,複数の干渉縞画像を時間のずれなく同時に撮像することが難しい。被測定物が高速で振動する場合,複数の干渉縞画像の撮像タイミングのズレは,大幅な測定精度の悪化につながる。そのため,特許文献2の測定法は,高速で振動する被測定物の測定には適さないという問題点もあった。例えば,薄板状の半導体ウェハは,その端部が支持された状態では,わずかな空気の流れや周囲の機器が発する振動等によって50Hz程度の周波数で振動する。従って,特許文献2の測定法は,薄板状の半導体ウェハの形状測定には適さない。
また,特許文献2の測定法は,被測定物の表面に沿う2次元方向における高さの分布の測定の空間分解能がカメラの解像度に依存し,高い分解能での形状測定を行うことができないという問題点も有している。
また,特許文献3に示される測定法は,ヘテロダイン干渉計に関する多数の光学部品を要するため,測定装置の小型化が難しいという問題点があった。また,特許文献3に示される測定法は,ヘテロダイン干渉計に関する機器について,2種類の測定光の重なり状態等に関する調整が繁雑であり,また,高価であるという問題点があった。例えば,周波数の異なる2つの測定光の重なり状態の調整や,その2つの測定光の光源やビート信号の検波器の調整などは,一般に繁雑である。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,半導体ウェハなどの薄板状の被測定物の厚み分布の測定において,簡易な装置構成により,被測定物の振動の影響を受けずに高精度で厚み分布の測定を行うことができる形状測定装置及びその方法を提供することにある。
By the way, when a thin plate-like object to be measured having a thickness of less than 1 mm, such as a wafer, is supported only by its edge portion, the wafer vibrates due to slight wind pressure, vibration of other machines, or the like. For example, in the wafer shape measurement that requires a very high measurement accuracy that satisfies an error of 20 nm or less, this vibration has an amplitude that cannot be ignored.
However, in the technique disclosed in
In the measurement method disclosed in
On the other hand, it is generally difficult to adjust the wavefront of light having a two-dimensional spread with high accuracy. Therefore, the measurement method of
Furthermore, since the measurement method of
In addition, the measurement method of
In addition, the measurement method disclosed in Patent Document 3 requires a large number of optical components related to the heterodyne interferometer, which makes it difficult to reduce the size of the measurement apparatus. In addition, the measurement method disclosed in Patent Document 3 has a problem in that the apparatus relating to the heterodyne interferometer is complicated to adjust regarding the overlapping state of the two types of measurement light and is expensive. For example, adjustment of the overlapping state of two measurement lights having different frequencies and adjustment of the light source of the two measurement lights and a beat signal detector are generally complicated.
Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to measure the thickness distribution of a thin plate-like object to be measured such as a semiconductor wafer by using a simple apparatus configuration. An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus and method that can measure a thickness distribution with high accuracy without being affected by vibration.
上記目的を達成するために本発明に係る形状測定装置は、次の(1)及び(2)に示される各構成要素を備えている。
(1)被測定物の表裏各面それぞれについて設けられ、所定の光源の出射光が2分岐されて前記被測定物の表裏各面の側へ導かれたビーム光を基準となる参照面と前記被測定物における表裏各面の表裏相対する測定部位とに反射させた参照光及び物体光の干渉光の強度を検出する2つのホモダイン干渉計。
(2)前記2つのホモダイン干渉計に対する前記測定対象物の2次元方向の相対位置を変化させつつその2つのホモダイン干渉計により複数箇所の前記測定部位について検出された前記干渉光の強度に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段。
さらに、本発明に係る形状測定装置において,前記2つのホモダイン干渉計それぞれが、次の(1.1)〜(1.5)に示される各構成要素を備えており,また,前記前記厚み分布算出手段が,次の(2.1)及び(2.2)に示される各構成要素を備えている。
(1.1)前記ビーム光を2分岐させて前記参照面と前記測定部位との各々に照射し、前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光を得る非干渉光取得用光学系。
(1.2)前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光を複数に分岐させる非干渉光分岐用光学系。
(1.3)前記非干渉光分岐用光学系により得られた前記非干渉光の複数の分岐光のうちの1つ以上について複屈折素子を通じて直交する偏光成分の位相差に変化を与えることにより,前記非干渉光の複数の分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系。
(1.4)前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の複数の分岐光それぞれからその分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する干渉光抽出用光学系。
(1.5)前記干渉光抽出用光学系により抽出された複数の干渉光それぞれの強度を検出する干渉光強度検出手段。
(2.1)前記被測定物の表裏各面それぞれについて前記干渉光強度検出手段により検出された複数の前記干渉光のそれぞれの強度に基づいて前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出する位相差算出手段。
(2.2)前記被測定物の表裏各面それぞれの複数箇所の前記測定部位について前記位相差算出手段により算出された位相差の分布に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段。
そして、本発明に係る形状測定装置では、前記測定部位は、測定点である。
In order to achieve the above object, a shape measuring apparatus according to the present invention includes the components shown in the following (1) and (2).
(1) Provided for each of the front and back surfaces of the object to be measured, the reference light that serves as a reference for the beam light that has been split into two light beams emitted from a predetermined light source and guided to the front and back surfaces of the object to be measured; Two homodyne interferometers for detecting the intensity of the interference light of the reference light and the object light reflected on the front and back measurement parts of each surface of the object to be measured.
(2) Based on the intensity of the interference light detected for a plurality of measurement sites by the two homodyne interferometers while changing the two-dimensional relative position of the measurement object with respect to the two homodyne interferometers. Thickness distribution calculating means for calculating the thickness distribution of the object to be measured.
Furthermore, in the shape measuring apparatus according to the present invention, each of the two homodyne interferometers includes the constituent elements shown in the following (1.1) to (1.5), and the thickness distribution: The calculation means includes each component shown in the following (2.1) and (2.2).
(1.1) The beam light is bifurcated and applied to each of the reference surface and the measurement site to obtain non-interfering light that includes the reference light and the object light as polarization components that are orthogonal to each other. Non-interference light acquisition optical system.
(1.2) A non-interference light branching optical system that branches the non-interference light obtained by the non-interference light acquisition optical system into a plurality of parts.
(1.3) By changing one or more of the plurality of branched lights of the non-interfering light obtained by the non-interfering light branching optical system to change the phase difference of the orthogonal polarization components through a birefringent element , A phase shift optical system that generates different phase differences between the polarization component of the reference light and the polarization component of the object light in each of the plurality of branched light beams of the non-interference light.
(1.4) Extracting a polarization component having a common angle based on the polarization direction of the reference light and the object light in the branched light from each of the plurality of branched light of the non-interfering light that has passed through the phase shift optical system An optical system for extracting interference light that extracts interference light between the reference light and the object light.
(1.5) Interference light intensity detection means for detecting the intensity of each of the plurality of interference lights extracted by the interference light extraction optical system.
(2.1) The reference light and the object light in the non-interference light based on the intensities of the plurality of interference light detected by the interference light intensity detection means for the front and back surfaces of the object to be measured. Phase difference calculating means for calculating the phase difference of the polarization component.
(2.2) Thickness distribution for calculating the thickness distribution of the object to be measured based on the phase difference distribution calculated by the phase difference calculating means for the plurality of measurement sites on each of the front and back surfaces of the object to be measured. Calculation means.
In the shape measuring apparatus according to the present invention, the measurement site is a measurement point .
本発明に用いられる前記2つのホモダイン干渉計は,光源や信号処理部などについて,ヘテロダイン干渉計に比べ,ごく簡易で小型の構成により実現できる。
また,ビーム光の強度を検出する光検出器である前記干渉光強度検出手段は,2次元のカメラに比べてはるかに高速で動作可能である。そのため,本発明に係る形状測定装置では,前記被測定物の表裏各面それぞれにおける複数の干渉光の強度を時間のずれなく同時に検出することが容易である。そのため,本発明に係る形状測定装置は,端部が支持された薄板状の半導体ウェハのように高速で振動する前記被測定物の厚み測定にも好適である。
また,本発明に係る形状測定装置では,直交する参照光及び物体光の偏光成分についての位相シフトが,複屈折素子を通じて光学的に行われる。これにより,各測定部位について,1つの前記非干渉光を起源として位相シフトが行われた複数の干渉光が同時に得られる。そして,それら複数の干渉光の強度から参照光と物体光との間の位相差を算出でき,その位相差の分布から,前記被測定物の厚み分布を算出できる。また,その位相差は,1つの前記非干渉光を起源とする複数の干渉光の強度の相対評価により算出できるため,前記ビーム光の光源の特性変動や前記測定部位ごとの表面角度及び光の反射率の違い等の外乱要因の影響を受けにくい。
また,測定部位ごとの面角度の違いやミラーやビームスプリッタなどの光学機器の保持角度の僅かな変化等の外乱により,前記参照光及び前記物体光の光軸の角度やそれらの重なり具合などが変化する。そして,その変化が複数の前記干渉光における前記参照光及び前記物体光の位相差の変化として表れる。そのような状況下で,特許文献3に示されるように,角度が異なる偏光成分の抽出によって複数の干渉光の抽出が行われると,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が,複数の干渉光において逆方向に反映される。そして,それら複数の干渉光の強度の相対評価により位相差の算出が行われると,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が,そのまま位相差算出の誤差となる。
一方,本発明においては,位相差の算出に用いられる複数の干渉光は,前記非干渉光の複数の分岐光それぞれからその分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出して得られた光である。即ち,本発明においては,複数の干渉光を得るために前記非干渉光の分岐光から抽出される偏光成分は,+45°又は−45°のいずれかに統一される。そのため,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が,複数の干渉光において同方向に反映される。そして,それら複数の干渉光の強度の相対評価により位相差の算出が行われると,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化が位相差の算出の段階で相殺され,測定誤差を低減できる。
また,本発明によれば,スポット径の小さなビーム光を前記被測定物の表面において密に走査させることにより,前記被測定物の表面に沿う2次元方向における厚み分布の測定の空間分解能を高めることができる。
The two homodyne interferometers used in the present invention can be realized with a very simple and small configuration in terms of the light source, the signal processing unit, and the like compared to the heterodyne interferometer.
Further, the interference light intensity detecting means which is a light detector for detecting the intensity of the beam light can operate at a much higher speed than a two-dimensional camera. Therefore, in the shape measuring apparatus according to the present invention, it is easy to simultaneously detect the intensities of a plurality of interference lights on the front and back surfaces of the object to be measured without time lag. Therefore, the shape measuring apparatus according to the present invention is also suitable for measuring the thickness of the object to be measured that vibrates at high speed, such as a thin plate-like semiconductor wafer whose end is supported.
Further, in the shape measuring apparatus according to the present invention, the phase shift for the polarization components of the orthogonal reference light and object light is optically performed through the birefringent element. As a result, a plurality of interference lights that are phase-shifted from one non-interference light are obtained simultaneously for each measurement site. Then, the phase difference between the reference light and the object light can be calculated from the intensity of the plurality of interference lights, and the thickness distribution of the object to be measured can be calculated from the distribution of the phase differences. In addition, since the phase difference can be calculated by relative evaluation of the intensity of a plurality of interference lights originating from the one non-interference light, the characteristics of the light source of the light beam and the surface angle and light intensity of each measurement region are measured. Less susceptible to disturbance factors such as differences in reflectivity.
Also, due to disturbances such as differences in the surface angle for each measurement site and slight changes in the holding angle of optical devices such as mirrors and beam splitters, the angles of the optical axes of the reference light and the object light, and their overlapping conditions, etc. Change. The change appears as a change in the phase difference between the reference light and the object light in the plurality of interference lights. Under such circumstances, as shown in Patent Document 3, when a plurality of interference lights are extracted by extracting polarization components having different angles, the phase difference between the reference light and the object light caused by disturbance is reduced. The change is reflected in the opposite direction in the plurality of interference lights. When the phase difference is calculated by the relative evaluation of the intensities of the plurality of interference lights, the change in the phase difference between the reference light and the object light caused by the disturbance directly becomes an error in calculating the phase difference.
On the other hand, in the present invention, the plurality of interference lights used for the calculation of the phase difference are angles based on the polarization directions of the reference light and the object light in the branch lights from the plurality of branch lights of the non-interference light, respectively. Is light obtained by extracting a common polarization component. That is, in the present invention, the polarization component extracted from the branched light of the non-interference light to obtain a plurality of interference lights is unified to either + 45 ° or −45 °. Therefore, changes in the phase difference between the reference light and the object light due to disturbance are reflected in the same direction in a plurality of interference lights. Then, when the phase difference is calculated by the relative evaluation of the intensity of the plurality of interference lights, the change in the phase difference between the reference light and the object light due to the disturbance is canceled at the stage of calculating the phase difference. Error can be reduced.
Further, according to the present invention, the spatial resolution of the measurement of the thickness distribution in the two-dimensional direction along the surface of the object to be measured is increased by closely scanning the light beam having a small spot diameter on the surface of the object to be measured. be able to.
また,本発明に係る形状測定装置は,より具体的な要件として,次の(c1)〜(c3)に示される各条件を満たすことが考えられる。
(c1)前記非干渉光分岐用光学系が前記非干渉光を2段階の2分岐によって4つの分岐光に分岐させる。
(c2)前記位相シフト用光学系が,前記4つの分岐光のうちの1つの分岐光を基準にして残りの3つの分岐光における前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との位相差に−4分の1波長分,+4分の1波長分及び+2分の1波長分の変化を与える。
(c3)前記位相差算出手段が,前記被測定物の表裏各面それぞれについて,−4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第1の分岐光,基準とされた第2の分岐光,+4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第3分岐光及び+2分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第4の分岐光それぞれについての前記干渉光の検出強度I1,I2,I3,I4を,次の(A1)式に適用することにより,前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φを算出する。
Φ=tan-1[(I2−I4)/(I3−I1)] …(A1)
但し,前記干渉光の検出強度I1,I2,I3,I4は,前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差に変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
このように,本発明によれば,ごく簡易な演算により前記位相差Φを算出することができる。
なお,前記干渉光の検出強度I1,I2,I3,I4のオフセット及び振幅が等しくなるように調整する方法は,例えば以下のような方法である。
即ち,前記参照面の位置又は前記被測定物もしくはその代替となる校正用の物体の位置に,前記ビーム光の波長の2分の1以上の変位を生じさせる。そして,前記干渉光強度検出手段により得られる複数の前記干渉光それぞれの強度の変動の中心レベル及び変動幅が等しくなるように,前記干渉光強度検出手段の検出ゲインを調整するか,或いは,前記干渉光強度検出手段の検出値に対して補正を加える。
Further, the shape measuring apparatus according to the present invention may satisfy the following conditions (c1) to (c3) as more specific requirements.
(C1) The non-interfering light branching optical system splits the non-interfering light into four branched lights by two stages of two branches.
(C2) The phase-shifting optical system is configured such that the reference component and the polarization component of the object light in the remaining three branched lights with respect to one branched light among the four branched lights. The phase difference is changed by ¼ wavelength, + ¼ wavelength, and +1/2 wavelength.
(C3) The phase difference calculating means is a first branched light to which a change of the phase difference corresponding to ¼ wavelength is given for each of the front and back surfaces of the object to be measured, the second reference light The branched light, the third branched light given the change of the phase difference for +1/4 wavelength, and the fourth branched light given the change of the phase difference for +1/2 wavelength By applying the interference light detection intensities I1, I2, I3, and I4 to the following equation (A1), the phase difference Φ of the polarization components of the reference light and the object light in the non-interference light is calculated.
Φ = tan -1 [(I2-I4) / (I3-I1)] (A1)
However, the detected intensities I1, I2, I3, and I4 of the interference light are adjusted in advance so that the offset and amplitude of the intensity change when the phase difference between the polarization components of the reference light and the object light is changed are equal. Use the value obtained.
Thus, according to the present invention, the phase difference Φ can be calculated by a very simple calculation.
The method for adjusting the offsets and the amplitudes of the interference light detection intensities I1, I2, I3, and I4 to be equal is, for example, the following method.
That is, a displacement of one half or more of the wavelength of the beam light is generated at the position of the reference surface or the position of the object to be measured or a calibration object as an alternative. And adjusting the detection gain of the interference light intensity detection means so that the center level and the fluctuation range of the intensity fluctuation of each of the plurality of interference lights obtained by the interference light intensity detection means are equal, or Correction is applied to the detection value of the interference light intensity detection means.
また,前記2つのホモダイン干渉計それぞれにおいて,前記非干渉光から分岐された各分岐光の光路長が等しく設定されていればなお好適である。
これにより,前記非干渉光から分岐された各分岐光の光路における外乱の影響が複数の前記干渉光それぞれに対して同程度に反映される。そのため,それら複数の干渉光の強度の相対評価による位相差の算出段階において,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化の相殺がより効果的となり,位相差算出の誤差をより低減できる。
また,前記2つのホモダイン干渉計それぞれが,次の(1.6)に示される構成要素を備えればなお好適である。
(1.6)前記非干渉光取得用光学系と前記測定部位との間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されて前記測定部位を焦点とする集光レンズ。
これにより,前記測定部位に対する前記ビーム光の照射スポットを小さくでき,そのビーム光を前記被測定物の表面において密に走査させることにより,前記被測定物の表面に沿う2次元方向における厚み分布の測定の空間分解能をより高めることができる。また,前記測定部位ごとの表面角度に若干の違いが存在しても,前記集光レンズの作用により,前記測定部位での反射光である前記物体光の光軸のずれを抑えることができる。その結果,前記物体光の光軸のずれに起因する前記物体光の受光光量の減少及び干渉効率の低下を抑制できる。
また,本発明は,以上に示した本発明に係る形状測定装置が備える各手段を用いた測定を行う形状測定方法として捉えることもできる。
It is further preferable that the optical path lengths of the branched lights branched from the non-interfering light are set equal in each of the two homodyne interferometers.
Thereby, the influence of the disturbance in the optical path of each branched light branched from the non-interfering light is reflected to each of the plurality of interference lights to the same extent. Therefore, in the phase difference calculation stage based on the relative evaluation of the intensities of the plurality of interference lights, the change in the phase difference between the reference light and the object light due to disturbance becomes more effective, and the error in calculating the phase difference is reduced. It can be reduced more.
Further, it is more preferable that each of the two homodyne interferometers includes a component shown in the following (1.6).
(1.6) A condensing lens that is disposed in the optical path of the object light that is the reflected light and the beam light between the non-interference light acquisition optical system and the measurement site, and focuses on the measurement site.
As a result, the irradiation spot of the beam light on the measurement site can be reduced, and the thickness distribution in the two-dimensional direction along the surface of the object to be measured can be reduced by closely scanning the beam light on the surface of the object to be measured. The spatial resolution of measurement can be further increased. Further, even if there is a slight difference in the surface angle for each measurement site, the action of the condenser lens can suppress the deviation of the optical axis of the object light that is reflected light at the measurement site. As a result, it is possible to suppress a decrease in the amount of received light of the object light and a decrease in interference efficiency due to the deviation of the optical axis of the object light.
Moreover, this invention can also be grasped | ascertained as a shape measuring method which performs the measurement using each means with which the shape measuring apparatus based on this invention shown above is equipped.
本発明によれば,半導体ウェハなどの薄板状の被測定物の厚み分布の測定において,簡易な装置構成により,被測定物の振動の影響を受けずに高精度で厚み分布の測定を行うことができる。 According to the present invention, when measuring the thickness distribution of a thin plate-like object to be measured such as a semiconductor wafer, the thickness distribution can be measured with high accuracy without being affected by the vibration of the object to be measured with a simple apparatus configuration. Can do.
以下添付図面を参照しながら,本発明の実施の形態について説明し,本発明の理解に供する。尚,以下の実施の形態は,本発明を具体化した一例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that the present invention can be understood. The following embodiment is an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
以下,図1に示される構成図を参照しながら,本発明の実施形態に係る形状測定装置Xについて説明する。
形状測定装置Xは,半導体ウェハ等の薄板状の被測定物1の厚み分布を測定する装置である。
図1に示されるように,形状測定装置Xは,ホモダイン干渉計である2つの光干渉計a20,b20を含む干渉光測定部Yと,可動支持装置Zとを備えている。また,前記干渉光測定部Yは,2つの前記光干渉計a20,b20に加え,3つの計算機a4,b4,5を備えている。
形状測定装置Xにおいて,被測定物1は,前記可動支持装置Zにより支持される。
以下,便宜上,被測定物1の一方の面(図1,図2における上側の面)をA面,そのA面と表裏の関係にある他方の面をB面と称する。また,被測定物1のA面上の厚みの測定部位をA面測定点1a,そのA面測定点1aと表裏相対するB面上の厚みの測定部位をB面測定点1bと称する。
一方の前記光干渉計a20は前記被測定物1のA面側に配置され,他方の前記光干渉計b20は,前記被測定物1のB面側に配置されている。
また,A面側の前記光干渉計a20及びB面側の前記光干渉計b20それぞれの検出信号を個別に処理する前記計算機a4及び前記計算機b4を,それぞれ第1計算機a4及び第2計算機と称し,残りの前記計算機5を第3計算機5と称する
3つの前記計算機a4,b4,5は,それぞれCPU,メモリ及び信号入出力インターフェース等を備え,前記CPUが所定のプログラムを実行することにより,各種の演算,前記信号入出力インターフェースを通じた外部装置との信号の送受信及び前記メモリへのデータの記録等を実行する。
Hereinafter, the shape measuring apparatus X according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram shown in FIG.
The shape measuring device X is a device that measures the thickness distribution of a thin plate-
As shown in FIG. 1, the shape measuring device X includes an interference light measuring unit Y including two optical interferometers a20 and b20 that are homodyne interferometers, and a movable support device Z. The interference light measuring unit Y includes three computers a4, b4, and 5 in addition to the two optical interferometers a20 and b20.
In the shape measuring device X, the
Hereinafter, for the sake of convenience, one surface (the upper surface in FIGS. 1 and 2) of the
One optical interferometer a20 is arranged on the A surface side of the device under
The computer a4 and the computer b4 that individually process the detection signals of the optical interferometer a20 on the A side and the optical interferometer b20 on the B side are referred to as a first computer a4 and a second computer, respectively. The remaining
2つの前記光干渉計a20,b20は,基準となる参照面と前記被測定物1の表裏各面の測定点1a,1bとにビーム光を照射し,その反射光である参照光と物体光とが重畳された干渉光の強度信号Sg1〜Sg4を出力する光学機器である。
また,前記第1計算機a4及び前記第2計算機b4は,A面側の前記光干渉計a20及びB面側の前記光干渉計b20それぞれから出力される前記干渉光の強度信号Sg1〜Sg4に基づいて,前記参照光と前記物体光との位相差Φa,Φbを算出する処理を実行する。その詳細については後述する。なお,位相差Φaは,前記A面側測定点1aに反射した物体光についての位相差であり,位相差Φbは,前記B面側測定点1bに反射した物体光についての位相差である。
また,前記第3計算機5は,複数箇所の前記A面側測定点1a及び前記B面側測定点1bについて算出された位相差Φa,Φbの差(Φa−Φb)分布に基づいて,前記被測定物1の厚み分布を算出する処理を実行する。
以下,形状測定装置Xが備える各構成要素の詳細について説明する。
The two optical interferometers a20 and b20 irradiate the reference light and the
The first computer a4 and the second computer b4 are based on intensity signals Sg1 to Sg4 of the interference light output from the optical interferometer a20 on the A side and the optical interferometer b20 on the B side. Thus, processing for calculating phase differences Φa and Φb between the reference light and the object light is executed. Details thereof will be described later. The phase difference Φa is a phase difference for the object light reflected on the A-plane
In addition, the
Hereinafter, the detail of each component with which the shape measuring apparatus X is provided is demonstrated.
前記可動支持装置Zは,前記被測定物1を2つの前記光干渉計a20,b20それぞれからの物体光の出射部の間に支持し,その支持位置を2次元方向に移動させる装置である。即ち,前記可動支持装置Zは,2つの前記光干渉計a20,b20に対する前記被測定物1の2次元方向における相対位置を変化させる装置である。図1に示される例では,前記可動支持装置Zは,前記被測定物1を水平方向に移動させる。
図1に示されるように,前記可動支持装置Zは,回転軸41及びこれに連結された支持部44,回転駆動部42,直線移動機構43及び移動制御装置7を備えている。
半導体ウェハ等の円盤状の被測定物1は,そのエッジ部において,円周上の三箇所に配置された前記支持部44により3点支持される。これら3つの支持部44は,前記円周の中心に向かって伸びる前記回転軸41に連結されている。
さらに,前記回転軸41は,サーボモータ等の前記回転駆動部42によって回転駆動される。これにより,前記被測定物1は,その中央部を回転中心として回転する。
また,前記直線移動機構43は,前記回転軸41及び前記回転駆動部42を,前記被測定物1の表裏各面に平行な方向,即ち,前記被測定物1の厚み方向に直交する方向に所定の移動範囲内で直線移動させる。即ち,前記直線移動機構43は,円盤状の前記被測定物1をその半径方向に沿って移動させる。
また,前記移動制御装置7は,前記回転駆動部42及び前記直線移動機構43の動きを制御する装置である。さらに,前記移動制御装置7は,前記被測定物1における物体光の照射位置,即ち,随時変化する前記測定点1a,1bの位置を検出し,その検出結果を前記第3計算機5に伝送する。前記測定点1a,1bの位置の検出は,例えば,前記回転駆動部42及び前記直線移動機構43に対する動作指令の履歴,即ち,前記被測定物1の移動履歴に基づいて検出される。或いは,前記測定点1a,1bの位置が,前記回転駆動部42及び前記直線移動機構43各々に設けられた不図示の位置検出センサの検出結果により検出されることも考えられる。
The movable support device Z is a device that supports the object to be measured 1 between the output portions of the object light from the two optical interferometers a20 and b20, and moves the support position in a two-dimensional direction. That is, the movable support device Z is a device that changes the relative position of the
As shown in FIG. 1, the movable support device Z includes a rotation shaft 41, a
A disk-shaped object to be measured 1 such as a semiconductor wafer is supported at three points by the
Further, the rotating shaft 41 is driven to rotate by the
The
The
そして,形状測定装置Xは,前記回転駆動部42による前記被測定物1の回転と,前記直線移動機構43による前記被測定物1の直線方向の移動とを併用することにより,前記被測定物1における前記測定点1a,1bの位置,即ち,物体光の照射スポットの位置を順次変更しつつ,複数箇所の前記測定点1a,1bにおける前記位相差Φa,Φbを測定する。
例えば,前記移動制御装置7は,前記被測定物1を一定速度で連続的に回転及び直線移動させつつ,一定周期で,或いは前記測定点1a,1bの位置が予め定められた位置となるごとに,前記第3計算機5に対してデータ取得指令を送信する。そして,前記第3計算機5が,前記データ取得指令の受信に応じて前記第1計算機a4及び前記第2計算機b4に対して前記位相差Φa,Φbの算出を要求し,その算出結果を取得する。さらに,前記第3計算機5は,複数箇所の前記測定点1a,1bについての前記位相差Φa,Φbの差の分布から,前記被測定物1の厚み分布を算出する。
図3は,形状測定装置Xにおける前記被測定物1の表面の複数箇所の前記測定点1a,1bの分布の一例を表す模式図である。
前記被測定物1を回転及び直線移動させつつ前記位相差Φa,Φbの測定を順次行った場合,図3に破線で示されるように,前記測定点1a,1bの位置は,被測定物1の表面における渦巻き状の軌跡Rに沿って順次変化する。複数箇所の前記測定点1a,1b及びそれに対応する前記位相差Φa,Φbは,例えば,測定順序に従って割り振られた測定点番号(1,2,3・・・)により識別される。図3には,前記測定番号が(K−1)番目から(K+2)番目に至る前記測定点1a,1bの軌跡が示されている。
このように,形状測定装置Xにおいては,前記被測定物1上の一本の走査線Rに沿って,2つの前記光干渉計a20,b20それぞれからの物体光が走査される。
Then, the shape measuring apparatus X uses the rotation of the device under
For example, the
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of the distribution of the measurement points 1 a and 1 b at a plurality of locations on the surface of the
When the phase differences Φa and Φb are measured sequentially while rotating and linearly moving the device under
As described above, in the shape measuring apparatus X, the object light from each of the two optical interferometers a20 and b20 is scanned along one scanning line R on the device under
次に,図2に示される構成図を参照しつつ,2つの前記光干渉計a20,b20を含む前記干渉光測定部Yについて説明する。
図2に示されるように,前記干渉光測定部Yは,レーザ光源2と,偏光ビームスプリッタ3と,複数のミラーa11〜a13,b11,b12と,A面側の前記光干渉計a20及びB面側の前記光干渉計b20と,前記第1計算機a4及び前記第2計算機b4と,前記第3計算機5とを備えている。
Next, the interference light measurement unit Y including the two optical interferometers a20 and b20 will be described with reference to the configuration diagram shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the interference light measurement unit Y includes a
前記レーザ光源2は,ビーム光P0を出射する光源である。前記ビーム光P0は単波長光であり,その周波数は特に限定されるものではない。例えば,可視光の前記ビーム光P0が採用される場合,前記ビーム光P0の周波数ωが5×108MHz程度であることが考えられる。
前記偏光ビームスプリッタ3は,前記レーザ光源2から出射される前記ビーム光P0を2分岐させる。そして,前記偏光ビームスプリッタ3により分岐された一方のビーム光Paは,3つのミラーa11,a12,a13により,前記被測定物1の前記A面測定点1aの方向へ導かれる。また,前記偏光ビームスプリッタ3により分岐された他方のビーム光Pbは,2つのミラーb11,b12により,前記被測定物1の前記B面測定点1bの方向へ導かれる。
なお,前記ビーム光Pa,Pbを前記A面測定点1a及び前記B面測定点1bのそれぞれへ導く光学機器としては,ミラーの他,光ファイバ等も考えられる。
前記被測定物1のA面側へ導かれた前記ビーム光Paは,A面側の前記光干渉計a20に入力される。同様に,前記被測定物1B面側へ導かれた前記ビーム光Pbは,B面側の前記光干渉計b20に入力される。
The
The polarization beam splitter 3 splits the beam light P0 emitted from the
In addition, as an optical device for guiding the light beams Pa and Pb to the A
The beam light Pa guided to the A plane side of the
2つの前記光干渉計a20,b20は,ホモダイン干渉計であり,前記レーザ光源2の出射光が2分岐されて前記被測定物1の表裏各面の側へ導かれた前記ビーム光Pa,Pbを,基準となる参照面と前記被測定物1における表裏各面の表裏相対する前記測定点1a,1bとに反射させた参照光及び物体光の干渉光の強度を検出する。
図2に示されるように,A面側の前記光干渉計a20及びB面側の前記光干渉計b20は,前記被測定物1における測定対象面が異なるだけで,全く同じ構成を備えている。以下,A面側の前記光干渉計a20の構成について説明し,それと同じ構成を備えたB面側の前記光干渉計b20の構成については,その説明を省略する。なお,図2において,A面側の前記光干渉計a20の各構成要素に対して符号"a・・・"が付され,B面側の前記光干渉計b20の各構成要素に対して符号"b・・・"が付されている。そして,2つの前記光干渉計a20,b20において,各符号から"a","b"を除いた残りの部分が同じ符号が付されている構成要素は同じものである。
図2に示されるように,前記光干渉計a20は,2分の1波長板a31,偏光ビームスプリッタa21,2つの4分の1波長板a22及びa23,参照板a24,集光レンズa32,3つの無偏光のビームスプリッタa251,a252及びa253,2つの4分の1波長板a261及びa263,2分の1波長板a264,4つの偏光板a271,a272,a273及びa274,4つの光検出器a281,a282,a283及びa284を備えている。
半導体ウェハのような薄板状の前記被測定物1は,例えば50Hz程度の周波数で振動することがある。そして,干渉光の強度の検出結果に,前記被測定物1の振動の影響が反映されないようにするためには,干渉光の強度のサンプリング周波数は,前記被測定物1の表面の変位速度に追随できる程度の周波数である必要である。
前記光検出器a281,a282,a283及びa284は,撮像サイクルが20Hz〜100Hz程度である2次元の撮像カメラと異なり,1MHz以上の高速なサンプリング周波数で光の強度を検出できる。これにより,前記被測定物1の振動の影響を受けずに干渉光の強度検出を行うことができる。
The two optical interferometers a20 and b20 are homodyne interferometers, and the light beams Pa and Pb that are split into two from the light emitted from the
As shown in FIG. 2, the optical interferometer a20 on the A plane side and the optical interferometer b20 on the B plane side have exactly the same configuration except that the measurement target plane in the
As shown in FIG. 2, the optical interferometer a20 includes a half-wave plate a31, a polarizing beam splitter a21, two quarter-wave plates a22 and a23, a reference plate a24, and condensing lenses a32 and 3. Two non-polarizing beam splitters a251, a252 and a253, two quarter-wave plates a261 and a263, half-wave plates a264, four polarizers a271, a272, a273 and a274, four photodetectors a281 , A282, a283, and a284.
The thin plate-shaped
The photodetectors a281, a282, a283, and a284 can detect the intensity of light at a high sampling frequency of 1 MHz or higher, unlike a two-dimensional imaging camera having an imaging cycle of about 20 Hz to 100 Hz. Thereby, the intensity of the interference light can be detected without being affected by the vibration of the
前記2分の1波長板a31は,前記ミラーa11〜a13によって前記被測定物1のA面測へ導かれた前記ビーム光Paの偏光面の調整を行う光学素子である。
前記偏光ビームスプリッタa21は,前記2分の1波長板a31により偏光面が調整された前記ビーム光Paを,偏波方向が直交する2つのビーム光に分岐させ,分岐した一方のビーム光を基準となる参照面に照射し,分岐した他方のビーム光を前記A面側測定点1aに照射する。なお,前記参照面は,所定位置に保持された前記参照板a24の表面である。
前記参照面に入射したビーム光の反射光である参照光は,入射したビーム光と光軸が一致する状態で前記偏光ビームスプリッタa21へ戻る。
前記偏光ビームスプリッタa21と前記参照面との間のビーム光の光路には,前記4分の1波長板a23が配置されている。この4分の1波長板a23を往復通過して元のビーム光に対して偏光方向が90°回転した前記参照光は,前記偏光ビームスプリッタa21を通過する。
The half-wave plate a31 is an optical element that adjusts the polarization plane of the beam light Pa guided to the A-plane measurement of the
The polarization beam splitter a21 branches the beam light Pa, whose polarization plane is adjusted by the half-wave plate a31, into two beam lights whose polarization directions are orthogonal to each other, and the one of the branched beam lights is used as a reference. The other reference light beam is irradiated to the
The reference light, which is the reflected light of the beam light incident on the reference surface, returns to the polarization beam splitter a21 in a state where the incident light beam and the optical axis coincide.
The quarter-wave plate a23 is disposed in the optical path of the beam light between the polarization beam splitter a21 and the reference surface. The reference light whose polarization direction is rotated by 90 ° with respect to the original beam light after reciprocating through the quarter-wave plate a23 passes through the polarization beam splitter a21.
一方,前記A面側測定点1aに入射したビーム光の反射光である物体光は,入射したビーム光と光軸が一致する状態で前記偏光ビームスプリッタa21へ戻る。
前記偏光ビームスプリッタa21と前記A面側測定点1aとの間のビーム光の光路には,前記4分の1波長板a22が配置されている。この4分の1波長板a22を往復通過して元のビーム光に対して偏光方向が90°回転した前記物体光は,前記偏光ビームスプリッタa21により,前記参照光と光軸が一致する方向へ反射する。これにより,前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光Paxが得られる。
以上に示したように,前記偏光ビームスプリッタa21及び2つの前記4分の1波長板a22,a23は,前記ビーム光Paを2分岐させて前記参照面と前記A面側測定点1aとの各々に照射し,前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる前記非干渉光Paxを得る光学系である。以下,これらを非干渉光取得用光学系と称する。
On the other hand, the object light, which is the reflected light of the light beam incident on the
The quarter-wave plate a22 is disposed in the optical path of the beam light between the polarizing beam splitter a21 and the A-plane
As described above, the polarization beam splitter a21 and the two quarter-wave plates a22 and a23 split the beam light Pa into two to provide each of the reference plane and the A-plane
また,前記4分の1波長板a22と前記A面側測定点1aとの間には,そのA面側測定点1aを焦点とする前記集光レンズa32が配置されている。即ち,前記集光レンズa32は,前記非干渉光取得用光学系と前記A面側測定点1aとの間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されている。
これにより,前記測定点1aごとの表面角度に若干の違いが存在しても,前記集光レンズa32の作用により,前記物体光の光軸のずれを抑えることができる。その結果,前記A面側測定点1aごとの表面角度の違いによって前記物体光の光軸がずれることによる前記物体光の受光光量の減少及び干渉効率の低下を抑制できる。
また,前記A面側測定点1aに対する前記ビーム光の照射スポットを小さくできる。そのビーム光を前記被測定物1の表面において密に走査させることにより,前記被測定物1の表面に沿う2次元方向における厚み分布の測定の空間分解能をより高めることができる。
Further, between the quarter-wave plate a22 and the A-plane
Thereby, even if there is a slight difference in the surface angle for each
Moreover, the irradiation spot of the beam light with respect to the A surface
また,3つの無偏光の前記ビームスプリッタa251,a252,a253は,前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光Paxを2段階の2分岐によって4つの分岐光Pa1,Pa2,Pa3,Pa4に分岐させる光学系である。以下,3つの無偏光の前記ビームスプリッタa251,a252,a253のことを,非干渉光分岐用光学系と称する。
即ち,前記ビームスプリッタa251は,前記非干渉光Paxの1段階目の2分岐を行う。また,残りの前記ビームスプリッタa252,a253は,前記非干渉光Paxによる分岐光それぞれに対して2段階目の2分岐を行う。
Further, the three non-polarized beam splitters a251, a252, and a253 are configured to divide the incoherent light Pax obtained by the incoherent light acquisition optical system into four branched light beams Pa1, Pa2, Pa3 by two-stage bifurcation. , Pa4. Hereinafter, the three non-polarized beam splitters a251, a252, and a253 are referred to as non-interference light branching optical systems.
That is, the beam splitter a251 performs the first branching of the non-interfering light Pax. Further, the remaining beam splitters a252 and a253 perform the second branching on each of the branched lights by the non-interfering light Pax.
また,2つの前記4分の1波長板a261及びa263と1つの前記2分の1波長板a264とは,前記非干渉光分岐用光学系により得られた前記非干渉光Paxに基づく4つの分岐光Pa1〜Pa4のうちの3つの分岐光Pa1,Pa3,Pa4について,直交する偏光成分の位相差に変化を与える複屈折素子である。ここで,前記4分の1波長板a261は,前記分岐光Pa1における直交する偏光成分の位相差を−4分の1波長分だけシフトさせる。また,前記4分の1波長板a263は,前記分岐光Pa3における直交する偏光成分の位相差を+4分の1波長分だけシフトさせる。また,前記2分の1波長板a264は,前記分岐光Pa4における直交する偏光成分の位相差を+2分の1波長分だけシフトさせる。なお,前記分岐光Pa2については位相シフトは行われない。
即ち,3つの波長板a261,a263及びa264は,4つの前記分岐光Pa1〜Pa4のうちの第2の分岐光Pa2を基準にして残りの3つの分岐光Pa1,Pa3,Pa4における前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との位相差に−4分の1波長分,+4分の1波長分及び+2分の1波長分の変化を与える。
このように,3つの波長板a261,a263及びa264は,前記参照光の成分と前記物体光の成分の位相差にそれぞれ異なる変化を与えることにより,前記非干渉光Paxに基づく4つの前記分岐光Pa1〜Pa4それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系である。
The two quarter-wave plates a261 and a263 and the one-half wavelength plate a264 include four branches based on the non-interfering light Pax obtained by the non-interfering light branching optical system. It is a birefringent element that changes the phase difference of orthogonal polarization components for three branched light beams Pa1, Pa3, and Pa4 among the light beams Pa1 to Pa4. Here, the quarter-wave plate a261 shifts the phase difference of the orthogonal polarization components in the branched light Pa1 by ¼ wavelength. The quarter-wave plate a263 shifts the phase difference of the orthogonal polarization components in the branched light Pa3 by +1/4 wavelength. Further, the half-wave plate a264 shifts the phase difference of orthogonal polarization components in the branched light Pa4 by +1/2 wavelength. Note that no phase shift is performed on the branched light Pa2.
That is, the three wavelength plates a261, a263, and a264 are used for the reference light in the remaining three branched lights Pa1, Pa3, and Pa4 based on the second branched light Pa2 among the four branched lights Pa1 to Pa4. The phase difference between the polarization component and the polarization component of the object light is changed by a ¼ wavelength, a + ¼ wavelength, and a + ½ wavelength.
In this manner, the three wave plates a261, a263, and a264 provide the four branched lights based on the non-interfering light Pax by giving different changes to the phase differences between the reference light component and the object light component, respectively. It is a phase shift optical system that generates different phase differences between the polarization component of the reference light and the polarization component of the object light in each of Pa1 to Pa4.
また,4つの前記偏光板a271〜a274は,前記位相シフト用光学系a261,a263,a264を経た前記非干渉光Paxに基づく4つの分岐光Pa1〜Pa4それぞれから,その分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光Qa1〜Qa4を抽出する干渉光抽出用光学系である。なお,抽出される偏光成分の角度は,前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準にして+45°又は−45°のいずれかである。
ここで,4つの前記偏光板a271〜a274それぞれが通過させる偏光成分の角度は,単に同一に設定されているとうものではなく,前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が+45°又は−45°のいずれかに統一されている。従って,前記偏光板a271〜a274それぞれが通過させる偏光成分の角度は,例えば,ミラーによる反射前及び反射後のいずれの前記分岐光Pa1〜Pa4を通過対象とするかにより90°ずれた角度となる。
また,4つの前記光検出器a281〜a284は,前記干渉光抽出用光学系により抽出された4つの干渉光Qa1〜Qa4それぞれの強度を検出してその検出信号Sig1〜Sig4を前記第1計算機a4へ出力する。
なお,B面側において,前記非干渉光Pax,前記分岐光Pa1〜Pa4及び前記干渉光Qa1〜Qa4それぞれに相当するものが,非干渉光Pbx,分岐光Pb1〜Pb4及び干渉光Qb1〜Qb4である。
Further, the four polarizing plates a271 to a274 are respectively connected to the reference light and the reference light in the branched light from the four branched lights Pa1 to Pa4 based on the non-interfering light Pax that has passed through the phase shift optical systems a261, a263, and a264. The interference light extraction optical system extracts interference light Qa1 to Qa4 between the reference light and the object light by extracting a polarization component having a common angle with respect to the polarization direction of the object light. The angle of the extracted polarization component is either + 45 ° or −45 ° based on the polarization direction of the reference light and the object light.
Here, the angles of the polarization components that each of the four polarizing plates a271 to a274 pass are not simply set to be the same, and the angle based on the polarization direction of the reference light and the object light is +45. It is unified to either ° or -45 °. Therefore, the angle of the polarization component that each of the polarizing plates a271 to a274 passes is an angle that is shifted by 90 ° depending on, for example, whether the branched light Pa1 to Pa4 before reflection or after reflection by the mirror is to be passed. .
The four photodetectors a281 to a284 detect the intensity of each of the four interference lights Qa1 to Qa4 extracted by the interference light extraction optical system, and use the detection signals Sig1 to Sig4 as the first calculator a4. Output to.
On the B-side, the non-interfering light Pax, the branched lights Pa1 to Pa4, and the interference lights Qa1 to Qa4 respectively correspond to the non-interfering light Pbx, the branched lights Pb1 to Pb4, and the interference lights Qb1 to Qb4. is there.
そして,前記第1計算機a4は,前記被測定物1のA面について,−4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第1の分岐光Pa1,基準とされた第2の分岐光Pa2,+4分の1波長分の位相差の変化が与えられた第3の分岐光Pa3,及び+2分の1波長分の位相差の変化が与えられた第4の分岐光Pa4それぞれについての前記干渉光Qa1〜Qa4の検出強度I1,I2,I3,I4を次の(B1)式に適用することにより,前記非干渉光Paxにおける前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φを算出する。
Φ=tan-1[(I2−I4)/(I3−I1)] …(B1)
但し,前記干渉光Qa1〜Qa4の検出強度I1,I2,I3,I4は,前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
なお,前記第2計算機b4も,前記被測定物1のB面について得られた干渉光Qb1〜Qb4の検出強度I1〜I4に基づいて,前記第1計算機a4と同様の処理を行う。
そして,前記第3計算機5は,複数箇所の前記A面側測定点1a及び前記B面側測定点1bについて算出されたA面側の位相差Φa及びB面側の位相差Φbの差(Φa−Φb)の分布に基づく位相接続処理を行うことにより,前記被測定物1の厚み分布を算出する。
なお,A面側の前記I1,I2,I3,I4を(B1)式に適用して得られる位相差Φが,A面側の位相差Φaであり,B面側の前記I1,I2,I3,I4を(B1)式に適用して得られる位相差Φが,B面側の位相差Φbである。
Then, the first calculator a4 has the first branched light Pa1 to which the change of the phase difference for ¼ wavelength is given for the A surface of the
Φ = tan -1 [(I2-I4) / (I3-I1)] (B1)
However, the detected intensities I1, I2, I3, and I4 of the interference lights Qa1 to Qa4 are equal in offset and amplitude of intensity change when the phase difference Φ of the polarization component of the reference light and the object light is changed. A value adjusted in advance is used.
The second computer b4 also performs the same processing as the first computer a4 based on the detected intensities I1 to I4 of the interference lights Qb1 to Qb4 obtained for the B surface of the
The
The phase difference Φ obtained by applying the I1, I2, I3, I4 on the A plane side to the formula (B1) is the phase difference Φa on the A plane side, and the I1, I2, I3 on the B plane side. , I4 applied to the equation (B1) is a phase difference Φb on the B plane side.
以下,(B1)式の導出根拠について説明する。
前記検出強度I1,I2,I3,I4それぞれのオフセットD及び振幅Hが等しいとすると,前記検出強度I1,I2,I3,I4は,次の(B2)式により表される。
ところで,前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えたときの4つの前記光検出器a281〜a284による干渉光Qa1〜Qa4の実際の検出強度のオフセット及び振幅は,光学系や前記光検出器a281〜a284の特性の個体差により一致しない場合がある。
即ち,前記光検出器a281〜a284による干渉光Qa1〜Qa4の実際の検出強度をI1’,I2’,I3’,I4’とすると,その検出強度I1’,I2’,I3’,I4’は,次の(B3)式により表される。
そして,(B3)式の変形によって次の(B4)式を導くことができる。
また,前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与える方法としては,例えば,前記被測定物1又は前記参照板a24に,前記ビーム光の波長の2分の1以上の変位が生じるように振動を与えること等が考えられる。
Hereinafter, the grounds for deriving the formula (B1) will be described.
If the offsets D and amplitudes H of the detection intensities I1, I2, I3, and I4 are equal, the detection intensities I1, I2, I3, and I4 are expressed by the following equation (B2).
By the way, the offsets and amplitudes of the actual detection intensities of the interference lights Qa1 to Qa4 by the four photodetectors a281 to a284 when the phase difference Φ of the polarization components of the reference light and the object light is changed are optical There may be cases where they do not match due to individual differences in the characteristics of the system and the photodetectors a281 to a284.
That is, when the actual detection intensities of the interference lights Qa1 to Qa4 by the photodetectors a281 to a284 are I1 ′, I2 ′, I3 ′, and I4 ′, the detection intensities I1 ′, I2 ′, I3 ′, and I4 ′ are , Represented by the following equation (B3).
Then, the following equation (B4) can be derived by modifying the equation (B3).
In addition, as a method for changing the phase difference Φ of the polarization components of the reference light and the object light, for example, the object to be measured 1 or the reference plate a24 may be at least half the wavelength of the beam light. It is conceivable to apply vibration so that displacement occurs.
以上に示した形状測定装置Xにおいて,ホモダイン干渉計である2つの前記光干渉計a20,b20は,光源や信号処理部などについて,ヘテロダイン干渉計に比べ,ごく簡易な構成により実現できる。
また,前記被測定物1が高速で振動する場合であっても,複数の前記光検出器a281,a282,a283及びa284は,前記被測定物1の表面の変位速度よりも十分に高速で動作可能である。そのため,前記形状測定装置Xは,端部が支持された薄板状の半導体ウェハのように高速で振動する前記被測定物1の厚み測定にも好適である。また,2つの前記光干渉計a20,b20は,スポット径の小さなビーム光を前記被測定物1の表面において密に走査させることにより,前記被測定物1の表面に沿う2次元方向における厚み分布の測定の空間分解能を高めることができる。
In the shape measuring apparatus X described above, the two optical interferometers a20 and b20, which are homodyne interferometers, can be realized with a very simple configuration compared to the heterodyne interferometer with respect to the light source and the signal processing unit.
Even when the device under
また,2つの前記光干渉計a20,b20においては,直交する前記参照光及び前記物体光の偏光成分についての位相シフトが,前記波長板a261,a263,a264,b261,b263,b264を通じて光学的に行われる。これにより,各測定部点1a,1bについて,1つの前記非干渉光Pax,Pbxを起源として位相シフトが行われた複数の干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4が同時に得られる。そして,それら複数の干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4の強度I1〜I4から,前記参照光と前記物体光との間の位相差Φa,Φbを算出でき,A面側及びB面側の位相差Φa,Φbの差(Φa−Φb)の分布から,前記被測定物1の厚み分布を算出できる。
また,その位相差Φa,Φbは,1つの前記非干渉光Pax,Pbxを起源とする4つの干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4の強度の相対評価により算出されるため,前記レーザ光源2の特性変動や複数箇所の前記測定点1a,1bごとの表面角度及び光の反射率の違い等の外乱要因の影響を受けにくい。
In the two optical interferometers a20 and b20, the phase shifts of the orthogonal reference light and the polarization components of the object light are optically transmitted through the wave plates a261, a263, a264, b261, b263, and b264. Done. As a result, a plurality of interference lights Qa1 to Qa4 and Qb1 to Qb4, which are phase-shifted from one non-interference light Pax and Pbx, are obtained at the same time for each
The phase differences Φa and Φb are calculated by relative evaluation of the intensity of the four interference lights Qa1 to Qa4 and Qb1 to Qb4 originating from the one non-interference light Pax and Pbx. It is difficult to be affected by disturbance factors such as characteristic fluctuations, surface angles at the
また,複数箇所の前記測定点1a,1bごとの面角度の違いや,ミラーやビームスプリッタなどの光学機器の保持角度の僅かな変化等の外乱により,前記参照光及び前記物体光の光軸の角度やそれらの重なり具合などが変化する。そして,その変化が4つの前記干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4における前記参照光及び前記物体光の位相差の変化として表れる。
そのような状況下で,前記光干渉計a20,b20においては,位相差Φa,Φbの算出に用いられる4つの干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4は,前記非干渉光Pax,Pbxの分岐光Pa1〜Pa4,Pb1〜Pb4それぞれから共通の偏光成分を抽出して得られた光である。そのため,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差Φa,Φbの変化が,複数の干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4において同方向に反映される。そして,それら複数の干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4の強度の相対評価により位相差の算出が行われると,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差Φa,Φbの変化が位相差の算出の段階で相殺され,測定誤差を低減できる。
Further, due to disturbance such as a difference in surface angle at each of the plurality of
Under such circumstances, in the optical interferometers a20 and b20, the four interference lights Qa1 to Qa4 and Qb1 to Qb4 used for calculating the phase differences Φa and Φb are branched lights of the non-interference lights Pax and Pbx. This light is obtained by extracting common polarization components from Pa1 to Pa4 and Pb1 to Pb4. Therefore, changes in the phase differences Φa and Φb between the reference light and the object light due to disturbance are reflected in the same direction in the plurality of interference lights Qa1 to Qa4 and Qb1 to Qb4. When the phase difference is calculated by the relative evaluation of the intensities of the plurality of interference lights Qa1 to Qa4 and Qb1 to Qb4, changes in the phase differences Φa and Φb of the reference light and the object light due to disturbance are changed. Measurement errors can be reduced by canceling out the phase difference.
また,2つの前記光干渉計a20,b20それぞれにおいて,前記非干渉光Pax,Pbxから分岐された各分岐光Pa1〜Pa4,Pb1〜Pb4の光路長が等しく設定されていれることが望ましい。
これにより,各分岐光Pa1〜Pa4,Pb1〜Pb4の光路における外乱の影響が複数の前記干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4それぞれに対して同程度に反映される。そのため,それら複数の干渉光Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4の強度の相対評価による位相差の算出段階において,外乱に起因する前記参照光及び前記物体光の位相差の変化の相殺がより効果的となり,位相差Φa,Φbの算出誤差をより低減できる。
In addition, in each of the two optical interferometers a20 and b20, it is desirable that the optical path lengths of the branched lights Pa1 to Pa4 and Pb1 to Pb4 branched from the non-interfering lights Pax and Pbx are set to be equal.
Thereby, the influence of the disturbance in the optical path of each branched light Pa1-Pa4, Pb1-Pb4 is reflected to each of the said some interference light Qa1-Qa4, Qb1-Qb4 to the same extent. Therefore, in the phase difference calculation stage based on the relative evaluation of the intensities of the plurality of interference lights Qa1 to Qa4 and Qb1 to Qb4, it becomes more effective to cancel the change in the phase difference between the reference light and the object light due to disturbance. , The calculation error of the phase differences Φa and Φb can be further reduced.
以上に示した実施形態では,図3に示されるように,前記測定点1a,1bの位置は,前記被測定物1の表面における渦巻き状の軌跡Rに沿って順次変化する例を示した。
しかしながら,例えば,前記可動支持装置Zとして,X−Yプロッタのように前記被測定物1を支持する前記支持部44を,交差する2直線それぞれに沿って移動させる装置が採用されることも考えられる。この場合,前記測定点1a,1bの位置を,前記被測定物1の表面において,図4に示されるような軌跡R’に沿って順次変化させることも考えられる。
また,3つの前記計算機a4,b4,5の処理は,1つ又は2つの計算機により実現されてもよい。
In the embodiment described above, as shown in FIG. 3, the example in which the positions of the measurement points 1 a and 1 b sequentially change along the spiral locus R on the surface of the
However, for example, as the movable support device Z, a device that moves the
Further, the processing of the three computers a4, b4, and 5 may be realized by one or two computers.
また,前述した実施形態では,前記非干渉光Pax,Pbxが,それぞれ4つの分岐光Pa1〜Pa4,Pb1〜Pb4に分岐される例を示したが,前記非干渉光Pax,Pbxが3つ以上の分岐光に分岐されれば,同様に前記位相差Φa,Φbを算出することができる。
例えば,前記非干渉光Pax,Pbxが前述した実施形態と同様に4分岐された場合,その4つの分岐光のうちの3つの分岐光に基づき得られる3つの干渉光の検出強度I1,I2,I3を次の(B6)式に適用することにより,前記位相差Φを算出することができる。但し,前述した実施形態と同様に,前記位相シフト用光学系により,第1の分岐光Pa1,Pb1に対し,第2の分岐光Pa2,Pa2を基準として−4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられている。また,前記位相シフト用光学系により,第3の分岐光Pa3,Pb3に対し,第2の分岐光Pa2,Pa2を基準として+4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられている。
Φ=tan-1[(2×I2−I3−I1)/(I3−I1)] …(B6)
但し,前記干渉光Qa1〜Qa3の検出強度I1,I2,I3は,前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φに変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。
このように,3つの前記干渉光Qa1〜Qa3の検出強度I1,I2,I3に基づく形状測定を行っても,前述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
In the above-described embodiment, an example in which the non-interfering lights Pax and Pbx are branched into four branched lights Pa1 to Pa4 and Pb1 to Pb4, respectively. However, the number of the non-interfering lights Pax and Pbx is three or more. In the same manner, the phase differences Φa and Φb can be calculated.
For example, when the non-interfering lights Pax and Pbx are branched into four similarly to the above-described embodiment, the detected intensities I1, I2, and I3 of the three interfering lights obtained based on the three branched lights among the four branched lights. By applying I3 to the following equation (B6), the phase difference Φ can be calculated. However, in the same manner as in the above-described embodiment, the phase shift optical system causes the first branched light beams Pa1 and Pb1 to be compared with the second branched light beams Pa2 and Pa2. A change in phase difference is given. Further, the phase shift optical system gives the change of the phase difference by a quarter wavelength to the third branched light beams Pa3 and Pb3 with respect to the second branched light beams Pa2 and Pa2.
Φ = tan −1 [(2 × I2-I3-I1) / (I3-I1)] (B6)
However, the detected intensities I1, I2, and I3 of the interference lights Qa1 to Qa3 are set so that the offset and amplitude of the intensity change when the phase difference Φ of the polarization component of the reference light and the object light is changed are equal. A pre-adjusted value is used.
As described above, even when the shape measurement based on the detected intensities I1, I2, and I3 of the three interference lights Qa1 to Qa3 is performed, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
本発明は,半導体ウェハ等の被測定物についての厚み分布の測定装置に利用可能である。 The present invention can be used in a thickness distribution measuring apparatus for an object to be measured such as a semiconductor wafer.
X :本発明の実施形態に係る形状測定装置
Y :干渉光測定部
Z :可動支持装置
1 :被測定物
1a:A面測定点
1b:B面測定点
2 :レーザ光源
3 :偏光ビームスプリッタ
a4:第1計算機
b4:第2計算機
5 :第3計算機
7 :移動制御装置
a11〜a13,b11,b12:ミラー
a20,b20:光干渉計
a21,b21:偏光ビームスプリッタ
a22,a23,b22,b23:4分の1波長板
a24,b24:参照板
a31,b31:2分の1波長板
a32,b32:集光レンズ
a251〜a252,b251〜b252:無偏光のビームスプリッタ
a261,a263,b261,b263:4分の1波長板
a264,b264:2分の1波長板
a271〜a274,b271〜b274:偏光板
a281〜a284,b281〜b284:光検出器
P0 :ビーム光
Pax,Pbx:非干渉光
Pa1〜Pa4,Pb1〜Pb4:非干渉光の分岐光
Qa1〜Qa4,Qb1〜Qb4:干渉光
X: shape measuring device Y according to an embodiment of the present invention: interference light measuring unit Z: movable support device 1: object to be measured 1a: A
Claims (4)
前記2つのホモダイン干渉計それぞれが、
前記ビーム光を2分岐させて前記参照面と前記測定点との各々に照射し、前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光を得る非干渉光取得用光学系と、
前記非干渉光取得用光学系により得られた前記非干渉光を3つ以上に分岐させる非干渉光分岐用光学系と、
前記非干渉光分岐用光学系により得られた前記非干渉光の3つ以上の分岐光のうちの1つ以上について複屈折素子を通じて直交する偏光成分の位相差に変化を与えることにより、前記非干渉光の3つ以上の分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト用光学系と、
前記位相シフト用光学系を経た前記非干渉光の3つ以上の分岐光それぞれから該分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する干渉光抽出用光学系と、
前記干渉光抽出用光学系により抽出された複数の干渉光それぞれの強度を検出する干渉光強度検出手段と、
前記非干渉光取得用光学系と前記測定点との間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されて前記測定点を焦点とする集光レンズと、を具備し、
前記厚み分布算出手段が、
前記被測定物の表裏各面それぞれについて前記干渉光強度検出手段により検出された複数の前記干渉光のそれぞれの強度に基づいて前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出する位相差算出手段と,
前記被測定物の表裏各面それぞれの複数箇所の前記測定点について前記位相差算出手段により算出された位相差の分布に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出手段と、
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。 A reference surface provided on each of the front and back surfaces of the object to be measured, and the light emitted from a predetermined light source branched into two and guided to the front and back surfaces of the object to be measured, and the reference surface and the object to be measured 2 homodyne interferometers for detecting the intensity of the interference light of the reference light and the object light reflected on the front and back measurement points on the front and back surfaces, and the two-dimensional direction of the object to be measured with respect to the two homodyne interferometers Thickness distribution calculating means for calculating the thickness distribution of the object to be measured based on the intensity of the interference light detected at the plurality of measurement points by the two homodyne interferometers while changing the relative positions of the two homodyne interferometers. A shape measuring device comprising:
Each of the two homodyne interferometers
For obtaining non-interfering light that divides the beam light in two and irradiates each of the reference surface and the measurement point to obtain non-interfering light that includes the reference light and the object light as polarization components orthogonal to each other. Optical system,
A non-interference light branching optical system for branching the non-interference light obtained by the non-interference light acquisition optical system into three or more;
By changing a phase difference of orthogonal polarization components through a birefringent element with respect to one or more of the three or more branched lights of the non-interfering light obtained by the non-interfering light branching optical system, A phase shift optical system that generates a different phase difference between the polarization component of the reference light and the polarization component of the object light in each of the three or more branched lights of the interference light;
By extracting a polarization component having a common angle based on the polarization direction of the reference light and the object light in the branched light from each of the three or more branched lights of the non-interfering light that has passed through the phase shift optical system An interference light extraction optical system for extracting interference light between the reference light and the object light;
Interference light intensity detection means for detecting the intensity of each of the plurality of interference lights extracted by the interference light extraction optical system;
A condensing lens that is arranged in the optical path of the object light that is the reflected light and the beam light between the non-interference light acquisition optical system and the measurement point; and
The thickness distribution calculating means is
A phase difference between the polarization components of the reference light and the object light in the non-interference light based on the intensities of the plurality of interference lights detected by the interference light intensity detection means for the front and back surfaces of the object to be measured. Phase difference calculating means for calculating
Thickness distribution calculating means for calculating the thickness distribution of the object to be measured based on the distribution of the phase difference calculated by the phase difference calculating means for the plurality of measurement points on each of the front and back surfaces of the object to be measured;
A shape measuring apparatus comprising:
前記位相シフト用光学系が、前記4つの分岐光のうちの1つの分岐光を基準にして残りの3つの分岐光における前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との位相差に−4分の1波長分、+4分の1波長分及び+2分の1波長分の変化を与え、
前記位相差算出手段が、
前記被測定物の表裏各面それぞれについて,−4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第1の分岐光,基準とされた第2の分岐光,+4分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第3分岐光及び+2分の1波長分の前記位相差の変化が与えられた第4の分岐光それぞれについての前記干渉光の検出強度I1、I2、I3、I4を次式に適用することにより、前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差Φを算出してなる請求項1に記載の形状測定装置。
Φ=tan−1[(I2−I4)/(I3−I1)]
但し、前記干渉光の検出強度I1、I2、I3、I4は、前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差に変動を与えたときの強度変化のオフセット及び振幅が等しくなるように予め調整された値を用いる。 The non-interference light branching optical system splits the non-interference light into four branch lights by two-stage two branches,
The phase shift optical system is configured to detect a phase difference between the polarization component of the reference light and the polarization component of the object light in the remaining three branched lights with reference to one of the four branched lights. Giving a change of 1/4 wavelength, +1/4 wavelength, and +1/2 wavelength,
The phase difference calculating means is
For each of the front and back surfaces of the object to be measured, the first branched light to which the change of the phase difference for ¼ wavelength is given, the second branched light used as a reference, and for the + ¼ wavelength The interference light detection intensities I1, I2, and I3 for the third branched light to which the change in the phase difference is given and the fourth branched light to which the change in the phase difference for +1/2 wavelength is given, respectively. , I4 is applied to the following equation to calculate the phase difference Φ between the polarization components of the reference light and the object light in the non-interfering light.
Φ = tan −1 [(I2-I4) / (I3-I1)]
However, the detected intensities I1, I2, I3, and I4 of the interference light are adjusted in advance so that the offset and amplitude of the intensity change when the phase difference between the polarization components of the reference light and the object light is changed are equal. Use the value obtained.
前記2つのホモダイン干渉計それぞれが備える所定の光学系により、
前記ビーム光を2分岐させて前記参照面と前記測定点との各々に照射し、前記参照光と前記物体光とが相互に直交する偏光成分として含まれる非干渉光を得る非干渉光取得工程と、
前記非干渉光取得工程により得られた前記非干渉光を複数に分岐させる非干渉光分岐工程と、
前記非干渉光分岐工程により得られた前記非干渉光の3つ以上の分岐光のうちの1つ以上について複屈折素子を通じて直交する偏光成分の位相差に変化を与えることにより、前記非干渉光の3つ以上の分岐光それぞれにおける前記参照光の偏光成分と前記物体光の偏光成分との間に異なる位相差を生じさせる位相シフト工程と、
前記位相シフト工程を経た前記非干渉光の3つ以上の分岐光それぞれから該分岐光における前記参照光及び前記物体光の偏光方向を基準とする角度が共通の偏光成分を抽出することにより前記参照光と前記物体光との干渉光を抽出する干渉光抽出工程と、
前記干渉光抽出工程により抽出された複数の干渉光それぞれの強度を光検出手段により検出する干渉光強度検出工程と、を実行し、
前記所定の光学系は、前記非干渉光を得る前記非干渉光取得用光学系と前記測定点との間における前記ビーム光及びその反射光である前記物体光の光路に配置されて前記測定点を焦点とする集光レンズを具備し、
前記演算手段により、
前記被測定物の表裏各面それぞれについて前記干渉光強度検出工程により検出された複数の前記干渉光のそれぞれの強度に基づいて前記非干渉光における前記参照光及び前記物体光の偏光成分の位相差を算出する位相差算出工程と、
前記被測定物の表裏各面それぞれの複数箇所の前記測定点について前記位相差算出工程により算出された位相差の分布に基づいて前記被測定物の厚み分布を算出する厚み分布算出工程と,を実行してなることを特徴とする形状測定方法。
The beam light emitted from a predetermined light source is branched into two and guided to the front and back surfaces of the object to be measured, and the object to be measured is respectively measured by two homodyne interferometers provided on the front and back surfaces of the object to be measured. The intensity of the interference light of the reference light and the object light reflected by the reference light on the reference surface and the measurement points on the front and back surfaces of the object to be measured opposite to each other. Based on the intensity of the interference light detected at a plurality of measurement points by the two homodyne interferometers while changing the two-dimensional relative position of the object to be measured with respect to the two homodyne interferometers. A shape measuring method for calculating a thickness distribution of the object to be measured by a predetermined computing means,
By a predetermined optical system provided in each of the two homodyne interferometers,
A non-interfering light acquisition step of bifurcating the beam light to irradiate each of the reference surface and the measurement point to obtain non-interfering light that includes the reference light and the object light as polarization components orthogonal to each other When,
A non-interference light branching step for branching the non-interference light obtained by the non-interference light acquisition step into a plurality of non-interference light,
By changing one or more of the three or more branched lights of the non-interfering light obtained by the non-interfering light branching step to the phase difference of the orthogonal polarization components through a birefringence element, the non-interfering light A phase shift step of generating a different phase difference between the polarization component of the reference light and the polarization component of the object light in each of the three or more branched lights of
The reference is extracted from each of the three or more branched lights of the non-interfering light that have undergone the phase shift step by extracting a polarized light component having a common angle based on the polarization direction of the reference light and the object light in the branched light. An interference light extraction step of extracting interference light between the light and the object light;
Performing an interference light intensity detection step of detecting, by a light detection means, the intensity of each of the plurality of interference lights extracted by the interference light extraction step,
The predetermined optical system is arranged in the optical path of the object light which is the beam light and the reflected light between the non-interference light acquisition optical system for obtaining the non-interference light and the measurement point, and the measurement point With a condensing lens focusing on
By the calculation means,
The phase difference between the polarization components of the reference light and the object light in the non-interference light based on the intensities of the plurality of interference lights detected by the interference light intensity detection step for the front and back surfaces of the object to be measured. A phase difference calculating step of calculating
A thickness distribution calculating step for calculating a thickness distribution of the device to be measured based on a phase difference distribution calculated by the phase difference calculating step for a plurality of measurement points on each of the front and back surfaces of the device to be measured; A shape measuring method characterized by being executed.
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