JP5249391B2 - 物体の表面プロファイルを測定する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の表面プロファイルを測定する方法及び装置に関する。

光プローブと走査システムとを備えた表面プロファイラが物体の表面プロファイルの測定に使用されている。

光表面プロファイラとしての光プローブシステム１１００を図１に示す。光プローブシステムは、焦点スポット（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｓｐｏｔ）を使用して「共焦点法」と呼ばれる測定を実行する。レーザダイオード１０００から射出されたレーザビームは、コリメータレンズ１００１によって平行にされ、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１００２、１／４波長板（ＱＷＰ）１００３及びフォーカスシフト装置１００４を介し、フォーカスレンズ１００５によって物体表面１０５０の上に焦点を合わせられる。物体表面１０５０からの反射光は、ＰＢＳ１００２を介し、結像レンズ１００６によって焦点を合わせられる。ピンホールを有するピンホール板１００７が物体表面１０５０と共役である場合、検出器１００８によって検出される強度は最大となる。フォーカスシフト装置１００４を用いて焦点距離を変更しながら、検出器１００８において最大強度となる焦点距離によって長さＬが算出される。表面プロファイルを取得するために、光プローブシステム１１００は、物体１０５０の表面を走査する。

回折格子や回折レンズなどの現在の回折光学素子のピッチは、１０ミクロン未満となる。この方法の方位分解能は、焦点スポットサイズによって制限され、光プローブに使用される焦点スポットの典型的なサイズは、約１ミクロンである。従って、エッジ（段差）近傍の表面プロファイルの測定結果は、不正確になる。

そこで、エッジ近傍の表面プロファイルの測定結果を正確に取得することができる、物体の表面プロファイルを測定する方法が必要である。

本発明の一側面としての方法は、物体の表面プロファイルを測定する方法であって、物体の表面の段差が走査方向に対して延在する第１の方向の情報を取得するステップと、前記情報に応じて、照射ビームに与える位相分布を設定するステップと、前記照射ビームで前記物体を前記走査方向に走査するステップと、を有する。

本発明の別の側面としての装置は、物体の表面プロファイルを測定する装置であって、光源と、前記光源から照射される光に位相分布を与える空間光変調器と、前記物体を走査する走査部と、前記物体からの反射光を検出する検出器と、前記物体の表面の段差が前記走査部の走査方向に対して延在する第１の方向に応じて、前記空間光変調器を制御する制御部と、を有する。

図１は、光表面プロファイラを示す図。 図２は、光表面プロファイラを示す図。 図３は、段差に対するフォーカスレンズの位置を示す図。 図４は、検出器によって得られた信号強度を示す図。 図５は、各フォーカス位置での測定距離を示す図。 図６は、位相分布を示す図。 図７は、焦点スポットの強度分布を示す図。 図８は、焦点スポットの断面強度分布を示す図。 図９は、検出画像を示す図。 図１０Ａは、物体の斜視図を示す図。 図１０Ｂは、物体の上面図及び断面図を示す図。 図１１は、物体表面の上面図を示す図。 図１２は、検出画像を示す図。 図１３は、検出器によって得られた信号強度を示す図。 図１４Ａは、位相パターンを示す図。 図１４Ｂは、フォーカス面におけるスポット形状を示す図。 図１５Ａは、スポット形状及び物体表面の上面図を示す図。 図１５Ｂは、スポット形状及び物体表面の上面図を示す図。 図１５Ｃは、スポット形状及び物体表面の上面図を示す図。 図１６は、２つのピーク強度部分である２つの点を結ぶ線を示す図。 図１７は、非接触型の光表面プロファイラを示す図。 図１８は、ＳＬＭパターンを示す図。 図１９は、走査スポット（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｏｔ）を示す図。 図２０は、検出画像を示す図。 図２１は、エッジ信号を算出する方法を示す図。 図２２は、物体の断面図を示す図。 図２３は、信号強度を示す図。 図２４は、各フォーカス位置での測定距離を示す図。 図２５は、非接触型の光表面プロファイラを示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図２は、光プローブシステム２１００を示す。図２に示す光プローブシステムにおいて、照射ビームによって物体表面２０５０の上に形成されるスポットは、段差のエッジ部分２０９０に位置する。光プローブシステム２１００は、レーザダイオード２０００と、コリメータレンズ２００１と、ＰＢＳ２００２と、ＱＷＰ２００３と、フォーカスシフト装置２００４と、フォーカスレンズ２００５と、結像レンズ２００６と、ピンホール板２００７と、検出器２００８とを有する。共焦点法を用いて、物体表面２０５０の形状が測定される。

フォーカスレンズ２００５の位置は、図３に示すように、Ｐ１からＰ３に変更することができる。図３に示すように、Ｐ１は、フォーカスレンズ２００５から物体表面２０５０までの距離がＬ１である位置を示し、Ｐ２は、スポットが段差のエッジ部分の上に位置する位置を示し、Ｐ３は、フォーカスレンズ２００５から物体表面２０５０までの距離がＬ２である位置を示す。

図４は、焦点距離がフォーカスシフト装置２００４によって変更された場合において、フォーカスレンズ２００５の各位置での検出器２００８の信号の変化を示す。実線２０６１、破線２０６２及び一点鎖線２０６３は、それぞれ、位置Ｐ３、Ｐ２及びＰ１での信号を示す。焦点スポットが物体表面２０５０の上に位置するときに、ピンホール板２００７を通過する光量が最大になるため、検出器の信号は最大になる。

信号が最大になる焦点距離は、フォーカスレンズ２００５と物体表面２０５０との間の距離と等しい。図４に示すように、焦点スポットがＰ１に位置する場合、信号強度はＬ１の焦点距離で最大になり、スポットがＰ３に位置する場合、信号強度はＬ２の焦点距離で最大になる。但し、焦点スポットがＰ２に位置する場合、スポットは、焦点距離がＬ１及びＬ２である物体表面の両方を含むことができるため、信号強度が最大になる距離を決定することは難しい。図５に示すように、範囲５０００の中、特に、段差の位置で焦点距離を正確に測定することは、段差のエッジでの照射ビームの散乱のため、困難である。

「Ｂｏｒｉｓ Ｓｐｅｋｔｏｒ， Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｎｏｒｍａｔｏｖ， ａｎｄ Ｊｏｓｅｐｈ Ｓｈａｍｉｒ， “Ｓｉｎｇｕｌａｒ ｂｅａｍ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ” Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ４７， Ａ７８−Ａ８７ （２００８）」に示されているように、特異ビームスポット（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｂｅａｍ ｓｐｏｔ）が、困難性を解決するために検討された。

図６に示す０及びπ（ラジアン）の位相分布が照射ビームに適用された場合、瞳面における焦点スポットの強度分布を図７に示す。スポットの強度分布の断面は、図８の実線８００１によって示される。図８において、横軸は、横方向の位置であり、縦軸は、規格化した強度である。図８の破線８００２は、位相分布がない照射ビームの強度分布を示す。

位相分布が与えられた照射ビームが物体表面１０５０を、段差を横切ってｙ方向に走査される場合に、検出器によって検出される検出画像は、図９に示される。フォーカス位置がＰ１、Ｐ２及びＰ３に位置している場合、得られる検出画像は、それぞれ、Ｄ１、Ｄ２及びＤ３である。検出画像の変化によって、高さなどの物体の表面プロファイルの情報を取得することができる。照射ビームの走査方向が物体表面の段差が延在する方向に垂直である場合において、物体の斜視図を図１０Ａに示し、物体の上面図及び断面図を図１０Ｂに示す。図１０Ａの矢印１１５０は、段差が延在する方向を示す。物体表面２０５０における焦点スポット２０６０は、図１０Ｂに示される。

しかしながら、図１１に示すように、走査方向が物体表面の段差が延在する方向に垂直でない可能性がある。検出画像は、図１２に示す２つの検出領域３０１０及び３０２０によって検出することができる。検出領域３０１０及び３０２０は、それぞれ、照射スポット３０５０及び３０６０に対応する光を検出することができる。段差の情報は、検出領域３０１０によって得られた信号Ａと、検出領域３０２０によって得られた信号Ｂとの差分信号によって取得される。段差ｄの高さが１０２ｎｍ、照射ビームの波長が４０８ｎｍ、対物レンズのＮＡが０．５である場合、差分信号は、図１３に示される。

図１３において、横軸は、スポット位置であり、縦軸は、信号強度であり、αは、図１１に示すように、物体表面の段差が延在する方向と、走査方向に垂直な方向との間の角度を示す。α＝０（度）は、走査方向が物体表面の段差が延在する方向に垂直であることを意味する。図１３に示すように、α＝０（度）における信号強度は、α＝２２．５（度）における信号強度及びα＝４５（度）における信号強度と異なる。従って、走査方向が段差が延在する方向に垂直でない場合、段差の位置や高さなどの段差の情報を得るための正確な測定が難しくなる。

＜第１の実施形態：第１の測定方法＞
本発明の実施形態によれば、物体の表面プロファイルを測定する方法は、物体の表面の段差が延在する第１の方向の情報を取得することを含む。第１の方向は、図１０Ａの矢印１１５０として示される。情報は、位相分布を有する照射ビームを用いることによって取得される。位相分布の１つの例は、空間光変調器によって形成される０から２πの円位相分布である。空間光変調器の位相パターンは、図１４Ａに示され、位相パターンが照射ビームに与えられた場合のフォーカス面におけるスポット形状は、図１４Ｂに示される。

第１の方向が走査方向に垂直である（即ち、α＝０（度））場合、物体表面における形状は、図１５Ａに示される。図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃにおいて、上図及び下図は、それぞれ、スポット形状（検出画像）及び物体表面の上面図に対応する。図１６に示すように、スポットの２つのピーク強度部分である２つの点１６５０を結ぶ線１６６０に垂直な方向として定義される第２の方向１５５０は、第１の方向１１５０に対応している。図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すように、段差の第１の方向が走査方向に垂直でなく（即ち、α＝２２．５（度）、α＝４５（度））、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示す角度βが、それぞれ、２２．５（度）及び４５（度）である場合、第２の方向は、段差の第１の方向１１５０に対応する。換言すれば、第２の方向の情報を取得することは、段差が延在する第１の方向１１５０の情報を取得することを意味する。

第１の方向の情報を取得する典型的な装置６１００は、図１７に示される。

非接触型の光表面プロファイラ６１００は、第１の光プローブ５０１０と、第２の光プローブ６０１０と、第１の光プローブ及び第２の光プローブを移動させる走査部としてのステージ１４６０とを含む。

第１の光プローブ５０１０において、照射ビームは、第１の光源（レーザダイオード）５０００から射出され、光は、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）５１００を照射する。ＳＬＭ１ ５１００は、円位相分布として、上述した渦位相パターンを有する。位相パターンは、図１４Ａに示すように、０から２π（ラジアン）の範囲である。光の光位相は、ＳＬＭ１ ５１００によって変調され、光は、ビームスプリッタ（ＢＳ１）５００２を透過する。透過光は、フォーカスレンズ（Ｌ１１）５００５によって物体表面２０５０の上に焦点を合わせられる。かかる光は、ステージ１４６０を用いて物体表面２０５０を走査する第１の走査スポット（ｆｉｒｓｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｏｔ）Ｓ１を生成する。

図１４Ｂは、第１の走査スポットＳ１のスポット形状を示す。走査スポットＳ１の光は、物体表面２０５０によって反射され、ビームスプリッタ（ＢＳ１）５００２に向かう。そして、反射光は、ビームスプリッタ（ＢＳ１）５００２によって再び反射され、結像レンズ（Ｌ１２）５００６に向かう。光は、ビームスプリッタ５００９によって２つの方向に分割される。２つに分割された光は、それぞれ、検出器（ＤＥＴ１１）５００８及び検出器（ＤＥＴ１２）５０１１を照射する。

検出器ＤＥＴ１１ ５００８からの信号は、メモリ１４１０を介して、信号処理部１４２０に送信される。メモリは、信号処理部１４２０に含ませることができる。光プローブ５０１０と物体表面２０５０との間の距離は、共焦点法を用いた処理信号から導出される。かかる距離は、物体表面の上に焦点スポットを生成する距離の最適化に用いられる。光プローブ５０１０と物体表面２０５０との間の距離は、導出された距離を用いて、ダイナミックレンジの中心と等しい距離に調整される。

第１の走査スポットＳ１が物体表面２０５０における段差１７５５のエッジに位置する場合、検出器（ＤＥＴ１２）５０１１によって検出される検出画像は、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すようになる。図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃの上図は、それぞれ、焦点スポットが異なる物体表面に位置する場合における検出画像を示す。上述したように、検出画像は、２つのピーク強度を有し、検出画像の２つのピークを結ぶ線は、物体表面の段差が延在する第１の方向に垂直である。段差の第１の方向は、メモリ１４１０を介して信号処理部１４２０に送信される、検出器５０１１からの信号を用いることによって算出することができる。

ピンホール板５００７及び検出器（ＤＥＴ１１）５００８は、共焦点法を用いて焦点距離を設定するために使用される。表面プロファイラ６１００の目的が第１の方向の情報のみを取得することである場合、以下の処理は省略してもよく、第２の光プローブ６０１０は不要となる。換言すれば、走査方向に関連する第１の方向の情報を取得したときに、測定処理を終了してもよい。

＜第２の実施形態：第２の測定方法及び第１の測定装置＞
第１の実施形態で説明したように、信号処理部１４２０によって第１の方向が算出された後、信号処理部１４２０は、第１の方向の情報に基づいて、最適化ＳＬＭパターンを計算することができる。ＳＬＭパターンは、典型的には、図１８に示され、ＳＬＭパターンは、第１の方向に対応する２つの領域に分割することができる。走査方向に垂直な方向に対する２つの領域の境界の傾斜角度は、図１８に示すように、αである。ＳＬＭ制御部１４５０は、図１８に示すパターンにＳＬＭ２ ６１００を制御する。第２の走査スポットＳ２は、第１の光プローブ５０１０と同様にして、図１７に示す第２の光プローブ６０１０によって形成される。光源６０００、ビームスプリッタ６００２、フォーカスレンズ６００５及び６００６、ビームスプリッタ６００９、検出器６０１１及び６００８、及び、ピンホール板６００７が示されている。第１の光プローブ５０１０の光源５０００は、第２の光プローブ６０１０のための光源として使用される。光プローブの両方は、ステージ制御部１４４０によって移動させることができる。表面プロファイラ６１００は、第２の光プローブの位置及びスポット形状の変化の情報に基づいて、物体表面の情報を取得する。信号処理部１４２０は、物体の表面を推定することができる。

第２の走査スポットＳ２は、図１９に示される。この状態において、０次光は、第２の走査スポットを形成し、スポットは、２つのピーク強度を有する。また、検出画像は、図２０に示される。検出画像は、図１９に示す画像に対応する。第２の方向は、図２０に示す検出画像の２つのピークを結ぶ線に垂直な線として導出される。

エッジ信号を算出する方法の１つの例は、図２１に示される。走査は、ｙ方向に沿って実行される。検出領域３０５０がｙ軸に対してαの傾斜角度を有する境界３０５５で領域Ａと領域Ｂとに分割される場合、エッジ信号は、実質的に、図１３のα＝０（度）の場合である実線のエッジ信号と同様になる。２つの領域Ａ及びＢを備えた検出器が使用される場合、図１３の走査位置のスケールは、ｃｏｓα×（走査位置）となるが、スケールは、信号処理部１４２０において、係数ｃｏｓαを取ることによって較正することができる。

換言すれば、第１の方向の情報に基づいて検出器を２つの領域に分割し、各領域で検出された信号の差分を得ることで、走査方向（ｙ方向）を維持しながら、走査方向が第１の方向に対して垂直である信号と同様な信号を取得することができる。従って、高さに関する段差や表面プロファイルの正確な測定を実現することができる。

図２２に示すように、物体１０８０の段差形状に関して、ｄ及びθが定義される。図２３において、実線は、ｄ＝２００（ｎｍ）、且つ、θ＝５１．３（度）の場合であり、破線は、ｄ＝２００（ｎｍ）、且つ、θ＝１１．８（度）の場合である。エッジ信号が段差の角度θに応じて変化することが示される。段差の高さｄは、最尤推定法などの推定法を用いて、信号のピーク値から推定することができる。最尤推定は、検出画像から、最もありそうな表面プロファイルを推定する方法である。信号処理部１４２０は、この推定を処理することができる。

ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサは、検出器３０５０として使用することができる。

この方法は、エッジの位置だけではなく、図２４に示す段差の角度も測定することができる。従って、表面形状の高解像情報を測定することができる。

物体表面の第１の方向がユーザによって既に認識又は入力されている場合、第２の実施形態において、第１の方向を得るための走査処理は省略することができる。照射ビームに与える位相分布を設定した後、物体表面は、設定された照射ビームで走査される。走査において、設定された照射ビームは、物体の表面に対して移動させることができる。

＜第３の実施形態：第２の測定装置＞
図２５は、非接触型の光表面プロファイラ７２００の図を示す。レーザダイオードなどの光源７０００から射出された光は、回折格子７１１５によって、０次光、＋１次光及び−１次光に分割される。＋１次光及び０次光は、それぞれ、検出器７２０１及び７２００によって検出される。＋１次光及び０次光は、第１の走査スポットＳ１及び第２の走査スポットＳ２に対応している。ＳＬＭ（空間光変調器）７１００は、図１４Ａに示すように、位相が０から２πに変化する渦状位相パターンを有する。

物体表面２０５０におけるスポット形状は、図１４Ｂに示すように、ドーナツ形状パターンになる。＋１次光を用いた第１の走査スポットＳ１が段差のエッジに位置する場合、検出領域７２０１の検出画像は、図１５Ａ、図１５Ｂ又は図１５Ｃに示す１つになる。図に示すように、検出画像は、２つのピーク強度を有し、検出画像の２つのピークを結ぶ線は、段差が延在する第１の方向に垂直である。

信号処理部７４２０において、検出器７２０１の検出信号から、検出画像の２つのピークを結ぶ線に垂直である第１の方向が算出された後、信号処理部７４２０は、最適化ＳＬＭパターンを計算する。ＳＬＭパターンは、図１８に示すパターンとなり、位相領域は、αに対応する第１の方向によって分割される。そして、ＳＬＭ制御部７４５０は、図２５のＳＬＭ７１００のＳＬＭパターンを制御する。その後、第２の走査スポットＳ２は、図１９に示すように、αに対応するスポットとなる。この状態において、０次光は、第２の走査スポットＳ２として使用され、かかるスポットは、２つのピーク強度を有する。また、検出領域の検出画像は、図２０に示される。第２の実施形態で説明したように、物体表面の測定は、第２の走査スポットＳ２を用いて実行される。図２５では、ＰＢＳ７００２、ＱＷＰ７００３、フォーカスシフト装置７００４、フォーカスレンズ７００５及び７００６、ピンホール板７００７、ビームスプリッタ７００９、検出器７００８及び７０１１、メモリ７４１０、ステージ制御部７４４０及びステージ７４６０が示されている。

典型的な実施形態を参照して本発明における実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。以下の特許請求の範囲は、そのような変更、並びに、等価の構造及び機能の全てを含むように広範に解釈されるべきである。

Claims (11)

1. 物体の表面プロファイルを測定する方法であって、
   物体の表面の段差が走査方向に対して延在する第１の方向の情報を取得するステップと、
   前記情報に応じて、照射ビームに与える位相分布を設定するステップと、
   前記照射ビームで前記物体を前記走査方向に走査するステップと、
   を有し、
   前記情報は、位相分布を有する前記照射ビームを用いて取得されることを特徴とする方法。
2. 前記情報は、０から２πの円位相分布を有する前記照射ビームを用いて取得されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記設定は、空間光変調器を用いて実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記照射ビームは、前記物体の前記表面の前記段差が延在する前記第１の方向に従った位相分布を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記位相分布は、πの位相を与える領域と、位相を与えない領域とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記照射ビームは、前記物体の前記表面の上の強度において２つのピークを形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記照射ビームは、前記２つのピークの２つの点を結ぶ線に垂直な第２の方向が前記物体の前記表面の前記段差が延在する前記第１の方向と等しくなるように、前記位相分布を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記走査方向は、前記照射ビームが前記物体の前記表面に沿って移動する方向であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 物体の表面プロファイルを測定する装置であって、
   光源と、
   前記光源から照射される照射ビームに位相分布を与える空間光変調器と、
   前記物体を走査する走査部と、
   前記物体からの反射光を検出する検出器と、
   前記物体の表面の段差が前記走査部の走査方向に対して延在する第１の方向の情報に応じて、前記空間光変調器を制御する制御部と、
   を有し、
   前記情報は、位相分布を有する前記照射ビームを用いて取得されることを特徴とする装置。
10. 前記制御部は、前記位相分布が境界を備える２つの領域を有し、前記境界の方向が前記第１の方向に対応するように、前記空間光変調器を制御することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. ２つの光プローブを更に有し、
    前記光プローブの１つは、前記光源、前記検出器及び前記制御部を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。