JP5699105B2 - Surface measurement method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、表面計測方法とその装置に関する。 The present invention relates to a surface measurement method and apparatus.
対象物の変位量あるいは移動量を計測する方法として、光干渉を用いる方法が広く知ら
れている。例えば、微細立体形状の計測ツールとして知られる走査プローブ顕微鏡(SP
M:Scanning Probe Microscope)の一種である原子間力顕微
鏡(AFM:Atomic Force Microscope)において、探針の位置
を計測する変位センサとして、従来の静電容量センサに変わり、より微小な変位を高感度
に測定できる手段として、非特許文献1に開示されているような光干渉を用いた変位セン
サが適用されようとしている。この光干渉変位センサでは、レーザ光源からのレーザ光を
2つに分けて、一方を参照ミラーに照射し、他方を探針走査機構に装着したターゲットミ
ラーに照射し、両反射光(参照光と測定光)の間に0、π/2、π、3π/2の位相差を
設けた上で干渉させ、生じた4つの位相シフト干渉光を受光して電気信号に変換した後、
4つの位相シフト干渉信号に所望の演算処理を施し探針の移動量を求める。
As a method for measuring the amount of displacement or movement of an object, a method using optical interference is widely known. For example, a scanning probe microscope (SP known as a fine three-dimensional shape measurement tool)
M: Atomic Force Microscope (AFM), which is a type of Scanning Probe Microscope (MFM), is replaced by a conventional capacitive sensor as a displacement sensor for measuring the position of the probe. As a means that can be measured, a displacement sensor using optical interference as disclosed in Non-Patent
Desired arithmetic processing is performed on the four phase shift interference signals to determine the movement amount of the probe.
しかしながら、上記した光干渉変位センサでは、参照光と測定光の間に0、π/2、π
、3π/2の位相差を設ける方法として、参照光と測定光を合成するためのプリズムと、
合成光を2つの光路に分離するための無偏光ビームスプリッタと、2つの光路中の合成光
を構成する参照光と測定光の間に位相シフトを与えるための2つの偏光ビームスプリッタ
を用いているため、光学系全体が大きくなり、光干渉変位センサが大形化し適用対象が限
定されるという問題を抱えていた。
However, in the above-described optical interference displacement sensor, 0, π / 2, π between the reference light and the measurement light
As a method of providing a phase difference of 3π / 2, a prism for combining reference light and measurement light,
A non-polarizing beam splitter for separating the combined light into two optical paths and two polarizing beam splitters for providing a phase shift between the reference light and the measuring light constituting the combined light in the two optical paths are used. For this reason, the entire optical system is enlarged, and the optical interference displacement sensor is increased in size to limit the application target.
このため、半導体製造工程などの量産ラインに適用するAFMに、従来の静電容量セン
サに比べこのように大形の光干渉変位センサをx、y、z軸用に3台搭載することは不可
能に近かった。さらに、位相シフトが与えられた4つの干渉光の光路が互いに離れている
ため、4つの光路に異なる温度分布、湿度分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外
乱が重畳されると、4つの位相シフト干渉信号から対象物の移動量を求める演算処理の際
の誤差となってしまうという本質的な問題を抱えていた。
For this reason, it is not possible to mount three large optical interference displacement sensors for the x, y, and z axes as compared with conventional capacitance sensors in an AFM applied to a mass production line such as a semiconductor manufacturing process. It was close to possible. Further, since the optical paths of the four interference lights given the phase shift are separated from each other, when disturbances such as different temperature distribution, humidity distribution, atmospheric pressure distribution, density distribution, and air flow change are superimposed on the four optical paths, 4 There is an essential problem that an error occurs in the calculation processing for obtaining the amount of movement of the object from two phase shift interference signals.
そこで本発明では、少なくとも4つの位相シフト干渉光を大形の光学系を用いることな
く生成可能とし、対象物の変位量あるいは移動量を外乱の影響なく高精度に求めることが
可能な変位計測方法とその装置を提供することを目的とする。
Therefore, in the present invention, a displacement measuring method that can generate at least four phase shift interference lights without using a large optical system and can accurately determine the amount of displacement or movement of an object without the influence of disturbance. And an apparatus for the same.
上記目的を達成するために、本発明では、表面計測装置を、探針と、前記探針を前記対象物に対して相対的に走査し、前記探針を前記対象物に対して接触させるアクチュエータと、前記探針と前記対象物との間の接触力を検出する4分割ポジションセンサと、光源と、光源からの光を第1の光と第2の光とに分離する分離手段と、前記分離手段を透過し、前記アクチュエータに反射した前記第1の光と前記分離手段で反射した第2の光との間に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせて干渉光を生じさせる干渉手段と、前記干渉光から前記探針の位置を求める検出手段とを備えて構成した。
In order to achieve the above object, in the present invention, a surface measuring device includes a probe and an actuator that scans the probe relative to the object and contacts the probe with the object. When the four-divided position sensor for detecting the contact force between the object and the probe, separating means for separating a light source, the light from the light source into a first light and second light, the Interference light is generated by causing a plurality of optical phase differences on the same plane between the first light transmitted through the separating means and reflected by the actuator and the second light reflected by the separating means . Interference means and detection means for determining the position of the probe from the interference light are provided.
また、本発明では、前記対象物からの反射光と該第2の光との間に同一平面上で複数の
光位相差を生じさせて干渉せしめて複数の干渉光を生じさせる干渉手段は、偏光素子アレ
イで構成した。
In the present invention, the interference means for generating a plurality of interference lights by causing a plurality of optical phase differences between the reflected light from the object and the second light on the same plane to interfere with each other, A polarizing element array was used.
また、本発明では、前記偏光素子アレイは、フォトニック結晶アレイで構成した。 In the present invention, the polarizing element array is a photonic crystal array.
また、本発明では、前記光源からの光を第1の光と第2の光に分離する方法は、回折偏
光素子で構成した。
また、本発明では、前記光源からの光を第1の光と第2の光に分離する方法は、フォトニ
ック結晶で構成した。
In the present invention, the method for separating the light from the light source into the first light and the second light is constituted by a diffractive polarizing element.
In the present invention, the method for separating the light from the light source into the first light and the second light is composed of a photonic crystal.
本発明によれば、少なくとも4つの位相シフト干渉光を大形の干渉計を用いることなく
極めて小形の光干渉変位センサで生成可能となり、対象物の変位量あるいは移動量を外乱
の影響なく高精度に求めることが可能となるばかりか、適用対象も大幅に拡大する。その
結果、サブナノメートル以下の精度で、AFMを始めとする走査プローブ顕微鏡の探針走
査が可能となり、サブナノメートル以下の分解能でかつ高い再現性で、半導体デバイスを
始めとする微細な立体構造素子の光学情報や微小凹凸情報の測定が可能になるという効果
を奏する。また、半導体ウェハや磁気ディスク、磁気ヘッド浮上面のサブナノメートル以
下の微小凹凸分布や微小凹凸欠陥の検査が可能になるという効果を奏する。
According to the present invention, at least four phase shift interference lights can be generated by an extremely small optical interference displacement sensor without using a large interferometer, and the displacement or movement amount of an object can be accurately detected without being affected by disturbance. The scope of application will be greatly expanded. As a result, probe scanning of scanning probe microscopes including AFM can be performed with sub-nanometer precision, and fine three-dimensional structure elements such as semiconductor devices can be achieved with sub-nanometer resolution and high reproducibility. There is an effect that it is possible to measure optical information and minute unevenness information. In addition, there is an effect that it becomes possible to inspect a semiconductor wafer, a magnetic disk, a micro unevenness distribution of sub nanometers or less and a micro uneven defect on the air bearing surface of the magnetic head.
波長以下の微細構造により入射光の偏光や透過・反射特性を制御できるフォトニック結
晶が近年注目されている。本発明は、このフォトニック結晶を利用して位相シフト干渉光
を生成し、対象物の変位量あるいは移動量を外乱の影響なく高精度に求めるものである。
In recent years, photonic crystals that can control the polarization and transmission / reflection characteristics of incident light with a fine structure of a wavelength or less have attracted attention. In the present invention, phase shift interference light is generated using this photonic crystal, and the amount of displacement or movement of the object is obtained with high accuracy without the influence of disturbance.
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の第1の実施例を、図1〜図4に基づいて説明する。図1に示すように、本実施
例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット100及び変位出
力ユニット70から成る。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the optical interference displacement sensor of this embodiment includes a light source unit (not shown), a
光源ユニットでは、例えば周波数安定化He−Neレーザからの波長632.8nmの
直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ2で45°の偏光方向でセンサユニット100
に導光する。
In the light source unit, for example, a linearly polarized laser beam having a wavelength of 632.8 nm from a frequency-stabilized He—Ne laser is applied to the
To guide the light.
センサユニット100は、干渉計600及び変位演算処理ユニット50から成る。干渉
計600では、偏波面保存ファイバ2から出射した45°偏光をコリメータ3で平行光4
にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子5を透過させ、透過光6をプリズム
ミラー7及び無偏光ビームスプリッタ8で反射させて、参照ミラー9に入射させる。参照
ミラー9は、図2に示すように、合成石英基板9a上にAl等の金属材料で回折格子9b
が形成された構成となっている。この回折格子に入射する45°方向の偏光ビーム6はベ
クトル分解された2つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方向と平行なS偏光成分
25sは回折格子で反射し、直交するP偏光成分25pは回折格子を透過する。すなわち
、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子(Wire Grid Polarizer)
としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子9bのピッチは144nm、線幅は65
nm、高さは165nmとした。
The
Further, the light is transmitted through the polarizing
Is formed. The polarized
As a property. In this embodiment, the pitch of the diffraction grating 9b is 144 nm, and the line width is 65.
nm and height were set to 165 nm.
参照ミラー9で反射されたS偏光ビーム6rは参照光として用いる。透過したP偏光ビ
ーム6mは測定光として用いる。P偏光ビーム6mは1/4波長板10を透過した後円偏
光となり、測定対象物31上に載置されたターゲットミラー12で反射され、再び1/4
波長板10を透過後S偏光となり、参照ミラー9で反射され、1/4波長板10を透過後
円偏光としてターゲットミラー12で反射され、1/4波長板10を透過後P偏光となり
、参照ミラー9を透過する。即ち、測定光6mは参照ミラー9とターゲットミラー12と
の間の光路を2往復することになり、測定対象物31の移動量31dを2倍に拡大して検
出することになる。参照ミラー9で反射されたS偏光ビーム6rと透過したP偏光ビーム
6mは、直交偏光ビーム14として合成され、無偏光ビームスプリッタ8を透過する。
The S-polarized
After passing through the
この直交偏光ビーム14は、迷光除去のための開口13を通過した後、対向させた2つ
のピラミッド形状の四角錐プリズム15a及び15bにより、4つの直交偏光ビームビー
ム17に分割される。ビーム分割の方法は、このようなプリズムに限定されるものではな
く、回折光学素子なども適用可能である。4つの直交偏光ビームビーム17は、位相シフ
ト素子18及び19を透過することにより、直交偏光成分の間に、0、π/2、π、3π
/2の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、4つの位相シフト干渉光20が生成さ
れる。
After passing through the
Polarization interference occurs in a state where a phase shift of / 2 is given, and four phase shift interference lights 20 are generated.
位相シフト素子18は、図3に示すように2分割され、下半分が合成石英18dで構成
され、上半分はフォトニック結晶18cで構成される。フォトニック結晶18cは、拡大
図に示すように、合成石英基板18c1に入射光の波長よりも小さなピッチの水平方向の
ライン&スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる誘電体薄膜18c2及
び18c3を積層して構成される。回折格子上に堆積した薄膜層の断面は、回折格子の凹
凸によって膜厚方向に三角波形の凹凸形状が維持される。薄膜材料としては、Si、 S
iO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5が適用可能である。このような回折格子をベ
ースとする多層薄膜構造は、回折格子の方向を結晶軸方向とするフォトニック結晶となり
、多層薄膜間の回折、干渉作用により複屈折特性を示し、入射光の偏光や透過・反射特性
を制御することが可能となる(参照:(株)フォトニックラティス製品カタログ)。
As shown in FIG. 3, the
iO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , and Nb 2 O 5 are applicable. A multilayer thin film structure based on such a diffraction grating becomes a photonic crystal whose crystal axis direction is the direction of the diffraction grating, exhibits birefringence characteristics due to diffraction and interference action between the multilayer thin films, and polarization and transmission of incident light. -It is possible to control the reflection characteristics (see: Photonic Lattice product catalog).
入射光の波長及び得たい特性を考慮して、回折格子ピッチ、深さ、各薄膜の膜厚は制御
される。また、半導体素子製造に用いられるフォトリソグラフィ技術やスパッタリングな
どの膜付け技術を用いることにより、1枚の基板上に結晶軸方向の異なる偏光素子や波長
素子をアレイ状に形成できる点も大きな特徴である。フォトニック結晶18cは1/4波
長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図
1に示すように、4つの直交偏光ビーム17のうちフォトニック結晶18cを透過する2
つの直交偏光ビームに関して、2つの偏光成分の間にπ/2の位相差が生じる。一方、残
りの2つの直交偏光ビームは合成石英18dを透過し、位相差は生じない。
The diffraction grating pitch, depth, and film thickness of each thin film are controlled in consideration of the wavelength of incident light and the desired characteristics. Another major feature is that polarizing elements and wavelength elements having different crystal axis directions can be formed in an array on a single substrate by using a film forming technique such as photolithography technique or sputtering used in semiconductor element manufacturing. is there. The
For two orthogonally polarized beams, a phase difference of π / 2 occurs between the two polarization components. On the other hand, the remaining two orthogonally polarized beams are transmitted through the
位相シフト素子19は、図3に示すように2分割され、左半分が45°の結晶軸方向を
有するフォトニック結晶19aで構成され、右半分が逆向きの45°の結晶軸方向を有す
るフォトニック結晶19bで構成される。フォトニック結晶19aは、フォトニック結晶
18cと同様、拡大図に示すように、合成石英基板19a1に入射光の波長よりも小さな
ピッチの45°方向のライン&スペース状の回折格子を形成し、その上に屈折率の異なる
誘電体薄膜19a2及び19a3を積層して構成される。フォトニック結晶19bの構造
も同様である。フォトニック結晶19a及び19bは偏光素子としての機能を有しており
、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図1に示すように、4つの直交偏
光ビームビーム17のうちフォトニック結晶19aを透過する2つの直交偏光ビームを構
成する2つの偏光成分と、フォトニック結晶19bを透過する2つの直交偏光ビームを構
成する2つの偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は
干渉する。
The
すなわち、位相シフト素子18及び19を透過した4つの直交偏光ビーム17の各直交
偏光成分の間に、0、π/2、π、3π/2の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し
、4つの位相シフト干渉光20が生成される。4つの位相シフト干渉光20は、外乱光の
影響を避けるため、波長632.8nmに透過中心波長を有する干渉フィルタ21を透過
した後、フォトダイオードなどの4つの光電変換素子で22で各々受光され、増幅器23
で増幅された後、4つの位相シフト干渉信号41a、41b、41c、41dとして出力
される。
That is, polarization interference occurs in a state where phase shifts of 0, π / 2, π, and 3π / 2 are given between the respective orthogonal polarization components of the four orthogonal polarization beams 17 transmitted through the
Are output as four phase
4つの位相シフト干渉信号41a、41b、41c、41dは、各々(数1)〜(数4
)で与えられる。
Ia=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ) ・・・(
数1)
Ib=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π)
=Im+Ir−2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ) ・・・
(数2)
Ic=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π/2)
=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2sin(4πnD/λ) ・・・
(数3)
Id=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+3π/2)
=Im+Ir−2(Im・Ir)1/2sin(4πnD/λ) ・・・(
数4)
ここで、Imはプローブ光の検出強度、Irは参照光の検出強度、nは空気の屈折率、D
は測定対象物31の移動量31d、λはレーザ光4の波長である。
The four phase
).
I a = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ) (
Number 1)
I b = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + π)
= I m + I r -2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ)
(Equation 2)
I c = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + π / 2)
= I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 sin (4πnD / λ)
(Equation 3)
I d = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + 3π / 2)
= I m + I r -2 (I m · I r ) 1/2 sin (4πnD / λ) (
(Equation 4)
Here, I m is the detected intensity of the probe light, the detection intensity of I r is the reference light, n is the refractive index of the air, D
Is the amount of
変位演算処理ユニット50では、(数5)に基づいて測定対象物31の移動量Dが算出
されて、移動量信号61として変位出力ユニット70に表示される。
D=(λ/4πn)tan−1{(Ic−Id)/(Ia−Ib)} ・・・(数
5)
本実施例では、参照ミラー9として回折偏光素子(Wire Grid Polari
zer)を用いたが、前述の説明から明らかなように、図4に示すような水平方向に結晶
軸方向を有するフォトニック結晶9cを用いることも可能である。また、1/4波長板1
0も同様に、45°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶10cを用いることも可能
である。また、干渉計600をさらに簡素化するために、図3において位相シフト素子1
9をフォトニック結晶19aのみで構成し、(数1)及び(数3)で表される位相シフト
干渉信号41a及び41cを得て、この2つの干渉信号から測定対象物31の移動量Dを
求めることも可能である。
In the displacement
D = (λ / 4πn) tan −1 {(I c −I d ) / (I a −I b )} (Equation 5)
In this embodiment, a diffractive polarizing element (Wire Grid Polari) is used as the
However, as is apparent from the above description, it is possible to use a photonic crystal 9c having a crystal axis direction in the horizontal direction as shown in FIG. Also, the
Similarly for 0, it is also possible to use a
9 is constituted only by the
図1から明らかなように、ターゲットミラー12に向かう測定光6mと参照光6rの2
つのビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット100に入射し、参照ミラー
9に至るまで、更に参照ミラー9から4つの光電変換素子22で受光されるに至るまで、
完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に
空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これ
らの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影
響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。
As is apparent from FIG. 1, 2 of the
One beam is emitted from the light source unit, enters the
It passes through the same optical path. That is, the configuration is a common optical path type interferometer. Therefore, even if a temperature distribution, refractive index distribution, or mechanical vibration occurs due to air fluctuations in the optical path, these disturbances affect both beams equally, so when both beams interfere, The influence is completely cancelled, and the interference light is not affected by the disturbance.
唯一、参照ミラー9とターゲットミラー12との間の光路において測定光6mのみが存
在するが、例えば、走査プローブ顕微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるの
で、参照ミラー9とターゲットミラー12との間隙は1mm以下に設定することが可能で
あり、このような微小間隙での外乱の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動
は、(数1)〜(数4)においてプローブ光検出強度Im、参照光検出強度Irの変動と
なるが、変位演算処理ユニット50における(数5)の中の減算処理及び除算処理により
相殺される。
Only the
さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で4つの直交偏光ビームを生成し
、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に4つの位相シフト干渉光
を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅
に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。具体的には干渉計60
0の寸法を20×15×50mm以下程度に縮小化可能である。また、4つの位相シフト
干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分
布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限
に抑えることが可能になる。
Furthermore, in the optical interference displacement sensor of this embodiment, four orthogonally polarized beams are generated with a simple configuration, and four phase shift interference lights are generated in parallel and spatially received by phase shift elements arranged in an array. As a result, the optical components are significantly reduced compared to the conventional phase shift interferometer, and the displacement sensor is greatly reduced in size. Specifically, the interferometer 60
The size of 0 can be reduced to about 20 × 15 × 50 mm or less. In addition, because the four phase-shift interference lights pass through close optical paths, even if disturbances such as temperature distribution, humidity distribution, atmospheric pressure distribution, density distribution, and airflow change due to air fluctuations are superimposed between the optical paths, The effect can be minimized.
以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動と
いった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメー
トルからピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能である。
As described above, the movement amount and position of the measurement object can be changed from sub-nanometers to picometers or less without controlling environmental factors such as temperature, humidity, atmospheric pressure, density, and acoustic vibration with high accuracy by the optical interference displacement sensor of this embodiment. It is possible to measure stably with high accuracy.
本発明の第2の実施例を、図5〜図7に基づいて説明する。図5に示すように、本実施
例は、第1の実施例で示した光干渉変位センサをAFMに搭載したものである。本実施例
におけるAFMは、試料を載置してXYZの3次元方向に移動可能なステージユニット7
00と、探針を走査して試料表面を計測するAFMユニット800、計測データからAF
M画像を生成し、また全体を制御する信号処理・制御ユニット900、及び試料上の被測
定部を観察し位置決めするためのモニタ光学系ユニット500とを備えて構成される。
ステージユニット700は、試料200を載置してXYZの3次元方向に移動可能なXY
Zステージ300とドライバ301とを備えている。試料200はXYZステージ300
上に載置され、ドライバ301で駆動されてモニタ光学系ユニット500で試料200の
表面を観察しながら所望の測定位置に位置決めされる。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5, in this embodiment, the optical interference displacement sensor shown in the first embodiment is mounted on an AFM. The AFM in this embodiment is a
00,
A signal processing /
The
The sample is placed on and driven by the
AFMユニット800は、先端部にHDC(High Density Carbon
)などで形成された探針170を固定したカンチレバー160、XYZ圧電素子アクチュ
エータ150、ドライバ151、探針170の位置(XYZ圧電素子アクチュエータ15
0の位置)を測定するx、y、z軸用センサユニット100x、100y、100z、光
源ユニット1、光源ユニット1から直線偏光レーザ光を各光干渉変位センサに導光する偏
波面保存ファイバ2x、2y、2z、カンチレバー160の背面にレーザ光(波長405
nm)185を照射する半導体レーザ180、カンチレバー160からの反射光を検出す
る4分割ポジションセンサ190、および半導体レーザ180を制御する駆動回路181
を備えている。XYZ圧電素子アクチュエータ150の表面には、光干渉変位センサのた
めのターゲットミラー12x(図示せず)、12y(図示せず)、12zが装着されてい
る。
The
) Or the like to which the
X, y, z-
nm) a
It has. On the surface of the XYZ
モニタ光学系ユニット500は結像レンズと撮像カメラを備えており、撮像カメラで試
料200表面の光学像を観察しながら、試料200を載置したXYZステージ300をド
ライバ301で駆動して、試料200の所望の測定位置を探針170の下に位置決めする
。
The monitor
信号処理・制御ユニット900の画像形成ユニット410では、4分割ポジションセン
サ190からの出力信号195に基づいて、XYZ圧電素子アクチュエータ150の位置
測定信号61x、61y、61zを処理してAFM画像を生成する。画像形成ユニット4
10で生成されたAFM画像は全体制御ユニット420に送られ、ディスプレイ等の出力
ユニット430の出力画面に表示される。
The
10 is sent to the
次に、光てこの原理を用いてAFM画像を測定する方法について説明する。AFM画像
は、探針170と試料200との間の接触力を一定に保ちながら、探針170を試料20
0上を走査し、その時の探針170の移動量(XYZ圧電素子アクチュエータ150の移
動量)から求める。初めに、探針170と試料200との間の接触力の求め方を説明する
。先端部に探針170が固定されたカンチレバー160の背面には、駆動回路181によ
って駆動された半導体レーザ180からのレーザ光(波長405nm)185が照射され
、その反射光が4分割ポジションセンサ190で受光される。ドライバ151でXYZ圧
電素子アクチュエータ150を駆動してカンチレバー160を下降させ、先端部に固定さ
れた探針170を試料200に接触させる。この状態でカンチレバー160を更に下降さ
せると、カンチレバー160の傾きが変化してカンチレバー160の背面に照射されてい
るレーザの反射方向が変化し、4分割ポジションセンサ190上のレーザ光の入射位置が
変化して4分割ポジションセンサ190からの出力信号195が変化する。この変化した
信号を、予め求めておいた4分割ポジションセンサ190からの出力信号とカンチレバー
160の傾きとの関係に基づく接触力のデータと比較して、接触力を求めることができる
。
Next, a method for measuring an AFM image using the optical lever principle will be described. The AFM image shows the
0 is scanned and obtained from the movement amount of the
次に、試料の表面を計測する手順について説明する。先ず、XYZステージ300を駆
動して、試料200の測定領域をカンチレバー160の先端部に取り付けられた探針17
0の下部に位置決めさせる。次に、図6に示すように、試料200の測定領域において、
探針170と試料表面200aとの接触の状態(接触力)を4分割ポジションセンサ19
0からの出力信号でモニタしながら、カンチレバー160をXYZ圧電素子アクチュエー
タ150により下降させていき(Z方向走査175)、所定の設定接触力になった時点で
下降を停止する。
Next, a procedure for measuring the surface of the sample will be described. First, the
Position at the bottom of zero. Next, as shown in FIG.
The contact state (contact force) between the
While monitoring with the output signal from 0, the
下降点176において探針170の位置(XYZ圧電素子アクチュエータ150の位置
)を光干渉変位センサ100x、100y、100zにより測定した後、カンチレバー1
60を上昇させ(Z方向走査177)、4分割ポジションセンサ190からの出力信号に
基づいて、探針170が完全に試料200から離脱したならば、測定領域の計測が終了し
たか否かを判定し、終了していない場合にはXYZ圧電素子アクチュエータ150を駆動
してカンチレバー160を次の測定点に移動させる(X走査178)。X走査における移
動量(送りピッチ)は、観察において必要とする分解能に応じて決められる。次の測定点
において、再度カンチレバー160を下降させ、探針170の位置の測定を行う。
After measuring the position of the probe 170 (position of the XYZ piezoelectric element actuator 150) at the
60 (Z-direction scanning 177), based on the output signal from the four-
以上のステップイン動作を、XYZ圧電素子アクチュエータ150により2次元の測定
領域(XY領域)に渡って繰り返し行った後、測定を完了する。ここで、上記2次元の測
定領域を測定する方法は、テレビにおけるラスタスキャンと同じように走査する。このと
きのY方向への送りピッチ(隣り合う走査の間隔)は、観察において必要とする分解能に
応じて決められる。
The above step-in operation is repeatedly performed over the two-dimensional measurement region (XY region) by the XYZ
ドライバ151によって駆動されるXYZ圧電素子アクチュエータ150のXYZ方向
走査、XYZステージ300による試料200の位置決めは、信号処理・制御ユニット9
00の走査制御ユニット400により統括制御される。また探針170と試料200との
接触力の制御、及び光干渉変位センサ100x、100y、100zによる探針170の
位置(XYZ圧電素子アクチュエータ150の位置)の測定は、総て信号処理・制御ユニ
ット900中の全体制御ユニット420により統括制御される。走査制御ユニット400
からXYZ圧電素子アクチュエータ150のXYZ走査信号が、また全体制御ユニット4
20から探針170の位置測定信号が、各々画像形成ユニット410に送られ、2次元A
FM画像が生成されて、全体制御ユニット420を介してディスプレイ等の出力ユニット
430に出力される。
The XYZ
Centralized control is performed by the 00
To XYZ scanning signals of the XYZ
20, the position measurement signal of the
An FM image is generated and output to the
ステップイン走査と探針−試料間接触力との関係を、図7に示す。接触力変化曲線17
9に示すように、また探針170が上昇して試料200から退避するに従い、接触力は押
し込み方向から引き込み方向に以降し、試料から離脱する瞬間に引き込み力は最大となる
。離脱後、次の測定点に移動し再び試料に接近する間は、接触力をまったく受けない状態
となる。探針170が再び接近し始め、試料200に接触した瞬間に押し込み方向の力が
加わり、設定接触力に達した時点で、カンチレバー160は下降を停止する。設定接触力
は1nN以下、好ましくは、サブnN〜pNで実行することが望ましい。尚、接触力の検
知は、上記光てこ方式に限定されるものではなく、別途設けた圧電素子アクチュエータよ
りカンチレバーをサブナノメートルオーダの振幅、MHzオーダの周波数でZ方向に微小
振動させ、振動振幅あるいは振動周波数の変化から、検知することも可能である。
FIG. 7 shows the relationship between the step-in scanning and the probe-sample contact force. Contact
As shown in FIG. 9, as the
また、本発明は、ステップイン走査AFMに限定されるものではなく、タッピング走査
他のAFMにおける探針位置の測定にも適用可能である。また、本発明はAFMに限定さ
れるものではなく、その他の走査プローブ顕微鏡、例えばSNOM(Scanning
Near−Field Optical Microscope:近接場走査顕微鏡)や
STM(Scanning Tunneling Microscope)などにおける
探針の位置計測・制御にも適用可能である。
Further, the present invention is not limited to the step-in scanning AFM, and can be applied to the measurement of the probe position in the AFM such as tapping scanning. In addition, the present invention is not limited to the AFM, and other scanning probe microscopes such as SNOM (Scanning)
The present invention is also applicable to probe position measurement and control in Near-Field Optical Microscope (Near Field Scanning Microscope) and STM (Scanning Tunneling Microscope).
図5に示すように、本実施例によれば、第1の実施例で示した小形の光干渉変位センサ
をAFMに搭載して探針の位置の測定を行うことができるため、第1の実施例と同様の効
果が得られ、探針の位置をサブナノメートルからピコメートル以下の精度で安定に計測す
ることが可能である。その結果、2次元AFM画像の分解能が向上し、かつ画像再現性を
飛躍的に向上させることが可能となる。
As shown in FIG. 5, according to the present embodiment, since the small optical interference displacement sensor shown in the first embodiment can be mounted on the AFM and the position of the probe can be measured, The same effect as the embodiment can be obtained, and the position of the probe can be stably measured with an accuracy of sub-nanometer to picometer. As a result, the resolution of the two-dimensional AFM image is improved and the image reproducibility can be dramatically improved.
本発明の第3の実施例を、図8に基づいて説明する。図8に示すように、本実施例は、
第1の実施例で示した光干渉変位センサを表面凹凸欠陥検査装置に搭載したものである。
本実施例における表面凹凸欠陥検査装置は、試料を載置してXYZの3次元方向に走査可
能なステージユニット1000と、探針を相対的に走査して試料表面を検査する表面検査
ユニット1100、計測データから欠陥検出画像を生成し、また全体を制御する信号処理
・制御ユニット1200、及び試料上の被検査部を観察し位置決めするためのモニタ光学
系ユニット500とを備えて構成される。
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG.
The optical interference displacement sensor shown in the first embodiment is mounted on a surface irregularity inspection apparatus.
The surface irregularity inspection apparatus according to the present embodiment includes a
ステージユニット1000は、試料210を載置してXYZの3次元方向に走査可能な
XYZステージ350とドライバ351とを備えている。試料210はXYZステージ3
50上に載置され、ドライバ351で駆動されてモニタ光学系ユニット500で試料21
0の表面を観察しながら所望の検査位置に位置決めされた後、XY方向に走査されて表面
凹凸の検査が実行される。
The
50, and is driven by a
After being positioned at a desired inspection position while observing the surface of 0, the surface irregularities are inspected by scanning in the XY directions.
表面検査ユニット1100は、試料210表面の凹凸状態を検査する光干渉変位センサ
100、集光レンズ215、光源ユニット1、光源ユニット1から直線偏光レーザ光を光
干渉変位センサ100に導光する偏波面保存ファイバ2を備えている。光源ユニットには
例えば、波長532nmの固体レーザが使用される。光干渉変位センサ100の構成と機
能は第1の実施例と同一であるので、説明を省略する。光干渉変位センサ100から出射
された測定光6mは、集光レンズ215により試料210の表面上に集光される。集光レ
ンズ215のNA(Numerical Aperture:開口数)を0.8とすると
、集光スポット径は約0.8μmとなる。尚、試料210のXY走査中にこのスポット径
を維持するため、必要に応じて図示しない自動焦点ユニットを設ける場合がある。
The
モニタ光学系ユニット500は結像レンズと撮像カメラを備えており、撮像カメラで試
料210表面の光学像を観察しながら、試料210を載置したXYZステージ350をド
ライバ351で駆動して、試料210の所望の検査位置を、予め記憶しておいた集光レン
ズ215の下に位置決めする。
The monitor
信号処理・制御ユニット1200の欠陥検出ユニット460では、光干渉変位センサ1
00の測定信号61、230とXYZステージ350のXY駆動信号に基づいて、表面凹
凸画像を生成する。さらに、欠陥検出ユニット460では、予め設定しておいた高さ以上
の凹凸を有する欠陥が抽出されて、表面凹凸画像と共に全体制御ユニット470に送られ
、ディスプレイ等の出力ユニット480の出力画面に表示される。
In the
Based on the 00 measurement signals 61 and 230 and the XY drive signal of the
次に、試料210の表面の凹凸状態を検査する手順について説明する。先ず、表面検査
ユニット1100をモニタ光学系ユニット500の光軸上から退避させておき、XYZス
テージ350を駆動して、試料210の検査領域を、予め記憶しておいた集光レンズ21
5の下部に位置決めさせる。次に、図8に示すように、表面検査ユニット1100をモニ
タ光学系ユニット500の光軸上に移動させた後、XYZステージ350をXY方向に駆
動して、テレビにおけるラスタスキャンと同じように試料210を走査する(X方向は連
続走査)。このときのY方向への送りピッチ(隣り合う走査の間隔)は、検査において必
要とする分解能に応じて決められる。(数5)に基づいて各走査位置における試料210
の表面凹凸量Dが算出され、凹凸測定信号61、230として出力されるので、XYZス
テージ350のXY走査信号と測定信号61、230から検査領域の表面凹凸画像を生成
することができる。
Next, a procedure for inspecting the uneven state of the surface of the
Position at the bottom of 5. Next, as shown in FIG. 8, after the
Since the surface unevenness amount D is calculated and output as the unevenness measurement signals 61 and 230, the surface unevenness image of the inspection region can be generated from the XY scanning signal of the
XYZステージ350による試料210の位置決めと検査のためのXY走査は、信号処
理・制御ユニット1200の走査制御ユニット450により統括制御される。また光干渉
変位センサ100による試料210表面の検査は、信号処理・制御ユニット1200中の
全体制御ユニット470により統括制御される。走査制御ユニット450からXYZステ
ージ350のXY走査信号が、また全体制御ユニット470から光干渉変位センサ100
の測定信号61、230が、各々欠陥検出ユニット460に送られ、表面凹凸画像が生成
されると共に、予め設定しておいた高さ以上の凹凸を有する欠陥が抽出されて、全体制御
ユニット470を介してディスプレイ等の出力ユニット480に出力される。
XY scanning for positioning and inspection of the
Measurement signals 61 and 230 are sent to the
図8に示すように、本実施例によれば、第1の実施例で示した小形の光干渉変位センサ
によって試料表面の凹凸欠陥を検査することができるため、第1の実施例と同様の効果が
得られ、試料表面の凹凸欠陥をサブナノメートルからピコメートル以下の感度で安定に計
測することが可能である。その結果、例えば、半導体ウェハや、磁気ディスク、磁気ヘッ
ド浮上面などの凹凸欠陥検査の感度を飛躍的に向上させることが可能となる。
As shown in FIG. 8, according to the present embodiment, the concave / convex defect on the sample surface can be inspected by the small optical interference displacement sensor shown in the first embodiment, and therefore, the same as the first embodiment. As a result, it is possible to stably measure irregularities on the sample surface with a sensitivity of sub-nanometers to picometers or less. As a result, for example, it is possible to dramatically improve the sensitivity of inspection of irregularities on semiconductor wafers, magnetic disks, magnetic head floating surfaces, and the like.
本発明の第4の実施例を、図9〜図11に基づいて説明する。図8に示すように、本実
施例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット100及び変位
出力ユニット70から成る。
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, the optical interference displacement sensor of the present embodiment includes a light source unit (not shown), a
光源ユニットでは、例えば周波数安定化He−Neレーザからの波長632.8nmの
直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ2で45°の偏光方向でセンサユニット100
に導光する。
In the light source unit, for example, a linearly polarized laser beam having a wavelength of 632.8 nm from a frequency-stabilized He—Ne laser is applied to the
To guide the light.
センサユニット100は、干渉計600及び変位演算処理ユニット51から成る。干渉
計600では、第1の実施例と同様、偏波面保存ファイバ2から出射した45°偏光をコ
リメータ3で平行光4にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子5を透過させ
、透過光6をプリズムミラー7及び無偏光ビームスプリッタ8で反射させて、参照ミラー
9に入射させる。参照ミラー9は、図2に示すように、合成石英基板9a上にAl等の金
属材料で回折格子9bが形成された構成となっている。この回折格子に入射する45°方
向の偏光ビーム6はベクトル分解された2つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方
向と平行なS偏光成分25sは回折格子で反射し、直交するP偏光成分25pは回折格子
を透過する。すなわち、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子(Wire Grid
Polarizer)としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子9bのピッチは1
44nm、線幅は65nm、高さは165nmとした。
The
Polarizer). In this embodiment, the pitch of the
The thickness was 44 nm, the line width was 65 nm, and the height was 165 nm.
参照ミラー9で反射されたS偏光ビーム6rは参照光として用いる。透過したP偏光ビ
ーム6mは測定光として用いる。P偏光ビーム6mは1/4波長板10を透過した後円偏
光となり、測定対象物31上に載置されたターゲットミラー12で反射され、再び1/4
波長板10を透過後S偏光となり、参照ミラー9で反射され、1/4波長板10を透過後
円偏光としてターゲットミラー12で反射され、1/4波長板10を透過後P偏光となり
、参照ミラー9を透過する。即ち、測定光6mは参照ミラー9とターゲットミラー12と
の間の光路を2往復することになり、測定対象物31の移動量31dを2倍に拡大して検
出することになる。参照ミラー9で反射されたS偏光ビーム6rと透過したP偏光ビーム
6mは、直交偏光ビーム14として合成され、無偏光ビームスプリッタ8を透過する。
The S-polarized
After passing through the
この直交偏光ビーム14は、迷光除去のための開口13を通過した後、回折光学素子や
ホログラム素子、あるいはアナモルフィックプリズムペアのようなビーム整形素子80に
より、矩形状ビーム81に変換される。この矩形状直交偏光ビーム81は、位相シフト素
子82、83及び84を透過することにより、直交偏光成分の間に、0、π/4、π/2
、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4の位相シフトが与えられた状態で偏光干
渉し、8つの位相シフト干渉光85が生成される。
After passing through the
Polarization interference occurs in a state where phase shifts of 3π / 4, π, 5π / 4, 3π / 2, and 7π / 4 are given, and eight phase shift interference lights 85 are generated.
位相シフト素子82は、図10に示すように2分割され、左半分が合成石英82dで構
成され、右半分はフォトニック結晶82cで構成される。フォトニック結晶82cの構成
と原理は第1の実施例と同様であるので、説明を省略する。フォトニック結晶82cは1
/8波長板としての機能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわ
ち、図9に示すように、矩形状直交偏光ビーム81のうちフォトニック結晶82cを透過
する直交偏光ビームに関して、2つの偏光成分の間にπ/4の位相差が生じる。一方、合
成石英82dを透過する直交偏光ビームに関しては、2つの偏光成分の間に位相差は生じ
ない。
The
It has a function as an / 8 wavelength plate, and a thick arrow indicates the crystal axis direction. That is, as shown in FIG. 9, a phase difference of π / 4 is generated between two polarization components with respect to the orthogonal polarization beam that passes through the
位相シフト素子83は、図10に示すように4分割され、左から合成石英83d、フォ
トニック結晶83c、合成石英83d、フォトニック結晶83cが並んでいる。位相シフ
ト素子82と同様、フォトニック結晶83cは1/4波長板としての機能を有しており、
太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図9に示すように、矩形状直交偏光
ビーム81のうちフォトニック結晶83cを透過する直交偏光ビームに関しては、2つの
偏光成分の間にπ/2の位相差が生じる。一方、合成石英83dを透過する直交偏光ビー
ムに関しては、2つの偏光成分の間に位相差は生じない。
The
A thick arrow indicates the crystal axis direction. That is, as shown in FIG. 9, a phase difference of π / 2 is generated between two polarization components of an orthogonally polarized beam 81 that passes through the
位相シフト素子84は、図10に示すように8分割され、45°の結晶軸方向を有する
フォトニック結晶84aと、逆向きの45°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶84
bが交互に並んでいる。フォトニック結晶84a及び84bは偏光素子としての機能を有
しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図9に示すように、矩形
状直交偏光ビーム81のうちフォトニック結晶84aを透過する直交偏光ビームを構成す
る2つの偏光成分と、フォトニック結晶84bを透過する直交偏光ビームを構成する2つ
の偏光成分との間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
The
b is arranged alternately. The
すなわち、位相シフト素子82、83及び84を透過した矩形状直交偏光ビーム81の
各直交偏光成分の間に、0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π
/4の位相シフトが与えられた状態で偏光干渉し、8つの位相シフト干渉光85が生成さ
れる。8つの位相シフト干渉光85は、外乱光の影響を避けるため、波長632.8nm
に透過中心波長を有する干渉フィルタ86を透過した後、位相シフト素子84の8つの領
域に対応した8つの受光領域から成る8分割フォトダイオードアレイなどの分割形光電変
換素子87で各々受光され、増幅器88で増幅された後、8つの位相シフト干渉信号89
a、89b、89c、89d、89e、89f、89g、89hとして出力される。図1
1に分割形光電変換素子87の受光面を示す。受光領域87a及び87bがそれぞれ図1
0の位相シフト素子84のフォトニック結晶84a及び84bに対応する。
That is, 0, π / 4, π / 2, 3π / 4, π, 5π / 4, 3π / between the orthogonal polarization components of the rectangular orthogonal polarization beam 81 transmitted through the
Polarization interference occurs with a phase shift of / 4, and eight phase shift interference lights 85 are generated. The eight phase shift interference lights 85 have a wavelength of 632.8 nm in order to avoid the influence of disturbance light.
Are transmitted through an
a, 89b, 89c, 89d, 89e, 89f, 89g, and 89h are output. FIG.
1 shows a light receiving surface of the split
This corresponds to the
4つの位相シフト干渉信号89a、89b、89c、89d、89e、89f、89g
、89hは、各々(数6)〜(数13)で与えられる。
Ia=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ) ・・・(数
6)
Ib=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π)
=Im+Ir−2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ) ・・・(数
7)
Ic=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π/2)
=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2sin(4πnD/λ) ・・・(数
8)
Id=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+3π/2)
=Im+Ir−2(Im・Ir)1/2sin(4πnD/λ) ・・・(数
9)
Ie=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+π/4)
=Im+Ir+(2Im・Ir)1/2{cos(4πnD/λ)−sin(4π
nD/λ)} ・・・(数
10)
If=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+5π/4)
=Im+Ir−(2Im・Ir)1/2{cos(4πnD/λ)−sin(4π
nD/λ)} ・・・(数
11)
Ig=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+3π/4)
=Im+Ir+(2Im・Ir)1/2{sin(4πnD/λ)+cos(4π
nD/λ)} ・・・(数
12)
Ih=Im+Ir+2(Im・Ir)1/2cos(4πnD/λ+7π/4)
=Im+Ir−(2Im・Ir)1/2{sin(4πnD/λ)+cos(4π
nD/λ)} ・・・(数
13)
変位演算処理ユニット51では、(数14)に基づいて測定対象物31の移動量Dが算
出されて、移動量信号61として変位出力ユニット70に表示される。
D=(λ/4πn)tan−1[{21/2(Ig−Ih)−(Ia−Ib)}/
{21/2(Ie−If)+(Ic−Id)}] ・・・(数1
4)
本実施例では、参照ミラー9として回折偏光素子(Wire Grid Polari
zer)を用いたが、第1の実施例と同様、図4に示すような水平方向に結晶軸方向を有
するフォトニック結晶9cを用いることも可能である。また、1/4波長板10も同様に
、45°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶10cを用いることも可能である。
Four phase
, 89h are given by (Equation 6) to (Equation 13), respectively.
I a = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ) (Equation 6)
I b = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + π)
= I m + I r −2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ) (Expression 7)
I c = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + π / 2)
= I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 sin (4πnD / λ) (Equation 8)
I d = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + 3π / 2)
= I m + I r −2 (I m · I r ) 1/2 sin (4πnD / λ) (Equation 9)
I e = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + π / 4)
= I m + I r + (2I m · I r ) 1/2 {cos (4πnD / λ) −sin (4π
nD / λ)} (Expression 10)
I f = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + 5π / 4)
= I m + I r − (2I m · I r ) 1/2 {cos (4πnD / λ) −sin (4π
nD / λ)} (Expression 11)
I g = I m + I r +2 (I m · I r) 1/2 cos (4πnD / λ + 3π / 4)
= I m + I r + (2I m · I r ) 1/2 {sin (4πnD / λ) + cos (4π
nD / λ)} (Equation 12)
I h = I m + I r +2 (I m · I r ) 1/2 cos (4πnD / λ + 7π / 4)
= I m + I r − (2I m · I r ) 1/2 {sin (4πnD / λ) + cos (4π
nD / λ)} (Expression 13)
In the displacement
D = (λ / 4πn) tan −1 [{2 1/2 (I g −I h ) − (I a −I b )} /
{2 1/2 (I e −I f ) + (I c −I d )}] (
4)
In this embodiment, a diffractive polarizing element (Wire Grid Polari) is used as the
However, as in the first embodiment, it is also possible to use a photonic crystal 9c having a crystal axis direction in the horizontal direction as shown in FIG. Similarly, the quarter-
図9から明らかなように、ターゲットミラー12に向かう測定光6mと参照光6rの2
つのビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット100に入射し、参照ミラー
9に至るまで、更に参照ミラー9から4つの光電変換素子22で受光されるに至るまで、
完全に同一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に
空気の揺らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これ
らの外乱は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影
響は完全に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。唯一、参照ミラー9とターゲット
ミラー12との間の光路において測定光6mのみが存在するが、例えば、走査プローブ顕
微鏡等のストロークは高々数百ミクロン程度であるので、参照ミラー9とターゲットミラ
ー12との間隙は1mm以下に設定することが可能であり、このような微小間隙での外乱
の影響は無視できる。また、レーザ光自身の強度変動は、(数6)〜(数13)において
プローブ光検出強度Im、参照光検出強度Irの変動となるが、変位演算処理ユニット5
0における(数5)の中の減算処理及び除算処理により相殺される。
As is apparent from FIG. 9, 2 of the
One beam is emitted from the light source unit, enters the
It passes through the same optical path. That is, the configuration is a common optical path type interferometer. Therefore, even if a temperature distribution, refractive index distribution, or mechanical vibration occurs due to air fluctuations in the optical path, these disturbances affect both beams equally, so when both beams interfere, The influence is completely cancelled, and the interference light is not affected by the disturbance. Only the
It is canceled by the subtraction process and the division process in (Equation 5) at 0.
さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で8つの直交偏光ビームを生成し
、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に8つの位相シフト干渉光
を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅
に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。具体的には干渉計60
0の寸法を20×15×50mm以下程度に縮小化可能である。また、8つの位相シフト
干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度分
布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小限
に抑えることが可能になる。さらに、本実施例では位相シフト量がπ/4と、第1の実施
例に比べて1/2になっているので、より精度の高い移動量Dの算出が可能である。
Furthermore, in the optical interference displacement sensor of this embodiment, eight orthogonally polarized beams are generated with a simple configuration, and eight phase shift interference lights are generated and received spatially in parallel by phase shift elements arranged in an array. As a result, the optical components are significantly reduced compared to the conventional phase shift interferometer, and the displacement sensor is greatly reduced in size. Specifically, the interferometer 60
The size of 0 can be reduced to about 20 × 15 × 50 mm or less. In addition, since the eight phase shift interference lights pass through close optical paths, even if disturbances such as temperature distribution, humidity distribution, atmospheric pressure distribution, density distribution, and airflow change due to air fluctuations are superimposed between the optical paths, The effect can be minimized. Further, in this embodiment, the phase shift amount is π / 4, which is ½ that of the first embodiment, so that the movement amount D can be calculated with higher accuracy.
また、位相シフト素子82、83、84の分割数、及び分割形光電変換素子87の分割
数を増やすことで、さらに測定精度を向上させることが可能である。
In addition, the measurement accuracy can be further improved by increasing the number of divisions of the
以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動と
いった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメー
トルからピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能である。また、本実施例の
光干渉変位センサを第2の実施例と同様に、図5に示すAFMに搭載することにより、第
2の実施例と同様の効果が得られ、探針の位置をサブナノメートルからピコメートル以下
の精度で安定に計測することが可能である。その結果、2次元AFM画像の分解能が向上
し、かつ画像再現性を飛躍的に向上させることが可能となる。
As described above, the movement amount and position of the measurement object can be changed from sub-nanometers to picometers or less without controlling environmental factors such as temperature, humidity, atmospheric pressure, density, and acoustic vibration with high accuracy by the optical interference displacement sensor of this embodiment. It is possible to measure stably with high accuracy. Further, by mounting the optical interference displacement sensor of this embodiment on the AFM shown in FIG. 5 as in the second embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained, and the position of the probe can be changed to sub-nano. It is possible to stably measure with accuracy of meters to picometers or less. As a result, the resolution of the two-dimensional AFM image is improved and the image reproducibility can be dramatically improved.
また、本実施例の光干渉変位センサを第3の実施例と同様に、図8に示す表面凹凸欠陥
検査装置に搭載することにより、第3の実施例と同様の効果が得られ、試料表面の凹凸欠
陥をサブナノメートルからピコメートル以下の感度で安定に計測することが可能である。
その結果、例えば、半導体ウェハや、磁気ディスク、磁気ヘッド浮上面などの凹凸欠陥検
査の感度を飛躍的に向上させることが可能となる。
Further, by mounting the optical interference displacement sensor of this embodiment on the surface unevenness defect inspection apparatus shown in FIG. 8 similarly to the third embodiment, the same effects as those of the third embodiment can be obtained, and the sample surface can be obtained. Can be stably measured with a sensitivity of sub-nanometer to picometer.
As a result, for example, it is possible to dramatically improve the sensitivity of inspection of irregularities on semiconductor wafers, magnetic disks, magnetic head floating surfaces, and the like.
本発明の第5の実施例を、図12〜図14に基づいて説明する。図12に示すように、
本実施例の光干渉変位センサは、図示しない光源ユニットと、センサユニット100及び
変位出力ユニット70から成る。
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG.
The optical interference displacement sensor of this embodiment includes a light source unit (not shown), a
光源ユニットでは、例えば周波数安定化He−Neレーザからの波長632.8nmの
直線偏光レーザ光を、偏波面保存ファイバ2で45°の偏光方向でセンサユニット100
に導光する。
In the light source unit, for example, a linearly polarized laser beam having a wavelength of 632.8 nm from a frequency-stabilized He—Ne laser is applied to the
To guide the light.
センサユニット100は、干渉計600及び変位演算処理ユニット52から成る。干渉
計600では、第1の実施例と同様、偏波面保存ファイバ2から出射した45°偏光をコ
リメータ3で平行光4にし、さらにグラントムソンプリズムなどの偏光素子5を透過させ
、透過光6を回折光学素子やホログラム素子、あるいはアナモルフィックプリズムペアの
ようなビーム整形素子80により、矩形状ビーム91に変換する。矩形状ビーム91をプ
リズムミラー7及び無偏光ビームスプリッタ8で反射させて、参照ミラー9に入射させる
。
The
参照ミラー9は、図2に示すように、合成石英基板9a上にAl等の金属材料で回折格
子9bが形成された構成となっている。この回折格子に入射する45°方向の矩形状偏光
ビーム6はベクトル分解された2つの直交偏光成分から成り、回折格子の長手方向と平行
なS偏光成分25sは回折格子で反射し、直交するP偏光成分25pは回折格子を透過す
る。すなわち、この回折格子は、いわゆる回折偏光素子(Wire Grid Pola
rizer)としての性質を示す。本実施例の場合、回折格子9bのピッチは144nm
、線幅は65nm、高さは165nmとした。
As shown in FIG. 2, the
The property as a riser). In this embodiment, the pitch of the
The line width was 65 nm and the height was 165 nm.
参照ミラー9で反射された矩形状S偏光ビーム6rは参照光として用いる。透過した矩
形状P偏光ビーム6mは測定光として用いる。矩形状P偏光ビーム6mは1/4波長板1
0を透過した後円偏光となり、集光レンズ215により試料210の表面上に直線状に集
光される(216)。集光レンズ215のNA(Numerical Aperture
:開口数)を0.8とすると、直線状集光スポット217のスポット幅(長手方向と直交
する方向)は約0.8μmとなる。試料210表面からの反射光は集光レンズ215透過
後矩形状ビームとなり、再び1/4波長板10を透過後S偏光となり、参照ミラー9で反
射され、1/4波長板10を透過後円偏光として再度集光レンズ215により試料210
表面上に直線状に集光される(216)。
The rectangular S-polarized
After passing through 0, it becomes circularly polarized light and is condensed linearly on the surface of the
When the numerical aperture is 0.8, the spot width (direction perpendicular to the longitudinal direction) of the linear
The light is condensed linearly on the surface (216).
試料210表面からの反射光は集光レンズ215透過後矩形状ビームとなり、1/4波
長板10を透過後P偏光となり、参照ミラー9を透過する。即ち、測定光6mは参照ミラ
ー9と試料210表面との間の光路を2往復することになり、試料210表面の凹凸量を
2倍に拡大して検出することになる。参照ミラー9で反射された矩形状S偏光ビーム6r
と透過した矩形状P偏光ビーム6mは、矩形状直交偏光ビーム218として合成され、無
偏光ビームスプリッタ8を透過する。直線状集光スポット217の長手方向と矩形状直交
偏光ビーム218の長手方向とは共役関係にある。すなわち、矩形状P偏光ビーム6mに
は、この方向の試料210表面の凹凸分布情報が光位相分布として保存されている。
The reflected light from the surface of the
The transmitted rectangular P-polarized
この矩形状直交偏光ビーム218は、位相シフト素子219及び220を透過すること
により、直交偏光成分の間に、0、π/2、π、3π/2の位相シフトが与えられた状態
で偏光干渉し、直線状集光スポット217の長手方向と直交する方向に分割された4つの
位相シフト干渉光221が生成される。
This rectangular
位相シフト素子219は、図13に示すように直線状集光スポット217の長手方向と
直交する方向に2分割され、下半分が合成石英219dで構成され、上半分はフォトニッ
ク結晶219cで構成される。フォトニック結晶219cの構成と原理は第1の実施例と
同様であるので、説明を省略する。フォトニック結晶219cは1/4波長板としての機
能を有しており、太い矢印がその結晶軸方向を示している。すなわち、図12に示すよう
に、矩形状直交偏光ビーム218のうちフォトニック結晶219cを透過する直交偏光ビ
ームに関して、2つの偏光成分の間にπ/2の位相差が生じる。一方、合成石英219d
を透過する直交偏光ビームに関しては、2つの偏光成分の間に位相差は生じない。
As shown in FIG. 13, the
As for the orthogonally polarized beam passing through, there is no phase difference between the two polarization components.
位相シフト素子220は、図13に示すように直線状集光スポット217の長手方向と
直交する方向に4分割され、45°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶220aと、
逆向きの45°の結晶軸方向を有するフォトニック結晶220bが交互に並んでいる。フ
ォトニック結晶220a及び220bは偏光素子としての機能を有しており、太い矢印が
その結晶軸方向を示している。すなわち、図12に示すように、矩形状直交偏光ビーム2
18のうちフォトニック結晶220aを透過する直交偏光ビームを構成する2つの偏光成
分と、フォトニック結晶220bを透過する直交偏光ビームを構成する2つの偏光成分と
の間に、相対的にπの位相差が与えられた状態で、両偏光成分は干渉する。
The
18 between the two polarization components constituting the orthogonal polarization beam that transmits the
すなわち、位相シフト素子219及び220を透過した矩形状直交偏光ビーム218の
長手方向と直交する方向の各直交偏光成分の間に、0、π/2、π、3π/2、の位相シ
フトが与えられた状態で偏光干渉し、直線状集光スポット217の長手方向と直交する方
向に4分割され、かつ直線状集光スポット217の長手方向に共役な位相シフト干渉光2
21が生成される。位相シフト干渉光221は、外乱光の影響を避けるため、波長632
.8nmに透過中心波長を有する干渉フィルタ86を透過した後、図14に示すように、
直線状集光スポット217の長手方向と位相シフト素子220の4つの領域に対応したN
画素×4の受光領域から成るフォトダイオードアレイなどの分割形光電変換素子222で
各々受光され、増幅器223で増幅された後、N×4個の位相シフト干渉信号224とし
て出力される。
That is, a phase shift of 0, π / 2, π, 3π / 2 is given between the orthogonal polarization components in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the rectangular
21 is generated. The phase
. After passing through the
N corresponding to the longitudinal direction of the linear
Each light is received by a divided
図14に示すように、受光領域222a及び222bがそれぞれ図13の位相シフト素
子220のフォトニック結晶220a及び220bに対応する。N画素分に対応した4つ
の位相シフト干渉信号は、第1の実施例と同様、各々(数1)〜(数4)で与えられ、変
位演算処理ユニット52では、(数5)に基づいてN個の各画素毎に試料210の表面凹
凸量Dの1次元分布が算出されて、表面凹凸信号230として変位出力ユニット70に表
示される。
As shown in FIG. 14, the
本実施例では、参照ミラー9として回折偏光素子(Wire Grid Polari
zer)を用いたが、第1の実施例と同様、図4に示すような水平方向に結晶軸方向を有
するフォトニック結晶9cを用いることも可能である。また、1/4波長板10も同様に
、45°方向に結晶軸方向を有すフォトニック結晶10cを用いることも可能である。ま
た、第4の実施例と組み合わせて、位相シフト量をπ/8ずつに増やすことも可能である
。その場合は、分割形光電変換素子222は、2次元の固体撮像素子を用いることも可能
である。
In this embodiment, a diffractive polarizing element (Wire Grid Polari) is used as the
However, as in the first embodiment, it is also possible to use a photonic crystal 9c having a crystal axis direction in the horizontal direction as shown in FIG. Similarly, the quarter-
図12から明らかなように、試料210表面に向かう測定光6mと参照光6rの2つの
ビームは、光源ユニットから出射されてセンサユニット100に入射し、参照ミラー9に
至るまで、更に参照ミラー9から光電変換素子222で受光されるに至るまで、完全に同
一の光路を通る。即ち、共通光路形干渉計の構成となる。従って、仮に光路中に空気の揺
らぎ等による温度分布や屈折率分布、あるいは機械振動が生じたとしても、これらの外乱
は両ビームに等しく影響を及ぼすため、両ビームが干渉した際にこれら外乱の影響は完全
に相殺され、干渉光は外乱の影響を受けない。また、レーザ光自身の強度変動は測定光6
mと参照光6rに等しく影響するので干渉の際に相殺され、また測定された8つ位相シフ
ト干渉光にも等しく重畳されるため、変位演算処理ユニット52における(数5)の中の
減算処理においても相殺される。
As is apparent from FIG. 12, the two beams of the
Since m and the
さらに本実施例の光干渉変位センサでは、単純な構成で4つの直交偏光ビームを生成し
、かつアレイ状に配置した位相シフト素子により空間的に並列に4つの位相シフト干渉光
を生成し受光する構成となっているので、従来の位相シフト干渉計に比べ光学部品が大幅
に低減し、変位センサが格段に小形化するというメリットがある。また、4つの位相シフ
ト干渉光が近接した光路を通過するため、光路間に空気の揺らぎ等による温度分布、湿度
分布、気圧分布、密度分布、気流変化などの外乱が重畳されたとしても、その影響を最小
限に抑えることが可能になる。
Furthermore, in the optical interference displacement sensor of this embodiment, four orthogonally polarized beams are generated with a simple configuration, and four phase shift interference lights are generated in parallel and spatially received by phase shift elements arranged in an array. As a result, the optical components are significantly reduced compared to the conventional phase shift interferometer, and the displacement sensor is greatly reduced in size. In addition, because the four phase-shift interference lights pass through close optical paths, even if disturbances such as temperature distribution, humidity distribution, atmospheric pressure distribution, density distribution, and airflow change due to air fluctuations are superimposed between the optical paths, The effect can be minimized.
以上より、本実施例の光干渉変位センサにより、温度、湿度、気圧、密度、音響振動と
いった環境因子を高精度に制御することなく、測定対象物の移動量や位置をサブナノメー
トルからピコメートル以下の精度で安定に計測することが可能である。また、本実施例の
光干渉変位センサから変位出力ユニット70を撤去した上で、第3の実施例と同様に図8
に示す表面凹凸欠陥検査装置に搭載することにより、第3の実施例と同様の効果が得られ
、試料表面の凹凸欠陥をサブナノメートルからピコメートル以下の感度で安定に計測する
ことが可能である。その結果、例えば、半導体ウェハや、磁気ディスク、磁気ヘッド浮上
面などの凹凸欠陥検査の感度を飛躍的に向上させることが可能となる。特に、本実施例の
場合、直線状集光スポット217を用いることにより、XもしくはYの1方向のみの走査
で2次元領域の凹凸分布情報が短時間で得られるという利点を有する。
As described above, the movement amount and position of the measurement object can be changed from sub-nanometers to picometers or less without controlling environmental factors such as temperature, humidity, atmospheric pressure, density, and acoustic vibration with high accuracy by the optical interference displacement sensor of this embodiment. It is possible to measure stably with high accuracy. Further, after removing the
By mounting it on the surface irregularity defect inspection apparatus shown in Fig. 4, it is possible to obtain the same effect as in the third embodiment, and to stably measure irregularities on the sample surface with a sensitivity of sub-nanometers to picometers or less. . As a result, for example, it is possible to dramatically improve the sensitivity of inspection of irregularities on semiconductor wafers, magnetic disks, magnetic head floating surfaces, and the like. In particular, in the case of the present embodiment, the use of the linear
以上説明したように、本発明によれば、極めて小形の光干渉変位センサで対象物の変位
量あるいは移動量を外乱の影響なく高精度に求めることが可能となり、さらに適用対象も
大幅に拡大する。その結果、サブナノメートル以下の精度で、AFMを始めとする走査プ
ローブ顕微鏡の探針走査が可能となり、サブナノメートル以下の分解能でかつ高い再現性
で、半導体デバイスを始めとする微細な立体構造素子の光学情報や微小凹凸情報の測定が
可能になるという効果を奏する。また、半導体ウェハや磁気ディスク、磁気ヘッド浮上面
のサブナノメートル以下の微小凹凸分布や微小凹凸欠陥の検査が可能になるという効果を
奏する。さらに、これらの測定結果を素子製造プロセス条件にフィードバックすることで
、信頼性の高いデバイス、メディアの高歩留まり生産が可能になる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain the amount of displacement or movement of an object with high accuracy without the influence of disturbance by using an extremely small optical interference displacement sensor, and the range of applications is greatly expanded. . As a result, probe scanning of scanning probe microscopes including AFM can be performed with sub-nanometer precision, and fine three-dimensional structure elements such as semiconductor devices can be achieved with sub-nanometer resolution and high reproducibility. There is an effect that it is possible to measure optical information and minute unevenness information. In addition, there is an effect that it becomes possible to inspect a semiconductor wafer, a magnetic disk, a micro unevenness distribution of sub nanometers or less and a micro uneven defect on the air bearing surface of the magnetic head. Furthermore, by feeding back these measurement results to the element manufacturing process conditions, highly reliable production of devices and media can be achieved.
1・・・光源ユニット 2、2x、2y、2z・・・偏波面保存ファイバ 3・・・
コリメータ 5・・・偏光素子 7・・・プリズムミラー 8・・・無偏光ビーム
スプリッタ 9・・・参照ミラー 10・・・1/4波長板 12、12x、12
y、12z・・・ターゲットミラー 14、17、81、218・・・直交偏光ビーム
13・・・開口 15a、15b・・・四角錐プリズム 18、19、82、8
3、84、219、220・・・位相シフト素子9c、10c、18c、19a、19b
、82c、82d、83c、83d、84a、84b、219c、220a、220b・
・・フォトニック結晶 20、85、221・・・位相シフト干渉光 21、86・
・・干渉フィルタ 22・・・光電変換素子 23、88、223・・・増幅器
31・・・測定対象物 41a、41b、41c、41d、89a、89b、89c、
89d、89e、89f、89g、89h、224・・・位相シフト干渉信号 50、
51、52・・・変位演算処理ユニット 61、61x、61y、61z、230・・
・移動量信号、凹凸測定信号 70・・・変位出力ユニット 80・・・ビーム整形
素子 87、222・・・分割形光電変換素子 100、100x、100y、10
0z・・・センサユニット 150・・・XYZ圧電素子アクチュエータ 160・
・・カンチレバー 170・・・探針 180・・・半導体レーザ 181・・・
駆動回路 190・・・4分割ポジションセンサ 200、210・・・試料 2
15・・・集光レンズ 300、350・・・XYZステージ 400、450・・
・走査制御ユニット 410・・・画像形成ユニット 420、470・・・全体制
御ユニット 430、480・・・出力ユニット 460・・・欠陥検出ユニット
500・・・モニタ光学系ユニット 600・・・干渉計 700、1000・・
・ステージユニット 800・・・AFMユニット 900、1200・・・信号処
理・制御ユニット 1100・・・表面検査ユニット
DESCRIPTION OF
y, 12z ...
3, 84, 219, 220 ...
82c, 82d, 83c, 83d, 84a, 84b, 219c, 220a, 220b
..
..Interference filters 22 ...
31 ...
89d, 89e, 89f, 89g, 89h, 224... Phase
51, 52 ... Displacement
-Movement amount signal,
..
15 ... Condensing
Scan control unit 410:
500 ... Monitor
Claims (10)
所定の接触力になるまで前記探針を対象物に対して接触させ、
光源からの光を偏光素子にて前記偏光素子を透過する第1の光と前記偏光素子に反射される第2の光に分離し、
前記第1の光を前記アクチュエータに照射し、
前記アクチュエータからの反射光と前記第2の光を前記偏光素子にて合成させ、前記合成された光に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせて干渉光を生じさせ、
前記干渉光に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせ、前記探針の位置を求めることを特徴とする表面測定方法。 The actuator scans the probe relative to the object by the actuator,
The probe is brought into contact with the object until a predetermined contact force is reached,
Separating light from the light source into first light that passes through the polarizing element and second light that is reflected by the polarizing element;
Irradiating the actuator with the first light;
The reflected light from the actuator and the second light are combined by the polarizing element, a plurality of optical phase differences are generated on the same plane on the combined light, and interference light is generated.
A surface measurement method characterized in that a plurality of optical phase differences are generated on the same plane in the interference light to determine the position of the probe.
前記探針を前記対象物に対して相対的に走査し、前記探針を前記対象物に対して接触させるアクチュエータと、
前記探針と前記対象物との間の接触力を検出する4分割ポジションセンサと、
光源と、
光源からの光を第1の光と第2の光とに分離する分離手段と、
前記分離手段を透過し、前記アクチュエータで反射した前記第1の光と前記分離手段で反射した第2の光との間に同一平面上にて複数の光位相差を生じさせて干渉光を生じさせる干渉手段と、
前記干渉光から前記探針の位置を求める検出手段とを備えたことを特徴とする表面計測装置。 A probe,
An actuator that scans the probe relative to the object and contacts the probe with the object;
A four-divided position sensor for detecting a contact force between the probe and the object;
A light source;
Separating means for separating light from the light source into first light and second light;
Interference light is generated by causing a plurality of optical phase differences on the same plane between the first light transmitted through the separation means and reflected by the actuator and the second light reflected by the separation means. Interference means to cause,
A surface measuring apparatus comprising: a detecting unit that obtains the position of the probe from the interference light.
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