JP5740230B2 - 走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法 - Google Patents
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Description
先の提案の方法においてピーク位置の算出精度が低いという問題点を改善する方法として、本発明者は特願2011−153264号において、干渉波形の位相を用いる方法を提案し、この方法では、ヒルベルト変換を用いるとその位相も算出でき、位相が0になる走査位置は干渉波形のそれぞれの山のピーク位置に対応する(位相接続されていない状態)。その位相は干渉波形の山ごとに2πずつ直線的に変化するので、「位相が0の位置」は「包絡線のピーク位置」に比べて高精度に算出でき、それを用いれば表面高さが高精度で算出できる。
他に、同様に位相を用いた表面形状測定法、例えば位相シフト法でも高精度に表面高さが算出される。
CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、
包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、
算出した位相が0になる位置と包絡線のピーク位置との差から、試料表面の反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、
その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士でその「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を算出しておき、
各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される
ことを特徴としている。
同種と判定された画素の領域で「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値の平均値を算出しておき、各画素で干渉波形の位相が0になる走査位置から上記ずれの平均値を引くことにより、試料表面での反射光の位相変化の影響が消され、試料の表面に混在する物質によらない正しい表面形状が高精度に測定できるようになる。
また、上記のように「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」を同種の多数の画素で平均するので、物質ごとに固有のそのずれの値を精度よく算出できる。
そして、「位相が0になる位置」の測定精度は「包絡線のピーク位置」の測定精度より元々高いので、上記の方法で算出される表面形状の算出精度は、試料表面での反射光の位相変化の影響を受けない「包絡線のピーク位置」から算出される算出精度より高い。
白色干渉計での干渉波形は、図1の装置においてミラー4c又は対物レンズ4aの走査位置s、試料8の表面高さh、波長λi、光路差0での干渉する2つの光の位相差をφとすると下記の式(1)で表わされる。
Σ[1+cos{2π(s−h)/(λi/2)+φ}]/N (1)
λi
波長λiを変えて総和し、その総数Nで割っている。試料8の表面高さh=0で光路差0になる走査位置をsの0点にしている。
「包絡線のピーク位置」は試料8の表面の高さhに一致するが、「位相が0の位置」はそれより一定の値だけ小さい。これは、走査位置間隔が1nmごとの干渉波形からヒルベルト変換を用いて算出した結果であるが、走査位置間隔が例えば55nmごとの干渉波形でも同様の計算結果となり、「包絡線のピーク位置」と試料8の表面の高さhとの違いは最大でも0.02nm程度である。また、「位相が0の位置」についても1nmごとの干渉波形から算出した値と55nmごとの波形から算出した値の違いも最大でも0.02nm程度と非常に小さい。つまり、実用的なデータ収集間隔で収集データ数を減らしても、雑音を含めていない計算においては誤差の問題はなく、この算出方法で原理的に問題ないことを示している。
D(1,x,y), D(2,x,y),…, D(i,x,y), D(i+1,x,y),
… D(n,X,y)
また、「包絡線のピーク位置」の雑音は大きいのに対して、「位相が0の位置」は精度よく算出されていることが分かる。シリコン領域では縦軸の大きい方にも「位相が0の位置」があるが、これについては以下のとおりである。図5からも分かるように「位相が0の位置」は複数あり、「包絡線のピーク位置」に最も近いものを採用し図6や図7でプロットしているが、「包絡線のピーク位置」は実験では雑音により誤差が大きいためピーク位置の算出値がずれて、図5の例で言えば「包絡線のピーク位置」に最近接の左側ではなく、右側の「位相が0の位置」が最近接として選ばれているのと同じである。図7のシリコン領域での上下2つの「位相が0の位置」は配列指標で5程度離れており、走査位置に換算すると275nm程度となり、上述の干渉周期274.5nmとほぼ一致する。
図9に示すデータから表面形状データを算出するまでの例について例示する。図9のずれ={「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}の平均値は、シリコンで2.70、−2.07、銅で−0.65である。データ処理プログラムにおいて、各画素で算出した「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」の値に応じて下記の場合分けをして、画素ごとに試料表面の高さを算出する。
・1<「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」の場合
図9のSiの上の方に相当し、「位相0になる位置」−2.70を試料の表面の高さとする。
・−1.4<「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」<1の場合
図9のCuに相当し、「位相0になる位置」+0.65 を試料の表面の高さとする。
・「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」<−1.4の場合
図9のSiの下の方に相当し、「位相0になる位置」+2.07を試料の表面の高さとする。
このようにして求めた試料表面高さの例を図10に示し、あるyでのx方向のデータである。用いたカメラの走査方式がインターレース方式のため、y方向のデータが、1行おきに収集時刻がずれてy方向に不連続なので、最終的な試料の表面の高さの算出データをy方向に2個ずつ移動平均してその不連続を消している。すなわち、インターレース方式のカメラでは、yの奇数と偶数が異なる時間のデータとなるので、走査位置の原点が異なり、試料の表面高さの原点が異なり、そのままではy方向には滑らかな表面形状のマップができない。そこで、隣り合うyで平均し、滑らかな表面形状マップにしている。横軸は640画素で900μmに相当する。「包絡線ピーク位置」を基準にして表面高さを算出しているので、銅の段差は正しく算出されている。
以上のように試料表面における反射での位相変化の影響を受けず、表面の物質によらない正しい表面高さを高精度に求めることができる。
2:フィルター
3:ビームスプリッター
4:マイケルソン型干渉計
4a:対物レンズ
4b:ビームスプリッター
4c:ミラー
5:ピエゾアクチュエーター
6:CCDカメラ
7:試料ホルダー
8:試料
Claims (2)
- 対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、
包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、
算出した位相が0になる位置と包絡線のピーク位置との差から、試料表面の反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、
その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士でその「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を算出しておき、
各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される
ことを特徴とする走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。 - 表面形状の測定される試料表面に金属及び/又は誘電体物質が混在していることを特徴とする請求項1記載の走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。
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