JP6202762B2 - 面形状計測方法およびその装置 - Google Patents
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Description
d・tan2θ≧λ/2 ・・・ 式1
のとき、干渉効果の減衰が発生する。また、dがd’より小さい場合には、式1のdをd’で置き換えて、
d’・tan2θ≧λ/2 ・・・ 式2
のとき、干渉効果の減衰が発生する。どちらの場合にしても、このように干渉効果が減衰してしまわないようにするためには、
d’・tan2θ<λ/2 ・・・ 式3
としなければならず、θが式3を満たす範囲を超えると、面形状計測が困難となる。照明光に可視光を用いる場合、その中心波長はλ=600nm前後であり、面形状計測に好適な、作動距離の大きな対物レンズでは、開口数(NA)が大きなものでNA=0.55程度であるため、d’≧1.06マイクロメートル程度となる。このとき、前記試料表面の傾斜角が大きなって、θ≧7.9°になると、式3は満たされなくなり、干渉効果を利用した面形状計測が困難となってしまう。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る面形状計測装置の構成を示す図である。光源1にはハロゲンランプ、Xeランプ、またはLEDなど、連続する波長の光を発生する広帯域波長光源を用いる。光源1から出た光束は集光および平行光束化のためのレンズあるいは反射鏡から成る照明光学系2を経て平行光束30となり、二光束干渉計3内のビームスプリッタ4に入射する。平行光束30はビームスプリッタ4で2分割され、一方は試料側対物レンズ5を経て試料40の表面上の照明領域41に入射したのち反射され、試料側反射光束31となって再び試料側対物レンズ5を経てビームスプリッタ4に戻る。試料40は、試料移動ステージ11上に搭載してあり、前記試料側対物レンズ5の光軸に関して、直交する2軸方向(X軸およびY軸とする)と光軸方向(Z軸とする)に移動可能である。前記X軸およびY軸は、試料40上で前記照明領域41の位置を移動させるために用い、X−Y駆動・制御部12によってX座標値およびY座標値が制御される。前記Z軸はピエゾ素子13(図示せず)によって駆動され、Z軸制御部14によりZ座標値を概略1ナノメートルの分解能で制御することが可能である。前記ビームスプリッタ4で2分割された光束のうちの他方は、参照側対物レンズ6を経て参照平面7に入射したのち、参照側反射光束32となって再び参照側対物レンズ6を経て前記ビームスプリッタ4に戻る。ここで、前記試料側対物レンズ5と前記参照側対物レンズ6は、前記ビームスプリッタ4からの距離が互いに等しくなるように設置してある。また、前記参照平面7は前記参照側対物レンズ6の合焦位置に設置してあり、2軸傾斜機構15により、光軸と直交し、前記試料移動ステージ11のX−Y軸に対応する2軸に関して傾斜角を変化させることができる。以下では、前記X軸に対応する方向の傾斜角をθx、前記Y軸に対応する方向の傾斜角をθyとする。θxとθyの駆動は、各々ピエゾ素子16・17(図示せず)によって行われ、傾斜角制御部18により概略5マイクロラジアンの分解能で角度制御が可能である。このようにして前記ビームスプリッタ4に戻った前記試料側反射光束31と前記参照側反射光束32は波動光学的に結合され、干渉光束33を生じる。干渉光束33は結像レンズ8に入射したのち、その一部が前記結像レンズの結像面に設置した像面絞り9を通過する。前記結像レンズ8は、前記照明領域41が前記試料側対物レンズ5の合焦位置に置かれている状態で、前記照明領域41の像を前記結像面に結像するよう調整してある。前記像面絞り9を通過した前記干渉光束33は、光検出器10に導かれ、その光強度が電気信号に変換され、干渉光強度信号34となる。干渉光強度信号34はA/D変換器20を経て、コンピュータ21に取り込まれ、演算処理が施される。またコンピュータ21は、前記X−Y駆動・制御部12、前記Z軸制御部14、前記傾斜角制御部18に指令を与え、前記のX座標値、Y座標値、Z座標値、θx、およびθyの各値を変化させる。
φ=2πΔL/λ ・・・ 式4
となる。そこで二光束干渉計においては、前記二光束のうち一方の光路中に反射鏡を置き、前記反射鏡の位置を平行移動させることにより光学的距離を変化させてインターフェログラムを記録するように構成されているものが多い。用いる光源が単一の波長の光のみを発する単色光源の場合には、光路差が光源の波長の2倍になるごとに等しい干渉光強度変化が繰り返し発生するので、図2aに示すような単一のCOS波形から成るインターフェログラムが得られる。一方、連続する波長の光を発生する広帯域波長光源を用いる場合には、二光束の間の干渉は、いわゆる白色干渉となり、図2bに示すように、光源に含まれる各波長において位相差が共通して概略ゼロになるような光路差(ゼロ光路差)において極大値を取り、その周辺においてのみ振動波形が観測されることが良く知られている。
C=[max{Ji}−min{Ji}]
/[max{Ji}+min{Ji}] ・・・ 式5
しかし、白色光源を用いる場合は、図2bのように干渉強度の振動波形はゼロ光路差周辺でのみ観察され、ゼロ光路差から離れるにつれて振動の方絡線は減衰していくため、上式での定義は不適切である。そこで本発明では干渉コントラストCを、ゼロ光路差位置のz座標をZcとし、ZaからZbの範囲で干渉強度の振動波形が観測され、a≦i≦bの範囲における干渉強度{Ji}の平均値をJ0としたときに、次式で定義するものとする。
b
C=[{Σ(Ji−J0)^2}/(b−a+1)}]^(1/2)/J0
i=a
・・・ 式6
式6はa≦i≦bの範囲における、{Ji}の相対標準偏差に等しい。この干渉コントラストの算出はStep 13で行う。本実施例ではStep 5からStep 15に示すように、前記コンピュータ21が、前記傾斜角制御部18に指令を出してθxおよびθyを所定の初期位置から終了位置まで所定の刻み分だけ移動させるごとに、前記1本のインターフェログラムの記録を行う。
θx=∂F(X,Y)/∂X , θy=∂F(X,Y)/∂Y ・・・ 式7
である。そこで、適切な初期値を与えることにより、X−Yの二次元平面上で(θx,θy)を積分することによって、逆にZ=F(X,Y)の分布を再構築することが可能である。本実施例ではこの積分変換によりZ高さに換算する傾斜角・高さ換算機能51も備えており、上記で測定した傾斜角(θx,θy)の分布から、高さ分布Z=F(X,Y)を求めることが可能である。
本発明の第2の実施の形態を、その構成図である図5を参照しつつ説明する。
本実施例は、前記第1の実施の形態に加えて、前記試料40上の前記照明領域41における局所微小平面の高さZを測定する機構を付加することにより、試料移動ステージの上下変動特性を評価することができるようにしたものである。前述のように前記第1の実施の形態では、傾斜角(θx,θy)の分布を直接測定することにより、高さ分布Z=F(X,Y)を算出することが可能であるが、本実施例ではこれに加えて、高さ分布Z=F(X,Y)を二光束干渉計を用いて直接測定する機能を有する。ここで、光学的に直接測定した高さ分布をZ1=F1(X,Y)、傾斜角分布を積分することにより算出された高さ分布をZ2=F2(X,Y)として区別することにする。Z1においては、前記試料40の高さ情報だけでなく、測定位置を移動させるために前記試料移動ステージ11を駆動する際、前記ステージ面の不所望の上下高さ変動が誤差として含まれてしまう。一方で、前記ステージ面が駆動に伴って上下する際、角度方向の変動が十分小さいものであれば、傾斜角測定はその影響をほとんど受けないため、Z2の方は誤差を伴わない。そこで、Z1−Z2の差分を算出することにより、前記試料移動ステージ11の高さ変動特性を評価することが可能になる。そのために、本実施例では前記コンピュータ21の中に、傾斜角測定機能50および傾斜角・高さ換算機能51に加えて、高さ測定機能52と高さ差分検出機能53を設ける。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。
Claims (17)
- 連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源、または単色光を発する光源から発せられた照明光束を2分割して被検査面と参照面に入射させ、前記被検査面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を干渉計で干渉させて前記被検査面の面形状を計測する面形状計測方法において、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるよう構成し、前記被検査面上の1つまたは複数の位置において前記被検査面の局所面方位を測定できるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項1記載の面形状計測方法において、前記参照面に平面鏡を用い、前記参照面の面方位を、互いに直交し、共に光軸に直交する2軸方向に傾斜または回転可能なよう構成することにより、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるようにしたことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項1記載の面形状計測方法において、前記参照面に、反射面の局所面方位が、互いに直交し、共に光軸に直交する2軸方向に連続的、または離散的に変化する曲面鏡を用い、前記参照面全体を光軸に直交する2軸方向に平行移動させることにより、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるようにしたことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項1から3のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の任意の位置における局所面方位に対して、前記参照面の面方位を相対的に変化させ、前記被検査面上の局所面方位と前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位が等しくなったときの前記参照面の面方位を求めることにより前記被検査面の局所面方位を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項4記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の局所面方位と前記参照面の面方位が等しくなたったことを、前記被検査面からの反射光束と前記参照面からの反射光束の干渉によって得られるインターフェログラムにおいて干渉コントラストが最大になることをもって判定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項5記載の面形状計測方法において、前記インターフェログラムを構成する干渉強度データから相対標準偏差を算出して前記干渉コントラストとして用いるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項5または6に記載の面形状計測方法において、干渉コントラストが最大になるときの前記参照面の面方位を求める際に、前記面方位を連続的または十分細かい刻みで離散的に変えて測定された干渉コントラストの中から最大値を見つけてその最大値に対応する前記面方位を求める代わりに、前記面方位を粗く離散的に変えて測定された複数の干渉コントラスト値に、所定の干渉コントラスト分布関数を、前記干渉コントラストの最大値に対応する面方位を未知数として適合させ、最も適合するときの面方位として求めるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項1から7のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面に対して照明光軸方向にZ軸をとり、前記被検査面のZ座標の値を前記被検査面の高さと呼ぶとき、前記被検査面上の2以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における前記被検査面の面高さ算出値を得る機能を備えたことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項1から8のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の任意の位置において得られたインターフェログラムを用いて、前記被検査面の局所面方位と高さの両方を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項9記載の面形状計測方法において、前記照明光束として連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する照明光を前記被検査面および前記参照面に照射するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項9記載の面形状計測方法において、前記照明光束として、前記高さを測定するための連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源と、前記局所面方位を測定するための単色光源を備え、前記各光源からの照明光を同時または順次、前記被検査面および前記参照面に照射するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項8から11のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上における測定位置を変化させるために前記被検査面を有する試料の位置を移動させる試料移動ステージを備え、前記被検査面上の2以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における面高さ算出値を得る機能を備え、前記各位置で測定した面高さと前記面高さ算出値を比較する機能を備えたことを特徴とする面形状計測方法。
- 請求項12記載の面形状計測方法において、前記各位置で測定した面高さと前記面高さ算出値を比較した結果に基づき、前記試料移動ステージを移動させたことに伴う前記試料全体の高さ変動分布を得ることができるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
- 連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源と、ビームスプリッタによって照明光束を測定光束と参照光束に分割し、前記測定光束を第1の対物レンズを通して被検査面との間で往復させ、前記参照光束を前記第1の対物レンズと特性が一致するよう製作された第2の対物レンズを通して、参照面との間で往復させるよう構成し、被検査面を含む試料を搭載し測定位置を移動させると共に、前記試料と前記第1の対物レンズとの間の前記測定光束の光軸に沿った方向の相対距離を変化させることが可能な試料移動ステージを備え、前記測定光束を前記被検査面との間で往復させる光学的距離と、前記参照光束を前記参照面との間で往復させる光学的距離の相対差で表わされる光路差に変化を与えた上で、往復後の前記測定光束と前記参照光束を再合成して干渉させる干渉計と、前記試料移動ステージおよび前記干渉計を制御する制御部と、前記干渉計で得られる干渉光の強度を電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器の出力信号を処理するデータ処理部を備え、前記被検査面上の複数のサンプリング位置で、前記試料移動ステージと前記干渉計を制御し、前記光検出器から得た出力信号を前記データ処理部で計算処理することによって、被検査面の面形状を計測する面形状計測装置において、前記干渉計の前記参照面に平面鏡を用い、前記参照面の面方位を、互いに直交し、共に光軸に直交する2軸方向に傾斜または回転可能なように設置し、前記制御部は前記参照面の面方位を前記2軸の方向に変化させると共に、前記試料移動ステージの前記測定光束の光軸に沿った方向の位置を変化させることにより前記光路差を変化させ、前記光検出器は前記面方位および前記光路差の変化に伴う前記干渉光の強度変化を電気信号に変換し、前記データ処理部は前記電気信号の変化を計算処理して、前記被検査面上の前記サンプリング位置における被検査面の局所面方位を検出するよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
- 請求項14記載の面形状計測装置において、前記局所面方位の検出は、前記参照面の面方位を前記2軸の方向で段階的に複数変化させ、前記光路差を所定の範囲で走査したときに観測される前記干渉光の干渉コントラストに、所定の干渉コントラスト分布関数を、前記干渉コントラストの最大値に対応する面方位を未知数として適合させ、最も適合するときの面方位として求めるよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
- 請求項14または15記載の面形状計測装置において、前記被検査面に対して照明光軸方向にZ軸をとり、前記被検査面のZ座標の値を前記被検査面の高さと呼ぶとき、前記被検査面上の2以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における前記被検査面の面高さ算出値を得る機能を備えたことを特徴とする面形状計測装置。
- 請求項14から16のいずれかに記載の面形状計測装置において、前記被検査面上の任意の位置において得られたインターフェログラムを用いて、前記被検査面の局所面方位と高さの両方を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
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