JP7365266B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置及び測定方法に関するものであり、例えば、共焦点顕微鏡を用いた測定装置及び測定方法に関する。

共焦点顕微鏡は、フォーカス方向及びフォーカス面内をスキャンして、焦点位置を３次元的に走査することにより、試料の３次元形状を取得するとともに、試料の表面を撮像することができる。

特開２０１９－０５３０４２号公報 特開２０１０－２６６７０９号公報

共焦点顕微鏡による３次元形状の測定は、「フォーカスが合う位置で輝度が最大となる」ことを利用する。一般に、フォーカス方向のスキャンにおいて、輝度が最大になる位置を試料の表面と判断するが、光源から照射される光の強度の時間変動、反射光を受光するカメラの暗電流、及び、ショットノイズといったノイズ成分により、焦点深度程度のバラツキが生じる。そのため、単純に、フォーカス方向の最大輝度の位置から試料の表面の位置を導く方法では、試料の３次元形状における高さ情報に、焦点深度程度の誤差を含むことになる。

上記課題に対して、輝度分布を２次関数等でフィッティングして、試料の表面の位置を算出する手法も提案されている。これにより、ノイズに対して比較的安定してデータを得ることができると考えられる。しかしながら、一般に用いられる最小２乗法では、外れ値の影響が大きく、また、輝度分布も単純な関数形状となっていないため、ズレが大きくなっている。

本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、試料の表面の位置を取得する際の誤差を抑制し、試料の形状を高精度に測定することができる測定装置及び測定方法を提供することである。

本実施形態の一態様に係る測定装置は、試料を照明する照明光を生成する光源と、前記照明光を集光して試料を照明する対物レンズと、共焦点光学系を介して、前記試料からの反射光を検出する検出器と、前記試料に対する前記対物レンズの相対位置を変化させる駆動手段と、前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係を取得し、取得した前記関係において、前記強度の閾値を設定した場合に、前記閾値以上の前記強度を示す複数の前記相対位置で、前記閾値以上の前記強度から前記閾値を減算した値を総和した総和量の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とする処理装置と、を備える。

上記の測定装置では、前記処理装置は、前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係をグラフとして取得し、取得した前記グラフにおいて、前記強度の閾値を設定した場合に、前記閾値以上の前記強度の点と、前記閾値を示す直線で囲まれた領域の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置としてもよい。

上記の測定装置では、前記駆動手段は前記相対位置を所定の間隔で変化させてもよい。

上記の測定装置では、前記駆動手段は、前記試料または前記対物レンズを光軸方向に移動させてもよい。

上記の測定装置では、前記対物レンズの視野で、前記試料の照明位置を走査する走査手段をさらに備えてもよい。

上記の測定装置では、前記閾値は、予め設定された固定値でもよい。

上記の測定装置では、前記試料の概形を示す概形データを取得する概形データ取得手段をさらに備え、前記閾値は、前記概形データに基づいて設定されてもよい。

上記の測定装置では、前記閾値は、前記強度の最大値を示す前記相対位置から、焦点深度だけ変化させた前記相対位置での前記強度でもよい。

上記の測定装置では、前記閾値以上の前記強度は、複数の極大値を有してもよい。

本実施形態の一態様に係る測定方法は、照明光を対物レンズで集光して試料を照明するステップと、共焦点光学系を介して、前記試料からの反射光を検出するステップと、前記試料に対する前記対物レンズの相対位置を変化させるステップと、前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係を取得するステップと、取得した前記関係において、前記強度の閾値を設定するステップと、前記閾値以上の前記強度を示す複数の前記相対位置で、前記閾値以上の前記強度から前記閾値を減算した値を総和した総和量の重心を算出するステップと、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とするステップとを備える。

上記の測定方法では、前記関係を取得するステップにおいて、前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係をグラフとして取得し、前記重心を算出するステップにおいて、取得した前記グラフにおいて、前記閾値以上の前記強度の点と、前記閾値を示す直線と、で囲まれた領域の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置としてもよい。

上記の測定方法では、前記変化させるステップにおいて、前記相対位置を所定の間隔で変化させてもよい。

上記の測定方法では、前記変化させるステップにおいて、前記試料または前記対物レンズを光軸方向に移動させてもよい。

上記の測定方法では、前記対物レンズの視野において、前記試料の照明位置を走査させるステップをさらに備えてもよい。

上記の測定方法では、前記閾値を設定するステップにおいて、前記閾値を、予め設定された固定値としてもよい。

上記の測定方法では、前記試料の概形を示す概形データを取得するステップをさらに備え、前記閾値を設定するステップにおいて、前記閾値を、前記概形データに基づいて設定してもよい。

上記の測定方法では、前記閾値を、前記強度の最大値を示す前記相対位置から、焦点深度だけ変化させた前記相対位置での前記強度としてもよい。

上記の測定方法では、前記閾値を設定するステップにおいて、前記閾値以上の前記強度は、複数の極大値を有してもよい。

本発明によれば、試料の形状を高精度に測定することができる測定装置及び測定方法を提供することができる。

実施形態に係る測定装置を例示した構成図である。 実施形態に係る測定装置において、試料に対する対物レンズの相対位置と反射光の強度との関係を例示したグラフであり、横軸は、相対位置を示し、縦軸は、受光した反射光の強度を示す。 図２におけるＩＩＩ領域を拡大したグラフである。 実施形態に係る測定装置において、処理装置が算出した重心を例示したグラフであり、横軸は、相対位置を示し、縦軸は、受光した反射光の強度を示す。 比較例に係る測定装置、及び、実施形態に係る測定装置によって測定した高さ情報の精度を例示したグラフであり、横軸は、対物レンズの種類を示し、縦軸は、高さ精度として３σを示す。 比較例に係る測定装置、及び、実施形態に係る測定装置によって測定したウェハの形状を例示したグラフであり、横軸は、ウェハにおける動径方向の位置を示し、縦軸は、高さ情報を示す。 実施形態に係る測定方法を例示したフローチャート図である。

以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

（実施形態）
実施形態に係る測定装置及び測定方法を説明する。まず、実施形態に係る測定装置の構成を説明する。その後、実施形態に係る測定装置を用いた測定方法を説明する。

＜測定装置の構成＞
図１は、実施形態１に係る測定装置を例示した構成図である。図１に示すように、測定装置１は、共焦点光学系１０、ステージ２０、駆動手段３０、処理装置４０を備えている。測定装置１は、試料５０の表面５１の３次元形状を測定する装置である。駆動手段３０は、駆動手段３０ａ及び駆動手段３０ｂの少なくともいずれかを含む。

共焦点光学系１０は、光源１１、ハーフミラー１２、レンズ１３、ミラー１４、レンズ１５、レンズ１６、対物レンズ１７、検出器１８を備えている。共焦点光学系１０は、上記の光学部材以外に他の部材を含んでもよい。

光源１１は、試料５０を照明する照明光を生成する。光源１１は、ランプ光源、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、レーザ光源などの種々の光源を用いることが可能である。光源１１は、点状の光源でもよいし、ライン光源でもよい。したがって、照明光は、光軸ＯＸに直交する断面が円形状でもよいし、ライン状でもよい。照明光は、ピンホールを用いることで、円形状の照明光を生成してもよいし、スリットやシリンドリカルレンズを用いることで、ライン状の照明光を生成してもよい。

共焦点光学系１０を構成するため、照明光は、対物レンズ１７の焦点面（フォーカス面）において、点状またはライン状の照明領域を形成する。なお、焦点面は、焦点Ｆを通って、光軸ＯＸに直交する平面である。

ここで、共焦点光学系１０を説明するために、ＸＹＺ直交座標軸系を導入する。焦点面に平行な面をＸＹ面とし、焦点面に直交する方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、光軸ＯＸ及びフォーカス方向に沿っている。例えば、ライン状の照明光の場合には、照明領域の長手方向をＹ方向とし、短手方向をＸ方向とする。

光源１１からの照明光は、ハーフミラー１２に入射する。ハーフミラー１２は、入射した光の半分を透過して、残り半分を反射する。ハーフミラー１２で反射された照明光は、レンズ１３によって平行光束となる。平行光束となった照明光は、ミラー１４に入射する。ミラー１４は、照明光をレンズ１５の方向に反射する。

ミラー１４には、走査手段１４ａが取り付けられてもよい。走査手段１４ａは、ミラー１４の傾きを変化させ、ミラー１４に入射する照明光の入射角及び反射角を変化させる。走査手段１４ａは、例えば、モータ、ピエゾ素子、アクチュエータ等である。なお、走査手段１４ａは、ミラー１４に入射する照明光の入射角及び反射角を変化させることができれば、モータ、ピエゾ素子、アクチュエータ等に限らない。

走査手段１４ａが取り付けられたミラー１４は、例えば、ガルバノミラーである。走査手段１４ａは、対物レンズ１７の視野において、試料５０の照明位置を走査する。具体的には、走査手段１４ａは、ミラー１４の傾きを変えることにより、試料５０の照明位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査する２次元スキャンを行う。なお、照明光がＹ軸方向に延びたライン状の場合には、走査手段１４ａは、Ｘ軸方向に走査する。これにより、照明光が２次元領域を照明するため、２次元共焦点画像を撮像することができる。

ミラー１４で反射した照明光は、レンズ１５及びレンズ１６で屈折される。レンズ１５及びレンズ１６は、例えば、リレーレンズである。レンズ１６を通過した照明光は、平行光束となっている。

レンズ１６を通過した照明光は、対物レンズ１７に入射する。対物レンズ１７は、照明光を集光して試料５０を照明する。対物レンズ１７は、照明光を焦点面に集光する。対物レンズ１７の焦点Ｆは、光軸ＯＸ上であって、試料５０の表面５１または試料５０の表面５１の近傍に位置する。

対物レンズ１７には、駆動手段３０ａが取り付けられてもよい。駆動手段３０ａは、対物レンズ１７を光軸方向に移動させる。駆動手段３０ａは、例えば、モータ、ピエゾ素子、アクチュエータ等である。なお、駆動手段３０ａは、対物レンズ１７を光軸方向に移動させることができれば、モータ、ピエゾ素子、アクチュエータ等にかぎらない。

駆動手段３０ａは、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置を変化させる。これにより、照明光の焦点位置Ｆに対して、試料５０の表面５１を光軸方向にスキャンすることができる。駆動手段３０ａは、相対位置を所定の間隔で変化させてもよい。すなわち、駆動手段３０ａは、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置を離散的に変化させてもよい。

なお、共焦点光学系１０は、対物レンズ１９をさらに備えてもよい。対物レンズ１９は、対物レンズ１７よりも低倍率である。対物レンズ１９を用いることで、広い視野での撮像が可能となる。例えば、対物レンズ１７及び対物レンズ１９は図示しないレボルバ等に取り付けられている。対物レンズ１９と対物レンズ１７が光路中に選択的に挿入される。つまり、対物レンズ１７及び対物レンズ１９の一方が光路中に挿入され、他方が光路中から取り出される。対物レンズ１９は、試料５０の概形を示す概形データを取得するために用いられる。よって、対物レンズ１９は、概形データを取得する概形データ取得手段である。

試料５０は、ステージ２０上に載置されている。試料５０は、例えば、半導体ウェハ等である。なお、試料５０には、パターン等または薄膜等が設けられていてもよい。また、試料５０は、ベアウェハでもよい。ステージ２０は、真空チャック等により、試料５０を保持していてもよい。試料５０の＋Ｚ側の面を表（おもて）面５１とする。照明光は、試料の＋Ｚ側から試料５０を照明する。試料５０がウェハの場合には、試料５０の表面５１には、例えば、パターンが形成されている。

ステージ２０には、駆動手段３０ｂが取り付けられてもよい。駆動手段３０ｂは、ステージ２０及び試料５０を光軸ＯＸ方向に移動させる。駆動手段３０ｂは、例えば、モータ、ピエゾ素子、アクチュエータ等である。なお、駆動手段３０ｂは、ステージ２０及び試料５０を光軸ＯＸ方向に移動させることができれば、モータ、ピエゾ素子、アクチュエータ等にかぎらない。

駆動手段３０ｂは、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置を変化させる。これにより、照明光の焦点位置Ｆに対して、試料５０の表面５１を光軸方向にスキャンすることができる。駆動手段３０ｂは、相対位置を所定の間隔で変化させてもよい。すなわち、駆動手段３０ｂは、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置を離散的に変化させてもよい。

このように、駆動手段３０は、対物レンズ１７を光軸ＯＸ方向に移動させる駆動手段３０ａでもよいし、試料５０を光軸ＯＸ方向に移動させる駆動手段３０ｂでもよい。

照明光は、試料５０の表面５１を照明する。そして、照明光は、試料５０の表面５１で反射される。試料５０で反射した反射光は、照明光の光路を戻っていく。つまり、反射光は、対物レンズ１７で平行光束となって、レンズ１６に入射する。レンズ１６及びレンズ１５は、反射光を屈折する。レンズ１５を通過した反射光は、ミラー１４で反射されて、レンズ１３に入射する。ミラー１４に走査手段１４ａが取り付けられている場合には、反射光は、ミラー１４でデスキャンされる。そして、ミラー１４で反射された反射光は、レンズ１３で屈折されて、ハーフミラー１２に入射する。レンズ１３からの反射光の半分が、ハーフミラー１２を通過して、検出器１８に入射する。

レンズ１３は、結像レンズであり、反射光を検出器１８の受光面に集光している。検出器１８は、例えば、複数の画素を備えたセンサである。具体的には、検出器１８として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサを用いることができる。

照明光がライン状である場合には、ラインＣＣＤまたはラインＣＭＯＳセンサを用いてもよい。この場合には、検出器１８の受光面には、複数の画素がライン列に配列されている。検出器１８の複数の画素は、Ｙ方向に沿って配置される。

検出器１８は、反射光を検出して、検出結果のデータを処理装置４０に出力する。すなわち、検出器１８は、各画素が受光した反射光の強度を示す検出データを処理装置４０に出力する。なお、反射光の強度と、輝度とを同様の挙動を示す相関のある値として扱う。反射光の強度と輝度とを同じ意味として扱ってもよい。

なお、検出器１８の受光面は、対物レンズ１７の焦点面とは互いに共役な位置に配置されている。対物レンズ１７で集光された照明光が、焦点面において、点状またはライン状の照明領域を形成する。検出器１８の受光面では、反射光が点状またはＹ方向を長手方向とするライン状に集光される。焦点面から光軸方向にずれた面で反射された反射光は、検出器１８の画素の外側に入射する。このようにすることで、共焦点光学系１０を構成することができる。

上記の例では、対物レンズ１７の焦点面から共役な位置に検出器１８を配置していたが、ピンホールまたはスリットを用いて共焦点光学系１０を構成することも可能となる。例えば、ピンホールまたはライン状の照明領域に沿ったスリットを焦点面と共役な位置に配置する。検出器１８がピンホールまたはスリットを通過した反射光を検出するよう、ピンホールまたはスリットの後ろ側に検出器１８を配置する。ライン状の照明光の場合には、検出器１８は、スリット方向に沿って複数の画素が配列されたラインセンサとする。

このような構成とすることにより、焦点面で反射した反射光がピンホールまたはスリットを通過し、焦点面からずれた面で反射された反射光は、遮光される。よって、共焦点光学系１０を構成することができる。

本実施形態の測定装置１において、検出器１８は、共焦点光学系１０を介して、試料５０からの反射光を検出する。共焦点光学系１０では、駆動手段３０により、フォーカス方向にスキャンして、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置を変化させる。これにより、反射光の強度が最大となる相対位置を、試料５０の表面５１の高さとして、高さ情報を得ることができる。

また、測定装置１は、相対位置を変化させる毎に、各相対位置での最大の強度となる共焦点画像を取得する。そして、処理装置４０は、各相対位置での共焦点画像を合成することにより、試料５０の３次元形状を得ることができる。

処理装置４０は、例えば、プロセッサとメモリなどを備えたコンピュータであり、試料５０の表面５１の位置を測定するための処理を実行する。処理装置４０は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）である。処理装置４０は、測定結果を表示するためのモニタや、ユーザからの入力を受け付けるためのキーボード、マウス、タッチパネルなどの入力機器を備えている。

処理装置４０は、走査手段１４ａ及び駆動手段３０を制御する。処理装置４０は、共焦点光学系１０で検出された検出データを収集する。処理装置４０は、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置と、反射光の強度との関係を取得する。具体的には、処理装置４０は、相対位置と、反射光の強度との関係をグラフとして取得する。

図２は、実施形態に係る測定装置１において、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置と反射光の強度との関係を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ軸方向の相対位置を示し、縦軸は、受光した反射光の強度を示す。図３は、図２におけるＩＩＩ領域を拡大したグラフである。図２に示すように、Ｚ軸方向に沿った光軸ＯＸ方向に相対位置を変化させた場合には、反射光の強度のピークが測定される。ピーク位置が試料５０の表面５１の位置に対応する。

図３に示すように、反射光の強度ピークの近傍を拡大すると、強度プロファイルは、細かく振動している。すなわち、強度プロファイルは、複数の極大値及び極小値を含んでいる。

焦点面付近では焦点深度の幅だけ強度が変化しない領域が存在する。そのため、光源の時間変動、検出器１８となるカメラの暗電流及びショットノイズといったノイズ成分によってピークの位置が変動しうる。したがって、最大輝度はノイズの影響を含んでおり、単純に、光軸ＯＸ方向における強度の最大値の位置から試料５０の表面５１の位置を導く方法では、測定した試料５０の３次元形状に、焦点深度程度の誤差を含むことになる。そこで、本実施形態において、処理装置４０は、反射光の強度分布（輝度分布）から、重心を求めることで高さ情報を得る。

図４は、実施形態に係る測定装置１において、処理装置４０が算出した重心Ｇを例示したグラフであり、横軸は、Ｚ軸方向の相対位置を示し、縦軸は、受光した反射光の強度を示す。図４に示すように、処理装置４０は、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置と、反射光の強度との関係を取得し、取得した関係において、強度の閾値Ｉｔｈを設定する。具体的には、処理装置４０は、相対位置と反射光の強度との関係を示すグラフにおいて、所定の強度を閾値Ｉｔｈとして設定する。図４では、強度の閾値Ｉｔｈは、例えば、５００と設定されている。閾値Ｉｔｈを設定する方法としては、例えば、以下の３つの方法が挙げられる。

１．閾値Ｉｔｈを予め固定値として設定する。
２．閾値Ｉｔｈをラフスキャン時の測定結果に基づいて設定する。
３．閾値Ｉｔｈをファインスキャン時の測定結果に基づいて設定する。

例えば、１の場合のように、閾値Ｉｔｈは、予め設定された固定値でもよい。例えば、予め、閾値Ｉｔｈを固定値５００と設定してもよい。または、閾値Ｉｔｈを固定した値とするだけでなく、ピークの最大値の半値、ピークの変曲点、強度プロファイルのベース部分等、閾値Ｉｔｈをピークの特性を示す固定値としてもよい。

また、２の場合のように、予め、ラフスキャンにより、試料５０の概形を示す概形データを取得した場合には、閾値Ｉｔｈは、概形データに基づいて設定されてもよい。この場合にも、ラフスキャンの測定結果から、閾値Ｉｔｈを固定値として設定してもよいし、ピークの最大値の半値、ピークの変曲点、強度プロファイルのベース部分等、閾値Ｉｔｈをピークの特性を示す値に設定してもよい。

さらに、３の場合のように、ファインスキャンにより、全データを取得した場合には、ファインスキャン時の測定結果から、閾値Ｉｔｈを固定値として設定してもよいし、ピークの最大値の半値、ピークの変曲点、強度プロファイルのベース部分等、閾値Ｉｔｈをピークの特性を示す値に設定してもよい。

１及び２の場合には、ファインスキャン前に閾値Ｉｔｈを決められるため、閾値Ｉｔｈを決める際に全データを保持する必要がない。この場合、順次処理が可能となる。このため、メモリ使用量を抑制することができる。

３の場合には、スキャン時のデータを全て保持しておく必要があるため、高容量のメモリを必要とする。しかしながら、検査装置への展開時などハードウェア上の制約が少なく、タクトを優先する場合は有利である。

閾値Ｉｔｈは、反射光の強度の最大値を示す相対位置から、焦点深度だけ変化させた相対位置での強度でもよい。その場合には、図３に示すように、相対位置と反射光の強度との関係において、閾値Ｉｔｈ以上の反射光の強度プロファイルは、ノイズ成分を起因とする複数の極大値及び極小値を有する。

処理装置４０は、反射光の強度の閾値Ｉｔｈを設定した場合に、閾値Ｖｔ以上の強度を示す複数の相対位置で、閾値Ｉｔｈ以上の強度から閾値Ｉｔｈを減算した値を総和した総和量の重心Ｇを算出する。例えば、処理装置４０は、以下の（１）式より、総和量の重心Ｇを算出する。ここで、Ｚ_０は、重心Ｇに相当する相対位置であり、Ｉは、反射光の強度において、閾値Ｉｔｈ以上の強度から閾値Ｉｔｈを減算した値である。

具体的には、図４に示すように、反射光の強度の閾値Ｉｔｈを設定した場合に、閾値Ｉｔｈ以上の強度の点と、閾値Ｉｔｈを示す直線で囲まれた総和量を示す領域の重心Ｇを算出する。処理装置４０は、算出した重心Ｇに対応する相対位置Ｚ_０を、試料５０の表面５１の位置とする。

処理装置４０が検出器１８から取得した検出データを含む信号には、光源１１の時間変動、検出器１８の暗電流及びショットノイズ等のノイズ成分が重畳されている。しかしながら、閾値Ｉｔｈ以上の強度から閾値Ｉｔｈを減算した値を総和した総和量、例えば、図４の色付けされた部分は、これらのノイズ成分を平均化して含んでいる。さらに、強度プロファイルのベース部分も除去されている。よって、ノイズ成分を無視することができる程度に低減することができる。このため、算出された重心Ｇへのノイズ成分の寄与は小さくなる。

また、閾値Ｉｔｈ付近の反射光の強度は、最大値に比べて小さい。このため、算出される重心Ｇへのノイズ成分の寄与を低減することができる。したがって、焦点面付近の強度分布によってのみ重心Ｇの位置が決定される。これにより、高さ情報の精度を向上させることができる。

図５は、比較例に係る測定装置、及び、実施形態に係る測定装置によって測定した高さ情報の精度を例示したグラフであり、横軸は、対物レンズの種類を示し、縦軸は、高さ精度として３σを示す。比較例の測定装置は、単純に、光軸ＯＸ方向における強度（輝度）の最大値の位置から試料５０の表面５１の位置を導いている。これに対して、実施形態の測定装置１は、強度（輝度）の重心から試料５０の表面５１の位置を導いている。

図５に示すように、比較例の測定装置を用いて、試料５０の表面５１の位置を測定した場合には、測定のバラツキを示す３σは、１０倍の対物レンズでは８．００［μｍ］であり、２０倍の対物レンズでは０．６３［μｍ］である。一方、本実施形態の測定装置１を用いて、試料５０の表面５１の位置を測定した場合には、測定のバラツキを示す３σは、１０倍の対物レンズでは１．５３［μｍ］であり、２０倍の対物レンズでは０．１１［μｍ］である。このように、比較例の測定装置を用いて、試料５０の表面５１の位置を測定した場合には、バラツキが大きくなっているのに対して、本実施形態の測定装置１を用いて、試料５０の表面５１の位置を測定した場合は、比較例の測定装置を用いた場合よりも、３σの値を向上させることができる。

別の例としては、例えば、Ｓ／Ｎが６．４％の検出器１８の検出データにおいて、比較例の測定装置を用いた高さ情報の測定精度は、１０倍の対物レンズにおいて、３σ＝２．６μｍである。これに対して、本実施形態の測定装置１を用いた高さ情報の測定精度は、１０倍の対物レンズにおいて、３σ＝０．６μｍである。したがって、本実施形態の測定装置１を用いることにより、３σを、２．６μｍから０．６μｍへ安定化させることができる。

また、２０倍の対物レンズでは、本実施形態の測定装置１を用いることにより、比較例と比べて、３σ＝１．５μｍから０．３μｍへ安定化させることができる。

比較例では、単純に、光軸ＯＸ方向における強度の最大値の位置を高さ情報として用いている。よって、比較例では、高さ情報に、光源１１の時間変動、検出器１８の暗電流及びショットノイズ等のノイズ成分を含んでいるため、離散値となっている。これに対して、本実施形態では、ノイズ成分を平均化して含んだ総和量から重心を算出し、算出した重心に対応する相対位置を、試料５０の表面位置としている。よって、連続的な値を用いて算出することができる。

図６は、比較例に係る測定装置、及び、実施形態に係る測定装置１によって測定したウェハの形状を例示したグラフであり、横軸は、ウェハにおける動径方向の位置を示し、縦軸は、高さ情報を示す。黒色の振動した線は、比較例による結果を示し、白色の線は、実施形態による結果を示す。図６には、ＶＩ領域を拡大したグラフも示している。なお、両者とも、ガルバノミラー等の走査手段１４ａをオフしている。

図６及びＶＩ領域の拡大図に示すように、強度（輝度）の最大値の位置からウェハの表面の位置を導く比較例では、高さ位置を示すプロファイルは、細かく振動している。これは、光源の時間変動、検出器１８となるカメラの暗電流及びショットノイズといったノイズ成分を含むことによる。したがって、比較例によって測定したウェハの形状は、焦点深度程度の誤差を含むことになる。

これに対して、強度（輝度）の重心からウェハの表面の位置を導く本実施形態では、高さ位置を示すプロファイルは、ノイズ成分が低減されている。

図６に示す動径方向の位置において、Ｒ＜０の部分で算術平均粗さＲａを以下の（２）式より算出する。

そうすると、比較例の場合には、Ｒａ＝０．３８５［μｍ］であるのに対して、本実施形態では、Ｒａ＝０．０７８［μｍ］である。このように、本実施形態では、ノイズ成分を含むバラツキを著しく低減することができる。

＜測定方法＞
次に、実施形態に係る測定装置を用いた測定方法を説明する。図７は、実施形態に係る測定方法を例示したフローチャート図である。図７のステップＳ１１に示すように、照明光を対物レンズ１７で集光して試料５０を照明する。具体的には、光源１１で生成した照明光を用いて、共焦点光学系１０を介して、試料５０を照明する。

次に、ステップＳ１２に示すように、共焦点光学系１０を介して、試料５０からの反射光を検出する。具体的には、検出器１８を用いて試料５０からの反射光を検出する。

次に、ステップＳ１３に示すように、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置を変化させる。例えば、対物レンズ１７に取り付けられた駆動手段３０ａまたはステージ２０に取り付けられた駆動手段３０ｂを用いて、相対位置を変化させる。その際において、駆動手段３０ａまたは駆動手段３０ｂは、対物レンズ１７または試料５０を光軸ＯＸ方向に移動させる。なお、駆動手段３０ａまたは駆動手段３０ｂは、相対位置を所定の間隔で変化させてもよい。また、例えば、ミラー１４に取り付けられた走査手段１４ａを用いて、対物レンズ１７の視野において、試料５０の照明位置を走査させてもよい。

次に、ステップＳ１４に示すように、試料５０に対する対物レンズ１７の相対位置と、反射光の強度と、の関係を取得する。例えば、処理装置４０は、検出器１８から出力された検出データを用いて、横軸に相対位置をとり、縦軸に反射光の強度をとったグラフを作成する。これにより、処理装置４０は、相対位置と、反射光の強度と、の関係をグラフとして取得する。

次に、ステップＳ１５に示すように、取得した関係において、反射光の強度の閾値Ｉｔｈを設定する。閾値Ｉｔｈを、予め設定された固定値としてもよい。また、閾値Ｉｔｈを、反射光の強度の最大値を示す相対位置から、焦点深度だけ変化させた相対位置での強度としてもよい。この場合には、閾値Ｉｔｈ以上の反射光の強度プロファイルは、複数の極大値及び極小値を有してもよい。また、予め、試料５０の概形を示す概形データを取得するステップをさらに備えてもよい。そして、閾値Ｉｔｈを設定する際に、閾値Ｉｔｈを、取得した概形データに基づいて設定してもよい。

次に、ステップＳ１６に示すように、閾値Ｉｔｈ以上の強度の重心Ｇを算出する。具体的には、処理装置４０は、閾値Ｉｔｈ以上の反射光の強度を示す複数の相対位置で、閾値Ｉｔｈ以上の強度から閾値Ｉｔｈを減算した値を総和した総和量の重心Ｇを算出する。例えば、処理装置４０は、取得したグラフにおいて、閾値Ｉｔｈ以上の強度の点と、閾値Ｉｔｈを示す直線と、で囲まれた領域の重心Ｇを算出する。

次に、ステップＳ１７に示すように、算出した重心Ｇに対応する相対位置を、試料５０の表面５１の位置とする。このようにして、本実施形態の測定方法により、試料５０の表面５１の形状を測定することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態の測定装置１は、閾値Ｉｔｈ以上の強度から閾値Ｉｔｈを減算した値を総和した総和量の重心Ｇを算出する。総和量は、光源１１の時間変動、検出器１８の暗電流及びショットノイズ等のノイズ成分を平均化して含んでいる。よって、ノイズ成分を低減することができる。

また、測定装置１は、算出した重心Ｇに対応する相対位置を、試料５０の表面５１の位置とする。このため、算出された重心Ｇへのノイズ成分の寄与を低減することができる。したがって、測定装置１は、試料５０の表面５１の位置を取得する際の誤差を抑制し、試料５０の形状を高精度に測定することができる。

処理装置４０は、相対位置と、反射光の強度と、の関係をグラフとして取得し、取得したグラフにおいて、閾値Ｉｔｈ以上の強度の点と、閾値Ｉｔｈを示す直線で囲まれた領域の重心Ｇを算出する。したがって、重心Ｇの位置を容易かつ高精度で算出することができる。

駆動手段３０によって、試料５０または対物レンズ１７を光軸ＯＸ方向に移動させるとともに、走査手段１４ａによって、試料５０の照明位置を走査することができる。これにより、試料５０の３次元形状を取得することができる。

反射光の強度の閾値Ｉｔｈを、固定値または概形データに基づいて設定することにより、順次処理を可能とし、メモリ使用量を抑制することができる。また、閾値Ｉｔｈを、ファインスキャン時の測定結果に基づいて設定することにより、検査装置への展開時などのハードウェア上の制約を少なくし、タクトを優先することができる。

閾値Ｉｔｈを、反射光の強度の最大値を示す相対位置から、焦点深度だけ変化させた相対位置での強度とした場合には、閾値Ｉｔｈ以上の反射光の強度プロファイルは、複数の極大値及び極小値を有するようになる。すなわち、焦点面付近では、焦点深度の幅だけ反射光の強度が変化しない領域が存在し、光源１１の時間変動、検出器１８の暗電流及びショットノイズといったノイズ成分によってピークの位置が変動しうる。このような場合でも、本実施形態の測定装置１は、総和量の重心Ｇから試料５０の表面５１の位置を求めるので、試料５０の表面５１の位置を取得する際の誤差を抑制することができ、試料５０の形状を高精度に測定することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

１ 測定装置
１０ 共焦点光学系
１１ 光源
１２ ハーフミラー
１３ レンズ
１４ ミラー
１４ａ 走査手段
１５ レンズ
１６ レンズ
１７ 対物レンズ
１８ 検出器
１９ 対物レンズ
２０ ステージ
３０ 駆動手段
３０ａ 駆動手段
３０ｂ 駆動手段
４０ 処理装置
５０ 試料
５１ 表面
ＯＸ 光軸

Claims (14)

1. 試料を照明する照明光を生成する光源と、
   前記照明光を集光して試料を照明する対物レンズと、
   共焦点光学系を介して、前記試料からの反射光を検出する検出器と、
   前記試料に対する前記対物レンズの相対位置を変化させる駆動手段と、
   前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係を取得し、取得した前記関係において、前記強度の閾値を設定した場合に、前記閾値以上の前記強度を示す複数の前記相対位置で、前記閾値以上の前記強度から前記閾値を減算した値を総和した総和量の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とする処理装置と、
   を備えた測定装置であって、
   前記試料の概形を示す概形データを取得する概形データ取得手段として、前記対物レンズよりも低倍率の低倍率対物レンズをさらに備え、
   前記対物レンズと前記低倍率対物レンズとが前記照明光の光路中に選択的に挿入され、
   前記閾値は、前記低倍率対物レンズを前記光路中に挿入された場合に取得された概形データに基づいて設定される、
   測定装置。
2. 試料を照明する照明光を生成する光源と、
   前記照明光を集光して試料を照明する対物レンズと、
   共焦点光学系を介して、前記試料からの反射光を検出する検出器と、
   前記試料に対する前記対物レンズの相対位置を変化させる駆動手段と、
   前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係を取得し、取得した前記関係において、前記強度の閾値を設定した場合に、前記閾値以上の前記強度を示す複数の前記相対位置で、前記閾値以上の前記強度から前記閾値を減算した値を総和した総和量の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とする処理装置と、
   を備えた測定装置であって、
   前記閾値は、前記強度の最大値を示す前記相対位置から、焦点深度だけ変化させた前記相対位置での前記強度である、
   測定装置。
3. 前記閾値以上の前記強度は、複数の極大値を有する、
   請求項２に記載の測定装置。
4. 前記処理装置は、前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係をグラフとして取得し、取得した前記グラフにおいて、前記強度の閾値を設定した場合に、前記閾値以上の前記強度の点と、前記閾値を示す直線で囲まれた領域の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とする、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記駆動手段は、前記相対位置を所定の間隔で変化させる、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記駆動手段は、前記試料または前記対物レンズを光軸方向に移動させる、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記対物レンズの視野において、前記試料の照明位置を走査する走査手段をさらに備えた、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 照明光を対物レンズで集光して試料を照明するステップと、
   共焦点光学系を介して、前記試料からの反射光を検出するステップと、
   前記試料に対する前記対物レンズの相対位置を変化させるステップと、
   前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係を取得するステップと、
   取得した前記関係において、前記強度の閾値を設定するステップと、
   前記閾値以上の前記強度を示す複数の前記相対位置で、前記閾値以上の前記強度から前記閾値を減算した値を総和した総和量の重心を算出するステップと、
   算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とするステップと、
   を備えた測定方法であって、
   前記対物レンズよりも低倍率の低倍率対物レンズによって前記試料の概形を示す概形データを取得するステップをさらに備え、
   前記対物レンズと前記低倍率対物レンズとが前記照明光の光路中に選択的に挿入され、
   前記閾値を設定するステップにおいて、
   前記閾値を、前記低倍率対物レンズを前記光路中に挿入された場合に取得された前記概形データに基づいて設定する、
   測定方法。
9. 照明光を対物レンズで集光して試料を照明するステップと、
   共焦点光学系を介して、前記試料からの反射光を検出するステップと、
   前記試料に対する前記対物レンズの相対位置を変化させるステップと、
   前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係を取得するステップと、
   取得した前記関係において、前記強度の閾値を設定するステップと、
   前記閾値以上の前記強度を示す複数の前記相対位置で、前記閾値以上の前記強度から前記閾値を減算した値を総和した総和量の重心を算出するステップと、
   算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とするステップと、
   を備えた測定方法であって、
   前記閾値を、前記強度の最大値を示す前記相対位置から、焦点深度だけ変化させた前記相対位置での前記強度とする、
   測定方法。
10. 前記閾値を設定するステップにおいて、
    前記閾値以上の前記強度は、複数の極大値を有する、
    請求項９に記載の測定方法。
11. 前記関係を取得するステップにおいて、
    前記相対位置と、前記反射光の強度と、の関係をグラフとして取得し、
    前記重心を算出するステップにおいて、
    取得した前記グラフにおいて、前記閾値以上の前記強度の点と、前記閾値を示す直線と、で囲まれた領域の重心を算出し、算出した前記重心に対応する前記相対位置を、前記試料の表面位置とする、
    請求項８～１０のいずれか１項に記載の測定方法。
12. 前記変化させるステップにおいて、
    前記相対位置を所定の間隔で変化させる、
    請求項８～１１のいずれか１項に記載の測定方法。
13. 前記変化させるステップにおいて、
    前記試料または前記対物レンズを光軸方向に移動させる、
    請求項８～１２のいずれか１項に記載の測定方法。
14. 前記対物レンズの視野において、前記試料の照明位置を走査させるステップをさらに備えた、
    請求項８～１３のいずれか１項に記載の測定方法。

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