JPH02122209A - 形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、微細形状を測定する形状測定方法に関する。

（従来の技術） 表面形状を測定する方法には各種あり、例えば焦点すれ
を利用した方法、ヘテロダイン干渉を応用した方法、共
焦点の光学系を利用した方法がある。先ず、焦点ずれを
利用した方法は第４図に示すように臨界角プリズム］を
備え、この臨界角プリズム］に対物レンズ２を通して試
料３からの光を入射する。そして、臨界角プリズム１を
通過した光を各フォトディテクタ４，５に送り、これら
フォトディテクタ４５から出力される受光量に応じた電
気信号を比較器６に送る構成となっている。しかるに、
試料３が位置Ａにあるときは各フォトディテクタ４．５
に入射する受光量が同一となるが、試料３が位置Ｂ又は
Ｃにあると、臨界角プリズム１において発散及び集束光
が生じるために各フォトディテクタ４．５に入射する受
光量に差か生じる。従って、これら受光量の差から試料
３の形状か測定される。

次にヘテロダイン干渉を応用したノブ法は第５図に示す
ように２周波数の直交偏光ビーム７をビームスプリッタ
８で２方向に分岐し、その−ノｊのビム７ａを参照干渉
光検出部９に送るとともに他ノｊのビーム光７ｂを同図
（ｂ）に示すウオーラストン・プリズム１０に送る。こ
のウオーラストン・プリズム１０に入射したビーム７ｂ
は各周波数の偏光成分に分離されて対物レンズ］１を通
して回転している試料１２に照射される。このとき、分
離された一方の周波数成分のビームは試料１２の回転中
心にフォーカスされて照射されるとともに他方の周波数
成分のビームは回転中心からずれた位置にフォーカスさ
れて照射される。この場合、回転中心に照射されたビー
ムか参照ビームとなり、回転中心からずれた位置に照射
されたビームが測定ビームとなる。そして、試料１２か
らの各反射ビームは対物レンズ１１を通して再びウオー
ラストン・プリズム１０に入射し、このプリズム１０に
おいて各反射ビームが重ね合わされる。そうして、この
重ね合わされたビーム７ｃは測定干渉光検出部］３に送
られる。ところで、前記参照干渉光検出部９及び測定干
渉光検出部１３は、それぞれ偏光板１．４．１５とフォ
トディテクタ１６゜１７とから構成されており、２周波
数の各偏光ビムにより生じるビートを検出するものとな
っている。従って、各フォトディテクタ１６，１．７の
各出力が位相メータ１８に送られることにより、この位
相メータ１８で両ビートの位相差が測定される。そこで
、試料１２における参照点と測定点との間に高さ差が生
じると、この高さに応じて両ビートに位相差が生じる。

しかるに、この位相差から試料１２の形状が求められる
。

次に共焦点の光学系を利用した方法は第６図に示すよう
に点光源１つから放射されたｎＩ視先をビムスプリッタ
２０を通して２方向に分岐してその一方を測定光として
対物レンズ２１を通して試料２２に照射するとともに他
方の可視光を参照光として検出器２３に送る。このとき
、試料２２からの反射光は物体光として対物レンズ２１
、ビムスプリッタ２０を通して検出器２３に入射する。

しかるに、検出器２３には参照光と試料２２からの物体
光との干渉光が入射し、この干渉光の強度から試料２２
の形状が測定される。ところが、実際には光の波動性に
よって第７図に示すように回折像の中心が最も明るく、
これを中心に暗環と四環とが交互に現れるものとなる。

このような回折像が現れた場合、最初の暗環から外側の
ある四環（これをハロと称する）は試料２２の微小部分
を測定するに障害となる。このため、検出器２３の前方
にピンホール２４を形成した板２５を配置してハロを除
外している。

（発明が解決しようとする課題） 以」−のように−に記名方法では横分解能を満足するも
のではなかった。

そこで本発明は、高い横分解能と高さ分解能とが得られ
て微小な形状を高精度に測定できる形状測定方法を提供
することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明は、紫外光を参照ミラーに照射するとともに紫外
光を回折限界に絞って試料に照射し、参照ミラーで反射
された参照光と試料で反射された物体光とを干渉させ、
この干渉した光を小さく絞り回折限界以下の直径を有す
るピンホールを透過させた一ト渉光を取り出し、この干
渉光の位相から試料の測定領域における形状を求めるよ
うにして−１−記目的を達成しようとする形状測定方法
である。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例について図面を参照して説明
する。

第１図は本発明方法を適用した変位測定装置の構成図で
ある。同図において３０はＡｒレーザ発振器であって、
このＡｒレーザ発振器３０からは５１２ｎＩ１１のレー
ザ光３０ａを出力するものである。

このＡｒレーザ発振器３０から出力されるレーザ光３０
ａの光路上にはセカンドハーモニジエネレション（以下
、ＳＨＧと指称する）３１及びビムエキスパンダ３２が
配置されている。そして、このビームエキスパンダ３２
の出力光路上には偏光ビームスプリッタ３３が配置され
てレーザ光が参照光３０ｂと測定光３０ｃとに分岐され
るようになっている。参照光３０ｂの光路」二には４分
の１波長板３４を介して参照ミラー３５が配置されてい
る。又、測定光３０ｃの光路」二には４分の１波長板′
３６を介して対物レンズ３７か配置され、この対物レン
ズ′３７により測定光３０ｃかスポット状に絞られるよ
うになっている。そうして、このレーザ光のフォーカス
位置付近に試料３８か配置ｉＱ：されている。−ノＪ゛
、ビームスプリッタ３３の他の分岐光路１−には偏光板
３９を介して集光レンズ４０か配置され、この集光レン
ズ４０によって集光された光かフォトダイオード４１に
照射されるようになっている。なお、フォト夕・イオー
ド４］の前面にはピンホール４２を形成したピンホール
板４３か配置されている。このピンポール４２の直径は
回折限界より大きくないものを使用している。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明する
。Ａｒレーザ発振器３０から出力された波長５１２ｎｍ
のレーザ光−３０ａは５ＨＧ３１によって波長２５ｆｉ
ｎｍのレーザ光に変換され、さらにビムエキスバンタ′
３２によってビーム径が広げられる。そして、このレー
ザ光は偏光ビームスプリッタ３３によって２方向に分岐
され、その−・方のレザ光か参照光３０ｂとして参照ミ
ラー３５に送られ、又他ノｊのレーザ光か測定光３０ｃ
として対物レンズ３７に送られる。これにより、測定光
３０ｃは対物レンズ３７によってスポット状に絞られて
試料３８に照射される。そうして、試料３８から反Ｍ・
１されるレーザ光つまり物体光は集光レンズ３７及び４
分の１波長板３６を通って再び偏光ビームスプリッタ３
３に入射する。一方、参照ミラー３５で反射された参照
先は４分の１波長板３４を通って再び偏光ビームスプリ
ッタ３３に入射する。これにより、物体光と参照光とか
干渉して、この干渉光か偏光板３９を通り、さらに集光
レンズ４０て集光されピンホール４２を透過してフォト
ダイオード４１に照射される。このとき、ピンホール４
２の直径は回折限界以下であるため、試料に照射された
光の回折限界以下の領域からの反射光たけを受光できる
。しかして、このフォトダイオード４１は受光した干渉
光強度■に応じた電気信号を出力する。

次にこの干渉光強度Ｉから試料３８の高さ情報つまり深
さの求め方について説明する。上記干渉光強度Ｉは、 １＝ａ＋ｂｅｏｓ（ψ十δ）−（１） で表わされる。ここで、ａはモ均強度、ｂはコントラス
ト 測定点と参照点との薗さの差Δｈとの関係は、ψ−（２
π／λ）Δｈ　　　　　　　　・・・（２）となってい
る。叉、−１−記δは物体光と参照光との間にｌｊえら
れる位相ンフト量であって、この位相ンフト遥かＰ　Ｅ
　Ｍ　（　Ｐ　ｌ＋ｏＬｏｅｌａｓＬｉｃ　　Ｍｏｄｕ
ｌａｔｏｒ）により０〜２πの範囲て変化される。そし
て、このときのフォー・ダイオード４１から出力される
電気信号から干渉光強度Ｉが求められる。そして、この
干渉光強度■を用いて上記第（１）式から位相ψか求め
られ、さらに上記第（２）式から高さΔｈか求められる
。しかるに、この高さΔｈから試料３８の変位か測定さ
れ、試料３８に照射するレーザスポットを走査させるこ
とにより試料３８の表面形状が求められる。ところで、
第１図に示ず共焦点光学系では合焦点時にフォー・ダイ
オード４１の受光量が最大となる。従って、表面形状の
測定開始時に試料３８と対物レンズ３７との間の距離を
相対的に変化させてフォトダイオード４１の受光量が最
大となるように設定する。そして、形状測定中は試料３
８と対物レンズ３７との間の距離を設定された距離に保
つ。

このように上記一実施例においては、２　５　６　ｎ　
ｍの短波長光を参照ミラー３５に照射するとともに短波
長光を小さく絞って試料３８に照射し、参照ミラー３５
で反射された参照光と試料で反射された物体光との干渉
光を求め、この干渉光強度■から試料３８の測定点にお
ける変位をＡＩす定するようにしたので、試料３８に照
射するレーザスポットはＨｅ−Ｎｅレーザや半導体レー
ザを使用した場合と比較して３分の１から４分の１に縮
小できる。

この紫外光と共焦点光学系ずなわたピンホールを用いた
ことにより、試料３８に対する横分解能か５〜ＩＯ倍に
向」−する。

次に本発明の第２実施例について第２図を参照して説明
する。なお、第１図と同一部分には同一？〕号を付して
その詳しい説明は省略する。同図に示す装置は参照光３
０ｄと測定光３０ｅとの位相シフト量を０〜２πを越え
る範囲で痩化させる場合の一例を示したものである。す
なわち、偏光ビムスプリッタ３３で分岐される参照光３
０ｄの光路」−には４分の１波長板３６を介して参照ミ
ラー５０が配置されている。そして、この参照ミラー５
０には圧電素子５］が設けられて圧電素子ドライバ５２
によって駆動されるようになっている。一方、偏光ビー
ムスプリッタ３３で分岐される測定光の光路上には４分
の１波長板３４を介して対物レンズ５３が配置され、こ
の対物レンズ５３によって測定光３０ｅがスポット状の
絞られて試料３８に照射されるようになっている。

このような構成であれば、圧電素子ドライバ５２によっ
て圧電素子５１か駆動されて参照ミラ５０が移動される
。そして、この移動により参照光と測定光との位相シフ
ト＝がＯ１π／２．π。

３π／２に達したときに、このときフォトダイオド４１
から出力される電気信号によって位相ψか求められる。

この後、第（２）式がら高さΔｈが求められる。

次に本発明の第３実施例について第３図を参照して説明
する。なお、第２図と同一部分には同一７１号を付して
その詳しい説明は省略する。同図に示す装置はビームエ
キスパンダ３２と偏光ビームスプリッタ３３との間に先
細調器５４、例えばＡ　ｃｏｕｓＮｃ　　ＯｐＮｃａｌ
　　Ｍ　ｏｄｕｌａｔｏｒ、　Ｅ　１ａｃｔｒ。

Ｏｐｔｊｃａｌ　　Ｍ　ｏｄｕｌａｔｏｒ、　Ｐ　ｈｏ
ｔｏ　　Ｅ　ＩａｓｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒを配置し
たものである。又、５５は先細調器５４のドライバであ
る。このような構成であれば、ビームエキスパンダ３２
で広げられたレザ光は先細調器５４によりＰ波とＳ波と
に位相差が与えられ、それぞれ偏光ビームスプリッタ３
３によって参照光と測定光とに分離される。そうして、
参照ミラー５ｏがらの参照光と試料３８からの物体光と
が再び偏光ビームスプリッタ３３で重ね合わされる。こ
の重ね合わせにより光ビトが生じ、この光ビートがフォ
トダイオード４１に入射する。従って、このフォトダイ
オード４１から出力される電気信号と参照光で得られる
光ビトに応じた電気信号とから両光ビートの位相差を求
めることによって試料３８の形状が測定される。

以上の第２及び第３実施例においても上記第１実施例と
同様の効果を奏することは言うまでもない。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものでなくそ
の＋旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。例えば、ヘ
テロダイン方式や各種位相変調方式を使用してもよい。

又、形状の変位を測定する変位測定方法として使用して
もよい。

［発明の効果］ 以」二詳記したように本発明によれば、高い横分解能か
得られて微小な形状を高精度に測定できる形状測定方法
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる形状測定方法の第１実施例を適
用した形状測定装置の構成図、第２図は本発明における
第２実施例の形状測定装置の構成図、第３図は本発明に
おける第３実施例の形状測定装置の構成図、第４図乃至
第７図は従来技術を説明するための図である。 ３０・・・Ａｒレ−ｆ発振器、３１・・・セカンドハー
モニジェネレーション（ＳＨＧ）　、３２・・・ビーム
エキスパンダ、３３・・・偏光ビームスプリッタ、３４
．３６・・・４分の１波長板、３５・・・参照ミラ３７
・・・対物レンズ、３８・・・試料、３９・・・偏光板
、４０・・・集光レンズ、４１・・・フォトダイオード
、４３・・・ピンホール板。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 −Ｑつ− 一一一一一一一ω

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 紫外光を参照ミラーに照射するとともに前記紫外光を回
   折限界に絞って試料に照射し、前記参照ミラーで反射さ
   れた参照光と前記試料で反射された物体光とを干渉させ
   、この干渉した光を小さく絞り回折限界以下の直径を有
   するピンホールを透過させた干渉光を取り出し、この干
   渉光の位相から前記試料の測定領域における形状を求め
   ることを特徴とする形状測定方法。