JPH0269610A - 表面うねり計測装置 - 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】 〔概　要〕 光学的に全反射を起こさない誘電体等を表面に有する磁
気ディスクや半導体ウェハ等の表面うねり形状を非接触
、非破壊で計測する表面うねり計測装置に関し、 光透過性の表面層を有する測定対象の表面うねり形状を
正確に計測することを目的とし、光透過性の表面層を有
する測定対象の表面うねり形状を非接触、非破壊で計測
する表面うねり計測装置であって、前記測定対象に対し
て所定の入射角で光を照射する光照射手段と、該１！α
射された光の強度を検出する第１の光強度検出手段と、
前記光照射手段から前記測定対象に照射された光の反射
光の強度を検出する第２の光強度検出手段と、前記第１
および第２の光強度検出手段の出力信号から反射光の反
射率を算出し、予め測定された前記測定対象表面に対す
る入射角と反射率との関係に対応させて該測定対象の表
面うねり形状を計測　　　従って、高精度に研磨された
面の微細なうねりするうねり形状計測処理手段とを具備
するように　　を計測できる表面うねり計測装置が要望
されてい構成する。　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は高精度研磨面の表面うねり形状を計測すること
のできる表面うねり計測装置に係り、特に、光学的に全
反射を起こさない誘電体等を表面に有する磁気ディスク
や半導体ウェハ等の表面うねり形状を非接触、非破壊で
計測する表面うねり計測装置に関する。

磁気ディスク装置のヘッドクラッシュ障害を防止するた
めには、磁気ディスク表面の微細なうねり形状を正確に
管理し、障害の原因となる異常の発生を防止する必要が
ある。また、ＬＳＩ等を製造する場合、特に、半導体ウ
ェハに対して露光を行う場合、ウェハの表面にうねりが
存在すると回路パターンのぼけが生じて歩留まりが低下
するため、ウェハ表面の微細なうねりを常に管理する必
要がある。

〔従来の技術〕

従来、表面形状を計測する装置としては、触針式の計測
装置が広く利用されている。しかし、この触針式の計測
装置は、測定対象となる磁気ディスクや半導体ウェハ等
の表面に傷をつけながら計測を行う破壊検査であるため
、実際には抜き取り試験しか実施することができなかっ
た。

これに対して、近年、光を使用して非接触、非破壊で、
すなわち、磁気ディスクや半導体ウェハ等の表面を傷つ
けることなく、表面状態を計測する装置が堤案されてい
る。

第５図は従来の表面うねり計測装置を模式的に示す図で
あり、参照符号１０２はレーデ光源、１０３は偏向ビー
ム・スプリッタ、１０４は１／４λ仮、１ｏ５は集光レ
ンズ、１０Ｇは四分割フォトディテクタである。

同図に示されるように、測定対象１０１は、磁気ディス
クや半専体ウェハ等の基板１０　］、　ｂ上に表面層１
０１．）が形成されたものであり、この表面層１０１ａ
は光透過性を有する塗膜や保護樹脂層である。

第５図に示されるように、従来の表面うねり計測装置に
おいて、レーザ光源１０２から出力されるレーザ光は、
偏向ビーム・スプリッタ１０３．１／４λ＋ｒｊ、１０
４および集光レンズ１０５を介して、測定対象１０１で
ある磁気ディスクや半鹿体ウェハ等の表面上に集光され
る。測定対象１０１上に集光された光は、表面層１０１
ａの表面で一部が反射されると井に、残りが表面層１０
１ａと基板１０１ｂとの界面で反射される。これらの反
射光は、集光レンズ１０５．１／４λ板１０４および偏
向ビーム・スプリンタ１０３を介して四分割フォトディ
テクタ１０６で検出され、該検出された反射光の検出位
置の変位から測定対象１０１の表面うねり形状が計測さ
れるようになされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の表面うねり計測装置は、光透過性の表面
層１０１ａを有するａｌｌ＋定対象】０１の表面うねり
形状を計測する場合、四分割フォトディテクタ１０６で
検出される反射光には、表面層１０１ａで反射された光
だけでなく、表面層１０１ａと基板１０１ｂとの界面で
反射された光が含まれることになる。そのため、計測す
べき測定対象１０１の表面うねり形状、すなわち、表面
層１０１ａの表面のうねり形状を正確に測定することが
できない。また、上述した従来の表面うねり計測装置の
ように、垂直方向から１７−ザ光を照射して反射光を検
出する場合、表面で全反射を生じる金属等の測定対象に
ついては有効であるが、測定対象１０１が光透過性の表
面層１０１ａを有している場合には、表面層１０１ａの
表面で反射される光量は少なく　（反射率が低く）、十
分な反射光を利用して正確に表面うねりを計測すること
が困難である。

本発明は、上述した従来形の表面うねり計測装置の有す
る課題に鑑み、光透過性の表面層を有する測定対象の表
面うねり形状を正確に計測することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明に係る表面うねり計測装置の原理構成を
示すブロック図である。

本発明によれば、光透過性の表面層１ａををする測定対
象１の表面うねり形状を非接触、非破壊で計測する表面
うねり計７！′！１１装置であって、前記測定対象１に
対して所定の入射角で光を照射する光照射手段２と、該
照射された光の強度を検出する第１の光強度検出手段３
と、前記光照射手段２から前記測定対象１に照射された
光の反射光の強度を検出する第２の光強度検出手段４と
、前記第１および第２の光強度検出手段３，４の出力信
号から反射光の反射率を算出し、予め測定された前記測
定対象表面に対する入射角と反射率との関係に対応させ
て該測定対象ｌの表面うねり形状を計測するうねり形状
計測処理手段５とを具備することを特徴とする表面うね
り計測装置が提供される。

〔作　用〕

上述した構成を有する本発明の表面うねり計測装置によ
れば、光照射手段２により光透過性の表面層１ａを有す
る測定対象１に対して所定の入射角の光が照射される。

この測定対象１に照射される光の強度は第１の光強度検
出手段３により検出され、また、光照射手段２から測定
対象１に照射された光の反射光の強度は第２の光強度検
出手段４により検出されるようになされている。さらに
、うねり形状計測処理手段５によって、第１の光強度検
出手段３および第２の光強度検出手段４の出力信号から
反射光の反射率が算出され、該算出された反射率が予め
測定された測定対象表面に対する入射角と反射率との関
係に対応されて測定対象表面１の１頃き角度データが算
出される。そして、測定対象表面１の傾き角度データか
ら測定対象１の表面うねり形状が計測されることになる
。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明に係る表面うねり計測装置
の実施例を説明する。

第２図は本発明の表面うねり計測装置の−実施例を模式
的に示す図であり、参照符号２１はレーザ光ｔｉ、　２
２はハーフミラ−１２３はミラー、２４はビーム整形光
学系、２５は偏光板、２６は照射光集光レンズである。

同図に示されるように、測定対象１は、磁気デイ″スク
や半導体ウェハ等の基板ｌｂ上に表面層１ａが形成され
たもので、この表面層１ａは、具体的に、光透過性を有
する塗膜や保護樹脂層等である。

本実施例の表面うねり計測装置において、レーザ光源２
１から出力されたレーザ光は、その一部がハーフミラ−
２２を透過してフォトダイオード３に供給されるが、そ
れ以外の光はハーフミラ−２２で反射された後、さらに
、ミラー２３で反射されて、ビーム整形光学系２４．偏
光板２５および照射光集光レンズ２６を介して測定対象
１の表面に対して斜め方向に集光される。ここで、測定
対象１に照射されるレーザ光は、測定点で円形となるよ
うにビーム整形光学系２４で楕円形のビームとされ、ま
た、偏光板２５で直線偏光の偏光面を有するようになさ
れている。このようにして、直線偏光を有するし一ザ光
が測定対象１の表面、すなわち、光透過性を有する表面
層１ａの表面に所定の入射角で照射されることになる。

一方、ハーフミラ−２２を透過したレーザ光は、フォト
ダイオード３により光の強度が検出され、測定対象１に
照射するレーザ光の基準光量が検出されるようになされ
ている。

測定対象１に照射されたレーザ光は、表面層１ａの表面
で反射されると共に、表面層１ａを透過（屈折）して表
面層１ａと基板１ｂとの界面で反射される。さらに、表
面層１ａの表面で反射された反射光は、反射光集光レン
ズ４１で集光されてフォトダイオード４によりその光強
度が検出される。

ここで、表面層１ａを透過して表面層１ａと基板１ｂと
の界面で反射された光は、遮光板６により遮光されるの
で、フォトダイオード４で検出されることはない。

フォトダイオード３により検出されたレーザ光の基準光
量およびフォトダイオード４により検出された反射光の
強度を示す信号は、うねり形状計測処理装置５に供給さ
れる。うねり形状計測処理装置５では、供給されたレー
ザ光の基準光量と反射光の強度とを示す信号から反射光
の反射率が算出される。すなわち、２つのフォトダイオ
ード３および４で検出される光量比から測定対象表面の
反射率が求められる。そして、この算出された反射率は
、予め測定された測定対象表面（表面層１ａの表面）に
対する入射角と反射率との関係に対応付けられて、該算
出された反射率に相当する入射角が求められる。ここで
、照射集光レンズ２６を介して照射されるレーザ光の入
射角は一定であるため、反射率変化に対応して変動する
角度データから測定対象１の表面うねり形状が計測され
ることになる。

以上において、表面層１ａの表面に対する入射角と反射
率との関係は、表面層１ａを構成する物質等により異な
っているので予め測定しておくことが必要である。

第３図は第２図の表面うねり計測装置で用いた入射角と
反射率との対応関係の一例を示す図であり、具体的に、
測定面の屈折率（空気と表面層１ａとの屈折率）ｎ＋□
−１，５０の場合におけるｐ偏光（ＲＥ）Ｉ）Ｉｓ偏光
（ＲＥ　）　ｓおよび通常のレーザ光１／２（（ＲＥ）
ｐ　＋　（ＲＥ）、１の入射角に対する反射率を示すも
のである。このように、測定対象１の表面層１ａを構成
する物質に応じて（表面層１ａの屈折率に応じて）、入
射角と反射率との間に所定の対応関係が存在するので、
この入射角と反射率との対応関係を利用して、算出され
た反射率に相当する入射角を求める。ここで、反射率は
、前述したように、２つのフォトダイオード３および４
で検出される光量比から求めることができる。また、測
定対象ｌに対して照射されるレーザ光の入射角は一定と
されているので、算出された反射率から求めた入射角の
変化は表面層ｌａ（測定対象１）の表面のうねり形状に
対応して変動しており、算出された測定対象１の表面の
傾き角度データと照射光が測定対象１上を移動した距離
（センサの移動距離）とから表面うねり形状が計算され
ることになる。

以上において、照射光として使用するレーザ光は、特定
の偏光面を持たない通常のレーザ光を使用してもよいが
、偏光面をＳ偏光またはｐ偏光に合わせた特定の偏光面
を有するレーザ光を使用することもできる。また、第３
図から明らかなように、照射するレーザ光の角度は、入
射角の変化に対する反射率の変動が大きい領域を使用す
ることが好ましく、例えば、ｐ偏光のレーザ光を使用す
る場合の入射角としては、ブリュスター角よりも大きい
、例えば、８０”程度に設定するのが好ましい。また、
Ｓ偏光のレーザ光を使用する場合の入射角としては、例
えば、６５°程度に設定するのが好ましい。以上により
、測定対象ｌの表面うねり形状を高い分解能で、且つ、
広い角度範囲で測定することができる。

第４図は本発明の表面うねり計測装置の他の実施例を模
式的に示す図である。同図に示されるように、本実施例
の表面うねり計測装置は、第２図を参照して説明した表
面うねり計測装置に対して、照射された光を全反射する
測定対象のうねり形状を計測する従来の表面うねり計測
装置（第５図参照）を付加したものである。すなわち、
本実施例装置は、第２図の表面うねり計測装置に対して
、ハーフミラ−２２とミラー２３の光路の間に移動ミラ
ー７を設け、測定対象１が照射光を全反射する場合には
、移動ミラー７をハーフミラ−２２とミラー２３との間
の光路を遮る位置に移動する（第４図の状態）ようにな
されている。このとき、ハーフミラ−２２で反射された
レーザ光は、さらに、移動ミラー７で反射されて、偏光
板８０および偏向ビーム・スプリッタ８２．１／４λ板
８３および集光レンズ８４を介して測定対象１の表面に
集光される。この集光されたレーザ光は、測定対象１の
表面で全反射され、集光レンズ８４．１／４λ板８３お
よび偏向ビーム・スプリンタ８２を介して、四分割フォ
トディテクク８１で検出されるようになされている。そ
して、測定された反射光の検出位置の変位から測定対象
１の表面うねり形状が計測されるようになされている。

一方、測定対象１が光透過性の表面層１ａを有している
場合には、移動ミラー７はハーフミラ−２２とミラー２
３との間の光路を遮らない位置に移動する。このとき、
本実施例装置は、第２図に示した表面うねり計測装置と
同様なものとなる。そして、移動ミラー７の位置を測定
対象１の表面構造に対応して移動させることにより、す
なわち、測定対象の表面構造が照射された光を全反射す
る場合にはミラー７をハーフミラ−２２とミラー２３と
の間の光路を遮る位置に移動させて、四分割フォトディ
テクタ８１により表面うねり形状を計測し、また、測定
対象の表面に光透過性の表面層が存在する場合にはミラ
ー７をハーフミラ−２２とミラー２３との間の光路を遮
らない位置に移動させて、うねり形状計測処理装置５に
より表面うねり形状を計測する。ここで、本実施例にお
いては、移動ミラー７により同一のレーザ光源からの光
の光路を変更して測定対象Ｉの表面うねり形状を計測す
るように構成されているが、それぞれ独立のレーザ光源
を設け、測定対象ｌの表面構造によりこれらのレーザ光
源の一方を選択して表面うねり形状を計測するように構
成することもできる。

〔発明の効果〕

以上、詳述したように、本発明に係る表面うねり計測装
置は、測定対象の表面で反射される光の反射率により測
定対象の表面うねりを計測することによって、光透過性
の表面層を有する測定対象に対しても表面うねり形状を
正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る表面うねり計測装置の原理構成を
示すブロック図、 第２図は本発明の表面うねり計測装置の一実施例を模式
的に示す図、 第３図は第２図の表面うねり計測装置で用いた入射角と
反射率との対応関係の一例を示す図、第４図は本発明の
表面うねり計測装置の他の実施例を模式的に示す図、 第５図は従来の表面うねり計測装置を模式的に示す図で
ある。 （符号の説明） １・・・測定対象、 １ａ・・・表面層、 ２・・・光照射手段、 ３・・・第１の光強度検出手段、 ４・・・第２の光強度検出手段、 ５・・・うねり形状計測手段、 ６・・・遮光板、 ７・・・ｆ多動ミラー ２１・・・レーザ光源、 ２２・・・ハーフミラ− ２３・・・ミラー、 ２４・・・ビーム整形光学系、 ２５・・・偏光板、 ２６・・・照射光集光レンズ、 ４１・・・反射光集光レンズ、 ８０・・・偏向板、 ８１・・・四分割フォトディテクタ、 ８２・・・偏向ビーム・スプリンタ、 ８３・・・四分の一波長板、 ８４・・・集光レンズ。 本発明に係る表面うね９計測装置の原理構成を示すブ０
７り図＄１図 １゛゛　測定対象 ］Ｑ・・・表面層 第２図の表面うねり計測装置で用いた入射角と反射率と
の対応関係の一例を示す図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光透過性の表面層（１ａ）を有する測定対象（１）
   の表面うねり形状を非接触、非破壊で計測する表面うね
   り計測装置であって、 前記測定対象に対して所定の入射角で光を照射する光照
   射手段（２）と、 該照射された光の強度を検出する第１の光強度検出手段
   （３）と、 前記光照射手段から前記測定対象に照射された光の反射
   光の強度を検出する第２の光強度検出手段（４）と、 前記第１および第２の光強度検出手段の出力信号から反
   射光の反射率を算出し、予め測定された前記測定対象表
   面に対する入射角と反射率との関係に対応させて該測定
   対象の表面うねり形状を計測するうねり形状計測処理手
   段（５）とを具備することを特徴とする表面うねり計測
   装置。 ２、前記光照射手段（２）は、ｓ偏光のレーザ光を測定
   対象表面に照射するようになっている特許請求の範囲第
   １項に記載の装置。 ３、前記光照射手段（２）は、ブリュスター角以上の入
   射角でｐ偏光のレーザ光を測定対象表面に照射するよう
   になっている特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ４、測定対象の表面うねり形状を非接触、非破壊で計測
   する表面うねり計測装置であって、前記測定対象に対し
   て所定の入射角で光を照射する第１の光照射手段と、 該照射された光の強度を検出する第１の光強度検出手段
   と、 前記第１の光照射手段から前記測定対象に照射された光
   の反射光の強度を検出する第２の光強度検出手段と、 前記第１および第２の光強度検出手段の出力信号から反
   射光の反射率を算出し、予め測定された前記測定対象表
   面に対する入射角と反射率との関係に対応させて該測定
   対象の表面うねり形状を計測する第１のうねり形状計測
   処理手段と、 前記測定対象に対して垂直方向から光を照射する第２の
   光照射手段と、 前記第２の光照射手段から前記測定対象に照射された光
   の反射光の検出位置の変化を測定する反射光検出位置測
   定手段と、 該測定された反射光の検出位置の変位から前記測定対象
   の表面うねり形状を計測する第２のうねり形状計測処理
   手段と、 前記第１または第２の光照射手段の一方を選択し、該一
   方の光照射手段だけから前記測定対象に対して光を照射
   させる照射光選択手段とを具備し、前記測定対象の表面
   構造に応じて前記第１または第２の光照射手段の一方を
   選択し、対応する前記第１または第２のうねり形状計測
   処理手段により前記測定対象の表面うねり形状を計測す
   るようにしたことを特徴とする表面うねり計測装置。 ５、前記照射光選択手段は移動可能なミラーを備え、同
   一のレーザ光源からの光の光路を変更して前記第１また
   は第２の光照射手段の一方だけから前記測定対象に対し
   てレーザ光を照射するようになっている特許請求の範囲
   第４項に記載の装置。