JPH0372244A - 微細表面分析装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば、ＩＣ製造工程で用いる洗浄水中の
汚染物質やクリーンルーム内の空気中に存在する微小の
塵の解析や、ＩＣなどの微細表面の形状に対応した分光
解析に用いられ、微細表面の形状情報と蛍光分光情報を
得る微細表面分析装置に関する。

〔従来の技術〕

蛍光分光測光装置は、特開昭６３−２０８７３２号公報
などに示されているように、被測定物に励起光を照射し
て発生する蛍光を検出用干渉フィルタを通過させて特定
波長ごとの分光測定データを得るものであるが、被測定
物のどの部分の測定データであるか位置情報を同時に得
るものはなかった。

一方、対物レンズの焦点ずれを検出する高さ計測光光学
系を用いて非接触で被測定物の微細表面形状を測定する
装置は、特開昭５９−９０００７号公報、特開昭６０−
３８６０６号公報などに開示されている。さらにこの高
さ計測光学系と同一視野を観察する顕微鏡光学系を設け
、両光学系の対物レンズを共通に用いるようにした微細
表面形状計測装置は、特開昭６２−３６５０２号公報、
特開昭６４５６４０８号公報に示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来装置では、被測定物の蛍光分光測光の結果
が、被測定物の微細な形状のどの位置の情報であるかを
知ることができない、あるいは、被測定物の量的な情報
との関係を同時に知ることができないという問題点があ
った。

特に、ＩＣなどの部材上に点在する微小な汚染物質の位
置、量、材質を特定することは、汚染防止の解析にとっ
て貴重なデータを与えるものであるが適切な装置がなか
った。

この発明は、被測定物の三次元情報に対応した蛍光分光
測光を行うことができる微細表面分析装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕 この発明は、上記目的を達成するために、次のような手
段を講じた。すなわち、高さ計測光学系の対物レンズの
光軸とほぼ同軸になるように、蛍光分光測光光学系の対
物レンズに入射する光軸を配置し、かつ被測定物をこれ
らの光軸に対して直交する方向に相対的に２次元走査す
る走査手段を設けたものである。

あるいは、高さ計測光学系の光路中にグイクロイックξ
ラーを介して蛍光分光測光光学系の光路を導入し、この
共通の光路で被測定物を相対的に２次元走査する走査手
段を設けたものである。

〔作　用〕

これにより、高さ計測光学系で得られた被測定物の三次
元情報に対応した蛍光分光測光情報が得られるものであ
る。

〔実施例〕

以下、こ発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示す微細表面分析装置
における光学系の配置図である。

微細表面分析装置１は、本体の鏡体２の基台部３に被測
定物を載置するＸＹ走査ステージ４が設けられ、鏡体２
のアーム部５に、高さ方向（Ｚ方向）の微駆動装置６を
介して高さ計測光学系７が設けられている。さらに、鏡
体２の鏡筒部８内には、蛍光分光測光光学系９と観察光
学系１０が設置され、その光路は高さ計測光学系の対物
レンズの光軸とほぼ同軸となるように構成されている。

ＸＹ走査ステージ４は、鏡体２の基台部３上にＹ走査ス
テージ１１とその駆動源１２が設けられ、このＹ走査ス
テージｌｌ上にＸ走査ステージ１３が設けられ、その駆
動ａ１４に接続されている。このＸ走査ステージ１３上
に被測定物１５が載置される。なお、このＸＹ走査ステ
ージ４は、特開昭６４−５６４０８号公報に示されてい
るように、ＸＹ粗動ステージ上に平行板ばねステージを
積層型圧電アクチュエータで駆動するＸＹ微動ステージ
を重ねて配置した構成とすることが望ましい。

高さ計測光学系７は、鏡体２のアーム部５に一端を固定
された積層型圧電アクチュエータをＺ方向に内装した微
駆動装置６により上下動自在に支持されたユニット支持
台１６上にセンサユニットエフとして着脱自在に設けら
れている。

このセンサユニット１７には、蛍光分光測光光学系９や
観察光学系ｌＯと共用される対物レンズ１８がその光軸
Ｋが垂直方向になるように取付けられている。対物レン
ズ１８の光軸に上には２波長板１９と第１のグイクロイ
ックもクー２０が配置されている。この光軸にと直交し
、かつダイクロイックミラー２０の中心を通る光軸上に
はビームスプリッタ２１が配置されている。このビーム
スプリッタ２１の光入射端に対向するように、直線偏光
ビームを発する光源２２が配置されている。

ここでは光源２２として７８０ｎｍの発光をするレーザ
ダイオードが用いられている。なお２３は、ビームエキ
スパンダなどからなるビーム整形装置である。またビー
ムスプリッタ２１の二つの光出射端に対向して、一対の
臨界角プリズム２４．２５とレンズ２６．２７を介して
それぞれ２分割受光素子２８．２９が設けられている。

なお、第１のグイクロイックミラー２０は７８０ｎｍの
光は反射するが可視・紫外域の光は透過するように構成
されている。

前記対物レンズ１８の光軸に上の鏡筒部８内には第２の
グイクロイックミラー３０が配置されている。この光軸
にと直交し、かつグイクロイックミラー３０の中心部を
通る光軸上には、蛍光分光測光光学系９と観察光学系１
０の共通の光源となる超高圧水銀灯３１が配置され、こ
の超高圧水銀灯３１とグイクロイックミラー３０とを結
ぶ光軸上にレンズ３２．３３と励起干渉フィルタ３４が
配置されている。この励起干渉フィルタ３４は例えば３
６５■の励起光を通過させるものであり、上記の光軸か
ら退避自在に設けられている。また、第２のグイクロイ
ックミラー３０は紫外域の励起光のみを反射して可視光
は透過するように構成されている。この第２のグイクロ
イックミラー３０も光軸Ｋから退避自在に設けられてお
り、グイクロイックミラー３０が光軸Ｋから退避した時
には代りにハーフミラ−が光軸に上に配置されるように
構成されている。

グイクロイックミラー３０の上方の光軸に上には、紫外
域の励起光をカットするバリヤフィルタ３５とレンズ３
６が配置されている。そしてこのレンズ３６と対物レン
ズ１８によって被測定物１５の像が結像される位置に測
光絞り３７が配置され、さらにその上方の光軸に上にレ
ンズ３８が配置されている。このレンズ３８の上方には
光軸Ｋをさえぎるように連続干渉フィルタ３９が駆動用
モータ４０によって水平方向に移動可能に支持されてお
り、さらに上方の光軸に上にはレンズ３つとフォトマル
４２が設けられて、蛍光分光測光光学系９を構成してい
る。また、長高圧水銀打３１とグイクロイックミラー３
０、およびグイクロイックミラー３０とホトフル４２と
を結ぶ光路中の部材を含めて蛍光分光測光ユニット４３
を構成している。

また、前記レンズ３６と測光絞り３６の間の光軸Ｋに対
して進退自在にプリズム４４が設けられ、このプリズム
の出射端に対向して接眼レンズ４５が設けられて、観察
光学系ｌＯをＩＩ或している。

第２図に、この装置の駆動制御および信号処理のための
電気系の構成配置を示す。

蛍光分光測光ユニット４３．センサーユニット１７、Ｘ
Ｙ走査ステージ４は、それぞれのコントローラ５０．５
１．５２を介してコンピュータ５３に接続サレテいる。

コンピュータ５３は画像処理装置５４と接続され、画像
処理装置５４は表示装置やプリンタなど出力装置５５に
接続されている。

このように構成されたこの実施例装置の動作について説
明する。

まず高さ計測光学系による計測動作について説明する。

直線偏光を出力するレーザ光源２２から出力さレタレー
ザ光は、ビームエクスパンダ等のビーム整形装置２３に
より拡大され円形断面を有する平行光となり、ビームス
プリッタ２１で反射され、更にグイクロイックミラー２
０で反射されて２波長板１９を通り、対物レンズ１８に
より被測定物１５上に計測用の微小スポットを投影する
。なお、２波長板１９を通るときのレーザ光は直線偏光
から円偏光に変換される。

被測定物Ｉ５からの反射光は代物レンズ１８、ス波長板
１９を通る。この時、レーザ光は入射時と９０″′振動
面が回転した直線偏光となる。ダイクロイックミラー２
０で反射したレーザ光は、ビームスプリッタ２１に入射
し、二分されて、一方は臨界角プリズム２４に、他方は
臨界角プリズム２５に入射し、レンズ２６．２７により
、それぞれ二分割受光素子２８．２９上に微小投影され
る。そして二分割受光素子２６．２７で光電変換されて
高さ情報を含んだ電気的な信号として出力される。

ＸＹ走査ステージ４は被測定物１５を載せる台であり、
駆動源１２．１４によってＸ方向に所定周期で振動させ
、Ｙ方向に前進させる。かくして被測定物１５とその面
に焦点を結んだレーザ光を相対的に二次元走査させ得る
。

したがって、ＸＹ走査ステージ上の被測定物を二次元走
査しながら各位置における高さ計測光学系からの高さ情
報を得ることにより、マトリックスの高さ情報すなわち
三次元情報を得ることができる。この情報を処理演算す
ることにより、三次元の立体画像や断面形状像の表示お
よび各部における体積などの記録が行なわれる。

なお体積は基板の面から突出している対象物の体積部分
を演算することにより求められる。

次に、蛍光分光測光光学系による計測動作について説明
する。

超高圧水銀灯３１からの光は、レンズ３２．３３により
集光され、励起干渉フィルタ３４によって例えば３６５
ｎｍの励起光のみが通過して、グイクロイックミラー３
０によって反射され、対物レンズ１８にむけて光軸Ｋに
沿って進行する。そして、グイクロイックミラー２０、
×波長板１９を経て、対物レンズ１８により被測定物１
５を照明する。この励起光によって被測定物１５は励起
されてその材質に応じた蛍光、例えば７００ｎｍの蛍光
を生ずる。この被測定物１５からの蛍光および反射光は
、対物レンズ１８により集光され、×波長板１９、第１
のグイクロイックミラー２０を透過した後に第２のグイ
クロイックミラー３０に到達する。このダイクロインク
壽う−３０により、紫外域の励起光は反射され、可視域
にある蛍光は通過し、さらにバリアフィルタ３５によっ
て励起光は完全にカットされ可視光のみ透過する。この
透過光はレンズ３６によって測光絞り３７面上に結像さ
れ、被測定物１５の蛍光発光像を生ずる。そして測光絞
り３７によって光軸に上の一部の光のみが通過し、レン
ズ３８によって連続干渉フィルタ３９上の特定位置に集
光される。そして駆動モータ４０によって移動する連続
干渉フィルタ３９の位置に応じて各波長ごとに分光され
た透過光がレンズ３９を経てホトフル４２により光電変
換され、蛍光の分光スペクトル情報を含んだ電気信号と
して出力される。

したがって、測光絞り３７を調節することにより、視野
内の広域の蛍光を集光した分光測光データを得たり、視
野内の微小スポットの蛍光分光測光データを得ることが
できる。また、この微小スポットの蛍光分光測光とＸＹ
走査ステージによる被測定物１５の２次元移動とを組合
せることにより、被測定物１５の特定位置のスポット分
光測光や、被測定物１５の各部をマトリックス的に分光
測光することができる。

これらの蛍光分光スペクトル情報を演算解析処理するこ
とにより、蛍光分光スペクトルの画像表示や各波長毎の
強度データの記録が被測定物上の位置データとともに出
力される。また蛍光分光スペクトル情報をコンピュータ
５３がＲＯＭデータとして保有する各種材料の標準スペ
クトルパターンと比較演算することにより、測定部の材
質を特定した結果を表示したり、各部ごとの材質分布と
してマツプ化して表示・記録することができる。

さらに、観察光学系を用いた観察動作について説明する
。

被測定物に対する蛍光測光路中にプリズム４４を配置す
れば、レンズ３６による被測定物の蛍光発光像を対物レ
ンズ４５により観察することができる。これによりＸＹ
走査ステージ４を操作して、任意の蛍光発光部を蛍光分
光測光位置に移動させてその分光測光情報を得たり、特
定部分の三次元形状情報を得ることができる。

なお、プリズム４４は、ビームスプリッタとして蛍光分
光測光と観察とをプリズム４４を動かさずに行なうよう
にしてもよく、また観察時のみプリズム４４を光路中に
配置し、蛍光分光測光中は光路中から退避するようにし
てもよい。

また、励起干渉フィルタ３４を光路中から退避させると
ともに、第２のグイクロイックミラー３０を退避させ代
りにハーフくラーを配置することにより、超高圧水銀灯
３１からの可視光を被測定物１５に照射して、その像を
観察光学系で観察することもできる。

第３図は、この装置を用いて蛍光分光測光と三次元形状
測定を行なう２つの例における測定の流れ図である。

第３図（ａ）は、測定対象物がひとかたまりになってい
る場合の測定の１例を示している。まず第１ステツプで
、観察光学系１０で観察しながらｘｙ走査ステージ４を
操作して被測定物の位置合せを行なう。第２ステツプで
蛍光分光測光を行ない、この物質の蛍光分光スペクトル
情報を得る。第３ステツプで、被測定物をＸＹ定走査な
がら高さ計測を行なうことにより３次元形状情報を得る
。第４ステツプでこれらの情報の演算解析を行ない、蛍
光分光曲線あるいはその解析結果としての材質の特定デ
ータとその物質の体積の表示・記録を行うものである。

これにより被測定物の材質とその量に関するデータを同
時に得ることができる。

第３図（ｂ）は、基板上に空気中の塵を付着させたもの
や汚染されたウェハを被測定物とした場合など、基板部
上に測定対象物が散在している場合の測定の１例を示し
ている。

第１ステツプで観察光学系により観察しながら被測定物
の位置合せを行なう。第２ステツプで測光位置の座標を
読込み記憶する、第３ステツプでその位置における蛍光
分光測光を１テない蛍光分光情報を得る。この第１〜３
ステツプを繰返すことにより各部に点在する測定対象物
ごとの蛍光分光情報を得る。第４ステツプでこれらの情
報をパターン解析により分類することにより各測定座標
をマツプ化する。第５ステツプでは記憶されている被測
定物の座標位置を測定位置に移動させ、第６ステツプで
その周辺に限定してＸＹ定走査行ない三次元形状測定を
行なう、この第５．６ステツプを繰返すことにより各対
象物ごとの三次元形状情報を得る。第７ステツプで、こ
れらの情報を演算することにより、分類ごとの蛍光分光
曲線あるいは材質の特定とその体積を表示する。

この発明は上述した実施例に限定されることなく、極め
て多くの変形、変更が可能である。

たとえば、対物レンズ１８の取付部をレボルバ−にする
ことにより、蛍光測光時と高さ計測時とで対物レンズを
切換えるように構成してもよい。

また、視野内において蛍光測光位置と高さｇ）測位置を
ずらして配置して、演算処理の中でこのずれを補正する
ようにしてもよい。

さらに、被測定物をＸＹ移動させるのでなく測光光学系
の方をＸＹ移動させるようにすることもできる。

また、高さ計測光学系は、臨界角プリズムによる焦点ず
れ検出装置だけでなく非点収差による焦点ずれ検出装置
など他の光学検出系を用いることができる。

また、蛍光分光測光に用いる連続干渉フィルタの代りに
特定の波長のみを透過する干渉フィルタを用いて、特定
波長の測光データを用いて解析することもできる。

更にまた、第３図に示した測定フローの例はごく１部の
例を示しており、極めて多くの測定の組合せが可能であ
る。たとえば、マド１リックス座標点ごとに蛍光分光測
光情報と高さ情報を求め、これらの情報を演算して特定
された材質が三次元形状のどの位置に存在しているかを
カラー表示することもできる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、高さ計測光学系で得られた三次元情
報と蛍光分光測光情報とを対応して得ることができるの
で、被測定物の形状や量と関連した蛍光分光情報の解析
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例の微細表面分析装置を示す
配置図、第２図は上記実施例における電気系を示す配置
図、第３図は上記実施例における測定のステップを示す
流れ図である。 ｌ　・−・−・−・・・微細表面分析装置４　　　　Ｘ
Ｙ走査ステージ ７−・・−・−・・高さ計測光学系 ９　・・・・・・・−・蛍光分光測光光学系１０−・・
・−・・観察光学系 １８・・・・・−・・対物レンズ ２０−・・・・・・・・・グイクロイックくラーに−・
−・・・−・・・対物レンズの光軸特許出廓人 （５ （６ （７： 第３１ヱ１ （ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対物レンズを有する高さ計測光学系と、この対物
   レンズの光軸とほぼ同軸になるように対物レンズに入射
   する光軸を配置した蛍光分光測光光学系と、 前記両光学系の前記光軸に対して、被測定物をこれらの
   光軸と直交する方向に相対的に２次元走査する走査手段
   とを有することを特徴とする微細表面分析装置。
2. （２）高さ計測光学系の光路中にダイクロイックミラー
   を介して蛍光分光測光光学系の光路を導入し、この共通
   の光路で被測定物を相対的に２次元走査する走査手段を
   設けたことを特徴とする微細表面分析装置。
3. （３）前記ダイクロイックミラーを介してさらに観察光
   学系の光路が導入されていることを特徴とする請求項２
   に記載の微細表面分析装置。