JPH04105007A - 形状測定装置 - 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】 〔発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は半導体ウェハ・高精度ミラー等の微小形状を測
定する形状測定装置の改良に関する。

（従来の技術） かかる形状測定装置には紫外光を用いたものかあり、こ
の装置は紫外光をビームスプリッタより２方向に分岐し
てその一方の紫外光を参照ミラー送るとともに他方の紫
外光を半導体ウェハ・高精度ミラー等の試料に送る。参
照ミラーに紫外光が照射されるとこの参照ミラーで反射
した紫外光か参照光として上記ビームスプリッタに入射
するとともに、試料に紫外光か照射されるとこの試料で
反射した紫外光か物体光として上記ビームスプリッタに
入射する。これによりビームスプリッタにおいて参照光
と物体光とが重なり合って干渉が生じる。そして、資料
を移動させて紫外光の照射位置を走査すると、資料の表
面形状に応じて干渉縞が移動する。従って、この干渉光
の強度から資料の形状か測定される。

しかしなから、上記装置ではビームスプリッタや他の光
学レンズの光軸調整等の光学系アライメントを行う必要
がある。ところか、上記装置では紫外光を用いているの
で可視光線することはできす、光学系アライメントは困
難となっている。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように可視光線でない紫外光を用いているので、
光学系アライメントは困難となっている。

そこで本発明は、形状測定に紫外光を用いても容易に光
学系のアライメントができる形状測定装置を提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、レーザ発振器と、このレーザ発振器から出力
されるレーザ光のうち一部のレーザ光の波長を紫外光の
波長に変換してレーザ光と同一の光軸に出力する波長変
換素子と、この波長変換素子を透過したレーザ光及び紫
外光をそれぞれ２方向に分岐してその一方を参照レーザ
光として参照ミラーに送るとともに他方のレーザ光を試
料に送り、かつ参照ミラーからの反射参照レーザ光と試
料からの物体光とを重ね合わせるビームスプリッタと、
このビームスプリッタにより重ね合わされた光のうち紫
外光の波長のみを透過するフィルタと、このフィルタを
透過した紫外光を受光してその受光量に応した電気信号
を出力する受光素子と、この受光素子からの電気信号か
ら試料の形状を求める形状演算手段とを備えて上記目的
を達成しようとする形状測定装置である。

（作用） このような手段を備えたことにより、レーザ発振器から
出力されるレーザ光を波長変換素子によりその一部のレ
ーザ光の波長を紫外光の波長に変換してレーザ光と同一
の光軸に出力し、この波長変換素子を透過したレーザ光
及び紫外光をビームスプリッタによりそれぞれ２方向に
分岐してその一方を参照レーザ光として参照ミラーに送
るとともに他方のレーザ光を試料に送り、かつ参照ミラ
ーからの反射参照レーザ光と試料からの物体光とを重ね
合わせる。このビームスプリッタにより重ね合わされた
光のうち紫外光の波長のみがフィルタを透過して受光素
子に受光され、この受光素子からの電気信号から形状演
算手段により試料の形状か求められる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について第１図に示す形状測定
装置の構成図を参照して説明する。

Ａｒレーザ発振器１が備えられている。このＡｒレーザ
発振器１は波長４８８ｎＩ１１および５１４．５ｎｉの
２波長のレーザビームを出力するものである。

このＡｒレーザ発振器１の密閉容器２の内部にはＡｒイ
オンが封入され、かつこの密閉容器２には高反射ミラー
３及び出力ミラー４が設けられている。これら高反射ミ
ラー３及び出力ミラー４は光共振器を構成するもので、
互いに対向配置されている。

このＡｒレーザ発振器１における光共振器の光性復路に
はセカンド・ハーモニック・ジェネレータ（以下、ＳＨ
Ｇと称する）５か配置されている。

この５ＨＧ５はＡｒレーザ発振器１から出力されるレー
ザビームの波長を基本波とし、このレーザビームの２次
高調波つまり基本波の半分の波長のレーザビーム、５Ｈ
Ｇ５の光軸に対する角度を変えることにより４８８／２
．　（４８８＋５１４．５）／２．５１４．５／２ｎｍ
の紫外光の発振する機能を有している。この５ＨＧ５の
変換効率は数％であって、これによりＡｒレーザ発振器
１からは基本波のレーザビームと２次高調波のレーザビ
ームとなり、これらレーザビームは同一光軸上に伝播す
る。

このＡｒレーザ発振器１のレーザ出力光路上にはビーム
エキスパンダ６か配置され、このビームエキスパンダ６
によりビーム径か広げられたレーザビームはビームスプ
リッタフに送られる。

このビームスプリッタ７は基本波及び紫外光のレーザビ
ームをそれぞれ２方向に分岐し、その−方のレーザビー
ムｑ１を参照レーザ光として参照ミラー８の配置された
方向に出力するとともに他方のレーザビームｑ２を半導
体ウェハ９の配置された方向に出力するものとなってい
る。参照ミラー８は平面ミラーから成り、この参照ミラ
ー８とビームスプリッタ７との間には位相変調器１０及
び集光レンズ１】か配置されている。又、半導体ウェハ
９はＸＹステージ１２上に載置されている。

この半導体ウェハ９とビームスプリッタ７との間には対
物レンズ１３が配置されている。しかるに、参照ミラー
８で反射したレーザビームは再びビームスプリッタ７に
入射し、半導体ウェハ９で反射したレーザビームは物体
光として再びビームスプリッタ７に入射する。従って、
前記ビームスプリッタ７は上記機能の他に参照レーザ光
と物体光とを重ね合わせて干渉縞を生じさせる機能を有
している。このビームスプリッタ７は干渉光をフォトセ
ンサ１４の配置された方向に出力する。

このビームスプリッタ７とフォトセンサ１４との間には
集光レンズ１５が配置されている。又、フォトセンサ１
４の前方には光学フィルタ１６とピンホール板１７が配
置されている。ピンホール板１７にはピンホール１８が
形成されており、このピンポール１８の径は回折限界以
下となっている。フォトセンサユ４は受光した干渉光の
強度に応した電気信号を圧力するもので、この電気信号
は信号処理回路１９に送られている。

この信号処理回路１９はフォトセンサ１４からの電気信
号を位）目庇調器１０の変調に同期して抽出する機能を
有している。コンピュータ２０は信号処理回路１９から
の処理信号を受けて半導体ウェハ９の表面形状を求める
機能を有している。

なお、上記の構成の光学系においてビームエキスパンダ
６、対物レンズ１３、各集光レンズ〕］１５は色収差が
補正されている。

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］は基本波となる波長４Ｈｎｍおよび
５１４．５ｎｍのレーザビームを出力する。このとき、
Ａｒレーザ発振器ｌの光共振器内において５ＨＧ５によ
り基本波のレーザビームの２次高調波（波長４８８／２
．　（４１１８＋５１４．５）／２，５１４．５／２ｎ
ｍより選択）である紫外光が発生する。この紫外光のレ
ーザビームはＡｒレーザ発振器１から出力されるレーザ
ビームの数％である。これら基本波のレーザビーム及び
紫外光のレーザビームは共に同一光軸上を伝播する。す
なわち、これら基本波のレーザビーム及び紫外光のレー
ザビームは共にビームエキスパンダ６によりビーム径が
拡大され、ビームスプリッタ７により２方向に分岐され
る。このビームスプリッタ７により２方向に分岐された
基本波及び紫外光の各レーザビームのうち一方のレーザ
ビームｑ１は参照レーザ光として位相変調器１０を通り
、集光レンズ１１で集光されて参照ミラー８に照射され
る。そして、参照ミラー８て反射した参照レーザ光は集
光ミラー１１、位相変調器１０を通って再びビームスプ
リッタフに入射する。又、他方のレーザビームｑ２は集
光レンズ１３で集光されて半導体ウェハ９に照射される
。

そして、半導体ウェハ９て反射したレーザビームは物体
光として集光ミラー１３を通って再びビームスプリッタ
７に入射する。しかして、ビームスプリッタフにおいて
参照レーザ光と物体光とが重なり合って干渉が生じる。

この干渉光はビームスプリッタ７から集光レンズ１５に
より集光され、ピンホール１８、光学フィルタ１６を通
ってフォトセンサ１４に伝播する。

以上のように基本波と紫外光の各レーザビームは全て同
一光軸上を伝播する。従って、ビームスプリッタ７、対
物レンズ１３、各集光レンズ１１゜１５等の光学レンズ
に対する光軸調整つまり光学的なアライメントは、可視
光線となる基本波のレーザビームの伝播経路を見ながら
行うことになる。

次に形状測定について説明すると、上記光学フィルタ１
６は基本波及び紫外光の各干渉光のうち紫外光の干渉光
のみを透過する。従って、フォトセンサ１４は紫外光の
干渉光を受光してその光強度に応じた電気信号を出力す
る。

ところで、この状態に位相変調器１０は参照レーザ光の
位相を変調する。従って、２次高調波の干渉光には位相
変調の光強度変化に加えて半導体ウェハ９の表面形状に
応じた光強度変化が加わっている。

従って、フォトセンサ１４がら出力された電気信号は信
号処理回路１９に送られ、この信号処理回路１つはフォ
トセンサ１４がらの電気信号を位相変調器１０の変調に
同期して抽出する。そして、ＸＹステージ１２は半導体
ウェハ９にレーザビームが全面に走査されるように移動
する。しかるに、コンピュータ２ｏは信号処理回路１９
がらの処理信号を順次受けて記憶することにより半導体
ウェハ９の全面の表面形状を求める。

このように上記一実施例においては、レーザビームを５
ＨＧ５によりその一部のレーザビームの波長を紫外光の
波長に変換して基本波のレーザビームと同一の光軸に出
力し、これらレーザビームをビームスプリッタフにより
２方向に分岐してその一方を参照レーザ光Ｑ＋とじて参
照ミラー８に送るとともに他方のレーザビームｑ２を半
導体ウェハ９に送り、かつ参照レーザ光と物体光とを重
ね合わせて干渉光を生じさせ、この干渉光のうち紫外光
の波長のみを光学フィルタ１６を透過させてその光強度
に応じた電気信号から半導体ウェハ９の形状を求めるよ
うにしたので、可視光線のレーザビームの伝播経路から
光学系のアライメントを行えば、紫外光に対しても全く
同様に光学系のアライメントが容易にできる。従って、
このアライメントにより本来持っている紫外光による高
精度な形状測定を充分に発揮させることができる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものでなくそ
の主旨を逸脱しない範囲で変形しても良い。例えば、第
２図に示すように５ＨＧ５はＡｒレーザ発振器１の外部
におけるレーザ出力経路上に配置しても良い。又、位相
変調は位相変調器１０を用いるのでなく、参照レーザ光
と物体光との間に位相差を生じさせるものであれば良い
。さらに、半導体ウェハ９の形状は半導体ウェハ９にレ
ーザビームを照射して半導体ウェハ９からの反射レーザ
ビームの光量が常に最大値を示すように半導体ウェハ９
を上下方向に移動させ、このときの半導体ウェハ９の上
下の移動変位から半導体ウェハ９の表面形状を求めるよ
うにしても良い。

又、光源はＡｒレーザ発振器１および５ＨＧ５に限定さ
れず、レーザ光とｎ次高調波を発生する波長変換素子を
用いて紫外光を発生させるようにしても良い。

［発明の効果コ 以上詳記したように本発明によれば、形状測定に紫外光
を用いても容易に光学系のアライメントかできる形状測
定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる形状測定装置の一実施例を示す
構成図、第２図は同装置の変形例の構成図である。 １・・・Ａｒレーザ発振器、３・・・高反射ミラー、４
・・・出力ミラー　５・・・ＳＨＧ、６・・・ビームエ
キスパンダ、７・・・ビームスプリッタ、８・・・参照
ミラー９・・・半導体ウェハ　１０・・・位相変調器、
１１，１５・・・集光レンズ、１２・・・ＸＹステージ
、１３・・・対物レンズ、１４・・・フォトセンサ、１
６・・・光学フィルタ、１７・・・ピンホール板、１９
・・・信号処理回路、２０・・・コンピュータ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 １つ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されるレー
   ザ光のうち一部のレーザ光の波長を紫外光の波長に変換
   して前記レーザ光と同一の光軸に出力する波長変換素子
   と、この波長変換素子を透過した前記レーザ光及び前記
   紫外光をそれぞれ２方向に分岐してその一方を参照レー
   ザ光として参照ミラーに送るとともに他方のレーザ光を
   試料に送り、かつ前記参照ミラーからの反射参照レーザ
   光と前記試料からの物体光とを重ね合わせるビームスプ
   リッタと、このビームスプリッタにより重ね合わされた
   光のうち紫外光の波長のみを透過するフィルタと、この
   フィルタを透過した紫外光を受光してその受光量に応じ
   た電気信号を出力する受光素子と、この受光素子からの
   電気信号から前記試料の形状を求める形状演算手段とを
   具備したことを特徴とする形状測定装置。