JPH0678893B2

JPH0678893B2 - 表面微細形状測定装置

Info

Publication number: JPH0678893B2
Application number: JP4933986A
Authority: JP
Inventors: 雅人中島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-03-06
Filing date: 1986-03-06
Publication date: 1994-10-05
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: JPS62206408A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕本発明は、被測定物にレーザビームを照射して表面の微
細形状を測定する装置において、その測定分解能を可変
にし、しかも上記ビームの光量変動による測定感度の変
動を防止するため、内径の異なる複数の孔を設けた回転
板により、上記孔の内径に応じた所望のビーム径を得る
ことができるようにし、更にそれぞれの孔に対してその
面積に反比例した光学的透過率を持つ光学フィルタを取
付けることにより、上記孔を介して得られるビームの光
量が一定になるようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、被測定物（例えば半導体素子等）の表面の微
細形状をレーザ光を用いて計測する装置に関し、特には
上記レーザ光のビーム径を調節するためのビーム調節部
の改良に関する。

昨今、半導体等の製造技術の高度化に伴い、光学的な微
細形状計測技術はその重要性を増してきている。

〔従来の技術〕

従来、表面の微細形状を計測する手段としては、ダイヤ
モンド針で表面に触れながら形状を計測する触針法と、
レーザビームの小さなスポットを表面にあてて、その焦
ずれを検出することにより形状を計測する焦ずれ検出法
とが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記触針法は、表面を傷つける破壊試験であるため、半
導体素子等の表面の測定には向かない。また、焦ずれ検
出法は、測定分解能が例えば1.6μｍ程度に固定されて
おり、しかも測定スパンが短い等の欠点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、被破壊試験である
ことは勿論、測定分解能を自由に変更することができる
とともに、その変更に伴う測定感度の変動をも防止でき
る表面微細形状測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、レーザ光源から
出力されたレーザ光のビーム径を調節するための手段で
あるビーム径調節部として、内径のそれぞれ異なる複数
の孔を設けた回転板を備え、更に、上記複数の孔のそれ
ぞれに対してその孔の面積に反比例した光学的透過率を
持つ光学フィルタを取付けたことを特徴とする。

〔作用〕

レーザ光源から出力されたレーザ光が上記回転板に設け
られた孔を通過すれば、その孔の内径に応じたビーム径
に変換される。すると、被測定物の表面上におけるレー
ザ光のスポット径も上記孔の内径に応じて変換し、それ
に伴い測定分解能も変化する。従って、回転板に設けら
れた上記複数の孔の中から１つの孔を選択すれば、その
孔の内径に対応した所望の分解能を得ることができる。

また、上記孔を通過したレーザ光の光量は、その孔の面
積に比例する。そのため、このままでは孔が代われば光
量も変化し、それに伴い測定感度も変動することにな
る。しかし本発明では、各孔ごとにその面積に反比例し
た光学的透過率を持つ光学フィルタを取付けてあるの
で、各孔を通過した光は上記光学フィルタによって光量
調節され、全て同一の光量を持つようになる。従って、
上述したような測定感度の変動がなくなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す概略構成図である。
同図においては、まずHe−Neレーザ等のレーザ光源１で
出射されたレーザ光L₁は、ビーム径調節部２および反射
鏡３を介して被測定物Ｍの表面に所望のビーム径で照射
される。

上記ビーム径調節部２は、ビームエクスパンダ21、円形
の回転板22および凸レンズ23から構成されており、上記
回転板22には、その回転軸22aを中心とする同心円上
に、内径のそれぞれ異なる複数の孔22bが設けられ、更
にそれらの孔22bにはその面積に反比例した光学的透過
率を持つ濃度フィルタ22cが取付けられている。

このような構成からなるビーム径調節部２においては、
上記レーザ光L₁はビームエクスパンダ21によって太い平
行光束にされ、次に回転板22のいずれかの孔22bを通過
することにより、その孔22bの内径に対応したビーム径
に変換される。ここで、上記孔22bを通過した光は、そ
れぞれの孔の面積に比例した光量を持っているので、次
に上記濃度フィルタ22cを通過することにより、全て一
定の光量に調節される。従って、回転板22を通過した光
は、その通過した孔22bの内径に対応したそれぞれのビ
ーム径を持つにもかかわらず、その光量は全て一定にな
る。このように光量を一定にすることにより、後述する
積分演算回路９における測定感度の低下を防止してい
る。

然して、回転板22を通過した各種のビーム径を持つ光
は、凸レンズ23によって反射鏡３を介して被測定物Ｍの
表面に焦光される。ここで、被測定物Ｍ上でのレーザ光
のビーム径ａと、回転板22の上記孔22bの内径（以下、
ホール径と称す）ｂとの関係を第２図に示す。すると、
光の干渉により、ホール径ｂが大きい程、ビーム径ａは
小さく絞られることがわかる。

次に、被測定物Ｍ上からの反射光L₂は、反射鏡４を介し
て分割プリズム５に導かれる。この分割プリズム５は、
上記反射光L₂の反射方向が被測定物Ｍの表面に対して垂
直であるときにその反射光L₂を２方向に２等分するよう
な位置に固定してある。従って、被測定物Ｍの表面に微
細な凹凸（傾斜）があると、その傾斜角に応じて反射方
向が変化するため、分割プリズム５によって分割される
光の量が２方向で異なってくる。このようにして２方向
に分割された光は、それぞれ増倍型光電管（以下、ホト
マルと称す）6,7によって検出され、電気信号に変換さ
れて差動アンプ８に送られる。

差動アンプ８の出力には、上記２つのホトマル6,7の出
力差、すなわち被測定物Ｍ表面の傾きのベクトル量が現
れる。従って、反射鏡3,4に対して被測定物Ｍをその表
面方向（ｘ方向）に一定速度で移動させることにより、
被測定物Ｍの表面全体の傾きデータを作動アンプ８の出
力として得ることができる。次に、この作動出力は積分
演算回路９によって積分され、その積分値は被測定物Ｍ
の表面の高さ（Ｚ方向）を表わすことになり、その積分
結果をｘ方向に見ていけば、被測定物Ｍ表面の凹凸状態
を測定することができる。

そこで、第３図(a)，(b)，(c)に被測定物Ｍ上のビーム
径ａをそれぞれ0.5,0.1,0.07mmφとした場合の作動アン
プ８および積分演算回路９の各演算出力を示す。する
と、同図(a)のようにビーム径ａが大きければ、表面の
大きな波長成分（うねり）を測定することができ、また
一方、同図(c)のようにビーム径ａが小さければ、表面
の細かい凹凸（粗さ）までも測定することができる。従
って、上記ビーム径ａとホール径ｂとは第２図に示した
関係にあるので、上述した回転板22を動かしてビーム径
ａと対応するホール径ｂを選択することにより、所望の
測定分解能を簡単に得ることができる。

なお、積分演算回路９では、作動アンプ８の出力（すな
わち、ホトマル6,7の出力差ｖ）を積分することによっ
て表面高さＺを得ているが、その演算式は、で与えられる。測定は、ｘ方向に一定間隔Δｘごとに点
ｘ＝xi（ｉ＝0,1,・・・,N＋１）について行われるもの
とする。

上記式(1)中、レーザビームの被測定物Ｍ表面と分割プ
リズム５との間の距離であるｌЕは、ビーム径ａを変化
させても常に一定である。ところが、ホトマル6,7の出
力差ｖ（mV）を分割プリズム５に対するビーム変位に換
算する係数であるＫ（Ｋ＝dv/ds:mV/mm）は、分割プリ
ズム５に入射するレーザ光の光量によって大きく変化
し、この係数Ｋが小さくなると測定感度も低下する。そ
こで、第１図に示したように、回転板22の各孔22bに対
して前述したような濃度フィルタ22cを取付けることに
より、光量を一定にし、上記係数Ｋを一定に保ってい
る。

参考までに、濃度フィルタ22cを取付けない場合と取付
けた場合とで、ビーム径ａに対する係数Ｋの変動を、そ
れぞれ第４図(a)，(b)に示す。濃度フィルタ22cがなけ
れば、同図(a)のように、ビーム径ａが大きくなるにつ
れ（すなわち、ホール径ｂが小さくなるにつれ）、光量
が低下することにより、直線の傾きであるＫが小さくな
る。一方、濃度フィルタ22cがあれば、同図(b)のよう
に、ビーム径ａが変化しても光量が一定なので、Ｋは変
化せず、常に大きな値に一定に保つことができる。従っ
て、濃度フィルタ22cを取付けた本実施例では、回転板2
2でいずれの穴22bを選択した場合であっても、常にＫが
一定値であるため、測定感度を一定に高く維持すること
ができる。

なお、濃度フィルタ22cを用いて光量を調節する他に、
差動アンプ８の後段にアンプ10を追加し、このアンプ10
を用いて上記係数Ｋを調節することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、表面の微細形状を
非破壊で測定できるとともに、所望の測定分解能を容易
に得ることができ、しかもその測定分解能の変更に伴う
測定感度の変動をも防止することができる。従って、近
年の半導体製造技術等の高度化にも容易に適応できる、
非常に高精度の表面微細形状測定装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は被測定物Ｍ表面におけるレーザビーム径ａと回
転板22に設けられた孔22bの内径（ホール径）ｂとの関
係を示す図、第３図(a)，(b)，(c)は各種ビーム径における傾きデー
タ（差動アンプ８の出力）および表面高さ（積分演算回
路９の出力）を示す図、第４図(a)，(b)はそれぞれ濃度フィルタ22cのある場
合、ない場合における分割プリズム５に対するビームの
変位Ｓとホトマル6,7の出力差ｖとの関係を示す図であ
る。１……レーザ光源、２……ビーム径調節部、 3,4……反射鏡、５……分割プリズム、 6,7……ホトマル（増倍型光電管）、８……差動アンプ、９……積分回路、 21……ビームエクスパンダ、 22……回転板、 22b……孔、 22c……濃度フィルタ．

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源（１）から出力されビーム径調
節部（２）を介して所望のビーム径に変換されたレーザ
光を被測定物（Ｍ）の表面に照射し、該表面からの反射
光を分割手段（５）によってその反射方向に応じた光量
を持つ２方向の光に分割し、それぞれを一対の光検知手
段（6,7）で検知して、該光検知手段（6,7）のそれぞれ
の出力信号に基づき演算手段（8,9）で前記被測定物
（Ｍ）の表面の微細形状を算出する表面微細形状測定装
置において、前記ビーム径調節部（２）は内径のそれぞれ異なる複数
の孔（22b）を設けた回転板（22）を備え、かつ前記複
数の孔（22b）のそれぞれに対して該孔（22b）の面積に
反比例した光学的透過率を持つ光学フィルタ（22c）を
取付けたことを特徴とする表面微細形状測定装置。
【請求項２】前記複数の孔（22b）は前記回転板（22）
の回転中心（22a）を中心とする同心円上に設けられて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面
微細形状測定装置。
【請求項３】前記回転板（22）は円板状であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の表面
微細形状測定装置。
【請求項４】前記光学フィルタは、濃度フィルタ（22
c）であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
第３項のいずれか１つに記載の表面微細形状測定装置。
【請求項５】前記ビーム径調節部（２）は前記回転板
（22）の前段にビームエクスパンダ（21）を備え、該ビ
ームエクスパンダ（21）を介して得られた太い平行光束
を前記回転板（22）に設けられた前記孔（22b）に入射
させることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４
項のいずれか１つに記載の表面微細形状測定装置。
【請求項６】前記分割手段は分割プリズム（５）である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項のい
ずれか１つに記載の表面微細形状測定装置。
【請求項７】前記演算手段は、前記一対の光検知手段
（6,7）のそれぞれの出力信号を入力信号とする差動増
幅器（８）と、該作動増幅器（８）の出力信号を積分す
る積分演算回路（９）とからなることを特徴とする特許
請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１つに記載の表
面微細形状測定装置。
【請求項８】前記光検知手段は増倍型光電管（6,7）で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項
のいずれか１つに記載の表面微細形状測定装置。