JPH08159723A - 表面形状測定方法及び表面形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面形状を非接触で高精度に計測する。 【構成】 音響光学素子８は入射された２周波光を周波
数シフトさせる。ミラー１０はもう一方の２周波光をウ
エハ２０に入射させる。ビームスプリッター１１は、周
波数シフトされた光とウエハ２０からの反射光とを光ヘ
テロダイン干渉させ、偏光ビームスプリッター１２が偏
光面の異なる２つの干渉光に分離する。こうして、光電
検出器１５で周波数ｆ１の光に基づく第１、第２のビー
ト信号が得られ、光電検出器１６で周波数ｆ２の光に基
づく第３、第４のビート信号が得られる。制御部１７
は、第１、第３のビート信号の位相差及び第２、第４の
ビート信号の位相差に基づいてウエハ２０の段差を算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の表面形状を測定
する表面形状測定方法及び表面形状測定器に関し、特に
半導体ＩＣ等の製造プロセスにおけるウエハの段差を測
定する段差測定装置、あるいはマスク・ウエハ間のギャ
ップを測定するギャップ測定装置に応用して好適な表面
形状測定方法及び表面形状測定器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の表面形状を計測する装置として
は、表面形状を原子レベルで計測する装置からμｍオー
ダーの段差を測定する装置まで、用途によって種々の測
定器がある。これらの測定装置の中で、半導体ＩＣやＬ
ＳＩ製造プロセスにおけるウエハ面の段差測定や、マス
クとウエハを位置合わせした後のマスク・ウエハ間のギ
ャップ測定などにはμｍオーダーの比較的長い測定可能
範囲とｎｍオーダーの高分解能が要求される。

【０００３】図５はパターン加工されたウエハ面の段差
を測定する段差測定装置として使用される従来の表面形
状測定器のブロック図、図６はこの表面形状測定器の探
査針がウエハと接触している様子を示す拡大図である。
図５、６において、２０はウエハ、２１はウエハ２０を
保持しｘｙ方向に移動可能なウエハステージ、３０はウ
エハ２０の表面を走査する探査針、３１はウエハ２０上
の凹凸に応じてｚ方向に上下動する探査針３０の動きを
リニアエンコーダ等のセンサーにより電気信号変換する
段差形状センサー、３２は信号処理制御部である。

【０００４】この表面形状測定器では探査針３０をウエ
ハ２０に一定の針圧で接触させる。ウエハステージ２１
が信号処理制御部３２からの制御信号によって一定の速
度で指定方向に移動すると、探査針３０がウエハ２０上
の凹凸に応じてｚ方向に上下動し、この動きを段差形状
センサー３１が電気信号に変換して信号処理制御部３２
へ送る。図７はこの信号処理制御部３２で得られた段差
検出信号の出力例を示す図である。図６のように、探査
針３０がウエハ表面の段差を通過すると、段差に対応し
た探査針３０の微小なｚ方向の動きを段差形状センサー
３１が検出するので、検出信号波形からウエハ表面の段
差Ｌを計測できる。

【０００５】図８はマスク・ウエハ間のギャップを測定
するギャップ測定装置として使用される従来の表面形状
測定器のブロック図、図９はこの表面形状測定器の対物
レンズの様子を示す拡大図である。図８において、２２
はＸ線マスク、２３はこのＸ線マスク２２のＸ線を透過
させる薄膜であるメンブレン部、３３は照明用光源、３
４はコリメートレンズ、３５はハーフミラー、３６は対
物レンズ、３７は拡大レンズ、３８は撮像装置、３９は
画像信号処理制御部である。図９において、２４はメン
ブレン部２３に形成されたＸ線吸収体からなるマスクパ
ターン、２５はウエハパターンである。

【０００６】この表面形状測定器の基本原理は、通常の
光学式顕微鏡と同じであり、照明用光源３３によって観
察用試料面であるＸ線マスク２２のマスクパターン２４
を照明し、その反射光をハーフミラー３５、拡大レンズ
３７を介して撮像装置３８に入射させることにより、マ
スクパターン２４を拡大してモニタリングし、対物レン
ズ３６の位置を微調整してパターン２４に焦点を合わせ
る。対物レンズ３６のｚ方向の位置については、リニア
エンコーダ等の位置センサーにより画像信号処理制御部
３９で位置制御する。

【０００７】次に、対物レンズを３６ａの位置に移動さ
せ、メンブレン部２３を透かしてウエハ２０上のパター
ン２５に焦点を合わせる。こうして、対物レンズ３６の
マスクパターン２４に焦点合わせした位置Ａ及びウエハ
パターン２５に焦点合わせした位置Ｂを画像信号処理制
御部３９で検出し、その差を計算することにより、マス
ク・ウエハ間のギャップＬを求めることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の段差
測定装置では、探査針がウエハと接触しているため、ウ
エハ表面が傷つき汚染される恐れがあり、半導体ＩＣや
ＬＳＩ製造工程内のプロセスウエハには適用できないと
いう問題点があった。また、ウエハ面の段差を直接検出
するのではなく、探査針を介して間接的に段差形状セン
サーで検出するため、検出誤差が発生しやすく、機構系
等の外乱の影響を受けやすいため、高い検出分解能を得
ることが難しいという問題点があった。また、従来のギ
ャップ測定装置では、対物レンズの開口数（ＮＡ）によ
りパターン解像度が制約されるため、高解像度にすると
光学系が大きくなるという問題点があり、またマスク・
ウエハ間のギャップを直接検出するのではなく、間接的
に焦点合わせした対物レンズの位置により検出している
ため、焦点合わせ誤差あるいは対物レンズ位置検出誤差
等の検出精度を劣化させる要因が多く、高精度のギャッ
プ検出ができないという問題点があった。

【０００９】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、ウエハ表面の段差形状やマスク・ウエハ間
のギャップを非接触で高精度に計測できる表面形状測定
方法及び表面形状測定器を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、偏光面が互い
に直交し周波数が異なる２周波光を発生して、この２周
波光を第１、第２の２周波光の２つに分割し、第１の２
周波光の周波数をシフトさせ、第２の２周波光を被測定
物体上に入射させ、周波数シフトされた第１の２周波光
と被測定物体によって反射された第２の２周波光を合成
し、この合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を
偏光面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分
離し、第１の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独
立に検出し、第１、第２のビート信号を求めると共に、
第２の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検
出し、第３、第４のビート信号を求め、第１のビート信
号と第３のビート信号の位相差及び第２のビート信号と
第４のビート信号の位相差に基づいて、被測定物体の表
面形状を算出するようにしたものである。

【００１１】また、偏光面が互いに直交し周波数が異な
る２周波光を発生する２周波光発生手段と、この２周波
光を第１、第２の２周波光の２つに分割する２周波光分
割手段と、第１の２周波光の周波数をシフトさせる周波
数シフト手段と、被測定物体を載せるためのステージ
と、第２の２周波光を被測定物体上に入射させる入射手
段と、周波数シフト手段からの周波数シフトされた第１
の２周波光と被測定物体によって反射された第２の２周
波光を合成する光合成手段と、この光合成手段によって
得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、
第２の光ヘテロダイン干渉光に分離する干渉光分離手段
と、第１の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立
に検出し、第１、第２のビート信号を得ると共に、第２
の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検出
し、第３、第４のビート信号を得る信号検出手段と、第
１のビート信号と第３のビート信号の位相差及び第２の
ビート信号と第４のビート信号の位相差に基づいて、被
測定物体の表面形状を算出する信号処理制御手段とを有
するものである。

【００１２】また、ステージは、被測定物体の表面に対
して平行な方向に移動可能なものである。また、２周波
光発生手段、２周波光分割手段、周波数シフト手段、入
射手段、光合成手段、干渉光分離手段、及び信号検出手
段が同一の光学ステージ上に配置され、この光学ステー
ジは被測定物体の表面に対して平行な方向に移動可能な
ものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、第２の２周波光を被測定物体
上に入射させて得られた反射光と周波数シフトされた第
１の２周波光とを光ヘテロダイン干渉させて、この光を
第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１の干
渉光から第１、第２のビート信号を求めると共に、第２
の干渉光から第３、第４のビート信号を求めることによ
り、被測定物体の表面形状を算出することができる。

【００１４】また、２周波光発生手段と２周波光分割手
段が第１、第２の２周波光を生成し、入射手段が第２の
２周波光を被測定物体上に入射させ、光合成手段が周波
数シフトされた第１の２周波光と被測定物体によって反
射された第２の２周波光とを光ヘテロダイン干渉させ、
干渉光分離手段が第１、第２の干渉光に分離し、信号検
出手段が第１の干渉光から第１、第２のビート信号を求
めると共に、第２の干渉光から第３、第４のビート信号
を求め、信号処理制御手段がこれらのビート信号に基づ
いて被測定物体の表面形状を算出する。また、ステージ
は被測定物体の表面に対して平行な方向に移動する。ま
た、光学系を載せた光学ステージは被測定物体の表面に
対して平行な方向に移動する。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示す表面形状測定
器のブロック図である。１、２は周波数が異なる水平偏
光のレーザー光を発生するレーザー光源、３はレーザー
光源２からの光を垂直偏光にする１／２波長板、４、
７、９はミラー、５はレーザー光源１から発した光とミ
ラー４からの光を合成して、偏光面が互いに直交し周波
数が異なる２周波光を生成する偏光ビームスプリッタ
ー、６はこの２周波光を第１、第２の２周波光の２つに
分割する２周波光分割手段となる無偏光ビームスプリッ
ター、８は第１の２周波光の周波数をシフトさせる周波
数シフト手段となる音響光学素子である。

【００１６】また、１０は第２の２周波光をウエハ２０
上に入射させる入射手段となるミラー、１１は音響光学
素子８によって周波数シフトされた第１の２周波光とウ
エハ２０によって反射された第２の２周波光を合成する
光合成手段となる無偏光ビームスプリッター、１２は無
偏光ビームスプリッター１１によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第２の光ヘテロダ
イン干渉光に分離する干渉光分離手段となる偏光ビーム
スプリッター、１３、１４はそれぞれ第１、第２の光ヘ
テロダイン干渉光を２つに分割するためのスリットであ
る。

【００１７】また、１５は２つの第１の光ヘテロダイン
干渉光を独立に検出して第１、第２のビート信号を得る
光電検出器、１６は２つの第２の光ヘテロダイン干渉光
を独立に検出して第３、第４のビート信号を得る光電検
出器、１７は第１のビート信号と第３のビート信号の位
相差及び第２のビート信号と第４のビート信号の位相差
に基づいて、ウエハ２０の表面形状を算出する信号処理
制御手段となる信号処理制御部、１９はウエハ面ビーム
スポットである。

【００１８】そして、レーザー光源１、２、１／２波長
板３、ミラー４、及び偏光ビームスプリッター５が２周
波光発生手段を構成し、スリット１３、１４、光電検出
器１５、１６が信号検出手段を構成している。この表面
形状測定器は、本発明を半導体ＩＣやＬＳＩ製造におけ
るウエハ面の段差を測定する段差測定装置に適用したも
のである。

【００１９】レーザー光源１、２は、それぞれ波長がλ
１（周波数をｆ１とする）、λ２（周波数をｆ２とす
る）の水平偏光（Ｐ波）のレーザー光を発生する。レー
ザー光源２から発生したレーザー光は、１／２波長板３
により垂直偏光（Ｓ波）となり、偏光ビームスプリッタ
ー５に入射する。そして、レーザー光源１から発した光
とミラー４からの光が、偏光ビームスプリッター５によ
って合成される。

【００２０】したがって、合成されて偏光ビームスプリ
ッター５から出射する光は、偏光面が互いに直交し周波
数が異なる２周波（２波長）直交偏光光である。この２
周波光は、無偏光ビームスプリッター６によって第１、
第２の２周波光の２つに分割され、第１の２周波光はミ
ラー７を介して音響光学素子８に入射する。信号処理制
御部１７からの制御信号によって決定される音響光学素
子８の駆動周波数をｆ０とすると、音響光学素子８から
出射するレーザー光は、周波数がそれぞれｆ１＋ｆ０、
ｆ２＋ｆ０に周波数シフトされた２周波光となってミラ
ー９に入射する。

【００２１】また、もう一方の第２の２周波光は、無偏
光ビームスプリッター１１、ミラー１０を介してウエハ
ステージ２１上に設置されたウエハ２０に入射する。そ
して、このレーザー光は、ウエハ２０の表面で反射さ
れ、再度ミラー１０を介して無偏光ビームスプリッター
１１に入射する。次に、無偏光ビームスプリッター１１
は、ミラー９からの周波数シフトされた第１の２周波光
とウエハ２０によって反射された第２の２周波光とを合
成する。

【００２２】このような合成によって光ヘテロダイン干
渉光が生成されるが、この干渉光には、周波数ｆ１の光
と周波数ｆ１＋ｆ０の光の干渉による第１の干渉光、及
び周波数ｆ２の光と周波数ｆ２＋ｆ０の光の干渉による
第２の干渉光が含まれる。そして、周波数ｆ１の光を基
に生成された第１の干渉光は水平偏光で、周波数ｆ２の
光を基に生成された第２の干渉光は垂直偏光なので、無
偏光ビームスプリッター１１から偏光ビームスプリッタ
ー１２に入射した光ヘテロダイン干渉光は、第１、第２
の光ヘテロダイン干渉光に分離される。

【００２３】次いで、第１の光ヘテロダイン干渉光は、
スリット１３に入射し、このスリット１３の２つの穴に
よって２つのビームに分割される。そして、この２つの
ビームが光電検出器１５の独立した２つの検出領域に入
射することにより、第１、第２のビート信号が得られ
る。同様に、第２の光ヘテロダイン干渉光は、スリット
１４に入射し、スリット１４の２つの穴によって２つの
ビームに分割される。そして、この２つのビームが光電
検出器１６の２つの検出領域に入射することにより、第
３、第４のビート信号が得られる。

【００２４】図２はミラー１０からの第２の２周波光が
ウエハ２０に入射する様子を示す拡大図である。図２の
ように、レーザー光がウエハ２０の段差に入射すると、
ビームスポット１９内において、段差の高い方に入射す
る部分１９ａと低い方に入射する部分１９ｂとで光路長
差が生じる。ウエハ２０の段差をＬとすると、この光路
長差は２×Ｌである。

【００２５】ここで、周波数がｆ１のレーザー光と周波
数がｆ１＋ｆ０にシフトされたレーザー光の振幅強度を
それぞれＥ１、Ｅ２とすると、振幅強度Ｅ１、Ｅ２は次
式となる。 Ｅ１（ｔ）＝Ａ１×ｅｘｐ（２×π×ｆ１×ｔ×ｉ＋φ１） ・・・（１） Ｅ２（ｔ）＝Ａ２×ｅｘｐ（２×π×（ｆ１＋ｆ０）×ｔ×ｉ＋φ２） ・・・（２） ｔは時間、ｉは虚数単位、Ａ１、Ａ２は周波数ｆ１、ｆ
１＋ｆ０のレーザー光の振幅、φ１、φ２は初期位相で
ある。

【００２６】そして、段差の高い方に入射したレーザー
光（１９ａ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号Ｉ１は次式のように表される。 Ｉ１（ｔ）＝｜Ｅ１（ｔ）＋Ｅ２（ｔ）｜² ＝Ａ１² ＋Ａ２² ＋２×Ａ１×Ａ２×ｃｏｓ（２×π×ｆ０×ｔ＋Δφ12） ・・・（３） ここで、Δφ12＝φ１−φ２である。

【００２７】また、段差の低い方に入射したレーザー光
（１９ｂ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビート
信号Ｉ２は次式のように表される。 Ｉ２（ｔ）＝Ａ１² ＋Ａ２² ＋２×Ａ１×Ａ２×ｃｏｓ｛２×π×ｆ０×ｔ ＋Δφ12＋２×π×（２×Ｌ）／λ１｝ ・・・（４） 上述のように、第１の光ヘテロダイン干渉光はスリット
１３によって２つのビームに分割されるため、第２の２
周波光がウエハ２０の段差に入射すると、光電検出器１
５にて式（３）、（４）のような２つのビート信号Ｉ１
（ｔ）、Ｉ２（ｔ）が得られることになる。

【００２８】同様に、周波数がｆ２のレーザー光と周波
数がｆ２＋ｆ０にシフトされたレーザー光の振幅強度を
それぞれＥ３、Ｅ４とすると、振幅強度Ｅ３、Ｅ４は次
式となる。 Ｅ３（ｔ）＝Ａ３×ｅｘｐ（２×π×ｆ２×ｔ×ｉ＋φ３） ・・・（５） Ｅ４（ｔ）＝Ａ４×ｅｘｐ（２×π×（ｆ２＋ｆ０）×ｔ×ｉ＋φ４） ・・・（６） ここで、Ａ３、Ａ４は周波数ｆ２、ｆ２＋ｆ０のレーザ
ー光の振幅、φ３、φ４は初期位相である。

【００２９】そして、段差の高い方に入射したレーザー
光（１９ａ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号Ｉ３は次式のように表される。 Ｉ３（ｔ）＝｜Ｅ３（ｔ）＋Ｅ４（ｔ）｜² ＝Ａ３² ＋Ａ４² ＋２×Ａ３×Ａ４×ｃｏｓ（２×π×ｆ０×ｔ＋Δφ34） ・・・（７） ここで、Δφ34＝φ３−φ４である。

【００３０】また、段差の低い方に入射したレーザー光
（１９ｂ）によって得られる光ヘテロダイン干渉ビート
信号Ｉ４は次式のように表される。 Ｉ４（ｔ）＝Ａ３² ＋Ａ４² ＋２×Ａ３×Ａ４×ｃｏｓ｛２×π×ｆ０×ｔ ＋Δφ34＋２×π×（２×Ｌ）／λ２｝ ・・・（８） よって、第２の光ヘテロダイン干渉光はスリット１４に
よって２つのビームに分割されるため、第２の２周波光
がウエハ２０の段差に入射すると、光電検出器１６にて
式（７）、（８）のような２つのビート信号Ｉ３
（ｔ）、Ｉ４（ｔ）が得られることになる。

【００３１】なお、レーザー光がウエハ２０上の平坦な
面に入射した場合は、光路差長２×Ｌ＝０となり、Ｉ１
（ｔ）＝Ｉ２（ｔ）、Ｉ３（ｔ）＝Ｉ４（ｔ）となる。
次いで、信号処理制御部１７は、ビート信号Ｉ１（ｔ）
とＩ３（ｔ）の位相差φ13、Ｉ２（ｔ）とＩ４（ｔ）の
位相差φ24を演算し、さらに位相差φ13と位相差φ24の
差Δφを演算して、ウエハ２０の段差Ｌを求める。

【００３２】ここで、位相差φ13、φ24、位相差φ13と
位相差φ24の差Δφは次式のように表すことができる。 φ13＝Δφ12−Δφ34 ・・・（９） φ24＝｛Δφ12＋２×π×（２×Ｌ）／λ１｝ −｛Δφ34＋２×π×（２×Ｌ）／λ２｝ ・・・（１０） Δφ＝φ13−φ24＝２×π×（２×Ｌ）／λ２−２×π×（２×Ｌ）／λ１ ＝２×π×（２×Ｌ）×（λ１−λ２）／（λ１×λ２） ・・・（１１）

【００３３】したがって、ビート信号Ｉ１〜Ｉ４に基づ
いて位相差信号Δφが得られれば、式（１１）より段差
Ｌが求められることが分かる。また、式（１１）から明
らかなように、位相差信号Δφは、段差Ｌ＝（λ１×λ
２）／｛２×（λ１−λ２）｝を周期として位相変化す
る。よって、波長λ１とλ２を選択することにより、段
差測定範囲が決定される。

【００３４】例えば、ＬＳＩのプロセスウエハでは、段
差Ｌの測定範囲としては最大１０μｍ程度あれば十分で
あり、λ１＝７９０ｎｍ、λ２＝７７０ｎｍを選択する
と、位相差信号Δφの周期は、約１５．２μｍとなる。
位相差検出分解能を０．５°とすれば、約２１ｎｍの段
差検出分解能が得られる。このように、本発明では、異
なる２波長λ１、λ２のレーザー光を用いているため
に、位相差信号Δφの周期を１波長だけの場合に比べて
大きくすることができ、段差Ｌの絶対値を測定できる測
定可能範囲が大きくなる。したがって、段差が急激に変
化しているような試料についても精度よく測定すること
ができる。

【００３５】なお、本実施例は、式（３）、（４）、
（７）、（８）の関係を用いてウエハ２０上の段差を光
路長差として検出しようとするものであるが、これらの
式に関係する光路長差として、第１の２周波光と第２の
２周波光との光路長差が存在する。この光路長差には、
第１の２周波光がビームスプリッター６、ミラー７、音
響光学素子８、ミラー９、ビームスプリッター１１とい
う光路を通るのに対し、第２の２周波光がビームスプリ
ッター６からビームスプリッター１１という光路を通る
ことによるものがあり、さらに第２の２周波光がビーム
スプリッター１１、ミラー１０、ウエハ２０間を往復す
ることによるものがある。

【００３６】しかし、これらは装置固有のオフセットと
して式（１）、（２）、（５）、（６）中の初期位相φ
１、φ２、φ３、φ４に含まれるものであり、装置固有
の値として処理できる。

【００３７】図３は本発明の他の実施例を示す表面形状
測定器のブロック図である。この表面形状測定器は、本
発明をＸ線露光におけるマスク・ウエハ間のギャップ測
定装置に適用したものであり、レーザー光源１、２を初
めとする光学系、信号処理制御部１７等の回路系の構成
要素は、図１の例と同様である。図４はミラー１０から
の第２の２周波光がＸ線マスク２２、ウエハ２０に入射
する様子を示す拡大図である。

【００３８】図４のように、ビームスポット１９の一部
は、メンブレン部２３を透過してウエハ２０に入射す
る。よって、ビームスポット１９内において、マスクパ
ターン２４に入射する部分１９ａとウエハ２０に入射す
る部分１９ｂとで光路長差が生じる。マスク面とウエハ
面のギャップをＬとすると、光路長差は２×Ｌである。
したがって、図１の例と同様に、信号処理制御部１７に
よってビート信号Ｉ１〜Ｉ４からマスク・ウエハ間のギ
ャップＬを求めることができる。

【００３９】なお、図１、３の例において、レーザー光
源１、２、１／２波長板３、ミラー４、７、９、１０、
偏光ビームスプリッター５、１２、無偏光ビームスプリ
ッター６、１１、音響光学素子８、スリット１３、１
４、光電検出器１５、１６からなる光学系全体を図示し
ない光学ステージ上に配置し、光学ステージを任意のｘ
ｙ方向に移動させることにより、マスク及びウエハ上の
任意の位置での段差、あるいはギャップの測定が可能で
ある。また、ウエハステージ２１を任意のｘｙ方向に移
動させても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。

【００４０】また、図１、３の例では、ビームスポット
から２つのビームを取り出す方法としてスリット１３、
１４を用いているが、遮光帯付きの２分割光電検出器を
用いて直接ビームスポットを検出し、２つのビート信号
を得ることも可能である。さらに、ビームスポットを三
角状プリズム等によって反射する部分と透過する部分に
分割し、それぞれ独立のホトディテクタ等によりビート
信号を検出しても同様の効果が得られる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、２周波光を被測定物体
上に入射させて得られた反射光と周波数シフトされた２
周波光とを光ヘテロダイン干渉させて、この光を第１、
第２の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１の干渉光か
ら第１、第２のビート信号を求めると共に、第２の干渉
光から第３、第４のビート信号を求めることにより、被
測定物体の表面形状を非接触で直接計測することができ
るので、被測定物体の表面を汚染することがなく、誤差
要因の発生がない高精度の表面形状測定ができる。ま
た、周波数が異なる２周波光を基にした２つの光ヘテロ
ダイン干渉光を用いているので、１つの光ヘテロダイン
干渉光だけの場合に比べて、測定可能範囲を大きくする
ことができ、表面形状が急激に変化しているような被測
定物体についても精度よく測定することができる。

【００４２】また、２周波光発生手段、２周波光分割手
段、周波数シフト手段、ステージ、入射手段、光合成手
段、干渉光分離手段、信号検出手段、及び信号処理制御
手段から表面形状測定器を構成することにより、第１〜
第４のビート信号を求めて被測定物体の表面形状を非接
触で直接算出するので、被測定物体の表面を汚染するこ
とがなく、誤差要因の発生がない高精度の表面形状測定
器を実現することができる。

【００４３】また、ステージが被測定物体の表面に対し
て平行な方向に移動するので、被測定物体上の任意の位
置での測定が可能となる。また、光学系を載せた光学ス
テージが被測定物体の表面に対して平行な方向に移動す
るので、同様に被測定物体上の任意の位置での測定が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１実施例を示す表面形状測定器のブ
ロック図である。

【図２】 第２の２周波光がウエハに入射する様子を示
す拡大図である。

【図３】 本発明の他の実施例を示す表面形状測定器の
ブロック図である。

【図４】 第２の２周波光がＸ線マスク、ウエハに入射
する様子を示す拡大図である。

【図５】 段差測定装置として使用される従来の表面形
状測定器のブロック図である。

【図６】 図５の表面形状測定器の探査針がウエハと接
触している様子を示す拡大図である。

【図７】 段差検出信号の出力例を示す図である。

【図８】 ギャップ測定装置として使用される従来の表
面形状測定器のブロック図である。

【図９】 図８の表面形状測定器の対物レンズの様子を
示す拡大図である。

【符号の説明】

１、２…レーザー光源、、３…１／２波長板、４、７、
９、１０…ミラー、５、１２…偏光ビームスプリッタ
ー、６、１１…無偏光ビームスプリッター、８…音響光
学素子、１３、１４…スリット、１５、１６…光電検出
器、１７…信号処理制御部、２０…ウエハ、２１…ウエ
ハステージ、２２…Ｘ線マスク、２３…メンブレン部、
２４…マスクパターン。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
   周波光を発生して、この２周波光を第１、第２の２周波
   光の２つに分割し、 第１の２周波光の周波数をシフトさせ、 第２の２周波光を被測定物体上に入射させ、 前記周波数シフトされた第１の２周波光と前記被測定物
   体によって反射された第２の２周波光を合成し、 この合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光
   面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分離
   し、 第１の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検
   出し、第１、第２のビート信号を求めると共に、第２の
   光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検出し、
   第３、第４のビート信号を求め、 第１のビート信号と第３のビート信号の位相差及び第２
   のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づいて、
   前記被測定物体の表面形状を算出することを特徴とする
   表面形状測定方法。
2. 【請求項２】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
   周波光を発生する２周波光発生手段と、 この２周波光を第１、第２の２周波光の２つに分割する
   ２周波光分割手段と、 第１の２周波光の周波数をシフトさせる周波数シフト手
   段と、 被測定物体を載せるためのステージと、 第２の２周波光を被測定物体上に入射させる入射手段
   と、 前記周波数シフト手段からの周波数シフトされた第１の
   ２周波光と前記被測定物体によって反射された第２の２
   周波光を合成する光合成手段と、 この光合成手段により得られた光ヘテロダイン干渉光を
   偏光面の異なる第１、第２の光ヘテロダイン干渉光に分
   離する干渉光分離手段と、 第１の光ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検
   出し、第１、第２のビート信号を得ると共に、第２の光
   ヘテロダイン干渉光を２つに分割して独立に検出し、第
   ３、第４のビート信号を得る信号検出手段と、 第１のビート信号と第３のビート信号の位相差及び第２
   のビート信号と第４のビート信号の位相差に基づいて、
   前記被測定物体の表面形状を算出する信号処理制御手段
   とを有することを特徴とする表面形状測定器。
3. 【請求項３】 請求項２記載の表面形状測定器におい
   て、 前記ステージは、前記被測定物体の表面に対して平行な
   方向に移動可能なものであることを特徴とする表面形状
   測定器。
4. 【請求項４】 請求項２記載の表面形状測定器におい
   て、 前記２周波光発生手段、２周波光分割手段、周波数シフ
   ト手段、入射手段、光合成手段、干渉光分離手段、及び
   信号検出手段が同一の光学ステージ上に配置され、この
   光学ステージは前記被測定物体の表面に対して平行な方
   向に移動可能なものであることを特徴とする表面形状測
   定器。