JPH09145329A - Level difference measuring apparatus - Google Patents

Level difference measuring apparatus

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JPH09145329A
JPH09145329A JP7301579A JP30157995A JPH09145329A JP H09145329 A JPH09145329 A JP H09145329A JP 7301579 A JP7301579 A JP 7301579A JP 30157995 A JP30157995 A JP 30157995A JP H09145329 A JPH09145329 A JP H09145329A
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JP
Japan
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light
analyzer
image sensor
dimensional image
inspected
Prior art date
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Application number
JP7301579A
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Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Iwasaki
豊 岩崎
Jun Iwasaki
純 岩崎
Yasushi Oki
裕史 大木
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a level difference accurately when the optical reflectance varies on the opposite sides of level difference. SOLUTION: The level difference measuring apparatus is constructed such that a reflected light arriving at an analyzer is polarized circularly when an object 8 is a mirror face. The analyzer comprises a polarization beam splitter 11 having a predetermined analyzer angle while a two-dimensional image sensor comprises a first two-dimensional image sensor 13 for detecting the light transmitted through the polarization beam splitter 11, and a second two-dimensional image sensor 15 for detecting the light reflected on the polarization beam splitter 11. A measuring means 18 measures a level difference based on the relationship between the difference of output from first and second two-dimensional image sensor 13, 15 for the level difference and the phase difference being imparted between two lights by the level difference which relationship being dependent on the variation of amplitude reflectance on the opposite sides of level difference.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は段差測定装置に関
し、特にICパターンや金属表面などに存在する微小段差
の定量測定に適した微小段差測定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a level difference measuring device, and more particularly to a level difference measuring device suitable for quantitatively measuring a minute level difference existing on an IC pattern or a metal surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の段差測定装置として、O puls E誌
の1992年10月号において70〜72ページに開示されている
ように、レーザー走査型段差測定装置を応用した非接触
表面粗さ計が知られている。この非接触表面粗さ計で
は、従来の検光子に代えて偏光ビームスプリッタを用
い、この偏光ビームスプリッタの透過光と反射光とを同
時に検出している。そして、透過光の検出信号と反射光
の検出信号とに関する差信号と和信号との比に基づいて
段差を測定している。
2. Description of the Related Art As a conventional step measuring device, as disclosed in the October 1992 issue of O puls E magazine on pages 70 to 72, a non-contact surface roughness meter to which a laser scanning type step measuring device is applied. It has been known. In this non-contact surface roughness meter, a polarization beam splitter is used instead of the conventional analyzer, and the transmitted light and the reflected light of this polarization beam splitter are simultaneously detected. Then, the step is measured based on the ratio of the difference signal and the sum signal regarding the detection signal of the transmitted light and the detection signal of the reflected light.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の非接触表
面粗さ計では、検出された透過光と反射光とに関する差
信号と和信号との比に基づいて段差を測定している。し
かしながら、差信号と和信号との比に基づく測定では、
段差の両側で光反射率が変化するような場合に対応する
ことができないという不都合があった。
In the above-mentioned conventional non-contact surface roughness meter, the step is measured based on the ratio of the difference signal and the sum signal regarding the detected transmitted light and reflected light. However, in a measurement based on the ratio of the difference signal and the sum signal,
There is an inconvenience that it is not possible to cope with the case where the light reflectance changes on both sides of the step.

【0004】さらに、上述の文献には、和信号が段差の
影響を受けない旨の記載がある。しかしながら、和信号
が段差の影響をあまり受けないのは、段差によって発生
する光の位相差がきわめて小さい場合のみである。すな
わち、上述の従来の非接触表面粗さ計では、段差が大き
くなるにつれて回折により和信号も変調され、その結果
測定精度が損なわれるという不都合があった。
Further, the above-mentioned document describes that the sum signal is not affected by the step. However, the sum signal is not significantly affected by the step only when the phase difference of the light generated by the step is extremely small. That is, in the above-described conventional non-contact surface roughness meter, the sum signal is modulated by diffraction as the step increases, and as a result, the measurement accuracy is impaired.

【0005】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、段差の両側で光反射率が変化していても任意
の段差を高精度に測定することのできる段差測定装置を
提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a step measuring apparatus capable of measuring an arbitrary step with high accuracy even if the light reflectance changes on both sides of the step. Is intended.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、光源と、光源からの光を被検物
体上に照明するための照明光学系と、被検物体の像を所
定の像面に結像するための対物レンズと、対物レンズと
光源との間に配設され光源からの光をその偏光成分によ
って2つの光に分割し、被検物体で反射された2つの光
を合成するための複屈折プリズムと、合成された2つの
光を特定の偏光成分に選択するための検光子と、像面に
配設され検光子を通過した光を受光する2次元イメージ
センサと、2次元イメージセンサから出力される信号に
基づいて被検物体の段差を定量的に測定するための測定
手段とを備えた段差測定装置であって、段差測定装置
は、被検物体が鏡面であるときに検光子に達する反射光
が円偏光になるように構成され、検光子は、アナライザ
角が所定角度の偏光ビームスプリッタを有し、2次元イ
メージセンサは偏光ビームスプリッタを透過した光を検
出するための第1の2次元イメージセンサと、偏光ビー
ムスプリッタで反射した光を検出するための第2の2次
元イメージセンサとを有し、測定手段は、段差に対する
第1の2次元イメージセンサの出力と第2の2次元イメ
ージセンサの出力との差と段差が2つの光に付与する位
相差との間において成立し且つ段差の両側での振幅反射
率変化に依存する関係に基づいて、段差を測定すること
を特徴とする段差測定装置を提供する。
In order to solve the above problems, in the present invention, a light source, an illumination optical system for illuminating light from the light source onto an object to be inspected, and an image of the object to be inspected are provided. An objective lens for forming an image on a predetermined image plane, and a light from the light source, which is arranged between the objective lens and the light source, is split into two lights by its polarization component, and the two lights reflected by the object to be inspected. A birefringent prism for combining light, an analyzer for selecting the combined two lights as a specific polarization component, and a two-dimensional image sensor arranged on the image plane for receiving light passing through the analyzer And a measuring means for quantitatively measuring a step of an object to be inspected on the basis of a signal output from a two-dimensional image sensor, wherein the step measuring device has a mirror surface of the object to be inspected. So that the reflected light reaching the analyzer becomes circularly polarized when The analyzer has a polarization beam splitter having an analyzer angle of a predetermined angle, and the two-dimensional image sensor includes a first two-dimensional image sensor for detecting light transmitted through the polarization beam splitter and a polarization beam splitter. A second two-dimensional image sensor for detecting the reflected light, and the measuring means includes a step and a difference between the output of the first two-dimensional image sensor and the output of the second two-dimensional image sensor with respect to the step. There is provided a step difference measuring device characterized in that the step difference is measured based on a relationship which is satisfied between a phase difference given to two lights and depends on a change in amplitude reflectance on both sides of the step difference.

【0007】本発明の好ましい態様によれば、偏光ビー
ムスプリッタのアナライザ角はnを奇数とした場合にn
π/4であり、測定手段は、段差が2つの光に付与する
位相差をΨとし、段差の一方の領域に対する第1の2次
元イメージセンサの出力と第2の2次元イメージセンサ
の出力との和をWaとし、段差の他方の領域に対する第
1の2次元イメージセンサの出力と第2の2次元イメー
ジセンサの出力との和をWbとし、第1の2次元イメー
ジセンサの出力と第2の2次元イメージセンサの出力と
の差をSとし、装置に依存する定数をDとしたとき、
According to a preferred aspect of the present invention, the analyzer angle of the polarization beam splitter is n when n is an odd number.
π / 4, and the measuring means sets the phase difference given to the two lights by the step to be Ψ, and outputs the output of the first two-dimensional image sensor and the output of the second two-dimensional image sensor to one region of the step. Is denoted by W a , the sum of the output of the first two-dimensional image sensor and the output of the second two-dimensional image sensor for the other area of the step is denoted by W b, and the output of the first two-dimensional image sensor is When the difference from the output of the second two-dimensional image sensor is S and the device-dependent constant is D,

【0008】[0008]

【数3】 (Equation 3)

【0009】の関係によって求まる位相差Ψに基づいて
段差を測定する。また、前記課題を解決するために、本
発明においては、光源と、光源からの光を被検物体上に
照明するための照明光学系と、被検物体の像を所定の像
面に結像するための対物レンズと、対物レンズと光源と
の間に配設され光源からの光をその偏光成分によって2
つの光に分割し、被検物体で反射された2つの光を合成
するための複屈折プリズムと、合成された2つの光を特
定の偏光成分に選択するための検光子と、像面に配設さ
れ検光子を通過した光を受光する2次元イメージセンサ
と、2次元イメージセンサから出力される信号に基づい
て被検物体の段差を定量的に測定するための測定手段と
を備えた段差測定装置であって、段差測定装置は、被検
物体が鏡面であるときに検光子に達する反射光が円偏光
になるように構成され、検光子はアナライザ角が可変で
あり、測定手段は、検光子のアナライザ角が2つの異な
る位置にある時の2次元イメージセンサの出力の差と段
差が2つの光に付与する位相差との間において成立し且
つ段差の両側での振幅反射率変化に依存する関係に基づ
いて、段差を測定することを特徴とする段差測定装置を
提供する。
The step is measured based on the phase difference Ψ obtained by the relationship of In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a light source, an illumination optical system for illuminating light from the light source onto an object to be inspected, and an image of the object to be inspected are formed on a predetermined image plane. And an objective lens for controlling the light from the light source, which is disposed between the objective lens and the light source.
A birefringent prism for splitting the light into two beams and combining the two lights reflected by the object to be inspected, an analyzer for selecting the two combined lights as a specific polarization component, and an array on the image plane. Step measurement provided with a two-dimensional image sensor that is installed and receives light that has passed through the analyzer, and a measuring unit that quantitatively measures the step of the object to be inspected based on a signal output from the two-dimensional image sensor. The step measuring device is configured so that the reflected light reaching the analyzer is circularly polarized when the object to be inspected is a mirror surface, the analyzer has a variable analyzer angle, and the measuring means is Established between the difference between the outputs of the two-dimensional image sensor when the photon analyzer angle is at two different positions and the phase difference given to the two lights, and depends on the change in amplitude reflectance on both sides of the step. Step difference based on the relationship Providing step measuring apparatus according to claim Rukoto.

【0010】本発明の好ましい態様によれば、検光子の
アナライザ角の2つの異なる位置は、n、mをそれぞれ
奇数とした場合に、nπ/4およびnπ/4+mπ/2
であり、測定手段は、段差が2つの光に付与する位相差
をΨとし、検光子のアナライザ角が2つの異なる位置の
うちの一方の状態における2次元イメージセンサの出力
と検光子のアナライザ角が2つの異なる位置のうちの他
方の状態における2次元イメージセンサの出力との和を
Wとし、段差の一方の領域において得られるWの値をW
aとし、段差の他方の領域において得られるWの値をWb
とし、検光子のアナライザ角が2つの異なる位置のうち
の一方の状態における2次元イメージセンサの出力と検
光子のアナライザ角が2つの異なる位置のうちの他方の
状態における2次元イメージセンサの出力との差をSと
し、装置に依存する定数をDとしたとき、
According to a preferred embodiment of the invention, the two different positions of the analyzer angle of the analyzer are nπ / 4 and nπ / 4 + mπ / 2, where n and m are odd numbers.
The measuring means sets the phase difference given to the two lights by the step difference to Ψ, and the analyzer angle of the analyzer and the analyzer angle of the two-dimensional image sensor in one of two different positions of the analyzer angle of the analyzer. Is the sum of the output of the two-dimensional image sensor in the other state of the two different positions, and the value of W obtained in one area of the step is W
a, and the value of W obtained in the other area of the step is W b
And the output of the two-dimensional image sensor in one of the two positions where the analyzer angle of the analyzer is different from the output of the two-dimensional image sensor in the other state of the analyzer angle of the analyzer being different. Where S is the difference between S and D is a device-dependent constant,

【0011】[0011]

【数4】 (Equation 4)

【0012】の関係によって求まる位相差Ψに基づいて
段差を測定する。
The step is measured based on the phase difference Ψ obtained by the relationship of

【0013】[0013]

【作用】上述のように、本発明の段差測定装置は、微分
干渉顕微鏡を応用した構成を有する。一般に、微分干渉
顕微鏡では、被検物体上に存在する幾何学的な段差に対
して、ほぼ微分像に等しいコントラストを与えることが
できる。しかしながら、被検物体上に存在する一般的な
段差は、単に表面の凹凸(幾何学的な段差)だけからな
るわけではない。たとえば、ガラス基板上に蒸着された
クロームのパターンを考えると、蒸着面の境界において
クローム膜厚に相当する幾何学的段差が存在するだけで
はなく、光の反射率も段差の両側において大きく変化し
ている。
As described above, the step measuring device of the present invention has a structure to which a differential interference microscope is applied. In general, a differential interference microscope can give a contrast almost equal to a differential image to a geometrical step existing on an object to be inspected. However, a general step existing on the object to be inspected does not simply consist of surface irregularities (geometric steps). For example, considering the pattern of chrome vapor-deposited on a glass substrate, not only is there a geometric step corresponding to the chrome film thickness at the boundary of the vapor deposition surface, but also the light reflectance changes greatly on both sides of the step. ing.

【0014】このように、一般の段差は、入射する光の
位相および振幅をともに変調するという性質を有する。
したがって、互いに異なる段差に対しては、位相および
振幅の変調される度合いも当然に異なってくる。しかし
ながら、本発明の発明者らは、種々の研究の結果、従来
の微分干渉顕微鏡の構成を用いて、いかなる段差に対し
ても高精度な測定が可能な本発明の段差測定装置に想到
した。
As described above, a general step has a property of modulating both the phase and the amplitude of incident light.
Therefore, for different steps, the degree of phase and amplitude modulation naturally differs. However, as a result of various studies, the inventors of the present invention have conceived a step measuring device of the present invention capable of highly accurate measurement of any step using the configuration of a conventional differential interference microscope.

【0015】以下、本発明の段差測定装置の作用を理論
的に説明する。なお、段差は基本的に1次元特性を有す
るため、以下の解析では光学系を含め全てを1次元的に
取り扱う。実際の光学系は2次元特性を有するが、後述
の各式に対して直交する座標系を導入するだけで2次元
化を容易に行うことができることはいうまでもない。被
検物体上に一次元座標xを設定し、原点x=0に段差が
存在するものとする。物体はx=0を除いて平坦であ
り、物体の複素振幅分布O(x)が式(1)で与えられ
るものとする。
The operation of the step measuring device of the present invention will be theoretically described below. In addition, since the step basically has a one-dimensional characteristic, everything including the optical system is treated one-dimensionally in the following analysis. Although an actual optical system has a two-dimensional characteristic, it is needless to say that two-dimensionalization can be easily performed by introducing a coordinate system orthogonal to each equation described later. It is assumed that a one-dimensional coordinate x is set on the object to be inspected and a step exists at the origin x = 0. The object is flat except for x = 0, and the complex amplitude distribution O (x) of the object is given by equation (1).

【0016】[0016]

【数5】 (Equation 5)

【0017】式(1)において、aおよびbは、それぞ
れx≦0の領域およびx>0の領域における物体の反射
率の平方根(すなわち振幅反射率)である。また、Ψは
段差によって生じる入射光の位相変化量である。次い
で、この段差位置における微分干渉像の強度Iを求め
る。段差位置すなわちx=0において、段差測定装置に
よって被検物体上に形成された2つの照明光は、段差を
挟んでその両側の対称な位置にある。それぞれの照明光
を構成する点像のうち照明光の中心の点像に注目する
と、この2つの点像は、段差を挟んでその両側の対称な
位置にある。すなわち2つの点像の中心間の距離を2δ
とすれば、第1の照明光の点像の中心は位置x=δにあ
り、第2の照明光の点像はx=−δにある。
In the equation (1), a and b are the square roots (ie, amplitude reflectance) of the reflectance of the object in the region of x≤0 and the region of x> 0, respectively. Further, Ψ is the phase change amount of the incident light caused by the step. Next, the intensity I of the differential interference image at this step position is obtained. At the step position, that is, at x = 0, the two illumination lights formed on the object to be inspected by the step measuring device are symmetrically located on both sides of the step. Focusing on the point image at the center of the illumination light among the point images forming the respective illumination light, the two point images are located at symmetrical positions on both sides of the step, with the step being interposed therebetween. That is, the distance between the centers of the two point images is 2δ
Then, the center of the point image of the first illumination light is at the position x = δ, and the point image of the second illumination light is at x = −δ.

【0018】まず、第1の照明光の点像について考え
る。物体上での点像の振幅分布をu(x)とすれば、第
1の照明光の点像の回折により、方向余弦α方向に回折
される光の複素振幅P1は次の式(2)で与えられる。
First, consider the point image of the first illumination light. If the amplitude distribution of the point image on the object is u (x), the complex amplitude P 1 of the light diffracted in the direction cosine α direction by the diffraction of the point image of the first illumination light is given by ) Is given.

【0019】[0019]

【数6】 (Equation 6)

【0020】同様に、第2の照明光の点像について、そ
の回折により方向余弦α方向に回折される複素振幅P2
は、次の式(3)で与えられる。
Similarly, for the point image of the second illumination light, the complex amplitude P 2 is diffracted in the direction cosine α direction by the diffraction.
Is given by the following equation (3).

【0021】[0021]

【数7】 (Equation 7)

【0022】光源から検光子直前までの間の光学系が第
1の照明光と第2の照明光に与える位相差(すなわち被
検物体として鏡面を用いたときに検光子直前における両
照明光の位相差)をθとし、検光子の方位角(アナライ
ザ角)をφとすると、検光子の透過光強度iTと反射光
強度iRは、次の式(4)および(5)でそれぞれ与え
られる。
The phase difference given to the first illumination light and the second illumination light by the optical system from the light source to immediately before the analyzer (that is, when the mirror surface is used as the object to be inspected, both illumination lights immediately before the analyzer are detected). When the phase difference) is θ and the azimuth angle (analyzer angle) of the analyzer is φ, the transmitted light intensity i T and reflected light intensity i R of the analyzer are given by the following equations (4) and (5), respectively. To be

【0023】[0023]

【数8】 (Equation 8)

【0024】[0024]

【数9】 (Equation 9)

【0025】実際には、レンズの開口数NAより小さい
方向余弦の回折光はすべて受光される。したがって、透
過光強度ITおよび反射光強度IRは、次の式(6)およ
び(7)でそれぞれ与えられる。
In practice, all diffracted light with a direction cosine smaller than the numerical aperture NA of the lens is received. Therefore, the transmitted light intensity I T and the reflected light intensity I R are given by the following equations (6) and (7), respectively.

【0026】[0026]

【数10】 (Equation 10)

【0027】[0027]

【数11】 [Equation 11]

【0028】したがって、透過光全強度ITと反射光全
強度IRとの差信号Sは、次の式(8)で与えられる。
Therefore, the difference signal S between the total intensity I T of transmitted light and the total intensity I R of reflected light is given by the following equation (8).

【0029】[0029]

【数12】 (Equation 12)

【0030】式(8)に式(1)〜式(7)を代入する
と、次の式(9)に示す関係が得られる。
By substituting the expressions (1) to (7) into the expression (8), the relationship shown in the following expression (9) is obtained.

【0031】[0031]

【数13】 (Equation 13)

【0032】本発明では、式(9)において位相差θ=
π/2と設定することにより、次の式(10)で示す関
係が成立する。
In the present invention, the phase difference θ =
By setting π / 2, the relationship shown in the following expression (10) is established.

【0033】[0033]

【数14】 [Equation 14]

【0034】なお、式(10)において、Cは、物体に
依存しない装置定数であり、次の式(11)で与えられ
る。
In the equation (10), C is a device constant that does not depend on the object, and is given by the following equation (11).

【0035】[0035]

【数15】 (Equation 15)

【0036】式(10)の右辺は、次の式(12)に示
すように、ベクトルの内積の形で表される。
The right side of the equation (10) is represented by the inner product of vectors as shown in the following equation (12).

【0037】[0037]

【数16】 (Equation 16)

【0038】したがって、段差位置における差信号S
は、アナライザ角φが式(13)を満たすときに最大と
なる。
Therefore, the difference signal S at the step position is
Becomes maximum when the analyzer angle φ satisfies the equation (13).

【0039】[0039]

【数17】 [Equation 17]

【0040】また、式(12)を参照すれば、式(1
3)を満たすφに±π/4を加えたアナライザ角におい
て、段差位置における差信号Sが最小(ゼロ)になるこ
とがわかる。以下、本発明において位相差θ=π/2と
設定する理由について説明する。まず、式(9)の右辺
において位相差θを含む部分cos(θ+Ψ)は、θ=
π/2と設定することにより、式(10)に示すように
sinΨとして差信号Sに含まれるようになる。こうし
て、微小段差に応じた微小な位相差Ψに対する差信号S
の感度は、位相差θ=π/2と設定することにより最も
良好になる。換言すれば、位相差θ=π/2と設定する
ことにより、微小段差に対するコントラストを大きくす
ることができる。
Further, referring to the equation (12), the equation (1
It can be seen that the difference signal S at the step position becomes minimum (zero) at the analyzer angle obtained by adding ± π / 4 to φ satisfying 3). Hereinafter, the reason for setting the phase difference θ = π / 2 in the present invention will be described. First, the part cos (θ + Ψ) including the phase difference θ on the right side of Expression (9) is θ =
By setting it as π / 2, it is included in the difference signal S as sin Ψ as shown in equation (10). Thus, the difference signal S with respect to the minute phase difference Ψ corresponding to the minute step
The sensitivity of 1 becomes the best by setting the phase difference θ = π / 2. In other words, by setting the phase difference θ = π / 2, the contrast with respect to the minute step can be increased.

【0041】次いで、位相差θ=π/2と設定すること
により、段差の両側のエッジに対するコントラストを同
時に最大(または最小)にする事ができる。段差部分の
振幅反射率をbとし、その両側の平坦部の振幅反射率を
aとすると、一方のエッジでは振幅反射率がaからbへ
変化するとともに段差による位相差が0からΨに変化す
る。また、他方のエッジでは、振幅反射率がbからaへ
変化するとともに段差による位相差がΨから0に変化す
る。
Next, by setting the phase difference θ = π / 2, it is possible to simultaneously maximize the contrast (or the minimum) for the edges on both sides of the step. Assuming that the amplitude reflectance of the step portion is b and the amplitude reflectance of the flat portions on both sides thereof is a, the amplitude reflectance changes from a to b and the phase difference due to the step changes from 0 to Ψ at one edge. . At the other edge, the amplitude reflectance changes from b to a and the phase difference due to the step changes from Ψ to 0.

【0042】すなわち、式(13)の右辺において、一
方のエッジと他方のエッジとでは、aとbが入れ代わる
とともに段差による位相差Ψの符号が逆になる。ところ
で、aとbとを入れ代えるとともに位相差Ψの符号を逆
にしても、式(13)の右辺の値は変化しない。これ
は、一方のエッジのコントラストを最大(または最小)
にするアナライザ角と他方のエッジのコントラストを最
大(または最小)にするアナライザ角とが等しいことを
意味している。換言すれば、位相差θ=π/2と設定す
ることにより、同一のアナライザ角で段差の両側のエッ
ジに対するコントラストを同時に最大(または最小)に
できる。
That is, on the right side of the equation (13), at one edge and the other edge, a and b are interchanged, and the sign of the phase difference Ψ due to the step is opposite. By the way, even if a and b are exchanged and the sign of the phase difference Ψ is reversed, the value on the right side of the equation (13) does not change. This gives the maximum (or minimum) contrast for one edge
It means that the analyzer angle which makes the contrast of the other edge equal to the analyzer angle which makes the contrast of the other edge maximum (or minimum). In other words, by setting the phase difference θ = π / 2, it is possible to simultaneously maximize (or minimize) the contrast for the edges on both sides of the step at the same analyzer angle.

【0043】仮に、位相差θ=π/2ではなくθ=0と
設定すると、段差位置における差信号Sは、アナライザ
角φがつぎの式(14)を満たすとき最大となる。
If the phase difference is set to θ = 0 instead of θ = π / 2, the difference signal S at the step position becomes maximum when the analyzer angle φ satisfies the following equation (14).

【0044】[0044]

【数18】 (Equation 18)

【0045】上述の式(14)において、aとbとを入
れ代えるとともに位相差Ψの符号を逆にすると、右辺の
値は変化してしまう。すなわち、本発明のように位相差
θ=π/2と設定しなければ、一方のエッジに対するコ
ントラストを最大(または最小)にしても、そのときの
アナライザ角に対して他方のエッジに対するコントラス
トは、最大(または最小)にならなくなってしまう。
In the above equation (14), if a and b are exchanged and the sign of the phase difference Ψ is reversed, the value on the right side will change. That is, unless the phase difference θ = π / 2 is set as in the present invention, even if the contrast for one edge is maximum (or minimum), the contrast for the other edge with respect to the analyzer angle at that time is: It will no longer be the maximum (or minimum).

【0046】本発明では、検光子の直前までに光学系が
2つの照明光に対応する光に加える位相差をπ/2に、
すなわち検光子に達する光が円偏光になるようにすると
ともに、検光子のアナライザ角φをπ/4に設定する。
こうして、段差位置における差信号Sは、次の式(1
5)で与えられる。
In the present invention, the phase difference applied to the light corresponding to the two illumination lights by the optical system immediately before the analyzer is π / 2,
That is, the light reaching the analyzer is circularly polarized, and the analyzer angle φ of the analyzer is set to π / 4.
Thus, the difference signal S at the step position is expressed by the following equation (1
5).

【0047】[0047]

【数19】 [Equation 19]

【0048】このように差信号Sの値を定量的に測定
(光量測定)することによって、位相差Ψを含む量を求
めることができる。なお、式(15)の右辺には、位相
差Ψ以外に段差の両側の振幅反射率aおよびbが含まれ
ている。振幅反射率aおよびbを求めるには、以下のよ
うに、段差から十分離れた位置における和信号W=IT
+IRを求めればよい。
By quantitatively measuring the value of the difference signal S (light amount measurement) in this way, the amount including the phase difference Ψ can be obtained. The right side of Expression (15) includes the amplitude reflectances a and b on both sides of the step in addition to the phase difference Ψ. To obtain the amplitude reflectances a and b, the sum signal W = I T at a position sufficiently distant from the step is obtained as follows.
Find + I R.

【0049】たとえば、段差位置x=0から十分離れた
x<0の位置では、以下の式(16)に示す関係がよい
近似で成り立つ。
For example, at a position where x <0, which is sufficiently distant from the step position x = 0, the relation expressed by the following equation (16) holds in good approximation.

【0050】[0050]

【数20】 (Equation 20)

【0051】式(16)を式(4)〜(7)に代入した
上でθ=π/2とすれば、段差位置x=0から十分離れ
たx<0の位置に対する和信号Waは、次の式(17)
で与えられる。
By substituting equation (16) into equations (4) to (7) and setting θ = π / 2, the sum signal W a for the position of x <0 sufficiently far from the step position x = 0 is obtained. , The following equation (17)
Given by

【0052】[0052]

【数21】 (Equation 21)

【0053】こうして、式(17)で与えられる和信号
aの平方根を計算することによって振幅反射率aを求
めることができる。すなわち、和信号Waに関する式
(17)および和信号Wbに関する式〔式(17)に対
応する式〕に示す関係を用いて、式(15)から振幅反
射率aおよびbを消去することができる。その結果、次
の式(18)で示す関係が得られる。
Thus, the amplitude reflectance a can be obtained by calculating the square root of the sum signal W a given by the equation (17). That is, the amplitude reflectances a and b are eliminated from the equation (15) using the relationship shown in the equation (17) regarding the sum signal W a and the equation regarding the sum signal W b [equation corresponding to the equation (17)]. You can As a result, the relationship shown in the following equation (18) is obtained.

【0054】[0054]

【数22】 (Equation 22)

【0055】ここで、式(18)の右辺には差信号S、
和信号Waおよび和信号Wbの他に装置に依存する装置定
数Dが含まれているが、この装置定数Dは計算可能な量
である。ただし、実用上は、段差および反射率が既知の
試料を用いてキャリブレーションを行うことにより、装
置定数Dを求めることができる。このように、差信号S
と位相差Ψとの間において振幅反射率変化に依存する関
係式である式(18)に基づいて、位相差Ψを求めるこ
とができる。そして、求めた位相差Ψに基づいて、段差
Δhを次の式(19)により求めることができる。
Here, the difference signal S,
In addition to the sum signal W a and the sum signal W b , a device-dependent device constant D is included, and this device constant D is a calculable quantity. However, in practice, the device constant D can be obtained by performing calibration using a sample with known steps and reflectance. Thus, the difference signal S
The phase difference Ψ can be calculated based on the equation (18) that is a relational expression that depends on the change in the amplitude reflectance between the phase difference Ψ and the phase difference Ψ. Then, based on the obtained phase difference Ψ, the step Δh can be obtained by the following equation (19).

【0056】[0056]

【数23】 (Equation 23)

【0057】ここで、λは使用する光の波長であり、n
は媒質の屈折率(空気ならば1)である。なお、段差の
両側において複素屈折率が異なる場合は、2つの対応す
る点像において光の位相飛び量の差が発生する。そこ
で、光の位相飛び量をあらかじめ測定し、式(18)に
したがって求めた位相差Ψの値をあらかじめ測定した位
相飛び量の差で補正する必要がある。ただし、光の位相
飛び量の差が誤差範囲に収まる程度であれば補正の必要
はない。
Where λ is the wavelength of the light used and n
Is the refractive index of the medium (1 for air). If the complex refractive index is different on both sides of the step, a difference in the amount of phase jump of light occurs between the two corresponding point images. Therefore, it is necessary to measure the amount of phase jump of light in advance and correct the value of the phase difference Ψ obtained according to the equation (18) with the difference in the amount of phase jump measured in advance. However, if the difference in the amount of phase jump of light is within the error range, no correction is necessary.

【0058】[0058]

【実施例】以下、実施例により本発明をより具体的に説
明するが、本発明はこれに限るものではない。図1は、
本発明の第1実施例にかかる段差測定装置の構成を概略
的に示す図である。尚、図1では説明を容易にするため
に、光源1を点光源として図示しているが、実際はタン
グステンランプ等の有限な大きさを持つ光源である。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto. FIG.
It is a figure which shows roughly the structure of the level | step difference measuring apparatus concerning 1st Example of this invention. Although the light source 1 is shown as a point light source in FIG. 1 for the sake of simplicity, it is actually a light source having a finite size, such as a tungsten lamp.

【0059】光源1を射出した光は、コリメートレンズ
2を透過して平行光となり、干渉フィルター3を透過し
て波長が選択される。第1実施例では、波長は550n
mに選択された。干渉フィルター3を透過した光は偏光
板4で直線偏光になりハーフミラー5に入射する。この
時の偏光方向は紙面に対して平行である。ハーフミラー
5で図中下方に反射された光はノマルスキープリズム6
に入射する。ノマルスキープリズム6は、入射光の偏光
方向に対して45゜で交差する光学軸を有し、入射光を
偏光成分によって2つの光に分割するための複屈折プリ
ズムである。尚、ノマルスキープリズムの代わりにウォ
ラストンプリズム等を用いてもよい。
The light emitted from the light source 1 passes through the collimator lens 2 to become parallel light, and passes through the interference filter 3 to select the wavelength. In the first embodiment, the wavelength is 550n
Selected for m. The light transmitted through the interference filter 3 becomes linearly polarized light at the polarizing plate 4 and enters the half mirror 5. The polarization direction at this time is parallel to the paper surface. The light reflected downward in the figure by the half mirror 5 is the Nomarski prism 6
Incident on. The Nomarski prism 6 is a birefringent prism that has an optical axis that intersects the polarization direction of the incident light at 45 ° and splits the incident light into two lights by the polarization component. A Wollaston prism or the like may be used instead of the Nomarski prism.

【0060】ノマルスキープリズム6を介して2つに分
割された光は、対物レンズ7を介して集光され、ステー
ジ9上に載置された被検物体8上に2つの照明光を形成
する。このように、ノマルスキープリズム6の作用によ
って、被検物体8上には2つの照明光が、それぞれの中
心の間隔を僅かに隔てて形成される。
The light split into two through the Nomarski prism 6 is condensed through the objective lens 7 and forms two illumination lights on the object 8 to be inspected mounted on the stage 9. As described above, by the action of the Nomarski prism 6, two illumination lights are formed on the object to be inspected 8 with the centers thereof being slightly spaced apart.

【0061】2つの照明光に対する被検物体8からの2
つの反射光は再び対物レンズ7を通過した後、ノマルス
キープリズム6を介して合成される。ここで、ノマルス
キープリズム6は、2つの照明光に対して往復でπの整
数倍の位相差を加えるように、光軸に対する挿入位置が
規定されている。したがって、被検物体8が平坦で反射
率の変化がない表面、すなわち鏡面である場合、ノマル
スキープリズム6を介した2つの反射光の位相差はπの
整数倍になる。換言すれば、2つの照明光に対する被検
物体8からの2つの反射光は、ノマルスキープリズム6
を介して図1の紙面に平行または垂直な偏光を有する直
線偏光に合成される。
2 from the object 8 to be inspected for two illumination lights
After passing through the objective lens 7 again, the two reflected lights are combined via the Nomarski prism 6. Here, the Nomarski prism 6 has its insertion position defined with respect to the optical axis so as to add a phase difference of an integral multiple of π to and from the two illumination lights. Therefore, when the object 8 to be inspected is a flat surface with no change in reflectance, that is, a mirror surface, the phase difference between the two reflected lights that have passed through the Nomarski prism 6 is an integral multiple of π. In other words, the two reflected lights from the object 8 to be inspected for the two illumination lights are the Nomarski prism 6
Is combined into linearly polarized light having polarized light parallel or perpendicular to the paper surface of FIG.

【0062】ノマルスキープリズム6を介した合成光
は、ハーフミラー5に入射する。ハーフミラー5を透過
した合成光は1/4波長板10に入射する。1/4波長
板10は、被検物体8が鏡面である場合に1/4波長板
10に入射する合成直線偏光の直線偏光方向に対して方
位角π/4で位置決めされている。したがって、被検物
体8が鏡面である場合、1/4波長板10を介した合成
光は、円偏光となって検光子である偏光ビームスプリッ
タ11に入射する。
The combined light that has passed through the Nomarski prism 6 enters the half mirror 5. The combined light transmitted through the half mirror 5 enters the quarter wave plate 10. The quarter-wave plate 10 is positioned at an azimuth angle π / 4 with respect to the linear polarization direction of the combined linearly polarized light that enters the quarter-wave plate 10 when the object 8 to be inspected is a mirror surface. Therefore, when the object 8 to be inspected is a mirror surface, the combined light that has passed through the quarter-wave plate 10 becomes circularly polarized light and enters the polarization beam splitter 11 that is an analyzer.

【0063】偏光ビームスプリッタ11は、アナライザ
角φがπ/4になるように位置決めされており、入射し
た光を透過光と反射光とに分離する。偏光ビームスプリ
ッタ11を透過した光は、レンズ12で2次元イメージ
センサ13に結像し、光電変換される。一方偏光ビーム
スプリッタで反射した光はレンズ14で2次元イメージ
センサ15に結像し、光電変換される。2次元イメージ
センサ13と2次元イメージセンサ15は、同じ画素構
成であり対応する画素は、被検物体8上の同一の場所か
らの反射光を受光するようにアライメントされている。
The polarization beam splitter 11 is positioned so that the analyzer angle φ is π / 4, and splits the incident light into transmitted light and reflected light. The light transmitted through the polarization beam splitter 11 is imaged on the two-dimensional image sensor 13 by the lens 12 and photoelectrically converted. On the other hand, the light reflected by the polarization beam splitter is imaged on the two-dimensional image sensor 15 by the lens 14 and photoelectrically converted. The two-dimensional image sensor 13 and the two-dimensional image sensor 15 have the same pixel configuration, and the corresponding pixels are aligned so as to receive the reflected light from the same place on the object 8 to be inspected.

【0064】尚、2次元イメージセンサは、例えば、C
CD等のイメージセンサを用いる。2次元イメージセン
サ13および2次元イメージセンサ15で光電変換され
た電気信号は、2次元減算器16と2次元加算機17に
供給される。2次元減算器16では、2次元イメージセ
ンサ13からの信号と2次元イメージセンサ15からの
信号とに基づいて差信号Sを各画素毎に求め、2次元加
算機17では、2次元イメージセンサ13からの信号と
2次元イメージセンサ15からの信号とに基づいて和信
号Wを各画素毎に求める。2次元減算器16で求められ
た差信号Sと2次元加算機17で求められた和信号W
は、演算装置18に供給される。
The two-dimensional image sensor is, for example, C
An image sensor such as a CD is used. The electric signals photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 13 and the two-dimensional image sensor 15 are supplied to the two-dimensional subtractor 16 and the two-dimensional adder 17. In the two-dimensional subtractor 16, the difference signal S is obtained for each pixel based on the signal from the two-dimensional image sensor 13 and the signal from the two-dimensional image sensor 15, and the two-dimensional adder 17 uses the two-dimensional image sensor 13 The sum signal W is obtained for each pixel based on the signal from the two-dimensional image sensor 15 and the signal from the two-dimensional image sensor 15. The difference signal S obtained by the two-dimensional subtractor 16 and the sum signal W obtained by the two-dimensional adder 17
Is supplied to the arithmetic unit 18.

【0065】演算装置18は、すでに本発明の作用で説
明したように、差信号Sと和信号Wとに基づいて段差を
算出する。演算装置18で算出された段差データは、差
信号Sと和信号Wとともに像形成装置19に供給され
る。像形成装置19は、選択装置20からの指示にした
がって差信号Sまたは和信号Wに基づく画像データを段
差の測定値とともに表示装置21に供給する。すなわ
ち、像形成装置19は、選択装置20が差信号Sを選択
した場合には微分干渉像を供給し、選択装置20が和信
号Wを選択した場合には明視野像を供給する。
The arithmetic unit 18 calculates the step based on the difference signal S and the sum signal W, as already described in the operation of the present invention. The step difference data calculated by the arithmetic unit 18 is supplied to the image forming apparatus 19 together with the difference signal S and the sum signal W. The image forming device 19 supplies the image data based on the difference signal S or the sum signal W to the display device 21 together with the measured value of the step according to the instruction from the selection device 20. That is, the image forming device 19 supplies the differential interference image when the selecting device 20 selects the difference signal S, and supplies the bright field image when the selecting device 20 selects the sum signal W.

【0066】こうして、表示装置21には、段差の測定
値とともに選択装置20の切換に応じて微分干渉像また
は明視野像が表示される。この場合、微分干渉像または
明視野像には、差信号Sおよび和信号Wのプロファィル
が重ねて表示される。図2(a)および(b)は、差信
号Sおよび和信号Wの典型的なプロファイルを示す図で
ある。図2において、横軸は被検物体8上における2つ
の照明光の位置ズレの方向に沿った位置(原点は段差位
置)を示し、縦軸は各位置での信号強度を示している。
In this way, the display device 21 displays the differential interference image or the bright field image according to the switching of the selection device 20 together with the measured value of the step. In this case, the profile of the difference signal S and the profile of the sum signal W are superimposed and displayed on the differential interference image or the bright field image. 2A and 2B are diagrams showing typical profiles of the difference signal S and the sum signal W. As shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents the position along the direction of the positional deviation of the two illumination lights on the object 8 to be inspected (the origin is the step position), and the vertical axis represents the signal intensity at each position.

【0067】段差の具体的な算出手段では、図2(a)
の差信号と図2(b)の和信号WaおよびWbとに基づい
て式(18)から位相差Ψを求める。尚、位相差Ψを求
めるのに際して、反射率が既知の物体を用いてキャリブ
レーションを行い、式(18)の装置定数Dを求めるこ
とはすでに本発明の作用で説明した通りである。また、
段差の像が2次元イメージセンサ13および2次元イメ
ージセンサ15のある画素にあるとき、和信号Waおよ
びWbはその画素の前後または左右の画素の出力を用い
る。尚、その時に選択される前後または左右の画素は、
2次元イメージセンサの解像度や被検物体等によって適
当な画素が選択される。
A concrete step of calculating the step is shown in FIG.
2 and the sum signals W a and W b in FIG. 2B , the phase difference Ψ is obtained from the equation (18). Incidentally, when the phase difference Ψ is obtained, calibration is performed using an object whose reflectance is known, and the device constant D of the equation (18) is obtained as already described in the operation of the present invention. Also,
When the image of the step is in a certain pixel of the two-dimensional image sensor 13 and the two-dimensional image sensor 15, the sum signal W a and W b are used the output of the front and rear or right and left pixels of the pixel. In addition, the front and back or left and right pixels selected at that time are
Appropriate pixels are selected depending on the resolution of the two-dimensional image sensor and the object to be inspected.

【0068】こうして、求めた位相差Ψを式(19)に
代入して段差Δhを算出することができる。したがっ
て、本発明では、段差の両側で光反射率が変化していて
も、任意の段差を高精度に測定することができる。上述
の実施例では、鏡面を観察したときに直線偏光の照明光
が1/4波長板10に入射するように構成している。し
かしながら、1/4波長板10の直前において照明光が
すでに円偏光となるように、ノマルスキープリズム5の
光軸に対する挿入位置などを規定して光学系を調整すれ
ば、1/4波長板10を省略することができる。
Thus, the phase difference Δh can be calculated by substituting the obtained phase difference Ψ into the equation (19). Therefore, in the present invention, even if the light reflectance changes on both sides of the step, it is possible to measure any step with high accuracy. In the embodiment described above, the linearly polarized illumination light enters the quarter-wave plate 10 when the mirror surface is observed. However, if the optical system is adjusted by defining the insertion position of the Nomarski prism 5 with respect to the optical axis so that the illumination light is already circularly polarized immediately before the quarter-wave plate 10, the quarter-wave plate 10 is obtained. It can be omitted.

【0069】図3は、本発明の第2実施例にかかる段差
測定装置の構成を概略的に示す図である。尚、光源及び
照明光学系等は第1実施例と同様なものを用いた光源2
2はタングステンランプであって射出した光は、コリメ
ートレンズ23を透過して平行光となり、干渉フィルタ
ー24を透過して波長が選択される。本実施例では、波
長は550nmに選択された。干渉フィルター24を透
過した光は偏光板25で直線偏光になりハーフミラー2
6に入射する。この時の偏光方向は紙面に対して平行で
ある。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of a step measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. A light source 2 using the same light source and illumination optical system as those of the first embodiment
Reference numeral 2 denotes a tungsten lamp, and the emitted light passes through the collimator lens 23 to become parallel light, and passes through the interference filter 24 to select the wavelength. In this example, the wavelength was chosen to be 550 nm. The light transmitted through the interference filter 24 becomes a linearly polarized light at the polarizing plate 25, and the half mirror 2
It is incident on 6. The polarization direction at this time is parallel to the paper surface.

【0070】ハーフミラー26で図中下方に反射された
光はノマルスキープリズム27に入射する。ノマルスキ
ープリズム27は、入射光の偏光方向に対して45゜で
交差する光学軸を有し、入射光を偏光成分によって2つ
の光に分割するための複屈折プリズムである。ノマルス
キープリズム27を介して2つに分割された光は、対物
レンズ28を介して集光され、ステージ30上に載置さ
れた被検物体29上に2つの照明光を形成する。
The light reflected downward in the figure by the half mirror 26 enters a Nomarski prism 27. The Nomarski prism 27 is a birefringent prism that has an optical axis that intersects the polarization direction of the incident light at 45 ° and splits the incident light into two lights by a polarization component. The light split into two via the Nomarski prism 27 is condensed via an objective lens 28 to form two illumination lights on a test object 29 placed on a stage 30.

【0071】このように、ノマルスキープリズム27の
作用によって、被検物体29上には2つの照明光がそれ
ぞれの中心の間隔を僅かに隔てて形成される。2つの照
明光に対する被検物体29からの2つの反射光は再び対
物レンズ28を通過した後、ノマルスキープリズム27
を介して合成される。ここで、ノマルスキープリズム2
7は、2つの照明光に対して往復でπの整数倍の位相差
を加えるように、光軸に対する挿入位置が規定されてい
る。したがって、被検物体29が平坦で段差のない表
面、すなわち鏡面である場合、ノマルスキープリズム2
7を介した2つの反射光の位相差はπの整数倍になる。
換言すれば、2つの照明光に対する被検物体29からの
2つの反射光は、ノマルスキープリズム27を介して図
3の紙面に平行または垂直な偏光を有する直線偏光に合
成される。
As described above, due to the action of the Nomarski prism 27, the two illumination lights are formed on the object 29 to be inspected with a slight distance between the centers of the two illumination lights. The two reflected lights from the object 29 to be inspected for the two illumination lights pass through the objective lens 28 again, and then the Nomarski prism 27.
Is synthesized via. Here, Nomarski prism 2
In No. 7, the insertion position with respect to the optical axis is defined so as to add a phase difference of an integral multiple of π to and from the two illumination lights. Therefore, when the object 29 to be inspected is a flat surface without steps, that is, a mirror surface, the Nomarski prism 2
The phase difference between the two reflected lights passing through 7 becomes an integral multiple of π.
In other words, the two reflected lights from the test object 29 with respect to the two illumination lights are combined via the Nomarski prism 27 into linearly polarized light having polarized light parallel or perpendicular to the paper surface of FIG.

【0072】ノマルスキープリズム27を介した合成光
は、ハーフミラー26に入射する。ハーフミラー26を
透過した合成光は1/4波長板31に入射する。1/4
波長板31は、被検物体29が鏡面である場合に1/4
波長板31に入射する合成直線偏光の直線偏光方向に対
して方位角π/4で位置決めされている。したがって被
検物体29が鏡面である場合、1/4波長板31を介し
た合成光は、円偏光となってアナライザ32に入射す
る。アナライザ32は、光軸を中心に回転可能な偏光板
と、モータドライバ33から出力されるアナライザ角の
信号に基づいて偏光板を回転させるモータと、から構成
されている。モータドライバ33は、アナライザ32の
アナライザ角を電気信号として像形成装置34に供給す
る。
The combined light that has passed through the Nomarski prism 27 enters the half mirror 26. The combined light transmitted through the half mirror 26 enters the quarter-wave plate 31. 1/4
The wave plate 31 is 1/4 when the object 29 to be inspected is a mirror surface.
It is positioned at an azimuth angle π / 4 with respect to the linearly polarized direction of the combined linearly polarized light that enters the wave plate 31. Therefore, when the object 29 to be inspected is a mirror surface, the combined light that has passed through the quarter-wave plate 31 becomes circularly polarized light and enters the analyzer 32. The analyzer 32 includes a polarizing plate that is rotatable about the optical axis and a motor that rotates the polarizing plate based on the analyzer angle signal output from the motor driver 33. The motor driver 33 supplies the analyzer angle of the analyzer 32 to the image forming device 34 as an electric signal.

【0073】アナライザ32を透過した光は、レンズ3
5で2次元イメージセンサ36に結像し、光電変換され
る。2次元イメージセンサ36で光電変換された信号
は、像形成装置34に供給される。像形成装置34は、
モータドライバ33からのアナライザ角の信号をもと
に、アナライザ角がπ/4(これをφ1とする)の時に
2次元イメージセンサ36で光電変換された電気信号を
取り込み画像蓄積装置37に蓄積する。次いでアナライ
ザ角がφ1+mπ/2(mは奇数)となったときに再び
2次元イメージセンサ36で光電変換された電気信号を
取り込み、画素毎に画像蓄積装置37に蓄積されたアナ
ライザ角がφ1の時の画像との差信号Sおよび和信号W
を計算する。
The light transmitted through the analyzer 32 is reflected by the lens 3
At 5, the image is formed on the two-dimensional image sensor 36 and photoelectrically converted. The signal photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 36 is supplied to the image forming apparatus 34. The image forming device 34
Based on the signal of the analyzer angle from the motor driver 33, the electrical signal photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 36 when the analyzer angle is π / 4 (this is φ1) is captured and stored in the image storage device 37. . Next, when the analyzer angle becomes φ1 + mπ / 2 (m is an odd number), the electric signal photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 36 is again taken in, and when the analyzer angle accumulated in the image accumulating device 37 for each pixel is φ1. Difference signal S and sum signal W from the image of
Is calculated.

【0074】さらに像形成装置34は、選択装置38か
らの指示にしたがって差信号Sまたは和信号Wに基づく
画像データを段差の測定値とともに表示装置39に供給
する。すなわち、像形成装置34は、選択装置38が差
信号Sを選択した場合には微分干渉像を供給し、選択装
置38が和信号Wを選択した場合には明視野像を供給す
る。
Further, the image forming device 34 supplies the image data based on the difference signal S or the sum signal W to the display device 39 together with the measured value of the step according to the instruction from the selection device 38. That is, the image forming device 34 supplies the differential interference image when the selecting device 38 selects the difference signal S, and supplies the bright field image when the selecting device 38 selects the sum signal W.

【0075】こうして、表示装置39には、段差の測定
値とともに選択装置38の切換に応じて微分干渉像また
は明視野像が表示される。この場合、微分干渉像または
明視野像には、差信号Sおよび和信号Wのプロファィル
が重ねて表示される。以下、上述した本発明にかかる第
1実施例と同様にして、段差Δhを算出することができ
る。
Thus, the display device 39 displays the differential interference image or the bright field image in accordance with the switching of the selection device 38 together with the measured value of the step. In this case, the profile of the difference signal S and the profile of the sum signal W are superimposed and displayed on the differential interference image or the bright field image. Hereinafter, the step Δh can be calculated in the same manner as in the above-described first embodiment of the present invention.

【0076】図4は、本発明の第3実施例にかかる段差
測定装置の構成を概略的に示す図である。本実施例に示
した段差測定装置の構成は、大部分が図3に示した第2
実施例の段差測定装置と同じである。したがって、第2
実施例と同一の構成要素については同じ符号を付して説
明を省略し、ここでは第2実施例と異なる点についてみ
述べる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of a step measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. Most of the configuration of the step measuring device shown in this embodiment is the second one shown in FIG.
This is the same as the step measuring device of the embodiment. Therefore, the second
The same components as those in the embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. Here, only the difference from the second embodiment will be described.

【0077】本実施例では、アナライザとして、第2実
施例におけるモーターによって回転する偏光板の代わり
に液晶偏光装置40を用いている。液晶偏光装置40
は、ドライブ装置41から印可される電圧を任意に変化
させることによって、偏光方向を任意に変えることが可
能な偏光板、すなわち、アナライザ角が任意に設定可能
なアナライザとして働く。ドライブ装置41はアナライ
ザ角を電気信号として像形成装置34に供給する。
In this embodiment, a liquid crystal polarization device 40 is used as the analyzer in place of the polarizing plate rotated by the motor in the second embodiment. Liquid crystal polarization device 40
Operates as a polarizing plate whose polarization direction can be arbitrarily changed by arbitrarily changing the voltage applied from the drive device 41, that is, an analyzer whose analyzer angle can be arbitrarily set. The drive device 41 supplies the analyzer angle as an electric signal to the image forming device 34.

【0078】液晶偏光装置40を透過した光は、レンズ
35で2次元イメージセンサ36に結像し、光電変換さ
れる。2次元イメージセンサ36で光電変換された信号
は、像形成装置34に供給される。像形成装置34は、
ドライブ装置41からのアナライザ角の信号をもとに、
アナライザ角がπ/4(これをφ1とする)の時に2次
元イメージセンサ36で光電変換された電気信号を取り
込み画像蓄積装置37に蓄積する。次いでアナライザ角
がφ1+mπ/2(mは奇数)となったときに再び2次
元イメージセンサ36で光電変換された電気信号を取り
込み、画素毎に画像蓄積装置37に蓄積されたアナライ
ザ角がφ1の時の画像との差信号Sおよび和信号Wを計
算する。
The light transmitted through the liquid crystal polarization device 40 is imaged on the two-dimensional image sensor 36 by the lens 35 and photoelectrically converted. The signal photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 36 is supplied to the image forming apparatus 34. The image forming device 34
Based on the analyzer angle signal from the drive device 41,
When the analyzer angle is π / 4 (this is φ1), the electric signal photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 36 is captured and stored in the image storage device 37. Next, when the analyzer angle becomes φ1 + mπ / 2 (m is an odd number), the electric signal photoelectrically converted by the two-dimensional image sensor 36 is again taken in, and when the analyzer angle accumulated in the image accumulating device 37 for each pixel is φ1. The difference signal S from the image and the sum signal W are calculated.

【0079】以下、上述した本発明にかかる第2の実施
例と同様にして、段差Δhを算出することができる。
尚、上述の各実施例ではアナライザ各や1/4波長板の
方位角等の表示は代表的なもののみを示したが、これら
の角度は角度の持つ周期性から等価な角度となる全ての
角度を含んでいることは言うまでもない。
Hereinafter, the step Δh can be calculated in the same manner as in the second embodiment according to the present invention described above.
Incidentally, in each of the above-mentioned embodiments, the display of each azimuth angle of each analyzer and the quarter wave plate is shown only as a representative one, but these angles are all equivalent angles due to the periodicity of the angles. It goes without saying that the angle is included.

【0080】[0080]

【効果】以上説明したように、本発明によれば、段差の
両側で光反射率が変化していても、任意の段差を高精度
に測定することのできる段差測定装置を実現することが
できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a step measuring device capable of measuring an arbitrary step with high accuracy even if the light reflectance changes on both sides of the step. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例にかかる段差測定装置の構
成を概略的に示す図である。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a step measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】差信号Sおよび和信号Wの典型的なプロファィ
ルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a typical profile of a difference signal S and a sum signal W.

【図3】本発明の第2実施例にかかる段差測定装置の構
成を概略的に示す図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of a step measuring device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3実施例にかかる段差測定装置の構
成を概略的に示す図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a step measuring device according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、22・・・光源 7、28・・・対物レンズ 6、27・・・ノマルスキープリズム 8、29・・・被検物体 10・・・1/4波長板 31・・・1/2波長板 11・・・偏光ビームスプリッタ 13、15、36・・・2次元イメージセンサ 19、34・・・像形成装置 33・・・モータドライバ 40・・・液晶偏光装置 21、39・・・表示装置 1, 22 ... Light source 7, 28 ... Objective lens 6, 27 ... Nomarski prism 8, 29 ... Inspected object 10 ... Quarter wave plate 31 ... 1/2 wave plate 11 ... Polarizing beam splitter 13, 15, 36 ... Two-dimensional image sensor 19, 34 ... Image forming device 33 ... Motor driver 40 ... Liquid crystal polarizing device 21, 39 ... Display device

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光源と、該光源からの光を被検物体上に
照明するための照明光学系と、被検物体の像を所定の像
面に結像するための対物レンズと、前記対物レンズと前
記光源との間に配設され前記光源からの光をその偏光成
分によって2つの光に分割し、前記被検物体で反射され
た前記2つの光を合成するための複屈折プリズムと、前
記合成された2つの光を特定の偏光成分に選択するため
の検光子と、前記像面に配設され前記検光子を通過した
光を受光する2次元イメージセンサと、前記2次元イメ
ージセンサから出力される信号に基づいて前記被検物体
の段差を定量的に測定するための測定手段とを備えた段
差測定装置であって、 前記段差測定装置は、前記被検物体が鏡面であるときに
前記検光子に達する反射光が円偏光になるように構成さ
れ、 前記検光子は、アナライザ角が所定角度の偏光ビームス
プリッタを有し、 前記2次元イメージセンサは前記偏光ビームスプリッタ
を透過した光を検出するための第1の2次元イメージセ
ンサと、前記偏光ビームスプリッタで反射した光を検出
するための第2の2次元イメージセンサとを有し、 前記測定手段は、前記段差に対する前記第1の2次元イ
メージセンサの出力と前記第2の2次元イメージセンサ
の出力との差と前記段差が前記2つの光に付与する位相
差との間において成立し且つ前記段差の両側での振幅反
射率変化に依存する関係に基づいて、前記段差を測定す
ることを特徴とする段差測定装置。
1. A light source, an illumination optical system for illuminating light from the light source onto an object to be inspected, an objective lens for forming an image of the object to be inspected on a predetermined image plane, and the objective. A birefringent prism that is arranged between the lens and the light source, divides the light from the light source into two lights by its polarization component, and combines the two lights reflected by the object to be inspected; From the two-dimensional image sensor, an analyzer for selecting the combined two lights as specific polarization components, a two-dimensional image sensor disposed on the image plane for receiving light passing through the analyzer, A step measuring device having a measuring means for quantitatively measuring the step of the object to be inspected based on the output signal, wherein the step measuring device is provided when the object to be inspected is a mirror surface. It is designed so that the reflected light reaching the analyzer is circularly polarized. The analyzer has a polarization beam splitter having an analyzer angle of a predetermined angle, the two-dimensional image sensor includes a first two-dimensional image sensor for detecting light transmitted through the polarization beam splitter, and the polarization beam splitter. A second two-dimensional image sensor for detecting the light reflected by the beam splitter, and the measuring means outputs the output of the first two-dimensional image sensor with respect to the step and the second two-dimensional image sensor. Between the output of the step and the phase difference that the step imparts to the two lights, and the step is measured based on the relationship that depends on the change in the amplitude reflectance on both sides of the step. A characteristic step measuring device.
【請求項2】 前記光源は該光源から出射する光を特定
の波長の光に選択する波長選択手段を有することを特徴
とする請求項1に記載の段差測定装置。
2. The step measuring apparatus according to claim 1, wherein the light source has a wavelength selection unit that selects light emitted from the light source as light having a specific wavelength.
【請求項3】 前記光源は該光源から出射する光を特定
の偏光の光に選択する偏光選択手段を有することを特徴
とする請求項1または2に記載の段差測定装置。
3. The level difference measuring device according to claim 1, wherein the light source has a polarization selecting unit that selects light emitted from the light source as light of a specific polarization.
【請求項4】 前記複屈折プリズムは、前記被検物体が
鏡面であるときに、分割した2つの光に対して往復でπ
の整数倍の位相差を付与するように位置決めされ、か
つ、前記被検物体で反射した前記2つの光を合成して直
線偏光を生成し、 前記偏光ビームスプリッタの入射側には、前記複屈折プ
リズムを介して合成された直線偏光を円偏光に変換する
ための1/4波長板が設けられていることを特徴とする
請求項3に記載の段差測定装置。
4. The birefringent prism reciprocates π with respect to two split light when the object to be inspected is a mirror surface.
Is positioned so as to give a phase difference of an integer multiple of, and linearly polarized light is generated by combining the two lights reflected by the object to be measured, and the birefringence is provided on the incident side of the polarization beam splitter. The step measuring device according to claim 3, further comprising a quarter-wave plate for converting linearly polarized light combined through a prism into circularly polarized light.
【請求項5】 前記被検物体が鏡面であるときに、前記
偏光ビームスプリッタに達する前記合成された2つの光
が円偏光となるように前記複屈折プリズムの光軸に対す
る挿入位置が規定されていることを特徴とする請求項3
に記載の段差測定装置。
5. The insertion position of the birefringent prism with respect to the optical axis is defined so that the combined two lights reaching the polarization beam splitter are circularly polarized when the object to be inspected is a mirror surface. Claim 3 characterized in that
4. The step measuring device according to 4.
【請求項6】 前記偏光ビームスプリッタのアナライザ
角はnを奇数とした場合にnπ/4であり、 前記測定手段は、前記段差が前記2つの光に付与する位
相差をΨとし、前記段差の一方の領域に対する前記第1
の2次元イメージセンサの出力と前記第2の2次元イメ
ージセンサの出力との和をWaとし、前記段差の他方の
領域に対する前記第1の2次元イメージセンサの出力と
前記第2の2次元イメージセンサの出力との和をWb
し、前記第1の2次元イメージセンサの出力と前記第2
の2次元イメージセンサの出力との差をSとし、装置に
依存する定数をDとしたとき、 【数1】 の関係によって求まる位相差Ψに基づいて前記段差を測
定することを特徴とする請求項1、2、3、4または5
に記載の段差測定装置。
6. The analyzer angle of the polarization beam splitter is nπ / 4 when n is an odd number, and the measuring means sets the phase difference given to the two lights by the step difference to Ψ, The first for one area
The sum of the output of the two-dimensional image sensor and the output of the second two-dimensional image sensor is W a, and the output of the first two-dimensional image sensor and the second two-dimensional for the other area of the step The sum of the output of the image sensor is W b , and the output of the first two-dimensional image sensor and the second
Where S is the difference from the output of the two-dimensional image sensor and D is a device-dependent constant, 6. The step is measured based on the phase difference Ψ obtained by the relationship of.
4. The step measuring device according to 4.
【請求項7】 光源と、該光源からの光を被検物体上に
照明するための照明光学系と、被検物体の像を所定の像
面に結像するための対物レンズと、前記対物レンズと前
記光源との間に配設され前記光源からの光をその偏光成
分によって2つの光に分割し、前記被検物体で反射され
た前記2つの光を合成するための複屈折プリズムと、前
記合成された2つの光を特定の偏光成分に選択するため
の検光子と、前記像面に配設され前記検光子を通過した
光を受光する2次元イメージセンサと、前記2次元イメ
ージセンサから出力される信号に基づいて前記被検物体
の段差を定量的に測定するための測定手段とを備えた段
差測定装置であって、 前記段差測定装置は、前記被検物体が鏡面であるときに
前記検光子に達する反射光が円偏光になるように構成さ
れ、 前記検光子はアナライザ角が可変であり、 前記測定手段は、前記検光子のアナライザ角が2つの異
なる位置にある時の前記2次元イメージセンサの出力の
差と前記段差が前記2つの光に付与する位相差との間に
おいて成立し且つ前記段差の両側での振幅反射率変化に
依存する関係に基づいて、前記段差を測定することを特
徴とする段差測定装置。
7. A light source, an illumination optical system for illuminating light from the light source onto an object to be inspected, an objective lens for forming an image of the object to be inspected on a predetermined image plane, and the objective. A birefringent prism that is arranged between the lens and the light source, divides the light from the light source into two lights by its polarization component, and combines the two lights reflected by the object to be inspected; From the two-dimensional image sensor, an analyzer for selecting the combined two lights as specific polarization components, a two-dimensional image sensor disposed on the image plane for receiving light passing through the analyzer A step measuring device comprising a measuring means for quantitatively measuring the step of the object to be inspected based on the output signal, wherein the step measuring device is provided when the object to be inspected is a mirror surface. It is designed so that the reflected light reaching the analyzer is circularly polarized. The analyzer has a variable analyzer angle, and the measuring means is configured such that when the analyzer angle of the analyzer is at two different positions, the difference between the output of the two-dimensional image sensor and the step are the two light beams. The step difference measuring device is characterized in that the step difference is measured based on a relationship that is established between the phase difference given to the step difference and the amplitude reflectance change on both sides of the step difference.
【請求項8】 前記光源は該光源から出射する光を特定
の波長の光に選択する波長選択手段を有することを特徴
とする請求項7に記載の段差測定装置。
8. The step measuring device according to claim 7, wherein the light source has a wavelength selection unit that selects light emitted from the light source as light having a specific wavelength.
【請求項9】 前記光源は該光源から出射する光を特定
の偏光の光に選択する偏光選択手段を有することを特徴
とする請求項7または8に記載の段差測定装置。
9. The level difference measuring device according to claim 7, wherein the light source has a polarization selecting unit that selects light emitted from the light source as light of a specific polarization.
【請求項10】 前記複屈折プリズムは、前記被検物体
が鏡面であるときに、分割した2つの光に対して往復で
πの整数倍の位相差を付与するように位置決めされ、か
つ、前記被検物体で反射した2つの光を合成して直線偏
光を生成し、 前記偏光ビームスプリッタの入射側には、前記複屈折プ
リズムを介して合成された直線偏光を円偏光に変換する
ための1/4波長板が設けられていることを特徴とする
請求項9に記載の段差測定装置。
10. The birefringent prism is positioned so as to impart a phase difference of an integral multiple of π to and from two split light beams when the object to be inspected is a mirror surface, and The two lights reflected by the object to be inspected are combined to generate linearly polarized light, and 1 for converting the linearly polarized light combined through the birefringent prism into circularly polarized light on the incident side of the polarization beam splitter. 10. The level difference measuring device according to claim 9, further comprising a / 4 wavelength plate.
【請求項11】 前記被検物体が鏡面であるときに、前
記偏光ビームスプリッタに達する前記合成された2つの
光が円偏光となるように前記複屈折プリズムの光軸に対
する挿入位置が規定されていることを特徴とする請求項
9に記載の段差測定装置。
11. The insertion position of the birefringent prism with respect to the optical axis is defined so that the combined two lights reaching the polarization beam splitter are circularly polarized when the object to be inspected is a mirror surface. The step measuring device according to claim 9, wherein
【請求項12】 前記検光子は光軸を中心に回転可能な
偏光板を有することを特徴とする請求項7、8、9、1
0または11に記載の段差測定装置。
12. The analyzer according to claim 7, wherein the analyzer has a polarizing plate rotatable about an optical axis.
The step measuring device according to 0 or 11.
【請求項13】前記検光子は、液晶偏光装置を有するこ
とを特徴とする請求項7、8、9、10または11に記
載の段差測定装置。
13. The step measuring device according to claim 7, wherein the analyzer has a liquid crystal polarization device.
【請求項14】前記検光子のアナライザ角の2つの異な
る位置は、n、mをそれぞれ奇数とした場合に、nπ/
4およびnπ/4+mπ/2であり、 前記測定手段は、前記段差が前記2つの光に付与する位
相差をΨとし、 前記検光子のアナライザ角が前記2つの異なる位置のう
ちの一方の状態における前記2次元イメージセンサの出
力と前記検光子のアナライザ角が前記2つの異なる位置
のうちの他方の状態における前記2次元イメージセンサ
の出力との和をWとし、 前記段差の一方の領域において得られる前記Wの値をW
aとし、 前記段差の他方の領域において得られる前記Wの値をW
bとし、 前記検光子のアナライザ角が前記2つの異なる位置のう
ちの一方の状態における前記2次元イメージセンサの出
力と前記検光子のアナライザ角が前記2つの異なる位置
のうちの他方の状態における前記2次元イメージセンサ
の出力との差をSとし、 装置に依存する定数をDとしたとき、 【数2】 の関係によって求まる位相差Ψに基づいて前記段差を測
定することを特徴とする請求項7、8、9、10、1
1、12または13に記載の段差測定装置。
14. Two different positions of the analyzer angle of the analyzer are nπ / m, where n and m are odd numbers.
4 and nπ / 4 + mπ / 2, and the measuring means sets the phase difference that the step imparts to the two lights as Ψ, and the analyzer angle of the analyzer is in one of the two different positions. The sum of the output of the two-dimensional image sensor and the output of the two-dimensional image sensor in the other state of the two different positions of the analyzer angle is W, and is obtained in one region of the step. Let the value of W be W
a, and the value of W obtained in the other region of the step is W
b , where the analyzer angle of the analyzer is in one of the two different positions and the output of the two-dimensional image sensor and the analyzer angle of the analyzer are in the other of the two different positions. Let S be the difference from the output of the two-dimensional image sensor and D be a device-dependent constant. The step is measured based on a phase difference Ψ obtained by the relationship of
The step measuring device according to 1, 12, or 13.
JP7301579A 1995-06-30 1995-11-20 Level difference measuring apparatus Pending JPH09145329A (en)

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JP7301579A JPH09145329A (en) 1995-11-20 1995-11-20 Level difference measuring apparatus
US08/672,331 US5764363A (en) 1995-06-30 1996-06-28 Apparatus for observing a surface using polarized light
DE19626261A DE19626261A1 (en) 1995-06-30 1996-06-28 IC pattern and metal surface test object observation differential interference microscope

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100611078B1 (en) * 2000-12-16 2006-08-09 삼성전자주식회사 Method for measuring step difference and apparatus for the same in semiconductor device
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