JPH09218018A

JPH09218018A - 深さ測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH09218018A
Application number: JP8022708A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】周期的に凹凸を繰り返す被検パターンの凹部
の深さ（段差）を高精度に測定する。【解決手段】レーザ光源ＬＳ１〜ＬＳ３、及び回転ラ
ジアル格子板ＲＲＧ等によって発生した３波長の＋１次
回折光よりなる送光ビームＬＦＰ、及び−１次回折光よ
りなる送光ビームＬＦＭをウエハＷ上の段差パターンＭ
Ｇに対称に照射し、段差パターンＭＧから平行に発生す
る送光ビームＬＦＰの正反射光と送光ビームＬＦＭの１
次回折光との合成光束Ｂ、及び送光ビームＬＦＭの正反
射光と送光ビームＬＦＰの１次回折光との合成光束Ａ
を、波長別に光電検出器１３ａ〜１６ｂで受光する。光
電検出器１３ａ〜１６ｂから出力される検出信号ＩＡ１
〜ＩＢ３、送光ビームの波長、及び段差パターンＭＧの
凹部と凸部とのＸ方向の幅の比等に基づいて、段差パタ
ーンＭＧの凹部の深さを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周期的な凹凸のパ
ターンの凹部の深さ又は段差を測定するための深さ測定
方法及び深さ測定装置に関し、特に例えば半導体素子等
におけるトレンチ構造やアライメントマーク等の微細な
溝状パターンの深さ又は段差を測定する際に使用して好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子は、ウエハ上に多層の
回路パターンを所定の位置関係で積み重ねることによっ
て形成され、各層の回路パターンを形成するためのフォ
トリソグラフィ工程では、露光装置によってマスクとし
てのレチクルのパターン像が所定の倍率でウエハ上のフ
ォトレジスト層に転写される。そして、露光装置によっ
てウエハの２層目以降にレチクルのパターンを転写する
際には、それまでの工程でウエハ上に形成されているア
ライメントマークの位置を検出し、この検出結果に基づ
いてレチクルのパターンとウエハの各ショット領域に既
に形成されているパターンとの位置合わせ（アライメン
ト）を行った上で、所謂重ね合わせ露光が行われる。

【０００３】従来のウエハ上のアライメントマークは、
通常計測方向に沿ってウエハ上に所定ピッチで形成され
た凹凸のパターンである。以下では、そのように所定方
向に周期的に配列された凹凸のパターンを溝状パターン
とも呼び、その溝状パターンの内で凹凸のピッチが小さ
い微細なパターンを微細溝状パターンとも呼ぶ。このよ
うな微細溝状パターンよりなるアライメントマークを例
えば所定の帯域幅の照明光を用いる撮像方式のアライメ
ントセンサで検出する場合には、そのアライメントマー
クの像の内で凸部と凹部との境界部に対応する部分が例
えば暗線となるため、その暗線の位置を検出することが
できる。また、アライメントセンサの中には、回折格子
状の微細溝状パターンよりなるアライメントマークに対
してレーザビームのような光ビームを照射して、そのパ
ターンからの回折光を検出し、この回折光の強度に基づ
いて位置検出を行うレーザ・ステップ・アライメント方
式（ＬＳＡ方式）や、そのパターンに対して２方向から
可干渉な光ビームを照射し、そのパターンから平行に射
出される１対の回折光を光電変換して得られるビート信
号の位相に基づいて位置検出を行う２光束干渉方式（Ｌ
ＩＡ方式）のように、微細溝状パターンからの所定の方
向への回折光に基づいて位置検出を行うセンサもある。

【０００４】例えば、このように微細溝状パターンから
の所定の方向への回折光に基づいて位置検出を行う場合
には、そのパターンの凹部の深さ、即ち凸部と凹部との
段差によって発生する回折光の強度が変化し、場合によ
っては得られる検出信号のＳＮ比が悪化することもあ
る。従って、そのパターンの深さが所定の範囲内に収ま
るように製造工程を管理する必要があるが、そのために
はそのパターンの深さを正確に測定する必要がある。

【０００５】また、ウエハ上のアライメントマーク以外
にも、溝状パターンの凹部の深さを正確に管理する必要
のある場合には、前提としてその深さを正確に測定する
必要がある。従来より、微細溝状パターンの深さ（段
差）の測定方法としては、その微細溝状パターン及びそ
の周囲に多波長の光束を照射し、その正反射光を受光
し、そのスペクトル分布より深さを算出する方法が使用
されている。

【０００６】これは、その微細溝状パターンの底部（凹
部）からの反射光と上面（周囲）からの反射光とが干渉
し、両反射光の光路差（深さの２倍）に伴う位相差によ
り、特定の波長の反射光が強くあるいは弱くなることを
利用したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の技術においては、溝状パターンの凹部、及び
その周囲の部分からの反射光の強度に依存した検出を行
うため、得られる検出信号のＳＮ比があまり良くないと
いう不都合があった。また、その溝状パターンの材質
が、検出光の波長域内で反射率が変化する材質であると
きには、波長に対する材質固有の反射率変化が上記の深
さ変化に伴う反射率変化に影響を及ぼすため、深さの検
出精度が著しく低下するという不都合がある。

【０００８】これに関して、予め、材質固有の反射率変
化を測定装置に入力しておいて補正することも考えられ
る。しかしながら、被測定物の表面に自然酸化膜や段差
（堀込み）形成のためのエッチングマスク用の薄膜が存
在すると、薄膜干渉効果により波長の変化と共に反射率
が変動するため、このような補正は困難である。本発明
は斯かる点に鑑み、例えば微細溝状パターンのように周
期的に凹凸を繰り返す被検パターンの凹部の深さ（段
差）を高精度に測定できる深さ測定方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】更に、本発明はそのような深さ測定方法を
実施できる深さ測定装置を提供することをも目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による深さ測定方
法は、基板（Ｗ）上で所定方向（Ｘ方向）に周期的に凹
凸を繰り返すように形成された被検パターン（ＭＧ）の
凹部の深さを光学的に測定する深さ測定方法において、
被検パターン（ＭＧ）の周期をＰとしたとき、その被検
パターン上にそれぞれ可干渉な第１及び第２の光ビーム
よりなり互いに波長の異なる複数対の光ビーム（ＬＦ
Ｐ，ＬＦＭ）を照射することによって、その被検パター
ン上にその所定方向にそれぞれ振幅分布の周期が２Ｐ／
ｍ（ｍは自然数）の複数波長の干渉縞を形成し、それら
複数波長のそれぞれについて、その第１の光ビームによ
る被検パターン（ＭＧ）からの正反射光とその第２の光
ビームによる被検パターン（ＭＧ）からのｍ次回折光と
を合成してなる第１の合成光束（Ａ１，Ａ２，Ａ３）
と、その第２の光ビームによる被検パターン（ＭＧ）か
らの正反射光とその第１の光ビームによる被検パターン
（ＭＧ）からのｍ次回折光とを合成してなる第２の合成
光束（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）とを受光し、被検パターン
（ＭＧ）とその干渉縞とをその所定方向に相対的に走査
したときにそれら複数波長のそれぞれについて得られる
それら第１及び第２の合成光束の光電変換信号（ＩＡ１
〜ＩＡ３，ＩＢ１〜ＩＢ３）と、それら複数波長とに基
づいて被検パターン（ＭＧ）の凹部の深さを算出するも
のである。

【００１１】斯かる本発明によれば、例えば自然数ｍが
１の場合には、複数波長の各波長毎に、周期Ｐの被検パ
ターン（ＭＧ）上に２つの光ビームによって振幅分布の
ピッチが２Ｐの干渉縞が形成される。その結果、被検パ
ターン（ＭＧ）から発生する反射光、及び回折光の内、
第１の光ビーム（ＬＦＰ）の正反射光（０次回折光）
と、第２の光ビーム（ＬＦＭ）の１次回折光とは同一方
向に回折して、相互に干渉し合う第１の合成光束（Ｂ１
〜Ｂ３）となる。同様に、第２の光ビーム（ＬＦＭ）の
正反射光と、第１の光ビーム（ＬＦＰ）の１次回折光と
も同一方向に回折して、相互に干渉し合う第２の合成光
束（Ａ１〜Ａ３）となる。

【００１２】これらの干渉は、発生した０次回折光（正
反射光）及び１次回折光の相互の位相差に基づいて生じ
るものであり、逆に、これらの合成光束の強度変化よ
り、０次回折光と１次回折光との相互の位相差を求める
ことができる。更には、０次、及び１次の両回折光は、
前述の周期的段差パターンとしての被検パターン（９）
の反射率、凸部と凹部との幅の比、段差量（光の位相
差）等に応じて発生し、且つ強度差や位相差が生じるも
のなので、第１の合成光束（Ｂ１〜Ｂ３）の強度変化に
対応する信号と第２の合成光束（Ａ１〜Ａ３）の強度変
化に対応する信号との位相差から、その被検パターン
（ＭＧ）の凹部の深さを高精度に求めることができる。

【００１３】更に、単一波長λ₁の光束を使用する場合
には、その凹部の深さｄは０以上の整数Ｊ₁及び所定の
位相θ₁(０≦θ₁＜２π）を用いて、次のように表現さ
れる。ｄ＝（２π・Ｊ₁＋θ₁)λ₁／（４π）（Ａ１）この場合、単独では整数Ｊ₁の値は特定できないため
に、その単一波長の光束を使用する場合に特定できる深
さｄの範囲は、例えば０からλ₁／２までの範囲内であ
る。これに対して、別の波長λ₂の光束を使用すること
によって、その凹部の深さｄは０以上の整数Ｊ₂及び位
相θ₂(０≦θ₂＜２π）を用いて、次のように表現され
る。

【００１４】ｄ＝（２π・Ｊ₂＋θ₂)λ₁／（４π）（Ａ２）この場合も、単独では整数Ｊ₂の値は特定できないが、
（Ａ１）式と（Ａ２）式とを組み合わせることによっ
て、整数Ｊ₁及びＪ₂の組み合わせを決定できる場合が
ある。従って、複数波長の光束を使用することによっ
て、計測できる深さｄの範囲をかなり広くできる。

【００１５】また、自然数ｍの値が２以上の場合には、
上述の１次回折光の代わりに２次以上のｍ次回折光が使
用されるが、この場合でも１次回折光を使用する場合と
同様に深さを算出できる。次に、本発明において、被検
パターン（ＭＧ）の凹部の深さを算出する際に、それら
複数波長のそれぞれについて得られる第１及び第２の合
成光束（Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３）の光電変換信号の位
相及びコントラストと、それら複数波長と、その被検パ
ターン（ＭＧ）の形状としての被検パターン（ＭＧ）の
凹部及び凸部のその所定方向への幅の比と、を用いるこ
とが望ましい。この場合、特に被検パターン（ＭＧ）の
凹部及び凸部のその所定方向への幅の比は設計値を用い
ても十分な精度が得られるため、その深さを高精度に算
出できる。

【００１６】また、それら複数波長のそれぞれについて
被検パターン（ＭＧ）からの正反射光とｍ次回折光との
光量比を計測し、被検パターン（ＭＧ）の凹部の深さを
算出する際に、それら複数波長のそれぞれについて得ら
れる第１及び第２の合成光束（Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ
３）の光電変換信号の位相と、それら複数波長と、その
被検パターン（ＭＧ）の形状としての被検パターン（Ｍ
Ｇ）の凹部及び凸部のその所定方向への幅の比と、それ
ら複数波長のそれぞれについて計測される正反射光とｍ
次回折光との光量比と、を用いるようにしてもよい。こ
れに関して、上述のように第１及び第２の合成光束（Ａ
１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３）の光電変換信号のコントラスト
を使用する場合には、このコントラストより正反射光と
ｍ次回折光との光量比が算出される。従って、このよう
に光量比を実測することによって、より正確に深さが算
出される。

【００１７】また、本発明による深さ測定装置は、基板
（Ｗ）上で所定方向に周期的に凹凸を繰り返すように形
成された被検パターン（ＭＧ）の凹部の深さを光学的に
測定する深さ測定装置において、被検パターン（ＭＧ）
の周期をＰとしたとき、被検パターン（ＭＧ）上にその
所定方向に振幅分布の周期が２Ｐ／ｍ（ｍは自然数）の
異なる複数波長の干渉縞を形成すべく、被検パターン
（ＭＧ）上にそれぞれ可干渉な第１及び第２の光ビーム
よりなり互いに波長の異なる複数対の光ビーム（ＬＦ
Ｐ，ＬＦＭ）を照射する送光光学系（ＬＳ１〜ＬＳ３，
１〜１１）と、それら複数波長のそれぞれについて、そ
の第１の光ビームによる被検パターン（ＭＧ）からの正
反射光とその第２の光ビームによる被検パターン（Ｍ
Ｇ）からのｍ次回折光とを合成してなる第１の合成光束
（Ｂ１〜Ｂ３）と、その第２の光ビームによる被検パタ
ーン（ＭＧ）からの正反射光とその第１の光ビームによ
る被検パターン（ＭＧ）からのｍ次回折光とを合成して
なる第２の合成光束（Ａ１〜Ａ３）とを受光する光電変
換手段（１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１
６ｂ）と、を有する。

【００１８】更に、本発明の深さ測定装置は、被検パタ
ーン（ＭＧ）とその干渉縞とをその所定方向に相対的に
走査する相対走査手段（ＲＲＧ）と、この相対走査手段
によって被検パターン（ＭＧ）とその干渉縞とを相対的
に走査したときにその光電変換手段から出力される光電
変換信号と、それら複数波長とに基づいて被検パターン
（ＭＧ）の凹部の深さを算出する深さ算出手段（１７）
と、を有するものである。斯かる本発明の深さ測定装置
によって上述の深さ測定方法が実施できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。本例は、露光装置にお
いて位置合わせに使用される半導体ウエハ上のアライメ
ントマークの凹部の深さ（段差）を測定するための、光
学式の深さ測定装置に本発明を適用したものである。

【００２０】図１は本例の光学式の深さ測定装置を概念
的に表す構成図であり、この図１において、３つのレー
ザ光源ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３はそれぞれ異なる波長λ
₁，λ₂，λ₃のコヒーレントなレーザビームＬＢ１，
ＬＢ２，ＬＢ３を射出する。一例として、レーザ光源Ｌ
Ｓ１は波長λ₁が６３３ｎｍのレーザビームＬＢ１を発
生するＨｅ−Ｎｅレーザ光源、レーザ光源ＬＳ２は波長
λ₂が６９０ｎｍのレーザビームＬＢ２を発生する半導
体レーザ光源、レーザ光源ＬＳ３は波長λ₃が７８０ｎ
ｍのレーザビームＬＢ３を発生する半導体レーザ光源に
設定され、波長の関係はλ₁＜λ₂＜λ₃に選ばれるも
のとする。

【００２１】これら３本のレーザビームＬＢ１，ＬＢ
２，ＬＢ３はミラー１、ダイクロイックミラー２，３を
介して１本の同軸のレーザビームＬＢ₀に合成され、レ
ーザビームＬＢ₀はミラー４で反射されて回転ラジアル
格子板ＲＲＧに入射する。この回転ラジアル格子板ＲＲ
Ｇは、回転軸Ｃ₀の回りに一方向に等角速度で高速回転
している。

【００２２】図２は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの拡大
斜視図であり、この図２において、回転軸Ｃ₀をＸＹＺ
座標系のＸ軸と平行に設定してある。その回転ラジアル
格子板ＲＲＧは、ガラス基板よりなる透明円板の円周上
に、回転軸Ｃ₀を中心として３６０°に渡って所定の角
度ピッチで凹凸の位相回折格子ＲＧを形成したものであ
り、その位相回折格子ＲＧに３波長の光束を含むレーザ
ビームＬＢ₀が垂直に入射している。この結果、位相回
折格子ＲＧより０次回折光Ｄ₀以外に、各種の回折光が
発生する。本例では±１次回折光を用いてヘテロダイン
干渉を実現するので、図２では回転ラジアル格子板ＲＲ
Ｇからの波長λ₁，λ₂，λ₃のレーザビームの＋１次
回折光ＤＰ₁₁，ＤＰ₁₂，ＤＰ₁₃、及び波長λ₁，λ₂，
λ₃のレーザビームの−１次回折光ＤＭ₁₁，ＤＭ₁₂，Ｄ
Ｍ₁₃のみを示してある。また、３本の＋１次回折光ＤＰ
₁₁，ＤＰ₁₂，ＤＰ₁₃をまとめて第１の送光ビームＬＦＰ
で表し、３本の−１次回折光ＤＭ₁₁，ＤＭ₁₂，ＤＭ₁₃を
まとめて第２の送光ビームＬＦＭで表している。

【００２３】この場合、波長λ₁，λ₂，λ₃を波長λ
_n(ｎ＝１，２，３）で表し、レーザビームＬＢ₀の照射
点での位相回折格子ＲＧの周期をＰ_rgとすると、波長λ
_nのレーザビームの１次回折光の回折角θ_nは以下のよ
うに表される。 sin θ_n＝λ_n／Ｐ_rg （１）一方、本例の回転ラジアル格子板ＲＲＧは回転軸Ｃ₀の
回りに等角速度で高速回転しているため、回転ラジアル
格子板ＲＲＧからの０次以外の各次数の回折光の周波数
は、その角速度に応じた分だけ増減する。

【００２４】そして、送光ビームＬＦＰは波長に依らず
一定の周波数変位Δｆを受け、回転ラジアル格子板ＲＲ
Ｇの位相回折格子ＲＧがレーザビームＬＢ₀を横切る速
度をＶとすると、その周波数変位Δｆは次のように表さ
れる。 Δｆ＝Ｖ／Ｐ_rg 従って、＋１次回折光よりなる送光ビームＬＦＰは０次
回折光Ｄ₀の周波数に対してΔｆだけ高くなる。これに
対して、−１次回折光よりなる送光ビームＬＦＭの周波
数は、波長に依らずに０次回折光Ｄ₀の周波数に対して
Δｆだけ低くなる。即ち、回転ラジアル格子板ＲＲＧ
は、周波数シフタとしても作用し、送光ビームＬＦＰと
送光ビームＬＦＭとの周波数差は２・Δｆとなってい
る。

【００２５】図１に戻り、３つの波長λ₁〜λ₃のレー
ザビームの＋１次回折光よりなる送光ビームＬＦＰ、３
つの波長λ₁〜λ₃のレーザビームの−１次回折光より
なる送光ビームＬＦＭ、及び０次回折光Ｄ₀は、コリメ
ータレンズ５により主光線が互いに平行になるように変
換され、光束選択部材としての空間フィルタ６に入射す
る。この空間フィルタ６は、回転ラジアル格子板ＲＲＧ
に対する光学的フーリエ変換面に配置されて、０次回折
光Ｄ₀を遮断して、送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭのみを通
過させる。

【００２６】空間フィルタ６を通過した送光ビームＬＦ
Ｐ，ＬＦＭは、調整光学系としての傾斜量可変の平行平
板ガラス７を透過し、更に送光ビームＬＦＰ及び送光ビ
ームＬＦＭはそれぞれ調整光学系としての傾斜量可変の
平行平板ガラス９及び８を透過してビームスプリッタ１
０に達する。平行平板ガラス７は、送光ビームＬＦＰ，
ＬＦＭのフーリエ空間での間隔を変えることなく、それ
ら送光ビームをコリメータレンズ５の光軸に対して同時
に偏心させる機能を有し、平行平板ガラス９及び８は、
それぞれ送光ビームＬＦＰ及び送光ビームＬＦＭのその
光軸に対する位置を個別に調整する機能を有する。な
お、ビームスプリッタ１０の代わりにハーフミラーを使
用してもよい。

【００２７】そして、送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭの内
で、ビームスプリッタ１０で反射された光束（この光束
も「送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭ」と呼ぶ）は、対物レン
ズ１１によってそれぞれ平行光束となって各波長毎に異
なる交差角で、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と
いう）Ｗ上の被検パターンとしてのアライメントマーク
ＭＧに照射される。以下では、対物レンズ１１の光軸Ａ
Ｘに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙
面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説
明する。

【００２８】このとき、本例のウエハＷは、ウエハステ
ージＷＳＴ上に保持され、ウエハステージＷＳＴはＸ方
向、Ｙ方向にステッピングしてウエハＷを位置決めする
と共に、ウエハＷのＺ方向の位置（焦点位置）を調整す
る。ウエハステージＷＳＴの上端に固定された移動鏡、
及び外部のレーザ干渉計１９によってウエハステージＷ
ＳＴのＸ座標、及びＹ座標が常時０．０１μｍ程度の分
解能で計測されると共に、ウエハステージＷＳＴの回転
角（ヨーイング）も計測され、計測結果が装置全体の動
作を統轄制御する主制御系１８に供給されている。主制
御系１８では、供給された計測結果及びウエハＷの目標
位置に基づいて、ウエハステージ駆動系２０を介してウ
エハステージＷＳＴの位置決め動作を制御する。また、
主制御系１８には、オペレータが各種データやコマンド
を入力するためのコンソール等の入力装置２１が接続さ
れている。

【００２９】さて、本例のウエハＷ上のアライメントマ
ークＭＧは、図５に示すように、Ｘ方向に周期（ピッ
チ）Ｐ_mgで凹凸を繰り返すように形成されたＸ軸用の被
検パターンであり、以下ではアライメントマークＭＧを
「周期的段差パターンＭＧ」と呼ぶ。このとき、送光ビ
ームＬＦＰ，ＬＦＭが周期的段差パターンＭＧ上にＸ方
向に沿って対称に入射するため、周期的段差パターンＭ
Ｇ上には、波長λ₁の±１次回折光ＤＰ₁₁，ＤＭ₁₁（図
２参照）の干渉によって作られた干渉縞、波長λ ₂の±
１次回折光ＤＰ₁₂，ＤＭ₁₂の干渉によって作られた干渉
縞、及び波長λ₃の±１次回折光ＤＰ₁₃，ＤＭ₁₃の干渉
によって作られた干渉縞が、Ｘ方向に同一周期、且つ同
一位相で重畳して現れる。

【００３０】更に、送光ビームＬＦＰと送光ビームＬＦ
Ｍとの間の周波数差が２・Δｆであるため、それらの干
渉縞は周期的段差パターンＭＧ上を＋Ｘ方向（又は−Ｘ
方向）に等速度で移動しているように観測される。そし
て、その移動速度は回転ラジアル格子板ＲＲＧの位相回
折格子ＲＧのレーザビームの照射点での速度Ｖに比例し
ている。なお、図１から明らかなように、ウエハＷの表
面（周期的段差パターンＭＧの形成面）と回転ラジアル
格子板ＲＲＧの格子面とは、コリメータレンズ５と対物
レンズ１１との合成系に関して互いに共役（結像関係）
になるように配置されている。そのため、回転ラジアル
格子板ＲＲＧの位相回折格子ＲＧの送光ビームＬＦＰ，
ＬＦＭによる干渉縞（回折像）がウエハＷの周期的段差
パターンＭＧ上に形成される。このとき、０次回折光Ｄ
₀が遮蔽されているため、その合成系の倍率を１とし
て、その干渉縞は位相回折格子ＲＧのレーザビームの照
射点での周期の１／２の周期の明暗像となる。

【００３１】本例では、その干渉縞のウエハＷ上での振
幅のＸ方向への周期Ｐ_if（強度分布の周期の２倍）を、
周期的段差パターンＭＧの周期Ｐ_mgの２倍に設定する。
このとき、上記の３波長λ₁〜λ₃の何れについても、
第１の送光ビームＬＦＰの周期的段差パターンＭＧによ
る０次回折光（正反射光）と、第２の送光ビームＬＦＭ
の周期的段差パターンＭＧによる１次回折光とは、同一
方向に発生し、互いに干渉し合う第１の合成光束Ｂとな
り、また、第２の送光ビームＬＦＭの周期的段差パター
ンＭＧによる０次回折光と、第１の送光ビームＬＦＰの
周期的段差パターンＭＧによる１次回折光も、同一方向
に発生し、互いに干渉し合う第２の合成光束Ａとなる。
この場合、合成光束Ａは、波長λ₁の合成光束Ａ１、波
長λ₂の合成光束Ａ２、及び波長λ₃の合成光束Ａ３よ
りなり、合成光束Ｂは、波長λ₁の合成光束Ｂ１、波長
λ₂の合成光束Ｂ２、及び波長λ₃の合成光束Ｂ３より
なる。そして、これらの合成光束Ａ，Ｂは、入射ビーム
である送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭの周波数差に応じて周
波数２・Δｆで強度変調されたビート光（ヘテロダイン
ビーム）となっている。

【００３２】なお、このように周期的段差パターンＭＧ
からの各０次回折光と各１次回折光とを同一方向に発生
させるためには、別の見方をすれば対物レンズ１１の焦
点距離をＦ₀として、各波長λ_n(ｎ＝１，２，３）毎の
送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭのフーリエ変換面（ビームス
プリッタ１０の近傍）上での間隔ＤＬ_nを周期的段差パ
ターンＭＧの周期方向（Ｘ方向）について、次のように
設定すればよい。

【００３３】ＤＬ_n＝Ｆ₀・λ_n／Ｐ_mg （２）このような各波長毎の間隔ＤＬ_nの設定は、回転ラジア
ル格子板ＲＲＧの位相回折格子ＲＧの周期やコリメータ
レンズ５の焦点距離を適当に定めることで行うことがで
きる。更に、周期的段差パターンＭＧが多少デフォーカ
スした（光軸ＡＸ方向にずれた）状態でもその段差量の
測定結果に誤差が生じないように、送光ビームＬＦＰ，
ＬＦＭは周期的段差パターンＭＧ（ウエハＷ）に光軸Ａ
Ｘに平行な直線に関して対称に等傾斜角で入射すること
が望ましい。このためには、送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭ
の各波長の光束は、フーリエ変換面上で光軸ＡＸから周
期的段差パターンＭＧの周期方向に沿って逆方向にそれ
ぞれＤＬ_n／２だけ離れた位置を通ればよい。

【００３４】ところで、コリメータレンズ５、対物レン
ズ１１等に色収差があると、３波長の光束を含む送光ビ
ームＬＦＰ，ＬＦＭによってウエハＷ上に形成される干
渉縞は、波長別に互いに位置ずれ（周期ずれ）を起こし
てしまう恐れがある。そこで、この位置ずれを補正する
ために、図１中の調整光学系としての平行平板ガラス
７，８，９を用いる。これらの平行平板ガラス７，８，
９の傾斜量を調整することによって、ウエハＷ上に形成
される干渉縞の各波長成分毎の周期を微小に変化させる
ことができ、結果として位置ずれを補正できる。

【００３５】さて、以上のような干渉縞によって照明さ
れた周期的段差パターンＭＧから発生した前述の合成光
束Ａ，Ｂは、対物レンズ１１、ビームスプリッター１０
を通過してダイクロイックミラー１２に達する。合成光
束Ａ，Ｂの内で波長λ₁の合成光束Ａ１，Ｂ１はダイク
ロイックミラー１２により反射されて、それぞれフォト
ダイオード等の光電検出器１３ａ，１３ｂに入射し、光
電検出器１３ａ，１３ｂで合成光束Ａ１，Ｂ１を光電変
換して得られた検出信号ＩＡ１，ＩＢ１は段差測定部１
７に供給される。

【００３６】また、合成光束Ａ，Ｂの内で波長λ₂の合
成光束Ａ２，Ｂ２、及び波長λ₃の合成光束Ａ３，Ｂ３
は、ダイクロイックミラー１２を透過してダイクロイッ
クミラー１４に至る。そして、波長λ₂の合成光束Ａ
２，Ｂ２はダイクロイックミラー１４により反射されて
それぞれフォトダイオード等の光電検出器１５ａ，１５
ｂに入射し、光電検出器１５ａ，１５ｂで合成光束Ａ
２，Ｂ２を光電変換して得られた検出信号ＩＡ２，ＩＢ
２は段差測定部１７に供給される。一方、波長λ₃の合
成光束Ａ３，Ｂ３はダイクロイックミラー１４を透過し
て、それぞれフォトダイオード等の光電検出器１６ａ，
１６ｂに入射し、光電検出器１６ａ，１６ｂで合成光束
Ａ３，Ｂ３を光電変換して得られた検出信号ＩＡ２，Ｉ
Ｂ２も段差測定部１７に供給される。

【００３７】このように段差測定部１７に供給される３
対の検出信号ＩＡ１，ＩＢ１，ＩＡ２，ＩＢ２，ＩＡ
３，ＩＢ３は何れも、上記の干渉縞がウエハＷ上の周期
的段差パターンＭＧの部分を照射する間、ビート周波数
２・Δｆと同じ周波数の正弦波となる。そして、段差測
定部１７では後述のようにそれらの検出信号、及びその
他の情報に基づいて周期的段差パターンＭＧの段差を算
出し、算出結果を主制御系１８を介して外部のホストコ
ンピュータ等に供給する。その算出結果は例えば周期的
段差パターンＭＧを形成する工程にフィードバックされ
て、その工程での周期的段差パターンの深さが調整され
る。

【００３８】なお、図１の構成において、使用する波長
λ₁，λ₂，λ₃の間隔によってはダイクロイックミラ
ー１２，１４による波長分離が不十分なこともあるの
で、各光電検出器１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１
６ａ，１６ｂの直前に受光する波長の光束のみを通過さ
せる干渉フィルター（狭帯バンドパスフィルター）を配
置してもよい。

【００３９】また、レーザ光源ＬＳ２，ＬＳ３として半
導体レーザ光源が使用されているが、半導体レーザ光源
からのレーザビームは非点収差を有する傾向がある。そ
こで、半導体レーザ光源よりなるレーザ光源ＬＳ２，Ｌ
Ｓ３とダイクロイックミラー２，３との間に非点収差除
去用の整形光学系（例えば傾斜した複数枚の平行平板ガ
ラス等）を設け、１本に合成されたレーザビームＬＢ₀
の各波長毎の光束成分の断面形状をほぼ等しい半径の円
形にするのが望ましい。また、それ以外の場合にも、合
成後のレーザビームＬＢ₀の断面形状の大きさを各波長
成分毎に揃えるようなビーム整形光学系を設けるのが望
ましい。

【００４０】また、図１では説明を簡単にするために周
波数シフタとして回転ラジアル格子板ＲＲＧを用いた
が、その他に２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いた
り、中心波長λ₁で発振する第１のゼーマンレーザ光源
と中心波長λ₂で発振する第２のゼーマンレーザ光源と
を光源として用いてもよい。また、各ダイクロイックミ
ラー２，３等はプリズム等の分散素子に置き換えてもよ
い。

【００４１】次に、図１の段差測定部１７の具体的な構
成例につき図３を参照して説明する。図３は、その段差
測定部１７を示し、この図３において、図１の波長λ₁
の合成光束Ａ１，Ｂ１に対応する検出信号ＩＡ１及びＩ
Ｂ１が、位相差検出部３２Ａ及びコントラスト検出部３
３Ａに供給されている。図１の装置のようにヘテロダイ
ン干渉方式の場合、前述の如く、送光ビームＬＦＰ，Ｌ
ＦＭがウエハＷ上の周期的段差パターンＭＧの部分を照
射するとき、検出信号ＩＡ１，ＩＢ１は何れもビート周
波数２・Δｆと同じ周波数の正弦波となる。

【００４２】図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ検出信号
ＩＡ１及びＩＢ１を示し、この図４に示すように、両検
出信号ＩＡ１，ＩＢ１は、共に周波数２・Δｆの正弦波
となるが、それぞれの最大強度Ａ１_max，Ｂ_maxの位置
は一般には一致しない。この最大強度位置の差（位相
差）の１／２をΔ１［ｒａｄ］とする。そして、図３の
位相差検出部３２Ａでは、その１／２の位相差Δ１を算
出して、個別段差算出部３４Ａに供給する。

【００４３】図３に戻り、コントラスト検出部３３Ａで
は両検出信号ＩＡ１，ＩＢ１のコントラストを算出し
て、個別段差算出部３４Ａに供給する。個別段差算出部
３４Ａには、主制御系１８よりメモリ３５を介して、種
々のデータも供給されている。そして、個別段差算出部
３４Ａでは、その位相差Δ１と、周期的段差パターンＭ
Ｇの凸部及び凹部の各幅等とを用いて、後述のように周
期的段差パターンＭＧの段差に対応する波長λ₁での位
相差ω₁を算出する。

【００４４】同様に、図１の波長λ₂の合成光束Ａ２，
Ｂ２に対応する検出信号ＩＡ２及びＩＢ２が、位相差検
出部３２Ｂ及びコントラスト検出部３３Ｂに供給され、
位相差検出部３２Ｂでは両検出信号ＩＡ２，ＩＢ２の位
相差の１／２の位相差Δ２を算出して個別段差算出部３
４Ｂに供給し、コントラスト検出部３３Ｂでは両検出信
号ＩＡ２，ＩＢ２のコントラストを算出して個別段差算
出部３４Ｂに供給する。これらと並列に、図１の波長λ
₃の合成光束Ａ３，Ｂ３に対応する検出信号ＩＡ３及び
ＩＢ３が、位相差検出部３２Ｃ及びコントラスト検出部
３３Ｃに供給され、位相差検出部３２Ｃでは両検出信号
ＩＡ３，ＩＢ３の位相差の１／２の位相差Δ３を算出し
て個別段差算出部３４Ｃに供給し、コントラスト検出部
３３Ｃでは両検出信号ＩＡ３，ＩＢ３のコントラストを
算出して個別段差算出部３４Ｃに供給する。個別段差算
出部３４Ｂ，３４Ｃには、主制御系１８よりメモリ３５
を介して、種々のデータも供給されており、個別段差算
出部３４Ｂでは、周期的段差パターンＭＧの段差の波長
λ₂に基づく位相差ω₂を算出し、個別段差算出部３４
Ｃでは、周期的段差パターンＭＧの段差の波長λ₃に基
づく位相差ω₃を算出する。

【００４５】そして、個別段差算出部３４Ａ〜３４Ｃで
算出された位相差ω₁〜ω₃は、最終段差算出部３６に
供給され、最終段差算出部３６では、後述のように波長
λ₁〜λ₃に基づく周期的段差パターンＭＧの段差Ｄを
算出し、算出結果を主制御系１８に供給する。本例の個
別段差算出部３４Ａ〜３４Ｃ、及び最終段差算出部３６
は一例として、コンピュータのソフトウェア上の機能で
ある。

【００４６】この場合、検出信号ＩＡ２，ＩＢ２及びＩ
Ａ３，ＩＢ３は検出信号ＩＡ１，ＩＢ１とほぼ同様の正
弦波であるが、それらの相互の位相差の１／２の位相差
Δ２及びΔ３は通常、位相差Δ１とは異なる値となる。
なお、これらの位相差Δ１〜Δ３が周期的段差パターン
ＭＧの段差や凸部、凹部の各幅等に依ることは本願発明
者により明らかとなったことであり、以下にその段差の
算出原理及び具体的な算出方法の一例について説明す
る。

【００４７】先ず、図５は、図１の周期的段差パターン
ＭＧの拡大図であり、この図５に示すように、周期的段
差パターンＭＧは、凹部３１ａと凸部３１ｂとをＸ方向
に周期Ｐ_mgで配列したパターンである。更に、凹部３１
ａのＸ方向の幅はａ、凸部３１ｂのＸ方向の幅はｂ（Ｐ
_mg＝ａ＋ｂ）であり、凹部３１ａの深さ、即ち凹部３１
ａと凸部３１ｂとの段差はｄであるとする。また、凹部
３１ａ及び凸部３１ｂの振幅反射率はそれぞれφ_a及び
φ_bであるとする。なお、このときの振幅反射率φ_a，
φ_bは、周期的段差パターンＭＧの深さ方向に（図５の
Ｚ方向に）同一の面内（基準面内）での反射光の振幅を
表すものとする。例えば、この基準面を周期的段差パタ
ーンＭＧの凸部３１ｂの表面とすれば、凹部３１ａでの
振幅反射率φ_aは、その凹部３１ａの表面での振幅反射
率に、段差ｄの往復光路差（位相差）に相当する因子で
あるexp(４πｉｄ／λ）を掛けたものとなる。また、後
述する例外を除いては、この位相差４πｄ／λ（＝ωと
する）こそが振幅反射率φ _aとφ_bとの位相差の全てで
あり、φ_aとφ_bとの位相差ωが求まれば、段差ｄを求
めることができる。

【００４８】一般に、図５中の凹部３１ａ、凸部３１ｂ
のそれぞれから発生する回折光の回折方向に対する振幅
分布は、sinc関数として表される。例えば、幅ａの凹部
３１ａから周期的段差パターンＭＧの周期方向（Ｘ方
向）に対して回折角Θで発生する回折光の振幅分布を、
その回折角Θの次数に対応する変数ｕの関数ψＡ（ｕ）
で表すと、次のようになる。

【００４９】 ψＡ（ｕ）＝φ_a・sin(πａｕ）／（πｕ）（３）ここで、回折次数に対応する変数ｕは回折角Θに対し
て、回折光の波長λを用いて次の関係にある。ｕ＝sin Θ／λ （４）同様に、幅ｂの凸部３１ｂから発生する回折光の振幅分
布ψＢ（ｕ）は、次のようになる。

【００５０】 ψＢ（ｕ）＝φ_b・sin(πｂｕ）／（πｕ）（５）これらの振幅分布ψＡ（ｕ）及びψＢ（ｕ）は、０次回
折光（ｕ＝０）では、それぞれａ・φ_a、及びｂ・φ_b
となる。そして、図５に示す如く凹部３１ａ、及び凸部
３１ｂを周期（ピッチ）Ｐ_mgでＸ方向に周期的に配列し
てなる周期的段差パターンＭＧからの、回折角Θの回折
光の振幅分布ψ（ｕ）は次のようになる。

【００５１】 ψ（ｕ）＝｛ψＡ（ｕ）＋ψＢ（ｕ)・exp(πｉＰ_mgｕ)}・Pir（ｕ）（６）但し、（６）式中の関数Pir(ｕ）は、周期的段差パター
ンＭＧのＸ方向への繰り返しの回数（２以上の整数）を
ｑとして、次式で表される。 Pir(ｕ）＝sin(ｑπＰ_mgｕ）／sin(πＰ_mgｕ）（７）なお、（６）式の導出に際し、凹部３１ａの中心を回折
光の位相の基準としたが、勿論凸部３１ｂの中心を基準
としても構わない。（６）式中の関数Pir(ｕ）は、回折
格子の「周期項」と呼ばれるものであり、周期的段差パ
ターンＭＧの繰り返し数ｑが大きければ、変数ｕがｊ次
回折光に相当する位置、即ちｕ＝ｊ／Ｐ_mg（ｊは整数）
となる位置でのみ０でない値ｑを持ち、それ以外では殆
ど０になる。本例においては、周期的段差パターンＭＧ
からの０次回折光及び１次回折光のみを使用するので、
関数Pir(ｕ）を一定値としてよい。また、（６）式中の
関数exp(πｉＰ_mgｕ）は０次回折光（ｕ＝０）において
は１となり、±１次回折光（ｕ＝±１／Ｐ_mg）において
は−１となる。

【００５２】これより、図５に示す如き周期的段差パタ
ーンＭＧから発生する０次回折光の振幅ψ₀、及び１次
回折光の振幅ψ₁はそれぞれ次のようになる。 ψ₀＝ａ・φ_a＋ｂ・φ_b （８） ψ₁＝ａ’・φ_a−ｂ’・φ_b （９）但し、係数ａ’及びｂ’はそれぞれ次のように表され
る。

【００５３】ａ’＝Ｐ_mg・sin(πａ／Ｐ_mg）／π （１０）ｂ’＝Ｐ_mg・sin(πｂ／Ｐ_mg）／π （１１）このように、回折光の振幅ψ₀，ψ₁が振幅反射率
φ_a，φ_bから導出される過程を複素平面の極座標で表
示したものが図６である。即ち、図６（ａ）〜（ｃ）の
横軸は実数部を表すＲｅ軸（実軸）、縦軸は虚数部を表
すＩｍ軸（虚軸）であり、図６では簡略化するために振
幅反射率φ_aを実数としてＲｅ軸上に表示している。し
かしながら、振幅反射率φ_a，φ_b間の位相差（前述の
如くωとされている）が不変であれば、振幅反射率φ_a
を一般的な複素数としても導かれる結果は変わらない。

【００５４】そして、図６（ａ）は、振幅反射率φ_a，
φ_bより（８）式によって０次回折光の振幅ψ₀が決定
されることを表し、図６（ｂ）は、振幅反射率φ_a，φ
_bより（９）式によって１次回折光の振幅ψ₁が決定さ
れることを表す。この場合、振幅反射率φ_aと振幅反射
率φ_bとの間の位相差はωとされている。また、図６
（ｃ）は、図６（ａ）及び（ｂ）により得られた振幅ψ
₀，ψ₁を同一の複素平面（極座標）上に表示したもの
であり、図６（ｃ）中の位相差Δは、例えば図１の波長
λ₁の合成光束Ａ１，Ｂ１を使用する場合には、図４の
２つの検出信号ＩＡ１，ＩＢ１の位相差２Δ１の１／２
の位相差である。従って、その位相差Δは、各波長毎に
それぞれ２つの検出信号ＩＡ１，ＩＢ１、検出信号ＩＡ
２，ＩＢ２、及び検出信号ＩＡ３，ＩＢ３の位相差より
算出できる。

【００５５】また、振幅ψ₁とψ₀との大きさの比（｜
ψ₁｜：｜ψ₀｜）についても、上記の回折光を光電変
換して得られる信号から測定することが可能である。即
ち、例えば図１の波長λ₁の合成光束Ａ１，Ｂ１を使用
する場合、図４の検出信号ＩＡ１，ＩＢ１の最大値Ａ１
_max，Ｂ１_maxは振幅ψ₀とψ₁とが同位相で加算され
た状態での強度であり、検出信号ＩＡ１，ＩＢ１の最小
値Ａ_min，Ｂ_minは振幅ψ₀とψ₁とが逆位相で加算さ
れた状態での強度であるから、次のようになる。

【００５６】Ａ１_max＝Ｂ１_max＝（｜ψ₀｜＋｜ψ₁｜)² （１２）Ａ１_min＝Ｂ１_min＝（｜ψ₀｜−｜ψ₁｜)² （１３）また、（１２）式、（１３）式が成立しているため、検
出信号ＩＡ１及びＩＢ１のコントラストγは、共通に次
のように定義される。 γ＝（Ａ１_max−Ａ１_min)／（Ａ１_max＋Ａ１_min) （１４）この（１４）式に（１２）式、（１３）式を代入するこ
とによって、コントラストγは次のようになる。

【００５７】 γ＝２・｜ψ₀｜・｜ψ₁｜／（｜ψ₀|²＋｜ψ₁|²）（１５）従って、コントラストγを測定して、振幅ψ₁の絶対値
と振幅ψ₀の絶対値との比の値βを含む次の（１６）式
を（１５）式に代入することによって、その比の値βは
（１７）式のように表される。｜ψ₁｜＝β・｜ψ₀｜（１６） β＝｛１±（１−γ²)^1/2｝／γ （１７）（１７）式中の±の符号は一義的には決定出来ないが、
一般に１次回折光の強度は０次回折光よりも弱いので、
−の符号が採用される。但し、＋の符号を採用する場合
もあり得る。そして、位相Δ、及び（１７）式より決定
した比の値βを用いて、次式より振幅ψ₁を表すことが
できる。

【００５８】 ψ₁＝β・ψ₀・exp(ｉΔ）（１８）以上のように位相Δ及び比の値βが求められると、上記
の振幅反射率から回折光の振幅を導出した過程を逆に辿
ることによって、回折光の振幅から周期的段差パターン
ＭＧの凹部３１ａ、凸部３１ｂの振幅反射率φ_a，φ_b
を求めることができる。具体的には、既知となったパラ
メータに基づいて、（８）式、（９）式からなる連立方
程式を解けばよい。

【００５９】一般に、半導体集積回路の加工において、
段差測定すべき段差量の加工制御性に比べてパターン線
幅の制御性は優れている。従って、図５に示す周期的段
差パターンＭＧの凹部３１ａ、凸部３１ｂの幅ａ，ｂは
それぞれほぼ設計値通りとなっており、その設計値を既
知の値として使用できる。同様に、（１０）式、（１
１）式より係数ａ’，ｂ’も既知の値となる。このた
め、（８）式、（９）式からなる連立方程式中で未知の
変数（測定されていない変数）は振幅反射率φ_a，φ_b
のみであり、その連立方程式はφ_a，φ_bについて解く
ことができる。その結果、振幅反射率φ_a，φ_bは次の
ように表される。なお、振幅ψ₁には（１８）式が代入
される。

【００６０】 φ_a＝（ｂ'・ψ₀＋ｂ・ψ₁)／（ａ・ｂ’＋ａ'・ｂ）（１９） φ_b＝（ａ'・ψ₀−ａ・ψ₁)／（ａ・ｂ’＋ａ'・ｂ）（２０）（１９）式、（２０）式中で、振幅ψ₀の位相は既知で
はないが、最終結果として振幅反射率φ_aとφ_bとの位
相差（＝ω）が分かればよいので、振幅ψ₀の位相（図
６で振幅ψ₀がＲｅ軸となす角度）は任意の値であって
構わない。

【００６１】従って、それらの（１９）式、（２０）式
から、振幅反射率φ_a，φ_bの値（複素数）が求められ
る。そして、振幅反射率φ_a，φ_bの実数部、虚数部か
ら両者それぞれの位相ω_a，ω_bが求められる。即ち、
振幅反射率φ_aの実数部及び虚数部をそれぞれＲｅ（φ
_a)及びＩｍ（φ_a)として、振幅反射率φ_bの実数部及び
虚数部をそれぞれＲｅ（φ_b)及びＩｍ（φ_b)とすると、
位相ω_a，ω_bはそれぞれ次のように表される。

【００６２】 ω_a＝tan^-1{Ｉｍ（φ_a)／Ｒｅ（φ_a)｝（２１） ω_b＝tan^-1{Ｉｍ（φ_b)／Ｒｅ（φ_b)｝（２２）そして、２つの位相ω_a，ω_bの差（ω_b−ω_a）がω
として算出され、この位相差ωが振幅反射率φ_a，φ_b
の位相差となる。また、上述のように図５の周期的段差
パターンＭＧの段差ｄと、その位相差ωとの間には、
（４πｄ／λ＝ω）の関係があるため、その位相差ωよ
り段差ｄが算出される。以上が本例での段差ｄの算出原
理である。但し、本例では波長λ₁〜λ₃毎にそれぞれ
位相差ω₁〜ω₃が算出され、これらの算出結果より最
終的な段差Ｄが決定される。

【００６３】次に、一例として波長λ₁での位相差ω₁
を算出する手順の一例につき説明する。他の波長λ₂，
λ₃での位相差ω₂，ω₃も同様に算出される。先ず、
図３の位相差検出部３２Ａでは、前述のように検出信号
ＩＡ１，ＩＢ１の位相差の１／２の位相差Δ１を算出す
る。また、コントラスト検出部３３Ａでは、内部のピー
クホールド部及びボトムホールド部により図４に示すよ
うに、検出信号ＩＡ１，ＩＢ１の最大値Ａ１_max，Ｂ１
_max及び最小値Ａ１_min，Ｂ１_minを検出し、これらの
内の最大値Ａ１_max及び最小値Ａ１_minを（１４）式に
代入して検出信号ＩＡ１，ＩＢ１のコントラストγを算
出する。なお、両検出信号のコントラストは周期的段差
パターンＭＧに余程の非対称性がない限り等しいが、仮
に両検出信号ＩＡ１，ＩＢ１のコントラストが異なる場
合には、（１４）式において最大値Ａ１_max及び最小値
Ａ１_minの代わりにそれぞれ最大値Ｂ１_max及び最小値
Ｂ１_minを代入して検出信号ＩＢ１のコントラストを求
め、得られた２つのコントラストの平均値を新たにコン
トラストγとすればよい。得られた位相差Δ１、及びコ
ントラストγは図３の個別段差算出部３４Ａに供給され
る。

【００６４】更に個別段差算出部３４Ａでは、そのコン
トラストγを（１７）式に代入して、１次回折光の振幅
ψ₁と０次回折光の振幅ψ₀との大きさの比の値βを求
め、これと上記の位相差Δ１とをそれぞれ（１８）式の
β及びΔに代入して、振幅ψ ₁と振幅ψ₀との正確な
（複素数としての）関係を求める。また、予め例えばオ
ペレータが図１の入力装置２１、及び主制御系１８を介
して図３のメモリ３５に周期的段差パターンＭＧの凹部
３１ａ、凸部３１ｂの各幅ａ，ｂ、周期的段差パターン
ＭＧの周期Ｐ_mg、及び回折光の波長λ₁〜λ₃の値を入
力しておく。そして、個別段差算出部３４Ａでは、入力
された幅ａ，ｂ及び周期Ｐ_mgを（１０）式、（１１）式
に代入して係数ａ’，ｂ’の値を算出し、算出された係
数ａ’，ｂ’を（１９）式、（２０）式に代入して振幅
反射率φ_a，φ_bの値（複素数）を算出する。更に、
（２１）式、（２２）式より振幅反射率φ_a，φ_bのそ
れぞれの位相ω_a，ω_bを求め、その位相差ω（＝ω_b
−ω_a)を算出する。この波長λ₁での位相差ωを位相差
ω₁とする。この位相差ω₁は図３の最終段差算出部３
６に供給される。

【００６５】その位相差ω₁は、前述の如く周期的段差
パターンＭＧの段差ｄの往復光路差（位相差）に相当す
るものであり、ω₁＝４πｄ／λ₁、即ち、次の関係に
より波長λ₁で計測される段差ｄ₁が表される。ｄ₁＝ω₁・λ₁／（４π）（２３）但し、位相差ω₁の範囲は０〜２πであるため、波長λ
₁のみを用いた場合に特定できる深さｄ₁の範囲は所定
の整数Ｊ₁を用いてＪ₁・λ₁／（４π）〜（Ｊ₁＋ω
₁)・λ₁／（４π）となり、Ｊ₁・λ₁／（４π）分の
不確定さが残っている。

【００６６】同様に、図３の個別段差算出部３４Ｂ及び
３４Ｃにおいては、それぞれ波長λ ₂及びλ₃での位相
差ω₂及びω₃が算出され、算出結果が最終段差算出部
３６に供給される。これらの位相差ω₂及びω₃より
（２３）式と同様の関係式から算出される段差ｄ₂及び
ｄ₃にも、それぞれ所定の不確定さが残っている。とこ
ろで、（１７）式による比の値βの決定に際しては±の
符号の決定に不確定な要素が残るが、前述のように検出
信号のコントラストγから（１７）式によりβを求める
代わりに、１次回折光と０次回折光との光量比を直接計
測し、その平方根として比の値βを算出してもよい。光
量比の検出方法としては、例えば図１中の光束選択部材
としての空間フィルタ６の近傍に送光ビームＬＦＰ，Ｌ
ＦＭの少なくとも一方を遮光可能なシャッタを設け、上
述の深さ計測の終了後、又は開始前にこのシャッタによ
り送光ビームＬＦＰ，ＬＦＭのどちらか一方を遮光し、
このときに光電検出器１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５
ｂ，１６ａ，１６ｂにより得られる検出信号ＩＡ１〜Ｉ
Ａ３，ＩＢ１〜ＩＢ３の各強度比を求めればよい。

【００６７】このようにシャッタにより送光ビームＬＦ
Ｐ，ＬＦＭのどちらか一方を遮光したときには、周期的
段差パターンＭＧに入射する光ビームは各波長につき１
本であるため、それぞれの検出信号ＩＡ１〜ＩＡ３，Ｉ
Ｂ１〜ＩＢ３はビート成分の無い直流信号となってい
る。そして、そのシャッタにより例えば送光ビームＬＦ
Ｍを遮光した場合、光電検出器１３ｂ，１５ｂ，１６ｂ
には送光ビームＬＦＰの周期的段差パターンＭＧによる
０次回折光のみが入射し、検出信号ＩＢ１〜ＩＢ３は各
波長での０次回折光の光量を示し、光電検出器１３ａ，
１５ａ，１６ａには送光ビームＬＦＰの周期的段差パタ
ーンＭＧによる１次回折光のみが入射し、検出信号ＩＡ
１〜ＩＡ３は各波長での１次回折光の光量を示すことに
なる。これによって、０次回折光と１次回折光との強度
比の値βが求められる。逆に、シャッタにより送光ビー
ムＬＦＰを遮光することによっても同様に強度比の値が
求められるため、両者の平均値をβとしてもよい。

【００６８】上述のように、本例においては、各波長λ
_n(ｎ＝１〜３）について測定される位相差ω_nは０〜２
π［ｒａｄ］の範囲であり、一例として各波長λ_nでの
段差ｄ_nはそれぞれ０からλ_n／２の範囲内で特定でき
る。一方、段差がλ_n／２以上のパターン、例えば０．
７λ_nのパターンに対しては、段差が０．２λ_n(＝０．
７λ_n−λ_n／２）であると見なされることになる。即
ち、段差ｄ_nの測定に関してＪ_nλ_n／２（Ｊ_nは整
数）の不確定さが伴う。

【００６９】その不確定さを除くため、本例において
は、図３の最終段差算出部３６において、各波長λ_nで
の位相差ω_nを比較することによりその整数Ｊ_nの値を
決定する。即ち、各波長λ_n(ｎ＝１〜３）での各整数Ｊ
_n（不確定な整数）の値を未知数とし、算出される位相
差ω_nを２πで割った値をΩ_nとすると、周期的段差パ
ターンＭＧの真の段差Ｄは次のように表される。

【００７０】Ｄ＝（Ｊ₁＋Ω₁）・λ₁／２＝（Ｊ₂＋Ω₂）・λ₂／２＝（Ｊ₃＋Ω₃）・λ₃／２（２４）この場合、各Ｊ_nは整数であると共に、λ₁＜λ₂＜λ
₃と仮定されているため、Ｊ₁≧Ｊ₂≧Ｊ₃なる関係が
成立する。この関係を用いることによって、各Ｊ_nを求
めることができる。

【００７１】例えば、（２４）式中の波長λ₁とλ₂と
の関係より、次式が得られる。Ｊ₁＝（λ₂/λ₁)・(Ｊ₂＋Ω₂)−Ω₁ （２５）更に、（２５）式の両辺からＪ₂を差し引くことによっ
て次式が得られる。Ｊ₁−Ｊ₂＝（λ₂/λ₁−１)・Ｊ₂
＋Ω₂・λ₂/λ₁−Ω₁ （２６）この（２６）式も
非負の整数であるため、（２６）式の非負の整数（Ｊ₁
−Ｊ ₂)を新たに整数Ｌとおくと、（２６）式は次のよう
に変形できる。

【００７２】Ｊ₂＝（Ｌ＋Ω₁−Ω₂・λ₂/λ₁)／（λ₂/λ₁−１）（２７）従って、（２７）式の値が整数となるような非負の整数
Ｌの値を見つけることにより、簡単に整数Ｊ₂の値を決
定することができる。そして、この整数Ｊ₂の値と波長
λ₂での位相差ω₂（Ω₂)とを（２４）式の第２式に代
入することによって、周期的段差パターンＭＧの真の段
差Ｄが算出される。

【００７３】なお、周期的段差パターンＭＧの段差が各
波長λ_nの５倍程度以下に限られている場合には、整数
Ｌの値は０か１に限定されるので、（２７）式からの整
数Ｊ ₂の算出はより容易になる。一方、周期的段差パタ
ーンＭＧの真の段差Ｄの上限が全く不明な場合には、よ
り大きな整数Ｌの値まで検討する必要があり、場合によ
っては（２７）式を整数とする整数Ｌが２通り以上生じ
る（従って、整数Ｊ₂及び段差Ｄの値も２通り以上とな
る）。このような場合には、２通り以上得られる段差Ｄ
の値を例えば（２４）式の第３式に代入して、波長λ₃
に関してＪ₃が整数となるときの段差Ｄの値を最終的な
段差とすればよい。このように真の段差Ｄが非常に大き
い値の場合でも、３つの波長λ₁〜λ₃での位相差ω₁
〜ω₃の値を使用することによって、その段差Ｄを特定
できる。

【００７４】更に、予め例えば従来の測定装置を用いて
周期的段差パターンＭＧの段差の大まかな範囲を求めて
おき、その範囲内で上述の実施の形態の方法で真の段差
Ｄの値を決定するようにしてもよい。また、４種類以上
の波長の送光ビームを用いて段差測定を行うようにして
もよい。ところで、図５に示す周期的段差パターンＭＧ
の凹部３１ａ、凸部３１ｂの振幅反射率φ_a，φ_bの
「大きさ」は周期的段差パターンＭＧの材質（反射率）
により異なってくるが、本例においては振幅反射率
φ_a，φ_bの「大きさ」（反射率）には無関係に、それ
らの位相差ω₁〜ω₃のみに基づいて段差量ｄを求める
ことができる。従って、周期的段差パターンＭＧの凹部
３１ａと凸部３１ｂとで材質が異なるようなパターンで
あっても、正確に段差を測定することができる。また、
仮に周期的段差パターンＭＧの凹部３１ａと凸部３１ｂ
との材質が相互に異なる位相変化を反射光に与える材質
（複素屈折率を有する材質）であると、この位相変化が
パターンの段差測定精度を悪化させるが、その量は一般
に極めて僅かであり、問題となる程の量ではない。勿
論、より厳密には凹部と凸部との材質（通常既知であ
る）の複素屈折率からこの位相変化を算定し、測定され
た位相差（パターン段差）の補正を行うことも可能であ
る。

【００７５】また、本例で用いる検出光束は複数波長か
らなるものではあるが、それら複数波長による計測は波
長毎に別々に行われると共に、波長間の反射光の強度
（反射率）の差には全く影響を受けない。従って、従来
の深さ測定装置で問題となっていた被検パターンの反射
スペクトルの問題は全くなく、どのような材質の被測定
パターンについても高精度な深さ計測が可能となる。

【００７６】また、上述の実施の形態では、被検パター
ンの一例として、図５の周期的段差パターンＭＧの如く
凹部３１ａと凸部３１ｂとの境界（側壁）が垂直なパタ
ーンを示したが、その側壁にテーパ（傾斜）のあるよう
なパターンであっても勿論高精度な測定が可能である。
この場合、図１の段差測定部１７に入力する凹部、凸部
の各幅ａ，ｂは（ａ＋ｂ＝Ｐ_mg）を満たす値ではなくな
るが、上述の実施の形態と同様にこれらの幅ａ，ｂの値
に基づいてパターンの段差を算出すればよい。

【００７７】また、被検パターンの凹部に非対称性（テ
ーパ等）が存在する場合には、図４に示した例とは異な
って、例えば合成光束Ａ１，Ｂ１を光電変換した検出信
号ＩＡ１，ＩＢ１のコントラストは一致しなくなるが、
両者の平均値を採用することで非対称性の無いパターン
と同程度に高精度な深さ測定が可能となる。なお、上述
の実施の形態では、周期Ｐの被検パターン上に２光束を
照射することによって、計測方向に対して振幅の周期が
２Ｐの干渉縞を形成している。しかしながら、周期Ｐの
被検パターン上に２光束を照射することによって、計測
方向に対して振幅の周期が２Ｐ／ｋ（ｋは２以上の整
数）の干渉縞を形成してもよい。この場合、その２光束
を第１及び第２の光ビームとすると、第１の光ビームの
その被検パターンからの正反射光（０次回折光）と、第
２の光ビームのその被検パターンからのｋ次回折光とが
平行に発生して相互に干渉する第１の合成光束となり、
第２の光ビームのその被検パターンからの正反射光と、
第１の光ビームのその被検パターンからのｋ次回折光と
が平行に発生して相互に干渉する第２の合成光束とな
る。従って、０次回折光と１次回折光との合成光束を使
用する場合と同様に、深さ検出を行うことができる。

【００７８】このように本発明は上述の実施の形態に限
定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成
を取り得る。

【００７９】

【発明の効果】本発明の深さ測定方法によれば、それぞ
れ被検パターンからの正反射光及び回折光よりなる第１
及び第２の合成光束の光電変換信号と、検出用の光ビー
ムの波長とに基づいてその被検パターンの凹部の深さを
算出しているため、微細溝状パターンのように周期的に
凹凸を繰り返す被検パターンの凹部の深さ（段差）を高
精度に測定できる利点がある。更に本発明では、複数波
長の光ビームを使用しているため、各波長程度の大きさ
の深さのみならず、各波長よりもかなり大きい深さであ
っても正確に測定できる利点がある。また、本発明によ
って、材質固有の性質により又は薄膜干渉により、反射
率が波長と共に変化するような被検パターンに対して
も、その凹部の深さ（段差量）を正確に測定できる。

【００８０】また、その被検パターンの凹部の深さを算
出する際に、第１及び第２の合成光束の光電変換信号の
位相及びコントラストと、第１及び第２の光ビームの波
長と、その被検パターンの形状としてのその被検パター
ンの凹部及び凸部の所定方向（計測方向）への幅の比と
を用いる場合には、通常それら凹部及び凸部の計測方向
の幅の加工は正確に行うことができるため、それらの幅
としては設計値を使用することによって正確に深さを算
出できる。

【００８１】また、複数波長のそれぞれについて被検パ
ターンからの正反射光とｍ次回折光との光量比を計測
し、その被検パターンの凹部の深さを算出する際に、そ
れら複数波長のそれぞれについて得られる第１及び第２
の合成光束の光電変換信号の位相と、それら複数波長
と、その被検パターンの形状としてのその被検パターン
の凹部及び凸部の所定方向への幅の比と、それら複数波
長のそれぞれについて計測される正反射光とｍ次回折光
との光量比と、を用いる場合には、それら第１及び第２
の合成光束の光電変換信号のコントラストから算出され
た光量比を使用する場合に比べて、より正確に深さが算
出される。

【００８２】また、本発明の深さ測定装置によれば、本
発明の深さ測定方法を実施できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例で使用される深さ測
定装置を示す一部を断面とした構成図である。

【図２】図１内の回転ラジアル格子板ＲＲＧを示す拡大
斜視図である。

【図３】図１内の段差測定部１７の構成例を示すブロッ
ク図である。

【図４】図１の測定装置で得られる検出信号ＩＡ１，Ｉ
Ｂ１の一例を示す波形図である。

【図５】図１の周期的段差パターンＭＧの段差構造を示
す拡大断面図である。

【図６】その実施の形態において、振幅反射率φ_a，φ
_bから回折光の振幅ψ₀，ψ₁が導出される過程を複素
平面の極座標で示す説明図である。

【符号の説明】

ＲＲＧ回転ラジアル格子板ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３レーザ光源ＷウエハＭＧ周期的段差パターンＷＳＴウエハステージ５コリメータレンズ６空間フィルタ１０ビームスプリッタ１１対物レンズ１０ウエハステージ１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ光
電検出器１７段差測定部１８主制御系３２Ａ〜３２Ｃ位相差検出部３３Ａ〜３３Ｃコントラスト検出部３４Ａ〜３４Ｃ個別段差算出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上で所定方向に周期的に凹凸を繰り
返すように形成された被検パターンの凹部の深さを光学
的に測定する深さ測定方法において、前記被検パターンの周期をＰとしたとき、前記被検パタ
ーン上にそれぞれ可干渉な第１及び第２の光ビームより
なり互いに波長の異なる複数対の光ビームを照射するこ
とによって、前記被検パターン上に前記所定方向にそれ
ぞれ振幅分布の周期が２Ｐ／ｍ（ｍは自然数）の複数波
長の干渉縞を形成し、前記複数波長のそれぞれについて、前記第１の光ビーム
による前記被検パターンからの正反射光と前記第２の光
ビームによる前記被検パターンからのｍ次回折光とを合
成してなる第１の合成光束と、前記第２の光ビームによ
る前記被検パターンからの正反射光と前記第１の光ビー
ムによる前記被検パターンからのｍ次回折光とを合成し
てなる第２の合成光束とを受光し、前記被検パターンと前記干渉縞とを前記所定方向に相対
的に走査したときに前記複数波長のそれぞれについて得
られる前記第１及び第２の合成光束の光電変換信号と、
前記複数波長とに基づいて前記被検パターンの凹部の深
さを算出することを特徴とする深さ測定方法。
【請求項２】請求項１記載の深さ測定方法であって、前記被検パターンの凹部の深さを算出する際に、前記複数波長のそれぞれについて得られる前記第１及び
第２の合成光束の光電変換信号の位相及びコントラスト
と、前記複数波長と、前記被検パターンの凹部及び凸部
の前記所定方向への幅の比と、を用いることを特徴とす
る深さ測定方法。
【請求項３】請求項１記載の深さ測定方法であって、前記複数波長のそれぞれについて前記被検パターンから
の正反射光とｍ次回折光との光量比を計測し、前記被検パターンの凹部の深さを算出する際に、前記複数波長のそれぞれについて得られる前記第１及び
第２の合成光束の光電変換信号の位相と、前記複数波長
と、前記被検パターンの凹部及び凸部の前記所定方向へ
の幅の比と、前記複数波長のそれぞれについて計測され
る正反射光とｍ次回折光との光量比と、を用いることを
特徴とする深さ測定方法。
【請求項４】基板上で所定方向に周期的に凹凸を繰り
返すように形成された被検パターンの凹部の深さを光学
的に測定する深さ測定装置において、前記被検パターンの周期をＰとしたとき、前記被検パタ
ーン上に前記所定方向に振幅分布の周期が２Ｐ／ｍ（ｍ
は自然数）の異なる複数波長の干渉縞を形成すべく、前
記被検パターン上にそれぞれ可干渉な第１及び第２の光
ビームよりなり互いに波長の異なる複数対の光ビームを
照射する送光光学系と、前記複数波長のそれぞれについて、前記第１の光ビーム
による前記被検パターンからの正反射光と前記第２の光
ビームによる前記被検パターンからのｍ次回折光とを合
成してなる第１の合成光束と、前記第２の光ビームによ
る前記被検パターンからの正反射光と前記第１の光ビー
ムによる前記被検パターンからのｍ次回折光とを合成し
てなる第２の合成光束とを受光する光電変換手段と、前記被検パターンと前記干渉縞とを前記所定方向に相対
的に走査する相対走査手段と、該相対走査手段によって前記被検パターンと前記干渉縞
とを相対的に走査したときに前記光電変換手段から出力
される光電変換信号と、前記複数波長とに基づいて前記
被検パターンの凹部の深さを算出する深さ算出手段と、
を有することを特徴とする深さ測定装置。