JPH0942938A - 形状測定装置および段差測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単でかつ安価な構成でサブミクロン以下の形
状測定が可能となる形状測定装置および簡単かつ安価な
構成で段差及び距離の測定が同時に行え測定のスピード
アップが可能となる段差測定装置を提供することにあ
る。 【課題解決手段】特定波長のみを透過する干渉フィルタ
30から出射した光を光源とするノマルスキー光学系（コ
ンデンサレンズ21、偏光板22、ノマルスキープリズム2
4、対物レンズ4 ）、互いに９０度ずつ位相のずれた３
つ以上の干渉信号を生成する検出光学系（ＰＨ36，38，
53、ＰＤ37，39，54）と、この検出光学系の出力から干
渉強度中の直流成分を除去して干渉縞の位相変化量をカ
ウントする計数手段40とからなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の形状を測定
する形状測定装置および試料の段差を測定する段差測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来公知の落射型ノマルスキー微分干渉
顕微鏡（参考試料：応用物理第６０巻第９号１９９１）
は、図９に示すように構成され、通常の光学顕微鏡では
観察できない試料表面の微細な凹凸または勾配を色のコ
ントラストで観察可能としたものである。

【０００３】具体的には、光源２０から出射した白色光
は、コンデンサレンズ２１を通って偏光板２２に入る。
偏光板２２を通過した後の直線偏光は、ハーフミラー
（ＨＭ）２３を反射してノマルスキープリズム２４に入
射する。その後ノマルスキープリズム２４で、一定距離
（シャー量）だけ横にずれた、互いに振動面が垂直な２
つの直線偏光に分離する。この２つの直線偏光が交わる
点に、対物レンズ（Ｏｂ．）４の後焦点を一致させる
と、２つの光はステージ１に載置された試料２に平行に
入射する。そして、試料２を反射した光はまた対物レン
ズ４を通って、ノマルスキープリズム２４で干渉する。
これを検光子２５に通せば、試料２上で前記シャー量だ
け離れた２点の高さの差、または試料２の勾配が干渉色
となって現れる。

【０００４】ここで、光源２０から出射した白色光がコ
ンデンサレンズ２１、偏光板２２を通ってハーフミラー
２３で反射し、微少なシャー量のノマルスキープリズム
２４で横ズレした２つの直線偏光となり対物レンズ４を
通り、試料２表面で反射して同じ経路をたどり干渉す
る。

【０００５】近年の微細加工技術の発達に伴い、試料の
段差やうねりなどの形状を測定する要求が増えており、
図１０は従来のオートフォーカスを用いた段差測定装置
の１例である（特開平３ー１６２６０３号公報）。

【０００６】図１０の装置では、ステージ１上に載置さ
せた試料２の段差を測定する場合、ＬＤ（レーザダイオ
ード）２８、レンズ２６、ハーフミラー（ＨＭ）２７、
ピンホール（ＰＨ）１６、フォトダイオード（ＰＤ）１
７およびハーフミラー（ＨＭ）２９、ピンホール（Ｐ
Ｈ）１４、合焦検出回路３で構成される合焦検出系の出
力を、対物レンズ４を駆動するモーター５へフィードバ
ックしてオートフォーカスをかける。この時の対物レン
ズ４の移動量が、ある基準面に対する高さとなる。従っ
て、スケール６の出力信号をＺ移動量検出部７でカウン
トした値が、求める段差ｈとなる。

【０００７】また、試料２のエッジ間距離を測定する場
合、透過照明８を用いて試料２からの透過光量をハーフ
ミラー（ＨＭ）１３、ピンホール（ＰＨ）１８を介して
フォトダイオード（ＰＤ）１９で検出し、エッジ検出回
路９においてＰＤ１９の検出量が所定のしきい値を越え
たときに、スケール１１の信号から移動量を検出するス
テージ移動量検出部１０にラッチ信号Ｌを出力する。こ
れによりエッジ座標（ｘ，ｙ）がラッチされ、この値を
コンピュータなどで取り込めばエッジ間距離が求められ
る。ただし、図１０をはじめ、すべての光路図で目視観
察の為の光路は省略している。

【０００８】以上述べた従来の段差測定装置は、ミクロ
ンオーダーの段差・測長精度を必要とする測定や、同種
の試料を多量に測定するための自動化測定に有効であ
る。さらに微細な形状を測定する場合は、ナノメータオ
ーダーの分解能を持つ走査型トンネル顕微鏡や原子間力
顕微鏡などがよく使われている。これらの走査型プロー
ブ顕微鏡は、先の尖ったプローブを試料表面に１ナノメ
ータ程度まで近づけ、この時のプローブと試料間に働く
相互作用を検出し画像化するものである。従って、非常
に高い分解能を持った形状測定が可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図１０の従
来の段差測定装置は段差及び距離の測定を同時には行え
ず、また光の回折が測定の限界であってサブミクロン以
下の形状測定は難しい。一方、走査型プローブ顕微鏡は
高い駆動分解能を持つための圧電スキャナや専用のプロ
ーブが必要で、これらを制御して画像を得るには複雑か
つ高価な制御装置が必要となってしまう。また、プロー
ブと試料間の距離が近接しているため、ミクロンレベル
の段差測定には不向きである。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑み、簡単かつ安
価な構成でサブミクロン以下の形状測定が可能な形状測
定装置を提供することを第１の目的とし、また簡単かつ
安価な構成で段差及び距離の測定を同時に行うことが可
能な段差測定装置を提供することを第２の目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、請求項１に対応する発明は、試料を載せたス
テージを走査することにより、前記試料の形状を測定す
る形状測定装置において、特定波長のみを透過するフィ
ルター初期値から出射した光を光源とするノマルスキー
光学系と、前記ノマルスキー光学系を透過した前記試料
の反射光から、互いに９０度ずつ位相のずれた３つ以上
の干渉信号を生成する検出光学系と、前記検出光学系の
出力から干渉強度中の直流成分を除去して干渉縞の位相
変化量をカウントする計数手段部を有する形状測定装置
である。

【００１２】本発明は前記目的を達成するため、請求項
２に対応する発明は、請求項１記載の形状測定装置にお
いて、アクティブ型合焦検出部の検出値に基づいて鏡筒
または対物レンズを移動させるオートフォーカス系と、
鏡筒または対物レンズの移動量と前記計数手段の出力と
を加算する演算手段を有する形状測定装置である。

【００１３】本発明は前記目的を達成するため、請求項
３に対応する発明は、試料を載せたステージを走査して
アクティブ型合焦検出部の検出値に基づいて鏡筒または
対物レンズを移動し、その移動量により試料の段差を測
定する段差測定装置において、特定波長のみを透過する
フィルター初期値から出射した光を光源とするノマルス
キー光学系と、前記ノマルスキー光学系を透過した試料
反射光より試料の勾配を検出し、前記勾配が所定のしき
い値を越えたときにエッジ検出信号を出力するエッジ検
出手段を有する段差測定装置である。

【００１４】請求項１に対応する形状測定装置は、ステ
ージを走査しながら、ノマルスキー光学系で生成された
偏光状態の異なる２つの横ズレした光を試料上に照射
し、その試料からの反射光を前記検出光学系に入射して
位相を検出し、位相を表す信号を前記計数部に入力し
て、横ズレ量に対する試料の段差を出力するように作用
する。

【００１５】請求項２に対応する形状測定装置は、ノマ
ルスキー光学系により計測された段差と、前記オートフ
ォーカス系が鏡筒または対物レンズを移動させた時の前
記鏡筒または対物レンズの移動量とを、演算部が加算す
るように作用する。

【００１６】請求項３に対応する段差測定装置は、ステ
ージを走査しながら、オートフォーカス系が鏡筒または
対物レンズを移動させてその移動量から試料の段差を測
定し、前記ノマルスキー光学系が試料の傾きの変化を出
力して、前記傾き変化を表す信号からエッジ検出部がエ
ッジ検出信号を出力するように作用する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明するが、図１０の従来例と同一の
構成については同じ符号が付してある。 〈第１の実施の形態〉図１の概略構成は、特定波長のみ
を透過するフィルターから出射した光を光源とするノマ
ルスキー光学系と、このノマルスキー光学系を透過した
試料の反射光から、互いに９０度ずつ位相のずれた３つ
以上の干渉信号を生成する検出光学系と、この検出光学
系の出力から干渉強度中の直流成分を除去して干渉縞の
位相変化量をカウントする計数手段とからなっている。

【００１８】ノマルスキー光学系は、図９の従来の落射
型ノマルスキー微分干渉顕微鏡とほぼ同一構成であり、
従来と異なっている点は、光源２０の出射光が干渉フィ
ルタ３０を通過することにより特定波長域のみを選択し
て干渉させていることである。ノマルスキー光学系は、
光源２０から出射した白色光が、干渉フィルタ３０によ
り特定波長域のみを選択して干渉され、コンデンサレン
ズ２１、偏光板２２を通ってハーフミラー（ＨＭ）２３
で反射し、微少なシャー量のノマルスキープリズム２４
が横ズレして対物レンズ（Ｏｂ．）４を通り、試料２表
面に照射される。

【００１９】検出光学系は、１／４波長板３１と、結像
レンズ３２と、無偏光ビームスプリッタ（以下ＮＰＢＳ
と称する）３３と、偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳ
と称する）３４と、偏光板３５と、ピンホール（ＰＨ）
３６と、フォトダイオード（ＰＤ）３７と、ピンホール
（ＰＨ）３８と、フォトダイオード（ＰＤ）３９と、ピ
ンホール（ＰＨ）５３と、フォトダイオード（ＰＤ）５
４からなっている。ノマルスキー光学系で干渉した光
は、１／４波長板３１と、結像レンズ３２を通って円偏
光となり、ＮＰＢＳ３３で２方向に分離される。ＮＰＢ
Ｓ３３で分離された一方の光は、さらにＰＢＳ３４で偏
光状態により分離され、また分離された他方の光は、偏
光板３５を通る。

【００２０】計数手段は、図２に示すように、電流電圧
変換回路４１，４２，４３と、引算回路４４，４５と、
内挿回路４６と、カウンタ４７と、乗算回路４８と、積
算回路４９とからなっている。

【００２１】以上述べた３つの光は、試料２の勾配によ
り明暗が変化し互いに９０度の位相差を持つ。従って、
それぞれＰＨ３６，３８，５３を介しＰＤ３７，３９，
５４で受光すると、３つの検出信号ａ，ｂ，反転ａ検出
信号は試料２の勾配が連続的に変化していれば、明暗が
交互に表れその明暗の周期に対し位相が９０度互いにず
れたような信号となる。

【００２２】３つの信号ａ，ｂ、反転信号ａは電流電圧
変換回路４１，４２，４３を通過後、引算回路４４，４
５により位相差が９０度の信号どうしで引き算される。
引算回路４４，４５からの出力信号（Ａ相・Ｂ相）は、
互いに９０度位相差を持つ干渉波形であり、図３（ａ）
に示されるようになっており、かつそれぞれ差分を取っ
ているため試料２の反射率変化や可干渉性の変化が生じ
ても、必ずゼロクロスの信号として取り出せるので、図
３（ｂ）に示すように原点が固定されたリサージュ信号
となる。

【００２３】ここで、あらかじめシャー量と干渉フィル
タ３０の波長域を適切に選んでおけば、リサージュ角度
θは試料２の勾配を表す数値となる。よって、Ａ相、Ｂ
相を内挿回路４６に入力して、リサージュ角度θを基に
勾配ｄｈ／ｄｘを出力させるようにする。

【００２４】波長λとシャー量Ｓから、試料の勾配φは φ＝ａｒｃｔａｎ（λ／Ｓ） となる。

【００２５】一方、試料２を載せたステージ１の移動量
はスケール１１により検出され、ステージ移動量検出部
５６はスケール信号から一定移動量ごとにカウントパル
スｄを生成する。このカウントパルスｄは計数部４０内
のカウンタ４７でカウントされ、内挿回路４６からのト
リガ信号ｔでカウントがリセットされる。ここで、トリ
ガ信号ｔは角度θが一定角度変化する毎に出力されると
すると、カウンタ４７のカウント値は、試料２の勾配が
角度θで表現される間にステージ１が移動した移動量を
表すことになる。

【００２６】従って、角度θとカウント値を乗算回路４
８に入力し、これを積算回路４９で積算すると積算回路
４９の出力は試料２の高さｈを表す。ただし、積算回路
４９はトリガ信号のタイミングで積算するものとする。

【００２７】この動作について、図４を参照して説明す
る。ステージ１を動かすと一定移動量ごとにカウントパ
ルスｄがカウンタ４７に入力される。カウンタ４７では
トリガ信号ｔが入らない限りパルスｄをカウントし続け
るが、トリガ信号ｔが入るとリセットするように動作す
る。

【００２８】一方、内挿回路４６では図３に示すように
リサージュ角度θの変化をここでは２０度の分解能で内
挿し、そのときの角度θに応じた勾配ｄｈ／ｄｘを出力
する。また、角度θの変化がある度にトリガ信号ｔを出
力するように動作する。よって、試料２の勾配が図４の
ように変化したとき、内挿回路４６の出力ｄｈ／ｄｘは
試料２の勾配を表し、カウンタ４７の出力Δｘは、試料
２の勾配がｄｈ／ｄｘで一定である間に移動したステー
ジ１の移動量を示すことになる。従って、ステージ１が
Δｘ移動する間に変化した試料の高さΔｈは、 Δｈ＝（ｄｈ／ｄｘ）×（Δｘ） で得られることがわかる。Δｈから実際の試料２の高さ
ｈを求めるには、角度θが変化する度につまりトリガ信
号のタイミングでΔｈを積算して行けば良い。このよう
にして、試料２の形状が波長以下の分解能で図４のｈに
示すように求められる。

【００２９】以上述べた第１の実施の形態では、簡単な
光学系により、試料２上に微少に横ズレした２つの光を
照射してこれを干渉させ、試料２の勾配を３分岐検出光
学系により位相として検出するようにした為、試料２の
表面状態（反射率など）の変化に関係なく常に微少な勾
配が検出できる。

【００３０】さらに、ステージ１の移動量と勾配から試
料２の高さをリアルタイムに出力できるようにしたた
め、画像装置などの大がかりな装置がなくてもステージ
１を移動させるだけで形状の把握が可能となる。

【００３１】また、高さ方向の分解能はシャー量と波長
域と内挿回路４６の分解能により上げることができ、試
料２の段差を数十ナノメータのオーダーで検出すること
が可能となる。

【００３２】図１において、検出光学系はこれに限るこ
とはなく、３つ以上の干渉信号が互いに９０度ずつ位相
差のあるように生成されれば良いので、例えばＰＢＳを
ＮＰＢＳに代えてＰＤ３７，３９のＰＨ３６，３８の前
にそれぞれ１／４波長板を入れるようにしても良い。ま
た、計数部４０の構成もこれに限定されることはなく、
例えばトリガ信号は、カウンタ４７が一定量変化毎に内
挿回路４６と積算回路４９に出力するようにしても良
い。

【００３３】〈第２の実施の形態〉第２の実施の形態は
図５に示すように、前述した第１の実施の形態に、後述
するアクティブ型合焦検出部の検出値に基づいて鏡筒ま
たは対物レンズを移動させるオートフォーカス系と、Ｚ
移動量検出部７すなわち鏡筒または対物レンズの移動量
と計数部４０の出力とを加算する演算部５５を追加した
ものである。

【００３４】オートフォーカス系は、レーザーダイオー
ド（ＬＤ）６８の出射光を試料２に入射し、試料２から
の反射光を、結像レンズ３２の焦点に対して前側と後側
に位置するピンホール（ＰＨ）６４，６６を介してＰＤ
６５，６７で受光している。さらに合焦検出回路３でＰ
Ｄ６５，６７の検出信号の差／和をとり、これを対物レ
ンズ４を駆動しているモーター５にフィードバックして
オートフォーカスを行っている。また、対物レンズ４の
移動量はスケール６により検出されＺ移動量検出部７に
よりカウントされる。

【００３５】演算部５５は、Ｚ移動量７および計数部４
０の出力すわち高さデータが入力されて適宜加算され
る。例えば、Ｚ移動量の変化がない間のみ計数部４０の
高さデータをＺ移動量に加算するようにする。

【００３６】このようにすれば、オートフォーカス系で
ある程度の段差まで測定して、オートフォーカス系の検
出できる分解能以下の微細な段差をノマルスキー光学系
で検出できるので、広い範囲のＺ測定が可能となる。

【００３７】ここで、オートフォーカス系は共焦点型を
用いて説明したが特にこれに限ることなく、例えば三角
測量法などでも良い。 〈第３の実施の形態〉第３の実施の形態は、図６に示す
ように、試料２を載せたステージ１を走査してアクティ
ブ型合焦検出部の検出値に基づいて鏡筒または対物レン
ズ４を移動し、その移動量により試料の段差を測定する
段差測定装置において、特定波長のみを透過する干渉フ
ィルター３０から出射した光を光源とするノマルスキー
光学系と、ノマルスキー光学系を透過した試料２の反射
光より試料２の勾配を検出し、勾配が所定のしきい値を
越えたときにエッジ検出信号を出力するエッジ検出部７
１とを具備した段差測定装置である。

【００３８】具体的には、第２の実施の形態と同様に、
ＬＤ６８、ＰＨ６４，６６、ＰＤ６５，６７、合焦検出
回路３、モーター５、Ｚ移動量検出部７２からなるオー
トフォーカス系を備え、このオートフォーカス系の動作
は、第２の実施の形態と同じであるため省略する。

【００３９】また、光源２０、干渉フィルタ３０、コン
デンサレンズ２１、偏光板２２、ノマルスキープリズム
２４で構成されるノマルスキー光学系と、１／４波長３
１、結像レンス３２、ＮＰＢＳ３３、ＰＢＳ３４、偏光
板３５、ＰＤ３７，３９，５４で構成される検出光学系
も第２の実施の形態と同じように動作する。

【００４０】そして、新たに設けるエッジ検出部７１
は、検出光学系からの位相差信号により第１の実施の形
態例の計数部の動作と同様にリサージュ波形（Ａ相・Ｂ
相）を求め、図７に示すリサージュ角度θが斜線部で示
す０度付近を越えて大きく変化したとき、エッジ信号ｅ
を出力するように動作する。

【００４１】ここで、図８に示す段差パターンを持つ試
料２において、段差ｈとエッジ幅ｗを測定する場合を考
える。試料２の平坦部では、エッジ検出部７１内部で得
られるリサージュ角度θは０となるが、ステージ１を動
かしてエッジ部にかかると図のように変化が生じる。エ
ッジ検出部７１では、角度θが図７の斜線部分にある
時、つまり０度付近であるときにはＬＯＷで、θが大き
く変化して斜線部を越えればＨＩＧＨであるような信号
ｓｗを生成し、この信号ｓｗを基にエッジを表すパルス
ｅを生成する。この信号ｅをステージ移動量検出部７３
のラッチ信号Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４として使用すれ
ば、エッジ間距離ｗが求められる。すなわち、パルスＬ
１でラッチされた座標とパルスＬ２でラッチされた座標
とを平均することにより、立ち上がりエッジの座標が得
られ、パルスＬ３でラッチされた座標とパルスＬ４でラ
ッチされた座標とを平均することにより、立ち下がりエ
ッジの座標が得られるので、その差を取ればエッジ幅ｗ
を求めることができる。

【００４２】また、角度θがほぼ０の時につまり、信号
ｓｗがＨＩＧＨのときにのみオートフォーカス動作を行
うようにすれば、試料２の平坦部間の段差ｈが容易に求
められる。

【００４３】このようにすれば、一度ステージを移動さ
せるだけで段差及びエッジ間距離などが同時に測定でき
るので、測定のスピードアップが、簡単な構成で可能と
なる。この効果は、ステージが自動の場合特に有効であ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、以下のよう
な効果が得られる。すなわち、本発明は簡単でかつ安価
な構成でサブミクロン以下の形状測定が可能となる形状
測定装置を提供できる。また、本発明は簡単かつ安価な
構成で段差及び距離の測定が同時に行え測定のスピード
アップが可能となる段差測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施の形態である形状測定
装置の概略構成を示す図。

【図２】図１の計数部の構成を説明するための図。

【図３】図１の計数部の動作を説明するためのリサージ
ュ信号図。

【図４】図１の動作を説明するためのタイムチャート。

【図５】本発明による第２の実施の形態である形状測定
装置の概略構成を示す図。

【図６】本発明による第３の実施の形態である段差測定
装置の概略構成を示す図。

【図７】図６の計数部の動作を説明するためのリサージ
ュ信号図。

【図８】図６のエッジ検出部の動作を説明するためのタ
イムチャート。

【図９】従来の落射型ノマルスキー微分干渉顕微鏡の概
略構成を示す図。

【図１０】従来の段差測定装置の一例の概略構成を示す
図。

【符号の説明】

１…ステージ、２…試料、４…対物レンズ、１１…スケ
ール、２０…光源、２１…コンデンサレンズ、２２…偏
光板、２３…ハーフミラー、２４…ノマルスキープリズ
ム、３０…干渉フィルタ、３１…１／４波長板、３２…
結像レンズ、３３…無偏光ビームスピリッタ、３４…偏
光ビームスプリッタ、３５…偏光板、３６…ピンホー
ル、３７…フォトダイオード、３８…ピンホール、３９
…フォトダイオード、４０…計数部、５３…ピンホー
ル、５４…フォトダイオード、５６…ステージ移動量検
出部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を載せたステージを走査することに
   より、前記試料の形状を測定する形状測定装置におい
   て、 特定波長のみを透過するフィルターから出射した光を光
   源とするノマルスキー光学系と、 前記ノマルスキー光学系を透過した前記試料の反射光か
   ら、互いに９０度ずつ位相のずれた３つ以上の干渉信号
   を生成する検出光学系と、 前記検出光学系の出力から干渉強度中の直流成分を除去
   して干渉縞の位相変化量をカウントする計数手段と、を
   有することを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の形状測定装置において、 アクティブ型合焦検出部の検出値に基づいて鏡筒または
   対物レンズを移動させるオートフォーカス系と、 鏡筒または対物レンズの移動量と前記計数手段の出力と
   を加算する演算手段と、を有することを特徴とする形状
   測定装置。
3. 【請求項３】 試料を載せたステージを走査してアクテ
   ィブ型合焦検出部の検出値に基づいて鏡筒または対物レ
   ンズを移動し、その移動量により試料の段差を測定する
   段差測定装置において、 特定波長のみを透過するフィルターから出射した光を光
   源とするノマルスキー光学系と、 前記ノマルスキー光学系を透過した試料反射光より試料
   の勾配を検出し、前記勾配が所定のしきい値を越えたと
   きにエッジ検出信号を出力するエッジ検出手段と、を有
   することを特徴とする段差測定装置。