JPH1183449A

JPH1183449A - 段差測定方法

Info

Publication number: JPH1183449A
Application number: JP24324897A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Hoshino; 大子星野
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】基板を傷つけることなく、正確に基板上の段
差測定ができる段差測定方法を提供する。【解決手段】段差上部１０ａ上および段差下部１０ｂ
上に設けられた、反射率の高い材質からなる段差検出マ
ーク１０ａ上および段差検出マーク１０ｂ上に、ビーム
光１１を入射角φで入射する。段差検出マーク１０ａ、
１０ｂ上で反射したビーム光１１の反射光１１ａ、１１
ｂが基板１０上方に備えられた光検出器１４に入射する
位置の差ｄ₁を測定することにより、段差１０ｃの高さ
ｄを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜厚測定や半導体
基板上などの段差測定など、微小な段差の高さを測定す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板上に形成された薄膜の厚さ
や、半導体基板上などの微小な段差の計測方法の１つと
して触針法が用いられている。

【０００３】図１１は、従来の触針法による基板表面の
段差測定方法を示す模式図である。図１１（ａ）に示す
ように、まず、段差測定用の針９０の先端を、基板１０
の段差１０ｃ近傍の表面（ｍ点）に一定の圧力で接触さ
せる。次に、針９０をｍ点からｍ’点まで、段差１０ｃ
を跨いで一定速度で移動させる。このときに、段差１０
ｃの高さｄだけ針９０の位置が上下する。この針９０の
上下動を、電気信号に変えることにより、針９０の移動
した距離に対応する高さの変化が、図１１（ｂ）に示す
ようなチャートとして出力される。このチャートにおけ
る高さの変化量ｄ’を求めることにより、段差１０ｃの
高さｄを測定することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような触針法に
よる段差測定では、段差測定用の針を直接基板上に接触
させて移動させ、その針の上下動を観測することにより
基板上の段差の高さを測定することができる。

【０００５】しかしながら、このような触針法による段
差測定では、針を基板上に接触させるため、その針の圧
力により基板を傷つけてしまうという問題があった。ま
た、針の先端形状や、圧力計測などの検出系誤差が、段
差測定の精度に大きく影響するという問題があった。さ
らに、硬度が異なる複数の材質からなる部分の段差を測
定する場合（例えば基板上に形成された薄膜の厚さを測
定する場合など）、基板材質の硬度の違いにより針の挙
動が変化するために、正確な段差測定ができないという
問題があった。

【０００６】そこで、本発明は、基板を傷つけることな
く、正確に段差測定ができる段差測定装置及び段差測定
方法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、以下の構成を採用した。すなわち、請求
項１の発明は、基板表面上の段差の高さを測定するため
の段差測定方法において、ａ）光源から出射されたビー
ム光を前記基板表面上における段差の上側に位置する第
１平坦部に設けられた第１の反射部材に一定の入射角で
入射し、ｂ）前記光源から出射された前記ビーム光を前
記基板表面上における段差の下側に位置する第２平坦部
に設けられた第２の反射部材に前記一定の入射角で斜入
射し、ｃ）前記第１反射部材で反射したビーム光と前記
第２反射部材で反射したビーム光とのずれを検出し、検
出された前記各反射光の光路のずれに基づいて前記基板
表面上の段差の高さを測定することを特徴とする。

【０００８】このような段差測定方法によれば、基板表
面上に設けられた第１および第２反射部材上で反射した
ビーム光の、それらの反射光の光路の違いを用いて、基
板表面上の段差測定を行うことができる。従って、非接
触で段差測定を行うことができるため、基板に傷を付け
ることなく、正確に段差測定を行うことができる。

【０００９】ここで、反射部材とは、高い反射率で光を
反射する材質からなり、基板に対して常に一定の厚さを
有する薄膜形状のものを示す。具体的にはアルミニウム
やクロム、金、白金などの金属薄膜などが挙げられる。
また、これらの金属膜は蒸着やスパッタなどにより形成
されるものでもよいし、該金属の箔を基板上に装着する
ことにより形成されるものであってもよい。また、この
反射部材は、極めて細い短冊形の金属薄膜が等間隔に複
数並べられた回折格子形状のものであってもよい。

【００１０】また、ビーム光は、後述する光検出手段が
検出できる強度および波長の光であれば、いずれの光を
も用いることができる。具体的には、レーザ光などを用
いることが望ましい。

【００１１】請求項２の発明は、基板表面上の段差の高
さを測定するための段差測定方法において、Ａ）光源か
ら出射されたビーム光を前記基板表面上における段差の
上側に位置する第１平坦部に設けられた第１の反射部材
に一定の入射角で斜入射し、Ｂ）前記第１の反射部材上
で反射した前記第１ビーム光の反射光が、前記基板に対
して垂直な方向に昇降自在に設けられた光検出手段の基
準位置に入射するように、前記光検出手段の位置を調節
し、Ｃ）前記光源から出射された前記ビーム光を前記基
板表面上における段差の下側に位置する第２平坦部に設
けられた第２の反射部材に前記一定の入射角で斜入射
し、Ｄ）前記光源から出射された第２ビーム光を前記第
２の反射部材に前記一定の入射角で斜入射し、Ｅ）前記
第２反射部材上で反射した前記第２ビーム光の反射光が
前記光検出手段の前記基準位置に入射するように、前記
光検出手段の位置を調節し、Ｆ）前記第１および第２ビ
ーム光のそれぞれの反射光が前記光検出手段の基準位置
に入射したときの前記光検出手段のそれぞれの位置のず
れを計測することによって前記基板上の段差の高さを測
定することを特徴とする。

【００１２】ここで、光検出手段とは、光が入射される
位置や強度を検出する光学機器などを用いることができ
る。具体的には、ＰＳＤ（position sensitive detecto
r）やＣＣＤ（charge coupled device）、フォトダイオ
ード、光導電型撮像管などが用いられる。

【００１３】請求項３の発明は、基板表面上の段差の高
さを測定するための段差測定方法において、i）前記基
板に対して垂直な方向に昇降自在に設けられた支持部材
により前記基板を支持し、ii）光源から出射されたビー
ム光を前記基板表面上における段差の上側に位置する第
１平坦部に設けられた第１の反射部材に一定の入射角で
斜入射し、iii）前記第１の反射部材上で反射した前記
第１ビーム光の反射光が、光検出器の基準位置に入射す
るように、前記支持部材の位置を調節し、iv）前記光源
から出射された前記ビーム光を前記基板表面上における
段差の下側に位置する第２平坦部に設けられた第２の反
射部材に前記一定の入射角で斜入射し、v）前記第２の
反射部材上で反射した前記第２ビーム光の反射光が、前
記光検出器の基準位置に入射するように、前記支持部材
の位置を調節し、vi）前記第１および第２ビーム光のそ
れぞれの反射光が前記光検出手段の基準位置に入射した
ときの前記支持部材のそれぞれの位置のずれを計測する
ことによって前記基板上の段差の高さを測定することを
特徴とする。

【００１４】請求項４の発明は、請求項２または請求項
３に記載の段差測定方法が前記反射部材は光を反射す
る部分と光を反射しない部分とが等間隔に縞状に並べら
れた回折格子状に形成されたものであり、前記光源から
出射される光は単波長光であることで特定したものであ
る。

【００１５】請求項５の発明は、請求項４記載の段差測
定方法が、前記光検出手段は、その受光面上の一部に光
を遮断する遮光部材を備えることで特定したものであ
る。請求項６の発明は、請求項４または請求項５に記載
の段差測定方法が、前記光検出手段は２次元ＰＳＤであ
ることで特定したものである。

【００１６】請求項７の発明は、請求項４または請求項
５に記載の段差測定方法が、前記光検出手段はＣＣＤ
（charge coupled device)であることで特定したもので
ある。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の形態を説明する。〈第１実施形態〉図１（ａ）は、本第１実施形態による
段差測定に用いる反射部材としての段差検出マークを説
明する斜視図であり、図１（ｂ）は、本実施形態による
段差測定装置の測定原理を示すために図１（ａ）のＡの
方向から見た側視図である。本第１実施形態の段差測定
装置は、基板１０上に固着された段差検出マーク１２
ａ，１２ｂと、ビーム光を出射する光源１３と、一定の
範囲内で基板に対して垂直な方向（図１（ｂ）のｚ軸に
平行な方向）へ昇降自在な光検出器１４とを備えてい
る。

【００１８】段差検出マーク１２ａ，１２ｂは金属など
の反射率の高い材質からなる箔状の形状を有しており、
それぞれの厚さは一定に形成されているので、各段差検
出マーク１２ａ，１２ｂの表面は基板１０の表面と平行
になっている。これらの段差検出マーク１２ａ，１２ｂ
は、段差１０ｃの上側の基板表面（以下、段差上部１０
ａと表記する），及び段差１０ｃの下側の基板表面（以
下、段差下部１０ｂと表記する）のそれぞれに配置され
ている。なお、本第１実施形態においては、第１平坦部
を段差上部１０ａとし、第２平坦部を段差下部１０ｂと
している。

【００１９】光源１３は、その位置及び出射方向が常に
一定に保たれるように、基板１０の上方に固定されてい
る。従って、光源１３から出射されるビーム光１１は、
基板１０上に配置された段差検出マーク１２ａ及び１２
ｂ表面に対して、常に入射角φで入射する。なお、この
ビーム光１１としては、レーザ光などを用いることが好
ましいが、レーザ光に限らず、そのビーム軸上に強度の
ピークを持つスポット光であればよい。

【００２０】光検出器１４（光検出手段）は、光の入射
位置を検出し、それを電気信号に変換するものであり、
本第１実施形態においては、ＰＳＤ（position sensiti
ve detector、個体位置検出素子）やＣＣＤ（charge co
upled device）、フォトダイオード、光導電型撮像管な
どを用いることができる。この光検出器１４は、段差検
出マーク１２ａ、１２ｂ上で反射したビーム光が、その
受光面に対して直角に入射されるように、基板１０の上
方に設置されている。また、光検出器１４は、ビーム光
の入射位置に応じて、基板に対して垂直な方向（ｚ軸の
方向）に平行移動させることが可能である。

【００２１】以下、図１（ｂ）を用いて、本第１実施形
態による段差測定方法を説明する。まず、光源１３か
ら、ビーム光１１（第１ビーム光）を出射し、段差上部
１０ａ上に配置された段差検出マーク１２ａ（第１反射
部材）上に入射させる。出射されたビーム光１１は、段
差検出マーク１２ａ上で反射し、その反射光１１ａは光
検出器１４に向かって進行する。そこで、反射光１１ａ
が光検出器１４の受光面上の一定点（例えば中心、以
下、基準点Ｏ₁と表記する）に直角に入射するように、
光検出器１４のｚ軸方向の位置を調節する。このときの
光検出器のｚ軸上の座標（第１の位置）をＡ₁とする。

【００２２】次に、ビーム光１１（第２ビーム光）が、
段差下部１０ｂに配置された段差検出マーク１２ｂ（第
２反射部材）上に入射されるように、基板１０をＡの方
向（基板１０の表面に平行な方向）に僅かに移動させ
る。すると、ビーム光１１は、段差検出マーク１２ｂ上
で反射し、その反射光１１ｂは光検出器１４を掠めるよ
うに進行する。そこで、反射光１１ｂが光検出器１４の
基準位置Ｏ₁に入射するように、光検出器１４のｚ軸方
向の位置を調節する。すると、光検出器１４は図２中の
点線で示されている位置まで移動する。このときの光検
出器のｚ軸上の座標（第２の位置）をＡ₂とする。

【００２３】これらの反射光１１ａ，１１ｂが光検出器
１４の基準位置Ｏ₁へ入射する位置の差，即ち光検出器
１４のｚ軸方向の移動距離ｄ₁（＝Ａ₁−Ａ₂）は、基板
１０の段差１０ｃの高さｄに対応し、ｄ₁＝２ｄの関係
を有している。従って、光検出器１４の移動距離ｄ₁を
計測することにより、段差１０ｃの高さｄを求めること
ができる。

【００２４】このように、本第１実施形態によれば、ビ
ーム光１１を、段差上部１０ａ及び段差下部１０ｂ上に
それぞれ配置された段差検出マーク１２ａ，１２ｂに斜
入射し、その反射光１１ａ，１１ｂが光検出器１４に入
射する高さの違いｄ₁を計測することにより、基板１０
上の段差の高さｄを測定することができる。従って、非
接触で基板１０上の段差の高さを測定することができる
ため、基板１０の表面を傷つける心配がない。また、硬
度が異なる材質からなる基板１０上の段差の高さｄも精
度良く測定することができる。

【００２５】なお、本第１実施形態を変形して、反射光
１１ａ，１１ｂの両方が入射可能なＰＳＤなどの光検出
器を基板１０の上方に固定し、この光検出器を用いて段
差測定を行うことも可能である。この場合には、光検出
器に入射された反射光１１ａ，１１ｂの光路の差，即ち
入射位置（高さ）の差を計測することにより、段差１０
ｃの高さｄが求められる。

【００２６】〈第２実施形態〉図２は、本第２実施形態
による段差測定に用いる反射部材としての段差検出パタ
ーンを説明する斜視図である。また、図３及び図４は、
それぞれ本第２実施形態による段差測定装置の測定原理
を示すために、図２のＡの方向から見た側視図，及びＢ
の方向から見た平面図である。本第２実施形態の段差測
定装置は、基板１０上に設けられた回折格子形状の段差
検出パターン２２ａ，２２ｂと、単波長のビーム光（レ
ーザ光）を出射する光源２６と、段差検出パターン２２
ａ及び２２ｂ上で回折した回折光の位置を検出するため
のポジション・センシティブ・ディテクタ２４（positi
on sensitive detector、以下ＰＳＤと表記する）とを
備えている。

【００２７】段差検出パターン２２ａ、２２ｂは金属な
どの反射率の高い材質からなり、図２に示すように、極
めて細い一定の幅の短冊形の金属薄膜が、等間隔且つ平
行に複数並べられた回折格子形状を有している。このよ
うな段差検出パターン２２ａ，２２ｂは、個々の金属薄
膜の幅及び金属薄膜同士の間隔が数μｍ〜数十μｍであ
る。この金属薄膜同士の間隔は、次のように設定され
る。この間隔をＤ、ビーム光の波長をλとすると、ｎ次
回折光は、Ｄｓｉｎθ＝ｎλを満たす角度θで回折す
る。ここで、ｎは次数で整数値となる。よって、回折光
がＰＳＤに取り込めるように間隔Ｄを設定すればよい。

【００２８】また、それぞれの薄膜の厚さはすべて一定
に形成されているので、各段差検出マーク２２ａ、２２
ｂの表面は、基板１０の表面と平行になっている。この
ような回折格子状の段差検出パターン２２ａ，２２ｂ
は、図４の方向から見て、いずれも後述するビーム光の
入射方向に対して、パターンの向きが平行になるよう
に、基板１０上に配置されている。段差検出パターン２
２ａ，２２ｂは、基板１０上への該金属のスパッタや蒸
着により金属膜を形成した後に、フォトレジストを用い
たエッチングを行って形成されたものであってもよい。
また、その表面に回折格子状のパターンが予め形成され
たシート状物を基板１０上に着脱自在に接着することに
より形成されたものであってもよい。

【００２９】このように回折格子状に形成された段差検
出パターン２２ａ，２２ｂは、光が照射されると、回折
格子として機能する。これらの段差検出パターン２２
ａ，２２ｂは、段差１０ｃの上側の基板表面（以下、段
差上部１０ａと表記する），及び段差１０ｃの下側の基
板表面（以下、段差下部１０ｂと表記する）のそれぞれ
に配置されている。なお、本第２実施形態においては、
第１平坦部を段差上部１０ａとし、第２平坦部を段差下
部１０ｂとしている。

【００３０】光源２６はレーザダイオードであり、各段
差検出パターン２２ａ，２２ｂの全面にビーム光を照射
できるよう、その出射面が横広に（Ａ方向側に広く）形
成されている。また、光源２６は、その位置及び出射方
向が常に一定に保たれるように、基板１０の上方に固定
されている。従って、光源２６から出射されるビーム光
２１は、それぞれ基板１０上に配置された段差検出マー
ク上２２ａ表面，２２ｂ表面に対して、常に入射角φで
入射する。また、ビーム光２１は、各段差検出パターン
２２ａ，２２ｂの全面に照射されるように、横長のスリ
ット光状に整形されたレーザ光である。

【００３１】２次元ＰＳＤ２４（光検出手段）は、光の
入射位置を検出し、それを電気信号に変換するものであ
る。この２次元ＰＳＤ２４は、段差検出パターン２２
ａ，２２ｂ上で回折したビーム光２１の回折光２１ａ，
２１ｂが、その受光面に対して直角に入射するように、
基板１０の上方に設置されている。なお、本第２実施形
態においては、２次元ＰＳＤ２４の、段差検出パターン
２２ａ，２２ｂのパターンの向きに対して、図４の方向
から見て直交する方向をｘ軸方向とし、ｘ軸に直交する
方向をｙ軸方向とする。

【００３２】また、２次元ＰＳＤの受光面上には、段差
検出パターン２２ａ，２２ｂ上で回折してその２次元Ｐ
ＳＤ２４に入射する回折光２１ａ，２１ｂの０次光を遮
断するために、帯状の遮光部材からなるマスク２８が、
ｘ軸方向の中央において、ｙ軸方向に向けて装着されて
いる。

【００３３】以下、図３及び図４を用いて、本第２実施
形態による段差測定方法を説明する。まず、光源２６か
ら、ビーム光２１（第１ビーム光）を、段差上部１０ａ
上に配置された段差検出パターン２２ａ（第１反射部
材）上に入射させる。すると、ビーム光２１は、段差検
出パターン２２ａ上で回折し、その回折光２１ａは２次
元ＰＳＤ２４に向かって進行する。但し、回折光２１ａ
の０次光はマスク２８によって遮断されるため、２次元
ＰＳＤ２４には、遮断された０次光を除く回折光２１ａ
が入射する。２次元ＰＳＤ２４に入射した回折光２１ａ
のｙ軸方向の光量は、図３中のグラフに実線で示される
ように、ピーク（極大値）を有する分布を持つ。２次元
ＰＳＤに入射する光量がピークとなる位置は、２次元Ｐ
ＳＤの各出力端子から出力される電流比に基づいて算出
される。このピーク位置の、ｙ軸方向の座標Ｂ₁を、回
折光２１ａの２次元ＰＳＤ２４への入射位置（第１の位
置）とする。

【００３４】次に、ビーム光２１（第２ビーム光）が、
段差下部１０ｂ上に配置された段差検出パターン２２ｂ
（第２反射部材）上に入射されるように、基板１０をＡ
の方向（基板１０の表面に平行な方向）に僅かに移動さ
せる。すると、ビーム光２１は、段差検出パターン２２
ｂ上で回折し、その回折光２１ｂは２次元ＰＳＤ２４に
向かって進行する。すると、回折光２１ａと同様に、回
折光２１ｂの０次光も、マスク２８によって遮断され
る。従って、２次元ＰＳＤ２４に入射した回折光２１ｂ
のｙ軸方向の光量は、図３中のグラフに点線で示される
ように、ピークを有する分布を持つ。よって、回折光２
１ａと同様に、回折光２１ｂのｙ軸方向のピーク位置
も、２次元ＰＳＤ２４により検出される。このピーク位
置の、ｙ軸方向の座標Ｂ₂（第２の位置）を、回折光２
１ｂの２次元ＰＳＤ２４への入射位置とする。

【００３５】それぞれの回折光２１ａ，２１ｂの、２次
元ＰＳＤ２４へのｙ軸方向の入射位置の座標の差ｄ
₂（＝Ｂ₁−Ｂ₂），即ち光路の差は、段差１０ｃの高さ
ｄに対応し、ｄ＝ｄ₂ｃｏｓφの関係が成り立つ。従っ
て、２次元ＰＳＤ２４の座標の差ｄ₂の長さを計測する
ことにより、段差１０ｃの高さｄを求めることができ
る。

【００３６】なお、２次元ＰＳＤ２４の受光面にマスク
２８を設けたのは以下の理由による。即ち、回折光２１
ａ及び２１ｂの０次光が２次元ＰＳＤ２４に入射する位
置には、段差検出パターン２２ａ，２２ｂ以外の部分
（例えば回路パターンなど）で反射した光も入射される
ため、検出誤差の原因となる。そこで、マスク２８によ
ってこの０次光の入射位置を遮光することによって、段
差検出パターン２２ａ、２２ｂによる回折光以外の他の
反射光が２次元ＰＳＤ２４に入射するのを防ぐことがで
きる。従って、段差検出パターン２２ａ，２２ｂが配置
された部分の段差を、精度良く測定することができる。

【００３７】このように、本第２実施形態によれば、段
差上部１０ａ及び段差下部１０ｂの各表面に配置された
段差検出パターン２２ａ、２２ｂに斜入射されたビーム
光２１の、回折光２１ａ、２１ｂが２次元ＰＳＤ２４に
入射する高さの違いを計測することにより、基板１０上
の段差の高さを測定することができる。従って、非接触
で基板１０上の段差の高さを測定することができるた
め、基板表面を傷つける心配がない。また、硬度が異な
る材質からなる基板１０上の段差も精度良く測定するこ
とができる。また、回折格子状の段差検出パターン２２
ａ，２２ｂと、２次元ＰＳＤ２４に装着されたマスク２
８を用いることにより、他の部分からの反射光による誤
差を低減し、精度良く段差測定を行うことができる。

【００３８】なお、本第２実施形態の変形例として、光
源２６に単波長光を出射する発光ダイオードなどを用い
てもよい。また、単波長の平行光を出射する他の光源を
用いることも可能である。さらに、光検出手段として、
２次元ＰＳＤ２４の他にＣＣＤ（固体撮像素子）や光導
電型撮像管などを用いることもできる。

【００３９】〈第３実施形態〉図５は、本第３実施形態
による段差測定に用いられる段差検出パターンを説明す
る斜視図である。また、図６及び図７は、それぞれ本第
３実施形態による段差測定装置の測定原理を示すため
に、図５のＡの方向から見た側視図，及びＢの方向から
見た平面図である。本第３実施形態は、２個の光源３
６、３７から出射されたビーム光を同時に段差検出マー
ク３２ａ，３２ｂ上に照射し、形成された回折光の位置
をＣＣＤ３４が同時に検出することにより、段差測定を
行うことを特徴とし、他の部分を第２実施形態と同一と
する。

【００４０】即ち、本第３実施形態による段差測定装置
は、基板１０上に設けられた回折格子形状の段差検出パ
ターン３２ａ，３２ｂと、単波長のビーム光を出射する
光源３６，３７と、段差検出パターン３２ａ及び３２ｂ
上で回折した回折光の位置を検出するためのＣＣＤ３４
とを備えている。

【００４１】図５に示すように、基板１０の段差上部１
０ａには段差検出パターン３２ａが、段差下部１０ｂ上
には段差検出パターン３２ｂが、それぞれ配置されてい
る。これらの段差検出パターン３２ａ，３２ｂは、第２
実施形態と同様に、回折格子形状に形成されている。

【００４２】光源３６，３７は、レーザダイオードであ
り、それぞれ段差検出パターン３２ａ表面または３２ｂ
表面の全面にビーム光を照射できるよう、その出射面が
横広に（Ａ方向側に広く）形成されている。また、光源
３６，３７は、それらの位置及び出射方向が常に一定に
保たれるように、基板１０の上方に固定されている。従
って、光源３６から出射されるビーム光３１ａは、段差
上部１０ａ上の段差検出パターン３２ａ表面に対して、
常に入射角φで入射する。ビーム光３１ａは段差検出パ
ターン３２ａ上で回折し、その回折光３１ａ’はＣＣＤ
３４に向かって進行する。なお、本第３実施形態におい
ては、ＣＣＤ３４の、段差検出パターン３２ａ，３２ｂ
のパターンの向きに対して、図４の方向から見て直交す
る方向をｘ軸方向とし、ｘ軸に直交する方向をｙ軸方向
とする。

【００４３】また、光源３７から出射されるビーム光３
１ｂも、段差下部１０ｂ上の段差検出パターン３２ｂ表
面に対して、常に入射角φで入射する。ビーム光３１ｂ
は段差検出パターン３２ｂ上で回折し、その回折光３１
ｂ’はＣＣＤ３４にに向かって進行する。従って、ＣＣ
Ｄ３４には、回折光３１ａ’，３１ｂ’が同時に入射す
るが、これらの回折光３１ａ’，３１ｂ’の０次光のＣ
ＣＤ３４へのｘ方向の入射位置がほぼ一致するように、
光源３６，３７の向きが固定されている。また、段差検
出パターン３２ａ，３２ｂのパターンの向きも、図６，
７に示すように、ビーム光３１ａ，３１ｂの出射方向と
平行になるように配置されている。なお、光源３６，３
７から出射される単波長のビーム光３１ａ，３１ｂは、
第２実施形態と同様に、横長のスリット状に整形された
平行光である。

【００４４】光検出手段としては、本第３実施形態にお
いては、複数の入射光を個別に検出できる手段であるこ
とが必要であるため、ＣＣＤ３４を用いている。ＣＣＤ
３４は、段差検出パターン３２ａ，３２ｂで回折した回
折光３１ａ’，３１ｂ’がｙ軸方向において直角に入射
するように、基板１０の上方に固定されている。また、
このＣＣＤ３４上の一部には、前述した回折光３１
ａ’，３１ｂ’による０次光を遮断するための帯状のマ
スク２８が、ｘ軸方向の中央において、ｙ軸方向に向け
て装着されている。

【００４５】以下、図６及び図７を用いて、本第３実施
形態による段差測定方法を説明する。光源３６、３７か
ら出射したビーム光３１ａ，３１ｂは、基板１０上の段
差検出パターン３２ａ，３２ｂ上で回折し、それらの回
折光３１ａ’，３１ｂ’は、光検出器３４に入射する。
回折光３１ａ’，３１ｂ’の０次光はマスク２８によっ
て遮断されるため、ＣＣＤ３４には０次光を除く回折光
３１ａ’，３１ｂ’が入射する。ＣＣＤ３４は、入射し
た光量の分布を検出し、それらを電気信号に変換して出
力を行う。これにより、ＣＣＤに入射した回折光３１
ａ’，３１ｂ’のｙ軸方向の位置が検出される。回折光
３１ａ’，３１ｂ’のＣＣＤへのｙ軸方向の入射位置間
の距離ｄ₃は、基板１０の段差１０ｃの高さｄに対応
し、ｄ＝ｄ₃ｃｏｓφの関係が成り立つ。従って、ＣＣ
Ｄ３４により検出される回折光３１ａ’，３１ｂ’の入
射位置間の距離ｄ₃，即ち光路の差を計測することによ
り、段差１０ｃの高さｄを求めることができる。

【００４６】このように、本第３実施形態によれば、第
２実施形態と同様に、非接触で精度良く段差測定を行う
ことができる。しかも、段差上部および下部の回折光を
同時に測定することにより、基板１０を固定したまま、
より簡単且つ正確に段差測定を行うことができる。

【００４７】なお、本第３実施形態の変形例として、光
源３６，３７に単波長光を出射する発光ダイオードなど
を用いてもよい。また、ＣＣＤ３４の代わりに光導電型
撮像管などを用いてもよい。

【００４８】〈第４実施形態〉図８は、本第４実施形態
による段差測定に用いられる段差検出パターンを説明す
る斜視図である。また、図９及び図１０は、それぞれ本
第４実施形態による段差測定装置の測定原理を示すため
に、図８のＡの方向から見た側視図，及びＢの方向から
見た平面図である。本第４実施形態による段差測定装置
は、基板１０を載置した状態での、基板１０の表面に対
して垂直な方向（図９のｚ軸に平行な方向）に昇降自在
に設けられた、支持部材としてのステージ４０を備える
ことを特徴とし、他の部分を第２実施形態と同一とす
る。即ち、本第４実施形態による段差測定装置は、段差
を測定する基板１０を設置するためのステージ４０と、
基板１０上に設けられた回折格子形状の段差検出パター
ン４２ａ，４２ｂと、単波長のビーム光を出射する光源
４６と、段差検出パターン４２ａ，４２ｂ上で回折した
回折光の位置を検出するための光検出器４４とを備えて
いる。

【００４９】基板１０が載置されたステージ４０は、基
板１０の表面に対して垂直な方向（図９のｚ軸に平行な
方向）に上下に昇降自在に設けられている。また、ステ
ージ４０には、その高さを計測するための、図示せぬ目
盛りが備えられている。

【００５０】基板１０の段差上部１０ａ上，及び段差下
部１０ｂ上には、第２実施形態のものと全く同様に、回
折格子状の段差検出パターン４２ａ，及び４２ｂが、そ
れぞれ配置されている。さらに、本第４実施形態では、
ビーム光４１を出射する光源４６，及び光検出器４４
は、互いの位置関係を保ちながら、若干の範囲で基板１
０の表面に対して平行に，即ち図８及び図１０のＡの方
向に平行に移動することができる。なお、光源４６は、
その出射方向が常に一定に保たれるように固定されてい
る。従って、光源４６から出射されたビーム光４１は、
基板１０上に配置された段差検出マーク４２ａ，４２ｂ
表面に対して常に入射角φで入射する。

【００５１】光源４６から出射されたビーム光４１は段
差検出パターン４２ａ上で回折し、その回折光４１ａは
ＰＳＤ４４に入射する。そして、ＰＳＤ４４により、第
２実施例と同様にして回折光４１ａのＰＳＤ４４への入
射位置（入射した光量のピーク位置）が検出される。そ
して、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように、その
回折光４１ａの入射位置と、ＰＳＤ４４上の一定点（以
下、基準点Ｏ₂と表記する）とが一致するように、ステ
ージ４０のｚ軸方向の位置を調節する。このときのステ
ージ４０のｚ軸方向の座標をｚ₀とする。

【００５２】次に、ビーム光を出射する光源４６及びＰ
ＳＤ４４を、図１０（ｂ）に示すように、Ａの方向に沿
って段差下部１０ｂ側に平行移動し、ビーム光４１を段
差下部１０ｂ上の段差検出パターン４２ｂ上に入射す
る。ビーム光４１は段差検出パターン４２ｂ上で回折
し、その回折光４１ｂはＰＳＤ４４に入射する。そし
て、ＰＳＤ４４により、回折光４１ｂの入射位置を検出
する。そして、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すよう
に、その回折光４１ｂの入射位置と、ＰＳＤ４４の基準
点Ｏ₂とが一致するように、ステージ４０のｚ軸方向の
位置を調節する。このときのステージ４０のｚ軸方向の
座標をｚ₁とする。

【００５３】このステージ４０の移動距離ｚ₁−ｚ₀は段
差１０ｃの高さｄに等しい。従って、段差１０ｃの高さ
ｄは、このステージ４０の移動距離ｚ₁−ｚ₀を求めるこ
とにより得ることができる。

【００５４】このように、本第４実施形態によれば、第
２実施形態と同様に、非接触で精度良く段差測定を行う
ことができる。〈変形例〉以上説明した段差測定装置及び段差測定方法
は、次のように変形することも可能である。例えば、段
差検出マーク（または段差検出パターン）と光検出器と
の間の、各反射光の光路上に、ビームエキスパンダーな
どの光学系を設置もよい。すると、光検出器の受光面上
に入射した、段差上部及び下部からの各反射光間の距離
が拡大されるため、さらに高精度の段差測定を行うこと
ができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、基板を傷つけることな
く、正確に段差測定ができる段差測定装置および段差測
定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１実施形態による段差測定
に用いる段差検出マークを説明する斜視図，および
（ｂ）本発明の第１実施形態による段差測定装置を説明
するために図１（ａ）の方向から見た側視図

【図２】本発明の第２実施形態による段差測定に用い
る段差検出パターンを説明する斜視図

【図３】本発明の第２実施形態による段差測定装置の
測定原理を示すために、図２のＡの方向から見た側視図

【図４】本発明の第２実施形態による段差測定装置の
測定原理を示すために、図２のＢの方向から見た平面図

【図５】本発明の第３実施形態による段差測定に用い
る段差検出パターンを説明する斜視図

【図６】本発明の第３実施形態による段差測定装置の
測定原理を示すために、図５のＡの方向から見た側視図

【図７】本発明の第３実施形態による段差測定装置の
測定原理を示すために、図５のＢの方向から見た平面図

【図８】本発明の第４実施形態による段差測定に用い
る段差検出マークを説明する斜視図

【図９】本発明の第４実施形態による段差測定装置の
測定原理を示すために、図８のＡの方向から見た側視図

【図１０】本発明の第４実施形態による段差測定装置
の測定原理を示すために、図８のＢの方向から見た平面
図

【図１１】従来技術の触針法による段差測定方法の説
明図

【符号の説明】

１０基板１１、２１、３１ａ、３１ｂ、４１ビーム光１１ａ、１１ｂ反射光１２段差検出マーク１３、２６、３６、４６光源１４光検出器２１ａ、２１ｂ、３１ａ’、３１ｂ’、４１ａ、４１ｂ
回折光２２、３２、４２段差検出パターン２４、４４２次元ＰＳＤ２８マスク３４ＣＣＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面上の段差の高さを測定するため
の段差測定方法において、光源から出射されたビーム光を前記基板表面上における
段差の上側に位置する第１平坦部に設けられた第１の反
射部材に一定の入射角で入射し、前記光源から出射された前記ビーム光を前記基板表面上
における段差の下側に位置する第２平坦部に設けられた
第２の反射部材に前記一定の入射角で斜入射し、前記第１反射部材で反射したビーム光と前記第２反射部
材で反射したビーム光とのずれを検出し、検出された前記各反射光の光路のずれに基づいて前記基
板表面上の段差の高さを測定することを特徴とする段差
測定方法。
【請求項２】基板表面上の段差の高さを測定するため
の段差測定方法において、光源から出射されたビーム光を前記基板表面上における
段差の上側に位置する第１平坦部に設けられた第１の反
射部材に一定の入射角で斜入射し、前記第１の反射部材上で反射した前記第１ビーム光の反
射光が、前記基板に対して垂直な方向に昇降自在に設け
られた光検出手段の基準位置に入射するように、前記光
検出手段の位置を調節し、前記光源から出射された前記ビーム光を前記基板表面上
における段差の下側に位置する第２平坦部に設けられた
第２の反射部材に前記一定の入射角で斜入射し、前記光源から出射された第２ビーム光を前記第２の反射
部材に前記一定の入射角で斜入射し、前記第２反射部材上で反射した前記第２ビーム光の反射
光が前記光検出手段の前記基準位置に入射するように、
前記光検出手段の位置を調節し、前記第１および第２ビーム光のそれぞれの反射光が前記
光検出手段の基準位置に入射したときの前記光検出手段
のそれぞれの位置のずれを計測することによって前記基
板上の段差の高さを測定することを特徴とする段差測定
方法。
【請求項３】基板表面上の段差の高さを測定するため
の段差測定方法において、前記基板に対して垂直な方向に昇降自在に設けられた支
持部材により前記基板を支持し、光源から出射されたビーム光を前記基板表面上における
段差の上側に位置する第１平坦部に設けられた第１の反
射部材に一定の入射角で斜入射し、前記第１の反射部材上で反射した前記第１ビーム光の反
射光が、光検出器の基準位置に入射するように、前記支
持部材の位置を調節し、前記光源から出射された前記ビーム光を前記基板表面上
における段差の下側に位置する第２平坦部に設けられた
第２の反射部材に前記一定の入射角で斜入射し、前記第２の反射部材上で反射した前記第２ビーム光の反
射光が、前記光検出器の基準位置に入射するように、前
記支持部材の位置を調節し、前記第１および第２ビーム光のそれぞれの反射光が前記
光検出手段の基準位置に入射したときの前記支持部材の
それぞれの位置のずれを計測することによって前記基板
上の段差の高さを測定することを特徴とする段差測定方
法。
【請求項４】前記反射部材は光を反射する部分と光を
反射しない部分とが等間隔に縞状に並べられた回折格子
状に形成されたものであり、前記光源から出射される光は単波長光であることを特徴
とする請求項２または請求項３に記載の段差測定方法。
【請求項５】前記光検出手段は、その受光面上の一部
に光を遮断する遮光部材を備えることを特徴とする請求
項４記載の段差測定方法。
【請求項６】前記光検出手段は２次元ＰＳＤであるこ
とを特徴とする請求項４または請求項５に記載の段差測
定方法。
【請求項７】前記光検出手段はＣＣＤ（charge coupl
ed device）であることを特徴とする請求項４または請
求項５に記載の段差測定方法。