JPS58208610A - 物体の表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 不祐明は１元亀磁暢射線（たとえば町視光線赤外婦また
は紫外？ｍ）により表面を検査することがで＠かつ表面
の注買にｒＩＡする屯気出力侶号を発生しうる装置に関
するものであろうこの装置は位置もしくは＃ｔ＠センサ
として、或いはステップ高さもしくは粗さセンサとして
、或いは走ｔｍｔ微軛として使用することができ、偏光
干渉測定の技術に基づくものである。

たとえばランク・ティラー・ホブソンータリサー７（Ｒ
ａｎｋ　Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ　Ｔａ１ｙａｕｒ
ｆ　）　（ＲＴＭ　）およびタリステップ（Ｔａ１ｙａ
ｔｅｐ　）　（ＲＴＭ　）のような表面特注を測定する
ための初期の装置は、表面を横断させる針に頼るもので
あった。

本出願人に係る待奸出顧第８１３２７４５号明細ＩＦに
は、表ＩＩ［ｉ粗さまた（はステップ高さを−ｊ定しう
る表面輪郭の干渉計が記載されており、この装置は偏光
干渉測定の技術を便用する。この装置は、出力信号が２
つの信号間におけるパス貴さに２ける差にＩ［接関保す
るという利点をＭするが、表面に関し限られた情報しか
得らｎない。本発明におイテハ、そｎよシ看しく多い情
報紫得ることができる。

本発明によ扛は、２つの１１交する１楠光方向に等しい
像幅の成分をＭ′ｆる輻射線の平行ビームを発生する手
段と、２つの偏光方向における輻射ａを装置の光学軸線
に沿った異なる位置に集束する複屈折集束手段と、前記
位＃を検査表ｒＭＫ対し変化させる軸線走査手段と、輻
射線を表面から受ける但相感受性検出手段と、＃記２つ
の・ば交する偏光方向のそれぞれにおいて表面から受入
れた輻射線の対応パラメータを比較する比軟手段とから
なることを％徴とする表面の性質を棒食する製電が提供
される、 通常、複屈折集束装置は比較的低倍率の複屈折レンズと
比戟的篩倍率非複屈折レンズとからなり好ましくは軸線
走査手段は非複屈折レンズを走査する＋仮からなってい
る。

１ＢＩ−走査の効果は、入射ビームの２つの、１交偏元
成分と恢食表面との交差領域を慄返し交代させることで
あり　最初に一刀の成分を次いで地方の成分を焦点甘せ
し、次いで焦点金ずらす−次いで、表面から受けた圓元
ビーム成分は干渉し、そして傅らｎたビームの周波数、
位相および振幅から表面に関する情報を得ることができ
る、−一定量は、偏光干渉計に必須の変ｊ１１を与える
と共に表面ｆｆ［を生ぜしめうるという二重の効果ヲＭ
するものと児なされる。

位相感受性の輻射線受入手段は、光検出器と位相感受性
の信号処１回路とからなることができる。

しばしば、この信号処理回路にはマイクロプロセッサが
含まれる。

通常、輻射線の平行ビームの光学軸線に対し横方向およ
び検査表面に相対運動させる＠２の定食手段がさらに提
供される。

表面恢ｉｋ装置は、輻射線が複屈折集束装置を２回通過
しかつ２つの直交方向に偏光さｎた輻射線の間に位相差
を導入しないビーム反射手段により受入手段へ反射さｎ
る場合、反射方式で匣用するととつ；でき、双いはこの
表面検量装置は透過方式〇便用することもできる。

さらに、本発明によれば、表面を検査する方法は、２つ
の直交する偏光方向に等しい振幅の成分を有する輻射線
のビームを表面に照射し、これら成分を装置の光学軸線
に沿った異なる位置に集束させ、焦点の位１間で表面の
＠線方向と無点とにおいて相対運動を生ぜしめ、表面か
ら輻射線を受入ｎ、前記２つのＩＩＷ父する刺光方向１
（おける成分の比較から表面に関する情報を得ることか
らなっている。

以Ｆ、添付図面を参照して本発明を具体例につき説明す
る。

先ず装置全体の光学離籍について見ると、第１図にお・
いてヘリウムネオンレーザ−１Ｇは単色光ノビームを与
え、この単色光はビームエキスパンダ１２’ｆＪＩｉｉ
ｌ過して・−光ビームスプリッタ１４に至９、ここで入
射光の幾分かが９０の角度で反射される。平行ビームは
ポラライザ１６を通過して反ＩＪｇ器１８に至り、ここ
で入射ビームの半分が阻止される。入射ビームから離間
した反射器の面２０は軸である。反射器により妨げろｎ
ないビームの半分は装置の光学軸ｆｓＡの一方の側に２
いてのみ慎屈折レンズ２２を通過し、次いで４波長板２
４と対物レンズ２６とを通して試験表面２８に至る。

表面により反射された光は、光学電線の他方の側におい
てレンズ２６とプレート２４と複屈折レンズ２２とを介
して反射表面２０まで通過して戻る。

反射表面は返還ビームに対し４５′で呪宵さｎ、この返
還ビームは、アナライザ３０を介しビームスプリッタ３
２まで反射され、光を集束レンズ３４および光検出器３
６まで伝達する。ビームスプリッタはタングステン源３
Ｂからの光音平行化レンズ４０を通して受入ｎることが
でき、このタングステン源からの光をビームスプリッタ
１４から離間しｆｃ接眼レンズ４１と共に使用して最初
に装置を祭オさせる。

対物レンズ２６は一般的に符号４２で示さｎる走査装置
に取付けられ、この走査装置はレンズ２６を光学軸線に
沿って、すなわち２万回に走査することができる。この
走査は、横方向成分も傾＠成分も伴なうことなく光学軸
線に沿って正確に成磯的でなけｎばならない、 表ｌｌｌ１２８は走査テーブル２７により支持され、こ
のテーブルは表面を光学＠縁に対し垂直なＸ　−１面に
走査することができる。

便用に際し、レーザ１０はエキスパンダ１２によシ拡大
さｎる面偏光ｔのビームを発生する。偏光ビームスプリ
ツメ１４はこの拡大ビームをポラライザ１６を介して反
射させ、ポラライザ１６は拡大入射ビームの偏光面を偏
光ＰまたはＳの２つの４父方向において寺しい強度のビ
ームが生ずるまＣ″回転せ、これらの方向は４Ｉ＠折レ
ンズ２２の正常軸および異常軸によって決定される。反
射器１８により阻止されない暢射縁の半分は、複屈折レ
ンズ２２まで移動する。

複屈折レンズ２２の性質は、異なる偏光に対し異なる屈
折率を有することであろう複屈折レンズ２２の正常軸お
よび異常軸に整列したＰ成分とＳ成分との両者ｔＷする
入射平行ビームに関し、一方の成分は他方の成分よりも
大きく変位し　したがってＰ５！分とＳ成分との焦点は
レンズから異なる距＃ＩＦに存在する。Ｐ成分とＳ成分
とに関する集束力の差は小さく約１ジオブタであるっ対
物レンズ２６の効果は比較的傾力を集束効果、たとえば
１００ジオブタを与えることであるが、Ｐ成分と５５５
Ｃ分とに対する集束力の差は維持される。全体的効果は
、軸線走査の一つの位置に２いてビームの一方の成分、
たとえばＰ成分が試験表面２８に巣東さｎる一方、第２
の成分が異なる短点で集束され、したがってより天きい
表面積から反射さｎることでろる。軸線走査の際、ビー
ムは交代される。

効果を第２図に示す。第２図＋ａｌはレンズ２６の走査
における一方の端部位置を示し、かつ第２図（６）は他
方の端部における位ｔｉｔを示す。Ｐビームは＠２図に
おいて円型ビームと表ｒｊ７１２８との交点を示す点線
円によって示され、直交Ｓビームと表面との交点は破線
で示される。

一方の端部位置、すなわち第２図・ａ）において、Ｓビ
ームは表面とに光の小さい円として集束さｎる一方　Ｐ
ビームは僅かに焦点かずｎでより大きい面積を覆う。レ
ンズ２６が光学軸線に沿って移動するにつｎ、Ｓビーム
はしだいに焦点がずれるのに対し、Ｐビームは焦点のず
れが少なくなって、中央位置すなわち第２図ｉｅ）にお
いて内ビームｒｉ表面の同じ傾城を照射するに至る。走
査を続行すると、Ｓビームは８ｇ２図ｅ）に小円として
示した端部位置ＶＣ児全に焦点を有するようになり、こ
れに対しＰビームに焦点がずれて表面２８の大きい円憤
域を覆う１、 第３図は、走査の際の２つの端部位置と中央位置とに２
けるＰビームとＳビームとの間の関係を示している。

第１図の配置において、反射器１８は入射円形ビームの
半分を阻止し、したがって複屈折レンズ２２を４過する
ビームは＠面が半円形となるが、視測の目的で第２図お
よび渠３図には完全に円形の成分ビームを使用する 各集束スポットにより照射されるＵｋＪｓの葭径の部槽
的寸法は１４禾満であるのに対し、焦点甘せさｎでない
４寸各ビームにより照射さｎる最大面積は１径が５μで
ある。典型的な１１］巌走査長さは３．５μである。襖
めて正Ｑｆｉな走査を与える任意適当な装置、たとえば
圧電式もしくは鴫気磯愼式足責器を１に用することがで
きる。

再び第１図について説明すれは、表面により反罰さｎた
ビームは複屈折レンズ２２の細線に対し４５で設定きれ
た局波長プレート２６をもう一度通過した後、光学軸線
の他方の側において表面パスにより複屈折レンズ２２で
で反射される。プレート２６ｉこのように２回通過する
効果は、２つのビーム成分がレンズ２２の正常軸線と異
常軸線とに関し逆転さ扛、したがってこれら成分に対す
るこのレンズの巣束効来が逆転されることである、レン
ズを最初に曲溝する際、他方より大きく屈折されたビー
ム成分は仄いでより小さく屈折され、かつその逆も成立
する。このことは両ビームの貴平行化を可能にする。し
たがって、反射器１８は２つの一致した平行化直交偏光
ビームを受け、これら成分の間の差は反射された表面の
性質に關係する。。

次いで第４図に示した回路の電子部品につき祝明丁れば
・光検出器３６（第１図参照）は第１および第２コヒー
レントフィルタ４４．４６に接続される。第１フイルタ
４４と位相感受性検出器（ＰＳＤ）ａｓとの両者には、
オシレータ５０により変ｇｉ調時波が供給される。ＰＳ
Ｄ４８はり、Ｃ信号を変調ドライバ５２へ供給し、オシ
レータ５０はドライバ５２へＡ、Ｃ信号を供給する。こ
のドライバは篤走査変調器４２を制候する（第１図参照
）。

オシレータはさらに周波数２倍回路５４を介して第２コ
ヒーレントフイルタ４６に接続さ几、２倍周仮数出力を
表示スクリーン５８を備えたマイクロプロセッサ５６へ
供給するうマイクロプロセッサは、さらにＰＳＤ４８か
ら信号を受ける。

オシレータ５０は、変−ドライバ５２と変調器４２とに
オシレータ周ａ、数Ｆにおいて２軸線に沿ってレンズ２
６を走［するようにさせる。

＠線走査がその中点にありかつＰビームとＳビームとの
両者が第２図（ｃ）に示すように表面の同囲積を照射す
るものと仮定する９２つの反射ビームは寺しい振幅と位
相とを肩しかつ乱いに干渉して第５ａ図に極図表で示し
たように各ビームに対し４５の合成分子ｌ与える。変調
を軸線走査により周波数Ｆで与えると（第５ｂ図）、Ｐ
ビームおよびＳビームに与えられる焦点効果の交代の作
用はＰビームとＳビームとの強度および位相が変化する
際、４５方向の各側において角度上〇だけ成分′Ｊｋ揺
勧させる。

アナライザ３０の＠線方向（８１図９がＰビームとＳビ
ームとの米質調合成分Ｒに対し交差すると、レンズ２６
がその中間走査位置にある場汗光（または光の取小強さ
）は光検出器３６により受入ｎらｎない。最大足置の各
位置に・おいて、ＰビームとＳビームとの曾成分の最大
角度回転は、最大光強度を光検出器に到達させるう慢出
器は強度のみに感受性であって、位相には感受性でない
ため、光検出器の信号は＄２図ｔｃ）に示すように周波
数２Ｆで変化し、こｎは振幅ａの一定出力信号に、４：
襖さｎる、 次いで、たとえば憫査すゐ表面が正確には定食の中点に
ない場合、細線定食が非対称的帖釆金与えると仮定する
。この効果は金成分をアナライザの吸収軸の一方の側に
おいて他方の側よシも大きい角度で振動させ、したがっ
て光検出器は非対称信号を受け（第５ｄ図八交互のサイ
クルは異なる振幅となり、光検出器出力は変調周波数Ｆ
において誤信号になる。

次いで第４図につき！Ｉ５２明すｎば、位相感受性検出
器４８は変−周波数において光検出器３６からの信号に
のみ応答し、信号の非対称性に比例するり、Ｃ出力を与
える。変調ドライバは、変調器４２に軸線走査の中心位
＃を―整させて誤信号を除去し、丁ｔわちサーボシステ
ムとして作用しかつ信号対称性の位置に焦点固定するよ
うにする。

Ｄ、Ｃ信号がマイクロプロセッサ５６により記録さｎか
り検査する試料表面のｘ　−ｙ位置に相関させれば、試
料の表向輪郭が８じ嫌さｆ′Ｌ　　適当な形状で表示す
ることができる。

表ｒｋｉ輪郭変化の振＠を得るには、マイクロプロセッ
サ５６を計算（レンズ２２および２６の開孔値および倍
率を使用する）または較正（公知輪郭の表面を便用する
）のいすｎかによって較正することができる。

変法において、サーボ型焦点向定は断続され、丁なわら
＠欄走査の距離は１Ｊｌｌｉさｎず、かつり、Ｃ信号が
把婦される。次いで、装置は位置検出器として作用する 久いで我［ｆｌ粗さを？１１１１足するために使用する
装置につき検討する。再び第２図につき貌明ｊｔ′Ｌば
、輿２図１ａ）におけると同様にＰビームを表面上に果
東させかつＳビームを焦点ずらしする揚台、Ｓビームは
位相比較ビームとみな丁ことかできる。何故ｔも、こ′
ｎが百〇位相情報に表面２８全体に不変でろる比較的太
きい面積にわたって平均化さｎるからでめる。集束した
Ｐビームに表面の小囲槓から反射さｎ、この憤域が庇板
領域における平均表面レベルとｒｔ異なる高さもしくは
レベルにあｎば、ＰビームとＳビームとの間に位相差が
生ずるであろう。位相差は＠線走査の他力の端部位置に
おいて逆転しく第２図＋ｅ）　）、この場合Ｐビームは
比収ビームとして作用する。位相差の効果は　光検出器
により受けろｎた合成ビームの振幅がＰ成分とＳ成分と
が寺しい高さの唄城により反射さｎた褐オよりも大きく
なり、したがって位相のすｎが生じないことである。せ
成分ｖ′ｉ変調周波数の２１音で受けろｎるっコヒーレ
ントフィルタ４６の出力の１ｇ号熾幅と、粗さによる位
相ずｎを伴なわない会成懺幅に対応するマイクロプロセ
ッサ５６に記憶さｎた庁定壺幅との庇板は、粗さを決定
することを可能にする。所定蚕輻は、計算または較正の
いずｎ力・によって侍ることかでさる。試験すべき表面
２８に、粗さにつき異なる一碩戚が試頓さｎるようｔｉ
ｃ　ｘ　−７面において定食テーブルによシ移Ｗノされ
、平均１［を傅てこ九を表示することができる） 光検出器３６は、表面２８が僅かの粗さを有する時のみ
信号を受ける。表面が完全に平担である５ｇ＠−１信号
は受けられない。何故なら、ＰビームとＳビームとが振
幅もしくは位相において等しく、それらの片成分は父差
アナライザ３０により伝達さｎｒｊいガロにあるからで
ある。

測定の変法において、軸線走置はＰビームとＳビームと
の焦点が固定さｎるように断続される。

表面２８紫ｔ！勤させると、光検出器により受けろｎた
せ成分の振、届における変化は振−〇振幅に比例するで
おろう。予め較正゛Ｔることにより、この装置は伝動セ
ンサとして作中することができる。

ＰＳＤ４８からの変−周波数信号とフィルタ４６かもの
２ｆｆｌＲｖ数信号との組合せは、たとえＣ・１第１図
における物品２９の高さにおけるステップ変化のような
表面特性の形ｇを表出するのに有用でめる。両信号の変
化の開会を１８２用して、たとえば半導体ウェファ上の
縁のような特徴ある形態を解読することがひきる。たと
え４ば、巾０，１μかつ高さ１０μの線全、巾１．０μ
かつ鍋さ１．θμの線から区別することができる 円形出力ビームの一方の半分のみが表面２８に達し、他
方の半分が反射器１８により阻止さｎることについて上
自己した。こ扛は、装置の開孔１直を光学戦線に対し横
方向、すなわち第１図におけるＸ７ｉｒＨＪ、ＩＣ半分
にする作用を有し、全ビーム巾は他の横方向、すなわち
ｙ方向に与えろｎるので全開孔埴（ＮＡ）は維持さｎる
。したり５つて、好ましくは表面２８のｉｆ線的特徴は
、全ＮＡが有効な方向、すなわち、第１図のｙ方向に沿
って走査テーブルを移動させてｍ像を最大化することに
より倹食さｎる 本発明による装置ｖｉ顕倣鏡として作動することもでき
る。検食丁べき１ｊＴ２８を軸線走置に対し・嘴方向の
面において、たとえばマスク走査でマイクロプロセッサ
５６の制御下に走査丁れば、またＰＳＤ４８およびコヒ
ーレントフィルタ４６の出力を走査と関連して記録すル
ば、マイクロプロセッサは基質表面の状態金蓄積しかつ
過当な表示を与えることができるっこの形態の顕微鏡の
利点は、レーザからの出力ビームがｉ接検倉している表
面の領域のみを照射してレーザ能力の便用を最大化する
ことである。これは、全表面をレーザにより同時に照射
しながら清報を反射レーザ能力の一部のみが得られるよ
うに画揮を＋′＃喀して走査されるスリット状マスク７
通して受入れるという、レーザ照射を有する前記種類の
顕微鏡とに対照的である。

公知の足ｆ顕微鏡と不発明による＃！倣腕との檄要ｌ工
相遵点は、合ビーム成分につき焦点位置と非黒点位置と
の闇に、任意に反復して走査されることでめる。破犬の
溝様１ｄ号は、−刀のビーム成分が最大の焦点ずｔ′Ｌ
位置を有し、丁・よりら軸線走査の端部に存在して勾ビ
ーム成分に関する「最良の半均焦点」？与えるような中
心走査位置にない場合に与えろｎる。走査の中心位置は
　本装置における零点である。

典型的には、本発明による装置は、慣用順倣誂の光学的
分解能と同等に何分の１μという横方向分解症を有する
。この分解能は、慣用の光学顕微鏡に７−用さｎる・中
宮のエアリの円盤式（Ａｉｒｙ　ｄｉｓｃｆｏｒｍｕｌ
ａ）により支配されず、検査式れている表面形状の一＠
ｉ類に応じて著しく高くすることができる。

この高分解症は、第２１園ｔｂ）および再２図ｔｄ）を
参照して最もよく４解することができる。表面の特徴が
　一方のビーム成分に影響を与えるが他方の成分には１
／Ｆ：用しない、すなわろ点巌と破線との間の砿状ｄ〕
分に存在するような寸法または位置にあれば、Ｐビーム
とＳビームとの一刀に対する形状の効果金模出すること
ができる。砿状部の厚さは・鷹めて小さく、たとえば数
１００分の１μの差が光分な信号を与えうるので、それ
相当に装置の分ｐｍ能が高くなる。形状が深い程、得ら
れる信号は大きくなる。

本発明の全ゆる用途において、軸線走査の周波数および
深さならびに最大走査位置における非焦点ビーム成分の
成径は、検査表面の特徴に応じて選択さ几る。典型的走
査は２５０Ｈｚの周波数において５μの深さを有するこ
とができる。

杢装噴を甫１図に光学装暎として示し、ここで偵屈折レ
ンズ２２と検査表面との間に照射ビームと反射ビームと
が半円形断面で示さｎ、光字装置に沿って＋４１してい
る。さらに、ビームを完全に分離することもできるが、
これは分解能を低下させる、 他の装置において、第１図に図示した反射器１８は、こ
ｎにより反射さｎるビーム成分の間に位相Ｍ全導入しな
いビームスプリッタで交換することもできるが、こＶ場
合１ｔ！ｌ射線がレーザに返還されるという高い危険性
が生じ、レーザの杷蘇体が心機とされるであろう。

他の装置すなわち透明材料の表面を俣査するのに使用す
る透過方式においては、反射器１８が省略され、かつア
ナライザ３２とレンズ３４と光検出器３６とを設置して
、４波長プレートとプレート２４およびレンズ２２と同
一である他の値帽折レンズとを通過した索、基釘により
透過される光を受入れる。

他のＶｉ、置に２いては、単一周波数レーザ１０をゼー
マンスプリットレーザで貫羨して、唱射線を２つの周波
数で発生させ、マイクロプロセッサを異なる入力ビーム
ラ侍るように適当にプログラミングし、このゼーマンス
プリット技術は高速度の変−をこの装置に与える。

ビームの焦点位ｇを変調させる畑の方法は・透過媒体よ
りも光学′ｄ度の大きい、たとえはガラスのような材料
の回転スラブを光通路甲に導入することである。通路長
さが・変化すると、相対的焦点位置も変化する。好まし
くは、第２の対向回転スラブをも組込んで、第１のスラ
ブにより導入さ九る横方向の片寄りを補償する。

【図面の簡単な説明】

４１図は表Ｉｆｉ瑛査装置の光学部分の略図、４２図（
ａ−、）は＠線定食の際の５つの異なる位置（・こお、
する偏光成分と表面との交差を示す説明１図、第３図は
２つの筺交偏光成分を有するビームを軸線定食する効果
を示す収明図、第４図は表面検査装置の区子部のブロッ
ク図、第５ａ図乃至第５ｄ図は光検出器信号を示す。 １０・・・レーザー、１２・・・エキスパンダ、１４・
・スゲリッタ、１６・・・ポラライザ、１８・・・反射
器、２２・・・襟屈折レンズ、２４・・・ｙ４阪長板、
２６・・・封切レンズ、２７・・・定食テーブル、２８
・・・瑛畳表面、３０・・・アナライザ、３２・・・ス
ゲリッタ、３４・・・巣末Ｌ／　ン２’、３６・・・元
瑛出器、３８・・・タングステン光源、４０・・・平行
化レンズ、４１・・・接眼レンズ。 りう人Ｘ／１′７１レレヨンヴウンスパ、′を人Ｐｇ七
　川　　０　　義　　雄、４（〕１工）　　　村　　　
几 −６“

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｔｌＪ　　２つのＩ交する偏光方向に等しい車幅の成分
   を有する輻射惺の平行ビームを発生する手段と、２つの
   偏光方向における輻射線ｔ−装置の光学＠礫に沿った異
   する位置に集束する複屈折集束手段と、削配位？ｔを検
   量表面に対し変化させる軸婦走食手段と、輻射線を表面
   から受ける位相感受性検出手段と、前記２つの醒交する
   偏光方向のそれぞれにおいて表面から受入扛た輻射線の
   対応パラメータを比較する比較手段とからなることを！
   Ｐ？ｊ黴とする表面の性質を４Ｗｆする装置。