JPS62206408A - 表面微細形状測定装置 - 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】 〔概　　要〕 本発明は、被測定物にレーザビームを照射して表面の微
細形状を測定する装置において、その測定分解能を可変
にし、しかも上記ビームの光量変動による測定感度の変
動を防止するため、内径の異なる複数の孔を設けた回転
板により、上記孔の内径に応した所望のビーム径を得る
ことができるようにし、更にそれぞれの孔に対してその
面積に反比例した光学的透過率を持つ光学フィルタを取
付けることにより、上記孔を介して得られるビームの光
量が一定になるようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、被測定物（例えば半導体素子等）の表面の微
細形状をレーザ光を用いて計測する装置に関し、特には
」二記レーザ光のビーム径を調節するだめのビーム径調
節部の改良に関する。

昨今、半導体等の製造技術の高度化に伴い、光学的な微
細形状計測技術はその重要性を増してきている。

〔従来の技術〕

従来、表面の微細形状を計測する手段としては、ダイヤ
モンド針で表面に触れながら形状を計測する触針法と、
レーザビームの小さなスボントを表面にあてて、その焦
ずれを検出することにより形状を計測する焦ずれ検出法
とが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記触針法は、表面を傷つける破壊試験であるため、半
導体素子等の表面の測定には向かない。

また、焦ずれ検出法は、測定分解能が例えば１．６μｍ
程度に固定されており、しかも測定スパンが短い等の欠
点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、非破壊試験である
ことは勿論、測定分解能を自由に変更することができる
とともに、その変更に伴う測定感度の変動をも防止でき
る表面微細形状測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、レーザ光源から
出力されたレーザ光のビーム径を調節するための手段で
あるビーム径調節部として、内径のそれぞれ異なる複数
の孔を設けた回転板を備え、更に、上記複数の孔のそれ
ぞれに対してその孔の面積に反比例した光学的透過率を
持つ光学フィルタを取付けたことを特徴とする。

〔作　　用〕

レーザ光源から出力されたレーザ光が上記回転板に設け
られた孔を通過すれば、その孔の内径に応じたビーム径
に変換される。すると、被測定物の表面上におけるレー
ザ光のスポット径も上記孔の内径に応じて変換し、それ
に伴い測定分解能も変化する。従って、回転板に設けら
れた上記複数の孔の中から１つの孔を選択すれば、その
孔の内径に対応した所望の分解能を得ることができる。

また、上記孔を通過したレーザ光の光量は、その孔の面
積に比例する。そのため、このままでは孔が代われば光
量も変化し、それに伴い測定感度も変動することになる
。しかし本発明では、番孔ごとにその面積に反比例した
光学的透過率を持つ光学フィルタを取付けであるので、
番孔を通過した光は上記光学フィルタによって光量調整
され、全て同一の光量を持つようになる。従って、上述
−６＝ したような測定感度の変動がなくなる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す概略構成図である。

同図においてば、まず１ｉｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光
源１で出射されたレーザ光Ｌ１ば、ビーム径調節部２お
よび反射鏡３を介して被測定物Ｍの表面に所望のビーム
径で照射される。

上記ビーム径調節部２は、ビームエクスパンダ２１、円
形の回転板２２および凸レンズ２３から構成されており
、上記回転板２２には、その回転軸２２ａを中心とする
同心円上に、内径のそれぞれ異なる複数の孔２２ｂが設
けられ、更にそれらの孔２２．ｂにはその面積に反比例
した光学的透過率を持つ濃度フィルタ２２ｃが取付げら
れている。

このような構成からなるビーム径調節部２においては、
上記レーザ光Ｌ　＋はビームエクスパンダ２１によって
太い平行光束にされ、次に回転板２２のいずれかの孔２
２ｂを通過することにより、その孔２２ｂの内径に対応
したビーム径に変換される。ここで、上記孔２２ｂを通
過した光は、それぞれの孔の面積に比例した光量を持っ
ているので、次に上記濃度フィルタ２２Ｃを通過するこ
とにより、全て一定の光量に調節される。従って、回転
板２２を通過した光は、その通過した孔２２ｂの内径に
対応したそれぞれのビーム径を持つにもかかわらず、そ
の光量は全て一定になる。

このように光量を一定にすることにより、後述する積分
演算回路９における測定感度の低下を防止している。

然して、回転板２２を通過した各種のビーム径を持つ光
は、凸レンズ２３によって反射鏡３を介して被測定物Ｍ
の表面に焦光される。ここで、被測定物Ｍ上でのレーザ
光のビーム径ａと、回転板２２の上記孔２２ｂの内径（
以下、ホール径と称す）ｂとの関係を第２図に示す。す
ると、光の干渉により、ボール径すが大きい程、ビーム
径ａは小さく絞られることがわかる。

次に、被測定物Ｍ上からの反射光Ｌ２は、反射鏡４を介
して分割プリズム５に導かれる。この分割プリズム５は
、上記反射光Ｌ２の反射方向が被測定物Ｍの表面に対し
て垂直であるときにその反射光Ｌ　２を２方向に２等分
するような位置に固定しである。従って、被測定物Ｍの
表面に微細な凹凸（傾斜）があると、その傾斜角に応じ
て反射方向が変化するため、分割プリズム５によって分
割される光の量が２方向で異なってくる。このようにし
て２方向に分割された光は、それぞれ増倍型光電管（以
下、ホトマルと称す）６．７によって検出され、電気信
号に変換されて差動アンプ８に送られる。

差動アンプ８の出力には、上記２つのホトマル６．７の
出力差、すなわち被測定物Ｍ表面の傾きのベクトル量が
現れる。従って、反射鏡３．４に対して被測定物Ｍをそ
の表面方向（Ｘ方向）に一定速度で移動させることによ
り、被測定物Ｍの表面全体の傾きデータを差動アンプ８
の出力として得ることができる。次に、この差動出力は
積分演算回路９によって積分され、その積分値は被測定
物Ｍの表面の高さくＺ方向）を表わすことになり、その
積分結果をＸ方向に見ていけば、被測定物Ｍ表面の凹凸
状態を測定することができる。

そこで、第３図（ａｌ、　（ｂｌ、　（Ｃ１に被測定物
Ｍ上のビーム径ａをそれぞれ０．５．、０．１，０．０
７ｎφとした場合の差動アンプ８および積分演算回路９
の各演算出力を示す。すると、同図ｆａ）のようにビー
ム径ａが大きければ、表面の大きな波長成分（うねり）
を測定することができ、また一方、同図（Ｃ）のように
ビーム径ａが小さければ、表面の細かい凹凸（粗さ）ま
でも測定することができる。従って、上記ビーム径ａと
ホール径すとは第２図に示した関係にあるので、上述し
た回転板２２を動かしてビーム径ａと対応するホール径
すを選択することにより、所望の測定分解能を簡単に得
ることができる。

なお、積分演算回路９では、差動アンプ８の出力（すな
わち、ホトマル６．７の出力差■）を積分することによ
って表面高さＺを得ているが、そで与えられる。測定は
、Ｘ方向に一定間隔ΔＸごとに点ｘ＝ｘ　ｔ　　（＋　
＝０．１．　　・・・、Ｎ＋１）について行われるもの
とする。

上記式（１）中、レーザビームの被測定物Ｍ表面と分割
プリズム５との間の距離であるβは、ビーム径ａを変化
させても常に一定である。ところが、ホトマル６，７の
出力差ｖ（ｍＶ）を分割プリズム５に対するビーム変位
に換算する係数であるＫ（Ｋ−ｄｖ／ｄ　ｓ　：　ｍＶ
／ｍ）は、分割プリズム５に入射するレーザ光の光量に
よって大きく変化し、この係数Ｋが小さくなると測定感
度も低下する。そこで、第１図に示したように、回転板
２２の番孔２２ｂに対して前述したような濃度フィルタ
２２ｃを取付げることにより、光量を一定にし、上記係
数Ｋを一定に保っている。

参考までに、濃度フィルタ２２ｃを取付けない場合と取
付けた場合とで、ビーム径ａに対する係数にの変動を、
それぞれ第４図（ａＬ　（ｂ）に示す。濃度フィルタ２
２ＣがなｔＪれば、同図（ａ＋のように、ビーム径ａが
大きくなるにつれ（すなわち、ボール径すが小さくなる
につれ）、光量が低下することにより、直線の領きであ
るＫが小さくなる。一方、濃度フィルタ２２ｃがあれば
、同図（１＋）のように、ビーム径ａが変化しても光量
が一定なので、Ｋは変化せず、常に大きな値に一定に保
つことができる。従って、濃度フィルタ２２ｃを取付け
た本実施例では、回転板２２でいずれの穴２２ｂを選択
した場合であっても、常にＫが一定値であるため、測定
感度を一定に高く維持することができる。

なお、濃度フィルタ２２Ｃを用いて光量を調節する他に
、差動アンプ８の後段にアンプ１ｏを追加し、このアン
プ１０を用いて上記係数Ｋを調節することもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、表面の微細形状を
非破壊で測定できるとともに、所望の測定分解能を容易
に得ることができ、しかもその測定分解能の変更に伴う
測定感度の変動をも防止することができる。従って、近
年の半導体製造技術等の高度化にも容易に適応できる、
非常に高精度の表面微細形状測定装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は
被測定物Ｍ表面におけるレーザビーム径ａと回転板２２
に設けられた孔２２ｂの内径（ホール径）ｂとの関係を
示す図、 第３図（ａｌ、　（ｂ）、　（ｃｌは各種ビーム径にお
ける傾きデータ（差動アンプ８の出力）および表面高さ
く積分演算回路９の出力）を示す図、 第４図（ａ）、　ｆｂ）はそれぞれ濃度フィルタ２２Ｃ
のある場合、ない場合における分割プリズム５に対する
ビームの変位Ｓとホトマル６．７の出力差Ｖとの関係を
示す図である。 １・・・レーザ光源、 ２・・・ビーム径調節部、 ３．４・・・反射鏡、 ５・・・分割プリズム、 ６．７・・・ホトマル（増倍型光電管）、８・・・差動
アンプ、 ９・・・積分回路、 ２１・・・ビームエクスパンダ、 ２２・・・回転板、 ２２ｂ・・・孔、 ２２Ｇ・・・濃度フィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）レーザ光源（１）から出力されビーム径調節部（２
   ）を介して所望のビーム径に変換されたレーザ光を被測
   定物（Ｍ）の表面に照射し、該表面からの反射光を分割
   手段（５）によってその反射方向に応じた光量を持つ２
   方向の光に分割し、それぞれを一対の光検知手段（６、
   ７）で検知して、該光検知手段（６、７）のそれぞれの
   出力信号に基づき演算手段（８、９）で前記被測定物（
   Ｍ）の表面の微細形状を算出する表面微細形状測定装置
   において、 前記ビーム径調節部（２）は内径のそれぞれ異なる複数
   の孔（２２ｂ）を設けた回転板（２２）を備え、かつ前
   記複数の孔（２２ｂ）のそれぞれに対して該孔（２２ｂ
   ）の面積に反比例した光学的透過率を持つ光学フィルタ
   （２２ｃ）を取付けたことを特徴とする表面微細形状測
   定装置。 ２）前記複数の孔（２２ｂ）は前記回転板（２２）の回
   転中心（２２ａ）を中心とする同心円上に設けられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面微
   細形状測定装置。 ３）前記回転板（２２）は円板状であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の表面微細形
   状測定装置。 ４）前記光学フィルタは、濃度フィルタ（２２ｃ）であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の
   いずれか１つに記載の表面微細形状測定装置。 ５）前記ビーム径調節部（２）は前記回転板（２２）の
   前段にビームエクスパンダ（２１）を備え、該ビームエ
   クスパンダ（２１）を介して得られた太い平行光束を前
   記回転板（２２）に設けられた前記孔（２２ｂ）に入射
   させることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４
   項のいずれか１つに記載の表面微細形状測定装置。 ６）前記分割手段は分割プリズム（５）であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１
   つに記載の表面微細形状測定装置。 ７）前記演算手段は、前記一対の光検知手段（６、７）
   のそれぞれの出力信号を入力信号とする差動増幅器（８
   ）と、該作動増幅器（８）の出力信号を積分する積分演
   算回路（９）とからなることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第６項のいずれか１つに記載の表面微細形
   状測定装置。 ８）前記光検知手段は増倍型光電管（６、７）であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項のいず
   れか１つに記載の表面微細形状測定装置。