JPS62237306A - 表面形状測定装置 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、半導係号ブストレートや磁気ディスク、光
ディスクなどの被測定物について、その表面の微細形状
を光学的に測定する表面形状測定装置に関する。

（従来の技術とその問題点） 半導体量ナブストレートや磁気ディスク、光ディスクな
どにおいては、その表面の微細形状（粗さの程度や疵の
有無）によって製品の品質が大ぎく左右されるため、ぞ
の表面を鏡面に近い程度にまで超精密加工するとともに
、加工後の表面形状を測定して品質管理を行なう必要が
ある。このような表面形状測定を光学的に非接触で行な
う装置は既に数多く提案されているが、そのうちの代表
的な方式のひとつに臨界角法による焦点エラー検出器く
以下ｒｌ−（ＩＰＯ３Ｓｊと呼ぶ。）を用いた方式があ
る。

このｌ−１１ＰＯ８ｓは、たとえば「精密機械」５１／
４号（１９８５年）第１６頁以下に記載されている方式
であって、そのセンサヘッドの概略構成を第１図に示す
。同図において、この装置では、レーザダイオードによ
って構成された光源１からのレーザ光）−が、コリメー
タレンズ２によって平行光線とされ、偏光ビームスプリ
ッタ３で反射されて直線偏光となる。そして、このレー
ザ光りは、１／４波長板４と対物レンズ５とを通って被
測定面６上に集光される。そして、この被測定面６で反
射した光は、対物レンズ５と１７４波長板４とを再度通
って、偏光ビームスプリッタ３に再入射する。

ところが、この反射光は、１／４波長板４を２回通過し
ているために、その偏光方向は、偏光ビームスプリッタ
３で反射された直後の入射レーザ光１−の偏光方向に対
して９０”回転したものとなっている。このため、この
反射光は図中Ｒで示すように偏光ビームスプリッタ３を
直進して通過し、ハーフミラ−７で２分割され−（，２
つの臨界角プリズムＥ３，９にそれぞれ入則り−る。こ
れらの臨界角プリズム８．９の両側面８ａ、８ｂ：９ａ
、９ｂは、それぞれに入射する反射光Ｒ，Ｒ２が平行光
束とイｇっＣいるとき、換言づれば被測定面６と対物レ
ンズ６どの間の距離Ｘが対物レンズ５の焦点距１１ｆと
一致する状態のときに、反射光Ｒ１゜Ｒ２がこれらの面
８Ｑ、８ｂ：９ａ、９ｂへ入射する入射角が全反射臨界
角となるような角度配置となっている。

したがってｘ＝ｆのときには、反射光［く１は臨界角プ
リズム８の中で全反射されて、互いに隣接して配置され
た２つの光検出器１０ａ、１０ｂ（たとえばフォトダイ
オード）に入射する。この２つの光検出器１０ａ、１０
ｂは同一の受光面積を右しているため、上記のような経
路で反射光Ｒ１がこれらに入射した場合には、それぞれ
の光検出出力△、Ｂの間にΔ＝Ｂの関係が成立する。ま
た、他方の臨界角プリズム９についても同様であって、
上記ｘ＝ｆの条件ドでは、２つの光検出器１１ａ、１１
ｂのそれぞれの光検出出力Ｃ，Ｄの間に、Ｃ＝Ｄの関係
が成立する。

一方、被測定面６の凹凸などによってｘ＜ｆとなると、
第２図に示すように反射光Ｒは発数光束となるため、第
３図に示すように、臨界プリズム８の端部８ａにおいて
、破線で示す反射光Ｒ１のうちの一方の端部付近く図で
は左側部１２）の光がこの臨界角プリズム８の臨界角を
越えた入射角となってしまい、それによって、この部分
１２は全反則されずにプリズム外に出てしまう。逆に、
他方の端部（図では右側部１３）では、入射角が臨界角
以下となるため、この部分の光は全反射されてプリズム
内にとどまる。そして、これと同様の現象が他方の端面
８ｂでも発生するため、結局、一方の光検出Ｚ　１０　
ａへの入射光５１は減少し、他方の光検出器１０ｂへの
入射光量は増大する。このため、これらの出力Ａ、Ｂに
ついて、Ａ＜Ｂとなる。また、第１図の他方の臨界角プ
リズム９でも同様の現象が生じて、ＣＯＤとなる。

これに対して、ｘ＞ｆとなると、反射光Ｒは収束光束と
４１す、上記と逆の現象が生じるため、Δ＞Ｌ３．Ｃ＞
Ｄどなる。したがって、これらの検出出力△・〜・Ｄか
ら、焦点エラー出力として、Ｖ＝＝　（Ａ−１３トｃ−
Ｄ）／　（Ａ＋Ｂ＋Ｃ十Ｄ）・・・（１） を求めれば、 ■　ｘ＜ｆ’のとさ、Ｖ＜Ｏｌ ■　Ｘ・・［のとき、ｖ＝Ｏ１ ■　ｘ　＞　（’のとぎ、■〉０、 どなる。また、このデータＶの絶対１ｆｌによってＸど
［とのずれの絶対値ｌ　ｘ　−ｆ’　ｌがわかることに
なる。ただし、上述のように臨界角プリズムを２組使用
しているのは、被測定面の傾斜を光学的にキトンセルさ
Ｕるためであり、（１）式の右辺に（Δ−ＩＢ−１−　
Ｃ十〇　）の除のが入っているのは被８１！１定而の及
銅Ｖヤ）光源の不安定°Ｄ　；ｌｊ、を光学的に１−ｔ
・ンセルさＵるためである。したがって、原理的には、
臨界角プリズムは１　ｆｌｌｌｌ　Ｃ″もよい。

どころが、このようなＨＩＰＯ３Ｓは、測定悪魔す旬’
ｎい＝・方で、その高感度測定域が狭いという性質を有
している。第４図はこのような状況を示す特性図であり
、横軸は合焦点位置をＯとしたときの被測定面とＨＩ　
ＰＯ３５との相対変位ΔＸを示し、縦軸は）−１１ＰＯ
３５の検出出力Ｖを示す。

また、第５図はその部分拡大図である。これらの図から
れかるように、合焦点位置（ΔＸ、Ｖ）＝（０，０）（
１近□で検出出力がほぼ線形に変化する高感度測定ｈ＋
ｉＧは±１μｍ程度であって、これ以上の相対変位が生
ずると測定誤差は大きなものとなる。

このため、このようなＨＩ　ＰＯ３５をそのまま用いた
従来の装置では、被測定面に±１μｍ程度以上のうねり
や傾きが存在すると、ＨＩ　ＰＯ３５による高感度形状
測定が困難であるという問題があった。

（発明の目的） この発明は従来技術における上述の問題の克服を意図し
ており、ＨＩＰＯ８Ｓを使用し、かつその高感度測定域
を実質的に拡大することができ、それによって、傾きや
うねりを持った被測定物の表面形状をも高感度で測定す
ることができる表面形状測定装置ｉを提供づることを目
的とする。

（「１的を達成するための手段） 上述の目的を達成づ゛るため、この発明にかかる表面形
状測定装置では、Ｉ」ｌＰＯ３５の検出出力が、当該１
−１１ＰＯ３Ｓの高感度測定域に応じた所定の検出レン
ジ内に入っているか否かを判定する判定手段と、この判
定手段の判定出力に応答して、上記検出出力が上記所定
の検出出力域から逸脱した際に、被測定物とＨＩＰＯ８
Ｓの光学系とを相対的に移動させて、被測定物の表面と
１−１１ＰＯ８Ｓの受光系との間の相対距離を、上記検
出出力が上記所定の検出レンジ内に入る方向へと変化さ
せる移動機構とを設けている。

このため、Ｈｔ　ｐｏｓｓの検出出力に基くフィードバ
ックループが形成され、被測定物の表面とＨＩＰＯ８Ｓ
の光学系との間の距離は、常に１１感度測定域に応じた
検出レンジ内の距離となる。また、望ましくは、ＨＩＰ
Ｏ８Ｓの検出出力から求まる測定データを、上記、移動
機構による上記相対距離の変化量に応じて補正し、それ
によって測定データの連続化を行なう。

（実施例） △、実施例の構成 第６図は、この発明の一実施例である表面形状測定装置
の構成を示す概略図である。同図において、被測定物と
して半導体サブストレート２０は、ワーク移動機構２２
の固定台２３上に設けられて図示のＹ方向（水平方向）
に並進移動可能なワーク移動台２４上に載置されている
。このワーク移動台２４の上記Ｙ方向の移動は、固定台
２３内に設けられたモータＭ１および送りねじ〈図示せ
ず）の作動によって達成され、このモータＭ１の駆動は
、たとえばデスクトップ型のコンピュータ４４からワー
ク移動台制御装置４３を通じて与えられる駆１１ｉＪ＋
指令値１０１に基いて行なわれる。

一方、このワーク移１ＰＩＪ機構２２の上方には、ＨＩ
　ＰＯ３５の光学系としてのセンサヘッド２５が配置さ
れており、このセンサヘッド２５は、既述した内部構成
（第１図）を有している。また、このセンサヘッド２５
は、固定コラム２７上で図示のＸ方向く垂直方向）に移
動可能な移動コラム２６に取（１けられている。そして
、このセンサヘッド２５は、モータＭ２と送りねじ（図
示せず）との作動によって、移動コラム２６とともに上
記Ｘ方向に移動する。

この構成において、上記モータＭ２としてパルスモータ
等を用い、また送りねじとして送りビッヂの小さなもの
を用いることによって、このＸ方向の移すＪＧよ、たと
えば１パルスにつき３ｎｍずつ移動する形で行なわれる
。したがって、これらによって構成されるセンサヘッド
移動機構３０は、センサヘッド２５を極めて微細に上下
移動させることのできる微！Ｉ！ｌＪＮ能を有している
ことになる。なお、このモータＭ２は、コンピュータ４
４からセン勺ヘッド移動機構コントローラ４２を通して
与えられる駆動指令値１０２に基いて駆動されるように
なっている。また、このモータＭ２にはエン二】−ダＥ
が取ｆ寸けられており、これからのエン二１−ド出力１
０３にＪ：って、モータＭ２の回転角くしたがってセン
サヘッド２５の移動量〉を知ることができる。

他方、センサヘッド２５の出力Ａ−ＤはＨＩＰＯ８Ｓ信
号処理装置４１に与えられる。このＨ［Ｉ）　ＯＳ　Ｓ
信号処理装置４１は後述する構成（第７図）を有してお
り、センサヘッド２５からの入力Ａ−Ｄを処理すること
によって、サブストレート表面２１どセンサヘッド２５
との相対距１１１ｘの、合焦煮汁ｌ１１１ｆからの変位
を表現するデータΔＸ（＝ｘ−ｆ’）をコンピュータ４
４に出力する。またこのｌ−１１Ｐ　ＯＳ　Ｓ信号処理
装置４１は、（１）式によって求まるセンサヘッド２５
の焦点エラー出力としての検出出力Ｖを演算するととも
に、それが１−１［、ＰＯ３５の高感度測定域Ｇに応じ
た検出レンジＱ（第５図〉内にあるかどうかを判定し、
検出出力■が当該検出レンジＱを逸脱したときには割込
み信号ＩＮＴをコンピュータ４４へ出力する機能を有し
ている。

そこで、以下では、この装置の動作を第８図のフローチ
ｔｌ−トを参照しつつ説明する。まず、サブストレー１
−２０をマニュアルで移動台２４上にヒラ１〜した後、
コンピュータ４／Ｉに起動指令を与える（ステップＳ１
，２）。そして、センサヘッド２りの］・方にリブスト
レー１へ表面２１の一端の位置を合わせる（ステップＳ
３）。この位置合ねヒは、リブストレート表面２１の一
端の位置をコンビ」−全４４内にあらかじめ記憶してお
き、それに応じて移動台２４を所定距離だけ移動さける
か、または固定台２３にリミットスイッチ（図示せず）
を設４Ｊ　、これによって移動台２４を停止・位置決め
することによって行なうことができる。

次に、ヒンサヘッド移ｖＪ機構３０の移動コラム２６を
下方へ移動させることによって、センリーヘッド２５を
サブストレー１−表面２１に近づ（プ、これらの間の相
対距離が合焦点距離［ど／−、るような基準位置にセン
ナヘッド２５の高さを調整する（ステップＳ４）。これ
は、たとえば、センナヘッド２５からの検出出力をモニ
タしつつ、この検出出力が（十）側からＯ［Ｖ］になる
位置（＋Ｏ）を検知し、その後、センサヘッド２５を一
度停止させた後に所定距離だけ移動させ、さらに、セン
リーヘッド２５の検出出力が０［ｖ］になるようにフィ
ードバッグ制御させればよい。

そして、次のステップＳ５でサブストレート２０のＹ方
向の移動を開始し、センサヘッド２５からの検出信号を
第６図のＨＩ　ＰＯ３５信号処理装置／１１に取込む。

このＨＩ　ＰＯ３５信号処理装置／１１では、第７図の
Ｐｙ４算器５１によって、（１）式の演停を行ない、検
出信号Ａ〜Ｄから検出出力Ｖを求める。この検出出力■
は同図の△／Ｄコンバータ５２でデジタル化された侵、
演算器５３と比較器５４に与えられる。このうち、演算
器５３では、第４図ないしは第５図の特性に応じて、検
出出力■から変位ΔＸを演算して求め、コンピュータ４
４へ出力する。この演算器５３はルックアップテーブル
方式のメモリであってらよい。

一方、比較器５４には、第３図の高感度検出域Ｇに応じ
て設定された検出レンジＱ（たとえば高感度検出域Ｇの
８０％に相当するレンジ）を規定するしきい１直Ｖ３１
１が他方の入力として与えられている。喧こがって、こ
のしきい値Ｖｒ＋＋は、たとえば第５図の高感度ＶｉＧ
に対応する出力範囲Ｕが（−１）−（４−１）［Ｖ］で
あ８ときには、ｖ［１［−Ｏ，８［Ｖ］とすることがで
きる。そして、この比較器５４は、Ｖ＞Ｖ３Ｈマフ；ｌ
：４．ＥＶ＜　　Ｖ３１１（７）トき、りなわら検出出
力■が上記検出レンジＱを逸１悦したときに、コンピュ
ータ５５に割込み信号ＩＮ１を！ｊえるようになってい
る。

この、にうな比較の結果、検出出力Ｖが検出レンジＱ内
であると判断された場合には第８図のステップＳ６から
８７へ移り、コンピュータ４４が検出出力ΔＸを記憶づ
゛る。そして、サブストレート２５のｉｌｌ端に至るま
で上記処理を繰返ず（ステップ５８３）。

一方、第８図のステップＳ６で、検出出力が検出レンジ
Ｑを逸脱したものと判断されると割込信８１Ｎ「が与え
られ、ステップＳ９へ移って、コンビ１−り４４は割込
状態どなる。そして、着ナブストレ−１・２５の移動を
いったん中断しくステップ５１０）、ＩＩＩＰＯ８ｓの
検出出力ΔＸとサブストレート２５の移動距離ｙとをコ
ンピュータ２５が記憶する（ステップ５１１）。

そして、ΔＸの符号によって、センサヘッド２５とサブ
ストレート表面２１との相対距離が検出レンジＱに対し
て大きくなり過ぎているのか、それとも小さくなり過ぎ
ているのかを判断し、それに応じてセンサヘッド２５を
Ｘ方向に移動させて、上記相対外ｌ１１１ｘを合焦点距
離ｆに一致させる（ステップ５１２）。もつとも、この
動作は、合焦煮汁ｔＪ１　ｆに完全に一致させることは
必須ではなく、原理的には、検出レンジＱ内に入るよう
に移動させればよい。

そして、このようにして移動させた移動ｆｆ１Ｍを、第
６図のエンコーダＥからのエンコード信号１０３などに
基いて求め、これを記憶しておく（ステップ５１３）。

その後、サブストレート２５の移動を再１ｊｆｌＬ（ス
テップ５１４）、上述したステップＳ８へ移る。

このような動作を繰返してサブストレート表面２１の他
端までの測定が完了すると、移動コラム２６を１一方へ
移して、センサヘッド２５を退避ざＶ（スーｊツブ５１
５）、ワーク移動機構２２を初Ｉ１１位置へ戻しくステ
ップ５１６）、マニュアルでリブストレート２０を取り
はずして（ステップ５１７）データ取込みルーチンを終
わる。

第９図は、このようにして得られた測定データをそのま
ま記録計４５に与えて記録させた例を示すデータデヤー
ドであって、同図（ａ）の後に同図（ｂ）が続くように
なっている。この図かられかるように、この装置におい
ては、サブストレート表面２１の傾きなどによって変位
が検出レンジＱから逸脱する状態になると、センサヘッ
ド２５の移動（矢印Ｔで示す。）が起こり、センサヘッ
ド２５とリプストレート表面２１との相対距離を高感度
測定域へと変化させていることがわかる。したがって、
うねりや傾きの大きな被測定物表面についてし、その表
面形状を正確に求めることができ、高感度測定域が実質
的に拡大する。

ところで、第９図に示した測定結果では、センナヘッド
２５が移動した時点を境界として、その前後の測定値が
不連続となる。したがって、被測定面全体の形状を大域
的に見ようとする場合には、センサヘッド２５の移動後
の測定データを補正することによって、測定曲線を連続
化することが望ましい。

そこで、この実施例では、このような補正を行なうが、
その場合の形状演算ルーチンを第１０図に示す。同図に
おいて、まず、第８図のデータ取込みルーチンで取込ま
れたデータΔｘ、ｙをコンピュータ４４内のメモリまた
は外部記憶装置から読出す（ステップ５２０）。そして
ｉ回目のセンサヘッド２５の移動に伴う移動岳をＭｉと
し、ｉ回目の移動後の測定データΔＸをサブストレート
２５のＹ方向の移動ｆｆ１ｙの関数としてｆＨ（ｙ）と
したとぎ、 Ｆ（ｙ）＝ｆ・　（ｙ）＋ΣＭ・　　　・・・（２）を
工１算する〈ステップ５２１）。これによって、センサ
ヘッド２５の移動に伴う補正が行なわれることになる。

そして、このＦ　（ｙ）から回帰直線を求め（ステップ
８２２）、それをＦ　（ｙ）から差引いて表面形状を得
る（ステップ５２３）。これを記録計４５に出力すれば
（ステップ８２４）、被測定面の傾き等を補正した測定
データが得らることになる。

なお、上記実施例では、センサヘッド移動機構３０をパ
ルス七−７Ｍ、と送りねじによって構成したが、たとえ
ば第１１図に示すような機構を用いてもよい。この第１
１図の機構は、シ１２フト６０の周囲に、クランプ部６
１．６３と伸縮部６２どからなるピエゾ索子６４を配設
し、同図に示すように、各部分への電圧印加を個別に行
なうことにより、 ■　クランプ部６３によるシャフト６０のクランプ（Ｉ
ｉＪ１図（ｂ）） ■　伸縮部６２のＸ方向への伸長（同図（Ｃ））■　ク
ランプ部６１によるクランプ（同図（ｄ））■　クラン
プ部６３の解放（同図（ｅ））■　伸縮部６２のＸ方向
への収縮（同図（ｒ））■　クランプ部６３によるクラ
ンプ（同図（ｇ））■　クランプ部６１の解放（同図（
ｈ））を繰返す。このようにして、ピエゾ素子６４は図
の上方へ微小距離（たとえば１．２μＴｒＬ）ずつ微動
することになる。このため第１１図（ａ）のように、ピ
エゾ素子６４にセンサヘッド２５を取付けることににっ
て、このセンサヘッド２５の移動機構として用いること
ができる。図の下方へ移動させるときには上記■〜■を
逆の順序で繰返せばよい。

またＨＩＰＯ８Ｓの光学系と被測定面とは相対的に移動
゛Ｃきればよく、被測定物の方をＸ方向に移動させる機
構を用いてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、被測定面とＨ
ＩＰＯ３Ｓの光学系との間の相対距離が、常にト１　［
ＰＯ３５の高感度測定域に入るようになる！こめ、ｌ−
１ｆＰＯ３Ｓを用いた表面形状測定装置において、実質
的に高感度測定域を拡大することができ、それによって
、傾きやうねりのある被測定物の表面形状測定をも高感
度で行なうことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に使用されるＨＩＤ）０８３の受光
部の構造例を示ず図、 第２図Ｊｊ　ヨＵ第３図は、）−１１Ｐ　ＯＳ　Ｓの原
理説明図、 第４図は、ｌ−Ｉ　Ｉ　Ｐ　ＯＳ　Ｓの特性図、第５図
は、第４図の部分拡大図、 第６図は、この発明の実施例の構成の概略図、第７図は
、ＮｌＰＯ３５信号処理装置の内部構成図、 第８図は、実施例のデータ取込動作を示づフローヂャ−
１・、 第９図は、実施例の測定結果例を示ずデータブヤーｉ〜
、 第１０図は、データ補正を行なった場合の形状Ｊ１算動
作を示すフローｆ−ｐ　−１へ、第１１図は、ゼンＩナ
ヘッドとリブストレート表面との相対的移ｔｈ　ＦＭ構
の他の構成例を示ず図である。 １・・・光諒、　　　　　８，９・・・臨界角プリズム
、２０・・・リアス１−レート、２５・・・セン勺ヘッ
ド、３０・・・センサヘッド移ｆｊｌ　機構、４１・・
・ｌ」ｒＰＯ８ｓ信号処理装置４４・・・コンピュータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）臨界角法による焦点エラー検出器を用いて、被測
   定物の表面の形状を測定する表面形状測定装置であって
   、 前記焦点エラー検出器の検出出力が、当該焦点エラー検
   出器の高感度測定域に応じた所定の検出レンジ内に入っ
   ているか否かを判定する判定手段と、 前記判定手段の判定出力に応答して、前記検出出力が前
   記所定の検出レンジから逸脱した際に、前記被測定物と
   前記焦点エラー検出器の光学系とを相対的に移動させて
   、前記被測定物の表面と前記光学系との相対距離を、前
   記検出出力が前記所定の検出レンジ内に入る方向へと変
   化させる移動機構とを備えることを特徴とする表面形状
   測定装置。
2. （２）前記表面形状測定装置は、前記検出出力から求ま
   る測定データを、前記移動機構による前記相対距離の変
   化量に応じて補正する補正手段をさらに備える、特許請
   求の範囲第１項記載の表面形状測定装置。