JPS63275912A

JPS63275912A - 表面変位検出装置

Info

Publication number: JPS63275912A
Application number: JP62111889A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1988-11-14
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPH0718699B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、被検面の変位を検出するための表面変位検出
装置に関し、特に、例えば半導体製造装置における焦点
位置検出装置に適用して好適な表面変位検出装置に関す
る。

（従来の技術）半導体製造装置における焦点位置検出装置としては、従
来、撮影レンズによってマスクパターンが転写される位
置に設けられた半導体ウェハに対して、斜めに入射光を
照射し、その半導体ウェハの表面から斜めに反射する反
射光を検出して、その表面位置を検出する斜め入射型焦
点位置検出装置が多く用いられ、例えば特開昭５６−４
２２０５号公報などによって開示されている。

この公知の焦点位置検出装置は、半導体ウェハの表面を
被検出面として、その被検出面に投射光束を斜めに投射
してスリット状の光像を被検出面上に結像させ、その反
射光を受光部に設けられた光電変換素ネで構成された検
出部上に再結像させることにより、その反射光像の検出
部上での入射位置を検知するように構成されている。従
って、被検出面の半導体ウェハ表面が上下方向に変位（
投影レンズ光軸に沿って移動）すると、その上下方向の
変位に対応して、検出部に入射する反射光像がその入射
方向に対して直交する方向に横ずれする。この横ずれ量
を検出することによって半導体ウェハの表面が投影レン
ズに対して合焦位置にあるか否かを判定可能である。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記のように構成された斜入射型焦点位
置検出装置を用いて半導体ウェハの表面位置を実際に検
出する場合、その位置検出精度には、ある一定の限界が
あることが判明した。その原因を種々検討したところ、
半導体ウェハの表面部分には、シリコンなどの半導体基
板上にフォトレジストのような薄膜が付着している場合
が多く、その薄膜の膜厚が１〜２μｍ程度になったとき
、薄膜の表面で反射した反射光と、その薄膜の表面を透
過して半導体基板の表面で反射した光とによって干渉が
生じ、その為、検出部に入射する合成反射光の検出光学
系光軸に対して垂直方向における光強度分布に狂いを生
じるものと考えられる。

因に、フォトレジストなどのように有機物質で構成され
ている材料の光線透過率は、一般に、感光波長より長い
波長（例えば赤色光）では比較的良好で、その表面から
の反射光と、裏面からの反射光とが顕著に干渉し易く、
誤差が止し易いという問題点があった。

本発明は、上記従来装置において生じる恐れのある反射
光の干渉による影響を考慮し、反射光の位置検出結果の
精度を、従来装置の限界を超えて一段と改善し得る表面
変位検出装置を比較的簡単な構成にて実現することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決する為の手段）上記の問題点を解決するために本発明においては、光透
過性の薄膜を有する被検面上に光源から検出光を斜めに
入射させ、その被検出面からの反射光を検出面上に光ス
ポットあるいはスリット状に再結像させ、その再結像さ
れた像の位置から、被検出面の位置を検出する斜入射型
位置検出装置において、その光源から被検出面を介し前
記の検出面に至る間の検出光路上の所定の位置に、前記
被検出面に入射する検出光の入射面に平行なＰ偏光成分
と垂直なＳ偏光成分の強度を前記検出面上で任意に変え
る偏光光学手段を設けることを問題解決の手段とするも
のである。

（作　用）光源から被検出面の薄膜に入射してその被検出面で反射
する反射光のうち、その薄膜の表面で反射する表面反射
光と薄膜を透過してａ膜裏面にて反射してさらに薄膜の
表面を透過する内部反射光は、薄膜の厚さに応じて干渉
し、検出面において干渉縞を作る。この干渉縞を作る反
射光の入射面に垂直なＳ偏光による干渉縞と入射面に平
行なＰ偏光による干渉縞とは、入射角がブリュースター
角を超えて大きくなると位相が１８０°ずれる。

従って、この互いに位相が反転したＳ偏光成分の干渉光
とＰ偏光成分の干渉光が合成されて得られる光強度の変
化は膜厚に比例せず、大きく乱れを生じる。従って、こ
れに応じて検出される被検出面上での見掛けの表面から
のずれ量が極めて大きいものとなる。そこで、上記のＰ
偏光成分とＳ偏光成分との比を変化させるために偏光光
学手段が、検出光路上の適当な位置に設けられ、前記の
Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との１８０°のずれを利用して
、その偏光光学手段を適当に回転調整することにより、
その両端光成分の強度を適当に変化させると、被検出面
での見掛けの表面のずれ量が少なくなり、検出誤差を改
善することができる。

（実施例）次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の実施例を示す斜入射型の表面変位検出
装置の光学系概略構成図である。なお、実線にて示す光
線の経路は、スリット像の共役関係を示し、破線にて示
す光線の経路は、光源像の共役関係を示す。

第１図において、発光ダイオード（ＬＥＤ）やハロゲン
ランプ等のように、特定の偏光方向を有しない、いわ゛
ゆるランダム偏光の光を発する光源１からの検出光はフ
ィールドレンズ２を介して投光スリット３を照射する。

この投光スリット３は紙面に対して垂直方向に長いスリ
ット開口３Ａを有し、このスリット間口３Ａを通して投
射される検出光Ｌ０は、送光側対物レンズ４Ａによって
集光され、半導体ウェハ５の表面５Ａ上に光スリツト像
が結像される。半導体ウェハ５の表面５Ａから反射する
反射光し、は、受光側対物レンズ４Ｂによって集束され
、受光スリット６上に光スリフト像が再結像される。ま
た、受光スリット６に設けられたスリット開口６Ａを通
過した反射光Ｌ１は、検出光り、としてコレクタレンズ
７により光電変換素子のような受光素子８上に集光され
る。

なお、受光スリット６、コレクタレンズ７及び受光素子
８をもって光電検出器９が構成される。

受光スリット６に設けられたスリット開口６Ａの長手方
向は、投光スリット３のスリット開口３Ａと同様に紙面
に垂直な方向に設定されている。

また、受光スリット６は、そのスリット間口６Ａの長手
方向に対して直交する方向、すなわちスリット間口６Ａ
の幅方向（第１図中で矢印ａにて示す方向）に所定の振
幅をもって振動するように構成されている。これにより
、受光スリット６上に再結像された光スリツト像はスリ
ット間口６Ａにて走査され、受光素子８からの検出信号
が最大となったときのスリット開口６Ａの基準位置から
の偏位量から、被検出面５Ａの基準面（焦点面）からの
変位が検出されるように構成されている。

受光側対物レンズ４Ｂと受光スリット６との間の光路上
には、本発明の要部をなす検出誤差補正光学系１０が光
軸を中心に回転可能に配設されている。この検出誤差補
正光学系１０については後で詳しく述べる。

第２図は、半導体ウェハ５の被検出面５Ａが投影レンズ
光軸２に沿って変位した場合における受光スリット６上
での光スリツト像の変位量を示す説明図である。検出光
（入射光）Ｌｏが入射角θをもって、基準位置Ｚ０に在
る被検出面５Ａに入射すると、９０点に結像された光ス
リツト像は受光側対物レンズ４Ｂによって受光スリット
６上の基準位置Ｐ０に再結像される。被検出面５Ａが鎖
線５Ｓで示す位置までΔ２だけ光軸２方向に変位すると
、検出光Ｌ０はＱ、点で反射し、光スリツト像を形成す
る反射主光線り、は受光側対物レンズ４Ｂを介して、受
光スリット６上の２１点に達し、そこに光スリツト像が
再結像される。この場合、受光スリット６上での基準位
置Ｐ０から２１点までの光スリツト像の変位量をΔｙ、
受光側対物レンズ４Ｂの結像倍率をβとすると、被検出
面５Ａの変位量Δ２は Δ２＝Δｙ／（２βｓｉｎθ）・・・・・・・・・（１
）で与えられる。

一方、半導体ウェハ５の被検出面５Ａが、第３図に示す
ように半導体基板５Ｂ上に塗られた例えばフォトレジス
トでなる薄膜５Ｃの表面で構成されている場合には、薄
膜５Ｃの表面５Ａの点Ｑ０に入射した検出光ＬＯの一部
が反射光ＬＩＡとして反射されるのみならず、薄膜５Ｃ
内を透過して半導体基板５Ｂの表面で反射する反射光Ｌ
２が生じ、この反射光Ｌ２が表面５Ａを透過して第２の
反射光Ｌ２Ａとして表面５Ａから出射する。以下同様に
して反射光Ｌ２のうち表面５Ａを通過し切れずに表面５
Ａで内面反射される反射光Ｌ３に基づいて、第３、第４
・・・・・・の反射光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａ・・・・・・が発
生し、これが第１の反射光ＬＩＡに複合して受光スリッ
ト６に到達すると考えられる。

この複合反射光について検討してみると、薄膜５Ｃの内
部で１回反射した第２の反射光Ｌ２Ａは、見掛は上表面
５Ａから距離δだけ深い位置で反射したものと考えるこ
とができるので、受光スリット６上では、正規の反射光
Ｌ１の受光スリントロ上への入射位置Ｐ０を基準にして ε稔２・β・　ｓｉｎθ・δ　　・・・・・・・・・（
２）で表されるずれ量εだけ横にずれて結像することに
なる。ここで、表面５Ａの見掛は上のずれ量δｄ　　’
　　ｃ０３θ δ＝□　　　・・・・・・・・・　（３）として求める
ことができる。（３）弐においてｄは薄膜５Ｃの厚み、
ｎは薄膜５Ｃの屈折率である。

（２）弐及び（３）式は薄膜５Ｃ内部で１回だけ反射し
た反射光Ｌ２Ａによる場合の位置ずれ量であるが、２回
、３回・・・・・・ｍ回反射して得られる反射光Ｌ　３
　Ａ、　Ｌ　４　Ａ−・・−・−Ｌ、　（ｍ＋　１　）
　Ａについても同様にして２ε、３ε・・・・・・ｍε
だけ位置がずれることになる。

このような複合光が受光スリット６に入射すると、光学
系の条件や、薄膜５Ｃの厚さｄに基づいて各複合光が互
いに干渉性をもつようになり、その結果、受光スリント
ロ上に結像される像の形が変形することにより、光電検
出器９によって検出される光量重心がずれる結果を生じ
、これにより正規の反射光Ｌ１に基づく位置ずれ量Δｙ
（第２図参照）の検出結果に誤差を生じる。

この現象を定性的に検討すれば、第４図のようになる。

先ず第１反射光ＬＩＡだけが受光スリット６に到来した
とき、光電検出器９がこの光量重心位置をｙｏと判定し
、薄膜５Ｃの内部を１回反射した第２反射光Ｌ２Ａにつ
いて、光電検出器９がその光量重心を位置ずれ量ε（（
２）式）だけずれた位置ｙ０．にあると判定したとする
。この場合第４図（Ａ）に示すように反射光ＬＩＡの光
強度が正規化した値２であるとすれば、１回反射の第２
反射光Ｌ２Ａの光強度はこれより弱く、はぼ０．５程度
になる。

ところで、薄膜５Ｃの厚さｄが十分厚く、また、光源１
からの検出光Ｌ０が可干渉性の低いものであれば、第１
反射光ＬＩＡと１回反射の第２反射光Ｌ２Ａとでは干渉
が生じない。従って、受光スリット６上に結像された光
スリツト像の光強度は、第４図（Ｂ）に示すように、第
４図（Ａ）において実線図示の反射光ＬＩＡの光強度の
分布と、破線図示の１回反射の第２反射光し２人の光強
度の分布との和で表される光強度の分布を呈する。その
結果受光スリット６上に結像された光スリント像の光強
度分布の光量重心は、反射光ＬＩＡの光強度分布の重心
ｙｏ　　（第４図（Ａ））に対して僅かなずれ量Δｙ１
だけずれた位置ｙＩに生ずることになる。ただし、その
ずれ量Δｙ１は膜厚ｄに比例して変化する。

しかし、実際には膜厚ｄが１〜２μｍ程度に薄い為、そ
の反射光は干渉する可能性が高く、多くの場合、受光ス
リット上に光スリツト像を形成する反射光ＬＩＡとＬ２
Ａが干渉し、両者は第４図（Ｃ）のように互いに強め合
うか、あるいは第４図（ｄ）に示すように互いに弱め合
う結果となる。

従って、受光スリット６上に結像された合成像の形が崩
れる現象が生じ、これにより受光スリット６上に結像さ
れた合成像の光量重心が、反射光ＬＩＡの光量重心ｙ０
から大きくずれることになる。

例えば、反射光ＬＩＡに対する反射光Ｌ２Ａの干渉光強
度が最大になった場合には、第４図（Ｃ）に示すように
、干渉部分ＬＩＡ＋Ｌ２Ａの光強度が極端に大きくなる
（この実施例の場合反射光ＬＩＡの光強度が２であるの
に対して４．５になる）。従って受光スリット６上に結
像された像の光量重心は、第４図（Ｂ）の場合より多い
位置ずれ量Δｙｔだけずれた位置ｙ２に移動する結果に
なる。

これに対して干渉光強度が最小の場合には、第４図（Ｄ
）に示すように、反射光Ｌ２Ａと、正規の反射光Ｌ１と
が重なり合う範囲において、反射光ＬＩＡとＬ２Ａとが
互いに打ち消し合い、その結果受光スリット６上に結像
された合成像の光量重心が、反射光ＬＩＡの光量重心ｙ
０と比較して極端に大きな位置ずれ量Δｙ、で、しかも
第４図Ｃとは反対側にずれた位置ｙ３に移動する結果に
なる。特に干渉効果によって反射光ＬＩＡとＬ２Ａとが
打ち消し合う第４図ＣＤ）の場合には、受光スリット６
上での光量重心の位置ずれ量Δｙ３が大きいため、この
位置ずれ量Δｙ、が薄膜表面５Ａを基準とする被検出面
側での見掛けの検出位置に非常に大きな誤差を生じさせ
る要因となる。

第５図は、上記のような反射光の干渉が被検出面側での
検出位置に及ぼす影響を模式的に示す線図で、横軸は薄
膜の厚さｄ、縦軸はｙＪ膜表面５Ａを基準しする被検出
面側での見掛けの検出位置のずれ量を示す。ただし、一
点鎖線にて示す直線に３は薄膜５Ｃがコートされた半導
体基板５Ｂの上面の位置を示す。

第３図において、仮に反射光が互いに干渉を起さないも
のとすると、薄膜表面５Ａと半導体基板表面５Ｄからの
反射光の光強度は、それぞれ反射面での反射率によって
定まり一定である。しかし、半導体基板表面５Ｄでの反
射光Ｌ２Ａ、Ｌ３Ａ・・・・・・は、薄膜５の膜厚ｄに
比例して薄膜表面５Ａからの反射光ＬＩＡに対してずれ
る。そのため、受光スリット６上での光スリツト像の重
心位置は、膜厚ｄに比例して受光スリット上での検出基
準位置Ｐ０からずれることになる。従って、被検出面側
では、薄膜表面５Ａの位置ｚ０を基準として第５図中で
実線に、にて示す如く膜厚ｄに比例した直線的なずれを
示す。

ところが前述の如く、薄膜５ｃで干渉現象が起ると、曲
線（破線）Ｋ８にて示すように、干渉の影響により実ｖ
ＡＫ　、に沿いながら大きく波を打つような膜厚ｄには
比例しないずれが生じる。特に、第４図（Ｄ）において
説明したように、反射光が互いに打ち消し合う状態の膜
厚の付近では、鋭く尖った刺状の極端なずれが生じる。

このような状況の下では、例えば薄膜５Ｃの膜厚ｄが第
５図で示す如く、製造工程においてＷｌからＷｚの範囲
（Ｗ　＋〜Ｗｔ＝ΔＷ）でばらついているものとすると
、反射光が非干渉の場合（実線に、）には、わずかにΔ
ｘ１だけ検出位置の検出結果にばらつきが有るのみであ
るが、反射光が干渉を起す曲線に２の場合には、検出位
置の検出結果が最大ΔＸ、の範囲で大きくばらつくこと
になり、これが焦点位置検出の際の検出誤差となる。

ところで、第４図における干渉の影響の説明では、第１
反射光ＬＩＡと第２反射光Ｌ２Ａについてのみ定性的に
説明したが、実際には第３図に示すように無限回反射と
なり極めて複雑である。しかし、第１反射光ＬＩＡと第
２反射光Ｌ２Ａに比して、他の反射光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａ・
・・・・・の光強度は弱いので、上記の反射光ＬＩＡ、
Ｌ２Ａのみで干渉の影響を代表させても大きく狂うこと
は無い。

ところで、第１図に示すように被検出面５Ａに検出光Ｌ
０が入射すると、第３図に示すようにその一部は反射し
、残りは被検出面５Ａを透過して屈折する。この場合、
一般に反射光中には入射面（被検出面５Ａに垂直）に平
行なＰ偏光と入射面に垂直なＳ偏光とを含み、光の振幅
、位相について、次のフレネルの式が成立する。いま、
入射角を０１、屈折角をθ１、Ｐ偏光の振幅をＲ，、、
Ｓ偏光の振幅をＲ，とすると、Ｒ，＝−ｊａｎ（θｉ−θｔ）／１ａｎ（θ１＋θ、）
・・・・・・（４）Ｒ＊　＝　　５ｉｎ（θ１−θ、　）　／５ｉｎ（θ、
＋θｔ）・・・・・・（５）ここで、入射角がブリニースター角（θ、十θ、−９０
＠）に等しいときは、ｊａｎ　（θえ＋θｔ）−ｃｏ　
、ｓ　ｉ　ｎ　（θｉ十〇、）＝１となる。従って、Ｓ
偏光の振幅Ｒ３は薄膜の屈折率に応じた値となるが、Ｐ
偏光の振幅Ｒ２は零（ゼロ）となり、反射することな（
全部被検出面５Ａを透過する。また、θ、＋θｃ−９０
″ならば、Ｑ＜５ｊｎ（θ、十〇、）く１となり、従っ
て（５）式におけるＳ偏光の振幅Ｒ３の符号は変らない
が、ｊａｎ（θ五十θＦ）０となり、従って（４）式に
おけるＰ偏光の振幅Ｒ９の付符号は逆転する。

第６図は、Ｐ偏光とＳ偏光とで干渉光の位相がほぼ１８
０°ずれることを説明するための断面説明図である。先
ず、検出光Ｌ０の試料面５Ａへの入射角θ、がブリュー
スター角より小さい場合（θ、十〇、＜９０”）は、第
６図（Ａ）に示すように、反射光ＬＩＡと試料面５Ａを
透過した後、薄膜５Ｃ内で一回反射した後試料面５Ａを
透過する反射光Ｌ２Ａについて、Ｐ偏光（紙面に平行な
矢印Ｊ）ｌ　、　Ｐｔ　）とＳ偏光（紙面に垂直なＸ印
Ｓ＋、Ｓｓ）とは共に同方向で位相のずれは無い。

しかし、入射角θ、がブリュースター角より大きい場合
（θｉ十〇、＞９０”）の場合には、第６図（Ｂ）に示
すようにＳ偏光については不変であるが、Ｐ偏光につい
ては反射光ＬＩＡのＰ偏光が第６図（Ａ）の場合とは異
なり、１８０ａだけ逆転していることを示しでいる。す
なわち、反射光ＬＩＡ中のＰ・偏光は、入射角θＬがブ
リュースター角を境として位相が逆転することを示して
いる。

第３図に示す多数回反射光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａ・・・・・・
についても−回反射光Ｌ２Ａと同様に、反射光ＬＩＡに
対してＰ偏光が１８０″逆転するものと考えられる。基
板５Ｂは通常シリコンやアルミニウム等で形成されてお
り、これらの物質からの反射光も入射角が大きい場合に
は位相ずれを起す。しかし、薄膜（レジスト）５Ｃ内で
は入射角θ、がブリュースター角より小さくなるので、
殆んど位相ずれを起すこと無く、その結果、試料面５Ａ
への入射角θ、がブリュースター角より大きい場合、Ｐ
偏光はＳ偏光に対しても１８０”位相のずれたものとな
る。

第７図は、第３図における多数回反射光Ｌ３Ａ、Ｌ４Ａ
・・・・・・まで考慮した、Ｐ偏光の干渉光とＳ偏光の
干渉光とのシュミレーションの例を示す線図で、第７図
（Ａ）は薄膜の膜厚ｔの変化に対する干渉光の強度変化
を示す線図で、第７図（Ｂ）はその干渉光の重心位置に
基づく、試料面５Ａ側での見掛けの表面ずれ量を示す線
図である。実線はＰ偏光による曲線、破線はＳ偏光によ
る曲線を示す。この場合、光＃１からの検出光Ｌ０を波
長λ＝１４０Ｂｍの単色光とし、シリコン基板（複素屈
折率ｎ、　＝３．７１＋０．０１　ｉ）の表面にアルミ
ニウム層（複素屈折率ｎＡｔ＝１．４４＋５．２　ｉ）
を厚さ１μｍに付着し、その上にフォトレジスト　　　
　゛（複素数ｎえ＝１．６４＋０．００２　ｉ）を付着
させて成る半導体ウェハ５の表面５Ａに対して、入射角
θ＝７０”で開口数ＮＡ＝０．１の対物レンズ４Ａ、４
Ｂを用いて前記の検出光Ｌ０を投射するものと仮定しで
ある。

第７図（Ａ）から明らかなようにＰ（１ｇ光（実線）と
Ｓ偏光（破線）とでは、干渉効果による光の強弱の周期
がほぼ半周期（１８０°）だけずれており、それに伴っ
て、その光強度が弱くなるときに、第７図（Ｂ）に示す
ようにレジストの遥か下方（表面からのずれ量が大きい
）位置を検出することになり、検出誤差が大きいことを
示している。例えば、膜厚１．２μｍにおける干渉光の
強度（第７図（Ａ）参照）及び検出誤差（第７図（Ｂ）
参照）を見ると、Ｐ偏光（実線）では強度が最大で、し
かも検出誤差（表面からのずれＮ）が少なく、第４図（
Ｃ）の状態にあることを示している。しかし、Ｓ偏光に
ついては逆に干渉光の強度が最小付近となり、検出誤差
が大きく、第４図（Ｄ）の状態となる。そこで、この２
つのＰ偏光とＳ偏光とを合成すると、第４図中で（Ｃ）
と（Ｄ）の光量分布をインコヒーレントに加えることに
なり、その光量重心は光強度の強い方（例えば第４図（
Ｃ）の方向）へ引き戻される。

第８図は、上記の第７図に示すＰ偏光とＳ偏光とを合成
した結果を示す線図で、破線の曲線は膜厚変化に対する
干渉光の強度変化を示し、実線の曲線は、試料面側での
表面からの見掛けのずれ量（検出誤差）を示ｔ、第８図
を見れば明らかなように、干渉による光強度の変化が少
なくなり、検出誤差Δは膜厚１．１μｍ付近においてな
お、０．３２μｍの範囲の検出誤差を有する。しかし、
次に述べる手段を用いてＰ偏光とＳ偏光の強度の比を適
当に変えれば、その検出誤差（膜厚の変化による検出誤
差の変動、第５図中でΔＸ２）を最小とすることが可能
である。

上記の干渉による検出位置の検出誤差を改善するために
、第１図に示すように、受光側対物レンズ４Ｂと受光ス
リット６との間に検出誤差補正光学系１０が設けられて
いる。この検出誤差補正光学系１０は、第９図に示すよ
うな偏光プリズム１１にて構成されている。偏光プリズ
ム１１の反射面１１Ｒは４５″傾斜した合わせ面に誘電
体多層膜をコートして成り、第１０図の分光透過特性図
に示す如く、Ｐ偏光はほぼ１００％透過し、Ｓ偏光は５
０％を透過、残りの５０％を反射するように構成されて
いる。従って、この偏光プリズム１１を透過する光のう
ちＰ偏光はほぼ１００％その反射面１１Ｒを透過するが
Ｓ偏光は約５０％に減光され、Ｐ偏光とＳ偏光の強度比
を２：１とすることができる。この比率は、薄膜５Ｃと
半導体基板５Ｂとの間の反射面５Ｄ（第６図参照）がア
ルミニウム膜に□て構成されている場合における検出誤
差補正に掻めて有効である。

ところで、基板５Ｂや薄膜５Ｃの屈折率特性によっては
、Ｐ偏光とＳ偏光との比率を上記の値とは異なる値に変
えた方がよい場合がある。この場合は、反射面１０Ｒの
特性を変えることにより、Ｐ偏光とＳ偏光との比率を自
由に設定でき、更に、この偏光プリズムを入射光軸を中
心としてα方向に回動させることによって、検出光Ｌ０
の入射面に対するＰ偏光とＳ偏光との比を変えることが
可能である。

また、検出誤差補正光学系１０は、第１１図に示すよう
な偏光板１２にて代用することも可能である。この場合
、偏光軸をβ方向に回転させることにより、入射光のＰ
偏光とＳ偏光との比を変えることができる。すなわち、
検出光Ｌ０を含み且つ試料面５Ａに垂直な入射面に対し
て偏光軸Ｘがβだけ回転したとすると、Ｐ偏光はＣｏｓ
　２β、Ｓ偏光はＳｉｎ”βの透過率となり、その角度
βを適当に調整することにより所望の比率とすることが
できる。また、第９図に示す偏光プリズム１１のＰ偏光
の透過率Ｔｐ＝１００％、Ｓ偏光の透過率をＴ、−０％
になるように構成すれば、前記の偏光板１２と全く同様
に使うことができ、入射光軸のまわりに回転調整するこ
とにより、Ｐ偏光とＳ偏光との比率を変えることができ
る。

第１２図は、第９図の偏光プリズム１１や第１１図の偏
光板１２の如き検出誤差補正光学系１０を第１図に示す
検出光路上に回転可能に設けることにより、第７図の場
合と同様な光学的条件のもとに、Ｐ偏光とＳ偏光の比率
を１：０．３５として合成した。干渉光の強度の変化と
、試料面側での検出位置の検出誤差（表面からのずれ量
）を具体的に示したものである。この第１２図から明ら
かなように、薄膜５Ｃの膜厚が１．１μｍ付近において
検出誤差範囲Δ＝０．２１μｍで、第８図に示すΔ−０
，３２μｍに比して精度が向上している。すなわち、第
７図に示すＳ偏光を相対的に弱めることにより、そのＳ
偏光による検出誤差を小さくし、精度の向上がはかられ
ている。また、干渉光の強度変化も第８図の強度変化（
破線）に比して強弱の幅が狭くなり改善されていること
が分る。

上記の実施例では、第１図に示す如く検出誤差補正光学
系１０を受光側の検出光路上に設けたが、これを送光側
つまり第１図中で光源と試料面５Ａとの間の検出光路上
に設けても同様な補正効果が得られる。その際、検出誤
差補正光学系１０が、偏光プリズム１１のような場合に
は、なるべく平行光束に近い部分の光路上に設けること
が望ましい。しかし、光束の開き角が小さい場合には、
Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との透過率があまり変化しない
ので、設置場所を特に限定しなくてもよい。

また、第１図の実施例においては、光源としてランダム
偏光のものを用いたが、直線偏光光を発する光源例えば
半導体レーザや直線偏光型のレーザを光源１として用い
る場合には、その偏光面を検出光の入射面に対して回転
調整するために、偏光プリズム１１や偏光板１２の代り
に、検出誤差補正光学系１０として回転可能なλ／２板
を用いてもよい、また、磁場を制御することにより偏波
面（偏光面）を光軸のまわりに回転可能なファラデー素
子、あるいは光の旋光性（自然旋光）のある素子、例え
ば水晶板等を利用して偏光面を回転調整してもよい。た
だし、水晶板の場合には、所定量だけ偏光面を回転させ
るために、所定の厚さの水晶板を単体または複数個組み
合わせて光路中に挿入する。

光源からの偏波面（偏光面）を上記のλ／２板やファラ
デー素子、水晶板等のような偏光光学手段を用いて、光
源の偏波面を入射面に対して傾けることにより、Ｐ偏光
成分とＳ偏光成分の強度の相対的な比を変えることが可
能である。例えば、第１２図に示す例において、Ｐ偏光
とＳ偏光の強度比を１：０．３５にする場合には、反射
面（試料面５Ａ）と偏波面の角度をθとしてＣｏｓ　”
θ：　Ｓｉｎ”θ−１：０．３５にする角度θを選べば
、θ＝３０゜６°となる。このように、光源が偏光して
いる場合には、前述の偏光プリズム１１や偏光板１２の
ような偏光光学手段によるものよりも光の損失が少ない
点で有利である。

なお、光源゛１として多波長光源を用い、多色光により
反射光の干渉性を少なくさせるようにすれば、更に検出
端を向上させることが可能である。

また、上記第１図の実施例においては、振動する受光ス
リット６を含む光電検出器９で反射光を検出するように
構成されているが、この受光部にＣＣＤ型の固体撮像素
子やＰＳＤ　（半導体装置検出素子）あるいは撮像管等
の各種検出器を用いて光量重心を検出するように構成し
てもよい。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、検出光路上にＰ偏光成分の
Ｓ偏光成分との強度を検出面において任意に変えること
ができる偏光光学手段を設けたので、光透過性の薄膜を
有する被検出面に対して、その薄膜によって生じる干渉
に起因する表面変位検出誤差を極めて簡単な構成で軽減
することができ、さらに、検出光の光強度の変化も小さ
く、測定精度を向上させることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を知す光学系概略構成図、第２
図は、第１図の実施例における、被検出面の位置の変化
と検出面における光スポツト像の位置の変化を示す説明
図、第３図は第１図の実施例における被検出面上の薄膜
にて反射する反射光を示す説明図、第４図は第３図にお
ける薄膜による反射光の干渉によって生じる検出面上で
の光量重心の移動を示す説明図、第５図は干渉によって
生じる被検出面側での検出誤差を説明するための線図、
第６図は検出光の入射角が反射光のＰ偏光に影響を及ぼ
すことを説明するための説明図で、（Ａ）は入射角がブ
リュースター角より小さい場合の断面図、（Ｂ）は入射
角がブリュースター角より大きい場合の断面図、第７図
はＰ偏光とＳ偏光のそれぞれの干渉状態における検出結
果をシミュレーションで示した線図で（Ａ）は膜厚に対
するＰ偏光とＳ偏光の光強度分布図、（Ｂ）は膜厚に対
する被検出面側での見掛ける表面からのずれ量をＰ偏光
とＳ偏光とについて示す線図、第８図は、第１図の実施
例から偏光光学手段を削除した場合の検出結果をシミュ
レーションで示す線図、第９図は、第１図に示す検出誤
差補正光学系としての偏光プリズムを示す斜視図、第１
０図は第９図の偏光プリズムの光線透過率線図、第１１
図は検出誤差補正光学系としての偏光板を示す斜視図、
第１２図は第１図に示す本発明の検出結果をシミュレー
ションで示した線図である。（主要部分の符号の説明）１・・・光源、３Ａ・・・送光スリット、４Ａ・・・送光対物レンズ、４Ｂ・・・受光対物レンズ、５・・・半導体ウェハ、５Ａ・・・半導体ウェハ表面（被検出面）、５Ｂ・・・
半導体基板、５Ｃ・・・薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光透過性の薄膜を有する被検出面に光源からの検
出光を斜めに入射して所定形状の光像を結像させた後、
前記被検出面からの反射光を検出面上に再結像させ、前
記被検出面の位置の変化に応じて変位する前記検出面上
での光像を検出して前記被検出面の位置を検出する斜入
射型位置検出装置において、前記被検出面で反射された
後に前記検出面上に入射する検出光の入射面に平行な偏
光成分と入射面に垂直な偏光成分との強度を任意に変え
得る偏光光学手段を前記光源から前記被検出面を介して
前記検出面に至る間の検出光路上の所定の位置に設けた
ことを特徴とする表面変位検出装置。
（２）前記偏光光学手段は、偏光プリズム、板状の偏光
板、λ／２板または、磁場を制御して光源の偏光面を回
転調整可能なファラデー素子または、旋光性のある光学
素子であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の表面変位検出装置。