WO2024034067A1 - 試料表面品質管理装置 - Google Patents

Abstract

試料のマイクロラフネスを測定する試料表面品質管理装置において、前記試料で発生した散乱光を測定する散乱光測定装置と、前記試料で発生した反射光を含む干渉光を測定する干渉光測定装置と、前記散乱光測定装置及び前記干渉光測定装置の信号を処理する信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記干渉光測定装置の信号に基づき前記試料のマイクロラフネスの第１評価値を演算し、前記散乱光測定装置の信号に基づき散乱特性信号を演算し、前記第１評価値が演算されない空間周波数帯域について、前記第１評価値及び前記散乱特性信号に基づき前記マイクロラフネスの第２評価値を演算する試料表面品質管理装置を提供する。

Description

試料表面品質管理装置

　本発明は、半導体デバイス製造工程等でウエハ等の試料のマイクロラフネスを測定し試料表面の品質を管理する試料表面品質管理装置に関する。

　半導体デバイスの高集積化に伴い、シリコンウエハの更なる高品質化が要求されている。ウエハの品質に関する１つの要素として、デバイスの電気特性に影響する表面粗さについては、ウエハ製造工程のインライン検査で試料の全数を全面検査することが重要である。試料のマイクロラフネス、言い換えれば試料表面の微視的な平坦度は、一般にＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定される。しかし、ＡＦＭは測定に時間を要するため、インライン検査に導入することは難しい。

　インライン検査でマイクロラフネスを測定する技術としては、試料表面の異物検査に用いられる散乱光測定装置で測定されるヘイズ値がマイクロラフネスと相関することを利用し、ヘイズ値を基にマイクロラフネスを測定する技術が知られている（特許文献１）。

特許第６０４３８１３号公報

　しかし、ヘイズ値は、試料の材質、検査装置の光学系の状態や機差等の諸条件によって変化するため、定量的にマイクロラフネスを評価することには課題がある。それに対し、特許文献１に開示された技術では、事前に得たＡＦＭによる測定結果と比較してヘイズ値を較正する。この場合、ヘイズ値に影響する試料の材質等の条件が変わると、その度にＡＦＭで事前測定を行って較正作業をする必要があり工数が増加する。

　本発明の目的は、試料表面のマイクロラフネスを高速に全面測定することができる試料表面品質管理装置を提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明は、試料のマイクロラフネスを測定する試料表面品質管理装置において、前記試料を保持し試料表面方向に前記試料を移動させるステージ装置と、前記試料で発生した散乱光を測定する散乱光測定装置と、前記試料で発生した反射光を含む干渉光を測定する干渉光測定装置と、前記散乱光測定装置及び前記干渉光測定装置の信号を処理する信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記干渉光測定装置の信号に基づき前記試料のマイクロラフネスの第１評価値を演算し、前記散乱光測定装置の信号に基づき散乱特性信号を演算し、前記第１評価値が演算されない空間周波数帯域について、前記第１評価値及び前記散乱特性信号に基づき前記マイクロラフネスの第２評価値を演算する試料表面品質管理装置を提供する。

　本発明によれば、試料表面のマイクロラフネスを高速に全面測定することができる。

本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置の模式図 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置における試料の走査軌道の一例を示す図 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光強度測定系の一構成例を示す模式図 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光強度測定系とビームスポットの位置関係を表す模式図 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光強度測定系の出力信号（散乱光信号）の例を表す図 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた干渉光測定装置の一構成例を示す模式図 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた信号処理装置による試料のマイクロラフネスの評価処理の手順の一例を示すフローチャート 本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置のＤＩＣ測定で測定不能な空間周波数帯域に関する説明図 ＰＳＤのモデル（第１モデル）として用いられる関数についての説明図 ＰＳＤのモデル（第２モデル）として用いられる関数についての説明図 ＰＳＤのモデル（第３モデル）として用いられる関数についての説明図 本発明の第１実施形態において第１評価値及び散乱特性信号を基に第２評価値を演算する手順の説明図 本発明の第１実施形態において第１評価値及び散乱特性信号を基に第２評価値を演算する手順の説明図 第１評価値と空間方向が異なるヘイズ値の取り扱いの第１の例についての説明図 第１評価値と空間方向が異なるヘイズ値の取り扱いの第２の例についての説明図 第１評価値と空間方向が異なるヘイズ値の取り扱いの第３の例についての説明図 シア方向と直交する方向のＰＳＤデータ演算についての説明図 本発明の第２実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた干渉光測定装置の一構成例を示す模式図 本発明の第２実施形態において第１評価値及び散乱特性信号を基に第２評価値を演算する手順の説明図 本発明の第２実施形態において第１評価値及び散乱特性信号を基に第２評価値を演算する手順の説明図 本発明の第３実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた干渉光測定装置の一構成例を示す模式図 本発明の第３実施形態に係る試料表面品質管理装置のＤＩＣ測定で測定不能な空間周波数帯域に関する説明図 本発明の第４実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光強度測定系の一構成例を示す模式図 隣接する走査軌道同士でビームスポットが一部重なる様子を表す概念図 本発明の第５実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光測定装置の検出光学系の一構成例を示す模式図 本発明の第５実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光測定装置の検出光学系における散乱光の出射方向と瞳面上の画素座標との関係についての説明図 表示単位領域毎に処理結果を試料１の表面マップで示す表示例を表す図 処理結果をヒストグラムで示す表示例を表す図 処理結果（ＰＳＤデータ）を散布図で示す表示例を表す図 処理結果（モデルパラメータ）を表形式で示す表示例を表す図

　以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

　（第１実施形態）
　［試料表面品質管理装置］
　図１は本発明の第１実施形態に係る試料表面品質管理装置の模式図である。同図の試料表面品質管理装置は、検査装置１００及び信号処理装置２００を含んで構成されている。この試料表面品質管理装置がマイクロラフネス、言い換えれば表面の微視的な平坦度を検査し管理する試料１の代表例は、パターンが形成されておらず表面が平坦な円板状の半導体シリコンウエハである。

　［検査装置１００］
　検査装置１００は、試料１の表面で発生する散乱光を測定する光学系、及び試料１の表面形状を測定する光学系を備える。試料１の表面形状の測定方式は、試料全面を高速に測定可能な干渉光測定である。干渉光測定としては、例えば、光干渉式形状測定法、位相シフト干渉式形状測定法、波長シフト干渉式形状測定法があり、いずれの方式を採用しても良い。具体的には、検査装置１００は、ステージ装置１１０、散乱光測定装置１２０、干渉光測定装置１３０、及び信号処理部１９０を含んで構成されている。

　［ステージ装置１１０］
　ステージ装置１１０は、ビームスポットに対して試料１を保持し試料表面方向に試料１を移動させる装置であり、試料台１１１、回転ステージ１１２、直進ステージ１１３を備えている。試料台１１１は、例えば試料１を吸引等により保持するチャックテーブルである。直進ステージ１１３により回転ステージ１１２が試料１の半径方向に直進移動し、回転ステージ１１２により試料台１１１が回転（自転）する。

　図２は試料の走査軌道の一例を示す図である。試料１の表面上には、散乱光測定装置１２０及び干渉光測定装置１３０から光が照射されてビームスポット２が形成される。同図に示したビームスポット２は、散乱光測定装置１２０及び干渉光測定装置１３０の双方のビームスポットが実質的に同一座標（又は互いの距離が所定距離以内の座標）に形成されたものである。検査中は回転ステージ１１２によって試料１が試料１の周方向に回転駆動され、ビームスポット２が試料１の表面上を矢印θ方向に回転する。また、同時に直進ステージ１１３によって試料１が直進駆動され、ビームスポット２が試料１の表面上を矢印Ｒ方向に直進移動する。この回転動作と直進動作の組み合わせにより、ステージ装置１１０は、ビームスポット２に対して試料１を移動させ、ビームスポット２が螺旋軌道を描いて試料１の表面の全面を走査する。

　なお、図１及び図２には図示していないが、ステージ装置１１０は、直進ステージ１１３の移動軸（ここではＸ軸とする）と水平に交差する移動軸（ここではＹ軸とする）を持つ直進ステージを備えていても良い。この場合、ビームスポット２のＸ方向への移動と－Ｘ方向への移動をＹ軸方向に逐次ずらしながら繰り返す軌道で試料１を走査することができる。

　［散乱光測定装置１２０］
　散乱光測定装置１２０は、試料１を照明し試料表面のビームスポット２で発生した散乱光を測定する光学系であり、照明光学系１２１及び検出光学系１２２を含んで構成されている。

　照明光学系１２１は、散乱光用の光源、光源から出射する光をビームスポット２へ導く光学系であり、レンズ等の複数の光学素子を含んでいる。本実施形態において、照明光学系１２１は、試料１の表面に対して斜めに光を照射する斜方照明をすることができる。試料１の表面に対して垂直に光を照射する落射照明に光路を切り換える機構が照明光学系１２１に備わっていても良い。

　検出光学系１２２は、試料表面のビームスポット２で発生した散乱光を空間方向で区分して検出する光学系であり、本実施形態では、ビームスポット２に対する方位角や仰角の異なる複数（図１では４つ図示した）の散乱光強度測定系１２３－１２６を備える。

　図３は散乱光強度測定系１２３－１２６の一構成例を示す模式図である。散乱光強度測定系１２３－１２６は、検出光学系１２７及び散乱光センサ１２８を有する。

　検出光学系１２７は、複数のレンズ（レンズ群）を含んでおり、いわゆる集光光学系、又は結像光学系を構成する。検出光学系１２７は、空間フィルタや偏光フィルタを備え、ノイズとなる望ましくない光を遮蔽する機能を有していても良い。検出光学系１２７の光軸１２９の延長線上には、ビームスポット２が位置する。散乱光強度測定系１２３－１２６のそれぞれの光軸１２９は、ビームスポット２から互いに異なる空間方向に延びている。散乱光強度測定系１２３－１２６のそれぞれの光軸１２９は、ビームスポット２を通る試料表面の法線Ｎに対して傾斜している（ビームスポット２で法線Ｎと交差する）。但し、光軸１２９が法線Ｎに一致又は平行する散乱光強度測定系が、検査装置１００に備わっていても構わない。

　散乱光センサ１２８は、光電変換素子であり、微弱な散乱光を測定するため高いゲインを持つものが望ましく、光電子増倍管、アバランシェホトダイオードアレイを適用することができる。その他、ホトンカウンティング素子を複数配列したホトンカウンティングアレイ等も散乱光センサ１２８に適用可能である。センサ種別としては光電子増倍管、ＳｉＰＭ、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤ等を採用することができる。

　図４は散乱光強度測定系１２３－１２６とビームスポット２の位置関係を表す模式図である。試料１の表面における位置を２次元座標（Ｘ，Ｙ）で表すに当たり、仰角θｉで入射する入射光軸（照明光学系１２１からビームスポット２に入射する光の中心線）のＸＹ平面への射影方向をＸ軸とする。立体角ωに相当する開口数の検出光学系１２７がビームスポット２に対して仰角θｓでかつ方位角φｓの方向に位置する。仰角θｓや方位角φｓの組み合わせは、散乱光強度測定系１２３－１２６毎に異なる。ビームスポット２で発生した散乱光のうち、ビームスポット２から仰角θｓで方位角φｓの立体角ωの範囲に出射される散乱光束が、その方向に配置された散乱光強度測定系で測定される。散乱光強度測定系１２３－１２６のそれぞれにおいて、検出光学系１２７で集光された散乱光が、散乱光センサ１２８により電流又は電圧の信号に光電変換され、更にＡＤ変換されて信号処理部１９０（図１）で処理される。

　－散乱光信号の例－
　図５は各散乱光強度測定系１２３－１２６の出力信号（散乱光信号）の例を表す図である。図５の横軸は図２に示したビームスポット２の螺旋軌道に沿った試料表面上のθ座標であり、時間に対応する。図５の縦軸は散乱光センサ１２８から出力される散乱光信号の大きさである。試料１のマイクロラフネスに起因する散乱光が各散乱光強度測定系１２３－１２６に入射し、散乱光強度測定系１２３－１２６のそれぞれにおいて図５に例示するような波形の散乱光信号Ｓ１が得られる。この散乱光信号Ｓ１の値とθ座標のデータセットが、散乱光強度測定系１２３－１２６毎に例えば信号処理部１９０に保存される。またビームスポット２が欠陥（異物等）を横切ると、特に大きな散乱光信号Ｓ１である欠陥信号Ｓ２が検出される。この欠陥信号Ｓ２は、信号処理部１９０において、例えば高域通過フィルタ（ＨＰＦ）によって散乱光信号Ｓ１から分離され、欠陥の検出信号として値と座標が例えば信号処理部１９０に保存される。

　なお、散乱光信号Ｓ１から欠陥信号Ｓ２を分離する方法としては、上記の高域通過フィルタ（ＨＰＦ）のように周波数領域で分離する方法の他、信号の大きさで分離する方法も採用することができる。つまり、予め設定した閾値以下の信号をマイクロラフネスに起因する散乱光信号と判定し、閾値を超える信号を欠陥信号Ｓ２と判定する方法である。閾値は、予め定めた固定値の他、欠陥信号Ｓ２であると明らかに判定できる信号からリアルタイムに設定することもできる。

　また、マイクロラフネスに起因する散乱光信号Ｓ１を抽出する限りにおいては、欠陥信号Ｓ２を分離する必要は必ずしもない。例えば、所定の時間間隔で又は試料表面上の所定領域毎に、散乱光強度測定系１２３－１２６の散乱光信号Ｓ１を平均化（マージ）する方法を適用することができる。平均化の方法としては、散乱光強度測定系１２３－１２６をグループ分けし、グループ毎に散乱光信号Ｓ１を平均する例が挙げられる。具体例として、散乱光強度測定系１２３，１２６を第１グループ、散乱光強度測定系１２４，１２５を第２グループとして、グループ毎に散乱光信号Ｓ１を平均する。散乱光強度測定系１２３－１２６の組み合わせのパターンは任意に変更可能であるが、マイクロラフネスに起因する散乱光信号Ｓ１の変化が感良く反映される組み合わせが望ましい。

　また、散乱光信号Ｓ１のサンプリング間隔が十分に短い場合、全体の散乱光信号Ｓ１に占める欠陥信号Ｓ２の割合は極めて小さい。この場合、欠陥信号Ｓ２が散乱光信号Ｓ１より大きくても、欠陥信号Ｓ２を含めて散乱光信号Ｓ１を平均しても平均値はほとんど変化せず欠陥信号Ｓ２を除いて平均した値と実質的に同視できる。散乱光信号Ｓ１を平均化すると、信号処理部１９０の処理負荷が軽減される利点もある。

　［干渉光測定装置１３０］
　図６は干渉光測定装置１３０の一構成例を示す模式図である。干渉光測定装置１３０は、試料１のビームスポット２で発生した反射光を含む干渉光を測定し試料１の表面形状を測定する光学系である。本実施形態では、一例として微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）を検出して試料表面の高さを演算する干渉光測定装置１３０を説明する。

　干渉光測定装置１３０は、試料表面に偏光の異なる光の２つの偏光照明スポットからなるビームスポット２を形成し、２つの偏光照明スポットからの反射光を集光して干渉光の像を生成する。具体的には、干渉光測定装置１３０は、光源１３１、微分干渉照明系１３２、ビームスプリッタ１３３、１／４波長板１３４、ノマルスキープリズム１３５、対物レンズ１３６、結像レンズ１３７、干渉光センサ１３８を含んで構成されている。

　光源１３１から出射された光は、ビームスポット整形ユニット及び照明レンズを含む微分干渉照明系１３２を通過する。微分干渉照明系１３２を通過する光は直線偏光である。微分干渉照明系１３２を通過した光は、ビームスプリッタ１３３を介して１／４波長板１３４に入射する。１／４波長板１３４は、進相軸が入射偏光方向に対して４５°の角度となるように設置されている。１／４波長板１３４を通過する光は円偏光となる。１／４波長板１３４を通過した光は、ノマルスキープリズム１３５に入射する。

　ノマルスキープリズム１３５は、複屈折を持つ光学材料で構成されており、円偏光の入射光を互いに直交する振動面を持つ２つの直線偏光ｌ１，ｌ２に例えばＸ方向に分離する。直線偏光ｌ１，ｌ２は、それぞれ例えばＳ偏光、Ｐ偏光である。ノマルスキープリズム１３５で分離された直線偏光ｌ１，ｌ２は、ＤＩＣ用の対物レンズ１３６に入射する。この対物レンズ１３６は、ステージ（不図示）に実装されており、瞳位置がノマルスキープリズム１３５の分離位置に一致している。対物レンズ１３６を通過した２つの直線偏光ｌ１，ｌ２は平行に進行し、試料表面に垂直に照射されて２つの偏光照明スポット２ａ，２ｂからなるビームスポット２を形成する。

　なお、ノマルスキープリズム１３５は、駆動機構（不図示）によりＸ方向に移動可能であり、Ｘ方向の位置を調整することにより分離した直線変更１１，１２のビーム間の位相差を調整することができる。また、直線偏光１１，１２の分離幅をシア量δと呼ぶ。

　図６に誇張して示したように偏光照明スポット２ａ，２ｂに段差、すなわち直線偏光ｌ１，ｌ２の進行方向の高さの差があると、直線偏光ｌ１，ｌ２の位相差が変化する。ＤＩＣ測定においては、シア量δが大きいとコントラストが高くなるが、測定可能な水平方向単位距離あたりの高さの差が小さくなる。本実施形態ではコントラストを重視し、干渉光測定装置１３０の光学解像度やサンプリング間隔よりもシア量δが大きく設定されている。

　ＤＩＣ測定では、試料１の表面で反射した直線偏光ｌ１，ｌ２の位相差を基に偏光照明スポット２ａ，２ｂの高さの差（微分高さΔｈ）を測定する。試料表面で反射した直線偏光ｌ１，ｌ２は、対物レンズ１３６でコリメートされ、ノマルスキープリズム１３５によって同一光路に再合成されて干渉光となり、結像レンズ１３７を介して干渉光センサ１３８に入射する。本実施形態では、結像レンズ１３７の後段に偏光ビームスプリッタ１３９を配置し、干渉光を２つの直交する偏光方向に分離し、それら２つの干渉光の干渉強度をそれぞれ異なる干渉光センサ１３８で測定する。

　干渉光センサ１３８は、散乱光センサ１２８と同じく光電変換素子であるが、試料表面からの直接反射光を検出するので散乱光センサ１２８に比べてゲインは低くて良い。干渉光センサ１３８には、ポイントセンサ、エリアセンサ、マルチラインセンサを採用することができ、センサ種別としては光電子増倍管、ＳｉＰＭ、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤ等を採用することができる。干渉光の干渉強度は微分高さΔｈに応じて変化するため、干渉光センサ１３８で測定される干渉光の干渉強度をＡＤ変換し、例えば信号処理部１９０（図１）で処理することで微分高さΔｈを測定することができる。

　干渉光測定装置１３０によるＤＩＣ測定は、波長分離又は空間分離により、散乱光測定装置１２０による散乱光測定と同時に（同一走査時に）行うことができる。これにより、より高速に試料１の試料１の表面の測定が可能となる。このことは、干渉光測定装置１３０の測定方式にＤＩＣ測定以外の表面形状測定手法を適用する場合も同様である。

　［信号処理装置２００］
　信号処理装置２００は、散乱光測定装置１２０及び干渉光測定装置１３０の信号を処理する１又は複数のコンピュータであり、本実施形態の場合、データ入力部２１０、データ処理部２２０、及び検査装置１００の信号処理部１９０を備える。例えば、検出光学系１２２及び検出光学系１３０ｂで取得されて信号処理部１９０で処理された試料表面の測定データ等が、データ入力部２１０に入力される。データ処理部２２０では、データ入力部２１０に入力されたデータに基づき試料１のマイクロラフネスの評価値等が演算される。図１の例では、検査装置１００の信号処理部１９０を信号処理装置２００に含め、複数のコンピュータで信号処理装置２００を構成する場合を例示している。しかし、データ入力部２１０、信号処理部１９０、データ処理部２２０の機能を１台のコンピュータに持たせ、１台のコンピュータで信号処理装置２００を構成しても良い。

　［マイクロラフネスの評価手順］
　データ処理部２２０によって実行される試料１のマイクロラフネスの評価について説明する。本実施形態において、信号処理装置２００（例えばデータ処理部２２０）は、干渉光測定装置１３０の信号に基づき試料１のマイクロラフネスの第１評価値を演算する。同時に、信号処理装置２００は、散乱光測定装置１２０の信号に基づき散乱特性信号を演算し、干渉光測定装置１３０による第１評価値が演算されない空間周波数帯域について、マイクロラフネスの第２評価値を第１評価値及び散乱特性信号に基づいて演算する。本実施形態において、信号処理装置２００は、同時に発生する干渉光及び散乱光の検出信号に基づきマイクロラフネスの第１評価値及び第２評価値を演算する。

　第１評価値及び第２評価値は、試料１の表面のマイクロラフネスに相関する値である。マイクロラフネスは、第１評価値及び第２評価値から演算することができる。後述する例では、第１評価値及び第２評価値として試料１の表面のＰＳＤ（Power Spectral Density）データ、散乱特性信号としてヘイズ値を演算する場合について説明する。

　また、散乱特性信号から演算される第２評価値に係る空間周波数帯域の上限値は、干渉光測定装置１３０の信号から演算される第１評価値に係る空間周波数帯域の上限値より高い。特に本実施形態では、第２評価値に係る空間周波数帯域の下限値が第１評価値に係る空間周波数帯域の上限値より高く、第１ＰＳＤデータを取得可能な空間周波数帯域と第２ＰＳＤデータを取得可能な空間周波数帯域とが重ならない例を説明する。

　ＰＳＤデータ又はヘイズ値は、試料１の全面を複数の処理単位領域に分け、処理単位領域毎に信号処理部１９０で処理して求めることができる。高精度にマイクロラフネスを評価するためには、信号処理装置２００により、同一試料の同一領域に係る第１評価値（ＰＳＤデータ）及び散乱特性信号（ヘイズ値）に基づき、第２評価値を演算することが望ましい。

　試料１の表面形状を３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表す場合、高さＺを（Ｘ，Ｙ）に関して２次元フーリエ変換し、その振幅を二乗した値を空間周波数スペクトルとして演算することができる。空間周波数スペクトルは（Ｘ，Ｙ）の逆数（ｆｘ，ｆｙ）を変数とする関数Ｐ（ｆｘ，ｆｙ）で表される。この空間周波数スペクトルＰ（ｆｘ，ｆｙ）をｆｒで表したものがＰＳＤ関数Ｐ（ｆｒ）である。ｆｒは、ｆｒ＝√（ｆｘ×ｆｘ＋ｆｙ×ｆｙ）で求められる値である。

　ＰＳＤ関数Ｐ（ｆｒ）は、表面粗さの大きさと周期の情報を持つ。つまり、ＰＳＤ関数は、空間周波数スペクトルを表現する関数の一つである。このＰＳＤ関数の値（ＰＳＤデータ）は、マイクロラフネスに係る試料１の表面形状のデータと実質的に等価である。ＰＳＤ関数Ｐ（ｆｒ）を任意の空間周波数帯域（ｆ１～ｆ２）で積分することで、試料１の表面Ｒｍｓ粗さ（二乗平均平方根粗さ）を求めることができる。

　ヘイズ値は、散乱光測定装置１２０におけるビームスポット２に対する入射光量に対する散乱光信号Ｓ１の比率で表され、散乱光強度測定系１２３－１２６により測定された各散乱光信号Ｓ１を入射光量で除算することで演算できる。散乱光信号Ｓ１は、散乱光強度測定系１２３－１２６からリアルタイムに出力される信号の値を用いることもできるし、例えば信号処理部１９０に保存された値を後で読み出して用いても良い。

　図７は信号処理装置２００による試料１のマイクロラフネスの評価処理の手順の一例を示すフローチャートである。同図のフローは、マイクロラフネスの第１評価値を演算する処理７１０、散乱特性信号を演算する処理７２０、マイクロラフネスの第２評価値を演算する処理７３０に大別される。詳細は後述するが、処理７１０では、干渉光に基づく試料１の表面形状の測定データから第１評価値が演算される。処理７２０では、複数の散乱光強度測定系１２３－１２６の信号から所定の空間方向で所定の空間周波数の散乱特性信号が演算される。処理７３０では、第１評価値及び散乱特性信号に基づき第２評価値が演算される。

　－処理７１０－
　第１評価値を演算する処理７１０は、微分高さΔｈを演算するステップ７１１、試料１の表面形状を演算するステップ７１２、第１評価値を演算するステップ７１３を含む。

　・ステップＳ７１１
　信号処理装置２００は、光源１３１の出射光の２つの直線偏光ｌ１，ｌ２の位相の変化を基に、微分高さΔｈを演算する。このとき、本実施形態では、ノマルスキープリズム１３５で再合成された光が偏光ビームスプリッタ１３９で偏光により分離され、２つの干渉光センサ１３８で検出される。この２つの干渉光センサ１３８で偏光分離検出された干渉光の干渉強度の時間平均を演算し、演算した時間平均の干渉強度に基づき直線偏光ｌ１，ｌ２の位相シフトを補正することにより、微分高さΔｈの演算精度を高めることができる。ここで言う位相シフトとは、２つの直線偏光ｌ１，ｌ２の間で、試料１の傾きや光源１３１の出力変動等といった微分高さΔｈ以外の要因に起因して生じる位相のシフト量である。

　・ステップＳ７１２
　次に、信号処理装置２００は、ステップＳ７１１で演算した微分高さΔｈを基に試料１の表面形状を演算する。ステップ７１１で演算される微分高さΔｈは、シア量δだけ離れた２つの直線偏光ｌ１，ｌ２の偏光照明スポット２ａ，２ｂの高さの差である。従って、走査によって得られる微分高さΔｈのデータをシア量δ毎に累積することで、試料１の表面形状のデータを演算することができる。

　・ステップＳ７１３
　続くステップ７１３において、信号処理装置２００は、ステップ７１２で演算した試料１の表面形状のデータを基に、マイクロラフネスについての第１評価値を演算する。本実施形態においては、第１評価値として、ステップ７１２で演算した試料１の表面形状のデータをフーリエ変換してＰＳＤデータを演算する。以後、この干渉光測定装置１３０の信号を基に演算された第１評価値としてのＰＳＤデータを「第１ＰＳＤデータ」と記載する。本実施形態において、第１ＰＳＤデータは、シア方向についてのみ、つまり２つの偏光照明スポット２ａ，２ｂの中心を通る直線と同じ空間方向についてのみ演算される。第１ＰＳＤデータの空間方向及び空間周波数帯域は、試料１の表面形状の測定手法及び干渉光測定装置１３０の構成によって決まる。例えばＤＩＣ測定では、空間周波数帯域の上限は、空間方向のサンプリング間隔及び光学系の解像度の２つのパラメータのうち値の大きなパラメータに対するナイキスト条件から決定される。

　ここで、ＤＩＣ測定では、シア量δに相当する空間周波数帯域の第１ＰＳＤデータに対する感度が低いという特徴がある。本実施形態ではシア量δが光学解像度より大きいため、第１ＰＳＤデータの空間周波数の上限以下であるものの測定できない空間周波数帯域が存在する。これを図８に示す。同図の横軸はｆｒ、縦軸は空間周波数スペクトルの大きさを示している。干渉光測定装置１３０により測定可能な空間周波数帯域８０３の上限８０４は、前述したように光学系の解像度やサンプリング間隔によって決まる。この上限８０４より低い帯域であっても、シア量δに相当する空間周波数８０５を含む所定の帯域８０６については、シア量δだけ離れた２つのビームスポットの高さの差（微分高さΔｈ）を測定するＤＩＣの原理上感度が低い。帯域８０６の第１ＰＳＤデータについては、演算しないこととしても良いが、本実施形態においては、帯域８０６の周囲の第１ＰＳＤデータに基づいて補間することもできる。

　－処理７２０－
　次に、散乱光信号Ｓ１から散乱特性信号としてヘイズ値を演算する処理７２０について説明する。処理７２０には、散乱光信号Ｓ１を取得するステップ７２１、及び散乱光信号Ｓ１から散乱特性信号を演算するステップ７２２が含まれる。

　・ステップ７２１
　ステップ７２１において、信号処理装置２００は、散乱光強度測定系１２３－１２６により測定された散乱光信号Ｓ１を取得する。前述した通り、散乱光信号Ｓ１は、散乱光強度測定系１２３－１２６からリアルタイムに出力される信号の値を用いることもできるし、例えば信号処理部１９０に保存された値を後で読み出して用いても良い。

　・ステップ７２２
　続くステップ７２２において、信号処理装置２００は、例えば信号処理部１９０において、ステップ７２１で取得した散乱光強度測定系１２３－１２６の各散乱光信号Ｓ１を入射光量で除算する。これは入射光量に対する各散乱光強度測定系１２３－１２６の散乱光信号Ｓ１の比率を演算することを意味する。この信号比率がヘイズ値である。

　－処理７３０－
　次に、マイクロラフネスの第１評価値及び散乱特性信号に基づいてマイクロラフネスの第２評価値を演算する処理７３０について説明する。

　ここで、本実施形態において、ヘイズ値は、物質表面の反射・散乱特性を表すＢＲＤＦ（bidirectional reflectance distribution function）に変換され、このＢＲＤＦと共に信号処理装置２００に記憶される。このＢＲＤＦは、空間周波数及び空間方向についての情報を持つ。ＢＲＤＦは、先に説明した図４を参照し、ビームスポット２への入射光量Ｉｉ、散乱光束の仰角θｓ、立体角ω、検出光量Ｉωを用い、次の（数式１）で定義される。

　また、ＢＲＤＦは、（数式２）に示すようにモデル化することができる。

　θｉはビームスポット２に対する入射光束の仰角、λは入射光及び散乱光の波長である。Ｑは、試料１の屈折率、入射光束の仰角θｉ、散乱光束の仰角θｓ及び方位角φｓで決まるパラメータである。（数式２）の右辺のＰＳＤ関数の空間周波数ｆｘ，ｆｙは、入射光束及び散乱光束のパラメータを用いて（数式３）のように表される。

　（数式１）に示すように、ＢＲＤＦは、散乱光測定で得られるヘイズ値（Ｉω／Ｉｉ）、入射光束及び出射光束のパラメータから求めることができる。そして、このＢＲＤＦは、ＰＳＤ関数と（数式２）の関係にある。（数式２）の右辺において、ＰＳＤ関数以外の項はいずれも検査装置１００及び試料１の構成で決まるパラメータである。従って、原理的には、ヘイズ値と、検査装置１００及び試料１のパラメータとから、所定の空間方向の所定の空間周波数のＰＳＤデータを求めることができる。本実施形態において、このヘイズ値を基に演算するＰＳＤデータを「第２ＰＳＤデータ」と記載する。

　但し、現実に測定されるヘイズ値は、試料１の反射率や光源１３１の出力の変動等によって変化し、第２ＰＳＤデータはその影響を受ける。その結果、第１ＰＳＤデータと第２ＰＳＤデータとの間には、ずれが生じ得る。そのため、第１ＰＳＤデータと第２ＰＳＤデータを用いて試料１のマイクロラフネスを定量的に評価するためには、第２ＰＳＤデータの較正アルゴリズムが必要である。

　図９Ａ－図９ＣはＰＳＤのモデルとして用いられる関数についての説明図である。図９Ａ－図９Ｃに示す各モデルは両対数グラフで表されており、横軸はｆｒ、縦軸は空間周波数スペクトルの大きさである。

　図９Ａに例示する第１のＰＳＤモデルは、ＡＢＣモデルと称される。ＡＢＣモデルは、表面粗さの空間周波数ｆｒに対して、パラメータＡ，Ｂ，Ｃを用い、ＰＳＤ（ｆｒ）＝Ａ／（１+Ｂｆｒ^２）^Ｃ／２で表すことができる。このマイクロラフネスに係るＡＢＣモデルにおいて、低周波数の所定空間周波数帯域（１／Ｂ以下の帯域）ではＰＳＤが一定値をとり、高周波数の帯域（１／Ｂ以上の帯域）ではＰＳＤがｆｒに応じて単調に減少する。低周波数の帯域のＰＳＤの一定値がＡ、高周波数の帯域のＰＳＤの傾きが－Ｃ／２、ＰＳＤが一定値から単調減少に転じる分岐点の空間周波数が１／Ｂである。

　ＡＢＣモデルは図９Ａの例に限らず、図９Ｂに例示する第２のＰＳＤモデルや図９Ｃに例示する第３のＰＳＤモデル等も例示できる。図９Ｂに例示するＡＢＣモデルは、Ｆｒａｃｔａｌ ＡＢＣモデルと称され、パラメータＡ，Ｂ，Ｃ，Ｋ，Ｍを用い、ＰＳＤ（ｆｒ）＝Ａ／（１+Ｂｆｒ^２）^Ｃ／２+Ｋ／ｆｒ^Ｍで表すことができる。Ｆｒａｃｔａｌ ＡＢＣモデルは、図９Ａに示したＡＢＣモデルにおける低周波数帯域における低周波数帯域において、切片Ｋ、傾き－Ｍでｆｒの減少に伴ってＰＳＤが大きくなる特徴がある。図９Ｃに例示するＡＢＣモデルは、Ｄｏｕｂｌｅ ＡＢＣモデルと称され、パラメータＡ１，Ｂ１，Ｃ１，Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を用い、ＰＳＤ（ｆｒ）＝Ａ１／（１+Ｂ１ｆｒ^２）^Ｃ１／２+Ａ２／（１+Ｂ２ｆｒ^２）^Ｃ２／２で表すことができる。Ｄｏｕｂｌｅ ＡＢＣモデルは、異なる２つのＡＢＣモデルが加算されたものである。

　以上を踏まえ、処理７３０において、信号処理装置２００は、図９Ａ－図９Ｃに例示したようなモデル関数を用い、第１ＰＳＤデータ及びヘイズ値に基づき第２ＰＳＤデータを演算する。本実施形態では、図９Ａに例示したＡＢＣモデルを用いる場合を説明する。

　処理７３０には、ステップ７３１－ステップ７３４が含まれる。具体的には、ステップ７３１において、信号処理装置２００は、ＡＢＣモデルについて、試料１の表面のＰＳＤを表すモデル関数パラメータ（以下、モデルパラメータ）の一部（この例ではＡ）を第１ＰＳＤデータを基に演算する。続くステップ７３２において、信号処理装置２００は、所定の空間方向・空間周波数帯域について、ステップ７３１で演算したモデルパラメータとヘイズ値の対応に基づき、ヘイズ値をＰＳＤに換算する際に用いる較正係数を演算する。そして、ステップ７３３において、信号処理装置２００は、較正計数を用いてヘイズ値を較正して試料１のマイクロラフネスの第２評価値として第２ＰＳＤデータを演算する。最後に、ステップ７３４において、信号処理装置２００は、第１ＰＳＤデータ及び第２ＰＳＤデータに基づき残りのモデルパラメータを演算する。なお、処理７３０について、演算に使用するモデル関数、空間方向、及び空間周波数帯域、並びにパラメータの決定手順は、試料１の特性や検査装置１００の構成で違ってくるため、図７に例示した手順には必ずしも限定されない。

　図１０Ａに示す図は両対数グラフであり、横軸はｆｒ、縦軸（左）は空間周波数スペクトルの大きさ、縦軸（右）は入射光量と散乱光信号との信号比を表している。図１０Ａでは、共通の横軸について、周波数スペクトルで表される第１ＰＳＤデータと、信号比で表されるヘイズ値が示してある。図７に例示した処理７３０のステップ７３１－７３４について、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。

　・ステップ７３１
　処理７３０のステップ７３１において、信号処理装置２００は、まず図９Ａのモデル関数について一部のモデルパラメータ、この例では低周波帯域の一定値であるパラメータＡを第１ＰＳＤデータから演算する。パラメータＡは、第１ＰＳＤデータの平均値、中央値等といった統計値として演算することができる。

　・ステップ７３２
　続くステップ７３２において、信号処理装置２００は、パラメータＡで表現される空間周波数帯域１００１に含まるヘイズ値、例えば予め設定した所定の空間周波数以下のヘイズ値１００２をパラメータＡで表現されるＰＳＤに換算するための較正係数を演算する。この場合、例えばヘイズ値１００２の平均値や中央値等の統計値がパラメータＡで表現されるＰＳＤに一致するように較正係数を演算する。

　・ステップ７３３
　次に、ステップ７３３において、信号処理装置２００は、演算した較正係数を用いてヘイズ値１００２を含む全てのヘイズ値をＰＳＤデータに換算し、第２ＰＳＤデータを演算する。これにより、図１０Ｂのように、干渉光測定装置１３０で測定可能な周波数帯域及び散乱光測定装置１２０で測定可能な周波数帯域の双方のＰＳＤデータを得ることができる。具体的には、干渉光測定装置１３０により測定可能な周波数帯域のＰＳＤデータ（第１ＰＳＤデータ）と、干渉光測定装置１３０及び散乱光測定装置１２０の協働により拡張される測定可能周波数帯域のＰＳＤデータ（第２ＰＳＤデータ）が取得される。

　・ステップ７３４
　次に、ステップ７３４において、信号処理装置２００は、ステップ７３３で演算した第２ＰＳＤデータを基に、残りのモデルパラメータＢ，Ｃを求める。必要であれば、パラメータＡ，Ｂ，Ｃを基に構築されるモデル関数１００３について任意の空間周波数領域ｆ１～ｆ２で積分することでＲｍｓ粗さを演算することもできる。

　信号処理装置２００は、図７に示した処理で演算されるデータを適時に又は逐次、表示装置（モニタ）２３０に出力し、演算の過程又は結果を数値やグラフィックスにより表示する。これにより、作業者が測定及び較正の妥当性を確認することができる。

　［シア方向と方向が異なるヘイズ値の取り扱い］
　信号処理装置２００は、散乱特性信号のうち第１評価値と空間方向が対応する信号（シア方向のマイクロラフネスに対応するヘイズ値）に基づき、第２評価値を演算する。ここでは、図１１Ａ－図１１Ｃを用い、シア方向と異なる方向のマイクロラフネスに対応するヘイズ値の取り扱いを幾つか例示する。図１１Ａに示す例を第１の例、図１１Ｂに示す例を第２の例、図１１Ｃに示す例を第３の例と称する。つまり、第１の例、第２の例、第３の例は、それぞれ第２評価値を演算する際に、第１評価値と空間方向が異なるヘイズ値をどのように取り扱うかについての例である。図１１Ａ－図１１Ｃのそれぞれに示す左右の図は両対数グラフであり、横軸はｆｒ、縦軸は空間周波数スペクトルの大きさを表している。

　前述した通り、散乱光強度測定系１２３－１２６はそれぞれ異なる空間方向について散乱光を測定するため、第１ＰＳＤデータと空間方向が一致するのは特定の散乱光強度測定系の信号である。図１１Ａ－図１１Ｃの各左図には、第１ＰＳＤデータと空間方向が一致又は所定の近似性を持つヘイズ値１１０１と、第１ＰＳＤデータとは空間方向が異なるヘイズ値１１０２とが混在している。
図示の都合上、図１や図３に示す散乱光センサ１２８の数と、図１１Ａ－図１１Ｃの左図に示すヘイズ値の数が異なっているが、実際には同数（例えば十数個）である。

　図１１Ａに示す第１の例は、試料１の特性や検査装置１００の構成に応じて予め設定された補正係数を用い、空間方向の違いによりヘイズ値１１０１，１１０２の間に生じる差分だけ、ヘイズ値１１０２を同図の右図に白抜き矢印で表したように補正する例である。この場合の補正係数は、例えば、予めＡＦＭによる測定を実施しておき、ＡＦＭによる測定と散乱光測定の比較により求めることができる。ヘイズ値１１０２の補正により得られた値を含め、図１１Ａの右図に示すヘイズ値１１０１が第２評価値の演算に用いられる。

　図１１Ｂに示す第２の例は、試料１のマイクロラフネスが等方的であるとの仮定の下、第１ＰＳＤデータとは空間方向が異なるヘイズ値１１０２を第１ＰＳＤデータと空間方向が一致するヘイズ値１１０１と同様に扱う例である。ヘイズ値１１０２をヘイズ値１１０１と同様に第２評価値の演算の基礎に含め（図１１Ｂの右図）、ヘイズ値１１０１，１１０２から第２評価値が演算される。

　図１１Ｃに示す第３の例は、第１ＰＳＤデータとは空間方向が異なるヘイズ値１１０２を除外する例である。ヘイズ値１１０２を第２評価値の演算の基礎から除外し（図１１Ｃの右図）、ヘイズ値１１０１のみに基づき第２評価値が演算される。

　［その他］
　なお、本実施形態ではシア方向が単一方向であり、処理７１０（図７）において第１ＰＳＤデータは単一のシア方向と同一の空間方向のみについて演算される。つまり処理７１０における第１評価値が１次元の値である場合について説明した。しかし、ＤＩＣ測定において、一次元のラフネス評価値しか得られない訳ではない。例えば、図６のノマルスキープリズム１３５を偏光方向が直交する２つのノマルスキープリズムで置換し、Ｘ方向及びＹ方向にシア量δを持つ４つの直線偏光に分離、つまり直線偏光ｌ１，ｌ２を更にＹ方向に分離する構成とすることができる。この構成の場合、２次元の第１ＰＳＤデータを演算することができる。

　また、試料１がウエハである場合のように試料１の平坦性が高い場合、シア方向が単一方向であっても、図１２に示すようにシア方向１２０１と直交する空間方向（直交方向１２０２）についてもＰＳＤデータを得ることができる。図１２は、試料表面の一部を四角形のサンプリング点１２０３の集まりとして表している。本実施形態では、シア方向１２０１に微分高さを累積して表面形状、すなわち高さが演算される。この場合、試料１の走査が周回を重ねることによって直交方向１２０２の表面形状も演算することができる。しかし、高さの累積演算の初期値の設定に誤差があると、誤差の分だけ精度を欠く。それに対し、試料１の表面の平坦性が高い場合、信号処理装置２００の処理により、初期値の設定誤差を抑制でき、ひいては試料１の表面形状の演算精度が高まる。例えば、一定の平坦性が期待できる設定面積の領域で高さ測定をし、その統計値（平均値等）を求めることで、これを一定の精度が期待される初期値に採用することができる。また、直交方向１２０２に隣接するサンプリング点１２０３で平滑化やフィッティング等の処理を行うことも考えられる。このように初期値の設定精度が高まることで、直交方向１２０２についても信頼性の高いＰＳＤデータを得ることができる。

　－効果－
　（１）干渉光測定装置１３０による干渉光測定は、散乱光測定装置１２０による試料１の全面の散乱光測定と同時に（同一の走査の機会に）並行して行うことができ、試料１の試料１の全面について干渉光と散乱光を高速に測定することができる。特に図２に示したように試料１を回転させて螺旋軌道で走査する場合、走査に往復動作を伴わないため、より高速に測定することができる。

　ここで、干渉光測定は、マイクロラフネスの測定に一般に使用されるＡＦＭよりも高速にマイクロラフネスを測定することができるが、その反面でＡＦＭよりも解像度が低下する。そのため、解像度の観点において、ＡＦＭによる測定を単純に干渉光測定で置き換えることはできない。

　それに対し、散乱光で測定可能なマイクロラフネスの空間周波数の最大値は、干渉光で測定可能なマイクロラフネスの空間周波数の最大値と比較して一般的に高い。上記の通り、干渉光も散乱光も試料１の走査時に同時かつ高速に測定することができる。このことから、干渉光測定によりマイクロラフネスの第１評価値を演算しつつ、第１評価値が演算されない空間周波数帯域について、散乱光測定によりマイクロラフネスの第２評価値を演算することで、干渉光測定による解像度の不足を補うことができる。このとき、前述した通り、散乱光に基づく値と干渉光に基づく値との間にはずれが生じ得るため、そのまま同様に扱うことは好ましくないが、本実施形態では上記の通り較正係数を演算することで両者のずれも補正される。これにより第１評価値と第２評価値を同様に取り扱うことができるようになる。また、較正係数は、試料１を散乱光測定装置１２０及び干渉光測定装置１３０によって走査データから逐次演算できるので、較正係数を演算するための基礎データを別途収集する必要もない。

　このように、本実施形態によれば、第１評価値及び第２評価値を高速に演算し、かつ第１評価値に加えて第２評価値を演算することで、高速にかつ高解像に試料全面のマイクロラフネスを測定することができる。

　（２）また、試料の欠陥検査用の検査装置では、試料表面から様々な方向に散乱する光を検出するために、ビームスポットを中心とする天球を複数の領域に分割し、領域毎に散乱光強度測定系（散乱光センサ等）を配置する場合がある。言い換えれば、これら複数の散乱光強度測定系により、空間方向毎に散乱光を検出することにより、空間方向及び空間周波数の異なる散乱光のデータを測定することができる。そして、ヘイズ値と相関するマイクロラフネスの空間方向及び空間周波数は、試料表面に対する光の入射角度や出射角度、波長によって決まる。そこで、欠陥検査用の検査装置をベースとして干渉光測定装置１３０を付加することにより試料表面品質管理装置を構成し、散乱光測定装置１２０と干渉光測定装置１３０の協働により、広い空間周波数帯域のマイクロラフネスを高速に測定することができる。

　（第２実施形態）
　第２実施形態では、試料１の表面形状測定手法としてマイケルソン干渉計を用いる場合を例示する。また、本実施形態では、第１ＰＳＤデータを取得可能な空間周波数帯域と第２ＰＳＤデータを取得可能な空間周波数帯域とが一部重なることとする。つまり、干渉光測定装置１３０の信号から演算される第１評価値に係る空間周波数帯域の上限値は、第１実施形態と同じく散乱特性信号から演算される第２評価値に係る空間周波数帯域の上限値より低いが、第２評価値に係る空間周波数帯域の下限値よりも高い。

　図１３は本実施形態における干渉光測定装置１３０の一構成例を示す模式図である。図１３において、第１実施形態と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を適宜省略する。

　本実施形態の干渉光測定装置１３０は、光源１３１、バンドパスフィルタ２３２、干渉対物レンズ光学系２３３、及び干渉光センサ１３８を含んで構成されている。干渉対物レンズ光学系２３３は、ビームスプリッタ１３３及び参照面（反射ミラー）２３５を含んでいる。また、干渉対物レンズ光学系２３３は、駆動装置２３６により駆動され、例えば試料１に対して進退する方向に変位する。本実施形態の干渉光測定装置１３０に、ノマルスキープリズム１３５は備わっていない。

　本実施形態において、光源１３１は白色光源である。光源１３１から出射した光は、干渉対物レンズ光学系２３３に入射し、ビームスプリッタ１３３により２つに分離される。分離された一方の光は試料１に入射し、他方の光は参照面２３５に入射する。試料１及び参照面２３５でそれぞれ反射した光は、ビームスプリッタ１３３で合成され、干渉光センサ１３８に導かれる。本実施形態において、干渉光センサ１３８は２次元センサである。その際、干渉対物レンズ光学系２３３を駆動装置２３６によって変位させながら、試料１からの反射光と参照面２３５からの反射光の干渉光強度を干渉光センサ１３８で測定することができる。干渉光センサ１３８で測定される干渉光強度分布を基に、信号処理装置２００により試料１の表面形状が演算される。

　本実施形態の場合、視野内の試料１の表面の２次元的な高さ情報が１度に得られる。試料１の全面の走査方法としては、第１実施形態と同様、回転と直進を組み合わせた走査（図２）、又は２方向の直進を組み合わせた走査を適用することができる。

　図１４Ａ及び図１４Ｂを用い、本実施形態における処理７３０（図７）について説明する。図１４Ａに示す図は両対数グラフであり、横軸はｆｒ、縦軸（左）は空間周波数スペクトルの大きさ、縦軸（右）は入射光量と散乱光信号との信号比を表している。図１４Ａでは、共通の横軸について、周波数スペクトルで表される第１ＰＳＤデータと、信号比で表されるヘイズ値が示してある。図１４Ｂに示す図も両対数グラフであり、横軸はｆｒ、縦軸は空間周波数スペクトルの大きさを表している。

　図１４Ａに示した通り、本実施形態において、第１ＰＳＤデータが測定される空間周波数帯域とヘイズ値が測定される空間周波数帯域とが、所定帯域１４０１で重なっている。つまり、第１ＰＳＤデータが測定される空間周波数帯域の上限値は、ヘイズ値が測定される空間周波数帯域の上限値よりは低いが、ヘイズ値が測定される空間周波数帯域の下限値よりも高い。

　本実施形態における第２評価値の演算において、信号処理装置２００は、まず所定帯域１４０１に含まれる第１ＰＳＤデータ１４０２及びヘイズ値１４０３が一致するように、ヘイズ値からＰＳＤへの換算に用いる較正係数を演算する。例えば、第１ＰＳＤデータ１４０２及びヘイズ値１４０３についてそれぞれ平均値や中央値等の統計値を求め、ヘイズ値１４０３の統計値に基づくＰＳＤが第１ＰＳＤデータ１４０２の統計値に一致するように較正係数を演算する。その後、信号処理装置２００は、この較正係数を用いて所定帯域１４０１の内外のヘイズ値をＰＳＤに換算し、第２ＰＳＤデータを演算する。

　これにより、図１４Ｂに示したように、干渉光で測定可能な周波数帯域に加えて散乱光で測定可能な周波数帯域のＰＳＤデータが得られる。必要であれば、第１ＰＳＤデータ及び第２ＰＳＤデータから、第１実施形態と同様にモデル関数（ＡＢＣモデル等）についてモデルパラメータを求めることもできる。また、そのモデル関数を所定の空間周波数帯域で積分することで、マイクロラフネスを演算することもできる。

　本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、マイケルソン干渉計を利用して試料１の表面形状を測定することにより、試料１の表面の２次元的な高さ情報が１度に得られるメリットがある。

　また、干渉光で測定される第１ＰＳＤデータの空間周波数帯域が、散乱光を基に演算される第２ＰＳＤデータの空間周波数帯域と一部重なるようにすることで、較正係数の演算にモデル関数を用いる必要がない。言い換えれば、上記所定帯域１４０１において、ヘイズ値１４０３に基づく第２ＰＳＤデータの一致目標が同じ検査装置１００で測定されるＰＳＤデータそのもの（第２ＰＳＤデータ１４０２）である。このことから、第２ＰＳＤデータの演算精度、ひいてはマイクロラフネスの演算精度の向上が期待できる。

　（第３実施形態）
　第１実施形態において、干渉光測定装置１３０は、ＤＩＣ測定を採用し、光源１３１から出射された光を所定のシア量の２つの直線偏光に分離して試料１に照射し、試料１で発生した干渉光の干渉強度を干渉光センサ１３８で測定する構成とした。この点は本実施形態においても同様である。本実施形態が第１実施形態と相違する点は、第１実施形態では、ＤＩＣ測定のシア量δが干渉光測定装置１３０の光学系解像度より大きいのに対し、本実施形態では、干渉光測定装置１３０の光学系解像度よりも小さなシア量の干渉光を用いる点である。具体的には、本実施形態において、信号処理装置２００は、干渉光測定装置１３０の光学解像度よりも大きなシア量の干渉光に係る信号、及び干渉光測定装置１３０の光学解像度より小さなシア量の干渉光に係る信号に基づき、第１評価値を演算する。図面を用いて具体例を説明する。

　図１５は本実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた干渉光測定装置の一構成例を示す模式図である。図１５において、第１実施形態と同一の又は対応する要素には既出図面と同符号を付して説明を適宜省略する。

　第１実施形態と同様、本実施形態の干渉光測定装置１３０は、光源１３１、微分干渉照明系１３２、ビームスプリッタ１３３、１／４波長板１３４、ノマルスキープリズム１３５、対物レンズ１３６、結像レンズ１３７、干渉光センサ１３８等を備えている。本実施形態の干渉光測定装置１３０が第１実施形態と相違する点は、光源１３１が波長の異なる２つの単色光を出射するマルチ波長光源であり、それぞれの単色光について干渉光を得る構成である。

　本実施形態の干渉光測定装置１３０には、光源１３１の出射光を２つの単色光に分離する光学素子としてダイクロイックミラー１５０１が備わっており、２つの単色光に対応して微分干渉光学系１５１１，１５１２が備わっている。微分干渉光学系１５１１は、１／４波長板１３４、ノマルスキープリズム１３５、対物レンズ１３６を含んで構成される光学系である。微分干渉光学系１５１２も微分干渉光学系１５１１と同様の光学系であり、１／４波長板１３４’、ノマルスキープリズム１３５’、対物レンズ１３６’を含んで構成される。但し、ノマルスキープリズム１３５のシア量δ１は干渉光測定装置１３０の光学解像度より大きく、ノマルスキープリズム１３５’のシア量δ２は干渉光測定装置１３０の光学解像度より小さく設計されている。

　本実施形態では、ビームスプリッタ１３３を通過した光がダイクロイックミラー１５０１によって２つの単色光に分離され、各単色光が微分干渉光学系１５１１，１５１２に入射し、各微分干渉光学系１５１１，１５１２で第１実施形態と同様に干渉光が得られる。これら干渉光はダイクロイックミラー１５０１を経由して合成されて干渉光センサ１３８に入射する。特に図示していないが、干渉光は必要に応じて波長に応じて分離して複数の干渉光センサ１３８で測定する構成とすることもできる。

　その他の構成は第１実施形態と同様である。

　本実施形態においては、第１実施形態と同様の効果に加え、以下の効果が得られる。本実施形態で新たに得られる効果について、図１６を用いて説明する。

　図１６は本発明の第３実施形態に係る試料表面品質管理装置のＤＩＣ測定で測定不能な空間周波数帯域に関する説明図であり、第１実施形態の図８に対応している。同図の横軸はｆｒ、縦軸は空間周波数スペクトルの大きさを示している。本実施形態の干渉光測定装置１３０により測定可能な空間周波数帯域１６０３の上限１６０４は、前述したように光学系の解像度やサンプリング間隔によって決まる。前述した通り、上限８０４より低い帯域であっても、シア量δ１に相当する空間周波数１６０５を含む所定の帯域１６０６については感度が低下する。

　しかし、本実施形態では、シア量δ２が光学解像度より小さい微分干渉光学系１５１２が備わっている。シア量δ２に相当する空間周波数１６０７は上限１６０４より大きい。そのため、微分干渉光学系１５１２は、空間周波数帯域１６０３の全体域で相応の感度で測定可能である。一方で、シア量δ２が小さい微分干渉光学系１５１２は、原理上、微分高さ測定のコントラストが低下する。

　本実施形態では、微分干渉光学系１５１１で帯域１６０６を除く空間周波数帯域１６０３について高コントラストで測定しつつ、微分干渉光学系１５１１で感度が低下する帯域１６０６については微分干渉光学系１５１２で感度良く測定することができる。このように、本実施形態によれば、第１実施形態に比べて広い空間周波数帯域で感度良く測定することができる。

　（第４実施形態）
　図１７は本発明の第４実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光強度測定系の一構成例を示す模式図である。図１７において、第１実施形態と同一の又は対応する要素には同符号を付して説明を適宜省略する。本実施形態では、散乱光強度測定系１２３－１２６に結像光学系を含める場合の構成及び処理の一例について述べる。

　図１７に示したように、本実施形態における散乱光強度測定系１２３－１２６は、試料１の表面からの散乱光を集光する集光光学系１７０１と、ビームスポット２の像を散乱光センサ１２８の受光面に結像させる結像光学系１７０２を含む。また、図１７では図示していないが、試料１、集光光学系１７０１、結像光学系１７０２、散乱光センサ１２８の少なくとも１つを駆動するフォーカス調整用の駆動装置を備える場合もある。

　本実施形態における散乱光センサ１２８は、センサ種としては、第１実施形態と同様、光電子増倍管、アバランシェホトダイオードアレイ、ホトンカウンティングアレイが考えられ、ポイントセンサ、エリアセンサ、マルチラインセンサを用いることができる。本実施形態では、例として、散乱光センサ１２８にラインセンサを用いることとする。散乱光センサ１２８では、画素毎に散乱光信号が得られる。

　処理７２０（図７）において、信号処理装置２００は、第１実施形態では散乱光信号を一律の入射光量で割ってヘイズ値を演算したが、本実施形態では、散乱光センサ１２８の画素毎に異なる入射光量で散乱光信号を割ってヘイズ値を演算する。センサ画素毎の入射光量は、ビームスポット２の強度プロファイルと、集光光学系１７０１及び結像光学系１７０２のパラメータとに基づき演算される。

　図１８は隣接する走査軌道同士でビームスポットが一部重なる様子を表す概念図である。ここでは、試料全面の走査において２回以上測定される領域（つまり隣接する走査軌道間でビームスポット２が重なる領域）の扱いについて説明する。

　図１８に示す例は、例えば図２のような矢印θ方向の回転動作と矢印Ｒ方向の直進動作とを組み合わせた螺旋軌道の走査であるとする。本実施形態では、ビームスポット２の幅が、Ｒ方向に大きくθ方向に小さい。このような照明プロファイルは、散乱光測定装置１２０の照明光学系１２１にアナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いたビーム整形部を導入することで生成することができる。

　図１８には、ｎ周目と（ｎ＋１）周目の同一θ座標の測定領域１８０３，１８０４を示している。測定領域１８０３，１８０４は、隣接する走査軌道の間隔だけ、つまり試料１が１回転する間に直進ステージ１１３が移動する距離だけ、Ｒ座標がずれている。また、図１８では、測定領域１８０３，１８０４を８画素で分割検出する場合を例示している。本実施形態では測定領域のＲ方向の長さが、隣接する走査軌道の間隔より長く、測定領域１８０３，１８０４の重複領域１８０５が２回測定される。この重複領域１８０５の測定値については、測定領域１８０３，１８０４のどちらか一方の測定値のみを用いる方法、又は測定領域１８０３，１８０４の測定値に係るヘイズ値を統合する方法が考えられる。

　重複領域１８０５について測定領域１８０３，１８０４の測定値に係るヘイズ値を統合する場合、まず重複領域１８０５の各画素について、ｎ周目の測定時の散乱光信号と（ｎ＋１）周目の測定時の散乱光信号の和をとる。その際、重複領域１８０５の画素が、ｎ周目の測定時と（ｎ＋１）周目の測定時とで異なる。重複領域１８０５において、例えばｎ周目の測定時に図中上から２番目の画素Ｐｘ２で測定される座標は、（ｎ＋１）周目の測定時には上から８番目の画素Ｐｘ８で測定される。従って、この座標については、ｎ周目の測定時の画素Ｐｘ２の散乱光信号と（ｎ＋１）周目の測定時の画素Ｐｘ８の散乱光信号とが合算される。入射光量についても、重複領域１８０５の各画素について、ｎ周目の測定時の入射光量と（ｎ＋１）周目の測定時の入射光量をそれぞれビームプロファイルに基づき演算し合算する。そして、重複領域１８０５の各画素について、ｎ周目と（ｎ＋１）周目の測定時の散乱光信号の和を、ｎ周目と（ｎ＋１）周目の測定時の入射光量の和で割り、これによりヘイズ値を演算する。

　その他の点について、本実施形態は第１実施形態と同様である。

　本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、試料１の表面の各座標のヘイズ値の演算精度、ひいては第２評価値の演算精度が向上するメリットがある。

　（第５実施形態）
　第１実施形態－第４実施形態では、散乱光測定装置１２０の検出光学系１２２が複数の散乱光強度測定系１２３－１２６を含む場合について説明した。第１実施形態－第４実施形態ではそれぞれ異なる空間方向に散乱光強度測定系１２３－１２６を配置することにより、試料１で発生する散乱光が出射方向に応じて異なる散乱光センサ１２８で検出される。それに対し、本実施形態は、検出光学系１２２に備える散乱光センサを１つのみとする例である。

　図１９Ａは本発明の第５実施形態に係る試料表面品質管理装置に備えられた散乱光測定装置の検出光学系の一構成例を示す模式図である。図１９Ａを用いて散乱光センサを１つのみ有する検出光学系１２２の一構成例を説明する。

　本実施形態の散乱光測定装置１２０の検出光学系１２２は、散乱光強度測定系１７５を１つのみ備えている。散乱光強度測定系１７５は、集光光学系１９０１、検出光学系１９０３、散乱光センサ１９０４を含んで構成されている。

　試料表面のビームスポット２で発生する散乱光は、集光光学系１９０１によって集光される。検出光学系１９０３は、集光光学系１９０１の後側焦点位置にある瞳面１９０２を散乱光センサ１９０４に結像させる。本実施形態における散乱光センサ１９０４は、センサ種としては第１実施形態と同様に光電子増倍管、アバランシェホトダイオードアレイ、ホトンカウンティングアレイを適用することができ、エリアセンサ、マルチラインセンサ等を用いることができる。本実施形態では、散乱光センサ１９０４に２次元アレイセンサを用いることとする。

　図１９Ｂは散乱光の出射方向と瞳面１９０２上における画素座標（Ｘ，Ｙ）との関係についての説明図である。図１９Ｂにおいて、瞳面１９０２上の画素座標（Ｘ，Ｙ）に対応する散乱光出射角度、つまり座標（Ｘ，Ｙ）は以下のように求めることができる。

　ここで、ｆは集光光学系１９０１の焦点距離である。散乱光出射角度の定義は図４で先に説明した通りである。なお、散乱光センサ１９０４の受光面上における座標は、検出光学系１９０３の光学パラメータに応じて数式４，５のＸ，Ｙを変換して求めることができる。従って、数式３と合わせ、２次元アレイセンサである散乱光センサ１９０４の受光面上の各画素に入射する散乱光について、ヘイズ値に対応するラフネスの空間方向及び空間周波数を演算することができる。

　本実施形態によれば、瞳面１９０２の光強度分布を測定することで、散乱光の出射角度分布を単一の散乱光センサ１９０４で測定することができる。散乱光センサ１９０４の画素毎に、対応する空間方向及び空間周波数帯域が異なる。そのため、第１－第４実施形態における処理７２０（図７）において、目的の空間方向に対応する特定の散乱光センサの散乱光信号の代わりに、散乱光センサ１９０４の特定の画素信号を用い、第１－第４実施形態と同様に散乱特性信号や第２評価値を演算できる。

　（第６実施形態）
　第１－第５実施形態で試料１の全面の全面について取得される第１評価値及び第２評価値等の各種データは、メモリに蓄積しておき、信号処理装置２００により表示装置２３０（図１）に表示出力することができる。本実施形態においては、第１－第５実施形態で試料１の全面の全面について取得されるデータの表示について例示する。第１実施形態で述べたように、ＰＳＤデータ（図１０Ｂ等）やマイクロラフネスといった処理結果（図７の処理を経て得たデータ）は、試料１の全面を複数の処理単位領域に分け、処理単位領域毎に信号処理装置２００により演算される。これら処理単位領域毎の処理結果は、全てを表示装置２３０（図１）への表示に用いることもできるし、任意の複数の処理単位領域について統計処理したデータを表示に用いることもできる。

　図２０Ａは表示単位領域毎に処理結果を試料１の表面マップで示す表示例を表す図である。図２０Ａにおいては、処理結果（試料表面の高さ）の等高線表示を例示しているが、例えば色分けした表面高さ（数値）をカラーバーと共に表示する方式等であっても良い。また図２０Ａの表示例では、表示させる処理結果の空間周波数帯域を指定する入力欄２００１が備わっている。図２０Ａでは、表示させる処理結果の空間周波数帯域の下限値及び上限値を入力欄２００１に数値で指定する方式を例示しているが、例えばコントロールバーで空間周波数帯域の指定をする方式等、他の方式であってもよい。

　図２０Ｂは処理結果をヒストグラムで示す表示例を表す図である。図２０Ｂの例では、例えば入力欄（不図示）で指定された試料表面の指定領域の処理結果（ラフネス）について、頻度（縦軸）を表示している。頻度の他、割合等を縦軸にとっても良い。

　図２０Ｃは処理結果（ＰＳＤデータ）を散布図で示す表示例を表す図である。図２０Ｃの例では、干渉光及び散乱光に基づき演算したＰＳＤデータ（図１０Ｂ等）を、横軸に空間周波数、縦軸にＰＳＤの大きさをとって、両対数表示されている。図２０Ｃの例では、例えば入力欄２００１で指定された空間周波数帯域のＰＳＤデータが表示される。図２０Ｃでは、複数の試料１について、試料１毎に異なるマークでデータをプロットして見た目に比較し易い方式を例示している。また、演算したパラメータに基づくモデル関数（図１０Ｂのモデル関数１００３等）を表示する方式を採用しても良い。本表示例によれば、作業者は試料１の表面のＰＳＤを表す妥当なモデル関数の種類を容易に選択することができる。

　図２０Ｄは処理結果（モデルパラメータ）を表形式で示す表示例を表す図である。図２０Ｄの例では、モデル関数（図１０Ｂのモデル関数１００３等）について演算したモデルパラメータのみを試料毎に表形式で表示している。この表示例の場合、表示に必要なデータ、ひいては試料毎のマイクロラフネス管理に要するデータ容量を削減することができる。

　（変形例）
　本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含み得る。例えば上記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

　上記の各構成、機能、処理、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路等のハードウェアで実現しても良い。上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、各種記憶媒体に格納することができる。各種記憶媒体としては、例えば、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又はフラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等が挙げられる。

　各実施形態において、信号の入出力線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全てを示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…試料、１１０…ステージ装置、１２０…散乱光測定装置、１３０…干渉光測定装置、１３１…光源、２００…信号処理装置、２３０…表示装置、１４０１…所定帯域、ｌ１，ｌ２…直線偏光、δ，δ２，δ２…シア量

Claims (15)

1. 　試料のマイクロラフネスを測定する試料表面品質管理装置において、
   　前記試料を保持し試料表面方向に前記試料を移動させるステージ装置と、
   　前記試料で発生した散乱光を測定する散乱光測定装置と、
   　前記試料で発生した反射光を含む干渉光を測定する干渉光測定装置と、
   　前記散乱光測定装置及び前記干渉光測定装置の信号を処理する信号処理装置とを備え、
   　前記信号処理装置は、
   　前記干渉光測定装置の信号に基づき前記試料のマイクロラフネスの第１評価値を演算し、
   　前記散乱光測定装置の信号に基づき散乱特性信号を演算し、
   　前記第１評価値が演算されない空間周波数帯域について、前記第１評価値及び前記散乱特性信号に基づき前記マイクロラフネスの第２評価値を演算する
   試料表面品質管理装置。
2. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記散乱特性信号がヘイズ値であり、
   　前記第１評価値がＰＳＤデータである
   試料表面品質管理装置。
3. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記ステージ装置は、前記試料の全面が走査されるように前記試料を移動させる試料表面品質管理装置。
4. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記散乱特性信号から演算される前記第２評価値に係る空間周波数帯域の上限値が、前記干渉光測定装置の信号から演算される前記第１評価値に係る空間周波数帯域の上限値より高い試料表面品質管理装置。
5. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記第１評価値は、微分干渉コントラスト法により演算される試料表面品質管理装置。
6. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記干渉光測定装置は、光源から出射された光を所定のシア量の２つの直線偏光に分離して前記試料に照射し、前記試料で発生した干渉光の干渉強度を測定し、
   　前記信号処理装置は、前記干渉光測定装置の光学解像度よりも大きなシア量の干渉光に係る信号、及び前記光学解像度より小さなシア量の干渉光に係る信号に基づき、前記第１評価値を演算する
   試料表面品質管理装置。
7. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記信号処理装置は、同一試料の同一領域に係る前記第１評価値及び前記散乱特性信号に基づき、前記第２評価値を演算する試料表面品質管理装置。
8. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
   　前記信号処理装置は、同時に発生する前記干渉光及び前記散乱光の検出信号に基づき前記第１評価値及び前記第２評価値を演算する試料表面品質管理装置。
9. 　請求項１の試料表面品質管理装置であって、
   　前記信号処理装置は、
   　所定空間周波数帯域で一定値をとる前記マイクロラフネスに係るモデル関数について前記第１評価値に基づき前記一定値を演算し、
   　前記一定値と前記所定空間周波数帯域の前記散乱特性信号とを基に、前記散乱特性信号を前記マイクロラフネスの評価値に換算する較正係数を演算し、
   　前記較正係数を用いて前記散乱特性信号を前記第２評価値に換算する
   試料表面品質管理装置。
10. 　請求項１の試料表面品質管理装置であって、
    　前記第１評価値に係る空間周波数帯域と、前記散乱特性信号に係る空間周波数帯域とが所定帯域で重なっており、
    　前記信号処理装置は、
    　前記所定帯域の前記散乱特性信号及び前記第１評価値を基に、前記散乱特性信号を前記マイクロラフネスの評価値に換算する較正係数を演算し、
    　前記較正係数を用いて前記散乱特性信号を前記第２評価値に換算する
    試料表面品質管理装置。
11. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
    　前記信号処理装置は、前記散乱特性信号のうち前記第１評価値と空間方向が対応する信号に基づき前記第２評価値を演算する試料表面品質管理装置。
12. 　請求項１１の試料表面品質管理装置において、
    　前記信号処理装置は、前記散乱特性信号のうち前記第１評価値と空間方向が異なる信号を予め設定された補正係数によって補正し、前記第２評価値の演算の基礎に含める試料表面品質管理装置。
13. 　請求項１１の試料表面品質管理装置において、
    　前記信号処理装置は、前記散乱特性信号のうち前記第１評価値と空間方向が異なる信号を、前記第１評価値と空間方向と対応する信号と同様に前記第２評価値の演算の基礎に含める試料表面品質管理装置。
14. 　請求項１１の試料表面品質管理装置において、
    　前記信号処理装置は、前記散乱特性信号のうち前記第１評価値と空間方向が異なる信号を、前記第２評価値の演算の基礎から除外する試料表面品質管理装置。
15. 　請求項１の試料表面品質管理装置において、
    　前記第１評価値及び第２評価値を表示する表示装置を備えた試料表面品質管理装置。

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