JP2009204502A - 表面形状測定装置及び表面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で、広い測定レンジにおいて表面形状を測定することができる表面形状測定装置を提供すること
【解決手段】本発明の一態様に係る表面形状測定装置１００は、波長の異なる第１波長の光と第２波長の光とを含む照明光を出射する光源部と、照明光から参照面に照射する参照光を生成するとともに、照明光を試料２０に照射し、その反射光と前記参照光とを合成して干渉光を生成する干渉光学系１３と、試料２０と参照面との光路差を複数回調整する制御部と、制御部による同じ調整状態で光路差を与えたときの干渉光に含まれる第１波長の光による第１干渉光を受光する第１受光部と、第２波長の光による第２干渉光を受光する第２受光部とを備える光検出器１６と、光検出器１６により取得された第１干渉光による第１干渉画像と、前記第２干渉光による第２干渉画像とに基づいて、試料２０の表面形状を求める処理部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の表面形状の測定を行う表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

従来から、非破壊・非接触の光学的な計測法を適用することにより、試料の表面形状をサブナノメートルからサブミリメートルの範囲の高さ分解能で計測する測定装置がある。このような表面形状の測定装置として、例えば、共焦点顕微鏡や光干渉顕微鏡が知られている。

共焦点顕微鏡は合焦点位置から高さを測定するため、高さ分解能は焦点深度が小さいほど高くなる。焦点深度は、対物レンズの開口数が大きい程小さくなることが知られている。一般に、高倍率対物レンズは開口数が大きいので、高倍率では高さ方向で１００ｎｍ程度の分解能を得ることができる。しかしながら、低倍率では対物レンズの開口数が小さくなり、高さ分解能が低下するという問題点を有する。

光干渉顕微鏡において表面形状を測定する方法として、走査型白色干渉法や位相シフト干渉法がある（特許文献１、２）。走査型白色干渉法では、白色光源からの白色光を、相対的距離が変動される参照面及び試料に照射して、その光路差に応じて変化する干渉縞を撮像し、その強度分布を解析することにより試料の表面形状を測定する。しかしながら、走査型白色干渉法では、位相を高分解に測定することができない。

位相シフト干渉法では、光源から出射した光を参照面及び試料に照射して、参照面からの反射光と試料からの反射光とから生じる干渉縞を、所定の位相シフト量で位相シフト動作を行いながら少なくとも３つの干渉縞画像を取得する。この位相シフト干渉法では、サブナノメートルの高さ分解能を有する。しかしながら、光源波長の１／２波長以上の高さを持つ段差を測定することができない。

そこで、２種類の波長の単色光を切替えてそれぞれ試料に照射し、生成される干渉縞を利用して高さ方向の測定範囲を拡大する２波長位相シフト法がある。２波長位相シフト法は、２つの異なる波長の光を用いて、異なる波長に対するそれぞれの位相情報を取得する。２波長位相シフト法を用いることにより、２つの波長から計算される合成波長の、１／２波長まで測定範囲を拡大できる。しかしながら、２つの波長に対してそれぞれ位相シフト動作を行い測定するため、２回分の測定時間を必要とする。
特開平７−３０６００６号公報 特表２００７−５２３３８６号公報

以上のように、従来の表面形状測定装置では、短時間で、広い測定レンジにおいて表面形状を正確に測定することが困難であるという問題点がある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、短時間で、広い測定レンジにおいて表面形状を正確に測定することができる表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することである。

本発明の第１の態様に係る表面形状測定装置は、波長の異なる第１波長の光と第２波長の光とを含む照明光を出射する光源部と、前記照明光から参照面に照射する参照光を生成するとともに、前記照明光を試料に照射し、その反射光と前記参照光とを合成して干渉光を生成する干渉光学系と、前記試料と前記参照面との光路差を複数回調整する制御部と、前記制御部による同じ調整状態で前記光路差を与えたときの前記干渉光に含まれる前記第１波長の光による第１干渉光を受光する第１受光部と、前記第２波長の光による第２干渉光を受光する第２受光部とを備える光検出器と、前記光検出器により取得された第１干渉光による第１干渉画像と、前記第２干渉光による第２干渉画像とに基づいて、前記試料の表面形状を求める処理部とを備える。これにより、測定に係る時間を短縮することができる。

本発明の第２の態様に係る表面形状測定装置は、上記の測定装置において、前記処理部は、前記参照面を基準とした、前記試料表面の位相分布φ（ｘ、ｙ）を示す以下の式を用いて、前記試料の表面形状を求めるものである。

なお、δ_１、δ_２、δ_３は前記制御部によって前記光路差を調整することによって与えられる任意の付加位相であり、

である。
これにより、これにより、各波長に対して同一の光路長の変化を与えても、それぞれが正確に位相計算をすることができる。

本発明の第３の態様に係る表面形状測定装置は、上記の測定装置において、前記光検出器は、３ＣＣＤであり、前記光源部は、前記３ＣＣＤのそれぞれの受光部の受光波長帯域に対応する３つの波長の光を混合した照明光を出射する。

本発明の第４の態様に係る表面形状測定装置は、上記の測定装置において、共焦点光学系と非共焦点光学系とを切り替え可能な顕微鏡光学系を備えるものである。これにより、広い測定レンジで表面形状を測定することができる。

本発明の第５の態様に係る表面形状測定装置は、上記の測定装置において、前記第１波長の光と前記第２波長の光により、２波長位相シフト法を用いて前記試料の表面形状を測定するものである。これにより、広い測定レンジで表面形状を測定することができる。

本発明の第６の態様に係る表面形状測定方法は、波長の異なる第１波長の光と第２波長の光とを含む照明光を出射し、前記照明光から参照面に照射する参照光を生成するとともに、前記照明光を試料に照射し、その反射光と前記参照光とを合成して干渉光を生成し、前記試料と前記参照面との光路差を複数回調整し、前記制御部による同じ調整状態で前記光路差を与えたときの前記干渉光に含まれる前記第１波長の光による第１干渉光を受光するとともに、前記第２波長の光による第２干渉光を受光し、取得された第１干渉光による第１干渉画像と、前記第２干渉光による第２干渉画像とに基づいて、前記試料の表面形状を求める。これにより、測定に係る時間を短縮することができる。

本発明の第７の態様に係る表面形状測定方法は、上記の測定方法において、前記参照面を基準とした、前記試料表面の位相分布φ（ｘ、ｙ）を示す以下の式を用いて、前記試料の表面形状を求める。

なお、δ_１、δ_２、δ_３は前記制御部によって前記光路差を調整することによって与えられる任意の付加位相であり、

である。
これにより、各波長に対して同一の光路長の変化を与えても、それぞれが正確に位相計算をすることができる。

本発明の第８の態様に係る表面形状測定方法は、上記の測定方法において、位相シフト法、２波長位相シフト法、及び共焦点スキャン法のいずれかにより前記試料の表面形状を測定する。これにより、一台の光学顕微鏡で、シームレスに定量測定することを実現することができる。

本発明によれば、短時間で、広い測定レンジにおいて表面形状を正確に測定することができる表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。

本発明の実施の形態に係る表面形状測定装置１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る表面形状測定装置１００の構成を示す図である。図１に示すように、表面形状測定装置１００は、光源１１、多波長混合部１２、顕微鏡光学系１３、干渉光学系１４、ステージ１５、光検出器１６、処理装置１７、位相シフト制御部１８を備えている。

本発明は、２波長位相シフト法を利用した表面形状測定を行うことができる測定装置に係るものである。試料の表面形状の測定にかかる時間を短縮するため、複数の波長の異なる光を含む照明光を試料に照射し、照明光の波長に対応する複数の受光部を有する光検出器を用いて、それぞれの波長の干渉光の測定を同時に行う。

光源１１としては、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源を利用することができる。なお、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源１１としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。

多波長混合部１２は、光源１１から出射された光から、後述する光検出器１６の受光部の受光波長帯域に対応する複数の単一波長の光を選択し混合する。本実施の形態においては、光検出器１６として３ＣＣＤが用いられる。３ＣＣＤとは、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの受光波長帯域を有する３つの受光部を有するものである。図１に示すように、光検出器１６は、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂの３つの受光部を備える。それぞれの受光部の受光波長帯域は、例えば、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒは５７０ｎｍ〜６８０ｎｍ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇは５００ｎｍ〜５７０ｎｍ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂは４００ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。

光検出器１６の受光部としてラインセンサを用いた場合、スリット等を用いてＸ方向に長いライン状の光で照明し、Ｙ方向にラインスキャンをすることで、Ｘ−Ｙの２次元画像を得ることができる。なお、光検出器の受光部は１次元ラインセンサに限定されず、例えば、２次元エリアセンサを用いることができる。この場合には、ＸＹ方向にスキャンすることで、２次元の画像を得ることができる。

３ＣＣＤ方式の光検出器１６には、入射光を３原色に分解するプリズム１６Ｐが設けられている。プリズム１６Ｐは、入射光を３原色に分解し、それぞれの波長の光をそれぞれ別の受光部に入射させる。本実施の形態では、多波長混合部１２は、試料２０に照射する照明光に、光検出器１６の３つの受光部、つまり、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂのそれぞれの受光波長帯域に含まれる３つの単一波長のみが含まれているようにする。従って、光源１１から出射した光は、多波長混合部１２を通過し、特定の３波長の光を含む照明光に変換される。

なお、多波長混合部１２としては、例えば、特定波長の光を選択的に透過させるフィルタ等を用いることができる。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させることが可能である。照明光に含まれる単一波長の光の数は、光検出器１６のチャンネル数、受光波長帯域に合わせて、適宜変更することが可能である。上述したようにＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれの波長帯域の波長の３つの光を選択してもよいし、例えば、Ｒ、Ｇの２つであってもよい。さらに、光検出器１６の受光波長帯域に対応する異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、これらの複数のレーザ光源からの光を混合するようにしてもよい。

なお、光検出器１６は、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する受光波長帯域を有する３つの受光部を有するものに限定されず、例えば、Ｇに対応する波長帯域において、５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、５４６ｎｍ、の３つの波長に分光できるように設計されていてもよい。この場合には、多波長混合部１２は、５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、５４６ｎｍの波長の光を含む照明光を出射する。

本実施の形態では、顕微鏡光学系１３として共焦点光学系・非共焦点光学系の両方を備えており、共焦点光学系による共焦点モードと非共焦点光学系による非共焦点モードとの切り替えが可能である。共焦点モードでは、試料２０の表面形状を測定することができる。また、表面形状測定装置１００は、光干渉計を用いて試料２０の表面形状を測定する。すなわち、表面形状測定装置１００は、共焦点光学系による表面形状の測定だけでなく、光干渉計による表面形状の測定を行うことができる。また、光干渉計による測定では、位相シフト法及び２波長位相シフト法が選択可能である。

なお、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の干渉縞が生成している場合には、３つの受光部の信号和をとることで、一般的な走査型白色干渉法を用いて表面形状を測定することも可能である。走査型白色干渉法を適用する場合に用いられる垂直走査機構は、共焦点顕微鏡と共通化することができる。なお、照明段階で単色の波長を選択せず広い帯域の白色光で照明して、光検出器１６の各受光帯域の波長に対応するＲ、Ｇ、Ｂ受光部のうちの１つの受光部の信号から、走査型白色干渉法（広帯域光干渉）による測定を行うこともできる。

非共焦点モードの場合、顕微鏡光学系１３を透過した光は干渉光学系１４に入射する。ここでは、干渉光学系１４としては、ミラウ式干渉計、マイケルソン式干渉計、リニク式干渉計などの２光束干渉計が用いられる。干渉光学系１４は、多波長混合部１２から出射された照明光から参照面となる参照ミラー（不図示）に照射する参照光を生成すると共に、照明光を試料２０に照射する。そして、試料２０からの反射光と参照光とが合成され、干渉光が生成される。これにより、試料２０の測定面の測定位置における干渉縞を生成することができる。なお、生成される干渉光は、上述した３つの波長の光の混合となる。また、異なる波長同士は定常的な干渉縞を生成することはなく、一様なバックグラウンドなる。

この干渉光は、顕微鏡光学系１３により光検出器１６に導かれる。そして、干渉光は光検出器１６のプリズム１６Ｐにより分光され、各波長に対応するそれぞれの受光部で分離して検出される。すなわち、干渉光学系１４によって合成された各波長の干渉光は、それぞれＲ用ラインセンサ１６Ｒ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂによって検出され、それぞれの波長の干渉縞画像が一度に取得される。なお、共焦点モードでは、測定対象物である試料２０と光検出器１６は共役な結像関係に配置される。これにより、共焦点モードでは、光検出器１６で試料２０の共焦点画像を得ることができる。

測定対象である試料２０は、ステージ１５に載置されている。ステージ１５としては、ピエゾ（圧電素子）駆動のｚ軸ステージが用いられる。ステージ１５と干渉光学系１４との高さ方向の相対距離は、ステージ１５を上下方向に移動させることにより変化させることができる。ステージ１５は、位相シフト制御部１８により駆動される。位相シフト制御部１８は、干渉光に含まれる参照光に対する反射光の位相をシフトするため、ステージ１５の位置を制御する。なお、ステージ１５と干渉光学系１４との相対距離は、干渉光学系１４に含まれる対物レンズ又は参照ミラーを移動させることにより変化させることもできる。また、ステージ１５は、共焦点顕微鏡による測定用として、ステッピングモーター等の駆動ステージ（微動）と位相シフト用のピエゾ駆動ステージ（超微動）の２段階になっていてもよい。

本実施の形態では、ステージ１５を、例えば、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇの受光波長帯域に含まれる光の波長に対して特定の位相値（９０度）になるように移動させることで位相シフト動作を行う。このとき、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂの受光波長帯域の光の波長に対しては、位相値は９０度ではない値になるが、後に説明する３ステップ法の一般式を使うことで位相計算を行うことができる。

光検出器１６によって撮像された干渉光は、測定データとして処理装置１７に入力される。処理装置１７は、入力された測定データを演算処理して高さ情報を有する画像を取得する。この画像から、共焦点モードであれば、試料２０の表面高さ、膜厚等を測定することができる。また、光干渉計を用いた測定方法であれば、直接的に位相分布を計測することができる。この得られた位相分布に基づき、表面の高さ分布（表面形状）を求めることができる。また、試料２０が透明膜の場合にあっては、物理的な厚みが既知であれば、その屈折率を計測することもできる。

また、２波長位相シフト法により表面形状の測定を行う場合、処理装置１７は、Ｒ、Ｇ、Ｂから選択した２つの位相シフトの位相計算結果に基づき、差の合成波長と和の合成波長に対する計算を実行する。この合成波に対する計算結果から、高さ測定の数値に変換することができる。高さ測定結果は観察画像の画素ごとに実行されるので、計算結果を画像化して画面表示することも可能である。

位相シフト計算においては、一般的な４ステップ法では、位相のシフト量は正確に９０度としなくてはならない。このため、各波長に適合した光路長の変化を別々に与える必要がある。しかし、３ステップ法の一般式を使うことにより、位相シフト量は任意の角度でも構わない。このため、各波長に対して同一の光路長の変化を与えても、それぞれが正確に位相計算をすることができる。すなわち、位相シフト制御部１８による同じ調整状態で光路差を与えたときの、異なる波長の光による干渉光により、それぞれ位相計算をすることができる。つまり、１回の３ステップの位相シフトで、複数の波長に対する位相シフト計算を同時に行うことが可能になる。本実施の形態では、１回の３ステップの位相シフトで、Ｒ、Ｇ、Ｂの３チャンネル分の位相シフトを実行することができ、それぞれの位相計算ができる。

従来は、照明光の波長を切替える毎に、それぞれ３ステップの位相シフトを行わなければならなかった。すなわち、２波長位相シフト法の場合、それぞれの波長に対して３ステップずつ、合計２回の３ステップの位相シフトを行う必要があった。しかしながら、本発明によれば、１回の３ステップで２波長分の位相シフトを行うことができる。これにより、試料２０の表面形状の測定に係る時間を短縮することが可能となる。

なお、本実施の形態では、Ｒ、Ｇ、Ｂの３チャンネルのそれぞれの位相シフト計算を行っている。従って、２波長位相シフト法における波長の組み合わせは、Ｒ、Ｇ、Ｂのうち任意の２つの波長を選択し、切替えることが可能である。選択した２つの波長の合成波としては、差の合成波と和の合成波とがある。差の合成波では測定範囲の拡大効果が得られ、和の合成波では高さ分解能の向上の効果が得られる。

次に、表面形状測定装置１００における表面形状の測定方法について説明する。本実施形態に係る表面形状測定装置１００は、２波長位相シフト法、位相シフト法、共焦点スキャン法を切替えて測定することが可能である。さらに、これらの測定方法を組み合わせて表面形状の計測を行うこともできる。なお、本実施形態では、非共焦点モードにおいてシフト位相法及び２波長シフト位相法を用いて計測を行い、共焦点モードにおいて共焦点スキャン法を用いて計測を行うものとする。

共焦点スキャン法については従来と同様であるため説明を省略し、位相シフト法、２波長位相シフト法の測定方法について、以下、具体的に説明する。ここでは、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒに対応する測定波長をλａ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇに対応する測定波長をλｂ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂに対応する測定波長をλｃとする。

試料２０からの反射光の電場をＥｓ、参照光の電場Ｅｒとすると、それぞれ式（１）、（２）と表される。

なお、φｓ、φｒは位相である。

干渉強度Ｉ（ｘ、ｙ）は、式（３）のように書ける。

ここで、

である。

参照ミラー表面形状は平坦であるので、φ（ｘ、ｙ）は参照ミラーを基準とした、試料表面の位相分布を与える。参照ミラーの光軸に対する傾斜を無視することができる場合、試料表面の高さ分布ｈ（ｘ、ｙ）とすると、空気の屈折率ｎ_０＝１のとき、式（７）のようになる。

そして、位相をシフトさせて、式（３）の干渉強度から位相分布を計算する。位相シフト法では、式（３）の干渉強度に対して式（７）のように既知の付加位相を加えた干渉光強度を３種類以上測定した結果から、位相について解くことができる。一般にはπ／２ずつ位相を４回付加する方法が多くとられているが、まず、従来の問題点を指摘するために、ここではδ=π／２ずつ位相を３回付加する方法（９０度３ステップ法）をまず考える。その後、本発明の任意の位相δを３回付加する方法について説明する。

（１）９０度３ステップ法
試料光と参照光の位相差分布：φ（ｘ、ｙ）、干渉強度分布：Ｉ（ｘ、ｙ）、干渉強度は式（８）〜（１０）となる。

付加位相がδ_１＝０、δ_２＝π／２、δ_３＝πの場合には、位相計算式は式（１１）のような単純な形になる。

付加位相の可変の仕方には、偏光干渉による方法や試料光路と参照光路の幾何学的な距離を変える方法がある。ここでは、後者の方法を考え、ミラウ干渉式を想定して対物レンズと試料の距離をｄ_１、ｄ_２、ｄ_３、と変えるものとする。付加位相を０、π／２、πとするには、測定波長がＲ用ラインセンサ１６Ｒに対応するλａの場合、空気の屈折率を１とすると、距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３はそれぞれ、以下の式（１２）−（１４）の値に設定されなければならない。

このように、９０度３ステップ法では、複数の測定波長がある場合、測定波長ごとに距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を異なる値に設定する必要があることがわかる。このため、それぞれの測定波長ごとに３ステップずつ計測する必要がある。本実施の形態では、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒに対応する測定波長λａ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇに対応する測定波長λｂ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂに対応する測定波長λｃが一度に入射される。従って、９０度３ステップ法では、測定波長λａ、λｂ、λｃのそれぞれに３ステップずつ対物レンズと試料の距離を移動させる必要があり、合計３回の３ステップの位相シフトを行う必要がある。

本発明においては、任意の位相δを３回付加する。
（２）任意３ステップ法
上記の式（８）−（１０）の連立方程式を任意の付加位相δとして、φについて解くと、その解は式（１５）のようになる。

ここで、

である。

式（８）−（１０）の解である式（１５）は式（１１）よりも複雑になるが、付加位相は必ずしもπ／２でなくてもよい。従って、式（１５）を用いることで、測定波長λａと異なる測定波長λｂの場合にも、移動距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を９０度３ステップ法の式（１２）−（１４）のようにそれぞれ変更する必要がなくなる。つまり、測定波長を切替えても、距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３は常に固定値のままで位相計算ができる。

従って、本発明においては、例えば、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇに対応する測定波長λｂに対して特定の位相値（９０度）になるように距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を決定しても、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒに対応する測定波長λａ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂに対応する測定波長λｃに対して、当該距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３の同じ調整状態で、３ステップ法の一般式を用いて位相計算を行うことができる。このように、本発明によれば、１回の３ステップ法で、３つの測定波長の位相シフトができ、試料２０の表面形状の測定に係る時間を短縮することができる。

上述の３ステップ法の一般式を用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂ波長の光を混合した照明光を試料２０に照射して位相シフトした場合の位相計算について説明する。上述の通り、３ＣＣＤの光検出器１６の各受光部、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒ、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇ、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂのそれぞれの波長帯域に対応する３つの単一波長が混合された照明光を試料２０に照射する。なお、異なる波長間の干渉とは、時間的に高速に変動するので通常は観察することができず、一定のバックグラウンドとして考えることができる。付加位相による位相シフトとは無関係なので、位相計算からはキャンセルすることができる。

試料２０の表面には、それぞれの波長の光（波長λａ、λｂ、λｃ）に対する干渉縞が生成されている。なお、肉眼で観察したとすると３色の干渉縞が重なって見える。３ＣＣＤである光検出器１６では、それぞれの帯域の干渉縞に分離して検出することができる。すなわち、Ｒ用ラインセンサ１６Ｒには波長λａの光に対応する干渉縞、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇには波長λｂの光に対応する干渉縞、Ｂ用ラインセンサ１６Ｂには波長λｃに対応する干渉縞の信号が入力される。

この３色の干渉縞の状態で、対物レンズと試料の距離をｄ_１、ｄ_２、ｄ_３と変えて、光検出器１６の３つの受光部で検出された干渉画像から、式（１５）を用いて参照光と反射光の位相差φ（ｘ、ｙ）を求める。なお、対物レンズと試料の距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３は、３つの波長の光のうちの１つを基準として、特定の位相値（９０度）になるように決定することができる。例えば、Ｇ用ラインセンサ１６Ｇに対応する測定波長λｂに対して特定の位相値（９０度）になるように距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_３を決定した場合には、当該波長λｂの光に対しては、式（１１）を用いて位相計算を行うことも可能である。このようにして、ただ１回の３ステップで３つの波長に対する位相計算を同時に実行することができる。

（ａ）位相シフト法（単一波長）
それぞれの波長に対する位相計算の結果から、式（７）のように表面高さの分布を計算することができる。例えば、測定波長λａの場合には、以下の式（２２）で表面高さ分布が求められる。

なお、ｍ_ａは、波長λａに対する干渉次数である。また、φ_ａは以下の式で表される。

この単一波長に対する位相計算結果は、λ／２の高低差ごとに折りたたまれた位相シフト干渉の画像として画面に表示することができる。試料２０の表面の形状がλ／２を超える段差がなく、連続面である場合には、位相接続処理により折りたたみのない高さ分布画像を得ることができる。

（ｂ）２波長位相シフト法（合成波長）
位相シフト法では、試料２０の反射光を測定するので、測定結果はλ／２毎に繰り返される（折り返される）。そのため、走査光の波長のλ／２以上の段差を測定することができない。このように、表面の形状がλ／２を超える段差が存在し、不連続な場合には、２波長位相シフト法により試料の表面形状を測定することができる。

２波長位相差シフト法は、波長の異なる２つの光を用い、それぞれの光によって位相シフト法によって位相を測定する。この測定された２つの位相の関係に基づいて、位相を求めることにより、高さ方向の測定範囲を拡張させるものである。ここでは、上述した３つの波長（λａ、λｂ、λｃ）から選択した２つの波長によって決まる合成波長の半分の高さまで高さ方向の測定範囲を拡大することができる。

ここで、測定波長λａ、λｂを選択したとする。なお、測定波長λａの場合の表面高さ分布は、上述の式（２２）、（２３）で求められる。同様に、測定波長λｂの場合の表面高さ分布は、以下の式（２４）で求められる。

なお、ｍ_ｂは、波長λｂに対する干渉次数である。

また、φ_ｂは、以下の式（２５）で求められる。

式（２３）と式（２５）の差をとると、式（２６）となる。

ここで、ｍ＝ｍ_ａ−ｍ_ｂである。

これを変形すると、以下の式（２７）のようにかける。

このとき、差の合成波長λｍは式（２８）のように決められる。

ｍ＝０の範囲では高さの折り返しはないので、

と表示することができる。このように、高さ方向の測定範囲は、差の合成波長の１／２まで拡大することができる。

なお、上記の２波長位相シフト法では、測定波長λａ及びλｂにおける測定結果を合成することになる。測定波長λａ及びλｂによる測定結果のそれぞれに、位相シフト測定時の振動などによる誤差が含まれているため、２波長位相シフト法による測定結果は、誤差の影響も拡大されるおそれがある。従って、一方の波長による測定結果が誤差が多い場合や、測定波長の半値幅が広い場合などには、式（２７）から計算した高さデータを用い、精密に測定しているほうの波長（λａ又はλｂ）に関する干渉縞の次数（ｍ_ａ又はｍ_ｂ）を計算する。そして、得られた干渉縞の次数（ｍ_ａ又はｍ_ｂ）を用いて、合成波長λ_ｍを用いずに１波長の位相シフト計算結果から高さを再計算することができる。

例えば、波長λｂの計測の誤差が多い場合、以下の式（３０）により、λａに関する干渉縞の次数ｍ_ａを計算する。なお、ＩＮＴは、整数化することを意味している。

ここで得られた次数の分布、ｍ_ａ（ｘ、ｙ）を用い、実測したφ_ａ（ｘ、ｙ）を式（２２）に代入して、ｈ（ｘ、ｙ）を再計算する。これにより、測定波長λａのみの誤差を含む高さｈ（ｘ，ｙ）を求めることができる。従って、２波長位相差シフト法の計算は、いずれか一方の計測が精密であれば、他方の計測はある程度誤差を多く含んでも構わない。例えば、一方の波長の光の半値幅が広くても、他方の精密に毛測定した波長の干渉縞の次数を用いて、高さを再計算することができるため、誤差を少なくすることができる。

また、２つ又は３つの波長の和の合成波長λｐを使うことで、合成波長を短くすることができる。これにより、より高分解で表面形状を計算することができる。式（２３）と式（２５）の和をとると、式（３１）となる。

ここで、ｍ'＝ｍ_ａ＋ｍ_ｂである。

これを変形すると式（３２）のようにかける。

このとき、合成波長λｐは式（３３）のように決められる。

ｍ'＝０の範囲では高さの折り返しはないので、

と表示することができる。

高さ方向の分解能は測定範囲を、測定データのデジタル分割数で割ったものとなる。例えば、測定波長λが約５００ｎｍの場合、高さ方向の測定範囲は約２５０ｎｍである。このとき、測定データが８ビットのデジタルデータのばあい、２５６階調に分割されるため、１階調が約１ｎｍに相当することとなる。和の合成波長λｐを用いることにより、波長を短くすることができるため、１階調あたりの高さがより小さくなる。このように、光源の波長を変えることなく、高さ方向の分解能を高くすることができる。

測定波長の組み合わせによる差及び和の合成波長を以下の表に示す。ここでは、３つの波長として、６３０ｎｍ、５７７ｎｍ、５４６ｎｍを選択した。

上記の表から分かるように、２波長位相シフト法を適用することで、差の合成波長は２０倍程度に拡大し、和の合成波長は約半分に縮小することができる。なお、λ_a、及びλ_ｂを３つ波長から選択する場合には、例えば、試料２０からの反射光が最も高い２つの波長を選択することができる。

測定波長と合成波長の各波長の光による、高さ方向の測定範囲（位相の折り返し範囲）と、高さ方向の分解能を以下の表に示す。位相シフト分解能は、逆正接関数の計算関数により、２πモードとπモードとを選択することができる。πモードの場合は、−π／２＜φ＜π／２の範囲で、すなわちφは０〜πの範囲で求められる。一方、２πモードの場合は、−π＜φ＜πの範囲で、すなわちφは０〜２πの範囲で求められる。なお、πモードと２πモードとの切り替えは、プログラムソフトにより自由に行うことができる。

πモードの場合は、測定範囲が２πモードの半分になる分だけ、分解能が高くなる。つまり、高さ方向に換算すると、πモードでは、λ／４以下の高さが計測可能な範囲となり、２πモードでは、λ／２以下の高さが計測可能な範囲となる。

分解能は、測定範囲をデータのデジタル分割数で割ったものである。ここでは、干渉画像の測定データが８ビットのデジタルデータである例について示す。

このように、高さ方向の測定範囲はλｍの半分まで拡大し、高さ方向の分解能はλｐの半分まで向上させることができる。なお、１２ビットで測定する場合には、さらに高分解能の測定が期待できる。

以上説明したように、本発明によれば、３ステップ法の一般式を使うことにより、１回の３ステップの位相シフトで、複数の波長に対する位相シフト計算を同時に行うことが可能になる。これにより、試料２０の表面形状の測定に係る時間を短縮することが可能となる。また、０ｎｍから３００ｎｍでは位相シフト干渉法、５μｍまでを２波長位相シフト干渉法、１００ｎｍから５０ｍｍまでは共焦点顕微鏡を使うことで、サブナノメートルからミリメートルの領域までシームレスに測定することができる。さらに、試料がある波長に対して透明であっても、表面からの反射光の反射率の高い波長を選択して干渉測定を行うことができる。

共焦点モードでは、干渉測定に有害な迷光を除去できる。さらに、干渉計による位相測定が理想的でない場合でも、共焦点顕微鏡での測定結果を比較することで、より詳細な情報を得ることができる。２つの波長を切り替えて干渉測定を行うことで、表面の粗さと基板の粗さの情報を計算により分離することができる。波長切り替えによる位相の変化は小さいが、位相シフト法により検出することが可能である。なお、実施の形態のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色の波長に対応した３ＣＣＤを用い、白色光で照明している場合、共焦点スキャン法で表面形状を測定することに加えて、カラーの全焦点画像を同時に取得することも可能である。

実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１１ 光源
１２ 多波長混合部
１３ 顕微鏡光学系
１４ 干渉光学系
１５ ステージ
１６ 光検出器
１６Ｒ Ｒ用ラインセンサ
１６Ｇ Ｇ用ラインセンサ
１６Ｂ Ｂ用ラインセンサ
１６Ｐ プリズム
１７ 処理装置
１８ 位相シフト制御部
２０ 試料
１００ 表面形状測定装置

Claims (8)

1. 波長の異なる第１波長の光と第２波長の光とを含む照明光を出射する光源部と、
   前記照明光から参照面に照射する参照光を生成するとともに、前記照明光を試料に照射し、その反射光と前記参照光とを合成して干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記試料と前記参照面との光路差を複数回調整する制御部と、
   前記制御部による同じ調整状態で前記光路差を与えたときの前記干渉光に含まれる前記第１波長の光による第１干渉光を受光する第１受光部と、前記第２波長の光による第２干渉光を受光する第２受光部とを備える光検出器と、
   前記光検出器により取得された第１干渉光による第１干渉画像と、前記第２干渉光による第２干渉画像とに基づいて、前記試料の表面形状を求める処理部とを備える表面形状測定装置。
2. 前記処理部は、前記参照面を基準とした、前記試料表面の位相分布φ（ｘ、ｙ）を示す以下の式を用いて、前記試料の表面形状を求める請求項１に記載の表面形状測定装置。
   

   

   なお、δ_１、δ_２、δ_３は前記制御部によって前記光路差を調整することによって与えられる任意の付加位相であり、
   

   

   である。
3. 前記光検出器は、３ＣＣＤであり、
   前記光源部は、前記３ＣＣＤのそれぞれの受光部の受光波長帯域に対応する３つの波長の光を混合した照明光を出射する請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 共焦点光学系と非共焦点光学系とを切り替え可能な顕微鏡光学系を備える請求項１、２又は３に記載の表面形状測定装置。
5. 前記第１波長の光と前記第２波長の光により、２波長位相シフト法を用いて前記試料の表面形状を測定する請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
6. 波長の異なる第１波長の光と第２波長の光とを含む照明光を出射し、
   前記照明光から参照面に照射する参照光を生成するとともに、前記照明光を試料に照射し、その反射光と前記参照光とを合成して干渉光を生成し、
   前記試料と前記参照面との光路差を複数回調整し、
   前記制御部による同じ調整状態で前記光路差を与えたときの前記干渉光に含まれる前記第１波長の光による第１干渉光を受光するとともに、前記第２波長の光による第２干渉光を受光し、
   取得された第１干渉光による第１干渉画像と、前記第２干渉光による第２干渉画像とに基づいて、前記試料の表面形状を求める表面形状測定方法。
7. 前記参照面を基準とした、前記試料表面の位相分布φ（ｘ、ｙ）を示す以下の式を用いて、前記試料の表面形状を求める請求項６に記載の表面形状測定方法。
   

   

   なお、δ_１、δ_２、δ_３は前記制御部によって前記光路差を調整することによって与えられる任意の付加位相であり、
   

   

   である。
8. 位相シフト法、２波長位相シフト法、及び共焦点スキャン法のいずれかにより前記試料の表面形状を測定する請求項６〜９のいずれか１項に記載の表面形状測定方法。

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