JPH02140608A - 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】 ［目次］ 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段及びその作用実施例 第１実施例（第１〜４図） 第２実施例（第５図） 第３実施例（第６図） 拡張 発明の効果 ［概要］ 試料表面の形状を測定する表面形状測定装置に係り、特
に、半導体ウェーハ又は磁気ディスク等の平面加工され
た試料表面のうねり形状を測定する表面形状測定装置に
関し、 高精度の走査機構を用いることなく、長期間にわたる高
精度測定を可能にすることを目的とし、ステージに保持
された試料表面にレーザ光を照射しその反射光を受光し
て該試料表面の傾角を検出する傾角センサと、該ステー
ジに対し該傾角センサを該試料表面に直角に相対的に移
動させる走査手段と、該ステージに対する該傾角センサ
の相対的な走査位置を検出する走査位置検出手段とを備
え、該走査位置及び該傾角を用いて該試料表面の形状を
測定する表面形状測定装置において、固定側又は移動体
（該ステージ又は該傾角センサ）のいずれか一方に設置
された光反射手段と、該固定側又は該移動体の他方に設
置され、該光反射手段に光を照射しその反射光を受光し
て移動する該ステージ又は該傾角センサの姿勢角を検出
する姿勢角センサと、検出された該姿勢角及び該検出位
置を用いて、検出された該傾角を補正する補正手段と、
を備えて構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は試料表面の形状を測定する表面形状測定装置に
係り、特に、半導体ウェーハ又は磁気ディスク等の平面
加工された試料表面のうねり形状を測定する表面形状測
定装置に関する。

［従来の技術］ 例えば磁気ディスク装置では記録再生ヘッドを磁気ディ
スク表面に対し０．１〜０．２μ■まで接近させる必要
があるので、磁気ディスク表面のうねりの振幅がこの間
隔と同程度となる場合があり、記録再生ヘッドが磁気デ
ィスク表面に衝突して故障することがある。また、半導
体ウェー八表面のうねりが大きいと、回路パターン露光
時にピンボケが生じて歩留まりが低下する。したがって
、製造工程においてこの表面形状を管理する必要がある
。

このうねりの傾斜角は通常１０〜２０秒以下程度と極め
て小さいので、高精度の表面形状測定装置が要望される
。

表面形状測定装置としては例えば特開昭６２−１２７６
１８号公報に開示されているように、傾角センサからの
レーザ光を試料表面に照射し、該照射方向に直角にこの
傾角センサを移動させながらその反射光を該傾角センサ
で受光して試料表面の傾角を検出し、傾角センサの位置
を検出し、検出された傾角及び位置を用いて試料表面の
うねりを測定する構成のものがある。

［発明が解決しようとする課！ｇ］ しかし、試料表面の傾角を高精度で検出する必要がある
ため、傾角センサの走査により傾角センサの姿勢が変化
しないように極めて高精度の走査機構を製作しなければ
ならず、装置がコスト高となる。

また、走査機構には必ず摺動部分が存在し、かつ、傾角
センサを滑らかに走査させる必要があるので、この摺動
部分においてクリアランスが存在し、傾角センサが走査
中にガタついたり、装置の長期間の使用により機械的変
形が生じて表面形状の高精度測定が妨げられる。

本発明の目的は、このような問題点に鑑み、高精度の走
査機構を用いることなく、長期間にわたって高精度測定
が可能な表面形状測定装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段及びその作用］この目的を
達成するために、本第１発明では、試料表面にレーザ光
を照射しその反射光を受光して該試料表面の傾角を検出
する傾角センサと、該傾角センサを該試料表面に直角に
移動させる走査手段と、該傾角センサの走査位置を検出
する走査位置検出手段とを備え、該走査位置及び該傾角
を用いて該試料表面の形状を測定する表面形状測定装置
において、固定側又は該傾角センサのいずれか一方に設
置された光反射手段と、該固定側又は該傾角センサの他
方に設置され該光反射手段に光を照射しその反射光を受
光して該傾角センサの姿勢角を検出する姿勢角センサと
、検出された該姿勢角及び該検出位置を用いて、検出さ
れた該傾角を補正する補正手段とを備えている。

第４図に示す如く、試料の表面傾角がθであり、傾角セ
ンサの姿勢角がαである場合には、姿勢角センサの出射
光とその反射光のなす角は２αとなり、傾角センサの出
射光とその反射光とのなす角は２（θ＋α）となる。し
たがって、両者の差を２で除せば表面傾角θが得られ、
傾角センサ走査中におけるその走査機構のガタつきや傾
角センサを案内するガイドの変形等による表面傾角の測
定誤差が除去されることになる。

よって、従来のような極めて高精度な傾角センサ走査機
構を用いる必要がなく、そのうえ長期間にわたる高精度
測定が可能となる。

姿勢角α及び表面傾角θにオフセット値が含まれていて
も、これらは傾角センサの移動により変化しないので、
得られる表面形状には直線が重ね合わされるだけであり
特に問題はなく、必要により、一般の計測器に備えられ
ている周知の電気的なオフセット調整装置を設ければよ
い。

傾角センサは試料に対し相対的に移動させればよく、本
第２発明では、傾角センサを固定し、試料を保持するス
テージを移動させ、固定側及びステージの一方に姿勢角
センサを設置し他方に光反射手段を設置して、姿勢角セ
ンサから放射された光を該反射手段に照射しその反射光
を該姿勢角センサで受光し七該ステージの姿勢角を検出
する。

他の点は第１発明と同一構成である。

この第２発明の作用は上記第１発明の作用から容易に理
解できるのでその説明を省略する。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

（１）第−実施例 第１図は表面形状測定装置の機械的基本構成を示す。

ステージＩＯ上には、測定対象である磁気ディスク又は
半導体ウェーハ等の試料！２が載置されている。試料Ｉ
２の上方には、傾角センサＩ４が対向して配置されてい
る。この傾角センサ１４は、ＣＤプレーヤ等に用いられ
る光ピツクアップと類似の構成であり、各種サーボ制御
系がなくかつ光スポットの径が通常の光ピツクアップの
それより大きい点で異なる。傾角センサＩ４から放射さ
れたレーザ光は試料１２上に収束照射され、その反射光
が傾角センサ１４内に戻されて傾角センサ１４内の４分
割ホトダイオードにより検出され、その検出信号が傾角
測定回路１６に供給されて照射レーザ光に直交する平面
に対する試料１２の表面の傾角が測定される。

ステージＩＯの一端部には、ステージＩＯに直角に側板
１８の下端部が固着され、側板１８の上端部には、側板
１８に直角にレール２０の一端部が固着されている。レ
ール２０には、その長手方向にスライド自在にキャリッ
ジ２２が取り付けられている。このキャリツノ２２には
、キャリッジ２２のスライド方向に送りねじ２４が螺貫
されている。送りねじ２４の一端部は、側板１８に固定
されたギアトスチッピングモータ２６の回転軸に連結さ
れている。キャリッジ２２には、上述の傾角センサＩ４
が固着されており、ギアドステッピングモータ２６によ
り送りねじ２４を回転駆動すると、傾角センサ１４がそ
のレーザ照射方向を試料！２の表面に直角にして第１図
左右方向へ移動する。

ギアトスチッピングモータ２６の回転量は、ギアトスチ
ッピングモータ２６の回転軸にその回転軸が連結された
ロークリエンコーダ２８により検出される。また、キャ
リッジ２２の初期位置は、レール２０に取り付けられた
位置センサ３０により検出される。ロータリエンコーダ
２８の出力パルスは位置座標アブプダウンカウンタ３２
により計数され、その計数値は位置センサ３０の検出信
号によりクリアされる。

傾角センサＩ４の側板１８側の側面には反射鏡３４がレ
ール２０に直角に固着され、この反射鏡３４に対向して
側板１８に姿勢角センサ３６がその先軸を反射鏡３４に
直交させて固着されている。

この姿勢角センサ３６は、第２図に示す如く、レーザダ
イオード３８の前方に偏光ビームスプリッタ４０．１７
４波長板４２を介しコリメートレンズ４４が配置され、
偏光ビームスプリッタ４０の側方に２分割ホトダイオー
ド４６が配置されて構成されている。レーザダイオード
３８から放射されたレーザ光はコリメートレンズ４４で
平行化され、その全てが偏光ビームスプリッタ４０．１
７４波長板４２を通って反射鏡３４で反射され、再度１
７４波長板４２を通り、その全てが偏光ビームスプリブ
タ４０で反射されて２分割ホトダイオード４６１こより
受光される。

この姿勢角センサ３６の構成は傾角センサ１４に類似し
ているが、傾角センサ１４が収束光を放射するのに対し
、姿勢角センサ３６は平行光を放射する点で相違する。

第４図に示す如く、試料１２の表面傾角がθであり、傾
角センサ１４の姿勢角がαである場合には、姿勢角セン
サ３６の出射光とその反射光のなす角は２αとなり、傾
角センサ１４の出射光とその反射光とのなす角は２（θ
＋α）となる。したがって、両者の差を２で除せば表面
傾角θが得られ、走査中におけるキャリッジ２２のレー
ル２０に対するガタつきやレール２０の変形等による表
面傾角の測定誤差が除去されることになる。

次に、第３図に基づいて表面形状測定装置の回路構成を
説明する。

２分割ホトダイオード４６は、ホトダイオード４６ａと
４６ｂとからなり、その表面には光照射により光スポッ
トＳＰが両ホトダイオード４６ａ１４６ｂにわたって形
成される。ホトダイオード４６ａ、４６ｂにより光電変
換された信号はそれぞれ、アンプ４８Ａ、４８Ｂにより
増幅されて信号Ａ、Ｂとなる。信号Ａ及びＢは減算器５
０及び加算器５２へ供給されて信号 （Ａ−Ｂ）及び（Ａ　＋　Ｂ　）が作成される。これら
の信号は除算器５４へ供給されて信号（Ａ　−Ｂ　）／
（Ａ　＋Ｂ）が作成され、姿勢角演算回路５６へ供給さ
れる。信号（Ａ　−Ｂ）／（Ａ　＋　Ｂ　）は、傾角セ
ンサ１４の姿勢角α及び位置座標Ｘにより定まる看であ
り、姿勢角演算回路５６は信号（Ａ　−Ｂ　）／（Ａ　
＋　Ｂ　）及び位置座標Ｘを用いてこの姿勢角αを補正
値として算出する。姿勢角αは、（Ａ　−Ｂ　）／（Ａ
　＋　Ｂ　）及び位置座標Ｘの組み合わせでテーブルＲ
ＯＭをアドレス指定することにより出力させるようにし
てもよい。この姿勢角α及び傾角測定回路１６から出力
される信号（θ＋α）は、減算器６０に供給されて傾角
Ｏが求められ、次いで積分器６４へ供給される。積分器
６４は位置座標測定回路３２から構成される装置座標Ｘ
についてこの傾角θを積分することにより表面高さを求
める。表面高さ及び位置座標Ｘはレコーダ６６へ供給さ
れて試料１２の表面形状が記録される。

（２）第２実施例 第５図は第２実施例の一体型傾角・姿勢角センサの光学
系を示す。

この第２実施例では、第１実施例と逆に、反射鏡３４が
固定側としての側板！８に固着され、姿勢角センサが移
動側としての傾角センサに一体化されている。

傾角センサはレーザダイオード３８、コリメートレンズ
４４、偏光ビームスプリッタ４０．１／４波長板４２Ａ
及び対物レンズ６８が各光軸を一致させてこの順に配置
され、偏光ビームスプリッタ４０の側方に４分割ホトダ
イオード７０が配置されて構成されている。また、姿勢
角センサは、偏光ビームスプリッタ４０の側方かつ４分
割ホトダイオード７０の反対側に、偏光ビームスプリッ
タ４０Ａを介し１／４波長板４２が配置され、偏光ビー
ムスプリッタ４０Ａの上方に２分割ホトダイオード３８
が配置され構成されている。

上記構成において、レーザダイオード３８から放射され
たレーザ光はコリメートレンズ４４で平行化されて、偏
光ビームスプリッタ４０で２分割され、その一方がｌハ
波長板４２Ａ、対物レンズ６８を通って試料１２上に収
束され、その反射光が対物レンズ６８へ戻って平行化さ
れ、１７４波長板４２Ａを通り、その全光束が偏光ビー
ムスプリッタ４０で反射されて４分割ホトダイオード７
０上に光スポットが形成される。この４分割ホトダイオ
ード７０上の信号を処理して試料■２の補正部の表面傾
角が測定される。

一方、偏光ビームスプリッタ４０で２分割された他方の
平行光束は、第１実施例と同様に偏光ビームスプリ１夕
４０Ａ、１／４波長板４２を通って反射鏡３４で反射さ
れ、再度！／４波長板４２を通って偏光ビームスプリッ
タ４０Ａでその全てが反射され、２分割ホトダイオード
４６上に光スポットが形成される。２分割ホトダイオー
ド４６の出力信号の処理は第１実施例と同一である。

（３）第３実施例 第６図は第３実施例の姿勢角測定光学系を示す。

傾角センサＩ４の側面には、直角二等辺三角柱形の反射
、ｉｆ！３４Ａおよび３４Ｂが斜面を互いに対向させて
固着されている。これに対し、側板１８には姿勢角セン
サ３６Ａが固着されている。この姿勢角センサ３６Ａは
、レーザダイオード３８、コリメートレンズ４４及び２
分割ホトダイオード４６を備えており、レーザダイオー
ド３８から放射されたレーザ光はコリメートレンズ４４
で・Ｖ行化され、反射、ｌ１３４Ａで下方に偏向され、
次いで反射鏡３４Ｂで姿勢角センサ３６Ａに戻されて２
分割ホトダイオード４６に受光される。傾角センサＩ４
の姿勢角が変化すると、２分割ホトダイオード４６の各
ホトダイオードの出力信号値が変化し、第１実施例と同
様にして姿勢角αが求められる。

（３）拡張 なお、本発明には外にも種々の変形例が含まれる。

例えば、上記各実施例では、ステージ１０を固定し傾角
センサＩ４を移動させる場合を説明したが、逆に、傾角
センサＩ４を固定しステージＩＯを移動させ、姿勢角セ
ンサでステージ１０の姿勢角を検出する構成であっても
よい。

さらに、傾角センサは上述の公報に記載された構成であ
ってもよく、この傾斜センサから放射される光を平行光
束にすれば姿勢角センサとして用いることができる。

［発明の効果〕 以上説明したように、本発明に係る表面形状測定装置に
よれば、傾角センサまたはステージの走査中におけるそ
の走香機構のガタつきや傾角センサまたはステージを案
内するガイドの変形等による表面傾角の測定誤差が除去
されるので、従来のような極めて高精度な走査機構を用
いる必要がなく、そのうえ長期間にわたる高精度測定が
可能となるという優れた効果を奏し、ｉｊ１産した場合
の装置のコストダウン、保守の容易化及び正確な表面形
状検査による半導体ウェーハ等の品質向上や歩留まり向
上に寄りするところが大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の第１実施例に係り、第１図
は表面形状測定装置の機械的基本構成図、第２図は姿勢
角測定光学系を示す図、 第３図は表面形状測定装置の回路図、 第４図は表面傾角測定値補正説明図である。 第５図は本発明の第２実施例に係る一体型傾角・姿勢角
センサの光学系を示す図である。 第６図は本発明の第３実施例に係る姿勢角測定光学系を
示す図である。 図中、 ＩＯはステージ １２は試料 １４は傾角センサ １６は傾角測定回路 ２０はレール ２２はキャリッジ ２４は送りねじ ２６はギアトスチッピングモータ ２８はロータリエンコーダ ３０は位置センサ ３２は位置座標カウンタ ３４．３４Ａ１３４Ｂは反射鏡 ３６．３６Ａは姿勢角センサ ４０．４０Ａは偏光ビームスプリッタ ４２．４２Ａは１ハ波長板 ４４はコリメートレンズ ４６は２分割ホトダイオード ４８Ａ、４８Ｂはアンプ ５０は減算器 ５２は加算器 ５４は除算器 ５６は姿勢角演算回路 ６４は積分器 ６６はレコーダ 姿勢角λ・１定光学系 第２図 表面形状測定装装置 第１図 第 図 一体型傾角・姿勢角センサ光学系 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料表面にレーザ光を照射しその反射光を受光して
   該試料表面の傾角を検出する傾角センサ（１４）と、 該傾角センサを該試料表面に直角に移動させる走査手段
   （２０〜２６）と、 該傾角センサの走査位置を検出する走査位置検出手段（
   ２８〜３２）とを備え、 該走査位置及び該傾角を用いて該試料表面の形状を測定
   する表面形状測定装置において、 固定側（１８）又は該傾角センサ（１４）のいずれか一
   方に設置された光反射手段（３４、３４Ａ、３４Ｂ）と
   、該固定側（１８）又は該傾角センサ（１４）の他方に
   設置され、該光反射手段に光を照射しその反射光を受光
   して該傾角センサの姿勢角を検出する姿勢角センサ（３
   ６、３６Ａ）と、 検出された該姿勢角及び該検出位置を用いて、検出され
   た該傾角を補正する補正手段（５６、６０）と、を有す
   ることを特徴とする表面形状測定装置。 ２）ステージに保持された試料の表面にレーザ光を照射
   しその反射光を受光して該試料表面の傾角を検出する傾
   角センサ（１４）と、 該ステージを該照射方向に直角に移動させる走査手段と
   、 該ステージの走査位置を検出する走査位置検出手段とを
   備え、 該走査位置及び該傾角を用いて該試料表面の形状を測定
   する表面形状測定装置において、 固定側又は該ステージのいずれか一方に設置された光反
   射手段と、 該固定側又は該ステージの他方に設置され、該光反射手
   段に光を照射しその反射光を受光して該ステージの姿勢
   角を検出する姿勢角センサと、検出された該姿勢角及び
   該検出位置を用いて、検出された該傾角を補正する補正
   手段と、 を有することを特徴とする表面形状測定装置。