JPH0474914A - 追従型光波干渉表面形状測定装置 - 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］ 本発明は、表面形状測定装置に係わり、詳しくは、周波
数が異なる２種類のレーザビームによる光ヘテロダイン
干渉を利用して表面形状を測定する装置に関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来、表面粗さなどの表面形状を測定する装置として、
被測定物の表面の微小範囲にフォーカス検出用ビームを
照射するとともに、その反射光強度により焦点ずれを検
出して、その検出信号によって測定物表面と対物レンズ
との距離を一定に保つフォーカスサーボ装置を備え、更
に該フォー・カスサーボされた対物レンズの動きを、ヘ
テロゲイン干渉手段によって計測し、測定物表面の全体
形状を求める装置がある。

例えば、特開昭６１−１０５４０８号公報に示される光
学測定装置はその一例である。第６図を用いて簡単に説
明すると、直交二周波レーザであるゼーマンレーザ１０
０から出た周波数ｆ、の測定光と周波数ｆ２の参照光は
、ハーフミラ−１０３でＸ座標と２座標を測定するビー
ムに２分される。そして、２座標を測定するためのビー
ムは、さらに偏光ビームスプリッタ１０４で計測光Ｓ波
と参照光Ｐ波とに２分される。計測光Ｓ波は、さらに偏
光ビームスプリッタ１０５で反射されて、λ／４板１０
６を透過して円偏光となり、フォーカス検出装置１２０
に固定されたレンズ１０７とミラー１０８からなるキャ
ップ・アイに入って反射される。反射光は逆の光路を辿
り再びλ／４板１０６を通過することにより、今度はＰ
波に変換され、偏光ビームスプリッタ１０５に戻る。し
かし、その偏光ビームスプリッタ１０５の不完全性のた
め、Ｐ波の一部は反射されて合、波器である偏光ビーム
スプリッタ１０４に入る。この時、フォーカス検出装置
１２０は駆動装置１１１からフォーカスサーボを受けて
いるため、ミラー１０８からの反射光は、△ｆのドツプ
ラーシフトを受けている。従って、偏光ビームスプリッ
タ１０４に入った計測光の光周波数はｆ、十△ｆになっ
ている。

一方、偏光ビームスプリッタ１０４を透過した参照光で
あるＰ波は、同じくλ／４板１１３を通り円偏光となり
、レンズ１１４、ミラー１１５を経て、高精度ミラー１
１６に至る。高精度ミラー１１６で反射された参照先は
、逆の光路を辿り偏光ビームスプリッタ１０４で先の計
測光と合波干渉され、センサ１０９でｆ、−ｆ２＋△ｆ
のビート信号が検出される。尚、高精度ミラー１１６は
駆動源１１７によって測定物とともに移動させられるた
め、先と同様に、その反射光は厳密にはドツプラーシフ
トを受けるが、本例では高精度ミラー１１６を使用して
いるため無視している。

センサ１０９で検出された信号は、基準信号ｆｘ　　ｆ
＊と比較されて△ｆが求められる。そして、周知のドツ
プラーの基本式　△ｆ＝２／λ・ｙ　ｍ１ｖ８＝△Ｚ／
△ｔによって変位量△２を下記の計算式で求めるのであ
る。

△２＝λ／２・　（△ｆ）・ｄｔ ＝λ／４π・ｆ（δφ／δｔ）・ｄｔ ＝λ／４π・　（φ０−φ。） 但し、φ０は計測した位相 φ。は初期位相　　　　である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、この光学測定装置は、特開昭６１−１０
５４０８号公報に示すように、フォーカス手段に、ピン
ホールの位置を僅かにずらした２個のセンサを用い、そ
のセンサからの出力差によりフォーカス誤差量をモニタ
する方法を用いているので、分解能は０．　２μ程度に
留まり、高分解能かつ測定可能範囲が広いという半導体
デバイスや光学部品分野の要求するスペックに答えられ
ないという欠点があった。

また、特開昭６１−１０５４０８号公報には、レンズ１
０７．ミラー１０８からなるキャップ・アイを取り除き
、直接測定物の表面形状を計測する方法も記述されてい
るが、高精度ミラー１１６上を参照ビームが移動する以
上、高精度ミラー１１６の表面粗さ、移動ステージ１１
８の振動、うねりの影響を免れることは不可能であり、
高精度な計測は望めなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的とするところは、対物レンズと測定
物との間隔を反射光の位相差でモニタする第２のヘテロ
ゲイン干渉手段と、その間隔を常に一定に保つためのフ
ィードバック手段とを備え、その対物レンズの動きを第
３のヘテロダイン干渉手段にて測定することにより、数
ｎｍという高分解能を備えつつ、測定可能範囲を格段に
広げ、対物レンズの焦点深度に制限されない追従型光波
干渉式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］ この目的を達成するために、本発明の追従型光波干渉表
面形状測定装置は、直線偏光のレーザビームを出射する
レーザ装置と、該レーザビームを直交二周波レーザに変
換する第１のヘテロゲイン干渉手段と、直交二周波レー
ザを用いて対物レンズと測定物との距離の変化を反射光
の位相変化でをモニタする第２のヘテロダイン干渉手段
と、該モニタ量により対物レンズと測定物の距離を常に
一定に保つフィードバック手段と、該フィードバック手
段により制御された対物レンズの変位量を計測する第３
のヘテロダイン干渉手段と、測定物をｘｙ力方向走査す
る走査手段とから構成されている。

尚、第１のヘテロダイン干渉手段には、更に測定精度を
挙げるために、互いの偏光成分を混在させない低ノイズ
型ヘテロダイン干渉手段を用いてもよいのである。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の追従型光波干渉表面形状測
定装置において、光源である直線偏光レザから発せられ
た周波数ｆ。の光は、第１のヘテロダイン干渉手段によ
って、Ｐ波周波数ｆ。＋ｆｍ、Ｓ波周波数ｆ０の直交二
周波レーザに変換され、その一部は第１のセンサによっ
て基準ビート信号として検出される。第１のヘテロゲイ
ン干渉手段によって生成された直交二周波レーザは、分
離手段によって２分されて第２及び第３のヘテロゲイン
干渉手段に導かれる。第２のヘテロダイン干渉手段に導
かれたレーザの一部は、対物レンズを通して測定物に照
射され、その反射光は測定物が走査手段によってＸＹ力
方向走査されることから、その表面の凹凸に応じたドツ
プラーシフト或は位相変化を受け、再び第２のヘテロダ
イン干渉手段に入り、第２のセンサ上で参照光と干渉さ
せられ、凹凸量に応じた位相差が検出される。この位相
差情報は、フィードバック手段に送られ、そのフィード
バック手段は、この位相差に応じて対物レンズを上下に
移動させて常に測定物と対物レンズとの距離が一定にな
るように制御する。

また、第３のヘテロダイン干渉手段は、その対物レンズ
の移動量を計測し、ｘｙ座標に応じたＺ方向の変位量△
２を対物レンズの焦点深度に制限されることなく高精度
に求める。その測定可能範囲はフィードバック手段の備
えているフィードバック量の限界で決定される。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した追従型光波干渉表面形状測定
装置を図面を参照して説明する。

第１図に示すように、光源である直線偏光レザ１０はＳ
偏光に設定され、そのビームはまず最初に第１のヘテロ
ダイン干渉装置１２に入る。このヘテロダイン干渉装置
は、第２図のように、低ノイズ型に構成されており、入
射したビームは無偏光ビームスプリッタ（以下、ＮＰＢ
Ｓと略す）１４にて透過光と反射光に２分される。その
透過光はミラー１６を経て光合波器である偏光ビームス
プリッタ（以下、ＰＢＳと略す）１８に入射する。また
、反射光は音響光学変調器（以下、ＡＯＭと略す）２０
，２２にてそれぞれ８０．ＯＭ）（Ｚ。

８０．１ＭＨ２の周波数変調を受けて元の光周波数ｆ。

に対して、ｆ、＋１００ＫＨｚの光周波数に変換される
のである。変換された光は、ミラー２４を経て、λ／２
板２６に入りＳ波からＰ波に変換される。この時、λ／
２板２６の不完全性によって完全には変換されないので
、若干のＳ波成分が光ノイズとして残り、Ｐ＋△Ｓとな
って合波器であるＰＢ８１８に入る。しかしながら、Ｐ
ＢＳＩ８のＳ波に対する透過率は０．００５％であるた
め、この光ノイズ△Ｓは透過できす、Ｐ波のみかＰＢＳ
１８を透過することになる。その結果、ＰＢＳ１８から
は、Ｓ波周波数ｆ。、Ｐ波周波数ｆ。

＋１００ＫＨ２のほぼ完全な直交二周波レーザが出射さ
れるのである。ところが、従来技術にあるゼマンレーザ
から出射される直交二周波レーザは、数％程度の互いの
成分が混在しており、非線形な計測誤差の原因となって
いた。

第１のヘテロゲイン干渉装置１２を出射し、た直交二周
波レーザは第２、第３のヘテロダイン干渉装置に入ると
ともに、その一部はＮＰＢＳ２８゜３０を経て偏光子３
２に入り、偏光面を揃えられセンサ３４で以下の式で示
される基準ビート信号■８が検出される。

■　、〜　１　　十　ＣＯ３［−２π　ｆ　Ｂ　ｔ　＋
　φ　８゜コ但し、　ｆＢ：基準周波数１００ＫＨ２ｋ
二波数 φ、。：初期位相　　　　　　である。

第２のヘテロダイン干渉装置は、ＰＢＳ３６を起点とし
、ビームエクスパンダ３８．対物レンズ４０、被測定物
５８に至る往路、復路からなる計測アームと、偏光子４
６．無偏光ビームスブリ・ツタ４８．キャップ・アイ５
０に至る往路、復路からなる参照アームとで構成される
ものである。また１、第３のヘテロゲイン干渉装置は、
ＮＰＢＳ２８を起点とし、偏光子７０．ミラー６８．λ
／２板６６を経てＮＰＢ８６２に至る参照アームと、Ｎ
ＰＢＳ３０．ＰＢＳ３６．偏光子４６．ＮＰＢＳ４８．
キャップ・アイ５０．ＮＰＢＳ４８を経てＮＰＢＳ６２
に至る計測アームとより構成されるものである。

第２のヘテロダイン干渉装置では、ＰＢＳ３６によりＰ
波とＳ波が別々に２分される。透過波であるＰ波はビー
ムエクスパンダ３８によって拡大平行光にされて対物レ
ンズ４０に入り、測定物に集光照射される。ところで、
被測定物５８はＸＹステージによって移動させられると
、その反射光は表面の凹凸（△Ｚ２）に応じた位相変化
（２ｋ・△Ｚ２）を受け、逆の光路を辿りＰＢＳ３６、
ＮＰＢＳ３０、偏光子４２を通りセンサ４４に到達する
。

一方、ＰＢ３３６で反射された光波は、ＰＢＳの性質上
、Ｓ成分のほかに若干のＰ成分（約１％）が含まれてい
る。そのため、偏光子４６を通過させて完全なＳ波にさ
れる。そのＳ波はＮＰＢＳ４８で一部反射され、対物レ
ンズに固定されているキャップ・アイ５０に入り反射さ
れる。この反射光も、逆の光路を辿り、ＮＰＢＳ４８．
偏光子４６を経て、ＰＢ８３６上で前出のＰ波と合波干
渉させられ、ＮＰＢＳ３０．偏光子４２を経てセンサ４
４に入る。センサ４４で検出される信号強度は、ＰＢ８
３６からキャップ・アイ５０までの距離を２１、測定物
までの距離を２２とすると、■、〜１＋ＣＯ８［２ｋ・
　（Ｚ、−Ｚ、）−２π　ｆ、ｔ　　＋φ、。コ 但し、　ｆＢ：基準周波数１００ＫＨ２ｋ：波数 φ、。：初期位相　　　　　　である。

第１のヘテロゲイン干渉装置により得られた基準信号Ｉ
Ｉｌ〜１＋ＣＯ５［−２πｆＢｔ＋φｌｌｏ］と比較し
、フォーカス時の■、に対するＩ、の位相をφ２Ｂとす
ると、φＰＢは、 φ、＝φＢＯ−φｐ。２ｋ　（Ｚｌ−２２）で表わされ
る。これは、測定物表面の凹凸による光路長の変化△ｚ
２は対物レンズ４０の動き△Ｚ。

でキャンセルできることを示している。このφ、８を第
３図に示す。

フィードバック手段は、第４図に示すようなフィードバ
ック回路７２と、例えば圧電素子５４などのアクチュエ
ータとから構成されている。フィードバック回路７２は
、第４図に示すように、このφＦｉ１を高周波クォーツ
クロック９２、ＡＮＤ器８８及びカウウンタ回路８０に
より高精度に測定し、フォーカス時に設定された位相φ
ＦＯＣＬＩ８と引算器８２で比較し、更にその差をＤ／
Ａ変換器８４にてアナログ量に変換し増幅して、圧電素
子５４に送る。例えば、表面形状の凹凸量△Ｚ２によっ
て、φ、が△φ７．だけ変化すると、すぐさま引算器８
２からその差△φ。のデジタル量が出力され、それに応
じたアナログ量が圧電素子５４に加えられる。そして、
対物レンズ４０が△Ｚ、（＝△Ｚ２）だけ移動制御され
て、△Ｚ２が△Ｚ、によって打ち消されるのである。つ
まり、フィードバック回路７２は、常に△φ１．−〇と
なるように対物レンズ４０が固定されたＺ軸ステージ５
６を移動制御し、被測定物５８表面の凹凸量を対物レン
ズ４０の動きにすり替えるのである。

従って、対物レンズ４０の焦点深度によって制限される
ことなく、フィードバック手段の限界まで測定できるの
である。そして、この対物レンズ４０の動きは第三のヘ
テロダイン干渉装置によって高精度に計測されるのであ
る。

第三のヘテロゲイン干渉装置の計測ビームは、第２のヘ
テロダイン干渉装置の参照ビームから取られる。つまり
、キャップ・アイ５０によって反射され、ＮＰＢＳ４８
．６２を透過してセンサ６４に到達したものを計測ビー
ムとする。この計測ビームは、フィードバック手段によ
って対物レンズ４０が移動されるため、その移動量に応
じたｋ・△２．の位相変化情報を含んでいる。一方、参
照ビームは、ＮＰＢＳ２８を透過した直交二周波レーザ
から取られる。つまり、直交二周波レーザに偏光子をか
けることにより変調のかかったＰ波のみを取り出し、さ
らにミラー６８、λ／２板６６を透過させ、先の計測ビ
ームと同じＳ偏波にされ、合波器であるＮＰＢＳ６２上
で合波干渉させられるのである。第３のセンサ６４では
この対物レンズ４０の移動量に応じた計測信号■。が検
出される。先と同様に、ＮＰＢＳ２８からミラー６８を
経て、センサ６４に到達するまでの参照光の光路をＺ３
、ＮＰＢＳ２８からＮＰＢＳ４８までの計測光の光路を
Ｚ４、ＮＰＢＳ４８からキャップ・アイ５０までの光路
を２１、ＮＰＢＳ４８からセンサ６４までの光路をＺ、
とすると、センサ６４で検出される計測信号の干渉強度
は、Ｉｏ〜１＋ＣＯ８［ｋ　（Ｚ、−Ｚ、−Ｚ、−２・
２．）−２πｆ、ｔ＋φＤｏ］ ＝１＋ＣＯ８［ｋ　（ＺＣＯＮＳＴ　　２　”　Ｚｌ）
２πｆ、ｔ＋φＤｏ］ 但し、φｏ０：初期位相 ｋ　二波数 ｆＢ　：基準ビート周波数　　である。

同様に、基準信号■８に対する■。の位相をφＤＢとす
ると、 φＤＢ”φ８０−φｏｏ＋２・ｋ−Ｚ。

ｋ　”　ＺＣＯＮＳＴ となる。

これは、対物レンズ４０との距離Ｚ、が変化すると、Ｉ
ａに対するＩＤの位相が変化することを示しており、Ｚ
、が△Ｚ、だけ変化すると、光路の往復を考慮して２・
ｋ・△Ｚ、だけ位相が変化（△φｏｎ）するのである。

つまり、△Ｚ、は、△Ｚ＋＝λ／４π・△φ。Ｂ ＝λ／４π・　（φＤＢＺ−φＤＢＯ）但し、φＤＢＯ
：Ｚｌが変化する前の位相φｏｓｚ：Ｚ＋が変化した後
の位相 を表わす。

この位相変化△φを２π以上も含めて計測することによ
り、λ／２以上の計測も可能となるのである。

そして、このように構成された測定装置により、例えば
約３０ｎｍの段差形状を有する測定物を実際に測定する
と、第５図に示すような測定結果（データ）が得られた
。また、従来の測定装置、例えばレンズ６７とミラー６
８から成るキャップ・アイを取り除いた測定装置にて前
記の測定物を測定すると、第７図に示すような測定結果
（データ）が得られる。従って、前記両測定結果を比較
検討すると、従来の測定装置においては、ゼーマンレー
ザ６１による光ノイズ、高精度ミラー７６の表面粗さ、
Ｘステージ７８の振動等により、高精度な測定ができて
いないことがわかる。

以上のように、ヘテロゲイン干渉装置を二段構成にする
事により、対物レンズの焦点深度に制限されることなく
、かつ高分解能で測定物の表面形状が計測できるのであ
る。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、ヘテロダイン干渉手段を二段構成にし、一方のヘテロ
ゲイン干渉手段によりフォーカス変化を位相変化という
高分解能で検出するとともに、圧電素子等によりｌｎｍ
の精度で対物レンズにフォーカスサーボをかけ、かつ他
方のヘテロダイン干渉手段でその対物レンズの動きを計
測しているので、対物レンズの焦点深度に制限されるこ
となく、高分解能で測定物の表面形状を測定できるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は追従型光波干渉表面形状測定装置の
構成図、第２図は低ノイズ型ヘテロダイン干渉装置の構
成図、第３図は基準信号とフォーカス信号の相対位相で
あるφＦＢを示す図、第４図はフィードバック回路の構
成を示すブロック図、第５図は本発明による微細形状測
定データを示す図、第６図は従来型のヘテロダイン干渉
表面形状測定装置の光学系図、第７図は従来の方法によ
る微細形状測定データを示す図である。 図中、１２は直交二周波変換器、１４は無偏光ビームス
プリッタ、１６．２４はミラー、１８゜３６は偏光ビー
ムスプリッタ、２０．２２は音響光学変調器、２６．６
６はλ／２板、２８．６２は無偏光ビームスプリッタ、
３０．４８は無偏光ビームスプリッタ、３２，４６．４
２は偏光子、３４．４４．６４は光センサ、３６は偏光
ビームスプリッタ、３８はビームエクスパンダ、４０は
対物レンズ、５０はキャップ・アイ、５４は圧電素子、
５６はＺ軸ステージ、５８は被測定物、６０はＸＹステ
ージ、７２はフィードバック回路、８０はカウンタ、８
２は引算器、８４はＤ／Ａ変換器、８６は増幅器、８８
はＡＮＤ器、９０は反転器、９２は高周波クォーツクロ
ックである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直線偏光のレーザビームを出射するレーザ装置と、 該レーザビームを直交二周波レーザに変換する第１のヘ
   テロダイン干渉手段と、 該直交二周波レーザを用いて対物レンズと測定物との距
   離変化を反射光の位相差量でモニタする第２のヘテロダ
   イン干渉手段と、 該位相差量により対物レンズと測定物の距離を常に一定
   に保つフィードバック手段と、 該フィードバック手段により制御された対物レンズの変
   位量を上記直交二周波レーザを用いて計測する第３のヘ
   テロダイン干渉手段と、 上記測定物をｘｙ方向に走査する走査手段と、を備えた
   ことを特徴とする追従型光波干渉表面形状測定装置。