JPH09178451A - 表面形状測定方法および表面形状測定器 - Google Patents
表面形状測定方法および表面形状測定器Info
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- JPH09178451A JPH09178451A JP34062095A JP34062095A JPH09178451A JP H09178451 A JPH09178451 A JP H09178451A JP 34062095 A JP34062095 A JP 34062095A JP 34062095 A JP34062095 A JP 34062095A JP H09178451 A JPH09178451 A JP H09178451A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ウエハ表面の段差形状やマスク・ウエハ間の
ギャップを非接触で計測する。 【解決手段】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光ＢＬを無偏光ビームスプリッター６により２つの
２周波光ＢＬ1 ，ＢＬ2 に分離し、音響光学素子８，９
で周波数シフトする。２つの２周波光ＢＬ1 ，ＢＬ2 を
さらに２周波光ＢＬ3 ，ＢＬ4 、ＢＬ5 ，ＢＬ6 に分離
し、ＢＬ5 ，ＢＬ6 をウエハ１９に導く。そして、その
反射光を、ＢＬ3 ，ＢＬ4 と無偏光ビームスプリッター
１３において合成する。これにより得られたＢＬ3 とＢ
Ｌ6 の光ヘテロダイン干渉光を偏光ビームスプリッター
２１により偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロダイン
干渉光に分離し、第１、第３のビート信号を求める。同
様に、ＢＬ4 とＢＬ5 の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光から第２、第４のビート信号を求める。第
１、第３のビート信号の位相差および第２、第４のビー
ト信号の位相差に基づいてウエハ１９の表面形状を算出
する。
ギャップを非接触で計測する。 【解決手段】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光ＢＬを無偏光ビームスプリッター６により２つの
２周波光ＢＬ1 ，ＢＬ2 に分離し、音響光学素子８，９
で周波数シフトする。２つの２周波光ＢＬ1 ，ＢＬ2 を
さらに２周波光ＢＬ3 ，ＢＬ4 、ＢＬ5 ，ＢＬ6 に分離
し、ＢＬ5 ，ＢＬ6 をウエハ１９に導く。そして、その
反射光を、ＢＬ3 ，ＢＬ4 と無偏光ビームスプリッター
１３において合成する。これにより得られたＢＬ3 とＢ
Ｌ6 の光ヘテロダイン干渉光を偏光ビームスプリッター
２１により偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロダイン
干渉光に分離し、第１、第３のビート信号を求める。同
様に、ＢＬ4 とＢＬ5 の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光から第２、第４のビート信号を求める。第
１、第３のビート信号の位相差および第２、第４のビー
ト信号の位相差に基づいてウエハ１９の表面形状を算出
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状に
ついて、レーザー光の干渉を利用して波長を単位として
高精度、長ストロークの測定を行うことができ、特に半
導体ＩＣやＬＳＩ製造プロセスにおいてのウエハ表面上
の段差測定装置、あるいはＸ線露光装置においてマスク
とウエハを位置合わせした後におけるマスク・ウエハ間
のギャップ測定装置に応用して好適な表面形状測定方法
および表面形状測定器に関する。
ついて、レーザー光の干渉を利用して波長を単位として
高精度、長ストロークの測定を行うことができ、特に半
導体ＩＣやＬＳＩ製造プロセスにおいてのウエハ表面上
の段差測定装置、あるいはＸ線露光装置においてマスク
とウエハを位置合わせした後におけるマスク・ウエハ間
のギャップ測定装置に応用して好適な表面形状測定方法
および表面形状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】物体の表面形状を測定するこの種の装置
としては、表面形状を原子レベルで計測する装置から、
μｍオーダーの段差を測定する装置まで、用途によって
種々の測定器がある。これらの測定器の中で、半導体Ｉ
ＣやＬＳＩ製造プロセスにおいて、パタン加工されたウ
エハ表面の段差の測定やＸ線露光でのマスクとウエハを
位置合わせした後におけるマスク・ウエハ間のギャップ
測定などではμｍオーダーの比較的長い測定可能範囲と
ｎｍオーダーの高分解能が要求される。
としては、表面形状を原子レベルで計測する装置から、
μｍオーダーの段差を測定する装置まで、用途によって
種々の測定器がある。これらの測定器の中で、半導体Ｉ
ＣやＬＳＩ製造プロセスにおいて、パタン加工されたウ
エハ表面の段差の測定やＸ線露光でのマスクとウエハを
位置合わせした後におけるマスク・ウエハ間のギャップ
測定などではμｍオーダーの比較的長い測定可能範囲と
ｎｍオーダーの高分解能が要求される。
【０００３】従来、物体の表面形状を測定する装置とし
て、図５に示すようなパタン加工されたウエハ面の段差
測定装置がある。この段差測定装置は、ウエハ３２の表
面上に接触しながら走査する先端部が尖った探査針３０
と、ウエハ３２の表面上の凹凸に応じてｚ方向に上下動
する探査針３０の動きをリニアエンコーダ等のセンサー
により電気信号に変換する段差形状センサー３１とを備
えている。なお、３３はウエハ３２を保持し、ｘ，ｙ方
向に移動可能なウエハステージ、３４は信号処理機構制
御部である。
て、図５に示すようなパタン加工されたウエハ面の段差
測定装置がある。この段差測定装置は、ウエハ３２の表
面上に接触しながら走査する先端部が尖った探査針３０
と、ウエハ３２の表面上の凹凸に応じてｚ方向に上下動
する探査針３０の動きをリニアエンコーダ等のセンサー
により電気信号に変換する段差形状センサー３１とを備
えている。なお、３３はウエハ３２を保持し、ｘ，ｙ方
向に移動可能なウエハステージ、３４は信号処理機構制
御部である。
【０００４】ウエハ３２の表面上で段差を測定する付近
において、一定の針圧になるように調整して探査針３０
をウエハ３２に接触して配置する。信号処理機構制御部
３４からの制御信号によりウエハステージ３３を一定の
速度で指定方向に移動させると、探査針３０はウエハ表
面上の凹凸に応じてｚ方向に上下動し、この探査針３０
の動きを段差形状センサー３１が電気信号に変換して信
号処理機構部３４へ送る。
において、一定の針圧になるように調整して探査針３０
をウエハ３２に接触して配置する。信号処理機構制御部
３４からの制御信号によりウエハステージ３３を一定の
速度で指定方向に移動させると、探査針３０はウエハ表
面上の凹凸に応じてｚ方向に上下動し、この探査針３０
の動きを段差形状センサー３１が電気信号に変換して信
号処理機構部３４へ送る。
【０００５】図６は段差を測定する付近における探査針
３０がウエハ３２と接触している部分の拡大図である。
探査針３０がウエハ表面の段差部を通過することによ
り、段差ｄに対応した探査針３０の微少なｚ方向の動き
を検出する。
３０がウエハ３２と接触している部分の拡大図である。
探査針３０がウエハ表面の段差部を通過することによ
り、段差ｄに対応した探査針３０の微少なｚ方向の動き
を検出する。
【０００６】図７はウエハステージ３３の移動距離に対
し段差形状センサー３１により検出されたｚ方向の動
き、すなわちウエハ表面の段差検出信号の出力例を示
す。検出信号波形からウエハ表面の段差ｄを計測でき
る。
し段差形状センサー３１により検出されたｚ方向の動
き、すなわちウエハ表面の段差検出信号の出力例を示
す。検出信号波形からウエハ表面の段差ｄを計測でき
る。
【０００７】物体の表面形状を計測する従来の他の装置
として、図８に示すようなマスクとウエハとが近接して
設置されたＸ線露光装置のマスク・ウエハ間の距離（ギ
ャップ）を計測する装置が知られている。同図におい
て、３５は照明用光源、３６はコリメートレンズ、３７
はハーフミラー、３８は対物レンズ、３９はＸ線マス
ク、４０はメンブレン部、４１はウエハ、４２はウエハ
ステージ、４３は拡大レンズ、４４は撮像装置、４５は
画像信号処理制御部である。基本原理は、通常の光学式
顕微鏡と同じであり、照明用光源３５により先ず観察用
試料面であるＸ線マスク３９上のメンブレン部４０のパ
タンを照射し、撮像装置４４により拡大されたパタンを
モニターしながらｚ方向に移動可能な対物レンズ３８を
微調整してメンブレン部４０上のパタンに焦点合わせす
る。対物レンズ３８のｚ方向の位置については、リニア
エンコーダ等の位置センサーにより画像信号処理制御部
４５で検出制御する。次に、対物レンズ３８をｚ方向に
移動させ、Ｘ線マスク３９のメンブレン部４０を透して
ウエハ４１の表面上のパタンに焦点合わせする。
として、図８に示すようなマスクとウエハとが近接して
設置されたＸ線露光装置のマスク・ウエハ間の距離（ギ
ャップ）を計測する装置が知られている。同図におい
て、３５は照明用光源、３６はコリメートレンズ、３７
はハーフミラー、３８は対物レンズ、３９はＸ線マス
ク、４０はメンブレン部、４１はウエハ、４２はウエハ
ステージ、４３は拡大レンズ、４４は撮像装置、４５は
画像信号処理制御部である。基本原理は、通常の光学式
顕微鏡と同じであり、照明用光源３５により先ず観察用
試料面であるＸ線マスク３９上のメンブレン部４０のパ
タンを照射し、撮像装置４４により拡大されたパタンを
モニターしながらｚ方向に移動可能な対物レンズ３８を
微調整してメンブレン部４０上のパタンに焦点合わせす
る。対物レンズ３８のｚ方向の位置については、リニア
エンコーダ等の位置センサーにより画像信号処理制御部
４５で検出制御する。次に、対物レンズ３８をｚ方向に
移動させ、Ｘ線マスク３９のメンブレン部４０を透して
ウエハ４１の表面上のパタンに焦点合わせする。
【０００８】図９に対物レンズ３８付近の拡大図を示
す。同図において、３８’は移動後の対物レンズ、４６
はＸ線吸収体からなるマスクパタン、４７はウエハパタ
ンである。Ａ点はマスクパタン４６に焦点合わせした位
置、Ｂ点はウエハパタン４７に焦点合わせした位置であ
る。Ａ点とＢ点とでの対物レンズ３８の位置を画像信号
処理制御部４５で検出し、その差を計算することにより
マスク・ウエハ間のギャップｌが求められる。
す。同図において、３８’は移動後の対物レンズ、４６
はＸ線吸収体からなるマスクパタン、４７はウエハパタ
ンである。Ａ点はマスクパタン４６に焦点合わせした位
置、Ｂ点はウエハパタン４７に焦点合わせした位置であ
る。Ａ点とＢ点とでの対物レンズ３８の位置を画像信号
処理制御部４５で検出し、その差を計算することにより
マスク・ウエハ間のギャップｌが求められる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図５に示した従来の段
差測定装置では、探査針３０がウエハ表面と接触してい
るため、ウエハ面が傷つき汚染するおそれがあり、半導
体ＩＣやＬＳＩ製造工程内のプロセスウエハには適用で
きないという欠点があった。また、探査針３０の先端の
大きさに制約があるため、被測定物の大きさが限定さ
れ、微小部分での段差測定ができないという欠点があっ
た。さらに、ウエハ面の段差を直接検出するのではな
く、探査針３０を介してｚ方向の動きに変換し段差形状
センサーを用いて間接的に検出するため、検出誤差が発
生し易く、また機構系等の外乱の影響を受け易いため高
い検出分解能を得ることが難しいという問題があった。
差測定装置では、探査針３０がウエハ表面と接触してい
るため、ウエハ面が傷つき汚染するおそれがあり、半導
体ＩＣやＬＳＩ製造工程内のプロセスウエハには適用で
きないという欠点があった。また、探査針３０の先端の
大きさに制約があるため、被測定物の大きさが限定さ
れ、微小部分での段差測定ができないという欠点があっ
た。さらに、ウエハ面の段差を直接検出するのではな
く、探査針３０を介してｚ方向の動きに変換し段差形状
センサーを用いて間接的に検出するため、検出誤差が発
生し易く、また機構系等の外乱の影響を受け易いため高
い検出分解能を得ることが難しいという問題があった。
【００１０】図８に示した従来のＸ線露光装置における
マスク・ウエハ間のギャップ計測装置では、対物レンズ
３８のＮＡ（開口数）によりパタン解像度が制約される
ため、高解像度にする光学系が大きくなるという欠点が
あった。また、顕微鏡の観察範囲の大きさに制約がある
ため、被測定物の大きさが限定され、微小部分でのギャ
ップ測定ができないという欠点があった。さらに、マス
ク・ウエハ間のギャップを直接検出しているのではな
く、間接的に焦点合わせした対物レンズ３８の位置によ
り検出しているため、焦点合わせ誤差、対物レンズ位置
検出誤差等の検出精度を低下させる要因が多く、高精度
のギャップ検出ができないという問題があった。
マスク・ウエハ間のギャップ計測装置では、対物レンズ
３８のＮＡ（開口数）によりパタン解像度が制約される
ため、高解像度にする光学系が大きくなるという欠点が
あった。また、顕微鏡の観察範囲の大きさに制約がある
ため、被測定物の大きさが限定され、微小部分でのギャ
ップ測定ができないという欠点があった。さらに、マス
ク・ウエハ間のギャップを直接検出しているのではな
く、間接的に焦点合わせした対物レンズ３８の位置によ
り検出しているため、焦点合わせ誤差、対物レンズ位置
検出誤差等の検出精度を低下させる要因が多く、高精度
のギャップ検出ができないという問題があった。
【００１１】本発明は、上記した従来の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、ウ
エハ表面の段差形状やマスク・ウエハ間のギャップを非
接触で、かつ被測定物が微小部分でも計測することがで
き、また光の干渉を利用して直接計測するため誤差要因
の発生が少ない、高精度な表面形状測定方法および表面
形状測定器を提供することにある。
るためになされたもので、その目的とするところは、ウ
エハ表面の段差形状やマスク・ウエハ間のギャップを非
接触で、かつ被測定物が微小部分でも計測することがで
き、また光の干渉を利用して直接計測するため誤差要因
の発生が少ない、高精度な表面形状測定方法および表面
形状測定器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係る表面形状測定方法は、偏光面が互いに直交
し周波数が異なる２周波光を発生し、この２周波光を第
１、第２の２周波光に分離し、第１、第２の２周波光の
少なくともいずれか一方の周波数をシフトさせ、前記第
１の２周波光を２つに分割して第３、第４の２周波光を
生成し、前記第２の２周波光を２つに分割して第５、第
６の２周波光を生成し、第５、第６の２周波光を被測定
物体上に入射させ、前記第３、第４の２周波光と前記被
測定物体によって反射された第５、第６の２周波光をそ
れぞれ合成し、前記第３と第６の２周波光の合成によっ
て得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第
１、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３
のビート信号を求めるとともに、前記第４と第５の２周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏
光面の異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、第２、第４のビート信号を求め、第１と第３のビー
ト信号の位相差および第２と第４のビート信号の位相差
に基づいて前記被測定物の表面形状を算出することを特
徴とする。また、本発明は、偏光面が互いに直交し周波
数が異なる２周波光を発生し、この２周波光を第１、第
２の２周波光に分離し、第１、第２の２周波光の少なく
ともいずれか一方の周波数をシフトさせ、前記第１の２
周波光を２つに分割して第３、第４の２周波光を生成
し、前記第２の２周波光を２つに分割して第５、第６の
２周波光を生成し、第５、第６の２周波光を被測定物体
上に入射させ、前記第３、第４の２周波光と前記被測定
物体によって反射された第５、第６の２周波光をそれぞ
れ合成し、前記第３と第６の２周波光の合成によって得
られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第
３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３のビー
ト信号を求めるとともに、前記第４と第５の２周波光の
合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の
異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第
２、第４のビート信号を求め、第１と第２のビート信号
の位相差および第３と第４のビート信号の位相差に基づ
いて前記被測定物の表面形状を算出することを特徴とす
る。
本発明に係る表面形状測定方法は、偏光面が互いに直交
し周波数が異なる２周波光を発生し、この２周波光を第
１、第２の２周波光に分離し、第１、第２の２周波光の
少なくともいずれか一方の周波数をシフトさせ、前記第
１の２周波光を２つに分割して第３、第４の２周波光を
生成し、前記第２の２周波光を２つに分割して第５、第
６の２周波光を生成し、第５、第６の２周波光を被測定
物体上に入射させ、前記第３、第４の２周波光と前記被
測定物体によって反射された第５、第６の２周波光をそ
れぞれ合成し、前記第３と第６の２周波光の合成によっ
て得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第
１、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３
のビート信号を求めるとともに、前記第４と第５の２周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏
光面の異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、第２、第４のビート信号を求め、第１と第３のビー
ト信号の位相差および第２と第４のビート信号の位相差
に基づいて前記被測定物の表面形状を算出することを特
徴とする。また、本発明は、偏光面が互いに直交し周波
数が異なる２周波光を発生し、この２周波光を第１、第
２の２周波光に分離し、第１、第２の２周波光の少なく
ともいずれか一方の周波数をシフトさせ、前記第１の２
周波光を２つに分割して第３、第４の２周波光を生成
し、前記第２の２周波光を２つに分割して第５、第６の
２周波光を生成し、第５、第６の２周波光を被測定物体
上に入射させ、前記第３、第４の２周波光と前記被測定
物体によって反射された第５、第６の２周波光をそれぞ
れ合成し、前記第３と第６の２周波光の合成によって得
られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第
３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３のビー
ト信号を求めるとともに、前記第４と第５の２周波光の
合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の
異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第
２、第４のビート信号を求め、第１と第２のビート信号
の位相差および第３と第４のビート信号の位相差に基づ
いて前記被測定物の表面形状を算出することを特徴とす
る。
【００１３】また、本発明に係る表面形状測定方法は、
第５、第６の２周波光の何れか一方を被測定物上に入射
させないで反射ミラーにより反射させて第３あるいは第
４の２周波光と合成させることを特徴とする。また、本
発明に係る表面形状測定方法は、第１、第２の２周波光
をそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさせることを特
徴とする。また、本発明に係る表面形状測定方法は、被
測定物体上に入射する２周波光のビーム形状を縮小光学
系により縮小することを特徴とする。
第５、第６の２周波光の何れか一方を被測定物上に入射
させないで反射ミラーにより反射させて第３あるいは第
４の２周波光と合成させることを特徴とする。また、本
発明に係る表面形状測定方法は、第１、第２の２周波光
をそれぞれ異なる周波数で周波数シフトさせることを特
徴とする。また、本発明に係る表面形状測定方法は、被
測定物体上に入射する２周波光のビーム形状を縮小光学
系により縮小することを特徴とする。
【００１４】また、本発明に係る表面形状測定器は、偏
光面が互いに直交し周波数が異なる２周波光を発生させ
る２周波光発生手段と、この２周波光を第１、第２の２
周波光に分割する第１の２周波光分割手段と、第１、第
２の２周波光の少なくとも何れか一方の周波数をシフト
させる周波数シフト手段と、被測定物体が載置されるス
テージと、前記第１の２周波光を第３、第４の２周波光
に分割する第２の２周波光分割手段と、前記第２の２周
波光を第５、第６の周波光に分割する第３の２周波光分
割手段と、前記第５、第６の２周波光を被測定物体上に
入射させる入射手段と、前記第３、第４の２周波光と前
記測定物体によって反射された第５、第６の２周波光を
それぞれ合成する光合成手段と、前記第３と第６の２周
波光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光
面の異なる第１、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、前記第４と第５の２周波光の合成により得られた光
ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第２、第４の光ヘ
テロダイン干渉光に分離する干渉光分離手段と、第１、
第３の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独立に第１、
第３のビート信号を検出するとともに第２、第４の光ヘ
テロダイン干渉光からそれぞれ独立に第２、第４のビー
ト信号を検出する信号検出手段と、第１と第３のビート
信号の位相差および第２と第４のビート信号の位相差に
基づいて前記被測定物体の表面形状を算出する信号処理
制御手段とを備えたことを特徴とする。また、本発明に
係る表面形状測定器は、第５、第６の２周波光のいずれ
か一方を被測定物体上に入射させないで第３あるいは第
４の２周波光と合成させる反射光学手段を備えたことを
特徴とする。
光面が互いに直交し周波数が異なる２周波光を発生させ
る２周波光発生手段と、この２周波光を第１、第２の２
周波光に分割する第１の２周波光分割手段と、第１、第
２の２周波光の少なくとも何れか一方の周波数をシフト
させる周波数シフト手段と、被測定物体が載置されるス
テージと、前記第１の２周波光を第３、第４の２周波光
に分割する第２の２周波光分割手段と、前記第２の２周
波光を第５、第６の周波光に分割する第３の２周波光分
割手段と、前記第５、第６の２周波光を被測定物体上に
入射させる入射手段と、前記第３、第４の２周波光と前
記測定物体によって反射された第５、第６の２周波光を
それぞれ合成する光合成手段と、前記第３と第６の２周
波光の合成により得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光
面の異なる第１、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、前記第４と第５の２周波光の合成により得られた光
ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第２、第４の光ヘ
テロダイン干渉光に分離する干渉光分離手段と、第１、
第３の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独立に第１、
第３のビート信号を検出するとともに第２、第４の光ヘ
テロダイン干渉光からそれぞれ独立に第２、第４のビー
ト信号を検出する信号検出手段と、第１と第３のビート
信号の位相差および第２と第４のビート信号の位相差に
基づいて前記被測定物体の表面形状を算出する信号処理
制御手段とを備えたことを特徴とする。また、本発明に
係る表面形状測定器は、第５、第６の２周波光のいずれ
か一方を被測定物体上に入射させないで第３あるいは第
４の２周波光と合成させる反射光学手段を備えたことを
特徴とする。
【００１５】また、本発明に係る表面形状測定器は、第
１、第２の２周波光をそれぞれ異なる周波数で周波数シ
フトさせる周波数シフト手段を備えたことを特徴とす
る。また、本発明に係る表面形状測定器は、被測定物体
に入射する２周波光のビーム形状を縮小する縮小光学手
段を備えたことを特徴とする さらに、本発明に係る表面形状測定器は、２周波光発生
手段、第１、第２、第３の２周波光分割手段、周波数シ
フト手段、入射手段、光合成手段、第１、第２の干渉光
分離手段、および信号検出手段が同一の光学系ステージ
上に配置され、この光学系ステージは被測定物体の表面
に対して平行な方向に移動可能であることを特徴とす
る。
１、第２の２周波光をそれぞれ異なる周波数で周波数シ
フトさせる周波数シフト手段を備えたことを特徴とす
る。また、本発明に係る表面形状測定器は、被測定物体
に入射する２周波光のビーム形状を縮小する縮小光学手
段を備えたことを特徴とする さらに、本発明に係る表面形状測定器は、２周波光発生
手段、第１、第２、第３の２周波光分割手段、周波数シ
フト手段、入射手段、光合成手段、第１、第２の干渉光
分離手段、および信号検出手段が同一の光学系ステージ
上に配置され、この光学系ステージは被測定物体の表面
に対して平行な方向に移動可能であることを特徴とす
る。
【００１６】偏光面が互いに直交する２波長からなる第
５、第６の２波長光を、直接、被測定物体に入射し、被
測定物体からの２つの反射光と、偏光面が互いに直交す
る２波長の参照光からなる第３，第４の２波長光を合成
し光ヘテロダイン干渉させることにより、光ヘテロダイ
ン干渉光を得る。第３、第６の２周波光の合成によって
得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、
第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３のビ
ート信号を求める。また、第４、第５の２周波光の合成
によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異な
る第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、
第４のビート信号を求める。第１、第３のビート信号の
位相差信号と第２、第４のビート信号の位相差信号を求
め、これらの位相差信号の差を求めると、ウエハ表面の
段差形状やマスク・ウエハ間のギャップを非接触で直接
計測できる。
５、第６の２波長光を、直接、被測定物体に入射し、被
測定物体からの２つの反射光と、偏光面が互いに直交す
る２波長の参照光からなる第３，第４の２波長光を合成
し光ヘテロダイン干渉させることにより、光ヘテロダイ
ン干渉光を得る。第３、第６の２周波光の合成によって
得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、
第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３のビ
ート信号を求める。また、第４、第５の２周波光の合成
によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異な
る第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、
第４のビート信号を求める。第１、第３のビート信号の
位相差信号と第２、第４のビート信号の位相差信号を求
め、これらの位相差信号の差を求めると、ウエハ表面の
段差形状やマスク・ウエハ間のギャップを非接触で直接
計測できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る表
面形状測定器の一実施の形態を示す概略構成図である。
本実施の形態においては、半導体ＩＣやＬＳＩ製造にお
いてパタン加工されたウエハ面の段差測定に用いられる
表面形状測定器に適用した例を示す。１，２はそれぞれ
波長がλ1 、λ2 のレーザー光を出射する第１、第２の
レーザー光源、３は１／２波長板、４，７，１２は反射
ミラー、５は偏光ビームスプリッター（２周波光発生手
段）、６は無偏光ビームスプリッター（２周波光分割手
段）、８，９は音響光学素子（周波数シフト手段）、１
０，１１は平行プリズム（２周波光分割手段）、１３は
無偏光ビームスプリッター（光合成手段）、１４は反射
ミラー（入射手段）、１５，１６は縮小光学系、１７，
１８はウエハ１９上のビームスポットを示し、２０はウ
エハステージ、２１は偏光ビームスプリッター（干渉光
分離手段）、２２，２３は２分割ディテクタ（信号検出
手段）、２４はビート信号処理制御部（信号処理制御手
段）である。
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る表
面形状測定器の一実施の形態を示す概略構成図である。
本実施の形態においては、半導体ＩＣやＬＳＩ製造にお
いてパタン加工されたウエハ面の段差測定に用いられる
表面形状測定器に適用した例を示す。１，２はそれぞれ
波長がλ1 、λ2 のレーザー光を出射する第１、第２の
レーザー光源、３は１／２波長板、４，７，１２は反射
ミラー、５は偏光ビームスプリッター（２周波光発生手
段）、６は無偏光ビームスプリッター（２周波光分割手
段）、８，９は音響光学素子（周波数シフト手段）、１
０，１１は平行プリズム（２周波光分割手段）、１３は
無偏光ビームスプリッター（光合成手段）、１４は反射
ミラー（入射手段）、１５，１６は縮小光学系、１７，
１８はウエハ１９上のビームスポットを示し、２０はウ
エハステージ、２１は偏光ビームスプリッター（干渉光
分離手段）、２２，２３は２分割ディテクタ（信号検出
手段）、２４はビート信号処理制御部（信号処理制御手
段）である。
【００１８】第１、第２のレーザー光源１，２は、それ
ぞれ波長がλ1 （周波数：ｆ1 ）、λ2 （周波数：ｆ2
）の水平偏光光（Ｐ波）のレーザー光を発生する。第
１のレーザー光源１から発生したレーザー光は、１／２
波長板３により偏光面が９０°回転されることにより垂
直偏光光（Ｓ波）となり、ミラー４を介して偏光ビーム
スプリッター５に入射する。同様に、第２のレーザー光
源２から発生したレーザー光も前記偏光ビームスプリッ
ター５に入射することにより、第１のレーザー光源１の
レーザー光と合成される。この合成光ＢＬは、偏光面が
互いに垂直で周波数が異なる２波長直交偏光光（２周波
光）である。この２周波光ＢＬは、無偏光ビームスプリ
ッター６により、第１の２周波光（反射光）ＢＬ1 と第
２の２周波光（透過光）ＢＬ2 に分岐される。分岐され
た第１の２周波光ＢＬ1 は参照光として用いられるもの
で、反射ミラー７を経て音響光学素子８に入射する。音
響光学素子８の駆動周波数をｆ11とすると、音響光学素
子８から出射する第１の２周波光ＢＬ1 の周波数は、そ
れぞれｆ1 ＋ｆ11、ｆ2 ＋ｆ11に周波数シフトされる。
一方、無偏光ビームスプリッター６を透過した第２の２
周波光ＢＬ2 は測定光として用いられるもので、音響光
学素子９に入る。音響光学素子９の駆動周波数をｆ22と
すると、音響光学素子９から出射する第２の２周波光Ｂ
Ｌ2 の周波数は、それぞれｆ1 ＋ｆ22、ｆ2 ＋ｆ22に周
波数シフトされた２周波光となる。
ぞれ波長がλ1 （周波数：ｆ1 ）、λ2 （周波数：ｆ2
）の水平偏光光（Ｐ波）のレーザー光を発生する。第
１のレーザー光源１から発生したレーザー光は、１／２
波長板３により偏光面が９０°回転されることにより垂
直偏光光（Ｓ波）となり、ミラー４を介して偏光ビーム
スプリッター５に入射する。同様に、第２のレーザー光
源２から発生したレーザー光も前記偏光ビームスプリッ
ター５に入射することにより、第１のレーザー光源１の
レーザー光と合成される。この合成光ＢＬは、偏光面が
互いに垂直で周波数が異なる２波長直交偏光光（２周波
光）である。この２周波光ＢＬは、無偏光ビームスプリ
ッター６により、第１の２周波光（反射光）ＢＬ1 と第
２の２周波光（透過光）ＢＬ2 に分岐される。分岐され
た第１の２周波光ＢＬ1 は参照光として用いられるもの
で、反射ミラー７を経て音響光学素子８に入射する。音
響光学素子８の駆動周波数をｆ11とすると、音響光学素
子８から出射する第１の２周波光ＢＬ1 の周波数は、そ
れぞれｆ1 ＋ｆ11、ｆ2 ＋ｆ11に周波数シフトされる。
一方、無偏光ビームスプリッター６を透過した第２の２
周波光ＢＬ2 は測定光として用いられるもので、音響光
学素子９に入る。音響光学素子９の駆動周波数をｆ22と
すると、音響光学素子９から出射する第２の２周波光Ｂ
Ｌ2 の周波数は、それぞれｆ1 ＋ｆ22、ｆ2 ＋ｆ22に周
波数シフトされた２周波光となる。
【００１９】また、音響光学素子８によって周波数シフ
トされた第１の２周波光ＢＬ1 は、平行プリズム１０に
よって平行な第３、第４の２周波光ＢＬ3 ，ＢＬ4 に分
離され、ミラー１２を介して無偏光ビームスプリッター
１３に入射する。無偏光ビームスプリッター１３に入射
すると、一部が反射し、一部が透過して偏光ビームスプ
リッター２１に入射する。音響光学素子９によって周波
数シフトされた第２の２周波光ＢＬ2 は、平行プリズム
１１によって平行な第５、第６の２周波光ＢＬ5 ，ＢＬ
6 に分離され、無偏光ビームスプリッター１３に直接入
射する。無偏光ビームスプリッター１３に入射すると、
一部が反射してミラー１２方向に向かう一方、一部が透
過した後ミラー１４を介して縮小光学系１５，１６によ
り微小なビームに絞られ、ビームスポット１７，１８と
してウエハ１９の表面に導かれる。そして、ウエハ表面
で反射した後、元来た光路を通り、再度無偏光ビームス
プリッター１３に入射し、一部が透過し、一部が偏光ビ
ームスプリッター２１方向に反射する。
トされた第１の２周波光ＢＬ1 は、平行プリズム１０に
よって平行な第３、第４の２周波光ＢＬ3 ，ＢＬ4 に分
離され、ミラー１２を介して無偏光ビームスプリッター
１３に入射する。無偏光ビームスプリッター１３に入射
すると、一部が反射し、一部が透過して偏光ビームスプ
リッター２１に入射する。音響光学素子９によって周波
数シフトされた第２の２周波光ＢＬ2 は、平行プリズム
１１によって平行な第５、第６の２周波光ＢＬ5 ，ＢＬ
6 に分離され、無偏光ビームスプリッター１３に直接入
射する。無偏光ビームスプリッター１３に入射すると、
一部が反射してミラー１２方向に向かう一方、一部が透
過した後ミラー１４を介して縮小光学系１５，１６によ
り微小なビームに絞られ、ビームスポット１７，１８と
してウエハ１９の表面に導かれる。そして、ウエハ表面
で反射した後、元来た光路を通り、再度無偏光ビームス
プリッター１３に入射し、一部が透過し、一部が偏光ビ
ームスプリッター２１方向に反射する。
【００２０】この時、無偏光ビームスプリッター１３に
より周波数ｆ11で周波数シフトされた第３、第４の２周
波光ＢＬ3 ，ＢＬ4 と、周波数ｆ22で周波数シフトされ
ウエハで反射した第５、第６の２周波光ＢＬ5 ，ＢＬ6
とは、それぞれ２周波光ＢＬ3 とＢＬ6 ，ＢＬ4 とＢＬ
5 で光ヘテロダイン干渉光を生成し、さらに偏光ビーム
スプリッター２１により水平偏光の光ヘテロダイン干渉
光と垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光に分離される。
より周波数ｆ11で周波数シフトされた第３、第４の２周
波光ＢＬ3 ，ＢＬ4 と、周波数ｆ22で周波数シフトされ
ウエハで反射した第５、第６の２周波光ＢＬ5 ，ＢＬ6
とは、それぞれ２周波光ＢＬ3 とＢＬ6 ，ＢＬ4 とＢＬ
5 で光ヘテロダイン干渉光を生成し、さらに偏光ビーム
スプリッター２１により水平偏光の光ヘテロダイン干渉
光と垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光に分離される。
【００２１】垂直偏光の光ヘテロダイン干渉光は、波長
がλ1 （周波数：ｆ1 ）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、第４と第５の２波長光
と、第３と第６の２波長光の垂直偏光の光ヘテロダイン
干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ２２により
検出されることによりビート信号Ｉ1 ，Ｉ2 としてビー
ト信号処理制御部２４に送られる。また、水平偏光の光
ヘテロダイン干渉光は、波長がλ2 （周波数：ｆ2 ）の
レーザー光を基に生成された光ヘテロダイン干渉光であ
り、第４と第５の２波長光と、第３と第６の２波長光の
水平偏光の光ヘテロダイン干渉光は、それぞれ独立に２
分割ディテクタ２３により検出されることによりビート
信号Ｉ3 ，Ｉ4 としてビート信号処理制御部２４に送ら
れる。
がλ1 （周波数：ｆ1 ）のレーザー光を基に生成された
光ヘテロダイン干渉光であり、第４と第５の２波長光
と、第３と第６の２波長光の垂直偏光の光ヘテロダイン
干渉光は、それぞれ独立に２分割ディテクタ２２により
検出されることによりビート信号Ｉ1 ，Ｉ2 としてビー
ト信号処理制御部２４に送られる。また、水平偏光の光
ヘテロダイン干渉光は、波長がλ2 （周波数：ｆ2 ）の
レーザー光を基に生成された光ヘテロダイン干渉光であ
り、第４と第５の２波長光と、第３と第６の２波長光の
水平偏光の光ヘテロダイン干渉光は、それぞれ独立に２
分割ディテクタ２３により検出されることによりビート
信号Ｉ3 ，Ｉ4 としてビート信号処理制御部２４に送ら
れる。
【００２２】第４、第５の２波長光ＢＬ4 ，ＢＬ5 の垂
直偏光光は、波長がλ1 （周波数：ｆ1 ）のレーザー光
の周波数がｆ1 ＋ｆ11、ｆ1 ＋ｆ22にシフトしたレーザ
ー光であり、振幅強度をそれぞれＥ1 ，Ｅ2 とすると、
次式（１）、（２）のように表される。 Ｅ1 （ｔ）＝Ａ1ｅｘｐ（２π（ｆ1 ＋ｆ11）ｔ・ｉ＋φ1 ） ・・・（１） Ｅ2 （ｔ）＝Ａ2ｅｘｐ（２π（ｆ1 ＋ｆ22）ｔ・ｉ＋φ2 ） ・・・（２） ここで、Ａ1 ，Ａ2 は振幅、φ1 ，φ2 は初期位相であ
る。
直偏光光は、波長がλ1 （周波数：ｆ1 ）のレーザー光
の周波数がｆ1 ＋ｆ11、ｆ1 ＋ｆ22にシフトしたレーザ
ー光であり、振幅強度をそれぞれＥ1 ，Ｅ2 とすると、
次式（１）、（２）のように表される。 Ｅ1 （ｔ）＝Ａ1ｅｘｐ（２π（ｆ1 ＋ｆ11）ｔ・ｉ＋φ1 ） ・・・（１） Ｅ2 （ｔ）＝Ａ2ｅｘｐ（２π（ｆ1 ＋ｆ22）ｔ・ｉ＋φ2 ） ・・・（２） ここで、Ａ1 ，Ａ2 は振幅、φ1 ，φ2 は初期位相であ
る。
【００２３】光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ1 は、 Ｉ1 （ｔ）＝｜Ｅ1 （ｔ）＋Ｅ2 （ｔ）｜2 ＝Ａ12＋Ａ22＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋Δφ12） ・・・（３ ）で表され、ｆ0 ＝｜ｆ11−ｆ22｜、Δφ12＝φ1 −φ
2 である。同様に、第３、第６の２波長光ＢＬ3 ，ＢＬ
6 の垂直偏光光の光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ2
は、 Ｉ2 （ｔ）＝Ａ12＋Ａ22＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋ Δφ12＋２πＬ1／λ1） ・・・（４） となり、Ｌ1 は波長λ1 のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。
2 である。同様に、第３、第６の２波長光ＢＬ3 ，ＢＬ
6 の垂直偏光光の光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ2
は、 Ｉ2 （ｔ）＝Ａ12＋Ａ22＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋ Δφ12＋２πＬ1／λ1） ・・・（４） となり、Ｌ1 は波長λ1 のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。
【００２４】一方、第４、第５の２波長光ＢＬ4 ，ＢＬ
5 の水平偏光光は、波長がλ2 （周波数：ｆ2 ）のレー
ザー光の周波数がｆ2 ＋ｆ11、ｆ2 ＋ｆ22にシフトした
レーザー光であり、同様に振幅強度をそれぞれＥ3 ，Ｅ
4 とすると、次式（５）、（６）のように表される。 Ｅ3 （ｔ）＝Ａ3ｅｘｐ（２π（ｆ2 ＋ｆ11）ｔ・ｉ＋φ3 ） ・・・（５） Ｅ4 （ｔ）＝Ａ4ｅｘｐ（２π（ｆ2 ＋ｆ22）ｔ・ｉ＋φ4 ） ・・・（６） ここで、Ａ3 ，Ａ4 は振幅、φ3 ，φ4 は初期位相であ
る。同様に、光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ3 は、 Ｉ3 （ｔ）＝｜Ｅ3 （ｔ）＋Ｅ4 （ｔ）｜2 ＝Ａ32＋Ａ42＋２Ａ1Ａ4ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋Δφ34）・・・（７） で表され、Δφ34＝φ3 −φ4 である。
5 の水平偏光光は、波長がλ2 （周波数：ｆ2 ）のレー
ザー光の周波数がｆ2 ＋ｆ11、ｆ2 ＋ｆ22にシフトした
レーザー光であり、同様に振幅強度をそれぞれＥ3 ，Ｅ
4 とすると、次式（５）、（６）のように表される。 Ｅ3 （ｔ）＝Ａ3ｅｘｐ（２π（ｆ2 ＋ｆ11）ｔ・ｉ＋φ3 ） ・・・（５） Ｅ4 （ｔ）＝Ａ4ｅｘｐ（２π（ｆ2 ＋ｆ22）ｔ・ｉ＋φ4 ） ・・・（６） ここで、Ａ3 ，Ａ4 は振幅、φ3 ，φ4 は初期位相であ
る。同様に、光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ3 は、 Ｉ3 （ｔ）＝｜Ｅ3 （ｔ）＋Ｅ4 （ｔ）｜2 ＝Ａ32＋Ａ42＋２Ａ1Ａ4ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋Δφ34）・・・（７） で表され、Δφ34＝φ3 −φ4 である。
【００２５】同様に、第３、第６の２波長光ＢＬ3 ，Ｂ
Ｌ6 の水平偏光光の光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ4
は、 Ｉ4 （ｔ）＝Ａ32＋Ａ42＋２Ａ3Ａ4ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋ Δφ34＋２πＬ2／λ2） ・・・（８） となり、Ｌ2 は波長λ2 のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。
Ｌ6 の水平偏光光の光ヘテロダイン干渉ビート信号Ｉ4
は、 Ｉ4 （ｔ）＝Ａ32＋Ａ42＋２Ａ3Ａ4ｃｏｓ（２πｆ0ｔ＋ Δφ34＋２πＬ2／λ2） ・・・（８） となり、Ｌ2 は波長λ2 のレーザー光が光学系内で生じ
る光路長差である。
【００２６】第５、第６の２波長光ＢＬ5 ，ＢＬ6 がウ
エハ面上の平坦面に入射した場合は、光学系内で生じる
光路長差Ｌ0 は一定値となり、ビート信号Ｉ1 （ｔ）と
Ｉ2（ｔ）の位相差φ10，ビート信号Ｉ3 （ｔ）とＩ4
（ｔ）の位相差φ20は固定値となる。
エハ面上の平坦面に入射した場合は、光学系内で生じる
光路長差Ｌ0 は一定値となり、ビート信号Ｉ1 （ｔ）と
Ｉ2（ｔ）の位相差φ10，ビート信号Ｉ3 （ｔ）とＩ4
（ｔ）の位相差φ20は固定値となる。
【００２７】図２は、縮小光学系１５，１６によりレー
ザー光のビームが絞られ、ビームスポット１７がウエハ
面上の段差パタンの上部に、ビームスポット１８がウエ
ハ面状の段差パタンの下部に入射した場合の段差部の拡
大図を示す。この場合、ビームスポット１７，１８が段
差の上部と下部に入射する場合とで光学系内で光路長差
が生じる。段差部の高さをｄとすると、ビート信号は、
前述の固定値φ10，φ20を考慮して上記式（４）、
（８）は、次式（９）、（１０）のように表される。 Ｉ2 （ｔ）＝Ａ12＋Ａ22＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ｛２πｆ0ｔ＋Δφ12＋ φ10＋２π（２ｄ）／λ1｝ ・・・（９） Ｉ4 （ｔ）＝Ａ32＋Ａ42＋２Ａ3Ａ4ｃｏｓ｛２πｆ0ｔ＋Δφ34＋ φ20＋２π（２ｄ）／λ2｝ ・・・（１０） ビート信号処理制御部２４では、ビート信号Ｉ1（ｔ）
とＩ3（ｔ）との位相差Φ13、ビート信号Ｉ2（ｔ）とＩ
4（ｔ）との位相差Φ24を算出する。 Φ13＝Δφ12−Δφ34 ・・・（１１） Φ24＝｛Δφ12＋φ10＋２π（２ｄ）／λ1｝−｛Δφ34＋φ20＋ ２π（２ｄ）／λ2｝ ・・・（１２）
ザー光のビームが絞られ、ビームスポット１７がウエハ
面上の段差パタンの上部に、ビームスポット１８がウエ
ハ面状の段差パタンの下部に入射した場合の段差部の拡
大図を示す。この場合、ビームスポット１７，１８が段
差の上部と下部に入射する場合とで光学系内で光路長差
が生じる。段差部の高さをｄとすると、ビート信号は、
前述の固定値φ10，φ20を考慮して上記式（４）、
（８）は、次式（９）、（１０）のように表される。 Ｉ2 （ｔ）＝Ａ12＋Ａ22＋２Ａ1Ａ2ｃｏｓ｛２πｆ0ｔ＋Δφ12＋ φ10＋２π（２ｄ）／λ1｝ ・・・（９） Ｉ4 （ｔ）＝Ａ32＋Ａ42＋２Ａ3Ａ4ｃｏｓ｛２πｆ0ｔ＋Δφ34＋ φ20＋２π（２ｄ）／λ2｝ ・・・（１０） ビート信号処理制御部２４では、ビート信号Ｉ1（ｔ）
とＩ3（ｔ）との位相差Φ13、ビート信号Ｉ2（ｔ）とＩ
4（ｔ）との位相差Φ24を算出する。 Φ13＝Δφ12−Δφ34 ・・・（１１） Φ24＝｛Δφ12＋φ10＋２π（２ｄ）／λ1｝−｛Δφ34＋φ20＋ ２π（２ｄ）／λ2｝ ・・・（１２）
【００２８】さらに、位相差Φ13と位相差Φ24との差を
演算することにより、ウエハ面上の段差ｄを求めること
ができる。 ΔΦ＝Φ13−Φ24 ＝（φ20−φ10）＋２π（２ｄ）／λ2−２π（２ｄ）／λ1 ＝（φ20−φ10）＋２π（２ｄ）（λ1−λ2）λ1λ2 ・・・（１３）
演算することにより、ウエハ面上の段差ｄを求めること
ができる。 ΔΦ＝Φ13−Φ24 ＝（φ20−φ10）＋２π（２ｄ）／λ2−２π（２ｄ）／λ1 ＝（φ20−φ10）＋２π（２ｄ）（λ1−λ2）λ1λ2 ・・・（１３）
【００２９】式（１３）から明らかなように、（φ20−
φ10）は固定値であるから位相差信号｛ΔΦ−（φ20−
φ10）｝は、段差ｄ＝λ1λ2／２（λ1−λ2）を周期と
して位相変化する。したがって、波長λ1 とλ2 を選択
することにより、段差測定範囲が決定される。例えば、
ＬＳＩのプロセスウエハでは、段差の測定範囲としては
最大１０μｍ程度あれば十分であり、λ1 ＝７９０ｎ
ｍ、λ2 ＝７７０ｎｍを選択すると、位相差信号｛ΔΦ
−（φ20−φ10）｝の周期は、約１５．２μｍとなる。
位相差検出分解能０．５°とすれば、約２１ｎｍの段差
検出分解能が得られる。なお、本実施の形態において
は、第１と第３のビート信号の位相差と、第２と第４の
ビート信号の位相差に基づいて被測定物の表面形状を算
出する例について述べたが、第１と第２のビート信号の
位相差と、第３と第４のビート信号の位相差を求め、こ
れらの位相差によっても同様に被測定物の表面形状を算
出することができる。
φ10）は固定値であるから位相差信号｛ΔΦ−（φ20−
φ10）｝は、段差ｄ＝λ1λ2／２（λ1−λ2）を周期と
して位相変化する。したがって、波長λ1 とλ2 を選択
することにより、段差測定範囲が決定される。例えば、
ＬＳＩのプロセスウエハでは、段差の測定範囲としては
最大１０μｍ程度あれば十分であり、λ1 ＝７９０ｎ
ｍ、λ2 ＝７７０ｎｍを選択すると、位相差信号｛ΔΦ
−（φ20−φ10）｝の周期は、約１５．２μｍとなる。
位相差検出分解能０．５°とすれば、約２１ｎｍの段差
検出分解能が得られる。なお、本実施の形態において
は、第１と第３のビート信号の位相差と、第２と第４の
ビート信号の位相差に基づいて被測定物の表面形状を算
出する例について述べたが、第１と第２のビート信号の
位相差と、第３と第４のビート信号の位相差を求め、こ
れらの位相差によっても同様に被測定物の表面形状を算
出することができる。
【００３０】図３は本発明の他の実施の形態を示す概略
構成図である。この実施の形態は、Ｘ線露光におけるマ
スク・ウエハ間のギャップ測定器として用いた例を示
す。同図において、２５はＸ線マスク、２６はメンブレ
ン部である。ギャップ測定装置全体の光学系、機構部、
回路系等の構成要素については、図１に示した上記実施
の形態である段差測定器と同一であるため、同一構成部
材等についてはその説明を省略する。
構成図である。この実施の形態は、Ｘ線露光におけるマ
スク・ウエハ間のギャップ測定器として用いた例を示
す。同図において、２５はＸ線マスク、２６はメンブレ
ン部である。ギャップ測定装置全体の光学系、機構部、
回路系等の構成要素については、図１に示した上記実施
の形態である段差測定器と同一であるため、同一構成部
材等についてはその説明を省略する。
【００３１】図４はマスク・ウエハ間のギャップの拡大
図である。同図において、２７はＸ線吸収体からなるマ
スクパタンである。レーザー光ＢＬ5 は、マスクの吸収
体からなるマスクパタン２７に当たって反射し、レーザ
ー光ＢＬ6 は、メンブレン部２６を透過してウエハ面に
入射し、ウエハ面からの反射光を利用する。したがっ
て、マスク面とウエハ面との隙間、すなわちギャップを
ｌとすると、マスク面からの反射光とウエハ面からの反
射光には２ｌの光路長差が生じる。したがって、上記し
た実施の形態における段差測定と同様に、式（１３）に
より、マスク・ウエハ間のギャップ測定が可能である。
図である。同図において、２７はＸ線吸収体からなるマ
スクパタンである。レーザー光ＢＬ5 は、マスクの吸収
体からなるマスクパタン２７に当たって反射し、レーザ
ー光ＢＬ6 は、メンブレン部２６を透過してウエハ面に
入射し、ウエハ面からの反射光を利用する。したがっ
て、マスク面とウエハ面との隙間、すなわちギャップを
ｌとすると、マスク面からの反射光とウエハ面からの反
射光には２ｌの光路長差が生じる。したがって、上記し
た実施の形態における段差測定と同様に、式（１３）に
より、マスク・ウエハ間のギャップ測定が可能である。
【００３２】上記した実施の形態において、いずれも光
学系全体を同一プリント基板からなる光学ステージ上に
配置し、光学ステージを任意のｘ、ｙ方向に移動させる
ことにより、マスクおよびウエハ上の任意の位置での段
差あるいはギャップの測定が可能である。また、段差測
定において、ウエハステージ２０を任意のｘ、ｙ方向に
移動させて任意の位置でのウエハ面の段差を測定するこ
とはいうまでもない。
学系全体を同一プリント基板からなる光学ステージ上に
配置し、光学ステージを任意のｘ、ｙ方向に移動させる
ことにより、マスクおよびウエハ上の任意の位置での段
差あるいはギャップの測定が可能である。また、段差測
定において、ウエハステージ２０を任意のｘ、ｙ方向に
移動させて任意の位置でのウエハ面の段差を測定するこ
とはいうまでもない。
【００３３】また、上記した実施の形態においては、い
ずれも２つの音響光学素子８，９を用いて周波数シフト
させる方法を示したが、本発明はこれに特定されるもの
ではなく、何れか一方を用いて片側のレーザー光のみを
周波数シフトさせる方法を用いても同一の効果が得られ
る。ただし、２つ用いた場合はビート信号の周波数を任
意に変えることができ、低い周波数とすることができ
る。また、試料面に入射する第５、第６の２周波光ＢＬ
5 ，ＢＬ6 の何れか一方について、試料面に入射させな
いで、無偏光ビームスプリッター１３とウエハ１９との
間の光路中に反射ミラーを設けてレーザービームを反射
させて干渉させるようにして基準のレーザービームとし
て、試料面に１つのレーザービームのみを入射させるよ
うにしてもよい。特に、２つのレーザービームを試料面
に入射させた場合は、２つのビームスポットと平行に段
差が有る場合に測定困難となるが、１つの場合なその心
配がない。
ずれも２つの音響光学素子８，９を用いて周波数シフト
させる方法を示したが、本発明はこれに特定されるもの
ではなく、何れか一方を用いて片側のレーザー光のみを
周波数シフトさせる方法を用いても同一の効果が得られ
る。ただし、２つ用いた場合はビート信号の周波数を任
意に変えることができ、低い周波数とすることができ
る。また、試料面に入射する第５、第６の２周波光ＢＬ
5 ，ＢＬ6 の何れか一方について、試料面に入射させな
いで、無偏光ビームスプリッター１３とウエハ１９との
間の光路中に反射ミラーを設けてレーザービームを反射
させて干渉させるようにして基準のレーザービームとし
て、試料面に１つのレーザービームのみを入射させるよ
うにしてもよい。特に、２つのレーザービームを試料面
に入射させた場合は、２つのビームスポットと平行に段
差が有る場合に測定困難となるが、１つの場合なその心
配がない。
【００３４】また、上記した実施の形態においては、い
ずれも２つの縮小光学系１５，１６により光のビーム形
状を縮小して試料面に入射させる方法を示したが、何れ
か一方を用いて片側のレーザー光のみ縮小させる方法、
あるいは何れも縮小させない方法を用いても同様の効果
が得られる。さらに、干渉光分離手段として１つの偏光
ビームスプリッター２１を用いたが、２つ用いて第３、
第６の２波長光ＢＬ3 ，ＢＬ6 と第４、第５の２波長光
ＢＬ4 ，ＢＬ5 をそれぞれ偏光面の異なった光ヘテロダ
イン干渉光に分離するようにしてもよい。
ずれも２つの縮小光学系１５，１６により光のビーム形
状を縮小して試料面に入射させる方法を示したが、何れ
か一方を用いて片側のレーザー光のみ縮小させる方法、
あるいは何れも縮小させない方法を用いても同様の効果
が得られる。さらに、干渉光分離手段として１つの偏光
ビームスプリッター２１を用いたが、２つ用いて第３、
第６の２波長光ＢＬ3 ，ＢＬ6 と第４、第５の２波長光
ＢＬ4 ，ＢＬ5 をそれぞれ偏光面の異なった光ヘテロダ
イン干渉光に分離するようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る表面形
状測定方法および表面形状測定器は、偏光面が互いに直
交し周波数が異なる２周波光を発生し、この２周波光を
第１、第２の２周波光に分離し、第１、第２の２周波光
の少なくともいずれか一方の周波数をシフトさせ、前記
第１の２周波光を２つに分割して第３、第４の２周波光
を生成し、前記第２の２周波光を２つに分割して第５、
第６の２周波光を生成し、第５、第６の２周波光を被測
定物体上に入射させ、前記第３、第４の２周波光と前記
被測定物体によって反射された第５、第６の２周波光を
それぞれ合成し、前記第３と第６の２周波光の合成によ
って得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第
１、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３
のビート信号を求めるとともに、前記第４と第５の２周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏
光面の異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、第２、第４のビート信号を求め、第１と第３のビー
ト信号の位相差および第２と第４のビート信号の位相差
に基づいて前記被測定物の表面形状を算出するようにし
たので、ウエハ表面の段差形状やマスク・ウエハ間のギ
ャップを非接触で直接計測できる。その結果として、表
面を汚染することがなく、また誤差要因の発生がなく、
表面形状を高精度に測定することができる。
状測定方法および表面形状測定器は、偏光面が互いに直
交し周波数が異なる２周波光を発生し、この２周波光を
第１、第２の２周波光に分離し、第１、第２の２周波光
の少なくともいずれか一方の周波数をシフトさせ、前記
第１の２周波光を２つに分割して第３、第４の２周波光
を生成し、前記第２の２周波光を２つに分割して第５、
第６の２周波光を生成し、第５、第６の２周波光を被測
定物体上に入射させ、前記第３、第４の２周波光と前記
被測定物体によって反射された第５、第６の２周波光を
それぞれ合成し、前記第３と第６の２周波光の合成によ
って得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第
１、第３の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第１、第３
のビート信号を求めるとともに、前記第４と第５の２周
波光の合成によって得られた光ヘテロダイン干渉光を偏
光面の異なる第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離
し、第２、第４のビート信号を求め、第１と第３のビー
ト信号の位相差および第２と第４のビート信号の位相差
に基づいて前記被測定物の表面形状を算出するようにし
たので、ウエハ表面の段差形状やマスク・ウエハ間のギ
ャップを非接触で直接計測できる。その結果として、表
面を汚染することがなく、また誤差要因の発生がなく、
表面形状を高精度に測定することができる。
【００３６】また、２つのレーザービームを試料面に入
射させたとき、段差が２つのビームスポットと平行な場
合に段差の測定ができなくなるが、第５、第６の２周波
光の何れか一方のみを試料面に入射し、他方を被測定物
上に入射させないで反射ミラーにより反射させて第３あ
るいは第４の２周波光と合成し、この合成されたレーザ
ービームを基準のレーザービームとして用いると、上記
した問題を解決することができる。また、本発明は第
１、第２の２周波光をそれぞれ異なる周波数で周波数シ
フトさせるようにしたので、ビート信号の周波数を任意
に変えることができ、低い周波数とすることができる。
射させたとき、段差が２つのビームスポットと平行な場
合に段差の測定ができなくなるが、第５、第６の２周波
光の何れか一方のみを試料面に入射し、他方を被測定物
上に入射させないで反射ミラーにより反射させて第３あ
るいは第４の２周波光と合成し、この合成されたレーザ
ービームを基準のレーザービームとして用いると、上記
した問題を解決することができる。また、本発明は第
１、第２の２周波光をそれぞれ異なる周波数で周波数シ
フトさせるようにしたので、ビート信号の周波数を任意
に変えることができ、低い周波数とすることができる。
【図１】 本発明を段差測定に用いられる表面形状測定
器に適用した場合の一実施の形態を示す概略構成図であ
る。
器に適用した場合の一実施の形態を示す概略構成図であ
る。
【図２】 段差部の拡大図である。
【図３】 本発明をウエハ・マスク間のギャップ測定器
に適用した場合の実施の形態を示す概略構成図である。
に適用した場合の実施の形態を示す概略構成図である。
【図４】 ギャップの拡大図である。
【図５】 従来の段差測定装置の概略構成図である。
【図６】 探査針がウエハと接触している部分の拡大図
である。
である。
【図７】 段差検出信号の出力例を示す図である。
【図８】 従来のＸ線露光におけるギャップ計測装置の
概略構成図である。
概略構成図である。
【図９】 対物レンズ付近の拡大図である。
１，２…レーザー光源、３…１／２波長板、４，７，１
２，１４…反射ミラー５，２１…偏光ビームスプリッタ
ー、６，１３…無偏光ビームスプリッター、８，９…音
響光学素子、１０，１１…平行プリズム、１５，１６…
縮小光学系、１７，１８…ウエハ面上のビームスポッ
ト、１９…ウエハ、２０…ウエハステージ、２２，２３
…２分割ディテクター、２４…ビート信号処理制御部、
２５…Ｘ線マスク、２６…メンブレン部、２７…マスク
パタン、３０…探査針。
２，１４…反射ミラー５，２１…偏光ビームスプリッタ
ー、６，１３…無偏光ビームスプリッター、８，９…音
響光学素子、１０，１１…平行プリズム、１５，１６…
縮小光学系、１７，１８…ウエハ面上のビームスポッ
ト、１９…ウエハ、２０…ウエハステージ、２２，２３
…２分割ディテクター、２４…ビート信号処理制御部、
２５…Ｘ線マスク、２６…メンブレン部、２７…マスク
パタン、３０…探査針。
Claims (10)
- 【請求項１】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光を発生し、この２周波光を第１、第２の２周波光
に分離し、第１、第２の２周波光の少なくともいずれか
一方の周波数をシフトさせ、前記第１の２周波光を２つ
に分割して第３、第４の２周波光を生成し、前記第２の
２周波光を２つに分割して第５、第６の２周波光を生成
し、第５、第６の２周波光を被測定物体上に入射させ、
前記第３、第４の２周波光と前記被測定物体によって反
射された第５、第６の２周波光をそれぞれ合成し、前記
第３と第６の２周波光の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロダ
イン干渉光に分離し、第１、第３のビート信号を求める
とともに、前記第４と第５の２周波光の合成によって得
られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第２、第
４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、第４のビー
ト信号を求め、第１と第３のビート信号の位相差および
第２と第４のビート信号の位相差に基づいて前記被測定
物の表面形状を算出することを特徴とする表面形状測定
方法。 - 【請求項２】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光を発生し、この２周波光を第１、第２の２周波光
に分離し、第１、第２の２周波光の少なくともいずれか
一方の周波数をシフトさせ、前記第１の２周波光を２つ
に分割して第３、第４の２周波光を生成し、前記第２の
２周波光を２つに分割して第５、第６の２周波光を生成
し、第５、第６の２周波光を被測定物体上に入射させ、
前記第３、第４の２周波光と前記被測定物体によって反
射された第５、第６の２周波光をそれぞれ合成し、前記
第３と第６の２周波光の合成によって得られた光ヘテロ
ダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロダ
イン干渉光に分離し、第１、第３のビート信号を求める
とともに、前記第４と第５の２周波光の合成によって得
られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異なる第２、第
４の光ヘテロダイン干渉光に分離し、第２、第４のビー
ト信号を求め、第１と第２のビート信号の位相差および
第３と第４のビート信号の位相差に基づいて前記被測定
物の表面形状を算出することを特徴とする表面形状測定
方法。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の表面形状測定方
法において、第５、第６の２周波光の何れか一方を被測
定物上に入射させないで反射ミラーにより反射させて第
３あるいは第４の２周波光と合成させることを特徴とす
る表面形状測定方法。 - 【請求項４】 請求項１，２または３記載の表面形状測
定方法において、第１、第２の２周波光をそれぞれ異な
る周波数で周波数シフトさせることを特徴とする表面形
状測定方法。 - 【請求項５】 請求項１，２，３または４記載の表面形
状測定方法において、被測定物体上に入射する２周波光
のビーム形状を縮小光学系により縮小することを特徴と
する表面形状測定方法。 - 【請求項６】 偏光面が互いに直交し周波数が異なる２
周波光を発生させる２周波光発生手段と、この２周波光
を第１、第２の２周波光に分割する第１の２周波光分割
手段と、第１、第２の２周波光の少なくとも何れか一方
の周波数をシフトさせる周波数シフト手段と、被測定物
体が載置されるステージと、前記第１の２周波光を第
３、第４の２周波光に分割する第２の２周波光分割手段
と、前記第２の２周波光を第５、第６の周波光に分割す
る第３の２周波光分割手段と、前記第５、第６の２周波
光を被測定物体上に入射させる入射手段と、前記第３、
第４の２周波光と前記測定物体によって反射された第
５、第６の２周波光をそれぞれ合成する光合成手段と、
前記第３と第６の２周波光の合成により得られた光ヘテ
ロダイン干渉光を偏光面の異なる第１、第３の光ヘテロ
ダイン干渉光に分離し、前記第４と第５の２周波光の合
成により得られた光ヘテロダイン干渉光を偏光面の異な
る第２、第４の光ヘテロダイン干渉光に分離する干渉光
分離手段と、第１、第３の光ヘテロダイン干渉光からそ
れぞれ独立に第１、第３のビート信号を検出するととも
に第２、第４の光ヘテロダイン干渉光からそれぞれ独立
に第２、第４のビート信号を検出する信号検出手段と、
第１と第３のビート信号の位相差および第２と第４のビ
ート信号の位相差、もしくは第１と第２のビート信号の
位相差および第３と第４のビート信号の位相差に基づい
て前記被測定物体の表面形状を算出する信号処理制御手
段とを備えたことを特徴とする表面形状測定器。 - 【請求項７】 請求項６記載の表面形状測定器におい
て、第５、第６の２周波光のいずれか一方を被測定物体
上に入射させないで第３あるいは第４の２周波光と合成
させる反射光学手段を備えたことを特徴とする表面形状
測定器。 - 【請求項８】 請求項６または７記載の表面形状測定器
において、第１、第２の２周波光をそれぞれ異なる周波
数で周波数シフトさせる周波数シフト手段を備えたこと
を特徴とする表面形状測定器。 - 【請求項９】 請求項６，７または８記載の表面形状測
定器において、被測定物体に入射する２周波光のビーム
形状を縮小する縮小光学手段を備えたことを特徴とする
表面形状測定器。 - 【請求項１０】 請求項６，７，８または９記載の表面
形状測定器において、２周波光発生手段、第１、第２、
第３の２周波光分割手段、周波数シフト手段、入射手
段、光合成手段、第１、第２の干渉光分離手段、および
信号検出手段が同一の光学系ステージ上に配置され、こ
の光学系ステージは被測定物体の表面に対して平行な方
向に移動可能であることを特徴とする表面形状測定器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34062095A JP3184914B2 (ja) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | 表面形状測定方法および表面形状測定器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34062095A JP3184914B2 (ja) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | 表面形状測定方法および表面形状測定器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09178451A true JPH09178451A (ja) | 1997-07-11 |
| JP3184914B2 JP3184914B2 (ja) | 2001-07-09 |
Family
ID=18338723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34062095A Expired - Fee Related JP3184914B2 (ja) | 1995-12-27 | 1995-12-27 | 表面形状測定方法および表面形状測定器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3184914B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009078616A3 (en) * | 2007-12-14 | 2009-08-13 | Intekplus Co Ltd | Three-dimensional shape measuring apparatus |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115077424B (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-04 | 南昌昂坤半导体设备有限公司 | 一种实时晶圆片表面曲率检测装置及方法 |
-
1995
- 1995-12-27 JP JP34062095A patent/JP3184914B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009078616A3 (en) * | 2007-12-14 | 2009-08-13 | Intekplus Co Ltd | Three-dimensional shape measuring apparatus |
| KR100939538B1 (ko) * | 2007-12-14 | 2010-02-03 | (주) 인텍플러스 | 입체 형상 측정 장치 |
| JP2011518312A (ja) * | 2007-12-14 | 2011-06-23 | インテクプラス カンパニー、リミテッド | 立体形状測定装置 |
| TWI397669B (zh) * | 2007-12-14 | 2013-06-01 | Intekplus Co Ltd | 三維形狀測量裝置 |
| US8493570B2 (en) | 2007-12-14 | 2013-07-23 | Intekplus Co., Ltd. | Three-dimensional shape measuring apparatus |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3184914B2 (ja) | 2001-07-09 |
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