JP2006214823A

JP2006214823A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JP2006214823A
Application number: JP2005026733A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Yoshimori; 久吉森
Original assignee: Iwate University
Current assignee: Iwate University
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: JP4613310B2

Abstract

【課題】高い分解能が通常の環境で達成される走査の提供
【解決手段】２重共有干渉計は、２つのヘテロダイン共有干渉計で構成されている。テスト表面（ＳＵＴ）１３８は、一直線上の等距離にある３点で照射され、隣接する２点間の高さの差を１対の位相計１３２，１３４で計測する。
試料と３つのビームとの走査としては、ステージ１４０により、等間隔ごとに前記位相差信号を計測して位相差のデータを記憶しながら、走査の出発点まで戻る閉じた走査を行う。
走査の出発点と終点とが同じ高さであることを用いて、位相計間の高さの相対的誤差を得ることができるので、相対的誤差を較正して試料の表面形状を得ることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、物体表面形状計測に関するものであり、複数の測定点の高さの差により、物体表面を走査して表面形状を得ることに関するものである。

シリコン・ウェファ，オプティカル・フラット（光学的平面），シンクロトロン用かすめ入射鏡(grazing incidence mirror)のような大規模な工業製品の表面形状の精密な計測への強い需要がある。シリコン・ウェファの大きさは、現在直径３００ｍｍまで大きくなっており、かすめ入射鏡の長さは１ｍ以上に達している。
表面の形状を計測するために通常使用されている光学装置は、フィゾ干渉計（Fizeau interferometer）である。フィゾ干渉計は、干渉縞パターンを解析することで、テスト表面（surface under test:ＳＵＴ）と参照光学的平面（reference optical flat:ＲＯＦ）との間の断面の差を求めている。しかしながら、いくつかのフィゾ干渉計は、断面の不確定性（面精度）がλ／１００（例えば、λが６３３ｎｍの場合は６．３３ｎｍの精度）より小さいＲＯＦを備えているが、商業的に入手可能な装置に備えられている通常のＲＯＦの不確定性は、λ／２０（同様に、３１．６５ｎｍの精度）程度である。また、ＲＯＦの最大のサイズは現在直径３５０ｍｍである。このように、ＲＯＦのサイズと正確性が、ＳＵＴのサイズと計測の正確性を制限している。

フィゾ干渉計は、機械的振動による好ましくない影響を防ぐために、剛性の高い、安定した構造が必要である。このため、光路は共通の軸方向に合わせているが、ＳＵＴとＲＯＦは独立して設置されている。フィゾ干渉計は全てのＳＵＴを同時に計測できるが、計測感度は、移相法（phase shift method）（縞走査法（fringe scan method））と呼ばれることもある）などの縞模様分析（fringe pattern analysis）の方法およびフーリエ変換法に依存している。移相法による計測感度はλ／１００と報告されている。
かすめ入射鏡（grazing incidence mirror）のような大きなサイズの計測に対して、ロングトレースプロファイラ（long trace profiler：ＬＴＰ）が開発された。この計測器は、ＳＵＴを照射する単一のビームで走査し、フーリエ変換レンズの角度位置変換に基づいて、傾き断面を計測する。５００ｍｍ長の鏡が、温度を摂氏±０．１度内に制御することで、高さを標準偏差４．６ｎｍで計測されたことが最近報告されている。

上述したフィゾ干渉計固有の問題を解決する方法の１つに、共有干渉法（sharing interferometry）がある。これはＲＯＦが必要ないからである。共有干渉計は、横方向にシフトした２つのプローブビームを使用し、これらのビームの干渉信号から表面形状の差分を計測する。このタイプの干渉計は、ヘテロダイン検出技術を用いることができる。この検出技術は、相縞模様分析と比較すると１桁以上の高い感度を得ることができる。しかしながら、全ての表面形状を得るためには、ＳＵＴに対する機械的走査が必要であり、走査ステージの傾きの影響が表面形状の小さな変動を覆ってしまう。この理由で、従来の共有干渉法では、サブナノメータの表面形状が未だに得られていない。
共有干渉法の例として、共有へテロダイン干渉計で、中心に１つのセンサを置き、そのまわりをもう一つのセンサを回転させることで校正を行い、環境に対するロバスト性を高めることが行われている（非特許文献１参照）。しかし、校正のために３６０度回転させた際に、同一地点にもどることを条件としていない（校正時のループを完全に閉じていない）ために、上記に示すような面精度に留まり、サブナノレベルの精度が得られていない。
また、直線度や平面度をナノメートルからサブナノメートルの精度で測定する共有干渉計で、直交２周波レーザ光を平行な２光束に分離してそれぞれの光束に対しヘテロダイン方式の共有干渉計を構成し、さらにそれぞれの干渉計の片方のアームが試料面上で重なるごとく２つの干渉計を配置するものがある（非特許文献３、特許文献１参照）。この結果、２つのシヤリング干渉計は試料平面上の一直線上に並んだ等間隔の３点を照射し、それぞれ２点間の高さの差を測定することにより、試料面の移動の際に発生する試料面チルトによる誤差を補正できる。これは、等間隔の３点が直線上にあることが特徴である。
円弧状あるいは渦巻状の曲線の走引で平面度をナノメータからサブナノメータの感度で測定する３点シヤリングヘテロダイン干渉計もある（特許文献２参照）。この構成は、直交２周波レーザ光を２つの光路に分割し、各々の光路に旋光素子と偏光を２つの進行方向に分岐する素子をもうけ、該素子を通過した２つの光路の２組の偏光を３本の光束になるように合波すると共に前記の素子を通過する偏光の方位を変化させて３本の光束の進行方向を制御して任意の曲線上に３点がおかれる。
直交２周波レーザを光源とした２組のシヤリング干渉計を両者の一方の光束が一致するごとく組み合わせて３点から成るシヤリング干渉計を構成し、３点間つまり２つの光路差を計り被測定面の凹凸と被側面の移動に伴う誤差を同時に測定する（特許文献３参照）。これで、直線度や曲線に沿った面の凹凸をナノメータからサブナノメータの精度で測定することができる。
しかしながら、これらの文献では、２つの干渉計間の相対誤差について何も触れていないことから、上記に示すような面精度に留まっている。
また、測定点の高さの差を測定して、表面形状を得ることは、上述した光干渉計ばかりでなく、機械的な例えば静電容量型変位計を用いる方法もよく知られており、同様の問題が存在している（非特許文献２参照）。
Gary E. Sommargren, "Optical heterodyne profilometry" Applied Optics Vol. 20, No. 4 pp.610-618 15 February 1981 山口城治「改良逐次３点法による直線運動精度の計測」精密工学会誌第５９巻第５号ｐ．７１−７６（１９９３年） T Yokoyama et. al "Sub-nanometer double shearing heterodyne interferometry for profiling large scale planar surfaces", Measurement Science and Technology 15(2004)1-9 特開２００１−１６５６４０号公報特開２００３−２６９９１０号公報特開２００４−１７７３９２号公報

本発明の目的は、測定点間の高さの差を計測して表面形状を得るときに、相対誤差による影響がなく、高い分解能が達成される走査による測定を提供することにある。

前記目的を達成するために、当該発明は、複数のセンサにより試料と該センサ間の高さの差を得て試料の表面形状を得る表面形状測定装置であって、前記試料と前記複数のセンサとを相対的に移動して試料表面を走査するための走査部を有し、該走査部は、等間隔ごとに高さの差のデータを記憶しながら走査の出発点まで戻り、出発点を終点とする閉じた走査を行い、出発点と終点とが同じ高さであることを用いて、前記センサ間の高さの相対的誤差を得て、該相対誤差を較正して試料の表面形状を得ることを特徴とする。
前記表面形状測定装置は、共振器ミラー異方性により、偏光間で周波数差のあるレーザ光源と、該光源のビームから参照ビームを取り出すスプリッタと、該参照ビームから、偏光間の参照ビート信号を取り出すフォトダイオードと、該スプリッタからのビームを、平行する２つのビームとする平行板と、該２つの平行ビームをそれぞれ等間隔の２つのビームとして、そのうち１つは重なるように出力する光学子と、該光学子からの３つのビームを試料表面に当て、反射するビームを前記光学子を介して再度２つのビームとし、該ビームからビート信号を取り出すフォトダイオードと、前記参照ビート信号と、２つのビート信号を入力して位相差信号を取り出す２つの位相計と、前記試料を乗せ、前記３つのビームとの間で相対的に移動して、前記ビームにより試料表面の走査を行うステージとを備え、前記試料と前記３つのビームとの走査は、等間隔ごとに前記位相差信号を計測して位相差のデータを記憶しながら走査の出発点まで戻り、出発点を終点とする閉じた走査であり、出発点と終点とが同じ高さであることを用いて、前記２つの位相計間の相対的誤差を得て、該相対的誤差を較正して試料の表面形状を得ることを特徴とする、２重共有ヘテロダイン干渉計を用いるとよい。

本発明の表面形状計測装置は、閉じた走査を行うことにより、相対誤差の走査を終了した時点で計算して、取り除いて表面形状を得ることができる。
また、２重共有ヘテロダイン干渉計は、閉じた走査を行うことにより、２つの干渉計間の相対誤差による影響がなく、サブナノメータの解像度で断面を得ることができる。本発明の２重共有ヘテロダイン干渉計は、１対の共通光路共有干渉計で構成されている。このため、機械的振動及び温度変化の影響はほとんど相殺される。この光学構成とヘテロダイン検出に基づき、本発明の２重共有ヘテロダイン干渉計では、サブナノメータのオーダの感度と計測環境の乱れに対しても大丈夫な計測とを実現している。

この発明の実施形態では、２重共有ヘテロダイン干渉法（double sharing heterodyne interferometry）と名づけた干渉法による計測方法を用いている。この計測方法は、２つのヘテロダイン共有干渉計で構成されている。ここで、テスト表面（surface under test:ＳＵＴ)は、１対の共有干渉計により、走査上の等距離にある３点で照射され、隣接する２点間の高さの差を計測する。計測された高さの差への走査ステージの傾きの寄与は、２つの干渉計間の相対誤差が、出発点に戻る閉じた走査により求められるので、相殺することができる。このように、２次の差分を得て、ＳＵＴの断面を求めることができる。各共有干渉計において、２つのプローブ・ビームが、異方性一軸結晶（anisotropic uniaxial crystal：ＡＵＣ）をビーム・スプリッタとして用いて、ほとんど共通の光路を進む。共通光路の構成のために、機械的振動や空気の乱れによる屈折率の揺らぎの影響は、実質的に相殺される。その上、２つの共有干渉計の温度による変化もまた、適切な減算処理により相殺される。
以下で、実施形態に用いた１対の共有干渉計で構成された２重共有ヘテロダイン干渉計について、詳しく説明する。

光学システムの概要は、図１に示されている。システムの光源は、周波数安定化横ゼーマンＨｅ−Ｎｅレーザ（frequency-stabilized transversal Zeeman He-Ne laser）（λ＝６３３ｎｍ）１１０である。出力パワーは２ｍＷで、ビーム直径（ピーク強度のｅ^−２）は０．８ｍｍである。出力光は直線偏光であり、偏光方向はゼーマン効果により、直交している。共振器ミラー異方性による２つの直交光間の周波数差は、約１９０ｋＨｚである。

半波長板（half wave plate：ＨＷＰ）１１２を通過後、レーザ光の半分はビームスプリッタ（ＢＳ）１１４で反射され、直交偏光場は偏光子（ＰＬ）１１６と結合し、ＰＩＤフォトダイオード（ＰＤ）１１８で検出される。そして、参照ビート信号（周波数１９０ｋＨｚ）は、検出器の２乗則によりＰＤ１１８で生成される。ＢＳ１１４を透過したレーザ光は、平行板（parallel plate）１２０で２つの平行するビームに分割される。この２つのビームの空間分離は、計測器のサンプリング間隔ΔＸに等しい。これらの平行ビームは他のＢＳを介して伝達される。各ビームは、異方性一軸結晶（anisotropic uniaxial crystal：ＡＵＣ）１３６で、さらに正規光（ordinary ray）と非正規光（extraordinary ray）（図１では。それぞれｏとｅで表示されている）に分割される。ＡＵＣ１３６の大きさは、正規光と非正規光間の離間距離がΔＸと同じになるように設計されている。ＡＵＣ，Ｎの光軸は、２つの入射平行ビームが含まれる平面中に設定されるので、２対の正規光と非正規光は同じ平面中にある。一つの入力ビームからの正規光と他の入力ビームからの非正規光は、ＡＵＣ１３６の出力端で重畳される。このため、ＡＵＣ１３６の出力は、平行する３つのビームで構成される。この３つのビームは、ＳＵＴ１３８上の、走査上の等間隔に位置する３つの点、Ｘ_ｎ−１，Ｘ_ｎ，Ｘ_ｎ＋１を照射する。

ＨＷＰ１１２は回転するので、２つの直交した偏光の１つの方向は、Ｎと入力ビームを含む平面中にある。このことにより、１つの偏光が正規光となり、他の偏光が非正規光となることを実現する。このように、各対の正規および非正規の光が、周波数差が１９０ｋＨｚである共有干渉計のヘテロダイン・プローブを形成している。ＡＵＣ１３６の出力ビームはＳＵＴ１３８で反射され、正規および非正規の１対の光は、ＡＵＣ１３６の前端で再び重畳される。そして、各重畳されたビームは、２の周波数成分を含み、ＳＵＴ１３８上の２つの隣接したスポットの干渉情報を担っている。このように、光学構成は、Ｘ_ｎ−１とＸ_ｎとの間及びＸ_ｎとＸ_ｎ＋１との間の高さの差を計測する、２つのヘテロダイン共有干渉計を形成している。

ＢＳ１２２で反射後、各ビームの２つの周波数成分はＰＬ１２４，１２６で結合し、アバランシェ・フォトダイオード（avalanche photo diode：ＡＰＤ）１２８，１３０で、周波数１９０ｋＨｚのビート信号を生成して、検出される。参照ビート信号とこれらのビート信号との相対的位相差は、２つの位相計（ＰＭＡ及びＰＭＢ）１３２，１３４で計測され、走査ステージのΔＸ動作ごとにコンピュータ（図示せず）に記憶される。

＜断面取得＞
位置Ｘ_ｎ−１，Ｘ_ｎ及びＸ_ｎ＋１における高さのサンプルは、図１に示すように、それぞれＺ_ｎ−１，Ｚ_ｎ及びＺ_ｎ＋１とする。高さの差ΔＺ_ｎ−１及びΔＺ_ｎは下に示すように定義される。

Ｘ_ｎ−１とＸ_ｎとの間及びＸ_ｎとＸ_ｎ＋１との間の、計測された高さの差は、それぞれΔＺ_Ａ（ｎ）とΔＺ_Ｂ（ｎ）と表される。走査ステージの傾きがΔＸに対してΔＴ_ｎのとき、計測された高さの差は、高さの差ΔＺ_ｎ−１及びΔＺ_ｎに加えて、ΔＴ_ｎを含む。そのため、ΔＺ_Ａ（ｎ）とΔＺ_Ｂ（ｎ）は、下に示すように表される。

ここで、式（２．２）に現れるΔＺ_ｅｒは、２つの独立した干渉計の間の相対的誤差を表している。この誤差は、初期段階の較正処理で導入される。
式（２．１）と（２．２）から、下に示すような再帰的な式が得られる。

そして、ΔＺ_ｎは下のように表される。

サンプルの高さＺ_ｎは、式（１．１）から与えられ、下のようになる。

そして、Ｚ_ｎは式（４）と式（５）から求められる。Ｚ_ｎに対する最終表現は以下のようになる。

ステージの傾きΔＴ_ｎは、式（２．１）及び式（４）から求められる。

式（４）から式（７）において、Ｚ_０は点Ｘ_０における初期高さであり、ΔＺ_０は、Ｘ_０とＸ_１との初期高さの差である。断面の取得に関して、Ｚ_０およびΔＺ_０は、一般性を失わずにどんな値を選んでもよいことに留意されたい。これは、これらが高さと傾きの原点に過ぎないからである。また、相対誤差ΔＺ_ｅｒは、多項式における２次の偏り（式（６）参照）を断面Ｚ_ｎに与えることに注目されたい。また、相対誤差ΔＺ_ｅｒはステージ傾きΔＴ_ｎに対して、多項式における１次の偏り（式（７）参照）を与えている。

ΔＺ_ｅｒの真の値を決定するためには、完全に平坦な平面を用いて、２つの独立した干渉計の出力信号を比較することが必要である。しかしながら、このような参照平面を提供することは実際的ではない。このため本発明では、ΔＺ_ｅｒの値を計算するため、走査として、出発点に戻るような、閉じた走査を行う（閉ループ法）ことを特徴とする。例えば、ステージを回転させ、走査を円周状に行う。このようにすると、式（６）において、同じ点に戻ることなので、出発点と終点の高さは同じであり、Ｚ_０＝Ｚ_Ｎとおいて、

この式（８）を、そのときまでの計測された位相計から計測値であるΔＺ_Ａ（ｉ），ΔＺ_Ｂ（ｉ）（ｉ＝０，…，Ｎ）を用いて計算を行うことで、ΔＺ_ｅｒを計算できる。この計算で得られたΔＺ_ｅｒを用いて、式（６）から誤差を補正した高さＺ_ｎを得ることができる。また、式（７）から傾きΔＴ_ｎも求まることになる。
この操作により、原理的には光子雑音限界で決まる位相（表面変位）測定精度が達成できる。例えば、現在市販されている高性能なロックインアンプ（ＮＦ社製６５１０）を使用した場合の位相測定精度は０．１°であることから、光源波長λを６３３ｎｍとしたとき、約０．１ｎｍ（６３３ｎｍ／２×０．１°／３６０°＝０．０８７９≒０．１ｎｍ）の変位分解能が得られることを表している。

図２は、仮定した形状を周回測定（閉ループ法による円周状の走査）によりシミュレーションした結果を示す図である。図２の図中で“元”が仮定した試料形状（放物線形状）であり、“Zerr推定”は非特許文献３と同じ手法で、試料を平均的には平坦と仮定し、最小２乗法によって干渉計の相対位相Zerを推定したときの形状再現結果である。これは仮定した試料形状とはかけ離れていることが分かる。また、“周回測定”は閉ループ法によってZerをその場で校正し、試料形状を再現したものを多少ずらしてプロットしているものである。仮定した試料形状が再現されていることが分かる。なお、当該仮定試料を載せたステージにチルト変動を加えたシミュレーションも行ったが、チルト変動は分離して測定され、試料形状には影響が見られなかった。
＜閉じた走査（閉ループ法）について＞
上述の走査として、円周状に行うことを例として述べたが、それに限られず、走査の出発点と終点とが一致する走査であればよい。例えば、２軸のターンテーブル上に試料を乗せて計測してもよい。
＜他の計測法への適用＞
上述の実施形態では、２重共有ヘテロダイン干渉装置を用いている。しかしながら、上述の閉じた走査（閉ループ法）による表面形状の測定は、試料に対して計測点の走査を行い、等間隔ごとに計測点の高さの差信号で表面形状を計測する場合に適用可能である。例えば、逐次３点法として知られている計測法（例えば、静電容量型変位計を用いたものとして、上述の非特許文献２を参照されたい）の場合でも適用可能である。

実施形態の２重共有干渉計の構成を示す図である。仮定した形状を周回測定によりシミュレーションした結果を示す図である。

Claims

複数のセンサにより試料と該センサ間の高さの差を得て試料の表面形状を得る表面形状測定装置において、
前記試料と前記複数のセンサとを相対的に移動して試料表面を走査するための走査部を有し、
該走査部は、等間隔ごとに高さの差のデータを記憶しながら走査の出発点まで戻り、出発点を終点とする閉じた走査を行い、
出発点と終点とが同じ高さであることを用いて、前記センサ間の高さの相対的誤差を得て、該相対誤差を較正して試料の表面形状を得ることを特徴とする表面形状測定装置。
共振器ミラー異方性により、偏光間で周波数差のあるレーザ光源と、
該光源のビームから参照ビームを取り出すスプリッタと、
該参照ビームから、偏光間の参照ビート信号を取り出すフォトダイオードと、
該スプリッタからのビームを、平行する２つのビームとする平行板と、
該２つの平行ビームをそれぞれ等間隔の２つのビームとして、そのうち１つは重なるように出力する光学子と、
該光学子からの３つのビームを試料表面に当て、反射するビームを前記光学子を介して再度２つのビームとし、該ビームからビート信号を取り出すフォトダイオードと、
前記参照ビート信号と、２つのビート信号を入力して位相差信号を取り出す２つの位相計と、
前記試料を乗せ、前記３つのビームとの間で相対的に移動して、前記ビームにより試料表面の走査を行うステージとを備え、
前記試料と前記３つのビームとの走査は、等間隔ごとに前記位相差信号を計測して位相差のデータを記憶しながら走査の出発点まで戻り、出発点を終点とする閉じた走査であり、
出発点と終点とが同じ高さであることを用いて、前記２つの位相計間の相対的誤差を得て、該相対的誤差を較正して試料の表面形状を得ることを特徴とする、２重共有ヘテロダイン干渉計を用いた表面形状測定装置。