JP2013213695A - 形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を提供する。
【解決手段】コヒーレント光源12と、走査光学系21と、第1検出光学系31とを備えた共焦点光学系1Aと、試料Sの表面上までの高さを変化させる可動機構29とを備え、共焦点光学系1Aに光束を分岐するビームスプリッタ24を設けると共に、ビームスプリッタ24により分岐された一方の光束を反射し第1検出光学系31に入射させる参照ミラー26を設け、試料S上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料Sの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出する。
【選択図】図1
【解決手段】コヒーレント光源12と、走査光学系21と、第1検出光学系31とを備えた共焦点光学系1Aと、試料Sの表面上までの高さを変化させる可動機構29とを備え、共焦点光学系1Aに光束を分岐するビームスプリッタ24を設けると共に、ビームスプリッタ24により分岐された一方の光束を反射し第1検出光学系31に入射させる参照ミラー26を設け、試料S上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料Sの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出する。
【選択図】図1
Description
本発明は、形状測定装置に関し、特に詳しくは、走査型の共焦点光学系を用いて微細な3次元形状の測定あるいは観察を行う形状測定装置に関するものである。
微細な3次元形状の測定/観察を行う装置として、白色光干渉光学系を用いた装置(特許文献1、2)や共焦点光学系を用いた装置(非特許文献1)が知られている。
いずれの装置も、高さ方向の測定は、光学系と試料(対象物)との距離(測定高さ)を所定の間隔でずらしながら、試料に照明光を照射し、試料から出射した光束の光量を測定することにより行う。
いずれの装置も、高さ方向の測定は、光学系と試料(対象物)との距離(測定高さ)を所定の間隔でずらしながら、試料に照明光を照射し、試料から出射した光束の光量を測定することにより行う。
白色光干渉光学系を用いた装置においては、可視光域の広いスペクトル成分を有するコヒーレンスの低い光束を試料と参照面に照射して、それぞれから反射した光束を合波し、撮像素子に入射させる。この撮像素子の各画素上では、試料から反射した光束と参照面から反射した光束とが重なりあうが、光源のコヒーレンスが低いので、それぞれの光路長がほぼ一致した領域のみ干渉波形が現れる。この干渉波形の包絡線ピークの位置から各画素に対応した試料の部位の高さが測定され、ピーク時の干渉振幅により試料の当該部位の強度画像が得られる。
試料と光学系との距離は、所定の間隔にてサンプリングしていく。ここで、ピークの位置を求めるには、垂直走査白色光干渉(VSI:Vertical Scanning Interferometry)法を基本として、幾つかの方法が提案されている(特許文献3等参照)。
一方、共焦点光学系を用いた装置については、幾つかの方式があるが、レーザを光源として共焦点光学系を構成し、試料上にできたレーザスポット位置を測定面内で走査して、各サンプリングポイントにおける反射光量を検出することにより、2次元画像を得る方式が広く用いられている。この共焦点光学系を用いる場合、通常の白色光方式と比較して測定面内の分解能(横分解能)やコントラストが高いのが特徴であり、特にNAが大きい対物レンズを使用した場合には、波長レベルの高さ方向分解能(縦分解能)が得られる。
一方、共焦点光学系を用いた装置については、幾つかの方式があるが、レーザを光源として共焦点光学系を構成し、試料上にできたレーザスポット位置を測定面内で走査して、各サンプリングポイントにおける反射光量を検出することにより、2次元画像を得る方式が広く用いられている。この共焦点光学系を用いる場合、通常の白色光方式と比較して測定面内の分解能(横分解能)やコントラストが高いのが特徴であり、特にNAが大きい対物レンズを使用した場合には、波長レベルの高さ方向分解能(縦分解能)が得られる。
河田 聡、南 茂夫、「光学走査顕微鏡」、光学、1989年発行、第18巻、第8号、第380頁
ところで、従来の白色光干渉光学系を用いた装置では、共焦点光学系を用いた装置と比較して横分解能が低いという問題点があった。
一方、共焦点光学系を用いた装置では、対物レンズのNAが小さいときに、NAの二乗に比例して縦分解能が著しく低くなるという問題点があった。
このように、それぞれの方式により特長が異なり、横分解能と縦分解能の両方が高い形状測定装置が得られないという問題点があった。
一方、共焦点光学系を用いた装置では、対物レンズのNAが小さいときに、NAの二乗に比例して縦分解能が著しく低くなるという問題点があった。
このように、それぞれの方式により特長が異なり、横分解能と縦分解能の両方が高い形状測定装置が得られないという問題点があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、共焦点光学系を用いた装置の場合に、横分解能と縦分解能の双方を高めることができ、したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、共焦点光学系を用いた形状測定装置について、走査光学系に第1の光源から出射した光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し検出光学系に入射させる反射手段を設け、試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力(出力光量)を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力(出力光量)のピーク位置(高さ)と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することとすれば、横分解能と縦分解能の双方を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の形状測定装置は、第1の光源と、前記第1の光源から出射した光束を試料の表面上にて走査しつつ前記表面上に収束させる走査光学系と、前記試料と相互作用した光束を検出する検出光学系とを備えた共焦点光学系と、前記試料の表面上までの高さを変化させる可変手段とを備えた形状測定装置であって、
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、前記第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする。
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、前記第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする。
前記高さの位相解析を行う範囲を、前記干渉パターンの1周期を超えて設定し、前記範囲の始点から干渉パターンの1周期を超えた各測定点の始点からの相対的な位相を、前記1周期の範囲に対応させて位相解析を行うことが好ましい。
前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト(PSI)法を用いて算出することが好ましい。
前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト(PSI)法を用いて算出することが好ましい。
前記光源と比べてコヒーレンスの低い第2の光源と、この第2の光源から発生した第2の光束を前記走査光学系の対物レンズを介して前記試料の表面上に導く第2の光学系と、前記試料と相互作用した第2の光束を結像させる結像レンズと、この結像レンズの結像面に配置した撮像素子とからなり、前記反射手段を前記共焦点光学系と共有する低コヒーレンス光学系を備え、前記反射手段から前記分岐手段までの光学距離は、前記分岐手段から前記対物レンズの焦点までの光学距離と略等しく、前記試料の高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置における各高さの情報から、前記低コヒーレンス像の測定部位に対する画素の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、前記共焦点光学系の干渉出力データから、前記共焦点光学系におけるピーク位置の出射光量を求めることが好ましい。
前記第1の分岐手段は,前記反射手段への分岐比が1/3以下であることが好ましい。
前記第1の分岐手段は,前記反射手段への分岐比が1/3以下であることが好ましい。
校正時または測定開始時に、前記第1の光源の名目上の波長から求められる干渉パターンの1周期分の高さ変位の中から4箇所以上の位置を選び出して干渉出力を取得し、これらの干渉出力データから実際の波長を求めることが好ましい。
前記4箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または1ラインのデータのみとすることが好ましい。
前記4箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または1ラインのデータのみとすることが好ましい。
本発明の形状測定装置によれば、共焦点光学系に光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し検出光学系に入射させる反射手段を設け、試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出するので、横分解能と縦分解能の双方を高めることができる。したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を実現することができる。
本発明の形状測定装置を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図1は、本発明の一実施形態の形状測定装置を示す概略構成図であり、この形状測定装置1は、共焦点光学系1Aと、低コヒーレンス光学系1Bと、形状測定装置1の動作制御及び信号処理を実行する制御装置2と、形状測定装置1からの微細な3次元形状の画像や測定に関する情報等を表示するためのディスプレイ(図示略)とを備えている。
共焦点光学系1Aは、コヒーレントな光束を出射する第1照明光学系11と、この第1照明光学系11から出射した光束を試料Sの表面上にて走査しつつ、この表面上に収束させる走査光学系21と、試料Sから発生する光をピンホール(共焦点絞り)34を介して検出する第1検出光学系31とを備えている。
共焦点光学系1Aは、コヒーレントな光束を出射する第1照明光学系11と、この第1照明光学系11から出射した光束を試料Sの表面上にて走査しつつ、この表面上に収束させる走査光学系21と、試料Sから発生する光をピンホール(共焦点絞り)34を介して検出する第1検出光学系31とを備えている。
第1照明光学系11は、コヒーレントな光束を出射するコヒーレント光源(第1の光源)12と、コヒーレント光源12から出射する光束を平行光化するコリメータレンズ13とを備えている。
コヒーレント光源12は、コヒーレントな光束を出射するレーザ光源、例えば、紫色レーザ光を発光する半導体レーザ(LD)である。このコヒーレント光源12は、制御装置2により制御されるレーザ駆動回路(図示略)により駆動される。
コヒーレント光源12は、コヒーレントな光束を出射するレーザ光源、例えば、紫色レーザ光を発光する半導体レーザ(LD)である。このコヒーレント光源12は、制御装置2により制御されるレーザ駆動回路(図示略)により駆動される。
走査光学系21は、第1走査ミラー22と、瞳リレーレンズ(fθレンズ)や走査ミラー等を組み合わせて光路を構成する光学系23と、ビームスプリッタ(第1の分岐手段)24と、対物レンズ25と、参照ミラー(反射手段)26と、対物レンズ27とを備えている。
第1走査ミラー22はレゾナンスミラーにより構成されており、この第1走査ミラー22を紙面に垂直なY軸の回りに回転させることで、反射する光束をX軸方向(紙面に水平な一方向)に偏向させる。この第1走査ミラー22は、ミラー駆動部(図示略)により回転可能であり、その回転駆動は制御装置2により制御されている。
第1走査ミラー22はレゾナンスミラーにより構成されており、この第1走査ミラー22を紙面に垂直なY軸の回りに回転させることで、反射する光束をX軸方向(紙面に水平な一方向)に偏向させる。この第1走査ミラー22は、ミラー駆動部(図示略)により回転可能であり、その回転駆動は制御装置2により制御されている。
光学系23は、瞳リレーレンズ(fθレンズ)や走査ミラー(図示略)等を組み合わせた光学系である。この光学系23では、図示しない走査ミラーを紙面に水平なX軸の回りに回転させることで、光束をY軸方向(紙面に垂直な一方向)に偏向させることが可能である。
参照ミラー26は、この参照ミラー26からビームスプリッタ24までの光学距離が、ビームスプリッタ24から対物レンズ27の焦点面までの光学距離と略等しくなる位置に配置され、ビームスプリッタ24により分岐され対物レンズ25により集光された光束を、参照光束として元の方向に反射し、第1検出光学系31に入射させる。
参照ミラー26は、この参照ミラー26からビームスプリッタ24までの光学距離が、ビームスプリッタ24から対物レンズ27の焦点面までの光学距離と略等しくなる位置に配置され、ビームスプリッタ24により分岐され対物レンズ25により集光された光束を、参照光束として元の方向に反射し、第1検出光学系31に入射させる。
なお、参照光束の生成に関するビームスプリッタ24、対物レンズ25、参照ミラー26の機能を対物レンズ27に組み込んだ干渉対物レンズが市販されている。干渉対物レンズには、ミラウ型、マイケルソン型があり、これらは共に使用可能であるが、マイケルソン型は低倍率等、ワーキングディスタンス(WD)が長い対物レンズに好適である。したがって、これらの干渉対物レンズを使用する場合、低コヒーレンス光学系1Bも使用しなければ、ビームスプリッタ24、対物レンズ25、参照ミラー26を図示の位置に配設することは不要となる。
ステージ28は試料Sを載置するもので、光軸に沿って移動させることで試料Sの表面の高さを変化させることができるように可動機構(可変手段)29上に固定されている。この可動機構29により試料Sの表面の高さを変化させることで、光束の縦走査を行うことができる。なお、可動機構29を可動させる替わりに、対物レンズ27を可動機構29に固定し、試料Sとの距離を可変にしてもよい。
このように、第1走査ミラー22により、試料Sの表面にて光束をX軸方向に偏向させる動作を行うことにより、試料Sの表面(XY平面)における一次元走査(X軸方向の走査)が可能である。
また、第1走査ミラー22による光束をX軸方向に偏向させる動作と、光学系23による光束をY軸方向に偏向させる動作とを組み合わせれば、試料Sの表面(XY平面)の二次元走査が可能になる。
この第1走査ミラー22によりX軸方向に偏向された光束は、ビームスプリッタ24を透過して対物レンズ27に入射し、試料S上に集光される。
また、第1走査ミラー22による光束をX軸方向に偏向させる動作と、光学系23による光束をY軸方向に偏向させる動作とを組み合わせれば、試料Sの表面(XY平面)の二次元走査が可能になる。
この第1走査ミラー22によりX軸方向に偏向された光束は、ビームスプリッタ24を透過して対物レンズ27に入射し、試料S上に集光される。
第1検出光学系31は、ビームスプリッタ32と、ピンホールレンズ33と、ピンホール(共焦点絞り)34と、光検出器35とを備えている。
ビームスプリッタ32は、第1照明光学系11と走査光学系21との間に配置され、試料Sに照射する光束と試料Sから発生する光束とを分離する。
ビームスプリッタ32は、第1照明光学系11と走査光学系21との間に配置され、試料Sに照射する光束と試料Sから発生する光束とを分離する。
ピンホールレンズ33は、ビームスプリッタ32から入射する光をピンホール34に集光する。
光検出器35は、ピンホール34を通過して入射する光を検出し、その受光量を電気信号に変換して出力する素子であり、この光検出器35としては、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管等を挙げることができる。
この光検出器35では上記の電気信号を制御装置2に出力し、この制御装置2では演算部62が光検出器35からの電気信号に基づき表示画像の電気信号を作製し、ディスプレイ(図示略)にて表示画像を表示する。
光検出器35は、ピンホール34を通過して入射する光を検出し、その受光量を電気信号に変換して出力する素子であり、この光検出器35としては、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管等を挙げることができる。
この光検出器35では上記の電気信号を制御装置2に出力し、この制御装置2では演算部62が光検出器35からの電気信号に基づき表示画像の電気信号を作製し、ディスプレイ(図示略)にて表示画像を表示する。
この共焦点光学系1Aにおいては、コヒーレント光源12から出射された光束は、コリメータレンズ13により平行光とされた後、ビームスプリッタ32を透過し、走査光学系21の第1走査ミラー22に入射する。
この走査光学系21に入射した光束は、第1走査ミラー22により試料Sの表面のXY平面内のX軸方向に偏向され、ビームスプリッタ24を透過して対物レンズ27により試料Sの表面の任意の位置に焦点が合わされて照射される。
例えば、試料Sの表面にて、光束をX軸方向に偏向させる動作を、Y軸方向に沿って繰り返し行うことにより、試料Sの表面(XY平面)の二次元走査が可能である。
この走査光学系21に入射した光束は、第1走査ミラー22により試料Sの表面のXY平面内のX軸方向に偏向され、ビームスプリッタ24を透過して対物レンズ27により試料Sの表面の任意の位置に焦点が合わされて照射される。
例えば、試料Sの表面にて、光束をX軸方向に偏向させる動作を、Y軸方向に沿って繰り返し行うことにより、試料Sの表面(XY平面)の二次元走査が可能である。
この共焦点光学系1Aでは、試料S上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力(出力光量)を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力(出力光量)のピーク位置(高さ)と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に、試料Sの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することができる。
一方、低コヒーレンス光学系1Bは、試料Sに低コヒーレンス(白色)の光を照射する第2照明光学系(第2の光学系)41と、この光が照射された試料Sからの反射光を検出する第2検出光学系51とを備えている。
この低コヒーレンス光学系1Bは、ビームスプリッタ24、対物レンズ27、対物レンズ25、参照ミラー26を共焦点光学系1Aと共有しており、上述したビームスプリッタ24により光路を分岐させている。
この低コヒーレンス光学系1Bは、ビームスプリッタ24、対物レンズ27、対物レンズ25、参照ミラー26を共焦点光学系1Aと共有しており、上述したビームスプリッタ24により光路を分岐させている。
第2照明光学系41は、白色の照明光を出射する白色光源(第2の光源)42と、コレクタレンズ43と、ハーフミラー44とを備えている。このハーフミラー44により光路を分岐させており、試料Sおよび参照ミラー26から戻ってきた光束は、ハーフミラー44で反射されて、第2検出光学系51に到達する。
白色光源42としては、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、LED等が挙げられる。
コレクタレンズ43は、白色光源42から出射された白色光を集光して結像させる。その際、白色光干渉光学系では、対物レンズを通して、光源の像が試料S面上および参照ミラー26上に結像するようにすることが多いが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、光源の像が対物レンズ27および対物レンズ25の瞳面近傍に結像するように設定することも可能である。
ハーフミラー44は、白色光源42から出射される光を透過させる一方、試料Sから発生する光を反射させる光学素子である。
コレクタレンズ43は、白色光源42から出射された白色光を集光して結像させる。その際、白色光干渉光学系では、対物レンズを通して、光源の像が試料S面上および参照ミラー26上に結像するようにすることが多いが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、光源の像が対物レンズ27および対物レンズ25の瞳面近傍に結像するように設定することも可能である。
ハーフミラー44は、白色光源42から出射される光を透過させる一方、試料Sから発生する光を反射させる光学素子である。
第2検出光学系51は、ハーフミラー44と、結像レンズ52と、この結像レンズ52の結像面に配置した撮像素子53とを備えている。
ハーフミラー44は、第2照明光学系41と第2検出光学系51の分岐を行うもので、第2照明光学系41の光軸に配置されることで、試料Sにて反射された光を結像レンズ52側へ反射させる。結像レンズ52は、入射光を撮像素子53の撮像面に集光させ、試料Sの像を撮像素子53上に結像させる。撮像素子53は、入射光を検出することにより試料Sの画像を形成する。
ハーフミラー44は、第2照明光学系41と第2検出光学系51の分岐を行うもので、第2照明光学系41の光軸に配置されることで、試料Sにて反射された光を結像レンズ52側へ反射させる。結像レンズ52は、入射光を撮像素子53の撮像面に集光させ、試料Sの像を撮像素子53上に結像させる。撮像素子53は、入射光を検出することにより試料Sの画像を形成する。
この低コヒーレンス光学系1Bにおいては、白色光源42から出射された白色の照明光は、コレクタレンズ43、ハーフミラー44を通過し、ビームスプリッタ24に入射する。その後、この白色の照明光はビームスプリッタ24にて反射され、対物レンズ27により試料S上に集光される。
試料Sの表面にて反射された光は、対物レンズ27を通過し、ビームスプリッタ24にて反射され、さらにハーフミラー44にて反射され、結像レンズ52にて集光されて撮像素子53の撮像面に結像する。これにより、試料Sの観察画像(非共焦点画像)が形成される。それと同時に、ビームスプリッタ24を透過した照明光は、参照ミラー26で反射され、再びビームスプリッタ24を透過してハーフミラー44で反射され、結像レンズ52を通って撮像素子53に入射する。
この低コヒーレンス光学系1Bを用いることにより、試料Sの高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置(画素)における各測定高さの出力から、この低コヒーレンス像の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、共焦点光学系1Aの出力データから、出力光量のピーク値、すなわち試料Sの対象部位の出射光量を求めることができる。
また、制御装置2は、共焦点光学系1Aの二次元走査を制御する図示しない制御部と、ステージ28の高さを制御する制御部61と、共焦点光学系1A及び低コヒーレンス光学系1Bそれぞれからの出力信号を基に各種演算を行う演算部62と、撮像素子53からの出力信号を入力し演算部62に送る受像回路63とにより構成されている。
次に、この形状測定装置1の動作について説明する。
まず、ステージ28の縦走査の範囲を決め、この縦走査の開始位置にステージ28をセットする。ここでは、コヒーレント干渉波形の種類や白色光干渉を併用するか否かに合わせて、データ取得を行う。
まず、ステージ28の縦走査の範囲を決め、この縦走査の開始位置にステージ28をセットする。ここでは、コヒーレント干渉波形の種類や白色光干渉を併用するか否かに合わせて、データ取得を行う。
(1)図2のコヒーレント干渉波形(1)に対応している場合
まず、ステージ28の位置を縦方向に一定間隔で動かしながら、所定の縦走査の範囲のデータ取得を行い、その後、取得したデータを用いてPSI法等により各対象部位の高さ、出射光量を算出(推定)する。
PSI法は、干渉の周期を一定間隔に分割して干渉出力データを取るのが基本であり、例えば、4箇所以上のデータを使用する場合には、分割する位置にはある程度の誤差が許容されている。この詳細については、文献1「Kieran G. Larkin,J.O.S.A,Vol.13,No.4,p.832,1996」に記載されている。
また、光学系の焦点深度が浅い場合には、焦点ずれによる受光強度の変化が波長と同等の距離の中で発生するので、干渉波形の1周期程度の間隔内で処理をしていく必要がある。
例えば、5箇所から取得したデータを使用する5ステップ法を用いた場合、データ取得の間隔は、用いる光源のレーザ波長の1/8程度が好ましい。これにより、干渉出力変化の1周期内に、4つの測定位置が入ることになる。
まず、ステージ28の位置を縦方向に一定間隔で動かしながら、所定の縦走査の範囲のデータ取得を行い、その後、取得したデータを用いてPSI法等により各対象部位の高さ、出射光量を算出(推定)する。
PSI法は、干渉の周期を一定間隔に分割して干渉出力データを取るのが基本であり、例えば、4箇所以上のデータを使用する場合には、分割する位置にはある程度の誤差が許容されている。この詳細については、文献1「Kieran G. Larkin,J.O.S.A,Vol.13,No.4,p.832,1996」に記載されている。
また、光学系の焦点深度が浅い場合には、焦点ずれによる受光強度の変化が波長と同等の距離の中で発生するので、干渉波形の1周期程度の間隔内で処理をしていく必要がある。
例えば、5箇所から取得したデータを使用する5ステップ法を用いた場合、データ取得の間隔は、用いる光源のレーザ波長の1/8程度が好ましい。これにより、干渉出力変化の1周期内に、4つの測定位置が入ることになる。
したがって、所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、下記の解析により、干渉波形のバイアス及び位相を求める。
ここでは、光検出器35について、検出光量がピークに対して一定割合(例えば50%)以上となっている測定高さの範囲のみ、下記の解析を行う。
なお、上記の一定割合の判定を行う場合、検出光量が干渉により変動するので、測定ごとの移動平均を取る等して、測定データの平滑化を図るとよい。
所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、干渉波形のバイアス及び位相を求める。
ここでは、光検出器35について、検出光量がピークに対して一定割合(例えば50%)以上となっている測定高さの範囲のみ、下記の解析を行う。
なお、上記の一定割合の判定を行う場合、検出光量が干渉により変動するので、測定ごとの移動平均を取る等して、測定データの平滑化を図るとよい。
所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、干渉波形のバイアス及び位相を求める。
干渉波形S(z)は、下記の式(1)により表すことができる。
ただし、式(1)中、zは原点からの縦(光軸)方向の測定位置、φは原点からのピーク位置(位相)、λは波長、Aは振幅、Bはバイアス、nは屈折率(既知)である。
この形状測定装置1では、光束は試料Sで反射するので、高さ変位(z)に対して2倍の光路長変化を受けることになる。
なお、A、B、λ、φの4つの未知数は、4つ以上の測定高さにおける高さ変位(z)各々について干渉出力S(z)を取得することで求めることができる。
上記の演算を、使用するデータ位置(測定高さ)を一定個数ずつずらして繰り返して行うと、各々の位置(測定高さ)の近傍の干渉ピークの位置(包絡線のピーク位置から干渉パターン周期の1/4ずれた位置)と、その干渉出力S(z)が求められる。そこで、ひとつずつずらして繰り返し演算を行えば、演算量は多くなるものの、振幅の変化が急激な場合に対応することができる。
なお、A、B、λ、φの4つの未知数は、4つ以上の測定高さにおける高さ変位(z)各々について干渉出力S(z)を取得することで求めることができる。
上記の演算を、使用するデータ位置(測定高さ)を一定個数ずつずらして繰り返して行うと、各々の位置(測定高さ)の近傍の干渉ピークの位置(包絡線のピーク位置から干渉パターン周期の1/4ずれた位置)と、その干渉出力S(z)が求められる。そこで、ひとつずつずらして繰り返し演算を行えば、演算量は多くなるものの、振幅の変化が急激な場合に対応することができる。
次いで、この干渉出力S(z)が最も大きい位置(包絡線のピーク位置)について、次のようにして試料Sからの出射光の光量を求める。
ここで、参照光の振幅をAr、試料Sからの光の振幅をA0とすると、式(1)のバイアスB及び振幅Aは、次の式(2)及び式(3)により表すことができる。
B=Ar 2+A0 2 ……(2)
A=2Ar・A0 ……(3)
ただし、参照光の光量(Ar 2)は一定で、事前に測定しておくことが可能であるから、式(2)を用いて、バイアスから参照光の光量を差し引くことにより、試料からの光の光量(A0 2)を求めることができる。また、参照光の振幅Arは定数であるから、試料Sからの光の振幅A0はAと比例するとみなすことができ、したがって、式(3)のAを求めることで、相対値としての試料Sからの光の振幅をA0を求めることができる。
ここで、参照光の振幅をAr、試料Sからの光の振幅をA0とすると、式(1)のバイアスB及び振幅Aは、次の式(2)及び式(3)により表すことができる。
B=Ar 2+A0 2 ……(2)
A=2Ar・A0 ……(3)
ただし、参照光の光量(Ar 2)は一定で、事前に測定しておくことが可能であるから、式(2)を用いて、バイアスから参照光の光量を差し引くことにより、試料からの光の光量(A0 2)を求めることができる。また、参照光の振幅Arは定数であるから、試料Sからの光の振幅A0はAと比例するとみなすことができ、したがって、式(3)のAを求めることで、相対値としての試料Sからの光の振幅をA0を求めることができる。
なお、干渉を使わない通常の反射型共焦点光学系では、フォーカスずれ(上記のzに相当)に対する検出光量の特性を取ると、ピーク光量に対して半分の光量となるzの範囲が、対物レンズのNAが0.9程度以上の高いときには、概ね波長のオーダーとなる。したがって、共焦点光学系のz方向の分解能は、可視光を用いた場合、0.1μm〜1μmとなる。
これに対して、上記のように位相を解析してピーク位置を求めた場合、共焦点光学系のSN比等に依存するが、干渉周期の1/100〜1/10000の分解能を得ることができる。この分解能は、可視光においては0.1nm〜0.01μm程度に相当する。
これに対して、上記のように位相を解析してピーク位置を求めた場合、共焦点光学系のSN比等に依存するが、干渉周期の1/100〜1/10000の分解能を得ることができる。この分解能は、可視光においては0.1nm〜0.01μm程度に相当する。
なお、共焦点光学系に干渉を導入することにより、光量の変化が通常の光学系と比較して急峻になるので、ピークを示す干渉周期を特定し易くなり、高さ変化の大きい試料Sに対しても、高分解能で高さを検出することが可能となる。
(2)図2のコヒーレント干渉波形(2)に対応する場合
対物レンズのNAが比較的小さく、かつ焦点深度が深い場合には、光検出器35の各画素については、ピーク光量に対して一定以上の割合になる範囲が広くなる。これに伴ない、その期間に含まれる干渉周期の数も多くなり、特にピークの近くでは干渉周期毎の光量変化が小さくなる。
ここで、焦点深度が波長より著しく深い場合、例えば、波長が1μm以下かつ焦点深度が50μm以上の場合には、振幅とバイアスが一定とみなせるような、焦点深度より十分小さく、かつ波長の1/2より長い間隔、例えば2μmの中で決められた数のデータを取得し、上記(1)と同様の処理を行う。
対物レンズのNAが比較的小さく、かつ焦点深度が深い場合には、光検出器35の各画素については、ピーク光量に対して一定以上の割合になる範囲が広くなる。これに伴ない、その期間に含まれる干渉周期の数も多くなり、特にピークの近くでは干渉周期毎の光量変化が小さくなる。
ここで、焦点深度が波長より著しく深い場合、例えば、波長が1μm以下かつ焦点深度が50μm以上の場合には、振幅とバイアスが一定とみなせるような、焦点深度より十分小さく、かつ波長の1/2より長い間隔、例えば2μmの中で決められた数のデータを取得し、上記(1)と同様の処理を行う。
ただし、処理する3つ以上のデータの範囲が1周期を超えると、下記の式(4)のようになる。
ただし、式(4)中、zは原点からの縦(光軸)方向の測定位置、φは原点からのピーク位置(位相)、λは波長、Aは振幅、Bはバイアス、nは屈折率(既知)、Nは整数である。
この場合、位相が一意に決まらなくなるので、測定したデータ範囲の平均の位置に最も近いNを採用する必要がある。この式(4)においても、B及びAは一定とみなすことができるので、全く問題はない。
次いで、上記のデータ範囲を一つずつずらして計算し、Aの値が最も大きくなる位置の近傍の位相と振幅(A)を採用する。
なお、3ステップ法を用いる場合に、測定開始時に出力光量の変化が大きい場合には、干渉周期内で4箇所以上のデータをとり、このデータに基づき波長を正確に求めておき、次いで、干渉周期に対して0度+360度×n、90度+360度×n、180度+360度×n(ただし、nは整数)の各ステップでデータを取得するのがよい。
この方法では、縦方向の走査範囲が長くなった場合においても高速化が可能である。
次いで、上記のデータ範囲を一つずつずらして計算し、Aの値が最も大きくなる位置の近傍の位相と振幅(A)を採用する。
なお、3ステップ法を用いる場合に、測定開始時に出力光量の変化が大きい場合には、干渉周期内で4箇所以上のデータをとり、このデータに基づき波長を正確に求めておき、次いで、干渉周期に対して0度+360度×n、90度+360度×n、180度+360度×n(ただし、nは整数)の各ステップでデータを取得するのがよい。
この方法では、縦方向の走査範囲が長くなった場合においても高速化が可能である。
(3)図2のコヒーレント干渉波形(3)で焦点深度が非常に深い場合
焦点深度が非常に深く、コヒーレント干渉波形(3)のようになると、振幅とバイアスがほぼ一定に近くなるので、包絡線ピークを正確に求めることが難しくなる。
そこで、低コヒーレンス光学系1Bを併用して、低コヒーレンス干渉法(VSI法)により包絡線ピーク位置を求める。
低コヒーレンス光学系1Bを用いる場合には、ビームスプリッタ24から試料Sの表面までの光学距離と、ビームスプリッタ24から参照ミラー26までの光学距離とを、正確に一致させる必要がある。その理由は、コヒーレンス長が短い光は、光路長がコヒーレンス長以下(数μm程度)で一致しないと干渉パターンが得られないからである。
焦点深度が非常に深く、コヒーレント干渉波形(3)のようになると、振幅とバイアスがほぼ一定に近くなるので、包絡線ピークを正確に求めることが難しくなる。
そこで、低コヒーレンス光学系1Bを併用して、低コヒーレンス干渉法(VSI法)により包絡線ピーク位置を求める。
低コヒーレンス光学系1Bを用いる場合には、ビームスプリッタ24から試料Sの表面までの光学距離と、ビームスプリッタ24から参照ミラー26までの光学距離とを、正確に一致させる必要がある。その理由は、コヒーレンス長が短い光は、光路長がコヒーレンス長以下(数μm程度)で一致しないと干渉パターンが得られないからである。
この場合には、共焦点光学系1Aの干渉出力データ(共焦点画像)及び共焦点光学系1Aの1点あるいは1ラインの干渉出力部分データの取得時に、同じステージ位置で低コヒーレンス画像の取得を行う。
なお、VSI法を用いて低コヒーレンス光学系1Bのデータにより高さを求める場合、精度良く高さを求めるには、測定高さのステップをより細かく設定する必要がある。その場合、低コヒーレンス画像の取得は、共焦点画像を取得するときだけではなく、その間の高さでも取得を行うとよい。
低コヒーレンス画像の取得時には、共焦点光学系1Aの半導体レーザ等のコヒーレント光源12の出力をオフにし、共焦点光学系1Aの干渉出力データの取得時には、シャッタ等を用いて低コヒーレンス光学系1Bから出力される光束が共焦点光学系1Aに入らないようにする必要がある。
なお、VSI法を用いて低コヒーレンス光学系1Bのデータにより高さを求める場合、精度良く高さを求めるには、測定高さのステップをより細かく設定する必要がある。その場合、低コヒーレンス画像の取得は、共焦点画像を取得するときだけではなく、その間の高さでも取得を行うとよい。
低コヒーレンス画像の取得時には、共焦点光学系1Aの半導体レーザ等のコヒーレント光源12の出力をオフにし、共焦点光学系1Aの干渉出力データの取得時には、シャッタ等を用いて低コヒーレンス光学系1Bから出力される光束が共焦点光学系1Aに入らないようにする必要がある。
この場合のデータ取得の手順を図3を用いて説明する。
まず、縦走査開始位置にステージ28をセットする(ステップS1)。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ4箇所で1点または1ラインの共焦点データを取得し、これらの共焦点データから波長を算出する(ステップS2)。
まず、縦走査開始位置にステージ28をセットする(ステップS1)。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ4箇所で1点または1ラインの共焦点データを取得し、これらの共焦点データから波長を算出する(ステップS2)。
このようにして波長を算出することができたならば、低コヒーレンス画像を取得し(ステップS3)、次いで、設定された共焦点画像取得間隔から共焦点画像を取得するか否かの判定を行い(ステップS4)、共焦点画像を取得する場合には共焦点画像取得の動作を行い(ステップS5)、次いで、対物レンズが縦走査終了位置に到達したか否かを判定し(ステップS6)、対物レンズが縦走査終了位置に到達していなかった場合には、対物レンズを縦方向に移動させ(ステップS7)て再度、低コヒーレンス画像取得(ステップS3)以降のステップを行い、対物レンズが縦走査終了位置に到達していた場合には、画像取得を終了する(ステップS8)。
なお、低コヒーレンス画像の取得は、そのコヒーレンス長(数μm〜数十μm)より十分短い間隔で行なっていく必要があるが、共焦点画像は、焦点深度の数分の1程度の間隔に設定すればよい。このように、低コヒーレンス画像と比較して、共焦点画像の取得回数を小さくすることができる。
また、低コヒーレンス光学系1Bの白色光源42がレーザダイオード(LED)等の比較的高速にオン/オフできるものである場合には、別途シャッター等を用いずに、白色光源42自体でオン/オフしてもよい。
また、低コヒーレンス光学系1Bの白色光源42がレーザダイオード(LED)等の比較的高速にオン/オフできるものである場合には、別途シャッター等を用いずに、白色光源42自体でオン/オフしてもよい。
次に、このようにして取得したデータから、対象部位(画素)の高さと出射光量を求める手順について、図4に基づき説明する。
縦走査が終了したら、取得した低コヒーレンス画像データの各画素について、高さ(z位置)と干渉出力のパターンを作成する(ステップS11)。このパターンの一例が図2の「(4)白色光干渉波形」である。
縦走査が終了したら、取得した低コヒーレンス画像データの各画素について、高さ(z位置)と干渉出力のパターンを作成する(ステップS11)。このパターンの一例が図2の「(4)白色光干渉波形」である。
次いで、このパターンから包絡線ピーク位置、すなわち、対象画素に相当する部位の高さを求める(ステップS12)。白色光(低コヒーレンス)干渉の包絡線ピーク位置を求める方法については、最も簡便には、各測定高さのデータを補間したり、移動平均を取ったりして求めることができるが、そのほかにも、できるだけ少ないデータで精度の高い検出を行うために、既に様々な方法が提案されている(例えば、上記の文献1等)。
ここで算出した高さに隣接する高さ3箇所以上の共焦点光学系1Aの出力データを用いて、白色光干渉包絡線ピークに隣接する走査画像取得位置(高さ)5箇所の対象画素干渉波形の位相を算出し(ステップS13)、次いで、走査画像対象画素の出射光強度を算出する(ステップS14)。
ここで算出した高さに隣接する高さ3箇所以上の共焦点光学系1Aの出力データを用いて、白色光干渉包絡線ピークに隣接する走査画像取得位置(高さ)5箇所の対象画素干渉波形の位相を算出し(ステップS13)、次いで、走査画像対象画素の出射光強度を算出する(ステップS14)。
(4)上記の(1)〜(3)の場合において、測定の最初に波長を求めて測定回数を削減する場合
測定の最初に波長を求めることにより、測定回数の削減が可能である。その場合、次の手順で測定を行う。
まず、縦走査開始位置にステージ28をセットする。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ4箇所で1点または1ラインの共焦点データを取得し、式(1)によりこれらの共焦点データから波長を算出する。
測定の最初に波長を求めることにより、測定回数の削減が可能である。その場合、次の手順で測定を行う。
まず、縦走査開始位置にステージ28をセットする。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ4箇所で1点または1ラインの共焦点データを取得し、式(1)によりこれらの共焦点データから波長を算出する。
これらの共焦点データを画面に表示した場合、波長は画面全体に亘って一定であるから、画面上の全てのデータを取る必要はなく、面内走査は、副走査方向の走査は止めておいて1ラインのみの走査を行うか、あるいは全く面内走査を行わず1点のみのデータを取得しても良い。
その後、画面全体のデータを取る際には、干渉波形1周期につき、波長の1/8ずつ(すなわち干渉波形S(z)の1/4ずつ)位置をずらして計3回のデータをとり、3ステップ法でピーク位置と出力を求める。通常、走査による共焦点画像を取得する方が、白色光画像を取得するよりも時間がかかるので、共焦点画像の取得回数が減れば、それだけ測定の高速化が期待される。
なお、1ラインの各画素で波長を求めた場合には、これを平均して波長の実測値としてもよい。
また、干渉波形の1周期を4分割して移動していくので、共焦点画像をとった3回の他に、残りの1回で1画素または1ラインのデータを取得することにより、これら計4回のデータを基に波長を算出し、測定途中で波長を補正してもよい。これにより、測定中の波長変動の影響を軽減することができる。
また、干渉波形の1周期を4分割して移動していくので、共焦点画像をとった3回の他に、残りの1回で1画素または1ラインのデータを取得することにより、これら計4回のデータを基に波長を算出し、測定途中で波長を補正してもよい。これにより、測定中の波長変動の影響を軽減することができる。
上記の(1)〜(4)においては、参照光路の分岐比を1/10程度とした場合、光検出器35に入る光量は1/100程度となり、試料S上で相互作用した結果1/10000程度の光量になったとしても、参照光との干渉パターンを検出することが可能である。
以上説明したように、本実施形態の形状測定装置1によれば、試料S上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料Sの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出するので、横分解能と縦分解能の双方を高めることができる。したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を実現することができる。
1 形状測定装置
1A 共焦点光学系
1B 低コヒーレンス光学系
2 制御装置
11 第1照明光学系
12 コヒーレント光源(第1の光源)
21 走査光学系
22 第1走査ミラー
24 ビームスプリッタ(第1の分岐手段)
25、27 対物レンズ
26 参照ミラー(反射手段)
28 ステージ
29 可動機構
31 第1検出光学系
32 ビームスプリッタ
35 光検出器
41 第2照明光学系(第2の光学系)
42 白色光源(第2の光源)
51 第2検出光学系
52 結像レンズ
53 撮像素子
S 試料
1A 共焦点光学系
1B 低コヒーレンス光学系
2 制御装置
11 第1照明光学系
12 コヒーレント光源(第1の光源)
21 走査光学系
22 第1走査ミラー
24 ビームスプリッタ(第1の分岐手段)
25、27 対物レンズ
26 参照ミラー(反射手段)
28 ステージ
29 可動機構
31 第1検出光学系
32 ビームスプリッタ
35 光検出器
41 第2照明光学系(第2の光学系)
42 白色光源(第2の光源)
51 第2検出光学系
52 結像レンズ
53 撮像素子
S 試料
Claims (7)
- 第1の光源と、前記第1の光源から出射した光束を試料の表面上にて走査しつつ前記表面上に収束させる走査光学系と、前記試料と相互作用した光束を検出する検出光学系とを備えた共焦点光学系と、前記試料の表面上までの高さを変化させる可変手段とを備えた形状測定装置であって、
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第1の分岐手段を設けると共に、前記第1の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する3箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この3箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする形状測定装置。 - 前記高さの位相解析を行う範囲を、前記干渉パターンの1周期を超えて設定し、前記範囲の始点から干渉パターンの1周期を超えた各測定点の始点からの相対的な位相を、前記1周期の範囲に対応させて位相解析を行うことを特徴とする請求項1記載の形状測定装置。
- 前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト(PSI)法を用いて算出することを特徴とする請求項1または2記載の形状測定装置。
- 前記光源と比べてコヒーレンスの低い第2の光源と、この第2の光源から発生した第2の光束を前記走査光学系の対物レンズを介して前記試料の表面上に導く第2の光学系と、前記試料と相互作用した第2の光束を結像させる結像レンズと、この結像レンズの結像面に配置した撮像素子とからなり、前記反射手段を前記共焦点光学系と共有する低コヒーレンス光学系を備え、
前記反射手段から前記分岐手段までの光学距離は、前記分岐手段から前記対物レンズの焦点までの光学距離と略等しく、前記試料の高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置における各高さの情報から、前記低コヒーレンス像の測定部位に対する画素の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、前記共焦点光学系の干渉出力データから、前記共焦点光学系におけるピーク位置の出射光量を求めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項記載の形状測定装置。 - 前記第1の分岐手段は,前記反射手段への分岐比が1/3以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の形状測定装置。
- 校正時または測定開始時に、前記第1の光源の名目上の波長から求められる干渉パターンの1周期分の高さ変位の中から4箇所以上の位置を選び出して干渉出力を取得し、これらの干渉出力データから実際の波長を求めることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の形状測定装置。
- 前記4箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または1ラインのデータのみとしたことを特徴とする請求項6記載の形状測定装置。
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