JP6762608B2 - Three-dimensional shape measurement method using a scanning white interference microscope - Google Patents
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Description
本発明は、白色光源を用いた干渉計測により三次元形状計測を行う方法に関する。 The present invention relates to a method of performing three-dimensional shape measurement by interference measurement using a white light source.
走査型白色干渉顕微鏡は、白色光を試料に照射し、得られる干渉信号を高さ情報に変換することで三次元計測を行う装置であり、得られる干渉信号から各種計算をして表面形状、高さ、段差、膜厚、表面粗さ、同種材・異種材等の判定をする。 A scanning white interference microscope is a device that performs three-dimensional measurement by irradiating a sample with white light and converting the obtained interference signal into height information, and performs various calculations from the obtained interference signal to obtain the surface shape. Judge height, step, film thickness, surface roughness, similar material / dissimilar material, etc.
例えば、特許文献１では、走査型白色干渉顕微鏡の参照面ミラーを傾斜させることにより、計測対象物の傾斜角を求める方法が記載されている。特許文献２では、薄膜が存在する場合に、走査型白色干渉顕微鏡により得られた干渉パターンが重なり合って歪め合う現象を、テンプレートを用いることでピーク分離する方法が記載されている。
For example,
走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元計測においては、光線光学で与えられる対物レンズの開口数ＮＡ（numerical aperture）に応じて定められる角度より内側での計測では、見かけ上のコヒーレンス長は顕著に変化しない。よって、このような条件でのコヒーレンス長には、これまで特に注意が払われていない。 In three-dimensional measurement using a scanning white interference microscope, the apparent coherence length is remarkable in the measurement inside the angle determined by the numerical aperture NA (numerical aperture) of the objective lens given by photooptics. It does not change. Therefore, no particular attention has been paid to the coherence length under such conditions.
ただし、開口数ＮＡを越えた高傾斜面計測において、測定される見かけ上のコヒーレンス長は大きくなる。このような状況下では、傾斜角度を求める際に特許文献１では、参照面ミラーの傾斜を大きくする、例えば開口数ＮＡ以上に参照面ミラーを傾けると戻り光が少なくなるため暗くなってしまい、開口数ＮＡ以上における傾斜角度の計測は難しかった。
However, the apparent coherence length measured becomes large in the measurement of a high inclined surface exceeding the numerical aperture NA. Under such a situation, in
また、試料に膜が形成されている場合、高傾斜面の計測においては、観測されるコヒーレンス長の延びが、膜による影響なのか高傾斜面による影響なのかの区別および着眼はされてこなかった。 In addition, when a film is formed on the sample, it has not been possible to distinguish and focus on whether the observed coherence length extension is due to the film or the high-inclined surface in the measurement of the high-inclined surface. ..
本発明は、計測対象物の表面における傾斜角度の大きい高傾斜面の適切な計測を実現し得る走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法を提供する。 The present invention provides a three-dimensional shape measurement method using a scanning white interference microscope that can realize appropriate measurement of a highly inclined surface having a large inclination angle on the surface of an object to be measured.
本発明は、走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法であって、計測対象物に対し照射した光源からの光の干渉信号の包絡線を取得し、前記包絡線の半値幅に基づき、観測される見かけ上のコヒーレンス長である観測コヒーレンス長ｌｃ'を取得し、前記観測コヒーレンス長に基づき、前記計測対象物の表面の傾斜角度を計測する。 The present invention is a three-dimensional shape measurement method using a scanning white coherence microscope, in which an envelope of an interference signal of light from a light source irradiating an object to be measured is acquired and based on the half width of the envelope. , The observed coherence length lc', which is the apparent coherence length observed, is acquired, and the inclination angle of the surface of the object to be measured is measured based on the observed coherence length.
本発明によれば、干渉信号の包絡線の半値幅に基づき、観測コヒーレンス長を取得した上で、計測対象物（試料）の表面の傾斜角度を計測することができる。よって、計測対象物の表面における傾斜角度の大きい高傾斜面でも適切に傾斜角度を計測することができ、表面の形状、特性を把握することができる。 According to the present invention, it is possible to measure the inclination angle of the surface of the object to be measured (sample) after obtaining the observed coherence length based on the half width of the envelope of the interference signal. Therefore, the inclination angle can be appropriately measured even on a highly inclined surface having a large inclination angle on the surface of the object to be measured, and the shape and characteristics of the surface can be grasped.
以下、本発明に係る走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法の好適な実施形態を、図１〜図１３に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the three-dimensional shape measuring method using the scanning white interference microscope according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 13.
図１は、本発明の実施の形態に係る走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図である。走査型白色干渉顕微鏡１００は、装置本体１０と、計測対象の試料Ｓ（計測対象物）が載置されたステージ２０と、得られたデータを処理するコンピュータ（プロセッサ）３０とを含む。装置本体１０は、白色光源１１と、フィルタ１２と、ビームスプリッタ１３と、二光束干渉対物レンズ（対物レンズ）１４と、カメラ１５と、ピエゾアクチュエータ１６と、を含む。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a scanning white interference microscope according to an embodiment of the present invention. The scanning
矢印Ａで示すように白色光源１１から出射された光（白色光）は、フィルタ（例えば波長フィルタ、偏光フィルタなど）１２を通過した後、ビームスプリッタ１３で二光束干渉対物レンズ１４へ導かれる（矢印Ｂ）。光は二光束干渉対物レンズ１４内のビームスプリッタで、計測対象物（試料Ｓ自体およびその内部の物質を含む）側へ向かう第１の光と、図示せぬ参照ミラー側へ向かう第２の光の２つに分割される。計測対象物に対して対向して配置される二光束干渉対物レンズ１４内のビームスプリッタから計測対象物までの光学距離と、当該ビームスプリッタから参照ミラーまでの光学距離が等しくなった時に、計測信号が２つの光の干渉信号の形態で観測可能となり、カメラ１５がこの干渉信号を干渉縞（干渉パターン）として撮像し、干渉信号がコンピュータ３０に保持、格納される。また、図１の実施形態では、ビームスプリッタ１３から図示せぬ参照ミラーまでの距離が固定されているため、ピエゾアクチュエータ１６を用いて掃引させることにより（矢印Ｃの動き）、計測対象物との距離を変化させている。走査型白色干渉顕微鏡１００はコヒーレンス長の短い白色光源を用いるため（コヒーレンス長〜１μｍ）、干渉信号が得られた位置が、計測対象物が存在するＺ位置（深さ位置）となる。
As shown by the arrow A, the light (white light) emitted from the white light source 11 passes through the filter (for example, wavelength filter, polarizing filter, etc.) 12 and then is guided to the diluminous flux interference
図２は、測定対象物である試料Ｓの表面の傾斜角度θの定義を示す図であり、図１の走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図の一部を用いている。測定対象物に対して鉛直方向におろした線から、測定対象物の表面の接線に対する法線に見込んだ角度を傾斜角度θと定義している。図２の例では、点Ｐ１における傾斜角度はθ１であり、点Ｐ２における傾斜角度はθ２である。 FIG. 2 is a diagram showing the definition of the inclination angle θ of the surface of the sample S which is the measurement target, and a part of the overall configuration diagram of the scanning white interference microscope of FIG. 1 is used. The angle from the line drawn vertically to the object to be measured to the normal to the tangent to the surface of the object to be measured is defined as the inclination angle θ. In the example of FIG. 2, the tilt angle at the point P 1 is θ 1 , and the tilt angle at the point P 2 is θ 2 .
一方、光線光学下においては、図２の傾斜角度θによって定められる対物レンズ１４の臨界角度（対物レンズの中心を通過する軸上の１点から出て対物レンズに入る光のうち最も外側の光の角度）がΘの場合、対物レンズ１４の開口数ＮＡ（numerical aperture）は、下記の式（１）に求められる。尚、ｎは屈折率（測定対象物側の空間の物質の屈折率）であり、通常、空気の場合１である。対物レンズ１４の開口数ＮＡが高いほど水平分解能は高くなり、また、焦点深度が小さくなるため垂直分解能も高くなる。
On the other hand, under ray optics, the outermost light among the light emitted from one point on the axis passing through the center of the objective lens and entering the objective lens, which is the critical angle of the
図３は、走査型白色干渉顕微鏡１００により観測される一般的な干渉信号、すなわち計測対象物（試料Ｓ）に対し、白色光源１１から照射した光（白色光）の干渉信号を示すグラフである。走査型白色干渉顕微鏡１００のカメラ１５で観測される信号強度Ｉは、式（２）で示すように、参照光強度のＩ１および測定試料からの反射光強度Ｉ２のオフセット項（第１項および第２項）、および干渉信号である第３項からなる。第３項中のΔpは光路長差（ＯＰＤ：Optical Path Difference）であり、図１で説明した二光束干渉対物レンズ１４内の図示せぬビームスプリッタから計測対象物（試料Ｓ自体およびその内部の物質を含む）側までの光学距離と図示せぬビームスプリッタから図示せぬ参照ミラー側までの光学距離の差である。
FIG. 3 is a graph showing a general interference signal observed by the scanning
式（２）の干渉項である第３項は図３の実線で示す干渉信号に相当し、破線で表す干渉信号の包絡線は、式（３）の３つの因子から構成される。３つの因子は、光源、すなわち白色光源１１の波長スペクトル特性ｆ１（λｉ）、波長フィルタ（フィルタ１２に含まれる）のスペクトル特性ｆ２（λｉ）、カメラ１５の感度であるスペクトル特性ｆ３（λｉ）である。λｉは光源の波長である。 The third term, which is the interference term of the equation (2), corresponds to the interference signal shown by the solid line in FIG. 3, and the envelope of the interference signal represented by the broken line is composed of the three factors of the equation (3). Three factors, a light source, i.e. wavelength spectrum characteristic f 1 of the white light source 11 (lambda i), the spectral characteristics f 2 (lambda i) of the wavelength filter (included in the filter 12), the spectral characteristics f is the sensitivity of the camera 15 3 (λ i ). λ i is the wavelength of the light source.
これらから決まる図３の包絡線の半値幅はコヒーレンス長として観測される。コヒーレンス長ｌｃは式（４）で与えられるが、式（４）は、傾斜角度θ＝０°（０度）における式であり、計測対象物の表面の性状による影響を受けていない光源のコヒーレンス長の値である。式（４）において、λｃ：光源の中心波長、Δλ：光源の波長の半値幅、ｃ：光速、Δｆ：光源の周波数の半値幅である。また、この式は、傾斜角度θ＝０°を前提とした状態において、白色光源１１とフィルタ１２の波長フィルタの特性（白色光源の波長や波長フィルタの透過波長等）によって決まる一義的な値を示すものであり、基本となるコヒーレンス長である基本コヒーレンス長ｌｃとして定義される。 The half width of the envelope in FIG. 3 determined from these is observed as the coherence length. The coherence length lc is given by the equation (4), and the equation (4) is an equation at an inclination angle θ = 0 ° (0 degree), and the coherence of the light source is not affected by the surface properties of the object to be measured. The length value. In equation (4), λ c : the center wavelength of the light source, Δλ: the half width of the wavelength of the light source, c: the speed of light, and Δf: the half width of the frequency of the light source. Further, this equation sets a unique value determined by the characteristics of the wavelength filters of the white light source 11 and the filter 12 (wavelength of the white light source, transmission wavelength of the wavelength filter, etc.) on the assumption that the inclination angle θ = 0 °. It is shown and is defined as the basic coherence length lc, which is the basic coherence length.
図４は、計測対象物である試料Ｓの表面における、低傾斜面Ｓ１および高傾斜面Ｓ２のそれぞれにおいて、カメラ１５の１ピクセル（１画素）に相当する領域を拡大して示すものである。ここでの１ピクセルに相当する領域は、計測対象物の断面を示しており（横軸が半径方向のｘ座標、縦軸が高さ方向のｚ座標）、それぞれの領域における表面が表れている。本図における表面は、１ピクセルにおいて変化する表面の状態を概念的に示したものであり、実際に記録される信号ではない。 4, the surface of the sample S is a measurement object, in each of the low inclined surfaces S 1 and the high-tilt surfaces S 2, shows an enlarged view of the region corresponding to one pixel of the camera 15 (1 pixel) is there. The area corresponding to one pixel here shows the cross section of the object to be measured (the horizontal axis is the x-coordinate in the radial direction, the vertical axis is the z-coordinate in the height direction), and the surface in each area appears. .. The surface in this figure conceptually shows the state of the surface that changes in one pixel, and is not a signal that is actually recorded.
掃引時に得られる干渉信号は、計測対象物の表面に対して得られるが、低傾斜面Ｓ１では１ピクセルの横方向（ｘ方向）に渡って表面の位置は高さ方向（ｚ方向）で大きく変動しない。よって、１ピクセルに入力される、表面ごとに得られる複数のフレームごとの干渉信号ＳＧ１はそれぞれ近い高さのものが得られ、それぞれ重なり合う度合いが大きくなり、干渉して強め合う。従って半値幅が小さく高さの大きい合成された干渉信号、すなわち山型の包絡線ＥＣ１が得られる。 Interference signal obtained at the time of the sweep is obtained for the surface of the measurement object, at the position of the surface over the lower inclined surface S 1 in one pixel in the lateral direction (x direction) the height direction (z-direction) It does not fluctuate significantly. Therefore, the interference signals SG 1 for each of a plurality of frames, which are input to one pixel and are obtained for each surface, are obtained at similar heights, and the degree of overlap is increased, and they interfere with each other and strengthen each other. Therefore, a combined interference signal having a small half width and a large height, that is, a mountain-shaped envelope EC 1 , can be obtained.
一方、高傾斜面Ｓ２では、１ピクセルの横方向（ｘ方向）に渡って表面の位置は高さ方向（ｚ方向）で大きく変動する。よって、１ピクセルに入力される、表面ごとに得られる複数のフレームごとの干渉信号ＳＧ２は様々な高さに応じたものが得られ、重なり合う度合いが小さくなり、干渉して強め合いにくい。従って半値幅が大きく高さの小さい合成された干渉信号、すなわち台形のような形状をした包絡線ＥＣ２が得られる。すなわち見かけ上、基本コヒーレンス長ｌｃがあたかも延びたように観測される。 On the other hand, the high-tilt surfaces S 2, the position of the surface over the lateral direction (x direction) of one pixel varies greatly in the height direction (z direction). Therefore, the interference signals SG 2 for each of a plurality of frames obtained for each surface, which are input to one pixel, can be obtained according to various heights, the degree of overlap is small, and it is difficult to interfere and strengthen each other. Therefore, a synthesized interference signal having a large half-value width and a small height, that is, an envelope EC 2 having a trapezoidal shape can be obtained. That is, apparently, the basic coherence length lc is observed as if it were extended.
図５は、カメラ１５の１ピクセルに着目したものであり、カメラ１５のピクセルサイズ（画素サイズ；１ピクセルの１辺）がＷｃ、対物レンズ１４の倍率がＸの場合、実際に１ピクセルにおいて観測される領域は、Ｗｃ／Ｘを１辺とする正方形の領域になる。そして、１ピクセルにおける一端と他端では、異なる高さ情報（異なる表面の位置情報）が入力されると仮定する（図５ではＺ１およびＺ２）。このとき、一端と他端を結ぶ表面の角度をθ、すなわち傾斜角度とすると、１ピクセルに入力される表面の位置の変動量に相当する高さ差分であるΔｚ（＝Ｚ２−Ｚ１）は、式（５）で与えられることとなる。
FIG. 5 focuses on one pixel of the
図６は、式（５）で得られる高さ差分Δｚを、傾斜角度θに応じてグラフ上にプロットしたものであり、１ピクセルに入力される高さ差分は、表面の傾斜角度θが０°であれば（例えば図４の低傾斜面Ｓ１付近）、０であることは自明である。また、式（５）より、傾斜角度θが増大するにつれ、１ピクセルに入力される高さ差分Δｚは増大することも自明である。すなわち、傾斜角度０°においては、見かけ上、コヒーレンス長の伸長の影響は０であり、式（４）の基本コヒーレンス長ｌｃがそのまま観測される。一方、傾斜角度θが大きくなるにつれ、高さ差分Δｚは、式（５）に従い増大する。このようにして実際に、走査型白色干渉顕微鏡１００を用いた観測により取得される観測コヒーレンス長（見かけ上のコヒーレンス長）ｌｃ'は傾斜角度に従って変化し、式（６）で与えられる。すなわち、高さ差分Δｚは、傾斜角度θに応じて基本コヒーレンス長ｌｃが延びる値であるコヒーレンス長の延びに相当する。そして、観測コヒーレンス長ｌｃ'は、走査型白色干渉顕微鏡１００の白色光源１１およびフィルタ１２の波長フィルタによって定められる基本コヒーレンス長ｌｃと、傾斜角度θに応じて基本コヒーレンス長ｌｃが延びる値である延びΔｚの和である。
FIG. 6 is a graph obtained by plotting the height difference Δz obtained by the equation (5) according to the inclination angle θ, and the height difference input to one pixel has a surface inclination angle θ of 0. if ° (e.g. low inclined surface S around 1 in FIG. 4), it is obvious that it is zero. Further, from the equation (5), it is obvious that the height difference Δz input to one pixel increases as the inclination angle θ increases. That is, at an inclination angle of 0 °, the influence of the extension of the coherence length is apparently 0, and the basic coherence length lc of the equation (4) is observed as it is. On the other hand, as the inclination angle θ increases, the height difference Δz increases according to the equation (5). In this way, the observed coherence length (apparent coherence length) lc', which is actually obtained by observation using the scanning
基本コヒーレンス長ｌｃ、カメラ１５のピクセルサイズＷｃ、および対物レンズの倍率Ｘは既知であり、観測されるコヒーレンス長ｌｃ'を計測することにより、式（５）および式（６）を用いて、傾斜角度θ（ｔａｎθ）、高さ差分Δｚを求めることができる。このようにして、計測対象物の表面の形状、すなわち計測対象物の表面の傾斜角度を計測することができる。
The basic coherence length lc, the pixel size Wc of the
図７は、図４および図５で説明した、カメラの１ピクセル内で捉えられた表面の位置変化を利用し、当該ピクセルにおける計測対象物の表面の局所曲率半径を求める方法を説明する概念図である。ピクセルにおける両端の点をＰ１、Ｐ２とし、点Ｐ１、Ｐ２を通る半径ｒの円が点Ｐ１、Ｐ２それぞれでの半径ｒ１、ｒ２の間の中心を通る半径（半径ｒ１、ｒ２の各々から角度θ’ずれた半径）が、表面上の任意の仮想点Ｐに位置すると仮定する。すなわち、１ピクセル内で計測された時の局所曲率半径は同じと想定できるため、ｒ＝ｒ１＝ｒ２が成立し、代表点は、両端の半径ｒ１、ｒ２を均等な角度θ’で分割する半径ｒが通過する点Ｐである。この仮想点Ｐにおける半径ｒが、局所曲率半径であると仮定すると、式（７）で表される関係が成立することとなる。
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of obtaining the local radius of curvature of the surface of the object to be measured in the pixel by utilizing the position change of the surface captured within one pixel of the camera described with reference to FIGS. 4 and 5. Is. The points at both ends at the pixel and P 1, P 2, the radius (radius circle of radius r passing through the
高さ差分Δｚを観測した後、図６のグラフおよび式（５）から傾斜角度θを求めることができ、式（７）には未知の変数θ１、θ２、局所曲率半径rの３つが残ることになる。よって、式（７）の３つの連立方程式を解くことで、局所曲率半径ｒ、ひいては局所曲率１／ｒを算出することが可能となる。すなわち、高さ差分Δｚである延びΔｚと、傾斜角度θから、計測対象物の表面の局所曲率半径ｒを算出することが可能である。なお、局所曲率半径（局所曲率）は、表面の高さｚが検出できれば、光線光学の分野で周知の式（８）より求めることができるが、高さであるｚの２階微分が分母にあるためノイズが大きい。それに対して式（７）は傾斜角度θから局所曲率半径を求めているため、ノイズに強い計測手法といえる。
After observing the height difference Δz, the inclination angle θ can be obtained from the graph of FIG. 6 and equation (5). In equation (7), there are three unknown variables θ 1 , θ 2 , and the local radius of curvature r. It will remain. Therefore, by solving the three simultaneous equations of the equation (7), it is possible to calculate the local radius of curvature r and, by extension, the
次に、適切な基本コヒーレンス長ｌｃを設定するための手法について説明する。図４における高傾斜面Ｓ２の如き高傾斜面を計測する場合、傾斜角度９０度（９０°）まで測ると仮定すると、傾斜角度９０°の点から所定の傾斜角度θcをとる点において、カメラの１ピクセルの距離に相当する長さは、式（９）で与えられる。ｘ９０は傾斜角度９０°の点におけるピクセルのｘ座標の値、ｘθｃは所定の傾斜角度θcをとる点におけるピクセルのｘ座標の値である。
Next, a method for setting an appropriate basic coherence length lc will be described. When measuring high inclined surface such as a high-tilt surfaces S 2 in FIG. 4, assuming that measure to the inclined position of 90 degrees (90 °), in that has a predetermined inclination angle θc in terms of
式（９）より、傾斜角度９０°からカメラ１ピクセル分ずれた傾斜角度θcは、式（１０）で与えられる。式（６）において基本コヒーレンス長ｌｃをむやみに大きくし過ぎると、見かけ上延びたコヒーレンス長（観測コヒーレンス長）ｌｃ'に対するΔｚの影響度が小さくなり、傾斜角度の計測精度が落ちてしまうため、基本コヒーレンス長ｌｃは所定の大きさに抑えることが望ましい。しかしながら、基本コヒーレンス長ｌｃが短すぎると光量不足や干渉縞の出現時間の極小化などの弊害が生じ得る。 From the equation (9), the inclination angle θc deviated from the inclination angle of 90 ° by one pixel of the camera is given by the equation (10). If the basic coherence length lc is made too large in the equation (6), the influence of Δz on the apparently extended coherence length (observed coherence length) lc'is reduced, and the measurement accuracy of the tilt angle is lowered. It is desirable that the basic coherence length lc be suppressed to a predetermined size. However, if the basic coherence length lc is too short, adverse effects such as insufficient light intensity and minimization of the appearance time of interference fringes may occur.
そこで、傾斜角度９０°まで計測できることを前提条件とし、カメラ１ピクセル分ずれた傾斜角度θc（８８°付近等）の表面の位置において延びΔｚが基本コヒーレンス長ｌｃと等しくなれば、計測可能な全傾斜角度において分解能を保ちつつ計測ができる。よって、傾斜角度θcにおける見かけ上延びるΔｚを、光源および波長フィルタから設定可能な基本コヒーレンス長ｌｃの最大値の目安とすることができ、式（１１）を条件として基本コヒーレンス長ｌｃを設定する。すなわち、基本コヒーレンス長ｌｃは、傾斜角度９０°に対応する計測対象物の表面から、カメラの１画素分に相当する傾斜角度θｃだけずれた表面における延びΔｚ以下になるように設定されることが望ましい。基本コヒーレンス長ｌｃは最大でカメラ１ピクセル分ずれた傾斜角度θcにおいてｌｃ：Δｚ＝１：１（ｌｃ＝Δｚ）となる。ここでは傾斜角度９０°まで計測できることを前提条件としたが、既に測定試料の傾斜角度が分かっており傾斜角度９０°までの計測が不要であるときには、例えば傾斜角度６０°でも同様に計算することが可能であり、基本コヒーレンス長ｌｃも小さくできることから、計測できる傾斜角度は犠牲になるものの、ｚ分解能が高くなる。
Therefore, assuming that the tilt angle can be measured up to 90 °, if the extension Δz becomes equal to the basic coherence length lc at the surface position of the tilt angle θc (near 88 °, etc.) deviated by 1 pixel of the camera, all measurable. Measurement can be performed while maintaining resolution at the tilt angle. Therefore, the apparently extending Δz at the inclination angle θc can be used as a guideline for the maximum value of the basic coherence length lc that can be set from the light source and the wavelength filter, and the basic coherence length lc is set under the condition of the equation (11). That is, the basic coherence length lc is set so as to extend Δz or less on the surface deviated by the tilt angle θc corresponding to one pixel of the camera from the surface of the measurement object corresponding to the
次に、高傾斜面における干渉信号の劣化対策について説明する。図８は、図４と同様に、計測対象物である試料Ｓの表面における、低傾斜面Ｓ１および高傾斜面Ｓ２のそれぞれにおいて、カメラ１５の１ピクセル（１画素）に相当する領域を拡大して示すものである。ただし、図４とは異なり、ここでの１ピクセルに相当する領域は、図４で得られた計測対象物の断面である１ピクセルに垂直なｘｙ平面上で、表面の形状が干渉縞によって表れたものを示したものであり、実際に１ピクセルにおいて記録される信号である（横軸が半径方向のｘ座標、縦軸がｘ座標およびｚ座標に直交するｙ座標）。従来、開口数ＮＡ以内での観察（低傾斜面Ｓ１の観察）では発生しなかった現象であるが、高傾斜面Ｓ２のように開口数ＮＡから求まる傾斜角度よりも大きな領域では、１ピクセル内に多数の干渉縞が入力されるため、干渉信号は打ち消し合って弱め合う現象が発生する。 Next, measures against deterioration of the interference signal on a highly inclined surface will be described. Figure 8 is similar to FIG. 4, the surface of the sample S is a measurement object, in each of the low inclined surfaces S 1 and the high-tilt surfaces S 2, a region corresponding to one pixel of the camera 15 (1 pixel) It is shown in an enlarged scale. However, unlike FIG. 4, the region corresponding to 1 pixel here is on the xy plane perpendicular to 1 pixel, which is the cross section of the object to be measured obtained in FIG. 4, and the shape of the surface appears by interference fringes. It is a signal that is actually recorded in one pixel (the horizontal axis is the x-coordinate in the radial direction, and the vertical axis is the y-coordinate orthogonal to the x-coordinate and the z-coordinate). Conventionally, observation of within the numerical aperture NA is a (lower inclined surface S 1 of the observation) phenomenon in did not occur in an area larger than the inclination angle obtained from the numerical aperture NA as high inclined surface S 2 is 1 Since a large number of interference fringes are input in the pixel, the interference signals cancel each other out and weaken each other.
図９は図８の表現を変えたものであり、広範囲での干渉縞と１ピクセルの関係を示す模式図である。干渉縞の明から明の幅および暗から暗の幅が１波長（λ）分に相当し、明から暗の幅が半波長λ／２に相当する。図９（ａ）に示すように、低傾斜面Ｓ１では、干渉縞の各明暗の信号の幅に相当する高さ差分Δｚは、光源の波長λの半分に相当するλ／２より小さい。この結果、Δｚがλ／２より小さいという条件を満たすような低傾斜面Ｓ１では、図８でも示したように、１ピクセル内で干渉縞の信号が打ち消し合い難い。 FIG. 9 is a modified representation of FIG. 8 and is a schematic diagram showing the relationship between interference fringes over a wide range and one pixel. The width of light to light and the width of dark to dark of the interference fringes correspond to one wavelength (λ), and the width of light to dark corresponds to half wavelength λ / 2. As shown in FIG. 9 (a), the low-inclined surface S 1, the height difference Δz corresponding to the width of each light and dark signals of the interference fringes is equivalent to half of the wavelength lambda of the light source lambda / 2 less. As a result, the low inclined surface S 1 as Δz satisfies the condition that lambda / 2 is less than, as also shown in FIG. 8, hardly canceled signal of the interference fringes within one pixel.
一方、図９（ｂ）に示すように、Δｚがλ／２より大きいという条件を満たすような高傾斜面Ｓ２では、１ピクセル内に複数の明暗の干渉縞が入り打ち消し合ってしまう。この打消し合いは１ピクセルの領域内で発生するため、傾斜角度が大きくなり干渉縞の本数が多くなるにつれ、得られる干渉信号の強度も徐々に小さくなる。 On the other hand, as shown in FIG. 9 (b), the high-tilt surfaces S 2 as Δz satisfies the condition that is greater than lambda / 2, thus cancel each other contains the interference fringes of a plurality of light and dark in 1 pixel. Since this cancellation occurs within the region of 1 pixel, the intensity of the obtained interference signal gradually decreases as the inclination angle increases and the number of interference fringes increases.
図１０は、所定の傾斜角度において、１ピクセルに入力される輝度の振幅値（任意単位）を表す式（１２）をプロットしたグラフである。式（１２）は、1ピクセルに入力される高さ差分Δzを波長λで割り波数とし、さらに干渉次数ｍを用いて、カメラ１ピクセルに入ってくる干渉縞の本数が多くなるにつれ、輝度の振幅値、すなわち干渉信号が弱くなっていくことを表現している。そして、図１０は、干渉信号の強度が大きくなる極大値における干渉縞の参考事例をも示すものである。このグラフが示す輝度の振幅値はいわば干渉信号の強度であり、計測する傾斜角度が二光束干渉対物レンズの開口数ＮＡから定まる臨界角度を越えた角度領域において、干渉信号が弱め合ってしまう傾斜角度が式（１２）で決まる周期性をもって存在することが直感的に理解される。 FIG. 10 is a graph in which the equation (12) representing the amplitude value (arbitrary unit) of the luminance input to one pixel at a predetermined tilt angle is plotted. In the equation (12), the height difference Δz input to one pixel is divided by the wavelength λ and the wave number is used, and the interference order m is used to increase the number of interference fringes entering one pixel of the camera. It expresses that the amplitude value, that is, the interference signal becomes weaker. Further, FIG. 10 also shows a reference example of the interference fringes at the maximum value at which the intensity of the interference signal becomes large. The amplitude value of the brightness shown in this graph is, so to speak, the intensity of the interference signal, and the interference signal weakens each other in the angle region where the measured tilt angle exceeds the critical angle determined by the numerical aperture NA of the two-luminous flux interference objective lens. It is intuitively understood that the angle exists with the periodicity determined by the equation (12).
干渉信号の強度が小さいということは、観測される信号強度が小さくなる、すなわち信号ノイズ比Ｓ／Ｎが悪化するため、その傾斜角度においてばらつきが大きくなり、正確な形状計測ができなくなるおそれがある。このような潜在的な課題に対応するため、計測された見かけ上延びた観測コヒーレンス長ｌｃ'から計測した傾斜角度を求める（式（５）および式（６）を参照）。そこからその傾斜角度（干渉信号の弱い傾斜角度）の近傍での平均化処理や、フーリエ解析を用いた当該傾斜角度に対応する周期成分の除去等の方法により、信号ノイズ比Ｓ／Ｎを上げることにより、形状計測の信頼性を向上させることができる。 If the strength of the interference signal is low, the observed signal strength is low, that is, the signal-to-noise ratio S / N is deteriorated, so that the inclination angle becomes large and there is a risk that accurate shape measurement cannot be performed. .. In order to deal with such a potential problem, the measured tilt angle is obtained from the measured apparently extended observation coherence length lc'(see equations (5) and (6)). From there, the signal-to-noise ratio S / N is increased by averaging in the vicinity of the tilt angle (weak tilt angle of the interference signal) and removing the periodic component corresponding to the tilt angle using Fourier analysis. As a result, the reliability of shape measurement can be improved.
次に膜を有する計測対象物の計測方法について説明する。図１１は膜ｆを有する計測対象物の試料Ｓにおいて、高傾斜面Ｓ２の計測を行う状況を説明する概念図である。ｘｙ座標上において、試料Ｓの最外表面の座標が（ｘ１，ｚ２）、膜ｆの内側に相当する内表面の座標が（ｘ１，ｚ１）であると仮定する。傾斜角度０°における膜の膜厚ｔは、任意の傾斜角度においてはｚ２−ｚ１として表現され、式（１３）で与えられる。この式は、鉛直方向より観測した時の膜ｆの膜厚ｔを示す。局所曲率半径ｒは、座標（ｘ１，ｚ１）における局所曲率半径である（すなわち、座標（ｘ１，ｚ２）での局所曲率半径は、ｒ＋ｔ）。尚、膜ｆは試料Ｓの表面に存在することは必須ではなく、試料Ｓの内部に存在する層のようなものであってもよい。また、膜ｆは単層膜であっても多層膜であってもよい。 Next, a method for measuring an object to be measured having a film will be described. Figure 11 is the sample S of a measurement object having a film f, it is a conceptual diagram illustrating a situation in which to measure the high-tilt surfaces S 2. It is assumed that the coordinates of the outermost surface of the sample S are (x 1 , z 2 ) and the coordinates of the inner surface corresponding to the inside of the film f are (x 1 , z 1 ) on the xy coordinates. Thickness t of the membrane in the inclination angle of 0 °, at any inclination angle is expressed as z 2 -z 1, given by equation (13). This formula shows the film thickness t of the film f when observed from the vertical direction. The local radius of curvature r is the local radius of curvature at the coordinates (x 1 , z 1 ) (that is, the local radius of curvature at the coordinates (x 1 , z 2 ) is r + t). The film f is not essential to be present on the surface of the sample S, and may be a layer existing inside the sample S. Further, the film f may be a single-layer film or a multilayer film.
光学の分野では２つの輝点を分離できる定義として、例えばレイリーの分解能（０．６１＊λ／ＮＡ）で知られるような式が存在する。ここでは単純に観測される干渉縞の包絡線の中心がコヒーレンス長ｌｃの半分となったときを分離できる上限と仮定したものを図１２（ａ）に、また、後述の見かけ上の延びΔｚの補正後を図１２（ｂ）に示す。そして、式（６）をもとに次式（１４）を実際に分離できる高さδとして議論する。 In the field of optics, as a definition capable of separating two bright spots, for example, there is an equation known as Rayleigh's resolution (0.61 * λ / NA). Here, it is assumed in FIG. 12 (a) that the center of the envelope of the observed interference fringes is half the coherence length lc as the upper limit that can be separated, and the apparent extension Δz described later is shown. The corrected state is shown in FIG. 12 (b). Then, based on the equation (6), the following equation (14) is discussed as a height δ that can be actually separated.
図１３は式（１３）および式（１４）を所定の条件（ピクセルサイズＷｃ、対物レンズの倍率Ｘ、膜の膜厚ｔ、局所曲率半径ｒ等を適宜設定）においてプロットして得られるグラフである。式（１４）をプロットして得られるグラフが、実線で示した「実際に分離できる高さ」であり、式（１３）をプロットして得られるグラフが、破線で示した「鉛直方向より観測した時の膜厚」である。 FIG. 13 is a graph obtained by plotting equations (13) and (14) under predetermined conditions (pixel size Wc, objective lens magnification X, film thickness t, local radius of curvature r, etc. are appropriately set). is there. The graph obtained by plotting equation (14) is the "actually separable height" shown by the solid line, and the graph obtained by plotting equation (13) is "observed from the vertical direction" shown by the broken line. It is the film thickness at the time of
この図から、傾斜角度０°を中心とした所定幅の低傾斜面の領域においては、鉛直方向より観察した時の膜ｆの膜厚よりも、観測されるコヒーレンス長、すなわち実際に分解できる高さの方が小さいために、観測される干渉縞は重ならないため、膜でも干渉信号を試料から分離して、当該膜の有無の判別を行うことが可能であることを示している。そして、約±２３°において、鉛直方向より観察した時の膜厚よりもコヒーレンス長の延び、すなわち分離できる高さδが上回っていることが分かる。このことは、±２３°以上の傾斜角度においては観測される干渉縞が重なり出すため、膜の有無の判断を行うことが困難であることを意味する。そこで式（５）および図６より把握可能なコヒーレンス長の延びΔｚを観測コヒーレンス長ｌｃ’から差し引きする補正を行う。すなわち、補正後の分離できる高さδ’は、式（１４）からΔｚを差し引いた下記の式（１５）により与えられる。 From this figure, in the region of the low slope surface with a predetermined width centered on the tilt angle of 0 °, the observed coherence length, that is, the height that can be actually decomposed, is larger than the film thickness of the film f when observed from the vertical direction. Since the size is smaller, the observed interference fringes do not overlap, indicating that it is possible to separate the interference signal from the sample even with the film and determine the presence or absence of the film. Then, at about ± 23 °, it can be seen that the extension of the coherence length, that is, the separable height δ, exceeds the film thickness when observed from the vertical direction. This means that it is difficult to determine the presence or absence of the film because the observed interference fringes start to overlap at an inclination angle of ± 23 ° or more. Therefore, correction is performed by subtracting the coherence length extension Δz, which can be grasped from Eq. (5) and FIG. 6, from the observed coherence length lc'. That is, the corrected height δ'that can be separated is given by the following equation (15) obtained by subtracting Δz from the equation (14).
この結果、補正後の分離できる高さδ’は見かけ上延びることがなくなり傾斜角度依存性をもたなくなるため、図１３の一点鎖線で示すように補正後の分離できる高さδ’は傾斜角度に対して依存しなくなり光源のコヒーレンス長、すなわち基本コヒーレンス長ｌｃのみで決まるようになり、計測対象物の膜の有無を低傾斜面のみならず高傾斜面（本例では±２３°を超える領域）においても判断することが可能となる。図１３の一点鎖線で示す「補正後の分離できる高さδ’」に示すように、その傾斜角度における計算上求まる半値幅の干渉縞の信号と差分をとった後の干渉縞波形から、膜の膜厚を求めることが可能である。そして高傾斜面においても膜の傾斜角度の計測が可能となる。 As a result, the corrected height δ'that can be separated does not apparently extend and has no inclination angle dependence. Therefore, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 13, the height δ'that can be separated after correction is the inclination angle. The coherence length of the light source, that is, the basic coherence length lc, is no longer dependent on the light source. ) Can also be judged. As shown in "Corrected separable height δ'" shown by the alternate long and short dash line in FIG. 13, the film is obtained from the interference fringe waveform after taking the difference from the signal of the interference fringe having the half-value width calculated at the inclination angle. It is possible to obtain the film thickness of. Then, the inclination angle of the film can be measured even on a highly inclined surface.
本発明によれば、干渉信号の包絡線の半値幅に基づき、観測コヒーレンス長を取得した上で、計測対象物（試料）の表面の傾斜角度を計測することができる。よって、計測対象物の表面における傾斜角度の大きい高傾斜面でも適切に傾斜角度を計測することができ、表面の形状、特性を把握することができる。 According to the present invention, it is possible to measure the inclination angle of the surface of the object to be measured (sample) after obtaining the observed coherence length based on the half width of the envelope of the interference signal. Therefore, the inclination angle can be appropriately measured even on a highly inclined surface having a large inclination angle on the surface of the object to be measured, and the shape and characteristics of the surface can be grasped.
特に本発明によれば、光源および波長フィルタを含む走査型白色干渉顕微鏡から定まる、傾斜角度θ＝０°における基本コヒーレンス長と、干渉縞波形の変化、特にその半値幅に相当する観測コヒーレンス長を計測することで、計測対象物（試料）の表面の傾斜角度を計測することができる。 In particular, according to the present invention, the basic coherence length at an inclination angle θ = 0 ° and the change in the interference fringe waveform, particularly the observed coherence length corresponding to the half width thereof, determined from a scanning white interference microscope including a light source and a wavelength filter. By measuring, the inclination angle of the surface of the object to be measured (sample) can be measured.
また、本発明によれば、計測位置における表面の局所曲率半径を求めることも可能となる。従来の計測対象物のＺ位置（高さ位置）から局所曲率半径を求める方法によれば、計算式の分母に２階微分がくるためノイズが大きかったが、本発明によれば傾斜角度から求めるためノイズは小さくなる。 Further, according to the present invention, it is also possible to obtain the local radius of curvature of the surface at the measurement position. According to the conventional method of obtaining the radius of curvature from the Z position (height position) of the object to be measured, noise is large because the second derivative comes to the denominator of the calculation formula. Therefore, the noise becomes small.
また、本発明によれば、適切な基本コヒーレンス長を設定することが可能であり、観測コヒーレンス長に対する基本コヒーレンス長の影響を抑えることができるため、正確な観測コヒーレンス長が得られ、ひいては正確な傾斜角度を計測することが可能となる。 Further, according to the present invention, an appropriate basic coherence length can be set, and the influence of the basic coherence length on the observed coherence length can be suppressed, so that an accurate observed coherence length can be obtained, and thus an accurate observed coherence length can be obtained. It is possible to measure the tilt angle.
また、本発明によれば、膜を有する計測対象物に関しても、所定の傾斜角度に対する観測コヒーレンス長が分かっているため、コヒーレンス長の延びを差し引く補正により高傾斜面の計測においても膜の計測が可能となる。例えば、計算上求まる半値幅以上の干渉縞が観測された際に、膜体の有無の判別ができるようになる。また、その時、その角度における計算上求まる半値幅の干渉縞の信号と差分をとった後の干渉縞波形から膜厚を求めることも可能である。 Further, according to the present invention, since the observed coherence length with respect to a predetermined inclination angle is known also for the measurement object having the film, the film can be measured even in the measurement of the high inclination surface by the correction by subtracting the extension of the coherence length. It will be possible. For example, when an interference fringe having a half-value width or more obtained by calculation is observed, the presence or absence of a film body can be determined. At that time, it is also possible to obtain the film thickness from the interference fringe waveform after taking the difference from the signal of the interference fringe having a half-value width calculated at that angle.
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified, improved, and the like. In addition, the material, shape, size, numerical value, form, number, arrangement location, etc. of each component in the above-described embodiment are arbitrary and are not limited as long as the present invention can be achieved.
本発明によれば、走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法にあたって、傾斜角度の大きな試料の表面についても適切な計測を可能とすることができる。 According to the present invention, in the three-dimensional shape measuring method using a scanning white interference microscope, it is possible to appropriately measure the surface of a sample having a large inclination angle.
１０ 装置本体
１１ 白色光源（光源）
１２ フィルタ（波長フィルタを含む）
１３ ビームスプリッタ
１４ 二光束干渉対物レンズ（対物レンズ）
１５ カメラ
１６ ピエゾアクチュエータ
２０ ステージ
３０ コンピュータ
１００ 走査型白色干渉顕微鏡
Ｓ 試料（計測対象物）
ｆ 膜
10 Device body 11 White light source (light source)
12 filters (including wavelength filter)
13
15
f film
Claims (6)
計測対象物に対し照射した光源からの光の干渉信号の包絡線を取得し、
前記包絡線の半値幅に基づき、観測される見かけ上のコヒーレンス長である観測コヒーレンス長ｌｃ'を取得し、
前記観測コヒーレンス長ｌｃ'に基づき、前記計測対象物の表面の傾斜角度を計測する、三次元形状計測方法。 A three-dimensional shape measurement method using a scanning white interference microscope.
Obtain the envelope of the interference signal of the light from the light source that irradiates the object to be measured.
Based on the half width of the envelope, the observed coherence length lc', which is the observed apparent coherence length, is obtained.
A three-dimensional shape measuring method for measuring the inclination angle of the surface of the object to be measured based on the observed coherence length lc'.
前記観測コヒーレンス長ｌｃ'が、前記走査型白色干渉顕微鏡の前記光源および波長フィルタによって定められる基本コヒーレンス長ｌｃと、前記傾斜角度に応じて前記基本コヒーレンス長ｌｃが延びる値である延びΔｚの和である、三次元形状計測方法。 The three-dimensional shape measuring method according to claim 1.
The observed coherence length lc'is the sum of the basic coherence length lc determined by the light source and the wavelength filter of the scanning white interference microscope and the extension Δz, which is a value at which the basic coherence length lc extends according to the tilt angle. There is a three-dimensional shape measurement method.
前記延びΔｚと前記傾斜角度から、前記計測対象物の表面の局所曲率半径を算出する、三次元形状計測方法。 The three-dimensional shape measuring method according to claim 2.
A three-dimensional shape measuring method for calculating the local radius of curvature of the surface of the object to be measured from the extension Δz and the inclination angle.
前記基本コヒーレンス長ｌｃは、傾斜角度９０度に対応する前記計測対象物の表面から、前記干渉信号を捉えるカメラの１画素分に相当する傾斜角度θｃだけずれた表面における前記延びΔｚ以下になるように設定される、三次元形状計測方法。 The three-dimensional shape measuring method according to claim 3.
The basic coherence length lc is set to be equal to or less than the extension Δz on a surface deviated from the surface of the measurement object corresponding to the tilt angle of 90 degrees by a tilt angle θc corresponding to one pixel of the camera that captures the interference signal. Three-dimensional shape measurement method set to.
前記走査型白色干渉顕微鏡が、前記計測対象物に対して対向して配置される対物レンズと、前記干渉信号を捉えるカメラとを有し、
前記対物レンズの開口数から定まる臨界角度を越える傾斜角度において、前記カメラの１画素内において干渉信号が打消し合う近傍の傾斜角度では平均化処理、またはフーリエ解析を用いた当該傾斜角度に対応する周期成分の除去により、信号ノイズ比Ｓ／Ｎを向上させる、三次元形状計測方法。 The three-dimensional shape measuring method according to claim 1.
The scanning white interference microscope has an objective lens arranged so as to face the measurement object and a camera that captures the interference signal.
At an inclination angle exceeding the critical angle determined by the numerical aperture of the objective lens, an inclination angle in the vicinity where interference signals cancel each other within one pixel of the camera corresponds to the inclination angle using averaging processing or Fourier analysis. A three-dimensional shape measurement method that improves the signal-to-noise ratio S / N by removing periodic components.
前記観測コヒーレンス長ｌｃ'から前記延びΔｚを差し引きすることで、前記計測対象物の膜の有無を判断する、三次元形状計測方法。 The three-dimensional shape measuring method according to claim 2.
A three-dimensional shape measuring method for determining the presence or absence of a film of the measurement object by subtracting the extension Δz from the observed coherence length lc'.
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