JPS62211503A

JPS62211503A - 段差計測装置

Info

Publication number: JPS62211503A
Application number: JP61053755A
Authority: JP
Inventors: Yoshitoshi Ito; 嘉敏伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1987-09-17
Also published as: US4770532A; KR900003116B1; KR870009210A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は物体表面の段差計測装置に係り、特に、微少段
差量の非接触計測に好適な光ファイバを用いた段差計測
装置に関するもので、例えば、半導体デバイス製造時の
基板上に形成されたパターン部の段差測定などに用いら
れる。

〔従来の技術〕

従来の微少段差非接触計測の一方法が、アプライｌ’・
オプティクＸ　（Ａｐｐｌｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　）、第
２０巻（１９８１年）ｔ　６１０〜６１８頁に論じられ
ている。そこで論じられている方法では、異なった周波
数で発振しているレーザ光のビート信号を利用する。

ゼーマン効果を利用するとヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎ
ｅ）レーザにわずかに波長の異なったレーザ光を同時に
発振させることができる。そして、この波長の異なった
レーザ光は、偏光面が互いに直交している。

このようなレーザ光を第４図に断面構成を示す光学系に
よって物体表面へ集光する。第４図の光学系で要素素子
として用いるウォラストンプリズム４１は偏光面が互い
に直交する入射光をそれぞれ異なった方向へ屈折させる
。この屈折作用のため、対物レンズ４２による試料４３
表面へのレーザ光集光位置は２個所となり、レーザ光の
偏光面によってその集光位置が分離される。試料４３表
面で反射された光は再び集光用の対物レンズ４２を透過
し、ウォラストンプリズム４１の作用によって、分離し
ていた光路が再び一致する。ウォラストンプリズム４１
への入射光には周波数の異なるレーザ光が含まれている
ため、偏光素子によって、ある偏光面成分の光を取り出
すと、その偏光面成分のレーザ光はレーザ光の周波数差
に等しい周波数のうなりを。

生ずる。

ウォラストンプリズム４１によって光路を分離し、再び
ウォラストンプリズム４１によって光路を一致させるま
での間、互いに直交する偏光面成分の光は別々の光路を
進む。この２つの光路の長さが等しい時には、反射光に
よるうなりの位相はウォラストンプリズム４１へ入射す
るレーザ光のうなりと等しい。しかし、光路分離後、再
び光路が一致するまでの光路長が異なる場合には、うな
りの位相に変化が生じる。このうなりの位相変化の原因
である光路長の差は、試料表面の凹凸によって生じるの
で、この位相変化を測定し、その値から試料表面の凹凸
を算出する。

一方、光ファイバを用いた微少変位計測法の一例がアプ
ライド・フィジクス・レター（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ）、第４１巻（１９８２年）、　
　２３１〜２３３頁に示されている。この方法は光ファ
イバの分岐回路によって２分したレーザ光を、時間差を
設けて試料表面に照射し、反射光を再び方向性結合器に
よって結合し干渉させる。この干渉によって生ずるレー
ザ光の強度変化から、試料への光の照射時間差内に生じ
た試料表面の変位を計測するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のうち、前者は、光学系を構成する要素素
子を光学定盤上に固定し、相互の間隔が振動によって変
化するのを防止する必要があり、そのため、装置の寸法
が太き（なり、また、重量も重（なり、装置の使用上、
問題があった。また、ゼーマン効果を利用する方法であ
ることから、２つの周波数で発振させた、いわゆる、ゼ
ーマンレーザを必要とするなど、装置が高価になるとい
う問題があった。

後者は、光フアイバ利用により小型軽量化されているが
、測定できる量が時間的に変動する量であり、試料表面
の段差の計測には適用できない。

本発明の目的は、試料表面の微少な段差を測定すること
ができる、小型軽量の、段差計測装置を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、レーザ光源からの直線偏光レーザ光を、偏
光面を保存した状態で伝搬する光ファイバを通して試料
側に導びき、光ファイバから出た光を偏光面が互いに直
交する成分光に２分する光学系を介して試料表面上の互
いに接近した場所に照射し、試料表面からの反射光を上
記光学系を逆行させることで２光路を重ね合わせて上記
光ファイバを逆向きに通して光源側へ導びき、光ファイ
バを出た反射光のうちの入射光の偏光面と平行な成分の
光量と直交する成分の光量とをそれぞれ光検出器で検出
し、これらの光量の比から試料の段差を求める構成とす
ることで、上記問題点を解決する。

〔作用〕

光の偏光面を保存した状態で伝搬する光ファイバ（以下
、偏波面保存光ファイバと呼ぶ）を用いてレーザ光源か
らのレーザ光を試料側に導びき、ウォラストンプリズム
およびレンズを通して試料表面に集光する。

レーザ光を偏波面保存ファイバにより試料側に導びく時
、試料側の偏波面保存光ファイバ端部から直線偏光が射
出されるように、レーザ光源と偏波面保存ファイバとを
結合する。そして、導びかれた直線偏光レーザ光を、ウ
ォラストンプリズムの作用を利用し、互いに直交する偏
光面成分に２分し、レンズにより、試料表面上の異なっ
た場所に集光させる。

試料表面で反射されたレーザ光は入射光路を逆行し、分
離した光路が再び、ウォラストンプリズムによって、一
致する。このように、ウォラストンプリズムによって２
分されたレーザ光は、その偏光面成分に応じてそれぞれ
異なった光路を通り、再びウォラストンプリズムによっ
て重ね合わされる。この２つの光路の長さが等しい場合
には、ウォラストンプリズムで重ね合わされた光は、ウ
ォラストンプリズムへの入射レーザ光と同じ偏光面の直
線偏光になる。もし、２つの光路の長さが試料表面の凹
凸により異なる場合には、重ね合わされたレーザ光は楕
円偏光となり、入射レーザ光の偏光面に直交する偏光面
成分が生じる。

光路長の差を２ｄとすると光の位相差Δは。

Δ＝　−（２ｄ）　　　　　　　　　　・・・・・・・
・・（１）λ となる。ただし、λは光の波長である。

重ね合わせによって生じた楕円偏光を偏光面が入射光の
偏光面と平行な成分Ａと直角な成分Ｂとに分けると各偏
光面成分の光量は次のようになる。

成分Ａの光量”Ｃ０９２Δ　　　　　・・・・・・・・
・（２）成分Ｂの光量ｏｃ　５ｉｎ２Δ　　　　　・・
・・・・・・・（３）この２つの偏光面成分の光は、そ
れぞれ、偏波面保存光ファイバによってレーザ光源側に
伝えられる。そして、各偏光面成分光を分離し、その光
量を測定する。光量の比Ｒ（＝Ｂ／Ａ）は次のようにな
る。

Ｒ＝　５ｉｎ２Δ／Ｃ０８２Δ＝ｔａｎ２Δ　　　　・
・・・・・・・・（４）Δの値が小さな場合、式（４）
はＲ＝Δ２＝（−・２ｄ）２　　　　　　　　・・・・・
・・・・（５）λ と近似できる。

したがって、光量比Ｒから式（５）を用いて光路差２ｄ
を算出できる。光路２ｄの１／２が、試料表面上に光を
集光した２点の高さの差ｄとなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

実施例１第１図に本実施例の光学系統図を示す。第１図において
、１１は直線偏光レーザ光１２−ａを射出するレーザ光
源（例えば気体レーザ）である。１３−ａはハーフ・ミ
ラー機能を持つビームスプリッタで、入射直線偏光レー
ザ光の偏光面を保持した、またその一部分を透過し、残
りの部分を反射するもの、１３−ｂは偏光ビームスプリ
ッタで、入射直線偏光レーザ光の偏光面に平行な成分は
透過し、直角な成分は反射する機能を持つ。１４−ａは
レンズで、レーザ光１２−ａを偏波面保存光ファイバ１
５の光源側端面に集光する。１４−ｂは、偏波面保存光
ファイバ１５の試料側端面から射出されるレーザ光を平
行光束に変換するレンズである。１３−Ｃはウォラスト
ンプリズムで、レンズ１４−ｂで平行光束に変換された
直線偏光のレーザ光を、偏光面が互いに直交する２成分
に分離し、異なった方向に光の進行方向を曲げるように
、プリズム結晶軸の方向を定めて設置する。レンズ１４
−Ｃは、ウォラストンプリズム１３−Ｃを透過したレー
ザ光を試料１６の表面上に集光する。

レーザ光源１１から射出された直線偏光レーザ光１２−
ａは、ビームスプリッタ１３−ａｌ偏光ビームスプリッ
タ１３−ｂを透過後、レンズ１４−ａによって偏波面保
存光ファイバ１５の光源側端面に集光される。

第２図は偏波面保存光ファイバ１５の端面構造の一例を
示す。２１はコア、２２はクラッド、２３は楕円クラッ
ド、２４はジャケットである。２５は楕円クラッドの長
軸、２６は短軸を表わす。第２図に示した偏波面保存光
ファイバでは、楕円クラッドの長軸方向や短軸方向と偏
光面が平行な光が偏光面を保存された状態で光を伝搬す
る。

第１図実施例においては、偏波面保存光ファイバ１５は
、例えば楕円クラッドの長軸方向が、レンズ１４−ａに
よって集光される直線偏光レーザ光１２−ａの偏光面に
平行になるように調整する。そのようなレーザ光は、偏
波面保存光ファイバ１５の試料側端面から直線偏光のレ
ーザ光として射出される。

直線偏光は、偏光面が±π／４だけ異なった互いに直交
する２つの波光面成分に分解することができる。第３図
は、直線偏光と、分解した互いに直交する偏光面成分と
の関係を示したもので、３１は直線偏光、３２と３３は
互いに直交しており、そして直線偏光３１に対し±π／
４だけ偏光面方向が異なっている成分光を示している。

偏波面保存光ファイバ１５の試料側端面から射出された
直線偏光レーザ光は、ウォラストンプリズム１３−Ｃに
よって、互いに直交する偏光面成分に分離され、偏光面
成分に応じてそれぞれ異なった方向に進むようにその進
行方向を曲げられる。１２−ｂ。

１２−Ｃはそれぞれの方向に進んだ直線偏光レーザ光を
示す。

レンズ１４−Ｃは、ウォラストンプリズム１３−Ｃによ
って進行方向を曲げられた光を試料１６の表面に集光す
る。集光位置はレーザ光の進行方向に対応して異なった
位置となる。

試料表面で反射された光は入射光路を逆行し、ウォラス
トンプリズム１３−Ｃを通ることで２光路が一致し、さ
らに偏波面保存光ファイバ１５内を逆向きに進んでレー
ザ光源側へ進む。レーザ光源側へ進んだレーザ光のうち
、偏光面が入射光の偏光面に直交するレーザ光は、偏光
ビームスプリッタ１３−ｂで分離されて直線偏光レーザ
光１２−ｄとなる。

一方、偏光面が入射光に平行な反射レーザ光は偏光ビー
ムスプリッタ１３−ｂを透過し、ビームスプリッタ１３
−ａに入射し、そして、その一部分が分離され、直線偏
光レーザ光１２−ｅとなる。

反射光のうちの、入射光偏光面と直角なレーザ光１２−
ｄと平行なレーザ光１２−ｅの光量をそれぞれ光電変換
器１．７−ａ、　１７−ｂでＢ、Ａとして測定する。

そして、測定した光量比Ｒ’＝Ｂ／Ａを割算器１８で求
め、このＲ′とビームスプーリツタ１３−ａ、１３−ｂ
の透過率で定まる定数との積の値から、偏向面が互いに
直交する反射光の光量比Ｒを算出する。この光量比Ｒの
値から前述のように式（５）を用いて試料表面の段差ｄ
を求める。

実施例２本実施例では、第１図に示す構成において、レーザ光源
１１として半導体レーザを用いる。ただし、半導体レー
ザから放射されるレーザ光は広がり角が大きいため、こ
れを平行光束に変換するためのレンズを半導体レーザに
組み合わせる。この組み合わせたものを第１図のレーザ
光源１１として用いる。その他の装置構成及び動作の機
構は実施例１と同じである。

実施例３本実施例では、試料上の多くの場所について段差を計測
し、その段差の大きさを測定場所に対応させて表示し、
試料形状を画像化する装置を示す。

本実施例の装置構成を第５図に示す。第５図において、
符号１１から１８−ａの部分は実施例１に述べた装置と
同じものであるＪ一本実施例は第１図の装置に構成要素
１９−ａ〜１９−ｅから成る試料走査機構部と、構成要
素１８−ｂ〜工８−１から成る制御系、１８−ｊ〜１８
−ｏ及びｌ−ａ〜ｌ−ｄから成る信号処理及び表示部を
加えたものである。

まず、試料走査機構部と制御系について説明する。１９
−ａはＸ軸方向に移動するスライド台で、Ｙ軸方向にス
ライドするスライド台１９−ｂの上に乗っている。スラ
イド台１９−ｂはさらに固定台１９−Ｃに乗っている。

スライド台１９−ａ、　１９−ｂはそれぞれパルスモー
タ１９−ｄ、１９−ｅによって駆動される。スライド台
１９−ａと１９−ｂがそれぞれ最大移動位置に達すると
、Ｘ軸方向の近接センサ１９−ｆ、Ｙ軸方向の近接セン
サ１９−ｇがそれぞれ作動して信号を発生する。

パルスモータ１９−ｄと１９−ｅは制御系のクロックパ
ルス発生器１８−ｂから送られるパルス信号を基準とし
て駆動される。１８−Ｃはｍ個のクロックパルスが入力
するごとに１個のパルスを発生する分周器として機能す
るパルス発生回路で、この出力パルスによってＸ軸方向
駆動用のパルスモータ１９−ｄを駆動する。１個のパル
スによるスライド台１９−ａの移動量は、試料１６上へ
の直線偏光レーザ光１２−ｂ、１２−Ｃの集光点の間隔
と同じになるように設定する。

１８−ｄはＹ軸方向駆動用のパルスモータ１９−ｅを動
作させるためのパルス発生回路で、クロックパルスの分
周器となっている。１８−ｅはパルスモータ１９−ｄの
励磁コイルに流れる電流の方向を反転させるためのスイ
ッチ回路である。このスイッチ回路１８−ｅを作動させ
、励磁用磁界の方向を逆転させることによりパルスモー
タ１９−ｄの回転方向を逆転させる。

１８−ｆはスイッチ回路１８−ｅを作動させるパルスを
発生させるためのパルス発生回路で、Ｘ軸方向近接セン
サ１９−ｆから出力する０Ｎ−ＯＦＦ信号と、パルス発
生回路１８−ｄの出力信号とを入力とするＯＲ回路であ
る。

１８−ｇはＹ軸方向駆動用のパルスモータ１９−ｅの励
磁電流の方向を切替えるスイッチ回路である。

１８−ｈはスイッチ回路１８−ｇを作動させるパルスを
発生するパルス発生回路で、Ｙ軸方向近接センサ１９−
ｇから出力する０Ｎ−ＯＦＦ信号と、パルス発生回路１
８−１の出力信号とを入力信号とするＯＲ回路である。

パルス発生回路１８−１はクロックパルスの分周器とな
っている。段差の画像化に用いる測定点がＸ軸方向にｙ
個、Ｙ軸方向にｙ個で、二次元平面上で合計ｘ−ｙ個で
あるとすると、パルス発生回路１８−１ではｍ−ｘ−ｙ
個のクロックパルスごとに１個のパルスを発生させる。

パルス発生回路１８−ｃ、　１８−ｄ、　１８−ｉはい
ずれもクロックパルスの分周器となっており、クロック
パルスを計数してそれぞれ設定された数になった時に出
力パルスを発生する。これらの分周器はスライド台１９
−ａ、１９−ｂの移動と同期をとるため、同一のクロッ
クパルスを基準として計数を開始させることか必要であ
る。そこで、各分周器には計数開始用のパルスとして、
パルス発生回路１８−ｊの出力パルスを送る。パルス発
生回路１８−」はＸ軸方向近接センサ１９−ｆとＹ−軸
方向近接センサ１９−ｇから出力されるＯＮ　−ＯＦＦ
信号を入力とするＡＮＤ回路である。

次に表示部について説明する。１８−には割算器１８−
ａの出力をディジタル信号に変換するＡＤ変換器である
。１８−１！はＡＤ変換器１８−にの出力を積分する積
分回路である。この積分回路には初期化用信号としてパ
ルス発生回路１８−ｊの出力パルスが送られ、また、Ｘ
軸方向スライド台１９−ａの１ステツプごとに積分動作
を行わせるためのパルスとしてパルス発生回路１８−〇
の出力パルスが送られてくる。

１８−ｍはメモリ回路で、段差信号である積分回路１８
−ｌの出力信号と、測定場所の番地信号としてパルス発
生回路１８−Ｃの出力信号および１８−ｄの出力信号が
入力信号として入力される。このメモリ回路１８−ｍに
も初期化用信号としてパルス発生回路１８−ｊの出力パ
ルスが送られ、さらに、Ｘ軸方向へのスライド台１９−
ａの１ステツプごとに読み込みを行わせるための信号と
してパルス発生回路１８−Ｃの出力パルスが送ら−れる
。

１８−ｎはＤＡ変換器で、メモリ回路１８−ｍから読み
出した段差信号をアナログ電圧信号とし、その出力を陰
極線管１−ｄの輝度変調用端子１−ａに送り、陰極線管
の輝度変調を行う。１８−ｏと１８−ｐはＤＡ変換器で
、メモリ回路１８−ｍから読み出した段差測定位置の番
地信号をアナログ電流信号とし、その出力を陰極線管１
−ｄのＸ軸用とＹ軸用の偏向コイル１−ｂ、１−Ｃにそ
れぞれ送り、電子線を偏向させ、陰極線管上のビームス
ポット位置を段差測定場所に対応させる。

次に本実施例装置の動作について説明する。まず、クロ
ックパルス発生器１８−ｂにょるクロックパルスの発生
にともなって、パルス発生回路１８−ｃ、　１８−ｄが
作動し、それぞれパルスモータ１９−ｄ。

１９−ｅの駆動用パルスが発生する。パルスモータの回
転によってスライド台１９−ａ、１９−ｂが移動し、Ｘ
軸方向近接センサ１９−ｆとＹ軸方向近接センサ１９−
ｇを作動させる。この２つの近接センサからの信号パル
スによってパルス発生回路１８−ｊが１個のパルスを発
生する。このパルスはパルス発生回路１８−Ｃ，１８−
ｄ、　ｔｓ−１および積分回路１８−Ｊ、メモリ回路１
８−ｍに送られており、各回路がこのパルスが送られる
ことによって各回路の初期化を行う。

そして、同時に、パルス発生回路１８−ｆとスイッチ回
路１８−ｅおよびパルス発生回路１８−ｈとスイッチ回
路１８−ｇが作動し、パルスモータ１９−ｄと１９−ｅ
の回転方向が逆転し、スライド台１９−ａ、１９−ｂが
それまでとは逆方向に移動する。

クロックパルスのｍ個ごとにＸ軸方向にスライド台が１
ステツプ移動し、各ステップごとに段差が計測される。

割算器１８−ａの出力である段差信号はＡＤ変換器１８
−にでディジタル変換され、積分回路１８−ｌにより積
分される。段差信号は隣り合った場所との高さの差を示
しているため、各測定点での段差を積分回路で加算する
と、各ステップにおける積分回路１８−１！の出力は、
初期化パルスが発生した時の測定場所を基準とした各測
定点の高さを表わすことになる。

そのため、スライド台１９−ａの移動ｌステップごとに
、その測定点における高さがメモリ回路１８−ｍに書き
込まれ、同時に測定場所の信号も書き込まれる。クロッ
クパルスがｍ−ｘ個発生するとスライド台１９−ａはＸ
ステップ移動する。その時、パルス発生回路１８−ｄは
１個のパルスを発生する。

このパルスによりて、パルス発生回路１８−ｆとスイッ
チ回路１Ｂ−ｅが作動し、パルスモータ１９−ｄの回転
方向を逆転させる。そのため、次のｍ個のクロックパル
スごとにスライド台１９−ａは今までとは逆方向に向っ
て動（。

一方、パルス発生回路１８−ｄの出力は同時にパルスモ
ータ１９−ｅを１ステップ動作させ、スライド台１９−
ｂをＹ軸方向に移動させる。そして、それに続（Ｘ軸方
向のスライド台の移動によって次の測定点の段差測定を
行っていく。各ステップの段差測定動作は前述のステッ
プの場合と同じである。

クロックパルスが初期化パルス発生時から計数して、ｍ
　−ｘ・ｙ個になった時にパルス発生回路１８−１が作
動し、１個のパルスを発生する。このパルスによって、
パルス発生回路１８−ｈとスイッチ回路１８−ｇを作動
させ、パルスモータ１９−ｅの回転方向を逆転させる。

そして、次々と各点の段差計測を続ける。

メモリ回路１８−ｍに記憶された各点の高さ信号と番地
信号は、ＤＡ変換器１８−ｎ、　１８−０．１８−ｐ　
Ｔ：アナログ化され、さらに、その信号によって、陰極
線管１−ｄ上に、各点の高さに比例した輝度で表示され
、これにより、試料の段差構造が二次元的に表示される
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光ファイバを用いる構成であることか
ら装置に柔軟性が備わり、従来装置で必要とした光学定
盤が不要となり、小型軽量化され、操作性が向上する。

測定結果は、偏光面が入射光偏光面に平行な反射光と直
交する反射光の比として得られるため、レーザ光源の出
力に変動が存在・しても測定結果への影響はなく、した
がって、安価なレーザ光源の使用が可能になり、経済的
にも優れている。

また、本発明によれば、多重干渉を利用した段差計測と
異なり、試料表面反射率が小さな試料でも微少な段差を
計測できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置構成図、第２図は本発
明で用いる偏波面保存光ファイバの断面構造図、第３図
は直線偏光の偏光面と分解した成分光の偏光面との関係
の説明図、第４図はウォラストンプリズムによる光の分
離と重ね合わせの説明図、第５図は本発明の他の実施例
の装置構成図である。く符号の説明〉１１・・・レーザ光源　　　１３−ａ・・・ビームスプ
リッタ１３−ｂ・・・偏光ビームスプリッタ１３−Ｃ，４１・・・ウォラストンプリズム１４−ａ　
〜１４−ｃ　・−Ｌ／　ンズ１５・・・偏波面保存光フ
ァイバ１７−ａ、　１７−ｂ−光電検出器１８−ａ・・・割算器　　　　１８−ｂ・・・クロック
パルス発生器１８−／・・・積分回路　　１８−ｍ・・
・メモリ回路１９−ａ、　１９−ｂ−ス５　イｌ’台−
。１９−ｄ、　１９−ｅ・・・パルスモータ１９−ｆ、　
１９−ｇ・・・近接センサ２１・・・コア　　　　　　
２２・・・クラッド２３・・・楕円クラッド　　１６．
４３・・・試料代理人弁理士　中　村　純忠　助才２図才３図矛４図

Claims

【特許請求の範囲】

１、レーザ光源からの直線偏光レーザ光を、偏光面を保
存した状態で伝搬する光ファイバを通して試料側に導び
き、光ファイバから出た光を偏光面が互いに直交する成
分光に２分する光学系を介して試料表面上の互いに接近
した場所に照射し、試料表面からの反射光を上記光学系
を逆行させることで２光路を重ね合わせて上記光ファイ
バを逆向きに通して光源側へ導びき、光ファイバを出た
反射光のうちの入射光の偏光面と平行な成分の光量と直
交する成分の光量とをそれぞれ光検出器で検出し、これ
らの光量の比から試料の段差を求めることを特徴とする
段差計測装置。