走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法
【課題】試料の表面形状を測定する際に、干渉波形の包絡線と位相との両方に基き試料の表面形状を算出できるようにした走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法を提供する。
【解決手段】撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、両位置の差から、試料表面の反射光の位相変化による位置ずれの値を検出し、その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士で干渉波形の位相が0になる走査位置のずれの平均値を算出しておき、各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での位相が0になる走査位置のずれの平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される。
【解決手段】撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、両位置の差から、試料表面の反射光の位相変化による位置ずれの値を検出し、その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士で干渉波形の位相が0になる走査位置のずれの平均値を算出しておき、各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での位相が0になる走査位置のずれの平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、走査型白色干渉計を用いて、誘電体や金属の混在した試料の表面形状を測定する方法に関するものであり、特に、誘電体や金属の混在した試料の表面形状を測定する際の走査型白色干渉計における反射光の位相変化補正方法に関する。
【0002】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の高さ、段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【0003】
走査型白色干渉計は、可干渉性の少ない白色光を光源として用い、マイケルソン型や、ミラウ型などの等光路干渉計を利用して試料の表面形状を非接触三次元測定できる装置であり、ウエハなどの表面形状の測定に用いられる。走査型白色干渉計の原理を添付図面の図1に示し、1は光源であり、高輝度白色光源から成っている。2は光源1からの白色光に対するフィルターであり、3はビームスプリッター、4はマイケルソン型干渉計である。マイケルソン型干渉計4は対物レンズ4aとビームスプリッター4bとミラー4cを備えている。マイケルソン型干渉計4には、マイケルソン型干渉計4を垂直走査するピエゾアクチュエーター5が設けられている。また図1において6は受光素子を成すCCDカメラ、7は試料8を支持する試料ホルダーである。
【0004】
図1に示す装置構成において、光学顕微鏡の対物レンズ4aの下に干渉計が構成され、対物レンズ4a又はミラー4cを走査することにより干渉波形が得られる。すなわち、対物レンズ4aを走査しながら光の強度をCCDカメラ6で動画として撮影することで、CCDカメラ6の各画素での干渉波形が得られる。得られた干渉波形のピークの位置は試料の表面の高さに対応するので、各画素でそのピーク位置を求めれば、撮影した領域で表面高さが得られる。
【0005】
ところで、得られた干渉波形のピークの位置を求める方法として、本発明者は先に特願2011−152999号において、例えば干渉周期の1/5程度の間隔で光強度のデータを収集し、それから平均値を引いて、ヒルベルト変換を施し包絡線を得て、そのピーク位置を算出する方法を提案した。包絡線は干渉波形の複数の山の頂点付近を結んだもので、一つの山に比べて幅が広いので、そのピーク位置の算出精度は低い。
先の提案の方法においてピーク位置の算出精度が低いという問題点を改善する方法として、本発明者は特願2011−153264号において、干渉波形の位相を用いる方法を提案し、この方法では、ヒルベルト変換を用いるとその位相も算出でき、位相が0になる走査位置は干渉波形のそれぞれの山のピーク位置に対応する(位相接続されていない状態)。その位相は干渉波形の山ごとに2πずつ直線的に変化するので、「位相が0の位置」は「包絡線のピーク位置」に比べて高精度に算出でき、それを用いれば表面高さが高精度で算出できる。
他に、同様に位相を用いた表面形状測定法、例えば位相シフト法でも高精度に表面高さが算出される。
【0006】
しかし、試料表面が金属の場合、反射において位相変化があり、表面高さに換算して数10nmに相当する場合がある(非特許文献1、2参照)。試料面内が同一の物質であれば全体に一定の高さが変るだけなので問題はないが、金属では位相変化が大きく、それらが混在する試料表面では、位相を用いた測定方法では表面形状を正しく算出できない。そのため例えば位相シフト法では異種物質が混在する場合には、金蒸着などで表面を同一の物質にする必要がある(非特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】吉澤徹、「最新光三次元計測」、2006年、朝倉書店 第5章2 光干渉法、p.71
【非特許文献2】土井琢磨他、光学、20(9)603 − 606, 1991.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
干渉計において干渉波形の位相を用いることにより試料の表面の高さの算出精度は向上するが、試料の表面に金属などの異質物が混在していると、反射光の位相が変化する。その結果、異種物質が混在する試料では表面形状を正しく算出できないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は、試料の表面形状を測定する際に、干渉波形の包絡線と位相との両方に基き試料の表面形状を算出できるようにした走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、
包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、
算出した位相が0になる位置と包絡線のピーク位置との差から、試料表面の反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、
その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士でその「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を算出しておき、
各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【0011】
本発明の方法によれば、CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、算出した包絡線において試料の表面上の位置に対応する各画素について、包絡線のピークの走査位置と位相が0になる走査位置を算出し、その差から、試料表面での反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、その値を他の画素での値と比較することにより、各画素での物質を特定できる。
同種と判定された画素の領域で「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値の平均値を算出しておき、各画素で干渉波形の位相が0になる走査位置から上記ずれの平均値を引くことにより、試料表面での反射光の位相変化の影響が消され、試料の表面に混在する物質によらない正しい表面形状が高精度に測定できるようになる。
また、上記のように「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」を同種の多数の画素で平均するので、物質ごとに固有のそのずれの値を精度よく算出できる。
そして、「位相が0になる位置」の測定精度は「包絡線のピーク位置」の測定精度より元々高いので、上記の方法で算出される表面形状の算出精度は、試料表面での反射光の位相変化の影響を受けない「包絡線のピーク位置」から算出される算出精度より高い。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明を実施する際に使用され得る走査型白色干渉計の構成例を示す概略図。
【図2】光路差0での干渉する2つの光の位相差φ=0、試料の表面高さh=0の場合における干渉波形と包絡線の計算例を示すグラフ。
【図3】図2のグラフの一部を拡大して示すと共に、干渉波形の位相を示すグラフ。
【図4】光路差0での2つの光の位相差φ=0、表面高さh=100nmの場合の干渉波形、包絡線、位相の計算例を示すグラフ。
【図5】光路差0での2つの光の位相差φ=0.8π、表面高さh=0の場合の干渉波形、包絡線、位相の計算例を示すグラフ。
【図6】光路差0での2つの光の位相差φ=0.25πとして、表面高さhを変えたときの「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○の振舞いを示すグラフ。
【図7】表面にシリコンと銅が混在する試料において、「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○をx方向の画素に対してプロットした測定結果を示すグラフ。
【図8】図7のデータを「包絡線のピーク位置」対「位相が0の位置」でプロットしたグラフ。
【図9】図7のデータから「位相が0の位置」−「包絡線のピーク位置」をプロットしたグラフ。
【図10】本発明の方法で求めた試料の表面の高さを示すグラフ。
【図11】データ1は図10のシリコン領域を拡大して示し、データ2は再度測定した結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下添付図面を参照して本発明を説明する。
白色干渉計での干渉波形は、図1の装置においてミラー4c又は対物レンズ4aの走査位置s、試料8の表面高さh、波長λi、光路差0での干渉する2つの光の位相差をφとすると下記の式(1)で表わされる。
Σ[1+cos{2π(s−h)/(λi/2)+φ}]/N (1)
λi
波長λiを変えて総和し、その総数Nで割っている。試料8の表面高さh=0で光路差0になる走査位置をsの0点にしている。
【0014】
中心波長550nm、帯域幅80nmとして、波長λiを510nmから590nmまで0.1nmずつ変えて総和し、総数N=800で割り、干渉波形を算出した例を図2に示す。走査位置については1nmごとの波形データである。干渉波形から1引いたものを縦軸に示している。ヒルベルト変換を用いて算出した包絡線も太い実線で示している。試料8の表面高さh=0の場合である。
【0015】
図3は図2の一部分の拡大図であり、ヒルベルト変換を用いて算出した位相も示されている。ここではφ=0としている。光路差が0のときに、干渉する2つの光の位相が等しい場合である。反射で位相が変らなければこれが成り立つ。しかし、試料8の表面に金属が混在していると、金属では反射での位相の変化は大きく、式(1)のφにはミラー4cでの位相変化も含まれ、試料8での位相変化も含まれる。図2及び図3では例として単にφを0としている。
【0016】
図4には、光路差0での位相差φが0である場合において、試料8の表面の高さhが100nmのときの干渉波形、包絡線、位相を示している。式(1)からも分かるように、図4に示すグラフ形は、図3のグラフの形(干渉波形、包絡線、位相)がそのまま右へ100nm分シフトしている。なお、実際の測定で雑音がある場合には、「包絡線のピーク位置」より「位相が0の位置」の方が高精度に算出できることが図3及び図4から容易に想像できる。
【0017】
次に、光路差0での位相差φが0.8πである場合を図5に示す。試料面の高さhは0とした。ミラー4cには通常、金属を用いることを考えると、このφは0でない方が一般的である。他に、ミラー4cがある方の光路ではビームスプリッター4bでの反射もある。そして、試料8の表面での反射の位相変化もこのφに加わる。包絡線のピーク位置は図3と同じくh=0に対応して走査位置0であるが、干渉波形の位相は図3とずれて「位相が0の位置」がずれる。そして試料8の表面の高さhが増すと、図5のグラフ形のまま波形、包絡線、位相は右にずれる。
【0018】
図6には、試料8の表面の高さhを変えたときの「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○の振舞いを示している。この例ではφ=0.25πである。また、「包絡線のピーク位置」と「位相が0の位置」では34.3nmずれている。すなわち、中心波長が550nmでその半分は275nmであるが、重ね合わせの結果、干渉波形は274.5nm周期になっており、274.5nm/(2π/0.25π)=34.3nmだけずれている。
「包絡線のピーク位置」は試料8の表面の高さhに一致するが、「位相が0の位置」はそれより一定の値だけ小さい。これは、走査位置間隔が1nmごとの干渉波形からヒルベルト変換を用いて算出した結果であるが、走査位置間隔が例えば55nmごとの干渉波形でも同様の計算結果となり、「包絡線のピーク位置」と試料8の表面の高さhとの違いは最大でも0.02nm程度である。また、「位相が0の位置」についても1nmごとの干渉波形から算出した値と55nmごとの波形から算出した値の違いも最大でも0.02nm程度と非常に小さい。つまり、実用的なデータ収集間隔で収集データ数を減らしても、雑音を含めていない計算においては誤差の問題はなく、この算出方法で原理的に問題ないことを示している。
【0019】
結局、「包絡線のピーク位置」は試料8の表面の高さを表わすが、「位相が0の位置」は一般的には「包絡線のピーク位置」に一致せず、試料8の表面での物質(複素屈折率)に依存して変化する。しかし、「位相が0の位置」の算出精度は、「包絡線のピーク位置」より1桁以上高い。これは、位相と包絡線の「走査位置」への依存性の違いによるものであり、位相は「走査位置」に対して直線的に大きく変化するが、包絡線は特にそのピークにおいては「走査位置」に対して変化しないので、ピーク位置の算出精度は低い。
【0020】
図7には測定結果の例を示し、中心波長550nm、通過帯域幅80nmの光学フィルター2を使用し、走査位置間隔55nmでデータを収集している。試料8はシリコン基板上に銅を成膜したもので図10に示すような形状をしている。銅の膜厚は端から徐々に厚くなっている。あるyでのx方向のデータで、xの1画素は1.4μmに相当する。また、図7に示すデータは試料8の傾きなどを補正していない生データであり、またミラー4cの走査方向の正負の関係で縦軸の上下方向が図10と逆になっている。また試料8やミラー4cの傾きを反映して図7では全体が右上がりに傾いている。収集したデータからヒルベルト変換を用いて「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○を算出している。データを配列で扱っており、収集データは、収集するフレーム数をn個とすると、下記のようにx,yの各画素で走査位置(時間にも対応)について1からnまでの指標で表わされる。
D(1,x,y), D(2,x,y),…, D(i,x,y), D(i+1,x,y),
… D(n,X,y)
【0021】
図7の縦軸はこの配列の走査位置の指標であり、この1の間隔は収集間隔55nmに相当する。「包絡線のピーク位置」と「位相が0の位置」の差がシリコンと銅で異なることが分かる。それら2つの領域で、反射での位相変化量が異なることを示している。
また、「包絡線のピーク位置」の雑音は大きいのに対して、「位相が0の位置」は精度よく算出されていることが分かる。シリコン領域では縦軸の大きい方にも「位相が0の位置」があるが、これについては以下のとおりである。図5からも分かるように「位相が0の位置」は複数あり、「包絡線のピーク位置」に最も近いものを採用し図6や図7でプロットしているが、「包絡線のピーク位置」は実験では雑音により誤差が大きいためピーク位置の算出値がずれて、図5の例で言えば「包絡線のピーク位置」に最近接の左側ではなく、右側の「位相が0の位置」が最近接として選ばれているのと同じである。図7のシリコン領域での上下2つの「位相が0の位置」は配列指標で5程度離れており、走査位置に換算すると275nm程度となり、上述の干渉周期274.5nmとほぼ一致する。
【0022】
図7のデータを「包絡線のピーク位置」対「位相が0の位置」でプロットしたのが図8である。「包絡線のピーク位置」は試料の表面の高さと考えてよいので、図8は計算で出した図6に対応している。「位相が0の位置」は試料の表面の高さから一定値だけずれており、そのずれ量がシリコンと銅で異なることを示している。
【0023】
図7に示すデータについて、{「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}をプロットしたものを図9に示す。シリコン、銅の各領域でのずれ={「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}を示している。そして、この図から分かるように、このずれの値から、その画素がシリコンか銅かを判定できる。このずれの値の雑音は主に「包絡線のピーク位置」の雑音に起因している。この雑音の影響を減らすために、各領域でずれを平均すればよい。そして、各画素において「位相が0になる位置」の測定値から、その画素が含まれる領域でのずれの平均値を引けば、正しい表面高さを精度よく求めることができる。
【0024】
以下、実験結果の例について説明する。
図9に示すデータから表面形状データを算出するまでの例について例示する。図9のずれ={「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}の平均値は、シリコンで2.70、−2.07、銅で−0.65である。データ処理プログラムにおいて、各画素で算出した「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」の値に応じて下記の場合分けをして、画素ごとに試料表面の高さを算出する。
・1<「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」の場合
図9のSiの上の方に相当し、「位相0になる位置」−2.70を試料の表面の高さとする。
・−1.4<「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」<1の場合
図9のCuに相当し、「位相0になる位置」+0.65 を試料の表面の高さとする。
・「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」<−1.4の場合
図9のSiの下の方に相当し、「位相0になる位置」+2.07を試料の表面の高さとする。
【0025】
なお、上記の2.70はSi領域での表面高さの連続性を見て2.96に変えた。すなわち、図9におけるSiの上の方のデータから平均して2.70を算出したが、図9におけるSiの下の方のデータのレベルに一致しないので、図10のSi領域でのzの値が上下にばらつきが生じるため、2.96に微調整を行なった。
このようにして求めた試料表面高さの例を図10に示し、あるyでのx方向のデータである。用いたカメラの走査方式がインターレース方式のため、y方向のデータが、1行おきに収集時刻がずれてy方向に不連続なので、最終的な試料の表面の高さの算出データをy方向に2個ずつ移動平均してその不連続を消している。すなわち、インターレース方式のカメラでは、yの奇数と偶数が異なる時間のデータとなるので、走査位置の原点が異なり、試料の表面高さの原点が異なり、そのままではy方向には滑らかな表面形状のマップができない。そこで、隣り合うyで平均し、滑らかな表面形状マップにしている。横軸は640画素で900μmに相当する。「包絡線ピーク位置」を基準にして表面高さを算出しているので、銅の段差は正しく算出されている。
【0026】
図10のシリコン領域を拡大したのが図11のデータ1である。再現性と雑音を見るためにデータ1と同じ場所でもう一度測定した結果がデータ2である。データ1で例えば3つの細く背の高いピークやその他の形状が雑音なのか、或は再現性のある本当の表面形状なのかを調べるために、2回の測定を行なって比較し、その結果、それらのピークの他、細かい形状までよく一致しており、雑音は小さく、これらのデータから測定精度を雑音のピーク対ピークで表わすと、1nm程度である。各画素での{データ −「2つのデータ平均」}の、365画素(図11の横軸の範囲)に渡る標準偏差は0.23nmである。
以上のように試料表面における反射での位相変化の影響を受けず、表面の物質によらない正しい表面高さを高精度に求めることができる。
【符号の説明】
【0027】
1:光源
2:フィルター
3:ビームスプリッター
4:マイケルソン型干渉計
4a:対物レンズ
4b:ビームスプリッター
4c:ミラー
5:ピエゾアクチュエーター
6:CCDカメラ
7:試料ホルダー
8:試料
【技術分野】
【0001】
本発明は、走査型白色干渉計を用いて、誘電体や金属の混在した試料の表面形状を測定する方法に関するものであり、特に、誘電体や金属の混在した試料の表面形状を測定する際の走査型白色干渉計における反射光の位相変化補正方法に関する。
【0002】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の高さ、段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【0003】
走査型白色干渉計は、可干渉性の少ない白色光を光源として用い、マイケルソン型や、ミラウ型などの等光路干渉計を利用して試料の表面形状を非接触三次元測定できる装置であり、ウエハなどの表面形状の測定に用いられる。走査型白色干渉計の原理を添付図面の図1に示し、1は光源であり、高輝度白色光源から成っている。2は光源1からの白色光に対するフィルターであり、3はビームスプリッター、4はマイケルソン型干渉計である。マイケルソン型干渉計4は対物レンズ4aとビームスプリッター4bとミラー4cを備えている。マイケルソン型干渉計4には、マイケルソン型干渉計4を垂直走査するピエゾアクチュエーター5が設けられている。また図1において6は受光素子を成すCCDカメラ、7は試料8を支持する試料ホルダーである。
【0004】
図1に示す装置構成において、光学顕微鏡の対物レンズ4aの下に干渉計が構成され、対物レンズ4a又はミラー4cを走査することにより干渉波形が得られる。すなわち、対物レンズ4aを走査しながら光の強度をCCDカメラ6で動画として撮影することで、CCDカメラ6の各画素での干渉波形が得られる。得られた干渉波形のピークの位置は試料の表面の高さに対応するので、各画素でそのピーク位置を求めれば、撮影した領域で表面高さが得られる。
【0005】
ところで、得られた干渉波形のピークの位置を求める方法として、本発明者は先に特願2011−152999号において、例えば干渉周期の1/5程度の間隔で光強度のデータを収集し、それから平均値を引いて、ヒルベルト変換を施し包絡線を得て、そのピーク位置を算出する方法を提案した。包絡線は干渉波形の複数の山の頂点付近を結んだもので、一つの山に比べて幅が広いので、そのピーク位置の算出精度は低い。
先の提案の方法においてピーク位置の算出精度が低いという問題点を改善する方法として、本発明者は特願2011−153264号において、干渉波形の位相を用いる方法を提案し、この方法では、ヒルベルト変換を用いるとその位相も算出でき、位相が0になる走査位置は干渉波形のそれぞれの山のピーク位置に対応する(位相接続されていない状態)。その位相は干渉波形の山ごとに2πずつ直線的に変化するので、「位相が0の位置」は「包絡線のピーク位置」に比べて高精度に算出でき、それを用いれば表面高さが高精度で算出できる。
他に、同様に位相を用いた表面形状測定法、例えば位相シフト法でも高精度に表面高さが算出される。
【0006】
しかし、試料表面が金属の場合、反射において位相変化があり、表面高さに換算して数10nmに相当する場合がある(非特許文献1、2参照)。試料面内が同一の物質であれば全体に一定の高さが変るだけなので問題はないが、金属では位相変化が大きく、それらが混在する試料表面では、位相を用いた測定方法では表面形状を正しく算出できない。そのため例えば位相シフト法では異種物質が混在する場合には、金蒸着などで表面を同一の物質にする必要がある(非特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】吉澤徹、「最新光三次元計測」、2006年、朝倉書店 第5章2 光干渉法、p.71
【非特許文献2】土井琢磨他、光学、20(9)603 − 606, 1991.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
干渉計において干渉波形の位相を用いることにより試料の表面の高さの算出精度は向上するが、試料の表面に金属などの異質物が混在していると、反射光の位相が変化する。その結果、異種物質が混在する試料では表面形状を正しく算出できないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は、試料の表面形状を測定する際に、干渉波形の包絡線と位相との両方に基き試料の表面形状を算出できるようにした走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、
包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、
算出した位相が0になる位置と包絡線のピーク位置との差から、試料表面の反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、
その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士でその「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を算出しておき、
各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【0011】
本発明の方法によれば、CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、算出した包絡線において試料の表面上の位置に対応する各画素について、包絡線のピークの走査位置と位相が0になる走査位置を算出し、その差から、試料表面での反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、その値を他の画素での値と比較することにより、各画素での物質を特定できる。
同種と判定された画素の領域で「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値の平均値を算出しておき、各画素で干渉波形の位相が0になる走査位置から上記ずれの平均値を引くことにより、試料表面での反射光の位相変化の影響が消され、試料の表面に混在する物質によらない正しい表面形状が高精度に測定できるようになる。
また、上記のように「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」を同種の多数の画素で平均するので、物質ごとに固有のそのずれの値を精度よく算出できる。
そして、「位相が0になる位置」の測定精度は「包絡線のピーク位置」の測定精度より元々高いので、上記の方法で算出される表面形状の算出精度は、試料表面での反射光の位相変化の影響を受けない「包絡線のピーク位置」から算出される算出精度より高い。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明を実施する際に使用され得る走査型白色干渉計の構成例を示す概略図。
【図2】光路差0での干渉する2つの光の位相差φ=0、試料の表面高さh=0の場合における干渉波形と包絡線の計算例を示すグラフ。
【図3】図2のグラフの一部を拡大して示すと共に、干渉波形の位相を示すグラフ。
【図4】光路差0での2つの光の位相差φ=0、表面高さh=100nmの場合の干渉波形、包絡線、位相の計算例を示すグラフ。
【図5】光路差0での2つの光の位相差φ=0.8π、表面高さh=0の場合の干渉波形、包絡線、位相の計算例を示すグラフ。
【図6】光路差0での2つの光の位相差φ=0.25πとして、表面高さhを変えたときの「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○の振舞いを示すグラフ。
【図7】表面にシリコンと銅が混在する試料において、「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○をx方向の画素に対してプロットした測定結果を示すグラフ。
【図8】図7のデータを「包絡線のピーク位置」対「位相が0の位置」でプロットしたグラフ。
【図9】図7のデータから「位相が0の位置」−「包絡線のピーク位置」をプロットしたグラフ。
【図10】本発明の方法で求めた試料の表面の高さを示すグラフ。
【図11】データ1は図10のシリコン領域を拡大して示し、データ2は再度測定した結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下添付図面を参照して本発明を説明する。
白色干渉計での干渉波形は、図1の装置においてミラー4c又は対物レンズ4aの走査位置s、試料8の表面高さh、波長λi、光路差0での干渉する2つの光の位相差をφとすると下記の式(1)で表わされる。
Σ[1+cos{2π(s−h)/(λi/2)+φ}]/N (1)
λi
波長λiを変えて総和し、その総数Nで割っている。試料8の表面高さh=0で光路差0になる走査位置をsの0点にしている。
【0014】
中心波長550nm、帯域幅80nmとして、波長λiを510nmから590nmまで0.1nmずつ変えて総和し、総数N=800で割り、干渉波形を算出した例を図2に示す。走査位置については1nmごとの波形データである。干渉波形から1引いたものを縦軸に示している。ヒルベルト変換を用いて算出した包絡線も太い実線で示している。試料8の表面高さh=0の場合である。
【0015】
図3は図2の一部分の拡大図であり、ヒルベルト変換を用いて算出した位相も示されている。ここではφ=0としている。光路差が0のときに、干渉する2つの光の位相が等しい場合である。反射で位相が変らなければこれが成り立つ。しかし、試料8の表面に金属が混在していると、金属では反射での位相の変化は大きく、式(1)のφにはミラー4cでの位相変化も含まれ、試料8での位相変化も含まれる。図2及び図3では例として単にφを0としている。
【0016】
図4には、光路差0での位相差φが0である場合において、試料8の表面の高さhが100nmのときの干渉波形、包絡線、位相を示している。式(1)からも分かるように、図4に示すグラフ形は、図3のグラフの形(干渉波形、包絡線、位相)がそのまま右へ100nm分シフトしている。なお、実際の測定で雑音がある場合には、「包絡線のピーク位置」より「位相が0の位置」の方が高精度に算出できることが図3及び図4から容易に想像できる。
【0017】
次に、光路差0での位相差φが0.8πである場合を図5に示す。試料面の高さhは0とした。ミラー4cには通常、金属を用いることを考えると、このφは0でない方が一般的である。他に、ミラー4cがある方の光路ではビームスプリッター4bでの反射もある。そして、試料8の表面での反射の位相変化もこのφに加わる。包絡線のピーク位置は図3と同じくh=0に対応して走査位置0であるが、干渉波形の位相は図3とずれて「位相が0の位置」がずれる。そして試料8の表面の高さhが増すと、図5のグラフ形のまま波形、包絡線、位相は右にずれる。
【0018】
図6には、試料8の表面の高さhを変えたときの「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○の振舞いを示している。この例ではφ=0.25πである。また、「包絡線のピーク位置」と「位相が0の位置」では34.3nmずれている。すなわち、中心波長が550nmでその半分は275nmであるが、重ね合わせの結果、干渉波形は274.5nm周期になっており、274.5nm/(2π/0.25π)=34.3nmだけずれている。
「包絡線のピーク位置」は試料8の表面の高さhに一致するが、「位相が0の位置」はそれより一定の値だけ小さい。これは、走査位置間隔が1nmごとの干渉波形からヒルベルト変換を用いて算出した結果であるが、走査位置間隔が例えば55nmごとの干渉波形でも同様の計算結果となり、「包絡線のピーク位置」と試料8の表面の高さhとの違いは最大でも0.02nm程度である。また、「位相が0の位置」についても1nmごとの干渉波形から算出した値と55nmごとの波形から算出した値の違いも最大でも0.02nm程度と非常に小さい。つまり、実用的なデータ収集間隔で収集データ数を減らしても、雑音を含めていない計算においては誤差の問題はなく、この算出方法で原理的に問題ないことを示している。
【0019】
結局、「包絡線のピーク位置」は試料8の表面の高さを表わすが、「位相が0の位置」は一般的には「包絡線のピーク位置」に一致せず、試料8の表面での物質(複素屈折率)に依存して変化する。しかし、「位相が0の位置」の算出精度は、「包絡線のピーク位置」より1桁以上高い。これは、位相と包絡線の「走査位置」への依存性の違いによるものであり、位相は「走査位置」に対して直線的に大きく変化するが、包絡線は特にそのピークにおいては「走査位置」に対して変化しないので、ピーク位置の算出精度は低い。
【0020】
図7には測定結果の例を示し、中心波長550nm、通過帯域幅80nmの光学フィルター2を使用し、走査位置間隔55nmでデータを収集している。試料8はシリコン基板上に銅を成膜したもので図10に示すような形状をしている。銅の膜厚は端から徐々に厚くなっている。あるyでのx方向のデータで、xの1画素は1.4μmに相当する。また、図7に示すデータは試料8の傾きなどを補正していない生データであり、またミラー4cの走査方向の正負の関係で縦軸の上下方向が図10と逆になっている。また試料8やミラー4cの傾きを反映して図7では全体が右上がりに傾いている。収集したデータからヒルベルト変換を用いて「包絡線のピーク位置」●と「位相が0の位置」○を算出している。データを配列で扱っており、収集データは、収集するフレーム数をn個とすると、下記のようにx,yの各画素で走査位置(時間にも対応)について1からnまでの指標で表わされる。
D(1,x,y), D(2,x,y),…, D(i,x,y), D(i+1,x,y),
… D(n,X,y)
【0021】
図7の縦軸はこの配列の走査位置の指標であり、この1の間隔は収集間隔55nmに相当する。「包絡線のピーク位置」と「位相が0の位置」の差がシリコンと銅で異なることが分かる。それら2つの領域で、反射での位相変化量が異なることを示している。
また、「包絡線のピーク位置」の雑音は大きいのに対して、「位相が0の位置」は精度よく算出されていることが分かる。シリコン領域では縦軸の大きい方にも「位相が0の位置」があるが、これについては以下のとおりである。図5からも分かるように「位相が0の位置」は複数あり、「包絡線のピーク位置」に最も近いものを採用し図6や図7でプロットしているが、「包絡線のピーク位置」は実験では雑音により誤差が大きいためピーク位置の算出値がずれて、図5の例で言えば「包絡線のピーク位置」に最近接の左側ではなく、右側の「位相が0の位置」が最近接として選ばれているのと同じである。図7のシリコン領域での上下2つの「位相が0の位置」は配列指標で5程度離れており、走査位置に換算すると275nm程度となり、上述の干渉周期274.5nmとほぼ一致する。
【0022】
図7のデータを「包絡線のピーク位置」対「位相が0の位置」でプロットしたのが図8である。「包絡線のピーク位置」は試料の表面の高さと考えてよいので、図8は計算で出した図6に対応している。「位相が0の位置」は試料の表面の高さから一定値だけずれており、そのずれ量がシリコンと銅で異なることを示している。
【0023】
図7に示すデータについて、{「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}をプロットしたものを図9に示す。シリコン、銅の各領域でのずれ={「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}を示している。そして、この図から分かるように、このずれの値から、その画素がシリコンか銅かを判定できる。このずれの値の雑音は主に「包絡線のピーク位置」の雑音に起因している。この雑音の影響を減らすために、各領域でずれを平均すればよい。そして、各画素において「位相が0になる位置」の測定値から、その画素が含まれる領域でのずれの平均値を引けば、正しい表面高さを精度よく求めることができる。
【0024】
以下、実験結果の例について説明する。
図9に示すデータから表面形状データを算出するまでの例について例示する。図9のずれ={「位相が0になる位置」−「包絡線のピーク位置」}の平均値は、シリコンで2.70、−2.07、銅で−0.65である。データ処理プログラムにおいて、各画素で算出した「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」の値に応じて下記の場合分けをして、画素ごとに試料表面の高さを算出する。
・1<「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」の場合
図9のSiの上の方に相当し、「位相0になる位置」−2.70を試料の表面の高さとする。
・−1.4<「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」<1の場合
図9のCuに相当し、「位相0になる位置」+0.65 を試料の表面の高さとする。
・「位相0になる位置−包絡線ピーク位置」<−1.4の場合
図9のSiの下の方に相当し、「位相0になる位置」+2.07を試料の表面の高さとする。
【0025】
なお、上記の2.70はSi領域での表面高さの連続性を見て2.96に変えた。すなわち、図9におけるSiの上の方のデータから平均して2.70を算出したが、図9におけるSiの下の方のデータのレベルに一致しないので、図10のSi領域でのzの値が上下にばらつきが生じるため、2.96に微調整を行なった。
このようにして求めた試料表面高さの例を図10に示し、あるyでのx方向のデータである。用いたカメラの走査方式がインターレース方式のため、y方向のデータが、1行おきに収集時刻がずれてy方向に不連続なので、最終的な試料の表面の高さの算出データをy方向に2個ずつ移動平均してその不連続を消している。すなわち、インターレース方式のカメラでは、yの奇数と偶数が異なる時間のデータとなるので、走査位置の原点が異なり、試料の表面高さの原点が異なり、そのままではy方向には滑らかな表面形状のマップができない。そこで、隣り合うyで平均し、滑らかな表面形状マップにしている。横軸は640画素で900μmに相当する。「包絡線ピーク位置」を基準にして表面高さを算出しているので、銅の段差は正しく算出されている。
【0026】
図10のシリコン領域を拡大したのが図11のデータ1である。再現性と雑音を見るためにデータ1と同じ場所でもう一度測定した結果がデータ2である。データ1で例えば3つの細く背の高いピークやその他の形状が雑音なのか、或は再現性のある本当の表面形状なのかを調べるために、2回の測定を行なって比較し、その結果、それらのピークの他、細かい形状までよく一致しており、雑音は小さく、これらのデータから測定精度を雑音のピーク対ピークで表わすと、1nm程度である。各画素での{データ −「2つのデータ平均」}の、365画素(図11の横軸の範囲)に渡る標準偏差は0.23nmである。
以上のように試料表面における反射での位相変化の影響を受けず、表面の物質によらない正しい表面高さを高精度に求めることができる。
【符号の説明】
【0027】
1:光源
2:フィルター
3:ビームスプリッター
4:マイケルソン型干渉計
4a:対物レンズ
4b:ビームスプリッター
4c:ミラー
5:ピエゾアクチュエーター
6:CCDカメラ
7:試料ホルダー
8:試料
【特許請求の範囲】
【請求項1】
対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、
包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、
算出した位相が0になる位置と包絡線のピーク位置との差から、試料表面の反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、
その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士でその「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を算出しておき、
各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される
ことを特徴とする走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。
【請求項2】
表面形状の測定される試料表面に金属及び/又は誘電体物質が混在していることを特徴とする請求項1記載の走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。
【請求項1】
対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラで撮影した動画ファイルデータに基づき、試料の表面上の位置に対応する各画素において、ヒルベルト変換を用いて干渉波形の包絡線と位相を算出し、
包絡線がピークになる走査位置と、位相が0になる走査位置を算出し、
算出した位相が0になる位置と包絡線のピーク位置との差から、試料表面の反射光の位相変化による「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の値を検出し、
その値の大きさから、その画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、同種のもの同士でその「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を算出しておき、
各画素で、位相が0になる位置から対応する試料の表面上の物質での「干渉波形の位相が0になる走査位置のずれ」の平均値を引くことで、反射光の位相変化の影響が消されて試料の表面形状が測定される
ことを特徴とする走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。
【請求項2】
表面形状の測定される試料表面に金属及び/又は誘電体物質が混在していることを特徴とする請求項1記載の走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2013−19767(P2013−19767A)
【公開日】平成25年1月31日(2013.1.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−153435(P2011−153435)
【出願日】平成23年7月12日(2011.7.12)
【出願人】(000231464)株式会社アルバック (1,740)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年1月31日(2013.1.31)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年7月12日(2011.7.12)
【出願人】(000231464)株式会社アルバック (1,740)
【Fターム(参考)】
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