(57)【要約】【課題】干渉光学系を用いた表面形状測定方法および装置において、複数の干渉縞画像を撮像し、測定対象の表面形状を正確に計測できる表面形状測定方法および測定装置を提供する。【解決手段】光の進行方向に対して異なる角度の参照面による複数の干渉縞画像を取得する第１の過程と、前記複数の各干渉縞画像の同一座標における干渉縞振幅を比較し、その最も大きな干渉縞振幅を持つ干渉縞画像から得られる高さを実高さとする第２の過程とを備えたことを特徴とする。【選択図】          図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分岐手段を介して測定対象面と１もしくは複数の参照面に１もしくは複数の光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の輝度に基づいて、測定対象面の表面形状を求める表面形状の測定方法であって、光の進行方向に対して異なる角度の参照面による複数の干渉縞画像を取得する第１の過程と、前記複数の各干渉縞画像の同一座標における干渉縞振幅を比較し、その最も大きな干渉縞振幅を持つ干渉縞画像から得られる高さを実高さとする第２の過程とを備えたことを特徴とする表面形状の測定方法。
【請求項２】
請求項１の第２の過程において、前記撮像された干渉縞画像からモデルフィッティング法に基づき前記測定対象面の高さを取得することを特徴とする表面形状の測定方法。
【請求項３】
請求項１もしくは２の第１の過程において、前記複数の参照面ごとに偏光板を備え、偏光板を通して得られる前記各参照面に対応した複数の干渉縞画像を取得することを特徴とする表面形状の測定方法。
【請求項４】
分岐手段を介して測定対象面と１もしくは複数の参照面に１もしくは複数の光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の輝度に基づいて、測定対象面の表面形状を求める表面形状の測定装置であって、光の進行方向に対して異なる角度の参照面による複数の干渉縞画像を取得する第１の手段と、前記複数の各干渉縞画像の同一座標における干渉縞振幅を比較し、その最も大きな干渉縞振幅を持つ干渉縞画像から得られる高さを実高さとする第２の手段とを備えたことを特徴とする表面形状の測定装置。
【請求項５】
請求項４の第２の手段において、前記撮像された干渉縞画像からモデルフィッティング法に基づき前記測定対象面の高さを取得することを特徴とする表面形状の測定装置。
【請求項６】
請求項４もしくは５の第１の手段において、前記複数の参照面ごとに偏光板を備え、偏光板を通して得られる前記各参照面に対応した複数の干渉縞画像を取得することを特徴とする表面形状の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ、液晶パネル、プラズマディスプレイパネル、磁性体フィルム、ガラス基板、金属膜などの平坦度を有する測定対象物の凹凸を干渉光学系で測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象面の表面形状を測定する手段として、干渉光学系を用いた測定方法がある。干渉光学系では、干渉光学系内に設置された参照ミラーと測定対象物の反射光による光路差により干渉縞が発生する。表面の段差の部分では、干渉縞がシフトするため、画像内に干渉縞を解析することにより１枚の干渉縞画像から表面形状を測定する方法が提案されている。（特許文献１参照）
【０００３】
干渉縞を発生させるには、参照ミラーを傾けるか、測定対象を傾ける。図２、３を参照して干渉縞の生成について説明する。図２は、干渉光学系の構成図であり、測定対象物が水平の場合、参照ミラー２０２を傾けることで、光路差が生じ干渉縞が発生する。図２において光路Ｂ〜Ｄは説明のためそれぞれ２本並べて図示されているが、実際は１本の光路を往復する。
【０００４】
図２において、光源２０３から射出された光は光路Ａを経由して、ビームスプリッタ２０５により光路Ｂへ反射される。光路Ｂからビームスプリッタ２０６により光路Ｃ、光路Ｄに分岐される。分岐した光の一方（光路Ｃ）は測定対象物２０４の表面を照明する。もう一方（光路Ｄ）は参照ミラー２０２を照明する。測定対象物２０４および参照ミラー２０３からの反射光はそれぞれビームスプリッタ２０６に達し、合成され、光路Ｂを逆方向にカメラ２０１に向かい、結像する。このとき参照ミラー２０２の傾き、および光源２０３の光の波長により、図３のような干渉縞画像を生ずる。
【０００５】
図３は、干渉縞の画像であり、平面では同じ周期の干渉縞が現れ、段差がある部分では干渉縞の位相がずれる。干渉縞を用いた測定方法では、干渉縞画像の輝度データから干渉縞の位相ズレを計算し、最終的に表面形状（表面高さ）を計算できる（特許文献１参照）。以下、特許文献１に詳細されている干渉縞画像の輝度データから表面高さを求める方法を本発明ではモデルフィッティング法と呼ぶ。モデルフィッティング法を用いると、空間周波数成分を除去するローパスフィルタ処理のようなフィルタリング処理を施す必要が無くなるので、短時間に測定対象物の表面高さを求めることが出来る。また、測定対象面の急峻な箇所のエッジを正確に求めることができ、ひいては測定対象面の凹凸段差を精度良く求めることがでるので、測定対象物の表面高さを正確に求めることが出来る。
【０００６】
しかし、このような干渉光学系においては、一般に測定対象物の表面形状は通常立体的であり、図２、図３におけるｘ軸方向のみならず複数の方向に対して表面高さの変化がある。そのため、たとえば図４（ａ）のような台形状の立体の場合、参照ミラーの傾きと表面形状の傾斜方向が重なると、図４（ｂ）もしくは図４（ｃ）のように干渉縞が稠密になってしまい、縞情報が失われてしまうため、表面形状を測定できない。
【０００７】
上記のような台形状の測定対象物の表面形状を測定するためには、干渉縞の縞方向を変更し、干渉縞の稠密する斜面を変えて測定する必要がある。干渉縞の縞方向が異なる複数の干渉縞画像を撮像するには、一つの参照ミラーの傾きを変えて順次撮像する方法と複数の参照ミラーを用いて一度に撮像する方法が考えられる。
【０００８】
複数の参照ミラーを用いて一度に干渉縞の縞方向が異なる複数の干渉縞画像を撮像する方法として、２波長を利用して干渉縞を分離する方法が提案されている。（特許文献２参照）
【０００９】
しかしながらこの方法は２波長干渉法に基づいた方法であるため、一度の撮像で２方向の干渉縞を撮像可能であるが、図４（ａ）に例示されるのような台形状の測定対象物では、図４（ｂ）、（ｃ）のように傾斜方向の重なりによって干渉縞が稠密になってしまう斜面があり、表面形状を精密に測定できないため、縞情報が失われてしまう問題を解決できない。
【００１０】
以上のように、干渉縞の縞方向が異なる複数の干渉縞画像を撮像して、表面形状をより精密に測定する方法については、提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２０９４０４号公報
【特許文献２】特開２００８−３９５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、干渉光学系を用いた表面形状測定方法および装置において、干渉縞の縞方向が異なる複数の干渉縞画像を撮像し、測定対象の表面形状を正確に計測できる表面形状測定方法および測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の表面形状の測定方法は、分岐手段を介して測定対象面と１もしくは複数の参照面に１もしくは複数の光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の輝度に基づいて、測定対象面の表面形状を求める表面形状の測定方法であって、光の進行方向に対して異なる角度の参照面による複数の干渉縞画像を取得する第１の過程と、前記複数の各干渉縞画像の同一座標における干渉縞振幅を比較し、その最も大きな干渉縞振幅を持つ干渉縞画像から得られる高さを実高さとする第２の過程とを備えたことを特徴とする表面形状の測定方法である。
【００１４】
請求項２の表面形状の測定方法は、請求項１の第２の過程において、前記撮像された干渉縞画像からモデルフィッティング法に基づき前記測定対象面の高さを取得することを特徴とする表面形状の測定方法である。
【００１５】
請求項３の表面形状の測定方法は、請求項１もしくは２の第１の過程において、前記複数の参照面ごとに偏光板を備え、偏光板を通して得られる前記各参照面に対応した複数の干渉縞画像を取得することを特徴とする表面形状の測定方法である。
【００１６】
請求項４の表面形状の測定装置は、分岐手段を介して測定対象面と１もしくは複数の参照面に１もしくは複数の光を照射し、測定対象面と参照面の両方から反射して同一光路を戻る反射光によって生じる干渉縞の輝度に基づいて、測定対象面の表面形状を求める表面形状の測定装置であって、光の進行方向に対して異なる角度の参照面による複数の干渉縞画像を取得する第１の手段と、前記複数の各干渉縞画像の同一座標における干渉縞振幅を比較し、その最も大きな干渉縞振幅を持つ干渉縞画像から得られる高さを実高さとする第２の手段とを備えたことを特徴とする表面形状の測定装置である。
【００１７】
請求項５の表面形状の測定装置は、請求項４の第２の手段において、前記撮像された干渉縞画像からモデルフィッティング法に基づき前記測定対象面の高さを取得することを特徴とする表面形状の測定装置である。
【００１８】
請求項６の表面形状の測定装置は、請求項４もしくは５の第１の手段において、前記複数の参照面ごとに偏光板を備え、偏光板を通して得られる前記各参照面に対応した複数の干渉縞画像を取得することを特徴とする表面形状の測定装置である。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１および請求項４の表面形状の光学的測定方法、装置であれば、干渉縞の縞方向が異なる複数の干渉縞画像から得られる干渉縞振幅のうち、最も大きい干渉縞振幅を選択して実高さを算出しているため、特定方向に干渉縞が稠密になって測定不能となった場合においても測定対象物の表面高さを正確に求めることが出来る。
【００２０】
請求項２および請求項５の表面形状の光学的測定方法、装置であれば、干渉縞画像から測定できる輝度データからモデルフィッティング法を用いて表面高さを求めることが出来るので、容易に短時間で測定対象物の表面高さを正確に求めることが出来る。
【００２１】
請求項３および請求項６の表面形状の光学的測定方法、装置であれば、偏光板を用いて単色光から任意の偏光成分を抽出し、参照面を調整することにより干渉縞画像を１度に複数得ることが出来るので、短時間に測定対象物の表面高さを正確に求めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）および（ｂ）は干渉縞画像を示す図であり、（ｃ）は本発明による表面形状の測定のアルゴリズムである。
【図２】表面形状の測定装置を示す図である。
【図３】（ａ）は干渉縞の画像を示す図であり、（ｂ）は干渉縞に対応した輝度を示す図である。
【図４】（ａ）は台形状の測定対象を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は干渉縞の稠密を示す図である。
【図５】本発明による表面形状の測定のアルゴリズムである。
【図６】本発明による表面形状の測定装置を示す図である。
【図７】本発明による表面形状の測定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明の複数波長による表面形状測定方法および装置の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
本発明の第１の形態としては、図２に示す干渉縞の生成機構によって参照ミラー２０２を傾け２方向の干渉縞画像を得ることにより、測定対象物２０４の高さを求める。図２は、干渉光学系の構成図であり、測定対象物が水平の場合、参照ミラー２０２を傾けることで、光路差が生じ干渉縞が発生する。図２において光路Ｂ〜Ｄは説明のためそれぞれ２本並べて図示されているが、実際は１本の光路を往復する。
【００２５】
図２において、光源２０３から射出された光は光路Ａを経由して、ビームスプリッタ２０５により光路Ｂへ反射される。光路Ｂからビームスプリッタ２０６により光路Ｃ、光路Ｄに分岐される。分岐した光の一方（光路Ｃ）は測定対象物２０４の表面を照明する。もう一方（光路Ｄ）は参照ミラー２０２を照明する。測定対象物２０４および参照ミラー２０３からの反射光はそれぞれビームスプリッタ２０６に達し、合成され、光路Ｂを逆方向にカメラ２０１に向かい、結像する。このとき参照ミラー２０２の傾き、および光源２０３の光の波長により、干渉縞画像を生ずる。
【００２６】
以下、本実施例の特徴部分である処理を図１（ｃ）に示すフローチャートに従って説明する。
【００２７】
＜ステップＳ１０１＞干渉縞画像の取得
参照ミラー２０２を傾けることにより図１（ａ）、（ｂ）に例示されるような干渉縞方向が異なる稠密で無い２方向の干渉縞画像Ａ、Ｂを得る。
＜ステップＳ１０２＞干渉縞振幅を算出
取得した干渉縞画像Ａ、Ｂの同一座標の輝度データから干渉縞振幅をモデルフィッティグ法を用いて算出する。
＜ステップＳ１０３＞干渉縞振幅を比較
算出した干渉縞振幅の大きい画像の輝度データを選択する。
＜ステップＳ１０４＞最大干渉縞振幅の輝度データから高さを算出し、実高さとする
干渉縞振幅の大きい画像の輝度データからモデルフィッティング法により高さを算出し、実高さとする。
＜ステップＳ１０５＞全画素について算出完了したか判断
干渉縞画像の全画素について高さの算出が終わったかどうか判断する。終わっていなければ、座標を変えてステップＳ１０２に戻る。
【００２８】
モデルフィッティング法は干渉縞画像の輝度データより測定対象物の高さを求める手法であり、特許文献１に詳述されている。
【００２９】
この方法によれば、参照ミラー２０２を傾けることにより、任意の２方向の干渉縞画像から表面高さを求めることが出来る。例えば干渉縞画像がある方向に関して稠密になって輝度が測定できないとき、参照ミラー２０２を傾けることにより稠密になっていない干渉縞が得られる。その結果画素単位で輝度が測定でき、正確に測定対象物２０４の高さを求めることが出来る。
【００３０】
本実施例では２方向の干渉縞画像から表面高さを求めたが、３方向以上の干渉縞画像から全く同様に表面高さを求めてもよい。
【実施例２】
【００３１】
本発明の第２の形態として、撮像に使用するカメラには、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）に画像分解可能なカラーカメラを用意する。また、光源には白色光を用意し、各波長の単色光ごとに干渉縞を調整するための参照ミラーと、たとえばＲ、Ｂの波長を透過する干渉フィルタを設置する。各波長に対応した参照ミラーを撮像前に調整し、各波長毎の干渉縞方向を決定した後にカラーカメラで撮像し、干渉縞画像を１回の撮像で取得する。撮像したカラー画像をＲ、Ｂのそれぞれの波長に分解して、２種類の干渉縞画像を得る。
【００３２】
図６は本発明による表面形状の測定装置の実施例である。Ｒ、Ｂの２方向の干渉縞を同時に撮像するための構成図である。各波長光源に対応した参照ミラーをそれぞれ調整し、カラーカメラで撮像することで、２つの異なる方向の干渉縞を同時に撮像する。
【００３３】
図６を用いて干渉縞の撮像について詳細に述べる。図６において光路Ｂ〜Ｄは説明のためそれぞれ２本並べて図示されているが、実際は１本の光路を往復する。干渉フィルタ６０８はＲの波長を透過するフィルタであり、干渉フィルタ６０９はＢの波長を透過するフィルタである。
【００３４】
白色光源６０２の光は光路Ａを経由して、ビームスプリッタ６０３により光路Ｂに反射される。反射された光は、ビームスプリッタ６０４により光路Ｃと光路Ｄに分岐される。分岐した光の一方（光路Ｃ）はビームスプリッタ６０５を透過して測定対象物６００の表面を照明する。もう一方（光路Ｄ）は干渉フィルタ６０８を透過してＲ波長の成分が参照ミラー６０６を照明する。測定対象物６００および参照ミラー６０６からの反射光はそれぞれビームスプリッタ６０４に達し、合成され、光路Ｂを逆方向にカメラ６０１に向かい、結像する。このとき参照ミラー６０６の傾きにより、Ｒの波長に対する干渉縞画像を生ずる。以上Ｒの波長を持った干渉縞について述べたが、Ｂの波長についても同様であるので詳細は省略する。
【００３５】
このように、波長の異なる２種類の干渉縞画像をカメラ１で同時に撮像する。次に得られた干渉縞画像をＲ、Ｂそれぞれの波長の干渉縞画像に分解し、測定対象物の高さを算出する。以下、本実施例の特徴部分である処理を図５に示すフローチャートに従って説明する。
【００３６】
＜ステップＳ５０１＞カラーカメラ画像の取得
カラーカメラを用いてカラーカメラ画像を取得する。
＜ステップＳ５０２＞カラーカメラ画像をＲＢ分解する
得られたカラーカメラ画像から、Ｒ、Ｂそれぞれの波長の干渉縞画像に分解する。
＜ステップＳ５０３＞Ｒ画像で干渉縞振幅を算出
取得したＲ波長の干渉縞画像内の座標の輝度データから干渉縞振幅をモデルフィッティグ法を用いて算出する。
＜ステップＳ５０４＞Ｂ画像で干渉縞振幅を算出
取得したＢ波長の干渉縞画像においてステップＳ５０３と同一座標の輝度データから干渉縞振幅をモデルフィッティグ法を用いて算出する。
＜ステップＳ５０５＞干渉縞振幅を比較
算出した干渉縞振幅の大きい画像の輝度データを選択する。
＜ステップＳ５０６＞最大干渉縞振幅の輝度データから高さを算出し、実高さとする
算出した干渉縞振幅の大きい画像の輝度データを用いてモデルフィッティング法により高さを算出し、実高さとする。
＜ステップＳ５０７＞全画素について算出完了したか判断
干渉縞画像の全画素について高さの算出が終わったかどうか判断する。終わっていなければ、ステップＳ５０３に戻る。
【００３７】
このように撮像は１回のみ行い、撮像された画像を波長ごとに分解して実高さを算出し、測定対象物の高さを求めることが出来る。
【００３８】
また、Ｒ、Ｂの２種類の波長を用いて例示したが、たとえばＲ、Ｇ、Ｂの三種類の波長やＲ、Ｇ、Ｂ、Ｉ（赤外光）の４種類の波長を用いて同様の測定を行い表面高さを求めることも出来る。光源の種類、組み合わせを任意に設定して表面高さを求めることが出来る。
【００３９】
一般に、複数方向の干渉縞画像を取得するには、１度撮像した後に参照ミラーもしくは測定対象の傾きを変えて撮像する。ある方向の干渉縞を撮像した後に、縞方向を変更してから改めて撮像する必要があり、作業に手間がかり、時間をおいて何度も撮像する必要があるため、振動や干渉縞方向の調整で、撮像位置がずれる可能性がある。実施例２のように１度で表面形状を測定すればこのような欠点を無くすることが出来る。
【実施例３】
【００４０】
本発明の第３の形態として、１つの単色光源と複数の偏光板により偏光した複数の干渉縞画像を撮像し、それぞれの輝度データから図１（ｃ）のアルゴリズムにしたがって、画素単位で表面高さを全画素分モデルフィッティング法を用いて算出する。
【００４１】
図７は本発明による表面形状の測定装置の実施例である。１つの単色光源７０３と２つのカメラ、７０１、７０２を用意し、偏光板７０４、７０５、７０６、７０７を用い１つの光源からの２種類の偏光を用いてそれぞれ干渉縞画像を撮像して取得した２つの干渉縞画像それぞれの輝度データから図１（ｃ）のアルゴリズムにしたがって、画素単位で表面高さを全画素分算出する。
【００４２】
図７を用いて干渉縞の撮像について詳細に述べる。図７において光路Ｂ〜Ｅは説明のためそれぞれ２本並べて図示されているが、実際は１本の光路を往復する。偏光板７０４、７０６は単色光７０３の垂直成分を偏光する偏光板であり、偏光板７０５、７０７は単色光７０３の水平成分を偏光する偏光板である。
【００４３】
光源７０３の光は光路Ａを経由して、ビームスプリッタ７０９により光路Ｂに反射される。反射された光はビームスプリッタ７１０により光路Ｃと光路Ｄに分岐される。分岐した光の一方（光路Ｃ）はビームスプリッタ７１１を透過して測定対象物７００の表面を照明するものと分岐して光路Ｅにいたる。もう一方（光路Ｄ）は偏光板７０６を透過して参照ミラー７１２を照明する。測定対象物７００からの反射光および参照ミラー７１２からの反射光はそれぞれビームスプリッタ７１０に達し、合成され、光路Ｂを逆方向にビームスプリッタ７０９を透過してビームスプリッタ７０８に向かう（垂直偏光成分）。また光路Ｅは偏光板７０７を透過して参照ミラー７１３を照明する。測定対象物７００からの反射光および参照ミラー７１３からの反射光はそれぞれビームスプリッタ７１１に達し、合成され、光路Ｃ、Ｂを逆方向にビームスプリッタ７１０、７０９を透過してビームスプリッタ７０８に向かう（水平偏光成分）。
【００４４】
垂直および水平の偏光成分はビームスプリッタ７０８で分岐され、偏光板７０５では水平偏光成分が透過されカメラ７０２で水平偏光成分の干渉縞画像が撮像される。また偏光板７０４では垂直偏光成分が透過されカメラ７０１で垂直偏光成分の干渉縞画像が撮像される。このように、波長は同じで異なる２種類の偏光成分の干渉縞画像をカメラ２台で同時に撮像する。
【００４５】
取得した２つの干渉縞画像の各画素毎に、それぞれの輝度データから干渉縞振幅をモデルフィッティグ法を用いて算出する。干渉縞振幅の大きい画像の輝度データを用いてモデルフィッティング法により高さを算出し、実高さとする。以上を干渉縞画像の全画素について繰り返す。
【００４６】
この方法によれば、複数の偏光板を用いて、１つの単色光から、複数の偏光成分による干渉縞画像から表面高さを求めることが出来る。例えば干渉縞画像がある偏光成分に関して稠密になって輝度が求められないときでも、他の偏光成分の稠密で無い干渉縞が得られ、画素単位で輝度が測定でき、結果正確に測定対象物の高さを求めることが出来る。
【００４７】
本実施例では２つの偏光成分による干渉縞画像から表面高さを求めたが、３つ以上の偏光成分による干渉縞画像から全く同様に表面高さを求めてもよい。
【００４８】
また本実施例では１つの単色光から２つの偏光成分による干渉縞画像から表面高さを求めたが、２つ以上の単色光と２つ以上の偏光成分による干渉縞画像から全く同様に表面高さを求めてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
一般産業で表面形状測定方法・装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
２０１  カメラ
２０２  参照ミラー
２０３  単色光源
２０４  測定対象物
２０５  ビームスプリッタ
２０６  ビームスプリッタ
６０１  カラーカメラ
６０２  白色光源
６０８、６０９  ビームスプリッタ
６０３、６０４、６０５  ビームスプリッタ
６０６、６０７  参照ミラー
６０８、６０９  干渉フィルタ
６００  測定対象物
７０１、７０２  カメラ
７０３  単色光源
７０４、７０５、７０６、７０７  偏光板
７０８、７０９、７１０、７１１  ビームスプリッタ
７１２、７１３  参照ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010216816.tif 000007
【図６】
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【図７】
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