(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な空間周波数スペクトルを得る処理部と、を有し、
前記複数の検出光学系の光軸は、前記試料の入射面内にあることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記ライブラリは、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比を得て、
前記比と前記ライブラリとを用いて前記空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４】
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の第１の検出開口の中心、及び第２の検出開口の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ前記入射面に垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第３の検出開口の中心、及び前記第４の検出開口の中心は、前記垂直な平面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第５の検出開口の中心、及び第６の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第７の検出開口の中心、及び第８の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、さらに、前記第１の面と前記第２の面とは前記入射面に関して対称であることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項５】
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルの中の所定の空間周波数領域における表面粗さ、前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項７】
請求項１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルに対してフーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項８】
請求項７に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、乱数を用いて前記フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項９】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な空間周波数スペクトルを得る処理部と、を有し、
前記処理部は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比を得て、
前記比と前記ライブラリとを用いて前記空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の表面形状計測装置において、
前記ライブラリは、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の光軸は、前記試料の入射面内にあることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の第１の検出開口の中心、及び第２の検出開口の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ前記入射面に垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第３の検出開口の中心、及び前記第４の検出開口の中心は、前記垂直な平面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第５の検出開口の中心、及び第６の検出開口の中心
は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第７の検出開口の中心、及び第８の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、さらに、前記第１の面と前記第２の面とは前記入射面に関して対称であることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルの中の所定の空間周波数領域における表面粗さ、前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１５】
請求項９に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルに対してフーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、乱数を用いて前記フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１７】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な空間周波数スペクトルを得る処理部と、を有し、
前記複数の検出光学系の第１の検出開口の中心、及び第２の検出開口の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ前記入射面に垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第３の検出開口の中心、及び前記第４の検出開口の中心は、前記垂直な平面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第５の検出開口の中心、及び第６の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第７の検出開口の中心、及び第８の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、さらに、前記第１の面と前記第２の面とは前記入射面に関して対称であることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の表面形状計測装置において、
前記ライブラリは、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の光軸は、前記試料の入射面内にあることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２０】
請求項１７に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比を得て、
前記比と前記ライブラリとを用いて前記空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２１】
請求項１７に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２２】
請求項１７に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルの中の所定の空間周波数領域における表面粗さ、前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２３】
請求項１７に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルに対してフーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、乱数を用いて前記フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２５】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な空間周波数スペクトルを得る処理部と、を有し、
前記複数の検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の光軸は、前記試料の入射面内にあることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２７】
請求項２５に記載の表面形状計測装置において、
前記ライブラリは、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２８】
請求項２５に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比を得て、
前記比と前記ライブラリとを用いて前記空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２９】
請求項２５に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の第１の検出開口の中心、及び第２の検出開口の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ前記入射面に垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第３の検出開口の中心、及び前記第４の検出開口の中心は、前記垂直な平面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第５の検出開口の中心、及び第６の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第７の検出開口の中心、及び第８の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、さらに、前記第１の面と前記第２の面とは前記入射面に関して対称であることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３０】
請求項２５に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルの中の所定の空間周波数領域における表面粗さ、前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３１】
請求項２５に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルに対してフーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、乱数を用いて前記フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３３】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な空間周波数スペクトルを得る処理部と、を有し、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルの中の所定の空間周波数領域における表面粗さ、前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の表面形状計測装置において、
前記ライブラリは、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３５】
請求項３３に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の光軸は、前記試料の入射面内にあることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３６】
請求項３３に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比を得て、
前記比と前記ライブラリとを用いて前記空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３７】
請求項３３に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の第１の検出開口の中心、及び第２の検出開口の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ前記入射面に垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第３の検出開口の中心、及び前記第４の検出開口の中心は、前記垂直な平面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第５の検出開口の中心、及び第６の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第７の検出開口の中心、及び第８の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、さらに、前記第１の面と前記第２の面とは前記入射面に関して対称であることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３８】
請求項３３に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項３９】
請求項３３に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルに対してフーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４０】
請求項３９に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、乱数を用いて前記フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４１】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な空間周波数スペクトルを得る処理部と、を有し、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルに対してフーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４２】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記ライブラリは、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４３】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の光軸は、前記試料の入射面内にあることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４４】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比を得て、
前記比と前記ライブラリとを用いて前記空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４５】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系の第１の検出開口の中心、及び第２の検出開口の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ前記入射面に垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第３の検出開口の中心、及び前記第４の検出開口の中心は、前記垂直な平面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第５の検出開口の中心、及び第６の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、
前記複数の検出光学系の第７の検出開口の中心、及び第８の検出開口の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であり、さらに、前記第１の面と前記第２の面とは前記入射面に関して対称であることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４６】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記複数の検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４７】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、前記空間周波数スペクトルの中の所定の空間周波数領域における表面粗さ、前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項４８】
請求項４１に記載の表面形状計測装置において、
前記処理部は、乱数を用いて前記フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面の形状を得るための表面形状計測装置に関する。例えば、本発明は光散乱法を用いる表面形状計測装置に係り、特に、半導体デバイス製造工程におけるウェハ表面などのマイクロラフネスの計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に伴い、ベアウェハや膜付ウェハの表面のマイクロラフネスが電気特性に及ぼす影響が、増大している。マイクロラフネスは、研磨、洗浄、成膜、熱処理などのプロセスで発生するので、デバイスの高性能化・歩留まり向上のため、プロセスごとにウェハ表面のマイクロラフネスを計測し、プロセス条件を適正に管理する必要がある。
【０００３】
マイクロラフネスは、高さがサブナノメータオーダからナノメータオーダと非常に小さいので、一般にはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて３次元座標を計測している。しかし、ＡＦＭは計測に長時間を要するので、ウェハ全面を計測するのは実質的に不可能である。
【０００４】
一方、マイクロラフネスは光散乱と相関があることが、従来から知られている。光散乱法を用いるマイクロラフネス計測装置は、例えば米国特許公報７２８６２１８号公報（特許文献５）に開示されている。
【０００５】
その他の先行技術としては、特許文献１乃至４、６及び７が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平９−５０３２９９号公報
【特許文献２】特開平７−３３３１６４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２２３７７０号公報
【特許文献４】特表２００７−５００８８１号公報
【特許文献５】米国特許第７２８６２１８号公報
【特許文献６】米国特許第５４２８４４２号公報
【特許文献７】特開２００８−２７８５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献５では、検出光学系の検出空間をマイクロラフネスの空間周波数領域に対応付けており、空間周波数領域ごとにマイクロラフネス評価が可能である。しかし、空間周波数領域の数は検出光学系の数（実施例は６個）と同じなので、空間周波数の刻みが粗いという点には配慮がなされていない。
【０００８】
また、散乱光の空間分布はマイクロラフネスの差異に応じて、前方／後方／側方と色々な方向に変化するが、検出空間に入らない情報の変化については、配慮がなされていない。
【０００９】
また、エピタキシャル成長ウェハに出現するステップ・テラス構造は、特定の方向の特定の空間周波数で鋭いピークを有する。このため、ステップ・テラス構造による散乱光強度は、特定の狭い方向にピークを生じる。従来技術では、上記ピークは近傍の空間周波数成分による散乱光強度に埋もれてしまうと言う点には配慮がなされていない。
【００１０】
本発明の目的は、ウェハ全面で色々なマイクロラフネスの計測が可能な、高精度の表面形状計測装置とその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、表面の形状に関連する空間周波数スペクトルを連続的に得ることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、試料の表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記の複数の検出信号から前記試料表面の形状を計測する表面形状計測装置において、前記検出光学系の光軸の方向が互いに異なること、前記試料表面の空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、前記照明光はスポットビームであり、前記試料の回転移動と直線移動により、前記照明光が前記試料表面を走査することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、少なくとも前記の２つの検出光学系の光軸は入射面に平行な面内にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、少なくとも前記の２つの検出光学系の光軸は入射面に平行な面内にあること、少なくとも前記の２つの検出光学系の光軸は入射面に垂直な面内にあることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、既知の表面形状の空間周波数スペクトルと検出信号との関係を予めライブラリに記録し、前記試料表面からの前記検出信号を前記ライブラリと比較し、前記試料表面の空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記検出器の全ての検出信号の総和を計算する処理と、それぞれの検出信号と前記検出信号の総和との比（信号比率）を計算する処理とを含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記空間周波数スペクトルを用いて、前記試料表面の所定の特徴量を算出する処理を含み、前記試料表面の全体または所定の領域における前記特徴量のマップを出力することを特徴とする。
【００１９】
本発明は、前記特徴量は少なくとも、所定の空間周波数領域における表面粗さ、または前記空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数またはピーク空間周波数、または前記試料表面を形成する膜の厚さであることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、前記試料表面の所定の位置で、前記空間周波数スペクトルを用いて前記試料表面の高さを算出する処理を含み、前記所定位置の３次元形状を出力することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、試料の表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記の複数の検出信号から前記試料表面の形状を計測する表面形状計測方法において、前記検出光学系の光軸の方向が互いに異なること、前記試料表面の空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来よりも詳しい表面の形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１の表面形状計測装置の構成を示す図である。
【図２】実施例１の表面形状計測のフローを示す図である。
【図３】マイクロラフネスの空間周波数スペクトルの一例を示す図である。
【図４】マイクロラフネスによる散乱光の空間分布の一例を示す図である。
【図５】実施例１の検出光学系の配置を示す図である。
【図６】ＡＢＣ型関数の空間周波数スペクトルを示す図である。
【図７】ＡＢＣ型関数の空間周波数スペクトルを算出するフローを示す図である。
【図８】ウェハ全面におけるＲＭＳ粗さのマップの一例を示す図である。
【図９】マイクロラフネスの３次元形状の一例を示す図である。
【図１０】異方性のマイクロラフネスの空間周波数スペクトルの一例を示す図である。
【図１１】第２の実施例を説明する図である。
【図１２】第３の実施例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２５】
本発明の一実施例として、半導体デバイス製造におけるウェハ表面のマイクロラフネスの表面形状計測装置について説明する。
【００２６】
表面形状計測装置の概略構成を図１に示す。主な構成要素は、ウェハ１を搭載するステージ２、光源３、レンズ、ミラー等を有する照明光学系４、レンズ、ミラー等を有する検出光学系５１〜５５（５３〜５５は図示しない）、光検出器６１〜６５（６３〜６５は図示しない）、信号処理系７、制御系８、および操作系９である。
【００２７】
次に図２を用いて本実施例での表面形状の計測フローについて説明する。
【００２８】
光源３から放射される所定の波長の光を、偏光フィルタ（図示しない）により所定の偏光とする。照明光学系４により所定のサイズのスポットビームを形成し、所定の入射角でウェハ１を照明する。ウェハ表面にはマイクロラフネスが存在するので、散乱光が発散する。検出光学系５１〜５５により、散乱光をそれぞれ光検出器６１〜６５に集光する。検出光学系の光軸の方向は互いに異なるので、検出信号の集合は散乱光強度の空間分布を反映している。つまり、本実施例の表面形状計測装置では、散乱光の空間分布を得ることができる（図２の２０１）。なお、ウェハ表面からの正反射光は検出しないように、検出光学系を配置している。検出信号をＡＤ変換器（図示しない）によりデジタル信号に変換し、信号処理系７に伝送する。
【００２９】
信号処理系７の内部にはライブラリを保存した記憶媒体があり、多数の既知のマイクロラフネスについて、空間周波数スペクトルと前記の光学条件における検出信号との関係が、記録されている。ここで、空間周波数スペクトルとは、表面形状を３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表現するとき、高さＺを（Ｘ，Ｙ）に関して２次元フーリエ変換し、その振幅を二乗したものである。そして、伝送された検出信号をライブラリの検出信号と比較し、最も類似している空間周波数スペクトルを算出する（図２の２０２）。空間周波数スペクトルの算出については後述するが、このように得た空間周波数スペクトルは後述する図３、図６、図１０のように連続的なものとなる。次に、空間周波数スペクトルを用いてマイクロラフネスの特徴量を算出し（図２の２０３）、制御系８に伝送する。なお、特徴量の算出については、後述する。
【００３０】
このように局所的にマイクロラフネスを計測しながら、スポットビームがウェハ全面または所定の領域を走査するように、ステージを移動する。そして、ウェハ全面または所定の領域の走査終了後（図２の２０４）、特徴量のマップを操作系９に表示する（図２の２０５）。図２は、以上のマイクロラフネス計測のフローを示す。
【００３１】
前記実施例の光源３は、可視光領域、紫外光領域、および遠紫外光領域のレーザや発光ダイオードなどの単一波長光源を使用できる。また、水銀ランプやキセノンランプなどの連続波長光源を使用しても良い。この場合、波長フィルタにより、試料表面に応じて適切な単一波長光を選択できる。
【００３２】
また、前記実施例の照明光の偏光は、ｓ偏光やｐ偏光などの直線偏光、円偏光、楕円偏光を選択できる。スポットビームのサイズは、出力する特徴量の空間分解能に応じて選択できる。照明光の入射角は、斜入射と直入射を選択できる。
【００３３】
また、前記実施例の検出光学系５１〜５５は、レンズから成る屈折型、ミラーから成る反射型、ミラーとレンズを組み合わせた反射・屈折型、およびフレネルゾーンプレートなどの回折型を使用できる。
【００３４】
また、光検出器６１〜６５としては、光電子増倍管、マルチピクセルフォトンカウンター、アバランシェフォトダイオードアレイ等が使用できる。
【００３５】
また、前記実施例のライブラリは、テストウェハを用いて作成できる。テストウェハとは、研磨、洗浄、成膜、熱処理などのプロセスにおいて、プロセス条件を意図的に変えて作製したものである。テストウェハ表面のサンプリング位置で、ＡＦＭを用いてマイクロラフネスを計測し、表面形状の空間周波数スペクトルを算出する。そして、テストウェハを本実施例の形状計測装置に搭載し、前記サンプリング位置で光学的な検出信号を取得する。このように、既知のマイクロラフネスについて、表面形状の空間周波数スペクトルと光学的な検出信号との関係を記録できる。また、前記の空間周波数スペクトルを用いて、数値シミュレーションにより検出信号を予測することもできる。空間周波数スペクトルと表面材料の屈折率、および照明条件を入力データとし、ＢＲＤＦ法（Bidirectional Reflectance Distribution Function）を用いて、散乱光の空間分布を計算する。そして、散乱光の空間分布を用いて、検出光学系が集光する散乱光の強度、すなわち検出信号を予測できる。
【００３６】
また、前記実施例のステージ２は、回転移動と直線移動の組合せ、または直交する直線移動の組合せが可能である。
【００３７】
次に、本発明の計測装置により、マイクロラフネスの計測精度が向上することを説明する。一般に、マイクロラフネスは色々な空間周波数の粗さの集合であり、空間周波数スペクトルは空間周波数ごとの粗さの大きさを表わしている。図３は、プロセス条件の差異に対応する２つの空間周波数スペクトルＳ１、Ｓ２を示す。空間周波数スペクトルＳ２はＳ１に比べて、高い空間周波数領域まで粗さが存在している。
【００３８】
図４は、空間周波数スペクトルＳ１、Ｓ２に対応するマイクロラフネスによる散乱光強度の空間分布を示す（天球面上の分布をウェハ表面に平行な平面に投影）。空間周波数スペクトルＳ２はＳ１に比べて、散乱光の強い領域が照明光の方向に対して後方に寄っていることが分かる。つまり、マイクロラフネスの空間周波数スペクトルが変化すると、散乱光の強い領域は入射面（ウェハ１表面の法線と照明光の主光線とを含む平面）に平行な方向に移動するのである。
【００３９】
このような散乱光分布の変化を検出するために、本実施例の検出光学系５１〜５５は、図５のように配置される。図５は、本実施例の検出光学系配置の一例である（図５では、天球面上の開口をウェハ１表面に平行な平面に投影している）。検出光学系５１〜５５の各検出開口１０１〜１０５の中心、すなわち検出光学系の光軸は、入射面内にある。これは、他の表現としては、入射面のウェハ１への投影線は、ウェハ１に投影される検出開口１０１〜１０５の投影像を、通過すると表現することもできる。このような配置によって、散乱光の強い領域が入射面に平行な方向に移動すると、散乱光分布の変化を敏感に検出できる。その結果、空間周波数スペクトルの変化を敏感に捉えることが可能となり、マイクロラフネスの計測精度が向上する。
【００４０】
次に、マイクロラフネスの空間周波数スペクトルの算出について説明する。一般に、マイクロラフネスの空間周波数スペクトルは、いくつかのパラメータを含む関数でフィッティングできることが多い。典型的なフィッティング関数は、式（１）のＡＢＣ型関数である。
Ｐ＝Ａ／(１＋(Ｂｆ)2)C/2          …（１）
【００４１】
ここで、Ｐはパワー、ｆは空間周波数であり、Ａは低空間周波数側のパワー、Ｂはカットオフ、Ｃはスペクトルの傾きに関係する。図６は、ＡＢＣ型関数の空間周波数スペクトルを示している。空間周波数スペクトルの算出は、パラメータＡ、Ｂ、Ｃを求めることに帰着する。
【００４２】
図７は、ＡＢＣ型関数の空間周波数スペクトルの算出フローを示す。まず、検出器の全ての検出信号の総和を計算する（７０１）。次に、それぞれの検出信号と検出信号の総和との比、すなわち信号比率を計算する（７０２）。そして、信号比率を信号比率ライブラリと比較し、パラメータＢ、Ｃを算出する（７０３）。最後に、パラメータＢ、Ｃと信号総和を信号総和ライブラリと比較し、パラメータＡを算出する（７０４）。上記のパラメータの算出は、最小二乗法などの数値計算により行うことができる。このように、空間周波数スペクトルをパラメータで表現することにより、データ容量を圧縮できるので、全測定位置の空間周波数スペクトルデータを保存できる。
【００４３】
次に、マイクロラフネスの特徴量の算出と出力について説明する。オペレータは、プロセスに応じて注目する特徴量を選択する。特徴量は例えば、注目する空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さ、空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数やピーク空間周波数などである。ＲＭＳ粗さは、空間周波数スペクトルを当該空間周波数領域で積分して算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として空間周波数スペクトルを算出しているので、当該空間周波数領域は任意に設定できる。図８は、ウェハ全面におけるＲＭＳ粗さのマップの一例を示す。ＲＭＳ粗さのマップにより、プロセス条件が適正か否かが判明する。
また、カットオフ空間周波数やピーク空間周波数は、空間周波数スペクトルの解析により算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として空間周波数スペクトルを算出しているので、高い空間周波数分解能にて解析できる。カットオフ空間周波数のマップにより、どのくらい高い空間周波数領域の粗さが存在しているかが判明する。また、ピーク空間周波数のマップにより、ステップ・テラス構造のような、特定方向かつ特定空間周波数のマイクロラフネスが存在するか否かが判明する。
【００４４】
次に、マイクロラフネスの３次元形状の算出と出力について説明する。オペレータは、前記の特徴量のマップを参照して、ウェハ上の注目する位置を指定する。また、オペレータは、注目する空間周波数領域を指定する。信号処理系は、当該位置の空間周波数スペクトルを用いて、当該空間周波数領域でフーリエ逆変換を行い、３次元形状、及び３次元形状の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として空間周波数スペクトルを算出しているので、当該空間周波数領域は任意に設定できる。座標データは操作系に伝送され、指定位置の３次元形状が表示される。図９は、ウェハ表面の３次元形状の一例を示す。このような表示により、オペレータはマイクロラフネスを視覚的に認識できる。
【００４５】
ここで、３次元形状には例えば表面の粒径が含まれるわけであるが、表面の粒径の位相はランダムである。そこで、３次元形状を得るに当たっては、乱数を発生させてフーリエ逆変換することも可能である。この乱数を用いたフーリエ逆変換についてより詳細に説明する。乱数を用いたフーリエ逆変換に当たっては、以下のフローを用いる。
（１）パワースペクトルの平方根を取って、振幅Ａとする。
（２）位相Φを乱数で発生させる。
（３）複素振幅Ａ＊(cosΦ＋ｉ＊sinΦ)をフーリエ逆変換する。
【００４６】
なお、ウェハ表面は、単層構造でも多層構造でも良い。多層構造で上層が透明の場合、上層と下層との界面のマイクロラフネスも計測できる。また、多層構造で上層が透明の場合、上層の膜厚も計測できる。
【実施例２】
【００４７】
次に実施例２について説明する。実施例２は、異方性のマイクロラフネスについても計測精度が向上する実施例である。実施例２では、実施例１と異なる部分について主に説明する。
【００４８】
エピタキシャル成長ウェハに出現するステップ・テラス構造は、特定の方向に特定の空間周波数を有している。図１０は、エピタキシャル成長ウェハのマイクロラフネスの２つの空間周波数スペクトルＳ３、Ｓ４を示す。空間周波数スペクトルＳ３はステップ・テラス構造の出現しない方向であり、空間周波数スペクトルＳ４はステップ・テラス構造の出現する方向である。ステップ・テラス構造では、特定の方向の特定の空間周波数において、空間周波数スペクトルに鋭い特異なピーク６０１が出現している。このピーク６０１がステップ・テラス構造に対応したものである。
【００４９】
このような異方性のマイクロラフネスによる散乱光の空間分布を検出するのに適した検出光学系配置の一実施例を図１１に示す（天球面上の開口をウェハ表面に平行な平面に投影）。つまり、本実施例２の表面形状計測装置は、１３個の検出光学系、それらに対応した１３個の光検出器を有する。図１１の検出開口１０１〜１１３は、１３個の検出光学系それぞれの検出開口である。
【００５０】
本実施例２の検出開口１０１〜１０５の中心、すなわち検出光学系の光軸は、入射面内にある。また、検出開口１０７と１０９の中心、検出開口１１０と１１２の中心は、それぞれ入射面に平行な面内にある。また、検出開口１０３、１０６、１０８、１１１、１１３の中心は、入射面に垂直な平面内にある。また、検出開口１０７と１１０の中心、検出開口１０９と１１２の中心は、それぞれ入射面に垂直な面内にある。
【００５１】
これは、他の表現としては、検出開口１０１〜１０５の中心は、前記照明光学系の入射面内にあり、かつ検出開口１０１の中心と検出開口１０５の中心とは入射面に垂直な面に関して対称であり、検出開口１０２の中心と検出開口１０４の中心とは前記入射面に垂直な面に関して対称であると表現することができる。また、検出開口１０６の中心、及び検出開口１１３の中心は、入射面に垂直な面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であると表現することもできる。また、検出開口１０８の中心、及び検出開口１１１の中心は、入射面に垂直な面内にあり、かつ前記入射面に関して対称であると表現することもできる。さらに、検出開口１０７の中心、及び検出開口１０９の中心は、前記入射面に対して平行な第１の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であると表現することができる。さらに、検出開口１１０の中心、及び検出開口１１２の中心は、前記入射面に対して平行な第２の面内にあり、前記垂直な面に関して対称であると表現することができる。そして、この第１の面、及び第２の面は、前記入射面に関して対称であると表現することができる。
【００５２】
このような検出光学系配置により、色々な方向の散乱光分布の変化を敏感に検出できる。その結果、色々な方向の空間周波数スペクトルの変化を敏感に捉えることが可能となり、異方性のマイクロラフネスの計測精度が向上する。
【実施例３】
【００５３】
次に、実施例３について説明する。実施例３は、実施例１、及び実施例２において、さらに空間周波数の分解能を向上させるものである。
【００５４】
ウェハ１の表面に対して光１２０１を照明する点は、実施例１、及び実施例２と同様である。本実施例３では、実施例１、及び実施例２で言及した検出光学系をフーリエ変換光学系１２０２に置き換えるものである。フーリエ変換光学系１２０２は、ウェハ１からの散乱光１２０３、１２０４を集光するフーリエ変換レンズ１２０５、フーリエ変換レンズ１２０５によって平行化された平行光１２０６を検出する２次元センサ１２０７によって検出するものである。２次元センサとしては、電荷結合素子（ＣＣＤ）、時間遅延積分センサ（ＴＤＩ）、マルチピクセルフォトンカウンター、アバランシェフォトダイオードアレイ等を使用できる。
【００５５】
実施例３では、２次元センサ１２０７によって光を検出した後は、実施例１、及び２と同様の処理が施される。
【００５６】
実施例３では、検出光学系に入射する散乱光の強度分布を検出できるので、さらに空間周波数分解能を向上させることができる。このため、ステップ・テラス構造の散乱光のような、特定方向の鋭いピークを検出するのに有効である。
【００５７】
本発明の計測装置により、半導体製造のプロセスごとに、ウェハ表面全体のマイクロラフネスを高精度で計測し、プロセス条件を適正に管理できる。
【００５８】
また、本発明の計測装置は、磁気記憶媒体などのマイクロラフネスの計測にも広く適用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１  ウェハ
２  ステージ
３  光源
４  照明光学系
７  信号処理系
８  制御系
９  操作系
５１〜５５  検出光学系
６１〜６５  光検出器
【図１】
0005581282.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005581282.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005581282.tif 000007
【図７】
0005581282.tif 000008
【図８】
0005581282.tif 000009
【図９】
0005581282.tif 000010
【図１０】
0005581282.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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