(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光源からの可干渉光を試料に投光し、試料からの反射光により形成される干渉縞に基づいて試料を検査する試料検査装置において、試料表面に対向する位置に配置された参照面と、前記参照面と試料表面での反射光により形成される第１干渉縞，及び試料内部を透過した後に試料裏面で反射される反射光と試料表面で反射される反射光とにより形成される第２干渉縞を共に投影可能とするスクリーンと、該スクリーンに投影された干渉縞を撮像する撮像手段と、前記スクリーンに投影される前記第１干渉縞を実質的に除去する第１干渉縞除去手段であって、前記参照面に対して試料を相対的に傾斜させる傾斜手段を有し、該傾斜手段によって第１干渉縞の縞密度を前記撮像手段の解像度よりも小さくすることにより前記第１干渉縞を実質的に除去する第１干渉縞除去手段と、前記スクリーンに投影される前記第２干渉縞を実質的に除去する第２干渉縞除去手段であって、試料に投光される可干渉光の光量を調整する光量調整手段を有し、該光量調整手段により可干渉光を減光し、試料裏面からの反射光を減衰させることで前記第２干渉縞を実質的に除去するか、又は試料に投光される可干渉光の干渉性を調節する調節手段を有し、該調節手段により可干渉光の干渉性を低下させることで前記第２干渉縞を実質的に除去する第２干渉縞除去手段と、前記第１干渉縞除去手段により残った第２干渉縞画像及び前記第２干渉縞除去手段によって残った第１干渉縞画像に基づいてそれぞれ試料の形状を検査する検査手段と、を備えることを特徴とする試料検査装置。
【請求項２】
請求項１の試料検査装置において、前記可干渉光は試料に対して斜め方向から投光され、前記傾斜手段は前記試料を可干渉光の投光光軸に対して試料表面上で直交する軸線方向に傾斜させることを特徴とする試料検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に投光された可干渉光により形成される干渉縞に基づいて試料の形状を検査する試料検査装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体ウェハ等の試料に対して可干渉光の測定光を投光し、試料表面と参照面で反射する反射光により生じる干渉縞を撮像した画像に基づいて試料の表面形状を検査する試料検査装置が知られている。このような装置では、平坦な基準平面を持つ載置台に試料裏面を密着させることで試料の裏面形状を平坦にして表面形状（平坦度）を計測している。
【０００３】
また、試料を透過する特性を有する測定光を投光し、試料の表面と裏面での反射光により干渉縞を形成させ、この干渉縞を検査することで厚さむらを検査する装置も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の装置の場合、試料の裏面を載置台に吸着させて検査を行うと、試料自体が持つ反りや情報が修正された状態での検査となるため、厚み変動を伴わない自然な反り状態を含む表面形状を得ることができなかった。
【０００５】
自然な反り状態を含む表面形状の検査をするためには、試料の裏面を載置台に吸着せずに試料表面の形状を検査し、さらに後者の試料の表面と裏面での反射光による干渉縞に基づいて厚さむら情報を得る検査を組み合わせることで可能となるが、これを別々の検査装置で行うと、検査に手間が掛かり、検査者の負担となる。
【０００６】
両者の検査を一つの装置で行う場合、試料を透過する特性を有する光を使用すると、参照面と試料表面で形成される干渉縞と、試料の表裏面で形成される干渉縞の両方が現われるので、他方の干渉縞がノイズとして影響し、精度の高い検査を行うことを困難とする。これを避ける方法としては、表面形状の検査では試料を透過しない光を使用し、厚さむら検査では試料を透過する光を使用すると共に、両者の検査光路を分離することが考えられるが、この方法は構成が複雑になり、装置が大型化してしまう。
【０００７】
また、前者の装置では測定光を透過する試料の表面形状を高い精度で検査することは困難であった。例えば、Ｈｅ-Ｎｅレーザ等の可視光により半導体ウエハの表面形状を検査する装置を使用し、ガラスディスクの表面形状を検査しようとすると、ガラスディスクの表面と裏面で干渉縞が生じるので、これがノイズとなって精度の良い検査が困難となる。
【０００８】
本発明は上記従来技術を鑑み、装置構成を複雑とせずに、試料の表面形状及び厚さむらを精度良く検査することができる試料検査装置を提供することを技術課題とする。
【０００９】
また、測定光を透過する試料であっても、その表面形状を精度良く検査することができる試料検査装置を提供することを技術課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）  測定光源からの可干渉光を試料に投光し、試料からの反射光により形成される干渉縞に基づいて試料を検査する試料検査装置において、試料表面に対向する位置に配置された参照面と、前記参照面と試料表面での反射光により形成される第１干渉縞，及び試料内部を透過した後に試料裏面で反射される反射光と試料表面で反射される反射光とにより形成される第２干渉縞を共に投影可能とするスクリーンと、該スクリーンに投影された干渉縞を撮像する撮像手段と、前記スクリーンに投影される前記第１干渉縞を実質的に除去する第１干渉縞除去手段であって、前記参照面に対して試料を相対的に傾斜させる傾斜手段を有し、該傾斜手段によって第１干渉縞の縞密度を前記撮像手段の解像度よりも小さくすることにより前記第１干渉縞を実質的に除去する第１干渉縞除去手段と、前記スクリーンに投影される前記第２干渉縞を実質的に除去する第２干渉縞除去手段であって、試料に投光される可干渉光の光量を調整する光量調整手段を有し、該光量調整手段により可干渉光を減光し、試料裏面からの反射光を減衰させることで前記第２干渉縞を実質的に除去するか、又は試料に投光される可干渉光の干渉性を調節する調節手段を有し、該調節手段により可干渉光の干渉性を低下させることで前記第２干渉縞を実質的に除去する第２干渉縞除去手段と、前記第１干渉縞除去手段により残った第２干渉縞画像及び前記第２干渉縞除去手段によって残った第１干渉縞画像に基づいてそれぞれ試料の形状を検査する検査手段と、を備えることを特徴とする。
（２）  （１）の試料検査装置において、前記可干渉光は試料に対して斜め方向から投光され、前記傾斜手段は前記試料を可干渉光の投光光軸に対して試料表面上で直交する軸線方向に傾斜させることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明について一実施形態を挙げ、図面に基づいて以下に説明する。図１は実施形態である試料検査装置の要部概略図である。本装置は斜入射干渉計を使用している。
【００２２】
測定光源１から出射される可干渉光は、その一部が試料６を透過する特性（波長）を有しており、例えば、半導体ウェハの場合は赤外光を発する半導体レーザが利用でき、ガラスディスクの場合は可視光を発するＨｅ-Ｎｅレーザが利用できる。測定光源１より出射した光はエキスパンダレンズ２を通過した後、コリメータレンズ３により平行光束にされ、ロータリープリズム４を介してプリズム５に入射する。ロータリープリズム４は制御部１１により駆動制御され、ロータリープリズム４の駆動により測定光の試料６への入射角（投光角度）が変更される。試料６は載置台１３に吸着保持されるのではなく、試料６の端部が数箇所で保持されるように載置される。
【００２３】
プリズム５に入射した測定光の一部は参照面５ａで反射され、その他の光は参照面５ａを透過する。参照面５ａを透過した光の一部は試料表面６ａで反射し、残りの光は試料表面６ａを透過して試料裏面６ｂに至って反射する。スクリーン７には、参照面５ａと試料表面６ａでの反射光による干渉縞ＩＳと、試料表面６ａと試料裏面６ｂでの反射光による干渉縞ＩＴが形成される（図２参照）。参照面５ａと試料裏面６ｂでの反射光による干渉縞は、それぞれの反射光強度に大きな差があるため、スクリーン７上では観察されない。
【００２４】
スクリーン７上に形成された干渉縞像は撮像レンズ８によりＣＣＤカメラ９の撮像面に結像し、撮像される。ＣＣＤカメラ９で撮像された干渉縞像は解析装置１０に送信され、モニタ１４に表示される。解析装置１０では干渉縞を基に表面形状や厚さむらを得るための演算解析等が行われ、干渉縞像や各種情報はメモリ１５に記憶される。１７は試料６を載置する載置台１３の傾斜角度を変更する駆動装置であり、１２は測定感度の変更スイッチや駆動装置１７への駆動指令を行うスイッチ等を持つ入力部である。
【００２５】
以上のような構成を備える試料検査装置において、以下にその動作を説明する。図３は検査動作のフローチャート図である。
【００２６】
検査者は載置台１３に試料６を配置して検査を開始する。試料６は載置台１３に吸着保持されるのではなく、試料６の端部が数箇所で保持されるため、自然な反り状態を含む表面形状の平坦度を検査することができる。制御部１１が光源１を発光させると、スクリーン７上には２つの干渉縞ＩＳ，ＩＴが投影され、ＣＣＤカメラ９で撮像した画像はモニタ１４に表示される。
【００２７】
図２に示す２つの干渉縞像は、参照面５ａと試料表面６ａによる干渉縞ＩＳと、試料表面６ａと裏面６ｂによる干渉縞ＩＴであり、検査者はモニタ１４に表示される干渉縞ＩＳ，ＩＴを基に試料形状を検査する。また、解析装置１０はそれぞれの干渉縞ＩＳ，ＩＴを基に表面形状及び厚さむらを定量的に演算解析し、測定する。以下、表面形状検査と厚さむら検査について、各々説明する。
【００２８】
＜表面形状検査＞
表面形状検査では参照面５ａと試料表面６ａでの反射光による干渉縞ＩＳを利用する。この際、試料表面６ａと裏面６ｂでの反射光による干渉縞ＩＴはノイズとなるため、精度の良い表面形状を得るためには、干渉縞ＩＴの影響を取り除く、あるいは小さくすることが必要となる。
【００２９】
この方法としては、光源１の光量を調節することで、干渉縞ＩＴの影響を減少させることができる。具体的には図４の参照光の反射状況を説明する図に示すように、試料表面６ａを通過した光が試料６内で吸収されるか、あるいは試料裏面６ｂで反射した光が試料表面６ａを透過するまでの間に試料６内で吸収される程度の光量まで弱くする。光量の調節は検査者が手動により行うことができるが、干渉縞ＩＴの明るさ（輝度）情報を検出し、予め設定した閾値以下になるように制御部１１が光源１の光量を自動的に調節するようにすることも可能である。
【００３０】
これにより、試料裏面６ｂからの反射光は試料表面６ａでの反射光と干渉を起こすことなく試料６に吸収され、スクリーン７上に干渉縞ＩＴは形成されなくなる。一方、干渉縞ＩＴに対して干渉縞ＩＳのコントラストは遥かに高いため、光源１の光量を落としても参照面５ａと試料表面６ａの反射光による干渉縞ＩＳのみがＣＣＤカメラ９に撮像される。
【００３１】
また、試料６に投光される可干渉光の干渉性を低下させることでも裏面反射を除去することが可能である。例えば、測定光源１に半導体レーザ光源を用いる。半導体レーザ光源は通常１つのピーク波長を有しているが、温度が変化するとピーク波長が移行する特性がある。図５に示すように、通常１つのピーク波長λ１を有する参照光が（図５（ａ）参照）、温度変化によって波長λ１が弱まり、波長λ２が強くなり始める。一旦、２つの波長λ１，λ２の強度がほぼ等しくなった後（図５（ｂ）参照）、ピーク波長λ２を有するようになるモードジャンプが生じる。（図５（ｃ）参照）。
【００３２】
裏面反射を除去する際には、図５（ｂ）に示す２つの波長λ１，λ２がほぼ同じ強度を有する状態の参照光を利用する。ほぼ同じ強度を有する２つの波長λ１，λ２によるレーザ光の干渉性は弱まるため、干渉強度（コントラスト）が低い干渉縞ＩＴは除され、参照面と試料表面での干渉縞ＩＳが残るようになる。
【００３３】
図６は、光源１を半導体レーザ光源とし、参照光の一部をビームスプリッタ３０で分割し、センサ３１で波長スペクトルを検出しながら、半導体レーザ光源への供給電力により温度を調節し、２つの波長強度がほぼ等しい参照光を投光することで、裏面反射による干渉縞ＩＴを除去する例である。
【００３４】
なお、試料６に投光される可干渉光の干渉性を低下させる手段としては、上記の他、図１におけるレンズ２とレンズ３の間にスリガラス板を配置した構成でも可能である。レンズ２の焦点をスリガラス板の拡散面からずらすことによって、点光源を見かけ上広げてレーザ光の干渉性を低下させるように調整できる。
【００３５】
以上のように、干渉縞ＩＴを除去又は減衰させることができれば、ＣＣＤカメラ９には表面形状情報が含まれた干渉縞ＩＳだけが撮像されるので、干渉縞ＩＳを基に公知の位相シフト法により試料表面形状を定量的に算出することができる。表面形状を得るための位相シフト法では、図示なきピエゾ素子を制御部１１で駆動制御してプリズム５、又は載置台１３を微妙に移動させ、参照面５ａと試料表面６ａとの距離を変化させる。この距離変化に応じて位相の異なる干渉縞像が形成されるので、位相の異なる複数の干渉縞像をＣＣＤカメラ９で撮像し、メモリ１５に記憶する。解析装置１０では記憶された複数の干渉縞像を基に位相シフト法により試料表面形状を算出する。解析装置１０により得られた試料表面形状データは鳥瞰図や各種情報としてモニタ１４に表示される。
【００３６】
＜厚さむら検査＞
厚さむら検査について説明する。厚さむら検査では試料表面６ａと試料裏面６ｂでの反射光による干渉縞ＩＴを利用する。厚さむら検査の場合には、参照面５ａと試料表面６ａでの反射光による干渉縞ＩＳはノイズとなるため、厚さむらを精度良く検査する上で干渉縞ＩＳを取り除く、あるいは減衰させてやる必要がある。
【００３７】
検査者は干渉縞ＩＳを除去するために、入力部１２を操作して試料６が配置された載置台１３を参照面５ａに対して傾斜するように駆動する。その傾斜方向は、図７に示すように、試料表面６ａに斜め方向から投光される測定光の光軸Ｌ１に対して試料表面上で直交する軸線Ｌ２方向である矢印Ａ方向に傾斜させる。これにより、測定光の入射角度をほとんど変えることなく試料表面６ａと参照面５ａとの平行度を変更することができる。なお、載置台１３の傾斜駆動は制御部１１の制御により駆動装置１７によって行われるが、回転ノブの操作等によって手動調整する構成でも良い。
【００３８】
試料６を傾斜させると干渉縞ＩＳの濃淡の間隔が密になり、干渉縞の数が多く形成される。さらに試料６の傾斜を大きくしていくと、干渉縞密度が順次密になり、干渉縞の間隔がＣＣＤカメラ９の解像度（分解能）を越えると、ＣＣＤカメラ９では干渉縞ＩＳが撮像されなくなる。このように干渉縞ＩＳの間隔をＣＣＤカメラ９の解像度以下にすることで干渉縞ＩＳを実質的に除去することができる。また、試料６は測定光の光軸に対して試料表面上で直交する軸線方向に傾斜させているので、測定光の入射角は変更せず、傾斜による干渉縞ＩＴへの影響（測定感度の影響）は殆どない。これにより、干渉縞ＩＳのみが除去され、干渉縞ＩＴのみがＣＣＤカメラ９に撮像される。
【００３９】
以上のように、干渉縞ＩＳのみを除去することで、検査者はモニタ１４に映出される干渉縞ＩＴを基に精度良く検査を行うことができ、また、解析装置１０では干渉縞ＩＴを基に位相シフト法等を用いて演算解析することで、厚さむらを定量的に算出することができる。
【００４０】
なお、干渉縞像ＩＴに対して位相シフト法により演算解析する場合、干渉縞ＩＳのように干渉を起こす２つの反射面の距離を変更することができないため、本実施形態ではロータリープリズム４を回転駆動して入射角を変更させることにより干渉縞を位相シフトさせ、複数の干渉縞を基に厚さむら情報を定量的に算出する。例えば、４ステップの位相シフト法では、試料へ投光される測定光の角度変化は、スクリーン７上に形成される干渉縞がπ／２分の位相だけ移動するように制御する。このようにして干渉縞の位相をπ／２分ずつ変化させた４枚の干渉縞画像を順次撮像し、これをメモリ１５に記憶する。解析装置１０はメモリ１５に記憶した４枚の干渉縞画像から位相シフト法によって試料６の厚さむらの形状を解析する。
【００４１】
また、解析装置１０は定量的に算出した試料表面形状と厚さむら情報を基に、試料全体を三次元形状表示することが可能であり、検査者はモニタ１４に表示される検査試料の情報を基に容易に検査を行うことができる。
【００４２】
以上、１つの試料の表面形状と厚さむらの両方を検査する場合について説明したが、これに限らず本発明は次のように適用することができる。すなわち、半導体ウエハの表面形状を検査するために、測定光源１としてＨｅ-Ｎｅレーザ等の可視光を使用した装置において、可視光を透過するガラスディスクの表面形状を検査したい場合、前述した方法により光源１の光量を弱くしたり、または測定光の干渉性を低下させる。これにより、可視光を透過するガラスディスクであっても、その表面と裏面での反射光による干渉縞の影響を取り除くことができ、ガラスディスクの表面形状の検査が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、装置構成を複雑とせずに、試料の自然な反り状態のままの表面形状、厚さむらを検査することができる。また、測定光を透過する試料であっても、ノイズとなる干渉縞を実質的に除去することで、表面形状を精度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態である試料検査装置の要部概略図である。
【図２】スクリーン上に投影される干渉縞の説明図である。
【図３】検査動作のフローチャート図である。
【図４】参照光の反射状況を説明する図である。
【図５】半導体レーザ光源の温度変化による出射光の波長変化の説明図である。
【図６】裏面反射による干渉縞ＩＴを除去する場合の変容例の要部概略図である。
【図７】干渉縞ＩＳを除去する場合の試料（載置台）の傾斜方向を説明する図である。
【符号の説明】
１  光源
５  プリズム
５ａ  参照基準面
６  試料
６ａ  試料表面
６ｂ  試料裏面
９  ＣＣＤカメラ
１０  解析装置
１１  制御部
１３  載置台
１５  メモリ
１７  駆動装置
【図１】
0004255586.tif 000002
【図２】
0004255586.tif 000003
【図３】
0004255586.tif 000004
【図４】
0004255586.tif 000005
【図５】
0004255586.tif 000006
【図６】
0004255586.tif 000007
【図７】
0004255586.tif 000008