(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉縞形成用の光学素子と被測定物とにより形成される干渉縞像を撮像し、該干渉縞像を基に被測定物の表面形状を解析する表面検査装置において、前記被測定物のエッジを含む領域を照明する照明光学系と、該照明光学系により照明された前記被測定物のエッジ像を撮像するエッジ像撮像手段と、該撮像されたエッジ像に基づいて前記干渉縞像の解析領域を決定する解析領域決定手段と、を備えることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
請求項１の解析領域決定手段は、前記光学素子の使用の有無により生じる前記干渉縞像とエッジ像との位置ずれを補正する補正手段を備えることを特徴とする表面検査装置。
【請求項３】
請求項１の表面検査装置において、前記照明光学系は広帯域波長の光を発する照明光源を持つことを特徴とする表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の表面形状を検査する表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体ウェハ、光ディスク、磁気ディスク等の薄板においては、その表面の平坦度等が製品の品質に大きく影響する。表面形状の急激な変化は被測定物のエッジ部分に現われやすい。干渉計やモアレ技術で得られる干渉縞を利用して被測定物の表面形状を測定する場合、被測定物のエッジを正確に検出することは正確で、信頼性の高い測定値を求める上で非常に重要である。従来の装置では位相の異なる複数の干渉縞画像を取込み、ソフトウェアにて干渉縞の有無を判断し、閾値処理による境界をエッジとして判定していた。解析領域はエッジ内の円形部分としていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被測定物の外周部は製造工程の問題から形状変化が大きいことが多く、干渉縞も密になる。このため、干渉縞の有無によるエッジ判定では、解析領域を安定して容易に決定できないことがあった。そのため、測定結果がばらつき、安定性や信頼性に欠けるという欠点があった。また、従来の方法では、被測定物に対してどれくらいの割合の領域を解析できたのか分からなかった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点を鑑み、安定して信頼性の高い表面形状情報を得ることができる表面検査装置を提供することを技術課題とする。
【０００５】
【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。
【０００６】
（１）  干渉縞形成用の光学素子と被測定物とにより形成される干渉縞像を撮像し、該干渉縞像を基に被測定物の表面形状を解析する表面検査装置において、前記被測定物のエッジを含む領域を照明する照明光学系と、該照明光学系により照明された前記被測定物のエッジ像を撮像するエッジ像撮像手段と、該撮像されたエッジ像に基づいて前記干渉縞像の解析領域を決定する解析領域決定手段と、を備えることを特徴とする。
（２）  （１）の解析領域決定手段は、前記光学素子の使用の有無により生じる前記干渉縞像とエッジ像との位置ずれを補正する補正手段を備えることを特徴とする。
（３）  （１）の表面検査装置において、前記照明光学系は広帯域波長の光を発する照明光源を持つことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について一実施形態を挙げ、図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る表面検査装置の要部構成図であり、ここでは斜入射干渉計を例示している。
【００１２】
まず、表面形状測定光学系及び制御系について説明する。測定光源であるHe−Neレーザ光源１から出射したレーザ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により平行光束とされプリズム４に入射する。プリズム４の参照面４′はピエゾ素子５によりウェハ６の被測定面６′との距離が変えられ、参照光の位相が変化される。
【００１３】
プリズム４に入射した光の一部は参照面４′を透過して載置台７に載置されたウェハ６の被測定面６′で反射し、再びプリズム４を通過してスクリーン８に向かう。一方、プリズム４に入射した光の内、参照面４′で反射した光はスクリーン８に向かい、被測定面６′で反射した光と干渉現象を起こし、スクリーン８に干渉縞が投影される。
【００１４】
スクリーン８に投影された干渉縞は、レンズ９によりカメラ１０の撮像面に結像し、撮像される。撮像された干渉縞の映像信号として解析装置１１に送信され、各種の表面形状や厚さムラ等の演算解析が行われる。解析装置１１にはキーボードやマウス等の入力部１１ａ、撮像画像や解析結果を表示するモニタ１２が接続されている。１３は制御部で、レーザ光源１、ピエゾ素子５等の駆動制御を行う。
【００１５】
次にエッジ検出光学系、及び制御系について説明する。エッジ検出する場合は、プリズム駆動装置１４によりプリズム４が測定光路から外される。また、ミラー駆動装置２３によりミラー２２が回転移動し、He−Neレーザ光源１の光路に入れられる。ハロゲンランプやＬＥＤ等の照明光源２１から発せられた広帯域波長（インコヒーレント）の照明光は、ミラー２２により反射され、コリメータレンズ３により平行光束とされてウェハ６のエッジを含む被測定面６′を照明する。被測定面６′で反射した光はスクリーン８に投影される。スクリーン８に投影されたウェハ像はレンズ９によりカメラ１０の撮像面に結像し、撮像される。撮像されたウェハ像は映像信号として解析装置１１に送信され、エッジ位置の検出が行われる。
【００１６】
なお、被測定物が透明体の場合は、上記のように広帯域波長の光を発する照明光源２１を使うことが好ましいが、被測定物が透明体でない場合はレーザ光源１をエッジ検出光学系の照明光源として共用することも可能である。また、エッジ像撮像用のカメラは、干渉縞撮像用と兼用せずに、専用に設けても良い。
【００１７】
以上のような構成を備える表面検査装置において、その動作を図２のフローチャート図に基づいて以下に説明する。
【００１８】
ウェハ６を載置台７に載置した後、ウェハ６の外周端をピン等の位置決め部材（図示を略す）に当てることにより、所定の測定位置に置く。載置台７は吸着機構を持ち、ウェハ６は載置台７に吸着保持される。ウエハ６の位置決めができたら、位置決め部材は外される。入力部１１ａからエッジ検出機構がＯＮに入力されると、制御部１３はプリズム駆動装置１４によりプリズム４を測定光軸上から外す。また、ミラー駆動装置２３によりミラー２２を回転移動し、He−Neレーザ光源１の光路に入れると共に、照明光源２１を点灯させる。
【００１９】
照明光源２１からの照明光はミラー２２により反射され、コリメータレンズ３により平行光束とされてウェハ６の被測定面６′の全体を照明する。被測定面６′で反射した光はスクリーン８に投影され、スクリーン８に投影されたウェハ像（ウエハ６のエッジ像）はレンズ９によりカメラ１０の撮像面に結像し、撮像される。撮像されたウェハ像は映像信号として解析装置１１に取込まれる。
【００２０】
解析装置１１に取り込まれた画像は２値化処理され、ウエハ６からの反射光量とその外側領域の反射光量との違いにより、ウエハ６のエッジ位置が検出される。エッジ位置検出がされると、干渉縞画像に対応する補正エッジ位置が計算され、解析装置１１内のメモリに取り込まれる。この補正エッジ位置は、光軸上のプリズム４の有無によって生じる干渉縞画像とウェハ像との位置ずれを補正するものである。そのオフセット量は、予め光学的に計算されておりメモリに記憶されている。
【００２１】
補正エッジ位置が求められるとエッジ検出機構がＯＦＦになる。エッジ検出機構がＯＦＦになると、制御部１３はプリズム駆動装置１４によりプリズム４を測定光路上に戻す。また、ミラー駆動装置２３によりミラー２２を回転移動させてHe−Neレーザ光源１の光路から外す。その後、レーザ光源１からレーザ光が発せられ、参照面４′と被測定面６′で反射した光とにより形成される図３に示す様な干渉縞がスクリーン８に投影される。また、制御部１３はピエゾ素子５に電圧を印加し、参照面４′と被測定面６′との距離を変化させることで、干渉縞の位相を変化させる。こうして位相が変化した干渉縞像がカメラ１０によって撮像され、各画像データは解析装置１１内のメモリに取り込まれる。なお、通常、位相シフト干渉法では、位相シフトの数を４ステップ以上で行う。
【００２２】
解析装置１１はメモリに取り込んだ位相の異なる複数の干渉縞画像にノイズ除去等の周知の処理を施す。そしてこの位相データを高さデータに変換することによって被測定面６′の表面三次元形状を算出する。解析領域は予め計算しておいた補正エッジ位置を使用して決定する。この際、補正エッジ位置を外郭としてその外領域は解析対象から外せるので、解析領域の決定の処理が容易となる。干渉縞が部分的に離れている場合であっても、外郭が予め定められるので、位相データの繋ぎ合わせの補間処理が容易に行える。また、解析領域は、隣合った画素間の位相差が設定された値以内である画像を繋ぎ合わせて決定する。なお、位相シフト法による解析の詳細は、本出願人による特開平１０−２２１０３３号公報を参照されたい。
【００２３】
算出された三次元形状は、鳥瞰図や等高線図等でモニタ１２に表示され、検者は被測定面６′の全体の平坦度を評価できる。また、解析領域内について平面度、厚さムラ等の様々な情報が解析される。
【００２４】
図３に示す干渉縞が得られた場合、ＡＡ断面でのウェハ６の表面形状は、図４の様になる。ここで、ウェハ６のＢ側のエッジ方向は勾配が急に変化している。この様な場合、ウェハのエッジ位置を基に解析領域を正確に決定することは非常に重要である。例えば、図４において解析領域のエッジをＢ１にすると、表面形状の最大の高低差はＨ１、エッジをＢ２にすると、表面形状の最大の高低差はＨ２になる。このＢ１とＢ２の僅かの違いにおいて、ΔＨの大きな誤差が生じてしまう。
【００２５】
また、表面形状を「ＳＯＲＩ」という数値で表すことができる。これは、まず、図５に示す様にその平面の上部の体積Ｖ１と下部の体積Ｖ２が等しくなる様な最小二乗平面Ｓ１を求める。図５では説明の都合上、平面的に図示しているが、実際には、立体的に最小二乗平面Ｓ１を求める。次に、最小二乗平面Ｓ１から垂直方向に一番高いピーク点Ｐの高さｈ１と、最小二乗平面Ｓ１から垂直方向に一番低いピーク点Ｖの高さｈ２を求める。そして、ＳＯＲＩを次式、
ＳＯＲＩ＝ｈ１＋ｈ２
によって求める。
【００２６】
ところが、解析領域のエッジをＣ位置でなくてＤ位置としてしまうと、最小二乗平面Ｓ１から垂直方向に一番低いピーク点は、Ｖ′となる。この場合、ＳＯＲＩは、
ＳＯＲＩ＝ｈ１＋ｈ３
となる。解析領域のエッジのずれによって、誤差ΔＳが、ΔＳ＝ｈ２−ｈ３だけ生じてしまう。本装置では、ウェハのエッジ内で、隣合った画素間の位相差が設定された値以内である画像を繋ぎ合わせて解析領域が決定されるので、この様な大きな誤差が生ずることなく、安定してより高い信頼性の表面形状情報を得ることができる。
【００２７】
また、解析結果として、エッジ検出光学系により得られたウエハ６のエッジ像による被測定領域と解析領域との位置関係がモニタ１２にグラフィック表示される。図６は、その表示例であり、外円５０がウエハ６のエッジ像を示し、その内部の斜線領域５１が解析領域を示す。また、エッジ像の被測定領域（エッジ像で定める被測定物の全面積）に対する解析領域の比率が計算され、その結果（図６に示す表示５２）がモニタ１２に表示される。干渉縞が密である部分は原理的に解析ができないため、このような部分（画素）があった場合、図６のような表示により、検者はその位置や被測定物の全面積に対する解析領域の比率を知ることができ、測定結果の信頼性を評価することができる。
【００２８】
解析が終了すると、ウェハ６を載置台７から取り外す。次のウェハを測定しない場合は、作業を終了する。次のウェハを測定する場合は、次のウェハを載置台７に載置した後、ウェハをピン等の位置決め部材に当てることにより、所定の測定位置に置く。初めに検出したエッジ位置は、ウエハ６のロットが同じ場合、２枚目以降についても利用できる。したがって、ウエハ６のエッジ検出は２枚目以降は行わず、エッジ検出機構をＯＦＦにしたままで、レーザ光源１による干渉縞を取込み、位相シフト法による解析を行う。そして、最初に測定したウェハ６の補正エッジ位置を外郭としての表面三次元形状を算出する。３枚目以降も同様に繰り返す。
【００２９】
以上は斜入射干渉計を例にとって説明したが、垂直入射干渉計でも同じように、干渉縞が形成されていない被測定物のエッジ像を撮像すれば良い。垂直入射干渉計は、ビームスプリッタで分岐されて被測定物から反射されてくる測定光と、参照ミラーから反射されてくる参照光とで合成される干渉縞像を得るものであるが、参照ミラーで反射される参照光をシャッタ等でカット又は参照ミラーを光路から外し、被測定物からの反射光のみを撮像素子で受光することにより被測定物のエッジ像を得ることができる。もちろん、この場合も測定光は被測定物のエッジを含む領域を照明する。垂直入射の場合は、横ずれ位置の補正処理は行わずに、エッジ位置の検出結果をそのまま使用して干渉縞画像に対する解析領域を決定できる。
【００３０】
図７は格子照射法により得られるモアレ縞を利用する表面検査装置の例である。この装置は、図１に示したプリズム４の代わりに所定の細かいピッチで基準格子が形成された格子板１７、プリズム駆動装置１４の代わりに格子板駆動装置１６を備えている。レーザ光源１からのレーザ光は格子板１７を照明しその格子像をウエハ６の被測定面６′に形成する。ウエハ６の被測定面６′からの反射光は前記格子板１７を通過し、スクリーン８に等高線縞であるモアレ縞が投影される。これをＣＣＤカメラ１０により撮像してモアレ縞像が得られる。
【００３１】
この構成の場合も前記実施の形態と同様に、格子板１７を取り除いた状態でウエハ６のエッジ検出を行なう。解析装置１１に取り込まれた画像は２値化処理され、ウエハ６のエッジ位置が検出される。エッジ位置検出がされると、干渉縞画像に対応する補正エッジ位置が計算される。この補正エッジ位置は、光軸上の格子板１７の有無によって生じるモアレ縞画像とウェハ像との位置ずれを補正するものである。そのオフセット量は、前記プリズム４を用いた実施の形態では、プリズム４の屈折率、参照面４′に対するウェハ６からの正反射光の入射角、等から光学的に計算されるが、この格子板１７の場合は、図８に示す図に基づいて計算される。格子板１７の屈折率をｎ、厚さをｔ、ウェハ６の被測定面６′上の点Ｐからの格子板１７への正反射光の入射角をθ（レーザ光源１及び照明光源２１の入射角に等しい）、屈折角をθ′とすると、位置ずれを補正するオフセット量ｄは、次式で求まる。
【００３２】
ｄ＝ｔ（tanθ−tanθ′）
sinθ＝ｎsinθ′
その後、格子板１７を測定光路に挿入し、ウェハ６の被測定面６′と格子板１７とにより形成されるモアレ縞を撮像する。撮像されたモアレ縞は、前記の補正エッジ位置によって解析領域が決定され、エッジを正確に把握した表面検査が行われる。また、このことは格子投影法によるモアレ像解析の場合にも適用できる。
【００３３】
図９は、エッジ検出光学系の別の構成例を示す図であり、ウエハ６の背後に置かれた光源３０とコリメータレンズ３１とからなる照明光学系により、ウエハ６のエッジを照明する。スクリーン８にはウエハ６のエッジで遮光される影が投影されるので、これをＣＣＤカメラ１０で撮像する。載置台７′は照明光学系が干渉しない大きさで配置する。光源３０とコリメータレンズ３１からなる照明光学系は被測定物のエッジの全周を照明するように設けることが好ましいが、円形のウエハ６の場合は、３点以上あればエッジ位置が検出できる。あるいは、ウエハ６又は照明光学系を、ウェハの中心を中心として回転し、複数のエッジ画像を得ることでエッジ位置を検出する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、安定かつ高い信頼性の表面形状情報を得ることができる。また、測定結果の信頼性を評価し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面検査装置の要部構成図である。
【図２】エッジ検出、表面検査のフローチャート図である。
【図３】ウェハの干渉縞を示す図である。
【図４】ウェハの表面形状を示す図である。
【図５】ウェハの表面形状を示す図である。
【図６】エッジ像と解析領域との位置関係の表示例である。
【図７】表面検査装置の変容例を示す図である。
【図８】位置ずれの補正量を求める図である。
【図９】エッジ検出光学系の変容例を示す図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源
３  コリメータレンズ
４  プリズム
８  スクリーン
９  レンズ
１０  カメラ
１１  解析装置
１２  モニタ
１３  制御部
１４  プリズム駆動装置
１６  格子板駆動装置
１７  格子板
２１  ランプ光源
２２  ミラー
２３  ミラー駆動装置
３０  光源
３１  コリメータレンズ
【図１】
0003848586.tif 000002
【図２】
0003848586.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003848586.tif 000008
【図８】
0003848586.tif 000009
【図９】
0003848586.tif 000010