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JP5043476B2 - Shape measuring apparatus and method - Google Patents
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Description

本発明は、半導体ウェーハのような円形板状の試料における端部付近の表面形状を測定する形状測定装置及びその測定方法に関するものである。   The present invention relates to a shape measuring apparatus for measuring a surface shape in the vicinity of an end portion of a circular plate-like sample such as a semiconductor wafer and a measuring method thereof.

一般に、円形板状である半導体ウェーハ(以下、ウェーハという)は、その中央部の平坦度は十分に確保されているが、端部(円周部)付近の平坦度が十分でない状態(いわゆるダレが形成された状態)であることが多い。
一方、近年、1枚のウェーハから得られる半導体チップの数を極力増やすため、ウェーハの端部(エッジ)により近い部分まで高い平坦度が要求される。このため、ウェーハの端部付近の表面形状を高精度で測定することが重要となっている。
例えば、特許文献1や非特許文献1には、ウェーハのエッジ先端にブロック部材を当接させ、そのブロック部材のウェーハに当接する面の位置を基準とし、触針式の形状計を移動させながらウェーハの表面形状を測定する技術が示されている。
ここで、ウェーハは、その半径方向にダレが生じるものであり、周方向における表面形状の変化はほとんど生じない。
これに対し、特許文献2には、ウェーハの半径方向の表面形状をその周方向の所定範囲にわたって複数測定し、それらの測定値を平均化することにより、ウェーハのダレを高精度で測定する技術が示されている。
In general, a semiconductor wafer having a circular plate shape (hereinafter referred to as a wafer) has a sufficiently flatness at the center, but the flatness in the vicinity of the end (circumferential part) is not sufficient (so-called sagging). Is often formed).
On the other hand, in recent years, in order to increase the number of semiconductor chips obtained from one wafer as much as possible, high flatness is required up to a portion closer to the edge of the wafer. For this reason, it is important to measure the surface shape near the edge of the wafer with high accuracy.
For example, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, a block member is brought into contact with the edge edge of a wafer, and the position of the surface of the block member in contact with the wafer is used as a reference while moving a stylus shape meter. A technique for measuring the surface shape of a wafer is shown.
Here, sagging occurs in the radial direction of the wafer, and the surface shape hardly changes in the circumferential direction.
In contrast, Patent Document 2 discloses a technique for measuring the sagging of a wafer with high accuracy by measuring a plurality of surface shapes in the radial direction of the wafer over a predetermined range in the circumferential direction and averaging the measured values. It is shown.

さらに、特許文献2には、干渉計を用いた位相シフト法(縞走査法或いはフリンジスキャン法とも称される)により、ウェーハの2次元の表面形状を(表面高さの分布)を測定する技術が示されている。
特許文献2に示されるように、位相シフト法による形状測定では、干渉計の参照面又は試料(ウェーハ)の位置を光軸方向に変化させることにより、干渉計により得られる干渉縞の像を複数の状態に変化させ、これら複数の干渉縞の像の輝度データからウェーハの表面形状値を算出する。
また、干渉計を用いた空間キャリア周波数法により、試料の2次元の表面形状を測定する技術が知られている。空間キャリア周波数法による形状測定では、干渉計の参照面又は試料を傾けることにより、干渉計により得られる干渉縞の本数を増やした状態とし、その干渉縞の数を空間キャリア周波数と捉え、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を行うことによって試料の2次元の表面形状値を算出する。
特開2000−146569号公報 特開2004−184194号公報 M.Kimura etc. , "A New Method for the Precise Measurement of Wafer Roll off of Silicon Polished Wafer", Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)
Further, Patent Document 2 discloses a technique for measuring a two-dimensional surface shape (surface height distribution) of a wafer by a phase shift method using an interferometer (also called a fringe scanning method or a fringe scanning method). It is shown.
As shown in Patent Document 2, in the shape measurement by the phase shift method, a plurality of interference fringe images obtained by the interferometer are obtained by changing the position of the reference surface of the interferometer or the position of the sample (wafer) in the optical axis direction. The surface shape value of the wafer is calculated from the luminance data of the plurality of interference fringe images.
A technique for measuring the two-dimensional surface shape of a sample by a spatial carrier frequency method using an interferometer is known. In shape measurement by the spatial carrier frequency method, the reference plane or sample of the interferometer is tilted to increase the number of interference fringes obtained by the interferometer, and the number of interference fringes is regarded as the spatial carrier frequency, and Fourier transform is performed. And the two-dimensional surface shape value of the sample is calculated by performing inverse Fourier transform.
JP 2000-14669 A JP 2004-184194 A M. Kimura etc., "A New Method for the Precise Measurement of Wafer Roll off of Silicon Polished Wafer", Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38 (1999)

しかしながら、特許文献1や非特許文献1に示される触針式の形状測定や、特許文献2に示される位相シフト法による形状測定(複数の干渉縞像を観測する方式)は、測定に非常に時間がかかるという問題点があった。
また、前述した空間キャリア周波数法による形状測定は、フーリエ変換後の特定のフーリエスペクトルを、他のフーリエスペクトルと分離して抽出する処理が必要となる。その処理は、干渉縞の空間周波数についてローパスフィルタ処理を行うのと同様の処理であり、これは、干渉縞のバックグランド強度分布や明暗変化の振幅が緩やかに変化する、即ち、試料の表面形状の変化がごく緩やかであることが前提となっている。このため、空間キャリア周波数法では、ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度で測定することができないという問題点があった。
従って、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度かつ短時間で測定することができる形状測定装置及びその測定方法を提供することにある。
However, the stylus-type shape measurement shown in Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 and the shape measurement by the phase shift method shown in Patent Literature 2 (a method of observing a plurality of interference fringe images) are very useful for measurement. There was a problem that it took time.
In addition, the shape measurement by the spatial carrier frequency method described above requires a process of extracting a specific Fourier spectrum after Fourier transformation separately from other Fourier spectra. The process is similar to the low-pass filter processing for the spatial frequency of the interference fringes. This is because the background intensity distribution of the interference fringes and the amplitude of the change in brightness change gradually, that is, the surface shape of the sample. It is assumed that the changes in are very gradual. For this reason, the spatial carrier frequency method has a problem in that a surface shape that changes relatively greatly in the radial direction, such as the edge of a wafer, cannot be measured with high accuracy.
Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to form a surface shape that changes relatively greatly in the radial direction, such as an end portion of a wafer, with high accuracy and in a short time. An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus and a measuring method thereof that can be measured.

上記目的を達成するために本発明は、円形板状或いはほぼそれに近い形状の試料(半導体ウェーハがその典型例)における端部からその内側の所定範囲にわたる領域(以下、測定領域という)の表面形状を測定する形状測定装置であり、次の(1)〜(6)に示す各構成要素を備えるものである。
(1)前記測定領域を観測する干渉計の出力光において形成される干渉縞の像を撮像する撮像手段。
(2)前記干渉計における参照面(参照光を反射する面)の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段。
(3)前記向き変更手段を制御することにより、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な軸(以下、基準軸という)に対し、平行もしくは平行に近い方向に伸びて形成される複数本の縞の像となるように調節する干渉縞像調節手段。
(4)前記干渉縞像調節手段による調節後に、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手段。
(5)前記基準軸の各位置における、その基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波(前記基準軸に直交する方向に輝度値が周期的に変化する波)それぞれの位相を算出する位相算出手段。
(6)前記位相算出手段により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を算出する表面形状値算出手段。
In order to achieve the above object, the present invention provides a surface shape of a region (hereinafter referred to as a measurement region) extending from an end to a predetermined range inside a circular plate-like or substantially similar sample (a semiconductor wafer is a typical example). Is a shape measuring device that measures the above and includes the components shown in the following (1) to (6).
(1) Imaging means for capturing an image of interference fringes formed in output light of an interferometer that observes the measurement region.
(2) Direction changing means for changing the direction of a reference surface (surface that reflects reference light) or the surface of the measurement region in the interferometer.
(3) By controlling the orientation changing means, the image of the interference fringes obtained by the imaging means is an axis parallel to the radial direction of the sample (hereinafter referred to as a reference) in an area excluding the end in the measurement area. Interference fringe image adjusting means for adjusting the image so as to form a plurality of fringe images formed extending in a direction parallel to or nearly parallel to the axis).
(4) Luminance data recording means for recording luminance data of the interference fringe image obtained by the imaging means after adjustment by the interference fringe image adjusting means.
(5) Spatial periodic waves (waves whose luminance values periodically change in a direction orthogonal to the reference axis) represented by the luminance data column in a direction orthogonal to the reference axis at each position of the reference axis Phase calculating means for calculating the phase of
(6) Surface shape value calculating means for calculating a surface shape value in the reference axis direction in the measurement region based on the phase calculated by the phase calculating means.

前述したように、半導体ウェーハ(円形板状の試料の典型例)は、その半径方向にダレが生じるものであり、周方向における表面形状の変化はほとんど生じない。従って、前記干渉縞像調節手段による調節後に、干渉計及び前記撮像手段を通じて得られる干渉縞の像の輝度データは、前記基準軸(試料の半径方向に平行な軸)の方向の各位置において、その基準軸に直交する方向のデータ列として見ると、所定の空間周波数の周期波(前記空間的周期波)を表すデータ列となる。そして、前記基準軸の各位置における前記空間的周期波それぞれの位相は、前記基準軸方向の表面形状の変化を表すことになる。従って、本発明によれば、前記位相算出手段により算出された位相に基づいて、試料の前記基準軸方向の表面形状値(プロファイル)を光学的に高精度で測定(算出)できる。
しかも、1回の干渉縞像の測定によって前記基準軸方向の表面形状を測定(算出)できるので、短時間での測定が可能である。
As described above, a semiconductor wafer (a typical example of a circular plate-like sample) has a sag in its radial direction, and hardly changes its surface shape in the circumferential direction. Therefore, after adjustment by the interference fringe image adjusting means, the luminance data of the interference fringe image obtained through the interferometer and the imaging means is at each position in the direction of the reference axis (axis parallel to the radial direction of the sample). When viewed as a data string in a direction orthogonal to the reference axis, the data string represents a periodic wave having a predetermined spatial frequency (the spatial periodic wave). The phase of each of the spatial periodic waves at each position on the reference axis represents a change in the surface shape in the reference axis direction. Therefore, according to the present invention, it is possible to optically measure (calculate) the surface shape value (profile) of the sample in the reference axis direction based on the phase calculated by the phase calculating means.
In addition, since the surface shape in the reference axis direction can be measured (calculated) by measuring the interference fringe image once, measurement in a short time is possible.

ここで、前記位相算出手段の具体例としては、例えば、前記測定領域の前記端部を除く領域における前記空間的周期波と空間周波数がほぼ等しいsin波(サイン波)及びcosin波(コサイン波)それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により前記位相を算出するものが考えられる。
また、本発明に係る形状測定装置は、さらに次の(7)〜(9)に示す構成要素を備えるものが考えられる。
(7)前記干渉計の出力光を集光することにより、その干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された2つのスポット像を前記撮像手段に結像させるスポット結像レンズ。
(8)前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第1状態と、前記スポット結像レンズにより前記2つのスポット像を結像させる第2状態とを切り替える結像状態切替手段。
(9)前記干渉縞像調節手段が備えるものであり、前記結像状態切替手段により前記第2状態に切り替えられて前記撮像手段により得られる前記2つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう(即ち、両位置関係のずれに応じて)前記向き変更手段を制御するスポット像調節手段。
測定対象となる試料それぞれの前記測定領域の表面形状が大きく異ならなければ、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係により、干渉計により得られる干渉縞の像の概ねの内容が定まる。
同様に、前記2つのスポット像の位置関係(相対位置)も、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係によって概ね定まる。
従って、前記2つのスポット像の位置関係が、試料の形状測定のために適当な干渉縞の像が得られるときの標準的な位置関係となるように、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係を設定(調節)すれば、概ね、試料の形状測定のために適当な干渉縞の像が得られる状態となる。これにより、前記干渉縞像調節手段による干渉縞の像の調節において、干渉縞の像のみに基づいて(画像処理のみによって)調節するよりも調節が容易となる。
また、本発明は、前述した本発明に係る形状測定装置が備える各手段の実行内容を実行する形状測定方法として捉えることもできる。
Here, as a specific example of the phase calculation means, for example, a sin wave (sine wave) and a cosin wave (cosine wave) whose spatial frequency is substantially equal to the spatial periodic wave in the region excluding the end of the measurement region. It is possible to calculate the phase by orthogonal detection processing based on data representing each.
In addition, the shape measuring apparatus according to the present invention may further include the components shown in the following (7) to (9).
(7) A spot for focusing the output light of the interferometer to form two spot images on which the object light and the reference light superimposed on the output light of the interferometer are focused on the imaging means. Imaging lens.
(8) An imaging state switching unit that switches a first state in which the image of the interference fringe is formed on the imaging unit and a second state in which the two spot images are formed by the spot imaging lens.
(9) The interference fringe image adjusting means is provided, and the positional relationship between the two spot images obtained by the imaging means by being switched to the second state by the imaging state switching means is determined in advance. Spot image adjusting means for controlling the direction changing means so as to be in a relationship (that is, according to a deviation in both positional relationships).
If the surface shape of the measurement region of each sample to be measured is not significantly different, the interference fringes obtained by the interferometer are determined by the relative relationship between the orientation of the reference surface of the interferometer and the orientation of the surface of the measurement region. The general content of the image is determined.
Similarly, the positional relationship (relative position) of the two spot images is generally determined by the relative relationship between the orientation of the reference surface in the interferometer and the orientation of the surface of the measurement region.
Therefore, the orientation of the reference surface in the interferometer is such that the positional relationship between the two spot images is a standard positional relationship when an image of an interference fringe suitable for measuring the shape of the sample is obtained. By setting (adjusting) the relative relationship with the direction of the surface of the measurement region, an image of interference fringes suitable for measuring the shape of the sample can be obtained. Thereby, in the adjustment of the interference fringe image by the interference fringe image adjusting means, the adjustment is easier than the adjustment based only on the interference fringe image (by image processing alone).
Moreover, this invention can also be grasped | ascertained as the shape measuring method which performs the execution content of each means with which the shape measuring apparatus which concerns on this invention mentioned above is equipped.

本発明によれば、試料の前記基準軸方向(半径方向に平行な方向)の表面形状値(プロファイル)を、干渉計を用いて光学的に高精度で測定(算出)できる。しかも、1回の干渉縞像の測定によって前記基準軸方向の表面形状を測定できるので、短時間での測定が可能である。   According to the present invention, the surface shape value (profile) of the sample in the reference axis direction (direction parallel to the radial direction) can be measured (calculated) optically with high accuracy using an interferometer. In addition, since the surface shape in the reference axis direction can be measured by measuring the interference fringe image once, measurement in a short time is possible.

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに、図1は本発明の実施形態に係る形状測定装置Zの概略構成図、図2は形状測定装置Zによる形状測定手順を表すフローチャート、図3は形状測定装置Zにより試料の向き調節を行う際の干渉計における光路及び出力像を表す図、図4は形状測定装置Zによるキャリア波の位相算出処理(直交検波処理)の過程で得られるデータの一例を画像として表した図、図5は形状測定装置Zによるキャリア波の位相算出処理(直交検波処理)の過程で得られるデータを表すグラフ、図6は形状測定装置Zにより算出されたキャリア波の位相と表面形状値とを表すグラフである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention. In addition, the following embodiment is an example which actualized this invention, Comprising: It is not the thing of the character which limits the technical scope of this invention.
Here, FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a shape measuring apparatus Z according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flowchart showing a shape measuring procedure by the shape measuring apparatus Z, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing an optical path and an output image in an interferometer when performing, FIG. 4 is a diagram showing an example of data obtained in the course of carrier wave phase calculation processing (orthogonal detection processing) by the shape measuring apparatus Z, FIG. Is a graph showing data obtained in the process of carrier wave phase calculation processing (orthogonal detection processing) by the shape measuring device Z, and FIG. 6 is a graph showing carrier wave phases and surface shape values calculated by the shape measuring device Z. It is.

まず、図1を参照しつつ、形状測定装置Zの構成について説明する。
本発明の実施形態に係る形状測定装置Zは、図1(b)に示すように、円形板状或いはそれに近い形状を有する半導体ウェーハ(以下、試料wという)における端部(試料のエッジwe)からその内側の所定範囲にわたる領域(以下、測定領域waという)の表面形状を測定する装置である。なお、図1(b)に示す記号woは、試料wの中心位置を表す。
以下、測定領域waにおいて、試料wの半径方向に平行な方向の座標軸をX軸(基準軸に相当)とし、これに直交する方向の座標軸をY軸とする。
形状測定装置Zは、図1に示すように、レーザ光源1、干渉計30、スポット結像レンズ7、回転式レンズ保持具8、レンズ切替モータ9、CCDカメラ10、計算機11、回転ステージ12、昇降ステージ13、変位式試料支持部21、22、変位装置21a、22a、固定式試料支持部23などを備えて構成されている。
また、干渉計30は、フィゾー干渉計であり、第1レンズ2、ビームスプリッタ3、第2レンズ4、参照ガラス5、干渉縞結像レンズ6を備えて構成されている。
First, the configuration of the shape measuring apparatus Z will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1B, the shape measuring apparatus Z according to the embodiment of the present invention has an end portion (sample edge we) in a semiconductor wafer (hereinafter referred to as a sample w) having a circular plate shape or a shape close thereto. Is a device for measuring the surface shape of a region (hereinafter referred to as a measurement region wa) over a predetermined range inside. Note that the symbol wo shown in FIG. 1B represents the center position of the sample w.
Hereinafter, in the measurement region wa, the coordinate axis in the direction parallel to the radial direction of the sample w is defined as the X axis (corresponding to the reference axis), and the coordinate axis in the direction orthogonal thereto is defined as the Y axis.
As shown in FIG. 1, the shape measuring apparatus Z includes a laser light source 1, an interferometer 30, a spot imaging lens 7, a rotary lens holder 8, a lens switching motor 9, a CCD camera 10, a computer 11, a rotary stage 12, The elevating stage 13, the displacement type sample support parts 21 and 22, the displacement devices 21 a and 22 a, the fixed type sample support part 23 and the like are configured.
The interferometer 30 is a Fizeau interferometer, and includes a first lens 2, a beam splitter 3, a second lens 4, a reference glass 5, and an interference fringe imaging lens 6.

レーザ光源1から干渉計30に供給された光は、第1レンズ2及び第2レンズ4により、例えば直径40mm程度の平行光に変換され、参照ガラス5に入射する。
そして、参照ガラス5に入射した平行光は、その一部が、参照ガラス5の下面である参照面5aに反射し、その反射光である参照光が、再び参照ガラス5及び第2レンズ4を逆方向に透過し、ビームスプリッタ3に至る。
一方、参照ガラス5に入射した平行光の残りの一部は、参照ガラス5を通過して試料wの測定領域waを含む領域を照射し、その反射光である物体光が、再び参照ガラス5及び第2レンズ4を逆方向に透過し、前記参照光と重なってビームスプリッタ3に至る。
そして、前記参照光と前記物体光とが重なった干渉光が、ビームスプリッタ3で反射され、干渉縞結像レンズ6を通過してCCDカメラ10に入力される。ここで、干渉縞結像レンズ6は、干渉計30の出力光の径をCCDカメラ10の光検出部に応じた大きさに調節することにより、干渉縞の像をCCDカメラ10に結像させるレンズである。
CCDカメラ10は、試料の測定領域waを観測する干渉計30の出力光において形成される干渉縞の像を撮像するカメラ(撮像手段)である。
The light supplied from the laser light source 1 to the interferometer 30 is converted into parallel light having a diameter of, for example, about 40 mm by the first lens 2 and the second lens 4 and enters the reference glass 5.
Then, a part of the parallel light incident on the reference glass 5 is reflected by the reference surface 5a which is the lower surface of the reference glass 5, and the reference light which is the reflected light again passes through the reference glass 5 and the second lens 4. It passes in the opposite direction and reaches the beam splitter 3.
On the other hand, the remaining part of the parallel light incident on the reference glass 5 passes through the reference glass 5 and irradiates the region including the measurement region wa of the sample w, and the object light that is the reflected light is again emitted from the reference glass 5. Then, the light passes through the second lens 4 in the reverse direction and overlaps with the reference light to reach the beam splitter 3.
The interference light in which the reference light and the object light overlap is reflected by the beam splitter 3, passes through the interference fringe imaging lens 6, and is input to the CCD camera 10. Here, the interference fringe imaging lens 6 forms an image of the interference fringe on the CCD camera 10 by adjusting the diameter of the output light of the interferometer 30 to a size corresponding to the light detection unit of the CCD camera 10. It is a lens.
The CCD camera 10 is a camera (imaging means) that captures an image of interference fringes formed in the output light of the interferometer 30 that observes the measurement area wa of the sample.

図4(a)は、形状測定装置Zにおいて、CCDカメラ10によって得られる測定領域waの干渉縞の画像の一例である。
形状測定装置Zでは、図4(a)に示すように、CCDカメラ10により得られる干渉縞の像が、測定領域waにおける端部weを除く領域において、X軸(試料wの半径方向に平行な軸)に対してほぼ平行に伸びて形成される複数本の縞の像となる状態(以下、平行縞形成状態という)に調節した上で、X軸方向における表面形状(表面高さの分布)を測定する。
前述したように、試料w(半導体ウェーハ)は、その半径方向(測定領域waにおけるX軸方向)にダレが生じるものであり、Y軸方向における表面形状の変化はほとんど生じない。
従って、前記平行縞形成状態では、CCDカメラ10を通じて得られる干渉縞の像の輝度データは、X軸の方向の各位置において、Y軸方向のデータ列(輝度データの列)として見ると、所定の空間周波数を有する周期波(空間的周期波)を表すデータ列となる。以下、このY軸方向のデータ列が表す空間的周期波をキャリア波という。
そして、X軸の各位置におけるキャリア波それぞれの位相は、X軸方向の表面形状の変化を表すことになる。従って、X軸の各位置におけるキャリア波それぞれの位相(X軸方向のキャリア波の分布)を算出すれば、その位相に基づいて、測定領域waのX軸方向の表面形状値(プロファイル)を光学的に高精度で測定(算出)することができる。しかも、1回の干渉縞像の測定によってX軸方向の表面形状を測定(算出)できるので、短時間での測定が可能である。
なお、図4(a)に示す例は、X軸の各位置において、Y軸方向に6本(濃淡6組)の縞が形成された干渉縞の像を示している。
ここで、図4(a)に示すような平行縞形成状態の干渉縞を得るためには、参照ガラス5の参照面5aと測定領域waの表面とを、それらが非平行となる所定の向き関係に設定する必要がある。
FIG. 4A is an example of an interference fringe image of the measurement region wa obtained by the CCD camera 10 in the shape measuring apparatus Z.
In the shape measuring apparatus Z, as shown in FIG. 4A, the interference fringe image obtained by the CCD camera 10 is parallel to the radial direction of the sample w in the region excluding the end portion we in the measurement region wa. The surface shape (surface height distribution) in the X-axis direction is adjusted after adjusting to a state (hereinafter referred to as a parallel stripe formation state) of a plurality of stripes formed extending substantially parallel to ).
As described above, the sample w (semiconductor wafer) is sagging in the radial direction (X-axis direction in the measurement region wa), and the surface shape hardly changes in the Y-axis direction.
Therefore, in the parallel stripe formation state, the luminance data of the interference fringe image obtained through the CCD camera 10 is predetermined when viewed as a data string (luminance data string) in the Y-axis direction at each position in the X-axis direction. The data string represents a periodic wave (spatial periodic wave) having a spatial frequency of. Hereinafter, the spatial periodic wave represented by the data string in the Y-axis direction is referred to as a carrier wave.
The phase of each carrier wave at each position on the X axis represents a change in the surface shape in the X axis direction. Therefore, if the phase of each carrier wave at each position on the X axis (the distribution of the carrier wave in the X axis direction) is calculated, the surface shape value (profile) in the X axis direction of the measurement region wa is optically calculated based on the phase. Therefore, it can be measured (calculated) with high accuracy. In addition, since the surface shape in the X-axis direction can be measured (calculated) by measuring the interference fringe image once, measurement in a short time is possible.
The example shown in FIG. 4A shows an image of interference fringes in which six stripes (six shades) are formed in the Y-axis direction at each position on the X-axis.
Here, in order to obtain the interference fringes in the parallel fringe formation state as shown in FIG. 4A, the reference surface 5a of the reference glass 5 and the surface of the measurement region wa are arranged in a predetermined direction in which they are non-parallel. Must be set to relationship.

形状測定装置Zでは、参照ガラス5の参照面5aと測定領域waの表面との向き関係を調節可能とするため、試料wは以下のように支持される。
即ち、試料wは、変位装置21a及び22aによってそれぞれ独立して上下方向に変位可能(位置調節可能)に構成された2つの変位式試料支持部21、22と、固定式試料支持部23とにより3箇所で支持(3点支持)され。変位装置21a、22aは、例えばペルチェ素子などにより構成され、計算機11によってその変位位置(高さ)が制御される。
この変位装置21a、22aは、試料wを支持する2つの変位式試料支持部21、22を変位させることにより、試料wの表面の向き、即ち、測定領域waの面の向きを変更するものである(向き変更手段の一例)。
このように、本実施形態では、試料wを3箇所で支持する3つの試料支持部21〜23のうちの2つをそれぞれ独立して変位させる機構により、測定領域waの面の向きを変更する。
図1(b)に示す例では、一方の変位装置21aにより、測定領域waの表面のX軸方向の傾きが調節され、他方の変位装置22aにより、測定領域waの表面のY軸方向の傾きが調節されるよう構成されている。
In the shape measuring apparatus Z, in order to be able to adjust the orientation relationship between the reference surface 5a of the reference glass 5 and the surface of the measurement region wa, the sample w is supported as follows.
That is, the sample w is composed of two displacement sample support portions 21 and 22 configured to be displaceable in the vertical direction (position adjustment is possible) independently by the displacement devices 21a and 22a, and the fixed sample support portion 23. Supported at 3 locations (supported at 3 points). The displacement devices 21 a and 22 a are configured by, for example, Peltier elements, and the displacement position (height) is controlled by the computer 11.
The displacement devices 21a and 22a change the direction of the surface of the sample w, that is, the direction of the surface of the measurement region wa, by displacing the two displacement-type sample support portions 21 and 22 that support the sample w. Yes (an example of orientation changing means).
As described above, in this embodiment, the orientation of the surface of the measurement region wa is changed by a mechanism that independently displaces two of the three sample support portions 21 to 23 that support the sample w at three locations. .
In the example shown in FIG. 1B, the tilt of the surface of the measurement region wa in the X-axis direction is adjusted by one displacement device 21a, and the tilt of the surface of the measurement region wa in the Y-axis direction is adjusted by the other displacement device 22a. Is configured to be adjusted.

また、昇降ステージ13及び回転ステージ12は、試料wにおける測定領域waの位置を変更する装置を構成するものである。
ここで、昇降ステージ13は、計算機11からの制御指令に従って、回転ステージ12を昇降させるものである。
そして、回転ステージ12は、昇降ステージ13によりその上面(支持部)が各試料支持部21〜23よりも上側となるように持ち上げられることにより、試料wを支持する状態(以下、試料支持状態という)となる。回転ステージ12は、その試料支持状態において、計算機11からの制御指令に従ってその上面(支持部)を回転及び停止させることにより、試料wにおける測定領域waの位置(光の照射位置)を変更する。測定領域waの位置の変更後は、昇降ステージ13は、計算機11からの制御指令に従って回転ステージ12を降下させ、試料wが各試料支持部21〜23により支持された状態に戻す。
Further, the elevating stage 13 and the rotary stage 12 constitute an apparatus for changing the position of the measurement region wa in the sample w.
Here, the raising / lowering stage 13 raises / lowers the rotary stage 12 in accordance with a control command from the computer 11.
The rotary stage 12 is lifted by the lifting stage 13 so that the upper surface (supporting portion) is above the sample supporting portions 21 to 23, thereby supporting the sample w (hereinafter referred to as a sample supporting state). ) The rotating stage 12 changes the position (light irradiation position) of the measurement region wa in the sample w by rotating and stopping the upper surface (supporting portion) in accordance with the control command from the computer 11 in the sample supporting state. After changing the position of the measurement region wa, the elevating stage 13 lowers the rotary stage 12 in accordance with a control command from the computer 11 to return the sample w to the state supported by the sample support portions 21 to 23.

一方、スポット結像レンズ7は、CCDカメラ10の前方に配置された場合に、干渉計30の出力光を集光することにより、干渉計30の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された2つのスポット像P1、P2をCCDカメラ10に結像させるレンズである。以下、スポット結像レンズ7がCCDカメラ10の前方に配置された状態をスポット結像状態といい、干渉縞結像レンズ6がCCDカメラ10の前方に配置された状態を緩装縞結像状態という。
形状測定装置Zでは、干渉縞結像レンズ6とスポット結像レンズ7とが回転式レンズ保持具8によって保持される。さらに、計算機11によって制御されるレンズ切替モータ9が、その回転式レンズ保持具8を、回転駆動させて所定位置で位置決めすることにより、前記干渉縞結像状態(第1状態に相当)と、前記スポット結像状態(第2状態に相当)とを切り替え可能に構成されている(結像状態切替手段の一例)。
On the other hand, when the spot imaging lens 7 is disposed in front of the CCD camera 10, the object light and the reference light superimposed on the output light of the interferometer 30 are collected by condensing the output light of the interferometer 30. Is a lens that forms two focused spot images P1 and P2 on the CCD camera 10. Hereinafter, a state in which the spot imaging lens 7 is disposed in front of the CCD camera 10 is referred to as a spot imaging state, and a state in which the interference fringe imaging lens 6 is disposed in front of the CCD camera 10 is a loose stripe imaging state. That's it.
In the shape measuring apparatus Z, the interference fringe imaging lens 6 and the spot imaging lens 7 are held by a rotary lens holder 8. Furthermore, the lens switching motor 9 controlled by the computer 11 rotates the rotary lens holder 8 and positions it at a predetermined position, whereby the interference fringe imaging state (corresponding to the first state), The spot imaging state (corresponding to the second state) can be switched (an example of imaging state switching means).

図3は、前記スポット結像状態で試料wの向き調節を行う際の干渉計30における光路を表す図(a)及び干渉計30の出力像を表す図(b)、(c)である。
前記スポット結像状態では、物体光が発生しない状態(試料wを参照ガラス5に対向配置しない状態や、参照ガラス5と試料wとの間に吸光部材が配置された状態など)である場合、図3(b)に示すように、CCDカメラ10により、参照光のスポット像P1のみ現れる像が得られる。
一方、前記スポット結像状態において、物体光が発生する状態(試料wを参照ガラス5に対向配置する状態)である場合は、参照ガラス5の参照面5aと測定領域waの表面とが非平行に設定されていると、図3(a)に示すように、参照光の光路R1と、物体光の光路R2とにズレが生じる。このため、図3(c)に示すように、CCDカメラ10により、参照光のスポット像P1と物体光のスポット像P2との両方が現れる像が得られる。
FIG. 3A is a diagram illustrating an optical path in the interferometer 30 when the orientation of the sample w is adjusted in the spot imaging state, and FIG. 3B is a diagram illustrating an output image of the interferometer 30. FIG.
In the spot imaging state, when object light is not generated (a state where the sample w is not disposed opposite to the reference glass 5 or a state where a light absorbing member is disposed between the reference glass 5 and the sample w), As shown in FIG. 3B, the CCD camera 10 obtains an image that appears only in the spot image P1 of the reference light.
On the other hand, in the spot imaging state, when object light is generated (a state in which the sample w is disposed opposite to the reference glass 5), the reference surface 5a of the reference glass 5 and the surface of the measurement region wa are not parallel. Is set, as shown in FIG. 3A, a deviation occurs between the optical path R1 of the reference light and the optical path R2 of the object light. For this reason, as shown in FIG. 3C, an image in which both the spot image P1 of the reference light and the spot image P2 of the object light appear is obtained by the CCD camera 10.

ここで、測定対象となる試料wそれぞれの測定領域waの表面形状が大きく異ならなければ、参照面5aの向きと測定領域waの面の向きとの相対関係により、干渉計30により得られる干渉縞の像の概ねの内容が定まる。
同様に、2つのスポット像P1、P2の位置関係(相対位置)も、参照面5aの向きと測定領域waの面の向きとの相対関係によって概ね定まる。
従って、2つのスポット像P1、P2の位置関係が、試料wの形状測定のために適当な干渉縞の像(図4(a)に示すような前記平行縞形成状態)が得られるときの標準的な位置関係となるように、試料wの面の向き(傾き)を調節すれば、前記干渉縞結像状態において、概ね、試料wの形状測定のために適当な干渉縞の像が得られる状態となる。
Here, if the surface shape of the measurement region wa of each sample w to be measured is not greatly different, the interference fringes obtained by the interferometer 30 depending on the relative relationship between the orientation of the reference surface 5a and the orientation of the measurement region wa. The general content of the image is determined.
Similarly, the positional relationship (relative position) between the two spot images P1 and P2 is generally determined by the relative relationship between the orientation of the reference surface 5a and the orientation of the surface of the measurement region wa.
Therefore, the positional relationship between the two spot images P1 and P2 is a standard when an image of interference fringes suitable for measuring the shape of the sample w (the above-described parallel fringe formation state as shown in FIG. 4A) is obtained. If the orientation (tilt) of the surface of the sample w is adjusted so as to achieve a general positional relationship, an image of an interference fringe suitable for measuring the shape of the sample w can be obtained in the interference fringe imaging state. It becomes a state.

一方、計算機11は、所定のプログラムを実行して各種の演算処理及び制御処理を実現するCPU(プロセッサの一例)、そのCPUにより実行されるプログラムや各種のデータが記憶されるハードディスクドライブなどの記憶部、キーボードやマウスなどの情報入力装置、液晶ディスプレイなどの情報出力装置等を備えた計算機である。
さらに、計算機11は、CCDカメラ10からの画像情報(輝度データ)の入力や、各種の駆動装置9、12、13、21a、22aに対する制御信号の出力を行うための信号入出力インターフェースも備えている。
以下、計算機11が実行するものとして説明する各処理は、計算機11が備えるCPUが所定のプログラムを実行することによって実現される。
On the other hand, the computer 11 stores a CPU (an example of a processor) that executes various arithmetic processes and control processes by executing a predetermined program, and a hard disk drive that stores programs executed by the CPU and various data. And a computer equipped with an information input device such as a keyboard and a mouse and an information output device such as a liquid crystal display.
Further, the computer 11 includes a signal input / output interface for inputting image information (brightness data) from the CCD camera 10 and outputting control signals to the various drive devices 9, 12, 13, 21a, and 22a. Yes.
Hereinafter, each process described as being executed by the computer 11 is realized by a CPU included in the computer 11 executing a predetermined program.

次に、図2に示すフローチャートを参照しつつ、形状測定装置Zによる形状測定手順について説明する。なお、以下に示すS1、S2、…は、処理手順(ステップ)の識別符号を表す。
[ステップS1〜S5]
まず、計算機11が、レンズ切替モータ9を制御することにより、前記スポット結像状態(スポット結像レンズ7がCCDカメラ10前方に配置される状態)に設定される(S1、結像状態切替手順の一例)。
次に、前記スポット結像において、試料wを配置しない状態(物体光が発生しない状態)で、計算機11が、CCDカメラ11により得られる画像(参照光のスポット像P1のみが形成された図3(b)の画像)の輝度データを収録(取得して記憶部に記憶)する(S2)。
次に、計算機11が、ステップS2で得た輝度データから、参照光のスポット像P1の位置(例えば、所定輝度以上の領域の中心位置)を検出し、これをスポット像P1の標準位置として記憶部に記憶させる(S3)。
次に、試料wが試料支持部21〜23に載置された状態で、計算機11が、昇降ステージ13及び回転ステージ12を制御することにより、測定領域waの設定(所望の測定領域waを光照射位置に配置すること)を行う(S4)。
次に、測定領域waが設定された状態で、計算機11が、変位装置21a、22aを制御することにより、試料wの向き(即ち、変位式試料支持部21、22それぞれの高さ)を所定の初期状態に設定する(S5)。
Next, the shape measurement procedure by the shape measuring apparatus Z will be described with reference to the flowchart shown in FIG. S1, S2,... Shown below represent identification codes of processing procedures (steps).
[Steps S1 to S5]
First, the computer 11 controls the lens switching motor 9 to set the spot imaging state (a state where the spot imaging lens 7 is disposed in front of the CCD camera 10) (S1, imaging state switching procedure). Example).
Next, in the spot imaging, the image obtained by the computer 11 with the CCD camera 11 (only the spot image P1 of the reference light) is formed in a state where the sample w is not disposed (a state where no object light is generated). (B) image) brightness data is recorded (obtained and stored in the storage unit) (S2).
Next, the computer 11 detects the position of the spot image P1 of the reference light (for example, the center position of an area having a predetermined luminance or higher) from the luminance data obtained in step S2, and stores this as the standard position of the spot image P1. (S3).
Next, in a state where the sample w is placed on the sample support portions 21 to 23, the computer 11 controls the elevating stage 13 and the rotary stage 12 to set the measurement area wa (the desired measurement area wa It is arranged at the irradiation position) (S4).
Next, with the measurement area wa set, the computer 11 controls the displacement devices 21a and 22a, so that the direction of the sample w (that is, the height of each of the displacement type sample support portions 21 and 22) is predetermined. The initial state is set (S5).

[ステップS6〜S11]
次に、計算機11が、CCDカメラ11により得られる画像(参照光及び物体光それぞれの2つのスポット像P1、P2が形成された図3(c)の画像)の輝度データを収録する(S6)。
次に、計算機11が、ステップS6で得た輝度データから、参照光のスポット像P1及び物体光のスポット像P2それぞれの位置を検出する(S7)。ここで、計算機11は、輝度データから抽出される2つのスポット像のうち、その位置が、ステップS3で検出したスポット像P1の標準位置に対して所定範囲内である方を、参照光のスポット像P1であると判別する。
次に、計算機11が、ステップS7で検出した2つのスポット像P1、P2の位置関係(相対位置)と、予め計算機11の記憶部に記憶された目標の位置関係との差異(以下、スポット位置の差異という)を算出し、そのスポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まっているか否かを判別する(S8)。
ここで、目標の位置関係は、試料wの形状測定のために適当な干渉縞の像(図4(a)に示すような前記平行縞形成状態)が得られるときの標準的な位置関係であり、予め実験的に(或いは、シミュレーション計算等により)取得しておく情報である。
ここで、計算機11は、前記スポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まっていないと判別すると、そのスポット位置の差異(X軸方向の差分とY軸方向の差分)に応じて、試料wの向きの補正値(即ち、変位装置21a、22aそれぞれの変位位置の補正値)を計算する(S9)。さらに計算機11が、その補正値に基づいて変位装置21a、22aを制御することにより、試料wの向きを補正し(S10)、その上で、再び前述したステップS6〜S8の処理を実行する。
計算機11は、このステップS6〜S10の処理を実行することにより、前記レンズ切替モータ9によって前記スポット結像(第2状態)に切り替えられている(S1)際に、CCDカメラ10により得られる2つのスポット像P1、P2の位置関係が、予め定められた目標の位置関係となるよう変位装置21a、22a(向き変更手段の一例)を制御する(スポット像調節手段、及びその手順の一理)。
そして、計算機11が、ステップS6〜S10の処理により、前記スポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まったと判別すると、レンズ切替モータ9を制御することにより、前記干渉縞結像状態(干渉縞結像レンズ6がCCDカメラ10前方に配置される状態)へ切り替られる(S11、結像状態切替手順の一例)。
[Steps S6 to S11]
Next, the computer 11 records the luminance data of the image obtained by the CCD camera 11 (the image of FIG. 3C in which the two spot images P1 and P2 of the reference light and the object light are formed) (S6). .
Next, the computer 11 detects the respective positions of the reference light spot image P1 and the object light spot image P2 from the luminance data obtained in step S6 (S7). Here, the computer 11 determines the spot of the reference light that has a position within the predetermined range with respect to the standard position of the spot image P1 detected in step S3, out of the two spot images extracted from the luminance data. It is determined that the image is P1.
Next, the difference between the positional relationship (relative position) between the two spot images P1 and P2 detected by the computer 11 in step S7 and the target positional relationship stored in advance in the storage unit of the computer 11 (hereinafter referred to as spot position). Is calculated), and it is determined whether or not the spot position difference is within a predetermined error range (S8).
Here, the target positional relationship is a standard positional relationship when an image of interference fringes suitable for measuring the shape of the sample w (the above-described parallel fringe formation state as shown in FIG. 4A) is obtained. Yes, it is information that is acquired in advance experimentally (or by simulation calculation or the like).
Here, if the calculator 11 determines that the spot position difference is not within the predetermined error range, the sample w is changed according to the spot position difference (difference in the X-axis direction and difference in the Y-axis direction). The correction value (that is, the correction value of the displacement position of each of the displacement devices 21a and 22a) is calculated (S9). Furthermore, the computer 11 corrects the direction of the sample w by controlling the displacement devices 21a and 22a based on the correction value (S10), and then executes the above-described steps S6 to S8 again.
The computer 11 executes the processes of steps S6 to S10 to obtain 2 obtained by the CCD camera 10 when the lens switching motor 9 is switched to the spot imaging (second state) (S1). Displacement devices 21a and 22a (an example of orientation changing means) are controlled so that the positional relationship between the two spot images P1 and P2 is a predetermined target positional relationship (spot image adjusting means and a procedure thereof) .
When the computer 11 determines that the spot position difference is within a predetermined error range by the processing in steps S6 to S10, the computer 11 controls the lens switching motor 9 to control the interference fringe imaging state (interference fringe). The imaging lens 6 is switched to a state in which the imaging lens 6 is disposed in front of the CCD camera 10 (S11, an example of an imaging state switching procedure).

[ステップS12〜S16]
次に、前記干渉縞結像状態において、計算機11が、CCDカメラ11により得られる画像(干渉縞の像が形成された画像)の輝度データを収録する(S12)。ここで、ステップS1〜S10の処理により、試料wの向き調節が概ね完了しているので、このステップS12で得られる干渉縞の画像は、図4(a)に示す前記平行縞形成状態の画像、或いはほぼそれに近い画像である。
次に、計算機11が、ステップS12で収録した輝度データに基づいて、干渉縞画像における縞の数を検出する(S13)。ここで、検出対象となる干渉縞の画像は、ほぼ前記平行縞形成状態の画像であるので、輝度データにおけるY軸方向の輝度の濃淡の繰り返し回数を検出するという簡易な処理により、縞の数を検出できる。
次に、計算機11が、ステップS13で検出した縞の数が予め定められた目標数であるか否かを判別する(S14)。
ここで、計算機11は、縞の数が目標数ではないと判別すると、縞の数の目標数に対する差分に応じて、試料wの向きの補正値(即ち、変位装置21a、22aそれぞれの変位位置の補正値)を計算する(S15)。さらに計算機11が、その補正値に基づいて変位装置21a、22aを制御することにより、試料wの向きを補正し(S16)、その上で、再び前述したステップS12〜S14の処理を実行する。
計算機11は、以上に示したステップS6〜S16の処理を実行することにより、変位装置21a、22a(向き変更手段の一例)を制御(S10、S16)し、CCDカメラ10により得られる干渉縞の像が、図4(a)に示す理想的な前記平行縞形成状態の像となるように調節する(干渉縞像調節手段及びその手順の一例)。
なお、ステップS14で縞の数が目標数であると判別される直前に、計算機11が、ステップS12(輝度データ収録手順の一例)において収録する最新の輝度データが、干渉縞像の調節処理(ステップS6〜S16)による調節後に、CCDカメラ10により得られる干渉縞の像の輝度データである。
[Steps S12 to S16]
Next, in the interference fringe imaging state, the computer 11 records luminance data of an image (an image on which an interference fringe image is formed) obtained by the CCD camera 11 (S12). Here, since the orientation adjustment of the sample w is almost completed by the processing of steps S1 to S10, the interference fringe image obtained in step S12 is the image of the parallel fringe formation state shown in FIG. Or an image close to that.
Next, the computer 11 detects the number of fringes in the interference fringe image based on the luminance data recorded in step S12 (S13). Here, since the interference fringe image to be detected is substantially the image in the parallel fringe formation state, the number of fringes can be determined by a simple process of detecting the number of repetitions of the luminance density in the Y-axis direction in the luminance data. Can be detected.
Next, the computer 11 determines whether or not the number of fringes detected in step S13 is a predetermined target number (S14).
Here, when the calculator 11 determines that the number of stripes is not the target number, the correction value of the direction of the sample w (that is, the displacement position of each of the displacement devices 21a and 22a) according to the difference between the number of stripes and the target number. Correction value) is calculated (S15). Furthermore, the computer 11 corrects the direction of the sample w by controlling the displacement devices 21a and 22a based on the correction values (S16), and then executes the above-described steps S12 to S14 again.
The computer 11 controls the displacement devices 21a and 22a (an example of direction changing means) by executing the processes of steps S6 to S16 described above (S10 and S16), and the interference fringes obtained by the CCD camera 10 are controlled. The image is adjusted so as to be an ideal image in the parallel stripe formation state shown in FIG. 4A (an example of interference fringe image adjusting means and its procedure).
Note that immediately before it is determined in step S14 that the number of fringes is the target number, the latest luminance data recorded in step S12 (an example of the luminance data recording procedure) by the computer 11 is the interference fringe image adjustment process ( This is the luminance data of the interference fringe image obtained by the CCD camera 10 after the adjustment in steps S6 to S16).

[ステップS17]
次に、計算機11が、ステップS12で収録した最新の輝度データに基づいて、X軸の各位置におけるキャリア波(Y軸方向の輝度データの列が表す空間的周期波)それぞれの位相Φを、直交検波処理により算出する(位相算出手段及びその手順の一例)。
以下、計算機11が実行する、直交検波処理による位相Φの算出処理について説明する。
一般に、直交検波では、処理対象の時間領域の信号f(t)を分岐し、その分岐信号各々に対し、それと周波数がほぼ等しいcosin波の信号(cosωt)とsin波の信号(sinωt)各々を乗算し、さらに、その乗算後の信号各々にローパスフィルタ処理を施し、処理後の信号のarctan(tan-1)計算を行う。これにより、処理対象の信号f(t)の位相を検出できる。
一方、ステップS17では、計算機11は、時間領域での直交検波処理ではなく、Y軸方向の空間領域(y)での直交検波処理を実行する。
[Step S17]
Next, the computer 11 calculates the phase Φ of each carrier wave (spatial periodic wave represented by a column of luminance data in the Y-axis direction) at each position on the X-axis based on the latest luminance data recorded in step S12. Calculation is performed by quadrature detection processing (an example of phase calculation means and its procedure).
Hereinafter, the calculation process of the phase Φ by the quadrature detection process executed by the computer 11 will be described.
In general, in quadrature detection, a time-domain signal f (t) to be processed is branched, and for each of the branched signals, a cosin wave signal (cosωt) and a sin wave signal (sinωt) that are substantially equal in frequency to the branched signal. Further, the signal is subjected to low-pass filter processing for each signal after the multiplication, and arctan (tan −1 ) calculation of the processed signal is performed. Thereby, the phase of the signal f (t) to be processed can be detected.
On the other hand, in step S <b> 17, the computer 11 performs orthogonal detection processing in the space region (y) in the Y-axis direction, not orthogonal detection processing in the time domain.

ステップS17の処理では、まず、計算機11は、測定領域waの試料端部weを除く領域におけるキャリア波(空間的周期波)の空間周波数(Y軸方向の濃淡周波数)を算出する。例えば、X軸方向の複数の位置のキャリア波の空間周波数の平均値等を算出する。
次に、計算機11は、そのキャリア波の空間周波数を有する(空間周波数が等しい)cosin波及びsin波それぞれを表すデータを生成する。ここで、cosin波及びsin波それぞれを表すデータの値は、CCDカメラ10を通じて得られる輝度に相当する値である。以下、それぞれcos輝度データ、sin輝度データという。
図4(b)、(c)は、それぞれ計算機11により生成されたcos輝度データ及びsin輝度データを画像として表したものである。
In the process of step S <b> 17, the calculator 11 first calculates the spatial frequency (gray frequency in the Y-axis direction) of the carrier wave (spatial periodic wave) in the region excluding the sample end portion we of the measurement region wa. For example, the average value of the spatial frequencies of the carrier waves at a plurality of positions in the X-axis direction is calculated.
Next, the computer 11 generates data representing each of the cosin wave and the sin wave having the spatial frequency of the carrier wave (the spatial frequency is equal). Here, the value of data representing each of the cosin wave and the sine wave is a value corresponding to the luminance obtained through the CCD camera 10. Hereinafter, they are referred to as cos luminance data and sin luminance data, respectively.
FIGS. 4B and 4C show cos luminance data and sin luminance data generated by the computer 11 as images, respectively.

次に、計算機11は、cos輝度データ及びsin輝度データの各値の積(乗算値)を、画素ごと(位置ごと)に算出する。以下、算出したデータを、それぞれcos輝度積データ及びsin輝度積データという。
図4(d)、(e)は、それぞれ計算機11により計算されたcos輝度積データ及びsin輝度積データを画像として表したものである。
さらに、計算機11は、cos輝度積データ及びsin輝度積データ各々について、Y軸方向におけるガウシアン分布の重み付け処理(ガウシアンフィルタ処理)を行う。これは、ローパスフィルタ処理(次に示す加算処理又は平均処理)の重み付けを行う処理であり、省略してもよい。
図4(f)、(g)は、それぞれ計算機11によりガウシアンフィルタ処理が施された後のcos輝度積データ及びsin輝度積データを画像として表したものである。以下、図4(f)、(g)各々に示す画像を、それぞれ画像f及び画像gという。
Next, the calculator 11 calculates a product (multiplication value) of each value of the cos luminance data and the sin luminance data for each pixel (for each position). Hereinafter, the calculated data is referred to as cos luminance product data and sin luminance product data, respectively.
4D and 4E show the cos luminance product data and the sin luminance product data calculated by the computer 11 as images, respectively.
Further, the computer 11 performs a Gaussian distribution weighting process (Gaussian filter process) in the Y-axis direction for each of the cos luminance product data and the sin luminance product data. This is a process for weighting the low-pass filter process (the following addition process or average process), and may be omitted.
FIGS. 4F and 4G show cos luminance product data and sin luminance product data after being subjected to Gaussian filter processing by the computer 11 as images. Hereinafter, the images shown in FIGS. 4F and 4G are referred to as an image f and an image g, respectively.

次に、計算機11は、画像f及び画像gそれぞれの輝度データについて、X軸の各位置ごとに、Y軸方向に全ての輝度を加算(積算)又は平均化する。これは、ローパスフィルタ処理に相当するものである。以下、この加算又は平均化により得られるX軸の各位置ごとの輝度データを、それぞれc(x)(cos輝度データに対応)、s(x)(sin輝度データに対応)とする。
図5は、データc(x)、s(x)を表すグラフである。なお、X軸の座標は、試料wのエッジからの距離に換算し、輝度データは、±50の範囲で正規化している。
次に、計算機11は、データc(x)、s(x)のarctan計算を行うことにより、X軸の各位置ごとのキャリア波の位相Φ(x)を算出する[Φ(x)=tan-1(s(x)/c(x))]。
図6に、計算機11により算出した位相Φのグラフの一例を示す。なお、X軸の座標は、試料wのエッジからの距離に換算している。
以上に示したように、計算機11は、ステップS17において、測定領域waの端部weを除く領域におけるキャリア波(空間的周期波)と空間周波数が等しいsin波及びcosin波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により、キャリア波の位相Φ(x)を算出する(位相算出手段及びその手順の一例)。
Next, the computer 11 adds (accumulates) or averages all the luminances in the Y-axis direction for each position of the X-axis with respect to the luminance data of the images f and g. This corresponds to low-pass filter processing. Hereinafter, the luminance data for each position on the X-axis obtained by this addition or averaging is assumed to be c (x) (corresponding to cos luminance data) and s (x) (corresponding to sin luminance data), respectively.
FIG. 5 is a graph showing data c (x) and s (x). Note that the X-axis coordinate is converted into a distance from the edge of the sample w, and the luminance data is normalized in a range of ± 50.
Next, the computer 11 calculates the phase Φ (x) of the carrier wave for each position on the X axis by performing arctan calculation of the data c (x) and s (x) [Φ (x) = tan -1 (s (x) / c (x))].
FIG. 6 shows an example of a graph of the phase Φ calculated by the calculator 11. Note that the X-axis coordinate is converted to a distance from the edge of the sample w.
As described above, in step S17, the computer 11 is based on data representing a sine wave and a cosin wave having the same spatial frequency as the carrier wave (spatial periodic wave) in the region excluding the end portion we of the measurement region wa. The phase Φ (x) of the carrier wave is calculated by the quadrature detection process (an example of phase calculation means and its procedure).

[ステップS18]
次に、計算機11は、ステップS17(位相算出手順)で算出した位相Φ(x)に基づいて、測定領域waにおけるX軸方向の表面形状値h(x)を算出するし、算出結果を記憶部に記憶させる(S18、表面形状値算出手段及びその手順の一例)。
図6に示すように、キャリア波の位相Φ(x)は、2πの周期で折り返され、不連続な状態となっている。一方、試料wの表面形状の変化は連続的である(滑らかに変化する)。
そこで、計算機11は、ステップS18において、試料wの表面形状の変化が連続的であることを前提とし、位相Φ(x)の接続処理(いわゆるアンラップ処理)を行うことにより、測定領域waのX軸方向における表面形状値h(x)(プロファイル)を計算する。
ここで、干渉計30がフィゾー干渉計である場合、干渉縞の「明部」と「明部」との間隔(キャリア波の波長)が、照射光(レーザ光源1の出力光)の波長λの1/2の長さに相当する。従って、計算機11は、位相接続(アンラップ処理)した後の位相Φ’(x)に、(λ/4π)を乗算することによって表面形状地h(x)を算出する。
図6に、計算機11により算出した表面形状地h(x)のグラフの一例を示す。なお、X軸の座標は、試料wのエッジからの距離に換算している。
[Step S18]
Next, the calculator 11 calculates the surface shape value h (x) in the X-axis direction in the measurement region wa based on the phase Φ (x) calculated in step S17 (phase calculation procedure), and stores the calculation result. (S18, an example of surface shape value calculating means and its procedure).
As shown in FIG. 6, the phase Φ (x) of the carrier wave is folded back at a period of 2π and is in a discontinuous state. On the other hand, the change in the surface shape of the sample w is continuous (smoothly changes).
Therefore, on the assumption that the change in the surface shape of the sample w is continuous in Step S18, the computer 11 performs the connection process (so-called unwrap process) of the phase Φ (x), so that the X of the measurement region wa The surface shape value h (x) (profile) in the axial direction is calculated.
Here, when the interferometer 30 is a Fizeau interferometer, the distance between the “bright part” and the “bright part” of the interference fringe (wavelength of the carrier wave) is the wavelength λ of the irradiation light (output light of the laser light source 1). Is equivalent to 1/2 of the length. Therefore, the calculator 11 calculates the surface shape ground h (x) by multiplying the phase Φ ′ (x) after the phase connection (unwrapping process) by (λ / 4π).
FIG. 6 shows an example of a graph of the surface shape ground h (x) calculated by the calculator 11. Note that the X-axis coordinate is converted to a distance from the edge of the sample w.

[ステップS19、S20]
次に、計算機11は、ステップS19で算出した試料wの表面形状値h(x)にを所定の評価式(評価値算出式)に適用することにより、その試料wのエッジだれの評価値を計算し、計算結果を出力(表示部への出力や、外部装置への出力)する(S19)。
前記評価値としては、例えば、測定領域waにおける最も内側(試料wの中心側)の位置の表面形状値h(x)を基準とし、その基準に対する表面形状値h(x)の差が、所定の最大許容値以内となる位置(X軸上の位置)等が考えられる。
さらに、計算機11は、セットされた試料wについて、所定の測定終了条件(予定していた全ての測定領域waの形状測定が終了したこと等)が成立したか否かを判別する(S20)。
ここで、計算機11は、前記測定終了条件が成立していないと判別した場合は、前述したステップS4と同様に、新たな測定領域waの設定処理を実行し(S21)、その新たな測定領域waについて、前述したステップS12〜S20の処理を繰り返す。なお、同一の試料wについての2回目以降のステップS12〜S20の処理においては、試料wの向き補正(S15、S16)の処理は実行されない(補正を行わなくても適切な干渉縞像が得られる)場合が多いと考えられる。
一方、計算機11は、前記測定終了条件が成立したと判別した場合は、セットされた試料wについての形状測定処理を終了させる。
[Steps S19 and S20]
Next, the calculator 11 applies the evaluation value of the edge of the sample w by applying the surface shape value h (x) of the sample w calculated in step S19 to a predetermined evaluation formula (evaluation value calculation formula). The calculation is performed and the calculation result is output (output to the display unit or output to the external device) (S19).
As the evaluation value, for example, the surface shape value h (x) at the innermost position (center side of the sample w) in the measurement region wa is used as a reference, and a difference in the surface shape value h (x) with respect to the reference is a predetermined value. A position that falls within the maximum allowable value (position on the X-axis) or the like is conceivable.
Further, the computer 11 determines whether or not a predetermined measurement end condition (e.g., completion of the shape measurement of all the measurement areas wa planned) is satisfied for the set sample w (S20).
Here, when it is determined that the measurement end condition is not satisfied, the computer 11 executes a setting process for a new measurement area wa (S21), similarly to step S4 described above, and the new measurement area. For wa, the processes of steps S12 to S20 described above are repeated. In the second and subsequent steps S12 to S20 for the same sample w, the sample w orientation correction (S15, S16) is not executed (a proper interference fringe image can be obtained without correction). It is thought that there are many cases.
On the other hand, when it is determined that the measurement end condition is satisfied, the computer 11 ends the shape measurement process for the set sample w.

以上に示した実施形態では、干渉計30としてフィゾー干渉計を採用した例を示したが、これに限るものでなく、斜入射干渉計やマイケルソン干渉計、トワイマングリーン干渉計など、他の干渉計を採用することも可能である。
また、前述した実施形態では、ローパスフィルタ処理として、ガウシアン重み付け処理及び加算処理(積算処理)を採用した例を示したが、前述の実施形態においてガウシアン重み付け処理を省略した実施形態や、重み付けを行う各種の平均化処理、FFTによるローパスフィルタ処理など、他の処理を採用することも考えられる。
また、前述の実施形態では、試料wを3点支持する試料支持部21〜23のうちの2つを独立して変位させる機構を採用した例を示した。しかしながら、同様の支持機構を、干渉計30における参照面5aが形成された部材である参照ガラス5の支持機構として採用し、試料wの面の向きは固定(固定式の支持機構)とした構成であってもかまわない。
In the embodiment described above, an example in which a Fizeau interferometer is employed as the interferometer 30 is shown. However, the present invention is not limited to this, and other examples such as an oblique incidence interferometer, a Michelson interferometer, and a Twiman Green interferometer are used. It is also possible to employ an interferometer.
In the above-described embodiment, an example in which the Gaussian weighting process and the addition process (integration process) are employed as the low-pass filter process has been described. However, an embodiment in which the Gaussian weighting process is omitted in the above-described embodiment or weighting is performed. It is also possible to adopt other processes such as various averaging processes and low pass filter processes using FFT.
In the above-described embodiment, an example in which a mechanism for independently displacing two of the sample support portions 21 to 23 that support the sample w at three points has been described. However, the same support mechanism is adopted as a support mechanism for the reference glass 5 that is a member on which the reference surface 5a of the interferometer 30 is formed, and the orientation of the surface of the sample w is fixed (fixed support mechanism). It doesn't matter.

本発明は、半導体ウェーハのような円形板状の試料における端部付近の表面形状を測定する形状測定装置に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a shape measuring apparatus that measures the surface shape near the end of a circular plate-like sample such as a semiconductor wafer.

本発明の実施形態に係る形状測定装置Zの概略構成図。The schematic block diagram of the shape measuring apparatus Z which concerns on embodiment of this invention. 形状測定装置Zによる形状測定手順を表すフローチャート。The flowchart showing the shape measurement procedure by the shape measuring apparatus Z. 形状測定装置Zにより試料の向き調節を行う際の干渉計における光路及び出力像を表す図。The figure showing the optical path and output image in an interferometer at the time of adjusting the direction of a sample by the shape measuring apparatus Z. 形状測定装置Zによるキャリア波の位相算出処理(直交検波処理)の過程で得られるデータの一例を画像として表した図。The figure which represented as an image an example of the data obtained in the process of the phase calculation process (orthogonal detection process) of the carrier wave by the shape measuring apparatus Z. 形状測定装置Zによるキャリア波の位相算出処理(直交検波処理)の過程で得られるデータを表すグラフ。The graph showing the data obtained in the process of the phase calculation process (orthogonal detection process) of the carrier wave by the shape measuring apparatus Z. 形状測定装置Zにより算出されたキャリア波の位相と表面形状値とを表すグラフ。The graph showing the phase and surface shape value of the carrier wave calculated by the shape measuring apparatus Z.

符号の説明Explanation of symbols

Z…形状測定装置
1…レーザ光源
2…第1レンズ
3…ビームスプリッタ
4…第2レンズ
5…参照ガラス
6…干渉縞結像レンズ
7…スポット結像レンズ
8…回転式レンズ保持具
9…レンズ切替モータ
10…CCDカメラ
11…計算機
12…回転ステージ
13…昇降ステージ
21、22…変位式試料支持部
21a、22a…変位装置
23…固定式試料支持部
30…干渉計
P1…参照光のスポット像
P2…物体光のスポット像
S1、S2・・ …処理手順(ステップ)
Z ... shape measuring apparatus 1 ... laser light source 2 ... first lens 3 ... beam splitter 4 ... second lens 5 ... reference glass 6 ... interference fringe imaging lens 7 ... spot imaging lens 8 ... rotary lens holder 9 ... lens Switch motor 10 ... CCD camera 11 ... Computer 12 ... Rotary stage 13 ... Elevating stages 21, 22 ... Displacement type sample support parts 21a, 22a ... Displacement device 23 ... Fixed type sample support part 30 ... Interferometer P1 ... Spot image of reference light P2 ... Spot image S1, S2 ... of object light ... Processing procedure (step)

Claims (6)

略円形板状の試料における端部からその内側の所定範囲にわたる測定領域の表面形状を測定する形状測定装置であって、
前記測定領域を観測する干渉計の出力光において形成される干渉縞の像を撮像する撮像手段と、
前記干渉計における参照面の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段と、
前記向き変更手段を制御することにより、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な基準軸に対し略平行に伸びて形成される複数本の縞の像となるように調節する干渉縞像調節手段と、
前記干渉縞像調節手段による調節後に、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手段と、
前記基準軸の各位置における、該基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波それぞれの位相を算出する位相算出手段と、
前記位相算出手段により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を算出する表面形状値算出手段と、
を有してなることを特徴とする形状測定装置。
A shape measuring device for measuring the surface shape of a measurement region ranging from an end of a substantially circular plate-shaped sample to a predetermined range inside thereof,
Imaging means for imaging an image of interference fringes formed in the output light of an interferometer that observes the measurement region;
Orientation changing means for changing the orientation of the reference surface or the surface of the measurement region in the interferometer;
By controlling the orientation changing means, the image of the interference fringes obtained by the imaging means extends substantially parallel to a reference axis parallel to the radial direction of the sample in a region excluding the end portion in the measurement region. Interference fringe image adjusting means for adjusting so as to be an image of a plurality of stripes formed by,
Luminance data recording means for recording luminance data of the interference fringe image obtained by the imaging means after adjustment by the interference fringe image adjusting means;
Phase calculation means for calculating the phase of each spatial periodic wave represented by the row of luminance data in the direction orthogonal to the reference axis at each position of the reference axis;
Surface shape value calculating means for calculating a surface shape value in the reference axis direction in the measurement region based on the phase calculated by the phase calculating means;
A shape measuring apparatus comprising:
前記位相算出手段が、前記測定領域の前記端部を除く領域における前記空間的周期波と空間周波数が略等しいsin波及びcosin波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により前記位相を算出してなる請求項1に記載の形状測定装置。   The phase calculation means calculates the phase by quadrature detection processing based on data representing sine waves and cosine waves having spatial frequencies substantially equal to the spatial periodic wave in the region excluding the end of the measurement region. The shape measuring apparatus according to claim 1. 前記干渉計の出力光を集光することにより、該干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された2つのスポット像を前記撮像手段に結像させるスポット結像レンズと、
前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第1状態と、前記スポット結像レンズにより前記2つのスポット像を結像させる第2状態とを切り替える結像状態切替手段と、を具備し、
前記干渉縞像調節手段が、前記結像状態切替手段により前記第2状態に切り替えられて前記撮像手段により得られる前記2つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう前記向き変更手段を制御するスポット像調節手段を具備してなる請求項1又は2のいずれかに記載の形状測定装置。
A spot imaging lens that focuses the output light of the interferometer to form on the imaging means two spot images in which the object light and the reference light superimposed on the output light of the interferometer are condensed. When,
An imaging state switching unit that switches a first state in which the image of the interference fringe is formed on the imaging unit and a second state in which the two spot images are formed by the spot imaging lens; And
The interference fringe image adjusting unit is switched to the second state by the imaging state switching unit, and the orientation is changed so that a positional relationship between the two spot images obtained by the imaging unit becomes a predetermined positional relationship. 3. The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising spot image adjusting means for controlling the means.
略円形板状の試料における端部からその内側の所定範囲にわたる測定領域の表面形状を測定する形状測定方法であって、
干渉計により得られる前記測定領域への照射光に基づく干渉縞の像を撮像手段により撮像する干渉縞撮像手順と、
前記干渉計における参照面の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段を制御することにより、前記干渉縞撮像手順により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な基準軸に対し略平行に伸びて形成される複数本の縞の像となるよう調節する干渉縞像調節手順と、
前記干渉縞像調節手順による調節後に、前記干渉縞撮像手順により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手順と、
前記基準軸の各位置における、該基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波それぞれの位相を所定のプロセッサにより算出する位相算出手順と、
前記位相算出手順により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を所定のプロセッサにより算出する表面形状値算出手順と、
を有してなることを特徴とする形状測定方法。
A shape measuring method for measuring a surface shape of a measurement region ranging from an end portion of a substantially circular plate-shaped sample to a predetermined range inside thereof,
An interference fringe imaging procedure for capturing an image of an interference fringe based on the irradiation light to the measurement region obtained by an interferometer;
The interference fringe image obtained by the interference fringe imaging procedure is controlled by controlling the direction changing means for changing the orientation of the reference surface in the interferometer or the orientation of the surface of the measurement region. An interference fringe image adjustment procedure for adjusting to an image of a plurality of stripes formed extending substantially parallel to a reference axis parallel to the radial direction of the sample in a region excluding
Luminance data recording procedure for recording luminance data of the interference fringe image obtained by the interference fringe imaging procedure after adjustment by the interference fringe image adjustment procedure;
A phase calculation procedure for calculating a phase of each of the spatial periodic waves represented by the row of luminance data in a direction orthogonal to the reference axis at each position of the reference axis by a predetermined processor;
Based on the phase calculated by the phase calculation procedure, a surface shape value calculation procedure for calculating a surface shape value in the reference axis direction in the measurement region by a predetermined processor;
A shape measuring method comprising:
前記位相算出手順が、前記測定領域の前記端部を除く領域における前記空間的周期波と空間周波数が略等しいsin波及びcosin波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により前記位相を算出する手順である請求項4に記載の形状測定方法。   The phase calculation procedure is a procedure for calculating the phase by quadrature detection processing based on data representing a sine wave and a cosine wave having spatial frequencies substantially equal to the spatial periodic wave in the region excluding the end of the measurement region. The shape measuring method according to claim 4. 前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第1状態と、前記干渉計の出力光を所定のレンズで集光することによって該干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された2つのスポット像を前記撮像手段に結像させる第2状態とを切り替える結像状態切替手順を有し、
前記干渉縞像調節手順が、前記結像状態切替手順により前記第2状態に切り替えられている際に前記撮像手段により得られる前記2つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう前記向き変更手段を制御するスポット像調節手順を有してなる請求項4又は5のいずれかに記載の形状測定方法。
A first state in which the image of the interference fringe is formed on the imaging means, and object light superimposed on the output light of the interferometer by focusing the output light of the interferometer with a predetermined lens and reference An imaging state switching procedure for switching between a second state in which two spot images each of which light is condensed is formed on the imaging means;
When the interference fringe image adjustment procedure is switched to the second state by the imaging state switching procedure, the positional relationship between the two spot images obtained by the imaging unit becomes a predetermined positional relationship. 6. The shape measuring method according to claim 4, further comprising a spot image adjusting procedure for controlling the orientation changing means.
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