特許 5933273 走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5933273

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月8日

(54)【発明の名称】走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20060101AFI20160526BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20160526BHJP

【ＦＩ】

   G01B9/02

   G01B11/24 D

【請求項の数】1

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-10899(P2012-10899)

(22)【出願日】2012年1月23日

(65)【公開番号】特開2013-148533(P2013-148533A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2014年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】100064388

【弁理士】

【氏名又は名称】浜野 孝雄

(72)【発明者】

【氏名】水谷 直樹

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０４７５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２１８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０９−５０３０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１９４９１８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１０９４４４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラを用いてデータ収集間隔をナイキスト間隔（干渉周期の半分）よりも広くして多数の動画ファイルデータを測定し、
こうして測定して収集した波形からヒルベルト変換を用いて算出した収集波形の「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」との間の直線関係の傾きをａとし、また「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」との交点を小数部として、
式（「位相が０の走査位置」−「包絡線のピーク位置」）／（−ａ ＋ １） ＋「包絡線のピーク位置」を、収集データ配列の指標を単位として表し、これを試料の表面上に対応する各画素で求めて、相互に比較することにより各画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、
「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係を表わす直線と、「位相が０の走査位置」＝「包絡線のピーク位置」の直線とが上記式の小数部で交わり、該小数部を同一物質の多数の画素に渡って平均値を求め、上記の傾きａについても多数のデータから平均値を求め、
求めた小数部及び上記の傾きａを用いて「位相が０の走査位置」の測定値から、反射光の位相変化に依存せず正しい試料表面高さを表わす「包絡線のピーク位置」を求めることにより試料の表面形状を測定すること
を特徴とする走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、走査型白色干渉計を用いて、誘電体や金属の混在した試料の表面形状を測定する方法に関するものであり、特に、誘電体や金属の混在した試料の表面形状を測定する際の走査型白色干渉計における反射光の位相変化補正方法に関する。

【0002】

本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の高さ、段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。

【背景技術】

【0003】

走査型白色干渉計は、可干渉性の少ない白色光を光源として用い、マイケルソン型や、ミラウ型などの等光路干渉計を利用して試料の表面形状を非接触三次元測定できる装置であり、ウエハなどの表面形状の測定に用いられる。走査型白色干渉計の原理を添付図面の図１に示し、１は光源であり、高輝度白色光源から成っている。２は光源１からの白色光に対するフィルターであり、３はビームスプリッター、４はマイケルソン型干渉計である。マイケルソン型干渉計４は対物レンズ４ａとビームスプリッター４ｂとミラー４ｃを備えている。マイケルソン型干渉計４には、マイケルソン型干渉計４を垂直走査するピエゾアクチュエーター５が設けられている。また図１において６は受光素子を成すＣＣＤカメラ、７は試料８を支持する試料ホルダーである。

【0004】

図１に示す装置構成において、光学顕微鏡の対物レンズ４ａの下に干渉計が構成され、対物レンズ４ａ又はミラー４ｃを走査することにより干渉波形が得られる。すなわち、対物レンズ４ａを走査しながら光の強度をＣＣＤカメラ６で動画として撮影することで、ＣＣＤカメラ６の各画素での干渉波形が得られる。得られた干渉波形のピークの位置は試料の表面の高さに対応するので、各画素でそのピーク位置を求めれば、撮影した領域で表面高さが得られる。

【0005】

干渉する２つの光路で反射による位相変化がなければ、光路差0で光は強め合い、干渉波形のピークとなる。しかし、試料表面だけでなく、ミラーでの反射時の位相変化もあり、一般的には光路差0で干渉波形が最大になるとは限らない（包絡線は最大になる）。反射時の位相変化があっても、試料が単一の物質なら、位相変化量は試料全面に渡って一定なので、面内での相対高さ関係には影響がなく、干渉波形の位相から表面高さを算出しても問題ない。干渉波形の位相を利用する方法は、複数の複素屈折率の異なる物質から成る試料で問題となる（非特許文献１、２参照）。

【0006】

干渉波形の包絡線は反射光の位相変化の影響を受けず、光路差0で最大になるので、「包絡線のピーク位置」から表面高さを求めればよい。「包絡線のピーク位置」を利用することは、複数の複素屈折率の異なる物質から成る試料では有効である。しかし、包絡線は干渉波形の複数の山の頂点付近をつないだようなものなので、その広がりの幅が広いため、そのピーク位置の算出の精度は低くなる。つまり、包絡線を利用する方法は干渉波形の位相を利用する方法よりも、表面高さの算出精度は低い。そこで、本発明者は先にそれら２つの方法を結びつけて互いを補う方法を提案した（特許文献１参照）。

【0007】

対物レンズ又はミラーを走査しながらデータを収集する際の間隔は、通常は干渉周期の１／５以下である。干渉周期の１／２をナイキスト間隔というが、その０．４倍以下である。収集間隔が狭くてデータ数が多いほど表面高さの算出精度は向上するが、収集時間が長くなるという問題があるので、収集間隔を広げて表面高さを求める試みがなされている。

【0008】

収集間隔をナイキスト間隔よりも広くすると元の干渉波形は得られないので、通常の方法では表面高さを算出できないが、それを克服する方法がいくつか考案されている（特許文献２、非特許文献１参照）。そして本発明者も先にヒルベルト変換を用いて収集波形の位相と包絡線を算出し、それらから表面高さを求める方法を提案した（特許文献３、４参照）。

【0009】

この収集間隔をナイキスト間隔よりも広げたとき得られる波形（以後、収集波形と呼ぶ）は干渉波形とは異なるが、その包絡線と位相はヒルベルト変換を用いて算出でき、その包絡線は元の干渉波形のそれに高精度で一致し、その位相は包絡線とある一定の関係で結ばれており、元々位相は高精度に算出できるので、収集波形の位相から表面高さを高精度に求めることができる。

【0010】

その収集間隔がナイキスト間隔よりも広い収集波形の位相も、通常の干渉波形の場合と同様に、試料表面での反射光の位相変化の影響を受ける。通常の干渉波形では、その「位相が０になる走査位置＝干渉波形の山の頂点の位置」と「包絡線のピーク位置」との差は、試料表面物質が同一なら、表面高さが変化しても一定であり、異なる表面物質ではその差が異なるだけの単純な関係なので、測定した「位相が0になる走査位置」から表面物質ごとに表面高さ（＝「包絡線のピーク位置」）を算出することは困難ではなかった。

【0011】

しかし、収集間隔がナイキスト間隔よりも広い場合の収集波形では、「位相が0になる走査位置」と「包絡線のピーク位置」との差は一定値ではなく、試料表面高さに依存して変化するので、「位相が０になる走査位置」から表面反射での位相変化分を補正して表面高さを算出することは困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特願２０１１−１５３４３５

【特許文献2】特許第２６７９８７６号

【特許文献3】特願２０１１−１５２９９９

【特許文献4】特願２０１１−１５３２６４

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】吉澤徹、「最新光三次元計測」、２００６年、朝倉書店 第５章２ 光干渉法、ｐ．７１

【非特許文献2】土井琢磨他、光学、２０（９）６０３ − ６０６、１９９１.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

上述のように白色干渉計において収集した波形の位相を用いることにより試料表面高さの算出精度は向上するが、表面に金属があると反射光の位相が変化して、異種物質が混在する試料では表面形状を正しく算出できないという問題がある。

【0015】

そこで、本発明は、かかる問題を解決し、データ収集時間を短縮するために収集間隔をナイキスト間隔よりも広くした場合に伴う問題を解決した走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記の目的を達成するために、本発明によれば、対物レンズの下にビームスプリッター及びミラーを配し、試料表面を含めて、マイケルソン型などの干渉計を構成し、試料までの距離又はミラーまでの距離をピエゾアクチュエーターで走査し、それによりできる干渉波形をCCDカメラで撮影して動画ファイルデータとして記録し、該動画ファイルデータに基き、試料の表面形状を測定する、走査型白色干渉計による試料の表面形状の測定方法において、
CCDカメラを用いてデータ収集間隔をナイキスト間隔（干渉周期の半分）よりも広くして多数の動画ファイルデータを測定し、
こうして測定して収集した波形からヒルベルト変換を用いて算出した収集波形の「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」との間の直線関係の傾きをａとして、
式（「位相が０の走査位置」−「包絡線のピーク位置」）／（−ａ ＋ １） ＋「包絡線のピーク位置」を、収集データ配列の指標を単位として表し、これを試料の表面上に対応する各画素で求めて、相互に比較することにより各画素の試料表面が他の画素の試料表面と同種であるか異種であるかを判定し、
「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係を表わす直線と、「位相が０の走査位置」＝「包絡線のピーク位置」の直線とが上記式の小数部で交わり、該小数部を同一物質の多数の画素に渡って平均値を求め、上記の傾きaについても多数のデータから平均値を求め、
「位相が０の走査位置」の測定値から、反射光の位相変化に依存せず正しい試料表面高さを表わす「包絡線のピーク位置」を求めることにより試料の表面形状を測定すること
を特徴としている。

【0017】

データ収集間隔がナイキスト間隔よりも広くなると、収集した波形は干渉波形とは異なり、本明細書において「収集波形」と記載する。収集波形の位相も表面反射での位相変化に影響されるので、試料表面高さの算出値に影響が出る。本発明は、その位相変化に影響されず正しい表面高さを算出する方法に関する。

【0018】

収集波形からヒルベルト変換を用いて求めた包絡線は、本来の干渉波形の包絡線に高い精度で一致するので、そのピーク位置を基準として用いる。その「包絡線のピーク位置」が試料表面高さに対応する。
収集波形の位相もヒルベルト変換を用いて算出し、その位相が０になる走査位置を求める。試料表面物質の複素屈折率が異なると、反射での位相変化量が異なり、干渉波形の位相がその分だけ異なり、それにより収集波形の位相も異なり、「収集波形の位相が０になる走査位置」も異なる。

【0019】

試料表面での反射時の位相変化量の違いにより、干渉波形にある位相変化があると、収集波形では、その定数倍の位相変化が表れる。そして収集波形において、「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係図を、収集データ配列の指標を単位（データ収集時の走査位置は１、 ２、 ３、 … ｎと表わされる）として表わすと、その小数部が試料表面での反射による位相変化量に依存して異なる。従って、これを試料表面上に対応する各画素で求めて、互いを比較すれば各画素での物質が同種か異種かを判定できる。

【0020】

収集波形に関する「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係図では、干渉波形の位相変化（つまり試料表面反射での位相変化量の違い）の影響は傾きａには現れず、縦軸方向の一定量のシフトとして現れる。その関係図において、「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係を表わす直線と、「位相が０の走査位置」＝「包絡線のピーク位置」の直線は、上記式の小数部で交わる。 従って、その小数部を同一物質の多数の画素に渡って平均値を求め、上記の傾きａについても多数のデータから平均値を求めて、それらを用いれば、「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係図が精度よく決まり（つまり、１次式の傾きａとｙ切片が精度よく決まり）、「位相が０の走査位置」の測定値から、その関係を用いて「包絡線のピーク位置」、つまり正しい試料表面高さを高精度に算出できる。

【0021】

従って、元々高精度に算出できる「位相が０の走査位置」から、上記関係を用いれば、反射光の位相変化に依存せず正しい試料表面高さを表わす「包絡線のピーク位置」を求められるので、反射での位相変化量が異なる物質が混在する試料表面でも正しい表面形状を高精度に求めることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、次のような効果が得られる。
・ナイキスト間隔よりも広い間隔で収集した波形において、ヒルベルト変換を用いて算出した「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」の直線関係の傾きをａとして

（「位相が0の走査位置」−「包絡線のピーク位置」）／（−ａ ＋ １）
＋「包絡線のピーク位置」

を、配列指標を単位に表わすと、その小数部が試料表面での反射光の位相変化量に対応しているので、その値からその画素の物質が特定できる（実施例ではシリコンか銅かが特定できる）。
・「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」の間の直線関係（傾きａと上記小数部で決まるｙ切片）を多数の測定データから求めておき、測定値「位相が０の走査位置」からその直線関係を用いて計算値「包絡線のピーク位置」（試料表面高さに対応）を求め、そして、測定値「位相が０の走査位置」は測定値「包絡線のピーク位置」より元々測定精度が高いので、試料表面高さが高精度に求まる。
・物質によって異なる上記小数部を採用して、その値で決まるｙ切片の上記直線関係を用いるので、試料表面での反射光の位相変化量の違いを取り除いた正しい試料表面高さが求まる。
・表面反射光の位相変化の影響を受けないためには、従来は包絡線から表面高さを求める必要があったが、本発明では収集波形の位相から求めるので、測定精度が１桁以上向上する。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明を実施する際に使用され得る走査型白色干渉計の構成例を示す概略図。

【図2】光路差０での干渉する２つの光の位相差φ＝０．４５π、試料の表面高さｈ＝０の場合における干渉波形と収集波形の計算例を示すグラフ。

【図3】図２のグラフにおける収集波形から求めた包絡線と位相を示すグラフ。

【図4】収集波形の測定例とそのヒルベルト変換（○）及び包絡線を示すグラフ。

【図5】図４の収集波形とそのヒルベルト変換から算出した収集波形の位相を示すグラフ。

【図6】「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」の測定例を示すグラフ。

【図7】図６のデータを「包絡線のピーク位置」対「位相が0の走査位置」でプロットしたグラフ。

【図8】図６のデータから（「位相が0の走査位置」−「包絡線のピーク位置」）／9 +「包絡線のピーク位置」を算出してｘ（画素）に対してプロットした例を示すグラフ。

【図9】図８のデータの小数部をプロットしたグラフ。

【図10】図９のデータを移動平均したものを示すグラフ。

【図11】図７を拡大して「位相が0の走査位置」の測定値から、それに対応する「包絡線のピーク位置」を高精度に求める方法を示すための図。

【図12】本発明の方法で求めた試料の表面の高さの例を示すグラフ。

【図13】図１２のシリコン領域を拡大して示す図。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下添付図面を参照して本発明を説明する。
白色干渉計での干渉波形は、図１の装置においてミラー４ｃ又は対物レンズ４ａの走査位置ｓ、試料８の表面高さｈ、波長λｉ、光路差０での干渉する２つの光の位相差をφとすると下記の式（１）で表わされる。
Σ［１＋ｃｏｓ｛２π（ｓ−ｈ）／（λｉ／２）＋φ｝］／Ｎ （１）
^λｉ
波長λｉを変えて総和し、その総数Nで割っている。試料８の表面高さｈ＝０で光路差０になる走査位置をｓの０点にしている。

【0025】

中心波長５５０ｎｍ、帯域幅８０ｎｍとして、波長λｉを５１０ｎｍから５９０ｎｍまで０．１ｎｍずつ変えて総和し、総数Ｎ＝８００で割り、干渉波形を算出した例を図２に点線グラフで示す。φ＝０．４５π、ｈ＝０としている。走査位置については１ｎｍごとの波形データである。φ＝０、ｈ＝０の場合は干渉波形の最大の山が走査位置０に来るが、φが異なると干渉波形の位相も異なり、干渉波形の山の位置がずれる。しかし、包絡線自体の位置は変化しない（特許文献１参照）。つまり、干渉波形の位相は、試料８の表面での反射光の位相変化の影響を受けるが、包絡線はその影響を受けない。

【0026】

上記の干渉波形を２４０ｎｍ間隔で収集した例を図２の■で示した。収集間隔はナイキスト間隔の１．７５倍である。収集されたデータは一種の波形を形成する。それにヒルベルト変換を施して、その収集波形の包絡線と位相を算出できる。図２の■で示す波形から求めた包絡線（○）と収集波形の位相（□の中に×）を図３に示す。収集波形の包絡線は元の干渉波形の包絡線に精度よく一致し、「包絡線のピーク位置」が試料８の表面高さｈに対応する。「位相が０になる走査位置」は「包絡線のピーク位置」との間に近似的に１次式の関係が成り立ち、「位相が０になる走査位置」から表面高さｈを算出できる。「位相が0になる走査位置」は「包絡線のピーク位置」よりも高精度に算出できるので、それから求めた表面高さｈもより高精度に算出される（特許文献４参照）。

【0027】

図２から分かるように干渉波形の位相が変化すると、収集波形も変化し、その位相も変化する。しかし、収集波形の包絡線は変化しない。収集波形の位相の変化量は、干渉波形の位相の変化量に比べて、ある一定倍だけ大きい。このことは式（１）を用いて、その結果を図２及び図３に示したような計算を、パラメーターを変えて行うと確認できる。このことは以下に示す実験結果からも確認できる。このため、試料８の表面反射光の、ある一定の位相変化は、干渉波形の位相を変え、収集波形の位相をある値だけ変化させる。従って、表面物質の複素屈折率の値に応じて、収集波形の位相の変化分も決まる。このような収集波形の位相の変化分を各画素で求めると、その値の大きさから各画素の物質が同種か異種かの判定ができる。

【0028】

試料８の表面での反射時の位相変化量の違いにより、干渉波形にある位相変化があると、収集波形では、その定数倍の位相変化が表れる。そして収集波形において、「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」の関係図における傾きをａとして
（「位相が０の走査位置」−「包絡線のピーク位置」）／（−ａ ＋ １）
＋「包絡線のピーク位置」 （２）

を、収集データ配列の指標を単位（データ収集時の走査位置が１、 ２、 ３、 … ｎと表わされる）として表わすと、その小数部が試料表面での反射による位相変化量に依存して異なる。従って、これを試料８の表面上に対応する各画素で求めて、互いを比較すれば各画素での物質が同種か異種かを判定できる。

【0029】

以下に測定結果の例を示しながら説明する。
図４には、収集波形の測定結果（●）と、それにヒルベルト変換を施した結果（○）とそれらから算出した包絡線（□の中に＋）とを示し、図５には位相を示した。用いた光学フィルター２は中心波長５５０ｎｍ、通過帯域幅８０ｎｍであり、干渉周期が２７５ｎｍ、ナイキスト間隔が１３７．５ｎｍである。データの収集間隔は２４７．５ｎｍであり、ナイキスト間隔の１．８倍である。収集データにはカメラ６の雑音等が乗っているので、包絡線のデータにも雑音が含まれている。包絡線のデータに移動平均処理等を行い平滑化して、そのピーク位置を算出する。位相は、包絡線のピーク位置から大きく離れなければ直線的に変化する。図５のデータは２ｐごとに変化するが、位相接続すれば直線状につながり、それを１次式でフィッティングして、位相が０になる走査位置を算出する。「位相が０の走査位置」は複数存在するが、「包絡線のピーク位置」に近いものを採用する。「位相が０の走査位置」は「包絡線のピーク位置」より高精度に算出できる。

【0030】

収集データは配列として扱っており、収集するフレーム数をｎ個とすると、下記のようにｘ，ｙの各画素で走査位置（時間にも対応）について１からｎまでの指標で表わされる。

Ｄ（１，ｘ，ｙ）， Ｄ（２，ｘ，ｙ）， ・・・ ， Ｄ（ｉ，ｘ，ｙ）， Ｄ（ｉ＋１，ｘ，ｙ），・・・ Ｄ（ｎ，ｘ，ｙ）

【0031】

図４及び図５の横軸はこの配列の走査位置の指標であり、この１の間隔は収集間隔２４７．５ｎｍに相当する。

【0032】

各画素で算出した「包絡線のピーク位置」と「位相が０の走査位置」の例を図６に示す。あるｙの画素の行でのｘ方向での値を示している。試料８は図１２のような形状であり、シリコン基板上に銅薄膜を成膜したもので、ｘ＝３６５辺りが銅薄膜の端で、そこからｘが増すと膜厚が増している。走査方向の関係で図６では図１２と縦軸の方向が逆になっている。「位相が０の走査位置」は「包絡線のピーク位置」より高精度に算出できていることが分かる。
図６では試料８の傾きにより、シリコン領域ではｘに対して直線的に「包絡線のピーク位置」が増している。そして「位相が０の走査位置」も傾きは負だが直線的に変化していることが分かる。「位相が０の走査位置」の傾きの絶対値は「包絡線のピーク位置」のそれより大きく、試料８の表面高さｈの変化に対して感度が大きいと言える。高精度に算出できることと、表面高さへ感度が大きいことが、「位相が０の走査位置」を用いることの利点である。

【0033】

図７には、図６のデータを「包絡線のピーク位置」対「位相が０の走査位置」としてプロットして示している。「包絡線のピーク位置」が精度よく算出できないためにデータは横軸方向にばらついている。しかし、「位相が０の走査位置」と「包絡線のピーク位置」の間の直線的な関係が見て取れる（測定データに合わせて図７の中に引いた傾きが負の多数の直線）。シリコン領域と銅領域のそれぞれで、「包絡線のピーク位置」（配列指標が単位）に対して１ずつずれた繰り返しの直線関係が並ぶ（特許文献４参照）。なお、この例では、これら直線の傾きは −８．０である。そして、シリコン領域と銅領域では、その直線関係が互いにシフトしていることが分かる。このことは、シリコンと銅での反射光の位相変化量の違いを表わしている。

【0034】

図８には、図６のデータから、式（１）で傾きaを-8.0としたもの、つまり式（３）を縦軸にしてプロットしたものである。

（「位相が０の走査位置」−「包絡線のピーク位置」）／９
＋「包絡線のピーク位置」 （３）


こうすると縦軸での１ずつの飛びはあるが、それ以外は横軸への依存性はなくなる。

【0035】

図９には、図８のデータの小数部をプロットして示している。図８の銅領域での小数部が０．９などのデータは図９では−０．１などとして表わしている。シリコンと銅での縦軸の値の違いが明らかに分かる。縦軸の値のばらつきは「包絡線のピーク位置」の算出精度が低いことによる。

【0036】

図１０には、図９のデータを移動平均処理したものが示されている。各画素で縦軸の値が例えば０．２７より大きければシリコン、小さければ銅と判定できる（異種か同種か判定できる）。図１０のシリコン領域での縦軸の値の平均値は０．４３であり、銅の領域では０．０９７である。これらの値は図７の直線の交点の小数部に対応する。

【0037】

図１１には、図７のシリコン領域の一部を拡大した例を示している。図１１の直線Ａ、 Ｂ、 Ｃの傾きａは前述のように−８．０とした。これは多数のデータの平均値から決定できる。「位相が０の走査位置」＝「包絡線のピーク位置」の直線と、直線Ａ、 Ｂ、 Ｃとの交点の小数部が前述のように０．４３である。

【0038】

各画素での測定値「包絡線のピーク位置」と測定値「位相が０の走査位置」から、その画素が図１１の例えば直線Ａ、 Ｂ、 Ｃのどれに対応するかを特定する。そして、その特定した直線の関係を用いて、その画素での測定値「位相が０の走査位置」から計算値「包絡線のピーク位置」を計算で求める。その直線の関係を用いることで、測定値「包絡線のピーク位置」のばらつきが取り除かれる。計算値「包絡線のピーク位置」が試料８の表面の高さｈに対応する。
銅と判定されたら、傾きはシリコンと同じ−８．０だが上記交点の小数部が０．０９７の直線を用いて、前述と同様にして試料８の表面の高さｈが算出される。

【0039】

以下、試料８の表面高さｈの算出の方法を図１１のシリコンの例で具体的に示す。「包絡線のピーク位置」の測定値をｘｍ、「位相が０の走査位置」の測定値をｙｍとして、「ｘｍの整数部＋０．４３」で基準値ｘｍｓを作る。０．４３は前述のようにシリコンでの式（３）の小数部である。以下のようにして、図１１のどの直線を使うかを決める。直線の傾きはこの例では前述のように−８．０である。その直線を用いて「位相が０の走査位置」の測定値ｙｍに対応する「包絡線のピーク位置」ｘｃを計算で求める。

（１） ｙｍ ＞ −８（ｘｍ−ｘｍｓ）＋ｘｍｓ ＋４．５ なら
ｙ ＝ −８｛ｘｃ −（ｘｍｓ＋１）｝ ＋ （ｘｍｓ＋１） の直線を用いて
ｘｃ ＝ ｛ｙｍ −（ｘｍｓ＋１）｝／（−８） ＋ （ｘｍｓ＋１） 「包絡線のピーク位置」を求める。
上記を４２ ≦ ｘｍ ＜ ４３ の例で表わすと、ｙｍが図１１の点線「Ｂ＋４．５」より上なら 直線Ｃを用いてｙｍからｘｃを求める。

（２）−８（ｘｍ−ｘｍｓ）＋ｘｍｓ −４．５ ＜ ｙｍ ＜ −８（ｘｍ−ｘｍｓ）＋ｘｍｓ ＋４．５ なら
ｙ ＝ −８（ｘｃ −ｘｍｓ） ＋ ｘｍｓ の直線を用いて
ｘｃ ＝ （ｙｍ −ｘｍｓ）／（−８） ＋ ｘｍｓ 「包絡線のピーク位置」を求める。
上記を４２ ≦ ｘｍ ＜ ４３ の例で表わすと、ｙｍが図１１の点線「Ｂ−４．５」より上で点線「Ｂ＋４．５」より下なら直線Ｂを用いてｙｍからｘｃを求める。

（３）ｙｍ ＜ −８（ｘｍ−ｘｍｓ）＋ｘｍｓ −４．５ なら
ｙ ＝ −８｛ｘｃ −（ｘｍｓ−１）｝ ＋ （ｘｍｓ−１） の直線を用いて
ｘｃ ＝ ｛ｙｍ −（ｘｍｓ−１）｝／（−８） ＋ （ｘｍｓ−１） 「包絡線のピーク位置」を求める。
上記を４２ ≦ ｘｍ ＜ ４３ の例で表わすと、ｙｍが図１１の点線「Ｂ−４．５」より下なら直線Ａを用いてｙｍからｘｃを求める。

【0040】

求めたｘｃが試料８の表面の高さｈに対応する。「包絡線のピーク位置」の測定値のばらつきが大きいので上記のような場合分けが必要になる。試料８の表面が銅の場合には、前述の銅での式（３）の小数部の０．０９７を用いて、「ｘｍの整数部＋０．０９７」で基準値ｘｍｓを作ればよい。後の表面高さの求め方はシリコンの場合と同様である。

【0041】

このようにして求めた試料８の表面高さｈの例を図１２に示す。既に説明したようにシリコン基板上に銅薄膜を付けたもので、ｘ＝３６５付近が銅薄膜の端であり、その端に近づくにつれ、膜厚は薄くなっている。あるｙでのｘ方向のデータである。用いたカメラの走査方式がインターレース方式のため、ｙ方向のデータが、１行おきに収集時刻がずれてｙ方向に不連続なので、最終的な試料８の表面高さｈの算出データをｙ方向に２個ずつ移動平均してその不連続を消している。横軸は６４０画素で９００μｍに相当する。「包絡線ピーク位置」を基準にして表面高さを算出しているので、表面反射光の位相変化の影響を受けず、銅の段差は正しく算出されている。

【0042】

図１３には図１２のシリコン領域を拡大して示している。ナイキスト間隔の１．８倍の広いデータ収集間隔にも関わらす、雑音のピーク対ピークが数ｎｍと高精度に試料表面高さが算出できている。表面反射光の位相変化の影響を受けないためには、従来は包絡線から表面高さを求める必要があったが、本発明では収集波形の位相から計算で求めるので、測定精度が１桁以上向上する。

【符号の説明】

【0043】

１：光源
２：フィルター
３：ビームスプリッター
４：マイケルソン型干渉計
４ａ：対物レンズ
４ｂ：ビームスプリッター
４ｃ：ミラー
５：ピエゾアクチュエーター
６：ＣＣＤカメラ
７：試料ホルダー
８：試料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】