JPH0578761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、物体細部、例えば半導体工業におけ
る導体路の直線的寸法を測定する測定顕微鏡に関
する。

［従来の技術］ 半導体工業でウエーハ上のパターンの測定は順
次に行われる２つの異なる方法により実施され
る。

パターンの横方向寸法、即ち導体路の幅は、例
えばLeitz−Mitteilungen fuer Wissenschaft
und Technik、第８巻 No.3／４、76〜81頁ま
たは米国特許第4373817号明細書に記載のように、
一般にいわゆるマイクロデンシトメータ上での物
体面内の強度分布を光度計による測定によつて求
められる。これらの装置は顕微鏡光度計から派生
され、中間像面に配置された数ミクロン幅の摺動
可能の測定スリツトと後置光電子増倍管を有す
る。物体面内の強度分布をここに要求される一般
に10〜100nmの分解能をもつて走査するため、該
スリツトは中間像面内に動かされ、このことは直
接物体面内の走査に比して、物体パターンが中間
像面内で対物レンズの倍率だけ拡大して結像して
いるので、ガイド、温度定数等の精度要求が低い
とう利点を有する。

パターンの層厚は多くはマイクロ分光光度計で
物体から反射された光線のスペクトル中の干渉最
小と最大の距離を測定して求められる。半導体工
業用のマイクロ分光光度計は、例えば米国特許第
4087689号明細書に記載されている。

前記のように半導体工業の例えばウエーハ検査
にはそれぞれ国有の試料供給装置、固有の評価計
算機等を有する２種の装置が必要である。この場
合、検査すべきウエーハはそのカセツトとともに
２つの装置のそれぞれに導入し、新たに顕微鏡下
に位置決めしなければならない。これは比較的時
間を多く消費し、大きいスペースを必要とし、検
査ウエーハの汚染の危険が高い。

２種の装置は基本的構造から顕微鏡を備えるけ
れど、そのまま前記装置をまとめ合わせることは
不可能である。というのは、マイクロデンシトメ
ータの中間像面に可動に支持されたスリツト構造
群によつて分光光度計の付加的導入が困難になる
からである。他面、マイクロ分光光度計の測定点
の位置決めに使用される走査テーブルの分解能は
マイクロデンシトメトリにおける走査運動の分解
能に必要な要求を充足しない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、両方の検査、即ちマイクロデ
ンシトメトリもマイクロ分光光度測定もウエーハ
パターンの検査に十分な精度および分解能をもつ
て実施し得る前記方式の装置を提供することであ
る。更に、該装置は簡単な構造を有し、できるだ
け大きい改造なしに市販顕微鏡から少数の補助部
材の付加によつて製造し得なければならない。

［課題を解決するための手段］ 前記課題は、特許請求の範囲第１項または第１
０項の特徴部に記載の特徴を有する測定顕微鏡に
よつて解決される。

特許請求の範囲第１項に記載の解決手段によれ
ば、マイクロデンシトメトリのための物体は例え
ば２座標軸上で調節可能の常用走査テーブルに設
置された、付加的微調整位置決め装置により動か
され、かつ中間像面内の測定スリツトは固定であ
る。この構成に基づき、測定スリツト後方に分光
光度計、詳細には可動部材なしに作動するいわゆ
るダイオード列分光光度計を配置することが可能
である。その際、固定絞りを直接分光光度計の入
射スリツトとして使用することができる。

しかし、幅を調節し得る測定絞りの後方にもう
１つの絞りを瞳平面内に配置するのが有利であ
り、それによつて測定視野の大きさおよび分光光
度計の分解能を互いに無関係に選択することがで
きる。更に、この最後に挙げた実施態様によれば
スペクトル測定の際の感度が高いという利点が得
られる。それは測定絞りをマイクロデンシトメト
リの際必要な小さい寸法に比して広く開放するこ
とができ、分光光度計の多くの光線が得るからで
ある。

マイクロデンシトメトリに使用される信号を得
る検知器として、付加的な積分的に測定する受信
器、例えば光電子増幅管を選択することができ、
これに有利にはビームスプリツタまたは切換可能
のミラーを介して分光光度計の光路から分岐した
光線を送る。更に、分光光度計の格子自体をビー
ムスプリツタとして使用することもできる。その
際には、付加的受信器を該格子に対して、格子か
ら出るゼロ次回折光のみを受光するように配置す
る。

しかし、マイクロデンシトメトリのための信号
を得るため、ダイオード列の複数の、例えば全て
の素子の種々の波長に対応する信号を積分し、こ
れから積分測定信号を形成する電子装置を設ける
のが特に有利である。この手段によれば、ウエー
ハの厚さ測定のためのスペクトル測定からマイク
ロデンシトメトリによる幅測定への切換は、スペ
クトル測定の際の感度を上昇するため場合により
測定スリツトの幅を適合させることを無視すれ
ば、ほぼ純電子的に即ち機械的可動部分を必要と
せずに行われる。

更に、マイクロデンシトメトリには付加的検出
器を必要とせず、むしろ同じダイオード列が両者
の測定目的に受信器として使用される。

ウエーハパターンのマイクロデンシトメトリに
十分な精度をもつて物体を微調整位置決めするた
め、例えば公知形式のピエゾ電気的に調節し得る
付加的テーブルを使用することができる。常用の
ステツプモータによつて例えば10μmのステツプ
幅で作動する、物体を粗く走査する走査テーブル
設置すると、該ピエゾテーブルにより、測定スリ
ツトによる走査の際要求される典型的には10nm
の分解能が物体視野全体内に得られる。

前記手段の特別の利点は、物体走査が顕微鏡の
光軸でのみ行われるので、対物レンズの歪曲収差
が測定精度に介入しないことである。更に、前記
構造によれば、固定測定スリツトを最小の散乱光
をもつて照明し、観測者のため顕微鏡の視野内に
見えるようにすることができる。

特許請求の範囲第１０項記載の手段は、物体平
面内の機械的走査の代わりに、付加的中間結像に
よつて第１中間像面後方にある像面内で強度分布
をそこに配置された第２ダイオード列によつて測
定する点で特許請求の範囲第１項の手段と異な
る。

例えばドイツ国特許第2211235号明細書から光
電的物体走査のためダイオード列を有する測定顕
微鏡は公知であるが、該公知装置ではダイオード
列は第１中間像面内にあり、そのためそのまま、
該公知マイクロデンシトメータを付加的に分光光
度計と前記のように組合わせることは不可能であ
る。

特許請求の範囲第１０項に記載の手段でも、中
間像面に固定絞りは配置されるているが、この絞
りはデンシトメトリの際には取外し可能であり、
またはその寸法（スリツト幅）を変化することが
できる。絞りの取外しまたは挿入はダイオード列
分光光度計から付加的第２ダイオード列への光路
切換と連結するのが有利である。

ここでも第２ダイオード列を格子に対しゼロ次
回折光線のみを検出するように配置すれば、分光
光度計の回析格子自体をビームスプリツタとして
使用することができる。この実施例の場合モノク
ロメータの入射スリツトを中間像面に配置し、デ
ンシトメトリ測定の際には取外さなければならな
い。

［実施例］ 次に本発明を図示の実施例により詳細に説明す
る。

第１図に示す測定顕微鏡は、常用反射光顕微鏡
の破線２で示す本体ならびにデンシトメトリおよ
び分光干渉計測定を実施するための、本体にアリ
溝６により取付けられた付加的ヘツドユニツト１
からなる。

反射光顕微鏡の光学系は、このような装置は公
知なので、簡単にしか説明しない。この系は対物
レンズ３、その後方に配置された、ランプ１４か
ら出て収斂レンズ１５によつてコリメートされ
た、ウエーハ７を反射照明する光線を反射する第
１半透ミラー４ならびに観測光路を接眼レンズ１
６とユニツト１へ分割する第２半透ミラー５を有
する。該顕微鏡は付加的に透過光ユニツトを備え
ており、半導体マスクを測定できるが、ここには
図面を簡単にするため反射光光路しか示されてい
ない。９はいわゆる走査テーブルであり、これは
ステツプモータ１０および１１を介して約10μm
の分解能をもつて粗くウエーハ７の全パターンに
わたつて摺動することができる。

ユニツト１内の、対物レンズ３によつて結像す
るウエーハ７の中間像が発生する位置に測定絞り
１８が配置されている。該絞り１８は幅数μmの
スリツトの形を有し、該スリツトの短辺は紙面内
にある。デンシトメトリのためには、中間像はウ
エーハ７自体をテーブル９に支持した高い分解能
を有するピエゾテーブル８により小さく動かすこ
とによつて測定絞りにわたつて動かされる。矢印
１２および１３は、走査テーブル９による粗い位
置決めに重なる物体の微調整ΔxおよびΔyを表わ
す。前記目的に適する10nmより高い分解能を有
するピエゾテーブルは、例えばワイクリークデザ
インズフレデリツクMD（Firma Wye−Creek
Designs，Frederic，MD）、USAからピエゾ−
フレツクス−ステージ（Peizo−Flex−Stage）
タイプIaの商標で供給される。このようなテーブ
ルはPrecision Engineering、３（１）、1981、14
およびReview of Scientific Instruments、49
（1978）、1735〜1740からも公知である。

絞り１８の後方に半透ミラー１９が配置されて
いる。これに続いて該ミラーを透過した光線の分
割光路内に光学系２３が配置され、該光学系によ
つて対物レンズ３の瞳が敏感な光電子増倍管２４
へ結像される。この光電子増倍管２４は取外し可
能の補助部材２５に収容され、もう１つの交換ア
リ溝２６を介してユニツト１と結合されている。

光電子増倍管２４は図示されていない評価装置
に接続されている。マイクロデンシトメトリ（線
幅）測定の場合、絞り１８を通過した光線の信号
強度の経過はピエゾテーブル８の位置Δxまたは
Δyに応じて評価される。ピエゾテーブル８によ
る走査運動の間に中間像の線形パターンが絞り１
８にわたつて移動すると、例えば第５ｂ図に示す
信号曲線４６が得られ、これから線幅を測定する
ことができる。

ビームスプリツタ１９によつて反射された光線
は凹面反射格子２０へ当り、その後方にダイオー
ド列２１またはいわゆるCCD（電荷結合素子）ア
レーが検出器として配置されている。同様に記憶
オシログラフと結合したダイオード列２１の信号
により、測定絞り１８によつて制限られた物体領
域からの拡散反射光線のスペクトル組成が得られ
る。ウエーハパターンの厚さは、ダイオード列２
１の代表的出力信号を示す第５ａ図のグラフの干
渉最小と最大の位置から求められる。

更に、ヘツドユニツト１は光源２２を収容し、
この光源は格子２０によるゼロ次回折でスリツト
１８の裏面へ結像する。背後から照明される測定
スリツト１８は対物レンズ３によつて物体面へ結
像されるので、観測者１７に見える。

第２図には、第１図のヘツドユニツト１に対す
る選択的実施例３５が示されている。ユニツト３
５内の測定絞り２８の直後に光学系３３があり、
該光学系は物体レンズ瞳の像をビームスプリツタ
２９の反射光路内に配置された増倍管３４の表面
に結像する。ビームスプリツタ２９を透過した光
路内の瞳像の位置にもう１つの絞り３２が配置さ
れており、該絞りは凹面格子３０およびダイオー
ド列３１からなる分光光度計の入射スリツトとし
て役立つ。両方の絞り２８および３２はスリツト
幅が調節可能である。この装置は、検査する物体
領域を選択する測定スリツト（絞り２８）の幅、
ひいては線幅のマイクロデンシトメトリ測定の分
解能および分光光度計30／31の分解能（絞り３
２）を互いに無関係に選択することができるとい
う利点を有する。

第３図によるもう１つの選択的実施例によれ
ば、ヘツドユニツト３７内のマイクロデンシトメ
トリの際の受信器として役立つ光電子増倍管４４
は分光光度計の格子４０に対し、格子４０から出
るゼロ次回折光を受光し、一方ダイオード列４１
は従来と同様に例えば１次回折光を受光するよう
に配置されている。この場合には、格子４０自体
はビームスプリツタとして作用する。ヘツドユニ
ツト３７内の絞り３８は、分光光度計の入射スリ
ツトとして同時にデンシトメータの測定スリツト
として役立つ。絞り３８の後方に10％透過ミラー
３９が配置され、該ミラーはビーム偏向に役立
ち、更に光源４２およびコンデンサ４３により絞
り３８の背面照明を可能にする。

第４図に示す有利な実施例の顕微鏡も、駆動装
置５０により粗く動く走査テーブル４９を備え、
この上に物体、例えばウエーハ４７の微細位置決
めのためのピエゾテーブル４８が支持されてい
る。ピエゾテーブルの駆動装置５２は、走査テー
ブルの駆動装置５０と同様に中央計算機ユニツト
５６から制御される。顕微鏡本体の光学系は著し
く簡単に対物レンズ５３だけで示される。照明光
路および目による観測光路に関しては、第１図の
相当部分を参照されたい。

組合せデンシトメトリおよびスペクトル測定ヘ
ツドは、前記実施例の場合と同様に５１で囲まれ
たユニツトとして構成されている。

入射側の対物レンズ５３によつて結像される中
間像の位置に計算機５６で制御される作動器５４
によつてその幅を調節し得るスリツト状測定絞り
５８が配置されている。該絞りの後方に、対物レ
ンズ瞳を同様に計算機５６により第２作動器５５
を介してその幅を制御し得るもう１つの絞り６２
が配置された位置に中間結像するための光学系６
３が設けられている。絞り６２は凹面格子６０お
よびダイオード列６１からなる分光光度計の入射
スリツトとして役立つ。絞り６２と格子６０の間
の全反射ミラー５９は、単にビーム偏向のみに使
用される。

測定ヘツドユニツト５１は、ダイオード列６１
の他には検知器を有していない。その代わり、ダ
イオード列と計算機５６の間にスイツチ５７で示
すようにスペクトル測定の際に機能を停止するこ
とができる積分器６４が接続されている。記憶ユ
ニツト６５およびモニタ６６が計算機５６と接続
されている。

分光干渉計による層厚測定を実施するには、計
算機５６によつて測定絞り５８を比較的大きく選
択し（破線位置）、観測者によつて検査するパタ
ーンに位置決めする。入射スリツト６２は十分な
スペクトル分解能を達成するため縮小し（破線位
置）、積分回路６４は機能外に置く。それゆえモ
ニタ６６に駆動装置５０および５２が停止した状
態で例えば選択した試料点の第５ａ図に示すスペ
クトル４５が現れる。

続いてマイクロデンシトメトリ線幅測定に切換
る際に、測定スリツト５８を著しく縮小し（実線
位置）、入射スリツト６２を拡大し（実線位置）、
ダイオード列６１の個々の素子の信号を加算する
積分回路６４を機能させる。引続くピエゾ駆動装
置５２による物体４７の走査の際には、ダイオー
ド列６１の全ての素子の和信号を物体位置に応じ
て記憶器６５に記憶させ、かつモニタ６６に表示
する（第５ｂ図）。

第４図に示す実施例は、線幅測定にも厚さ測定
にもただ１つの検知器としてのダイオード列６１
を必要とするだけである。デンシトメトリのため
の高い感度は、ダイオード列６１の非常に多数の
個々の素子の信号を加算することにより達成され
る。この場合には、絞り６２はそのまま広く開く
か、または完全に除去することができる。それは
デンシトメトリの際検出する光線のスペクトル分
布に関する情報は問題とならないからである。

これに反し分光干渉計法による厚さ測定の際に
は、絞り６２は格子分光光度計６０のための入射
スリツトとしての特性から代表的には幅50μmに
縮小する。同時に、デンシトメトリのために代表
的に幅10μmの測定スリツト５８（物体面内の約
10nmに相当）は幅約200μmに拡大する。それに
よつて分光光度計法の場合も、感度の高い測定の
ため十分に光線が得られる。

対物レンズ５３の下の物体４７の機械的または
熱的ドリフトのため、またはマイクロデンシトメ
トリの際に物体４７を走査する間のピエゾ駆動装
置５２のヒステリシス効果のため測定誤差が発生
するのを避けるため、ピエゾ駆動装置５２は低い
周波数で約10μmの振幅によつて変調する。幅を
測定する線パターンが変調ストローク内にある場
合には、それぞれの信号を第６図に示すように互
いにずらす。時間的に前後して現れる信号Ａ，Ｂ
およびＣ等から線パターンの幅を求めるためは、
それぞれ変調運動のそれぞれ相対するフランクで
エツジ距離ΔaおよびΔbないしはΔbおよびΔcを
測定し、それから平均値を求めるのが有利であ
る。それによつて前記ドリフト運動の線幅測定へ
の影響が除去される。

ウエーハの線幅および層厚を測定する測定顕微
鏡の第７図に示す実施例は、微調整位置決めのた
めのピエゾテーブルを必要としない。本体を８２
で示す顕微鏡は、対物レンズ８３の下のウエーハ
８７を粗く位置決めするためステツプモータ８０
および８１を有する走査テーブル８９のみを備え
る。８４〜８８で示すその他の部材は第１図によ
る実施例と同じである。

同様個別の構造ユニツトとして構成され、顕微
鏡スタンド８２にアリ溝７６で固定される測定ヘ
ツドユニツト７５内の、対物レンズ８３によつて
結像される第１中間像の位置に、同時に分光光度
計の入射スリツトとして役立つ測定絞り７８が配
置されている。分光光度計は、凹面格子７０およ
びダイオード列７１からなる。格子７０と入射ス
リツト７８の間にビーム偏向のためのプリズム７
９が配置されている。スリツト７８とプリズム７
９は１つのユニツト７２として形成され、矢印７
７で示されるように一緒に光路から除去すること
ができる。

スリツト７８およびプリズム７９を取外すと、
物体８７の中間像は光学系７３によつてもう１度
第２ダイオード列７４の表面の結像される。この
第２ダイオード列７４は、物体面内の強度分布を
表わす信号を放出する、それゆえマイクロデンシ
トメトリ測定に使用される。

これに反しユニツト７２を光路へ投入すると、
第１ダイオード列７１は分光干渉計法厚さ測定で
評価する信号を放出する。

ダイオード列７１および７４は、素子数、素子
サイズ等がそれぞれの測定目的に適した異なるタ
イプであつてよい。２つのダイオード列は共通の
計算機に接続されており、それによつて信号が評
価され、測定結果が形成され、グラフイツク表示
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は顕微鏡と結合した第１実施例の光学系
の光路図、第２図は第１図のヘツドユニツトの代
わりに使用する第２実施例の光学系の光路図、第
３図は第１図のヘツドユニツトの代わりに使用す
る第３実施例の光学系の光路図、第４図は第４実
施例による測定顕微鏡の光学系の光路図、第５ａ
図および第５ｂ図は第１図または第４図による顕
微鏡から出る測定信号を示す図、第６図は第４図
測定顕微鏡の１実施例による第５ｂ図の測定信号
の時間的挙動を示す図、第７図は顕微鏡と結合し
た第５実施例の光学系の光路図である。 １，３５，３７，５１，７５……ヘツドユニツ
ト、２，８２……顕微鏡、３，５３，８３……対
物レンズ、６，３６，７６……アリ溝、７，４
７，８７……ウエーハ、８，４８……ピエゾテー
ブル、９，４９，８９……走査テーブル、１０，
１１，８０，８１……ステツプモータ、１８，２
８，３２，３８，５８，６２，７８……絞り、２
０，３０，４０，６０，７０……格子、２１，３
１，４１，６１，７１，７４……ダイオード列、
２４，３４，４４……光電子増倍管、５２……ビ
エゾ駆動装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 横方向寸法を測定するために物体面内の強度
   分布を光度計により測定する形式の、物体細部の
   直線的寸法を測定する測定顕微鏡において、顕微
   鏡２にヘツドユニツト１，３５，３７，５１が設
   置されており、該ヘツドユニツトは、横方向寸法
   を測定するために設けられた手段の他に、中間像
   面に配置された固定絞り１８，２８，３８，５８
   の後方に検出器としてダイオード列分光光度計２
   ０，２１，３０，３１，４０，４１，６０，６１
   を有していることにより、選択した物点から出発
   する光線のスペクトル組成を測定して物体パター
   ンの厚さを検出する装置を備え、かつ２座標軸で
   調節し得る物体テーブル９，４９が物体を微調整
   位置決めするための付加的装置８，４８を備えて
   いることを特徴とする、物体細部の直線的寸法を
   測定する測定顕微鏡。 ２ ヘツドユニツト１，３５，３７に別の積分的
   に測定する受信器２４，３４，４４が接続されて
   いるか、または該ヘツドユニツト内に組み込まれ
   ている、特許請求の範囲第１項記載の物体細部の
   直線的寸法を測定する測定顕微鏡。 ３ 物体面内の強度分布を測定するため、ダイオ
   ード列分光光度計６１の多数の素子の種々の波長
   に対応する信号から積分測定信号を形成する電子
   装置６４を有する、特許請求の範囲第１項記載の
   物体細部の直線的寸法を測定する測定顕微。 ４ 絞り５８の寸法が可変である、特許請求の範
   囲第１項から第３項までのいずれか１項記載の物
   体細部の直線的寸法を測定する測定顕微鏡。 ５ 測定絞り５８の後方に調節可能の寸法を有す
   るもう１つの絞り６２が瞳面内に配置され、この
   絞りがダイオード列分光光度計６０，６１の入射
   スリツトとして役立つ、特許請求の範囲第１項か
   ら第４項までのいずれか１項記載の物体細部の直
   線的寸法を測定する測定顕微鏡。 ６ 分光光度計２０，２１，３０，３１および積
   分的に測定する受信器２４，３４へ測定光線を分
   割するためビームスプリツタ１９，２９または切
   換可能のミラーを有する、特許請求の範囲第２項
   記載の物体細部の直線的寸法を測定する測定顕微
   鏡。 ７ 積分的に測定する受信器４４が分光光度計の
   格子４０に対し、該格子から出るゼロ次回折光を
   受信するように配置されている、特許請求の範囲
   第２項記載の物体細部の直線的寸法を測定する測
   定顕微鏡。 ８ 微調整位置決めのための付加的装置が、テー
   ブル９，４９に設置可能な、ピエゾ駆動装置１
   ２，１３，５２によつて調節される物体ホルダ
   ８，４８として形成されている、特許請求の範囲
   第１項記載の物体細部の直線的寸法を測定する測
   定顕微鏡。 ９ 物体面内の強度分布測定の間ピエゾ駆動装置
   ５２を周期的に振動させる、特許請求の範囲第８
   項記載の物体細部の直線的寸法を測定する測定顕
   微鏡。 １０ 横方向寸法を測定するために物体面内の強
   度分布を光度計により測定する形式の、物体細部
   の直線的寸法を測定する測定顕微鏡において、顕
   微鏡２にヘツドユニツト７５が設置されており、
   該ヘツドユニツトは、横方向寸法を測定するため
   に設けられた手段の他に、第１中間像面に配置さ
   れた、取外し可能であるか、または寸法が可変の
   絞り７８の後方に、ダイオード列分光光度計計７
   ０，７１と、第２中間像面に配置された、物体面
   内の強度分布を検出する別のダイオード列７４と
   を有していることにより、選択した物点から出発
   する光線のスペクトル組成を測定して物体パター
   ンの厚さを検出する装置を備えていることを特徴
   とする、物体細部の直線的寸法を測定する測定顕
   微鏡。 １１ 測定光線を分光光度計７０，７１またはも
   う１つのダイオード列へ分割するためビームスプ
   リツタまたは切換可能のミラー７９を有する、特
   許請求の範囲第１０項記載の物体細部の直線的寸
   法を測定する測定顕微鏡。 １２ 絞り７８およびミラー７９が、ミラーおよ
   び絞りの切換がいつしよに行われるように互いに
   連結されている、特許請求の範囲第１１項記載の
   物体細部の直線的寸法を測定する測定顕微鏡。 １３ 第２ダイオード列が分光光度計の格子に対
   して、該格子から出るゼロ次回折光を受信するよ
   うに配置されている、特許請求の範囲第１０項記
   載の物体細部の直線的寸法を測定する測定顕微
   鏡。 １４ 絞り１８の背面照明のため分光光度計の格
   子２０を介して絞りへ結像する光源２２を使用し
   ている、特許請求の範囲第１１項から第１４項ま
   でのいずれか１項記載の物体細部の直線的寸法を
   測定する測定顕微鏡。