JPH0815177B2 - 表面輪郭決定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体ウエーハ等のような試料上の表面図形
（パターン）を走査するための装置に関し、特にそのよ
うな試料の断面輪郭を正確に知るための装置に関する。

半導体ウエーハ等を検査する場合表面図形の欠陥を検
知するために、顕微鏡、光学、音響学および電子走査の
型式の種々の形を利用する様々な方法が用いられてき
た。光学的結像系においては、一般にTVカメラに似た装
置が用いられているが、そこでは電磁放射線がウエーハ
上の比較的大きな点から反射され、光学系および結像カ
メラの通して処理されて多重光度の像を与え、これがデ
ジタルまたはアナログ装置のいずれかによって、CRTの
ような適当な出力装置の上に再生することができる。

半導体ウエーハの検査は、典型的には、製造工程が正
しく遂行されたかどうかを確認するために、或る種の処
理欠陥を検知するかライン幅の測定を行うことができる
装置を与える。処理欠陥を検知してこれを正確に測定す
る寸法の公差限界はミクロンまたはそれ以下の領域であ
るから、顕微鏡による結像系は一般に高度の結像分解能
を必要とする。

従来技術の或るウエーハ検査装置では、極く狭い焦点
深度の光学系を介してレーザ・ビームが集中される。そ
の時、半導体ウエーハの上面にそってレーザ・ビームを
走査することによって、図形化されたラインまたはウエ
ーハ上の図形を、ラインの縁から出る散乱光を測定する
ことにより縁を示す特殊検知装置を用いて、測定するこ
とができる。反射像が少し焦点を外れた時にそれを認識
して、ウエーハの反射された表面を正しい焦点に継続し
て保つように、ウエーハと光学系の間隔を（いずれか一
方を他方に対して移動させて）調整することにより、変
化する表面高さに追従するように、従来型式のウエーハ
走査装置でビーム焦点高さを調整することができること
は広く認識されている。そのような走査装置を記載する
従来技術の特許にはヨシカワ他の米国特許第4,505,585
号およびカーク（Kirk）他の米国デフェンシブ・パブリ
ケーション（Defensive Publication）Ｔ第102,104号が
含まれる。

本発明によれば、半導体ウエーハ、またはウエーハの
或る区域の表面図形情報を決定するラインを走査して行
う表面輪郭決定装置にして、 下方のウエーハ上の小さな点にビームを焦点合せする
ための、ビームの測定可能の特性を検知して出力信号を
与えるために前記ウエーハから反射された点を受像する
フォトディテクタを含む、焦点深度の極めて浅い共焦光
学結像系と、 前記点が前記ウエーハの一部分を横切る１本のライン
にそって走査するように前記結像系と前記ウエーハの間
の相対運動を生ずるための装置とを有する表面輪郭決定
装置において、 前記ラインにそう１回の走査において複数の密接隔置
された個所で前記フォトディテクタ信号を取得し記憶す
るための装置、 前記ラインにそう各走査の後に１単位距離ずつ前記結
像系の焦点を前記ウエーハに対して順次移動させるため
の装置、 前記走査ラインにそう前記隔置個所の各々において最
大出力信号が得られる時の前記結像系の焦点高さを決定
するための装置、 前記結像系の焦点高さを決定するための装置により決
定された前記焦点高さを前記ラインにそう前記ウエーハ
の断面輪郭の表示として与えるための装置、 前記断面輪郭の表示から前記最大表面図形情報を与え
る高さを選択するための装置、 前記焦点移動装置が前記結像系の焦点を順次前記選択
された高さの各々に移動させるようにする装置、及び 焦点高さが前記選択された高さの各々にある間に前記
走査ラインに平行な複数のライン上を走査する相対運動
を生じさせる装置を有し、それにより前記ウエーハ上の
前記或る区域の残りを走査して前記或る区域内の関係表
面図形情報の全てを取得する表面輪郭決定装置が与えら
れる。本発明によって得られる輪郭の情報を後で効果的
に利用して在来技術の装置により得られるよりも概して
高い精度で従来の図形ライン幅測定を行うことができ
る。また必要な関連情報の全てを与えるような選択され
た高さのみにおいてウエーハの全域を急速に走査して、
処理時間および所要のデジタル記憶容量を減じることが
できるように、この輪郭はウエーハの特定の区域を走査
すべき具体的高さを決定するのに必要な情報を与える。

本発明の装置によれば、ウエーハ表面上の小さな点に
向けてビームを投射し、焦面またはその近くにおいて反
射性表面を表示する反射ビームの計測可能の特性に関
し、反射された点の像を検知するために光学的結像系が
与えられる。光学的結像系およびウエーハはウエーハの
平面にほぼ平行な面内で相対的に移動されるので、反射
される点はウエーハの一部分または或る区域を横切るラ
インを走査し、その走査ラインにそう複数の極く密接隔
置された位置における測定可能の特性を表す信号を記録
し記憶する装置が与えられる。複数の走査がウエーハの
関連表面細部を完全に通過し終るまで、一つの走査ライ
ンにそう一通過（パス）毎にウエーハおよび結像系を近
付けまたは遠ざけるように動かすことによって結像系の
焦点高さを順々に変える。そしてその走査ラインにそう
各個の記録位置について、表面表示を最も特徴づける信
号（例えば最大反射光度の信号）が得られた時の系の焦
点高さが決定される。走査ラインにそう密接隔置された
位置の各々においてこのように決定された焦点高さの連
続的な蓄積がその走査ラインにそうウエーハ表面の断面
輪郭を表す。

図形のライン幅測定を直接に行うのにこの表面輪郭情
報を利用し得る。または、ウエーハ上の特定の部分また
は区域にわたるあとの走査中に光学系を自動焦点合せす
る必要のある特定の表面高さを選択するのにこの情報を
用いることができる。これにより、選択されたウエーハ
区域を徹底的に走査して３次元像を形成することができ
る。

第１図に図示され、本出願人にかかる特開昭62−2459
49号「半導体ウエーハ走査装置及び方法」に詳述されて
いるようなウエーハ走査装置によって、本発明の表面輪
郭決定装置を実施できる。前記出願内容を本出願で引用
しているが、詳しくは前記出願を参照されたい。

第１図は本発明の機械装置を説明的に図解し、本発明
の回路をブロック図形式で示す。同図面を参照すると、
半導体ウエーハＷ上の小さな点上にレーザ光源（40）か
らの鋭く画成されたビームを集中させるための光学モジ
ュール（20）が設けられている。この光学モジュールか
らの信号はこれを制御してデータ情報信号としてコンピ
ュータ系（22）に与える共焦点の光学結像系を含む。コ
ンピュータ系は像ディスプレー・モニター（24a）（走
査全域の「スーパーフォーカス」像がディスプレーされ
る）およびグラフィック・ビデオ・ディスプレー・ユニ
ット（24b）（輪郭、グラフおよびヒストグラムがディ
スプレーされる）を含む種々のディスプレー・ユニット
に向けて情報を出力する。この体系により検査されるべ
き半導体ウエーハＷの表面は光学結像系の下方にあり、
投射ビームにほぼ垂直な平面内に延在する。ウエーハ
は、それぞれｘおよびｙステージ（34,32）によってｘ
およびｙの直交方向に、またｘ方向に動くように整合さ
れた振動走査（スキャナ）機構（46）によって、この平
面内で動かされるように配置される。ｘおよびｙステー
ジはコンピュータ系（22）からの適切な信号の制御の下
で、従来のモータ制御回路（36）によって駆動される。
ｚ方向、すなわちレーザ光源（40）から投射された光ビ
ームにほぼ平行な方向への運動は焦点制御機構（28）に
より行われる。該機構は光学系の焦面を変えるために極
く小さな垂直方向距離にわたって対物レンズ（26）（光
学系の最終素子）を変位させる。焦点制御機構はレンズ
（26）を上下に変位させるために、従来の制御回路（3
8）からの焦点制御信号を介して前記コンピュータ系に
よって作動される。レーザ光源（40）からのビームは極
く狭い焦点深度をもって鋭く集中され、焦面にあるウエ
ーハＷ（もしあれば）の表面から反射されて光学系を通
してフォトディテクタ（42）に戻るようにされている。
フォトディテクタ（42）からの信号は制御回路（44）に
よって抽出されデジタル化されてコンピュータ系（22）
に伝達され、ウエーハＷの表面上の投射点から受けとる
反射光の光度を表す。このデジタル信号は焦点高さｚの
関数として、またｘ−ｙ平面における密接隔置された個
別位置の関数として与えられる。この光学系は焦点深度
が極く狭いので、焦面が下方の反射面に一致する際に反
射光度はピークを示し、ウエーハ表面が焦面から外れる
につれて急激に低下する。よって任意のある面内（ｘ、
ｙ）位置におけるウエーハの高さは反射光の光度を表す
最大出力信号を得るように焦点制御機構（28）を作動さ
せることにより容易に検知することができる。本発明は
この基本原理に基づいている。コンピュータ系（22）は
ビームのウエーハ上のｘ、ｙ位置およびビームの焦面の
ｚ高さ位置の双方を追跡し、走査されるウエーハの部分
の３次元出力表示を与えるために、前記情報をフォトデ
ィテクタ（42）からの光度信号と調整する。

前述のようにウエーハＷはｘおよびｙステージ（34,3
2）によって水平面内を移動するが、両ステージはコン
ピュータ系（22）の監視の下でｘ、ｙステージ・モータ
制御回路（36）によって制御される。ステージ（32,3
4）はミクロン未満の分解能と精度を符号化する光学位
置エンコーダを設けられた従来の精密移動テーブルを含
む。モータ制御回路（36）も本質的には従来通りのもの
で、両ステージを動かす駆動信号を与え、任意の瞬間に
おけるウエーハの位置を正確に監視するように位置エン
コーダからの信号を受信し処理するためのA/D回路を含
む。ｚ軸焦点制御回路（38）は焦点制御機構（28）への
出力電圧を与え、該機構は、本実施例では、垂直面内で
膨張または収縮し、かかった電圧に応答して対物レンズ
（26）の相対垂直位置を変える圧電結晶体を含む。

装置全体の制御回路（44）は増幅器（45）を通してフ
ォトディテクタ（42）から連続して光度信号を受け、こ
のデータをスキャナ（46）の位置情報に同期させるよう
になっている。制御回路（44）はまた増幅器（47）を通
して振動走査機構（46）に走査駆動信号（正弦波形）を
出力する働きをもつ。走査機構（46）はウエーハを迅速
にｘ方向に振動させる。片方のステージ（直線移動器）
（32）は、ウエーハの或る高さにおいて２次元平面走査
を与えたい時に、ｘ方向への振動走査運動中に同時にｙ
方向にウエーハＷをゆっくり動かすようにすることもで
きる。複数の高さを走査することによって３次元の走査
を得ることができる。ウエーハ上の全域（またはサイ
ト）のこのような３次元走査は前記特開昭62−245949号
に詳細に説明されている。後により詳細に説明するよう
に、本発明の表面輪郭決定装置では、スキャナ（46）を
ｘ方向にのみ動かしてウエーハ上の同一ライン上で反復
して複数の走査を行うと同時に焦点制御機構（28）を介
してレンズ（26）の高さを単位距離ずつ変えるようにし
て次のラインの走査開始に移ればよい。

制御回路（44）を見ると、走査駆動電圧がライン走査
波形メモリ回路（48）からデジタルで与えられること、
またD/Aコンバータ（49）が増幅器（47）による適切な
増幅のためにデジタル信号をアナログ信号に変換するこ
とが判る。メモリ（48）は走査制御・同期回路（50）に
よってアドレスされる。フォトディテクタ（42）から送
られるアナログ信号はA/Dコンバータ（51）によってデ
ジタル信号に変換される。ウエーハＷを担持する走査機
構（46）はウエーハＷが走査されるにつれ変化する直線
速度にて動くから、記録されるデジタル信号情報がウエ
ーハ上の走査ラインにそってほぼ均等に隔置される位置
に対応するようにフォトディテクタのデジタル信号のタ
イミングが調整されて、出力装置、すなわちグラフィッ
ク・ビデオ・ディスプレー・ユニット（24b）、及び像
ディスプレー・モニタ（24a）にウエーハのひずみ無し
像を発生し得るようになっている。この目的を達成する
ために、抽出試料間のタイミングを調整するようにライ
ン走査ひずみメモリ（52）が設けられる。メモリ（52）
からのタイミング情報はピクセル（pixel）タイミング
・シンクロナイジング（同期）回路（53）に利用され、
該回路は、適切な回数でデジタル入力信号を受入れて記
憶するライン走査ピクセル・メモリ（54）を制御する。
（フォトディテクタからの）各抽出信号はウエーハ上の
極く小さな単位区域の表示であるピクセルに対応し、そ
の時点の抽出信号はその単位区域からの反射光の測定値
となる。制御回路（44）のさらに詳細かつ完全な記載に
ついては、前記特開昭62−245949号を参照されたい。

半導体ウエーハ走査系を構成する機械構造は第２図乃
至第５図に示されている。先ず第２図を参照すると、ウ
エーハ駆動装置および光学系の全体は大形の定盤（60）
の上に載せられて配置され、定盤（60）はその四隅を支
持する４個のピストン・シリンダ型空気ばね（62）によ
り隔置されてテーブル（61）の上に据えつけられる。垂
直変位自在の焦点制御機構（28）を含む光学モジュール
（20）を支持するために、定盤（60）の上方に総枠構造
（64）が立っている。

焦点制御機構の細部は第２図、第４図および第５図に
よく示されている。前部上面が開口し、後面（第５図）
が枠構造（64）の垂直面にある軌条（73）の中を滑動す
るようにされたケージ（72）の中に、可動対物レンズ
（26）が取付けられているのが見られる。ケージ（72）
の片側に支持ブラケット（70）が外方に突き出るように
取付けられている。支持ブラケットはDCサーボモータ
（66）を支持し、DCサーボモータはそれから突出する親
ねじ（67）を有し、親ねじ（67）は枠（64）の主要直立
部分に固定された支持ブラケット（68）の上面に係合す
るようになっている。第２図を見ればモータ組立体（6
6）の中でねじ（67）が回ると、対物レンズ（26）を下
方のウエーハ支持組立体に対して上げ下げするように働
くことが判る。このレンズの運動はウエーハ表面に対す
る光学系のおよその整合、すなわちウエーハＷの表面が
光学系の基本焦点範囲に入るように光学系を動かすため
だけに設けられる。後に説明するように、この大まかな
動きは先ず光学系の焦面をウエーハの上面の近くの上方
に入れて、そのあと、レーザ（40）からのビームがウエ
ーハを横切って走査するに従って順次レンズ（26）をウ
エーハに近い方に動かすことができるようにする。モー
タ（66）を用いてレンズ（26）を下にあるウエーハ支持
構造のずっと上方に持上げることは、ウエーハＷの装
填、取外しを容易にもする。

対物レンズ（26）の精密焦点合せ（すなわち精密垂直
調整）はほぼ円筒形の圧電結晶体（76）（第４図および
第５図）によって行われる。圧電結晶体（76）はレンズ
（26）の取付枠の上端がねじ込まれる中央ハブ（75）を
有する上方環状支持部材（74）とケージ（72）の基部の
間に取付けられる（第４図）。電気リード線（77）（第
５図）への電圧を変えることによって、結晶体（76）は
矢印（第４図）の方向（軸方向）に収縮または膨張し、
ひいては下方のウエーハに対して対物レンズ（26）を下
げたり上げたりする。結晶体（76）に異なる電圧をかけ
た場合のレンズ（26）の動きはミクロン未満の範囲（例
えば0.01ミクロン単位）であるから、ウエーハ面の表面
高さの比較的小さな相違を区別できることが判るであろ
う。

平面（つまりｘ−ｙ）駆動装置は第３図の分解図で良
く示されている。図面から明らかなように、ｘおよびｙ
駆動装置、つまり各ステージ（34,32）は従来の精密移
動テーブルを含み、該テーブルは、本実施例では直線行
程約６〜8in（15.2〜20.3cm）を有するように設計され
ている。これら各テーブルは、スライド・ブロック（8
0）に取付けられたナットにねじ結合する親ねじ（図示
せず）によって溝形枠（83）の中でスライド・ブロック
（80）を駆動する働きをする駆動モータ（82）を含む。
図示されてないが、各移動テーブル内には、装置の作動
中に光学系からの反射光測定値に対して任意の時点にお
けるｘ−ｙ面内のウエーハの精密位置を相関させ、制御
することができるように、継続的な位置信号をコンピュ
ータ（22）にフィードバックする働きをする、ミクロン
未満の分解能および精度を有する光学的位置エンコーダ
を、設けることは明らかであろう。上方、つまりｙステ
ージ（32）のスライド・ブロック（80）の上面に下方傾
斜板（84）が取付けられ、それに板ばね（88）によって
中間傾斜板（86）が取付けられる。板ばねは両傾斜板の
隣接する隔置端に堅固にボルト止めされる。板ばね（8
8）取付け端とは反対側の傾斜板（86）の端に傾斜調整
ねじ（87）がねじ込まれて下方傾斜板（84）の上面に接
触し、そのため、ねじ（87）の調整によって中間傾斜板
（従ってその上方に支持される構造）をｘ軸の回りに傾
けることができる。同様に、上方傾斜板（90）が中間傾
斜板（86）に対して板ばね（92）によって隔置関係に取
付けられる。板ばね（92）は両傾斜板の後縁にボルト止
めされている。傾斜板（90）の前縁を通して傾斜調整ね
じ（91）がねじ込まれて傾斜板（86）の上面に接してい
て、傾斜板（90）をｙ軸の回りに回して調整するように
なっている。初めに装置を設定し、後でそれを点検する
際、上方傾斜板（90）の表面が、上方の光学系（20）か
らの光ビームの進路に精密に垂直でありかつ完全に水平
な平面の中にあるように、傾斜調整ねじ（87,91）を正
しく調整することが大切である。

ウエーハＷをｘ軸方向に迅速に振動させる振動スキャ
ナ機構（46）を第３図に詳細に示す。図面から明らかな
ように、スキャナ機構（46）は、中実の駆動バー（78）
を振動運動させるように支持する１対の板ばね（120a,1
20b）と１対の張力調整板ばね（121a,121b）を含む矩形
構造を有する。これらの板ばねは、各々の端が４個のコ
ーナーブロック（122）にしっかりボルト止めされて矩
形構造内に配置される。駆動バー（78）は各振動用板ば
ね（120a,120b）の中間点にしっかり取付けられて両板
ばね間に延在する。駆動バー（78）の平らな上面にはウ
エーハＷをしっかり保持するために真空が供給される真
空チャック（89）（第２図参照）が配置される。駆動バ
ー（78）の後方に突き出る端（78a）にコイル（79）が
取付けられ、それに増幅器（47）（第１図）を介して制
御回路（44）から駆動電流が供給される。複数の固定磁
石（101）が一対の隔置された直立の取付ブロック（10
0）に取付けられ、両取付けブロック間にコイル（79）
が配置されて振動スキャナ機構の電磁駆動装置を完成す
るようになっている。第３図に示すように、取付ブロッ
ク（100）は上方傾斜板（90）の延長部上に取付けられ
ており、コイル（79）を駆動回路に接続するための端子
（101a）の取付け部にもなる。スキャナ（46）を上方傾
斜板（90）に堅固に固定するために、Ｕ字形取付ブロッ
ク（124）が取付板（128）を介して張力ばね（121a,121
b）の各々の中間点にボルト止めされる。取付板（128）
の各々は止めねじ（127）を受承するねじ孔を中心に有
する。各止めねじは連合するＵ字形取付ブロック（12
4）の中の通路を通して自由に延在する。衝接ブロック
（125）が上方傾斜板（90）の上面に固定されて止めね
じ（127）が衝接する表面を与える。各取付ブロック（1
24）はボルト（126）によって上方傾斜板（90）の上面
にも固定される。ボルト（126）はブロック（124）を通
って延在する穴に受承されて、ボルトをゆるめるとブロ
ックがスキャナに対して横方向に移動し得るようになっ
ている。よって、ボルト（126）を充分に締める前は、
取付ブロック（124）は衝接ブロック（125）の横面上を
自由に滑動し、それにより張力ばね（121a,121b）を最
も内方の位置から外方の位置に向けてに曲げることを可
能にする。これは系の機械的共振周波数を所要の値に調
整するように、板ばね（120a,120b）に正しい張力をか
けるために行われる。この機械的共振周波数は系の作動
または駆動周波数よりも僅かに高い値に設定すべきであ
る。それは系のエネルギ効率が良くて、しかも振動駆動
周波数が共振点を通って制御の喪失および構造損傷を生
ずることが無いようにするためである。衝接ブロック
（125）の外方に板（128）を動かすように止めねじ（12
7）を回すことにより、張力ばね（121a,121b）は外方に
曲がってばね（120a,120b）に軸方向の引張り力を及ぼ
す。各張力ばね（121a,121b）はその連合する止めねじ
（127）により別々に調整することができるから、ばね
支持系に個別に調整を行って、ばね系構成の全ての非対
称を補償し、完全に対称的な駆動配置を達成するように
保証することができる。

コイル（79）に交流電圧をかけると、その周波数でｘ
軸方向に前後に、つまり矢印（110）（第３図）で示す
両方向に駆動バー（78）およびそれに支持されるウエー
ハＷを変位させ、それにより支持ばね（120a,120b）も
曲げられる。このウエーハ上のｘ軸にそう系の走査ライ
ン幅を構成する横方向振動は代表的な全行程約2mmに設
定される。

コンピュータ系（22）が前記機械的および光学的装置
の作動を制御するためのプログラミングは第６図にフロ
ーチャート形式で示される。いったんウエーハＷが適当
に真空チャック（89）の上に配置されると、基本ｘ−ｙ
平面駆動機構（34,32）を用いてウエーハを光学結像系
（20）の下方の位置に持ってくることができ、そこでレ
ーザ（40）からのビームはウエーハ上の特定サイトに重
なる。典型的な半導体ウエーハ検査作業では、時間的制
約があるので、ウエーハ全域を走査することよりもむし
ろ、選択された複数の小さな区域、つまりサイト（例え
ば４個所）だけを検査するのが慣例である。いったんウ
エーハがコンピュータ（22）からの信号の指令の下でｘ
−ｙステージ・モータ制御回路（36）によって、最初の
選択されたウエーハ検査サイトの中の開始のｘ、ｙ位置
を光学結像系（20）からのビームの下に位置決めするよ
うに動かされた後で、焦点制御機構（28）を作動して焦
点高さを焦面z₁にもってくる。焦面z₁は、たとえウエー
ハが厚さを多少変えても、また完全に水平な平面内に存
在しなくても、ウエーハの最高表面の高さよりも常に上
方にくるように選ばれる（第８図の最上図参照）。つぎ
にウエーハ上の１本のライン（ｘ方向）にそうｚ（垂
直）輪郭を求めてディスプレーするためのサブルーチン
Ｖ（ｚ）を実行する。このサブルーチンの詳細を第7A
図、第7B図および第7C図に示す。

先ず第7A図のデータ収集段階を参照すると、光学系の
焦点高さを前述のように最も高い走査高さz₁に持ってく
るように、焦点制御機構（28）を先ず（制御回路（38）
を介して）作動することが判る。つぎに振動走査機構
（46）を作動してレーザ（40）からのビームをウエーハ
上の１本のラインにそって走査させながら、制御回路
（44）（第１図）は単一（つまり一方向）の走査運動で
そのラインにそうｎ個（例えば512個）のサンプル地点
でフォトディテクタ（42）からの反射光度のデータを採
取する。これらのサンプルはその区域またはサイトの一
方の横縁から他方の横縁までの間にそのラインにそって
ほぼ均等に隔置された位置（x₁〜x₅₁₂）を表す。スキャ
ナ（46）のばね系駆動部がその走査ラインにそって戻り
方向にウエーハを戻す時、データはとられず、焦点制御
機構（28）が作動されて焦点高さを１単位距離（典型的
には100分の数ミクロン）だけ下げる。この手順は第7A
図に示すように焦点高さと（ｚ高さ）が漸進的にｍ個
（例256個）の高さまで下げられる間繰返えされ、各高
さでｘ方向にそって512個のサンプルが得られこの情報
の全てがコンピュータ系（22）のメモリの中に記憶され
るものと理解されたい。

データ収集段階が完了すると、このデータは第7B図に
示すプログラムに従って処理される。データはコンピュ
ータ内で配列（x_i×z_j）にして記憶される。ただしｉ
（ｘ軸にそって隔置されたデータ採取位置数）は代表的
には約512であり、ｊ（光学系の焦点高さ単位数）は代
表的には約256である。よって輪郭付け操作のためのデ
ータ記憶は512×256、つまり約131Kバイトの情報を収容
しなければならない。第7B図に示すように、系はz₁およ
びx₁に始まり、最大ピーク値（P_m）およびそのピーク値
における反射光度信号（Ｒ）を求め、また最初のピーク
値P₁を求める。よってｘ軸にそうデータ位置x₁におい
て、プログラムは各ｚ高さ（１〜256）を通して順次反
射光度値を検べて、先ず最初のピーク値（つまり、反射
光度が先ず高まってピーク値に達してから落ちる個所）
を位置決めし、ついで最大ピーク値（つまり最高反射光
度値）を位置決めする。最大ピーク値はウエーハの基本
反射表面が精密に光学系下方の焦面に在るｚの高さにて
生じ、最初のピーク値（もしも最大ピーク値の前にピー
クがあるならば）は下側の基本反射表面に重なる透明ま
たは半透明の層が精密に焦面に在るｚの高さで生じる。

上記の過程は第８図のグラフ図により明らかである。
第８図は典型的なウエーハの部分断面形態（最上図）お
よびグラフィックVDU（24b）（第１図）に示されるその
ような輪郭の対応する出力ディスプレーを示す。よっ
て、下側のシリコン・ベース層をベース層Ａにして、１
対の隔置されたアルミニウムの金属ラインが高さＢに与
えられ、より高いシリコン・ダイオキサイド（SiO₂）の
絶縁ラインが高さＤに与えられる。電導物質および絶縁
物質の上に、エッチング工程の後に残された半透明の或
る種の耐光性物質が重ねられる。アルミニウム・ライン
上の耐光材はほぼ高さＣを真中にした小山状に盛られ、
シリコン・ダイオキサイド上の耐光材は図のように一定
高さに在る。よって、データ採取位置x₁₀を処理してい
るとし、この位置が第８図に示すようにシリコン・ダイ
オキサイド層の中に在るとするならば、プログラムによ
ってｚ高さが順次シーケンスされるに従って、高さＥに
おける焦面を表わすｚ高さが最初のピーク反射光度
（Ｒ）値を与える。ｚ高さがＥに近付くと、対応する信
号Ｒのレベルは上がり、遂に高さＥにてピークに達して
から、焦面が高さＥよりも下がるにつれて落ち始める。
しかし焦面（ｚ高さ）が高さＤに近付くにつれて反射光
度信号にもう一つのピークが発生し、このピークは高さ
Ｅにおけるピークよりも高い。それはＤにおけるシリコ
ン・ダイオキサイドはややくすんだ色の物質から成る不
透明な層であって、高さＥにおける耐光材の半透明の層
よりも大きな割合の光を反射する。焦面すなわちｚ高さ
が高さＤよりも下がるにつれて、他の幾つかの見かけの
反射光度ピークが発生するかも知れないが、これは本発
明の理解の上で重要でない光学的な理由により、高さＤ
におけるピークよりもかなり小さな値をとる。第7B図に
示すように、コンピュータはx₁₀位置におけるｚ高さの
値（z_j）および最大ピークP_mにおける反射光度値Ｒを記
憶する。この過程はｘ軸にそう各位置、すなわちx₁〜x
₅₁₂について繰返えされ、前記情報の全てが各データ採
取位置にて記録される。例えば第８図を参照すると、x
₉₀位置では、シリコン基板の高さ（Ａにある）のみが光
を反射するので、最大ピークとは別の最初のピークとい
うものは存在しない。よって、x₉₀において、系は別のP
₁値を記憶しない。

第８図の下方の３つのグラフは３つの別々の配列にお
いてグラフィックビデオ・ディスプレー・ユニット（24
b）に与えられるデータ・ディスプレーを示す。上方の
グラフはｚ（光学系を基準にしたウエーハ表面の深さ）
対ｘ（走査区域を横切る直線上の位置）を表す。つぎに
第7C図のデータ・ディスプレー・プログラムを参照する
と、記憶されたデータ（第7B図）を用いて、各ｘ位置に
つき最大反射光度信号が得られた各ｚ高さをプロットし
て実線で連結していることが判る。この実線は第８図の
最上図に示すウエーハ表面のｚ軸輪郭すなわち断面輪郭
を構成することが認識されるであろう。各最大信号位置
における反射光度も、第８図の別のグラフ（Ｒ対ｘ）に
プロットされ実線で連結される。このグラフを参照する
と、予想されることであったが、反射性の高いアルミニ
ウム・ラインの反射光度がシリコン・ダイオキサイド・
ラインの反射光度よりもかなり高いことが判る。最後
に、再びいちばん上のグラフ（ｚ対ｘ）を参照すると、
最初のピーク（最大ピークとは別に見られるピーク）が
点線でブロットされる。第８図に示されるように、点線
によるプロットは電導性および絶縁性の重合ラインの上
にだけ見られる。それはこれらの位置だけに多重の反射
性材料層が在るからである。

第８図のＲ対ｘグラフから明らかなように、下層のシ
リコン基板層は反射性が比較的低いのに対し、シリコン
・ダイオキサイド層は反射レベルがより高く、金属アル
ミニウム層は最高の反射レベルを示す。アルミニウム・
ラインの波状表面は比較的平坦な金属表面の金属微粒子
性を表し、それは本来、変動する反射性レベルを有す
る。

最後に第7C図に示すようにヒストグラムが計算され
て、第８図のいちばん下のグラフに示すようにプロット
される。ヒストグラムはいちばん上のグラフ（ｚ対ｘ）
と同じデータを用いるが、プロットの仕方が異なる。な
すわち、ピクセルの数、つまり各ｚ高さにおいて最高反
射光度信号が観測されたｘ位置、x₁〜x₅₁₂の数をプロッ
トする。第８図の上と下のグラフを比較すると、最も低
い高さＡが最も高いピクセル数を有するのに対し、金属
ラインの高さＢがその次に高いピクセル数を有するこ
と、および、これらのピクセルの全てが高さＡおよびＢ
を中心に密集していることが判る。ベル形曲線が高さＣ
を中心に形成されているのが見られるが、このような曲
線はアルミニウム層を蔽う耐光材を表し曲線の頂部はそ
のような材料の平均高さを表す。最後に、高さＤおよび
Ｅはピクセル数が最も少なくて、いちばん高い方の焦点
高さに隔置されている。このようなヒストグラムを作成
し、ディスプレーすることの意義は、オペレータの選択
または従来のコンピュータ・グラフィックの解析技法の
いずれかを利用して、半導体ウエーハ表面を走査するた
めに関心のある特定レベルを表す、図示されたピーク
（Ａ〜Ｅ）の各々を位置決めすることができることであ
る。よって第7C図に示すように、自動焦点機能を活動さ
せて、前記ヒストグラムの明確に特定し得る各ピークに
おけるｚ高さを走査のために選ぶか、ユーザがそのよう
な必要な高さのみを以後の走査に選ぶことができる。こ
のようにｚ対ｘ輪郭を効果的に利用して、全体サイト、
つまりｘ、ｙ位置の２次元配列全体を走査して、選ばれ
た数少ない高さにおいてではあるが、関連情報を失うこ
となく、しかも一回の走査中の記憶データ量を管理限界
内に維持しながら３次元的表現を得ることができる。

第7C図に示すように、自動焦点選択機能を活動させる
時、或るｚ高さにおいて各々の完全な２次元走査を行う
前に、自動的に選ばれる焦点高さを設定してこれを焦点
制御回路（38）（第１図）に逐次供給することができ
る。或る特定サイトでの選ばれたｚ高さの全てを走査し
終った時、この体系は光学系に対するウエーハ位置を
（移動ステージ（32,34）によって）迅速に変位させる
態勢にあるので、新しいサイトつまり区域を光学系の振
動走査範囲の下方に入れて工程を繰返えすことができ
る。

つぎに、ユーザが選択した場合に、走査すべきｚ高さ
の位置を与える第６図のフローチャートを参照すると、
公称焦点高さ（z_nom）はウエーハ上の最も上方の検知可
能の層として選ばれる。例えば、第８図のウエーハ断面
図において最高高さＥが図示のように公称焦点高さを表
すであろう。ついで高さＥまたはそれより下の、走査の
関心のある各高さを焦点オフセット、つまりΔz_jによっ
て定義するが、このΔz_jはz_nomから走査関心のあるｚ高
さ（例えば高さＡ、Ｂ、Ｃなどの）を減じた量である。
図示の例では、高さＥはｊ＝１に設定され、高さＥは公
称焦点高さにあるので、Δz₁＝０である。面Ｄはｊ＝２
に設定され、Δｚ値は高さＤとＥの高さｚの差に等しい
であろう。同様に高さＣ、ＢおよびＡに他のｊの値（３
〜５）の各々が設定され、オフセット（Δ）値は高さＥ
とそれぞれの高さのｚ高さの差に設定される。これらの
焦点オフセットΔz_jが決定され記憶される。つぎに、ｊ
を最初に１に等しいと設定して、焦点制御機構（28）を
作動して焦面を最初の焦点高さに動かし、（または本例
のように関心のある上方高さが走査操作を開始する公称
焦点高さにあるならば、全く動かさないで）、前記の仕
方で前記特開昭62−245949号に規定されたようにウエー
ハ区域をｘ、ｙ平面内で走査する。つまり、ｙステージ
（32）の遅い運動と連合させて走査機構（46）を作動し
て、その走査高さにわたって密接隔置されたｘ位置およ
びｙ位置のマトリックスにつき反射光度データが得られ
るようにする。一つのｚ高さにおけるｘ、ｙ位置の各々
においてなされる反射光度測定値Ｒをつぎに用いて、反
射光度レベルの鋭い変化に留意し、変化点の間の距離を
ｘ位置の単位数の形で表すことにより、ライン幅の測定
を行う。ついで、そのウエーハ・サイトでもっと他のｚ
高さを走査するものと仮定すれば、ｊの値を１だけ増し
て制御機構を作動させて焦面を下げ、選択された焦点オ
フセットの各々において走査が完了するまで、この工程
を繰返えす。

最終の再下位のｚ高さを走査し終った後、プログラム
はウエーハ上の新しいサイトに動く。これは、ウエーハ
上で走査すべきサイトがもっとあるかどうか、先ず質問
し、もしあれば、ウエーハを新しい走査位置に変位させ
るべくｘ、ｙステージ（34,32）の大まかな運動を用い
ることにより行われる。新しいサイトに到達したら、体
系は先ず自動焦点段階を経過する。この段階では、焦点
制御機構（28）を作動して、先ず光学系の焦点高さをウ
エーハの最高層の上方にあると判っているz₁高さに持っ
てくる。ついで、ライン走査ピクセル・メモリ（54）
（第１図）により供給されるデータから反射光度信号Ｒ
のピークがコンピュータ回路によって認識されるまで、
ｚ高さを漸進的に下げる。漸進的な降下の後、ｘ方向の
ラインの逐次走査を行い、前に受け取ったデータと比較
し、或る境界値以下の信号をすべて無視する（ノイズの
影響を黙殺するため）。いったんピークが認識されると
（任意のとんがりその他見せかけの信号と区別され
る）、光学系はウエーハ表面に対して公称焦点高さ、つ
まりz_nomにある（第８図参照）。この高さで前記走査プ
ログラムを繰返えし、その場合、光学系は選ばれた関心
のある高さにのみ垂直方向に動かされ、そのような各高
さでｘ、ｙ平面内の完全な走査が行われる。別のサイト
を走査するためにウエーハを移動させる時、自動焦点が
必要であることが判る。それは、スキャナ（46）上のウ
エーハの取付けは必ずしもウエーハを真の水平面に設置
するとは限らないし、そのうえ、ウエーハのエッチされ
た最上面は真に平坦でないからである。従って、各新し
いサイトで既知の基準高さを見出すためには再焦点合せ
が通常必要となる。しかし、前に作成された焦点オフセ
ット（Δz_j）は一般に不変であるから、各新しいサイト
にて新たな輪郭付けＶ（ｚ）データを収集する必要はな
いことに注目すべきである。

前記の過程におけるように、或る走査高さにおける明
確な反射光度信号の変化の間の、ｘ距離差を単に求める
ことによってライン幅の測定を行うことができるけれど
も、第８図のｚ対ｘ輪郭ディスプレーを用いてライン幅
のより秀れた、より正確な測定を行うことができる。こ
のｚ対ｘグラフを形成するのに用いられるデータは走査
ラインにそう各個のｘ位置における最大反射光度信号で
あるから、特に表面の輪郭が変わるライン端における焦
点合せ問題による誤差を少なくする。本発明のコンピュ
ータ系（22）と共に従来のコンピュータ・ライン幅測定
技法を用いて実際に測定を行う。例えば、第８図に示す
輪郭についていえば、第１（シリコン・ダイオキサイ
ド）のラインは自動的に認識され、その上面および下面
（ＤおよびＡ）が確定され、その間の既定の比率（例50
％）が確定された測定点として用いられる。よって、ラ
インの前、後端におけるこのように確定された測定点の
間の距離をその間のｘ位置の数の形で求めることは簡単
な事柄である。ｘ位置の間隔の分数の形（つまりピクセ
ル幅）で測定点を定義することによって標準の内挿法を
用いて、測定精度を向上させることができる。前述のよ
うに、一般に既知（例えばミクロン未満）の間隔でウエ
ーハを横切ってｘ位置が均等に隔置される。

「スーパーフォーカス」像を求めるためのプログラミ
ング過程が第９図のフローチャートに図解される。「ス
ーパーフォーカス」像は光学系を異なる高さに焦点合せ
することにより得られる情報を用いて作る、ウエーハ表
面上の走査されたサイトまたは区域全部の像である。２
次元ビデオ・マトリックスのための修正信号がコンピュ
ータ系（22）により求められ、ビデオ・ディスプレー・
メモリ（29）に記憶された後、像が像ディスプレー・モ
ニタ（24a）（第１図）にディスプレーされる。いった
ん、光学系がウエーハ上の該当サイトに焦点合せするよ
うにウエーハが動かされた後で、Ｖ（ｚ）データ（初期
輪郭作成のため）が走査視界の中心における走査ライン
にそって集められる。これは、究極的にモニタ（24a）
にディスプレーされるべきｘ−ｙマトリックスよりも２
分の１だけ使用される走査ラインが下っていることを意
味する。よってｘ−ｚ輪郭が前記の仕方で得られ、Ｖ
（ｚ）ヒストグラム（第８図の如き）が作成されディス
プレーされる。つぎに、コンピュータは単独の１本のラ
インにそって走査することにより与えられたデータが充
分かどうか質問する。例えば、全体ｘ−ｙ枠内のパター
ンが単一のｘ−ラインの走査によって捕捉され得ない特
徴を含むならば、第２のｘ−ライン走査を与えるために
ｙステージ（32）を駆動して、走査機構（46）を新しい
位置に動かさなければならない。これはライン幅測定を
行うのに使用し得る新しいｚ輪郭を発生し、それから得
られたｚデータを単純にヒストグラム作成サブルーチン
の中に以前記憶されたデータに加えられて、中のデータ
が累積される。よって最初のｘ−ライン走査に存在しな
かった高さが第２のｘ−ライン走査で発見されたなら
ば、ヒストグラムに全く新しいピークが形成される。充
分な数のｘ−ライン走査によって全ての必要な情報が得
られたと決定された時に、プログラムはスーパーフォー
カス像を得る過程に進む。

先ず、ヒストグラム内の主なピーク（または関心のあ
るｚ高さ）が、前に指摘した仕方で識別される。これは
オペレータにより手動で、または従来のコンピュータ解
析技法により行うことができる。つぎに焦点制御機構
（28）は光学結像系を動かして、第１のピーク、つまり
第１の関心のある高さに焦点を合わせ、全体ｘ−ｙ平面
を走査し、データを記録する。このデータはバッファに
記憶され、焦点制御機構は第２のピーク、つまり第２の
関心のある高さに焦点を合わせるために結像系を動か
し、そこで処理過程が繰返えされ、新しいデータがバッ
ファに前に記憶されたデータに追加される。この過程は
関心のある各高さが走査されるまで継続し、各ｘ、ｙ位
置のデータの全てが複数のｘ、ｙマトリックスに蓄積さ
れる。つぎに、このデータが像ディスプレー・モニタ
（24a）上に単一平面のデータとしてディスプレーする
ことができ、スクリーン上の任意のｘ、ｙ点のデータは
走査高さの全てから得た蓄積された情報からとられてい
る。

スーパーフォーカス像のディスプレーの一方法とし
て、各個の高さをカラーコード化し、そのカラーコード
化した高さに従って、或る任意のｘ、ｙ位置における最
大強さをディスプレーする。これは異なる色がウエーハ
の異なる表面高さを表わす、多色像を生ずる。ディスプ
レーの第２の方法は各ｘ、ｙ位置での異なる走査高さに
て得られたＲ信号値の全部を単に積算することを含む。
像の鮮明度および画質を良くするための、前記ディスプ
レー方法に対する代替法は、各ｘ、ｙ位置について異な
るＲ信号値を積算するが、大きく焦点の外れたデータを
ゼロに設定するように各走査平面について一つの限界値
を決めることである。可能な限り鮮明な像が与えられる
ように限界値レベルを平面によって変えることができ
る。いま一つのディスプレーの代替方法は各ｘ、ｙ位置
における最大反射光度信号のみを用いて、生じたディス
プレー像が複合ｘ、ｙマトリックスの各ｙレベルにおい
てとった、第８図のｘ、ｚ輪郭を表すようにすることで
ある。そのような各ｙレベルにおける実際のｚ対ｘ輪郭
を作成し記憶することができる。このようなデータは等
測（ｘ、ｙ、ｚ）プロットで図形的にディスプレーされ
るか、２次元ディスプレーの各ｘ、ｙ位置における強さ
を変調するのに用いることができる。

以上から、ウエーハ表面のｚ軸輪郭または断面像の初
度作成により、関係ウエーハ走査データの全てが迅速か
つ効率的な仕方で引続き得られる。先ず従来のライン幅
走査技法を用いるよりも容易にかつ正確に、直接ライン
幅測定がｚ軸輪郭から直接になされることができる。第
２に、コンピュータによるｚ軸輪郭の初度作成により、
単一ライン（または数本のライン）を走査した後の即席
解析（オペレーターによるか装置の自動作用による）が
ウエーハ表面上の完全なサイトまたは区域を走査するプ
ログラムを開発し得ることになり、コンピュータの時間
および記憶容量を最も効果的に使用するようになる。こ
れは、半導体ウエーハの表面の完全な地勢像を与えるの
に必要な情報の全てを与える、関心のある特定の高さだ
けを先ず識別し、ついで走査することにより行われる。

本発明を実施するために考えられる最良の態様が開示
され、記載されたけれども、本発明の主題と見なされる
事項から逸脱することなく改造および変更を行うことが
できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体ウエーハの走査・輪郭付け
体系の線図、 第２図は本発明による装置の機械部分の、部分断面を示
す側面図、 第３図は本発明による系のスキャナおよびｘ−ｙ平面駆
動機構の分解斜視図、 第４図は第２図の装置の焦点制御装置の、部分断面を示
す前面図、 第５図は第４図の５−５線にそう断面図、 第６図は本発明による体系の種々の作動要素を制御する
コンピュータのプログラミングを表すフローチャート、 第7A図、第7B図および第7C図は全体で、断面輪郭のデー
タを収集し、処理し、ディスプレーするための、第６図
のプログラムのサブルーチンを表すフローチャート、 第８図は走査された半導体ウエーハ表面の一部分の断面
図、ならびに本発明の体系により得られる、対応する輪
郭および反射光度のディスプレーおよび焦点高さのヒス
トグラム、 第９図は「スーパーフォーカス」像が得られてディスプ
レーされる、本発明の体系のプログラミングを表すフロ
ーチャートである。 20……光学結像系 24b……像表示装置（グラフィックVDU） 28……焦点移動装置（焦点制御機構） 44……焦点高さ決定装置（制御回路） 46……相対移動装置（振動スキャナー機構） 54……記憶装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−124809（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−182508（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウエーハＷ、またはウエーハの或る
   区域の表面図形情報を決定するラインを走査して行う表
   面輪郭決定装置にして、 下方のウエーハ上の小さな点にビームを焦点合せするた
   めの、ビームの測定可能の特性を検知して出力信号を与
   えるために前記ウエーハから反射された点を受像するフ
   ォトディテクタ（42）を含む、焦点深度の極めて浅い共
   焦光学結像系と、 前記点が前記ウエーハの一部分を横切る１本のラインに
   そって走査するように前記結像系と前記ウエーハの間の
   相対運動を生ずるための装置とを有する表面輪郭決定装
   置において、 前記ラインにそう１回の走査において複数の密接隔置さ
   れた個所で前記フォトディテクタ信号を取得し記憶する
   ための装置（54）、 前記ラインにそう各走査の後に１単位距離ずつ前記結像
   系の焦点を前記ウエーハに対して順次移動させるための
   装置（28）、 前記走査ラインにそう前記隔置個所の各々において最大
   出力信号が得られる時の前記結像系の焦点高さを決定す
   るための装置（22）、 前記結像系の焦点高さを決定するための装置により決定
   された前記焦点高さを前記ラインにそう前記ウエーハの
   断面輪郭の表示として与えるための装置（24b）、 前記断面輪郭の表示から前記最大表面図形情報を与える
   高さを選択するための装置（22,24b）、 前記焦点移動装置が前記結像系の焦点を順次前記選択さ
   れた高さの各々に移動させるようにする装置（22,3
   8）、及び 焦点高さが前記選択された高さの各々にある間に前記走
   査ラインに平行な複数のライン上を走査する相対運動を
   生じさせる装置（22,36）を有し、それにより前記ウエ
   ーハ上の前記或る区域の残りを走査して前記或る区域内
   の関係表面図形情報の全てを取得する表面輪郭決定装
   置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲１記載の表面輪郭決定装置
   において、前記断面輪郭の表示から前記最大表面図形情
   報を与える高さを選択するための装置（22,24b）が、前
   記焦点高さが検出される前記走査ラインにそって前記点
   の数に関して種々の焦点高さのヒストグラムを与える装
   置を有することを特徴とする表面輪郭決定装置。