JPS6211110A - 間隔測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明はパターン上の２つのエツジ間隔を測定する装置
に関し、特に半導体素子製造用のフォトマスクやレチク
ル、あるいは半導体ウェハ上に形成されたパターンのエ
ツジからエツジまでの線幅等を測定する装置に関する。

（発明の背景） 近年、ＩＣやＶＳＬＩ等の半導体素子を製造するための
フォトマスクやレチクル等に描かれたパターンの線幅は
、高集積化、微細化の要求によって急速に細くなってき
ている。これに伴なって。

それらパターンの線幅を測定する装置も高精度を要求さ
れてきた。マスクやレチクル等の被測定物上のパターン
を光学系で結像させ、そのパターン像の光強度分布を光
電的に走査し２時系列的な光電信号を所定のしきい値（
スライスレベル）と比較してパターンの線幅を測定する
装置においては。

高精度の測定値を得るために光学系（対物レンズ等）の
開口数、照明条件、照明光の波長、及び焦点（フォーカ
ス）状態等の種々の光学条件を最適にするとともに、正
確なスライスレベルを設定するすることが必要となる。

一般に上記光学条件が設定されると、それに見合ったス
ライスレベルは理論計算上でただちに求めることができ
る。しかしながら、光学条件やスライスレベルを最適に
設定しても、光学的なフレアー量や、＜ターンの配置状
Ｂ（孤立パターン、ライン・アンド・スペース。

矩形等）や線幅の大小によって、測定値に誤差が生じる
ことがわかった。特に線幅値が小さくなってサブミクロ
ン領域になると、パターンの配置状態や線幅値に応じて
測定値の誤差が大きくなり。

正確な線幅値が得られなくなって（るといった欠点が生
じた。

（発明の目的） 本発明はパターン配置状態や線幅による測定誤差を低減
し、特にサブミクロン領域での線幅（エツジ間隔）測定
を高精度に行なう測定装置を得ることを目的とする。

（発明の概要） 本発明は第１図に示すように、ステージ４上のマスク３
に形式されたパターン３ａを、結像光学系としての対物
レンズ５で観察する。このときパターン３ａの拡大像が
光電的なセンサー５０（走査スリット１０ａ、フォトマ
ル１１）によって検出され、パターン像の光強度分布が
例えば電気処理系（ＡＤＣ１０２）を介してメモリ５１
に読み込まれる。メモリ５１内の光強度分布波形から。

エツジ間隔検出部５２は所定のスライスレベルを用いて
立上りと立下りのエツジ位置を検出し、その間隔を表示
部１０８に表示する。スライスレベルは、スライスレベ
ル補正部５３により、測定しようとするエツジ間隔（線
幅）に応じて補正されて出力される。その補正量は光学
系の諸条件と間隔値（線幅値）とを加味して、予め定め
られたテーブルとして記憶されている。補正が必要か否
かは間隔判別部５４によって行なわれるように構成され
る。もちろん、光電センサー５０からの光電信号（アナ
ログ波形）を、そのままスライスレベル電圧と比較して
２値化した後、２値化信号の幅からエツジ間隔を測定す
るアナログ的な方式でエツジ間隔検出部を構成する場合
は、スライスレベルの補正量をデジタル−アナログ変換
器でアナログ値に直してスライスレベルに加えるように
する。

（実施例） 次に本発明の実施例による線幅（エツジ間隔）測定装置
の概略的な構成について、第２図、第３図に基づいて説
明する。第２図は光学系の配置を示す斜視図であり、第
３図は線幅測定のための処理回路の構成を示す回路ブロ
ック図である。

第２図に示す光学系については特開昭５０−６８５４６
号公報、あるいは実開昭５７−１０８１１２号公報に詳
細に開示されているので、ここでは簡単に説明する。光
源１からの光は照明系レンズ２を介して被測定物である
マスク３を照明する。

マスク３はｘｙ力方向可動なステージ４上に載置される
。マスク３上のパターン３ａは、ここでは矩形の光透過
部とする。パターン３ａの像は、対物レンズ５．ミラー
ブロック６、平面ミラー７゜８、及び視野レンズ９を介
して、スリット板１０上にパターン像３０として結像さ
れる。ここでミラーブロック６と平面ミラー７は図示の
ような配置関係を保ったまま、対物レンズ５の光軸のま
わりに回転可能なイメージローテータ（像回転プリズム
）として機能し、スリット板１０上に形成されるパター
ン像３０の向きを任意の方向に回転させることができる
。さて、スリット板１０には一方向に伸びた微小なスリ
ット１０ａが設けられ。

そのスリット１０ａを透過した透過光は光電変換器とし
てのフォトマルチプライヤ（光電子増倍管：以下フォト
マルと呼ぶ）１１の受光面に達する。

スリット板１０はスリット１０ａの伸長方向と直交する
方向に移動（走査）可能な機構を有し、その走査量はエ
ンコーダ１２によって検出される。

またスリット板１００表面は鏡面になっており。

パターン像３０を形成する光は、視野レンズ９を介して
平面ミラー１３．接眼レンズ１４に達する。

従って接眼レンズ１４をのぞくとパターン像３０とスリ
ット１０ａの走査状態とがともに観察される。スリット
板１０の走査によって、フォトマル１１からはパターン
像３０のスリット走査位置に応じた光強度分布に対応し
た光電流信号が発生する。

第３図において、フォトマル１１がらの光電流信号はア
ンプ１００によって電流−電圧変換された後、以降の電
気的処理に適するように光電信号のレベルを調整するレ
ベル調整回路１０１に入力する。またエンコーダ１２か
らは互いに９０＠の位相差を有する正弦波状の２相信号
Ｓ、が出力され、エンコーダ回路１０３はこの２相体号
Ｓ１を入力して、スリット板１０の走査方向に対応した
単位移動量毎のエンコーダパルスに変換する。方向選択
回路１０４はスリット板１０の走査方向に対応したエン
コーダパルスＳ、の列のうち、いずれか一方を選択する
。選択されたエンコーダパルスＳ、の列はアナログ−デ
ジタル変換回路（以下。

ＡＤＣとする）１０２に入力して、デジタル変換のタイ
ミング（サンプリング）パルスとして使われる。ＡＤＣ
１０２はレベル調整回路１０１からの光電信号Ｓｔをエ
ンコーダパルスＳ、の発生毎に、その大きさに応じたデ
ジタル値に変換する。

そのデジタル値はバス１０５を介してコンピュータ（以
下ＣＰＵと呼ぶ）１０６に読み込まれ、ＣＰＵ１０６は
エンコーダパルスＳ３の発生の毎にアドレスが更新され
るメモリに、順次光電信号のデジタル値を記憶していく
。またＣＰＵ１０６はレベル調整回路１０１による光電
信号のレベル適正化判断及び制御をバス１０５を介して
行うと共に、方向選択回路１０４による選択の制御も行
なう、さらにＣＰＵ１０６はバス１０５を介してスリッ
ト板ｌＯの走査方向や駆動を制御する駆動部１０７に指
令を出力する。このＣＰＵ１０６は本発明におけるエツ
ジ間隔検出手段２間隔判別手段。

及びしきい値補正手段等の機能をソフトウェアにより実
現するものであり、ＡＤＣ１０２から読み込んだ光電信
号の波形データに基づいて、パターン３ａのエツジ間隔
、すなわち線幅を算出する。

表示装置１０８は算出された線幅値をバス１０５を介し
て入力し、その値を表示するものである。

さて１以上のような測定装置でパターンの線幅等を測定
する訳であるが、ここで線幅測定の原理について簡単に
説明する。マスクのようにガラス基板上にクロム等を蒸
着してパターンを形成したものでは、マスクの透過率は
理想的には矩形状に変化する。従って第２図に示したパ
ターン３ａの場合、スリン）１０ａの走査方向における
パターン像３０の光強度分布も、理想的には第４図（ａ
）の破＆’ｉＡで示すように矩形状に変化する。しかし
ながら光学系の諸条件により、実際の光強度分布は第４
図（ａ）の実線Ｂで示すように変化する。

第４図において縦軸は光強度Ｉを表わし、横軸は位置Ｘ
を表わす、実線Ｂの分布は、光学系の開口数（Ｎ、Ａ、
）、照明系と対物レンズ系とのコヒーレンス度σ　（照
明系のＮ、Ａ、と対物レンズのＮ、Ａ、　との比）、あ
るいは使用波長等をパラメータとして光学理論上の計算
からただちに求めることができる。

この分布波形からも明らかなように、パターン３のエツ
ジ部での立上り、立下りは一定の傾斜をもつため、この
強度分布をスリット１０ａで走査したときの光電信号を
スライスレベルと比較する際、そのレベルの決め方は線
幅測定値の精度を左右する重要なファクターとなる。第
４図（ａ）の実線Ｂのような分布波形の場合、光学理論
上の計算によれば２分布波形の最大値を１００％として
。

スライスレベルｖＳの値はコヒーレンス度σ；ｌのとき
３３％、σ＝０．８のとき２７．５％、そしてσ＝０．
４のとき２５．４％となる。そこで、その装方向の長さ
を測定すれば、正確な線幅測定が可能となる。

さらに実際の光学系においては計算で求めることの難し
いフレアーが発生し、そのフレアーが第４図（ａ）の実
線Ｂの波形にオフセットとして加わることになる。その
フレアー量Ｆによるオフセントによって、パターン像３
０の現実的な強度分布は第４図（ｂ）に示すような波形
となる。そこで光電信号上の最大値（Ｉｍａに）と最小
値（Ｉ　ｗｉｎ）の差（Ｉｍａｘ　−１ｍ１ｎ　）を１
００％として扱い。

最小値を零と考えて上述のようにスライスレベルＶＳを
決定すると、フレアー量Ｆにかかわらず常に正確な測定
が可能となる。

しかしながら更に詳細な検討、実験の結果、上記のよう
にしてコヒーレンス度σに応じて最適なスライスレベル
を決定したとしても、測定するパターンの線幅によって
は、必らずしも最適な値ではなくなることが明らかにな
った。これはパターンの線幅を規定する平行な２つのエ
ツジが近づいてくると１回折によってエツジ部の波形に
与える影響が異なってくるためである。従って細いライ
ン・アンド・スペースの場合も同様のことが言える。そ
こで実際のパターン線幅値と、その線幅値を測定値とし
て得るための最適なスライスレベルとの相関についての
一例を、第５図を参照して説明する。第５図において縦
軸はスライスレベル■Ｓの百分率（％）を表わし、横軸
は実際の線幅値Ｄ（μ１１１）を表わす。第５図（ａ）
は暗部内の明線パターンの場合であり、第５図（ｂ）は
明部内の暗線パターンの場合であり、第５図（Ｃ）は明
暗の繰り返しくライン・アンド・スペース）の場合であ
る。いずれの場合も、使用波長は５４６ｎｍ（ｅ線）、
光学系（対物レンズ）のＮ、Ａ、は０１７５、コヒーレ
ンス度σは０．６の光学条件のもとでの一例である。第
５図（ａ）では、１μｍ以下の測定でスライスレベルＶ
Ｓが急に変化していることがわかる。換言すると、１μ
ｍ以下の線幅を測定する場合、２μｍ、３μｍの測定の
ときのようなスライスレベル■Ｓに固定したままだと、
測定値（寸法）の誤差が大きくなることになる。第５図
（ｂ）の場合でも第５図（ａ）はどではないが、線幅が
小さくなるとスライスレベル■Ｓが変化する。第５図（
Ｃ）の場合は第５図（ａ）と同様の傾向でスライスレベ
ル■Ｓが変化する。これら第５図（ａ）〜（ｃ）から、
線幅値が１．５μｍ位（すなわちＡｉｒｙ　ｄｉｓｋの
ほぼ２倍位）よりも小さいときは、スライスレベル■Ｓ
を補正する必要があることがわかる。その補正量（スラ
イスレベルＶＳの変化量）も被測定パターンの形状や配
列の条件によって一義的に定まらないことは明らかであ
る。・ また孤立した微小な正方形パターンについても同様の傾
向があり、正方形パターンの線幅（寸法）とスライスレ
ベルｖＳとの関係は、−例として第５図（ｄ）のように
なる。同図中で破線は明部中に暗部として形成された正
方形パターン（黒パターン）の場合を示し、実線は暗部
中に明部として形成された正方形パターン（白パターン
）の場合を示す。いずれも光学系条件は先の場合と同じ
である。

そこで、第３図に示したＣＰＵ１０６は、第５図（ａ）
〜（ｄ）のようなスライスレベル補正データを予め記憶
している。そして測定しようとするパターンの組み合わ
せに応じて上記スライスレベル補正〜データのうち、い
ずれか１つのデータを選択する。この選択は通常、オペ
レータにょっ解析手法によってパターン形状を認識して
、自動的に補正データを選択するようにすれば、より操
作性が向上する。

次に本実施例の線幅測定動作について、第６図のフロー
チャート図に基づき説明する。

〔ステップ２００〕 ＣＰＵＩ　０６はパターン像３０をスリット１０ａで走
査するために、駆動部１０７に指令を出力するとともに
、フォトマル１１．アンプ１００．　　レベル調整回路
１０１．ＡＤＣ１０２によってパターン像３０の適正比
された光強度分布のデジタルデータを読み込む。このパ
ターン像３０は本実施例では明線パターンであるものと
する。従ってスリット走査が終了した時点で、ＣＰＵ１
０６内のメモリには第７図に示すような光電信号波形が
その走査位置と共に記憶される。

第７図では縦軸は光電信号Ｓ２の大きさを表わし、横軸
は走査位置すなわちメモリのアドレスを表わす。ＡＤＣ
１０２によるサンプリングはエンコータパルスの発生毎
に行なわれ、そのパルスによってメモリのアクセスアド
レスも＋１　（又は−１）だけインクリメントされるの
で、スリットの走査位置とアドレスとは一義的な関係に
なる。

〔ステップ２０１〕 次にＣＰＵ１０６は、読み込んだ波形データ中で、立上
がりのエツジ１　（第７図中のＥｌ）付近の最大値ｖｐ
、と、それに対応した走査位置Ｐ　Ｐ　＋とを検出し、
その各個を記憶する。

〔ステップ２０２〕 次にＣＰＵ１０６は、波形データ中で立上りの工７ジ１
付近の最小値ＶＢ、と、それに対応した走査位置ＰＢ、
を検出し、その各個を記憶する。

〔ステップ２０３〕 次にＣＰＵＩ　０６は波形データ中で立下りのエツジ２
（第７図中のＥｚ）付近の最大値ｖＰ！と。

それに対応した走査位置ＰＰ２とを検出し、その各個を
記憶する。

【ステップ２０４〕 次にＣＰＵ１０６は波形データ中で立下りのエツジ２付
近の最小値Ｖ　Ｂ　ｚと、それに対応した走査位置ＰＢ
えとを検出し、その各個を記憶する。

〔ステップ２０５〕 次にＣＰＵ１０６は標準的なスライスレベルによってエ
ツジｌの位置Ｐ１０．を検出する。この標準的なスライ
スレベルとは、線幅が大きいときに光学理論上壽導びか
れた一定の値であり、第５中で線幅が１．５〜２．０μ
ｍ以上の場合のスライスレベルのことを意味する。そこ
でスライスレベルをＶｓｍとすると、エツジ、において
スライスレベル■５Ｉ１１と一致する光電信号の大きさ
ＶＢ、は（１１式で表される。

ＶＢＩ　　＝　（Ｖｐ＋　　−ＶＢＩ　）　　・Ｖｓｍ
＋ＶＢ＋　−＋１まただしｖｓｌｌは百分率であるから
１例えば３６％の場合、Ｖｓｎ＋＝０．３６である。Ｃ
ＰＵ１０６は（１１式を演算してＶＥ、を求め、その値
に対応した走査位置をＰｌ、、を波形データ中から検出
して記憶する。尚、サフィックスｍは線幅演算の処理回
数を表わし、Ｖｓｍが標準スライスレベルの時初期値は
ｍ＝ｌに設定されている。

〔ステップ２０６〕 次にＣＰＵ１０６は標準スライスレベルによってエツジ
２の位置Ｐ２０．を検出する。エツジ２において、スラ
イスレベルＶｓｍと一致する光電信号の大きさＶＥ、は
（２）式で表される。

Ｖ　Ｅｘ　＝　（Ｖ　Ｐｇ　　Ｖ　Ｂｇ　）　　・Ｖｓ
ｍ＋　Ｖ　Ｂｚ　−−（２１そこで、ＣＰＵ１０６は（
２）式を演算し７ＶＥ、を求め、その値に対応した走査
位置Ｐ２０．を波形データ中から検出して記憶する。

〔ステップ２０７〕 次にＣＰＵ１０６は、標準スライスレベルで検出された
２つのエツジ位Ｎ　ｐ　＋　、　−、ｐ　ｚ　、−の差
を演算することによって、線幅値Ｌｌ１１を算出し、参
照値として記憶する。

〔ステップ２０８〕 次にＣＰＵＩ　０６は、第５図に示したような線幅値−
スライスレベル補正特性の記憶された補正テーブルから
、線幅値Ｌｍに対応したスライスレベルＴｃを読み出す
。ここでは、パターン像３０が明線であるため、第５図
（ａ）に示した特性曲線が使われる。

〔ステップ２０９〕 次にＣＰＵ１０６はスライスレベルｖｓＩ１１の内容を
Ｔｃに更新する。

〔ステップ２１０〕 ここでＣＰＵ１０６は更新（補正）されたスライスレベ
ルＶｓｍ　（＝Ｔｃ　）を使って、先のステップ２０５
と同様に（１１式を用いてエツジ１の位置Ｐ１．ｓｏ１
を再演算する。

〔ステップ２１１〕 同様にＣＰＵ１０６はスライスレベルＶｓｍ（＝Ｔｃ）
を使って、先のステップ２０６と同様に（２）式を用い
てエツジ２の位置Ｐ２．ｓ＋１を再演算する。

〔ステップ２１２〕 そしてＣＰＵ１０６は、補正されたスライスレベルＶｓ
ｍ　（＝Ｔｃ　）で検出された２つのエツジ位置Ｐ１．
ＩＩや、とＰｔ、＋ａｌＯ差を演算することによって補
正された線幅値し１．１を算出し、記憶する。

〔ステップ２１３〕 次にＣＰＵ１０６は参照値として記憶した前回の線幅値
Ｌ＋ｍと今回の線幅値し１．、との差の絶対値を、偏差
Ｄｆとして算出する。

〔ステップ２１４〕 ＣＰＵＩ　０６は、予め設定された偏差の許容値ΔＷと
、偏差Ｄｆとを比較して、Ｄｆ≦ΔＷが真のときは、ス
テップ２１６に進み、偽のときはステップ２１５に進む
。許容値ΔＷは測定しようとする線幅値等に応じて任意
に設定可能であり、小さい程、測定精度が向上する訳で
あるが、無制限に小さくすることはできず、装置構成等
の条件からある精度内に制限される。

〔ステップ２１５〕 ステップ２１４でＤｆ　≦ΔＷが偽と判断されると、Ｃ
ＰＵ１０６は参照値として記憶しておいた線幅値Ｌｍの
内容を＋　　Ｌｌｌｊ、、に更新した後２ｍを＋１だけ
インクリメントしてステップ２０８から前述の動作を繰
り返す。

〔ステップ２１６〕 ステップ２１４でＤｆ≦ΔＷが真と判断されると、ＣＰ
Ｕ１０６は参照値として記憶しておいた線幅値Ｌ１．あ
るいはり、。、を表示器１０８に表示し、パターン３ａ
の線幅測定を終了する。

以上１本実施例の線幅測定においては、スライスレベル
を補正すべき線幅値か否かを直接判定する機能はない。

しかしながら、初めの演算処理で標準スライスレベルを
用いて線幅値Ｌｍを求め。

次の演算処理でＬｍに対応した補正されたスライスレベ
ルＴｃを用いて線幅値し、＋１を求め、　　Ｄｆ≦ΔＷ
の判定を行なうことは、補正すべき線幅値か否かを判断
しているのと実質的に同一のことである。例えばパター
ン３ａの線幅が補正の必要がないほど大きな値であれば
、標準スライスレベルと補正されたスライスレベルＴｃ
は、第５図中の特性からも明らかなように同一の値にな
り、線幅値ＬＬｌとＬ□１とは等しく、ステップ２１４
でＣＰＵ１０６は一度でＤｆ≦ΔＷを真と判定するから
である。もちろん、ステップ２０７の後に直接判定機能
を設け、補正するか否かを判断してもよいが、パターン
形状によって補正すべき線幅値の境界が異なるため、パ
ターン形状によって補正点を変えなければならない、そ
れに測定精度を考慮すると、補正点を決めたとしても線
幅値が補正点よりも小さいときは、いずれにしろステッ
プ２０８〜２１５の繰り返し処理が行なわれるため、直
接線幅値を判定する機能（ステップ）を設けると。

かえって処理が煩雑になることもある。

また本実施例では、明線パターンについての測定を例と
したが、その他暗線パターン、ライン・アンド・スペー
ス又は正方形パターン等でも補正特性のテーブルを換え
るだけで全く同様に測定可能である。

さらに、メモリに読み込まれるパターン像３０の光強度
分布の波形データは、エンコーダパルスの分解能で決ま
る離散的なデータである。このため、エンコーダパルス
の分解能以上の測定を行なうには、パルス間の補間手法
などの一般的な分割（内挿）処理を行なえばよいことは
言うまでもない。

尚２本発明は上記実施例のようにスリット走査によって
時系列的な光電信号を得る場合に限られるものではな（
、被測定パターンをスポット光で走査し、その反射光（
散乱光９回折光等も含む）を対物レンズを介して光電検
出する場合に用いても、同様の効果が得られる。この場
合、補正特性は必らずしも第５図と同じになるとは限ら
ないので、光学理論上の計算から最適な補正特性を導び
き、メモリに記憶しておく必要がある。

さらに光電信号をアナログ比較器によってスライスレベ
ル電圧と比較して２値化し、その２値化信号の幅（エン
コーダパルスのパルス数）から線幅を測定する場合でも
、補正テーブルからの補正シシ されたスライスレベル値をデジタルアナログ変換器によ
って電圧値に直すようにすれば、同様の効果が得られる
。この場合、光電信号の波形を記憶しないと、スライス
レベルを変えるたびに、スリット走査（光電走査）を行
なう必要がある。

（発明の効果） 以上本発明によれば、エツジ間隔（線幅等）を測定する
精度が向上するが、特にエツジ間隔がサブミクロンにな
ったときの測定精度が飛躍的に向上する。また実施例に
よれば測定すべきパターンの形状に合わせて、最適なス
ライスレベル補正特性を選択するようにしたので、パタ
ーン形状によらず高精度な測定が可能となる。さらに本
発明の実施例によれば、スライスレベルを変えて測定し
た線幅値（エツジ間隔値）と、変える前の線幅値とを比
較して、その差が所定の許容値内に入いるまで演算処理
を繰り返すようにしたので、測定値の信頼性が高くなる
といった利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴を最もよ（表すエツジ間隔測定装
置の概要図、第２図はエツジ間隔測定装置の概略的な光
学系の構成を示す斜視図、第３図はエツジ間隔装置の制
御系を示す回路ブロック図。 第４図は明線パターンの場合の光強度分布の一例を示す
波形図、第５図は線幅値−スライスレベル補正特性の各
種曲線を示すグラフ、第６図は線幅測定処理の手順を示
すフローチャート図、第７図は光強度分布の波形から線
幅を検出する様子を示した波形図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ３−・・−−−−−−−−・マスク（レチクル）３　ａ
　−−−−−−−−パターン ５−・−・−一一−一対物レンズ １０−−−−−−−・スリット板 １０　ａ　　−−−−−−・・スリット１１−・・・−
フォトマル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 結像光学系を介して得られる被測定パターンの像を光電
   的に走査して、該パターン像の一方向の光強度分布に応
   じた時系列的な光電信号を発生する光電検出手段と；前
   記光電信号を所定のしきい値と比較して前記パターンの
   一方向と交差する方向に伸びた少なくとも２つのエッジ
   の間隔を検出するエッジ間隔検出手段と；測定しようと
   するパターンのエッジ間隔が所定値か否かを判別する間
   隔判別手段と；前記エッジ間隔が所定値よりも小さいと
   きは、エッジ間隔に応じて前記しきい値を補正するしき
   い値補正手段とを備え、補正されたしきい値を使ってエ
   ッジ間隔を測定することを特徴とする間隔測定装置。