JPS62287111A - 表面プロフアイル測定方法及び測定装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表面プロファイル測定方法及び測定装置に関
するものであり、更に具体的には、ＶＬＳｌの表面プロ
ファイルを高精度に測定する方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

ＶＬＳ　Ｉキャパシタ用の微小溝は付加さ３〜５μｍ１
幅０．５〜１μｍ、ピッチ数μｍ−数十μｍでｓＲ＋％
板上に形成されており、その深さを測定する方法として
、Ｓｉ基板を切断し、その断面を走査電子顕微鏡で観測
することが行なわれていた。

この方法は破壊による測定であるため素子として使用で
きなくなる欠点を有していた。非破壊で溝の深さを測定
する方法として光の干渉を用いた測定法が研究されてい
る。この測定法のうちの１つを第８図に示す。■は白色
光源、２は多モード光ファイバ、３．７ｃ’ｌｅンズ、
４はビームスプリッター、５は全反射鏡、６はキャパシ
タ用の溝が形成されているＳｉ基板、８は光検出器、９
は電流増幅器、１０はデジタルメモリである。この測定
法の基本原理は第９図に示す様に基板表面で反射した光
と溝表面で反射した光との間に２ｄ／ｃ（ｄは溝の深さ
、Ｃは光速度）の群遅延時間差が生じるために、２　ｄ
　／　ｃよりも短い可干渉時間を有する光キャパシタ溝
に照射すると、互いに統計的に無相関な２つの光が（一
方は基板表面、他方は溝表面で生じる）反射して戻る。

このため、光をビームスプリッタ−４で２分し、一方は
被測定用Ｓｉ基板に照射させて、ここで生じた反射光と
、全反射鏡５で反射した光とをビームスプリッタ−４で
再び合波させて干渉させると、全反射鏡５の光ビーム方
向への移動と共に、２つの干渉ピークが生じることを基
本原理としている。この場合、溝の深さは、この２つの
干渉ピークが生じさせる全反射鏡５の２つの位置の間隔
から求まる。

しかしながら、第８図の構成では基板への照射ビーム径
（５ｍｍφ）内の溝の深さの平均値しが測定できず、谷
溝の深さ、更には谷溝の形状までも測定することはでき
ないという欠点があった。

また、光検出器として、受光器を二次元的に配列したＣ
ＣＤ固体撮像素子を用いると、画素の寸法２０μｍ×２
０μｍ内のく約１００個の）セルの溝の平均値まで測定
することが可能となるが、第９図に示した様に、従来の
測定法が木質的に、セル表面と溝表面との反射光を利用
していることから、溝の形状までを測定することは難し
かった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本測定は、微小？７４　（または穴）の深さ測定を光の
干渉を用いて行う際に、基板上の各微小溝の深さ、更に
は形状を測定可能にした新しい測定方法及び装置を提供
することにある。

〔発明の構成〕

本発明は、ＶＬＳ　Ｉの３ｉ基板に形成された微小溝（
または穴）の深さを干渉計を用いて／！１１定する装置
及び方法において、溝の形成された試料基板の前面の表
面近辺に、反透鏡を設置し、反透鏡の反射面が基板表面
と平行となる様に配置し、反透鏡の位置を溝の深さの基
準として用い、かつ、凹レンズを用いて試料基板表面か
らの反射光を発散せしめ、発散ビーム断面内の特定の部
分を拡大して光検出器に照射し、各セルの溝の深さ、史
には溝の形状までも測定可能とすることを最も大きな特
徴とする。

ここで、光検出器としては、ＣＣＤＭ体撮像素子を使用
するのがを利である。通常の光電形撮像管は、ターゲッ
トにｐｎ接合やＭＯＳを用い電子銃で走査する真空管形
態であるが、前記ＣＣＤ　（電荷輸送デバイス）は、走
査機構も固体化し、信号蓄積機能と走査機能を一体化し
た固体イメージセンサである。

〔実施例１〕 第１図は本発明の第１の実施例を説明する図であって、
同図において、従来技術（第８図）と同一のものについ
ては同一参照番号を符して示しているので説明は省略す
る。ここでは、前記従来技術と異なる部分についてのみ
説明を加えることとする。１１は電歪振動子、１２は三
角波発生装置、Ｉ３は厚さ１ｍｍで片面がクロム蒸着さ
れた反透鏡、１４は凹レンズ、１５はＣＣＤＣＤ固体素
像素子６は固体撮像素子のコントローラーである。

これを動作するには、多モードファイバ２からの出射光
をレンズ３で平行ビームとし、ビームスプリッタ−４で
部分する。部分された一方のビームは全反射鏡５で反射
された後、ビームスプリッタ−４で合成され凹レンズ１
４に向かう。また、部分された他方のビームは、反透！
１３で一部反射して再びビートスプリッター４を透過し
凹１４に向かう。また、反透＠１３を透過した光は被測
定用のキャパシタ溝の形成された基板に入射する。この
基板からの反射光は再び反透鏡１３、およびビームスプ
リッタ−４を透過し、全反射ｖ！、５からの反射光およ
び反透鏡１３からの反射光と合波する。

ここで全反射鏡５を三角波発生器１２と電歪振動子１１
を用いて振動させる。

合波光は凹レンズ１４により発散と−１、となり、ビー
ム断面内の一部をＣＣＤ固体撮像素子１５で受光し、各
画素からの信号を順次、コントローラー１６を用いて取
り出し、これをデジタルメモリー１０に記録させる。

次に、第１図、第２図に基いて本発明の測定原理を説明
する。

第２図は、反透鏡Ｉ３とキャパシター溝の形成された基
板６を平行ビームで垂直に照射したときの各表面からの
反射を示す。ごこて、反透鏡１３の反射面（すなｂちク
ロム薄着しだ面）と基板とは平行に配置されているので
、間隔をｅとする。第４図において、Ａ点に入射するビ
ームは、反透鏡１３と試料６のセル表面で反射されるが
、その両反射光間の群遅延時間差は２　ｅ　／　ｃとな
る。また、Ｂ点に入射するビームは、反透鏡１３と溝表
面で反射されるが、その群遅延時間差は２（ｅ＋ｄ）／
ｃとなる。

ここで、ｄは、Ｂ点における溝の深さを示す。

従って、第３図において、電歪振動子１１を用いて全反
射鏡５をビーム方向に振動させた場合には、その各位置
に応じて、全反射鏡５からの反射光と、反透鏡１３ある
いはセル各部からの反射光との群遅延時間が等しくなる
ので、セル各部の寸法に応じて微小な光検出器が設置さ
れた場合には、２つの干渉ピークが生じることになる。

ここで、干渉ピークを与える全反射鏡５の２つの位置間
の距離は、反透鏡１３とセルの各部との距離を示す。こ
の距離はへ地点ではｅ、１３地点ではｅ＋ｄである。従
って、セル各部ごとに、干渉ピークを与える全反射鏡５
０２つの位置間隔を測定し、一定のバイアス（ごごでは
ｅ）を差し引くことにより、溝各部の深さを測定するこ
とが可能となる。第４図では反透鏡１３は基板と平行に
配置されているが、仮に傾斜した場合でも、反透鏡１３
の平面度が良い（−波１６程度）限り、セル表面地点（
第４図のＡ地点）での干渉ピーク間隔は試料の面内方向
に対して直線的に変化することから、溝の深さを計算に
より求めることが可能となる。

一方、通常のＣＣＤ固体撮像素子では、画素の寸法は２
０μｍ×２０μｍであるのに対して、溝の幅は０．５μ
ｍ×８μｍ程度である。このため、このＣ，ＣＤ　１ｇ
Ｊ体撮像素子を使用しても、第２図中のＡ地点およびＢ
地点からの反射光を同一の画素で受光してしまい、溝各
部の深さを測定することは不可能である。

この問題を解決するために、第１図に示した第［の実施
例では、凹レンズ１４を用いてビームの径を広げている
。第３図は凹レンズ１４を用いたときの、拡大された（
基板からの）反射光と、ＣＣＤ固体撮像素子の各画素の
寸法との関係を示す。溝の幅は０．８μｍ、画素は１４
μｍであるから、第１の実施例第１図では、固体損保素
子をレンズより十分離し、ビームが１４１０．８　＝１
７．５倍に拡大される地点に配置した。この配置では、
第３図に示す通り、１つの溝に対して３個の画素（８〜
１０番）が対応することになるので、溝断面を３分ＭＩ
Ｌ、各部の平均的な深さを測定することが可能になる。

次に測定結果について説明する。

第４図は画素７．８；　　９．１１番において観測され
た干渉波形を示す。同図において対応する画素の測定波
形はＮｏ、７．Ｎｏ、８．Ｎｏ、９．！ｌｌｏ、１１に
て示す。各画素のピーク間隔はそれぞれ４μｍ、５μｍ
、　　５μｍ、４μｍと測定された。第５図は、セル表
面部（画素７と１１）で観測されたピーク間隔４ｐｍを
差し引いた結果を示す。（画素１０番も同様である。） 第１図に示した第１の実施例では、セル表面と溝表面か
らの反射光間に群遅延時間差２　ｄ　／　ｃが生じるこ
とを利用している。この第１の実施例で使用した白色光
源の可干渉距離は２μｍ程度であることから、溝の深さ
がｄ＝２μｍ以下となると、溝からの反射光によるピー
クがセル表面からの反射光により生じるピーク内にかく
れてしまい、溝の深さを４川定することは難しい。しか
し、第１図に示した実施例では、反透鏡１３の位置を基
準に用いろためｄが２μｍ以下であっても各画素子から
の出力ピークはつねにｄ＋ｃが４μｍ以上はなれている
ことから、各画素（例えば第３図中の７と８番）で観測
されるピーク間隔を精度よ（測定することにより、ｄく
２μｍ以下の溝の深さも精度よく測定することが可能と
なる。

〔実施例２〕 第６図は本発明の第２の実例を説明する図であって、１
７．１８はそれぞれ焦点距離０．５μｍ、１０μｍの凸
レンズを示す。

第１の実施例との違いは、レンズ１７を用いて、反ｉ８
鏡】３とキャパシタ溝の形成された裁板６−ヒにビーム
を絞るごと、（ここでレンズ１７の焦点を基板６の表面
にあわせる）、および、レンズＩ８を用いて合波光をＣ
ＣＤ固体撮像素子１５に集束させることである。基板６
のうちの光を照射された部分の像（この場合、特に反透
鏡１３に対する各表面の距離を含んでいる）はレンズ１
７によりフーリエ変換されるが、レンズ１Ｈにより逆フ
ーリエ変換を浮け、ＣＣＤ固体撮像素子上には、もとの
像が結像する。しかも、レンズ１８はレンズ１７に対し
て２０倍焦点距離が長いために、結像は元の像に対して
２０倍拡大される。この結果、第１の実施例においては
凹レンズ１４を用いてビームを拡大したのと同じ結果が
得られ、セルや溝は２０倍拡大されろため、第３図に示
したと同じ原理で溝部での深さの分布を測定することが
可能となる。

しかも、レンズ１７で集光（約５０μｍφ）することか
ら、単位表面あたりに、照射される光パワーは第１の実
施例（ビーム径が５μｍφ）と比較して約４桁大きくな
るので、Ｓ／Ｎよく測定できるという利点がある。

（実施例３］ 第７図は、本発明の第３の実施例を説明する図であって
、１９はビームスプリッター、２０は全反射ミラーであ
る。

多モードファイバ２からの出射光はレンズ３により平行
ビームとなり、ビームスプリッター、９をｉ！１過した
後に、レンズ１７により被測定用Ｓｉ基板６および反透
鏡１３上に集光する。基板６および反透鏡１３からの反
射光は、レンズ１７により平行ビームとなり、ビームス
プリッター、９で反射した後、マイ内−ルソン干渉計に
入射する。マイケルソン干渉計は、ビームスプリッタ−
４と全反射鏡５と２０より構成されている。すなわち、
反射光の一部はビームスプリッタ−４で反射された後に
全反射鏡２０でも反射されて再びビームスプリッタ−４
に向かう。一方、反射光の一部はビームスプリッタ−４
を透過した後に全反射鏡５で反射し、再びビーｌ、スプ
リッター４で反射され、先の反射光の位置部と合波し、
レンズ１８を介してＣＣＤｌｌｌ１Ｉ体揚像素子１５に
入射する。この測定系では、全反射鏡５を電歪振動子１
１で振動されていることから、実施例１．２と同じく干
渉ピークが生じ、ピークを与える全反射鏡の位置の間隔
より溝の深さを測定することが可能となる。

また、反透鏡を被測定用基板の前面に設置し、固体撮像
素子で受光する本方式は、波長を１イ引して溝の深さを
測定する方法に対しても有効であることは明らかである
。

その細溝の深さ、形状の測定だけでなく、凸部の高さ形
状の測定もでき、半専体ウェハ表面の微小ブーファイル
も測定可能である。

〔発明の効果〕

以−ヒ説明したように、本発明の測定装置及び方ン去に
より、ＶＬＳ　ｌ用キャパシタセルの谷溝の深さおよび
形状の測定が可能となったために、溝形状の測定ができ
、また溝形状に欠陥を有するセルを基板の中から発見す
ることも可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施のキャパシタンス溝深さ
測定系を示す。 第２図は、前記第１図において、キャパシタセルの前部
に反透鏡１３を配置した場合の光の反射を説明する図を
示す。 第３図は、本発明の実施例において凹レンズを使用した
ときの反射光ビームの拡大の様子を説明する図を示す。 第４図は、固体撮像素子の各画素で観測される信号波形
を示す。 第５図は、溝各部の深さの測定結果を示す。 第６図は本発明の第２の実施例のキャパシタ溝深さ測定
系を示す。 第７図は、本発明の第３の実施例のキャパシタ溝深さ測
定系を示す。 第８図は、従来の技術であるキャパシタ／ｇ深さ測定′
ｊｔ置を示す。 第９図は、第８図においてキャパシタセルにおける光の
反射を説明する図を示す。 図において、 １・・・白色光源、２・・・多モード光ファイバ、３と
７・・・凸レンズ、４・・・ビームスプリッター、，５
・・・全反射鏡、６・・・溝の形成された被測定用５ｉ
基板、８・・・光検出器、９・・・増幅器、１０・・・
デジタルメモ’Ｊ、１１・・・電歪振動子、１２・−・
三角波発生器、１３・・・反透鏡、１４・・・凹レンズ
、１５・・・ＣＣＤ固体撮像素子、１６・・・固体撮像
素子のコントローラ、１７と１８・・・凸レンズ、１９
・・・ビームスプリッタ−５２０・・・全反透鏡特許出
願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　玉　蟲　久　五　部 （外２名） 第　　２　　図 キャパ／タセルにおける光の反射 第　　７　　図 キτパ／りＩＢ９さ測定系の第３の実施ツ］第　　８　
　図 従来のキτパ／り溝深さ測定装置 第　　９　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光の干渉を利用した表面プロファイル測定方法にお
   いて、光源からの光をビームスプリッターで分離し、分
   離された一方の光を反透鏡を通して試料表面に照射し、
   分離された他方の光を可動の反射鏡に照射し、試料表面
   および反透鏡からの反射光と反射鏡からの反射光とを合
   成し、試料表面からの反射光との合成波の干渉ピークが
   得られる反射鏡の位置と前記反透鏡からの反射光との合
   成波の干渉ピークが得られる反射鏡の位置との距離から
   試料表面の表面プロファイルを求め、かつ試料表面に照
   射される光を光検出器に拡大して照射することを特徴と
   する表面プロファイル測定方法。 ２、光検出器の前面に凹レンズを置くことにより、試料
   表面に照射される光を光検出器に拡大して照射すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面プロファ
   イル測定方法。 ３、反透鏡の前面に第１の凸レンズを置き、光検出器の
   前面に第１の凸レンズより焦点距離の大きい第２の凸レ
   ンズを置くことにより、試料表面に照射される光を光検
   出器に拡大して、照射することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の表面プロファイル測定方法。 ４、反透鏡が平面型であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の表面プロファイル測定方法。 ５、反射鏡に電歪素子を連結し、電歪素子に交流電圧を
   印加することにより反射鏡を可動とする前記特許請求の
   範囲第１項記載の表面プロファイル測定方法。 ６、１次元あるいは２次元配置の固体撮像素子からなる
   光検出器を用いる前記特許請求の範囲第１項記載の表面
   プロファイル測定方法。 ７、光の干渉を利用した表面プロファイル測定装置にお
   いて、光源からの光を分離するビームスプリッターを有
   し、分離された一方の光を反透鏡を通して試料表面に照
   射するための手段、分離された他方の光が照射される可
   動の反射鏡を有し、試料表面および反透鏡からの反射光
   と反射鏡からの反射光とを合成するためのビームスプリ
   ッター、合成波の干渉ピークを測定するための手段、試
   料表面からの合成波の干渉ピークに対応する反射鏡の位
   置と反透鏡からの合成波の干渉ピークに対応する反射鏡
   の位置との距離を測定をする手段、試料表面に照射され
   る光を光検出器に拡大して照射する手段を、を具備する
   ことを特徴とする表面プロファイル測定装置。 ８、前記光検出器の前面に凹レンズを置くことにより、
   試料表面に照射される光を光検出器に拡大して照射する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の表面プロ
   ファイル測定装置。 ９、反透鏡の前面に第１の凸レンズを置き、光検出器の
   前面に第１の凸レンズより焦点距離の大きい第２の凸レ
   ンズを置くことにより、試料表面に照射される光を光検
   出器に拡大して照射することを特徴とする特許請求の範
   囲第７項記載の表面プロファイル測定装置。 １０、前記反透鏡が平面型であることを特徴とする特許
   請求の範囲第７項記載の表面プロファイル測定装置。 １１、前記ビームスプリッターは、合波器を兼用するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の表面プロフ
   ァイル測定装置。 １２、反射鏡は、電歪素子を連結され、電歪素子に交流
   電圧を印加することにより反射鏡を可動とする前記特許
   請求の範囲第７項記載の表面プロファイル測定装置。 １３、１次元あるいは２次元配置の固体撮像素子からな
   る光検出器を用いる前記特許請求の範囲第７項記載の表
   面プロファイル測定装置。