JPS62289703A - 表面プロフィール測定装置および方法 - 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 本発明は半導体などのような見本の表面パターンを走査
する装置に関し、さらに詳しく述べれば、かかる見本の
表面形状（プロフィール）を正確に測定する方法および
装置に関する。

表面パターンの欠陥を検出する半導体ウェーハなどの走
査において、高い解像度を持つ光学的および音響的各種
の顕微鏡を利用するいろいろな方法が使用されてきた。

光学映像装置では一般に、テレビカメラに似た装置が利
用され、ここで電磁放射線はウェーハ上の比較的大きな
スポットから反射されて光学装置および光検出器を通し
て、デジタルもしくはアナログのいずれかで処理され、
ＣＲＴのような適切な出力装置に多強度（マルチインテ
ンシテイ）像として再現される。

半導体ウェーハの走査は普通、一定の処理欠陥を検出す
ることができるか、又は製造工程が正しく行われたかど
うかを決定するために線幅測定を行うことかできる手段
を提供する。正確に検出されかつ測定されなければなら
ない寸法の許容限度は、ミクロン又は実にミクロン以下
の範囲になるので、高解像度で見本を走査する顕微鏡映
像装置が一般に要求される。レーザビームは極めて狭い
被写体深度を持つかかる光学映像装置により集束される
。次に半導体ウェーハの上部表面に沿ってレーザビーム
を走査することによって、ウェーハ上の導電トレースま
たは半導体パターンの線はかかる線の縁を表わす特殊検
出装置を利用して測定することができる。

上述の形式のウェーハ映像および走査装置によって、変
化するウェーハ表面レベルを追跡するようにウェーハを
横切って走査するとき、僅かに焦点からずれて動く反射
像を注視すると共にウェーハと映像装置との間隔を調節
することにより（いずれか一方を他に対し相対的に移動
することにより）、ウェーハの反射表面を絶えず適切な
焦点に維持するように、ビーム焦点レベルを調節できる
ことは一般的に認められている。かかる映像装置を記述
する先行技術の特許として、ヨシカワ（Ｙｏｓｈｉｋａ
ｖａ）らに対する米国特許第４，５０５，５８５号およ
びカーク（Ｋｉｒｋ）らに対する米国国防出版物ＴｌＯ
２，１０４などがあげられる。

本発明によって、先行技術の装置により提供されたもの
よりも一般に精度の高い、半導体ウェーハ表面上の与え
られた面積内で、断面プロフィールおよび特に線幅を組
織的に測定する方法および装置が提供される。

本発明の方法および装置により、ウェーハ表面上の微小
スポットに鋭く形成されたビームを投射し、焦点面にお
ける反射表面を表わす反射ビームの特性測定ができるよ
うな反射スポットを検出する光学映像装置か提供される
。光学映像装置およびウェーハは、ウェーハの表面に全
体として平行な面内を相対的に移動されるので、投射ス
ポッートはウェーハの一部または与えられた面積を横切
る線を走査し、また走査線に沿う複数個の極めて接近し
て置かれた位置で測定可能な特性を表わす信号を記録し
かつ記憶する装置が提供される。映像装置の焦点レベル
は、複数個の走査かウェーハの関連表面細部を完全に通
過し終るまで、ウェーハおよび映像装置がおのおの走査
線に沿って通過した後でそれらを接近させたり離したり
するように移動することによって連続変化される。次に
、走査線に沿う各単一記憶位置に対して、当該装置の焦
点レベルが決定され、表面特性を最もよく表わす信号（
例えば最大反射強度信号）が得られた。

走査線に沿って接近して置かれた各位置についてかく決
定された焦点レベルの連続累積は、走査線に沿うウェー
ハの表面の断面プロフィールを表わす。この表面プロフ
ィール情報、すなわちデータは次にパターンの線幅測定
を直接行うのに利用される。

完全なプロフィールデータを利用して測定を行うことに
より、いったん線幅が測定されると、かかる測定値は走
査線に沿う単一焦点深度での単一走査によって供給され
るデータのみを用いて得られる特性プロフィールと比較
することができる。

深度オフセット距離が次に計算できる。ここでは単一走
査特性プロフィールの線幅は完全プロフィールデータか
ら測定された線幅に等しい。この深度オフセット距離（
これは例えば単一走査特性プロフィールの測定された最
大データレベルと最小データレベルとの間の相対距離に
対応することがある）は次に、最初の走査線に全体とし
て平行な走査線に沿うウェーハの面積の追加走査中に測
定係数として使用される。しだかってウェーハのかかる
面積は、確実な線幅測定を得るように単一焦点深度で走
査することができる。

本発明の線幅測定法は第１回に示されるウェーハ装置に
適し、特に米国特許出願箱７２５．０８２号（１９託年
４月１９日出願）、件名「半導体ウェーハ走査装置」、
および出願箱７５２．１８０号（１９８５年７月３日出
＠）、件名「表面プロフィールを決定する方法および装
置」にさらに詳しく説明されかつ特許請求されているよ
うなウェーハ走査装置によって実行するようにされかつ
それらと共に使用するようにされている。これらの以前
の出願の開示は本出願に参考としてここに組み入れられ
、またかかる出願への参照は本発明の装置およびその作
動の方法の一段と詳細な説明のために役立つことかある
。

本発明の機械装置および本発明の回路をブロック図の形
で極めて概略的に示す第１図から、下にある半導体ウェ
ーハＷの上の微小スポットにレーザ源（４０）からの鋭
く形成されたビームを集束させる光学モジュール（２０
）が提供されている。光学モジュール（２０）はコンピ
ュータ（２２）によって制御されかつそれにデータ情報
信号を供給する同焦点光映像装置を含む。コンピュータ
は映像表示装置（２４ａ）　　（ここでは全走査面積の
「同焦点」像が表示される）およびグラフィック映像表
示装置（２４ｂ）　（ここではプロフィール、グラフお
よびヒストグラムが表示される）を含むいろいろな表示
装置に対する情報を出力する。本装置によって検査すべ
き半導体ウェーハＷの表面は光学映像装置の下にあり、
投射ビームに全体として垂直な面内にわたるウェーハは
それぞれＸ段、ｙ段（３４，３２）により、またＸ方向
の運動に合わされる振動走査機構（４６）により、Ｘお
よびｙの直交方向にこの面内を移動するように配列され
ている。コンピュータ装ｆＺ（２２）からの適当な信号
の制御を受けて、Ｘおよびｙ段は在来の電動機制御回路
（３６）によって駆動される。Ｚ方向、すなわちレーザ
［（４０）から投射された光ビームに全として平行な方
向の運動は、光学装置の焦点面を変えるようにごく小さ
な垂直距離にわたって対物レンズ（２６）　（光学装置
の最終素子）を移動させる塩点制御機構（２８）によっ
て達成される。焦点制御機構は、コンピュータ装置から
、在来の制御回路（３８）からの焦点制御信号により、
レンズ（２Ｂ）を上下に移動させるように作動される。

レーザＩＴ’Ｘ　（４０）からのビームは極めて狭い被
写体深度で鋭く集束され、またそれは焦点面でウェーハ
Ｗの表面（１つが存在する場合）から反射されて、光学
装置を経て光検出器（４２）に戻るようにされている。

検出器からの信号は制御回路（４４）によって抜き取ら
れてディジタル化され、ウェーハＷの表面上にスポット
が投影される。これらのディジタル信号は焦点レベル２
の関数として供給され、またＸ−ｙ面内の別な接近とし
て置かれる位置の関数としても供給される。光学装置は
極めて狭い被写体深度ををするので、焦点面としての反
射強度のピークは下にある反射表面と一致し、ウェーハ
表面が焦点面から離れるにつれてＵしろ鋭く急落する。

かくて任意の特定な平面（ｘ＝ｙ）位置におけるウェー
ハの高さは、反射光の強度を表わす最大出力信号を達成
する焦点制御機構（２８）を走査することにより容易に
検出することができる。

本発明はこの基本原理に基づいている。コンピュータ（
２２）は、ビームに関するウェーハのＸ、ｙ位置および
ビームの２レベル焦点面位置の両方を追跡し、かつこの
情報を光−検出器（４２）からの強度信号と調整して、
走査されるウェーハの部分の３次元出力表示を供給する
。

前に指摘した通り、ウェーハＷはコンピュータ装置（２
２）の監視を受けてｘ、ｙ設電動機制御回路（３６）に
よって制御されるＸおよびｙ段（３４，３２）により水
平面内に移動される。段３２．３４はミクロン以下の解
像度と精度のための光学位置ニンコーダを備えた在来の
精密変換表を含んでいる。電動機制御回路（３６）も本
質的に在来形であり、段を移動させる駆動信号を供給す
るとともに任意の与えられた瞬間におけるウェーハの位
置を正確にモニタするように位置エンコーダから信号を
受信して処理するＤ−Ａ回路を含んでいる。２軸無点制
御回路（３８）は焦点制御機構（２８）用の出力電圧を
供給し、この機構は本例において垂直面内で膨張または
収縮しかつ対物レンズ（２６）の相対垂直佐賀を移動さ
せる印加電圧に応答する圧電クリスタルを含む。

全装置用の制御回路（４４）は、光検出器（４２）から
増幅器（４５）を経て連続入力光強度信号を受信するよ
うにされ、このデータを走査機構（４６）の位置情報と
同期させる。制御回路（４４）は走査駆動信号（正弦波
形）を増幅器（４７）から摂動走査機構に出力する働き
をもする。走査機構（４６）はウェーハをＸ方向に急速
１手振動させる。ｙ段、すなわち直線変換器は、前述の
同時係属米国特許出願第７２５．０８２号に詳しく説明
されているウェーハの全区域（または一部）の３次元走
査を与えることが望ましいとき、Ｘ方向の振動走査運動
中にＸ方向にＷをゆっくり同時に動かすようにされる。

後で詳しく説明するが、本発明のプロフィール法は、走
査機構（４６）がＸ方向にのみ移動することを要求し、
各個の走査後に焦点制御機構（２８）によりレンズ（２
６）のレベルを増加的に変える間、ウェーハ上の同じ線
にわたり走査を繰り返して行うようにする。

制御回路（４４）において、走査駆動電圧は線走査波形
記憶回路（４８）からディジタルで供給され、またＤ−
Ａ変換器（４９）はディジタル信号を増幅器（４７）の
増幅に適したアナログ信号に変換するのが分かる。記憶
回路（４８）は走査制御および同期回路（５０）によっ
て呼び出される。光検出器（４２）から入って来るアク
ログ信号はＡ−Ｄ変換器（５１）によってディジタル信
号に変換される。ウェーハＷを取り付けている走査機構
（４６）はウェーハＷが走査されるにつれて変化する直
線速度で移動するので、ディジタル検光器信号抜取りの
タイミングは、記録されたディジタル信号情報がウェー
ハ上の走査線に沿って全体として一様に隔てられた位置
に対応するようなタイミングであり、その結果ウエーノ
１のひずみのない像が映像表示装置２４ａ、２４ｂに作
られる。

この目的を果たすために、資料間のタイミングを制御す
る線走査ひずみ記憶装置（５２）が具備されている。記
憶装置（５２）からのタイミング情報は、適当な時間に
ディジタル入力信号を受信した記憶する線走査ビクセル
記憶装置（５４）を制御するピクセルタイミングおよび
同期回路（５３）によって利用される。抜きとられた各
信号（光検出器から）はウェーハ上の極めて小さな増分
区域を表わすピクセルに対応し、その時間に抜き取られ
た信号はかかる増分区域から反射された光の測定値であ
る。制御回路（４４）のさらに完全な説明については、
我々の前述の同時係属米国特許出願第７２５．０８２号
を再度芸照されたい。

半導体ウェーハ走査装置を含む機械構造物が第２図ない
し第５図に示されている。まず第２図から、全体的なウ
ェーハ駆動装置および光学装置がテーブル（６１）の上
に置かれかつ表面板の各隅を支持するように置かれた４
個のピストンおよびシリンダ形空気ばね（６２）によっ
てそれから隔離されている大きな表面板（６０）の上に
取り付けられるように配列されている。一般フレーム構
造物（６４）は表面板（８０）の上にあって、垂直に移
動し得る焦点制御機構（２８）を含む光学モジュール（
２０）を支持している。

焦点制御機構（２８）の詳細は第２図、第４図および第
５図に最も良く示されている。可動対物レンズ（２６）
は、上部と全部が開きかつ裏面（第５図）がフレーム構
造物（６２）の直立面上のトラソクク７３）の中をすべ
るようにされた。ケージ（７２）の中に取り付けられて
いるのが分かるであろう。支持ブラケット（７０）はそ
こから外方に出てＤＣサーボモータ（６６）を支持する
ケージ（７２）の片側に取り付けられ、その突起してい
る親ねじ（６７）はフレーム（６４）の主直立部分に固
定される支持ブラケッ）　（６ｇ）の上面と組み合うよ
うにされている。第２図から見られるように、電動機組
立体（６６）の中のねじ（６７）は対物レンズ（２６）
を下にあるウェーハ支持組立に関して上下させる働きを
する。このレンズ運動はウェーハ表面に関する光学装置
の総合整合のためにのみ供給され、すなわちウェーハＷ
の表面が光学装置の基本焦点距離内にあるように光学装
置を移動させることである。これから説明するが、この
総体運動はウェーハの上部表面に近くしかもその上に光
学装置の焦点面を最初に置くので、レンズ（２８）はそ
の後レーザ（４０）からのビームがウェーハを横切って
走査されるにつれて連続的にウェーハにより接近するこ
とができる。下にあるウェーハ支持構造物より十分上に
あるレンズ（２６）を持ち上げる電動機（６６）の使用
は、ウェーハＷの積みおろしをも容易にする。

対物レンズ（２６）の精密焦点合せ（すなわち精密垂直
調節）は、ケージ（７２）の台とレンズ（２６）用のマ
ウントの上方端がねじ込まれる中央ハブ（７５）を持つ
頭上環状支持部材（７４）　（第一４図）との間に取り
付けられる全体として円筒形の圧電クリスタル（７Ｇ）
　（第４図および第５図）によって達成される。

電気リード（７７）　（第５図）に対する電圧を変える
ことによって、クリスタル（７６）は軸線方向に収縮さ
れたり矢印の方向に膨張され（第４図）、シたがって対
物レンズ（２６）は下にあるウェーハに関して順次上下
される。認められると思うが、クリスタル（７６）に電
位差が加わる間レンズ（２日）の運動はサブミクロン範
囲（例えば増分当たり　０．０１　ミクロン）であるの
で、ウェーハの面上の表面レベルの比較的小さな差を識
別することができる。

平面（すなわちｘ−ｙ　）駆動配列は第３図の展開図に
最も良く示されている。そこに見られる通り、各Ｘおよ
びｙ駆動装置すなわち段３４．３２は本発明の詳細な説
明される実施例において約６〜８インチの直線行程を持
つように設計されている在来形の精密移動テーブルとを
溝成している。これらのテーブルはおのおの、スライド
ブロック（８０）に取り付けられるナツトにねじ込まれ
る親ねじ（図示されていない）によって溝形クレーム（
８３）内でスライドブロック（８０）を駆動する働きを
する駆動電動機（８２）を含んでいる。図示されていな
いが、各移動テーブルには連続位置信号をコンピュータ
（２２）に送り返す働きをするミクロン以下の解像度お
よび精度を有する光学位置エンコーダが含まれるので、
任意の与えられた時間におけるＸ−ｙ面内のウェーハの
精密な位置は装置の作動中に光学装置から反射された強
度測定値によって制御されかつそれと相関されることが
認められる。平らな下方傾斜板（８４）は上段、すなわ
ちｙ膜移動テーブルのスライドブロック（８０）の上面
に取り付けられ、中央傾斜板（８６）は両頭斜板の隣接
隔置端に固くボルト止めされる板ばねによってそこに固
定される。

傾斜調節ねじ（８７）は下方傾斜板（８４）の上面にも
たれるようにばね（８８）の取付けに対向して傾斜板（
３６）の端を通してねじ込められるので、中央傾斜板（
およびその上に支持された構造物）はねしく８７）の調
節によりＸ軸のまわりに傾斜することができる。同様な
方法で、上方傾斜板（９０）はその後方線にボルト止め
される板ばね（９２）によって中央傾斜板（８６）に隔
置関係に固定され、また傾斜調節ねじ（９１）は傾斜板
（９０）の前縁に通されて、傾斜板（９０）をｙ軸のま
わりに調節自在に回転するように傾斜板（８６）の上面
にもたれさせる。言うまでもなく、装置をまずセットア
ツプしその後それをチェックする際に不可欠なことは、
上部傾斜ブロック（９０）の表面が頭上の光学装置（２
０）からの光ビームの通路にぴったり垂直な完全水平面
内にあることを保証するように傾斜ねじ（８７）および
（９１）が正しく調節されることである。

ウエールＷをＸ軸の方向に急速に振動させる振動走査機
構（４６）が第３図に詳しく示されている。

走査機構は駆動バー（７８）を振動させるように支持す
る１対の板ばね（１２０ａ、　１２０ｂ）ならびに１対
の引張り調節板ばね（１２１ａ、１２１ｂ）を含む矩形
構造物を備えていることが分かる。ばねは４個のコーナ
ブロック（１２２）に取り付けて矩形構造物に配列され
、各ばねの端はコーナブロックに堅くボルト止めされて
いる。固体駆動バー（７８）は各振動板ばね（１２０ａ
、　１２０ｂ）の中央点の間に堅く取り付けられてわた
っている。駆動バー（７８）　（第２図参照）の上に置
かれている真空チャック（８９）はウェーハＷをその平
らな上面に堅く保持する真空を供給されている。駆動バ
ー（７８）の後方に突出する端（７８ａ）はコイル（７
９）を取り付け、コイル（７９）には制御回路（４４）
から増幅器（４７）　（第１図）を経て駆動電流が加え
られる。複数個の固定磁石（１０１）が隔置された直立
取付はブロック（１００）の上に置かれ、そのブロック
（１００）の間にコイル（７９）が置かれて走査器用の
電気機械駆動配列が完成される。取付はブロック（１０
０）は第３図に示される通り上部傾斜板（９０）の延長
部（９０ａ）の上に置かれて固定されており、コイル（
７９）を駆動回路に接続する端子（１０１ａ）を取り付
ける働きをもする。走査機構（４６）を上部傾斜板（９
０）に堅く固定するように、Ｕ形成材はブロック（１２
４）が各引張りばね（１２１ａ、　１２１ｂ）の中央点
に取付板（１２ｇ）を経てボルト止めされている。

各取付板はその中央ねじ穴を有し、止めねじ（１２７）
を受けるようになっている。各ねじは第３図に示される
通り、組み合わされるＵ形成材はブロック（１２４）に
ある通路（１２７ａ）を通って自由に出る。受台ブロッ
ク（１２５）は上部傾斜板（９０）の上面に堅く固定さ
れて、止めねじ（１２７）が接する面を提供する。各取
付はブロック（１２４）はブロックを通って出るスロッ
トに受けられるボルト（１２Ｂ）によって上部傾斜板（
９０）の上面にも固定されているので、ボルトをゆるめ
るとブロックは走査器に関して横方向に移動することが
できる。取付はブロック（１２４）はかくて、ボルト（
１２Ｂ）が完全に締められる前に受台ブロック（１２５
）の側面を自由にスライドし、それによって引張りばね
（１２１ａ、　１２２ｂ）はその最も内方位置から外方
に曲げられることが分かるであろう。これは装置の機械
的共振周波数を所望の周波数に調節するように板ばね（
１２０ａ。

１２０ｂ）の正しい引張りの量を加えるために行われる
。この機械的共振周波数は装置の作動すなわち駆動周波
数よりほんの少し高くセットされるべきであり、その結
実装置はエネルギー効果を発揮するが振動装置は決して
制御損失および構造損傷を生じる共振点を通過しない。

受台ブロック（１２５）の外方に板（１２ｇ）を移動す
るように止めねじ（１２７）を回すことによって、引張
りばね（１２１ａ、１２１ｂ）は外方に曲がって軸線方
向の引張力をばね（１２０ａ。

１２０ｂ）の上に置くことが分かる。各引張りばね（Ｌ
２１ａ、　１２１ｂ）はその組み合わされる止めねじ（
１２７）により別々に調節できるので、完全に対称な駆
動配置が得られることを保証するために、ばね支持装置
の各面を別々に調節して、ばね装置の構造上のいかなる
非対称をも補償することができることが認められよう。

コイル（７９）に交流を加えると駆動バー（７８）が移
置の各面を別々動し、それによってウェーハＷがＸ軸の
方向に前後に、すなわち矢印（１１０）の対向方向に（
第３図）支持され、それによって加えられた交流の周波
数次第で支持ばね（１２０ａ、　１２０ｂ）が曲がる。

ウェーハ上のＸ軸に沿う装置の走査線幅を含むこの横方
向の振動は、約２ミリメートルの代表的な全工程につい
てセットされる。

コンピュータ（２２）が本発明の前述の機械および光学
装置の作動を制御するプログラミングは、第６図に流れ
図の形で示されている。ウェーハＷがいったん真空チャ
ック（８９）の上に適当に置かれると、基本のｘ−ｙ平
面駆動機構はウェーハを光学映像装置（２０）の下の位
置に持って来るように使用され、ここでレーザ（４０）
からのビームはウェーハ上の特定の場所に当たる。代表
的な半導体ウェーハ検査において、選択さｎた微小面積
または場所（例えば時間的制限の理由でウェーハ全体を
走査するのではなくウェーハ上の４個所）のみを調べる
のが在来の方法である。いったんウェーハが映像袋Ｈ（
２０）からのビームの下に、コンビ二一ノ（２２）から
の信号の指令によりｘ−ｙ設電動機制御回路（３Ｂ）に
よって最初の選択されたウェーハ検査場所内の始動ｘ、
ｙ位置を置くように移動されると、焦点制御機構（２８
）は、たとえウェーハの厚さが少し変わったりウェーハ
が完全に水平面になくても（第８図の上の図を参照）、
ウェーハの最上面より必ず上となるように選択される焦
点面ｚ１まで焦点レベルを持って来るように作動される
。ウェーハ上の線（Ｘ方向）に沿う２（垂直）プロフィ
ールを得て表示するサブルーチンＶ　（ｚ）か次に実行
される。このサブルーチンは第７Ａ図、第７Ｂ図、およ
び第７Ｃ図に詳しく示されている。

まず第７Ａ図のデータ収集段階から、焦点制御機構（２
８）がまず作動されて（制御回路（３８）により）、光
学装置の焦点レベルを前述のようなその最上部の走査レ
ベルＺ１にする。振動走査機１ｉ（４Ｇ）がいま作動さ
れて、レーザ（４０）からのビームをウェーハ上の線に
沿って走査させる一方、制御回路（４４）（第１図）は
１回（すなわち１方向）の走査運動でｎ個の試料（例え
ば５１２個の試料）で線に沿って光検出器（４２）から
の反射度データを抜き取る。

これらの試料は区域または場所の１つの横縁から他の横
縁まで線に沿った全体として一様に隔てられた位置（Ｘ
ｉ　−１５１２）を表わす。走査機構（４Ｂ）のばね装
置駆動がウェーハを走査線に沿った復帰方向に戻すにつ
れて、データは取られず、焦点制御機構（２８）が作動
されて、焦点レベルを増分距離（普通、１ミクロンの二
、三百分の１）だけ下げる。この手順は第７Ａ図に示さ
れる通り、焦点レベル（２レベル）がｍレベル（例えば
２５６レベル）に連続して下げられるように繰り返され
、言うまでもなく各レベルでＸ方向に沿って５１２個の
試料が得られ、またこの情報のすべてはコンピュータ（
２２）の記憶装置内に記憶される。

データ収集段階が終ると、データは第７Ｂ図に示される
プログラミングにしたがって処理される。

データはアレイＸ、ＸＸ、の形でコンピュータ内ｌ　　
　　　　　ｊ に保存され、ここでｉ　　（ｘ軸に沿う位置をとる隔置
されたデータ）は普通約５１２であり、またｊ（光学装
置の増分焦点レベル）は普通約２５６である。かくて、
プロフィール操作用のデータ記憶装置は５１２Ｘ　　２
５Ｂすなわち約１３１にバイトの情報を収容しなければ
ならない。第７Ｂ図に示される通り、装置は２．および
さｘｌで開始し、最大ピーク値（Ｐｍ）およびかかるピ
ーク値での反射率信号（Ｒ）をさがし、また第１ピーク
値Ｐ１をさがす。かくて、Ｘ軸に沿うデータ位置Ｘ１で
、プログラムはまず第１ピーク値（すなわち反射された
強度はまずピーク値まで上昇して次に減少する）をさが
し、次に最大ピーク値（すなわち最高の反射強度値）を
さがすように反射度の値を連続試験しながら、各２レベ
ル（１〜２５６）をステップする。最大ピーク値はウェ
ーハの基本反射面が光学装置の下の焦点面に精確に置か
れるＺレベルで生じ、また第１ピーク（最大値より前に
ピークがある場合）は下にある基本反射面の上にある透
明または半透明の層が焦点面に精確に置かれる２レベル
で生じる。

上記のプロセスは第８図のグラフィック表示によって認
められるが、同図は代表的なウェーハの部分断面構造（
最上部の図）を示すとともにグラフィックＶＤυ２４ｂ
（第１図）で供給されるようなプロフィールの対応する
出力表示を示している。かくて、基本レベルＡでシリコ
ンの下にある基本層により、アルミニウムの１対の隔て
られた金属線はレベルＢで供給され、また二酸化シリコ
ンのより高い絶縁線はレベルＤで供給されることが分か
るであろう。導電材料の上には腐食プロセス後に残され
た半透明の性質を持つあるホトレジスト材料が置かれて
いる。アルミニウム線の上のホトレジストはレベルＣを
中心にした小山にあり、また二酸化シリコン上のホトレ
ジストは図示の通り一様なレベルＥにある。かくて、デ
ータを取る装置ＸｌＯが処理されており、かっこの位置
が第８図に示される通り二酸化シリコン層の内部にある
ものと丁れば、２レベルはプログラミングにより連続的
にシーケンスされるので、レベルＥで焦点面を表わす２
レベルは第１ピーク反射率（Ｒ）の値を供給することが
認められよう。ＺレベルがＥに近づくにつれて、対応す
る信号ＲのレベルはレベルＥでピークになるまで上昇し
、次に焦点面がレベルＥ以下に低下すると降下し始める
。しかし焦点面（２レベル）がレベルＤに近づくにつれ
て、反射率信号のもう１つのピークが作られ、このピー
クがレベルＥのピーよりも高くなるのはＤにおける二酸
化シリコン導体がレベルＥにおけるホトレジストの不透
明層だからである。焦点面すなわちＺレベルがレベルＤ
以下に降下すると、反射率信号の他のいくつかのスプリ
アスピークが作られるか、これらは本発明の理解にとっ
て重要でない光学的理由でレベルＤにおけるピークより
もずっと小さな値となる。かかるピークは無視すること
ができる。第７Ｂ図に示される通り、コンピュータはＸ
ｌ。

位置のＺレベル値（２，）を記憶するとともに、最大ビ
ークＰｍの反射度値Ｒをも記憶する。このプロセスはＸ
軸に沿う各位置、すなわちｘ１〜ｘ５□２について繰り
返され、上述の情報はすべて各デー夕取得位置で記録さ
れる。例えば第８図について、Ｘ９８位置で、最大ピー
クと区別される第１ピークが存在しないのは、シリコン
基板レベル（Ａのレベル）のみがどんな光でも反射する
からである。

したがってＸ　では装置は別のＰｌ値を記憶しない。

第８図の下方の３つのグラフは、３つの別なアレイの形
でグラフィック映像表示装置（２４ｂ）に供給されるデ
ータ表示を示す。

上のグラフはＺ（光学装置に関するウェーハ表面の深さ
）とＸ（走査区域を横切る直線位置）との関係を表わす
。いま第７Ｃ図のデータ表示プログラミングから、記憶
されたデータ（第７Ｂ図）は、各Ｘ位置について最大反
射率信号が得られた各２レベルがプロットされかつ実線
によって接続されるように利用されていることが分かる
であろう。

この実線は第８図の上部に示されるようなウェーハ表面
のＺ軸プロフィールすなわち断面プロフィールを含む二
とが認められよう。各最大信号位置における反射度も第
８図に示されかつ実線によって接続されるような別のグ
ラフ（Ｒ対Ｘ）の上にプロットされる。このグラフから
見られる通り、反射性の強いアルミニウム線の反射度は
予想どおり二酸化シリコン線のそれよりもはるかに大き
い。

最後に、上部のグラフ（Ｚ対Ｘ）を再び見ると、第１ピ
ーク（これは最大ピークとは別に見られた）が点線でプ
ロットされている。第８図に示される通り、点線のプロ
ットが導電線の上にのみ見られるのは、これらが多重反
射層の材料が見られる唯一の位置だからである。

下にあるシリコン基板レベルは比較的反射塵が弱く、二
酸化シリコン層は反射度レベルがより強く、また金属ア
ルミニウム層は最高の反射度レベルを示すことが第８図
・のＲ対Ｘグラフから見られると思う。アルミニウム線
の波状表面は、固有の可変反射率レベルを持つ比較的平
らな金属表面の粒状金属特性を表わす。

最後に、ヒストグラムが計算されかつプロットされ、第
７Ｃ図に示され、第８図の最下部のグラフ表示に示され
る通りである。ヒストグラムは最上部のグラフ（Ｚ対Ｘ
）に用いた同じデータを利用するが、それは最大反射信
号の２位置を統計的に示す異なる方法でプロットされる
。かくて、最大反射信号が観測された各Ｚレベルで見い
だされたビクセル数、すなわちＸ位置ｘ　　−ｘ　　　
がプ０ツトされる。第８図の上部および下部グラフを比
較すると、最低のレベルＡはビクセルの最高数であり、
また金属線Ｂのレベルは次の最高を有し、これらのビク
セルはすべてＡおよびＢを中心として接近していること
が分かるであろう。ベル形曲線がＣレベルのまわりに作
られているのが認められるが、かかる曲線はアルミニウ
ム層にかぶさる光硬化樹脂材料を表わし、ピークはかか
る材料の平均レベルを表わす。最後に、ＤおよびＥレベ
ルは最小であり、比較的高い焦点深度レベルで適当に隔
てられている。かかるヒストグラムを作成して表示する
意義は、オペレータ選択または在来のコンピュータグラ
フ分析法が表示された各ピーク（Ａ−Ｅ）の位置および
それらの位置を明確に定める適当な走査幅をさがすのに
利用される点である。

このデータは次にチップパターン上の線の高さを正確に
測定するとともに半導体ウェーハの表面上の隣接区域を
さらに走査する問題の特性レベルを決定するのに用いら
れる。かくて第７Ｃ図に示される通り、自動焦点機能が
作動され、その場合いろいろな線幅を決定する最良の焦
点に関する２レベル（Ｚｐ）が走査のために選択され、
または使用者は例えば各線の観測された「上部」と「下
部」との間のほぼ中間のレベルを用いて、さらに走査す
るための所望のレベルを手動で選択することができる。

装置はその後、焦点制御機構（２８）が各個のＺレベル
で全地点を走査せずにかかる選択されたレベルにのみ焦
点を結ぶように光学装置を移動させるように作動される
。こうして、２対Ｘプロフイールは有効な方法で利用さ
れるので、全地点すなわちＸおよびＸ位置の全２次元ア
レイは３次元表示を得るように走査されるが、少しの選
択された深度レベルでのみ、関連情報を少しも失わずに
走査、され、また一方では管理できるレベルて記憶済デ
ータの量を保持することができる。

第７Ｃ図に示される通り、自動焦点選択機能が作動され
ると、自動的に選択された焦点レベルがセットされ、引
き続き焦点制御回路（３ｇ）　（第１図）に供給され、
その後おのおのは与えられた２レベルで２次元走査を完
了する。持点の場所で選択された２レベルがすべて走査
されると、装置は光学装置に関してウェーハの位置を急
速に移動させる準備を整える（移動段階３２．３４）の
で、新しい場所すなわち区域は光学装置の振動走査区域
の下にあり、プロセスは繰り返すことができる。

いま第６図の流れ図から、Ｖ　（Ｚ）データが収集され
、かつ２プロフイールが得られて表示されてから、使用
者は引き続き測定すべきに各線の走査幅（ＸＩＩｌｌｎ
、ｆｆ１ａｘ）を決定するとともに、追加の単一深度レ
ベル走査中に適当な線幅１１ｊｌｌ定を行う調節係数で
ある限界レベル（ＴＬ）を決定することが分かるであろ
う。この後者のステップを達成する方法は第１Ｏ図に示
されるサブルーチンに示され、後で詳しく説明する。次
に、公称焦点レベル（Ｚ　　　）がウェーハの最も上の
検出可能な層と１０ｍ して選択され、例えば第８図のウェーハ断面では、上部
レベルＥは図示の通り公称焦点を表わす。レベルＥまた
はそれ以下での走査で問題の各レベルは焦点オフセット
すなわち△２．によって定められ、２　　から走査聞届
のＺレベル（例えばレベＯｍ ルＡ、Ｂ、Ｃなど）を引いたものとして定義される。

与えられた例では、レベルＥはｊ−１でセットされ、Δ
ｚｌの値はレベルＥが公称焦点レベルであるのでＯに等
しくなる。レベルＤはｊ−２でセットされ、また△Ｚの
値はＤとＥとの間の増分２距離に等しくなる。同様な方
法で、他の各ｊ値（ｊ３〜ｊ５）はレベルＣ，Ｂおよび
Ａのためにセットされ、オフセット（△）値はレベルＥ
で対応する２レベル差にセットされる。別法として、線
幅のみを測定する今後の走査を行うために、ＡとＤとの
間の中間のレベルはｊ−１用にセットされ、またＡとＢ
との間の中間のレベルはｊ−２用にセットされ、かくて
２つのオフセット（△）値のみを必要とする。これらの
焦点オフセットはこうして決定されかつ記憶された△Ｘ
、である。次に、ｊが最初１に等しくセットされると、
焦点制御機構（２８）は焦点面を第１焦点レベルに動か
すように作動され（またはこの場合のように問題の上部
レベルが走査を開始させる公称焦点レベルにあるならば
、少しも動かされない）、またウェーハ面積は、前述の
とおり特許出願第７２５，０８２号で示された通りｘ、
ｙ面内で走査される。すなわち、走査機ｔＭ（４Ｂ）は
ｙ段（３２）の低速運動と共に作動されるので、反射度
データは走査されるレベルを通じて接近して隔てられた
Ｘ位置およびＸ位置のマトリックスについて得られる。

１つの２レベルにおける各Ｘ、ｙ位置で作られる反Ｉ・
１率測定値Ｒは、次に後述のプロセスによって線幅Ｍｊ
定値を作るのに利用されることがある。

次に、より高いＺレベルがウェーハの場所で走査される
ものとすれば、ｊ値は１つだけ増加され、制御機構は焦
点面を下げるように作動され、またそのプロセスは走査
が選択された各焦点オフセットで達成されるまで繰り返
される。

最後の、そして最低のＺレベルが走査されてから、プロ
グラムはウェーハ上の新しい場所に移動する。これはウ
ェーハ上のより多くの場所を走査すべきかという質問を
まず発することによって達成され、もしそうならば、ウ
ェーハを新しい走査位置に移すＸ、１段（３４，３２）
の全体運動を利用する。

新しい場所に達したら、装置はまず自動焦点ステップに
おいて、焦点制御機構（２８）はまず光学装置の焦点レ
ベルをウェーハの最上層より上であることが知られてい
る２ルベルにするように作動される。次にＺレベルは、
反射率信号Ｒピークが線走査ピクセル記憶装置（５４）
　（第１図）によって供給されるデータからコンピュー
タ回路によって認識されるまで、連続的に下げられる。

この連続的低下は、Ｘ方向における線の順次走査、およ
びデータと与えられた限界値以下のどんな信号をも無視
して前に受信されたデータとの比較によって達成される
（ノイズの影響を除去するため）。いったんピークが認
められると（ランダム・スパイクまたは他のスプリアス
信号と区別して）、光学装置は公称焦点レベル、すなわ
ちウェーハ表面に関して２　　になるであろう（第８図
参照）。このｏｍ レベルで、前述の走査プログラムが繰り返され、ここで
光学装置は問題の選択されたレベルに対してのみ垂直に
移動され、かかる各レベルでｘ、ｙ面内に完全な走査が
得られる。ウェーハの別の場所が走査されるようにウェ
ーハが移動されるにつれて自動焦点合せが必要になるに
は、走査機構（４Ｂ）の上にウェーハを取り付けるとウ
ェーハが真の水平面にセットされず、さらにウェーハの
表面が真に平らでないかもしれないからであり、したが
って新しい各場所における既知の基準レベルを見いだす
焦点合せ直しが一般に必要となる。しかし、前に作られ
た焦点オフセット（△２．）は一般に一定に保たれるの
で、新しい各場所で新しいプロフィールＶ　（ｚ）デー
タを収集する必要がないことが認められるのであろう。

本発明により線幅測定はまず複数個の増分焦点深度で単
一走査線に沿って得られた完全プロフィールデータ（す
なわち第８図に示される通りコンパイルされたデータ）
を用いて線幅を正確に測定することによって行われる。

次に、前記プロフィールが得られる線に隣接して走査す
べきま導体ウェーハ区域の残りについては、単一焦点深
度でのみ行われるが、その深度は最も正確な線幅測定を
提供すると思われるものであり、得られたプロフィール
の調節は正確な線幅測定を提供するように完全プロフィ
ールデータと単一走査データとのあらかじめ計算された
関係に基づいて行われる。言うまでもないと思うが、「
線幅」とは半導体チップの表面上のプロフィール細部を
横切る測定値を意味する。例えば第１１図に関して、装
置はそこに示される測定値ａまたはｂのような在来の「
線」を直接横切って測定するのに用いられる。また、装
置は第１１図に示される測定値Ｃおよびｄのような線間
隔の距離を測定することもできる。最後に、装置は第１
１図に示される測定値ｅ、ｆまたはｇのような線間のピ
ッチを測定するようにもセットすることができる。

いま走査のためのコンピュータプログラミングの操作を
示す第Ｓ図から見られる通り、Ｚプロィールの発生およ
び表示に続き、オペレータはまず以後測定すべき各線幅
の特徴について走査幅（ｘ　　　Ｘ　　　）を選択する
。−例として、第８ｗ１ｎ　　ｍａｘ 図の左側の第１線の拡大（および一段と現実的な）図が
第１３図に示されている。走査幅は、チップ面に沿って
、隔てられた異なる位置に生じる線幅のどんな変化をも
捕えて線を完全に支えるように位置が選択されている、
左側のＸ　　と右側のｌ１ｌｎ Ｘ　　との間を移動するように選択される。プロａｘ ダラムは次に、以後の単一走査データから線幅測定を行
うのに用いられる調節係数、すなわち限界レベル（ＴＬ
）決定する。

前述の通り、プロフィールデータはチップの表面特徴の
極めて正確な表示を与えるので、真の線幅は線の下部（
Ａ）と線の上部（Ｄ）（第１３図）との間の中間点とし
て任意に選択され、すなわち線幅を測定すべきレベル（
２）はＡ＋Ｄ−Ａとして自動的に計算される。

いま限界レベルＴｔ、を計算するルーチンを示す第１０
図のサブルーチンから見られる通り、コンピュータは、
まず線幅を測定すべき深度レベルとしてＺｐを決定して
から、次にｗＰすなわちプロフィールデータからの実際
の線幅を決定する。これは第１２図のサブルーチンに示
されるような挿入方法を用いて達成される。かくて、Ｘ
、は最初Ｘ　、　とじてセットされ、そのＸ値で得られ
る２＋１１１ｎ 値はそれがＺｐ以上であるか否かを決定するために調べ
られる。もしそれがＺｐ以上でなければ（最初は必ずそ
うでなければならない）、Ｘ、値は隣りの増分Ｘ値まで
増加され、プロセスは増分Ｘ値がＺｐレベルを通過する
まで繰り返される。

これが起こると、左の点Ｘ′は示されたアルゴリズムに
したがって計算され、すなわちＸ′はｘｉ−１（最後に
得られたＸ値のすぐ前の増分Ｘ値）に増分Ｘ値（データ
取得点間の間隔）を加えて”　ｉ−１は、Ｚｐのすぐ下
のＸ値でありかつ２１はＺｐのすぐ上のＸ値である。そ
のときプログラムは継続し、増分Ｘ値はＸ値が再びＺｐ
の値以下に降下するまでＸ、に加算される。これが起こ
ると、右側の測定点Ｘ′は示されるアルゴリズムを用い
に等しく、これは走査線に沿う連続Ｘ位置（すなわちデ
ータ点）間の距離を表わす。いったん２つの値Ｘ′およ
びＸ′が得られると、それは前者を後者から引いてｗ　
１すなわち示された特徴の真の線幅を得るのは簡単なこ
とである。

再び第１０図に戻り、いったんｗＰが得られると、プロ
グラムの次のステップは計算されたＺｐに最も近い２レ
ベルでその線走査データを呼び出すことである。選択さ
れｆこ特性の線幅を決定するすべての追加の走査に用い
られるのがこのレベルである。１つの高さＺのみで１回
の走査から相対Ｘ値および反射度（Ｒ）または電圧（Ｖ
）を含むかがるデータのコンパイルが第１５図にグラフ
で示されている。第１５図のグラフ表示は複数個の焦点
深度で走査することによって得られた第１３図のグラフ
表示とは反対に１つの焦点深度で走査することによって
得られたので、第１５図の表示は第１３図の表示よりも
ひずみが多いことが認められると思う。また、第１５図
のグラフ表示は例えばチップ表面に傾斜があるときのよ
うに片側が他側よりも高い斜めになっているかもしれな
いことが認められよう。本発明のプロセスにより、線幅
の正確な測定は左右の測定点を別々に決定することによ
って依然として行われる。

本発明により、限界レベルＴは線幅Ｗ、を測定する単一
走査プロフィール上の最大点と最小点（第１５図）との
間に見られる。この限界値はプロット上の最大点と最小
点との間の全反射塵、すなわち電圧差、の固定百分率を
表わし、線の両側について別々に計算される。第１０図
に示される通り、限界値は、予想限界値を完全に包含す
るように、すなわち最大および最小電圧レベル間のどこ
かで、０．１および０．９に最初セットされる。いった
ん限、界レベルＴが定められると、左右電圧レベル測定
点は第１４図のサブルータンに示される通り別々に計算
され、すなわちＶ　、（”ｙ’　　　−Ｖ　、）Ｔ−Ｖ
Ｌ。

１１１１ｎ　　　　　１ｎａＸ　　　　　ｍｉｎいった
んｖＬが見いだされると、第１２図に関して示されかつ
説明された同じ挿入ルーチンを用いて対応するＸＬの値
が見いだされ、すなわち、連続増分Ｘ値はＸ値がＶＬ値
を包含するまで選択され、挿入ルーチンは正確なＸｔ、
値を求めるのに用いられる。線の両側の■およびＸの値
は同じＴ比を用いて別々に計算され、Ｘ　とＸＲとの差
が計算さし れた線幅Ｗである。

再び第１０図から、いったんＴに対するＷの値が０．１
にセットされ、またＴに対するＷの値が０．９にセット
されると、限界値ＴＬを求めるために直線挿入が利用さ
几、この場合おそらくｗはｗＰに等しいであろう。限界
値Ｔは次にこのＴｔ、値にセットされ、新しいＷは第１
４図のサブルーチンを用いて計算される。このＷの値は
前に得られたｗＰの値と比較され、もしそれが与えられ
た最小値（本装置では０．０３ミクロン）より小であれ
ば、この限界値は隣接ウニーハ区域で線を測定する今後
の使用に儒えて記憶される。もし計算されたＷの値が前
に計算されたｗＰと０．０３ミクロン以上異なる場合は
、新しい挿入が最新のＴＬ値と新しいＴＬ値を求めるた
めにｗＰを包含する最も近い前のＴまたはＴＬとの間て
斬しい挿入が行われる。

Ｗが０．０３ミクロン以内でｗＰに等しくなるまで、こ
のプロセスが繰り返される。この時点てこの値は記憶さ
れて以後の線走査に使用される。すなわち、走査すべき
区域の残りにおいて選択された走査深度Ｚｐのすべての
線走査ては、ｚＰレベルて１組のデータが第１５図のグ
ラフを得たデータと同様に提供され、線幅ｗＰはＴｔ、
値を第１４図に示されたアルゴリズムにセットすること
によって決定され、線の両側の最大および通小電圧点は
関係がない。かくて、最初のプロフィール・データから
得られた極めて正確な線幅はその後データの単一走査か
ら線幅を計算するだめの基準として使用され、こうして
得られた線幅はその後極めて高い信頼を寄せられる。

「同焦点」像を見いだすプログラミングプロでスが第９
図の流れ図に示されている。「同焦点」像は、光学装置
を異なるレベルで焦点合せすることによって得られた情
報を用いる、ウニーハ表面上の走査される全体の場所ま
たは区域の像である。

像は、２次元ビデオマトリックスの正しい信号がコンピ
ュータ（２２）によって求められかつ映像表示記憶装置
（２９）に記憶されてから、映像表示装置（Ｏａ）（第
１図）に表示される。いつたんウェーハが移動されて、
光学装置がウェーハ上の該当場所に焦点を結ぶと、Ｖ　
（Ｚ）データ（最初のプロフィールを作るもの）が走査
フィールドの中心に走査線に沿って収集される。これは
、利用されるＸ走査線がモニタに最終的に表示されるべ
きｘ−ｙマトリックスを半分以下にすることを意味する
。Ｘ−Ｚプロフィールは次に前述の方法で得られ、また
Ｖ（Ｚ）ヒストグラム（第８図）が作られて表示される
。コンビコータは次に単一の線に沿って走査することに
よって得られたデータが十分であるかどうかの質問を出
す。例えば、全ｘ−ｙフレーム内のパターンが単一のＸ
−線走査では捕えられない特徴を含むならば、７段（３
２）は走査機構（４６）を新しい場所に移すように駆動
され、第２のＸ−線走査を供給しなければならない。こ
れは線幅測定を行うために利用される新しい２プロフイ
ールを作り、またそこから得られる２データはヒストグ
ラム発生サブルーチンにおいて前に記憶されたデータに
簡単に加算されてデータはそこに累積するようになる。

かくて、第１ｘ−線走査に存在しなかったレベルが第２
ｘ−線走査に発見されると、全く新しいピークがヒスト
グラムに作られる。必要な情報のすべてが十分な数のＸ
−線走査によって得られることが分かると、プログラム
は超焦点像を得るプロセスに進む。

まず、ヒストグラム内の主；ピーク（すなわち問題のＺ
レベル）は前に指摘した方法で識別される。

これは在来のコンピュータがグラフィック分１斤法によ
りまたはオペレータによって手動で行うことができる。

焦点制御機構（２８）はそのとき光学映像装置を動かし
て第１ピーク、すなわち問題の第ルベルに焦点を結ばせ
、また全ｘ−ｙ面が走査されかつデータが記録される。

このデータはバッファに記憶され、焦点制御機構は作像
装置を動かして第２ピーク、すなわち問題の第２レベル
に焦点を結ばせ、ここでプロセスは反後されて新しいデ
ータはバッファ内に前に記憶されたデータに加えられる
。このプロでスは問題の各レベルが複数個のｘ、ｙマト
リックスに累積されている各ｘ、ｙ位置の全データによ
って走査される。次にデータは映像表示装置（２４ａ）
にデータの単一面として表示され、スクリーン上の伝意
な与えられた（ｘ　ｒ　ｙ）点に関するデータは走査さ
れたレベルのすべてから累積された情報から得られる。

同焦点像の表示の１つの方法として、各個の【ノベルを
カラーコード化して、カラーコード化されたレベルによ
り伝意な与えられたｘ、ｙ位置で最大の強度を表示する
ことができる。これはマルチカラー像を作るが、異なる
色はウェーハ上の異なる表面レベルを表わす。表示の第
２の方法は、各Ｘ。

ｙ位置に関する異なる走査レベルで得られたＲ信号値を
全部加算するだけのことである。像の明確さおよび質を
改善する表示つ前記方法に対する１つの別法は、各ｘ、
ｙ位置に関する異なるＲ信号値を加算するが総体として
焦点ぼけのデータがゼロにセットされるように各走査面
について限界レベルをセット下ることである。この限界
レベルは、最も明確と思われる像が得られるように面か
ら面に変化することができる。もう１つの表示法は、作
られた表示像が合成ｘ、ｙマトリックスの各ｙトベルで
取られた第８図のＸ、Ｚプロフィールを表わすように、
各ｘ、ｙ位置で最大反射度信号のみを使用することであ
る。かかるｙレベル用の実際の２対Ｘのプロフィールも
作られて記憶される。か力・るデータは斜視（ｘ、ｙ、
ｚ）プロットでグラフ状に表示されたり、各ｘ、ｙ位置
の強度を２次元表示に変えるように使用される。

上記から分かる通り、ウニーハ表面の２軸プロフイール
すなわち断面像の最初の発生により、関連ウェーハ走査
データはすべて高速でしかも効皐の良い方法で以後得ら
れるようになる。まず、直接かつ極めて正確な線幅測定
は在来の線幅走査へを用いるよりも一段と容易にかつ一
段と正確にＺ軸プロフィールから直接行うことができ、
また第２に、コンピュータによる２軸プロフイールの最
初の発生は隣接区域の残りが１つのレベルのみこ走査さ
れる（測定すべき各特有の線について）手段を提供し、
単一走査データが最初に得られたもつと正確な完全プロ
フィール・データに相関されるように調節係数が供給さ
れる。

本発明を実行しようとする最良のモードが本明細書に図
示されかつ説明されたが、明らかに、本発明の主旨から
逸脱せずに変形および変化が作られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体ウェーハ走査および線幅測定装
置の線図、第２図は本発明の装置の機構部分の一部を断
面で表わした側面図、第３図は本発明の装置の走査器お
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一部を断面で表わした正面図、
第５図は第４図の線５−５に沿って取られた断面図、第
６図は本発明の装置のいろいろな作動部品を制御するコ
ンピュータのプログラミングを表わす流れ図、第７Ａ図
、第７Ｂ図、および第７Ｃ図は一括して断面プロフィー
ル用のデータを収集し、処理し、そして表示する第６図
のプログラムのサブルーチンを表わす流れ図、第８図は
本発明の装置によって得られる走査された半導体ウェー
ハ表面の部分断面図と対応するプロフィールならびに反
射度表示および焦点レベルヒストグラム、第９図は「同
焦点」像が得られかつ表示される本発明の装置に関する
プログラミングを示す流れ図、第１０図は線幅測定用の
限界レベル（ＴＬ）を決定する第６図のプログラミング
ステップ用のサブルーチンを示す流れ図、第１１図は本
発明の装置で測定される線幅の形式を示す半導体ウェー
ハ表面の線図、第１２図はプロフィール線幅測定値（Ｖ
、）を決定する第１０図のプログラミングステップのサ
ブルーチンを表わす流れ図、第１３図は第１２図のサブ
ルーチンによって決定された半導体ウェーハ表面のプロ
フィールおよび線幅測定の一部を示す図、第１４図は線
幅測定値（Ｖ）を計算する第１０図のプログラミングス
テップのサブルーチンを示す流れ図、第１５図は第１４
図のサブルーチンによって計算されたｆｌｌｌＪ定値を
示す１つの焦点深度における１つの走査特性プロフィー
ルの一部を示す図である。 Ｗ−半導体ウェーハ、２０−工学モジュール、２２−コ
ンピュータ、２４ａ＝映像表示装置、２４ｂ−グラフィ
ック映像表示装置、２６一対物レンズ、２８−塩点制御
機構、３２−ｙ段、３４−ｘ段、３Ｂ−Ｘ。 ｙ段電動機制御回路、３８−ｚＴｏ焦点制御回路、４０
−レーザ源、４２−光検出器、４４−制御回路、４８−
走査機構 特許出願代理人

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体ウェーハもしくは同種の物の所与の表面領
   域内で線幅測定を行う装置であって、走査線に沿うウェ
   ーハ表面の表面プロフィールを表わすデータを得るため
   に、エネルギー集束ビームを用いて前記領域内の前記走
   査線に沿って走査すると共に、複数個の異なる焦点レベ
   ルでウェーハ表面から反射されるビームの特性を測定す
   る装置と、前記データに基づき前記走査線に沿って線幅
   測定を行う装置と、前記走査線に沿って単一の焦点深度
   レベルでの走査のみによって生成されるデータからプロ
   フィール深度オフセット距離を決定する装置にして、前
   記プロフィール深度オフセット距離の線幅が前記線幅測
   定装置によって得られる線幅に等しくなるようにするこ
   とにより、正確な線幅測定を行うのに十分なデータを得
   るために、前記領域の残余の部分を前記単一焦点深度レ
   ベルで走査できる距離決定装置とから成ることを特徴と
   する線幅測定装置。
2. （２）前記走査装置はレーザビームを作る装置とウェー
   ハ表面上の微小スポットに前記ビームを集束させる光学
   作像装置とを含み、前記測定装置はウェーハ表面からの
   反射ビームの強度を測定する光検出器を含む、ことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）前記走査装置はウェーハ表面上の微小スポットに
   ビームを集束する同焦点光学映像装置を含み、前記映像
   装置はウェーハに送られるビームとウェーハから反射さ
   れるビームとの両方を受けるピンホールを含む、ことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
4. （４）前記走査および測定装置は、前記走査線に沿う複
   数個の接近して間隔を置く各点でウェーハから反射され
   た最大信号の焦点深度レベルを決定することによって表
   面プロフィールを決定する装置を含む、ことを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項に記載の装置。
5. （５）前記走査装置は直線通路内で前記ウェーハを振動
   させる装置を含むことを特徴とする特許請求の範囲第３
   項に記載の装置。
6. （６）前記走査装置は、前記直線通路内の運動の振動速
   度に関して低い直線速度で前記直線通路に直角にウェー
   ハを動かすように操作し得る駆動装置を含む、ことを特
   徴とする特許請求の範囲第５項に記載の装置。
7. （７）前記走査および測定装置は前記走査線に沿う複数
   個の接近して間隔を置いた各点で、ウェーハからの最大
   反射信号の焦点深度レベルを決定することによって表面
   プロフィールを決定する装置を含む、ことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の装置。
8. （８）半導体ウェーハ又は同種の物の所与の表面領域内
   で線幅測定を行う方法であって、走査線に沿うウェーハ
   表面の表面プロフィールを得るために、エネルギー集束
   ビームで前記領域内の前記走査線に沿って走査すると共
   に、複数個の異なる焦点深度レベルでウェーハ表面から
   反射されるビームの特性を測定し、前段階で得られた表
   面プロフィールに基づき、前記走査線に沿って線幅を測
   定し、前段で得られた線幅と対応させるために、単一焦
   点深度における単一走査により測定される特性プロフィ
   ールを選択すると共に、前記線幅測定を行う深度オフセ
   ット距離を決定し、前記最初の走査線に平行な走査線に
   沿って前記単一の焦点深度で前記ウェーハ領域の残部を
   走査すると共に前段階で決定された深度オフセット距離
   を利用して線幅測定を行うこと、を含む線幅測定方法。
9. （９）半導体ウェーハ又は同種の物の所与の表面領域内
   で線幅測定を行う方法であって、走査線に沿うウェーハ
   表面の非表面プロフィールを得るために、エネルギー集
   束ビームで前記領域内の前記走査線に沿って走査すると
   共に、複数個の異なる焦点深度レベルでウェーハ表面か
   ら反射されたビームの特性を測定し、線の高さを得るた
   めにウェーハ表面の線を定める一般に平らな上下表面レ
   ベルを選択し、前記線の代表的な深度レベルを決定し、
   プロフィール線幅を得るために前記代表的な深度レベル
   で前記プロィールに沿って測定し、前記線に関する焦点
   深度を選択し、前記選択された焦点深度レベルで測定さ
   れた特性プロフィールから線幅を直接測定するための調
   節係数を得る目的で、前記プロフィール線幅を前記選択
   された焦点深度で測定された特性プロフィールと比較し
   、前記最初の走査線に平行な走査線に沿って前記ウェー
   ハ面積の残部を前記選択された焦点深度で走査すると共
   に前段階で得られた調節係数を利用して線幅測定を行う
   こと、を含む線幅測定方法。
10. （１０）半導体ウェーハ又は同種の物の所与の表面領域
    内で線幅測定を行う方法であって、前記面積内の微小ス
    ポットにビームを集束する光学作像装置を通して鋭く形
    成された前記ビームを投射すると共に前記スポットから
    反射されたビームの測定可能な特性を検出し、スポット
    が前記面積内の最初の走査線に沿って走査するように投
    射ビームとウェーハを相対的に移動させ、前記走査線に
    沿う複数個の近接した間隔位置で前記測定可能な特性に
    関する信号を記録すると共に記憶し、作像位置とウェー
    ハとの間の相対間隔を前記走査線の各走査後に微小増分
    距離を連続的に変えることによって前記走査線に垂直な
    方向にウェーハ表面に関する装置の焦点深度を変化させ
    、表面表示の信号の大部分の特性が前記走査線に沿うウ
    ェーハの第１表面プロフィールを供給するために得られ
    た走査線に沿う前記各点の相対焦点深度を別々に決定し
    、第１表面プロフィールから線幅測定を行い、１つの相
    対焦点深度レベルで単一走査を選択すると共に前記選択
    されたレベルの前記点で測定された特性信号に基づき第
    ２表面プロフィールを提供し、このような測定が前記第
    １表面プロフィールから得られた線幅測定値に対応する
    ように線幅測定を行う深度オフセット距離を決定し、前
    記最初の走査線に平行な走査線に沿う前記１つの相対焦
    点深度で前記表面積の残りを走査しかつ前段階によって
    決定された深度オフセット距離を利用して線幅測定を行
    うこと、を含む線幅測定方法。