JPS63229309A - 微細パタ−ンの深さ測定方法及びその装置 - 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】 〔発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、微細な溝または微小な穴等の深さを測定する
方法に関し、特に、半導体ＩＣ回路基板上等に形成され
た微細な凹凸部の段差や微小な穴あるいは溝等の深さを
測定するのに好適な測定方法及びその装置に関する。

（従来の技術） 半導体ＩＣ回路の高集積化に伴い、半導体デバイスは、
従来の２次元的な平面構造から３次元的な立体構造へと
転換されつつある。例えばシリコン基板上にＩＣの静電
容量部を形成するために、トレンチと呼ばれている開口
１〜２μｍ、深さ４〜５μｍ程度の溝あるいは穴をエツ
チング等の加工手段によって形成する技術が進展してお
り、これに伴って、エツチングされたこれらの穴や溝の
深さを個々に測定する必要が生じている。その深さの測
定方法として、特開昭６０−１３６３２４号、特開昭６
１−１０７１０４号公報に開示されているように回折光
の分光強度分布から測定する方法や、特開昭６１−２３
５７０８号公報−に開示されているように、光干渉法に
よる段差測定器に結像光学系と空間フィルターを付加し
て単一の穴を測定する方法など種々の提案がなされてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前者の回折光の分光強度分布から測定す
る方法においては、光を広い領域に入射し、立体的パタ
ーンの深さの平均値を測定する方法であって、特定領域
の単一の穴や溝の深さや段差を測定することは困難であ
る。これに対し、後者の段差測定方法においては、単一
の穴や溝の深さを測定可能であるしかし、この後者の方
法では、実際には検出すべき干渉光の強度を十分にとる
ことができず、そのため、波長可変のコヒートント光源
として色素レーザを用いても、この色素レーザは可変範
囲が狭く、十分な精度で測定することができない恐れが
有る。

すなわち、特開昭６１−２３５７０８号公報に開示され
た方法では、溝や穴の内部からの反射光と表面からの弱
い回折光との干渉を利用するため、干渉光を十分に検出
することができない。しかも、色素レーザは、１つの色
素で実質的に使用できる波長を変えることができる範囲
は、せいぜい５０ｎＩ１１〜１１００ｎ程度である。し
かし、上記の表面からの回折光と溝や穴の内部からの反
射光との干渉を利用する方法では、測定に必要な波長の
可変範囲を十分ひろくとらなければならず、特に深さが
浅い程広いスペクトル範囲の情報が必要となる。

そのため、色素レーザの色素を溶媒と共に少なくとも２
種以上変換する必要が有るが、その色素交換には多くの
時間を要し、また取扱いが極めて煩雑となる欠点が有る
。

本発明の目的は、上記公知の測定方法の問題点を解決し
、微細な穴や溝の深さや段差を個々に単独で、しかも高
精度且つ再現性よく能率的に測定可能な測定方法及びそ
の装置を提供することである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決する為の手段） 上記の問題点を解決するために、本発明においては、波
長可変の光源からの光束を２分して一方の光束はスポッ
ト状に集光させて試料面に形成された段差を有する２つ
の測定面に試料光として投射すると共に他方の光束は参
照光として参照面に投射すること、スポット状の試料光
がそれぞれ投射された前記の２つの測定面で反射したそ
れぞれの反射試料光と参照面で反射する反射参照光とを
それぞれ干渉させること、干渉によって生じるそれぞれ
の干渉縞の強度を光源の波長を変えながら光電検出する
こと、検出されたそれぞれのスペクトルの分布に少なく
とも２つのピークが生じるように参照光と試料光との光
路差を変えること、得られたそれぞれのスペクトル分布
から前記２つの測定面の光路差を求めることを問題解決
の手段とするものである。

（作用） 波長を変化し得る光源（１）からの光束は、光線分割干
渉手段（３）によって２分され、一方の光束は試料光と
して投射光学系（９）を開始スポット状に集光されて試
料面に設けられた微小パターンの段差を形成する２つの
測定面（１０ａ、１０ｂ）に投射され、他方の光束は参
照光として参照面（８）に投射される。投射されたスポ
ット光の２つの測定面（ｌｏａ、１０ｂ）で反射したそ
れぞれの反射試料光は、投射光学系（９）を通して光線
分割干渉手段（３）に向い、参照面で反射した反射参照
光と光線分割干渉手段（３）を介して干渉する。干渉に
よって生じる干渉縞の強度は光源（１）の波長を変えな
がら光電検出手段（１４）によって検出し、検出された
スペクトル分布から２つの測定面の光路差を求める。

いま、参照面（８）と試料面（１０）との光路差をｄ、
光電検出手段（１４）からの検出信号によるスペクトル
分布から得られる互いに隣接したピーク波長をλ１．λ
２とすると、光路差ｄはｄ−λ３、ス２／２　（λ、−
λ２　）となる。

そこで、光電検出手段（１４）からの検出信号にそれぞ
れ２つのピークが現われるように、参照面（８）と、一
方の測定面（１０ａ）との光路差および他方の測定面（
１０ｂ）との光路差をそれぞれ変え得るために、参照光
と試料光のいずれか一方の光路長を変えるための光路長
可変手段（４）が設けらさる。これにより、光源の波長
の可変範囲が狭くても、二つのピーク波長を検出して、
測定面（１０ａ）と参照面（８）および測定面（１０ｂ
）　と参照面（８）とのそれぞれの光路差（ｄ）を求め
、それぞれの光路差の差から２つの測定面の段差すなわ
ち微細パターンの深さを測定することができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて説明する
。

第１図は、干渉顕微鏡の原理を応用した本発明の実施例
を示す光学系の概略構成図である。第１図において、コ
ヒーレントな可変波長光源として用いられる例えば色素
レーザ１からの光は、ビームエキスパンダー２にて拡大
された後、ハーフミラ−の分割面３ａを有する光線分割
プリズム３にて２光束に振幅分割され、その分割面３ａ
を透過した一方の光束（参照光）は、後で詳しく述べら
れる光路差プリズム４、光量可変フィルター５を通過し
た後、対物レンズ６によってミラー７の反射面（参照面
）８に集光される。また、分割面３ａにて反射した他方
の光束（試料光）は移動可能な試料台１１上に載置され
た試料面１０上に、対物レンズ１０により集光される。

なお、参照光側の対物レンズ６には、試料側の対物レン
ズ９と同じ収差を持つレンズが用いられ、対物レンズ９
のＮ、Ａ（開口数）が小さく、試料光が実質的に無収差
状態の場合には、参照光側の対物レンズは無くても差支
えない。参照面８で反射した参照光と試料面１０で反射
した試料光とは、それぞれ対物レンズ６および９を介し
て逆行し、光線分割プリズム３の分割面３Ａで合致して
干渉する。さらにその干渉光は、結像レンズ１２によっ
て試料面と共役な位置に設けられた円形の開口を有する
アパーチャ１３上に結像され、そのアパーチャ１３を通
過した干渉光は、光電変換素子を有する検出器１４に光
電検出される。

一方、試料面１０を観察するための白色光Ｓｔ５からの
照明光は、集光レンズ１６によって集光され、ビームエ
キスパンダー２と光線分割プリズム３との間の光路上に
設けられたビームスプリッタ−１７にて反射され、光線
分割プリズム３、対物レンズ９を介して試料面１０を照
明する。その照明光によって照明された試料面１０の像
は対物レンズ９、光線分割プリズム３、結像レンズ１２
及び俯視プリズム１８を介して視野絞り１９上に結像さ
れ、その像は、接眼レンズ２０を通して観察される。

なお、参照面８側の参照光路上に設けられた光路差プリ
ズム４は、図示されてない駆動装置により第１図中で上
下方向に相対移動する２個の楔形プリズムから成り、光
線分割プリズム３０分割面３ａと参照面８との間の参照
光の光路長を変化させて、参照面８側の参照光と試料面
１０例の試料光との光路差を任意に変えるためのもので
ある。

また、光量可変フィルター５は、参照面８で反射された
参照先の光量を適当に低下させて、検出器１４にて検出
される干渉縞のビジビリティを良くするためのものであ
る。

第１図に示す実施例は上記の如（構成されているので、
試料面ｌＯ上に形成される微細パターンの溝や穴は、白
色光源１５、対物レンズ９、結像レンズ１２、俯視プリ
ズム１８及び接眼レンズ２０から成る観察光学系を介し
て観察される。また、色素レーザ１からのレーザ光束が
対物レンズ９を介して集光されてレーザスポットとして
投射される部分は、その接眼レンズ２０を通して観察し
ながら、試料台１３と共に試料面１０を対物レンズ９の
光軸に垂直な面内で一次元移動させることにより設定さ
れる。色素レーザｌからのレーザ光束は、ビームエキス
パンダーで拡大された後、光線分割プリズム３の分割面
３ａで２つの光束に振幅分割され、一方の参照光は、対
物レンズ６を介して参照面８上に集光され、その参照面
で反射されて対物レンズ６を通して参照光路を逆光する
。また、分割された他方の試料光は、対物レンズ６と同
じ収差をもつ対物レンズ９を介して試料面１０面上に集
光され、その試料面ＩＯで反射した光は対物レンズ９を
通して試料光路を逆行する。参照面８で反射した参照光
と試料面ｌＯで反射した試料光とは、光線分割プリズム
３の分割面３ａで干渉する。その分割面３ａで干渉した
干渉光は、結像レンズ１２を介して円形の開口を有する
アパーチャー１３上に結像され、さらに、アパーチャ１
３を通過した干渉光は検出器１４によって光電検出され
る。

ところで、色素レーザ１から発振されるコヒーレント光
の波長を変化させる、光の干渉によって得られる干渉縞
の位相が変化し、その変化による縞の明暗が検出器１３
によって光電検出される。

その検出器１４からの光電信号の変化から、第２図（ａ
）に示すようなスペクトル線図が得られる。

このとき、そのスペクトルからピーク波長（またはボト
ム波長）を検出し、互いに隣接する２つのピーク波長（
例えばλ１、λ２）から参照面８と試料面１０との光路
差ｄが次の式によって求められる。

ｄ＝λ１、λ２／２　（λ１−λｔ） ＝λ１、λｚ／２Δλ・・・・・・（１）（ただし、Δ
λ＝λ、−λ２） なお、第２図（ａ）に示す周波数スペクトルのピークは
、ＭＥＭ法（最大エントロピー法）やフーリエ変換を用
いて捉えることができる。

上記の式（１）から明らかなように、光路差ｄを大きく
すると、互いに隣接する２つのピーク波長λ１．λ２の
差Δλ＝λ、−λ２、すなわちピーク波長λ１とλ２の
間隔を第２図（ｂ）に示すように小さくすることができ
る。従って、光路差プリズム４を調整して、分割された
一方の光束の参照面８までの光路長を変化させ、参照面
８とは試料面１０との光路差ｄを大きくすれば、スペク
トルの２つのピーク波長（例えばλ１．λ２）の間隔を
小さくでき、これにより、色素レーザ１のような狭い可
変波長範囲しか持たないコヒーレント光源でも、十分に
２つのピーク波長を検出して光路差ｄの値を正確に求め
ること可能となる。また、他方の分割光束が、第３図（
ａ）に示すように、試料面１０の表面１０ａに投射され
たときの参照面８と試料表面１０ａとの光路差ｄ１と、
第３図（ｂ）に示すように、試料面１０の溝（または穴
）の底面１０ｂに投射されたときの参照面８と溝の底面
１０ｂとの光路差ｄ２とを求めれば、溝（または穴）の
深さｈは、双方の光路差の差、すなわち ｈ＝ｌｄ＋　　　ａｉｌ・・・・・・（２）から計算に
よって求めることができる。

さて、光線分割プリズム３にて分割されて試料面１０に
向うレーザ光束は、対物レンズ９によって集束されレー
ザスポットとなって試料面１０に投射される。このレー
ザスポットが、第３図（ｂ）に示すように穴（または溝
）内に入るためには、そのスポット径が穴径より小さく
なるようにレーザ光束は集束されなければならない。そ
のスポット径を小さく集束させるためには、対物レンズ
９のＮ、Ａ（開口数）を大きくする必要があり、それに
応じて焦点深度が浅くなる。従って、レーザスポットを
投射する穴径に応じて対物レンズ９のＮ、　Ａを変えて
、対物レンズ９の焦点位置でのスポット径と焦点深度と
を適当に変化させるとよい。

また、穴（または溝）の底面１０ｂには極めて微細な凹
凸が有るため、その底面ｌｏｂからの反射光は、一般に
回折して拡がる。しかし、対物レンズ１０と結像レンズ
１２に関して試料面１ｏと共役な位置に設けられた円形
アパーチャ１３を介して０次光成分の干渉光だけを検出
器１４にて検出する。その際、反射光の強度は、参照面
８からの反射光に比してかなり低下するため、そのまま
では、干渉縞の見え（ビジビリティ）が悪くなる。

その為、第１図中に示す如（光量可変フィルター５を、
光線分割プリズム３と対物レンズ６との間の平行光束中
に設け、このフィルター５によって参照面８側の光量を
低下させて、干渉縞のコントラストを上げることができ
る。

対物レンズ９のＮ、Ａが小さく、穴（または溝）の深さ
が焦点深度内にある場合には、試料面１０の表面１０ａ
及び溝の底面１ｆｆｂからの反射光は、参照面８からの
反射光と同様に平面波のままで干渉し、その干渉縞は単
一なものとなり、円形アパーチャ１３を介して検出器１
４にて光電検出される。しかし、穴（または溝）の深さ
１１が第４図に示すようにレーザスポットの焦点深度よ
り深い場合には、底面１０ｂで反射されて対物レンズ９
を通過した反射光は球面波となり、参照面８からの反射
光の平面波と干渉する。その為、干渉縞は単一では無く
、第５図に示すように同心円状の縞となる。この場合で
も、検出器１３は、アパーチャ１２の円形開口を通して
、その干渉縞の中央部の単一色部分のみを検出するので
、深さｈが焦点深度内にある場合と同様に正常な検出が
可能である。

上記第１図に示す実施例においては、参照光側に光路差
プリズム４を設けたが、これを光線分割プリズム３と対
物レンズ９との間の試料光路中に設けてもよい。

また、上記第１図に示す実施例において、試料光例の対
物レンズ９のＮ、Ａが小さく、実質的に無収差の状態に
ある場合には、参照光側の対物レンズ６を削除してもよ
い。この場合には、光路差プリズム４を用いて分割面３
ａと参照面８との間の光路長を変える代わりに、参照面
８を光軸方向に直接変位させて、光路長を変化させても
よい。

その際、参照面８の変位のために、圧電効果を利用した
ピエゾアクチュエータを用いれば、極めて精密に位置決
めでき、任意に光路長を変えることができる。勿論この
場合には光路差プリズムも不用となる。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、波長可変の光源からの光を
微小スポットとして測定面に投射し、その反射光の０次
光と参照面からの反射光との干渉縞を検出するように構
成したから、明確な干渉縞を得ることができ、単一の穴
や溝の深さに相当する位相差を正確に求めることができ
る。しかも参照面と測定面との光路差を自由に変えるこ
とができるため、照明光の波長可変範囲が狭くても、干
渉縞のスペクトル分布の中に複数のピークを得ることが
でき、可変波長範囲の狭い波長可変光源を用いて高精度
な深さ測定ができる利点が有る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す光学系の概略構成図、第
２図は干渉光検出信号のスペクトル線図で、（ａ）は参
照光と試料光との光路差が比較的小さい場合、（ｂ）は
その光路差が大きい場合を示し、第３図は、レーザスポ
ットが試料面に投射された状態を示す断面説明図で、（
ａ）は試料表面に投射された状態、（ｂ）は大向に投射
された状態を示し、第４図は、穴の深さがレーザスポッ
トの焦点深度より深い場合のレーザ光束の投射状態を示
す断面説明図、第５図は第４図に示す試料光による球面
波ビームと参照光により干渉縞の状態を示す平面図であ
る。 （主要部分の符号の説明） ｌ・・・色素レーザ（光源） ３・・・光線分割プリズム（光線分割干渉手段）４・・
・光路差プリズム（光路長可変手段）５・・・光量可変
フィルター ８・・・参照面 ９・・・対物レンズ（投射光学系） １０・・・試料面 １１・・・試料台 １２・・・結像レンズ １３・・・アパーチャ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長可変の光源からの光束を２分し、一方の光束
   はスポット状に集光させて試料面に形成された段差を有
   する２つの測定面に試料光として投射すると共に他方の
   光束は参照光として参照面に投射し、前記２つの測定面
   で反射するそれぞれの反射試料光と前記参照面で反射す
   る反射参照光とをそれぞれ干渉させ、干渉によって生じ
   るそれぞれの干渉縞の強度を前記光源の波長を変えなが
   ら光電検出し、検出されたそれぞれのスペクトル分布に
   少なくとも２つのピークを生じるように前記参照光と試
   料光との光路差を変え、得られるそれぞれのスペクトル
   分布から前記２つの測定面の光路差を求めて前記段差を
   測定することを特徴とする微細パターンの深さ測定方法
   。
2. （２）波長を変化可能な光源と； 試料面の測定位置を変えるための移動試料台と； 前記光源からの光束を微細なスポット状に集光して前記
   試料面に投射する投射光学系と； 前記光源からの光束を二分して分割された一方の光束を
   参照面で反射させると共に他方の光束を前記投射光学系
   を介して前記試料面にスポット状に形成させ、且つ前記
   参照面からの反射光と前記試料面からの反射光とを干渉
   させる光線分割干渉手段と； 前記分割され且つ反射された前記２光束のいずれか一方
   の光路長を変え得る光路長可変手段と；前記干渉によっ
   て生じる干渉縞を光電変換して検出する光電検出手段と を含むことを特徴とする微細パターンの深さ測定装置。