JP4603177B2

JP4603177B2 - 走査型レーザ顕微鏡

Info

Publication number: JP4603177B2
Application number: JP2001027084A
Authority: JP
Inventors: 章弘藤井
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP2002228421A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの基板面上の膜厚等を測定するための走査型レーザ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハなどの基板表面には、透明または半透明の薄膜が形成されることがあるが、これらの薄膜の膜厚寸法にバラツキがあると、製品として所定の寸法を得られないことがある。このため、従来は、上述したような試料の薄膜の膜厚寸法を測定する測定装置として、走査型レーザ顕微鏡が多く用いられている。
【０００３】
走査型レーザ顕微鏡を用いた膜厚測定装置によると、薄膜を形成した試料と対物レンズを光軸方向に高精度に移動させると共に、対物レンズを介して試料にレーザ光を照射し、試料からの反射光に応じた輝度データを検出し、この輝度データの変化に基づいて測定対象面（例えば、薄膜表面と基板面（薄膜と基板との境界面））を検出し、検出された各測定対象面間の寸法を求めることで薄膜の膜厚を測定している。
【０００４】
試料の中には、基板上に薄膜を複数層形成したものがある。このような試料についての各層の測定対象面（例えば、薄膜表面、異なる薄膜間の境界面、基板表面）を検出するには、例えば、特開平８−２１０８１８号公報に記載されているように、レーザ光をポイント、もしくは一方向にラインスキャン、もしくは２次元方向に面でスキャンさせながら、対物レンズの位置を光軸（Ｚ軸）方向に、所定距離ずつ移動させて、試料側からの反射光に応じた輝度データを連続的に検出し、その連続した輝度データの中で輝度データが最大となる位置から各測定対象面を検出するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−２１０８１８号公報に記載された装置によって、膜厚測定を行おうとすると、レーザ光の照射により取得される各測定対象面からの反射光に対応する輝度データは、取得した時のＺ位置情報と共にメモリに書き込んでいくため、上述したような連続した輝度データ中で輝度データが最大となるピーク位置を求める測定では、取り込んだ輝度データからピーク位置と該ピーク位置に基づいて膜厚を求めなければならないので、メモリは全ての輝度データと該輝度データに対応する全てのＺ位置情報を記憶しなければならない。特に２次元にレーザ光を走査する場合は、メモリの記憶容量を大容量にしなければならないという問題があった。
【０００６】
さらに、上述したような測定方法では、試料と対物レンズを相対的にＺ軸方向に移動させることにより、膜厚を求めるためＺ軸の駆動分解能が膜厚の測定精度に直接影響する。このため、Ｚ軸駆動分解能は、求める測定精度に対して十分高精度、高分解能であることが必要であるために、装置が高価になってしまうという問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、画像データのメモリ容量が少なくて済み、さらにＺ軸駆動分解能も高精度、高分解能である必要のない、安価な膜厚測定機能付き走査型レーザ顕微鏡を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、レーザ光源と、前記光源から発せられたレーザ光を試料上に集光する対物レンズと、前記試料上を前記対物レンズで集光された前記レーザ光の集光位置が前記レーザ光の光軸に対して直交する方向に移動するように走査する走査手段と、前記対物レンズで集光された集光位置と共役な位置に配置された遮光部材と、前記遮光部材を介して前記試料からの光を受光し、輝度信号を出力する光検出器とを有する走査型顕微鏡において、前記レーザ光の光軸に対して直交するように載置され、前記試料を傾けることができると共に、前記試料を傾いた状態で保持できる保持台と、前記保持台に保持された前記試料からの光を前記光検出器で受光し、当該検出器より出力された前記試料からの前記輝度信号と該輝度信号を計測した時の前記試料の傾き角とに基づいて前記試料の厚みを求める演算を行う演算部とを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記保持台は、傾斜ステージであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記走査手段は、光偏向部材を用いたものであり、前記試料に対して前記レーザ光を走査するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記走査手段は、ＸＹステージを用いたものであり、前記ＸＹステージの移動により前記試料を前記レーザ光に対して走査するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記遮光部材は、ピンホールであることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、前記光検出器から出力された前記輝度信号を輝度情報として表示するモニタと、前記モニタに表示された前記輝度情報を基に前記試料の厚みを求めるための測定対象面を指示する指示手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、前記演算部は、前記試料の屈折率に対応する補正係数に基づいて演算処理を行うことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を、図１および図２を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【００１７】
レーザ光源１から出射されたレーザ光は、ミラー２で反射し、ハーフミラー３を透過して２次元走査機構４に入射される。この２次元走査機構４は、コンピュータ５（中央処理部）の制御部５ａの制御により、レーザ光を２次元走査するものである。上記２次元走査機構４からのレーザ光は、光軸方向で移動可能な対物レンズ６を介して傾斜ステージ７に載置された試料８の測定対象面の領域を全面にわたって２次元走査する。
【００１８】
上記傾斜ステージ７は、ＸＹステージ９上に載置されている。そして、上記ＸＹステージ９は、コンピュータ５の制御部５ａによって制御されるＸＹ軸駆動機構１０に接続されている。さらに、上記傾斜ステージ７は、コンピュータ５（中央処理部）に接続された観察条件入力部１１（例えば、キーボード、マウス等）により、顕微鏡使用者が任意の角度を入射することで、コンピュータ５の制御部５ａにより傾斜ステージ駆動機構１２によって、試料８を所定の角度だけ傾けることができる。さらに、観察条件入力部１１には、傾斜ステージ７の傾斜角の他に、対物レンズ６の倍率、後述する光検出器１５のゲイン、２次元走査機構４の走査範囲も入力することができる。
【００１９】
そして、試料８からの反射光は、対物レンズ６で集光され、２次元走査機構４を介して、ハーフミラー３で反射され、結像レンズ１３により、ピンホール１４の位置に集光し、光検出器１５により検出される。ピンホール１４は対物レンズ６の焦点位置と共役な位置に配置されているので、試料８上でピントの合っている部分の光のみが光検出器１５で検出される。
【００２０】
上記試料８上でのレーザ光のピント合わせ操作は、コンピュータ５の制御部５ａに接続されたＺ軸駆動機構１６により、Ｚ軸駆動部１７を制御して、対物レンズ６を光軸方向に移動させることによって行われ、試料８上でピントがあった部分の光のみが光検出器１５で検出される。この光検出器１５で検出された信号は、コンピュータ５（中央処理部）の画像入力部５ｂによって、レーザ光の２次元走査に同期して取り込まれ、２次元画像としてモニタ１８に表示される。
【００２１】
なお、ここでは、対物レンズ６を光軸方向で移動させてレーザ光の焦点位置を変えていたが、これに限られるものではなく、例えば、Ｚ軸方向での駆動も可能にしたＸＹステージ９を用いてもよい。
【００２２】
さらに、上記コンピュータ５は内部に、観察条件入力部１１により設定された観察条件によって得られ、モニタ１８に表示された顕微鏡画像（２次元画像）上で、観察部位の寸法測定を行う機能を備えた画像処理部５ｃを有する。また、上記画像処理部５ｃにより測定された測定結果に対して各種演算処理を行う演算部５ｄも有している。
【００２３】
図２（Ａ）は、試料８を、図１の構成を備えた走査型レーザ顕微鏡を用いて観察した状態を模式的に示したものである。
【００２４】
ここで例にあげる試料８は、半導体の基板上に透明な薄膜が１層形成されているものであり、傾斜ステージ７により角度θだけ傾いた状態で、ＸＹステージ９上に載置されている。
【００２５】
レーザ光源１からのレーザ光は、２次元走査機構４によって、対物レンズ６を介して、試料８の測定対象面として薄膜表面８ａと基板面８ｂを矢印で示すように、Ｘ、Ｙ方向にスポット光で走査する。すると、試料８からの反射光は、光検出器１５によって検出される。光検出器１５で検出される反射光は、スポット光が合焦していない部分からの反射光に比べて、スポット光が合焦する薄膜表面８ａおよび基板面８ｂの部分からの反射光の方が強いため、実質的にはスポット光が薄膜表面８ａおよび基板面８ｂに合焦している部分からの反射光のみが光検出器１５に検出される。
【００２６】
したがって、光検出器１５によって検出された反射光は、図２（Ｂ）に示すように、薄膜表面８ａの合焦面で反射した光と、基板面８ｂの合焦面で反射した光が、モニタ１８上の観察画面にラインとして表示され観察される。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ断面における光検出器１５の信号の輝度分布を示すものであり、横軸はＸ方向の位置、縦軸は信号の輝度を示している。
【００２７】
なお、図３は、基板面８ｂ上に形成される薄膜の膜厚にムラが生じていた場合に、測定された観察画面の一例であり、直線のラインで表わされている基板面８ｂに対して、膜厚にムラがある薄膜表面８ａは、蛇行したラインで観察画面上に表示される。
【００２８】
図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および図３において、Ｗは、スポット光が薄膜表面８ａと基板表面８ｂに合焦した位置を表しており、このＷの線幅は、コンピュータ５の画像処理部５ｃによって、計測される。
【００２９】
したがって、試料８の薄膜の膜厚をｔとすると、次式で表される。
【００３０】
ｔ＝Ｗ・ｓｉｎθ
（Ｗは、線幅、θは、試料の傾き角を表す）
ここで、θは、観察入力部１１によって指示した傾斜ステージ７の傾き角であり、既知の値であるから、コンピュータ５の演算部５ｃで上式の演算を行えば、薄膜の膜厚ｔを求めることができる。
【００３１】
上記の第１の実施の形態の変形例について説明する。
【００３２】
第１の実施の形態では、薄膜表面と基板表面での反射光による２本のラインをモニタ１８上の同一観察画面で観察でき、コンピュータ５の画像処理部５ｃでその２本のライン間距離（線幅）Ｗを計測するようにしたが、これに限られるものでなく、例えば、図４に示すように、レーザ光による走査でなく、試料に対するレーザ光の光軸は固定しておき、ＸＹステージをＸＹに駆動させることで試料上をレーザ光が走査するようにして、Ｗの値をＸＹステージ９の移動距離から求めるようにすることもできる。
【００３３】
また、第１の実施の形態では、試料８は、薄膜が１層形成されていたが、薄膜の層は、１層に限られるものでなく、薄膜層が２層の場合は、観察される測定対象面を表すラインが３ライン、３層の場合は、観察される測定対象面を表すラインが４ラインとなり、ライン間の線幅を計測すれば、それぞれの薄膜の膜厚を測定することができる。
【００３４】
上記第１の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【００３５】
対物レンズを光軸方向（Ｚ軸方向）に走査することなしに、試料表面の薄膜の膜厚を簡単に計測することができるので、輝度情報を蓄えるメモリの記憶容量は少なくて済む。また、Ｚ軸の駆動は、ピント合わせが出来れば十分であり、Ｚ軸の駆動分解能は、測定精度には影響しないので、安価な構造で構成することができる。さらに、対物レンズの倍率や傾斜ステージの傾き角θを適宜に設定することで、様々な寸法の膜厚測定を行うことができる。
【００３６】
なお、傾斜ステージの傾き角θは、試料又は測定時間に応じて変更することが好ましく、例えば、膜厚の極めて薄い薄膜の膜厚測定を行おうとした場合、傾斜ステージの傾き角θを小さくすることで、薄膜表面と基板面とのライン間距離Ｗを長くできるので、精度の良い膜厚測定を行うことができる。
【００３７】
また、上述した実施の形態では、基板上に薄膜を１層形成された試料について説明したが、基板上に薄膜を複数層形成した試料であっても、例えば、薄膜表面と薄膜の境界面との膜厚や、薄膜の境界面と基板面（境界面）との膜厚も測定することができ、薄膜が複数積層された試料の測定を行うと共にその測定時間を短縮したい場合、傾斜ステージの傾き角θを大きくすることで、薄膜表面と基板面とのライン間距離Ｗを短くして測定時間の短縮ができる。
【００３８】
第２の実施の形態について、図５を参照して説明する。
【００３９】
走査型レーザ顕微鏡の構成は、第１の実施の形態と同一であるので、同一の符号を付して、説明は省略する。本実施の形態は、薄膜の膜厚を第１の実施の形態よりもより正確に計測するために、コンピュータ５の演算部５ｄでの演算方法のみが異なっている。
【００４０】
図５において、試料８は、基板面上に、比屈折率ｎの透明な薄膜が形成されている。また、試料８は、傾斜ステージ７によりθだけ傾いた状態でＸＹステージ９に載置されている。薄膜表面８ａ上のＳ点からの反射光は、対物レンズ６により集光され、モニタ１８の観察画面の右側のラインＳｍを形成する。基板面８ｂ上のＱ点からの反射光は、薄膜内部から観察雰囲気中へ光路をまたぐため光線が屈折し、モニタ１８の観察画面上では、あたかも図中のＰ点からの反射光のように観察されることになる。したがって、この反射光は、モニタ１８の観察画面の左側のラインＰｍを形成する。
【００４１】
このとき屈折の法則により、
ｓｉｎα＝ｎｓｉｎβ …▲１▼
ここで、ＯＰ間の距離をＴ、ＯＱ間の距離をｔとすると、
ｔ・ｔａｎβ＝Ｔ・ｔａｎα …▲２▼
▲２▼式を変形して、
ｔ＝（ｔａｎα／ｔａｎβ）・Ｔ …▲３▼
さらに、観察画面上での各ライン間の寸法（線幅）の計測値をＷとすると、ＯＰ間の距離Ｔは、次式で表される。
【００４２】
Ｔ＝Ｗ・ｓｉｎθ …▲４▼
したがって、計測したい実際の膜厚ｔは、▲３▼式と▲４▼式から、
ｔ＝（ｔａｎα／ｔａｎβ）・Ｗ・ｓｉｎθ …▲５▼
で表すことができる。
【００４３】
上述した式中のαは、傾斜ステージ７の傾斜角θおよび対物レンズ６の開口数（Ｎ．Ａ．）によって変化するものであるから、予め既知の膜厚ｔに対してＷを計測し、（ｔａｎα／ｔａｎβ）の値を実験的に求めておく。そして、この値をコンピュータ５の演算部５ｄのメモリ部に記憶させておき、演算部５ｄにおいて▲５▼式の演算を行うことによって、未知の膜厚の計測をより正確に計測することができる。
【００４４】
上記第２の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【００４５】
薄膜の膜厚を計測するに際して、薄膜の屈折率に応じて補正をすることができるので、正確な膜厚計測を行うことができる。
【００４６】
本発明は、上記実施の形態に記載されている膜厚測定に限定されるものではなく、薄膜の測定以外に、基板表面の段差測定に適用することができる。また、レーザ走査型顕微鏡に限らず、共焦点光学系を備えた顕微鏡であれば適用することができる。さらに、２次元走査機構としては、２枚のミラーを振動させることによって、試料をスキャンする以外に、らせん状の多数の孔を有するディスクを用い、そのようなディスクを回転させることによって、試料をスキャンすることもできる。
【００４７】
また、絞り部材としては、上述した実施の形態ではピンホールを用いたものであったが、これらに限られるものではなく、例えば、スリットを用いることができ、走査手段に音響光学素子を用いて、ピンホールでは試料からの光を受光できない場合であっても、スリットとラインセンサとを組み合わせることで、上述した実施の形態と同様の効果を奏するだけでなく、音響光学素子を用いることにより、より走査に要する時間を短縮することができる。
【００４８】
また、上述した実施の形態では、試料上を例えばガルバノミラーを用いてレーザ光を走査するタイプと、レーザ光に対して試料をＸＹステージで移動させることで、試料上をレーザ光で走査するタイプについてのみ触れたが、これに限られるものでなく、レーザ光を走査する走査手段と試料を移動させることによる走査手段とを組み合わせて、例えば、ガルバノミラーでレーザ光のＸ方向の走査を行わせると共に、ＸＹステージで試料をＹ方向に移動させることにより、レーザ光が試料上をＹ方向に走査するようにしてもよい。
【００４９】
また、上述した実施の形態は、モニタに表示した２次元画像に対して計測値Ｗを手動で指示することもできるが、予め閾値を設定しておき、光検出器から出力された輝度信号が閾値を越えたところが基板面或いは薄膜表面と判断させ、自動で膜厚測定を行なわせるようにしてもよい。
【００５０】
また、対物レンズ６の中心位置と対物レンズ６の周辺位置とでレーザ光の合焦位置が変わることに起因する像面湾曲を補正することで、さらに正確な膜厚計測が可能となる。詳述すると、計測用の試料とは別に基準試料を所定の傾斜角θで保持した状態で計測前に予め計測し、基準試料で得た像面湾曲データを含む膜厚データをコンピュータ５の図示しないメモリに記憶させておき、計測用の試料を計測して得た膜厚データから像面湾曲データを補正することができ、正確な膜厚計測を実現できる。
【００５１】
また、上述した膜厚計測装置に、さらに誤差を含む正常な薄膜の膜厚データ（以下、比較データと称する）を記憶しておく記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている比較データと計測した膜厚データとを比較して、膜厚データが比較データを大幅に上回った場合又は下回った場合に、試料の薄膜の膜厚が異常であると判断する比較手段とを備えることで、例えば、半導体ウエハ基板の良・不良の判別を効率良く行うようなシステムを実現することができる。
【００５２】
また、Ｚ軸を駆動させないで、２次元走査機構で２次元走査（ＸＹ走査）するだけで、膜厚測定できるので、Ｚ軸を駆動させて行う膜厚測定と比べて検出速度を向上させることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、画像データのメモリ容量が少なくて済み、さらにＺ軸駆動分解能も高精度、高分解能である必要のない、安価な膜厚測定機能付き走査型レーザ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における走査型レーザ顕微鏡の概略構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における薄膜の観察状態を表した図であり、（Ａ）は、薄膜の観察状態を模式的に表した図、（Ｂ）は、モニタ上の画像を表した図、（Ｃ）は、画像の輝度分布を表した図。
【図３】本発明の第１の実施の形態において、薄膜の膜厚にムラが生じていた場合のモニタ上の画像を表した図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における変形例を説明するための図。
【図５】本発明の第２の実施の形態における薄膜の膜厚計測方法を摸式的に表した図。
【符号の説明】
１レーザ光源
４２次元走査機構
５ｃ画像処理部
５ｄ演算部
６対物レンズ
７傾斜ステージ
８試料
９ＸＹステージ
１５光検出器
１８モニタ

Claims

レーザ光源と、前記光源から発せられたレーザ光を試料上に集光する対物レンズと、前記試料上を前記対物レンズで集光された前記レーザ光の集光位置が前記レーザ光の光軸に対して直交する方向に移動するように走査する走査手段と、前記対物レンズで集光された集光位置と共役な位置に配置された遮光部材と、前記遮光部材を介して前記試料からの光を受光し、輝度信号を出力する光検出器とを有する走査型顕微鏡において、
前記レーザ光の光軸に対して直交するように載置され、前記試料を傾けることができると共に、前記試料を傾いた状態で保持できる保持台と、
前記保持台に保持された前記試料からの光を前記光検出器で受光し、当該検出器より出力された前記試料からの前記輝度信号と該輝度信号を計測した時の前記試料の傾き角とに基づいて前記試料の厚みを求める演算を行う演算部と、
を有することを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
前記保持台は、傾斜ステージであることを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
前記走査手段は、光偏向部材を用いたものであり、前記試料に対して前記レーザ光を走査するようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
前記走査手段は、ＸＹステージを用いたものであり、前記ＸＹステージの移動により前記試料を前記レーザ光に対して走査するようにしたことを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
前記遮光部材は、ピンホールであることを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
前記光検出器から出力された前記輝度信号を輝度情報として表示するモニタと、前記モニタに表示された前記輝度情報を基に前記試料の厚みを求めるための測定対象面を指示する指示手段とを有することを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。
前記演算部は、前記試料の屈折率に対応する補正係数に基づいて演算処理を行うことを特徴とする請求項１記載の走査型レーザ顕微鏡。