JP5471951B2

JP5471951B2 - エッチングモニタリング装置

Info

Publication number: JP5471951B2
Application number: JP2010175792A
Authority: JP
Inventors: 塁加藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: JP2012037292A

Description

本発明は、フーリエドメイン光干渉断層法（Fourier Domain Optical Coherent Tomography: FD-OCT）を用いたエッチングモニタリング装置に関する。

光干渉断層法（Optical Coherent Tomography: OCT）とは、光の干渉現象を用いて被測定物の3次元構造を解析する手法である。この手法は当初、医療用として開発されたが、近年では半導体の製造にも応用され、被処理基板に対してエッチング処理を行う際にエッチングされた部分（以下、「被エッチング部」とする）の穴深さを測定するエッチングモニタリング装置として使用されている（例えば特許文献１を参照）。

OCT法には幾つか方法があるが、それらの中でもFD-OCT法がエッチングモニタリング装置に適している。FD-OCT法を用いたエッチングモニタリング装置では、被処理基板に光を照射し、エッチングが行われる層（以下、「被エッチング層」とする）の表面における反射光と被エッチング層内の被エッチング部の底部における反射光とを干渉させ、この干渉光を分光器により分光してラインセンサ等により各波長を同時に検出する。そして、各波長の検出信号をフーリエ変換することで被エッチング部の穴深さを算出する。これにより、エッチング深さをリアルタイムで測定することができる。

特開平2-71517号公報

近年、電子デバイスを小型化するために、厚さ方向に積層した基板を貫通電極により接続することで、基板間の配線距離を短くするということが行われている。このような貫通電極による3次元実装では、基板に貫通孔を設ける必要があるが、このエッチング処理では一般に被エッチング層に占める被エッチング部の割合が少ない一方、被エッチング部の溝の幅や穴の径に対する深さの比（アスペクト比）が大きい、という特徴がある。そのため、光の照射位置（すなわち測定位置）を被エッチング部に合わせて適切に調整しなければ、被エッチング部から十分な強度で光が反射されず、S/N比が低下してしまう。

従来、測定位置の調整は、被エッチング層を撮影し、得られた画像の濃淡から被エッチング部の位置を解析することにより行っていた。しかしながら、感度及び解像度の低い安価なカメラでは位置決めの精度が不十分であり、感度及び解像度の高い高価なカメラを使用するとコストが高くなる、といった問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、画像処理によらず、測定位置を適切に調整することができるエッチングモニタリング装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、
所定の波長幅を有する可干渉光を発生する光源と、前記可干渉光を被エッチング部の径又は幅よりも大きいスポット径で被処理基板上に導く導入光学系と、前記被処理基板上で反射した前記可干渉光を干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系により得られる干渉光を波長毎に検出する検出部と、を有するエッチングモニタリング装置において
前記被処理基板上の前記可干渉光の照射位置を移動させる照射位置移動手段と、
前記被処理基板上を前記スポット径以下の間隔で走査した前記照射位置の各々に対し、前記光検出部の検出信号に含まれる干渉成分の強度を取得する干渉強度取得手段と、
前記干渉成分の強度が最大となる前記被処理基板上の位置を探索し、該最大位置においてエッチング深さの測定を行うよう前記照射位置を移動させる測定位置決定手段と、
を有することを特徴とする。

前記可干渉光の発光波長幅は半値全幅で10nm以上、中心波長は900nm以下であることが望ましい。このような波長幅を有する可干渉光を発生する光源としては、例えばスーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode: SLD）がある。

本発明に係るエッチングモニタリング装置では更に、被処理基板の表面を撮影するための補助光学系と、該補助光学系により撮影された画像を解析し、被処理基板上の初期照射位置を決定する粗位置決定手段と、を備えることもできる。これにより、初期照射位置を被エッチング部の近くにすることが可能になるため、その後の処理において迅速に干渉成分の強度が最大となる位置（測定位置）を決定することができるようになる。

本発明に係るエッチングモニタリング装置は、被エッチング部に対して最適な測定位置を与えることができるため、被エッチング部が関係する干渉成分の強度を強くすることができる。その結果、以降のエッチング深さの測定においてS/N比を向上させることができる。これにより、アスペクト比の高い溝や穴に対してもエッチング深さを正確に測定することができるようになる。また、測定位置を決定するために高感度のカメラや精度の高い光学レンズなどを使用する必要がなくなるため、装置のコストを下げることができる。

本発明に係るエッチングモニタリング装置の一実施例を示す概略構成図。エッチングを開始する前の被処理基板に照射した入射スポット光と該被処理基板からの反射光を示す概略図。本発明に係る測定位置の算出方法の手順を示すフローチャート。エッチング初期の被処理基板に照射した入射スポット光と該被処理基板からの反射光を示す概略図。エッチング初期の被処理基板の初期照射位置に入射スポット光を照射することにより取得した波長毎の光強度の検出信号（入力信号）を示すグラフ。 SLD光源から光を発生していないときに取得した波長毎の光強度の検出信号（無照射時信号）を示すグラフ。凹凸のないウエハに対して入射スポット光を照射することにより取得した波長毎の光強度の検出信号（参照信号）を示すグラフ。初期照射位置に対して得られた、入力信号と無照射時信号と参照信号とから算出される波長毎の正規化信号を示すグラフ。初期照射位置における正規化信号の注目範囲のみを拡大したグラフ。被処理基板上で走査する照射位置の各中心点と各矩形領域において算出される重みとの関係を示す概略図。最大の重みを有する矩形領域内における最終照射位置（測定位置）の算出結果を示す概略図。最終照射位置に対して取得した波長毎の入力信号を示すグラフ。最終照射位置における正規化信号の注目範囲のみを拡大したグラフ。

本発明に係るエッチングモニタリング装置の一実施例を図１に示す。本実施例では、光強度が強く、穴深さの検出に必要な波長幅を有する可干渉性の光を発生する光源１０として、中心波長が835nm、半値全幅が40nmのSLD光源を用いる。SLD光源１０から発生した光は、光ファイバ１１、コリメータレンズ１２、対物レンズ１３等から成る導入光学系によって、計測窓１４を介してエッチングチャンバ１５内に載置された被処理基板Ｓ上に照射される。また、被処理基板Ｓ上における照射位置の調整は、エッチングチャンバ１５の天板上に載置された微小移動ステージ１６が上記の導入光学系を移動させることにより行う。

この被処理基板Ｓは、図２に示すように、被エッチング層であるウエハ３１と、その上に塗布されたエッチング保護用レジストから成るレジスト層３２と、レジストが塗布されずにウエハ３１が露出した被エッチング部３３と、を有している。本実施例では、被処理基板Ｓ上への入射スポット光４０のスポット径Rが被エッチング部３３の穴径Wよりも十分大きくなるように、光源１０から発生した光を上記の導入光学系により被処理基板Ｓ上に導いている。これにより、被処理基板Ｓ上では、ウエハ３１の表面からの反射光４１と、レジスト層３２の表面からの反射光４２と、被エッチング部３３からの反射光４３と、が生じる。

これらの反射光は様々な方向に散乱するが、そのうち計測窓１４の方向に反射した光が、対物レンズ１３、コリメータレンズ１２を逆に辿って光ファイバ１１に入射し、その中で光路差の異なる反射光同士が互いに干渉する。すなわち、上記の導入光学系が、干渉光学系としても機能することになる。この干渉光学系により得られた干渉光は、分光器１７により波長毎に分光された後、CCDラインセンサ１８により波長毎に並列に検出される。これらの検出信号は、所定の信号処理を経て制御・データ処理部１９に送られ、後述する方法による測定位置の算出と、該測定位置における穴深さの算出と、に用いられる。

なお、本実施例のエッチングモニタリング装置では、被処理基板Ｓ上における初期照射位置を決定するための観察用カメラ２０及び補助光源２１から成る補助光学系を備えている。この補助光学系は測定位置やエッチング深さの算出と直接的な関係はなく、必須の構成要件ではないが、測定位置を迅速に算出するためには備えている方が望ましいため、本実施例に記載した。

補助光源２１から発生した光は、所定の光路を経てエッチングを開始する前（図２）の被処理基板Ｓ上に導入され、その反射光が観察用カメラ２０により撮影される。この画像データは制御・データ処理部１９に送られ、粗位置決定部２２によりレジスト層３２と被エッチング部３３の濃淡の差が検出され、被エッチング部３３の位置が（粗くではあるが）算出される。照射位置制御部２３は、粗位置決定部２２により算出された位置に入射スポット光４０が照射されるよう、微小移動ステージ１６の動作を制御する。これにより、入射スポット光４０の初期照射位置を被エッチング部３３の近傍に合わせることができる。

［測定位置の算出方法］
以下、本発明による測定位置の算出方法を図３のフローチャートを用いて説明する。なお、本実施例では上記のように、入射スポット光４０の照射位置の移動を微小移動ステージ１６により行っているが、この微小移動ステージ１６の移動精度は、被処理基板Ｓ上のスポット径Rや被エッチング部の穴径Wよりも十分に小さくする必要がある。本実施例で用いる微小移動ステージ１６の精度は、入射スポット光４０のスポット径Rが110μm、被エッチング部の穴径Wが数μmに対して、0.2μmである。

まず、エッチング初期（図４）の被処理基板Ｓの初期照射位置に入射スポット光４０を照射する（ステップＡ１）。図４の被処理基板Ｓでは、被エッチング部３３がある程度エッチングされているため、
i) ウエハ３１の表面からの反射光４１とレジスト層３２の表面からの反射光４２、
ii) ウエハ３１の表面からの反射光４１と被エッチング部３３からの反射光４３、
iii) レジスト層３２の表面からの反射光４２と被エッチング部３３からの反射光４３、
のそれぞれの間に光路差が生じ、これらの反射光が干渉光学系を通ることによって互いに干渉する。このようにして得られた干渉光を分光器１７により分光し、CCDラインセンサ１８により波長毎に検出する（ステップＡ２）。この検出信号はデジタル信号に変換され、入力信号として制御・データ処理部１９に送られる（図５）。

制御・データ処理部１９内の干渉強度取得部２５では、まず入力信号の各波長に対して以下の正規化を行う（ステップＡ３）。

ここで、無照射時信号とは、光源１０から光を発生していないときにCCDラインセンサ１８から取得される検出信号（暗信号）のことであり（図６）、参照信号とは、凹凸のない（レジスト層３２や被エッチング部３３が設けられていない）ウエハ３１に対して入射スポット光を照射した際にCCDラインセンサ１８から取得される検出信号のことである（図７）。また、αは
α=参照信号面積／入力信号面積
であり、参照信号面積は参照信号とベースライン（波長に対して信号強度が0で一定の直線）とが為す面積、入力信号面積は入力信号とベースラインとが為す面積である。これら無照射時信号と参照信号のデータは、予備実験等により予め取得され、記憶部２４に格納されている。この式(1)によって、図８に示すような正規化信号のデータが得られる。

図８のグラフは、図５〜７のデータを基に、式(1)による正規化を行ったものである。このようにして得られた正規化信号には、上記i), ii), iii)のそれぞれの光路差による干渉成分とノイズが含まれる。このノイズは、参照信号の強度が0に近づくにつれて正規化信号に占める割合が大きくなる。そのため、ノイズの比較的小さい所定の波長範囲（例えば図７の例では810nm〜850nm）を注目範囲として、この注目範囲における正規化信号のデータのみを使用する（図９）。

式(1)により算出される正規化信号は、波長に対して強度が0で一定となるとき、入力信号に干渉成分が含まれないことを示している。すなわち、これとは逆に、ベースラインからの振幅や、ベースラインと正規化信号とが為す領域の面積（以下、「正規化信号面積」とする）が大きいほど、入力信号に含まれる干渉成分の強度が大きくなることが分かる。本実施例の干渉強度取得部２５では、式(1)により算出される正規化信号の注目範囲において正規化信号面積を算出することにより、入力信号に含まれる干渉成分の強度を取得する（ステップＡ４）。

エッチング深さを算出するにあたって必要な干渉成分は、被エッチング部３３が関係する上記ii)及びiii)の光路差によるものである。ウエハ３１に平行な面上（図４(b)）における入射スポット光４０内の光強度は、中心部において最も強く、中心部から離れるにつれて弱くなる。そのため、入力信号に含まれるこれらii)及びiii)による干渉成分の強度を強くするには、入射スポット光４０の中心部が被エッチング部３３に重なるように照射位置を調整する必要がある。なお、上記i)の光路差による干渉成分については、レジスト層３２がウエハ３１の表面の殆どを覆っているため、入射スポット光４０の照射位置によって大きく変化することはない。

次に、微小移動ステージ１６及び照射位置制御部２３により照射位置の走査を行い（ステップＡ５及びＡ６）、各々の照射位置に対して同様にステップＡ１〜Ａ４の処理を行う。この照射位置の走査は、事前に測定しておいた入射スポット光４０のスポット径R（本実施例では110μm）の1/(2n)ずつ初期照射位置から上下左右に移動させることにより行う（図１０）。

なお、初期照射位置の中心点４４が被エッチング部３３に十分近く、入射スポット光４０のスポット径内に被エッチング部３３が最初から含まれている場合は、照射位置の走査は初期照射位置から上下左右に(n-1)回ずつ移動させるだけで良い。入射スポット光４０のスポット径内における被エッチング部３３の有無は、正規化信号面積が所定の閾値以上であるか否かにより判別することができる。一方、初期照射位置の入射スポット光４０のスポット径内に被エッチング部３３が含まれていなかった場合は、最初はnを小さくして（例えばn=1）で走査を行い、正規化信号面積が所定の閾値以上になれば、そのときの照射位置を中心に、nを大きくして（例えばn≧2）上下左右に(n-1)回ずつ走査する、というようにしても良い。

照射位置の走査が終了すれば、測定位置決定部２６により正規化信号面積が最大となる被処理基板Ｓ上の照射位置（以下、「最大照射位置」とする）の探索を行う（ステップＡ５及びＡ７）。この最大照射位置の探索について、図１０及び１１を例に説明する。なお、この図１０の例では、n=4とし、上下左右に3回ずつ照射位置の移動を行っている。

まず、各照射位置の中心点を１ａ〜７ｇとし、各照射位置に対して得られた正規化信号面積をD_1a〜D_7gとする。次に、点１ａ〜７ｇのうちのいずれか4点を頂点とする最小の矩形領域を作り、各々の最小矩形領域に対して4つの頂点における正規化信号面積の和で重み付けを行う。例えば点３ｃ、３ｄ、４ｄ、４ｃから成る矩形領域の場合、その重みは次のように与えられる。
D_3c4d = D_3c + D_3d + D_4d + D_4c … (2)
全ての最小矩形領域に対して式(2)のような重み付けを行った後、最大の重みを有する矩形領域を探索する。ここで、最大の重みを有する最小矩形領域が点５ｅ、５ｆ、６ｆ、６ｅを頂点とする領域（すなわち、最大の重みがD_5e6f）であったとする。

この最大の重みを有する最小矩形領域において、点５ｅ、５ｆから成る辺と、点５ｆ、６ｆから成る辺と、点６ｆ、６ｅから成る辺と、点６ｅ、５ｅから成る辺と、に対して、これらの辺上の内分点４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄをそれぞれ次のように与える。

すなわち、4つの辺の内分点はそれぞれ、各辺の両端の2つの頂点における正規化信号面積の逆比の位置になる。このようにして得られた4つの内分点に対して、向かい合う辺の内分点同士を線分で繋ぎ、2つの線分の交点４６を正規化信号面積が最大となる点として、以降のエッチング深さの測定に用いる測定位置の中心点とする。

測定位置決定部２６により算出された測定位置のデータは照射位置制御部２３に送られ、照射位置制御部２３はこのデータを基に微小移動ステージ１６を制御して、照射位置を測定位置に移動させる。その後はエッチングを開始し、エッチング深さの変化を深さ算出部２７によりリアルタイムで算出・測定していく。

図１２及び１３に、測定位置に照射位置を移動した際に得られた入力信号のグラフと、該入力信号に対する正規化信号に注目範囲のみを拡大したグラフと、をそれぞれ示す。図９と１３を比較すると分かるように、本実施例に係るエッチングモニタリング装置では、上記の一連の動作により被エッチング部３３からの反射光の強度及び上記ii), iii)の光路差による干渉成分の強度を強くすることができる。そのため、以降のエッチング深さの測定においてS/N比を向上させることが可能となる。

なお、本実施例では光源１０として発光波長の半値全幅が40nmのSLD光源を用いたが、測定対象とする被エッチング部３３の深さや光源１０の中心波長によって、必要となる半値全幅の値は異なってくる。この半値全幅の値は、ウェハ３１表面と被エッチング部３３からの反射光で発生する干渉波が１波長分程度は含まれることが望ましく、最低でも10nmは必要である。

ステップＡ７における最大照射位置の探索は、例えば各照射位置の中心点をx軸及びy軸とし、各照射位置に対して得られた正規化信号面積の大きさをz軸とする3次元データを、2次元スプライン補間などにより補間し、補間後のデータにおいてz軸が最大となる(x, y)座標を探索することによっても行うことができる。

以上、本発明に係るエッチングモニタリング装置について実施例を用いて説明したが、本発明の趣旨の範囲内で適宜に変更や修正、又は追加を行っても構わない。

例えば、上記実施例では、装置各部の制御やCCDラインセンサ１８から取得されるデータの処理を行う制御・データ処理部１９がエッチングモニタリング装置と一体であるとして説明を行ったが、この制御・データ処理部１９は、エッチングモニタリング装置とネットワーク等を介して接続された外部のコンピュータにより実現されていても良い。

１０…光源
１１…光ファイバ
１２…コリメータレンズ
１３…対物レンズ
１４…計測窓
１５…エッチングチャンバ
１６…微小移動ステージ
１７…分光器
１８…CCDラインセンサ
１９…制御・データ処理部
２０…観察用カメラ
２１…補助光源
２２…粗位置決定部
２３…照射位置制御部
２４…記憶部
２５…干渉強度取得部
２６…測定位置決定部
２７…深さ算出部
３１…ウエハ（被エッチング層）
３２…レジスト層
３３…被エッチング部
４０…入射スポット光
４１…ウエハ表面からの反射光
４２…レジスト層表面からの反射光
４３…被エッチング部からの反射光
４４…初期照射位置の中心点
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ…内分点
４６…最大照射位置（測定位置）の中心点
１ａ〜７ｇ…点（照射位置の中心点）
Ｓ…被処理基板

Claims

所定の波長幅を有する可干渉光を発生する光源と、前記可干渉光を被エッチング部の径又は幅よりも大きいスポット径で被処理基板上に導く導入光学系と、前記被処理基板上で反射した前記可干渉光を干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系により得られる干渉光を波長毎に検出する検出部と、を有するエッチングモニタリング装置において
前記被処理基板上の前記可干渉光の照射位置を移動させる照射位置移動手段と、
前記被処理基板上を前記スポット径以下の間隔で走査した前記照射位置の各々に対し、前記光検出部の検出信号に含まれる干渉成分の強度を取得する干渉強度取得手段と、
前記干渉成分の強度が最大となる前記被処理基板上の位置を探索し、該最大位置においてエッチング深さの測定を行うよう前記照射位置を移動させる測定位置決定手段と、
を有することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
前記可干渉光の発光波長の半値全幅が10nm以上あることを特徴とする請求項１に記載のエッチングモニタリング装置。
前記光源がスーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチングモニタリング装置。
更に、被処理基板の表面を撮影するための補助光学系と、該補助光学系により撮影された画像を解析し、被処理基板上の初期照射位置を決定する粗位置算出手段と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置。
前記干渉強度取得手段が、

（ただし、入力信号はエッチングが施された被処理基板に対して得られた検出信号、無照射時信号は光源から光を照射していないときに得られた検出信号、参照信号は凹凸のない被処理基板に対して得られた検出信号、αは前記参照信号のベースラインからの面積と前記入力信号のベースラインからの面積との比、である。）により正規化信号を算出し、該正規化信号と波長に対して信号強度が0で一定の直線とが為す領域の面積を算出することにより、干渉成分の強度を算出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置。
前記測定位置決定手段が、照射位置の中心点を頂点とする最小の矩形領域において、その頂点に対応する前記干渉成分の強度の和により重み付けを行い、該重みが最大となる前記最小矩形領域において、それぞれの辺の内分点を各辺の両端の２つの頂点における前記干渉成分の強度の逆比により求め、向かい合う辺の内分点同士を線分で繋ぎ、２つの線分の交点を前記干渉成分の強度が最大となる照射位置の中心点とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置。