JPH05196567A - 複素反射率測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多層構造の下地層の複素反射率を容易に測定
できるようにする。 【構成】 回折光マスク１の回折格子２、３間のＢ位置
で可干渉性、高指向性の平行光Ｃ₂が反射されて参照光
Ａ₀となる。回折格子２で同様の平行光Ｃ₁ の回折光が
生じ、ウエハ６にほぼ水平に照射されて全反射し、ｓ偏
光の反射光Ａ₂ となる。回折格子３で同様の平行光Ｃ₃
の回折光が生じ、ウエハ６に垂直照射して反射し、反射
光Ａ₁として平行光Ｃ₂である参照光Ａ₀と合成される。
参照光Ａ₀は偏光ビームスプリッタ９でｐ、ｓ偏光に分
離され、このｐ偏光と反射光Ａ₂ とがビームスプリッタ
１５で合成されてセンサ１８でヘテロダイン干渉する。
また、これらｐ、ｓ偏光はビームスプリッタ１４で合成
されてセンサ１９でヘテロダイン干渉する。反射光Ａ₁
と参照光Ａ₀の合成光はセンサ２０、２１でヘテロダイ
ン干渉する。これらの干渉結果から複素反射率の位相の
項が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウエハ表面に回路パタ
ーンを生成する際等に用いる複素反射率測定方法及び装
置に係り、特に、半導体の生成もしくは処理された薄膜
の測定に好適な複素反射率測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体集積回路の製造において、
回路パターンの生成には、縮小投影法を用いたフォトリ
ソグラフィ技術が広く用いられている。この技術は、ウ
エハ表面上にレジストを塗布して塗膜を作り、紫外線を
用いて、これにマスクパターンの像を投影露光すること
により、レジストを部分的に感光させ、さらに、現像処
理を経ることにより、エッチング等の加工対象部分を露
出させ、加工を限定した領域で行わせることにより、微
細パターンを形成するものである。

【０００３】ところで、近年、半導体の高集積化は著し
く、パターン寸法はますます微細化し、また、素子構造
も立体化して製造行程がますます複雑化してきている。
このため、フォトリソグラフィでは、パターン解像力を
高めることが不可欠であり、これを実現するために、レ
ンズのＮＡ（開口数）を増大化し、露光光を短波長化し
ていた。

【０００４】一方、露光光としては、比較的波長バンド
で狭い単一波長のものが用いられており、このため、図
９に示すように、レジスト膜５０や光透過性を有する下
地層形成膜５１が存在する場合、露光光５２がこれらの
膜中で多重反射し、これら反射光の相互干渉が起こっ
て、図１０のように、レジスト膜５０内の深さ方向で光
の強度が変化する。このため、この深さ方向で露光エネ
ルギーに差が生じ、現象すると、レジスト膜５０の断面
は深さ方向で凸凹になる。

【０００５】また、成膜装置等の各種製造装置にプロセ
ス変動があると、レジスト膜厚ｔや光透過性を有する下
地層の形成状態がウエハ内やウエハ毎に異なる。このた
め、同じ露光エネルギーでレジストを露光した場合、レ
ジスト膜厚ｔや図１３の式（１）で表される複素反射率
Ａ（＝ａｅｘｐ（ｉθ）；ａ：振幅、ａ²＝反射率強
度、θ：位相）を有する下地層の形成状態が異なると、
深さ方向の凸凹の形状が変化するため、下地層の最上層
に接するレジストの幅Ｗが図１１に示すように変化し、
所望とするパターン寸法に比べて形成されるパターン寸
法が異なる。従って、このパターン寸法を安定化するた
めには、これらプロセス変動に対応した最適露光エネル
ギーの設定が不可欠であり、レジスト膜厚ｔや下地層の
形成状態変動に応じた複素反射率Ａを測定する必要があ
る。

【０００６】ここで、下地層の複素反射率測定におい
て、振幅ａはウエハの反射率強度から容易に求めること
ができるが、位相θは容易には求められない。

【０００７】このための１つの方法として例えば偏光解
析法がある。偏光解析法は、図１２に示すように、偏光
子６０によって方位角６１が特定の角度に設定された光
６２を試料６３に照射し、この試料６３の表面で反射さ
れることによって楕円偏光になる反射光の偏光状態（楕
円偏光の方位角６４や楕円角６５）の変化を検光子６６
を用いて測定することにより、試料６３の表面の層の光
学定数である複素反射率Ａ（図１３）を決定する方法で
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、偏光解析法の性能上、１層ないし２層という限ら
れた層数の光透過性を有する薄膜上に形成される薄膜に
対してのみ、膜厚及び光学特性を測定することが可能で
あった。つまり、下地層が多層構造になると、上記従来
の偏光解析法を用いた方式では、各層の薄膜や光学特性
を遂次測定し、その結果をもとに計算して複素反射率を
求めなければならないが、この方式で多層構造上の薄膜
の膜厚や光学特性を測定することができないため、複素
反射率を測定することができない。

【０００９】本発明の目的は、かかる問題を解消し、多
層構造の下地層に対して複素反射率を簡易に測定するこ
とができるようにした複素反射率測定方法及び装置を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、可干渉性かつ高指向性の平行光を、基準
高さ位置に設定された被測定物の表面に、垂直及びほぼ
水平に近い斜方から照射し、該被測定物の表面からの垂
直照射光の反射光と参照光との干渉による２つの干渉光
の位相差と、該被測定物の表面にほぼ水平に近い斜方か
らの照射光の反射光と参照光との干渉による干渉光と該
参照光自体の干渉による干渉光との位相差とから該被測
定物の複素反射率の位相項を検出し、垂直照射光の反射
光の強度から被測定物の複素反射率の振幅を検出して複
素反射率を求める。

【００１１】

【作用】被測定物の複素反射率は、図１３に示したよう
に、振幅ａの項と位相θの項とを有しており、振幅ａの
項は該被測定物への垂直照射光の反射光の強度から得ら
れる。

【００１２】上記参照光には被測定物の複素反射率の位
相の項が含まれないが、上記垂直照射光の反射光には被
測定物の複素反射率の位相の項が含まれており、これら
の干渉による２つの干渉光の位相差にこの位相の項が含
まれる。これに対し、被測定物の表面にほぼ水平に近い
斜方からの照射光の反射光にも、また、参照光にも複素
反射率の位相の項が含まれておらず、これらの干渉によ
る干渉光と該参照光自体の干渉による干渉光との位相差
には、この位相の項が含まれない。従って、これら位相
差から複素反射率の位相の項が算出できる。

【００１３】

【実施例】まず、本発明の原理について説明する。図２
において、平行平面のガラス板１の上面（基準面）６８
と下地層のみもしくは下地層に薄膜が形成されたウエハ
６の上面が平行となるように、これらを所定の間隔（基
準高さ）Ｈで配置する。この場合、ウエハ６の上面の状
態に応じて基準高さＨに変位ΔＺが生じ、従って、ガラ
ス板１とウエハ６との間隔はＨ＋ΔＺとなる。

【００１４】この原理は、図１３に示す複素反射率Ａの
位相θを測定するために、ヘテロダイン干渉を用いる場
合を例とするものである。

【００１５】即ち、レーザ光等の可干渉性でかつ指向性
の高い平行光を上方からガラス板１に照射するすると、
その一部はガラス板１の基準面６８で反射して反射光
（以下、参照光という）（Ａ₀）となり、他はガラス１
を透過し、ウエハ６で反射して反射光（Ａ₁）となる。
ここでウエハ６の下地層が光透過性の多層構造をなして
いると、反射光（Ａ₁）は、ウエハ６の上面からの反射
光ばかりでなく、各層からの反射光を含んでいる。ま
た、入射角θ₀を大きくして水平に近い方向からレーザ
光等の可干渉性でかつ指向性の高い平行光をウエア６に
照射し、その反射光（Ａ₂） とする。

【００１６】参照光（Ａ₀）と反射光（Ａ₁）との干渉ビ
ート信号は、基準高さＨ，変位ΔＺの成分や複素反射率
Ａの位相θの成分を含んでおり、また、参照光（Ａ₀）
と反射光（Ａ₁） との干渉ビート信号は基準高さＨ、変
位ΔＺの成分のみを含んでいる。従って、これら干渉ビ
ート信号から位相θを求めることができる。

【００１７】即ち、いま、参照光（Ａ₀），反射光
（Ａ₁）は周波数ｆ₁，ｆ₂（ｆ₁＞ｆ₂）がわずかに異な
る２つの平行光Ｆ₁，Ｆ₂からなり、また、反射光
（Ａ₂） が周波数ｆ₁,ｆ₂ の平行光Ｆ₁，Ｆ₂のうちのい
ずれか一方からなるものとすると、参照光（Ａ₀）と反
射光（Ａ₂）とを干渉させたときの干渉縞の強度Ｉ
₁（ｔ） は次の式（１．１）で表わされる。

【００１８】 Ｉ₁（ｔ）＝ａ＋ｂｃｏｓ（２π（ｆ₁−ｆ₂）ｔ＋４πｆ₂ｃｏｓθ₀ΔＺ／ｃ ＋φ₀₁） ……（１．１） ここで、ｔは時間、ｃは光の速度、φ₀₁は初期位相であ
る。

【００１９】また、参照光（Ａ₀） の光Ｆ₁，Ｆ₂どうし
で干渉させると、干渉縞の強度Ｉ₂（ｔ）は次の式
（１．２）で表わされる。

【００２０】 Ｉ₂（ｔ）＝ａ＋ｂｃｏｓ（２π（ｆ₁−ｆ₂）ｔ＋φ₀₂） ……（１．２） ここで、φ₀₂は初期位相である。

【００２１】従って、強度Ｉ₁（ｔ）の干渉ビート信号
と強度Ｉ₂（ｔ）の干渉ビート信号との位相差φは、 φ＝４πｆ₂ｃｏｓθ₀ΔＺ／ｃ＋φ₀₁−φ₀₂ ……（１．３） となり、変位ΔＺの関数として与えられる。この式
（１．３）から、変位ΔＺは次の式（１．４）で表わさ
れる。

【００２２】 ΔＺ＝ｃ（φ−φ₀₁＋φ₀₂）／４πｆ₂ｃｏｓθ₀ ……（１．４） 一方、ウエハ６からの反射光（Ａ₁）と参照光（Ａ₀）を
干渉させると、一方の光Ｆ₁と他方の光Ｆ₂との干渉ビー
ト信号の干渉縞の強度Ｉ₃（ｔ）、一方の光Ｆ₂と他方の
光Ｆ₁との干渉ビット信号の干渉縞の強度Ｉ₄（ｔ）は夫
々、φ₀₃，φ₀₄を初期位相とすると、次の式（１．
５），（１．６）で表わされる。

【００２３】 Ｉ₃（ｔ）＝ａ＋ｂｃｏｓ（２π（ｆ₁−ｆ₂）ｔ＋４πｆ₁ΔＺ／ｃ＋θ＋φ₀₃ ） ……（１．５） Ｉ₄（ｔ）＝ａ＋ｂｃｏｓ（２π（ｆ₁−ｆ₂）ｔ＋４πｆ₂ΔＺ／ｃ−θ＋φ₀₄ ） ……（１．６） そして、強度Ｉ₃（ｔ）の干渉ビート信号と強度Ｉ
₄（ｔ）の干渉ビート信号の位相差ψは、次の式（１．
７）に示すように、ウエハ６複素反射率Ａの位相θと変
位ΔＺとの関数で表すことができる。

【００２４】 ψ＝４π（ｆ₁＋ｆ₂）ΔＺｃ＋２θ＋φ₀₃−φ₀₄ ……（１．７） 従って、式（１．４）と式（１．７）とより、ウエハ６
の複素反射率Ａの位相θは θ＝（ψ−（ｆ₁＋ｆ₂）（φ−φ₀₁＋φ₀₂）／ｆ₂ｃｏｓθ₀−φ₀₃＋φ₀₄） ／２ ……（１．８） となる。

【００２５】図３（ａ）は上記式（１．１），（１．
２）で表わされる干渉縞の強度Ｉ₁（ｔ），Ｉ₂（ｔ）の
時間的な変化と上記式（１．３）で表わされるこれらの
位相差φを示しており、図３（ｂ）は上記式（１．
５），（１．６）で表わされる干渉縞の強度Ｉ
₃（ｔ），Ｉ₄（ｔ）の時間的な変化と上記式（１．７）
で表わされるこれらの位相差ψを示している。これら干
渉縞の強度Ｉ₁（ｔ），Ｉ₂（ｔ），Ｉ₃（ｔ），Ｉ
₄（ｔ） を夫々センサで検出し、検出された強度Ｉ
₁（ｔ），Ｉ₂（ｔ）から位相差φを、検出された強度Ｉ
₃（ｔ），Ｉ₄（ｔ）から位相差ψを夫々求めることがで
き、従って、図１３で示したウエハ６の複素反射率Ａの
位相θを求めることができる。

【００２６】以上説明した原理に基づく本発明の実施例
を、以下、図面によって説明する。

【００２７】図１は本発明による複素反射率測定方法及
び装置の一実施例を示す図であって、１はガラス板から
なる回折光マスク，２，３は回折格子，４はλ／４波長
板，５はオートフォーカス系，６はウエハ，７はプリズ
ム，８，９，１０は偏光ビームスプリッタ，１１はミラ
ー，１２はλ／２波長板，１３，１４，１５はビームス
プリッタ，１６，１７はレンズ，１８，１９，２０，２
１はセンサである。

【００２８】同図において、下地層のみもしくは薄膜が
形成されたウエハ６の上方に所定の間隔でもって回折光
マスク１が設けられている。オートフォーカス系５によ
り、回折光マスク１とウエア６との間隔が基準高さＨに
あるときの検出信号に対し、位相が２πずれない範囲と
なるように、この回折光マスク１とウエア６との間隔が
設定されている。

【００２９】回折光マスク１はガラス板の上面に、回折
格子２，３が設けられたＡ位置，Ｃ位置を除いて、前面
にクロム層が形成されて反射面をなしている。そして、
回折格子２に可干渉性、高指向性の平行光Ｃ₁が、回折
格子２に同じく平行光Ｃ₃が、Ａ位置とＣ位置間のＢ位
置に同じく平行光Ｃ₂ が夫々斜方から照射される。これ
ら平行光Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃は、偏光方向が互いに直交する
周波数ｆ₁ｐの平行光Ｆ₁ｐ（ｐ偏光）と周波数Ｆ₂ｓの
平行光Ｆ₂ｓ（ｓ偏光）とからなり、これら周波数ｆ
₁ｐ，ｆ₂ｓはわずかに異なっている（ｆ₁ｐ＞ｆ₂ｓ）。

【００３０】平行光Ｃ₁は回折格子２で回折されて−１
次回折光を発生し、この−１次回折光がウエハ６上に入
射角θ₀で入射する。この入射角θ₀は、平行光Ｃ₁の波
長と回折光２のピッチとにより、充分大きくなるように
設定されており、このため、この−１次回折光はウエハ
６の表面でほぼ全反射し、プリズム７を通って偏光ビー
ムスプリッタ８に送られる。この偏光ビームスプリッタ
８は、入射された光のうちの反射率が高いｓ偏光Ｆ₂ｓ
のみを通過させる。このｓ偏光Ｆ₂ｓが図２での反射光
Ａ₂ である。

【００３１】入射平行光Ｃ₂は回折光マスク１上Ａ，Ｃ
位置間のＢ位置で反射され、図２における参照光
（Ａ₀）となる。

【００３２】また、入射平行光Ｃ₃は回折光マスク１上
Ｃ位置の回折格子３に照射され、ウエハ６の表面に垂直
な方向の１次回折光が生ずる。この１次回折光はλ／４
波長板４を通ってウエハ６に垂直に照射されて反射し、
再度λ／４波長板４，回折格子３を通る。この回折格子
３を通った光が図２での反射光（Ａ₁）であり、回折格
子３で反射した光（図２の参照光（Ａ₀）に相当）と合
成される。この反射光（Ａ₁）は、λ／４波長板４を２
度通るので、元の入射平行光Ｃ₃に対して偏光角がπ／
２だけずれている。即ち、反射光（Ａ₁）においては、
入射平行光Ｃ₃のｐ偏光Ｆ₁ｐがｓ偏光Ｆ₁ｓに、ｓ偏光
Ｆ₂ｓがｐ偏光Ｆ₂ｐとなっている。

【００３３】以上のようにして、図２に示した参照光
（Ａ₀）及び反射光（Ａ₁），（Ａ₂）が得られる。参照
光（Ａ₀）は偏光ビームスプリッタ９に送られ、この参
照光（Ａ₀）のｐ偏光Ｆ₁ｐが透過し、ｓ偏光Ｆ₂ｓが反
射することにより、これら偏光成分に分離される。ｐ偏
光Ｆ₁ｐはミラー１１で反射し、λ／２波長板１２でｓ
偏光Ｆ₁ｓに変化し、ビームスプリッタ１３で２分され
る。ビームスプリッタ１３からの一方のｓ偏光Ｆ₁ｓは
ビームスプリッタ１５に送られ、偏光ビームスプリッタ
８からの反射光(Ａ₂)であるｓ偏光Ｆ₂ｓと合成される。
この合成光がレンズ１７によってウエハ６の位置と共役
の位置にあるセンサ１８上でヘテロダイン干渉し、上記
式（１．１）で表わされる干渉縞強度Ｉ₁（ｔ） の干渉
ビート信号が得られる。

【００３４】また、ビームスプリッタ１３からの他方の
ｓ偏光Ｆ₁ｓ はビームスプリッタ１４に送られ、偏光ビ
ームスプリッタ９からのｓ偏光Ｆ₂ｓ と合成される。こ
の合成光はセンサ１９上でヘテロダイン干渉し、上記式
（１．２）で表わされる干渉縞強度Ｉ₂（ｔ） の干渉ビ
ート信号が得られる。

【００３５】回折光マスク１上のＣ位置からの参照光
（Ａ₀）はｐ偏光Ｆ₁ｐ、ｓ偏光Ｆ₂ｓからなり、反射光
（Ａ₁）はｐ偏光Ｆ₂ｐ，ｓ偏光Ｆ₁ｓからなっている。
これら参照光（Ａ₀）と反射光（Ａ₁）との合成光はレン
ズ１６を通り、偏光ビームスプリッタ１０により、ｐ偏
光Ｆ₁ｐ，Ｆ₂ｐの合成光とｓ偏光Ｆ₁ｓ，Ｆ₂ｓの合成光
とに分離され、前者はレンズ１６によってウエハ６と共
役位置にあるセンサ２１上で、また、後者は同じくレン
ズ１６によってウエハ６と共役位置のあるセンサ２０上
で夫々ヘテロダイン干渉する。これにより、センサ２０
で上記式（１．５）で表わされる干渉縞強度Ｉ₃（ｔ）
の干渉ビート信号が得られ、センサ２１で上記式（１．
６）で表わされる干渉縞強度Ｉ₄（ｔ）の干渉ビート信
号が得られる。

【００３６】従って、これら干渉ビート信号により、上
記のようにして、複素反射率Ａの位相θを求めることが
でき、また、従来と同様、垂直照射光に対するウエア６
の反射率強度から複素反射率Ａの振幅ａ（ａ² ＝反射率
強度）が容易に求められるから、図１３に示した式によ
り、ウエハ６の複素反射率Ａを求めることができる。

【００３７】図４は本発明による複素反射率測定方法及
び装置の他の実施例を示す図であって、２２，２３，２
４，２５はビームスプリッタ，２６，２７，２８，２９
はミラー，３０は入／２波長板であり、図１に対応する
部分には同一符号をつけている。

【００３８】図１に示した実施例では、回折格子やプリ
ズムを用いてウエハ６への斜方、垂直照射を行なうよう
にしたが、図４に示した実施例では、これとは異なる手
段で同様の照射を行なうようにしたものである。

【００３９】図４において、入射平行光Ｆはビームスプ
リッタ２２で２分され、これから出力される一方の平行
光Ｆ₁は、ミラー２６により、ウエハ６の表面にほぼ水
平に斜方照射されてほぼ全反射され、この反射光のｓ偏
光Ｆ₂ｓのみが偏光ビームスプリッタ８で抽出されて反
射光（Ａ₂） となる。

【００４０】また、ビームスプリッタ２２から出力され
る他方の平行光Ｆ₂は、ビームスプリッタ２３で一部が
反射されて参照光（Ａ₀）となり、残りは通過し、その
一部がさらにビームスプリッタ２４を通過して参照光
（Ａ₀）となる。この参照光（Ａ₀）と反射光Ａ₂との処
理は図１に示した実施例と同様であり、センサ１８で上
記式（１．１）で表わされる干渉縞強度Ｉ₁（ｔ）の干
渉ビート信号が、センサ１９で上記式（１．２）で表わ
される干渉縞強度Ｉ₂（ｔ）の干渉ビート信号が夫々検
出される。なお、ミラー２８は。偏光ビームスプリッタ
９で分離されたｓ偏光Ｆ₂ｓを、ビームスプリッタ２５
からのｓ偏光Ｆ₁ｓと合成するために、反射してビーム
スプリッタ１４に供給するためのものである。

【００４１】ビームスプリッタ２４で反射される平行光
はビームスプリッタ２５を通ってウエハ６に垂直に照射
され、その反射光はビームスプリッタ２５，２４を通っ
て反射光（Ａ₁）となる。この反射光（Ａ₁）はλ／２波
長板３０を通り（図１でλ／４波長板４を２度通過する
のに相当する），レンズ６を介して偏光ビームスプリッ
タ１０に供給され、ビームスプリッタ２３からミラー２
９を介して送られてくる参照光（Ａ₀）と合成される。
図１の実施例では、参照光（Ａ₀） と反射光（Ａ₁）と
を回折光マスク１のＣ位置で合成したが、図４では、偏
光ビームスプリッタ１０で合成するようにしている。従
って、センサ２０で上記式（１．５）で表わされる干渉
縞強度Ｉ₃（ｔ）の干渉ビート信号が、センサ２１で上
記式（１．６）で表わされる干渉縞強度Ｉ₄（ｔ）の干
渉ビート信号が夫々検出される。なお、ビームスプリッ
タ２５は、オートフォーカス系５で使用するビームの光
路を垂直照射のための平行光の光路に重ねるためのもの
である。

【００４２】このようにして、この実施例においても、
図１３で示した複数反射率Ａの位相θを求めることがで
きる。

【００４３】図５は本発明による複素反射率測定方法及
び装置のさらに他の実施例を示す図であって、１’は回
折光マスク，３’は回折格子，７ａ，７ｂはプリズム，
９’は偏光ビームスプリッタ，１１ａ，１１ｂはミラ
ー，１２ａ，１２ｂはλ／２波長板，１６ａ，１６ｂは
レンズ，３１はビームスプリッタ，３２はプリズム，３
３は偏光ビームスプリッタ，３４はレーザ出力ユニッ
ト，３５はＡＯＭユニット，３６は導光ユニット，３７
は測定ユニット，３８はレーザ光源，３９はレーザパワ
ーコントローラ，４０はハーフミラー，４１はλ／２波
長板，４２，４３はミラー，４４，４５は音響光学素
子，４６，４７はピンホール，４８は偏光ビームスプリ
ッタ，４９〜５２はレンズ，５３，５４はピンホール，
５５はミラーであり、前出図面に対応する部分には同一
符号をつけている。

【００４４】図５において、この実施例は、レーザ出力
を安定化させるレーザ出力ユニット３４と、この出力レ
ーザ光を２つに分岐して偏光方向が異なるｐ偏光とｓ偏
光にし、音響光学素子によってこれらの周波数が若干異
ならせて再び光軸を一致させて合成するＡＯＭユニット
３５と、測定点での照射光の視野限定とレーザビームの
迷光除去を行ない、測定ユニット３７へ合成光を導く導
光ユニット３６と、この導光ユニット３６から導かれる
合成光により複素反射率を測定する複数の干渉計からな
る測定ユニット３７と、測定点のフォーカス合わせを行
なうオートフォーカスユニット５とからなっている。

【００４５】レーザ出力ユニット３４においては、露光
光にｇ線（４３６ｎｍ）を用い、そのときの複素反射率
を測定するならば、レーザ光源３８としては、例えば波
長の近い直線偏光のＨｅ−Ｃｄレーザ（４４１．６ｎ
ｍ）を採用する。レーザパワーコントローラ３９は、レ
ーザの出力を安定化させるものである。

【００４６】ＡＯＭユニット３５においては、ハーフミ
ラー４０によってレーザ出力ユニット３４からのレーザ
光が２つに分岐される。分岐された一方のレーザはλ／
２波長板４１によって偏光方向が逆転し、ミラー４２で
反射された後音響光学素子４５に供給される。分岐され
た他方のレーザ光は音響光学素子４４に供給される。こ
れにより、これらレーザ光は各々１次回折光の周波数が
若干異なる光λ₁ｐ，λ₂ｓになる。これら２のつ光λ₁
ｐ，λ₂ｓはピンホール４７，４６を通り、光λ₂ｓ は
ミラーで反射されて偏光ビームスプリッタ４８で合成さ
れ、光軸の一致した１つのレーザ光となる。これらピン
ホール４７，４６は、音響光学素子４５，４６からの０
次回折光を遮光するためのものである。

【００４７】導光ユニット３６においては、ＡＯＭユニ
ット３５からのレーザ光が対物レンズ４９の焦点位置に
あるピンホール５３により、迷光が除去され、レンズ５
０により平行光となる。この平行光はミラー５５で光路
が変更され、レンズ５１，５２間のウエハ６との共役位
置のピンホール５４により、測定領域が限定される。

【００４８】測定ユニット３７においては、プリズム３
２が導光ユニット３６からの平行光を３つの平行光
Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃に分岐する。プリズム３２からの平行光
Ｃ₂は、回折格子マスク１’のクロム面で正反射され、
反射光（Ａ₀） として偏光ビームスプリッタ９’に送ら
れてｓ偏光とｐ偏光とに分離される。偏光ビームスプリ
ッタ９’で反射したｓ偏光は、プリズム１１ａで反射
し、λ／２波長板１２ｂで偏光方向が逆転してｐ偏光と
なる。偏光ビームスプリッタ９’を透過するｐ偏光は、
ビームスプリッタ３１で２分された後、その一方がプリ
ズム１１ｂで反射し、ビームスプリッタ１４でλ／２波
長板１２ｂからのｓ偏光と合成され、センサ１９に導か
れて光λ₁ｐ，λ₂ｓのヘテロダイン干渉による干渉ビー
ト信号が得られる。これが上記式（１．２）で示した干
渉縞強度の基準ビート信号となる。

【００４９】また、プリズム３２からの平行光Ｃ₃ は、
回折格子マスク１’に設けられた回折格子３’に入射角
Θで入射する。これによって１次回折光が生ずるが、こ
の回折光がウエハ６に垂直に照射するように、回折格子
３’のピッチｐと入射角Θを、回折格子３’の入射平行
光Ｃ₃ の波長をλとすると、以下の関係を満たすように
設定する。 ｓｉｎΘ＝λ／ｐ 回折格子マスク１’の回折格子３’とは反対側に面にλ
／４波長板４が設けられており、回折格子３’で発生し
た直線偏光の一次回折光は、このλ／４波長板４によ
り、円偏光になってウエハ６に垂直方向から照射する。
ウエハ６からのその反射光は再びλ／４波長板４を通
り、平行光Ｃ₃に対して偏光方向が逆転した光λ₁ｓ，λ
₂ｐとなって回折格子３’で再び回折し、入射平行光Ｃ₃
と合成されて参照光（Ａ₀）と反射光（Ａ₁）との合成
光として同じ方向に進む。この合成光は、偏光ビームス
プリッタ１０により、ｐ偏光とｓ偏光に分けられ、前者
がレンズ１６ｂによってウエハ６と共役位置にあるセン
サ２１に、後者がレンズ１６ａによってウエハ６と共役
位置にあるセンサ２０に夫々達し、ヘテロダイン干渉し
て上記式（１．５），（１．６）の干渉縞強度の干渉ビ
ート信号が得られる。

【００５０】さらに、プリズム３２からの平行光Ｃ₁
は、偏光ビームスプリッタ３３でウエハ６での表面反射
率が高い偏光のλ₂ｓのみが選択され、プリズム７ａに
よってほぼ水平に近い入射角でウエハ６の表面に照射さ
れてほぼ全反射する。この反射光は、プリズム７ｂを介
し、反射光Ａ₂としてビームスプリッタ１５に導かれ
る。このビームスプリッタ１５には、また、ビームスプ
リッタ３１で分離されたｐ偏光がλ／２波長板１２ａで
偏光方向が逆転されてｓ偏光λ₁ｓとなって導かれ、反
射光（Ａ₁）と合成されて、レンズ１７によってウエハ
６と共役位置にあるセンサ１８に導かれる。このセンサ
１８では、合成光がヘテロダイン干渉し、上記式（１．
１）の干渉縞強度の干渉ビート信号が得られる。

【００５１】以上の４つのセンサ１８〜２１で測定され
る干渉ビート信号を上記のようにフーリエ変換すること
により、複素反射率Ａの位相θを求めることができ、従
って、複素反射率Ａを求めることができる。

【００５２】薄膜を生成する前の下地層の複素反射率及
び屈折率が既知ならば、図１３に示した式をもとに複素
反射率Ａを測定することにより、多層薄膜上に生成、処
理された薄膜の膜厚を求めることができる。

【００５３】図６は本発明を用いた膜厚測定装置の一具
体例を示すブロック図である。同図において、薄膜を生
成、処理したウエハが以上の実施例として説明した複素
反射率測定部５６に搬入されると、任意の位置で測定さ
れた上記の干渉ビート信号が得られる。これら干渉ビー
ト信号は位相検出部５７に転送されてその複素反射率Ａ
が求められる。位相検出部５７で求めた複素反射率Ａの
測定結果とデータ部５９に格納されている屈折率及び薄
膜を生成、処理する前に下地層に対して予め測定した複
素反射率の測定結果とにより、膜厚測定部５８で薄膜の
膜厚が算出される。

【００５４】図７は、本発明を用いた薄膜生成、処理装
置の制御システムの一具体例を示すブロック図である。
同図において、薄膜を生成、処理したウエハは図６で示
した構成をなす複素反射率測定装置５６で複素反射率が
測定される。プロセス制御系６２では、この結果と、デ
ータ部６３の薄膜を生成、処理する前のウエハの複素反
射率の測定結果と、生成、処理される薄膜の屈折率等の
情報とを用いて生成、処理された薄膜の膜厚を求め、こ
の膜厚データからプロセス変動量を算出して薄膜生成、
処理装置６０にフィードバックし、プロセス条件を制御
することにより、薄膜生成、処理装置６０の安定化が図
られる。

【００５５】図８は本発明を用い、ステッパの露光量を
制御するようにしたシステムの一具体例を示すブロック
図である。

【００５６】なお、以上の実施例では、半導体の下地層
に多層の薄膜上に形成された薄膜の膜厚を測定するもの
であったが、半導体に限らず、レンズ、ガラス等の物質
上に生成された薄膜の膜厚の測定にも応用できる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多層構造の下地層に対しても、その複素反射率を簡単に
測定することができ、かかる下地層に生成、処理された
薄膜の膜厚を正確に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による複素反射率測定方法及び装置の一
実施例を示す図である。

【図２】本発明の原理図である。

【図３】図２での干渉ビート信号の干渉縞の強度を示す
図である。

【図４】本発明による複素反射率測定方法及び装置の他
の実施例を示す図である。

【図５】本発明による複素反射率測定方法及び装置のさ
らに他の実施例を示す図である。

【図６】本発明による本発明による複素反射率測定方法
を用いた膜厚測定装置の一具体例を示すブロック図であ
る。

【図７】本発明による複素反射率測定方法を用いた薄膜
生成・処理装置の制御システムの一具体例を示すブロッ
ク図である。

【図８】本発明による複素反射率測定方法を用いたステ
ッパ露光量制御システムの一具体例を示すブロック図で
ある。

【図９】レジスト及び光透過性の下地層形成膜内の多重
反射の影響を示す図である。

【図１０】図９におけるレジスト膜内での光強度の変化
を示す図である。

【図１１】形成されたレジスト膜の凹凸によるレジスト
膜の幅の定在波効果を示す図である。

【図１２】偏光解析法の原理図である。

【図１３】複素反射率の式を示す図である。

【符号の説明】

１、１´ 回折光マスク ２、３、３´ 回折格子 ４ λ／４波長板 ５ オートフォーカス系 ６ ウエハ ７ プリズム ８、９、９´、１０ 偏光ビームスプリッタ １２、１２ａ、１２ｂ λ／２波長板 １３、１４、１５ ビームスプリッタ １８、１９、２０、２１ センサ ２２、２３、２４ ビームスプリッタ ３０ λ／２波長板 ３１ ビームスプリッタ ３２ プリズム ３３ λ／２波長板 ３４ レーザ出力ユニット ３５ ＡＯＭユニット ３６ 導光ユニット ３７ 測定ユニット ５６ ウエハ複素反射率測定部 ５７ 位相検出部 ５８ 膜厚測定部 ５９ データ部 ６０ 薄膜生成・処理装置 ６１ 複素反射率測定装置 ６２ プロセス制御系 ６３ データ部 ６４ レジスト塗布装置 ６５ ステッパ ６６ プロセス制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小森谷 進 東京都小平市上水本町五丁目22番１号 株 式会社日立製作所武蔵工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉性かつ高指向性の平行光を、基準
   高さ位置に設定された被測定物の表面に、垂直及びほぼ
   水平に近い斜方から照射し、該被測定物の表面からの垂
   直照射光の反射光と参照光との干渉光と、該被測定物の
   表面にほぼ水平に近い斜方からの照射光の反射光と参照
   光との干渉光との位相差から該被測定物の複素反射率の
   位相項を検出し、垂直照射光の反射光の強度から被測定
   物の複素反射率の振幅を検出することを特徴とする複素
   反射率測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記被測定物が多層物体で形成したことを特徴とする複
   素反射率測定方法。
3. 【請求項３】 被測定物の屈折率と、該被測定物の薄膜
   生成、処理前での第１の複素反射率と、該被測定物の薄
   膜生成、処理後での第２の複素反射率とから該薄膜の膜
   厚を検出するようにした膜厚測定方法において、 可干渉性かつ高指向性の平行光を、基準高さ位置に設定
   された被測定物の表面に、垂直及びほぼ水平に近い斜方
   から照射し、該被測定物の表面からの垂直照射光の反射
   光と参照光との干渉光と、該被測定物の表面にほぼ水平
   に近い斜方からの照射光の反射光と参照光との干渉光と
   の位相差から該被測定物の複素反射率の位相項を検出
   し、垂直照射光の反射光の強度から被測定物の複素反射
   率の振幅を検出して、該第１、第２の複素反射率を得る
   ことを特徴とする複素反射率測定方法。
4. 【請求項４】 被測定物の屈折率などの光学特性の情報
   と、該被測定物の複素反射率とにより、該被測定物での
   薄膜生成、処理装置のプロセス条件を制御するようにし
   た薄膜生成、処理システムにおいて、 可干渉性かつ高指向性の平行光を、基準高さ位置に設定
   された被測定物の表面に、垂直及びほぼ水平に近い斜方
   から照射し、該被測定物の表面からの垂直照射光の反射
   光と参照光との干渉光と、該被測定物の表面にほぼ水平
   に近い斜方からの照射光の反射光と参照光との干渉光と
   の位相差から該被測定物の複素反射率の位相項を検出
   し、垂直照射光の反射光の強度から被測定物の複素反射
   率の振幅を検出して、該複素反射率を得ることを特徴と
   する複素反射率測定方法。
5. 【請求項５】 被測定物を基準高さ位置に設定する手段
   と、 可干渉性かつ高指向性の平行光を、該被測定物の表面
   に、垂直及びほぼ水平に近い斜方から照射する手段と、 該被測定物の表面からの垂直照射光の反射光と参照光と
   の干渉光と、該被測定物の表面にほぼ水平に近い斜方か
   ら照射した該平行光の反射光と参照光との干渉光との位
   相差から該被測定物の複素反射率の位相項を検出する手
   段と、 該被測定物の表面からの該垂直照射光の反射光の強度か
   ら該被測定物の複素反射率の振幅を検出する手段とを備
   え、 検出された該位相項と該振幅とから該被測定物の複素反
   射率を得ることを特徴とする複素反射率測定装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記被測定物が多層物体で形成したことを特徴とする複
   素反射率測定装置。