JPS59188931A - ウエハの高さ測定器 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電子ビーム露光装置等によシウエハ表面にパ
タンを直接描画する際などに用いられるウェハの高さ測
定器に関するものである。

〔従来技術〕

従来との種の高さ測定器は第４図に示すように構成され
ていた。図において、１および２はウェハ表面であシ高
さの異なる状態を示している。３は半導体レーザまたは
発光ダイオード等の光源、４は光源３よシ放射された光
線、５および６はそれぞれウェハ表面１および２からの
反射光線、７はレンズ、８は受光素子、θは光の入射角
である。

またウェハ表面には直接描画のためのレジスト９が塗布
されている。

上記構成において、ウェハ表面１に入射角θで光線を入
射させると、光線４はウェハ表面１において反射角θで
反射され、反射光は受光素子８の表面の１点を照射する
。この点をＡとする。ここで、ウェハ表面にはレジスト
９が薄く塗布されているが、入射光に対してほとんど透
明であるため、入射光の大部分はウェハ表面に達し、そ
こで反射される。レジヌト表面でも少しは反射されるが
、反射光の大部分はウェハ表面からのものであシ、Ａの
位置は反射光の総和で定まるのでレジスト表面での反射
光成分の影響は小さい。次に、ウェハ表面の高さが変わ
シ２の状態になったとする。ウェハ表面１と２の高さの
差をｈとし、ウェハ表面１と２は互いに平行であるとし
て、１の場合と同様にウェハ表面２に入射角θで入射し
た光線４は、反射角θで反射されて受光素子表面上の１
ＡＢを照射する。受光素子表面が反射光線に対して垂直
に設置しである場合、受光素子表面のＡＢ間の距離をＸ
とすると、ウェハ表面１と２の高さの差りは ｈ　＝　ｘ　ｍ魚θ で与えられる。反射光線と受光素子表面が垂直でない場
合でも、適当な変換パラメータを与えることによシ同様
に換算できる。このようにして受光素子上のＡＢの距離
からウェハの高さを測定する。

レンズ８は、反射位置の点を受光素子上に結像するよう
に設定されておシ、これにより１反射角がウェハのそシ
等でわずかに変化した場合でも反射点の位置が受光素子
上で変化することを防いでいる。

なお、ここで受光素子上の入射位［Ａ、Ｂは次のように
して測定する。

第２図は、受光素子８の構造図である。受光素子の両端
に検出端子Ｔｌ、Ｔ２を設ける。Ｔ１と１２間は一様な
分布抵抗を持った半導体である。点Ａに光が照射される
と、その点に光起電力が生じる。

ＴＩ、Ｔ２で検出される光起電力の電流値をそれぞれＩ
ｆ、Ｉ２とおくと ＩＩ　　　Ｒ２ Ｉ２　　　Ｒ１ の関係がある。Ｔ１と１２間は一様な分布抵抗を持って
いるからＲ１，Ｒ２の比がそれぞれ１１ｊ。

Ｔ７７の距離の比を与える。結局Ａ点の位置が定まる。

ところで、入射光線は実際にはある程度の広がシをもつ
光強度分布を持っている。このときにはＡ点はとの入射
光の強度分布の重心位置となる。Ｂ点についても同様で
ある。

ところで、このような装置において、ウェハ表面に反射
率の異なる部分（金属配線バタン等）や凹凸がある場合
、反射光の光強度分布や反射角度が大きく変わってしま
う。この場合、受光面での光強度分布の重心位置が変わ
ってしまうため、検出結果に誤差を与えることになる。

例えば、第３図はウェハ上の反射率が異なる部分で高さ
を測定した場合を示す。ウェハ表面にはレジストが塗布
しであるが、入射光に対してほとんど透明であるので図
上省略した。同図囚において、ア、イ、つの円はそれぞ
れウェハ上の光の照射範囲（直径：約０．５〜１．０　
、、　）を示し、アは高反射率の部分ａで測定した場合
、イは高反射率の部分ａと斜線で示した低反射率の部分
すの境界で測定した場合、つは低反射率の部分すで測定
した場合である。ア、イ、つのそれぞれの場合の受光面
上の光強度分布を同図（Ｂ）〜（Ｄ）の右に示す０イの
場合（同図（Ｃ））、光強度分布の重心Ａはアの場合（
同図（Ｂ））と異なシ測定誤差を生じる。またつの場合
（同図＠）、アとの光強度の差が大きいとつの信号が出
なかったシして正しく測定できないことがある。

゛まだ、第４図はウェハ上の細かな凹凸あるいは配線バ
タンのある部分で高さを測定した場合を示す。ウェハ表
面にはレジストが塗布しであるが、入射光に対してほと
んど透明であるので図上省略した。同図（４）において
、アは細かな凹凸や配線バタンかない表面が滑らかな部
分ａで測定した場合、イは全体に細かな線状の凹凸ある
いは配線バタンか規則的な繰シ返しで密にある部分すで
測定した場合、つは細かな凹凸あるいは配線バタンか不
均一にある部分Ｃで測定した場合を示す。ア、イ、つの
それぞれの場合の受光面上の光強度分布を同図（Ｂ）〜
（２）に示す。イの場合（同図（Ｃ）　）、ＬＳＩ　の
配線バタンは間隔が入射光の波長程度であるので、この
ような配線バタンは回折格子のように作用し反射光の反
射方向が大きく変えられる。したがって、受光素子上の
照射位置が大きく変わシ、光強度分布の重心Ａはアの場
合（同図ω））と異なシ測定誤差となる。さらに、反射
方向の変化が極めて大きいときにはウェハ表面からの反
射光が受光素子に入射しないこともある。このときには
受光素子への入射光量は著しく減少し、出力信号が出な
くなったりして正しく測定できないことがある。

つの場合（同図部）は、ウェハ表面の散乱によシ反射光
の強度分布が乱され、受光素子上の光強度分布の重心位
置Ａがアと異なるため測定誤差となる。あるいは反射光
の強度が著しく減少し、出力信号が出なくなったりして
正しく測定できないことがある。

〔発明の目的および構成〕

本発明は、とのような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的は、配線パタンや凹凸、反射率の不均一さ等、ウ
ェハ表面の光学的条件に左右されることなくウェハ表面
の高さを正確に測定することが可能なウェハの高さ測定
器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明による高さ測
定器は、入射面に対して垂直な直線偏光と平行な直線偏
光とからなる光線を入射光とし、ウェハ表面に塗布され
たレジストの屈折率に対応したブリュースタ角でウェハ
表面に入射させ、反射光を反射面に対して平行および垂
直の各直線偏光に分離する手段を備え、分離された各直
線偏光の光路上に受光素子を配置するとともに、各受光
素子の出力を調整し、さらに各出力からウェハの高さに
対応した出力を算出する演算手段を備えたものでちる。

以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

〔実施例〕

第５図は本発明の一実施例を示す構成図であシ、１はウ
ェハ表面、１′はウェハ表面に塗布されたレジストの表
面、３はレーザ光源、４はレーザ光源から放射されたレ
ーザ光線、５ａはウェハ表面で反射された反射光、５ｂ
はレジスト表面から反射された反射光、７はレンズ、１
０は反射鏡、１１は複局折形偏光子、１２ａ、１２ｂは
受光素子、１３は受光素子からの検出信号を処理して測
定値を得る回路・１４は光電変換素子としての受光セル
である。光線４、反射光５ａ、５ｂに付した↓および・
は偏光方向を示し、工は紙面（入射面）に対して平行な
直線偏光を表し、・は紙面（入射面）に対して垂直な直
線偏光を表す。なお、レジスト表面１′は平坦で滑らか
な表面状態を有することは言うまでもない。

また、第６図は受光素°子からの検出信号を処理する回
路１３の詳細図であって、１４は受光セル、１５は各受
光セルの出力ゲイン調整回路、１６はゲイン調整回路、
１７は信号演算器（ただし、ここでは減算器として用い
る）である。

上記構成において、レーザ光源３から放射された光線４
はウェハ１の入射面に対して垂直な直線側光と平行な直
線偏光から成る。このレーザ光線４を入射角θ、でレジ
スト面１′に入射させる。ここでθ、はブリュースタ角
であシ、レジストの屈折率をｎとして次式で定める。

ｎ＝−〇ル ジスト表面１′に入射したレーザ光線は偏光方向によっ
てレジスト表面での反射率が異なる。一般に、入射面に
垂直な直線偏光の反射率Ｒｎと、平行表直線偏光の反射
率ＲｈはそれぞれＲｆｌ−画２（θ−φ） ｇｈ”　（θ＋φ） Ｒｈ　＝＝　　ｔｍ２（θ−４） −２（θ＋φ） で与えられる。

ここで、 龜θ＝ｎ血φ である。

特に、入射角がブリュースタ角θ、の場合にはＲｎ−が
（θ、−φ） Ｒｈ＝０ となる。

コノトキ・Ｒｈ＝Ｏだから入射面に平行な直線偏光はレ
ジスト表面で反射されず、すべてウェハ表面に達する。

一方、入射面に垂直な直線偏光はその入射光のうちＲｎ
がレジスト表面で反射し、１−Ｒｎのパワーのみがウェ
ハ表面に達する。レジストの屈折率は等方性であシ、ウ
ェハ表面ではいずれの偏光もほぼ同一条件で反射される
。なお、ウェハ表面での反射光の一部はレジスト表面と
ウェハ表面との間で多重反射するがその量は無視しうる
。また、レンズ７は反射点の像を受光素子上に結像する
ように設定してあ）、その目的は反射角が変化した場合
にも反射点の位置が受光素子上で変化しないようにする
ためである。さらに反射鏡１０は単に光路を調節するた
めに便宜上設けたものであシ本装置の動作原理には直接
関係しない。

レジスト表面での反射光と、ウェハ表面からの反射光の
光路内に抜屑折形偏光子１１を置くが、このとき反射光
のうち反射面（入射面と同一平面）に垂直な直線偏光が
常光線、平行な直線偏光が異常光線となるようにする。

以下、−例としてこの抜屑折形偏光子１１にロションプ
リズムを用いた場合について述べる。抜屑折形偏光子に
はこのｔ′！かにもウォラストンプリズムをはじめいく
つかの構造があるが、いずれも常光線と異常光線とを分
離する機能は同じである。

ロションプリズムに入射した光のうち、常光線はプリズ
ム内を直進し、異常光線は曲げられる。

レジスト表面からの反射光５ｂはすべて常光線であるの
で、抜屑折形偏光子１１内を直進し、光路内に配置され
た受光素子１２ａに入る。これに対し、ウェハ表面から
の反射光５ａは常光線と異常光線とが混っているので、
このうち常光線成分５１は複層折形偏光子内を直進して
受光素子ｆ２ａへ入る一方、異常光線成分５ａＦは複層
折形偏光子内で曲げられて受光素子１５ｂへ入る。この
結果、受光素子１２ａに入射する光線はレジスト表面か
らの反射光とウェハ表面からの反射光とが重なったもの
であるのに対し、′受光素子１２ｂに入射する光線はウ
ェハ表面からの反射光のみとなる。

受光素子１２ｍおよび１２ｂは、第６図に示すように微
細な受光セル１４を配列したもので、フォトダイオード
アレーまたはＣＣＤ（電荷結合素子）等で構成しである
。これによシそれぞれの入射光の光強度分布が得られる
。

したがって、演算器１７によシ、第７図（４）に示すよ
うな受光素子１２ａによって検出される光強度分布を示
す出力信号Ｆ１から同図（Ｂ）に示すような受光素子１
２ｂＫよって検出される光強度分布を示す出力信号Ｆ２
を減算することにょシ、同図働に示すような信号Ｆｌ−
Ｆ２が得られるが、これはレジスト表面で反射した光線
の成分のみからなシ、ウェハ表面からの反射光成分は打
ち消されている。

このため、この信号Ｆｌ　−Ｆ２で示される光強度分布
から、ウェハ自体の表面の状態に影響されることなく受
光素子１２　ａＯＪｌでの光照射位置が決定され、それ
を用いてウェハ（厳密にはウェハ上に塗布されたレジス
トの表面）の高さが求められる。

しかし、前述したように入射面に垂直な直線偏光はその
１−Ｒｎのパワーのみがウェハ表面に達するため、単純
にＦｌ−Ｆ２の演算を行なってもウェハ表面からの反射
光成分は０とはならない。また、上記演算を行なうため
には予め両受光素子の感度特性をそろえ、両受光素子間
で各受光セルの対応付けを行なっておく必要がある。こ
のため、実際には目的のウェハについての測定に先立っ
て次のような調整を行なう必要がある。

（１）　　受光素子の各受光セルの特性と位置対応の調
整 はじめに、第８図（４）に示すようにレジストを塗布し
ていない、表面が滑らかなウエノ・１ａを用意する。こ
のウェハを本装置で測定すると、反射条件は偏光方向に
無関係であるため受光素子１２ａと１２ｂにおける光強
度分布Ｆｌ（同図（Ｂ））とＦ２（同図（Ｃ））とは相
似（合同）になるはずである。相似にならないときは、
受光素子ｆ２ｂに付いている調整回路を調整して両受光
素子１２ａと１２ｂの感度特性をそろえる。さらに、受
光素子１２ａと受光素子１２ｂの上の光強度分布が対応
するように受光セルの番号（アドレスと呼ぶ）を対応付
ける。すなわち、両受光素子において、ウェハ上の同一
点で反射された光が照射する受光セルを相互に対応付け
る。

これらの作業は、同図（２）に示すようにＦｌ　−Ｆ２
の減算を行ない、その結果が各対応する受光素子につい
て一様に０となるようにゲイン調整回路１５および１６
のゲインを調整することによシ行なう。アドレスの対応
付けは、アドレスカウンタ１８に付けたシフトレジスタ
１９を調整して行なう。なお、第６図において２０は上
記アドレスカウンタ１８にクロック信号を送出するクロ
ック信号発生回路、２１は各アドレスごとのＦｌ−Ｆ２
の信号から目的とするウエノ・の高さに対応した出力Ｏ
ＵＴを得る計測回路であシ、アドレスカウンタ１Ｂから
送出される受光素子１２ａのセルアドレス信号およびシ
フトレジスタ１９を経て送出される受光素子１２ｂのセ
ルアドレス信号により、両受光素子の受光セルがそれぞ
れ指定される。

（２）演算器の調整 次に、第９図（４）に示すようにウエノ・表面１ｂでの
反射光とレジスト表面１Ｃでの反射光との光路が明らか
に分離する程度に厚いレジストを塗布した表面が滑らか
なウニ／・を用意する。この厚みは１はぼｄ＞４ｒ−血
θ（ここでｒは入射点での光ビームの半径、θは入射角
）である。

このウエノ・を本装置で測定すると、受光素子１２１で
の光強度分布は、同図（Ｂ）に示すようにウェハ表面か
らの反射光の照射位置Ａとレジスト表面からの反射光の
照射位置Ｂとが分離する。

このＦｌのウェハからの反射光のパワーは、レジストの
影響がない状態に比べて１−Ｒｎとなっている。このた
め、このままで同図（Ｃ）に示した受光素子１２ｂの側
の光強度分布信号Ｆ２との減算を行なうと、ウェハ表面
からの反射光成分は完全には０にならず補正残が出る。

そこで、同図（ハ）に示すようにＦｌ−Ｆ２の信号にお
いてこの部分が０となるようにゲイン調整回路１６のゲ
インを調整する。

この（１）　、　（２）の調整が終了した時点では、減
算器１γからの出力はウェハ表面からの反射光の光強度
分布が完全に相殺されており、レジスト表面からの反射
光の光強度分布のみになっている。これによシ、目的の
ウェハについて、ウェハ表面の状態の如何にかかわらず
、第７図を用いて説明したようにウェハの高さく正確に
はレジスト表面の高さ）を安定に測定することが可能と
なる。

なお、実際の使用条件においては、測定結果に影響を与
えるものとして主に次のような事態が生じることが考え
られる。その１はレジストの変更であシ、その２はウニ
／・のそシの発生である。すなわち、前者の場合にはブ
リュースタ角が変わシ、後者の場合には入射角および反
射角がみかけ上置化する。しかし、これらのいずれの場
合に対しても本装置はそのまま使用できる。その理由を
次に述べる。

（１）使用するレジストを変えた場合 下表は実際の電子ビーム露光に使用されている代表的な
レジストの屈折率とブリュースタ角とを示したものであ
る。

屈折率はいずれもｎ　＝　１．５〜１．６の間にあシ、
それに対応してブリュースタ角は２°程度のばらつきが
ある。

使用するレジストを変えた場合の一例として、ｎ＝１．
４９のＦＰＭのブリュースタ角５６．１’に設定した本
装置をｆｌ＝１．５９のＣＭＳに用いた場合について述
べる。− この場合 Ｒｎ　＝　　０．１７４ Ｒｈ　＝　　０．０００４ となシ、Ｒｈは無視しうるほど十分小さい。

また、逆にＣＭＳのブリュースタ角に設定した本装置を
ＦＰＭに使用した場合は、 Ｒｎ　＝０．１５５ Ｒ）、　＝　　０．０００３ となシ、この場合もＲｈは無視しうるほど小さい。

以上から実用的なレジストにおいてはレジストの種類を
変えても、すでに述べた動作原理はそのまま適用でき、
装置に設定した入射角（ブリュースタ角）を変更する必
要はなく、そのまま用いることができる。

このように、ブリュースタ角に設定すべき入射角には実
用的な許容範囲があル、通常使用されるレジストの範囲
では９°程度の差は使用上問題がない。なお、第１０図
はＲｎｅ）、Ｒ，（→の入射角依存特性を示したもので
ある。

（２）　　ウェハにそりがある場合 ウェハが水平の場合の入射角をθ２、ウエノ１にそシが
ある場合の入射角をθｉ’　＋　ウニ７、のそり角をΔ
θとすると、 θｌ′＝　　θｉ−Δθ となる。

実際的なウエノ為のそシの大きさは４インチウェハで最
大±５０μｍ程度である。そのときのそ多角は１Δθ１
≦０．０５６°である。

入射角についてはすでにのべたように入射角の使用許容
範囲は９°程度あるので、ウエノ・のそシによる影響は
無視できる。

また反射角についてはレンズが照射点を受光素子上に結
像するため反射角の変化の影響は無視できる。

なお、上述した実施例では両受光素子は列状（１次元的
）に配置した受光セルにより構成したが、面状に配置し
て２次元的な光強度分布を考慮してもよいことはもちろ
んである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、入射面に対して
垂直および平行ガ両直線偏光からなる光線を入射光とし
、ウエノ・表面に塗布されたレジストのブリュースタ角
近傍の入射角でウニ／・表面へ入射させ、反射光を反射
面に対して垂直および平行の各直線偏光成分に分離する
手段を備え、分離された各直線偏光の光路上に受光素子
を配置するとともに、各受光素子の出力を調整し、さら
に各出力からウニ／・の高さに対応した出力を算出する
演算手段を備えたことにより、ウエノ・表面から反射さ
れた光の情報を打ち消し、平坦なレジスト表面から反射
した光の位置情報のみを得ることができるため、ウニ／
１自体が、凹凸があったり配線ノくタンがあったシする
ような光学的に不均一な表面をもつ場合にも、その高さ
を正確に測定することができ、電子ビームやイオンビー
ム露光による直接描画に際してきわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のウェハの高さ測定器の基本的な構成図、
第２図は従来の装置に用いられていた受光素子の構造図
、第３図（４）〜（Ｄ）は従来の装置を用いてウェハ上
の反射率が異なる部分で高さを測定した場合の測定例を
示す図、第４図（４）〜（Ｄ）は従来の装置を用いてウ
ェハ上の凹凸のある部分で高さを測定した場合の測定例
を示す図、第５図は本発明の一実施例を示す基本的な構
成図、第６図は受光素子の出力信号から測定値を得る回
路部分の詳細図、第７図（４）は受光素子１２．ｆ辱ら
れた信号波形図、同図（Ｂ）は受光素子１２ｂで得られ
た信号波形図、同図（Ｃ）は（４）の波形から（Ｂ）の
波形を減算した波形を示す図、第８図■〜（２）は受光
素子の各受光セルの特性と位置対応の調整の方法を示す
図、第９図■〜（Ｄ）は演算器の調整の方法を示した図
、第１０図はＲｎ　＋　Ｒｈの入射角度依存特性を示す
図である。 １＠６・−ウェハ表面、１′・・争・ウェハ表面に塗布
されたレジストの表面、２・・・・低い位置にあるウェ
ハの表面、３・・・・レーザ光源、４・・・・光源３よ
シ放射された光線、５ａ　−・・・ウェハ表面１からの
反射光、５ｂ　・・・・レジスｌ［面１′からの反射光
、Ｔ・・・・レンズ、１Ｇ・・・・反射鏡、１１・・・
・複層折形偏光子、１２ａ１１２ｂ・・・・受光素子、
１３・・・・受光素子の出力信号から測定値を得る回路
、１４・・・◆受光セル、１５・・命・受光セルのゲイ
ン調整回路、１６・・・・ゲイン調整回路、１Ｔ・・・
・信号演算器。 特許出願人　日本電信電話公社 代理人　山　川　政　樹 第６図 第７図 （Ａ） ＣＢ） （Ｃ） 第８図 （Ａ） 死 （Ｄ）強 度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 入射面に対して垂直な直線偏光と平行な直線偏光とから
   なる光線を発生する手段と、この光線をレジストを塗布
   したウェハの照射点へ上記レジストのブリュースタ角近
   傍の入射角で入射させる手段と、反射光を反射面に対し
   て垂直な直線偏光と平行な直線偏光とに分離する手段と
   、分離された各直線偏光の光路上に列または面状に配置
   した光電変換素子からなる受光素子と、両受光素子を構
   成する光電変換素子の出力を調整する手段と、対応する
   各光電変換素子ごとに得られる両受光素子の出力から被
   測定ウェハの高さに対応した出力を算定する演算手段と
   を有するウェハの高さ測定器。