JPS61107104A - Method and apparatus for measuring depth of fine pattern - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To accurately measure the depth of a fine groove, by irradiating a specimen having a fine groove formed thereto with light from the groove depth direction and measuring the wavelengths of rays of light corresponding to a plurality of extreme values of the distribution of spectral intensity other than the zero-dimensional diffraction light while changing the wavelength of irradiated light. CONSTITUTION:Light is allowed to irradiate an object to be measured and the diffraction lattice 33 of a spectral part 37 is rotated to continuously change the wavelength of irradiated light in a range of 300-800nm. At this time, a mirror 38 is rotated in matching relation to a wavelength lambda according to formula (wherein theta is the diffraction angle of diffraction light, lambda is a wavelength, lambda is the pitch of the diffraction lattice and am is a predetermined value and 3 when tertiary diffraction light is taken in). As mentioned above, zero-dimensional and n-dimensional (three-dimensional) rays of diffraction light are respectively detected by light detectors 41, 42 while the diffraction lattice 33 and the mirror 38 are rotated and the take-in light is subjected to photoelectric conversion by a light detector, amplified to be subjected to A/D conversion and processed by a calculator.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体基板上の微細な凹凸溝の深さを測定す
る微細パターン深さ測定に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to fine pattern depth measurement for measuring the depth of fine grooves on a semiconductor substrate.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

半導体デバイスは高集積化を達成するため、従来の平面
的素手構造から立体的素子構造へ転換が行われている。In order to achieve high integration of semiconductor devices, the conventional planar bare-handed structure is being converted to a three-dimensional element structure.

そのため例えば、エツチング等の加工手段によシシリコ
ン基板に深さ３〜５μｍの穴をあけたシ、１〜約２μ扉
幅の溝を作る技術が必要とされるが、従来の技術では非
接触の深さ測定が困難でめった。Therefore, for example, a technique is required to create a hole with a depth of 3 to 5 μm in the silicon substrate by processing means such as etching, and to create a groove with a door width of 1 to about 2 μm, but conventional technology does not allow contact. Depth measurement was difficult and rare.

ビデオディスク等の凹凸パターンの深さを測定する一手
段として光干渉法を利用する方法がある（特開昭５４−
１７８７２号公報）。これは入射光の波長を変化させつ
つ非接触でパターンの深さを測定する方法であるが、本
発明の利用分野であるエツチングによる穴や溝の深さを
測定することはできない。なぜなら穴や溝等の凹部の面
積が被加工面に比べて非常に小さいため、凹部から反射
する光量が上記測定方法により検出できる程度に大きく
ないからである。即ち、凹部からの反射光と被加工面か
らの反−光との干渉光強度変化の幅（コントラスト）が
小さくなシ干渉光を検知できないことに起因する。One way to measure the depth of uneven patterns on video discs, etc. is to use optical interferometry (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 1983-1999).
17872). Although this is a method of measuring the depth of a pattern without contact while changing the wavelength of incident light, it cannot measure the depth of holes or grooves formed by etching, which is the field of application of the present invention. This is because the area of the recesses such as holes and grooves is very small compared to the surface to be processed, so the amount of light reflected from the recesses is not large enough to be detected by the above measurement method. That is, this is due to the fact that interference light with a small width (contrast) of change in interference light intensity between the reflected light from the recess and the reflected light from the surface to be processed cannot be detected.

また、５ｏｌｉｒＬ　５ｔａｔｅ　５ｃｉｅｎｃｅ　＆
　Ｔｇａｈｎｏｌｏｇｙ１９７３年５月号［０ｐｔｉｃ
ａｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅＥｔｃｈｉ
ｎｇ　ｏｆ　Ｓｉｎ、　ａｒＬｔｉ　Ｓｉｎ、　ｏｎ　
Ｓｉ　ｂｙ　ｔｈｔ　Ｕｓｅｏｆ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｔ
ｅ５ｔ　Ｐａｔｔｒｎ　Ｊ　（Ｈ，Ｐ、　Ｋ１ｇｉｎｋ
ｒｂｔｃｈｔ＆　Ｈ，ｋｈｉａｒ　）には、回折光を利
用した水平干渉法によりエツチング中の深さを測定する
技術が紹介されている。Also, 5olirL 5tate 5science &
Tgahnology May 1973 issue [0ptic
al Monitoring of the Etchi
ng of Sin, arLti Sin, on
Si by th Use of Grating T
e5t Pattrn J (H,P, K1gink
rbtcht & H, khiar) introduces a technique for measuring the depth during etching by horizontal interferometry using diffracted light.

しかし前記文献の方法は、Ｋｇ　−Ｍｅレーザを用い単
一の波長を照射して、エツチング中に深さが変わってい
くことによる干渉光強度変化を検出しているため、エツ
チング後、深さを測定するという処理過程に適さない。However, the method in the above document irradiates with a single wavelength using a Kg-Me laser and detects the change in interference light intensity due to the change in depth during etching. Not suitable for the process of measurement.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、干渉光の強度を確保し、検出に用いる
光の波長を変化させることによって微細な溝の深さを正
確に測定できる、微細パターン溝深さ測定方法及びその
装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method and device for measuring the depth of fine pattern grooves, which can accurately measure the depth of fine grooves by ensuring the intensity of interference light and changing the wavelength of light used for detection. There is a particular thing.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

干渉光強度変化（コントラスト）を大きくするために、
凹部と凸部でそれぞれ反射する光量を同程度にして検出
する構成とする。具体的には、フラウンホー“ファー領
域の回折現象及びＢαパｎｅｔ　（バピネ）の原理に着
目し、０次回新党以外の高次回折光では凹部・と凸部と
でそれぞれ反射する光量が同程度になることを見出し、
特定の高次回折光を検出する構成としている。In order to increase the change in interference light intensity (contrast),
The configuration is such that the amount of light reflected by the concave portion and the convex portion is the same and is detected. Specifically, we focused on the diffraction phenomenon in Fraunho's far region and the principle of Bαpanet, and found that for higher-order diffracted light other than the 0th order, the amount of light reflected by concave and convex portions is approximately the same. I found out that
The configuration is such that specific high-order diffraction light is detected.

（１１Ｂａｈｉｎｇｔの原理について 本発明は「２つの相補的な図形（白、黒の反転した図形
）によるフラウンホーファ領域の回折像は、中央の１点
（Ｏ次回折像）を除いた点で、それぞれの光強度が等し
く位相がπずれているＪ（バビネの原理：物理学大系、
光学■。(11 Regarding the Bahingt principle, the present invention states that ``The diffraction images of the Fraunhofer region by two complementary figures (inverted figures of white and black) are different from each other except for one point in the center (O-order diffraction image) J where the light intensity is equal and the phase is shifted by π (Babinet's principle: Physics Department,
Optics ■.

みすソ書房）なる性質を利用している。Misuso Shobo).

第９図に示すようなエツチング後の半導体基板上のパタ
ーンに光を照射する場合を考える。Consider the case where light is irradiated onto a pattern on a semiconductor substrate after etching as shown in FIG.

このパターンでは、α〔μ扉〕×α〔μｍ〕の開口、深
さｈ〔μｍ〕の穴がピッチ！〔μｍ〕で連続して並んで
いる。ここで穴部面積、穴以外の面積はそれぞれ、Ａ、
ｚとする。In this pattern, the pitch is an opening of α [μ door] x α [μm] and a hole of depth h [μm]! They are arranged continuously in [μm]. Here, the hole area and the area other than the hole are A, respectively.
Let it be z.

このパターンに広い範囲で垂直に光を照射した場合、そ
の反射光は表面の規則性により第１０図のような回折像
を形成する。When this pattern is perpendicularly irradiated with light over a wide range, the reflected light forms a diffraction image as shown in FIG. 10 due to the regularity of the surface.

この回折像の中央の像を０次とし外側に１次。The central image of this diffraction image is 0th order, and the outside is 1st order.

２次、・・・、路次回折像と呼びそれぞれの光強度。The light intensity of the 2nd order,..., called the path order diffraction image.

をＩＩ　、　Ｉ”　、・・・　ＩＷと表記する。工１は
穴の底で反射し穴開口で回折する光と、穴以外の部分で
反射して回折する光との干渉光強度であり、干渉を生じ
る２７）の光強度をそれぞれＩ、６　、　Ｉ、　　と表
記する。また穴に入った光は減衰し、α倍になり穴から
射出するものとする（αく１）。are expressed as II, I", ... IW. Technique 1 is the interference light intensity between the light reflected at the bottom of the hole and diffracted at the hole opening, and the light reflected and diffracted at parts other than the hole, The light intensities of 27) that cause interference are expressed as I, 6, and I, respectively. It is also assumed that the light that enters the hole is attenuated, multiplied by α, and exits from the hole (α × 1).

このようなモデルでは、穴開口と穴以外の部分は、将に
バピネの原理に従う相補的な図形である。In such a model, the hole opening and the parts other than the hole are complementary figures that generally follow Bapinet's principle.

もちろん実際には、穴に入シ大の底で反射し穴から出よ
うとする際の光の波面は乱れていて穴に入射する際の光
の波面とは同一でないから完全に相補的な図形とは言え
ないが、近似的に相補的な図形と考えて良い。そこで次
式が底型するＯ αＩ″　ｍ１１　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）また穴部
とそれ以外の面積比から 工；とＩ：については、フレネル−キルヒホッフの式を
フラウンホー７７近似した式で、３Ｃｉ−”０　、　ｙ
ｉ→０の極限をとり次式が成シ立つ。Of course, in reality, the wavefront of the light that is reflected from the bottom of the hole and exits the hole is disordered and is not the same as the wavefront of the light that enters the hole, so it is a completely complementary figure. Although it cannot be said that they are approximately complementary shapes. Therefore, the following equation is the base type O αI″ m11 ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1) Also, from the area ratio of the hole and other areas, and So, 3Ci-”0, y
Taking the limit of i→0, the following formula holds true.

ｙ、→０ ・・・・・・　（３） ここで、ｙ（ｘｏ、ｙａ＞、　ｗ（ｚ；、ｙ；）はそれ
ぞれ開口面９回折像面上の点（”ｏ　＋　’１０　）　
＊　（”　＋　’ｌ　ｓ　）での光強度分布、ノは虚数
単位、には波数ベクトル（／λ）である。y, →0 ...... (3) Here, y(xo, ya>, w(z;, y;) are the points on the aperture surface 9 diffraction image plane ("o + '10)"
* The light intensity distribution at (''+'l s ), where is the imaginary unit and is the wave number vector (/λ).

２重積分の部分は、！！（−：、　ｙ＜　）　−１＋す
なわち均一な光強度分布を持つ開口の面積を示すから、
工′は開口部面積の２乗に比例する。従って、 以上のｆｉ＋　、　＋２１　、　（４１式から弐ｆ５１
　、　（６１より、工！とＩ：　の干渉による光強度工
ａ、■、７と工Ｚ　　の干渉による光強度が求められる
。The double integral part is! ! (-:, y<) -1+, which indicates the area of the aperture with a uniform light intensity distribution,
The diameter is proportional to the square of the opening area. Therefore, the above fi+ , +21, (from formula 41, 2f51
, (From 61, the light intensity due to the interference of d! and I: The light intensity due to the interference of d), 7, and z can be determined.

ピーＳ２＋αｂ”＋２ｙ’ｃｔ　ｓｂ　ｃａｓ　（４π
ｈ／λ）・・・（７）Ｉ’−（１＋α）　ｓｂ　−２（
ａ　ｚｂ　ｃｏｓ　（４πｈ／λ）−ｔｓ１式（７１、
（８１よりＩ’　、　Ｉ’の強度変化のコントラストｃ
’　、　ｃ’″を求めると、 となる。ｂ／ｚ　−０，０１、α纒０．５を式＋９１　
、　（１１に代入すると、 Ｃ’　−０，ｏ１４　、　Ｃ”　−Ｑ、９ｄ３となジ、
Ｏ次回新党ではコントラストが１多しか得られない時に
、１次回折光では９４％と高いコントラストが得られる
ことがわかる。従って１次回折光の強度変化を検出する
ことで深さが測定できる。P S2+αb"+2y'ct sb cas (4π
h/λ)...(7)I'-(1+α) sb-2(
a zb cos (4πh/λ)-ts1 formula (71,
(From 81, the contrast of intensity changes of I' and I' c
', c''' is calculated as follows.b/z -0,01, α line 0.5 is calculated by formula +91
, (Substituting into 11 yields C' -0,o14, C" -Q,9d3,
It can be seen that when the O-th order new party obtains only 1 more contrast, the 1st order diffracted light provides a contrast as high as 94%. Therefore, the depth can be measured by detecting the change in the intensity of the first-order diffracted light.

（２）パターンへの応用について 次に、表面に別のパターンが配設されバビネの原理で説
明できない場合の測定原理を示す（第１３図）。(2) Application to patterns Next, we will show the measurement principle when another pattern is arranged on the surface and cannot be explained by Babinet's principle (FIG. 13).

一般に、スリット数がＮ１幅ｄなる多スリットの回折像
を考えることに本測定原理は帰着される。この場合の光
強度は第１１図曲線１のようになり、次式（１）に従う
。Generally, the principle of this measurement is based on considering a multi-slit diffraction image in which the number of slits is N1 and the width is d. The light intensity in this case is as shown in curve 1 in FIG. 11, and follows the following equation (1).

％式％ ここで工０は回折像の中心強度、ｊはスリットのピッチ
、λは光の波長、ｂはスリットから回折像面までの距離
、Ｘは像平面上の位置であり回折像中心からの距離であ
る。% Formula % Here, 0 is the central intensity of the diffraction image, j is the pitch of the slit, λ is the wavelength of the light, b is the distance from the slit to the diffraction image plane, and X is the position on the image plane from the center of the diffraction image. is the distance.

包絡線２（第１１図）は、幅ｄなる単スリットの回折像
の強度分布であるが、式αυから包絡線２が０になるの
は次式ａのが成立する時である。Envelope 2 (FIG. 11) is the intensity distribution of a diffraction image of a single slit having width d. From equation αυ, envelope 2 becomes 0 when the following equation a holds true.

またＮが十分大きい時は、多重干渉によシ鋭いピークが
現われるが、そのピークの位置は次式（１３に従う。When N is sufficiently large, a sharp peak appears due to multiple interference, and the position of the peak follows the following equation (13).

式αり及び式αＪでｍは整数、θは方向を示す角度であ
る。In the formulas α and αJ, m is an integer and θ is an angle indicating the direction.

従って幅の異なるスリットの回折パターンは第１２図１
曲線６及び曲ａ４のごとき形状になる。Therefore, the diffraction patterns of slits with different widths are shown in Figure 12.
The shapes are as shown by curve 6 and curve a4.

この時、Ｘ軸と各曲線との間の面積は、それぞれの光の
光量を示す。At this time, the area between the X axis and each curve indicates the amount of light of each light.

式αυかられかるように、曲ａ４を形成するスリットの
方が幅が小さく、光量は小さいということになる。とこ
ろが点５の位置では、２つの光束の光量は同程度となっ
ている。あるいは領域６では、曲線４を形成する光束の
光量が大きくなっている。As can be seen from the formula αυ, the slit forming the curve a4 has a smaller width and a smaller amount of light. However, at the position of point 5, the amounts of light of the two light beams are approximately the same. Alternatively, in region 6, the amount of light beam forming curve 4 is large.

ここで第１３図に示したパターンの回折像について考え
る。Consider now the diffraction image of the pattern shown in FIG.

Ｘ方向の回折光８．９に着目すると、幅ｄｘ、　。Focusing on the diffracted light 8.9 in the X direction, the width dx.

ｃｏｘ、　、　ｃｏｘ３ともに同程度の大きさになって
いるため、各パターンからの回折像は同じ形状をしてい
る。さらに穴の面積に比べ、穴のない部分の面積が太き
いため（穴のない方の長さＣＬ’Ｉｓが長い）、大成か
ら反射してくる光８の回折像は第１４図曲線１２のよう
に表面から反射してぐる光９の回折像面ｉ１３に比べ全
体に小さくなるため干渉のコントラストは小さくなり、
測定は難しい。Since cox, cox3, and cox3 have approximately the same size, the diffraction images from each pattern have the same shape. Furthermore, since the area of the part without a hole is larger than the area of the hole (the length CL'Is of the part without a hole is longer), the diffraction image of the light 8 reflected from Taisei is curve 12 in Figure 14. The contrast of the interference becomes smaller because it is smaller overall than the diffraction image plane i13 of the light 9 reflected from the surface,
Difficult to measure.

これに対しｙ方向の回折は、’３’＋＃”／２であるの
に”／ｓは大きい（第１３図）。また領域１４はｙ方向
の回折光を持たない。従って第１５図のよつｉｃ　ＣＬ
　ｙ　ｓ　Ｋ　、ｊニル回折光１１（第１３図）の曲線
１５が、’ｙ２による回折光１０（第１３図）の曲線１
６より小さくなる次数が存在する。On the other hand, the diffraction in the y direction is '3'+#''/2, but '/s is large (Fig. 13). Further, the region 14 does not have diffracted light in the y direction. Therefore, the ic CL in Figure 15
y s K , j The curve 15 of the diffracted light 11 (Fig. 13) is the curve 1 of the diffracted light 10 (Fig. 13) due to 'y2.
There are orders smaller than 6.

’３１＋−”／ｌ−Ｉ　Ｃμｍｌ＋（Ｌ’／ｓ５−５Ｃ
ｐ〕　の時を計算してみると、式αり及び式αＪよりｍ
−３及びｍ−５（３次回折光及び５次回折光）を検出す
れば、コントラストの大きい検出が行える。'31+-''/l-I Cμml+(L'/s5-5C
When calculating the time when p], from formula α and formula αJ, m
-3 and m-5 (third-order diffraction light and fifth-order diffraction light) can perform detection with high contrast.

即ち、第１３図に示した表面パターンを有する場合は、
ｙ方向の回折光のうち３次、５次のものを検出しなけれ
ばならないことになる。That is, in the case of having the surface pattern shown in FIG.
This means that it is necessary to detect the third and fifth orders of the diffracted light in the y direction.

さらに複雑なパターンの場合、表面のパターンから類推
できず、全ての回折像を検出し、強度変化の生じるもの
を選び出さねばガらないこともある。In the case of more complex patterns, it may not be possible to make an analogy based on the surface pattern, and it may be necessary to detect all diffraction images and select those that cause intensity changes.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図。 An embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1 and 2 below.

第１６図及び第１７図により説明する。This will be explained with reference to FIGS. 16 and 17.

ｆｉｌ構成 本発明は、 光源１７．レンズ１９，２０．２１ｊ球面鏡１８゜光源
２２から成る光源部２３゜ ミラー２４，２５　、ハーフミラ−２８，対物レンズ２
６．し７ズ系２７　、　Ｈｅ　−Ｎｔレーザ２９から成
るレーザ光源部３０゜ ミラー３１，３２．スリット３ａ、５５　、凹面回折格
子３３．ステッピングモータ３６から成るモノクロメー
タ部３７．゛ レンズ４０．ハーフミラ−３９，ミラー３８．光検出器
４５、光検出器＆１　、４２　、スリット４３，４４．
採光開口４６゜ステッピングモータ５２から成る光検出
部４７゜オリフラ合せ治具４８．ウェハ載置台４９が設
けられたＸＹステージ５０を主要部とするウェハ位置決
定部５９゜ アナログデジタル変換器５１．モータ制御系５５　、Ｃ
ＲＴ　５５　、マイクロコンピュータ５４．プリンタ５
７ｊ７セグメント表示器５６から成る制御演算出力部５
８より構成される。fil configuration The present invention includes a light source 17. Lenses 19, 20, 21j Spherical mirror 18° Light source section 23 consisting of light source 22 Mirrors 24, 25, half mirror 28, objective lens 2
6. laser beam system 27 , a laser light source section 30 consisting of a He-Nt laser 29 and mirrors 31 , 32 . slits 3a, 55, concave diffraction grating 33. A monochromator section 37 consisting of a stepping motor 36.゛Lens 40. Half mirror 39, mirror 38. Photodetector 45, photodetector &1, 42, slits 43, 44.
Lighting aperture 46°; light detection unit 47° consisting of a stepping motor 52; orientation flat alignment jig 48. A wafer position determining unit 59, the main part of which is an XY stage 50 provided with a wafer mounting table 49; an analog-to-digital converter 51; Motor control system 55, C
RT 55, microcomputer 54. printer 5
Control calculation output unit 5 consisting of 7j7 segment display 56
Consists of 8.

光源部２３は、光源１７からの光を効率良くモノクロメ
ータ部３７のスリット３４に入射するように、レンズ１
９，２０．２１および球面鏡１８が設けられ、光源１７
は輝度の高いキセノンランプが用いられる。The light source section 23 controls the lens 1 so that the light from the light source 17 efficiently enters the slit 34 of the monochromator section 37.
9, 20, 21 and a spherical mirror 18 are provided, and a light source 17
A high-brightness xenon lamp is used.

さらに光源１７は波長３００〜８００ル展の光を多く含
む必要がありキセノンランプが適している。しかし、光
源１７はキセノンランプに限らず、さらに短波長領域の
光を多く含む水銀ランプ、あるいはハロゲンランプでも
良い。また、レンズ系のかわシに、楕円ミラーで光を集
めてスリットに入射させても良い。Furthermore, the light source 17 must contain a large amount of light with a wavelength of 300 to 800 radians, and a xenon lamp is suitable. However, the light source 17 is not limited to a xenon lamp, but may also be a mercury lamp or a halogen lamp that contains a large amount of light in a short wavelength region. Alternatively, the light may be collected by an elliptical mirror and made incident on the slit in the lens system.

ここで光源の使用波長の選択について説明する。Here, selection of the wavelength used by the light source will be explained.

回折格子のピッチを！波長なλ、回折光の回折角をθと
すると、 ここで、回折光が存在するということは、ル≧１なるル
が存在することである。血θ≦１より、ル＝１が存在す
るのは次式が成り立つ時である。The pitch of the diffraction grating! If the wavelength is λ and the diffraction angle of the diffracted light is θ, then the existence of the diffracted light means the existence of R≧1. Since blood θ≦1, Le=1 exists when the following equation holds true.

λくｌ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・−・・・・・・・ｔＬ４
’′従って、光源の波長λは、回折、格子のピッチ！よ
シ短い必要がある。λkul ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・−・・・・・・・tL4
''Therefore, the wavelength λ of the light source is the pitch of the diffraction grating! It needs to be short.

また、第１３図に示したようなパタンの測定の場合、幅
の広い回折図形からの回折像の光強度が０≦なる方向が
存在する必要があるため、式α３よシ次式が成り立つ必
要がある。In addition, in the case of measuring a pattern as shown in Figure 13, there needs to be a direction in which the light intensity of the diffraction image from a wide diffraction pattern is 0≦, so the formula α3 must hold true. There is.

λく己　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＠′以上より
、測定対象バタンの幅、ピッチを考えて、使用波長を決
める必要がある。本実施例では、線幅１〜３μｍピッチ
数μｍの測定対象を考え、３００〜８００　ｎｍの波長
の光を用いる。λkumi ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・ @' From the above, it is necessary to decide the wavelength to be used by considering the width and pitch of the batten to be measured. In this example, a measurement target having a line width of 1 to 3 μm and a pitch of several μm is considered, and light with a wavelength of 300 to 800 nm is used.

レーザ光源部３０は、径０．４〜２ｍｍ程度のレーザビ
ームを、対物レンズ２６で広がる光に変え、ハーフミラ
−２８を通し、レンズ２７でモノクロメータ部３７のス
リット３４に集光する。この結果、スリット３４に入射
するレーザ光束は光源部２３で作られる光束と同じ形状
になる。The laser light source section 30 converts a laser beam with a diameter of about 0.4 to 2 mm into light that spreads with an objective lens 26, passes through a half mirror 28, and focuses the light on a slit 34 of a monochromator section 37 with a lens 27. As a result, the laser beam incident on the slit 34 has the same shape as the beam generated by the light source section 23.

またハーフミラ−２８は、透過対反射比を９：１程度に
し光源部２３からの光を保存している。Further, the half mirror 28 has a transmission to reflection ratio of about 9:1 and stores the light from the light source section 23.

分光部３７で、スリット３４から入射した光は、ミラー
３１を通して凹面回折格子３３により回折する。このう
ち１次回折光が、ミラー３２を通してスリット５５に達
する。この時、波長により回折角が異なるため、凹面回
折格子３３を、ステッピング七−夕３６で回転させるこ
とでスリット３５から特定の範囲の波長の光をと９出せ
る。In the spectrometer 37 , the light incident from the slit 34 passes through the mirror 31 and is diffracted by the concave diffraction grating 33 . Of these, the first-order diffracted light reaches the slit 55 through the mirror 32. At this time, since the diffraction angle differs depending on the wavelength, the concave diffraction grating 33 is rotated by the stepping Tanabata 36 to emit light in a specific range of wavelengths from the slit 35.

光検出部４７で、レンズ４０は、スリット３５の実像を
ハーフミラ−３９、基板６０の測定面６１、ミラー３８
を通して、光検出器４１前面に設けたスリット４４上に
結像する。ノ・−７ミラー３９は、測定面６１で反射し
た光を光検出器４２前面に設けたスリット４３上に導く
。ミラー３８は、減速器付のステッピングモータ５２で
軸６２を中心に回転する。In the light detection section 47, the lens 40 transmits the real image of the slit 35 to the half mirror 39, the measurement surface 61 of the substrate 60, and the mirror 38.
The image is formed on a slit 44 provided in front of the photodetector 41 through the photodetector. The No.-7 mirror 39 guides the light reflected by the measurement surface 61 onto a slit 43 provided in front of the photodetector 42 . The mirror 38 is rotated about a shaft 62 by a stepping motor 52 equipped with a speed reducer.

この回転角を決めることで、測定面６１から任意の角度
で回折する光を、定位置に置かれている光検出器４４に
導く。By determining this rotation angle, light diffracted at an arbitrary angle from the measurement surface 61 is guided to the photodetector 44 placed at a fixed position.

本実施例では測定面に光を垂直に照射している。これは
、測定面上の凹部に入りこんだ光が凹部の壁面に当たり
反射することなどがなく直接凹部底面にとどくことが望
ましいためである。In this embodiment, the measurement surface is irradiated with light perpendicularly. This is because it is desirable that the light entering the recess on the measurement surface directly reach the bottom of the recess without being reflected by the wall of the recess.

したがって、凹部深さをル、開口部寸法をαとした時、
入射光θは以下の式を満たすことが望ましい。Therefore, when the recess depth is l and the opening dimension is α,
It is desirable that the incident light θ satisfies the following equation.

しかしながら、入射光θが予めわかっていて壁面で反射
しながらも、底面からの反射光がもどってくる場合、θ
による補正を加えれば深さｈの測定は可能である。However, if the incident light θ is known in advance and is reflected from the wall surface, but the reflected light from the bottom surface returns, θ
It is possible to measure the depth h by adding correction by .

また、αが十分小さく、凹部を光が単一モードで伝播す
る場合は、θによる補正をかけずに深さｈの測定が可能
となる。従ってθは必ずしも直角に限定する必要はない
。Furthermore, if α is sufficiently small and light propagates through the recess in a single mode, the depth h can be measured without correction by θ. Therefore, θ does not necessarily need to be limited to a right angle.

ここで、ミラー３８、測定点６１、光検出器４１は、第
２図に示すように同一円周６３上におかれている。さら
に、ミラー３８の回転軸６２は測定点と光検出器を結ぶ
線分の垂直２等分線上にある。Here, the mirror 38, the measurement point 61, and the photodetector 41 are placed on the same circumference 63 as shown in FIG. Further, the rotation axis 62 of the mirror 38 is on the perpendicular bisector of the line connecting the measurement point and the photodetector.

このような位置関係により、任意の回折角θで回折して
くる光を、固定されている光検出器４１の受光面上に反
射させるためのミラーの角度制御が容易になる。すなわ
ち、この場合、光の回折角θ、と、ミラーの回転角θ２
が必ず一致するからである。Such a positional relationship facilitates angle control of the mirror for reflecting light diffracted at an arbitrary diffraction angle θ onto the light receiving surface of the fixed photodetector 41. That is, in this case, the diffraction angle θ of the light and the rotation angle θ2 of the mirror
This is because they always match.

光源部２３から出た光は分光部３７で幅Δλを持つ単色
光として基板６０に照射される。照射された光は、次式
（１４＋に従う方向に離散的に回折する。The light emitted from the light source section 23 is irradiated onto the substrate 60 by the spectroscopic section 37 as monochromatic light having a width Δλ. The irradiated light is discretely diffracted in directions according to the following equation (14+).

この時、光検出面で、となり合う回折光が相互に干渉し
てはならない場合がある。バビネの原理が適用できる場
合にはさしつかえない。At this time, adjacent diffracted lights may not interfere with each other on the photodetection surface. It is okay if Babinet's principle can be applied.

そこで測定点から検出面までの光路長をＬとし、検出面
での光束の幅をｄ、とした時、次式が成り立たなければ
いけない。Therefore, when the optical path length from the measurement point to the detection surface is L, and the width of the light beam at the detection surface is d, the following equation must hold true.

すなわち、この観点からは、光束の幅ｄ、は測定対象に
より許される一最大値が存在する。That is, from this point of view, the width d of the luminous flux has one maximum value allowed by the measurement object.

さらに、測定点を小さくするという観点からも光束の幅
ｇ、は許容される最大値が存在する。Furthermore, from the viewpoint of reducing the measurement point, there is a maximum allowable width g of the luminous flux.

ところが分光部の射出側スリット３５の像を拡大して検
出面に結像しているため、光束の幅ｄ、を小さくするに
は、スリット幅を小さくする必要がある。However, since the image of the exit side slit 35 of the spectroscopic section is magnified and focused on the detection surface, it is necessary to reduce the slit width in order to reduce the width d of the light beam.

スリット幅ｄ、は、分光幅Δλ、回折格子間隔もモノク
ロメータ焦点距離り、を用いると次式αので決定される
。The slit width d is determined by the following formula α, using the spectral width Δλ and the diffraction grating interval also being equal to the monochromator focal length.

ここで、分光幅に関しては、分光幅を変えて干渉コント
ラストをプロットした第１６図によシ３〜５ｒＬｒｎで
十分という結果がでている。Regarding the spectral width, FIG. 16, which plots the interference contrast by changing the spectral width, shows that 3 to 5rLrn is sufficient.

またｃＬ、は、入光側を考えてよシ多くの光を入党でき
る工うにできるだけ大きい方が良いため上記光束の幅ｄ
、ｌに許される最大値になるよう設定する。Also, considering the light input side, cL should be as large as possible in order to allow more light to enter, so the width d of the luminous flux mentioned above is
, l is set to the maximum value allowed.

ｄ２、Δλが上記の条件を満たすようにＬｌｄ。Lld such that d2 and Δλ satisfy the above conditions.

を設定する必要がある。need to be set.

（２）動作 次に測定の動作を説明する。(2) Operation Next, the measurement operation will be explained.

測定対象が載置され、光が照射される。A measurement target is placed and irradiated with light.

分光部３７の回折格子３３を回転することで、照射光の
波長を３００　ｒｚｍから８００　ｒＬ７７Ｌの範囲で
連続的に変化させる。By rotating the diffraction grating 33 of the spectrometer 37, the wavelength of the irradiated light is continuously changed in the range of 300 rzm to 800 rL77L.

この時、ミラー３８は、式α尋によシ波長λに合わせて
回転させる。式ａ４内のｍ（は予め決められた値であり
３次の回折光をとりこむ場合、３が代入される。At this time, the mirror 38 is rotated according to the wavelength λ according to the formula α. m( in equation a4 is a predetermined value, and when third-order diffracted light is taken in, 3 is substituted.

このように回折格子３３と、ミラー３８を回転させなが
ら、光検出器４１．および７！２でそれぞれ０次回出光
およびｔＬｆ３１次回折光次回出光る。While rotating the diffraction grating 33 and mirror 38 in this manner, the photodetector 41. and 7!2, the 0th-order light and tLf31st-order diffracted light are emitted in the next order, respectively.

とりこまれた光は光検出器で光電変換され、増幅された
後、九ω変換の後、計算機で処理される。波形を第１７
図に示す。The captured light is photoelectrically converted by a photodetector, amplified, and then processed by a computer after nine-omega conversion. Waveform No. 17
As shown in the figure.

処理手順を次に説明する。The processing procedure will be explained next.

第１に光源１７の分光特性を補正する。これは予め測定
してメモリに格納しておいたキセノンランプの分光特性
工、で、測定信号工、・、Ｉｓを除算することにより達
成される。First, the spectral characteristics of the light source 17 are corrected. This is accomplished by dividing the measured signal value, .Is, by the spectral characteristic value of the xenon lamp, which has been previously measured and stored in memory.

■、は、予め測定しておかなくても検出器４５で測定し
ながら除算しても良い。(2) may be divided while being measured by the detector 45 without being measured in advance.

次に干渉強度変化の極大極小値となる波長を求める予備
手順として、λ−１／λ変換を行う・。Next, as a preliminary step to find the wavelength at which the maximum and minimum values of interference intensity change occur, λ-1/λ conversion is performed.

取り込んだデータ１．．１．は横軸が波長λでるるか、
これを１／λに並べなおす。Imported data 1. ．． 1. Is the horizontal axis the wavelength λ?
Rearrange this into 1/λ.

その結果、第１８図に示す波長とともに周期が変わる周
期関数が同一周期の関数忙変換される。As a result, the periodic function whose period changes with the wavelength shown in FIG. 18 is transformed into a function with the same period.

この結果、極大極小点の検出に、ポイントマツチング法
を用いることができるようになる。As a result, the point matching method can be used to detect maximum and minimum points.

データはλ−１／λ変換された後、隣り合う数点の平均
をとる方法で平滑処理され、ポイントマツチング法で極
大極小点をとる波長λが求められる。After the data is subjected to λ-1/λ conversion, it is smoothed by taking the average of several adjacent points, and the wavelength λ at which the maximum and minimum points are obtained is determined by a point matching method.

こうして求められたλを小さい方からλ８．λ２゜・・
・λ、・・・λ、とする。The λ obtained in this way is determined from the smallest to λ8. λ2゜・・
・Let λ, ...λ,.

路次回折光では２光束の位相がπずれるため極大となる
のは式（１７）に従う時であり、極小となるのは式α碍
に従う時である。In the optical order diffracted light, the phases of the two light beams are shifted by π, so that the maximum value is reached when the equation (17) is followed, and the minimum value is obtained when the equation (α) is followed.

これらの式を連立させて龜を消去すると波長から深さん
が求められる。By combining these equations and eliminating the angle, the depth can be found from the wavelength.

ところが、この式で求めると、分母が小さいため誤差が
拡大されてしまい、算出精度は良くない。However, when calculating using this formula, the error is magnified because the denominator is small, and the calculation accuracy is not good.

そこで、次式を用いて深さを算出する。Therefore, the depth is calculated using the following formula.

さらに、この式（１）で求めたんを式ａη等に代入して
、ｔを算出し、ｉは整数という条件でまるめ直して、五
を算出しなおせば精度はさらに高くなる。Furthermore, the accuracy can be further increased by substituting t obtained by this formula (1) into the formula aη, etc., calculating t, re-rounding on the condition that i is an integer, and recalculating 5.

０次回出光でも同様の処理を行う。Similar processing is performed for the 0th light emission.

異なる点は第１に平滑化処理で平均するデータ数を多く
して、周期の比較的大きいノイズも消している。０次回
出光から算出するものが表面の薄膜でアシ、膜厚が比較
的薄いため干渉強度変化の周期が大きいので、周期の比
較的大きいノイズも消去した方が都合が良い。The difference is that first, the number of data to be averaged is increased in the smoothing process, and noise with a relatively large period is also eliminated. What is calculated from the 0th order light emission is a thin film on the surface, and since the thickness of the film is relatively thin, the period of interference intensity change is large, so it is convenient to also eliminate noise with a relatively large period.

さらに、厚さの算出式は、膜の屈折率をルとすると次式
ａａになる。Furthermore, the formula for calculating the thickness is the following formula aa, where the refractive index of the film is .

以下、第９図の測定対象を測定した場合、本実施例によ
る表面の光を透過する酸化膜の厚さによる穴深さｈの測
定値の補正法を説明する。Hereinafter, when measuring the object shown in FIG. 9, a method of correcting the measured value of the hole depth h based on the thickness of the oxide film on the surface that transmits light according to this embodiment will be described.

照射光は、酸化膜の表面、酸化膜と基板の界面および穴
の底面の３つの面で反射する。それぞれの面での厘射率
をｒ、　ｒ、　ｒ、とすると、回折光の強度Ｉは以下の
式に従う。The irradiated light is reflected on three surfaces: the surface of the oxide film, the interface between the oxide film and the substrate, and the bottom of the hole. Letting the emissivity of each surface be r, r, r, the intensity I of the diffracted light follows the following formula.

％式％ ここで、γ、くγ。夕γ、の場合、第５項が支配的とな
るため、深さみは、実際よジも（ルー１）ｄだけ浅く検
出される。従って、膜厚ｄおよび膜の屈折率ルを求めて
深さｈを補正できる。% formula % Here, γ, kuγ. In the case of γ, the fifth term becomes dominant, so the depth is actually detected to be shallower by (1)d. Therefore, the depth h can be corrected by determining the film thickness d and the refractive index l of the film.

第２の実施例として、本発明を凹凸パタンを形成するエ
ツチング装置に結合した場合を、第３図を用いて説明す
る。As a second embodiment, a case where the present invention is combined with an etching apparatus for forming an uneven pattern will be described with reference to FIG.

エツチング装置部６４は、平行平板電極６６．６８高周
波電源６５および真空室６９よシ構成される。The etching device section 64 includes parallel plate electrodes 66, 68, a high frequency power source 65, and a vacuum chamber 69.

ここで、エツチング終了後、下部電極６８上に基板６７
を載置したまま、基板搬送装置７２により、測定部７０
の下部に、基板６７を搬送する。この位置で基板６７に
は窓７１を通して、光を照射し、エツチング深さｈを測
定する。Here, after the etching is completed, the substrate 67 is placed on the lower electrode 68.
The measurement unit 70 is moved by the substrate transport device 72 while the
The substrate 67 is conveyed to the lower part of the . At this position, the substrate 67 is irradiated with light through the window 71, and the etching depth h is measured.

本実施例では、本発明が被接触で深さを測定できること
を用いて、基板を真空室６９から出さずに深さを測定で
きる。その結果、エツチング量が不足の場合、エツチン
グ装置部６４に基板をもどしさらにエツチング可能なた
め基板上の異物が低減でき、測定に要する時間が短縮で
きるという効果を生む。In this embodiment, the depth can be measured without taking the substrate out of the vacuum chamber 69 by using the fact that the present invention can measure the depth without contact. As a result, if the amount of etching is insufficient, the substrate can be returned to the etching device section 64 for further etching, resulting in the effect that foreign matter on the substrate can be reduced and the time required for measurement can be shortened.

以下、照射光の波長の変化に伴う回折角度の変化に追従
して、特定次数の回折光を採光する方法を第４図から第
９図を用いて説明する。Hereinafter, a method of collecting diffracted light of a specific order by following a change in the diffraction angle due to a change in the wavelength of the irradiated light will be explained using FIGS. 4 to 9.

第４図に示した実施例は、ステッピングモータ７３、ア
ーム７４、光検出器７５、アパーチャ７６から構成され
る。The embodiment shown in FIG. 4 is composed of a stepping motor 73, an arm 74, a photodetector 75, and an aperture 76.

ステッピングモータ７乙にニジ光検出器を移動し、照射
光波長の変化による回折角度の変化に追従させ光をとり
こむ。The rainbow photodetector is moved by the stepping motor 7B, and the light is taken in to follow the change in the diffraction angle due to the change in the wavelength of the irradiated light.

第５図に示した実施例は、第４図の実施例の光検出器の
位置に光ファイバ７７を設けることにより光検出器７５
を固定したものでるる。In the embodiment shown in FIG. 5, the photodetector 75 is
It is fixed.

第６図に示した実施例は、ハーフミラ−７８を用いて、
ステッピングモータ７３の回転軸の位置を変えたもので
、装置の大きさを小さくする効果を生む。The embodiment shown in FIG. 6 uses a half mirror 78,
The position of the rotating shaft of the stepping motor 73 is changed, which has the effect of reducing the size of the device.

第７図に示した実施例は、ハーフミラ−７８とレンズ７
９、アパーチャ８ｏから構成される。このアパーチャ８
０は、開口部８１の位置を、ＸＹ駆動系８２によシ変え
ることができる。この構成により光検出器７５の位置を
固定することができる。The embodiment shown in FIG. 7 has a half mirror 78 and a lens 7.
9 and an aperture 8o. This aperture 8
0, the position of the opening 81 can be changed by the XY drive system 82. With this configuration, the position of the photodetector 75 can be fixed.

さらに、バビネの原理に従う測定対象の場合０次以外の
回折光の強度変化は、波長の変化に対して、全ての次数
で同時に生じるため、特定の回折光だけをとりこむ必要
はない。そこで、この場合は、０次光だけを透過させな
いアパーチャとして、０次光以外を同時にとりこむこと
によって、採光する光量を犬きくすることができる。Furthermore, in the case of a measurement object according to Babinet's principle, changes in the intensity of diffracted light other than the 0th order occur simultaneously in all orders with respect to a change in wavelength, so it is not necessary to capture only a specific diffracted light. Therefore, in this case, by using an aperture that does not transmit only the zero-order light and simultaneously taking in light other than the zero-order light, it is possible to increase the amount of light taken in.

さらに回折像のうちある領域の光が同時に強度変化をす
る場合、その領域の光を全てと９こめる形状のアパーチ
ャとして採光する光強度を大きくすることができる。Furthermore, when the intensity of light in a certain region of the diffraction image changes at the same time, the intensity of light taken in can be increased by creating an aperture shaped to capture all the light in that region.

また、ハーフミラ−７８を中央部を〈ジぬいたミラーと
して、０次回出光をとシ除いても良い。Alternatively, the half mirror 78 may be a mirror with a hole in the center to eliminate the 0th order light emission.

第８図に示した実施例は、第７図の実施例のレンズに変
えて、回転楕円鏡８３０２つの焦点８４゜８５を用いた
ものである。The embodiment shown in FIG. 8 uses a spheroidal mirror 830 with two focal points of 84.degree. 85 instead of the lens of the embodiment of FIG.

以上、いくつかの採光方法を説明したが、本発明では、
０次回出光以外の回折光を効果的にとシこめば良いわけ
であるから、ここに説明した以外の採光方法であっても
良い。Several lighting methods have been described above, but in the present invention,
Since it is sufficient to effectively filter out diffracted light other than the 0th-order light emitted, a lighting method other than the one described here may be used.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、基板上に形成された溝等の深さを干渉
法により測定する際、溝部の面積が微小で表面との面積
比が大きくても、溝部から射出する光と表面から射出す
る光との強度を同程度として採光でき、高精度の溝の深
さの測定ができる。より具体的には被食刻部の面積が微
小な深穴や溝深さを測定できる効果がある。According to the present invention, when measuring the depth of a groove formed on a substrate by interferometry, even if the area of the groove is minute and the area ratio to the surface is large, light emitted from the groove and light emitted from the surface are The depth of the groove can be measured with high precision by allowing the light to enter with the same intensity as the light being used. More specifically, it has the effect of being able to measure the depth of deep holes and grooves where the area of the etched portion is minute.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図はミラー制
御の説明図、第３図は本発明をエツチング装置に応用し
た例を示す模式図、第４図ないし第８図は採光装置部分
の他の実施例を示す図、第９図は測定試料の断面図、第
１０図は回折像を示す図、第１１図は回折光強度を示し
た口笛１２図は２つの回折像の比較図、第１３図は試料
の断面図、第１４図及び第１５図は回折光強度を示した
図、第１６図は分光器の波長分解能とコントラストの関
係を示す図、第１７図は検出波形を示す図、第１８図は
データ処理後の波形を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of mirror control, FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of applying the present invention to an etching apparatus, and FIGS. 4 to 8 are Figure 9 shows a cross-sectional view of a measurement sample, Figure 10 shows a diffraction image, Figure 11 shows the intensity of diffracted light, and Figure 12 shows two diffraction images. Figure 13 is a cross-sectional view of the sample, Figures 14 and 15 are diagrams showing the diffracted light intensity, Figure 16 is a diagram showing the relationship between the wavelength resolution and contrast of the spectrometer, and Figure 17 is a diagram showing the relationship between the wavelength resolution and contrast of the spectrometer. A diagram showing the detected waveform, and FIG. 18 is a diagram showing the waveform after data processing.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、微細な溝が形成された試料に、該溝の深さ方向から
該試料に光を照射し、該照射光の波長を変えながら回折
光の０次以外の分光強度分布を検出し、該分光強度分布
の複数の極値に対応する光の波長から前記溝の深さを算
出する微細パターン深さ測定方法。 ２、試料位置決定可能な試料載置台と、光の回折光が検
出可能となるに十分な光量を発する光源と、該光源から
の光を分光して前記試料に照射する手段と、前記試料か
らの回折光であって、０次光を除くものの任意の到達位
置へ検出器を配設可能な光検出手段と、前記載置台、前
記照射する手段及び前記光検出手段を制御する制御演算
手段とを有する微細パターン深さ測定装置。[Claims] 1. A sample in which fine grooves are formed is irradiated with light from the depth direction of the grooves, and while changing the wavelength of the irradiated light, the spectral intensity of the diffracted light other than the 0th order is measured. A fine pattern depth measuring method that detects a distribution and calculates the depth of the groove from wavelengths of light corresponding to a plurality of extreme values of the spectral intensity distribution. 2. A sample mounting table capable of determining the sample position, a light source that emits a sufficient amount of light to enable detection of diffracted light, a means for dispersing the light from the light source and irradiating the sample, and a light detecting means capable of arranging a detector to any arrival position of the diffracted light excluding zero-order light; and a control calculation means for controlling the mounting table, the irradiating means, and the light detecting means. A fine pattern depth measurement device with