JPS6199805A - 段差測定装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、反射面が焦点位置にあることを検出し、特に
微小な段差あるいは膜厚を測定する段差測定装置に関す
るものである。

〔発明の背景〕

近年、半導体装置の集積化が進んだため、半導体装置の
表面の構造はより微細なものになってきている。したが
って半導体装置の表面構造の計測において、ミクロンオ
ーダの横方向の分解能が要求されるようになった。さら
に計測した試料を元の製造ラインに戻すために、非接触
、非破壊検査であることが望まれる。表面構造の計測、
すなわち段差を測定する方法として、触針法、光の干渉
縞を観測する方法、顕微鏡の焦点位置を利用する方法、
光切断法、走査型電子顕微鏡による観察、先触針法など
があるが、上記の各方法はいずれもつぎに示すような欠
点をそれぞれ有している。段差感度がよい触針法は、試
料と針先とが接触し、なおかつ針先が細いため試料に強
い圧力がかかり、試料の表面が破壊されるおそれがある
。また非接触であっても、走査型電子顕微鏡による観察
においては、試料の電子線による損傷やチャージアップ
などがおこり一種の破壊検査になる。光を使う他の方法
は非接触、非破壊検査となり得るが、光の干渉縞を観測
する方法では干渉縞のずれから段差を測定するため、ミ
クロンオーダで表面構造が変化する場合にずれの測定が
困難になり段差の計測は難しい。顕微鏡の焦点位置を利
用する方法は、段差の上下に対して顕微鏡の焦点位置の
調整をそれぞれ目視で行い、焦点位置の距離の差から段
差の高さを求める。これは目視で行うため個人差が生じ
正確な測定が困難である。また光切断法においては、段
差にスリット光を斜めから照射し、スリット光の影の長
さから段差の高さを推定するものである。この方法も光
を斜めから照射する必要があるので横方向の分解能がな
い。一方、先触針法は横方向の分解能がミクロンオーダ
になり得るので半導体装置の測定要求を満たす可能性が
あり、特開昭５８−１７６５０５号に示されている検出
装置は、絞り込んだ光を探触針としているから横方向に
十分な分解能をもち、目的は変位を検出するものである
が、試料を横方向に走査すれば段差の測定装置になり得
る。しかしこの装置は試料面で反射してきた光の強度分
布が光軸に対して対称でなければ正確な測定を行うこと
ができなし・。

〔発明の目的〕

本発明は、横方向の分解能がミクロンオーダであり、反
射光の強度分布に乱れが生じた場合でも、安定した段差
測定が行える非接触、非破壊の段差測定装置を得ること
を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、コリメートした光を微小スポットに絞って測
定面に照射し、上記測定面が絞った尤の焦点面にあるか
否かを光の干渉を用いて高精度に検出する。第４図は反
射面と対物レンズ２との距離が変化したとき、対物レン
ズ２から戻り光の波面がどのようになるかを示している
。反射面１−１は対物レンズ２の焦点位置にあり、戻り
光の嫁面は光軸に対して垂直である。反射面１−２およ
び１−３は焦点位置からはずれており、それぞれの波面
は彎曲し４−２および４−３のようになる。このため光
軸に垂直な波面を持つ参照光をそれぞれ干渉させたとき
反射面が１−１のときは干渉縞が現われないが、反射面
が焦点位置から外れているときは光軸に垂直な面に対し
て光路差をもつため、第５図に示すような同心円状の干
渉縞を生じる。ここで参照光の位相を変えた場合の干渉
縞の変化を考える。参照光の位相は全周同じように変わ
るものとする。反射面が１−１にあるときは参照光の位
相の変化に伴って一様に明暗の変化をする。一方、反射
面が１−２や１−３のように焦点位置からずれている場
合には、参照光の位相が変化すると干渉縞の暗い部分は
明るくなり明るい部分は暗くなるという変化を繰返す。

上記の干渉縞の変化を検知し焦点位置を検出して段差の
測定を行う。また干渉縞の状態の判定にヘテロダイン干
渉法を使用し、参照光に周波数変位を生じた光を用い、
上記周波数変位の周波数の変化で干渉縞の明暗を判定し
、焦点位置の検出お゛よび段差の測定を行う。すなわち
、本発明による段差測定装置は、コヒーレント光と、該
コヒーレント光を分割する光分割素子と、分割した第１
のコヒーレント光を測定試料表面上で微小スポットに収
束する収束光学系と、該収束光学系と上記測定試料表面
との相対位置を変化させる移動台と、分割した第２のコ
ヒーレント光の光路長または周波数を変化させる機構と
、上記測定試料表面から反射された第１のコヒーレント
光を集光し、上記光路長または周波数を変化させた第２
のコヒーレント光を干渉させ、干渉したときに生じる干
渉縞を検出する光検出器と、該光検出器の信号を処理す
る信号処理回路とを備えたものである。

〔発明の実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による段差測定装置の一実施例の構成を
示す図、第２図は上記実施例における光検出器光力の反
射面の位置に対する依存性を示す図、第３図は本発明の
他の実施例の構成を示す図である。

第１図において、レーザ光源５から出射したコヒーレン
ト光６をレンズ７−１．７−２およびピンホール８を用
いてコリメートする。コリメートされたコヒーレン］・
光９は光分割素子（例えば半透明鏡）１０で振幅分割さ
れ、分割された第１のコヒーレント光は対物レンズ２に
よって微小スポットに絞られ、試料表面である反射面１
上に照射される。

試料は３次元に移動可能な移動台１１の上に設けられて
いる。反射面１で反射した光は光分割素子１゜を透過し
たのち干渉すべき光の片方になる。光分割素子１０を透
過した第２のコヒーレント光は平面鏡１２で反射されて
光分割素子１ｏに戻り、再び反射され干渉のためのもう
一方の光、参照光になる。

上記参照光の光路長を変化させるために、平面鏡１２を
反射面の垂直方向に振動する電歪素子１３で駆動する。

干渉光１４は光分割素子１５で分割され、反射された光
は光検出器１７−１．１７−２、透過した光は光検出器
１６でそれぞれ検出される。光検出器１６は広い受光面
積を持っており、干渉縞全体を受光することができ、光
検出器１６の出力には受光量に比例する電圧が発生する
。電歪素子１３による振動は正弦波状で、振幅は使用し
ているコヒーレント光の波長の数分の一以下である。周
波数はＷ。である。

信号処理回路１８で光検出器１６のＷＱの周波数の成分
だけを取出したのが第２図であり、（ａ）は対物レンズ
２と反射面１との距離が第４図１−３のように焦点距離
より短い場合を示し、（ｂ）は第４図１−１のように焦
点距離と同じ場合を示し、（Ｃ）は第４図１−２のよう
に焦点距離より長い場合を示している。第２図はいずれ
も横軸および縦軸に同一のスケールを用いている。反射
面１が焦点位置にあるときは第２図（ｂ）に示すように
信号の振幅が一番大きくなる。その理由は、光検出器１
６の受光面で干渉光の強度の位相がそろっているからで
ある。

反射面１が焦点位置からずれたときは干渉縞が生じて明
暗が交互に変化するため振幅が大きくならない。したが
って反射面ｌを移動台１１によって上下に移動しながら
、光検出器１６の出力のＷ。成分の振幅が最大になる移
動台１】の位置を検出する動作と、移動台１１を横方向
に移動する動作とを交互に行い、上記移動台１１の横方
向の移動距離に対して検出した高さをプロットすれば反
射面１の段差の測定が可能になる。信号処理装置１８は
光検出器１６の出力のＷ。の周波数成分を取出し、その
振幅の最大値を検出し、同時にその最大値が実現された
移動台１１のｘ、ｙ、ｚ方向の位置を記憶する。

本実施例においては干渉光１４をさらに光分割素子１５
で分割して光検出器１７−１および１７−２で検出する
。これら２つの検出器の受光面は小さく作られており、
干渉光の一部を受光する。光検出器１７−１．１７−２
の位置は光軸に垂直な平面内で光軸から等距離にならな
いように配置する。信号処理装置１９は光検出器１７−
１の出力と１７−２の出力との位相差を検出し、両者の
位相が一致したときの移動台１１のＸ、Ｙ、ｚ方向の位
置を記憶する。位相が一致したところで反射面１と焦点
位置とが一致する。ただし、あらかじめ光検出器１６の
信号の処理をして、反射面１と焦点位置とが一致する移
動台１１の高さを知っておき、その高さに移動台１１を
設定し、その後に上記位相差を使う方法を適用する。し
たがって光検出器１７−１．１７−２を使う方法は、光
検出器１６の処理の結果をさらに精密化するのに使用さ
れる。

２度〜３度程度の位相差が検出可能なので、対物レンズ
２として顕微鏡用対物レンズ１００倍を使用したときは
１０Ｘ程度の段差分解能が得られる。本実施例では信号
処理回路１８．１９の両方を使用しているが、段差が低
いときはどちらか一方だけを使用しても段差の測定が可
能である。また信号処理回路１９より光検出器１７−１
と１７−２との位相差を検出し、それをもとに移動台１
１の高さの移動機構にフィードバックをかけ、位相差を
常に零にすることも可能である。移動台１１を横方向に
移動させながら移動台１１の高さをプロットすれば、段
差の状態を知ることができる。

いま反射面１が少し傾いた場合を考える。コヒーレント
光９は光軸に対称なガウス分布をし、焦点面の中心と反
射面１とが一致しているものとする。このとき対物レン
ズ２から戻ってくる反射光の強度分布は光軸に対して対
称にならない。しかし波面は依然として光軸に対し垂直
である。したがって反射面１の傾きに関係なく、光検出
器１６に入射する２つの干渉光の位相差は受光面上です
べて同じであり、このとき光検出器１６の出力の振幅が
最大になる。この振幅の最大値を検出するため強度分布
の変化による影響はない。同様に光検出器１７−１およ
び１７−２の信号の処理においても、位相差を問題にす
るため、反射光の強度分布が変化しても影響がない。

第３図に示す他の実施例はレーザ光源５から出射したコ
ヒーレント光をレンズ７−１．７−２およびピンホール
８を用いてコリメートし、コリメートされたコヒーレン
ト光９を光分割素子（例えば半透明鏡）１０で振幅分割
する。分割された第１のコヒーレント光は対物レンズ２
によって微小スポットに絞られ、反射面ｌをもつ試料上
に照射される。

上記反射面１は３次元に移動可能な移動台１１上に設置
され七いる。反射面１で反射された光は光分割素子１０
を透過して第１のコヒーレント光になる。

上記光分割素子１０を透過したコヒーレント光９は、た
とえばＡＯ（ａｃｏｕｓｔ、ｏｏｐｔｉｃ　）変調器加
で周波数偏移される。変調周波数をＷ、としたとき１次
の周波数偏移された光は平面鏡２１に向い、反射されて
同じ光路を戻り再びＡＯ変調器加に入る。ＡＯ変調器頷
から出射する光の周波数は結局２町の偏移を受けること
になる。周波数偏移を受けた光は光分割素子１０で反射
され第２のコヒーレント光として、上記第１のコヒーレ
ント光に重ね合わされる。これらの干渉光１４は光分割
素子１５で分割され、一部は光検出器１６で、他は光検
出器１７−１．１７−２でそれぞれ検出される。光検出
器１６は広い受光面積を有して干渉縞全体を受光し、そ
の出力は受光量に比例する電圧を発生する。対物レンズ
２と反射面１との距離によって、信号電圧は上記第１実
施例と同様に第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）に示すよう
な形になる。

ただし信号の周波数はすべて同じで２ｗ、である。

試料の反射面１が焦点位置にあるときに振幅が最大にな
る。その理由は光検出器１６の受光面における干渉光の
強度の位相が揃っているからであり、反射面１が焦点位
置から外れたときは干渉縞、を生じて明暗が交互に変化
するため振幅が大きくならない。したがって反射面１を
移動台１１によって上下に移動しながら、光検出器１６
の出力の振幅が最大になる移動台１１の位置を検出する
動作と、移動１１　・ 台１１を横方向に移動させる動作を交互に行い、移動台
１１の横方向の移動距離に対して移動台１１の高さをプ
ロットすれば、試料の段差の測定が可能になる。信号処
理装置１８は上記光検出器１６からの信号の振幅最大値
を検出し、その最大値における移動台１１のＸ％’Ｙ％
Ｚ方向の位置を記憶する機能をもっている。

本実施例では干渉光をさらに光検出器１７−１．１７−
２で検出する機能を有しており、信号処理装置１９はこ
れらの光検出器の出力の位相差を検出し、両者の位相が
一致したときの移動台１１の”ｓ　’Ｉｓ　ｚ方向の位
置を記憶する。したがって前記実施例同様、光検出器１
７−１．１７−２の信号処理は光検出器１６の処理結果
をさらに精密化するのに使用される。

上記実施例は２度〜３度程度の位相差の検出が可能であ
るから、対物レンズ２として顕微鏡用対物レンズ１００
倍を使用したときは１０＾程度の段差分解能が得られる
。また本実施例では信号処理回路１８．１９の両方を使
用しているが、段差が低いときはいずれか一方だけを使
用しても段差の測定が可・　１２　・ 能である。

コヒーレント光が光軸に対して対称なガウス分布をし、
焦点面の中心と反射面１とが一致しているものとすると
、反射面１が少し傾いた場合、対物レンズ２から戻って
くる反射光の強度分布は光軸に対して対称にならない。

しかし波面は光軸に対して垂直である。したがって光検
出器１６に入射する干渉光の強度の位相はすべて揃うこ
とになる。

干渉光の強度の位相が揃ったところでは振幅が最大とな
り、この最大値を検出するため、反射面１の傾きによる
強度分布の変化の影響はない。同様に、光検出器１７−
１と１７−２においても位相差を問題にしているので、
反射光の強度分布が変化しても影響がない。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による段差測定装置は、コヒーレン
ト光と、該コヒーレント光を分割する光分割素子と、分
割した第１のコヒーレント光を測定試料面上で微小スポ
ットに収束する収束光学系と、該収束光学系と上記測定
試料表面との相対位置を変化させる移動台と、分割した
第２のコヒーレント光の光路長または周波数を変化させ
る機構と、上記測定試料表面から反射された第１のコヒ
ーレント光を集光し、上記光路長または周波数を変化さ
せた第２のコヒーレント光と干渉させ、干渉ｌ−だとき
に生じる干渉縞を検出する光検出器と、該光検出器の信
号を処理する信号処理回路とを備えたことにより、コヒ
ーレント光を対物レンズで十分絞ると横方向の分解能を
１μｍ程度にすることができ、ミクロンオーダで平面方
向の構造が変化する半導体装置の表面計測が可能である
。また本発明においては、干渉光の位相が揃うところを
検出しているため、試料面の反射光の強度分布が変化し
て光軸に対し対称にならない場合に発生する誤差をなく
すことができる。さらに試料面が種々の側斜で構成され
部分的に反射率が異る場合でも、本発明では反射光の強
度でなく干渉光の位相を検出するため、測定を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による段差測定装置の一実施例検出器出
力の反射面の位置に対する依存性を示す図、第３図は本
発明の他の実施例の構成を示す図、第４図は反射面の位
置と反射光の波面の関係を示す図、第５図は干渉縞を表
わす図である。 １・・測定試料面、２・・・レンズ、１０．１５−＝光
分割素子、１１・・・移動台、１２・・・平面鏡、１３
°°°電歪素子、１６．１７−１．１７−２・・・光検
出器、１８．１９°°°信号処理回路、加・・・ＡＯ変
調器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コヒーレント光と、該コヒーレント光を分割する光分割
   素子と、分割した第１のコヒーレント光を測定試料面で
   微小スポットに収束する収束光学系と、該収束光学系と
   上記測定試料表面との相対位置を変化させる移動台と、
   分割した第２のコヒーレント光の光路長または周波数を
   変化させる機構と、上記測定試料表面から反射された第
   １のコヒーレント光を集光し、上記光路長または周波数
   を変化させた第２のコヒーレント光と干渉させ、干渉し
   たときに生じる干渉縞を検出する光検出器と、該光検出
   器の信号を処理する信号処理回路とを備えた段差測定装
   置。