JP2013113650A - Trench depth measuring apparatus and trench depth measuring method and confocal microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種半導体基板に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置、特に高アスペクト比のトレンチの深さを高精度で測定できるトレンチ深さ測定装置に関するものである。 The present invention relates to a trench depth measuring apparatus that measures the depth of a trench formed in various semiconductor substrates, and more particularly to a trench depth measuring apparatus that can measure the depth of a high aspect ratio trench with high accuracy.
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、トレンチアイソレーションやトレンチ加工を利用した各種デバイスが開発されている。例えば、高耐圧MOSFETとして、トレンチゲート構造を有するMOSFETが開発されている。また、CMOSセンサやCCDセンサ等の撮像素子においても、各受光素子を分離するようにトレンチが形成され、隣接する画素間のクロストークが防止されている。一方、トレンチの深さはデバイスの性能や製造の歩留りに強い影響を与え、例えば、CMOSセンサにおいては、トレンチの深さが不十分な場合、隣接する画素間の電荷の漏洩が大きくなり、撮像される画像品質に悪影響を及ぼすおそれがある。また、パワーデバイスにおいても、トレンチの深さが不十分な場合、所定の耐電圧性能が得られない場合がある。さらに、半導体デバイスの微細化に伴い、高アスペクト比のトレンチが広く利用されている。従って、半導体デバイスの製造プロセスにおいては、高アスペクト比のトレンチの深さを高精度に測定できるトレンチ深さ測定装置の開発が強く要請されている。 In the semiconductor device manufacturing process, various devices using trench isolation and trench processing have been developed. For example, a MOSFET having a trench gate structure has been developed as a high breakdown voltage MOSFET. In addition, in an image sensor such as a CMOS sensor or a CCD sensor, a trench is formed so as to separate each light receiving element, and crosstalk between adjacent pixels is prevented. On the other hand, the trench depth has a strong influence on device performance and manufacturing yield. For example, in a CMOS sensor, if the trench depth is insufficient, charge leakage between adjacent pixels increases and imaging is performed. Image quality may be adversely affected. Also in a power device, when the trench depth is insufficient, a predetermined withstand voltage performance may not be obtained. Further, with the miniaturization of semiconductor devices, high aspect ratio trenches are widely used. Therefore, in the semiconductor device manufacturing process, there is a strong demand for the development of a trench depth measuring apparatus that can measure the depth of a high aspect ratio trench with high accuracy.
トレンチの深さを測定する測定装置として、共焦点光学系を利用した測定装置が既知である(例えば、特許文献1参照)。この既知のトレンチ深さ測定装置では、トレンチが形成されている基板を保持するステージと対物レンズとの間の距離を変えながらレーザビームにより基板表面を2次元走査し、基板表面からの反射光及びトレンチの底面からの反射光を光検出器により検出している。そして、トレンチ周囲の基板表面からの反射光の強度が最大となる対物レンズの光軸方向の位置とトレンチの底部からの反射光の強度が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を特定し、これら2つの位置間の距離を求め、トレンチの深さが測定されている。
上述した既知の測定装置では、照明ビームの瞳パターンが円形であるため、高アスペクト比のトレンチの深さを測定しようとする場合、トレンチに入射する照明ビームの大部分がトレンチの端縁で遮光されてしまい、トレンチの底面に僅かな照明光しか入射しない問題があった。すなわち、CMOSセンサやパワーデバイスに形成されているトレンチの幅はサブミクロンのレベルである。よって、瞳のパターンが円形の照明ビームを用いたのでは、照明光がトレンチの周辺の試料表面により遮光されてしまい、トレンチの内部に進入できず、トレンチの底面からの反射光が微弱すぎる問題があった。このため、光検出器からの出力信号の信号レベルが低すぎ、精度的に問題が生じていた。この問題を解決する方法として、開口数の小さい対物レンズを用いて底面に入射する照明光量を増加させることが考えられる。しかしながら、開口数の小さい対物レンズを用いた場合分解能が低下する不具合が生じてしまう。例えば、CMOSセンサに形成されているトレンチの深さを測定する場合、深さ方向に0.1μm程度の分解能が要求されるため、開口数の小さい対物レンズを用いたのでは、光軸方向の分解能が低すぎ、深さ測定の要求に対応できない不具合が生じてしまう。 In the known measurement device described above, the pupil pattern of the illumination beam is circular, so when measuring the depth of a high aspect ratio trench, the majority of the illumination beam incident on the trench is shielded at the edge of the trench. As a result, there is a problem that only a small amount of illumination light enters the bottom surface of the trench. That is, the width of the trench formed in the CMOS sensor or power device is at a submicron level. Therefore, when the illumination beam with a circular pupil pattern is used, the illumination light is shielded by the sample surface around the trench and cannot enter the trench, and the reflected light from the bottom of the trench is too weak. was there. For this reason, the signal level of the output signal from the photodetector is too low, causing a problem with accuracy. As a method for solving this problem, it is conceivable to increase the amount of illumination light incident on the bottom surface using an objective lens having a small numerical aperture. However, when an objective lens having a small numerical aperture is used, there arises a problem that the resolution is lowered. For example, when measuring the depth of a trench formed in a CMOS sensor, a resolution of about 0.1 μm is required in the depth direction. Therefore, if an objective lens having a small numerical aperture is used, The resolution is too low, resulting in a failure to meet the depth measurement requirements.
また、従来の共焦点型の深さ測定装置では、対物レンズの光軸方向の位置を変えながら、レーザビームによりトレンチを含む試料表面を2次元走査しているため、2次元走査に相当な時間を必要とし、スループットが低下する問題点があった。すなわち、従来のトレンチ深さ測定装置では、対物レンズの光軸方向の位置を変えながら試料表面を2次元走査しているため2次元走査に相当な時間が必要であり、1つのトレンチの深さを測定するのに長時間かかり、スループットの点においても問題があった。 Further, in the conventional confocal depth measuring apparatus, the surface of the sample including the trench is two-dimensionally scanned with the laser beam while changing the position of the objective lens in the optical axis direction. And the throughput is reduced. That is, in the conventional trench depth measuring apparatus, since the sample surface is two-dimensionally scanned while changing the position of the objective lens in the optical axis direction, a considerable time is required for two-dimensional scanning, and the depth of one trench is measured. It took a long time to measure and there was a problem in terms of throughput.
さらに、トレンチの深さを高分解能で測定するには、短波長の測定光を用いることが想定される。一方、紫外域や深紫外(DUV)のレーザ光を発生するレーザ光源の多くは、パルス発振型であるため、スペックルパターンの影響を除去ないし軽減するため複数のレーザパルスを放出させてデータを取得し、積分作用によりスペックルパターンの影響を低減する必要がある。このため、深さ測定に必要なZ軸スキャン中における対物レンズ又は試料ステージの移動速度を相当遅く設定しなければならない。よって、試料表面を2次元走査するのでは、測定のスループットが相当遅くなる問題が発生してしまう。この場合、試料表面の2次元走査を行わずZ軸スキャンだけを行うことが想定される。しかしながら、照明ビームの瞳パターンが円形の場合、トレンチの底面だけしか照明されないため、トレンチの底面の光軸方向の位置を検出するためのZ軸スキャンとトレンチ周囲の試料表面の光軸方向の位置を検出するためのZ軸スキャンの2回のZ軸スキャンが必要であり、依然としてスループットが低下する問題があった。従って、紫外域や深紫外(DUV)のレーザ光を用いても相当高いスループットが得られるトレンチ深さ測定装置の開発も強く要請されている。 Furthermore, in order to measure the depth of the trench with high resolution, it is assumed that measurement light having a short wavelength is used. On the other hand, since many laser light sources that generate ultraviolet or deep ultraviolet (DUV) laser light are pulse oscillation types, multiple laser pulses are emitted to remove or reduce the effect of speckle patterns. It is necessary to obtain and reduce the influence of the speckle pattern by integration. For this reason, the moving speed of the objective lens or the sample stage during the Z-axis scan necessary for depth measurement must be set to be considerably slow. Therefore, when the sample surface is scanned two-dimensionally, there arises a problem that the measurement throughput is considerably slowed down. In this case, it is assumed that only Z-axis scanning is performed without performing two-dimensional scanning of the sample surface. However, when the pupil pattern of the illumination beam is circular, only the bottom surface of the trench is illuminated, so the Z-axis scan for detecting the position of the bottom surface of the trench in the optical axis direction and the position of the sample surface around the trench in the optical axis direction Two Z-axis scans of the Z-axis scan for detecting the image are necessary, and there is still a problem that the throughput is lowered. Accordingly, there is a strong demand for the development of a trench depth measuring apparatus that can obtain a considerably high throughput even when using ultraviolet or deep ultraviolet (DUV) laser light.
本発明の目的は、高アスペクト比のトレンチの深さを高精度で測定できるトレンチ深さ測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、高アスペクト比のトレンチの深さを高いスループットで測定できるトレンチ深さ測定装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、トレンチ幅が照明光の波長と同程度のトレンチの深さを測定できるトレンチ深さ測定装置を実現することにある。
An object of the present invention is to realize a trench depth measuring apparatus capable of measuring the depth of a trench having a high aspect ratio with high accuracy.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a trench depth measuring apparatus capable of measuring the depth of a high aspect ratio trench with high throughput.
Furthermore, another object of the present invention is to realize a trench depth measuring apparatus capable of measuring the depth of a trench having a trench width comparable to the wavelength of illumination light.
本発明によるトレンチ深さ測定装置は、試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてZ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Z軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具えることを特徴とする。
A trench depth measurement apparatus according to the present invention is a trench depth measurement apparatus for measuring the depth of a trench formed in a sample,
A stage for supporting a sample in which a trench to be depth-measured is formed;
A light source device that generates an illumination beam; and an objective lens that projects the illumination beam toward the sample. A linear pupil pattern parallel to the longitudinal direction of the trench is formed at a pupil position between the light source device and the objective lens. An illumination optical system that forms a line-shaped illumination area that intersects the trench on the sample surface where the trench is formed;
Scanning means for performing Z-axis scanning by changing the relative distance in the optical axis direction between the objective lens and the sample;
Sensor means for detecting the position in the optical axis direction of the objective lens or stage during the Z-axis scan or the distance in the optical axis direction between the objective lens and the stage, and outputting the position information or distance information from the sample surface near the trench A light detecting means for receiving the reflected light from the bottom of the trench and the reflected light from the bottom of the trench through the objective lens;
And a signal processing device that outputs trench depth information based on a luminance signal output from the light detection means and position information or distance information output from the sensor means.
本発明では、試料に形成されたトレンチの長手方向と平行に延在するライン状の瞳パターンを形成し、ライン状の瞳パターンを対物レンズを介して試料表面に結像しているので、試料表面上にはトレンチと直交するライン状の照明エリアが形成される。この結果、試料表面で遮光され深さ測定に寄与しない照明光を大幅に減らすことができる。さらに、開口数の大きな対物レンズ、例えば開口数が0.80程度の対物レンズを用いて照明することができ、高精度なトレンチの深さ測定が可能になる。しかも、トレンチの周辺で遮光される照明光の光量が大幅に減少するので、大出力の光源を用いることなく、光検出手段から安定した信号レベルの出力信号を得ることができる。 In the present invention, a line-shaped pupil pattern extending in parallel with the longitudinal direction of the trench formed in the sample is formed, and the line-shaped pupil pattern is imaged on the sample surface via the objective lens. A linear illumination area perpendicular to the trench is formed on the surface. As a result, the illumination light that is shielded from the sample surface and does not contribute to depth measurement can be greatly reduced. Furthermore, illumination can be performed using an objective lens having a large numerical aperture, for example, an objective lens having a numerical aperture of about 0.80, thereby enabling highly accurate trench depth measurement. In addition, since the amount of illumination light shielded around the trench is greatly reduced, an output signal having a stable signal level can be obtained from the light detection means without using a high output light source.
さらに、試料表面上にトレンチと交差するように形成されるライン状の照明エリアは、トレンチの内部及びトレンチ周囲の試料表面の両方を同時に照明することができ、1回のZ軸スキャンを行うだけでトレンチの底面及びトレンチ周囲の試料表面の光軸方向の位置を検出することが可能である。この結果、測定のスループットが大幅に改善される利点が達成される。特に、高い分解能の測定を行うには、短波長の照明ビームを発生するレーザ光源を用いることが望ましい。しかしながら、紫外域や深紫外域(DUV)のレーザビームを放出するエキシマレーザの多くはパルス発振型であるため、スペックルパターンによる影響を低減するためには、照明光の位相分布を変調しながら複数の画像を撮像して積算する必要がある。この場合、試料表面を2次元走査する測定装置では、2次元走査自体に相当な時間が必要であるため、スループットが大幅に低下してしまう。また、瞳パターンが円形の照明ビームを用いる場合、トレンチの底面に焦点を合せてZ軸スキャンを行ったのでは、試料表面の光軸方向の位置が検出されないため、試料表面の位置検出のためのZ軸スキャンが別途必要であり、少なくとも2回のZ軸スキャンが必要である。よって、パルス発振型のエキシマレーザを用いて照明ビームを発生させる場合、スループットが一層低下する不具合が発生する。これに対して、本発明では、トレンチの内部及び周辺の試料表面の両方を同時に照明しているので、パルス発振型のエキシマレーザを用いても十分に対応できるトレンチ深さ測定装置が実現される。 Furthermore, the line-shaped illumination area formed on the sample surface so as to intersect the trench can illuminate both the inside of the trench and the sample surface around the trench at the same time, and only performs one Z-axis scan. Thus, it is possible to detect the position of the bottom surface of the trench and the sample surface around the trench in the optical axis direction. As a result, the advantage is achieved that the measurement throughput is greatly improved. In particular, in order to perform high resolution measurement, it is desirable to use a laser light source that generates an illumination beam with a short wavelength. However, since many excimer lasers that emit ultraviolet or deep ultraviolet (DUV) laser beams are pulse oscillation types, in order to reduce the effect of speckle patterns, the phase distribution of illumination light is modulated. It is necessary to take and accumulate a plurality of images. In this case, in the measuring apparatus that two-dimensionally scans the sample surface, a considerable time is required for the two-dimensional scanning itself, so that the throughput is significantly reduced. In addition, when an illumination beam having a circular pupil pattern is used, if the Z-axis scan is performed while focusing on the bottom surface of the trench, the position of the sample surface in the optical axis direction is not detected. Z-axis scanning is separately required, and at least two Z-axis scannings are required. Therefore, when an illumination beam is generated using a pulse oscillation type excimer laser, a problem that the throughput further decreases occurs. On the other hand, in the present invention, since both the inside of the trench and the peripheral sample surface are illuminated at the same time, a trench depth measuring apparatus that can sufficiently cope with the use of a pulsed excimer laser is realized. .
本発明による別のトレンチ深さ測定装置は、試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
直線偏光した照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてZ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Z軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記試料表面に入射する照明ビームを構成する直線偏光した光の電界ベクトルの振動方向は、トレンチの長手方向に対してほぼ平行に設定されることを特徴とする。
Another trench depth measuring apparatus according to the present invention is a trench depth measuring apparatus for measuring the depth of a trench formed in a sample,
A stage for supporting a sample in which a trench to be depth-measured is formed;
A light source device that generates a linearly polarized illumination beam, and an objective lens that projects the illumination beam toward the sample, and has a line shape parallel to the longitudinal direction of the trench at the pupil position between the light source device and the objective lens. An illumination optical system that forms a pupil pattern and forms a linear illumination area that intersects the trench on the sample surface on which the trench is formed;
Scanning means for performing Z-axis scanning by changing the relative distance in the optical axis direction between the objective lens and the sample;
Sensor means for detecting the position in the optical axis direction of the objective lens or stage during the Z-axis scan or the distance in the optical axis direction between the objective lens and the stage, and outputting the position information or distance information from the sample surface near the trench A light detecting means for receiving the reflected light from the bottom of the trench and the reflected light from the bottom of the trench through the objective lens;
A signal processing device that outputs the depth information of the trench based on the luminance signal output from the light detection means and the position information or distance information output from the sensor means,
The oscillation direction of the electric field vector of linearly polarized light constituting the illumination beam incident on the sample surface is set substantially parallel to the longitudinal direction of the trench.
照明光がトレンチの内部に進入する際、トレンチの側壁で反射し或いは反射を繰り返してトレンチの底面に入射する。また、トレンチの底面で反射した反射光も、トレンチの側壁で反射しトレンチから出射する。従って、トレンチの側壁に対する照明光の反射率は、トレンチにおける光損失と密接に関係する。そこで、照明光の偏光状態と反射率との関係について検討した結果、波長が193nmの照明光の場合、比較的大きな入射角において、S偏光の反射率がP偏光の反射率よりも相当高いことが判明した。しかも、S偏光した光の場合、入射角が60°を超える範囲において80%以上の反射率が得られることも確認された。このデータを、トレンチに適用すれば、直線偏光した照明光の電界ベクトルの振動方向をトレンチの長手方向と平行になるように設定することによりトレンチにおける光損失が相当減少する。この検討結果によれば、トレンチの幅が照明光の波長に等しい場合であってもトレンチ底面から十分な光量の反射光が発生することになる。この検討結果に基づき、本発明では、照明光として直線偏光した光を用い、その電界ベクトルの方向はトレンチの長手方向と平行になるように設定する。これにより、照明光源として波長が193nmのレーザ光を発生するArFエキシマレーザを用い、レーザ光の電界ベクトルをトレンチの長手方向と平行に設定することにより、トレンチ幅が0.2μm程度のトレンチの深さを高精度に測定することが可能になる。すなわち、照明光源としてArFエキシマレーザを用いると共に開口数の大きな対物レンズを用いることにより、照明光の波長にほぼ等しい開口幅のトレンチであっても、その深さを高精度に測定することができる。 When the illumination light enters the inside of the trench, it is reflected by the side wall of the trench or repeatedly reflected and enters the bottom surface of the trench. The reflected light reflected from the bottom surface of the trench is also reflected from the sidewall of the trench and emitted from the trench. Therefore, the reflectance of the illumination light with respect to the sidewall of the trench is closely related to the light loss in the trench. Therefore, as a result of examining the relationship between the polarization state of illumination light and the reflectance, in the case of illumination light having a wavelength of 193 nm, the reflectance of S-polarized light is considerably higher than that of P-polarized light at a relatively large incident angle. There was found. Moreover, in the case of S-polarized light, it was also confirmed that a reflectance of 80% or more can be obtained in a range where the incident angle exceeds 60 °. If this data is applied to the trench, the optical loss in the trench is considerably reduced by setting the oscillation direction of the electric field vector of the linearly polarized illumination light to be parallel to the longitudinal direction of the trench. According to this examination result, even when the width of the trench is equal to the wavelength of the illumination light, a sufficient amount of reflected light is generated from the bottom surface of the trench. Based on this examination result, in the present invention, linearly polarized light is used as illumination light, and the direction of the electric field vector is set to be parallel to the longitudinal direction of the trench. As a result, an ArF excimer laser that generates laser light having a wavelength of 193 nm is used as the illumination light source, and the electric field vector of the laser light is set parallel to the longitudinal direction of the trench so that the trench width of about 0.2 μm is obtained. It is possible to measure the thickness with high accuracy. In other words, by using an ArF excimer laser as an illumination light source and an objective lens having a large numerical aperture, the depth of a trench having an opening width substantially equal to the wavelength of the illumination light can be measured with high accuracy. .
本発明では、光源と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、ライン状の瞳パターンを対物レンズを介して試料表面上に結像しているので、試料表面上にはトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明エリアが形成される。この結果、試料表面で遮光され深さ測定に寄与しない照明光を大幅に減らすことができ、高精度なトレンチの深さ測定が可能になる。さらに、試料表面上に形成されるライン状の照明エリアはトレンチ及びその周囲の試料表面の両方を照明するので、1回のZ軸スキャンを行うだけでトレンチの底部及びトレンチ周囲の試料表面の光軸方向の位置を検出することができ、測定のスループットが大幅に改善される。
さらに、ライン状の瞳パターンを形成すると共に照明光の電界ベクトルの方向をトレンチの長手方向と平行に設定すれば、トレンチ幅が照明光の波長に等しいトレンチであっても、その深さを高精度に測定することができる。
In the present invention, a line-shaped pupil pattern parallel to the longitudinal direction of the trench is formed at the pupil position between the light source and the objective lens, and the line-shaped pupil pattern is imaged on the sample surface via the objective lens. Therefore, a line-shaped illumination area extending in a direction orthogonal to the trench is formed on the sample surface. As a result, the illumination light that is shielded from the sample surface and does not contribute to the depth measurement can be greatly reduced, and the trench depth can be measured with high accuracy. Furthermore, since the line-shaped illumination area formed on the sample surface illuminates both the trench and the surrounding sample surface, the light on the bottom of the trench and the sample surface around the trench can be obtained by performing only one Z-axis scan. The axial position can be detected and the measurement throughput is greatly improved.
Furthermore, if a linear pupil pattern is formed and the direction of the electric field vector of the illumination light is set parallel to the longitudinal direction of the trench, the depth of the trench is increased even if the trench width is equal to the wavelength of the illumination light. It can be measured with high accuracy.
図1は本発明によるトレンチ深さ測定装置の基本構成を示す図である。本発明では、ライン状の照明ビームにより試料表面を照明する照明光学系を用いてトレンチの深さを測定する。光源1から照明ビームを放出する。光源として、水銀ランプ等のランプを用いることができ、或いは、直線偏光した照明光を放出する半導体レーザやHe-Neレーザ等の連続発振型のレーザ又はエキシマレーザ等のパルス発振型のレーザを用いることができる。また、照明光の波長として、各種の波長域の光を用いることができ、紫外域又は深紫外域(DUV)の波長の照明光を用いることができる。光源1から出射した照明ビームは、シリンドリカルレンズ2に入射する。シリンドリカルレンズ2は、紙面内方向にだけ集束性を有し、入射した照明ビームをライン状の照明ビームに変換する。ライン状照明ビームの集束点に、スリット手段3を配置する。スリット手段3は、紙面と直交する方向に延在するスリット状の開口部を有し、そのスリット開口の幅は例えば10μmとする。ライン状の照明ビームは、スリット手段3のスリット開口を通過し、集束性レンズ4を経てビームスプリッタ5に入射する。集束性レンズ4は、入射したライン状の照明ビームに対して、スリット開口の延在方向(紙面と直交する方向)についてはビームを集束するように作用し、スリット開口の延在方向と直交する方向(紙面内方向)については発散性ビームが光軸に平行な平行ビームとなるように作用する。尚、ビームスプリッタ5は、照明光源から試料に向かう照明ビームと試料からの反射光とを分離する作用を果たす。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a trench depth measuring apparatus according to the present invention. In the present invention, the depth of the trench is measured using an illumination optical system that illuminates the sample surface with a linear illumination beam. An illumination beam is emitted from the
ビームスプリッタ5で反射したライン状の照明ビームは、対物レンズ6に入射する。本発明では、光源1と対物レンズ6との間に照明ビームの瞳が形成され、瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンが形成される。そして、対物レンズ6は、ライン状の瞳パターンを試料7のトレンチが形成されていく表面上に結像し、トレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する。本例では、高い分解能を得るため、開口数の大きな対物レンズを用い、例えば開口数が0.9程度の対物レンズを用いることができる。トレンチが形成されている試料として、例えばCMOSセンサが製造されるシリコン基板やパワーデバイスが形成される各種半導体基板が用いられる。尚、光源1から対物レンズ6までの光路中に含まれる光学素子は、試料表面をライン状の照明ビームで照明する照明光学系を構成する。
The line-shaped illumination beam reflected by the
後述するように、深さ測定されるべきトレンチは、紙面内に延在し、ライン状の照明エリアはトレンチと直交する方向(紙面と直交する方向)に延在するものとする。すなわち、ライン状の照明エリアは、深さ測定されるべきトレンチと交差するように、本例ではトレンチの長手方向と直交するように形成される。従って、ライン状照明ビームの一部は、トレンチの内部に進行し、トレンチの底部で反射し、その反射光は対物レンズ6により集光される。また、ライン状照明ビームの残りの部分は、トレンチが形成される試料表面に入射し、試料表面で反射し、その反射光も対物レンズ6により集光される。このように、本発明では、ライン状の照明ビームを用い、トレンチの内部及びトレンチが形成される試料表面の両方を同時に照明する。 As will be described later, the trench whose depth is to be measured extends in the plane of the paper, and the line-shaped illumination area extends in a direction perpendicular to the trench (a direction perpendicular to the plane of the paper). That is, the line-shaped illumination area is formed so as to intersect with the trench to be depth-measured so as to be orthogonal to the longitudinal direction of the trench in this example. Therefore, a part of the linear illumination beam travels inside the trench and is reflected at the bottom of the trench, and the reflected light is collected by the objective lens 6. The remaining portion of the line-shaped illumination beam is incident on the sample surface where the trench is formed, reflected by the sample surface, and the reflected light is also collected by the objective lens 6. Thus, in the present invention, a linear illumination beam is used to simultaneously illuminate both the inside of the trench and the sample surface where the trench is formed.
試料7はステージ8上に配置する。ステージ8は、対物レンズ6の光軸と直交するX−Y面内で自在に移動することができると共に、対物レンズの光軸方向であるZ方向にも移動する。ステージをX−Y面で移動させて位置合せを行い、測定すべきトレンチを対物レンズの視野内に位置決めする。また、ステージ8の光軸方向の移動により試料7と対物レンズ6との間の相対的距離が変化し、Z軸スキャンが行われる。尚、Z軸スキャン手段として、ステージ移動だけでなく、対物レンズにサーボモータを装着し、ステージを静止させ、対物レンズを光軸方向に移動させてZ軸スキャンを行うことも可能である。
ステージ8には、Z軸方向の位置を検出する位置センサ9を連結する。センサ手段である位置センサ9は、Z軸スキャン中にステージの光軸方向の位置を検出し、検出した位置情報を信号処理装置10に出力する。すなわち、位置センサ9により検出された位置情報は、Z軸スキャン中における対物レンズに対する試料表面及びトレンチ底部の相対位置情報ないし相対距離情報として利用し、対物レンズの焦点が試料表面及びトレンチの底部に位置した時の対物レンズと試料との間の位置関係を特定する。
A position sensor 9 for detecting the position in the Z-axis direction is connected to the
試料7からの反射光、すなわちトレンチの底部からの反射光及びトレンチ周囲の試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、ビームスプリッタ5及び結像レンズ11を経て光検出手段12に入射する。光検出手段として、複数の受光素子が2次元アレイ状に配列された2次元撮像素子又は複数の受光素子がライン状に配列されたラインセンサを用いることができ、本例では複数の受光素子が2次元アレイ状に配列された2次元撮像素子を用いる。光検出手段12からの出力信号は、信号処理装置10から供給される駆動信号により順次読み出され、増幅器13により増幅された後、信号処理装置10に供給される。信号処理装置10は、光検出手段12から出力信号と位置センサ9からの位置情報とを用いて試料に形成されたトレンチの深さを算出する。
Reflected light from the
本発明では、スリット手段3、試料7の表面及び光検出手段12は、互いに共役な位置に配置する。従って、スリット手段3の開口部の像が試料上に形成され、試料上にはライン状の照明エリアが形成される。試料上に形成されたライン状の照明エリアの像は光検出手段12上に結像される。このような光学配置を形成することにより、コンフォーカル光学系と同様な光学特性が得られ、対物レンズの焦点に対する試料表面及びトレンチの底部の相対変位量に応じて、光検出手段の受光素子に入射する反射光の光量が変化する。すなわち、トレンチの底部からの反射光を受光する受光素子は、対物レンズの焦点がトレンチの底部に位置した時最も高い輝度値の出力信号を出力し、対物レンズの焦点に対してトレンチの底部が変位するにしたがって徐々に低い輝度値の出力信号を出力する。同様に、トレンチ付近の試料表面からの反射光が入射する受光素子は、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した場合、最も高い輝度値の出力信号を出力し、対物レンズの焦点に対して試料表面が変位するにしたがって徐々に低い輝度値の出力信号を出力する。従って、トレンチの底部からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を検出した時のステージの位置と、トレンチ付近の試料表面からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を検出した時のステージの位置とに基づいてトレンチの底部とトレンチ付近の試料表面との光軸方向の差であるトレンチの深さを測定することができる。
In the present invention, the slit means 3, the surface of the
図2は、照明ビームの瞳パターン、対物レンズ、及び試料表面における照明状態を示す図である。図2(A)は対物レンズの焦点がトレンチが形成されている試料表面上に位置する状態、すなわちトレンチが形成されている試料表面上に合焦した状態を示し、図2(B)は対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置する状態、すなわちトレンチの底面上に合焦した状態を示す。尚、照明ビームとして、直線偏光した照明光を用いる場合の電界ベクトルの方向も併せて表示する。 FIG. 2 is a diagram showing the illumination pattern on the pupil pattern of the illumination beam, the objective lens, and the sample surface. FIG. 2A shows a state where the focal point of the objective lens is located on the sample surface where the trench is formed, that is, a state where the focal point is focused on the sample surface where the trench is formed, and FIG. A state where the focal point of the lens is located on the bottom surface of the trench, that is, a state where the lens is focused on the bottom surface of the trench is shown. Note that the direction of the electric field vector when linearly polarized illumination light is used as the illumination beam is also displayed.
ライン状の照明ビームは、スリット手段3と対物レンズ6との間の光路中に形成される瞳位置に瞳パターンを形成する。瞳パターンはライン状をなし、その延在方向は、トレンチの延在方向(長手方向)と平行になるように設定する。瞳パターンから出射した照明ビームは対物レンズにより集束され、試料表面上にトレンチ20の長手方向と直交する方向に延在するライン状の照明ビーム21となり、試料表面上にトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明エリアが形成される。分解能に関して、トレンチと平行な方向については、対物レンズの開口数に対応した広い角度範囲の照明光が集束するので、十分な分解能が得られる。
The line-shaped illumination beam forms a pupil pattern at the pupil position formed in the optical path between the slit means 3 and the objective lens 6. The pupil pattern has a line shape, and the extending direction is set to be parallel to the extending direction (longitudinal direction) of the trench. The illumination beam emitted from the pupil pattern is focused by the objective lens to form a
ライン状照明ビーム21の一方の側のビーム部分21aは、トレンチ20をはさんで一方の側の試料表面に入射し、反対側のビーム分21bはトレンチをはさんで反対側の試料表面に入射し、中間のビーム部分21cはトレンチの開口部に入射する。
The
図2(A)は、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した状態を示す。この場合、照明ビーム21のビーム部分21a及び21bは試料表面上に焦線を形成し、高輝度の反射光を発生する。また、中間のビーム部分21cはトレンチ20の内部に進入し、発散性ビームとしてトレンチの底面20aの比較的広い照明エリアを形成し、低輝度の反射光を発生する。図2(B)は、対物レンズの焦点がトレンチの底面20a上に位置した状態を示す。この場合、照明ビームの中間のビーム部分21cはトレンチの底面20a上に集束し、高輝度の反射光を発生する。また、両端のビーム部分21a及び21bは、試料表面の比較的広い領域を照明し、低輝度の反射光を発生する。従って、ステージ移動によりZ軸スキャンを行うことにより、光検出手段からの出力信号に基づいて対物レンズの焦点がトレンチの底面20a上に位置するステージの光軸方向の位置及び対物レンズの焦点がトレンチ周囲の試料表面上に位置する光軸方向の位置が検出される。そして、検出された位置情報を用いて、試料表面及びトレンチの底面の光軸方向の位置が検出され、トレンチの深さを検出することができる。
FIG. 2A shows a state where the focal point of the objective lens is located on the sample surface. In this case, the
図3は本発明による照明方法と従来の照明方法とを対比した図である。図3(A)は本発明による照明方法を図示し、図3(B)は従来の照明方法を示す。本発明では、瞳位置にトレンチと平行に延在するライン状の瞳パターンを形成し、対物レンズを介して試料表面上にトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明エリアを形成する。また、照明光として、直線偏光した照明ビームを用いる。これに対して、従来の照明方法では、瞳位置に円形の瞳パターンが形成され、試料表面上には円形の照明エリアが形成される。 FIG. 3 is a diagram comparing the illumination method according to the present invention and a conventional illumination method. FIG. 3A illustrates an illumination method according to the present invention, and FIG. 3B illustrates a conventional illumination method. In the present invention, a line-shaped pupil pattern extending in parallel with the trench is formed at the pupil position, and a line-shaped illumination area extending in the direction orthogonal to the trench is formed on the sample surface via the objective lens. Further, a linearly polarized illumination beam is used as illumination light. On the other hand, in the conventional illumination method, a circular pupil pattern is formed at the pupil position, and a circular illumination area is formed on the sample surface.
図3(B)に示すように、円形の瞳パターンを形成する照明方法では、試料表面に円形の照明エリアが形成されるため、照明ビームの大部分がトレンチ20の周囲の試料表面により遮光され、トレンチ20の内部に進入する照明光量は僅かである。従って、トレンチ幅の狭い高アスペクト比のトレンチの深さを測定するには限界がある。これに対して、トレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成すれば、トレンチ周囲の試料表面により遮光される照明光量が大幅に減少し、トレンチの内部に進入する照明光量が大幅に増大する。
As shown in FIG. 3B, in the illumination method for forming a circular pupil pattern, since a circular illumination area is formed on the sample surface, most of the illumination beam is shielded by the sample surface around the
次に、Z軸スキャンについて説明する。本発明では、試料と対物レンズの焦点との間の相対距離を変えながらZ軸スキャンを行い、対物レンズの焦点がトレンチが形成されている試料表面上に位置した時の第1の位置を検出すると共に対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置した時の第2の位置を検出し、第1の位置と第2の位置との差分を求め、トレンチの深さ情報として出力する。すなわち、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した時、試料表面上には焦線が形成され、試料表面から最大輝度の反射光が発生し、その反射光は光検出手段12により受光される。また、ステージを光軸方向に移動させ、対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置すると、トレンチの底面から最大輝度の反射光が発生し、その反射光は光検出手段12の別の受光素子により受光される。従って、トレンチが形成されている試料表面からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を出力する時点のステージの位置を検出することにより、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した際の第1の位置が検出される。また、トレンチの底面からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を出力する時点のステージの位置を検出することにより、対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置した際の第2の位置が検出される。
Next, Z-axis scanning will be described. In the present invention, Z-axis scanning is performed while changing the relative distance between the sample and the focal point of the objective lens, and the first position when the focal point of the objective lens is located on the sample surface where the trench is formed is detected. At the same time, the second position when the focal point of the objective lens is located on the bottom surface of the trench is detected, the difference between the first position and the second position is obtained and output as the depth information of the trench. That is, when the focal point of the objective lens is located on the sample surface, a focal line is formed on the sample surface, and reflected light with the maximum luminance is generated from the sample surface, and the reflected light is received by the light detection means 12. . Further, when the stage is moved in the optical axis direction and the focal point of the objective lens is located on the bottom surface of the trench, reflected light having the maximum luminance is generated from the bottom surface of the trench, and the reflected light is another light receiving element of the
本例では、試料を支持するステージを光軸方向に移動させることによりZ軸スキャンを行う。Z軸スキャンに当たり、ステージの光軸方向の下限位置を設定する。下限位置からステージを徐々に上昇させながら、光検出手段の受光素子の出力信号の輝度値を検出する。同時に、ステージの光軸方向の位置も位置センサにより検出する。ステージがZ軸スキャンの上限位置に到達した時点でZ軸スキャンは終了する。すなわち、本発明では、Z軸スキャン中にトレンチの底面からの反射光及びトレンチを形成する試料表面からの反射光の両方を並行して検出するため、試料表面及びトレンチの底面の光軸方向の位置を1回のZ軸スキャンにより検出することが可能である。図4は、Z軸スキャン中におけるステージの光軸方向の位置に対する光検出手段12の試料表面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値の変化及びトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値の変化を示す。実線はトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値を示し、破線は試料表面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値を示す。図4に示すように、トレンチの底面からの反射光を受光する受光素子及び試料表面からの反射光を受光する受光素子は光軸方向の変位に対応してピーク輝度値を出力する。従って、2つのピーク輝度値が検出された時点の光軸方向の位置の差分がトレンチの深さに対応する。 In this example, the Z-axis scan is performed by moving the stage supporting the sample in the optical axis direction. In the Z-axis scan, a lower limit position in the optical axis direction of the stage is set. While gradually raising the stage from the lower limit position, the luminance value of the output signal of the light receiving element of the light detecting means is detected. At the same time, the position of the stage in the optical axis direction is also detected by the position sensor. When the stage reaches the upper limit position of the Z-axis scan, the Z-axis scan ends. That is, in the present invention, since both the reflected light from the bottom surface of the trench and the reflected light from the sample surface forming the trench are detected in parallel during the Z-axis scan, the optical axis direction of the sample surface and the bottom surface of the trench is The position can be detected by a single Z-axis scan. FIG. 4 shows the change in the luminance value of the output signal from the light receiving element that receives the reflected light from the sample surface of the light detection means 12 with respect to the position in the optical axis direction of the stage during the Z-axis scan, and the reflected light from the bottom surface of the trench. The change of the luminance value of the output signal from the light receiving element that receives light is shown. The solid line indicates the luminance value of the output signal from the light receiving element that receives the reflected light from the bottom surface of the trench, and the broken line indicates the luminance value of the output signal from the light receiving element that receives the reflected light from the sample surface. As shown in FIG. 4, the light receiving element that receives the reflected light from the bottom surface of the trench and the light receiving element that receives the reflected light from the sample surface output a peak luminance value corresponding to the displacement in the optical axis direction. Therefore, the difference between the positions in the optical axis direction at the time when the two peak luminance values are detected corresponds to the depth of the trench.
図5は信号処理装置におけるトレンチ深さを算出するアルゴリズムの一例を示す線図である。信号処理回路10には、光検出手段12の各受光素子から出力される輝度信号が入力する。また、位置センサ9から出力され、ステージの光軸方向の位置を示す位置信号も入力する。光検出手段12から出力された輝度信号は順次増幅器13により増幅され、A/D変換器30によりデジタル信号に変換されて信号処理装置10に入力する。入力した輝度信号は比較器31及びセレクタ32にそれぞれ供給する。セレクタ32により選択された輝度信号は第1のフレームメモリ33に記憶する。第1のフレームメモリ33に記憶されている輝度信号は比較器31及びセレクタ32に供給する。比較器31は、新たに入力した各画素の輝度値とフレームメモリ33に記憶されている各画素の輝度値とを比較し、新たに入力した輝度信号の輝度値が大きい場合、当該輝度信号を選択する選択信号をセレクタ32に出力する。セレクタ32は、比較器からの選択信号を受信した場合、新たに入力した輝度信号を選択して第1のフレームメモリ33に出力する。一方、比較器から選択信号が供給されない場合、フレームメモリに記憶されている輝度信号を出力する。
FIG. 5 is a diagram showing an example of an algorithm for calculating the trench depth in the signal processing device. A luminance signal output from each light receiving element of the light detection means 12 is input to the
位置センサ9から出力される位置信号は、第2のフレームメモリ34に供給される。第2のフレームメモリ34は、光検出手段の画素に対応するメモリ素子を有し、各メモリ素子ごとに最大輝度値が発生した時点におけるステージの位置を記憶する。第2のフレームメモリ34には、比較器からの選択信号も供給される。供給される選択信号は第2のフレームメモリ26に書込制御信号として作用する。よって、比較器から選択信号が供給された際、距離センサから出力される位置信号がフレームメモリに書き込まれる。
The position signal output from the position sensor 9 is supplied to the
本発明では、トレンチの底面からの反射光及びトレンチ付近の試料表面からの反射光の両方を並行して検出する。この場合、トレンチの底面の像及び試料表面の像は光検出手段上において別々の受光素子上に形成されるので、ステージの位置調整を行って、光検出手段上におけるトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子及び試料表面からの反射光を受光する受光素子を予め特定しておくことが望ましい。 In the present invention, both the reflected light from the bottom surface of the trench and the reflected light from the sample surface near the trench are detected in parallel. In this case, since the image of the bottom surface of the trench and the image of the sample surface are formed on separate light receiving elements on the light detecting means, the position of the stage is adjusted and the reflected light from the bottom surface of the trench on the light detecting means. It is desirable to identify in advance a light receiving element that receives light and a light receiving element that receives reflected light from the sample surface.
Z軸スキャンの開始に伴い、ステージが上昇を開始する。光検出手段12は試料表面からの反射光及びトレンチの底面からの反射光を受光し、輝度信号を順次出力する。同時に、位置センサ9もステージの光軸方向の位置を検出し、順次位置信号を出力する。Z軸スキャン中に、輝度の高い輝度信号が入力すると、第1及び第2のフレームメモリの内容が順次更新される。そして、対物レンズの焦点が試料表面上に位置すると、試料表面からの反射光を受光する受光素子から最大輝度値が出力され、比較器が選択信号を発生する。この選択信号により最大輝度値が発生した時点のステージの位置が第2のフレームメモリに書き込まれる。さらに、ステージが上昇し、対物レンズの焦点がトレンチの底面に到達すると、トレンチの底面からの反射光を受光する受光素子から最大輝度値が発生する。同時に、比較器から選択信号が発生し、第2のフレームメモリ34に供給され、選択信号の入力に応じて、その時点のステージの位置信号が第2のフレームメモリに書き込まれる。
As the Z-axis scan starts, the stage starts to rise. The light detection means 12 receives reflected light from the sample surface and reflected light from the bottom surface of the trench, and sequentially outputs luminance signals. At the same time, the position sensor 9 also detects the position of the stage in the optical axis direction and sequentially outputs position signals. When a high luminance signal is input during the Z-axis scan, the contents of the first and second frame memories are sequentially updated. When the focal point of the objective lens is positioned on the sample surface, the maximum luminance value is output from the light receiving element that receives the reflected light from the sample surface, and the comparator generates a selection signal. The position of the stage when the maximum luminance value is generated by this selection signal is written into the second frame memory. Further, when the stage is raised and the focal point of the objective lens reaches the bottom surface of the trench, a maximum luminance value is generated from the light receiving element that receives the reflected light from the bottom surface of the trench. At the same time, a selection signal is generated from the comparator, supplied to the
Z軸スキャンが終了すると、試料表面からの反射光を受光する受光素子に対応するメモリ素子の位置信号とトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子に対応するメモリ素子の位置信号をそれぞれ差分手段35に出力する。差分手段35は、2つの位置信号の差分を形成し、トレンチの深さ情報として出力する。このように、本発明では、1回のZ軸スキャンを行うだけで、トレンチの深さを測定することが可能である。
When the Z-axis scan is completed, the difference between the position signal of the memory element corresponding to the light receiving element that receives the reflected light from the sample surface and the position signal of the memory element corresponding to the light receiving element that receives the reflected light from the bottom surface of the trench, respectively. It outputs to the
図6は本発明によるトレンチ深さ測定装置の変形例を示す図である。尚、図1で用いた部材と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。本例では、照明光として直線偏光したレーザ光を用い、トレンチの側壁に対してS偏光した照明光が入射するように、すなわち、レーザ光の電界ベクトルの振動方向がトレンチの長手方向と平行になるように設定し、トレンチに向かう照明光及びトレンチから出射する反射光がトレンチの側壁により吸収される割合をできるだけ低減させる。照明ビームを発生する光源として、パルス発振型のエキシマレーザ40を用いる。エキシマレーザ40は、例えば193nmの波長の直線偏光したレーザビームを放出する。エキシマレーザ40は、トレンチを含む試料表面を照明する際、トレンチの側壁に対してS偏光したレーザ光が入射するように偏光状態を調整する。エキシマレーザ40から出射したレーザビームは、ビームリデューサ41に入射する。ビームリデューサ41は、凸レンズ41aと凹レンズ41bとが組合わされ、入射したレーザビームのビーム径を小さくする。ビームリデューサ41から出射したレーザビームは、シリンドリカルレンズ2に入射し、一方向(紙面内方向)に集束性を有するレーザビームに変換される。尚、エキシマレーザ40から出射する直線偏光したレーザ光の電界ベクトルの方向は、シリンドリカルレンズ2による集束方向と一致させる。すなわち、後述する対物レンズから出射する直線偏光したライン状照明ビームについて、ライン状ビームの延在方向と電界ベクトルとが互いに直交するように設定する。この場合、ライン状の照明ビームが試料に形成されているトレンチの長手方向と直交するように照明した場合、ライン状照明ビームの電界ベクトルは、トレンチの長手方向と平行になるように設定される。尚、電界ベクトルの方向と瞳パターンとの関係は、図2に示す通りであり、ライン状の瞳パターンの延在方向と電界ベクトルの方向とを一致させる。
FIG. 6 is a view showing a modification of the trench depth measuring apparatus according to the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the component same as the member used in FIG. In this example, linearly polarized laser light is used as illumination light so that S-polarized illumination light is incident on the sidewall of the trench, that is, the oscillation direction of the electric field vector of the laser light is parallel to the longitudinal direction of the trench. The ratio of the illumination light toward the trench and the reflected light emitted from the trench is absorbed by the sidewall of the trench as much as possible. A
シリンドリカルレンズ2から出射したレーザビームは、スペックルパターン除去手段42に入射する。スペックルパターン除去手段42はモータ42aとモータ42aに連結した回転拡散板42bと有し、入射したレーザビームはスペックルパターンが時間的に変化するレーザビームに変換される。スペックルパターン除去手段から出射したレーザビームは、合成石英により構成されホモジナイザーとして機能する角ロッド43に入射する。レーザビームを用いて撮像された画像はスペックルパターン有するが、回転拡散板を通過する間に位相分布が変調され、角ロッドを通過する間に断面がほぼ均一な輝度分布のレーザビームに変換される。角ロッド43から出射したレーザビームはスリット手段3に入射する。スリット手段3は、紙面と直交する方向、すなわちシリンドリカルレンズの集束方向と直交する方向に延在するスリット開口を有し、入射したレーザビームはスリット開口を通過し、発散性のライン状ビームとして集束性レンズ4に入射する。集束性レンズ4は、入射したレーザビームに対して、スリット開口の延在方向(紙面と直交する方向)の成分についてはビームを集束するように作用し、スリット開口の延在方向と直交する方向(紙面内方向)の成分については発散性ビームが光軸に平行な平行ビームとなるように作用する。
The laser beam emitted from the
集束性レンズ4から出射したレーザビームは、ビームスプリッタ5で反射し、対物レンズ6に入射する。本例では、ビームスプリッタとしてハーフミラーを用い、直線偏光したレーザビームを対物レンズに入射させる。対物レンズ6は、入射したレーザビームを集束性のライン状照明ビームに変換し、トレンチが形成されている試料表面をライン状の直線偏光した照明ビームにより照明する。
The laser beam emitted from the converging lens 4 is reflected by the
図1に示す実施例と同様に、瞳位置に形成されたライン状の瞳パターンは、対物レンズ6により試料表面上に結像され、トレンチと直交するライン状の照明エリアが試料表面上に形成される。よって、トレンチの内部及びトレンチが形成される試料表面の両方を同時に照明する。照明ビームの電界ベクトルの振動方向は、ライン状照明ビームの延在方向と直交する方向に設定されているので、トレンチの内部には、電界ベクトルがトレンチの長手方向と平行に設定されている直線偏光した照明光が入射する。 As in the embodiment shown in FIG. 1, the line-shaped pupil pattern formed at the pupil position is imaged on the sample surface by the objective lens 6, and a line-shaped illumination area perpendicular to the trench is formed on the sample surface. Is done. Therefore, both the inside of the trench and the sample surface where the trench is formed are illuminated simultaneously. The vibration direction of the electric field vector of the illumination beam is set in a direction orthogonal to the extending direction of the line-shaped illumination beam. Therefore, a straight line in which the electric field vector is set in parallel to the longitudinal direction of the trench is formed inside the trench. Polarized illumination light enters.
試料7からの反射光、すなわちトレンチの底面からの反射光及びトレンチの周囲の試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、ビームスプリッタ5及び結像レンズ11を経て光検出手段12に入射する。光検出手段12からの出力信号は、信号処理装置10から供給される駆動信号により順次読み出され、増幅器13により増幅された後、信号処理装置10に供給される。
The reflected light from the
本例では、試料7を支持するステージ8は光軸方向に静止した状態に維持し、対物レンズ6を光軸方向に移動させてZ軸スキャンを行う。対物レンズ6は光軸方向に移動可能に支持されると共にサーボモータ44を連結する。サーボモータ44にエンコーダ45を連結し、対物レンズの光軸方向の位置を検出する。検出された位置情報は、信号処理装置10に供給する。そして、前述した実施例と同様に、信号処理装置10は、光検出手段12から出力信号とエンコーダ44からの位置情報とを用いて試料に形成されたトレンチの深さを算出する。
In this example, the
次に、直線偏光した照明光の電界ベクトルの振動方向による作用効果について説明する。トレンチの底面からの反射光を用いて深さ測定する場合、底面からの反射光の光量が少ないと、光検出手段から出力される信号レベルが低くなり、ピーク輝度値の検出精度が低下する不具合が発生する。特に、高アスペクト比のトレンチの深さを測定する場合、対物レンズからトレンチの内部に進行する照明光及びトレンチの底面からの反射光に対するトレンチ側壁による光吸収が問題となる。そこで、照明光の偏光状態(電界ベクトルの振動方向)とトレンチの側壁における反射率との関係について検討した。すなわち、照明光がトレンチの内部に進入する際、トレンチの側壁で反射し或いは反射を繰り返してトレンチの底面に入射する。また、トレンチの底面で反射した反射光も、トレンチの側壁で反射しトレンチから出射する。従って、トレンチの側壁に対する照明光の反射率により、トレンチから出射する反射光の光量が変化することが想定される。そこで、直線偏光した照明光の偏光状態によって、トレンチの側壁に対する反射率がどのように変化するかについて検討した。 Next, the effect of the vibration direction of the electric field vector of linearly polarized illumination light will be described. When measuring the depth using the reflected light from the bottom of the trench, if the amount of reflected light from the bottom is small, the signal level output from the light detection means will be low and the detection accuracy of the peak luminance value will be reduced Will occur. In particular, when measuring the depth of a trench with a high aspect ratio, light absorption by the trench sidewall with respect to illumination light traveling from the objective lens into the trench and reflected light from the bottom surface of the trench becomes a problem. Therefore, the relationship between the polarization state of illumination light (vibration direction of the electric field vector) and the reflectance at the sidewall of the trench was examined. That is, when the illumination light enters the inside of the trench, it is reflected on the side wall of the trench or repeatedly reflected and enters the bottom surface of the trench. The reflected light reflected from the bottom surface of the trench is also reflected from the sidewall of the trench and emitted from the trench. Therefore, it is assumed that the amount of reflected light emitted from the trench varies depending on the reflectance of the illumination light with respect to the sidewall of the trench. Then, it examined how the reflectance with respect to the side wall of a trench changes with the polarization states of the linearly polarized illumination light.
図7は、結晶シリコンの波長193nmにおける強度反射率(屈折率:0.883,消衰係数2.778)を示すグラフである。このデータは、刊行物「Handbook of Optical Constance of Solids」(Edard D. Palik 著、Academic Press, Boston, 1985)に記載されたデータである。横軸は入射角(度)を示し、縦軸は強度反射率を示す。図7において、実線は結晶シリコンの表面に対してS偏光した照明光が入射した時の強度反射率を示し、破線はP偏光した照明光が入射した時の強度反射率を示す。S偏光は電界ベクトル(電気ベクトル)の振動方向が入射面に対して直交する方向であり、従って、電界ベクトルの振動方向はシリコン結晶の表面と平行である。これに対して、P偏光は、入射面に対して電界ベクトルの振動方向は平行であり、従って、電界ベクトルの振動方向はシリコン結晶の表面に対して直交する方向である。 FIG. 7 is a graph showing the intensity reflectance (refractive index: 0.883, extinction coefficient 2.778) of crystalline silicon at a wavelength of 193 nm. This data is the data described in the publication “Handbook of Optical Constance of Solids” (Edard D. Palik, Academic Press, Boston, 1985). The horizontal axis indicates the incident angle (degrees), and the vertical axis indicates the intensity reflectance. In FIG. 7, the solid line indicates the intensity reflectance when S-polarized illumination light is incident on the surface of crystalline silicon, and the broken line indicates the intensity reflectance when P-polarized illumination light is incident. S-polarized light is a direction in which the vibration direction of the electric field vector (electric vector) is perpendicular to the incident surface, and therefore the vibration direction of the electric field vector is parallel to the surface of the silicon crystal. On the other hand, in the P-polarized light, the vibration direction of the electric field vector is parallel to the incident surface, and therefore the vibration direction of the electric field vector is a direction orthogonal to the surface of the silicon crystal.
図7を参照するに、入射角が0度付近では、S偏光及びP偏光共に反射率が70%程度である。照明光がS偏光の場合、入射角に対して反射率は徐々に増大し、入射角が60°を超えると反射率は80%以上になる。さらに、入射角が90°になると反射率は100%になる。一方、照明光がP偏光の場合、入射角が大きくなるにしたがって反射率は徐々に低下し、入射角が70°付近で最小値となり、その後徐々に増大し、入射角が90度付近ではS偏光と同様に反射率は100%である。当該データより、シリコン結晶の表面に対する入射角が比較的大きい場合、S偏光の方がP偏光よりも反射率が高いことが示される。 Referring to FIG. 7, when the incident angle is around 0 degrees, the reflectance of both S-polarized light and P-polarized light is about 70%. When the illumination light is S-polarized light, the reflectance gradually increases with respect to the incident angle, and when the incident angle exceeds 60 °, the reflectance becomes 80% or more. Further, when the incident angle is 90 °, the reflectance becomes 100%. On the other hand, when the illumination light is P-polarized light, the reflectance gradually decreases as the incident angle increases, reaches a minimum value when the incident angle is around 70 °, and then gradually increases. Similar to the polarization, the reflectance is 100%. The data shows that when the incident angle with respect to the surface of the silicon crystal is relatively large, the reflectance of S-polarized light is higher than that of P-polarized light.
上記データをトレンチに入射する照明光について適用する。シリコン基板に形成されたトレンチを直線偏光した照明光で照明する場合、照明光は回折作用を受けるため、トレンチの側壁に対する入射角は90°から若干変位している。光源から出射した照明光はトレンチの側壁で反射しながらトレンチの底面に入射する。トレンチの底面からの反射光も側壁で反射し、トレンチから出射する。従って、トレンチの側壁における反射率が高いほど、照明光のトレンチにおける損失が小さい。従って、上記結晶シリコンの波長193nmにおける強度反射率のデータに基づけば、照明光としてS偏光した光を用い、トレンチに対してS偏光した光を投射することにより、トレンチにおける光損失が低減された深さ測定が可能になる。ここで、S偏光の場合、電界ベクトルの振動方向は入射面に対して垂直であるから、トレンチに入射する際、その電界ベクトルの振動方向はトレンチの側壁に対して平行になり、トレンチの長手方向に対して平行に設定される。 The above data is applied to the illumination light incident on the trench. When illuminating a trench formed in a silicon substrate with linearly polarized illumination light, the illumination light is diffracted, so that the incident angle with respect to the sidewall of the trench is slightly displaced from 90 °. The illumination light emitted from the light source is incident on the bottom surface of the trench while being reflected by the sidewall of the trench. Reflected light from the bottom surface of the trench is also reflected by the side wall and emitted from the trench. Therefore, the higher the reflectance at the sidewall of the trench, the smaller the loss of illumination light in the trench. Therefore, based on the intensity reflectance data of the crystalline silicon at a wavelength of 193 nm, the light loss in the trench is reduced by using the S-polarized light as the illumination light and projecting the S-polarized light to the trench. Depth measurement is possible. Here, in the case of S-polarized light, the vibration direction of the electric field vector is perpendicular to the incident surface, and therefore when the light enters the trench, the vibration direction of the electric field vector is parallel to the sidewall of the trench, and the length of the trench Set parallel to the direction.
図7に示す強度反射率のデータに対する検討結果より、照明光として電界ベクトルの方向がトレンチの長手方向と平行に設定された直線偏光した光を用いることにより、トレンチにより吸収される照明光及び反射光の割合を大幅に減少させることが可能であることが確認された。特に、トレンチの幅が照明光の波長程度に設定されている場合であっても、十分な反射光量が確保される。この検討結果より、スリット幅が照明光の波長にほぼ等しく且つアスペトク比が10程度の高アスペクト比のトレンチであっても、高精度の深さ測定が可能になる。 From the examination result of the intensity reflectance data shown in FIG. 7, the illumination light absorbed and reflected by the trench is obtained by using linearly polarized light whose electric field vector direction is set parallel to the longitudinal direction of the trench as illumination light. It was confirmed that the ratio of light can be greatly reduced. In particular, even when the width of the trench is set to about the wavelength of the illumination light, a sufficient amount of reflected light is ensured. From this examination result, it is possible to measure the depth with high accuracy even for a trench having a high aspect ratio with a slit width substantially equal to the wavelength of the illumination light and an aspect ratio of about 10.
さらに、トレンチの長手方向と直交する方向に延在するライン状の照明ビームを用いると共に照明ビームの電界ベクトルの方向をトレンチの長手方向と平行に設定することによる相乗効果として、光検出手段から出力される輝度信号の信号レベルが相当高くなり、紫外域又は深紫外域(DUV)の照明光を用いて波長レベルの幅(0.2μm程度)のトレンチの深さを高精度に測定することが可能になる。尚、トレンチが導波路として作用する場合、導波モードに応じて群遅延を考慮して、測定結果を補正すればよい。 Furthermore, as a synergistic effect by using a linear illumination beam extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the trench and setting the direction of the electric field vector of the illumination beam in parallel with the longitudinal direction of the trench, output from the light detection means The signal level of the luminance signal to be generated becomes considerably high, and the depth of the trench having a wavelength level width (about 0.2 μm) can be measured with high accuracy using illumination light in the ultraviolet region or deep ultraviolet region (DUV). It becomes possible. When the trench acts as a waveguide, the measurement result may be corrected in consideration of the group delay according to the waveguide mode.
図8は本発明によるトレンチ深さ測定装置の別の変形例を示す図である。本例では、試料表面の2次元画像を撮像する撮像モードと試料に形成されたトレンチの深さを測定する深さ測定モードと有し、試料観察と深さ測定とを選択的に切り換えることができるトレンチ深さ測定装置について説明する。すなわち、撮像モードにおいて試料表面の2次元画像を撮像し、モニタ上に表示される試料表面の2次元画像を見ながら深さ測定されるべきトレンチの位置を調整する。そして、モード切り換えを行い、位置調整されたトレンチの深さは深さ測定モードにおいて測定する。尚、図6で用いた部材と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。 FIG. 8 is a view showing another modification of the trench depth measuring apparatus according to the present invention. This example has an imaging mode for capturing a two-dimensional image of the sample surface and a depth measurement mode for measuring the depth of a trench formed in the sample, and can selectively switch between sample observation and depth measurement. A possible trench depth measuring apparatus will be described. That is, a two-dimensional image of the sample surface is picked up in the imaging mode, and the position of the trench whose depth is to be measured is adjusted while viewing the two-dimensional image of the sample surface displayed on the monitor. Then, the mode is switched, and the depth of the trench whose position has been adjusted is measured in the depth measurement mode. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as the member used in FIG. 6, and the description is abbreviate | omitted.
図8を参照するに、ホモジナイザーとして機能する角ロッド43と集束性レンズ4との間の光路中に、スリット手段3をバイパスするためのバイパス光路手段60と、第1及び第2のリレーレンズ61及び62を配置する。第1及び第2のリレーレンズは、角ロッド43とスリット手段3との間に光路中に配置する。バイパス光路手段60は、第1及び第2のリレーレンズの間に配置した第1の全反射ミラー63と、第1の全反射ミラーで反射した照明光を反射する第2の全反射ミラー64と、第2の全反射ミラーから出射した照明光を集束させる集束性レンズ65と、集束性レンズ65から出射した照明光を反射する全反射ミラー66と、全反射ミラー66から出射した照明光を集束性レンズ4に入射させる第4の全反射ミラー67とを有する。これら第1の全反射ミラー63から第4の全反射ミラー67までの光路中に含まれる光学素子は一体的に組み合わされ、一体的に光路に出し入れ可能に構成する。バイパス光路手段60は、試料表面を観察する撮像モードにおいて光路中に配置され、深さ測定モードにおいては光路から外される。
Referring to FIG. 8, bypass optical path means 60 for bypassing the slit means 3 and first and
試料表面の2次元画像を撮像する撮像モードにおいて、角ロッド43から出射した照明ビームは、第1のリレーレンズ61、第1の全反射ミラー63、第2の全反射ミラー64、集束性レンズ65、第3の全反射ミラー66、及び第4の全反射ミラー67を含むバイパス光路を経て対物レンズ6の照明側の光路に結合される。そして、集束性レンズ4、ビームスプリッタ5及び対物レンズ6経て試料表面の2次元エリアを照明する。そして、試料7の表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、ビームスプリッタ及び結像レンズ11を経て2次元撮像素子で構成される光検出手段12に入射する。光検出手段からの出力信号は増幅されて信号処理装置10に供給され、試料表面の2次元画像信号が出力される。よって、オペレータは、モニタ上に表示される試料の2次元画像を見ながら、深さ測定されるトレンチが所望の位置に位置するようにステージの位置を調整する。
In the imaging mode for capturing a two-dimensional image of the sample surface, the illumination beam emitted from the
位置調整が終了した後、モード切り換えを行い、深さ測定モードに切り換える。このモード切り換えによりバイパス光路手段60を照明光学系の光路から取り外され、深さ測定が実行される。深さ測定モードにおいて、角ロッド43から出射したライン状の照明ビームは、第1及び第2のリレーレンズ61及び62を通過し、スリット手段3に入射する。さらに、スリット手段3のスリット開口を通過し、集束性レンズ4及びビームスプリッタ5を経て対物レンズ6に入射する。そして、試料7に形成されたトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明ビームとなってトレンチを含む試料表面を照明する。以下、図5に示す実施例に基づいて深さ測定が行われる。
After the position adjustment is completed, switch the mode and switch to the depth measurement mode. By this mode switching, the bypass optical path means 60 is removed from the optical path of the illumination optical system, and depth measurement is executed. In the depth measurement mode, the linear illumination beam emitted from the
図9は本発明によるトレンチ深さ測定方法のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。ステップ1において、トレンチ深さ測定装置のモードを撮像モードに設定し、試料表面の2次元画像を撮像し、ライン状の照明ビームと交差するようにトレンチの位置を調整する。
FIG. 9 is a flowchart showing an example of the algorithm of the trench depth measurement method according to the present invention. In
次に、モード切り換えを行って撮像モードから深さ測定モードに切り換える。続いて、照明光学系を作動させ、試料表面のトレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成する(ステップ2)。 Next, the mode is switched to switch from the imaging mode to the depth measurement mode. Subsequently, the illumination optical system is operated to form a linear illumination area so as to intersect with the trench on the sample surface (step 2).
続いて、Z軸スキャンを実行する。この際、対物レンズをその上限位置から下限位置まで徐々に下降させる(ステップ3)。対物レンズの下降中、対物レンズの光軸方向の位置を検出し、位置情報として出力する。また、光検出手段上に形成されるトレンチの像及びトレンチ周囲の試料表面の像の輝度値も検出する。そして、図5に示す信号処理を行って最大輝度値を発生する対物レンズの光軸方向の位置を検出する。 Subsequently, a Z-axis scan is executed. At this time, the objective lens is gradually lowered from the upper limit position to the lower limit position (step 3). While the objective lens is descending, the position of the objective lens in the optical axis direction is detected and output as position information. Further, the brightness value of the image of the trench formed on the light detection means and the image of the sample surface around the trench is also detected. Then, the signal processing shown in FIG. 5 is performed to detect the position in the optical axis direction of the objective lens that generates the maximum luminance value.
Z軸スキャン中、初めに対物レンズの焦点が試料表面に近づき、焦点が試料表面上に位置すると、試料表面に焦線が形成される。その際、試料表面からの反射光を受光する受光素子から最大輝度値が出力される。最大輝度値が発生する対物レンズの光軸方向の位置が第1の位置として検出される(ステップ4)。 During the Z-axis scan, first, when the focal point of the objective lens approaches the sample surface and the focal point is located on the sample surface, a focal line is formed on the sample surface. At this time, the maximum luminance value is output from the light receiving element that receives the reflected light from the sample surface. The position in the optical axis direction of the objective lens where the maximum luminance value is generated is detected as the first position (step 4).
さらに対物レンズが降下すると、対物レンズの焦点はトレンチの底面に近づき、焦点がトレンチの底面上に位置すると、トレンチの像を検出する受光素子から最も高い輝度の輝度信号が出力され、その時点の対物レンズの光軸方向の位置を第2の位置として検出する(ステップ5)。 When the objective lens is further lowered, the focal point of the objective lens approaches the bottom surface of the trench, and when the focal point is located on the bottom surface of the trench, a light intensity signal having the highest luminance is output from the light receiving element that detects the image of the trench. The position of the objective lens in the optical axis direction is detected as the second position (step 5).
対物レンズが下限位置に到達すると、深さ測定は終了する。そして、試料表面の光軸方向の位置を示す第1の位置とトレンチの底面の光軸方向の位置を示す第2の位置との差分を形成し、トレンチの深さ情報として出力する。 When the objective lens reaches the lower limit position, the depth measurement ends. Then, a difference between the first position indicating the position of the sample surface in the optical axis direction and the second position indicating the position of the bottom surface of the trench in the optical axis direction is formed, and is output as trench depth information.
図10は本発明の基本原理を利用した共焦点顕微鏡の構成を示す図である。本例の共焦点顕微鏡は、深さ測定モードと2次元画像撮像モードとの間でモード切り換え可能な共焦点顕微鏡として機能する。尚、図1で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。光源1から出射した照明ビームは、シリンドリカルレンズ2により一方向に集束するライン状の照明ビームに変換され、スリット手段3、集束性レンズ4及びビームスプリッタ5を経てライン状の照明ビームとしてガルバノミラー70に入射する。ガルバノミラーは、試料表面の2次元画像を撮像する撮像モードにおいては、入射したライン状の照明ビームをその延在方向と直交する方向に周期的に偏向する走査装置として機能し、深さ測定モードにおいては静止状態に維持される静止ミラーとして機能する。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a confocal microscope using the basic principle of the present invention. The confocal microscope of this example functions as a confocal microscope that can be switched between the depth measurement mode and the two-dimensional image capturing mode. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as the component used in FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted. The illumination beam emitted from the
ガルバノミラー70から出射したライン状の照明ビームは、2つのリレーレンズ71及び72を経て瞳位置にライン状の瞳パターンを形成する。瞳パターンを形成するライン状の照明ビームは、対物レンズ6により集束され、試料7にトレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成する。
The line-shaped illumination beam emitted from the
試料7を支持するステージ8は、対物レンズ6の光軸と直交するX−Y面内で自在に移動することができると共に、対物レンズの光軸方向であるZ方向にも移動する。ステージ8は、撮像モード及び深さ測定モードの両方のモードにおいてZ軸スキャンを行う。従って、撮像モードにおいては、試料表面はライン状の照明ビームにより走査されると共にZ軸方向にも走査されることになる。一方、深さ測定モードにおいては、ガルバノミラーは固定ミラーとして機能するため、試料表面はライン状照明ビームによりZ軸方向にそって1次元スキャンされることになる。ステージ8には、Z軸方向の位置を検出する位置センサ9を連結する。位置センサ9は、Z軸スキャン中にステージの光軸方向の位置を検出し、検出した位置情報を信号処理装置10に出力する。
The
試料7からの反射光、すなわちトレンチの底部からの反射光及びトレンチ周囲の試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、リレーレンズ72及び71、ガルバノミラー70、ビームスプリッタ5及び結像レンズ11を経て光検出手段12に入射する。本例では、光検出手段として、複数の受光素子がライン状に配列されたラインセンサを用いる。光検出手段からの出力信号は、信号処理装置10から供給される駆動信号により順次読み出され、増幅器13により増幅された後、信号処理装置10に供給される。信号処理装置10は、光検出手段から出力される輝度信号と位置センサ9からの位置情報とを用いて図5に基づく処理を行い、各画素について、Z軸スキャン中に検出された最大輝度値をメモリに記憶すると共に最大輝度値を発生した時点のステージの光軸方向の位置を検出してメモリに記憶する。
The reflected light from the
試料表面の2次元画像を撮像する撮像モードにおいて、各画素が最大輝度値により構成される試料表面の2次元画像が出力されると共に最大輝度値を発生するステージの位置情報、すなわち試料表面の形状情報も出力される。よって、試料表面の3次元画像を出力することができる。一方、深さ測定モードにおいては、ガルバノミラー70は静止し、ステージ移動によるZ軸スキャンだけが行われるので、信号処理装置は、試料表面の光軸方向の位置を示す第1の位置とトレンチの底面の光軸方向の位置を示す第2の位置とに基づき、トレンチの深さ情報を出力する。
In an imaging mode for capturing a two-dimensional image of the sample surface, the position information of the stage that outputs the maximum luminance value and outputs the two-dimensional image of the sample surface in which each pixel is configured with the maximum luminance value, that is, the shape of the sample surface Information is also output. Therefore, a three-dimensional image of the sample surface can be output. On the other hand, in the depth measurement mode, the
本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、センサ手段によりステージ又は対物レンズの光軸方向の位置を検出し位置情報として出力したが、ステージ及び対物レンズの移動量を用いて位置情報として利用することも可能である。さらに、対物レンズに距離センサを固定し、距離センサにより対物レンズと試料との間の距離を測定し、測定された距離情報を用いてステージ又は対物レンズの光軸方向の変位量を求めることも可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made. For example, in the above-described embodiment, the position of the stage or the objective lens in the optical axis direction is detected by the sensor means and output as the position information. However, the position information can be used by using the movement amount of the stage and the objective lens. is there. Further, a distance sensor may be fixed to the objective lens, the distance between the objective lens and the sample may be measured by the distance sensor, and the displacement amount of the stage or the objective lens in the optical axis direction may be obtained using the measured distance information. Is possible.
さらに、トレンチの幅が測定値に影響を与える場合は、画像より求めたトレンチの幅の値を用いて深さの測定値を補正することも可能である。 Further, when the trench width affects the measurement value, the depth measurement value can be corrected using the trench width value obtained from the image.
1 光源
2 シリンドリカルレンズ
3 スリット手段
4 集束性レンズ
5 ビームスプリッタ
6 対物レンズ
7 試料
8 ステージ
9 位置センサ
10 信号処理装置
11 結像レンズ
12 光検出手段
13 増幅器
20 照明ビーム
30 A/D変換器
31 比較器
32 セレクタ
33 第1のフレームメモリ
34 第2のフレームメモリ
35 差分手段
40 エキシマレーザ
41 ビームリデューサ
42 スペックルパターン除去手段
43 角ロッド
44 サーボモータ
45 エンコーダ
DESCRIPTION OF
Claims (17)
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてZ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Z軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具えることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。 A trench depth measuring device for measuring the depth of a trench formed in a sample,
A stage for supporting a sample in which a trench to be depth-measured is formed;
A light source device that generates an illumination beam; and an objective lens that projects the illumination beam toward the sample. A linear pupil pattern parallel to the longitudinal direction of the trench is formed at a pupil position between the light source device and the objective lens. An illumination optical system that forms a line-shaped illumination area that intersects the trench on the sample surface where the trench is formed;
Scanning means for performing Z-axis scanning by changing the relative distance in the optical axis direction between the objective lens and the sample;
Sensor means for detecting the position in the optical axis direction of the objective lens or stage during the Z-axis scan or the distance in the optical axis direction between the objective lens and the stage, and outputting the position information or distance information from the sample surface near the trench A light detecting means for receiving the reflected light from the bottom of the trench and the reflected light from the bottom of the trench through the objective lens;
A trench depth comprising a signal processing device for outputting trench depth information based on a luminance signal output from the light detection means and position information or distance information output from the sensor means. measuring device.
前記スリット手段、前記試料及び光検出手段は共役な位置に配置されることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。 2. The trench depth measuring apparatus according to claim 1, wherein the light source device includes a light source that emits an illumination beam, a cylindrical lens that converts the illumination beam emitted from the light source into a linear illumination beam, and a line that is emitted from the cylindrical beam. Slit means having a slit-like opening for passing a shaped illumination beam,
The trench depth measuring apparatus, wherein the slit means, the sample, and the light detecting means are arranged at conjugate positions.
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
直線偏光した照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてZ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Z軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記試料表面に入射する照明ビームを構成する直線偏光した光の電界ベクトルの方向は、トレンチの長手方向に対してほぼ平行に設定されることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。 A trench depth measuring device for measuring the depth of a trench formed in a sample,
A stage for supporting a sample in which a trench to be depth-measured is formed;
A light source device that generates a linearly polarized illumination beam, and an objective lens that projects the illumination beam toward the sample, and has a line shape parallel to the longitudinal direction of the trench at the pupil position between the light source device and the objective lens. An illumination optical system that forms a pupil pattern and forms a linear illumination area that intersects the trench on the sample surface on which the trench is formed;
Scanning means for performing Z-axis scanning by changing the relative distance in the optical axis direction between the objective lens and the sample;
Sensor means for detecting the position in the optical axis direction of the objective lens or stage during the Z-axis scan or the distance in the optical axis direction between the objective lens and the stage, and outputting the position information or distance information from the sample surface near the trench A light detecting means for receiving the reflected light from the bottom of the trench and the reflected light from the bottom of the trench through the objective lens;
A signal processing device that outputs the depth information of the trench based on the luminance signal output from the light detection means and the position information or distance information output from the sensor means,
The trench depth measurement apparatus, wherein the direction of the electric field vector of linearly polarized light constituting the illumination beam incident on the sample surface is set substantially parallel to the longitudinal direction of the trench.
前記スリット手段、前記試料及び光検出手段は共役な関係に配置されていることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。 5. The trench depth measurement apparatus according to claim 1, wherein the light source device emits linearly polarized laser light and a laser beam emitted from the laser light source is linearly illuminated. A cylindrical lens for converting into a beam, and slit means having a slit-like opening for passing a linear illumination beam emitted from the cylindrical,
The trench depth measuring apparatus, wherein the slit means, the sample, and the light detecting means are arranged in a conjugate relationship.
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記トレンチが形成されている試料表面を照明する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてZ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Z軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ周囲の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
深さ測定モードにおいて、前記光検出手段から出力される輝度信号と前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力し、撮像モードにおいては、前記光検出手段から出力される輝度信号に基づいて試料表面の2次元画像情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記照明光学系は、深さ測定モードにおいて、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成し、撮像モードにおいては、試料表面の2次元エリアを照明することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。 A trench depth measurement device that can be switched between an imaging mode for capturing a two-dimensional image of a sample surface on which a trench is formed and a depth measurement mode for measuring the depth of the trench,
A stage for supporting a sample in which a trench to be depth-measured is formed;
An illumination optical system that illuminates the surface of the sample on which the trench is formed, and includes a light source device that generates an illumination beam and an objective lens that projects the illumination beam toward the sample;
Scanning means for performing Z-axis scanning by changing the relative distance in the optical axis direction between the objective lens and the sample;
Sensor means for detecting the position in the optical axis direction of the objective lens or stage during the Z-axis scan or the distance in the optical axis direction between the objective lens and the stage, and outputting as positional information or distance information from the sample surface around the trench A light detecting means for receiving the reflected light from the bottom of the trench and the reflected light from the bottom of the trench through the objective lens;
In the depth measurement mode, trench depth information is output based on the luminance signal output from the light detection means and the position information or distance information output from the sensor means. In the imaging mode, the light detection is performed. A signal processing device for outputting two-dimensional image information of the sample surface based on the luminance signal output from the means,
In the depth measurement mode, the illumination optical system forms a line-shaped pupil pattern parallel to the longitudinal direction of the trench at the pupil position between the light source device and the objective lens, and on the sample surface where the trench is formed. A trench depth measuring apparatus, wherein a line-shaped illumination area intersecting with a trench is formed and a two-dimensional area on a sample surface is illuminated in an imaging mode.
前記撮像モードにおいて、光路中にバイパス光路手段が挿入され、前記シリンドリカルレンズから出射した照明ビームはバイパス光路手段を経て対物レンズに入射し、
前記深さ測定モードにおいては、バイパス光路手段が光路から外され、シリンドリカルレンズから出射したライン状の照明ビームはスリット手段を経て対物レンズに入射することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。 13. The trench depth measurement apparatus according to claim 12, wherein the light source device includes a light source that emits an illumination beam, a cylindrical lens that converts the illumination beam emitted from the light source into a linear illumination beam, and a line emitted from the cylindrical beam. A slit means having a slit-shaped opening for passing a shaped illumination beam, and a bypass optical path means that is selectively disposed in the optical path and bypasses the slit means,
In the imaging mode, a bypass optical path means is inserted in the optical path, and the illumination beam emitted from the cylindrical lens enters the objective lens through the bypass optical path means,
In the depth measurement mode, the bypass optical path means is removed from the optical path, and the linear illumination beam emitted from the cylindrical lens is incident on the objective lens through the slit means.
光源と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する工程と、
試料表面と対物レンズとの間の相対距離を変化させることによりZ軸スキャンを行う工程と、
前記Z軸スキャン中に、対物レンズの焦点がトレンチ周囲の試料表面上に位置した時の対物レンズ又はステージの光軸方向の位置を示す第1の位置と、対物レンズの焦点がトレンチの底面に位置した時の対物レンズ又はステージの光軸方向の位置を示す第2の位置とを検出する位置検出工程と、
検出された第1の位置と第2の位置との間の距離をトレンチの深さ情報として出力する工程とを含むことを特徴とするトレンチ深さ測定方法。 A trench depth measurement method for measuring the depth of a trench formed in a sample,
Forming a line-shaped pupil pattern parallel to the longitudinal direction of the trench at the pupil position between the light source and the objective lens, and forming a line-shaped illumination area intersecting the trench on the sample surface where the trench is formed When,
Performing a Z-axis scan by changing the relative distance between the sample surface and the objective lens;
During the Z-axis scan, the first position indicating the position of the objective lens or stage in the optical axis direction when the focal point of the objective lens is located on the sample surface around the trench, and the focal point of the objective lens on the bottom surface of the trench A position detection step of detecting a second position indicating the position of the objective lens or the stage in the optical axis direction when positioned;
And a step of outputting the detected distance between the first position and the second position as trench depth information.
観察されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記照明ビームを前記トレンチを含む試料表面内で相対的に走査する走査手段と、
前記トレンチ部分からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号に基づき、トレンチを含む試料表面の2次元画像を形成する信号処理装置とを有することを特徴とする共焦点顕微鏡。
A confocal microscope for observing a trench formed in a sample,
A stage that supports the sample in which the trench to be observed is formed;
A light source device that generates an illumination beam; and an objective lens that projects the illumination beam toward the sample. A linear pupil pattern parallel to the longitudinal direction of the trench is formed at a pupil position between the light source device and the objective lens. An illumination optical system that forms a line-shaped illumination area that intersects the trench on the sample surface where the trench is formed;
Scanning means for relatively scanning the illumination beam within a sample surface including the trench;
Light detection means for receiving reflected light from the trench portion through the objective lens;
A confocal microscope, comprising: a signal processing device that forms a two-dimensional image of a sample surface including a trench based on a luminance signal output from a light detection means.
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