CN101131318A - 沟槽图案的深度的测定方法和测定装置 - Google Patents

Abstract

一种沟槽图案的深度的测定方法和测定装置，把在测定区域(93)形成有沿给定沟槽方向延伸的沟槽图案的基板(9)保持在保持部(21)上；光照明部(3)对基板(9)的测定区域(93)照射照明光，分光器(5)的衍射光栅(52)把来自测定区域(93)的照明光的反射光分光，从而取得测定分光反射率。此时在沟槽形状测定装置(1)中，以使对应于衍射光栅(52)的光栅方向的基板(9)上的方向与沟槽方向45度的状态来配置衍射光栅(52)，所以即使在因沟槽图案的影响而限定了来自基板(9)的反射光的振动方向的情况下，也不会受反射光的偏振光的影响而能正确地求得测定区域(93)的分光反射率，并能高精度地求出沟槽图案的深度。

Description

沟槽图案的深度的测定方法和测定装置

技术领域

本发明涉及测定形成在基板上的沟槽图案的深度的技术。

背景技术

以往，提出过用分光干涉法非破坏性地测定形成在基板上的沟(沟槽)的图案(例如沿一个方向延伸的多条沟槽的集合)的深度的方法的技术方案，例如，在JP特公平6-65963号公报中公开如下的方法：把光照射在有沟槽的基板上，并把来自基板的反射光分光后取得分光光谱；用最大平均信息量法确定由基板的最上面与沟槽的底面之间的光程差引起的分光光谱中的峰值的周期，由此来测出沟槽深度。在日本专利第3740079号公报中，在测定通过蚀刻基板上的膜而形成的刻蚀槽的深度时，首先取得对基板上的原始厚度的膜所得到的光谱和假定在基板上形成有比该原始厚度薄的膜的情况下的光谱的理论值。该薄的膜对应于刻蚀槽的底面(即，原始厚度的膜与薄的膜的厚度之差为沟槽的深度)，通过将原始厚度的膜的光谱与薄的膜的光谱依据相应于设计的刻蚀槽的面积比的混合比混合起来，而获得分别对应于多种深度的刻蚀槽的多种混合光谱。然后把从基板得到的实际的光谱与多种混合光谱相比较来求出刻蚀槽的深度。

可是，在取得分光反射率时经常使用具有衍射光栅的分光器，但是，众所周知，在衍射光栅中，对于p偏振光和s偏振光来说，光入射强度与反射强度之比即衍射效率会因光的波长不同而有很大差异。另一方面，在测定形成在基板上的沟槽图案的深度时，根据各种条件的不同，沟槽图案的影响会限定来自基板的反射光的振动方向(即，来自基板的反射光成为偏振光)。因此，按入射到衍射光栅的反射光的振动方向就不能根据来自基板的反射光正确地求得分光反射率(spectral reflectance)，有时不能高精度地求得沟槽图案的深度。

在测定具有单层膜或多层膜的基板的沟槽图案的深度时，在比较从基板的反射光取得的测定分光反射率与通过运算求得的理论分光反射率的情况下，由于测定分光反射率受膜的影响，所以在理论分光反射率中也必须考虑膜的影响。但是，在基板上的膜极薄(例如膜厚为10nm)的情况下，即使想要比较把该膜的膜厚也作为参数的理论分光反射率与测定分光反射率来求得膜的膜厚和沟槽图案的深度，也无法高精度地决定这些参数的值。同样，多层膜形成在基板上的情况下也是如此。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形成在基板上的沟槽图案的深度的测定方法及装置，以能够高精度地求得沟槽图案的深度。

本发明的沟槽图案的深度的测定方法包括如下步骤：a步骤：对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板照射照明光；b步骤：把对来自所述基板的所述照明光的反射光进行引导的衍射光栅，以与所述衍射光栅的光栅方向对应的所述基板上的方向和所述给定方向所成的角度为40度以上50度以下的状态进行配置，所述衍射光栅接受所述反射光并将其分光；c步骤：检测器接受由所述b步骤分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；d步骤：将至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。按照本发明，能够高精度地求得沟槽图案的深度。

按照本发明的一个优选实施方式，在a步骤中，照明光经由数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜被导向基板，从而能够确实地进行照明光向沟槽图案的底面的照射。优选在d步骤中，参数中包含基板的表面上的最上面的面积率，并且把根据来自沟槽图案的底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数(複素振幅反射係数)乘以底面的面积率而得的数值、与根据来自最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以最上面的面积率而得的数值之和作为测定区域上的复数振幅反射系数，由此求出理论分光反射率。这样，就能够忽略来自沟槽图案的侧面的反射光的影响，可以容易地取得沟槽图案的深度以及底面的面积率和最上面的面积率。

其他优选的沟槽图案的深度的测定方法包括如下步骤：a步骤：对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板照射照明光；b步骤：使来自所述基板的所述照明光的反射光通过去偏振元件后，由衍射光栅接受并将其分光；c步骤：检测器接受由所述b步骤中分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；d步骤：对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。这样，能够高精度地求得沟槽图案的深度。

另外的其他优选的沟槽图案的深度的测定方法包括如下步骤：a步骤：对在形成有沟槽图案的测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域形成有至少一层膜的基板的所述辅助区域照射照明光；b步骤：根据来自所述辅助区域的所述照明光的反射光取得所述辅助区域的分光反射率，由此来求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；c步骤：对所述测定区域照射照明光；d步骤：根据来自所述测定区域的所述照明光的反射光取得所述测定区域的测定分光反射率；e步骤：利用在所述b步骤中取得的所述膜厚，对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。在具有至少一层膜的基板上，在不存在沟槽图案的区域内求得膜厚，就能够高精度地求出沟槽图案的深度。

本发明还提供在基板上形成的沟槽图案的深度的测定装置。

即，一种沟槽图案的深度的测定装置，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括：保持部，其对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板进行保持；光照射部，其对所述基板照射照明光；光学系统，其将来自所述基板的所述照明光的反射光导向给定位置；分光器，其具有配置在所述给定位置的衍射光栅，并处于使与所述衍射光栅的光栅方向对应的所述基板上的方向和所述给定方向的夹角成为40度以上50度以下的状态，且由所述衍射光栅接受所述反射光并将其分光；检测器，其接受由所述分光器分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；运算部，其对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

此外，本发明的沟槽图案的深度的测定装置，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括：保持部，其对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板进行保持；光照射部，其对所述基板照射照明光；分光器，其用衍射光栅接受来自所述基板的所述照明光的反射光并将其分光；去偏振元件，其配置在所述基板与所述衍射光栅之间的光路上；检测器，其接受由所述分光器分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；运算部，其对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

此外，本发明的沟槽图案的深度的测定装置，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括：保持部，其对在形成有沟槽图案的测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域形成有至少一层膜的基板进行保持；光照射部，其对所述基板照射照明光；分光器，其接受来自所述基板的所述照明光的反射光并将其分光；检测器，其接受由所述分光器分光后的光并取得分光反射率；照射位置变更部，其变更来自所述光照射部的所述照明光在所述基板上的照射位置；控制部，其通过对所述辅助区域照射照明光并由所述检测器根据来自所述辅助区域的所述照明光的反射光而取得所述辅助区域的分光反射率，由此求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；然后对所述测定区域照射照明光并由所述检测器根据来自所述测定区域的所述照明光的反射光取得所述测定区域的测定分光反射率，再利用所述膜厚，对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

附图说明

图1是有关第一实施方式的沟槽形状测定装置的构成图。

图2是进行沟槽图案的形状的测定的动作流程图。

图3是辅助膜厚测定的处理的流程图。

图4是垂直于沟槽方向的基板的剖面图。

图5是用于说明求得底面的复数振幅反射系数的处理的图。

图6是用于说明整个区域上的复数振幅反射系数的图。

图7是有关第二实施方式的沟槽形状测定装置的构成图。

具体实施方式

以下参照附图进行的本发明的详细说明将使上述的目的和其他目的、特征、状态和优点更加明确。

图1是有关第一实施方式的沟槽形状测定装置1的构成图。沟槽形状测定装置1是用来取得有关形成在半导体的基板9上的沟槽图案的深度等的沟槽图案的形状的信息的装置。实际上，为了取得有关沟槽图案的形状的信息，沟槽形状测定装置1还测定形成在基板9上的膜的膜厚。在本实施方式中，基板9的沟槽图案为沿一个方向延伸的多条沟槽的集合(即衍射光栅形状的图案)。

沟槽形状测定装置1具备：保持形成了沟槽图案的圆板状的基板9的保持部21、使保持部21以朝上下方向的轴为中心转动的转动机构22、经转动机构22使保持部21沿水平方向即X方向和Y方向移动的保持部移动机构23、射出照明光的光照射部3、把来自光照射部3的照明光导向基板9同时射入来自基板9的反射光的光学系统4、接受由光学系统4导入的反射光并将其分光的分光器5、接受被分光器5分光后的光并取得分光反射率的检测器6以及具有进行各种运算的运算部71同时承担沟槽形状测定装置1的整体控制的控制部7。保持部移动机构23具备省略了图示的X方向移动机构和Y方向移动机构，各移动机构中设置有马达、滚珠丝杠与导轨的组合。

光照射部3具有连接在电源31上的光源32，从光源32射出照明光(白光)。来自光源32的照明光经光学系统4的透镜41、42被导向半透半反镜43，朝基板9侧反射的照明光经物镜44被照射在基板9上。这时，物镜44的数值孔径(NA)被取为0.05以上0.1以下，照明光在大体垂直于基板9且接近于平行光的状态下，对基板9照射。

来自基板9的照明光的反射光被物镜44射入，经半透半反镜43和透镜45射入分光器5。分光器5具备带有针孔511的开口板51，通过针孔511的反射光被照射到表面上形成了沿一个方向延伸的多条沟槽的衍射光栅52上(图1中标有平行斜线来表示沟槽的区域，以下把沟槽延伸的方向叫做“光栅方向”。图1中描绘的衍射光栅52的沟槽条数远远少于实际数量)。此时，假定从基板9的位置射出了在基板9的主面上在Y方向有振动方向的直线偏振光的情况下，该直线偏振光的振动方向平行或垂直于衍射光栅52的光栅方向射入衍射光栅52。换言之，以使与衍射光栅52的光栅方向对应的基板9上的方向平行或垂直于Y方向的方式来配置衍射光栅52。衍射光栅52接受通过了针孔511的反射光并将其分光，分光后的光被导向检测器6的受光面上的根据波长而不同的位置。图1中省略了分光器5内的详细的构成要素的图示。

在检测器6的受光面上，多个受光元件排为一列，包含在给定波长带(以下称为“测定波长带”)内的各波长的光由对应的受光元件接受，从而取得该光的强度。在沟槽形状测定装置1中，预先将反射镜放置在保持部21上并照射照明光，取得来自该反射镜的反射光经由分光器5被照射到检测器6的各受光元件上时的光强度。将各受光元件获得的来自基板9的光的强度与用反射镜取得的光的强度之比，作为(相对)反射率。这样，作为分光反射率取得分别对应于包含在测定波长带中的多种波长的多个反射率的集合。在下面的说明中，把检测器6所取得的分光反射率叫做测定分光反射率。另外，也可以在检测器6的外部实现求取从基板9取得的光的强度与用反射镜取得的光的强度之比的运算。

然后参照图2来说明沟槽形状测定装置1进行沟槽图案的形状测定的动作的流程。在进行沟槽图案形状的测定时，首先用外部的传送装置把作为测定对象的基板9运送到沟槽形状测定装置1内，并放置保持在保持部21上(步骤S10)。此时，在基板9上的给定的测定区域93内，沟槽图案相对于形成在基板9上的基准部位(即，决定基板9的方向的部位，例如槽口或定向平面等)沿预定的方向延伸。在沟槽形状测定装置1中，使设置在保持部21上的定位销抵接在基准部位上，由此把基板9保持得朝向给定的方向。这样，使保持部21上的基板9的测定区域93内的沟槽图案的方向成为处于相对Y方向45度±5度(40度～50度)范围内的任意角度，优选仅倾斜45度的状态。换言之，对应于衍射光栅52的光栅方向的基板9上的方向与沟槽图案的延伸方向所成的夹角为40度以上50度以下，优选为45度。在以下的说明中，也把沟槽图案延伸的方向叫做沟槽方向。

接下来，确认取得有关沟槽图案的形状的信息(包含沟槽图案的深度等信息，以下称为“沟槽图案信息”)之前是否进行辅助测定形成在基板9上的膜的膜厚的处理(以下称为“辅助膜厚测定”)(步骤S11)。是否进行辅助膜厚测定要根据基板9的膜结构来决定，例如，在基板9上形成有极薄的单层膜或多层膜的情况下，为了提高沟槽图案信息的测定精度，就要进行辅助膜厚测定。在此，在基板9上形成有极薄的单层膜，进行辅助膜厚测定(步骤S12)。

图3表示的是辅助膜厚测定的处理流程，图4是垂直于沟槽方向的基板9的剖视图。图4中省略了基板9的剖面的平行斜线的图示(后述的图5也相同)。

如图4所示，在基板9的表面上形成有成分为二氧化硅(SiO₂)的薄的膜91(例如膜厚为10nm的膜，图4中把膜91图示得比实际的厚，后述的图5中也相同)，通过蚀刻膜91以及由硅(Si)形成的基板9的主体90来形成按一定的节距P1在垂直于沟槽方向的方向上排列的多条沟槽92。实际上，在基板9的主面上除了形成沟槽图案并成为测定对象的测定区域93之外，还形成有不存在沟槽图案的区域94(是所谓的β区域，因为是取得用来辅助沟槽图案形状的测定的信息的区域，所以以下叫做“辅助区域”)，在辅助膜厚测定中，保持部移动机构23把辅助区域94配置在基板9上的照明光的照射位置上之后，从光照射部3射出照明光，照射到辅助区域94上(步骤S121)。来自辅助区域94的反射光通过光学系统4被导入分光器5，并被分光(步骤S122)，由检测器6接受被分光的光，并取得辅助区域94的测定分光反射率(步骤S123)。

另一方面，在沟槽形状测定装置1中预先求出辅助膜厚测定中所使用的理论分光反射率，做好准备。这里，对辅助膜厚测定中的理论分光反射率予以描述。在求取理论分光反射率时，首先假定膜91的膜厚为d，膜91的折射率为N，向膜91入射的光(照明光)的入射角为θ，光的波长为λ，空气99与膜91的界面上的振幅反射系数为r₀₁，膜91与基板9的主体90的界面上的振幅反射系数为r₁₂；把各值代入式(1)，来求得对该波长λ的光的反射率R。在本实施方式中，设向膜91入射的光的入射角θ为0度(在后述的式(3)和式(4)中也都一样)。式(1)中的无下标的r表示复数振幅反射系数，β表示相位膜厚(对于β而言，后述的式(3)和式(4)中也都一样)。

$R={\left|r\right|}^2={\left|\frac{r_{01}+r_{12}\exp (-i2\mathrm{\β})}{1+r_{01}{r}_{12}\exp (-i2\mathrm{\β})}\right|}^2\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中β＝2πdNcosθ/λ

实际上，对包含在测定波长带中的多种波长分别求出反射率R，从而取得多种波长中的多个反射率R的集合作为理论分光反射率。在沟槽形状测定装置1中，通过变更膜91的假定膜厚反复进行上述的运算，由此来取得对多种膜厚的多个理论分光反射率。

把在步骤S 123取得的辅助区域94的测定分光反射率与多个理论分光反射率进行比较，从这些理论分光反射率确定出近似于测定分光反射率的分光反射率，来求得膜91的膜厚(步骤S124)。具体地说，在某个波长下，设表示理论分光反射率的反射率为Rc，表示测定分光反射率的反射率为Rm，用式(2)求得类似度Err。在式(2)中，mean(A)表示对包含在测定波长带中的多种波长得到的多个A的平均值。

Err＝mean((Rc-Rm)²)……(2)

用沟槽形状测定装置1确定出类似度Err为最小的理论分光反射率，把该理论分光反射率下的膜厚作为基板9的辅助区域94中的膜91的膜厚。在类似度Err为给定值以下等情况，也可以根据需要采用高斯·牛顿法或Levenberg-Marquardt(レ一ベンバ一グ·マ一カ一ト)法等非线性优化方法，收敛类似度Err而取得类似度Err大于给定值的理论分光反射率，再求出膜91的膜厚。

如果像以上那样来求得基板9的膜91的膜厚之后，进行取得沟槽图案信息时的理论分光反射率(不同于辅助膜厚测定中的理论分光反射率)的运算中的参数的设定(所谓的测定方法的生成)(图2：步骤S13)。具体地说，把沟槽图案的深度(即沟槽92的深度)、测定区域93中的多条沟槽92的底面921的集合的面积率、和多个最上面931(即与辅助区域94的表面同高度的面)的集合的面积率作为参数，把各参数的初始值和多个变动值(即与初始值的差)设定在运算部71中，同时也设定在步骤S12求得的膜91的膜厚。给各参数设定多个值，由此来抑制在后述的类似度的计算中类似度陷于局部解的情况。以下，把多个底面921的集合的面积率和多个最上面931的集合的面积率分别简称为底面921的面积率和最上面931的面积率。

然后，求得取得沟槽图案信息时的理论分光反射率(步骤S14)。具体地说，设膜91的膜厚的设定值为d，膜91的折射率为N，向膜91入射的光(照明光)的入射角为θ，光的波长为λ，空气99与膜91的界面上的振幅反射系数为r₀₁，膜91与基板9的主体90的界面上的振幅反射系数为r₁₂；把各值代入式(3)，求出对该波长λ的光的最上面931的复数振幅反射系数r_I。

$r_I=\frac{r_{01}+r_{12}\exp (-i2\mathrm{\β})}{1+r_{01}{r}_{12}\mathrm{rxp}(-i2\mathrm{\β})}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中β＝2πdNcosθ/λ

关于底面921，像图5中标有平行斜线所表示的那样，理解为沟槽92就是与沟槽92的深度的初始值等厚度的膜厚t的空气的膜99a，设膜99a的折射率为N，向膜99a入射的光(照明光)的入射角为θ，光的波长为λ，空气99与膜99a的界面上的振幅反射系数为r₀₁，膜99a与基板9的主体90的界面上的振幅反射系数为r₁₂；把各值代入式(4)，求得对该波长λ的光的底面921的复数振幅反射系数r_II。实际上，设式(4)中的折射率N为1，空气99与膜99a的界面上的振幅反射系数为r₀₁为0。

$r_{\mathrm{II}}=\frac{r_{01}+r_{12}\exp (-i2\mathrm{\β})}{1+r_{01}{r}_{12}\exp (-i2\mathrm{\β})}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

其中β＝2πtNcosθ/λ

这里，来自图6中标有平行斜线分别表示的区域V1、V2的光，如附图标记81、82所示的箭头表示的那样，会产生光程差而发生干涉。因此，区域V1、V2整体中的对某波长的光的复数振幅反射系数为r_v，在设区域V1、V2的面积率分别为A_V1、A_V2，对区域V1、V2中的该波长的光的复数振幅反射系数分别为r_v1、r_v2的情况下，用式(5)求出。

r_v＝r_v1×A_v1+r_v2×A_v2……(5)

实际上，在图4中右侧的测定区域93中，除了最上面931和底面921之外，还存在沟槽92的倾斜的侧面922，所以把从垂直于基板9的方向看侧面922情况下的侧面922的区域作为侧面区域，设测定区域93中的最上面931的面积率、沟槽92的底面921的面积率、和侧面区域的面积率(准确地说，是测定区域93中的多个最上面931的集合的面积率、以及多条沟槽92的底面921的集合的面积率和多条沟槽92的侧面区域的集合的面积率)分别为A_I、A_II和A_III(其中，这些面积率之和为1)，设对某波长的光的最上面931的复数振幅反射系数、沟槽92的底面921的复数振幅反射系数和侧面区域的复数振幅反射系数分别为r_I、r_II和r_III，在式(6)表示测定区域93中的对该波长的光的复数振幅反射系数r_sample。

r_sample＝r_I×A_I+r_II×A_II+r_III×A_III    ……(6)

在本实施方式中，如后所述，照明光经由数值孔径小的物镜44被照射到基板9上，来自基板9的反射光也经由物镜44射入到光学系统4内，所以，可以忽略在侧面922反射的光(即该光几乎不射入到光学系统4内)，可以使侧面区域的复数振幅反射系数r_III为0。因此，把初始值代入式(6)中的最上面931的面积率A_I和底面921的面积率A_II；把用式(3)和式(4)求得的对于波长λ的光的最上面931的复数振幅反射系数r_I和底面921的复数振幅反射系数r_II也代入式(6)中，由此求出把沟槽92的深度、底面921的面积率和最上面931的面积率等参数设为初始值的情况下，对该波长λ的光的测定区域93的复数振幅反射系数r_sample。然后，如式(7)所示，求出复数振幅反射系数r_sample的绝对值的平方值，由此求出各参数为初始值的情况下的对该波长λ的光的测定区域93的反射率R_sample。

R_sample＝|r_sample|²……(7)

实际上，对包含在测定波长带中的多种波长，分别求出反射率R_sample，取得多个波长中的多个反射率R_sample的集合作为使各参数为初始值的情况下的理论分光反射率。用沟槽形状测定装置1把各参数值顺序变更为初始值和从初始值偏离变动值的值(以下统称“设定值”)，来反复进行上述的运算，由此来取得分别对应于沟槽92的深度、底面921的面积率和最上面931的面积率中的设定值的全部的组合的多个理论分光反射率。

取得多个理论分光反射率时，保持部移动机构23把基板9上的照明光的照射位置配置在测定区域93内之后，从光照射部3射出照明光，照射基板9上的测定区域93(步骤S15)。此时，如已经描述的那样，经由数值孔径小的物镜44把照明光引向基板9，从而能够确实地向沟槽图案的底面921照射照明光。来自基板9的测定区域93的反射光经由物镜44射入到光学系统4内，从而在沟槽92的侧面922反射的光、或在沟槽图案上发生了一次以上反射的衍射光不射入到光学系统4内，仅有来自底面921的正反射光(0次光)入射到光学系统4内。反射光被光学系统4导向分光器5，被衍射光栅52分光(步骤S16)，检测器6接受分光后的光，取得测定区域93的测定分光反射率(步骤S17)。

接下来，用上述的式(2)求出测定分光反射率与步骤S14求得的多个理论分光反射率的各个分光反射率之间的类似度Err。确定出类似度Err为最小的理论分光反射率，取得该理论分光反射率下的参数值作为基板9的测定区域93中的沟槽92的深度、底面921的面积率和最上面931的面积率(步骤S18)。这样，通过比较测定区域93的测定分光反射率和理论分光反射率来决定多个参数的值，而取得沟槽图案信息。在类似度Err为给定值以下的情况下等等，也可以根据需要采用高斯·牛顿法或莱宾巴格·马卡特(レ-ベンバ-グ·マ-カ-ト)法等非线性优化方法收敛类似度Err而取得类似度Err大于给定值的理论分光反射率，从而求出测定区域93中的沟槽92的深度、底面921的面积率和最上面931的面积率。

接下来，还用运算部71取得有关沟槽图案的形状的其他信息(步骤S19)，例如，把值1减去底面921的面积率和最上面931的面积率所得到的值作为侧面区域的面积率，用已知的节距P1取得垂直于沟槽方向的一个侧面922的宽度(图4中标以符号W1所示的宽度)，求出垂直于沟槽方向的基板9的剖面上的侧面922的倾斜角(图4中标以符号γ表示的角度)。也可以用节距P1取得有关垂直于沟槽方向的一个最上面931的宽度(图4中标以符号W2所示的宽度，理解为线宽)或一个底面921的宽度(图4中标以符号W3所示的宽度)，在已知测定区域93的面积的情况下，也可以求出底面921、最上面931和侧面区域各自的总面积。

在基板9上的膜91比较厚的情况下等，在沟槽形状测定装置1中不进行辅助膜厚测定，也可以取得沟槽图案信息(步骤S11)。这种情况下，除沟槽图案的深度、沟槽92的底面921的面积率和最上面931的面积率之外，还把膜91的膜厚设为参数，把各参数的设定值设定在运算部71中(步骤S13)。接下来，通过运算取得分别对应于沟槽92的深度、底面921的面积率、最上面931的面积率和膜91的膜厚中的设定值的全部的组合的多个理论分光反射率(步骤S14)。然后，光照射部3对测定区域93照射照明光，根据来自测定区域93的照明光的反射光取得测定区域93的测定分光反射率(步骤S15～步骤S17)；通过比较测定分光反射率和多个理论分光反射率来决定各参数的值。从而取得基板9上的沟槽92的深度、底面921的面积率、最上面931的面积率和膜91的膜厚(步骤S18)。必要的话，也可以取得有关沟槽图案的形状的其他信息(步骤S19)。

可是，在分光器的衍射光栅中，对于平行于光栅方向的振动方向的偏振光与垂直于光栅方向的振动方向的偏振光来说，光的入射强度与反射强度之比即衍射效率会因相应光的波长而有很大差异。沟槽图案的形状的测定中，会因沟槽图案的影响而限定来自基板的反射光的振动方向(例如，来自基板9的反射光大多包含平行于基板9上的沟槽方向的方向振动的直线偏振光和大体沿该方向振动的椭圆偏振光)。这种情况下，如果入射到衍射光栅的反射光的振动面与光栅方向的夹角、和该振动面与垂直于光栅方向的方向的夹角之间存在(很大的)差，就不能正确地取得来自基板的反射光的光谱(即，不能取得基板的正确的分光反射率)，也就不能高精度地求得沟槽图案的深度。

相对于此，在沟槽形状测定装置1中，由于引导来自基板9的照明光的反射光的衍射光栅52以对应于衍射光栅52的光栅方向的基板9上的方向与沟槽方向的夹角为40度以上50以下(优选45度)的状态配置，所以不会受基板9上的沟槽图案造成的反射光的偏振光的影响，而能够正确地求出基板的分光反射率，能够以非破坏的方式高精度地求得沟槽图案的深度。

在沟槽形状测定装置1中，由于物镜44的数值孔径为0.05以上0.1以下，所以即使形成在基板9上的沟槽图案的长宽比(剖面形状的纵横比)很大，也可以确实地进行照明光向沟槽图案的底面921的照射和来自底面921的反射光的衍射光栅52的受光。在取得沟槽图案信息时，在包含于测定波长带内的各波长下，把根据来自底面921的光理论上求得的复数振幅反射系数乘以底面921的面积率、与根据来自最上面931的光理论上求得的复数振幅反射系数乘以最上面931的面积率之和作为测定区域93中的复数振幅反射系数，由此能够忽略来自沟槽图案的侧面922的反射光的影响，而恰当地求出理论分光反射率。这样，就可以容易且高精度地求得沟槽图案的深度以及底面921的面积率和最上面931的面积率。

在辅助膜厚测定中，对辅助区域94照射照明光，并由检测器6获得辅助区域94的分光反射率，由此来求出基板9上的膜91的膜厚；然后，利用辅助膜厚测定中得到的膜厚求出取得沟槽图案信息时的理论分光反射率。这样，在具有膜91的基板9上不存在沟槽图案的区域内求得膜厚，由此能够更高精度地求得沟槽图案的深度。另外，即便在不进行辅助膜厚测定的情况下，由于取得沟槽图案信息时的理论分光反射率的运算的参数中包含膜91的膜厚，所以可以考虑形成在基板9上的膜91而高精度地求出沟槽图案的深度。

在沟槽形状测定装置1中，也可以对形成有多个膜的(即多层膜的)基板9上的沟槽图案的形状进行测定，例如，在进行辅助膜厚测定的情况下(步骤S11)，对基板9上的辅助区域94照射照明光，检测器6根据反射光取得辅助区域94的分光反射率，由此来求出多层膜的一部分膜(例如，取得沟槽图案信息时与沟槽图案的深度一起包含在参数内的情况下，很难高精度地求出膜厚的测定灵敏度低的膜)的膜厚(步骤S12)。接下来，除沟槽图案的深度、测定区域93的沟槽92的底面921的面积率和最上面931的面积率之外，其他膜的膜厚也包含在参数中，并把各参数的设定值设定在运算部71中(步骤S13)。然后，利用在辅助膜厚测定时所取得的一部分膜的膜厚，通过运算求出分别对应于沟槽92的深度、底面921的面积率、最上面931的面积率和其他膜的膜厚中的设定值的全部的组合的多个理论分光反射率(步骤S14)；然后，与对测定区域93照射照明光取得的测定分光反射率相比较，来决定各参数的值(步骤S15～步骤S18)。这样，由于把辅助膜厚测定时所测定的一部分膜以外的膜厚包含在取得沟槽图案信息时的运算的参数内，所以也能够高精度地求出在辅助膜厚测定时未求得的膜的膜厚。

在辅助膜厚测定时也可以求出多层膜的全部膜的膜厚，另外，也可以把辅助膜厚测定时所测定的膜的膜厚包含在取得沟槽图案信息时的运算的参数内，这种情况下，最好把辅助膜厚测定时所得到的测定值作为初始值。

像上述那样，在沟槽形状测定装置1中，把至少一层膜形成在基板9的测定区域93和不存在沟槽图案的辅助区域94内的情况下，在辅助膜厚测定中，把照明光照射到辅助区域94上，根据反射光取得辅助区域94的分光反射率，由此来求出这至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚，接着，在取得沟槽图案信息时利用该膜厚求出理论分光反射率，由此就能够在具有至少一层膜的基板9上更高精度地求出沟槽图案的深度。

在测定形成有多层膜的基板9上的沟槽图案的形状时，也可以不进行辅助膜厚测定，而根据基板9上的膜结构把多层膜的各层膜的膜厚包含在取得沟槽图案信息时的运算的参数内。即，在基板9的测定区域93上形成有至少一层膜的情况下，把这至少一层膜的膜厚包含在取得沟槽图案信息时的运算的参数内，由此就能够在考虑形成在基板9上的膜的同时高精度地求出沟槽图案的深度。

图7是有关本发明的第二实施方式的沟槽形状测定装置1a的构成图。图7的沟槽形状测定装置1a与图1的沟槽形状测定装置1相比较，其不同点仅仅在于在半透半反镜43和透镜45之间设置有去偏振元件46，该去偏振元件46将包含在所入射的光当中的偏振光变为非偏振光。其他的构成都与图1一样，并标注同样的符号。

在图7的沟槽形状测定装置1a进行的沟槽图案的形状的测定动作中，把基板9保持在保持部21上时(图2：步骤S10)，不调整基板9的朝向，与图1的沟槽形状测定装置1同样地进行以后的处理。在沟槽形状测定装置1a中，把去偏振元件46配置在基板9与衍射光栅52之间的光路上，由此就能够用去偏振元件46消除沟槽图案引起的反射光的偏振光影响，从而能够正确地取得分光反射率，高精度地求出沟槽图案的深度。可以把去偏振元件46设置在任何位置，只要是配置在基板9与衍射光栅52之间的光路上就行。

以上说明了本发明的实施方式，但是本发明并不局限于上述的实施方式，可以有各种各样的变形。

在上述的第一实施方式中，把基板9保持在保持部21上时，调整基板9相对于衍射光栅52的朝向，但是也可以把分光器5和检测器6做成一体，设置一个以衍射光栅52的中心线为中心进行转动的机构，在取得测定分光反射率时，转动分光器5和检测器6，使对应于衍射光栅52的光栅方向的基板9上的方向与沟槽方向的夹角为40度以上50度以下(优选45度)。

在图7的沟槽形状测定装置1a中，来自基板9的照明光的反射光经由去偏振元件46被导引至衍射光栅52，由此能够容易地去除沟槽图案引起的反射光的偏振光的影响，但是，在图1的沟槽形状测定装置1中，在基板9与衍射光栅52之间的光路上追加去偏振元件，也可以确实地去除反射光的偏振光的影响。

在上述的第一和第二实施方式中，在取得沟槽图案信息时的运算的参数中必须包含沟槽图案的深度、底面921的面积率和最上面931的面积率，但是在沟槽92的侧面922垂直于基板9的情况下等，侧面区域的面积被认为是0的情况下，也可以仅仅把沟槽图案的深度和底面921的面积率(也可以是1减去最上面931的面积率所得到的差)作为参数。即，通过把至少沟槽图案的深度和沟槽图案的底面921的面积率作为参数进行运算来求出理论分光反射率。

在沟槽形状测定装置1、1a中，保持部移动机构23作为照射位置变更部来移动基板9，由此来变更来自光照射部3的照明光在基板9上的照射位置，但是也可以用相对于基板9移动光照射部3、光学系统4、分光器5和检测器6的机构来实现照射位置变更部。

可以在可能的范围内变更图2所示的动作流程，例如，也可以在取得测定分光反射率之后，求出理论分光反射率。

去除沟槽形状测定装置1、1a中的反射光的偏振光影响的方法被用于来自基板的反射光中产生由沟槽图案引起的偏振光影响的情况，所述基板除形成了沿一个方向延伸的多条沟槽(条与空隙相间的沟槽)的基板9之外，还可以是仅仅形成了一条沟槽的基板或形成了相互垂直的两个方向延伸的多条沟槽的基板、或者是在一个方向上排列的多个孔的集合而实质上被认为是一条沟槽的基板等等。也就是说，实质上是把在测定区域上形成了沿给定方向延伸的沟槽图案的基板作为对象。

进行辅助膜厚测定来高精度地取得沟槽图案信息的方法可以适用于具有各种形状的沟槽图案的基板。这种情况下，也可以用衍射光栅52以外的光学元件将反射光分光来取得测定分光反射率。

沟槽形状测定装置1、1a中的成为测定对象的基板也可以是半导体基板以外的印刷布线基板或玻璃基板等。

以上详细描述并说明了本发明，但是已经描述的说明仅是示例并不限定本发明，因此，应理解为在不脱离本发明的范围的限度内可以有多种变形或形态。

Claims (32)

1.一种沟槽图案的深度的测定方法，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括如下步骤：

a步骤：对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板照射照明光；

b步骤：把对来自所述基板的所述照明光的反射光进行引导的衍射光栅，以与所述衍射光栅的光栅方向对应的所述基板上的方向和所述给定方向所成的角度为40度以上50度以下的状态进行配置，所述衍射光栅接受所述反射光并将其分光；

c步骤：检测器接受由所述b步骤分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；

d步骤：将至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

2.根据权利要求1记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述a步骤中，所述照明光经由数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜被导向所述基板。

3.根据权利要求2记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述d步骤中，在所述参数中包含所述基板的表面上的最上面的面积率；

把根据来自所述沟槽图案的所述底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述底面的面积率而得的数值、与根据来自所述最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述最上面的面积率而得的数值之和，作为所述测定区域上的复数振幅反射系数，由此求出所述理论分光反射率。

4.根据权利要求1至3中任一项记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述基板的所述测定区域内形成至少一层膜；在所述d步骤中，所述参数中包含所述至少一层膜的膜厚。

5.根据权利要求1至3中任一项记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，还具备e步骤，在该e步骤中，在所述基板的所述测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域内形成至少一层膜，在所述a步骤之前，对所述辅助区域照射照明光并由所述检测器取得所述辅助区域的分光反射率，由此求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；在所述d步骤中，利用所述e步骤取得的所述膜厚求出所述理论分光反射率。

6.根据权利要求5记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述e步骤中，求出所述至少一层膜的一部分膜的膜厚；在所述d步骤中，所述参数中包含所述一部分膜以外的膜的膜厚。

7.一种沟槽图案的深度的测定方法，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括如下步骤：

a步骤：对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板照射照明光；

b步骤：使来自所述基板的所述照明光的反射光通过去偏振元件后，由衍射光栅接受并将其分光；

c步骤：检测器接受由所述b步骤中分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；

d步骤：对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

8.根据权利要求7记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述a步骤中，所述照明光经由数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜被导向所述基板。

9.根据权利要求8记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述d步骤中，所述参数中包含所述基板的表面上的最上面的面积率；

把根据来自所述沟槽图案的所述底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述底面的面积率而得的数值、与根据来自所述最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述最上面的面积率而得的数值之和，作为所述测定区域上的复数振幅反射系数，由此求出所述理论分光反射率。

10.根据权利要求7至9中任一项记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述基板的所述测定区域内形成至少一层膜；在所述d步骤中，所述参数中包含所述至少一层膜的膜厚。

11.根据权利要求7至9中任一项记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，还具备e步骤，在该e步骤中，在所述基板的所述测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域内形成至少一层膜，在所述a步骤之前，对所述辅助区域照射照明光并由所述检测器取得所述辅助区域的分光反射率，由此求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；

在所述d步骤中，利用在所述e步骤中取得的所述膜厚求出所述理论分光反射率。

12.根据权利要求11记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述e步骤中，求出所述至少一层膜的一部分膜的膜厚；在所述d步骤中，所述参数中包含所述一部分膜以外的膜的膜厚。

13.一种沟槽图案的深度的测定方法，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括如下步骤：

a步骤：对在形成有沟槽图案的测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域形成有至少一层膜的基板的所述辅助区域照射照明光；

b步骤：根据来自所述辅助区域的所述照明光的反射光取得所述辅助区域的分光反射率，由此来求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；

c步骤：对所述测定区域照射照明光；

d步骤：根据来自所述测定区域的所述照明光的反射光取得所述测定区域的测定分光反射率；

e步骤：利用在所述b步骤中取得的所述膜厚，对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

14.根据权利要求13记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述c步骤中，所述照明光经由数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜被导向所述基板。

15.根据权利要求14记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述e步骤中，所述参数中包含所述基板的表面上的最上面的面积率；

把根据来自所述沟槽图案的所述底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述底面的面积率而得的数值、与根据来自所述最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述最上面的面积率而得的数值之和，作为所述测定区域的复数振幅反射系数，由此求出所述理论分光反射率。

16.根据权利要求13至15中任一项记载的沟槽图案的深度的测定方法，其特征在于，在所述b步骤中，求出所述至少一层膜的一部分膜的膜厚；在所述e步骤中，所述参数中包含所述一部分膜以外的膜的膜厚。

17.一种沟槽图案的深度的测定装置，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括：

保持部，其对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板进行保持；

光照射部，其对所述基板照射照明光；

光学系统，其将来自所述基板的所述照明光的反射光导向给定位置；

分光器，其具有配置在所述给定位置的衍射光栅，并处于使与所述衍射光栅的光栅方向对应的所述基板上的方向和所述给定方向的夹角成为40度以上50度以下的状态，且由所述衍射光栅接受所述反射光并将其分光；

检测器，其接受由所述分光器分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；

运算部，其对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

18.根据权利要求17记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，所述光学系统具备数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜。

19.根据权利要求18记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，所述参数中包含所述基板的表面上的最上面的面积率；

把根据来自所述沟槽图案的所述底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述底面的面积率而得的数值、与根据来自所述最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述最上面的面积率而得的数值之和，作为所述测定区域的复数振幅反射系数，由此求出所述理论分光反射率。

20.根据权利要求17至19中任一项记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述基板的所述测定区域形成至少一层膜；所述参数中包含所述至少一层膜的膜厚。

21.根据权利要求17至19中任一项记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述基板的所述测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域内形成至少一层膜；在所述运算部确定所述参数的值之前，对所述辅助区域照射照明光并由所述检测器取得所述辅助区域的分光反射率，由此求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；在所述运算部确定所述参数的值时，利用所取得的所述膜厚求出所述理论分光反射率。

22.根据权利要求21记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述运算部确定所述参数的值之前，求出所述至少一层膜的一部分膜的膜厚；在所述运算部确定所述参数的值时，所述参数内包含所述一部分膜以外的膜的膜厚。

23.一种沟槽图案的深度的测定装置，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括：

保持部，其对在测定区域形成有沿给定方向延伸的沟槽图案的基板进行保持；

光照射部，其对所述基板照射照明光；

分光器，其用衍射光栅接受来自所述基板的所述照明光的反射光并将其分光；

去偏振元件，其配置在所述基板与所述衍射光栅之间的光路上；

检测器，其接受由所述分光器分光后的光并取得所述测定区域的测定分光反射率；

运算部，其对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

24.根据权利要求23记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，所述照明光经由数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜被导向所述基板。

25.根据权利要求24记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，所述参数中包含所述基板的表面上的最上面的面积率；

把根据来自所述沟槽图案的所述底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述底面的面积率而得的数值、与根据来自所述最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述最上面的面积率而得的数值之和，作为所述测定区域的复数振幅反射系数，由此求出所述理论分光反射率。

26.根据权利要求23至25中任一项记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述基板的所述测定区域形成至少一层膜；所述参数中包含所述至少一层膜的膜厚。

27.根据权利要求23至25中任一项记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述基板的所述测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域形成至少一层膜；在所述运算部确定所述参数的值之前，对所述辅助区域照射照明光并由所述检测器取得所述辅助区域的分光反射率，由此求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；在所述运算部确定所述参数的值时，利用所取得的所述膜厚求出所述理论分光反射率。

28.根据权利要求27记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述运算部确定所述参数的值之前，求出所述至少一层膜的一部分膜的膜厚；在所述运算部确定所述参数的值时，所述参数内包含所述一部分膜以外的膜的膜厚。

29.一种沟槽图案的深度的测定装置，该沟槽图案形成在基板上，其特征在于，包括：

保持部，其对在形成有沟槽图案的测定区域和不存在所述沟槽图案的辅助区域形成有至少一层膜的基板进行保持；

光照射部，其对所述基板照射照明光；

分光器，其接受来自所述基板的所述照明光的反射光并将其分光；

检测器，其接受由所述分光器分光后的光并取得分光反射率；

照射位置变更部，其变更来自所述光照射部的所述照明光在所述基板上的照射位置；

控制部，其通过对所述辅助区域照射照明光并由所述检测器根据来自所述辅助区域的所述照明光的反射光而取得所述辅助区域的分光反射率，由此求出所述至少一层膜的一部分膜或全部膜的膜厚；然后对所述测定区域照射照明光并由所述检测器根据来自所述测定区域的所述照明光的反射光取得所述测定区域的测定分光反射率，再利用所述膜厚，对至少把所述沟槽图案的深度和所述沟槽图案的底面的面积率作为参数进行运算所求得的理论分光反射率、与所述测定分光反射率进行比较，由此确定所述参数的值。

30.根据权利要求29记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，所述照明光经由数值孔径为0.05以上0.1以下的物镜被导向所述基板。

31.根据权利要求30记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，所述参数中包含所述基板的表面上的最上面的面积率；

把根据来自所述沟槽图案的所述底面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述底面的面积率而得的数值、与根据来自所述最上面的光而理论上求得的复数振幅反射系数乘以所述最上面的面积率而得的数值之和，作为所述测定区域的复数振幅反射系数，由此来求出所述理论分光反射率。

32.根据权利要求29至31中任一项记载的沟槽图案的深度的测定装置，其特征在于，在所述控制部确定所述参数的值之前，求出所述至少一层膜的一部分膜的膜厚；在所述控制部确定所述参数的值时，所述参数中包含所述一部分膜以外的膜的膜厚。

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