JP2003148925A - Depth measuring apparatus and film thickness measuring apparatus - Google Patents

Depth measuring apparatus and film thickness measuring apparatus

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JP2003148925A
JP2003148925A JP2001346044A JP2001346044A JP2003148925A JP 2003148925 A JP2003148925 A JP 2003148925A JP 2001346044 A JP2001346044 A JP 2001346044A JP 2001346044 A JP2001346044 A JP 2001346044A JP 2003148925 A JP2003148925 A JP 2003148925A
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JP
Japan
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substrate
objective lens
depth
scanning
light
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Application number
JP2001346044A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Oide
孝博 大出
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Lasertec Corp
Original Assignee
Lasertec Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure the depth of a hole or groove with a high aspect ratio formed in a substrate and to measure the thickness of a film in real time. SOLUTION: This apparatus has a scanning beam, a stage 11 for supporting the substrate, and two or more light receiving element arranged in the direction corresponding to x-axial direction. In this device, the depth of a recessed part formed on the substrate is determined on the basis of the relative distance information outputted from a drive device 13 for changing the relative distance in the optical axial direction between the focal point of the scanning beam and the substrate and a distance detector 14 for detecting the relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、溝や孔の深さ並び
に段差の高さをコンフォーカル光学系を利用して測定す
る深さ測定装置に関するものである。さらに、本発明
は、コンフォーカル光学系を用いて基板上に形成された
光学的に透明な膜の膜厚を測定する膜厚測定装置に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a depth measuring device for measuring the depth of grooves and holes and the height of steps using a confocal optical system. Further, the present invention relates to a film thickness measuring device for measuring the film thickness of an optically transparent film formed on a substrate by using a confocal optical system.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体デバイスの製造工程中において
は、半導体基体上に種々の溝や孔並びに段差が形成され
ている。これら半導体基体に形成される溝や孔の深さは
半導体デバイスの性能及び製造歩留りと密接に関連する
ため、厳格に規定することが強く要請されている。例え
ば、素子分離用のトレンチ溝の深さが不十分な場合、不
所望なリーク電流が増大し、デバイス性能が低下するだ
けでなく製造の歩留りが低下する原因となってしまう。
従って、半導体デバイスの製造歩留りを一層向上させる
ためには、製造工程中の半導体基板に形成される溝や孔
の深さを正確に測定できる装置の開発が強く要請され
る。
2. Description of the Related Art Various grooves, holes and steps are formed on a semiconductor substrate during the process of manufacturing a semiconductor device. Since the depths of the grooves and holes formed in these semiconductor substrates are closely related to the performance of semiconductor devices and the manufacturing yield, there is a strong demand for strict definition. For example, if the depth of the trench for element isolation is insufficient, an undesired leak current increases, which not only lowers the device performance but also causes a reduction in manufacturing yield.
Therefore, in order to further improve the manufacturing yield of semiconductor devices, there is a strong demand for the development of an apparatus capable of accurately measuring the depth of grooves and holes formed in a semiconductor substrate during the manufacturing process.

【0003】トレンチ溝やコンタクトホールの深さ並び
に段差の高さを測定する装置として、コンフォーカル光
学系を利用した顕微鏡装置が考えられる。すなわち、コ
ンフォーカル光学系は高さ方向すなわち光軸方向に高い
分解能を有しているから、対物レンズの焦点位置を光軸
方向に僅かにずらしながらスキャンを行い、得られた画
像の輝度情報と対物レンズの光軸方向のスキャン量との
関係から溝や孔の深さ情報を得ることが想定される。
As a device for measuring the depth of the trench groove and the contact hole and the height of the step, a microscope device utilizing a confocal optical system is conceivable. That is, since the confocal optical system has a high resolution in the height direction, that is, the optical axis direction, scanning is performed while slightly shifting the focal position of the objective lens in the optical axis direction, and the brightness information of the obtained image is obtained. It is assumed that the depth information of the groove or hole is obtained from the relationship with the scanning amount of the objective lens in the optical axis direction.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】コンフォーカル光学系
の固有の特性を利用した光学装置として、本願人から提
案されたレーザ顕微鏡装置が既知である。しかし、レー
ザ顕微鏡は、微小な光スポットで試料表面走査すること
により試料表面の状態を光学的に検出するものであるの
で、既知のレーザ顕微鏡をそのまま利用したのでは、半
導体ウェハに形成された孔や溝の深さを測定する深さ測
定装置として実用的な装置を実現するに至っていない。
また、半導体ウェハに形成されるデバイスの高密度度化
に伴い、溝や孔のアスペクト比が一層高くなっており、
例えばSOIウェハ上に形成されるトレンチ溝の場合幅
が1μmで深さ6μmの高アスペクト比の溝を形成する
必要がある。しかしながら、溝や孔のアスペクト比が高
くなると、対物レンズにより集束された光ビームが孔や
溝の縁の部分によりけられてしまい、十分な光量の光ビ
ームが溝の底部に入射せず、十分なS/N比の画像信号
か得られないことも想定される。
A laser microscope apparatus proposed by the present applicant is known as an optical apparatus utilizing the unique characteristics of a confocal optical system. However, since the laser microscope optically detects the state of the sample surface by scanning the sample surface with a minute light spot, it is not possible to use the known laser microscope as it is. A practical device has not been realized as a depth measuring device for measuring the depth of a groove or a groove.
In addition, as the density of devices formed on semiconductor wafers has increased, the aspect ratio of grooves and holes has become even higher.
For example, in the case of a trench groove formed on an SOI wafer, it is necessary to form a groove having a high aspect ratio with a width of 1 μm and a depth of 6 μm. However, when the aspect ratio of the groove or hole becomes high, the light beam focused by the objective lens is eclipsed by the edge portion of the hole or groove, and the light beam with a sufficient light quantity does not enter the bottom of the groove. It is also assumed that an image signal having a high S / N ratio cannot be obtained.

【0005】さらに、半導体デバイスの製造工程におい
ては、基板上に種々の半導体膜が形成されているが、こ
れら半導体膜の膜厚をリアルタイムで測定できる膜厚装
置の開発も強く要請されている。すなわち、半導体デバ
イスの製造ライン中に、半導体膜の膜厚をリアルタイム
で測定できる装置が配置されれば、半導体デバイスの製
造の歩留りを一層高めることができる。
Further, in the manufacturing process of semiconductor devices, various semiconductor films are formed on a substrate, and development of a film thickness device capable of measuring the film thickness of these semiconductor films in real time is strongly demanded. That is, if an apparatus capable of measuring the film thickness of the semiconductor film in real time is arranged in the semiconductor device manufacturing line, the manufacturing yield of the semiconductor device can be further improved.

【0006】従って、本発明の目的は、コンフォーカル
光学系を利用して高アスペクト比の溝や孔の深さ或いは
段差の高さを正確に測定できる深さ測定装置を提供する
ことにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a depth measuring device which can accurately measure the depth of a groove or hole having a high aspect ratio or the height of a step using a confocal optical system.

【0007】さらに、本発明の別の目的は、光学的に透
明な膜の厚さをリアルタイムで測定できる膜厚測定装置
を実現することにある。
Further, another object of the present invention is to realize a film thickness measuring device capable of measuring the thickness of an optically transparent film in real time.

【0008】[0008]

【課題を解決する手段】本発明による深さ測定装置は、
基板に形成された凹部の深さを光学的に測定する深さ測
定装置であって、光ビームを発生する光源と、光ビーム
をx方向に偏向する第1のビーム偏向装置と、x方向に
偏向された光ビームをx方向と直交するy方向に偏向す
る第2のビーム偏向装置と、第2のビーム偏向装置から
出射した走査ビームを微小スポット状に集束して基板に
向けて投射する対物レンズと、基板を支持するステージ
と、前記x軸方向と対応する方向に配列した複数の受光
素子を有し、前記基板からの反射光を受光するリニアイ
メージセンサと、前記対物レンズから出射した走査ビー
ムの集束点と基板との間の対物レンズの光軸方向の相対
距離を変化させる駆動装置と、前記走査ビームの集束点
と基板との間の相対距離を検出する距離検出装置と、前
記リニアイメージセンサの各受光素子から出力される画
像出力信号及び前記距離検出装置から出力される相対距
離情報とに基づいて基板に形成されている凹部の深さを
決定する信号処理回路と、前記第1のビーム偏向装置及
び第2のビーム偏向装置のビーム偏向周波数を制御する
ビーム偏向周波数制御装置とを具え、前記対物レンズと
基板との間の相対距離を変えながら一連の基板画像を撮
像し、第1及び第2のビーム偏向装置は、対物レンズが
基板から離れた光軸方向の第1の走査範囲において第1
の偏向周波数でビーム偏向を行い、対物レンズが前記第
1の走査範囲よりも基板に近づいた第2の走査範囲にお
いて第1の偏向周波数よりも低い第2の偏向周波数でビ
ーム偏向を行うことを特徴とする。
A depth measuring device according to the present invention comprises:
A depth measuring device for optically measuring the depth of a recess formed in a substrate, comprising: a light source for generating a light beam; a first beam deflecting device for deflecting the light beam in the x direction; A second beam deflecting device for deflecting the deflected light beam in the y direction orthogonal to the x direction, and an objective for focusing the scanning beam emitted from the second beam deflecting device into a minute spot shape and projecting it toward the substrate. A linear image sensor having a lens, a stage for supporting the substrate, and a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the x-axis direction, for receiving reflected light from the substrate, and scanning emitted from the objective lens. A driving device that changes the relative distance between the focal point of the beam and the substrate in the optical axis direction of the objective lens; a distance detection device that detects the relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate; image A signal processing circuit that determines the depth of a recess formed in the substrate based on an image output signal output from each light receiving element of the sensor and relative distance information output from the distance detecting device; A beam deflection frequency control device for controlling the beam deflection frequency of the beam deflection device and the second beam deflection device, and capturing a series of substrate images while changing the relative distance between the objective lens and the substrate. And the second beam deflecting device has the first lens in the first scanning range in the optical axis direction away from the substrate.
Beam deflection is performed at a deflection frequency of, and the beam is deflected at a second deflection frequency lower than the first deflection frequency in the second scanning range in which the objective lens is closer to the substrate than the first scanning range. Characterize.

【0009】本発明では、コンフォーカル光学系の高さ
方向に高い分解能を有する特性を有効に利用して溝や孔
の深さ或いは段差の高さを測定する。対物レンズから出
射した走査ビームの集束点が基板表面や溝の底面と一致
すると、リニアイメージセンサの各受光素子には多量の
光が入射し、一方走査ビームの集束点が反射面以外の部
分に入射すると受光素子からの出力信号はほぼ零とな
る。特に、走査ビームの集束点が基板表面から高さ方向
(光軸方向)に僅かにずれるだけでもリニァイメージセ
ンサに入射する光量は大幅に減少する。このコンフォー
カル光学系の特性を利用し、対物レンズと基板との間の
相対距離を変化させながら、すなわち対物レンズの光軸
方向にスキャンしながら基板画像を撮像する。そして、
リニァイメージセンサの各受光素子に入射する反射光の
光量から集束点が基板の表面及び孔の底面と一致する高
さ位置を検出し、検出した高さ情報から基板の表面プロ
ファイルを求め、基板の表面プロファイルから凹部の深
さを決定する。この結果、基板に形成された孔や溝等の
深さをリアルタイムで検出することができる。
In the present invention, the depth of a groove or hole or the height of a step is measured by effectively utilizing the characteristic of the confocal optical system having high resolution in the height direction. When the focal point of the scanning beam emitted from the objective lens coincides with the surface of the substrate or the bottom of the groove, a large amount of light is incident on each light receiving element of the linear image sensor, while the focal point of the scanning beam is on a part other than the reflecting surface. When incident, the output signal from the light receiving element becomes almost zero. In particular, even if the focal point of the scanning beam is slightly deviated from the substrate surface in the height direction (optical axis direction), the amount of light incident on the linear image sensor is significantly reduced. Using the characteristics of this confocal optical system, the substrate image is captured while changing the relative distance between the objective lens and the substrate, that is, while scanning in the optical axis direction of the objective lens. And
The height position where the focal point coincides with the surface of the substrate and the bottom surface of the hole is detected from the amount of reflected light entering each light receiving element of the linear image sensor, and the surface profile of the substrate is obtained from the detected height information. The depth of the recess is determined from the surface profile of. As a result, it is possible to detect the depth of holes, grooves, etc. formed in the substrate in real time.

【0010】本発明による深さ測定装置の好適実施例
は、信号処理回路が、リニアイメージセンサからの出力
信号と距離検出装置からの出力信号とに基づいて基板表
面の高さプロファイルを検出する高さプロファイル検出
手段と、求めた高さプロファイルから凹部の深さを決定
する深さ決定手段とを有することを特徴とする。本発明
では、走査ビームの集束点の位置が基板表面又は凹部の
底面と一致すると多量の光がリニアイメージセンサの各
受光素子に入射し、集束点の位置が基板表面からずれる
と受光素子に入射する光量が大幅に減少する特性を利用
して、基板表面の高さプロファイルを検出し、検出した
高さプロファイルから凹部の深さを決定する。
In a preferred embodiment of the depth measuring apparatus according to the present invention, the signal processing circuit detects the height profile of the substrate surface based on the output signal from the linear image sensor and the output signal from the distance detecting apparatus. It has a depth profile detecting means and a depth determining means for determining the depth of the recess from the obtained height profile. In the present invention, a large amount of light is incident on each light receiving element of the linear image sensor when the position of the focusing point of the scanning beam coincides with the substrate surface or the bottom surface of the concave portion, and is incident on the light receiving element when the position of the focusing point deviates from the substrate surface. The height profile of the substrate surface is detected by utilizing the characteristic that the amount of light to be drastically reduced is determined, and the depth of the recess is determined from the detected height profile.

【0011】一方、基板の凹部のアスペクト比が大きい
場合、走査ビームは凹部の周囲部材によりけられてしま
い、凹部の底面まで侵入する走査ビームの光量が著しく
減少し、凹部底面に対する検出感度が低下するおそれが
ある。この課題を解決するため、本発明では、対物レン
ズと基板とを相互に近づくように移動させながら一連の
基板画像を撮像し、第1及び第2のビーム偏向装置は、
対物レンズが基板から離れた第1の光軸方向の走査範囲
において第1の偏向周波数でビーム偏向を行い、対物レ
ンズが前記第1の光軸方向走査範囲よりも基板に近づい
た第2の光軸方向の走査範囲において第1の偏向周波数
よりも低い第2の偏向周波数でビーム偏向を行う。リニ
アイメージセンサに蓄積される電荷量は、入射する光の
強度と時間との積に比例する。従って、ビーム走査速度
を遅くすれば、感度の高い出力信号を得ることができ
る。しかしながら、全ての走査域にわたって低い走査速
度で基板表面を走査したのでは、測定時間が長くなり過
ぎてしい、リアルタイムで測定する要請に適合しなくな
ってしまう。そこで、第1の走査範囲においては高速で
ビーム走査を行い、凹部の底部付近の第2の走査範囲に
おいては低速でビーム走査を行う。このように、走査速
度を深さ方向において切り換えることにより、高アスペ
クト比の凹部の深さであっても測定時間が長過ぎること
なく高い感度で深さ測定を行うことができる。
On the other hand, when the aspect ratio of the concave portion of the substrate is large, the scanning beam is eclipsed by the peripheral member of the concave portion, the light amount of the scanning beam penetrating to the bottom surface of the concave portion is remarkably reduced, and the detection sensitivity to the bottom surface of the concave portion is lowered. May occur. In order to solve this problem, the present invention captures a series of substrate images while moving the objective lens and the substrate so as to approach each other, and the first and second beam deflecting devices
The objective lens deflects the beam at a first deflection frequency in a scanning range in the first optical axis direction away from the substrate, and the objective lens moves closer to the substrate than in the first optical axis direction scanning range. Beam deflection is performed at a second deflection frequency lower than the first deflection frequency in the axial scanning range. The amount of charge accumulated in the linear image sensor is proportional to the product of the intensity of incident light and time. Therefore, if the beam scanning speed is slowed, a highly sensitive output signal can be obtained. However, if the surface of the substrate is scanned at a low scanning speed over the entire scanning area, the measurement time becomes too long and the requirement for real-time measurement cannot be met. Therefore, the beam scanning is performed at high speed in the first scanning range, and the beam scanning is performed at low speed in the second scanning range near the bottom of the recess. In this way, by switching the scanning speed in the depth direction, it is possible to perform depth measurement with high sensitivity even if the depth of the recess having a high aspect ratio is not too long.

【0012】本発明の深さ測定装置の好適実施例は、x
方向に偏向された走査ビームをx方向と直交するy方向
に偏向する第2のビーム偏向装置を具え、前記基板表面
を2次元走査すると共に、高さプロファイル検出手段
は、2次元的に配列された画素で構成される基板表面の
2次元画像の高さプロファイルを検出し、前記深さ決定
手段は、各画素の高さ情報と画素の頻度との関係から第
1及び第2の2個のピークを求め、これら2個のピーク
間の高さの差を凹部の深さとして出力することを特徴と
する。深さ決定手段は、2次元画像の高さプロファイル
を用いて高さと画素の頻度との関係すなわちヒストグラ
ムを形成する。得られたヒストグラムにおいて、基板の
上側表面からの反射光により規定される面と凹部の底面
からの反射光により規定される面との2つの面に基づく
2個のピークが発生する。従って、これら2つのピーク
間距離を求めることにより凹部の深さを決定することが
できる。
The preferred embodiment of the depth measuring device of the present invention is x
A second beam deflecting device for deflecting the scanning beam deflected in the direction in the y direction orthogonal to the x direction, the substrate surface is two-dimensionally scanned, and the height profile detecting means are two-dimensionally arranged. The height determining means detects the height profile of the two-dimensional image of the surface of the substrate composed of different pixels, and the depth determining means determines the first and second two from the relationship between the height information of each pixel and the pixel frequency. The peak is obtained, and the difference in height between these two peaks is output as the depth of the recess. The depth determining means uses the height profile of the two-dimensional image to form a relationship between height and pixel frequency, that is, a histogram. In the obtained histogram, two peaks are generated, which are based on two surfaces, a surface defined by the reflected light from the upper surface of the substrate and a surface defined by the reflected light from the bottom surface of the recess. Therefore, the depth of the concave portion can be determined by obtaining the distance between these two peaks.

【0013】本発明による深さ測定装置の好適実施例
は、走査ビームの集束点と基板との間の距離を変える駆
動装置として、前記対物レンズを光軸方向に移動させる
対物レンズ移動装置を用い、対物レンズの光軸方向の位
置情報を用いて走査ビームの集束点と基板との間相対距
離を検出する。走査ビームの集束点と基板との間の距離
を変える方法として、対物レンズの光軸方向の位置を変
える方法と基板を支持するステージの高さを変える方法
とがある。この場合、対物レンズの光軸方向の位置は、
モータとエンコーダを用いることにより比較的容易に規
定することができる利点がある。
In a preferred embodiment of the depth measuring apparatus according to the present invention, an objective lens moving device for moving the objective lens in the optical axis direction is used as a driving device for changing the distance between the focal point of the scanning beam and the substrate. The relative distance between the focusing point of the scanning beam and the substrate is detected using the position information of the objective lens in the optical axis direction. As a method of changing the distance between the focusing point of the scanning beam and the substrate, there are a method of changing the position of the objective lens in the optical axis direction and a method of changing the height of the stage supporting the substrate. In this case, the position of the objective lens in the optical axis direction is
By using a motor and an encoder, there is an advantage that it can be defined relatively easily.

【0014】本発明による膜厚測定装置は、基板上に形
成された光学的に透明な膜の厚さを光学的に測定する膜
厚測定装置であって、光ビームを発生する光源と、光ビ
ームをx方向に偏向する第1のビーム偏向装置と、x方
向に偏向された光ビームをx方向と直交するy方向に偏
向する第2のビーム偏向装置と、第2のビーム偏向装置
から出射した走査ビームを微小スポット状に集束して基
板に向けて投射する対物レンズと、基板を支持するステ
ージと、前記x軸方向と対応する方向に配列した複数の
受光素子を有し、前記基板からの反射光を受光するリニ
ァイメージセンサと、前記対物レンズから出射した走査
ビームの集束点と基板との間の対物レンズの光軸方向の
相対距離を変化させる駆動装置と、前記走査ビームの集
束点と基板との間の相対距離を検出する距離検出装置
と、前記リニァイメージセンサの各受光素子から出力さ
れる画像出力信号及び前記距離検出装置から出力される
相対距離情報とに基づいて基板に形成されている膜の膜
厚を決定する信号処理回路と、前記第1のビーム偏向装
置及び第2のビーム偏向装置のビーム偏向周波数を制御
するビーム偏向周波数制御装置とを具え、前記対物レン
ズと基板とを相互に近づくように移動させながら一連の
基板画像を撮像し、第1及び第2のビーム偏向装置は、
対物レンズが基板から離れた第1の光軸方向の走査範囲
において第1の偏向周波数でビーム偏向を行い、対物レ
ンズが前記第1の光軸方向走査範囲よりも基板に近づい
た第2の光軸方向の走査範囲において第1の偏向周波数
よりも低い第2の偏向周波数でビーム偏向を行うことを
特徴とする。
A film thickness measuring device according to the present invention is a film thickness measuring device for optically measuring the thickness of an optically transparent film formed on a substrate, which comprises a light source for generating a light beam and a light source. A first beam deflecting device for deflecting the beam in the x direction, a second beam deflecting device for deflecting the light beam deflected in the x direction in the y direction orthogonal to the x direction, and emitted from the second beam deflecting device. An objective lens that focuses the projected scanning beam into a minute spot and projects it toward the substrate, a stage that supports the substrate, and a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the x-axis direction are provided. Linear image sensor for receiving the reflected light of the objective lens, a driving device for changing the relative distance in the optical axis direction of the objective lens between the focal point of the scanning beam emitted from the objective lens and the substrate, and the focusing of the scanning beam. Between the point and the substrate A distance detection device that detects a relative distance, a film formed on a substrate based on an image output signal output from each light receiving element of the linear image sensor and relative distance information output from the distance detection device. A signal processing circuit for determining the film thickness and a beam deflection frequency control device for controlling the beam deflection frequency of the first beam deflecting device and the second beam deflecting device are provided, and the objective lens and the substrate are brought close to each other. While capturing a series of substrate images, the first and second beam deflecting devices are
The objective lens deflects the beam at a first deflection frequency in a scanning range in the first optical axis direction away from the substrate, and the objective lens moves closer to the substrate than in the first optical axis direction scanning range. Beam deflection is performed at a second deflection frequency lower than the first deflection frequency in the axial scanning range.

【0015】基板上に形成された半導体膜は、空気と半
導体膜との界面が第1の反射面を構成し、半導体膜と基
板との間の界面は半導体膜の屈折率と基板の屈折率との
屈折率差が生ずるため第2の反射面を構成する。そし
て、これら第1の反射面及び第2の反射面は、基板表面
及び孔や溝の底面にそれぞれ相当するので、深さ測定の
原理を膜厚測定にそのまま適用することができる。すな
わち、走査ビームの集束点が半導体膜の界面上に位置す
ると、当該界面により大量の反射光がリニァイメージセ
ンサの受光素子に入射するので、走査ビームの集束点の
光軸方向の位置を変えながら画像を撮像することによ
り、基板上に形成された半導体膜の膜厚プロファイルを
検出することができる。よって、検出した膜厚プロファ
イルから膜厚決定手段により膜厚を容易に決定すること
ができる。この場合においても、サンプル表面を2次元
走査して基板上に形成された膜の2次元膜厚プロファイ
ルを形成することができる。そして、得られた2次元膜
厚プロファイルから、画素の頻度と厚さ情報との関係か
ら2つのピーク値を求め、ピーク間の光軸方向距離に基
づいて膜厚を決定することができる。この膜厚測定にお
いても、基板とその上に形成された半導体膜との間の界
面での反射率は比較的低いため、当該界面付近における
ビーム偏向周波数を低速に設定することにより基板と半
導体膜との界面を正確に検出することができる。
In the semiconductor film formed on the substrate, the interface between the air and the semiconductor film constitutes a first reflecting surface, and the interface between the semiconductor film and the substrate has a refractive index of the semiconductor film and a refractive index of the substrate. Since a difference in refractive index is generated between the second reflective surface and the second reflective surface. Since the first reflecting surface and the second reflecting surface correspond to the substrate surface and the bottom surfaces of the holes and the grooves, respectively, the principle of depth measurement can be applied to the film thickness measurement as it is. That is, when the focus point of the scanning beam is located on the interface of the semiconductor film, a large amount of reflected light is incident on the light receiving element of the linear image sensor by the interface, so that the position of the focus point of the scanning beam in the optical axis direction is changed. However, by capturing an image, the film thickness profile of the semiconductor film formed on the substrate can be detected. Therefore, the film thickness can be easily determined by the film thickness determining means from the detected film thickness profile. Also in this case, the sample surface can be two-dimensionally scanned to form a two-dimensional film thickness profile of the film formed on the substrate. Then, from the obtained two-dimensional film thickness profile, two peak values can be obtained from the relationship between the pixel frequency and the thickness information, and the film thickness can be determined based on the distance between the peaks in the optical axis direction. Also in this film thickness measurement, the reflectance at the interface between the substrate and the semiconductor film formed thereon is relatively low. Therefore, by setting the beam deflection frequency near the interface to a low speed, the substrate and the semiconductor film The interface with and can be accurately detected.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は本発明による深さ測定装置
の一例の構成を示す線図である。光源1から走査ビーム
を発生する。本例では、光源として青色レーザダイオー
ドを用いる。走査ビームは第1のビーム偏向装置である
音響光学偏向素子2に入射する。この音響光学偏向素子
2は、走査ビームをx方向に高速で偏向する。音響光学
偏向素子2を出射したビームはリレーレンズ3及び4を
経て偏光ビームスプリッタ5を透過し、振動ミラー6に
入射する。この振動ミラー6は、入射したビームをx方
向と直交するy方向に偏向する。振動ミラー6で反射し
たビームは、リレーレンズ7及び8並びに1/4波長板
9を経て対物レンズ10に入射し、この対物レンズによ
り微小スポット状に集束し、ステージ11上に配置した
基板12に入射する。測定すべき基板12としてトレン
チ溝やコンタクトホールが形成されている半導体ウェ
ハ、或いは光学的に透明な層が形成されているサンプル
とすることができる。勿論、膜厚測定装置として用いる
場合、光学的に透明な複数の層が積層されているサンプ
ルであっても1回の測定作業すなわち1回の光軸方向の
走査により各層の膜厚を同時に測定することができる。
1 is a diagram showing the construction of an example of a depth measuring apparatus according to the present invention. A scanning beam is generated from the light source 1. In this example, a blue laser diode is used as the light source. The scanning beam is incident on the acousto-optic deflecting element 2 which is the first beam deflecting device. The acousto-optic deflector 2 deflects the scanning beam in the x direction at high speed. The beam emitted from the acousto-optic deflecting element 2 passes through the polarizing beam splitter 5 via the relay lenses 3 and 4, and enters the vibrating mirror 6. The vibrating mirror 6 deflects the incident beam in the y direction which is orthogonal to the x direction. The beam reflected by the oscillating mirror 6 enters the objective lens 10 through the relay lenses 7 and 8 and the quarter-wave plate 9 and is focused into a minute spot by the objective lens, and then is focused on the substrate 12 arranged on the stage 11. Incident. The substrate 12 to be measured can be a semiconductor wafer having trench grooves or contact holes formed therein, or a sample having an optically transparent layer formed therein. Of course, when used as a film thickness measuring device, the film thickness of each layer is simultaneously measured by one measurement operation, that is, one scanning in the optical axis direction, even for a sample in which a plurality of optically transparent layers are laminated. can do.

【0017】基板12に入射する走査ビームは、対物レ
ンズ10により微小スポット状に集束しているから、基
板12は微小な光スポットにより2次元走査されること
になる。尚、対物レンズ10は、対物レンズ駆動装置1
3に連結され、その光軸方向すなわちx及びy方向と直
交するz方向に1スキャン毎にステップ状に移動する。
この対物レンズ駆動装置13は、例えばサーボモータで
構成することができる。また、対物レンズ10の光軸方
向の位置は、サーボモータに連結したエンコーダ14に
より測定することができる。この対物レンズの光軸方向
の移動により走査ビームの集束点と基板との間の相対距
離が変化する。従って、基板12は、集束点の位置が1
スキャン毎に所定のピッチで光軸方向に変化する走査ビ
ームにより順次2次元走査されることになる。尚、エン
コーダ14により検出された対物レンズ10の位置情報
は後述する信号処理回路19に供給して基板表面の高さ
プロファイル検出に利用する。
Since the scanning beam incident on the substrate 12 is focused by the objective lens 10 in the form of a minute spot, the substrate 12 is two-dimensionally scanned by the minute light spot. The objective lens 10 is the objective lens driving device 1
3 is connected to the optical axis 3 and moves stepwise for each scan in the optical axis direction, that is, the z direction orthogonal to the x and y directions.
The objective lens driving device 13 can be composed of, for example, a servo motor. Further, the position of the objective lens 10 in the optical axis direction can be measured by the encoder 14 connected to the servo motor. The relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate changes due to the movement of the objective lens in the optical axis direction. Therefore, the substrate 12 has a focal point position of 1
Two-dimensional scanning is sequentially performed by a scanning beam that changes in the optical axis direction at a predetermined pitch for each scan. The position information of the objective lens 10 detected by the encoder 14 is supplied to a signal processing circuit 19 to be described later and used for detecting the height profile of the substrate surface.

【0018】基板表面で反射したビームは、再び対物レ
ンズ10で集光され、1/4波長板9、リレーレンズ8
及び7を通過して振動ミラー6に入射し、デスキャンさ
れる。振動ミラーで反射したビームは偏光ビームスプリ
ッタ5に入射する。この反射ビームは1/4波長板9を
2回通過しているので、その偏光面が90°回転してい
る。よって、当該ビームは偏光ビームスプリッタ5で反
射し、光源1から基板12に向かう光ビームと分離され
る。偏光ビームスプリッタで反射したビームはレンズ1
5により集束し、リニアイメージセンサ16に入射す
る。このリニアイメージセンサ16は、x方向と対応す
る方向にライン状に配列した複数の受光素子アレイを有
する。このリニアイメージセンサ16に入射したビーム
は振動ミラー6によりデスキャンされているので、音響
光学素子2の偏向周波数でリニアイメージセンサ16の
受光面を高速走査することになる。リニアイメージセン
サ16の各受光素子に蓄積された電荷は、読出回路17
の制御のもとで1スキャン毎に読み出され、増幅器18
を経て1ライン毎に信号処理回路19に出力する。従っ
て、対物レンズの光軸方向の各位置における基板の2次
元画像の画像信号が信号処理回路19に順次供給される
ことになる。
The beam reflected by the surface of the substrate is focused again by the objective lens 10, and the quarter wavelength plate 9 and the relay lens 8 are provided.
And 7, and then enters the vibrating mirror 6 and is descanned. The beam reflected by the vibrating mirror enters the polarization beam splitter 5. Since this reflected beam has passed through the quarter-wave plate 9 twice, its plane of polarization is rotated by 90 °. Therefore, the beam is reflected by the polarization beam splitter 5 and separated from the light beam traveling from the light source 1 to the substrate 12. The beam reflected by the polarization beam splitter is lens 1
It is focused by 5 and enters the linear image sensor 16. The linear image sensor 16 has a plurality of light receiving element arrays arranged in a line in a direction corresponding to the x direction. Since the beam incident on the linear image sensor 16 is descanned by the vibrating mirror 6, the light receiving surface of the linear image sensor 16 is scanned at high speed at the deflection frequency of the acoustooptic device 2. The charge accumulated in each light receiving element of the linear image sensor 16 is read out by the reading circuit 17
Under the control of the
And output to the signal processing circuit 19 line by line. Therefore, the image signal of the two-dimensional image of the substrate at each position in the optical axis direction of the objective lens is sequentially supplied to the signal processing circuit 19.

【0019】次に、本発明による深さ測定方法の基本原
理について説明する。図2は本発明による共焦点光学系
を利用した深さ測定装置の基本原理を説明するための線
図である。点光源21からの光ビームはハーフミラー2
2を透過し、対物レンズ23に入射する。そして、対物
レンズ23によりスポット状に集束して基板24に入射
する。この際、光ビームの集束点すなわち焦点が基板上
に位置すると、基板表面で反射した光は再び対物レンズ
23により集光され、ハーフミラー22で反射し、ピン
ホールマスク25の開口部25aを通過して光検出器2
6上に集束する。従って、光源からの光ビームの焦点が
基板上に位置する場合、光検出器には大量の光が入射す
る。一方、図2の破線で示すように、光ビームの焦点が
基板24の前側又は後側に形成されると、基板表面から
の反射光の多くはピンホールマスク25により遮光され
てしまい、光検出器26には微量の光しか入射しない。
従って、対物レンズを光軸方向に移動させるか又は基板
ステージの位置を光軸方向に移動させ、光ビームの集束
点を基板に形成された孔又は溝の深さ方向に沿って移動
させながら基板からの反射光強度を測定することによ
り、基板表面からの反射光のピーク値と基板に形成した
孔又は溝の底部表面で反射した反射光のピーク値を得る
ことができる。そして、2つの反射光のピークを発生さ
せる対物レンズと基板との間の相対距離を検出すること
により、基板に形成された孔又は溝の深さを決定するこ
とができる。
Next, the basic principle of the depth measuring method according to the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram for explaining the basic principle of the depth measuring apparatus using the confocal optical system according to the present invention. The light beam from the point light source 21 is a half mirror 2.
2 and then enters the objective lens 23. Then, it is focused in a spot shape by the objective lens 23 and is incident on the substrate 24. At this time, when the focus point, that is, the focal point of the light beam is located on the substrate, the light reflected on the substrate surface is again focused by the objective lens 23, reflected by the half mirror 22, and passes through the opening 25a of the pinhole mask 25. Then photo detector 2
Focus on 6. Therefore, when the focus of the light beam from the light source is located on the substrate, a large amount of light is incident on the photodetector. On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 2, when the focus of the light beam is formed on the front side or the rear side of the substrate 24, most of the reflected light from the substrate surface is blocked by the pinhole mask 25, and the light detection is performed. Only a small amount of light enters the container 26.
Therefore, the objective lens is moved in the optical axis direction or the position of the substrate stage is moved in the optical axis direction, and the focusing point of the light beam is moved along the depth direction of the hole or groove formed in the substrate. The peak value of the reflected light from the substrate surface and the peak value of the reflected light reflected from the bottom surface of the hole or groove formed in the substrate can be obtained by measuring the intensity of the reflected light from the substrate. Then, the depth of the hole or groove formed in the substrate can be determined by detecting the relative distance between the objective lens that generates the two peaks of the reflected light and the substrate.

【0020】図3は対物レンズを光軸方向に移動させた
場合の基板表面並びに孔又は溝の底面からの反射光強度
を模式的に示すグラフである。図3において、横軸は対
物レンズの移動位置を示し、縦軸は光検出器に入射した
反射光の強度を示す。対物レンズの位置H1で焦点が基
板の上側表面に位置したものとする。この場合、位置H
1における反射光強度は最大となり、第1のピークが発
生する。共焦点光学系の特性により、対物レンズの焦点
位置を深さ方向に僅かに変位するだけで光検出器に入射
する光量は急激に低下する。さらに対物レンズを孔の底
部に向けて移動させると、位置H2において光ビームの
集束点が孔の底面上に位置するものとする。この底面は
反射面を形成するので、光検出器に入射する反射光強度
は第2のピークを形成する。従って、第1のピークと第
2のピークとのピーク間距離dから孔又は溝の深さを求
めることができる。
FIG. 3 is a graph schematically showing the intensity of reflected light from the surface of the substrate and the bottom surface of the hole or groove when the objective lens is moved in the optical axis direction. In FIG. 3, the horizontal axis represents the moving position of the objective lens, and the vertical axis represents the intensity of the reflected light incident on the photodetector. It is assumed that the focus is located on the upper surface of the substrate at the position H1 of the objective lens. In this case, position H
The reflected light intensity at 1 becomes maximum, and the first peak occurs. Due to the characteristics of the confocal optical system, the amount of light incident on the photodetector is sharply reduced by only slightly shifting the focal position of the objective lens in the depth direction. Further, when the objective lens is moved toward the bottom of the hole, the focal point of the light beam is located on the bottom surface of the hole at the position H2. Since this bottom surface forms a reflecting surface, the reflected light intensity incident on the photodetector forms a second peak. Therefore, the depth of the hole or groove can be obtained from the peak distance d between the first peak and the second peak.

【0021】一方、孔又は溝のアスペクト比が大きくな
ると、走査ビームが孔又は溝の周囲部分によりけられて
しまい、底面まで侵入する光量が微小量となってしま
う。この結果、孔の底面からの反射光強度が著しく低下
し、底面からの反射光のピークを正確に判別できなくな
ってしまう。そこで、本発明では、リニァイメージセン
サの電荷蓄積能力を利用する。すなわち、リニアイメー
ジセンサの各受光素子に蓄積される電荷量は、入射光の
強度と入射時間との積に比例する。従って、走査速度を
遅くして入射時間を増加させることにより、孔の底面か
らの反射光強度が低くてもリニアイメージセンサの各受
光素子から高い輝度の出力信号を得ることができ、従っ
て底面からの反射光の明瞭なピーク値を検出することが
できる。一方、スキャン全体にわたって光ビームの走査
速度を低下させたのでは測定時間が長くなり過ぎ、リア
ルタイムで測定する要請に適合しなくなってしまう。そ
こで、本発明では、前記対物レンズと基板とを相互に近
づくように移動させながら一連の基板画像を撮像し、第
1及び第2のビーム偏向装置は、対物レンズが基板から
離れた光軸方向の第1の走査範囲において第1の偏向周
波数でビーム偏向を行い、対物レンズが前記第1の光軸
方向走査範囲よりも基板に近づいた第2の走査範囲にお
いて第1の偏向周波数よりも低い第2の偏向周波数でビ
ーム偏向を行う。すなわち、基板の表面付近を走査する
期間中は高速でビーム走査を行い、焦点が底面付近に接
近した期間中は低速でビーム走査を行う。このように、
孔の深さ方向の位置に応じて走査速度を切り換えること
により、測定時間が僅かに長くなるだけで凹部の底面を
明確に検出することができる。
On the other hand, when the aspect ratio of the hole or groove becomes large, the scanning beam is eclipsed by the peripheral portion of the hole or groove, and the amount of light penetrating to the bottom surface becomes minute. As a result, the intensity of the reflected light from the bottom surface of the hole is significantly reduced, and the peak of the reflected light from the bottom surface cannot be accurately determined. Therefore, the present invention utilizes the charge storage capability of the linear image sensor. That is, the amount of charge accumulated in each light receiving element of the linear image sensor is proportional to the product of the intensity of incident light and the incident time. Therefore, by decreasing the scanning speed and increasing the incident time, it is possible to obtain a high-brightness output signal from each light-receiving element of the linear image sensor even if the intensity of reflected light from the bottom surface of the hole is low. The clear peak value of the reflected light can be detected. On the other hand, if the scanning speed of the light beam is reduced over the entire scan, the measurement time becomes too long and the requirement for real-time measurement cannot be met. Therefore, in the present invention, a series of substrate images are captured while moving the objective lens and the substrate so as to approach each other, and the first and second beam deflecting devices use the optical axis direction in which the objective lens is away from the substrate. Beam deflection is performed at a first deflection frequency in a first scanning range of, and the objective lens is lower than the first deflection frequency in a second scanning range closer to the substrate than the first optical axis direction scanning range. Beam deflection is performed at the second deflection frequency. That is, the beam scanning is performed at a high speed during a period of scanning near the surface of the substrate, and the beam scanning is performed at a low speed during a period of time when the focal point is near the bottom surface. in this way,
By switching the scanning speed according to the position of the hole in the depth direction, the bottom surface of the recess can be clearly detected only by slightly increasing the measurement time.

【0022】尚、別の方法として、x方向の光ビーム走
査はそのまま高速で行い、リニアイメージセンサの読出
回路16の読出周波数を、光軸方向の第1の走査範囲と
第2の走査範囲とで切り換えることにより同様な効果を
達成することができる。すなわち、溝の底面付近の第2
の深さ範囲における読出周波数を基板表面付近の第1の
深さ範囲の読出周波数よりも遅く設定する。読出周波数
を遅くすることにより、リニアイメージセンサの各受光
素子は反射ビームにより多数回走査されてから電荷が読
み出されるので、ビーム走査速度を低速にしたのと等価
的であり、凹部の底面からの反射光強度が低くてもリニ
アイメージセンサから高いS/Nの出力信号を発生する
ことができる。
As another method, the light beam scanning in the x direction is performed at high speed as it is, and the reading frequency of the reading circuit 16 of the linear image sensor is set to the first scanning range and the second scanning range in the optical axis direction. Similar effects can be achieved by switching with. That is, the second near the bottom of the groove
The read frequency in the depth range is set to be slower than the read frequency in the first depth range near the substrate surface. By slowing the reading frequency, each light receiving element of the linear image sensor is scanned with the reflected beam a number of times before the charges are read out, which is equivalent to reducing the beam scanning speed. Even if the reflected light intensity is low, the linear image sensor can generate a high S / N output signal.

【0023】次に、図1に示す深さ測定装置の動作につ
いて説明する。装置全体の制御はコントローラ30によ
り実行する。コントローラ30からx方向駆動制御信号
を音響光学偏向素子駆動回路31に供給し、音響光学偏
向素子駆動回路からの駆動信号により音響光学偏向素子
2のx方向の走査周波数を制御する。尚、コントローラ
30の制御による第1の走査範囲における音響光学偏向
素子の走査周波数と第2の走査範囲における走査周波数
との比は、例えば16:1に設定することができる。コ
ントローラ30は、振動ミラー駆動回路32に振動ミラ
ー駆動信号を供給し、振動ミラー駆動装置33によるy
方向の走査周波数を制御する。この振動ミラーも音響光
学偏向素子と同様に、第1の走査範囲と第2の走査範囲
とで走査速度が切り換えられ、その走査速度比は音響光
学偏向素子と同一に設定する。コントローラ30から読
出回路17に読出制御信号を供給し、この読出制御信号
によりリニアイメージセンサ16の各受光素子に蓄積さ
れた電荷を読み出す。この読出周波数は、例えば音響光
学偏向素子2の駆動周波数と同一周波数に設定する。こ
の読出周波数も音響光学偏向素子と同様に第1の走査範
囲と第2の走査範囲とでその読出周波数が切り換えられ
る。さらに、コントローラ30から対物レンズ駆動回路
13に駆動信号を供給し、y方向スキャン毎に1ステッ
プづつ対物レンズを基板に近づくように移動させる。
Next, the operation of the depth measuring device shown in FIG. 1 will be described. The controller 30 controls the entire apparatus. An x-direction drive control signal is supplied from the controller 30 to the acousto-optic deflection element drive circuit 31, and the x-direction scanning frequency of the acousto-optic deflection element 2 is controlled by the drive signal from the acousto-optic deflection element drive circuit. The ratio of the scanning frequency of the acousto-optic deflecting element in the first scanning range to the scanning frequency in the second scanning range under the control of the controller 30 can be set to 16: 1, for example. The controller 30 supplies an oscillating mirror drive signal to the oscillating mirror drive circuit 32, so that the oscillating mirror drive device 33 outputs y.
Controls the scanning frequency in the direction. Similar to the acousto-optic deflecting element, this vibrating mirror is also capable of switching the scanning speed between the first scanning range and the second scanning range, and the scanning speed ratio is set to be the same as that of the acousto-optical deflecting element. A read control signal is supplied from the controller 30 to the read circuit 17, and the charge accumulated in each light receiving element of the linear image sensor 16 is read by this read control signal. This reading frequency is set to the same frequency as the driving frequency of the acousto-optic deflecting element 2, for example. As with the acousto-optic deflector, the read frequency is also switched between the first scan range and the second scan range. Further, a drive signal is supplied from the controller 30 to the objective lens drive circuit 13, and the objective lens is moved so as to approach the substrate step by step for each y-direction scan.

【0024】次に、走査ビームの集束点と基板との間の
相対距離とリニアイメージセンサの出力信号との関係に
ついて説明する。図4A〜Dは、走査ビームの集束点の
走査位置とリニアイメージセンサから読み出された1走
査ラインの出力信号との関係を示す。図4A〜Dにおい
て左側の図は基板12及び基板12に対する走査ビーム
の集束点の位置を示し(破線は集束点の位置を示す)、
右側の図はリニアイメージセンサの出力信号強度を示す
グラフである。右側の図において、横軸はx方向の走査
位置を示し、縦軸は各受光素子の出力強度を示す。図4
Aは走査ビームの集束点が基板表面よりも上側に位置す
る例を示し、図4Bは集束点が基板表面上に位置する例
を示し、図4Cは集束点が基板表面と凹部の底部との中
間に位置する例を示し、図4Dは走査ビームの集束点が
凹部の底面上に位置する例を示す。走査ビームの集束点
が基板表面よりも上側に位置する場合、リニアイメージ
センサの各受光素子からの出力信号はほぼ零となる。一
方、図4Bに示すように、集束点が基板表面上に位置す
ると、溝に対応する部分からの出力信号はほぼ零である
が、溝以外の広い範囲の受光素子の出力信号は高い輝度
を示している。さらに、図4Cに示すように、走査ビー
ムの集束点が下側に移動し、集束点が基板表面と溝の底
面との中間に位置すると、反射面が存在しないため基板
からの反射光は微小量となり、リニアイメージセンサの
各受光素子からの出力信号はほぼ零となる。走査ビーム
の集束点がさらにに移動し、図4Dに示すように、走査
ビームの集束点の光軸方向の位置が溝の底面の位置と一
致すると、底面の部分と対応する受光素子からの出力信
号は比較的高い輝度を表し、底面以外の部分に対応する
受光素子からの出力信号はほぼ零となる。
Next, the relationship between the relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate and the output signal of the linear image sensor will be described. 4A to 4D show the relationship between the scanning position of the focal point of the scanning beam and the output signal of one scanning line read from the linear image sensor. 4A to 4D, the drawings on the left side show the position of the focusing point of the scanning beam with respect to the substrate 12 (the broken line shows the position of the focusing point),
The diagram on the right is a graph showing the output signal strength of the linear image sensor. In the diagram on the right side, the horizontal axis represents the scanning position in the x direction, and the vertical axis represents the output intensity of each light receiving element. Figure 4
A shows an example in which the focus point of the scanning beam is located above the substrate surface, FIG. 4B shows an example in which the focus point is located on the substrate surface, and FIG. 4C shows the focus point between the substrate surface and the bottom of the recess. FIG. 4D shows an example in which the focal point of the scanning beam is located on the bottom surface of the concave portion. When the focal point of the scanning beam is located above the substrate surface, the output signal from each light receiving element of the linear image sensor becomes substantially zero. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the focus point is located on the surface of the substrate, the output signal from the portion corresponding to the groove is almost zero, but the output signal of the light receiving element in a wide range other than the groove has high brightness. Shows. Further, as shown in FIG. 4C, when the focus point of the scanning beam moves to the lower side and the focus point is located between the surface of the substrate and the bottom surface of the groove, the reflected light from the substrate is very small because there is no reflective surface. The output signal from each light receiving element of the linear image sensor becomes substantially zero. When the focus point of the scanning beam further moves and the position of the focus point of the scanning beam in the optical axis direction coincides with the position of the bottom surface of the groove, as shown in FIG. 4D, the output from the light receiving element corresponding to the bottom surface portion. The signal represents a relatively high brightness, and the output signal from the light receiving element corresponding to the portion other than the bottom surface becomes substantially zero.

【0025】図5は、本発明による深さ測定及び膜厚測
定装置の信号処理回路の一例の構成を示す線図である。
信号処理回路は、基板表面の高さプロファイルを検出す
る高さプロファイル検出回路40及び高さプロファイル
検出回路からの出力される高さプロファイル情報に基づ
いて凹部の深さを決定する深さ決定回路50を具える。
高さプロファイル検出回路40は、比較器41、セレク
タ42、フレームメモリ43、及び高さプロファイルメ
モリ44を有する。増幅器18により増幅されたリニア
イメージセンサ16からの画像信号Aは比較器41及び
セレクタ42に供給する。セレクタ42の出力信号はフ
レームメモリ43に供給し、フレームメモリ43の出力
信号Bは比較器41の他方の入力に供給する。比較器4
1は、リニアイメージセンサからの画像信号Aとフレー
ムメモリ43に記憶されている信号B(例えば、前回の
スキャンにより得られた画像信号)とを比較し、A>B
の場合1の制御信号を出力し、A<Bの場合0の制御信
号を出力する。これら制御信号はセレクタ42及び高さ
プロファイルメモリ44にそれぞれ供給する。セレクタ
42も同様にリニアイメージセンサからの画像信号Aと
フレームメモリ43に記憶されている信号Bとが入力
し、比較器41から供給された制御信号が1の場合画像
信号Aを出力し、制御信号が0の場合フレームメモリに
記憶されている信号Bを出力する。セレクタからの出力
信号を記憶するフレームメモリ43は、画像信号の各画
素に対応するアドレス空間を有し、各画素に対応するメ
モリ領域にリニアイメージセンサの各受光素子からの出
力信号を記憶する。従って、フレームメモリの各画素に
対応するアドレス位置には、対物レンズの光軸方向の一
連の各位置におけるスキャンにより得られた反射光強度
のうち最も高い反射光強度情報、すなわち基板表面にお
ける反射光の強度がそれぞれ記憶されることになる。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of an example of a signal processing circuit of the depth measuring and film thickness measuring apparatus according to the present invention.
The signal processing circuit detects the height profile of the substrate surface and a depth determining circuit 50 that determines the depth of the recess based on the height profile information output from the height profile detecting circuit 40 and the height profile detecting circuit. Equipped with.
The height profile detection circuit 40 has a comparator 41, a selector 42, a frame memory 43, and a height profile memory 44. The image signal A from the linear image sensor 16 amplified by the amplifier 18 is supplied to the comparator 41 and the selector 42. The output signal of the selector 42 is supplied to the frame memory 43, and the output signal B of the frame memory 43 is supplied to the other input of the comparator 41. Comparator 4
1 compares the image signal A from the linear image sensor with the signal B stored in the frame memory 43 (for example, the image signal obtained by the previous scan), and A> B
In case of A, a control signal of 1 is output, and in case of A <B, a control signal of 0 is output. These control signals are supplied to the selector 42 and the height profile memory 44, respectively. Similarly, the selector 42 inputs the image signal A from the linear image sensor and the signal B stored in the frame memory 43, outputs the image signal A when the control signal supplied from the comparator 41 is 1, and controls the same. When the signal is 0, the signal B stored in the frame memory is output. The frame memory 43 that stores the output signal from the selector has an address space corresponding to each pixel of the image signal, and stores the output signal from each light receiving element of the linear image sensor in the memory area corresponding to each pixel. Therefore, at the address position corresponding to each pixel of the frame memory, the highest reflected light intensity information among the reflected light intensities obtained by scanning at each position in the optical axis direction of the objective lens, that is, the reflected light on the substrate surface Will be stored respectively.

【0026】対物レンズ10の光軸方向の位置、すなわ
ち走査ビームの集束点と基板との間の相対距離を示すエ
ンコーダ14の出力信号を高さプロファイルメモリ44
に供給する。高さプロファイルメモリ44もフレームメ
モリ43と同様に、画像信号の各画素に対応するアドレ
ス空間を有し、各画素のアドレス空間には最大の反射光
強度が受光された際の高さ情報をそれぞれ記憶する。こ
の高さプロファイルメモリ44には比較器41からの制
御信号も供給され、制御信号が1の場合エンコーダ14
からの高さ情報を記憶し、制御信号が0の場合記憶しな
い。この結果、高さプロファイルメモリ44の各画素に
対応するメモリ領域には、基板表面からの反射光の強度
が最大になる高さ情報すなわち光軸方向の位置がそれぞ
れ記憶され、高さプロファイルメモリ44には基板の表
面プロファイルが記憶されることになる。
The height profile memory 44 stores the output signal of the encoder 14 indicating the position of the objective lens 10 in the optical axis direction, that is, the relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate.
Supply to. Like the frame memory 43, the height profile memory 44 also has an address space corresponding to each pixel of the image signal, and the address space of each pixel contains height information when the maximum reflected light intensity is received. Remember. A control signal from the comparator 41 is also supplied to the height profile memory 44, and when the control signal is 1, the encoder 14
The height information from is stored, and is not stored when the control signal is 0. As a result, height information that maximizes the intensity of the reflected light from the substrate surface, that is, the position in the optical axis direction, is stored in the memory area corresponding to each pixel of the height profile memory 44. Will store the surface profile of the substrate.

【0027】高さプロファイルメモリ44に記憶されて
いる基板表面の高さプロファイル情報は深さ決定装置5
0に供給する。深さ決定装置50では、図6に示す画素
数すなわち画素の頻度と対物レンズの光軸方向の位置と
の関係を求める。対物レンズの光軸方向の位置を順次基
板に近づくようにステップ移動させながら基板表面を2
次元走査すると、初めに走査ビームの集束点が基板表面
と一致し(位置H1 )、多数の画素が最大強度の反射光
を受光する。さらに、対物レンズを基板に近づくように
移動させると、走査ビームの集束点が凹部の底面と一致
し(位置H2 )、ほぼ底面の面積に対応する画素数の画
素が最大強度の反射光を受光する。従って、対物レンズ
の光軸方向の位置と画素数との関係を示すヒストグラム
を形成し、得られたヒストグラムに基づいて画素の頻度
の2つのピーク間距離である位置H1 とH2 との間の距
離dを測定することにより凹部の深さを求めることがで
きる。
The height profile information of the substrate surface stored in the height profile memory 44 is the depth determining device 5.
Supply to 0. In the depth determining device 50, the relationship between the number of pixels shown in FIG. 6, that is, the frequency of pixels and the position of the objective lens in the optical axis direction is obtained. While moving the position of the objective lens in the optical axis direction step by step so as to approach the substrate, the substrate surface is moved to 2
When dimensionally scanned, the focus point of the scanning beam first coincides with the substrate surface (position H 1 ), and a large number of pixels receive reflected light of maximum intensity. Further, when the objective lens is moved closer to the substrate, the focal point of the scanning beam coincides with the bottom surface of the concave portion (position H 2 ), and the pixels having the number of pixels corresponding to the area of the bottom surface emit the reflected light having the maximum intensity. Receive light. Therefore, a histogram showing the relationship between the position of the objective lens in the optical axis direction and the number of pixels is formed, and based on the obtained histogram, the distance between the positions H 1 and H 2 , which is the distance between two peaks of the pixel frequency, is formed. The depth of the recess can be obtained by measuring the distance d.

【0028】図1に示す光学系及び図5に示す信号処理
回路は膜厚測定にも適用することができる。すなわち、
膜厚測定の場合、空気と膜との界面が走査ビームに対す
る第1の反射面となり、当該膜と下地の材料層又は基板
との界面も屈折率差が生ずるため第2の反射面となるの
で、図6に示す特性とほぼ同様な特性が得られる。従っ
て、膜厚測定において、図5の高さプロファイル検出回
路40は当該膜の2次元膜厚プロファイルを検出する膜
厚プロファイル検出回路となり、深さ決定回路50は、
高さ情報と画素数との関係から膜厚を決定する膜厚決定
回路として機能する。
The optical system shown in FIG. 1 and the signal processing circuit shown in FIG. 5 can be applied to film thickness measurement. That is,
In the case of film thickness measurement, the interface between the air and the film becomes the first reflecting surface for the scanning beam, and the interface between the film and the underlying material layer or the substrate also becomes the second reflecting surface due to the difference in the refractive index. A characteristic similar to that shown in FIG. 6 is obtained. Therefore, in the film thickness measurement, the height profile detection circuit 40 of FIG. 5 becomes a film thickness profile detection circuit that detects the two-dimensional film thickness profile of the film, and the depth determination circuit 50
It functions as a film thickness determining circuit that determines the film thickness from the relationship between the height information and the number of pixels.

【0029】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、基板表面を2次元走査する構成としたが、走査
ビームにより1次元走査する場合でも基板の溝や孔並び
にサンプルの膜厚を正確に検出することができる。この
1次元走査する測定装置は、図1に示す測定装置のy方
向走査する振動ミラーを固定ミラーとすることにより実
現することができる。この場合、1次元走査する走査装
置として音響光学素子だけでなく、振動ミラー、ガルバ
ノミラー、或いはポリゴンミラーを用いることも可能で
ある。また、1次元の高さプロファイルの2つのピーク
間距離から深さを決定することができる。
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 substrate surface is two-dimensionally scanned, but even when the scanning beam is one-dimensionally scanned, it is possible to accurately detect the groove and hole of the substrate and the film thickness of the sample. This one-dimensional scanning measuring device can be realized by using the vibrating mirror which scans in the y direction of the measuring device shown in FIG. 1 as a fixed mirror. In this case, not only an acousto-optic device but also a vibrating mirror, a galvano mirror, or a polygon mirror can be used as a scanning device for one-dimensional scanning. In addition, the depth can be determined from the distance between two peaks in the one-dimensional height profile.

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

【図1】 本発明による深さ測定装置及び膜厚測定装置
の一例の構成を示す線図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an example of a depth measuring apparatus and a film thickness measuring apparatus according to the present invention.

【図2】 コンフォーカル光学系を用いた高さ測定の原
理を示す線図である。
FIG. 2 is a diagram showing the principle of height measurement using a confocal optical system.

【図3】 対物レンズ移動量と反射光強度との関係を示
す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of movement of an objective lens and the intensity of reflected light.

【図4】 溝が形成されている基板の走査ビームの集束
点の高さ方向位置と受光素子の出力信号との関係を示す
線図である。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a position in the height direction of a focusing point of a scanning beam on a substrate having a groove formed therein and an output signal of a light receiving element.

【図5】 信号処理回路の一例の構成を示す線図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an example of a signal processing circuit.

【図6】 対物レンズの光軸方向の位置と画素数との関
係を示すヒストグラムである。
FIG. 6 is a histogram showing the relationship between the position of the objective lens in the optical axis direction and the number of pixels.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 音響光学素子 3,4,7,8 リレーレンズ 5 偏光ビームスプリッタ 6 振動ミラー 9 λ/4板 10 対物レンズ 11 ステージ 12 基板 13 対物レンズ移動装置 14 エンコーダ 15 集束レンズ 16 リニァイメージセンサ 17 読出回路 18 増幅器 19 信号処理回路 30 コントローラ 1 light source 2 Acousto-optic element 3,4,7,8 relay lens 5 Polarizing beam splitter 6 Vibration mirror 9 λ / 4 plate 10 Objective lens 11 stages 12 substrates 13 Objective lens moving device 14 encoder 15 Focusing lens 16 linear image sensor 17 Read circuit 18 amplifier 19 Signal processing circuit 30 controller

フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 AA24 AA25 AA30 AA51 BB02 CC19 DD06 FF10 FF44 FF49 FF67 GG06 GG22 HH04 JJ02 JJ05 JJ25 LL00 LL04 LL05 LL13 LL30 LL36 LL37 LL57 LL62 LL65 MM16 MM26 PP02 PP12 QQ23 Continued front page    F term (reference) 2F065 AA06 AA24 AA25 AA30 AA51                       BB02 CC19 DD06 FF10 FF44                       FF49 FF67 GG06 GG22 HH04                       JJ02 JJ05 JJ25 LL00 LL04                       LL05 LL13 LL30 LL36 LL37                       LL57 LL62 LL65 MM16 MM26                       PP02 PP12 QQ23

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板に形成された凹部の深さを光学的に
測定する深さ測定装置であって、光ビームを発生する光
源と、光ビームをx方向に偏向する第1のビーム偏向装
置と、x方向に偏向された光ビームをx方向と直交する
y方向に偏向する第2のビーム偏向装置と、第2のビー
ム偏向装置から出射した走査ビームを微小スポット状に
集束して基板に向けて投射する対物レンズと、基板を支
持するステージと、前記x軸方向と対応する方向に配列
した複数の受光素子を有し、前記基板からの反射光を受
光するリニアイメージセンサと、前記対物レンズから出
射した走査ビームの集束点と基板との間の対物レンズの
光軸方向の相対距離を変化させる駆動装置と、前記走査
ビームの集束点と基板との間の相対距離を検出する距離
検出装置と、前記リニアイメージセンサの各受光素子か
ら出力される画像出力信号及び前記距離検出装置から出
力される相対距離情報とに基づいて基板に形成されてい
る凹部の深さを決定する信号処理回路と、前記第1のビ
ーム偏向装置及び第2のビーム偏向装置のビーム偏向周
波数を制御するビーム偏向周波数制御装置とを具え、 前記対物レンズと基板との間の相対距離を変えながら一
連の基板画像を撮像し、第1及び第2のビーム偏向装置
は、対物レンズが基板から離れた第1の光軸方向の走査
範囲において第1の偏向周波数でビーム偏向を行い、対
物レンズが前記第1の走査範囲よりも基板に近づいた第
2の走査範囲において第1の偏向周波数よりも低い第2
の偏向周波数でビーム偏向を行うことを特徴とする深さ
測定装置。
1. A depth measuring device for optically measuring the depth of a recess formed in a substrate, wherein a light source for generating a light beam and a first beam deflecting device for deflecting the light beam in the x direction. And a second beam deflecting device for deflecting the light beam deflected in the x direction in the y direction orthogonal to the x direction, and a scanning beam emitted from the second beam deflecting device is focused into a minute spot on the substrate. An objective lens for projecting toward, a stage for supporting the substrate, a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the x-axis direction, a linear image sensor for receiving reflected light from the substrate, and the objective A drive device that changes the relative distance between the focal point of the scanning beam emitted from the lens and the substrate in the optical axis direction of the objective lens, and the distance detection that detects the relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate. Device and A signal processing circuit for determining the depth of a recess formed in the substrate based on an image output signal output from each light receiving element of the near image sensor and relative distance information output from the distance detecting device; A beam deflection frequency control device for controlling the beam deflection frequency of the first beam deflection device and the second beam deflection device, and capturing a series of substrate images while changing the relative distance between the objective lens and the substrate, The first and second beam deflecting devices perform beam deflection at a first deflection frequency in a scanning range in which the objective lens is away from the substrate in the first optical axis direction, and the objective lens is higher than the first scanning range. In the second scanning range approaching the substrate, the second scanning frequency lower than the first deflection frequency
Depth measuring device characterized by performing beam deflection at the deflection frequency of.
【請求項2】 基板に形成された凹部の深さを光学的に
測定する深さ測定装置であって、光ビームを発生する光
源と、光ビームをx方向に偏向する第1のビーム偏向装
置と、x方向に偏向された光ビームをx方向と直交する
y方向に偏向する第2のビーム偏向装置と、第2のビー
ム偏向装置から出射した走査ビームを微小スポット状に
集束して基板に向けて投射する対物レンズと、基板を支
持するステージと、前記x軸方向と対応する方向に配列
した複数の受光素子を有し、前記基板からの反射光を受
光するリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセ
ンサの各受光素子に蓄積された電荷の読み出し周波数を
制御する読出制御回路と、前記対物レンズから出射した
走査ビームの集束点と基板との間の対物レンズの光軸方
向の相対距離を変化させる駆動装置と、前記走査ビーム
の集束点と基板との間の相対距離を検出する距離検出装
置と、前記リニアイメージセンサの各受光素子から出力
される画像出力信号及び前記距離検出装置から出力され
る相対距離情報とに基づいて基板に形成されている凹部
の深さを決定する信号処理回路とを具え、 前記対物レンズと基板との間の相対距離を変えながら一
連の基板画像を撮像し、前記リニアイメージセンサの読
出制御回路は、対物レンズが基板から離れた光軸方向の
第1の走査範囲において第1の読出周波数で受光素子に
蓄積された電荷を読み出し、対物レンズが前記第1の走
査範囲よりも基板に近づいた第2の走査範囲において第
1の読出周波数よりも低い第2の読出周波数で受光素子
に蓄積された電荷を読み出すことを特徴とする深さ測定
装置。
2. A depth measuring device for optically measuring the depth of a recess formed in a substrate, wherein a light source for generating a light beam and a first beam deflecting device for deflecting the light beam in the x direction. And a second beam deflecting device for deflecting the light beam deflected in the x direction in the y direction orthogonal to the x direction, and a scanning beam emitted from the second beam deflecting device is focused into a minute spot on the substrate. A linear image sensor having an objective lens for projecting toward it, a stage for supporting the substrate, and a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the x-axis direction, for receiving reflected light from the substrate, and the linear image sensor. A read control circuit that controls the read frequency of the charges accumulated in each light receiving element of the image sensor, and the relative distance in the optical axis direction of the objective lens between the focusing point of the scanning beam emitted from the objective lens and the substrate are changed. Driving device, a distance detecting device for detecting a relative distance between the focusing point of the scanning beam and the substrate, an image output signal output from each light receiving element of the linear image sensor, and an output from the distance detecting device. And a signal processing circuit that determines the depth of the recess formed in the substrate based on relative distance information, capturing a series of substrate images while changing the relative distance between the objective lens and the substrate, The read control circuit of the linear image sensor reads the charge accumulated in the light receiving element at the first read frequency in the first scanning range in the optical axis direction in which the objective lens is away from the substrate, and the objective lens is the first scan range. Depth characterized in that the charge accumulated in the light receiving element is read at a second read frequency lower than the first read frequency in a second scan range closer to the substrate than in the scan range. measuring device.
【請求項3】 前記信号処理回路が、リニアイメージセ
ンサの各受光素子から出力される画像信号と距離検出装
置から出力される相対距離情報とに基づいて基板表面の
光軸方向の高さプロファイルを検出する高さプロファイ
ル検出手段と、求めた高さプロファイルから凹部の深さ
を決定する深さ決定手段とを有することを特徴とする請
求項1又は2に記載の深さ測定装置。
3. The height profile in the optical axis direction of the substrate surface is generated by the signal processing circuit based on the image signal output from each light receiving element of the linear image sensor and the relative distance information output from the distance detection device. 3. The depth measuring device according to claim 1, further comprising height profile detecting means for detecting and depth determining means for determining the depth of the concave portion from the obtained height profile.
【請求項4】 請求項3に記載の深さ測定装置におい
て、前記深さ決定手段は、基板表面の高さプロファイル
から基板の表面高さ及び凹部の底面の高さを決定し、こ
れら基板の表面高さと凹部の底面の高さとの差を求め、
求めた差を凹部の深さとして出力することを特徴とする
深さ測定装置。
4. The depth measuring apparatus according to claim 3, wherein the depth determining means determines the surface height of the substrate and the height of the bottom surface of the recess from the height profile of the substrate surface, and determines the height of these substrates. Calculate the difference between the surface height and the height of the bottom of the recess,
A depth measuring device, which outputs the obtained difference as the depth of the recess.
【請求項5】 前記深さ決定手段は、基板表面の高さプ
ロファイルから得られる各画素の光軸方向の高さ情報と
画素数との関係から基板表面の光軸方向の高さ及び凹部
の底面の高さを決定することを特徴とする請求項4に記
載の深さ測定装置。
5. The depth determining means determines the height of the substrate surface in the optical axis direction and the concave portion from the relationship between the height information in the optical axis direction of each pixel obtained from the height profile of the substrate surface and the number of pixels. The depth measuring device according to claim 4, wherein the height of the bottom surface is determined.
【請求項6】 前記走査ビームの集束点と基板との間の
距離を変える駆動装置として、前記対物レンズを光軸方
向に移動させる対物レンズ移動装置を用い、対物レンズ
の光軸方向の位置情報を用いて走査ビームの集束点と基
板との間の相対距離を検出することを特徴とする請求項
5に記載の深さ測定装置。
6. An objective lens moving device for moving the objective lens in the optical axis direction is used as a driving device for changing the distance between the focusing point of the scanning beam and the substrate, and position information of the objective lens in the optical axis direction is used. The depth measuring device according to claim 5, wherein the relative distance between the focal point of the scanning beam and the substrate is detected by using.
【請求項7】 前記基板を、溝、空孔又は段差が形成さ
れている半導体ウェハとし、溝の深さ、空孔の深さ又は
段差の高さを測定することを特徴とする請求項1から6
までのいずれか1項に記載の深さ測定装置。
7. The substrate is a semiconductor wafer having a groove, a hole or a step formed therein, and the depth of the groove, the depth of the hole or the height of the step is measured. From 6
The depth measuring device according to any one of 1 to 6 above.
【請求項8】 基板上に形成された光学的に透明な膜の
厚さを光学的に測定する膜厚測定装置であって、光ビー
ムを発生する光源と、光ビームをx方向に偏向する第1
のビーム偏向装置と、x方向に偏向された光ビームをx
方向と直交するy方向に偏向する第2のビーム偏向装置
と、第2のビーム偏向装置から出射した走査ビームを微
小スポット状に集束して基板に向けて投射する対物レン
ズと、基板を支持するステージと、前記x軸方向と対応
する方向に配列した複数の受光素子を有し、前記基板か
らの反射光を受光するリニアイメージセンサと、前記対
物レンズから出射した走査ビームの集束点と基板との間
の対物レンズの光軸方向の相対距離を変化させる駆動装
置と、前記走査ビームの集束点と基板との間の相対距離
を検出する距離検出装置と、前記リニアイメージセンサ
の各受光素子から出力される画像出力信号及び前記距離
検出装置から出力される相対距離情報とに基づいて基板
に形成されている膜の膜厚を決定する信号処理回路と、
前記第1のビーム偏向装置及び第2のビーム偏向装置の
ビーム偏向周波数を制御するビーム偏向周波数制御装置
とを具え、 前記対物レンズと基板との間の相対距離を変えながら一
連の基板画像を撮像し、第1及び第2のビーム偏向装置
は、対物レンズが基板から離れた光軸方向の第1の走査
範囲において第1の偏向周波数でビーム偏向を行い、対
物レンズが前記第1の走査範囲よりも基板に近づいた第
2の走査範囲において前記第1の偏向周波数よりも低い
第2の偏向周波数でビーム偏向を行うことを特徴とする
膜厚測定装置。
8. A film thickness measuring device for optically measuring the thickness of an optically transparent film formed on a substrate, wherein the light source generates a light beam and the light beam is deflected in the x direction. First
Beam deflecting device and a light beam deflected in the x direction
A second beam deflecting device that deflects in the y direction orthogonal to the direction, an objective lens that focuses the scanning beam emitted from the second beam deflecting device into a minute spot and projects it toward the substrate, and supports the substrate. A linear image sensor having a stage and a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the x-axis direction, for receiving reflected light from the substrate, a focusing point of a scanning beam emitted from the objective lens, and the substrate. Between the driving device for changing the relative distance of the objective lens in the optical axis direction, the distance detecting device for detecting the relative distance between the focusing point of the scanning beam and the substrate, and the light receiving elements of the linear image sensor. A signal processing circuit for determining the film thickness of a film formed on the substrate based on the output image output signal and the relative distance information output from the distance detection device;
A beam deflection frequency controller for controlling the beam deflection frequency of the first beam deflector and the second beam deflector, and capturing a series of substrate images while changing the relative distance between the objective lens and the substrate. In the first and second beam deflecting devices, the objective lens deflects the beam at the first deflection frequency in the first scanning range in the optical axis direction away from the substrate, and the objective lens moves in the first scanning range. A film thickness measuring device, characterized in that beam deflection is performed at a second deflection frequency lower than the first deflection frequency in a second scanning range closer to the substrate.
【請求項9】 基板上に形成された光学的に透明な膜の
厚さを光学的に測定する膜厚測定装置であって、光ビー
ムを発生する光源と、光ビームをx方向に偏向する第1
のビーム偏向装置と、x方向に偏向された光ビームをx
方向と直交するy方向に偏向する第2のビーム偏向装置
と、第2のビーム偏向装置から出射した走査ビームを微
小スポット状に集束して基板に向けて投射する対物レン
ズと、基板を支持するステージと、前記x軸方向と対応
する方向に配列した複数の受光素子を有し、前記基板か
らの反射光を受光するリニアイメージセンサと、前記リ
ニアイメージセンサの各受光素子に蓄積された電荷の読
み出し周波数を制御する読出制御回路と、前記対物レン
ズから出射した走査ビームの集束点と基板との間の対物
レンズの光軸方向の相対距離を変化させる駆動装置と、
前記走査ビームの集束点と基板との間の相対距離を検出
する距離検出装置と、前記リニアイメージセンサの各受
光素子から出力される画像出力信号及び前記距離検出装
置から出力される相対距離情報とに基づいて基板に形成
されている膜の膜厚を決定する信号処理回路とを具え、 前記対物レンズと基板との間の相対距離を変えながら一
連の基板画像を撮像し、前記リニアイメージセンサの読
出制御回路は、対物レンズが基板から離れた光軸方向の
第1の走査範囲において第1の読出周波数で受光素子に
蓄積された電荷を読み出し、対物レンズが前記第1の走
査範囲よりも基板に近づいた第2の走査範囲において第
1の読出周波数よりも低い第2の読出周波数で受光素子
に蓄積された電荷を読み出すことを特徴とする膜厚測定
装置。
9. A film thickness measuring device for optically measuring the thickness of an optically transparent film formed on a substrate, comprising a light source for generating a light beam and deflecting the light beam in the x direction. First
Beam deflecting device and a light beam deflected in the x direction
A second beam deflecting device that deflects in the y direction orthogonal to the direction, an objective lens that focuses the scanning beam emitted from the second beam deflecting device into a minute spot and projects it toward the substrate, and supports the substrate. A linear image sensor having a stage and a plurality of light-receiving elements arranged in a direction corresponding to the x-axis direction, which receives reflected light from the substrate, and a charge accumulated in each light-receiving element of the linear image sensor. A read control circuit for controlling the read frequency; and a drive device for changing the relative distance in the optical axis direction of the objective lens between the focal point of the scanning beam emitted from the objective lens and the substrate.
A distance detection device that detects a relative distance between the focusing point of the scanning beam and the substrate, an image output signal output from each light receiving element of the linear image sensor, and relative distance information output from the distance detection device. And a signal processing circuit for determining the film thickness of the film formed on the substrate based on the above, by capturing a series of substrate images while changing the relative distance between the objective lens and the substrate, The readout control circuit reads out the electric charge accumulated in the light receiving element at the first readout frequency in the first scanning range in the optical axis direction in which the objective lens is away from the substrate, and the objective lens is closer to the substrate than the first scanning range. The film thickness measuring device is characterized in that the electric charge accumulated in the light receiving element is read at a second reading frequency lower than the first reading frequency in the second scanning range approaching to.
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