JP2003262508A - 半導体測定装置 - Google Patents

半導体測定装置

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JP2003262508A
JP2003262508A JP2002064175A JP2002064175A JP2003262508A JP 2003262508 A JP2003262508 A JP 2003262508A JP 2002064175 A JP2002064175 A JP 2002064175A JP 2002064175 A JP2002064175 A JP 2002064175A JP 2003262508 A JP2003262508 A JP 2003262508A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細な観察領域を再現性よく、しかも、倍率
切換えを高速で行い、かつクリーンルームなど超清浄な
環境においても使用することのできる半導体測定装置を
提供すること。 【解決手段】 サンプル2としての半導体の拡大画像を
画像処理装置30に取り込むようにした半導体測定装置
において、前記サンプル2に対向して設けられる対物レ
ンズ22の後段に複数の互いに独立した光路27a〜2
7cを形成し、これらの光路27a〜27cのそれぞれ
にレンズ群28a〜28cおよびディテクタ手段29a
〜29cを設けて、拡大倍率が互いに異なる複数の顕微
鏡光路を形成するとともに、前記ディテクタ手段29a
〜29cを切換え制御する画面切換手段31を設け、前
記各顕微鏡光路によって得られる画像を前記画面切換手
段31によって適宜選択して前記画像処理装置30に取
り込むことができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば半導体ウ
ェハやレティクル/マスクなどの表面の薄膜の厚みなど
を測定するための半導体測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】上記半導体測定装置の一つに、膜厚測定
装置がある。この膜厚測定装置は、物質の表面で光が反
射する際の偏光状態の変化を観測して、その物質の光学
定数(屈折率、消衰係数)を、また、物質の表面に薄膜
層が存在する場合は、その膜厚や光学定数を測定するも
ので、例えば図2に示すように構成されている。
【0003】すなわち、図2において、1は測定ステー
ジで、例えばウェハなどのサンプル2を真空吸着などの
手段で吸着し、これを水平な状態に保持するとともに、
図示していないステージ保持機構によって、3つの互い
に直交するX方向(紙面に平行な左右方向)、Y方向
(紙面に垂直な方向)、Z方向に(紙面に平行な上下方
向)にそれぞれ直線的に移動するように構成されてい
る。
【0004】3は測定ステージ1の上方の一方の側に設
けられる入射光学系で、例えば190〜830nmの広
い波長領域の光を発する例えばキセノンランプからなる
白色光源4と、この白色光源4から発せられる光を絞る
ためのスリット5と、例えば二つの凹面鏡6a,6bか
らなるビーム縮小光学系6と、偏光子7とから構成さ
れ、光源4からの多波長光を縮小し、所定の方向に偏光
された直線偏光8をサンプル2の表面2aに照射するも
のである。
【0005】9は測定ステージ1の上方の他方の側に設
けられる検出光学系で、サンプル2の表面2aに直線偏
光8を照射したときにサンプル表面2aで反射した楕円
偏光10の偏光変化量を例えば分光器11に出力するも
ので、位相変調素子12と、検光子13と、二つの凹面
鏡14a,14bからなるビーム縮小光学系14と、分
光器11への信号取り出し用の光ファイバー15とを備
えるとともに、ビーム縮小光学系14と光ファイバー1
5との間に、ビーム縮小光学系14を出射した光を光フ
ァイバー15に入射させるためのピンホール16aを形
成したピンホール板16が設けられている。
【0006】17は測定ステージ1の上方に設けられる
光学顕微鏡で、倍率の異なる対物レンズ17aを複数個
備え、これら複数の対物レンズ17aをモータによって
駆動されるレボルバー方式のレンズ切換え機構17bに
よって切換え、サンプル表面2aの異なる適宜の倍率で
観察することができるように構成されている。18は光
学顕微鏡17の上方に設けられるディテクタ手段として
のCCDカメラである。
【0007】19は例えば画像処理機能を有するパソコ
ンで、分光器11からの測定データ、すなわち、サンプ
ル表面2aで反射した光の偏光変化量の測定データや、
光学顕微鏡17やCCDカメラ18からの信号が入力さ
れる。そして、このパソコン19においては、前記測定
データが適宜演算処理および画像処理され、サンプル表
面2aの光学定数(屈折率や消衰係数)とサンプル表面
2aの薄膜の膜厚が測定され、光学顕微鏡17やCCD
カメラ18からの信号は演算処理および画像処理され、
測定結果は数値および画像の形態で、パソコン19に接
続されたカラーディスプレイ20の表示画面20aに表
示される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の膜厚測定装置においては、サンプル表面2aを異な
った倍率で観察するのにレボルバー方式の光学顕微鏡1
7を用いており、このような光学顕微鏡17を用いて、
サンプル表面2aにおける微小な観察領域を所定の倍率
で観察する場合、複数の対物レンズ17aのうちの一つ
を選んで機械的に切換える必要があるが、位置決めの再
現性が問題となり、ミクロン(μm)オーダーの精度で
位置決めを行う場合、高精度の再現性に欠けるととも
に、モータなど機械的な駆動部分は、その寿命や耐久性
に問題があるとともに切換え速度にも欠けるといった課
題がある。さらに、サンプル表面2aの上方には、機械
的駆動を行うためのモータなど機械的に磨耗する部材が
設けられており、このような部材において発生する微粒
子(パーッティクル)がサンプル表面2aに付着し、サ
ンプル2を汚損したり、所望の観察に支障を来すおそれ
もある。
【0009】上述の課題は、膜厚測定装置のみならず、
他の半導体測定装置においても同様に生じているところ
である。
【0010】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、微細な観察領域を再現性よく、
しかも、倍率切換えを高速で行い、かつクリーンルーム
など超清浄な環境においても使用することのできる半導
体測定装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、サンプルとしての半導体の拡大画像を
画像処理装置に取り込むようにした半導体測定装置にお
いて、前記サンプルに対向して設けられる対物レンズの
後段に複数の互いに独立した光路を形成し、これらの光
路のそれぞれにレンズ群およびディテクタ手段を設け
て、拡大倍率が互いに異なる複数の顕微鏡光路を形成す
るとともに、前記ディテクタ手段を切換え制御する画面
切換手段を設け、前記各顕微鏡光路によって得られる画
像を前記画面切換手段によって適宜選択して前記画像処
理装置に取り込むことができるようにしている(請求項
1)。
【0012】上記半導体測定装置において、サンプルか
らの光を複数の互いに独立した光路に対して分割するた
めの光分割手段を設けてあってもよい(請求項2)。
【0013】上記半導体測定装置においては、機械的な
手段によることなく、画像切換えを行うようにしている
ので、倍率切換えを高速かつ再現性よく行うことがで
き、サンプル表面を所望の倍率で確実に観察することが
できる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参
照しながら説明する。図1は、この発明の一つの実施の
形態を示すもので、半導体測定装置としての膜厚測定装
置の要部の構成を概略的に示すものである。この図にお
いて、図2に示した符号と同一符号は同一物であり、そ
の説明は省略する。
【0015】前記図1において、21は対物部で、その
下端には測定ステージ1上のサンプル2に対向するよう
に対物レンズ22が設けられるとともに、この対物レン
ズ22の後段(上方側)には、ハーフミラー23が水平
な方向と45°の角度で設けられている。このハーフミ
ラー23の水平方向側部には、サンプル2を照明するた
めの例えばハロゲンランプよりなる照射光源24が設け
られている。なお、25はハーフミラー23の鉛直方向
上方に設けられるレンズである。
【0016】26は対物部21のレンズ25の後段(図
示例では上方)に設けられる光分割手段としての光路分
割部で、レンズ25を上方側の光路27を複数(図示例
では3つ)の光路(顕微鏡光路)27a,27b,27
cに分割するもので、図示例では、4つの直角プリズム
26a,26b,26c,26dによって構成されてい
る。前記3つの顕微鏡光路27a〜27cは互いに独立
しており、それぞれ、レンズ群28a,28b,28c
およびディテクタ手段としてのCCDカメラ29a,2
9b,29cをこの順で備えており、拡大倍率がそれぞ
れ例えば3倍、6倍、15倍になるように構成されてい
る。
【0017】なお、上記構成の顕微鏡光路27a〜27
cにおいては、画像倍率が互いに異なり、したがって、
CCDカメラ29a〜29cに入射する光量が、倍率の
大きいものほど小さくなる。そこで、直角プリズム26
a〜26dにおける光の透過面または反射面に適宜の蒸
着を施して、光の透過率および反射率を調整し、CCD
カメラ29a〜29cにおける面積比光量が互いに等し
くなるようにするのが好ましい。
【0018】30は画像処理装置で、例えばパソコンよ
りなる。この画像処理装置30は、図1に示したパソコ
ン19が備える機能に加えて、前記CCDカメラ29a
〜29cにおいてそれぞれ得られる画像信号を選択的に
取り込む機能を備えている。すなわち、この画像処理装
置30内には、画面切換手段としてのビデオキャプチャ
ーボード(以下、VCBという)31が設けられてい
る。
【0019】32は画像処理装置30に接続されたカラ
ーディスプレイで、図2のカラーディスプレイ20と同
様の機能を備えている。また、33はモニター装置で、
VCB31からのアナログ出力に基づいてCCDカメラ
29a〜29cにおいてそれぞれ得られる画像信号を選
択して画像として表示することができる。
【0020】上記構成の半導体測定装置においては、例
えばサンプル2の膜厚測定に先立って行われるサンプル
2を観察する場合、照射光源24から照明光34を照射
すると、この照明光34はハーフミラー23および対物
レンズ22を経てサンプル2を照射する。そして、この
照射によるサンプル2における反射光35が対物レンズ
22およびハーフミラー23を経てレンズ25に入射す
る。このレンズ25を経た光36は、光路分割部26に
おいて3つ顕微鏡光路27a〜27cに分割される。3
つ顕微鏡光路27a〜27cを進んだ光は、リレーレン
ズ28a〜28cを経てCCDカメラ29a〜29cに
おいて、3倍、6倍、15倍の像を形成する。
【0021】そして、画像処理装置30の入力操作部
(図示していない)における入力キーを操作することに
より、CCDカメラ29a〜29cにおける一つの画像
(例えば3倍画像)が選択されて、その画像信号がVC
B31を介して画像処理装置30内に取り込まれる。そ
して、6倍あるいは15倍の画像に切換えたいときは、
前記入力キーを操作することにより、所望倍率の画像信
号が画像処理装置30内に取り込まれる。この取り込ま
れた画像信号は、画像処理装置30およびVCB31内
において画像処理され、カラーディスプレイ32および
モニター装置33において表示される。
【0022】上述のように、上記半導体測定装置におい
ては、図2に示したような従来の半導体測定装置におけ
る場合と異なり、機械的な手段によることなく、複数の
倍率の異なる画像を選択的に取り込むことができるの
で、クリーン度が要求されるウェハなど半導体の各種測
定を行う場合に好適に用いることができる。そして、倍
率切換えは、画像処理装置30などパソコンからの電気
的切換え指令によって行われ、機械的駆動を伴うもので
はないので、倍率の異なる画像切換えを高速かつ再現性
よく行うことができる。したがって、サンプル2の表面
2aを所望の倍率で確実に観察することができる。
【0023】なお、上記プリズム26a〜26dに代え
てハーフミラーなどの他の光分割・透過手段を用いても
よい。この場合においてもハーフミラーの表面上に適宜
の蒸着を施して光の透過率および反射率を調整すること
により、CCDカメラ29a〜29cにおける面積比光
量が互いに等しくなるようにするのが好ましい。また、
CCDカメラ29a〜29cに代えて、他のディテクタ
手段を用いてもよい。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、サ
ンプルに対向して設けられる対物レンズの後段に複数の
互いに独立した光路を形成し、これらの光路のそれぞれ
にレンズ群およびディテクタ手段を設けて、拡大倍率が
互いに異なる複数の顕微鏡光路を形成するとともに、前
記ディテクタ手段を切換え制御する画面切換手段を設
け、前記各顕微鏡光路によって得られる画像を前記画面
切換手段によって適宜選択して前記画像処理装置に取り
込むことができるようにしたので、微細な観察領域を再
現性よく、しかも、倍率の切換えを高速で行うことので
きるようになり、所望のサンプル画像を精度よく確実に
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の半導体測定装置の要部の構成の一例
を概略的に示す図である。
【図2】従来の半導体測定装置の構成を概略的に示す図
である。
【符号の説明】
2…サンプル、22…対物レンズ、27a,27b,2
7c…複数の光路(顕微鏡光路)、28a,28b,2
8c…レンズ群、29a,29b,29c…ディテクタ
手段、30…画像処理装置、31…画面切換手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA03 AA30 CC20 DD06 DD13 DD16 FF04 FF49 GG03 GG24 HH04 JJ05 JJ26 LL00 LL02 LL12 LL19 LL28 LL33 MM03 MM04 PP12 PP24 QQ31 SS02

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サンプルとしての半導体の拡大画像を画
    像処理装置に取り込むようにした半導体測定装置におい
    て、前記サンプルに対向して設けられる対物レンズの後
    段に複数の互いに独立した光路を形成し、これらの光路
    のそれぞれにレンズ群およびディテクタ手段を設けて、
    拡大倍率が互いに異なる複数の顕微鏡光路を形成すると
    ともに、前記ディテクタ手段を切換え制御する画面切換
    手段を設け、前記各顕微鏡光路によって得られる画像を
    前記画面切換手段によって適宜選択して前記画像処理装
    置に取り込むことができるようにしたことを特徴とする
    半導体測定装置。
  2. 【請求項2】 サンプルからの光を複数の互いに独立し
    た光路に対して分割するための光分割手段が設けられて
    いる請求項1に記載の半導体測定装置。
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