JP2004101428A

JP2004101428A - レーザ顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2004101428A
Application number: JP2002265723A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Fujii; 藤井　章弘
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】この発明は、簡易な構成で、処理データの軽減を図り得るようにして、迅速にして高精度な膜厚測定を実現することにある。
【解決手段】試料２２の薄膜２２２の上面及び下面（基板２２１の上面）からの反射光を取得して、該反射光の最大位置を含む区間１及び区間２に基づいて該区間１及び区間２における輝度が示す変化曲線上の最大値となるＡ位置及びＢ位置を推定し、基板２２１上に実装された薄膜２２２の厚さを求めるように構成し、初期の目的を達成した。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体ウエーハ等の試料に実装された薄膜の膜厚を測定するのに用いられるレーザ顕微鏡装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体ウエーハ等の半導体においては、基板表面に透明又は半透明な薄膜が実装される。このような薄膜は、その厚さ寸法に「バラツキ」が発生すると、定められた特性が低下されるという不都合を有する。
【０００３】
そのため、このような基板上に実装した薄膜は、その厚さ寸法をレーザ顕微鏡を用いて測定し、所望の厚さ寸法のものを選択することにより、製品の信頼性を確保する方法が採られている。
【０００４】
このレーザ顕微鏡を用いて厚さ寸法を測定する方法は、先ず、薄膜を実装した基板を、いわゆる試料として、対物レンズに対向配置し、例えば対物レンズを光軸方向に移動制御して試料と対物レンズとの相対位置を所望に移動ステップで移動させる。この際、レーザ光源からの光を、対物レンズを通して試料の薄膜上に照射して、この試料の薄膜表面及び基板表面で反射して反射光が対物レンズを通して取り込まれ、その輝度データが検出される。この輝度データの変化に基づいて測定対象面である薄膜表面及び基板表面が検出され、薄膜の厚さ寸法が求められる。
【０００５】
この薄膜の厚さ寸法を求める具体例としては、輝度データのピークを推定して求めたり（特開平９−６８４１３号公報）、あるいは薄膜の合否判断の基準となる膜厚変化量を求めるために、薄膜の両面の高さ情報を検出する方法（特開２００２−３９７１８号公報）が知られている。
【０００６】
しかしながら、上記レーザ顕微鏡では、薄膜の厚さを検出する何れの具体例を用いて構成しても、精度良く再現性の良い測定を実現するのに、試料と対物レンズとの相対位置を移動する移動ステップを十分に小さい微少間隔で移動させなければ所望の測定精度を確保することが困難なために、高精度な微少移動機構を備えなければならないことで、構成が大掛かりとなるという問題を有する。
【０００７】
また、これによると、小さな移動ステップで所望に膜厚以上の範囲を移動させることとなるために、その測定に多くの時間を費やすうえ、輝度データ量が多くなるために、メモリ容量の大きなメモリが必要となるという不具合を有する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−６８４１３号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−３９７１８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来のレーザ顕微鏡では、薄膜の膜厚を高精度に測定するように構成すると、装置が大掛かりとなるうえ、その測定に多大な時間を費やし、且つ、輝度データ量が非常に多くなり、大容量のメモリが必要となるという不具合を有する。
【００１１】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、処理データの軽減を図り得るようにして、迅速にして高精度な膜厚測定を実現したレーザ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、レーザ光源からの光を対物レンズを通して薄膜が実装された試料に照射するレーザ照射手段と、前記対物レンズと前記試料との相対位置を光軸方向に移動制御する移動制御手段と、前記対物レンズと前記試料との相対位置の光軸方向の変化に応じて前記試料で反射される反射光を前記対物レンズを通して取り込んで輝度を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出された相対位置の光軸方向の変化に応じた輝度情報を、前記対物レンズと前記試料との相対位置に対応して記憶するメモリと、このメモリに記憶される前記相対位置の光軸方向の変化に応じた輝度情報に基づいて前記試料の薄膜の上面及び下面からの反射ピーク位置を含む第１及び第２の区間を指示する操作部と、この操作部で指示された第１及び第２の区間における複数の輝度情報に基づいて輝度が示す変化曲線上の最大値となる前記相対位置を推定し、前記試料の薄膜の厚さを求める演算手段とを備えてレーザ顕微鏡装置を構成した。
【００１３】
上記構成によれば、薄膜の上面及び下面からの反射ピーク位置を含む第１及び第２の区間に基づいて該第１及び第２の区間における輝度が示す変化曲線上の最大値となる相対位置を推定し、試料の薄膜の厚さを求めていることにより、対物レンズと試料との相対位置の移動ステップに影響することなく、しかも、最小限の輝度情報を取得するだけで、高精度な測定が可能となる。従って、対物レンズと試料との相対位置を光軸方向に移動制御する移動制御手段の簡略化が図れて簡易な構成が実現され、しかも、メモリ容量の軽減が図れてメモリの小形化が図れる。
【００１４】
また、この発明は、前記演算手段で、前記試料の薄膜の上面及び下面からの反射ピーク位置を含む第１及び第２に区間を記憶し、この第１及び第２の区間における複数の輝度情報に基づいて輝度が示す変化曲線上の最大値となる前記相対位置を推定して、前記試料の薄膜の厚さを求めるように構成した。
【００１５】
これによれば、膜厚をルーチン測定することが可能となることにより、検査時間の短縮が図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明の一実施の形態に係るレーザ顕微鏡装置を示すもので、対物レンズ１０は、顕微鏡本体１１のステージ１２に対向して光軸（Ｚ軸）方向に移動制御自在に配される。そして、この対物レンズ１０は、Ｚ軸移動機構駆動部１３を介してＺ軸位置が移動制御される。
【００１８】
また、対物レンズ１０の光路上には、２次元走査機構１４を介してハーフミラー１５が配される。そして、このハーフミラー１５の透過光路上には、レーザ光源１６がミラー１７を介して配される。
【００１９】
ハーフミラー１５の反射光路には、結像レンズ１８、ピンホール１９を介して光検出器２０が配され、この光検出器２０には、ハーフミラー１５の反射光路に導かれた光が結像レンズ１８で結像された後、ピンホール１９を通過した光が入射される。光検出器２０は、入射した光の輝度を検出して輝度情報をコンピュータ２１の画像入力部２１１に出力する。
【００２０】
また、コンピュータ２１には、制御部２１２、メモリ２１３及び演算部２１４が設けられ、例えばキーボードやマウス等で構成される操作部２１５の操作に応動して後述するように制御部２１２及び画像入力部２１１を統合して制御し、後述するようにステージ１２上に載置された測定対象である試料２２に実装される薄膜膜厚の測定を実行する。このコンピュータ２１の制御部２１２は、操作部２１５の操作に応動してこれらＺ軸移動機構駆動部１３及び２次元走査機構１４を駆動制御する。
【００２１】
上記試料２２は、例えば半導体ウエーハ等で構成され、図２に示すように基板２２１上に透明又は半透明の薄膜２２２が実装されて形成される。
【００２２】
上記光検出器２０は、対物レンズ１０の焦点位置からの試料２０の反射光以外がピンホール１９を通過することがないことで、取得される画像が対物レンズ１０の合焦位置からの画像に対応される。そこで、コンピュータ２１の制御部２１２は、２次元走査機構１４の２次元走査毎にＺ軸移動機構駆動部１３を駆動制御して対物レンズ１０の光軸方向の位置を所定の間隔で離散的に移動させ、対物レンズ１０と試料２２との間の相対位置の変化に応じた２次元画像の各画素毎の光を上記光検出器２０に取り込み、この光検出器２０を介して２次元画像の各画素毎の信号が画像入力部２１１に入力される。ここで、制御部２１２は、対物レンズ１０のＺ軸（光軸方向）位置データと、画像入力部２１１に入力された２次元画像の各画素毎の輝度情報とをメモリ２１３に記憶すると共に、その２次元画像をモニタ２３に選択的に表示する。
【００２３】
上記構成において、試料２２の薄膜２２２の膜厚を測定する場合には、先ず、その薄膜側を対物レンズ１０に対向させて顕微鏡本体１１のステージ１２上に載置し、レーザ光源１６を駆動制御する。このレーザ光源１６から出射された光は、ミラー１７で反射されてハーフミラー１５に導かれ、このハーフミラー１５の透過光路を通って２次元走査機構１４に入射される。２次元走査機構１４は、上記制御部２１２を介して駆動制御され、入射した光を２次元走査して対物レンズ１０を介してステージ１２上に載置された試料２２の薄膜２２２上の測定領域に照射する。
【００２４】
同時に、コンピュータ２１の制御部２１２は、２次元走査機構１４の２次元走査毎にＺ軸移動機構駆動部１３を駆動制御して対物レンズ１０の光軸方向の位置を所定の間隔で離散的に移動させる。これにより、試料２２の薄膜２２２上に照射された光の反射光は、再び対物レンズ１０に導かれ、２次元走査機構１４を通ってハーフミラー１５の反射光路に導かれる。このハーフミラー１５の反射光路に導かれた反射光は、結像レンズ１８で結像され、ピンホール１９を介して光検出器２０に入力される。
【００２５】
光検出器２０は、入射した光の輝度を検出して、その輝度情報を、上記２次元走査機構１４の２次元走査に同期してコンピュータ２１の画像入力部２１１に出力する。この画像入力部２１１は、入力した輝度情報を画像処理してモニタ２３に表示すると共に、輝度情報をメモリ２１３に記憶する。
【００２６】
ここで、オペレータは、操作部２１５を操作し、上記メモリ２１３に記憶した輝度情報を、例えば図３に示すように試料２２の基板２２１の表面（薄膜２２２の下面）と、該基板２２１上の薄膜２２２の表面（上面）におけるＺ軸（光軸）位置に対応したプロットグラフとして、モニタ２３に表示する。この輝度情報を表示したプロットグラフには、Ｚ軸移動機構駆動部１３を介して対物レンズ１０を試料方向に移動させてＺ軸位置を変化させると、薄膜２２２の表面からの反射光が最大となる輝度Ａ′となり、その後、基板２２１の表面からの反射光が最大となる輝度Ｂ′が順に表示される。
【００２７】
そこで、オペレータは、モニタ２３に表示される輝度情報に基づいて操作部２１５を操作して上記輝度Ａ′を含む領域（区間１）及び輝度Ｂ′を含む領域（区間２）をそれぞれ指示する。
【００２８】
ここで、コンピュータ２１は、その演算部２１４において区間１及び区間２の輝度情報より、例えば既に特開平９−６８４１３号において開示した最小二乗法等の２次以上の公知の曲線近似演算処理を実行して輝度の変化曲線を推定し、その区間１及び区間２における最大位置（Ａ及びＢ）を算出する。その後、演算部２１５は、変化曲線の区間１及び区間２の最大位置（Ａ及びＢ）が対物レンズ１０の焦点が試料２２の薄膜２２２の表面に合致している状態の輝度値として、そのＺ軸位置の差ΔＺ（＝Ｚ１−Ｚ２）を基板２２１上に薄膜２２２の膜厚として算出する。この算出した試料２２の薄膜２２２の膜厚は、例えば上記モニタ２３に表示される。
【００２９】
このように、上記レーザ顕微鏡装置は、試料２２の薄膜２２２の上面及び下面（基板２２１の上面）からの反射光を取得して、該反射光の最大位置を含む区間１及び区間２に基づいて該区間１及び区間２における輝度が示す変化曲線上の最大値となるＡ位置及びＢ位置を推定し、基板２２１上に実装された薄膜２２２の厚さを求めるように構成した。
【００３０】
これによれば、Ｚ軸移動機構駆動部１３で移動調整する対物レンズ１０と試料２２との相対位置の移動間隔に影響することなく、しかも、最小限の輝度情報を取得するだけで、高精度な測定が可能となるため、そのＺ軸移動機構駆動部１３の簡略化が図れて簡易な構成が実現され、しかも、メモリ容量の軽減が図れてメモリ２１３の小形化が図れる。
【００３１】
また、上記実施の形態では、オペレータがモニタ２３に表示されるプロットグラフを確認して操作部２１５を操作して反射光が最大となる位置を含む区間１及び区間２の指示を行うように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、予め、薄膜２２２の膜厚が既知の場合、その反射光が最大となる位置を含む区間１及び区間２を記憶しておいて、光検出器２０で検出した輝度情報が画像入力部２１１に入力された状態で、記憶しておいた区間１及び区間２に基づいて変化曲線上の最大値となるＡ位置及びＢ位置を推定し、試料２２の薄膜２２２を求めるように構成することも可能である。
【００３２】
これによれば、試料２２の薄膜２２２の膜厚が、既知である場合等において、いわゆるルーチン測定が実現されることにより、さらに膜厚測定の迅速化を実現することができる。
【００３３】
さらに、上記実施の形態では、対物レンズ１０を光軸方向に移動させて試料２２との相対位置を移動制御するように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、試料側を光軸方向に移動させたり、あるいは対物レンズ１０及び試料２２の双方を光軸方向に移動させて相対位置を移動制御するように構成することも可能である。
【００３４】
また、上記実施の形態では、試料２２として、一層の薄膜２２２を基板２２１上に形成した薄膜構造に適用した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、基板上に二層以上の複数層を実装した薄膜構造においても測定可能であり、同様の効果が期待される。
【００３５】
さらに、上記実施の形態では、走査型のレーザ顕微鏡に適用した場合で説明したが、これに限ることなく、例えばＮｉｋｐｏｗディスクのようなＤｉｓｋスキャン形式の共焦点顕微鏡においても適用可能で、同様の効果が期待される。
【００３６】
また、ガルバノミラーの代わりに音響光学素子を用いてＸ軸方向の走査を行うようにして試料からの反射光をラインセンサ等で受光するようにした顕微鏡構成のものにおいても適用可能である。
【００３７】
よって、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。
【００３８】
例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、簡易な構成で、処理データの軽減を図り得るようにして、迅速にして高精度な膜厚測定を実現したレーザ顕微鏡を提供することをを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係るレーザ顕微鏡装置の配置構成を示す構成図である。
【図２】図１で薄膜の膜厚を測定する試料の構成の一例を示した図である。
【図３】図１のモニタに表示される表示画面を示した図である。
【符号の説明】
１０　…　対物レンズ
１１　…　顕微鏡本体
１２　…　ステージ
１３　…　Ｚ軸移動機構駆動部
１４　…　２次元走査機構
１５　…　ハーフミラー
１６　…　レーザ光源
１７　…　ミラー
１８　…　結像レンズ
１９　…　ピンホール
２０　…　光検出器
２１　…　コンピュータ
２１１　…　画像入力部
２１２　…　制御部
２１３　…　メモリ
２１４　…　演算部
２１５　…　操作部
２２　…　試料
２２１　…　基板
２２２　…　薄膜
２３　…　モニタ

Claims

レーザ光源からの光を対物レンズを通して薄膜が実装された試料に照射するレーザ照射手段と、
前記対物レンズと前記試料との相対位置を光軸方向に移動制御する移動制御手段と、
前記対物レンズと前記試料との相対位置の光軸方向の変化に応じて前記試料で反射される反射光を前記対物レンズを通して取り込んで輝度を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出された相対位置の光軸方向の変化に応じた輝度情報を、前記対物レンズと前記試料との相対位置に対応して記憶するメモリと、
このメモリに記憶される前記相対位置の光軸方向の変化に応じた輝度情報に基づいて前記試料の薄膜の上面及び下面からの反射ピーク位置を含む第１及び第２の区間を指示する操作部と、
この操作部で指示された第１及び第２の区間における複数の輝度情報に基づいて輝度が示す変化曲線上の最大値となる前記相対位置を推定し、前記試料の薄膜の厚さを求める演算手段と
を具備することを特徴とするレーザ顕微鏡装置。
前記演算手段は、前記試料の薄膜の上面及び下面からの反射ピーク位置を含む第１及び第２に区間を記憶し、この第１及び第２の区間における複数の輝度情報に基づいて輝度が示す変化曲線上の最大値となる前記相対位置を推定して、前記試料の薄膜の厚さを求めることを特徴とする請求項１記載のレーザ顕微鏡装置。