JP2009036563A - 深さ測定装置及び深さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高アスペクト比のビィアホールを高分解能で測定できる深さ測定装置及び方法を実現する。
【解決手段】深さ測定装置は白色光の光ビーム発生手段１、光ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタ１０、測定ビームを試料に投射する対物レンズ１６、参照ビームを反射させる参照ミラー１４、前記測定ビームと参照ビームの相対的な光路長差を変化させるフリンジスキャン手段１４，１５、試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを合成して干渉ビームを発生するビーム合成手段１０、対物レンズと試料間の相対距離を変化させる駆動機構２０、対物レンズと試料間の相対位置を検出する位置検出手段２１、干渉ビームを受光してフリンジスキャン信号を出力する光検出手段２２、フリンジスキャン信号に基づく変位情報と前記位置検出手段から出力される相対位置情報とに基づいて凹部の深さ情報を出力する信号処理回路を具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、孔や段差等の凹部の深さを測定する深さ測定装置、特に高アスペクト比の孔の深さを高分解能で測定できる深さ測定装置及び深さ測定方法に関するものである。
本発明は、試料表面の２次元画像情報及び試料表面に存在する凹部の深さ情報を出力する深さ測定装置に関するものである。

半導体デバイスの微細化に伴い、半導体ウェハに形成されるビィアホール等の凹部のアスペクト比が一段と大きくなり、微細なビィアホールの深さを高分解能で測定できる深さ測定装置の開発が強く要請されている。例えば、現在開発中の半導体デバイスにおいては、シリコン基板中に直径が３０μｍで深さが１００μｍのビィアホールを０．１μｍの分解能で測定することが要求されている。このような微細な凹部の深さを測定する方法として、光ビームを用いて測定することが考えられる。しかし、高アスペクト比の孔の深さを測定する場合、高ＮＡの対物レンズを使用できないため、コンフォーカル光学系の特徴を利用して孔の深さを測定することができない。また、底面にエッチィングストッパが形成されていないビィアホールや、レーザ加工により形成されるビィアホールもあり、このようなビィアホールの底面は平坦ではないため、凹部底面からの反射光が微弱であり、底面からの反射光を正確に検出できないのが実情である。

試料の表面形状を測定する表面形状測定装置として、白色光源から出射した照明光を対物レンズを介して試料表面に向けて投射し、参照光と測定光との干渉により形成される干渉縞をＣＣＤカメラで撮像して、試料の表面形状を測定する装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知の表面形状測定装置では、参照光の光路長と測定光の光路長との間に連続的に変化する光路長差を導入し、多数枚の干渉縞を撮像し、干渉光のピーク位置と一致するピーク位置を有する特性関数を推定し、特性関数のピーク位置の高さに基づいて試料表面の形状が測定されている。
特開２００１−６６１２２号公報

高アスペクト比の微細なビィアホールを高分解能で検出できる深さ測定装置の開発が要求されているが、実用化されるに至っていないのが実情である。このため、ビィアホールの深さを知るためには、シリコンウェハを破断してビィアホールの深さが測定されている。また、上述した特許文献に記載の形状測定装置では、測定光と参照光との干渉により形成される干渉縞から表面形状を測定しているので、高分解能の測定が期待される。しかし、試料表面の形状を測定することは可能であるが、高アスペクト比の微細なビィアホールの深さを測定することは極めて困難である。

本発明の目的は、高アスペクト比のビィアホールを高分解能で測定できる深さ測定装置及び方法を実現することにある。

本発明による深さ測定装置は、孔や段差等の凹部が形成されている試料に向けて光ビームを投射し、試料からの反射光を光検出手段により受光して凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、
白色光の光ビームを発生する手段と、
前記光ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタと、
測定ビームを集束させて試料に向けて投射する対物レンズと、
参照ビームを反射して元の光路に沿って進行させる参照ミラーと、
前記測定ビームの光路長と参照ビームの光路長との間の相対的な光路長差を連続的に変化させるフリンジスキャン手段と、
試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを合成して干渉ビームを発生するビーム合成手段と、
対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる駆動機構と、
対物レンズと試料との間の相対位置を検出する位置検出手段と、
前記干渉ビームを受光して干渉信号を出力する光検出手段と、
光検出手段から出力される干渉信号に基づく変位情報と前記位置検出手段から出力される相対位置情報とに基づいて凹部の深さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする。

本発明による深さ測定装置は、以下の技術的事項をベースとする。第１に、測定ビームの集束点（焦点）が孔や段差等の凹部の底面付近に位置した際にフリンジスキャンを行うと、参照ビームと測定ビームとの白色干渉作用に基づく干渉波形である干渉信号（フリンジスキャン信号）が検出される。よって、干渉信号を検出するにより、凹部の底面からの反射光が微弱であっても、凹部の底面を検出することができる。第２に、測定ビームの集束点が試料表面上又はその近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行って得られる干渉信号と、測定ビームの集束点が凹部の底部近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行って得られる干渉信号とは、振幅は異なるが強い相関性を有している。従って、測定ビームの集束点が試料表面上に位置した状態でフリンジスキャンを行い得られる第１の干渉信号と、測定ビームの集束点が凹部の底部近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行って得られる第２の干渉信号との相互相関関数を求め、そのピークの変位量を算出することにより、正確な底部の位置を求めることが可能となる。

本発明による別の深さ測定装置は、試料表面の２次元画像情報を出力する試料観察モードと、試料表面に存在する孔や段差等の凹部の深さ情報を出力する深さ測定モードとを有する深さ測定装置であって、
白色の照明光を発生する白色光源と、
第１の方向に延在する細長い開口部を有し、前記照明光を受光して第１の方向に延在するライン状の照明ビームを出射させる第１のスリットと、
試料観察モードにおいてライン状の照明ビームをその延在方向と直交する方向に偏向すると共に、深さ測定モードにおいて静止状態に維持される振動ミラーと、
前記第１の方向と直交する方向に延在する細長い開口部を有し、深さ測定モードにおいて選択的に光路中に配置される第２のスリットと、
振動ミラーから出射した光ビームを集束して試料表面に向けて投射する対物レンズと、
前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料表面からの反射光を前記対物レンズ及び振動ミラーを介して受光するラインセンサと、
前記振動ミラーと対物レンズとの間の光路中に配置され、振動ミラーから出射した光ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタと、
参照ビームを反射して元の光路に沿って進行させる参照ミラーと、
前記測定ビームの光路長と参照ビームの光路長との間の相対的な光路長差を連続的に変化させるフリンジスキャン手段と、
試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを合成して干渉ビームを発生するビーム合成手段と、
対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる駆動機構と、
対物レンズと試料との間の相対位置を検出する位置検出手段と、
試料観察モードにおいて、前記ラインセンサからの出力信号に基づいて試料表面の２次元画像情報を出力すると共に、深さ測定モードにおいて、ラインセンサから出力される干渉信号に基づく変位情報と前記距離検出手段から出力される相対位置情報とに基づいて凹部の深さ情報を出力する信号処理回路とを具えることを特徴とする。

本発明では、単一の共焦点光学系を用いて試料の２次元画像情報と深さ情報とを出力することが可能である。この結果、２次元画像情報に基づいて試料表面を観察することにより、測定すべき孔等の凹部及びそのアドレスが検出され、続いてステージから試料を取り外すことなく、検出した凹部について深さ測定を行うことが可能である。しかも、深さ測定モードにおいて、ライン状の照明ビームを形成するための第１のスリットの開口部と直交する方向に延在する開口部を有する第２のスリットを光路中に配置しているので、試料観察モードと同一の照明光源を用いてスポット状の照明ビームを凹部内に投射できると共にほぼ完全な共焦点光学系が構成される。この結果、フレヤが一層低減されるので、凹部の底面からの反射光の強度が微弱であっても、一層正確な深さ測定を行うことができる。

本発明による深さ測定装置の好適実施例は、信号処理手段は、光検出手段又はラインセンサの出力信号から干渉信号を検出する手段を有すると共に、測定ビームの集束点が凹部付近の試料表面又はその近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行うことにより発生する第１の干渉信号と、測定ビームの集束点が凹部の底面近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行うことにより発生する第２の干渉信号との相互相関関数のピークの変位量を算出する手段を有し、前記相互相関関数のピークの変位量と、位置検出手段により検出された対物レンズと試料との相対位置情報とに基づいて凹部の深さを決定することを特徴とする。

本発明の深さ測定装置の別の好適実施例は、ビームスプリッタ、対物レンズ、及び参照ミラーをＺステージ上に固定配置し、前記駆動機構はＺステージを対物レンズの光軸方向に移動させる駆動機構により構成し、前記対物レンズと試料との間の相対位置を検出する手段を、Ｚステージの光軸方向の位置を検出する手段で構成したことを特徴とする。本例では、Ｚステージを光軸方向に移動させるだけで対物レンズを移動することができ、Ｚステージの位置を検出することにより、試料と測定ビームの集束点との間の相対位置を検出することができる。

本発明の深さ測定装置の別の好適実施例は、信号処理手段は、第１の干渉信号が出力されたときのＺステージの位置情報と第２のフリンジスキャン信号が出力されたときのＺステージの位置情報とに基づいて対物レンズの変位量を求め、得られた変位量と前記算出された相互相関関数のピークの変位量との和に基づいて凹部の深さを決定することを特徴とする。

本発明による深さ測定装置の別の好適実施例は、前記光検出手段及びラインセンサとして、入射光を受光することにより蓄積される電荷量が受光時間に対応する電荷蓄積効果を有する光検出手段及びラインセンサを用い、第２の干渉信号を検出する際の光検出手段又はラインセンサの積分時間が、第１の干渉信号を検出する際の積分時間よりも長くなるように構成したことを特徴とする。本例では、凹部の底面からの反射光が微弱でノイジーである問題点を解消するため、ラインセンサ等の光検出手段の電荷蓄積効果を利用する。ラインセンサ等の光検出手段は、入射光を受光することにより蓄積される電荷量が受光時間に対応する電荷蓄積効果を有している。よって、凹部底面の近傍でフリンジスキャンする際、ラインセンサの電子シャッタを制御し、ラインセンサの電荷蓄積時間すなわち積分時間が一層長くなるように設定する。このラインセンサの積分時間を長くすることにより、反射光の信号成分の強度が高くなるので、一層正確な干渉信号を検出することができ、相互相関関数の変位量の検出が一層正確になる。尚、ラインセンサの電子シャッタを制御するだけでは不十分な場合、フリンジスキャン速度を遅くして積分時間が長くなるように設定することも可能である。

本発明による深さ測定方法は、試料表面に存在する孔や段差等の凹部に向けて光ビームを投射し、凹部からの反射光を光検出手段により受光して凹部の深さを測定する深さ測定方法において、
測定ビームの集束点を、深さ測定されるべき凹部付近の試料表面又はその近傍に位置させ、フリンジスキャンを行って第１の干渉信号を出力する工程と、
凹部の内部に測定ビームが入射するように試料を位置決めする工程と、
測定ビームの集束点を試料表面から凹部の底面近傍まで変位させ、その変位量を検出すると共に、フリンジスキャンを行って第２の干渉信号を出力する工程と、
第１の干渉信号と第２の干渉信号との相互相関関数のピークの変位量を算出する工程と、
前記測定ビームの集束点の変位量と、相互相関関数から求めた変位量とに基づいて凹部の深さを決定する工程とを具えることを特徴とする。

本発明による深さ測定方法の好適実施例は、前記測定ビームの集束点を凹部の深さ方向に変位させる工程において、測定ビームを凹部に向けて投射する対物レンズを所定のピッチだけ光軸方向に変位させてフリンジスキャンを行う工程とを、第１の干渉信号と相関性を有する干渉信号が検出されるまで繰り返すことを特徴とする。孔の深さに関する設計情報等がない場合であっても、測定ビームの集束点を所定のピッチだけ移動させてフリンジスキャンを行い、試料表面でフリンジスキャンした際に得られる第１の干渉信号と相関性を有する干渉信号が得られるまで測定ビームの移動とフリンジスキャンを繰り返すことにより、孔の深さを測定することが可能である。

本発明による深さ測定方法の別の好適実施例は、光検出手段として、入射光を受光することにより蓄積される電荷量が受光時間に対応する電荷蓄積効果を有する光検出手段を用い、第２の干渉信号を検出する際のラインセンサ又は光検出手段の積分時間（電荷蓄積時間）を、第１の干渉信号を検出する際の積分時間よりも長くなるように設定する。ラインセンサ等の電荷蓄積効果を利用することにより、凹部底面からの反射光が微弱である問題点に対して対処することが可能である。尚、積分時間を長くする方法として、フリンジスキャン速度を制御しても良い。

本発明では、測定ビームの集束点が試料表面上に位置する際の干渉信号と、測定ビームの集束点が凹部の底面近傍に位置するときの干渉信号との相互相関関数のピークの変位量を求めているので、凹部の底面からの反射光が微弱であっても、凹部の実際の深さを測定することが可能である。この結果、ビィアホール等の高アスペトク比の微細な孔の深さを高精度に測定することが可能になる。
また、本発明による深さ測定装置は、単一の共焦点光学系を用いて、試料の２次元画像情報を出力すると共に凹部の深さ情報も出力することが可能である。この結果、深さ測定すべきビィアホールや段差等を検出し、試料をステージから取り外すことなく、深さ測定することが可能である。
さらに、深さ測定モードにおいて、完全な共焦点光学系が構成されると共に２つの干渉信号の相互相関関数のピークの変位量を求めているので、凹部底面からの反射光が微弱であっても、正確な深さ測定を行うことができる。

図１は本発明による深さ測定装置の一例を示す線図である。本例の深さ測定装置は、試料表面を２次元的に走査して試料表面を観察する観察モード及び孔や段差等の深さを測定する深さ測定モードの２つのモードで動作する。観察モードにおいて、試料の２次元画像情報が取得され、モニタ上に表示される。よって、操作者は、モニタ上に表示される２次元画像により試料表面を観察できると共に深さ測定される凹部及びそのアドレスが検出される。深さ測定モードにおいて、観察モードで検出された凹部のアドレス情報に基づいて試料ステージをＸ及びＹ方向に移動して、測定すべき凹部を測定部位に位置決めして深さ測定が行われる。

照明光源１として、白色光を放出する白色光源を用いる。白色光源として、例えばキセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、ＬＥＤ、白色レーザ等を用いることができる。照明光源１から出射した照明光は、光ファイババンドル２を介して、集束性レンズ３の瞳位置に配置したスリット４入射する。スリット４は、第１の方向（紙面と直交する方向：Ｘ方向）に延在する細長い開口部を有する。よって、スリット４からライン状の照明ビームが出射し、当該照明ビームは、ハーフミラー（ビームスプリッタ）５で反射し、リレーレンズ６を経て振動ミラー７に入射する。振動ミラー７は、入射するライン状の照明ビームをその延在方向と直交する方向（Ｙ方向）に所定の周波数で周期的に偏向する。尚、振動ミラーは、深さ測定モードにおいて、中央で静止した状態に維持する。

振動ミラー７から出射した照明ビームは、リレーレンズ８及び９を経てビームスプリッタ１０に入射する。２つのリレーレンズ８及び９の間には、集束性レンズ３の１次像面が形成され、１次像面に第２のスリット１１を挿脱自在に配置する。第２のスリット１１は、第１の方向と直交する方向（Ｙ方向）に沿って延在する細長い開口部を有する。この第２のスリットは、深さ測定モードにおいて選択的に光路中に挿入され、観察モードにおいては光路から除去される。

ビームスプリッタ１０は、ライン状の照明ビームを測定ビームと参照ビームとに分割する。ビームスプリッタ１０から出射した反射光は、レンズ１２及びシャッタ１３を介して、参照ビームとしてフリンジスキャン機構に入射する。シャッタ１３は、観察モードにおいて閉じており、深さ測定モードにおいて開いて参照ビームを参照ミラーに入射させる。フリンジスキャン機構は、参照ミラー１４と、参照ミラー１４を光軸方向に等速移動させるピエゾ素子１５とを有し、参照ミラー１４の等速移動によりフリンジスキャンが行われる。フリンジスキャンを行うことにより、測定ビームの光路長と参照ビームの光路長との間に連続的に変化する相対的な光路長差が導入される。本例、参照ミラー１４の移動速度を制御する制御手段を有し、測定ビームの集束点が試料表面上に位置する場合と凹部の底面近傍に位置する場合とで、ラインセンサの積分時間（電荷蓄積時間）を変えることができる。すなわち、測定ビームの集束点が凹部の底面近傍に位置する際の積分時間が一層長くなるように電子シャッタを制御することにより、ラインセンサの電荷蓄積効果を利用することができる。

ビームスプリッタ１０から出射した透過光は、測定ビームとして対物レンズ１６に入射する。測定ビームは、対物レンズ１６により集束され、試料ステージ１７上に載置した試料１８に入射する。試料ステージ１７はＸＹステージとして構成され、試料ステージをＸ及びＹ方向に駆動制御することにより、試料の所望の凹部を観察することができ、所望の孔を視野の中心に位置させることが可能である。

本例では、ビームスプリッタ１０と、対物レンズ１６と、参照ミラー１４及びピエゾ素子１５から成るフリンジスキャン機構とをＺステージ１９に一体的に支持する。Ｚステージ１９には、サーボモータ２０を連結し、Ｚステージを対物レンズの光軸に沿って移動させる。また、サーボモータ２０には、エンコーダ２１を連結し、Ｚステージの光軸方向の位置、特に対物レンズの光軸方向の位置を検出する。Ｚステージ１９が光軸方向に移動することにより、測定ビームの集束点も光軸方向に変位することになる。従って、Ｚステージ１９を対物レンズの光軸方向に移動させることにより、測定ビームの集束点と試料との間の相対距離が変化する。よって、Ｚステージを移動することにより、測定ビームの集束点を試料表面上に位置させることができ、或いは、凹部の底面近傍に位置させることできる。

対物レンズ１６から出射する光ビームは、試料表面を観察する観察モードにおいてはライン状の照明ビームとして作用し、深さ測定モードにおいては凹部の深さを測定するためのスポット状の測定ビームとして作用する。初めに、観察モードについて説明する。試料１８の表面は、集束したライン状の照明ビームにより２次元的に走査され、試料表面からの反射光は、対物レンズ１６により集光され、ビームスプリッタ１０を透過する。さらに、２つのリレーレンズ９及び８を経て振動ミラー７に入射する。そして、振動ミラーによりデスキャンされ、結像レンズとして作用するレンズ６を通過し、ハーフミラー５を透過してラインセンサ２２に入射する。ラインセンサ２２は、ライン状の照明ビームの延在方向と対応する方向（Ｘ方向）に配列した複数の受光素子を有し、各受光素子に蓄積された電荷は所定の読出周波数で周期的に読み出される。読み出された信号は、増幅器２３により増幅されて信号処理回路２４に供給される。信号処理回路では、入力した信号について信号処理を行い、ビデオ信号として出力する。よって、当該ビデオ信号をモニタに供給することにより、試料１８の２次元画像がモニタ上に表示される。従って、操作者は、モニタ上に表示される試料の２次元画像を観察しながら、凹部を探索し、探索された凹部について測定すべき凹部であるか否か判断することができる。尚、凹部のアドレスは、ラインセンサの受光素子の位置情報と振動ミラーの角度情報に基づいて出力される。

深さ測定モードにおいて、第２のスリット１１を光路中に挿入する。白色光源１から出射した照明ビームは、互いに直交する２つのスリット４及び１１を通過することにより、1本のスポット状の光ビームに変換され、ビームスプリッタ１０からスポット状の測定ビーム及び参照ビームが出射し、測定ビームは試料１８に入射し、参照ビームは参照ミラー１４に入射する。試料表面及び凹部の底面からの反射光は、対物レンズ１６により集光され、ビームスプリッタ１０に入射する。また、参照ミラー１４で反射した参照ビームもビームスプリッタに入射する。ビームスプリッタ１０は、試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを合成するビーム合成手段としても機能するので、ビームスプリッタから白色干渉による干渉光が出射する。この干渉光は、リレーレンズ９、第２のスリット１０及びリレーレンズ８を介して振動ミラー７に入射する。振動ミラー７は中立位置に静止させる。よって、反射光は、振動ミラーで反射し、レンズ６及びハーフミラー５を介してラインセンサ２２に集束光として入射する。ラインセンサに入射する白色干渉光は、ラインセンサの単一の受光素子又は隣接する複数の受光素子に入射する。

ラインセンサの受光素子に蓄積された電荷は、所定の読出レートで読み出される。ここで、ピエゾ素子１５により参照ミラー１４を等速移動させてフリンジスキャンを行い、その間にラインセンサの受光素子に蓄積された電荷を所定のサンプリング周波数で読み出すことにより、測定ビームと参照ビームとの白色干渉により発生する干渉信号（フリンジスキャン信号）が検出される。本例では、一例として、参照ミラーの移動量について５ｎｍのステップで１０２４サンプル検出する。また、参照ミラーの移動速度は可変制御することができ、参照ミラーの移動速度に対応してサンプリング周波数を可変に設定することができる。このように構成することにより、測定ビームの集束点が凹部底面近傍に位置させてフリンジスキャンする際、スキャン速度を遅く設定してラインセンサの積分時間を一層長くすることができる。

また、ラインセンサの受光素子に対する読み出しをＺステージ１７の光軸方向の移動と連動して行えば、測定ビームの集束点と試料表面との間の相対距離と輝度値との関係が出力される。従って、共焦点光学系の特性（測定ビームの集束点が試料表面上に位置すると最大輝度値が光検出手段により検出される）より、ＺステージをＺ軸方向に移動させながら、ラインセンサの受光素子に蓄積された電荷を読み出すことにより、試料表面のＺ軸方向の位置が検出される。

次に、本発明による深さ測定方法の測定原理について説明する。図２は本発明による深さ測定方法を説明するための説明図である。孔や段差等の凹部が形成されている試料表面の凹部付近に測定ビームの集束点を位置させてフリンジスキャンを行い、第１の干渉信号を検出する。当該干渉信号は、白色干渉により発生する干渉信号である。次に、測定ビームの集束点を例えば凹部の深さの設計値である距離Ｚｓだけ深さ方向に変位させる。この状態において、測定ビームは凹部の底面近傍に位置する。当該位置において、第２のフリンジスキャンを行い、第２の干渉信号を検出する。この第２の干渉信号も白色干渉により発生する干渉信号である。そして、検出された２つの干渉信号間の相互相関関数Ｒ（ｋ）を求める。相互相関関数のピークの変位量Ｋpを算出することにより、測定ビームの集束点と凹部底面との間の距離が得られる。従って、距離Ｚsと相互相関関数のピークの変位量Ｋpとの和が凹部の実際の深さとして得られる。以下に相互相関関数Ｒ（ｋ）を示す。
（式１）

次に、図３に示すフローチャートを参照しながら、本発明による具体的な深さ測定方法について説明する。測定に先立って試料観察モードに設定し、試料表面の２次元画像情報を取得する（ステップ１）。２次元画像をモニタ上に表示し、深さ測定すべき凹部を探索し決定する。

次に、輝度調整を行う（ステップ２）。測定ビームが凹部の底面近傍に位置した際にフリンジスキャンして得られる第２の干渉信号の信号強度は、測定ビームが試料表面上に位置した状態でフリンジスキャンした際に検出される第１の干渉信号の信号強度よりも微弱な場合があり、ノイズ成分により測定誤差が生じてしまう。そこで、本例では、測定ビームが試料表面上に位置した際に出力される第１の干渉信号の信号強度と測定ビームが凹部の底面近傍に位置した際に得られる第２の干渉信号の信号強度とを予め測定しておき、ノイズ成分による影響を受けない程度の信号強度が得られる増幅器のゲイン並びにフリンジスキャンの速度を予め設定する。すなわち、ラインセンサは電荷蓄積効果を有し、受光素子に蓄積される電荷量は受光時間に対応して増大する。また、検出される干渉信号の強度は、干渉光を受光することによって発生する信号成分とノイズ成分との和である。よって、積分時間が長くなるように設定することにより、干渉光により発生する信号成分が増強され、ノイズによる影響が低減される。

次に、測定ビームの集束点について位置決め操作を行う（ステップ３）。操作者は、観察モードによって得られモニタ上に表示された２次元画像を観察しながら、試料ステージ１６を駆動して測定すべき凹部を画面の中央に位置させ、スポット状の光ビームと凹部の位置を確認する。そして、試料ステージ又は振動ミラーをわずかに駆動して光ビームが凹部付近に位置するように位置決めする。

次に、Ｚステージをスタート位置に位置決めすると共に測定ビームの集束点が試料の表面上に位置するように位置決めを行う（ステップ４）。この測定ビームの位置決め操作は以下のように行うことができる。シャッタ１３を閉じた状態に維持し、Ｚステージを光軸方向に、例えば試料に近づく方向に移動させ、ラインセンサの受光素子に蓄積された電荷を順次読み出し、信号処理回路２４に供給する。この間に、測定ビームの集束点が徐々に試料表面に近づき、試料表面上に位置すると、ラインセンサの受光素子から最大の輝度値が出力され、集束点が試料表面から遠ざかるにしたがって、ラインセンサから出力される輝度値は低下する。従って、信号処理回路２４において、ラインセンサの受光素子から出力される信号を順次記憶すると共にＺステージの位置を検出するエンコーダ２１からの出力信号も信号処理回路に供給することにより、最大輝度値を発生するＺステージのＺ軸方向の位置が検出される。検出されたＺ軸方向の位置は第１の位置情報として記憶する。

次に、Ｚステージを最大輝度値が発生するＺ軸方向の位置に位置決めする。この状態において、参照ミラー及びピエゾ素子を駆動して第１のフリンジスキャンを行う（ステップ５）。このフリンジスキャン中に、試料表面からの反射光と参照ミラーからの反射光との間の位相関係に応じて白色干渉が生じ、ラインセンサの受光素子から干渉信号（フリンジスキャン信号）が出力される。ラインセンサからの出力信号を例えば５ｎｍのステップ（参照ミラーの移動量）で１０２４サンプル分だけサンプリングする。出力される干渉信号を第１の干渉信号のデータとしてメモリに記憶する。

次に、試料ステージ又は振動ミラーをわずかに駆動して測定ビームが凹部の中央に位置するように位置決めし、測定ビームを凹部の内部に進入させ、測定ビームの集束点を底面近傍に位置決めする（ステップ６）。本例では、凹部の深さについては、設計値Ｚsが既知のものとする。サーボモータ２０を駆動してＺステージを距離Ｚsだけ下降させる。この位置において、測定ビームの集束点は凹部の底面の近傍に位置する。

この状態において、２回目のフリンジスキャンを行い、ラインセンサの受光素子から出力される第２の干渉信号を検出してメモリに記憶する（ステップ７）。

次に、信号処理回路において、検出された第２のフリンジスキャン信号と第１のフリンジスキャン信号との間の相互相関関数Ｒ（ｋ）について演算処理し、相互相関関数のピークを検出する（ステップ８）。

相互相関関数のピークが検出された場合、検出されたピークの変位量Kｐを算出する（ステップ９）。

次に、距離Ｚsと変位量ｋpとの和を算出し、実際の凹部の深さとして出力する（ステップ１０）。

第２のフリンジスキャンにより得られた信号と第１の干渉信号との間に相関性が認められず、相互相関関数のピークが検出されない場合、Ｚステージを１ステップ（ΔＺ）だけさらに下降させて（ステップ１１）、再びフリンジスキャンを行う（ステップ１２）。そして、干渉信号が検出されるまで、この操作を繰り返す。Ｚステージの１ステップの移動量は、例えばフリンジスキャン長の１／３〜１／２に設定することができる。

次に、凹部の深さの設計値が既知でない場合について説明する。設計値が既知でない場合、測定ビームの集束点を試料表面に位置させフリンジスキャンを行い、第１の干渉信号を検出するまでの操作は同一である。第１の干渉信号を検出した後、Ｚステージを１ピッチだけ下降させてフリンジスキャンを行い、ラインセンサの受光素子からの出力信号と第１の干渉信号との相関性を求め、相互相関関数のピークが検出されたか否かを判定する。ピークが検出された場合、検出された出力信号を第２の干渉信号とし、相互相関関数のピークの変位量を求める。ここで、Ｚステージの１ピッチの距離は、例えばフリンジスキャンのスキャン長の１／３〜１／２に設定することができる。相関性が認められない場合、再びＺステージを１ピッチ下降させてフリンジスキャンを実行し、ラインセンサの受光素子からの出力信号について第１の干渉信号との相互相関関数を求める。最終的に干渉信号が検出された場合、これまでに移動したＺステージの変位量と、相互相関関数のピークの変位量との和を求め、測定された深さとして出力する。

図３は本発明による深さ測定の信号処理回路の一例を示す線図である。本例では、コンピュータ３０によるソフトウエァ処理により凹部の深さ情報を出力する。試料観察及び深さ測定モードにおいて、コンピュータ３０からの制御信号により２次元画像出力及び深さ情報出力を行う。初めに、試料表面を観察する観察モードにおいて、コンピュータ３０からＩ／Ｏインターフェース３１を介して出力される読出制御信号が読出回路３２に供給され、ラインセンサ２２の各受光素子に蓄積された電荷が所定の読出周波数で読み出される。読み出された出力信号は、前置増幅器２３により増幅され、Ａ／Ｄ変換器３３によりデジタル信号に変換されてコンピュータのメモリ３４に記憶する。コンピュータには、ラインセンサの各受光素子の位置情報であるピクセルカウンタからの位置情報及び振動ミラーの位置情報である振動ミラーカウンタからの出力信号も供給され、試料表面の２次元画像情報として記憶する。メモリ３４に記憶された２次元画像情報は、モニタに供給することにより、モニタ上に試料表面の２次元画像が表示される。

深さ測定モードにおいて、コンピュータ３０から出力される制御信号により所定の動作が実行される。コンピュータは、ピエゾ素子駆動回路３５に駆動信号を供給して、フリンジスキャンを実行する。尚、フリンジスキャンのスキャン速度は、自在に設定することができ、例えば凹部の底面からの反射光の強度が低い場合スキャン速度を低速に設定してラインセンサの積分時間が長くなるようにすることも可能である。さらに、Ｚステージを光軸方向に移動させるサーボモータ２０を駆動制御するための駆動制御信号をサーボモータ駆動回路３６に供給する。

深さ測定に際し、コンピュータ３０は、サーボモータ駆動回路３４に制御信号を供給し、Ｚステージを光軸方向に移動させてＺ軸方向のスキャンを実行する。Ｚ軸方向スキャンと共に、ラインセンサ２２からの出力信号をコンピュータに供給する。コンピュータは、Ｚステージの光軸方向の移動に伴い、ラインセンサから順次供給される輝度値を比較して最大輝度値を検出する。最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置はエンコーダ２１により検出され、その位置情報はメモリに記憶する。

次に、コンピュータ３０は、サーボモータ駆動回路３６に制御信号を供給してＺステージを最大輝度値を発生する位置に位置させる。この時、測定ビームの集束点は試料表面上に位置する。測定ビームの集束点が試料表面上に位置する状態において、ピエゾ素子駆動回路３５に制御信号を供給してフリンジスキャンを実行する。コントローラ３１は、読出回路３２に制御信号を供給して、フリンジスキャン中に受光素子に蓄積された電荷を所定のサンプリング周波数で順次サンプリングする。順次読み出された出力信号は、Ａ／Ｄ変換されて、相互相関関数演算手段３９に第１の干渉信号として供給する。

次に、コンピュータ３０はサーボモータ駆動回路３６に制御信号を供給して設計値に相当する距離だけＺステージを光軸方向に移動させ、その時点におけるＺステージの光軸方向の位置をエンコーダにより検出し、その出力をコンピュータのメモリに記憶する。そして、コンピュータにプログラムとして実装されたΔＺ演算手段により、エンコーダから出力される位置情報に基づき、Ｚステージの変位量Ｚsを演算する。

Ｚステージを所定の距離だけ変位された後、コントローラからピエゾ素子駆動回路３５に制御信号を供給して第２のフリンジスキャンを実行する。第２のフリンジスキャンに際し、コンピュータは、ピエゾ素子駆動回路３５に制御信号を供給して、予め測定した第２の干渉信号の信号強度を考慮してフリンジスキャンのスキャン速度を適切に設定すると共に読出回路３２の読出速度を対応して設定する。第２のフリンジスキャンによりラインセンサから出力される第２の干渉信号はコンピュータに供給され、第２の干渉信号の信号波形がメモリに記憶される。コンピュータにプログラムとして実装された相互相関関数演算手段は、第１の干渉信号と第２の干渉信号について演算処理を行い、相互相関関数のピークを検出すると共にピークの変位量Ｋpを求める。求めた変位量Ｋpは、プログラムとして実装された加算手段により、ΔＺ演算手段から供給されるＺステージの変位量と相互相関関数のピークの変位量との和が算出され、凹部の深さ情報が出力される。

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、参照ミラーを駆動することによりフリンジスキャンを行ったが、参照ミラーを固定し、試料ステージを対物レンズの光軸方向に移動させることによりフリンジスキャンを行うことも可能である。

本発明による深さ測定装置の一例を示す線図である。 本発明による深さ測定の原理を説明するための説明図である。 本発明による深さ測定装置の一連の工程を示すフローチャートである。 本発明による深さ測定装置の信号処理回路の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 照明光源
２ 光ファイババンドル
３ 集束性レンズ
４ 第１のスリット
５ ハーフミラー
６，９，９ リレーレンズ
７ 振動ミラー
１０ ビームスプリッタ
１１ 第２のスリット
１２ レンズ
１３ シャッタ
１４ 参照ミラー
１５ ピエゾ素子
１６ 対物レンズ
１７ 試料ステージ
１８ 試料
１９ Ｚステージ
２０ サーボモータ
２１ エンコーダ
２２ ラインセンサ
２３ 前置増幅器
２４ 信号処理回路
３０ コンピュータ
３２ Ｉ／Ｏインターフェース
３２ 読出回路
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ メモリ
３５ ピエゾ素子駆動回路
３６ サーボモータ駆動回路

Claims (10)

1. 孔や段差等の凹部が形成されている試料に向けて光ビームを投射し、試料からの反射光を光検出手段により受光して凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、
   白色光の光ビームを発生する手段と、
   前記光ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタと、
   測定ビームを集束させて試料に向けて投射する対物レンズと、
   参照ビームを反射して元の光路に沿って進行させる参照ミラーと、
   前記測定ビームの光路長と参照ビームの光路長との間の相対的な光路長差を連続的に変化させるフリンジスキャン手段と、
   試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを合成して干渉ビームを発生するビーム合成手段と、
   対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる駆動機構と、
   対物レンズと試料との間の相対位置を検出する位置検出手段と、
   前記干渉ビームを受光して干渉信号を出力する光検出手段と、
   光検出手段から出力される干渉信号に基づく変位情報と前記位置検出手段から出力される相対位置情報とに基づいて凹部の深さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする深さ測定装置。
2. 試料表面の２次元画像情報を出力する試料観察モードと、試料表面に存在する孔や段差等の凹部の深さ情報を出力する深さ測定モードとを有する深さ測定装置であって、
   白色の照明光を発生する白色光源と、
   第１の方向に延在する細長い開口部を有し、前記照明光を受光して第１の方向に延在するライン状の照明ビームを出射させる第１のスリットと、
   試料観察モードにおいてライン状の照明ビームをその延在方向と直交する方向に偏向するすると共に、深さ測定モードにおいて静止状態に維持される振動ミラーと、
   前記第１の方向と直交する方向に延在する細長い開口部を有し、深さ測定モードにおいて選択的に光路中に配置される第２のスリットと、
   振動ミラーから出射した光ビームを集束して試料表面に向けて投射する対物レンズと、
   前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料表面からの反射光を前記対物レンズ及び振動ミラーを介して受光するラインセンサと、
   前記振動ミラーと対物レンズとの間の光路中に配置され、振動ミラーから出射した光ビームを測定ビームと参照ビームとに分割するビームスプリッタと、
   参照ビームを反射して元の光路に沿って進行させる参照ミラーと、
   前記測定ビームの光路長と参照ビームの光路長との間の相対的な光路長差を連続的に変化させるフリンジスキャン手段と、
   試料からの反射光と参照ミラーからの反射光とを合成して干渉ビームを発生するビーム合成手段と、
   対物レンズと試料との間の相対距離を変化させる駆動機構と、
   対物レンズと試料との間の相対位置を検出する位置検出手段と、
   試料観察モードにおいて、前記ラインセンサからの出力信号に基づいて試料表面の２次元画像情報を出力すると共に、深さ測定モードにおいて、ラインセンサから出力される干渉信号に基づく変位情報と前記位置検出手段から出力される相対位置情報とに基づいて凹部の深さ情報を出力する信号処理手段とを具えることを特徴とする深さ測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の深さ測定装置において、前記信号処理手段は、測定ビームの集束点が凹部付近の試料表面上又はその近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行うことにより検出される第１の干渉信号と、測定ビームの集束点が凹部の底面又はその近傍に位置した状態でフリンジスキャンを行うことにより検出される第２の干渉信号との相互相関関数のピークの変位量を算出する手段を有し、前記相互相関関数のピークの変位量と、位置検出手段により検出された対物レンズと試料との相対位置情報とに基づいて凹部の深さを決定することを特徴とする深さ測定装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の深さ測定装置において、前記ビームスプリッタ、対物レンズ、及び参照ミラーをＺステージ上に固定配置し、前記駆動機構はＺステージを対物レンズの光軸方向に移動させる駆動機構により構成し、前記対物レンズと試料との間の相対位置を検出する手段を、Ｚステージの光軸方向の位置を検出する手段で構成したことを特徴とする深さ測定装置。
5. 請求項３又は４に記載の深さ測定装置において、前記信号処理手段は、第１の干渉信号が出力されたときのＺステージの位置情報と第２の干渉信号が出力されたときのＺステージの位置情報とに基づいて対物レンズの変位量を求め、得られた変位量と前記算出された相互相関関数のピークの変位量との和に基づいて凹部の深さを決定することを特徴とする深さ測定装置。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の深さ測定装置において、前記フリンジスキャン手段は、前記参照ミラーと、参照ミラーを光軸方向に移動させるピエゾ素子とにより構成され、参照ミラーを光軸方向にそって移動させることによりフリンジスキャンが行われることを特徴とする深さ測定装置。
7. 請求項６に記載の深さ測定装置において、前記光検出手段及びラインセンサとして、入射光を受光することにより蓄積される電荷量が受光時間に対応する電荷蓄積効果を有する光検出手段及びラインセンサを用い、前記参照ミラーの移動速度を制御する手段を設け、第２の干渉信号を検出する際、第１の干渉信号を検出する際のフリンジスキャン速度よりも遅い速度でフリンジスキャンを行い、光検出手段又はラインセンサの積分時間が長くなるように構成したことを特徴とする深さ測定装置。
8. 試料表面に存在する孔や段差等の凹部に向けて光ビームを投射し、凹部からの反射光を光検出手段により受光して凹部の深さを測定する深さ測定方法において、
   測定ビームの集束点を、深さ測定されるべき凹部付近の試料表面又はその近傍に位置させ、フリンジスキャンを行って第１の干渉信号を検出する工程と、
   凹部の内部に測定ビームが入射するように位置決めする工程と、
   測定ビームの集束点を試料表面から凹部の深さ方向に変位させ、フリンジスキャンを行って第２の干渉信号を検出する工程と、
   第１の干渉信号と第２の干渉信号との相互相関関数のピークの変位量を求める工程と、
   前記測定ビームの集束点の試料表面からの変位量と、相互相関関数のピークの変位量とに基づいて凹部の深さを決定する工程とを具えることを特徴とする深さ測定方法。
9. 請求項８に記載の深さ測定方法において、前記測定ビームの集束点を凹部の深さ方向に変位させる工程において、測定ビームを凹部に向けて投射する対物レンズを所定のピッチだけ光軸方向に変位させてフリンジスキャンを行う工程とを、第１の干渉信号と相関性を有する干渉信号が検出されるまで繰り返すことを特徴とする深さ測定方法。
10. 請求項８又は９に記載の深さ測定方法において、前記光検出手段として、入射光を受光することにより蓄積される電荷量が受光時間に対応する電荷蓄積効果を有する光検出手段を用い、第２の干渉信号を検出する際の光検出手段又はラインセンサの積分時間を、第１の干渉信号を検出する際の積分時間よりも長くなるように構成したことを特徴とする深さ測定方法。

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