JP2009109628A - 深さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高アスペクト比の凹部の深さを高精度に測定できる深さ測定装置及び深さ測定方法を提供する。
【解決手段】照明光源（１）から発生した照明ビームをリング状光ビーム生成装置（５，６）によりリング状光ビームに変換する。リング状光ビームは、対物レンズ（１４）により、ベッセルビームに変換され、試料（１５）に向けて照射される。試料に形成された凹部底面からの反射光は、結像レンズ（２１）及びピンホール（２２）を介して光検出装置（２３）により受光される。試料を光軸方向に移動させながら試料の凹部からの反射光強度を検出し、反射光強度が最大となる光軸方向の位置を検出する。そして、凹部近傍の試料表面についても同様に、試料を光軸方向に移動させながら反射光強度を検出し、反射光強度が最大となる光軸方向の位置を検出する。これら検出された光軸方向の２ つの位置より、凹部の深さを決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高アスペクト比の微細孔や溝等の凹部の深さを高精度に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。

LSI の集積度を高める技術として３次元積層型LSI の開発が注目されている。積層型LSI の製造過程において、直径が１〜２μｍで深さが１００μｍ程度の高アスペクト比のヴィアホールがウェハに形成されている。これらヴィアホールはエッチング処理により形成されているが、その深さが安定しない問題点を抱えており、ヴィアホールの深さを正確に測定する必要性が高まっている。しかしながら、高アスペクト比のヴィアホールを光学的に測定する場合、照明光がヴィアホールの底部まで届きにくいという問題点がある。特に、解像度の観点より、開口数(NA) の大きい対物レンズを用いる必要があるが、対物レンズのNA を大きくするほど、ヴィアホールの開口縁部でけられる光量が増大し、ヴィアホールの底部まで到達する光量が減少してしまう。このため、ウェハを割ってヴィアホールの断面を観察しているのが実情である。

基板に形成した高アスペクト比の孔や溝の深さを共焦点顕微鏡を用いて測定することが提案されている(例えば、特許文献1 参照)。この既知の深さ測定方法では、基板の素子形成領域以外の領域に、基板上方から基板表面方向に見て溝の幅がラッパ状に拡がったモニタ用の溝を形成し、モニタ用の溝の深さを測定することにより、基板の素子形成領域に形成された孔の深さを推定している。
特開２００３−２１８０９５ 号公報

上記特許文献に記載された深さ測定方法は、共焦点光学系を用いて深さ測定を行っているため解像度が高く、モニタ用の溝の深さを高精度に測定することができる。しかしながら、実際に測定したい孔の深さを直接測定していないことと、モニタ用の溝の形状がラッパ形状で基板の素子形成領域に形成される孔の形状と相違していることから、推定した深さが素子形成領域に形成された孔の深さと一致しないおそれがある。

本発明の目的は、高アスペクト比の孔や溝等の凹部の深さを高精度に測定できる深さ測定装置及び深さ測定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、照明ビームを発生する照明光源と、
前記照明ビームを断面がリング状の光ビームに変換するリング状光ビーム生成装置と、
前記リング状光ビームをベッセルビームに変換し、深さ測定すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
前記試料を支持する試料ステージと、
前記試料からの反射光を光検出装置に結像させる結像レンズと、
前記試料からの反射光の強度を検出する前記光検出装置と、
前記結像レンズと前記光検出装置との間に配置したピンホールと、
前記対物レンズと前記試料との光軸方向の相対距離を変化させる光軸方向走査装置と、
前記対物レンズと前記試料との光軸方向の相対距離を検出する距離検出装置と、
前記光検出装置から出力される反射光強度と前記距離検出装置から出力される距離情報とに基づき、前記試料に形成された凹部の深さ情報を出力する信号処理装置とを備えることを特徴とする。

本発明では、測定ビームとしてベッセルビームを用いる。ベッセルビームは、深い焦点深度を持つ。よって、高アスペクト比の孔や溝等の凹部内にベッセルビームを投射しても、孔の開口縁部でけられる光量が少なく、相当量の測定光を凹部の底部まで進入させることが可能である。また、ベッセルビームの焦点が試料表面上及び凹部底面上に位置すると、強い反射光が発生し、焦点が凹部底面から離間するに従って反射光強度は急激に低下する。従って、試料ステージまたは対物レンズを光軸方向に変位させながら、試料表面及び凹部底面からの反射光強度のピーク位置を検出することにより、凹部底面の光軸方向の位
置を検出することができる。

本発明による深さ測定方法は、ベッセルビームを試料に照射し、光軸方向走査装置により対物レンズと試料との相対距離を変化させつつ、試料表面及び凹部底面からの反射光強度を光検出装置で検出し、距離検出装置から出力される対物レンズと試料との相対距離情報と、光検出装置から出力される反射光強度とに基づいて、前記凹部の深さを測定する方法であって、
ベッセルビームを凹部近傍の試料表面に照射し、試料ステージまたは対物レンズポジショナーを光軸方向に移動させつつ、ベッセルビームの焦点が試料表面と一致し反射光強度が最大となる点を検出する工程と、
ベッセルビームを凹部に照射し、試料ステージまたは対物レンズポジショナーを光軸方向に移動させつつ、ベッセルビームの焦点が凹部に一致し反射光強度が最大となる点を検出する工程と、
前記ベッセルビームの焦点が試料表面と一致する点と、前記ベッセルビームの焦点が凹部に一致する点との差分を求める工程とを備えることを特徴とする。

本発明では、深い焦点深度を有するベッセルビームを用い、試料に形成した凹部に向けてベッセルビームを照射し、ベッセルビームの焦点と凹部底面との相対距離を変化させながら反射光の強度変化を検出しているので、反射光強度が最大となる試料の光軸方向の位置を検出することにより、凹部底面の光軸方向の位置を検出することができる。この結果、高アスペクト比の孔や溝であっても、それらの深さを高精度に測定することができる。

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。照明光源1 から照明光を放出する。照明光源として、固体レーザー、キセノンランプ、水銀キセノンランプ等の各種光源を用いることができる。照明光は、ND フィルタ２により、光量調整され、エキスパンダ光学系に入射する。エキスパンダ光学系は２個のレンズ３ 及び４ により構成され、入射した照明ビームはレンズ４から拡大平行光束として出射する。エキスパンダ光学系から出射した照明光は、リング状光ビーム発生光学系に入射する。リング状光ビーム発生光学系は、互いに対向する２個のアキシコンレンズ５及び６を有し、アキシコンレンズ６から断面がリング状の光強度分布を有する平行ビームが出射する。尚、断面がリング状の光強度分布を有するリング状光ビームを生成する光学系として、２個のアキシコンレンズの組み合わせだけでなく、ホログラムや環状スリットを用いることも可能である。

断面がリング状の光ビームは、縮小光学系に入射する。縮小光学系は、2 個のレンズ７及び８により構成され、レンズ８から縮小されたリング状光ビームが出射する。当該リング状光ビームは、第１及び第２のビームスプリッタ９及び１０を透過し、２次元スキャナ１１に入射する。２次元スキャナ１１は、試料表面の２次元画像を撮像するモードにおいて、入射した照明ビームをＸ及びＹ方向に走査する。また、深さ測定すべき凹部に照明ビームを入射させる際、２次元スキャナにより、照明ビームをＸ及びＹ方向に移動させて照明ビームを凹部に入射させることができる。尚、深さ測定中は、照明ビームを静止状態に維持する。

２次元スキャナ１１から出射したリング状光ビームは、２個のリレーレンズ１２及び１３を経て対物レンズ１４に入射する。本例では、対物レンズ１４としてアキシコンレンズを用いる。入射したリング状の照明ビームは、アキシコンレンズによりベッセルビームに変換され、試料１５に入射する。ベッセルビームは、深い焦点深度を有するビームである。試料１５は試料ステージ１６上に保持する。本例では、試料ステージ１６は、Ｘ及びＹ方向だけでなく、光軸方向であるＺ軸方向にも移動できるXYZ ステージを用いる。試料ステージ１６ には、サーボモータ１７及び駆動回路１８が接続され、信号処理装置１９からの制御信号によりステージ１６をＺ軸方向(光軸方向) に駆動制御する。また、サーボモータには試料ステージ１６のＺ軸方向の位置を検出する位置センサであるエンコーダ２０が接続され、エンコーダ２０により試料ステージ１６のＺ軸方向の位置を検出する。エンコーダ２０ からの出力信号は、試料ステージ１６のＺ軸方向の位置情報として信号処理装置１９に供給する。試料ステージ１６をＸ及びＹ方向に駆動することにより、試料１５に形成された凹部を対物レンズの下方に位置させる。また、深さ測定モードにおいて、試料ステージ１６をＺ軸方向に走査しながら試料表面及び試料に形成した凹部の底面からの反射光を検出する。

試料１５からの反射光は、再び対物レンズ１４に入射し、元の光路を反対方向に伝搬し、２個のリレーレンズ１３及び１２ 並びに２次元スキャナ１１を経て第２のビームスプリッタ１０に入射する。第２のビームスプリッタ１０で反射した反射光は、結像レンズ２１及びピンホール２２を経て光検出器２３に入射する。ピンホールの直径は、例えば、１〜２０μｍに設定する。試料からの反射光は、光検出器２３により受光され、試料１５をZ 軸方向に走査しながら測定された反射光の強度変化が光検出器２３から出力される。光検出器２３として、光電子増倍管、２次元CCD を用いることができる。光検出器２３からの出力信号は、増幅器２４を経て信号処理回路１９に供給する。

第２のビームスプリッタ１０を透過した試料１５からの反射光は、第１のビームスプリッタ９で反射され、結像レンズ２５を介して２次元CCD カメラ２６入射する。本例の深さ測定装置は、２次元スキャナ１１を駆動して試料表面を光ビームにより２次元的に走査し、CCDカメラ２６により試料表面の２次元画像を撮像してモニタ上に表示することができる。操作者は、モニタ上に表示された試料画像を見ながら測定すべき凹部を対物レンズの下方に位置させることができる。

図２（Ａ）は、均一強度の入射光をNA0.80 のレンズで集光した場合にできる焦点近傍の強度分布を模式的に表したものであり、光軸を含む面で表示している。図２（Ｂ）は、リング状のビーム(リング幅は入射瞳直径の５％)を図２（Ａ）と同様のNA0.80 のレンズで集光した場合にできるベッセルビームの焦点近傍の強度分布である。均一強度の入射光 をレンズで集光した場合、集光スポットの大きさは、焦平面内ではエアリーディスクの直径d=1.22λ/NA で与えられ、光軸方向では、焦平面内のおよそ３倍になる。集光スポットの直径を孔の直径2μｍ 程度としても、光軸方向の大きさは6μｍ 程度であり、集光スポットを孔の底部に形成しようとすれば、孔の開口縁部で大量の照明光がけられてしまい、ほとんどの照明光が孔の底部まで到達しない。従って、均一強度の入射光を集光した通常のビームで高アスペクト比の孔の深さを測定することは困難である。一方、ベッセルビームは深い焦点深度を持つので、同一の対物レンズを用いた場合、通常のビームよりも遙かに大量の照明光が孔の底部まで到達する。ベッセルビームが高アスペクト比の孔の底面まで到達する特性は、ベッセルビームを試料表面に照射し高アスペクト比の孔を形成する技術が種々の学術文献に掲載されていることからも理解できる。上述した検討に基づき、本発明では、照明ビームとしてベッセルビームを用い、ベッセルビームを凹部に向けて照射し、凹部の底面からの反射光を光検出装置により検出することにより凹部の深さを測定する。

図３ は本発明による深さ測定の原理を説明するための線図である。リング状の照明ビームはビームスプリッタ１０を経て対物レンズ１４に入射する。対物レンズ１４によりベッセルビームに変換された照明光は、試料１５に照射される。試料表面からの反射光は対物レンズ１４、ビームスプリッタ１０、結像レンズ２１、及びピンホール２２を介して光検出装置２３に入射する。

図３（Ａ）は、ベッセルビームの焦点が試料表面上に位置する状態を示す。試料表面からの反射光のほぼ全てが対物レンズ１４、結像レンズ２１及びピンホール２２を介して光検出器２３に入射する。従って、ベッセルビームの焦点が試料表面上に位置する場合、光検出装置から反射光強度として大きな信号が出力される。

図３（Ｂ）は、ベッセルビームの焦点が試料表面よりも対物レンズ側に位置する場合(所謂前ピン状態) を示す。試料表面で反射された照明光のうち一部分の光だけが対物レンズ１４、結像レンズ２１及びピンホール２２を介して光検出器23 に入射する。残りの照明光は対物レンズ１４に入射しないか、入射しても光検出装置に集光する光路から外れ、ピンホール２２により遮光される。ベッセルビームの焦点が試料表面から対物レンズ側に離れるほど、光検出装置に入射する照明光が減少するので、光検出装置からの出力信号が減少する。

図３（Ｃ）は、ベッセルビームの焦点が試料内部に位置する場合(所謂後ピン状態) を示す。試料表面からの反射光の多くは、対物レンズ１４に入射するが、光検出装置に集光する光路から外れ、ピンホール２２により遮光される。ベッセルビームの焦点が試料表面から試料内部側に離れるほど、光検出装置に入射する照明光が減少するので、光検出装置からの出力信号が減少する。

図３に示すように、本発明による深さ測定装置では、照明ビームとしてベッセルビームを用いると共に、光検出装置の前面にピンホールを配置している。そのため、測定すべき凹部の内部まで照明ビームを進入させることができると共に、照明ビームの焦点が試料表面または凹部底面に位置した際にのみ、光検出装置から強い出力信号を得ることができる。すなわち、試料とベッセルビームの焦点との距離を変化させながら、光検出装置からの出力信号のピークを検出することにより、試料表面及び凹部底面の光軸方向の位置を検出することができる。

次に、本発明による深さ測定方法の手順について説明する。図４は、本発明による深さ測定方法の手順を説明するためのフローチャートである。また、図 ５は、試料ステージの光軸方向の位置と、光検出装置から出力される出力信号強度との関係を示すグラフである。

ステップ１ において、深さ測定すべき試料を試料ステージ上にセットする。試料として、コンタクトホール、ヴィアホール等の各種の孔や溝等の凹部が形成されている試料を用いることができ、例えば半導体ウェハ、集積型ウェハを測定対象とする。

ステップ２ において、２次元スキャナで照明ビームを焦平面内で走査し、試料表面の２次元画像を撮像する。そして、撮像した２次元画像から、凹部及び凹部のアドレスを検出する。尚、測定すべき凹部のアドレスが予め機知の場合、ステップ２は不要である。

ステップ３において、検出した凹部のアドレス情報を用いて、照明ビームを測定すべき凹部近傍の試料表面上に位置させる。

ステップ４において、試料ステージを光軸方向の基準位置Ｚ0に移動させる。

ステップ５において、照明ビームを凹部近傍の試料表面上に照射しながら、試料ステージを光軸方向に沿って所定の距離だけ移動させる。本例では、ベッセルビームの焦点が試料表面よりも対物レンズに近い側に位置するように基準位置Ｚ0を設定し、焦点が試料表面に近づく方向に移動するように、試料ステージを対物レンズに近づく方向に移動させる。このＺ軸方向スキャン中の光検出装置からの出力信号強度を図５（Ａ）に示す。Ｚ軸方向スキャンの開始時には、ベッセルビームの焦点は試料表面上にないため、光検出装置からの出力信号強度は低い。Ｚ軸方向スキャンするに従って、焦点が試料表面に近づき、光検出
装置からの出力信号強度が増加する。そして、焦点が試料表面上に到達すると、光検出装置からの出力信号強度が最大となる。焦点が試料表面から試料内部方向へ離れるに従って、出力信号強度は減少する。

ステップ６において、出力信号強度が最大となったときの試料ステージの位置Ｚ1を記憶する。

ステップ７ において、試料ステージをZ 軸方向に移動させて基準位置Ｚ0に戻す。また、試料ステージをXY 方向に移動させて、照明ビームを凹部の上方に位置させる。

ステップ８において、試料ステージを光軸方向に沿って対物レンズに近づく方向に移動させ、Ｚ軸方向スキャンを実行する。試料ステージが対物レンズに近づく方向へ移動するに従い、ベッセルビームの焦点は凹部の内部に移動し、ベッセルビームの焦点が凹部底面に到達すると、光検出装置からの出力信号強度が最大となる。そして、ベッセルビームの焦点が、凹部底面からさらに試料内部に移動するに従って光検出装置からの出力信号強度が低下する。このＺ軸方向スキャン中の光検出装置からの出力信号強度を図５（Ｂ）に示す。

ステップ９において、出力信号強度が最大となったときの試料ステージの位置Ｚ2を記憶する。

最後に、位置Ｚ2 から位置Ｚ1 を減算して、凹部の深さΔＺを算出する。

図６は、信号処理装置の一例を示すブロック図である。光検出装置２３から出力される反射光強度信号は、増幅器２４により増幅され、A/D 変換器３０を介して信号処理装置１９に入力される。反射光強度信号は比較器３１の入力端子A に入力され、メモリ３３に格納された反射光強度信号の最大値が入力端子B に入力される。反射光強度信号の最大値の初期値は０である。比較器３１は入力端子A に入力された信号の方が入力端子B に入力された信号よりも大きければトリガ信号を出力する。セレクタ３２はトリガ信号入力端子、入力端子C 及び入力端子D を備えており、トリガ信号が入力されると入力端子C の値を、トリガ信号が入力されなければ入力端子D の値を出力する。セレクタ３２の入力端子C に反射光強度信号を入力し、入力端子D に反射光強度信号の最大値を入力する。このようにして試料ステージをＺ軸方向に移動させながら、光検出装置から出力される反射光強度信号の最大値がメモリ３３に格納される。

一方、エンコーダ２０からの信号は、A/D 変換器３５を経て信号処理装置１９に入力され、Ｚ軸メモリａ３６及びＺ軸メモリｂ３７に供給される。比較器３１からのトリガ信号は、スイッチ３４に入力され、スイッチ３４により、凹部近傍の試料表面でＺ軸方向スキャンが行われた時にはＺ軸メモリａ３６ にトリガ信号が出力され、凹部でZ 軸方向スキャンが行われた時にはＺ軸メモリｂ３７にトリガ信号が出力される。Ｚ軸メモリａ３６及びＺ軸メモリｂ３７はトリガ信号が入力されるとエンコーダ２０からの信号を格納する。このように、Ｚ軸メモリａ３６には凹部近傍の試料表面のＺ軸方向の位置情報が格納され、Ｚ軸メモリｂ３７には凹部底面のＺ軸方向の位置情報が格納される。これら２つの位置情報は、減算器３８に入力され、減算されることにより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、種々の変更や変形が可能である。例えば、上述した実施例では、ベッセルビームの焦点と試料との相対距離を変化させる方法として、試料ステージをＺ軸方向に移動させる手段を用いたが、試料ステージを静止状態に維持し、対物レンズをZ 軸方向に移動させることにより、ベッセルビームの焦点と試料との相対距離を変化させることも可能である。この場合、対物レンズのホルダにサーボモータ及びエンコーダーを連結し、対物レンズの基準位置からの変位量をエンコーダにより計測することにより、光検出装置の出力信号が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を求めることができる。

また、上述した実施例では、対物レンズとしてアキシコンレンズを用いたが、対物レンズとして球面レンズを用いることも可能である。また、結像レンズ２１についても、球面レンズを用いることが可能である。

本発明による深さ測定装置の一例を示す線図である。 （Ａ）は均一強度の光ビームをNA0.80 のレンズで集光した場合に焦点近傍に形成される光軸方向の強度分布を示す図であり、（Ｂ）はリング状のビーム(リング幅は入射瞳直径の5%) をNA0.80 のレンズで集光した場合に焦点近傍に形成される光軸方向の強度分布を示す図である。 ベッセルビームが試料表面に入射した状態と試料からの反射光が光検出装置に入射する状態を示す図である。 本発明による深さ測定方法の手順を示すフローチャートである。 試料ステージのＺ軸方向の位置と反射光強度との関係を示すグラフである。 信号処理装置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 ND フィルタ
３，４，７，８ レンズ
５，６ アキシコンレンズ
９，１０ ビームスプリッタ
１１ ２次元スキャナ
１２，１３ リレーレンズ
１４ 対物レンズ
１５ 試料
１６ 試料ステージ
１７ サーボモータ
１８ 駆動回路
１９ 信号処理装置
２０ エンコーダ
２１ 結像レンズ
２２ ピンホール
２３ 光検出装置
２４ 増幅器

Claims (7)

1. 照明ビームを発生する照明光源と、
   前記照明ビームを断面がリング状の光ビームに変換するリング状光ビーム生成装置と、
   前記リング状光ビームをベッセルビームに変換し、深さ測定すべき試料に向けて投射する対物レンズと、
   前記試料を支持する試料ステージと、
   前記試料からの反射光を光検出装置に結像させる結像レンズと、
   前記試料からの反射光の強度を検出する前記光検出装置と、
   前記結像レンズと前記光検出装置との間に配置したピンホールと、
   前記対物レンズと前記試料との光軸方向の相対距離を変化させる光軸方向走査装置と、
   前記対物レンズと前記試料との光軸方向の相対距離を検出する距離検出装置と、
   前記光検出装置から出力される反射光強度と前記距離検出装置から出力される距離情報とに基づき、前記試料に形成された凹部の深さ情報を出力する信号処理装置とを備えることを特徴とする深さ測定装置。
2. 前記信号処理装置が、前記光検出装置から出力される反射光強度と前記距離検出装置から出力される距離情報とに基づき、試料からの反射光強度が最大となる光軸方向の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の深さ測定装置。
3. 前記信号処理装置が、試料の凹部近傍にある平坦な表面における光軸方向の位置と、凹部における光軸方向の位置との差分を検出し、凹部の深さ情報を出力することを特徴とする請求項２ に記載の深さ測定装置。
4. 前記光軸方向走査装置として、光軸方向に変位する試料ステージを備えることを特徴とする請求項３ に記載の深さ測定装置。
5. 前記光軸方向走査装置として、光軸方向に変位する対物レンズポジショナーを備えることを特徴とする請求項３ に記載の深さ測定装置。
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、前記対物レンズ及び前記結像レンズにアキシコンレンズまたは球面レンズを備えることを特徴とする深さ測定装置。
7. ベッセルビームを試料に照射し、光軸方向走査装置により対物レンズと試料との相対距離を変化させつつ、試料表面及び凹部底面からの反射光強度を光検出装置で検出し、距離検出装置から出力される対物レンズと試料との相対距離情報と、光検出装置から出力される反射光強度とに基づいて、前記凹部の深さを測定する方法であって、
   ベッセルビームを凹部近傍の試料表面に照射し、試料ステージまたは対物レンズポジショナーを光軸方向に移動させつつ、ベッセルビームの焦点が試料表面と一致し反射光強度が最大となる点を検出する工程と、
   ベッセルビームを凹部に照射し、試料ステージまたは対物レンズポジショナーを光軸方向に移動させつつ、ベッセルビームの焦点が凹部に一致し反射光強度が最大となる点を検出する工程と、
   前記ベッセルビームの焦点が試料表面と一致する点と、前記ベッセルビームの焦点が凹部に一致する点との差分を求める工程とを備えることを特徴とする深さ測定方法。

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