JP2013048183A - Etching monitoring device - Google Patents

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Hiroomi Goto
洋臣 後藤
Akira Arakawa
彰 荒川
Yuzo Nagumo
雄三 南雲
Yoshio Tsunasawa
義夫 綱澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate depth of hole or step with high precision by eliminating the effect of thickness of resist film during execution of etching.SOLUTION: The light of predetermined wavelength width is radiated to a sample 50, and the light containing interference with the light reflected on a bottom surface of a hole 52 or an upper surface of a substrate 51, and the like is subjected to spectral detection by a spectroscope unit 25. At a data processing part 30, an interference spectrum is obtained that is provided by removing effects or the like of an emission spectrum of a light source 21 from spectral profile, which is then subjected to Fourier transformation to provide a peak interval, for calculating depth of a hole, film thickness, or the like. Since a chopper 103 periodically allows shielding/passing of external reference light that is reflected on an external reference surface 104, a data processing part 30 provides data with external reference light and data with no external reference light. For example, during the period when a resist layer 53 is thick, a depth of hole or the like is calculated based on the data with no external reference light which has higher resolution, but when the resist layer 53 becomes thinner as etching proceeds, a depth of a hole or the like is calculated based on the data with external reference light which is hard to be affected by disturbance.

Description

本発明は、エッチング加工により半導体基板などに形成される微細な孔、例えばTSV(=Through Silicon Via:シリコン貫通ビア)の深さや段差などを、加工中に略リアルタイムで測定するためのエッチングモニタリング装置に関する。   The present invention relates to an etching monitoring apparatus for measuring a depth or a step of a fine hole formed in a semiconductor substrate or the like by etching processing, for example, TSV (= Through Silicon Via) substantially in real time during processing. About.

半導体集積回路の製造プロセスでは、シリコンウエハ等の半導体基板にごく微細な孔や溝を形成するために低圧プラズマ等を用いたエッチング加工が行われている。通常、エッチング工程では、まず、基板上で孔や溝を形成しない部分にレジスト膜によるマスキングを行った上でエッチング加工を実行する。これにより、マスキングされていない部分のみが選択的に削られるから、加工後にレジスト膜を除去することで任意の形状の孔や溝を形成することが可能となる。このときに形成される孔や溝の深さはエッチングの時間、ガス種類、ガス圧などの様々な条件に依存するから、孔や溝の深さを目標深さにするために、加工中に実際の深さをモニタリングしながらエッチングの終了点を決めたり条件を調整したりする制御がなされる。   In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, an etching process using low-pressure plasma or the like is performed in order to form very fine holes or grooves in a semiconductor substrate such as a silicon wafer. Usually, in the etching step, first, etching is performed after masking a portion of the substrate where a hole or groove is not formed with a resist film. As a result, only the unmasked portion is selectively scraped, so that it is possible to form holes or grooves of any shape by removing the resist film after processing. Since the depth of the hole or groove formed at this time depends on various conditions such as etching time, gas type, gas pressure, etc., in order to set the hole or groove depth to the target depth, Control is performed to determine the end point of etching and adjust the conditions while monitoring the actual depth.

従来、エッチングにより形成される微細孔の深さを光学的に測定する技術として特許文献1〜3に記載のものが知られている。これら文献に記載の装置は、エッチングにより基板上に形成される微細な孔の深さを測定するために、単色光源、該単色光源からの光を計測対象の孔に照射する光学系、その孔からの反射光の強度を測定する検出器、などを備える。エッチングの進行に伴って被エッチング部である微細孔が深くなってゆくとき、孔の底面からの反射光とその孔の開口周囲の面からの反射光との干渉により、検出器に入射する光強度は繰り返し変化する。即ち、図9(a)に示すように、エッチング深さがλ/2(λ:単色光の波長)ずつ進行するに伴い検出器による信号強度は強弱の周期を繰り返す。そこで、従来は、この信号強度の時間的変化のピーク(極大又は極小)を計数することにより孔深さを計測している。   Conventionally, those described in Patent Documents 1 to 3 are known as techniques for optically measuring the depth of fine holes formed by etching. In order to measure the depth of a fine hole formed on a substrate by etching, the apparatuses described in these documents include a monochromatic light source, an optical system that irradiates the hole to be measured with light from the monochromatic light source, and the hole. A detector for measuring the intensity of the reflected light from the light source. Light that enters the detector due to interference between the reflected light from the bottom surface of the hole and the reflected light from the surface surrounding the opening of the hole when the microhole, which is the etched part, becomes deeper as the etching progresses The intensity changes repeatedly. That is, as shown in FIG. 9A, as the etching depth advances by λ / 2 (λ: wavelength of monochromatic light), the signal intensity by the detector repeats a cycle of strength. Therefore, conventionally, the hole depth is measured by counting the peak (maximum or minimum) of the temporal change in the signal intensity.

なお、上記特許文献1〜3に記載の装置では、孔深さ計測用とは別に、分光測定用光源、該分光測定用光源からの光を計測対象のマスク層に照射する光学系、マスク層からの反射光を分光して検出する分光検出器、などを備えるが、これは被エッチング部以外の基板表面をマスキングするマスク層の膜厚を測定するためのものであり、孔深さの計測には関係しない。   In the devices described in Patent Documents 1 to 3, apart from the hole depth measurement, a light source for spectroscopic measurement, an optical system for irradiating the mask layer to be measured with light from the light source for spectroscopic measurement, and a mask layer Equipped with a spectroscopic detector that spectroscopically detects the reflected light from the surface, which is used to measure the thickness of the mask layer that masks the substrate surface other than the part to be etched. Does not matter.

上述した光強度の時間変化に対し単純なピーク(又はボトム)の計数で孔深さを求めるという従来のエッチング深さ(段差)計測方法は、光を反射する面が2つである場合には特に問題が生じない。しかしながら、レジスト膜や他の層構造のために光を反射する面が3面以上になる等、反射面の状態が変化すると、干渉光の振幅の時間的変動が図9(b)に示すように複雑になる。そのため、正確なピークの計数が困難になる。特に、エッチングにより形成される孔がごく微細な径であったり深かったりする場合には、孔底面からの反射光が弱くなるのでレジスト層等の孔周囲の面からの反射光が支配的となり、被エッチング部の深さを反映した干渉の振幅が小さくなるために計数ミスを引き起こす可能性が高くなる。そのため、被エッチング部である孔の深さや段差の計測の精度が低下し、エッチング不良の大きな原因となる。   The conventional etching depth (step) measurement method of obtaining the hole depth by simply counting the peak (or bottom) with respect to the temporal change of the light intensity described above is used when there are two light reflecting surfaces. There is no particular problem. However, when the state of the reflecting surface changes, such as when there are three or more light reflecting surfaces due to the resist film or other layer structure, the temporal variation in the amplitude of the interference light is as shown in FIG. It becomes complicated. This makes it difficult to accurately count peaks. In particular, when the hole formed by etching has a very fine diameter or is deep, the reflected light from the bottom surface of the hole becomes dominant because the reflected light from the bottom of the hole becomes weak, Since the amplitude of interference reflecting the depth of the etched portion is reduced, the possibility of causing a counting error increases. For this reason, the accuracy of measurement of the depth and level difference of the hole, which is the etched portion, is reduced, which causes a large etching failure.

特許第2859159号公報Japanese Patent No. 2859159 特開平10−325708号公報JP 10-325708 A 特開2001−284323号公報JP 2001-284323 A

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、レジスト層の膜厚やそのほかの膜構造の影響、被エッチング部である孔の小ささや深さ、或いは、不均等なエッチングなどの様々な要因による干渉光の振幅の変動や振幅の縮小が生じた場合であっても、孔深さや段差、或いはレジスト膜厚などの計測の精度の低下がない又は少ないエッチングモニタリング装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is the influence of the film thickness of the resist layer and other film structures, the size and depth of the hole to be etched, Etching monitoring with little or no decrease in measurement accuracy, such as hole depth, step, or resist film thickness, even when the interference light amplitude varies or decreases due to various factors such as uniform etching Is to provide a device.

上記課題を解決するために成された本発明は、試料面上でマスキングが施されていない被エッチング部位がエッチングされる際に、少なくともそのエッチングの孔深さ又は段差を測定するエッチングモニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、該光源からの測定光を試料まで導き、その試料面上に形成される光スポットが被エッチング部位とその周囲のマスキング部位とに跨るように測定光を試料面上に照射する導入光学系と、該導入光学系による測定光の照射に対して前記試料面上の被エッチング部位とマスキング部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備するエッチングモニタリング装置において、
a)前記導入光学系の光路の途中で光の一部を取り出し外部参照面で反射させた後に外部参照光として前記干渉光学系の光路に導入して干渉光に混入させる外部参照光生成手段と、
b)前記試料から反射してきた干渉光に前記外部参照光を混入させた光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて、干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求める外部参照光ありスペクトル取得手段と、
c)前記試料から反射してきて前記外部参照光が混入されない干渉光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて干渉スペクトルを求める外部参照光なしスペクトル取得手段と、
d)前記外部参照光ありスペクトル取得手段による干渉スペクトル又は前記外部参照光なしスペクトル取得手段による干渉スペクトルの一方を選択的に利用した解析処理によってエッチング深さ又は段差を算出するエッチング量算出手段と、
を備えることを特徴としている。
The present invention, which has been made to solve the above problems, is an etching monitoring apparatus that measures at least the depth or step of etching when etching a portion to be etched on a sample surface that is not masked. A light source that generates measurement light having a predetermined wavelength width, and the measurement light from the light source is guided to the sample, and a light spot formed on the sample surface is applied to the etched site and the surrounding masking site. An introduction optical system that irradiates the sample surface with the measurement light so as to straddle, and interference that causes the reflected light from the etched portion and masking portion on the sample surface to interfere with the measurement light irradiation by the introduction optical system An optical system, a spectroscopic unit that wavelength-disperses interference light from the interference optical system, and a detection unit that detects, for each wavelength, the light wavelength-dispersed by the spectroscopic unit. In the etching monitoring apparatus,
a) external reference light generating means for extracting a part of the light in the middle of the optical path of the introduction optical system and reflecting it on the external reference surface and then introducing it into the optical path of the interference optical system as external reference light to be mixed into the interference light; ,
b) An external for obtaining an interference spectrum which is an intensity distribution in a predetermined wavelength range of the interference light based on a detection signal obtained by the detection means for the light in which the external reference light is mixed into the interference light reflected from the sample Spectrum acquisition means with reference light;
c) a spectrum acquisition means without external reference light for obtaining an interference spectrum based on a detection signal obtained by the detection means for interference light reflected from the sample and not mixed with the external reference light;
d) an etching amount calculation means for calculating an etching depth or a step by an analysis process that selectively uses one of the interference spectrum by the spectrum acquisition means with external reference light or the interference spectrum by the spectrum acquisition means without external reference light;
It is characterized by having.

本発明に係るエッチングモニタリング装置において、エッチング孔深さや段差を計測するために或る程度の波長幅を有する光源を用い、エッチングにより形成された孔や段差から戻ってきた干渉光を分光測定する。外部参照光ありスペクトル取得手段及び外部参照光なしスペクトル取得手段は、検出手段により得られる検出信号に基づいて、干渉スペクトルを作成する。エッチング量算出手段は、干渉スペクトルに現れるスペクトル干渉波形を抽出し、フーリエ変換による周波数解析を実行し、干渉スペクトルの波長(又は波数)を参照面と反射面との間の距離に変換したグラフを求め、該グラフに現れるピークから参照面(例えば基板表面)からの孔深さや溝段差、或いはマスキング層厚さなどを算出する。この際、被エッチング基板上部のマスキング層(通常、レジスト層)がエッチングにより薄くなりすぎ、干渉距離測定のためのレジスト層上面等の参照面の位置があいまいになることを避けるため、参照面とは別に外部参照面を設ける。ただし、外部参照面で反射させた外部参照光を用いた場合と用いない場合とでは、いずれにも利点・欠点がある。   In the etching monitoring apparatus according to the present invention, a light source having a certain wavelength width is used to measure the depth and level difference of the etching hole, and the interference light returned from the hole and level difference formed by etching is spectroscopically measured. The spectrum acquisition means with external reference light and the spectrum acquisition means without external reference light create an interference spectrum based on the detection signal obtained by the detection means. The etching amount calculation means extracts a spectrum interference waveform appearing in the interference spectrum, performs frequency analysis by Fourier transform, and converts a wavelength (or wave number) of the interference spectrum into a distance between the reference surface and the reflection surface. The hole depth from the reference surface (for example, the substrate surface), the groove step, or the masking layer thickness is calculated from the peak appearing in the graph. At this time, in order to avoid that the masking layer (usually the resist layer) on the substrate to be etched becomes too thin due to etching and the position of the reference surface such as the upper surface of the resist layer for measuring the interference distance is ambiguous, Separately, an external reference plane is provided. However, there are advantages and disadvantages both when the external reference light reflected by the external reference surface is used and when it is not used.

即ち、外部参照光を利用しない場合には、一つの光路上で計測対象の孔底部などと極めて近い距離にある基板上面やレジスト層上面といった参照面が用いられることになるため、振動などの外乱の影響を受けることがなく、エッチング孔深さ(被エッチング構造底面との距離)等を高い精度で安定して計測することができる。その反面、エッチングによってレジスト層が削られ、その膜厚が計測可能距離(使用波長帯域に依存する)以下になると、参照面位置があいまいになるためにエッチング孔深さの計測精度が低下してしまう。一方、外部参照光を利用する場合、外部参照面は被エッチング物ではないためその構造や距離は変化せず、エッチング状況によらず安定して比較的高い精度で計測ができるという利点がある。その反面、外部参照光を生成する光路は少なくともその一部が被測定物計測用の光路とは異なるため、振動などの外乱の影響を受け易く、一般に外部参照光非利用時ほどの高い精度や安定性は得られない。また外部参照光という余計な光を混入させることになるため、ノイズの影響が大きくなる。   That is, when external reference light is not used, a reference surface such as a substrate upper surface or resist layer upper surface that is very close to the bottom of the hole to be measured on one optical path is used. Thus, the depth of the etching hole (distance from the bottom of the structure to be etched) and the like can be stably measured with high accuracy. On the other hand, if the resist layer is removed by etching and the film thickness is less than the measurable distance (depending on the wavelength band used), the reference surface position becomes ambiguous, and the measurement accuracy of the etching hole depth decreases. End up. On the other hand, when the external reference light is used, the external reference surface is not an object to be etched, so that the structure and distance thereof do not change, and there is an advantage that measurement can be performed stably and with relatively high accuracy regardless of the etching state. On the other hand, at least a part of the optical path for generating the external reference light is different from the optical path for measuring the object to be measured, so that it is easily affected by disturbances such as vibrations. Stability is not obtained. In addition, since extra light called external reference light is mixed, the influence of noise increases.

本発明に係るエッチングモニタリング装置では、上述した外部参照光あり/なしの欠点を補いつつ利点を活かすため、エッチング実行中に、検出される信号の状態や計測結果の信頼性を推測可能な情報などに基づいて、孔深さや溝段差、或いはマスキング層厚さなどを算出する元となる干渉スペクトルとして、外部参照光ありの干渉スペクトルと外部参照光なしの干渉スペクトルとのいずれを用いるのかを切り替える。   In the etching monitoring apparatus according to the present invention, in order to make use of the advantages while compensating for the above-described defect with / without the external reference light, information that can be used to estimate the state of the detected signal and the reliability of the measurement result during the etching, etc. On the basis of the above, the interference spectrum with which the external reference light is used or the interference spectrum without the external reference light is used as the interference spectrum from which the hole depth, groove step, masking layer thickness, and the like are calculated.

即ち、本発明に係るエッチングモニタリング装置において、前記エッチング量算出手段は、エッチングの進行中に前記検出手段により得られる検出信号又は該検出信号に対する解析処理により得られる処理結果に基づいて、外部参照光ありの干渉スペクトルと外部参照光なしの干渉スペクトルとのいずれを利用するかを判定する判定手段を含み、その判定に基づいて選択された方の干渉スペクトルを利用した解析によってエッチング孔深さ又は段差を算出する構成とするとよい。   That is, in the etching monitoring apparatus according to the present invention, the etching amount calculation means is configured to output the external reference light based on a detection signal obtained by the detection means during the progress of etching or a processing result obtained by analysis processing on the detection signal. A determination unit that determines whether to use an interference spectrum with or without an external reference light, and an etching hole depth or step by analysis using the interference spectrum selected based on the determination; It may be configured to calculate.

具体的には、孔深さの変化に伴って現れる周期的な信号強度変化の乱れ(周期的な乱れや振幅の大きな変動など)があった場合、或いは、フーリエ変換後のグラフに現れる筈の複数のピークが重なって分離できなくなった場合、さらには、計測により求まるマスキング層の膜厚が所定閾値より薄くなった場合などの状況においては、外部参照光なしの干渉スペクトルからは十分な精度で孔深さ等を算出することができないから、外部参照光ありの干渉スペクトルを用いるように切り替えるとよい。   Specifically, when there is a periodic signal intensity fluctuation (such as a periodic disturbance or a large fluctuation in amplitude) that appears with a change in the hole depth, or in the graph after Fourier transform In a situation where multiple peaks overlap and cannot be separated, or when the thickness of the masking layer obtained by measurement is thinner than a predetermined threshold, the interference spectrum without external reference light is sufficiently accurate. Since the hole depth and the like cannot be calculated, switching to use an interference spectrum with external reference light is preferable.

また、外部参照光なしの干渉スペクトルと外部参照光ありの干渉スペクトルとは、要不要に拘わらず常に両方取得するようにしてもよいし、逆に、孔深さ等の算出に必要な方のみを選択的に取得するようにしてもよい。即ち、本発明の一実施態様において、前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、該切替手段により外部参照光の混入の有無を交互に切り替えることで、外部参照光ありの干渉スペクトル及び外部参照光なしの干渉スペクトルを常に取得する構成とすることができる。   In addition, both the interference spectrum without external reference light and the interference spectrum with external reference light may be always acquired regardless of necessity, or conversely, only those necessary for calculation of hole depth etc. May be acquired selectively. That is, in one embodiment of the present invention, the external reference light generating means includes switching means for switching presence / absence of external reference light, and by switching the presence / absence of external reference light by the switching means, The interference spectrum with reference light and the interference spectrum without external reference light can always be obtained.

また、上述のようにマスキング層の膜厚に応じて外部参照光ありの干渉スペクトルを用いるように処理を切り替える構成においては、前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、マスキング層の膜厚が所定値以上である間は前記切替手段により外部参照光を混入させず、マスキング層の膜厚が所定値未満になったならば前記切替手段により外部参照光を混入させるように外部参照光の混入の有無を切り替える構成としてもよい。   Further, in the configuration in which the processing is switched so as to use the interference spectrum with the external reference light according to the film thickness of the masking layer as described above, the external reference light generation unit switches the presence / absence of the external reference light to be mixed. The external reference light is not mixed by the switching means while the thickness of the masking layer is greater than or equal to a predetermined value, and the external reference light is supplied by the switching means when the thickness of the masking layer is less than the predetermined value. It is good also as a structure which switches the presence or absence of mixing of external reference light so that it may mix.

なお、一般に外部参照面の反射率は試料面のそれに比べて高いため、外部参照光の混入の有無によって検出手段に到達する光の量には差が生じ、検出手段で受光可能な光量の上限(検出手段のダイナミックレンジの上限)をオーバーしてしまったり、逆に、そうしたオーバーが生じないようにしておくと感度が低くなってしまったりする場合がある。そこで、本発明に係るエッチングモニタリング装置において、好ましくは、外部参照光の混入の有無に応じて、前記光源の発光光量、前記検出手段に入射する光の光量、前記試料面上に照射する測定光の光量、前記試料面から反射した光の光量、又は前記検出手段における検出感度の少なくともいずれか一つを調節する構成とするとよい。この構成によれば、外部参照光の混入の有無によって検出手段に到達する光の量に差が生じ得る場合でも、外部参照光の混入の有無に応じて光量を適宜調整したり検出手段のゲインを調整したりして該検出手段のダイナミックレンジを有効に利用することができる。   In general, since the reflectance of the external reference surface is higher than that of the sample surface, there is a difference in the amount of light reaching the detection means depending on the presence or absence of external reference light, and the upper limit of the amount of light that can be received by the detection means (Upper limit of the dynamic range of the detection means) may be exceeded, or conversely, if such an overage is not caused, the sensitivity may be lowered. Therefore, in the etching monitoring apparatus according to the present invention, preferably, the amount of emitted light of the light source, the amount of light incident on the detection means, and the measurement light irradiated on the sample surface depending on whether or not external reference light is mixed. It is preferable to adjust at least one of the amount of light, the amount of light reflected from the sample surface, and the detection sensitivity of the detection means. According to this configuration, even when there is a difference in the amount of light reaching the detection unit due to the presence or absence of external reference light, the amount of light can be appropriately adjusted according to the presence or absence of external reference light or the gain of the detection unit The dynamic range of the detection means can be used effectively by adjusting the

本発明に係るエッチングモニタリング装置によれば、レジスト等のマスキング層の膜厚やその変化の影響などを受けることなく、エッチングにより形成される目的の孔の深さや段差などを正確に且つ高い分解能でもって計測することができる。また、そうした計測を高いリアルタイム性をもって行うことができるため、エッチングの終点検知や条件変更などの制御に好適である。   According to the etching monitoring apparatus according to the present invention, the depth and level difference of a target hole formed by etching can be accurately and with high resolution without being affected by the film thickness of a masking layer such as a resist or the change thereof. It can be measured. In addition, since such measurement can be performed with high real-time properties, it is suitable for controlling etching end point detection and condition change.

本発明の一実施例であるエッチングモニタリング装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of an etching monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention. 本実施例のエッチングモニタリング装置において得られる干渉スペクトルの概略図。The schematic of the interference spectrum obtained in the etching monitoring apparatus of a present Example. 外部参照光を用いない場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。The figure which shows an example of the observed spectral spectrum when not using external reference light, the interference spectrum after normalization calculated | required from this spectral spectrum, and the signal waveform after Fourier-transforming this interference spectrum. 外部参照光を用いない場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。The figure which shows an example of the observed spectral spectrum when not using external reference light, the interference spectrum after normalization calculated | required from this spectral spectrum, and the signal waveform after Fourier-transforming this interference spectrum. 外部参照光を用いない場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。The figure which shows an example of the observed spectral spectrum when not using external reference light, the interference spectrum after normalization calculated | required from this spectral spectrum, and the signal waveform after Fourier-transforming this interference spectrum. 外部参照光を用いた場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。The figure which shows an example in the case of using external reference light, the observed spectral spectrum, the interference spectrum after normalization calculated | required from this spectral spectrum, and the signal waveform after Fourier-transforming this interference spectrum. 本実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理のフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart of the hole depth measurement control and process in execution of the etching in the etching monitoring apparatus of a present Example. 他の実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理のフローチャートを示す図。The figure which shows the flowchart of the hole depth measurement control and process in execution of the etching in the etching monitoring apparatus of another Example. 単色光が被エッチング部に照射されたときの反射光強度の時間的変化の一例を示す図。The figure which shows an example of the time change of reflected light intensity when monochromatic light is irradiated to the to-be-etched part.

本発明の一実施例であるエッチングモニタリング装置について、添付図面を参照して説明する。図1は本実施例のエッチングモニタリング装置の概略構成図である。   An etching monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an etching monitoring apparatus according to this embodiment.

このエッチングモニタリング装置は、エッチング装置の真空チャンバ1内に載置された処理対象である試料50に形成される微小孔の深さや溝の段差などをモニタリングする装置であり、大別して、計測部10と、光源・分光検出部20と、データ処理部30と、制御部31と、を備える。計測部10と光源・分光検出部20とは光ファイバ24を介して接続されている。   This etching monitoring device is a device that monitors the depth of a microhole formed in a sample 50 that is a processing target placed in the vacuum chamber 1 of the etching device, a step of a groove, and the like. A light source / spectral detection unit 20, a data processing unit 30, and a control unit 31. The measurement unit 10 and the light source / spectral detection unit 20 are connected via an optical fiber 24.

光源・分光検出部20は、低コヒーレンス性を持ちながら発光強度が高く、目的とする孔深さの計測に必要な波長幅を有する光を放射する計測用光源21を備える。計測用光源21としては、例えば中心波長が835nm、半値全幅が40nmであるスーパールミネセントダイオード(SLD)を用いることができる。この計測用光源21から発せられた測定光は、入射側光ファイバ22に取り込まれ、ファイバカプラ23を介して光ファイバ24中を進行して計測部10に進む。計測部10において光ファイバ24の端部から出射された測定光はコリメートレンズ18及びビームスプリッタ100を介し、次のビームスプリッタ13によって試料50側に折り曲げられる。そして、この測定光は対物レンズ12及び真空チャンバ1に設けられた計測窓11を介して試料50上に照射される。   The light source / spectral detection unit 20 includes a measurement light source 21 that emits light having a high emission intensity while having low coherence and having a wavelength width necessary for measurement of a target hole depth. As the measurement light source 21, for example, a super luminescent diode (SLD) having a center wavelength of 835 nm and a full width at half maximum of 40 nm can be used. The measurement light emitted from the measurement light source 21 is taken into the incident side optical fiber 22, travels through the optical fiber 24 via the fiber coupler 23, and proceeds to the measurement unit 10. The measurement light emitted from the end of the optical fiber 24 in the measurement unit 10 is bent toward the sample 50 by the next beam splitter 13 through the collimator lens 18 and the beam splitter 100. The measurement light is irradiated onto the sample 50 through the objective lens 12 and the measurement window 11 provided in the vacuum chamber 1.

図1中の拡大図に示すように、この試料50は、被エッチング体である基板51と、その上面に薄く塗布されたエッチング保護用レジストであるレジスト層53と、レジストが塗布されずに基板51が露出した被エッチング部52と、を含む。この図は、被エッチング部52に対するエッチングが進行し、被エッチング部52に微細な孔が形成された状態を示している。上述のように、試料50上に照射される光ビーム40のスポット径は、試料50上の被エッチング部52とその周囲のレジスト層53とに跨るようなサイズに調整されている。このため、試料50上では、レジスト層53表面からの反射光43と、レジスト層53中に入り込んだ光に対する基板51表面からの反射光42と、被エッチング部52(図1では孔の底面)からの反射光41と、が主として生じる。   As shown in the enlarged view of FIG. 1, the sample 50 includes a substrate 51 that is an object to be etched, a resist layer 53 that is a resist for etching protection thinly applied on the upper surface thereof, and a substrate that is not coated with a resist. 51 to be etched. This figure shows a state in which the etched portion 52 has been etched and fine holes have been formed in the etched portion 52. As described above, the spot diameter of the light beam 40 irradiated on the sample 50 is adjusted so as to straddle the etched portion 52 on the sample 50 and the surrounding resist layer 53. Therefore, on the sample 50, the reflected light 43 from the surface of the resist layer 53, the reflected light 42 from the surface of the substrate 51 with respect to the light entering the resist layer 53, and the etched portion 52 (the bottom surface of the hole in FIG. 1). And the reflected light 41 is mainly generated.

これら反射光41〜43は様々な方向に向かうが、そのうち、再び計測窓11の方向に進んだ光は、対物レンズ12、ビームスプリッタ13、ビームスプリッタ100、コリメートレンズ18を上記光照射時とは逆に辿って光ファイバ24に入射する。そして、光ファイバ24中を通って光源・分光検出部20に戻り、ファイバカプラ23を経て分光ユニット25に達する。前述したように、試料50上からは互いに光路差を有する複数の反射光41〜43が生じるが、これら反射光41〜43は主として光ファイバ24を通過する過程で波長毎に干渉して干渉光となる。   These reflected lights 41 to 43 are directed in various directions. Of these, the light that has traveled again in the direction of the measurement window 11 is applied to the objective lens 12, the beam splitter 13, the beam splitter 100, and the collimator lens 18 during the light irradiation. On the contrary, the light enters the optical fiber 24. Then, the light returns to the light source / spectral detection unit 20 through the optical fiber 24, and reaches the spectral unit 25 through the fiber coupler 23. As described above, a plurality of reflected lights 41 to 43 having optical path differences are generated from the sample 50. These reflected lights 41 to 43 mainly interfere with each wavelength in the process of passing through the optical fiber 24, thereby causing interference light. It becomes.

分光ユニット25において干渉光は回折格子等の分光器26により波長分散され、CCDラインセンサ等のアレイ検出器27により複数波長の光が同時に検出される。アレイ検出器27による各波長に対応した検出信号はデータ処理部30に入力され、データ処理部30において後述する処理が実行されることで被エッチング部52である孔の深さやレジスト層53の膜厚などが算出される。   In the spectroscopic unit 25, the interference light is wavelength-dispersed by a spectroscope 26 such as a diffraction grating, and light of a plurality of wavelengths is simultaneously detected by an array detector 27 such as a CCD line sensor. Detection signals corresponding to the respective wavelengths from the array detector 27 are input to the data processing unit 30, and the data processing unit 30 executes processing to be described later, whereby the depth of the hole, which is the etched portion 52, and the film of the resist layer 53. Thickness etc. are calculated.

計測部10に含まれる観測用カメラ17は、試料50上面の全体又は特定の一部を観察するためのものである。即ち、観測用補助光源16から出射される補助光はコリメートレンズ15、ビームスプリッタ14、13を介して、計測用光源21から来る主光ビームと略同一の光軸に沿って試料50を照らす。この補助光に対する反射光を観測用カメラ17により撮影することにより得られた画像は、試料50上の被エッチング部52の位置の確認などに利用される。   The observation camera 17 included in the measurement unit 10 is for observing the entire upper surface or a specific part of the sample 50. That is, the auxiliary light emitted from the observation auxiliary light source 16 illuminates the sample 50 along substantially the same optical axis as the main light beam coming from the measurement light source 21 via the collimator lens 15 and the beam splitters 14 and 13. An image obtained by photographing the reflected light with respect to the auxiliary light by the observation camera 17 is used for confirming the position of the etched portion 52 on the sample 50.

さらに本実施例のエッチングモニタリング装置では、試料50上面の近傍位置に仮想的な外部参照面104’を形成するために、上記ビームスプリッタ100のほか、反射鏡101、モータ102により回転駆動されるチョッパ103、反射鏡である外部参照面104、外部参照面104を光軸に平行な方向に微動させる圧電素子105、を備える。   Further, in the etching monitoring apparatus of the present embodiment, in order to form a virtual external reference surface 104 ′ in the vicinity of the upper surface of the sample 50, a chopper that is rotationally driven by the reflecting mirror 101 and the motor 102 in addition to the beam splitter 100. 103, an external reference surface 104 that is a reflecting mirror, and a piezoelectric element 105 that finely moves the external reference surface 104 in a direction parallel to the optical axis.

ビームスプリッタ100は光ファイバ24の端部から出射してビームスプリッタ13に向かう測定光の一部を分岐させ、反射鏡101を経た外部参照面104に至る光路を往復させるものであり、このビームスプリッタ100と外部参照面104との間の往復距離(外部参照面往復距離)は、ビームスプリッタ100と試料50表面との間の往復距離(試料面往復距離)と僅かに異なるように設定される。これにより、試料50上面から僅かに離れた位置に仮想的な外部参照面104’を設定することができる。   The beam splitter 100 divides a part of the measurement light emitted from the end of the optical fiber 24 and directed to the beam splitter 13, and reciprocates an optical path to the external reference surface 104 via the reflecting mirror 101. The reciprocating distance (external reference surface reciprocating distance) between 100 and the external reference surface 104 is set to be slightly different from the reciprocating distance (sample surface reciprocating distance) between the beam splitter 100 and the sample 50 surface. Thereby, the virtual external reference surface 104 ′ can be set at a position slightly away from the upper surface of the sample 50.

なお、外部参照光を生じる光路は、ビームスプリッタ100を用いて分岐させたものでなくても、ビームスプリッタ13を直線的に通過した光を利用してもよいし、また、ファイバカプラ23から分岐された、光ファイバ24以外の図示しない他のアームから出射させた光を用いてもよい。   The optical path for generating the external reference light may not be branched using the beam splitter 100, but may use light that has passed straight through the beam splitter 13, or may be branched from the fiber coupler 23. The light emitted from another arm (not shown) other than the optical fiber 24 may be used.

また、データ処理部30や制御部31の実体はパーソナルコンピュータであり、該コンピュータに予めインストールされた制御・処理用ソフトウエアを実行することにより、データ処理部30及び制御部31としての機能を発揮させるようにすることができる。   Moreover, the substance of the data processing unit 30 and the control unit 31 is a personal computer, and functions as the data processing unit 30 and the control unit 31 by executing control / processing software installed in the computer in advance. You can make it.

本実施例のエッチングモニタリング装置では、真空チャンバ1内における試料50に対するエッチング処理実行中に、試料50上の被エッチング部52付近の反射光に由来する干渉光の強度分布を、所定の時間間隔で繰り返し取得する。したがって、図2に示すように、波長と信号強度との関係を示す干渉スペクトルが所定の時間間隔で得られる。計測対象である被エッチング部52の孔深さやその孔の周囲のレジスト層53の膜厚などを反映した情報は、1つの干渉スペクトルの中に含まれる。データ処理部30では得られたデータからこうした情報を抽出し、エッチングの進行に伴って時々刻々と変化する孔深さなどをリアルタイムで算出し出力する。   In the etching monitoring apparatus of the present embodiment, the intensity distribution of the interference light derived from the reflected light in the vicinity of the part to be etched 52 on the sample 50 is determined at predetermined time intervals during execution of the etching process on the sample 50 in the vacuum chamber 1. Get repeatedly. Therefore, as shown in FIG. 2, an interference spectrum indicating the relationship between wavelength and signal intensity is obtained at predetermined time intervals. Information reflecting the hole depth of the etched portion 52 to be measured and the film thickness of the resist layer 53 around the hole is included in one interference spectrum. The data processing unit 30 extracts such information from the obtained data, and calculates and outputs the hole depth that changes momentarily as the etching proceeds.

次に、本実施例のエッチングモニタリング装置において、データ処理部30で実行される干渉スペクトルを利用した孔深さ算出の基本的な手法を説明する。   Next, in the etching monitoring apparatus of the present embodiment, a basic method of hole depth calculation using an interference spectrum executed by the data processing unit 30 will be described.

図3(a)に示した分光スペクトルは、エッチング孔深さ、つまり被エッチング部52である孔底面52aと基板51の上面(基板51とレジスト層53との界面)51aとの距離(h1)が50μm、レジスト層53の屈折率がn=2.0、その膜厚が10μmであるときに、アレイ検出器27で取得される分光スペクトルである。この分光スペクトルには、計測用光源21の発光スペクトルなどの反射光の干渉以外の波長依存要因を含む。そこで、干渉のない状態で基準光に対し予め求めておいた強度分布を用いることで上記分光スペクトルを規格化し、本来の干渉スペクトルを求める。図3(b)が図3(a)の分光スペクトルから計算により求めた規格化後の干渉スペクトルである。さらに、横軸を波長から波数に変換した干渉スペクトルをフーリエ変換することにより、図3(c)に示すような、横軸が参照面と反射面との間の距離を表すグラフを求める。   The spectral spectrum shown in FIG. 3A shows the etching hole depth, that is, the distance (h1) between the hole bottom surface 52a as the etched portion 52 and the upper surface of the substrate 51 (interface between the substrate 51 and the resist layer 53) 51a. Is a spectral spectrum acquired by the array detector 27 when the refractive index of the resist layer 53 is n = 2.0 and the film thickness thereof is 10 μm. This spectral spectrum includes wavelength-dependent factors other than interference of reflected light, such as an emission spectrum of the measurement light source 21. Therefore, the spectral spectrum is normalized by using the intensity distribution obtained in advance with respect to the reference light in a state where there is no interference, and the original interference spectrum is obtained. FIG. 3B is an interference spectrum after normalization obtained by calculation from the spectral spectrum of FIG. Further, by performing Fourier transform on the interference spectrum in which the horizontal axis is converted from wavelength to wave number, a graph in which the horizontal axis indicates the distance between the reference surface and the reflecting surface as shown in FIG.

この場合、つまり仮想的な外部参照面104’を用いない場合には、干渉スペクトルには次の3種類の反射面の組み合わせに由来する干渉光が含まれる。
[i]レジスト層53上面53a−基板51の上面51a
[ii]基板51の上面51a−被エッチング部52の孔底面52a(距離h1)
[iii]被エッチング部52の孔底面52a−レジスト層53の上面53a(距離h2)
In this case, that is, when the virtual external reference surface 104 ′ is not used, the interference spectrum includes interference light derived from a combination of the following three types of reflection surfaces.
[I] Resist layer 53 upper surface 53 a-upper surface 51 a of substrate 51
[Ii] Upper surface 51a of substrate 51-hole bottom surface 52a (distance h1) of etched portion 52
[Iii] Hole bottom surface 52a of etched portion 52-Upper surface 53a of resist layer 53 (distance h2)

図3(c)に示すフーリエ変換後の信号波形には、上記[i]、[ii]及び[iii]のそれぞれの光学距離に対応した3つの位置にピークが出現する。この場合、通常、一般的に知られているガウス関数を適合させる方法によって、最も長い距離を示したピークの位置を、上記[iii]に相当するレジスト層53上面53aから孔底面52aまでの距離として即座に求めることができる。ここで、上記の[ii]及び[iii]に対応するピーク間の距離はレジスト層53の膜厚に相当する。図3(c)においては、[ii]及び[iii]に対応するピークの間隔は、レジスト層53の光学距離約20μm分の間隔となっていることが分かる。   In the signal waveform after Fourier transform shown in FIG. 3C, peaks appear at three positions corresponding to the optical distances [i], [ii], and [iii]. In this case, the peak position showing the longest distance is usually determined by the method of fitting a generally known Gaussian function, and the distance from the resist layer 53 upper surface 53a to the hole bottom surface 52a corresponding to the above [iii]. As soon as possible. Here, the distance between the peaks corresponding to the above [ii] and [iii] corresponds to the film thickness of the resist layer 53. In FIG. 3C, it can be seen that the peak intervals corresponding to [ii] and [iii] are intervals corresponding to the optical distance of the resist layer 53 of about 20 μm.

エッチングが進行するに伴って被エッチング部(孔)52は深くなるが、レジスト層53も徐々にではあるがエッチングにより削られるため、その膜厚は徐々に減少していく。そのため、フーリエ変換後の信号波形上において[ii]及び[iii]に対応するピークの間隔は徐々に狭まり、いずれは重なってしまうことになる。   As the etching progresses, the portion to be etched (hole) 52 becomes deeper, but the resist layer 53 is gradually removed by etching, but the film thickness gradually decreases. Therefore, the peak intervals corresponding to [ii] and [iii] on the signal waveform after the Fourier transform are gradually narrowed and eventually overlap.

図4は、図3に示した状態からレジスト層53の膜厚のみを3.05μmに変更した場合のシミュレーション結果である。基板51の上面51aとレジスト層53の上面53aとの距離が小さくなったために、フーリエ変換後の信号波形(図4(c)参照)において[ii]及び[iii]に対応するピークが重なってしまい、それぞれのピークトップの位置が不明瞭になっていることが分かる。   FIG. 4 shows a simulation result when only the thickness of the resist layer 53 is changed to 3.05 μm from the state shown in FIG. Since the distance between the upper surface 51a of the substrate 51 and the upper surface 53a of the resist layer 53 is reduced, the peaks corresponding to [ii] and [iii] overlap in the signal waveform after Fourier transform (see FIG. 4C). Thus, it can be seen that the position of each peak top is unclear.

図5は、レジスト層53の膜厚をさらに薄く、3.00μmとした場合のシミュレーション結果である。図5では、フーリエ変換後の信号波形(図5(c)参照)において[ii]及び[iii]に対応するピークが分離されていることが分かる。このように、試料50上で2つの反射面が近い位置に存在する場合、その距離を少しずつ変化させていくと該距離がナノオーダー変わるだけで、フーリエ変換後の信号波形上でピークが重なったり分離したりすることを繰り返す。これは、図9(b)に示したように、信号強度の振幅が縮小し、その周期的変化の周期も乱れることの影響である。こうなると、フーリエ変換後の信号波形上でピークトップの位置を特定することは非常に困難であるし、仮にピークトップの位置を特定できても孔深さ等の算出精度はかなり低いものとなってしまう。   FIG. 5 shows a simulation result when the thickness of the resist layer 53 is further reduced to 3.00 μm. In FIG. 5, it can be seen that peaks corresponding to [ii] and [iii] are separated in the signal waveform after Fourier transform (see FIG. 5C). As described above, when the two reflecting surfaces are close to each other on the sample 50, if the distance is changed little by little, the distance only changes in nano order, and the peaks overlap on the signal waveform after Fourier transform. Or repeat the separation. As shown in FIG. 9B, this is the effect of the amplitude of the signal intensity being reduced and the period of the periodic change being disturbed. In this case, it is very difficult to specify the position of the peak top on the signal waveform after the Fourier transform, and even if the position of the peak top can be specified, the accuracy of calculation such as the hole depth is considerably low. End up.

そこで本実施例のエッチングモニタリング装置では、上記のようなフーリエ変換後の信号波形におけるピーク位置の不明瞭さを回避するために外部参照面104を利用する。図1に示したように実際の装置では外部参照面104を用いるが、計算の原理の上では、外部参照面104に対応して仮想的な外部参照面104’を考える。この仮想的な外部参照面104’、レジスト層53の上面53a、被エッチング部52の孔底面52a、という3つの面での反射光の干渉を考えると干渉面の関係が理解し易くなる。   Therefore, in the etching monitoring apparatus of the present embodiment, the external reference surface 104 is used in order to avoid the ambiguity of the peak position in the signal waveform after the Fourier transform as described above. As shown in FIG. 1, in the actual apparatus, the external reference plane 104 is used, but on the principle of calculation, a virtual external reference plane 104 ′ is considered corresponding to the external reference plane 104. Considering interference of reflected light on the three surfaces of the virtual external reference surface 104 ′, the upper surface 53 a of the resist layer 53, and the hole bottom surface 52 a of the etched portion 52, the relationship between the interference surfaces can be easily understood.

図1中の拡大図に示すように、仮想的な外部参照面104’を基準面として考え、レジスト層53上面53aと被エッチング部52である孔底面52aとの距離をh2、基板51上面51aと被エッチング部52である孔底面52aとの距離をh1とする。なお、ここではレジスト層53は単層膜でなく多層構造であってもよいから、例えば、基板51上に形成されたシリコン酸化膜(SiO2)もレジスト層53に含めて考えることができる。h1とh2の差は僅かであって、レジスト層53の上面53aが関与する干渉波形のフーリエ変換では通常分離できず、フーリエ変換後の信号波形上では上述したようにピークが重なってしまう。したがって、エッチングに影響されない仮想的な外部参照面104’と被エッチング部52の孔底面52aとの干渉が良好に得られれば、被エッチング部52の穴深さを精度よく算出する上で有利である。 As shown in the enlarged view of FIG. 1, the virtual external reference surface 104 ′ is considered as a reference plane, and the distance between the resist layer 53 upper surface 53a and the hole bottom surface 52a that is the etched portion 52 is h2, and the substrate 51 upper surface 51a. And h1 is the distance between the hole bottom surface 52a, which is the etched portion 52. Here, since the resist layer 53 may have a multilayer structure instead of a single layer film, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) formed on the substrate 51 may be included in the resist layer 53. The difference between h1 and h2 is slight, and cannot normally be separated by Fourier transform of the interference waveform involving the upper surface 53a of the resist layer 53, and the peaks overlap on the signal waveform after Fourier transform as described above. Therefore, if the interference between the virtual external reference surface 104 ′ that is not influenced by etching and the hole bottom surface 52 a of the etched portion 52 can be obtained satisfactorily, it is advantageous in accurately calculating the hole depth of the etched portion 52. is there.

仮想的な外部参照面104’の位置は圧電素子105による外部参照面104の位置の微調節によって調整可能であるから、仮想的な外部参照面104’の位置は該外部参照面104’と被エッチング部52の孔底面52aとの干渉が強調される距離に予め設定すればよい。一方、チョッパ103は制御部31の制御の下で外部参照面104に至る光線の遮断・通過をコントロールするためのものであって、モータ102の回転駆動により例えば60回/秒の遮断・通過を交互に行うようにしておけば、外部参照面104あり(つまり外部参照光の混入あり)及び外部参照面104なし(つまり外部参照光の混入なし)の干渉分光波形をそれぞれ60回/秒ずつ交互に得ることができる。   Since the position of the virtual external reference surface 104 ′ can be adjusted by fine adjustment of the position of the external reference surface 104 by the piezoelectric element 105, the position of the virtual external reference surface 104 ′ is the same as that of the external reference surface 104 ′. What is necessary is just to preset to the distance by which interference with the hole bottom face 52a of the etching part 52 is emphasized. On the other hand, the chopper 103 is for controlling the blocking / passing of the light beam reaching the external reference surface 104 under the control of the control unit 31. The chopper 103 blocks / passes, for example, 60 times / second by rotating the motor 102. If they are alternately performed, the interference spectral waveforms with the external reference surface 104 (that is, with external reference light mixed) and without the external reference surface 104 (that is with no external reference light mixed) are alternately 60 times / second. Can get to.

図6は、ビームスプリッタ100からの距離が、基板51の上面51aと比較してマイナス100μmの位置となるように仮想的な外部参照面104’を設置した場合における、実測の分光スペクトル、及びそれに対する干渉スペクトル及びフーリエ変換後の信号波形の計算結果である。この場合、干渉スペクトルには次の6種類の反射面の組み合わせに由来する干渉光が含まれる。
[i]レジスト層53の上面53a−基板51の上面51a
[ii]基板51の上面51a−被エッチング部52の孔底面52a(距離h1)
[iii]被エッチング部52の孔底面52a−レジスト層53の上面53a(距離h2)
[iv]仮想的な外部参照面104’−レジスト層53の上面53a(距離d2)
[v]仮想的な外部参照面104’−基板51の上面51a(距離d1)
[vi]仮想的な外部参照面104’−被エッチング部52の孔底面52a(距離d3)
FIG. 6 shows an actually measured spectral spectrum when the virtual external reference surface 104 ′ is installed such that the distance from the beam splitter 100 is minus 100 μm as compared with the upper surface 51a of the substrate 51. It is a calculation result of the signal spectrum after the interference spectrum and Fourier transform for. In this case, the interference spectrum includes interference light derived from the combination of the following six types of reflecting surfaces.
[I] Upper surface 53a of resist layer 53-Upper surface 51a of substrate 51
[Ii] Upper surface 51a of substrate 51-hole bottom surface 52a (distance h1) of etched portion 52
[Iii] Hole bottom surface 52a of etched portion 52-Upper surface 53a of resist layer 53 (distance h2)
[Iv] Virtual external reference surface 104′-upper surface 53a of resist layer 53 (distance d2)
[V] Virtual external reference surface 104'-upper surface 51a of substrate 51 (distance d1)
[Vi] Virtual external reference surface 104'-hole bottom surface 52a (distance d3) of the etched portion 52

このうち、[vi]による干渉は、外部参照面104(及び仮想的な外部参照面104’)が単一面であることから、レジスト層53が非常に薄くなった場合であっても不確定性はなく、図6中に[vi]で示されるように明瞭な孤立ピークとなって現れる。そのため、上述のように、ガウス関数を適合させる方法によって、最も長い距離を示したピークの位置を、上記[vi]に相当する仮想的な外部参照面104’から孔底面52aまでの距離として即座に求めることができる。   Among them, the interference due to [vi] is uncertain even when the resist layer 53 is very thin because the external reference surface 104 (and the virtual external reference surface 104 ′) is a single surface. Instead, it appears as a clear isolated peak as shown by [vi] in FIG. Therefore, as described above, the position of the peak indicating the longest distance is immediately determined as the distance from the virtual external reference surface 104 ′ corresponding to the above [vi] to the hole bottom surface 52a by the method of fitting the Gaussian function. Can be requested.

一方、図5と図6の信号ピーク部以外のノイズの大きさを比較すれば分かるように、外部参照面104を用いる場合に不利である点として外部参照光の強度に応じた光ショットノイズの増加がある。また、外部参照面104の固定位置の機械的精度の制約のため、外部参照面104を用いない場合とは異なり、エッチング孔深さの計測精度にナノオーダーの揺らぎが生じることが避けがたい。そこで、こうした欠点を克服するために、本実施例のエッチングモニタリング装置では、外部参照面104ありの状態で取得したデータと外部参照面104なしの状態で取得したデータとを使い分ける。これにより、上述したような外部参照面104あり、なし両方の利点を同時に享受することができる。   On the other hand, as can be seen by comparing the magnitudes of noise other than the signal peak portions in FIGS. 5 and 6, the disadvantage of using the external reference surface 104 is that the optical shot noise in accordance with the intensity of the external reference light is disadvantageous. There is an increase. In addition, due to restrictions on the mechanical accuracy of the fixed position of the external reference surface 104, it is difficult to avoid nano-order fluctuations in the measurement accuracy of the etching hole depth, unlike when the external reference surface 104 is not used. Therefore, in order to overcome these drawbacks, in the etching monitoring apparatus of the present embodiment, data acquired with the external reference surface 104 and data acquired without the external reference surface 104 are used properly. Thereby, both the advantages of having the external reference surface 104 as described above can be enjoyed simultaneously.

図7に示すフローチャートに従って、本実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理の具体例を説明する。   A specific example of hole depth measurement control / processing during execution of etching in the etching monitoring apparatus of the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

即ち、エッチングの開始に伴いエッチングモニタリングを開始すると、上述したように、モータ102によりチョッパ103を回転駆動させることにより、外部参照面104あり及び外部参照面104なしのデータを所定周期で交互に取得する(ステップS1)。データ処理部30では、例えば外部参照面104なしのデータに基づき、取得した所定波長幅中の中心波長等の適当な一波長の信号強度の時間的変化をモニタし(ステップS2)、その強度変化が予め定めた閾値以上であるか否かを判定する(ステップS3)。強度変化が閾値以上である場合には、外部参照面104を利用しなくてもフーリエ変換後の信号波形として図3(c)に示したようなピークの位置が明確なグラフが得られる。そこで、外部参照面104なしのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層53の膜厚などを算出する(ステップS4)。   That is, when etching monitoring is started with the start of etching, as described above, the chopper 103 is driven to rotate by the motor 102, whereby data with and without the external reference surface 104 is alternately acquired at a predetermined cycle. (Step S1). In the data processing unit 30, for example, based on the data without the external reference surface 104, the temporal change in the signal intensity of an appropriate wavelength such as the center wavelength in the acquired predetermined wavelength width is monitored (step S2), and the intensity change Is greater than or equal to a predetermined threshold (step S3). When the intensity change is equal to or greater than the threshold value, a graph having a clear peak position as shown in FIG. 3C can be obtained as a signal waveform after Fourier transform without using the external reference plane 104. Therefore, the interference spectrum is obtained as described above based on the data without the external reference surface 104, and the hole depth, the step difference, the film thickness of the resist layer 53, and the like are calculated by performing Fourier transform (step S4).

これに対し、ステップS3において強度変化が閾値未満であると判定される場合には、外部参照面104を利用しない場合にフーリエ変換後の信号波形として図4(c)に示したようなピークが重なる可能性がある。そこで、外部参照面104ありのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層53の膜厚などを算出する(ステップS5)。ステップS4、S5いずれの場合でも、孔深さ等の情報が得られたならばその結果を出力し(ステップS6)、測定終了でなければ(ステップS7でNo)ステップS1へと戻る。   On the other hand, when it is determined in step S3 that the intensity change is less than the threshold value, a peak as shown in FIG. 4C is obtained as a signal waveform after Fourier transform when the external reference surface 104 is not used. There is a possibility of overlapping. Accordingly, the interference spectrum is obtained as described above based on the data with the external reference surface 104, and the hole depth, the step difference, the film thickness of the resist layer 53, and the like are calculated by performing Fourier transform (step S5). In either case of steps S4 and S5, if information such as hole depth is obtained, the result is output (step S6), and if the measurement is not completed (No in step S7), the process returns to step S1.

エッチング実行中にステップS1〜S7の処理を繰り返すことにより、略リアルタイムで以て、エッチングにより削られる孔の深さや段差、或いはレジスト層53の膜厚などの計測値を出力することができる。図7に示した制御・処理では、レジスト層53の膜厚が薄くなることで孔深さ等の算出精度が低下する場合のみならず、外乱等の別の要因で信号強度が落ちたような場合でも外部参照面104が利用され、算出精度の大幅な低下を回避することができる。具体的には、レジスト層53の膜厚がちょうど無反射コーティングに相当するような膜厚になったときに信号強度が極端に下がるが、そうした場合に外部参照面104を利用することで孔深さ等を求めることができる。   By repeating the processing of steps S1 to S7 during the execution of etching, it is possible to output measurement values such as the depth and level difference of the hole to be cut by etching or the film thickness of the resist layer 53 in substantially real time. In the control and processing shown in FIG. 7, not only the calculation accuracy such as the hole depth decreases due to the thin film thickness of the resist layer 53, but also the signal intensity decreases due to another factor such as disturbance. Even in this case, the external reference plane 104 is used, and a significant decrease in calculation accuracy can be avoided. Specifically, when the resist layer 53 has a film thickness that corresponds to an anti-reflection coating, the signal intensity decreases drastically. In such a case, by using the external reference surface 104, the hole depth can be reduced. Etc. can be obtained.

なお、信号強度変化をモニタする際には特定の一波長の光量に基づく信号強度ではなく、所定波長幅全体の光量に基づく信号強度を利用してもよい。また、信号強度変化をモニタするのではなく、外部参照面なしデータに基づくフーリエ変換後の信号波形上で[ii]と[iii]のピークが分離可能か否かを判定し、その判定結果に基づいてステップS4又はS5の処理を選択するようにしてもよい。   Note that when monitoring the change in signal intensity, the signal intensity based on the light amount of the entire predetermined wavelength width may be used instead of the signal intensity based on the light amount of one specific wavelength. Further, instead of monitoring the signal intensity change, it is determined whether or not the peaks of [ii] and [iii] are separable on the signal waveform after Fourier transform based on the data without the external reference plane, and the determination result is Based on this, the process in step S4 or S5 may be selected.

図8は、別の実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理のフローチャートである。この場合には、周期的に光を通過・遮断するチョッパ103に代えて、制御部31からの指示に基づいて光の通過・遮断を切り替えるシャッタを設置する。   FIG. 8 is a flowchart of hole depth measurement control / processing during etching in the etching monitoring apparatus of another embodiment. In this case, instead of the chopper 103 that periodically passes and blocks light, a shutter that switches between passing and blocking light based on an instruction from the control unit 31 is installed.

エッチングの開始に伴いエッチングモニタリングを開始すると、上述したようにシャッタを光遮断状態とし、外部参照面104なしのデータを取得する(ステップS11)。データ処理部30では、外部参照面104なしのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層53の膜厚などを算出する(ステップS12)。孔深さ等の情報が得られたならばその結果を出力する(ステップS13)。次いで、算出されたレジスト層53の膜厚が所定値未満であるか否かを判定し(ステップS14)、該膜厚が所定値以上であって測定終了の指示がなければ(ステップS15でNo)ステップS11へ戻る。したがって、エッチング開始時点からレジスト層53の膜厚が所定値以上である間は、外部参照面104なしのデータに基づいて孔深さ、段差等が算出される。   When etching monitoring is started with the start of etching, the shutter is set in a light blocking state as described above, and data without the external reference surface 104 is acquired (step S11). The data processing unit 30 obtains the interference spectrum as described above based on the data without the external reference surface 104, and performs Fourier transform to calculate the hole depth, the step difference, the film thickness of the resist layer 53, and the like (step S12). ). If information such as the hole depth is obtained, the result is output (step S13). Next, it is determined whether or not the calculated film thickness of the resist layer 53 is less than a predetermined value (step S14). If the film thickness is equal to or greater than the predetermined value and there is no instruction to end the measurement (No in step S15). ) Return to step S11. Therefore, while the thickness of the resist layer 53 is equal to or greater than a predetermined value from the etching start time, the hole depth, the step, and the like are calculated based on the data without the external reference surface 104.

エッチングが進行してレジスト層53の膜厚が所定値未満になると、ステップS14からS16へと進み、シャッタを光通過状態とし、外部参照面104ありのデータを取得する(ステップS16)。データ処理部30では、外部参照面104ありのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層53の膜厚などを算出する(ステップS17)。そして、孔深さ等の情報が得られたならばその結果を出力し(ステップS18)、測定終了の指示がなければ(ステップS19でNo)ステップS16へ戻る。したがって、エッチングが進行してレジスト層53の膜厚が所定値未満になった以降は測定終了まで、外部参照面104ありのデータに基づいて孔深さ、段差等が算出される。   When the etching progresses and the film thickness of the resist layer 53 becomes less than the predetermined value, the process proceeds from step S14 to S16, the shutter is set in the light passing state, and data with the external reference surface 104 is acquired (step S16). The data processing unit 30 obtains the interference spectrum as described above based on the data with the external reference surface 104 and performs Fourier transform to calculate the hole depth, the step difference, the film thickness of the resist layer 53, and the like (step S17). ). If information such as the hole depth is obtained, the result is output (step S18), and if there is no measurement end instruction (No in step S19), the process returns to step S16. Therefore, after the etching progresses and the film thickness of the resist layer 53 becomes less than the predetermined value, the hole depth, the step, and the like are calculated based on the data with the external reference surface 104 until the measurement is completed.

なお、チョッパ103又はシャッタにより外部参照光を遮断した場合には分光ユニット25に導入される光には外部参照光が混入しておらず、チョッパ103又はシャッタにより外部参照光を通過させた場合には分光ユニット25に導入される光は外部参照光が混入したものとなる。一般的には、外部参照光を混入させた場合にはその分だけアレイ検出器27に入射する光の光量が大きくなり、外部参照光なしの状態で入射光量がアレイ検出器27のダイナミックレンジに収まるように光量調整が行われると、外部参照光ありの状態で入射光量がアレイ検出器27のダイナミックレンジを超えてしまうおそれがある。一方、外部参照光ありの状態で入射光量がアレイ検出器27のダイナミックレンジに収まるように光量調整が行われると、外部参照光なしの状態では入射光量が小さくなりすぎ、測定感度が低下するおそれがある。   When the external reference light is blocked by the chopper 103 or the shutter, the external reference light is not mixed in the light introduced into the spectroscopic unit 25, and the external reference light is passed by the chopper 103 or the shutter. The light introduced into the spectroscopic unit 25 is a mixture of external reference light. In general, when the external reference light is mixed, the amount of light incident on the array detector 27 increases accordingly, and the incident light amount falls within the dynamic range of the array detector 27 without the external reference light. If the amount of light is adjusted so that it falls within the range, the amount of incident light may exceed the dynamic range of the array detector 27 in the presence of external reference light. On the other hand, if the light amount adjustment is performed so that the incident light amount falls within the dynamic range of the array detector 27 in the presence of the external reference light, the incident light amount becomes too small in the absence of the external reference light, and the measurement sensitivity may decrease. There is.

そこで、こうした問題を回避するために、例えば外部参照光の有無に応じて計測用光源21の発光光量を変化させ、外部参照光あり/なしいずれの場合でも、アレイ検出器27のダイナミックレンジを十分に利用できるようにするとよい。計測用光源21の発光光量を変化させる代わりに、外部参照光の有無に応じて、アレイ検出器27の手前や計測用光源21と入射側光ファイバ22の入射端との間、或いは、入射側光ファイバ22や光ファイバ24の途中などの光路にNDフィルタやアッテネータ等の減光素子を入れたり取り出したりしてもよい。また、アレイ検出器27自体のゲインを外部参照光の有無に応じて切り替えるようにしてもよい。また、試料50上に照射される測定光40の光量、或いは試料50からの反射光41、42、43の光量を、外部参照光の有無に応じて減光フィルタ等を用いて調節してもよい。さらには、試料50の表面状態が荒れたり上述のように無反射コーティングに相当する状態になったりして試料50から得られる信号強度が極端に小さくなった場合に外部参照光量を調節する手段も有効である。   Therefore, in order to avoid such a problem, for example, the amount of light emitted from the measurement light source 21 is changed in accordance with the presence or absence of the external reference light, and the dynamic range of the array detector 27 is sufficiently increased with or without the external reference light. It is good to make it available for use. Instead of changing the amount of emitted light of the measurement light source 21, depending on the presence or absence of the external reference light, it is in front of the array detector 27, between the measurement light source 21 and the incident end of the incident side optical fiber 22, or on the incident side. A dimming element such as an ND filter or an attenuator may be inserted into or removed from the optical path such as in the middle of the optical fiber 22 or the optical fiber 24. Further, the gain of the array detector 27 itself may be switched according to the presence or absence of external reference light. Further, the amount of the measurement light 40 irradiated on the sample 50 or the amount of the reflected light 41, 42, 43 from the sample 50 may be adjusted using a neutral density filter or the like according to the presence or absence of external reference light. Good. Furthermore, there is also means for adjusting the external reference light amount when the surface intensity of the sample 50 becomes rough or the signal intensity obtained from the sample 50 becomes extremely small due to the state corresponding to the non-reflective coating as described above. It is valid.

また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、追加、変更を加えても本願請求の範囲に包含されることは明らかである。   In addition, any of the above-described embodiments is merely an example of the present invention, and it is obvious that modifications, additions, and changes as appropriate within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application.

1…真空チャンバ
10…計測部
11…計測窓
12…対物レンズ
13、14、100…ビームスプリッタ
15、18…コリメートレンズ
16…観測用補助光源
17…観測用カメラ
18…コリメートレンズ
20…光源・分光検出部
21…計測用光源
22…入射側光ファイバ
23…ファイバカプラ
24…光ファイバ
25…分光ユニット
26…分光器
27…アレイ検出器
30…データ処理部
31…制御部
40…光ビーム
41、42、43…反射光
50…試料
51…基板
51a…基板上面
52…被エッチング部
52a…孔底面
53…レジスト層
53a…レジスト層上面
101…反射鏡
102…モータ
103…チョッパ
104…外部参照面
105…圧電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum chamber 10 ... Measurement part 11 ... Measurement window 12 ... Objective lens 13, 14, 100 ... Beam splitter 15, 18 ... Collimating lens 16 ... Observation auxiliary light source 17 ... Observation camera 18 ... Collimating lens 20 ... Light source, spectroscopy Detector 21 ... Measurement light source 22 ... Incoming side optical fiber 23 ... Fiber coupler 24 ... Optical fiber 25 ... Spectral unit 26 ... Spectroscope 27 ... Array detector 30 ... Data processing unit 31 ... Control unit 40 ... Light beams 41, 42 43 ... Reflected light 50 ... Sample 51 ... Substrate 51a ... Substrate upper surface 52 ... Etched portion 52a ... Bottom surface 53 ... Resist layer 53a ... Resist layer upper surface 101 ... Reflector 102 ... Motor 103 ... Chopper 104 ... External reference surface 105 ... Piezoelectric element

Claims (6)

試料面上でマスキングが施されていない被エッチング部位がエッチングされる際に、少なくともそのエッチングの孔深さ又は段差を測定するエッチングモニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、該光源からの測定光を試料まで導き、その試料面上に形成される光スポットが被エッチング部位とその周囲のマスキング部位とに跨るように測定光を試料面上に照射する導入光学系と、該導入光学系による測定光の照射に対して前記試料面上の被エッチング部位とマスキング部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備するエッチングモニタリング装置において、
a)前記導入光学系の光路の途中で光の一部を取り出し外部参照面で反射させた後に外部参照光として前記干渉光学系の光路に導入して干渉光に混入させる外部参照光生成手段と、
b)前記試料から反射してきた干渉光に前記外部参照光を混入させた光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて、干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求める外部参照光ありスペクトル取得手段と、
c)前記試料から反射してきて前記外部参照光が混入されない干渉光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて干渉スペクトルを求める外部参照光なしスペクトル取得手段と、
d)前記外部参照光ありスペクトル取得手段による干渉スペクトル又は前記外部参照光なしスペクトル取得手段による干渉スペクトルの一方を選択的に利用した解析処理によってエッチング深さ又は段差を算出するエッチング量算出手段と、
を備えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
An etching monitoring apparatus that measures at least the depth or step of etching when etching a portion to be etched on the sample surface that is not masked, and generates measurement light having a predetermined wavelength width. Introduced optics that directs measurement light onto the sample surface so that the light source and measurement light from the light source are guided to the sample, and the light spot formed on the sample surface straddles the part to be etched and the surrounding masking part System, an interference optical system for causing the light reflected from the etched part and the masking part on the sample surface to interfere with measurement light irradiation by the introduction optical system, and wavelength dispersion of the interference light by the interference optical system In an etching monitoring apparatus comprising: a spectroscopic means for detecting; and a detecting means for detecting, for each wavelength, the light wavelength-dispersed by the spectroscopic means,
a) external reference light generating means for extracting a part of the light in the middle of the optical path of the introduction optical system and reflecting it on the external reference surface and then introducing it into the optical path of the interference optical system as external reference light to be mixed into the interference light; ,
b) An external for obtaining an interference spectrum which is an intensity distribution in a predetermined wavelength range of the interference light based on a detection signal obtained by the detection means for the light in which the external reference light is mixed into the interference light reflected from the sample Spectrum acquisition means with reference light;
c) a spectrum acquisition means without external reference light for obtaining an interference spectrum based on a detection signal obtained by the detection means for interference light reflected from the sample and not mixed with the external reference light;
d) an etching amount calculation means for calculating an etching depth or a step by an analysis process that selectively uses one of the interference spectrum by the spectrum acquisition means with external reference light or the interference spectrum by the spectrum acquisition means without external reference light;
An etching monitoring apparatus comprising:
請求項1に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記エッチング量算出手段は、エッチングの進行中に前記検出手段により得られる検出信号又は該検出信号に対する解析処理により得られる処理結果に基づいて、外部参照光ありの干渉スペクトルと外部参照光なしの干渉スペクトルとのいずれを利用するかを判定する判定手段を含み、その判定に基づいて選択された方の干渉スペクトルを利用した解析によってエッチング孔深さ又は段差を算出することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
The etching monitoring apparatus according to claim 1,
The etching amount calculation means is configured to detect interference obtained with the external reference light and interference without the external reference light based on a detection signal obtained by the detection means during the progress of etching or a processing result obtained by analyzing the detection signal. An etching monitoring apparatus comprising: a determination means for determining which one of the spectrum is used, and calculating the etching hole depth or step by analysis using the interference spectrum selected based on the determination .
請求項2に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記判定手段は、エッチングの進行に伴い、外部参照なしの干渉スペクトルに基づいて算出されたマスキング層の膜厚が所定値未満になったか否かを判定し、該膜厚が所定値以上であるときには、外部参照光なしの干渉スペクトルを利用したエッチング孔深さ又は段差の算出を行い、該膜厚が所定値未満になったならば外部参照光ありの干渉スペクトルを利用した解析によるエッチング孔深さ又は段差の算出に切り替えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
The etching monitoring apparatus according to claim 2,
The determination means determines whether the thickness of the masking layer calculated based on the interference spectrum without external reference is less than a predetermined value as the etching progresses, and the thickness is equal to or greater than the predetermined value. In some cases, the etching hole depth or step is calculated using an interference spectrum without external reference light, and if the film thickness is less than a predetermined value, the etching hole depth is analyzed by using the interference spectrum with external reference light. An etching monitoring apparatus that switches to calculation of a height or a step.
請求項1〜3のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、該切替手段により外部参照光の混入の有無を交互に切り替えることで、外部参照光ありの干渉スペクトル及び外部参照光なしの干渉スペクトルを常に取得することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
The etching monitoring apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The external reference light generating means includes switching means for switching presence / absence of external reference light, and by alternately switching presence / absence of external reference light by the switching means, interference spectrum with external reference light and external reference light are switched. An etching monitoring apparatus characterized by always obtaining an interference spectrum without noise.
請求項3に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、マスキング層の膜厚が所定値以上である間は前記切替手段により外部参照光を混入させず、マスキング層の膜厚が所定値未満になったならば前記切替手段により外部参照光を混入させるように外部参照光の混入の有無を切り替えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
An etching monitoring apparatus according to claim 3, wherein
The external reference light generating means includes switching means for switching presence / absence of mixing of external reference light, and the external reference light is not mixed by the switching means while the thickness of the masking layer is not less than a predetermined value. An etching monitoring apparatus, wherein the presence or absence of external reference light is switched by the switching means so that external reference light is mixed when the thickness is less than a predetermined value.
請求項1〜5のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置であって、
外部参照光の混入の有無に応じて、前記光源の発光光量、前記検出手段に入射する光の光量、前記試料に照射される測定光の光量、前記試料からの反射光の光量、又は前記検出手段における検出感度の少なくともいずれか一つを調節することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
The etching monitoring apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The amount of light emitted from the light source, the amount of light incident on the detection means, the amount of measurement light applied to the sample, the amount of reflected light from the sample, or the detection, depending on whether or not external reference light is mixed An etching monitoring apparatus that adjusts at least one of detection sensitivities in the means.
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