JP2515090B2 - パタ―ン化されたウェハの厚さ測定用のコフォ―カル光学系 - Google Patents

パタ―ン化されたウェハの厚さ測定用のコフォ―カル光学系

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    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にフィルムの厚さ
測定システム、特にパターン化されたウェハ上でフィル
ムの厚さの測定を行うためのコフォーカル光学系に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップの製造を完了するためには
多数の工程が必要であり、10乃至100ミクロンの横寸法
範囲の特徴を観察するためにその薄膜層の厚さを測定す
ることがしばしば所望される。これは典型的にウェハの
表面を横切って単一のポイントの高い分解能の光学プロ
ーブを走査し、連続的に測定を行うことによって実行さ
れる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】典型的に、全ウェハ投
影システムは、ウェハを浅い鏡面に形成するために大き
い屈折レンズ装置、パラボラベースの反射システムまた
は球面真空チャックの使用のどれかを必要とする。屈折
または反射システムの場合、光学素子の寸法は、測定さ
れるべき最大ウェハの寸法に近付く。これらの大型光学
系を必要とすることはコストを高くし、光学素子は注意
を要する光学設計を必要とする。ウェハを浅い球面に形
成することは、高価な光学素子を回避する優れた方法を
提供する。もっとも、チップ製造中のウェハの歪曲が生
じる可能性があり、周辺環境が自動化超清浄ウェハプロ
セスライン等の真空である場合、この工程は全く作用し
ない。従来の全ウェハフィルムの厚さマッパーには、投
影の全開口にわたる多スペクトル反射率の測定が必要で
あり、これらのマッパーは一般に２つのカテゴリィに分
けられる。第１のカテゴリィにおいて、全ウェハはＮ×
Ｎ画素のＣＣＤアレイ（例えば512 ×512 、1024×1024
または2048×2048）上に投影され、１画素当たりほぼ20
0 ミクロンのウェハ平面において空間的な分解能を提供
する。第２のカテゴリィにおいて、通常の狭視野マイク
ロスコープに結合されたＣＣＤアレイが使用されて、１
画素範囲当たり１乃至５ミクロンの高い分解能を提供す
る。しかしながら、全ウェハをカバーするためにはウェ
ハ全体または光学ヘッドを機械的に走査する必要があ
る。したがって、本発明の目的は、通常のシステムの限
界を克服するフィルムの厚さ測定システムを提供するこ
とである。本発明の別の目的は、パターン化されたウェ
ハ上でフィルムの厚さ測定を行うためのコフォーカル光
学系を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、低い分解能
（１画素当たり200 ミクロン）で全ウェハを投影する手
段を設け、ウェハ表面において１画素範囲当たり５乃至
10ミクロンの分解能で１以上の高い分解能のサブフィー
ルドを投影する手段を設けることによって従来技術のシ
ステムの両アスペクトを組合せて単一の光学系にする。
大きいフィードレンズまたは反射光学系レンズは、低い
分解能でウェハ全体を投影するために使用される。小さ
い走査レンズまたはレンズの疎アレイのいずれかから構
成されるサブ開口光学系は高い分解能でウェハの小さい
区域を投影するために使用され、サブ開口光学素子は実
際のウェハと同じ対物平面において拡大されたイメージ
を生成する。その後、両区域は、単一のレンズまたは反
射器によってＣＣＤカメラのＣＣＤアレイ上に投影さ
れ、本発明の共通またはコフォーカルの特徴を提供す
る。この構造は、ウェハの異なる部分で厚さの測定を行
うために頻繁に焦点を調整することを回避する。特に、
この光学系はパターン化されたウェハを照明するために
光を供給するためのスペクトル的にフィルタ処理された
光源を含む。低い分解能の投影システムは、比較的低い
予め定められた分解能でウェハを投影するために設けら
れる。高い分解能の投影システムは、比較的高い予め定
められた分解能でウェハのサブエリアを投影して、ウェ
ハと同じ対物平面において拡大されたイメージを生成す
るために設けられる。イメージ生成システムは、低いお
よび高い分解能の投影システムによって供給されたイメ
ージから導出されたウェハの可視イメージを生成するた
めに設けられている。
【０００５】本発明は、２以上の異なる倍率でパターン
化されたシリコンウェハを観察するための走査コフォー
カル光学系を含む簡単化された安価な全ウェハ投影シス
テムを提供する。このタイプの光学系はＣＣＤカメラ上
に全ウェハ投影し、さらにウェハの小さい拡大区域が同
じＣＣＤカメラによって観察されることを可能にし、全
ウェハおよび局部的な高い分解能のイメージは同じ平面
において焦点を結んでいる（コフォーカルである）。高
い分解能のイメージ領域は、ウェハを横切ってコフォー
カル光学系（小さい走査レンズまたはレンズの疎アレ
イ）を移動することによって選択される。本発明は、パ
ターンの空間周波数がこれら全ての場合において根本的
に異なっている場合でも、パターン化されたウェハ、平
坦なウェハおよび絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ）ウェハ
の薄膜の厚さの決定を可能にする。上記のように、10乃
至100 ミクロンの横方向寸法範囲の特徴中の薄膜層の厚
さを測定することがしばしば所望される。本発明は、通
常の投影システムによって提供される全ウェハの投影お
よび厚さマッピング能力を保持し、半導体チップ内にお
いて拡大された領域の厚さマップおよびその上のスクラ
イブ路中に配置された試験パッドを形成する能力を付加
する。本発明によって提供される高い分解能の多スペク
トルサブイメージの使用は、これらのパターン化された
領域の厚さマップが発生される速度を著しく増加する。
したがって、本発明は均一さ決定のためのシリコンウェ
ハ上の低い周波数の平坦な層を含むフィルム、ＳＯＩウ
ェハおよび特に高い傾斜領域を含むもの、並びに横方向
の特徴寸法が10乃至100 ミクロン範囲であるパターン化
されたウェハの厚さ決定を行う手段を提供する。本発明
の光学系は、処理されるウェハのｎ個の任意の部分で診
断試験を実行するための走査システムの形態で実施され
るか、或いはサブ開口光学素子（走査レンズまたはレン
ズの疎アレイ）がチップ領域、スクライブ路中、または
ウェハの表面上に配置された試験パッド上のいずれかに
おけるウェハ上の予め定められた位置で小さい特徴の測
定を行う生産モードで使用されてもよい。本発明はまた
ウェハ整列（すなわちウェハ位置および方向の決定）の
ために使用されるウェハのイメージを提供する。
【０００６】
【実施例】本発明の種々の特徴および利点は、以下の詳
細な説明および添付図面を参照することによって容易に
理解されるであろう。なお、図面において同じ参照符号
は同じ素子を示している。図面を参照すると、図１はパ
ターン化されたウェハ11のフィルムの厚さ測定を行うよ
うに構成された、コフォーカル光学素子として走査レン
ズを使用した本発明の原理による光学系10の１実施例を
示す。光学系10は、例えば凸レンズ15および凹レンズ17
を含むレンズ群に光ファイバ束13によって結合された出
力を持つハロゲンランプ12のような高い強度の光源12か
らなる。モータ駆動装置21はフィルタホイール23に結合
され、ハロゲンランプ12によって供給された光をフィル
タ処理するために設けられている。フィルタホイール23
は、凸レンズ15と凹レンズ17との間に複数のフィルタ16
の１つを挿入するように構成されている。フィルタ16は
光源12からの光をフィルタ処理するために使用され、ス
ペクトルの選択された領域の光で照明するために設けら
れている。高い強度の光源12およびフィルタホイール23
の使用は、スペクトル的にフィルタ処理された光源18を
提供する。凹レンズ17の出力は、ハロゲンランプ12から
のフィルタ処理された光をコリメートし、拡散器32とし
て動作するすりガラスプレートまたは表面32を通ってそ
れを投影する例えばプラスチックからなるコリメートレ
ンズ31に供給される。拡散器32は光を散乱させ、コリメ
ートレンズ31によって投影された光の各点に対して前方
散乱エンベロープ36を生成する。拡散器32から出力され
た光は、ビーム分割器33に供給され、光の反射部分はウ
ェハ11を照明する。ウェハ11に入射した光はそれから反
射され、この光はビーム分割器33を通してズームレンズ
34によりＣＣＤカメラ35ａのＣＣＤアレイ35上に投影さ
れる。複数のサブ開口光学素子の１つを含み、小さい走
査レンズシステム37またはレンズ37の疎アレイ（図２の
ａに示されている）を含む可動コフォーカル光学系37は
高い分解能でウェハ11の小さいエリアを投影するために
使用される。サブ開口光学素子は、ウェハ11と同じ対物
平面において拡大されたイメージを生成し、カメラ35ａ
によって観察される。ズームレンズ34は例えば１画素当
たり200 ミクロンの分解能で全ウェハを投影するための
手段を提供し、可動コフォーカル光学系37は例えばウェ
ハ11の表面において１画素範囲当たり５乃至10ミクロン
の分解能で１以上の高い分解能のサブフィールドを提供
するようにウェハ11の表面を投影するための手段を提供
する。
【０００７】完全にするために、図２のａは小さい走査
レンズシステム37の平面にレンズ37の疎アレイを含んで
いるコフォーカル光学系37を含む光学系10の一部分を示
す。レンズ37の疎アレイの設計は当業者には明らかであ
ると考えられ、ここでは詳細に説明しない。図１および
図２のａの光学系10は、２つの異なる機能を提供するよ
うに設計されている。第１に、光学系10は、200mm まで
の直径を有するウェハがスペクトル的にフィルタ処理さ
れた光源18からの拡散光によって照明されることを可能
にする。ウェハ11に入射した光の拡散性質は、光が大き
い角度範囲でウェハ11上に入射するため、真空チャック
上にウェハ11を取付けることを不要にする。第２に、小
さい可動コフォーカル光学系37は、試験しているウェハ
11の前方のどこにでも位置されることができ、診断ウェ
ハ測定が実行されたときに、高い空間分解能のフィルム
の厚さの測定が選択された領域にわたって行われること
を可能にする。プロセス制御測定は通常固定された位置
での測定を必要とし、これは重要な領域にわたって配置
されたアレイ37の疎アレイの形態で多数の光学コフォー
カル装置を使用することによって達成される。
【０００８】本発明は、大型で高品質の光学素子を不要
にし、さらに試験している光学系のフィールド湾曲を整
合するためにウェハ11が平坦または球面形状に真空チャ
ックされることを必要としない。光学系10において使用
されるスペクトル的に可変的な光源18は、例えば 150ワ
ットのハロゲンランプ12から構成されてもよく、その光
出力は光ファイバ束13を含む通常の光ファイバ導波体に
よって光フィルタ16を通して結合される。この構造は、
非常に多数の光の狭帯域波長によりウェハ11の表面を順
次に照明するように構成されている。フィルタ処理され
た光源18からの光は拡大され、比較的大きいプラスチッ
クのコリメートレンズ31によって粗くコリメートされ、
すりガラススクリーン32または拡散器32によりウェハ11
の表面上に散乱される。実際に、プラスチックのコリメ
ートレンズ31は照明の均一さを改良し、それは測定され
るべき最大のウェハ11に少なくとも等しい寸法を有す
る。比較的大きいビーム分割器33は、部分的に透明な保
護された銀被覆により被覆されたガラス窓から形成さ
れ、ウェハ11から反射された光を収集し、ズームレンズ
34およびウェハ11全体を観察するＣＣＤカメラ35ａにそ
れを導くために使用される。本発明のシステム10は実験
室環境において組立てられており、ＣＣＤカメラ35ａで
高い光レベルを提供し、ＳＯＩおよび平坦な被覆された
ウェハ11の優れたデジタル化されたイメージを提供す
る。
【０００９】光学系10の実施例において使用されるＣＣ
Ｄカメラ35ａは、200mm のウェハ11全体が最大のアレイ
寸法（1024×1024）に整合された場合、ウェハ11におい
て 400ミクロンだけ解像することができる 512× 512Ｃ
ＣＤアレイ35を含む。パターン化されたウェハ11のイメ
ージはミクロンレベルで小さい方形特徴を有し、この低
い倍率で解像されることはできない。これらの特徴は、
ウェハ11の表面の近くに配置された小さいコフォーカル
光学系37を使用することによって解像される。コフォー
カル光学系37は、10乃至20倍でウェハ11の表面の小さい
部分を拡大するように設計されている。この方式が1024
ラインのＣＣＤカメラ35ａ（ウェハ11の画素寸法が１画
素当り200 ミクロンである）と共に使用された場合、コ
フォーカル光学系37を使用した20倍の倍率およびズーム
レンズ34を使用した付加的な倍率は数十ミクロンの特徴
が同じ焦点で投影されることを可能にする。
【００１０】ウェハ11上における任意の点における厚さ
測定は、スペクトルの可視領域における種々の単色波長
でＣＣＤカメラ35ａ上にウェハ11のイメージを形成する
ことによって行われる。イメージは、例えばフレームグ
ラバーによってデジタル化され、その後データはフィル
ムの厚さを異ならせることによって発生させられるウェ
ハ11の反射率の空間的な変形を導出するために使用され
るプロセッサ38またはコンピュータ38に結合される。例
えばＳＯＩウェハ11の場合、ウェハ11の外側フィルムの
厚さの異なる値に対する反射率値のライブラリィ39が全
ての異なる波長で予め計算され、通常の最小二乗適合技
術を使用することによってシステム10によって発生され
た測定値のサンプル化されたスペクトル反射率と、ライ
ブラリィ39に記憶された予め計算されたサンプル化され
たスペクトルとの間の整合を見出すために使用される。
一般に、この最小平方パターン整合技術は、ウェハ11の
反射率がウェハ11の層中の材料の光定数の正しい情報か
ら正確にモデル化された場合、任意の層（および可能性
のある２つの層）の厚さを測定するために使用される。
したがって、集積回路（ＩＣ）構造の高い分解能のイメ
ージの厚さ測定値は、イメージがチップパターンにおけ
るＩＣ構造の反射率の変化を本当に表し、また光定数が
完全に特徴付けられた場合に、正しい厚さ測定値を提供
する。
【００１１】図２のｂを参照すると、本発明の光学系10
によって投影されたウェハ11の拡大されたイメージが示
されている。図２のｂは、ウェハエッジおよびウェハ11
の周辺の整列特徴を含む焦点を結んだイメージを示す。
ウェハは、整合および配置を助ける平坦なエッジまたは
ノッチ或いはその他の特徴を有して構成される。この光
学系10は、ウェハ11の表面およびその上のＩＣ構造が同
じ平面に配置されるため、両イメージの焦点が共通のズ
ームレンズ34によってＣＣＤアレイ35上に焦点を結ぶこ
とを確実にするように構成されている。これが達成され
たとき、全開口イメージはプロセス制御に対して使用さ
れる特別な試験パッドの場合のように、大きさが400 ミ
クロンより大きい領域上での厚さ測定のために使用され
る。スクライブ路中の別の試験エリア（100 ミクロン×
1000ミクロンの長さ）はまた厚さ測定解像のために使用
されてよく、１画素当り50ミクロンより良好な解像が実
現される。１画素当り５ミクロンの範囲の高い分解能を
得るためには、十分なカラー補正が必要であり（カラー
補正を必要とする波長領域は4000オングストローム乃至
8000オングストロームである）、詳細な光学設計の問題
である。
【００１２】図３のａおよび３のｂは、最後の焦点（Ｃ
ＣＤアレイ35における）をシフトさせずに既存の光学系
に可動コフォーカル光学系37を含む拡大システムを挿入
する問題に対する近軸解決方法を示す。２つのレンズＬ
1 およびＬ2 は図３のａおよび３のｂに示されており、
図１のコフォーカル光学系37およびズームレンズ34にそ
れぞれ対応する。図３のａにおいて、ウェハ11の表面は
第１のレンズＬ1 の焦点距離内に配置されているため、
第１のレンズＬ1 はイメージＰから導出されたウェハ11
の表面の逆さ虚像Ｐ´を供給する。この虚像Ｐ´は拡大
されてイメージＰ''を生成するが、それは間違った平面
にあり、第２の（負の）レンズＬ2 により再度イメージ
化されることによってウェハ11の平面に後方移動され、
イメージＰ´を生成する。図３のｂは、元の対物平面に
おいてイメージＰから導出された反転されたイメージＰ
´を再度位置して、イメージＰ''を生成するために２つ
の正のレンズＬ1 およびＬ2 を使用した類似の方式を示
す。ｍ1 およびｍ2 が倍率であり、ｕ1 ，ｖ1 ，ｕ2 ，
ｖ2 が２つのレンズＬ1 ，Ｌ2 の対物およびイメージ距
離であるならば、ｍ＝ｍ1 ｍ2 であり、条件ｕ1 ＋ｕ2
＋ｖ1 ＋ｖ2 ＝０を満たし、これは最終的なイメージが
元の対物平面に存在することを確実にする。この場合、
２つのレンズＬ1 ，Ｌ2 の焦点距離ｆ1 ，ｆ2 は式： ｍ2 （１＋ｍ1 ）2 ｆ1 ＋ｍ1 （１＋ｍ2 ）2 ｆ2 ＝０ によって関連させられる。コフォーカル条件はｕ1 ＋ｕ
2 ＋ｖ1 ＋ｖ2 ＝０のときに発生する。この条件は、観
察される物体（ウェハ表面）と同じ平面にあるようにイ
メージを制限する。実際に、拡大システムまたは可動コ
フォーカル光学系37は、散乱スクリーン32またはズーム
レンズ34の瞳孔がサブシステムレンズ開口の１つに投影
されることができるように３つの正のレンズを必要とす
る。
【００１３】以上、パターン化されたウェハ上でフィル
ムの厚さ測定を行い、ウェハ位置および方向の決定を可
能にするための新しい改良された光学系を説明してき
た。上記の実施例は、本発明の原理の適用を表した多数
の特定の実施例のいくつかの単なる例示であることが理
解されるであろう。明らかに、当業者は本発明の技術的
範囲を逸脱することなく種々のその他の構造を容易に考
えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】パターン化されたウェハ上でフィルムの厚さ測
定を行うように構成され、コフォーカル光学素子として
走査レンズを使用した本発明の原理による光学系を示し
た概略図。
【図２】コフォーカル光学素子としてレンズの疎アレイ
を使用した図１の光学系の１実施例、および本発明の光
学系によって投影されたウェハの拡大されたイメージを
それぞれ示した概略図。
【図３】本発明の光学系において使用される、最後の焦
点をシフトさせずに拡大システムを光学系に挿入する問
題に対する近軸解決方法を示した概略図。

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パターン化されたウェハを照明するため
    に光を供給するための光生成手段と、 比較的低い予め定められた分解能でウェハを投影するた
    めの低い分解能の投影手段と、 ウェハと同じ対物平面において拡大されたイメージを生
    成するために比較的高い予め定められた分解能でウェハ
    のサブエリアを投影するための高い分解能の投影手段
    と、 低いおよび高い分解能の投影手段によって供給されたイ
    メージから導出されたウェハの可視イメージを生成する
    ためのイメージ生成手段とを具備していることを特徴と
    するパターン化されたウェハを投影する光学系。
  2. 【請求項２】 高い分解能の投影手段は、イメージ生成
    手段上にイメージの焦点を結ばせるように構成された比
    較的小さい走査レンズによって構成されている請求項１
    記載の光学系。
  3. 【請求項３】 高い分解能の投影手段は、イメージ生成
    手段上にイメージの焦点を結ばせるように構成されたレ
    ンズの疎アレイを具備している請求項１記載の光学系。
  4. 【請求項４】 イメージ生成手段はカメラ、およびその
    カメラ上にイメージの焦点を結ばせるように構成された
    ズームレンズを具備している請求項１記載の光学系。
  5. 【請求項５】 高い分解能の投影手段は、カメラ上にイ
    メージの焦点を結ばせるように構成された比較的小さい
    走査レンズを具備している請求項４記載の光学系。
  6. 【請求項６】 高い分解能の投影手段は、カメラ上にイ
    メージの焦点を結ばせるように構成されたレンズの疎ア
    レイを具備している請求項４記載の光学系。
  7. 【請求項７】 光生成手段は高い強度のスペクトル的に
    フィルタ処理された光源を具備し、 低い分解能の投影手段は、 光源に光学的に結合されて供給された光を伝送する光フ
    ァイバ束と、 光ファイバ束に光学的に結合されて伝送された光を受け
    るレンズ群と、 このレンズ群に光学的に結合されて伝送された光をコリ
    メートするコリメートレンズと、 コリメートレンズに光学的に結合されて拡散された光源
    を提供するように光をそれから散乱させる拡散器と、 この拡散器に光学的に結合されてパターン化されたウェ
    ハ上に光を反射するビーム分割器と、 第１の予め定められた分解能でウェハから反射された光
    をイメージ生成手段上に投影するズームレンズとを具備
    し、 前記イメージ生成手段はＣＣＤアレイを具備し、 前記高い分解能のイメージ手段は、ウェハと同じ対物平
    面において拡大されたイメージを生成するようにズーム
    レンズの分解能より高い第２の予め定められた分解能で
    ウェハの小さい区域を投影するためのウェハとズームレ
    ンズとの間に配置された可動コフォーカル光学系によっ
    て構成され、 光学系はさらに異なる波長で予め計算されたフィルムの
    厚さの異なる値に対応した反射率値を含んだライブラリ
    ィを含むＣＣＤアレイに結合されたプロセッサを具備
    し、このプロセッサは高いおよび低い分解能のイメージ
    を使用してウェハの反射率を決定する手段と、予め計算
    された値と計算されたスペクトル反射率を比較して、そ
    れに対応したウェハのフィルムの厚さを決定する手段と
    を具備している請求項１記載の光学系。
  8. 【請求項８】 高い強度のスペクトル的にフィルタ処理
    された光源はハロゲンランプを含んでいる請求項７記載
    の光学系。
  9. 【請求項９】 レンズ群は凹レンズおよび凸レンズを含
    んでいる請求項７記載の光学系。
JP6246337A 1993-10-12 1994-10-12 パタ―ン化されたウェハの厚さ測定用のコフォ―カル光学系 Expired - Lifetime JP2515090B2 (ja)

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JPH07181019A JPH07181019A (ja) 1995-07-18
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