JP2586902B2 - 表面プロフィール測定装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体などのような見本の表面パターンを走
査する装置に関し、さらに詳しく述べれば、かかる見本
の表面形状（プロフィール）を正確に測定する方法およ
び装置に関する。

表面パターンの欠陥を検出する半導体ウェーハなどの
走査において、高い解像度を持つ光学的および音響的各
種の顕微鏡を利用するいろいろな方法が使用されてき
た。光学映像装置では一般に、テレビカメラに似た装置
が利用され、ここで電磁放射線はウェーハ上の比較的大
きなスポットから反射されて光学装置および光検出器を
通して、デジタルもしくはアナログのいずれかで処理さ
れ、CRTのような適切な出力装置に多強度（マルチイン
テンシティ）像として再現される。

半導体ウェーハの走査は普通、一定の処理欠陥を検出
することができるか、又は製造工程が正しく行われたか
どうかを決定するために線幅測定を行うことができる手
段を提供する。正確に検出されかつ測定されなければな
らない寸法の許容限度は、ミクロン又は実にミクロン以
下の範囲になるので、高解像度で見本を走査する顕微鏡
映像装置が一般に要求される。レーザビームは極めて狭
い被写体深度を持つかかる光学映像装置により集束され
る。次に半導体ウェーハの上部表面に沿ってレーザビー
ムを走査することによって、ウェーハ上の導電トレース
または半導体パターンの線はかかる線の縁を表わす特殊
検出装置を利用して測定することができる。

上述の形式のウェーハ映像および走査装置によって、
変化するウェーハ表面レベルを追跡するようにウェーハ
を横切って走査するとき、僅かに焦点からずれて動く反
射像を注視すると共にウェーハと映像装置との間隔を調
節することにより（いずれか一方を他に対し相対的に移
動することにより）、ウェーハの反射表面を絶えず適切
な焦点に維持するように、ビーム焦点レベルを調節でき
ることは一般的に認められている。かかる映像装置を記
述する先行技術の特許として、ヨシカワ（Yoshikawa）
らに対する米国特許第4,505,585号およびカーク（Kir
k）らに対する米国国防出版物T102,104などがあげられ
る。

本発明によって、先行技術の装置により提供されたも
のよりも一般に精度の高い、半導体ウェーハ表面上の与
えられた面積内で、断面プロフィールおよび特に線幅を
組織的に測定する方法および装置が提供される。

本発明の方法および装置により、ウェーハ表面上の微
小スポットに鋭く形成されたビームを投射し、焦点面に
おける反射表面を表わす反射ビームの特性測定ができる
ような反射スポットを検出する光学映像装置が提供され
る。光学映像装置およびウェーハは、ウェーハの表面に
全体として平行な面内を相対的に移動されるので、投射
スポットはウェーハの一部または与えられた面積を横切
る線を走査し、また走査線に沿うれ数個の極めて接近し
て置かれた位置で測定可能な特性を表わす信号を記録し
かつ記憶する装置が提供される。映像装置の焦点レベル
は、複数個の走査がウェーハの関連表面細部を完全に通
過し終るまで、ウェーハおよび映像装置がおのおの走査
線に沿って通過した後でそれらを接近させたり離したり
するように移動することによって連続変化される。次
に、走査線に沿う各単一記憶位置に対して、当該装置の
焦点レベルが決定され、表面特性を最もよく表わす信号
（例えば最大反射強度信号）が得られた。走査線に沿っ
て接近して置かれた各位置についてかく決定された焦点
レベルの連続累積は、走査線に沿うウェーハの表面の断
面プロフィールを表わす。この表面プロフィール情報、
すなわちデータは次にパターンの線幅測定を直接行うの
に利用される。

完全なプロフィールデータを利用して測定を行うこと
により、いったん線幅が測定されると、かかる測定値は
走査線に沿う単一焦点深度での単一走査によって供給さ
れるデータのみを用いて得られる特性プロフィールと比
較することができる。深度オフセット距離が次に計算で
きる。ここでは単一走査特性プロフィールの線幅は完全
プロフィールデータから測定された線幅に等しい。この
深度オフセット距離（これは例えば単一走査特性プロフ
ィールの測定された最大データレベルと最小データレベ
ルとの間の相対距離に対応することがある）は次に、最
初の走査線に全体として平行な走査線に沿うウェーハの
面積の追加走査中に測定係数として使用される。したが
ってウェーハのかかる面積は、確実な線幅測定を得るよ
うに単一焦点深度で走査することができる。

本発明の線幅測定法は第１図に示されるウェーハ装置
に適し、特に米国特許出願第725,082号（1985年４月19
日出願）、件名「半導体ウェーハ走査装置」、および出
願第752,160号（1985年７月３日出願）、件名「表面プ
ロフィールを決定する方法および装置」にさらに詳しく
説明されかつ特許請求されているようなウェーハ走査装
置によって実行するようにされかつそれらと共に使用す
るようにされている。これらの以前の出願の開示は本出
願に参考としてここに組み入れられ、またかかる出願へ
の参照は本発明の装置およびその作動の方法の一段と詳
細な説明のために役立つことがある。

本発明の機械装置および本発明の回路をブロック図の
形で極めて概略的に示す第１図を参照すると、横たわる
半導体ウェーハＷの上の微小スポットにレーザ源（40）
からの鋭く形成されたビームを集束させる光学モジュー
ル（20）が提供されている。光学モジュール（20）はコ
ンピュータ（22）によって制御されかつそれにデータ情
報信号を供給する同焦点光映像装置を含む。コンピュー
タは映像表示装置（24a）（ここでは全走査面積の「超
焦点」像が表示される）およびグラフィック映像表示装
置（24b）（ここではプロフィール、グラフおよびヒス
トグラムが表示される）を含むいろいろな表示装置に対
する情報を出力する。本装置によって検査すべき半導体
ウェーハＷの表面は光学映像装置の下にあり、投射ビー
ムに概略直交する面内にあるウェーハはそれぞれｘ段、
ｙ段（34,32）により、またｘ方向の動きに整合する振
動走査機構（46）により、ｘおよびｙの直交方向にこの
面内を移動するように配列されている。コンピュータ装
置（22）からの適当な信号の制御を受けて、ｘおよびｙ
段は在来の電動機制御回路（36）によって駆動される。
ｚ方向、すなわちレーザ源（40）から投射された光ビー
ムに全として平行な方向の運動は、光学装置の焦点面を
変えるようにごく小さな垂直距離にわたって対物レンズ
（26）（光学装置の最終素子）を移動させる焦点制御機
構（28）によって達成される。焦点制御機構は、コンピ
ュータ装置から、在来の制御回路（38）からの焦点制御
信号により、レンズ（26）を上下に移動させるように作
動される。レーザ源（40）からのビームは極めて狭い被
写体深度で鋭く集束され、またそれは焦点面でウェーハ
Ｗの表面（それが存在する場合）から反射されて、光学
装置を経て光検出器（42）に戻るようにされている。検
出器からの信号は制御回路（44）によって抜き取られて
ディジタル化され、ウェーハＷの表面上にスポットが投
影される。これらのディジタル信号は焦点レベルｚの関
数として供給され、またｘ−ｙ面内の別な接近して置か
れる位置の関数としても供給される。光学装置は極めて
狭い被写体深度を有するので、焦点面としての反射強度
のピークは横たわる反射表面と一致し、ウェーハ表面が
焦点面から離れるにつれて鋭く急落する。かくて任意の
特定な平面（x,y）位置におけるウェーハの高さは、反
射光の強度を表わす最大出力信号を達成する焦点制御機
構（28）を操作することにより容易に検出することがで
きる。本発明はこの基本原理に基づいている。コンピュ
ータ（22）は、ビームに関するウェーハのx,y位置およ
びビームのｚレベル焦点面位置の両方を追跡し、かつこ
の情報を光検出器（42）からの強度信号に対応させて、
走査されるウェーハの部分の３次元出力表示を供給す
る。

前に指摘した通り、ウェーハＷはコンピュータ装置
（22）の監視を受けてx,y段電動機制御回路（36）によ
って制御されるｘおよびｙ段（34,32）により水平面内
に移動される。段32,34はミクロン以下の解像度と精度
のための光学位置エンコーダを備えた在来の精密変換表
を含んでいる。電動機制御回路（36）も本質的に在来形
であり、段を移動させる駆動信号を供給するとともに任
意の与えられた瞬間におけるウェーハの位置を正確にモ
ニタするように位置エンコーダから信号を受信して処理
するＤ−Ａ回路を含んでいる。ｚ軸焦点制御回路（38）
は焦点制御機構（28）用の出力電圧を供給し、この機構
は本例において垂直面内で膨張または収縮しかつ対物レ
ンズ（26）の相対垂直位置を移動させる印加電圧に応答
する圧電クリスタルを含む。

全装置用の制御回路（44）は、光検出器（42）から増
幅器（45）を経て連続入力光強度信号を受信するように
され、このデータを走査機構（46）の位置情報と同期さ
せる。制御回路（44）は走査駆動信号（正弦波形）を増
幅器（47）から振動走査機構に出力する働きをもする。
走査機構（46）はウェーハをｘ方向に急速に振動させ
る。ｙ段、すなわち直線変換器（32）は、前述の同時係
属米国特許出願第725,082号に詳しく説明されているウ
ェーハの全区域（または一部）の３次元走査を与えるこ
とが望ましいとき、ｘ方向の振動走査運動中にｙ方向に
Ｗをゆっくり同時に動かすようにされる。後で詳しく説
明するが、本発明のプロフィール法は、走査機構（46）
がｘ方向にのみ移動することを要求し、各個の走査後に
焦点制御機構（28）によりレンズ（26）のレベルを増加
的に変えながら、ウェーハ上に同じ線の走査を繰り返し
て行うようにする。

制御回路（44）において、走査駆動電圧は線走査波形
記憶回路（48）からディジタルで供給され、またＤ−Ａ
変換器（49）はディジタル信号を増幅器（47）の増幅に
適したアナログ信号に変換するのが分かる。記憶回路
（48）は走査制御および同期回路（50）によって呼び出
される。光検出器（42）から入って来るアナログ信号は
Ａ−Ｄ変換器（51）によってディジタル信号に変換され
る。ウェーハＷを取り付けている走査機構（46）はウェ
ーハＷが走査されるにつれて変化する直線速度で移動す
るので、ディジタル検出器信号抜取りのタイミングは、
記録されたディジタル信号情報がウェーハ上の走査線に
沿った概略均一な間隔の位置に対応するようなタイミン
グであり、その結果ウェーハのひずみのない像が映像表
示装置24a,24bに作られる。この目的を果たすために、
抜取りのタイミングを制御する線走査ひずみ記憶装置
（52）が具備されている。記憶装置（52）からのタイミ
ング情報は、適当な時間にディジタル入力信号を受信し
た記憶する線走査ピクセル記憶装置（54）を制御するピ
クセルタイミングおよび同期回路（53）によって利用さ
れる。抜きとられた各信号（光検出器から）はウェーハ
上の極めて小さな増分区域を表わすピクセルに対応し、
その時間に抜き取られた信号はかかる増分区域から反射
された光の測定値である。制御回路（44）のさらに完全
な説明については、我々の前述の同時係属米国特許出願
第725,082号を再度参照されたい。

半導体ウェーハ走査装置を含む機械構造物が第２図な
いし第５図に示されている。まず第２図から、全体的な
ウェーハ駆動装置および光学装置がテーブル（61）の上
に置かれかつ表面板の各隅を支持するように置かれた４
個のピストンおよびシリンダ形空気ばね（62）によって
それから隔離されている大きな表面板（60）の上に取り
付けられるように配列されている。一般フレーム構造物
（64）は表面板（60）の上にあって、垂直に移動し得る
焦点制御機構（28）を含む光学モジュール（20）を支持
している。

焦点制御機構（28）の詳細は第２図、第４図および第
５図に最も良く示されている。可動対物レンズ（26）
は、上部と前部が開きかつ裏面（第５図）がフレーム構
造物（62）の直立面上のトラック（73）の中をすべるよ
うにされたケージ（12）の中に取り付けられているのが
分かるであろう。支持ブラケット（70）はそこから外方
に出てDCサーボモータ（66）を支持するケージ（72）の
片側に取り付けられ、その突起している親ねじ（67）は
フレーム（64）の主直立部分に固定される支持ブラケッ
ト（68）の上面と組み合うようにされている。第２図か
ら見られるように、電動機組立体（66）の中のねじ（6
7）は対物レンズ（26）を下にあるウェーハ支持組立に
関して上下させる働きをする。このレンズ運動はウェー
ハ表面に関する光学装置のおおまかな調整のためにのみ
供給され、すなわちウェーハＷの表面が光学装置の基本
焦点距離内にあるように光学装置を移動させることであ
る。これから説明するが、このおおまかな動きによって
ウェーハの上部表面に近くしかもその上に光学装置の焦
点面を最初に置くので、レンズ（26）はその後レーザ
（40）からのビームがウェーハを横切って走査されるに
つれて連続的にウェーハにより接近することができる。
下にあるウェーハ支持構造物より十分上にあるレンズ
（26）を持ち上げる電動機（66）の使用は、ウェーハＷ
の積みおろしをも容易にする。

対物レンズ（26）の精密焦点合せ（すなわち精密垂直
調節）は、ケージ（72）の台とレンズ（26）用のマウン
トの上方端がねじ込まれる中央ハブ（75）を持つ頭上環
状支持部材（74）（第４図）との間に取り付けられる概
略円筒形の圧電クリスタル（76）（第４図および第５
図）によって達成される。電気リード（77）（第５図）
への電圧を変えることによって、クリスタル（76）は軸
線方向に収縮されたり矢印の方向に膨張され（第４
図）、したがって対物レンズ（26）は下にあるウェーハ
に関して順次上下される。認められると思うが、クリス
タル（76）に異なる電圧が加わるが、レンズ（26）の運
動はサブミクロン範囲（例えば増分当たり0.01ミクロ
ン）であるので、ウェーハの面上の表面レベルの比較的
小さな差を識別することができる。

平面（すなわちｘ−ｙ）駆動配列は第３図の展開図に
最も良く示されている。そこに見られる通り、各ｘおよ
びｙ駆動装置すなわち段34,32は本発明のこれから説明
される実施例において約６〜８インチの直線行程を持つ
ように設計されている在来形の精密移動テーブルとを構
成している。これらのテーブルはおのおの、スライドブ
ロック（80）に取り付けられるナットにねじ込まれる親
ねじ（図示されていない）によって溝形クレーム（83）
内でスライドブロック（80）を駆動する働きをする駆動
電動機（82）を含んでいる。図示されていないが、各移
動テーブルには連続位置信号をコンピュータ（22）に送
り返す働きをするミクロン以下の解像度および精度を有
する光学位置エンコーダが含まれるので、任意の与えら
れた時間におけるｘ−ｙ面内のウェーハの精密な位置は
装置の作動中に光学装置から反射された強度測定値によ
って制御されかつそれと相関されることが認められる。
平らな下方傾斜板（84）は上段、すなわちｙ段移動テー
ブルのスライドブロック（80）の上面に取り付けられ、
中央傾斜板（86）は両傾斜板の隣接隔置端に固くボルト
止めされる板ばねによってそこに固定される。傾斜調節
ねじ（87）は下方傾斜板（84）の上面に支えられるよう
に、ばね（88）の取付け位置の反対側にある傾斜板（8
6）の端を通してねじ込められるので、中央傾斜板（お
よびその上に支持された構造物）はねじ（87）の調節に
よりｘ軸のまわりに傾斜することができる。同様な方法
で、上方傾斜板（90）はその後方線にボルト止めされる
板ばね（92）によって中央傾斜板（86）に隔置関係に固
定され、また傾斜調節ねじ（91）は傾斜板（90）の前縁
に通されて、傾斜板（90）をｙ軸のまわりに調節自在に
回転するように傾斜板（86）の上面にもたれさせる。言
うまでもなく、装置をまずセットアップしその後それを
チェックする際に不可欠なことは、上部傾斜ブロック
（90）の表面が頭上の光学装置（20）からの光ビームの
通路にぴったり垂直な完全水平面内にあることを保証す
るように傾斜ねじ（87）および（91）が正しく調節され
ることである。

ウェーハＷをｘ軸の方向に急速に振動させる振動走査
機構（46）が第３図に詳しく示されている。走査機構は
駆動バー（78）を振動させるように支持する１対の板ば
ね（120a,120b）ならびに１対の引張り調節板ばね（121
a,121b）を含む矩形構造物を備えていることが分かる。
ばねは４個のコーナブロック（122）に取り付けて矩形
構造物に配列され、各ばねの端はコーナブロックに堅く
ボルト止めされている。堅固な駆動バー（78）は各振動
板ばね（120a,120b）の中央店の間に堅く取り付けられ
てわたっている。駆動バー（78）（第２図参照）の上に
置かれている真空チャック（89）はウェーハＷをその平
らな上面に堅く保持する真空を供給されている。駆動バ
ー（78）の後方に突出する端（78a）はコイル（79）を
取り付け、コイル（79）には制御回路（44）から増幅器
（47）（第１図）を経て駆動電流が加えられる。複数個
の固定磁石（101）が隔置された直立取付けブロック（1
00）の上に置かれ、そのブロック（100）の間にコイル
（79）が置かれて走査器用の電気機械駆動配列が完成さ
れる。取付けブロック（100）は第３図に示される通り
上部傾斜板（90）の延長部（90a）の上に置かれて固定
されており、コイル（79）を駆動回路に接続する端子
（101a）を取り付ける働きをもする。走査機構（46）を
上部傾斜板（90）に堅く固定するように、Ｕ形取付けブ
ロック（124）が各引張りばね（121a,121b）の中央点に
取付板（128）を経てボルト止めされている。各取付板
はその中央ねじ穴を有し、止めねじ（127）を受けるよ
うになっている。各ねじは第３図に示される通り、組み
合わされるＵ形取付けブロック（124）にある通路（127
a）を通って自由に出る。受台ブロック（125）は上部傾
斜板（90）の上面に堅く固定されて、止めねじ（127）
が接する面を提供する。各取付けブロック（124）はブ
ロックを通って出るスロットに受けられるボルト（12
6）によって上部傾斜板（90）の上面にも固定されてい
るので、ボルトをゆるめるとブロックは走査器に関して
横方向に移動することができる。取付けブロック（12
4）はかくて、ボルト（126）が完全に締められる前に受
台ブロック（125）の側面を自由にスライドし、それに
よって引張りばね（121a,122b）はその最も内方位置か
ら外方に曲げられることが分かるであろう。これは装置
の機械的共振周波数を所望の周波数に調節するように板
ばね（120a,120b）の正しい引張りの量を加えるために
行われる。この機械的共振周波数は装置の作動すなわち
駆動周波数よりほんの少し高くセットされるべきであ
り、その結果装置はエネルギー効果を発揮するが振動装
置は決して制御損失および構造損傷を生じる共振点を通
過しない。受台ブロック（125）の外方に板（128）を移
動するように止めねじ（127）を回すことによって、引
張りばね（121a,121b）は外方に曲がって軸線方向の引
張力をばね（120a,120b）の上に置くことが分かる。各
引張りばね（121a,121b）はその組み合わされる止めね
じ（127）により別々に調節できるので、完全に対称な
駆動配置が得られることを保証するために、ばね支持装
置の各面を別々に調節して、ばね装置の構造上のいかな
る非対称をも補償することができることが認められよ
う。

コイル（79）に交流を加えると駆動バー（78）がシフ
トし、それによって、保持されているウェーハＷがｘ軸
の方向に前後に、つまり、供給された交流の周波数で矢
印（110）の両方向（第３図）に移動し、それによっ
て、支持ばね（120a,120b）が曲がる。ウェーハ上のｘ
軸に沿う装置の走査線幅からなるこの水平方向の振動
は、代表的な全変位として約２ミリメートルにセットさ
れる。

コンピュータ（22）が本発明の前述の機械および光学
装置の作動を制御するプログラミングは、第６図に流れ
図の形で示されている。ウェーハＷがいったん真空チャ
ック（89）の上に適当に置かれると、基本のｘ−ｙ平面
駆動機構はウェーハを光学映像装置（20）の下の位置に
持って来るように使用され、ここでレーザ（40）からの
ビームはウェーハ上の特定の場所に当たる。代表的な半
導体ウェーハ検査において、選択された微小面積または
場所（例えば時間的制限の理由でウェーハ全体を走査す
るのではなくウェーハ上の４個所）のみを調べるのが在
来の方法である。いったんウェーハが映像装置（20）か
らのビームの下に、コンピュータ（22）からの信号の指
令によりｘ−ｙ段電動機制御回路（36）によって最初の
選択されたウェーハ検査場所内の始動x,y位置を置くよ
うに移動されると、焦点制御機構（28）は、たとえウェ
ーハの厚さが少し変わったりウェーハが完全に水平面に
なくても（第８図の上の図を参照）、ウェーハの最上面
より必ず上となるように選択される焦点面ｚ、まで焦点
レベルを持って来るように作動される。ウェーハ上の線
（ｘ方向）に沿うｚ（垂直）プロフィールを得て表示す
るサブルーチンＶ（ｚ）が次に実行される。このサブル
ーチンは第7A図、第7B図、および第7C図に詳しく示され
ている。

まず第7A図のデータ収集段階から、焦点制御機構（2
8）がまず作動されて（制御回路（38）により）、光学
装置の焦点レベルを前述のようなその最上部の走査レベ
ルz₁にする。振動走査機構（46）がいま作動されて、レ
ーザ（40）からのビームをウェーハ上の線に沿って走査
させる一方、制御回路（44）（第１図）は１回（すなわ
ち１方向）の走査運動でｎ個の試料（例えば512個の試
料）で線に沿って光検出器（42）からの反射度データを
抜き取る。これらの試料は区域または場所の１つの横方
向への端から他の端まで線に沿った概略均一に隔置され
た位置（x₁−x₅₁₂）を表わす。走査機構（46）のばね装
置駆動がウェーハを走査線に沿った復帰方向に戻すにつ
れて、データは取られず、焦点制御機構（28）が作動さ
れて、焦点レベルを増分距離（普通、１ミクロンの二，
三百分の１）だけ下げる。この手順は第7A図に示される
通り、焦点レベル（ｚレベル）がｍレベル（例えば256
レベル）に連続して下げられるように繰り返され、言う
までもなく各レベルでｘ方向に沿って512個の試料が得
られ、またこの情報のすべてはコンピュータ（22）の記
憶装置内に記憶される。

データ収集段階が終ると、データは第7B図に示される
プログラミングにしたがって処理される。データはアレ
イx_i×x_jの形でコンピュータ内に保存され、ここでｉ
（ｘ軸に沿う位置をとる隔置されたデータ）は普通約51
2であり、またｊ（光学装置の増分焦点レベル）は普通
約256である。かくて、プロフィール操作用のデータ記
憶装置は512×256すならち約131Kバイトの情報を収容し
なければならない。第7B図に示される通り、装置はz_iお
よびさx₁で開始し、最大ピーク値（Pm）およびかかるピ
ーク値での反射率信号（Ｒ）をさがし、また第１ピーク
値P₁をさがす。かくて、ｘ軸に沿うデータ位置x₁で、プ
ログラムはまず第１ピーク値（すなわち反射された強度
はまずピーク値まで上昇して次に減少する）をさがし、
次に最大ピーク値（すなわち最高の反射強度値）をさが
すように反射度の値を連続試験しながら、各ｚレベル
（１〜256）をステップする。最大ピーク値はウェーハ
の基本反射面が光学装置の下の焦点面に精確に置かれる
ｚレベルで生じ、また第１ピーク（最大値より前にピー
クがある場合）は下にある基本反射面の上にある透明ま
たは半透明の層が焦点面に精確に置かれるｚレベルで生
じる。

上記のプロセスは第８図のグラフィック表示によって
認められるが、同図は代表的なウェーハの部分断面構造
（最上部の図）を示すとともにグラフィックVDU24b（第
１図）で供給されるようなプロフィールの対応する出力
表示を示している。かくて、基本レベルＡでシリコンの
下にある基本層により、アルミニウムの１対の隔てられ
た金属線はレベルＢで供給され、また二酸化シリコンの
より高い絶縁線はレベルＤで供給されることが分かるで
あろう。導電材料の上には腐食プロセス後に残された半
透明の性質を持つあるホトレジスト材料が置かれてい
る。アルミニウム線の上のホトレジストはレベルＣを中
心にした小山にあり、また二酸化シリコン上のホトレジ
ストは図示の通り一様なレベルＥにある。かくて、デー
タを取る装置x₁₀が処理されており、かつこの位置が第
８図に示される通り二酸化シリコン層の内部にあるもの
とすれば、ｚレベルはプログラミングにより連続的にシ
ーケンスされるので、レベルＥで焦点面を表わすｚレベ
ルは第１ピーク反射率（Ｒ）の値を供給することが認め
られよう。ｚレベルがＥに近づくにつれて、対応する信
号ＲのレベルはレベルＥでピークになるまで上昇し、次
に焦点面がレベルＥ以下に低下すると降下し始める。し
かし焦点面（ｚレベル）がレベルＤに近づくにつれて、
反射率信号のもう１つのピークが作られ、このピークが
レベルＥのピーよりも高くなるのはＤにおける二酸化シ
リコン導体がレベルＥにおけるホトレジストの不透明層
だからである。焦点面すなわちｚレベルがレベルＤ以下
に降下すると、反射率信号の他のいくつかのスプリアス
ピークが作られるが、これらは本発明の理解にとって重
要でない光学的理由でレベルＤにおけるピークよりもず
っと小さな値となる。かかるピークは無視することがで
きる。第7B図に示される通り、コンピュータはx₁₀位置
のｚレベル値（z_j）を記憶するとともに、最大ピークPm
の反射度値Ｒをも記憶する。このプロセスはｘ軸に沿う
各位置、すなわちx₁〜x₅₁₂について繰り返され、上述の
情報はすべて各データ取得位置で記録される。例えば第
８図について、x₉₀位置で、最大ピークと区別される第
１ピークが存在しないのは、シリコン基板レベル（Ａの
レベル）のみがどんな光でも反射するからである。した
がってx₉₀では装置は別のP₁値を記憶しない。

第８図の下方の３つのグラフは、３つの別なアレイの
形でグラフィック映像表示装置（24b）に供給されるデ
ータ表示を示す。

上のグラフはｚ（光学装置に関するウェーハ表面の深
さ）とｘ（走査区域を横切る直線位置）との関係を表わ
す。いま第7C図のデータ表示プログラミングから、記憶
されたデータ（第7B図）は、各ｘ位置について最大反射
率信号が得られた各ｚレベルがプロットされかつ実線に
よって接続されるように利用されていることが分かるで
あろう。この実線は第８図の上部に示されるようなウェ
ーハ表面のｚ軸プロフィールすなわち断面プロフィール
を含むことが認められよう。各最大信号位置における反
射度も第８図に示されかつ実線によって接続されるよう
な別のグラフ（Ｒ対ｘ）の上にプロットされる。このグ
ラフから見られる通り、反射性の強いアルミニウム線の
反射度は予想どおり二酸化シリコン線のそれよりもはる
かに大きい。最後に、上部のグラフ（ｚ対ｘ）を再び見
ると、第１ピーク（これは最大ピークとは別に見られ
た）が点線でプロットされている。第８図に示される通
り、点線のプロットが導電線の上にのみ見られるのは、
これらが多重反射層の材料が見られる唯一の位置だから
である。

下にあるシリコン基板レベルは比較的反射度が弱く、
二酸化シリコン層は反射度レベルがより強く、また金属
アルミニウム層は最高の反射度レベルを示すことが第８
図のＲ対ｘグラフから見られると思う。アルミニウム線
の波状表面は、固有の可変反射率レベルを持つ比較的平
らな金属表面の粒状金属特性を表わす。

最後に、ヒストグラムが計算されかつプロットされ、
第7C図に示され、第８図の最下部のグラフ表示に示され
る通りである。ヒストグラムは最上部のグラフ（ｚ対
ｘ）に用いた同じデータを利用するが、それは最大反射
度信号のｚ位置を統計的に示す異なる方法でプロットさ
れる。かくて、最大反射信号が観測された各ｚレベルで
見いだされたピクセル数、すなわちｘ位置x₁〜x₅₁₂がプ
ロットされる。第８図の上部および下部グラフを比較す
ると、最低のレベルＡはピクセルの最高数であり、また
金属線Ｂのレベルは次の最高を有し、これらのピクセル
はすべてＡおよびＢを中心として接近していることが分
かるであろう。ベル形曲線がＣレベルのまわりに作られ
ているのが認められるが、かかる曲線はアルミニウム層
にかぶさる光硬化樹脂材料を表わし、ピークはかかる材
料の平均レベルを表わす。最後に、ＤおよびＥレベルは
最小であり、比較的高い焦点深度レベルで適当に隔てら
れている。かかるヒストグラムを作成して表示する意義
は、オペレータ選択または在来のコンピュータグラフ分
析法が表示された各ピーク（Ａ−Ｅ）の位置およびそれ
らの位置を明確に定める適当な走査幅をさがすのに利用
される点である。このデータは次にチップパターン上の
線の高さを正確に測定するとともに半導体ウェーハの表
面上の隣接区域をさらに走査する問題の特性レベルを決
定するのに用いられる。かくて第7C図に示される通り、
自動焦点機能が作動され、その場合いろいろな線幅を決
定する最良の焦点に関するｚレベル（Zp）が走査のため
に選択され、または使用者は例えば各線の観測された
「上部」と「下部」との間のほぼ中間のレベルを用い
て、さらに走査するための所望のレベルを手動で選択す
ることができる。装置はその後、焦点制御機構（28）が
各個のｚレベルで全地点を走査せずにかかる選択された
レベルにのみ焦点を結ぶように光学装置を移動させるよ
うに作動される。こうして、ｚ対ｘプロフィールは有効
な方法で利用されるので、全地点すなわちｘおよびｙ位
置の全２次元アレイは３次元表示を得るように走査され
るが、少しの選択された深度レベルでのみ、関連情報を
少しも失わずに走査され、また一方では管理できるレベ
ルで記憶済データの量を保持することができる。

第7C図に示される通り、自動焦点選択機能が作動され
ると、自動的に選択された焦点レベルがセットされ、引
き続き焦点制御回路（38）（第１図）に供給され、その
後おのおのは与えられたｚレベルで２次元走査を完了す
る。特点の場所で選択されたｚレベルがすべて走査され
ると、装置は光学装置に関してウェーハの位置を急速に
移動させる準備を整える（移動段階32,34）ので、新し
い場所すなわち区域は光学装置の振動走査区域の下にあ
り、プロセスは繰り返すことができる。

いま第６図の流れ図から、Ｖ（ｚ）データが収集さ
れ、かつｚプロフィールが得られて表示されてから、使
用者は引き続き測定すべきに各線の走査幅（x_min,
x_max）を決定するとともに、追加の単一深度レベル走査
中に適当な線幅測定を行う調節係数である限界レベル
（T_L）を決定することが分かるであろう。この後者のス
テップを達成する方法は第10図に示されるサブルーチン
に示され、後で詳しく説明する。次に、公称焦点レベル
（z_nom）がウェーハの最も上の検出可能な層として選択
され、例えば第８図のウェーハ断面では、上部レベルＥ
は図示の通り公称焦点を表わす。レベルＥまたはそれ以
下での走査で問題の各レベルは焦点オフセットすなわち
△z_jによって定められ、z_nomから走査問題のｚレベル
（例えばレベルA,B,Cなど）を引いたものとして定義さ
れる。与えられた例では、レベルＥはｊ＝１でセットさ
れ、△z₁の値はレベルＥが公称焦点レベルであるので０
に等しくなる。レベルＤはｊ＝２でセットされ、また△
ｚの値はＤとＥとの間の増分ｚ距離に等しくなる。同様
な方法で、他の各ｊ値（j3〜j5）はレベルC,BおよびＡ
のためにセットされ、オフセット（△）値はレベルＥで
対応するｚレベル差にセットされる。別法として、線幅
のみを測定する今後の走査を行うために、ＡとＤとの間
の中間のレベルはｊ＝１用にセットされ、またＡとＢと
の間の中間のレベルはｊ＝２用にセットされ、かくて２
つのオフセット（△）値のみを必要とする。これらの焦
点オフセットはこうして決定されかつ記憶された△x_jで
ある。次に、ｊが最初１に等しくセットされると、焦点
制御機構（28）は焦点面を第１焦点レベルに動かすよう
に作動され（またはこの場合のように問題の上部レベル
が走査を開始させる公称焦点レベルにあるならば、少し
も動かされない）、またウェーハ面積は、前述のとおり
特許出願第725,082号で示された通りx,y面内で走査され
る。すなわち、走査機構（46）はｙ段（32）の低速運動
と共に作動されるので、反射度データは走査されるレベ
ルを通じて接近して隔てられたｘ位置およびｙ位置のマ
トリックスについて得られる。１つのｚレベルにおける
各x,y位置で作られる反射率測定値Ｒは、次に後述のプ
ロセスによって線幅測定値を作るのに利用されることが
ある。次に、より高いｚレベルがウェーハの場所で走査
されるものとすれば、ｊ値は１つだけ増加され、制御機
構は焦点面を下げるように作動され、またそのプロセス
は走査が選択された各焦点オフセットで達成されるまで
繰り返される。

最後の、そして最低のｚレベルが走査されてから、プ
ログラムはウェーハ上の新しい場所に移動する。これは
ウェーハ上のより多くの場所を走査すべきかという質問
をまず発することによって達成され、もしそうならば、
ウェーハを新しい走査位置に移すx,y段（34,32）の全体
運動を利用する。新しい場所に達したら、装置はまず自
動焦点ステップにおいて、焦点制御機構（28）はまず光
学装置の焦点レベルをウェーハの最上層より上であるこ
とが知られているz₁レベルにするように作動される。次
にｚレベルは、反射率信号Ｒピークが線走査ピクセル記
憶装置（54）（第１図）によって供給されるデータから
コンピュータ回路によって認識されるまで、連続的に下
げられる。この連続的低下は、ｘ方向における線の順次
走査、およびデータと与えられた限界値以下のどんな信
号をも無視して前に受信されたデータとの比較によって
達成される（ノイズの影響を除去するため）。いったん
ピークが認められると（ランダム・スパイクまたは他の
スプリアス信号と区別して）、光学装置は公称焦点レベ
ル、すなわちウェーハ表面に関してz_nomになるであろう
（第８図参照）。このレベルで、前述の走査プログラム
が繰り返され、ここで光学装置は問題の選択されたレベ
ルに対してのみ垂直に移動され、かかる各レベルでx,y
面内に完全な走査が得られる。ウェーハの別の場所が走
査されるようにウェーハが移動されるにつれて自動焦点
合せが必要になるには、走査機構（46）の上にウェーハ
を取り付けるときにウェーハが真の水平面にセットされ
ないことがあり、さらにウェーハのエッチングされた表
面が真に平らでないかもしれないからであり、したがっ
て新しい各場所における既知の基準レベルを見いだす焦
点合せ直しが一般に必要となることを認識すべきであ
る。しかし、前に作られた焦点オフセット（△z_j）は一
般に一定に保たれるので、新しい各場所で新しいプロフ
ィールＶ（ｚ）データを収集する必要がないことが認め
られるのであろう。

本発明により線幅測定はまず複数個の増分焦点深度で
単一走査線に沿って得られた完全プロフィールデータ
（すなわち第８図に示される通りコンパイルされたデー
タ）を用いて線幅を正確に測定することによって行われ
る。次に、前記プロフィールが得られる線に隣接して走
査すべき半導体ウェーハ区域の残りについては、単一焦
点深度でのみ行われるが、その深度は最も正確な線幅測
定を提供すると思われるものであり、得られたプロフィ
ールの調節は正確な線幅測定を提供するように完全プロ
フィールデータと単一走査データとのあらかじめ計算さ
れた関係に基づいて行われる。言うまでもないと思う
が、「線幅」とは半導体チップの表面上のプロフィール
細部を横切る測定値を意味する。例えば第11図に関し
て、装置はそこに示される測定値ａまたはｂのような在
来の「線」を直接横切って測定するのに用いられる。ま
た、装置は第11図に示される測定値ｃおよびｄのような
線間隔の距離を測定することもできる。最後に、装置は
第11図に示される測定値e,fまたはｇのような線間のピ
ッチを測定するようにもセットすることができる。

いま走査のためのコンピュータプログラミングの操作
を示す第６図から見られる通り、Ｚプロィールの発生お
よび表示に続き、オペレータはまず以後測定すべき各線
幅の特徴について走査幅（x_minX_max）を選択する。一例
として、第８図の左側の第１線の拡大（および一段と現
実的な）図が第13図に示されている。走査幅は左側にあ
るXminと右側にあるXmaxとの間を移動するように選択さ
れており、それらの位置はチップ面に沿って離れた別々
の位置で生じることがある線幅のいかなる変化をも捕ら
える線を完全に挟み込むように選択されている。プログ
ラムは次に、以後の単一走査データから線幅測定を行う
のに用いられる調節係数、すなわち限界レベル（T_L）決
定する。

前述の通り、プロフィールデータはチップの表面特徴
の極めて正確な表示を与えるので、真の線幅は線の下部
（Ａ）と線の上部（Ｄ）（第13図）との間の中間点とし
て任意に選択され、すなわち線幅を測定すべきレベル
（z_P）は として自動的に計算される。

いま限界レベルT_Lを計算するルーチンを示す第10図の
サブルーチンから見られる通り、コンピュータは、まず
線幅を測定すべき深度レベルとしてz_Pを決定してから、
次にw_Pすなわちプロフィールデータからの実際の線幅を
決定する。これは第12図のサブルーチンに示されるよう
な補間法を用いて達成される。かくて、x_iは最初x_minと
してセットされ、そのｘ値で得られるｚ値はそれがz_P以
上であるか否かを決定するために調べられる。もしそれ
がz_P以上でなければ（最初は必ずそうでなければならな
い）、x_i値は隣りの増分ｘ値まで増加され、プロセスは
増分ｘ値がz_Pレベルを通過するまで繰り返される。これ
が起こると、左の点ｘ′は示されたアルゴリズムにした
がって計算され、すなわちｘ′はx_i-1（最後に得られた
ｘ値のすぐ前の増分ｘ値）に増分ｘ値（データ取得点間
の間隔）を加えてそれに を掛けたものに等しく、z_i-1は、z_Pのすぐ下のｚ値であ
りかつz_iはz_Pのすぐ上のｚ値である。そのときプログラ
ムは継続し、増分ｘ値はｚ値が再びz_Pの値以下に降下す
るまでx_iに加算される。これが起こると、右側の測定点
ｘ″は示されるアルゴリズムを用いて計算され、すなわ
ち に等しく、これは走査線に沿う連続ｘ位置（すなわちデ
ータ点）間の距離を表わす。いったん２つの値ｘ′およ
びｘ″が得られると、それは前者を後者から引いてw_P、
すなわち示された特徴の真の線幅を得るのは簡単なこと
である。

再び第10図に戻り、いったんw_Pが得られると、プログ
ラムの次のステップは計算されたz_Pに最も近いｚレベル
でその線走査データを呼び出すことである。選択された
特性の線幅を決定するすべての追加の走査に用いられる
のがこのレベルである。１つの高さｚのみで１回の走査
から相対ｘ値および反射度（Ｒ）または電圧（Ｖ）を含
むかかるデータのコンパイルが第15図にグラフで示され
ている。第15図のグラフ表示は複数個の焦点深度で走査
することによって得られた第13図のグラフ表示とは反対
に１つの焦点深度で走査することによって得られたの
で、第15図の表示は第13図の表示よりもひずみが多いこ
とが認められると思う。また、第15図のグラフ表示は例
えばチップ表面に傾斜があるときのように片側が他側よ
りも高い斜めになっているかもしれないことが認められ
よう。本発明のプロセスにより、線幅の正確の測定は左
右の測定点を別々に決定することによって依然として行
われる。

本発明により、限界レベルＴは線幅w_Pを測定する単一
走査プロフィール上の最大点と最小点（第15図）との間
に見られる。その限界値はプロット上の最大点と最小点
との間の全反射度、すなわち電圧差、の固定百分率を表
わし、線の両側について別々に計算される。第10図に示
される通り、限界値は、予想限界値を完全に包含するよ
うに、すなわち最大および最小電圧レベル間のどこか
で、0.1および0.9に最初セットされる。いったん限界レ
ベルＴが定められると、左右電圧レベル測定点は第14図
のサブルータンに示される通り別々に計算され、すなわ
ちV_min（V_max−V_min）Ｔ＝V_L。いったんV_Lが見いだされ
ると、第12図に関して示されかつ説明された同じ挿入ル
ーチンを用いて対応するx_Lの値が見いだされ、すなわ
ち、連続増分ｘ値はｘ値がV_L値を包含するまで選択さ
れ、挿入ルーチンは正確なx_L値を求めるのに用いられ
る。線の両側のｖおよびｘの値は同じＴ比を用いて別々
に計算され、x_Lとx_Rとの差が計算された線幅ｗである。

再び第10図から、いったんＴに対するｗの値が0.1に
セットされ、またＴに対するｗの値が0.9にセットされ
ると、ＷがW_Pに等しくなるような限界値T_Lを求めるため
に直線補間が利用される。限界値Ｔは次にこのT_L値にセ
ットされ、新しいｗは第14図のサブルーチンを用いて計
算される。このｗの値は前に得られたw_Pの値と比較さ
れ、もしそれが与えられた最小値（本装置では0.03ミク
ロン）より小であれば、この限界値は隣接ウェーハ区域
で線を測定する今後の使用に備えて記憶される。もし計
算されたｗの値が前に計算されたw_Pと0.03ミクロン以上
異なる場合は、最新のT_L値と新しいT_L値を求めるために
w_Pを包含する最も近い前のＴまたはT_Lとの間で新しい補
間が行われる。ｗが0.03ミクロン以内でw_Pに等しくなる
まで、このプロセスが繰り返される。この時点でのこの
値は記憶されて以後の線走査に使用される。すなわち、
走査すべき区域の残りにおいて選択された走査深度z_Pの
すべての線走査では、z_Pレベルで１組のデータが第15図
のグラフを得たデータと同様に提供され、線幅w_PはT_L値
を第14図に示されたアルゴリズムにセットし、さらに、
線の両側の最大および最小電圧点を記すことによって決
定される。かくて、最初のプロフィール・データから得
られた極めて正確な線幅はその後データの単一走査から
線幅を計算するための基準として使用され、こうして得
られた線幅はその後極めて高い信頼を寄せられる。

「超焦点」像を見いだすプログラミングプロセスが第
９図の流れ図に示されている。「超焦点」像は、光学装
置を異なるレベルで焦点合せすることによって得られた
情報を用いる、ウェーハ表面上の走査される全体の場所
または区域の像である。像は、２次元ビデオマトリック
スの正しい信号がコンピュータ（22）によって求められ
かつ映像表示記憶装置（29）に記憶されてから、映像表
示装置（24a）（第１図）に表示される。いったんウェ
ーハが移動されて、光学装置がウェーハ上の該当場所に
焦点を結ぶと、ｖ（ｚ）データ（最初のプロフィールを
作るもの）が走査フィールドの中心に走査線に沿って収
集される。これは、利用されるｘ走査線がモニタに最終
的に表示されるべきｘ−ｙマトリックスを半分以下にす
ることを意味する。ｘ−ｚプロフィールは次に前述の方
法で得られ、またｖ（ｚ）ヒストグラム（第８図）が作
られて表示される。コンピュータは次に単一の線に沿っ
て走査することによって得られたデータが十分であるか
どうかの質問を出す。例えば、全ｘ−ｙフレーム内のパ
ターンが単一のｘ−線走査では捕えられない特徴を含む
ならば、ｙ段（32）は走査機構（46）を新しい場所に移
すように駆動され、第２のｘ−線走査を供給しなければ
ならない。これは線幅測定を行うために利用される新し
いｚプロフィールを作り、またそこから得られるｚデー
タはヒストグラム発生サブルーチンにおいて前に記憶さ
れたデータに簡単に加算されてデータはそこに累積する
ようになる。かくて、第1x−線走査に存在しなかったレ
ベルが第2x−線走査に発見されると、全く新しいピーク
がヒストグラムに作られる。必要な情報のすべてが十分
な数のｘ−線走査によって得られることが分かると、プ
ログラムは超焦点像を得るプロセスに進む。

まず、ヒストグラム内の主ピーク（すなわち問題のｚ
レベルエ）は前に指摘した方法で識別される。これは在
来のコンピュータがグラフィック分析法によりまたはオ
ペレータによって手動で行うことができる。焦点制御機
構（28）はそのとき光学映像装置を動かして第１ピー
ク、すなわち問題の第１レベルに焦点を結ばせ、また全
ｘ−ｙ面が走査されかつデータが記録される。このデー
タはバッファに記憶され、焦点制御機構は作像装置を動
かして第２ピーク、すなわち問題の第２レベルに焦点を
結ばせ、ここでプロセスは反後されて新しいデータはバ
ッファ内に前に記憶されたデータに加えられる。このプ
ロセスは問題の各レベルが複数個のx,yマトリックスに
累積されている各x,y位置の全データによって走査され
る。次にデータは映像表示装置（24a）にデータの単一
面として表示され、スクリーン上の伝意な与えられた
（x,y）点に関するデータは走査されたレベルのすべて
から累積された情報から得られる。

超焦点像の表示の１つの方法として、各個のレベルを
カラーコード化して、カラーコード化されたレベルによ
り伝意な与えられたx,y位置で最大の強度を表示するこ
とができる。これはマルチカラー像を作るが、異なる色
はウェーハ上の異なる表面レベルを表わす。表示の第２
の方法は、各x,y位置に関する異なる走査レベルで得ら
れたＲ信号値を全部加算するだけのことである。像の明
確さおよび質を改善する表示の前記方法に対する１つの
別法は、各x,y位置に関する異なるＲ信号値を加算する
が総体として焦点ぼけのデータがゼロにセットされるよ
うに各走査面について限界レベルをセットすることであ
る。この限界レベルは、最も明確と思われる像が得られ
るように面から面に変化することができる。もう１つの
表示法は、作られた表示像が合成x,yマトリックスの各
ｙレベルで取られた第８図のx,zプロフィールを表わす
ように、各x,y位置で最大反射度信号のみを使用するこ
とである。かかるｙレベル用の実際のｚ対ｘのプロフィ
ールも作られて記憶される。かかるデータは斜視（x,y,
z）プロットでグラフ状に表示されたり、各x,y位置の強
度を２次元表示に変えるように使用される。

上記から分かる通り、ウェーハ表面のｚ軸プロフィー
ルすなわち断面像の最初の発生により、関連ウェーハ走
査データはすべて高速でしかも効率の良い方法で以後得
られるようになる。まず、直接かつ極めて正確な線幅測
定は在来の線幅走査法を用いるよりも一段と容易にかつ
一段と正確にｚ軸プロフィールから直接行うことがで
き、また第２に、コンピュータによるｚ軸プロフィール
の最初の発生は隣接区域の残りが１つのレベルのみで走
査される（測定すべき各特有の線について）手段を提供
し、単一走査データが最初に得られたもつと正確な完全
プロフィール・データに相関されるように調節係数が供
給される。

本発明を実行しようとする最良のモードが本明細書に
図示されかつ説明されたが、明らかに、本発明の主旨か
ら逸脱せずに変形および変化が作られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体ウェーハ走査および線幅測定装
置の線図、第２図は本発明の装置の機構部分の一部を断
面で表わした側面図、第３図は本発明の装置の走査器お
よびｘ−ｙ平面駆動機構の分解斜視図、第４図は第２図
の装置の焦点制御装置の一部を断面で表わした正面図、
第５図は第４図の線５−５に沿って取られた断面図、第
６図は本発明の装置のいろいろの作動部品を制御するコ
ンピュータのプログラミングを表わす流れ図、第7A図、
第7B図、および第7C図は一括して断面プロフィール用の
データを収集し、処理し、そして表示する第６図のプロ
グラムのサブルーチンを表わす流れ図、第８図は本発明
の装置によって得られる走査された半導体ウェーハ表面
の部分断面図と対応するプロフィールならびに反射度表
示および焦点レベルヒストグラム、第９図は「超焦点」
像が得られかつ表示される本発明の装置に関するプログ
ラミングを示す流れ図、第10図は線幅測定用の限界レベ
ル（T_L）を決定する第６図のプログラミングステップ用
のサブルーチンを示す流れ図、第11図は本発明の装置で
測定される線幅の形式を示す半導体ウェーハ表面の線
図、第12図はプロフィール線幅測定値（w_P）を決定する
第10図のプログラミングステップのサブルーチンを表わ
す流れ図、第13図は第12図のサブルーチンによって決定
された半導体ウェーハ表面のプロフィールおよび線幅測
定の一部を示す図、第14図は線幅測定値（ｗ）を計算す
る第10図のプログラミングステップのサブルーチンを示
す流れ図、第15図は第14図のサブルーチンによって計算
された測定値を示す１つの焦点深度における１つの走査
特性プロフィールの一部を示す図である。 ｗ……半導体ウェーハ、20……工学モジュール、22……
コンピュータ、24a……映像表示装置、24b……グラフィ
ック映像表示装置、26……対物レンズ、28……焦点制御
機構、32……ｙ段、34……ｘ段、36……x,y段電動機制
御回路、38……ｚ軸焦点制御回路、40……レーザ源、42
……光検出器、44……制御回路、46……走査機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イアン・アール・スミス アメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・ ガトス、エデレン・アベニュー 226、 ナンバー 43 (56)参考文献 特開 昭60−131511（ＪＰ，Ａ) 英国特許1206668（ＧＢ，Ａ) 英国特許2144537（ＧＢ，Ａ) 欧州特許出願公開94835（ＥＰ，Ａ１) 欧州特許出願公開208516（ＥＰ，Ａ ２) 欧州特許出願公開13325（ＥＰ，Ａ２)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウェーハもしくは同種の物の所与の
   表面領域内で線幅測定を行う装置であって、 エネルギー集束ビームを用いて前記領域内で走査線に沿
   って走査すると共に、複数個の異なる焦点深度レベルで
   前記ウェーハ表面から反射されるビームの特性を測定し
   て前記走査線に沿う前記ウェーハ表面のプロフィールを
   表すデータを得る装置と、 前記データに基づき前記走査線に沿って線幅測定を行う
   装置と、 前記走査線に沿って単一の焦点深度レベルでの１回の走
   査によって生成されるデータからプロフィール深度オフ
   セット距離を決定し、該プロフィール深度オフセット距
   離での線幅が前記線幅測定装置によって得られる線幅に
   等しくなるようにする距離決定装置とを備え、これによ
   り、前記領域の残余の部分を前記単一焦点深度レベルで
   走査して正確な線幅測定を行うのに十分なデータを得る
   ことができることを特徴とする線幅測定装置。
2. 【請求項２】前記走査装置はレーザビームを作る装置と
   ウェーハ表面上の微小スポットに前記ビームを集束させ
   る光学映像装置とを含んでおり、前記測定装置はウェー
   ハ表面からの反射ビームの強度を測定する光検出器を含
   む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。
3. 【請求項３】前記走査装置はウェーハ表面上の微小スポ
   ットにビームを集束する同焦点光学映像装置を含んでお
   り、前記映像装置はウェーハに送られるビームとウェー
   ハから反射されるビームとの両方を受けるピンホールを
   含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。
4. 【請求項４】前記走査装置および測定装置は、前記走査
   線に沿う複数個の接近して離隔された各点でウェーハか
   ら反射された最大信号の焦点深度レベルを決定すること
   によって表面プロフィールを決定する装置を含む、こと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の装置。
5. 【請求項５】前記走査装置は直線経路で前記ウェーハを
   振動させる装置を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項に記載の装置。
6. 【請求項６】前記走査装置は、前記直線経路の運動の振
   動速度と比べて低い直線速度で前記直線経路に対し直角
   にウェーハを動かすように作動可能な駆動装置を含む、
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の装置。
7. 【請求項７】前記走査装置および測定装置は前記走査線
   に沿う複数個の接近して離隔された各点でウェーハから
   の最大反射信号の焦点深度レベルを決定することによっ
   て表面プロフィールを決定する装置を含む、ことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
8. 【請求項８】半導体ウェーハ又は同種の物の所与の表面
   領域内で線幅測定を行う方法であって、 エネルギー集束ビームを用いて前記領域内の最初の走査
   線に沿って走査すると共に、複数個の異なる焦点深度レ
   ベルでウェーハ表面から反射されるビームの特性を測定
   して前記走査線に沿うウェーハ表面のプロフィールを得
   る段階と、 該段階で得られた表面プロフィールに基づいて前記走査
   線に沿って線幅を測定する段階と、 単一焦点深度における単一走査から前記測定済み特性プ
   ロフィールを選択すると共に前記線幅測定を行う深度オ
   フセット距離を決定し、これによる測定値を前段階で得
   られた線幅に対応させるようにする段階と、 前記最初の走査線と平行な走査線に沿って前記単一の焦
   点深度で前記ウェーハ領域の残部を走査すると共に前段
   階で決定された深度オフセット距離を利用して線幅測定
   を行う段階と、を含む線幅測定方法。
9. 【請求項９】半導体ウェーハ又は同種の物の所与の表面
   領域内で線幅測定を行う方法であって、 エネルギー集束ビームで前記領域内の最初の走査線に沿
   って走査すると共に、複数個の異なる焦点深度レベルで
   ウェーハ表面から反射されたビームの特性を測定して、
   前記走査線に沿ってウェーハ表面プロフィールを得る段
   階と、 ウェーハ表面の線を構成する上方及び下方の概略平らな
   面のレベルを選択して前記線の高さを得る段階と、 前記線の代表的な深度レベルを決定する段階と、 前記代表的な深度レベルで前記プロフィールに沿って測
   定してプロフィール線幅を得る段階と、 前記線に関する焦点深度を選択する段階と、 前記プロフィール線幅を前記選択された焦点深度レベル
   で測定された特性プロフィールと比較して、前記選択さ
   れた焦点深度で測定された特性プロフィールから直接に
   前記線幅を測定するための調節係数を得る、比較段階
   と、 前記最初の走査線と平行な走査線に沿って前記ウェーハ
   領域の残部を前記選択された焦点深度で走査すると共に
   前段階で得られた調節係数を利用して線幅測定を行う段
   階と、を含む線幅測定方法。
10. 【請求項１０】半導体ウェーハ又は同種の物の所与の表
    面領域内で線幅測定を行う方法であって、 前記表面領域内の微小スポットに鋭く形成されたビーム
    を集束する光学映像装置を通して該鋭く形成されたビー
    ムを投射すると共に前記スポットから反射されたビーム
    の測定可能な特性を検出する段階と、 前記スポットが前記領域内の最初の走査線に沿って走査
    するように前記投射ビームと前記ウェーハとを相対的に
    移動させる段階と、 前記走査線に沿って複数個の近接して離隔された位置で
    前記測定可能な特性に関する信号を記録すると共に記憶
    する段階と、 前記映像装置と前記ウェーハとの間の相対間隔を前記走
    査線の各走査後に微小距離ずつ増加させることによって
    連続的に変え、これによって前記走査線と直交する方向
    に、前記ウェーハ表面に対する前記装置の焦点深度を変
    化させる段階と、 前記表面状態の最も特徴的なものを示す信号を得た前記
    走査線に沿う各点における相対深度を別々に決定して前
    記走査線に沿う第１表面プロフィールを提供する段階
    と、 前記第１表面プロフィールから線幅測定を行う段階と、 １つの相対焦点深度レベルでの単一走査を選択すると共
    に該選択されたレベルでの前記点で測定された特性信号
    に基づき第２表面プロフィールを提供する段階と、 線幅測定を行う深度オフセット距離を決定して線測定値
    を前記第１表面プロフィールから得られた線幅測定値に
    対応させる段階と、 前記最初の走査線と平行な走査線に沿って前記１つの相
    対焦点深度で前記表面領域の残りを走査しかつ前段階に
    よって決定された深度オフセット距離を利用して線幅測
    定を行うこと、を含む線幅測定方法。