JP3751130B2

JP3751130B2 - 計測装置

Info

Publication number: JP3751130B2
Application number: JP23985197A
Authority: JP
Inventors: 正一吉山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: JPH1183460A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計測装置に関し、例えば半導体製造時の配線の検査や異物の検査のためにウエハに形成されたパターンの形状を計測するのに適した計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体の微細化にともない、ウエハに形成されたパターンの形状を計測する計測装置も微細化に対応してきている。微細な観察を行うことのできる計測装置は分子レベルまで計測可能である。しかし、各計測装置の計測レンジは狭い。例えば、ある計測装置は数１００ミクロン程度の分解能をもち、またある計測装置は数ナノメートル程度の分解能をもつが、１つの計測装置が数１００ミクロン程度から数ナノメートル程度の広いレンジの分解能で形状を計測できるものはなかった。
【０００３】
そのため、必要な計測レベルに応じて、種々の計測装置を使用することが必要である。さらに、計測は歩留りに影響を与えるために、効率よく、短時間に且つ試料に影響なく、行う必要がある。従って、広いレンジの形状情報を得る非破壊計測技術が必要である。
例えば、図９は光切断計測法の原理図である。光切断計測法では、試料１に対して、シート状の入射光２を試料１に投射し、試料１の表面の形状を反映した反射光３を観察することで、試料１の表面の形状を計測している。光切断計測法では、反射光３を検知することにより、１／１０ミクロン程度の高さ情報を得ることができる。しかし、これ以下の大きさの形状は認識、計測できなかった。
【０００４】
図２の（Ｂ）は、光切断計測法で検出された計測結果の一例を示している。試料１の表面の形状が図２の（Ｂ）に示したものである場合、高さの分布５０を示す計測結果が得られる。
図１０は微分干渉計測法の原理図である。試料１に対して、光源４からの白色光は、偏光子５で直線偏光となり、半透明鏡６で反射され、そして、偏光分離プリズム７で互いに垂直方向に振動し且つ横ずれした２偏光に分離される。分離された２偏光は試料１に垂直に落射して試料１で反射し、偏光分離プリズム７に再入射する。偏光分離プリズム７に再入射した２偏光は、偏光分離プリズム７で合成され且つ干渉光となり、半透明鏡６を透過して検光子８を介してカラー撮像装置９に至る。検光子８では特定の波長成分の光が遮蔽され、通過した波長成分の光のみがカラー撮像装置９で捕らえられることができる。
【０００５】
２偏光が試料１で反射するときに、試料１の表面に凹凸があると、２偏光が偏光分離プリズム７と試料１を往復する間に、一方の偏光の光路長と他方の偏光の光路長とに差ができることになる。２偏光の間に試料１の表面の形状に起因する光路差が生じていれば、偏光分離プリズム７で合成するときに完全に最初の偏光の状態にはならず、偏光状態が変わり、干渉光が生じる。検光子８はクロスニコルで配置されている場合には最初の偏光に相当する偏光を遮断し、試料１の表面の各部分の状態の変化を表す干渉光を透過させる。こうして、干渉光はカラー撮像装置９で試料１の表面の各部分の状態の変化を表す色の変化として観察、検出される。
【０００６】
図２の（Ｃ）は、微分干渉計測法で検出された計測結果の一例を示している。試料１の形状は図２の（Ｂ）の場合と同じである。この場合、色の分布５２を示す計測結果が得られる。例えば、この色の分布５２においては、試料１の平坦な表面に対しては緑色５２ａ、緩い斜面に対しては薄い青５２ｂ及び薄い薄いオレンジ５２ｃ、急な斜面に対してはかなり薄い灰色５２ｄ及びかなり薄い薄い青５２ｅが出る。斜面の傾き方向により観察できる色が異なっている。投射される２偏光の横ずれ方向は試料１の斜面の傾斜方向と平行である。計測はレンズ類や偏光分離プリズムや検光子の向きに左右されるが、数１０ナノメートル前後の傾斜を捕らえることができる。
【０００７】
なお、微分干渉計測法は、特開平５─３０３０４０号公報、特開平５─３０３０４１号公報、特開平７─２６０５７４号公報等に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
光切断計測法及び微分干渉計測法ともに計測のレンジが限定されており、両者を用いて広いレンジの計測を行いたい場合でも、それぞれ別々に計測する必要があった。
本発明の目的は、上記した光切断計測法及び微分干渉計測法の２種類の非破壊計測法を組み合わせ、計測レンジを拡張することにより、効率のよい計測を行うことができるようにした計測装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による計測装置は、試料を支持する支持手段と、該支持手段に対して斜めに配置され、光源の光を互いに垂直方向に振動し且つ互いに横ずれした２偏光に分離する偏光分離手段と、該投光手段は該偏光分離手段と該支持手段との間に配置された、光源からの光をシート光に変換するための投光手段と、該偏光分離手段を通り、該支持手段に支持された試料で反射した２偏光を合成し且つ干渉光を出射させる微分干渉検知手段と、該微分干渉検知手段から出射した干渉光を検出する検出手段とを備えことを特徴とするものである。
【００１０】
この構成においては、試料の光切断計測法による形状情報と微分干渉計測法による微細形状情報とを同時に且つ非破壊で得ることができる。
好ましくは、前記検知手段で検出した干渉光に基づいて、微分干渉計測法で得られる色の分布、及び、光切断計測法で得られる高さの分布を映像出力するための出力手段を更に備える。また、該偏光分離手段は偏光分離プリズムからなり、偏光子が光源と該偏光分離プリズムとの間に配置される。該微分干渉検知手段は偏光合成プリズムからなり、検光子が該偏光合成プリズムと該検出手段との間に配置される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の原理図である。本発明による計測装置１０は、試料１を支持する支持手段１２と、支持手段１２に対して斜めに配置され、光源２０の光を互いに垂直方向に振動し且つ互いに横ずれした２偏光に分離する偏光分離手段１４と、偏光分離手段１４を通り、支持手段１２に支持された試料１で反射した２偏光を合成し且つ干渉させる微分干渉検知手段１６と、微分干渉検知手段１６を通った干渉光を検出する検出手段１８とを備えている。
【００１２】
光源２０は多くの波長成分を含む白色光源を使用することができる。例えば、光源２０として、ハロゲンランプや白色電球や多波長レーザーなどを使用できる。光源２０からの白色光は後で述べる偏光子（図３）を通って直線偏光となって偏光分離手段１４に入射し、この直線偏光は偏光分離手段１４によって互いに垂直方向に振動し且つ横ずれした２偏光に分離される。光源２０が偏光を発生するものであれば偏光子を設ける必要はない。
【００１３】
偏光分離手段１４は好ましくは図５に示される偏光分離プリズム１４ａからなるものとする。図５に示されるように、偏光２６が偏光分離プリズム１４ａに入射すると、供給される偏光の振動面と偏光分離プリズム１４ａの光学軸との角度関係により、偏光２６は常光２８及び異常光３０に分離される。常光２８及び異常光３０は互いに直交する振動面を有する。常光２８及び異常光３０は互いに横ずれして試料１に入射する。
【００１４】
図６は試料１に入射した常光２８及び異常光３０を示している。偏光分離手段１４と試料１との間に対物レンズを設置し、常光２８及び異常光３０が互いに平行に試料１に入射するようにすることもできる。常光２８と異常光３０とは横ずれ量ｄをもって存在する。横ずれ方向は偏光分離手段１４に設置の仕方によって定まり、図１の構成においては、横ずれ方向が図１の紙面と平行な方向となるように、偏光分離プリズム１４ａが配置される。
【００１５】
微分干渉検知手段１６は偏光合成プリズムを含む。偏光合成プリズムは偏光分離手段１４の偏光分離プリズム１４ａと同様の構造のものとすることができる。図７は偏光分離手段１４を構成する偏光分離プリズム１４ａと、微分干渉検知手段１６を構成する偏光合成プリズム１６ａとを示している。これらの偏光分離プリズム１４ａ及び偏光合成プリズム１６ａはノマルスキープリズムからなるのが好ましく、偏光分離の作用と偏光合成の作用に応じて、微分干渉検知手段１６の偏光合成プリズム１６ａは偏光分離手段１４の偏光分離プリズム１４ａとは光路上で逆向きに配置される。なお、偏光分離プリズム１４ａ及び偏光合成プリズム１６ａの代わりに、その他の偏光分離プリズムや、偏光分離プリズムとリレーレンズとの組み合わせを用いることもできる。
【００１６】
さらに、図１では、光源２０から偏光分離手段１４を通った光をシート光に変換するための投光手段２２を備えている。投光手段２２は偏光分離手段１４と支持手段１２との間に配置される。投光手段２２は例えば図８に示すスリット２６ａをもった板２６からなる。スリット２６ａは図１において紙面に対して垂直な方向に延びるように配置される。スリット２６ａは図示省略した対物レンズ（円筒形レンズや集光レンズ）に設けてもよい。また、スリット２６ａを用いなくても、例えば細いビームを走査することによってシート光とすることもできる。
【００１７】
こうして、偏光分離手段１４及び投光手段２２を通った２偏光を含むシート光が支持手段１２に支持された試料１に入射し、試料１で反射される。試料１で反射した２偏光は微分干渉検知手段１６で合成され、干渉光となり、干渉光が検出手段１８で検出される。検出手段１８はカラー撮像装置やＣＣＤカメラ等を使用することができる。
【００１８】
２偏光が試料１で反射するときに、試料１の表面に凹凸があると、２偏光が偏光分離手段１４から試料１を覆って微分干渉検知手段１６へ進む間に、一方の偏光の光路長と他方の偏光の光路長とに差ができることになる。２偏光の間に試料１の表面の形状に起因する光路差が生じていれば、微分干渉検知手段１６で合成するときに完全に最初の偏光の状態にはならず、偏光状態が変わり、干渉光が生じる。従って、検出手段１８で検出される干渉光は、試料１の表面の形状に従った情報を含む光であり、試料１の表面の各部分の状態の変化は色の変化として観察、検出される。
【００１９】
図２の（Ａ）は、こうして検出された計測結果の一例を示している。計測結果は図２の（Ｃ）に示した微分干渉計測法で得られたのと同様な色の分布５２を含む。この色の分布５２は、試料１の平坦な表面に対しては緑色５２ａ、緩い斜面に対しては薄い青５２ｂ及び薄い薄いオレンジ５２ｃ、急な斜面に対してはかなり薄い灰色５２ｄ及びかなり薄い薄い青５２ｅが出る。斜面の傾き方向により観察できる色が異なっている。色の分布は数１０ナノメートル前後の高低差のある傾斜毎に捕らえることができる。
【００２０】
さらに、図２の（Ａ）は、図２の（Ｂ）に示した光切断計測法で検出されたのと同様な高さの分布５０を含む。従って、図１の装置１０で計測を行えば、色の分布５２及び高さの分布５０のデータが得られ、色の分布５２又は高さの分布５０を使用して所望の分解能に応じた計測を実施することができる。また、高さの分布５０によれば広い部分のおおまかな形状を把握するのに適し、分布５２によればより小さな形状の変化を把握できるので、色の分布５２と高さの分布５０とを併用することにより、より確実な検査を行うことができる。また、色の分布５２を使用する場合には試料１の急な斜面では得られる色が非常に薄くなる場合があるが、このような場合には色の分布５２と高さの分布５０とを併用することにより、より確実な検査を行うことができる。
【００２１】
図３は図１の装置をより詳細に示した本発明による計測装置１０の構成図である。この計測装置１０は、試料１を支持する支持手段１２と、偏光子３２と、偏光分離手段１４と、投光手段２２と、支持手段１２に支持された試料１で反射した光を受ける受光光学系３４と、２偏光を合成し且つ干渉させる微分干渉検知手段１６と、検光子３６と、結像光学系３８と、カラー撮像装置からなる検出手段１８とを備えている。
【００２２】
図３においては、各部材の機能は図１のものと同じである。投光手段２２は対物レンズの機能を有するものとすることができ、受光光学系３４は対物レンズとして作用する。微分干渉検知手段１６を通った干渉光は検光子３６を通り、偏光子３２で得られた偏光に相当する偏光が遮断され、試料１の表面の各部分の状態の変化を表す干渉光が透過する。結像光学系３８は検出手段１８上で干渉光を結像させる。
【００２３】
こうして、干渉光は検出手段１８によって試料１の表面の各部分の状態の変化を表す色の変化として観察、検出される。検光子３６は偏光子３２に対して垂直又は平行て関係で配置されるので望ましいが、必ずしもそのように関係で配置する必要もない。また、検光子３６はそれ自身の軸線のまわりで回転可能に配置されることができる。これによって、検光子３６によって遮断する偏光成分と透過させる偏光成分を変えることができる。
【００２４】
検出手段１８は、カラー撮像装置又はＣＣＤカメラを利用することができる。検出手段１８としてＣＣＤカメラを使用する場合には、３板式ＣＣＤカメラ又は単板式ＣＣＤカメラとすることができる。検出手段１８としてカラー撮像装置（撮像管を用いた装置）を使用する場合にも、単管式又は３管式カラー撮像装置を使用することができる。３板式・３管式の場合、単板式、単管式に比較して画像が鮮明である。またＣＣＤの場合、撮像管のような焼きつきを起こす心配がない。
【００２５】
図４は図３の変形例を示す図である。この例では、投光手段２２は対物レンズ４０とは別に設けられている。さらに、図４では、信号変換器４２とパーソナルコンピュータ４４とが示されている。信号変換器４２はＲＧＢ／ＳＹＮケーブル４６によって検出手段１８に接続され、パーソナルコンピュータ４４はＲＳ２３２Ｃケーブル４８によって信号変換器４２に接続される。検出手段１８の映像信号は信号変換器４２によってデジタル信号に変換され、パーソナルコンピュータ４４は色信号を数値化及び積分し、形状情報を復元する。信号変換器４２及びパーソナルコンピュータ４４は、画像処理装置やシステムでもよく、付随するケーブルも画像処理装置やシステムの都合によって変更してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料の光切断計測法による形状情報と微分干渉計測法による微細形状情報とを同時に且つ非破壊で得ることができ、形状計測の効率化を図ることができる。また、この計測装置を半導体の検査に使用する場合には、信頼性の高い半導体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の計測装置の原理図である。
【図２】試料に対して得られた計測結果を示す図である。
【図３】図１の装置をより詳細に示した本発明による計測装置を示す図である。
【図４】図３の変形例の計測装置を示す図である。
【図５】偏光分離プリズムの作用を示す図である。
【図６】横ずれした２偏光を示す図である。
【図７】偏光分離プリズムと偏光合成プリズムの関係を示す図である。
【図８】スリットで投光手段を構成する例を示す図である。
【図９】光切断計測法の原理図である。
【図１０】微分干渉計測法の原理図である。
【符号の説明】
１…試料
１０…計測装置
１２…支持手段
１４…偏光分離手段
１４ａ…偏光分離プリズム
１６…微分干渉検知手段
１６ａ…偏光合成プリズム
１８…検出手段
２０…光源
２２…投光手段
３２…偏光子
３６…検光子
３８…結像光学系

Claims

試料を支持する支持手段と、
該支持手段に対して斜めに配置され、光源の光を互いに垂直方向に振動し且つ互いに横ずれした２偏光に分離する偏光分離手段と、
該偏光分離手段と該支持手段との間に配置された、光源からの光をシート光に変換するための投光手段と、
該偏光分離手段を通り、該支持手段に支持された試料で反射した２偏光を合成し且つ干渉光を出射させる微分干渉検知手段と、
該微分干渉検知手段から出射した干渉光を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする計測装置。
前記検知手段で検出した干渉光に基づいて、微分干渉計測法で得られる色の分布、及び、光切断計測法で得られる高さの分布を映像出力するための出力手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
該偏光分離手段は偏光分離プリズムからなり、偏光子が光源と該偏光分離プリズムとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
該微分干渉検知手段は偏光合成プリズムからなり、検光子が該偏光合成プリズムと該検出手段との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。