JP3857934B2 - 半導体測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体ウェハやレティクル／マスクなどの表面の薄膜の厚みなどを測定するための半導体測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記半導体測定装置の一つに、膜厚測定装置がある。この膜厚測定装置は、物質の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、その物質の光学定数（屈折率、消衰係数）を、また、物質の表面に薄膜層が存在する場合は、その膜厚や光学定数を測定するもので、例えば図２に示すように構成されている。
【０００３】
すなわち、図２において、１は測定ステージで、例えばウェハなどのサンプル２を真空吸着などの手段で吸着し、これを水平な状態に保持するとともに、図示していないステージ保持機構によって、３つの互いに直交するＸ方向（紙面に平行な左右方向）、Ｙ方向（紙面に垂直な方向）、Ｚ方向に（紙面に平行な上下方向）にそれぞれ直線的に移動するように構成されている。
【０００４】
３は測定ステージ１の上方の一方の側に設けられる入射光学系で、例えば１９０〜８３０ｎｍの広い波長領域の光を発する例えばキセノンランプからなる白色光源４と、この白色光源４から発せられる光を絞るためのスリット５と、例えば二つの凹面鏡６ａ，６ｂからなるビーム縮小光学系６と、偏光子７とから構成され、光源４からの多波長光を縮小し、所定の方向に偏光された直線偏光８をサンプル２の表面２ａに照射するものである。
【０００５】
９は測定ステージ１の上方の他方の側に設けられる検出光学系で、サンプル２の表面２ａに直線偏光８を照射したときにサンプル表面２ａで反射した楕円偏光１０の偏光変化量を例えば分光器１１に出力するもので、位相変調素子１２と、検光子１３と、二つの凹面鏡１４ａ，１４ｂからなるビーム縮小光学系１４と、分光器１１への信号取り出し用の光ファイバー１５とを備えるとともに、ビーム縮小光学系１４と光ファイバー１５との間に、ビーム縮小光学系１４を出射した光を光ファイバー１５に入射させるためのピンホール１６ａを形成したピンホール板１６が設けられている。
【０００６】
１７は測定ステージ１の上方に設けられる光学顕微鏡で、倍率の異なる対物レンズ１７ａを複数個備え、これら複数の対物レンズ１７ａをモータによって駆動されるレボルバー方式のレンズ切換え機構１７ｂによって切換え、サンプル表面２ａを異なる適宜の倍率で観察することができるように構成されている。１８は光学顕微鏡１７の上方に設けられるディテクタ手段としてのＣＣＤカメラである。
【０００７】
１９は例えば画像処理機能を有するパソコンで、分光器１１からの測定データ、すなわち、サンプル表面２ａで反射した光の偏光変化量の測定データや、光学顕微鏡１７やＣＣＤカメラ１８からの信号が入力される。そして、このパソコン１９においては、前記測定データが適宜演算処理および画像処理され、サンプル表面２ａの光学定数（屈折率や消衰係数）とサンプル表面２ａの薄膜の膜厚が測定され、光学顕微鏡１７やＣＣＤカメラ１８からの信号は演算処理および画像処理され、測定結果は数値および画像の形態で、パソコン１９に接続されたカラーディスプレイ２０の表示画面２０ａに表示される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の膜厚測定装置においては、サンプル表面２ａを異なった倍率で観察するのにレボルバー方式の光学顕微鏡１７を用いており、このような光学顕微鏡１７を用いて、サンプル表面２ａにおける微小な観察領域を所定の倍率で観察する場合、複数の対物レンズ１７ａのうちの一つを選んで機械的に切換える必要があるが、位置決めの再現性が問題となり、ミクロン（μｍ）オーダーの精度で位置決めを行う場合、高精度の再現性に欠けるとともに、モータなど機械的な駆動部分は、その寿命や耐久性に問題があるとともに切換え速度にも欠けるといった課題がある。さらに、サンプル表面２ａの上方には、機械的駆動を行うためのモータなど機械的に磨耗する部材が設けられており、このような部材において発生する微粒子（パーティクル）がサンプル表面２ａに付着し、サンプル２を汚損したり、所望の観察に支障を来すおそれもある。
【０００９】
上述の課題は、膜厚測定装置のみならず、他の半導体測定装置においても同様に生じているところである。
【００１０】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、微細な観察領域を再現性よく、しかも、倍率切換えを高速で行い、かつクリーンルームなど超清浄な環境においても使用することのできる半導体測定装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、サンプルとしての半導体の拡大画像を画像処理装置に取り込むようにした半導体測定装置において、前記サンプルを水平な状態に保持する測定ステージを、３つの互いに直交する方向にそれぞれ直線的に移動するように構成されたステージ保持機構を有し、前記測定ステージの上方の一方側には入射光学系が、他方側には検出光学系が設けられているとともに、前記測定ステージの上方で前記サンプルに対向して設けられる対物レンズの後段に複数の互いに独立した光路を形成し、これらの光路のそれぞれにレンズ群およびディテクタ手段を設けて、拡大倍率が互いに異なる複数の顕微鏡光路を形成するとともに、前記ディテクタ手段を切換え制御する画面切換手段を設け、前記各顕微鏡光路によって得られる複数の倍率の異なる画像を前記画面切換手段によって適宜選択して前記画像処理装置に取り込むことができるようにしている（請求項１）。
【００１２】
上記半導体測定装置において、サンプルからの光を複数の互いに独立した光路に対して分割するための光分割手段を設けてあってもよい（請求項２）。
【００１３】
上記半導体測定装置においては、機械的な手段によることなく、複数の倍率の異なる画像切換えを行うようにしているので、倍率切換えを高速かつ再現性よく行うことができ、サンプル表面を所望の倍率で確実に観察することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１は、この発明の一つの実施の形態を示すもので、半導体測定装置としての膜厚測定装置の要部の構成を概略的に示すものである。この図において、図２に示した符号と同一符号は同一物であり、入射光学系３及び検出光学系９も図２と同一であるため、それらの説明は省略する。
【００１５】
前記図１において、２１は対物部で、その下端には測定ステージ１上のサンプル２に対向するように対物レンズ２２が設けられるとともに、この対物レンズ２２の後段（上方側）には、ハーフミラー２３が水平な方向と４５°の角度で設けられている。このハーフミラー２３の水平方向側部には、サンプル２を照明するための例えばハロゲンランプよりなる照射光源２４が設けられている。なお、２５はハーフミラー２３の鉛直方向上方に設けられるレンズである。
【００１６】
２６は対物部２１のレンズ２５の後段（図示例では上方）に設けられる光分割手段としての光路分割部で、レンズ２５を上方側の光路２７を複数（図示例では３つ）の光路（顕微鏡光路）２７ａ，２７ｂ，２７ｃに分割するもので、図示例では、４つの直角プリズム２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄによって構成されている。前記３つの顕微鏡光路２７ａ〜２７ｃは互いに独立しており、それぞれ、レンズ群２８ａ，２８ｂ，２８ｃおよびディテクタ手段としてのＣＣＤカメラ２９ａ，２９ｂ，２９ｃをこの順で備えており、拡大倍率がそれぞれ例えば３倍、６倍、１５倍になるように構成されている。
【００１７】
なお、上記構成の顕微鏡光路２７ａ〜２７ｃにおいては、画像倍率が互いに異なり、したがって、ＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃに入射する光量が、倍率の大きいものほど小さくなる。そこで、直角プリズム２６ａ〜２６ｄにおける光の透過面または反射面に適宜の蒸着を施して、光の透過率および反射率を調整し、ＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃにおける面積比光量が互いに等しくなるようにするのが好ましい。
【００１８】
３０は画像処理装置で、例えばパソコンよりなる。この画像処理装置３０は、図１に示したパソコン１９が備える機能に加えて、前記ＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃにおいてそれぞれ得られる画像信号を選択的に取り込む機能を備えている。すなわち、この画像処理装置３０内には、画面切換手段としてのビデオキャプチャーボード（以下、ＶＣＢという）３１が設けられている。
【００１９】
３２は画像処理装置３０に接続されたカラーディスプレイで、図２のカラーディスプレイ２０と同様の機能を備えている。また、３３はモニター装置で、ＶＣＢ３１からのアナログ出力に基づいてＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃにおいてそれぞれ得られる画像信号を選択して画像として表示することができる。
【００２０】
上記構成の半導体測定装置においては、例えばサンプル２の膜厚測定に先立って行われるサンプル２を観察する場合、照射光源２４から照明光３４を照射すると、この照明光３４はハーフミラー２３および対物レンズ２２を経てサンプル２を照射する。そして、この照射によるサンプル２における反射光３５が対物レンズ２２およびハーフミラー２３を経てレンズ２５に入射する。このレンズ２５を経た光３６は、光路分割部２６において３つ顕微鏡光路２７ａ〜２７ｃに分割される。３つ顕微鏡光路２７ａ〜２７ｃを進んだ光は、リレーレンズ２８ａ〜２８ｃを経てＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃにおいて、３倍、６倍、１５倍の像を形成する。
【００２１】
そして、画像処理装置３０の入力操作部（図示していない）における入力キーを操作することにより、ＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃにおける一つの画像（例えば３倍画像）が選択されて、その画像信号がＶＣＢ３１を介して画像処理装置３０内に取り込まれる。そして、６倍あるいは１５倍の画像に切換えたいときは、前記入力キーを操作することにより、所望倍率の画像信号が画像処理装置３０内に取り込まれる。この取り込まれた画像信号は、画像処理装置３０およびＶＣＢ３１内において画像処理され、カラーディスプレイ３２およびモニター装置３３において表示される。
【００２２】
上述のように、上記半導体測定装置においては、図２に示したような従来の半導体測定装置における場合と異なり、機械的な手段によることなく、複数の倍率の異なる画像を選択的に取り込むことができるので、クリーン度が要求されるウェハなど半導体の各種測定を行う場合に好適に用いることができる。そして、倍率切換えは、画像処理装置３０などパソコンからの電気的切換え指令によって行われ、機械的駆動を伴うものではないので、倍率の異なる画像切換えを高速かつ再現性よく行うことができる。したがって、サンプル２の表面２ａを所望の倍率で確実に観察することができる。
【００２３】
なお、上記プリズム２６ａ〜２６ｄに代えてハーフミラーなどの他の光分割・透過手段を用いてもよい。この場合においてもハーフミラーの表面上に適宜の蒸着を施して光の透過率および反射率を調整することにより、ＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃにおける面積比光量が互いに等しくなるようにするのが好ましい。また、ＣＣＤカメラ２９ａ〜２９ｃに代えて、他のディテクタ手段を用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、サンプルを水平な状態に保持する測定ステージを、３つの互いに直交する方向にそれぞれ直線的に移動するように構成されたステージ保持機構を有し、前記測定ステージの上方の一方側には入射光学系が、他方側には検出光学系が設けられているとともに、前記測定ステージの上方で前記サンプルに対向して設けられる対物レンズの後段に複数の互いに独立した光路を形成し、これらの光路のそれぞれにレンズ群およびディテクタ手段を設けて、拡大倍率が互いに異なる複数の顕微鏡光路を形成するとともに、前記ディテクタ手段を切換え制御する画面切換手段を設け、前記各顕微鏡光路によって得られる複数の倍率の異なる画像を前記画面切換手段によって適宜選択して前記画像処理装置に取り込むことができるようにしたので、機械的な手段によることなく、微細な観察領域を再現性よく、しかも、倍率の切換えを高速で行うことのできるようになり、所望のサンプル画像を精度よく確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の半導体測定装置の要部の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】 従来の半導体測定装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…測定ステージ、２…サンプル、３…入射光学系、９…検出光学系、２２…対物レンズ、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ…複数の光路（顕微鏡光路）、２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…レンズ群、２９ａ，２９ｂ，２９ｃ…ディテクタ手段、３０…画像処理装置、３１…画面切換手段。

Claims (2)

1. サンプルとしての半導体の拡大画像を画像処理装置に取り込むようにした半導体測定装置において、前記サンプルを水平な状態に保持する測定ステージを、３つの互いに直交する方向にそれぞれ直線的に移動するように構成されたステージ保持機構を有し、前記測定ステージの上方の一方側には入射光学系が、他方側には検出光学系が設けられているとともに、前記測定ステージの上方で前記サンプルに対向して設けられる対物レンズの後段に複数の互いに独立した光路を形成し、これらの光路のそれぞれにレンズ群およびディテクタ手段を設けて、拡大倍率が互いに異なる複数の顕微鏡光路を形成するとともに、前記ディテクタ手段を切換え制御する画面切換手段を設け、前記各顕微鏡光路によって得られる複数の倍率の異なる画像を前記画面切換手段によって適宜選択して前記画像処理装置に取り込むことができるようにしたことを特徴とする半導体薄膜測定装置。
2. サンプルからの光を複数の互いに独立した光路に対して分割するための光分割手段が設けられている請求項１に記載の半導体測定装置。

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