JP4603177B2 - Scanning laser microscope - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの基板面上の膜厚等を測定するための走査型レーザ顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウエハなどの基板表面には、透明または半透明の薄膜が形成されることがあるが、これらの薄膜の膜厚寸法にバラツキがあると、製品として所定の寸法を得られないことがある。このため、従来は、上述したような試料の薄膜の膜厚寸法を測定する測定装置として、走査型レーザ顕微鏡が多く用いられている。
【0003】
走査型レーザ顕微鏡を用いた膜厚測定装置によると、薄膜を形成した試料と対物レンズを光軸方向に高精度に移動させると共に、対物レンズを介して試料にレーザ光を照射し、試料からの反射光に応じた輝度データを検出し、この輝度データの変化に基づいて測定対象面(例えば、薄膜表面と基板面(薄膜と基板との境界面))を検出し、検出された各測定対象面間の寸法を求めることで薄膜の膜厚を測定している。
【0004】
試料の中には、基板上に薄膜を複数層形成したものがある。このような試料についての各層の測定対象面(例えば、薄膜表面、異なる薄膜間の境界面、基板表面)を検出するには、例えば、特開平8−210818号公報に記載されているように、レーザ光をポイント、もしくは一方向にラインスキャン、もしくは2次元方向に面でスキャンさせながら、対物レンズの位置を光軸(Z軸)方向に、所定距離ずつ移動させて、試料側からの反射光に応じた輝度データを連続的に検出し、その連続した輝度データの中で輝度データが最大となる位置から各測定対象面を検出するようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特開平8−210818号公報に記載された装置によって、膜厚測定を行おうとすると、レーザ光の照射により取得される各測定対象面からの反射光に対応する輝度データは、取得した時のZ位置情報と共にメモリに書き込んでいくため、上述したような連続した輝度データ中で輝度データが最大となるピーク位置を求める測定では、取り込んだ輝度データからピーク位置と該ピーク位置に基づいて膜厚を求めなければならないので、メモリは全ての輝度データと該輝度データに対応する全てのZ位置情報を記憶しなければならない。特に2次元にレーザ光を走査する場合は、メモリの記憶容量を大容量にしなければならないという問題があった。
【0006】
さらに、上述したような測定方法では、試料と対物レンズを相対的にZ軸方向に移動させることにより、膜厚を求めるためZ軸の駆動分解能が膜厚の測定精度に直接影響する。このため、Z軸駆動分解能は、求める測定精度に対して十分高精度、高分解能であることが必要であるために、装置が高価になってしまうという問題もあった。
【0007】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、画像データのメモリ容量が少なくて済み、さらにZ軸駆動分解能も高精度、高分解能である必要のない、安価な膜厚測定機能付き走査型レーザ顕微鏡を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、レーザ光源と、前記光源から発せられたレーザ光を試料上に集光する対物レンズと、前記試料上を前記対物レンズで集光された前記レーザ光の集光位置が前記レーザ光の光軸に対して直交する方向に移動するように走査する走査手段と、前記対物レンズで集光された集光位置と共役な位置に配置された遮光部材と、前記遮光部材を介して前記試料からの光を受光し、輝度信号を出力する光検出器とを有する走査型顕微鏡において、前記レーザ光の光軸に対して直交するように載置され、前記試料を傾けることができると共に、前記試料を傾いた状態で保持できる保持台と、前記保持台に保持された前記試料からの光を前記光検出器で受光し、当該検出器より出力された前記試料からの前記輝度信号と該輝度信号を計測した時の前記試料の傾き角とに基づいて前記試料の厚みを求める演算を行う演算部とを有することを特徴とする。
【0009】
請求項2記載の発明は、前記保持台は、傾斜ステージであることを特徴とする。
【0010】
請求項3記載の発明は、前記走査手段は、光偏向部材を用いたものであり、前記試料に対して前記レーザ光を走査するようにしたことを特徴とする。
【0011】
請求項4記載の発明は、前記走査手段は、XYステージを用いたものであり、前記XYステージの移動により前記試料を前記レーザ光に対して走査するようにしたことを特徴とする。
【0012】
請求項5記載の発明は、前記遮光部材は、ピンホールであることを特徴とする。
【0013】
請求項6記載の発明は、前記光検出器から出力された前記輝度信号を輝度情報として表示するモニタと、前記モニタに表示された前記輝度情報を基に前記試料の厚みを求めるための測定対象面を指示する指示手段とを有することを特徴とする。
【0014】
請求項7記載の発明は、前記演算部は、前記試料の屈折率に対応する補正係数に基づいて演算処理を行うことを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態を、図1および図2を参照して説明する。
【0016】
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す概略構成図である。
【0017】
レーザ光源1から出射されたレーザ光は、ミラー2で反射し、ハーフミラー3を透過して2次元走査機構4に入射される。この2次元走査機構4は、コンピュータ5(中央処理部)の制御部5aの制御により、レーザ光を2次元走査するものである。上記2次元走査機構4からのレーザ光は、光軸方向で移動可能な対物レンズ6を介して傾斜ステージ7に載置された試料8の測定対象面の領域を全面にわたって2次元走査する。
【0018】
上記傾斜ステージ7は、XYステージ9上に載置されている。そして、上記XYステージ9は、コンピュータ5の制御部5aによって制御されるXY軸駆動機構10に接続されている。さらに、上記傾斜ステージ7は、コンピュータ5(中央処理部)に接続された観察条件入力部11(例えば、キーボード、マウス等)により、顕微鏡使用者が任意の角度を入射することで、コンピュータ5の制御部5aにより傾斜ステージ駆動機構12によって、試料8を所定の角度だけ傾けることができる。さらに、観察条件入力部11には、傾斜ステージ7の傾斜角の他に、対物レンズ6の倍率、後述する光検出器15のゲイン、2次元走査機構4の走査範囲も入力することができる。
【0019】
そして、試料8からの反射光は、対物レンズ6で集光され、2次元走査機構4を介して、ハーフミラー3で反射され、結像レンズ13により、ピンホール14の位置に集光し、光検出器15により検出される。ピンホール14は対物レンズ6の焦点位置と共役な位置に配置されているので、試料8上でピントの合っている部分の光のみが光検出器15で検出される。
【0020】
上記試料8上でのレーザ光のピント合わせ操作は、コンピュータ5の制御部5aに接続されたZ軸駆動機構16により、Z軸駆動部17を制御して、対物レンズ6を光軸方向に移動させることによって行われ、試料8上でピントがあった部分の光のみが光検出器15で検出される。この光検出器15で検出された信号は、コンピュータ5(中央処理部)の画像入力部5bによって、レーザ光の2次元走査に同期して取り込まれ、2次元画像としてモニタ18に表示される。
【0021】
なお、ここでは、対物レンズ6を光軸方向で移動させてレーザ光の焦点位置を変えていたが、これに限られるものではなく、例えば、Z軸方向での駆動も可能にしたXYステージ9を用いてもよい。
【0022】
さらに、上記コンピュータ5は内部に、観察条件入力部11により設定された観察条件によって得られ、モニタ18に表示された顕微鏡画像(2次元画像)上で、観察部位の寸法測定を行う機能を備えた画像処理部5cを有する。また、上記画像処理部5cにより測定された測定結果に対して各種演算処理を行う演算部5dも有している。
【0023】
図2(A)は、試料8を、図1の構成を備えた走査型レーザ顕微鏡を用いて観察した状態を模式的に示したものである。
【0024】
ここで例にあげる試料8は、半導体の基板上に透明な薄膜が1層形成されているものであり、傾斜ステージ7により角度θだけ傾いた状態で、XYステージ9上に載置されている。
【0025】
レーザ光源1からのレーザ光は、2次元走査機構4によって、対物レンズ6を介して、試料8の測定対象面として薄膜表面8aと基板面8bを矢印で示すように、X、Y方向にスポット光で走査する。すると、試料8からの反射光は、光検出器15によって検出される。光検出器15で検出される反射光は、スポット光が合焦していない部分からの反射光に比べて、スポット光が合焦する薄膜表面8aおよび基板面8bの部分からの反射光の方が強いため、実質的にはスポット光が薄膜表面8aおよび基板面8bに合焦している部分からの反射光のみが光検出器15に検出される。
【0026】
したがって、光検出器15によって検出された反射光は、図2(B)に示すように、薄膜表面8aの合焦面で反射した光と、基板面8bの合焦面で反射した光が、モニタ18上の観察画面にラインとして表示され観察される。図2(C)は、図2(A)のA−A断面における光検出器15の信号の輝度分布を示すものであり、横軸はX方向の位置、縦軸は信号の輝度を示している。
【0027】
なお、図3は、基板面8b上に形成される薄膜の膜厚にムラが生じていた場合に、測定された観察画面の一例であり、直線のラインで表わされている基板面8bに対して、膜厚にムラがある薄膜表面8aは、蛇行したラインで観察画面上に表示される。
【0028】
図2(A)、(B)、(C)および図3において、Wは、スポット光が薄膜表面8aと基板表面8bに合焦した位置を表しており、このWの線幅は、コンピュータ5の画像処理部5cによって、計測される。
【0029】
したがって、試料8の薄膜の膜厚をtとすると、次式で表される。
【0030】
t=W・sinθ
(Wは、線幅、θは、試料の傾き角を表す)
ここで、θは、観察入力部11によって指示した傾斜ステージ7の傾き角であり、既知の値であるから、コンピュータ5の演算部5cで上式の演算を行えば、薄膜の膜厚tを求めることができる。
【0031】
上記の第1の実施の形態の変形例について説明する。
【0032】
第1の実施の形態では、薄膜表面と基板表面での反射光による2本のラインをモニタ18上の同一観察画面で観察でき、コンピュータ5の画像処理部5cでその2本のライン間距離(線幅)Wを計測するようにしたが、これに限られるものでなく、例えば、図4に示すように、レーザ光による走査でなく、試料に対するレーザ光の光軸は固定しておき、XYステージをXYに駆動させることで試料上をレーザ光が走査するようにして、Wの値をXYステージ9の移動距離から求めるようにすることもできる。
【0033】
また、第1の実施の形態では、試料8は、薄膜が1層形成されていたが、薄膜の層は、1層に限られるものでなく、薄膜層が2層の場合は、観察される測定対象面を表すラインが3ライン、3層の場合は、観察される測定対象面を表すラインが4ラインとなり、ライン間の線幅を計測すれば、それぞれの薄膜の膜厚を測定することができる。
【0034】
上記第1の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【0035】
対物レンズを光軸方向(Z軸方向)に走査することなしに、試料表面の薄膜の膜厚を簡単に計測することができるので、輝度情報を蓄えるメモリの記憶容量は少なくて済む。また、Z軸の駆動は、ピント合わせが出来れば十分であり、Z軸の駆動分解能は、測定精度には影響しないので、安価な構造で構成することができる。さらに、対物レンズの倍率や傾斜ステージの傾き角θを適宜に設定することで、様々な寸法の膜厚測定を行うことができる。
【0036】
なお、傾斜ステージの傾き角θは、試料又は測定時間に応じて変更することが好ましく、例えば、膜厚の極めて薄い薄膜の膜厚測定を行おうとした場合、傾斜ステージの傾き角θを小さくすることで、薄膜表面と基板面とのライン間距離Wを長くできるので、精度の良い膜厚測定を行うことができる。
【0037】
また、上述した実施の形態では、基板上に薄膜を1層形成された試料について説明したが、基板上に薄膜を複数層形成した試料であっても、例えば、薄膜表面と薄膜の境界面との膜厚や、薄膜の境界面と基板面(境界面)との膜厚も測定することができ、薄膜が複数積層された試料の測定を行うと共にその測定時間を短縮したい場合、傾斜ステージの傾き角θを大きくすることで、薄膜表面と基板面とのライン間距離Wを短くして測定時間の短縮ができる。
【0038】
第2の実施の形態について、図5を参照して説明する。
【0039】
走査型レーザ顕微鏡の構成は、第1の実施の形態と同一であるので、同一の符号を付して、説明は省略する。本実施の形態は、薄膜の膜厚を第1の実施の形態よりもより正確に計測するために、コンピュータ5の演算部5dでの演算方法のみが異なっている。
【0040】
図5において、試料8は、基板面上に、比屈折率nの透明な薄膜が形成されている。また、試料8は、傾斜ステージ7によりθだけ傾いた状態でXYステージ9に載置されている。薄膜表面8a上のS点からの反射光は、対物レンズ6により集光され、モニタ18の観察画面の右側のラインSmを形成する。基板面8b上のQ点からの反射光は、薄膜内部から観察雰囲気中へ光路をまたぐため光線が屈折し、モニタ18の観察画面上では、あたかも図中のP点からの反射光のように観察されることになる。したがって、この反射光は、モニタ18の観察画面の左側のラインPmを形成する。
【0041】
このとき屈折の法則により、
sinα=nsinβ …▲1▼
ここで、OP間の距離をT、OQ間の距離をtとすると、
t・tanβ=T・tanα …▲2▼
▲2▼式を変形して、
t=(tanα/tanβ)・T …▲3▼
さらに、観察画面上での各ライン間の寸法(線幅)の計測値をWとすると、OP間の距離Tは、次式で表される。
【0042】
T=W・sinθ …▲4▼
したがって、計測したい実際の膜厚tは、▲3▼式と▲4▼式から、
t=(tanα/tanβ)・W・sinθ …▲5▼
で表すことができる。
【0043】
上述した式中のαは、傾斜ステージ7の傾斜角θおよび対物レンズ6の開口数(N.A.)によって変化するものであるから、予め既知の膜厚tに対してWを計測し、(tanα/tanβ)の値を実験的に求めておく。そして、この値をコンピュータ5の演算部5dのメモリ部に記憶させておき、演算部5dにおいて▲5▼式の演算を行うことによって、未知の膜厚の計測をより正確に計測することができる。
【0044】
上記第2の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
【0045】
薄膜の膜厚を計測するに際して、薄膜の屈折率に応じて補正をすることができるので、正確な膜厚計測を行うことができる。
【0046】
本発明は、上記実施の形態に記載されている膜厚測定に限定されるものではなく、薄膜の測定以外に、基板表面の段差測定に適用することができる。また、レーザ走査型顕微鏡に限らず、共焦点光学系を備えた顕微鏡であれば適用することができる。さらに、2次元走査機構としては、2枚のミラーを振動させることによって、試料をスキャンする以外に、らせん状の多数の孔を有するディスクを用い、そのようなディスクを回転させることによって、試料をスキャンすることもできる。
【0047】
また、絞り部材としては、上述した実施の形態ではピンホールを用いたものであったが、これらに限られるものではなく、例えば、スリットを用いることができ、走査手段に音響光学素子を用いて、ピンホールでは試料からの光を受光できない場合であっても、スリットとラインセンサとを組み合わせることで、上述した実施の形態と同様の効果を奏するだけでなく、音響光学素子を用いることにより、より走査に要する時間を短縮することができる。
【0048】
また、上述した実施の形態では、試料上を例えばガルバノミラーを用いてレーザ光を走査するタイプと、レーザ光に対して試料をXYステージで移動させることで、試料上をレーザ光で走査するタイプについてのみ触れたが、これに限られるものでなく、レーザ光を走査する走査手段と試料を移動させることによる走査手段とを組み合わせて、例えば、ガルバノミラーでレーザ光のX方向の走査を行わせると共に、XYステージで試料をY方向に移動させることにより、レーザ光が試料上をY方向に走査するようにしてもよい。
【0049】
また、上述した実施の形態は、モニタに表示した2次元画像に対して計測値Wを手動で指示することもできるが、予め閾値を設定しておき、光検出器から出力された輝度信号が閾値を越えたところが基板面或いは薄膜表面と判断させ、自動で膜厚測定を行なわせるようにしてもよい。
【0050】
また、対物レンズ6の中心位置と対物レンズ6の周辺位置とでレーザ光の合焦位置が変わることに起因する像面湾曲を補正することで、さらに正確な膜厚計測が可能となる。詳述すると、計測用の試料とは別に基準試料を所定の傾斜角θで保持した状態で計測前に予め計測し、基準試料で得た像面湾曲データを含む膜厚データをコンピュータ5の図示しないメモリに記憶させておき、計測用の試料を計測して得た膜厚データから像面湾曲データを補正することができ、正確な膜厚計測を実現できる。
【0051】
また、上述した膜厚計測装置に、さらに誤差を含む正常な薄膜の膜厚データ(以下、比較データと称する)を記憶しておく記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている比較データと計測した膜厚データとを比較して、膜厚データが比較データを大幅に上回った場合又は下回った場合に、試料の薄膜の膜厚が異常であると判断する比較手段とを備えることで、例えば、半導体ウエハ基板の良・不良の判別を効率良く行うようなシステムを実現することができる。
【0052】
また、Z軸を駆動させないで、2次元走査機構で2次元走査(XY走査)するだけで、膜厚測定できるので、Z軸を駆動させて行う膜厚測定と比べて検出速度を向上させることができる。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、画像データのメモリ容量が少なくて済み、さらにZ軸駆動分解能も高精度、高分解能である必要のない、安価な膜厚測定機能付き走査型レーザ顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における走査型レーザ顕微鏡の概略構成図。
【図2】本発明の第1の実施の形態における薄膜の観察状態を表した図であり、(A)は、薄膜の観察状態を模式的に表した図、(B)は、モニタ上の画像を表した図、(C)は、画像の輝度分布を表した図。
【図3】本発明の第1の実施の形態において、薄膜の膜厚にムラが生じていた場合のモニタ上の画像を表した図。
【図4】本発明の第1の実施の形態における変形例を説明するための図。
【図5】本発明の第2の実施の形態における薄膜の膜厚計測方法を摸式的に表した図。
【符号の説明】
1 レーザ光源
4 2次元走査機構
5c 画像処理部
5d 演算部
6 対物レンズ
7 傾斜ステージ
8 試料
9 XYステージ
15 光検出器
18 モニタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning laser microscope for measuring a film thickness on a substrate surface of a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
A transparent or semi-transparent thin film may be formed on the surface of a substrate such as a semiconductor wafer. If the film thickness of these thin films varies, a predetermined dimension may not be obtained as a product. For this reason, conventionally, a scanning laser microscope is often used as a measuring apparatus for measuring the film thickness dimension of the thin film of the sample as described above.
[0003]
According to a film thickness measuring apparatus using a scanning laser microscope, the sample formed with a thin film and the objective lens are moved with high accuracy in the optical axis direction, and the sample is irradiated with laser light through the objective lens. Luminance data corresponding to the reflected light is detected, and a measurement target surface (for example, a thin film surface and a substrate surface (a boundary surface between the thin film and the substrate)) is detected based on a change in the luminance data, and each detected measurement target The film thickness of the thin film is measured by determining the dimension between the faces.
[0004]
Some samples have a plurality of thin films formed on a substrate. In order to detect a measurement target surface (for example, a thin film surface, a boundary surface between different thin films, a substrate surface) of such a sample, for example, as described in JP-A-8-210818, Reflecting light from the sample side by moving the position of the objective lens by a predetermined distance in the direction of the optical axis (Z-axis) while scanning the laser beam with a point, line scanning in one direction, or scanning with a plane in two dimensions The luminance data corresponding to the measurement data is continuously detected, and each measurement target surface is detected from the position where the luminance data is maximum in the continuous luminance data.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When film thickness measurement is performed by the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-210818, luminance data corresponding to reflected light from each measurement target surface acquired by laser light irradiation is obtained as Z. In the measurement for obtaining the peak position where the luminance data is maximized in the continuous luminance data as described above, the film thickness is calculated based on the peak position and the peak position from the acquired luminance data. Since it has to be obtained, the memory must store all the luminance data and all the Z position information corresponding to the luminance data. In particular, when laser light is scanned two-dimensionally, there is a problem that the storage capacity of the memory must be increased.
[0006]
Furthermore, in the measurement method as described above, since the film thickness is obtained by relatively moving the sample and the objective lens in the Z-axis direction, the Z-axis drive resolution directly affects the film thickness measurement accuracy. For this reason, since the Z-axis drive resolution needs to be sufficiently high and high resolution with respect to the required measurement accuracy, there is also a problem that the apparatus becomes expensive.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and requires a small memory capacity for image data. Further, the Z-axis drive resolution is not required to have high accuracy and high resolution, and an inexpensive film thickness measurement function. An object of the present invention is to provide an attached scanning laser microscope.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
First aspect of the present invention, a laser light source, an objective lens for a laser beam emitted from the light source focused on the sample, the condensing position of the laser beam the upper sample is condensed by the objective lens Scanning means for scanning so as to move in a direction orthogonal to the optical axis of the laser beam, a light shielding member disposed at a position conjugate with the light collection position condensed by the objective lens, and the light shielding member In a scanning microscope having a light detector that receives light from the sample and outputs a luminance signal , the sample is placed so as to be orthogonal to the optical axis of the laser light, and the sample is tilted And a holder that can hold the sample in an inclined state, and light from the sample that is held on the holder is received by the photodetector and is output from the sample that is output from the detector. measuring the luminance signal and the luminance signal It was based on the tilt angle of the sample when you; and a calculation unit for performing an operation for obtaining the thickness of the sample.
[0009]
The invention according to claim 2 is characterized in that the holding table is an inclined stage.
[0010]
The invention described in claim 3 is characterized in that the scanning means uses an optical deflection member, and the laser beam is scanned with respect to the sample.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, the scanning means uses an XY stage, and the sample is scanned with respect to the laser light by moving the XY stage.
[0012]
The invention according to claim 5 is characterized in that the light shielding member is a pinhole.
[0013]
According to a sixth aspect of the invention, a monitor for displaying the luminance signal output from the optical detector as the luminance information, measured for determining the thickness of the sample based on the luminance information displayed on the monitor And an instruction means for indicating a surface.
[0014]
The invention according to claim 7 is characterized in that the calculation unit performs a calculation process based on a correction coefficient corresponding to a refractive index of the sample.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
[0016]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
[0017]
Laser light emitted from the laser light source 1 is reflected by the mirror 2, passes through the half mirror 3, and enters the two-dimensional scanning mechanism 4. The two-dimensional scanning mechanism 4 performs two-dimensional scanning with laser light under the control of a control unit 5a of a computer 5 (central processing unit). The laser beam from the two-dimensional scanning mechanism 4 performs two-dimensional scanning over the entire surface of the measurement target surface of the sample 8 placed on the tilt stage 7 via the objective lens 6 that can move in the optical axis direction.
[0018]
The tilt stage 7 is placed on the XY stage 9. The XY stage 9 is connected to an XY axis drive mechanism 10 that is controlled by the control unit 5 a of the computer 5. Further, the tilt stage 7 is configured so that the microscope user enters an arbitrary angle by an observation condition input unit 11 (for example, a keyboard, a mouse, etc.) connected to the computer 5 (central processing unit). The sample 8 can be tilted by a predetermined angle by the tilt stage driving mechanism 12 by the controller 5a. Further, in addition to the tilt angle of the tilt stage 7, the magnification of the objective lens 6, the gain of the photodetector 15 described later, and the scanning range of the two-dimensional scanning mechanism 4 can be input to the observation condition input unit 11.
[0019]
Then, the reflected light from the sample 8 is condensed by the objective lens 6, reflected by the half mirror 3 through the two-dimensional scanning mechanism 4, condensed by the imaging lens 13 at the position of the pinhole 14, It is detected by the photodetector 15. Since the pinhole 14 is arranged at a position conjugate with the focal position of the objective lens 6, only the light in the focused portion on the sample 8 is detected by the photodetector 15.
[0020]
The laser beam focusing operation on the sample 8 is performed by moving the objective lens 6 in the optical axis direction by controlling the Z-axis drive unit 17 by the Z-axis drive mechanism 16 connected to the control unit 5a of the computer 5. The light detector 15 detects only the portion of the light that is in focus on the sample 8. The signal detected by the photodetector 15 is captured in synchronism with the two-dimensional scanning of the laser beam by the image input unit 5b of the computer 5 (central processing unit) and displayed on the monitor 18 as a two-dimensional image.
[0021]
Here, the objective lens 6 is moved in the direction of the optical axis to change the focal position of the laser beam. However, the present invention is not limited to this, and for example, an XY stage 9 that can be driven in the Z-axis direction. May be used.
[0022]
Further, the computer 5 has a function of measuring the size of the observation region on the microscope image (two-dimensional image) obtained by the observation condition set by the observation condition input unit 11 and displayed on the monitor 18. Image processing unit 5c. Moreover, it has the calculating part 5d which performs various calculation processes with respect to the measurement result measured by the said image process part 5c.
[0023]
2A schematically shows a state in which the sample 8 is observed using a scanning laser microscope having the configuration of FIG.
[0024]
The sample 8 shown here is an example in which a single transparent thin film is formed on a semiconductor substrate, and is placed on the XY stage 9 while being tilted by the tilt stage 7 by an angle θ. .
[0025]
The laser light from the laser light source 1 is spotted in the X and Y directions by the two-dimensional scanning mechanism 4 through the objective lens 6 and the thin film surface 8a and the substrate surface 8b as the measurement target surface of the sample 8 as indicated by arrows. Scan with light. Then, the reflected light from the sample 8 is detected by the photodetector 15. The reflected light detected by the photodetector 15 is reflected light from the thin film surface 8a and the substrate surface 8b where the spot light is focused, compared to the reflected light from the part where the spot light is not focused. Therefore, substantially only the reflected light from the portion where the spot light is focused on the thin film surface 8a and the substrate surface 8b is detected by the photodetector 15.
[0026]
Therefore, as shown in FIG. 2B, the reflected light detected by the photodetector 15 includes light reflected by the focusing surface of the thin film surface 8a and light reflected by the focusing surface of the substrate surface 8b. It is displayed as a line on the observation screen on the monitor 18 and observed. FIG. 2C shows the luminance distribution of the signal of the photodetector 15 in the section AA in FIG. 2A, where the horizontal axis indicates the position in the X direction, and the vertical axis indicates the luminance of the signal. Yes.
[0027]
FIG. 3 is an example of an observation screen measured when the film thickness of the thin film formed on the substrate surface 8b is uneven. On the substrate surface 8b represented by a straight line, FIG. On the other hand, the thin film surface 8a with uneven film thickness is displayed on the observation screen by meandering lines.
[0028]
2A, 2 </ b> B, 2 </ b> C, and FIG. 3, W represents a position where the spot light is focused on the thin film surface 8 a and the substrate surface 8 b, and the line width of W is the computer 5. Is measured by the image processing unit 5c.
[0029]
Therefore, when the thickness of the thin film of the sample 8 is t, it is expressed by the following formula.
[0030]
t = W · sinθ
(W represents the line width and θ represents the tilt angle of the sample)
Here, θ is the tilt angle of the tilt stage 7 instructed by the observation input unit 11 and is a known value. Therefore, if the calculation unit 5c of the computer 5 performs the above calculation, the film thickness t of the thin film is obtained. Can be sought.
[0031]
A modification of the first embodiment will be described.
[0032]
In the first embodiment, two lines by reflected light on the thin film surface and the substrate surface can be observed on the same observation screen on the monitor 18, and the distance between the two lines (by the image processing unit 5c of the computer 5 ( However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 4, the optical axis of the laser beam with respect to the sample is fixed and XY is not scanned as shown in FIG. It is also possible to obtain the value of W from the moving distance of the XY stage 9 by driving the stage to XY so that the laser beam is scanned on the sample.
[0033]
In the first embodiment, the sample 8 is formed with one thin film. However, the thin film layer is not limited to one layer, and is observed when there are two thin film layers. When there are 3 lines or 3 layers representing the measurement target surface, the number of lines representing the measurement target surface is 4 lines, and if the line width between the lines is measured, the film thickness of each thin film can be measured. Can do.
[0034]
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
[0035]
Since the film thickness of the thin film on the sample surface can be easily measured without scanning the objective lens in the optical axis direction (Z-axis direction), the memory capacity for storing the luminance information can be small. Further, it is sufficient for the Z-axis drive to be focused, and the Z-axis drive resolution does not affect the measurement accuracy, so that it can be configured with an inexpensive structure. Furthermore, film thickness measurements of various dimensions can be performed by appropriately setting the magnification of the objective lens and the tilt angle θ of the tilt stage.
[0036]
Note that the tilt angle θ of the tilt stage is preferably changed according to the sample or the measurement time. For example, when measuring the film thickness of a very thin film, the tilt angle θ of the tilt stage is reduced. As a result, the inter-line distance W between the surface of the thin film and the substrate surface can be increased, so that accurate film thickness measurement can be performed.
[0037]
In the above-described embodiment, the sample in which one thin film is formed on the substrate has been described. However, even a sample in which a plurality of thin films are formed on the substrate, for example, the surface of the thin film and the boundary surface between the thin films Film thickness and the film thickness between the boundary surface of the thin film and the substrate surface (boundary surface) can be measured. By increasing the inclination angle θ, it is possible to shorten the measurement time by shortening the inter-line distance W between the thin film surface and the substrate surface.
[0038]
A second embodiment will be described with reference to FIG.
[0039]
Since the configuration of the scanning laser microscope is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted. In this embodiment, only the calculation method in the calculation unit 5d of the computer 5 is different in order to measure the film thickness of the thin film more accurately than in the first embodiment.
[0040]
In FIG. 5, the sample 8 has a transparent thin film having a relative refractive index n formed on the substrate surface. Further, the sample 8 is placed on the XY stage 9 while being inclined by θ by the inclined stage 7. The reflected light from the point S on the thin film surface 8a is collected by the objective lens 6 to form a line Sm on the right side of the observation screen of the monitor 18. The reflected light from the point Q on the substrate surface 8b crosses the optical path from the inside of the thin film into the observation atmosphere, so that the light beam is refracted, and on the observation screen of the monitor 18, as if reflected from the point P in the figure. Will be observed. Therefore, this reflected light forms a line Pm on the left side of the observation screen of the monitor 18.
[0041]
At this time, due to the law of refraction,
sin α = nsin β (1)
Here, if the distance between OP is T and the distance between OQ is t,
t · tanβ = T · tanα… ▲ 2 ▼
(2) By transforming the equation,
t = (tan α / tan β) · T (3)
Furthermore, if the measured value of the dimension (line width) between the lines on the observation screen is W, the distance T between the OPs is expressed by the following equation.
[0042]
T = W · sinθ… ▲ 4 ▼
Therefore, the actual film thickness t to be measured can be calculated from Equations (3) and (4).
t = (tan α / tan β) · W · sin θ (5)
Can be expressed as
[0043]
Since α in the above equation varies depending on the tilt angle θ of the tilt stage 7 and the numerical aperture (NA) of the objective lens 6, W is measured in advance for a known film thickness t, The value of (tan α / tan β) is obtained experimentally. And this value is memorize | stored in the memory part of the calculating part 5d of the computer 5, and the measurement of an unknown film thickness can be measured more correctly by performing calculation of (5) Formula in the calculating part 5d. .
[0044]
According to the second embodiment, the following effects can be obtained.
[0045]
When measuring the film thickness of the thin film, correction can be made according to the refractive index of the thin film, so that accurate film thickness measurement can be performed.
[0046]
The present invention is not limited to the film thickness measurement described in the above embodiment, but can be applied to the step measurement on the substrate surface in addition to the measurement of the thin film. Further, the present invention is not limited to a laser scanning microscope and can be applied to any microscope provided with a confocal optical system. Further, as a two-dimensional scanning mechanism, in addition to scanning a sample by vibrating two mirrors, a disk having a large number of spiral holes is used, and by rotating such a disk, the sample is rotated. You can also scan.
[0047]
Further, as the diaphragm member, the pinhole is used in the above-described embodiment. However, the diaphragm member is not limited to this. For example, a slit can be used, and an acoustooptic device is used as a scanning unit. Even if the pinhole cannot receive light from the sample, by combining the slit and the line sensor, not only the same effect as the above-described embodiment, but also by using an acousto-optic element, The time required for scanning can be further shortened.
[0048]
In the above-described embodiment, the sample is scanned with a laser beam using, for example, a galvanometer mirror, and the sample is scanned with a laser beam by moving the sample with respect to the laser beam on an XY stage. However, the present invention is not limited to this, and a scanning unit that scans a laser beam and a scanning unit that moves a sample are combined to perform scanning of the laser beam in the X direction using, for example, a galvanometer mirror. At the same time, the laser beam may be scanned in the Y direction on the sample by moving the sample in the Y direction on the XY stage.
[0049]
In the above-described embodiment, the measurement value W can be manually designated with respect to the two-dimensional image displayed on the monitor. However, the threshold value is set in advance, and the luminance signal output from the photodetector is obtained. It may be determined that the portion exceeding the threshold is the substrate surface or the thin film surface, and the film thickness is automatically measured.
[0050]
Further, by correcting the curvature of field caused by the change of the focus position of the laser beam between the center position of the objective lens 6 and the peripheral position of the objective lens 6, more accurate film thickness measurement can be performed. More specifically, the film thickness data including the field curvature data obtained by measuring the reference sample in advance in a state where the reference sample is held at a predetermined inclination angle θ in addition to the measurement sample and including the curvature of field data obtained from the reference sample is shown in FIG. It is possible to correct the field curvature data from the film thickness data obtained by measuring the measurement sample and storing it in the memory that is not to be measured, thereby realizing accurate film thickness measurement.
[0051]
In addition, the above-described film thickness measuring apparatus further stores a storage means for storing normal thin film thickness data including errors (hereinafter referred to as comparison data), and comparison data and measurement stored in the storage means. By comparing with the film thickness data, and provided with a comparison means for determining that the film thickness of the thin film of the sample is abnormal when the film thickness data greatly exceeds or falls below the comparison data, for example, Therefore, it is possible to realize a system for efficiently determining whether a semiconductor wafer substrate is good or defective.
[0052]
In addition, since the film thickness can be measured only by two-dimensional scanning (XY scanning) with the two-dimensional scanning mechanism without driving the Z axis, the detection speed can be improved as compared with the film thickness measurement performed by driving the Z axis. Can do.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an inexpensive scanning laser microscope with a film thickness measurement function that requires a small memory capacity for image data and that does not require high accuracy and high resolution in the Z-axis drive resolution. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning laser microscope according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing an observation state of a thin film in the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a diagram schematically showing an observation state of the thin film, and FIG. The figure showing the image, (C) is a figure showing the luminance distribution of the image.
FIG. 3 is a diagram showing an image on a monitor when there is unevenness in the film thickness of the thin film in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a modification in the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a thin film thickness measuring method according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 4 Two-dimensional scanning mechanism 5c Image processing part 5d Calculation part 6 Objective lens 7 Inclination stage 8 Sample 9 XY stage 15 Photo detector 18 Monitor

Claims (7)

レーザ光源と、前記光源から発せられたレーザ光を試料上に集光する対物レンズと、前記試料上を前記対物レンズで集光された前記レーザ光の集光位置が前記レーザ光の光軸に対して直交する方向に移動するように走査する走査手段と、前記対物レンズで集光された集光位置と共役な位置に配置された遮光部材と、前記遮光部材を介して前記試料からの光を受光し、輝度信号を出力する光検出器とを有する走査型顕微鏡において、
前記レーザ光の光軸に対して直交するように載置され、前記試料を傾けることができると共に、前記試料を傾いた状態で保持できる保持台と、
前記保持台に保持された前記試料からの光を前記光検出器で受光し、当該検出器より出力された前記試料からの前記輝度信号と該輝度信号を計測した時の前記試料の傾き角とに基づいて前記試料の厚みを求める演算を行う演算部と、
を有することを特徴とする走査型レーザ顕微鏡。
A laser light source, an objective lens for condensing the laser light emitted from the light source on the sample, and a condensing position of the laser light condensed on the sample by the objective lens on the optical axis of the laser light Scanning means for scanning so as to move in a direction orthogonal to the light; a light shielding member disposed at a position conjugate with the light collecting position condensed by the objective lens; and light from the sample via the light shielding member In a scanning microscope having a photodetector that receives light and outputs a luminance signal,
Is mounted so as to be orthogonal to the optical axis of the laser beam, it is possible to tilt the sample, a holder that can be held in an inclined state of the sample,
Receiving light from the sample held on the holding table by the light detector, a tilt angle of the sample when the luminance signal and the luminance signal from the sample output from the detector was measured A calculation unit for calculating the thickness of the sample based on
A scanning laser microscope characterized by comprising:
前記保持台は、傾斜ステージであることを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。  The scanning laser microscope according to claim 1, wherein the holding table is an inclined stage. 前記走査手段は、光偏向部材を用いたものであり、前記試料に対して前記レーザ光を走査するようにしたことを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。  2. The scanning laser microscope according to claim 1, wherein the scanning means uses an optical deflecting member, and the laser beam is scanned with respect to the sample. 前記走査手段は、XYステージを用いたものであり、前記XYステージの移動により前記試料を前記レーザ光に対して走査するようにしたことを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。  The scanning laser microscope according to claim 1, wherein the scanning unit uses an XY stage, and the sample is scanned with respect to the laser light by moving the XY stage. 前記遮光部材は、ピンホールであることを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。  The scanning laser microscope according to claim 1, wherein the light shielding member is a pinhole. 前記光検出器から出力された前記輝度信号を輝度情報として表示するモニタと、前記モニタに表示された前記輝度情報を基に前記試料の厚みを求めるための測定対象面を指示する指示手段とを有することを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。A monitor for displaying the luminance signal output from the optical detector as the luminance information, and instruction means for instructing the object surface for determining the thickness of the sample based on the luminance information displayed on the monitor The scanning laser microscope according to claim 1, wherein the scanning laser microscope is provided. 前記演算部は、前記試料の屈折率に対応する補正係数に基づいて演算処理を行うことを特徴とする請求項1記載の走査型レーザ顕微鏡。  The scanning laser microscope according to claim 1, wherein the calculation unit performs calculation processing based on a correction coefficient corresponding to a refractive index of the sample.
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