JP6491833B2 - 高さ測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、高さ測定装置に係り、特に光を試料に照射することによって得られる反射光を検出することによって、高さを測定する高さ測定装置に関する。

走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置は、電子ビーム等の荷電粒子ビームを細く絞って照射する装置である。試料に照射される電子ビームは対物レンズ等でその焦点距離が調整されるが、適正に焦点調整が行われていないと、適正な画像や波形を取得することができない。特に、半導体の製造過程で微細なパターン幅や穴径を計測するために用いられるＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）やＳＥＭ式検査装置では、焦点があっていないと、測定対象であるパターンの幅や穴径の本来の寸法と異なった値を出力することになる。また、パターン比較による欠陥検出などでは、正しいパターンを欠陥として誤検出してしまう恐れがある。

そのため、焦点合わせ（フォーカス調整）が重要となるが、一般的な焦点合わせを自動化する自動焦点制御では、対物レンズの焦点位置を変化させ、各点で電子線像を検出し、その電子線像から合焦点位置を検出するため、自動焦点合わせに時間がかかってしまう。例えば、半導体製造工程におけるＣＤ−ＳＥＭやＳＥＭ式検査装置は、スループットも重要な性能指標の一つであり、焦点調整に要する時間を極力低減することが望ましい。

特許文献１には、焦点調整の高速化を実現するために、光学式の高さ計測器を搭載した走査電子顕微鏡が開示されている。光学式の高さ計測器を用いて試料の高さを予め計測しておくことによって、電子ビームの焦点の粗調整が可能となるため、電子ビームの焦点位置の振り幅を小さくすることができ、結果として、焦点調整に要する時間を短くすることができる。

特許文献１には、斜め上方から単一、もしくは複数のスリットの像を被測定物へ照射し、反射した単一、もしくは複数のスリットの像を検知して、その光量重心の移動量から相対高さを測定する高さ計測器が開示されている。特許文献１では、単一、もしくは複数のスリットの像を被測定物に照射し、反射した像を２次元エリアセンサで検出し、被測定物表面の反射率分布の影響を受けた部位を除いてスリットの像の重心を計算し、重心の移動量から高さを算出する方法が開示されている。

特許第４４２６５１９号（対応米国特許ＵＳＰ７，５９９，０７６）

更なる高スループット化を実現するためには、高さ計測に要する演算処理を簡素化することが求められる。一方で、特許文献１に説明されている明るさむら等の影響を排除するような高度な演算を行うと、演算装置に大きな負荷がかかり、高スループット化の妨げとなる可能性がある。

以下に高さ測定に要する演算処理の簡素化による高スループット化を目的とする高さ測定装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、試料に対して光を照射する光源と、試料からの反射光を検出する受光素子と、当該受光素子から出力される信号に基づいて前記試料の高さを求める演算装置を備えた高さ測定装置であって、前記光源と前記試料との間に配置される２次元スリットを備え、前記演算装置は、当該２次元スリットの投影像の第１の方向の位置情報に基づいて、前記試料高さを求めるものであって、前記第１の方向とは異なる第２の方向の異なる位置について、複数の前記第１の方向の位置情報を求め、当該位置情報の平均値を算出する高さ測定装置を提案する。

上記構成によれば、簡単な演算処理に基づいて、高精度な高さ測定が可能となり、結果として装置の高スループット化と、高精度測定の両立ができる。

光学式高さ測定装置の一例を示す図。 Ｚステージを備えた光学式高さ測定装置の一例を示す図。 ２次元撮像センサ上に投影された２次元スリット像と、２次元撮像センサによって得られた投影像に基づいて形成された波形情報の一例を示す図。 反射率の異なる部位が混在する領域に、スリット像が投影された状態を説明する図。 半導体ウエハ上のダイを含む領域に、高さ測定装置の光が照射されたときに得られる波形情報の一例を示す図。 光学系に絞りを挿入した光学式高さ測定装置の一例を示す図。 光学式高さ測定装置に用いられるスリットの類型を示す図。

ランプなどの波長範囲が広い光源を備えた光学式高さ測定機では、色収差の影響によって高さ計測精度が低下する場合がある。また、色収差を抑制するためには、複雑な光学系を採用する必要がある。一方、レーザーダイオードのような波長範囲が狭い光源を使用すると、測定対象物の表面に薄い透明膜などが存在するときに、多重干渉などの影響で高さ測定精度が低下する場合がある。

また、精度向上のために計算で明るさむらの影響などを排除すると、計算が複雑になりスループットの面で不利である。

以下に説明する実施例では、主に簡便な光学系で安価、高精度、かつ実用的な検出速度を持った高さ測定装置について説明する。

以下に説明する実施例では、対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影し、この投影された２次元スリット光の測定対象物による反射光を検出し、この検出された２次元スリット光による２次元スリット像を２次元エリアセンサで電気信号に変換し、この変換された２次元スリット像による電気信号から計算によって高さを検出する高さ測定装置について説明する。

また、対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影する投影光学系と、測定対象物からの２次元スリット光による反射光を検出する検出光学系と、検出された２次元スリット光による２次元スリット像を電気信号に変換する２次元エリアセンサと、変換された２次元スリット像による電気信号から高さを計算する高さ測定装置について説明する。

また、光源としてレーザーダイオードを備えた高さ測定装置であって、偏光方向の制御によってレーザーダイオード光源の干渉性による薄膜多重干渉を低減することが可能な高さ測定装置について説明する。

また、測定対象物表面の半導体パターンなどの構造による明るさむらを低減することが可能な高さ測定装置について説明する。

また、２次元スリットマスクの形状を段階的に変更することで、測定対象物のエッジ部分であっても精度よく高さ測定する高さ測定装置について説明する。

また、精度よく高速に高さ計測するために、変換された２次元スリット像による電気信号から、少なくとも２方向の座標情報に基づいて高さ計算する高さ測定装置について説明する。

更に、変換された２次元スリット像による電気信号から、少なくとも２方向の座標情報に基づいて高さ計算する処理として、スリット像長辺方向の１画素ごとに、スリット像のスリット本数分のピーク座標、およびボトム座標を算出し、スリット像長辺方向の各画素のピーク、およびボトム座標の平均座標から画素ごとの重心位置を算出し、算出した画素ごとの重心座標の平均座標から、２次元スリット像全体の重心位置を算出する高さ測定装置について説明する。

後述する実施例によれば、光源にレーザーダイオードを使用することで安価に光学式高さ検出器を構成できる。また、光源にレーザーダイオードを使用することで起こる被測定物表面の透明膜による多重干渉の影響を低減し、被測定対象物表面の構造によるマルチスリット像の明るさむらを低減し、精度よく高さ計測できる。また、光学式高さ検出器における２次元スリットマスク像の重心位置計算方法を簡便にできる。つまりは、安価で高精度、および実用的速度の光学式高さ検出器を構成することができる。

以下、図面を用いて、高さ測定装置の具体的な構成について説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には、同符号を使用する。

図１、及び図２は高さ測定装置の概要を示す図である。光源となるレーザー装置１０１から出射したレーザー光は、レンズ１０２を通過し、マルチスリット１０３を通って絞り１０４の位置で集光する。凹レンズおよび凹レンズと凸レンズを組み合わせたダブレット型レンズを使用した投影レンズ１０５を使用し、被測定物１０６に対して斜方より入射し、被測定物１０６の表面でマルチスリットの像を結像する。被測定物１０６の表面で反射した２次元遮蔽物１０３の像は、検出レンズ１０７を通過して、光学系の射出瞳面に設置された絞りを通過して、２次元エリアセンサ１０８（受光素子）の表面で再結像する。

被測定物１０６は、Ｘステージ１１４、及びＹステージ１１３に支持された吸着装置１１１の上に設置される。また、Ｙステージ１１３と吸着装置１１１の間には、図２に示すようにＺステージ２０１があっても良い。レーザー装置１０１、および２次元撮像装置１０８は、それぞれ、制御装置１１５、および画像処理装置１１６（演算装置）に接続されている。一点鎖線は、レーザー装置１０１から２次元撮像センサ１０８へと至るレーザー光の光路１０９である。

また、光路１０９と法線１１０の角度を入射角θ、スリット像の重心位置移動量（ずれ）をΔＳ、２次元エリアセンサの画素サイズをｐ、被測定物で反射した後の結像倍率をｍとすると、相対高さΔＺは式１で表すことができる。

ΔＺ＝（ΔＳ・ｐ）／（２ｍ・ｓｉｎθ） 〔式１〕
なお、レーザー装置１０１は、偏光方向１１８が、Ｐ偏光が入射方向に対して縦になる様設置することが重要である。つまりは、Ｓ偏光がウエハ面に対して並行になる様マルチスリット像を入射する。これによって、ウエハ表面に透明薄膜が存在しても、多重干渉による測定誤差を小さくすることができる。

図３はマルチスリット像３０２の拡大図とマルチスリット像の長辺方向各画素単位の輝度分布を表す。実施例をわかりやすくするため、マルチスリットは８本のスリットとしているが、スリットの形状や本数を限定するものではない。ΔＳを計算するに当たり、マルチスリットの像３０２の中心位置をスリット像全体の重心３０６と考え、このスリット像全体の重心３０６の移動量をΔＳとする。マルチスリット像３０２は、２次元エリアセンサの表面で8本のガウス分布（マルチスリット像の輝度分布３０３）として検出される。２次元エリアセンサによって撮像されたマルチスリット像３０２は、２次元エリアセンサの各画素３０１において、２次元エリアセンサの輝度分解能に応じた輝度値として記録される。各ガウス分布の最凸部の輝度値をピーク３０４と考えると、被測定物の表面が一定反射率であれば、８本それぞれのガウス分布のいずれかの位置のピーク座標を取得し、その平均を算出すればスリット像全体の重心座標３０６を算出することができる。しかし、被測定物の表面で、ランダム、周期的問わず反射率が変化していると、ガウス分布は反射率の高い方へピーク位置がシフトする。

図４は反射率の違う部位にまたがるようにマルチスリット像が照射されたときの影響を示す。反射率の違う部位４０１にマルチスリット像３０２が照射されたとき、反射率境界部のガウス分布ピークは反射率が高い方へシフトする。反射率の違う部位の影響を受けた部位４０２の位置でピーク座標がシフトし、重心位置がスリットの像の中心から外れることとなる。

本実施例ではできるだけ安定してスリット像全体の重心位置３０６をスリットの像の中心として算出し、なおかつ計算速度を高速にするため、以下のような手順で計算を行うこととした。

まず、スリットの像に画像処理を適用する。何らかの平滑化フィルタによって、ピーク付近を滑らかにする。平滑化フィルタの種類は問わないが、計算を簡便にするため、単純移動平均による平滑化を行った。被測定物の表面状態によって、スリットの像を撮像したときに、ピーク付近でノイズが発生し、ピーク位置を誤って検出することを防ぐためである。

次に、スリットの像を長辺方向に向かって、２次元エリアセンサの画素サイズ単位に分割し、分割したスリットの像においてそれぞれピーク座標を検出する。ピーク座標の検出方法は問わないが、計算を簡便にするため、隣り合う画素の輝度値を比較し、最も輝度値が高い座標をピーク座標とした。

次に、検出した複数のピーク座標を平均してマルチスリット像３０２の長辺方向に２次元エリアセンサの画素３０１単位で分割した数だけ重心座標を計算する。
次に、計算した各画素単位で分割した数の重心座標３０５で平均算出する。

この方法で計算することで、計算上の重心位置はマルチスリット像の中心に収束していくので、測定値が安定し、実用的な精度で測定することが可能になる。このとき、２次元遮蔽物の長さは問わないが、長いほどに平均値算出のための重心座標数が増えて中心に収束する。そのため、必要な測定精度に合わせて長さを決定するのが良い。最後に、算出した重心座標を用いて、重心座標の変化量から式１によって相対高さを計算する。

図５は２次元スリット像が、半導体ウエハのダイ５０１を含む領域に投影されたときに、２次元エリアセンサによって得られる輝度分布の一例を示す図である。図５の例の場合、ダイ５０１への２次元スリット像の投影によって、ピーク５０２近辺のピークの輝度情報が、それ以外の部分と異なる場合があり、正確な高さ情報が得られなくなる可能性がある。一方、上述のように、ダイ５０１の影響を受けない部分の輝度分布情報をも併せて取得し、当該情報に基づいて高さ情報を演算することによって、高さ評価を行う試料上の状況に寄らず、高精度に高さ測定を行うことが可能となる。

以上のように、ΔＳの評価方向（第１の方向、例えばＸ方向）とは垂直な方向（第２の方向、例えばＹ方向）の複数の異なる位置にて、複数のΔＳを求め、平均化する処理を行うことによって、高精度な高さ測定を行うことができる。また、本例ではスリットの長手方向の異なる位置でΔＳを求めているので、図４に例示するように２次元スリットが投影される領域に反射率の異なる部位が含まれていたとしても、その影響を大きく受けることなく、安定した高さ測定を行うことが可能となる。

上述の実施例によれば、簡単な演算に基づいて、試料表面上に状況によらず、高精度な高さ測定を行うことができ、結果として装置の高スループット化と、高精度測定の両立が可能となる。

上述の例では、マルチスリット像３０２の輝度分布３０３のピーク３０４のずれに基づいて、高さ測定を行う例について説明したが、ピーク３０４のようなピークトップだけではなく、ピークのボトムの位置情報も含めてΔＳを求めることによって、より高精度な測定を行うことが可能となる。具体的には、マルチスリット像３０２を長辺方向に２次元エリアセンサの画素３０１単位で分割した後、ガウス分布のピーク３０４の座標だけでなく、あわせてスリットの像のボトム座標を算出する。ピーク座標とボトム座標の両者を用いて平均を算出し、スリットの像の画素単位の重心座標を算出し、算出した画素単位の重心座標の平均を算出し、スリット像全体の重心座標とする。算出したスリットの像の重心座標を用いて、被測定物の高さが変化したときの重心座標の変化から式1によって相対高さを計算する。

図６は、検出レンズ１０７と二次元エリアセンサ１０８との間に、絞り６０１を備えた高さ計測装置を示す図である。このように、絞り６０１を検出光学系に挿入することで、被測定物１０６の表面構造による明るさむらを低減することができる。本原理は、絞りを挿入することで本来必要のない光を遮蔽することにある。このとき、光学系の射出瞳の位置に絞りを置くことで、絞りはローパスフィルタとして働く。被測定物表面の構造は、一般的な半導体ウエハの場合、マルチスリットの周期に比べて十分に小さい。つまりは、２次元周波数領域において、マルチスリットの周波数に比べて被測定物表面の構造は十分に高い周波数である。被測定物表面の構造が持つ周波数をフィルタリングし、マルチスリットの周波数を通過させるようなローパスフィルタとして働く絞りを挿入することで、明るさむらを低減したマルチスリット像が２次元エリアセンサに結像する。これによって、高精度な高さ測定が可能となる。なお、使用する絞りの形状は、光学系の設計によって変わるため限定しないが、円形、矩形、その他形状のどれであっても良い。

なお、高さ計算を行う際に、２次元エリアセンサで得たマルチスリット像を計算上でフィルタリングすることができる。例えば、得られた輝度情報を、２次元ＦＦＴした後、一般的なローパスフィルタ、もしくはバンドパスフィルタによってマルチスリットの周波数領域を通過させることで、２次元エリアセンサで得たマルチスリット像は明るさむらを低減され、高精度な高さ測定が可能となる。

また、上述の例では、スリットの形状、大きさ、間隔が同一のマルチスリットについて説明したが、スリット間の間隔や大きさが統一されていないマルチスリットを用いることもできる。このようにマルチスリット１０３の形状を変更することで、スリット像が欠けることによる高さ測定誤りを防止することができる。反射率が低い部位にスリット像の一部が照射されるときの各スリット像の輝度差によるダイナミックレンジ不足や、被測定物の縁に近い部位での高さ測定においてマルチスリット像の一部しか被測定物に照射されないときに、マルチスリット像のうち検出できない本数を計算し、理想的なスリット像の電気信号を補完する。

補完した上で高さ計算すれば、上述のような少なくとも２方向の座標情報を用いて平均することでスリット像重心位置を算出する方法では、問題なく実用的な高さ測定(高さ推定)が可能となる。図７にスリット像の例を示す。図３に例示したスリット像を投影するためのスリット７０１に対して、長さを段階的に変更したスリット７０２、７０３、周期を段階的に変更したスリット７０４、および幅を段階的に変更したスリット７０５である。また、これらの組み合わせや、その他の形状であっても、どのスリットが検出できないか容易に判別できる形状であればよい。例えば、長さを段階的に変更したスリット７０２、および７０３においては、スリットの長さによって各スリット位置が決まるため、何本目のスリットが検出できないのか容易に判別できる。また、周期を段階的に変更したスリット７０４においては、次のスリットまでの距離が各々の位置で違い、かつ距離が決まっているため、何本目のスリットが検出できないのか容易に判別できる。また、幅を段階的に変更したスリット７０５においては、各スリットの幅が違い、かつ幅が決まっているため、何本目のスリットが検出できないのか容易に判別できる。これらのスリット形状を段階的に変化させる方法では、高さ計算アルゴリズムにおいて、あらかじめ各スリットの長さ、周期、幅などを記憶しておき、実際に２次元エリアセンサで検出したスリット像の形状とパターンマッチングするだけで、検出できないスリットを特定することができる。検出できないスリットを特定した後、記憶したスリットの周期から位置を特定して補完すればよい。

１０１…レーザー装置、１０２…レンズ、１０３…マルチスリット、１０４…絞り、１０５…投影レンズ、１０６…被測定物、１０７…検出レンズ、１０８…２次元エリアセンサ、１０９…光路、１１０…法線、１１１…吸着装置、１１２…Ｚステージ、１１３…Ｙステージ、１１４…Ｘステージ、１１５…光源電源、１１６…２次元エリアセンサ電源、１１７…制御装置、１１８…偏光方向（Ｐ）、２０１…Ｚステージ、３０１…２次元エリアセンサの画素、３０２…マルチスリット像、３０３…マルチスリット像の輝度分布、３０４…ガウス分布のピーク、３０５…各画素単位のスリット像重心、３０６…スリット像全体の重心、４０１…反射率の違う部位、４０２…反射率の影響を受ける部位、６０１…絞り、７０１…標準のスリット像、７０２…長さを段階的に変更したスリット像１、７０３…長さを段階的に変更したスリット像２、７０４…周期を段階的に変更したスリット像、７０５…幅を段階的に変更したスリット像

Claims (5)

1. 試料に対して光を照射する光源と、試料からの反射光を検出する受光素子と、当該受光素子から出力される信号に基づいて前記試料の高さを求める演算装置を備えた高さ測定装置において、
   前記光源と前記試料との間に、複数のスリットが配列された２次元スリットを備え、前記演算装置は、２次元状に画素が配列された前記受光素子に投影される前記２次元スリットの投影像から得られる第１の方向の第１の重心座標の演算に基づいて、前記試料の高さを求めるものであって、前記演算装置は、前記第１の方向とは異なる第２の方向の画素単位で、前記複数の各スリットに対応する輝度分布からそれぞれのピーク座標を取得し、前記第２の方向の画素単位で、前記ピーク座標の平均から複数のスリットの第２の重心座標を算出し、当該第２の方向の画素単位で算出された複数の第２の重心座標の平均値を算出することによって、前記第１の重心座標を求めることを特徴とする高さ測定装置。
2. 請求項１において、
   前記２次元スリットは、前記第２の方向に長手方向を持つ複数のスリットを備えていることを特徴とする高さ測定装置。
3. 請求項２において、
   前記複数のスリット間の複数の間隔は、等間隔であることを特徴とする高さ測定装置。
4. 請求項３において、
   前記複数のスリットの前記長手方向の長さ、前記複数のスリット間の間隔、及び前記第１の方向のスリット幅の少なくとも１つが、前記第１の方向の位置に応じて段階的に変化するように形成されていることを特徴とする高さ測定装置。
5. 請求項１において、
   前記試料と受光素子との間に絞りが配置されていることを特徴とする高さ測定装置。