JPH011903A - 深さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば半導体基板に形成されている微細な凹
部の深さを測定するための深さ測定装置に関する。

（従来の技術） 近時、超ＬＳＩの高集積化を目的として、シリコン（Ｓ
りウェハ上に例えば幅１μｍ、深さ５μｍ程度の微細な
溝を形成し、立体キャパシタセル、Ｕ形素子等を分離す
ることが行われている。この場合、溝の深さ管理を厳密
に行う必要があるが、このためには、溝の深さを±０．
５μｍ以下の精度で゛測定する必要がある。従来、この
ような高精度深さ測定には、光の回折光の強度変化を利
用した測定法が用いられている。

しかしながら、従来の測定法では、回折光の強度が、溝
のエツジの形状の影響を敏感に受けやすく、エツジの形
状が一定でなければ、高精度の深さ測定を行うことがで
きない欠点をもっていた。

そこで、本出願人は、特願昭６２−９１９１７号明細書
にて、マイケルソ型干渉計により凹部の表面及び底面に
対応した２檀類の干渉縞を形成したのち、これら２種類
の干渉縞の間隔を測定し、この間隔測定結果に基づいて
凹部の深さを測定する手法を開示した。

しかしながら、上述の技術では、凹部の底面の面積が表
面に比べて極端に小さい場合、凹部の底面での干渉縞の
強度が凹部形成表面の干渉縞の強度より、かなり弱くな
るため、凹部底面の干渉縞を観察できず、深さ測定が不
可能となる欠点をもっている。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記事情を顯慮してなされたもので、半導体
基板に形成されている凹部の深さを、凹部底面の凹部形
成表面に対する面積比の影響を受けることなく、高精度
、非接触かつ非破壊で測定することのできる深さ測定装
置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）トリプルパス干
渉計により凹部の表面及び底面に対応した２種類の干渉
縞を形成し、これら２種類の干渉縞の間隔に基づいて凹
部の表面と底面との面積比の影響を受けることなく、凹
部の表面及び底面からの反射光をほぼ同等にできること
により、凹部の深さを高精度測定するようにしたもので
ある。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述する。

第１図及び第２図は、この実施例の深さ測定装置！Ｉｔ
、’？示している。この装置は、試料（１）の干渉縞を
観察するための観察系（２）と、この観察系（２）に接
続され深さ測定図の干渉縞を生成するいわゆるマイケル
ソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ　）干渉計を構成する干渉系
（３）とからなっている。しかして、干渉系（３）は、
平行光（４りを投光する投光部（４）と、平行光（４り
を入光して矢印（５ａ）、　（５ｂ）方向に分光する第
１・干渉部（６）と、この第１干渉部（６）と試料との
間に設けられた第２干渉部（力と、矢印（５り方向の平
行光（８）を受光する位置にて試料（１）を保持するテ
ーブル（９）とからなっている。そして、第１干渉部（
６）は、平行光（４ａ）を矢印（５ａ）、　（５ｂ）方
向に分光するビームスプリッタ（６ａ）と、矢印（５ｂ
）方向の平行光ａ１を受光する位置に設けられたミラー
圓と、このミラーθυを保持するミラー保持部αのとか
らなっている。他方、第２干渉部（力は、矢印（５り方
向の平行光（８）を受光してその一部を矢印（８ａ）方
向に分光するビームスプリッタ（７ａ）と、矢印（８り
方向の平行光（１０ａ）を受光する位置に設けられたミ
ラー（１１ａ）と、このミラー（１１りを保持するミラ
ー保持部（１２りとからなっている。しかして、ミラー
（ｌｌａ）は、後述するように、ビームスプリッタ（７
りの分離面に対して、試料（１）表面とミラー（１１ａ
）とが互に共役となるように設けられている。そして、
投光部（４）は、タングステンランプ（１階と、このタ
ングステンランプαＪの光を平行光（４ａ）にするコリ
メータレンズα４と、タングステンランプ（１３１及び
コリメータレンズＩが格納された箱体ａＱとからなって
いる。また、ミラー保持部（ｔＪ、　（１２ａ）は、Ｚ
ラー圓。

（１１りを光軸に対する角度調整自在（矢印（鳩方向）
に保持する保持具α７）、（１７ａ）と、この保持具ｕ
７）、　（１７ａ）を光軸に沿った矢印賭方向に微調整
する圧′ＦＪｔ素子（１！Ｊ、（１９ａ）と、この圧電
素子α９．（１９りにｇ動用の電圧を印加するドライバ
（７）、　（２０ａ）とからなっている。

一方、観察系（２）は、ミラーαυから反射した反射光
と試料（１）にて矢印一方向に反射した反射光とがビー
ムスプリッタ（６りにて干渉して出射した干渉光（２５
ａ）、　（２５ｂ）を受光して所定倍率で拡大する顕微
鏡弼と、この顕微鏡（４）にて結像された干渉光□□□
の干渉縞を画像信号に変換するＩＴＶカメラ罰と、この
ＩＴＶカメラＱηからの画像信号を入力して映像信号に
変換するカメラドライバ（至）と、このカメラドライバ
（至）からの映像信号を入力して映像表示するモニタ（
ト）とからなっている。

つぎに、上記構成の深さ測定装置を用いて試料（１）に
刻設された溝状の凹部（７）・・・の深さ測定方法につ
いて述べる。なお、凹部（至）・・・の深さはｄとする
。

また、凹部（７）・・・の底面（Ｂ）と試料（１）の表
面（８）は、はぼ平行になっている。

まず、タングステンランプａＪ力１らの光をコリメータ
レンズ（１４１を介して平行光（４りにする。この平行
光は、ビームスプリッタ（６ａ）にて矢印（５ａ）、（
５ｂ）方向に分光される。この矢印（５ａ）方向の平行
光（８）は、ビームスプリッタ（７りにて、その一部を
矢印（８ａ）方向に分光させる。一方、分光されなかり
た矢印（５ａ）方向の平行光（８）は、試料（１）の溝
状の凹部（至）・・・の底面（Ｂ）及び表面（Ｓ）にて
各別に反射する（第３図参照）。そして、これら底面（
Ｂ）及び表面（Ｓ）から、矢印の方向（矢印（５りの逆
方向）Ｋ反射し九反射光（２３Ｂ）、　（２３８）のう
ち反射光（２３８）は、矢印（８ａ）方向に分光した平
行光（１０ａ）が第２−　（ｌｌりにて矢印（２１り方
向に反射してできた反射＊（ｘｏｂ）とビームスプリフ
タ（７１）　Ｋて干渉する。

ところで、反射光（２３５）と反射光（１０ｂ）との干
渉光（２３８）の強さ工は、下式で表わすことができる
。

Ｉ”Ｉ　ｕ１＋ｕ、ｌ”＝　２Ａ（１＋ｃｏｓ（２ＫＬ
）　）（−、ｕ、＝＝Ａ−ｅｘｐ（ｉδ＋）ｔ　　ｕ２
＝＝Ａ−ｅｘｐ（＋δｘ）、２ＫＬ＝δ１−　δ２　）
ただし、ｕｌ　＋　”鵞はそれぞれ反射光（ｘｏｂ）、
　（２３８）　ノ強さ、また、Ｌは、ビームスプリッタ
（７ａ）の分岐面と試料表面との光学距離と、ビームス
プリッタ（７ａ）の分岐面とミラー（ｌｌａ）との光学
距離の差である。

よりて、Ｌ＝Ｏのときｌ−４Ａっまり最大値をとる。

したがって、この最大値をとる位置から圧電素子（１９
りによりミラー（１１ｍ）を矢印ａ〜方向（光軸方向）
に、Ｌ＝λ／４だけ移動させると、Ｉ＝Ｏとなり最小値
となる。つまり、Ｌ＝０（ミラー（ＸＸａ）と試料（１
）とが共役となる位置。）からＬ＝λ／４の間移動させ
ることで、干渉光（２３８）の５虫さＩは、Ｉ：４Ａか
ら０の間の任意の値に設定できる。ここで、ｒ！！Ｊ部
（至）・・・の表面（Ｓ）と底面ＣＢ＞との面積比を１
：ｍ（ただしｍ＜１）とし、凹部（至）・・・の内部で
の光の減衰率をａ（ただしａく１）とし、かつ、反射率
は、底面（Ｂ）も表面（８）も同じとすると、反射光（
２３８）、　（２３Ｂ）との光の強さの比は、ｌ　：　
ａｍとなる。その場合は、ミラー（１１りを光軸方向に
移動してビームスプリッタ（７ａ）からビームスプリッ
タ（６ａ）にもどってくる干渉光（２３８）、　（２３
Ｂ）　＋７）強さをほぼｌ：１になるように調整する。

しかして、強さが等しくなった干渉光（２３Ｂ）　。

（２３８）とミラー住υからの反射光（ＩＯＣ）との干
渉光（２５ａ）、　（２５ｂ）を利用して以下のような
深さ測定を行う。

第４図乃至第６図において、ミラーＵυを所定量傾ける
と直線干渉縞を得ることができる。ここで、タングステ
ンランプａ３の光は、単色光ではないため、スペクトル
に拡がりをもっている。辷のスペクトルの１鴫をΔωと
すると、コヒーレンス長りは、Ｌ−、：Ｃ／Δωで表わ
すことができる。ただし、Ｃは光速である。このとき現
われる干渉縞の本数Ｎは、Ｎ−＝１７λ０で表わすこと
ができる。ただし、λ。は中心波長である。すなわち、
スペクトル幅Δωが大きくなるほど、コヒーレンス長Ｊ
は小さくなり、現われる干渉縞の本数も減ってくること
を示している。このような条件下で、ミラー口、（至）
を凹部■・・・を有する試料（１）に置きかえる。これ
は、距離ｄだけ離れたミラー０りとミラー（至）との組
合せと見なすことができる。そこで、ミラー３３　（試
料（１）の表面Ｃ１３）に相当）、（至）（凹部叩・・
・の底面■に相当）により作られる干渉縞（２）、（至
）の間隔りは、ミラーσυが光軸に対して角度θ傾いて
いるとすれば、Ｄｚ　ｄ　ｔａｎθで表わすことができ
る。つまり、角度０が一定であるとすれば、間隔りを測
定すれば、深さｄを求めることができる。ここで、間隔
りを求めるには、干渉縞［有］、（至）を区別できねば
ならない。その丸めには、コヒーレンス長Ｊは、深さｄ
の２倍より小さくなければならない。しかして、間隔り
は、顕微鏡（至）の倍率から求められるが、測定精度が
悪いので次の方法を用いる。すなわち、ミラー（至）、
（至）どちらか一方の干渉縞（ロ）又は（至）の視野中
の位置を記憶しておき、他方の干渉縞（至）又は（至）
が同じ位置にくるようにミラーαυを矢印αａ力方向動
かす。このときの移動量がとりもなおさず、凹部（７）
・・・の深さｄである。実際には、第５図のように、干
渉縞（ロ）が視野の特定の位置にくるように圧！素子１
．！！４１によりミラーａυを矢印崗方向に動かす。

このとき、ドライバ四による印加電圧■１を記憶する。

ついで、干渉縞（ハ）が視野中の前記特定位置にくるよ
うにミラーａυを矢印α樽方向に動かす（第６図参照）
。このときの圧ｍ素子儂］へのドライバ（イ）による印
加電圧ｖ２を記憶する。ついで、あらかじめ求められて
いる印加電圧と移動量との関係式により、深さｄを求め
る。

以上のように、この実施例においては、測定光として、
凹部（７）・・・を構成するミラーａ、ｃ３３からの正
反射光を利用して深さ測定する際に、第１及び第２干渉
’＝ｔ　（６Ｊ　、　（７）からなる干渉針により、凹
部（７）・・・の底Ｉ］￥Ｔ（Ｂ）と表面（Ｓ）からの
反射光（２３Ｂ）、　（２３Ｓ）の強きをほぼ同等にな
るように調整できるようにしているので、凹部（７）・
・・の表面（Ｓ）と底面（Ｂ）との面積比に影響宴れる
ことなく、深さを高精度に測定することができる。

なお、干渉縞−１（至）の中央部の決定を第３図乃至第
５図に示すように、直線りに沿った光の強さを示す電圧
値のピーク値を利用してもよい。この場合、目視検査を
省略できるので、完全自動化が可能となる。さらに、圧
′ｄＬ素子住■の代りに電気マイクロなどの変位計を用
いて直接、ミラーαυの移動量を求めるようにしてもよ
い。さらに、ＩＴｖカメラ罰の代りに、ラインセンサカ
メラを用い、干渉縞とこのラインセンサカメラが直交す
るように、干渉縞をまわすようにしても、深さを測定で
きる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、沫さ測定される四部の表面と底面と
の面積比に影響されることなく、高精度の深さが可能と
なる。したがって、超ＬＳＩの製造プロセスに本発明を
通用した場合、格別の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の深さ測定装置の構成図、第
２図は同じく要部拡大構成図、第３図は深さ測定される
試料の斜視図、第４図乃至第６図は本発明の一実施例の
深さ測定方法の説明図である。 （１）・・・試料（被測定部）、（２）・・・観察系。 （３）・・・干渉系、（４）・・・投光部。 （６）・・・第１干渉部、（７）・・・第２干渉部。 Ｕυ、（ｌｌａ）・・・ミラー、　　　　（ハ）・・・
干渉光。 ■Ｖ、（至）・・・干渉縞。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　松山光之 第１図 づ 第　２　図 Ｌめ強プ ！Ｊ６図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　所定のコヒーレンス長を有する測定光を上記コヒーレ
   ンス長の１／２以上の深さの凹部が形成された被測定部
   に投射して上記凹部の深さを測定する深さ測定装置にお
   いて、上記測定光を投光する投光手段と、上記投光手段
   からの測定光を入光して第１及び第２の測定光に分光し
   上記第１の測定光を上記被測定部に投射しこの投射によ
   る上記底面及び上記表面からの第１及び第２の反射光を
   上記第２の測定光と各別に干渉させることにより第１及
   び第２の干渉縞を形成する干渉手段と、上記干渉手段と
   上記被測定部との間に設けられ上記第１の測定光を一対
   の測定光に分光するとともに上記分光された一方の第１
   の測定光により得られた上記第１及び第２の反射光を上
   記分光された他方の第１の測定光と干渉させ上記第１及
   び第２の反射光の強さを同等に調節する光量調節部と、
   上記第１及び第２の干渉縞を観察する観察手段と、上記
   第１及び第２の干渉縞の間隔に基づいて上記凹部の深さ
   を求める深さ算出手段とを具備することを特徴とする深
   さ測定装置。