JPH01235807A

JPH01235807A - 深さ測定装置

Info

Publication number: JPH01235807A
Application number: JP6024488A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hayashi; 正和林; Akira Tsumura; 明津村; Junzo Uchida; 内田　順三
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-16
Filing date: 1988-03-16
Publication date: 1989-09-20

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、半導体の評価に必要な半導体表面に形成され
た微細な穴や溝等のトレンチ深さを測定する深さ測定装
置に関する。

（従来の技術）第７図はかかる深さｎ＋定装置の構成図であって、被検
査体としての半導体ウェハ（以下、ウェハと省略する）
１には白色ランプ２からの白色光が照射されている。そ
して、このウェハ１からの反射光が光ファイバー３によ
ってマイケルソン干渉計４に導かれている。なお、５．
６は光学レンズ、７はハーフミラ−である。光ファイバ
ー３によって導かれた反射光は光学レンズ８、ミラー９
を介してビームスプリッタ１０に送られて２つの反射光
に分けられ、その一方の反射光が可動ミラー１１に送ら
れるとともに他方が参照ミラー１２に送られる。又、こ
の干渉計４にはＨｅ　−Ｎ　ｅレーザ発振器１３が備え
られ、このレーザ発振器１３から出力されたレーザ光が
同ビームスプリッタ１０に送られている。そして、この
レーザ光は上記反射光と同様にビームスプリッタ１０て
２つのレーザ光に分けられてその一方のレーザ光が可動
ミラー１１に送られるとともに他方のレーザ光が参照ミ
ラー１２に送られる。しかして、参照ミラー１２から反
射してくる参照光と可動ミラー１１からの反射光のうち
ウェハｌの表面からの反射光同志により干渉が生じると
ともに、トレンチ底面からの反射光とウェハ１の表面か
らの反射光とにより干渉が生じる。そして、これら干渉
によって生じる干渉縞の光強度は各ホトディテクタ１４
．１５で検出されて信号処理回路１６を通してホストコ
ンピュータ１７に送られる。そこで、トレンチ深さの測
定は、ウェハ１の表面同志及びトレンチ底面とウェハ１
の表面の両干渉縞のパターンのピーク位置のずれから求
められる。

ところが、上記装置ではトレンチ底面の面積が小さくな
るとトレンチ深さの測定が困難となる。

具体的には第８図に示すようにトレンチ底面１ａの面積
のウェハ表面１ｂの面積に対する割合いが例えば１０９
６以下となると測定困難となる。つまり、ウェハ表面１
ｂの面積が大きくなるに従ってウェハ表面１ｂからの反
射光強度がトレンチ底面１ａからの反射光強度よりも高
くなる。このため、トレンチ底面１ａからの反射光を受
光しても、この反射光を判別できなくなってしまう。さ
らに、干渉縞は上記２つの干渉縞だけでな（その他の干
渉縞も生じるので、誤ったトレンチ深さ測定を行いやす
い。又、干渉計４では、可動ミラー１１や参照ミラー１
２等を使用して構成の複雑な光学系を設けるとともにホ
ストコンピュータ１７を使用して演算処理を実行しなけ
ればならない。従って、装置全体のコストも亮くなる。

（発明が解決しようとする課題）以上のようにトレンチ底面の面積が小さくなるほど高精
度にトレンチ深さを、’１１１１定することができない
。

そこで本発明は、トレンチ底面積が小さくなっても高精
度にトレンチ深さを測定できる構成の簡単な深さ測定装
置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、測定光をビームスプリッタで２つに分けてそ
の一方の測定光を複数のトレンチが形成された被測定体
に照射するとともに他方の測定光を参照ミラーに送り、
被測定体からの反射光と参照ミラーから反射してくる参
照光とを干渉させてこの干渉縞からトレンチの深さを測
定する深さ測定装置において、参照ミラーは被測定体の
表面からの反射光強度とトレンチ底面からの反射光強度
とに各々対応した反射率部を有して上記目的を達成しよ
うとする深さａｌｌｌ定装置である。

（作用）このような手段を備えたことにより、参照先は異なる反
射率に形成された参照ミラーで反射してウェハの表面及
びトレンチ底面からの各反射光との間で干渉を生じる。

これにより、トレンチ底面からの反射光との間で生じた
干渉縞の光強度は高くなる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は深さ測定装置の構成図である。同図において２
０はウェハ搭載テーブルであって、このテーブル２０上
には複数のトレンチが形成されたウェハ２１が載置され
ている。なお、トレンチは例えば１０μｍピッチ、１μ
ｍの穴径となっている。

このウェハ搭載テーブル２０はｘｙ軸方向及びＺ軸方向
に対してそれぞれ移動可能となっており、ｘｙ軸方向の
移動は図示しないねじ構成による送り機構となっている
。そして、ノ＼ンドルを回転させることによって送り機
構が動作してウニｌＸ搭載テーブル２０がｘｙ軸方向に
移動するようになっている。なお、この場合、ストロー
クは数１００ｍｍで、位置決めは数μｍ〜数１０μｍと
なっている。

一方、２軸方向の移動はピエゾ素子への電圧印加でウェ
ハ搭載テーブル２０を２軸方向に移動させる２軸駆動部
２２により行われるようになっている。なお、この場合
、ストロークは数１０μｍで、位置決め精度は０．Ｏ１
μｍ〜０．１μｍとなっている。

又、このウェハ搭載テーブル２０には変位表示器２３が
設けられている。この変位表示器２３はウェハ搭載テー
ブル２０の２軸方向に対する変位を表示するもので、２
軸駆動部２２のピエゾ素子への印加電圧値を換算して表
示するものとなっている。なお、この変位表示器２３は
マイクロセンサ静電容量方式やうず電流方式等の変位計
１定器からの測定信号を受ける構成としてもよい。

一方、ウェハ搭載テーブル２０の上方には干渉顕微鏡３
０が配置されている。この干渉顕微鏡３０には照明用の
白色ランプ３１が備えられるとともにこの白色ランプ３
１からＸ軸方向にビームスプリッタ３２及び参照ミラー
３３が配置されている。なお、白色ランプ３１の前方に
はスリット及び光学レンズが配置されて白色ランプ３１
から放射された白色光が平行光に変換され、又参照ミラ
ー３３にはこのミラー３３をｘｙｚ軸方向の各回転角を
調節するねじ等で構成された微動機構３４が設けられて
いる。又、ビームスプリッタ３２の上方には光学レンズ
３５が配置されている。

３６はＩＴＶ（工業用テレビジョン）カメラであって、
干渉顕微鏡３０′？″′得られた干渉縞を撮像してその
画像信号を出力するものとなっている。

この画像信号はディジタル化して画像メモリ３７に記憶
され、かつこの画像メモリ３７から読み出されてモニタ
テレビジョン３８で映し出されるようになっている。こ
のモニタテレビジョン３８は２つの表示領域３８ａ、３
８ｂを有し、一方の表示領域３８ａでは静止画像を映し
出し、他方の表示領域３８ｂではリアルタイムに画像を
映し出すものとなっている。

さて、前記参照ミラー３３には、第２図に示すように反
射率の異なる入反射率部分３３ａ。

３３ｂが形成されている。なお、第１図及び第３図にお
いて参照ミラー３３はその入反射率部分３３ａを手前側
とし入反射率部分３３ｂを奥側に配置しである。次にこ
れら反射率の設定について第３図を参照して説明する。

なお、第１図と同一部分には同一符号を付してあり、同
図において３９はスリット、４０は光学レンズである。

ビームスプリッタ３２に光強度Ａ２の白色光が入射する
と、この白色光は２方向に分けられてその一方の白色光
がウェハ２１に照射され、他方の白色光が参照ミラー３
３に送られる。そして、ウェハ２１からの反射光がビー
ムスプリッタ３２に戻ってくるが、このうちウェハ２１
の表面からの反射光をＵＳとしトレンチ２１ｔの底面か
らの反射光をｕｔとすると、これら反射光ｕｓ、ｕｔＯ
光強度（位相性を含む）はｕ　ｓ　＝Ａｒ３−ｅｘｐ（ｌδ）　　　　　　　　　
　　　　−（１）ｕｔ　−Ａｒｔａｅｘｐｃｉδをン −Ａｒｌαｅｘｐ！ｉ（δ＋４ｙｒｄ＞＋　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（２）λ となる。ここで、λは光の波長、ｒｓ、ｒｔは参照ミラ
ー３３の反射率、αはトレンチ２１ｔにおける光の減衰
率である。

一方、参照ミラー３３からの反射光強度ｕｊは、ｕ　ｊ
　−Ａｒｊ−ｅｘｐ（Ｉδ’）　　　　　　　　　　　
　　　−（３）となる。なお、ｊは参照ミラー３３の位
置によって異なる値となり、同図ではｒｌ、２Ｊをとっ
ている。又、δ′は参照ミラー３３が傾いているのでそ
の位置によって決まる関数である。

そして、ウェハ２１の表面からの反射光及びトレンチ底
面からの反射光と参照光とは共にビームスプリッタ３２
に送られ、これにより干渉が生じる。このときの干渉光
の光強度Ｉは、１−１ｕｔ　＋ｕｓ　＋ｕｊ　ｌ２＝（４）となり、さ
らに上記第（１）式〜第（３）式を用いて表わすと、・・・（５）となる。ここで、第３図に示すｊ−１の場合、すなわち
トレンチ底面２１ｔからの反射光で干渉が生じる位置に
参照ミラー３３が配置されたときは、の関係が成り立つ
。ここで、ｇは参照ミラー３３の傾き係数であり、Ｘは
参照ミラー３３の横方向の位置である。そして、この第
（６）式を第（５）式に代入すると、４πｄ＋２ｒＳｒ＋ｃｏｓ（＋２ｇｘ）　＋２ｒｔαｒ＋ｃｏ
ｓ（２ｇｘ）　　　　　　・・−（７）λ が求められる。さらに、この式を整理すると、となる。

但し、４πｄａ−ｒ）’＋ｒ”＋α２＋２ｒｓｒｔαｃｏｓ　７β−
２Ｊｒｓ２＋ｒｔ２α２には位相付である。

又、第３図においてＦは干渉縞であり、この干渉縞Ｆの
Ｄａ−Ｄａ’及びＤｂ　−Ｄｂ　’断面における光強度
は第４図に示す如くとなっている。ところで、実際には
白色光にはコヒーレント長があるので、上記第（８）式
はｘ−０の近傍でしか成立しない。そして、「ｘ→大」
となるに従ってｃｏｓ　（２ｇｘ　＋　Ｋ　）の縞振幅
は「０」となってしまう。しかし、ｒｘ−ＯＪ近傍では
上記第（８）式が成立するので、この干渉縞のコントラ
ストＣｊ、１は、Ｃｊ、ｌ−β・ｒ＋／（α十ｒ、２）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（９）と定義
される。しかして、このコントラストＣｊ＝ｌを最大と
するｒｌの値は第（９）式を微分して求められる。すな
わち、であり、この第（１０）式を解いて、ｒ、２■α となる。よって、ｒｌの最大値はトレンチ深さｄにより
決まることになる。しかしながら、実際の深さａｌｌ定
ではこのｄは設計値ｄｏからの波長λ以下の変動を測定
することがほとんどであり、この値をΔｄ（λ）とすれ
ば、ｄ−ｄｏ＋ΔｄｈｄＱ　　　　　　　　　　　　　　−
（１２）として上記第（１１）式によりこの第（１２）
式を解いて反射率ｒｌを求める。しかして、トレンチ底
面２１ｔからの反射光に対応する反射率ｒ１は、となる
。又、ウェハ２１の表面からの反射光に対応する反射率
「２は上記第（７）式でｊ−２、ｄ−０、α−１（減衰
なし）として、ここで、コントラストＣｊはとなり、を解いてｒｌ２−（ｒＳ＋ｒｔ）’ ｒ２　””ｒ５＋ｒｔ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・（１７）となる。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明する
。白色ランプ３１を点灯させると、この白色ランプ３１
から平行な白色光が放射される。

この白色光はビームスプリッタ３２で２つの白色光に分
けられて、その一方の白色光がウニ／Ｘ２１に照射され
、他方の白色光が参照ミラー３３に送られる。これによ
り、ウェハ２１からはトレンチ底面から反射光とウェハ
２１の表面からの反射光がビームスプリッタ３２に送ら
れ、同時に参照ミラー３３の異反射部分３３ａ、３３ｂ
から反射してくる各参照光が同ビームスプリッタ３２に
送られる。ここで、参照ミラー３３のｘｙｚ軸方向の傾
きとこのミラー３３の法線方向の変位とを微動機構３４
によって調整すると、第３図に示すような干渉縞Ｆが現
われる。つまり、干渉縞ＦのうちＳａはウェハ２１表面
からの反射光と異反射部分３３ｂからの反射光による干
渉縞であり、ｓｂはトレンチ底面からの反射光と異反射
部分３３ａからの反射光による干渉縞である。ＩＴＶカ
メラ３６はこれら干渉縞Ｓａ、Ｓｂを撮像してその画像
信号を出力する。この画像信号はＡ／Ｄ　（アナログ／
ディジタル）変換されて画像メモリ３７に画像、データ
として記憶される。しかして、モニタテレビジョン３８
には第５図に示すように画像メモリ３７に記憶された画
像データによる干渉縞Ｓａ、Ｓｂが映し出される。この
とき、表示領域３８ａは記ｔαした画像データの干渉縞
を静止画像として映し出す。この状態のＺ軸位置を原点
として２軸駆動部２２によってウェハ搭載テーブル２０
をＺ軸方向に変位させる。そうすると、干渉縞Ｓａ、Ｓ
ｂの生じる位置が移動し、これがモニタテレビジョン３
８の表示画面上では第６図に示すように表示領域３８ｂ
において干渉縞Ｓａ。

ｓｂの移動として映し出される。このように干渉縞Ｓａ
、Ｓｂを移動させて、表示領域３８ａにおけるウェハ２
１からの反射光による干渉縞Ｓａの位置にトレンチ底面
２１　’ｔからの反射光による干渉縞ｓｂの位置が第６
図に示すように一致したとき、ウェハ搭載テーブル２０
の２軸方向の移動を停止する。かくして、このときの変
位表示器２３に表示されているウェハ搭載テーブル２０
の変位がトレンチ深さｄとなる。

このように上記一実施例においては、参照光を異なる反
射率ｒＨ，ｒ２に形成された参照ミラー３３で反射させ
てウェハ２１の表面及びトレンチ底面からの各反射光と
の間で干渉を生じさせるので、トレンチ底面からの反射
率と干渉を生じる参照先の反射率の差が小さくなって干
渉縞のコントラストを高くできる。これによって、トレ
ンチ底面積のウェハ表面積に対する比の小さなもの、す
なわちトレンチ底面からの反射光の光強度が相対的に低
いものでも、トレンチ底面からの反射光により生じる干
渉縞をコントラスト高く得ることができ、従って精度高
くトレンチ深さを測定できる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものでなくそ
の主旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。例えば、 ■　干渉縞の観察はＩＴＶカメラによって行っているが
、これを目視によって行ってもよい。

■　干渉縞の移動からトレンチ深さを求めるときに静止
画像を用いているが、これに限らず例えば画像にカーソ
ル線等を設け、これを目印として移動量を検出するよう
にしてもよい。

■　又、トレンチ深さを求めるときにウェハ搭載テーブ
ル２０を移動させるのでなく、顕微鏡や参照ミラーを移
動させても同様の効果を得ることができる。

■　参照ミラーは測定時に静止させているが、例えば回
転させて互いに異なる反射率の部分が交互に参照光を反
射させるようにしてもよい。さらに、参照ミラーは第３
図で奥行き方向に異反射面を配置しているが、面内長手
方向に配置しても類似の効果を得ることもできる。

■　又、光学レンズ３５の下方にビームスプリッタ３２
を配置しているが、逆に光学レンズをビームスプリッタ
３２の下方に配置してもよい。

［発明の効果］以上詳記したように本発明によれば、トレンチ底面積が
小さくなってｄ高精度にトレンチ深さを測定できる構成
の簡単な深さ測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

′に４１図乃至第６図は本発明に係わる深さ測定装置の
一実施例を説明するための図であって、第１図は構成図
、第２図は参照ミラーの外観図、第３図及び第４図は参
照ミラーの反射率の求め方の説明図、第５図及び第６図
はトレンチ深さを求める場合の説明図、第７図及び第８
図は従来技術を説明するための図である。２０・・・ウェハ搭載テーブル、２１・・・ウェハ、２
２・・・２軸駆動部、２３・・・変位表示器、３０・・
・干渉顕微鏡、３１・・・白色ランプ、３２・・・ビー
ムスプリッタ、３３・・・参照ミラー、３４・・・微動
機構、３５・・・光学レンズ、３６・・・ＩＴＶカメラ
、３７・・・画１象メモリ、３８・・・モニタテレビジ
ョン。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図Ｓａ第３図第４図Ｓａ第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

測定光をビームスプリッタで２つに分けてその一方の測
定光を複数のトレンチが形成された被測定体に照射する
とともに他方の測定光を参照ミラーに送り、前記被測定
体からの反射光と前記参照ミラーから反射してくる参照
光とを干渉させてこの干渉縞から前記トレンチの深さを
測定する深さ測定装置において、前記参照ミラーは前記
被測定体の表面からの反射光強度と前記トレンチ底面か
らの反射光強度とに各々対応した反射率部を有すること
を特徴とする深さ測定装置。