JPH06294625A

JPH06294625A - レーザ顕微鏡およびパターン形状測定方法

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Publication number: JPH06294625A
Application number: JP5080977A
Authority: JP
Inventors: Tadayoshi Mori; 忠儀森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1994-10-21
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3291825B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ウェハーの表面に凸部として形成されている
レジスト等のパターンの特に壁面の形状を測定し得る手
段を提供する。【構成】レーザ光２を光学系２０を介して試料４表面
に照射してその反射光を受光することにより、試料表面
に形成されているパターン１３の寸法や形状を測定し検
査するためのレーザ顕微鏡において、光学系に絞り機構
２１を組み込む。パターンの壁面１３ａの形状を測定す
るに際しては、光学系の焦点を固定した状態で絞り機構
を調節することにより、光学系の焦点深度を変化させ、
それに伴うデータの変化の状況に基づいて壁面の形状を
測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウェハー等の試料の表
面に形成されているレジスト等のパターンの形状を測定
し検査するために用いられるレーザ顕微鏡、およびそれ
を用いたパターン形状の測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体集積回路の製造に
あたっては、ウェハーやマスクあるいはレチクルに描か
れた微細なパターンの線幅を計測したり、それらの重ね
合わせ精度を検査する必要がある。従来においてはその
ような計測、検査は光学顕微鏡を用いて行なっていた
が、近年においては集積回路の高密度化によりパターン
の一層の微細化が進展して線幅がサブミクロンの領域に
及んでおり、このため、共焦点走査方式レーザ顕微鏡が
光学顕微鏡に代って採用されるようになってきている。

【０００３】共焦点走査方式レーザ顕微鏡は、その原理
図を図５（ａ），（ｂ）に示すように、レーザ発振器１
から出射させたレーザ光２を光学系３を介して試料４に
入射し、その反射光を光電子増倍管５で受光して増幅す
るようにしたものである。すなわち、レーザ光２をミラ
ー６で反射させ、レンズ７で絞ってピンホール８を通し
た後、ビームスプリッタ９を透過させて対物レンズ１０
で収束させて試料４に照射するようにし、その表面で反
射したレーザ光を上記ビームスプリッタ９で反射させ、
ピンホール１１を通して光電子増倍管５に入射させるよ
うにしているのである。

【０００４】そのようなレーザ顕微鏡によって、たとえ
ばウェハー１２の表面に凸パターンとして形成されてい
るレジスト１３の線幅やそれらの間隔の計測を行なうに
は、（ａ）に示すように光学系３の焦点Ｆをウェハー１
２の表面の位置に合わせて固定したうえで、スキャンコ
ントローラ１４により試料４をＸ軸方向にスキャンさせ
ながらＹ軸方向にゆっくりと移動させていく。すると、
（ａ）のようにビームスポットがウェハー１２の表面
（レジスト１３の間）を通過しているときは反射光はす
べてピンホール１１を通過するので光電子増倍管５の出
力は高くなるが、（ｂ）のようにビームスポットがレジ
スト１３の上面を通過しているときは反射光はピンホー
ル１１の位置でフォーカスせず、反射光の大部分がその
ピンホール１１により遮られるので光電子増倍管５の出
力は小さくなる。したがって、スキャンコントローラ１
４によるスキャンに同期して光電子増倍管５の出力に応
じた輝度をテレビモニタ１５上に順次描いていくことに
よりレジスト１３のパターンイメージ１６がテレビモニ
タ１５に写し出され、その画像に基づいてレジスト１３
の線幅や間隔の計測を自動的にかつ高精度で行なうこと
が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ウェハー１
２の表面に形成されるレジスト１３は、図６に鎖線で示
しているようにその壁面１３ａがウェハー１２の表面か
ら垂直に立上がる平坦面となっていることが理想的であ
るが、種々の制約条件により実際的には実線で示してい
る如く壁面１３ａがある程度は傾斜してしまうとともに
湾曲面となってしまうことが避けられないものである。
そして、パターンの微細化の進展により、レジスト１３
の壁面１３ａの傾斜の程度や湾曲の程度が製品品質に大
きな影響を及ぼすことから、壁面１３ａの形状を詳細に
認識することが必要とされるようになってきているが、
上記従来のレーザ顕微鏡ではレジスト１３の線幅やその
相互間隔をある程度の精度で測定できるが壁面１３ａの
形状認識まではできるものではなく、そのようなことを
可能ならしめる手段の開発が急務とされていた。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、ウェハー等の基板の表面に形成されているレジスト
等の微細なパターンの断面形状を測定し得るレーザ顕微
鏡とその測定方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、レーザ光を光学系を介して試料表面に照射してその
反射光を受光することにより、試料表面に形成されてい
るパターンの寸法や形状を測定し検査するために用いら
れるレーザ顕微鏡であって、前記光学系には試料に照射
するレーザ光の光量を調節するための絞り機構が組み込
まれてなることを特徴とするものである。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のレーザ顕微鏡を用いて試料表面に凸部として形
成されているパターンの壁面の形状を測定するための方
法であって、前記光学系の焦点を測定対象のパターンの
所定箇所に固定し、その状態で前記絞り機構を調節する
ことによってこの光学系の焦点深度を変化させつつ、試
料にレーザ光を照射してその反射光を受光し、焦点深度
が変化することに伴うデータの変化の状況に基づいて壁
面の形状を測定することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】光学系に組み込んだ絞り機構を調節することに
より、この光学系では焦点の合う範囲である焦点深度
（被写界深度）が調節可能である。そして、焦点を固定
したままで絞り機構により焦点深度を調節しつつ測定を
行なうと、得られるデータは変化するが、その変化の状
況は測定対象のパターンの壁面形状に対応するので、そ
の変化の状況からパターンの壁面形状を測定する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１および図２は本発明のレーザ顕微鏡において
採用する光学系２０の要部の概略構成図である。この光
学系２０は、図５の原理図に示した従来の光学系３に代
えて用いられるもので、その光学系３に対して絞り機構
２１を付加した形態のものとされている。なお、従来の
ものと同一構成要素には同一符号を付して詳細な説明は
省略する。

【００１１】この光学系２０においては、外筒２２と内
筒２３からなる二重筒構造の胴部２４の下端に対物レン
ズ１０が取り付けられている。そして、内筒２３の内部
には絞りリング２５が上下動自在すなわち対物レンズ１
０に対して離接自在に設けられ、内筒２３と外筒２２の
間にはその絞りリング２５を上下動させるための適宜の
駆動機構（図示略）が設けられ、その駆動機構と絞りリ
ング２５とよって絞り機構２１が構成されている。絞り
リング２５は円錐の頂部が切除された形態の笠形の形状
をなすもので、その中心部にレーザ光２が通過する中心
孔２５ａを有するとともにその上面２５ｂは傾斜面とな
っている。

【００１２】上記のような絞り機構２１を組み込んだ光
学系２０にあっては、絞りリング２５を上下動させて対
物レンズ１０との距離を調節することで、対物レンズ１
０へのレーザ光２の入射光量つまり試料４への照射光量
を増減し得るものである。すなわち、対物レンズ１０に
入射するレーザ光２は図５から明らかなようにスリット
８を透過してから下方に向かうにつれて照射範囲が拡大
するような発散光であるから、絞りリング２５を降下さ
せて対物レンズ１０に接近させるとレーザ光２の一部が
絞りリング２５の外周縁部により遮られてしまい、対物
レンズ１０への入射光量が絞られるのである。したがっ
て、この光学系２０においては、絞り機構２１の調節に
より対物レンズ１０の開口数（ＮＡ値）を実効的に変化
させることができ、その結果、この光学系２０の焦点深
度（被写界深度）を変化させることができ、一般の光学
系と同様に大きく絞り込むほど焦点深度を拡大すること
ができるものとなっている。

【００１３】なお、絞りリング２５を降下させて対物レ
ンズ１０に最接近させた位置が最大絞り位置となること
は勿論であるが、絞りリング２５を一定位置以上に上昇
させるとレーザ光２は何等遮られることなくその全てが
中心孔２５ａを通過して対物レンズ１０に入射すること
になるので、その位置が絞り開放位置となる。また、絞
りリング２５により遮られたレーザ光２は、傾斜面とな
っている絞りリング２５の上面２５ｂにより内筒２３の
径方向外側に向けて反射されてしまうから、迷光として
対物レンズ１０に入射してしまうことが確実に防止され
るようになっている。また、上記の光学系２０は、従来
のものと同様にその全体が上下動して試料４に対して離
接するようになっており、光学系２０全体を上下動させ
ることでこの光学系２０の焦点Ｆの位置を試料４の所定
位置に合わせることができるようなっている。

【００１４】上記のような絞り機構２１を組み込んだ光
学系２０を採用したレーザ顕微鏡にあっては、絞り機構
２１を調節して光学系２０の焦点深度を変化させつつ測
定を行なうことにより、図６に示したようなウェハー１
２の表面に形成されているレジスト１３等の凸パターン
の壁面１３ａの形状をも認識し得るものである。

【００１５】その原理について図３を参照して説明す
る。ウェハー１２の表面に凸部として形成されているレ
ジスト１３の壁面１３ａの形状を測定するに当たり、ま
ず、光学系２０全体の位置を調節してその焦点Ｆをレジ
スト１３の上面の位置ｏに合わせて固定するとともに、
その状態で絞りリング２５を上昇させて絞りを開放す
る。この場合、光学系２０の焦点深度は最小となるが、
その焦点深度がａの位置であったとすると、ｏ〜ａの範
囲は焦点が完全に合った状態となり、したがって反射光
により得られるデータからはレジスト１３の線幅は焦点
の合っている範囲すなわちＡとして認識される。

【００１６】次に、光学系２０の焦点Ｆを上記の位置に
固定したままで、絞りリング２５をわずかに降下させて
所定の絞り込みを行なうと、この光学系２０の焦点深度
は自ずと深くなり、その位置がｂの位置になったとす
る。この場合、ｏ〜ｂの位置までは完全に焦点が合って
いるので、反射光により得られるデータからはレジスト
１３の線幅はＢとして認識される。同様にしてさらに絞
り込みを段階的に行なっていけば、焦点深度がｃの位置
まで深くなったときには線幅はＣとして認識され、ｄの
位置まで深くなったときには線幅はＤとして認識され
る。

【００１７】上記のようにして認識されるＡからＤに至
る線幅の変化の度合いはレジスト１３の壁面１３ａの傾
斜やその湾曲の程度に対応するものであって、その線幅
の変化の度合いは当然ながら壁面１３ａの傾斜が緩勾配
であるほど大きくなり、急勾配であるほど小さくなる。
勿論、仮に壁面１３ａが直立した平面であれば絞り調節
の有無に拘らず常に一定の線幅として認識されることに
なる。

【００１８】そして、絞りリング２５の位置と焦点深度
との関係はこの光学系２０の特性として予め知ることが
できるから、上記のように絞りリング２５を所定のピッ
チで段階的に移動させて焦点深度を段階的に変化させて
いきつつ、各焦点深度の位置におけるレジスト１３の線
幅をそれぞれ求めていくことで、線幅の変化の状況から
レジスト１３の壁面１３ａの傾斜の程度やその湾曲の程
度を知ることができるのである。

【００１９】なお、上記では焦点位置を固定したままで
絞りを開放状態から最大絞り状態まで段階的に変化させ
る場合について説明したが、逆に最大に絞った状態から
漸次開放していくようにしても同様である。また、より
精度を高めるために、焦点位置を変えて同様の手順を繰
り返すようにすることが好ましい。たとえば、上記のよ
うに焦点Ｆをレジスト１３の上面の位置に合わせて測定
を行なったら、焦点Ｆをウェハー１２の表面の位置（レ
ジスト１３の底面の位置）に合わせて同様の測定を繰り
返し、得られた双方のデータを補完すると良い。勿論、
必要に応じて焦点Ｆの位置をさらに他の位置（たとえば
レジスト１３の上面と底面との中間位置）に変化させて
測定を多数回にわたって繰り返しても良い。

【００２０】図４は焦点位置を変化させて測定を繰り返
し行なう場合の作業手順の一例を示すフローチャートで
ある。この場合、まず焦点Ｆを任意の位置たとえば上記
のようにレジスト１３の上面に合わせ（Ｓ１）、絞りリ
ング２５を開放位置にまで上昇させる（Ｓ２）。その状
態で試料４をスキャンして絞り開放状態におけるレジス
ト１３の線幅データを収集して記憶し（Ｓ３）、続いて
１段階の絞り込みを行ない（Ｓ４）、その状態で試料４
を再びスキャンして１段階絞った状態における線幅デー
タをさらに収集する（Ｓ３）。段階的な絞り込みとそれ
ぞれの状態におけるデータ収集を最大絞りとなるまで繰
り返し、最大絞りとなったら（Ｓ５）、その焦点位置に
おける測定を終了する。続いて、焦点位置を変更（Ｓ
６）し、絞りを再び開放（Ｓ２）した後、上記手順を繰
り返してその焦点位置におけるデータを収集し（Ｓ３，
Ｓ４）、所定回数の測定が終了（Ｓ７）したら、上記で
収集したデータを処理してレジスト１３の断面形状を演
算し（Ｓ８）、その結果を図形化あるいは数値化して出
力する（Ｓ９）。

【００２１】なお、絞り機構の具体的な構成は上記実施
例に限定されるものではなく、たとえば中心孔の径寸法
を可変とした絞りリングを採用しても勿論良く、その場
合は絞りリングを対物レンズに対して離接させる必要は
ない。また、絞りを細かく多段階にわたって変化させる
ほど高精度が得られるから、絞りを段階的にではなく連
続的に変化させつつ連続測定を行なうことも考えられ
る。さらに、本発明はウェハーに形成されたレジストの
壁面形状の測定や検査に適用されるのみならず、同様の
形態の試料全般に対して広く適用できるものであること
はいうまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上で説明したように、請求項１の発明
のレーザ顕微鏡は、光学系に絞り機構を組み込んだ構成
であるから、絞り機構によって光学系の焦点深度を自由
に調節することが可能であり、また、請求項２に記載の
パターン形状測定方法は、上記のレーザ顕微鏡を用いて
絞り機構により焦点深度を変化させつつ測定を行なうの
で、従来は測定が不可能であったパターンの壁面形状等
を精度良く測定することが可能であり、その結果、集積
回路等の製品の品質向上に寄与できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるレーザ顕微鏡における
光学系の要部側断面図である。

【図２】同、分解斜視図である。

【図３】同レーザ顕微鏡による壁面形状の測定原理を示
す図である。

【図４】同レーザ顕微鏡の測定手順の一例を示すフロー
チャートである。

【図５】従来の共焦点走査方式レーザ顕微鏡の原理図で
ある。

【図６】ウェハーの表面に形成されたレジストの形状例
を示す図である。

【符号の説明】

２レーザ光４試料１２ウェハー１３レジスト（パターン）１３ａ壁面２０光学系２１絞り機構２５絞りリング。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を光学系を介して試料表面に照
射してその反射光を受光することにより、試料表面に形
成されているパターンの寸法や形状を測定し検査するた
めに用いられるレーザ顕微鏡であって、前記光学系には
試料に照射するレーザ光の光量を調節するための絞り機
構が組み込まれてなることを特徴とするレーザ顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載のレーザ顕微鏡を用いて
試料表面に凸部として形成されているパターンの壁面の
形状を測定するための方法であって、前記光学系の焦点
を測定対象のパターンの所定箇所に固定し、その状態で
前記絞り機構を調節することによってこの光学系の焦点
深度を変化させつつ、試料にレーザ光を照射してその反
射光を受光し、焦点深度が変化することに伴うデータの
変化の状況に基づいて壁面の形状を測定することを特徴
とするパターン形状測定方法。