JPH0779119B2 - ワークピースの検査方法 - Google Patents
ワークピースの検査方法Info
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Description
ッチングされた線の断面、深さ、勾配、及び線幅等の性
状の差を識別する光学的査方法に関する。
ウェハ・ワークピースの線幅、線断面、エッチング深さ
の変化を定期的に検査することが一般的かつ必要な作業
である。従来、そのような検査は技能者が光学顕微鏡を
使用することにより迅速にかつ非破壊的に実行すること
ができた。しかし半導体技術がミクロン、サブミクロン
の線幅に進んで来ているので、光学顕微鏡を用いた検査
は最早適切ではなくなっている。
は、一般的な検査は処理ロットからウェハのサンプルを
抜き取り、これらのウェハを分割し、分割されたウェー
ハを走査電子顕微鏡を用いて検査することによって行な
われている。しかし、この方法では検査に時間がかか
り、被検体を損傷し、ウェハ・ロットのうちの僅かな部
分の検査に限定されるという欠点がある。
かり、被検体を損傷するという欠点を有する検査工程を
改善する努力が続けられているなかで、ワークピースの
表面に当てた光ビームの散乱に基づく検査方法及び監視
方法の開発に種々の実験的努力がなされてきた。このよ
うな技術には、狭い範囲の散乱角、代表的には反射光度
及び一次散乱のみが用いられている。有望な実験結果が
報告されているが、これらの技術にはエッチング深さの
サブミクロンの変動とエッチング断面の変動とを峻別す
る能力を立証しているものがなかった。本発明は、半導
体ワークピース等を迅速かつ非破壊的に検査ができるワ
ークピースの検査方法を提供することを目的とする。
されたワークピースは次のステップで検査される。 1)ワークピースをコヒーレント光ビームに露光するス
テップ。 2)このワークピースからの散乱光の光度を複数の回折
度に対応する空間周波数範囲にわたり測定するステッ
プ。 3)一以上の主成分について光度包絡線の主成分量を得
るステップ。 4)主成分量が所定の規準を満たすか否かによって、ワ
ークピースを合格とするかまたは不合格とするステッ
プ。主成分の決定は、例えば、複数回の基準測定結果に
ついての特異値分解を計算することにより行われる。
を複数の回折度を包含する空間周波数範囲にわたって測
定すると、このエッチングされたワークピースの重要な
特性が光度特性の主成分量と相関を持つことを発見し
た。この発見により、エッチングされた半導体ワークピ
ースのようなワークピースの検査を、散乱光の光度の包
絡線を測定し、この包絡線の主成分について座標を決定
することによって迅速かつ非破壊的に行なうことが可能
となる。
クピースの検査方法について説明する。この検査方法
は、主成分を計算する準備ステップと、主成分について
の座標を使用するステップとの二つのステップにより説
明することができる。
テップでは、(1)検査されるべき種類の基準ワークピ
ースからの一以上の主成分の計算、及び(2)主成分の
座標値と検査されるべきワークピースの特性との相関計
算が行なわれる。単純な場合では主成分を理論的に算出
することができるが、ほとんどの実際的な適用では既知
の特性を持つワークピースの光散乱特性の測定を行なう
準備ステップが必要である。
のステップ101では、既知の特性、例えばオーバーカ
ット、アンダーカット、垂直な断面のエッチング特性を
持つワークピースを選択し、このワークピースをコヒー
レント光ビームに露光する。次のステップ102では、
このワークピースからの散乱光の光度を複数の回折度に
わたって測定し、各光度測定毎に空間周波数Fを計算す
る。
置について説明する。図2において、既知の特性(例え
ばエッチング断面)を持つ基準ワークピース10が、傾
動可能な支持体20に取り付けられる。レーザ30がコ
ヒーレント光ビーム31を基準ワークピース10に照射
するような向きに設置されており、フォトダイオード4
0が基準ワークピース10からの散乱光33を受光する
ような向きに可動的に設置されている。このフォトダイ
オード40の出力は散乱光33の光度を表わす電気信号
となる。この出力はリード線41を介して位相依存型増
幅器50の一つの端子に与えられる。レーザ30からの
コヒーレント光ビーム31はチョッパー32を通され、
コヒーレント光ビーム31がこのチョッパー32を通る
期間を表わす電気信号がチョッパー32からリード線3
4を介して位相依存型増幅器50の第二の端子に与えら
れる。この構成により、位相依存型増幅器50はコヒー
レント光ビーム31がチョッパー32を通過するときに
限りフォトダイオード40によって受光される光の光度
を表わす電気信号を出力することになる。この結果、通
常の周囲光の影響を無視することができる。位相依存型
増幅器50の出力はリード線51を介してコンピュータ
70に与えられる。
0の目標領域に整列されている回転軸を持つ回転台60
の回転アーム61に設けられる。この回転台60はコン
ピュータ70によりリード線71を介して制御される。
この結果、コンピュータ70によってフォトダイオード
40の角度ずれが制御される。
ット(Mellas Griot)社のヘリウム・ネオ
ン・レーザを使用し、チョッパー32としてレーザ・プ
レシジョン(Laser Precision)社のチ
ョッパーを使用し、フォトダイオード40としてセント
ロニック(Centronic)社の5mm径の凸レン
ズを持つフォトダイオードOSDI5−Bを使用するこ
とができる。また、回転台60としてニューポート・リ
サーチ(Newport Research)社のモデ
ル495光学的符号化回転台(Model 495 O
ptically Encoded Rotation
al Stage)及びモデル855Cコントーラ(M
odel 855C Contoller)を使用し、
増幅器50としてプリンストン・アプライド・リサーチ
(PrincetonApplied Researc
h)社のモデルHR−8位相依存型増幅器(Model
HR−8 phase sensitive ampl
ifier)を使用することができる。
広範囲の角度に亘って散乱光の光度を測定して記録する
プログラム、(b)各測定毎にその空間周波数Fを計算
して記録するプログラム、(c)その光度対周波数特性
曲線に関連する包絡線関数を求めるプログラム、及び
(d)複数のサンプルの測定後にそれらの光度包絡線の
一以上の主成分を求めるプログラムからなる。
1の入射角Θi(例えば約90°)及びレーザ30の波
長λ(例えば約0.6328μm)をコンピュータ70
に記憶する。また、フォトダイオード40を反射光ビー
ム中で空間周波数が零になる位置に置くことにより、フ
ォトダイオード40の位置を初期化する。次に、回転ア
ーム61をコンピュータ制御の下で、約90°から18
0°の角度範囲に亘って回転させ、その間に数百回の光
度測定行い測定結果を記憶する。測定は空間周波数が約
1μm-1よりも大きい範囲まで行われ、光度は30以上
の局部的な極大値を包含することになる。コンピュータ
70は、各光度Iとともに、F=(sinΘs−sin
Θi)/λにより計算された対応する空間周波数Fを記
憶する。なお、Θsはワークピースの法線方向に対する
散乱光の角度であり、Θiは入射角である。λはマイク
ロメーター(μm)の単位のレーザ光の波長であり、空
間周波数Fはマイクロメーターの逆数(μm-1)で与え
られる。
ついて得られる散乱光の光度ー空間周波数特性曲線は、
例えば図4及び図5に示すようになる。図4及び図5
は、線幅が1.5μm、線の間隔が32μmにエッチン
グされたシリコンのテストグリッドにおける散乱光の光
度を示している。光度は、法線方向入射ビームと接線方
向入射ビームの双方について測定した。図4中の特性曲
線Aは、ビームの入射が法線方向であり、グリッドの線
が垂直断面を持つ場合の特性曲線である。特性曲線C
は、同じグリッドでビームの入射が接線方向である場合
の特性曲線である。特性曲線Bは、ビームの入射が法線
方向であり、グリッドの線がオーバーカットされている
場合の特性曲線である。特性曲線Dは、同じグリッドで
ビームの入射が接線方向である場合の特性曲線である。
浅い垂直断面を持つグリッドへの法線方向入射ビームに
対する光度特性を示し、特性曲線Cは、同じグリッドへ
の接線方向入射ビームに対する光度特性を示している。
特性曲線Bは、エッチング深度が深い垂直断面のグリッ
ドへの法線方向入射ビームに対する光度特性を示し、特
性曲線Dは、同じグリッドへの接線方向入射ビームに対
する光度特性を示している。
て測定された光度I対空間周波数関数Fの包絡線の近似
が行なわれる。まず、光度対空間周波数の500個の対
からなる関数S1=[(I1,F1),(I2,F2),・
・・,(I500,F500)]を、局部的な光度極大値(I
m,Fm)に対応する点(I,F)を決定することによ
って包絡線関数S2に変換する。このための適切な規準
は、両側の四個の対のうちで光度Iが最大である対の
(I,F)を局部的な極大値として選択することであ
る。この処理によって、約50対の包絡線関数S2=
[(Im1,Fm1),(Im2,Fm2),・・・,(I
m50,Fm50)]が得られる。なお、空間周波数が零及
びその近傍である部分の極大値は、包絡線関数S2から
取り除かれている。
クピースにおいて異なるので、図1中のステップ104
では、固定の周波数の集合(F1,F2,・・・,F40)
に対して直線的に補間された光度値を持つ約40対から
成る補間包絡線関数S3=(I1,I2,・・・,I40)
を生成する。
個の領域についての測定のために上述の処理を反復して
行う。実験では、8個のワークピースからの35回の基
準測定が使用された。この処理の結果、第n包絡線が
(In1,In2,・・・,In40)であり、N×40の
マトリックスとして表わすことができる複数の補間包絡
線関数が得られる。
スの一つまたは複数の主成分を得る。この処理はコンピ
ュータにより二つのステップで行なうことができる。最
初のステップでは各列内の各成分からそれぞれの列内の
成分の平均値が減算される。これは「マトリックスのセ
ンタリング」と呼ばれ、このときの各行を「センタリン
グされた補間包絡線」と言う。第二のステップでは、セ
ンタリングされたマトリックスに特異値分解アルゴリズ
ムが適用される。この特異値分解アルゴリズムの詳細な
説明及びその動作については、次の文献を参照すること
ができる。
会会報(ACM Transactions on M
athematical Softwere)」、第8
巻、第1号、72〜83頁(1982年)に掲載されて
いるティ・エフ・チャン(T.F.Chan)の論文
「特異値分解計算のための改良アルゴリズム(ACMT
ransactions on Mathematic
al Software)」。
Mathematik)誌」、14号、403〜420
頁(1970年)に掲載されているジー・エイチ・ゴル
ープ(G.H.Golub)とシー・ラインシュ(C.
Reinsch)の論文「特異値分解及び最小二乗解法
(Singular Value Decomposi
tion and Least Squares So
lutions)」。
会会報」、第5巻、第4号、442〜450頁(197
9年)に掲載されているエル・コーフマン(L.Kau
fman)の論文「疎行列への濃密ハウスホルダー変換
の適用(Application of Dense
Householder Transformatio
n to a Sparse Matrix)」。
全ての基準測定のセンタリングされた補間包絡線の最良
の近似を行なうことができる主成分(P1,P2,・・
・,Pn)からなる行を有する新たなN×40のマトリ
ックスが得られる。
は、一つ以上の主成分について、基準ワークピースの既
知の特性と包絡線の座標とを相互的に関連させる。実験
の結果、エッチング特性に関する有益な相関は、最初の
二個の主成分に関してセンタリングされた補間包絡線関
数を解析することによって得られることがわかった。す
なわち、あるワークピースに関して、もしセンタリング
された補間包絡線関数が線形結合E=C1P1+C2P2に
より近似されれば、C1及びC2がこのワークピースのエ
ッチング特性に関する有益な情報を持っていることにな
る。なお、C1及びC2は座標で用いられる定数である。
5個の基準測定の結果について、[C1,C2]をプロッ
トして、この相関を図6に示している。図6において、
円の領域の大きさは既知のエッチング深度(最大で2.
8μmの深さ)に比例している。アンダーカットされた
エッチング断面はマイナス記号を中に持つ円で表わさ
れ、オーバーカットされたエッチング断面はプラス記号
を中に持つ円で表わされ、垂直のエッチング断面は空白
の円で表わされている。図からわかるように、同様の特
性を持つ断面が一群となっているので検査のための明確
な規準が得られる。垂直断面の場合、C1が−0.2乃
至−0.1でC2が−0.1乃至0.0の範囲にあり、
オーバーカット断面の場合、C1が0.15乃至0.3
でC2が−0.3乃至−0.15の範囲にある。これよ
りも簡単な領域または複雑な領域を検査規準として使用
することもできる。
にワークピースの迅速な非破壊検査を行なうための手順
を実行する。図3中のステップ301では、検査される
べきワークピースを図2に示すように光ビームで露光
し、次のステップ302で、散乱光の光度Iを測定し、
上述したように計算で求められた空間周波数Fと共に記
憶する。
分、例えばP1及びP2に関してセンタリングされた補
間光度包絡線の座標を決定する。このセンタリングされ
た補間包絡線関数は上記方法と同様の方法で生成され、
C1P1+C2P2がその包絡線関数の最良の最小二乗近似
となるようにC1及びC2が決定される。この決定は、線
形回帰アルゴリズム或いはこの技術分野で周知な他の技
法により行うようにしても良い。
は、得られた座標が所定の規準に適合するかどうかによ
って、例えば[C1,C2]が矩形領域のような所定の
領域内に入るかどうかによって、ワークピースの合格ま
たは不合格の判定を行う。この結果、図6に示された種
類のワークピースでは、垂直断面に相当するC1が−
0.2乃至−0.1でC2が−0.1乃至0.0の範囲
にある場合には合格と判定され、オーバーカット断面に
相当するC1が0.15乃至0.3でC2が−0.3乃至
−0.15の範囲にある場合には不合格と判定される。
チングされた半導体ワークピース等の検査すべきワーク
ピースを、散乱光の光度の包絡線を測定し、この包絡線
の主成分についての座標を得ることによって迅速にかつ
非破壊的に検査ができる。
法の予備処理方法を示すフローチャートである。
周波数の関数として測定する装置の一例を示す構成図で
ある。
法を示すフローチャートである。
の測定結果を空間周波数の関数として示す図である。
の測定結果を空間周波数の関数として示す図である。
主成分についての座標をプロットした図である。
Claims (6)
- 【請求項1】ワークピースをコヒーレント光ビームに露
光するステップと、このワークピースからの散乱光の光
度を複数の回折度に対応する空間周波数範囲にわたり測
定するステップと、一以上の主成分について光度包絡線
の主成分量を得るステップと、前記主成分量が所定の規
準を満たすか否かにより前記ワークピースを受容するか
排除するステップと、からなるワークピースの検査方
法。 - 【請求項2】 一以上の主成分に関して光度包絡線の係
数を決定することによって光度包絡線の主成分量を得る
ことを特徴とする請求項1記載のワークピースの検査方
法。 - 【請求項3】 最初の二つの主成分に関して光度包絡線
の係数を決定することによって光度包絡線の主成分量を
得ることを特徴とする請求項2記載のワークピースの検
査方法。 - 【請求項4】 主成分量を複数回の基準測定結果につい
ての特異値分解により得ることを特徴とする請求項1記
載のワークピースの検査方法。 - 【請求項5】 ワークピースがエッチングされた半導体
ワークピースであることを特徴とする請求項1または請
求項2または請求項3または請求項4記載のワークピー
スの検査方法。 - 【請求項6】 ワークピースが、エッチングされた線に
よるテストグリッドを有するエッチングされた半導体ワ
ークピースであり、ワークピースを露光するステップが
コヒーレント光ビームを前記テストグリッド上に照射す
るステップを有することを特徴とする請求項1または請
求項2または請求項3または請求項4記載のワークピー
スの検査方法。
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