JPH0882511A - 膜厚・表面形状計測方法及び装置 - Google Patents
膜厚・表面形状計測方法及び装置Info
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- JPH0882511A JPH0882511A JP21771394A JP21771394A JPH0882511A JP H0882511 A JPH0882511 A JP H0882511A JP 21771394 A JP21771394 A JP 21771394A JP 21771394 A JP21771394 A JP 21771394A JP H0882511 A JPH0882511 A JP H0882511A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】非破壊で容易迅速に微小領域の膜厚及び表面形
状を計測する。 【構成】ｓ波レーザ光を、試料に対する入射面内で試料
上に複数の入射角かつ試料上層の略ブリュースター角で
入射させて試料上に光切断線を形成させ、試料からの反
射光の、入射面内での干渉光強度分布に基づいて試料上
層の膜厚を求め、さらに、ｐ波レーザ光による光切断線
の像に基づいて該上層に接した下層の表面形状を求め、
該表面形状に膜厚を加えて上層表面形状を求める。
状を計測する。 【構成】ｓ波レーザ光を、試料に対する入射面内で試料
上に複数の入射角かつ試料上層の略ブリュースター角で
入射させて試料上に光切断線を形成させ、試料からの反
射光の、入射面内での干渉光強度分布に基づいて試料上
層の膜厚を求め、さらに、ｐ波レーザ光による光切断線
の像に基づいて該上層に接した下層の表面形状を求め、
該表面形状に膜厚を加えて上層表面形状を求める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、下層に上層が積層され
該上層を通った光が該下層の表面で反射される試料、例
えば段差形状を有するアルミニウム下層に上層である酸
化膜が被着された試料の該上層の膜厚を計測する膜厚計
測方法及び装置、並びに、下層又は上層の表面形状を計
測する表面形状計測方法及び装置に関する。
該上層を通った光が該下層の表面で反射される試料、例
えば段差形状を有するアルミニウム下層に上層である酸
化膜が被着された試料の該上層の膜厚を計測する膜厚計
測方法及び装置、並びに、下層又は上層の表面形状を計
測する表面形状計測方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路の高集積化に伴い、多層
配線技術が用いられている。多層配線は、上層になるほ
ど凹凸が大きくなるため、断線や短絡が生じやすく、チ
ップ歩留り低下の原因となる。そこで、配線層間分離用
絶縁膜の平坦化技術によって、膜表面の平坦化が図られ
ており、その平坦度を検査し確認する必要がある。
配線技術が用いられている。多層配線は、上層になるほ
ど凹凸が大きくなるため、断線や短絡が生じやすく、チ
ップ歩留り低下の原因となる。そこで、配線層間分離用
絶縁膜の平坦化技術によって、膜表面の平坦化が図られ
ており、その平坦度を検査し確認する必要がある。
【０００３】膜厚計測装置として、エリプソメータがあ
る。エリプソメータでは、干渉の周期性から単一入射角
では膜厚を一義的に決定することができないので、入射
角を変化させて反射光の強度変化を取得しているが、微
小の光入射スポットの位置を変えずに入射角を変化させ
ることが困難であるので、直径１０μｍ程度の広さの平
均的な膜厚しか計測することができず、平坦度検査には
用いることができない。また、上層表面の反射光と、上
層と下層の界面である下層表面の反射光とが干渉するの
で、従来の光切断法では上層及び下層の表面形状を計測
することができず、したがって両者の差である上層の膜
厚を計測することもできない。
る。エリプソメータでは、干渉の周期性から単一入射角
では膜厚を一義的に決定することができないので、入射
角を変化させて反射光の強度変化を取得しているが、微
小の光入射スポットの位置を変えずに入射角を変化させ
ることが困難であるので、直径１０μｍ程度の広さの平
均的な膜厚しか計測することができず、平坦度検査には
用いることができない。また、上層表面の反射光と、上
層と下層の界面である下層表面の反射光とが干渉するの
で、従来の光切断法では上層及び下層の表面形状を計測
することができず、したがって両者の差である上層の膜
厚を計測することもできない。
【０００４】そこで、従来では、平坦度等の検査のた
め、試料を切断し、検査箇所を削り出し、電子顕微鏡等
で切断面を観察していた。
め、試料を切断し、検査箇所を削り出し、電子顕微鏡等
で切断面を観察していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の平坦度
検査方法は、破壊検査であるので検査対象物を製品化で
きず、かつ、手作業を要する試料の切断、検査箇所の削
り出し及びその確認に長時間を要し、また、検査結果が
検査箇所の削り出し部分に依存するので検査結果に個人
差が生ずる。
検査方法は、破壊検査であるので検査対象物を製品化で
きず、かつ、手作業を要する試料の切断、検査箇所の削
り出し及びその確認に長時間を要し、また、検査結果が
検査箇所の削り出し部分に依存するので検査結果に個人
差が生ずる。
【０００６】本発明の目的は、このような問題点に鑑
み、下層に上層が積層され該上層を通った光が該下層の
表面で反射される試料の該上層の微小領域の膜厚を容易
迅速に計測することができる膜厚計測方法及び装置を提
供することにある。本発明の他の目的は、非破壊で容易
迅速に該下層又は上層の表面形状を計測することができ
る表面形状計測方法及び装置を提供することにある。
み、下層に上層が積層され該上層を通った光が該下層の
表面で反射される試料の該上層の微小領域の膜厚を容易
迅速に計測することができる膜厚計測方法及び装置を提
供することにある。本発明の他の目的は、非破壊で容易
迅速に該下層又は上層の表面形状を計測することができ
る表面形状計測方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及びその作用】第１発明で
は、下層に上層が積層され該上層を通った光が該下層の
表面で反射される試料の該上層の膜厚を計測する方法に
おいて、レーザ光を、複数の入射角で該試料に入射させ
て該試料上に光切断線を形成させ、該試料上からの反射
光の、入射面内での干渉光強度分布に基づいて該上層の
膜厚を求める。
は、下層に上層が積層され該上層を通った光が該下層の
表面で反射される試料の該上層の膜厚を計測する方法に
おいて、レーザ光を、複数の入射角で該試料に入射させ
て該試料上に光切断線を形成させ、該試料上からの反射
光の、入射面内での干渉光強度分布に基づいて該上層の
膜厚を求める。
【０００８】複数の入射角は、例えば、平行光束をレン
ズで屈折させることにより、又は、同一又は異なる光源
からの光束を互いに異なる角度から入射させることによ
り得られる。この第１発明によれば、上層及び下層の両
表面で反射される試料の上層の膜厚を、計測中に入射角
を変更させることなく計測することができ、これにより
微小領域の膜厚を計測することができる。
ズで屈折させることにより、又は、同一又は異なる光源
からの光束を互いに異なる角度から入射させることによ
り得られる。この第１発明によれば、上層及び下層の両
表面で反射される試料の上層の膜厚を、計測中に入射角
を変更させることなく計測することができ、これにより
微小領域の膜厚を計測することができる。
【０００９】第２発明では、該下層の表面形状を計測す
る方法において、ｐ波のレーザ光を、該上層の略ブリュ
ースター角で該試料に入射させて該試料上に光切断線を
形成させ、該光切断線の像に基づいて該下層の表面形状
を求める。この第２発明によれば、上層での反射を無視
できるので、光切断線により下層の表面形状を計測する
ことができる。
る方法において、ｐ波のレーザ光を、該上層の略ブリュ
ースター角で該試料に入射させて該試料上に光切断線を
形成させ、該光切断線の像に基づいて該下層の表面形状
を求める。この第２発明によれば、上層での反射を無視
できるので、光切断線により下層の表面形状を計測する
ことができる。
【００１０】第３発明は、上記第１及び第２の発明を組
み合わせたものであり、該上層の表面形状を計測する方
法において、レーザ光を、該上層の略ブリュースター角
で且つ複数の入射角で該試料に入射させて該試料上に光
切断線を形成させ、該試料上からの反射光の、入射面内
での干渉光強度分布に基づいて該上層の膜厚を求め、該
レーザ光をｐ波にしたときの該光切断線の像に基づいて
該下層の表面形状を求め、該下層表面形状に該膜厚を加
えて該上層の表面形状を求める。
み合わせたものであり、該上層の表面形状を計測する方
法において、レーザ光を、該上層の略ブリュースター角
で且つ複数の入射角で該試料に入射させて該試料上に光
切断線を形成させ、該試料上からの反射光の、入射面内
での干渉光強度分布に基づいて該上層の膜厚を求め、該
レーザ光をｐ波にしたときの該光切断線の像に基づいて
該下層の表面形状を求め、該下層表面形状に該膜厚を加
えて該上層の表面形状を求める。
【００１１】この第３発明によれば、下層に上層が積層
され該上層を通った光が該下層の表面で反射される試料
の該上層の表面形状を計測することができ、これにより
試料の切断及び検査箇所の削り出し作業が不要となり、
非破壊で容易迅速に上層の表面形状を計測することがで
きる。第３発明の第１態様では、上記上層の膜厚と干渉
光強度分布との関係を予め求めておき、この分布と実際
に得られた上記干渉光強度分布とを対比して該膜厚を求
める。
され該上層を通った光が該下層の表面で反射される試料
の該上層の表面形状を計測することができ、これにより
試料の切断及び検査箇所の削り出し作業が不要となり、
非破壊で容易迅速に上層の表面形状を計測することがで
きる。第３発明の第１態様では、上記上層の膜厚と干渉
光強度分布との関係を予め求めておき、この分布と実際
に得られた上記干渉光強度分布とを対比して該膜厚を求
める。
【００１２】この第１態様によれば、より正確に上層の
膜厚及び表面形状を計測することが可能となる。以下の
第４乃至６発明及びその態様の装置は、上記第１、３発
明及びその態様の方法を実施するためのものであり、対
応する上記効果が得られる。第４発明では、該上層の膜
厚を計測する膜厚計測装置において、レーザと、該レー
ザから射出された光を、複数の入射角で該試料に入射さ
せて該試料上に光切断線を形成させる光切断線形成手段
と、該試料上からの反射光が受光面の、入射面に対応し
た直線上で広がるように配置され、受光面の干渉光分布
に応じた映像信号を出力する撮像手段と、該映像信号に
基づいて該直線上の干渉光強度分布を求め、該分布に基
づいて該上層の膜厚を求め、該膜厚を、該受光面上の該
直線と直角な方向に沿って求める画像処理手段と、を有
する。
膜厚及び表面形状を計測することが可能となる。以下の
第４乃至６発明及びその態様の装置は、上記第１、３発
明及びその態様の方法を実施するためのものであり、対
応する上記効果が得られる。第４発明では、該上層の膜
厚を計測する膜厚計測装置において、レーザと、該レー
ザから射出された光を、複数の入射角で該試料に入射さ
せて該試料上に光切断線を形成させる光切断線形成手段
と、該試料上からの反射光が受光面の、入射面に対応し
た直線上で広がるように配置され、受光面の干渉光分布
に応じた映像信号を出力する撮像手段と、該映像信号に
基づいて該直線上の干渉光強度分布を求め、該分布に基
づいて該上層の膜厚を求め、該膜厚を、該受光面上の該
直線と直角な方向に沿って求める画像処理手段と、を有
する。
【００１３】第５発明の表面形状計測装置では、上記構
成にさらに、受光面の光分布に応じた映像信号を出力す
る第２の撮像手段と、上記試料上からの反射光の光路中
に配置され、該反射光を透過光と第２の反射光とに分割
し、該透過光と該第２の反射光との一方を上記第１の撮
像手段の受光面に入射させるビームスプリッターと、該
透過光と該第２の反射光との他方を該第２の撮像手段の
受光面に拡大結像させる結像レンズとを有し、上記画像
処理手段はさらに、該第２撮像手段から出力された映像
信号に基づいて上記光切断線の像を求め、該像に基づい
て該下層の表面形状を求め、該下層表面形状に上記膜厚
を加えて上記上層の表面形状を求める。
成にさらに、受光面の光分布に応じた映像信号を出力す
る第２の撮像手段と、上記試料上からの反射光の光路中
に配置され、該反射光を透過光と第２の反射光とに分割
し、該透過光と該第２の反射光との一方を上記第１の撮
像手段の受光面に入射させるビームスプリッターと、該
透過光と該第２の反射光との他方を該第２の撮像手段の
受光面に拡大結像させる結像レンズとを有し、上記画像
処理手段はさらに、該第２撮像手段から出力された映像
信号に基づいて上記光切断線の像を求め、該像に基づい
て該下層の表面形状を求め、該下層表面形状に上記膜厚
を加えて上記上層の表面形状を求める。
【００１４】第６発明の表面形状計測装置では、上記第
４発明の構成にさらに、レンズと、該レンズを第１の位
置にさせて、上記試料上からの反射光を上記撮像手段の
受光面に拡大結像させ、該レンズを第２の位置にさせ
て、該試料上からの反射光を該撮像手段の受光面に結像
させずに入射させるレンズ位置切換手段とを有し、上記
画像処理手段はさらに、該レンズが第１の位置のときに
該撮像手段から出力された映像信号に基づいて上記光切
断線の像を求め、該像に基づいて該下層の表面形状を求
め、該レンズが第２の位置のときに該撮像手段から出力
された映像信号に基づいて上記上層の膜厚を求め、該下
層表面形状に該膜厚を加えて該上層の表面形状を求め
る。
４発明の構成にさらに、レンズと、該レンズを第１の位
置にさせて、上記試料上からの反射光を上記撮像手段の
受光面に拡大結像させ、該レンズを第２の位置にさせ
て、該試料上からの反射光を該撮像手段の受光面に結像
させずに入射させるレンズ位置切換手段とを有し、上記
画像処理手段はさらに、該レンズが第１の位置のときに
該撮像手段から出力された映像信号に基づいて上記光切
断線の像を求め、該像に基づいて該下層の表面形状を求
め、該レンズが第２の位置のときに該撮像手段から出力
された映像信号に基づいて上記上層の膜厚を求め、該下
層表面形状に該膜厚を加えて該上層の表面形状を求め
る。
【００１５】第４〜６発明の第１態様では、上記画像処
理手段は、上層の膜厚と干渉光強度分布との関係を予め
求めておき、この分布と実際に得られた上記干渉光強度
分布とを対比して該膜厚を求める。
理手段は、上層の膜厚と干渉光強度分布との関係を予め
求めておき、この分布と実際に得られた上記干渉光強度
分布とを対比して該膜厚を求める。
【００１６】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１は、表面形状計測装置の概略構成を示す。
計測対象の試料１０は、移動ステージ１２上に載置され
ている。試料１０は、例えば表面処理された半導体ウェ
ーハであり、図３（Ａ）に示す如く、段差を有するアル
ミニウム下層１０１上に、上層である薄い酸化膜１０２
が被着されている。
明する。図１は、表面形状計測装置の概略構成を示す。
計測対象の試料１０は、移動ステージ１２上に載置され
ている。試料１０は、例えば表面処理された半導体ウェ
ーハであり、図３（Ａ）に示す如く、段差を有するアル
ミニウム下層１０１上に、上層である薄い酸化膜１０２
が被着されている。
【００１７】レーザ１４から射出された光ビームは、偏
光子１６を通って直線偏光にされ、ビームエクスパンダ
１８を通って断面が拡径され、スリット板２０を通って
断面が直線状に整形され、集光レンズ２２を通って、試
料１０に対する入射面内で試料１０上に集光される。集
光レンズ２２は、凸レンズ又はシリンドリカルレンズで
ある。
光子１６を通って直線偏光にされ、ビームエクスパンダ
１８を通って断面が拡径され、スリット板２０を通って
断面が直線状に整形され、集光レンズ２２を通って、試
料１０に対する入射面内で試料１０上に集光される。集
光レンズ２２は、凸レンズ又はシリンドリカルレンズで
ある。
【００１８】図２に示す如く、スリット板２０には、ス
リット２０ａが形成されており、その長手方向は、試料
１０に対する入射面に沿った方向となっている。この入
射面は、試料１０上の法線及び図示Ｙ軸を通る。試料１
０には、入射角がθｉ−Δθ〜θｉ＋Δθの範囲の光束
が入射され、Ｙ軸と直角なＸ軸の方向の光切断線が形成
される。
リット２０ａが形成されており、その長手方向は、試料
１０に対する入射面に沿った方向となっている。この入
射面は、試料１０上の法線及び図示Ｙ軸を通る。試料１
０には、入射角がθｉ−Δθ〜θｉ＋Δθの範囲の光束
が入射され、Ｙ軸と直角なＸ軸の方向の光切断線が形成
される。
【００１９】例えば、スリット２０ａは幅３０μｍ、長
さ２０ｍｍであり、集光レンズ２２は倍率５０の凸レン
ズであり、θｉは５０゜であり、Δθは３０゜であり、
試料１０上の光切断線は幅約１μｍ、長さ約３０μｍで
ある。図１において、入射光Ｌが試料１０上で反射さ
れ、反射光Ｒは、対物レンズ２４を通り、ビームスプリ
ッタ２６で透過光Ｔ１と反射光Ｒ１とに分割される。
さ２０ｍｍであり、集光レンズ２２は倍率５０の凸レン
ズであり、θｉは５０゜であり、Δθは３０゜であり、
試料１０上の光切断線は幅約１μｍ、長さ約３０μｍで
ある。図１において、入射光Ｌが試料１０上で反射さ
れ、反射光Ｒは、対物レンズ２４を通り、ビームスプリ
ッタ２６で透過光Ｔ１と反射光Ｒ１とに分割される。
【００２０】透過光Ｔ１は、結像レンズ２８を通ってイ
メージセンサ３０の受光面に拡大結像される。図３
（Ｂ）は、図３（Ａ）の断面に沿って光切断線を形成し
た場合に、イメージセンサ３０の受光面に得られる光切
断線像を、試料１０の断面と対応させて示す。反射光Ｒ
１は、イメージセンサ３２の受光面に結像されずに入射
され、入射面とイメージセンサ３２の受光面との交線に
沿って干渉光の分布が得られる。図３（Ｃ）は、図３
（Ａ）の試料１０の断面と対応させて、イメージセンサ
３２の受光面の光強度分布を斜線で簡略化して示してお
り、斜線密度が光強度を表している。図３（Ｃ）におい
て、ｚ軸は上記交線方向であり、ｘ軸はｚ軸に直角であ
って図１の紙面垂直方向である。
メージセンサ３０の受光面に拡大結像される。図３
（Ｂ）は、図３（Ａ）の断面に沿って光切断線を形成し
た場合に、イメージセンサ３０の受光面に得られる光切
断線像を、試料１０の断面と対応させて示す。反射光Ｒ
１は、イメージセンサ３２の受光面に結像されずに入射
され、入射面とイメージセンサ３２の受光面との交線に
沿って干渉光の分布が得られる。図３（Ｃ）は、図３
（Ａ）の試料１０の断面と対応させて、イメージセンサ
３２の受光面の光強度分布を斜線で簡略化して示してお
り、斜線密度が光強度を表している。図３（Ｃ）におい
て、ｚ軸は上記交線方向であり、ｘ軸はｚ軸に直角であ
って図１の紙面垂直方向である。
【００２１】図１において、画像入力回路３４は、イメ
ージセンサ３０に対するドライバと、イメージセンサ３
０から出力される映像信号を増幅するアンプと、このア
ンプの出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、映
像信号の画素位置に対応したアドレスを同期信号に基づ
いて生成する回路とを備えている。画像入力回路３６
は、イメージセンサ３２に対するものであって、画像入
力回路３４と同一構成である。画像処理装置３８は、画
像入力回路３４及び３６からの画像データが格納される
メモリと、その画像データを処理するプロセッサとを備
えている。画像処理装置３８には、コンソール４０が接
続されている。コンソール４０は、キーボード、マウス
及び表示装置等の入出力装置であり、画像処理装置３８
に対し対話的に指示を与え、この指示に応じてイメージ
センサ３０又は３２の画像を表示画面に出力し、かつ、
画像処理結果を表示画面に出力するためのものである。
ージセンサ３０に対するドライバと、イメージセンサ３
０から出力される映像信号を増幅するアンプと、このア
ンプの出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、映
像信号の画素位置に対応したアドレスを同期信号に基づ
いて生成する回路とを備えている。画像入力回路３６
は、イメージセンサ３２に対するものであって、画像入
力回路３４と同一構成である。画像処理装置３８は、画
像入力回路３４及び３６からの画像データが格納される
メモリと、その画像データを処理するプロセッサとを備
えている。画像処理装置３８には、コンソール４０が接
続されている。コンソール４０は、キーボード、マウス
及び表示装置等の入出力装置であり、画像処理装置３８
に対し対話的に指示を与え、この指示に応じてイメージ
センサ３０又は３２の画像を表示画面に出力し、かつ、
画像処理結果を表示画面に出力するためのものである。
【００２２】次に、図４に基づいて、図１の装置を用い
た表面形状計測手順を説明する。以下、括弧内の符号は
図４中のステップ識別符号である。 （ＳＴ１）試料１０に対する平均入反射角θｉがブリュ
ースター角θｂにほぼ一致するように光軸を調整する。
移動ステージ１２を駆動して、検査位置に光切断線が形
成されるようにする。偏光子１６の透過軸方位を入射面
に平行にして、光ビームをｐ偏光にする。対物レンズ２
４、結像レンズ２８及びイメージセンサ３０は光学顕微
鏡を構成しており、検査位置に光切断線が形成されるか
どうかは、スリット板２０を外した状態でイメージセン
サ３０上の画像をコンソール４０の画面に表示させて確
認することができる。次に、スリット板２０を図２に示
す状態にする。
た表面形状計測手順を説明する。以下、括弧内の符号は
図４中のステップ識別符号である。 （ＳＴ１）試料１０に対する平均入反射角θｉがブリュ
ースター角θｂにほぼ一致するように光軸を調整する。
移動ステージ１２を駆動して、検査位置に光切断線が形
成されるようにする。偏光子１６の透過軸方位を入射面
に平行にして、光ビームをｐ偏光にする。対物レンズ２
４、結像レンズ２８及びイメージセンサ３０は光学顕微
鏡を構成しており、検査位置に光切断線が形成されるか
どうかは、スリット板２０を外した状態でイメージセン
サ３０上の画像をコンソール４０の画面に表示させて確
認することができる。次に、スリット板２０を図２に示
す状態にする。
【００２３】図５は、ＳｉＯ2膜の入射角θに対するｐ
偏光反射率を示す。θ＝θｂで反射率が０となり、略ブ
リュースタ角θｂ−Δθ〜θｂ＋Δθの入射角範囲では
反射率が比較的小さいので、図３（Ａ）の酸化膜１０２
の表面Ｓ２での反射光Ｒ０１は下層１０１の表面Ｓ１で
の反射光Ｒ０２に比し無視することができる。したがっ
て、イメージセンサ３０の受光面には、図３（Ｂ）に示
すような表面Ｓ１に対応した光切断線像が得られる。
偏光反射率を示す。θ＝θｂで反射率が０となり、略ブ
リュースタ角θｂ−Δθ〜θｂ＋Δθの入射角範囲では
反射率が比較的小さいので、図３（Ａ）の酸化膜１０２
の表面Ｓ２での反射光Ｒ０１は下層１０１の表面Ｓ１で
の反射光Ｒ０２に比し無視することができる。したがっ
て、イメージセンサ３０の受光面には、図３（Ｂ）に示
すような表面Ｓ１に対応した光切断線像が得られる。
【００２４】図６に示す如く、表面Ｓ１上の光切断線Ｃ
Ｌ１、ＣＬ３と光切断線ＣＬ２との間隔ｄ１は、段差ｄ
２に比例しており、また、間隔ｄ１は図３（Ｂ）の像の
段差に比例している。画像処理装置３８は、この像に基
づき段差ｄ２を求めて、下層１０１の表面Ｓ１の形状を
決定する。 （ＳＴ２）偏光子１６を９０°回転させて、光ビームを
ｓ偏光にする。これにより、イメージセンサ３２の受光
面には図３（Ｃ）に示すような光強度分布が得られる。
図３（Ｃ）の、あるｘでのｚ軸方向の光強度分布は、図
３（Ａ）の反射光Ｒ０１と反射光Ｒ０２との干渉光の強
度分布であり、この光強度Ｉは Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２Ａｃｏｓ（φ） ・・・（１） φ＝２πｎｄｃｏｓ（θ）／λ ・・・（２） と表される。ここに、 ｎ：屈折率 ｄ：膜厚 λ：波長 Ｉ１：反射光Ｒ０１の光強度 Ｉ２：反射光Ｒ０２の光強度 である。θは、近似的にαｚ＋βと表すことができる。
ここに、α及びβは定数である。
Ｌ１、ＣＬ３と光切断線ＣＬ２との間隔ｄ１は、段差ｄ
２に比例しており、また、間隔ｄ１は図３（Ｂ）の像の
段差に比例している。画像処理装置３８は、この像に基
づき段差ｄ２を求めて、下層１０１の表面Ｓ１の形状を
決定する。 （ＳＴ２）偏光子１６を９０°回転させて、光ビームを
ｓ偏光にする。これにより、イメージセンサ３２の受光
面には図３（Ｃ）に示すような光強度分布が得られる。
図３（Ｃ）の、あるｘでのｚ軸方向の光強度分布は、図
３（Ａ）の反射光Ｒ０１と反射光Ｒ０２との干渉光の強
度分布であり、この光強度Ｉは Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２Ａｃｏｓ（φ） ・・・（１） φ＝２πｎｄｃｏｓ（θ）／λ ・・・（２） と表される。ここに、 ｎ：屈折率 ｄ：膜厚 λ：波長 Ｉ１：反射光Ｒ０１の光強度 Ｉ２：反射光Ｒ０２の光強度 である。θは、近似的にαｚ＋βと表すことができる。
ここに、α及びβは定数である。
【００２５】光強度Ｉに対し膜厚ｄは多価関数となり、
１つの光強度Ｉの値で膜厚ｄを一義的に定めることがで
きない。原理的には、ｎ、ｄ、Ｉ１、Ｉ２、Ａの５つの
未知数は、ｚ方向の５つの異なる点でのＩの値により定
まる。従って、式（１）及び（２）と、θｂ−Δθ≦θ
≦θｂ＋Δθの範囲で実際に得られた光強度Ｉｄ（ｚ）
とから、膜厚ｄを一義的に求めることができる。
１つの光強度Ｉの値で膜厚ｄを一義的に定めることがで
きない。原理的には、ｎ、ｄ、Ｉ１、Ｉ２、Ａの５つの
未知数は、ｚ方向の５つの異なる点でのＩの値により定
まる。従って、式（１）及び（２）と、θｂ−Δθ≦θ
≦θｂ＋Δθの範囲で実際に得られた光強度Ｉｄ（ｚ）
とから、膜厚ｄを一義的に求めることができる。
【００２６】他の方法として例えば、最大値を１に規格
化した干渉光強度のシミュレーション結果Ｉ（ｚ，ｄ）
を、ｚ及びｄをパラメータとして画像処理装置３８に予
め与えておき、これと、最大値を１に規格化した実際の
干渉光強度Ｉｄ（ｘ，ｚ）とから、最小二乗法により位
置ｘでの膜厚ｄを決定する。すなわち、 Ｊ（ｘ，ｄ）＝Σ｛Ｉ（ｚ，ｄ）−Ｉｄ（ｘ，ｚ）｝2 が最小となる膜厚ｄを求める。ここに、Σはｚの全範囲
についての総和を意味する。
化した干渉光強度のシミュレーション結果Ｉ（ｚ，ｄ）
を、ｚ及びｄをパラメータとして画像処理装置３８に予
め与えておき、これと、最大値を１に規格化した実際の
干渉光強度Ｉｄ（ｘ，ｚ）とから、最小二乗法により位
置ｘでの膜厚ｄを決定する。すなわち、 Ｊ（ｘ，ｄ）＝Σ｛Ｉ（ｚ，ｄ）−Ｉｄ（ｘ，ｚ）｝2 が最小となる膜厚ｄを求める。ここに、Σはｚの全範囲
についての総和を意味する。
【００２７】図３（Ｃ）のｘ軸に沿った各画素について
上記方法により膜厚ｄを求める。なお、ｘ軸上の１点で
上記方法により膜厚ｄを求め、上式（１）及び（２）中
の未知定数を決定し、他のｘの位置ではｚ方向の２画素
（最大値を１に規格化しているため）の光強度のみによ
り膜厚ｄを求めてもよい。この場合、隣合う画素間では
膜厚ｄの差が最小であるとして膜厚ｄを一義的に定め
る。
上記方法により膜厚ｄを求める。なお、ｘ軸上の１点で
上記方法により膜厚ｄを求め、上式（１）及び（２）中
の未知定数を決定し、他のｘの位置ではｚ方向の２画素
（最大値を１に規格化しているため）の光強度のみによ
り膜厚ｄを求めてもよい。この場合、隣合う画素間では
膜厚ｄの差が最小であるとして膜厚ｄを一義的に定め
る。
【００２８】（ＳＴ３）ステップＳＴ１で求めた下層表
面形状の高さ方向にステップＳＴ２で求めた膜厚ｄを加
えて、酸化膜１０２の表面Ｓ２の形状を求める。 以上のようにして、試料１０上の酸化膜１０２の厚み及
び表面形状を、非破壊で、しかも容易迅速に、計測する
ことができる。なお、本発明には他にも種々の変形例が
含まれる。
面形状の高さ方向にステップＳＴ２で求めた膜厚ｄを加
えて、酸化膜１０２の表面Ｓ２の形状を求める。 以上のようにして、試料１０上の酸化膜１０２の厚み及
び表面形状を、非破壊で、しかも容易迅速に、計測する
ことができる。なお、本発明には他にも種々の変形例が
含まれる。
【００２９】例えば、図１において、ビームスプリッタ
２６、イメージセンサ３２及び画像入力回路３６を省略
し、結像レンズ２８を光路外に配置し又は結像レンズ２
８を光軸に沿って移動させることにより、イメージセン
サ３０の受光面に干渉光強度分布を得るようにして、イ
メージセンサ３０と画像入力回路３４とでイメージセン
サ３２と画像入力回路３６との機能を兼ねる構成であっ
てもよい。
２６、イメージセンサ３２及び画像入力回路３６を省略
し、結像レンズ２８を光路外に配置し又は結像レンズ２
８を光軸に沿って移動させることにより、イメージセン
サ３０の受光面に干渉光強度分布を得るようにして、イ
メージセンサ３０と画像入力回路３４とでイメージセン
サ３２と画像入力回路３６との機能を兼ねる構成であっ
てもよい。
【００３０】また、レーザ１４の出力光の断面直径によ
っては、ビームエクスパンダ１８及びスリット板２０は
いずれも必須ではない。さらに、対物レンズ２４も必須
ではない。また、偏光子１６は、試料１０に対する入射
光又は反射光のいずれの光路中に配置してもよい。酸化
膜１０２の反射率が下層１０１の反射率に比し無視でき
る場合には、ステップＳＴ１で偏光子１６は不要であ
り、また、ステップＳＴ２でも偏光子１６は不要であ
る。
っては、ビームエクスパンダ１８及びスリット板２０は
いずれも必須ではない。さらに、対物レンズ２４も必須
ではない。また、偏光子１６は、試料１０に対する入射
光又は反射光のいずれの光路中に配置してもよい。酸化
膜１０２の反射率が下層１０１の反射率に比し無視でき
る場合には、ステップＳＴ１で偏光子１６は不要であ
り、また、ステップＳＴ２でも偏光子１６は不要であ
る。
【００３１】
【発明の効果】以上説明した如く、第１発明に係る膜厚
計測方法によれば、上層及び下層の両表面で反射される
試料の上層の膜厚を、計測中に入射角を変更させること
なく計測することができ、これにより微小領域の膜厚を
計測することができるという効果を奏する。
計測方法によれば、上層及び下層の両表面で反射される
試料の上層の膜厚を、計測中に入射角を変更させること
なく計測することができ、これにより微小領域の膜厚を
計測することができるという効果を奏する。
【００３２】第２発明に係る表面形状計測方法によれ
ば、上層での反射を無視できるので、光切断線により下
層の表面形状を計測することができるという効果を奏す
る。第３発明に係る表面形状計測方法によれば、下層に
上層が積層され該上層を通った光が該下層の表面で反射
される試料の該上層の表面形状を計測することができ、
これにより試料の切断及び検査箇所の削り出し作業が不
要となり、非破壊で容易迅速に上層の表面形状を計測す
ることができるという効果を奏する。
ば、上層での反射を無視できるので、光切断線により下
層の表面形状を計測することができるという効果を奏す
る。第３発明に係る表面形状計測方法によれば、下層に
上層が積層され該上層を通った光が該下層の表面で反射
される試料の該上層の表面形状を計測することができ、
これにより試料の切断及び検査箇所の削り出し作業が不
要となり、非破壊で容易迅速に上層の表面形状を計測す
ることができるという効果を奏する。
【００３３】第３発明の第１態様によれば、より正確に
上層の膜厚及び表面形状を計測することが可能となると
いう効果を奏する。第４乃至６発明及びその態様の装置
によれば、上記第１、３発明及びその態様の方法に対応
する上記効果が得られる。
上層の膜厚及び表面形状を計測することが可能となると
いう効果を奏する。第４乃至６発明及びその態様の装置
によれば、上記第１、３発明及びその態様の方法に対応
する上記効果が得られる。
【図１】本発明の一実施例の表面形状計測装置の概略構
成図である。
成図である。
【図２】試料付近の光路を示す斜視図である。
【図３】試料表面部の断面形状とイメージセンサ３０及
び３２上の画像との関係を示す図である。
び３２上の画像との関係を示す図である。
【図４】図１の装置を用いた表面形状計測手順を示すフ
ローチャートである。
ローチャートである。
【図５】入射角に対するｐ偏光反射率を示す図である。
【図６】光切断法による表面形状計測方法説明図であ
る。
る。
１０ 試料 １２ 移動ステージ １４ レーザ １６ 偏光子 １８ ビームエクスパンダ ２０ スリット板 ２２ 集光レンズ ２４ 対物レンズ ２６ ビームスプリッタ ２８ 結像レンズ ３０、３２ イメージセンサ ３４、３６ 画像入力回路 ３８ 画像処理装置 １０１ 下層 １０２ 酸化膜
Claims (8)
- 【請求項１】 下層に上層が積層され該上層を通った光
が該下層の表面で反射される試料の該上層の膜厚を計測
する方法において、 レーザ光を、複数の入射角で該試料に入射させて該試料
上に光切断線を形成させ、 該試料上からの反射光の、入射面内での干渉光強度分布
に基づいて該上層の膜厚を求める、 ことを特徴とする膜厚計測方法。 - 【請求項２】 下層に上層が積層され該上層を通った光
が該下層の表面で反射される試料の該下層の表面形状を
計測する方法において、 ｐ波のレーザ光を、該上層の略ブリュースター角で該試
料に入射させて該試料上に光切断線を形成させ、 該光切断線の像に基づいて該下層の表面形状を求める、 ことを特徴とする表面形状計測方法。 - 【請求項３】 下層に上層が積層され該上層を通った光
が該下層の表面で反射される試料の該上層の表面形状を
計測する方法において、 レーザ光を、該上層の略ブリュースター角で且つ複数の
入射角で該試料に入射させて該試料上に光切断線を形成
させ、 該試料上からの反射光の、入射面内での干渉光強度分布
に基づいて該上層の膜厚を求め、 該レーザ光をｐ波にしたときの該光切断線の像に基づい
て該下層の表面形状を求め、 該下層表面形状に該膜厚を加えて該上層の表面形状を求
める、 ことを特徴とする表面形状計測方法。 - 【請求項４】 前記上層の膜厚と干渉光強度分布との関
係を予め求めておき、この分布と実際に得られた前記干
渉光強度分布とを対比して該膜厚を求める、 ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載
の方法。 - 【請求項５】 下層に上層が積層され該上層を通った光
が該下層の表面で反射される試料の該上層の膜厚を計測
する膜厚計測装置において、 レーザと、 該レーザから射出された光を、複数の入射角で該試料に
入射させて該試料上に光切断線を形成させる光切断線形
成手段と、 該試料上からの反射光が受光面の、入射面に対応した直
線上で広がるように配置され、受光面の干渉光分布に応
じた映像信号を出力する撮像手段と、 該映像信号に基づいて該直線上の干渉光強度分布を求
め、該分布に基づいて該上層の膜厚を求め、該膜厚を、
該受光面上の該直線と直角な方向に沿って求める画像処
理手段と、 を有することを特徴とする膜厚計測装置。 - 【請求項６】 請求項５にさらに、 受光面の光分布に応じた映像信号を出力する第２の撮像
手段と、 前記試料上からの反射光の光路中に配置され、該反射光
を透過光と第２の反射光とに分割し、該透過光と該第２
の反射光との一方を前記第１の撮像手段の受光面に入射
させるビームスプリッターと、 該透過光と該第２の反射光との他方を該第２の撮像手段
の受光面に拡大結像させる結像レンズとを有し、 前記画像処理手段はさらに、該第２撮像手段から出力さ
れた映像信号に基づいて前記光切断線の像を求め、該像
に基づいて該下層の表面形状を求め、該下層表面形状に
前記膜厚を加えて前記上層の表面形状を求める、 ことを特徴とする表面形状計測装置。 - 【請求項７】 請求項６にさらに、 レンズと、 該レンズを第１の位置にさせて、前記試料上からの反射
光を前記撮像手段の受光面に拡大結像させ、該レンズを
第２の位置にさせて、該試料上からの反射光を該撮像手
段の受光面に結像させずに入射させるレンズ位置切換手
段とを有し、 前記画像処理手段はさらに、該レンズが第１の位置のと
きに該撮像手段から出力された映像信号に基づいて前記
光切断線の像を求め、該像に基づいて該下層の表面形状
を求め、該レンズが第２の位置のときに該撮像手段から
出力された映像信号に基づいて前記上層の膜厚を求め、
該下層表面形状に該膜厚を加えて該上層の表面形状を求
める、 ことを特徴とする表面形状計測装置。 - 【請求項８】 前記画像処理手段は、上層の膜厚と干渉
光強度分布との関係を予め求めておき、この分布と実際
に得られた前記干渉光強度分布とを対比して該膜厚を求
める、 ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１つに記載
の装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21771394A JPH0882511A (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 膜厚・表面形状計測方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21771394A JPH0882511A (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 膜厚・表面形状計測方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0882511A true JPH0882511A (ja) | 1996-03-26 |
Family
ID=16708574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21771394A Pending JPH0882511A (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 膜厚・表面形状計測方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0882511A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004053957A1 (ja) * | 2002-12-10 | 2004-06-24 | Nikon Corporation | 面位置検出装置、露光方法、及びデバイス製造方法 |
| JP2009192331A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Univ Nagoya | 膜厚分布測定装置 |
| JP2010237219A (ja) * | 2010-06-09 | 2010-10-21 | Lasertec Corp | 膜厚測定装置、及び膜厚測定方法 |
| CN108139209A (zh) * | 2015-10-02 | 2018-06-08 | 索泰克公司 | 测量多层半导体结构体的层中的厚度变化的方法 |
-
1994
- 1994-09-12 JP JP21771394A patent/JPH0882511A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004053957A1 (ja) * | 2002-12-10 | 2004-06-24 | Nikon Corporation | 面位置検出装置、露光方法、及びデバイス製造方法 |
| JP2009192331A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Univ Nagoya | 膜厚分布測定装置 |
| JP2010237219A (ja) * | 2010-06-09 | 2010-10-21 | Lasertec Corp | 膜厚測定装置、及び膜厚測定方法 |
| CN108139209A (zh) * | 2015-10-02 | 2018-06-08 | 索泰克公司 | 测量多层半导体结构体的层中的厚度变化的方法 |
| US10619997B2 (en) | 2015-10-02 | 2020-04-14 | Soitec | Method for measuring thickness variations in a layer of a multilayer semiconductor structure |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020813 |