JPH09152311A - パターン線幅測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 方向の異なる複数パターンの測定を行なう場
合に、その測定時間を短縮する。 【解決手段】 試料面上のパターンＰ１とパターンＰ２
とを横切るようにＬ１−Ｌ２に沿って光ビームを走査
し、光ビームの試料面での反射光を光電検出すると共に
検出された反射光強度変化に基づいて各パターンのエッ
ジ位置ａ1 ，ａ2 ，ｂ1 ，ｂ2 を検出し、検出されたエ
ッジ位置と、角度θp ，θb とに基づいて幾何学的にパ
ターンＰ１、Ｐ２の線幅を求める。これによれば、２方
向のパターンＰ１、Ｐ２のエッジを１回の光ビームの走
査により求め、各々の線幅を角度情報を用いた演算によ
り求めることから、測定時間が短縮される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パターン線幅測定
方法及びその装置に係り、更に詳しくはフォトリソグラ
フィプロセスにおいて試料上に形成されるパターンの線
幅を光学的に測定するパターン線幅測定方法及びその装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、図３に示されるような、
０度方向（図における左右方向）及び９０度方向（図に
おける上下方向）のパターンＰ１、Ｐ２の線幅Ｗ１、Ｗ
２を測定するには、通常以下の方法が用いられる。

【０００３】 図３におけるＬ１とＬ２を結ぶ直線上
をレーザスポット等を走査し、同図Ｍ１（０点に相当す
る）よりＭ２までの反射光データを線幅測定装置内部に
取り込み、反射光強度変化に基づいてパターンＰ１のエ
ッジ位置ａ１、ａ２を求める。

【０００４】 ａ１、ａ２はＭ１（０点）からの距離
を表しているので、Ｗ１＝ａ２−ａ１の演算を行ない線
幅値Ｗ１を求める。

【０００５】 上記と同様に、図３のＬ３とＬ４を結
ぶ直線上をレーザスポット等を走査し、同図Ｍ３（０点
に相当する）よりＭ４までの反射光データを線幅測定装
置内部に取り込み、反射光強度の違いに基づいてパター
ンＰ２のエッジ位置ｂ１，ｂ２を求める。

【０００６】 ｂ１、ｂ２はＭ３（０点）からの距離
を表しているので、Ｗ２＝ｂ２−ｂ１の演算を行ない線
幅値Ｗ２を求める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】通常、測定を行なうべ
きパターンは、上述した０度方向と９０度方向両方が混
在している。０度方向と９０度方向のパターンが近傍に
ある場合でも、上記従来のパターン線幅測定方法では、
２回のスポット走査が必要であり、画像処理による測定
のように２次元方向の同時測定を行なう場合に比べ２倍
以上の測定時間がかかるという不都合があった。

【０００８】本発明は、かかる従来技術の有する不都合
に鑑みてなされたもので、その目的は、方向の異なる複
数パターンの測定を行なう場合に、その測定時間を短縮
することができるパターン測定方法及びその装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、試料の面上に相互に所定角度を成す第１方向及び第
２方向に沿って配置された複数のパターンの線幅を測定
するパターン線幅測定方法であって、前記第１方向及び
第２方向のそれぞれの方向のパターンを少なくとも各一
つ含む複数のパターンを横切るように前記第１方向に対
して所定角度を成す第３方向に沿って光ビームを走査す
る第１工程と；前記光ビームの前記試料面での反射光を
光電検出すると共に検出された反射光強度変化に基づい
て前記各パターンのエッジ位置を検出する第２工程と；
前記検出されたエッジ位置、前記第１方向と第２方向と
の成す角及び前記第１方向と第３方向との成す角に基づ
いて幾何学的に前記複数のパターンの線幅を求める第３
工程とを含む。

【００１０】これによれば、２方向の複数のパターンの
エッジを１回の光ビームの走査により求め、各々の線幅
を角度情報を用いた演算により求めることから、測定時
間が短縮される。

【００１１】請求項２に記載の発明は、試料の面上に相
互に所定角度を成す第１方向及び第２方向に沿って配置
された複数のパターンの線幅を測定するパターン線幅測
定装置であって、前記試料面上を前記第１方向及び第２
方向のそれぞれの方向に共に交差する第３方向に沿って
光ビームを走査するビーム走査手段と；前記光ビームの
前記試料面での反射光を光電検出する光電検出手段と；
前記光ビームの前記試料面での位置を検出する位置検出
手段と；前記光電検出手段と位置検出手段との出力に基
づいて前記各パターンのエッジ位置を検出するエッジ検
出手段と；前記エッジ検出手段により検出されたエッジ
位置、既知の前記第１方向と第２方向との成す角及び前
記第１方向と第３方向との成す角に基づいて幾何学的に
前記複数のパターンの線幅を演算する演算手段とを有す
る。

【００１２】これによれば、ビーム走査手段により試料
面上を第１方向及び第２方向のそれぞれの方向のパター
ンを横切るように第３方向に沿って光ビームが走査され
ると、光電検出手段では光ビームの試料面での反射光を
光電検出する。また、位置検出手段では光ビームの試料
面での位置を検出する。エッジ検出手段では光電検出手
段と位置検出手段との出力に基づいて各パターンのエッ
ジ位置を検出し、演算手段ではこのエッジ検出手段によ
り検出されたエッジ位置、既知の第１方向と第２方向と
の成す角及び第１方向と第３方向との成す角に基づいて
幾何学的に複数のパターンの線幅を演算する。従って、
請求項１に記載の発明の場合と同様に、２方向の複数の
パターンのエッジを１回の光ビームの走査により求め、
各々の線幅を角度情報を用いた演算により求めることが
できる。

【００１３】ここで、ビーム走査手段としては、光ビー
ムを試料面に照射する対物レンズの光軸に直交する平面
内を２次元方向に試料を搭載して移動可能なステージ
や、前記対物レンズを２次元方向に駆動する手段等が最
も一般的であると考えられるが、この他、直交する２軸
回りに自在に揺動可能に構成された反射ミラーや、直交
する２軸回りに自在に揺動可能に構成された平行平板と
反射ミラーの組み合わせ等種々の光学系により光ビーム
を試料面に対し２次元方向に相対走査する手段を構成す
ることができるが、請求項３に記載の発明のように構成
しても良い。

【００１４】即ち、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載のパターン線幅測定装置において、前記ビーム走
査手段は、前記光ビームを所定方向に沿って走査する可
動ミラーと、この可動ミラーで走査される光ビームの前
記試料面上での走査方向を任意に回転させる回転手段と
を有することを特徴とする。これによれば、例えば、光
ビームとして矩形状のスポット光を用いる場合には、こ
のスポット光をその長手直交方向に沿って試料面上で走
査することができ、しかもその走査方向を回転させた場
合でも、この関係を維持することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図２に
基づいて説明する。図１には、本発明に係るパターン測
定方法を実施するための一実施例のパターン線幅測定装
置１０の概略構成が示されている。

【００１６】このパターン線幅測定装置１０は、ステー
ジ２４上に載置された試料としての基板、例えばウエハ
Ｗ上に形成されたパターンの線幅を測定する装置であ
る。

【００１７】このパターン線幅測定装置１０は、レーザ
等の光源１２、集光レンズ１３、可動ミラーとしての往
復運動ミラー１４、レーザ干渉計１６、回転手段として
のビームローテータ１８、ビームスプリッタ２０、ミラ
ー２１、対物レンズ２２、ステージ２４、反射光検出器
２６、制御部２８、ＡＤコンバータ３０、メモリ３２、
主制御部３４を備えている。

【００１８】ここで、このパターン線幅測定装置１０の
構成各部について、その作用と共に説明すると、光源１
２より出たレーザ等の光束は、不図示のビームエキスパ
ンダーによりその光束が拡大された後、往復運動ミラー
１４を構成する第１ミラー１４Ａ、第２ミラー１４Ｂで
順次反射されて１８０度その向きが偏向されて集光レン
ズ１３に向かって進む。その後、この光束は集光レンズ
１３によりビーム径が絞られ、ビームスプリッタ２０を
透過し、ビームローテータ１８を図１の右側から左側に
向かって通過後ミラー２１で反射された後、対物レンズ
２２に入射し、対物レンズ２２により集光されてウエハ
Ｗ上で結像される。ここで、往復運動ミラー１４は、不
図示の駆動系により矢印Ａで示されるように上下動可能
に構成されており、この往復運動ミラー１４によって不
図示のビームエキスパンダーによりその光束が拡大され
たレーザ等の光束が走査されることにより、結果的に対
物レンズ２２により集光された光束（光ビーム）がウエ
ハＷ面上で所定方向に走査されるようになっている。即
ち、往復運動ミラー１４の位置とウエハＷ面上で走査さ
れる光ビームの位置とは１：１で対応しており、本実施
例では、往復運動ミラー１４の位置が位置検出手段とし
てのレーザ干渉計１６により検出さている。そして、レ
ーザ干渉計１６の出力に基づいて制御部２８により不図
示の駆動系を介して往復運動ミラー１４の位置制御が行
われ、結果的に制御部２８によりウエハＷ面上での光ビ
ームの走査方向の位置が制御されるようになっている。

【００１９】更に、本実施例では、制御部２８によりビ
ームローテータ１８の回転角が制御されるようになって
おり、これにより光ビームがウエハＷ上で走査される方
向を任意の方向に設定することができるようになってい
る。このビームローテータ１８は、ウエハＷ面（物体
面）に対する相対的回転を図１の右側から左側に向かっ
て入射した光束に付与し、図１の左側から右側に向かっ
て入射した光束には、これと逆回りの同一角度の回転を
付与するようになっている。このビームローテータ１８
としては、例えば、入射光軸と出射光軸とを結ぶ軸を中
心として回転させることにより、自身の回転角度の２倍
の回転角度だけ像を回転させるＤｏｖｅプリズムが使用
される。

【００２０】一方、ウエハＷ表面（パターン面）で反射
された光ビームの反射光は、対物レンズ２２を前と反対
向きに通り、ミラーで反射されてビームローテータ１８
に前と反対に左側から右側に向かって入射する。これに
より、この反射光束は回転が与えられる前の状態に戻
り、ビームスプリッタ２０で反射されて反射光検出器２
６の受光面上に結像する。そして、この反射光検出器２
６により反射光が光電検出され、この光電変換信号がＡ
Ｄコンバータ３０によりデジタル信号に変換され、レー
ザ干渉計１６の干渉計信号に同期してメモリ３２内に取
り込まれる。ここで、前記の如く、レーザ干渉計１６の
出力は往復運動ミラー１４の制御にも用いられており、
データの取り込まれるメモリ３２内の番地とウエハＷ上
の結像位置は一義的に決定される。即ち、メモリ３２内
のある番地と次の番地のデータの間隔は、干渉計パルス
の間隔に相当する。メモリ３２内に取り込まれたデータ
は、主制御装置３４で処理されパターンの線幅が後述す
るようにして算出される。

【００２１】次に、図２に示されるようなウエハＷ面上
のパターンを取り上げて、上述したパターン線幅測定装
置１０による線幅測定方法について説明する。

【００２２】最初に、線幅測定の対象となる図２のパタ
ーンについて簡単に説明すると、この図２のパターン
は、０度方向（第１方向）に延びる線幅値Ｗ１のパター
ンＰ１と、このパターンＰ１に対して角度θp を成す第
２方向に延びる線幅値Ｗ２のパターンＰ２とから成る。

【００２３】 制御部２８では図２のＬ１とＬ２を結
ぶ直線上を光ビーム（スポット光）が走査出来るよう
に、主制御部３４から指令に応じてビームローテータ１
８の回転角度を設定する。ここで、図２に示されるよう
に、Ｌ１とＬ２を結ぶ直線は図１のパターンＰ１の延び
ている方向（第１方向）に対しθb の角度を成す方向
（第３方向）に延びている。

【００２４】 次に、制御部２８ではレーザ干渉計１
６の出力をモニタしつつ不図示の駆動系を介して往復運
動ミラー１４を動かし、図２のＬ１よりＬ２までウエハ
Ｗ面上で光ビームを走査する。これにより、ウエハＷ面
での反射光束が前述の如くして反射光検出器２６で受光
され、例えば図２のＭ１（０点に相当する）よりＭ２ま
での反射光の光電変換信号がレーザ干渉計１６からの干
渉計信号（干渉計パルス）に同期してＡＤコンバータ３
０によりデジタル信号に変換され、メモリ３２内に取り
込まれる。ここで、前述したように、メモリ３２内のあ
る番地と次の番地のデータの間隔は、干渉計パルスの間
隔に相当する。

【００２５】 上記の反射光の光電変換信号のＡＤコ
ンバータ３０への取り込みに際しては、主制御装置３４
の不図示のＣＰＵにより不図示の増幅回路を介して光電
変換信号（反射光強度信号）がＡＤコンバータ３０の入
力制限範囲を超える箇所がなく、Ｓ／Ｎ比が向上するよ
うに、入力制限範囲に対して十分なダイナミックレンジ
を持たせるような電気的オフセットとゲインが設定され
る（オートゲインコントロール（ＡＧＣ）がかけられ
る）。

【００２６】１回の光ビームの走査で最適なＡＧＣがか
けられなかった場合は上記の、を繰返す。ここで、
光ビームの走査を行う往復運動ミラー１４の位置は、レ
ーザ干渉計１６の出力に基づいて制御部２８によりモニ
タされているため、再度光ビームの走査を行う場合でも
正確に図２のＭ１からＭ２までの反射光強度のデータを
メモリ３２に取り込むことができる。

【００２７】 主制御装置３４内の不図示のＣＰＵで
は、メモリ３２に取り込まれた反射光強度のデータ（反
射光強度変化）に基づいて図２のパターンＰ１、Ｐ２の
各エッジ位置ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２を算出する。ａ
１，ａ２，ｂ１，ｂ２は全てＭ１（０点）からの距離を
表しているので、主制御装置３４内の不図示のＣＰＵで
は、次式（１）、（２）の演算により、線幅値Ｗ１、Ｗ
２を求める。

【００２８】

【数１】 Ｗ１＝（ａ２−ａ１）ｓｉｎθb ………（１） Ｗ２＝（ｂ２−ｂ１）ｓｉｎ｛π−（θp＋θb）｝ ＝（ｂ２−ｂ１）ｓｉｎ（θp＋θb） ………（２）

【００２９】尚、通常のパターンでは、θpが９０度で
あるので、以下の様になる。

【００３０】

【数２】 Ｗ１＝（ａ２−ａ１）ｓｉｎθb Ｗ２＝（ｂ２−ｂ１）ｓｉｎ（π／２＋θb）

【００３１】これまでの説明から明らかなように、本実
施例では、往復運動ミラー１４とビームローテータ１８
とによってビーム走査手段が構成され、また、主制御装
置３４の機能によってエッジ検出手段、演算手段が実現
されている。

【００３２】以上説明したように、本実施例によると、
光ビームの１回の走査で方向の異なる複数のパターンの
線幅を測定できるため、各パターンの方向毎に光ビーム
の走査を行なう場合に比較して測定定時間を短縮するこ
とができる。

【００３３】なお、上記実施例では、測定時においてス
テージ２４が停止し、光ビームが往復運動ミラー１４に
よりウエハＷ面上で走査され、その走査方向がビームロ
ーテータ１８の回転により設定される場合、即ち、往復
運動ミラー１４とビームローテータ１８とを組合せてビ
ーム走査手段を構成する場合を例示したが、本発明がこ
れに限定されることはなく、例えば、ステージが２次元
方向に移動できる場合には、往復運動ミラー、ビームロ
ーテータを省略し、このステージを例えば、図２のＬ２
−Ｌ１に沿って移動させても良い。あるいは、同じく、
往復運動ミラー、ビームローテータを省略し、対物レン
ズ２２を図２のＬ１−Ｌ２に沿って移動可能に構成して
も良い。この他、直交する２軸回りに揺動可能に構成さ
れた反射ミラーや、直交する２軸回りに揺動可能に構成
された平行平板と反射ミラーの組み合わせ等によりビー
ム走査手段を構成しても良い。要は、ビーム走査手段
は、試料としてのウエハＷ（基板）のパターン面に対し
任意の方向に沿って光ビームを相対走査できれば良い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
方向の異なる複数パターンの測定を行なう場合に、その
測定時間の短縮を図ることができるという従来にない優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例のパターン線幅測定装置の概略構成を
示すブロック図である。

【図２】本発明による測定方法を説明するための図であ
る。

【図３】従来の線幅測定方法を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１０ パターン線幅測定装置 １４ 往復運動ミラー（可動ミラー、ビーム走査手段の
一部） １８ ビームローテータ（回転手段、ビーム走査手段の
一部） ２６ 反射光検出器（光電検出手段） １６ レーザ干渉計（位置検出手段） ３４ 主制御装置（エッジ検出手段、演算手段） Ｗ ウエハ（試料）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の面上に相互に所定角度を成す第１
   方向及び第２方向に沿って配置された複数のパターンの
   線幅を測定するパターン線幅測定方法であって、 前記第１方向及び第２方向のそれぞれの方向のパターン
   を少なくとも各一つ含む複数のパターンを横切るように
   前記第１方向に対して所定角度を成す第３方向に沿って
   光ビームを走査する第１工程と；前記光ビームの前記試
   料面での反射光を光電検出すると共に検出された反射光
   強度変化に基づいて前記各パターンのエッジ位置を検出
   する第２工程と；前記検出されたエッジ位置、前記第１
   方向と第２方向との成す角及び前記第１方向と第３方向
   との成す角に基づいて幾何学的に前記複数のパターンの
   線幅を求める第３工程とを含むパターン線幅測定方法。
2. 【請求項２】 試料の面上に相互に所定角度を成す第１
   方向及び第２方向に沿って配置された複数のパターンの
   線幅を測定するパターン線幅測定装置であって、 前記試料面上を前記第１方向及び第２方向のそれぞれの
   方向に共に交差する第３方向に沿って光ビームを走査す
   るビーム走査手段と；前記光ビームの前記試料面での反
   射光を光電検出する光電検出手段と；前記光ビームの前
   記試料面での位置を検出する位置検出手段と；前記光電
   検出手段と位置検出手段との出力に基づいて前記各パタ
   ーンのエッジ位置を検出するエッジ検出手段と；前記エ
   ッジ検出手段により検出されたエッジ位置、既知の前記
   第１方向と第２方向との成す角及び前記第１方向と第３
   方向との成す角に基づいて幾何学的に前記複数のパター
   ンの線幅を演算する演算手段とを有するパターン線幅測
   定装置。
3. 【請求項３】 前記ビーム走査手段は、前記光ビームを
   所定方向に沿って走査する可動ミラーと、この可動ミラ
   ーで走査される光ビームの前記試料面上での走査方向を
   任意に回転させる回転手段とを有することを特徴とする
   請求項２に記載のパターン線幅測定装置。