JPS61217704A - 線幅測定装置 - Google Patents

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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は線幅測定装置に関し、さらに詳しくは、例え
ば、集積回路（以下単にＩＣと称する）用のマスクやウ
ェハ上に形成された極めて微細なパターンの線幅を測定
するのに用いられる線幅測定装置に関する。

〈従来技術〉 上記のような微細なパターンは、例えばシリコン上の７
オトレジスト膜や、シリコン上のシリコン酸化膜環一般
に極めて薄い膜で形Ｉ＆され、しかもパターンの線幅は
およそ０．５μｍないし、１００μｍ程度であるが、こ
のパターンの膜厚及び線幅が規定された通りに作成され
ているか否かによつてＩＣの良否が決まることになる。

従って、ＩＣの製造管理上、二のパターンの線幅を高い
再現精度を６って測定することができる線幅測定装置が
要請されるが、そのためにパターンの光像を充電的に受
光して測長を行なう装置が利用されている。

上記のようなパターンの場合、薄膜で形成されているた
め、その線幅を決定するパターンエツジの正確な検出に
は、微小な光量の変化を正確に峻別することが必要とな
る。

従って、線幅測定装置は上記のようなパターンから得ら
れる光像の微小な光量差から、いかにして当該パターン
のエツジを検出するかが性能の良否を決定する重要な因
子となる。

かかる線幅測定装置としては、従来より第５図に示す充
電顕微鏡を使用した線幅測定装置が知られている。この
図において、符号１は顕微鏡、２は顕微ｖＡ１にセット
されたマスクあるいはウェハ等の試料、３はステッピン
グモータ５によって駆動される光電変換素子、４は光電
変換素子３と同た電流−電圧変換器、７はデノタルカウ
ンタ、８はステッピングモータ５を駆動制御し、かつ電
流−電圧変換器６からの光強度信号を受けてこの信号を
演算処理し、線幅を演算して結果を表ス装置９ａあるい
はプリンタ９ｂに出力するマイクロコンビよ−タ等の信
号処理手段、８ａは燥作キイである。

この充電顕微鏡を使用した線幅測定装置は、次のように
してパターンの線幅を測定することができる。

先ず、測定すべき試料２を顕微鏡１の試料台に載置して
双眼アイピース１０を見ながら、第４図の矢印Ａに示す
ようにパターン１２を垂直方向の交線１１の、例えば右
側の位置に合わせ、しかる後、信号処理手段８をスター
トさせる。

スリット４及び光電変換素子３は信号処理手段８により
制御されたステッピングモータ５によって一方向に間欠
的に駆動され、各ステップ毎にパターン１２の画像信号
Ｉを出力し、電流−電圧変換器６によって増幅された光
強度信号Ｋを得る。

かかる光強度信号Ｋを信号処理手段８において所定のレ
バル信号と比較することによりパターン１２の線幅を算
出し、その結果は、例えば０．０５μｍ単位で表示ある
いは印字される。

なお、スリット及び光電変換素子の組合せに替えて撮像
管を用いこともあるが、撮像管の場合、管面に表示され
る像の歪みが少なく見積っても通常０．２％以上もある
ため、実用化するには、歪みの補正および安定性向上等
を考慮する必要がある。

上記従来技術の池にも詳述しないが、微細なレーザ光に
よって試料面を走査し、パターンエツジによる散乱光を
検出することにより線幅を測定する方法も知られている
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかるに前記スリットと光電変換素子でもって試料面を
走査する従来技術においては、走査中の各ステップ毎に
画像信号を出力するものであるため、度を向上させるた
めに複数回走査させて測定データを多く得る場合にはな
おさらである。

またレーザ光線によって試料面を走査する従来技術にお
いては、レーザビームの走査光学系が複雑となり、当該
装置の製造において、生産性の向上を図る上で妨げとな
る上、高価となる等の難点があった。

本発明はこのような難点を解消した線幅測定装置を提供
することをその目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は上記目的を達成するために、次のように構成し
たものである。

すなわち、拡大光学系で測定対象となるパターンを光電
変換手段上に投影して光電変換し、デノタル変換した画
像信号をコンビエータ等の信号処理手段で統計演算処理
して線幅を測定するようにした線幅測定装置において、
本発明は、光電変換手段を１次元イメージセンサアレイ
で構成するとトもニ、並列−直列回路で該イメーノセン
サアレノ＾）Ｌｎ中−ｈｍるもｈ’Ｍｆｉｌヂｎ寿互Ｍ
ｌ酬は山自尺−るように構成したことを特徴とするもの
で、特にその出力を少なくとも２　ｌｏ以上の分解能を
有するＡ／Ｄ変解緊解デジタル信号に緊解し、１次元イ
メージセンサアレイを構成する各素子間の感度のバラツ
キをあらかじめ記憶し、その記憶データに基づいて前記
デジタル信号を補正するようにすることもできる。

また、１次元イメージセンサアレイを圧電素子等の偏位
手段に連結し、当該１次元配列の方向へ素子の配列ピッ
チ内で偏位し得るように構成することもできる。

〈作　用〉 １次元イメージ゛センサアレイの各素子からの出力信号
は時系列信号に緊解するだめの手段を介して時系列的に
取り出され、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換され、
統計演算処理がなされるから、−瞬にして試料上の所要
幅に相当する画像信号を得ることとなる。

特に２１０以上の分解能を有するＡ／Ｄ変換手段でデジ
タル信号に変換した場合には、画像信号レベルを約１０
００階調にまで峻別することができ、さらに１次元イメ
ージセンサアレイの各素子間のバラツキをコンピュータ
等の信号処理手段で補正した上で統計演算処理をするよ
うに構成した場合には、１次元イメージセンサを用いて
極めて大きいダイナミックレンジを確保することができ
る。

また、１次元イメージセンサアレイを偏位手段で微小偏
位させるようにした場合には、素子の配列ピッチ内のさ
らに細分した位置における画像情報を得ることができる
ので、それだけパターンエツジの情報信号が豊富となり
、エツジの検出が正確となる。

〈実施例〉 本発明の特徴は、光電子増倍管に代えて１次元イメージ
センサアレイを使用しても、との出力信号に所要の補正
処理をすることにより、光電子増倍管に劣らない十分な
ダイナミックレンジ及び十分なＳ／Ｗ比を確保すること
ができることに着眼してそれを線幅測定装置に適用する
ことによりなされたものである。

以下本発明による実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例による線幅測定装置の構成を示
すブロック図であり、第５図で説明した符号と同一の符
号は同一部材を示す。

第１図において、符号１３は顕微鏡１の結像面に配置さ
れたＣＣＤ（Ｃｈａｐｇｅ　’　Ｃｕｐｌｅｄ　　Ｄｅ
ｖｉｃｅ）より成る１次元イメージセンサアレイ、１４
は１次元イメージセンサアレイ１３をその配列方向へ所
要量移動するための圧電素子１５とその制御回路１６よ
り成る移動手段、１７は１次元イメージセンサアレイ１
３によって光電変換された信号■を増幅して並列的に入
力された信号■を時系列的に出力させる並列−直列変換
回路（以下、Ｐ／Ｓ変換回路と称する）、１８は例えば
１０ビツトの分解能を有するＡ／Ｄ変換器、１９はＰ／
Ｓ変換回路１７・Ａ／Ｄ変換器１８及び後述する信号処
理手段２０のアドレス指定手段２１に対するタイミング
信号を出力するタイミングパレス発生回路である。

上記１次元イメージセンサアレイ１３は、１素子の大き
さが例えば１５μ石×１５μ鴎程度のものを直線状に２
０４８個配列して構成され、この場合には顕微鏡１によ
って投影された長さ約３ｃｍの投影像について一度に光
電変換して出力することができる。

ちなみに、顕微鏡１の拡大倍率を１００倍とすると、試
料２の長さ約０．３ｎ＋ｍについて検出することができ
、１素子当り０．１５μｍＸ０．１５μｍの大きさの画
素を認識することができる。

なお、１次元イメージセンサアレイ１３はＣＯＤに代え
て、Ｐ　Ｄ　Ａ（Ｐ）ｉｏＬｏ　　Ｄ　１ｏｄｅ　　Ａ
ｒｒａｙ）を用いることもできる。

Ａ／Ｄ変換器１８が１０ビツトの場合にはＰ／Ｓ変換回
路１７により増幅して時系列的に出力された画像信号Ｊ
は１０２４階調の信号レベルのデジタル信号Ｋｌ：変換
され、出力される。

なお実験によると、１２ビツト用Ａ／Ｄ変換器を用いて
４０９６階調まで分解した信号レベルについても、その
再現性を確保することができる。

かかるデジタル信号には、信号処理手段２０の内部メモ
リ２２の画素情報記憶部２２ａにアドレス指定手段２１
を介して、２０４８個の異なるアドレスに書込まれる。

信号処理手段２０は中央制御部（以下単にＣＰＵと称す
る）２３と、アドレス指定手段２１と、感度情報・画素
情報及び中間情報がそれぞれ書込まれた記憶部２２と、
画素情報補正手段２４と、平均化処理手段２５とパター
ンエツジ検出手段２６と、線幅演算手段２７とから構成
され、第２図に示すフローチャートに基づいてパターン
１２の線幅を出力装置９ａに出力するように構成されて
いる。

ところで、前記１次元イメージセンサアレイ１３が光電
変換した出力は、各素子の感度のバラツキが最大±１０
％程度見込まれ、さらに各素子が受光しない時にもわず
かに暗電流を発生するため、前記画素情報記１を部２２
ａに記憶された２０４８個の画素情報を補正して、真の
値に近づける必要がある。そこで本発明に係る線幅測定
装置において、１次元イメージセンサアレイ１３の各素
子固有の暗電流の大きさＤｉ（ｉ”１〜２０２４）及び
感度５ｉ（ｉ＝１〜２０２４）を、あらかじめ感度情報
として感度情報記憶部２２ｂに記憶し、画素情報記憶部
２２ａから読み出さ７′した各画素情報Ｘ１（ｉ”１〜
２０２４）に対応させて感度情報Ｄｉ。

５ｉｌｔ読み出し、画素情報補正手段２４で、画素情報
たるデジタル画像信号にの信号レベルを真の値に近づけ
、その補正された画素情報を平均化処理・エツジ検出処
理等の統計処理を行なった上で線幅を算出し得るように
構成されている。

かかる平均化処理及びエツジ検出処理は、デジタル画像
処理装置においては既に公知と思われるが、ここでは１
次元イメージセンサアレイを構成する各素子について、
例えば成る素子を中心として想定される両隣りの素子２
個ずつ計４個を加えた５個の素子の出力値平均を算出し
、この算出平均値を当該素子の出力値とする演算処理を
行ない、かかる演算処理を、例えば３回繰返すことによ
り平均化処理を行なうようにしたらのであり、エツジ検
出処理は、このようにして平均化処理された各素子から
の出力値を、これら出力値の最大値および最小値をそれ
ぞれ１００％おより０％とした場合の、例えば３５％で
レベルカットすることにより線分のエツジを検出するよ
うにしている。

本発明に係る線幅測定装置における２の特徴は、１次元
イメージセンサアレイ１３を偏位手段１４で素子の配列
ピッチ内で偏位させるように構成したことである。

偏位手段１４は、例えば１次元イメージセンサアレイ１
３の一端に圧電素子等の偏位手段１５を連結し、この圧
電素子１５を、信号処理手段２０からの指令に基づいて
圧電素子制御回路１６で制御するように構成されている
。

この実施例においては、圧電素子１５に付与する電圧を
５段階に切換え、それに対応して圧電素子１５の長さを
３μｍづつ段階的に変化させ、これにより圧電素子１５
の端部に連結された１次元イメージ“センサ７レイ１３
を３μｍピッチで偏位させ、各偏位位置で投影像の光電
変換信号■を取り出すように構成されている。

本実施例の場合、例えば素子の配列ピンチ１５μｍ内で
３μｍおきに画像情報を得ることができるから、１次元
イメージセンサアレイ１３を偏位させない場合に比べて
、解像力が５倍に向上することとなる。従って、前記の
ように１素子当り０゜１５μ陣の大きさの画素しか検出
できなくでも、これによって実質上０．０３μｍの大き
さの画素を検出させることができるのである。

本発明は、上記実施例に限るものではなく、顕微鏡の拡
大倍率をさらに大きくしたり、偏位量をさらに小さくす
ることによっても検出可能な画素の大きさをさらに小さ
くすることができる。

第３図は、第２図の７ｏ−チャートに基づいてなされる
信号処理の態様を模式的に示すグラフであり、横軸は時
系列に出力される１次元イメージセンサアレイ１３がら
の出力信号に番号を付して表わし、縦軸はＡ／Ｄ変換器
１８がらのデノタル′信号の出力レベルを示す。

以下、第１図ないし第３図により、本実施例に係る線幅
測定装置の機能を説明する。

１次元イメージセンサアレイ１３の積分時間Ｅはあらか
じめ設定されている。信号処理手段２０のキイ８ａを操
作してスタートさせると、１次元イメージセンサアレイ
１３の各素子は積分時間ｔの闇、同時に投影像の光量を
蓄積する。

次いで、前記Ｐ／Ｓ変換回路１７及びＡＤ変換器１８を
介して第３図Ａに示すような信号レベルの画素情報Ｋが
画素情報記憶部２２ａに記憶される。

この画素情報には前記のようにして画素情報補正手段２
４によって真の値に近づけられ、第３図Ｂに示すような
信号レベルに補正される。そして、平均化処理手段２５
によって、第３図Ｃに示すような滑らかな信号レベルに
平均化され、工・ノジ検出手段２６によってエッソポイ
ントＰ１・Ｐ２が検出される。

なお、工・２シボイン）Ｐ、−Ｐ２の検出は破線で示す
所定の信号レベルで切り、その交点を求めることによっ
て決定されるが、これに代えて、隣接する画素間の出力
信号レベルの差分の最大値を求めることによって決定し
てもよい。このエツジポイン）Ｐ、−Ｐ２の位置をもと
にして、線幅演算手段２７で線幅が計算され、その結果
が出力装厘９ａに表示される。

なお、前記移動手段１４で１次元イメ〜シセンサ７レイ
１３を複数回（例えば１５μ端ピツチを３μｌピツチず
つ５回）段階的に偏位させて読取った画素情報には、ア
ドレス指定手段２１によって画像情報記憶部２２ａの所
定の７ドレスへ整合性をもたせて記憶し、以下同様にし
てエッソポイントを検出する。

なお、本実施例においては、偏手段１４を圧電素子１５
とその制御回路１６とで構成したが、これに限るもので
はなく、クサビ等の機械的手段を用いて１次元イメージ
センサアレイを段階的に偏位させるように、構成するこ
ともできる。

上記した説明においては、最終的に２回以上の分換能を
有するデジタル信号を得るため、例えば２１０以上の分
解能を有するＡ／Ｄ変換器を使用したが、本発明におい
てはかかるＡ／Ｄ変換器に限定されるものではなく、Ａ
／Ｄ変換器としては、例えば通常の２８の分換能のもの
を使用し、以後のデータ処理の段階で周知のデータ処理
方法により２１°以上のデジタル信号にすることも可能
である。

〈発明の効果〉 本発明によると前記のように構成され作用するから次の
ような秀れた効果を奏する。

イ、光電変換手段として１次元イメージセンサアレイを
用いているため、試料上の所要幅に相当する画素情報を
一度に得ることができるから、測定時間の大幅な短縮を
図ことができる。

口、光電変換手段とスリットの駆動Ｗｉ構、あるいはレ
ーザ光線を走査させる走査光学機構を必要とせず、構造
が簡単となり生産性の向上を図ることができる上、コス
トの低減を図ることもできる。

ハ、１次元イメージセンサアレイの各素子間の感度のバ
ラツキ、暗電流によるバラツキおよび光学系の光量分布
のバラツキを補正して、画素信号レベルを真の値に近つ
けるように補正した場合には、従来のようにスリット幅
の調整をする必要がなく、測定精度のバラッも解消する
ことができる。

二、Ｖｆに、１次元イメージセンサアレイを素子の配列
ピッチ内で微小偏位させる偏位手段を設けた場合には、
それだけ解像力を向上させることができるから、より高
い精度でパターンの線幅を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はは本発明に係る線幅測定装置の構成を示すブロ
ック図、第２図はその７０−チャート、第３図は第２図
の７０−チャートに基づいてなされる信号処理の態様を
模式的に示すグラフ、第・を図は顕微鋺にセットした試
料の拡大図、第５図は従来技術に係る充電顕微襞のブロ
ック図である。 １・・・拡大光学系（顕微鏡）、　２・・・試料、１２
・・・パターン、　　１３・・・１次元イメージセンサ
アレイ、　　１４・・・偏位手段、　　１５・・・圧電
素子、１６・・・圧電素子制御回路、　　１７・・・並
置−列変換回路（Ｐ／Ｓ変換回路）、　　１８・・・Ａ
／Ｄ変換器、１９・・・タイミングパルス発生回路、２
０・・・信号処理手段（コンピュータ）、２２・・・記
憶手段、　　２２ａ・・・画素情報記憶部、２２ｂ・・
・感度情報記憶部。 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも、試料上の線画パターンを拡大投影する
   ための拡大光学系と、投影されたパターンの像を画像信
   号に変換するための光電変換手段と、該画像信号をＡ／
   Ｄ変換するための手段と、Ａ／Ｄ変換された画像信号に
   所要の演算処理を施こして当該線画パターンの線幅を算
   出する信号処理手段とから成る線幅測定装置において、 光電変換手段を１次元イメージセンサアレイで構成する
   とともに、該１次元イメージセンサアレイからの出力信
   号を時系列信号に変換するための手段を付設したことを
   特徴とする線幅測定装置 ２、１次元イメージセンサアレイに、該センサアレイを
   その軸線方向に微小偏位させる手段を付設した特許請求
   の範囲第１項記載の線幅測定装置 ３、Ａ／Ｄ変換器を、２＾１＾０以上の分解能を有する
   Ａ／Ｄ変換器で構成した特許請求の範囲第１項記載の線
   幅測定装置 ４、偏位手段を、圧電素子で構成した特許請求の範囲第
   ２項記載の線幅測定装置