JPS6211105A - 光学的計測法及びその装置 - 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】 発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、光学的計測法及びその装置に関し、特に微小
物の寸法を光学顕微鏡下で自動的に測定する測定法及び
その装置に関する。

本発明によって計測される被計測物の種類は特に限定す
るものではないが、ホトマスク及び半導体ウェーハ上の
線幅を測定する必要がある半導体工業分野における製品
や、磁気回路おけるギャップ幅を測定する必要のある磁
気記録ヘッドの製造に使用される製品である。

（従来の技術） 従来の自動微小測定装置においては通常、ビデオ走査又
は光度測定式スリット走査の技術が利用されている。し
かしながら、ビデオ走査の技術ではテレビジョン撮影管
（ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　ｃａｍｅｒａ　ｔｕｂｅ）の
走査において不可避的に存在する非線形性の影響を受け
、また光学測定式スリット走査の技術では動作速度が遅
いという欠点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 従って、本発明は特に限定するものではないが、光学測
定式スリット走査よりも動作速度が速く、しかも従来の
ビデオ走査において回避することができなかった測定結
果の不正確性を克服することができる微小物測定の方法
及びその装置を提供する目的で開発されたものである。

発明の構成 （問題点を解決するための手段） 本願第１発明は上記の目的を達成するために、光学顕微
鏡、同光学顕微鏡からの光学像を受け、さらに同光学像
を基準データを有する表示面上に表示するビデオシステ
ム、および光学顕微鏡がらノ光学像をビデオシステムに
伝達する光学システムを用いて半導体ウェーハ上の線幅
のよう微小被計測物の対向する一対の縁辺間の幅を測定
する方法において、 前記縁辺のうちの一端の予め定めた強度レベルが基準デ
ータに対して所定位置に達するまで像を表示面を横断し
て動かすことにより、第１の測定位置まで光学システム
と被計測物との相対的位置の調節を行い、 次に、被計測物の他の縁辺の予め定めた別の強度レベル
が基準データに対して予め定めた位置に達するまで画面
上の映像を動かして第２の測定位置まで光学システムと
被計測物との相対的位置の調節を行い、 さらに、第１及び第２の測定位置間でその調節範囲を測
定し、被計測物の対向する縁辺間の幅に対応する値を求
めることからなる測定方法を提供するものである。

又本願第２発明は半導体ウェーハ上の線幅のような、微
小被計測物の、対向する一対の縁辺の間の幅を測定する
装置において、 被計測物を観察するための光学顕微鏡と、光学顕微鏡か
らの光学像を受けその像を基準データを有する表示面上
に表示するビデオシステムと、 光学顕微鏡からの光学像をビデオシステムに伝達する光
学システムと、 光学システムと被計測物との間で、前記縁辺の一つの予
め定めた強度レベルが基準データに関し所定位置に達す
るまで像を表示面を横断して動かし、第１の測定位置に
相対的調節を行い、続いて被計測物を他の縁辺の予め定
めた別の強度レベルが基準データに関し所定の位置に達
する第２の測定位置に相対的調節を行う手段と、 第１と第２の測定位置の間で調節の範囲を測定し、被計
測物の対向する縁辺の間の幅に対応する値を発生する手
段とから成る測定装置を提供するものである。

好ましくは、相対的位置調節は、被計測物を固定したま
まで光学像が第１及び第２の測定位置間を移動するよう
に光学システムを移動して行った方がよい。ただし、光
学システムを固定したまま光学像が第１及び第２の測定
位置間を移動するよう制御した正確な調節運動を被計測
物に与えることも本発明の範囲に含まれるものである。

光学システムが移動可能となっている実施例において同
光学システムには反射面が備わっており、同反射面は光
学システムが第１及び第２の測定位置間で光学像に必要
な移動を行うように調節される。

反射面は角度調節可能なミラーにて形成することができ
る。ただし、反射面を備えていいない他の光学システム
を利用することも可能である。例えば、第１及び第２の
測定位置間で光学像を移動するのに必要な光量に応じて
光学システムを通過する光路を切換える電子制御式オプ
トエレクトロニックシステムを備えることもできる。

好ましくは、基準データは、たとえば、表示される被測
定像に決して歪みを生ずる虞れのない中間の領域、ある
いはビデオシステムの画面上に置くのがよい。

監視する予め定めた強度レベルは各縁辺に対して同一で
よいが、特に限定するものではない。監視する強度レベ
ルは、当業者にとっては周知の事実であるが、いわゆる
「最小しきい値」、「内部限界値法」、「外部限界値法
」、あるいは「二重限界値法」による。

反射面をミラーで形成するときは、その測定位置間にお
いてで角度調節可能に移動するようミラーを取付け、モ
ータの各度変位を監視するトランスジューサを備えた精
密走査モータ、たとえば限界角度トルクモータにより同
ミラーを駆動する。

ビデオシステムは、反射面により伝達される光学像の光
路内に設置されるテレビジョン撮影管を配備してもよい
が、必要に応じて、ビデオシステムは被計測物の光学像
を電気信号に変換し、同被計測物を、オペレータのモニ
タ用にＴＶモニタ画面のような、表示面上に表示するよ
うなビデオシステムの構成を設けてもよい。

（作用） 本発明は上記した手段を採用したことにより、光学シス
テムの反射面を調節することにより光学システムが第１
及び第２の測定位置間で光学像に必要な移動を行う。

（実施例） 次に本発明の一実施例を図面に従って詳述する。

本実施例においては半導体ウェーハ上の線幅のような微
小被計測物において、その一対の対向する縁辺の間の幅
を測定し、かつ被計測物を観察する光学顕微鏡（ｌｉｇ
ｈｔ　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｅ）と、同光学顕微鏡からの
光学像を受けこの像を基準データを有する表示面上に表
示するビデオシステムと、光学顕微鏡からの光学像をビ
デオシステムへ伝達するように配置された光学システム
表面とから構成される測定方法および装置が開示されて
いる。この光学システムは対向する縁辺のうち一方の縁
辺の予め定めた強度レベルが、基準データに関し所定位
置に達するまで、像が表示面を横断するように動かすこ
とによって、第１の測定位置に調節可能に配置され、こ
のあと他方の縁辺の予め定めた強度レベルが基準データ
に関して所定位置に達する第２の測定位置に調節可能な
反射面を備えていることが好ましい。第１の測定位置か
ら第２の測定位置までの反射面の調節の範囲を測定する
手段を設けることにより、被計測物の対向する縁辺間の
幅に対応する値を求めることができる。

さて、第１図には、本発明による装置が概要図で示しで
あるが、この装置は、試料１を載置し、半導体ウェーハ
のような、被計測物を支持する可動台２を有する光学顕
微鏡３を備えている。検出面６を備えているテレビジョ
ン撮影管の形態を成すビデオシステムが光学顕微鏡３の
光学像を受けるように配置されている。光学像は顕微鏡
の対物レンズ４の焦点を被計測物上に結ばせることによ
り得られる。調節可能な反射面は単なる例として第１図
にプリズムの形として示した角度調節可能なミラー７に
より形成され、光学顕微鏡３からの光学像を接眼鏡５を
経て、テレビジョン撮影管の検出面６に伝達するように
配置されている。反射面、すなわちミラー７は同ミラー
７がその測定位置間を移動する間、モータ８の軸の角変
位を監視するトランスジューサ９を取付けである精密走
査用モータ８の軸に装着されている。トランスジューサ
９は、例えば、容量性装置を使用することができる。

図面では調節可能なミラー７を示したが、他の形式の調
節可能な反射面を使用することができる。

加えて、反射面を備えていない、他の形式の調節可能光
学システムを使用することもできる。例えば、同様な方
法で、一定の測定位置の間でビデオ画面上の像を動かす
ように動作を電気的に制御する電子光学システム（図示
せず）を使用することができる。これは装置に電気信号
が加えられるのに応じて、像に必要な運動を発生させる
ように、装置を通る光学像の光路を、変化させる光学装
置を設けることにより行うことができる。

次に第２図を参照すると、走査モータ８、位置トランス
ジューサ９、テレビジョンカメラを制御・測定システム
に接続する手段のブロック図が示されている。中央処理
装置（以下、ＣＰＵと称す）１０には、キーバッド１１
から命令信号が与えられて、テレビジョンカメラ１２（
第１図において符号６にて概要的に示しである）からテ
レビジョンのビデオ信号が与えられる。ｃｐｕｔｏは走
査モータ１３（第１図のモータ８と同一）を制御し、走
査モータ１３と機械的に結合している変位トランスジュ
ーサ１４　（第１図のトランスジューサ９と同一）から
走査モータ１３の電機子の位置に関する情報を受取る。

ＣＰＵＩ　Ｏは、また、測定情報だけでなく、顕微鏡下
の被′計測物の像をも示す表示面を備えたテレビジョン
モニタ１５をも制御する。

上述したように、対向縁辺を有する被計測物の幅を測定
する間、反射面７は縁辺の一つの予め定めた強度レベル
が基準データに関し所定の位置に達するので、像を表示
面を横断して動かすことにより第１の測定位置に調節さ
れ、次に反射面は他の縁辺の予め定めた強度レベルが基
準データに関し所定の位置に達する第２の測定位置に調
節され、次に第１の測定位置から第２の測定位置まで反
射面の調節の範囲を測定して、被計測物の対向する縁辺
間の幅に対応する値を求める。測定ステップ、及び特に
像の強度レベルの求め方について、第３ａ図〜第３ｇ図
に従ってさらに詳細に説明する。

使用する測定技術は他の測定技術で起きる可能性のある
不正確性を克服し、測定再現性の高い剪断走査技法であ
る。（測定技法の商品名中の５ＨＥＡＲ３ＣＡＮは本願
出願人であるビンカーズピーエルシーのビッカーズ計測
器事業部で開発されたものである）。この技法は唯一の
測定位置としての撮影管の中心に狭い垂直の帯を使用、
して行う。これにより撮影管の非線形部分を回避すると
ともに、カメラを頻繁に調整する必要がないようにして
いる。強度プロフィール上の選択した点を、高精度ＤＣ
サーボモータにより駆動される走査用ミラー７を測定位
置へと移動させる。走査用ミラー７を駆動し、像の両側
に測定位置まで持って来るのに必要なモータ８の回転を
形体の大きさを計算するのに使用することができる。

事象の典型的シーケンスを例示するには、この技法が５
０％強度の単純自動線幅測定を行うプロセス技術者のプ
ログラムをどのようにたどるかを考える。このシーケン
スは次の４ステツプに記述することができる。

１、初期推定９　（第３ａ図を参照） フレーム・ストア１の像は被計測物の像を含むように凍
結する。形体マーカの間に囲まれた凍結像の部分は、後
記するステップ４に使用する形体の大きさの初期推定値
を求めるのに使用する。

２、平均強度プロフィール（第３ｂ図を参照）マークを
付けた形体の強度プロフィールを撮影管の各線上の同じ
位置にある点の平均強度を基に計算する。これによりプ
ロセス技術物が無意味と考える線幅の微小変動の影響が
除かれる。、（ただし、この技法は非常に小さな変化さ
えも測定することができるが、便宜上簡単な線幅測定だ
けを考えることにする）。

３、必要な測定強度（第３Ｃ図を参照）プロセス技術者
は、そのプログラムを書くとき測定を行うべき強度を選
択しておく。これは現在の場合５０％である。

４、測定ステップ（第３ｄ図〜第３ｆ［ｉＵを参照）形
体の測定を今度は２つのステップで行う。最初に、強度
プロフィールの「最も険しい斜面」の点の間の距離を測
定する。これは基本寸法を与えるもので、次に、プロセ
ス技術者が選択した強度に対して、任意の補正を人力す
るように精密に調節することができる。

なお、第３ｄ図（イ）（ロ）（ハ）、第３ｅ図（イ）　
（ロ）　（ハ）、第３ｆ図（イ）　（ロ）　（ハ）は、
それぞれ像の位置、ミラーの位置、ミラーの回転を互い
に関連づけて示すものであり、これらの対応する伏態を
上下に並べて比較し易くしである。

第１の測定ステップ ＣＰＵＩＱは左の最も険しい斜面の点が映像管の測定位
置に達するまでミラー７を駆動させる。

次に、ステップ１による形体の大きさの推定値を用いて
、ＣＰＵｌ０はミラー７を測定量だけ回転させて右の最
も険しい斜面の点がほぼ測定位置に達するようにする。

この推定位置をＣＰＵｌ０の命令でチェックし、補正し
て右の最も険しい斜面の点が測定位置に達するようにす
る。

ミラー７の回転は各倍率について正確に調整されている
ので、最も険しい斜面の点を結ぶ寸法はこれらの点をカ
メラの測定位置を横断して走査するのに必要なミラー７
の回転から知られる。

第２測定のステップ（第３ｇ図を参照）次に、選択した
強度（この場合５０％）において、測定に必要な補正を
加えなければならない。

選択した強度に対するオフセント（ｏｆｆｓｅｔ）を、
各縁辺が測定位置に停止しているときカメラの像から直
接計算する。これは最も険しい斜面の点からの５０％の
点の水平変位をビデオピクセル（ｗｉｄｅｏ　ｐｉｘｅ
ｌ　）で計算して行う。次にビクセルを機械の記憶装置
にある換算係数を用いてミクロン（Ｍｉｃｒｏｎｓ　）
に換算する。

５０％のオフセットを最も険しい斜面の寸法に加え（又
は差引いて）左の５０％の点から右の５０％の点までの
全寸法を求める。この寸法を最終測定値としてモニタ画
面上に表示することができる。

上記した数字及び説明したプロセスステップは例示目的
のためだけに示したものであることを理解すべきである
。

つづいて第４図について述べると、これは縁辺から縁辺
までの像の強度しきい値を抜取る別の方法を示すもので
ある。第１の方法は点Ａ−Ａ間の「最小しきい値」を監
視する。第２の方向は点Ｂ−Ｂ間の「内外しきい値」を
監視し、第３の方法は点Ｃ−Ｃ間の「外側しきい値」を
監視する。第２及び第３の方法では、第４図において一
点鎖線で示す、予め定められたしきい値を監視する。い
わゆる「二重限界値法」は平均Ｃ−Ｂ位置間の距離を監
視することによって得られ、これは点Ａ−Ａ間の最小限
界値法に非常に近くなる。

小さな形体の測定すなわち１ミクロン以下の測定では、
プロフィールは必ずしも全くきれいであるとは限らず最
も良い測定方法を選択する必要がある。

図面の第５図は概略図であり、本発明による装置の部分
拡大断面図である。そして、第５図においては全体に１
００番台の符号が付されており、光学顕微鏡１０１、テ
レビ画面１０２、それぞれウェーハのスタックを運搬し
自動的かつ個別に、顕微対物レンズの下の台１０１Ａま
で移動する一組のマガジン１０３、オペレータ用キーバ
ッド１０４、双眼観察装置１０５及び顕微鏡１０２と結
合している閉回路テレビカメラ（図示せず）から構成さ
れている。

発明の効果 以上詳述したように、本発明は、半導体ウェーハ上の線
の幅をはじめとする微小被計測物の対向する一対の縁辺
の間の幅を、光学顕微鏡と、同光学顕微鏡からの光学像
を受けてこの像を基準線を有する表示面上に表示するビ
デオシステムと、前記光学顕微鏡からの光学像をビデオ
システムに伝達する光学システムを用いて測定する方法
であって、 光学システムと被計測物との間で、前記縁辺の一つの予
め定めた強度レベルが基準線に関し所定の位置に達する
まで像を表示面を横断して動かし、第１の測定位置に相
対的調節を行うことと、更に、被計測物の他の縁辺の予
め定めた別の強度レベルが基準線に関し所定の位置に達
する第２の測定位置に相対的調節を行うことと、第１と
第２の測定位置の間の調節の範囲を測定して、被計測物
の対向する縁辺間の幅に対応する値を得ることとからな
ることによって、正確な測定が可能であるという優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る微小被計測物の寸法を自動的に測
定する測定装置の概要図であり、第２図は装置の動作の
自動電機制御装置を示すブロック図であり、 第３ａ図〜第３ｃ図、第３ｄ図（イ）〜（ハ）、第３ｅ
図（イ）〜（ハ）、第３ｆ図（イ）〜（ハ）及び第３ｇ
図（イ）（ロ）はそれぞれ本装置を使用する測定方法を
実施する際に関係プロセスステップを示すグラフ図であ
り、 第４図は測定すべき被計測物の線像縁辺の強度しきい値
の別個の試料を監視する方法の線図であり、 第５図は本発明による装置の概要図である。 １・・・試料、２・・・可動台、３・・・光学顕微鏡、
４・・・顕微鏡対物レンズ、５・・・接眼部、６・・・
検出面、７・・ベラ−１８・・・モータ、９．１４・・
・トランスジューサ、１０・・・Ｃ：ＰＵ、１１・・・
キーバッド、１２・・・テレビカメラ、１３・・・走査
モータ、１５・・・テレビモニタ、１０１・・・光学顕
微鏡、ｌ０ＩＡ・・・可動台、１０２・・・テレビモニ
タ、１０３・・・マガジン、１０４・・・キーバッド、
１０５・・・接眼鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体ウェーハ上の線の幅をはじめとする微小被計
   測物の対向する一対の縁辺の間の幅を、光学顕微鏡と、
   同光学顕微鏡からの光学像を受けてこの像を基準線を有
   する表示面上に表示するビデオシステムと、前記光学顕
   微鏡からの光学像をビデオシステムに伝達する光学シス
   テムを用いて測定する方法であって、 光学システムと被計測物との間で、前記縁辺の一つの予
   め定めた強度レベルが基準線に関し所定の位置に達する
   まで像を表示面を横断して動かし、第１の測定位置に相
   対的調節を行うことと、更に、被計測物の他の縁辺の予
   め定めた別の強度レベルが基準線に関し所定の位置に達
   する第２の測定位置に相対的調節を行うことと、 第１と第２の測定位置の間の調節の範囲を測定して、被
   計測物の対向する縁辺間の幅に対応する値を得ることと
   からなることを特徴とする光学的計測法。 ２、相対的調節は被計測物を固定したまま、像が第１と
   第２の測定位置の間で動くように光学システムを動かす
   ことにより行うものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の光学的計測法。 ３、第１と第２の測定位置の間で像を動かすために、被
   計測物に正確な調節運動を加えている間、光学システム
   は固定されたままであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の光学的計測法。 ４、前記光学システムは第１と第２の測定位置の間で像
   が必要な運動を行うように調節される反射面を備えてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の光学
   的計測法。 ５、前記反射面は角度調節可能なミラーを備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の光学的計
   測法。 ６、光学システムは、このシステムを通過する光路の方
   向を像が第１と第２の測定位置の間を動くに充分な量だ
   け切換えるための電気的に制御されるオプトエレクトロ
   ニックシステムを備えていることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載の光学的計測法。 ７、基準データは検出面の位置にある基準線であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１〜６項のいずれか１項
   に記載の光学的計測法。 ８、角度調節可能なミラーを駆動する精密走査モータが
   設置されており、同モータの角度変位を監視するトラン
   スジューサが設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項に記載の光学的計測法。 ９、ビデオシステムは光学システムにより伝達される光
   学像の光路内に配置されたテレビカメラを備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１〜８項のいずれか１
   項に記載の光学的計測法。 １０、半導体ウェーハ上の線幅をはじめとする微小被計
   測物の対向する一対の縁辺の間の幅を測定する装置であ
   って、 被計測物を観察する光学顕微鏡と、 同光学顕微鏡からの光学像を受けて、この像を基準線を
   有する表示面上に表示するビデオシステムと、 前記光学顕微鏡からの光学像をビデオシステムに伝達す
   る光学システムと、 光学システムと被計測物との間で、前記縁辺の一つの予
   め定めた強度レベルが基準線に関し所定の位置に達する
   まで像を表示面を横断して動かすことにより、第１の測
   定位置に相対的調節を行い、続いて被計測物と他の縁辺
   の予め定めた別の強度レベルが基準線に関し所定の位置
   に達する第２の測定位置に相対的調節を行う手段と、 第１と第２の測定位置の間で調節の範囲を測定し、被計
   測物の対向する縁辺間の幅に対応する値を発生する手段
   とから成ることを特徴とする光学的計測装置。