JPS63131116A - 共焦点顕微鏡 - 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〕 本発明は、対物レンズと集光レンズを同軸上で共焦点に
配置した顕微鏡に係り、特に多層構造を有する半導体素
子などの各層を焦点位置を変えなからＩＩ祭を繰り返す
のに好適な赤外共焦点顕微鏡に関する。

〔従来の技術〕

光学顕微鏡は、物体表面の観察、あるいは段差等の高低
情報を検出するのに用いることができることはよく知ら
れている。しかし該顕微鏡では、観察対象領域外からの
迷光成分があるためコントラストが悪くなる。面方位分
解能が０．４　μｍ（全体倍率１０００）、深さ方向分
解能も２μｍ程度であることから、半導体集積回路や生
物体の３次元的な構造を［察することは不可能であった
。

上記の課題に対応できる装置の一例として、集光レンズ
とコレクタレンズを共焦点状態に配置し、ピンホールを
設けることで分解能向上を図った共焦点顕微鏡がある。

該顕微鏡の基本構成を第１図に示す。半導体レーザから
成る点光源１の放射光は平行光束になった後対物レンズ
２を通過し、その焦点位置に配置した試料（例えばＳｉ
ウェハ）３の表面に集光する。試料３で反射した光は、
共焦点位置にある対物レンズを再び透過する。その後、
集光レンズ４でＩ！察面に集まる。共焦点顕微鏡では、
観察面にピンホール５を設ける。このピンホールによっ
て試料３での［４対象以外から入射する成分を除去する
。因に、上記ピンホール５を取り除いた光学系による画
像の性質は、汎用品である光学顕微鏡と同等の画質を示
す。

次に、深さ方向の情報がどのように得られるかを第２図
（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。第２図（ａ）は原理
説明を容易にするため主要部を透過型で表した図である
。

第２図（ａ）で試料３が例えば対物レンズ側にΔＺ変位
すると光検出器６で得られる光量が変化する。試料３が
対物レンズ、コレクタレンズの合焦位置にある場合は、
点光源７から出た光は試料３を透過後、破線で示すよう
に全光量がピンホール５を通過する。しかし、試料３が
Ｚ＝０から対物レンズ２側へΔＺ動いた場合、変化した
試料３′の発光点７′からの光は、光の結像関係によっ
てピンホール５とコレクタレンズ２′の間に集光する。

この結果ピンホール５を通過する光景が減少する。従っ
て、試料３を合焦位［Ｚ＝Ｏの前後に変位して光検出器
６で得た信号は、第２図（ｂ）の特性を示すことになる
。この強度変化曲線から試料の変位量と受光量の関係が
明らかとなる。

以上で述べた第２図（ａ）の構成で深さ方向（Ｚ方向）
分解能０．１　μｍ台が得られる。また、本構成によっ
てコントラストも同時に向上する。

光軸に対し垂直方向に配置した試料３を面内で２次元的
に移動することで面内情報が得られる。

試料の３次元形状を求めるには、最初に面内の任意点で
試料３を上下し、その光量最大位置を基準零点とする。

その後、遂次面内各点で測定を行い基準零点からの差Δ
Ｚを求める。面内座標Ｘ　Ｉ。

ｙＩに対応した２、を求めることで３次元的な分布が明
らかとなる。

これより、共焦点顕微鏡を用いることで金属表面などの
外形形状の計測が可能である。金属を対象とした場合、
可視光で反射率が高いこと、眼に見え、取り扱いが容易
であることなどから光源には可視光を用いることが一般
的である。

しかし、半導体集積回路（例えばバイポーラメモリやＭ
ＯＳメモリ）の断面を３次元的に１ｉＩｌ！察すること
を試みる場合、上記の可視光源を用いるとＳｉ、ＧａＡ
ｓなとの半導体材料を光が透過することが出来ないので
試料内部の情報を知ることができない。このことから、
３次元的に内観計測を行うには、Ｓｉ、ＧａＡｓ、５ｉ
Ｏｚ　、レジストなどを透過する赤外線を光源として用
いる必要がある。従ってこのような装置では、赤外線共
焦点光学系が構成されている。

従来装置の概要を第３図に示す。半導体レーザ１を出射
した光はコリメータレンズ８で平行光束になった後、シ
リンドリカルレンズで円形ビームに形状補正される。ハ
ーフプリズム１２で任意の偏光成分のみが９ｏ度偏向を
うけ試料３に対して垂直入射する。この光路中には、直
線偏光を円側光に変換するための一波長板１０および試
料３の微小領域にビームを集束するための対物レンズ２
が組み込まれている。

試料３で反射した光は１元の光路を戻り、ハーフプリズ
ム１２を透過後、集光レンズ４で観察面上に集められる
。ａ整面にはピンホール５が設定され、集束光のウェス
ト部分のみの成分をその後方に配置した光検出器６で検
知する。

試料３に対する集束レーザビーム２２の３次元走査は次
のように行われる。ｘ、ｙ走査は、走査時間は長くかか
るが、対物レンズの性能許容度を緩く出来る機械走査方
式を採用し、ｙ軸には加振器、ｙ軸にはステップモータ
を用いて行う。また。

Ｚ軸方向の動きは、共焦点光学系全体をステップモータ
で上下方向に移動する方式を採っている。

なお、面走査方式に関しては上記のような機械走査方式
の他にレーザビームを、ＥＯ，ＡＯｆｉｔ１子やガルバ
ノミラ−、ポリゴンミラー等を組み合わせてビームを２
次元的に振る方法がある。

試料で反射した光はピンホールを通った後、赤外光検出
器で光電変換され、信号増幅回路で増幅およびＸ＋’／
座標との同期がなされ、表示装置１８に任意断面の形状
が表示される。

試料の試料台への設置には、真空チャック方式が最も一
般的な方法であるが吸引パイプの配列が困雛なことから
、電顕間の静電力を利用した静電チャック方式を採用し
ている。さらに、試料保持台全体は周辺からの振動の影
響を除去する必要があることから空気浮上方式となって
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

赤外線共焦点顕微鏡を操作することで半導体集積回路製
作途中の多層構造の形状を３次元的に計測しようとする
場合、試料の設置方法が重要な問題である。Ｓｉ技術に
おけるＭＯＳ、バイポーラメモリなどの構成では、Ｓｉ
Ｏ２やＰｏ１ｙ　Ｓｉ　、ホトレジストなどが０．１〜
］−００μｍの厚みで積層している。このような各層の
断面を１ｉｌｔ訓するには、試料照射用レーザビームの
ウェスト位置の任意面が試料をＸ＋　ｙ面内で走査した
とき上下変動することがないようにしなければならない
。例えば、多層構造を有するＳｉウェーハを評価するに
当って、Ｓｉウェハの大きさに相当した距離を移動した
とき数μｍから数十μｍの変動が生じると仮定すると初
期状態でｗｌ察したパターンと試料動作後のパターンが
異なることになる。従って、このような試料設定の下で
観察された結果では、測定領域が曖昧なものとなってし
まい測定自体が意味をなさなくなってしまう。

現状のＳｉ基板では、５′ウエハの場合で湾曲が７０μ
ｍ、勾配が６０μｍ程度と極めて大きい値であることか
らＸ＋’ｊステージ、試料保持台に直接Ｓｉウェハを設
置した状態で測定すると全く意味のない測定となってし
まう。

本発明は、上述した問題点を解決するために、試料照射
用レーザビームのウェスト位置の任意面が試料をＸ＋’
Ｊ面内で走査したときの上下変動を少なくした共焦点顕
１！！鏡を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、試料保持台にＳｉウェハ等試料を載物後、
Ｘ＋　ｙステージを試料の大きさ相当分移動したとき、
静止したレーザービームウェスト部の任意面に対して生
じる上下変位量を計測するとともに、その変位量に対応
して試料の位置を変位させることにより達成される。

即ち本発明は、試料部の構成において上下変位量を補正
するための圧電素子を試料保持台、Ｘ。

ｙステージの間にサンドイッチ状になるように挿入し、
各々の素子には個別に電圧を引加できるようにした。

また、試料の上下変位量の計測は、干渉光学系を構成す
ることで行う。即ち、レーザビームを反射鏡で反射後干
渉光検出器で受光し、これを参照光とする。他方、偏光
ビームスプリッタで偏向後試料に投射したビームは試料
面内の各測定点において反射し、コレクタレンズを介し
て干渉光検出器に入射する。そして、試料の上下変位量
は干渉縞の縞数を計数することで求めることができる。

〔作用〕

第４図に示すように試料３が傾いている場合、表面の基
準点Ａに照射したときの参照光と試料３からの反射光に
よる合成信号は（ａ）のようになる。上下変位量を検出
するための試料３をＢ及びＣ位置に移動させると、合成
信号が変化する。ここで１周期の変化が照射光の波長に
相当し、この縞次数を読み取ることで目的とする上下変
位量がわかる。

そして、上で求めた試料面内の変位量を圧電素子で補正
するため、本発明に係る共焦点顕微鏡によれば、試料の
上下変位量を少なくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図に従って説明する。

半導体レーザ１からの光をコリメータレンズ８で平行光
束とする。該平行光束は楕円形状であることから、シリ
ンドリカルレンズ９で円形形状に１０で直線偏光状態か
ら円偏光に変換されたレーザビームはハーフプリズム１
２で偏向方向を変えた成分と参照光用の直進成分になる
。

３次元形状計測用の信号は、試料３で反射後逆行し２個
のハーフプリズム１２を透過する。集光レンズ４からの
光をピンホール５の表面に集め。

その透過光を赤外光検出器６で検出する。試料３の凹凸
に対応して表れる信号を信号処理回路１７でｘ、ｙから
成る各々の座標に記憶し、表示装置１８に表示する。）
Ｃ＋Ｙステージ１６をＺ値一定の基で２次元的に走査す
ることで面情報が得られ、Ｚ値を順次変えていくことで
３次元形状を明らかにできる。

表示方法としては種々のモードが選択可能であり、例え
ば図１の場合には深穴形状をｘ、ｚモードで表している
。

試料３の傾きあるいは上下変位量の計測は、参照光反射
鏡１１．干渉光用集光レンズ４′、特殊形状を有する干
渉光検出器２３などで得られる参照光信号と試料３で反
射する反射光信号の干渉効果で生じる信号を利用する。

変位量を補正するための圧電素子の配列は例えば第４図
Ｃのようにする。各圧電素子は１２０度間縞間隔り、各
々の素子は個別に電圧が印加できるようになっている。

試料３の設置状態を粗く確認するために試料保持台１４
に試料３を載物後、試料３の大きさに見合った距離だけ
Ｘ＋３’ステージを移動させ、干渉光検出器２３の中心
部の光検出部に試料移動時の反射光スポットが入ってい
るか否か確認する。第５図は干渉光検出器の実施例であ
る。試料３が傾いている場合、試料からの反射光の位置
が例えばＡｌｌ　Ｂｓｔ　Ｃ工などとなることから、こ
の位置を認定し補正することでＺ領域に反射光を導く。

もし、光スポットが中心部の領域から外れてしまう場合
には試料保持台１４と圧電素子１５の間に、スペーサや
スプリングを挿入し位置補正を行う。

微調整領域で試料の調整を行うことになると、第５図に
示すＺからの干渉光信号のみに着目することになる。例
えば試料３の中心位置からの信号を基準信号と決めると
すると干渉光信号の出力が零となるように試料をＺ方向
に移動する。次に試料をＸｔＶ面内で移動させる。Ｓｉ
ウェハの場合などでは直径分動かして、その時の干渉縞
の変化量すなわち縞数を数える。基準位置に対して明ら
かになった正負の変位量を圧電素子を用いて補正し、２
次元的にＳｉウェハを走査しても干渉縞のλ 干渉信号の扱いは、干渉光検出器２３からの信号を前置
増幅器２０で電流電圧変換した後、信号変換回路２１で
縞次数を読み取ることで行う。それに相当した印加電圧
を圧電素子１５に与える。

ステージ駆動回路の位置座標を基に２面内に配置した各
々の圧電素子に対してはＸｒ’ｊ面内の傾き方向を十分
考慮することが必要である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、試料を２次元的に走査したとき生じる
試料の傾きを０．１　μｍ程度で検出できると共に、そ
のときの変位も比較的容易に補正することかできる。し
たがって、０．１〜０．９μｍの薄膜から成る多層構造
を有する半導体素子などの各層を焦点位置を順次変えな
がら１１！察を繰り返す赤外共焦点顕微鏡で本発明は有
効性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の横断面図、第２図は共焦点顕
微鏡の基本楕成図および出力信号の模式図、第３図は従
来の共焦点顕微鏡装置の横断面図、第４図は試料保持部
周辺の素子の相互位置関係図並びに干渉信号、第５図は
干渉光検出器の素子構成正面図である。 １・・・半導体レーザ、２・・・対物レンズ、３・・・
試料。 ４・・・集光レンズ、５・・・ピンホール、６・・・光
検出器、７・・・点光源、８・・・コリメータレンズ、
９・・・シリンドリカルレンズ、１０・・・−波長板、
１１・・・反射鏡、１２・・・ハーフプリズム、１３・
・・電源・制御部、１４・・・試料保持台、１５・・・
圧電素子、１６・・・ｘ　−ｙステージ、１７・・・信
号処理回路、１８・・・表示装置、１９・・・ステージ
駆動回路、２０・・・前置増幅器、２１・・・信号変換
回路、２２・・・圧電素子保護具。 第　７　凹 第　２　区　（ｃＬ） 第　、２１１　（ｂ） ｚ＝ｏ　　　　　　。 躬　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、共焦点状態に配置した対物レンズとコレクタレンズ
   を有し、該コレクタレンズの結像位置にピンホールを配
   し、該ピンホールを通過した光ビームを電気信号に変換
   する手段を設けた共焦点顕微鏡において、試料表面の傾
   斜を反射鏡と干渉光検出器と集光レンズから成る干渉法
   で検出する光学系を付加し、試料部に傾斜量を補正する
   ための数個の電歪素子を設けたことを特徴とする共焦点
   顕微鏡。