JPS63233308A - 微細溝等の深さ測定方法及びその装置 - 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、微細な溝や微小な穴等の深さを測定する方法
に関し、特に、半導体ＩＣ回路基板上等に形成された微
細な凹凸部分の局所的な段差や穴または溝等の深さを測
定するのに好適な測定方法及びその装置に関する。

（従来の技術） 半導体ＩＣ回路の高集積化に伴い、半導体デバイスは、
従来の２次元的な平面構造から３次元的な立体構造へと
転換されつつある０例えばシリコン基板上にＩＣの静電
容量部を形成するために、トレンチと呼ばれている開口
１〜２μｍ１深さ４〜５μｍ程度の溝あるいは穴をエツ
チング等の加工手段によって形成する技術が進展してお
り、これに伴って、エツチングされたこれらの穴や溝の
深さを個々に測定する必要が生じている。その深さの測
定方法として、特開昭６０−１３６３２４号、特開昭６
１−１０７１０４号公報に開示されているように回折光
の分光強度分布から測定する方法や、特開昭６１−２３
５７０８号公報に開示されているように、光干渉法によ
る段差測定器に結像光学系と空間フィルターを付加して
単一の穴を測定する方法など種々の提案がなされている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前者の回折光の分光強度分布から測定す
る方法においては、光を広い領域に入射し、立体的パタ
ーンの深さの平均値を測定する方法であって、特定領域
の単一の穴や溝の深さや段差を測定することは困難であ
る。これに対し、後者の段差測定方法においては、単一
の穴や溝の深さを測定可能である。しかし、この後者の
方法では実際には検出すべき干渉光の強度を十分にとる
ことができず、そのため、波長可変のコヒーレント光源
として色素レーザを用いても、この色素レーザは可変範
囲が狭く、十分な精度で測定することができない恐れが
有る。

すなわち、特開昭６１−２３５７０８号公報に開示され
た方法では、溝や穴の内部からの反射光と表面からの弱
い回折光との干渉を利用するため、干渉光を十分に検出
することができない、しかも、色素レーザは１つの色素
で実質的に使用できる波長を変えることができる範囲は
、せいぜい５０ｎ−〜１１００ｎ程度である。しかし、
上記の表面からの回折光と溝や穴の内部からの反射光と
の干渉を利用する方法では、測定に必要な波長の可変範
囲を十分広くとらなければならず、特に深さが浅い程広
いスペクトル範囲の情報が必要となる。そのため、色素
レーザの色素を溶媒と共に少なくとも２種以上交換する
必要が有るが、その色素交換には多くの時間を要し、ま
た取扱いが極めて煩雑となる欠点が有る。

本発明の目的は、上記公知の測定方法の問題点を解決し
、基板上の微小領域の特定位置の深さや段差を高精度で
測定できる測定方法及びその装置を提供することにある
。

〔発明の構成〕

（問題点を解決する為の手段） 上記の問題点を解決するために、本発明においては、複
数の異なる波長を有するコヒーレント光束を２光束に分
離し、その分離された２光束を更に２分し、分割された
一方の前記２光束を互いに近接する２つの光スポットと
して試料面の微細領域に投射すると共に、分割された他
方の２光束を参照面に投射し、その試料面と参照面の光
路差を変えて、参照面と試料面からの反射する前記２光
束を干渉させ、複数の異なる波長から成る光束が合成さ
れた２つの合成干渉光をそれぞれ光電検出し、前記光路
差の変化に応じて変調された前記２つの光電検出信号か
ら、その２つの合成干渉光信号の位相差を検出すること
を問題解決の手段とするものである。

〔作　用〕

複数の異なる波長のコヒーレント光束を発する光源手段
（１、Ｌｌ、Ｌｔ・・・・・・Ｍｌ、Ｍ！・・・・・・
）からの光束は、光束分離手段（２２，３１〜３３）に
よって２光束に分離され、さらに、光線分割干渉手段（
３）によって分割され、分割された一方の２光束は、互
いに近接した２つの光スポットとして試料面１０上の微
細領域に投射光学系（９）を介して投射される。また分
割された他方の２光束は参照面（８）に投射され、試料
面１０の２つの光スポットが投射された位置からの２つ
の反射光束（複数の波長光を含む）と参照面（８）から
の反射光とは、光線分割干渉手段（３）にて干渉する。

また参照面（８）と試料面（１０）との光路差が光路差
可変手段（４，２０）によって変化され、これにより、
複数の波長光から成る前記の２光束の合成干渉光は光路
差変調されて、干渉光検出手段（１４Ａ、１４Ｂ）で光
電検出され、検出された２つの合成干渉信号は位相差検
出手段（２３，２４）を介して検出され、２つの光スポ
ットが投射された試料面１０の段差が測定される。

（実施例） 第１図は、干渉顕微鏡の原理を応用した本発明の第１の
実施例を示す光学系の概略構成図である。

第１図において、光源１としては、例えばアルゴンレー
ザ（Ａｒ″″）等の如き多波長レーザが用いられる。多
波長レーザ光源１からの光は、ビームエキスパンダ２に
て光束が拡大された後、偏光板２１を介してウオーラス
トンプリズム２２に入射する。このウオーラストンプリ
ズム２２に入射したレーザ光束は、Ｐ成分とＳ成分とに
偏光分割され、２光束り、、Ｌ、に分離される。このウ
オーラストンプリズム２２にて分離された２光束り。

、Ｌｌｌは、光を振幅分割する光線分割プリズム３によ
って、更にそれぞれ２光束に分離され、そのハーフミラ
−面に構成された分割面３ａを透過した一方の２光束（
参照光）は、後で詳しく述べられる光路差プリズム４を
、光量可変フィルター５を通過した後、対物レンズ６に
よってミラー７の反射面（参照面）８にそれぞれ集光さ
れる。また、分割面３ａにて反射した他方の２光束（、
試料光）は、−次元移動可能な試料台１１に載置された
試料面ＩＯ上に対物レンズ９によってそれぞれレーザス
ポットとして互いにわずかに離れた位置に集光結像され
る。

参照面８と試料面１０とで反射されたそれぞれの２光束
は、対物レンズ６．９を介して光線分割プリズム３の分
割面３ａの位置でそれぞれ干渉する。更に、その２つの
干渉光は結像レンズ１２によって試料面と共役な位置に
設けられた、それぞれのアパーチャ１３Ａ、１３Ｂにて
絞られ、それぞれ別個に検出器１４Ａおよび１４Ｂにて
光電検出される。その検出器１４Ａ、１４Ｂの出力信号
はバンドパスフィルター２３を介して位相差検出器２４
に送られる。

参照面８側の参照光路上に設けられた光路差プリズム４
は、２個の楔形プリズム４Ａ、４Ｂとから成り、駆動装
置２０にて第１図中で上下方向に互いに相対移動させる
ことにより、光線分割プリズム３の分割面３ａと参照面
８との間の参照光の光路長を変化させて、参照面８側の
参照光と、試料面１０側の試料光との光路差を任意に変
えるためのものである。また、光路差プリズム４と対物
レンズ６との間の光路上に設けられた光量可変フィルタ
ー５は、参照面８で反射された参照光の光量を適当に低
下させて、検出器にて検出される干渉縞のビジビリティ
を良くするためのものである。

なお、駆動装置２０は、電動式で光路差プリズム４の一
方の楔形プリズム４Ａを往復運動させ、これにより２つ
の干渉光信号に光路差変調がかけられるように構成され
ている。

一方、試料面１０を観察するための白色光源１５からの
照明光は、集光レンズ１６によって集光され、ウオーラ
ストンプリズム２２と光線分割プリズム３との間の光路
上に設けられたビームスプリッタ１７にて反射された後
、光線分割プリズム３、対物レンズ９．を介して試料面
１０を照明する。

その照明光によって照明された試料面１０の像は、対物
レンズ９、光線分割プリズム３、結像レンズ１２及び俯
視プリズム１８を介して視野絞り１９上に結像され、そ
の像は接眼レンズ２０を通して観察される。

第１図に示す実施例は上記の如く構成されているので、
駆動装置２０の駆動より光路差プリズムが相対的に往復
運動をすると、その運動に応じて参照先の光路長が変化
する。この光路長が変化する参照光と試料面１０で反射
した試料光とが分割面３ａにおいて干渉すると、その干
渉光信号には光路変調がかけられる。こうして、光路差
変調をかけられ干渉光によって受光した検出器１４Ａと
１４Ｂの双方から出力として得られる多色の干渉縞信号
は、ビートを伴う正弦波信号となる。

例えば、光源ｌからのレーザ光線の波長λが４８８ｎｍ
と５１４．５ｎａ＋のような２波長λ１、λ３の場合、
光路差プリズムの変位量すなわち参照先の光路長の変化
量をχとし、２波長λ１、λよの振幅が同じとすると、
両者の合成干渉信号はとなり、第２図の合成干渉光信号
線図に示されているような変調信号となり、この信号の
包絡線（ビート成分）をバントパスフィルター２３を介
して検出する。また、参照面８と試料面１０との光路差
が変わると、第４図に示す如（ビートの位相の変化が得
られる。

さて、実際に半導体基板のような試料面上の穴または溝
の深さを測定する場合には、第１図に示す試料１０上に
投射された２つのスポット光のうち、第３図に示すよう
に、一方は試料の表面１０ａ上に、他方は穴（または溝
）１０ｂの位置と一致するように、載物台１１を一次元
移動し位置合わせを行う、その光スポットの直径は、第
３図に示すように、穴（または溝）１０ｂの直径（また
は幅）よりも小さく集光される。そのスポット光の位置
合せの際の試料とスポット光との位置は、白色光源１５
からの照明光によって対物レンズ９を介して照明され、
対物レンズ９、俯視プリズム１８及び接眼レンズ１９を
通して観察される。

試料面ｌＯが位置決めされたならば、次に駆動装置２０
により光路差プリズム４を相対移動させると、検出器１
４Ａ、１４Ｂにて検出される干渉縞信号に光路差変調が
かけられ、それぞれ独立にビートを伴った信号が得られ
る。このとき、第４図に示すように、両者のビート信号
は、穴の深さｄの２倍（２ｄ）に相当する分だけ位相が
ずれているので、この位相差を位相差検出器２４で測れ
ば、穴の深さｄを求めることができる。この場合、光源
１からのレーザ光の波長がλ、−ｏ、４８８μｍ１　λ
、−０，５１４５μｍとすると、ビート信号の周期（繰
り返し間隔）は、 １／Δに一２λ１　λ２／（λ３−λυ−１８．９μｍ
となる。すなわち、穴の深さｄが約１９μｍ以下であれ
ば測定可能である。しかし、一般に半導体プロセス中で
の種々の微細段差等においては、このような大きな値と
なることは殆んどないので通常は１０μｍ以下で十分で
ある。

第１図の実施例においては、多波長光源としてアルゴン
レーザ（Ａｒ”　）１を用いたが、第５図に示すように
、複数の単波長レーザ光源Ｌ＋、Ｌ８・・・・・・のレ
ーザ光束をミラーＭｌ　、Ｍ、・・・・・・にて混合し
、これをビームエキスパンダ２に送るように構成して、
多波長光源としてもよい。

第１図の実施例においては、試料面１０に近接した２つ
のレーザスポットを投射するために、ウオーラストンプ
リズム２２のような複屈折プリズムを用いて、レーザ光
束を２光束に分離する例を示したが、このような複屈折
プリズムは高価である。その複屈折プリズムの代りに安
価なハーフミラ−を用いても、レーザ光束を２光束に分
離して２つのレーザスポットを試料面１０に投射するこ
とが可能である。

第６図は、ハーフミラ−を用いて互いに近接したレーザ
スポットを試料面に投射可能に構成された本発明の第２
の実施例を示す光学系の概略構成図である。ハーフミラ
−を含む光束分離光学系の構成は第１図の実施例と全く
同じであるから、第１図と同様な機能を有する部材には
同一符号を付し、その構成についての詳しい説明は省略
する。

第６図において、多波長レーザ光源１の光束を拡大する
ビームエキスパンダ２と光線分割プリズム３との間の光
路上に２個の正レンズ系３１．３３が設けられ、ビーム
エキスパンダ２を介して第１正レンズ系３１に入射する
平行光束は、第２正レンズ系３３から再び平行光束とし
て射出されるように構成されている。また、その両正レ
ンズ３１．３３の間には特殊ハーフミラ−３２が光軸に
対して４５°の角度で斜設されている。なお、上記２個
の正レンズ３１．３３及び特殊ハーフミラ−３２をもっ
て光束分離光学系が構成される。

その特殊ハーフミラ−３２は、両面をハーフミラ−に形
成された平行平面板にて構成され、第７図に示すように
第１ハーフミラ−面３２ａを透過した光線は、第２ハー
フミラ−面３２ｂで透過光と反射光とに分離され、透過
光は第２正レンズ系３３に入射する。他方の反射光は第
１ハーフミラ−面３２ａで内部反射した後、第２ハーフ
ミラ−面３２ｂを透過して第２正レンズ３３に入射する
。

その第２ハーフミラ−面３２ｂを直接透過した実線にて
示す光束Ｌａと、第２ハーフミラ−面３２ｂ及び第１ハ
ーフミラ−面３２ａで反射した後、第２ハーフミラ−面
３２ｂを透過した破線にて示す光束Ｌｂとは互いにわず
かにずれて第２正レンズ系に入射する。その実線で示す
光束Ｌａと破線で示す光束Ｌｂとは、第２正レンズ３３
にて互いにわずかな角度をもって分離された平行光束と
なり、第６図に示すように光線分割プリズム３に向い、
対物レンズ６及び９により、互いに近接した２つの光ス
ポットとして参照面８及び試料面１０上に投射される。

その参照面８と試料面１０と反射した２光束Ｌａ５Ｌｂ
の反射光は、光線分割プリズム３にて干渉し、その２つ
の干渉光は結像レンズ１２を介してそれぞれ検出器１４
Ａ、１４Ｂにて検出される。

その際、光路差プリズム４の往復動による光路差の変動
により、第２図に示すように合成干渉光信号は光路差変
調される。また、干渉光のビジビリティ−を良くするた
めに光量可変フィルタ５によって、参照光側の光量が調
節される。検出器１４Ａ、１４Ｂにて検出された合成干
渉光信号は、第１図の実施例と同様にバンドパスフィル
タ２３を介して位相差検出器２４に送られ、両干渉光に
よるビート信号の位相差に相当する試料面１０上の穴の
深さが測定される。

また、一方、白色光源１５は、照明光が特殊ハーフミラ
−３２の第２ハーフミラ−面にて反射して第２正レンズ
３３に入射し、対物レンズ９を介して試料面を照明する
ように構成されている。この照明光によって照明された
試料面１０は、第１図の実施例と同様に俯視プリズム１
８、接眼レンズ１９を介して観察される。

第６図の第２実施例においても、アルゴンレーザの如き
多波長光源１の代りに第５図に示すように複数の単波長
光源Ｌ＋、Ｌｘ・・・・・・を用いてもよいことは言う
までも無い、なおまた、試料光側の対物レンズ９が実質
的に無収差状態で使用される場合には、参照光側の対物
レンズ６は第１図の場合と同様に削除しても差支えない
。

〔発明の効果〕

上記の如く本発明によれば、光束分離手段によって複数
の波長光を有するコヒーレント光源からの光束を２光束
に分離し、この分離された２光束を２つの光スポットと
して試料面に投射し、試料面と参照面から反射する複数
の波長から成る２光束を干渉させるように構成したから
、試料面の表面と穴の底面の反射光に基づく２つの干渉
光を同時に検出し、その表面からの微細な穴や溝の深さ
や段差を個別にＱかも極めて正確に測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す光学系構成図で、第
２図は、第１図における参照光と試料光との光路差の変
化χに対する複数の波長を有する光束の合成干渉信号線
図、第３図は、第１図におけるウオーラストンプリズム
によって２分された光束が投射レンズによって試料面上
の表面と穴底面に光スポットとして投射された状態を示
す断面図、第４図は、第１図における参照光と試料光と
の光路差の変化χに対する検出器からの検出信号をフィ
ルタリングしてえられたビート成分の信号線図、第５図
は複数の単波長光源を組合せて複数の波長を有する光源
を示す、第１図とは異なる多波長光源の構成図、第６図
は本発明の第２実施例を示す光学系構成図、第７図は第
６図の実施例の要部を成す、光束分離光学系の拡大断面
図である。 （主要部分の符号の説明） ３・・・・・・光線分割プリズム（光線分割干渉手段）
８・・・・・・参照面 ９・・・・・・対物レンズ（投射光学系）１０・・・・
・・試料面 １１・・・・・・移動試料台

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の異なる波長を有するコヒーレント光束を２
   光束に分離し、分離された前記２光束を更に２分し、分
   割された一方の前記２光束を互いに近接する２つの光ス
   ポットとして試料面の微細領域に投射すると共に、分割
   された他方の２光束を参照面に投射し、前記試料面と前
   記参照面の光路差を変えて、試料面と参照面からの反射
   ２光束を干渉させ、前記複数の異なる波長の光が合成さ
   れた２つの合成干渉光をそれぞれ光電検出し、前記光路
   差の変化に応じて変調された前記２つの光電検出信号か
   ら前記２つの合成干渉光信号の位相差を検出して前記２
   つの光スポットが投射された面の段差を測定することを
   特徴とする微細溝等の深さ測定方法。
2. （２）複数の異なる波長のコヒーレント光束を発する光
   源手段と、該光源手段からの光束を２光束に分離する光
   束分離手段と、該光束分離手段によって分離された前記
   ２光束をさらに２光束に分割し且つ分割されたそれぞれ
   の２光束を試料面と参照面とに導き、試料面と参照面と
   から反射されたそれぞれの２光束を干渉させて、複数の
   異なる波長から成る２つの合成干渉光を生じさせる光線
   分割干渉手段と、該光線分割干渉手段によって分割され
   て前記試料面に向う前記一方の２光束を互いに近接する
   ２つの光スポットとして前記試料面上に投射する投射光
   学系と、前記試料面と前記参照面との光路差を変化させ
   る光路差可変手段と、前記２つの光スポットによる前記
   試料面からの２つの反射光束と前記参照面からの反射光
   束の前記複数の波長光による、２つの合成干渉光をそれ
   ぞれ光電検出する干渉光検出手段と、該検出手段によっ
   て検出され且つ前記光路差可変手段によって光路差変調
   された前記２つの合成干渉信号の位相差を検出する位相
   差検出手段とを含む微細溝等の深さ測定装置。
3. （３）前記光束分離手段は、複屈折プリズム（２２）、
   または２個の正レンズ系（３１、３３）と該正レンズ系
   の間に斜設され且つ両面がハーフミラー面にて形成され
   た特殊ハーフミラー３２とによって構成した光線分離光
   学系であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の微細溝等の深さ測定装置。