JPS63241407A - 微細凹部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、シリコン等の半導体基板等に形成された微小
穴や微細溝等の微細凹部の深さの測定に好適な深さ測定
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、半導体装置は、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。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は、トレンチと呼ばれる開口１〜２
μｍ、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や
その底面の状態を測定する必要が生じている。

そこで、光干渉法による段差測定器にレンズと空間フィ
ルターとを付加することにより穴の深さを測定する方法
が、例えば特開昭６１−２３５７０８号によって開示さ
れ、既に公知である。

この公知の測定方法は、白色光を分光するか或いは波長
可変の色素レーザを用いて、被測定面を照射し、測定す
べき段差表面と底面からの回折光が干渉して生じる干渉
縞の強度変化から段差を計測する方法である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら′、上記公知の段差測定方法において、白
色光の光源を用いるものでは、その白色光を回折格子等
で分光して被測定面に照射し、その被測定面からの弱い
回折光の干渉を利用する為、検出すべき光強度が極めて
弱いものとなり、特に穴の径が小さい場合や、穴の深さ
が深い場合にはＳ／Ｎの十分な信号を検出することが困
難であった。また、光源に色素レーザを用いるものにあ
っては、色素レーザの可変波長域が狭いため、広い波長
域をカバーするには、二種類以上の色素を溶媒と共に変
換しなければならず、また、強度補正等の複雑な手順が
必要となる欠点が有った。

本発明の目的は、上記従来の方法の問題点を解決し、微
細で深さの深い溝や穴等でも個々にその深さを極めて精
密に測定でき、しかも取扱いが簡便な微小穴等の深さの
測定方法及びその装置を提供することに有る。

〔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、第１の測定方法の発明
においては、可視域の光に対して不透明な板状の被測定
物（７）の一方の面（７ａ）に形成された微細凹部（８
）の表面と段差を有する底面（８ａ）とに、被測定物（
７）を透過する赤外域の光を、断面が底面（８ａ）より
小さい微小光スポットに集光して被測定物（７）の他方
の面（７ｂ）を通して投射し、その表面（７ａ）と底面
（８ａ）にそれぞれ投射された微小光スポットの像を被
測定物（７）の他方の面（７ｂ）を通して検出し、その
表面（７ａ）と底面（８ａ）との断差を被測定物（７）
の裏側から測定することを問題解決の手段としている。

また、第２の測定装置の発明においては、測定すべき微
細凹部（８）を一方の面（７ａ）に存する板状の被測定
物（７）を透過する赤外域のコヒーレント光を発するコ
ヒーレント光源（１）と、そのコヒーレント光を微小光
スポットに［１、被測定物（７）の他方の裏面（７ｂ）
を通して微細凹部（８）の段差を有する表面（７ａ）と
底面（８ａ）とに投射する対物レンズ（６）と、微細凹
部（８）の表面（７ａ）と底面（８ａ）とにそれぞれ投
射された微小光スポットの像をその対物レンズ（６）を
介して検出し且つその検出信号に基づいて対物レンズ（
６）と被測定物（７）の裏面（７ｂ）との光軸方向の間
隔を変化させる焦点検出手段（１０）とを含み、焦点検
出手段の検出信号に基づく前記の間隔変化量（Δｈ）と
被測定物（７）の屈折率（ｎ）とから微細凹部（８）の
表面（７ａ）から底面（８ａ）までの段差（ｈ）を被測
定物の裏側から測定するように構成することを問題解決
の手段とするものである。

（作用） コヒーレント光源（１）から発する赤外域のコヒーレン
ト光（２）は、対物レンズ（６）によって集束され、微
小光スポットとして被測定物（７）の一方の表面（７ａ
）に形成された微小穴または微小溝等の微小凹部（８）
の底面（８ａ）と表面（７ａ）とに、被測定物（７）の
他方の裏面（７ｂ）を通して投射される。また、微小光
スポットが投射された部分からの反射光は、被測定物（
７）の裏面を通過し、対物レンズ（６）を介して焦点検
出手段（１０）の受光素子（１４）にて受光され、その
微小光スポットの像が検出される。その検出信号に基づ
いて、対物レンズ（６）または被測定物（７）を光軸方
向に移動させて被測定物（７）の裏面（７ｂ）と対物レ
ンズ（６）との間隔を変え、微小凹部（８）の表面（７
ａ）と底面（８ａ）とに対してそれぞれ焦点調節が行わ
れる。その際の対物レンズ（６）と裏面（７ｂ）と相対
的移動量（すなわち前記間隔の変化量）Δｈと被測定物
（７）の屈折率（ｎ）とから、微小凹部（８）の段差（
すなわち深さ）ｈが求められる。

上記のように、被測定物（７）の裏面（７ｂ）を通して
光スポットを投射し、また、裏面（７ｂ）を通して光ス
ポットの像を検出するように構成されているので、底面
（８ａ）に投射される光の開き角、すなわち対物レンズ
（６）の開口数（Ｎ、Ａ、）を大きくし、極めて微細な
光ポットで深い微細凹部でも高精度で深さ測定が可能と
なる。

（実施例） 第１図は、本発明深さ測定装置の実施例を示す光学系構
成図である。第１図において、レーザ光源ｌには、シリ
コン半導体基板（以下ｒＳｉつエバ」と称する。）を透
過する近赤外域の波長の光を発振するものが用いられる
。このレーザ光源１からのレーザ光束２は、レンズ３Ａ
、３Ｂから成るビームエキスパンダ３にて拡大され、ハ
ーフミラ−４を透過した後、ダイクロイックミラー５に
て反射され、対物レンズ６に入射する。この対物レンズ
６は、後述の球面収差補正の為に正の後群レンズ６Ａと
わずかに負の屈折力を有する後群レンズ６Ｂとから成り
、後群レンズ６Ｂに入射したレーザ光束は前群レンズ６
ＡからＳｉウェハ７の裏面７ｂを通して表面７ａに形成
された穴（または溝）８の底面８ａに微小光スポットと
して投射される。

光スポットの投射された底面８ａからの反射光はＳ１ウ
エハ７の裏面７ｂを透過して、対物レンズ６の前群レン
ズ６Ａに入射する。その前群レンズ６Ａに入射した近赤
外域の反射光は、後群レンズ６Ｂにてほぼ平行光束とな
り、ダイクロイックミラー５、ハーフミラ−４にて反射
した後、更に自動焦点検出部１０のミラー１１を介して
集光レンズ１２に入射する。この集光レンズ１２に入射
した反射光は、アパーチャ１３上に光スポツト像を結像
し、更にアパーチャ１３に設けられた所定開口１３ａを
通過した光は受光素子（光電変換素子）１４により受光
される。この受光素子１４から出力される出力信号に基
づいて対物レンズ６は光軸に沿って上下に移動され、焦
点調節が行われる。その際の対物レンズ６の光軸方向の
変位量は、図示されない計測装置によって精密に計測さ
れる。

一方、観察用照明光源２１から発して所定の赤外光のみ
を透過するバントパスフィルタ２２を通過した赤外照明
光２３は、ハーフミラ−２４で反射した後、ダイクロイ
ックミラー５を透過し、対物レンズ６に入射する。対物
レンズ６に入射した赤外照明光は、対物レンズ６の前群
レンズ６Ａを通して射出され、Ｓｉウェハ７の裏面７Ｂ
を通して穴（または溝）８の底面８ａ及びその付近の表
面７ａを裏側から照明する。この赤色照明光によって照
明された底面８ａ及び表面７ａから反射する赤外反射光
は、対物レンズ６を通して逆行し、ダイクロイックミラ
ー５に入射する。このダイクロイックミラー５は、近赤
外域のレーザ光の一部とバンドパスフィルタ２２を透過
した特定の赤外光の全部とを透過するが、レーザ光源１
から発する近赤外域のレーザ光の大部分を反射するよう
に構成されている。その為、対物レンズ６を通してダイ
クロイックミラー５に入射する反射光のうち、近赤外域
のレーザ光束の大部分はそのグイクロインクミラー５に
よてっ反射されて、ハーフミラ−４を介して自動焦点検
出部１０の方へ転向し、残りのレーザ光の一部と所定の
赤外反射光とはダイクロイックミラーを透過する。

ダイクロイックミラー５を透過した光束は、ハーフミラ
−２４を透過した後、結像レンズ２５に入射し、さらに
ミラー２６を介して撮像管２７上に結像する。撮像管２
７にて撮像されたＳｉウェハ７上の穴（または溝）８の
底面８ａおよびＳｉウェハ７の表面７ａの像は、ＩＴＶ
２８等を介して観察され、また、対物レンズ６から投射
されたレーザスボントの位置も同時に確認される。

第１図に示す実施例は上記の如く構成されているので、
先ず、観察用照明光ａ２Ｘからの照明光は、バントパス
フィルタ２２を介して所定の赤外光となり、ダイクロイ
ックミラー５を透過した後、対物レンズ６を介してＳｉ
ウェハ７上の比較的広い範囲に入射される。Ｓｉウェハ
７に入射された照明光はＳｉウェハ７の裏面７ｂを透過
し、Ｓｉウェハ７の表面７ａに形成された穴（または溝
）８及びその近傍を照明する。この照明された穴（また
は溝）８とその近傍の像は対物レンズ６、結像レンズ２
５を介して損保管２７にて撮像され、ＩＴＶ２８を介し
て観察される。

一方、レーザ光Ｓｔからのレーザ光束２は、ダイクロイ
ンクミラー５にて反射された後、対物レンズ６を介して
集光され、Ｓｉウェハ７の裏面７ｂを通してレーザスポ
ットとして結像される。そのレーザスポットの位置もＩ
ＴＶ２Ｂを介して観察される。そこで、そのレーザスポ
ットがＳｉウェハ７の表面７ａに設けられた微細な穴（
または溝）８の底面８ａに位置するように、Ｓｉウェハ
７を水平方向（第１図中で紙面に直角な面内の方向）に
移動すると、対物レンズ６は、自動焦点検出部１０の受
光素子１４からの出力信号が最大値を示すように光軸方
向に移動され、底面８ａでのレーザスポットの径が最小
になるように焦点調節される。次に、レーザスポットが
Ｓｉウェハ７の表面７ａに裏側から投射されるうよにＳ
ｉウェハ７を水平方向にわずかに移動する。すると、自
動焦点検出部１０の受光素子１４からの出力信号が再び
最大値を示すように対物レンズ６を光軸方向に変位する
。このときの対物レンズ６の変位量から底面８ａから表
面７ａまでの段差（穴の深さ）が求められる。

第２図は、穴（または溝）８の底面８ａとＳｉウェハ７
の表面７ａとに焦点調節されたときの対物レンズ６の移
動量Δｈと穴（または溝）８の深さｈとの関係を示す説
明図である。底面８ａに焦点調節されたときの対物レン
ズ６と光線の集光状態を実線にて示し、表面７ａに焦点
調節されたときの対物レンズ６とその光線の集光状態を
鎖線にて示す。

第２図において、Ｓｉウェハ７の屈折率をｎ１対物レン
ズ６の焦点距離をｆとし、底面８ａに焦点調節されたと
き（すなわち底面８ａにおけるレーザスポットの径が最
小になったとき）の、対物レンズ６の主平面とＳｉウェ
ハ７の裏面７ｂとの距離をｌｌ、裏面７ｂから底面８ａ
までの距離をｄ、とすると、 ｒ　＝ｉ、＋ｄ＋　／ｎ−・・−・Ｈ）また、対物レン
ズ６を移動して、Ｓｉウェハ７の表面７ａに焦点調節し
たときの、対物レンズ６の主平面とＳｉウェハ７の裏面
７ｂとの距離をｌｚ、Ｓｉウェハ７の厚さをｄ２とする
と、ｆ　＝ｌｔ　＋　ｄｚ　／　ｎ・”・・（２）（１
）式と（２）式とから ｐ、、−ｉｔ　＝　（ａ２−ｔｔ、）／ｎ−・−・−（
３）いま、穴（または溝）の段差をｈ、対物レンズ６の
移動量をΔｈとすると、 ｈ−ｄｚ　　　ｄ＋、Δｈ＝ｐ、−ｃｍ・・・・・・（
４）（３）（４）式から次の（５）式が得られる。

ｈ＝ｎ　・Δｈ・・・・・・　（４） 従って、段差りは対物レンズ６の移動量から求めること
ができる。

ところで、Ｓｉウェハ７の裏面７ｂを通して集光される
レーザ光束は、裏面７ｂにて屈折されるため球面収差が
生じる。この場合、穴（または溝）の段差りはＳｉウェ
ハ７の厚さｄ２に比して極めて小さい。従って、焦点位
置が深さｈだけ変化しても、球面収差は殆んど変化せず
、補正する必要は無い。しかし、Ｓｉウェハ７の厚さは
、ウェハのインチサイズ（外径）の相違により大きく異
なるため、ウェハのインチサイズが変わると、裏面７ｂ
と底面８ａとの距離が変化し、従って、球面収差が変動
して測定値を狂わすことになる。

その為、このＳｉウェハ７の厚さの変動による球面収差
の変動は、対物レンズ６の前群レンズ６Ａと後群レンズ
６Ｂとの間隔を替えることにより補正される。

なお、焦点調節は対物レンズ６を光軸方向に変位させて
行ってもよいし、またＳｉウェハ７を光軸方向に移動し
て行ってもよい。この場合のＳｉウェハ７の移動量もΔ
ｈと等しくなる。すなわちΔｈは対物レンズ６とＳｉウ
ェハ７の裏面７との間の変化量ｐ、　＋　　　ｐ、□に
等しい。

〔発明の効果］ 以上の如く本発明によれば、被測定物（Ｓｉウェハ）を
透過する赤外光を用い、被測定物の裏面を通して微細凹
部（微細穴等）の深さを測定するように構成したから、
その深さが極めて深いものであっても、対物レンズの開
口数を大きくして、極めて微小な光スポットにて精密に
その深さを測定することができる。

また、実施例に示すように、赤外照明光で微細凹部（微
細穴等）付近を照明し、対物レンズとグイクロイックミ
ラーを介して、ＩＴＶ等で観察できるようにすれば微細
光スポットの投射位置を確認することができ、また微細
凹部の底面の状態を詳しく観察することができる利点が
をる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光学系構成図、第２図
は第１図の実施例における焦点調節の際の対物レンズの
変位量と焦点移動との関係を示す説明図である。 （主要部分の符号の説明） １・・・レーザ光源（コヒーレント光源）５・・・グイ
クロイックミラー ６・・・対物レンズ ７・・・Ｓｉウェハ（被測定物） ７ａ・・・表面 ７ｂ・・・裏面 ８・・・穴（微細凹部） ８ａ・・・底面 １０・・・自動焦点検出部（焦点検出手段）２１・・・
観察用照明光源 ２２・・・バンドパスフィルタ ２７・・・↑静像管 ２８・・・ＩＴＶ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可視域の光に対して不透明な板状の被測定物の一
   方の面に形成された微細凹部の表面と段差を有する底面
   に、前記被測定物を透過する赤外域の光を断面が前記底
   面より小さい微小光スポットに集光して前記被測定物の
   他方の面を通して投射し、前記表面と底面とにそれぞれ
   投射された前記微小光スポットの像を前記被測定物の前
   記他方の面を通して検出し、前記表面と底面との断差を
   前記被測定物の裏側から測定することを特徴とする微細
   凹部の深さ測定方法。
2. （２）測定すべき微細凹部を一方の面に有する板状の被
   測定物を透過する赤外域のコヒーレント光を発するコヒ
   ーレント光源と；前記コヒーレント光を微小光スポット
   に集束して前記被測定物の他方の裏面を通して前記微細
   凹部の段差を有する表面と底面とに投射する対物レンズ
   と；前記微細凹部の前記表面と底面とにそれぞれ投射さ
   れた前記微小光スポットの像を前記対物レンズを介して
   検出し且つその検出信号に基づいて前記対物レンズと前
   記被測定物の裏面との光軸方向の間隔を変化させる焦点
   検出手段とを含み、前記焦点検出手段の検出信号に基づ
   く前記間隔変化量と前記被測定物の屈折率とから前記微
   細凹部の前記表面から前記底面までの段差を前記被測定
   物の裏側から測定するように構成したことを特徴とする
   微細凹部の深さ測定装置。