JPH07107481B2

JPH07107481B2 - 変位測定装置

Info

Publication number: JPH07107481B2
Application number: JP62122453A
Authority: JP
Inventors: 貴廣中村
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1987-05-21
Filing date: 1987-05-21
Publication date: 1995-11-15
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: DE3817337C2; DE3817337A1; US4900940A; JPS63295911A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、例えば超LSI等の被測定物の表面の変位を
測定する変位測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に被測定物の表面の微細な凹凸を測定する際には、
触針式あらさ計が用いられている。しかしながら、高密
度のLSI（DRAM等）に用いられるトレンチ構造は、幅が
0.5〜10μm,深さが１〜20μｍという微細なものなの
で、触針式あらさ計では測定不可能である。

そこで、トレンチ構造の寸法，形状を調べるためには、
もっぱら断面の電子顕微鏡像を用いていたが、この方法
では被測定物が破断されてしまうことになる。

最近になって、非破壊的、かつ非接触的に微細な表面形
状を測定できる技術が発表された。

１つの方法は、試料に白色光を照射し、基板表面とトレ
ンチ底からの反射光を分光し、その干渉信号からトレン
チの深さを求めるものである。

また、他の方法はマイケルソン干渉計を応用したもの
で、試料に白色光を照射し、リファレンスミラーからの
反射光と基板表面からの反射光との干渉光のピーク位置
およびトレンチ底からの反射光との干渉光のピーク位置
とからトレンチの深さを求めるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、これらの方法では、個々のトレンチの深さは求
められず、ある範囲にあるトレンチの深さの平均を求め
ることしかできないうえ、１個所の測定に要する時間も
数十秒程度かかるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、LSI等における個々のトレンチ構造の深さ，幅を
簡単に非破壊的，非接触的で、かつ高速，高精度で測定
することが可能な変位測定装置を得ることを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の第１の実施例に係る変位測定装置は、コヒー
レントな測定用のビームを出射する光源と、NAの大きな
レンズと、前記光源から出射されたビームを反射して前
記レンズの光軸から離れた位置に入射させて被測定物に
投光するビームスプリッタと、少なくとも前記レンズを
保持して高さ方向に高分解能で移動する移動台と、この
移動台を介し、被測定物上に常に光源からのビームウエ
ストが照射されるようにレンズを移動させるアクチュエ
ータと、前記レンズおよび前記ビームスプリッタを透過
した前記被測定物の表面からの反射光の入射位置を検出
する光像位置検出器とから構成される光学系を備えたも
のである。この発明の第２の実施例に係る変位測定装置
は、第１の実施例の変位測定装置において、光学系が投
射軸と平行な軸を回転中心として回転可能に構成された
ものであるようにしたものである。この発明の第３の実
施例に係る変位測定装置は、第１の実施例の変位測定装
置において、光学系が、Ｓ偏光またはＰ偏光のビームを
出射する光源と、Ｓ偏光またはＰ偏光のビームのみを反
射する偏光ビームスプリッタと、1/4波長板とを備えた
ものである。この発明の第４の実施例に係る変位測定装
置は、第１の実施例の変位測定装置において、光学系
が、コヒーレントな測定用のビームを出射する測定用光
源と、照明用のビームを出射する照明用光源と、前記測
定用のビームと前記照明用のビームの光路を一致させる
ための第１のダイクロイックミラーと、NAの大きなレン
ズと、前記測定用光源および前記照明用光源から出射さ
れたビームを反射し、前記レンズの光軸から離れた位置
に入射させて被測定物に投光するビームスプリッタと、
少なくとも前記レンズを保持して高さ方向に高分解能で
移動する移動台と、この移動台を介し、被測定物上に常
に光源からのビームウエストが照射されるようにレンズ
移動させるアクチュエータと、前記レンズおよび前記ビ
ームスプリッタを透過した前記被測定物の表面からの反
射光を分離する第２のダイクロイックミラーと、前記反
射光のうちの前記測定用のビームの入射位置を検出する
光像位置検出器と、前記反射光のうちの前記照明用のビ
ームを収束して前記被測定物の像を結像する撮影用のカ
メラとから構成されるとともに、前記カメラで撮影した
像をモニタ表示するようにしたものである。この発明の
第５の実施例に係る変位測定装置は、第１の実施例の変
位測定装置において、光学系がコヒーレントな測定用の
ビームを出射する光源と、NAの大きなレンズと、前記光
源から出射されたビームを反射して前記レンズの光軸か
ら離れた位置に入射させて被測定物に投光するビームス
プリッタと、少なくとも前記レンズを保持して高さ方向
に高分解能で移動する移動台と、この移動台を介し、被
測定物上に常に光源からのビームウエストが照射される
ようにレンズを移動させるアクチュエータと、前記レン
ズおよび前記ビームスプリッタを透過した前記被測定物
の表面からの反射光の入射位置を検出する光像位置検出
器とから構成されるとともに、前記被測定物を移動させ
る移動台と、前記光像位置検出器の出力と、前記移動台
による前記被測定物の移動量とから表面形状を算出する
制御系とを備えたものである。この発明の第５の実施例
に係る変位測定装置は、第５の実施例の変位測定装置に
おいて、移動台が、投射軸と平行な軸を回転中心とし
て、回転可能に構成されたものである。

〔作用〕

この発明の第１の実施例においては、レンズと被測定物
の表面との距離の変化が光像位置検出器に入射する反射
光の入射位置の変化となり、光像位置検出器からレンズ
と被測定物の表面との距離の変化に対応した出力が得ら
れる。

この発明の第２の実施例においては、第１の実施例にお
いて、光学系を回転させる。

この発明の第３の実施例においては、第１の実施例にお
いて、ビームを1/4波長板で円偏光又は楕円偏光にす
る。

この発明の第４の実施例においては、第１の実施例にお
いて、第１の発明の作用に加えて照明用のビームによっ
て照らされた被測定物の像がカメラによって撮影され、
モニタに表示される。

この発明の第５の実施例においては、第１の実施例にお
いて、レンズと被測定物の表面との距離の変化が光像位
置検出器に入射する反射光の入射位置の変化となり、制
御系は、移動台による被測定物の移動量と、移動に対応
した光像位置検出器の出力とから被測定物の表面形状を
算出する。

この発明の第６の実施例においては、第５の実施例を作
用に加え、移動台を回転させる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の第１の実施例の変位測定装置の構成
を示す図である。

この図において、１はHe−Neレーザを用いた光源、２は
ビームスプリッタ、３はNAの大きな（0.5〜１）投受光
用のレンズ、４は被測定物としての半導体基板、4aは前
記半導体基板４の表面、4bは前記半導体基板４に形成さ
れたトレンチ構造の底面、５は、例えばポジションセン
サ,CCDラインセンサ等の光像位置検出器、６は高さ検出
器、７は移動台、８は、例えばピエゾ素子を用いたアク
チュエータ、９はある高さを示す基準値からの偏差を出
力する差動回路、10はスイッチ、11は基準値設定部、12
は、例えばレーザ干渉測長器や電気マイクロメータ等を
用いた位置検出器、100は光学系、200は制御系、Ｌはビ
ーム、Ｏは光軸である。

また、第２図は、第１図に示した半導体基板４の手前方
向の形状を示す断面図である。

次に動作について説明する。

まず、光源１から出射されビームスプリッタ２で反射さ
れたビームＬをレンズ３によって１μｍ以下に絞って半
導体基板４の表面4aの上のＡ点に投光する。微小な表面
形状を測定する場合、投光されたビームＬのウエスト径
はパターンの寸法以下に絞り込む必要があり、波長λが
0.6μｍでは最小ウエスト径を１μｍ弱までに絞ること
ができる。最小ウエスト径は回折によって限界が定ま
り、波長λに比例する。したがって、さらに微小なウエ
スト径を得るためには短波長用の光源を使用する。

このビームＬは表面4a上のＡ点で反射されたのち、レン
ズ３を再度透過して光像位置検出器５の検出面のＡ′点
に入射される。そして、高さ検出器６はこの時の光像位
置検出器５からの出力から基準値としての半導体基板４
の高さ（変位）を求めて基準値設定部11に設定する。検
出信号と高さの関係は光学系100、特にレンズ３を決め
れば一義的に決まる。さらに、高さの変化と測定値の変
化を直線関係に直す必要がある場合には補正を行う。

レンズ３は高さ方向に0.1μｍ以上の高分解能で移動可
能なようにアクチュエータ８を備えた移動台７に固定さ
れている。移動台７としては、例えば第１図に示したよ
うに平行ばねを利用したものがあり、小さい範囲であれ
ばレンズ３の傾きおよび横ずれも無視でき、平行に上下
させることができる。また、アクチュエータ８として
は、例えば圧電素子，ばね常数の異なるばねを組み合わ
せた移動機構，てこを用いた微動機構などを用いること
ができる。圧電素子を使った場合の特長としては高速
で、かつ1/100μｍ以上の高分解能で微動が行えること
である。

そして、差動回路９からの出力がゼロになるように、差
動回路９から制御信号がアクチュエータ８に供給され
る。つまり、オートフォーカス機能により、例えば被測
定物上に常に光源１からのビームＬのウエストが照射さ
れるように制御される。そして、被測定物までの距離に
比例したレンズ３の移動量は高精度な位置検出決12によ
り求められる。

また、移動台７によりレンズ３のみを動かすのではな
く、第３図に示すように、光学系100全体を高分解能で
移動させることも可能であり、この場合の特長は測定範
囲を広くとることができることである。

さらに、この光学系100全体を動かす方法とレンズ３を
動かす方法とを組み合わせて使用することも可能であ
り、この場合の特長は高速で、しかも測定範囲を広くと
ることができることである。

そして、光像位置検出器５からの出力と位置検出器12の
出力とから高さ検出器６において、被測定物としての半
導体基板４の高さ方向の変化が測定される。

また、スイッチ10によって差動回路９からの制御信号の
供給をオン，オフすることにより移動台７の位置をホー
ルドして使用することもできる。

すなわち、被測定物が第２図に示したようなトレンチ構
造を有する半導体基板４の場合には、半導体基板４の表
面4a上でビームＬのウエストを合わせ、オートフォーカ
ス機能をホールドしたのち、半導体基板４を移動させて
ビームＬをトレンチの中に入射していくと、当初半導体
基板４の表面4a上のＡ点で反射されて光像位置検出器５
の検出面のＡ′点に入射していたビームＬが、底面4b上
のＢ点で反射された光像位置検出器５の検出面のＢ′点
に入射するようになる。これに伴って光像位置検出器５
の出力も変化し、高さ検出器６によって検出される高さ
も変化する。

この場合にはビームＬがトレンチ内で拡がるため、ビー
ムＬのパワーを高くすることが望ましい。

以上で述べた２種類の測定は、その特徴から用途別に分
けて用いる必要があり、微細なトレンチ構造のようなも
のの測定の場合には、トレンチの底面4bでビームＬを集
束できないことがあるため、もっぱら後者の方法が用い
られる。

また、第４図はこの発明の第２の実施例の変位測定装置
の構造を示す図である。

この図において、第１図と同一符号は同一部分を示し、
1aは照明用光源、2aは偏光ビームスプリッタ、13a,13b
は測定用のビームＬの波長は透過し、照明用のビームL₂
の波長を反射する第１および第２のダイクロイックミラ
ー、14はカメラ、14aはレンズ、15はTVモニタである。

上記の実施例に示した変位測定装置は、測定感度が高い
ので位置合わせに手間取ることが多い。そこでこの第２
の発明では、測定中のポイントをTVモニタ15で観察しな
がら測定を行えるように、レンズ３を利用し、かつ測定
感度に影響を与えないように構成した顕微鏡を備えてい
る。

すなわち、照明用光源1aから出射されたビームL₂は第１
のダイクロイックミラー13aで反射される。ここで、第
１のダイクロイックミラー13aを使用するのは、光源１
からのビームＬを減衰させることなくビームL₂と重ね合
わせるためであり、光源１から出射されたビームＬはこ
の第１のダイクロイックミラー13aを透過する。また、
第１および第２のダイクロイックミラー13a,13bの代わ
りに光学的バンドパスフィルタ（図示せず）を用いても
よい。

そして、第１のダイクロイックミラー13aで反射された
照明用のビームL₂および第１のダイクロイックミラー13
aを透過したビームＬは、偏光ビームスプリッタ2aによ
り反射され、レンズ３を透過して被測定物としての半導
体基板４に投光される。この半導体基板４からの反射光
は再びレンズ３および偏光ビームスプリッタ2aを透過す
る。そして、反射光のうち照明用のビームL₂は第２のダ
イクロイックミラー13bで反射され、レンズ14aにより被
測定物の像がカメラ14内に結像される。したがって、TV
モニタ15により測定点を見ることができるうえ、ビーム
Ｌのウエスト径の調整を基準値設定部11から手動で行う
こともできるようになる。

他方、ビームＬは第２のダイクロイックミラー13bを透
過して光像位置検出器５に入射され、上記実施例と同様
にして形状の測定が行われる。

第５図はこの発明の第３の実施例の変位測定装置の構造
を示す図である。

この図において、第１図と同一符号は同一部分を示し、
16は1/4波長板、17は移動台、18は被測定物の移動量を
検出する位置検出器、19は形状演算器である。

この実施例も上記実施例と基本的には同様であるが、こ
の実施例では光源１から、例えばＳ偏光のビームL₁を出
射し、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過する偏光ビームス
プリッタ2aで反射させて1/4波長板16で円偏光もしくは
楕円偏光にして、被測定物としての半導体基板４に入射
させる。この場合、半導体基板４からの反射光は、逆回
転の円偏光もしくは楕円偏光になり、1/4波長板16の後
ではＰ偏光になる。このため、反射光は偏光ビームプリ
ッタ2aをロスが少なく透過して光像位置検出器５に入射
する。

また、この実施例では半導体基板４を１軸もしくは２軸
の移動台17によりレンズ３の光軸Ｏに垂直，もしくはそ
れに近い角度方向に移動可能な構成としている。

この移動台17としては、被測定物が超LSIのトレンチな
ど微細表面形状の測定であれば、移動分解能を上げる必
要があるため、粗動にはねじを用い、圧電素子や減速装
置を用いて微動を加える。移動量の検出は、位置検出器
18を用いる。

また、被測定物を固定した光学系100を移動させる構成
としても同様である。

また、移動台17を回転ステージ（図示せず）上に設けた
構成とすることにより、被測定物の測定したい方向を合
わせることができる。特にトレンチの測定においてはビ
ームL₁の入射面とトレンチの長手方向とを合わせること
が必要であるため有効となる。また、光学系100の方を
回転可能な構成としても同様である。

そして、移動台17の移動量を検出する位置検出器18の出
力と高さ検出器６の出力とから形状演算器19において、
被測定物の形状が数値化される。

以下に演算処理例を示す。

1.高さ信号の平滑化 2.高さ信号のpeak−to−peakの演算 3.高さ信号と位置信号を用いたエッジ検出 4.パターンの幅演算 5.あらさに関する諸量の演算第６図はトレンチ構造の測定例を示す図、第７図は素子
表面の露出したLSIパッケージの表面形状の測定例を示
す図である。

〔発明の効果〕

この発明の第１の実施例は、以上説明したとおり、コヒ
ーレントな測定用のビームを出射する光源と、NAの大き
なレンズと、前記光源から出射されたビームを反射して
前記レンズの光軸から離れた位置に入射させて被測定物
に投光するビームスプリッタと、少なくとも前記レンズ
を保持して高さ方向に高分解能で移動する移動台と、こ
の移動台を介し、被測定物上に常に光源からのビームウ
エストが照射されるようにレンズを移動させるアクチュ
エータと、前記レンズおよび前記ビームスプリッタを透
過した前記被測定物の表面からの反射光の入射位置を検
出する光像位置検出器とから構成される光学系を備えた
ので、被測定物の微細な表面の変位を非接触的で、かつ
高速，高精度で測定できるという効果がある。

この発明の第２の実施例は、第１の実施例において、平
行な軸を回転中心として回転可能に構成されたので、ト
レンチ構造を回転方向にも測定できるという効果があ
る。

この発明の第３の実施例は、第１の実施例において、Ｓ
偏光またはＰ偏光のビームを出射する光源と、Ｓ偏光ま
たはＰ偏光のビームのみを反射する偏光ビームスプリッ
タと、1/4波長板とを備えたので、反射光はロスが少な
く透過して光像位置検出器に入射するという効果があ
る。

この発明の第４の実施例は、第１の実施例において、光
学系が、コヒーレントな測定用のビームを出射する測定
用光源と、照明用のビームを出射する照明用光源と、前
記測定用のビームと前記照明用のビームの光路を一致さ
せるための第１のダイクロイックミラーと、NAの大きな
レンズと、前記測定用光源および前記照明用光源から出
射されたビームを反射し、前記レンズの光軸から離れた
位置に入射させて被測定物に投光するビームスプリッタ
と、少なくとも前記レンズを保持して高さ方向に高分解
能で移動する移動台と、この移動台を介し、被測定物上
に常に光源からのビームウエストが照射されるようにレ
ンズ移動させるアクチュエータと、前記レンズおよび前
記ビームスプリッタを透過した前記被測定物の表面から
の反射光を分離する第２のダイクロイックミラーと、前
記反射光のうちの前記測定用のビームの入射位置を検出
する光像位置検出器と、前記反射光のうちの前記照明用
のビームを収束して前記被測定物の像を結像する撮影用
のカメラとから構成されるとともに、前記カメラで撮影
した像をモニタ表示するようにしたこらで第１の実施例
の効果に加えて、測定精度に悪影響を与えることなく、
被測定物の観察を行え、測定の効果が向上するという効
果がある。

この発明の第５の実施例は、第１の実施例において、光
学系がコヒーレントな測定用のビームを出射する光源
と、NAの大きなレンズと、前記光源から出射されたビー
ムを反射して前記レンズの光軸から離れた位置に入射さ
せて被測定物に投光するビームスプリッタと、少なくと
も前記レンズを保持して高さ方向に高分解能で移動する
移動台と、この移動台を介し、被測定物上に常に光源か
らのビームウエストが照射されるようにレンズを移動さ
せるアクチュエータと、前記レンズおよび前記ビームス
プリッタを透過した前記被測定物の表面からの反射光の
入射位置を検出する光像位置検出器とから構成されると
ともに、前記被測定物を移動させる移動台と、前記光像
位置検出器の出力と、前記移動台による前記被測定物の
移動量とから表面形状を算出する制御系とを備えたの
で、変位のみならず、被測定物の微細な表面の形状を非
破壊的、非接触的で、かつ高速・高精度で測定できると
いう効果がある。

この発明の第６の実施例は、第１の実施例において、移
動台が、投射軸と平行な軸を回転中心として、回転可能
に構成されたので、第５の実施例の作用に加えて、トレ
ンチ構造を回転方向にも測定できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の変位測定装置の構成
を示す図、第２図は半導体基板の形状を示す断面図、第
３図はこの発明の第１の発明の変位測定装置の他の例の
構成を示す図、第４図はこの発明の第２の実施例の変位
測定装置の一例の構成を示す図、第５図はこの発明の第
３の実施例の変位測定装置の一例の構成を示す図、第６
図はトレンチ構造の測定例を示す図、第７図は素子表面
の露出したLSIパッケージの表面形状の測定例を示す図
である。図中、１は光源、1aは照明用光源、２はビームスプリッ
タ、2aは偏光ビームスプリッタ、３はレンズ、４は半導
体基板、５は光像位置検出器、６は高さ検出器、７は移
動台、８はアクチュエータ、９は差動回路、10はスイッ
チ、11は基準値設定部、12は位置検出器、13a,13bは第
１および第２のダイクロイックミラー、14はカメラ、15
はTVモニタ、16は1/4波長板、17は移動台、18は位置検
出器、19は形状演算器、100は光学系、200は制御系であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレントな測定用のビームを出射する
光源と、NAの大きなレンズと、前記光源から出射された
ビームを反射して前記レンズの光軸から離れた位置に入
射させて被測定物に投光するビームスプリッタと、少な
くとも前記レンズを保持して高さ方向に高分解能で移動
する移動台と、この移動台を介し、被測定物上に常に光
源からのビームウエストが照射されるようにレンズを移
動させるアクチュエータと、前記レンズおよび前記ビー
ムスプリッタを透過した前記被測定物の表面からの反射
光の入射位置を検出する光像位置検出器とから構成され
る光学系を備えたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】光学系が投射軸と平行な軸を回転中心とし
て回転可能に構成されたものであることを特徴とする特
許請求の範囲第（１）項記載の変位測定装置。
【請求項３】光学系が、Ｓ偏光またはＰ偏光のビームを
出射する光源と、Ｓ偏光またはＰ偏光のビームのみを反
射する偏光ビームスプリッタと、1/4波長板とを備えた
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
記載の変位測定装置。
【請求項４】光学系が、コヒーレントな測定用のビーム
を出射する測定用光源と、照明用のビームを出射する照
明用光源と、前記測定用のビームと前記照明用のビーム
の光路を一致させるための第１のダイクロイックミラー
と、NAの大きなレンズと、前記測定用光源および前記照
明用光源から出射されたビームを反射し、前記レンズの
光軸から離れた位置に入射させて被測定物に投光するビ
ームスプリッタと、少なくとも前記レンズを保持して高
さ方向に高分解能で移動する移動台と、この移動台を介
し、被測定物上に常に光源からのビームウエストが照射
されるようにレンズ移動させるアクチュエータと、前記
レンズおよび前記ビームスプリッタを透過した前記被測
定物の表面からの反射光を分離する第２のダイクロイッ
クミラーと、前記反射光のうちの前記測定用のビームの
入射位置を検出する光像位置検出器と、前記反射光のう
ちの前記照明用のビームを収束して前記被測定物の像を
結像する撮影用のカメラとから構成されるとともに、前
記カメラで撮影した像をモニタ表示するようにしたこと
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の変位測定
装置。
【請求項５】光学系がコヒーレントな測定用のビームを
出射する光源と、NAの大きなレンズと、前記光源から出
射されたビームを反射して前記レンズの光軸から離れた
位置に入射させて被測定物に投光するビームスプリッタ
と、少なくとも前記レンズを保持して高さ方向に高分解
能で移動する移動台と、この移動台を介し、被測定物上
に常に光源からのビームウエストが照射されるようにレ
ンズを移動させるアクチュエータと、前記レンズおよび
前記ビームスプリッタを透過した前記被測定物の表面か
らの反射光の入射位置を検出する光像位置検出器とから
構成されるとともに、前記被測定物を移動させる移動台
と、前記光像位置検出器の出力と、前記移動台による前
記被測定物の移動量とから表面形状を算出する制御系と
を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載の変位測定装置。
【請求項６】移動台が、投射軸と平行な軸を回転中心と
して、回転可能に構成されたものであることを特徴とす
る特許請求の範囲第（５）項記載の変位測定装置。