JPH03504763A - 光学計測装置 - 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】 光学計測装置および方法・ 本発明は光学計測装置および方法、特に表面の計測中の振幅および位相の変動の 同時計測のための走査光学プロフィルメータに関する。

走査する光学プロフィルメータは、操作が困難であり得る針状プローブのような 接触法よりも独特な利点を有する。加えて、光学技術は計測を遠隔操作すること を可能にし、結果的にその使用に際してより融通の利くものにする。しかし従来 の光学プロフィルメータは、感度が欠如している：それらは個々のパスをたどる ２つの光ビームの干渉に基いており、したがって機械の振動に影響され易い。こ の課題を克服する１つの方法は、微分モードで光学プロフィルメータを操作する ことである。このようなシヘテムは、戻ってくる光ビームの絶対位相の代わりに その変動に反応する。微分光学プロフィルメータは、ＩＫＨｚの帯域幅で３　Ｘ 　１０−’ｍｒａｄの位相感度されている。

我々は、位相変動をモニタすることに加えて、反射された光の振幅の微分の同時 計測を可能にする新しい技術を考案した。これは対象物の反射度に関するもので あり得る。操作のこのモードに対する感度は、Ｉ　ＫＨｚの帯域幅当たり１０５ の内３である現存するシステムに同等である。

本発明によると、表面の地形学的特性を計測するための光学装置は、放射線のビ ームを２つの構成ビームに分割するための手段と、前記２つの構成ビームを検査 される表面上に焦点合わせするための手段と、前記２つの構成ビームの間で干渉 を起こさせるために前記表面からの反射の後で前記２つの構成ビームを再結合す るための手段と、前記２つの構成ビームの干渉結果の少なくとも１つのパラメー タの微分を計測するための手段とを具備して提供される。

本発明は特に以下の添付図面に関連して記載される：第１図は本発明の原理を示 す概略図、 第２図は実際の実施例を示すより詳細な概略図、第３図はエッチされたシリコン ウェハを横断する光学微分位相および振幅の線記録の図形、 第４図は部分的にイオン注入されたシリコンウェハを横断する光学微分位相およ び振幅の線記録の図形である。

図面を参照すると、ヘテロダイン干渉計を使用して振幅および位相の同時且つ独 立した計測を得ることができる。本システムの原理は第１図で略述される。主要 構成要素はビーム分割装置ＢＳであり、以下のような特性を有する：ｉ）入射光 ビームを等しい振幅および偏差角αをもって２つの部分に分割すること； ５１）２つのビームに２つの等しくない周波数シフトｆ１およびｆ２を対比させ ること； １１１）周波数ｆｓで直交位相（ｐｈａｓｅ　ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）で２つの ビームの振幅変調。

ビーム分割器ＢＳから出てくる２つのビームは、レンズＬ１によって正常に対象 物０の表面に焦点合わせされる。レンズＬ１は、見掛は分割の点ＦがレンズＬ１ の後部焦点にあり、対象物が前部焦平面にあるようにシステム内に配置される。

２つのビームはそのとき、レンズの価値および焦点距離によって決定された２つ の焦点スポットの間の距離で正常に対象物上に焦点合わせされる。対象物表面か らの反射につき２つのビームはレンズおよびビーム分割器の２度目の通過をし、 そこでビームは再結合される。？、つの゛ビームの周波数および振幅の両者は、 第２の通過後に再度シフト（或いは変調）される。再結合されたビームはそのと き、ビーム分割器を介して光検知ｉＰＤの方向に向けられる。

ビーム分割器ＢＳを通る第１の通過後、２つのビームの状態は以下のように表す ことができる。

Ｂ、　　ｍ　　Ａ　　５ｌｎ（ω、ｔ）　　ｅｘｐ（−ｊ［（ω。＋　ωｘ）ｔ 　　＋＄ｘ］）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　@　（１） Ｅｌｚ　　−Ａ　　５ｌｎ（ｕｓｔ）　　ｅｘｐ（−ｊ（（ｕ。＋　　ｕｚ）ｔ 　　十φ、］）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　@　（２） ここでＡはビームの振幅であり、ω。は光学的周波数であり、ω、およびω２は ２つのビームの周波数シフトであり、そしてφ、およびφ２は平均的な光学バス の長さを表す。対象物表面からの反射後、ビームの振幅および位相の両者は対象 物構造によって変調される。そこで光検知器の前のビームは以下のように表すこ とができる。

Ｂ、−＾ｒ、　Ｓｌｎ”（ｕｓｔ）　ｅｘｐ（−ｊ［（ｃａ。＋２ｕ、）ｔ　＋ 　＄、　＋　９．］）　　　　　　（３）Ｂ２−＾ｒ２ＣＯ５”（ｗｓｔ）　ｅ ｘｐ（−ｊ［（ｕ。＋　２ω２）ｔ　＋　φ２＋　ｅｚ］）　　　　（４）ここ でｒｌおよびｒ２は対象物の（２つの焦点での）反射係数であり、Ｂ１およびＢ ２は対象物によって光ビームに課せられた位相の変化である。光ダイオードから の出力Ｉ０は検知されたビームの強度に比例する。それ故に、Ｉｏ　＋−−１： （Ｂ、　　＋　８２）（Ｂエ　十　８２）会　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　（T） であり、ここでξは比例定数であり、そして８はフィールドの雫素共役を示す。

（３）と（４）とを（５）に代入することによって、我々は光ダイオードからの 出力１．を以下のように得る。

ここでω、ｍω１−ω２．δθ−θ１−θ２．δφ閤φ１−φ２である。光検知 器出力はそれ故に、多数の周波数構成要素を含む。２つの重要なものは、周波数 ２ｆｓおよび２ｆｂでのそれらである。第１のもの（（６）の２番目の項）の振 幅は、対象物表面上の２つの隣り合った点の反射度の差であるｒｌ−ｒ２に比例 する。第２のもの（（６）の４番目の項）の位相は、対象物によって光ビームに 課せられた位相を含む。

それ故に対象物の微分位相／振幅情報は、これらの２つの信号を検知することに よって得られる。

試料から反射した後で、変調された振幅および位相を伴って今、それらはＢＳを 通って通過し戻され、２つのビームの間の干渉が光ダイオードによって検知され る。出力電流は検知された光の強度に比例し、結果として生じた信号はその内の ２つが話題になっている複数の周波数構成要素を含む。微分振幅応答は周波数２ ｆｓにあり、以下の形式を採る。

Ａ（ｒ、”　−ｒ、”）　Ｃ０５（２１Ａｓｔ）　　　　　　　　　　　　　（ ７）ここでＡは定数であり、ｒｌ＋ｒ２は試料表面上の各ビームによって経験さ れた反射度である。

微分位相の結果は周波数２　（ｆｌ　−ｆ２　”）にあり、以下のようになる。

Ｂｒ　ｒ　ＣＯ５（２（（１１，−ω２）ｔ　＋　＆θ＋６φＪここでδθは対 象物による各戻りビームの間の位相差であり、そしてＢおよびδφは定数である 。

微分振幅（ｒ＋’　　ｒｌ２）および微分位相（δθ）の情報は、表面地形学お よび反射度変動に関連し得る。

特定の実施例（第２図）では、ビーム分割器が、入来するレーザ光が１番目およ びゼロ番目の順番に分割されるように設定されるブラッグセル（Ｂｒａｇｇ　Ｃ ｅ１ｌ）　Ｂ　Ｃによって置き換えられている。三角形に変調された駆動信号を 印加することによって、ブラッグセル振幅は２つのビームを直交位相に変調する 。２つの検知器ＤＩ、Ｄ２は、第１図に示された１つのＰＤの代わりに振幅およ び位相を計測するために使用される。本システムで、我々は波長６３２．８ｎｍ のＨｅ−Ｎｅレーザと、０．４ｉｍの試料表面上のビーム分離と、直径４０μｍ の焦点合わせされたビームとを使用する。

本システムは１つはほとんど純粋な地形学的により、第２は主として反射度によ って詳細に、の２つの試料を検査するために使用された。第３図は第３（ａ）図 に示されるように一連の平行なトラックを生成するためにアクティブプラズマエ ッチをしたシリコンウェハを横断する微分位相および振幅の線記録の図形を示し ている。公称ステップの高さは１８０人、３００＾、４００Ａ　、５５０人、７ ００人であり、±１０％内までの機械的な針を使用することによって形作られる 。微分位相の結果（第３（ｂ）図）はエッチされたトラックの縁に対応するピー クのみならず、ウェハの反りのせいで生じるすべてのウェハを横断する位相の変 化も示している。この背景の位相変動が減算されて図形３（Ｃ）を生成する。各 トラックの縁でのピークの高さは、トラックの深さに関連する。それらの計測さ れた値は表１に示されている。針状プローブとおよび光学システムとを使用して 計測した値の間の不一致は、入射光ビームと相対な試料の傾斜と、２つのビーム の分離と、やや大きな焦点スポットのサイズとに起因し得る。各ピークの幅は０ ．４１であり、それは２つの質問ビームの分離量である。

いくつかのエッチされた領域内ではより大きい微分のコントラストがあることが 見られ、これはエツチング液によって残された粗い表面によるものである。

第３（ｄ）図は微分振幅結果を示す。この試料に対する微分振幅コントラストは 、試料表面上の不連続性からの光の散乱によって生じる。この理由のため、工・ ソチされた範囲内（表面の粗さによる）とおよびトラックの縁とに微分振幅応答 が存在する。いくつかの変動は、試料の表面上の傷および埃に帰因する。点状対 象物（位相或いは振幅）に対する微分システムの応答は、２つの質問ビームの間 の距離に対応する極の分離に伴う双極子である。ステップ構造に対する応答は点 状反応の積分である。これは２つの調べるビームの分離に対応する幅を有する′ 上部ノリト（ｔｏｐ　ｈａｔ　）　’である。

第４図は、その半分に１０１５イオン／Ｃ−のドーピングレベルでＡｓ”を注入 されているシリコンウェハ＼を横断する微分位相および振幅の線記録の図形を示 す（第４（ａ）図）。第４（ｂ）図では、注入された範囲内の屈折率の変調がウ ニ／％表面の粗さによって生じたものよりも少ないことに起因するなんらかの微 分位相コントラストが見られる。再度、ウニｌ＼の反りが存在するように見られ る。注入された側と注入されない側との間の界面は、第４（Ｃ）図の微分振幅結 果から容易に見ることができる。また、微分振幅のｄｃレベルは界面の両側では 異なる。これは真の微分振幅結果ではなく、ブラッグセルによる不完全な変調に よるものである。

第３図および第４図を参照すると、微分振幅結果は一貫して、位相結果に基くよ りも小さな特徴によって大きいコントラストを示す。このコントラストは散乱に よるものである。

位相および振幅の情報の同時獲得は、別の方法では振幅或いは位相のみのシステ ムでほとんどコントラストを示さないような試料の特徴を人に見せることができ る。我々のシステムの別の利点は、度量衡学（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ　）の応用で 生じるある曖昧さを排除する可能性にある。地形学的に滑らかな表面は、材料の 差による位相の変動を与え得る。反射係数、すなわち微分振幅信号、の係数の有 効性は、位相応答が材料の反射度或いは地形学の変化に起因するような２つの場 合の間で識別する。いくつかの極端な状況では、係数が一定のままであるのに対 して複素反射係数の位相は変化し得る。この曖昧さを排除するために異なった光 学波長がもっと試料を見るのに使用されることができる。

線記録の図形４（Ｃ）かられかるように、この特定のシステムの実行に関連した 欠点がある。本システムの微分振幅部分は最適ではない。これはブラッグセルか ら出る２つのビームの変調の等しくない深さによるものであり、結果としてＡと Ｂが定数である式Ａ　（ｒ＋　’　−ｒｌ　’　）　＋Ｂ　（ｒｌ　”−ｒ１′ ）を有する信号を生じる。それ故に線記録は、３０Ｍ応答への真の微分振幅応答 の重ね合わせを含む。もし振幅結果が検知器Ｄ１（第２図）から採られるならば 、状況はより悪くなる。もし２つのビームの振幅が等しいならば、Ｂの値はゼロ である。

別の実施例では、ゼロ番目および１番目の順番の光ビームを使用する代わりに、 ブラッグセルがブラッグ周波数に近い周波数を有する２つの信号によって駆動さ れ、試料は２つの１番目の順番のビームによって検査される。これらの２つのビ ームは等しい振幅を有することができる。さらに２つの駆動信号の周波数差を変 化させることによって、角度分離およびそれ故に２つのビームの横の間隔が変化 され得る。

本発明の適用は、半導体ウェハのような試料のフィルムの厚さと、反射度変動と 、および表面の平坦度との計測を含む。

いくつかの適用では、対象物表面上のビーム分離が所望され得る。

本発明の別の適用は度量復学の正確な線の幅にある。加えてこの技術は、生物学 的組織のような小形構造の変動を処理する目的の高コントラスト計器を生成する のに理想的である。

これは横の分解能を改善するために近接される２つの焦点スポットを必要とする であろうし、そしてこの技術の第２の実行によって容易に獲得されるであろう。

表１　針状プローブおよび光学微分位相の使用によって計測されたステップの高 さ ステップ　　　ａｂｃｄｅｆｇｈ 針状プローブに よるステップ　１８０　３１０　３１０　４３０　４３０　５３０　５３０　７ ００微分位相　　　０．３２０．８５０，６００．８４０．９７１．１５１．２ １１．４２対応する ステップの　　１６３　３２６　３０２　４２４　４９０　５７９　６０９　７ １３シリコン シリコン 国際調査報告 ＋吻＋’＋ｗｕ＊＋ｗ−＾ＩＮ”ｌＩ’１ＩＮ＝ＰＣＴ／ＧＢ８９１００３２５ 国際調査報告 ＧＢ　８９００３２５ Ｓ＾　　　２７Ｂ５２

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．放射線のビームを２つの構成ビームに分割する為の手段と、前記２つの構成 ビームを検査をする表面に焦点合わせするための手段と、前記２つの構成ビーム の間で干渉を起こせるために前記表面からの反射の後で前記２つの構成要素ビー ムを再結合するための手段と及び前記２つの構成ビームの干渉結果の少なくとも 一つのパラメータの微分を計測するための手段とを具備することを特徴とする表 面の地形学的特性を計測するための光学装置。
2. ２．ビーム分割装置、すなわちＢＳが入射光ビームを同一の振幅と偏差角αとを 持つ２つの構成ビームに分割し、２つの構成ビームに２つの等しくない周波数シ フトｆ１およびｆ２をおよび周波数ｆｓで直交位相において振幅変調とを行なわ せるように適合させられることを特徴とする請求項１記載の表面の地形学的特性 を計測するための光学装置。
3. ３．ビーム分割器ＢＳから出てくる２つの構成ビームがレンズＬ１によって正常 に対象物Ｏの表面に焦点合わせされることを特徴とする請求項２記載の表面の地 形学的特性を計測するための光学装置。
4. ４．２つの構成ビームが正常に対象物の上に焦点を結ぶために見掛け分割点Ｆは レンズＦ１の後部焦点にありおよび対象物は前部焦平面にあるように、対象物か らの反射光については２つのビームはレンズとビーム分割器を２度目の通過をし てそこでそれらは再結合させられるように、レンズＬ１が、システムの中に配置 されることを特徴とする請求項３記載の表面の地形学的特性を計測するための光 学装置。
5. ５．対象物から反射しビーム分割器ＢＳを通過した後２つの構成ビーム間の干渉 が光ダイオードによって検知されることを特徴とする請求項４記載の表面の地形 学的特性を計測するための光学装置。
6. ６．入来放射ビームが直交位相に変調されその連続する振幅および位相が一対の 検知器Ｄ１，Ｄ２によってモニターされるようにブラッグセル（Ｂｒａｇｇ　ｃ ｅｌｌ）ＢＣが設置されることを特徴とする請求項１記載の表面の地形学的特性 を計測するための光学装置。
7. ７．入来放射ビームが１番目およびゼロ番目の順序に分割されることを特徴とす る請求項６記載の表面の地形学的特性を計測するための光学装置。
8. ８．へリュウムーネオンレーザが放射線源として使用されることを特徴とする請 求項１記載の表面の地形学的特性を計測するための光学装置。
9. ９．別の波長の放射線で試料をさらに調べるための手段が提供されていることを 特徴とする請求項１記載の表面の地形学的特性を計測するための光学装置。
10. １０．ブラッグセルがブラッグ周波数（Ｂｒａｇ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に近い 周波数を持つ２つの信号で動かされおよび試料が２つの１番目のビームによって 検査されることを特徴とする請求項６記載の表面の地形学的特性を計測するため の光学装置。