JPS6339842B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面の形状を光の干渉により決定する
方法及びこの方法を実施するための装置に関す
る。

多くの現代の製造工程において、特に半導体の
製造分野においては、処理される表面に極めて狭
い公差が必要とされる。この事に関連して注目さ
れるパラメータとして例えば表面の平坦度、その
正もしくは負の勾配、最大値及び最小値の位置等
がある。処理される表面の形状（凹凸）の静的な
決定とは別に、プロセス制御はこの表面の、時間
に関する変化（例えば食刻中）の監視を必要とす
る。他の望ましい特徴は測定の最大範囲である。
なんとなればマイクロメータ程度もしくはこれ以
下の精度が必要とされ、もしくは他方数100ミク
ロンの範囲がカバーされなければならないからで
ある。

高精度測定に対しては、測定用ビームと参照ビ
ーム間の位相差（経路差）が評価される干渉的方
法が周知である。これ等の方法によつて、例えば
全測定表面の等高線を形成する事（ドイツ特許
GEP第2636498号）、もしくは測定ビームが表面
の点毎のプローブ動作を行う事（ヨーロツパ特許
出願第0001148号）が可能である。しかしながら、
これ等の周知の干渉計法では２つのビーム間の位
相関係が撹乱されない事が保証されなければなら
ない。ところが、散乱性が大きい表面の場合、特
に表面の平均の粗さが使用される波長の程度に達
する時は、この条件はもはや満足されない。これ
等の方法の応用の分野は赤外線照射に迄に拡大さ
れ得るが、赤外線の範囲の干渉計的方法の光学
系、調節及び評価に問題を生ずる。干渉計的方法
の実際的応用の場合は、本来制限されている測定
範囲を拡げる事、例えば粗な表面上の数10ミクロ
ンの段階的高さを測定する事が可能な事が望まれ
る。

従つて本発明の目的は粗な表面の形状の正確な
測定を可能とする上記特定の型の干渉計測定方法
を与える事であり、さらにこの方法を容易に実施
し得る装置を与える事である。すれすれの入射ビ
ームを使用する本発明の干渉法は、反射性表面の
みならず、散乱性の大きい表面に対して使用され
る。本発明の方法は多くの測定の目的に適用可能
である。即ち形状を決定するためには、表面は適
切な線に沿つて点毎に走査され、表面の点の時間
に関する変化を決定するためには定常測定信号の
時間毎に変化が記録される。ビームの経路をわず
かに変更する事によつて、利用可能な測定範囲が
広くも狭くもなる。狭い測定範囲の場合には、解
像力はサブミクロンの範囲にある。本発明の特に
重要な実施例は乾式食刻に関連する食刻速度の非
接触現場測定である。測定信号は周知の位相補償
法に従つて極めて正確に評価される。

本発明の測定方法は（粗な）測定表面上に大き
な入射角で指向される（すれすれ入射プローブ）
測定用ビームの使用に基づいている。80゜程度の
入射角の場合には、粗い測定表面も該粗い表面中
の最大のピークによつて定められる平坦な反射表
面と同様に測定用ビームが使用可能である。この
様にして、限定性のよい位相関係が測定用ビーム
の個々の点間、従つて測定用ビーム及び参照ビー
ム間に得られる。参照ビームは夫々の使用に依存
して異なる方法で発生される。

第１Ａ図は上述の原理に従つて動作する干渉計
測定ヘツドの実施例を示す。レーザの偏光出力ビ
ームが左方から収束レンズ１に導入され、偏向鏡
２を介して、複屈折結晶３、例えばウオーラスト
ン・プリズムに到達し、そこで共にλ／４板４を
通過する測定用ビーム５及び参照ビーム６に分離
される。参照ビーム６は偏向鏡７ａ及び７ｂで２
回反射された後、再びλ／４板４を介して複屈折
結晶に指向される。測定用ビーム５は偏向鏡８ａ
から反射された後、入射角θで検査されるべき表
面９に入射し、ここから斜の入射の為に、規則的
に反射して同様に偏向鏡８ｂ及びλ／４板４を介
して複屈折結晶３に戻される。両ビームは２回
λ／４板４を介して通過し、従つてその偏光の方
向は90゜だけ回転する。従つて複屈折結晶３中の
通常及び異常ビームの役割は入力ビームに関して
反射ビームの場合に交代する。両反射ビームは複
屈折結晶３から相互に直交する偏光面を有する共
線ビームとして出る。反射ビームは他の偏向鏡１
０から反射された後、収束ビームレンズ１１中で
平行にされ相互に直交した偏光面の部分ビーム中
の位相差に反応を示す評価器に印加される。

レンズ１及び１１の屈折率は、測定用ビームの
焦点が試料９の表面上に来るように選択されてい
る。収束作用および可干渉性のために、参照ビー
ム６の光経路長は略測定用ビーム５のものと等し
くなくてはならない。表面プロフイールの点毎の
記録の場合には、測定表面９はラスタ状の移動で
収束された測定用ビーム５の下を変位される。表
面の高さの変化は両ビームの間の位相差の変化か
ら明らかである。第１Ｂ図に従えば、位置から
位置への反射表面の高さの変化は参照ビームに
関連して反射ビームＲ及びＲの次の位相差を
生ずる。

φ_n＝4π／λ・Δh・cosθ (1) θ＝測定用ビームの入射角 λ＝光の波長 レンズ１１から出現する２つの相互に直交した
偏光面の部分ビーム間の位相差を視覚的に観察す
る最も簡単な方法はレンズ１１の背後に45゜の方
位角を有する偏光子を偏光の方向に与える事であ
る。この偏光子を通過する部分ビームは互に干渉
し、その強さが測定表面の夫々の高さの差に依存
する出力信号を発生する。連続的に高さが変化す
る場合には２つの相継ぐ干渉の最小値が現われる
場合の高さのΔh0は Δh0＝λ／2cosθ (2) によつて与えられる。

ここで論ぜられている大きな入射角の場合に
は、値Δh0は略２ミクロンであり、この範囲内の
高さの差は一意的に決定される。これ等の限界を
越える高さの差は（式(1)中のφ_nの2π周期性に従
つて）Δh0の倍数だけで与えられる。

第２Ａ図は同様にすれすれに入射する測定用ビ
ームで動作するが第１図に従う測定ヘツドと比較
して一意的に決定される測定範囲が著しく増大さ
れた干渉計測定ヘツドを示す。この増大は参照ビ
ーム６が同様に大きな入射角で指向され、測定用
ビーム５が入射する測定表面９の点に焦点が合さ
れる事によつて達成される。第１Ａ図の例の場合
と同様に、２つのビーム５及び６は複屈折結晶３
中の入力ビームの分離によつて発生され、入力レ
ンズ１の屈折力はその焦点が複屈折結晶３中にあ
る如きものである。複屈折結晶３の発散性出力ビ
ームはλ／４板を介して通過し、レンズ１２によ
つて共通の偏向鏡８ａによつて反射された後、試
料９上に収束される。反射光は偏向鏡８６、レン
ズ１２及びλ／４板４を介して再び複屈折結晶３
に達し、ここで両ビームは周知の方法で組合さ
れ、偏向鏡１０を介して出力レンズ１１に指向さ
れ、ここから相互に直交偏光された部分ビームと
して出現する。

２つのビームの入射角θ1及びθ2は粗い表面９か
らも規則的な反射が存在するように選択されてい
る。両入射角間の差は１乃至数度の程度である。
１つの例においてはθ1＝80゜でθ2＝80.92゜である。

第２Ａ図に従う測定ヘツド中のビーム経路は、
２つの相継ぐ測定の場合に対して第２Ｂ図に示さ
れている。図では測定表面にΔhだけ高さの変化
がみられる。位置において参照ビームR′及
び測定用ビームM′間の位相差は位置中の反
射の場合の条件と比較して次の式で与えられる。

φ_n＝4πΔh／λ（cosθ1−cosθ2） (3) （θ1＜θ2） カバーされる高さの範囲Δhが一意的に測定可能
である時に満足されなければならない条件φ_n＜
2πは現実施例では cosθ1−cosθ2＜λ／2Δh (4) に等しい。

従つてθ1＝80゜、θ2＝80.92゜でλ＝0.6328ミクロ
ンの値に対する一意性の範囲Δh0は略20ミクロン
である。表面走査の場合には、従つて20ミクロン
迄の高さの変化もしくは段階を決定する事が一意
的に可能である。

偏光子による出力ビーム中の位相差の上述され
た評価とは別に、電子光学的補償によつて２つの
相互に直交偏光共線部分ビームの位相差が極めて
高精度に測定される位相感知評価方法が存在す
る。この測定過程の詳細はドイツ公開公報第
2851750号に説明されている。

第３Ａ図はこの位相感知評価を行い第１Ａ図に
従う測定ヘツドをもつ完備した測定配列体を示
す。レーザ３０の偏光子出力ビームは電子光学変
調器３１中で２つの相互に直交した偏光の部分ビ
ームに分離されその位相差は電子光学変調器３１
に印加される交流電圧で周期的に変化される。第
１図に従う測定ヘツド（第３図の参照番号は第１
図の番号に対応する）を通過した後相互に直交す
る偏光部分ビームより成る出力ビームは偏光子３
２に到達する。互に干渉するビームの強度が検出
器３３で測定される。補償時間に対応する出力信
号の０の位置から、物体９の高さの変化によつて
生じた位相の変化が極めて高い精度で決定され
る。この周知の方法で６×10^-3πの位相測定解像
力が可能であり、これによつて80゜の入射角及び
波長λ＝0.6328ミクロンを使用する第１図の測定
ヘツドの場合にはΔh＝５×10^-3ミクロンの測定
解像力が得られ、同一パラメータを有する第２Ａ
図の測定ヘツドの場合にはΔh＝６×10^-2ミクロ
ンの測定解像力が得られる。

第３Ｂ図は第１Ａ図に従う測定ヘツドによるこ
の配列体の測定の最大範囲λ／2cosθよりも大き
い３段階の高さ４ミクロン、９ミクロン及び13ミ
クロンに対する位相差測定方法の出力信号を示
す。この図から、出力信号と一意的な測定範囲
λ／2cosθ内の高さの変化の厳密な線形関係が明
瞭に結論される。上記一意的な測定領域を越えて
測定表面の高さがゆるやかに変化する場合には、
高さの変化は測定信号中ののこぎり歯の周期の数
を計数する事によつて確かめられ得る。急峻な高
さの変化の場合、例えば垂直な階段の場合には、
この方法は適用され得ず、もし一意的に測定され
る領域を越えるならば、他の方法例えば測定用ス
タイラスで機械的に走査する事によつて近似的な
階段の高さを発見する事が必要である（第３Ｂ図
はこれ等の夫々の階段の高さに対する近似値を示
している）。

すれすれの入射ビームを使用する本発明の干渉
計測定方法は、さらに反応容器中に含まれ、直接
接触以外で測定されなければならない材料に関連
して、食刻率の現場測定に特に適している。この
場合、収束測定用ビームが食刻表面の予定の点上
に定常的に指向され定常的参照ビームに対する位
相差の時間に関連する変化が決定される。

第４Ａ図は第１Ａ図の測定ヘツドと同一原理に
従つて動作する食刻率を決定する配列体を示す。
レーザー４０の出力ビームは電子光学変調器４１
中でその相対的位相差が交流電圧によつて周期的
に変化される２つの相互に直角に偏向された部分
ビームに分離される。両部分ビームはその後収束
レンズ４２を通過し、電子光学結晶４３（例えば
ロコン・プリズム）中で分離され、光学的窓４４
を通過して、例えば反応性イオン食刻によつて試
料４６の表面が除去される反応容器４５に導入さ
れる。測定用ビーム４７は角度θで食刻表面に
（レンズ４２によつて）収束する様に入射する。
測定用ビーム４７の規則的に反射される光は直線
的に反応容器４５を通して通過する参照ビーム５
３と共に光学的窓４８を介して他の電子光学的結
晶４９（第２のロコン・プリズム）に到達し、こ
こで両ビームは再結合する。収束レンズ５０中で
平行にされた後、両ビームは偏光子５１を通して
位相感知検出器５２を導入する。

第４Ｂ図には、機能的に第２Ａ図の測定用ビー
ムに対応する食刻速度を決定する他の配列体が示
されている。レーザ４００の出力ビームは電子光
学的プリズム４０１中で周知の如く分離され、部
分ビームは収束レンズ４０２で部分的ビームの空
間的分離を行ウオーラストン・プリズム４０３中
に収束される。ウオーラストン・プリズム４０３
から発散して出現するビームは収束レンズ４０
４、光学的窓４０５を介して反応容器４０６中に
含まれる食刻される試料４０９の表面上に収束さ
れる。両ビームは入射角が大きく（80゜以上）、こ
れ等のビームの入射角はわずかに異なるだけであ
る。測定ビーム４０７及び参照ビーム４０８は光
学的窓４０５を介して反応容器４０６、に到達し
て、及び光学的窓４１０を介して排出される。焦
束レンズ４１１によつて、両反射ビームはウオー
ラストン・プリズム４１２上に収集され、これか
ら出現する発散ビームは収集レンズ４１３中で平
行にされる。検光子４１４を介して通過した後、
夫々の位相差を示す信号が光検出器４１５に発生
する。

第４Ａ図及び第４Ｂ図に従う食刻速度決定のた
めの配列体においては全測定プロセス中に測定用
及び参照ビーム間の意図しないシフトが存在して
はならない。この点で第４Ｂ図に従う配列体が好
ましい。なんとなれば、第４Ｂ図では、測定用ビ
ーム及び参照ビームは反応容器を介して同様に指
向されるからである。測定の安定性を増大するた
めに、緩慢な変化が測定され、干渉配列体の出力
信号がこれに伴なつて補償される制御システムを
使用する事が可能である。例えば機械的振動の影
響は急速な測定を相次いで行う事によつて除去す
ることができる。

本願で説明された方法によつて、極めて高い空
間解像力（収束されたレーザ光のスポツトの寸法
は略0.1mmである）及び高い測定解像力（10^-2ミ
クロンより良好）で、著しく粗い基板（ピークか
らピーク迄が２ミクロン迄）の平均食刻深さを決
定する事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は測定用ビームがすれすれに入射する
干渉計測定ヘツドの基本的構造の図である。第１
Ｂ図は第１Ａ図に従う測定ヘツド中のビーム経路
の概略図である。第２Ａ図は測定範囲が増大した
第１Ａ図に従う測定ヘツドの実施例の図である。
第２Ｂ図は第２Ａ図に従う測定ヘツド中のビーム
の経路の概略図である。第３Ａ図は第１Ａ図に従
う測定ヘツドで粗い表面を光の干渉により測定す
るための完備した装置の概略図である。第３Ｂ図
は異なる階段の高さの決定中における測定装置の
出力信号を示した図である。第４Ａ図は食刻率を
食刻中に決定するための干渉計配列体の概略図で
ある。第４Ｂ図は食刻速度を食刻中に決定するた
めの他の干渉計装置の概略図である。 １…収束レンズ、２，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ
及び１０…偏向鏡、３…複屈折結晶、４…λ／４
板、５…測定用ビーム、６…参照ビーム、１１…
収束レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ・ビームを、複屈折素子により、異な
   る角度に指向され互いに垂直に偏光された測定用
   ビームと参照ビームに分離し、 上記測定用ビームは80゜以上の入射角で試料表
   面に指向し、上記参照ビームは該試料表面に入射
   しないように指向し、 上記参照ビームと上記試料表面から反射した上
   記測定用ビームを、複屈折素子を通過させて再結
   合することにより上記参照ビームと上記測定用ビ
   ームを干渉させ、 上記干渉ビームの強度を測定することにより上
   記測定用ビームが入射した上記試料表面の高さを
   決定する段階を有する、 表面の形状を光の干渉により決定する方法。 ２ レーザ・ビームを、複屈折素子により、異な
   る角度に指向され互いに垂直に偏光された測定用
   ビームと参照ビームに分離し、 上記測定用ビームは80゜以上の入射角で試料表
   面に指向し、上記参照ビームは上記測定用ビーム
   の入射角とは異なる80゜以上の入射角で上記測定
   用ビームの上記試料表面の入射位置とほぼ同じ上
   記試料表面の入射位置に入射するように指向し、 上記試料表面から反射した上記測定用ビームと
   上記試料表面から反射した上記参照ビームを複屈
   折素子を通過させて再結合することにより上記参
   照ビームと上記測定用ビームを干渉させ、 上記干渉ビームの強度を測定することにより上
   記測定用ビームが入射した上記試料表面の高さを
   決定する段階を有する、 表面の形状を光の干渉により決定する方法。