(57)【要約】【課題】段差の高さを確実に測定することができる加工深さ測定装置を提供する。【解決手段】段差の高さ測定装置９０は、溝が形成された表面１ｆを有するサンプル１の溝を横切るようにサンプル１の表面１ｆに入射光６を走査して照射する照射手段６０と、サンプル１の表面１ｆで反射した反射光７を検出する検出器３と、反射した反射光７から溝の深さを算出する算出手段１２３とを備える。段差の高さ測定装置９０は、加工されて深くなる溝の深さを測定する。サンプルの表面１ｆは第１と第２の面を含み、ビームスポットの直径は第１の面の幅と第２の面の幅との間の幅である。【選択図】        図１
2004191176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面に形成された段差を横切るように測定対象物の表面に電磁波を移動させて照射するとともに、測定対象物の表面で反射した電磁波を検出する工程と、
反射した電磁波から段差の高さを算出する工程とを備えた、段差の高さ測定方法。
【請求項２】
測定対象物の表面は、段差を構成する第１および第２の面を含み、前記測定対象物に照射される電磁波の幅は、前記第１の面の幅と前記第２の面の幅との間の幅である、請求項１に記載の段差の高さ測定方法。
【請求項３】
前記電磁波を移動させて照射する工程は、回転する楔状部材を透過した電磁波を測定対象物に照射する工程を含む、請求項１または２に記載の段差の高さ測定方法。
【請求項４】
前記電磁波を移動させて照射する工程は、光軸に対してほぼ垂直な方向に移動する集光レンズを透過した電磁波を測定対象物に照射する工程を含む、請求項１または２に記載の段差の高さ測定方法。
【請求項５】
前記電磁波を移動させて照射する工程は、前記測定対象物に対して角度が変化する透明板を透過した電磁波を測定対象物に照射する工程を含む、請求項１または２に記載の段差の高さ測定方法。
【請求項６】
前記電磁波を移動させて照射する工程は、電磁波の光軸と非平行の方向に測定対象物を移動させる工程を含む、請求項１または２に記載の段差の高さ測定方法。
【請求項７】
段差を構成する第１および第２の面を有する測定対象物の表面であって、前記第１の面と前記第２の面との境界部分に電磁波を照射するとともに、測定対象物の表面で反射した電磁波を検出する工程と、
反射した電磁波から段差の高さを算出する工程とを備え、
前記測定対象物に照射される電磁波の幅は、前記第１の面の幅と前記第２の面の幅との間の幅である、段差の高さ測定方法。
【請求項８】
段差を構成する第１および第２の面を有し、溶液中に設けられた測定対象物の表面であって、前記第１の面と前記第２の面の境界部分に電磁波を照射するとともに、測定対象物の表面で反射した電磁波を検出する工程と、
反射した電磁波から段差の高さを算出する工程とを備えた、段差の高さ測定方法。
【請求項９】
加工されて高さが変化する段差の高さを測定する、請求項１から８のいずれか１項に記載の段差の高さ測定方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の段差の高さ測定方法を実施するための段差の高さ測定装置であって、
測定対象物の表面に電磁波を照射する照射手段と、
測定対象物の表面で反射した電磁波を検出する検出手段と、
反射した電磁波から段差の高さを算出する算出手段とを備えた、段差の高さ測定装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか１項に記載の段差の高さ測定方法を備えた、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、段差の高さ測定方法および測定装置ならびに半導体装置の製造方法に関し、より特定的には、反射光の強度を解析することにより溝の深さおよび凸部の高さを測定する段差の高さ測定方法および測定装置ならびにそれを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、段差の高さ測定装置は、たとえば特開２００１−９９６２２号に開示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
従来の装置では、レンズを介して試料に光を照射し、この反射光の強度を解析する。具体的には、エッチングされた加工部からの反射光と、エッチングされていない非加工部からの反射光との間には、加工深さの２倍の光学距離差（光路差）がある。そのため、光干渉により、段差の高さに対応した周期的な反射強度が得られる。この反射光強度から加工深さを測定するのが基本的な原理である。
【０００４】
たとえば、加工された溝の幅と、加工されていない領域の幅がそれぞれ２μｍであり、段差の高さ測定用の光源としてビーム直径が１ｍｍのガスレーザを用いる場合を考える。このとき、直径１ｍｍのビームの中に溝および非加工領域はそれぞれ５００本ずつ入り、溝に当る全光量と、非加工領域に当る全光量とは、ほぼ同じとなる。溝と非加工領域の反射率が変わらないとすると、溝からの全反射光量と非加工領域からの全反射光量の比もほぼ同じ量になる。このとき、溝からの反射光と非加工領域からの反射光の位相が逆になり打消し合う加工深さの条件の場合、これらの光が互いに相殺されて反射強度がほぼ０になる。また、溝からの反射光と非加工領域からの反射光の位相が一致し、強め合う段差の高さの条件の場合には、平面での反射とほぼ同じ量の反射強度が得られる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９９６２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の先行技術の方法では、試料上の溝の幅と非加工領域の幅の比がほぼ同程度、具体的には、０．７から１．５の範囲で測定するのに適している。しかし、試料上での溝の幅と非加工領域の幅の比が１からずれると、干渉による反射強度の変化量が小さくなるため、先行技術文献に開示された深さ測定装置を用いて測定を行なうと、精度が低下する。この精度の低下は、試料上の溝の幅と非加工領域の幅の比が１よりずれるほど大きくなり、この比率が１より大きくずれる例として、たとえば半導体レーザの製造プロセスがある。
【０００７】
半導体レーザのチップサイズは、その用途にもよるが、１ｍｍ以下である。これは、たとえば「応用物理学シリーズ、半導体レーザ」（オーム社発行、社団法人応用物理学会編、平成６年１０月２５日発行、第１版）第１８８頁および第２５４頁に記載されている。また、半導体レーザには、光導波路またはストライプと称される幅が１０μｍ以下のレーザが発生して通る道がある（同文献の第２２６頁または第１８８頁参照）。このストライプ（光導波路）は、特殊なものを除き、半導体レーザのチップ１個に対し、１本形成される。このストライプ（光導波路）は、ストライプ（光導波路）部のエッチングもしくはストライプ（光導波路）部を残して半導体チップをエッチングすることで形成される。ウェハ上に半導体レーザのチップを並べて形成する場合、１０μｍ以下のストライプ（光導波路）が半導体レーザのチップの幅である１ｍｍ以下おきに並ぶことになる。
【０００８】
ストラップ（光導波路）をエッチング加工で形成する場合、たとえば、その加工幅を２μｍとし、非加工領域の幅を２９８μｍ（チップ幅３００μｍ）の場合、段差の高さの測定用の光源としてビーム直径が１ｍｍのガスレーザを用いたとすると、ビーム内の溝の本数は３から４本になる。溝に当る全光量と、非加工領域に当る全光量の比は、ほぼ溝幅の比率と非加工領域の幅の比率である１：２９８になる。溝と非加工領域の反射率が変わらないとすると、溝からの全反射光量と非加工領域からの全反射光量の比もほぼ１：２９８となる。言い換えると、溝からの反射光の割合は０．７％、非加工領域からの反射光の割合は９９．３％である。溝からの反射光と非加工領域からの反射光が打消し合う加工深さの条件の場合、反射光の強度は９９．３−０．７＝９８．６％となる。また、溝からの反射光と非加工領域からの反射光が強め合う加工深さの条件の場合、反射光の強度は９９．３＋０．７＝１００％となる。つまり、段差の高さの変化に対して、反射光強度の変化は１．４％となる。実際の測定においては、サンプル表面の粗さの状態や、レーザ光強度の変動、検知器の感度変動の影響により、この反射光強度の変化では測定ができない。
【０００９】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、段差の幅にかかわらず、段差の高さを測定することができる段差の高さ測定方法および測定装置ならびに半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った段差の高さ測定方法は、測定対象物の表面に形成された溝を横切るように測定対象物の表面に電磁波を走査して照射するとともに、測定対象物の表面で反射した電磁波を検出する工程と、反射した電磁波から溝の深さを算出する工程とを備える。
【００１１】
このような工程を備えた段差の高さ測定方法に従えば、溝を横切るように測定対象物の表面に電磁波を走査して照射することにより、電磁波が溝を横切るときに、電磁波が照射される溝の幅と、電磁波が照射される、加工されていない領域の幅とが順次変化する。その結果、電磁波が照射される溝の幅と、電磁波が照射される加工されていない領域の幅の比が１：１に近づいたときに溝で反射した電磁波と、加工されていない領域で反射した電磁波とが互いに弱め合う場合がある。この干渉により弱め合う電磁波を検出することにより、この電磁波から溝の深さを算出することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態においては同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った段差の高さ測定装置の模式図である。図２は、図１中の矢印ＩＩで示す方向から見たサンプルの平面図である。図１および図２を参照して、この発明の実施の形態１に従った段差の高さ測定装置９０は、表面１ｆに段差としての溝が形成された測定対象物としてのサンプル１の溝２０ｅを横切るようにサンプル１の表面１ｆに電磁波を走査して照射する照射手段６０と、サンプル１の表面１ｆで反射した電磁波を検出する検出手段としての検知器３と、反射した電磁波から溝２０ｅの深さを算出する算出手段１２３とを備える。
【００１４】
サンプル１は、溝２０ｅを有する測定対象となる。照射手段６０は、光源としての半導体レーザ素子２、コリメートレンズ５、レーザ光のサンプル１への入射角と反射角を同軸にするためのビームスプリッタ１２、集光レンズ４およびウェハ面上での集光スポットを移動させるための偏向素子であるウエッジ８とにより構成される。ウエッジ８は、光軸を中心として回転する機構を有する。半導体レーザ素子２から射出された試料１への入射光６は試料１上で反射して反射光７として検知器３で検出される。ウエッジ８は楔状となっており、光の進行方向を変えることができる。
【００１５】
半導体レーザ素子２から放射される光は広がり角をもって放出される。コリメートレンズ５で平行光になった光は、ビームスプリッタ１２を通過し、集光レンズ４によりサンプル１上に集光される。サンプル（ウェハ）１と集光レンズ４の間にあるウエッジ８により、光軸が偏向する。集光したレーザ光はサンプル１で反射され、再びウエッジ８、集光レンズを通り、ビームスプリッタ１２で進行方向を変え、検知器３に入射する。なお、入射光と反射光の光軸は、一致せずにずれる。これは、入射光がウエッジ８によりわずかに偏向されてサンプル１に斜めに入射するためである。しかし、このずれ量に比べて、光学部品のサイズが十分大きければこのずれ量は問題とならない。
【００１６】
図２で示す集光スポット２１の直径は、第１の面２０ａの幅と、加工されていない第２の面２０ｂの幅の間の幅にする。すなわち、第１の面２０ａの幅が第２の面２０ｂの幅に比べて狭い場合に、集光スポット２１の直径は、第１の面２０ａの幅以上第２の面２０ｂの幅以下となる。第１の面２０ａの幅より集光スポット２１の直径を広くすることにより、第１の面２０ａの中心と集光スポット２１の中心が一致しても、第１の面２０ａと第２の面２０ｂに一度に光が当るため、干渉により溝２０ｅ深さに対応した反射強度が得られる。このとき、第１の面２０ａに当る光強度と、第２の面２０ｂに当る光強度が近いほど、溝２０ｅ深さに対し大きな反射光強度変化が得られるため、測定強度が向上する。また、集光スポット２１の直径は第２の面２０ｂの幅未満であることが好ましい。なぜなら、集光スポット２１の直径が第２の面２０ｂの幅よりも広くなると、集光スポット２１の位置によらず常に溝２０ｅにも光が当るようになる。このとき、反射光強度は、光を集光せずに入射する従来の深さ測定装置での反射光強度と同程度となり、測定精度が低下する。
【００１７】
図２では、溝２０ｅはサンプル１に複数本設けられているが、溝２０ｅの本数はこれに限られるものではなく、１本の溝２０ｅのみがサンプル１に設けられていてもよい。第１の面２０ａと第２の面２０ｂの高さの違いが段差としての溝２０ｅを構成する。
【００１８】
第２の面２０ｂの幅が第１の面２０ａの幅に比べて狭い場合には、同様の理由で、集光スポット２１の直径は、第２の面２０ｂの幅より大きく、かつ第１の面２０ａの幅より小さくする。サンプル１は、治具１０１により支持される。
【００１９】
図２では、集光スポット２１の幅Ｗ３は、第１の面２０ａの幅Ｗ１よりも大きく、第２の面２０ｂの幅Ｗ２よりも小さい。
【００２０】
図３は、ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す斜視図である。図４から図７は、ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す側面図である。図３で示すように、光軸５０に対して、ウエッジ８の主表面８ａが傾斜している。そのため、この主表面８ａで光が屈折して二点鎖線で示す、仮想上の光軸から光の進行方向がずれる。そのため、ウエッジ８を矢印４１で示す方向に回転させると、入射光６は矢印４２で示す方向に回転する。
【００２１】
図４で示すように、ウエッジ８の厚みが厚い方が上側、薄い方が下側である。光軸５０を右から左側に向かった入射光６は、ウエッジ８の厚い側（図４では上側）に矢印４５ａで示すずれ量だけずれてサンプル１に到達する。
【００２２】
図５では、ウエッジ８の厚い側が奥側であり、薄い側が手前側である。サンプル１の表面１ｆでの集光スポットは奥側にずれる。
【００２３】
図６では、ウエッジ８の厚い側が下側、薄い側が上側である。サンプル１表面１ｆ上での集光スポットは、ウエッジ８により下側に矢印４５ｂで示すずれ量だけずれる。
【００２４】
図７では、ウエッジ８の厚い側が手前側、薄い側が奥側である。サンプル１の表面１ｆ上での集光スポットは、手前側にずれる。図３で示すように、ウエッジ８を回転すると、それに伴いサンプル１の表面１ｆ上での集光スポットも回転するため、ウエッジ８を回転することにより、図４、５、６および７の状態に順次変化し、再度図４の状態に戻る。図２中の二点鎖線はサンプル１の表面１ｆ上の集光スポット２１の移動する軌跡２２を示す。表面１ｆ上の溝２０ｅの深さを測定する場合を例にとって、以下深さの測定方法について説明する。
【００２５】
溝２０ｅの幅はたとえば２μｍとし、隣り合う溝２０ｅのピッチが３００μｍである場合に、第２の面２０ｂの幅は２９８μｍとなる。集光スポット２１の直径は、第１の面２０ａの幅より広く、第２の面２０ｂの幅より狭くし、たとえば２０μｍとする。集光スポット２１のサイズが集光レンズ４に入射するビーム径に反比例し、レンズの焦点距離に反比例し、光の波長に比例することは一般に知られている。この関係を用いて光学系を設計する。
【００２６】
ウエッジ８を回転させることにより、レーザ光の偏向方向が回転するため、集光スポット２１は、サンプル１の表面１ｆ上に円状の軌跡を描く。この軌跡２２が図２の二点鎖線で示される。このとき、集光スポット２１が少なくとも１本以上の溝２０ｅを横切る必要がある。そのため、軌跡２２の直径を溝２０ｅのピッチ以上になるようにする。
【００２７】
円状の軌跡２２の直径は、ウエッジ８により調整する。ウエッジ８の屈折率が大きいほど、さらに、ウエッジ８の設置位置が集光レンズ４に近いほど、さらに主表面８ａの傾斜角が大きいほど円状の軌跡２２の直径が大きくなる。
【００２８】
たとえば、図１において、レーザ光の波長を６３５ｎｍとし、集光レンズ４のｆ値を１００ｍｍとし、集光レンズ４とウエッジ８の距離を１０ｍｍとし、ウエッジ８の中心厚さを５ｍｍとし、傾斜角を０．５ｍｍとし、その材質をＢＫ７とした場合に、集光スポット２１の位置は、ウエッジ８の中心から０．３ｍｍ離れた位置となる。ウエッジ８を回転させると、図２で示すように、集光スポット２１は半径０．３ｍｍの円を描き、軌跡２２が得られる。溝２０ｅのピッチが０．３ｍｍの場合、集光スポット２１は必ず溝２０ｅを横切る。
【００２９】
図８は、溝２０ｅの深さが一定のときにウエッジ８を回転した場合の、検知器３で得られる反射強度を示すグラフである。集光スポット２１が溝２０ｅの上にあるとき、溝２０ｅの底の第１の面２０ａからの反射光と第２の面２０ｂで反射した光とが干渉し、反射強度が低下する。これは、図８中の最小反射光強度３１で表わされる。また、集光スポット２１がすべて第２の面２０ｂに当ると、反射光強度は最大となる。これは、図８中の最大反射光強度３２で表わされる。
【００３０】
この最小反射光強度３１から溝２０ｅの深さを求めることができる。また、レーザ光の劣化や検知器の劣化の影響を抑えるため、光強度の最小値を示す最小反射光強度３１を最大反射光強度３２で除した値から溝２０ｅ深さを求めることも可能である。図８では、集光スポット２１は２本の溝２０ｅを跨ぎ、１本の溝２０ｅに接触するため、複数本の溝２０ｅの深さを測定することが可能である。
【００３１】
ここで、溝２０ｅの深さを求める方法としては、事前に図１と同様の装置を用い、溝の深さがわかっているサンプルにレーザを照射し、図８と同様のグラフを求める。このような準備を、さまざまな深さの溝を有するサンプルについて行ない、最小反射光強度３１について、さまざまな深さの溝について予め調べておく。そして溝の深さがわかっていないサンプルについて、図８で示すような反射強度が得られれば、既に判明している反射強度と比較して、溝の深さを求めることができる。
【００３２】
実施の形態１に従った段差の高さ測定装置９０は、測定対象物としてのサンプル１の表面１ｆに形成された段差としての溝２０ｅを横切るようにサンプル１の表面１ｆに電磁波である集光スポット２１を移動させて照射するとともに、サンプル１の表面１ｆで反射した電磁波を検出する工程と、反射した電磁波から溝２０ｅの高さを算出する工程とを備えた段差の高さ測定方法を実施する。
【００３３】
サンプル１の表面１ｆは、溝２０ｅを構成する第１および第２の面２０ａおよび２０ｂを含み、サンプル１に照射される集光スポット２１幅Ｗ３は、第１の面２０ａの幅Ｗ１と第２の面２０ｂの幅Ｗ２との間の幅である。
【００３４】
電磁波を移動させて照射する工程は、回転する楔状部材としてのウエッジ８を透過した電磁波をサンプル１に照射する工程を含む。
【００３５】
なお、光源として半導体レーザを用いて以上の実施の形態を説明したが、ガスレーザまたは固体レーザを用いてもよい。大半のガスレーザや固体レーザの場合、出射ビームはほぼ平行である。図１において、半導体レーザの代わりにたとえばＨｅＮｅガスレーザを用いた場合、コリメートレンズ５を省いた光学系で同様に測定できるメリットがある。また、集光スポット２１の径を小さくしたい場合には、コリメートレンズ５の位置にビームエキスパンダーを用いて、集光レンズ４に入射するビーム径を広げればよい。
【００３６】
なお、入射光６は電磁波であり、その波長は０．１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の光からなるスポットビームであることが好ましい。また、サンプル１の表面１ｆは、第２の面２０ｂを含み、スポットビームである集光スポット２１の直径は、第１の面２０ａの幅と第２の面２０ｂの幅の間の幅である。また、第１の面２０ａの幅をＷ１とし、第２の面２０ｂの幅をＷ２とすると、（Ｗ１／Ｗ２）の値が０を超えて０．１以下であるか、１０以上の時に、本発明は特に効果がある。
【００３７】
（実施の形態２）
図９は、この発明の実施の形態２に従った段差の高さ測定装置の模式図である。実施の形態２は、実施の形態１の集光スポットを移動させる方式についての別の発明である。図９では、ボイスコイルなどのアクチュエータ１３により、集光レンズ４を光軸に対して垂直方向に移動させる。図１０から図１２は移動する集光レンズを説明するための側面図である。図１０から図１２を参照して、アクチュエータ１３により集光レンズ４を矢印４３ａおよび４３ｂで示す量だけ移動させる。これにより、入射光６は、矢印４４ａおよび４４ｂで示すずれ量だけ光軸からずれた位置に照射される。なお、理想的な集光レンズの場合、矢印４３ａで示すずれ量と矢印４４ａで示すずれ量が一致し、かつ矢印４３ｂで示すずれ量と矢印４４ｂで示すずれ量が一致する。また、ずれる方向も一致する。
【００３８】
図１３は、図９で示すこの発明の実施の形態２に従った段差の高さ測定装置での集光スポットの軌跡を示す図である。図１３を参照して、溝２０ｅの延びる方向とほぼ直交する方向に軌跡２３が位置していてもよい。また、実施の形態１の図２と同様に、軌跡が円状となってもよい。なお、図１３では、少なくとも１つの溝２０ｅを横断するように集光スポット２１が移動する。
【００３９】
この実施の形態では、電磁波を移動させて照射する工程は、光軸に対してほぼ垂直な方向に移動する集光レンズ４を透過した電磁波をサンプル１に照射する工程を含む。
【００４０】
たとえば、集光レンズ４を、アクチュエータ１３であるボイスコイルを用いて所定の位置から＋０．３ｍｍの位置から−０．３ｍｍの位置まで移動させると、溝２０ｅのピッチが０．３ｍｍのウェハに対しては、集光スポット２１は必ず溝２０ｅを横断する。したがって、実施の形態１と同様に、反射光の強度変化により、溝の深さを測定することができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図１４は、この発明の実施の形態３に従った段差の高さ測定装置の模式図である。図１４を参照して、この発明の実施の形態３に従った段差の高さ測定装置９０では、実施の形態１の集光スポットを移動させる別の方式について説明する。集光レンズ４とサンプル１の間に透明板１４が設けられる。この透明板１４を光軸に対して傾けることにより、光軸を移動させて集光スポット２１を移動させる。このように透明板１４を傾ける装置としては、ガルバノミラー駆動系１１３を用いることができる。
【００４２】
図１５から図１７は集光スポットを移動させる原理を説明するための側面図である。図１５では、光軸５０に対して透明板１４を垂直に設けている。光軸はずれることなく入射光６がサンプル１へ向かう。図１６および図１７では、光軸５０に対して透明板１４を傾けている。透明板１４を傾けた結果、透明板１４内の光軸（光路）が、透明板に入射するまでの入射光の光軸とずれる。これにより、照射位置は、光軸５０に対して矢印４６ａおよび４６ｂで示す量だけずれる。
【００４３】
サンプル１上での集光スポット２１の移動形状（軌跡）は、実施の形態１の図２と同様に円形状としてもよい。また、実施の形態２の図１３で示すように軌跡が直線状となってもよい。少なくとも溝２０ｅの１つを軌跡は横切る。集光スポット２１の移動形状（軌跡）を円状にするには、傾けた透明板１４を、光軸５０を中心に回転させることも可能である。また、集光スポットの移動形状（軌跡）を直線状にするには、透明板１４の角度を変化することで対応することができる。
【００４４】
たとえば、ｆ値が１００ｍｍの集光レンズ４から１０ｍｍ離れた位置に厚さ５ｍｍの材質ＢＫ７（屈折率１．５１９）でできた平行平板からなる透明板１４を設置する。透明板１４の面の法線方向を光軸５０に対して１０°傾けると、光スポットは、光軸５０の延長線上から約０．３ｍｍだけ移動する。透明板１４を光軸５０に対して＋１０°から−１０°まで変化させることにより、溝２０ｅのピッチが０．３ｍｍのウェハに対しては、集光スポット２１は必ず溝２０ｅを横断する。したがって、実施の形態１と同様に反射光の強度変化により溝２０ｅの深さを測定することができる。
【００４５】
なお、ＢＫ７は、均一性に富みバブルや含有物の少ない硼珪酸クラウン光学ガラスである。物理特性や化学特性に優れ、可視や近赤外のレンズ、プリズムなどに広く使用されている。ＢＫ７の波長透過域は３３０ｎｍから２１００ｎｍであり、熱膨張係数は７．５×１０-6／Ｋであり、密度は２．５１ｇ／ｃｍ3である。
【００４６】
この実施の形態では、電磁波を移動させて照射する工程は、サンプル１に対して角度が変化する透明板１４を透過した電磁波をサンプル１に照射する工程を含む。
【００４７】
（実施の形態４）
図１８は、この発明の実施の形態４に従った段差の高さ測定装置の模式図である。図１８を参照して、この発明の実施の形態４に従った段差の高さ測定装置９０では、サンプル１への入射光の光軸と反射光の光軸が別の光学系により構成される。実施の形態２に比べて、光学系の設置の自由度を向上させることができる。
【００４８】
図１９は、入射光の入射方向と溝との関係を示す斜視図である。図１９で示すように、溝２０ｅに沿った方向から入射光６が入射する。これにより、溝２０ｅの側面での反射の影響を少なくすることができる。なお、サンプル１への入射光が斜め方向から入射するため、集光スポット２１の移動形状（軌跡）は、実施の形態４では楕円状となる。また、焦点位置がウェハのサンプル１面上に常に一致することが困難であり、焦点スポットサイズの変動に起因する測定結果の誤差が生じる。しかし、サンプル１面が常に集光レンズ４の焦点深度の範囲にあれば、この誤差は小さくなり、深さ測定が可能となる。
【００４９】
（実施の形態５）
図２０は、この発明の実施の形態５に従った段差の高さ測定装置の模式図である。図２０を参照して、この発明の実施の形態５に従った段差の高さ測定装置９０では、サンプル１への入射光と反射光の光軸をずらした光学系で構成することにより、実施の形態２に比べて、光学系の設置の自由度を向上させることができる。レーザ光の入射方向は、図１９で示すように、溝２０ｅに沿った方向から入射させるのがよい。これにより、加工側面側からの影響を少なくすることが可能である。
【００５０】
なお、サンプル１への入射光が斜め方向から入射するため、集光レンズ４の移動形状が円形であっても、集光スポット２１の移動形状は楕円になる。この場合、焦点位置がウェハであるサンプル１面上に常に一致することはできないが、集光スポットサイズの変動に起因する測定結果の誤差が生じる。しかし、サンプル１の表面１ｆが常に集光レンズ４の焦点深度の範囲内にあれば、この誤差は小さくなり、測定が可能である。また、集光スポット２１の移動を溝２０ｅに垂直に直線状に移動させることにより、焦点位置を常に集光スポットの移動位置１上に設けることができる。このため、集光スポット２１は常に同じ大きさであり、集光スポット２１の移動形状が円形状の場合に比べて測定精度はさらに向上する。
【００５１】
（実施の形態６）
図２１は、この発明の実施の形態６に従った段差の高さ測定装置の模式図である。図２１を参照して、この発明の実施の形態６に従った段差の高さ測定装置９０では、サンプル１への入射光と反射光の光軸をずらした光学系とされている。実施の形態３に比べ、光学系の設置の自由度を向上させることができる。
【００５２】
レーザの入射光は、図１９で示すように溝２０ｅに沿った方向から入射させることが好ましい。これにより、溝２０ｅ側面からの反射面の影響を少なくすることができる。なお、サンプル１への入射光の入射方向が斜めであることから、集光スポット２１の移動形状が円形の場合には、焦点位置がサンプル１上に常に一致することができなくなるが、集光レンズ４の焦点深度の範囲内であればよい。集光スポット２１の移動を溝２０ｅに直交する直線状とすることで、焦点位置を、常にウェハのサンプル１上にすることができる。このため、集光スポット２１は常に同じ大きさであり、集光スポット２１の移動形状が円状の場合に比べて測定精度はさらに向上する。
【００５３】
（実施の形態７）
図２２は、この発明の実施の形態７に従った段差の高さ測定装置の模式図である。実施の形態１から６までは、反射強度の変化を測定している。干渉により反射強度が低下した分の光は、エネルギ保存の法則により、反射光と異なる角度に散乱される。つまり、反射強度の変化と散乱強度の変化は実施の形態４から６において、反射により光が戻らない位置（反射光を検出できない位置）に検知器３を設置する。または、図２１で示すように、反射光をマスク１５で遮光して、その他の角度に散乱する光を検知器３により受光する。これにより、実施の形態４から６と同様に段差の高さを測定することができる。
【００５４】
（実施の形態８）
図２３は、この発明の実施の形態８に従った半導体装置の製造装置の模式図である。図２３を参照して、この発明の実施の形態８に従った半導体装置の製造方法は、実施の形態１で示した段差の高さ測定装置９０に、溝を加工する加工部としてのエッチング槽１１が付加されて構成されている。エッチング槽１１は、ウェットエッチングまたはドライエッチングを行なうことができる。このエッチングによりサンプル１の表面に溝を形成し、その場で溝の深さを観察することができる。加工中の段差の高さをその場で観察した結果を、加工装置であるエッチング槽１１にフィードバックすることにより、段差の高さを高精度に制御することができる。エッチング槽１１にはサンプル１が入れられ、透明窓９によりエッチング槽１１内にサンプル１が封止される。
【００５５】
レーザの入射光６および反射光７は、透明窓９を通じてエッチング槽１１内に出入りする。それ以外の装置は、実施の形態１と同様に構成される。エッチング槽１１内には、エッチングガスあるいはエッチング溶液で満たされる。その場観察の場合、ウエッジ８を連続回転させながら連続的に測定を行なう。ウエッジ８を回転させることで、溝のエッチングが進行されていないときは実施の形態１の図８と同様の反射強度の変化が得られる。
【００５６】
エッチング溶液として、例えば酒石酸と過酸化水素の混合液を用いることができる。この液は、半導体レーザの構成材料である、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓの化合物半導体結晶をエッチングする。エッチングガスとして、塩素ガス、塩素を含むガス、水素、メタンを用いることができる。
【００５７】
測定中に、少しずつ溝が深くなると、図８で示した、反射強度のボトムの値（最小反射光強度３１）が、加工深さに対応して変化する。時間とともに加工深さが深くなる場合の反射強度の変化は図２４で示される。
【００５８】
ウエッジ８の連続回転により、光反射強度が短い周期で変動している。加工深さが０のとき、すべて平らな面であるから反射強度は最大で一定となり、変化しない。段差の高さの光学距離がレーザの波長λの１／４のときに集光スポット２１が溝上に位置すれば、溝の底からの反射と非加工領域からの反射が互いに打消し合うため、反射光の強度は最小となる。これは、図２４の最小反射光強度３１で表わされる。ただし、溝の深さの光学距離が波長λの１／４のときでも、集光スポットがすべて非加工領域に当ると、反射光強度は最大となる。これは、図２４中の最大反射光強度３２で表わされる。
【００５９】
段差の高さの光学距離が波長λの１／２のときに集光スポットが溝上に位置すれば、溝の底からの反射と非加工領域からの反射が強め合うために、反射光強度は大きくなる。図２４では、理想系の場合を示している。非加工領域側面での散乱がない場合には、段差の高さの光学距離が波長λの１／２のときの反射光強度は、平らな面での反射強度とほぼ同じになる。
【００６０】
溝の形状が台形であったり、エッジ部にだれがあると、散乱の効果により、集光スポットが非加工領域上に位置する場合より、溝上の場合の方が反射強度は小さくなる。
【００６１】
ここで、下側包絡線３５は、集光スポット中心が常に溝に当っている場合の信号強度に一致する。このため、集光スポットを溝に常に一致させるための高精度な制御装置を必要とせずに、同等の信号を得ることができる。この下側包絡線３５の谷および山の数および強度から、段差の高さを測定することができる。
【００６２】
また、上側包絡線３６は、集光スポットがすべて非加工領域に当っている場合の信号強度に一致する。レーザ光強度の時間的な変動や検知器３の感度の時間的な変動がある場合、下側包絡線３５の谷および山の数および強度から、段差の高さを測定する場合に測定誤差が生じる。しかし、上側包絡線３６で下側包絡線３５の値を割り算した、規格化した反射強度の谷および山の数および強度から、段差の高さを求めれば、レーザ光強度の時間的な変動や検知器の感度の時間的な変動をキャンセルでき、精度よい測定を行なうことができる。
【００６３】
また、同様にして、実施の形態２および３の段差の高さ測定装置を用い、これにエッチング槽１１を組合せることで、半導体装置の製造装置を得ることができる。
【００６４】
また、後述の実施の形態１２のように、集光スポット２１を移動させずに集光スポット２１をサンプル１に照射してもよい。
【００６５】
実施の形態８に従った半導体装置の製造装置９１は、段差としての溝２０ｅ（図２参照）を構成する第１および第２の面２０ａおよび２０ｂを有し、溶液中に設けられたサンプル１の表面であって、第１の面２０ａと第２の面２０ｂの境界部分２０ｃに電磁波を照射するとともに、サンプル１の表面１ｆで反射した電磁波を検出する工程と、反射した電磁波から段差の高さ（溝の深さ）を算出する工程とを備えた、段差の高さ測定方法を実施する。また、この実施の形態では集光スポット２１の直径は制限されるものではない。
【００６６】
（実施の形態９）
図２５は、この発明の実施の形態９に従った半導体装置の製造装置の模式図である。図２５を参照して、この発明の実施の形態９に従った半導体装置の製造装置９１は、実施の形態４の段差の高さ測定装置を用いて、加工中に変化する溝の深さをその場で観察できるようにしたものである。エッチング槽１１および透明窓９は、実施の形態８の図２３と同様のものである。このような半導体装置の製造装置９１でも、実施の形態８に従った半導体装置の製造装置と同様の効果がある。
【００６７】
（実施の形態１０）
図２６は、この発明の実施の形態１０に従った半導体装置の製造装置の模式図である。図２６を参照して、この発明の実施の形態１０に従った半導体装置の製造装置９１では、実施の形態７で示す段差の高さ測定装置にエッチング槽１１を組合せたものである。
【００６８】
このように構成された、この発明の実施の形態１０に従った半導体装置の製造装置でも、実施の形態８および９に従った半導体装置の製造装置と同様の効果がある。
【００６９】
（実施の形態１１）
図２７は、この発明の実施の形態１１に従った段差の高さ測定装置の模式図である。実施の形態１から１０では、すべて集光スポットの位置をウェハ面上で走査させるようにしたものであるが、集光スポットを固定して、ウェハであるサンプル１を動かしてもよい。すなわち、実施の形態１１では、サンプル１を支持台１７に固定し、この支持台１７をたとえばボイスコイルのようなアクチュエータ１８で光軸に垂直方向に移動させる。これにより、反射強度もしくは干渉による散乱光強度変化により、加工深さを求めることができる。
【００７０】
この実施の形態では、電磁波を移動させて照射する工程は、電磁波の光軸と非平行の方向にサンプル１を移動させる工程を含む。
【００７１】
（実施の形態１２）
図２８は、この発明の実施の形態１２に従った段差の高さ測定装置の模式図である。図２９は、図２８中の矢印ＸＸＩＸで示す方向から見たサンプルの平面図である。図３０は、図２９中のＸＸＸ―ＸＸＸ線に沿った断面図である。図２８から図３０を参照して、この発明の実施の形態１２に従った半導体装置では、集光スポットが移動しない点で、実施の形態１に従った段差の高さ測定装置９０と異なる。図２８の装置では、集光スポット２１を移動させるためのウエッジ８、アクチュエータ１３、透明板１４等が設けられない。図２８で示す段差の高さ測定装置は、段差としての溝２０ｅを構成する第１および第２の面２０ａおよび２０ｂを有する測定対象物としてのサンプル１の表面１ｆであって、第１の面２０ａと第２の面２０ｂの境界部分２０ｃに電磁波である集光スポット２１を照射するとともに、サンプル１の表面１ｆで反射した電磁波を検出する工程と、反射した電磁波から段差の高さ（溝２０ｅの深さ）を算出する工程とを備えた段差の高さ測定方法を実施する。サンプル１に照射される集光スポット２１の幅Ｗ３は、第１の面２０ａの幅Ｗ１と第２の面２０ｂの幅Ｗ２との間の幅である。この実施の形態では、第１の面２０ａの幅Ｗ１よりも非加工領域の幅Ｗ２が大きいため、集光スポット２１の幅Ｗ３は、第１の面２０ａの幅Ｗ１より大きく第２の面２０ｂの幅Ｗ２よりも小さい。しかしながら、第１の面２０ａの幅Ｗ１よりも第２の面２０ｂの幅Ｗ２が小さい場合には、集光スポット２１の幅Ｗ３は、第１の面２０ａの幅Ｗ１より小さく第２の面２０ｂの幅Ｗ２よりも大きいことが好ましい。
【００７２】
さらに、実施の形態４から６のように、入射光の光軸と反射光の光軸が異なるように装置を構成してもよい。また、実施の形態７のように、散乱光を検出してもよい。さらに、実施の形態８から１０のように、溶液中で測定をしてもよい。この場合、深さが変化する溝２０ｅの深さを測定することができる。
【００７３】
溝２０ｅの深さを求める方法としては、事前に図２８と同様の装置を用い、溝の深さがわかっているサンプルにレーザを照射し、溝深さと回折強度の関係のグラフを求める。このような準備を、さまざまな深さの溝を有するサンプルについて行ない、さまざまな深さの溝について溝深さと回折強度との関係を予め調べておく。そして溝の深さがわかっていないサンプルについて、反射強度が得られれば、既に判明している反射強度と比較して、溝の深さを求めることができる。
【００７４】
（実施の形態１３）
図３１から図３３は、この発明の実施の形態１３に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。図３１を参照して、この発明の実施の形態１３に従った半導体装置の製造方法では、サンプル１である半導体基板の表面１ｆ上にマスク層２００を形成する。半導体基板は、シリコン基板でもよく、化合物半導体基板であってもよい。マスク層２００には、表面１ｆに達する孔２０１が形成されている。
【００７５】
図３２を参照して、マスク層２００をマスクとしてサンプル１をエッチングして、サンプル１に溝２０ｅを形成する。溝２０ｅの深さは、半導体装置の種類に応じて適切な値に設定される。
【００７６】
図３３を参照して、表面１ｆに形成されたマスク層２００を除去する。サンプル１は、溝２０ｅを構成する第１および第２の面２０ａおよび２０ｂを有する。マスク層２００が除去されたサンプル１の溝２０ｅの深さを、実施の形態１から１２で示す方法に従い測定することができる。
【００７７】
このような半導体装置の製造方法では、溝深さを測定することができるため、半導体装置の歩留まりを向上させ、製造コストの低減に寄与することが可能となる。
【００７８】
（実施の形態１４）
図３４から図３６は、この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。図３７は、この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法を示す斜視図である。図３４を参照して、この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法では、サンプル１である半導体基板の表面１ｆ上にマスク層２００を形成する。半導体基板は、シリコン基板でもよく、化合物半導体基板であってもよい。マスク層２００には、表面１ｆに達する孔２０１が形成されている。
【００７９】
図３５を参照して、マスク層２００をマスクとしてサンプル１の表面１ｆに膜２０ｆを形成する。膜２０ｆは孔２０１を充填するように形成される。膜２０ｆは、多結晶膜、単結晶膜またはアモルファス膜のいずれでもよい。さらに、膜２０ｄの組成は、サンプル１の組成と同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００８０】
図３６を参照して、表面１ｆに形成されたマスク層２００を除去する。サンプル１には段差（凸部）としての膜２０ｆが形成され、膜２０ｆは第１の面２０ｄおよび第２の面２０ｂにより構成される。
【００８１】
図３７を参照して、、実施の形態１から１２で示した装置のいずれかを用いて段差としての膜２０ｆに対してビームスポットとしての集光スポット２１を照射する。実施の形態１から１２と同様に反射光または散乱光を検出することにより、段差の高さとして、膜２０ｆの厚みを算出する。
【００８２】
このような半導体装置の製造方法では、膜の厚みを測定することができるため、半導体装置の歩留まりを向上させ、製造コストの低減に寄与することが可能となる。
【００８３】
以上、主として深さ測定について説明したが、実施の形態１４で示すように成膜等による膜厚測定も本発明の装置による光干渉現象を利用することができることは言うまでもない。本発明を実施すると、従来困難であった深さおよび膜厚の測定が可能になる。加工深さおよび成膜厚の測定結果を、次に流れる製品の加工条件にフィードバックすることで、加工装置の経時的な変動によるばらつきを低減することができる。また、１つの溝を加工するのに、形状等を制御するため２回以上の加工工程を行なうことがあるが、各加工工程後の加工深さを測定し、次の加工工程へフィードバックすることにより、溝の形状のよりよい制御が可能になる。
【００８４】
また、本発明による加工時のその場での深さ測定または成膜時のその場での膜厚測定を行ない、その結果を加工装置（加工条件、加工時間等）または成膜装置へ瞬時にフィードバックすることにより、加工深さまたは成膜膜厚を高精度に制御することができる。
【００８５】
このため、本発明を適用した製造ラインにおいては、大幅な歩留りの向上が可能になる。また、本発明を適用した製造ラインで製造した製品においては、加工形状ばらつきを低減することで、製品の信頼性が向上するといった特別な効果を得ることができる。
【００８６】
さらに、各実施の形態を組み合わせることも可能であり、この場合には、各実施の形態の各々の効果を得ることができる。
【００８７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８８】
【発明の効果】
この発明に従えば、段差の高さを確実に測定することができる段差の高さ測定装置および測定方法ならびに半導体装置の製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図２】図１中の矢印ＩＩで示す方向から見たサンプルの平面図である。
【図３】ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す斜視図である。
【図４】ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す側面図である。
【図５】ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す側面図である。
【図６】ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す側面図である。
【図７】ウエッジ８によりレーザ光が偏向する原理を示す側面図である。
【図８】溝２０ｅ深さが一定のときにウエッジ８を回転した場合の、検知器３で得られる反射強度を示すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図１０】移動する集光レンズを説明するための側面図である。
【図１１】移動する集光レンズを説明するための側面図である。
【図１２】移動する集光レンズを説明するための側面図である。
【図１３】図９で示すこの発明の実施の形態２に従った段差の高さ測定装置での集光スポットの軌跡を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図１５】集光スポットを移動させる原理を説明するための側面図である。
【図１６】集光スポットを移動させる原理を説明するための側面図である。
【図１７】集光スポットを移動させる原理を説明するための側面図である。
【図１８】この発明の実施の形態４に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図１９】入射光の入射方向と溝との関係を示す斜視図である。
【図２０】この発明の実施の形態５に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図２１】この発明の実施の形態６に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図２２】この発明の実施の形態７に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図２３】この発明の実施の形態８に従った半導体装置の製造装置の模式図である。
【図２４】時間とともに加工深さが深くなる場合の反射強度の変化を示すグラフである。
【図２５】この発明の実施の形態９に従った半導体装置の製造装置の模式図である。
【図２６】この発明の実施の形態１０に従った半導体装置の製造装置の模式図である。
【図２７】この発明の実施の形態１１に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図２８】この発明の実施の形態１２に従った段差の高さ測定装置の模式図である。
【図２９】図２８中の矢印ＸＸＩＸで示す方向から見たサンプルの平面図である。
【図３０】図２９中のＸＸＸ―ＸＸＸ線に沿った断面図である。
【図３１】この発明の実施の形態１３に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３２】この発明の実施の形態１３に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３３】この発明の実施の形態１３に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３４】この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３５】この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３６】この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３７】この発明の実施の形態１４に従った半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  サンプル、１ｆ  表面、２  半導体レーザ素子、３  検知器、４  集光レンズ、５  コリメートレンズ、８  ウエッジ、１１  エッチング槽、２０ａ  第１の面、２０ｂ  第２の面、２０ｅ  溝、６０  照射手段、９０  測定装置、９１  製造装置、１２３  算出手段。
【図１】
2004191176.tif 000003
【図２】
2004191176.tif 000004
【図３】
2004191176.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004191176.tif 000009
【図８】
2004191176.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004191176.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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