(57)【要約】      （修正有）【課題】トレンチ幅が照明光の波長と同程度の高アスペクト比のトレンチの深さを測定できるトレンチ深さ測定装置を実現する。【解決手段】照明光学系は、ライン状の照明ビームを発生する光源装置１〜４及びライン状の照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズ６を有し、光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成する。ライン状の瞳パターンは対物レンズを介してトレンチが形成されている試料表面７にトレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成する。また、照明光として直線偏光した照明光を用い、その電界ベクトルの方向は、トレンチの長手方向に対してほぼ平行に設定する。直線偏光した照明光の電界ベクトルの方向をトレンチの長手方向に設定することにより、トレンチにおける光損失が減少し、トレンチの内部に照明光を進入させることでき、高精度な深さ測定が可能になる。【選択図】図１
2013113650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてＺ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Ｚ軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具えることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記光源装置は、照明ビームを放出する光源と、光源から出射した照明ビームをライン状の照明ビームに変換するシリンドリカルレンズと、シリンドリカルから出射したライン状の照明ビームを通過させるスリット状の開口部を有するスリット手段とを有し、
前記スリット手段、前記試料及び光検出手段は共役な位置に配置されることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項３】
試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
直線偏光した照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてＺ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Ｚ軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記試料表面に入射する照明ビームを構成する直線偏光した光の電界ベクトルの方向は、トレンチの長手方向に対してほぼ平行に設定されることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記照明光学系から直線偏光した光により構成されるライン状照明ビームが出射し、ライン状照明ビームの延在方向と電界ベクトルの方向とが互いにほぼ直交することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記光源装置は、直線偏光したレーザ光を放出するレーザ光源と、レーザ光源から出射したレーザビームをライン状の照明ビームに変換するシリンドリカルレンズと、シリンドリカルから出射したライン状の照明ビームを通過させるスリット状の開口部を有するスリット手段とを有し、
前記スリット手段、前記試料及び光検出手段は共役な関係に配置されていることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項６】
請求項２又は５に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記信号処理装置は、Ｚ軸スキャン中に光検出手段から出力される輝度信号と前記センサ手段から出力される位置情報とに基づき、前記対物レンズの焦点がトレンチ周囲の試料表面上に位置した時の前記対物レンズ又はステージの光軸方向の第１の位置と、対物レンズの焦点がトレンチの底部に位置した時の前記対物レンズ又はステージの光軸方向の第２の位置とを求める手段と、第１の位置と第２の位置との間の距離を算出する手段とを有し、第１の位置と第２の位置との間の距離をトレンチの深さとして出力することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記信号処理装置は、Ｚ軸スキャン中にトレンチ周囲の試料表面からの反射光の輝度値が最大となる光軸方向の位置を第１の位置として検出し、トレンチの底部からの反射光の輝度値が最大となる光軸方向の位置を第２の位置として検出することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項８】
請求項５に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記シリンドリカルレンズとスリット手段との間の光路中に、レーザビーム中に含まれるスペックルパターンを除去ないし低減するスペックルパターン除去装置が配置されていることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項９】
請求項５から８までのいずれか１項に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記レーザ光源は、半導体レーザ、又は紫外域又は深紫外域（DUV）の照明光を発生するパルス発振型又は連続発振型のエキシマレーザで構成したことを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記対物レンズと光検出手段との間の光路中に、試料に向かうライン状照明ビームと試料からの反射光とを分離するビームスプリッタが配置され、当該ビームスプリッタはハーフミラーにより構成され、直線偏光したライン状の照明ビームが対物レンズを介して試料に入射することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記光検出手段は、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列されているエリアセンサ、又は複数の受光素子がライン状に配列されているラインセンサにより構成したことを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項１２】
トレンチが形成されている試料表面の２次元画像を撮像する撮像モードとトレンチの深さを測定する深さ測定モードとの間で切り換え可能なトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記トレンチが形成されている試料表面を照明する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてＺ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Ｚ軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ周囲の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
深さ測定モードにおいて、前記光検出手段から出力される輝度信号と前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力し、撮像モードにおいては、前記光検出手段から出力される輝度信号に基づいて試料表面の２次元画像情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記照明光学系は、深さ測定モードにおいて、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成し、撮像モードにおいては、試料表面の２次元エリアを照明することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記光源装置は、照明ビームを放出する光源と、光源から出射した照明ビームをライン状の照明ビームに変換するシリンドリカルレンズと、シリンドリカルから出射したライン状の照明ビームを通過させるスリット状の開口部を有するスリット手段と、光路中に選択的に配置され、スリット手段をバイパスさせるバイパス光路手段とを有し、
前記撮像モードにおいて、光路中にバイパス光路手段が挿入され、前記シリンドリカルレンズから出射した照明ビームはバイパス光路手段を経て対物レンズに入射し、
前記深さ測定モードにおいては、バイパス光路手段が光路から外され、シリンドリカルレンズから出射したライン状の照明ビームはスリット手段を経て対物レンズに入射することを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のトレンチ深さ測定装置において、前記光源として直線偏光した照明ビームを発生するレーザが用いられ、深さ測定モードにおいて、照明ビームの電界ベクトルの方向は、深さ測定されるトレンチの長手方向とほぼ平行に設定されることを特徴とするトレンチ深さ測定装置。
【請求項１５】
試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定方法であって、
光源と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する工程と、
試料表面と対物レンズとの間の相対距離を変化させることによりＺ軸スキャンを行う工程と、
前記Ｚ軸スキャン中に、対物レンズの焦点がトレンチ周囲の試料表面上に位置した時の対物レンズ又はステージの光軸方向の位置を示す第１の位置と、対物レンズの焦点がトレンチの底面に位置した時の対物レンズ又はステージの光軸方向の位置を示す第２の位置とを検出する位置検出工程と、
検出された第１の位置と第２の位置との間の距離をトレンチの深さ情報として出力する工程とを含むことを特徴とするトレンチ深さ測定方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載のトレンチ深さ測定方法において、前記位置検出工程において、試料表面からの反射光の輝度が最大となる光軸方向の位置を第１の位置として検出し、トレンチの底面からの反射光の輝度が最大となる光軸方向の位置を第２の位置として検出することを特徴とするトレンチ深さ測定方法。
【請求項１７】
試料に形成されたトレンチを観察するための共焦点顕微鏡であって、
観察されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記照明ビームを前記トレンチを含む試料表面内で相対的に走査する走査手段と、
前記トレンチ部分からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号に基づき、トレンチを含む試料表面の２次元画像を形成する信号処理装置とを有することを特徴とする共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種半導体基板に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置、特に高アスペクト比のトレンチの深さを高精度で測定できるトレンチ深さ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、トレンチアイソレーションやトレンチ加工を利用した各種デバイスが開発されている。例えば、高耐圧MOSFETとして、トレンチゲート構造を有するMOSFETが開発されている。また、CMOSセンサやCCDセンサ等の撮像素子においても、各受光素子を分離するようにトレンチが形成され、隣接する画素間のクロストークが防止されている。一方、トレンチの深さはデバイスの性能や製造の歩留りに強い影響を与え、例えば、CMOSセンサにおいては、トレンチの深さが不十分な場合、隣接する画素間の電荷の漏洩が大きくなり、撮像される画像品質に悪影響を及ぼすおそれがある。また、パワーデバイスにおいても、トレンチの深さが不十分な場合、所定の耐電圧性能が得られない場合がある。さらに、半導体デバイスの微細化に伴い、高アスペクト比のトレンチが広く利用されている。従って、半導体デバイスの製造プロセスにおいては、高アスペクト比のトレンチの深さを高精度に測定できるトレンチ深さ測定装置の開発が強く要請されている。
【０００３】
トレンチの深さを測定する測定装置として、共焦点光学系を利用した測定装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知のトレンチ深さ測定装置では、トレンチが形成されている基板を保持するステージと対物レンズとの間の距離を変えながらレーザビームにより基板表面を２次元走査し、基板表面からの反射光及びトレンチの底面からの反射光を光検出器により検出している。そして、トレンチ周囲の基板表面からの反射光の強度が最大となる対物レンズの光軸方向の位置とトレンチの底部からの反射光の強度が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を特定し、これら２つの位置間の距離を求め、トレンチの深さが測定されている。
【特許文献１】特開２００３−２１８０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した既知の測定装置では、照明ビームの瞳パターンが円形であるため、高アスペクト比のトレンチの深さを測定しようとする場合、トレンチに入射する照明ビームの大部分がトレンチの端縁で遮光されてしまい、トレンチの底面に僅かな照明光しか入射しない問題があった。すなわち、CMOSセンサやパワーデバイスに形成されているトレンチの幅はサブミクロンのレベルである。よって、瞳のパターンが円形の照明ビームを用いたのでは、照明光がトレンチの周辺の試料表面により遮光されてしまい、トレンチの内部に進入できず、トレンチの底面からの反射光が微弱すぎる問題があった。このため、光検出器からの出力信号の信号レベルが低すぎ、精度的に問題が生じていた。この問題を解決する方法として、開口数の小さい対物レンズを用いて底面に入射する照明光量を増加させることが考えられる。しかしながら、開口数の小さい対物レンズを用いた場合分解能が低下する不具合が生じてしまう。例えば、CMOSセンサに形成されているトレンチの深さを測定する場合、深さ方向に０．１μｍ程度の分解能が要求されるため、開口数の小さい対物レンズを用いたのでは、光軸方向の分解能が低すぎ、深さ測定の要求に対応できない不具合が生じてしまう。
【０００５】
また、従来の共焦点型の深さ測定装置では、対物レンズの光軸方向の位置を変えながら、レーザビームによりトレンチを含む試料表面を２次元走査しているため、２次元走査に相当な時間を必要とし、スループットが低下する問題点があった。すなわち、従来のトレンチ深さ測定装置では、対物レンズの光軸方向の位置を変えながら試料表面を２次元走査しているため２次元走査に相当な時間が必要であり、１つのトレンチの深さを測定するのに長時間かかり、スループットの点においても問題があった。
【０００６】
さらに、トレンチの深さを高分解能で測定するには、短波長の測定光を用いることが想定される。一方、紫外域や深紫外（DUV）のレーザ光を発生するレーザ光源の多くは、パルス発振型であるため、スペックルパターンの影響を除去ないし軽減するため複数のレーザパルスを放出させてデータを取得し、積分作用によりスペックルパターンの影響を低減する必要がある。このため、深さ測定に必要なＺ軸スキャン中における対物レンズ又は試料ステージの移動速度を相当遅く設定しなければならない。よって、試料表面を２次元走査するのでは、測定のスループットが相当遅くなる問題が発生してしまう。この場合、試料表面の２次元走査を行わずＺ軸スキャンだけを行うことが想定される。しかしながら、照明ビームの瞳パターンが円形の場合、トレンチの底面だけしか照明されないため、トレンチの底面の光軸方向の位置を検出するためのＺ軸スキャンとトレンチ周囲の試料表面の光軸方向の位置を検出するためのＺ軸スキャンの２回のＺ軸スキャンが必要であり、依然としてスループットが低下する問題があった。従って、紫外域や深紫外（DUV）のレーザ光を用いても相当高いスループットが得られるトレンチ深さ測定装置の開発も強く要請されている。
【０００７】
本発明の目的は、高アスペクト比のトレンチの深さを高精度で測定できるトレンチ深さ測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、高アスペクト比のトレンチの深さを高いスループットで測定できるトレンチ深さ測定装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、トレンチ幅が照明光の波長と同程度のトレンチの深さを測定できるトレンチ深さ測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるトレンチ深さ測定装置は、試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてＺ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Ｚ軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、試料に形成されたトレンチの長手方向と平行に延在するライン状の瞳パターンを形成し、ライン状の瞳パターンを対物レンズを介して試料表面に結像しているので、試料表面上にはトレンチと直交するライン状の照明エリアが形成される。この結果、試料表面で遮光され深さ測定に寄与しない照明光を大幅に減らすことができる。さらに、開口数の大きな対物レンズ、例えば開口数が０．８０程度の対物レンズを用いて照明することができ、高精度なトレンチの深さ測定が可能になる。しかも、トレンチの周辺で遮光される照明光の光量が大幅に減少するので、大出力の光源を用いることなく、光検出手段から安定した信号レベルの出力信号を得ることができる。
【００１０】
さらに、試料表面上にトレンチと交差するように形成されるライン状の照明エリアは、トレンチの内部及びトレンチ周囲の試料表面の両方を同時に照明することができ、１回のＺ軸スキャンを行うだけでトレンチの底面及びトレンチ周囲の試料表面の光軸方向の位置を検出することが可能である。この結果、測定のスループットが大幅に改善される利点が達成される。特に、高い分解能の測定を行うには、短波長の照明ビームを発生するレーザ光源を用いることが望ましい。しかしながら、紫外域や深紫外域（DUV）のレーザビームを放出するエキシマレーザの多くはパルス発振型であるため、スペックルパターンによる影響を低減するためには、照明光の位相分布を変調しながら複数の画像を撮像して積算する必要がある。この場合、試料表面を２次元走査する測定装置では、２次元走査自体に相当な時間が必要であるため、スループットが大幅に低下してしまう。また、瞳パターンが円形の照明ビームを用いる場合、トレンチの底面に焦点を合せてＺ軸スキャンを行ったのでは、試料表面の光軸方向の位置が検出されないため、試料表面の位置検出のためのＺ軸スキャンが別途必要であり、少なくとも２回のＺ軸スキャンが必要である。よって、パルス発振型のエキシマレーザを用いて照明ビームを発生させる場合、スループットが一層低下する不具合が発生する。これに対して、本発明では、トレンチの内部及び周辺の試料表面の両方を同時に照明しているので、パルス発振型のエキシマレーザを用いても十分に対応できるトレンチ深さ測定装置が実現される。
【００１１】
本発明による別のトレンチ深さ測定装置は、試料に形成されたトレンチの深さを測定するトレンチ深さ測定装置であって、
深さ測定されるべきトレンチが形成されている試料を支持するステージと、
直線偏光した照明ビームを発生する光源装置及び照明ビームを前記試料に向けて投射する対物レンズを有し、前記光源装置と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、前記トレンチが形成されている試料表面にトレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する照明光学系と、
前記対物レンズと試料との間の光軸方向の相対距離を変化させてＺ軸スキャンを行うスキャン手段と、
Ｚ軸スキャン中における対物レンズ又はステージの光軸方向の位置或いは対物レンズとステージとの間の光軸方向の距離を検出し、位置情報又は距離情報として出力するセンサ手段と
トレンチ付近の試料表面からの反射光及びトレンチの底部からの反射光を前記対物レンズを介して受光する光検出手段と、
光検出手段から出力される輝度信号と、前記センサ手段から出力される位置情報又は距離情報とに基づいてトレンチの深さ情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記試料表面に入射する照明ビームを構成する直線偏光した光の電界ベクトルの振動方向は、トレンチの長手方向に対してほぼ平行に設定されることを特徴とする。
【００１２】
照明光がトレンチの内部に進入する際、トレンチの側壁で反射し或いは反射を繰り返してトレンチの底面に入射する。また、トレンチの底面で反射した反射光も、トレンチの側壁で反射しトレンチから出射する。従って、トレンチの側壁に対する照明光の反射率は、トレンチにおける光損失と密接に関係する。そこで、照明光の偏光状態と反射率との関係について検討した結果、波長が１９３ｎｍの照明光の場合、比較的大きな入射角において、Ｓ偏光の反射率がＰ偏光の反射率よりも相当高いことが判明した。しかも、Ｓ偏光した光の場合、入射角が６０°を超える範囲において８０％以上の反射率が得られることも確認された。このデータを、トレンチに適用すれば、直線偏光した照明光の電界ベクトルの振動方向をトレンチの長手方向と平行になるように設定することによりトレンチにおける光損失が相当減少する。この検討結果によれば、トレンチの幅が照明光の波長に等しい場合であってもトレンチ底面から十分な光量の反射光が発生することになる。この検討結果に基づき、本発明では、照明光として直線偏光した光を用い、その電界ベクトルの方向はトレンチの長手方向と平行になるように設定する。これにより、照明光源として波長が１９３ｎｍのレーザ光を発生するArFエキシマレーザを用い、レーザ光の電界ベクトルをトレンチの長手方向と平行に設定することにより、トレンチ幅が０．２μｍ程度のトレンチの深さを高精度に測定することが可能になる。すなわち、照明光源としてArFエキシマレーザを用いると共に開口数の大きな対物レンズを用いることにより、照明光の波長にほぼ等しい開口幅のトレンチであっても、その深さを高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、光源と対物レンズとの間の瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンを形成し、ライン状の瞳パターンを対物レンズを介して試料表面上に結像しているので、試料表面上にはトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明エリアが形成される。この結果、試料表面で遮光され深さ測定に寄与しない照明光を大幅に減らすことができ、高精度なトレンチの深さ測定が可能になる。さらに、試料表面上に形成されるライン状の照明エリアはトレンチ及びその周囲の試料表面の両方を照明するので、１回のＺ軸スキャンを行うだけでトレンチの底部及びトレンチ周囲の試料表面の光軸方向の位置を検出することができ、測定のスループットが大幅に改善される。
さらに、ライン状の瞳パターンを形成すると共に照明光の電界ベクトルの方向をトレンチの長手方向と平行に設定すれば、トレンチ幅が照明光の波長に等しいトレンチであっても、その深さを高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるトレンチ深さ測定装置の基本構成を示す図である。
【図２】照明ビームの瞳パターン、対物レンズ及び試料に形成される像の関係を示す図である。
【図３】本発明による照明方法と従来の照明方法とを対比した図である。
【図４】Ｚ軸スキャン中のステージの位置と光検出手段から出力される出力信号の輝度値との関係を示すグラフである。
【図５】信号処理装置の一例を示す図である。
【図６】本発明によるトレンチ深さ測定装置の変形例を示す図である。
【図７】直線偏光した照明光の電界ベクトルの方向に対するシィミュレーション結果を説明する図である。
【図８】本発明によるトレンチ深さ測定装置の別の変形例を示す図である。
【図９】本発明によるトレンチ深さ測定方法のアルゴリズムを示す図である。
【図１０】本発明による共焦点顕微鏡の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明によるトレンチ深さ測定装置の基本構成を示す図である。本発明では、ライン状の照明ビームにより試料表面を照明する照明光学系を用いてトレンチの深さを測定する。光源１から照明ビームを放出する。光源として、水銀ランプ等のランプを用いることができ、或いは、直線偏光した照明光を放出する半導体レーザやHe-Neレーザ等の連続発振型のレーザ又はエキシマレーザ等のパルス発振型のレーザを用いることができる。また、照明光の波長として、各種の波長域の光を用いることができ、紫外域又は深紫外域（DUV）の波長の照明光を用いることができる。光源１から出射した照明ビームは、シリンドリカルレンズ２に入射する。シリンドリカルレンズ２は、紙面内方向にだけ集束性を有し、入射した照明ビームをライン状の照明ビームに変換する。ライン状照明ビームの集束点に、スリット手段３を配置する。スリット手段３は、紙面と直交する方向に延在するスリット状の開口部を有し、そのスリット開口の幅は例えば１０μｍとする。ライン状の照明ビームは、スリット手段３のスリット開口を通過し、集束性レンズ４を経てビームスプリッタ５に入射する。集束性レンズ４は、入射したライン状の照明ビームに対して、スリット開口の延在方向（紙面と直交する方向）についてはビームを集束するように作用し、スリット開口の延在方向と直交する方向（紙面内方向）については発散性ビームが光軸に平行な平行ビームとなるように作用する。尚、ビームスプリッタ５は、照明光源から試料に向かう照明ビームと試料からの反射光とを分離する作用を果たす。
【００１６】
ビームスプリッタ５で反射したライン状の照明ビームは、対物レンズ６に入射する。本発明では、光源１と対物レンズ６との間に照明ビームの瞳が形成され、瞳位置にトレンチの長手方向と平行なライン状の瞳パターンが形成される。そして、対物レンズ６は、ライン状の瞳パターンを試料７のトレンチが形成されていく表面上に結像し、トレンチと交差するライン状の照明エリアを形成する。本例では、高い分解能を得るため、開口数の大きな対物レンズを用い、例えば開口数が０．９程度の対物レンズを用いることができる。トレンチが形成されている試料として、例えばCMOSセンサが製造されるシリコン基板やパワーデバイスが形成される各種半導体基板が用いられる。尚、光源１から対物レンズ６までの光路中に含まれる光学素子は、試料表面をライン状の照明ビームで照明する照明光学系を構成する。
【００１７】
後述するように、深さ測定されるべきトレンチは、紙面内に延在し、ライン状の照明エリアはトレンチと直交する方向（紙面と直交する方向）に延在するものとする。すなわち、ライン状の照明エリアは、深さ測定されるべきトレンチと交差するように、本例ではトレンチの長手方向と直交するように形成される。従って、ライン状照明ビームの一部は、トレンチの内部に進行し、トレンチの底部で反射し、その反射光は対物レンズ６により集光される。また、ライン状照明ビームの残りの部分は、トレンチが形成される試料表面に入射し、試料表面で反射し、その反射光も対物レンズ６により集光される。このように、本発明では、ライン状の照明ビームを用い、トレンチの内部及びトレンチが形成される試料表面の両方を同時に照明する。
【００１８】
試料７はステージ８上に配置する。ステージ８は、対物レンズ６の光軸と直交するＸ−Ｙ面内で自在に移動することができると共に、対物レンズの光軸方向であるＺ方向にも移動する。ステージをＸ−Ｙ面で移動させて位置合せを行い、測定すべきトレンチを対物レンズの視野内に位置決めする。また、ステージ８の光軸方向の移動により試料７と対物レンズ６との間の相対的距離が変化し、Ｚ軸スキャンが行われる。尚、Ｚ軸スキャン手段として、ステージ移動だけでなく、対物レンズにサーボモータを装着し、ステージを静止させ、対物レンズを光軸方向に移動させてＺ軸スキャンを行うことも可能である。
【００１９】
ステージ８には、Ｚ軸方向の位置を検出する位置センサ９を連結する。センサ手段である位置センサ９は、Ｚ軸スキャン中にステージの光軸方向の位置を検出し、検出した位置情報を信号処理装置１０に出力する。すなわち、位置センサ９により検出された位置情報は、Ｚ軸スキャン中における対物レンズに対する試料表面及びトレンチ底部の相対位置情報ないし相対距離情報として利用し、対物レンズの焦点が試料表面及びトレンチの底部に位置した時の対物レンズと試料との間の位置関係を特定する。
【００２０】
試料７からの反射光、すなわちトレンチの底部からの反射光及びトレンチ周囲の試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、ビームスプリッタ５及び結像レンズ１１を経て光検出手段１２に入射する。光検出手段として、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された２次元撮像素子又は複数の受光素子がライン状に配列されたラインセンサを用いることができ、本例では複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された２次元撮像素子を用いる。光検出手段１２からの出力信号は、信号処理装置１０から供給される駆動信号により順次読み出され、増幅器１３により増幅された後、信号処理装置１０に供給される。信号処理装置１０は、光検出手段１２から出力信号と位置センサ９からの位置情報とを用いて試料に形成されたトレンチの深さを算出する。
【００２１】
本発明では、スリット手段３、試料７の表面及び光検出手段１２は、互いに共役な位置に配置する。従って、スリット手段３の開口部の像が試料上に形成され、試料上にはライン状の照明エリアが形成される。試料上に形成されたライン状の照明エリアの像は光検出手段１２上に結像される。このような光学配置を形成することにより、コンフォーカル光学系と同様な光学特性が得られ、対物レンズの焦点に対する試料表面及びトレンチの底部の相対変位量に応じて、光検出手段の受光素子に入射する反射光の光量が変化する。すなわち、トレンチの底部からの反射光を受光する受光素子は、対物レンズの焦点がトレンチの底部に位置した時最も高い輝度値の出力信号を出力し、対物レンズの焦点に対してトレンチの底部が変位するにしたがって徐々に低い輝度値の出力信号を出力する。同様に、トレンチ付近の試料表面からの反射光が入射する受光素子は、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した場合、最も高い輝度値の出力信号を出力し、対物レンズの焦点に対して試料表面が変位するにしたがって徐々に低い輝度値の出力信号を出力する。従って、トレンチの底部からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を検出した時のステージの位置と、トレンチ付近の試料表面からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を検出した時のステージの位置とに基づいてトレンチの底部とトレンチ付近の試料表面との光軸方向の差であるトレンチの深さを測定することができる。
【００２２】
図２は、照明ビームの瞳パターン、対物レンズ、及び試料表面における照明状態を示す図である。図２（Ａ）は対物レンズの焦点がトレンチが形成されている試料表面上に位置する状態、すなわちトレンチが形成されている試料表面上に合焦した状態を示し、図２（Ｂ）は対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置する状態、すなわちトレンチの底面上に合焦した状態を示す。尚、照明ビームとして、直線偏光した照明光を用いる場合の電界ベクトルの方向も併せて表示する。
【００２３】
ライン状の照明ビームは、スリット手段３と対物レンズ６との間の光路中に形成される瞳位置に瞳パターンを形成する。瞳パターンはライン状をなし、その延在方向は、トレンチの延在方向（長手方向）と平行になるように設定する。瞳パターンから出射した照明ビームは対物レンズにより集束され、試料表面上にトレンチ２０の長手方向と直交する方向に延在するライン状の照明ビーム２１となり、試料表面上にトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明エリアが形成される。分解能に関して、トレンチと平行な方向については、対物レンズの開口数に対応した広い角度範囲の照明光が集束するので、十分な分解能が得られる。
【００２４】
ライン状照明ビーム２１の一方の側のビーム部分２１ａは、トレンチ２０をはさんで一方の側の試料表面に入射し、反対側のビーム分２１ｂはトレンチをはさんで反対側の試料表面に入射し、中間のビーム部分２１ｃはトレンチの開口部に入射する。
【００２５】
図２（Ａ）は、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した状態を示す。この場合、照明ビーム２１のビーム部分２１ａ及び２１ｂは試料表面上に焦線を形成し、高輝度の反射光を発生する。また、中間のビーム部分２１ｃはトレンチ２０の内部に進入し、発散性ビームとしてトレンチの底面２０ａの比較的広い照明エリアを形成し、低輝度の反射光を発生する。図２（Ｂ）は、対物レンズの焦点がトレンチの底面２０ａ上に位置した状態を示す。この場合、照明ビームの中間のビーム部分２１ｃはトレンチの底面２０ａ上に集束し、高輝度の反射光を発生する。また、両端のビーム部分２１ａ及び２１ｂは、試料表面の比較的広い領域を照明し、低輝度の反射光を発生する。従って、ステージ移動によりＺ軸スキャンを行うことにより、光検出手段からの出力信号に基づいて対物レンズの焦点がトレンチの底面２０ａ上に位置するステージの光軸方向の位置及び対物レンズの焦点がトレンチ周囲の試料表面上に位置する光軸方向の位置が検出される。そして、検出された位置情報を用いて、試料表面及びトレンチの底面の光軸方向の位置が検出され、トレンチの深さを検出することができる。
【００２６】
図３は本発明による照明方法と従来の照明方法とを対比した図である。図３（Ａ）は本発明による照明方法を図示し、図３（Ｂ）は従来の照明方法を示す。本発明では、瞳位置にトレンチと平行に延在するライン状の瞳パターンを形成し、対物レンズを介して試料表面上にトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明エリアを形成する。また、照明光として、直線偏光した照明ビームを用いる。これに対して、従来の照明方法では、瞳位置に円形の瞳パターンが形成され、試料表面上には円形の照明エリアが形成される。
【００２７】
図３（Ｂ）に示すように、円形の瞳パターンを形成する照明方法では、試料表面に円形の照明エリアが形成されるため、照明ビームの大部分がトレンチ２０の周囲の試料表面により遮光され、トレンチ２０の内部に進入する照明光量は僅かである。従って、トレンチ幅の狭い高アスペクト比のトレンチの深さを測定するには限界がある。これに対して、トレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成すれば、トレンチ周囲の試料表面により遮光される照明光量が大幅に減少し、トレンチの内部に進入する照明光量が大幅に増大する。
【００２８】
次に、Ｚ軸スキャンについて説明する。本発明では、試料と対物レンズの焦点との間の相対距離を変えながらＺ軸スキャンを行い、対物レンズの焦点がトレンチが形成されている試料表面上に位置した時の第１の位置を検出すると共に対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置した時の第２の位置を検出し、第１の位置と第２の位置との差分を求め、トレンチの深さ情報として出力する。すなわち、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した時、試料表面上には焦線が形成され、試料表面から最大輝度の反射光が発生し、その反射光は光検出手段１２により受光される。また、ステージを光軸方向に移動させ、対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置すると、トレンチの底面から最大輝度の反射光が発生し、その反射光は光検出手段１２の別の受光素子により受光される。従って、トレンチが形成されている試料表面からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を出力する時点のステージの位置を検出することにより、対物レンズの焦点が試料表面上に位置した際の第１の位置が検出される。また、トレンチの底面からの反射光を受光する受光素子が最大輝度値を出力する時点のステージの位置を検出することにより、対物レンズの焦点がトレンチの底面上に位置した際の第２の位置が検出される。
【００２９】
本例では、試料を支持するステージを光軸方向に移動させることによりＺ軸スキャンを行う。Ｚ軸スキャンに当たり、ステージの光軸方向の下限位置を設定する。下限位置からステージを徐々に上昇させながら、光検出手段の受光素子の出力信号の輝度値を検出する。同時に、ステージの光軸方向の位置も位置センサにより検出する。ステージがＺ軸スキャンの上限位置に到達した時点でＺ軸スキャンは終了する。すなわち、本発明では、Ｚ軸スキャン中にトレンチの底面からの反射光及びトレンチを形成する試料表面からの反射光の両方を並行して検出するため、試料表面及びトレンチの底面の光軸方向の位置を１回のＺ軸スキャンにより検出することが可能である。図４は、Ｚ軸スキャン中におけるステージの光軸方向の位置に対する光検出手段１２の試料表面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値の変化及びトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値の変化を示す。実線はトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値を示し、破線は試料表面からの反射光を受光する受光素子からの出力信号の輝度値を示す。図４に示すように、トレンチの底面からの反射光を受光する受光素子及び試料表面からの反射光を受光する受光素子は光軸方向の変位に対応してピーク輝度値を出力する。従って、２つのピーク輝度値が検出された時点の光軸方向の位置の差分がトレンチの深さに対応する。
【００３０】
図５は信号処理装置におけるトレンチ深さを算出するアルゴリズムの一例を示す線図である。信号処理回路１０には、光検出手段１２の各受光素子から出力される輝度信号が入力する。また、位置センサ９から出力され、ステージの光軸方向の位置を示す位置信号も入力する。光検出手段１２から出力された輝度信号は順次増幅器１３により増幅され、Ａ／Ｄ変換器３０によりデジタル信号に変換されて信号処理装置１０に入力する。入力した輝度信号は比較器３１及びセレクタ３２にそれぞれ供給する。セレクタ３２により選択された輝度信号は第１のフレームメモリ３３に記憶する。第１のフレームメモリ３３に記憶されている輝度信号は比較器３１及びセレクタ３２に供給する。比較器３１は、新たに入力した各画素の輝度値とフレームメモリ３３に記憶されている各画素の輝度値とを比較し、新たに入力した輝度信号の輝度値が大きい場合、当該輝度信号を選択する選択信号をセレクタ３２に出力する。セレクタ３２は、比較器からの選択信号を受信した場合、新たに入力した輝度信号を選択して第１のフレームメモリ３３に出力する。一方、比較器から選択信号が供給されない場合、フレームメモリに記憶されている輝度信号を出力する。
【００３１】
位置センサ９から出力される位置信号は、第２のフレームメモリ３４に供給される。第２のフレームメモリ３４は、光検出手段の画素に対応するメモリ素子を有し、各メモリ素子ごとに最大輝度値が発生した時点におけるステージの位置を記憶する。第２のフレームメモリ３４には、比較器からの選択信号も供給される。供給される選択信号は第２のフレームメモリ２６に書込制御信号として作用する。よって、比較器から選択信号が供給された際、距離センサから出力される位置信号がフレームメモリに書き込まれる。
【００３２】
本発明では、トレンチの底面からの反射光及びトレンチ付近の試料表面からの反射光の両方を並行して検出する。この場合、トレンチの底面の像及び試料表面の像は光検出手段上において別々の受光素子上に形成されるので、ステージの位置調整を行って、光検出手段上におけるトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子及び試料表面からの反射光を受光する受光素子を予め特定しておくことが望ましい。
【００３３】
Ｚ軸スキャンの開始に伴い、ステージが上昇を開始する。光検出手段１２は試料表面からの反射光及びトレンチの底面からの反射光を受光し、輝度信号を順次出力する。同時に、位置センサ９もステージの光軸方向の位置を検出し、順次位置信号を出力する。Ｚ軸スキャン中に、輝度の高い輝度信号が入力すると、第１及び第２のフレームメモリの内容が順次更新される。そして、対物レンズの焦点が試料表面上に位置すると、試料表面からの反射光を受光する受光素子から最大輝度値が出力され、比較器が選択信号を発生する。この選択信号により最大輝度値が発生した時点のステージの位置が第２のフレームメモリに書き込まれる。さらに、ステージが上昇し、対物レンズの焦点がトレンチの底面に到達すると、トレンチの底面からの反射光を受光する受光素子から最大輝度値が発生する。同時に、比較器から選択信号が発生し、第２のフレームメモリ３４に供給され、選択信号の入力に応じて、その時点のステージの位置信号が第２のフレームメモリに書き込まれる。
【００３４】
Ｚ軸スキャンが終了すると、試料表面からの反射光を受光する受光素子に対応するメモリ素子の位置信号とトレンチの底面からの反射光を受光する受光素子に対応するメモリ素子の位置信号をそれぞれ差分手段３５に出力する。差分手段３５は、２つの位置信号の差分を形成し、トレンチの深さ情報として出力する。このように、本発明では、１回のＺ軸スキャンを行うだけで、トレンチの深さを測定することが可能である。
【００３５】
図６は本発明によるトレンチ深さ測定装置の変形例を示す図である。尚、図１で用いた部材と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。本例では、照明光として直線偏光したレーザ光を用い、トレンチの側壁に対してＳ偏光した照明光が入射するように、すなわち、レーザ光の電界ベクトルの振動方向がトレンチの長手方向と平行になるように設定し、トレンチに向かう照明光及びトレンチから出射する反射光がトレンチの側壁により吸収される割合をできるだけ低減させる。照明ビームを発生する光源として、パルス発振型のエキシマレーザ４０を用いる。エキシマレーザ４０は、例えば１９３ｎｍの波長の直線偏光したレーザビームを放出する。エキシマレーザ４０は、トレンチを含む試料表面を照明する際、トレンチの側壁に対してＳ偏光したレーザ光が入射するように偏光状態を調整する。エキシマレーザ４０から出射したレーザビームは、ビームリデューサ４１に入射する。ビームリデューサ４１は、凸レンズ４１ａと凹レンズ４１ｂとが組合わされ、入射したレーザビームのビーム径を小さくする。ビームリデューサ４１から出射したレーザビームは、シリンドリカルレンズ２に入射し、一方向（紙面内方向）に集束性を有するレーザビームに変換される。尚、エキシマレーザ４０から出射する直線偏光したレーザ光の電界ベクトルの方向は、シリンドリカルレンズ２による集束方向と一致させる。すなわち、後述する対物レンズから出射する直線偏光したライン状照明ビームについて、ライン状ビームの延在方向と電界ベクトルとが互いに直交するように設定する。この場合、ライン状の照明ビームが試料に形成されているトレンチの長手方向と直交するように照明した場合、ライン状照明ビームの電界ベクトルは、トレンチの長手方向と平行になるように設定される。尚、電界ベクトルの方向と瞳パターンとの関係は、図２に示す通りであり、ライン状の瞳パターンの延在方向と電界ベクトルの方向とを一致させる。
【００３６】
シリンドリカルレンズ２から出射したレーザビームは、スペックルパターン除去手段４２に入射する。スペックルパターン除去手段４２はモータ４２ａとモータ４２ａに連結した回転拡散板４２ｂと有し、入射したレーザビームはスペックルパターンが時間的に変化するレーザビームに変換される。スペックルパターン除去手段から出射したレーザビームは、合成石英により構成されホモジナイザーとして機能する角ロッド４３に入射する。レーザビームを用いて撮像された画像はスペックルパターン有するが、回転拡散板を通過する間に位相分布が変調され、角ロッドを通過する間に断面がほぼ均一な輝度分布のレーザビームに変換される。角ロッド４３から出射したレーザビームはスリット手段３に入射する。スリット手段３は、紙面と直交する方向、すなわちシリンドリカルレンズの集束方向と直交する方向に延在するスリット開口を有し、入射したレーザビームはスリット開口を通過し、発散性のライン状ビームとして集束性レンズ４に入射する。集束性レンズ４は、入射したレーザビームに対して、スリット開口の延在方向（紙面と直交する方向）の成分についてはビームを集束するように作用し、スリット開口の延在方向と直交する方向（紙面内方向）の成分については発散性ビームが光軸に平行な平行ビームとなるように作用する。
【００３７】
集束性レンズ４から出射したレーザビームは、ビームスプリッタ５で反射し、対物レンズ６に入射する。本例では、ビームスプリッタとしてハーフミラーを用い、直線偏光したレーザビームを対物レンズに入射させる。対物レンズ６は、入射したレーザビームを集束性のライン状照明ビームに変換し、トレンチが形成されている試料表面をライン状の直線偏光した照明ビームにより照明する。
【００３８】
図１に示す実施例と同様に、瞳位置に形成されたライン状の瞳パターンは、対物レンズ６により試料表面上に結像され、トレンチと直交するライン状の照明エリアが試料表面上に形成される。よって、トレンチの内部及びトレンチが形成される試料表面の両方を同時に照明する。照明ビームの電界ベクトルの振動方向は、ライン状照明ビームの延在方向と直交する方向に設定されているので、トレンチの内部には、電界ベクトルがトレンチの長手方向と平行に設定されている直線偏光した照明光が入射する。
【００３９】
試料７からの反射光、すなわちトレンチの底面からの反射光及びトレンチの周囲の試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、ビームスプリッタ５及び結像レンズ１１を経て光検出手段１２に入射する。光検出手段１２からの出力信号は、信号処理装置１０から供給される駆動信号により順次読み出され、増幅器１３により増幅された後、信号処理装置１０に供給される。
【００４０】
本例では、試料７を支持するステージ８は光軸方向に静止した状態に維持し、対物レンズ６を光軸方向に移動させてＺ軸スキャンを行う。対物レンズ６は光軸方向に移動可能に支持されると共にサーボモータ４４を連結する。サーボモータ４４にエンコーダ４５を連結し、対物レンズの光軸方向の位置を検出する。検出された位置情報は、信号処理装置１０に供給する。そして、前述した実施例と同様に、信号処理装置１０は、光検出手段１２から出力信号とエンコーダ４４からの位置情報とを用いて試料に形成されたトレンチの深さを算出する。
【００４１】
次に、直線偏光した照明光の電界ベクトルの振動方向による作用効果について説明する。トレンチの底面からの反射光を用いて深さ測定する場合、底面からの反射光の光量が少ないと、光検出手段から出力される信号レベルが低くなり、ピーク輝度値の検出精度が低下する不具合が発生する。特に、高アスペクト比のトレンチの深さを測定する場合、対物レンズからトレンチの内部に進行する照明光及びトレンチの底面からの反射光に対するトレンチ側壁による光吸収が問題となる。そこで、照明光の偏光状態（電界ベクトルの振動方向）とトレンチの側壁における反射率との関係について検討した。すなわち、照明光がトレンチの内部に進入する際、トレンチの側壁で反射し或いは反射を繰り返してトレンチの底面に入射する。また、トレンチの底面で反射した反射光も、トレンチの側壁で反射しトレンチから出射する。従って、トレンチの側壁に対する照明光の反射率により、トレンチから出射する反射光の光量が変化することが想定される。そこで、直線偏光した照明光の偏光状態によって、トレンチの側壁に対する反射率がどのように変化するかについて検討した。
【００４２】
図７は、結晶シリコンの波長１９３ｎｍにおける強度反射率（屈折率：０．８８３，消衰係数２．７７８）を示すグラフである。このデータは、刊行物「Handbook of Optical Constance of Solids」（Edard D. Palik 著、Academic Press, Boston, 1985）に記載されたデータである。横軸は入射角（度）を示し、縦軸は強度反射率を示す。図７において、実線は結晶シリコンの表面に対してＳ偏光した照明光が入射した時の強度反射率を示し、破線はＰ偏光した照明光が入射した時の強度反射率を示す。Ｓ偏光は電界ベクトル（電気ベクトル）の振動方向が入射面に対して直交する方向であり、従って、電界ベクトルの振動方向はシリコン結晶の表面と平行である。これに対して、Ｐ偏光は、入射面に対して電界ベクトルの振動方向は平行であり、従って、電界ベクトルの振動方向はシリコン結晶の表面に対して直交する方向である。
【００４３】
図７を参照するに、入射角が０度付近では、Ｓ偏光及びＰ偏光共に反射率が７０％程度である。照明光がＳ偏光の場合、入射角に対して反射率は徐々に増大し、入射角が６０°を超えると反射率は８０％以上になる。さらに、入射角が９０°になると反射率は１００％になる。一方、照明光がＰ偏光の場合、入射角が大きくなるにしたがって反射率は徐々に低下し、入射角が７０°付近で最小値となり、その後徐々に増大し、入射角が９０度付近ではＳ偏光と同様に反射率は１００％である。当該データより、シリコン結晶の表面に対する入射角が比較的大きい場合、Ｓ偏光の方がＰ偏光よりも反射率が高いことが示される。
【００４４】
上記データをトレンチに入射する照明光について適用する。シリコン基板に形成されたトレンチを直線偏光した照明光で照明する場合、照明光は回折作用を受けるため、トレンチの側壁に対する入射角は９０°から若干変位している。光源から出射した照明光はトレンチの側壁で反射しながらトレンチの底面に入射する。トレンチの底面からの反射光も側壁で反射し、トレンチから出射する。従って、トレンチの側壁における反射率が高いほど、照明光のトレンチにおける損失が小さい。従って、上記結晶シリコンの波長１９３ｎｍにおける強度反射率のデータに基づけば、照明光としてＳ偏光した光を用い、トレンチに対してＳ偏光した光を投射することにより、トレンチにおける光損失が低減された深さ測定が可能になる。ここで、Ｓ偏光の場合、電界ベクトルの振動方向は入射面に対して垂直であるから、トレンチに入射する際、その電界ベクトルの振動方向はトレンチの側壁に対して平行になり、トレンチの長手方向に対して平行に設定される。
【００４５】
図７に示す強度反射率のデータに対する検討結果より、照明光として電界ベクトルの方向がトレンチの長手方向と平行に設定された直線偏光した光を用いることにより、トレンチにより吸収される照明光及び反射光の割合を大幅に減少させることが可能であることが確認された。特に、トレンチの幅が照明光の波長程度に設定されている場合であっても、十分な反射光量が確保される。この検討結果より、スリット幅が照明光の波長にほぼ等しく且つアスペトク比が１０程度の高アスペクト比のトレンチであっても、高精度の深さ測定が可能になる。
【００４６】
さらに、トレンチの長手方向と直交する方向に延在するライン状の照明ビームを用いると共に照明ビームの電界ベクトルの方向をトレンチの長手方向と平行に設定することによる相乗効果として、光検出手段から出力される輝度信号の信号レベルが相当高くなり、紫外域又は深紫外域（DUV）の照明光を用いて波長レベルの幅（０．２μｍ程度）のトレンチの深さを高精度に測定することが可能になる。尚、トレンチが導波路として作用する場合、導波モードに応じて群遅延を考慮して、測定結果を補正すればよい。
【００４７】
図８は本発明によるトレンチ深さ測定装置の別の変形例を示す図である。本例では、試料表面の２次元画像を撮像する撮像モードと試料に形成されたトレンチの深さを測定する深さ測定モードと有し、試料観察と深さ測定とを選択的に切り換えることができるトレンチ深さ測定装置について説明する。すなわち、撮像モードにおいて試料表面の２次元画像を撮像し、モニタ上に表示される試料表面の２次元画像を見ながら深さ測定されるべきトレンチの位置を調整する。そして、モード切り換えを行い、位置調整されたトレンチの深さは深さ測定モードにおいて測定する。尚、図６で用いた部材と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４８】
図８を参照するに、ホモジナイザーとして機能する角ロッド４３と集束性レンズ４との間の光路中に、スリット手段３をバイパスするためのバイパス光路手段６０と、第１及び第２のリレーレンズ６１及び６２を配置する。第１及び第２のリレーレンズは、角ロッド４３とスリット手段３との間に光路中に配置する。バイパス光路手段６０は、第１及び第２のリレーレンズの間に配置した第１の全反射ミラー６３と、第１の全反射ミラーで反射した照明光を反射する第２の全反射ミラー６４と、第２の全反射ミラーから出射した照明光を集束させる集束性レンズ６５と、集束性レンズ６５から出射した照明光を反射する全反射ミラー６６と、全反射ミラー６６から出射した照明光を集束性レンズ４に入射させる第４の全反射ミラー６７とを有する。これら第１の全反射ミラー６３から第４の全反射ミラー６７までの光路中に含まれる光学素子は一体的に組み合わされ、一体的に光路に出し入れ可能に構成する。バイパス光路手段６０は、試料表面を観察する撮像モードにおいて光路中に配置され、深さ測定モードにおいては光路から外される。
【００４９】
試料表面の２次元画像を撮像する撮像モードにおいて、角ロッド４３から出射した照明ビームは、第１のリレーレンズ６１、第１の全反射ミラー６３、第２の全反射ミラー６４、集束性レンズ６５、第３の全反射ミラー６６、及び第４の全反射ミラー６７を含むバイパス光路を経て対物レンズ６の照明側の光路に結合される。そして、集束性レンズ４、ビームスプリッタ５及び対物レンズ６経て試料表面の２次元エリアを照明する。そして、試料７の表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、ビームスプリッタ及び結像レンズ１１を経て２次元撮像素子で構成される光検出手段１２に入射する。光検出手段からの出力信号は増幅されて信号処理装置１０に供給され、試料表面の２次元画像信号が出力される。よって、オペレータは、モニタ上に表示される試料の２次元画像を見ながら、深さ測定されるトレンチが所望の位置に位置するようにステージの位置を調整する。
【００５０】
位置調整が終了した後、モード切り換えを行い、深さ測定モードに切り換える。このモード切り換えによりバイパス光路手段６０を照明光学系の光路から取り外され、深さ測定が実行される。深さ測定モードにおいて、角ロッド４３から出射したライン状の照明ビームは、第１及び第２のリレーレンズ６１及び６２を通過し、スリット手段３に入射する。さらに、スリット手段３のスリット開口を通過し、集束性レンズ４及びビームスプリッタ５を経て対物レンズ６に入射する。そして、試料７に形成されたトレンチと直交する方向に延在するライン状の照明ビームとなってトレンチを含む試料表面を照明する。以下、図５に示す実施例に基づいて深さ測定が行われる。
【００５１】
図９は本発明によるトレンチ深さ測定方法のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。ステップ１において、トレンチ深さ測定装置のモードを撮像モードに設定し、試料表面の２次元画像を撮像し、ライン状の照明ビームと交差するようにトレンチの位置を調整する。
【００５２】
次に、モード切り換えを行って撮像モードから深さ測定モードに切り換える。続いて、照明光学系を作動させ、試料表面のトレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成する（ステップ２）。
【００５３】
続いて、Ｚ軸スキャンを実行する。この際、対物レンズをその上限位置から下限位置まで徐々に下降させる（ステップ３）。対物レンズの下降中、対物レンズの光軸方向の位置を検出し、位置情報として出力する。また、光検出手段上に形成されるトレンチの像及びトレンチ周囲の試料表面の像の輝度値も検出する。そして、図５に示す信号処理を行って最大輝度値を発生する対物レンズの光軸方向の位置を検出する。
【００５４】
Ｚ軸スキャン中、初めに対物レンズの焦点が試料表面に近づき、焦点が試料表面上に位置すると、試料表面に焦線が形成される。その際、試料表面からの反射光を受光する受光素子から最大輝度値が出力される。最大輝度値が発生する対物レンズの光軸方向の位置が第１の位置として検出される（ステップ４）。
【００５５】
さらに対物レンズが降下すると、対物レンズの焦点はトレンチの底面に近づき、焦点がトレンチの底面上に位置すると、トレンチの像を検出する受光素子から最も高い輝度の輝度信号が出力され、その時点の対物レンズの光軸方向の位置を第２の位置として検出する（ステップ５）。
【００５６】
対物レンズが下限位置に到達すると、深さ測定は終了する。そして、試料表面の光軸方向の位置を示す第１の位置とトレンチの底面の光軸方向の位置を示す第２の位置との差分を形成し、トレンチの深さ情報として出力する。
【００５７】
図１０は本発明の基本原理を利用した共焦点顕微鏡の構成を示す図である。本例の共焦点顕微鏡は、深さ測定モードと２次元画像撮像モードとの間でモード切り換え可能な共焦点顕微鏡として機能する。尚、図１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。光源１から出射した照明ビームは、シリンドリカルレンズ２により一方向に集束するライン状の照明ビームに変換され、スリット手段３、集束性レンズ４及びビームスプリッタ５を経てライン状の照明ビームとしてガルバノミラー７０に入射する。ガルバノミラーは、試料表面の２次元画像を撮像する撮像モードにおいては、入射したライン状の照明ビームをその延在方向と直交する方向に周期的に偏向する走査装置として機能し、深さ測定モードにおいては静止状態に維持される静止ミラーとして機能する。
【００５８】
ガルバノミラー７０から出射したライン状の照明ビームは、２つのリレーレンズ７１及び７２を経て瞳位置にライン状の瞳パターンを形成する。瞳パターンを形成するライン状の照明ビームは、対物レンズ６により集束され、試料７にトレンチと交差するようにライン状の照明エリアを形成する。
【００５９】
試料７を支持するステージ８は、対物レンズ６の光軸と直交するＸ−Ｙ面内で自在に移動することができると共に、対物レンズの光軸方向であるＺ方向にも移動する。ステージ８は、撮像モード及び深さ測定モードの両方のモードにおいてＺ軸スキャンを行う。従って、撮像モードにおいては、試料表面はライン状の照明ビームにより走査されると共にＺ軸方向にも走査されることになる。一方、深さ測定モードにおいては、ガルバノミラーは固定ミラーとして機能するため、試料表面はライン状照明ビームによりＺ軸方向にそって１次元スキャンされることになる。ステージ８には、Ｚ軸方向の位置を検出する位置センサ９を連結する。位置センサ９は、Ｚ軸スキャン中にステージの光軸方向の位置を検出し、検出した位置情報を信号処理装置１０に出力する。
【００６０】
試料７からの反射光、すなわちトレンチの底部からの反射光及びトレンチ周囲の試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、リレーレンズ７２及び７１、ガルバノミラー７０、ビームスプリッタ５及び結像レンズ１１を経て光検出手段１２に入射する。本例では、光検出手段として、複数の受光素子がライン状に配列されたラインセンサを用いる。光検出手段からの出力信号は、信号処理装置１０から供給される駆動信号により順次読み出され、増幅器１３により増幅された後、信号処理装置１０に供給される。信号処理装置１０は、光検出手段から出力される輝度信号と位置センサ９からの位置情報とを用いて図５に基づく処理を行い、各画素について、Ｚ軸スキャン中に検出された最大輝度値をメモリに記憶すると共に最大輝度値を発生した時点のステージの光軸方向の位置を検出してメモリに記憶する。
【００６１】
試料表面の２次元画像を撮像する撮像モードにおいて、各画素が最大輝度値により構成される試料表面の２次元画像が出力されると共に最大輝度値を発生するステージの位置情報、すなわち試料表面の形状情報も出力される。よって、試料表面の３次元画像を出力することができる。一方、深さ測定モードにおいては、ガルバノミラー７０は静止し、ステージ移動によるＺ軸スキャンだけが行われるので、信号処理装置は、試料表面の光軸方向の位置を示す第１の位置とトレンチの底面の光軸方向の位置を示す第２の位置とに基づき、トレンチの深さ情報を出力する。
【００６２】
本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、センサ手段によりステージ又は対物レンズの光軸方向の位置を検出し位置情報として出力したが、ステージ及び対物レンズの移動量を用いて位置情報として利用することも可能である。さらに、対物レンズに距離センサを固定し、距離センサにより対物レンズと試料との間の距離を測定し、測定された距離情報を用いてステージ又は対物レンズの光軸方向の変位量を求めることも可能である。
【００６３】
さらに、トレンチの幅が測定値に影響を与える場合は、画像より求めたトレンチの幅の値を用いて深さの測定値を補正することも可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１  光源
２  シリンドリカルレンズ
３  スリット手段
４  集束性レンズ
５  ビームスプリッタ
６  対物レンズ
７  試料
８  ステージ
９  位置センサ
１０  信号処理装置
１１  結像レンズ
１２  光検出手段
１３  増幅器
２０  照明ビーム
３０  Ａ／Ｄ変換器
３１  比較器
３２  セレクタ
３３  第１のフレームメモリ
３４  第２のフレームメモリ
３５  差分手段
４０  エキシマレーザ
４１  ビームリデューサ
４２  スペックルパターン除去手段
４３  角ロッド
４４  サーボモータ
４５  エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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