(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフターを構成する凹部及び遮光パターンが形成されている第１の面と、第１の面と対向する裏面である第２の面とを有する光学的に透明な基板を具える位相シフトマスクの、前記凹部と遮光パターンが形成されている面との間の段差の深さを位相シフト法により測定する段差測定装置であって、
光ビームを発生する光源装置と、
前記光源装置から発生した光ビームから、互いに可干渉性を有する２本の光ビームを発生する光学系と、
これら２本の光ビームを前記透明基板の裏面である第２の面に向けて投射する対物レンズと、
前記透明基板と遮光パターンとの界面で反射し前記第２の面から出射する反射ビーム及び前記凹部の透明基板と空気との界面で反射し前記第２の面から出射する反射ビームとの間に相対的な位相シフトを与えると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生する干渉光学系と、
この干渉光学系から出射した干渉ビームを受光し、干渉ビームの振幅の変化を出力する光検出器と、
前記透明基板の第１の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第１の位相情報と、第１の状態とは異なる第２の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第２の位相情報との間の位相変位量を求め、得られた位相変位量から測定すべき段差の深さを決定する信号処理装置とを具えることを特徴とする段差測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の段差測定装置において、前記透明基板の第１の状態を前記透明基板の第１の面に対するエッチング処理前の状態とし、前記第２の状態をエッチング処理後の状態としたことを特徴とする段差測定装置。
【請求項３】
前記光源装置をＬＥＤで構成し、光源装置から発生した光ビームから２本の光ビームを発生する光学系を位相回折格子で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項４】
前記光源装置から発生した光ビームから２本の光ビームを発生する光学系をノマルスキープリズムで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項５】
前記干渉光学系を、マッハツェンダ型のシヤリング光学系で構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項６】
前記干渉光学系が、光学楔をそれぞれ含む２本の光路及びこれらの光路を伝搬する光ビームを合成する光合成素子を有し、一方の光路中に配置した光学楔を光路と直交する方向に移動させることにより前記２本の反射ビームに相対的な位相シフトを与えることを特徴とする請求項５に記載の段差測定装置。
【請求項７】
前記干渉光学系が、ノマルスキープリズムと、このノマルスキープリズムを光軸と直交する方向に移動させるアクチュエータと、ノマルスキープリズムの位置を検出する位置検出器とを具えることを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項８】
前記干渉光学系において２本の反射ビームに与えられる位相シフト量が、少なくとも２πの周期にわたることを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項９】
前記光検出器の前面側に、ほぼ中央に開口が形成されているミラーを配置し、このミラーの開口を通過した光が前記光検出器に入射してコンフォーカル光学系を構成し、測定しようとする界面以外の界面からの反射光が光検出器に入射しないように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項１０】
前記信号処理回路は、前記第１及び第２の位相情報をそれぞれフーリェ変換して対応する第１及び第２の位相角を求め、これら位相角の差から位相変位量を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項１１】
前記信号処理回路は、前記第１の位相情報のピーク値と第２の位相情報のピーク値との間の位相変位量を求め、得られた位相変位量から測定すべき段差の深さを決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の段差測定装置。
【請求項１２】
位相シフターを構成する凹部及び遮光パターンが形成されている第１の面と、第１の面と対向する裏面である第２の面とを有する光学的に透明な基板を具える位相シフトマスクの、前記凹部と遮光パターンが形成されている面との間の段差の深さを位相シフト法により測定する段差測定方法であって、
互いに可干渉性を有する２本の光ビームを前記透明基板の裏面である第２の面に向けて投射する工程と、
前記透明基板と遮光パターンとの界面で反射し前記第２の面から出射する反射ビーム及び前記凹部の透明基板と空気との界面で反射し前記第２の面から出射する反射ビームとの間に相対的な位相シフトを与えると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生する工程と、
前記干渉ビームを光検出器により受光し、干渉ビームの振幅変化を出力する工程と、
前記透明基板の第１の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第１の位相情報と、第１の状態とは異なる第２の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第２の位相情報との間の位相変位量を求め、得られた位相変位量から測定すべき段差の深さを決定する工程とを具えることを特徴とする段差測定方法。
【請求項１３】
光学的に透明な基板に位相シフタを構成する凹部がエッチングにより形成される位相シフトマスクのエッチングの進行状態を位相シフト法により検出するエッチングモニタ装置であって、前記透明基板は、遮光パターン及びレジストパターンが形成されエッチング処理を受ける第１の面と、この第１の面と対向する裏面である第２の面とを有し、前記第１の面は、位相シフタを構成する凹部がエッチング処理により形成される第１の部分と、レジストパターンが形成されエッチング処理を受けない第２の部分とを有し、当該エッチングモニタ装置は、
光ビームを発生する光源装置と、
前記光源装置から発生した光ビームから、互いに可干渉性を有する２本の光ビームを発生する光学系と、
これら２本の光ビームを前記透明基板の裏面である第２の面に向けて投射する対物レンズと、
前記透明基板の第１の面の第１の部分で反射し第２の面から出射する反射ビームと、前記第１の面の第２の部分で反射し前記第２の面から出射する反射ビームとの間に相対的な位相シフトを与えると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生する干渉光学系と、
この干渉光学系から出射した干渉ビームを受光し、干渉ビームの振幅の変化を出力する光検出器と、
前記透明基板の第１の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第１の位相情報と、第１の状態とは異なる第２の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第２の位相情報との間の位相変位量を求め、得られた位相変位量から測定すべき段差の深さを決定する信号処理装置とを具えることを特徴とするエッチングモニタ装置。
【請求項１４】
前記第１の状態をエッチング処理される前の状態とし、前記第２の状態をエッチング処理された後の状態としたことを特徴とする請求項１３に記載のエッチングモニタ装置。
【請求項１５】
遮光パターン及びレジストパターンが形成されエッチング処理を受ける第１の面及びこの第１の面と対向しエッチング処理を受けない裏面である第２の面を有する光学的に透明な基板を具える位相シフトマスクの、前記第１の面にエッチング処理を行って位相シフタを構成する凹部を目標の深さに形成するエッチング方法において、
前記透明基板の第１の面は、エッチング処理により前記位相シフタを構成する凹部が形成される第１の部分と、レジストパターンが形成されエッチング処理を受けない第２の部分とを有し、
エッチングにより形成した凹部の深さを位相シフト法により測定する光学装置であって、前記透明基板の第２の面に向けて互いに干渉性を有する２本の光ビームを投射し、前記第１の面のエッチング処理され又はエッチング処理される予定の第１の部分で反射し前記第２の面から出射する反射ビームと、エッチング処理を受けない第２の部分で反射し前記第２の面から出射する反射ビームとの間に相対的な位相シフトを与えると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生し、この干渉ビームの前記位相シフトに対応する振幅変化を出力する段差測定装置を用意し、
前記段差測定装置を用い、エッチング処理される前の透明基板について干渉ビームの位相シフトに対応する振幅変化を含む第１の位相情報を検出する工程と、
第１の位相情報が検出された透明基板について、前記目標の深さ未満の深さにエッチング処理を行う第１のエッチング工程と、
前記光学装置を用い、第１のエッチング処理が行われた透明基板について前記干渉ビームの位相シフトに対応する位相変化を含む第２の位相情報を検出する工程と、
前記第１及び第２の位相情報から第１のエッチング工程により形成された凹部の深さに対応する位相変位量を求め、この位相変位量に基づいてさらに行うべき追加のエッチング量を決定する工程とを具えることを特徴とするエッチング方法。
【請求項１６】
前記追加のエッチング量を決定する工程は、前記第１及び第２の位相情報から第１のエッチング工程におけるエッチング速度を決定する工程と、目標エッチング量と第１のエッチング工程により形成されたエッチング量との差を検出する工程と、検出されたエッチング量の差とエッチング速度とに基づいて追加のエッチング時間を決定する工程とを具えることを特徴とする請求項１５に記載のエッチング方法。
【請求項１７】
位相シフトマスクを構成する透明基板の表面に、位相シフタを構成する凹部を形成するためのエッチング装置であって、透明基板についてエッチング処理を行うエッチングチャンバと、このエッチングチャンバと隣接し、内部に配置されている段差測定装置を用いてエッチング処理により透明基板に形成された凹部の深さを測定する予備室と、処理すべき透明基板をエッチングチャンバと予備室との間で移動させる移動機構とを具えるエッチング装置において、
前記透明基板は、遮光パターン及びレジストパターンが形成されエッチング処理を受ける第１の面と、第１の面と対向する裏面である第２の面とを有し、前記第１の面は、エッチング処理を受ける第１の部分と、レジストパターンが形成されエッチング処理を受けない第２の部分とを有し、
前記段差測定装置は、透明基板に形成された凹部の深さを位相シフト法により測定する段差測定装置であって、当該段差測定装置は、
光ビームを発生する光源装置と、
前記光源装置から発生した光ビームから、互いに可干渉性を有する２本の光ビームを発生する光学系と、
これら２本の光ビームを、前記透明基板の第２の面に向けて投射する対物レンズと、
前記透明基板の第１の面のエッチング処理された第１の部分で反射し第２の面から出射する反射ビームと、透明基板の第１の面の第２の部分で反射し第２の面から出射する反射ビームとの間に相対的な位相シフトを与えると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生する干渉光学系と、
この干渉光学系から出射した干渉ビームを受光し、干渉ビームの振幅の変化を出力する光検出器と、
前記透明基板の第１の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第１の位相情報と、第１の状態とは異なる第２の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第２の位相情報との間の位相変位量を求め、得られた位相変位量から測定すべき段差の深さを決定する信号処理装置とを具えることを特徴とするエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、０．１ｎｍ程度の分解能を有する段差測定装置、並びにこの段差測定装置を用いたエッチングモニタ装置及びエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの線幅の縮小化に伴い、一層高い解像限界のフォトマスクとして位相シフトマスクが使用されている。この位相シフトマスクは、ガラス基板上に複数の光透過開口を規定する遮光パターンが形成され、遮光パターンをはさんで互いに隣接する光透過開口を通過する露光光間にλ／２の位相差を与えるように構成されている。位相シフトマスクの実際の構成として、ガラス基板上に光透過開口を規定する遮光パターンが形成され、光透過開口についてλ／２の位相差を与える凹部が１個おきに形成され、凹部が形成され又は凹部が形成されていない部分が位相シフタとして機能している。位相シフタを構成する凹部はエッチングにより形成され、その深さは数１００ｎｍ程度である。
【０００３】
位相シフトマスクにおいて、位相シフタが形成されている開口を通過した光と位相シフタが形成されていない開口を通過した光間の位相差はλ／２に設計されており、λ／２からずれるに従って解像度が低下しフォトマスクとして品質が低下してしまう。このため、位相シフトマスクの製造工程において、位相シフタを構成する凹部の深さを正確に測定できる段差測定装置の開発が強く要請されており、特に０．１ｎｍ程度の凹部深さを測定できる段差測定装置の開発が強く要請されている。
【０００４】
位相シフトマスクの欠陥検査装置として、本願人から提案されている特願平８−３３９５２２号に記載されている装置がある。この欠陥検査装置では、遮光パターンの表面を基準にして透明基板に形成されている凹部の深さを位相情報として取り出し、この位相情報から欠陥の存在を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
位相シフタを構成する凹部の深さは１００ｎｍ程度であるため、その欠陥検査を行う場合０．１ｎｍ程度の深さ誤差まで検出できなくてはならず、位相シフトマスクの欠陥検査は極めて困難であった。一方、上述した本願人から提案されている欠陥検査装置は凹部の深さを位相情報として取り出しているため、極めて高精度に欠陥検査を行うことができる利点がある。
【０００６】
一方、位相シフタを形成するエッチング工程中に凹部の深さ、すなわち段差の深さ（レベル）を０．１ｎｍ程度の分解能で測定できれば、位相シフトマスクの生産の歩留りを一層向上させることができる。すなわち、エッチング処理により透明基板に段差を形成する際、規定量以上に過剰にエッチングされるとこの透明基板はもはや製品として使用することができない。一方、エッチング量が規定量以下の場合不足量だけエッチングを追加すればよいが、レジストパターンが形成されている透明基板のエッチング量すなわち段差を測定することは従来の測定装置では極めて困難であり、しかもレジストパターンの厚さはエッチングの進行状態に応じて相違するため、エッチング処理を行う側から光ビームを投射して段差測定を行う装置はその使用範囲が制限される不都合がある。
【０００７】
さらに、０．１ｎｍ程度の微小な高さレベルの段差の測定は、上述した位相シフトマスクだけでなく、光学的に透明な基板上に導波路等の各種の光学素子が形成されている光集積回路の分野においても強く要請されている。
【０００８】
従って、本発明の目的は、微小な高さレベルの段差を高分解能で測定できる段差測定装置及び段差測定方法を提供することにある。
【０００９】
さらに、本発明の別の目的は、レジストパターンが形成されているエッチング途中の透明基板について、レジストパターンが形成されている状態でそのエッチング量すなわち段差量又は凹部の深さを正確に測定できるエッチングモニタ装置を実現することにある。
【００１０】
さらに、本発明の別の目的は、予め定めた規定の深さに正確にエッチングすることができるエッチング方法を提供することにある。
【００１１】
さらに、本発明の目的は、予め定めた規定の深さに正確にエッチングすることができるエッチング装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による段差測定装置は、位相シフターを構成する凹部及び遮光パターンが形成されている第１の面と、第１の面と対向する裏面である第２の面とを有する光学的に透明な基板を具える位相シフトマスクの、前記凹部と遮光パターンが形成されている面との間の段差の深さを位相シフト法により測定する段差測定装置であって、
光ビームを発生する光源装置と、
前記光源装置から発生した光ビームから、互いに可干渉性を有する２本の光ビームを発生する光学系と、
これら２本の光ビームを前記透明基板の裏面である第２の面に向けて投射する対物レンズと、
前記透明基板と遮光パターンとの界面で反射し前記第２の面から出射する反射ビーム及び前記凹部の透明基板と空気との界面で反射し前記第２の面から出射する反射ビームとの間に相対的な位相シフトを与えると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生する干渉光学系と、
この干渉光学系から出射した干渉ビームを受光し、干渉ビームの振幅の変化を出力する光検出器と、
前記透明基板の第１の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第１の位相情報と、第１の状態とは異なる第２の状態における前記位相シフトに対応した干渉ビームの振幅変化の情報を含む第２の位相情報との間の位相変位量を求め、得られた位相変位量から測定すべき段差の深さを決定する信号処理装置とを具えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の基本思想は、段差又は凹部が形成されている第１の面とは反対の第２の面に向けて光ビームを投射すること及び位相シフト法により段差又は凹部の深さを決定することである。本発明は、隣接する２本の光ビームを大きな開口数で投射した場合、これら２本の光ビームは互いに共通の光路を伝搬するものとみなすことができると言う認識に基づいている。このような認識に基づけば、透明基板又は透明層に２本の光ビームを投射し、透明基板の反対側に位置する界面で反射した２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生させれば、この干渉ビームは２本の反射ビーム間の位相差含むものとなる。従って、干渉ビームに含まれる位相差情報を検出できれば、透明基板に形成された２個の界面により構成される段差の大きさを検出できることになる。本発明では、段差を構成する２個の界面でそれぞれ反射した反射ビーム間の位相差を位相シフト法により検出する。この位相シフト法を利用すれば、１０ｎｍ程度の段差を正確に検出することができ、位相シフトマスクや光集積回路に形成される微小な深さの段差を正確に測定することができる。
【００１４】
一方、位相シフトマスクや光集積回路において、エッチング処理により凹部を形成する場合、表面側にはレジストパターンが形成されており、このレジストパターンの厚さはエッチングの進行状況に応じて変化するため、レジストパターンが形成された側から光ビームを投射しても正確な段差量を測定することができない。これに対して、裏面側から光ビームを投射すれば、レジストパターンの影響を受けることなく深さ測定を行うことができ、エッチング途中の基板についても深さ測定を行うことができる。
【００１５】
透明基板の反対側に位置する段差を構成する２個の界面で反射した反射ビーム間にΔθの位相差が存在する場合、この位相差Δθは以下の式で表すことができる。
Δθ＝２π２ｎｄ／λ                              （１）
ここで、ｎは透明基板の屈折率、ｄは２個の間の界面と直交する方向における距離すなわち段差の高さレベル、及びλは測定光の波長である。従って、この位相差Δθを検出できれば、式（１）に基づいて段差の高さレベルｄを求めることができる。
【００１６】
本発明では、位相差Δθを位相シフト法により求める。このため、透明基板の段差を構成する第１の界面及び第２の界面でそれぞれ反射した２本の反射ビームの位相を相対的にシフトさせると共にこれら２本の反射ビームを合成して干渉ビームを発生する干渉光学系を用いる。干渉光学系から出射する干渉ビームは干渉光学系により与えられた位相シフト量及び段差に起因する位相情報の両方を含むから、この干渉光学系から出射した干渉ビームを光検出器により受光すれば、干渉光学系により与えられた位相シフト量に対応した干渉ビームの振幅を出力することになる。従って、例えば段差が形成される前の透明基板についての位相シフト量に対応した干渉ビームの振幅変化を測定し、次に段差が形成された状態で位相シフト量に対応した干渉ビームの振幅変化を測定すれば、これらの位相情報間の位相変位量が段差に起因する位相差Δθに相当する。
【００１７】
本発明は、測定すべき段差は透明基板の第１の面に直接形成されている場合及び第１の面の上側に形成した種々の膜により構成される界面から成る場合の両方の場合について適用することができる。さらに、第１の界面を構成する媒質及び第２の界面を構成する媒質を同一の媒質とすることができ、或いは第１の界面を構成する媒質及び第２の界面を構成する媒質が互いに相違する場合にも適用することができ、さらに、２個の界面の一方の媒質が同一で他方の媒質が相違する場合にも適用することができる。
【００１８】
本発明による段差測定装置の好適実施例は、光検出器の前面側に、ほぼ中央に開口が形成されているミラーを配置し、このミラーの開口を通過した光が前記光検出器に入射してコンフォーカル光学系を構成し、測定しようとする界面以外の界面からの反射光が光検出器に入射しないように構成したことを特徴とする。段差測定すべきサンプルに複数の界面が形成されている場合、投射された光ビームは各界面でそれぞれ反射する。この場合、測定すべき界面以外の界面で反射した反射光は光路から変移するため、コンフォーカル光学系を利用することにより不所望な界面で反射した反射光を除去することができ、測定精度が向上する。特に、透明基板上に複数の層を形成し、これらの層の界面間の距離である段差或いは膜厚を測定する場合に極めて有益である。
【００１９】
本発明による段差測定装置の好適実施例は、光源装置が、光放射ダイオード（ＬＥＤ）と位相回折格子とを有することを特徴とする。高精度な測定を行うためには、迷光の影響をできるだけ除去することが望ましい。しかしながら、各種光学素子の表面での反射や屈折の影響を完全に除去することは困難である。この場合、測定ビームとしてレーザ光を用いると、レーザ光はコヒーレンス長が長いため、発生した迷光が干渉してしまい、ノイズが生じてしまう。これに対して、ＬＥＤから放出された光ビームはコヒーレンス長が短いため、各種光学素子の反射面又は屈折面で迷光が生じてもこれらの迷光は正規の光路長よりも長い光路長にわたって進行するため、干渉性を失いノイズとはならない。従って、０．１ｎｍ程度の高分解能の測定を行うためには、光源としてＬＥＤを用いることは極めて有益である。さらに、２本のコヒーレントな光ビームを発生させるビーム分割素子として位相回折格子を用いれば、±１次の回折光だけが発生するので、ほとんど光量損失を生ずることなくビーム分割することができる利点が達成される。
【００２０】
本発明による段差測定装置の好適実施例は、対物レンズを、測定すべき透明基板の厚さに対して光学補正された板厚補正対物レンズとしたことを特徴とする。透明基板としてガラス基板を用い、ガラス基板の裏側から光ビームを入射させる場合、ガラス基板の厚さを考慮する必要がある。一方、ガラス基板の厚さは規格化されているが、公差が許容されているため、その範囲内で色収差等の収差及び視野について補正した対物レンズを用いる必要がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による段差測定装置により測定する試料の一例を示す。本例では、エッチング処理により位相シフタを形成する途中の位相シフトマスク１のエッチングにより形成される凹部の深さ、すなわち段差を測定するものとする。位相シフトマスク１は、光学的に透明な基板であるガラス基板２を具え、このガラス基板２の第１の面２ａ上に光透過開口を規定する遮光パターン３が形成され、さらに位相シフタを構成する段差を規定するエッチング用のレジスト膜４が形成されている。図１Ａはエッチング処理後の状態を示し、図１Ｂはエッチング処理中の深さｄの段差が形成されている状態を示す。尚、段差測定に当たって、ガラス基板２の第１の面２ａと対向する裏面である第２の面２ｂの側から互いに可干渉性の２本の測定ビームＬ１及びＬ２を投射する。そして、第１の測定ビームＬ１は段差を構成する２個の面のうちの一方の段差面であり空気との間で界面を形成する第１の段差面５ａに入射させ、第２の測定ビームＬ２は他方の段差面である遮光パターン２との間で界面を形成する第２の面５ｂに入射させる。
【００２２】
各段差面に入射した測定ビームは、それぞれ段差面で反射し、再び透明基板１の裏面である第２の面を通過し、測定系に入射する。
【００２３】
図２は本発明による段差測定装置の一例の構成を示す線図的断面図である。本例では、光源として４７０ｎｍのコヒーレントな光ビームを発生するＬＥＤ１０を用いる。ＬＥＤは電極面からも光を放出するが、側面から線状の高輝度の光ビームを放出するため、この線状の光ビームを測定ビームとして用いる。段差面はほぼ平坦な面であるが、微小な凹凸が存在するため、断面が円形又は楕円形の光ビームを用いると段差面の微小な凹凸の影響を受けるおそれがある。一方、線状の光ビームを用いる場合、段差面の微小な凹凸の影響を受けにくい特性がある。従って、ＬＥＤ１０からの線状ビームを用いることにより段差面による影響が軽減され、測定精度が向上する。尚、光源としてコヒーレントな光ビームすなわち可干渉性を有する光ビームを発生するものであればよく、勿論レーザダイオードを用いこともでき、さらにキセノンランプや水銀ランプとフィルタとの組合せも用いることができる。この場合、ＬＥＤから放出される光ビームは比較的コヒーレント長が短いため、過度な干渉性受けにくい利点がある。
【００２４】
ＬＥＤ１０から放出されたコヒーレントな光ビームはコリメータレンズ１１に平行光とし、この光ビームを位相回折格子１２により±１次の２本に回折光に分割する。従って、回折格子１２から互いに干渉性を有する２本の光ビームが出射する。尚、２本の光ビーム間の距離は、位相回折格子１２の格子ピッチを調整することにより所望の値に設定することができる。
【００２５】
これらの光ビームはリレーレンズ１３、試料に入射する照明光と試料から出射する光とを分離するハーフミラー１４、及びリレーレンズ１５を経て対物レンズ１６に入射する。この対物レンズ１６は、段差測定すべき位相シフトマスクのガラス基板に対して板厚補正された対物レンズとする。２本の光ビームは対物レンズ１６によりスポット状に集束されて図１に示す位相シフトマスク１に入射する。測定すべき位相シフトマスクはＸＹＺ移動ステージ（図示せず）に載置する。従って、位相シフトマスクは光軸と直交するＸＹ方向だけでなく、光軸方向であるＺ方向にも調整可能とする。従って、ＸＹＺ移動ステージを駆動調整することにより、測定すべき位置だけでなく、焦点調整をも行うことができる。
【００２６】
図１に示すように、一方の光ビームは遮光パターン３が形成されている部分に入射し、他方の光ビームはエッチングされる面に入射する。ガラス基板と空気との界面の反射率は約４％であり、ガラス基板とクロム又は酸化クロムの遮光膜との界面の反射率は４７０ｎｍの波長光に対して約１０％である。従って、エッチングすべき面に入射した光の一部及び遮光膜に入射した光の一部は反射する。
【００２７】
２本の反射ビームはガラス基板１の第２の面を経て対物レンズ１６により集光され、リレーレンズ１５及び第１のハーフミラー１４を経て干渉光学系２０に入射する。この干渉光学系は、位相シフトマスク１からの２本の反射ビームを合成して段差による位相差の情報を含む干渉ビームを発生する機能を有し、本例ではマッファツェンダ型のシェアリング光学系で構成する。この干渉光学系２０は、第１及び第２の光路にビーム分割を行う第１のハーフミラー２１を有する。第１の光路は、ハーフミラー２１、光路長を調節する一対の光学楔２２、全反射ミラー２３及び第２のハーフミラー２４を含む。第２の光路はハーフミラー２１、全反射ミラー２５、光路長を調節する一対の光学楔２６及び第２のハーフミラー２４を含む。位相シフトマスクからの一方の反射ビームは第１のハーフミラー２１を透過して第１の光路を伝播し、他方の反射ビームは第１のハーフミラー２１を反射して第２の光路を伝播する。そして、第１及び第２の光路の光路長は光学楔を調整することにより互いに同一或いは２π又はその整数倍になるように設定しておく。
【００２８】
空気との界面を形成する第１の段差面で反射した反射ビームの一部はハーフミラー２１を透過し、ハーフミラー２１で反射した成分は遮光する。従って、第１の段差面で反射した反射ビーム第１の光路を伝搬することになる。遮光パターン２との間で界面を形成する第２の段差面で反射した反射ビームのハーフミラー２１を透過した成分は遮光する。従って、第２の段差面で反射した反射ビームのハーフミラー２１で反射した成分は第２の光路を伝搬する。そして、これら第１及び第２の光路を伝搬する反射ビームはハーフミラー２４により合成され、１本の干渉ビームとして干渉光学系２０から出射する。
【００２９】
第２の光路の光学楔２６は第１の楔２６ａ及び第２の楔２６ｂを有し、第２の光学楔２６ｂにはアクチュエータ２７を連結すると共に位置検出器２８を連結し、アクチュエータ２７には駆動回路２９を接続する。アクチュエータ２７は、後述する信号処理回路からの制御信号により光学楔２６ｂを光路と直交する方向に一定の速度で移動させて第２の光路の光学的光路長を一定の速度で変化させ、位置検出器２８は楔２６ｂの位置を検出する。従って、第２の光路を伝搬する反射ビームは、楔２６ｂの移動に対応する光路長変化に対応する位相シフト量、すなわち時間的に連続的に変化する位相シフト量が付加されることになる。従って、干渉光学系２０から出射する干渉ビームは、位相シフトマスクの段差に起因する位相情報に加えて光学楔の定速移動に起因する位相情報を含むことになる。
【００３０】
干渉光学系２０から出射した干渉ビームは、結像レンズ３０を経てピンホールミラー３１に入射する。このピンホールミラー３１は、ビームが入射する部分に開口が形成されているミラーであり、その開口の形状は、光源すなわちＬＥＤ１０から放出される線状ビームの断面形状に対応させる。この結果、迷光はピンホールミラー３１により遮光されるので、コンフォーカルな光学系が構成され、ノイズを大幅に低減することができる。尚、干渉ビームをピンホールミラー３１のピンホールに正確に入射させるため、結像レンズ３２及び撮像カメラ３３を設け、開口付近の像を撮像する。干渉光学系２０からの干渉ビームはピンホールミラー３１の開口を通過して光検出器３４に入射し、電気信号に変換される。
【００３１】
位相シフトマスク１の表面側すなわち第１の面１ａ側には、測定しようとする段差付近の画像を撮像するための撮像光学系を配置する。この撮像光学系は、照明光を放出する光源４０を具え、光源４０からの照明光を光ファイバ４１及びを集光レンズ４２を介してハーフミラー４３に入射させ、対物レンズ４４を経て位相シフトマスク１に向けて投射する。位相シフトマスク１からの反射光は、再び対物レンズ４４、ハーフミラー４３及び結像レンズ４５を経て撮像カメラ４６に入射し、位相シフトマスクの測定すべき段差付近の画像が撮像される。撮像カメラは、位相シフトマスク１の段差付近の像に加えて裏面１ｂ側から入射する測定ビームの像も併せて撮像されるので、測定ビームが測定しようとする段差面に正確に入射しているか否かを確認することができる。
【００３２】
光検出器３４の後段にＰＳＤ（Phase Sensitive Device）３５を接続し、このＰＳＤの出力をＡ／Ｄ変換器（図示せず）を介して信号処理回路３６に接続する。ＬＥＤ１０は信号処理回路３６に接続され、信号処理回路からの駆動信号により高周波数で変調する。そして、ＰＳＤはＬＥＤ１０の変調周波数の信号成分を取り出し、信号処理回路３６に供給する。この結果、ダブルヘテロダイン検波が行われ、ノイズを一層低減することができる。
【００３３】
図３は光検出器３４から信号処理回路３６に出力される信号波形の一例を示す。図３において、横軸は光学系楔２６ａの移動により一方の反射ビームに導入される位相シフト量或いは楔が一定の速度で移動する場合は時間を示し、縦軸は光検出器３４により受光される干渉ビームの振幅を示す。曲線Ａは段差によりある位相差が生じた場合の光検出器の第１の出力信号すなわち位相シフト量に対する干渉ビームの振幅変化を示し、曲線Ｂは別の位相差が生じた場合の位相シフト量に対する干渉ビームの振幅変化を示す。光学楔２６ａは一定の速度で光軸と直交する方向に移動するため、干渉光学系２０の第２の光路の光学的光路長が第１の光路の光路長よりも時間と共に増大し、干渉光学系２０の２個の光路を伝搬する反射ビーム間の位相差が時間と共に増大する。一方、光検出器３４が受光する干渉ビームは位相シフトマスク１の段差面でそれぞれ反射した２本の反射ビーム間の位相差と光学楔２６ａの移動により導入された位相シフト量の両方を含むから、光検出器３４の出力信号は一般式として以下のように記述することができる。
Ｉ＝Ａｃｏｓ（θ−２πωｔ）
ここで、Ｉは光検出器３４から出力される信号の強度すなわち干渉ビームの振幅であり、Ａは定数であり、θは２本の反射ビーム間の位相差であり、ωは楔の移動速度に相当する角速度であり、ｔは時間である。
【００３４】
光検出器３４からの出力信号は位相差情報を含む正弦波信号となる。従って、ある段差状態での出力信号と別の段差状態における出力信号とを比較し、両者間の位相差Δθを求めれば、この位相差は段差に起因する位相差情報となる。この場合、一方の出力信号を位相差θがゼロとなる状態における出力信号、例えばエッチングにより段差が形成される前の状態における位相差情報を基準位相差情報とすれば、両者の位相差を比較し、その位相差Δθを求めることにより式（１）に基づき段差の値を決定することができる。
【００３５】
尚、光検出器３４からの出力信号は段差面での反射による位相反転による位相差や各種光学素子での反射等による位相差も含むが、これらの位相差は定数としてみなすことができ、例えばエッチングにより段差が形成される前の光検出器３４からの出力信号を基準位相情報とし、エッチングにより段差が形成された後に測定した出力を測定位相情報とすれば、これら位相情報の差異は段差に起因する位相差Δθだけである。従って、測定された２個の位相情報間の位相差Δθを検出すれば、上述した各種光学素子により発生する位相差や反射による位相反転による位相差の影響を受けることなく式（１）に基づいて段差を決定することができる。このように構成することにより、界面の光学特性の異なる２個の段差面が形成されている場合でも、界面の影響を受けることなく段差量又はエッチング量を正確に検出することができる。
【００３６】
次に、信号処理回路３６の動作について説明する。干渉光学系２０の第１及び第２の光路間の位相差をゼロ又は２ｎπ（ｎは正の整数）に設定して測定を行うものとする。初めに、基準となる第１の測定を開始する。アクチュエータ２７は少なくとも１周期に相当する距離だけ移動し、測定波長に１周期に相当する光学距離だけ第２の光路の光路長を増大させる。そして、信号処理回路３６は、１周期に相当する光検出器３４からの出力データすなわち導入された位相シフト量に対する干渉ビームの振幅変化をＡ／Ｄ変換器を介して順次メモリに記憶する。この第１の状態は、例えばレジストパターンが形成されているエッチングを行う前の段差が形成されていない状態とすることができる。次に、エッチングを行い、所定の深さの段差を形成し、この状態を第２の状態とする。そして、この第２の状態において、同様な測定を実行し、信号処理回路３６は１周期分にわたる位相シフト量に対する干渉ビームの振幅変化のデータを記憶する。そして、これら２個のデータを比較し、両者の位相変位量を求め、段差を決定する。
【００３７】
位相変位量を求める方法として種々の方法があるが、一例としてフーリェ変換位相シフト法を用いる。この場合、初めに、第１の状態においてメモリに記憶した１周期分のデータについてフーリェ変換を行う。次に、実数部の虚数部に対する正接を求めることにより位相角θ１が得られ、この位相角θ１が第１の状態における２本の反射ビーム間の位相差を表す。次に、第２の状態におけるデータについても同様な処理を行い、第２の状態における位相角θ２を求める。次に、第１の状態の位相角θ１から第２の状態における位相角θ２を減算することにより位相変位量が求められる。そして、式（１）に基づいて段差の深さ又は凹部の深さｄが求められる。
【００３８】
位相変位量を求める別の方法として、図３に示すように、２個の状態における位相シフト量に対する干渉ビームの振幅の関係から各ピーク値を求め、第１の状態におけるピーク値と第２の状態のピーク値との差から位相変位量を求めることもできる。
【００３９】
図４は本発明による段差測定装置の別の実施例の構成を示す線図である。図２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て説明する。ＬＥＤ１０から放出された光ビームをコリメータレンズ１１を経て偏光ビームスプリッタ５０入射させ、特定の偏光面の光ビームだけを反射させる。偏光ビームスプリッタ５０で反射した光ビームはλ／４板５１を経てノマルスキープリズム５２に入射する。このノマルスキープリズム５２は、互いに可干渉性を有する２本の光ビームを放出し、これらビーム間の距離はノマルスキープリズムの傾斜角等を代えることにより所望の距離に設定することができる。ノマルスキープリズム５２から出射した２本の光ビームは対物レンズ１６により微小スポット状に集束して位相シフトマスク１に入射し、一方の光は一方の段差面に入射し他方の光ビームは他方の段差面に入射する。これら段差面に入射したビームはそれぞれの段差面で反射し、再び対物レンズを経てノマルスキープリズム５２に入射し、１本の干渉ビームに合成される。ノマルスキープリズム５２にはアクチュエータ２７を連結し、ノマルスキープリズムの光路への挿入量を時間的に連続して変えることにより、このノマルスキープリズムから出射し位相シフトマスク１で反射した２本のビーム間に時間的に連続して変化する相対的な位相シフトを導入することができる。従って、ノマルスキープリズム５２から位相シフトマスク１の段差に起因する位相差情報及びノマルスキープリズムにより導入された光路長差に起因する位相シフト量を含む干渉ビームが出射する。
【００４０】
ノマルスキープリズム５２から出射した干渉ビームは、λ／４板５１を経て偏光ビームスプリッタ５０に入射する。この干渉ビームは、λ／４板を２回通過しているので、その偏光面が９０°回転しており、偏光ビームスプリッタ５０を透過する。さらに、この干渉ビームは結像レンズ３０及びピンホールミラー３１を経て光検出器３４に入射する。光検出器３４は、図２に示す実施例と同様に、ノマルスキープリズムの移動により導入された位相シフト量に対する干渉ビームの振幅変化を出力する。
【００４１】
次に、本発明により測定できる対象について説明する。図５Ａ〜Ｃは本発明により測定可能な種々の対象を測定する例を示す。図５Ａは段差が形成されている透明基板６０上に別の層６１が形成されている場合の段差測定及び膜厚測定を示す。段差を構成する２個の界面６２及び６３は共に透明基板と別の層により構成されており、この場合光ビームＬ１及びＬ２はそれぞれ界面６２及び６３で反射するため、これらの反射光を用いることにより段差ｄを測定することができる。すなわち、段差を構成する２個の界面が共に同一の媒質で構成される場合にも本発明に基づいて段差測定することができる。尚、この場合、第１の測定として界面６２又は６３のいずれか一方の界面に２本の光ビームを入射させて同一界面からの反射ビーム間の位相情報を測定し、次に図示の光ビームＬ１及びＬ２を投射して第２の測定を行って第２の位相情報を測定、これら位相情報から位相変位量を求めることにより段差ｄを測定することができる。
【００４２】
別の膜６１が光学的に透明な透明層の場合、光ビームＬ１’及びＬ２’を投射し、透明基板６０と透明層６１との間の界面６３及び透明層６１と空気との界面６４でそれぞれ反射した反射ビームを用いることにより、基板上に形成した透明層の膜厚を測定することもできる。すなわち、本発明は透明基板上に形成した透明層の膜厚測定装置としても機能することができる。
【００４３】
図５Ｂは透明基板６０上に別の透明層６５不透明層６６が形成され、この別の透明層６５に形成された段差ｄ1 を測定する例を示す。このように、透明基板の表面に直接形成されず、透明基板上に形成された透明層の段差を測定することもできる。ガラス基板上に種々の半導体層を形成して半導体デバイスを製造する場合並びにガラス基板上に導波路や各種の光学部品を形成する場合に特に有益である。また、光ビームＬ１’及びＬ２’を投射することにより、透明基板上に形成された透明層６５の膜厚ｄ2 も測定することができる。
【００４４】
図５Ｃは透明基板６０上に３個の透明層６７、６８及び６９が順次形成されている場合に各透明層の膜厚を測定する例を示す。この場合にも、各界面での反射光間の位相差を測定することにより各透明層の膜厚を測定することができる。本例では、中間層６８の両側の界面での反射光を用いることにより、中間に位置する透明層の膜厚を測定できる利点がある。すなわち、基板上に連続して透明層を形成する場合に特に有益である。
【００４５】
次に、本発明による段差測定法を利用したエッチング装置及びエッチング方法について説明する。図６は本発明によるプラズマエッチング装置の一例の構成を示す線図である。図６を参照するに、本発明によるエッチング装置はエッチング処理を行うエッチングチャンバ７０とエッチング量の測定を行う予備室７１とを具える。エッチングチャンバ７０は上側電極７２及び下側電極７３を有し、これら電極間に所定の電圧を印加するためのＲＦ電源７４を接続する。下側電極７３上にエッチング処理すべき位相シフトマスク１を配置する。エッチングチャンバ７０にはエッチングガスを供給する種々の導管や排気するための導管等を接続する。
【００４６】
エッチングチャンバ７０と予備室７１とはバルブにより連通する。予備室７１には、上述した段差測定装置の光学系をユニット化した光学系ユニット７５を配置し、この光学系ユニットは予備室の外部に配置した信号処理回路７６に接続し、予備室７１の外部から種々の信号処理を行い、位相差データを取り出す。予備室７１には窒素ガスを供給する導管や排気用の導管を接続すると共にバルブを介して外気と連通させる。
【００４７】
エッチングチャンバ７０内に配置したレジストパターンが形成されている位相シフトマスク１はローダ（図示せず）により予備室７１に移送され、サセプタ７７上に載置する。サセプタ７７の中央部分には開口が形成され、光学系ユニット７５から投射した光ビームはサセプタ７７の開口を経て測定すべき位相シフトマスク１の裏面側に入射し、レジストパターンが形成されている第１の面で反射し再び光学系ユニットに入射する。そして、光検出器からの出力は外部に配置した信号処理回路７６に供給され、信号処理回路により測定データが発生する。尚、信号処理回路７６には表示装置を接続してエッチング量やエッチング速度等のデータを表示することができる。
【００４８】
図７は本発明によるエッチング方法のアルゴリズムを示す。工程１においてエッチング処理に先立って、レジストパターンが形成されている位相シフトマスクを予備室に配置し、エッチング処理前の位相測定を行い、エッチング前の位相シフトマスクについての位相シフト量に対する干渉ビームの振幅の変化を第１の位相情報として信号処理回路７６のメモリに記憶する。
【００４９】
次に、工程２において第１のエッチング処理を実行する。この第１のエッチング処理の処理量は、目標エッチング量未満のエッチング量、例えば目標エッチング量の８０％に設定することができる。また、第１のエッチング処理の処理量は、エッチング時間として設定することができる。
【００５０】
第１のエッチング処理の終了後、工程３において、位相シフトマスクをローダにより予備室に搬入し、第２の位相測定を行う。第２の位相測定において、第１の位相測定と同一の条件で、エッチング後の位相シフトマスクの位相シフト量に対する干渉ビームの振幅の変化を測定し第２の位相情報として信号処理回路６６のメモリに記憶する。
【００５１】
次に、工程４において、信号処理回路６６は、エッチング前の第１の位相情報と第１のエッチング処理後の第２の位相情報とを比較し、位相差Δθを求める。次に、第１のエッチング処理工程のエッチング時間と位相差Δθとの関係からエッチング速度を求める。さらに、目標エッチング量に相当する位相差と第１のエッチング処理により生じた位相差との間の差を求め、追加のエッチング量を決定する。さらに、求めたエッチング速度と追加のエッチング量からさらに行うべきエッチング時間を求め、このエッチング時間を第２のエッチング処理すべきエッチング時間として設定する。このように構成することにより、位相差をフクターとするだけで第２のエッチング処理の処理時間を決定することができる。尚、位相差Δθから実際のエッチング深さを求め、エッチング深さの情報に基づいて第２のエッチング処理時間を規定することもできる。
【００５２】
次に、工程５において、第２のエッチング処理を設定された時間にわたって実行する。
【００５３】
次に、工程６において、レジストパターンを除去し、さらに工程７において最終的な所望の深さの段差が形成されているか否かを確認する。この確認測定は、表面側から透過光測定により確認することができる。
【００５４】
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、エッチングチャンバに隣接した予備室においてエッチング量の測定を行ったが、エッチングチャンバ内の下側電極の一部に開口を設け、この開口の下側に本発明による段差測定装置の光学系を収納した光学系ユニットを配置し、エッチング処理中に位相シフト量を連続して測定することもできる。この場合、位置合わせを行うための撮像カメラからの信号をエッチングチャンバの外部に配置した表示装置に供給し、チャンバの外部から位置合わせ等の作業を行うことができる。
【００５５】
さらに、上述した実施例では、位相シフトマスクにエッチング処理を行う場合について説明したが、本発明は光学的に透明な基板にエッチング処理する全ての場合について適用することができ、例えば光導波路等の光集積回路の製造にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による段差測定の原理を説明するための位相シフトマスクの一例の構成を示す線図的断面図である。
【図２】  本発明による段差測定装置の一例の構成を示す線図である。
【図３】  楔の移動時間と光検出器出力との関係を示すグラフである。
【図４】  本発明による段差測定装置の別の実施例の構成を示す線図である。
【図５】  本発明によるエッチング装置の一例の構成を示す線図である。
【図６】  本発明による段差測定方法による種々の測定対象を示す線図である。
【図７】  本発明によるエッチング方法のアルゴリズムを示す。
【符号の説明】
１  位相シフトマスク
２  透明基板
３  遮光パターン
４  レジストパターン
１０  光源
１２  位相回折格子
１６  対物レンズ
２０  干渉光学系
２１，２４  ハーフミラー
２３，２５  全反射ミラー
２２，２６  光学楔の対
２７  アクチュエータ
２８  位置検出器
３１  ピンホールミラー
３４  光検出器
３５  信号処理回路
【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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