JPS6189501A - 境界面測定装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、例えばＳｉウェハに穿孔した深い溝や穴の内
面形状、または生物細胞中に存在する気泡や異物穀粒を
検知測定する境界面測定装置に関するものである。

〔発明の背景〕

近年、半導体素子の高集積化に伴い、素子構造は２次元
釣手面構造から３次元的立体構造に向って進歩している
６例えば近接した異なる素子間の電気的絶縁を保つため
、相隣り合う素子間に深い溝を作ることが実用化されつ
つあり、さらに大きな電気的容量を微小面内で実現する
ため、開口が小さい深穴を半導体基板に作ることが試み
られている。当然ながらこれらの溝や穴（以下穴という
）の形状が素子特性に大きく影響し、その形状が素子ご
とに異なることは許されない。したがって常に形状確認
が必要であり、そのための計測手段が切望されている。

しかしながら結論的にいうと、例えばＳｉウェハ中の深
穴をｗｌ察できる装置は現実に存在しない。ここでいう
深穴とは例えば開口径１ρで深さが１０−である（相対
深さ１０＝１０岬÷ｌｌ５ｌ）。従来技術でｉ祭、計測
可能な範囲は非常に浅い穴、すなわち物体表面のゆるや
かな凹凸に限られる。例えば開口径１０ｔｍで深さがＩ
ＩＭの場合（相対深さ０．１　＝　１　ｔｍ／　１０Ｉ
Ｉｍ）は比較的容易である。

このことは深さが１０−の場合は開口径が１００ｐであ
ることを意味する。当然ながら穴の断面が矩形状（すな
わち側壁が表面に垂直）の場合や１円状（すなわち側壁
が穴の内部でふくらみを有する）の場合は、事実上計測
できない。

深穴の特殊な例としては開口が無限に小さい穴を想定す
ることができ、開口径を０とすれば空洞になる。このよ
うな空洞３３！察は半導体素子が立体化した場合に頻度
高く要求されることが予想されるし、生物体の分野にお
ける生物細胞では現在すでに必要性が高い。Ｓｉ中の空
洞観察および計測は、Ｓｉ中の深穴計測が不可能である
のと同じ理由で、現在の装置では不可能である。

上記のように従来技術では、最近の要求を満すことがで
きないが、つぎに現在、広く実用されている機械的手法
を用いる例と、光学的手法を用いる３例を具体的に説明
し、従来技術の欠点を明らかにする。

現在用いられている機械的表面形状測定装置の原理構成
図を第３図に示す。第３図において針状探針１を被測定
物体２に所定の圧力で接触させ、架台３上で移動する試
料台４上の被測定物体２の表面凹凸を計測する。探針１
は変位検出器（例えば作動変圧器）６のプランジャ５に
連結している。

探針１が上下に変位すると、その移動量は検出器６を介
してメータ７に表示される。矢印８の方向に上記試料台
４が移動すると、同時に被測定物体（以下試料という）
２も移動し、結果的に探針１が上下する。このようにし
て横方向の移動量と凹凸の関係が求まるから、凹凸形状
を知ることができ、精度は数ｎｍもまれではない。しか
し探針１の先端半径は小さくても１−程度であるから、
第４図（ａ）に示すζうに、径１ｔ１ｍの試料２の深穴
２ａの中に入ることができず、深穴２ａの形状や深さを
測定することができない。また上記の機械的表面形状測
定装置は、試料２の表面と探針１の先端が接触しな；Ｉ
＜ら移動するために、試料２を損傷させることがあり、
一種の破壊検査であるところから近年は歓迎されない。

そのため最近は非破壊検査を指向した光学的手法が注目
され始めている。凹凸に限らず表面形状を観察、計測す
る光学的手段の中で多用されているのが光学顕微鏡であ
り、これらは種類も多く、必ずしもすべての光学顕微鏡
の機能は同一でないが、金属顕微鏡で代表される通常の
反射型光学顕微鏡を例にとって、凹凸計測の機能につい
て述べる。光学顕微鏡は一般に平坦な表面上の微細構造
をｗｌ察するものであり、凹凸がある場合には上部と下
部で焦点ずれが生じ正確な形状がつかめない。

特に倍率が大きくなると、ｎ台の上下移動で焦点が大き
く狂う。これを逆に利用すると顕微鏡を用いて表面の凹
凸を計測することができる。すなわち、顕微鏡の対物レ
ンズと試料を相対的に移動させ１人間の目で焦点を検出
し焦点移動量から試料表面の凹凸を知ることができる。

しかし、深穴の底部からは反射光が事実上戻らないから
、深穴は単に黒点に見えるだけであり１本発明が対象と
する深穴計測には応用できない。

浅い穴の場合には底部からの反射光が戻るので深さを計
測することができる。しかし次に速入る理由で深さ方向
の測定精度が悪い。すなわち焦点位置の判定は観ａ１ｇ
者の目で像のコントラストが高いか低いかで判断するが
、通常の顕微鏡の場合。

観測者の目には焦点が合っていない部分からの反射光も
入り、これが背景光として妨害するため、合焦点面の像
のコントラストを下げてしまい、どの位置が焦点面か決
めるのが難しく、癖以下の精度で焦点面を決定すること
ができない。したがって精度的には上記の機械的方法よ
り悪い。視野を無限に狭くする（つまり接眼レンズの焦
点位置にピンホールを置く）とこの精度は向上するが、
この場合実際に顕微鏡として機能せず、以下に記す光学
的表面測定器に等しくなる。

上記のように従来の光学顕微鏡では、浅穴に対してだけ
虜台の低い精度で表面形状を識別できる。

浅穴の凹凸に対する計測精度を向上できる方法は反射干
渉を用いるものであるが、これが光学的手法の第２例で
、この原理は古くから知ら九でおり、膜厚計測に広く用
いられている。この方法の原理を第５図に示す。試料２
′は単純な段差があると仮定し、可干渉性光線９ａおよ
び９ｂを試料２′の表面に照射すると、試料２′からは
反射光線１０ａおよび１０ｂが戻ってくる。段差がある
場合は反射光線１０ａ、１０ｂが光路差分だけ位相ずれ
を生じ、適当な面１１ではいわゆる干渉縞が形成される
。この干渉縞を解析することにより、試料２′面上の段
差あるいは凹凸を定量的に知ることができる。

干渉法の最大の特徴は凹凸計測精度が非常に高く、ｌｎ
ｍ台の高低差を容易に計測できる。しかし第４図（ｂ）
に示すように、深穴には適用することができない。深穴
２ａ入射した光線９ｂ’は反射光線１０ｂ’のように深
穴２ａの内奥に向って進み１反射光線として観測するこ
とができず、単に開口回折バタンか生じるだけである。

いうまでもなく開口回折は深穴の開口径の情報しか含ま
ず、深さ方向の情報をもたない。

上記光学的手法の２例は測定精度として両極端に位置す
るが、精度的に両者の中間に位置する第３例をつぎに述
べる。上記第３例を光学的表面測定器と仮称し、第６図
（ａ）に上記測定器の原理構成を示す。試料２は水平面
内だけでなく上下方向にも移動可能な試料台２１上に設
置されており、試料台２１は架台２２の上に設けられて
いる。光源１２から出た光線１３は半透鏡１５を通過し
、レンズ１６で試料２の表面に照射され、光線１３の焦
点１３′　が試料２の表面に位置している。第６図（ａ
）に示す構成で重要なことは、光線１３の波長が比較的
短かいことで、結果的に焦点１３′で多量の反射を生じ
る。

この反射光は１ノンズ１６を通過し半透鏡Ｉ５によって
光線１４となり、レンズ１７で集束され焦点１４′で微
小スポットとなり、ピンホール１８の細孔を通り光検出
器１９に入り、光量がメータ２０で表示される。

周知のように第６図（ａ）に示す光学系はいわゆる共焦
点方式であり、焦点１３′　と焦点１４′　とは連動し
て変化する。試料台２１を上下させて焦点１３′から引
きはなすと、試料２の表面には焦点がぼけた大きなスポ
ットを生じる。それに応じ焦点１４’もぼけた状態で大
きくなり、ピンホール１８を通過して光検出器１９に到
達する光量は減少する。逆に試料２をレンズ１６に近づ
けても、試料２の表面での光スポットは増太し、ピンホ
ール１８面上でのスポット径は大きくなり、結果的に光
量ノコ示メータ２０の読みは減少する、 上記事項をグラフ化すると第６図（ｂ）に示すようにな
る。横軸に試料台２１の上下方向位置を２でしめし、縦
軸に光検出器１９に到達する光量を示す。

Ｚｏは焦点１３′　が試料２の表面に一致する試料台２
１の位置でる。焦点１３′　が試料２の表面からいずれ
の方向にずれても光量は減少している。

試料２を横方向に所定量移動させたのち停止し、ついで
上記試料２を上下させると、上に述べたのと同じ操作に
よって検出光量が最大となる点を求めることができる。

なお、正確にＺ。を決定するために、第６図（ｂ）の曲
線を微分して第６図（ｃ）に示すような曲線に直すこと
が多い６すなわち第６図（ｃ）では光量微分が零となる
点をＺ。とする。

上記のようにして、光学的表面測定器は物体表面の形状
を測定することができる。凹凸量の測定精度は光学顕微
鏡と干渉法の中間に位置し、多くの場合０．１ρ台の精
度となり、しかも非破壊方式であることから従来例の中
では最も実用性が葛い６測定器度を確保するためには、
焦点１３′の焦点深度を浅くする必要があり、このため
レンズ１６の口径を大きくし、しかも短焦点にする。そ
の結果焦点１３′の集束角は大きくなる。従って上記光
学的表面測定器を深穴測定に応用しようとすると、第４
図（ｃ）に示すように、焦点１３′は深穴周辺部に邪魔
されて深穴２ａの中に入ることができない。

つまり光学的表面測定器は深穴計測に利用できない。

つぎに上記光学的表面測定器の限界について記す。第６
図（ｃ）に示したように、光量変化が零の点を合焦点位
置Ｚ０としているが、電気回路的には、微分値が正確に
零である点を検出することは困難であり、通常は０±Δ
ｖ／２の範囲の電圧（もしくは電流）信号を検出する。

この認識中ΔＶは一般にパ窓”幅といわれることが多い
が、この値は信号増幅器の雑音レベルとのかねあいで有
限の値にセットされる。これを図解的に第７図（ａ）に
示す。微分値曲線２４′は第６図（ｃ）に示す曲線２４
と同じであり、同図から判るように有限の窓幅により、
Ｚｏの決定精度はΔＺの幅を有することになる。窓幅を
小さくできない要因が信号増幅器の雑音レベルであるこ
とは既に述へたが、もう一つの大きな要因は増幅器の零
点ドリフトである。

この零点レベル変動は、室温ドリフトなどのため雑音同
様避けえない。第７図（ａ）に示すように零点ドリフト
電圧をΔＶ−とすると、微分曲線２４′　から２４ａに
移り、見掛は上Ｚ０はＺ０′　に移り、Ｚｏ計測に大き
な誤差を与えることは明らかである。このように従来の
光量微分方式では、計測精度Δ２は、多くの場合±０．
ＩＰかそれより大きくて悪い。

精度ΔＺの改善は第７図（ａ）から判るように、微分値
曲線２４′　をより急勾配にすればよい。このことは第
６図（ｂ）の検知光量を増大させることに相当する。し
かし光量増大にも限界があり、結局ΔＺはすでに述べた
±０．ｌｌ１ｍ程度となる。一方。

検知光量が減少した場合は上記と全く逆の事態となる。

すなわち第７図（ｂ）に示すように、微分値曲線２４ｂ
の勾配はゆるやかになり、９点検出窓幅が同じでも、Ｚ
Ｉ、の検知精度Ｚ０はΔＺからΔＺ′へ大幅に悪く大き
くなる。光量低下に伴う精度低下は、従来の光学的表面
測定器では致命的といえる欠陥である。すなわち使用し
ている光線が測定物体を透過するような波長の場合がそ
の最悪の例であり、物体からの反射光が激減するから第
７図（ｂ）に示す状態になり、事実上測定不能になる。

したがって従来の光学的表面測定器では、反射光量が少
ない物質の測定ができない。

上記のように従来の光学的表面測定器は、つぎに示すよ
うな制約を有している。

（１）反射光量が少ない（使用光線の波長が容易に透過
できる）物質には適用できない。

（２）測定精度が検知光量に依存する。

（３）零点検出窓幅が電気回路的なドリフトにより余り
小さくできない。したがって測定精度が向上しない。

上記制約（１）は深穴計測に従来技法が使用できない原
因であるが、（１）〜（３）の各項がいずれも光量微分
の手法を用いたことに起因しているといえる。

〔発明の目的〕

本発明は、従来測定不能であった深い穴や物体中の空洞
形状等を測定できる境界面測定装置を得ることを目的と
する。

〔発明の概要〕

本発明は、光量微分法を用いた従来の表面測定器が上記
の各制約を有するために、上記光量微分法を用いず１代
りに光量相対比を用いることにした。本発明に用いる光
量相対比の原理を第８図によって説明する。第８図（ａ
）は第６図に示した従来の光学的表面測定器において、
試料２と焦点１３′のスポットを相対的に離反もしくは
接近させたときに、ピンホール１８面上に結像するスポ
ットの径方向の光量分布を示す。第８図（ａ）で曲線２
５は試料２の表面上に焦点１３′　が最小スポット径（
例えば１ｔｌｆｎ）で合焦点的に結像した場合で、焦点
１４′のスポットも最小になる場合である。試料２の表
面から焦点１３′　が離反するにつれ、ピンホール１８
面でのスポットの径は増大しはじめ、光量分布範囲は曲
線２５ａ、２５ｂで示すように増大して行く。試料２を
レンズ１６に接近させても、同じようにスポットの径は
増大する。なお第８図（ａ）に示すピンホール１８面上
でのスポットの変化か結果的に前記第６図（ｂ）の曲線
２３の原因である。すなわち、曲線２５に示すようにス
ポットが小さな場合は殆ど全ての光がピンホール１８の
細孔を通過するから、曲線２３はこの時に最大になる。

試料２とレンズ１６の距離を変化させると、スポットは
第８図（ａ）の曲線２５→２５ａ→２５ｂのように変化
し、ピンホール１８の細孔を通過する光量が減少してく
る。

ここでピンホール細孔の面積をＳ＋１．スポット光軸上
の光量密度をＴ（０）とすると、ピンホール１８の細孔
を通過する光量Ｉｐｉ。は ＩＰｉｎ＝Ｉ（０）Ｓ、　　　　　（１）で与えられる
。従来の技術ではＩ　Ｐｉｎだけを測定し、これを微分
処理していたことになる。第６図（ｂ）の曲線２３はＩ
　ｐｉｎ曲線である。本発明ではＩ、ｉ。の他に光軸か
ら離れた点における光量も測定する。第８図（ａ）にお
いて、例えば光軸から半径ｒ＝ｒ、の点で面積Ｓｒの開
孔を設け、光量１１を測定する。ｒ＝ｒ、、における光
量密度をＩ　（ｒｏ）とすると、１７は Ｉ　、：　Ｉ　（ｒ、）Ｓｒ　　　　　　　（２）とな
る。また、試料２の表面の上下位置を変化させたとき、
式（１）および（２）で示す光量Ｉ　ｐｉｎおよびＩ、
がどのような動きをするか調べてみる。

Ｉ　ｐｉｎについては第６図（ｂ）の曲線２３に示すよ
うに、合焦点位ＵＺ０近傍ではゆるやかな変化しかなく
、このままだと正確にＺ。を定めることができない。従
来技術において第６図（ｂ）の曲線２３を微分操作する
のは、このようなＩ　Ｐｉｎ曲線のゆるい変化を強調す
るためである。

■２，７曲線がＺ。近傍でゆるやかな変化しか示さない
のは、スポットの光量の大部分が既にピンホール■８の
細孔を通過しているからである。これに対し、光軸外の
光量１１は第８図（ａ）からも容易に判るように、極限
値零に向って絶対値は小さいが相対的には大きな変化を
示す。例えばＳｒ＞３０とすると、曲線２５ｂの場合は
明らかにＩｒ＞Ｉｐｉｎ　　　　　　　　　（３）とな
る。曲線２５ａの場合には ■、〜Ｉｐｉｎ　　　　　　　　　（４）となり、さら
に曲線２５（合焦点）の場合はＩ　ｒ＜　Ｉ　ｐ；ｎ　
　　　　　　　（５）と逆転する。しかも理想的には２
゜近くで■、→Ｏ・・（６）と限りなく零に近づく。

上記の説明で判るようにＺａｋ検出する目的ではＩ　Ｐ
ｉｎすなわちピンホール１８の細孔を通過してくる光よ
りも、光軸を外れた部分における光重。

の方が適していることが判る。■、＝０の点が第６図（
ｂ）、（ｃ）もしくは第７図（ａ）、（ｂ）に示すｚｏ
の位置に相当する。しかし工、だけを用いることは必ず
しも便利ではない。その第１の理由は、電気回路のＩ−
リフトの妨害であり、上記従来技術における光量微分の
零点検出の場合に類似した困難さがある。回路上の零点
ドリフトにより、零点検出窓から信号レベルが外れると
Ｚ。は不定になり、システ１１は暴走してしまう。第２
の理由は光量変動による検知レベルの変化である。した
がって本発明ではＩ　ｐａｎ／　Ｉ−の比を用いる。こ
のような新しい変数を用いることにより、従来技術の上
記した３項の制約を全て除去することができる。

既に式（３）〜（６）に示したようｃＬ　ｒ　ｐｉｎ／
　Ｉ　、は試料位置Ｚの変化に伴い、第８図（ｂ）に示
すような変化をする。第６図（ｃ）と第８図（ｂ）とを
比較するとよく判るように、光量微分曲線は２＝２８で
零に収斂するが、光量相対比曲線は２＝２６で発散する
。従って電気回路に少し位のドリフトがあっても事実上
影響がない。第８図（ｂ）で限界値Ｖｔｈを設定し、こ
の値をこえた点をＺ。とじて識別することができる。上
記のように本発明では従来方法の第３の制約であった回
路ドリフトの影１１は全く無視できる。また、従来方法
の第２の制約であった検知光量依存性を完全に除去する
ことができる。すなわち物体２からの反射光が減少した
場合、式（１）、（２）においてＩ　Ｐｉｎ−Ｉ　ｒと
もに同じ割合で減少するから、Ｉ　、ｉ、／　Ｉ　、を
求めるとこの光量相対比は明らかに反射光の大小によら
ず物体２と焦点１３′の相対位置関係だけに依存する。

従来方法の第１の制約は第２の制約から派生するが、本
発明によれば反射光の大小によらないから当然解除でき
ることは明らかである。このように本発明によれば物体
２から少しでも反射光が戻れば計８１１でき、その結果
光透過性の物質に対しても広く適応できることになる。

本発明の構成特徴として、従来方法が測定対象としたＩ
　ｐｉｎの他に反射光結像焦点１４′（第６図（ａ）参
照）のスポット外周部の光を計測しているが、このこと
は技術的に必ずしも容易ではない。例えば対象としてい
るスポット径が１７７１１１の場合は、外周部としての
半径位置ｒ。（第８図（ａ）参照）は例えば５ｕｒｎと
なる。

従って任意の光検出器を単純に２個並べて実現できるわ
けではない。虜サイズの独立した光検出器は市販されて
いない。このため本発明では２種類の光検出系を提案す
る。第１の提案は光学的分離手段を用いるものであり、
第２の提案は半導体光検出器を用いるものである。

第１の光検出手段を第９図に示す。第６図の従来方法の
光学系に適用することを考えてその要部を示している。

ピンホール１８を用いて例えばＩＩｊｍの細孔を通る焦
点１４’の光を光検出器１９で検出し、これを増幅器２
８で増幅してＩ　Ｐｉｎを得る。つぎに半透鏡２６で光
線１４を分割し焦点１４’を円環状アパーチャ２７に結
像させる。焦点１４′の中心軸光は円環状アパーチャ２
７で遮断され、軸外の光だけが円環開−口を通過して光
検出器１９′　に入る。光検出器１９′の出力は増幅器
２８′で増幅され■１となる。

上記の構成によれば従来の部品を組合わせて比較的容易
に本発明のための２つの信号を得ることができる。ただ
しピンホール１８と円環状アパーチャ２７とをそれぞれ
焦点１４′　と１４′とに軸合わせする手数がかかると
いう欠点がある。

半導体光検出器を用いる第２の提案は、上記軸合わせの
困難を軽減し、かつ装置構成を単純化するためのもので
あり、その要部を第１０図に示す。

すなわち抵抗性電極基板３２上にＳｉ層３１および３１
′　を形成し、機械的にこれら２層を分離して光学的、
電気的独立性を確保する。上記Ｓｉ層３１゜３１′上に
光を透過する薄い金属膜３０．３０’　を形成すると、
よく知られているようにショットキ接合が完成するにれ
に光を照射すると、太陽電池の原理で光電流を引き出す
ことができる。上記金属膜３０上にはピンホールを有す
る金属膜２９を形成し、焦点１４′の光だけがＳｉＦ！
Ｊ３１に到達するように構成されている。一方Ｓｉ層３
１′　には焦点１４′　の軸外周辺部の光が入射する。

従って金属膜３０．３０′に接続された増幅器２８．２
８′　からはそれぞれＩ　Ｐｉｎ−Ｉ　ｒに対応する信
号が取出せる。本方式は第９図に示す第１の方式に較べ
て、焦点１４′　と光検出器との相互軸合わせが一度で
すむという利点がある。

上記のように本発明は原理的に従来の微分検出法に較べ
ると従来法が有した制約を全て除去することができ、さ
らに第８図（ｂ）に示すように高い精度でＺ。を決定で
きるという利点がある。上記説明は全てＩ　ｐｔｎ／　
Ｉ　ｒ比を用いて行ったが、■１／■四。を用いても全
く同じことがいえる。この場合には第８図（ｂ）の曲線
は２＝２．で下方に急落する形になり、限界値Ｖｔｈは
値が小さい領域にセットされるだけである。

本発明による境界面測定装置は、被測定物体と、被測定
物体を透過する波長を有する光線源と、該光線源からの
光線を微小スポットに収束する手段と、該収束スポット
と上記被８１！Ｉ定物体とを相対的に移動させる手段と
、上記被測定物体からの反射光を収束して複数微小開口
（ピンホール）を通過させる手段と、上記複数微小開口
を通過した反射光を検知する検知手段を有する境界゛面
測定装置において、上記検知手段を独立に動作する複数
の検出器で構成し、かつ上記収束スポットと被測定物体
との相対移動によって生じる被測定物体境界面からの反
射光信号の比が最大または最小になる点を検知するよう
に構成することにより、深い穴や溝、および物体中の空
洞形状を測定できるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による境界面測定装置の第１実施例を示
す構成図、第２図は上記境界面測定装置の第２実施例を
示す４層成図である。第１図に示す第１実施例において
は光源１２として例えばＳｉを透過する波長１　、１．
５１ｔｍのレーザ光を選択使用する。レーザ光源１２か
ら放射された光線ｊ３は半透鏡１５を通過し、レンズ１
５で収束されて深穴２ｂを有する試料２に照射される。

同図において光線１３の焦点１３′は深穴２ｂの底に一
致している。焦点１３′はＳｉと空気の境界面に照射さ
れているから、焦点１３′　から反射光が戻り半透鏡で
反射して光線１４となる。光線１４はレンズ１７で収束
されて焦点１４′　に結像し、光検出器４０にピンホー
ル細孔を通って入射する。光検出器４０の出力は増幅器
２８で増幅されたのち割算器４１に入る。一方、焦点１
４′　における軸外光は光検出器３９で検出され、増幅
器２８′で増幅されたのち割算器４１に入る。割算器４
１では増幅器２８および２８′　からの出力の比を計算
し、出力を比較器４２に送る。比較器４２ではあらかじ
めセットされた限界値をこえたとき、自記記録計３８の
ペンを瞬時下げる信号を送り出す。試料２は着脱可能な
ホルダ３３上にセットされ、例えば電歪振動子を動力源
とする上下変動機構３４上にホルダごと載せる。電歪振
動子は例えば２０郁の範囲を上下移動させる。このため
駆動電源３５で振動電圧を供給する。

この電圧の一部は自記記録計３８に供給されペンを縦方
向に移動させる。上記上下変動機構３４はＸＹ移動台２
１に固定されており、上記ＸＹ移動台２１のＸもしくは
Ｙ方向への移動はモータ３６を駆動電源３７で駆動し、
シャフト４３でその駆動力を伝達して行う。駆動電源の
一部は自記記録計３８に供給され、ペンを横方向に移動
させる。またはＸＹ移動台２１は除振架台２２に取付け
られている。

つぎに深穴２ｂの深さを計測する場合の動作を述べる。

深穴２ｂと焦点１３′　との相対位置はあらかじめ光学
顕微鏡など（図示せず）で定めておく。

ついでＸＹ移動台２１の駆動を開始する。駆動電源３７
の信号により自記記録計３８のペンも横方向に移動を開
始する。この状態で電源３５のスイッチを投入し、上下
変動機構３４を駆動する。その結果、試料２は焦点１３
′　と相対的に上下に移動する。焦点１３′　が８１と
空気の境界面に達すると、比較器４２は自記記録計３８
に信号を送り、ペンは縦方向に移動しながら２８紙に打
点する。記８紙上の縦、横方向の目盛をあらかじめ較正
しておけば、ペンの打点位置から深穴の断面形状を直接
記録紙上に表示することができる。

本発明によると上記のように従来不可能であった深穴の
断面形状を計測することができる。この直接の理由は第
１図から明らかなように、試料を自由に透過できる光の
波長を使用した点であるが。

これを可能にした間接的理由は、試料からの反射光が減
少しても高い測定精度が維持できる光量相対比法を用い
たことにある。

第２図に本発明の第２実施例を示し、試料２中にボイｊ
〜（気泡）２ｃが存在するとき、試料内部のボイドの断
面形状を計測する例を示している。

試料ホルダ３３など試料周辺の装置は前記第１実施例の
第１図に示したものと同じであるが、ボイド２ｃからの
信号処理を含めて１本実施例では小形計算機４５で装置
全体を集中管理している。°すなわち駆動電源３５およ
び３７と小形計算機４５とは相互交信しており、上下変
動１！＋＋’５３４とＸＹ移動台２１の動作開始および
終了は小形計算機４５で管理されている。レーザ光源１
２からの光線１３は側方から半透鏡１５を介して試料２
中に導かれるが、原理的には第１図に示す光学系と変ら
ない。光線１３はレンズ１６で収束され、焦点１３′は
ボイド２ｃの上方の境界面に照射されている。焦点１３
′からの反射光は半透鏡】５を通過して光線１４となり
、レンズ１７で収束されて光検出器４０に入る。焦点１
４′の外周部の光は光検出器３９で検出される。各光検
出器４０および３９の出力はそれぞれ増幅器２８および
２８′で増幅されて割算器４１に入り、その出力は比較
器４２に入る。

ボイド２ｃ境界面を焦点１３′　が上下に通過するとき
、比較器４２はパルス信号を小形計算機４５に送り出す
。小形計算機４５は駆動電源３５．３７との交（ｉによ
り、ＸもしくはＹ方向移動位置、上下方向位置を識別で
きるから、比較器４２からの信号を加えて、ボイド２ｃ
の境界面を３次元的に知ることができる。小形計算機４
５は得られた情報を内部メモリに記憶しておくことがで
きると同時に、表示管・１６上に境界面の位置を表示す
る。本実施例ではポイド２ｃの上方境界面と下方境界面
とを精度よく弁別するために、環状開口４４を付加して
いる。すなわち焦点１３′　から発散した光がボイド２
Ｃの下方境界面に照射されると、下方境界面からも反射
光が戻る。この反射光は焦点１４’　には当然入り得な
いが、光軸近傍の反射光である場合は、焦点１４′に混
入することがあるので、環状開口４４はこのような非焦
点面からの反射光を遮断するためのものである。上記に
より、本実施例は試料内部にある空洞部の輪郭も精度よ
く計測することができる。

つぎに上記実施例において、光源として試料を透過しな
い光線を発するものを使用するときは。

上記のように相対深さが１０であるような深穴や、試料
内部の空洞部を計測することができないが。

物体表面のゆるやかな凹凸を極めて精度よく測定するこ
とができる。すなわち第６図（ａ）に示した光学的表面
測定器では、信号増幅器の雑音レベルと増幅器の零点ド
リフトとによって窓幅を小さくすることができず、従っ
て画定精度を向上させ得なかったが、本実施例において
は、光軸光量と光軸外光量との比を用いて測定するため
、上記の制約が除かれ、０．１ｕｎＸという極めて高精
度な計測を行うことが可能である。

〔発明の効果〕

上記のように、本発明による境界面測定装置は。

被測定物体と、被測定物体を照射する光線源と、該光線
源からの光線を微小スポットに収束する手段と、該収束
スポットと上記被測定物体とを相対的に移動させる手段
と、上記被測定物体からの反射光を収束して微小開口（
ピンホール）を通過さ。

せる手段と、上記微小開口を通過した反射光を検知する
検知手段とを有する境界面測定装置において、上記検知
手段を独立に動作する複数の検出器で購成し、かつ上記
収束スポットと被測定物体との相対移動によって生じる
被測定物体境界面からの反射光信号の比が最大または最
小になる点を検知するようにしたことにより、被測定物
体中を透過する波長の光を用いて弱い反射光でも高精度
に測定できるため、従来技術では不可能であった深い溝
や穴の内面形状を０．１岬もしくはそれ以上の精度で計
測でき、また被測定物体中に内在するボイドの検知測定
も容易に行うことができ、ボイド中に、周辺部と屈折率
が異なる異物質が存在していてもやはり反射光が検知で
きるから、同様にして被測定物体中の異物穀粒の検出も
可能である。

さらに被測定物体を透過しない光線を用いて測定を行う
ときには、ゆるやかな被測定物体表面の凹凸を極めて高
精度に計測することができる。

半導体素子の製造工程では、近年、素子の３次元（立体
）化が開発されつつあるが、酸化膜（Ｓｉｎ２）や窒化
膜（ＳｉｚＮａ）中に見出されるボイドは破壊切断して
検査するが１本発明によれば。

非破壊でしかも工程中にそれらの検査計測が可能になる
。深い溝や穴も同様に非破壊針側が可能である。従って
空洞や穴の不都合部を早期に、しかも切断工程などの人
力を排除した形で計測できるから、素子の歩留り向上に
役立つ点が極めて大きい。

生物工学分野での生物試料は多くの場合可視光に対して
も透明である。そのため従来は適当な染色処理をして光
学顕微鏡で観察することが必至であった。しかし本発明
では屈折率が異なる境界面が存在する限り、染色なしで
界面位置を検知計測することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による境界面測定装置の第１実施例を示
す構成図、第２図は上記第２実施例を示す構成図、第３
図は従来の機械的表面形状測定装置の一部断面した構成
図、第４図は試料深穴と金属探針、光線、レンズとの関
係を示す断面図、第５図は段差がある試料の反射光を示
す断面図、第６図は光学的表面測定器を示し、（ａ）は
一部所面した構成図、（ｂ）は光量変化を示す図、（ｃ
）は光量微分特性を示す図、第７図（ａ）は光量微分特
性と増幅器′″窓幅″、ドリフトとの関係を示す図、同
図（ｂ）は光量微分特性を示す図、第８図（ａ）はピン
ホール位置における光スポットの光量分布を示す図、同
図（ｂ）は光量相対比特性を示す図、第９図は反射光結
像を示す表面測定器の部分構成図、第１０図は光検出器
を示す断面図である。 ２・被測定物体　　　　１２・・・光線源１３・・・光
線 ＋３’　、　１４’　・・微小スポット１６．１７・・
・レンズ（収束装置） ３９．４０・・・検出器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物体と、該被測定物体を照射する光線源と
   、該光線源からの光線を微小スポットに収束する手段と
   、前記収束スポットと前記被測定物体とを相対的に移動
   させる手段と、前記被測定物体からの反射光を収束して
   微小開口を通過させる手段と、前記微小開口を通過した
   反射光を検知する検知手段とを有する境界面測定装置に
   おいて、前記検知手段を独立に動作する複数の検出器で
   構成し、かつ前記収束スポットと前記被測定物体との相
   対移動によって生じる被測定物体境界面からの反射光検
   知信号の比が、最大もしくは最小になる点を認知するよ
   うに構成したことを特徴とする境界面測定装置。
2. （２）前記光線が、前記被測定物体を透過する波長を有
   する光線であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の境界面測定装置。
3. （３）前記光線が、前記被測定物体を透過しない波長を
   有する光線であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の境界部測定装置。
4. （４）前記複数の検出器が、一体化されて独立に動作す
   る半導体光検出器であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第３項に記載の境界面測定装置。
5. （５）前記収束スポットと前記被測定物体とを相対的に
   移動させる手段が、相直交する２方向に移動させるもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４
   項に記載の境界面測定装置。