JP2007127566A - 基板測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の種類にかかわらず基板の曲率を正確に測定することが可能な基板測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 基板測定装置は、多波長光源１２と、対物レンズ１５と、基板Ｗを支持するステージ１０と、ステージを移動させるステージ移動機構１１と、対物レンズ１５の入射瞳と共役な位置に配置されたパターン板１７と、対物レンズ１５の入射瞳と共役な位置に配置されたＣＣＤカメラとを備え、基板Ｗの表面で反射した後入射瞳の位置Ｅに投影されたパターン板７の像をＣＣＤカメラで撮像して、パターン像の基準からの位置ずれ量を測定する測定手段と、この位置ずれ量から基板Ｗの表面の角度を演算する演算手段とを備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、半導体ウエハや液晶表示パネル用ガラス基板あるいは半導体製造装置用マスク基板等の基板の表面の角度を測定する基板測定装置に関する。

このような基板測定装置としては、基板の表面にレーザビームを照射し、その反射光の位置ずれ量に応じて基板表面の傾斜角を測定するものが提案されている（特許文献および特許文献２）。
特開平１０−２２１０３７号公報 特開２０００−２５５３号公報

特許文献１および特許文献２に記載の基板測定装置によれば、レーザビームを使用することから、基板上のパターンによってはレーザビームが散乱するという問題がある。また、基板上に成膜された薄膜の種類によっては、レーザビームに干渉が生じ、反射光量が著しく低下して測定が困難になるという問題が生ずる。このような問題を解消するためには、パターンの位置を避けて測定をおこなったり、薄膜の材料によってレーザビームの波長を切り換えるという煩雑な作業が必要となる。

また、特許文献１および特許文献２に記載の基板測定装置によれば、基板を基板測定装置に設置したときの基板の姿勢がその測定結果に影響を及ぼす場合がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、基板の種類にかかわらず基板の曲率を正確に測定することが可能な基板測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板の表面の角度を測定する基板測定装置において、多波長光源と、対物レンズと、基板を支持するステージと、前記ステージを前記対物レンズに対して相対的に移動させる移動手段と、前記対物レンズの入射瞳と共役な位置に配置されたパターンと、前記対物レンズの入射瞳と共役な位置に配置されたカメラとを備え、前記光源により前記パターンを照射して、前記基板の表面で反射した後前記入射瞳の位置に投影された前記パターンの像を前記カメラで撮像し、その像の位置を、前記基板が基準表面角度にあるときの像の位置と比較してその位置ずれ量を測定する測定手段と、前記位置ずれ量から基板の表面の角度を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記パターンの像を対物レンズの入射瞳の位置に投影するリレー光学系をさらに有し、前記パターンは、前記対物レンズと前記リレー光学系から成る光学系の開口絞りの位置に配置される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記演算手段は、前記移動手段で前記ステージを相対的に移動させることにより前記測定手段で複数の位置ずれ量を測定して得た基板の表面の異なる位置での基板の表面の角度から、さらに、基板の曲率を演算する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記演算手段は、前記移動手段で前記ステージを相対的に移動させることによりその移動領域内で得た複数の位置ずれ量に基づいて、その移動領域内での複数の箇所における曲率を演算する。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記演算手段は、前記移動領域内の曲率から、さらに、基板の表面形状を演算する。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、基板の種類にかかわらず、基板の表面の角度を正確に測定することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、基板の曲率を測定することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、基板における所望の領域内の曲率を測定することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、基板における所望の領域内の表面形状を得ることが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る基板測定装置の概要図であり、図２はその要部を模式的に示す説明図である。

この基板測定装置は、半導体ウエハからなる基板Ｗを支持するステージ１０と、ステージ移動機構１１と、多波長光源１２と、リレー光学系を構成する一対のレンズ１３、１４と、対物レンズ１５と、レンズ１６と、パターン板１７と、ハーフミラー１８と、ＣＣＤカメラ１９とを備える。

ここで、多波長光源１２とは、複数の波長の光を出射する光源を意味する。この多波長光源１２としては、例えば、白色光を出射するハロゲンランプが使用される。

リレー光学系を構成する一対のレンズ１３、１４は、パターン板１７におけるパターンＰの像を、対物レンズ１５の入射瞳の位置Ｅに投影するものである。パターン板１７は、対物レンズ１５とリレー光学系を構成する一対のレンズ１３、１４とから成る光学系の開口絞りの位置に配置される。このパターン板１７は、対物レンズ１５の入射瞳と共役な位置に配置されることになる。なお、ＣＣＤカメラ１９も、レンズ１６により、対物レンズ１５の入射瞳と共役な位置に配置されている。なお、本願明細書では入射瞳と共役な位置とは、実質的に共役な近傍位置をも含むものである。

ステージ移動機構１１は、ステージ１０をＸ方向に移動するＸ方向移動機構２１と、Ｙ方向に移動するＹ方向移動機構３１とを有する。Ｘ方向移動機構２１はモータ２２にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２が回転することにより、Ｙ方向移動機構３１がガイドレール２３に沿ってＸ方向（図１の左右方向）に移動する構成となっている。Ｙ方向移動機構３１もＸ方向移動機構２１と同様の構成となっており、モータ３２が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ１０がガイドレール３３に沿ってＹ方向（図１の紙面に垂直な方向）に移動する構成となっている。

図３は、上述した基板測定装置の主要な電気的構成を示すブロック図である。

この基板測定装置は、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ４１と、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ４２と、論理演算を実行するＣＰＵ４３とを有する制御部４０を備える。この制御部４０は、インターフェース４４を介して、上述した多波長光源１２、ＣＣＤカメラ１９およびステージ移動機構１１と接続されている。この制御部４０は、基板Ｗの曲率や表面形状を演算するための演算手段として機能する。

このような構成を有する基板測定装置においては、多波長光源１２から出射され、レンズ１３を介してパターン板１３に照射された光は、レンズ１４、ハーフミラー１８および対物レンズ１５を介して基板Ｗに投影される。このとき基板Ｗが基準表面角度（図のＷの位置）にあるときは、パターン板１７におけるパターンの像は、対物レンズ１５の入射瞳の位置Ｅにパターンの像Ｐとして投影される。

一方、基板Ｗの表面が対物レンズ１５の光軸に対して角度θだけずれていた場合（図のＷ’の位置）には、図２に示すように、対物レンズ１５の入射瞳の位置Ｅに投影されたパターン板１７におけるパターンの像Ｐ’は、前記パターンの像Ｐとは異なる位置に投影されることになる。

これらのパターン板１７におけるパターンの像Ｐ、Ｐ’は、レンズ１６を介し対物レンズ１５の入射瞳と共役な位置に配置されたＣＣＤカメラ１９により撮像される。

次に、上述した基板測定装置による基板Ｗの測定動作について説明する。図４は、この発明に係る基板測定装置による基板Ｗの測定動作を示すフローチャートである。

基板Ｗの測定をおこなうには、最初に、図示しない基板搬送機構により、基板Ｗをステージ１０上に搬送する（ステップＳ１）。

そして、多波長光源１２によりパターン板１７を照射して基板Ｗの表面で反射した後対物レンズ１５の入射瞳の位置Ｅに投影されたパターンの像Ｐ’をＣＣＤカメラ１９で撮像して、あらかじめ基準表面角度の基板（例えば列のない基板）にて求めてあるパターン像Ｐとの位置ずれ量を測定する（ステップＳ２）。

次に、この位置ずれ量に基づいて、基板Ｗの表面の角度を演算する（ステップＳ３）。

図５は、このときの演算式を説明する説明図である。なお、図５においては、ハーフミラー１８やレンズ１６は、その図示を省略している。

この図で示すように、基板Ｗの表面の角度θと、像Ｐと像Ｐ’との位置ずれ量Δｘとの関係は、下記の式（１）で表すことができる。

θ ＝ tan^-1（Δｘ／ｆ） ・・・ （１）
この動作を、基板Ｗの曲率を求めるべき領域に対して、所定間隔で複数回繰り返す（ステップＳ４）。

そして、基板Ｗの表面の曲率を求めるべき領域に対する基板Ｗの表面の角度の演算が完了すれば、これらの角度に基づいて、その領域における基板Ｗの表面の曲率を演算する（ステップＳ５）。このときには、近似値演算を利用すればよい。

図６は、このときの演算式を説明する説明図である。

この図に示すように、測定間隔をΔｙとした場合、曲率半径ｒは、下記の式（２）で表される。なお、曲率半径から曲率を求めることができないため、本願明細書では曲率および曲率半径を同義としている。

ｒ ＝ Δｙ／sinθ ・・・ （２）
次に、上記曲率半径ｒを利用して、基板Ｗにおける表面の位置を求め、これにより基板Ｗの表面形状を演算する（ステップＳ６）。

図７は、このときの演算式を説明する説明図である。

この図に示すように、測定領域をＬとした場合、その領域における基板Ｗの表面の位置のギャップ値Δｚは、下記の式（３）で表される。

Δｚ ＝ ｒ−ｒ・cosθ ・・・ （３）
そして、測定領域内の基板Ｗの表面の角度と基板Ｗの表面の位置をＣＲＴ等の表示部に表示する（ステップＳ７）。

図８および図９は、表示部に表示された測定領域内の基板Ｗの表面の角度と基板Ｗの表面の位置とを示す模式図である。

ここで、図８（ａ）および図９（ａ）は基板Ｗの表面の角度を示し、また、図８（ｂ）および図９（ｂ）は基板Ｗの表面の位置を示している。なお、これらの図においては、半径６０ｍｍの基板Ｗの全域を測定領域としているが、基板Ｗの表面の一部のみを測定領域としてもよい。

以上のように、この発明に係る基板測定装置によれば、基板Ｗのパターンの影響やその薄膜の種類にかかわらず、基板Ｗの表面の角度、曲率（曲率半径）および位置を正確に測定することが可能となる。

なお、このような基板測定装置は、アニール前後の基板Ｗの形状の変化や、パターニング前後の基板Ｗの形状の変化など、処理の前後における基板Ｗの形状の変化を測定して、基板Ｗへ付与されたストレスを予想するために利用される。この場合に、上述したような基板Ｗの所定領域の曲率を測定するようにすれば、基板Ｗの測定姿勢が変化した場合にも、基板Ｗの形状の変化を正確に測定することが可能となる。

図１０は、基板Ｗの測定姿勢とその測定結果を示す説明図である。

図１０（ａ）は、ステージ上に、実線で示す処理前の基板Ｗと破線で示す処理後の基板Ｗが載置された状態を示している。このとき、処理の前後で、基板Ｗの形状に変化はないが、その載置姿勢が異なっているものとする。

この場合、従来のように基板Ｗの表面の位置を直接測定して基板Ｗの形状を認識していた場合には、図１０（ｂ）に示すように、処理の前後で、それぞれ基板Ｗ表面位置が異なることから、図１０（ｃ）に示すように、その差分をとると、処理の前後で基板Ｗの形状が異なると認識される。しかしながら、本願発明のように基板Ｗの所定領域の曲率を測定するようにすれば、図１０（ｄ）に示すように測定結果はそのオフセット値のみが異なるものとなるため、図１０（ｅ）に示すように、測定結果をオフセット値のみシフトさせることで、処理の前後の基板Ｗの形状を、同一のものと認識することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、ステージ１０を移動させながら位置ずれ量の測定（ステップＳ２）と角度の演算（ステップＳ３）とを繰り返している。しかしながら、ステージ１０を移動させながら位置ずれ量の測定を繰り返し、領域内の測定が終わった段階で、角度の演算をまとめて実行するようにしてもよい。

また、上述した基板測定装置を、基板Ｗ上の薄膜の膜厚を測定する膜厚計に搭載し、膜厚の測定と基板Ｗの表面の角度等の測定とを、同時に実行するようにしてもよい。

この発明に係る基板測定装置の概要図である。 この発明に係る基板測定装置の要部を模式的に示す説明図である。 基板測定装置の主要な電気的構成を示すブロック図である。 基板Ｗの測定動作を示すフローチャートである。 演算式を説明する説明図である。 演算式を説明する説明図である。 演算式を説明する説明図である。 表示部に表示された測定領域内の基板Ｗの表面の角度と基板Ｗの表面の位置とを示す模式図である。 表示部に表示された測定領域内の基板Ｗの表面の角度と基板Ｗの表面の位置とを示す模式図である。 基板Ｗの測定姿勢とその測定結果を示す説明図である。

符号の説明

１０ ステージ
１１ ステージ移動機構
１２ 多波長光源
１３ レンズ
１４ レンズ
１５ 対物レンズ
１６ レンズ
１７ パターン板
１８ ハーフミラー
１９ ＣＣＤカメラ
２１ Ｘ方向移動機構
３１ Ｙ方向移動機構
４０ 制御部
Ｅ 入射瞳の位置
Ｗ 基板

Claims (5)

1. 基板の表面の角度を測定する基板測定装置において、
   多波長光源と、
   対物レンズと、
   基板を支持するステージと、
   前記ステージを前記対物レンズに対して相対的に移動させる移動手段と、
   前記対物レンズの入射瞳と共役な位置に配置されたパターンと、前記対物レンズの入射瞳と共役な位置に配置されたカメラとを備え、前記光源により前記パターンを照射して、前記基板の表面で反射した後前記入射瞳の位置に投影された前記パターンの像を前記カメラで撮像し、その像の位置を、前記基板が基準表面角度にあるときの像の位置と比較してその位置ずれ量を測定する測定手段と、
   前記位置ずれ量から基板の表面の角度を演算する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする基板測定装置。
2. 請求項１に記載の基板測定装置において、
   前記パターンの像を対物レンズの入射瞳の位置に投影するリレー光学系をさらに有し、前記パターンは、前記対物レンズと前記リレー光学系から成る光学系の開口絞りの位置に配置される基板測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の基板測定装置において、
   前記演算手段は、前記移動手段で前記ステージを相対的に移動させることにより前記測定手段で複数の位置ずれ量を測定して得た基板の表面の異なる位置での基板の表面の角度から、さらに、基板の曲率を演算する基板測定装置。
4. 請求項３に記載の基板測定装置において、
   前記演算手段は、前記移動手段で前記ステージを相対的に移動させることによりその移動領域内で得た複数の位置ずれ量に基づいて、その移動領域内での複数の箇所における曲率を演算する基板測定装置。
5. 請求項４に記載の基板測定装置において、
   前記演算手段は、前記移動領域内の曲率から、さらに、基板の表面形状を演算する基板測定装置。
   

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