JP3841719B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,干渉計を用いて半導体ウェハ等の被測定物の形状(平坦度等)を測定する形状測定装置において,被測定物のエッジ検出を可能とする形状測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に,半導体ウェハ(以下,ウェハという)においては,その中央部での平坦度は十分確保されるが,そのエッジ部に向かうに従って平坦度が悪化する傾向にある。一方,近年,1枚のウェハから得られる半導体チップの数を極力増やすため,ウェハのエッジにより近い部分まで高い平坦度が要求される。このとき,ウェハ全範囲のうち,要求される平坦度を満足する有効範囲を表す指標として,エッジからの距離が用いられる。即ち,示されたエッジからの距離よりも内側が前記有効範囲であることを表す。
従来,ウェハの測定面に向かって照射した光の反射光を計測する干渉計により得られた干渉縞画像に基づいてウェハの形状を測定する形状測定装置が普及している。このような干渉計を用いた形状測定装置により得られた形状データに基づいて前記有効範囲をウェハのエッジからの距離で表すには,ウェハのエッジを検出する必要がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,図5に示すように,ウェハ1端面の先端部であるエッジSの近傍は,ウェハ1表面からエッジSにかけて徐々にカーブするチャンパー部1cを形成している。このため,従来の干渉計を用いた形状測定では,前記チャンパー部1cに照射された光はウェハ1の表面とは全く異なる方向へ反射して干渉縞が観測されず,前記チャンパー部1の外側のどの位置がエッジSであるかを検出することはできなかった。
また,ウェハ1の表面に測定針を接触させてその形状を測定する触針式の形状計を用いて,その測定針をウェハ1の内側からエッジS方向に移動させながら表面形状を測定する場合も,ウェハ1の形状測定に要求される0.1μmオーダーの精度を有する触針式形状計では,前記チャンパー部1cの途中で測定レンジをオーバーしてしまうためエッジSを検出できない。これを解決するため,「M. Kimura et al., Jpn.J.Appl.Phys. Vol.38(1999)」(先行文献)には,触針式の形状計を用いてウェハ1の形状及びそのエッジSを検出する方法が示されている。
前記先行文献に示されるエッジ検出方法では,触針式の形状計によりウェハ1の表面形状を測定するとともに,図6に示すように,ウェハ1の端部であるエッジSに角型のブロック部材51を当接させ,前記ブロック部材51の前記ウェハ1に当接する面5aに直交する面51bの形状(表面変位の変化)を,触針52を前記ウェハ1に向かう方向に移動させながら測定し,その測定値が急変する位置を前記ウェハ1のエッジとして検出する。これにより,検出されたウェハ1のエッジSと,同時に測定されたウェハ1の表面形状とに基づいて,前記有効範囲を表すエッジSからの距離を求めることが可能となる。
しかしながら,触針式の形状計を用いると,針圧によってウェハ1表面に傷等の汚染が生じる危険性があるという問題点があった。さらに,ウェハ1を載置するチェック台に高精度の平坦度が要求され,このチェック台の加工精度や,ウェハ1と前記ブロック部材51との間への塵の挟まりが測定精度に影響を及ぼすという問題点もあった。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,被測定物の表面形状及びそのエッジを被接触かつ高精度で測定できる形状測定装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は,被測定物の測定面に向かって照射した光の反射光を計測する干渉計を具備し,該干渉計により得られた画像に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において,前記被測定物の測定面の反対側から前記反射光に平行な光を照射し,照射した光が前記被測定物の背景光として前記干渉計に入射するよう構成された背景光照射手段と,前記干渉計により得られた画像に基づいて前記背景光の領域とその他の領域との境界を前記被測定物のエッジとして検出するエッジ検出手段と,を具備してなることを特徴とする形状測定装置である。
これにより,被測定物の表面形状及びそのエッジを干渉計を用いて光学的に被接触かつ高精度で測定でき,被測定物に傷等の汚染が生じることがない。さらに測定用のブロック部材を被測定物に当接せてエッジ検出を行う場合のように,塵の挟まりが測定精度に影響を及ぼすといったことも生じない。
前記エッジ検出手段としては,前記干渉計により得られた画像の輝度情報及び色情報の一方又は両方により前記背景光の領域とその他の領域との境界を検出するもの等が考えられる。
【0005】
また,前記干渉計が斜入射干渉計であってもかまわない。即ち,前記干渉計が前記被測定物の測定面に対して斜め方向に反射した反射光を計測するものであり,前記干渉計により計測される前記反射光及び前記背景光と,検出対象となる前記被測定物のエッジにおける前記測定面に平行な方向の接線とが,前記被測定物の測定面に垂直な方向から見て略平行となるよう構成すればよい。
これにより,前記背景光の方向が被測定物の面に対して斜めであっても,前記背景光は,被測定物の端部の先端(即ち,エッジ)を境界線とした(即ち,チャンパー部が境界線とならない)背景光となる。
【0006】
また,前記被測定物の測定面の裏面の形状を測定するための裏面側干渉計も具備し,該裏面側干渉計における前記被測定物の裏面への照射光が,前記被測定物の外側を通過して前記測定面側の前記干渉計に入射されるよう構成することにより,前記背景光照射手段を構成してなるものも考えられる。
これにより,被測定物の表裏両面の形状を干渉計により測定する場合,エッジ検出用の光源を別途設ける必要がない。
【0007】
また,前記背景光照射手段が,前記被測定物の測定面の反対側に近接する反射面を有し,前記被測定物の測定面に向かって照射された光のうち前記被測定物の外側を通過する光を前記反射面で反射することにより前記背景光を照射するよう構成されてなるものであってもよい。
これにより,被測定物の片面のみの形状を測定する場合に,裏面側に別途光源を設ける必要がない。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら,本発明の実施の形態及び実施例について説明し,本発明の理解に供する。尚,以下の実施の形態及び実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに,図1は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの構成図,図2は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの具備する2つの干渉計における測定光の経路を模式的に表した図,図3は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの具備する干渉計により得られる画像の例を模擬的に表した図,図4は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xによる測定データの一例を表すグラフ,図5はウェハのエッジ近傍の断面形状を模式的に表した図,図6は触針式の形状計を用いた従来のエッジ検出方法を説明する図である。
【0009】
図1を用いて,本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの構成について説明する。
本形状測定装置Xは,被測定物の一例であるウェハ1の主面1a側及び裏面1b側のそれぞれに設けられた斜入射干渉計10,20と,該斜入射干渉計10,20それぞれから得られる画像を入力する演算器31とを具備している。ここで,前記ウェハ1の一方の面を前記主面1a(前記測定面に相当),その反対面を前記裏面1bとしているが,これは便宜上そのように称するものであり,前記ウェハ1の特定の面を意味するものではない。
【0010】
2つの前記斜入射干渉計10,20は,それぞれ,前記ウェハ1に対して測定光12,22を出射する発光器11,21,その測定光12,22を前記ウェハ1の表面(主面1a,裏面1b)に対して斜め方向の平行ビームとするコリメータレンズ14,24,その平行ビーム12,22の一部を透過し,一部を反射する基準平面15a,25aを有する三角プリズム15,25,前記ウェハ1の表面1a,1bで反射された測定光が前記基準平面15a,25a(前記三角プリズム15,25)及びコリメータレンズ14’,24’等を経た光を受光するCCDカメラ等の受光器16,26,及び前記三角プリズム15,25を前記ウェハ1の面に略垂直な方向に移動させるピエゾアクチュエータ17,27を備えている。これら2つの前記斜入射干渉計10,20は,前記裏面1b側の前記発光器21と前記主面1a側の前記受光器16とが,さらに,前記主面1a側の前記発光器11と前記裏面1b側の前記受光器26とが,それぞれ対向するよう構成されている。そして,前記基準平面15a,25aでの反射光と,前記ウェハ1の表面1a,1bでの反射光とには,前記基準平面15a,25aと前記表面1a,1bとの距離に対応する光路差があるため,この光路差が,前記受光器16,26において,両反射光で形成される干渉縞として観測される。前記三角プリズム15,25は,前記基準平面15a,25aが前記ウェハ1の裏面1bに近接するよう(例えば,0.1mm程度の距離で)配置されている。前記測定光12,22としては,例えば,HeNeレーザ(λ=633nm)や,半導体レーザ等のコヒーレント光が用いられる。また,前記三角プリズム15,25は,フィゾー干渉で用いられるようなウェッジプリズム等の参照板を用いてもかまわない。
【0011】
図2(a),(b),(c)は,それぞれ本形状測定装置Xの正面(図1と同じ面)側,その側面側及び上面側から(前記ウェハ1の面1a,1bに垂直な方向から)見たときの,2つの前記三角プリズム15,25を通過する測定光の経路を模式的に表した図である。
図2(a)に示すように,前記ウェハ1の主面1a側の前記測定光12が前記三角プリズム15を通過後に前記主面1aで反射した反射光12bと,前記ウェハ1の裏面1b側の前記測定光22が前記三角プリズム25を通過した測定光22aとが平行となるように構成されている。これを側面側から見ると,図2(b)に示すように,2つの前記三角プリズム15,25が前記ウェハ1のエッジSよりも外側にはみ出るように配置されている。これにより,前記裏面1b側の三角プリズム25を通過した測定光22aが,前記ウェハ1の外側を通って前記主面1a側の前記三角プリズム15及び前記コリメータレンズ14’を経由し,前記ウェハ1の背景光22a’として前記主面1a側の前記受光器16に入射することになる。前記主面1aでの前記反射光12bと前記背景光22a’とは平行なので,それらは,前記主面1a側の前記コリメータレンズ14’にも平行に入射する。また,図2(c)に示すように,前記主面1aでの前記反射光12b及び前記背景光22a’と,前記ウェハ1の検出対象となる前記エッジSにおける前記主面1aに平行な方向の接線SSとが,ウェハ1の面1a,1bに垂直な方向から見て略平行となるように構成されている。これにより,前記背景光22a’の方向が前記ウェハ1の面に対して斜めであっても,前記背景光22a’は,前記ウェハ1端部の先端(即ち,エッジS)を境界線とした(前記チャンパー部1cが境界線とならない)背景光となる。
【0012】
2つの前記受光器16,26で得られる干渉縞画像は,画像入力手段を有するパーソナルコンピュータ等である前記演算器31(前記エッジ検出手段の一例)に入力され,入力された干渉縞画像に基づいて前記ウェハ1の主面1a及び裏面1bの表面形状(高さ分布)が演算される。
2つの前記干渉計10,20それぞれによる干渉縞画像は,前記ピアゾアクチュエータ17,27によって前記三角プリズム15,25(即ち,前記基準平面15a,25a)を,前記測定光12,22の前記ウェハ1の表面1a,1bへの入射角θを考慮した位置,例えば,0(所定の基準位置),λ/8/conθ,2λ/8/cosθ,3λ/8/cosθの各位置に移動させることにより,それぞれの位置での干渉縞画像の輝度データとして前記演算器31に取り込まれる。この輝度データにより求められる位相データに所定のアンラップ処理を施しすことにより,前記主面1aとその基準平面15aとの距離,及び前記裏面1bとその基準平面25aとの距離を算出できる。その算出方法としては,周知の方法を適用すればよいのでここでは説明を省略する。
【0013】
図3は,前記演算器31に入力される前記干渉縞画像の例を模擬的に表した図である。図中,干渉縞が現れているE部が前記ウェハ1の主面1a部分であり,その外側の黒いB部が前記チャンパー部1c,さらにその外側の比較的明るいA部が前記ウェハ1の外側(即ち,前記背景光22a’の部分)である。図3の画像において,白抜きの線分C−Dで示される位置(及びその延長線上)の輝度情報をグラフ化したものが図4である。図4のグラフにおいて,縦軸は輝度,横軸は線分C−D及びその延長線上の位置を表す。このグラフからわかるように,前記ウェハ1の外側は,前記背景光22a’を受けているため,他の部分よりも輝度が高いが,前記ウェハ1の内側(D側)に向かう途中で急激に下がる位置がある。この位置が,前記背景光22a’の領域(A部)とその他の領域(前記チャンパー部1cの部分(B部)等)との境界であり,この輝度が急激に下がる位置を前記演算器31によって前記ウェハ1のエッジSの位置として算出する。
これにより,前記ウェハ1の表面形状として許容される平坦度を有する前記有効範囲のうち,最も外側の位置(例えば,位置D)と前記エッジSとの距離を被接触で求めることが可能となる。しかも,2つの干渉計を用いてウェハの表裏両面の形状を測定する従来の形状測定装置において,前記発光器11,21や前記受光器16,26等の配置を考慮し,前記演算器31における演算処理プログラムを追加するだけで実現できるので適用が容易である。
【0014】
【実施例】
前記形状測定装置Xは,前記ウェハ1の表裏両側に2つの斜入射干渉計10,20を具備するものであったが,これに限るものでなく,前記ウェハ1の主面1a側及び裏面1b側それぞれに,前記ウェハ1の面に略垂直に光を照射する他の干渉計(例えば,フィゾー干渉計やマイケルソン干渉計等)であってもかまわない。この場合,前記主面1a側及び前記裏面1bそれぞれに,2つの干渉計を対向して配置すればよい。
もちろん,前記ウェハ1の一方の面(例えば,前記主面1a)の形状を測定する1つの干渉計のみを具備する形状測定装置に適用してもよい。この場合,前記裏面1b側の三角プリズム25を通過した前記測定光22aと同方向(即ち,前記主面1aでの前記反射光12bに平行)に光を照射する発光手段(例えば,図1における前記発光器21,前記コリメータレンズ24,及び前記三角プリズム25)を,前記裏面1b側に設ければよい。このとき,前記ウェハ1の面に略垂直に光を照射するタイプの干渉計を用いる場合は,前記ウェハ1の裏面1b側から,該裏面1bに略垂直に光を照射する発光手段を設ければよいことはいうまでもない。
また,前記ウェハ1の一方の面(例えば,前記主面1a)の形状を測定する1つの干渉計のみを具備する形状測定装置に適用する場合,前記ウェハ1の裏面1bに略平行に近接した反射面を有する反射板等を設け,前記ウェハ1の主面1aに向かって照射された光のうち前記ウェハ1の外側を通過する光をその反射面で反射することにより前記背景光を照射するよう構成してもよい。これにより,非常にシンプルな構成となる。
さらに,前記反射板等をピエゾアクチュエータに支持させる等により,前記反射面と前記ウェハ1の裏面1bとの距離を変えて複数の干渉縞画像を取得し,いわゆる位相シフト法で前記ウェハ1の表面形状を測定する場合と同様に前記複数の干渉画像からその干渉強度Ikyodoを求めれば,前記チャンパー部1c(図3のB部)に比べて前記背景光22a’の部分(図3のA部)の方がはるかに前記干渉強度Ikyodoが高くなるので,前記干渉強度Ikyodoが急変する境界線をエッジSとして求めてもよい。ここで前記干渉強度Ikyodoは,例えば前記反射面の位置を前記ウェハ1に照射する光の90°の位相ごとに4段階移動させたときの各干渉画像における輝度I0,I90,I180,I270に基づいて次式により求めればよい。
Ikyodo=((I90−I0)2+(I270−I180)2)1/2
これにより,前記チャンパー部1c(図3のB部)と前記背景光22a’の部分(図3のA部)との境界線(即ちエッジ)をより明確に(正確に)検出することが可能となる。もちろん,前記干渉強度Ikyodoを求める方法は,前記反射面を90°の位相ごとに4段階移動させる方法に限らず他の周知の位相シフト法であってもかまわない。
【0015】
また,前記形状測定装置Xでは,前記背景光22a’の領域とその他の領域との境界を,干渉計で得られた画像データの輝度情報に基づいて求めたが,例えば,前記裏面1b側から照射する光(背景光)の色を,前記主面1a側の干渉計で用いる測定光の色と異なる色とし,干渉計で得られた画像データの色情報に基づいて前記境界を求めるよう構成することも考えられる。
また,前記実施の形態では,前記ピエゾアクチュエータ17,27により,前記2つの基準平面15a,25aを,90°の位相ごとに4段階移動させているが,他の位相シフト方法(例えば,波長掃引等)であってもかまわない。さらに,前記2つの基準平面15a,25aを移動させるのではなく,前記ウェハ1をアクチュエータで移動させる構成としてもよい。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明によれば,被測定物の表面形状及びそのエッジを干渉計を用いて光学的に被接触かつ高精度で測定できる。これにより,被測定物に傷等の汚染が生じることがなく,さらに測定用のブロック部材を被測定物に当接せてエッジ検出を行う場合のように,塵の挟まりが測定精度に影響を及ぼすといったことも生じない。
また,被測定物の測定面の裏面の形状を測定するための裏面側干渉計も具備する場合,該裏面側干渉計における被測定物の裏面への照射光が,被測定物の外側を通過して測定面側の前記干渉計に入射されるよう構成することにより,エッジ検出用の光源を別途設ける必要がない。
また,被測定物の片面のみの形状を測定する場合に,被測定物の測定面の反対側に近接する反射面を設け,被測定物の測定面に向かって照射された光のうち被測定物の外側を通過する光を前記反射面で反射するよう構成すれば,裏面側に別途光源を設ける必要がなく,より簡易かつ低コストでエッジ検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの構成図。
【図2】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの具備する2つの干渉計における測定光の経路を模式的に表した図。
【図3】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xの具備する干渉計により得られる画像の例を模擬的に表した図。
【図4】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Xによる測定データの一例を表すグラフ。
【図5】ウェハのエッジ近傍の断面形状を模式的に表した図。
【図6】触針式の形状計を用いた従来のエッジ検出方法を説明する図。
【符号の説明】
10,20…斜入射干渉計
11,21…発光器
12,22…測定光
14,14’,24,24’…コリメータレンズ
15,25…三角プリズム
15a,25a…基準平面
16,26…受光器
17,27…ピエゾアクチュエータ
31…演算器
1a…ウェハの主面
1b…ウェハの裏面
Claims (5)
- 被測定物の測定面に向かって照射した光の反射光を計測する干渉計を具備し,該干渉計により得られた画像に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において,
前記被測定物の測定面の反対側から前記反射光に平行な光を照射し,照射した光が前記被測定物の背景光として前記干渉計に入射するよう構成された背景光照射手段と,
前記干渉計により得られた画像に基づいて前記背景光の領域とその他の領域との境界を前記被測定物のエッジとして検出するエッジ検出手段と,
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。 - 前記エッジ検出手段が,前記干渉計により得られた画像の輝度情報及び色情報の一方又は両方により前記背景光の領域とその他の領域との境界を検出してなる請求項1に記載の形状測定装置。
- 前記干渉計が前記被測定物の測定面に対して斜め方向に反射した反射光を計測するものであり,
前記干渉計により計測される前記反射光及び前記背景光と,検出対象となる前記被測定物のエッジにおける前記測定面に平行な方向の接線とが,前記被測定物の測定面に垂直な方向から見て略平行となるよう構成されてなる請求項1又は2のいずれかに記載の形状測定装置。 - 前記被測定物の測定面の裏面の形状を測定するための裏面側干渉計も具備し,
該裏面側干渉計における前記被測定物の裏面への照射光が,前記被測定物の外側を通過して前記測定面側の前記干渉計に入射されるよう構成することにより,前記背景光照射手段を構成してなる請求項1〜3のいずれかに記載の形状測定装置。 - 前記背景光照射手段が,前記被測定物の測定面の反対側に近接する反射面を有し,前記被測定物の測定面に向かって照射された光のうち前記被測定物の外側を通過する光を前記反射面で反射することにより前記背景光を照射するよう構成されてなる請求項1〜3のいずれかに記載の形状測定装置。
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