JP3940819B2 - 半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハなどの半導体ウェーハの表面の形状を高精度に測定するための半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーハなどの半導体ウェーハは主に半導体装置の基板として用いられており、半導体製造プロセスにおいては、その半導体ウェーハに露光装置を用いて半導体装置の回路パターンを形成して微細加工を施すことが行われている。このような微細なパターンを形成する場合、被加工物である半導体ウェーハは露光装置の焦点深度よりも凹凸の小さい、高度の平坦度を有することが必要とされる。従って、半導体ウェーハを製品として製造する場合には、その平坦度の検査は重要な品質検査の１つとされる。
【０００３】
現在、半導体ウェーハの平坦度を測定する方法として、次の２つの方法が取られている。１つは露光装置に装着されている状態と同様に半導体ウェーハを保持し、その保持された状態の表面形状を測定する方法である。もう１つの方法は、半導体ウェーハの厚みを測定し、裏面基準を計算で求めた後、露光装置に保持されている状態を仮想的に求め平坦度を算出する方法である。これらの各方法にはそれぞれ特徴があるが、現在では厚みを測定して平坦度を算出する方法が一般的に用いられる。これは当該方法が非接触で測定可能であり、ウェーハ裏面への異物付着の点から好ましいからである。
【０００４】
一対の対向するレーザー変位計を用いた表面形状測定装置の場合、これら一対のレーザー変位計が所定距離だけ離されて固定ステージ上に配設され、その間の空間に半導体ウェーハが保持される。この半導体ウェーハは、その主面が対向するレーザー変位計を結ぶ線に対して垂直となるように保持されるとともに、主面内のＸ−Ｙ方向の２軸方向に相対的に移動するように制御され、半導体ウェーハの表面及び裏面の複数の測定点での形状に関するデータをサンプリングして行く。このように得られた形状データを厚みが既知の基準サンプルと比較して、ウェーハ全面の厚さが求められ、さらに仮想的な裏面基準を算出して、当該半導体ウェーハの平坦度が求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような高精度の平坦度の測定を実施する場合、使用しているレーザー変位計のスポット位置を正確に合わせ込み、さらにレーザー変位計のレーザー光の平行度を正確に調整することが必要である。ところが、一対のレーザー変位計は固定ステージ上にねじで固定されているのみで、レーザー光のビーム射出方向を微調整することができない。そして、一対のレーザー変位計の各レーザー光のビーム射出方向が平行でなく少しずれていた場合には、その分得られるデータが精度を欠くものとなり、有意義な品質検査ができなくなる。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の技術的な課題を解決するもので、半導体ウェーハの表面形状を高精度に測定するための半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定装置は、上述の目的を達成するために、
測定すべき半導体ウェーハを保持する保持部と、該保持部に保持された半導体ウェーハの主面に臨んで配設され該半導体ウェーハの主面の形状を測定する測定手段と、を備え、該測定手段は測定装置のセンサー基台の上に、前記半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置されており、前記センサー基台に支持された前記測定手段には、その測定手投を三次元方向に移動させると共にその測定手段の角度を調節する位置角度調整手段を有することを特徴としている。
【０００８】
その一例として、前記半導体ウェーハの保持部には、その半導体ウェーハを平面内で平行移動して操作する移動部材を備え、前記測定手段は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計で構成し、前記位置角度調整手段は、前記移動部材によって移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記測定手段の位置を調整する。
また、前記位置角度調整手段は前記測定手段の位置を調整できる例えばｘ−ｙ−ｚステージなどの直交三軸機構を用いて構成され、より好ましくは、前記位置角度調整手段は前記測定手段の位置及び角度を調整できるｘ−ｙ−ｚ−θステージから構成される。
【０００９】
また、上述の目的を達成する本発明にかかる測定方法は、半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定方法において、測定すべき半導体ウェーハを保持部に保持させた後、測定装置のセンサー基台の上に該半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置された測定手投は、三次元方向の移動と角度が調節される位置角度調整手段によって、測定する前記半導体ウェーハ上の測定点の位置と測定方向を調整し、その調整後に前記測定手段により半導体ウェーハの主面の形状を測定することを特徴とする。
【００１０】
その好ましい一形態として、前記保持部は移動部材によって前記半導体ウェーハを平面内で平行移動可能になっており、前記測定手投は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計を用い、前記移動部材で移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記位置角度調整手段が前記測定手段の位置を調整する。
また、半導体ウェーハ上の測定点の位置は直交三軸機構によって調整され、その測定方向は角度調整機構によって調整される。また、前記測定方向の調整のために、厚さのばらつきが前記レーザー変位計の測定精度以下であるブロックゲージを用いて零点調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら、本発明の一実施態様の半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法について説明する。図１及び図２は本実施態様の半導体ウェーハの表面形状測定装置を示す図であって、図１は要部である一対のレーザー変位計の拡大斜視図であり、図２は本実施態様の半導体ウェーハの表面形状測定装置の側面図である。
【００１２】
図２に示すように、本実施態様の表面形状測定装置は、その主な構成として、測定装置本体３０に取り付けられた保持部３１と、測定手段をなすレーザー変位計の一部として機能する一対のレーザーセンサブロック１１、１２と、これらレーザーセンサブロック１１、１２を支持する位置角度調整手段であるｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２とを有している。半導体ウェーハとしてのシリコンウェーハ１は前記保持部３１にその主面が垂直となるように装着されており、このシリコンウェーハ１に両主面に臨んで一対のレーザーセンサブロック１１、１２が配設されている。そして、これら一対のレーザーセンサブロック１１、１２は三次元方向に移動させると共にその角度を調節するｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２上に搭載されている。
【００１３】
前記測定装置本体３０は複数の足部３３を用いて取り付けられた基台３２上に直立した直立部３４に、シリコンウェーハ１を平面内で平行移動して走査するための移動部材３５、３６が取り付けられいる。移動部材３５はアーム３７に挟まれて支持されるシリコンウェーハ１を垂直方向に移動させるためのものであり、また、移動部材３６はシリコンウェーハ１を水平方向に移動させるためのものである。移動部材３５は前記直立部３４に固定され、その移動部材３５の可動部分に移動部材３６が取り付けられている。この移動部材３６の可動部分はアーム基端部材３８を介してアーム３７に接続されている。このアーム３７は一対のほぼ下向きに延長された湾曲する平板状の腕の先端でシリコンウェーハ１の縁を挟むように構成されており、シリコンウェーハ１を交換する毎に開閉操作される。ここで、前記保持部３１はシリコンウェーハ１を保持するための機構であり、主なものとしてアーム３７、アーム基端部材３８、一対の移動部材３５、３６、直立部３４、および基台３２などが含まれる。また、シリコンウェーハ１は前記移動部材３５、３６によって、その全面に亘って測定のために走査されるが、その走査の一例を図４に示す。
【００１４】
図１に、一対のレーザーセンサブロック１１、１２が示される。各レーザーセンサブロック１１、１２はそれぞれレーザー光を射出してそれを受光して測定すべき物体までの距離を非接触な方法で図ることができるものである。図１に示すように一対のレーザーセンサブロック１１、１２は、そのレーザー光の射出方向、すなわち測定方向を互いに対向させており、所定距離を置いて配設することで、その間の空間に存在する物体の厚みおよび表面形状を極めて高速且つ高精度に検知することができる。各レーザーセンサブロック１１、１２はケーブル２３を介して図示しない解析装置に測定データの信号を送り、その解析装置が瞬時にデータを解析して、物体、この場合はシリコンウェーハ１の表面形状および厚みについてのデータを出力する。
【００１５】
本実施態様においてこのような一対のレーザーセンサブロック１１、１２は、それぞれ位置角度調整手段であるｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２に位置と角度が調整可能に支持されている。各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２は、それぞれテーブル１３、１４および支柱部１５、１６を有し、前記レーザーセンサブロック１１、１２はそれらテーブル１３、１４上に固定されている。支柱部１５、１６は前記測定装置本体３０のセンサー基台３９の上端に取り付けられている。そして、これらテーブル１３、１４を可動させるための機構して、シリコンウェーハ主面に垂直な水平方向（ｘ方向）に移動可能なｘテーブルおよびｘテーブルガイド軸と、そのｘ方向に垂直でシリコンウェーハ主面の面内方向で水平な方向（ｙ方向）に移動可能なｙテーブルおよびｙテーブルガイド軸と、垂直方向（ｚ方向）に移動可能なｚテーブルおよびｚテーブルガイド軸を有する直交３軸機構を有し、且つ、各レーザーセンサブロック１１、１２のレーザー光の射出方向を水平面内で微調整する角度調整機構として回転軸を有している。各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２のｘテーブルガイド軸はｘ軸調整つまみ１７に接続され、ｙテーブルガイド軸はｙ軸調整つまみ１８に接続され、ｚテーブルガイド軸はｚ軸調整つまみ１９に接続される。また、各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２の回転軸は回転調整つまみ２０に接続される。これら各つまみ１７、１８、１９、２０を回転操作することで、各レーザーセンサブロック１１、１２の位置及び角度の微調整が可能である。
【００１６】
このような構成を有する本実施態様の表面形状測定装置を用いて、シリコンウェーハ１の表面形状を測定する場合、先ず、レーザーセンサブロック１１、１２からのレーザー光の焦点距離をシリコンウェーハ１上の同一点に合わせることが行われ、その位置調整のために各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２の直交３軸機構が使用され、さらにレーザー光の平行度を調整するために、各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２の回転調整つまみ２０を用いた角度調整が行われる。特に、測定方向の角度の微調整が、後述するように、精度を向上させるのに大きく貢献する。
【００１７】
表面形状の測定をする際には、センサーの零点調整（キャリブレーション）が行われる。本実施態様の表面形状測定装置では、シリコンウェーハ１の表面形状を測定するために、位置と角度の調整が行われるが、例えば、次のような方法によって、センサーの零点調整を進めることができる。これは初めに、図３に示すようなブロックゲージ４０が平行度を調整するために使用され、次に、シリコンウェーハ１の縁部を用いて焦点位置の調整を行うものである。
【００１８】
詳しくは、厚みのばらつき（そりを含む。）が当該表面形状測定装置の精度以下（例えば５／１００ミクロン）のブロックゲージ４０を摺動可能な図示しない治具に保持し、このブロックゲージ４０を図３に示すように一対のレーザーセンサブロック１１、１２の間に介在させる。該治具を操作してブロックゲージ４０を摺動させ、レーザーセンサブロック１１、１２からの各レーザースポットの位置が該ブロックゲージ４０の端部上にあるようにさせる。その位置で両レーザーセンサブロック１１、１２の各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２のうちのｘ軸方向の直交３軸機構を操作して、その焦点位置がブロックゲージ４０上になるように合わせる。
【００１９】
次いで、ブロックゲージ４０を少しずつ反対方向に移動させ、一対のレーザーセンサブロック１１、１２からの出力を確認する。その上で、どちらか一方のセンサーからの出力データを基準として、各レーザーセンサブロック１１、１２からの表示（出力値）が一致するように各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２のうちの回転調整つまみ２０を調整する。この回転調整つまみ２０の調整は、レーザーセンサブロック１１、１２の測定方向の角度を調整するものであり、表示された値が一致することで平行度が合うことになる。
【００２０】
各レーザーセンサブロック１１、１２の間でこのような平行度の合わせ込みが行われたところで、実際の測定を行う状態にシリコンウェーハ１をアーム３７に挟持させ、今度はシリコンウェーハ１をＸ方向（ｘ−ｙ−ｚ−θステージのｙ軸方向に対応）に移動させて、シリコンウェーハ１の縁部付近にレーザー光のスポットを導く。各レーザーセンサブロック１１、１２のセンサーは、シリコンウェーハ１の端部では反射光を検出できなくなる。そこで、シリコンウェーハ１を外周方向に微小量移動させながら、各レーザーセンサブロック１１、１２のセンサーがレーザー光の反射光を検出できなくなる位置を確認し、その位置がもしずれている時は、各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２のｙステージ（ウェーハ上のＸ方向）を調整する。次に、同様の方法をウェーハのＹ方向（ｘ−ｙ−ｚ−θステージのｚ軸方向に対応）についても行い、各ｘ−ｙ−ｚ−θステージ２１、２２のＺステージの調整を行う。このような零点調整によって、一対のレーザーセンサブロック１１、１２の測定位置および測定角度が微調整させ、高精度の測定が可能となる。
【００２１】
次に、本件の発明者らが行った実験に基づいて、本実施態様の表面形状測定装置の位置及び角度の微調整の効果について図５乃至図８を参照しながら説明する。レーザー変位計からのデータを立体画像化して示したものが図５及び図６であり、図５が微調整を伴わないで平坦度を測定したもの、図６は微調整を伴って平坦度を測定したものである。図５の例では、シリコンウェーハの表面の全体形状は中心付近からほぼ左右対称に特徴的な跳ね上がりを見せ、その部分は精度が悪くなっていることが示されている。これに対して、図６に示すように、シリコンウェーハ１の平坦度の測定のために、前記レーザーセンサブロック１１、１２のスポット位置と平行度（射出方向の角度）の調整を行ったものでは、図５に示されたような特徴的な跳ね上がりがなく、その分だけ精度が向上しているが分かる。
【００２２】
図７及び図８も同様なデータであり、走査した結果として、それぞれシリコンウェーハ１の各領域での出力値を示したものである。図７に示す数値が微調整を伴わないで平坦度を測定したもの、図８は微調整を伴って平坦度を測定したものである。微調整を伴って平坦度を測定したもの（図８）の方が、全体的に数値が低くされ、それだけ誤差の少ない高精度のデータとなっているが示されている。
【００２３】
このように、近年の半導体装置の高集積化に伴い半導体ウェーハに求められる平坦度のレベルの益々厳しいものとなってきているが、本実施態様の表面形状測定装置のように、実際の測定に際して、レーザー光の焦点位置とその平行度を微調整することにより、確実に要求されている品質の平坦度の測定が可能とされる。特に、現行要求される半導体ウェーハの平坦度のみならず、次世代の半導体ウェーハの平坦度の測定に対しても勿論有効であり、品質のすぐれた製品を製造するための重要な要素技術となり得る。
【００２４】
上述の実施態様では、一対のレーザー変位計を使用して半導体ウェーハの表面形状を計測するものとしているが、その他の変位量センサー、例えば静電容量式センサーや原子間力プローブ等が測定手段を構成していても良い。また、本実施態様ではｘ−ｙ−ｚ−θステージを用いたが、他の方向に走査するような位置角度調整手段を用いることも可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明でも明らかなように、本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法によれば、表面形状の測定精度が大幅に向上し、現行及び次世代半導体ウェーハに求められる平坦度品質に対応した測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置の一例の要部拡大斜視図である。
【図２】本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置の一例の装置全体を示す側面図である。
【図３】本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置において、一対のレーザーセンサブロックとその零点調整を行う場合に使用されるブロックゲージを示した平面図である。
【図４】半導体ウェーハの走査方法を示す概念図である。
【図５】微調整を伴わないでシリコンウェーハの平坦度を測定した例の出力データに基づく立体図である。
【図６】本発明に従い微調整を行ってシリコンウェーハの平坦度を測定した例の出力データに基づく立体図である。
【図７】微調整を伴わないでシリコンウェーハの平坦度を測定した例のシリコンウェーハ上の出力データを示す図である。
【図８】本発明に従い微調整を行ってシリコンウェーハの平坦度を測定した例のシリコンウェーハ上の出力データを示す図である。
【符号の説明】
１ シリコンウェーハ
１１、１２ レーザーセンサブロック
２１、２２ Ｘ−Ｙ−Ｚ−θステージ
３１ 保持部
４０ ブロックゲージ

Claims (8)

1. 半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定装置において、
   測定すべき半導体ウェーハを保持する保持部と、
   該保持部に保持された半導体ウェーハの主面に臨んで配設され該半導体ウェーハの主面の形状を測定する測定手投と、を備え、
   該測定手段は測定装置のセンサー基台の上に、前記半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置されており、
   前記センサー基台に支持された前記測定手段には、その測定手段を三次元方向に移動させると共にその測定手段の角度を調節する位置角度調整手段を有することを特徴とする半導体ウェーハの表面形状測定装置。
2. 前記半導体ウェーハの保持部には、その半導体ウェーハを平面内で平行移動して操作する移動部材を備え、前記測定手段は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計で構成し、
   前記位置角度調整手段は、前記移動部材によって移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記測定手段の位置調整することを特徴とする請求項１記載の表面形状測定装置。
3. 前記位置角度調整手段は、前記測定手段の位置を調整できる直交三軸機構を使用してなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の表面形状測定装置。
4. 前記位置角度調整手段は、前記測定手段の位置及び角度を調整できるｘ−ｙ−ｚ−θステージからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の表面形状測定装置。
5. 半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定方法において、
   測定すべき半導体ウェーハを保持部に保持させた後、
   測定装置のセンサー基台の上に該半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置された測定手段は、三次元方向の移動と角度が調節される位置角度調整手段によって、測定する前記半導体ウェーハ上の測定点の位置と測定方向を調整し、
   その調整後に前記測定手段により半導体ウェーハの主面の形状を測定することを特徴とする半導体ウェーハの表面形状測定方法。
6. 前記保持部は移動部材によって前記半導体ウェーハを平面内で平行移動可能になっており、前記測定手段は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計を用い、
   前記移動部材で移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記位置角度調整手段が前記測定手段の位置を調整することを特徴とする請求項５記載の表面形状測定方法。
7. 半導体ウェーハ上の測定点の位置は直交三軸機構によって調整され、その測定方向は角度調整機構によって調整されることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の表面形状測定方法。
8. 前記測定方向の調整のために、厚さのばらつきが前記レーザー変位計の測定精度以下であるブロックゲージを用いて零点調整することを特徴とする請求項６記載の表面形状測定方法。

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