JP6493811B2 - パターンの高さ検査装置、検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、パターンの高さの検査装置、検査方法に関し、より具体的には、基板上に形成されたパターンの高さを光学的に検査するための検査装置、検査方法に関する。

シリコン等の半導体のウェハ、あるいはプリント配線基板等の表面に形成される回路（配線）等の各種パターンの高さ（厚さ）を検査する場合、検査するパターン毎に膜厚計（段差計）によりその高さを計測する必要がある。しかし、検査対象のパターンの数が多くなると、全てのパターンの高さを個々に計測するには多くの時間を要する。特に、基板のサイズが大きくなり、かつその基板上のパターンが微細化し高密度化されていくにつれてその計測には膨大な時間が必要となる。したがって、基板上の複数のパターンの高さをより高速にかつ広範囲に渡って検査することが求められている。

半導体、液晶等の製造工程で行われる光を用いた検査の一つにマクロ検査がある。マクロ検査は、基板上に設けられた膜等の表面状態（平坦度、凹凸、パターンの形状、欠陥の有無など）を基板全体を含む広い範囲で一度に視覚的に把握することができる点で有効な検査である。

公開特許公報2011-122935号公報は、ウェハ表面の膜の端部の高さを測定可能な検査方法を開示する。その検査方法では、オートフォーカスユニット３２による合焦作動を行った状態と合焦作動を行わない状態で、ウェハ１０における平面部１１と上ベベル部１２との境界部１１ａを撮像する。そして、ウェハ１０の端部近傍の画像データより、合焦作動を行った場合と行わない場合とでの所定の基準点に対する境界部１１ａの高さ位置を検出し、ウェハ１０の全周に亘り境界部１１ａの高さ位置を求めることにより、境界部１１ａの高さ変動からウェハ１０の反りを求めている。

特開2011-122935号公報

特許文献１の検査方法は、回路パターンの高さをウェハ全体に渡って検査するものではなく、また、合焦作動を行わない状態をウェハを載せるステージの高さを変えることにより設定している。
本発明の目的は、比較的簡易でかつ高速に、基板上に形成された回路パターンを含む各種パターンの高さを基板の所定領域または全体に渡って検査することができる検査装置及びその検査方法を提供することである。

本発明は、基板上のパターンの高さを検査するための検査装置を提供する。その検査装置は、（ａ）基板を載せるステージと、（ｂ）ステージ上の基板の表面に光を照射する光源と、（ｃ）ステージの上方に位置し、ステージの表面に対して傾いた受光面を有し、ステージ上の基板の表面からの反射光をレンズを介して受光するカメラと、（ｄ）ステージまたはカメラを移動させながら反射光が入射するカメラ内の複数のラインセンサの各々から画像情報を取得し、基板上のパターンの線幅が鮮明に見える画像情報が得られた少なくとも１つのラインセンサのステージの表面に対する鉛直方向での距離を用いてパターンの高さを求めるための演算装置と、を備える。

本発明は、基板上のパターンの高さを検査するための方法を提供する。その方法は、（ａ）ステージ上の基板の表面に光を照射するステップと、（ｂ）基板上のパターンを含む表面を移動しながら反射光をレンズを介してカメラで受光するステップであって、カメラは、ステージの上方に位置し、ステージの表面に対して傾いた受光面を有するステップと、（ｃ）反射光が入射するカメラ内の複数のラインセンサの各々から画像情報を取得し、基板上のパターンの線幅が鮮明に見える画像情報が得られた少なくとも１つのラインセンサのステージの表面に対する鉛直方向での距離を用いてパターンの高さを求めるステップと、を含む。

本発明の検査装置および検査方法によれば、比較的簡易な構成で基板上のパターンの高さあるいはそのバラツキを基板の所定領域あるいは全体に渡ってマクロ的に高速に検査することができる。

本発明の一実施形態の検査装置を示す図である。 本発明の一実施形態のカメラ内のイメージセンサ（ラインセンサ）とステージとの位置関係を示すイメージ図（断面図）である。 本発明の検査方法を説明するためのイメージ図（断面図）である。 本発明の検査方法を説明するためのグラフ（高さとパターン幅の関係）である。 本発明の検査方法を説明するためのグラフ（高さと輝度値の標準偏差の関係）である。 本発明の一実施形態の検査方法のフローを示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、基板として回路基板を用いた場合について説明するが、回路基板と同様に表面に何らかのパターンが形成された他の基板を用いた場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。なお、本明細書で言うパターンは、所定の長さ及び幅を有し、断面形状に段差（凹凸）があり、かつ光が反射可能な材料から成るパターンを意味し、例えば導電体（金属等）や半導体からなる配線（回路）パターン、半導体や誘電体からなる光導波路等のパターンが該当する。

図１において、円形のステージ１上に回路基板２が載る。ステージ１は、ステージ・コントローラ４の制御下で、リニアモータ３によって、回転（θ）、水平（X、Y）あるいは垂直（Z）の方向に移動することができる。光源５は、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７によって、円弧状のレール６に沿って移動する。光源５は、ステージ１の表面に対して所定の角度に設定できる。所定の角度は、測定状態に応じて任意に設定可能である。光源５の明るさは、光源用の電源１０によって調整される。

カメラ９は、光源５と同様に、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７により、円弧状のレール６に沿って移動する。カメラ９の前部には、回路基板の表面からの反射光をカメラ９内の受光素子に導くための所定の光学系１２が設けられる。なお、光学系１２は、回路基板２とカメラ９との間にあればよく、カメラ９と一体型であってもよい。受光素子は、エリアセンサあるいはイメージセンサと呼ばれる２次元（X、Y）に撮像素子（画素）が配置されたセンサを用いることができる。言い換えれば、受光素子は、複数の１次元のラインセンサが並んだ構成を含むことができる。

光学系１２はレンズ等を含むことができる。レンズは、焦点が合っている範囲を意味する被写界深度（ＤＯＦ）の狭い高解像度レンズを用いることができる。例えば、ラインセンサ用レンズである両側テレセントリックレンズを用いることができる。そのワーキングディスタンス（ＷＤ）は、検査対象のパターンのサイズ（高さ、幅）を検出するために必要となるイメージセンサの分解能（解像度）に対応して設定される。例えば、500μｍの高さのパターンを検査する場合は50μｍ程度の分解能（解像度）で十分であり、その場合のＷＤは例えば960ｍｍ程度とすることができる。レンズが受けた反射光は、イメージセンサの各撮像素子に集光されるようになっている。

カメラ９の出力信号は画像処理手段１１に入る。画像処理手段１１は、ステージ・コントローラ４、コントローラ８、カメラ９および光源５用の電源１０を制御する。画像処理手段１１は、演算処理を行うプロセッサ、画像情報等を格納するメモリ、検査結果（画像、数値）等を表示する表示部、信号入出力部などを含むパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の所定のソフトウェアの動作下で装置を含むことができる。なお、図１では、光源５とカメラ９はそれぞれ１つしか記載されていないが、回路基板２のサイズや形状に応じてそれぞれ２以上配置してもよい。以上が図１の概要である。次に、図１の各構成についてさらに説明する。

ステージ１は、円形以外の任意の形状を有することができる。ステージ１は、できるだけ平坦な表面を有することが望ましい。ステージ１は、回路基板２の表面以外からの反射光ができるだけ発生しにくい構造を有することが望ましい。ステージ１は、回路基板２を載せた状態で、ステージが移動する際に回路基板２が動いて位置が変動してしまうことがないように、回路基板２を固定できるように構成されている。例えば、ステージ１は、回路基板２の外周の３、４点を外側から内側へ抑えることができる表面上に設けられた治具／機構（突起部、伸縮部、クリップ部、チャック等）を備えることができる。

光源５は、スポット状あるいはライン状に光を照射することができる任意の光源を用いることができる。光源５は、例えばハロゲン電球、LED等の発光源とその上の拡散効果等を得るための光学系（レンズ、拡散板等）を含むことができる。光源５としてライン光源を用いる場合は、例えば、長形の基板上に複数の発光素子が所定のピッチで一列に配置される。発光素子は、現在利用可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体素子のみならず将来新たに出現する発光素子等、基本的に任意に選択可能である。

光源５は、ステージ１の表面から所定の距離の位置に設定される。光源５は、ステージ１の表面に対して所定の角度にセットされる。所定の角度は、測定状態等に応じて任意に設定可能である。所定の角度は、例えば２０度〜８０度の範囲であり、好ましくは３０度〜７０度の範囲である。

図２は、本発明の一実施形態のカメラ内のイメージセンサ（ラインセンサ）９０とステージ１とその上の基板２との位置関係を示すイメージ図（断面図）である。イメージセンサ９０は複数のラインセンサ１〜ｎを含む。複数のラインセンサ１〜ｎは図２の紙面（表面）の裏側に伸びており、全体で長方形あるいは正方形の平面（Ｘ―Ｙ面）を有する２次元のイメージセンサ（エリアセンサ）を構成している。イメージセンサ９０がステージ１の表面と平行な平面に対して所定の角度θだけ傾いた方向に位置するように、イメージセンサ９０を内蔵するカメラ９が円弧状のレール６上に配置される。

その結果、ラインセンサ１〜ｎの各々はステージ１の表面に対して鉛直方向での距離（高さ）ＨがＨ１、Ｈ２、Ｈ３、・・・と異なる状態となる。言い換えれば、ステージ１の表面からの距離Ｈが異なる複数のラインセンサが基板２の上方に並んでいる構成となる。隣接する２つのラインセンサ間での距離Ｈの差分ΔＨは、使用する２次元のイメージセンサのラインセンサ間のピッチＰ（間隔）に依存して変化する。すなわち、距離Ｈの差分ΔＨは、ΔＨ＝Ｐ＊ｓｉｎθで求めることができる。例えば１０番目と１５番目のラインセンサ間の距離Ｈの差分ΔＨは、（１５−１０）＊Ｐ＊ｓｉｎθとして求めることができる。

図３の断面イメージを参照しながら本発明のパターンの高さの検査方法の原理について説明する。図３は、図２を参照しながら説明した傾けたイメージセンサ９０を用いて高さｈの突起部Ｂを有するパターン２０を検査する場合を示している。（ａ）では、パターン２０の表面からの反射光（破線矢印）がイメージセンサ９０内のラインセンサ１〜ｎの各々に入射する様子を示している。（ｂ）はイメージセンサ９０が左方向に移動した、またはパターン２０を含む基板を載せたステージが右方向に移動した場合の同様なイメージ図である。イメージセンサ９０またはパターン２０（ステージ）が移動しながらパターン２０を含む領域でのｎ枚の画像、すなわちラインセンサ１〜ｎの各々から１つの画像情報（合計ｎ画像）が得られる。

得られたｎ枚の画像において、上述したラインセンサ１〜ｎの鉛直方向での距離（高さ）Ｈが異なることに起因して、各画像中のパターン２０の鮮明度が異なってくる。すなわち、パターン２０に対するカメラのフォーカス状態（各ラインセンサでの入射光量）が変わることにより、各画像においてパターン２０を含む領域での鮮明度に差が出る。例えば、ラインセンサ３あるいは４においてフォーカスしている鮮明な画像が得られた場合、それ以外のラインセンサからの画像はデフォーカスな鮮明度が低いぼけた画像となる。本発明では、この鉛直方向の高さ（位置）が異なるラインセンサ１〜ｎから得られるパターンを含む複数の画像情報を基にそのパターンの高さｈを求める。

図４は、本発明のパターンの高さｈを求める検査（測定）方法を説明するための図である。図の横軸は各ラインセンサの位置（高さ）であり、縦軸は各ラインセンサにより得られる画像上のパターン幅である。横軸の各ラインセンサの位置（高さ）は、例えば図３のイメージセンサ９０内のｎ個のラインセンサ１〜ｎの位置（高さ）に対応している。図中のグラフＭ１は、線幅ｗ１と高さｈ１が既知のパターンを測定した場合の各ラインセンサからの得られる画像上でのパターン幅を示している。

グラフＭ１において、パターンが最も狭い（最小値）Ｐ０の位置（高さ）にあるラインセンサの画像が最も鮮明にパターンを表示していることを意味する。すなわち、Ｐ０の位置（高さ）にあるラインセンサにおいてカメラのフォーカスがパターンに対して合っていることを意味する。なお、グラフＭ１は、下記に示すグラフＭ２の測定の際に同時に測定することもでき、あるいは前に予め測定しそのデータを得ておくことができる。すなわち、検量線データとして予め得ておいてもよい。

グラフＭ２は、同じ既知の線幅ｗ１で高さｈが未知のパターンを測定した場合の各ラインセンサから得られる画像上でのパターン幅を示している。グラフＭ２において、パターンが最も狭い（最小値）Ｐｎの位置（高さ）にあるラインセンサの画像が最も鮮明にパターンを表示していることを意味する。すなわち、Ｐｎの位置（高さ）にあるラインセンサにおいてカメラのフォーカスがパターンに対して合っていることを意味する。ただし、得られた画像上のパターン幅は、グラフＭ１の測定の場合よりも広がる（ぼける）傾向にある。パターン表面でのフォーカス状態がＭ１の場合よりも微妙にずれているからである。

フォーカスが合うイメージセンサの位置（高さ）がＰ０とＰｎとで異なっているのは、パターンの高さの違い（差）があるからである。すなわち、図４の状態では、イメージセンサの位置（高さ）の差分（ＨＰ０―ＨＰｎ）は、パターンの既知の高さｈ１と未知の高さｈとの差分Δｈ＝（ｈ−ｈ１）に等しくなる。したがって、パターンの未知の高さｈは、ｈ＝ｈ１＋Δｈとして求めることができる。

図４では、実際に得られる画像上のパターン幅を観測しながらパターンの高さｈを求めているが、別の方法として、各ラインセンサの出力から得られる輝度値の標準偏差（あるいは分散）を観測しながらパターンの高さｈを求めることもできる。図５は、その輝度値の標準偏差と各ラインセンサの位置（高さ）との関係を示す図である。図中のグラフＭ３は、線幅ｗ１と高さｈ２が既知のパターンを測定した場合の各ラインセンサからの得られる輝度値の標準偏差を示している。すなわち、検量線のグラフに相当する。グラフＭ３において、輝度値の標準偏差が最も大きい（最大値）Ｐ１の位置（高さ）にあるラインセンサの出力信号（受光量）が最も大きいことを意味する。すなわち、Ｐ１の位置（高さ）にあるラインセンサにおいてカメラのフォーカスがパターンに対して合っていることを意味する。

グラフＭ４は、同じ既知の線幅ｗ１で高さｈが未知のパターンを測定した場合の各ラインセンサから得られる輝度値の標準偏差を示している。グラフＭ４において、輝度値の標準偏差が最も大きい（最大値）Ｐｍの位置（高さ）にあるラインセンサの出力信号（受光量）が最も大きいことを意味する。すなわち、Ｐｍの位置（高さ）にあるラインセンサにおいてカメラのフォーカスがパターンに対して合っていることを意味する。フォーカスが合う輝度値の標準偏差がＰ１とＰｍとで異なっているのは、パターンの高さの違い（差）があるからである。すなわち、図５の状態では、イメージセンサの位置（高さ）の差分（ＨＰ１―ＨＰｍ）は、パターンの既知の高さｈ２と未知の高さｈとの差分Δｈ＝（ｈ−ｈ２）に等しくなる。したがって、パターンの未知の高さｈは、ｈ＝ｈ２＋Δｈとして求めることができる。

次に、図６を参照しながら本発明の一実施形態のパターンの高さの検査フローについて説明する。図６は、本発明の一実施形態のパターンの高さの検査フローを示す図である。図６のフローは、図１の一実施形態の検査装置１００によって実行される。

ステップＳ１１において、ステージ１上に基板をセットする。基板としては既に述べたように回路パターン等が表面に形成された回路基板２を含むことができる。以下、回路基板２の場合について説明する。その際に、既に上述したように、ステージが移動する際に回路基板２が動いて位置が変動してしまうことがないように、ステージ１の表面に設けられた治具／機構により、回路基板２はステージ１の表面に固定される。ステップＳ１２において、回路基板２の表面上の検査領域へ光源５から光を照射する。検査領域としては、予め決められた基板上の所定のパターンを含む所定の領域あるいは回路基板の全体が選択される。

ステップＳ１３において、カメラ９が回路基板２の表面から所定の距離において光学系１２（レンズを含む）を介して回路基板２の表面からの反射光を受光する。ステップＳ１４において、未検査領域が有るか否かを判断し、Ｙｅｓの場合はステージ１またはカメラ９を移動することにより、検査領域を移動（変更）する。その後、ステップＳ１２の回路基板への光照射及びステップ１３の反射光の受光を行う。同様な流れを他のパターンを含む未検査領域が無くなるまで繰り返した後、得られた各ラインセンサ１〜ｎからの画像情報から少なくとも１以上のパターンの高さｈを算出する。その算出方法は図４、図５を参照しながら説明した通りである。得られた複数のパターンの高さ情報は、画像処理手段１１が備える表示装置の画面上に、各パターンに対応した数値として、あるいは回路基板２の検査領域の高さ分布を含むマクロ画像（マップ）として表示される。

図１の検査装置１００を用いて、膜厚計で測定した高さｈ＝１５．８９１μｍのパターンを含む基板を測定し、図４に示したようなパターンの線幅とラインセンサの高さの関係を得て、その高さの差Δｈからパターンの高さを算出したところ、高さｈ＝１４．６６９μｍを得ることができた。

同様に図１の検査装置１００を用いて、膜厚計で測定した高さｈ＝０．０５１４ｍｍのパターンを含む基板を測定し、図５に示したような輝度値の標準偏差とラインセンサの高さの関係を得て、その高さの差Δｈからパターンの高さを算出したところ、高さｈ＝０．０６５１ｍｍを得ることができた。

本発明の実施形態について、図１〜図６を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１ ステージ
２ 基板（回路基板等）
３ リニアモータ
４ ステージ・コントローラ
５ 光源
６ レール
７ ステッピング・モータ
８ コントローラ
９ カメラ
１０ 光源用の電源
１１ 画像処理手段（コンピュータ）
１２ 光学系（レンズ等）
２０ パターン
９０ イメージセンサ（エリアセンサ）
１００ 検査装置

Claims (5)

1. 基板上のパターンの高さを検査するための検査装置であって、
   基板を載せるステージと、
   前記ステージ上の基板の表面に光を照射する光源と、
   前記ステージの上方に位置し、前記ステージの表面に対して傾いた受光面を有し、前記ステージ上の基板の表面からの反射光をレンズを介して受光するカメラと、
   前記ステージまたは前記カメラを移動させながら前記反射光が入射する前記カメラ内の複数のラインセンサの各々から画像情報を取得し、前記基板上のパターンの線幅が鮮明に見える画像情報が得られた少なくとも１つのラインセンサの前記ステージの表面に対する鉛直方向での距離を用いて前記パターンの高さを求めるための演算装置と、を備え、
   前記演算装置は、前記基板上の高さ（ｈ１）が既知であるパターンの線幅が鮮明に見える画像情報を得たラインセンサの前記鉛直方向での距離（Ｈ１）と、高さ（ｈ）が既知でないパターンの線幅が鮮明に見える画像情報を得たラインセンサの前記鉛直方向での距離（Ｈ２）との差分（ΔＨ＝Ｈ１−Ｈ２）から当該高さが既知でないパターンの高さ（ｈ＝ｈ１＋ΔＨ）を求めることを含む、検査装置。
2. 前記基板上のパターンの線幅が鮮明に見える画像情報は、前記少なくとも１つのラインセンサにおいて前記パターンに対して前記カメラの焦点が合っている状態で得られた画像情報を含む、請求項１に記載の検査装置。
3. 前記複数のラインセンサは、前記カメラ内のイメージセンサが有する複数のラインセンサを含む、請求項１または２に記載の検査装置。
4. 前記レンズは、テレセントリックレンズを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の検査装置。
5. 基板上のパターンの高さを検査するための方法であって、
   ステージ上の基板の表面に光を照射するステップと、
   前記基板上のパターンを含む表面を移動しながら反射光をレンズを介してカメラで受光するステップであって、前記カメラは、前記ステージの上方に位置し、前記ステージの表面に対して傾いた受光面を有するステップと、
   前記反射光が入射する前記カメラ内の複数のラインセンサの各々から画像情報を取得し、前記基板上のパターンの線幅が鮮明に見える画像情報が得られた少なくとも１つのラインセンサの前記ステージの表面に対する鉛直方向での距離を用いて前記パターンの高さを求めるステップと、を含み、
   前記パターンの高さを求めるステップは、前記基板上の高さ（ｈ１）が既知であるパターンの線幅が鮮明に見える画像情報を得たラインセンサの前記鉛直方向での距離（Ｈ１）と、高さ（ｈ）が既知でないパターンの線幅が鮮明に見える画像情報を得たラインセンサの前記鉛直方向での距離（Ｈ２）との差分（ΔＨ＝Ｈ１−Ｈ２）から当該高さが既知でないパターンの高さ（ｈ＝ｈ１＋ΔＨ）を求めることを含む、方法。

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