JP2000227326A - 平坦度測定装置 - Google Patents

平坦度測定装置

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JP2000227326A
JP2000227326A JP11280908A JP28090899A JP2000227326A JP 2000227326 A JP2000227326 A JP 2000227326A JP 11280908 A JP11280908 A JP 11280908A JP 28090899 A JP28090899 A JP 28090899A JP 2000227326 A JP2000227326 A JP 2000227326A
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substrate
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Masahiko Yomoto
雅彦 與本
Norio Nakahira
法生 中平
Eiji Matsukawa
英二 松川
Hironobu Sakuta
博伸 作田
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Nikon Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness

Abstract

(57)【要約】 【課題】 描画時の半導体ウエハの平坦度を精度良く予
測・測定することができる平坦度測定装置を提供する。 【解決手段】 半導体ウエハ２０の表面の高さ分布を測
定するとき、全測定点のうちから描画時にフォーカスセ
ンサで測定する特定の測定点と同じ測定点を選択する。
その測定結果に基いて半導体ウエハ２０の平坦度判定基
準平面Ｒ２を演算する。次に、この平坦度判定基準平面
Ｒ２に対する描画エリア内の変位量を測定する。測定さ
れた変位量から描画時の半導体ウエハの平坦度を予測・
測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は平坦度測定装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＬＳＩのパターンの微細化に伴っ
て光露光装置の焦点深度が浅くなってきている。すなわ
ち、微細なパターンを露光するためには波長を短くしな
ければならないが、焦点深度は波長に比例するため、光
露光装置の焦点深度が浅くなってしまう。
【０００３】そのため、半導体ウエハの表面の凹凸が焦
点深度内であるか否かが描画の良否を左右することにな
り、パターンが描画（露光）される半導体ウエハの平坦
度に対する要求が厳しくなってきている。例えば、半導
体ウエハの表面がうねり、そのうねり量が焦点深度を越
えると、いわゆるピンぼけを起こしてしまうからであ
る。
【０００４】従来、半導体ウエハの平坦度を測定するに
は、半導体ウエハの一部を保持し、その半導体ウエハの
両面に対向するようにセンサを配置し、このセンサをス
キャニングしてウエハの各測定点までの距離を測定す
る。
【０００５】例えばセンサのデータ収集を描画エリアの
１ｍｍピッチに対応させ、１ｍｍピッチで半導体ウエハ
表面の高さ分布を測定し、この測定結果に基いて半導体
ウエハの平坦度を測定する。
【０００６】図４は描画エリアを説明する図である。
【０００７】半導体ウエハ２０の表面は例えば図４に示
すように複数の描画エリア（２０−１〜２０−Ｎ）（Ｎ
は正の整数）に分割され、各描画エリア毎に半導体ウエ
ハの平坦度が測定される。
【０００８】図５は平坦度測定時における測定点を説明
する図である。
【０００９】図５は図４に示す描画エリアの１つ（例え
ば２０−ｎ）（ｎは正の整数）を拡大したものであり、
この描画エリアには例えば１ｍｍピッチで複数の測定点
がある。半導体ウエハ２０の表面高さは全測定点（２０
−ｎ−１〜２０−ｎ−Ｍ）（Ｍは正の整数）に対して測
定される。
【００１０】図６は平坦度測定時における基準平面を説
明する図である。
【００１１】各測定点の高さを示す測定データから最小
自乗法等を用いて、この描画エリア（２０−ｎ）を代表
する基準平面Ｒ１を算出する。
【００１２】平坦度の測定は、各測定点（２０−ｎ−１
〜２０−ｎ−Ｍ）の基準平面Ｒ１からの変位量を用いて
行われる。
【００１３】一方、描画時にはフォーカスセンサ（例え
ばステッパＡＦセンサ）等を用いて各描画エリア（２０
−１〜２０−Ｎ）の最適な焦点面を検出し、その面に焦
点を合わせて描画する。
【００１４】図７は描画時における測定点を説明する図
である。
【００１５】描画時には半導体ウエハ２０をウエハホル
ダで保持した状態で、描画エリア内の特定の複数（図７
の場合は４つ）の測定点（２０−ｎ−ｆ１〜２０−ｎ−
ｆ４）の高さがフォーカスセンサを用いて計測される。
【００１６】図８は平坦度測定時における基準平面Ｒ１
と描画時における平坦度判定基準平面Ｒ２との関係を説
明する図である。
【００１７】各測定点の高さを示す測定データから最小
自乗法等を用いて、この描画エリアを代表する平坦度判
定基準平面Ｒ２を算出する。描画は、焦点を平坦度判定
基準平面（描画基準平面）Ｒ２に合わせて行われる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、平坦度測定時
と描画時とでは高さを測定する測定点の数が異なるの
で、半導体ウエハ２０の平坦度を測定するときの基準平
面と描画するときの基準平面（焦点面）とは必ずしも一
致しないから、描画時の合焦状態を精度良く予測・測定
することは難しかった。
【００１９】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は描画時の合焦状態を精度良く予測
・測定することができる平坦度測定装置を提供すること
である。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、特定の測定点の高さデータに
基いて描画基準平面が演算され、この描画基準平面に焦
点を合せて所定のパターンが描画される基板の平坦度を
測定する平坦度測定装置において、描画工程の前に、前
記特定の測定点と同じ測定点の高さデータに基いて平坦
度判定基準平面を演算し、この平坦度判定基準平面から
の変位量を演算する演算手段と、前記変位量に基いて前
記基板の平坦度を測定する測定手段とを備えることを特
徴とする。
【００２１】描画工程の前に、特定の測定点と同じ測定
点の高さデータに基いて演算された平坦度判定基準平面
からの変位量を演算し、この変位量に基いて基板の平坦
度を測定するので、描画工程と同じ条件で基板の平坦度
を測定することができる。
【００２２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の平坦度測定装置において、前記測定手段の測定値が前
記基板の平坦度規格値を満たすときに前記基板を良品と
判定し、それ以外のときに前記基板を不良品と判定する
判定手段を備えていることを特徴とする。
【００２３】判定手段は、測定値が基板の平坦度規格値
を満たすとき、基板を良品と判定し、それ以外のとき、
基板を不良品と判定する。
【００２４】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の平坦度測定装置において、前記特定の測定点は、前記
所定のパターンが描画される１つの描画エリアにおいて
少なくとも４点であることを特徴とする。
【００２５】請求項４に記載の発明は、請求項２に記載
の平坦度測定装置において、前記基板の平坦度規格値
は、前記所定のパターンを描画する装置の焦点深度に基
いて決められることを特徴とする。
【００２６】基板の平坦度規格値は、所定のパターンを
描画する装置の焦点深度に基いて決められるので、装置
に対応した特定の値となる。
【００２７】請求項５に記載の発明は、特定の測定点の
高さデータに基いて描画基準平面が演算され、この描画
基準平面に焦点を合せて所定のパターンが描画される基
板の平坦度を測定する平坦度測定装置において、描画工
程の前に、所定のパターンが描画される基板の描画エリ
アの全測定点の高さに基いて基準平面を演算し、前記全
測定点の前記基準平面からの変位量を演算するととも
に、前記全測定点のうちの前記特定の測定点と同じ測定
点の高さデータに基いて平坦度判定基準平面を演算し、
前記特定の測定点の前記平坦度判定基準平面からの変位
量を演算する演算手段と、前記基準平面からの変位量に
基いて前記基板の平坦度を測定するとともに、前記平坦
度判定基準平面からの変位量に基いて前記基板の平坦度
を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】描画工程の前に、所定のパターンが描画さ
れる基板の描画エリアの全測定点の高さに基いて演算さ
れた基準平面からの変位量と、全測定点のうちの特定の
測定点と同じ測定点の高さデータに基いて演算された平
坦度判定基準平面からの変位量とに基いて基板の平坦度
を測定するので、描画時の合焦状態を高い精度で予測・
測定できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。
【００３０】図１はフィゾー式干渉計によるウエハ平坦
度測定方法を説明する図である。
【００３１】フィゾー式干渉計１０は、光源１１と、ビ
ームエクスパンダ１２と、ハーフミラー１３と、フィゾ
ーフラット１４と、ウエハホルダ１５と、結像レンズ１
６と、ＴＶカメラ１７とを備える。
【００３２】光源１１としてはレーザ光（例えばＨｅ−
Ｎｅレーザ）のように可干渉距離が長い光源を用いる。
これにより、後述する干渉縞のコントラストが良好とな
り、高精度の測定が可能となる。
【００３３】ビームエクスパンダ１２はレンズ１２Ａと
コリメータレンズ１２Ｂとで構成される。
【００３４】ウエハホルダ１５としては半導体ウエハ
（基板）２０にパターンを描画する際に用いられる描画
装置（図示せず）のウエハホルダと同一構造のホルダを
用いる。
【００３５】結像レンズ１６とＴＶカメラ１７とで観察
光学系が構成される。
【００３６】光源１１からの光はビームエクスパンダ１
２で拡大され、平行光束となってフィゾーフラット１４
に入射する。
【００３７】フィゾーフラット１４に入射した光の一部
は基準平面１４ａで反射され参照光となる。
【００３８】基準平面１４ａを透過した光は半導体ウエ
ハ２０の表面２０ａで反射される。
【００３９】反射光は参照光と同じ光路を戻り、ハーフ
ミラー１３で反射され、観察光学系に至る。
【００４０】反射光は結像レンズ１６を通過し、ＴＶカ
メラ１７の撮像面に到達する。基準平面１４ａと半導体
ウエハ２０の表面２０ａとで反射された光が干渉を起こ
し、干渉縞が撮像面に形成される。
【００４１】例えば半導体ウエハ２０の表面を１ｍｍピ
ッチで測定できるようにＴＶカメラの撮像素子の１画素
を半導体ウエハ表面の１ｍｍピッチに対応させている。
【００４２】基準平面１４ａが十分に精度の良い平面で
ある場合には、干渉縞は半導体ウエハ２０の表面形状、
すなわち半導体ウエハ２０の表面の高さ分布を示す。
【００４３】この干渉縞はコンピュータ３０を用いて公
知の自動縞解析法によって解析され、半導体ウエハ２０
の表面の高さ分布が演算される。このコンピュータ３０
は演算回路（演算手段）３１と判定回路（判定手段）３
２とを備える。
【００４４】次に、上記測定されたデータを用いた半導
体ウエハの平坦度の測定を説明する。
【００４５】この発明は、平坦度の測定に用いる基準平
面の演算を、描画エリアの全測定データを用いて行うの
ではなく、描画時に光露光装置の投影レンズを合焦させ
るための基準平面を演算するための特定の測定点と同じ
測定点の測定データを用いて行う点で従来例と大きく異
なる。
【００４６】図２は平坦度判定方法を説明するフローチ
ャートであり、Ｓ１〜Ｓ６はその手順を示している。
【００４７】まず、半導体ウエハ２０の全測定点の高さ
を測定する（Ｓ１）。
【００４８】次に、全測定点のうちから描画時にフォー
カスセンサ（図示せず）で測定する特定の測定点（図７
参照）と同じ測定点を選択する（Ｓ２）。特定の測定点
は１つの描画エリアにおいて４点以上あればよい。
【００４９】その測定結果に基いて半導体ウエハ２０の
描画時における平坦度判定基準平面（描画基準平面）Ｒ
２を演算する（Ｓ３）。
【００５０】次に、この描画基準平面に対する描画エリ
ア内の各測定点の変位量（平坦度判定基準平面Ｒ２から
測定点までの距離）を測定する（Ｓ４）。
【００５１】この変位量に基いて半導体ウエハ２０の平
坦度を測定する（Ｓ５）。
【００５２】判定回路３２で、この各測定点の変位量が
平坦度規格値を満たすか否かを判定する（Ｓ６）。平坦
度規格値は光露光装置の焦点深度に基いて決められてい
る。
【００５３】なお、現実には半導体ウエハ２０の平坦度
だけでなく、半導体ウエハ２０を載置するホルダの平坦
度やオートフォーカスの誤差等も考慮しなければなら
ず、これらの誤差を合算した数値が焦点深度の範囲に入
る必要がある。
【００５４】上記手順を全描画エリアに対して行う。
【００５５】ウエハ描画時の半導体ウエハの平坦度が平
坦度規格値を満たすと判定されたときには、この半導体
ウエハ２０を良品として描画工程で使用する。
【００５６】この実施形態によれば、描画時に使用され
る特定の測定点と同じ測定点を用いて描画基準平面を演
算し、その演算結果に基いて半導体ウエハの平坦度を測
定するので、描画時と同じ条件で半導体ウエハの平坦度
を測定することができる。その結果、描画時の合焦状態
を精度良く予測・測定することができる。
【００５７】また、複数の特定の測定点を描画エリアに
点在させることができるので、半導体ウエハ２０のエッ
ジ付近であっても特定の測定点を容易に確保することが
できる。
【００５８】更に、半導体ウエハ２０の平坦度規格値は
光露光装置に対応した特定の値となるので、適切な平坦
度規格値に基づいて半導体ウエハ２０の良否を判定する
ことができる。
【００５９】また、フィゾー式干渉計１０を用いたの
で、半導体ウエハ２０の全面を一括して測定を行うこと
ができ、測定時間を短くすることができる。
【００６０】次に、ウエハ平坦度の測定方法の別の一例
を示す。
【００６１】図３は測距センサを備えた測定装置を用い
てウエハ平坦度測定方法を説明する図であり、図１のフ
ィゾー式干渉計と共通する部分には同一符号を付しその
説明を省略する。
【００６２】測定装置１１０は、テーブル１０５と、ウ
エハホルダ１１５と、測距センサ１４０と、ガイド１４
１とを備える。
【００６３】テーブル１０５は軸１０５ａを中心として
矢印ａに示すように回転可能であり、その上面には半導
体ウエハ２０を保持するウエハホルダ１１５が取り付け
られている。
【００６４】測距センサ１４０としては光学式や超音波
式のものを用い、半導体ウエハ２０の表面２０ａの各測
定点までの距離を測定する。この測距センサ１４０は半
導体ウエハ２０に対して矢印ｂに示すように平行に移動
できるようにガイド１４１に取り付けられている。
【００６５】なお、この測距センサ１４０としては描画
時の焦点位置の決定に使用されるフォーカスセンサと同
じものを用いる方が判定の信頼性の点から好ましい。
【００６６】半導体ウエハ２０の表面２０ａの高さ分布
は、測距センサ１４０を半導体ウエハ２０に対して平行
に移動させると同時にテーブル１０５を回転させて、測
定される。
【００６７】この測定結果はコンピュータ３０を用いて
解析され、半導体ウエハ２０の表面の高さ分布が演算さ
れる。
【００６８】上記各装置によって半導体ウエハ２０の表
面形状が演算された後は、図２のフローチャートに示し
た手順で半導体ウエハ２０の平坦度が測定される。
【００６９】この測定装置を用いたときも描画時と同じ
基準面を用いて半導体ウエハ２０の平坦度を測定し、描
画時の合焦状態を精度良く予測・測定できる。
【００７０】更に、他の平坦度測定方法を説明する。
【００７１】この平坦度測定方法では、半導体ウエハ２
０の全測定点における測定結果に基いて半導体ウエハ２
０の基準平面Ｒ１を演算するとともに、半導体ウエハ２
０の全測定点のうちから描画時にフォーカスセンサで測
定する特定の測定点と同じ測定点を選択し、それらの測
定点における測定結果に基いて半導体ウエハ２０の平坦
度判定基準平面Ｒ２を演算し、基準平面Ｒ１に対する描
画エリア内の全測定点の変位量に基づいて半導体ウエハ
２０の平坦度を測定するとともに、平坦度判定基準平面
Ｒ２に対する描画エリア内の各測定点の変位量に基づい
て半導体ウエハ２０の平坦度を測定する。
【００７２】そして、基準平面Ｒ１に基く平坦度と平坦
度判定基準平面Ｒ２に基く平坦度の差を演算し、この差
が所定値以上であるときには、このサイト（描画エリ
ア）をディスプレイ（図示せず）に表示させる。
【００７３】この平坦度測定方法によれば、平坦度測定
装置において基準平面Ｒ１に対する変位量と平坦度判定
基準平面Ｒ２に対する変位量とに基づいて半導体ウエハ
２０の平坦度が測定されるので、描画時の合焦状態を前
述の実施形態より高い精度で予測・測定できる。
【００７４】なお、上記実施形態は光露光装置の場合で
説明したが、Ｘ線や電子線を用いた露光装置又は描画装
置にも適用できる。
【００７５】また、光露光装置の機種に応じた特定の測
定点（例えば４点）を予めメモリ（図示せず）に記憶し
ておき、平坦度測定時にこれらを選択できるようにす
る。
【００７６】
【発明の効果】以上に説明したように請求項１記載の発
明の平坦度測定装置によれば、描画時と同じ条件で半導
体ウエハの平坦度を測定することができるので、描画時
の半導体ウエハの平坦度を精度良く予測・測定すること
ができる。
【００７７】請求項２記載の発明の平坦度測定装置によ
れば、製品検査において、基板の良否を正しく判定する
ことができる。
【００７８】請求項３記載の発明の平坦度測定装置によ
れば、基板のエッジ付近であっても特定の測定点を容易
に確保することができる。
【００７９】請求項４記載の発明の平坦度測定装置によ
れば、適切な平坦度規格値に基づいて基板の良否を判定
することができる。
【００８０】請求項５記載の発明の平坦度測定装置によ
れば、描画時の半導体ウエハの平坦度を請求項１記載の
発明より高い精度で予測・測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はフィゾー式干渉計によるウエハ平坦度測
定方法を説明する図である。
【図２】図２は平坦度判定方法を説明するフローチャー
トである。
【図３】図３は測距センサを備えた測定装置を用いてウ
エハ平坦度測定方法を説明する図である。
【図４】図４は描画エリアを説明する図である。
【図５】図５は平坦度測定時における測定点を説明する
図である。
【図６】図６は平坦度測定時における基準平面を説明す
る図である。
【図７】図７は描画時における測定点を説明する図であ
る。
【図８】図８は平坦度測定時における基準平面と描画時
における基準平面との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１０ フィゾー式干渉計 １７ ＴＶカメラ ２０ 半導体ウエハ（基板） ３１ 演算回路（演算手段） ３２ 判定回路（判定手段） １１０ 測距センサを備えた測定装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松川 英二 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 (72)発明者 作田 博伸 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 特定の測定点の高さデータに基いて描画
    基準平面が演算され、この描画基準平面に焦点を合せて
    所定のパターンが描画される基板の平坦度を測定する平
    坦度測定装置において、 描画工程の前に、前記特定の測定点と同じ測定点の高さ
    データに基いて平坦度判定基準平面を演算し、この平坦
    度判定基準平面からの変位量を演算する演算手段と、 前記変位量に基いて前記基板の平坦度を測定する測定手
    段とを備えることを特徴とする平坦度測定装置。
  2. 【請求項２】 前記測定手段の測定値が前記基板の平坦
    度規格値を満たすときに前記基板を良品と判定し、それ
    以外のときに前記基板を不良品と判定する判定手段を備
    えていることを特徴とする請求項１に記載の平坦度測定
    装置。
  3. 【請求項３】 前記特定の測定点は、前記所定のパター
    ンが描画される１つの描画エリアにおいて少なくとも４
    点であることを特徴とする請求項１に記載の平坦度測定
    装置。
  4. 【請求項４】 前記基板の平坦度規格値は、前記所定の
    パターンを描画する装置の焦点深度に基いて決められる
    ことを特徴とする請求項２に記載の平坦度測定装置。
  5. 【請求項５】 特定の測定点の高さデータに基いて描画
    基準平面が演算され、この描画基準平面に焦点を合せて
    所定のパターンが描画される基板の平坦度を測定する平
    坦度測定装置において、 描画工程の前に、所定のパターンが描画される基板の描
    画エリアの全測定点の高さに基いて基準平面を演算し、
    前記全測定点の前記基準平面からの変位量を演算すると
    ともに、前記全測定点のうちの前記特定の測定点と同じ
    測定点の高さデータに基いて平坦度判定基準平面を演算
    し、前記特定の測定点の前記平坦度判定基準平面からの
    変位量を演算する演算手段と、 前記基準平面からの変位量に基いて前記基板の平坦度を
    測定するとともに、前記平坦度判定基準平面からの変位
    量に基いて前記基板の平坦度を測定する測定手段とを備
    えることを特徴とする平坦度測定装置。
JP11280908A 1998-12-02 1999-10-01 平坦度測定装置 Withdrawn JP2000227326A (ja)

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