JP2003232620A - 透明膜の形状計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコンウエハ上に成膜された低反射率の透
明膜の形状を高精度に計測することができる透明膜の形
状計測方法を提供すること。 【構成】 シリコンウエハ上の透明膜の形状計測にお
いて、波長１．１μｍ〜１５μｍの光を前記透明膜に照
射し、前記光の前記透明膜からの反射光を光検出器にて
撮像することにより形状を計測する。ここで、透明膜上
に照射される波長１．１μｍ〜１５μｍの光が１方向に
平行な直線縞パターンの平行光であり、前記透明膜形状
に応じた情報を含んで反射される前記縞パターンを撮像
する手段と、前記撮像手段による画像情報に基づいて前
記透明膜の形状計測を求める解析手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウエハ上
に成膜された透明体の表面形状を計測する方法及び装置
に係り、詳しくは電子デバイスの製造過程において、シ
リコンウエハ上に機能膜として塗布される透明なレジス
ト材やＩＴＯ等の透明体導電膜の表面形状計測に適用す
ることができる透明膜の形状計測方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子デバイスにおけるデバイス基
板の高密度化及び高集積化は、飛躍的な進歩を遂げてお
り、それに伴い構造の微細化及び多層配線技術等も進展
している。

【０００３】このような電子デバイスは、精度良く製作
されなければならず、構造部位においては設計通りに構
造体が形成されているか、又、配線に関しても同様に形
状の計測が必須である。

【０００４】このような機能膜の表面形状を計測するこ
とは、電子デバイスの確立、製品の安定生産には欠かせ
ないことである。

【０００５】従来の方法は 特開平１１−８３４５４号
や特開平１１−２５７９３０号のように、計測ワークに
ハロゲンランプ等の白色光又はレーザ光から形成される
格子パターンを投影し、計測ワークの表面の凹凸によっ
て、格子パターンが変形することを利用し、その計測ワ
ーク面からの反射光をＣＣＤカメラ等の検出器で捕ら
え、その画像を画像処理し形状計測する格子パターン投
影法をベースに用いた方法である。

【０００６】又、他の方法として、プローブによる接触
方式で点群データから形状計測する方法や、白色光を光
源にし可干渉距離を短くしたマイケルソン干渉計やフィ
ゾー干渉計による光干渉計測がある。特開平７−２３１
０２３号では、半導体ウエハ上に成膜された透明膜の形
状計測法について記述されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら 上述し
た特開平１１−８３４５４号や特開平１１−２５７９３
０号に記載された発明には以下の問題があった。

【０００８】即ち、この計測方法においては、測定対象
物が反射表面であることが条件で且つ計測面からの反射
光であることが計測の前提である。

【０００９】つまり、シリコンウエハ上の透明膜の形状
計測をすると、透明膜からの反射光のみをＣＣＤカメラ
のような撮像デバイスで捕らえたいが、透明膜からの反
射光とシリコンウエハからの反射光の２光束が重なって
戻ってしまう。又、その重なった光の光量が透明膜から
の反射光量は数％で、シリコンウエハからの反射光量は
約９０％であり、圧倒的にシリコンウエハからの反射光
量が多いので、画像上はシリコンウエハからの反射光を
捕らえてしまい、透明膜の形状計測ができないという問
題がある。

【００１０】又、プローブによる接触方式では、固体表
面の形状計測にしか対応できず、透明膜の塗布中のイン
プロセス計測ができない。又は、できても傷を付けてし
まうという問題がある。

【００１１】更に、白色光を用いた光干渉計測では、白
色光の可干渉距離以下であるＩＴＯ膜のような膜厚１μ
ｍ程度の透明膜に対して計測ができないという問題があ
る。

【００１２】特開平７−２３１０２３号に示されるＰ偏
光を利用した方法では、１計測に２回の表面計測データ
が必要であり、リアルタイム計測に対応できないという
問題がある。

【００１３】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、シリコンウエハ上に成膜され
た低反射率の透明膜の形状を高精度に計測することがで
きる透明膜の形状計測方法及び装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、シリコンウエハが波長１．１〜１５μｍの
光を透過する特性を利用した計測方法であり装置であ
る。つまり、従来のパターン投影法や光干渉を利用した
マイケルソン干渉計等の光射出部に、波長１．１〜１５
μｍの光を射出する光源を用いて、被計測対象であるシ
リコンウエハ上の透明膜に光を照射すると透明膜からの
反射光だけが戻り、シリコンウエハに到達した光はシリ
コンウエハを透過する。従って、透明膜からの反射光の
みを撮像することができ、パターン投影法や光干渉を利
用したマイケルソン干渉計等での形状計測が可能とな
る。

【００１５】つまり、本発明は、シリコンウエハ上の透
明膜の形状計測において、波長１．１μｍ〜１５μｍの
光を前記透明膜に照射して、前記光の反射光を光検出器
にて撮像することにより形状計測することを特徴とす
る。

【００１６】

【発明実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付図
面に基づいて説明する。

【００１７】＜実施の形態１＞図１に示す構成を説明す
る。

【００１８】図１において、１は透明膜からの反射光を
検出するＩＲカメラで、１倍の対物レンズ（材質：ＢＫ
７）が組まれている。２は波長１．１μｍ、出力１ｍＷ
の半導体レーザを射出する光源部、３は図３に示された
１００μｍのライン／スペースの石英ガラス上にクロム
膜をレーザにて格子パターンが描画された格子プレート
であり、格子プレートと光源の間に光束を広げ且つ平行
光とする光学系８（材質：ＢＫ７）が配置される。

【００１９】４はシリコンウエハ５上にスピンコーター
にて塗布された、乾燥後の透明なレジストである。膜厚
は乾燥後で１０μｍである。

【００２０】以上の構成において、光源１から射出され
た波長１．１μｍの可干渉光が光学系８を通過すること
によって光径がφ０．８ｍｍ〜φ８ｍｍの平行光に変光
され、格子プレート３を透過する。格子プレート３を透
過した光は、１００μｍのライン／スペースの平行光線
の格子パターン光となり、透明なレジストが成膜された
シリコンウエハ５へ照射される。その透明膜からの反射
光を撮像デバイスであるＩＲカメラで捕らえたのが図４
に示される画像である。この画格子パターン投影法で撮
像された画像は、フーリエ変換画像ソフトにより図５に
示すように３次元形状で表すことができる。

【００２１】＜実施の形態２＞図２に示す構成を説明す
る。

【００２２】図２において、１は透明膜からの反射光を
検出するＩＲカメラで、１倍の対物レンズ（材質：ＢＫ
７）が組まれている。２は波長１．１μｍ、出力１ｍＷ
の半導体レーザを射出する光源部、３は図３に示された
アルミに１００μｍのライン／スペースをレーザにて描
画した格子プレートである。

【００２３】格子プレート３と光源１の間に光束を広げ
且つ平行光とする光学系８が配置される。４はシリコン
ウエハ５上にスピンコーターにて塗布された、乾燥後の
透明なレジストである。膜厚は乾燥後で１０μｍであ
る。

【００２４】以上の構成において、光源１から射出され
た波長１．１μｍの可干渉光が光学系（光学部品材質：
ＢＫ７）８を通過することによって光径がφ０．８ｍｍ
〜φ８ｍｍの平行光に変光され、格子プレート３に照射
する。格子プレート３を反射した光は、１００μｍのラ
イン／スペースの平行光線の格子パターン光となり、透
明なレジストが成膜されたシリコンウエハ５へ照射され
る。その透明膜からの反射光を撮像デバイスであるＩＲ
カメラで捕らえたのが図４に示される画像である。この
画格子パターン投影法で撮像された画像は、フーリエ変
換画像ソフトにより図５に示すように３次元形状で表す
ことができる。

【００２５】＜実施の形態３＞図６に示す構成を説明す
る。

【００２６】図６において、１は光検出部であるＩＲカ
メラ、２は可干渉光を射出する光源部で、波長１．１μ
ｍ、容量１ｍＷの半導体レーザである。

【００２７】４は透明体のレジストであり、シリコンウ
エハ５上にスピンコートで成膜された乾燥後の状態であ
る。６は射出されたＩＲ光を２光束に分割するハーフミ
ラー（材質：ＢＫ７）、７は基準面となる基準ミラー
（材質：ＢＫ７）で、面精度λ／２０のガラスである。

【００２８】９は光源部２より射出された波長１．１μ
ｍの光を５倍に拡大し、平行光線として射出するビーム
エキスパンダ（光学部品材質：ＢＫ７）である。

【００２９】光源部２より波長１．１μｍのＩＲ光を射
出すると、ビームエキスパンダ９に入射し、光径が５倍
となり、φ４ｍｍの平行光線として射出される。ビーム
エキスパンダ９から射出されたφ４ｍｍの平行光線は、
ハーフミラー６で２光束に分割され、一方が基準ガラス
７の面へ、他方がシリコンウエハ５上に成膜された透明
体のレジスト４へ照射される。

【００３０】基準ガラス７面に照射された光は、数％程
度反射し、ハーフミラー６に戻る。シリコンウエハ５上
の透明なレジスト４に照射された光は、９０％前後はレ
ジスト４、シリコンウエハ５を透過してしまうが、数％
の光は透明膜４表面で反射し、ハーフミラー６へ戻る。
基準ガラス７からの反射光とレジスト４からの反射光が
ハーフミラー６の位置で重ね合わさり、干渉現象を起こ
し、ＩＲカメラ１に投影される。

【００３１】ＩＲカメラ１で撮像した像は、図８で示さ
れるような３次元形状を表す干渉縞である。この干渉縞
からシリコンウエハ５上に成膜された透明体のレジスト
４の形状を計測することができる。

【００３２】＜実施の形態４＞図７に示す構成を説明す
る。

【００３３】図７において、１は光検出部であるＩＲカ
メラ、２は可干渉光を射出する光源部で、波長１．１μ
ｍ、容量１ｍＷの半導体レーザ、４は透明体のレジスト
であり、シリコンウエハ５上にスピンコートで成膜され
た乾燥後の状態である。

【００３４】ハーフミラー（材質：ＢＫ７）で入射光は
透明膜面に透過し、透明膜面からの反射光はＩＲカメラ
１に入射する。

【００３５】７は基準面となる基準ミラー（材質：ＢＫ
７）で、面精度λ／２０のガラスである。１０は光束を
拡大するスペシャルイフィルタ（光学部品材質：ＢＫ
７）、１１はスペシャルフィルタ１０で拡大された光束
を平行光とするシリンドリカルレンズ（材質：ＢＫ７）
である。

【００３６】光源部２から波長１．１μｍの光を射出
し、スペシャルフィルタ１０で光束が５倍に拡大され、
コリメーティングレンズ１１で平行光とする。ハーフミ
ラー６は、スペシャルフィルタ１０とコリメーティング
レンズ１１との間に配置した。コリメーティングレンズ
１１からの平行光線中に基準面ガラス７と透明体のレジ
スト４が成膜されたシリコンウエハ５を配置した。

【００３７】基準面ガラス７を透過した波長１．１μｍ
の光は、透明体のレジスト４が成膜されたシリコンウエ
ハ５に照射されるが、光量の約９０％はシリコンウエハ
５を透過し、数％はレジスト４表面からの反射光とな
り、ハーフミラー６に戻ることになる。

【００３８】つまり、基準ガラス７の反射光と、これを
透過したレジスト４表面からの反射光は重ね合わさり、
干渉現象を起こし、ＩＲカメラ１に投影される。

【００３９】ＩＲカメラ１で撮像した像は、図８で示さ
れるような３次元形状を表す干渉縞である。この干渉縞
からシリコンウエハ５上に成膜された透明体のレジスト
４の形状を計測することができる。

【００４０】＜実施の形態５＞実施の形態３で示した図
６に示す構成で以下記述の実験を実施した。

【００４１】１は光検出部であるＩＲカメラ、２は可干
渉光を射出する光源部で、波長５μｍ、容量１ｍＷの半
導体レーザ、４は透明体のレジストで、シリコンウエハ
５上にスピンコートで成膜された乾燥後の状態である。

【００４２】６は射出されたＩＲ光を２光束に分割する
ハーフミラー（材質：ＣａＦ_２ ）、７は基準面となる
基準ミラーで、面精度λ／２０のガラス（材質：ＣａＦ
_２）である。

【００４３】９は光源部２より射出された波長５μｍの
光を５倍に拡大し、平行光線として射出するビームエキ
スパンダ（光学部品材質：ＣａＦ_２ ）である。

【００４４】光源部２より波長５μｍのＩＲ光を射出す
ると、ビームエキスパンダ９に入射し、光径が５倍とな
り、φ４ｍｍの平行光線として射出される。ビームエキ
スパンダ９から射出されたφ４ｍｍの平行光線は、ハー
フミラー６で２光束に分割され、一方が基準ガラス７の
面へ、他方がシリコンウエハ５上に成膜された透明体の
レジスト４へ照射される。

【００４５】基準ガラス７面に照射された光は、数％程
度反射し、ハーフミラー６戻る。

【００４６】シリコンウエハ５上の透明なレジスト４に
照射された光は、９０％前後は、レジスト４、シリコン
ウエハ５を透過してしまうが、数％の光は透明膜４表面
で反射し、ハーフミラー６へ戻る。基準ガラス７からの
反射光とレジスト４からの反射光がハーフミラー６の位
置で重ね合わさり、干渉現象を起こし、ＩＲカメラ１に
投影される。

【００４７】ＩＲカメラ１で撮像した像は、実施の形態
３と同様な図８で示されるような３次元形状を表す干渉
縞である。この干渉縞からシリコンウエハ５上に成膜さ
れた透明体のレジスト４の形状を計測することができ
る。

【００４８】＜実施の形態６＞実施の形態３で示した図
６に示す構成で以下記述の実験を実施した。

【００４９】１は光検出部であるＩＲカメラ、２は可干
渉光を射出する光源部で、波長１０μｍ、容量１ｍＷの
半導体レーザ、４は透明体のレジストで、シリコンウエ
ハ５上にスピンコートで成膜された乾燥後の状態であ
る。

【００５０】６は射出されたＩＲ光を２光束に分割する
ハーフミラー（材質：Ｇｅ）、７は基準面となる基準ミ
ラーで、面精度λ／２０のガラス（材質：Ｇｅ）であ
る。

【００５１】９は光源部２より射出された波長１０μｍ
の光を５倍に拡大し、平行光線として射出するビームエ
キスパンダ（光学部品材質：Ｄｅ）である。

【００５２】光源部２より波長１０μｍのＩＲ光を射出
すると、ビームエキスパンダ９に入射し、光径が５倍と
なり、φ４ｍｍの平行光線として射出される。ビームエ
キスパンダ９から射出されたφ４ｍｍの平行光線は、ハ
ーフミラー６で２光束に分割され、一方が基準ガラス７
の面へ、他方がシリコンウエハ５上に成膜された透明体
のレジスト４へ照射される。

【００５３】基準ガラス７面に照射された光は、数％程
度反射し、ハーフミラー６に戻る。シリコンウエハ５上
の透明なレジスト４に照射された光は、９０％前後は、
レジスト４、シリコンウエハ５を透過してしまうが、数
％の光は透明膜４表面で反射してハーフミラー６へ戻
る。基準ガラス７からの反射光とレジスト４からの反射
光がハーフミラー６の位置で重ね合わさり、干渉現象を
起こし、ＩＲカメラ１に投影される。

【００５４】ＩＲカメラ１で撮像した像は、実施の形態
３と同様な図８で示されるような３次元形状を表す干渉
縞である。この干渉縞からシリコンウエハ５上に成膜さ
れた透明体のレジスト４の形状を計測することができ
る。

【００５５】更に、波長１５μｍの半導体レーザ光を用
いても、実施の形態６に説明した構成で同様に計測可能
である。

【００５６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、シリコンウエハ上の透明膜の形状計測におい
て、波長１．１μｍ〜１５μｍの光を透明膜に照射し、
前記光の前記透明膜からの反射光を光検出器にて撮像す
るようにしたため、シリコンウエハ上に成膜された低反
射率の透明膜の形状を高精度に計測することができると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１で行った実験構成を示す
図である。

【図２】本発明の実施の形態２で行った実験構成を示す
図である。

【図３】本発明の実施の形態１，２で使用した格子パタ
ーンを示す図である。

【図４】本発明の実施の形態１，２で使用した格子パタ
ーン投影像を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態１，２での計測結果（表面
プロファイル）を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態３で行った実験構成を示す
図である。

【図７】本発明の実施の形態４で行った実験構成を示す
図である。

【図８】本発明の実施の形態３，４で撮像した干渉縞を
示す図である。

【記号の説明】

１ ＩＲカメラ ２ 光源 ３ 格子パターン ４ レジスト膜 ５ シリコンウエハ ６ ハーフミラー ７ 基準ガラス ８ 光学系 １０ スペシャルフィルタ １１ シリンドリカルレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA51 BB22 CC19 CC31 DD04 DD06 DD16 FF04 FF51 GG04 GG06 HH03 HH07 JJ03 LL00 LL09 LL12 LL21 LL41 QQ24 QQ31 4M106 AA11 BA08 CA22 CA24 CA47 DH13 DH38 DH39 DH60

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウエハ上の透明膜の形状計測に
   おいて、波長１．１μｍ〜１５μｍの光を前記透明膜に
   照射し、前記光の前記透明膜からの反射光を光検出器に
   て撮像することにより形状を計測することを特徴とする
   透明膜の形状計測方法。
2. 【請求項２】 透明膜上に照射される波長１．１μｍ〜
   １５μｍの光が１方向に平行な直線縞パターンの平行光
   であり、前記透明膜形状に応じた情報を含んで反射され
   る前記縞パターンを撮像する手段と、前記撮像手段によ
   る画像情報に基づいて前記透明膜の形状計測を求める解
   析手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の透明
   膜の形状計測方法。
3. 【請求項３】 波長１．１μｍ〜１５μｍの光がコヒー
   レント光であって、前記コヒーレント光を射出する手段
   と、前記コヒーレント光を第１光束と第２光束に分割す
   る手段を有し、前記第１光束と前記第２光束を基準面及
   び透明膜が成膜されたシリコンウエハに照射し、前記基
   準面で反射した前記第１光束と前記透明膜で反射した前
   記第２光束を干渉させ、干渉像を発現し、前記干渉像を
   撮像する手段と、前記撮像手段による画像情報に基づい
   て前記透明膜の形状計測を求める解析手段とを備えるこ
   とを特徴とする請求項１記載の透明膜の形状計測方法。
4. 【請求項４】 波長１．１μｍ〜１５μｍのコヒーレン
   ト光であって、前記コヒーレント光を射出する光射出部
   を有し、前記光射出部から射出された光と同じ光路上に
   前記光を透過と反射する基準面と透明膜が成膜されたシ
   リコンウエハが配置され、前記光が前記透過と反射する
   基準面に照射され、前記基準面を透過し、その後、前記
   基準面を透過した光が前記透明膜が成膜された基準面に
   照射され、前記照射により発生する前期透明膜からの反
   射光と前記基準面からの反射光とを干渉させ、干渉像を
   発現し、前記干渉像を撮像する手段と、前記撮像手段に
   よる画像情報に基づいて前記透明膜の形状計測を求める
   解析手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の透
   明膜の形状計測方法。
5. 【請求項５】 シリコンウエハ上の透明膜からの反射光
   により形状計測する透明膜の形状計測装置において、 波長１．１μｍ〜１５μｍの光を射出する光射出部と前
   記射出された光を１方向に平行な直線縞パターンの平行
   光にする縞パターンプレートを有し、前記縞パターンプ
   レートにより成形された前記縞パターンを、前記シリコ
   ンウエハ上の透明膜に照射し、前記シリコンウエハ上の
   透明膜からの形状情報を含んだ縞パターン反射光を撮像
   する撮像手段と、前記撮像手段による画像情報に基づい
   て前記シリコンウエハ上の透明膜の形状を求める形状解
   析手段とを備えることを特徴とする透明膜の形状計測装
   置。
6. 【請求項６】 シリコンウエハ上の透明膜からの反射光
   により形状計測する透明膜の形状計測装置において、 波長１．１μｍ〜１５μｍコヒーレント光を射出する光
   射出部と、前記コヒーレント光を第１光束と第２光束に
   分割するミラーを有し、前記第１光束と前記第２光束を
   基準面及び透明膜が成膜されたシリコンウエハに照射
   し、前記基準面で反射した前記第１光束と前記透明膜で
   反射した前記第２光束を干渉させ、干渉像を発現し、前
   期干渉像を撮像する手段と、前記撮像手段による画像情
   報に基づいて前記透明膜の形状計測を求める解析手段と
   を備えることを特徴とする透明膜の形状計測装置。
7. 【請求項７】 シリコンウエハ上の透明膜からの反射光
   により形状計測する透明膜の形状計測装置において、 波長１．１μｍ〜１５μｍのコヒーレント光を射出する
   光射出部を有し、前記光射出部から射出された光と同じ
   光路上に前記光を透過と反射する基準面と透明膜が成膜
   されたシリコンウエハが配置され、前記光が前記透過と
   反射する基準面に照射され、前記基準面を透過し、その
   後、前記基準面を透過した光が前記透明膜が成膜された
   基準面に照射され、前記照射により発生する前記透明膜
   からの反射光と前記基準面からの反射光とを干渉させ、
   干渉像を発現し、前記干渉像を撮像する手段と、前記撮
   像手段による画像情報に基づいて前記透明膜の形状計測
   を求める解析手段とを備えることを特徴とする透明膜の
   形状計測装置。