JP2005181234A

JP2005181234A - 板材の評価方法及び装置

Info

Publication number: JP2005181234A
Application number: JP2003426026A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kubo; 圭司久保; Masateru Doi; 正照土居; Hiroyuki Mochizuki; 博之望月; Keiichi Yoshizumi; 恵一吉住
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】ナノトポグラフィーの高精度かつ高速な測定を可能とする板材の評価方法及び装置を提供する。
【解決手段】板材ｗにおける被測定面に第１の光ビームＬ２を照射して、その反射光より、前記被測定面における第１の光ビームＬ２が照射された部分の平均面の位置を求め、前記被測定面における第１の光ビームＬ２が照射された部分に前記第１の光ビームＬ２よりもビーム径の小さい第２の光ビームＬ１を照射して、その反射光より、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は板材の評価方法及び装置に関し、詳しくは、半導体製造用のウェーハなどの薄板材等、面方向における形状変動の少ないことが要求される板材の表面の形状を測定するための、板材の評価方法及び装置に関する。

半導体製造用のウェーハは、シリコンなどの薄板材からなる。ウェーハ表面に半導体素子や回路を作成するときには、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等各種の微細加工技術などが適用される。

このようなウェーハに対する加工処理の際には、ウェーハ表面の平面度を高めることが重要である。ウェーハ表面の平面度が劣ると、研磨布で機械的に平坦化加工をするＣＭＰ加工では、表面の部分的な凹凸により、残された膜厚が面内方向で一定にならず、半導体の性能がばらつく。

図６に、まったく保持されていない状態のウェーハｗを示す。このウェーハｗは、反り１を有するとともに、その表面に、上述の表面の部分的な凹凸としての１〜２０ｍｍの波長の凹凸２を有する。半導体製造工程のうちの露光工程においては、図７に示すように、高精度に加工された水平方向のピンチャック３の上にウェーハｗを吸着し、このウェーハｗの上方より、レンズで光を投影し露光を行う。これによれば、ウェーハｗの裏面が平面状に矯正された状態となる。ところが、投影エリア内でのウェーハの厚方向の形状変化が大きい場合には、焦点ボケを起こし、回路パターンを正しく投影できなくなる。このようにピンチャック３の上にウェーハｗを吸着して保持するものでは、反り１などを矯正したうえで保持を行うので、ウェーハｗの厚さのばらつき（１００ｎｍ程度）の管理が重要となる。

しかし、近年において、より微細な加工が求められているＣＭＰの工程では、ウェーハｗを、図７に示すような硬くしかも平面度の高いチャック３ではなく、図８に示すようにウェーハｗの裏面の凹凸の形状に対応して変形する柔らかいチャック４を用いて保持し、これにより、ＣＭＰの工程における研磨の際にウェーハｗの表面全面に一定圧力を加えるようにしている。このため、従来の露光機でウェーハｗを露光する際に重要であった厚さばらつきは重要でなくなり、新たに、ウェーハｗ自体の反り１を除いた波長１〜２０ｍｍの領域の表面形状が重要になっている。したがって、半導体装置の製造において、歩留まりを向上させるためには、この波長１〜２０ｍｍの領域の表面凹凸形状の計測によるウェーハｗの管理が不可欠になってきている。なお、図８において、５はウェーハｗの表面に形成された配線等の膜、６はＣＭＰ加工後の膜表面である。７は１〜２０ｍｍの領域の表面凹凸形状の波長を示す。図示のように、膜５において加工厚の不均一８が生じている。

繰り返すと、ＣＭＰでの加工で精度上重要になるのは、ウェーハｗの表面の平面度のうち、１〜２０ｍｍの波長の領域である。これはＣＭＰでは加工に使用する研磨布がばね性を持ちウェーハｗにある程度ならうためである。

特にトランジスタの性能を決定するゲート酸化膜の厚さでは、半導体の微細化が進むほど、より高精度に制御する必要があり、ナノメートルの精度で制御し、加工する必要がある。これを実現するためには、ウェーハｗの表面も、１〜２０ｍｍの波長でナノメートルの精度での平面度、いわゆるナノトポグラフィーを、事前に測定する必要がある。

そこで、ウェーハｗの表面の平面度の向上、すなわち場所による変動を生じさせないことが要求される。ウェーハｗの製造工程などで、製造されたウェーハ表面の平面度の変動が大きいか否かを評価するには、ウェーハ表面の平面度を正確かつ能率的に測定することが必要になる。

従来におけるウェーハ表面の平面度測定機として、特許文献１に記載された技術がある。この技術では、円盤状のウェーハを垂直に立てた状態で、ウェーハの両面側方に配置された光学式干渉計で、ウェーハ表面の形状を測定する。この形状データから、表面の左右の干渉計で測定された各々のウェーハ表面形状にもとづき数学的なフィルタリング処理を行うことにより、ウェーハのナノポトグラフィーの測定が可能になる。
特開平１１−２５１２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、外周部分を保持されたウェーハの表面で振動が起こる。このため、データの取り込みを表裏同時に同じ位置で行い、その表裏のデータの差を求めることにより、厚さデータについては高精度な測定が行えるが、表面あるいは裏面のみの測定では、振動が乗ってしまうと高精度な測定は行えない。また波長１〜２０ｍｍの表面形状データを算出するために測定データに２次元面内の多大なフィルター計算を行う必要があり、計算時間がかかり効率的な測定が行えない等の課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ナノトポグラフィーの高精度かつ高速な測定を可能とする、板材の評価方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の板材の評価方法は、板材における被測定面に第１の光ビームを照射して、その反射光より、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分の平均面の位置を求め、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分に前記第１の光ビームよりもビーム径の小さい第２の光ビームを照射して、その反射光より、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置を求めるものである。

また本発明の板材の評価装置は、板材における被測定面に第１の光ビームを照射する手段と、前記被測定面からの第１の光ビームの反射光より、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分の平均面の位置を求める手段と、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分に前記第１の光ビームよりもビーム径の小さい第２の光ビームを照射する手段と、前記被測定面からの第２の光ビームの反射光より、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置を求める手段とを具備するものである。

本発明の構成によると、被測定面における第１の光ビームが照射された部分の平均面の高さ位置を求め、第２の光ビームの反射光によって前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分すなわち着目しているポイントの位置を求めるので、板材が振動している場合でも、振動の影響をキャンセルして高精度な測定を行うことができる。

そして、第１の光ビームと第２の光ビームとを被測定面の面内においてくまなく走査させることによって、ナノトポグラフィーの測定を行うことができる。第１の光ビームの面内強度分布をガウシャン等に設定することにより、平均面の位置を、光学的に算出できて、コンピュータ等による計算時間なしで高速に求めることができる。

以上のように、本発明の板材の評価方法及び装置によれば、板材が振動している場合でも振動の影響をキャンセルして高精度な測定を行うことができる。また、平均面の位置を、光学的に算出することにより、コンピュータ等による計算時間なしで高速に求めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図５は、本発明の実施の形態の板材の評価装置としての形状測定装置の概略図で、具体的には、半導体ウェーハ用の厚み変動測定装置を示している。薄板材としてのウェーハｗは、垂直に立てられた状態で、円環状の中空スピンドル１００に保持されており、中空スピンドル１００の回転駆動によって垂直面内で回転する。ウェーハｗの両面側方には、それぞれ光学式変位計２００、２００が配置されている。一対の光学式変位計２００、２００は、ウェーハｗの面と平行な方向に移動自在に構成されており、各光学式変位計２００による変位の測定位置は、ウェーハｗの半径上を左右に移動する。具体的には、光学変位計２００の取付台２２を、ボールネジ２４の回転駆動によって直線的に移動させている。ウェーハｗの回転と光学式変位計２００の半径方向移動とを組み合わせれば、ウェーハｗの全面に対して測定を行うことができる。光学式変位計２００の本体は移動させず、ウェーハｗへの測定光の照射位置および反射した光の受光位置を変更する光学系を備えておいても、同様の機能が達成される。このような走査測定は、生産現場における品質管理などを能率的に行うのに適している。

一対の光学式変位計２００、２００を構成するそれぞれの変位計２００で測定されたウェーハｗの両面の変位を合計演算すれば、ウェーハｗの厚みの変動が求められる。このような演算を行ってウェーハｗの厚み変動を求める変動算出手段は、電子回路で構成することができる。マイクロコンピュータ等の演算処理装置を用いて、演算処理手順をプログラミングしておくことができる。

なお、薄板材としては、上記のウェーハｗのみならず、厚み変動を高精度で測定することが要求されるものであれば、各種の材料および形状寸法からなるものに適用できる。導電材料でも絶縁材料でも構わない。場所によって材質あるいは電気的特性が異なる材料でも良い。複数材料の積層体であっても良い。

具体的には、シリコンなどの半導体ウェーハ、磁気ディスクの材料となる金属板、セラミック板、樹脂板などが挙げられる。薄板材の形状は、前記ウェーハなどは円板状あるいは円盤状をなすものが多いが、円形以外の形状であっても良い。薄板材の表面が、鏡面などの光の反射性に優れた特性を有するものが好ましい。

光学式変位計２００には、被対象物としての薄板材に測定光を照射し、その表面で反射した測定光を受光することで、薄板材までの距離あるいは距離の変化を測定し、薄板材の表面の変位を測定する機能を有する計測器、あるいは同様の計測装置が使用される。

図１は、本発明の実施の形態に係る板材の評価装置の構造を示す。具体的には、板材の形状を測定する装置における光学式変位計の構造を示す。ここでは、主に同じ波長の光源を用いて薄板材を測定する装置の構成を示す。

ここで、１０は周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザなどの光源からの単一波長λの直線偏光の出力光で、第１のビームスプリッタ１１によって照射光ＬＸと第１測定光Ｌ１とに分割される。このとき、出力光１０の偏光面を第１のビームスプリッタ１１に対し斜め４５度に設定することにより、照射光ＬＸと第１測定光Ｌ１との強度比を１：１に設定することができ、良好な計測を行うことができる。

照射光ＬＸは、第２のビームスプリッタ１２を通過したうえでビームエキスパンダ１３によってビーム径を拡大され、その後に分岐混合部となる偏光ビームスプリッタ１４に供給されて、この偏光ビームスプリッタ１４を直進する参照光Ｌ０と、この偏光ビームスプリッタ１４にて分けられる第２測定光Ｌ２とに分割される。

参照光Ｌ０は、偏光ビームスプリッタ１４を直進し、第１のλ／４板１５を通過し、ミラー１６により反射され、再度第１のλ／４板１５を通過し、このように第１のλ／４板１５を２回通過することにより、偏光方向を９０度変化させられる。そして、偏光ビームスプリッタ１４では、照射光ＬＸの入射方向とは異なる９０度方向に曲げられ、コーナキューブプリズム１７に入り、このコーナキューブプリズム１７により逆方向に反射され、再度偏光ビームスプリッタ１４に入射し、再びλ／４板１５を通り、ミラー１６により反射されて再びλ／４板１５を通り、結果、λ／４板１５を２回通過することにより、偏光方向を９０度変化させられ、偏光ビームスプリッタ１４を照射光ＬＸと逆方向に直進する。このように逆方向に進んだ参照光Ｌ０は、ビームエキスパンダ１３を通過し、ビームスプリッタ１２により方向を変えられ、図外のレシーバに入射する。

拡大された照射光ＬＸのうち、偏光ビームスプリッタ１４により分けられた第２測定光Ｌ２は、中央部に開口１８を有するミラー１９に向かい、ミラー１９により開口１８に対応する部分を除いて被測定物であるウェーハｗの方向に曲げられ、ミラー１９とウェーハｗとの間に設置された第２のλ／４板２０を通過し、ウェーハｗに照射、反射され、再度λ／４板２０を通過し、λ／４板２０を２回通過することにより偏光方向を９０度変化させられ、ミラー１９で反射され、偏光ビームスプリッタ１４では直進し、コーナキューブプリズム１７に入る。そして、コーナキューブプリズム１７により逆方向に反射され、再度偏光ビームスプリッタ１４に入射してこれを直進し、ミラー１９により被測定物であるウェーハｗの方向に曲げられ、ミラー１９とウェーハｗとの間に設置された第２のλ／４板２０を通過し、ウェーハｗに照射される。そしてウェーハｗから反射された第２測定光Ｌ２は、再度λ／４板２０を通過し、結果、λ／４板２０を２回通過することにより偏光方向を９０度変化させられる。そして、偏光ビームスプリッタ１４では照射光ＬＸの入試や方向に向きを変えられ、ビームエキスパンダ１３を通過し、ビームスプリッタ１２により方向を変えられ、図外のレシーバに入射する。

このレシーバに入射する第２測定光Ｌ２と参照光Ｌ０との位相差を測定することにより、図２に示すように、ウェーハｗの平均面２５の位置を計測することができる。すなわち、ウェーハｗはその表面に微小な凹凸２を有するが、第２測定光Ｌ２を直径２０ｍｍ程度のスポット径で照射することにより、その照射部におけるウェーハｗの平均面２５の位置を計測することができる。このとき、図２に示すように第２測定光Ｌ２のビーム面内の強度分布２６がガウシャンになるようビームエキスパンダ等で調整することにより、ウェーハｗの計測時に好適な平均面を求めることが可能となる。また、このように第２測定光Ｌ２を２往復させることにより、ウェーハｗの被測定面が多少傾いても参照光２との干渉信号を容易に得ることが可能となる。

すなわち、この装置では、図示の光学系からウェーハｗの表面までの距離の違いによって第２測定光Ｌ２の行程が変化するのに対し、参照光Ｌ０の行程は一定であるので、第２測定光Ｌ２と参照光Ｌ０との行程差を測定することで、ウェーハｗの平均面２５の位置を計測することができる。

図１において、第１のビームスプリッタ１１で分離された第１測定光Ｌ１は、ミラー２７により折り曲げられ、レンズ系２８によりビーム径を絞られた状態で、ミラー１９に設けられた開口１８を通り、直径０．１ｍｍ程度のスポット径でウェーハｗに照射される。このとき、図２に示すように、第１測定光Ｌ１はウェーハｗにおける第２測定光Ｌ２のスポットの中央部に照射される。そして第１測定光Ｌ１についてのウェーハｗからの反射光を用いて、図２に示すように、ウェーハｗ上の測定ポイントでの表面位置２９を計測することができる。このウェーハｗ上の測定ポイントでの表面位置２９の計測自体は、たとえば特開２０００−２８３７２８号公報に記載された公知の手法によって行うことができる。

このような構成であると、第２測定光Ｌ２によって計測される平均面２５の位置と第１測定光によって測定される表面位置２９とを同時に求めることができるため、平均面２５を基準にして各表面位置２９を決定することができる。したがって、測定対象である薄板材としてのウェーハｗが振動した場合にも、その振動の影響をキャンセルして、各表面位置２９を高精度に測定することができる。すなわち、同時に測定された平均面２５の位置と表面位置２８との差を、ＣＭＰに影響を及ぼすナノトポグラフィーとして測定することができる。

すなわち、図１に示す装置をウェーハｗの面方向に略平行に移動させながら、第１測定光Ｌ１と第２測定光Ｌ２とによって得られた測定値の差を記録することにより、ウェーハｗの面のナノトポグラフィーの計測を行うが、この際に、第１測定光Ｌ１によるデータの取り込みと第２測定光Ｌ２によるデータの取り込みとが同時になるようにデータを取り込むことにより、ウェーハｗの面が振動しても、このウェーハｗの面のナノトポグラフィーの計測を高精度に行うことが可能となる。

図３は、本発明の他の実施の形態を示す。ここでは、第１測定光Ｌ１と参照光ＬＸすなわち第２測定光Ｌ２との波長を異ならせるとともに、図１における開口１８を有したミラー１９に代えて、第１測定光Ｌ１は透過させかつ第２測定光Ｌ２は反射させるダイクロイックミラー３０が設けられている。

このような構成によっても、図１および図２に示したものと同様に機能する。
図１および図３の装置においては、光を平行に反射する部品としてコーナキューブプリズム１７を設けたが、これに代えてキャッツアイレンズを用いても良い。図４にキャッツアイレンズの構成を示す。ハウジング３１にレンズ３２が固定されており、このレンズ３２の主点３３すなわち光学中心を通る光軸３４に沿ったレンズ３２の焦点位置に、レンズ３２と平行にミラー３５が配置されている。焦点位置にミラー３５が配置されているので、入射光３６は、レンズ３２に入射した後、このレンズ３２によって、入射光３６と平行でレンズ３２の主点３３を通る仮想的な光軸上に収束される。図示のように光３６が斜めに入射した場合は、焦点位置がミラー３５の面内方向にずれるが、ミラー３５により入射時とは反対方向に反射された光３７も、レンズ３２により入射方向と同じ方向に反射される。これにより、コーナーキューブと同じ効果を発揮する。

本発明の板材の評価方法及び装置は、板材が振動している場合でも振動の影響をキャンセルして高精度な測定を行うことができ、半導体製造用のウェーハなどの薄板材等、面方向における形状変動の少ないことが要求される板材の表面の形状を測定するための、板材の評価方法及び装置として有用である。

本発明の実施の形態にかかる板材の評価装置の全体構成図図１における要部の拡大図本発明の他の実施の形態にかかる板材の評価装置の要部構成図本発明の板材の評価装置に利用可能なキャッツアイレンズの構成図本発明の実施の形態の板材の評価装置としての形状測定装置の概略図まったく保持されていない状態のウェーハの形状を示す図硬くしかも平面度の高いピンチャックでウェーハを吸着保持した状態を示す図柔らかいチャックを用いてウェーハを保持した状態を示す図

符号の説明

ｗウェーハ
Ｌ０参照光
Ｌ１第１測定光
Ｌ２第２測定光
１８開口
１９ミラー
２５平均面
２９表面位置
３０ダイクロイックミラー

Claims

板材における被測定面に第１の光ビームを照射して、その反射光より、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分の平均面の位置を求め、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分に前記第１の光ビームよりもビーム径の小さい第２の光ビームを照射して、その反射光より、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置を求めることを特徴とする板材の評価方法。
第１の光ビームが照射された部分の平均面の位置と、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置とを、同時に求めることを特徴とする請求項１記載の板材の評価方法。
板材における被測定面に第１の光ビームを照射する手段と、前記被測定面からの第１の光ビームの反射光より、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分の平均面の位置を求める手段と、前記被測定面における第１の光ビームが照射された部分に前記第１の光ビームよりもビーム径の小さい第２の光ビームを照射する手段と、前記被測定面からの第２の光ビームの反射光より、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置を求める手段とを具備することを特徴とする板材の評価装置。
第１の光ビームの光路に穴あきミラーが設けられ、第１の光ビームが前記穴あきミラーで反射されたうえで被測定面に照射されるように構成され、第２の光ビームが前記穴あきミラーの穴部を通って被測定面に照射されるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の板材の評価装置。
被測定面に照射される第１の光ビームおよび第２の光ビームの光路にミラーが設けられ、前記ミラーは、前記第１の光ビームと第２の光ビームとのいずれか一方を反射させるとともに他方を透過させるものであることを特徴とする請求項３記載の板材の評価装置。
第１の光ビームと第２の光ビームとは互いに波長が異なったものであり、ミラーはダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項５記載の板材の評価装置。
第１の光ビームが照射された部分の平均面の位置を求める手段と、前記平均面に対する第２の光ビームが照射された部分の位置とを求める手段とは、両位置を同時に求めるように構成されていることを特徴とする請求項３から６までのいずれか１項記載の板材の評価装置。
第１の光ビームと第２の光ビームとの少なくともいずれか一方が、周波数安定化レーザからの光であることを特徴とする請求項３から７までのいずれか１項記載の板材の評価装置。
被測定面における第１の光ビームが照射された部分の光量分布がガウシャンであることを特徴とする請求項３から８までのいずれか１項記載の板材の評価装置。
光源からの光を第１の光ビームと参照光とに分割するビームスプリッタと、定位置に設けられるとともに前記参照光を反射させる参照ミラーとを具備して、前記参照ミラーからの第１の反射光と、被測定面における第１の光ビームが照射された部分からの第２の反射光との位相差にもとづいて、平均面の位置を求めるように構成されていることを特徴とする請求項３から９までのいずれか１項記載の板材の評価装置。