JP2007163265A - 断面形状測定装置及び断面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハの断面輪郭ないし断面形状を短時間で測定できる測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】半導体ウェハ（１）の中心面（Ｓ）をはさんで両側に共焦点型の撮像装置（１０，１１）をそれぞれ配置する。各撮像装置から測定面内で周期的に振動する走査ビーム又はライン状光ビームを半導体ウェハの端縁（２）に向けて投射する。測定中、対物レンズ（２７，６２）を光軸方向に移動させながら端縁からの反射光を光検出器（３２，６５）で受光し、複数の一次元画像を撮像する。複数の一次元画像情報から、位置検出器により各画素の最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を検出する。そして、信号処理回路（４０）において、Ｚ軸方向の位置情報及び画素の位置のデータについて座標変換して断面輪郭を算出し、２つの断面輪郭を合成して断面形状を出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体ウェハの端縁の断面形状ないし断面プロファイルを測定する断面形状測定装置及び断面形状測定方法に関するものである。

半導体デバイスは、鏡面仕上げされた半導体ウェハ上に半導体膜、絶縁膜、金属膜等の各種材料膜が形成され、エッチング処理、不純物注入処理、洗浄処理等の各種のプロセスを経て製造される。半導体ウェハの端縁の形状は、デバイスの製造歩留りを向上させるための重要な意義を有し、所定の形状に形成すべきことが規格化されている。また、半導体ウェハの端縁が高精度に研磨されているか否かを検査するためにも、ウェハの断面形状を観察する必要がある。従って、製造された半導体ウェハの端縁が所定の規格に基づく形状又は輪郭に形成されているか否かを検査する検査装置の開発が強く要請されている。

試料の断面形状を測定する測定装置として、共焦点光学系を用いた測定装置が既知である（例えば、「特許文献１」参照）。この共焦点光学系を用いた測定装置では、レーザ光源から発生したレーザ光を振動ミラー及び対物レンズを介して試料表面に投射して試料表面を１次元走査し、試料からの反射光を一次元イメージセンサで受光している。共焦点光学系は、走査ビームの集束点が試料表面上に位置する場合、最大輝度の反射光が受光素子に入射し、集束点が試料表面から変位している場合受光素子に入射する反射光の光量は大幅に低下する。従って、試料表面からの反射光の最大輝度値を発生する光軸方向の位置情報を得ることにより試料の断面形状を測定することができる。

特開平８−１６０３０６号公報

上述した特許文献に記載された断面形状測定走査は、平面状の試料の断面形状を測定する上で有用性を有している。しかし、半導体ウェハのエッジないし端縁は、互いに平行な素子形成面と裏面との間に位置し、その断面形状は１８０°の方位角にわたるため、上述した特許文献に記載の断面形状測定装置を用いて測定したのでは、端縁の一部しか測定できず、端縁全体の断面形状を撮像することはできない。
さらに、半導体ウェハの断面形状の測定は、ウェハの量産ラインの途中で測定する場合も多く、このような場合ウェハの製造設備のスループットに適合するためには、ウェハの断面形状測定を短時間で行う必要がある。

本発明の目的は、半導体ウェハの端縁の断面形状を正確に測定できる断面形状測定装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、ウェハの断面形状を短時間で測定でき、半導体ウェハの製造ラインに組み込むことが可能な断面形状測定装置を提供することにある。

本発明による断面形状測定装置は、中心面をはさんで対向する第１及び第２の表面と、第１の表面と第２の表面との間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する断面形状測定装置であって、
測定されるべき半導体ウェハの第１の表面が位置する第１の側から端縁の一次元画像を撮像する第１の撮像装置と、前記半導体ウェハの中心面をはさんで第１の側とは反対の第２の側から前記端縁の一次元画像を撮像する第２の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置からそれぞれ出力される一次元画像情報を用いて半導体ウェハの端縁の断面形状情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記第１の撮像装置は、レーザビームをコヒーレントなライン状光ビームに変換する第１のライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームを前記第１の側から第１の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第１の対物レンズと、前記第２の測定ビームの延在方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第１のリニァイメージセンサと、前記対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第１の対物レンズ移動手段と、第１の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段とを有し、
前記第２の撮像装置は、レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換する第２のライン状光ビーム発生手段と、当該ライン状光ビームを、前記第１の側とは反対の第２の側から第２の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第２の対物レンズと、前記第２の測定ビームの延在方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第２のリニァイメージセンサと、前記第２の対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第２の対物レンズ移動手段と、第２の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段とを有し、
前記信号処理装置は、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力され、対物レンズを移動させながら撮像された複数の一次元画像情報を受け取る手段と、前記第１及び第２の位置検出手段からそれぞれ出力される位置情報を受け取る手段と、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力される複数の一次元画像の各画素の最大輝度値を検出するピーク値検出手段と、各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置情報を記憶するＺ軸メモリと、前記Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報について座標変換を行って第１の側の断面輪郭と第２の側の断面輪郭を出力する座標変換手段と、前記２つの断面輪郭を合成する合成手段とを有することを特徴とする。

半導体ウェハの端縁は５個の面により形成されるから、各面に対して対物レンズの光軸を垂直に設定し、５回の撮像操作により撮像し、５個の画像から断面形状を測定することも可能である。しかし、５回の撮像操作を行うのでは、測定に時間がかかり過ぎる欠点がある。そこで、本発明では、半導体ウェハの中心面の両側に２台の撮像装置を配置し、中心面の両側から端縁の一次元画像をそれぞれ撮像する。この場合、端縁を構成する各面が対物レンズの光軸に対して傾斜面となるが、開口角が４５°以上の対物レンズを用いれば、３つの面からの正反射光を対物レンズにより集光することが可能であり、３つの面の一次元画像を撮像することができる。さらに、端縁を構成する３つの面が対物レンズの光軸に対して傾斜した面となるため、各面の各部位から対物レンズの焦点までの距離が変化する。そこで、本発明では、対物レンズを光軸方向に移動させながら複数の一次元画像を撮像する。共焦点光学系では、測定ビームの集束点が試料の表面上に位置する場合、光検出器に入射する反射光の光量が最大となる特性があるため、対物レンズを光軸方向に移動させながら複数の一次元画像を撮像し、反射光の強度が最大となるＺ軸方向の位置情報を検出することにより、端縁の輪郭データを算出することが可能である。

本発明では、レーザビームにより半導体ウェハの端縁を走査するのではなく、ライン状光ビームを測定ビームとして用いるため、測定時間が大幅に短縮される作用効果が達成される。すなわち、対物レンズを介してライン状光ビームを半導体ウェハの端縁に向けて投射し、端縁からの反射光をリニァイメージセンサで受光し、リニァイメージセンサに蓄積された電荷を周期的に読み出すことにより複数の一次元画像を撮像することが可能である。すなわち、レーザビームを走査することなく、対物レンズを光軸方向に移動させると共にリニァイメージセンサから周期的に蓄積された電荷を読み出すだけで複数の一次元画像を撮像することが可能である。この結果、測定時間が大幅に短縮され、半導体ウェハの量産ラインのスループットに適合した検査を行うことが可能になる。

本発明による断面形状測定装置の好適実施例は、前記ライン状光ビーム発生手段は、レーザ光を発生するレーザ光源と、複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの高速回動により入射したレーザ光を非コヒーレントなライン状光ビームに変換するマイクロミラー装置と、レーザ光源とマイクロミラー装置との間に配置され、レーザ光源からマイクロミラー装置に向かうレーザビームとマイクロミラー装置から対物レンズに向かうライン状光ビームとを分離するビームスプリッタとを有し、レーザ光源から出射したレーザビームがマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射することを特徴とする。マイクロミラー装置の前面に偏光ビームスプリッタを配置することにより、レーザビームをマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射させることができるので、非コヒーレントをライン状光ビームを容易に生成することができる。特に、偏光ビームスプリッタを介してマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射させると、レーザ光源からマイクロミラー装置に向かうビームとマイクロミラー装置から出射するビームとが直交する関係になり、光路設計の自由度が大幅に緩和される。

本発明による断面形状測定装置の好適実施例は、第１及び第２の測定ビームは、同一面内に位置することを特徴とする。

本発明による別の断面形状測定装置は、中心面をはさんで対向する第１及び第２の表面と、第１の表面と第２の表面との間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する断面形状測定装置であって、
測定されるべき半導体ウェハの第１の表面が位置する第１の側から端縁の一次元画像を撮像する第１の撮像装置と、前記半導体ウェハの中心面をはさんで第１の側とは反対の第２の側から端縁の一次元画像を撮像する第２の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置からそれぞれ出力される一次元画像情報を用いて半導体ウェハの端縁の断面形状情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記第１の撮像装置は、レーザビームを発生する第１のレーザ光源と、前記レーザビームを周期的に偏向させる第１のビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したレーザビームを前記第１の側から第１の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第１の対物レンズと、対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第１の対物レンズ移動手段と、第１の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段と、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第１の光検出器とを有し、
前記第２の撮像装置は、レーザビームを発生する第２のレーザ光源と、前記レーザビームを周期的に偏向させる第２のビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したレーザビームを前記第２の側から第２の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第２の対物レンズと、対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第２の対物レンズ移動手段と、第２の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段と、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第２の光検出器とを有し、
前記信号処理装置は、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力され、対物レンズを移動させながら撮像された複数の一次元画像情報を受け取る手段と、前記第１及び第２の位置検出手段からそれぞれ出力される位置情報を受け取る手段と、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力される複数の一次元画像の各画素の最大輝度値を検出するピーク値検出手段と、各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置情報を記憶するＺ軸メモリと、前記Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報について座標変換を行って第１の側の断面輪郭と第２の側の断面輪郭を出力する座標変換手段と、前記２つの断面輪郭を合成する合成手段とを有することを特徴とする。

本発明による断面形状測定方法は、半導体ウェハの端縁に向けて対物レンズを介して測定ビームを投射し、端縁からの反射光を光検出器により受光し、光検出器から出力される端縁の一次元画像情報を用いて半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する断面形状測定方法であって、
半導体ウェハの中心面の第１の側から、対物レンズを光軸方向に移動させながら、半導体ウェハの端縁に向けて測定ビームを投射し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して、複数の一次元画像を撮像する工程と、
前記複数の一次元画像について信号処理を行ない、前記一次元画像の各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出し、検出された位置をメモリに記憶する工程と、
半導体ウェハの中心面をはさんで前記第１の側とは反対の第２の側から、対物レンズを光軸方向に移動させながら、半導体ウェハの端縁に向けて測定ビームを投射し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して、複数の一次元画像を撮像する工程と、
前記複数の一次元画像について信号処理を行ない、前記一次元画像の各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出し、検出された位置をメモリに記憶する工程と、
前記第１の側から撮像することにより得られた位置情報と前記第２の側から撮像することにより得られた位置情報について座標変換処理を行い、第１の側及び第２の側の断面輪郭を出力する工程と、
前記２つの断面輪郭を合成して半導体ウェハの端縁の断面形状を出力することを特徴とする。

本発明では、半導体ウェハの中心面をはさんで両側に配置した２台の共焦点型の撮像装置を用いて端縁の一次元画像を撮像することにより断面形状を測定しているので、短時間で端縁の断面形状を測定することができる。この結果、半導体ウェハの量産ラインに適合した断面形状測定装置が実現される。

図１は本発明の断面形状測定において、半導体ウェハ１の端縁に入射する２本の測定ビームの入射状態を示す線図であり、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は半導体ウェハの中心面Ｓの上方から見た平面図である。半導体ウェハ１は中心面Ｓを有し、この中心面Ｓをはさんで素子形成面である第１の表面１ａと裏面である第２の表面１ｂとを有し、これら第１の表面と第２の表面との間に端縁２が位置する。端縁２は、２つの斜面２ａ及び２ｂを有し、これらの斜面間に中心面と直交する端面２ｃが存在する。第１の斜面２ａは第１の表面１ａに連なり、第２の斜面２ｂは第２の表面１ｂと連なる。

端縁２に向けて第１の測定ビーム３ａ及び第２の測定ビーム３ｂを投射する。これら第１及び第２の測定ビームは、後述する第１及び第２の撮像装置からそれぞれ出射する。第１及び第２の測定ビームは、半導体ウェハの中心面Ｓと直交する測定面内に延在するライン状の光ビーム又は測定面内で周期的に高速振動ないし高速偏向する測定ビームとする。第１の測定ビーム３ａは中心面Ｓの第１の側から投射され、第２の測定ビームは中心面Ｓをはさんで第１の側とは反対側である第２の側から投射される。従って、半導体ウェハ１の端縁２には、中心面Ｓをはさんで両側から同一面内に延在する２本のライン状光ビーム又は２本の周期的に高速振動する光ビームがそれぞれ入射する。尚、第１の測定ビーム３ａは、第１の表面１ａの一部並びに第１の斜面２ａ及び端面２ｃの一部に入射し、第２の測定ビーム３ｂは、第２の表面１ｂの一部並びに第２の斜面２ｂ及び端面２ｃの一部に入射する。尚、第１及び第２の測定ビームを投射する対物レンズの光軸をＺ１及びＺ２とし、これらの光軸は同一面内に位置する。測定面内の光軸Ｚ１と直交する方向をｘ１とし、光軸Ｚ２と直交する方向をｘ２とする。尚、ｘ１及びｘ２方向は、後述する一次元画像の画素の配列方向とする。

図２は本発明による断面形状測定装置の第１の実施例を示す線図である。本例では、測定ビームとして測定面内で周期的に高速振動する測定ビームを用いて半導体ウェハの端縁を走査する。本発明による断面形状測定装置は、第１及び第２の２つの共焦点型の撮像装置１０及び１１を有し、これら２つの撮像装置は半導体ウェハの中心面Ｓをはさんで両側にそれぞれ配置され、半導体ウェハの端縁２の一次元画像を両方の側から撮像する。尚、第１及び第２の撮像装置は同一構成であるため、図面上第１の撮像装置についてだけ詳細に図示する。撮像装置は、半導体レーザ２０を有し、半導体レーザ２０から発生するレーザビームにより半導体ウェハの端縁を走査する。レーザビームは、エキスパンダ光学系２１（単レンズとして示す）により拡大平行光束に変換する。エキスパンダ光学系２１から出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ２２の偏光面で反射し、１／４波長板２３及び第１のリレーレンズ２４を経て振動ミラー２５に入射する。振動ミラー２５は、入射したレーザビームを測定面内で高速振動するように周期的に偏向する。

振動ミラー２５で反射したレーザビームは第２のリレーレンズ２６を経て対物レンズ２７に入射する。対物レンズ２７は、開口角が４５°以上のものを用いることにより、方位角が１８０°にわたる端縁であっても、半導体ウェハの中心面を挟んで両側から測定することにより、２回の測定操作により端縁の断面形状を測定することができる。対物レンズ２７の支持枠にはサーボモータ２８を連結する。対物レンズ２７は、サーボモータ２８により光軸方向にそって自在に移動し、その光軸方向の位置は位置検出手段であるエンコーダ２９により検出する。レーザビームは対物レンズ２７によりスポット状に集束して半導体ウェハ１の端縁２に入射する。従って、端縁２は、測定面内で周期的に振動する走査ビームにより１次元走査されることになる。尚、走査ビームは、半導体ウェハの第１の表面の一部、斜面２ａ及び端面２ｃの一部を走査する。

走査中に、対物レンズ２７を光軸方向に移動させながら走査する。従って、一次元走査中に走査ビームの集束点は光軸方向に移動するので、端縁の各部位は、ある瞬時に走査ビームの集束点が位置し、それ以外の場合集束性又は発散性の走査ビームが入射する。すなわち、走査中対物レンズが端縁に向けて近づくように移動する場合、走査ビームの集束点が端縁の表面に近づくように移動するため、端縁の各部位には走査開始後発散性の走査ビームが入射し（いわゆる前ピン状態）、次に走査ビームの集束点が入射し、その後集束性の走査ビームが入射する（いわゆる後ピン状態）。本発明では、走査ビームの集束点が端縁の表面上に位置した時の対物レンズの位置情報を用いて端縁の断面形状ないし断面輪郭を測定する。

半導体ウェハ１の端縁２からの反射光は、対物レンズ２７により集光され、第２のリレーレンズ２６を経て振動ミラー２５に入射する。従って、半導体ウェハからの反射ビームは振動ミラーによりデスキャンされることになる。反射ミラーで反射した反射光は、第１のリレーレンズ２４及び１／４波長板２３を経て偏向ビームスプリッタ２２に入射する。この反射ビームは１／４波長板２３を２回透過しているので、偏向ビームスプリッタ２２を透過し、結像レンズ３０及びピンホール３１を経て光検出器（例えば、PINフォトダイォード）３２に入射し、光電変換されて半導体ウェハ端縁の一次元画像信号が出力される。この一次元画像信号は、増幅器３３を経て画像処理回路４０に供給され、画像処理回路において半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する。

同様に、第２の撮像装置１１により、第１の側とは反対側の第２の側から半導体ウェハの端縁２の一次元画像を撮像し、得られた一次元画像信号を画像処理回路４０に供給する。

走査ビームによる走査中に、対物レンズを光軸方向にそって移動させながら走査するため、走査ビームの集束点が端縁の表面上に位置すると光検出器の前面に配置したピンホールを通過し、大量の反射光が光検出器に入射する。一方、端縁の表面に集束性又は発散性の走査ビームが入射すると、端縁からの反射光は、光路からはずれ又はピンホールにより遮光されるため、光検出器に入射する反射光の光量は大幅に低下する。従って、光検出器からの出力信号が最大となる対物レンズの位置から端縁の各部位の光軸方向の位置情報を得ることができる。

尚、振動ミラーをレーザ光源２０と偏向ビームスプリッタ２２との間の光路上に配置し、光検出器としてリニァイメージセンサを用いて端縁の一次元画像を撮像することも可能である。この場合、リニァイメージセンサの各画素から出力される出力信号の最大輝度値を検出することにより、端縁の各部位の光軸方向の位置情報を得ることができる。

図３は画像処理回路の一例を示す線図である。光検出器３２から出力される端縁の一次元画像信号は増幅器３３により増幅されて画像処理回路４０に入力する。画像信号はＡ／Ｄ変換器４１によりＡ／Ｄ変換され、比較器４２に入力すると共に、セレクタ４３にも入力し、画像メモリ４４に一次元画像の各画素の輝度値が記憶される。画素メモリ４４に記憶されている各画素の輝度値は順次読み出され、比較器４２において、対物レンズが光軸方向にそって移動する間に検出された新たな輝度値と画像メモリに格納されている輝度値とを一次元画像の各画素毎に比較する。新たに検出された輝度値が画像メモリに記憶された輝度値よりも大きい場合新たな輝度値が選択され、新たな輝度値が画像メモリ４４に書き込まれる。このようにして、半導体ウェハの端縁の一次元画像信号のうち、光検出器に入射する反射光の最大輝度値が各画素毎に画像メモリ４４に記憶される。

対物レンズ２７の光軸方向の位置を検出するエンコーダ２９から出力されるＺ軸方向の位置情報は、カウンタ４５により計測位置のＺ軸座標が計測され、第１のＺ軸メモリ４６に供給される。第１のＺ軸メモリ４６には、比較器４２からのトリガ信号も書込制御信号として入力する。そして、比較器からのトリガ信号が入力した際エンコーダからの新たな出力値が選択され、新たなＺ軸方向の位置が第１のＺ軸メモリ４６に格納される。この結果、Ｚ軸メモリ４６には、光検出器に入射する反射光の輝度値が最大となる対物レンズのＺ軸方向の位置が各画素毎に書き込まれる。

信号処理回路４０は、第１の撮像装置から出力される一次元画像信号とエンコーダ出力について信号処理して各画素の最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を検出した後、次に第２の撮像装置から出力される一次元画像信号とエンコーダ出力についても同様に信号処理を行い、第２のＺ軸メモリ４７には、第２の撮像装置により測定されたＺ軸方向の位置情報が記憶される。

第１及び第２のＺ軸メモリ４６及び４７に記憶されている位置情報は座標変換回路４８に供給され、座標変換処理を行い、第１の側及び第２の側の断面輪郭を算出して半導体ウェハの端縁の断面形状を求める。図４は座標変換の一例を示す線図である。図４において、半導体ウェハ１の端縁２の断面形状を破線で示し、測定系の座標系（対物レンズの光軸方向の位置をｙで示し、画素の方向をｘで示す）を一点鎖線で示し、半導体ウェハの断面形状の座標系をＸ及びＹ座標系で示す。尚、測定系の座標系（ｘ，ｙ）の原点Ｏを（Ｘ_０，Ｙ_０）とし、座標系（Ｘ，Ｙ）の原点は半導体ウェハの端縁の端面２ｃの中央に設定する。また、座標系（Ｘ，Ｙ）のＸ軸に対する対物レンズの光軸のなす角度をθとし、本例ではθ＝４５°とする。半導体ウェハの端縁の面２ａ上の任意の点Ａの測定系の座標（ｘ，ｙ）を座標系（Ｘ，Ｙ）へ変換する変換式は以下の式により表される。
Ｘ＝Ｘ_０＋ｘｓｉｎθ−ｙｃｏｓθ
Ｙ＝Ｙ_０＋ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθ
ここで、ｘは一次元画像の各画素の位置が対応し、ｙは各画素の反射光強度が最大となる対物レンズの光軸方向の位置が対応する。従って、一次元画像の各画素の位置情報ｘと対物レンズの光軸方向の位置情報ｙとに基づいて半導体ウェハの端縁の断面輪郭がそれぞれ算出される。座標変換回路４８においては、座標変換処理を行って第１の側の断面輪郭及び第２の側の断面輪郭を算出し、これら２つの断面輪郭情報を合成回路４９に供給する。

ＸＹ座標系に座標変換された２つの座標データは合成回路４９に供給され、第１の撮像装置から出力される一次元画像に基づく座標データと第２の撮像装置から出力される一次元画像に基づく座標データとを合成して半導体ウェハの端縁の断面形状が出力される。当該出力データをモニタに出力することにより、モニタ上に半導体ウェハの端縁の断面形状が表示される。

図５本発明による断面形状測定装置の第２の実施例を示す線図である。本例では、レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換し、集束性のライン状光ビームを半導体ウェハ１の端縁２に向けて投射する。この際、対物レンズを光軸方向に移動させながら、端縁の一次元画像をリニァイメージセンサにより撮像する。そして、リニァイメージセンサからの出力信号を信号処理回路４０に供給し、リニァイメージセンサの各画素毎に端縁からの反射光の強度が最大となるＺ軸方向の位置情報を検出して断面形状情報を出力する。前述した実施例と同様に、本例でも、２つ撮像装置を有し、図１に示すように測定すべき半導体ウェハの両側から半導体ウェハの端縁の一次元画像を撮像する。尚、図面を明瞭にするため、一方の撮像装置だけを図５に記載する。従って、本例の断面形状測定装置は、図５に示す撮像装置を２台有し、各撮像装置により半導体ウェハの中心面を挟んでその両側から端縁の一次元画像を撮像する。

レーザ光源５０から出射したレーザビームは、エキスパンダ光学系５１により拡大平行光束に変換する。エキスパンダ光学系から出射したレーザビームは、第１のシリンドリカルレンズ５２により一方向に集束した偏平なビームに変換されて第１の偏光ビームスプリッタ５３に入射する。第１のシリンドリカルレンズ５２は、入射したレーザビームを第２の方向（図１に示す光ビームの拡大方向ないし延在方向である第１の方向と直交する方向）にだけレーザビームを集束させるレンズ作用を有する。レーザビームは、第１の偏光ビームスプリッタ５３を透過し、１／４波長板５４を経てマイクロミラー装置（DMD）５５の光入射面に集束した状態で垂直に入射する。

本発明では、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子を個別に駆動パルスを供給して画像表示装置として使用するのではなく、全てのマイクロミラー素子に同一の駆動パルスを供給し、全てのミラー面全体としての高速回動により入射したレーザビームを発散性の非コヒーレントな光ビームに変換する。マイクロミラー装置５５は、光入射面に2次元マトリックス状に配置された複数のマイクロミラー素子を有し、各マイクロミラー素子は、例えば１４μｍ×１４μｍの矩形のアルミニウムのミラー面を有する。各マイクロミラー素子に同一の駆動パルスを供給すると、各ミラー面は、駆動回路から供給される駆動パルスにより高速で往復回動し、入射したレーザビームを高速偏向させる。すなわち、各ミラー面は、供給される駆動パルスに応じて、支持柱を中心にして周期的に高速回動するため、各ミラー面に入射したビーム部分がそれぞれ高速で偏向されることになる。この結果、マイクロミラー装置から発散性のライン状光ビームが出射する。尚、入射ビームに対するマイクロミラー装置による偏向方向を第1の方向とし、この第１の方向は後述するライン状光ビームの延在方向に対応する。また、第1の方向はシリンドリカルレンズ５２の集束方向と直交する方向に対応する。

一方、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子は、同一の駆動パルスが入力しても、各ミラー面は、微視的に見た場合、それらの質量等の差に起因してそれぞれランダムな状態で回動ない変位する。このため、入力したレーザビームの各ミラー面に入射したビーム部分は、それぞれランダムな状態で反射する。この結果、マイクロミラー装置から出射するライン状光ビームは、ビーム全体として見た場合、位相関係がそれぞれランダムな状態になり、もはやコヒーレント性が維持されず、発散性の非コヒーレントな光ビームに変換される。この結果、グレァ等が発生しない鮮明な一次元画像を撮像することができる。尚、マイクロミラー装置によりレーザビームが非コヒーレントな光ビームに変換されることは、実験により確認されている。

マイクロミラー装置５５から出射した非コヒーレントな発散性光ビームは、１／４波長板５４を透過し、第１の偏光ビームスプリッタ５３の偏光面で反射し、集束性の球面レンズ５６に入射し、当該集束性球面レンズにより第１の方向に拡大された平行な光ビームに変換される。このライン状の平行光ビームは、第２のシリンドリカルレンズ５７により第２の方向に集束され、リレーレンズ５８を経て第２の偏光ビームスプリッタ５９に入射する。

第２の偏光ビームスプリッタ５９に入射したライン状光ビームは、偏光面で反射し、１／４波長板６０及び結像レンズ６１を経て対物レンズ６２に入射する。対物レンズ６２にはサーボモータ６３が連結され、サーボモータにより光軸方向に自在に移動する。尚、対物レンズ６２の光軸方向の位置はエンコーダ６４により検出される。

対物レンズ６２は、入射したライン状光ビームを集束性の測定ビームとして半導体ウェハ１の端縁２に向けて投射する。端縁から２からライン状の反射光が発生し、この反射ビームは、対物レンズ６２により集光され、結像レンズ６１及び１／４波長板６０を経て第２の偏光ビームスプリッタ５９に入射する。入射した反射ビームは１／４波長板６０を２回透過しているから、ビームスプリッタ５９の偏光面を透過し、レーザ光源から半導体ウェハに向かう照明ビームと分離され、リニァイメージセンサ６５上に結像される。リニァイメージセンサ６５は、ライン状の走査ビームの延在方向である第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有する。従って、端縁２から出射したライン状の反射光による一次元画像がリニァイメージセンサ上に結像される。リニァイメージセンサの各受光素子に蓄積された電荷は、当該測定装置全体の駆動を制御するコントローラ（図示せず）に接続された駆動回路（図示せず）から供給される駆動信号により所定の周波数で周期的に読み出され、増幅器６６により増幅されて信号処理回路４０に供給される。

信号処理回路４０は、リニァイメージセンサから順次入力する一次元画像信号について図３に示す信号処理と同様な処理を行ない、最大輝度値及び最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置を各画素毎に検出し、Ｚ軸方向の位置をＺ軸メモリに記憶する。そして、座標変換及び画像合成を行ない半導体ウェハの端縁の断面形状を出力する。

次に、図５に示す２台の撮像装置を用いて断面形状を測定する工程について説明する。初めに、測定すべき半導体ウェハを支持機構にセットする。次に、第１の撮像装置を用い、対物レンズを所定の測定開始位置から端縁に向けて移動させながら端縁に向けて走査ビームを投射する。その間に、リニァイメージセンサ６６により半導体ウェハの端縁からの反射光を受光し、各受光素子に蓄積された電荷を所定の周波数で周期的に読み出し、端縁の一次元画像を順次出力して信号処理回路４０に供給する。信号処理回路４０は、順次入力する一次元画像信号の各画素の輝度値を比較し、最大輝度値を画像メモリに記憶する。同時に、最大輝度値を発生するＺ軸方向の位置情報をＺ軸メモリに記憶する。対物レンズが所定の位置まで移動したら測定を終了し、対物レンズを元の位置に待避させる。次に、第２の撮像装置を用いて同様な操作を行ない、半導体ウェハの反対側から端縁の一次元画像を撮像し、反対側から測定した断面輪郭形状を出力する。最後に、半導体ウェハの中心面を挟んで両側から測定した断面輪郭を合成して端縁の断面形状を出力する。

第２の実施例の測定装置の場合、ビームスキャンすることなく、対物レンズを所定の距離だけ移動させることにより多数枚の一次元画像を撮像して断面形状を測定するため、測定時間を大幅に短縮できる効果が達成される。この結果、半導体ウェハの量産ラインのスループットに適合した断面形状測定装置が実現される。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、図２に示す第１の実施例では、半導体ウェハからの反射光を振動ミラーでデスキャンし、ピンホールとPINフォトダイオードにより反射光を受光する構成としたが、振動ミラーをレーザ光源２０と偏光ビームスプリッタ２２との間に配置し、光検出器としてリニァイメージセンサを用い、リニァイメージセンサから所定の周波数で一次元画像信号を順次出力する撮像装置を用いることも可能である。この場合も共焦点光学系を構成するので、高い分解能で断面形状を測定することができる。

また、図５に示す第２の実施例において、ライン状光ビーム発生装置として、レーザ光源とマイクロミラー装置との組み合わせ以外のものとして、照明光源としてキセノンランプや水銀ランプを用い、これらの光源から出射した照明光を光ファイバ及び光学系を介して対物レンズに入射させ、対物レンズを介してライン状光ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射することも可能である。

本発明による断面形状測定装置の半導体ウェハに対する走査ビームの入射状態を示す線図的斜視図及び半導体ウェハの中心面Ｓの上方から見た平面図である。 本発明による断面形状測定装置の第１の実施例を示す線図である。 信号処理回路の一例を示す図である。 座標変換を説明するための線図である。 本発明による断面形状測定装置の第２実施例を示す線図である。

符号の説明

１ 半導体ウェハ
２ 端縁
３ａ，３ｂ 走査ビーム
２０ レーザ光源
２１ エキスパンダ光学系
２２ 偏光ビームスプリッタ
２３ １／４波長板
２４，２６ リレーレンズ
２５ 振動ミラー
２７ 対物レンズ
２８ サーボモータ
２９ エンコーダ
３０ 結像レンズ
３１ ピンホール
３２ 光検出器
３３ 増幅器
４０ 信号処理回路
４１ Ａ／Ｄ変換器
４２ 比較器
４３ セレクタ
４４ 画像メモリ
４５ カウンタ
４６ 第１のＺ軸メモリ
４７ 第２のＺ軸メモリ
４８ 座標変換回路
４９ 合成回路

Claims (12)

1. 中心面をはさんで対向する第１及び第２の表面と、第１の表面と第２の表面との間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する断面形状測定装置であって、
   測定されるべき半導体ウェハの第１の表面が位置する第１の側から端縁の一次元画像を撮像する第１の撮像装置と、前記半導体ウェハの中心面をはさんで第１の側とは反対の第２の側から前記端縁の一次元画像を撮像する第２の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置からそれぞれ出力される一次元画像情報を用いて半導体ウェハの端縁の断面形状情報を出力する信号処理装置とを具え、
   前記第１の撮像装置は、レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換する第１のライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームを前記第１の側から第１の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第１の対物レンズと、前記第２の測定ビームの延在方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第１のリニァイメージセンサと、前記対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第１の対物レンズ移動手段と、第１の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段とを有し、
   前記第２の撮像装置は、レーザビームを非コヒーレントなライン状光ビームに変換する第２のライン状光ビームを発生する手段と、ライン状光ビームを、前記第１の側とは反対の第２の側から第２の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第２の対物レンズと、前記第２の測定ビームの延在方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第２のリニァイメージセンサと、前記第２の対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第２の対物レンズ移動手段と、第２の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段とを有し、
   前記信号処理装置は、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力され、対物レンズを移動させながら撮像された複数の一次元画像情報を受け取る手段と、前記第１及び第２の位置検出手段からそれぞれ出力される位置情報を受け取る手段と、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力される複数の一次元画像の各画素の最大輝度値を検出するピーク値検出手段と、各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置情報を記憶するＺ軸メモリと、前記Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報について座標変換を行って第１の側の断面輪郭と第２の側の断面輪郭を出力する座標変換手段と、前記２つの断面輪郭を合成する合成手段とを有することを特徴とする断面形状測定装置。
2. 請求項１に記載の断面形状測定装置において、前記ライン状光ビーム発生手段は、レーザビームを発生するレーザ光源と、複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの高速回動により入射したレーザ光を非コヒーレントなライン状光ビームに変換するマイクロミラー装置と、レーザ光源とマイクロミラー装置との間に配置され、レーザ光源からマイクロミラー装置に向かうレーザビームとマイクロミラー装置から対物レンズに向かうライン状光ビームとを分離するビームスプリッタとを有し、レーザ光源から出射したレーザビームがマイクロミラー装置の光入射面に垂直に入射することを特徴とする断面形状測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の断面形状測定装置において、前記第１及び第２の測定ビームは、同一面内に位置することを特徴とする断面形状測定装置。
4. 中心面をはさんで対向する第１及び第２の表面と、第１の表面と第２の表面との間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する断面形状測定装置であって、
   測定されるべき半導体ウェハの第１の表面が位置する第１の側から端縁の一次元画像を撮像する第１の撮像装置と、前記半導体ウェハの中心面をはさんで第１の側とは反対の第２の側から端縁の一次元画像を撮像する第２の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置からそれぞれ出力される一次元画像情報を用いて半導体ウェハの端縁の断面形状情報を出力する信号処理装置とを具え、
   前記第１の撮像装置は、レーザビームを発生する第１のレーザ光源と、前記レーザビームを周期的に偏向させる第１のビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したレーザビームを前記第１の側から第１の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第１の対物レンズと、対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第１の対物レンズ移動手段と、第１の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第１の位置検出手段と、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第１の光検出器とを有し、
   前記第２の撮像装置は、レーザビームを発生する第２のレーザ光源と、前記レーザビームを周期的に偏向させる第２のビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したレーザビームを前記第２の側から第２の測定ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する第２の対物レンズと、対物レンズをその光軸方向にそって移動させる第２の対物レンズ移動手段と、第２の対物レンズの光軸方向の位置を検出する第２の位置検出手段と、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して端縁の一次元画像情報を出力する第２の光検出器とを有し、
   前記信号処理装置は、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力され、対物レンズを移動させながら撮像された複数の一次元画像情報を受け取る手段と、前記第１及び第２の位置検出手段からそれぞれ出力される位置情報を受け取る手段と、前記第１及び第２のリニァイメージセンサからそれぞれ出力される複数の一次元画像の各画素の最大輝度値を検出するピーク値検出手段と、各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出する手段と、検出された位置情報を記憶するＺ軸メモリと、前記Ｚ軸メモリに記憶されている位置情報について座標変換を行って第１の側の断面輪郭と第２の側の断面輪郭を出力する座標変換手段と、前記２つの断面輪郭を合成する合成手段とを有することを特徴とする断面形状測定装置。
5. 前記第１及び第２の撮像装置は、前記レーザ光源と対物レンズとの間の光路中に配置され、レーザ光源から対物レンズに向けて伝搬するレーザビームと対物レンズからリニァイメージセンサに向けて伝搬する反射光とを分離するビームスプリッタをそれぞれ有し、前記ビーム偏向装置は、ビームスプリッタとレーザ光源との間に配置され、前記光検出器としてライン状に配列された複数の受光素子を有するリニァイメージセンサを用いることを特徴とする請求項４に記載の断面形状測定装置。
6. 前記第１及び第２の撮像装置は、前記レーザ光源と対物レンズとの間の光路中に配置され、レーザ光源から対物レンズに向けて伝搬するレーザビームと対物レンズからリニァイメージセンサに向けて伝搬する反射光とを分離するビームスプリッタを有し、前記ビーム偏向装置は、ビームスプリッタと対物レンズとの間に配置され、前記光検出器としてピンホールと単一の受光素子を用いることを特徴とする断面形状測定装置。
7. 請求項４、５又は６に記載の断面形状測定装置において、前記第１及び第２のビーム偏向装置を振動ミラーで構成し、これら振動ミラーは、前記第１の測定ビームと第２の測定ビームが同一面内で振動するようにレーザビームを周期的に偏向させることを特徴とする断面形状測定装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の断面形状測定装置において、前記第１及び第２の対物レンズは、４５°以上の開口角を有し、第１の対物レンズの光軸と第２の対物レンズの光軸は同一面内に位置すると共にほぼ９０°の角度をなすことを特徴とする断面形状測定装置。
9. 半導体ウェハの端縁に向けて対物レンズを介して測定ビームを投射し、端縁からの反射光を光検出器により受光し、光検出器から出力される端縁の一次元画像情報を用いて半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する断面形状測定方法であって、
   半導体ウェハの中心面の第１の側から、対物レンズを光軸方向に移動させながら、半導体ウェハの端縁に向けて測定ビームを投射し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して、複数の一次元画像を撮像する工程と、
   前記複数の一次元画像について信号処理を行ない、前記一次元画像の各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出し、検出された位置をメモリに記憶する工程と、
   半導体ウェハの中心面をはさんで前記第１の側とは反対の第２の側から、対物レンズを光軸方向に移動させながら、半導体ウェハの端縁に向けて測定ビームを投射し、半導体ウェハの端縁からの反射光を受光して、複数の一次元画像を撮像する工程と、
   前記複数の一次元画像について信号処理を行ない、前記一次元画像の各画素について輝度値が最大となる対物レンズの光軸方向の位置を検出し、検出された位置をメモリに記憶する工程と、
   前記第１の側から撮像することにより得られた位置情報と前記第２の側から撮像することにより得られた位置情報について座標変換処理を行い、第１の側及び第２の側の断面輪郭を出力する工程と、
   前記２つの断面輪郭を合成して半導体ウェハの端縁の断面形状を出力することを特徴とする断面形状測定方法。
10. 請求項９に記載の断面形状測定方法において、前記第１及び第２の測定ビームを、同一面内に延在するライン状光ビームとし、前記光検出器として、前記ライン状光ビームの延在方向と対応する方向にそって配列され複数の受光素子を有するリニァイメージセンサを用いることを特徴とする断面形状測定方法。
11. 請求項９に記載の断面形状測定方法において、前記第１及び第２の測定ビームを、同一面内で周期的に振動する走査ビームとし、前記光検出器として、前記走査ビームが偏向される方向と対応する方向にそって配列した複数の受光素子を有するリニァイメージセンサを用いることを特徴とする断面形状測定方法。
12. 請求項９に記載の断面形状測定方法において、前記第１及び第２の測定ビームを、同一面内で周期的に振動する走査ビームとし、前記光検出器として、ピンホールと単一の受光素子を用いることを特徴とする断面形状測定方法。