JP2007285953A - Depth measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上の溝や穴の深さを赤外線カメラを用いて測定する深さ測定装置に関する。 The present invention relates to a depth measuring device that measures the depth of a groove or a hole on a substrate using an infrared camera.
半導体デバイスの製造工程中においては、半導体基板に、種々の加工がなされる。それら加工のうち、例えば、基板の裏面に数万個もの穴が空けられることがある。これらの穴は基板を貫通しておらず、穴の径の割りに深さの深い高アスペクト比の穴となっている場合がある。例えば、5インチ若しくは8インチのシリコンウエハの場合には、ウエハの厚みは、600μm程度で、ウエハに設けられた穴径は、直径25μm以下で、穴深さは200μm以上という8倍以上の高アスペクト比の穴が空けられることがある。そこで、半導体基板の製造工程では、これら高アスペクト比の穴の深さを測定することが望まれている。 During the manufacturing process of the semiconductor device, various processes are performed on the semiconductor substrate. Among these processes, for example, tens of thousands of holes may be formed on the back surface of the substrate. These holes do not penetrate through the substrate and may be holes with a high aspect ratio that are deep with respect to the diameter of the holes. For example, in the case of a 5 inch or 8 inch silicon wafer, the thickness of the wafer is about 600 μm, the hole diameter provided in the wafer is 25 μm or less, and the hole depth is 200 μm or more, which is 8 times higher. Aspect ratio holes may be drilled. Therefore, it is desired to measure the depth of these high aspect ratio holes in the manufacturing process of the semiconductor substrate.
従来、基板上に設ける穴の深さは、レーザ変位計を用いて測定していた。これらの方法では、まず、レーザ光を穴の内部に照射し、その反射光を計測して、その距離を測定していた。 Conventionally, the depth of a hole provided on a substrate has been measured using a laser displacement meter. In these methods, first, laser light is irradiated inside the hole, the reflected light is measured, and the distance is measured.
また、例えば、特許文献1に示されているように、青色レーザなどの光ビームを用いたコンフォーカル光学系を利用した計測装置がある。この方法は、基板表面に光ビームを当てて、その反射光のピーク値を得る。さらに、光軸方向の位置を移動させて、穴の底部表面で反射した反射光のピーク値を得る。そして、その2つの反射光のピークを発生させる対物レンズと基板との間の相対距離を検出することにより、基板に形成された穴の深さを決定することができる。
しかしながら、従来のレーザ光による測定を直径25μm以下という微小径で高アスペクト比の穴に適用しようとすると、穴の中にレーザ光を照射しても、アスペクト比が高いので、反射光が十分に返ってこず、深さの測定ができないという事態が生じていた。また、特許文献1に示されている方法では、レンズやミラーを多用して、光学系システムが複雑になってしまうという難点がある。また、アスペクト比の高い穴の測定時には、低速でビーム走査を行う必要があり、測定時間が長くなってしまう。 However, when the conventional laser beam measurement is applied to a hole with a small diameter of 25 μm or less and a high aspect ratio, even if the laser beam is irradiated into the hole, the aspect ratio is high so that the reflected light is sufficient. There was a situation where the depth could not be measured. In addition, the method disclosed in Patent Document 1 has a drawback in that an optical system becomes complicated by using many lenses and mirrors. Further, when measuring a hole with a high aspect ratio, it is necessary to scan the beam at a low speed, which increases the measurement time.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、比較的簡単かつ高速に高アスペクト比の穴や溝の深さの測定ができる深さ測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a depth measuring apparatus capable of measuring the depth of a high aspect ratio hole or groove relatively easily and at high speed.
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項1に記載の発明は、基板に形成された凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、該基板に赤外線を照射する赤外線光源と、該赤外線光源から前記基板に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラと、該赤外線カメラの位置を調整する位置調整手段と、を有する深さ測定装置において、前記基板に前記赤外線を透過又は反射させ、前記位置調整手段で前記赤外線カメラの位置を調整していき、複数箇所で透過光又は反射光の画像を前記赤外線カメラで計測することにより、前記基板の凹部の深さを測定する構成を採用した。 In order to achieve such an object, the invention described in claim 1 of the present invention is a depth measuring device for measuring the depth of a recess formed in a substrate, comprising: an infrared light source that irradiates the substrate with infrared light; And a depth measuring device having an infrared camera for measuring an infrared image irradiated on the substrate from the infrared light source, and a position adjusting means for adjusting the position of the infrared camera. A configuration in which the depth of the concave portion of the substrate is measured by reflecting, adjusting the position of the infrared camera with the position adjusting means, and measuring images of transmitted light or reflected light with the infrared camera at a plurality of locations. It was adopted.
また、請求項2に記載の発明のように、前記基板の下面に該当する画像を前記赤外線カメラで検出した時のフォーカス位置と、前記凹部の上面(穴の奥側の面)に該当する画像を前記赤外線カメラで検出したときのフォーカス位置と、を計測し、この両位置の距離差に、基板の屈折率を乗じた値を基板の厚みから引いた値を求めることにより、前記凹部の深さを測定することもできる。 Further, as in the second aspect of the invention, the focus position when the image corresponding to the lower surface of the substrate is detected by the infrared camera and the image corresponding to the upper surface of the concave portion (the surface on the back side of the hole). Is measured by the infrared camera, and a value obtained by multiplying the distance difference between the two positions by the refractive index of the substrate is subtracted from the thickness of the substrate. It is also possible to measure the thickness.
また、請求項3に記載の発明のように、前記赤外線カメラの画像を見ながら基板の下面にフォーカス位置を合わせ、その位置の値から凹部の形状が最も小さく見える位置までの距離に、前記基板の屈折率を乗じた値を求めることにより、前記凹部の深さを測定することもできる。 Further, as in the third aspect of the present invention, the focus position is adjusted to the lower surface of the substrate while viewing the image of the infrared camera, and the substrate is located at a distance from the position value to the position where the shape of the recess appears to be the smallest. The depth of the concave portion can also be measured by obtaining a value obtained by multiplying the refractive index of.
また、請求項4に記載の発明のように、前記赤外線光源から照射された赤外線を集束させて基板に照射するための照明用レンズを用いることが好ましい。 Further, as in the invention described in claim 4, it is preferable to use an illumination lens for converging the infrared rays irradiated from the infrared light source and irradiating the substrate.
また、請求項5に記載の発明のように、前記反射光の画像を前記赤外線カメラで計測する際に、前記赤外線光源に、波長感度特性が略1100nmに合うように他の波長の光をカットするバンドパスフィルタを接続することが好ましい。
Further, as in the invention described in
本発明のうち請求項1に記載の発明によれば、基板の各断面位置に赤外線カメラのフォーカス位置を移動させることにより、その断面での赤外線の透過光又は反射光の画像を赤外線カメラで計測する。つまり、計測するのは、基板断面のカメラのフォーカス位置での画像であるので、アスペクト比が高くても比較的はっきりとした穴の画像を得られる。また、得られた画像から基板の各断面での穴の径を計測して、ウエハの穴の深さを測定できるので、簡単かつ高速に高アスペクト比の穴を測定することができる。 According to the first aspect of the present invention, by moving the focus position of the infrared camera to each cross-sectional position of the substrate, the infrared transmitted light or reflected light image on the cross-section is measured by the infrared camera. To do. That is, since the image is measured at the focus position of the camera of the cross section of the substrate, a relatively clear hole image can be obtained even if the aspect ratio is high. In addition, since the hole diameter in each cross section of the substrate can be measured from the obtained image and the depth of the hole in the wafer can be measured, a high aspect ratio hole can be measured easily and at high speed.
また、請求項2及び請求項3に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、簡単な計算方法で穴の深さを測定することができる。
Moreover, according to the invention of
また、請求項4に記載の発明によれば、請求項1乃至3に記載の発明の効果に加え、照明用レンズで赤外線を屈折させて穴の上面に向けて照射することにより、穴の壁面からの散乱光の悪影響を減らすことで、より正確でくっきりとした画像を得ることができる。 According to the invention described in claim 4, in addition to the effects of the invention described in claims 1 to 3, the wall surface of the hole is obtained by refracting infrared rays with the illumination lens and irradiating it toward the upper surface of the hole. By reducing the adverse effects of scattered light from the image, a more accurate and clear image can be obtained.
さらに、請求項5に記載の発明によれば、請求項1乃至4に記載の発明の効果に加え、1100μmのバンドパスフィルタを付けたことにより、他の波長の光をカットすることができ、赤外線カメラの撮影画像の画質が向上し、計測精度を上げることができる。
Furthermore, according to the invention described in
本発明に係る深さ測定装置は、基板に形成された凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、該基板に赤外線を照射する赤外線光源と、該赤外線光源から前記基板に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラと、該赤外線カメラの位置を調整する位置調整手段と、を有する深さ測定装置において、前記基板に前記赤外線を透過又は反射させ、前記位置調整手段で前記赤外線カメラの位置を調整していき、複数箇所で透過光又は反射光の画像を前記赤外線カメラで計測することにより、前記基板の凹部の深さを測定する。 A depth measurement apparatus according to the present invention is a depth measurement apparatus that measures the depth of a recess formed in a substrate, the infrared light source that irradiates the substrate with infrared light, and the substrate that is irradiated from the infrared light source. In a depth measuring device having an infrared camera for measuring an infrared image and a position adjusting means for adjusting the position of the infrared camera, the infrared light is transmitted or reflected on the substrate, and the infrared light is transmitted by the position adjusting means. The depth of the concave portion of the substrate is measured by adjusting the position of the camera and measuring images of transmitted light or reflected light at a plurality of locations with the infrared camera.
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る深さ測定装置の第1の実施形態を示す側面図である。図2は、ウエハ(基板)上に形成された穴を示す図である。図2(a)はウエハの側面断面図であり、図2(b)はウエハの裏面の拡大図である。図では、水平方向をXY方向とし、鉛直方向をZ方向とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a side view showing a first embodiment of a depth measuring apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing holes formed on the wafer (substrate). 2A is a side sectional view of the wafer, and FIG. 2B is an enlarged view of the back surface of the wafer. In the figure, the horizontal direction is the XY direction, and the vertical direction is the Z direction.
図1には、本発明の実施の形態に係る深さ測定装置1が示されている。図1の中央部には、測定対象である穴が形成されたウエハ(基板)2が配置されている。ウエハ2には、図2に示すように、その裏面に穴2aが空けられている。穴2aは、図では省略してあるが、1つの基板上に例えば8万個も空けられている。穴2aは、図2(b)に示すように、ウエハ2を貫通してはおらず、ウエハ2の下端面の径よりも穴2aの上面(穴の奥側の面)の径のほうがやや小さくなったテーパ状をしている。
FIG. 1 shows a depth measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. In the center of FIG. 1, a wafer (substrate) 2 in which a hole to be measured is formed is disposed. As shown in FIG. 2, the
ウエハ2は、図1に示すように、X方向に移動可能なX方向の載置台3の上部にチャック4により固定されている。また、X方向の載置台3は、Y方向に移動可能なY方向の載置台5に移動可能に載置されている。X方向の載置台3及びY方向の載置台5は、高精度のリニアスケールで位置を制御され、赤外線がウエハに形成された穴の位置に当たるようにフィードバック制御される。Y方向の載置台5等は、水平方向に広がる板状をしたベース6に固定されている。
As shown in FIG. 1, the
ウエハ2の下方には、光源から出た光を集束してウエハ2に照射する照明用レンズ7が配置されている。照明用レンズ7には、光ファイバケーブル8が接続されている。光ファイバケーブル8の先には、バンドパスフィルタ9が接続されている。バンドパスフィルタ9は、赤外線カメラの波長感度特性が略1100nmに合うように他の波長の光をカットする。なお、この例では、バンドパスフィルタ9を接続した例を示したが、この例のように、透過光を計測する際には、バンドパスフィルタ9を接続しなくてもいい。バンドパスフィルタ9の図の左には、赤外線光源10が配置されている。赤外線光源10は、ウエハ2を透過する略1100nmの波長の赤外線を照射する。このように、赤外線カメラの波長感度特性を、シリコンウエハを透過する1100μmに合わせることにより、赤外線カメラの撮影画像の画質が向上し、計測精度が上がる。
Below the
ウエハ2の上方には、赤外線の画像を計測する赤外線カメラ11が配置されている。赤外線カメラ11の下端には、ウエハ2の穴を拡大して検出する対物レンズ12が配置されている。この対物レンズ12は、赤外線用で焦点深度の浅いものを用いることにより精度の高い計測が可能となる。赤外線カメラ11は、位置調整手段としての高精度のリニアスケール13でその側面がガイドされており、その高さ位置がフィードバック制御される。このように赤外線カメラ11を上下に移動させることで、そのフォーカス位置を移動させることができる。リニアスケール13は、ベース6上に固定された赤外線カメラ固定台14に固定されている。
An
リニアスケール5、赤外線光源10、赤外線カメラ11、リニアスケール13等は、図の下方に示す制御装置15に接続されている。制御装置15としては、例えば、パーソナルコンピュータを挙げることができる。制御装置15は、リニアスケール5を制御してウエハ2に形成された穴に光源からの赤外線が照射されるようにする。また、赤外線光源10を制御して光源から赤外線を照射させ、赤外線カメラ11で検出された画像のコントラストを改善したり、ノイズ除去処理を行ったりしながら、穴の径の像を計測する。さらに、制御装置15は、リニアスケール13を制御して、赤外線カメラ11の高さ位置を制御して穴の深さを測定できるようにしている。
The
次に、本発明に係る深さ測定装置を用いた深さ測定方法について説明する。
図3は、深さ測定方法の原理を示す図である。図4は、赤外線カメラで検出した画像を示す図である。図4(a)〜図4(d)は図3のA〜Dの断面部分に赤外線カメラのピントを合わせたときに検出されたそれぞれの画像を示している。
Next, a depth measuring method using the depth measuring apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of the depth measurement method. FIG. 4 is a diagram showing an image detected by the infrared camera. 4A to 4D show images detected when the infrared camera is focused on the cross-sections A to D in FIG.
図3の下方には、図1、2で説明したウエハ2の断面が示されている。ウエハ2には、テーパ状をした穴2aが形成されている。ウエハ2としては、例えば、5インチ若しくは8インチのシリコンウエハを用いることができる。シリコンウエハの厚みは、600μm程度で、ウエハに設けられた穴径は、直径25μm以下で、穴深さは200μm以上という8倍以上の高アスペクト比の穴を測定できる。なお、穴の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、穴径が直径50μm以下で、深さ650μm程度の穴も測定できる。
A cross section of the
ウエハ2の下方からは、赤外線光源から発せられた赤外線20が照射されている。シリコンウエハは、1100μmの波長の赤外線を透過するという特性があるので、赤外線20は、穴2aの形成されていない部分では、ウエハ2を下から上に透過している。しかし、穴2aが形成されている部分では、穴2aの上面に当たって、そこから上には透過していない。これは、穴2aの内面には、カーボンや酸化物等が付着しており、赤外線20を透過しないためである。なお、この例では、赤外線光源から発せられた赤外線は、照明用レンズ7(図1参照)を通すことなくウエハ2に照射されている。
Infrared light 20 emitted from an infrared light source is irradiated from below the
ウエハ2の上方には、図1でも説明した、対物レンズ12と赤外線カメラ11が配置されている。測定時には、この対物レンズ12と赤外線カメラ11を上下に移動させて、赤外線カメラ11のフォーカス位置を各断面に合わせて画像を計測する。
Above the
図3を参照しつつ、本発明の深さ測定装置を用いた深さ測定方法について説明する。まず、図3に示すように、ウエハ2に形成された穴2aに赤外線20を当てる。そして、ウエハ2を透過した光と、穴2aの内面のカーボンで遮られた光のコントラストの違いを赤外線カメラ11で画像として撮影する。この撮影は、フォーカス位置を変えながら、複数箇所にわたって行うことができるが、この例では、図3に示すように、A〜Dの4箇所にフォーカス位置を合わせている。なお、この例では、ウエハ2の4箇所について赤外線カメラの画像を取り上げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに多くの箇所で測定することにより、穴の深さをより正確に測定することができる。
The depth measuring method using the depth measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3,
この撮影は、まず、赤外線カメラ11の焦点をウエハ2の上面に合わせて、その時の赤外線カメラ11のフォーカス位置を記憶する。この例では、図3のAの位置がウエハ2の上面となっており、その時の画像が図4(a)である。そこから赤外線カメラ11のフォーカス位置を少しずつ下げていき、穴2aの形状が一番よく見えるフォーカス位置を探す。穴2aはテーパ状をしているので、穴2aの径が最も小さくはっきりと見える位置が穴2aの上面である。この例では、図3のBの位置が該当し、その時の画像が図4(b)である。
In this photographing, first, the focus of the
この位置から赤外線カメラ11を鉛直方向下方に移動させ、フォーカス位置を下げていくと、穴2aがテーパ状をしているので、穴の径の画像は徐々に大きくなっていく。この例では、図3のCの位置が穴2aの中間点となっており、その時の画像が図4(c)である。さらに、フォーカス位置を下げていくと、やがてウエハ2の底面に焦点が合う。この例では、図3のDの位置がウエハ2の下面となっており、その時の画像が図4(d)である。
When the
上記図4に示した画像を、図1の制御装置15で画像処理を行い、ウエハ2の下面に該当する画像を検出した時のフォーカス位置(図3のDの位置)と、穴2aの上面に該当する画像を検出したときのフォーカス位置(図3のBの位置)をリニアスケール13にて計測する。そして、この両位置の距離差にウエハの屈折率を乗じた値をウエハ2の厚みから引いた値が穴2aの深さになる。また、赤外線カメラ11の画像を見ながらウエハ2の下面にフォーカス位置を合わせ(図3のDの位置)、その位置の値から穴2aが最も小さく見える位置(図3のBの位置)までの距離に、ウエハ2の屈折率を乗じた値を穴深さとすることも可能である。なお、ウエハ2の上面などに他の材料の薄膜等がある場合には、その屈折率も考慮する必要がある。
The image shown in FIG. 4 is subjected to image processing by the
次に、赤外線を照明用レンズで集光してウエハに照射する方法について説明する。
図5は、赤外線を照明用レンズで集光してウエハに照射する方法を示す図である。図5には、穴2aが形成されたウエハ2が配置されている。穴2aは下面側の径が大きいテーパ状をしている。
Next, a method for irradiating the wafer with infrared rays collected by the illumination lens will be described.
FIG. 5 is a view showing a method of irradiating a wafer by collecting infrared rays with an illumination lens. In FIG. 5, the
ウエハ2の下面には、照明用レンズ7(図1参照)が配置されている。この照明用レンズ7の下面に照射された赤外線は、レンズで屈折されて穴2aの上面に向けて斜めに入射している。ところで、ウエハ2に平行光照明を当てた際には、穴2a付近で乱反射が起こり、穴2aの上面ではないところに穴のような影ができ、この影の画像を計測してしまうことで、穴の深さに誤差を生じ、深さ測定の精度の低下を招く虞がある。そこで、この例のように、照明用レンズ7で赤外線を屈折させて穴2aの上面に向けて照射することにより、穴2aの周辺での乱反射による悪影響が軽減され、より正確にくっきりとした画像を得ることができる。
An illumination lens 7 (see FIG. 1) is disposed on the lower surface of the
次に、本発明に係る深さ測定装置の第2の実施形態について説明する。
図6は、本発明に係る深さ測定装置の第2の実施形態を示す図である。図6の上方には、図1に示した赤外線光源10が配置されている。赤外線光源10の先には、バンドパスフィルタ9が接続されている。バンドパスフィルタ9は、赤外線カメラの波長感度特性が略1100nmに合うように他の波長の光をカットする。図の下方には穴2aが形成されたウエハ2が配置されている。対物レンズ12とウエハ2の間には、光の一部を通し一部を反射するハーフミラー31が斜め45度に傾けて配置されている。ハーフミラー31の図の左方には、図1に示した赤外線カメラ11と対物レンズ12が配置されている。
Next, a second embodiment of the depth measuring apparatus according to the present invention will be described.
FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the depth measuring apparatus according to the present invention. The infrared
この例では、赤外線光源10から発せられた赤外線は、ハーフミラー31を通過して、下方に進み、ウエハ2に照射されている。ウエハ2で反射した赤外線は、上方に進み、ハーフミラー31で向きを左に変える。その赤外線は、対物レンズ12に入射し、赤外線カメラ11で画像が計測される。この例のように、反射光を利用してウエハの穴の深さを測定することもできる。
In this example, infrared rays emitted from the infrared
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an embodiment, and is merely an example, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Of course, the scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further, the equivalent meanings described in the scope of claims and all modifications within the scope of the scope of the present invention are included. Including.
本発明に係る深さ測定装置は、半導体基板の製造工程などで用いる、種々の大きさの基板に形成された高アスペクト比の穴や溝の深さの測定ができる深さ測定装置に適用できる。 The depth measurement apparatus according to the present invention can be applied to a depth measurement apparatus that can measure the depths of holes and grooves having a high aspect ratio formed on substrates of various sizes, which are used in manufacturing processes of semiconductor substrates. .
1・・・深さ測定装置
2・・・ウエハ
2a・・穴
3・・・X方向の載置台
4・・・チャック
5・・・Y方向の載置台
6・・・ベース
7・・・照明用レンズ
8・・・光ファイバケーブル
9・・・バンドパスフィルタ
10・・赤外線光源
11・・赤外線カメラ
12・・対物レンズ
13・・リニアスケール
14・・固定台
15・・制御装置
20・・赤外線
31・・ハーフミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (5)
該基板に赤外線を照射する赤外線光源と、
該赤外線光源から前記基板に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラと、
該赤外線カメラの位置を調整する位置調整手段と、
を有する深さ測定装置において、
前記基板に前記赤外線を透過又は反射させ、前記位置調整手段で前記赤外線カメラの位置を調整していき、複数箇所で透過光又は反射光の画像を前記赤外線カメラで計測することにより、前記基板の凹部の深さを測定することを特徴とする深さ測定装置。 A depth measuring device that measures the depth of a recess formed in a substrate,
An infrared light source for irradiating the substrate with infrared light;
An infrared camera for measuring an infrared image irradiated on the substrate from the infrared light source;
Position adjusting means for adjusting the position of the infrared camera;
In a depth measuring device having
The infrared rays are transmitted or reflected on the substrate, the position of the infrared camera is adjusted by the position adjusting means, and images of transmitted light or reflected light are measured by the infrared camera at a plurality of locations, thereby A depth measuring device for measuring the depth of a recess.
When measuring the image of the reflected light with the infrared camera, the infrared light source is connected to a band pass filter that cuts light of other wavelengths so that wavelength sensitivity characteristics are approximately 1100 nm. Item 5. The depth measuring device according to any one of Items 1 to 4.
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