JP2008039771A - 構造基板の高さ分布を測定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造基板の高さ分布を測定するための装置および方法を提供する。
【解決手段】本発明は、請求項１と８の前段に記載の、半導体基板の高さ分布を測定するための装置および方法に関する。特に、本発明は、共焦点ウエハ検査装置と、溝状開口部が前方に存在する分散要素、および２次元検出器を使用することによってウエハ全体の高さ分布を記録する方法とに関する。
【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、半導体基板の高さ分布（height profile）を測定するための装置および方法に関する。

共焦点色彩・高さ測定装置が移動ステージ、コンピュータおよび２つのカメラに結合される、共焦点ウエハ検査装置および方法が、特許文献１から知られている。

特許文献２は、マイクロエレクトロニクスウエハチップの３次元物体の高さを高精度に測定するための共焦点色彩ウエハ検査装置、および共焦点高さ測定装置に基づく方法を開示している。装置は、移動ステージ、コンピュータ、顕微鏡および２つのカメラを備え、また点状光源と空間フィルタとを備える共焦点高さ測定装置を備える。

特許文献３は、共焦点分光システムと、波長プログラム可能な光源を用いた方法とを開示している。

特許文献４から、ウエハ表面全体の白色光画像が得られる改良されたウエハ検査装置および方法が知られている。

特許文献５は、ウエハのバンプ（微小金属球）用の高さ測定装置と、異なる投影角度から環状光源をバンプに投影することに基づき、ウエハのバンプの高さを測定して直接比較するための方法とを開示している。

最新技術の欠点：これらの発明では、表面は点状に走査される。このことにより、走査速度が制限され、またウエハ全体の表面測定によるウエハのスループットに対する制限が生じる。

国際公開第０３／０３６２２７Ａ１号パンフレット 米国特許出願公開第２００５／００３０５２８Ａ１号明細書 欧州特許第０９１６９８１Ｂ１号明細書 米国特許第６，１６７，１４８号明細書 国際公開第０１／５１８８５Ａ１号パンフレット

したがって、本発明の目的は、構造試料（基板）の高さ分布を迅速に、正確にまた安価に測定することを可能にする装置および方法を提供することである。

この目的は、照明ビーム経路を画定する白色光源を有する半導体基板の高さ分布を測定するための装置であって、白色光源によって放射された白色光が、前記照明ビーム経路を介して、ビームスプリッタを介して構造基板に突き当たる装置によって解決される。ビームスプリッタは、構造基板から反射された光を検出ビーム経路および検出ユニットに導く。分散要素は溝状開口部の前方の検出ビーム経路に配置され、この場合、検出ユニットは２次元検出器である。

上記目的は、構造基板の高さ分布を記録するための方法であって、
白色光で半導体基板を照射するステップと、
半導体基板から反射された白色光を溝状開口部に投影するステップと、
分散要素によって、溝状開口部を通過する白色光をスペクトル分散させるステップと、
２次元検出器によって分散光の個々のスペクトル成分を検出するステップであって、半導体基板のスペクトル成分の異なる位置が、２次元検出器によって得られるステップと、
を含む方法によっても解決される。

本発明によって達成される利点は、特に、細かく行われる記録により、多数の隣接する点の高さ分布を同時に実現でき、このことによって、点毎の走査の場合よりも迅速な検出が可能になることを含む。さらに、ウエハ全体の高さ分布を迅速に記録できる。その上、２次元検出器を使用することにより、検出速度が速くなると共に、費用効果的かつ正確な高さ測定も容易になる。

照明ビーム経路に配置されたレンズが、それらの色収差に対して補正されないことが特に有利であり、この結果、異なる波長の光源からの光が、異なる面に結像される。表面から反射された光がビームスプリッタを介して溝状開口部に投影された場合、１つの波長の光のみが表面の各点から検出器へ通過する。他の波長の光は、溝面に集光されず、したがって、大幅に減衰される。検出器へ通過する波長は、基板の各構造高さの関数であるので、波長を測定することにより、基板の各位置の高さを求めることが最終的に可能になる。

本発明の特に有利な一実施形態では、照明ビーム経路の照明スポットは、構造基板に突き当たり、また溝状開口部の長さよりも大きな直径を有する。溝状開口部の長さは、構造基板の直径以下でなければならない。

構造基板と溝状開口部との間で相対移動を行うための手段も設けられる。例示的な一実施形態では、このために、基板が固定支持されるＸＹ走査ステージが使用される。対応するラスタ走査移動をＸＹ走査ステージで実行することによって、基板全体の高さ分布を迅速に検出できる。半導体基板は、半導体製造用の構造ウエハまたは非構造ウエハ、フラットパネルディスプレイあるいはマスクであることができる。分散要素は、スペクトル分散させるために配置され、この場合、分散要素は１次元の光学格子またはプリズムであることができる。ここで、１次元格子は、一方向にのみ延びる周期性を有する微小プリズムまたは微小金属ストリップのような平行に配置された複数の光学素子である。

上記目的は、構造基板の高さ分布を記録するための方法によっても達成される。ここで、構造基板は、最初に、白色光の照明スポットによって照射される。次に、半導体基板から反射された白色光は、溝状開口部に投影され、分散要素によってスペクトル分散される。分散光の個々のスペクトル成分は、２次元検出器によって検出され、この場合、構造基板のスペクトル成分の異なる位置が、２次元検出器によって得られる。

好ましい実施形態では、溝状開口部の長さは構造基板の直径よりも小さい。照明スポットは、溝状開口部を投光照明するように構成される。照明スポットのサイズは、少なくとも２つの走査移動により、構造基板の表面全体を検出することが可能になるようなサイズである。

分散光は、ＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップによって検出され、また２次元検出器のスペクトル成分の異なる位置は、半導体基板に設けられた構造の高さ情報に変換される。構造基板は、半導体製造用のウエハ、フラットパネルディスプレイまたはマスクであることが好ましい。

図面は、本発明の主題を概略的に示している。添付図面を参照して、本発明について説明する。

図面の異なる視点の等しい特徴および要素は、分かりやすくするために同一の参照番号で示されている。

図１は、最新技術による共焦点方式によって構造基板の高さを測定するための装置の概略図を示している（出典：ＳＰＩＥの第４６回年次総会、アメリカ合衆国サンディエゴ、２００１年８月２〜３日、スチール社（Stil）報告）。点状白色光源３は基板５の表面５ａに投影される。投影レンズ７は、大きな色収差を有し、すなわち、１１．１、１１．２および１１．３として示されている異なる波長を有する光源は、異なる面に結像される。基板５の表面５ａから反射された光が、ビームスプリッタ９を介して、それに対し一定に保持された距離を有する点状開口部３０に結像された場合、１つのみの波長１１．２の光が分光計１５を通過する。他の波長１１．１と１１．３の光は、構造基板５の表面５ａの点に集光されず、したがって、大幅に減衰されて、光スポットとしての点状開口部１３に突き当たる。投影レンズ７の色収差が認識された場合、分光計１５の測定によって、基板５の現在の高さを導出できる。しかし、最適な集光状態（１１．２）を実現するそれらの波長のみが、最大の強度で分光計に結像されることに留意されたい。したがって、各波長の強度測定から、基板の現在の高さを決定できる。

波長は基板の高さに相関しているので、波長測定から構造高さを最終的に決定できる。このことを実現するために、光はスペクトル分離されて、ＣＣＤ列に結像される。したがって、列の各ドットは、基板の構造の所定の高さに一致する。

図２ａは、高さ分布を測定するための本発明による装置の概略図である。白色光源３の光は、照明ビーム経路１６のレンズ系１７によって平行にされ、ビームスプリッタ９と集光レンズ系７とを介して、好ましくは溝状照明スポットの形態で基板５の表面５ａに投影される。レンズ系７は大きな色収差を有するので、異なる波長の光が基板５の異なる面に結像される。図５を参照して、集光面について詳細に説明する。ビームスプリッタ９は、基板５の表面５ａから反射された光を、レンズ系１９を有する検出ビーム経路１８において、最初に、溝状開口部２１に導き、次に、レンズ系２５を介して検出器２９に導き、この場合、開口部２１は、表面５ａの線状部の集光状態を実現する波長の光ビームのみを通過させる（図５ａ、図５ｂを参照）。溝状開口部２１を介して放射された光は、Ｘ方向に対して垂直の格子２３を介して導かれて、２次元検出器２９によって検出され、この場合、基板５のスペクトル成分の異なる位置が得られる。この場合、１つの波長の光のみが格子２３を通過するので、スペクトル分散がない。溝状開口部２１は、現在の図面ではＹ方向に向けられ、したがって、紙面から方向付けられ、この結果、現在の図面において、開口フレームのみを見ることができる。２７．１と２７．２は、構造基板５の表面５ａの線部分におけるまたは２次元検出器９における等しい高さの異なる位置の２つの光ビームを示している。したがって、検出器における同一高さおよび同一波長の面の複数のドットの線が結像される。

図２ｂは、高さ分布を測定するための本発明による装置の他の概略図である。図２ｂの１１．１と１１．２は、集光状態を実現する基板５の表面５ａにおける異なる面の異なる位置の異なる波長または色の光ビームを示している。図２ｂは、波長または色と、構造基板５の白色光スポットによって照射された位置との相関関係を示すために、図２ａに対してＸ方向に９０°回転される。

白色光源３によって放射された光は、照明ビーム経路１６のレンズ系１７によって平行にされ、ビームスプリッタ９と集光レンズ系７とを介して、好ましくは溝状照明スポットの形態で構造基板５の表面５ａに投影される。レンズ系７は大きな色収差を有するので、異なる波長の光は基板５の異なる面に結像される。図５ａと図５ｂを参照して、集光面について詳細に説明する。ビームスプリッタ９は、基板５の表面５ａから反射された光を、レンズ系１９を有する検出ビーム経路１８において、最初に、溝状開口部２１と格子２３とに導き、次に、レンズ系２５を介して検出器２９に導き、この場合、開口部２１は、表面５ａの線状部の集光状態を実現する波長の光ビームのみを通過させる（図５ａと図５ｂ参照）。溝状開口部２１を介して放射された光は、Ｘ方向に配置された格子２３を介してスペクトル分散され、２次元検出器２９によって検出され、この場合、構造基板のスペクトル成分の異なる位置が得られる。検出器の概略図が図３ａに示されている。

従来技術とは対照的に、点状白色光源３と点状開口部１３とを使用することによって１つのみの波長が分光計１５に到達する図１に示されているように、スポット状光源、溝状開口部および１次元格子を使用することにより、２次元検出器に同時に突き当たる複数の波長が得られる。このことにより、同一の表面領域に必要な記録時間がいくらか短くなることになる。

図３ａは、図２ｂで例えばＣＣＤチップを測定するために使用される２次元検出器２９の概略図であり、この２次元検出器において、異なる波長が、Ｙ方向に分離され、異なる位置で記録される。Ｙ方向において、波長スペクトルの青、緑および赤は、Ｘ方向の基板表面の異なる点に対してプロットされる。光はＣＣＤチップに細かく突き当たる。

図３ｂは、強度が最大であるＹ位置を位置Ｘの構造基板の高さの目安として用いることができる方法を示している。基板の分布のこのグラフは、図３ａのグラフを反時計回り方向に９０°回転させることによって得られる。青波長光の反射によって生じる、高さ分布図に示されている２つの最大高さと、赤波長光の反射によって生じる表面の最小絶対高さとが存在する。緑波長光は平均高さの構造を示している。

図４は、基板５、白色照明スポットまたは照明スポット３１および溝状開口部２１の本発明の構成および相対移動３３の概略図である。本発明の有利な実施形態では、照明ビーム経路の溝状開口部の長さよりも大きい直径を有する照明スポット３１が基板５に突き当たる。基板５はＸＹ走査ステージにあり、このＸＹ走査ステージは、ラスタ走査移動３３によって、基板全体５が連続的に照射され、したがって、基板５の高さ分布全体が検出されることを保証する。好ましい実施形態では、照明スポット３１は、溝状開口部に対応するラインの形状をさらに有する。

図５ａは、異なる高さを有する３つの構造の概略図であり、この場合、複数の波長２７．３、２７．４および２７．５を含む白色照明スポットを使用することによって、それぞれの高さがラインで検出される。波長２７．３、２７．４および２７．５は、色収差により面２８．３、２８．４および２８．５に結像されて、５．１、５．２および５．３の各構造高さの集光状態を実現し、図３ａに対応して記録される。

図５ｂは、溝状開口部２１に対して走査移動２１．１によって走査される基板５の構造の他の概略図である。異なる高さを有する３つの構造５．１、５．２および５．３の各々は、開口部によって覆われ、この結果、前記３つの構造の測定を同時に行うことができる。

図示されている構成および方法は、特に、ウエハのいわゆるマクロ検査用のものであるが、このことに限定されない。

最新技術による共焦点方式によって構造基板の高さを測定するための装置の概略図である。 溝状開口部がＹ方向に向けられる半導体基板の表面を細かく走査するための本発明による装置の概略図である。 溝状開口部がＸ方向に対して垂直である半導体基板の表面を細かく走査するための本発明の装置の概略図である。 異なる波長が、異なる位置ｘで検出され、Ｘ方向の異なる点の波長スペクトルがＹ方向にプロットされる、例えばＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップの高さを測定するために使用される２次元検出器の概略図である。 強度が最大であるｙ位置から、位置ｘのウエハの高さを導出できる高さ分布の概略図である。 半導体基板、白色照明と照明スポットおよび溝状開口部のそれぞれの構成および相対移動の概略図である。 白色照明スポットと溝状開口部とを使用することによって同時に検出される半導体基板の異なる高さを有する３つの構造の概略図である。 半導体基板において異なる高さを有する３つの構造の概略平面図である。

符号の説明

３ 点状白色光源
５ 構造基板
５．１ 構造
５．２ 構造
５．３ 構造
５ａ 表面
７ 投影レンズ
９ ビームスプリッタ
１１．１ 波長
１１．２ 波長
１１．３ 波長
１３ 点状開口部
１５ 分光計
１６ 照明ビーム経路
１７ レンズ系
１８ 検出ビーム経路
１９ レンズ系
２１ 溝状開口部
２１．１ 走査移動
２３ 格子
２５ レンズ系
２７．１ 光ビーム
２７．２ 光ビーム
２７．３ 波長
２７．４ 波長
２７．５ 波長
２８．３ 面
２８．４ 面
２８．５ 面
２９ ２次元検出器
３０ 点状開口部
３１ 照明スポット
３３ 相対移動

Claims (12)

1. 照明ビーム経路を画定する白色光源を有する構造半導体基板の高さ分布を測定するための装置であって、前記白色光源によって放射された白色光が、前記照明ビーム経路を介して、ビームスプリッタを介して前記構造半導体基板に突き当たる装置にして、前記ビームスプリッタが、前記構造半導体基板から反射された光を検出ビーム経路および検出ユニットに導き、分散要素が溝状開口部の前方の前記検出ビーム経路に配置され、前記検出ユニットが２次元検出器である、装置。
2. 前記照明ビーム経路に配置されたレンズが、該レンズの色収差に対して補正されない、請求項１に記載の装置。
3. 前記照明ビーム経路にて、前記溝状開口部の長さよりも大きい直径を有する照明スポットが、前記構造基板に突き当たる、請求項１に記載の装置。
4. 前記照明スポットが、前記溝状開口部の形状にほぼ対応する、請求項３に記載の装置。
5. 前記溝状開口部の長さが、前記構造基板の前記直径よりも小さい、請求項１に記載の装置。
6. 前記構造基板と前記溝状開口部との間で相対移動を行うための手段が設けられる、請求項１に記載の装置。
7. 前記分散要素が１次元の光学格子またはプリズムである、請求項１に記載の装置。
8. 前記２次元検出器がＣＣＤチップまたはＣＭＯＳチップである、請求項１に記載の装置。
9. 構造半導体基板の高さ分布を記録するための方法であって、
   ａ）白色光で前記構造半導体基板を照射するステップと、
   ｂ）前記半導体基板から反射された白色光を溝状開口部に投影するステップと、
   ｃ）分散要素によって、前記溝状開口部を通過する白色光をスペクトル分散させるステップと、
   ｄ）２次元検出器によって、分散光の個々のスペクトル成分を検出するステップであって、前記構造半導体基板上の前記スペクトル成分の異なる位置が、前記２次元検出器によって得られるステップと、
   を含む方法。
10. 照明ビーム経路に配置されたレンズが、該レンズの色収差に対して補正されない、請求項９に記載の方法。
11. 前記構造基板と前記溝状開口部との間で相対移動を行って、前記半導体基板の表面全体を検出するための手段が設けられる、請求項９に記載の方法。
12. 前記２次元検出器の前記スペクトル成分の異なる位置が、前記半導体基板に存在する構造の高さ情報に変換される、請求項９に記載の方法。

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