JP2015075452A

JP2015075452A - 形状測定装置及び形状測定方法

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Publication number: JP2015075452A
Application number: JP2013213455A
Authority: JP
Inventors: 一紘杉田; Kazuhiro Sugita; 知広銅田; Tomohiro Doda
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP6196119B2; TWI634311B; KR20150042713A; KR101919639B1; TW201518679A; US20150106057A1

Abstract

【課題】簡易な構成で振動の影響を抑制することが可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の形状測定装置１は、サンプルＳの表面ＳＳに対向する参照平面４１を有する透光性の光学部品４と、光学部品４を通じて、サンプルＳの表面ＳＳに所定の波長領域を有する光を照射する光源２と、サンプルＳの表面ＳＳに定義される線状領域の各位置について反射スペクトルを測定するイメージング分光器６と、線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、線状領域の各位置と参照平面４１との距離を算出する演算部７と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置及び形状測定方法に関し、特には、参照平面を利用してサンプルの表面形状を測定する技術に関する。

特許文献１には、マイケルソン干渉計の原理を利用して、被検面と参照面とに照射した白色光の反射スペクトルをイメージング分光器（分光器＋２次元撮像素子）によりワンショットで撮影し、被検面の凹凸形状を解析する従来技術が開示されている。

特開２０１３−２４７３４号公報

ところで、上記の従来技術では、ビームスプリッタと被検面の間の光路と、ビームスプリッタと参照面の間の光路と、を一定に保つ必要があるが、これらの光路が比較的長いため、振動の影響を受けやすいという課題がある。こうした振動の影響を排除するには、大規模な除振設備が必要となってしまう。

また、ＴＳＶ（Through Silicon Via）技術の分野では、アスペクト比（穴径に対する深さの比）が比較的大きい穴が半導体チップに形成されるが、こうした穴の形状を測定する際には、振動の影響によって光が穴の底まで届きにくく、測定が困難であるという課題もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡易な構成で振動の影響を抑制することが可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の形状測定装置は、サンプルの表面に対向する参照平面を有する透光性の光学部品と、前記光学部品を通じて、前記サンプルの表面に所定の波長領域を有する光を照射する光源と、前記サンプルの表面に定義される線状領域の各位置について反射スペクトルを測定するイメージング分光器と、前記線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、前記線状領域の各位置と前記参照平面との距離を算出する演算部と、を備える。

また、本発明の一態様では、前記光が照射される領域を、前記線状領域に対応する領域に絞る視野絞りをさらに備えてもよい。

また、本発明の一態様では、前記サンプルが配置されるステージに配置される、前記光学部品の支持機構をさらに備えてもよい。

また、本発明の一態様では、前記サンプルからの反射光を受光する測定ヘッドと、前記サンプルが配置されるステージとを支持する支持フレームに配置される、前記光学部品の支持機構をさらに備えてもよい。

また、本発明の一態様では、前記サンプルは、前記表面の少なくとも一部に薄膜を有し、前記演算部は、前記線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、前記線状領域の各位置と前記参照平面との距離と、前記線状領域の各位置における前記薄膜の膜厚とを算出してもよい。

また、本発明の一態様では、前記サンプルの表面と前記参照平面との距離を調整する調整機構をさらに備え、前記演算部は、互いに異なる距離で測定された複数の反射スペクトルに基づいて、前記サンプルの表面と前記参照平面との距離に由来する周波数成分と、前記薄膜の膜厚に由来する周波数成分とを同定してもよい。

また、本発明の形状測定方法は、サンプルの表面に対向する参照平面を有する透光性の光学部品を通じて、前記サンプルの表面に所定の波長領域を有する光を照射し、イメージング分光器により、前記サンプルの表面に定義される線状領域の各位置について反射スペクトルを測定し、前記線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、前記線状領域の各位置と前記参照平面との距離を算出する。

本発明では、参照平面で反射する光と、参照平面を透過してサンプルの表面で反射する光との光路差による干渉を利用しているため、振動の影響を受けにくくすることが可能である。

本発明の実施形態に係る形状測定装置の光学的及び電気的な構成の一例を示す図である。サンプルの一例を示す上面図である。サンプルの一例を示す断面図である。測定手順の一例を示すフローチャートである。反射率のスペクトルの一例を示す図である。ＦＦＴによる解析結果の一例を示す図である。形状測定装置の機械的な構成の一例を示す図である。形状測定装置の機械的な構成の他の例を示す図である。サンプルの他の例を示す断面図である。測定手順の他の例を示すフローチャートである。反射率のスペクトルの他の例を示す図である。ＦＦＴによる解析結果の他の例を示す図である。

本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る形状測定装置１の光学的及び電気的な構成の一例を示す図である。以下の説明では、サンプルＳに対して光学部品４が配置される方向を上方向とし、光学部品４に対してサンプルＳが配置される方向を下方向とする。

形状測定装置１は、サンプルＳの表面ＳＳに照射する光を生成する光源２と、サンプルＳの表面ＳＳに光を集光する対物レンズ３と、対物レンズ３とサンプルＳの間に配置される透光性の光学部品４と、サンプルＳの表面ＳＳを観察するための観察用カメラ５と、光学部品４とサンプルＳからの反射光のスペクトルを測定するイメージング分光器６と、を備えている。

さらに、形状測定装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含む演算部７と、ＦＰＤ（Flat Panel Display）などの表示部８と、キーボードやマウスなどの操作部９と、を備えている。演算部７、表示部８及び操作部９としては、公知のパーソナルコンピュータが用いられてよい。

光源２としては、広い波長領域において出力特性が平坦な白色光源が好適であり、重水素ランプやタングステンランプなどを採用してよい。光源２から出射された光は、視野絞りの一例としてのスリット２１により線状に成形された上で、ハーフミラー２３を経由して対物レンズ３に向かう。

光学部品４は、ガラスや石英などの透光性材料からなり、サンプルＳの表面ＳＳに近接して対向する参照平面４１を有している。対物レンズ３から光学部品４に入射した光の一部は参照平面４１で反射し、他の一部は参照平面４１を透過してサンプルＳの表面ＳＳで反射する。

光学部品４の参照平面４１で反射した光と、サンプルＳの表面ＳＳで反射した光は、光学部品４、対物レンズ３、ハーフミラー２３，５１を経由してイメージング分光器６に到達する。

イメージング分光器６は、光学部品４とサンプルＳからの反射光のスペクトルを測定し、それを演算部７に出力する。光学部品４とサンプルＳからの光は、スリット６１により線状に成形された上で、イメージング分光器６に入射する。言い換えると、イメージング分光器６は、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとにそれぞれ定義される線状の領域で反射される光を受光する。詳しくは、図２を用いて後述する。

具体的には、イメージング分光器６は、不図示の分光器と２次元撮像素子とを備えており、分光器によってスリット６１の幅方向に回折した光を２次元撮像素子が受光する。このため、スリット６１の幅方向が波長分解方向となり、スリット６１の長手方向が空間分解方向となる。

なお、光源２から光学部品４へ光を導く光学系と、光学部品４からイメージング分光器６へ光を導く光学系とは、上述の態様に限定されず、種々の光学系が採用されてよいのはもちろんである。

図２及び図３は、サンプルＳの一例を示す上面図及び断面図である。サンプルＳには、上方に向かって開放された複数の穴ＳＨが形成されている。

サンプルＳは、例えば、ＴＳＶ（Through Silicon Via）に利用される、アスペクト比が比較的大きい穴が形成された半導体チップである。例えば、穴径が５〜１０μｍ程度で、深さが最大１００μｍ程度である。半導体チップの上面に形成された穴に導体を充填し、その後、半導体チップの下面を導体が表れるまで研磨することで、ＴＳＶが完成する。

図２に示されるように、サンプルＳの表面ＳＳには、上記光源２からの光が照射される線状の照射領域２Ａと、反射光が上記イメージング分光器６に受光される線状の受光領域６Ａと、が互いに重なるように形成される。照射領域２Ａの輪郭は、光源２に設けられたスリット２１によって形成され、受光領域６Ａの輪郭は、イメージング分光器６に設けられたスリット６１によって形成される。スリット２１，６１は、照射領域２Ａの長手方向と受光領域６Ａの長手方向が揃うように設置される。

例えば、受光領域６Ａの幅は、サンプルＳの穴ＳＨの穴径よりも狭くなるように設定され、受光領域６Ａの長さは、サンプルＳの穴ＳＨが複数含まれるように設定される。例えば、照射領域２Ａは、受光領域６Ａの全体を含むような長さ及び幅に設定される。このように照射領域２Ａを絞ることで、受光領域６Ａの周囲の光が迷光成分として含まれにくくなる。この態様に限らず、照射領域２Ａの全体が受光領域６Ａに含まれてもよい。

図３に示されるように、受光領域６Ａの長手方向のある位置においては、光学部品４の参照平面４１を透過した光が、サンプルＳの表面ＳＳのうち、参照平面４１に最も近い、穴ＳＨの周囲で反射して、光学部品４の参照平面４１で反射した光と干渉する。受光領域６Ａの長手方向の他の位置においては、光学部品４の参照平面４１を透過した光が、サンプルＳの表面ＳＳのうち、参照平面４１から最も遠い、穴ＳＨの底面で反射して、光学部品４の参照平面４１で反射した光と干渉する。

イメージング分光器６は、受光領域６Ａを形成するスリット６１の長手方向を空間分解方向とし、幅方向を波長分解方向としていることから、ワンショット撮影によって、線状の受光領域６Ａの長手方向の各位置における反射光のスペクトルを測定することが可能である。また、受光領域６Ａの長手方向と直交する直交方向にサンプルＳを移動させ、直交方向の各位置において反射光のスペクトルを測定することで、２次元領域に亘る測定を行うことが可能である。

図１の説明に戻り、演算部７は、イメージング分光器６から出力される反射光のスペクトルを、既知の入射光のスペクトルで除算することで、反射率のスペクトルを算出する。そして、演算部７は、算出した反射率のスペクトルに基づいて、受光領域６Ａの長手方向の各位置と参照平面４１との距離を算出する。

図４は、測定手順の一例を示すフローチャートである。まず、リファレンスのスペクトルデータを取得する（Ｓ１１）。具体的には、光源２がリファレンスに白色光を照射し、イメージング分光器６が反射スペクトルを測定することで、演算部７は、リファレンスのスペクトルデータを取得する。リファレンスとしては、例えばアルミニウム等からなる平面ミラーが好適である。

次に、測定位置にステージを移動させる（Ｓ１２）。具体的には、演算部７は、サンプルＳが所定の測定位置に位置決めされるように。サンプルＳを配置した後述のＸＹステージ１３（図７及び図８を参照）を移動させる。

次に、サンプルＳのスペクトルデータを取得する（Ｓ１３）。具体的には、光源２がサンプルＳに白色光を照射し、イメージング分光器６が反射スペクトルを測定することで、演算部７は、サンプルＳのスペクトルデータを取得する。

次に、サンプルＳの相対反射率を算出する（Ｓ１４）。具体的には、演算部７は、サンプルＳの反射光のスペクトルをリファレンスの反射光のスペクトルで除算することで、反射率のスペクトルを算出する。図５は、反射率のスペクトルの一例を示す図である。

その後、ＦＦＴ解析により光学距離を算出する（Ｓ１５）。具体的には、演算部７は、反射率のスペクトルからＦＦＴパワー値のカーブを算出し、そのピークから光学距離を算出する。図６は、ＦＦＴによる解析結果の一例を示す図である。

このようにして、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳの光学距離が得られ、さらに、光学距離を空気の屈折率で除算することで、実際の距離が得られる。ここでは、サンプルＳの表面ＳＳに形成された受光領域６Ａの長手方向の各位置について距離が得られるので、サンプルＳの穴ＳＨの底面と参照平面４１との距離から、穴ＳＨの周囲と参照平面４１との距離を減算することで、穴ＳＨの深さが得られる。

なお、以上の説明では、反射スペクトルから光学距離を算出するのにＦＦＴ法を用いたが、他の計算方法を用いてもよい。例えば、カーブフィッティング法やピークバレー法が用いられてもよい。

図７は、形状測定装置１の機械的な構成の一例を示す図である。形状測定装置１は、支持フレーム１１を備えており、支持フレーム１１の下部には、サンプルＳが配置されるＸＹステージ１３が設けられており、支持フレーム１１の上部には、対物レンズ３を有する測定ヘッド１５が設けられている。

ＸＹステージ１３は、上記演算部７からの指令に応じて水平方向に移動する。測定ヘッド１５には、イメージファイバ１９が取り付けられており、上記光源２からの光がイメージファイバ１９を介して対物レンズ３まで導かれると共に、対物レンズ３が受光した光がイメージファイバ１９を介してイメージング分光器６まで導かれる。

さらに、本例では、ＸＹステージ１３に配置された、光学部品４を支持するための支持機構１７が備えられている。支持機構１７は、ＸＹステージ１３上のサンプルＳの周囲で上方に突出するように配置されており、光学部品４は、サンプルＳの上方を覆うように支持機構１７上に配置される。

図８は、形状測定装置１の機械的な構成の他の例を示す図である。図７の例と共通する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略する。

本例では、支持フレーム１１に配置された、光学部品４を支持するための支持機構１８が備えられている。支持機構１８は、サンプルＳとＸＹステージ１３の上方に架け渡されるようにアーチ状に設けられており、光学部品４は、サンプルＳの上方で支持機構１８に支持されている。

図７及び図８の例では、光学部品４の参照平面４１がサンプルＳの表面ＳＳと近接して対向するように、光学部品４をサンプルＳの上方に支持しているため、光源２からイメージング分光器６までの光路の大半が共通し、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳの隙間で光路差が生じることになる。このため、従来技術のような２つの比較的長い光路が存在する場合と比較して、振動の影響を抑制することが可能である。

また、図７に示されるように、ＸＹステージ１３に光学部品４の支持機構１７が配置されると、支持フレーム１１等に振動が加わっても、サンプルＳと光学部品４が同様に振動するので、サンプルＳの表面ＳＳと光学部品４の参照平面４１との距離が変動しにくく、振動の影響を抑制するのに好ましい。

また、図８に示されるように、支持フレーム１１に光学部品４の支持機構１８が配置されると、光学部品４が面内方向に移動しないことから、光学部品４は測定ヘッド１５の下方にあればよく、光学部品４の小型化の観点から好ましい。

なお、図７及び図８に示される支持機構１７，１８は、光学部品４の高さを調整可能であり、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離を変えられるようになっている。この機能は、後述する例において利用される。

以下、表面の少なくとも一部に薄膜を有するサンプルを測定対象とする例について説明する。

例えば、ＴＳＶが形成される半導体チップには、製造過程において穴の周囲にレジスト膜が形成されることがあるが、この際、穴の内側にもレジスト膜が意図せず形成され、さらに除去しきれずに残留することがある。このため、穴の内側にレジスト膜が残留しているか否かを判定する技術も求められている。

そこで、以下に説明する例では、図９に示されるように、表面ＳＳに透光性の薄膜ＴＦを有するサンプルＳを測定対象として、測定された反射スペクトルから表面ＳＳの形状と薄膜ＴＦの膜厚とを算出している。

光学部品４の参照平面４１を透過した光の一部は薄膜ＴＦの表面で反射し、他の一部は薄膜ＴＦの表面を透過してサンプルＳの表面ＳＳ（すなわち、穴ＳＨの周囲や底面）で反射する。従って、光学部品４の参照平面４１で反射した光と、薄膜ＴＦの表面で反射した光と、サンプルＳの表面ＳＳで反射した光とが干渉する。

演算部７は、算出した反射率のスペクトルに基づいて、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離と、サンプルＳの表面ＳＳに形成された薄膜ＴＦの膜厚と、を算出する。

より具体的には、演算部７は、算出した反射率のスペクトルに基づいて、サンプルＳの表面ＳＳに形成された線状の受光領域６Ａ（図２を参照）の長手方向の各位置と参照平面４１との距離と、受光領域６Ａの長手方向の各位置に形成された薄膜ＴＦの膜厚と、を算出する。

図１０は、表面ＳＳに薄膜ＴＦを有するサンプルＳを測定対象とする場合の、測定手順を示すフローチャートである。

まず、参照平面４１を第１の高さで一度目の測定を行う（Ｓ２１）。具体的には、光学部品４を支持する支持機構１７，１８（図７及び図８を参照）を調整して、参照平面４１を第１の高さとし、その状態で上述したようにサンプルＳのスペクトルデータを取得し、反射率のスペクトルを算出し、ＦＦＴ解析を実行する。

次に、参照平面４１を第２の高さで二度目の測定を行う（Ｓ２２）。具体的には、光学部品４を支持する支持機構１７，１８を調整して、参照平面４１を第１の高さよりも大きい第２の高さとし、その状態で上述したようにサンプルＳのスペクトルデータを取得し、反射率のスペクトルを算出し、ＦＦＴ解析を実行する。

これにより、互いに異なる距離で測定された２つの反射率のスペクトルが得られる。図１１は、２つの反射率のスペクトルの例を示す図である。光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離が変化することで、２つの反射率のスペクトルの周期性が変化する。

次に、パワースペクトルを比較する（Ｓ２３）。図１２は、２つの反射率のスペクトルをＦＦＴ解析したときの、解析結果の例を示す図である。一方のパワースペクトルを実線で示し、他方のパワースペクトルを破線で示している。２つのパワースペクトルを比較すると、ピーク位置が変動するピークＨＰと、ピーク位置が変動しないピークＦＰと、が存在する。

ピーク位置が変動するピークＨＰは、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離に由来する周波数成分のピークである。すなわち、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離を異ならせて測定を行ったことによって、ピーク位置が変動している。

他方、ピーク位置が変動しないピークＦＰは、サンプルＳの表面ＳＳに形成された薄膜ＴＦの膜厚に由来する周波数成分のピークである。すなわち、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離を変化させても、薄膜ＴＦの膜厚自体は変化しないので、ピーク位置は変動しない。

そこで、ＦＦＴによる解析結果に含まれる各ピークが、ピーク位置が変動するピークＨＰである場合には（Ｓ２４：ＹＥＳ）、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離に由来する周波数成分のピークとして同定し（Ｓ２５）、ピーク位置が変動しないピークＦＰである場合には（Ｓ２４：ＮＯ）、サンプルＳの表面ＳＳに形成された薄膜ＴＦの膜厚に由来する周波数成分のピークとして同定する（Ｓ２６）。

その後、ピークの同定結果を識別表示する（Ｓ２７）。例えば、各種のピークを色等を分けて表示部８に表示してよい。

なお、以上の実施形態では、互いに異なる距離で測定された２つの反射率のスペクトルを利用してピークの種別を同定したが、同定の方法はこれに限られない。例えば、光学部品４の参照平面４１とサンプルＳの表面ＳＳとの距離に由来する周波数成分のピークが現れる範囲と、サンプルＳの表面ＳＳに形成された薄膜ＴＦの膜厚に由来する周波数成分のピークが現れる範囲と、が既知であり、かつ重複しないのであれば、１つの反射率のスペクトルだけでピークの種別を同定することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。

１形状測定装置、２光源、２Ａ照射領域、２１スリット、２３ハーフミラー、３対物レンズ、４光学部品、４１参照平面、５観察用カメラ、５１ハーフミラー、６イメージング分光器、６Ａ受光領域、６１スリット、７演算部、８表示部、９操作部、１１支持フレーム、１３ＸＹステージ、１５測定ヘッド、１７支持機構、１８支持機構、１９イメージファイバ、Ｓサンプル、ＳＳ表面、ＳＨ穴、ＴＦ薄膜。

Claims

サンプルの表面に対向する参照平面を有する透光性の光学部品と、
前記光学部品を通じて、前記サンプルの表面に所定の波長領域を有する光を照射する光源と、
前記サンプルの表面に定義される線状領域の各位置について反射スペクトルを測定するイメージング分光器と、
前記線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、前記線状領域の各位置と前記参照平面との距離を算出する演算部と、
を備える形状測定装置。
前記光が照射される領域を、前記線状領域に対応する領域に絞る視野絞りをさらに備える、
請求項１に記載の形状測定装置。
前記サンプルが配置されるステージに配置される、前記光学部品の支持機構をさらに備える、
請求項１または２に記載の形状測定装置。
前記サンプルからの反射光を受光する測定ヘッドと、前記サンプルが配置されるステージとを支持する支持フレームに配置される、前記光学部品の支持機構をさらに備える、
請求項１または２に記載の形状測定装置。
前記サンプルは、前記表面の少なくとも一部に薄膜を有し、
前記演算部は、前記線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、前記線状領域の各位置と前記参照平面との距離と、前記線状領域の各位置における前記薄膜の膜厚とを算出する、
請求項１ないし４の何れかに記載の形状測定装置。
前記サンプルの表面と前記参照平面との距離を調整する調整機構をさらに備え、
前記演算部は、互いに異なる距離で測定された複数の反射スペクトルに基づいて、前記サンプルの表面と前記参照平面との距離に由来する周波数成分と、前記薄膜の膜厚に由来する周波数成分とを同定する、
請求項５に記載の形状測定装置。
サンプルの表面に対向する参照平面を有する透光性の光学部品を通じて、前記サンプルの表面に所定の波長領域を有する光を照射し、
イメージング分光器により、前記サンプルの表面に定義される線状領域の各位置について反射スペクトルを測定し、
前記線状領域の各位置について測定された反射スペクトルに基づいて、前記線状領域の各位置と前記参照平面との距離を算出する、
形状測定方法。