JP2977307B2 - 試料面高さ測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェハ等の試料
の精密な高さ測定を行うための試料面高さ測定方法に係
わり、特に複数の試料面高さ測定装置間の誤差を補正す
るようにした試料面高さ測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マスク等のパターンを試料上に転
写するには、まず複数の試料面高さ測定装置を使用して
試料面の高さ及び傾き等を測定し、その測定結果に基づ
き試料面の高さ及び傾き等を制御してながら、高さ方向
を少しずつ変化させて転写を行う。そして、転写された
パターンを他の測定手段により測定して高さ及び傾きの
ずれ量を検出し、その結果を基に試料面の高さ及び傾き
の方向の補正を行っていた。

【０００３】しかしながら、この種の方法にあっては次
のような問題があった。即ち、試料表面の反射率や測定
位置にあるマークが異なると、試料面高さ測定装置の測
定値も異なるものとなる。また、温度や時間の経過によ
り、複数の試料面高さ測定装置の特性が異なってくる場
合もある。このため、試料面の高さを正確に測定するこ
とは困難であった。また、試料表面の反射率やマークが
異なる度に、また複数の試料面高さ測定装置の特性が、
温度又は時間の経過により変化する度にパターン転写を
行い、他の測定手段により測定を行わなければならず、
大変な労働を費やさなければならないという問題があっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、複数
の試料面高さ測定装置を使用して試料面の高さや傾きを
補正する際には、試料表面の反射率やマーク種類の違
い、温度変化や時間の経過により、測定誤差が生じる問
題があった。これを防止するには、試料表面の反射率や
マークが異なる度に、また温度変化や時間の経過により
試料面高さ測定装置の特性が変化が発生する度に、パタ
ーン転写を行って他の測定手段により測定して高さ及び
傾き補正を行わなければならず、その作業に多大な手間
を要するという問題があった。

【０００５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、試料表面の反射率，マ
ークが異なるために発生する誤差や、温度変化や時間の
経過による試料面高さ測定装置の特性の変化により発生
する誤差等を簡易に補正することができ、試料面の高さ
を正確に測定し得る試料面高さ測定方法を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、別の測
定手段を用いることなく、試料面高さ測定装置のみを用
いて試料表面の反射率やパターンが異なるために発生す
る誤差、さらには温度変化や時間の経過による試料面高
さ測定装置の特性の変化により発生する誤差を補正する
ことにある。

【０００７】

【０００８】即ち本発明は、Ｘ−Ｙステージ上に載置さ
れた試料の表面高さ位置を、複数の試料面高さ測定装置
を用いて測定する方法において、試料面上に設けられた
パターンのステップピッチに従ってステージを移動し、
１つの試料面測定装置で試料面上の複数箇所の高さを測
定して試料面の傾きを算出し、算出された傾きから試料
面の傾きを補正して該試料面をステージ走行軸に対して
平行に保持し、次いで実際に測定を行う位置にステージ
を移動し、そのときの複数の試料面測定装置の測定値を
読み込み、それぞれの値が同じとなるように試料面高さ
測定装置の測定結果に補正を加えることを特徴としてい
る。

【０００９】

【作用】本発明によれば、テーブル走行軸と平行な基準
面上の同一箇所を複数の試料面高さ測定装置で測定して
オフセット量を決定するので、試料面高さ測定装置それ
ぞれの温度変化や時間の経過による特性の変化による誤
差を簡易に補正することができる。さらに、試料面をテ
ーブル走行軸と平行にした状態で、実際に測定する位置
に移動し、複数の試料面高さ測定装置で試料面を測定
し、各測定値が同じとなるように補正を加えているの
で、試料表面の反射率やマークの違いによる測定誤差を
なくすことができる。従って、試料表面の反射率，マー
クが異なるために発生する誤差や、温度変化や時間の経
過による試料面高さ測定装置の特性の変化により発生す
る誤差等を簡易に補正することができ、試料面の高さを
正確に測定することが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１１】図１は、本発明の一実施例方法に使用した
試料面高さ測定装置の概略構成を示す斜視図である。図
２は、上記実施例方法を説明するためのフローチャート
である。図３は、基準面を使って複数の試料面高さ測定
装置の測定高さ位置をＸＹステージの走行軸に対して平
行にするための補正を行う手順を示す模式図である。図
４は、被測定試料（例えばウェハ）表面にパターンが存
在する場合に、ウェハ表面を走行軸に平行にする手順を
説明するための模式図である。図５は、走行軸に水平に
設置されたウェハを使用して複数の試料面高さ測定装置
の反射率やマークの違いにより生じる誤差を補正するた
めの方法を示す模式図である。

【００１２】図１において、１はウェハ等の試料（図示
せず）を載置してＸ，Ｙ方向に移動するＸＹステージ、
２はＸＹステージ１上に設けられた基準面（ＦＭ）、３
は投影光学系の対物レンズ、４は測定光学系の光源、５
（５₁ ，５₂ ，５₃ ）は測定光学系のセンサ（Ｚ軸セン
サ）である。

【００１３】ここで、基準面２はステージ走行軸に対し
て平行に設定されている。光源４及びセンサ５等からな
る測定光学系（試料面高さ測定装置）は、試料面に対し
斜め方向から集束光を照射し、その反射光をＰＳＤ等の
センサで受光することによって、試料面の高さを測定す
るものとなっている。なお、センサ５は異なる位置に配
置されており、それぞれ異なる位置を測定する。また、
光源４は１個に限るものではなく、センサ５毎に設けて
もよい。

【００１４】図１に示すような、複数の試料面高さ測定
装置を使用し、試料面の高さ及び傾きを測定して試料面
の位置決めを行う場合、いかに機構を調整して、複数の
試料面高さ測定装置の測定高さ位置（０点）をステージ
走行軸に平行にしようとしても限度があり、実際には僅
かであるが測定高さ位置にずれが生じる。

【００１５】そこで図３に示すように、複数の試料面高
さ測定装置の測定高さ位置を補正する。まず、図３
（ａ）に示すように、Ｚ１〜Ｚ３まである試料面高さ測
定装置のＺ１軸測定位置に、基準面２上の鏡面位置が来
るようにＸＹステージ１を移動する。この状態で、Ｚ１
軸の高さ測定値を読み込み記憶する。次いで、図３
（ｂ）に示すように、いまＺ１軸で測定した基準面２上
の測定点が、Ｚ２軸の試料面高さ測定装置の測定位置に
くるようにステージ１を移動し、この状態でのＺ２軸の
試料面高さ測定装置の高さ測定値を読み込む。

【００１６】ここで、もしＺ１とＺ２軸の高さ測定値が
同じならば、Ｚ１とＺ２軸の試料面高さ測定装置は、こ
のＸＹステージの走行軸に対して完全に位置合わせされ
ていることになる。しかし、実際には、機械的なずれや
特性のずれが存在するため、幾らの測定値にずれが生じ
る。

【００１７】そこで、このずれ量を算出し、Ｚ１とＺ２
の測定値が同じになるように、Ｚ１とＺ２の試料面高さ
測定装置にオフセットを加える。以上の作業を、図３
（ｃ）に示すように、Ｚ３の試料面高さ測定装置につい
ても行うことにより、複数の試料面高さ測定装置の測定
高さ位置（０点）を補正する。（図２のステップＳ₁ ，
Ｓ₂ ）

【００１８】以上のように補正された複数の試料面高さ
測定装置により、基準面２と同様の反射率の鏡面の試料
については、走行軸に対して正確に位置決めを行うこと
ができる。しかし、測定試料の反射率が異なった場合
や、既に何等かのパターンがウェハ面上に形成されてい
る場合は、複数の試料面高さ測定装置それぞれの特性の
違いや、それぞれの測定装置の測定位置に来るマークの
種類の違いにより、仮にウェハが走行軸に対して全く平
行であったとしても、それぞれの測定値にずれが生じて
しまう。そこで、測定試料面上の反射率やマークによる
影響を補正するために次のような作業を行う。

【００１９】まず、図４に示すように、ステージ１の移
動によりウェハ６を、ウェハ６上に既に形成されている
パターンのステップ・ピッチ（例えば、チップ単位）に
合わせて移動し、１つの試料面高さ測定装置により、図
中の×位置の測定高さを読み込む。これを、Ｘ軸，Ｙ軸
方向について行うことによってウェハ６の傾きを測定す
ることができる。（ステップＳ₃ ）

【００２０】これは、仮にウェハ面上にパターンが作成
されていたとしても、ウェハ６をパターンのステップ・
ピッチで移動し、且つ同一の試料面高さ測定装置により
測定しているので、仮に測定点にマークが存在していた
としても、同じマークが同一の試料面高さ測定装置によ
り測定されるためである。即ち、マークの違いによる影
響と、それぞれの測定装置の特性の違いによる影響とを
受けることなく、ウェハ表面の傾きを測定することがで
きる。従って、この測定結果によりステージ１の傾きを
補正して、ウェハ面上を走行軸に対して平行に位置決め
することができる。（ステップＳ₄ ）

【００２１】以上のようにして、走行軸に平行に位置決
めされた複数の試料面高さ測定装置により、走行軸に平
行に位置決めされたウェハ面上を測定すれば、複数の試
料面高さ測定装置の測定値は、同じ値を示すはずであ
る。しかし、実際には試料面高さ測定装置の測定値が、
ウェハ面上に設けられているマークの違いにより影響を
受けてしまう。

【００２２】そこで、図５に示すように、ウェハ６を実
際に測定する位置まで移動し、複数の試料面高さ測定装
置の測定値を同時に読み込む。このとき、複数の試料面
高さ測定装置それぞれの測定点の反射率やマーク種類の
違いにより、各測定値にずれが生じる。そして、このず
れを図のように数点測定し、平均して補正することによ
って、反射率やマーク種類の違いにより生じる誤差を補
正することができる。（ステップＳ₅ ，Ｓ₆ ）

【００２３】以上のように補正された試料面高さ測定装
置は、試料面上の反射率やマーク種類の違いによる影響
に関係なく、正確に高さ及び傾きが測定できるようにな
り、且つ正確に位置決めすることができるようになる。

【００２４】このように本実施例方法によれば、複数の
試料面高さ測定装置の測定高さ方向の取り付け誤差と、
センサのドリフト等の影響による誤差とを、基準面２を
使用して測定し補正することにより、複数の試料面高さ
測定装置の測定高さ位置を走行軸に対して平行に合わせ
込むことができる。そして、実際に測定したいウェハ６
を使用し、それぞれの試料面高さ測定装置の下に来るマ
ークの種類の違いや、反射率の違い等により生じる測定
誤差を測定し補正することにより、ウェハ面の高さ及び
傾きの測定を正確に行うことができ、さらに正確な位置
決めが可能になる。

【００２５】また、この試料面高さ測定方法は、センサ
５の取り付け誤差やドリフト等の影響による誤差と、そ
れぞれの試料面高さ測定装置の測定点に来るマークの違
いや反射率の違いにより生じる誤差とを、それぞれ分離
して測定し補正することができる。このため、それぞれ
の変化した項目についてのみ測定し直し、補正すればよ
いため、作業時間の短縮を容易に行うことができる。

【００２６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することができる。例えば、試料面高さ測定
装置は、必ずしも試料面に斜め方向から集束光を照射し
その反射光を検出する方式に限るものではなく、光学的
に試料面の高さ位置を測定できるものであればよい。ま
た、試料としてウェハの代わりに、マスクやレチクルを
用いることも可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、複
数の試料面高さ測定装置で同一の基準面を測定してオフ
セット量を決定することにより、試料面高さ測定装置の
特性の変化による誤差を簡易に補正することができる。
さらに、試料面をテーブル走行軸と平行に保持した状態
で、複数の試料面高さ測定装置の各測定値が同じとなる
ように補正することにより、試料表面の反射率やマーク
の違いによる測定誤差をなくすことができる。従って、
試料表面の反射率，マークが異なるために発生する誤差
や、温度変化や時間の経過による試料面高さ測定装置の
特性の変化により発生する誤差等を簡易に補正すること
ができ、試料面の高さを正確に測定することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に使用した試料面高さ測定装
置の概略構成を示す斜視図、

【図２】実施例における操作手順を説明するためのフロ
ーチャート、

【図３】複数の試料面高さ測定装置の測定誤差補正方法
を説明するための模式図、

【図４】実際に測定したいウェハをテーブル走行軸に水
平にする方法を示す模式図、

【図５】複数の高さ測定装置のマークによる影響を補正
するための方法を示す模式図。

【符号の説明】

１…ＸＹステージ、 ２…基準面、 ３…対物レンズ、 ４…光源、 ５…センサ、 ６…ウェハ（試料）。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ−Ｙステージ上に載置された試料の表面
   高さ位置を、光学的な複数の試料面高さ測定装置を用い
   て測定する方法において、 前記試料面上に設けられたパターンのステップピッチに
   従って前記ステージを移動し、１つの試料面測定装置で
   試料面上の複数箇所の高さを測定して試料面の傾きを算
   出し、算出された傾きから試料面の傾きを補正して該試
   料面をステージ走行軸に対して平行に保持し、 次いで実際に測定を行う位置にステージを移動し、その
   ときの複数の試料面測定装置の測定値を読み込み、それ
   ぞれの値が同じとなるように試料面高さ測定装置の測定
   結果に補正を加えることを特徴とする試料面高さ測定方
   法。
2. 【請求項２】前記試料面高さ測定装置は、試料面に斜め
   方向から集束光を照射すると共に、試料面からの反射光
   を受光し、該反射光の受光位置に基づいて試料面の高さ
   位置を測定するものである請求項１記載の試料面高さ測
   定方法。