JP3441408B2 - 試料検査装置及び試料検査方法 - Google Patents
試料検査装置及び試料検査方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハやガ
ラスディスク等の検査試料の形状を測定する試料検査装
置に係り、殊に薄板状の検査試料の厚さむら測定に好適
な試料検査装置及び試料検査方法に関する。
ラスディスク等の検査試料の形状を測定する試料検査装
置に係り、殊に薄板状の検査試料の厚さむら測定に好適
な試料検査装置及び試料検査方法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、半導体素子製造過程における半導体
ウェハ等の検査試料の厚さむらを測定するものとして
は、高精度に平面研磨された基準平面を持つ吸着台に検
査試料の裏面を密着させることにより試料の裏面と基準
平面とを一致させ、試料の表面に可干渉光を投光し、表
面と参照基準面から反射される反射光により形成される
干渉縞から表面形状を得る検査装置が知られている。
ウェハ等の検査試料の厚さむらを測定するものとして
は、高精度に平面研磨された基準平面を持つ吸着台に検
査試料の裏面を密着させることにより試料の裏面と基準
平面とを一致させ、試料の表面に可干渉光を投光し、表
面と参照基準面から反射される反射光により形成される
干渉縞から表面形状を得る検査装置が知られている。
【０００３】このような装置ではピエゾ素子を用いて参
照基準面を移動させ、参照基準面と試料表面の距離を変
化させることで参照光と反射光により形成される干渉縞
の位相を変化させる。そして、位相の異なる複数の干渉
縞像を基に位相シフト法により表面形状を定量的に演算
解析している。
照基準面を移動させ、参照基準面と試料表面の距離を変
化させることで参照光と反射光により形成される干渉縞
の位相を変化させる。そして、位相の異なる複数の干渉
縞像を基に位相シフト法により表面形状を定量的に演算
解析している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、試料裏
面を基準平面に密着させて試料を保持する場合、吸着台
と試料裏面との間に異物が混入すると、これにより表面
形状測定の誤差となったり、試料裏面に損傷を生じさせ
るという問題があった。また、接触面が多いためダスト
の付着や接触による汚れなどの化学的汚染の可能性が大
きくなる。微細なパターンを形成する半導体素子製造に
おいては、これらをできるだけ低減することが望まれて
いる。
面を基準平面に密着させて試料を保持する場合、吸着台
と試料裏面との間に異物が混入すると、これにより表面
形状測定の誤差となったり、試料裏面に損傷を生じさせ
るという問題があった。また、接触面が多いためダスト
の付着や接触による汚れなどの化学的汚染の可能性が大
きくなる。微細なパターンを形成する半導体素子製造に
おいては、これらをできるだけ低減することが望まれて
いる。
【０００５】これに対し、試料を透過する光を用いるこ
とで試料表面と裏面での反射光により形成される干渉縞
を基に厚さむらを検査する検査装置が案出されている。
この装置では試料裏面を基準平面に密着させることな
く、厚さむら情報を干渉縞として検査することができ
る。
とで試料表面と裏面での反射光により形成される干渉縞
を基に厚さむらを検査する検査装置が案出されている。
この装置では試料裏面を基準平面に密着させることな
く、厚さむら情報を干渉縞として検査することができ
る。
【０００６】しかしながら、位相シフト法を用いて定量
解析を行うには位相の異なる複数の干渉縞像が必要であ
るが、試料の表裏面反射により形成される干渉縞検査の
場合、前述の検査装置のように参照基準面を移動させて
光路長を変化させることができないため、位相シフト法
を利用することは難しかった。
解析を行うには位相の異なる複数の干渉縞像が必要であ
るが、試料の表裏面反射により形成される干渉縞検査の
場合、前述の検査装置のように参照基準面を移動させて
光路長を変化させることができないため、位相シフト法
を利用することは難しかった。
【０００７】本発明は上記従来技術を鑑み、試料裏面を
傷付けることなく、試料の厚さむらを位相シフト法によ
り定量的に検査することのできる試料検査装置及び試料
検査方法を提供することを技術課題とする。
傷付けることなく、試料の厚さむらを位相シフト法によ
り定量的に検査することのできる試料検査装置及び試料
検査方法を提供することを技術課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とす
る。
に、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とす
る。
【０００９】（１） 検査試料の厚みを検査する試料検
査装置において、試料（屈折率ｎ，試料の厚さｔ）を透
過する可干渉性の検査光束（波長λ）を斜め方向から試
料に入射角βで投光し試料表面と試料裏面の反射光で干
渉縞を形成させる投光光学系と，位相の変化が測定感度
へ与える変化を実用上無視できる範囲内（２ｎcosα
（αは屈折角度）に対するλ／ｔの値、及びcosαに対
するλ／２ｎｔの値が十分小さい範囲）で入射角βを変
える位相変化手段と，を有し干渉縞を形成させる干渉縞
形成手段と、前記位相変化手段により位相を変化させた
複数の干渉縞画像を順次取り込む画像取得手段と、取り
込まれた干渉縞画像の測定感度を一定なものとしてデー
タ処理して位相シフト法を利用して前記試料の厚みむら
を解析する解析手段と、を備えることを特徴とする。
査装置において、試料（屈折率ｎ，試料の厚さｔ）を透
過する可干渉性の検査光束（波長λ）を斜め方向から試
料に入射角βで投光し試料表面と試料裏面の反射光で干
渉縞を形成させる投光光学系と，位相の変化が測定感度
へ与える変化を実用上無視できる範囲内（２ｎcosα
（αは屈折角度）に対するλ／ｔの値、及びcosαに対
するλ／２ｎｔの値が十分小さい範囲）で入射角βを変
える位相変化手段と，を有し干渉縞を形成させる干渉縞
形成手段と、前記位相変化手段により位相を変化させた
複数の干渉縞画像を順次取り込む画像取得手段と、取り
込まれた干渉縞画像の測定感度を一定なものとしてデー
タ処理して位相シフト法を利用して前記試料の厚みむら
を解析する解析手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】（２） 試料の厚みを検査する試料検査方
法において、試料（屈折率ｎ，試料の厚さｔ）を透過す
る可干渉性の検査光束（波長λ）を試料に斜め方向（入
射角β）から投光する第１ステップと、第１ステップで
形成された干渉縞画像をメモリに取り込む第２ステップ
と、位相の変化が測定感度に与える変化を実用上無視で
きる範囲内（２ｎcosα（αは屈折角度）に対するλ／
ｔの値、及びcosαに対するλ／２ｎｔの値が十分小さ
い範囲）で入射角βを変えて干渉縞を形成し、干渉縞画
像をメモリに取り込む第３ステップと、第３ステップを
繰り返し、所定の数の干渉縞画像をメモリに取り込む第
４ステップと、取り込まれた干渉縞画像の測定感度を一
定なものとしてデータ処理して位相シフト法を利用して
前記試料の厚みむらを解析する解析手段と、を備えるこ
とを特徴とする。
法において、試料（屈折率ｎ，試料の厚さｔ）を透過す
る可干渉性の検査光束（波長λ）を試料に斜め方向（入
射角β）から投光する第１ステップと、第１ステップで
形成された干渉縞画像をメモリに取り込む第２ステップ
と、位相の変化が測定感度に与える変化を実用上無視で
きる範囲内（２ｎcosα（αは屈折角度）に対するλ／
ｔの値、及びcosαに対するλ／２ｎｔの値が十分小さ
い範囲）で入射角βを変えて干渉縞を形成し、干渉縞画
像をメモリに取り込む第３ステップと、第３ステップを
繰り返し、所定の数の干渉縞画像をメモリに取り込む第
４ステップと、取り込まれた干渉縞画像の測定感度を一
定なものとしてデータ処理して位相シフト法を利用して
前記試料の厚みむらを解析する解析手段と、を備えるこ
とを特徴とする。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明について一実施形態を挙
げ、図面に基づいて以下に説明する。図１は実施形態で
ある試料検査装置の要部概略図である。
げ、図面に基づいて以下に説明する。図１は実施形態で
ある試料検査装置の要部概略図である。
【００１６】測定光源１から出射される可干渉光は試料
５を透過する特性（波長）を有しており、例えば、半導
体ウェハの場合は波長が１２００ｎｍ以上の赤外光を発
する半導体レーザが利用でき、ガラスディスクや石英基
板の場合は可視光を発するＨｅ-Ｎｅレーザが利用でき
る。光源１より出射した光はエキスパンダレンズ２を通
過した後、コリメータレンズ３により平行光束にされ、
ロータリープリズム４を介して試料５に斜め方向から投
光される。ロータリープリズム４は制御部１１により駆
動制御され、ロータリープリズム４の駆動により測定光
の試料５への入射角（投光角度）が変更される。試料５
は載置台１２に吸着保持されるのではなく、試料５の端
部が数箇所で保持されるように載置される。
５を透過する特性（波長）を有しており、例えば、半導
体ウェハの場合は波長が１２００ｎｍ以上の赤外光を発
する半導体レーザが利用でき、ガラスディスクや石英基
板の場合は可視光を発するＨｅ-Ｎｅレーザが利用でき
る。光源１より出射した光はエキスパンダレンズ２を通
過した後、コリメータレンズ３により平行光束にされ、
ロータリープリズム４を介して試料５に斜め方向から投
光される。ロータリープリズム４は制御部１１により駆
動制御され、ロータリープリズム４の駆動により測定光
の試料５への入射角（投光角度）が変更される。試料５
は載置台１２に吸着保持されるのではなく、試料５の端
部が数箇所で保持されるように載置される。
【００１７】試料５に投光された光の一部は試料表面５
ａで反射し、残りの測定光は試料表面５ａを透過して試
料裏面５ｂに至る。試料裏面５ｂではさらに透過光の一
部が反射する。スクリーン６には試料表面５ａ及び試料
裏面５ｂでの反射光による干渉縞が形成される。
ａで反射し、残りの測定光は試料表面５ａを透過して試
料裏面５ｂに至る。試料裏面５ｂではさらに透過光の一
部が反射する。スクリーン６には試料表面５ａ及び試料
裏面５ｂでの反射光による干渉縞が形成される。
【００１８】スクリーン６上に形成された干渉縞像は撮
像レンズ７によりＣＣＤカメラ８の撮像面に結像し、撮
像される。ＣＣＤカメラ８で撮像された干渉縞像は解析
装置９に送信され、メモリ１５に記憶される。解析装置
９では記憶された干渉縞を基に位相シフト法によって試
料厚さ情報を得るための演算解析等が行われる。
像レンズ７によりＣＣＤカメラ８の撮像面に結像し、撮
像される。ＣＣＤカメラ８で撮像された干渉縞像は解析
装置９に送信され、メモリ１５に記憶される。解析装置
９では記憶された干渉縞を基に位相シフト法によって試
料厚さ情報を得るための演算解析等が行われる。
【００１９】以上のような構成を備える試料検査装置に
おいて、以下にその動作を説明する。図２は測定動作の
フローチャート図である。
おいて、以下にその動作を説明する。図２は測定動作の
フローチャート図である。
【００２０】載置台１３に試料５を配置して検査を開始
する。制御部１０の制御により光源１を発光させ、試料
表面５ａと裏面５ｂで反射する反射光による干渉縞をス
クリーン６上に形成させる。スクリーン６上に形成され
た干渉縞像はＣＣＤカメラ８で撮像され、解析装置９の
メモリ１５に記憶される。
する。制御部１０の制御により光源１を発光させ、試料
表面５ａと裏面５ｂで反射する反射光による干渉縞をス
クリーン６上に形成させる。スクリーン６上に形成され
た干渉縞像はＣＣＤカメラ８で撮像され、解析装置９の
メモリ１５に記憶される。
【００２１】１つ目の干渉縞像がメモリ１５に記憶され
ると、制御部１０は干渉縞の位相を変化させるべく、ロ
ータリープリズム３を駆動させ、光源１から発せられた
可干渉光の試料４への入射角度を順次変化させる。干渉
縞の強度は正弦波変化を示しているので、この場合の角
度変化は、スクリーン５上に形成される干渉縞がπ／２
分の位相だけ移動するように制御する。このようにして
干渉縞の位相をπ／２分ずつ変化させた干渉縞画像を順
次撮像し、これをメモリ１５に記憶する。
ると、制御部１０は干渉縞の位相を変化させるべく、ロ
ータリープリズム３を駆動させ、光源１から発せられた
可干渉光の試料４への入射角度を順次変化させる。干渉
縞の強度は正弦波変化を示しているので、この場合の角
度変化は、スクリーン５上に形成される干渉縞がπ／２
分の位相だけ移動するように制御する。このようにして
干渉縞の位相をπ／２分ずつ変化させた干渉縞画像を順
次撮像し、これをメモリ１５に記憶する。
【００２２】干渉縞の位相変化と測定光の入射角度との
関係について図３を使用して説明する。図３において、
αは試料内に測定光の屈折角度、βは入射角度、λは測
定光の波長、ｎは試料の屈折率、ｔは試料厚さ、ａ，ｂ
は光路長とする。
関係について図３を使用して説明する。図３において、
αは試料内に測定光の屈折角度、βは入射角度、λは測
定光の波長、ｎは試料の屈折率、ｔは試料厚さ、ａ，ｂ
は光路長とする。
【００２３】光路ＡＣＢでの波数ｍ2aと光路ＤＢでの波
数ｍbでの光路差による波数差ｍは、
数ｍbでの光路差による波数差ｍは、
【数１】
で表され、干渉縞像の移動縞数Δｍは、屈折角度変更前
の波数差ｍと、屈折角度をΔα変化させたときの波数差
ｍ′から、
の波数差ｍと、屈折角度をΔα変化させたときの波数差
ｍ′から、
【数２】
となる。
【００２４】この式より、
【数３】
となり、
【数４】
となる。
【００２５】また、屈折角度α（変化量Δα）と、入射
角度β（変化量Δβ）との関係は、
角度β（変化量Δβ）との関係は、
【数５】
で表される。
【００２６】これらの，式から、干渉縞の移動縞数
Δｍに１／４，１／２，３／４，１を代入することによ
り、干渉縞の初期位相をπ／２ずつ移動させるための屈
折角度変化量Δα及び入射角度の変化量Δβが得られ
る。
Δｍに１／４，１／２，３／４，１を代入することによ
り、干渉縞の初期位相をπ／２ずつ移動させるための屈
折角度変化量Δα及び入射角度の変化量Δβが得られ
る。
【００２７】なお、入射角度を変化させることによって
測定感度も変化するが、干渉縞の１縞分を位相変化させ
るだけの入射角度変化量Δβ（Δα）では、以下に説明
するように測定感度への影響は実用上無視することがで
きる。
測定感度も変化するが、干渉縞の１縞分を位相変化させ
るだけの入射角度変化量Δβ（Δα）では、以下に説明
するように測定感度への影響は実用上無視することがで
きる。
【００２８】測定感度Ｓは、
【数６】
である。１縞分（Δｍ＝１）を位相変化させた時の測定
感度Ｓ′は、
感度Ｓ′は、
【００２９】
となり、この式に式を代入すると、
【数８】
となる。
【００３０】ここで、半導体ウェハやガラスディスク等
の試料の厚さｔが数百μｍであるのに対して、測定光源
の波長は約６００〜１３００ｎｍ程度であるので、λ／
ｔは１０-3の位の値となり、２ｎcosαに対して十分に
小さい。したがって、干渉縞の位相を変化させるために
入射角度を変更しても、測定感度への影響は実用上無視
できるといえる。
の試料の厚さｔが数百μｍであるのに対して、測定光源
の波長は約６００〜１３００ｎｍ程度であるので、λ／
ｔは１０-3の位の値となり、２ｎcosαに対して十分に
小さい。したがって、干渉縞の位相を変化させるために
入射角度を変更しても、測定感度への影響は実用上無視
できるといえる。
【００３１】以上のようにして順次π／２分ずつ移動し
て得られた４つの初期位相φ（０，π／２，π，３π／
２）の異なる干渉縞像を基に、解析装置９は位相シフト
法を用いて厚さむらを測定する。
て得られた４つの初期位相φ（０，π／２，π，３π／
２）の異なる干渉縞像を基に、解析装置９は位相シフト
法を用いて厚さむらを測定する。
【００３２】位相シフト法は物体の二面間の変位及び、
３次元形状を非接触で計測する手法の１つである。４ス
テップの位相シフト法の場合、光強度分布が正弦波状態
となる干渉縞像を干渉縞ピッチの１／４周期（位相のπ
／２周期）ずつシフト（縞走査）させ、計４つの干渉縞
像における各画素の光強度値から干渉縞像の位相値を計
算した後、各画素で観測される高さ、変位に応じた干渉
縞像の位相変調を基に、既知の幾何関係式に代入するこ
とによって二面間の変位量を求める方法である。
３次元形状を非接触で計測する手法の１つである。４ス
テップの位相シフト法の場合、光強度分布が正弦波状態
となる干渉縞像を干渉縞ピッチの１／４周期（位相のπ
／２周期）ずつシフト（縞走査）させ、計４つの干渉縞
像における各画素の光強度値から干渉縞像の位相値を計
算した後、各画素で観測される高さ、変位に応じた干渉
縞像の位相変調を基に、既知の幾何関係式に代入するこ
とによって二面間の変位量を求める方法である。
【００３３】各画像（初期位相φ：０，π／２，π，３
π／２）での光強度をＩ０〜Ｉ３とすると、位相θは、
π／２）での光強度をＩ０〜Ｉ３とすると、位相θは、
【数９】
であり、試料厚さｔは、
【数１０】
で表される。このように、位相シフト法により初期位相
の異なる４つの干渉縞像を用いて厚さむらを高さ情報と
して定量的に得ることができる。
の異なる４つの干渉縞像を用いて厚さむらを高さ情報と
して定量的に得ることができる。
【００３４】この場合も測定感度の時と同様に、１縞分
（Δｍ＝１）を位相変化させた時の試料厚さｔ′は、
（Δｍ＝１）を位相変化させた時の試料厚さｔ′は、
【数１１】
で表され、式を代入することで、
【数１２】
となる。ここでも、λ／２ｎｔは１０-3の位の値とな
り、実用領域の屈折角をαとした場合のcosαに対して
十分に小さいので、その影響は実用上無視できる程度で
ある。
り、実用領域の屈折角をαとした場合のcosαに対して
十分に小さいので、その影響は実用上無視できる程度で
ある。
【００３５】上述の説明ではロータリープリズム４を用
いて試料５に投光される測定光の入射角度を変更した
が、ロータリープリズム４を用いなくとも入射角度が変
化するように光源１の位置を移動させることで、同様の
効果を得ることができる。例えば、図４の変容例の概略
構成図に示すように、光源１には移動装置１４が設けら
れ、制御部１０により駆動制御される。光源１の移動は
コリメータレンズ３の光軸に対して垂直方向で、入射角
度が変化するように移動される。
いて試料５に投光される測定光の入射角度を変更した
が、ロータリープリズム４を用いなくとも入射角度が変
化するように光源１の位置を移動させることで、同様の
効果を得ることができる。例えば、図４の変容例の概略
構成図に示すように、光源１には移動装置１４が設けら
れ、制御部１０により駆動制御される。光源１の移動は
コリメータレンズ３の光軸に対して垂直方向で、入射角
度が変化するように移動される。
【００３６】あるいは、コリメータレンズ３によって平
行光束とされた光を試料に向けて反射するミラーを設
け、このミラーの反射角度を変化させることでも良い。
行光束とされた光を試料に向けて反射するミラーを設
け、このミラーの反射角度を変化させることでも良い。
【００３７】また、入射角度を変化させる代わりに、測
定光の波長を変化させることで、初期位相の異なる干渉
縞を得た後、定量解析により厚さむらを得るようにして
もよい。
定光の波長を変化させることで、初期位相の異なる干渉
縞を得た後、定量解析により厚さむらを得るようにして
もよい。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料裏面を傷付けることなく、試料の厚さむらを位相シフ
ト法により定量的に演算解析することができる。
料裏面を傷付けることなく、試料の厚さむらを位相シフ
ト法により定量的に演算解析することができる。
【図１】実施形態である試料検査装置の要部概略図であ
る。
る。
【図２】測定動作のフローチャート図である。
【図３】干渉縞の位相変化と測定光の入射角度との関係
を説明する図である。
を説明する図である。
【図４】変容例の概略構成図である。
１ 光源
４ ロータリープリズム
５ 試料
５ａ 試料表面
５ｂ 試料裏面
８ ＣＣＤカメラ
９ 解析装置
１０ 制御部
１４ 移動装置
１５ メモリ
Claims (2)
- 【請求項１】 検査試料の厚みを検査する試料検査装置
において、試料（屈折率ｎ，試料の厚さｔ）を透過する
可干渉性の検査光束（波長λ）を斜め方向から試料に入
射角βで投光し試料表面と試料裏面の反射光で干渉縞を
形成させる投光光学系と，位相の変化が測定感度へ与え
る変化を実用上無視できる範囲内（２ｎcosα（αは屈
折角度）に対するλ／ｔの値、及びcosαに対するλ／
２ｎｔの値が十分小さい範囲）で入射角βを変える位相
変化手段と，を有し干渉縞を形成させる干渉縞形成手段
と、前記位相変化手段により位相を変化させた複数の干
渉縞画像を順次取り込む画像取得手段と、取り込まれた
干渉縞画像の測定感度を一定なものとしてデータ処理し
て位相シフト法を利用して前記試料の厚みむらを解析す
る解析手段と、を備えることを特徴とする試料検査装
置。 - 【請求項２】 試料の厚みを検査する試料検査方法にお
いて、試料（屈折率ｎ，試料の厚さｔ）を透過する可干
渉性の検査光束（波長λ）を試料に斜め方向（入射角
β）から投光する第１ステップと、第１ステップで形成
された干渉縞画像をメモリに取り込む第２ステップと、
位相の変化が測定感度に与える変化を実用上無視できる
範囲内（２ｎcosα（αは屈折角度）に対するλ／ｔの
値、及びcosαに対するλ／２ｎｔの値が十分小さい範
囲）で入射角βを変えて干渉縞を形成し、干渉縞画像を
メモリに取り込む第３ステップと、第３ステップを繰り
返し、所定の数の干渉縞画像をメモリに取り込む第４ス
テップと、取り込まれた干渉縞画像の測定感度を一定な
ものとしてデータ処理して位相シフト法を利用して前記
試料の厚みむらを解析する解析手段と、を備えることを
特徴とする試料検査方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28109199A JP3441408B2 (ja) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | 試料検査装置及び試料検査方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28109199A JP3441408B2 (ja) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | 試料検査装置及び試料検査方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001099620A JP2001099620A (ja) | 2001-04-13 |
| JP3441408B2 true JP3441408B2 (ja) | 2003-09-02 |
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ID=17634222
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28109199A Expired - Fee Related JP3441408B2 (ja) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | 試料検査装置及び試料検査方法 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP4559271B2 (ja) * | 2005-03-25 | 2010-10-06 | 東ソー株式会社 | 平板の厚みムラ測定方法および装置 |
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1999
- 1999-10-01 JP JP28109199A patent/JP3441408B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP2001099620A (ja) | 2001-04-13 |
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