JP3620891B2 - Thin film evaluation apparatus and thin film evaluation method - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、CCDと移動ステージを用いて、得られた画像から基板の形状を測定する基板形状測定方法と装置、特にディスプレイなどに用いるマスク上の薄膜の特性評価に必要とされる基板に開口した孔の寸法を正確に求める基板形状測定方法と装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、計測の分野において、物の形状の寸法、例えば方形をした孔の辺の長さや円形をした孔の径、あるいは任意の形をした孔の実質的な大きさなどを正確に測定することが必要とされる場合が多い。特に、他の測定に伴い補正項としてあるいは特性算出の構成因子として孔の寸法が重要な要素となる場合が少なくない。
例えば、蒸着法、スパッタリング法、CVD法あるいはイオンプレーティング法等により形成された薄膜の物性評価を行う方法として、差圧を印加して撓み量を測定することにより行う場合があり、評価のための測定と演算を自動的に行う評価装置が開発されている。しかし、このような薄膜評価法では、薄膜物質の撓み量は薄膜が被覆する孔の寸法によって左右されるため、孔の寸法が重要な因子を形成するため、予め測定した孔の寸法を評価装置に与えておく必要がある。
【0003】
このような場合に、薄膜物質の孔の形状を測定する方法として、
▲1▼ ものさしで直接計測する、
▲2▼ 顕微鏡下に試料を置き肉眼でエッジ位置を確認し、ステージ移動方向とエッジが垂直になるように試料を回転した後、ステージ移動を行い再度エッジを検出して、この間のステージ移動量を測定して、これを試料の幅とする、
▲3▼ 薄膜全体の像をCCDで取り込み画像処理技術により形状寸法を求める、
などが一般的であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、薄膜評価装置は適当なプログラムを搭載したパソコンでその演算部分を構成することが当然になっており、したがってその演算に必要とされる正確な数値の取得と式への代入は自動的に行う要求が高まっている。ところが、上記▲1▼▲2▼の方法では必ず測定者が介入しなければならないため、自動的な測定ができず、また測定者の主観に基づく誤差を含む。また▲2▼の方法ではステージの移動方向を決定するアルゴリズムが複雑で、自動化には適しない。さらに上記▲3▼の方法では、全体像を取り込むCCDの画素数が精度を支配することから、薄膜特性を評価するために必要な精度には到底達しない。
本発明の目的は、自動的な測定が可能となる簡単なアルゴリズムに基づく計測法を提供することであり、また分解能が十分な測定装置を提供することである。また本発明の別の目的は、基板の孔部分における薄膜の物性評価をする薄膜評価装置に組み込んで用いることができる形状測定方法及び装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の形状測定方法は、2軸に移動するXYステージ上に閉曲線で囲まれた明度の異なる部分を有する試料を搭載し、対物レンズによりCCDマトリックス上に前記試料の映像を投影し、閉曲線で囲まれた部分の一端の位置をCCDマトリックスの座標によって特定し、XYステージを移動させて閉曲線で囲まれた部分の別の端の像がCCDマトリックスに投影されるように調整して、その端の位置をCCDマトリックスの座標によって特定し、これら孔の端に対応するCCDマトリックスの座標とXYステージの移動量から閉曲線で囲まれた部分の寸法を算出することを特徴とする。
【0006】
また、本発明の基板形状測定方法は、試料中の明度の異なる部分が正方形の孔であるときに、孔の第1の端の位置をCCDマトリックスの座標で特定した後に、XYステージを一方の軸方向に移動させて孔の第2の端がCCDマトリックスに投影されるようにして第2端の位置をCCDマトリックスの座標で特定し、さらにXYステージを先の軸と直行する軸方向に移動させて孔の第3の端がCCDマトリックスに投影されるようにしてその位置をCCDマトリックスの座標で特定し、これらCCDマトリックスの座標とXYステージの移動量に基づいて、正方形の辺の長さを算出するようにすることができる。
【0007】
さらに、試料中の明度の異なる部分が円形の孔であるときには、XYステージを一方の軸方向に移動させて孔の第1の端の位置と第2の端の位置をCCDマトリックスの座標で特定して、これらCCDマトリックスの座標とXYステージの移動量に基づいて第1端と第2端の中点を算出して、XYステージをその中点付近に戻し、さらにXYステージを別の軸方向に移動させて、第1端と第2端の中点に立てた垂線が孔と交差する第3の端と第4の端をCCDマトリックスの座標で特定して、これらCCDマトリックスの座標とXYステージの移動量に基づいて第3端と第4端の中点を算出して円孔の中心とするようにすることができる。
【0008】
さらにまた、試料中の明度の異なる部分が不定形の孔であるときにも、XYステージの第1の軸方向に移動させて孔の第1端と第2端の位置をCCDマトリックスの座標で特定し、さらにXYステージの移動量に基づいて孔の第1軸方向の幅を算出し、次いでXYステージを先の軸と直行する第2軸方向に所定の刻みで移動を繰り返して第1軸方向の幅を算出して、これら算出された幅を積算して不定形の孔の寸法を算出するようにすることができる。
【0009】
また、本発明の基板形状測定装置は、孔を有する試料を搭載して2軸に移動するXYステージと、XYステージのXY軸とXY軸方向を合致させたCCDマトリックスを備えCCD素子に投影する映像の光強度に対応する電気信号を発生するCCDカメラと、試料の像をCCDカメラの受像面に拡大して投影する対物レンズを備える鏡筒と、CCDカメラの出力を受けて画像の特徴を検出して出力する画像処理装置と、画像処理装置の出力とXYステージの移動量を受信して前記孔の寸法に対応する値を出力する演算処理装置とを備えることを特徴とする。
【0010】
さらに、本発明に係る薄膜評価装置は、薄膜試料を搭載するXYステージと、試料の映像を拡大してプローブの撮像面に投影させる顕微鏡鏡筒と、試料の形状情報を取得するプローブと、プローブからの信号を処理して試料の撓みを算出する第1の画像処理装置と、各検出器から検出信号を入力して演算処理し試料の物性評価をする演算処理装置とを備え、さらに、上記の顕微鏡鏡筒を介して試料の拡大した映像を取り込んで電気信号に変換するCCD光検出器と、CCD光検出器からの映像信号を入力して試料の映像中の明度差を有する部分を抽出する第2の画像処理装置とを備えて、第2画像処理装置の出力とXYステージの移動量から試料の寸法を算出して、試料の物性評価に算入することを特徴とする。
【0011】
【作用】
本発明の形状測定方法によれば、対物レンズにより試料の映像を拡大してCCD受光面に投影するから、試料の位置を特定するための分解能は物理的なCCDマトリックスの数量や密度に支配されず、必要に応じて高い位置精度を得ることが可能である。また、試料を搭載してX軸方向またはY軸方向に移動するXYステージの移動量は従来技術においても極めて精度よく把握できるから、試料の位置についての測定精度が極めて高い。さらに、全体の測定手順を自動化することも容易で、簡単な画像処理により正確な値を得ることができるので、例えば薄膜評価装置に組み込んで使用することも容易である。
【0012】
また、試料中の測定対象部分が正方形や円形など予め定まった形状を有する場合には、測定手順や演算処理を極めて単純化することができる。
さらに、測定対象の形状が不定形である場合であっても、簡単な繰り返し操作により機械的に測定することができるから、本発明の方法を実施するための装置を容易に得ることができる。
【0013】
本発明の形状測定装置によれば、正確に把握できるXYステージの移動量と、レンズにより試料を拡大して投影することにより実質的に高い分解能を付与することができるCCDマトリックスに基づいて得られる座標値とを用いて形状を測定するから、測定精度は薄膜特性を評価するために十分である。また、本発明の形状測定装置によれば、自動的な測定が可能となる。
【0014】
また本発明に係る薄膜評価装置によれば、薄膜の物性評価のために予め手動で形状パラメータを設定する必要がなく、また評価時点における測定値を使用することができるため物性評価の信頼性も増す利点がある。
また、従来の薄膜評価装置においても使用されていたXYステージや顕微鏡鏡筒あるいは演算装置など既存の部品を活用して、基板の孔部分の形状を測定する部分を組み込むことができるから、形状測定装置を組み込んだ薄膜評価装置全体の製造費用の増大を抑制することができる。
【0015】
【実施例】
図1は、本発明に係る形状測定装置の第1実施例を示す概念説明図である。測定装置は、シリコンウェハなどの基板が有する正方形や真円その他一定の形状をした孔の寸法を測定するものである。
図中1は測定対象となる試料、2は試料を搭載して2軸に移動するXYステージ、3はXYステージを搭載する定盤、4は対物レンズを付けた鏡筒、5はCCDカメラ、6は画像処理装置、7は演算処理装置、8はステージコントローラである。
【0016】
試料1は、孔11を有する基板1−1と孔11を覆うようにして形成された薄膜1−2からなり、薄膜1−2の下の孔11の部分はその周囲の肉の部分12と明度が異なるため区別ができるようになっている。鏡筒4の対物レンズ41が孔11の像を拡大してCCDカメラ5の受像面に投影する。CCDカメラ5は孔11の投影画像をマトリックス状に配列した光電素子で電気変換して素子毎の受光の有無を表す画像情報を画像処理装置6に伝達する。画像処理装置6は各素子位置における電気出力を評価し、CCDマトリックスに投影された画像のうちの肉の部分12と孔11の部分を区分して判定する。演算処理装置7は、画像処理装置6から前記判定信号を受信して演算処理するもので、たとえばパーソナルコンピュータであってよい。演算処理装置7における演算処理は、孔11のエッジすなわち肉の部分12と孔11の部分の境界について、CCDマトリックス内の座標値を求め、その結果に基づいてステージコントローラ8を制御してXYステージ2を適当に移動させる。演算処理装置7は、XYステージ2の移動量とXYステージ2を移動させた後に再び取得する孔11のエッジの座標値を先に取得した座標値と共に用いて孔11の寸法を算出する。CCDマトリックスのXY軸はXYステージ2のXY軸と一致するように調整されている。
【0017】
上記測定装置を用いた測定は以下のように行われる。まず、試料1をXYステージ2に載せ鏡筒4を調整して、試料1の画像が拡大されてCCDカメラ5の受光面上に結像されるようにする。投影された画像が試料の肉の部分12か孔11の部分かは、CCD素子の出力を適当なしきい値と比較することで判断ができる。さらに、XYステージ2を適当に調整して試料1中の孔11のエッジの一部がCCDカメラ5のCCDマトリックス面に投影されるようにする。エッジ部分が画像内に存在するようにするために、モニターに表示される映像に基づいて操作員が調整してもよいが、たとえば画像中の黒色の面積と白色の面積が等しくなる位置を見出すことでエッジがあることを見つける方法や、適当な線に沿って光度変化を監視し激しく光度が変化する位置からエッジを認める方法など、簡単な画像処理方法によりエッジを検出することも可能である。このような自動検出法を用いれば演算処理装置7を介してXYステージ2を調整することにより、自動的にエッジが画像内に存在するような位置に移動させることもできる。
【0018】
ここで、たとえば画面の上下方向をY軸方向、画面の左右方向をX軸方向とし、画面左下端部を原点、画面中のY軸方向における最大座標値をYm、画面中のX軸方向の最大座標値をXmと定める。
図2は画面上の座標と実寸とを対応させるための校正方法を説明する図面である。図2(a)はX軸に関する説明のための、また図2(b)はY軸に関する説明のための図である。図2(a)から知られるように、画面に画像が現れているようにして、XステージをX軸方向に既知の距離Mxだけ動かして、一定の点が画面中のX座標上を移動する量ΔXを求める。すると、画面の座標値の幅を示すXmに相当する試料1の表面上の距離Dxは、XステージのX軸方向移動量Mxと、任意のY位置におけるX座標の差異ΔXから数式1で求めることができる。また、同じく図2(b)から明らかなように、Ymに相当する試料1の表面上の距離Dyは、YステージをY軸方向にMyだけ移動したときの任意のX位置におけるY座標の差異ΔYから数式2で求めることができる。
【0019】
【数1】
Dx=Mx・Xm/ΔX
【数2】
Dy=My・Ym/ΔY
【0020】
はじめに、試料1の孔11が正方形である場合にその辺の長さDを求める方法について説明する。図3は正方形の孔の辺長を求める方法を説明する図面である。
初期の調整により正方形をした孔11のエッジが画面中に現れているとして、Y軸方向の適当な座標Y1における孔11の上記エッジP1のX座標をX1とする。また、孔11のエッジが延伸する方向がX軸となす角度θを求めておく。
次いで、試料1を搭載したXYステージ2のXステージをX軸方向かつ孔11の面積が広がる方向に移動させて、座標Y1の位置に孔11の反対側のエッジP2が現れた画面を取得するようにする。ここで、Y座標Y1における孔11のエッジのX座標X2を読みとる。このときのXステージの移動量をLxとすると、LxはXYステージ2の移動を制御するステージコントローラ8から取得する信号により正確に知ることができる。なお、実際に装置に用いられるステージは、機構上あるいは操作上の問題から常に連続的に駆動されるようになっているとは限らないが、移動量が正確に把握できれば動きが間欠的であってもよい。
さらに、今度は該XYステージ2のYステージをY軸方向かつ孔11の面積が広がる方向に移動させて、座標X2の位置に孔11の反対側のエッジP3が再び現れるようにする。このときのYステージの移動量をLyとする。そして、該座標X2における孔11のエッジのY座標Y2を読みとる。
上記P2がP1が存在する辺の隣辺上にある場合には、正方形の辺長Dは、図3から明らかなように辺P1P2の正弦と辺P2P3の余弦の和となるから、数式3により求めることができる。なお、点P2がP1の存在する辺の対辺であるときは、数式3の第1項だけで辺長Dが求まることはいうまでもない。
【0021】
【数3】
D=(Lx+Dx・(X2−X1)/Xm)sinθ+(Ly+Dy・(Y2−Y1)/Ym)cosθ
【0022】
次に、孔11が真円であることが予め知られている場合の円の直径を求める方法を説明する。図4は、円形の孔の直径を求める方法を説明する図面である。
初期の調整により円形の孔11のエッジが画面中に現れているとして、Y軸方向の適当な座標Y1における孔11の上記エッジP1のX座標をX1とする。
次に、試料1を搭載したXYステージ2のXステージをX軸方向かつ孔11の面積が広がる方向に移動させて、座標Y1の位置に孔11の反対側のエッジP2が現れた画面を取得し、座標Y1における孔11のエッジの座標X2を読みとる。このときのXステージの移動量をLxとする。
【0023】
次に、2つのエッジP1とP2の中点Phまでの距離Dhを数式4により求め、XステージをX軸上逆方向にほぼDhだけ戻し、Ph点が画面中に収まるようにする。そこで、Xステージの実際の移動量Lhと点P2について先に求めた座標値X2とから、新しい画面中のPh点のX軸座標値Xhを得る。
【0024】
【数4】
Dh=(Lx+Dx・(X2−X1)/Xm)/2
【0025】
さらに、XYステージ2のYステージをY軸方向に移動させて、座標Xhの位置に孔11のエッジP3が現れるようにして、画面中の座標XhにおけるエッジP3のY座標Y3を読みとる。
次に、YステージをY軸上で先と反対の方向に移動して、X座標Xhの位置に円形孔11の反対側のエッジP4が現れた画面を取得して、X座標XhにおけるエッジP4のY座標Y4を読みとる。このときのYステージの移動量をLmとすれば、円形孔11の半径Rは、数式5で与えられる。
【0026】
【数5】
R=(Lm+Dy・(Y3−Y4)/Ym)/2
【0027】
従って、孔11の中心Oの位置はYステージをY軸方向にほぼ距離R、実際にはLr、だけ戻して得られる画面中のX座標Xh、Y座標Yoにあることになる。ただし、Yoは数式6で与えられる値である。
【0028】
【数6】
Yo=Y4+Ym・(R−Lr)/Dy
【0029】
以上のようにして求まる孔11の中心Oの座標(Xh,Yo)を用いてXYステージ2を調整すれば、画面中の所望の位置に孔11の中心Oを合わせることは容易である。
【0030】
次に、孔11が不定形であるときに孔の面積を求める方法について、図5を用いて説明する。
従前の方法では、CCDで全体像を撮像してCCD素子のうち孔を検出しているものの総数から孔の面積を評価するものであったから、測定精度はCCDマトリックスの総数と密度に支配され、高い精度は望めなかった。
これに対して、本発明の測定方法では、試料を搭載する試料台としてXYステージを採用し測定中のステージ移動を管理してその移動量を画像評価に用いるので、CCDカメラの画面位置を定量的に管理することができるため、CCDカメラの1画面で孔全体を撮像する必要がなく、CCDカメラが画像を取り込める範囲をレンズで拡大することにより対象に対する実質的な分解能を大きくして精度を向上することができる。
【0031】
まず、XYステージ2を適当に調整して試料1中の孔11のエッジの一部がCCDカメラ5のCCDマトリックス面に投影されるようにする。適当なY座標Y1における孔11のエッジP1のX座標をX1とし、わずかに離れたY座標Y2におけるエッジP2のX座標をX2とする。
これらの座標値の平均値をもって、この部分のエッジの座標とする。孔11のエッジは必ずしも滑らかな曲線を描かず、エッジ上の1点について求める座標は実体的な孔の輪郭を表さない特異点であるおそれがあるからである。
次に、試料1を搭載したXYステージ2のXステージをX軸方向かつ孔11の面積が広がる方向に移動させて、座標Y1の位置に孔11の反対側のエッジP3が現れた画面を取得するようにする。このときのXステージの移動量をLとする。ここで、Y座標Y1における孔11のエッジP3のX座標X3を読みとる。またY座標Y2に対応するエッジP4のX座標を読みとりX4とする。先と同様、これらの平均値をもってこの部分のエッジの座標とする。
Y座標Y1Y2の位置における孔11の幅Dは、上記の値を用いて、数式7で表される。
【0032】
【数7】
D=L+Dx・((X3+X4)/2−(X1+X2)/2)/Xm)
【0033】
孔11全体の面積を求めるには、孔11のY軸方向の幅全体にわたってY座標値を適当な一定量ずつ歩進させながら、上記の方法でX軸方向の幅を算出して積算し、上記Y軸方向の歩進幅を掛け合わせればよい。
【0034】
図6は、本発明の形状測定装置を薄膜評価装置に組み込んで使用する例を示すブロック図である。薄膜評価装置は、基板上に形成した薄膜の物性を評価するためのものである。
図7はここで形状測定装置を組み込む薄膜評価装置における薄膜評価方法を説明する図面である。この方法によれば、孔を有するシリコンウェハSの上に孔を覆うように薄膜Fを形成した試料を真空で引いて薄膜Fに差圧pをかけるときに薄膜の撓む量hを測定し、その測定値を用いて数式8、9、10で算出される内部応力σとヤング率Eに基づいて評価する。ここで、νはポアソン比、tは薄膜の厚さ、rは孔の径や長さなどディメンジョンを代表する指数、AとBは中間変数である。
【0035】
【数8】
p=A・h+B・h3
【数9】
A=tσ/r2
【数10】
B=3tE/8r4(1−ν)
【0036】
この式を用いて薄膜を評価するためには、薄膜の厚さtと孔のディメンジョンを表す値rを別途求めておく必要がある。しかも、rは数式中に2次および4次の関数として含まれることから、その誤差は求める内部応力やヤング率の精度に大きな影響を与える。
そこで、本発明の形状測定装置を上記薄膜評価装置に組み込んで、評価測定と同時に孔の形状を正確にかつ自動的に測定し評価式にその結果を取り込んで、正確な物性値を求めるようにしたものである。
【0037】
図6において、21は測定対象となる薄膜が形成されたシリコン基板、22は試料となるシリコン基板を搭載するXYステージ、23は可動部分を振動しないように保持する定盤、24は試料の映像を拡大して検出装置の撮像面に投影させる顕微鏡鏡筒、25は試料の映像を取り込んで電気信号に変換するCCD光検出器、26はCCD光検出器からの映像信号を入力して信号処理して有効な画像情報を生成する画像処理装置、27は各検出器から検出信号を入力して信号処理し各制御装置に適切な操作信号を供給しかつ必要な測定値をディスプレイやプリンタに出力するパソコン、28はXYステージ22を測定に適合するように制御して測定対象が必要な位置に来るように制御するステージコントローラである。
【0038】
図6において、31は光波干渉法により薄膜の撓みを2次平面情報として取得するプローブ、32はプローブ31からの信号を処理して薄膜の撓みの分布を算出する画像処理装置、33は試料21を搭載して試料の裏側から真空を作用させる真空チャンバー、34はパソコン27からの指令に従って真空チャンバに搭載された薄膜に印加する真空を制御する真空ポンプ制御装置、35は真空チャンバー33に印加する真空度を測定する真空計である。
【0039】
初めに、薄膜で孔を被覆した試料21を薄膜形成面を上にして真空チャンバー33の真空開口に孔の部分が当たるように搭載し、別途真空チャック装置でシリコン基板の肉の部分を真空で吸引して基板を真空チャンバーに把持する。真空チャックは孔の部分に測定用の真空を印加したときに周囲から真空が破れないような構造にしてある。
次に、試料21を粗く走査してCCD光検出器の視野内に試料中の孔が来るようにする。そこで、先に説明した方法によりCCDマトリックスの視野内における座標値とXYステージ22の移動量とを用いて、その孔の径あるいは辺長など孔の寸法r、すなわち数式9と10に用いる数値rを求める。
次に、パソコン27からの指令に基づくステージコントローラ28の働きによりXYステージ22を調整して目的とする孔の中心がプローブ31の視野の中心付近に来るようにする。
【0040】
次いで、薄膜評価を実施する。初めに大気圧下において、適当な基準面から孔の部分における薄膜の表面までの距離を測定する。次に、真空ポンプ制御装置34の制御により真空チャンバー33に決められた真空を生成させる。真空度は真空計で測定し評価式に用いるため演算装置に伝送される。この真空と大気圧の差が薄膜に印加される差圧pとなる。このように圧力pが印加された状態で薄膜までの距離を測定すると、先に求めた大気圧下での距離との差が数式8に用いる薄膜の撓み量hとなる。薄膜評価装置は最大撓み量を2次平面の測定結果から求めることができる。孔の中心位置が予め与えられる場合には、中心位置における直接的な測定により容易かつ正確に数式に用いる撓み量hを得ることができることはいうまでもない。
【0041】
真空度を変更して、再度上記の撓み量を測定し、2組の測定値を数式8に代入すると、係数AとBが求められる。従って、数式9と数式10に既知の数値を代入することにより、薄膜の内部応力σとヤング率Eが求まり、これによって薄膜の物性が評価できる。
上記の手順はパソコン27に組み込まれるシーケンス制御プログラムに従って自動的に実施することができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の形状測定方法及び装置は、XYステージを用いることにより、小さな視野しか持たないCCDカメラを利用して、比較的大きな孔の寸法を精度よく測定することができる。
また、本発明の方法及び装置を薄膜評価装置に組み込むと、測定者が直接に物差しなどを用いて計るかわりに、試料の孔径等の値を極めて高精度で自動的に測定して薄膜評価式に代入できるから、正確かつ迅速に試料の物性が評価できるようになる。また、XYステージや対物レンズは薄膜評価装置に既に付属するものを兼用することができるから、本発明の形状測定装置を適用することは極めて容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の形状測定装置の第1実施例を示す概念説明図である。
【図2】本発明の実施例に用いられる校正方法を説明する図面である。図2(a)はX軸に関して、また図2(b)はY軸に関して説明する図である。
【図3】孔が正方形であるときの形状測定方法を説明する図面である。
【図4】孔が円形であるときの形状測定方法を説明する図面である。
【図5】孔が不定形であるときの形状測定方法を説明する図面である。
【図6】本発明の形状測定装置を薄膜評価装置に使用する例を示すブロック図である。
【図7】薄膜評価方法を説明する図面である。
【符号の説明】
1、21 試料
2、22 XYステージ
3、23 定盤
4、24 鏡筒
5、25 CCDカメラ
6、26 画像処理装置
7、27 演算処理装置
8、28 ステージコントローラ
31 プローブ
32 画像処理装置
33 真空チャンバー
34 真空ポンプ制御装置
35 真空計[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a substrate shape measuring method and apparatus for measuring the shape of a substrate from an obtained image by using a CCD and a moving stage, and more particularly to an opening in a substrate required for characteristic evaluation of a thin film on a mask used for a display or the like. The present invention relates to a substrate shape measuring method and apparatus for accurately determining the size of the hole.
[0002]
[Prior art]
In general, in the field of measurement, to accurately measure the shape of an object, for example, the length of the side of a square hole, the diameter of a circular hole, or the substantial size of an arbitrarily shaped hole. Is often required. In particular, along with other measurements, the size of the hole is often an important factor as a correction term or as a constituent factor for characteristic calculation.
For example, as a method for evaluating the physical properties of a thin film formed by vapor deposition, sputtering, CVD, ion plating, or the like, it may be performed by measuring the amount of deflection by applying a differential pressure. An evaluation device has been developed that automatically measures and computes. However, in such a thin film evaluation method, since the amount of deflection of the thin film material depends on the size of the hole covered by the thin film, the size of the hole forms an important factor. It is necessary to give to.
[0003]
In such a case, as a method of measuring the shape of the hole in the thin film material,
(1) Measure directly with a ruler,
(2) Place the sample under the microscope, check the edge position with the naked eye, rotate the sample so that the edge is perpendicular to the stage moving direction, move the stage and detect the edge again. And measure this as the width of the sample,
(3) The image of the entire thin film is captured by a CCD and the shape dimensions are obtained by image processing technology.
Etc. were common.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is natural that the thin film evaluation system is configured with a computer equipped with an appropriate program, so the acquisition of the exact numerical values required for the calculation and substitution into the formula is automatic. The demand to do is increasing. However, in the above methods (1) and (2), since the measurer must always intervene, automatic measurement cannot be performed, and an error based on the subjectivity of the measurer is included. In the method (2), the algorithm for determining the moving direction of the stage is complicated and is not suitable for automation. Furthermore, in the method (3), the accuracy required for evaluating the thin film characteristics cannot be reached because the number of CCD pixels that capture the entire image dominates the accuracy.
An object of the present invention is to provide a measurement method based on a simple algorithm that enables automatic measurement, and to provide a measurement apparatus with sufficient resolution. Another object of the present invention is to provide a shape measuring method and apparatus that can be used by being incorporated in a thin film evaluation apparatus for evaluating the physical properties of a thin film in a hole portion of a substrate.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the shape measuring method of the present invention mounts a sample having different brightness portions surrounded by a closed curve on an XY stage moving in two axes, and the sample is placed on the CCD matrix by an objective lens. The position of one end of the portion surrounded by the closed curve is specified by the coordinates of the CCD matrix, and the XY stage is moved to project an image of the other end of the portion surrounded by the closed curve onto the CCD matrix. The position of the end is specified by the coordinates of the CCD matrix, and the size of the portion surrounded by the closed curve is calculated from the coordinates of the CCD matrix corresponding to the ends of the holes and the movement amount of the XY stage. Features.
[0006]
Further, in the substrate shape measuring method of the present invention, when the portion with different brightness in the sample is a square hole, after the position of the first end of the hole is specified by the coordinates of the CCD matrix, The position of the second end is specified by the coordinates of the CCD matrix so that the second end of the hole is projected onto the CCD matrix by moving in the axial direction, and the XY stage is moved in the axial direction perpendicular to the previous axis. Then, the position of the hole is projected by the CCD matrix so that the third end of the hole is projected onto the CCD matrix, and the length of the side of the square is determined based on the coordinates of the CCD matrix and the amount of movement of the XY stage. Can be calculated.
[0007]
Furthermore, when the part with different brightness in the sample is a circular hole, the position of the first end and the second end of the hole is specified by the coordinates of the CCD matrix by moving the XY stage in one axial direction. Then, the midpoint of the first end and the second end is calculated based on the coordinates of the CCD matrix and the movement amount of the XY stage, the XY stage is returned to the vicinity of the midpoint, and the XY stage is further moved in another axial direction. The third end and the fourth end at which the perpendicular formed at the midpoint of the first end and the second end intersects the hole are specified by the coordinates of the CCD matrix, and the coordinates of the CCD matrix and XY The midpoint of the third end and the fourth end can be calculated based on the moving amount of the stage so as to be the center of the circular hole.
[0008]
Furthermore, even when the portion with different brightness in the sample is an irregular hole, it is moved in the first axial direction of the XY stage so that the positions of the first end and the second end of the hole are in the coordinates of the CCD matrix. Further, the width of the hole in the first axis direction is calculated based on the amount of movement of the XY stage, and then the XY stage is repeatedly moved in a predetermined increment in the second axis direction perpendicular to the previous axis. The width of the direction can be calculated, and the calculated widths can be integrated to calculate the dimensions of the irregular holes.
[0009]
The substrate shape measuring apparatus according to the present invention includes an XY stage that mounts a sample having a hole and moves in two axes, and a CCD matrix in which the XY axis and XY axis directions of the XY stage coincide with each other. A CCD camera that generates an electrical signal corresponding to the light intensity of the image, a lens barrel that includes an objective lens that projects an image of the sample on the image receiving surface of the CCD camera, and receives the output of the CCD camera to characterize the image. An image processing device that detects and outputs, and an arithmetic processing device that receives the output of the image processing device and the amount of movement of the XY stage and outputs a value corresponding to the size of the hole.
[0010]
Furthermore, a thin film evaluation apparatus according to the present invention includes an XY stage on which a thin film sample is mounted, a microscope barrel that enlarges an image of the sample and projects it onto the imaging surface of the probe, a probe that acquires sample shape information, and a probe A first image processing device that calculates the deflection of the sample by processing a signal from the image processing device, and an arithmetic processing device that inputs a detection signal from each detector and performs an arithmetic processing to evaluate a physical property of the sample. A CCD photo detector that captures an enlarged image of the sample through the microscope lens tube and converts it into an electrical signal, and an image signal from the CCD photo detector is input to extract a portion having a brightness difference in the sample image And a second image processing apparatus that calculates a dimension of the sample from the output of the second image processing apparatus and the amount of movement of the XY stage, and includes it in the physical property evaluation of the sample.
[0011]
[Action]
According to the shape measuring method of the present invention, the image of the sample is magnified by the objective lens and projected onto the CCD light receiving surface, so the resolution for specifying the position of the sample is governed by the physical CCD matrix quantity and density. Instead, it is possible to obtain high positional accuracy as required. Further, since the amount of movement of the XY stage that moves in the X-axis direction or the Y-axis direction with the sample mounted thereon can be grasped with high accuracy in the prior art, the measurement accuracy of the position of the sample is extremely high. Furthermore, it is easy to automate the entire measurement procedure, and an accurate value can be obtained by simple image processing. Therefore, for example, it is easy to incorporate and use in a thin film evaluation apparatus.
[0012]
In addition, when the measurement target portion in the sample has a predetermined shape such as a square or a circle, the measurement procedure and the arithmetic processing can be greatly simplified.
Furthermore, even when the shape of the object to be measured is indefinite, it can be measured mechanically by a simple repetitive operation, so that an apparatus for carrying out the method of the present invention can be easily obtained.
[0013]
According to the shape measuring apparatus of the present invention, it is obtained based on the amount of movement of the XY stage that can be accurately grasped and a CCD matrix that can give a substantially high resolution by enlarging and projecting the sample with a lens. Since the shape is measured using coordinate values, the measurement accuracy is sufficient for evaluating the thin film characteristics. Further, according to the shape measuring apparatus of the present invention, automatic measurement is possible.
[0014]
In addition, according to the thin film evaluation apparatus according to the present invention, it is not necessary to manually set the shape parameters in advance for the physical property evaluation of the thin film, and the measured value at the time of evaluation can be used, so the reliability of the physical property evaluation is also improved. There are additional benefits.
In addition, by utilizing existing components such as XY stages, microscope barrels, and arithmetic devices that were also used in conventional thin film evaluation equipment, it is possible to incorporate a part that measures the shape of the hole part of the substrate. An increase in the manufacturing cost of the entire thin film evaluation apparatus incorporating the apparatus can be suppressed.
[0015]
【Example】
FIG. 1 is a conceptual explanatory view showing a first embodiment of a shape measuring apparatus according to the present invention. The measuring device measures the dimension of a square, a perfect circle, or a hole having a certain shape, which a substrate such as a silicon wafer has.
In the figure, 1 is a sample to be measured, 2 is an XY stage that mounts the sample and moves in two axes, 3 is a surface plate that mounts an XY stage, 4 is a lens barrel with an objective lens, 5 is a CCD camera, 6 is an image processing device, 7 is an arithmetic processing device, and 8 is a stage controller.
[0016]
The
[0017]
Measurement using the above measuring apparatus is performed as follows. First, the
[0018]
Here, for example, the vertical direction of the screen is the Y-axis direction, the horizontal direction of the screen is the X-axis direction, the lower left corner of the screen is the origin, the maximum coordinate value in the Y-axis direction in the screen is Ym, and the X-axis direction in the screen is The maximum coordinate value is defined as Xm.
FIG. 2 is a diagram for explaining a calibration method for making the coordinates on the screen correspond to the actual size. FIG. 2A is a diagram for explaining the X axis, and FIG. 2B is a diagram for explaining the Y axis. As known from FIG. 2A, the X stage is moved by a known distance Mx in the X-axis direction so that an image appears on the screen, and a certain point moves on the X coordinate in the screen. The amount ΔX is obtained. Then, the distance Dx on the surface of the
[0019]
[Expression 1]
Dx = Mx · Xm / ΔX
[Expression 2]
Dy = My · Ym / ΔY
[0020]
First, a method for obtaining the side length D when the
Assuming that the edge of the
Next, the X stage of the
Further, this time, the Y stage of the
When P2 is on the side adjacent to the side where P1 exists, the side length D of the square is the sum of the sine of side P1P2 and the cosine of side P2P3 as apparent from FIG. Can be sought. Needless to say, when the point P2 is the opposite side of the side where P1 exists, the side length D is obtained only by the first term of
[0021]
[Equation 3]
D = (Lx + Dx · (X2−X1) / Xm) sin θ + (Ly + Dy · (Y2−Y1) / Ym) cos θ
[0022]
Next, a method for obtaining the diameter of a circle when it is known in advance that the
Assuming that the edge of the
Next, the X stage of the
[0023]
Next, the distance Dh to the midpoint Ph between the two edges P1 and P2 is obtained by
[0024]
[Expression 4]
Dh = (Lx + Dx · (X2−X1) / Xm) / 2
[0025]
Further, the Y stage of the
Next, the Y stage is moved in the opposite direction on the Y axis to obtain a screen in which the edge P4 on the opposite side of the
[0026]
[Equation 5]
R = (Lm + Dy. (Y3-Y4) / Ym) / 2
[0027]
Therefore, the position of the center O of the
[0028]
[Formula 6]
Yo = Y4 + Ym · (R−Lr) / Dy
[0029]
If the
[0030]
Next, a method for obtaining the area of the hole when the
In the conventional method, since the entire area was captured by the CCD and the area of the hole was evaluated from the total number of the CCD elements in which the hole was detected, the measurement accuracy was governed by the total number and density of the CCD matrix, High accuracy could not be expected.
In contrast, the measurement method of the present invention employs an XY stage as a sample stage on which a sample is mounted, manages the stage movement during measurement, and uses the movement amount for image evaluation. Therefore, the screen position of the CCD camera is quantified. Therefore, it is not necessary to image the entire hole on one screen of the CCD camera, and the range that the CCD camera can capture images is enlarged with a lens, so that the substantial resolution for the object is increased and the accuracy is improved. Can be improved.
[0031]
First, the
The average value of these coordinate values is used as the edge coordinates of this portion. This is because the edge of the
Next, the X stage of the
The width D of the
[0032]
[Expression 7]
D = L + Dx · ((X3 + X4) / 2− (X1 + X2) / 2) / Xm)
[0033]
In order to obtain the area of the
[0034]
FIG. 6 is a block diagram showing an example in which the shape measuring apparatus of the present invention is used by being incorporated in a thin film evaluation apparatus. The thin film evaluation apparatus is for evaluating physical properties of a thin film formed on a substrate.
FIG. 7 is a drawing for explaining a thin film evaluation method in a thin film evaluation apparatus incorporating a shape measuring device. According to this method, the amount h of deflection of the thin film when the differential pressure p is applied to the thin film F by measuring the sample in which the thin film F is formed on the silicon wafer S having the hole so as to cover the hole is measured. Evaluation is made based on the internal stress σ and Young's modulus E calculated by
[0035]
[Equation 8]
p = A ・ h + B ・ h3
[Equation 9]
A = tσ / r2
[Expression 10]
B = 3tE / 8r4(1-ν)
[0036]
In order to evaluate the thin film using this formula, it is necessary to separately obtain the thickness r of the thin film and the value r representing the dimension of the hole. Moreover, since r is included as a quadratic and quartic function in the mathematical expression, the error greatly affects the accuracy of the required internal stress and Young's modulus.
Therefore, the shape measuring device of the present invention is incorporated in the thin film evaluation device, and the shape of the hole is accurately and automatically measured simultaneously with the evaluation measurement, and the result is taken into the evaluation formula to obtain the accurate physical property value. It is a thing.
[0037]
In FIG. 6, 21 is a silicon substrate on which a thin film to be measured is formed, 22 is an XY stage on which a silicon substrate that is a sample is mounted, 23 is a surface plate that holds the movable part so as not to vibrate, and 24 is an image of the sample. Microscope tube for enlarging and projecting onto the imaging surface of the detection apparatus, 25 for a CCD photo detector for taking an image of a sample and converting it into an electrical signal, and 26 for inputting a video signal from the CCD photo detector for signal processing An
[0038]
In FIG. 6,
[0039]
First, the
Next, the
Next, the
[0040]
Next, thin film evaluation is performed. First, at atmospheric pressure, the distance from a suitable reference plane to the surface of the thin film at the hole portion is measured. Next, the determined vacuum is generated in the
[0041]
When the degree of vacuum is changed, the above-described deflection amount is measured again, and two sets of measured values are substituted into
The above procedure can be automatically executed according to a sequence control program incorporated in the
[0042]
【The invention's effect】
As described above, the shape measuring method and apparatus of the present invention can accurately measure the size of a relatively large hole by using a CCD camera having only a small field of view by using an XY stage.
In addition, when the method and apparatus of the present invention are incorporated into a thin film evaluation apparatus, instead of using a ruler directly to measure, a value such as a hole diameter of a sample is automatically measured with extremely high accuracy, and a thin film evaluation formula Therefore, the physical properties of the sample can be evaluated accurately and quickly. In addition, since the XY stage and the objective lens can be combined with those already attached to the thin film evaluation apparatus, it is very easy to apply the shape measuring apparatus of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual explanatory view showing a first embodiment of a shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a calibration method used in an embodiment of the present invention. 2A is a diagram for explaining the X axis, and FIG. 2B is a diagram for explaining the Y axis.
FIG. 3 is a diagram illustrating a shape measuring method when a hole is square.
FIG. 4 is a diagram for explaining a shape measuring method when a hole is circular.
FIG. 5 is a drawing for explaining a shape measuring method when a hole is indefinite.
FIG. 6 is a block diagram showing an example in which the shape measuring apparatus of the present invention is used in a thin film evaluation apparatus.
FIG. 7 is a drawing for explaining a thin film evaluation method.
[Explanation of symbols]
1,21 samples
2,22 XY stage
3, 23 Surface plate
4, 24
5, 25 CCD camera
6, 26 Image processing device
7, 27 arithmetic processing unit
8, 28 Stage controller
31 Probe
32 Image processing device
33 Vacuum chamber
34 Vacuum pump controller
35 Vacuum gauge
Claims (6)
さらに、前記顕微鏡鏡筒を介して試料の拡大した映像を取り込んで電気信号に変換するCCD光検出器と、該CCD光検出器からの映像信号を入力して前記試料の映像中の明度差を有する部分を抽出する第2の画像処理装置とを備えて、
前記第2画像処理装置の出力とXYステージの移動量から前記試料の寸法を算出して、前記試料の物性評価に算入することを特徴とする薄膜評価装置。XY stage for mounting thin film sample, vacuum chamber for applying vacuum from the back side of the sample, microscope barrel for enlarging the image of the sample and projecting it on the imaging surface of the detection device, and obtaining shape information of the sample , A first image processing device for calculating the deflection of the sample by processing a signal from the probe, and an arithmetic processing for inputting the detection signal from each detector and performing an arithmetic processing to evaluate a physical property of the sample A thin film evaluation apparatus comprising:
Furthermore, a CCD photodetector that takes an enlarged image of the sample through the microscope barrel and converts it into an electrical signal, and a video signal from the CCD photodetector is input to determine a brightness difference in the image of the sample. A second image processing device for extracting a portion having
A thin film evaluation apparatus, wherein the dimension of the sample is calculated from the output of the second image processing apparatus and the amount of movement of the XY stage, and is included in the physical property evaluation of the sample.
対物レンズによりCCDマトリックス上に前記試料の映像を投影し、
前記閉曲線で囲まれた部分の一端の像が前記CCDマトリックスに投影されるように調整して、該端の位置を前記CCDマトリックスの座標によって特定し、
前記XYステージを移動させて前記閉曲線で囲まれた部分の別の端の像が前記CCDマトリックスに投影されるように調整して、前記別の端の位置を前記CCDマトリックスの座標によって特定し、
前記孔の端に対応する前記CCDマトリックスの座標とXYステージの移動量から前記閉曲線で囲まれた部分の寸法を算出し、
前記試料に印加する真空を変えて前記孔の部分における最大撓み量を測定して、
膜に与えた差圧と膜の最大撓み量と上記寸法とから薄膜の物性評価をする薄膜評価方法。 Samples coated with the hole in the thin film possess different portions of lightness surrounded by a closed curve on the XY stage which moves in two axes and mounted in the upper thin film forming surface,
Project an image of the sample onto the CCD matrix by the objective lens,
Adjusting the image of one end of the portion surrounded by the closed curve to be projected onto the CCD matrix, and specifying the position of the end by the coordinates of the CCD matrix;
The XY stage is moved and adjusted so that an image of another end of the portion surrounded by the closed curve is projected onto the CCD matrix, and the position of the other end is specified by the coordinates of the CCD matrix,
Calculate the dimensions of the portion surrounded by the closed curve from the coordinates of the CCD matrix corresponding to the end of the hole and the amount of movement of the XY stage ,
Change the vacuum applied to the sample, measure the maximum amount of deflection in the hole portion,
A thin film evaluation method for evaluating physical properties of a thin film from the differential pressure applied to the film, the maximum amount of deflection of the film, and the above dimensions .
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