JP3654238B2 - 表面粗さ測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面粗さ測定方法および測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば半導体基板等の測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置(以下、単に測定装置ともいう)としては、例えば図1に示すように、互いに平行となるよう土台7上に直接固定された一対のY軸レール1,2と、該一対のY軸レール1,2と直交するように該一対のY軸レール1,2間に架設された一対のX軸レール3,4と、該X軸レール3,4上に支持されたステージ5と、該ステージ5上の測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサ6(以下、単に測定センサともいう)とを備えるものが知られている(具体的には、例えばHRP(High Resolution Profiler;KLA Tencor社商品名))。
【0003】
このような表面粗さ測定装置では、測定センサ6の下に、ステージ5上の測定対象物の測定必要箇所が位置するようにステージ5を平面移動して、該測定必要箇所の表面粗さを測定する。
この際に、ステージ5上の測定対象物をY軸方向(図1の矢印A方向および矢印B方向)に移動させるためには、Y軸レール上に架設されたX軸レール3,4をY軸レール1,2に沿う方向に移動させるのに伴わせて該X軸レール3,4に支持されたステージ5を移動させる。
他方、ステージ5上の測定対象物をX軸方向(図1の矢印C方向および矢印D方向)に移動させるためには、ステージ5をX軸レール3,4に沿う方向に移動させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の測定装置を用いて表面粗さを測定すると、ステージ5の中心から離れるに従って実際の表面粗さよりも測定値が大きくなってしまうという問題がある。ただし、この問題は、ステージ5をY軸レール1,2に沿って移動させて測定した場合の測定値には発生せず、X軸レール3,4に沿って移動させて測定した場合にのみ発生する。従って、このようなバラツキは、測定対象物の実際の表面状態ではなく、測定装置に起因すると考えられる。
【0005】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、表面粗さの測定値の、測定装置に起因するバラツキを解消する表面粗さ測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面粗さ測定方法は、互いに略平行となるようにそれぞれ土台に固定された一対の固定レールと、該固定レール間に架設され該固定レールに案内されて直線移動可能な架設レールと、該架設レール上に支持され、回転移動が可能なステージと、該ステージ上に載置された測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサとを備える測定装置を用いる表面粗さ測定方法であって、前記ステージを、前記架設レール上での回転移動と、前記架設レールが前記固定レールに案内されて移動するのに伴う直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサによる測定可能位置に移動させることを特徴としている。
【0007】
また、本発明の表面粗さ測定方法は、前記架設レールは剛性材料により構成されていることを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。
【0012】
先ず、本発明に係る表面粗さ測定方法を実施するための表面粗さ測定装置50の構成について説明する。
【0013】
図1に示すように、本実施の形態の表面粗さ測定装置50は、土台7上に直接固定された一対のY軸レール(固定レール)1,2と、該一対のY軸レール1,2と直交するように該一対のY軸レール1,2間に架設された一対のX軸レール(架設レール)3,4と、該X軸レール3,4上に支持されたステージ5と、該ステージ5上の測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサ6と、ステージ5の水平出しの基準となるオプティカルフラット12とを備えて概略構成されている。
【0014】
このうち、Y軸レール1,2は、互いに平行となるように、その長手方向に亘って概ね土台7上に固定されている。
【0015】
他方、X軸レール3,4は、その一端どうしがそれぞれ連結部材8,9により連結されているため常に互いに平行かつ一定距離に保たれているとともに、これら連結部材8,9を介してY軸レール1,2間に架設されている。
これら連結部材8,9は、Y軸レール1,2に案内されてY軸方向(図1の矢印A方向および矢印B方向)に移動可能となっている。
そして、X軸レール3,4は、例えば土台7上(例えばY軸レール2の脇)に設けられたY軸モータ10の駆動により、(連結部材8,9を介して)Y軸レール1,2に案内されてY軸方向に移動する。
【0016】
また、ステージ5は、その基部5aを介してX軸レール3,4上に支持されていて、図示しない回転駆動装置の駆動により、基部5aに対し水平方向(の双方向)に回転する。
このステージ5をY軸方向に移動させるには、該ステージ5を支持したX軸レール3,4を、Y軸レール1,2に沿ってY軸方向に移動させると良い。
【0017】
また、表面粗さ測定センサ6は、土台7に固定された架台6aに固定されている。この架台6aは、具体的には例えば略L字状に構成され、その一辺が鉛直方向となり、他辺が前記一辺よりも上側かつ水平方向となるように配されている。そして、表面粗さ測定センサ6は、この架台6aの上部先端に固定されている。この表面粗さ測定センサ6は、例えばステージ5上に配された測定対象物の上面に接触するスタイラスと、コンデンサと、電磁石とからなる。そして、平行平板コンデンサの原理を用いて測定対象物の表面粗さを検出する。すなわち、コンデンサの静電容量をC、面積をS、コンデンサと測定対象物との距離をd、真空誘電率をε0とすると、C=ε0S/dと表せる。つまり、d=ε0S/Cとも表せる。この式に、真空誘電率ε0およびコンデンサの面積S(ともに一定)と、静電容量の検出値Cを代入することで、各測定箇所でのコンデンサと測定対象物との距離dを求めることができる。さらに、この求めた距離dの測定対象物の面内での変動量或いは基準値からのズレ量に基づき表面粗さを算出することができる。
【0018】
オプティカルフラット12は、ガラス製の平板であり、ステージ5の下側に、ステージ5とほぼ平行となるように設けられている。
他方、ステージ5の下面には、オプティカルフラット12の上面を検出するセンサ(図示略)が設けられ、該センサの検出値に基づき、オプティカルフラット12の上面と平行になるようにステージ5の傾きを補正する制御を行うようになっている。或いは、該センサの検出値に基づき、測定データに補正(ステージ5の傾きの変動に起因する測定値の変動を解消するような補正)を施すようになっている。従って、いずれにしてもステージ5の傾きの変動に起因する測定値の変動を解消できる。
【0019】
本発明者は、従来の方法により測定した場合の、X軸方向に沿う表面粗さの測定値が、ステージ5上の測定対象物の中心から離れるほど徐々に大きくなってしまう原因について検討した結果、図3に示すように、X軸レール3,4上をステージ5が移動することによりX軸レール3,4の撓み量が変化してしまうことがその原因であると考えた。つまり、ステージ5がX軸レール3,4の長手方向において中央部に位置するとき(図3(a))に、X軸レール3,4の撓み量が最大となり、ステージ5が両端部(図3(b)或いは図3(c))に移動するに従って、徐々に撓み量が減少すると考えた。なお、この図3では、分かり易いようにX軸レール3,4の下端ラインLの変化量(つまり撓み量の変化量)を誇張して示す。
そして、以下に説明するように、本発明に係る表面粗さ測定方法により表面粗さを測定した結果、測定装置に起因する測定値のバラツキが生じないことが分かった。
【0020】
次に、本発明に係る表面粗さ測定方法について説明する。
【0021】
この表面粗さ測定方法では、ステージ5を、X軸レール3,4上での回転移動と、X軸レール3,4を介したY軸レール1,2に沿う方向への直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサ6による測定可能位置に移動させる。
つまり、ステージ5を、以下の条件を満たすように移動させる。
すなわち、▲1▼Y軸方向と平行、かつ、表面粗さ測定センサ6による測定可能位置を通る直線上に、測定対象物の測定必要箇所が到達するようにステージ5を回転移動させる一方、▲2▼表面粗さ測定センサ6による測定可能位置に測定対象物の測定必要箇所が到達するようにステージ5を直線移動させる。
このようにステージ5を移動させる結果、表面粗さ測定センサ6による測定可能位置に測定対象物の測定必要箇所を位置させたら、表面粗さを測定する。
このようなステージ5の移動と表面粗さ測定センサ6による測定とを各測定必要箇所について繰り返すことにより、測定対象物の面内の表面粗さを測定することができる。
従って、ステージ5を、X軸レール3,4上で該X軸レール3,4に沿う方向に移動させる必要がない。
なお、測定データを、移動に要した回転角度(ステージ5の、基準となる回転位相に対する回転角度)と、直線移動距離(ステージ5の、基準となるY軸方向位置に対する移動距離)に応じて、X−Y平面上の座標値に換算することで、該データを扱いやすくなる。
【0022】
<実施例>
図2に、上記実施の形態の表面粗さ測定方法を適用して、直径200mmの鏡面研磨シリコンウェーハ(測定対象物)の表面粗さを測定した結果(RMS(Root Mean Square Deviation of the Surface;二乗平均平方根粗さ)(単位;nm))をプロットした。なお、測定装置としてはKLA Tencor社製 HRP-320(先端形状の曲率半径が2μmのスタイラスを有する)を使用し、表面粗さ測定センサ6による測定範囲は250μm×250μmとした。
測定点は、例えば鏡面研磨シリコンウェーハの中心を原点とし、該ウェーハ面を含むX−Y平面上の座標(X(mm),Y(mm))=(−90,0)(図2のP1)、(X,Y)=(−50,0)(図2のP2)、(X,Y)=(0,0)(図2のP3)、(X,Y)=(50,0)(図2のP4)、(X,Y)=(90,0)(図2のP5)、(X,Y)=(0,−90)(図2のP6)、(X,Y)=(0,−50)(図2のP7)、(X,Y)=(0,50)(図2のP8)、(X,Y)=(0,90)(図2のP9)の都合9点である。
図2(a)の場合、各測定点のうち、P1,P2については、ステージ5を反時計回りに270度回転させ、Y軸方向に直線移動させてから測定した。また、P6,P7については、ステージ5を反時計回りに180度回転させ、Y軸方向に直線移動させてから測定した。また、P4,P5については、ステージ5を反時計回りに90度回転させ、Y軸方向に直線移動させてから測定した。また、P3,P8,P9については、ステージ5をY軸方向に直線移動のみさせてから測定した。この結果、図2(a)に示すように、各測定点で殆ど測定値にバラツキが生じなかった。
また、図2(b)の場合、各測定点のうち、P1,P2については、ステージ5を時計回りに90度回転させ、Y軸方向に直線移動させてから測定した。また、P6,P7については、ステージ5を時計回りに180度回転させ、Y軸方向に直線移動させてから測定した。また、P4,P5については、ステージ5を時計回りに270度回転させ、Y軸方向に直線移動させてから測定した。また、P3,P8,P9については、ステージ5をY軸方向に直線移動のみさせてから測定した。この場合も、同様に、図2(b)に示すように、各測定点で殆ど測定値にバラツキが生じなかった。
【0023】
<比較例>
次に、比較例を示す。
図4は、従来の表面粗さ測定方法(P1,P2,P3,P4,P5はX軸レール3,4に沿ってステージ5を移動して測定、P6,P7,(P3),P8,P9はY軸方向にステージ5を移動して測定)により上記実施例と同様の鏡面研磨シリコンウェーハの表面粗さを測定した結果(上記RMSに加えてRa(Roughness Average;中心線平均粗さ))をプロットしたものであり、図5は、その具体的数値を示す図である。なお、RMSとRaとは、互いの絶対値に若干の差がでるだけで、いずれも同様の傾向を示す。
これら図4および図5から明らかなように、X軸レール3,4に沿わせてステージ5を移動させて測定した場合の測定値についてのみ、中心から離れるに従って大きくなる傾向のバラツキが生じてしまう。具体的には、X軸レールに沿ってステージを移動した場合には、図5に示すようにRMSが約0.36nm程度から約0.72nm程度まで大きく変動し、しかも中心から離れるほど大きな値を示す傾向があるのに対し、Y軸レールに沿って移動した場合は約0.33nm程度から約0.36nm程度と殆ど変動しない。
【0024】
このような実施例と比較例との比較から、X軸レール3,4に沿ってステージ5を移動させて表面粗さを測定した場合には、ステージ5の位置変化に応じたX軸レール3,4の撓み量の変化により、測定値にバラツキが生じていることが明らかである。
つまり、X軸レール3,4といったように、ステージ5の荷重が加わる部分には、例えばステンレスなどの剛性の高い材料が用いられているため、元々、荷重による撓み量は極めて小さいのではあるが、例えばオングストロームオーダーといった極微少な測定誤差も無視できない測定の場合には問題となることが分かる。
これに対し、Y軸レール1,2は、土台7上に直接固定されているため、撓むことがなく、従って、Y軸レール1,2に沿ってステージ5を移動させて表面粗さを測定した場合には、測定装置に起因する測定値のバラツキは生じないと考えられる。
【0025】
以上のように、本実施の形態の表面粗さ測定方法によれば、ステージ5を、X軸レール3,4上での回転移動と、X軸レール3,4を介したY軸レール1,2に沿う方向への直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサ6による測定可能位置に移動させて、各測定必要箇所の表面粗さを測定するので、ステージ5を、X軸レール3,4上で該X軸レール3,4に沿う方向に移動させる必要がない。よって、測定データに、X軸レール3,4の撓み量の変動に起因するバラツキが生じることがない。
【0026】
なお、上記の実施の形態では、半導体基板(例えば鏡面研磨シリコンウェーハ)の測定に用いたが、表面粗さを測定する必要があるものであればその他のものに用いても良い。
また、上記の実施の形態では、ステージ5をX軸レール3,4に沿って移動させることなく測定を行う例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えばステージ5をX軸レール3,4に沿う方向に移動させて測定対象物の表面粗さを測定する場合の測定値の分布傾向を予め解析した解析結果に基づく補正を、新たに測定した測定値に施すようにしても良い。つまり、ステージ5をX軸レール3,4に沿う方向に移動させて表面粗さを測定した場合に、測定点がステージ5の中心から離れるに従って、測定値がどのように大きくなるかを解析することにより、X軸レール3,4の撓み量の変化に起因する各測定点毎の測定値の誤差(以下、装置起因誤差ともいう)を算出しておき、この算出した装置起因誤差分だけ、各測定点での実際の測定値から差し引くといった補正を施すことにより、装置起因誤差のない適正な測定値を求めることができる。さらに、このような補正を自動で行う機能を表面粗さ測定装置50に持たせても良い(つまり、測定装置50が本発明に係る補正手段を備えることとしても良い)。
或いは、単に、X軸レール3,4の剛性を高めることにより、該X軸レール3,4に案内されて移動するステージ5の位置に拘わらず該X軸レール3,4の撓み量が変化しないようにしても良い。
【0027】
【発明の効果】
本発明の表面粗さ測定方法および測定装置によれば、測定装置に起因する測定値のバラツキを解消して適正な測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】表面粗さ測定装置を示す図であり、このうち(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図2】本発明の表面粗さ測定方法により半導体基板の表面粗さを測定した場合の測定値の面内分布の傾向を示す図である。
【図3】ステージの移動位置に応じた架設レールの撓み量の変化を示す模式図である。
【図4】従来の表面粗さ測定方法により半導体基板の表面粗さを測定した場合の測定値の面内分布の傾向を示す図である。
【図5】従来の表面粗さ測定方法により半導体基板の表面粗さを測定した場合の測定値を示す図である。
【符号の説明】
1,2 Y軸レール(固定レール)
3,4 X軸レール(架設レール)
5 ステージ
6 表面粗さ測定センサ
Claims (2)
- 互いに略平行となるようにそれぞれ土台に固定された一対の固定レールと、該固定レール間に架設され該固定レールに案内されて直線移動可能な架設レールと、該架設レール上に支持され、回転移動が可能なステージと、該ステージ上に載置された測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサとを備える測定装置を用いる表面粗さ測定方法であって、前記ステージを、前記架設レール上での回転移動と、前記架設レールが前記固定レールに案内されて移動するのに伴う直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサによる測定可能位置に移動させることを特徴とする表面粗さ測定方法。
- 前記架設レールは剛性材料により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の表面粗さ測定方法。
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