JP3830451B2 - 線幅測定方法及び線幅測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学顕微鏡と撮像装置を利用して、透明ガラス上に形成したパターンの線幅を測定する線幅測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学顕微鏡と CCD カメラ等の二次元イメージセンサを利用して、半導体ウェハやガラス基板上に形成された配線パターン等の線幅を測定する装置において、特に透明基板の上に形成された配線等の成膜パターン（例えば、薄膜パターン）のラインの線幅やパターン間隔を測定検査する線幅測定装置が従来から使用されている。透明基板とは、例えば、測定検査時に測定対象基板に照射する光（例えば、可視光、赤外線、紫外線、X 線等）が測定可能な透過率以上で透過するガラス等の基板（以下、ガラス基板と称する）のことである。
【０００３】
最近このようなガラス基板は、プラズマディスプレイや LCD の表示基板として使用され、そのガラス基板の大きさは、例えば、1 m × 1 m であり、更に大型化する傾向にある。例えば、ガラス基板上に形成された薄膜パターンは、図２に示すようにな断面構造になっている。ガラス基板 1 の厚みは、0.3 mm 〜 0.7 mm 程度で、薄膜パターン A ，B の厚み e は、例えば、1 μm 程度、薄膜パターンの寸法 c は、8 μm 、d は、10 μm というように、極めて微細なパターンを形成している。
【０００４】
従来の線幅測定装置を図３によって説明する。図３は、基本的な線幅測定装置の構成を示すブロック図である。1 は測定試料、2 は基板抑えガイド、3 は吸着板、4 は Z 軸方向機構部、5 は X 軸方向機構部、6 は Y 軸方向機構部、7 は光学顕微鏡、8 は撮像部、9 は光源、10 は測定制御部、11 は XY ステージ制御部、12 はモニタ、71 は対物レンズ、72 は中間レンズ、73 は集光レンズ、74 はビームスプリッタである。
測定試料 1 は、ガラス基板上とその表面に形成された金属薄膜等の配線（または薄膜）パターンで構成されている。また、撮像部 8 は CCD カメラ等の ITV
カメラであり、モニタ 12 は CRT 、TFT 等で構成された表示装置である。
【０００５】
図３に示すように、光源 9 から出力された光は、集光レンズ 73 、ビームスプリッタ 74 、対物レンズ 71 を通って、吸着板 3 に塔載された測定試料 1 の所望の部分に照射される。光学顕微鏡 7 は、この照射された光によって反射される測定試料 1 の所望の部分の反射光を対物レンズ 71 と中間レンズ 72 を介して撮像部 8 上に結像する。撮像部 8 は、その像を取得し電気信号に変換することによって、測定物試料 1 上の所望の部分、例えば、薄膜パターンを撮像し、映像信号として測定制御部 10 に出力する。測定制御部 10 は、与えられた映像信号を演算処理して所望部分の線幅の寸法を電気的に測定し、モニタ 12 に出力する。モニタ 12 は測定物試料 1 の画像と線幅の測定値とを表示する。測定制御部 10 は、また、XY ステージ制御部 11 と Z 軸制御部 15 を制御する。
X 軸方向機構部 5 と Y 軸方向機構部 6 は、吸着板 3 上の基板抑えガイド 2で固定された測定試料 1 の所望部分を撮像するために、XY ステージ制御部 11の制御に応じて駆動される。吸着板 3 は、例えば、真空装置に結合され、ガラス基板を吸着板 3 に吸着し、固定するものである。また、Z 軸方向機構部 4 は、測定物試料 1 に対して垂直に設置され、同じく垂直になるように設置された光学顕微鏡 7 の焦点位置を調整する。
このように、図３の線幅測定装置は、一般的に、ガラス基板上に形成された成膜パターン、例えば、蒸着膜を所定形状にエッチングした薄膜パターンの線幅やパターン間隔を測定し、ガラス基板上に形成された成膜パターンの良否検査を行なうために利用される。
【０００６】
図４によって、基本的な寸法測定処理の原理を簡単に説明する。
図４(a) は、モニタ 12 に表示された、撮像部 8 が撮像した測定試料 1 の画像の一例である。図４(b) は、図４(a) の画像についての輝度−画素特性（輝度波形）の一例を示す図である。
図４(a) において、走査線 Li は測定試料 1 上に形成されたパターン 500 を横切っている。
図４(a) と (b) に示すように、撮像部 8 が撮像した測定試料 1 の所望の部分、例えば、１水平走査線 Li 上の輝度分布が、走査線 Li に対応する映像信号を N 分解した各画素位置とそれぞれの輝度についての輝度−画素特性として得られる。ここで、N は水平走査線方向の画素の数である。
【０００７】
基本的な寸法測定の処理方法としては、輝度−画素特性（輝度波形）より寸法を求める。図４の例では、輝度分布における最大輝度レベル 51 を 100 ％とし、最小輝度レベル 52 を 0 ％とし、中間の輝度レベル 50 ％の輝度レベル 53 に相当する a 番目の画素と b 番目の画素間の位置差を Nab とする。また、撮像した顕微鏡 1 の測定倍率と撮像部 8 から測定対象 1 までの被写体距離により決まる係数を k とすると、測定対象 1 の線幅 X は、式(1) で求めることができる。
X = k × Nab ‥‥‥ (1)
ここで、図４(a) のパターン 500 以外の部分は、ガラス基板そのものであり、その反射率は低く、反射率は、約 4 ％程度である。
【０００８】
従来の線幅測定装置では、照明ランプ等の光源 9 からの光が集光レンズ 73 を通してビームスプリッタ 74 で投下され、対物レンズ 71 を介し被写体である測定試料 1 に照射される。
測定試料 1 の反射光は、対物レンズ 71 で拡大され、中間レンズ 72 を介し、撮像部 8 に入射する。撮像部 8 は入射された光を映像信号に変換して測定制御部 10 に出力する。測定制御部 10 は、入力された映像信号を画像処理し、測定試料 1 の所望の部分の画像、測定条件、XYZ 位置情報と線幅測定結果等を算出し、モニタ 12 が表示できるフォーマットに変換してモニタ 12 に出力する。モニタ 12 は、測定試料 1 の測定対象である所望の部分の画像、測定条件、XYZ 位置情報と線幅測定結果等を表示する。
【０００９】
測定試料 1 は、X 軸方向機構部 5 、Y 軸方向機構部 6 、吸着板 3 から構成される XY ステージに搭載し、基板抑えガイド 2 で位置決めし、吸着板 3 で吸着し、基板を固定する。
XY ステージは、X 軸方向機構部 5 によって水平 X 方向に移動し、Y 軸方向機構部 6 によってY 方向に移動して、測定試料 1 の所望の部分を光学顕微鏡 7の光軸線上に合せて位置決めする。Z 軸方向機構部 4 は、垂直 Z（光軸）方向に移動でき、光学顕微鏡 7 の焦点位置に測定対象 1 の測定対象箇所を位置決めする。
【００１０】
測定制御部 10 は、図示しないが CPU を有し、線幅測定装置の制御を行う。例えば、測定制御部 10 は、XY ステージ制御部 11 に制御信号を送り吸着板 3 を移動させ、測定試料 1 の所望部分を光学顕微鏡 7 の光軸と一致させる。それによってXY ステージ制御部 11 は、吸着板 3 の位置を制御する。また例えば、測定制御部 10 は、図示しない制御信号線を介して Z 軸方向機構部 4 に制御信号を送り、寸法測定演算処理装置 10 で、Z 軸方向機構部 4 の位置を制御する。
【００１１】
測定試料 1 のパターンの断面形状により、撮像部 8 が撮像する映像の輝度波形は、図２のようになる。図２の輝度波形 201 は、ガラス基板の薄膜パターンを形成した側（上側）からの光 L1 が、ガラス基板 1 とそのガラス基板 1 上に形成された２種類のパターン（パターン A 、パターン B ）に照射された場合の反射光の輝度波形を示す。
線幅の測定は、ガラス基板 1 に形成されたパターン A 及び B の断面、特に、ガラス基板 1 とパターン A 及び B のガラス基板と接触する部分の幅、長さ等の寸法または面積を測定する必要がある。
ところが、パターン B では、光 L1 の照射により、上辺の長さ寸法 TNab の輝度波形 201 の凸部 ab 間の長さを式(1) により測定することができる。しかし、下辺（ガラス基板 1 と接触しているボトム位置）部分の長さ Bnab については、輝度波形 201 の輝度差が小さく検出が困難である。
同様に、パターン A では、上辺の長さ TNab については、輝度波形 201 の凹部を検出することで、式(1) により、測定できるが、下辺に相当する部分（ボトム位置）の長さ Bnab が、輝度波形 201 から得られず測定できない。
また更に、パターン A ，B いずれにおいても、その上部に別のパターンや構造物がある場合には正確な測定ができない。
【００１２】
このように、薄膜パターンの寸法や面積を測定する理由は、図２でも説明したように、薄膜パターンの寸法が、概略 5 μm 〜 15 μm 程度、厚さが 1 μm 〜 5 μm 程度と極めて小さいため、ガラス基板との接着強度の問題と、電極のような配線の場合には、その電気抵抗が、寸歩や面積で大きく左右されるため、できるだけ正確な寸法や面積を計測することが要求される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、液晶表示器は、液晶基板とカラーフィルタから構成され、それらは共に透明なガラス基板上に作られる。このガラス基板の上に集積回路を形成する過程で、線幅測定検査を行う。そして、集積回路の線幅の評価は、前述したように接着強度や抵抗値等の影響で液晶表示器の性能が左右されるため、ガラス基板に接触する側の薄膜パターン幅が重要である。
前述の従来技術では、測定試料（ガラス基板）1 のパターン A のガラス基板 1 とが接触する部分の線幅を測定する場合には、上辺の長さ TNab を輝度波形の黒部検出で測定し、測定された TNab の値から下辺の長さ BNab を、例えば、経験的または実験的なデータから予想して算出している。従って、下辺の長さ BNab は実際に測定された値ではないため、正確な測定ができない欠点があった。本発明の目的は、上記のような欠点を除去し、測定試料のパターン断面の形状によらず、基板側の成膜パターンの寸法を直接測定することが可能な線幅測定装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の線幅測定装置は、透明なガラス基板上に形成される成膜パターンを XY ステージに搭載し、成膜パターンが形成されているガラス基板側からパターンの測定を行なうようにしたものである。
【００１５】
即ち、本発明の線幅測定方法は、被測定物が形成された測定基板を支持する機構部と、上記被測定物を照明する照明手段と、上記測定基板を光学顕微鏡を介して撮像する撮像装置と、上記撮像装置からの映像信号を処理し、上記被測定物の寸法を計測する信号処理部とからなる線幅測定装置において、上記撮像装置を上記測定基板の上記被測定物が形成された側とは、反対側に配置し、上記被測定物を上記照明手段により上記測定基板側から照明し、その反射光を上記測定基板を介して上記撮像装置で撮像するものである。
また、本発明の線幅測定方法は、上記被測定物が形成された測定基板は、カラーフィルタを形成された液晶基板および TFT 基板のいずれかであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の線幅測定装置は、被測定物が形成された測定基板を支持する機構部と、上記被測定物を照明する照明手段と、上記測定基板を光学顕微鏡を介して撮像する撮像装置と、上記撮像装置からの映像信号を処理し、上記被測定物の寸法を計測する信号処理部とからなる線幅測定装置において、上記撮像装置および上記照明手段を上記測定基板の上記被測定物が形成された側とは、反対側に配置し、上記被測定物を上記測定基板を介して上記撮像装置で撮像するものである。
【００１７】
また、本発明の線幅測定装置は、更に上記測定基板を支持する機構部または上記撮像装置のいずれかを駆動する機構部を有することを特徴とする。
また、本発明の線幅測定装置は、上記測定基板を支持する機構部を上記測定基板がほぼ縦方向になるように構成したことを特徴とする。
また、本発明の線幅測定装置は、上記被測定物が形成された測定基板は、カラーフィルタを形成された液晶基板および TFT 基板のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
即ち、本発明の線幅測定方法は、光学顕微鏡と撮像装置とによって透明なガラス基板上の被測定物の微小寸法を測定する線幅測定装置において、上記被測定物を上記ガラス基板の裏側から測定するものである。
また、本発明の線幅測定方法は、上記透明なガラス基板を略縦に設置し、上記被測定物を上記ガラス基板の裏側から測定するものである。
【００１９】
また、本発明の線幅測定装置は、透明基板上の被測定物を投影する光学顕微鏡と、該投影された被測定物を撮像して映像信号に変換する撮像部と、該映像信号を演算処理して上記被測定物の線幅を測定する線幅測定装置において、上記透明基板を略垂直に保持するステージを備え、上記光学顕微鏡が上記透明基板の裏側から被測定物を投影するものである。
また、本発明の線幅測定装置は、上記透明基板は液晶表示器用の液晶基板またはカラーフィルタまたは TFT 基板であることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例は、薄膜パターンが形成されたガラス基板を XY ステージに搭載し、基板表側に薄膜パターンが形成された基板の、薄膜基板の形成されていない基板側（基板裏側）から照明光を照射し、測定するようにする。なお、この場合、図３に示す従来装置の場合、基板表側（薄膜パターンが形成された側）と吸着板 3 とが接触し、集積回路の描画パターンが壊れてしまうため、基板の表側と吸着板 3 とを非接触に保つことが必要である。
従って、本発明の一実施例では、測定試料 1 をほぼ縦方向に設置し、測定試料 1 の基板裏側（薄膜パターンが形成されていない側）の周辺を吸着クランプし、測定試料 1 の裏側に光学顕微鏡を配置し、基板裏側から測定を行なう。これによって、図５に示すように、台形の下辺（ボトム位置）の幅を測定できる。
【００２１】
図３の従来装置のように、基板を裏返して計測することも考えられるが、周辺部を吸着固定してガラス基板 1 を平面配置した場合、ガラス基板 1 の大きさが 1 m × 1 m 、厚さが 0.3 m 〜 0.7 m 程度であるため、ガラス基板 1 の中央部分は数十〜数百 μm 程度湾曲（変形）する。その変形の割合（そりの大きさ）が測定する薄膜パターンの寸法と同程度、またはそれより大きいか、あるいは、光学顕微鏡 7 の焦点深度より大きいと正確な測定が困難となる。従って、本発明の一実施例では、基板を固定する XY ステージを縦方向に設置する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例の線幅測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。
測定試料 1 を吸着板 3′と基板抑え 2′から構成される XY ステージに搭載する。測定試料 1 は、基板抑えガイド 2′で位置決めされ、吸着板 3′で測定試料 1 の周辺部を吸着し、XY ステージに固定する。XY ステージは、固定台 13に据え付けられ、測定試料 1 がほぼ垂直になるように設置されている。
測定試料 1 の基板は、図１の左側が測定するための薄膜パターンが形成されている面（表側）であり、右側が測定するための薄膜パターンがない面（裏側）である。その他の構成、及び測定並びに演算処理、表示等は、図３に示す従来装置と同様であるので説明を省略する。
【００２３】
光源 9 から出力された光が、集光レンズ 73 、ビームスプリッタ 74 、対物レンズ 71 を通って、吸着板 3′に塔載された測定試料（ガラス基板）1 の、薄膜パターンの形成されていない面側の所望の部分に照射される。照射された光は、ガラス基板 1 とうす膜パターン A ，B とで反射して、光学顕微鏡 7 を通って、撮像部 8 で撮像される。
測定試料 1 の薄膜パターンの測定しようとする部分（測定パターン）の断面形状により、撮像部 8 が撮像する測定パターンの映像の輝度波形 501 は、図５に示すようになる。
測定パターンの線幅の測定は、測定試料 1 のパターン A 及び B の断面、即ち、台形の形状の下辺（ボトム部）を測定する必要がある。
パターン B では、従来技術と同様に、下辺の長さ Bnab を輝度波形の凹部間の長さ ab と高さから、式(1) に従って測定することができる。
そして、パターン A においても同様に、下辺の長さ Bnab を輝度波形処理で、式(1) に従って測定することができる。
【００２４】
図６〜図９は、表側と裏側とから測定試料を撮影した場合の画像の１例で、従来技術と本発明との違いを示す図である。図６〜図９の画像は、株式会社日立国際電気製の ITV カメラ（ 1/3" CCD カメラ）｛モノクロ（画素数 768（ H ）× 492（ V ））、フレームレート 30 Hz（ 2：1 インターレース）｝から成る撮像部 8 によって取得した。図６は、MX 50 顕微鏡（対物レンズ 10 倍）で TFT 基板の一部を表側（上側）から撮像し、図７は裏側（下）から撮像した画像を示す図である。また、図８は、MX 50 顕微鏡（対物レンズ 20 倍）で TFT 基板の一部を表側から撮像し、図９は裏側から撮像した画像を示す図である。
【００２５】
図６に示すパターンは、その写真の画像から明らかなように、パターン 601 においてはそのパターン 601 の上に更に別のパターン膜がかぶさっているため、パターンの幅が明確に読み取れず、パターン幅の測定が困難であることが分かる。
これに対して、本実施例による図７の写真の画像では、同じパターン 602 は、明確に読み取れるため、パターン 602 の寸法を計測することが可能となる。図８と図９は、従来の技術と本発明の技術で、同一のガラス基板の同一のパターンについて、複数回測定したときの測定ばらつきを比較するための図である。従来の技術による図８では、再現性を標準偏差の３倍で表すと 0.03 μm であり、本発明の技術による図９では、再現性を標準偏差の３倍で表すと 0.015 μm である。即ち、再現性についても大幅に改善され、本発明を実施することによって、微細寸法の測定が、再現性良く、しかも、従来技術の測定方法より正確に計測できることが分かる。
【００２６】
本発明の更なる実施例として、基板抑えガイド 2′と吸着板 3′で構成されるカセット構成とし、固定台 13 から脱着可能とし、別の測定試料 1 を装着した基板抑えガイド 2′と吸着板 3′で構成されたカセット 14 に交換することで、容易に測定試料 の交換が可能となる。
また、上記実施例では、測定試料 1 をほぼ縦方向に位置する構成としたが、垂直方向に位置することも、焦点距離範囲内ならばある程度の角度を持たせて設置しても良いことは勿論である。
【００２７】
また、図１０は、本発明の他の実施例の線幅測定装置の構成を示すブロック図である。図１０の実施例では、XY ステージ制御部 11 の制御に応じて駆動される X 軸方向機構部 5 と Y 軸方向機構部 6 が、測定試料 1 を搭載している 固定台 13 を動かし、測定試料 1 の所望部分を撮像する。この場合も、図１の例と同様に、XY ステージ制御部 11 の制御に応じて、 X 軸方向機構部 5 と Y 軸方向機構部 6 を駆動される。この場合は、測定試料 1 を別の試料に交換する場合に測定試料側を動かす場合に有効である。
以上述べたように、測定試料の所望の部分を測定するために、測定試料側と撮像部側のいずれか一方または両方を動かすかは、どちらでも良いことは明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、
（１）基板裏側からの顕微鏡観察を可能にすることによって、微細な薄膜パターン等の基板との接触部分の線幅を測定することができ、液晶基板とカラーフィルタ基板上の描画線等の透明基板上に形成された成膜パターンについて、正確に所望する線幅測定検査を行うことができ、製造後工程での歩留まりが向上した。
（２）0.3 〜 0.7 mm の厚さの透明基板を、垂直に配置することにより、光学顕微鏡との焦点距離が常に一定となり、XY ステージを自由に動かしても透明基板に接触することがないため、パターンに傷をつけることがなく、歩留まりが向上した。
（３）1 m × 1 m と大型化する液晶基板、カラーフィルタ基板、TFT 基板等の透明基板上に形成された成膜パターンの検査装置として、基板を垂直に立てて測定する方式の採用で、装置の小型化を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例の線幅測定装置の基本的な構成を示すブロック図。
【図２】 従来の測定方法を説明するための図。
【図３】 従来の基本的な線幅測定装置の構成を示すブロック図。
【図４】 寸法測定処理の原理を簡単に説明するための図。
【図５】 本発明の測定方法を説明するための図。
【図６】 従来の方法で撮影した画像の一例を示す図。
【図７】 本発明の方法で撮影した画像の一例を示す図。
【図８】 従来の方法で撮影した画像の一例を示す図。
【図９】 本発明の方法で撮影した画像の一例を示す図。
【図１０】 本発明の一実施例の線幅測定装置の基本的な構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1：測定試料、 2，2′：基板抑えガイド、 3，3′：吸着板、 4：Z 軸方向機構部、 5：X 軸方向機構部、 6：Y 軸方向機構部、 7：光学顕微鏡、 8：撮像部、 9：光源、 10：測定制御部、 11：XY ステージ制御部、 12：モニタ、 13：固定台、 14：カセット、 15：Z 軸制御部、 71：対物レンズ、 72：中間レンズ、 73：集光レンズ、 74：ビームスプリッタ、 200：ガラス基板、 201：輝度波形。

Claims (5)

1. 被測定物が形成された測定基板を支持する機構部と、上記被測定物に光を照射する照明手段と、上記照射された光の反射光を光学顕微鏡を介して撮像し映像信号に変換する撮像装置と、上記撮像装置からの映像信号を処理し、上記被測定物の寸法を計測する信号処理部とからなる線幅測定装置において、上記測定基板を上記機構部に上記測定基板がほぼ縦方向になるように保持し、上記撮像装置を上記測定基板の上記被測定物が形成された面とは、反対側に配置し、上記照明手段からの光を上記反対側から照射しその反射光を上記撮像装置で撮像する線幅測定装置であって、上記測定基板の上記被測定物が形成された面と上記保持機構とが非接触であることを特徴とする線幅測定装置。
2. 請求項１に記載の線幅測定装置において、上記保持機構は吸着板を備え、上記吸着板が上記被測定物が形成された面の裏側をクランプすることを特徴とする線幅測定装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の線幅測定装置において、更に上記測定基板を支持する機構部または上記撮像装置のいずれか一方または両方を駆動する機構部を有し、上記測定基板をほぼ縦方向に駆動することを特徴とする線幅測定装置。
4. 請求項２または請求項３のいずれかに記載の線幅測定装置において、上記機構部は上記測定基板を位置決めする基板抑えガイドを備え、上記基板抑えガイドと上記吸着板とでカセット構成とし、固定台から着脱可能としたことを特徴とする線幅測定装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の線幅測定装置において、上記被測定物が形成された測定基板は、カラーフィルタを形成された液晶基板およびTFT基板のいずれかであることを特徴とする線幅測定装置。

Images