JP3964260B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，エッジ部が支持された半導体ウェハ等の薄板状の被測定物の表面及び所定の参照面からの各反射光を含む干渉光に基づいて被測定物の表面形状を測定する形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄板状の半導体ウェハ（被測定物の一例，以下，ウェハという）の形状測定において，干渉計を用いた形状測定装置が普及している。これは，２つに分岐された一方の光線を被測定物の表面に反射させた反射光である測定光と，もう一方の光線を所定の参照面に反射させた反射光である参照光とを含む干渉光に基づいて，該干渉光により形成される干渉画像から被測定物の表面形状（表面高さの分布）を求めるものである。これにより，非接触でウェハの表面形状を測定できるので，触針式の形状計で測定する場合のように，ウェハ表面に傷等を生じさせることなくその表面形状を測定できる。ウェハの形状測定では，その表面全体に渡る形状を測定する必要があるため，一般に，ウェハ周辺のエッジ部を支持（通常は３点指示）した状態で測定がなされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ウェハのような薄板状（例えば，厚みが１ｍｍ未満）の被測定物をそのエッジ部のみで支持した場合，わずかな風圧や他の機械の振動等によってウェハが振動する。この振動は，非常に高い測定精度（例えば，誤差２０ｎｍ以下）が要求されるウェハの形状測定においては，無視できない振幅の振動となる。このようなウェハの振動を防止するため，特開２０００−５６４０号公報には，透明な剛体をウェハに近接して配置することにより，ウェハの振動を抑制する方法が示されている。しかし，この方法では，透明な剛体を光路に挿入することによって干渉光に乱れが生じるおそれがあるという問題点があった。
また，別の方法として，例えば，干渉画像の一部の画素の輝度に着目し，その画素の輝度が一定となるようにウェハの上下位置をフィードバック制御することも考えられる。しかしながら，干渉画像を取り込む一般的なＣＣＤカメラの画像取り込み周期は１／３０秒であるが，ウェハの振動周期は１００Ｈｚ以上となることも考えられ，この場合には制御できないという問題点があった。また，高速カメラやフォトダイオード等の高速な受光手段，及びピエゾ素子等の制御手段を設けると，装置が複雑かつ高価となってしまうという問題点もあった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，干渉光に乱れを生じさせることなくかつ簡易に，被測定物の振動の影響を受けない高精度な形状測定を行える形状測定装置を提供することにある。
【０００４】
【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は，エッジ部が支持された薄板状の被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において，所定の光線を前記被測定物の主面及び該主面側の参照面のそれぞれに照射するよう分岐させる主面側光分岐手段と，前記主面側光分岐手段により分岐された各光線の反射光である測定光及び参照光を重ね合わせた第１の干渉光を出射する第１の干渉光重合手段と，前記第１の干渉光を前記被測定物の裏面側へ導く干渉光導光手段と，前記被測定物の裏面側へ導かれた前記第１の干渉光に含まれる前記測定光及び記参照光のそれぞれを，前記被測定物の主面に対応する裏面及び該裏面側の参照面それぞれに照射するよう分岐させる裏面側光分岐手段と，前記裏面側光分岐手段により分岐された各光線の反射光である測定光及び参照光を重ね合わせた第２の干渉光を所定の干渉光受光手段に出射する第２の干渉光重合手段と，を具備し，前記主面側光分岐手段及び前記裏面側光分岐手段それぞれにより分岐した光を集光せずに前記被測定物に照射させてなることを特徴とする形状測定装置である。
これにより，１つの光線を用いて被測定物の主面及びこれに対応する裏面を同時に測定できるので，振動によって生じる被測定物の変位分が主面側と裏面側とで相殺され，被測定物の振動の影響を受けずに高精度な形状測定が行える。
【０００５】
ここで，前記主面側光分岐手段及び前記第１の干渉光重合手段と，前記裏面側光分岐手段及び前記第２の干渉光重合手段との一方又は両方が偏光ビームスプリッタにより構成されたものが考えられる。
これにより，前記主面側の前記偏光ビームスプリッタによって，それぞれ異なる偏光特性を有する前記測定光と前記参照光とに分岐，及びそれらの重ね合わせが行われ，さらにこのように重ね合わされた干渉光が，前記裏面側の前記偏光ビームスプリッタによって，再度，前記測定光及び前記干渉光それぞれの変更特性の違いによって分岐され，再度それらの重ね合わせが行われる。
また，前記干渉光導光手段としては，例えば，三角プリズム，ミラー，光ファイバのいずれかにより構成されてなるものが考えられる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの構成図である。
【０００７】
以下，図１を用いて，本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘについて説明する。
図１に示すように形状測定装置Ｘは，被測定物の一例であるウェハ１（シリコンウェハ等）の一方の面１ａ（以下，主面という）と，これに対応する反対面である裏面１ｂとの表面形状を測定するものである。ここで，前記ウェハ１の一方の面を前記主面１ａ，その反対面を前記裏面１ｂとしているが，これは便宜上そのように称するものであり，前記ウェハ１の特定の面を意味するものではない。前記ウェハ１の主面１ａ側及び裏面１ｂ側それぞれには，偏光ビームスプリッタ１１，２１（以下，ＰＢＳという）と，２つの１／４波長板（１２，１３），（２２，２３）と，所定の参照面１４ａ（反射面）を有するミラー等である参照板１４，２４とが対称に配置されている。さらに，前記ウェハ１の一方のエッジ側（側面側）には，三角プリズム３０が配置されている。前記主面側のＰＢＳ１１及び前記裏面側のＰＢＳ２１は，前記ウェハ１を挟んでそれぞれ対向するよう配置，即ち，前記ウェハ１の主面１ａ側の測定範囲，及びこれに対応する裏面１ｂ側の測定範囲をそれぞれカバーするよう配置されている。
【０００８】
前記ウェハ１の主面１ａ側において所定の光源により照射された光線（例えば，円偏光や４５°偏光等）は，前記主面側のＰＢＳ１１に入射し，該主面側のＰＢＳ１１によって，前記ウェハ１の主面１ａに向かうＰ偏光及び前記主面側の参照面１４ａに向かうＳ偏光の２つの光線，即ち，それぞれ異なる偏光特性を有する光線に分岐される。そして，前記主面１ａに向かうＰ偏光は，前記主面１ａ側の一方の前記１／４波長板１２を経て円偏光となり，さらに前記主面１ａに反射した反射光が前記一方の１／４波長板１２を経てＳ偏光となって再び前記主面側のＰＢＳ１１に戻る。このように，前記ウェハ１表面からの反射光を以下，測定光という。一方，前記参照面１４ａに向かうＳ偏光は，前記主面１ａ側のもう一方の前記１／４波長板１３を経て円偏光となり，さらに前記参照面１４ａに反射した反射光が前記もう一方の１／４波長板１３を経てＰ偏光となって再び前記主面側のＰＢＳ１１に戻る。このように，参照面からの反射光を以下，参照光という。
さらに，前記主面１ａ側における前記測定光及び前記参照光は，前記主面側のＰＢＳ１１において重ね合わされ，さらに重ね合わされた干渉光（以下，第１の干渉光という）が，前記ウェハ１の一方のエッジ側にある前記三角プリズム３０の方向へ反射される（前記主面側のＰＢＳ１１が前記主面側光分岐手段及び前記第１の干渉光重合手段の一例を構成する）。そして，前記三角プリズム３０（前記干渉光導光手段の一例）により，前記第１の干渉光が前記ウェハ１の裏面１ｂ側に導かれる。
【０００９】
一方，前記三角プリズム３０により前記ウェハ１の裏面１ｂ側に導かれた前記第１の干渉光は，前記裏面側のＰＢＳ２１に入射し，前記第１の干渉光に含まれる前記測定光及び参照光それぞれが，その偏光特性の違いによって，前記ウェハ１の裏面１ｂに向かうＳ偏光（即ち，前記測定光）及び前記裏面側の参照面２４ａに向かうＰ偏光（即ち，前記参照光）の２つに分岐される。そして，前記裏面１ｂに向かうＳ偏光は，前記裏面１ｂ側の一方の前記１／４波長板２２を経て円偏光となり，さらに前記裏面１ｂに反射した反射光が前記一方の１／４波長板２２を経てＰ偏光となって再び前記裏面側のＰＢＳ２１に戻る。一方，前記参照面２４ａに向かうＰ偏光は，前記裏面１ｂ側のもう一方の前記１／４波長板２３を経て円偏光となり，さらに前記参照面２４ａに反射した反射光が前記もう一方の１／４波長板２３を経てＳ偏光となって再び前記裏面側のＰＢＳ２１に戻る。
さらに，これら前記裏面１ａ側における前記測定光及び前記参照光は，前記裏面側のＰＢＳ２１において再度重ね合わされ，この重ね合わされた干渉光（第２の干渉光）が干渉画像検出用の受光器４０に対して出射される（前記裏面側のＰＢＳ２１が前記裏面側光分岐手段及び前記第２の干渉光重合手段の一例を構成する）。図１に示すように，本形状測定装置Ｘは，前記ウェハ１の主面１ａ側及び裏面１ｂ側それぞれにマイケルソン干渉計を対向させて配置したものであるが，１つの光源からの光線を用いて，表裏両面を同時測定する点において，従来の形状測定装置と異なる。
なお，図１から明らかなように，形状測定装置Ｘは，前記主面側のＰＢＳ１１及び前記裏面側のＰＢＳ２１それぞれにより分岐した光を集光せずに（集光レンズを通さずに）前記ウェハ１に照射させる。
【００１０】
次に，本形状測定装置Ｘの作用効果について説明する。
以下，便宜上，前記主面側のＰＢＳ１１の中央ａに照射された光線の経路について説明するが，前記主面側のＰＢＳ１１のその他の位置に照射された光についても同様である。
まず，前記主面側のＰＢＳ１１で分岐された光線のうち，前記測定光（前記ウェハ１の表面１ａ，１ｂに反射させる側の光）に着目すると，該測定光は，前記主面側のＰＢＳ１１の中央の位置ａ→前記位置ａに対応する前記ウェハ１の主面１ａ上の位置ｃ→位置ａ→前記三角プリズム３０の所定の位置ｇ，ｈ→前記裏面側のＰＢＳ２１の中央の位置ｄ→前記位置ｃに対応する（反対側の）前記ウェハ１の裏面１ｂ上の位置ｆ→前記位置ｄ（即ち，ａ→ｃ→ａ→ｇ→ｈ→ｄ→ｆ→ｄ）の経路をたどる。
一方，前記主面側のＰＢＳ１１で分岐された光線のうち，前記参照光（前記参照面１４ａ，２４ａに反射させる側の光線）に着目すると，該参照光は，前記位置ａ→前記位置ａに対応する前記参照面１４ａ上の位置ｂ→位置ａ→前記位置ｇ，ｈ→前記位置ｄ→前記位置ｄに対応する前記参照面２４ａ上の位置ｅ→前記位置ｄ（即ち，ａ→ｂ→ａ→ｇ→ｈ→ｄ→ｅ→ｄ）の経路をたどる。ここで，前記位置ａ〜ｃ間の往復距離をＤ１，前記位置ａ〜ｂ間の往復距離をｄ１，前記位置ｄ〜ｆ間の往復距離をＤ２，前記位置ｄ〜ｅ間の往復距離をｄ２とすると，前記測定光及び参照光の光路差Δは，次の（１）式で表される。
Δ＝（Ｄ１＋Ｄ２）−（ｄ１＋ｄ２） …（１）
この光路差Δに対応する干渉縞画像が，前記受光器４０で検出された干渉光により観測される。そして，周知の方法，即ち，前記参照板１４，２４（即ち，前記参照面１４ａ，２４ａ）のいずれか又は両方を，例えばピエゾアクチュエータ等（不図示）により９０°の位相（１／８波長）ごとに４段階移動させる，或いは光の入射角を振ることやレーザ波長掃引等によって位相シフトを行い，それぞれの位置（位相）での干渉縞画像データに基づいて所定のアンラップ処理を行う方法により距離（Ｄ１＋Ｄ２）を求めることができる。また，最小縞数の計数等による方法によっても距離（Ｄ１＋Ｄ２）を求めることができる。この距離（Ｄ１＋Ｄ２）は，前記ウェハ１表面の凹凸分だけ増減するものであり，前記ウェハ１の厚みを表すものである。従って，本形状測定装置Ｘにより，前記ウェハ１の厚み分布（表面形状）を測定することができる。
【００１１】
今，前記ウェハ１の振動により，前記位置ｃが前記主面１ａ側の方向にδだけ変位した場合を考えると，前記位置ａ〜ｃ間の往復距離は（Ｄ１−２δ），前記位置ｄ〜ｆ間の往復距離は（Ｄ２＋２δ）となり，変位δ分が前記主面１ａ側と前記裏面１ｂ側で相殺され，前記光路差Δは前記ウェハ１に変位がない（振動がない）ときと変わらない。ここで，前記第１の干渉光が前記主面１ａから前記裏面１ｂに到達するまでの時間は，前記ウェハ１の振動周期に比べて無視できる程度に十分小さい（即ち，主面１ａと裏面１ｂとが同時測定されるといえる）ことはいうまでもない。また，前記ウェハ１は，該ウェハ１の面に平行な方向にも振動するが，一般にこの方向については，前記ウェハ１の振動が影響する程の高い測定精度は要求されないため問題はない。従って，本形状測定装置Ｘによれば，前記ウェハ１の振動の影響を受けずに高精度な形状測定を行うことが可能となる。
【００１２】
【実施例】
前記形状測定装置Ｘは，マイケルソン干渉計を前記ウェハ１の表裏両面に対向配置するものであったが，これに限るものでなく，フィゾー干渉計や斜入射干渉計等を用いるものであってもかまわない。
また，前記形状測定装置Ｘでは，前記ウェハ１の主面１ａ側から裏面１ｂ側への導光手段として三角プリズムを用いているが，ミラーや光ファイバ等，他の手段を用いても何ら問題はない。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，１つの光を用いて被測定物の主面及びこれに対応する裏面を同時に測定できるので，振動によって生じる被測定物の変位分が主面側と裏面側とで相殺され，被測定物の振動の影響を受けずに高精度な形状測定が行える。さらに，光路に光学系以外のものを挿入することがないので，干渉光に乱れを生じさせることもない。また，被測定物の振動の影響を除くための特別な制御装置や高速カメラ等を設ける必要がないばかりか，干渉計を被測定物の表裏両面側に２つ設ける従来の形状測定装置に比べ，干渉光を被測定物の表側から裏側へ導く若干の光学部材（三角プリズム，ミラー，光ファイバ等）を追加するだけで，主面側の干渉計における受光器（ＣＣＤカメラ等）を省くことができ，むしろ従来よりも構成が簡略化され簡易かつ低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの構成図。
【符号の説明】
１…ウェハ（被測定物）
１ａ…ウェハの主面
１ｂ…ウェハの裏面
１１，２１…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１２，１３，２２，２３…１／４波長板
１４，２４…参照板（ミラー）
１４ａ，２４ａ…参照面
３０…三角プリズム
４０…受光器

Claims (3)

1. エッジ部が支持された薄板状の被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において，
   所定の光線を前記被測定物の主面及び該主面側の参照面のそれぞれに照射するよう分岐させる主面側光分岐手段と，
   前記主面側光分岐手段により分岐された各光線の反射光である測定光及び参照光を重ね合わせた第１の干渉光を出射する第１の干渉光重合手段と，
   前記第１の干渉光を前記被測定物の裏面側へ導く干渉光導光手段と，
   前記被測定物の裏面側へ導かれた前記第１の干渉光に含まれる前記測定光及び記参照光のそれぞれを，前記被測定物の主面に対応する裏面及び該裏面側の参照面それぞれに照射するよう分岐させる裏面側光分岐手段と，
   前記裏面側光分岐手段により分岐された各光線の反射光である測定光及び参照光を重ね合わせた第２の干渉光を所定の干渉光受光手段に出射する第２の干渉光重合手段と，を具備し，
   前記主面側光分岐手段及び前記裏面側光分岐手段それぞれにより分岐した光を集光せずに前記被測定物に照射させてなることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記主面側光分岐手段及び前記第１の干渉光重合手段と，前記裏面側光分岐手段及び前記第２の干渉光重合手段との一方又は両方が偏光ビームスプリッタにより構成されてなる請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記干渉光導光手段が，三角プリズム，ミラー，光ファイバのいずれかにより構成されてなる請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置。

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