JP4531685B2 - 形状測定装置、形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は，薄片試料である測定試料の表面変位の計測値に基づいて、その測定試料の表面形状を測定する形状測定装置及びその方法に関するものである。

半導体基板（シリコンウェハ）等の薄片試料である測定試料に反りが生じて平坦度が損なわれていないかどうかを検査する方法には，干渉計による方法や，レーザ変位計や静電容量式変位計等の変位計（変位計測手段）の計測位置を走査させて測定試料表面の変位（高さ）分布を計測し，その計測値により平坦度を求める方法等がある。
一般に、変位計による計測位置の走査は、測定試料若しくは変位計のいずれか一方を固定するとともに他方を直交する２方向（ｘ方向及びｙ方向）に移動させることにより行われる。例えば、ある基準点で直交する２本の直線方向における計測値から平坦度を求める方法は、一般に十字法と呼ばれる。ここで平坦度は，例えば，計測値から最小二乗平面等の基準平面を求め，この基準平面に対する各測定値の変位量の大きさ等で評価する。

ところで、薄片試料（測定試料）は１若しくは複数の支持点を有する支持部で支持されることから、薄片試料は自重によって撓む。さらに、測定位置の走査機構には、機械的な走査ぶれ、即ち、薄片試料若しくは変位計の理想的な直線移動或いは平面（２次元）移動の軌跡に対する実際の移動の軌跡のずれ（例えば、真直度のずれ）が存在する。
このため、測定試料の形状測定における測定精度を向上させるためには、上述のような薄片試料の自重による撓み及び走査機構の走査ぶれに起因する誤差分について変位計による計測値を補正しなければならない。
従来、上記誤差分の補正は、特許文献１や非特許文献１に示される如く、以下の手順で行われている。
まず、測定試料と材料、概略の厚み及び平面視した概略形状が同じ薄片試料であってその厚みが一様とみなせる（厚みのばらつきが形状測定の許容測定誤差に対して十分に小さい）校正用試料を用意し、その校正用試料が表裏各面の相対する点において測定試料の測定の際と同じ支持部で支持された２つの支持状態各々において、その校正用試料の表面変位を変位計により計測する。

次に、その校正用試料の表裏両面の計測値に基づいて、その校正用試料の自重による撓み量及び走査機構の走査ぶれ量の両方が加算された誤差量を予め求めて記憶しておく。この誤差量の求める際の考え方は以下の通りである。
校正用試料が表裏各面の相対する点において測定試料の測定の際と同じ支持部で支持された２つの支持状態各々において、各位置における前記誤差量（自重による撓み量及び走査機構の走査ぶれ量）は、その方向及び大きさがともに同じであるといえる。
ここで、校正用試料の一方の面におけるある計測位置（ｘ，ｙ）の表面変位計測値及び真の変位値をＺi1(x,y)及びＺr1(x,y)、他方の面における相対する位置の表面変位計測値及び真の変位値をＺi2(x,y)及びＺr2(x,y)とし、その同じ位置における前記誤差量をΔＴ(x,y)とすると次の（１）式が成立する。なお、真の変位値とは、自重によらない校正用試料自体が有する反りに起因する変位値を表す。

ここで、校正用試料の厚みは一様とみなせるため、Ｚr1(x,y)≒−Ｚr2(x,y)が成立し、校正用試料の両面の計測値の平均値（Ｚi1(x,y)＋Ｚi2(x,y)）／２を求めることにより前記誤差量ΔＴ(x,y)を求めることができる。
そして、測定試料の測定の際に、変位計による測定試料の表面変位計測値から、予め校正用試料の測定により求めておいた前記誤差量ΔＴを差し引くことによって測定試料の表面形状値を求める。この手法は、校正用試料の厚みと測定用試料の厚みとが概ね同じであり、両者の自重による撓み量もほぼ同じであることを前提としている。一般に、ＬＳＩ製造に用いられるシリコンウェハは、直径が３００mm、厚みが７５μmと規定されている。
これにより、前記誤差量ΔＴを除去した真の表面形状値（表面変位値）が得られる。
特開昭６２−２９４９０５号公報 W.Natsu and Y.Ito 他, Effects of support method and mechanical property of 300 mm silicon wafer on sori measurement, Precision Engineering 29, pp.19-26, 2005

しかしながら，昨今のシリコンウェハの製造工程では、様々な厚みのシリコンウェハ（例えば、厚みが０．７mm程度のもの等）が取り扱われる。このように厚みが大きく異なるシリコンウェハに対して前述の従来技術を適用すると、校正用試料の厚みに対する測定試料の厚みの差が大きいほど、それらの自重による撓み量の差が大きくなり、これが大きな測定誤差となるという問題点があった。
もちろん、測定試料各々の厚みに対応した複数の校正用試料について前記誤差量を予め求めておき、測定試料の厚みに応じて使用する前記誤差量を切り替えれば測定精度を確保できるが、この場合、測定試料の厚みの種類が増えるほど前記誤差量を求める校正作業の工数が増大するという問題点があった。
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，様々な厚みの測定試料（薄片試料）の表面形状を測定する場合でも、事前の校正作業工数の増大を伴うことなく、高い測定精度を確保できる形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は，１若しくは複数の支持点を有する支持手段により支持（通常は、略水平に支持）された薄片試料である測定試料の表面変位を計測する変位計測手段と、その変位計測手段による前記測定試料の計測位置を１次元方向若しくは２次元方向に走査させる走査手段とを備え、その走査手段により前記計測位置を走査させつつ得られる前記変位計測手段の計測値に基づいて前記測定試料の表面形状を測定する形状測定装置、或いはそのような形状測定装置を用いて測定試料の表面形状測定を行う形状測定方法として適用されるものであり、以下のような特徴を有する。
即ち、前記測定試料の厚みを計測する厚み計測手段と、前記測定試料と厚みが異なるが材料及び平面視した概略形状が同じ薄片試料である基準試料の厚み、及びその基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を予め記憶する基準試料情報記憶手段と、前記変位計測手段による前記基準試料の計測値から前記基準試料の自重による撓み量を減算して求めた前記走査手段の走査ぶれ量を予め記憶する走査ぶれ量記憶手段とを設けておき、前記厚み計測手段による前記測定試料の厚みの計測、及び前記変位計測手段による前記測定試料の表面変位の計測を行うとともに、前記基準試料情報記憶手段に記憶された前記基準試料の厚み及び自重による撓み量と、前記厚み計測手段で計測された前記測定試料の厚みと、に基づいて前記測定試料の自重による撓み量を算出し、さらに、前記走査ぶれ量記憶手段に記憶された前記走査手段の走査ぶれ量と、前記測定試料自重撓み算出手段により算出された撓み量と、に基づいて前記変位計測手段の計測値を補正（通常は、走査ぶれ量と測定試料の自重撓み量とを減算）した前記測定試料の表面形状値を算出するものである。
これにより、基準試料の厚みに対する測定試料の厚みの差違が大きくなっても、その厚みの差違に応じて測定試料の自重による撓み量が求められる（補正される）ので、高い測定精度を確保できる。しかも、１つの基準試料についてのみ、自重による撓み量と走査手段の走査ぶれ量とを求める作業或いは処理を行えばよく、事前の校正作業工数の増大を伴わない。
なお、前記基準試料とは、必ずしも実在の薄片試料を指すものでなく、前記測定試料と厚みが異なるが材料及び平面視した概略形状が同じであると仮定した仮想の薄片試料をも含む概念である。

ここで、前記測定試料の自重による撓み量の算出方法としては、前記基準試料の厚みをｔ₀、前記厚み計測手段により計測された前記測定試料の厚みをｔ₁とした場合に、前記基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量（事前に記憶された撓み量）に対して（ｔ₀／ｔ₁）²を乗算することにより算出することが簡易かつ有効である。
また、前記変位計測手段が、前記測定試料の表裏両側に対向配置されてその測定試料の表裏各々の面の変位を計測する２つの変位計測手段（第１の変位計測手段及び第２の変位計測手段）を備えて前記測定試料の両面について同時若しくはほぼ同時に変位計測を行うものであり、前記厚み計測手段が、それら２つの変位計測手段により構成されたものであれば好適である。
これにより、測定試料の両面の形状を効率的に（同時に）測定することができる上、２つの変位計測手段の計測値の和或いは差に基づいて試料の厚みを計測できるので、変位計測手段を厚み計測手段として兼用できる。

また、前記測定試料及び前記基準試料がシリコンウェハ（ＬＳＩに用いられるもの）である場合に、その基準試料（シリコンウェハ）の形状及び材料の情報に基づいて、その基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出して前記基準試料情報記憶手段に記憶させれば好適である。
シリコンは弾性定数が精度高く求められており、さらに、ＬＳＩに用いられるシリコンウェハは純度が高く結晶性も非常に良い。このため、シリコンウェハの撓み量は、その弾性率の異方性まで考慮にいれた有限要素法若しくは有限差分法により計算すると、その計算値は実測値と非常に良く一致する。その結果、実測の手間を要さずに極めて高精度に撓み量を求めることができる。
また、前記測定試料がシリコンウェハである場合に、その測定試料と材料及び平面視した概略形状が同じであって厚みが一様とみなせる薄片試料である校正用試料の形状及び材料の情報に基づいて、その校正用試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出し、前記校正用試料が表裏各面の相対する点で前記支持手段により支持された２つの支持状態各々においてその校正用試料の表面変位を前記変位計測手段により計測し、その計測値と前述の有限要素法若しくは有限差分法により算出された前記校正用試料の自重による撓み量とに基づいて、前記走査手段の走査ぶれ量を算出して前記走査ぶれ量記憶手段に記憶させることが考えられる。
これにより、従来と同じ校正用試料について従来と同様に事前測定を行うことにより、走査手段の走査ぶれ量を極めて高精度で求めることができる。

なお、前述したように、前記基準試料は、実在の薄片試料及び仮想の薄片試料を含む概念を指す用語であるため、実在の薄片試料を指す前記校正用試料と区別して記載しているが、前記基準試料と前記校正用試料とが同じものであると捉えても良い。この場合、前述した基準試料の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出する手段若しくは工程と、校正用試料の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出する手段若しくは工程とは、同一の（１つの）手段若しくは工程となることはいうまでもない。
また、前記支持手段における支持点は、支持が安定する３点の支持点とすることが好適である。

本発明によれば，基準となる薄片試料の厚みに対する測定試料の厚みの差違が大きくなっても、その厚みの差違に応じて測定試料の自重による撓み量が求められるので、高い測定精度を確保できる。しかも、１つの基準試料についてのみ、自重による撓み量と走査手段の走査ぶれ量とを求める作業或いは処理を行えばよく、事前の校正作業工数の増大を伴わない。
また、測定試料の表裏両側に対向配置されてその測定試料の表裏各々の面の変位を計測する２つの変位計測手段を設け、これにより前記測定試料の両面について同時若しくはほぼ同時に変位計測を行うとともに、それら２つの変位計測手段により測定試料の厚み計測を行うよう構成すれば、測定試料の両面の形状を効率的に（同時に）測定することができる上、２つの変位計測手段を厚み計測手段として兼用でき好適である。
また、前記測定試料及び前記基準試料がＬＳＩに用いられるシリコンウェハである場合に、その基準試料（シリコンウェハ）の形状及び材料の情報に基づいて、その基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出して記憶手段に記憶させるようにすれば、実測の手間を要さずに極めて高精度に基準試料の撓み量を求めることができる。
また、前記測定試料がシリコンウェハである場合に、その測定試料と材料及び平面視した概略形状が同じであって厚みが一様とみなせる校正用試料の形状及び材料の情報に基づいて、その校正用試料の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出し、前記校正用試料が表裏各面の相対する点で前記支持手段により支持された２つの支持状態各々において計測した表面変位の計測値と、前述の有限要素法若しくは有限差分法により算出された撓み量とに基づいて、前記走査手段の走査ぶれ量を算出すれば、従来と同じ校正用試料について従来と同様に事前測定を行うことにより、走査手段の走査ぶれ量を極めて高精度で求めることができる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，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は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略構成図、図２は形状測定装置Ｘにおける形状測定処理の手順を表すフローチャートである。

まず、図１に示す概略構成図を参照しつつ、形状測定装置Ｘの構成について説明する。なお、図１（ａ）は形状測定装置Ｘ全体の概略構成を表すとともに、そのステージ部については側面図として表したものであり、図１（ｂ）はそのステージ部を平面図として表したものである。
形状測定装置Ｘは、測定対象となる薄片試料であるシリコンウェハ４（以下、測定ウェハ４という）における表面変位の計測位置をＸ−Ｙステージ３により２次元方向に走査させ、これにより得られる表面変位の計測値に基づいて測定ウェハ４の表面形状を測定するものである。そして、その特徴は、Ｘ−Ｙステージ３の走査ぶれ量を予め校正用試料の測定等に基づいて記憶手段に記憶（記録）しておくとともに、測定ウェハ４の自重による撓み量を計算により求め、走査ぶれ量と測定ウェハ４の自重による撓み量とを区別して表面変位の計測値から除去（減算）することにより、異なる厚みの測定ウェハ４を測定する場合であっても高い測定精度を確保できる点にある。
図１に示すように、形状測定装置Ｘは、測定対象となる薄片試料である測定ウェハ４を３つの支持点１ａ，１ｂ，１ｃにより下方側から３点支持する支持部１と、支持部により支持された測定ウェハ４の表面変位を計測する変位計２ａ，２ｂ（以下、総称して変位計２という）と、その変位計２ａ，２ｂを固定保持した状態で支持部１で支持された測定ウェハ４を２次元方向に移動させることにより変位計２による計測位置を２次元方向に走査させるＸ−Ｙステージ３とを具備し、Ｘ−Ｙステージ３により変位計測位置を２次元方向に走査させつつ得られる変位計２の計測値に基づいて、測定ウェハ４の表面形状を測定するものである。

さらに、形状測定装置Ｘは、Ｘ−Ｙステージ３の動作を制御するステージ制御装置５と、変位計２により変位される検出信号について、Ａ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う信号処理装置６と、その信号処理装置６により処理された変位計２の計測値が入力されるとともに、ステージ制御装置５に対してＸ−Ｙステージ３についての制御指令を出力する計算機７とを具備している。
また、Ｘ−Ｙステージ３は、支持部３をほぼ水平な面に沿って２次元方向に移動させるものであり、支持部３をある一の方向（Ｘ方向）に直線的に（１次元方向）に移動させるＸステージ３ｘと、その移動方向と直交する方向（Ｙ方向）に直線的に移動させるＹステージ３ｙとを具備し、これらにより支持部３をＸ−Ｙ方向（２次元方向）に移動させることによって変位計２による計測位置を２次元方向に走査させる。
変位計２は、測定ウェハ４の表及び裏の両側（上下）に対向配置されて測定ウェハ４の表裏各々の面の変位を計測する第１変位計２ａと第２変位計２ｂとを備え、測定ウェハ４の両面についてほぼ同時に変位計測が可能に構成されている。従って、第１変位計２ａ及び第２変位計２ｂは、それらの計測値の和若しくは差を計測値とすることにより、測定ウェハ４の厚みを計測する厚み計としても機能するものである。
例えば、第１変位計２ａ及び第２変位計２ｂ各々が、各変位計に対して共通の基準位置（例えば、各変位計相互間の中点の位置）に対する上下方向への変位量（例えば、上方向を正とする）を計測値Ｚia、Ｚibとして検出する場合、それら計測値の差｜Ｚia−Ｚib｜が測定ウェハ４の厚みとなる。また、第１変位計２ａ及び第２変位計２ｂ各々が、各変位計からの距離（絶対値）を計測値Ｚia、Ｚibとして検出する場合、各変位計相互間の中点の位置までの距離をＺmとすると、｛２・Ｚm−（Ｚia＋Ｚib）｝が測定ウェハ４の厚みとなる。なお、距離Ｚmは、厚みが既知の試料を予め計測することにより求めることができる。
なお、各変位計２ａ，２ｂとしては、レーザ変位計や、静電容量方式の変位計、渦電流変位計、或いは光干渉計による変位計等、各種の変位計が採用され得る。

また、計算機７は、例えばハードディスクドライブ等からなる記憶手段である記憶部部８を備え、この記憶部８には、当該計算機７が備える不図示のＣＰＵにより実行される各種プログラムや、同ＣＰＵにより参照される各種の情報（データ）が記憶される。
記憶部８（基準試料情報記憶手段及び走査ぶれ量記憶手段の一例）に予め記憶される情報として、基準ウェハ情報ｄ１と走査ぶれ情報ｄ２とが存在する。
ここで、基準ウェハとは、測定ウェハ４と厚みが異なるが材料及び平面視したときの概略形状が同じ（結晶方位も同じ）薄片試料であるシリコンウェハのことをいい、基準ウェハ情報ｄ１には、基準ウェハの厚みｔ₀と、その基準ウェハが予め定められた３つの被支持点において支持部１により３点支持された場合の自重による撓み量ΔＷs（以下、基準自重撓み量という）とが含まれる。
また、走査ぶれ情報は、Ｘ−Ｙステージ３（走査手段の一例）の機械的な走査ぶれ量ΔＭ（以下、単に走査ぶれ量という）を含む情報である。走査ぶれ量ΔＭとは、試料（測定ウェハ４等）の理想的な平面（２次元）移動の軌跡に対する実際の移動の軌跡のずれの量（走査平面（Ｘ−Ｙ平面）に略垂直な方向のずれの量）である。
なお、基準自重撓み量ΔＷs及び走査ぶれ量ΔＭは、Ｘ−Ｙ平面の各位置（変位計２による各計測位置）ごとに記憶されている情報である。

次に、基準自重撓み量ΔＷs及び走査ぶれ量ΔＭの求め方の例について説明する。
例えば、基準自重撓み量ΔＷsは、材料が測定ウェハ４と同じシリコン（結晶方位も同じ、例えば[1,0,0]）であり、平面視したときの概略形状も測定ウェハ４と同じ形状（例えば、直径３００mmの円状）である所定の厚み（例えば、標準的なシリコンウェハの厚み：７７５μｍ）のシリコンウェハが前記基準ウェハであると想定し、その基準ウェハが支持部１により３点支持された場合の自重による撓み量を、その基準試料の形状及び材料の情報（寸法情報や材料の種類、結晶方位等）に基づいて有限要素法により算出して求める。その算出は、例えば、測定ウェハ４の計測前に、計算機７が有限要素法に基づく解析処理を行う所定の構造解析プログラムを実行することにより行われ、算出結果が記憶部８に記憶される（基準試料撓み量算出手段の一例）。
シリコンは弾性定数（ヤング率及びポアッソン比）が精度高く求められており、さらに、ＬＳＩに用いられるシリコンウェハは純度が高く結晶性も非常に良い。このため、シリコンウェハの自重による撓み量は、その弾性率の異方性まで考慮にいれた有限要素法により計算すると、その計算値は実測値と非常に良く一致する。その結果、実測の手間を要さずに極めて高精度に前記基準自重撓み量ΔＷsを求めることができる。なお、この基準自重撓み量ΔＷsの計算の前提となった基準ウェハの厚みｔ₀も、前記基準ウェハ情報の一部として記憶部８に記憶させる。
また、走査ぶれ量ΔＭは、例えば、自重による撓みを無視できる程度に剛性が高く、かつその形状が既知の校正用試料（例えば、厚みが既知で平面度が十分高い校正用試料など）を用意し、その校正用試料について、Ｘ−Ｙステージ３により計測位置を走査させつつ変位計２により表面変位を計測し、計算機７により、その計測値から既知の厚みを減算した値を走査ぶれ量ΔＭとして求め、記憶部８に記憶させる。

続いて、図２に示すフローチャートを参照しつつ、測定ウェハ４の形状測定手順について説明する。なお、前記基準ウェハ情報ｄ１及び前記走査ぶれ情報ｄ２は、予め計算機７の記憶部８に記憶されているものとする。また、以下に示すＳ１、Ｓ２、・・・は、処理手順（ステップ）の識別符号を表すものとする。
測定ウェハ４の形状測定処理では、まず、計算機７からステージ制御装置５に対して所定の初期指令が出力されることにより、変位計２による測定ウェハ４の計測位置が、所定の基準位置（基準計測位置）となるように、Ｘ−Ｙステージ３がステージ制御装置５によって制御される（Ｓ１）。
次に、その時点の計測位置（最初は、前記基準計測位置）において、変位計２ａ，２ｂ各々によって測定ウェハ４の表裏両面（上面と下面）の変位が計測され、計測値が信号処理装置６を通じて計算機７に入力される（Ｓ２、測定試料表面変位計測工程の一例）。
次に、計算機７により、変位計２ａ，２ｂ各々の計測値から、その時点の計測位置における測定ウェハ４の厚みｔ₁が計算（計測）され、算出された厚みｔ₁がその時点の計測位置（座標）と対応付けられて記憶部８に記録される（Ｓ３、厚み計測工程の一例）。

次に、計算機７により、記憶部８からその時点の計測位置についての前記基準自重撓み量ΔＷsと前記基準ウェハの厚みｔ₀とが読み出され、その基準自重撓み量ΔＷs及び厚みｔ₀と、ステップＳ３において厚み計として機能する変位計２により計測された測定ウェハ４の厚みｔ₁とに基づいて、測定ウェハ４の自重による撓み量ΔＷpが算出される（Ｓ４，測定試料自重撓み算出手段の一例）。
ここで、有限要素法による解析結果から、薄片試料（特に、シリコンウェハ）の自重による撓み量は、その厚みの２乗に反比例することがわかっている。
従って、ステップＳ４においては、記憶部８から読み出された基準ウェハの厚みをｔ₀、ステップＳ３で変位計２（即ち、厚み計）により計測された測定ウェハ４の厚みをｔ₁とした場合に、記憶部８から読み出された基準自重撓み量ΔＷsに対して（ｔ₀／ｔ₁）²を乗算することにより、測定ウェハ４のその時点の計測位置における自重による撓み量ΔＷpが算出される。
このステップＳ４における撓み量ΔＷpの計算に用いる測定ウェハ４の厚みｔ₁は、例えば、各位置での厚み計測値を用いることの他、任意の計測位置（例えば、前記基準計測位置）における厚みを全体の代表値として用いること、或いは、事前に複数の計測位置について計測した測定ウェハ４の厚みの平均値を用いること等が考えられる。撓み量ΔＷp計算に用いる厚みが、測定ウェハ４の実際の厚みに対して多少の誤差を有していても、算出される撓み量ΔＷpに大きな誤差は生じないからである。

次に、計算機７により、記憶部８からその時点の計測位置における走査ぶれ量ΔＭが読み出され、その走査ぶれ量ΔＭと、ステップＳ４（測定試料自重撓み算出）で算出された測定ウェハ４の自重による撓み量ΔＷpとが、ステップＳ２で変位計２により計測された計測値Ｚia、Ｚibから減算されることにより補正された値（Ｚia−ΔＭ−ΔＷp）及び（Ｚib−ΔＭ−ΔＷp）が、測定ウェハ４のその時点の計測位置における表裏各々の表面形状値Ｚra及びＺrb（真の変位値）として算出され、その時点の計測位置と対応付けられて記憶部８に記録される（Ｓ５、表面形状値算出手段の一例）。
次に、計算機７により、その時点の計測位置が予め定められた計測終了位置であるか否かが判別され（Ｓ６）、計測終了位置でないと判別された場合は、Ｘ−Ｙステージ３により予め定められた走査経路に従って計測位置の移動（計測位置の走査）がなされ（Ｓ７）、処理が前述したステップＳ２へ移行される。これにより、順次新たな計測位置について、前記計測終了位置に至るまで前述したステップＳ２〜Ｓ７の処理が繰り返される。
一方、ステップＳ６において、その時点の計測位置が前記計測終了位置であると判別された場合は、計算機７により、ステップＳ５において記憶部８に記録された各計測位置での表面形状値Ｚra及びＺrb（真の変位値）が読み出され、その表面形状値Ｚra及びＺrbに基づいて、測定ウェハ４の平坦度やバウ、ワープ等の形状評価値（反りの評価値）の算出、及びその評価値の記憶部８への記録（Ｓ８）が行われた後、当該形状測定処理が終了する。

以上示したように、形状測定装置Ｘでは、Ｘ−Ｙステージ３の走査ぶれ量ΔＭを予め校正用試料の測定等に基づいて記憶部８に記憶（記録）しておくとともに、測定ウェハ４の自重による撓み量ΔＷpを、予め記憶しておいた基準ウェハの厚みｔ₀及びその基準ウェハの自重による撓み量ΔＷsと、測定ウェハ４について計測した厚みｔ₁とに基づいて簡易な四則演算（２乗反比例計算）により求め、走査ぶれ量ΔＭと測定ウェハ４の自重による撓み量ΔＷpとを区別して表面変位の計測値Ｚia、Ｚibから除去（減算）することにより、基準ウェハと厚みが異なる測定ウェハ４を測定する場合であっても、高い測定精度を確保できる。しかも、１つの基準ウェハについてのみ、自重による撓み量ΔＷsと走査手段（Ｘ−Ｙステージ３）の走査ぶれ量ΔＭとを求める作業或いは処理を行えばよく、事前の校正作業工数の増大を伴わない。

以上示した実施形態では、測定ウェハ４の上下両側に対向配置された一対の変位計２ａ，２ｂを厚み計として兼用するものであるが、これに限るものでなく、測定ウェハ４の厚みを計測する厚み計を、表面形状測定用の変位計２とは別個に設けた構成も考えられる。
また、前述の実施形態では、変位計２による計測位置の走査手段として、測定ウェハ４を２次元方向に移動させるＸ−Ｙステージ３を採用した例を示したが、これに限るものでなく、例えば、測定ウェハ４を固定して変位計２をＸ−Ｙステージにより２次元方向に移動させる構成や、測定ウェハ４をその中心位置で１点支持して回転させる回転支持機構（支持手段の一例）と、変位計２を１次元方向に直線的に移動させる直線移動機構との組合せにより計測位置を平面方向（２次元方向）に走査させる構成等も考えられる。
また、形状測定の目的によっては、変位計の計測位置を１次元方向にのみ走査させる構成も考えられる。

また、前述した実施形態では、計測位置を移動（走査）させるごとに、測定ウェハ４の自重による撓み量ΔＷpの算出（Ｓ４）及び表面形状値Ｚra、Ｚrbの算出（Ｓ５）を行う例について示したが、これに限らず、例えば、予め定められた全ての測定位置について表面変位を計測してその計測値Ｚia、Ｚibを記憶部８に記録し、その後に各測定位置における測定ウェハ４の自重による撓み量ΔＷpの算出（Ｓ４）及び表面形状値Ｚra、Ｚrbの算出（Ｓ５）を行うバッチ処理を行うことも考えられる。
また、シリコンウェハを測定対象とする場合、有限要素法に基づき基準ウェハの自重による撓み量を算出することが特に高精度で有効である旨について示したが、その他、有限差分法に基づき自重による撓み量を算出しても同様の作用効果が得られる。また、差分方程式に基づき基準ウェハ（基準試料）の自重による撓み量を算出することや、実際の基準ウェハ（校正用ウェハ）を用意し、その自重に寄る撓み量を何らかの測定装置によって実測して記憶部８に記憶させておくことも考えられる。

また、前述した実施形態では、自重による撓み量を無視できる校正用ウェハ（試料）の計測により走査ぶれ量ΔＭを実測する例について示したが、以下のようにして求めることも考えられる。
例えば、測定ウェハ４（シリコンウェハ）と材料及び平面視した概略形状が同じ（結晶方位も同じ）であって厚みが一様とみなせる薄片試料である校正用ウェハ（校正用試料）を用意し、計算機７により、その校正用ウェハの形状及び材料の情報に基づいて、その校正用ウェハが支持部１により支持された場合の自重による撓み量ΔＷs’を有限要素法により算出する。
さらに、その校正用ウェハが表裏各面の相対する点（被支持点）で支持部１により支持された２つの支持状態各々において、その校正用ウェハの表面変位を、Ｘ−Ｙステージ３で計測位置を走査させつつ変位計２ａ若しくは２ｂにより計測し（校正用試料表面変位計測工程の一例）、計算機７により、その表裏各面の計測値Ｚi1（一方の面）及びＺi2（他方の面）と、前述の有限要素法により算出された校正用ウェハの自重による撓み量ΔＷs’とに基づいて、Ｘ−Ｙステージ３（走査手段）の走査ぶれ量ΔＭを算出し、それを記憶部８に記憶させることが考えられる。
即ち、校正用ウェハの一方の面におけるある計測位置（ｘ，ｙ）の表面変位計測値及び真の変位値をＺi1(x,y)及びＺr1(x,y)、他方の面における相対する位置の表面変位計測値及び真の変位値をＺi2(x,y)及びＺr2(x,y)とし、その同じ位置における走査ぶれ量をΔＭ(x,y)、自重による撓み量をΔＷs’とすると、次の（２）式が成立する。

ここで、校正用ウェハの厚みは一様とみなせるため、Ｚr1(x,y)≒−Ｚr2(x,y)が成立し、校正用ウェハの両面の計測値の平均値から有限要素法により算出された校正用ウェハの自重による撓み量ΔＷs’を減算した値｛（Ｚi1(x,y)＋Ｚi2(x,y)）／２−ΔＷs’｝を求めることにより、走査ぶれ量ΔＭ(x,y)を求めることができる。
これにより、従来と同じ校正用ウェハについて従来と同様に事前測定を行うことにより、Ｘ−Ｙステージ３等の走査手段の走査ぶれ量ΔＭを極めて高精度で求めることができる。

本発明は、半導体ウェハ等の薄片試料の形状測定に利用可能である。

本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略構成図。 形状測定装置Ｘにおける形状測定処理の手順を表すフローチャート。

符号の説明

１…支持部
１ａ，１ｂ，１ｃ…支持点
２…変位計、兼厚み計
３…Ｘ−Ｙステージ
４…測定ウェハ（測定試料）
５…ステージ制御装置
６…信号処理装置
７…計算機
８…記憶部
ｄ１…基準ウェハ情報
ｄ２…走査ぶれ情報
Ｓ１，Ｓ２，，，…処理手順（ステップ）

Claims (11)

1. １若しくは複数の支持点を有する支持手段により支持された薄片試料である測定試料の表面変位を計測する変位計測手段と、該変位計測手段による前記測定試料の計測位置を１次元方向若しくは２次元方向に走査させる走査手段と、を具備し、前記走査手段により前記計測位置を走査させつつ得られる前記変位計測手段の計測値に基づいて前記測定試料の表面形状を測定する形状測定装置であって、
   前記測定試料の厚みを計測する厚み計測手段と、
   前記測定試料と厚みが異なるが材料及び平面視した概略形状が同じ薄片試料である基準試料の厚みと該基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量とを予め記憶する基準試料情報記憶手段と、
   前記変位計測手段による前記基準試料の計測値から前記基準試料の自重による撓み量を減算して求めた前記走査手段の走査ぶれ量を予め記憶する走査ぶれ量記憶手段と、
   前記基準試料情報記憶手段に記憶された前記基準試料の厚み及び自重による撓み量と、前記厚み計測手段で計測された前記測定試料の厚みと、に基づいて前記測定試料の自重による撓み量を算出する測定試料自重撓み算出手段と、
   前記走査ぶれ量記憶手段に記憶された前記走査手段の走査ぶれ量と、前記測定試料自重撓み算出手段により算出された撓み量と、に基づいて前記変位計測手段の計測値を補正した前記測定試料の表面形状値を算出する表面形状値算出手段と、
   を有してなることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記測定試料自重撓み算出手段が、前記基準試料の厚みをｔ₀、前記厚み計測手段により計測された前記測定試料の厚みをｔ₁とした場合に、前記基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量に対して（ｔ₀／ｔ₁）²を乗算することにより前記測定試料の自重による撓み量を算出してなる請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記変位計測手段が、前記測定試料の表裏両側に対向配置されて該測定試料の表裏各々の面の変位を計測する第１の変位計測手段及び第２の変位計測手段を備えて前記測定試料の両面について略同時に変位計測を行うものであり、
   前記厚み計測手段が、前記第１の変位計測手段及び第２の変位計測手段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。
4. 前記測定試料及び前記基準試料がシリコンウェハであり、
   前記基準試料の形状及び材料の情報に基づいて前記基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法若しくは有限差分法により算出して前記基準試料情報記憶手段に記憶させる基準試料撓み量算出手段を具備してなる請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
5. 前記測定試料と材料及び平面視した概略形状が同じであって厚みが一様とみなせる薄片試料である校正用試料の形状及び材料の情報に基づいて該校正用試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法により算出する校正用試料撓み量算出手段と、
   前記校正用試料が表裏各面の相対する点で前記支持手段により支持された２つの支持状態各々における前記変位計測手段による前記校正用試料の計測値と、前記校正用試料撓み量算出手段により算出された前記校正用試料の自重による撓み量と、に基づいて前記走査手段の走査ぶれ量を算出して前記走査ぶれ量記憶手段に記憶させる走査ぶれ量算出手段を具備してなる請求項４に記載の形状測定装置。
6. 前記支持点が３点である請求項１〜５のいずれかに記載の形状測定装置。
7. １若しくは複数の支持点を有する支持手段により支持された薄片試料である測定試料の表面変位を計測する変位計測手段の計測位置を、所定の走査手段により１次元方向若しくは２次元方向に走査させつつ得られる前記変位計測手段の計測値に基づいて、前記測定試料の表面形状を測定する形状測定方法であって、
   所定の厚み計測手段により前記測定試料の厚みを計測する厚み計測工程と、
   前記変位計測手段により前記測定試料の表面変位を計測する測定試料表面変位計測工程と、
   予め記憶手段に記憶された情報であって前記測定試料と厚みが異なるが材料及び平面視した概略形状が同じ薄片試料である基準試料の厚み及び該基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量と、前記厚み計測工程で計測された前記測定試料の厚みと、に基づいて前記測定試料の自重による撓み量を算出する測定試料自重撓み算出工程と、
   予め記憶手段に記憶された前記変位計測手段による前記基準試料の計測値から前記基準試料の自重による撓み量を減算して求めた前記走査手段の走査ぶれ量と、前記測定試料自重撓み算出工程により算出された撓み量と、に基づいて前記測定試料表面変位計測工程での計測値を補正した前記測定試料の表面形状値を算出する表面形状値算出工程と、
   を有してなることを特徴とする形状測定方法。
8. 前記測定試料自重撓み算出工程が、前記基準試料の厚みをｔ₀、前記厚み計測手段により計測された前記測定試料の厚みをｔ₁とした場合に、前記基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量に対して（ｔ₀／ｔ₁）²を乗算することにより前記測定試料の自重による撓み量を算出してなる請求項７に記載の形状測定方法。
9. 前記変位計測手段が、前記測定試料の表裏両側に対向配置されて該測定試料の表裏各々の面の変位を計測する第１の変位計測手段及び第２の変位計測手段を備え、該第１の変位計測手段及び第２の変位計測手段により前記厚み計測手段が構成されており、
   前記測定試料表面変位計測工程において前記第１の変位計測手段及び第２の変位計測手段により前記測定試料の両面についての変位計測が略同時に行われてなる請求項７又は８のいずれかに記載の形状測定方法。
10. 前記測定試料及び前記基準試料がシリコンウェハであり、
    前記基準試料の形状及び材料の情報に基づいて前記基準試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法により算出して記憶手段に記憶させる基準試料撓み量算出工程を有してなる請求項７〜９のいずれかに記載の形状測定方法。
11. 前記測定試料と材料及び平面視した概略形状が同じであって厚みが一様とみなせる薄片試料である校正用試料の形状及び材料の情報に基づいて該校正用試料が前記支持手段により支持された場合の自重による撓み量を有限要素法により算出する校正用試料撓み量算出工程と、
    前記校正用試料が表裏各面の相対する点で前記支持手段により支持された２つの支持状態各々において該校正用試料の表面変位を前記変位計測手段により計測する校正用試料表面変位計測工程と、
    前記校正用試料表面変位計測工程による計測値と、前記校正用試料撓み量算出工程により算出された前記校正用試料の自重による撓み量と、に基づいて前記走査手段の走査ぶれ量を算出して記憶手段に記憶させる走査ぶれ量算出工程と、
    を有してなる請求項１０に記載の形状測定方法。

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