JP4892294B2 - 微小穴の深さ測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小穴の深さ測定に関し、特にアスペクト比の高い微小穴の深さ測定方法に関する。

微小穴の深さ測定は一般に落射顕微鏡により穴の開口面と穴の底面の位置にそれぞれ焦点を合わせることにより求められる。しかし、穴の幅（直径）に対する深さの比（以下アスペクト比という）が大きい微小穴の深さ測定においては以下のような問題がある。すなわち、図４に示すような反射光による測定方法においては、穴の側面反射により穴底面に照射光が到達しないこと、反射光が戻らなくなること、または底面からの反射光が表面からの反射光より微弱であることにより測定不能となったりノイズが増大してコントラストを低下させて測定困難となり、微小穴の深さＤを正確かつ確実に求めることができないという問題があった。また底面が穴の底面が平面でない場合には反射光が側面で散乱されて測定不能となるという問題があった。
特許３１８４６４１ 特開２０００−２６６５２０ 特開２００５−４９３６３

これらの問題を解決するために、図５に示すように、落射照明系によりワーク表面Ａに焦点を合わせて表面の高さを取得した後に、ワーク裏面Ｂ側から透過照明系１３１および１３２を用いて照射して対物レンズ１５１を介して取得される画像において底部の影が消滅するときの対物レンズの位置から底部の高さを測定することにより深さ計測が可能となる。すなわち、対物レンズ１５１の移動量（Ｚ）と穴の深さ（Ｄ）との間には、ｎ１を空気の屈折率、ｎ２をワーク材料の屈折率として、
Ｄ＝（ｎ２／ｎ１）Ｚ
という関係がある。したがって、既知のｎ１、ｎ２および測定されたＺから深さＤを求めることができる。

しかしながら、図６に示すように、上記方法では対物レンズ１５１の開口数（ＮＡ＝（ｎ１／ｎ２）sinθ）により異なった死角が発生するために正確な深さ測定ができないという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みて創案されたものであって、本発明によればアスペクト比の大きい微小穴の高さを容易かつ正確に測定することができる。

すなわち、本発明の技術的側面によれば、板状部材に形成された微小穴の深さ測定方法は、前記板状部材の厚さを測定することと、前記板状部材を屈折率のより低い媒質中に置くことと、前記微小穴が開口していない前記板状部材の第１の面の基準面の高さを測定することと、前記板状部材の前記第１の面とは反対の面側から照明光を照射することと、前記第１の面側に配置された対物光学系の焦点面を前記微小穴の深さ方向に移動し、前記焦点面の映像から前記微小穴の前記第１の面側の端部の位置を検出することと、前記厚さと前記基準面の高さと前記端部の位置とから前記微小穴の深さを演算することとを含むことを特徴とする。

本発明のより具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。微小穴１０は図１に例示するようにシリコンウェハー等の板状部材（ワーク）２０の表面に形成され、板状部材の一面Ａに開口する。本発明の計測方法は微小穴１０のアスペクト比、すなわち微小穴の深さ（高さ）Ｄに対する開口幅Ｗの比が大きいもの（たとえば１０以上）に特に適している。本実施例では微小穴１０は面（第１面）Ａ側に開口し、他の面（第２面）Ｂには開口しない。

透過照明系３０は光源３１および光学系３２を有しワーク２０の面Ａ側に配置され微小穴の開口部１１を含むワーク２０の面Ａを照射する。光源３１は可視光であっても赤外光であってもよい。また、光学系から出射する光束３３は平行光束または収束光である。ワーク２０は屈折率ｎ１の材料からなり媒質としての雰囲気中（屈折率ｎ０＜ｎ１）に置かれ、微小穴内も上記雰囲気で満たされている。なお媒質は典型的には空気や不活性ガスであるが高真空の雰囲気または宇宙空間でもよい。

対物光学系５１を含む光学計測系はワーク２０の他の面Ｂ側に配置されワーク２０および微小穴１０を透過または屈折した光束を二次元画像として撮像する。対物光学系５１の光軸Ｌ１と板状部材の表面の法線方向ｎとが実質的に平行となるように配置され、対物光学系５１は光軸Ｌ１と平行な方向に移動可能であり、なおかつ所定位置からの移動量Ｚが検出（５４）されて演算部５５に入力される。すなわち、対物光学系５１の焦点面の画像が結像光学系５２を介してＣＣＤカメラ等の二次元撮像装置５３の二次元撮像センサに結像する。

図１に示す実施形態では、対物光学系５１の光軸Ｌ１はハーフミラー７２を介してオートフォーカス光学系に分岐している。すなわち、プローブ光としてレーザダイオード７１で発生したレーザ光はビーム幅が極めて狭い光線ビームＬ３であって、ミラー７４，７５を介して光軸Ｌ２、Ｌ１からずれた位置に導入され、対物光学系５１の光軸Ｌ１からずれた位置から出射し対物光学系の焦点面において光軸Ｌ１と交差する。この交差位置は対物光学系に対して位置固定されているため対物光学系とワークとが相対的に移動することによりワーク表面Ｂへの照射位置が移動する。ワーク表面Ｂの一点で反射されたレーザ光は対物光学系５１を介して位置検出器７３で位置検出される。さらに、位置検出器で検出された反射光の光学的重心位置からワーク表面Ｂと対物光学系の焦点面との位置ずれが検出され、検出結果に基づいてオートフォーカス用コントローラ７６により対物光学系を移動（フィードバック制御）することによりオートフォーカスが実現される。このオートフォーカス機構を動作してワーク表面Ｂに焦点を合わせることができるとその時点での対物光学系の位置（Ｚ）からワーク基準面Ｐ１の位置（基準位置からの高さ）ｈ０を特定することができる（７８）。なお、本実施形態において基準位置は二次元撮像装置５３の撮像センサに対して位置固定されている。

＜微小穴の深さ測定の手順＞
本実施形態における微小穴深さの測定は図２に示すように以下の手順により実施される。
１．測定前に媒質の屈折率ｎ１およびワーク材料の屈折率ｎ２を演算部５５に入力しておく。
２．基準平面（Ｐ２）上にワークを乗せ、厚さＴ（面Ａと面Ｂの距離）を落射光学系により計測する。なお、この工程は同一規格の複数のワークの測定を行う場合にはワークごとに行わなくてもよい（Ｓ１）。また、他の装置によりワークの厚さを測定した場合にはその後ワークを図１に示す装置（媒体中）に配置する（Ｓ２）。
３．微小穴が開口していないワーク表面Ｂの基準面Ｐ１に対して対物光学系５１の焦点調整を行い、対物光学系５１の移動量に基づいて基準表面Ｂの前記基準位置に対する高さ（ｈ０）を求める（Ｓ３）。この場合に上述したオートフォーカス機構を用いて焦点調整を行い基準位置からの高さｈ０を求めてもよい。
４．ワーク表面Ａ側から透過照明光３３を照射する（Ｓ４）。
５．光学計測系の対物光学系５１を光軸方向（Ｚ）に移動すると移動量に応じて影が現れる（後述）。この所定の大きさの影が現れた位置を微小穴の底部の位置と認定し、このときの対物光学系５１の移動量Ｚに基づいて前記基準位置に対する底部の高さｈ１を得る（Ｓ５）。
５．ワーク表面Ｂと微小穴底部の距離Ｈは、Ｈ＝ｎ２／ｎ１×｜ｈ１−ｈ０｜から得られるので、Ｄ＝Ｔ−Ｈを演算することにより微小穴の深さＤを求めることができる（Ｓ６）。

他の微小穴の深さを測定する場合（Ｓ７）には工程Ｓ３〜Ｓ６またはＳ５〜Ｓ６の工程を繰り返せばよい。また、上記工程は図１に示す深さ測定装置により自動化することが可能である。たとえば工程Ｓ５では対物光学系５１を移動制御しつつ画像処理により影（暗部）の存在、面積およびその変化等から底部１１の位置を検出することが可能である。

＜微小穴の底部の検出＞
上記工程Ｓ５において対物光学系５１の移動量に応じて焦点面が移動し、その結果微小穴１０と焦点面が交差した状況で影が生じる。底面１１がＲ形状を有する微小穴１０周辺の光束は底部（端部）１１において一部が反射し一部が屈折して透過する。また、微小穴の底部周辺での屈折により光線密度が低くなるため他の領域に比べて相対的に光量が減少する。さらに微小穴と板状部材の境界から入射しようとする光は全反射等により微小穴内に入ることができない。その結果、対物光学系の焦点面が微小穴と接触または横切る場合にはその部分が相対的に暗くなって撮像装置５３では影（暗部）として認識される。したがって、対物光学系５１の焦点面が微小穴を横切る場合にはそれに応じた影が現れるのでこれを検出することにより上述した方法により微小穴の底部の高さを検出することができる。

図３には代表的な位置Ｚにおける焦点面における画像の例を示す。図において、（ａ）は焦点面が微小穴を横切らない場合で照明光が透過して明るい領域Ｒ０のみが検出されている。同図（ｂ）は焦点面が底部１１の端面に接した場合で焦点面が微小穴の底部端面に接して暗い領域Ｒ１が出現する。同図（３）、（４）は焦点面が微小穴の各高さにおいて横切る場合を象徴しており周辺に比べて暗い領域が影Ｒ２，Ｒ３となって穴の断面に応じて影の面積が変化している。したがって、対物光学系５１を下方（面Ｂから面Ａに向かう方向）に移動してくと、（１）〜（４）の焦点面画像が検出されるため（２）の画像が出現した時点において焦点面と底部とが接していることが識別できる。

発明の効果
本発明の測定方法により従来測定が困難であった高アスペクト比の微小穴（１ｍｍ以下）の深さ測定を高精度（数μｍ程度）かつ容易に実施することができる。すなわち、基板の微小穴が開口していない面から計測することにより対物レンズの開口数による死角誤差がなく、真の底面位置を検出することができるため底面がＲ形状を有する場合であっても先端部分を識別することが可能となる。

さらに、本発明の方法は可視光のみならずシリコン等の赤外域に透過領域を有する材料に適用可能であってマイクロマシン（ＭＥＭＳ）における微細穴測定にも有効な方法である。

本発明に係る微小穴の高さ測定方法に係る測定装置の構成図である。 本発明に係る微小穴の高さ測定方法の手順である。 対物光学系の焦点面位置に応じた微小穴画像の概念図である。 従来の高アスペクト比の穴深さ測定方法の概念図である。 透過照明を用いた一般的な穴深さ測定方法の概念図である。 穴深さ測定方法における死角を表す概念図である。

符号の説明

１０ 微小穴
１１ 微小穴底部
２０ ワーク（板状部材）
３３ 透過照明光
５１ 対物光学系
Ｌ１ 対物光学系の光軸
５３ 二次元撮像装置
５５ 演算部
７１ レーザ発振器
７３ 位置検出器
７６ コントローラ

Claims (3)

1. 板状部材に形成された微小穴の深さ測定方法であって、
   前記板状部材の厚さを測定することと、
   前記板状部材を屈折率のより低い媒質中に置くことと、
   前記微小穴が開口していない前記板状部材の第１面の基準面の高さを測定することと、
   前記板状部材の前記第１面とは反対の面側から照明光を照射することと、
   前記第１面側に配置された対物光学系の焦点面を前記微小穴の深さ方向に移動し、前記焦点面の映像から前記微小穴の前記第１面側の端部の高さを検出することと、
   前記厚さと前記基準面の高さと前記端部の高さとから前記微小穴の深さを演算することとを含み、
   前記基準面の高さを測定することは、
   レーザ光線を前記対物光学系の光軸から離れた位置を通って前記対物光学系に入射させることと、
   前記板状部材の第１面における前記レーザ光線の反射光を前記対物光学系を介して検出することと、
   前記レーザ光線の反射位置が前記光軸と一致するように前記対物光学系を移動させることと、
   前記対物光学系の位置から前記基準面の高さを求めることとを
   含む
   ことを特徴とする深さ測定方法。
2. 前記端部の高さは、前記焦点面の画像において前記微小穴による影が生じた時の前記焦点面の位置に基づいて検出することを特徴とする請求項１記載の深さ測定方法。
3. 前記照明光は赤外光であることを特徴とする請求項１または２記載の深さ測定方法。

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