JP5019533B2 - バンプ高さ測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体の基板表面のバンプの高さを測定するバンプ高さ測定方法及び測定装置に関する。

半導体の基板表面のバンプ高さを測定するときの測定対象表面は、バンプ面とベース面の２種類に分類される。その詳細は表１に示すとおりである。

バンプ高さの測定では、これらバンプ面とベース面の情報を高精度（分解能０．０１μｍ程度）に取込み、バンプ面とベース面との高さ情報の差として出力される。単純な三次元物体（単層面のみ）であれば、垂直走査のみで対応することも可能であるが、多層膜（膜厚３〜４μｍ）では、多重反射の影響で極大値の判定が難しく、正確な取り込みを高速に行うことはできない。

このような膜付の多層面では、一般に位相シフト法が適用される。

測定対象物は面の素性（鏡面、粗面、及び多層膜）が異なっているため、垂直走査のみの取り込み方法では、高さ方向の目標精度（例えば３σ≦０．１μｍ）の実現は期待できない。

そこで、目標精度を実現するために、一般的な手法に倣い、垂直走査及び位相シフトを併用させる。

そのため、従来、バンプ高さを測定する装置として、例えば特許文献１、２に示すように、位相シフト法を用いたバンプ高さ測定装置が知られている。
特開平８−２１９７２２号公報 特開平８−３２７３２７号公報

上述した従来の測定装置によって機械的な垂直走査を行うのみでは、機械的追従の限界から、高速化が難しい。

また、多重反射の影響で、極大値の判定が難しく、正確な取り込みを高速に行うことはできない。

本発明の課題は、高速化を図るとともに、正確な取り込みができるバンプ高さ測定方法及び装置を提供することである。

請求項１の発明は、半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定方法において、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせ、バンプ高さを測定することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定方法において、マルチオーダーの波長板を用い、基板に白色光を照射する照射系を微動させることにより、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせ、バンプ高さを測定することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定装置において、基板表面及びバンプ頂点に各々にアイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせるように構成され、バンプ高さを測定することを特徴とする。

また、請求項４の発明は、半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定装置において、マルチオーダーの波長板と、基板に白色光を照射する照射系とを有し、照射系を微動させて、マルチオーダーの波長板を用いて、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波を合わせ、バンプ高さを測定する構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、高精度かつ高速度にバンプ高さを測定できる。

例えば、半導体の多層膜において、高さ方向の目標精度を向上させることができ、機械的な負担を減らし、高速化を図ることができる。とくに、多重反射の影響で極大値の判定が難しいケースでも、正確な取り込みを高速に行うことができる。

半導体の膜厚３〜４μｍの多層膜を例として述べれば、高さ方向の目標精度として３σ≦０．１μｍの精度に向上させ、機械的な負担を減らし、高速化を図ることができる。この例では、多重反射の影響で極大値の判定が難しいが、高精度の取り込みを高速に行うことができる。

半導体の基板、例えばＳｉ基板の表面に白色光の干渉波を照射し、その基板表面のバンプ高さ（例えばＡｕバンプの高さ）を測定する。

基板の表面及びバンプの頂点に、各々、アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせる。

アイソレートされた波長分布の例として、例えば、（Ｚ₀）と（Ｚ₁）にアイソレートされた波長分布の例や、（Ｚ₀＋ΔＺ）と（Ｚ₁＋ΔＺ）にアイソレートされた波長分布の例などを示すことができる。

また、基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定方法において、マルチオーダーの波長板及び光分離光学素子を用いることができる。そして、基板に白色光を照射する照射系（例えばピエゾコントローラ）を微動させることにより、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせて、バンプ高さを測定することができる。この場合、アイソレートされた波長分布の例として、例えば、（Ｚ₀）と（Ｚ₁）にアイソレートされた波長分布の例や、（Ｚ₀＋ΔＺ）と（Ｚ₁＋ΔＺ）にアイソレートされた波長分布の例などがある。

また、基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定装置においても、同様に、基板表面及びバンプ頂点に各々にアイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせるように構成して、バンプ高さを測定する。この場合、バンプ高さを測定するバンプ高さ測定装置が、マルチオーダーの波長板及び光分離光学素子を有し、マルチオーダーの波長板を用い、基板に白色光を照射する照射系を微動させて、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波を合わせ、バンプ高さを測定する。

図１及び２は、本発明を実施できる干渉計の２つの例を示す。

これらの干渉計は偏光板１とマルチオーダーのλ／４波長板２を組み合わせて設けた波長アイソレート型の干渉計である。マルチオーダーのλ／４波長板２は、所定の設計波長λ₀において偏光面に対してｍ₀＋λ₀／４の位相差を与えるものである。ここで、ｍ₀は自然数であり、マルチオーダーの波長板２の厚さに依存する。

ファイバー７から、直線偏光で入射した光は、マルチオーダーの波長板２により円偏光となり、測定物体（測定対象物）や参照ミラー３で反射され、再度、マルチオーダーの波長板２で直線偏光となり、光分離光学素子すなわちＰＢＳ４を透過して、検出器すなわち高速カメラ５で検出される。

設計波長以外では、直線偏光で入射した光は、通常、円偏光にはならないため、ＰＢＳ４にてアイソレーションがかかる。しかしながら、マルチオーダーの波長板２では、入射する波長により位相の変化量が大きく異なるため、ｍ₁＋λ₁／４となる波長も存在する。この波長に対しては、λ₀と同様に、マルチオーダーの波長板２を透過した後に円偏光となるため、高速カメラ５で検出される。

本発明においては、ステージ２０上の基板１２に白色光を照射する照射系、例えばピエゾコントローラ２１（ＰＺＴ）を微動させて、後述するように、マイソレータされた干渉波を基板評面とバンプ頂点に合わせる。

図３に示すように広帯域なスペクトルを有する光源（図示せず）を用いると、光分離光学素子すなわちＰＢＳ４を透過してアイソレーションされたスペクトル分布は、図４に示すようになる。アイソレーション後のスペクトルは、波数で表すと、等間隔に分布する。そのため、得られる干渉信号は、図５に示すように、０次以外にピークを持つ波長分布となる。

本発明においては、アイソレーションされる波長分布を最適化し、複数のピーク（例えば２つのピーク）を用いる。それにより、測定領域の拡大が図れ、高速度化ができる。

図６と図７を参照して、従来の垂直スキャン方法と波長アイソレート型とを比較する。

図６に示す従来の垂直スキャン方法では、０次のピークのみを検出する。そのため、ピエゾの移動距離ΔＺは段差の上部と下部をカバーできる広い走査範囲が必要となる。

これに対して、図７に示す波長アイソレート型では、２つのピークを用いている。すなわち、０次のピークを下部に設定し、１次のピークを上部に設定している。そうすることで、狭い走査範囲で、広い測定領域が得られる。

図８を参照して、バンプについて説明する。

バンプ１０は、絶縁膜１３の上に設置される。例えばポリイミドのような微小な絶縁膜１３が電極膜１４の上に形成される。より具体的にいえば、電極膜１４内には、電極１５が存在している。その電極１５の周囲を取り囲むように、例えばアルミニウムのような電極膜１４が設けられている。電極膜１４は、Ｓｉ基板１２の上に形成されている。バンプ１０の上面には微細な凹凸があるが、図示を省略している。バンプ１０のベース面１１は、図示例では絶縁膜１３の上面から少し中に入っているが、本発明は、これに限定されない。

なお、Ｓｉ基板１２に絶縁膜１３が形成されていない場合には、電極膜１４の表面にアイソレートされた集束波を合わせてもよい。また、Ｓｉ基板１２に絶縁膜１３と電極膜１４が形成されていない場合には、Ｓｉ基板１２の表面にアイソレートされた集束波を合わせてもよい。

図２に示した測定装置の好適な１つの測定シーケンスについて、図９を参照にして説明する。

ステージ２０上の、測定する各基板１２について、まず、ピエゾコントローラ２１（ＰＺＴ）を微動させて、測定対象であるＡｕバンプ１０のベース面１１にフォーカスする。ベース面１１についてフォーカスが完了したら、ピエゾコントローラ２１（ＰＺＴ）を微動させて、あらかじめ設定しておいたスキャン設定値だけデフォーカスさせる。デフォーカスが完了したら、垂直走査を始める。このとき、ピエゾコントローラ２１（ＰＺＴ）からの位置情報をスキャナ２２でモニタし、位置がＺ₀に達したら、干渉信号の取り込みを行う。ピエゾコントローラ２１からの位置情報がＺ₀+ΔＺになったところで、干渉信号の取り込みを終了して、次の視野に移る。

ピエゾコントローラ２１からの位置情報は、スキャナ２２を経てメモリ２９に送られる。メモリ２９は処理装置２８に接続されていて、メモリ２９に記録された位置情報に基いて処理装置２８が作動される。処理装置２８で処理されたデータが、必要に応じて出力装置２７で出力される。

制御装置２６は、高速カメラ５、スキャナ２２等に直接又は間接的に接続されていて、それらを制御する。

本発明を実施するためのマイケルソン型干渉計の一例を示す。 本発明を実施するためのリンニク型干渉計の一例を示す。 光源のスペクトル分布を示す。 アイソレーション後のスペクトル分布を示す。 波長アイソレーションによる干渉信号を示す。 従来の垂直スキャン方法を示す。 本発明で用いる、アイソレートされた波長分布を用いたスキャン方法を示す。 パンプとその関連部分の構造を示す概略説明図。１個のＡｕバンプとその近傍を示しており、バンプの上面は粗面で、バンプのベース面は鏡面である。 測定シーケンスの１例を示すブロック図。

符号の説明

２ 波長板
３ 参照ミラー
５ 高速カメラ
１０ バンプ
１１ ベース面
１２ Ｓｉ基板
１３ 絶縁膜
１４ 電極膜
１５ 電極
２０ ステージ
２１ ピエゾコントローラ
２２ スキャナ
２６ 制御装置
２７ 出力装置
２８ 処理装置
２９ メモリ

Claims (4)

1. 半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射して、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定方法において、
   マルチオーダーの波長板を用い、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせ、バンプ高さを測定することを特徴とするバンプ高さ測定方法。
2. 半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定方法において、
   マルチオーダーの波長板を用い、基板に白色光を照射する照射系を微動させることにより、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせ、バンプ高さを測定することを特徴とするバンプ高さ測定方法。
3. 半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定装置において、
   マルチオーダーの波長板を用い、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波（ｍ＋１／４）λ（ｍは自然数）を合わせるように構成され、バンプ高さを測定することを特徴とするバンプ高さ測定装置。
4. 半導体の基板表面に白色光の干渉波を照射し、基板表面のバンプ高さを測定するバンプ高さ測定装置において、
   マルチオーダーの波長板と、
   基板に白色光を照射する照射系とを有し、
   照射系を微動させて、マルチオーダーの波長板を用いて、基板表面及びバンプ頂点に各々アイソレートされた干渉波を合わせ、バンプ高さを測定する構成にしたことを特徴とするバンプ高さ測定装置。