JP5462779B2 - 基板検査装置及び基板検査方法 - Google Patents

Description

この発明は、基板に形成された凹部の深度を検査する技術に関する。

これまでの大規模集積回路（LSI）は、半導体素子の微細化によって、大容量化、高性能化が進められてきている。そして、さらなるＬＳＩの微細化、小型化、高速化、省電力化を実現するために、三次元集積化技術が実用化に向けて注目を浴びている。

三次元集積回路を実現するために、二次元集積回路を積層した後、シリコン基板を垂直に貫通する穴（凹部）を設けて、上層と下層とを電極で接続するという製造方法が提案されている。この穴は、シリコン貫通配線（TSV: Through-Si Via）（以下、貫通ビアともいう。）と呼ばれる。貫通ビアは、一般的に、口径が数μｍ（マイクロメートル）から十数μｍ単位であり、深さは数μｍから数百μｍとなっている。

貫通ビアの製造プロセスにおいては、貫通ビアの深さ（深度）の測定が必要とされる。貫通ビアは、シリコン基板を比較的深く掘ることで形成されるため、白色光反射型干渉法等の非接触による測定方法が実用化されている。しかしながら、十分な反射光が得られない場合や、または、測定対象が微細な構造に形成された凹形状である場合には測定が困難であった。そのため、シリコン基板を貫通ビア部分で切断して、可視光顕微鏡または電子顕微鏡で貫通ビアの深さが測定されている。

非接触で貫通ビア等の凹部の深さを測定する技術としては、特許文献１に開示された技術を利用することも考えられる。特許文献１では、被加工物に加工用のフェムト秒レーザーを照射するとともに、このフェムト秒レーザーの干渉を利用して、加工状況をモニターする技術が開示されている。

特開２００４−３０６１００号公報

ところが、特許文献１に開示された技術の場合、測定のために加工用のフェムト秒レーザーを照射する必要がある。したがって、貫通ビアをその他の方法（例えば、ドライエッチング）で形成する場合や、加工後に貫通ビアの深さを測定する場合等に、特許文献１の技術を適用することは困難であった。

本願発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板に形成された凹部の深さを、加工方法の制約を受けず、かつ、任意の時間に、非破壊、非接触で測定する技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、第１の態様は、基板に形成された凹部の深度を検査する基板検査装置であって、基板に向けて電磁波パルスを照射する電磁波パルス照射部と、前記電磁波パルスを検出する電磁波パルス検出部と、凹部が形成されている凹部形成領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形と、前記凹部形成領域とは異なる参照領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形とを比較して、その位相差を取得する位相差取得部と、前記位相差に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する凹部深度取得部とを含み、前記凹部深度取得部は、前記凹部形成領域に含まれる前記凹部の開口面積に基づき、前記凹部形成領域の開口率を取得し、該開口率に基づき、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する。

また、第２の態様は、第１の態様に係る基板検査装置において、前記電磁波パルス検出部にて検出される前記電磁波パルスに基づき、前記基板の屈折率を取得する屈折率取得部、をさらに含み、前記凹部深度取得部は、前記屈折率に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する。

また、第３の態様は、第１または２の態様に係る基板検査装置において、前記凹部形成領域には複数の凹部が含まれており、前記凹部深度取得部は、前記複数の凹部の深度を平均化した平均深度として取得する。

また、第４の態様は、第１から３までのいずれか１態様に係る基板検査装置において、前記凹部が、三次元集積回路の形成用の積層体に形成された貫通ビア、または、ＭＥＭＳの一部である。

また、第５の態様は、第１から４までのいずれか１態様に係る基板検査装置において、前記電磁波パルスには、周波数が０．１〜１０テラヘルツの範囲の電磁波パルスが含まれる。

また、第６の態様は、基板に形成された凹部の深度を検査する基板検査方法であって、基板に向けて電磁波パルスを照射する電磁波照射工程と、前記電磁波パルスを検出する電磁波パルス検出工程と、凹部が形成されている凹部形成領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形と、前記凹部形成領域とは異なる参照領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形とを比較して、その位相差を検出する位相差取得工程と、前記位相差に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する凹部深度取得工程と、前記凹部形成領域に含まれる前記凹部の開口面積に基づき、前記凹部形成領域表面の開口率を取得する開口率取得工程と、を含み、前記凹部深度取得工程は、前記開口率と前記位相差とに基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する工程である。

また、第７の態様は、第６の態様に係る基板検査方法において、前記電磁波パルス検出部にて検出される前記電磁波パルスに基づき、前記基板の屈折率を取得する電磁波取得工程、をさらに含み、前記凹部深度取得工程は、前記屈折率に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する工程である。

また、第８の態様は、第６または７の態様に係る基板検査方法において、前記凹部形成領域には複数の凹部が含まれており、前記凹部深度取得工程では、前記複数の凹部の深度を平均化した平均深度として取得する。

第１の態様に係る基板検査装置によると、凹部形成のための加工方法に依存せず、かつ、任意の時間に、基板に形成された凹部の深度を非接触及び非破壊で測定することができる。
また、第１の態様に係る基板検査装置によると、開口率に基づいて、凹部の深度を測定できる。

また、第２の態様に係る基板検査装置によると、屈折率に基づいて凹部の深度を測定できる。

また、第３の態様に係る基板検査装置によると、凹部形成領域に複数の凹部が含まれている場合に、開口率を利用することで、複数の凹部の深度のそれぞれを平均化した平均深度を取得できる。

また、第４の態様に係る基板検査装置によると、三次元集積回路を構成する貫通ビアの深度を測定することができる。また、半導体技術を使用するＭＥＭＳの一部として基板上に凹部が形成される場合において、その凹部の深度を適切に測定することができる。

第５の態様に係る基板検査装置によると、０．１〜１０テラヘルツの範囲の電磁波は、光波と電波との中間的な性質を備えるため、基板を比較的透過しやすい。このような電磁波を利用することによって、比較的凹部が深く形成されている場合にも、良好にその深度を検査することができる。

第１実施形態に係る基板検査装置の構成を示す図である。 基板検査装置を用いて基板の検査を行う検査過程を示す流れ図である。 検査対象物である基板を概念的に示す概略斜視図である。 貫通ビアが形成された基板表面の一部分を示す概略上面図である。 基板表面のその他の部分を示す概略上面図である。 基板表面のその他の部分を示す概略上面図である。 テラヘルツ波パルス検出部にて取得されるテラヘルツ波の時間波形図である。 貫通ビアが形成されたビア形成領域を示す概略斜視図である。 平坦領域及びビア形成領域のそれぞれを通過するテラヘルツ波を示す概念図である。 表示部に表示される検査結果の表示例を示す図である。 第２実施形態に係る貫通ビアの断面を示す図である。 ＭＥＭＳが形成された基板表面の断面を拡大して示す断面斜視図である。

以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をこれのみに限定する趣旨のものではない。

｛１． 第１実施形態｝
図１は、第１実施形態に係る基板検査装置１００の構成を示す図である。基板検査装置１００は、可視光顕微鏡１１と、テラヘルツ波パルス放射部１３と、テラヘルツ波パルス検出部１５と、基板移動ステージ１７とを備えている。また、基板検査装置１００は、制御部２１と、屈折率取得部２３と、位相差取得部２５と、ビア深度取得部２７と、記憶部２９とを備えている。また、基板検査装置１００は、入力部３１と表示部３３とを備えている。

基板検査装置１００は、シリコン基板等の半導体ウエハ（以下、基板）９に三次元集積回路を構成するため、基板９の平面に対して垂直方向に積層された二次元集積回路に設けられる貫通ビア９Ｈ（図３参照）の深度（深さ）を測定するよう構成されている。ただし、測定対象は貫通ビア９Ｈのような凹部に限定されるものではない。例えば、格子状に形成される溝状の凹部を測定対象とすることもできる（図１２参照）。また、基板検査装置１００の検査対象となる基板９は、半導体ウエハに限定されるものではなく、液晶表示装置等の表示パネル向けの基板や、太陽電池パネル向けの基板等であってもよい。

また、基板検査装置１００は、基板移動ステージ１７に載置された基板９にテラヘルツ波を照射して、その透過波を検出する。一般に、電磁波は、その波長よりも小さい凹凸であっても、透過した際に、屈折率差によって位相にずれが生じる。テラヘルツ波（１ＴＨｚの場合、波長は０．３ｍｍ。）の場合でも、透過する基板９の領域における貫通ビア９Ｈの有り無しによって、透過波に位相のズレが生じる。基板検査装置１００では、この位相のズレを検出することで、貫通ビア９Ｈの深度を検査する。

可視光顕微鏡１１は、基板移動ステージ１７の表面を観察するために設けられている。オペレータは、可視光顕微鏡１１を介して基板９の表面を観察することが可能であり、基板９の検査対象領域の状況を把握することができる。なお、可視光顕微鏡１１に図示しないＣＣＤカメラ等の撮影部を接続し、該撮影部によって基板９の観察像を取得するようにしてもよい。また、この観察像を後述する表示部３３に表示できるようにしてもよい。

テラヘルツ波パルス放射部１３は、例えば０．１〜１０ＴＨｚ（テラヘルツ）の電磁波を、例えばフェムト秒単位でパルス状にパルス光発生器で発生させ、これを下方に配置された基板移動ステージ１７に向けて照射する。テラヘルツ波パルス検出部１５は、基板移動ステージ１７を挟んでテラヘルツ波パルス放射部１３に配置されており、テラヘルツ波パルス放射部１３から放射されたテラヘルツ波パルスを検出する。テラヘルツ波パルス検出部１５は、検出されたテラヘルツ波パルスの検出信号を制御部２１に出力する。テラヘルツ波パルス放射部１３とテラヘルツ波パルス検出部１５とは、テラヘルツ時間領域分光（THz-TDS）システムとして構成されている。

０．１〜１０ＴＨｚの範囲の電磁波は、光波と電波との中間的な性質を備えており、光波のように直進性に優れ、また、電波のように物の透過性に優れている。このような電磁波を利用することによって、貫通ビア９Ｈのような比較的深い凹部であっても、良好にその深度を検査することができる。

基板移動ステージ１７は、基板９を載置する載置面を有しており、該載置面に載置された基板９を水平に保持する。また、基板移動ステージ１７は、図示しない駆動機構によって保持した基板９を水平面内で移動させるＸ−Ｙステージとして構成されている。基板移動ステージ１７は、基板９を鉛直方向に移動できるように構成されていてもよい。また、基板移動ステージ１７には、上下に貫通する貫通孔１７Ｈが形成されている。基板検査装置１００において基板９が検査される際には、上方のテラヘルツ波パルス放射部１３から放射されたテラヘルツ波は、基板９を透過した後、貫通孔１７Ｈを通過して、テラヘルツ波パルス検出部１５に到達することとなる。

なお、可視光顕微鏡１１、テラヘルツ波放射部１３及びテラヘルツ波検出部１５を移動させる移動機構を設けることによって、基板９に対し、可視光顕微鏡１１、テラヘルツ波放射部１３及びテラヘルツ波検出部１５を相対的に移動させてもよい。この場合、基板移動ステージ１７の駆動機構は、適宜省略することができる。

制御部２１は、可視光顕微鏡１１、テラヘルツ波パルス放射部１３、テラヘルツ波パルス検出部１５、基板移動ステージ１７に接続されており、これらの動作を制御する。また制御部２１は、後述する屈折率取得部２３、位相差取得部２５、ビア深度取得部２７に接続されており、これらの処理部に各種データを出力する。また、制御部２１は、これらの処理部から演算結果を取得して、記憶部２９に格納する。さらに制御部２１には、入力部３１及び表示部３３が接続されている。

屈折率取得部２３は、テラヘルツ波パルス検出部１５によって検出されるテラヘルツ波の波形信号に基づき、テラヘルツ波に関する基板９の屈折率を取得する。詳細には、屈折率取得部２３は、基板９が基板移動ステージ１７にセットされていない状態でのテラヘルツ波の時間波形（ここではパルス波形）と、基板９を透過したテラヘルツ波の時間波形とをそれぞれフーリエ変換することにより、周波数に関する振幅強度スペクトル、および、位相スペクトルを取得する。屈折率取得部２３は、これらのスペクトル解析結果から、複素屈折率を算出し、その実部を基板９の屈折率として取得する。なお、屈折率を算出する詳細な演算手法については、従来技術やそれに類似する技術を適宜利用することができる。

位相差取得部２５は、基準物（例えば、貫通ビアのない平坦領域）を透過したときのテラヘルツ波の時間波形（基準時間波形）と、基板９の測定対象領域（例えば、貫通ビアが形成されているビア形成領域）を透過するテラヘルツ波の時間波形とを比較して、時間波形の位相差を算出する。なお、本実施形態でいう位相差とは、２つの波の位相のズレを時間軸上の差としている（図７参照）。

ビア深度取得部２７は、屈折率取得部２３によって取得された屈折率と、位相差取得部２５によって取得された位相差とに基づき、基板９の測定対象領域に形成された貫通ビアの深度を算出する。

記憶部２９は、制御部２１に接続されており、テラヘルツ波パルス検出部１５によって検出されたテラヘルツ波の波形情報や、その他各種情報を記憶する。

入力部３１は、キーボードや各種スイッチなどの入力装置やマウス等のポインティングデバイス等で構成されている。オペレータは、入力部３１を介した所定の操作入力を行うことによって、基板検査装置１００の動作を制御することができる。

表示部３３は、液晶モニター等の表示装置で構成される。表示部３３は、制御部２１の制御に基づいて、例えば可視光顕微鏡１１を介する基板９の観察像、テラヘルツ波パルス検出部１５によって検出されるテラヘルツ波の波形情報、及び、屈折率取得部２３、位相差取得部２５、ビア深度取得部２７等の各処理部による各種処理結果の一部または全部を表示する。なお、表示部３３をタッチパネルで構成することにより、表示部３３に入力部３１の機能の一部または全部を持たせてもよい。

図２は、基板検査装置１００を用いて基板９の検査を行う検査過程を示す流れ図である。また、図３は、検査対象物である基板９を概念的に示す概略斜視図である。なお基板９は、例えば半導体形成過程の途中にある半導体ウエハとして構成されており、半導体が３次元的に積層されている。また、基板９の表面には、貫通ビア９Ｈが複数形成されている。なお、以下に説明する基板検査装置１００の動作は、特に言及しない限り、制御部２１により制御されるものとする。

まず基板９が基板移動ステージ１７にセッティングされていない状態で、テラヘルツ波パルス放射部１３からテラヘルツ波が放射され、テラヘルツ波パルス検出部１５にて検出される（ステップＳ１１）。つまりこの状態では、空気中（もしくは真空中）を通過したテラヘルツ波がテラヘルツ波パルス検出部１５によって検出されることとなる。検出されたテラヘルツ波の波形情報（時間波形）は、リファレンス情報として記憶部２９に格納される。このリファレンス情報は、後述する基板９の屈折率取得（ステップＳ１４）のために利用される。ステップＳ１１の時点で、基板移動ステージ１７が、基板９を保持したまま所定の退避位置に退避していてもよい。

次に基板検査装置１００に、検査対象物である基板９が基板移動ステージ１７に載置される（ステップＳ１２）。このとき、例えば、図示しない基板搬送装置やオペレータによって基板９が基板移動ステージ１７に載置される。ステップＳ１２における基板９の配置位置は、テラヘルツ波パルス放射部１３から放射されるテラヘルツ波が、図３に示すように、貫通ビア９Ｈが形成されていない平坦領域９１Ｒを透過するように、基板９の配置位置が設定される。

基板９がセットされると、テラヘルツ波パルス放射部１３からテラヘルツ波が基板９の平坦領域９１Ｒに照射され、基板９の平坦領域９１Ｒを透過したテラヘルツ波がテラヘルツ波パルス検出部１５にて検出される（ステップＳ１３）。検出された波形情報は、記憶部２９に格納される。

次に基板検査装置１００は、屈折率取得部２３によって屈折率を算出する（ステップＳ１４）。ステップＳ１１，Ｓ１３で取得されたテラヘルツ波の波形情報に基づき、屈折率取得部２３にてスペクトル解析が行われる。また、基板９の厚みも適宜に設定される。これにより、基板９の屈折率ｎ１が取得される。

屈折率ｎ１が取得されると、基板検査装置１００は、基板移動ステージ１７を駆動することによって基板９を検査位置に移動させる（ステップＳ１５）。この検査位置は、貫通ビア９Ｈの深度を算出するために、テラヘルツ波が貫通ビア９Ｈを含む領域（ビア形成領域９２Ｒ、図３参照）に照射可能な位置となっている。なお、前述の平坦領域９１Ｒは、貫通ビア９Ｈが形成されている点以外、形状（垂直方向の厚さ等）及び構成要素の点でビア形成領域９２Ｒと略一致していることが望ましい。このような平坦領域９１Ｒを選択することによって、後述するテラヘルツ波パルスを用いた物性解析時に、貫通ビア９Ｈに対応した特性変化を良好に抽出することが可能となる。

なお、平坦領域９１Ｒ及びビア形成領域９２Ｒの大きさ及び形状は任意に設定することができる。例えば、これらの領域の大きさ及び形状を、テラヘルツ波パルス放射部１３からテラヘルツ波の照射する範囲（フォーカス面積）に応じて設定してもよい。

図２に戻って、基板検査装置１００は、基板９を上記検査位置に移動させると、テラヘルツ波が照射されるビア形成領域９２Ｒの単位面積当たりの開口率（以下、単に「開口率」と称する。）ＯＲが取得される（ステップＳ１６）。ここで、ビア形成領域９２Ｒの開口率ＯＲは、ビア形成領域９２Ｒの面積に対する、開口部の大きさ（ビア形成領域９２Ｒに含まれる貫通ビア９Ｈの開口面積）の割合である。開口率ＯＲの具体的な算出例について、図４〜図６を参照しつつ説明する。

開口率ＯＲの算出は、可視光顕微鏡１１を介して取得される観察像から、画像解析等に基づいて取得される。図４は、貫通ビア９Ｈが形成された基板９表面の一部分を示す概略上面図である。図４に示した例では、辺の長さがＬの正方形領域であるビア形成領域９２Ｒに、真円状（半径ｒ）の開口部９３ｒを有する貫通ビア９Ｈが形成されている。この開口部９３ｒの開口面積はπｒ²となるため、図４に示したビア形成領域９２Ｒについての開口率ＯＲは、次式（１）で表される。

また図５は、基板９表面のその他の部分を示す概略上面図である。図５に示した例では、辺の長さＬの正方形領域であるビア形成領域９２Ｒに、真円状（半径ａ，ｂ）の開口部９３ａ，９３ｂを有する貫通ビア９Ｈ，９Ｈが形成されている。このビア形成領域９２Ｒにおける開口率ＯＲは、開口面積が（πａ²＋πｂ²）であることから、次式（２）で表される。

さらに図６は、基板９表面のその他の部分を示す概略上面図である。図６に示した例では、辺の長さＬの正方形領域であるビア形成領域９２Ｒに、真円状（半径ｃ）の開口部９３ｃを有する貫通ビア９Ｈの一部（真円の１／４サイズの扇型）が４つ分形成されている。このビア形成領域９２Ｒにおける開口率ＯＲは、開口面積がπｃ²であることから、次式（３）で表すことができる。

なお、開口率ＯＲは、実際の観察像から算出されることが望ましいが、ＣＡＤデータ等の設計図から設計値を取得するようにしてもよい。また、観察像やＣＡＤデータに基づいて、オペレータがマニュアルで計算し、該計算結果を入力することで、開口率ＯＲが取得されるようにしてもよい。また、複数の貫通ビアが、所定の周期性を持って形成されている（例えば、図６に示すように格子点状に貫通ビアが形成されている）等の場合、隣接する貫通ビア同士の間隔等を利用して、開口率ＯＲを算出してもよい。

図３に戻って、ステップＳ１６にて開口率ＯＲが算出されると、基板検査装置１００は、テラヘルツ波パルス放射部１３からテラヘルツ波をビア形成領域９２Ｒに向けて照射する。そして、基板検査装置１００は、基板９を透過したテラヘルツ波をテラヘルツ波パルス検出部１５にて検出する（ステップＳ１７）。検出されたテラヘルツ波の波形情報（時間波形）は、記憶部２９に格納される。

次に、基板検査装置１００は、平坦領域９１Ｒを透過したテラヘルツ波の波形情報と、ビア形成領域９２Ｒを透過したテラヘルツ波の波形情報とを比較することによって、位相差ΔＴを取得する（ステップＳ１８）。具体的に、位相差ΔＴは、ステップＳ１３にて取得されたテラヘルツ波の時間波形と、ステップＳ１７で取得されたテラヘルツ波の時間波形とが比較されることによって取得される。

図７は、テラヘルツ波パルス検出部１５にて取得されるテラヘルツ波の時間波形図である。同図中、横軸は時間を示しており、縦軸はテラヘルツ波の振幅を示している。また、波形４１は、ステップＳ１３にて検出されたテラヘルツ波の時間波形に相当し、波形４３は、ステップＳ１７にて検出されたテラヘルツ波の時間波形に相当する。

ビア形成領域９２Ｒに貫通ビア９Ｈが形成されていることによって、この空洞空間の分、テラヘルツ波は基板９を早く透過できる。このため、図７に示したように、平坦領域９１Ｒを透過するテラヘルツ波（波形４１）は、ビア形成領域９２Ｒを透過するテラヘルツ波（波形４３）に比べて、位相差ΔＴ分遅れて検出される。なお、このΔＴは、波形４１，４３のピーク値（矢印Ａ１参照）付近、または、波形４１，４３の半値（波形４１，４３の最大値と最小値の間の中間値、矢印Ａ２参照）付近において、容易に測定することができる。

図３に戻って、位相差ΔＴを取得した基板検査装置１００は、貫通ビア９Ｈの深度を算出する（ステップＳ１９）。この深度の算出方法については、図８及び図９を参照しつつ説明する。

図８は、貫通ビア９Ｈが形成されたビア形成領域９２Ｒを示す概略斜視図である。図８に示した貫通ビア９Ｈは、半径がｒ、深さがｘで表される略円柱状の空洞空間として形成されている。またここでは、貫通ビア９Ｈが形成されている基板９の厚みをｙとしている。

図８に示したビア形成領域９２Ｒの体積は、Ｌ²・ｙであり、貫通ビア９Ｈの体積（空洞体積）は、π・ｒ²・ｘとなる。したがって、ビア形成領域９２Ｒにおける単位体積当たりの空洞率ＨＲ（以下、空洞率と称する。）は、次式（４）で表される。

図９は、平坦領域９１Ｒ及びビア形成領域９２Ｒのそれぞれを通過するテラヘルツ波を示す概念図である。ここで、平坦領域９１Ｒにおける基板９の屈折率をｎ１とし、ビア形成領域９２Ｒの屈折率ｎ２とすると、平坦領域９１Ｒを透過するテラヘルツ波の速度（位相速度）Ｖ１は、ｃ／ｎ１と表され、ビア形成領域９２Ｒを透過するテラヘルツ波の速度はｃ／ｎ２と表される（ここで、ｃは光速）。ここで、ステップＳ１８で取得される位相差ΔＴは、屈折率ｎ１，ｎ２を使って、次式（５）のように表すことができる。

ビア形成領域９２Ｒの近似的な屈折率ｎ２が、平坦領域９１Ｒの屈折率ｎ１と異なるのは、貫通ビア９Ｈにより空洞空間が形成されていることに起因する。ここで、空洞空間が、屈折率ｎｈの物質で充填されているとすると、屈折率ｎ２は、次式（６−１）で表される。特に、貫通ビア９Ｈ内の空洞空間が、ほぼ空気で充填されている場合、基板９の屈折率が空気の屈折率に比べて十分に大きいとすると、この空洞空間の屈折率は真空の屈折率（＝１）に近似される。この場合の屈折率ｎ２は、次式（６−２）で表される。

式（６−１）または式（６−２）を式（５）に代入すると、位相差ΔＴは、次式（７−１）または式（７−２）で表される。

さらに式（７−１）または式（７−２）を変形すると、貫通ビア９Ｈの深さｘは、それぞれ次式（８−１）または式（８−２）で表される。

式（８−１）または式（８−２）に、ステップＳ１４にて取得された屈折率ｎ１と、ステップＳ１６にて取得された開口率ＯＲを代入することによって、貫通ビア９Ｈの深さｘを算出することができる。以上のようにして、基板検査装置１００は、取得した貫通ビア９Ｈの深さｘを取得し、記憶部２９に格納する。

図８に示した例では、ビア形成領域９２Ｒに貫通ビア９Ｈが１つだけ形成されている例をモデルにしている。このため、式（８−１）または式（８−２）から導かれるｘの値は、そのまま貫通ビア９Ｈの深さとなる。しかしながら、本実施形態では、ビア形成領域９２Ｒに形成されている貫通ビア９Ｈの数に関わらず、開口率ＯＲに基づいて貫通ビア９Ｈの深度が算出される。したがって、ビア形成領域９２Ｒに複数の貫通ビア９Ｈが含まれる場合（図５，６参照）、式（８−１）または式（８−２）で取得される深さｘは、これら複数の貫通ビア９Ｈの深度を平均化した値となる。

以上のように、本実施形態の基板検査装置１００によると、テラヘルツ波を用いて深度を測定するため、貫通ビア９Ｈ形成の加工方法に依存することなく、かつ、基板９のプロセス途中などの任意の時間に、基板９に形成された貫通ビア９Ｈの深度を非接触及び非破壊で測定することができる。

また、テラヘルツ波は、波長が比較的長いため、分解能はそれほど高くない。これに対して、本実施形態では、単一の貫通ビア９Ｈを検査対象とするのではなく、所定範囲（ビア形成領域９２Ｒ）に検査用のテラヘルツ波を照射し、開口率ＯＲを使って、貫通ビア９Ｈの深度を測定する。このため、貫通ビア９Ｈのようなテラヘルツ波の波長よりも小さい凹部であっても、その深度を良好に測定することができる。

なお、ステップＳ１９の後、さらに基板９のその他の領域についても続けて検査を行うようにしてもよい。この場合、基板検査装置１００は、ステップＳ１５に戻って基板移動ステージ１７を駆動し、基板９を別の測定位置へ移動させ、そして、ステップＳ１６〜Ｓ１９を再び実行することとなる。

図１０は、表示部３３に表示される検査結果の表示例を示す図である。図１０では、所定の間隔（例えば、５ｍｍ間隔）で基板９を移動させながら、図３に示したステップＳ１４〜ステップＳ１９を繰り返し実行することにより、基板９の複数領域における貫通ビア９Ｈの深度を測定したものとなっている。

図１０に示した表示画面３３Ｉでは、検査によって取得された貫通ビア９Ｈの深度に応じて、測定地点に相当する各領域を色で塗り分けた深度分布となっている。なお、貫通ビア９Ｈの深度の違いは、グレースケール、または、カラーの塗り分けによって示されてもよいし、網点によって疑似的に塗り分けて示されてもよい。さらに、貫通ビア９Ｈの深度の違いが、測定地点に相当する各領域にアルファベット等の文字、記号または図形等で識別可能にラベル付けして示されてもよい。

以上のように、基板９における貫通ビア９Ｈの深度の分布状況を表示部３３に表示することによって、貫通ビア９Ｈの形成状況を、広い範囲で容易に把握することができる。したがって、基板９において、貫通ビア９Ｈの形成が不完全な領域を容易に特定することができる。

｛２． 第２実施形態｝
上記実施形態では、貫通ビア９Ｈを円柱状として、貫通ビア９Ｈの深度を取得していたが、円柱状でない貫通ビアであっても、基板検査装置１００によってその深度を検査することは可能である。

図１１は、第２実施形態に係る貫通ビア９Ｈａの断面を示す図である。図１１に示した貫通ビア９Ｈａは、上面が半径ｒ１、下面が半径ｒ２である円錐台となっている。ここで、円錐台の体積をＳとすると、貫通ビア９Ｈａを含むビア形成領域９２Ｒの空洞率ＨＲａは、Ｓ／（Ｌ²・ｙ）となる。この空洞率ＨＲａを式（６−１）または式（６−２）の空洞率ＨＲに代入して屈折率ｎ２を求め、さらにこの屈折率ｎ２を式（５）に代入することによって、次式（９−１）または次式（９−２）が導きだされる。

ここで、図１１に示した貫通ビア９Ｈａの場合、体積Ｓは次式（１０）で表される。

この式（１０）と、式（９−１）または式（９−２）とから、貫通ビア９Ｈａの深度ｈは、次式（１１−１）または次式（１１−２）のように表される。

この式（１１−１）または式（１１−２）に、各測定値を代入することによって、深度ｈを取得することができる。なお、式（１１−１）または式（１１−２）において、半径ｒ１については可視光顕微鏡１１による観察によって、比較的容易に取得することができる。これに対して、半径ｒ２については、可視光顕微鏡１１では取得困難な場合がある。このような場合は、半径ｒ１の値から予め用意した円錐台モデルを用いて半径ｒ２を推定するようにしてもよい。

また、半径ｒ２の値として、ＣＡＤデータ等の設計図から取得される半径ｒ２の設計値を仮の値として式（１１−１）または式（１１−２）に代入してもよい。このとき、算出された深度ｈが設計値から外れている場合、貫通ビア９Ｈａが設計通りに形成されていないことが分かる。

｛３． 変形例｝
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。

例えば、第１実施形態では、式（８−１）に基づき、各地点の貫通ビア９Ｈの深度ｘが具体的な長さとして算出される。しかしながら、基板検査装置１００が、検査結果である貫通ビア９Ｈの深度を、ある地点での測定結果等を基準として、相対的な値として取得することも可能である。つまり、式（８−１）中の屈折率ｎ１は、基本的に基板９固有の値であるため、各測定地点での貫通ビア９Ｈの深度は、位相差ΔＴと開口率ＯＲで決まる。そこで、屈折率ｎ１の取得を省略したとしても、位相差ΔＴと開口率ＯＲとを求めることで、各地点における貫通ビア９Ｈの深度を相対的値として決定することができる。

また、上記実施形態では、検査対象の凹部が円柱状の貫通ビア９Ｈ、または、円錐台状の貫通ビア９Ｈａである場合を例に挙げて説明したが、凹部はこのような形状のものに限定されない。本願発明は凹部の形状が、多角柱、多角錐台、円錐または多角錐等他、様々な立体形状である場合にも有効である。

また、上記実施形態では、基板９の表面の貫通ビア９Ｈの深度を測定する例を挙げているが、基板検査装置１００の検査対象は、これに限定されるものではない。微小電気機械素子（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）に形成される凹部の深度を検査することができる。なお、具体的なＭＥＭＳとしては、例えば、デジタルミラーデバイスや加速度センサや圧力センサ、インクジェットプリンタなどのヘッドといったものが挙げられる。

図１２は、ＭＥＭＳが形成された基板９Ｂ表面の断面を拡大して示す断面斜視図である。図１２に示した例では、基板９Ｂの表面に、相互に並行に延びる溝状の凹部９Ｈｂが複数形成されている。基板検査装置１００によると、このような凹部９Ｈｂが形成された基板９Ｈｂ表面の開口率を取得することによって、凹部９Ｈｂの深度を取得することができる。なお、基板９Ｈｂの開口率は、基板９Ｈｂの観察像から直接取得するようにしてもよいし、または、隣接する凹部９Ｈｂの形成間隔（ピッチ）を用いた演算に基づいて取得するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、屈折率ｎ２を開口率ＯＲまたは空洞率ＨＲの概念を用いて、演算により算出している（式（６−１）参照）。しかしながら、屈折率ｎ２は、ステップＳ１７で取得されるテラヘルツ波の波形情報とステップＳ１１で取得した波形情報とを解析することによっても取得可能である。この解析によって取得した屈折率ｎ２とステップＳ１４にて取得された屈折率ｎ１とを式（５）に代入することによって、位相差ΔＴを算出することができる。さらに算出した位相差ΔＴを式（８−１）に代入すれば、貫通ビア９Ｈの深度ｘを算出することができる。

ただし、この変形例に係る算出方法では、取得される屈折率ｎ２がフーリエ演算後に求められる値となる。したがって、このフーリエ演算によって取得される屈折率ｎ２から位相差ΔＴを算出するよりも、第１実施形態のように、位相差ΔＴを直接測定して取得した方が、一般に精度が高くなる。つまり、第１実施形態のように位相差ΔＴを取得することで、貫通ビア９Ｈの深度ｘを高精度に求めることができる。

また、上記実施形態では、制御部２１、屈折率取得部２３、位相差取得部２５、ビア深度取得部２７等の処理部は、専用の回路等でハードウェア的に実現してもよいし、これら処理部の機能の一部または全部を、コンピュータを利用して、ソフトウェア的に実現してもよい。

１００ 基板検査装置
１１ 可視光顕微鏡
１３ テラヘルツ波パルス放射部
１５ テラヘルツ波パルス検出部
１７ 基板移動ステージ
２１ 制御部
２３ 屈折率取得部
２５ 位相差取得部
２７ ビア深度取得部
２９ 記憶部
３３ 表示部
３３Ｉ 表示画面
９ 基板
９１Ｒ 平坦領域
９２Ｒ ビア形成領域
９３ａ，９３ｂ，９３ｃ，９３ｒ 開口部
９Ｈ，９Ｈａ 貫通ビア
ＨＲ，ＨＲａ 空洞率
ＯＲ 開口率
ｘ，ｈ 深度
ｎ１，ｎ２ 屈折率
ΔＴ 位相差

Claims (8)

1. 基板に形成された凹部の深度を検査する基板検査装置であって、
   基板に向けて電磁波パルスを照射する電磁波パルス照射部と、
   前記電磁波パルスを検出する電磁波パルス検出部と、
   凹部が形成されている凹部形成領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形と、前記凹部形成領域とは異なる参照領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形とを比較して、その位相差を取得する位相差取得部と、
   前記位相差に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する凹部深度取得部と、
   を含み、
   前記凹部深度取得部は、前記凹部形成領域に含まれる前記凹部の開口面積に基づき、前記凹部形成領域の開口率を取得し、該開口率に基づき、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する基板検査装置。
2. 請求項１に記載の基板検査装置において、
   前記電磁波パルス検出部にて検出される前記電磁波パルスに基づき、前記基板の屈折率を取得する屈折率取得部、
   をさらに含み、
   前記凹部深度取得部は、前記屈折率に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する基板検査装置。
3. 請求項１または２に記載の基板検査装置において、
   前記凹部形成領域には複数の凹部が含まれており、
   前記凹部深度取得部は、前記複数の凹部の深度を平均化した平均深度として取得する基板検査装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の基板検査装置において、
   前記凹部が、三次元集積回路の形成用の積層体に形成された貫通ビア、または、ＭＥＭＳの一部である基板検査装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の基板検査装置において、
   前記前記電磁波パルスには、周波数が０．１〜１０テラヘルツの範囲の電磁波パルスが含まれる基板検査装置。
6. 基板に形成された凹部の深度を検査する基板検査方法であって、
   基板に向けて電磁波パルスを照射する電磁波照射工程と、
   前記電磁波パルスを検出する電磁波パルス検出工程と、
   凹部が形成されている凹部形成領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形と、前記凹部形成領域とは異なる参照領域を透過した前記電磁波パルスの時間波形とを比較して、その位相差を検出する位相差取得工程と、
   前記位相差に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する凹部深度取得工程と、
   前記凹部形成領域に含まれる前記凹部の開口面積に基づき、前記凹部形成領域表面の開口率を取得する開口率取得工程と、
   を含み、
   前記凹部深度取得工程は、前記開口率と前記位相差とに基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する工程である基板検査方法。
7. 請求項６に記載の基板検査方法において、
   前記電磁波パルス検出部にて検出される前記電磁波パルスに基づき、前記基板の屈折率を取得する電磁波取得工程、
   をさらに含み、
   前記凹部深度取得工程は、前記屈折率に基づいて、前記凹部形成領域に形成された凹部の深度を取得する工程である基板検査方法。
8. 請求項６または７に記載の基板検査方法において、
   前記凹部形成領域には複数の凹部が含まれており、
   前記凹部深度取得工程では、前記複数の凹部の深度を平均化した平均深度として取得する基板検査方法。

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