JP6024459B2 - 赤外光を用いたスルーホールパターン検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元積層等に用いられる基板の検査方法および検査装置に関する。また、これらを利用した露光システムおよび半導体装置の製造方法に関する。

半導体の微細化が限界に近づいていると言われている中で、半導体チップを３次元積層することは、パフォーマンス向上、省電力化、省スペース化などのメリットがあり、半導体の微細化と並ぶ付加価値向上の手段として急速に普及しつつある。３次元積層は、半導体チップを１０〜５０μｍ程度まで薄くして積層する技術であるが、上下のチップ間の電気的接続は、チップを貫通する多数の電極（ＴＳＶ：シリコン貫通電極）を用いて行う。このようにすれば、チップ間を短い距離で電気的に接続できるので、チップを水平に並べて接続する従来のＳｉＰ（System in a Package）と比べて、素子の動作速度の向上、省電力化、省スペース化が達成される。

ＴＳＶ（Through-Silicon Via）の形成方法は、半導体チップ上の素子を形成する前に行う場合や、半導体チップ上の素子を形成した後に行う場合など、各種あるが、いずれの場合も、ウェハ（シリコン基板）上に微細な径の深い穴を形成し、穴の側壁を絶縁膜で被った後、銅などの導電性の高い物質を充填することにより形成される。このとき、ＴＳＶの形成過程、及びＴＳＶの形成後での検査が重要であるが、これらの検査は、ウェハを割ってＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）などで観察することにより行われている。この方法は、断面の実際の形を観察できる反面、破壊検査であり、検査に時間がかかる。

一方、顕微鏡などでウェハの表面を観察する方法もあるが、これでは、ウェハの表面の状態しか確認することができない。また、赤外光を用いた顕微鏡により透過像を観察することも行われているが、一度に観察できるのはごく小さな領域であり、ウェハ全面のＴＳＶをこの方法で検査するのは現実的ではない。さらに、この方法では、一方から見た透過像を観察するため、微小な立体的な形状変化を検出するのは難しい。

ところで、半導体ウェハに形成された繰り返しパターンを回折光の強度や偏光状態の変化などで検査する技術がある（例えば、特許文献１を参照）。この方式によれば、広い面積を短時間で検査でき、パターンを形成するための露光装置のフォーカス変動またはドーズ（露光エネルギー）変動による異常や、加工装置の不具合や調整不良に起因する異常を短時間で感度良く検出することができる。

米国特許第７２９８４７１号明細書

しかしながら、この方式を用いた従来の装置では、照明光の波長が可視〜深紫外の波長域であり、ウェハの表面付近の状態、すなわち、ウェハ表面におけるＴＳＶの径や開口部の異常の検査しかできず、ＴＳＶにおける穴の深い部分の異常が検出できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、パターンの奥部まで検査可能な基板の検査方法および検査装置、並びに、これらを利用した露光システムおよび半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る基板の検査方法は、一方の面に該面から内部に延在するパターンが形成された基板の前記一方もしくは他方の面に、赤外光を含む照明光を照射する照射ステップと、前記照明光が前記基板で反射または透過した赤外光のうち、互いに波長の異なる複数種類の赤外光を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光でそれぞれ検出した複数の検出結果に基づいて、前記基板の所定の深さの検査結果を取得する検査ステップとを有し、前記検出ステップにおいて、前記照明光が照射されて前記基板の前記パターンで発生した回折光を検出している。

なお、上述の検査方法では、前記基板はシリコン基板であってもよく、前記検査ステップにおいて、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光の前記シリコン基板への浸透特性に基づいて、前記検出ステップで検出した前記シリコン基板からの前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光の検出信号から、前記シリコン基板の所定の深さ位置の前記検査を行うようにしてもよい。

また、上述の検査方法では、前記照明光として約６００ｎｍ〜約１１００ｎｍの波長の光が用いられてもよい。

また、上述の検査方法では、前記パターンは、前記基板に穴あけ形成された複数のホールからなるホールパターンであってもよく、前記ホールは、前記基板に貫通電極を形成するためのホールであってもよい。

また、上述の検査方法では、前記基板からの光と前記ホールの径との相関を利用して、前記検出ステップで検出した検出信号から前記ホールの径を算出する演算ステップを有してもよい。

また、上述の検査方法では、前記検出ステップにおいて取得された、前記互いに異なる複数種類の検出結果に基づいて、前記基板の異常個所の深さを特定してもよく、前記検出された回折光の検出結果に基づいて所定の深さの基板の検査結果を取得するようにしてもよい。

また、本発明に係る基板の検査装置は、一方の面に該面から内部に延在するパターンが形成された基板の前記一方もしくは他方の面に、赤外光を含む照明光を照射する照射部と、前記照明光が照射された前記基板からの互いに波長の異なる複数種類の赤外光を検出し、検出信号を出力する検出部と、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光でそれぞれ検出した複数の検出結果に基づいて、前記基板の所定の深さの検査結果を取得する検査部とを備えて構成され、前記検出部は、前記照明光が照射されて前記基板の前記パターンで発生した回折光を検出する。

なお、上述の検査装置において、前記基板はシリコン基板であってもよく、前記検査部は、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光の前記シリコン基板への浸透特性と、前記シリコン基板からの前記検出信号とに基づいて、前記シリコン基板の所定の深さ位置の前記検査を行うようにしてもよい。

また、上述の検査装置において、前記照射部は、前記照明光として複数の波長の照明光をそれぞれ前記基板に照射してもよく、前記検査部は、前記照明光の前記基板への浸透特性に基づいて、前記所望深さ位置の前記検査を行うようにしてもよい。

また、上述の検査装置において、前記照明光として約６００ｎｍ〜約１１００ｎｍの波長の光が用いられてもよい。

また、上述の検査装置において、前記照射部は、前記パターンが形成されていない前記他方の面側から、少なくとも前記パターンに到達する程度の浸透性を有する光を、前記基板に照射してもよい。

また、上述の検査装置において、前記パターンは、前記基板に表面から内部に向かって形成された複数のホールからなるホールパターンであってもよく、前記ホールは、前記基板に貫通電極を形成するためのホールであってもよい。

また、上述の検査装置において、前記基板からの光と前記ホールの径との相関を利用して、前記検出信号から前記ホールの径を算出する演算部を備えてもよい。

また、上述の検査装置において、前記検出部は、前記検出された回折光の検出結果に基づき、異常個所の深さを特定してもよい。また、上述の検査方法では、前記基板で反射した光を検出する際に、前記照明光として、少なくとも前記パターンに到達する程度の浸透性を有する照明光を前記他方の面から照射してもよい。

また、本発明に係る露光システムは、基板の表面に所定のパターンを露光する露光装置と、前記露光装置により露光されて表面に前記パターンが形成された基板の検査を行う検査装置とを備え、前記検査装置は、本発明に係る検査装置であって、前記検査部による前記検査の結果を前記露光装置へ出力し、前記露光装置は、前記検査装置から入力された前記検査の結果に応じて、前記露光装置の露光条件を設定するようになっている。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の表面に所定のパターンを露光する露光工程と、前記露光が行われた前記パターンに応じて基板の表面にエッチングを行うエッチング工程と、前記露光もしくは前記エッチングが行われて表面に前記パターンが形成された基板の検査を行う検査工程とを有した半導体装置の製造方法であって、前記検査工程が本発明に係る検査方法を用いて行われるようになっている。

本発明によれば、シリコン基板のパターンの内部まで検査を行うことができる。

検査方法を示すフローチャートである。 検査装置の概要構成図である。 （ａ）はウェハを上から見たときの拡大図であり、（ｂ）はウェハの断面拡大図である。 （ａ）は穴の途中が膨らんでしまった状態のウェハの断面拡大図であり、（ｂ）は穴の深いところが先細りになってしまった状態のウェハの断面拡大図である。 光の波長に対するシリコンの複素屈折率の変化を表したグラフである。 光の波長に対するシリコンへの侵入長の変化を表したグラフである。 シリコンへの侵入長と光の波長との関係を示す表である。 半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 露光システムの概要構成図である。 露光装置の制御ブロック図である。 （ａ）は第１テストウェハの断面拡大図であり、（ｂ）は第２テストウェハの断面拡大図であり、（ｃ）は第３テストウェハの断面拡大図であり、（ｄ）は第４テストウェハの断面拡大図である。 第１テストウェハの回折画像を示す図である。 （ａ）は第２テストウェハの回折画像を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の回折画像における信号強度と穴径との関係を示すグラフである。 （ａ）は第２テストウェハの回折画像を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ（ａ）の回折画像における信号強度と穴径との相関を比較したグラフである。 第１テストウェハから第３テストウェハへのパターンの変化に対する信号変化を示すグラフである。 （ａ）は第１テストウェハと同じ条件で作製したウェハの回折画像を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の回折画像における信号強度と穴深さとの相関を示すグラフである。 第１テストウェハから第４テストウェハへのパターンの変化に対する信号変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。第１実施形態の検査装置を図２に示しており、この装置によりシリコン基板であるウェハＷの表面全体を一度に検査する。第１実施形態の検査装置１０は、略円盤形に形成されたウェハＷを保持するウェハチャック１５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハＷは、ウェハチャック１５の上に載置されるとともに真空吸着によって固定保持される。ウェハチャック１５に保持されたウェハＷは、回転チルト機構１６により、ウェハＷの回転対称軸（ウェハチャック１５の中心軸）を回転軸として回転可能である。また、回転チルト機構１６により、ウェハチャック１５に保持されたウェハＷを、ウェハＷの表面を通る軸を中心にチルト（傾動）させることが可能であり、照明光の入射角を調整できるようになっている。

検査装置１０はさらに、ウェハチャック１５に保持されたウェハＷの表面に照明光を平行光として照射する照明系（照射部）２０と、照明光の照射を受けたときのウェハＷからの光を集光する受光系３０と、受光系３０により集光された光を受けてウェハＷの像を撮像する撮像装置（検出部）３５と、コントローラ（調整部）４０および画像処理部（検査部）４５とを備えて構成される。照明系２０は、照明光を射出する光源部２１と、光源部２１から射出された照明光をウェハＷの表面に向けて反射させる照明側凹面鏡２５とを有して構成される。光源部２１は、ハロゲンランプ等から構成され、図示しない複数の波長選択フィルタを用いて、詳細は後述する複数の波長から選択した光を射出することができるようになっている。なお、波長選択フィルタに限らず、分光器を用いて照明光の波長を選択するようにしてもよい。

そして、光源部２１から照明側凹面鏡２５へ射出された照明光は、光源部２１の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５により平行な（テレセントリックな）光となってウェハチャック１５に保持されたウェハＷの表面全体に照射される。なお、ウェハＷに対する照明光の入射角と出射角は、ウェハチャック１５をチルト（傾動）させてウェハＷの載置角度を変化させることにより調整可能である。

ウェハＷからの出射光（回折光や正反射光等）は受光系３０により集光される。受光系３０は、ウェハチャック１５に対向して配設された受光側凹面鏡３１を主体に構成され、受光側凹面鏡３１により集光された出射光は、撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハＷの像が結像される。撮像装置３５は、図示しない対物レンズやイメージセンサ等から構成され、イメージセンサの撮像面上に形成されたウェハＷの像を光電変換して画像信号（検出信号）を生成し、生成した画像信号を、コントローラ４０を介して画像処理部４５に出力する。

コントローラ４０は、ウェハチャック１５、回転チルト機構１６、光源部２１、撮像装置３５等の作動をそれぞれ制御する。なお、コントローラ４０は、後述の回折条件を合わせるために、ウェハチャック１５、回転チルト機構１６、光源部２１、撮像装置３５の少なくとも１つを調整するように構成されている。画像処理部４５は、撮像装置３５から入力されたウェハＷの画像信号に基づいて、ウェハＷのデジタル画像を生成する。画像処理部４５と電気的に接続されたデータベース４６には、良品ウェハの画像データが予め記憶されており、画像処理部４５は、ウェハＷの画像（デジタル画像）を生成すると、生成したウェハＷの画像データとデータベース４６に記憶された良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハＷにおける異常（欠陥）の有無を検査する。そして、画像処理部４５による検査結果およびそのときのウェハＷの画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。なお、データベース４６は画像処理部４５と必ずしも電気的に接続されていなくてもよく、例えば、無線回線を通じて情報伝達可能に接続されていてもよい。

ところで、検査対象となるウェハＷは、検査対象となる加工処理（例えば、エッチング処理）の後、加工装置（例えば、エッチング装置）から不図示の搬送装置によりウェハチャック１５上に搬送される。なおこのとき、検査対象となるウェハＷは、ウェハＷのパターンもしくは外縁部に設けられた位置基準（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ウェハチャック１５上に搬送される。

ウェハＷの表面には、例えば図３に示すような繰り返しパターン（ホールパターン）が形成されている。このパターンＡは、シリコン（Ｓｉ）からなるベアウェハに規則的な配置で穴（ビア又はホール）が形成された構造となっている。ここで、図３（ａ）はウェハＷを上から見たときの一部を拡大したものであり、図３（ｂ）はウェハＷの断面図を拡大したものである。一例として、穴の直径は２μｍ、穴のピッチは４μｍ、穴の深さは２０μｍである。なお、ウェハＷの厚さは７２５μｍであり、図３ではウェハＷの厚さを省略して記載している。また、図３では、シリコンの部分を斜線（ハッチング）で、穴の部分を白色で示している。

パターンＡを構成する穴が正常に形成されなかった場合の例を図４に示す。ここで、図４（ａ）は穴の途中が膨らんでしまった場合を示し、図４（ｂ）は穴の深いところが先細りになってしまった場合を示している。このような形状になってしまうと、その後の形成プロセスおよび出来上がったＴＳＶの機能に支障をきたすので、検査により発見しなければならない。

以上のように構成される検査装置１０を用いたウェハＷの検査方法について、図１に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお予め、不図示の搬送装置により、検査対象となるウェハＷを表面が上方を向くようにウェハチャック１５上に搬送しておく。また、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハＷの表面に形成されているパターンＡの位置情報を取得しており、ウェハＷをウェハチャック１５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。なお、以下の動作は不図示の記憶装置に記憶されたシーケンスをコントローラ４０が各部に実行するよう指令を出すことによって実現される。

まず、ウェハＷの表面に、ウェハＷに対し透過性（浸透性）を有する照明光を照射する（ステップＳ１０１）。この照射ステップにおいて、所定の波長（可視光もしくは近赤外線の波長域）を有する照明光が光源部２１から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が平行光となってウェハチャック１５に保持されたウェハＷの表面全体に照射される。

このとき、光源部２１から射出される照明光の波長と、ウェハチャック１５に保持されたウェハＷの回転角度および傾き角度を調整すること（以下、回折条件を合わせると称する）により、規則的に形成された所定ピッチの繰り返しパターンＡからの回折光を撮像装置３５で受光しウェハＷの像を形成することができる。具体的には、回転チルト機構１６により、ウェハＷの表面上における照明方向（照明系２０から受光系３０へ向かう方向）とパターンＡの繰り返し方向とが一致するようにウェハチャック１５を回転させるとともに、パターンＡのピッチをＰとし、ウェハＷの表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、ホイヘンスの原理より、次の数式１を満足するように設定を行う（ウェハチャック１５をチルトさせる）。

次に、照明光が照射されたウェハＷからの回折光を検出する（ステップＳ１０２）。ウェハＷの繰り返しパターンＡで発生した回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハＷの像（回折光による像）が結像される。この検出ステップにおいて、撮像装置３５のイメージセンサは、撮像面上に形成されたウェハＷの像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４５に出力する。

そして、検出した回折光の情報（回折光の強度）を利用してウェハＷの検査を行う（ステップＳ１０３）。この検査ステップにおいて、画像処理部４５は、撮像装置３５から入力された画像信号に基づいて、ウェハＷの画像（デジタル画像）を生成する。また、画像処理部４５は、ウェハＷの画像（デジタル画像）を生成すると、生成したウェハＷの画像データとデータベース４６に記憶された良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハＷにおける異常（欠陥）の有無を検査する。なお、ウェハＷの検査は、チップ領域ごとに行われ、検査対象となるウェハＷの信号強度（輝度値）と良品ウェハの信号強度（輝度値）との差が所定の閾値よりも大きい場合に、異常と判定する。一方、信号強度（輝度値）の差が閾値よりも小さければ、正常と判定する。そして、画像処理部４５による検査結果およびそのときのウェハＷの画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。

本実施形態の検査装置１０を用いてウェハＷ全面からの回折光に基づく画像を取得すると、取得した画像は回折光の強度に応じた明るさを有する画像（以下、回折画像と称する）となる。回折光の強度は回折効率の分布に応じて変化し、規則的に形成されたパターンＡが均一にできていれば、回折効率の局所的な変化は生じない。これに対し、一部領域のパターンＡの形状が変化していると、その領域の回折効率が変化し、結果として対応する領域の回折画像の明るさが変化するので、対応する領域におけるパターンの変化を検出することができる。なお、パターンの変化とは、パターンＡの線幅（穴径）や断面形状の変化である。

撮像装置３５により撮像取得した回折画像の１画素に相当するウェハＷ上の距離（ピクセルサイズ）は、例えば３００μｍであって、パターンＡの寸法や繰り返しピッチよりもはるかに大きいが、回折画像における各画素の明るさは、ウェハＷ上の該当する領域のパターンからの回折光の平均的な強度に対応したものとなる。パターンを形成するための露光装置等の不具合により、ウェハＷのパターンＡが正常に形成されない場合、ある面積を持った領域のパターン全体が同じように変形するので、ピクセルサイズがパターンＡの寸法や繰り返しピッチより大きくても、該当する領域の異常（不良）を検出することが可能である。

例えば、コントローラ４０からの指令により光源部２１から波長５４６ｎｍ（ｅ線）の光（照明光）が射出されるように設定し、回折条件を合わせると、撮像装置３５により回折画像を取得することができる。この回折画像から、上述したように、パターンＡの異常（不良）を検出することができる。ただし、波長５４６ｎｍの光はシリコンを透過しないので、検出できる異常はウェハＷ表面付近の異常のみである。すなわち、検出できる異常は、ウェハＷ表面付近の穴径の異常や、ウェハＷ表面付近の穴の断面形状の異常などである。

コントローラ４０からの指令により光源部２１から波長１１００ｎｍの光（照明光）が射出されるように設定し、回折条件を合わせると、同様に回折画像を取得することができるが、波長１１００ｎｍの光はシリコンを透過するので、穴の奥深い部分の異常（不良）であっても、検出することができる。波長１１００ｎｍの光はシリコンを透過するが、ウェハＷのシリコンの部分と穴の部分の屈折率の違いにより反射・散乱された光が強め合うことで、回折光（回折現象）が生じるためである。

ただ、この場合、ウェハ面上のどの位置に異常（不良）があるのかは、回折画像上の明るさが変わった位置から求めることができるが、その異常が穴の深さ方向のどの部分にあるのかは、この回折画像から特定することは困難である。

図５は、照明光の波長に対する複素屈折率の変化をグラフで表したものである。図５のグラフにおいて、ｎが実数部（屈折率）であり、ｋが虚数部（消衰係数）である。このｋが吸収の度合いを表す。このｋから、光の強度が吸収により１／ｅ、１／１０、１／１００になる距離（侵入長と称する）をそれぞれ計算してグラフにすると、図６のようになる。ここでｅは、自然対数の底である。さらにこの関係から、光の強度が吸収により１／１０になる距離が１μｍ，５μｍ，１０μｍ，２０μｍ，３０μｍ…となる、ｋを持つ波長を計算により求めると、図７のようになる。すなわち、照明波長を変えることにより、光が到達する深さを変えることができる。

光の強度が１／１０まで減衰して到達した部分の異常（不良）を検出できるように構成された検査装置では、例えば、波長６２３ｎｍの光であれば、深さ１μｍ程度までの異常のみを検出できるのに対して、波長８１６ｎｍの光では深さ３０μｍまでの異常、波長８４５ｎｍの光では深さ５０μｍまでの異常を検出することができる。この３種類の波長を用いた検査を順次行えば、異常箇所のおおよその深さを切り分けることができる。波長６２３ｎｍの光で異常が検出されれば、１μｍより浅い部分の異常であり、波長６２３ｎｍの光で異常が検出されず波長８１６ｎｍの光で異常が検出されれば、１μｍから３０μｍまでの範囲の異常であり、波長６２３ｎｍの光および波長９１６ｎｍの光でともに異常が検出されず波長８４５ｎｍの光で異常が検出されれば、３０μｍ〜５０μｍの間の異常であるといえる。

なお、図７の数値（侵入長）は、分かりやすさのために、ウェハＷの表面に対し垂直に光が入射したときの侵入長を示しているが、本実施形態の検査装置１０においては垂直入射ではないので、それを考慮して修正する必要がある。また、図７の例では光の強度が１／１０になるところの異常（不良）を検出できるとしたが、光の強度がどの程度まで減衰したときまで異常を検出できるかは、撮像装置３５（イメージセンサ）の感度や画像処理の内容によって決まるものである。いずれにしても、互いに（検査の）透過率の異なる複数の波長を用いて回折光による検査を行うことにより、検出された異常が深さ方向のどの位置にあるのかを切り分けることが可能である。

このように、第１実施形態によれば、所定のパターンＡが形成されたウェハＷ（シリコン基板）の表面に、ウェハＷに対し透過性（浸透性）を有する照明光を照射して、パターンＡの周期性による光の特性（例えば、回折光）を利用したウェハＷの検査を行うため、照明光がウェハＷの内部にまで到達して、パターンＡにおける穴の奥深い部分の異常（不良）を検出できることから、ウェハＷのパターンＡの深部まで検査を行うことが可能になる。

また、照明光の透過率（透過特性）に基づいて、ウェハＷの所定深さ位置までの検査を行うようにすれば、検出された異常がウェハＷの深さ方向のどの位置にあるのかを識別することができる。

また、照明光として近赤外線または可視光線を用いるようにすれば、一般的なイメージセンサを用いてウェハＷからの光を検出（ウェハＷの像を撮像）することができ、簡便な構成で検査を行うことができる。なお、近赤外線に対しては、イメージセンサの感度が低下し信号雑音比（signal-noise ratio）が低下する場合があるので、必要に応じて冷却型イメージセンサを用いて信号雑音比を高めることができる。

また、シリコン貫通電極（ＴＳＶ）を形成するための穴の検査を行うようにすれば、穴の奥深い部分の異常（不良）を検出できることから、シリコン貫通電極（ＴＳＶ）の検査精度を向上させることができる。

また、回折光を利用して検査を行うようにすれば、ウェハＷの画像のピクセルサイズがパターンＡの寸法や繰り返しピッチより大きくても、該当する領域の異常を検出することが可能である。

なお、赤外線でＴＳＶの形成されたウェハＷを検査すると、ウェハＷを透過して下のウェハチャック１５の形状、例えばバキュームチャックのための溝が見えてしまい、検査の支障になる場合がある。これを回避するためには、ウェハチャック１５を溝などがない平坦なものとすればよい。ウェハを電気的に吸着する静電チャックの方式などを用いれば、ウェハチャック１５を平坦にすることが可能である。また、バキュームチャックのための溝の断面を矩形とせずになだらかな山形状とすることにより、溝の見えを薄く若しくは見えなくすることができる。一方、ウェハチャックは通常のチャックのままでも、照明波長の工夫によって検査の支障とならないようにすることが可能である。すなわち、パターンが形成されたウェハＷの表面から検査を行う場合、シリコンの部分まで到達するがウェハＷの厚さ方向の全部を透過しない照明波長を選択することにより、ウェハチャック１５に邪魔されずに検査を行うことができる。例えば、波長９７６ｎｍの光を用いると、図７の場合と同様の計算で、光の強度が吸収により１／１０になる距離が５００μｍになる。本実施形態のように、ウェハＷの厚さが７２５μｍである場合には、ウェハＷ表面のＴＳＶの検査は可能で、かつウェハチャック１５まで見えない検査を行うことができる。

また、ロジックデバイスのウェハＷではＴＳＶの配列が規則的でない場合があるが、このような場合でも上述のウェハＷの検査方法をＱＣ用途として使用することができる。すなわち、エッチング装置等の条件出しや精度確認のために、ＴＳＶを規則的に配置したパターンを形成したウェハ（パイロットウェハ）を用いて回折検査を行うようにすれば、加工の均一性などを評価することができる。

次に、検査装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の検査装置は、ウェハＷを裏返してウェハチャック１５に保持させる点を除いて、第１実施形態の検査装置１０と同様の構成であり、各部に第１実施形態の場合と同一の符号を付して詳細な説明を省略する（図２参照）。

そこで、第２実施形態の検査装置を用いたウェハＷの検査方法について説明する。第２実施形態では、予め、不図示の搬送装置により、検査対象となるウェハＷを裏面が上方を向くようにウェハチャック１５上に搬送しておく。なおこのとき、薄膜状の保護部材によりパターンＡが形成されたウェハＷの表面を被覆し保護するようにしてもよい。

まず、第１実施形態の場合と同様にして、ウェハＷの裏面に、ウェハＷに対し透過性を有する照明光を照射する（ステップＳ１０１）。この照射ステップにおいて、所定の波長（可視光もしくは近赤外線の波長域）を有する照明光が光源部２１から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が平行光となってウェハチャック１５に保持されたウェハＷの裏面全体に照射される。

次に、第１実施形態の場合と同様にして、照明光が照射されたウェハＷからの回折光を検出する（ステップＳ１０２）。ウェハＷの裏面に照射された照明光が表面側の繰り返しパターンＡまで到達し、当該パターンＡで発生した回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハＷの像（回折光による像）が結像される。この検出ステップにおいて、撮像装置３５のイメージセンサは、撮像面上に形成されたウェハＷの像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４５に出力する。

そして、第１実施形態の場合と同様にして、検出した回折光の情報を利用してウェハＷの検査を行う（ステップＳ１０３）。この検査ステップにおいて、画像処理部４５は、撮像装置３５から入力された画像信号に基づいて、ウェハＷの画像（デジタル画像）を生成する。また、画像処理部４５は、ウェハＷの画像（デジタル画像）を生成すると、生成したウェハＷの画像データとデータベース４６に記憶された良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハＷにおける異常（欠陥）の有無を検査する。そして、画像処理部４５による検査結果およびそのときのウェハＷの画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。

第２実施形態では、ウェハＷを裏返してウェハチャック１５に保持させ、穴（パターンＡ）が形成された面（表面）と反対側の面（裏面）から回折検査を行う。穴形状の検査では、穴の奥深い部分、特に穴の底の形状が最も重要であることが多いが、通常の検査では異常（欠陥）の有無の検査（判定）が最も難しい部分である。第１実施形態でも穴の深い部分の検査が可能であるが、検出される情報量としては穴の深い部分に比べて浅い部分の情報の方が多いので、浅い部分に比べ穴の深い部分の異常（不良）に対しては一般的に感度が低くなる。第２実施形態のように、ウェハを裏返して反対側から回折検査をすれば、浅い部分に比べて穴の深い部分の情報量を多くすることができるので、穴の深い部分を感度良く検査することができる。また、この場合、基板の透過率が異なる複数の波長で回折画像を取得すれば、どの波長において回折光が検出されたかによって、及び／又は波長毎の信号強度によって、おおよその穴の深さを知ることもできる。

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができ、さらには、穴の深い部分を感度良く検査することができる。

なお、パターンＡが形成される面とは逆のウェハＷの裏面から回折検査を行う場合は、ウェハＷの裏面が鏡面に研磨されていることが望ましい。さらに、ウェハＷの裏面に汚れなどの付着がないように管理することが望ましい。照明光がウェハＷの裏面を２回通るので、この面が散乱面（未研磨面）である場合や、この面に汚れなどが付着している場合は、検査の障害となるからである。

なお、上述の第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて、表面からの検査と裏面からの検査を行い、それぞれの深さにおける情報を組み合わせることで、更に詳細な検査を行うこともできる。また、上述の各実施形態において、ウェハＷのパターンＡで生じた回折光を検出して、ウェハＷの検査を行っているが、これに限られるものではなく、例えば、ウェハＷのパターンＡで生じた構造性複屈折による偏光の状態変化を検出するようにしてもよい。構造性複屈折による偏光の状態変化は、照明系２０と受光系３０の光路中にそれぞれ偏光素子を配置し、照明系２０の偏光素子と受光系３０の偏光素子をクロスニコルにすることで検出することができる。なお、照明系２０の偏光素子と受光系３０の偏光素子の関係は、反射光の偏光状態に応じてクロスニコルからずらすことにより感度が上がる場合がある。また例えば、ウェハＷの表面（もしくは裏面）からの正反射光や散乱光を検出するようにしてもよい。

また、上述の各実施形態において、ＴＳＶ形成用の穴が規則的に形成されたウェハＷ（シリコン基板）を例に説明したが、これに限られるものではなく、例えば、絶縁膜形成後の検査や、ＴＳＶ形成後の検査にも適用することができる。

また、上述の各実施形態において、ウェハＷの表面にホールパターンが形成されているが、これに限られるものではなく、例えば、ライン・アンド・スペースパターンであってもよい。また例えば、ウェハＷを張り合わせた状態（積層化した状態）でも内部の検査が可能である。なお、純粋なシリコン基板に比べ、半導体を形成するために不純物としてイオンを打ち込んだシリコン基板では、光（赤外線）の透過率が変わってくるが、それに応じて、検査に使用する波長の選択や、照明光量などを調整すればよい。

また、上述の各実施形態において、照明光を照射する側と同じ側に回折した光を検出する（ウェハＷの像を撮像する）ように構成されているが、これに限られるものではなく、ウェハＷの反対側へ透過した回折光や、散乱光、偏光の状態変化等を検出するようにしてもよい。なお、これらの光学系の構成は、検査対象となる基板の厚さ、パターンの構造、光の透過率、検出すべき異常（不良）の内容などにより、最適な光学構成を選択すればよい。

また、上述の各実施形態において、照明系２０（光源部２１）が特定波長の照明光をウェハＷに照射するように構成されているが、これに限られるものではなく、照明系２０（光源部２１）が近赤外域を含む白色光をウェハＷに照射して、撮像装置３５の直前で特定波長の光（回折光）のみを透過させる波長選択フィルタを適宜挿入する構成であってもよい。また、上述の各実施形態において、検査装置１０はウェハＷの表面全体を一度に検査していたが、本教示は必ずしもそのような構成には限られず、例えば、数回に分けてウェハＷの表面全体を検査してもよい。

続いて、上述した検査方法によりウェハＷの検査が行われる半導体装置の製造方法について、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。図８のフローチャートは、３次元積層型の半導体装置におけるＴＳＶ形成プロセスを示している。このＴＳＶ形成プロセスにおいて、まず、ウェハ（ベアウェハなど）の表面にレジストを塗布する（ステップＳ２０１）。このレジスト塗布工程では、レジスト塗布装置（図示せず）を用いて、例えば、ウェハを回転支持台に真空チャック等で固定し、ノズルから液状のフォトレジストをウェハの表面に滴下した後、ウェハを高速回転させて薄いレジスト膜を形成する。

次に、レジストが塗布されたウェハの表面に、所定のパターン（ホールパターン）を投影露光する（ステップＳ２０２）。この露光工程では、露光装置を用いて、例えば、所定のパターンが形成されたフォトマスクを通して、所定波長の光線（紫外線などのエネルギー線）をウェハ表面のレジストに照射し、マスクパターンをウェハ表面に転写する。

次に、現像を行う（ステップＳ２０３）。この現像工程では、現像装置（図示せず）を用いて、例えば、露光部のレジストを溶剤で溶かし、未露光部のレジストパターンを残す処理を行う。これにより、ウェハ表面のレジストにホールパターンが形成されることになる。

次に、レジストパターン（ホールパターン）が形成されたウェハの表面検査を行う（ステップＳ２０４）。現像後の検査工程では、表面検査装置（図示せず）を用いて、例えば、ウェハの表面全体に照明光を照射して、レジストパターンで生じた回折光によるウェハの像を撮像し、撮像したウェハの画像からレジストパターン等の異常の有無を検査する。この検査工程において、レジストパターンの良否を判定し、不良の場合はレジストを剥離してレジスト塗布工程からやり直すアクション、すなわちリワークを行うか否かの判断を行う。リワークが必要な異常（欠陥）が検出された場合、レジストを剥離し（ステップＳ２０５）、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３までの工程をやり直す。なお、表面検査装置による検査結果は、レジスト塗布装置、露光装置、および現像装置にそれぞれフィードバックされる。

現像後の検査工程で異常が無いことを確認すると、エッチングを行う（ステップＳ２０６）。このエッチング工程では、エッチング装置（図示せず）を用いて、例えば、残っているレジストをマスクにして、下地のベアウェハのシリコンの部分を除去し、ＴＳＶ形成用の穴を形成する。これにより、ウェハＷの表面に、ＴＳＶ形成用の穴から構成される繰り返しパターンＡが形成される。

次に、エッチングによりパターンＡが形成されたウェハＷの検査を行う（ステップＳ２０７）。エッチング後の検査工程は、前述したいずれかの実施形態に係る検査方法を用いて行われる。この検査工程において、異常が検出された場合、異常の種類及び異常の程度に応じて、露光装置の露光条件（変形照明条件・フォーカスオフセット条件等）やエッチング装置のどの部分を調整するのか、そのウェハＷを廃棄するかどうか、もしくは、そのウェハＷをさらに割って断面観察するなどの詳細な解析が必要かどうか、が判断される。なお、異常の種類及び異常の程度には、判別された異常がどの程度の深さ位置に発生したものであるかについての情報を含む。エッチング後のウェハＷに重大かつ広範囲な異常が発見された場合、リワークできないので、そのウェハＷは廃棄されるか、もしくは断面観察などの解析に回される（ステップＳ２０８）。

エッチング後の検査工程で異常が無いことを確認すると、穴の側壁に絶縁膜を形成し（ステップＳ２０９）、絶縁膜を形成した穴の部分にＣｕを充填する（ステップＳ２１０）。これにより、ウェハ（ベアウェハ）にＴＳＶが形成される。

なお、エッチング後の検査工程における検査結果は、主として露光装置やエッチング装置にフィードバックされる。穴の断面形状の異常や、穴径の異常が検出されたときは露光装置のフォーカスやドーズ調整のための情報としてフィードバックを行い、深さ方向の穴形状の異常や穴深さの異常はエッチング装置調整のための情報としてフィードバックを行う。ＴＳＶ形成プロセスにおけるエッチング工程では、アスペクト比（深さ／直径）が高い（例えば、１０〜２０となる）穴を形成しなければならないので、技術的に難易度が高く、フィードバックによる調整は重要である。このように、エッチング工程では、垂直に近い角度で深い穴を形成することが要求され、近年では、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）という方式が広く採用されている。エッチング後の検査の場合、エッチング装置に異常がないかを監視して、異常を検出したらエッチング装置を止めて調整するというフィードバック運用が主に行われる。エッチング装置を調整するためのパラメータとして、例えば、縦方向と横方向のエッチングレート比を制御するパラメータや、深さを制御するパラメータ、ウェハ面内での均一性を制御するパラメータなどが考えられる。

なお、現像後の検査工程が実施されていれば、レジスト塗布装置、露光装置、および現像装置の異常は基本的に現像後の検査工程で検出されるが、現像後の検査工程が実施されていない場合や、エッチングしてみて初めて分かるこれらの装置の問題が発見された場合には、各装置へのフィードバック（各装置の調整）が行われる。

一方、エッチング後の検査工程における検査結果を、以降の工程にフィードフォワードすることも可能である。例えば、エッチング後の検査工程でウェハＷの一部チップが異常（不良）と判定された場合、その情報は、前述の検査装置１０からオンラインを通じてプロセスを管理するホストコンピュータ（図示せず）に伝えられて記憶され、以降のプロセスにおける検査・測定でその異常部分（チップ）を用いないなどの管理に使われたり、また最終的にデバイスが完成した段階で無駄な電気的テストを行わないことなどに活用される。また、エッチング後の検査工程における検査結果から、異常部分の面積が大きいときは、それに応じて絶縁膜形成やＣｕ充填のパラメータを調整して良品部分への影響を軽減する、などして用いることができる。

本実施形態による半導体装置の製造方法によれば、エッチング後の検査工程が前述の実施形態に係る検査方法を用いて行われるため、エッチング後のウェハＷのパターンＡの深部まで検査を行うことが可能となり、検査精度が向上することから、半導体装置の製造効率を向上させることができる。

なお、上述のＴＳＶ形成プロセスにおいて、ウェハ上に素子を形成する前の最初の段階でＴＳＶを形成しているが、これに限られるものではなく、素子を形成してからＴＳＶを形成してもよく、素子形成の途中でＴＳＶを形成してもよい。なおこの場合、素子形成過程でイオンの打ち込みなどがされる結果、赤外線に対する透明度が低下するが、完全に不透明になるわけではないので、透明度の変化分を考慮して波長選択や照明光量の調整をすればよい。また、このような方式の生産ラインであっても、ラインの条件出し及びＱＣ目的として、ベアウェハにＴＳＶを形成し検査を行うようにすれば、イオンの打ち込みによる透明度の低下に影響されない検査が可能である。

前述したように、エッチング後の検査工程における検査結果を、露光装置にフィードバックすることが可能である。そこで、前述の検査装置１０を備えた露光システムについて、図９および図１０を参照しながら説明する。この露光システム１００は、レジストが塗布されたウェハＷの表面に所定のパターン（ホールパターン）を投影露光する露光装置１０１と、露光装置１０１による露光工程、現像装置（図示せず）による現像工程、エッチング装置（図示せず）によるエッチング工程等を経て、表面にパターンＡが形成されたウェハＷの検査を行う検査装置１０とを備えて構成される。

露光装置１０１は、図９に示すように、照明系１１０と、レチクルステージ１２０と、投影ユニット１３０と、局所液浸装置１４０と、ステージ装置１５０と、主制御装置２００（図１０を参照）とを備えて構成される。なお、以下においては、図９に示した矢印Ｘ，Ｙ，Ｚの方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向として説明する。

照明系１１０は、詳細な図示を省略するが、光源と、オプティカルインテグレータ等を備えた照度均一化光学系と、レチクルブラインド等を備えた照明光学系とを有し、レチクルブラインドで規定されたレチクルＲ上のスリット状の照明領域を照明光（露光光）により略均一な照度で照明するように構成されている。照明光としては、例えば、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられる。

レチクルステージ１２０上には、所定のパターン（例えば、ホールパターン）がそのパターン面（図９における下面）に形成されたレチクル（フォトマスク）Ｒが、例えば真空吸着により固定保持されている。レチクルステージ１２０は、例えばリニアモータ等を備えるレチクルステージ駆動装置１２１（図１０を参照）によってＸＹ平面内で移動可能であるとともに、走査方向（ここではＹ軸方向とする）に所定の走査速度で移動可能に構成されている。

レチクルステージ１２０のＸＹ平面内の位置情報（Ｚ軸回りの回転方向の回転情報を含む）は、レチクルステージ１２０に設けられたＹ軸に直交する反射面を有する第１反射鏡１２３およびＸ軸に直交する反射面を有する第２反射鏡（図示せず）を介して、レチクル干渉計１２５によって検出される。レチクル干渉計１２５により検出された当該位置情報は主制御装置２００に送られ、主制御装置２００は、その位置情報に基づいてレチクルステージ駆動装置１２１を介してレチクルステージ１２０の位置（および移動速度）を制御する。

投影ユニット１３０は、レチクルステージ１２０の下方に配置され、鏡筒１３１と、鏡筒１３１内に保持された投影光学系１３５とを有して構成される。投影光学系１３５は、照明光の光軸ＡＸに沿って配列された複数の光学素子（レンズエレメント）を有し、両側テレセントリックで、所定の投影倍率（例えば１／４倍、１／５倍または１／８倍など）を有するように構成されている。このため、照明系１１０から射出された照明光によってレチクルＲ上の照明領域が照明されると、投影光学系１３５の物体面とパターン面が略一致して配置されるレチクルＲを透過した照明光により、投影光学系１３５を介してその照明領域内のレチクルＲのパターンの縮小像が、投影光学系１３５の像面側に配置されたウェハＷ上の露光領域（レチクルＲ上の照明領域に共役な領域）に形成される。そして、レチクルステージ１２０とウェハＷを保持するステージ装置１５０との同期駆動によって、照明領域に対してレチクルＲを走査方向（Ｙ軸方向）に移動させるとともに、露光領域に対してウェハＷを走査方向（Ｙ軸方向）に移動させることで、ウェハＷ上の１つのショット領域の走査露光が行われ、そのショット領域にレチクルＲのパターン（マスクパターン）が転写される。

露光装置１０１には、液浸方式の露光を行うために局所液浸装置１４０が設けられている。局所液浸装置１４０は、図９および図１０に示すように、液体供給装置１４１と、液体回収装置１４２と、液体供給管１４３Ａと、液体回収管１４３Ｂと、ノズルユニット１４５とを有して構成される。ノズルユニット１４５は、投影光学系１３５を構成する最も像面側（ウェハ側）の光学素子、ここでは先端レンズ１３６を保持する鏡筒１３１の下端部周囲を取り囲むように、投影ユニット１３０を保持する不図示のフレーム部材（露光装置１０１を構成するフレーム部材）に支持されている。また、ノズルユニット１４５は、図９に示すように、その下端面が先端レンズ１３６の下端面と略同一面になるように設定されている。

液体供給装置１４１は、詳細な図示を省略するが、液体を貯蔵するタンクと、加圧ポンプと、温度制御装置と、液体の流量を制御するためのバルブとを有して構成され、液体供給管１４３Ａを介してノズルユニット１４５に接続されている。液体回収装置１４２は、詳細な図示を省略するが、回収した液体を貯蔵するタンクと、吸引ポンプと、液体の流量を制御するためのバルブとを有して構成され、液体回収管１４３Ｂを介してノズルユニット１４５に接続されている。

主制御装置２００は、図１０に示すように、液体供給装置１４１の作動を制御して液体供給管１４３Ａを介して先端レンズ１３６とウェハＷとの間に液体（例えば、純水）を供給するとともに、液体回収装置１４２の作動を制御して液体回収管１４３Ｂを介して先端レンズ１３６とウェハＷとの間から液体を回収する。このとき、主制御装置２００は、供給される液体の量と回収される液体の量とが常に等しくなるように、液体供給装置１４１および液体回収装置１４２の作動を制御する。したがって、先端レンズ１３６とウェハＷとの間には、一定量の液体が常に入れ替わって保持され、これにより液浸領域（液浸空間）が形成される。このように、露光装置１０１では、照明光を、液浸領域を形成する液体を介してウェハＷに照射することによって、ウェハＷに対する露光が行われる。

ステージ装置１５０は、投影ユニット１３０の下方に配置されたウェハステージ１５１と、ウェハステージ１５１を駆動するステージ駆動装置１５５（図１０を参照）とを有して構成される。ウェハステージ１５１は、不図示のエアスライダにより数μｍ程度のクリアランスを有してベース部材１０５の上方に浮上支持され、ウェハステージ１５１の上面においてウェハＷを真空吸着によって保持するように構成されている。そして、ウェハステージ１５１は、ステージ駆動装置１５５を構成するモータにより、ベース部材１０５の上面に沿ってＸＹ平面内で移動可能になっている。

ウェハステージ１５１のＸＹ平面内の位置情報はエンコーダ装置１５６（図１０を参照）によって検出される。エンコーダ装置１５６により検出された当該位置情報は主制御装置２００に送られ、主制御装置２００は、その位置情報に基づいてステージ駆動装置１５５を介してウェハステージ１５１の位置（および移動速度）を制御する。

以上のように構成される露光装置１０１において、照明系１１０から射出された照明光によってレチクルＲ上の照明領域が照明されると、投影光学系１３５の物体面とパターン面が略一致して配置されるレチクルＲを透過した照明光により、投影光学系１３５を介してその照明領域内のレチクルＲのパターンの縮小像が、ウェハステージ１５１上に支持されて投影光学系１３５の像面側に配置されたウェハＷ上の露光領域（レチクルＲ上の照明領域に共役な領域）に形成される。そして、レチクルステージ１２０とウェハＷを支持するウェハステージ１５１との同期駆動によって、照明領域に対してレチクルＲを走査方向（Ｙ軸方向）に移動させるとともに、露光領域に対してウェハＷを走査方向（Ｙ軸方向）に移動させることで、ウェハＷ上の１つのショット領域の走査露光が行われ、そのショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。

このようにして露光装置１０１による露光工程が実施されると、現像装置（図示せず）による現像工程、エッチング装置（図示せず）によるエッチング工程等を経て、前述の実施形態に係る検査装置１０により、表面にパターンＡが形成されたウェハＷの検査を行う。すなわち、このエッチング後の検査工程は、前述したいずれかの実施形態に係る検査方法（又は前述の実施形態に係る検査方法の組み合わせ）を用いて行われる。エッチング後の検査工程における検査結果は、主として露光装置１０１にフィードバックされる。このとき例えば、検査装置１０のコントローラ４０（出力部）は、接続ケーブル（図示せず）等を介して、検査結果に関する情報を露光装置１０１に出力する。そして、露光装置１０１の主制御装置２００に設けられた補正処理部２１０は、検査装置１０から入力された検査結果に基づいて、露光装置１０１の各種設定パラメータを補正する。

これにより、本実施形態の露光システム１００によれば、前述の実施形態に係る検査装置１０から入力された検査の結果に応じて、露光装置１０１の設定を補正するため、より精度の高い検査結果に基づいた補正が可能となり、露光装置１０１の設定をより適切に行うことができる。

なお、上述の露光システム１００において、前述の実施形態に係る検査装置１０により、エッチング後のウェハＷの検査を行っているが、これに限られるものではなく、現像後のウェハの検査を行うようにしてもよい。

また、本願の発明者は、テストウェハを作成して、様々な異常（欠陥）に対する検出感度の検証を行った。この実験では、照明光として波長１１００ｎｍの近赤外光を使用した。なお、光源はハロゲンランプで、干渉フィルタにより波長１１００ｎｍの光を取り出した。波長１１００ｎｍの光において、シリコンのｋ（消衰係数）は約０．００００３であり、シリコンはほぼ透明となる。しかし、この波長では、イメージセンサの感度も非常に小さくなるので、十分なＳ／Ｎ比（信号雑音比）を確保するために、冷却タイプの撮像装置を用いた。また実験では、照明光として、波長８５０ｎｍ、波長８００ｎｍ、波長７００ｎｍ、波長５４６ｎｍ（ｅ線）、波長４３６ｎｍ（ｇ線）、波長４０５ｎｍ（ｈ線）などの光を用いた。

図１１（ａ）に示すウェハ（以下、第１テストウェハＷＡと称する）は、標準形状のパターン（ホールパターン）が形成されたウェハである。図１２に、波長１１００ｎｍの照明光による４次回折光に基づいた第１テストウェハＷＡの回折画像を示す。第１テストウェハＷＡの回折画像は、パターン部からの均一な回折光を捉えた画像になっている。

図１１（ｂ）に示すウェハ（以下、第２テストウェハＷＢと称する）は、ホールパターンの露光時にウェハ面内でドーズを変化させることにより、ショットごとにホール径を変化させて作成したウェハである。なお、エッチングにより形成された穴の径（ビアの径）もドーズ量変化に応じて変化する。また、同一のショット面内でも穴径にムラがある。図１３（ａ）に、波長５４６ｎｍ（ｅ線）の照明光による２次回折光に基づいた第２テストウェハＷＢの回折画像を示す。図１３（ａ）において、図の上方へ向かうにつれてホール径が小さくなり、図の下方へ向かうにつれてホール径が大きくなるようなショット配置となっている。なお、各ショットの穴径は、ＣＤ−ＳＥＭにより予め測定されている。また、図１３（ｂ）に、穴径と回折光の強度変化（信号強度変化）との関係を示す。図１３（ｂ）において、グラフの縦軸は信号強度変化の割合であり、横軸は穴径である。

図１３（ａ）および（ｂ）から分かるように、回折光の強度（信号強度）は、穴径の変化に応じて、ほぼリニアに変化する。つまり、穴径変化を回折画像の明暗変化として検出可能である。なお、回折光の強度（信号強度）と穴径との関係式（例えば、直線近似式）を最小二乗法により求めておき、求めた関係式を利用して回折画像の信号強度から穴径を求める演算部を検査装置１０に設けてもよい。また、ウェハＷの検査において、演算部により穴径を求めるステップを追加するようにしてもよい。これにより、ウェハＷの回折画像から穴径を求めることができる。なお、演算部は、コントローラ４０、画像処理部４５等に含まれるＣＰＵ等の演算回路を利用してもよく、コントローラ４０、画像処理部４５等とは独立に設けられてもよい。

また、図１３（ａ）と同じ回折画像を図１４（ａ）に示し、この回折画像における信号強度と穴径との相関を比較した結果を図１４（ｂ）および（ｃ）に示す。図１４（ｂ）において、グラフの縦軸は信号強度または穴径であり、横軸はウェハ面内のＹ方向（図１４（ａ）の縦方向）位置である。また、図１４（ｃ）において、グラフの縦軸は信号強度または穴径であり、横軸は対角線方向でのショット内位置である。図１４（ｂ）、（ｃ）から分かるように、回折画像の信号強度と穴径に強い相関があることを示している。

図１１（ｃ）に示すウェハ（以下、第３テストウェハＷＣと称する）は、ホール開口部の径が第１テストウェハＷＡとほぼ同じで、穴の深いところの径が小さくなっているウェハである。パターン形状が第１テストウェハＷＡのものから第３テストウェハＷＣのものに変形したときにそれを検出する、という観点で回折光の強度（信号強度）を比較したものが図１５のグラフである。図１５のグラフにおいて、１１００ＢＳは波長１１００ｎｍの照明光によるウェハ裏面からの回折検査での信号変化を、１１００ｆｓ（８５０ｆｓ，８００ｆｓ，…）は波長１１００ｎｍ（８５０ｎｍ，８００ｎｍ，…）の照明光によるウェハ表面からの回折検査での信号変化を表す。（ＢＳはバックサイドの略でありウェハ裏面からの回折を表し、ｆｓはフロントサイドの略でありウェハ表面からの回折を表している。図１７においても同様。）なお、図１５では、それぞれ第１テストウェハＷＡの信号強度を１００％とした信号変化率を表している。ウェハ表面からの回折検査では、波長１１００ｎｍの照明光での信号変化率が最も大きいが、信号変化率は３１％である。これに対し、波長１１００ｎｍの照明光によるウェハ裏面からの回折検査では、１７９％の信号変化率が得られる。穴先端付近の異常検出には、ウェハ裏面からの回折検査が最も効果的であることが分かる。

一方、図１６（ａ）は、波長１１００ｎｍの照明光による１４次回折光に基づいた、第１テストウェハＷＡと同じ条件で作製した別のテストウェハの回折画像である。この画像には、特徴的なドーナツ状のムラがある。ウェハの中心を通るＸ方向（図の横方向）の線に沿ってウェハを切断して、ウェハの断面をＳＥＭで観察し、穴深さ（ビアの深さ）と回折光の強度（信号強度）とを比較した。その結果、図１６（ａ）の破線に沿ったショット内プロファイルの比較では、図１６（ｂ）に示すように穴深さと相関が認められた。なお、図１６（ｂ）において、グラフの縦軸は信号強度または穴深さであり、横軸はＸ方向（図の横方向）でのショット内位置である。しかし、回折信号は穴深さ以外の形状変化にも反応するので、図１６（ａ）のドーナツ状のムラは、エッチングとして「Deep RIE」（RIE：Reactive Ion Etching）による各種形状変化を合わせた、ウェハ面内不均一性を捉えたものであると言える。

側壁ラフネスに対する検出感度も検証した。アスペクト比の高い穴を形成するためのエッチングの方法として「Bosch process」があるが、この方法では、穴の側壁に特徴的な同心円状の段差が生じ易い。側壁ラフネスの大きさによっては、ＴＳＶ形成の支障となる。この段差を人為的に作製したものが図１１（ｄ）に示す第４テストウェハＷＤである。第１テストウェハＷＡから第４テストウェハＷＤへのパターンの変化に対する信号変化を図１７に示す。なお、図１７では、それぞれ第１テストウェハＷＡの信号強度を１００％とした信号変化率を表している。また、このテストウェハの組み合わせでは、側壁ラフネスだけでなく、断面プロファイルが変わってしまっているので、その両方に対する信号変化が合わせて観測される。図１７から分かるように、照明光の波長が長いほど、信号変化が大きい傾向がある。

本発明は、エッチング後又は現像後のウェハが良品であるか否かを判定できる検査装置を含む半導体の露光システムに適用することができる。

１０ 検査装置
１５ ステージ
２０ 照明系（照射部）
３０ 受光系
３５ 撮像装置（検出部）
４０ コントローラ（調整部）
４５ 画像処理部（検査部）
１００ 露光システム
１０１ 露光装置
Ｗ ウェハ
Ａ パターン

Claims (18)

1. 一方の面に該面から内部に延在するパターンが形成された基板の前記一方もしくは他方の面に、赤外光を含む照明光を照射する照射ステップと、
   前記照明光が前記基板で反射または透過した前記赤外光のうち、互いに波長の異なる複数種類の赤外光を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにおいて取得された、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光でそれぞれ検出した複数の検出結果に基づいて、前記基板の所定の深さ位置における検査結果を取得する検査ステップとを有し、
   前記検出ステップにおいて、前記照明光が照射されて前記基板の前記パターンで発生した回折光を検出する
   ことを特徴とする基板の検査方法。
2. 前記基板はシリコン基板であり、
   前記検査ステップにおいて、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光の前記シリコン基板への浸透特性に基づいて、前記検出ステップで検出した前記シリコン基板からの検出信号から、前記シリコン基板の所定の深さ位置の前記検査を行うことを特徴とする請求項１に記載の基板の検査方法。
3. 前記照明光として約６００ｎｍ〜約１１００ｎｍの波長の光が用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の基板の検査方法。
4. 前記パターンは、前記基板に穴あけ形成された複数のホールからなるホールパターンであり、
   前記ホールは、前記基板に貫通電極を形成するためのホールであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基板の検査方法。
5. 前記基板からの光と前記ホールの径との相関を利用して、前記検出ステップで検出した検出信号から前記ホールの径を算出する演算ステップを有することを特徴とする請求項４に記載の基板の検査方法。
6. 前記検出ステップにおいて取得された、前記互いに異なる複数種類の検出結果に基づいて、前記基板の異常個所の深さを特定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の基板の検査方法。
7. 前記検出ステップにおいて、前記検出された回折光の検出結果に基づいて前記基板の所定の深さの検査結果を取得することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の基板の検査方法。
8. 前記照射ステップにおいて、前記照明光として、少なくとも前記パターンに到達する程度の浸透性を有する照明光を前記他方の面から照射することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の基板の検査方法。
9. 一方の面に該面から内部に延在するパターンが形成された基板の前記一方もしくは他方の面に、赤外光を含む照明光を照射する照射部と、
   前記照明光が照射された前記基板からの互いに波長の異なる複数種類の赤外光を検出し、検出信号を出力する検出部と、
   前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光でそれぞれ検出した複数の検出結果に基づいて、前記基板の所定の深さ位置の検査結果を取得する検査部とを備えて構成され、
   前記検出部は、前記照明光が照射されて前記基板の前記パターンで発生した回折光を検出することを特徴とする基板の検査装置。
10. 前記基板はシリコン基板であり、
    前記検査部は、前記互いに波長の異なる複数種類の赤外光の前記シリコン基板への浸透特性と、前記シリコン基板からの前記検出信号とに基づいて、前記シリコン基板の所定の深さ位置の前記検査結果を取得することを特徴とする請求項９に記載の基板の検査装置。
11. 前記照明光として約６００ｎｍ〜約１１００ｎｍの波長の光が用いられることを特徴とする請求項９または１０に記載の基板の検査装置。
12. 前記照射部は、前記パターンが形成されていない前記他方の面側から、少なくとも前記パターンに到達する程度の浸透性を有する光を、前記基板に照射することを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の基板の検査装置。
13. 前記パターンは、前記基板に表面から内部に向かって形成された複数のホールからなるホールパターンであり、
    前記ホールは、前記基板に貫通電極を形成するためのホールであることを特徴とする請求項９から１２のいずれか一項に記載の基板の検査装置。
14. さらに、前記基板からの光と前記ホールの径との相関を利用して、前記検出信号から前記ホールの径を算出する演算部を備えることを特徴とする請求項１３に記載の基板の検査装置。
15. 前記検査部は、前記検出部において取得された、前記異なる複数種類の検出結果に基づいて、前記基板の異常個所の深さを特定することを特徴とする請求項９から１４のいずれか一項に記載の基板の検査装置。
16. 前記検出部は、前記検出された回折光の検出結果に基づき、前記基板の所定の深さの検査結果を取得することを特徴とする請求項９から１５のいずれか一項に記載の基板の検査装置。
17. 基板の表面に所定のパターンを露光する露光装置と、前記露光装置により露光されて表面に前記パターンが形成された基板の検査を行う検査装置とを備え、
    前記検査装置は、請求項９から１６のいずれか一項に記載の検査装置であって、前記検査部による前記検査の結果を前記露光装置へ出力し、
    前記露光装置は、前記検査装置から入力された前記検査の結果に応じて、前記露光装置の露光条件を設定することを特徴とする露光システム。
18. 基板の表面に所定のパターンを露光する露光工程と、前記露光が行われた前記パターンに応じて基板の表面にエッチングを行うエッチング工程と、前記露光もしくは前記エッチングが行われて表面に前記パターンが形成された基板の検査を行う検査工程とを有した半導体装置の製造方法であって、
    前記検査工程が請求項１から８のいずれか一項に記載の検査方法を用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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