JP6602477B2 - ウェーハの表面性状を非接触検査するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばウェーハなどの精密加工が施された円板形状のワークピースの表面性状を角度分解散乱光計測法を用いて非接触検査するための方法に関し、この方法では、光センサが所定の光強度分布を有する光束を前記ワークピースの検査対象表面へ照射して計測光スポットを形成し、前記光束の反射光の光強度を、複数個のフォトデテクタを備えたラインセンサにより所定角度範囲内において検出し、検出した光強度から表面性状を表す少なくとも１つの光強度特性値を算出する。また、本発明は更に、かかる方法を実行するための装置に関する。

角度分解散乱光計測法並びに当該方法に用いられるセンサについてはVDA（Verband der Automobilindustrie：ドイツ自動車工業会）による2010年7月版VDA規格一覧の中のVDA 2009推奨規格に詳細に記載されている。角度分解散乱光計測法は、ロバスト性を有する方法であり、また、計測速度が高速の方法であるため、工程管理の１００％オンライン化に適しており、また更に、加工方向に対して直交する方向の表面粗さ（横方向表面粗さ）と加工方向に沿った方向の表面粗さ（縦方向表面粗さ）との両方の表面粗さの非接触計測を行うのにも、また、形状の計測並びに表面うねりの計測にも適した方法である。角度分解散乱光計測法では、精密加工が施された表面の表面角度分布が反射散乱光を利用して計測される。その表面角度分布から、表面構造の指標となる諸々の特性値を算出することができ、また更に、例えば平面度、アールの大きさ、表面うねり、それにチャターマークなどの形状的特徴を表す値も算出することができる。表面性状の検査のための特性値として利用されるのは、例えば散乱角分布の分散Aqなどであり、この分散Aqの値は表面の微細構造の指標となるものである。

角度分解散乱光計測法について記載されているその他の文献としては、ヨーロッパ特許出願公報EP 2 657 686 A1号や、刊行物「"Kenngroessen der Mikrostruktur definiert", Rainer Brodmann et al.、QZ年鑑、第５３巻（２００８年）、第７号、第４６〜第４９頁」などがある。散乱光を計測する光センサは、その光センサの配置方向によって、ワークピースの加工方向に対して横方向の反射光強度分布を計測することもでき、また、縦方向の反射光強度分布を計測することもできる。そして、計測した光強度分布を表す光強度分布曲線から、横方向表面粗さの情報または縦方向表面粗さの情報を含む統計的特性値を算出することができる。それらに関する最も重要な特性値はAqの値とMの値であり、ここでMの値とは、光強度分布曲線の中央値、即ち強度分布曲線の重心点を示す値である。

角度分解散乱光計測法の重要な用途のひとつに、例えばウェーハなどの円板形状のワークピースの表面検査がある。ＩＣ（集積回路）の製造に関しては、製造する個々のＩＣをより小型化することが益々強く求められている。ＩＣ製造のための出発材料として多く用いられているのは、直径が２００ｍｍ〜３００ｍｍで、厚さが５００μｍ〜７２５μｍのシリコン製の円板（ウェーハ）である。製造完了した時点で実際にハードウェアとしての電子回路を構成している回路素子は、ウェーハの表面からせいぜい数μｍの深さの領域に形成されているに過ぎず、それゆえウェーハの材料のうちの９９％ほどは、電子回路の材料としては略々無用のものである。しかるに、出発材料であるウェーハの厚さを比較的厚くしているのは、その方がＩＣ製造のための諸工程において有利だからであるが、しかしながらこのことは、電子デバイスに組込んで用いるＩＣの全厚さ寸法が大きい場合に必要となる、ＩＣの裏面からの冷却に関しては不利となる。そのため、ダイシング工程を実施して個々のＩＣに切り分ける前に、ＩＣの形成工程における加工対象面ではない側のウェーハの表面、即ち、ウェーハ裏側の表面に、研削加工によりウェーハの厚さを減じる薄化加工を施すようにしている。ＩＣ形成工程が完了したウェーハに対して施すこの薄化加工の工程は、裏面研削工程と呼ばれて現在では標準工程となっており、これにより最終的な厚さを２００μｍ以下にしている。現在では技術が進歩したため、裏面研削工程により実現可能な厚さは更に薄くなり、５０μｍ領域にまで達している。研削後のウェーハの厚さが薄ければ薄いほど、その研削加工をより注意深く行わねばならず、なんとなれば、印加される研削荷重や研削による材料除去が、研削部位の直下に位置するＩＣの電子回路素子に過大な影響を及ぼさないようにせねばならず、特に、目標厚さに到達する直前の最終研削段階においてそれらが大きな影響を及ぼすおそれがあるからである。更に加えて、研削荷重の荷重分布もできる限り一様となるようにせねばならず、また、様々な加工パラメータ（例えば研削砥石車の砥粒粒度、研削砥石車の回転速度、研削砥石から作用させる研削圧力など）を狭い範囲に限定せねばならないという制約下にあってなお、表面粗さ並びに表面の変形（湾曲、表面うねり、等々）がウェーハ表面の全域に亘ってできる限り小さく且つ一様となるようにもせねばならない。もし、これらのことが達成されなければ、応力や微細クラックがＩＣの機能に悪影響を及ぼすおそれがあり、更にはその機能を毀損するおそれもある。具体的な数値を挙げるならば、例えば厚さが５０μｍ程度のウェーハであれば、その表面粗さに関しては、そのRa（算術平均表面粗さ）の値が１ｎｍ〜３ｎｍを超えないようにすべきである。そのため多くの場合、精密研削加工を施した後に、更にＣＭＰ加工（ＣＭＰは化学機械的研磨加工ないしは化学機械的平坦化加工の頭文字である）を施すことにより、表面粗さ及び微小表面うねりを更に微細化するようにしている。

図２ａは裏面研削加工の基本的な加工方式を示した図である。厚い円板の形状に形成された研削砥石車Ｓは僅かに傾斜させられており、研削砥石車SとウェーハWとが夫々に回転して、研削砥石車ＳがウェーハWの裏側の表面部分の材料を削り取るようにしてある。こうして研削加工を行うことで、ウェーハＷの表面には、その研削度（粗研削、並研削、精密研削、超精密研削）に応じた細かさのＳ字形の研削条痕（研削痕ともいう）が形成される。この研削条痕は、精密研削加工が施されたウェーハWの表面では視認可能であるが、超精密研削加工（超仕上げ加工）が施された場合には、裸眼での視認が困難なほど細かなものとなる。そのような細かい超精密研削加工の加工痕を更に微細化するために施すのがＣＭＰ加工である。図２ｂに示したＣＭＰ加工法では、ウェーハWを回転ユニットREの下面に固定して研磨円板PSに対して相対的に回転させ一方で、研磨円板PSそれ自体も回転台DTの上面に取付けて回転させる。研磨剤として機能するケミカルエマルジョンEを供給し、このケミカルエマルジョンEによってウェーハの表面に非常に繊細な更なる平滑化が施される。この平滑化によって算術平均表面粗さRaの値は１ｎｍよりずっと小さな値になる。更に、この加工により形状誤差も改善され、またナノトポグラフィーに関しては表面うねりも改善される。

ワークピースが以上のようなウェーハである場合には、ワークピースの管理に厚さ寸法の管理及び平面度（反り）の管理が含まれるが、それらを管理するために従来採用されていた計測法として、光センサを用いてウェーハの表面全域に亘る計測を行うという方法があった。この方法によればサブマイクロメートル領域の寸法差まで計測が可能である。また、表面粗さを計測するために従来採用されていた計測法として、表面上の数箇所の計測点において表面粗さを計測するという方法があった。この方法では例えばウェーハの表面上の選択した５箇所の計測点で計測が行われていた。その計測には、特に、光干渉顕微鏡や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などが用いられていた。しかるに、直径が３００ｍｍのウェーハであればその表面全域の面積が７０６５０ｍｍ^２あるのに対して、５箇所の計測点における計測対象面積は１箇所につき１ｍｍ^２であり、従って、加工が施された表面全域のうちの取るに足らない小部分の検査しか行われていなかった。望ましい検査方法といえるのは、表面粗さに関する検査、形状に関する検査、それに例えば表面うねりなどのナノトポグラフィーに関する検査を、ウェーハの表面全域に亘って厳密に行うことのできる検査方法である。

ドイツ特許出願公報DE 44 08 226 A1号に記載されている公知の計測装置では、粗面で光が散乱することにより発生するクロマティックスペックルパターンを解析することによって、物理処理表面の表面粗さを測定するようにしている。計測対象の表面部分に二色性または多色性の１本または複数本の光束を照射して、粗面で反射した散乱光をデテクタアレイで検出し、その検出結果をグレイスケール画像の形でデータストレージに格納している。こうして格納した画像を所定の手順で解析することにより、その画像から表面粗さの値を算出するようにしている。

ドイツ特許公報DE 10 2012 005 417 B4号に記載されている公知の装置及び方法は、角度分解散乱光計測法を実施するための装置及び方法であって、計測対象の表面で反射して散乱した反射散乱光のうちの少なくとも２つの散乱光部分を、検出装置で検出するものである。それら２つの散乱光部分からパワースペクトル密度を求め、そしてそのパワースペクトル密度から表面粗さを表すパラメータを算出するようにしている。

ヨーロッパ特許出願公報EP 2 657 686 A1号 ドイツ特許出願公報DE 44 08 226 A1号 ドイツ特許公報DE 10 2012 005 417 B4号

VDA（Verband der Automobilindustrie：ドイツ自動車工業会）による2010年7月版VDA規格一覧 "Kenngroessen der Mikrostruktur definiert", Rainer Brodmann et al.、QZ年鑑、第５３巻（２００８年）、第７号、第４６〜第４９頁

本発明の目的は、円板形状のワークピースの表面性状を非接触検査するための方法及び装置であって、高い精度をもって、高速の走査速度で、表面全域の検査を行い得る方法及び装置を提供することにある。

上記目的は方法に関しては請求項１に記載の特徴により達成される。従属請求項は特に有利な実施態様の特徴を記載したものである。

精密加工が施された円板形状のワークピースでは、一般的に、その表面粗さ構造が卓越方向を有している。例えばウェーハの場合には、研削砥石車の回転とウェーハの回転とが組み合わさることで、Ｓ字形の研削条痕が形成される（図２参照）。このような非等方性の表面では、研削条痕の延在方向に沿った表面粗さが縦方向表面粗さとして定義され、それに直交する方向に沿った表面粗さが横方向表面粗さとして定義されている。表面性状に関する特性値を求める際には、計測点において光センサの方向を適切に定めることが極めて重要であり、なぜならば、そうしなければ方向依存性を考慮に入れた明確で有用な特性値を求めることができないからである。表面粗さの卓越方向が径方向位置に応じて変化するＳ字形パターンでは、光センサの、その計測軸を中心とした回転角度を、計測位置の径方向位置に応じて正確に定める必要がある。かかる理由から、本発明においては、セットアップ動作モードにおいて、所定計測位置において光センサをその光センサの計測軸を中心として回転させて、光強度特性値が極大値を取る回転角度である初期回転角度により表される初期回転角度位置を測定する。この光強度特性値は、ラインセンサの複数個のフォトデテクタの信号から算出される値である。

通常、この光強度特性値はラインセンサの長手方向軸が横方向表面粗さの方向と一致するときに極大値を取る。より詳しくは、ラインセンサの長手方向軸が横方向表面粗さの方向と一致するときに、反射散乱光分布の大部分がラインセンサに入射するため、この光強度特性値が極大値を取るのである。一方、研削条痕の延在方向がラインセンサの長手方向軸に対して例えば４５°回転した角度位置関係にあるときには、反射散乱光の散乱インディカトリクス（散乱特性関数）もまた、ラインセンサの長手方向軸に対して４５°回転した角度位置関係にあり、そのため反射光強度分布の一部がラインセンサのフォトデテクタに入射せず、その結果としてこの光強度特性値がその分だけ小さな値となる。

セットアップ動作モードにおいて初期回転角度を測定したならば、続いて計測動作モードにおいて、フォトデテクタで光強度値を検出し、その検出した光強度値から、表面構造に関する諸々の特性値、並びに、例えば反り、表面うねり、チャターマークなどの形状的特徴に関する諸々の特性値を算出し、その際にこの初期回転角度が利用される。表面性状の検査結果を表すための特性値としては、例えば、表面の微細構造の指標となる散乱角分布の分散Aqなどが用いられる。また、ワークピースの表面の、その表面うねりの検査のためには、上で光強度特性値として説明した特性値Mを算出するようにし、より詳しくは、ワークピースを回転装置で回転させつつ、その回転角度に依存するこの特性値Mの変動を算出する。またその他の特性値としては、先に言及したVDA 2009に記載されている諸々の特性値がある。

初期回転角度を測定するには、例えば、ワークピースの周縁の適宜の計測点において、光センサをその計測軸を中心として光強度特性値が極大値を取る角度位置まで回転させるようにする。このようにして初期回転角度に設定した場合には、続いてそのウェーハなどのワークピースを回転させれば、一周する円形経路に沿って光センサがワークピースの表面を連続的に走査することになり、その走査によって表面性状に関する諸々の特性値とそれら特性値の変化特性とを計測することができる。また別法として、セットアップ動作モードにおいて、ワークピース上の夫々に異なる半径位置においてその径方向位置に応じて夫々に異なる初期回転角度を測定し、初期回転角度の値と径方向位置の値との間に存在する関数関係を求めるようにしてもよい。そうした場合には、計測動作モードにおいてワークピースの表面を走査する際に、初期回転角度の値を計測位置の径方向位置に応じて設定するようにする。

本発明は、様々な種類の加工が施されたワークピースに適用可能である。また、本発明は特に、研削加工ないし研磨加工による精密加工が施されたウェーハに適用するのに適している。

本発明の方法の１つの実施形態では、光センサの回転角度を初期回転角度に調整角度を加えた角度に設定するようにしている。その調整角度は±９０°または±４５°とすることが好ましい。横方向表面粗さと縦方向表面粗さとは、それらの延在方向の角度に９０°の角度差があるため、±９０°だけ回転させることで、その回転の前後で夫々横方向表面粗さと縦方向表面粗さとを計測することができ、従ってそれらに関する例えば表面うねりや形状誤差などの特性値を計測することができる。また、その調整角度を±４５°とするならば、縦方向表面粗さと横方向表面粗さとの中間の表面粗さに関する値を計測することができる。

本発明の方法の別の１つの実施形態では、セットアップ動作モードにおいて、ラインセンサの複数個のフォトデテクタの全部の光強度値の合計値Igを、光強度特性値として算出するようにしている。この合計値Igは、VDA 2009に規定されている表面性状を表す諸々の特性値を算出する際に、必然的に算出せねばならぬ値でもあるため、それら特性値が算出された時点では既に求められており、それを転用するだけであるので容易に利用し得るものである。別法として、複数個のフォトデテクタのうちの幾つかの光強度値だけの合計値を、即ち、より少ない個数の光強度値の合計値を、光強度特性値として利用するようにしてもよく、そうすることで合計値を算出するための時間を短縮することができる。

本発明の更なる局面によれば、ここに記載の方法を実行することのできる、精密加工が施された円板形状のワークピースの表面性状を非接触検査するための装置が提供される。この装置により得られる利点は、以上に記載の方法により得られる利点と同様である。

以下に図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

横方向表面粗さを計測する際の散乱光計測法を説明するための模式図である。 ａ及びｂはウェーハの背面研削加工及び研磨加工を説明するための図である。 ウェーハ表面の研削条痕を示した図である。 研削条痕の延在方向の変化に応じた散乱光分布の変化を示した図である。 初期回転角度の測定の仕方を説明するための模式図である。 ウェーハの表面の走査の仕方を示した図である。 様々な走査形態を示した図である。 ウェーハの計測結果を平面的に示した図である。 ＣＭＰ加工が施されたウェーハ表面の、その表面うねりの計測結果を示した図である。 径方向位置rに応じて変化するAr値の計測結果を示した図である。 装置を示したブロック図である。

図１は先に詳述した「VDA 2009推奨規格」などに記載されている計測法を示した模式図である。角度分解散乱光計測法のための光センサ１０は、光源１２としてＬＥＤまたは半導体レーザ素子を備えている。光源１２は所定の寸法形状と所定の光強度分布とを有する光束を試験片の表面O1へ照射する。この光束により当該表面に計測光スポット１４が形成される。計測光スポット１４の形状は略々円形でありここではその直径をｄとする。表面O1の微細構造によって反射散乱されることで発生する反射散乱光が、計測光学系の対物レンズOの散乱光計測可能最大角度範囲αの範囲内で入射するようにしてある。複数個のフォトデテクタ１８（図ではそれらフォトデテクタのうちの２個だけに参照番号を付した）を備えてなるラインセンサ１６が配設されており、それら複数個のフォトデテクタ１８は個々の散乱角φに対応した個々の光強度値Iφ'を電気信号の形で出力し、それら電気信号は、コンピュータを用いて構成された制御装置（不図示）においてデジタル値に変換されてデータ処理される。

計測光学系の対物レンズOはフーリエ光学素子ないしfθ光学素子として形成されており、散乱角φを、ラインセンサ１６の長手方向における個々のフォトデテクタ１８の位置iに対応する距離φ'へと変換する。これによって、フォトデテクタ１８の列設方向に沿った光強度値Iφ'の分布である光強度分布H1(φ')が得られる。そして、それに正規化を施すことによって、この光強度分布H1(φ')から、計測光スポット１４内の微細構造による散乱光の散乱角分布H1(φ') を算出することができる。

光センサ１０は、この光センサ１０の計測軸２０が計測対象表面O1に対して略々垂直となるように方向が設定される。これによって、計測対象表面O1の面法線F1と計測軸２０とが略々一致する。また、光センサ１０の計測軸２０は、この光センサ１０の中心軸即ち長手方向軸と一致している。計測対象表面O1の面法線F1が 光センサ１０の計測軸２０に対して、ラインセンサ１６の長手方向軸２２の方向へ角度Δ1だけ傾斜すると、それによって光強度分布H1(φ') が、その中心位置から偏位量M1だけ偏位する。この偏位量M1を利用して、例えば計測対象表面O1の形状誤差、表面うねり、それに円筒度などを計測することができる。偏位量M1の値は散乱角分布曲線H1(φ') の１次の統計モーメントの位置に対応しており（ここでφ'= tan(φ)である）、従って、この散乱角分布曲線H1(φ')の重心点の位置に対応している。

前記値Mは、光強度分布曲線H(φ') の１次の統計モーメントの値であるため、下記の一般式により算出される。
M = Σφ' ・ H(φ')
ここで、
H(φ') = I(φ') / ΣI(φ') である。

複数個（i個）のフォトデテクタについて前記値Mを算出する式は下式で与えられる。

ここで、
iは、1からnまでの添字、
nは、フォトデテクタの最大番号、
Iiは、第ｉ番フォトデテクタにより計測された光強度値、そして、
φ'iは、第ｉ番フォトデテクタに対応した散乱角である。

上式中の右辺の分母の項であるΣ[i=1〜n] Iiは、ラインセンサの複数個のフォトデテクタ１８の夫々に入射している入射光の光強度値を合計した合計光強度値Igである。この合計光強度値Igは、前記値Mを算出する際に副産物として得られる値であって、セットアップ動作モードにおいて光強度特性値として利用される値であり、これについては後に詳述する。

上式により算出される前記値Mは正規化が施されており、そのため前記値Mはワークピースの表面の反射率に左右されない値となっている。また、特性値である前記値Mは光センサの方向を計測対象表面の面法線の方向に合わせるための精密調節のためにも利用される。

図１中の左図に示した計測対象表面O1は、研磨加工により形成された当該表面の断面形状が、確率論的な（ランダムな）形状となっている。一方、図１中の右図に示した別の計測対象表面O2は、その断面形状の凹凸が非対称形状となっている。そのため、その光強度分布H2(φ')は図示したような曲線形状を呈しており、加えて更に、当該表面O2の面法線F1が計測軸２０に対してラインセンサ１６の長手方向軸２２の方向へ傾斜角Δ2だけ傾斜しているために、散乱光の光強度分布H2(φ')が変位量M2だけ偏位している。

光センサ１０の緒元値の典型的な具体例を示すと、計測光スポット１４の直径dは例えば０．０３ｍｍ〜０．９ｍｍほどである。対物レンズOの開口角αは例えば３２°である。この開口角の値に対応したフォトデテクタ１８の個数としては、例えばφ'の解像度が１°となるような個数が選択される。また、計測及び特性値の算出の実行速度は例えば毎秒１０００回以上の速度である。

角度分解散乱光計測法の利点のひとつに、距離のバラツキに影響されないという距離不感性があり、計測対象表面が平面の場合には、２ｍｍまでの距離のバラツキに対して不感性を有する。

光センサ１０の光学中心点OMは、計測軸２０の軸上にあって、対物レンズOの中央部に位置している。光センサ１０の方向を計測対象表面O1、O2の面法線の方向に合わせるには、光学中心点OMを中心として光センサ１０を回転させて、前記特性値Mの値を０に近付けるように、即ち、その値が最小になるようにする。光強度分布H1(φ')からは様々な特性値を算出することができる（これについてはVDA2009を参照されたい）。算出される特性値の具体例を挙げるならば、例えば、表面の微細構造の指標となる散乱角分布の分散Aq、マイクロクラックなどの欠陥の検出信号として用い得る特性値Aq*、微細構造の断面形状の非対称度の指標となる散乱角分布の非対称度Ask、などがあり、また更にその他の様々な単独特性値や特性値集合がある。

図２ａに本発明の重要な適用例のひとつを示した。この適用例において、ワークピースはウェーハWであり、このウェーハWは裏側の表面に研削加工による薄化加工が施される。ウェーハWは、数値制御工作機械（不図示）の回転台DTの上に、このウェーハWの中心を回転台DTの中心軸m1に合わせて載置され、加工時には矢印P1で示した回転方向に回転させられる。研削圧Dが印加された研削砥石車５は、その中心軸m2が回転台DTの中心軸m1に対して傾斜させられており、矢印P2で示した回転方向に回転させられて、ウェーハWの裏側の表面の材料を削り取る。ウェーハWと研削砥石車Sの相対回転により、ウェーハWの表面にはＳ字形の研削条痕が形成され、その研削条痕は裸眼でもある程度は視認可能なものである。この研削加工によって材料を削り取る際には、ウェーハWの表面全域に亘る研削圧分布ができるだけ均一となるように、そして、この研削加工により生成される表面粗さ及び表面変形ができるだけ小さくなるようにする必要があり、さもなくば、このウェーハWに形成されているＩＣの機能が損なわれるおそれがある。

図２ｂは既述のごとく、研削加工により形成された表面構造に更なる平坦化を施すところのＣＭＰ加工法を示した図である。この加工法では、ウェーハWと研磨円板PSとの相対運動によって研削模様の上に更に研磨模様が重畳して形成されるため、表面のナノトポグラフィーがより複雑なものとなる。

図３は、Ｓ字型の研削条痕ＳＲが形成されたウェーハWの表面を示したまた別の模式図である。回転方向P1とP2で示された夫々の回転運動の精度を高精度に維持することにより、研削条痕の延在経路を解析関数で明示することが可能となり、また、その延在経路は数値制御工作機械の設定パラメータから予め知ることが可能となる。

図４は、直線的に延在する研削条痕が形成された表面O3の、その表面領域を計測する際の計測方式示した模式図である。研削条痕の延在方向を縦方向Ｌという。また、この縦方向Ｌに対して直交する方向を横方向Ｑといい、横方向に沿った表面粗さを横方向表面粗さという。光束の照射により形成された計測光スポット１４から夫々の光強度をもって発する反射散乱光は、平面E1（これは計測光学系の対物レンズOのフーリエ平面である）上に位置するラインセンサ１６へ入射する。尚、図を見やすくするために、図４ではラインセンサを図示省略した。光強度分布H1を内包するこの反射散乱光の分布は、平面E１上において楕円形の分布形状を呈し、その楕円形の半長軸は横方向Qに延在し、半短軸は縦方向Lに延在する。ラインセンサ１６の長手方向軸２２と、散乱光分布の楕円形の半長軸とが、互いに一致する位置関係にあるときに、横方向表面粗さに由来する散乱光の略々全体が検出される。図４中の右図に示した状態では、表面部分O3がそのような角度位置関係から反時計回りに水平回転角度θだけ回転しており、そして、光センサ１０の計測軸２０がこの表面部分O3に対して略々垂直に延在していることから、平面E1上の散乱光分布もまた同じ角度θだけ回転している。この状態ではもはや、横方向表面粗さに起因する散乱光分布の全体がラインセンサ１６の長手方向軸に沿って検出されることはなく、その散乱光分布の一部分しか検出されない。かかる状態にあっては、フォトデテクタ１８で計測された光強度値から算出された特性値は、表面構造を確実に反映したものとはならず、計測誤差を含んだものとなってしまう。しかるに、実際に角度分解散乱光計測法を用いて表面粗さ、形状誤差、表面うねり等々の特性値を求める際には、通常、横方向表面粗さに関するそれら特性値を求めるか、或いは、縦方向表面粗さに関するそれら特性値を求めるかの、いずれかが行われている。

図５に示したのは、セットアップ動作モードにおいて、光センサ１０の初期回転角度を測定するために実行する方法を図示した模式図である。図５中の上段左端図は、Ｓ字型の研削条痕SRが形成された表面構造を有するウェーハWの表面を、上方から見た図である。光センサ１０は、ウェーハW上の所定の計測位置において、その計測軸２０がウェーハWの表面に対して垂直を成すように方向付けられている。尚、図５では、計測光スポット１４から発する散乱光の光強度分布H1と研削条痕SRとの関係を示すために、光強度分布H1を拡大抽出して図示している。同図から分かるように、散乱光の光強度分布の楕円形は、その半長軸が研削条痕の延在方向に対して直交する方向に延在している。

図５中の下段図のＡとＢに２通りの状態を示した。状態Ａでは、ラインセンサ１６を備えた光センサ１０の回転角度位置が、このラインセンサ１６の長手方向軸２２と散乱光の光強度分布H1の楕円形の半長軸とが一致しないような回転角度位置となっている。両者を一致させるには、長手方向軸２２の方向を変えるようにラインセンサ１６を計測軸２０を中心として水平回転角度θだけ水平回転させればよい。そのように水平回転させた状態を示したのが状態Ｂであり、この状態では、光強度分布H1の全体がラインセンサ１６のフォトデテクタにより検出される。

図５中の右端図は、全てのフォトデテクタ１８の光強度値の合計値であるところの光強度特性値Igの値を、回転角度θに対してプロットした特性線図３０である。状態Ｂにあるときには、光強度分布H1の楕円形の半長軸とラインデテクタ１６の長手方向軸２２とが一致しており、そのため光強度特性値Igが極大値を取っている。このときの回転角度が初期回転角度θであり、この初期回転角度θによって当該計測位置における光センサ１０の初期回転角度位置が規定される。初期回転角度θはウェーハWの表面の径方向において変化しているが、これは研削条痕がＳ字型であることによるものである。

図６はウェーハWの表面の走査の仕方を示した図である。光センサ１０はその計測軸２０がウェーハW上の計測位置に位置付けられ、且つ、その計測軸２０がウェーハWの表面に対して垂直となるように方向付けられ、この光センサ１０からの照射光によって計測光スポット１４が形成される。計測光スポット１４で反射した反射散乱光は平面E1へ入射してそこに光強度分布H1を生成する。この光強度分布H1は、計測光学系の対物レンズOのフーリエ光学的結像作用により、ラインセンサ１６の検出平面上に変換生成されるものである。この状態で、光センサ１０をその計測軸２０を中心として回転させ、光強度特性値Igが極大値を取る回転角度である初期回転角度θを測定する。以上を行った上で、続いて計測動作モードを実行する。計測動作モードでは、ウェーハWをその中心軸m1を中心として回転させ、この回転角度をβで表す。ウェーハWをまるまる１回転させるごとに光センサ１０を小さなひと刻み分ずつ径方向へ、ウェーハWの中心軸m1に近付く向きに移動させ、その際の光センサ１０の径方向位置をrで表す。一般的に、研削条痕のＳ字型の正確な形状は裏面研削加工のパラメータにより既知であり、その形状を表す解析関数F(r,θ) が存在する。そこで、光センサ１０を径方向にひと刻み分移動させるたびに、Ｓ字型の研削条痕SRの延在方向の既知の変化に応じて光センサ１０を適宜回転させて、光強度分布H1の楕円形の半長軸の全体が常にラインセンサ１６に入射するようにする。以上のようにして、ウェーハWの表面全域の走査を行うようにする。図６中の右図の一連の両頭矢印は、光強度分布H1を計測する際に、ラインセンサ１６の長手方向軸２２の方向を径方向位置rに応じてどのように設定するかを示したものである。

研削方向ないし研磨方向の方向変化が既知でない場合、即ち、研削条痕SRのＳ字形の正確な形状が明らかでない場合には、ウェーハWの表面上の任意の計測位置において初期回転角度θを測定し、当該計測位置の径方向位置rに対応した初期回転角度θを求める。この初期回転角度θは径方向位置rが同一の円形経路上において有効である。径方向位置rがこれと異なる計測位置に関しては、その計測位置で以上の測定手順を再度実行するか、或いは、適切な初期回転角度θであることの確認を行うようにする。また、一般的に、以上の測定手順は、自動的に実行されるようにしておくとよい。或いはまた、準備動作として、ウェーハ表面上の複数の測定位置において、それら測定位置の夫々の径方向位置に対応した夫々の初期回転角度を測定した上で、内挿法を用いて関数F(r,θ)を求めておくようにするのもよい。これにより、計測動作モードでは、その関数F(r,θ)に基づいてウェーハ表面の一部または全体の走査を行うことが可能となる。

図７はウェーハWの表面の様々な走査の仕方を示した図である。ウェーハの表面の走査の仕方としては、ａ図のように、所定の計測位置から開始して円形経路に沿って走査するようにしてもよい。また、ｂ図に矢印で示したように、放射方向の経路に沿って走査するようにしてもよい。また、ｃ図のように、扇形領域の形に走査するようにしてもよい。また、直交座標ｘ、ｙで表される領域を走査するようにすることが望ましければ、そのようにしてもよい。

図８は２枚のウェーハWについての計測結果を示した図であり、それらウェーハの直径は３００ｍｍであった。ａ図〜ｃ図に示したのは、研削加工が施されたウェーハの計測結果であり、ｄ図〜ｆ図に示したのは、研削加工に続いて更に研磨加工まで施されたウェーハの計測結果である。計測のための走査は円形経路に沿って行った。ａ図及びｄ図は、ウェーハ表面の全域で計測したAq値を示した図である。明色領域はAq値が高値の領域であり、従って表面粗さの大きな領域である。暗色領域はAq値が低値の領域である。ａ図ではウェーハの周辺領域におけるAq値が、中間領域及び中央領域と比べてより高値となっていることが分かる。算術平均表面粗さRaの値は、ａ図では１０ｎｍ〜６ｎｍの範囲内で変動している。これに対してｄ図（研磨加工を施したウェーハ）では、０．６ｎｍ〜１．２ｎｍの範囲内で変動している。ｂ図及びｅ図は、ウェーハWの表面の全域に亘るマクロ的な形状誤差（反り）を示した図である。これらの図でも、明色領域が反りの値の大きい領域であり、暗色領域が反りの値の小さい領域である。ウェーハ表面の全域に亘る平坦度即ち反りの値は、ｂ図では−６０μｍ〜＋６０μｍ（これは山の頂から谷の底までの距離である）の範囲内にあり、ｅ図では−１０μｍ〜＋１０μｍの範囲内にある。ｃ図及びｆ図は、ウェーハ表面の全域に亘って計測した表面うねりの値をグレイスケールで示した図である。表面うねりの値は、ｃ図では−５０μｍ〜＋５０μｍの範囲内にあり、ｆ図では−５μｍ〜＋５μｍの範囲内にある。ＣＭＰ加工法によって表面性状が向上したことが（グレイスケールで示したように）明らかに見て取れる。尚、上掲の算術平均表面粗さRaの値は、計測用共焦点顕微鏡を用いた比較計測により得られた計測値であり、使用した計測用共焦点顕微鏡の許容誤差の限界値は１ｎｍであった。形状誤差及び表面うねりについてもＣＭＰ加工による改善が認められた。ＣＭＰ加工を施した後の表面うねりの計測値は１０ｎｍ以下であった。

図９はＣＭＰ加工が施されたウェーハ表面の、その表面うねりの計測結果を示した図である。計測には、直径が３０μｍの小径の計測光スポットを使用し、ｘ／ｙ走査台で走査を行った。明瞭に認められる放射状の表面構造はＣＭＰ加工に先行して施された研削加工の加工痕の残存模様であり、一方、円形状の表面構造はＣＭＰ加工によって形成された加工模様である。それら模様の高さは１０μｍ以下である。

図１０に示した線図３２は、研削加工が施されたウェーハの表面粗さのAq値を示した特性線図であり、ウェーハ周縁（r＝０）からウェーハ中心（r＝１４０ｍｍ）までを示している。特性曲線３４で示された値は、例えば、共焦点顕微鏡を用いて計測される算術平均表面粗さRaの値などを示唆するものであり、ここに示唆されている算術平均表面粗さの値は、ウェーハの周縁では１６ｎｍ、中心近傍では９ｎｍである。

図１１は、以上に説明した方法を実行するための装置の構成要素である複数の機能部を示したブロック図である。ウェーハWは回転台４０上に中心を合わせて載置され、回転台制御装置４２により回転させられる。そのウェーハWの回転角度βが、回転角度センサ４４により検出される。位置決め装置４６が光センサ１０の位置決めを行い（この位置決めはｘ、ｙ、ｚ方向の位置決めとして行うことが好ましい）、この位置決めは光センサ１０の計測軸２０（この計測軸２０は光センサ１０の中心軸即ち長手方向軸に一致している）を、所定の計測位置においてウェーハWの表面に対して垂直に方向付けるものである。通常は、ｘ軸の延在方向を回転台４０の径方向と一致させて、ｘ値がウェーハの径方向位置の値に対応するようにする。位置決め装置４６は、光センサ１０を、その計測軸２０を中心として回転可能に支持しており、これにより水平回転角度θを制御可能にしている。回転台４０には、ウェーハWを固定するための、真空ポンプに接続された真空クランプ装置（不図示）を備えることが好ましく、そうすることで、ウェーハWの固定及び交換を迅速に行うことが可能となる。

コンピュータを用いて構成された制御装置５０が位置決め装置４６並びに回転台４０の制御を行い、その制御に従ってモータがβ、ｘ、ｙ、ｚ、θの各設定軸に関する移動調節を行う。更に制御装置５０は、光センサ１０にも接続されており、光センサ１０の出力信号の解析を行う。制御装置５０はその出力信号から、VDA 2009に規定されている諸々の特性値を算出し、更に、回転角度β及び径方向位置rの値に応じたそれら特性値の変化特性を算出する。本装置は、研究室用の自動表面試験装置としても、また、ウェーハの製造現場で用いる自動表面試験装置としても、好適な装置である。現行の技術水準において、ラインセンサによる散乱光分布の検出と、表面粗さ、平坦度、及び表面うねりに関する特性値Ig、Aq、及びMの算出とを、毎秒１万個の散乱光分布について実行し得る実行速度が得られる。将来的には走査速度が更に高速化されると予測されるが、現時点でも、ウェーハ上の１０万箇所の計測位置を走査するための所要時間は僅か１０秒であり、そのため、ウェーハの表側、裏側、ないしは両側の表面全域をくまなく検査することも容易である。このことは、本明細書に記載の方法の持つ大きな利点のひとつである。更に、横方向及び縦方向における空間解像度も極めて高く、サブナノメートル領域の解像度が得られることも大きな利点である。

１０ …光センサ
１２ …光源
１４ …計測光スポット
d …計測光スポットの直径
O1 …表面
α …散乱光計測可能最大角度範囲
O …計測光学系の対物レンズ
１６ …ラインセンサ
１８ …フォトデテクタ
φ …散乱角値
Iφ' …光強度値
H1(φ') …光強度分布
H(φ') …散乱角分布
F1 …面法線
２０ …計測軸
Δ1 …傾斜角度
２２ …ラインセンサの長手方向軸
M1 …光強度分布の中央からの偏位量
O2 …表面
H2(φ') …光強度分布
Δ2 …傾斜角度
M2 …偏位量
Aq …散乱角分布の偏差；表面粗さ値
Ask …微細構造の断面形状の非対称度
Aq* …欠陥検出信号
i …添字
Ii …第i番フォトデテクタの光強度計測値
Ig …光強度値の合計値；光強度特性値
OM …光センサの光学中心点
W …ウェーハ
DT …回転台
m1 …ウェーハの中心軸
P1, P2 …矢印
D …研削圧
S …研削砥石車
m2 …研削砥石車の中心軸
RE …回転ユニット
PS …研磨円板
E …エマルジョン
Ra …算術平均表面粗さ
SR …研削条痕
L …縦方向
Q …横方向
E1 …平面
θ …水平回転角度
r …径方向位置
３０ …線図
３２ …Aq値の線図
４０ …回転台
４２ …回転台制御装置
β …回転角度
４４ …回転角度センサ
４６ …位置決め装置
５０ …制御装置

Claims (15)

1. 例えばウェーハ（Ｗ）などの円板形状のワークピース（Ｗ）の精密加工が施された表面の表面性状を角度分解散乱光計測法を用いて非接触検査するための方法において、前記精密加工表面には、延在方向を有する条痕が精密加工により形成されており、
   前記ワークピース（Ｗ）を回転装置（４０）に回転可能に支持し、該回転装置（４０）上の該ワークピース（Ｗ）の回転角度（β）を測定し、
   複数個（ｉ個）のフォトデテクタ（１８）を備えたラインセンサ（１６）を備えた光センサ（１０）から所定の光強度分布を有する光束（２４）を前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面へ照射して計測光スポット（１４）を形成し、
   前記光束の反射光の光強度（Ii）を、前記ラインセンサ（１６）により、所定角度範囲（α）内において検出し、検出した光強度から少なくとも１つの光強度特性値（Ig）を算出し、
   前記光センサ（１０）を、位置決め装置（４６）により、前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面に対して相対的に方向付けして、該光センサ（１０）の計測軸（２０）を前記精密加工表面に対して垂直とし、前記位置決め装置（４６）は前記光センサ（１０）を、前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面に対して相対的に径方向（r）に移動可能に、且つ、該光センサ（１０）の前記計測軸（２０）を中心として任意の回転角度（θ）で回転可能に支持しており、
   セットアップ動作モードにおいて、所定計測位置において前記光センサ（１０）を該光センサの前記計測軸（２０）を中心として回転させて、前記光強度特性値（Ig）が極大値を取る回転角度である初期回転角度（θ）により表される前記光センサ（１０）の初期回転角度位置を測定し、
   計測動作モードにおいて、前記初期回転角度（θ）と、前記フォトデテクタ（１８）で検出された光強度値（Ii）とに基づいて、表面性状を表す少なくとも１つの特性値（Aq; Aq*; M）を算出する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記計測動作モードにおいて、前記光センサ（１０）の回転角度（θ）を、前記初期回転角度に所定の角度増分を加えた角度に設定して、表面性状を表す更なる特性値（Aq; Aq*; M）を算出することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記角度増分は±４５°または±９０°であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記セットアップ動作モードにおいて、前記ラインセンサ（１６）の前記複数個のフォトデテクタ（１８）のうちの幾つかまたはそれら全部の光強度値の合計値を、光強度特性値（Ig）として算出することを特徴とする先行請求項の何れか１項記載の方法。
5. 前記計測動作モードにおいて、前記回転装置（４０）が前記ワークピース（Ｗ）を所定角度（β）ずつ回転させ、前記光センサ（１０）がその回転の都度順次前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面を走査することで、円形経路に沿った特性値の変化を測定することを特徴とする先行請求項の何れか１項記載の方法。
6. 前記計測動作モードにおいて、前記ワークピースの前記精密加工表面の少なくとも一部を領域走査し、該領域走査において、前記ワークピースの前記精密加工表面上の計測位置の径方向位置（r）に応じて前記光センサ（１０）の前記計測軸（２０）を中心とした回転角度（θ）を変化させることを特徴とする先行請求項の何れか１項記載の方法。
7. 前記条痕は、前記ワークピースの前記精密加工面上の径方向位置（r）と当該径方向位置における前記条痕の延在方向（θ）との所定の関数により表される形状を有しており、前記光センサ（１０）の前記計測軸（２０）を中心とした回転角度（θ）を前記関数F(r, θ) に従って変化させることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記領域走査を、円形、円弧形、渦巻形、または放射形に行うことを特徴とする先行請求項の何れか１項記載の方法。
9. 前記計測光スポット（１４）の直径が２０μｍ〜３００μｍであることを特徴とする先行請求項の何れか１項記載の方法。
10. 例えばウェーハ（Ｗ）などの円板形状のワークピース（Ｗ）の精密加工が施された表面の表面性状を角度分解散乱光計測法を用いて非接触検査するための装置において、前記精密加工表面には、延在方向を有する条痕が精密加工により形成されており、
    前記ワークピース（Ｗ）を回転可能に支持するための回転装置（４０）、及び、前記回転装置（４０）上の前記ワークピース（Ｗ）の回転角度（β）を測定するための回転角度センサ（４４）を備え、
    所定の光強度分布を有する光束（２４）を前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面へ照射することにより、前記精密加工表面上に計測光スポット（１４）を形成する光センサ（１０）を備え、
    前記光センサ（１０）は、複数個（ｉ個）のフォトデテクタ（１８）を備えたラインセンサ（１６）を備え、該ラインセンサ（１６）は、前記光束の反射光の光強度（Ii）を、所定角度範囲（α）内において検出し、検出された光強度から少なくとも１つの光強度特性値（Ig）が算出され、
    前記光センサ（１０）を前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面に対して相対的に方向付けして該光センサ（２０）の計測軸（２０）を前記精密加工表面に対して垂直とする位置決め装置（４６）を備え、前記位置決め装置（４６）は前記光センサ（１０）を、前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面に対して相対的に径方向（r）に移動可能に、且つ、該光センサ（１０）の前記計測軸（２０）を中心として任意の回転角度（θ）で回転可能に支持しており、
    セットアップ動作モードにおいて、所定計測位置において前記光センサ（１０）が該光センサの前記計測軸（２０）を中心として回転させられて、前記光強度特性値（Ig）が極大値を取る回転角度である初期回転角度（θ）により表される前記光センサ（１０）の初期回転角度位置が測定され、
    計測動作モードにおいて、前記初期回転角度（θ）と、前記フォトデテクタ（１８）で検出された光強度値（Ii）とに基づいて、表面性状を表す少なくとも１つの特性値（Aq; Aq*; M）が算出される、
    ことを特徴とする装置。
11. 前記計測動作モードにおいて、前記光センサ（１０）の回転角度（θ）が前記初期回転角度に所定の角度増分を加えた角度に設定されて、表面性状を表す更なる特性値（Aq; Aq*; M）が算出されることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記角度増分は±４５°または±９０°であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 前記計測動作モードにおいて、前記回転装置（４０）が前記ワークピース（Ｗ）を所定角度（β）ずつ回転させ、前記光センサ（１０）がその回転の都度順次前記ワークピース（Ｗ）の前記精密加工表面を走査することで、円形経路に沿った特性値の変化が測定されることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか１項記載の装置。
14. 前記計測動作モードにおいて、前記ワークピースの前記精密加工表面の少なくとも一部が領域走査され、該領域走査において、前記ワークピース上の計測位置の径方向位置（r）に応じて前記光センサ（１０）の前記計測軸（２０）を中心とした回転角度（θ）が変化させられることを特徴とする請求項１０乃至１３の何れか１項記載の装置。
15. 前記計測光スポット（１４）の直径が２０μｍ〜３００μｍであることを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか１項記載の装置。

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