JP6644282B2 - 測定装置、及び測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エッジ形状の測定装置、及び測定方法に関する。
特許文献１には、半導体ウェハの端縁を全周に渡って観察する共焦点型撮像装置が開示されている。特許文献１の共焦点型撮像装置は、撮像光学系と、半導体ウェハを支持する回転テーブルと、を備えている。撮像光学系は、ライン状光ビームを発生する装置と、リニアセンサとを備えている。
特許文献２には、半導体ウェハの端縁の断面形状を測定する測定装置が開示されている。特許文献２の測定装置は、２つの共焦点型の撮像装置を備えている。撮像装置は、ライン状の光ビームを発生する手段と、光ビームを集光する対物レンズと、リニアイメージセンサを備えている。一方の撮像装置が、端縁の一方の斜面を撮像し、他方の撮像装置が他方の斜面を撮像する。測定装置は、対物レンズを光軸方向（Ｚ方向）に走査して、輝度値が最大となる対物レンズのＺ位置に基づいて、断面形状を測定している。
特開２００７―２０６４４１号公報 特開２００７―１６３２６５号公報
エッジ付近におけるチップの歩留まり向上のためには、エッジ付近の品質管理が重要となる。半導体ウェハのエッジプロファイルは、結晶方位に依存しており、角度により異なっている。そのため、結晶方位に応じてエッジ形状が変化したり、上下方向に非対称に変化したりすることがある。よって、エッジ形状を精度よく測定することが望まれている。
本開示は、このような事情を背景としてなされたものであり、エッジ形状を高速かつ高精度に測定することができる測定装置、及び測定方法を提供するものである。
本実施形態の一態様にかかる測定装置は、焦点面が基板のエッジ部分を横切るように配置され、前記焦点面においてライン状の照明領域を形成するように、照明光を集光する対物レンズと、前記ライン状の照明領域の方向に沿った複数の画素を備え、コンフォーカル光学系を介して、前記基板のエッジ部分からの反射光を検出する検出器と、前記対物レンズと、前記検出器と、を搭載する光学ヘッドと、前記基板に対する前記焦点面の傾きを変えるように、前記基板に対する前記光学ヘッドの相対位置を変化させる移動機構と、前記検出器において前記反射光の強度がピークとなる位置に基づいて、前記エッジ部分の形状を測定する処理部と、を備えたものである。
上記の測定装置は、前記基板を回転する回転ステージをさらに備え、前記回転ステージを回転させながら、前記反射光を検出する構成であってもよい。
上記の測定装置において、前記移動機構が前記光学ヘッドを回転軸周りに、回転移動させ、前記回転軸は、前記基板の厚さ方向と平行なＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面と直交し、かつ、前記基板の内部を通っている構成であってもよい。
上記の測定装置において、前記処理部が、前記検出器において前記反射光の強度が前記ピークとなる位置を、前記基板の厚さ方向に沿ったＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面におけるエッジ位置に変換するようにしてもよい。
上記の測定装置において、前記処理部が、前記対物レンズの光軸を挟んで両側に配置された２つのエッジ位置を求めるようにしてもよい。
上記の測定装置において、エッジ形状を示す特徴量の角度依存性を示すグラフを表示するようにしてもよい。
本実施形態の一態様にかかる測定方法は、焦点面が基板のエッジ部分を横切るように配置され、前記焦点面においてライン状の照明領域を形成するように、照明光を集光する対物レンズと、前記ライン状の照明領域の方向に沿った複数の画素を備え、コンフォーカル光学系を介して、前記基板のエッジ部分からの反射光を検出する検出器と、前記対物レンズと、前記検出器と、を搭載する光学ヘッドと、を備えた測定装置を用いた測定方法であって、前記基板に対する前記焦点面の傾きを変えるように、前記基板に対する前記光学ヘッドの相対位置を変化させるステップと、前記検出器において前記反射光の強度がピークとなる位置に基づいて、前記エッジ部分の形状を測定するステップと、を備えたものである。
上記の測定方法において、前記基板を回転させながら、前記反射光を検出するようにしてもよい。
上記の測定方法は、前記光学ヘッドの相対位置を変化セルステップでは、前記光学ヘッドを回転軸周りに、回転移動させ、前記回転軸は、前記基板の厚さ方向と平行なＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面と直交し、かつ、前記基板の内部を通っていてもよい。
上記の測定方法は、前記エッジ部分の形状を測定するステップでは、前記検出器において前記反射光の強度が前記ピークとなる位置を、前記基板の厚さ方向に沿ったＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面におけるエッジ位置に変換するようにしてもよい。
上記の測定方法は、前記エッジ部分の形状を測定するステップでは、前記対物レンズの光軸を挟んで両側に配置された２つのエッジ位置を求めるようにしてもよい。
上記の測定方法は、エッジ形状を示す特徴量の角度依存性を示すグラフを表示するようにしてもよい。
本開示によれば、エッジ形状を高速かつ高精度に測定することができる測定装置、及び測定方法を提供することができる。
本実施の形態にかかる測定装置の全体構成を示す模式図である。 光学ヘッドに搭載された光学系を示す図である。 あるθ角度でのエッジ形状の測定方法を示すフローチャートである。 エッジのプロファイルを測定する方法を説明するための図である。 Ａ軸角度を変えたときの焦点面の位置を示す図である。 Ａ軸角度に応じたコンフォーカル画像とＹ方向プロファイルを示す図である。 Ａ軸角度毎のピーク位置を示すグラフである。 Ａ軸角度が＋３０°のピーク位置を示す図である。 ＲＺ平面におけるエッジ位置を示す図である。 測定されたエッジプロファイルを示す図である。 全周のエッジ形状を測定する方法を示すフローチャートである。 エッジ部の特徴量を説明するための図である。 θ角度に応じたウェハ厚ＷＴの変化を示すグラフである。 θ角度に応じたＴＢ角度ＴＢＡの変化を示すグラフである。 θ角度に応じたＡＰＥＸ長ＡＰの変化を示すグラフである。 θ角度に応じたＴＢ高さＴＢＬ１の変化を示すグラフである。 エッジの平均プロファイルを示す図である。 エッジの凹凸データを示す図である。
以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施形態を示すものであって、本発明の技術的範囲が以下の実施形態に限定されるものではない。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。
実施の形態１．
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。本実施の形態にかかる測定装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、測定装置の全体構成を模式的に示す図である。測定装置１００は、基板３０のエッジ部３１の形状を測定する。測定装置１００は、光学ヘッド１０と、ステージ２０と、移動機構４０と、処理装置５０と、を備えている。なお、以下の説明において、鉛直上方向を＋Ｚ方向とする。また、Ｚ方向が、基板３０の厚さ方向に平行であるものとして説明する。また、円形の基板３０の半径方向をＲ方向とする。
ステージ２０は、測定対象となる基板３０を載置する。基板３０は、例えば、半導体ウェハ等の円形基板となっている。なお、基板３０には、ノッチやオリフラなどが設けられていてもよい。ステージ２０は真空チャックなどにより、基板３０を保持していてもよい。基板３０のエッジ部３１は、ステージ２０からはみ出している。すなわち、ステージ２０は、基板３０の直径よりも小さい直径を有する円盤状になっている。なお、基板３０の＋Ｚ側の面を表（おもて）面３３とし、−Ｚ側の面を裏面３４とする。基板３０の表面３３と裏面３４は、Ｚ方向と直交する平面となる。基板３０の表面３３は、パターンが形成されるパターン形成面となる。
ステージ２０は、回転ステージであり、基板３０をＺ軸周りに回転させる。つまり、基板３０は、θ方向に回転する。ステージ２０の回転軸であるＺ軸は、基板３０の中心を通り、鉛直方向に平行になっている。ステージ２０のＺ軸周りの回転角度をθ角度とする。ステージ２０は、例えば、一定の回転速度で基板３０を回転させることができる。
光学ヘッド１０は、エッジ形状を測定するための光学系を搭載している。具体的には，光学ヘッド１０は、ラインコンフォーカル光学系を備えている。ラインコンフォーカル光学系は光源、レンズ、ミラー、及びセンサ等を備えている。光学ヘッド１０に設けられている光学系については後述する。光学ヘッド１０の光軸をＯＸとする。
光学ヘッド１０は、移動機構４０に取り付けられている。つまり、移動機構４０は、光学ヘッド１０を移動可能に支持している。移動機構４０は、光学ヘッド１０を円弧に沿って移動させる（図１中の光学ヘッド１０ａ〜１０ｄ）。なお、円弧の中心を中心Ｏとする。移動機構４０は、駆動機構４１と、ガイド４２とを備えている。ガイド４２は、半円の円弧状となっている。ガイド４２の円弧の中心Ｏは、基板３０のエッジ部３１に配置されている。よって、ガイド４２の一端が基板３０の上側（＋Ｚ側）に配置され、他端が基板３０の下側（−Ｚ側）に配置されている。
駆動機構４１は、光学ヘッド１０を駆動するためのサーボモータなどを備えている。駆動機構４１の駆動によって、光学ヘッド１０がガイド４２に沿って移動する。つまり、光学ヘッド１０が回転移動する。これにより、光学ヘッド１０の光軸ＯＸの傾きが変化する。光学ヘッド１０の回転移動の回転軸をＡ軸とする。Ａ軸は、基板３０の内部にある中心Ｏを通過し、かつ、紙面に垂直な方向に平行である。つまり、Ａ軸は、Ｚ軸と光軸ＯＸとを含む平面と直交し、かつ基板３０の内部を通っている。
Ａ軸周りの角度（以下、Ａ軸角度）を図１に示すように定義する。光学ヘッド１０が中心Ｏの真上にある場合（光学ヘッド１０ａの位置）、Ａ軸角度が＋９０°であるとする。光学ヘッド１０が中心Ｏの真下にある場合（光学ヘッド１０ｄの位置）をＡ軸角度が−９０°であるとする。Ａ軸角度が＋９０°又は−９０°の時、光学ヘッド１０の光軸ＯＸはＺ軸方向と平行になる。Ａ軸角度が０°のとき、光学ヘッド１０は、基板３０の真横にあり、光学ヘッド１０の光軸ＯＸは、Ｚ軸と直交する。Ａ軸角度が０°のとき、光軸ＯＸは、水平方向と平行になり、基板３０の中心を通る。
例えば、ステージ２０を回転させずに、Ａ軸周りに光学ヘッド１０をスキャンすることで、基板３０のエッジ部３１の断面プロファイルを測定することができる。具体的には、中心Ｏを通り、紙面と平行な面における基板３０のエッジプロファイルを測定することができる。エッジプロファイルを測定する平面をＲＺ面とする。Ａ軸周りの光学ヘッド１０の回転移動は、ＲＺ面内における移動である。
処理装置５０は、例えば、プロセッサとメモリなどを備えたコンピュータであり、エッジ形状を測定するための処理を実行する。さらに、処理装置５０は、測定結果を表示するためのモニタや、ユーザからの入力を受け付けるためのキーボード、マウス、タッチパネルなどの入力機器を備えている。
処理装置５０は、駆動機構４１、及びステージ２０を制御する。処理装置５０は、駆動機構４１のＡ軸角度、及びθ角度のデータを収集する。処理装置５０は、光学ヘッド１０で検出された検出データを収集する。そして、処理装置５０は、検出データと角度データとを対応付けて、メモリなどに格納する。処理装置５０は、検出データと角度データに基づいて、基板３０のエッジ形状を測定するための処理を行なう。処理装置５０での処理については、後述する。
次に、光学ヘッド１０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、光学ヘッド１０に搭載された光学系の構成を示す図である。上記の通り、光学ヘッド１０は、ラインコンフォーカル光学系１１０を搭載している。ラインコンフォーカル光学系１１０は、照明光源１１と、ハーフミラー１２と、レンズ１３と、ミラー１４と、レンズ１５と、レンズ１６と、対物レンズ１７と、検出器１８とを備えている。光学ヘッド１０では、これらの光学素子が、図示しない筐体などに固定されている。そして、移動機構４０が、ラインコンフォーカル光学系１１０の全体を回転移動する。
まず、基板３０を照明するための照明光学系について説明する。照明光源１１は、ライン状の照明光を発生する。照明光源１１は、ランプ光源、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、レーザ光源などの種々の光源を用いることが可能である。照明光源１１は、ライン光源である。あるいは、スリットやシリンドリカルレンズを用いることで、ライン状の照明光を生成することも可能である。
ラインコンフォーカル光学系１１０を構成するため、照明光は、対物レンズ１７の焦点面（フォーカス面）において、ライン状の照明領域を形成する。なお、焦点面は、焦点Ｆを通って、光軸ＯＸに直交する平面である。焦点面において、照明領域の長手方向をＹ方向とし、短手方向をＸ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは、直交する方向である。Ｙ方向は、図１で示したＲＺ平面内の方向であるとする。
照明光源１１からの照明光はハーフミラー１２に入射する。ハーフミラー１２は入射した光の半分を透過して、残り半分を反射する。ハーフミラー１２で反射された照明光は、レンズ１３によって平行光束となる。平行光束となった照明光は、ミラー１４に入射する。ミラー１４は照明光をレンズ１５の方向に反射する。照明光は、レンズ１５、及びレンズ１６で屈折される。レンズ１５、及びレンズ１６は、例えば、リレーレンズである。レンズ１６を通過した照明光は、平行光束となっている。
レンズ１６を通過した照明光は対物レンズ１７に入射する。対物レンズ１７は、照明光を焦点面に集光する。対物レンズ１７の焦点Ｆは、基板３０のエッジ部３１にある。焦点Ｆは、光軸ＯＸ上であって、基板３０の内部にある。したがって、焦点Ｆが、基板３０の表面から内側にずれている。照明光は、基板３０の表面（ひょうめん）で反射される。
次に、基板３０で反射した反射光を検出するための検出光学系について説明する。基板３０で反射した反射光は、照明光の光路を戻っていく。つまり、反射光は対物レンズ１７で、平行光束となって、レンズ１６に入射する。レンズ１６、及びレンズ１５は、反射光を屈折する。レンズ１５を通過した反射光は、ミラー１４で反射されて、レンズ１３に入射する。そして、反射光は、レンズ１３で屈折されて、ハーフミラー１２に入射する。レンズ１３からの反射光の半分が、ハーフミラー１２を通過して、検出器１８に入射する。
レンズ１３は、結像レンズであり、反射光を検出器１８の受光面に集光している。検出器１８は、例えば、複数の画素を備えたラインセンサである。具体的には、検出器１８として、ラインＣＣＤ（Charged Coupled Device）もしくはCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ラインセンサを用いることができる。よって、検出器１８の受光面には、複数の画素が１列に配列されている。検出器１８の複数の画素は、Ｙ方向に沿って配置される。検出器１８は、反射光を検出して、検出結果のデータを処理装置５０（図１参照）に出力する。すなわち、検出器１８は、各画素毎に、反射光強度を示す検出データを処理装置５０に出力する。
なお、検出器１８の受光面は、対物レンズ１７の焦点面とは互いに共役な位置に配置されている。対物レンズ１７で集光された照明光が、焦点面において、ライン状の照明領域を形成する。検出器１８の受光面では、反射光がＹ方向を長手方向とするライン状に集光される。焦点面から光軸方向にずれた面で反射された反射光は、検出器１８の画素の外側に入射する。このようにすることで、ラインコンフォーカル光学系１１０を構成することができる。
上記の例では、対物レンズ１７の焦点面から共役な位置にラインセンサである検出器１８を配置していたが、スリットを用いてラインコンフォーカル光学系１１０を構成することも可能となる。例えば、ライン状の照明領域に沿ったスリットを焦点面と共役な位置に配置する。検出器１８がスリットを通過した反射光を検出するよう、スリットの後ろ側に検出器１８を配置する。ここで、検出器１８は、スリット方向に沿って複数の画素が配列されたラインセンサとする。これにより、焦点面で反射した反射光がスリットを通過し、焦点面からずれた面で反射された反射光は、スリットで遮光される。このようにすることで、ラインコンフォーカル光学系を構成することができる。検出器１８は、コンフォーカル光学系を介して反射光を検出して、検出データを処理装置５０に出力する。
次に、本実施の形態にかかる測定方法について、図３を用いて説明する。図３は、エッジ形状の測定方法を示すフローチャートである。ここでは、説明の簡略化のため、ステージ２０によるθ回転を行なわずに測定を行なう方法について説明する。すなわち、あるθ角度についてエッジ形状のプロファイルを測定する方法について、説明する。
まず、移動機構４０がＡ軸をスキャンする（Ｓ１１）。つまり、移動機構４０が光学ヘッド１０を回転移動させていく。これにより、対物レンズ１７及び検出器１８などを搭載した光学ヘッド１０が移動して、光軸ＯＸの傾きが変化する。移動機構４０は、基板３０に対する焦点面の傾きを変えるように、基板３０に対する光学ヘッド１０の相対位置を変化させる。例えば、移動機構４０は、Ａ軸角度を−９０°〜９０°の範囲でスキャンする。
処理装置５０は、移動機構４０のＡ軸角度毎に、検出器１８で検出された検出データを記憶する。ここでは、５°刻みのピッチでＡ軸角度をスキャンして、測定を行なうものとする。これにより、Ａ軸角度毎に検出器１８が反射光を検出する。もちろん、スキャン範囲、及びスキャンピッチは、特に限定されるものではない。
そして、処理装置５０は、あるθ角度のプロファイル形状を取得する（Ｓ１２）。処理装置５０は、Ａ軸角度と検出データを対応付けて記憶している。処理装置５０は、Ａ軸角度毎の検出データに基づいて、エッジのプロファイル形状を生成する。処理装置５０は、検出器１８において反射光の強度がピークとなる位置に基づいて、エッジ部分の形状を測定する。
以下、プロファイル形状を測定する処理について、図４を用いて説明する。図４は、ＲＺ断面におけるエッジプロファイルＰを模式的に示す図である。ここで、エッジプロファイルＰは、ＲＺ平面に沿った基板３０の断面において、エッジ位置を繋ぎ合わせた輪郭線となる。
ＲＺ面がエッジプロファイルＰの測定面となっている。焦点Ｆは、対物レンズ１７（図４では省略）の光軸ＯＸ上であって、エッジプロファイルＰよりも基板３０の内側にある。つまり、焦点Ｆは、基板３０の内部の点である。焦点Ｆを通り、光軸ＯＸに直交する平面が焦点面Ｓとなる。Ａ軸周りの回転移動の中心Ｏは光軸ＯＸ上にある。また、光軸ＯＸは、ＲＺ平面内にある。中心Ｏは、焦点Ｆからずれている。ここでは、焦点Ｆは、中心Ｏよりも対物レンズ１７側にある。したがって、光軸ＯＸ上において、対物レンズ側から順に、エッジプロファイルＰ（＝エッジ位置）、焦点Ｆ（＝焦点面Ｓ）、中心Ｏの順に配置されている
上記のように、焦点面Ｓにおいて、照明光はＹ方向に沿ったライン状となるように、対物レンズ１７が照明光を集光している。Ｙ方向は、ＲＺ面内の方向である。したがって、図４に示すように、焦点面Ｓが、基板３０のエッジを斜めに横切る。ＲＺ面において、焦点面ＳがエッジプロファイルＰを横切る２点をエッジ位置Ｄ、及びエッジ位置Ｅとする。ＲＺ平面において、エッジ位置Ｄとエッジ位置Ｅは、エッジプロファイルＰと焦点面Ｓとの交点となる。
具体的には、エッジ位置Ｄとエッジ位置Ｅは光軸ＯＸを挟んで両側に配置されている。エッジ位置Ｄは焦点Ｆよりも＋Ｚ側にあり、エッジ位置Ｅは焦点Ｆよりも−Ｚ側にある。エッジ位置Ｄとエッジ位置Ｅは照明されている。エッジプロファイルＰにおいて、エッジ位置Ｄからエッジ位置Ｅまでの範囲を範囲ＤＥとする。なお、範囲ＤＥはエッジ位置Ｄとエッジ位置Ｅを含まない範囲である。範囲ＤＥは、照明光で照明されている。しかしながら、範囲ＤＥでは、エッジプロファイルＰは、焦点面Ｓから対物レンズ側にずれて配置されている。このため、範囲ＤＥで反射した反射光は、共焦点効果により、検出器１８での検出光強度が大幅に小さくなる。
エッジ位置Ｄよりも表面３３側の範囲は、焦点面Ｓからずれている。同様に、エッジ位置Ｅよりも裏面３４側の範囲も、焦点面Ｓからずれている。よって、エッジ位置Ｄよりも表面３３側の範囲、及びエッジ位置Ｅよりも裏面側３４の範囲が照明されたとしても、反射光が検出されない。したがって、図４に示す状態では、エッジ位置Ｄとエッジ位置Ｅで反射された反射光の強度が極端に高くなる。つまり、検出器１８での検出光強度は、焦点面ＳとエッジプロファイルＰの２つの交点（エッジ位置Ｄ、Ｅ）からの反射光が支配的となる。
図５は、Ａ軸周りに光学ヘッド１０を回転移動した場合の、焦点面Ｓとエッジ位置Ｄ、Ｅの変化を説明するための図である。図５では、図４で示した光軸ＯＸ、焦点Ｆ、焦点面Ｓ、エッジ位置Ｄ、エッジ位置Ｅを光軸ＯＸ１、焦点Ｆ１、焦点面Ｓ１、エッジ位置Ｄ１、エッジ位置Ｅ１として示している。そして、Ａ軸周りの回転移動によって、光軸ＯＸ１を光軸ＯＸ２、光軸ＯＸ３の順にずらしていくものとする。この場合、焦点面Ｓも焦点面Ｓ１、焦点面Ｓ２、焦点面Ｓ３の順に変わっていく。つまり、Ａ軸周りの回転移動によって、光軸ＯＸの傾きが変わっていくため、焦点面Ｓの傾きも変わっていく。焦点Ｆも焦点Ｆ１、焦点Ｆ２、焦点Ｆ３の順に変わっていく。
エッジ位置Ｄ２，Ｅ２は焦点面Ｓ２とエッジプロファイルＰの交点である。エッジ位置Ｄ３，Ｅ３は焦点面Ｓ３とエッジプロファイルＰの交点である。Ａ軸周りの回転移動によって、エッジ位置Ｄは、エッジ位置Ｄ１、エッジ位置Ｄ２、エッジ位置Ｄ３の順にずれていく。同様に、エッジ位置Ｅは、エッジ位置Ｅ１、エッジ位置Ｅ２、エッジ位置Ｅ３の順にずれていく。よって、Ａ軸角度を徐々に変えていくことで、エッジ位置を徐々に変えていくことができる。
Ａ軸角度毎にエッジ位置Ｄ、Ｅを求めることにより、エッジプロファイルＰを測定することができる。つまり、Ａ軸角度を変えて測定されたエッジ位置Ｄ、Ｅを繋ぎ合わせることによって、ＲＺ平面におけるエッジプロファイルＰを求めることができる。本実施の形態では、光軸ＯＸ上において、焦点Ｆがエッジ位置からずれた状態での測定が実施される。具体的には、Ａ軸を変えたとしても、エッジ位置が焦点Ｆよりも対物レンズ側にある状態で測定を行なう。換言すると、Ａ軸角度に関わらず、常時、焦点面Ｓがエッジと横切るような状態で測定を行なう。
光軸ＯＸからずれた位置であって、かつ焦点面Ｓ上のエッジ位置Ｄ、Ｅがライン状の照明光でされている。そして、検出器１８は、コンフォーカル光学系を介してこのエッジ位置Ｄ、Ｅからの反射光を、検出する。
次に、検出器１８の検出データから、エッジ位置Ｄ、エッジ位置Ｅを求める処理について説明する。図６は、エッジ部３１のコンフォーカル画像とその検出データを示す図である。図６では、Ａ＝＋９０°、＋３０°、０°、−３０°でのコンフォーカル画像、及び反射光の検出データが示されている。図７は、Ａ＝＋３０°のコンフォーカル画像と反射光の検出データを拡大して示す図である。
なお、図６に示すコンフォーカル画像は、ライン状の照明光をＸ方向に走査することで得られた２次元画像である。具体的には、図２に示したミラー１４をガルバノミラーなどの光スキャナとして、照明光を走査することで得られた画像である。実際のエッジ形状の測定は、コンフォーカル画像を撮像せずに、実施されている。換言すると、光スキャナでの走査は不要となる
各コンフォーカル画像の右側には反射光の検出データが模式的に示されている。ここで、Ａ＝＋９０°、＋３０°、０°、−３０°での反射光強度のデータをそれぞれ検出データ６１〜６４としている。検出データ６１〜６４はＹ方向に沿った反射光強度のプロファイルを示している。
例えば、Ａ＝＋３０°の検出データ６２は２つのピークを有している。この２つのピークが、エッジ位置Ｄ及びエッジ位置Ｅに対応する。＋Ｙ側のピークがエッジ位置Ｄに対応し、−Ｙ側のピークがエッジ位置Ｅに対応する。共焦点効果によって、エッジ位置Ｄ、Ｅに対応する画素での反射光強度が高くなり、その他の領域（例えば、図４の範囲ＤＥ）に対応する画素での反射光強度は大幅に低くなる。すなわち、エッジ位置Ｄ、及びエッジ位置Ｅに対応する画素が反射光強度のピーク位置となる。さらに、エッジ位置Ｄ、及びエッジ位置Ｅが変わることで、ピーク位置も変化する。つまり、エッジ形状に応じて、ピーク位置が変わる。
図７に示すように、処理装置５０は、検出器１８の画素１８ａの中で、反射光強度が最大となる画素をピーク画素１８ｐとして特定する。そして、処理装置５０は処理装置５０は、ピーク画素１８ｐの画素位置をピーク位置として求める。各Ａ軸角度において取得された反射光強度のＹ方向プロファイルにおいて、ピーク位置を求める。エッジ位置Ｄは、３０７（pixel）、エッジ位置Ｅは、５５０（pixel）となっている。例えば、検出器１８の中心画素は５１２（pixel）となっており、画素位置が０〜１０２４の整数で示されている。
なお、図６に示すように、Ａ軸角度が＋９０°の場合、検出データ６１にピークが一つしか表れない。これは、エッジ位置Ｄが検出器１８の視野から外れてしまうためである。つまり、表面３３、又は裏面３４の近傍では、ＲＺ平面内において、焦点面ＳとエッジプロファイルＰとの成す角度が小さくなる。すると、光軸ＯＸからエッジ位置Ｄ、又はエッジ位置Ｅまでの距離が長くなる。焦点面ＳとエッジプロファイルＰが平行に近くなると、エッジ位置Ｄ、又はエッジ位置Ｄが検出器１８の視野から外れてしまう。
そのため、Ａ軸角度が＋９０°又は−９０°の近傍では、１つしかピークが表れないことがある。この場合、処理装置５０は、１つのピーク位置のみを求めればよい。あるいは、Ａ軸角度が＋９０°又は−９０°の近傍では、ピークが２つとも表れない場合こともある。この場合、処理装置５０は、ピーク位置を求めなくてもよい。
図８は、Ａ軸角度毎に求められたピーク位置を示すグラフである。図８において、横軸がＡ軸角度（deg）であり、縦軸がピーク位置（pixel）である。図８は、Ａ軸角度を５°刻みで変化させた場合の測定結果を示している。エッジ位置Ｄ、及びエッジ位置Ｅに対応するピーク位置がそれぞれプロットされている。中心画素（５１２）から上のデータがエッジ位置Ｅに対応し、下のデータがエッジ位置Ｄに対応する。
Ａ軸角度が＋９０°近傍の場合、エッジ位置Ｄに対応するピークが表れていないため、エッジ位置Ｅに対応するピーク位置が。また、Ａ軸角度が−９０°近傍の場合、エッジ位置Ｄ，Ｅに対応するピークが表れていないため、ピーク位置がプロットされていない。
ピーク位置は、ＲＺ平面における位置（座標）に変換することができる。具体的には、処理装置５０は、Ａ軸角度や光学系での設定を用いることで、ピーク位置（pixel）からＲ位置、及びＺ位置を幾何学的に求めている。図９は、図８に示すピーク位置（pixel）をＲ位置、及びＺ位置に変換したグラフである。
例えば、ピーク位置（pixel）からＲ位置（Ｒ１）、及びＺ位置（Ｚ１）を求める変換式は以下の式（１）、（２）となる。
Ｒ１＝ｒ０＊ｃｏｓ（Ａ）＋（ｐ１―ｐｃ）＊ｋ＊ｓｉｎ（Ａ） ・・・（１）
Ｚ１＝ｒ０＊ｓｉｎ（Ａ）−（ｐ１―ｐｃ）＊ｋ＊ｃｏｓ（Ａ） ・・・（２）
ｒ０は、中心Ｏから焦点Ｆまでの距離（μｍ）、ＡはＡ軸角度、ｐ１は、検出されたピーク位置（pixel）、ｐｃは検出器１８の中心画素の位置（pixel）である。ｋ（μｍ／pixel）は、焦点面における１画素分のサイズであり、検出器１８の画素サイズ、及び倍率等により求められる値である。式（１）、式（２）により、エッジ位置Ｄ又はエッジ位置ＥのＲ位置、及びＺ位置を求めることができる。なお、Ｒ位置、及びＺ位置は、中心Ｏを原点（０，０）としたときの、Ｒ方向、及びＺ方向における座標（Ｒ，Ｚ）に対応する。
例えば、Ａ＝＋３０°でのエッジ位置Ｄ、エッジ位置Ｅは、３０７（pixel）、５５０（pixel）となっている。この値を、式（１）、式（２）のｐ１にそれぞれ代入することで、Ｒ位置（Ｒ１）、及びＺ位置（Ｚ１）を求めることができる。
図１０は、基板３０のエッジ部３１を測定することで得られたエッジ形状を示すグラフである。つまり、図１０は、複数のエッジ位置Ｄ、エッジ位置Ｅの測定データをつなぎ合わせた図である。
このように、式（１）、式（２）を用いることで、エッジ位置ＤからＲ位置、及びＺ位置を求めることができる。同様に、式（１）、式（２）を用いることで、エッジ位置ＥからＲ位置、及びＺ位置を求めることができる。なお、エッジ位置Ｄから求められるＲ位置及びＺ位置と、エッジ位置Ｅから求められるＲ位置及びＺ位置とが大きく異なる場合、キャリブレーションを行なえばよい。例えば、それぞれの位置が一致するように、エッジ位置Ｄから求められるＲ位置、及びＺ位置にキャリブレーション値を加えればよい。あるいは、エッジ位置Ｅから求められるＲ位置、及びＺ位置にキャリブレーション値を加えてもよい。
なお、図１０では、基板３０の表面３３、及び裏面３４と直交する方向に沿った端面を側端面３５とする。側端面３５と表面３３との間の斜面を上側ベベル部３７とし、側端面３５と裏面３４との間の斜面を下側ベベル部３８としている。
上記のように、Ａ軸角度を変えてエッジ位置Ｄ，エッジＥを測定していくことで、ＲＺ断面におけるエッジプロファイルを求めることができる。処理装置５０は、検出器１８での検出結果に基づいて、エッジプロファイルを求めている。具体的には、検出器１８での反射光強度のピーク位置をＲＺ平面における位置座標に変換している。これにより、正確にエッジプロファイルを測定することができる。
Ａ軸を変えるのみでエッジプロファイルを測定することができるため、装置構成を簡素化することができる。コンフォーカル光学系において、対物レンズ１７を光軸方向に沿って走査することなく、エッジ形状の測定を行なうことができる。つまり、焦点高さを調整することなく測定を行なうことができる。よって、短時間で高い精度でのエッジ形状の測定を行なうことができる。
さらに、図１に示したステージ２０を回転させて、エッジ位置Ｄ、Ｅを測定していくことで、基板３０の全周のエッジ形状を測定することができる。図１１は、全周のエッジ形状を測定する測定方法を示すフローチャートである。
まず、θ回転、及びＡ軸のスキャンを行う（Ｓ２１）。具体的には、処理装置５０が、ステージ２０の回転角度は、連続的に変化するように、ステージ２０を一定速度で回転させる。さらに、処理装置５０が、Ａ軸角度が連続的又は段階的に変化させるように、移動機構４０を制御する。そして、基板３０の全周のプロファイル形状を測定する（Ｓ２２）。処理装置５０は検出器１８での検出データを収集するとともに、Ａ軸角度、θ角度を収集している。よって、上記の手法を用いることで、それぞれのθ角度、及びＡ軸角度に応じたエッジ位置を測定することができる。
ここで、ステージ２０の回転速度は、５ｒｐｓとすることができる。そして、１枚の基板３０における測定時間を例えば、３０秒とする。この場合、測定中に基板３０が１５０周する。したがって、各ＲＺ平面における測定点は１５０点となる。
このように、ステージ２０を回転させながら反射光を検出することで、全周のエッジ位置を測定することができる。さらに、Ａ軸角度を変えていくことで、基板３０の全周のエッジ形状を測定することができる。したがって、エッジ形状のばらつきを評価することができる。さらに、３０秒程度の短時間で、１枚の基板３０の全周のエッジ形状を測定することができる。よって、高い精度でのエッジ形状の測定を短時間で行なうことができる。
なお、上記に示す処理は、処理装置５０において実施される。具体的には、処理装置５０に搭載されたプロセッサがコンピュータプログラムを実行することで、上記の演算処理を実施することができる。もちろん、一部、又は全部の処理がアナログ回路等のハードウェアを用いて実施されていてもよい。なお、処理装置５０は、物理的に単一な装置に限られるものではなく、一部の処理が物理的に異なる装置で実施されていてもよい。
次に、全周のエッジ形状の測定結果について、説明する。図１２は、エッジ部の各部位の特徴量を説明するための図である。図１２に示すように、Ｚ方向における基板の厚さをウェハ厚ＷＴとする。Ｚ方向におけるエッジ部３１の側端面３５の高さをＡＰＥＸ長ＡＰとする。上側ベベル部３７と表面３３とのなす角度をＴＢ（Ｔｏｐ Ｂｅｖｅｌ）角度ＴＢＡとする。上側ベベル部３７のＺ方向における高さをＴＢ高さＴＢＬ１とし、上側ベベル部３７のＲ方向における幅をＴＢ幅ＴＢＬ２とする。
図１３〜図１６は、エッジ形状を示す特徴量のθ依存性を示すグラフである。図１３は、θ角度に応じたウェハ厚ＷＴの変化を示すグラフである。図１３において、横軸はθ角度、縦軸はウェハ厚ＷＴとなっている。図１４は、θ角度に応じたＴＢ角度ＴＢＡの変化を示す図である。図１４において、横軸はθ角度、縦軸はＴＢ角度ＴＢＡとなっている。
図１５は、θ角度に応じたＡＰＥＸ長ＡＰの変化を示すグラフである。図１５において、横軸はθ角度、縦軸はＡＰＥＸ長ＡＰとなっている。図１６は、θ角度に応じたＴＢ高さＴＢＬ１を示すグラフである。図１６において、横軸はθ角度、縦軸はＴＢ高さＴＢＬ１となっている。このように、処理装置５０は、エッジ形状を示す特徴量のθ依存性をグラフとして表示させることができる。
このように、ウェハ全周にわたって、エッジ形状の詳細な形状データを取得することができる。本実施の形態の測定方法では十分な数の測定データを短時間に取得することができる。よって、ウェハ厚ＷＴ、ＡＰＥＸ長ＡＰ、ＴＢ角度ＴＢＡ、ＴＢ高さＴＢＬ１、ＴＢ幅ＴＢＬ２等の特徴量のデータを全周に渡って求めることができる。
処理装置５０は、このような特徴量を２次元のグラフとして表示することができる。例えば、処理装置５０は、横軸をθ角度、縦軸を特徴量とするグラフをモニタ上に表示する。エッジ位置に応じた特徴量のθ依存性をグラフとして表示することで、ユーザがエッジ形状のばらつきや分布を容易に把握することができる。したがって、ユーザは、エッジ部３１の品質を適切に評価、管理することができる。
図１７は、円周全体におけるエッジの平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）と±３σのプロファイルを示す図である。図１７では左側にエッジ位置の平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）と±３σのプロファイルが示されている。さらに、図１７の右側では、プロファイルの一部が拡大されて示されている。なお、平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）は、θ＝０°〜３６０°分のデータを平均化した時のエッジ位置に対応している。
具体的には、直交座標系におけるエッジ位置の座標（Ｒ、Ｚ）から、極座標系におけるエッジ位置の座標（ｒ，φ）が求められる。なお、（ｒ，φ）は、中心Ｏを原点とする極座標系でエッジ位置を示したものである。半径ｒはエッジ位置の突出量を示す値であり、エッジ位置を示す特徴量となる。角度φは、中心Ｏを基準とする角度を示す値となる。
θ角度が０〜３６０°の範囲において得られた半径ｒの全データを平均化することで平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）が求められる。例えば、処理装置５０は、角度φ毎に、半径ｒの平均値と標準偏差σを求める。そして、角度φに応じた半径ｒの平均値が平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）となる。±３σのプロファイルは、Ｅ[ｒ]（φ）＋３σ[ｒ]（φ）と、Ｅ[ｒ]（φ）−３σ[ｒ]（φ）とを示している。
図１７から、エッジ部３１のベベル部において、標準偏差σが大きくなっていることが分かる。すなわち、ベベル部分においては、θ方向におけるエッジ位置のばらつきが大きくなっている。処理装置５０は、特徴量として平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）と、±３σのプロファイルとして、２次元のグラフに表示する。ユーザがエッジ形状のばらつきや分布を容易に把握することができる。したがって、ユーザは、エッジ部３１の品質を適切に評価、管理することができる。
図１８は、全周のエッジ位置の凹凸データΔｒ（θ、φ）を平面的に展開して示すグラフである。図１８において、横軸は角度θ、縦軸は角度φとなっている。凹凸データΔｒ（θ、φ）は、半径ｒの平均プロファイルＥ[ｒ]（φ）からのずれを示すデータであり、具体的には以下の式（３）で示される。
Δr(θ,φ)＝ｒ(θ,φ)−Ｅ[ｒ]（φ） ・・・（３）
図１８では、Δr(θ,φ)の値がグレースケールで示されている。エッジ位置が外側に突出するほど、色が明るく（白に近く）なり、エッジ位置が内側に窪むほど、色が暗く（黒に近く）なっている。例えば、θ＝４５°〜６０°、φ＝−８０°〜−３０°の範囲で、エッジ位置が凸になっていることが分かる。なお、図１８では、Δr(θ,φ)の値がグレースケールで示されているが、カラー表示により示すことも可能である。
このように、処理装置５０は、エッジ位置に応じた特徴量として、凹凸データΔｒ（θ、φ）をモニタ上に表示する。処理装置５０は、凹凸データΔｒ（θ、φ）を２次元のマップとして表示する。処理装置５０は、横軸をθ角度とし、凹凸データΔｒ（θ、φ）を濃淡またやカラーで示したグラフをモニタ上に表示する。縦軸は、角度φに限らず、Ｚ位置を示す値であればよい。このように、エッジ位置に応じた特徴量のθ依存性をグラフとして表示することで、ユーザがエッジ形状のばらつきや分布を容易に把握することができる。したがって、ユーザは、エッジ部３１の品質を適切に評価、管理することができる。
本実施の形態の測定方法では十分な数の測定データを短時間に取得することができる。よって、エッジ値の平均値からの凹凸を示す凹凸データΔｒ（θ、φ）を２次元に展開してグラフ化することができる。エッジ位置の測定データ基板全周のエッジ位置を測定することで、エッジ部を様々な観点から評価、管理することができる。
処理装置５０は、図１３〜図１８に示すグラフをモニタに表示する。これにより、ユーザがエッジ形状のばらつきを容易に把握することができる。
上記処理のうちの一部又は全部は、コンピュータプログラムによって実行されてもよい。上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ)、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ)、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。
１０ 光学ヘッド
１１ 照明光源
１２ ハーフミラー
１３ レンズ
１４ ミラー
１５ レンズ
１６ レンズ
１７ 対物レンズ
１８ 検出器
２０ ステージ
３０ 基板
３１ エッジ部
３３ 表面
３４ 裏面
４０ 移動機構
４１ 駆動機構
４２ ガイド
５０ 処理装置
１００ 測定装置
１１０ ラインコンフォーカル光学系
ＯＸ 光軸
Ｄ エッジ位置
Ｅ エッジ位置
Ｆ 焦点
Ｐ エッジプロファイル
Ｓ 焦点面

Claims (12)

  1. 焦点面が基板のエッジ部分を横切るように配置され、前記焦点面においてライン状の照明領域を形成するように、照明光を集光する対物レンズと、
    前記ライン状の照明領域の方向に沿った複数の画素を備え、コンフォーカル光学系を介して、前記基板のエッジ部分からの反射光を検出する検出器と、
    前記対物レンズと、前記検出器と、を搭載する光学ヘッドと、
    前記基板に対する前記焦点面の傾きを変えるように、前記基板に対する前記光学ヘッドの相対位置を変化させる移動機構と、
    前記検出器において前記反射光の強度がピークとなる位置に基づいて、前記エッジ部分の形状を測定する処理部と、を備えた測定装置。
  2. 前記基板を回転する回転ステージをさらに備え、
    前記回転ステージを回転させながら、前記反射光を検出する請求項１に記載の測定装置。
  3. 前記移動機構が前記光学ヘッドを回転軸周りに、回転移動させ、
    前記回転軸は、前記基板の厚さ方向と平行なＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面と直交し、かつ、前記基板の内部を通っている請求項１、又は２に記載の測定装置。
  4. 前記処理部が、前記検出器において前記反射光の強度が前記ピークとなる位置を、前記基板の厚さ方向に沿ったＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面におけるエッジ位置に変換する請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定装置。
  5. 前記処理部が、前記対物レンズの光軸を挟んで両側に配置された２つのエッジ位置を求めている請求項４に記載の測定装置。
  6. エッジ形状を示す特徴量の角度依存性を示すグラフを表示する請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定装置。
  7. 焦点面が基板のエッジ部分を横切るように配置され、前記焦点面においてライン状の照明領域を形成するように、照明光を集光する対物レンズと、
    前記ライン状の照明領域の方向に沿った複数の画素を備え、コンフォーカル光学系を介して、前記基板のエッジ部分からの反射光を検出する検出器と、
    前記対物レンズと、前記検出器と、を搭載する光学ヘッドと、を備えた測定装置を用いた測定方法であって、
    前記基板に対する前記焦点面の傾きを変えるように、前記基板に対する前記光学ヘッドの相対位置を変化させるステップと、
    前記検出器において前記反射光の強度がピークとなる位置に基づいて、前記エッジ部分の形状を測定するステップと、を備えた測定方法。
  8. 前記基板を回転させながら、前記反射光を検出する請求項７に記載の測定方法。
  9. 前記光学ヘッドの相対位置を変化セルステップでは、前記光学ヘッドを回転軸周りに、回転移動させ、
    前記回転軸は、前記基板の厚さ方向と平行なＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面と直交し、かつ、前記基板の内部を通っている請求項７、又は８に記載の測定方法。
  10. 前記エッジ部分の形状を測定するステップでは、前記検出器において前記反射光の強度が前記ピークとなる位置を、前記基板の厚さ方向に沿ったＺ軸と前記対物レンズの光軸とを含む平面におけるエッジ位置に変換する請求項７〜９のいずれか１項に記載の測定方法。
  11. 前記エッジ部分の形状を測定するステップでは、前記対物レンズの光軸を挟んで両側に配置された２つのエッジ位置を求めている請求項１０に記載の測定方法。
  12. エッジ形状を示す特徴量の角度依存性を示すグラフを表示する請求項７〜１１のいずれか１項に記載の測定方法。
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