JPH01292206A - 物体の表面状態測定装置及び表面の高さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物体の表面状態、特に表面の局所的な凹凸変化
を測定する装置に関し、特に半導体ウェハ等のフラット
ネス計測を行なう装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子の製造現場では、縮小投影型露光装置
、所謂ステッパーが多用されるようになった。ステッパ
ーはレチクルに形成された回路パターンを投影光学系を
介して半導体ウェハ上の一部分の領域に結像投影すると
ともに、ウェハを一定１だけステッピングさせては別の
領域を露光することを操り返してウェハ全面に回路パタ
ーンの像を焼き付けていくものである。最近のステッパ
ーでは、集積度の急激な上昇に対応して、より高解像力
の高い投影光学系が使われるようになった０例えば露光
用証明光の波長をｇ線とし、有効投影領域をウェハ上で
１５Ｘ１５ｍｍ程度にして、開口数（Ｎ、　Ａ、）を０
゜４８程度にした投影レンズの開発が進んでいる。この
ような投影レンズは、実用解像力としてウェハ上で０．
６μ醜程度の線幅が焼き付は可能であるが、その反面焦
点深度が±０．８μ−程度と極端に浅くなるといった問
題がある。

このためウェハ上の１つの露光領域（ショット領域）に
対して投影レンズの像面を精密に一致させる自動焦点合
わせが必須となる。ところが、ウェハの表面には多かれ
少なかれそり、うねり、厚みムラ等が発生しているのが
実情であり、１つのショットｆｉＩ域内で表面のうねり
（微小凹凸）が焦点深度内の許容される範囲（例えば±
０．２μ耐を超える場合があると、１シヨツ）ｔｉＩ域
内で部分的な解像不良、線幅不良等が発生し、素子製造
上の歩留りを左右することになる。

そこで、ウェハの平坦度（フラットネス）を予め高精度
に測定する技術、ないしは装置の要求が高まっている。

ウェハのフラットネス測定では、ウェハ上の異なる２点
での高さ方向のちがいを０゜１μｍ〜０．０１μ−程の
分解能で計測する必要があり、現在のところ簡便さの理
由で光学式、又は静電容量式の非接触型測定器が実用化
されている。

静電容量式の測定方法としては、ウェハをほぼ水平に回
転させ、ウェハの上面側と下面側に静電容量型センサー
を対向配置し、これら各センサーとウェハの表面、裏面
の各間隔変化を計測することでフラットネスを知る装置
が実用化されている。

また光学の測定方法としてはウェハ全面にガラス板、又
はプリズムを介してコヒーレント光を照射し、そのガラ
ス板又はプリズムの基準平面からの反射光と、ウェハ表
面からの反射光とを干渉させ、その干渉縞の様子を解析
することでフラットネスを知る装置が実用化されている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで、前者の静電容量式の場合は、比較的精度が低く
、例えば±０．２μ−程度しか得られない。

さらにセンサーの感度との兼ね合いで、表面の測定点の
面積をあまり小さくできないといった問題点もある。こ
れに対して後者の干渉方式の場合は、理論的には精度の
高いものが得られるが、基準平面自体のフラットネスが
測定値に誤差として重畳されてくるため、基準平面を規
定する光学部材が高価になる。一般に光学部材の平面性
を高めようとすると、加工上の制約から、あまり小さな
面積で平面を仕上げることはむずかしく、それなりに大
きな部材になってしまう、さらに干渉縞の明暗変化から
ウェハ上の任意の部分領域のフラットネスを知ろうとす
ると、その解析が複雑になるといった問題もある。さら
に基準平面とのウェハ面と相対的な傾きも測定結果に大
きく影響することがある。

〔問題点を解決する為の手段〕

そこで本発明は、フラットネス等の測定を行うべき物体
の表面の局所部分（例えば１ｍｌ１φ）に測定ビームを
斜めに投射する投射系と、その局所部分からの反射ビー
ムを受光して光電信号を出力する受光系とを備えた一対
の検知手段を、物体表面上の局所領域が互いに所定の間
隔（例えばステッパーで露光される１シヨツト領域の寸
法と同等）だけ離れるように複数付設けるとともに、こ
の複数の検知手段と物体とをほぼ平行に相対移動させる
移動手段と、この検知手段の夫々から得られる光電信号
に基づいて物体表面の平面度等の表面状態を解析する測
定手段とを設けるようにした。

〔作　用〕

本発明では物体表面の局所部分の仮想的な基準面に対す
る高さ位置を、複数の検知手段によって同時に検知する
ため、物体と検知手段との相対移動量が少なくてよく、
測定のスループットが向上する。

また絞った測定ビームを斜めに投照する方式であるため
、検出分解能が高く、実験の結果によれば０．０２μ−
程度の分解能が得られ、さらに検出再現性も高い。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例による測定装置の主要部分の概
略構成を示す斜視歯であり、第２図はさらに全体的な構
成を示すシステムブロック図である。ｘ、ｙ方向に２次
元移動する移動ステージ１の位置（座標値）は、測長器
（レーザ干渉計、リニアエンコーダ等）３．５によって
検出される。

ステージ１の上部にはウェハＷの裏面を吸着するウェハ
ホルダー７と、基準反射面を有する基準部材ＦＭとが設
けられ、ステージ１には、これらウェハホルダー７と基
準部材ＦＭとを一体に２方向（上下方向）に微動させる
２ステージも含まれている。第２図にも示すように、ス
テージｌのｘ１ｙ方向の移動はモータ９によって行なわ
れ、ステージコントローラ１１は測長器３．５の位置情
報に基づいてモータ９を最適に制御する。

さて、ステージｌの上方には、本実施例の場合、５組の
斜入射光式位置検出センサー２０．２１．２２．２３．
２４が所定の間隔でｙ方向に配列されている。

ここで第２図を用いて代表して位置検出センサー２０の
詳細な構成を説明する。発光ダイオード（ＬＥＤ）　、
半導体レーザダイオード（ＬＤ）等の光源２０ａからの
光はコンデンサーレンズ２０ｂを介してピンホール、又
はスリットを形成した遮光板２０ｃを照明する。ピンホ
ール又はスリット（以下ピンホールとする）を透過した
光は、投射光学系としての結像レンズ２０ｄによって結
像光束になって射出し、ミラー２０ｅで反射され、ウェ
ハＷの表面の所定点に遮光板２０ｃのピンホール像（例
えば直径ＩＩＩＩＩ１１）として結像される。

この時結像レンズ２０ｄ光軸とウェハ表面との成す角度
は５°〜１５″程度に設定される。こうしてウェハ表面
で反射された光はミラー２Ｏｆを介して結像レンズ２０
ｇに入射し、ミラー２０ｈで反射して、スリット板２Ｏ
ｉ上にウェハＷ上のピンホール像の反射像として再結像
する。スリット板２０ｉには受光するピンホール反射像
とほぼ等しいか若干率さい幅のスリットが第２図中の紙
面と垂直な方向に伸びるように形成されている。

従ってウェハ表面の測定点（ピンホール像投射部分）が
所定の平面（仮想基準面）と一致したとき、ピンホール
反射像はスリット板２０ｉ上のスリット中心位置に正確
に一致し、その測定点が仮想基準面に対して上下動する
ことにより、ピンホール反射像もスリット板２０ｉのス
リットを横切るように上下動する。光電センサー２０ｊ
はスリット２０ｉの透過光を受光し、その光量に応じた
光電信号を位置ずれ検出回路２０ｋに出力する０位置ず
れ検出回路２０には増幅器等を含み、仮想基準面に対す
るウェハ表面の２方向の位置ずれ量に対応したアナログ
信号２０ｓをアナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）３
０に出力する。

以上、代表して１つの位置検出センサー２０の構成を説
明したが、他の位置検出センサー２１．２２．２３．２
４についても全く同様の構成であり、それぞれ測定点の
２方向の位置ずれ量に対応したアナログ信号２１ｓ、２
２ｓ、２３ｓ、２４ＳをＡＤＣ３０へ出力する。ここで
第１図に示すように、５組の位置検出センサー２１〜２
４各投耐糸の結像レンズ２０ｄ、２１ｄ、２２ｄ、２３
ｄ、２４ｄはともに同一のものであり、それぞれ測定ビ
ームＬｏ　、Ｌｒ　−Ｌｘ　、Ｌｓ　、Ｌ４を入射する
。また各受光系の結像レンズ２０ｇ、２１ｇ、２２　ｇ
、　２３　ｇ、　２４　ｇはともに同一のものであり、
それぞれウェハＷからの反射ビームを入射する。

尚、基準部材ＦＭの反射性表面はウェハ表面とほぼ等し
い高さ位置になるように固定されている。

この基準部材ＦＭは５組の位置検出センサーの相互の検
出誤差（オフセット）を求めるために使われる。再び第
２図の説明に戻り、ＡＤＣ３０でデジタル値に変換され
た各信号２０ｓ、２１ｓ、２２ｓ、２３ｓ、２４ｓの大
きさは、メモリ３２に２方向のずれ量として記憶される
。このとき、ステージｌの座標値も重要なファクターで
あるので、測長器３．５からの位置情報Ｓ１をステージ
コントローラ１１を介してメモリ３２に取り込む、主制
御系３４は、キーボード等の端末を含む入力部３６から
の指令に応答して各種動作を実行する。

さらに主制御系３４は、メモリ３２に記憶された各測定
点での２方向の位置ずれ量情報Ｓ２やステージコントロ
ーラ１１を介して得られるステージ１の位置情報５１等
を入力し、ウェハ表面のフラットネスの様子を解析する
とともに、その結果をテレビブラウン管、プリンター、
ハードコピー等の表示部３８に出力する。また、主制御
系３４に内蔵された主な機能ブロックは、較正モード３
４０、グローバル測定モード３４２、及びローカル測定
モード３４４の３つであり、このうちいずれか１つのモ
ードがセレクタ一部３４６で選択され、それに伴った制
御アルゴリズムの情報ＡＬＧがステージコントローラ１
１、メモリ３２、及びＡＤＣ３０へ出力される。

第３図はウェハＷの表面と５組の位置検出センサー２０
〜２４の各測定点Ｐ、、Ｐ、、　Ｐｍ、Ｐｌ、Ｐ４の配
列との関係を示す平面図である。５つの測定点Ｐ、〜Ｐ
、は、例えば、ウェハＷ上に形成される１つのショッＨ
ＩＩＭｔＣＰの寸法と同程度（約１５ｍ）の距離だけ間
隔をあけて、Ｘ方向に並べられており、ピンホール（又
はスリット）の像が投射されている。

尚、第３図中のり、′、Ｌｌ　′、Ｌ２　″、Ｌｓ　　
’、Ｌ４　′、の各々は各測定点Ｐ０〜Ｐ４からの反射
ビームを表す。

次に、本実施例の動作を第４図のフローチャートを参照
して説明するが、前提としてステージ１のピッチング量
は極めて少ないものとする。まず、実際のウェハＷを測
定する前に、５組の位置検出センサー２０〜２４の各検
出オフセット量を求めるキャリブレーション（較正動作
）が必要か否かを判断する（ステップ１００）、キャリ
ブレーションの必要がないときはステップ１０８でオフ
セット値を零に設定しておく、キャリブレーションの必
要があるときは、セレクタ３４６が較正モード３４０を
選択し、基準部材ＦＭを各センサー２０〜２４の測定点
Ｐ、〜Ｐ、のもとに順次送り込み、基準部材ＦＭ上のほ
ぼ同一の点の高さ位置を順次に計測する（ステップ１０
２．１０４）、この際、ステージ１のＺステージを制御
して、基準部材ＦＭの表面が検出範囲内に入いるように
基準部材ＦＭの高さ位置を調整して固定しておく、これ
らの測定点Ｐ０〜Ｐ４の各々での基準部材ＦＭでの高さ
位置のずれ量は、ＡＤＣ３０を介してメモリ３２に取り
込まれる。

次に主制御系３４は、メモリ３２から計測データを読み
込み、各位置検出センサー２０〜２４に対してオフセッ
ト値を設定する（ステップ１゜６）。

次に入力部３６で予めセットされた測定モードに従って
セレクタ３４６はグローバル測定モードとローカル測定
モードのいずれか一方を選択する（ステップ１１０）、
ここでグローバルモードが選択されると、ウェハＷの全
面を、例えば１５ａｕ＋＋ピツチで測定する（ステップ
１１２）、この場合、第３図に示すように５つの測定点
Ｐ０〜Ｐ４はＸ方向に１５閤間隔で配列されているため
、Ｘ方向に約１５１ＩＩＩ１１ピツチでステージ１をス
テッピングさせては各センサー２０〜２４からの位置ず
れ情報をＡＤＣ３０を介してメモリ３２に取り込む、こ
の際、同時にステージｌの座標値も取り込む。また大き
なウェハを測定する場合は、Ｘ方向に関してもステージ
１をステッピングさせる必要があるが、その量は１５ｍ
＋ａＸ５＝７５ｍであり、通常の６インチウェハ（直径
的１５０ｍ）を対象とすると、Ｘ方向には１回だけステ
ッピングさせよばよい、Ｘ方向については９〜１０回の
ステッピング（１５閣ピツチ）が必要とする。メモリ３
２にウェハ全面の計測データが取り込まれたら、各測定
点での実測値を各センサー毎に設定されたオフセット値
で補正する（ステップ１１４）、この様子を第５図に模
式的に表わす、第５図（Ｂ）は各センサー２０〜２４（
測定点Ｐ０〜Ｐ、）毎のオフセット量を表わし、第５図
（Ａ）の矢印は、ウェハ上のある測定点での実測値を表
わす、各実測値をオフセット補正すると、第５図（Ａ）
中の破線で表わしたウェハ表面のフラットネス状態が求
まる。この補正後のフラットネス状態が表示部３８に出
力される（ステップ１１６）、ただし、ここでのフラッ
トネス状態は１５＋ｎ＋ｗピッチの格子点で表された粗
いものとなる。

また先のステップ１１０でローカル測定モードが指定さ
れると、主制御系３４はウェハＷ上の測定すべき１つの
部分領域（例えば１５■×１５ｍ）の座標位置と表面位
置検出センサー２０〜２４のうちの使用すべきセンサー
とを指定する（ステップ１１Ｂ）、この場合、第４図の
配置からも明らかなように、測定点Ｐ０〜Ｐ４はＸ方向
に１５ａｍ間隔で並んでいるため、ウェハＷ上のＸ方向
に並んだ２以上の部分領域のフラットネスを測定する場
合は、それに対応した２以上のセンサーを同時に指定す
ることもできる。

次に主制御系３４はステージｌを計測すべき座標位置に
移動させた後、ウェハＷ上の１つの測定点が相対的に約
１１ｍピッチでｘ、Ｘ方向に順次ステッピングするよう
にステージ１を制御し、各ステッピング位置毎に、ステ
ージ１の座標情報Ｓ１と指定されたセンサーからの情報
をメモリ３２に取り込む（ステップ１２０）、１つの部
分領域を１５ｍｍ角とすると、１ｍピッチで高さ位置を
サンプリングしたときのデータ数は１６Ｘ１６＝２５６
個になる。この測定結果はただちに表示部３８に表示さ
れる（ステップ１２２）、この場合、１つの部分領域内
では１つのセンサーを用いているため、オフセット補正
は不要である。ただし、複数の部分領域を別々のセンサ
ーで測定した場合等は、相互のセンサー間のオフセット
を考慮して補正を行なってから表示する必要がある。

尚、上記シーケンス中では省略したが、ローカルモード
で指定されたセンサーが、ウェハＷ上の部分領域と正し
く焦点合わせされるように、ステージ１のＺステージを
上下動させて固定しておく必要がある。その場合、例え
ば部分領域の中心点と１つのセンサーの測定点との座標
値をほぼ一致させ、その位置でディテクタ（２０ｊ〜２
４ｊ）の出力が最大となるようにＺステージの高さ位置
を調整してから測定を行なうとよい。

またステップ１０２のキャリブレーション動作ではステ
ージ１上の基準部材ＦＭを用いたが、ウェハＷ上の同一
点を各センサー２０〜２４の測定点Ｐ０〜Ｐ４のもとに
移動させても同様の効果が得られる。

また本実施例のようなフラットネス測定の場合、ウェハ
Ｗを吸着固定するウェハホルダー７の載置面のフラット
ネスの影響が問題になる。

そこで、特にグローバル測定モードでウェハＷ全面のフ
ラットネス計測を行なった後、同一のウェハＷを９０°
回転させて再びウェハホルダー７に固定し、再度フラッ
トネスの計測を行ない、２つの計測データを比較するこ
とにより、ウェハホルダ−７自体のフラットネス（凹凸
状態）を求めておくとよい、そして以後のウェハに対し
ては、フラットネスの実測値にセンサー間のオフセット
分の補正を加え、さらにウェハホルダー７表面のフラッ
トネス分の補正を加えることでウェハＷ表面の真のフラ
ットネスが求まる。

さらに上記実施例ではウェハＷをｘ、ｙに２次元移動さ
せるものとしたが、ウェハＷをターンテーブルに固定し
、ウニへの中心を軸として回転させ、各センサー２０〜
２４はウェハ中心から半径方向に所定の間隔で並べても
よい。

ところで本実施例のセンサー２０〜２４は第２図にも示
したように、ウェハＷからの反射ビームをスリット２０
ｉを介して光量検出するだけなので、高速な高さ位置計
測が可能である。そのためグローバルモード、ローカル
モードともステージｌをステッピングさせて一時停止さ
せなくともよく、ウェハＷが移動している途中で、高さ
位置の情報をＡＤＣ３０を介して取り込んでもよい、こ
の場合、各センサー２０〜２４の測定点Ｐ、〜Ｐ４　（
又はいずれか１つ）がウェハＷ上の測定すべき点に来た
とき、アナログ信号２０ｓ〜２４ｓをＡＤＣ３０でデジ
タルサンプリングすればよい。

このタイミングは測長器Ｓ１からの位置情報ＳＩをモニ
ターすることで極めて容易に実現できる。

またこのようにウェハＷを走らせながら測定する場合は
、機械的な振動、空気のゆらぎ等の影響でアナログ信号
２０ｓ〜２４ｓにノイズが重畳することも考えられる。

そこで走査方向に関して、ウェハＷ上の測定すべき点の
前後の複数点でアナログ信号２０ｓ〜２４ｓの大きさを
高速にデジタルサンプリングして、それらの値を平均し
て１つのデータとする手法を採用するとよい。この際、
例えばウェハＷ上にできるピンホール像の大きさを１閤
φとすると、ウェハＷが測定すべき点の前後±１閣の範
囲（計３ｍ）に入ったとき、ピンホール像の大きさより
も小さな移動量（例えば０゜２ａｍ）毎に測長器３．５
からの位置情報（アップダウンパルス）に応答してアナ
ログ信号２０ｓ〜２４ｓをデジタルサンプリングすると
よい。

尚、このように測長器３．５からの単位移動量毎の位置
情報に応答してＡＤＣ３０でデジタルサンプリングを行
なう手法は、ウェハ全面に渡って適用してもよい。

さて、第２図に示したセンサー２０〜２４は、ウェハＷ
からの反射ビームの光量を検出する方式なので、ウェハ
Ｗの反射率によっては、アナログ信号２０ｓ〜２４ｓの
大きさと高さ位置ずれ量との関係が全く異なったものに
なってしまう、そこで第２図中のミラー２０ｈをビーム
スプリッタ−にかえて、結像レンズ２０ｇを通った反射
ビームの一部をビームスプリッタ−を介して直接受光す
る第２のディテクターを設け、この第２のディテクター
からの光電信号を分母にして、ディテクター２０ｊから
の光電信号を分子とするアナログ割算器等を検出回路２
０ｋに設け、その割算結果をアナログ信号２０ｇとして
出力するようにすれば、ウェハＷの反射率のちがいによ
る光量変化は相殺され、アナログ信号２０ｓは常にウェ
ハ表面の高さ位置の変化のみに追従したものになる。

〔発明の効果〕

以上、本発明では複数の検知手段を並設したので、高精
度で、高速に表面状態の測定が可能であり、本装置と物
体（ウェハ）の自動搬送システムとを組み合わせれば、
極めてスループットの高い測定処理が可能となる。また
本発明は、半導体ウェハのみならずほぼ平坦な表面を有
する物体ならば、ガラス板、金属板等どのようなもので
も測定可能である。また計測すべき基板の表面に１〜数
μ糊程度の厚みで薄膜が形成されているようなときは、
投射系から射出される測定ビームの波長帯域を広いもの
にするか、又は異なるスペクトル線を発光する光源を複
数用意し、その異なるスペクトル線を合成して測定ビー
ムとすると、薄膜の干渉作用の影響が低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のの実施例による測定装置の主要部分の
概略構成を示す斜視図、第２図は本実施例による測定装
置の全体的な構成を示すブロック図、第３図はウェハと
測定点との配置関係を示す平面図、第４図は本実施例に
よる装置の動作を説明するフローチャート図、第５図は
、オフセット補正の様子を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｗ・・・ウェハ、ＦＭ・・・基準部材、１・・・ステー
ジ、３．５・・・測長器、７・・・ウェハホルダー、 ２０．２１．２２．２３．２４・・・ 表面位置検出センサー、 ２０ｄ、２１ｄ、２２ｄ、２３ｄ、２４ｄ・・・投射系
の結像レンズ、 ２０ｇ、２１ｇ、２２ｇ、２３ｇ、、、２４ｇ・・・受
光系の結像レンズ、 Ｐ、　、Ｐ、　、ｐｇ　、Ｐ、　、Ｐ４・・・測定点（
ピンホール像）。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ほぼ平坦な表面を有する物体に測定ビームを投射
   し、前記表面からの反射ビームを検知することにより、
   前記表面の平面度等の状態を測定する装置において、 前記物体の表面の局所部分に前記測定ビームを斜めに投
   射する投射系と、該表面の局所部分からの反射ビームを
   受光して光電信号を出力する受光系とを備えた一対の検
   知手段を、前記表面上の局所領域が互いに所定の間隔だ
   け離れるように複数対設けるとともに、該複数の検知手
   段と前記物体とを、前記表面とほぼ平行に相対移動させ
   る移動手段と、前記複数の検知手段の夫々から得られる
   光電信号に基づいて、前記表面の平面度等の表面状態を
   解析する測定手段とを有することを特徴とする物体の表
   面状態測定装置。
2. （２）前記移動手段は前記物体を保持して前記複数の検
   知手段に対して２次元移動する載物台を有し、該載物体
   の一部には、前記複数の検知手段の各投射系からの測定
   ビームのうち、少なくとも１つの測定ビームを所定の平
   面状態で反射させる基準反射部材が設けられていること
   を特徴とする請求項第１項記載の装置。
3. （３）前記複数の検知手段の各投射系は、前記局所領域
   の夫々へ前記測定ビームを斜めに投射し、前記受光系は
   各測定ビームの前記局所領域での反射ビームの受光位置
   の変化から、前記表面と略垂直な方向に関して前記局所
   領域の高さ位置を検出する高さ位置検出回路を夫々含み
   、 前記基準反射部材を前記の各測定ビームのもとに順次移
   動させては前記高さ位置検出回路の夫々で検出される位
   置情報を読み取り、前記複数の検知手段の相互の検知誤
   差を予め特定することを特徴とする請求項第２項記載の
   装置。
4. （４）前記基準反射部材の代わりに、前記物体表面の所
   定部分を使うことを特徴とする請求項第３項記載の装置
   。
5. （５）前記載物体は前記物体を吸着保持する吸着ホルダ
   ーを有し、該吸着ホルダーの表面の高さ位置の変化をほ
   ぼ全面に渡って予め検出し、この検出結果に基づいて前
   記物体表面の測定結果を補正する補正手段を設けたこと
   を特徴とする請求項第３項記載の装置。