JPH06221838A - 表面粗さ評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面粗さ評価方法に関し，表面凹凸の特徴を
定量的に評価することを目的とする。 【構成】 被測定面１ａの表面凹凸を，波数をパラメー
タとするフーリェ変換によりスペクトルに変換し，特徴
的スペクトルが現出する所定の波数域についてスペクト
ルを比較し，比較の結果を表面粗さの評価値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，表面の凹凸を定量化し
て評価するための表面粗さ評価装置に関する。

【０００２】ウエーハ又は基板の表面粗さは，半導体素
子又は電子機器の特性に重大な影響を及ぼすため，その
評価は極めて重要とされている。このため表面凹凸の精
密な測定方法が多数考案されてきた。

【０００３】しかし，かかる方法により現実に測定され
た表面粗さと，素子，機器特性との関連は必ずしも明瞭
にされていない。このため表面粗さを一律な基準をもっ
て評価することが難しく，表面粗さの管理は個人的技能
に負うところが少なくなかった。

【０００４】そこで，表面凹凸を素子特性と関連して定
量的に評価できる表面粗さ評価方法が必要とされてい
る。

【０００５】

【従来の技術】ウエーハの表面凹凸を測定し，評価する
方法は従来から多数考案されている。例えば，ウエーハ
表面を強い光で照射し，その表面の散乱光の分布を目視
観測する方法は，一定基準をもってする判定は困難では
あるものの，定性的評価が鋭敏になされることから頻繁
に利用されている。

【０００６】他方表面凹凸の形状を測定する表面粗さ計
として，触針式表面粗さ計，光触針式表面粗さ計及び光
切断式表面粗さ計が広く利用されている。図６は従来の
表面粗さ評価方法であり，図６（ａ）は触針式表面粗さ
計による方法を，図６（ｂ）は光触針式表面粗さ計によ
る方法を，それぞれ装置の構成の概要とともに表してい
る。

【０００７】図６を参照して，センサー本体３は，駆動
装置５により駆動され被計測体１の表面（被計測面）と
平行に移動する支持棒４に保持される。センサー本体
は，センサー本体の移動に伴い，被計測面と接触する触
針２の上下動を検知し，又は，レンズ７により被計測面
上に収束して投射される収束光線の反射光の反射位置の
変動を検知する。

【０００８】これらの検知された上下動又は変動は，セ
ンサー本体から電気信号としてＸＹレコーダ８のＹ軸入
力８ｂに接続される。一方，ＸＹレコーダ８のＸ軸入力
８ａには，センサー本体３の移動量を駆動装置５から取
り出し入力する。

【０００９】図６（ｃ）は，ＸＹレコーダの記録例であ
り，上記の方法で記録された表面凹凸を表している。即
ち，Ｘ軸はセンサー本体３の移動量であり被計測体１表
面上の位置を表し，Ｙ軸は被計測面の高さを表してい
る。言い換えれば，被計測面の断面形状を表している。
従って，この断面形状から表面粗さが評価される。

【００１０】従来の表面粗さ評価方法では，表面粗さ計
に記録された被計測面の断面形状から直接に得ることが
できる数値を用いて，例えば最大高低差を用いて，表面
粗さを評価する。さらに，測定者の個人的資質に基づく
測定誤差を回避するために，特開昭６４−４０４５に開
示された方法のように，散乱光強度の度数分布がランダ
ムに分布することを利用し，度数分布直線の外挿値から
人間の判断を介することなく機械的に最大高低差を決定
することもある。

【００１１】しかし，表面凹凸の形状は多彩であり，素
子特性に影響を及ぼす要素は表面の高低差に限られず，
他の要素，特に表面の凹凸の波長を評価対象とする必要
がある。既述した従来の方法ではかかる特徴を定量的に
評価することができないため，表面粗さの最終評価は，
熟練者が測定された表面形状を見て経験に基づき定性的
に評価することでなされていた。

【００１２】このため，表面粗さの評価は定性的とな
り，又多分に属人的要素が評価基準の内に含まれてしま
う。これでは，素子特性との対応を調べるにも，また素
子製造工程における評価基準としても，表面粗さを適切
に評価したことにはならない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように，表面
形状をそのまま評価する従来の表面粗さ評価方法では，
表面凹凸の波長をも含めた特徴を客観的にかつ定量的に
評価することは難しいという問題があった。

【００１４】本発明は，表面凹凸をフーリェ変換して得
られたスペクトルが，表面凹凸の特徴を良く表現してい
ることを利用するもので，そのスペクトルの特徴が顕著
に現れる波数範囲についてスペクトル強度を比較評価す
ることにより，表面凹凸の特徴を客観的且つ定量的に評
価することができる表面粗さ評価方法を提供することを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の実施例装
置構成図であり，光切断法を利用した表面粗さ計及びそ
の信号処理系の主要な構成を表している。

【００１６】上述した課題を解決するために，図１を参
照して，本発明の第一の構成は，表面粗さ計を用いて被
測定面１ａの形状を線分に沿って測定する工程と，測定
された該被測定面１ａの形状を，該線分に沿う長さを変
数とし，波数をパラメータとするフーリェ変換によりス
ペクトルに変換する工程と，予め指定された波数範囲内
における該スペクトルの強度に基づき表面粗さを評価す
る工程とを有することを特徴として構成し，及び，第二
の構成は，第一の構成の表面粗さ評価方法において，該
スペクトルの強度を，該予め指定された波数範囲内の該
スペクトルの積分強度又は該予め指定された波数範囲内
の該スペクトルの最大強度として求め，該積分強度又は
該最大強度を表面粗さの評価値とすることを特徴として
構成し，及び，第三の構成は，第一又は第二の構成の表
面粗さ評価方法において，該被測定面１ａの形状の測定
に代えて，該被測定面１ａに照射された薄い帯状のスリ
ット光１３の該被測定面１ａからの反射光１８を撮像素
子１９で受光し，該撮像素子１９の一ラインで受光され
た該反射光１８の強度分布を該被測定面１ａの形状とし
て用いることを特徴として構成する。

【００１７】

【作用】図３は本発明の原理説明図である。図３（ａ）
は本発明の画像処理工程を表す。図３（ｂ）は処理前の
画像データを表し，表面形状を光強度の変化として測定
した記録例を，図３（ｃ）はフーリェ変換により得られ
たスペクトルを表している。

【００１８】以下，本発明の構成における作用を，図３
を参照して説明する。本発明の構成では，先ず被測定面
の表面形状又は表面形状に対応する物理量（以下表面形
状等という。）を測定する。

【００１９】かかる表面形状の測定は，従来の表面凹凸
測定装置，例えば触針式表面粗さ計又は光触針式表面粗
さ計を用いてすることができる。また，表面形状に対応
する物理量として，例えばスリットを通過した薄い帯状
の光線を被測定面に照射し，その正反射光又は散乱光の
強度分布を測定することができる。

【００２０】次いで，図３（ｂ）を参照して，測定され
た表面形状等を被測定面内の一線分に沿った一次元デー
タとして抽出する。かかる一次元データの抽出は，表面
形状等が２次元データとして得られる場合，例えばスリ
ット光を用いる測定法の場合に，画像処理の計算量を少
なくするために必要である。もっとも，計算能力が許す
ときは２次元データを用いても差支えない。

【００２１】具体的な抽出手段として，例えば撮像素子
にＴＶカメラを用い，その水平走査線をスリット光が被
照射面を照射するスリット状の照射領域に平行に配置す
ることにより，一本の走査線についての反射光又は散乱
光の強度分布を記録することによりなされる。或いは，
ＴＶカメラに代えて，上記走査線上に配置されたライン
センサにより反射光又は散乱光の強度分布を測定するこ
とでなされる。このＴＶカメラ又はラインセンサによる
測定では，非接触でかつ非常に短時間で必要なデータを
蒐集できるという利点がある。

【００２２】なお，触針式表面粗さ計又は光触針式表面
粗さ計により場合は，表面形状は直接一次元データとし
て測定されるから上記抽出工程は不要である。次いで，
上記抽出された表面形状等の一次元データを，被測定面
内の線分上の位置ｘを変数とする実空間の関数と見て，
波数ｋをパラメータとしてフーリェ変換し，波数ｋにつ
いてのスペクトル強度分布を計算する。

【００２３】次いで，計算されたスペクトルを，図３
（ｃ）を参照して，予め与えられる特定波数範囲内にお
いて，標準となるスペクトルと比較して，表面粗さの評
価とする。この特定波数範囲は，図３（ｃ）中の矢印で
示すように複数であってもよく，必要ならば重複しても
よい。また，スペクトルの比較は，特定波長範囲内での
スペクトルの積分強度の比較により，又は特定波長範囲
内での最大強度の比較によりなすことができる。かかる
積分強度又は最大強度による比較は，数学的操作により
確実にできるから客観的かつ定量的評価を容易にするこ
とができる。

【００２４】上述した画像処理の結果，特定波長範囲内
でのスペクトルの比較により被測定面の表面粗さが評価
できる理由は，以下の原理による。表面凹凸が完全にラ
ンダムであるとき，スペクトルはランダムノイズに疑似
する分布をなす。スペクトルがかかる既知の分布である
場合は，唯一つのパラメータ，例えば最大振幅又は振幅
の平均値で評価する従来の評価方法によっても定量的な
評価がなされる。

【００２５】しかし，本発明の発明者は，半導体ウェー
ハ又は電子機器の基板の表面形状が，特徴的なスペクト
ル分布を有する場合があることを明らかにしたのであ
る。例えば，図３（ｂ）に示す２つの被測定体の表面形
状等の測定結果，イ及びロをフーリェ変換した結果，図
３（ｃ）を参照して，イ，ロのスペクトルは，それぞれ
異なる波長域において大きな強度を有するのである。な
お，図３（ｃ）中のイ，ロは図３（ｂ）中のイ，ロとそ
れぞれ対応している。

【００２６】このように特殊なスペクトルを有し既知の
スペクトル分布を持たない表面形状は，唯一のパラメー
タによる従来の評価方法では評価することができない。
本発明は，かかる不都合を回避すべく考案された。本発
明は，表面形状の性質に起因して特定の波数において特
徴的なスペクトルを生ずるという事実を利用したもの
で，その特徴的スペクトルが現れる波数から特徴の質を
定性的に判別し，さらにその波数範囲についてのスペク
トル強度を比較することで，定性的に把握された特定の
性質に対して定量的評価を行うことができる。また，か
かる本発明の評価においては属人的要素が含まれないか
ら，真の定量的評価方法が実現される。

【００２７】なお，表面形状の特徴を表現しているこの
特徴的スペクトルは，従来の評価基準，例えば目視によ
るある種の評価基準と，また幾つかの既知の素子特性と
関連することが明らかにされた。また，この特徴的スペ
クトルが現れる波数範囲は，例えばエピタキシャル結晶
の成長条件の相違により異なり，又表面加工，例えばエ
ッチング若しくは導電材料の堆積条件の相違により異な
る。

【００２８】従って，このスペクトルの特徴的部分の評
価は，従来の評価基準を定量的に定め得る基準となるの
である。また，素子特性と関連した定量的表面評価手段
となるのである。

【００２９】

【実施例】本発明を実施例を参照して詳細に説明する。
先ず，本実施例に用いた装置は，図１を参照して，通常
の光切断法で用いられる光学系と，そのコントローラ系
及び信号処理系の装置から構成された。

【００３０】被計測体１は，被測定面１ａを上にして水
平に置かれる。アルゴンレーザを光源１２とする光ビー
ム１３ａを幅２０μｍのスリット１４を通して帯状のビ
ームとする。このビームは，投射レンズ１５により被測
定面１ａ上にスリット状の光切断線として斜め上方から
投射される。この際，投射レンズ１５を透過したビーム
の面は９０°回転され，水平方向に幅広の薄いスリット
光１３として被測定面１ａに入射する。従って，スリッ
ト光１３が被測定面１ａを照射する領域，即ち光切断線
は，例えば幅は１μｍと狭く，長さ１５０μｍ以上ある
スリット様の図１の紙面に垂直な線分となる。

【００３１】光切断線から正反射された反射光１８は，
対物レンズ１６と結像レンズ１７により拡大され，撮像
素子１９の受光素子形成面上に結像する。撮像素子１９
は，コントローラ２０により走査線の制御，画像信号の
増幅がなされ，画像信号は２次元像として映像モニタ２
１に出力される。

【００３２】図２は本発明の実施例映像モニタ像であ
り，映像モニタに出力された画像例を表している。図２
の（ａ），（ｃ）はそれぞれウエーハＡ，及びウエーハ
Ｂについて観測された映像モニタ像である。撮像素子１
９は，走査線の走査方向となる直線ＡＢに沿って光切断
線３１が観測されるように配置する。なお，光切断線３
１内部に部分的に反射光が強い明部３２が見られる。通
常，この反射光の明暗は表面凹凸に関係して生ずる。

【００３３】図２の（ｂ），（ｄ）はそれぞれウエーハ
Ａ，及びＢについて，映像モニタの直線ＡＢに沿って観
測された反射光強度を表している。図中のスライスレベ
ルを超えた部分が，図２（ａ），（ｃ）中の明部３２と
して示した領域である。

【００３４】この図２で観測される２つの映像は，量的
に相違することは明瞭であるが，その質的性格の相違は
この映像からは明確にされていない。ここまでは従来の
評価方法と同じであり，このことは従来の方法の限界を
明らかにしている。

【００３５】本発明では，映像モニタ出力の画像の直線
ＡＢに沿う反射光強度を，ＡＤ変換器（アナログ・デジ
タル変換器）によりデジタル化し，画像処理装置２３に
てフーリェ変換する。かかる画像処理装置２３は，例え
ば高速フーリェ変換（ＦＦＴ）法を利用した計算器によ
り構成される。変換した結果は波数に対するスペクトル
強度として画像モニタ２４に出力され，評価される。

【００３６】次に，本発明にかかる評価例を参照して本
発明を説明する。図４は本発明の実施例表面形状測定デ
ータであり，光切断法で測定した反射光強度を表してい
る。

【００３７】図４のデータは，上述の光学系とコントロ
ーラ２０によりなされた。表面状態を比較するために，
ハ〜への４枚のウエーハを準備した。これらのウエーハ
は，目視観察により，ハ，ニ，ホ，ヘの順で品質が劣化
するものと判定されていた。

【００３８】さきに従来例の限界として述べたように，
図４の表面形状を直接反映するデータからは，ハとニの
区別はつかない。また，ハニとホの間の質的相違も判別
できない。さらにハニホとヘは，質的に相違するのか同
質なのかの判断も容易ではない。

【００３９】図５は本発明の実施例スペクトル分布であ
り，図４の表面形状測定データをフーリェ変換した結果
を表している。図中ハ〜ヘで示した曲線は，それぞれウ
エーハ，ハ〜ヘの表面形状測定データに対応している。

【００４０】図５から，ハ〜ニのウエーハには明白な相
違があることを識別できる。先ず，ハとニについて，ニ
のスペクトルは比較的大きな波数から小さな波数に渡り
一様にスペクトル強度が増加している。

【００４１】これに対して，ホのスペクトルには特定の
２つのピークが観測された。このことから，ハニとホは
単に量的変化だけではなく，質的な変化を生じているこ
とがわかる。

【００４２】さらに，へのスペクトルはホと比較してス
ペクトル強度の変化，即ち量的変化が大きいと評価でき
る。この様に，フーリェ変換することにより，表面形状
から直接評価する方法と比較して，表面の質的変化を明
瞭に識別し，評価することができる。従って，表面粗さ
の評価を客観的にかつ鋭敏にすることができる。

【００４３】本実施例では，上に述べた表面粗さの評価
をするためのスペクトルの観測を，個人的要素が介入し
ないように数学的に処理する。即ち，図５のホ及びヘに
現れるスペクトルの２つのピークを含む波数域と，及び
図５のニのスペクトルの比較的大きな波数域に現れるピ
ークを含む波数域とについて，それぞれスペクトルの積
分強度又はピーク強度を計算する。その２つの波数域に
ついての計算値を比較して，表面の質的変化の評価と表
面の凹凸の量的変化とを分離して評価できた。その結
果，目視観測の評価基準を定量的に把握することができ
た。

【００４４】

【発明の効果】上述したように本発明によれば，表面凹
凸の特徴は数学的に抽出され定量的に比較されるから，
客観的かつ定量的に評価することができる表面粗さ評価
方法を提供でき，半導体装置又は電子機器の性能向上に
寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例装置構成図

【図２】 本発明の実施例映像モニタ像

【図３】 本発明の原理説明図

【図４】 本発明の実施例表面形状測定データ

【図５】 本発明の実施例スペクトル分布

【図６】 従来の表面粗さ評価方法

【符号の説明】

１ 被計測体 １ａ 被測定面 ２ 触針 ３ センサー本体 ４ 支持棒 ５ 駆動装置 ６ 収束光線 ７ レンズ ８ ＸＹレコーダ ８ａ Ｘ軸入力 ８ｂ Ｙ軸入力 １２ 光源 １３ スリット光 １３ａ 光ビーム １４ スリット １５ 投射レンズ １６ 対物レンズ １７ 結像レンズ １８ 反射光 １９ 撮像素子 ２０ コントローラ ２１ 映像モニタ ２２ ＡＤ変換器 ２３ 画像処理装置 ２４ 画像モニタ ３１ 光切断線 ３２ 明部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面粗さ計を用いて被測定面（１ａ）の
   形状を線分に沿って測定する工程と，測定された該被測
   定面（１ａ）の形状を，該線分に沿う長さを変数とし，
   波数をパラメータとするフーリェ変換によりスペクトル
   に変換する工程と，予め指定された波数範囲内における
   該スペクトルの強度に基づき表面粗さを評価する工程と
   を有することを特徴とする表面粗さ評価方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の表面粗さ評価方法におい
   て，該スペクトルの強度を，該予め指定された波数範囲
   内の該スペクトルの積分強度又は該予め指定された波数
   範囲内の該スペクトルの最大強度として求め，該積分強
   度又は該最大強度を表面粗さの評価値とすることを特徴
   とする表面粗さ評価方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の表面粗さ評
   価方法において，該被測定面（１ａ）の形状の測定に代
   えて，該被測定面（１ａ）に照射された薄い帯状のスリ
   ット光（１３）の該被測定面（１ａ）からの反射光（１
   ８）を撮像素子（１９）で受光し，該撮像素子（１９）
   の一ラインで受光された該反射光（１８）の強度分布を
   該被測定面（１ａ）の形状として用いることを特徴とす
   る表面粗さ評価方法。