JPH08304028A

JPH08304028A - 基板形状測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH08304028A
Application number: JP13749995A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirano; 雅夫平野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: JP3620891B2

Abstract

(57)【要約】【目的】物の形状の寸法をＣＣＤ素子により自動的に
かつ十分な分解能で測定する測定方法を提供する。また
基板上に形成した薄膜の物性評価をする薄膜評価装置に
組み込んで用いる形状測定方法装置を提供する。【構成】２軸に移動するＸＹステージ上に明度の異な
る部分を有する試料を搭載し、対物レンズによりＣＣＤ
マトリックス上に試料の映像を投影し、測定対象の一端
の位置をＣＣＤマトリックスの座標によって特定し、Ｘ
Ｙステージを移動させて測定対象の別の端の像がＣＣＤ
マトリックスに投影されるように調整して、その端の位
置をＣＣＤマトリックスの座標によって特定し、これら
孔の端に対応するＣＣＤマトリックスの座標とＸＹステ
ージの移動量から測定対象の寸法を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤと移動ステージ
を用いて、得られた画像から基板の形状を測定する基板
形状測定方法と装置、特にディスプレイなどに用いるマ
スク上の薄膜の特性評価に必要とされる基板に開口した
孔の寸法を正確に求める基板形状測定方法と装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、計測の分野において、物の形状
の寸法、例えば方形をした孔の辺の長さや円形をした孔
の径、あるいは任意の形をした孔の実質的な大きさなど
を正確に測定することが必要とされる場合が多い。特
に、他の測定に伴い補正項としてあるいは特性算出の構
成因子として孔の寸法が重要な要素となる場合が少なく
ない。例えば、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法あ
るいはイオンプレーティング法等により形成された薄膜
の物性評価を行う方法として、差圧を印加して撓み量を
測定することにより行う場合があり、評価のための測定
と演算を自動的に行う評価装置が開発されている。しか
し、このような薄膜評価法では、薄膜物質の撓み量は薄
膜が被覆する孔の寸法によって左右されるため、孔の寸
法が重要な因子を形成するため、予め測定した孔の寸法
を評価装置に与えておく必要がある。

【０００３】このような場合に、薄膜物質の孔の形状を
測定する方法として、ものさしで直接計測する、顕微鏡下に試料を置き肉眼でエッジ位置を確認し、
ステージ移動方向とエッジが垂直になるように試料を回
転した後、ステージ移動を行い再度エッジを検出して、
この間のステージ移動量を測定して、これを試料の幅と
する、薄膜全体の像をＣＣＤで取り込み画像処理技術によ
り形状寸法を求める、などが一般的であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、薄膜評価装置
は適当なプログラムを搭載したパソコンでその演算部分
を構成することが当然になっており、したがってその演
算に必要とされる正確な数値の取得と式への代入は自動
的に行う要求が高まっている。ところが、上記の方
法では必ず測定者が介入しなければならないため、自動
的な測定ができず、また測定者の主観に基づく誤差を含
む。またの方法ではステージの移動方向を決定するア
ルゴリズムが複雑で、自動化には適しない。さらに上記
の方法では、全体像を取り込むＣＣＤの画素数が精度
を支配することから、薄膜特性を評価するために必要な
精度には到底達しない。本発明の目的は、自動的な測定
が可能となる簡単なアルゴリズムに基づく計測法を提供
することであり、また分解能が十分な測定装置を提供す
ることである。また本発明の別の目的は、基板の孔部分
における薄膜の物性評価をする薄膜評価装置に組み込ん
で用いることができる形状測定方法及び装置を提供する
ことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の形状測定方法は、２軸に移動するＸＹステ
ージ上に閉曲線で囲まれた明度の異なる部分を有する試
料を搭載し、対物レンズによりＣＣＤマトリックス上に
前記試料の映像を投影し、閉曲線で囲まれた部分の一端
の位置をＣＣＤマトリックスの座標によって特定し、Ｘ
Ｙステージを移動させて閉曲線で囲まれた部分の別の端
の像がＣＣＤマトリックスに投影されるように調整し
て、その端の位置をＣＣＤマトリックスの座標によって
特定し、これら孔の端に対応するＣＣＤマトリックスの
座標とＸＹステージの移動量から閉曲線で囲まれた部分
の寸法を算出することを特徴とする。

【０００６】また、本発明の基板形状測定方法は、試料
中の明度の異なる部分が正方形の孔であるときに、孔の
第１の端の位置をＣＣＤマトリックスの座標で特定した
後に、ＸＹステージを一方の軸方向に移動させて孔の第
２の端がＣＣＤマトリックスに投影されるようにして第
２端の位置をＣＣＤマトリックスの座標で特定し、さら
にＸＹステージを先の軸と直行する軸方向に移動させて
孔の第３の端がＣＣＤマトリックスに投影されるように
してその位置をＣＣＤマトリックスの座標で特定し、こ
れらＣＣＤマトリックスの座標とＸＹステージの移動量
に基づいて、正方形の辺の長さを算出するようにするこ
とができる。

【０００７】さらに、試料中の明度の異なる部分が円形
の孔であるときには、ＸＹステージを一方の軸方向に移
動させて孔の第１の端の位置と第２の端の位置をＣＣＤ
マトリックスの座標で特定して、これらＣＣＤマトリッ
クスの座標とＸＹステージの移動量に基づいて第１端と
第２端の中点を算出して、ＸＹステージをその中点付近
に戻し、さらにＸＹステージを別の軸方向に移動させ
て、第１端と第２端の中点に立てた垂線が孔と交差する
第３の端と第４の端をＣＣＤマトリックスの座標で特定
して、これらＣＣＤマトリックスの座標とＸＹステージ
の移動量に基づいて第３端と第４端の中点を算出して円
孔の中心とするようにすることができる。

【０００８】さらにまた、試料中の明度の異なる部分が
不定形の孔であるときにも、ＸＹステージの第１の軸方
向に移動させて孔の第１端と第２端の位置をＣＣＤマト
リックスの座標で特定し、さらにＸＹステージの移動量
に基づいて孔の第１軸方向の幅を算出し、次いでＸＹス
テージを先の軸と直行する第２軸方向に所定の刻みで移
動を繰り返して第１軸方向の幅を算出して、これら算出
された幅を積算して不定形の孔の寸法を算出するように
することができる。

【０００９】また、本発明の基板形状測定装置は、孔を
有する試料を搭載して２軸に移動するＸＹステージと、
ＸＹステージのＸＹ軸とＸＹ軸方向を合致させたＣＣＤ
マトリックスを備えＣＣＤ素子に投影する映像の光強度
に対応する電気信号を発生するＣＣＤカメラと、試料の
像をＣＣＤカメラの受像面に拡大して投影する対物レン
ズを備える鏡筒と、ＣＣＤカメラの出力を受けて画像の
特徴を検出して出力する画像処理装置と、画像処理装置
の出力とＸＹステージの移動量を受信して前記孔の寸法
に対応する値を出力する演算処理装置とを備えることを
特徴とする。

【００１０】さらに、本発明に係る薄膜評価装置は、薄
膜試料を搭載するＸＹステージと、試料の映像を拡大し
てプローブの撮像面に投影させる顕微鏡鏡筒と、試料の
形状情報を取得するプローブと、プローブからの信号を
処理して試料の撓みを算出する第１の画像処理装置と、
各検出器から検出信号を入力して演算処理し試料の物性
評価をする演算処理装置とを備え、さらに、上記の顕微
鏡鏡筒を介して試料の拡大した映像を取り込んで電気信
号に変換するＣＣＤ光検出器と、ＣＣＤ光検出器からの
映像信号を入力して試料の映像中の明度差を有する部分
を抽出する第２の画像処理装置とを備えて、第２画像処
理装置の出力とＸＹステージの移動量から試料の寸法を
算出して、試料の物性評価に算入することを特徴とす
る。

【００１１】

【作用】本発明の形状測定方法によれば、対物レンズに
より試料の映像を拡大してＣＣＤ受光面に投影するか
ら、試料の位置を特定するための分解能は物理的なＣＣ
Ｄマトリックスの数量や密度に支配されず、必要に応じ
て高い位置精度を得ることが可能である。また、試料を
搭載してＸ軸方向またはＹ軸方向に移動するＸＹステー
ジの移動量は従来技術においても極めて精度よく把握で
きるから、試料の位置についての測定精度が極めて高
い。さらに、全体の測定手順を自動化することも容易
で、簡単な画像処理により正確な値を得ることができる
ので、例えば薄膜評価装置に組み込んで使用することも
容易である。

【００１２】また、試料中の測定対象部分が正方形や円
形など予め定まった形状を有する場合には、測定手順や
演算処理を極めて単純化することができる。さらに、測
定対象の形状が不定形である場合であっても、簡単な繰
り返し操作により機械的に測定することができるから、
本発明の方法を実施するための装置を容易に得ることが
できる。

【００１３】本発明の形状測定装置によれば、正確に把
握できるＸＹステージの移動量と、レンズにより試料を
拡大して投影することにより実質的に高い分解能を付与
することができるＣＣＤマトリックスに基づいて得られ
る座標値とを用いて形状を測定するから、測定精度は薄
膜特性を評価するために十分である。また、本発明の形
状測定装置によれば、自動的な測定が可能となる。

【００１４】また本発明に係る薄膜評価装置によれば、
薄膜の物性評価のために予め手動で形状パラメータを設
定する必要がなく、また評価時点における測定値を使用
することができるため物性評価の信頼性も増す利点があ
る。また、従来の薄膜評価装置においても使用されてい
たＸＹステージや顕微鏡鏡筒あるいは演算装置など既存
の部品を活用して、基板の孔部分の形状を測定する部分
を組み込むことができるから、形状測定装置を組み込ん
だ薄膜評価装置全体の製造費用の増大を抑制することが
できる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明に係る形状測定装置の第１実
施例を示す概念説明図である。測定装置は、シリコンウ
ェハなどの基板が有する正方形や真円その他一定の形状
をした孔の寸法を測定するものである。図中１は測定対
象となる試料、２は試料を搭載して２軸に移動するＸＹ
ステージ、３はＸＹステージを搭載する定盤、４は対物
レンズを付けた鏡筒、５はＣＣＤカメラ、６は画像処理
装置、７は演算処理装置、８はステージコントローラで
ある。

【００１６】試料１は、孔１１を有する基板１−１と孔
１１を覆うようにして形成された薄膜１−２からなり、
薄膜１−２の下の孔１１の部分はその周囲の肉の部分１
２と明度が異なるため区別ができるようになっている。
鏡筒４の対物レンズ４１が孔１１の像を拡大してＣＣＤ
カメラ５の受像面に投影する。ＣＣＤカメラ５は孔１１
の投影画像をマトリックス状に配列した光電素子で電気
変換して素子毎の受光の有無を表す画像情報を画像処理
装置６に伝達する。画像処理装置６は各素子位置におけ
る電気出力を評価し、ＣＣＤマトリックスに投影された
画像のうちの肉の部分１２と孔１１の部分を区分して判
定する。演算処理装置７は、画像処理装置６から前記判
定信号を受信して演算処理するもので、たとえばパーソ
ナルコンピュータであってよい。演算処理装置７におけ
る演算処理は、孔１１のエッジすなわち肉の部分１２と
孔１１の部分の境界について、ＣＣＤマトリックス内の
座標値を求め、その結果に基づいてステージコントロー
ラ８を制御してＸＹステージ２を適当に移動させる。演
算処理装置７は、ＸＹステージ２の移動量とＸＹステー
ジ２を移動させた後に再び取得する孔１１のエッジの座
標値を先に取得した座標値と共に用いて孔１１の寸法を
算出する。ＣＣＤマトリックスのＸＹ軸はＸＹステージ
２のＸＹ軸と一致するように調整されている。

【００１７】上記測定装置を用いた測定は以下のように
行われる。まず、試料１をＸＹステージ２に載せ鏡筒４
を調整して、試料１の画像が拡大されてＣＣＤカメラ５
の受光面上に結像されるようにする。投影された画像が
試料の肉の部分１２か孔１１の部分かは、ＣＣＤ素子の
出力を適当なしきい値と比較することで判断ができる。
さらに、ＸＹステージ２を適当に調整して試料１中の孔
１１のエッジの一部がＣＣＤカメラ５のＣＣＤマトリッ
クス面に投影されるようにする。エッジ部分が画像内に
存在するようにするために、モニターに表示される映像
に基づいて操作員が調整してもよいが、たとえば画像中
の黒色の面積と白色の面積が等しくなる位置を見出すこ
とでエッジがあることを見つける方法や、適当な線に沿
って光度変化を監視し激しく光度が変化する位置からエ
ッジを認める方法など、簡単な画像処理方法によりエッ
ジを検出することも可能である。このような自動検出法
を用いれば演算処理装置７を介してＸＹステージ２を調
整することにより、自動的にエッジが画像内に存在する
ような位置に移動させることもできる。

【００１８】ここで、たとえば画面の上下方向をＹ軸方
向、画面の左右方向をＸ軸方向とし、画面左下端部を原
点、画面中のＹ軸方向における最大座標値をＹｍ、画面
中のＸ軸方向の最大座標値をＸｍと定める。図２は画面
上の座標と実寸とを対応させるための校正方法を説明す
る図面である。図２（ａ）はＸ軸に関する説明のため
の、また図２（ｂ）はＹ軸に関する説明のための図であ
る。図２（ａ）から知られるように、画面に画像が現れ
ているようにして、ＸステージをＸ軸方向に既知の距離
Ｍｘだけ動かして、一定の点が画面中のＸ座標上を移動
する量ΔＸを求める。すると、画面の座標値の幅を示す
Ｘｍに相当する試料１の表面上の距離Ｄｘは、Ｘステー
ジのＸ軸方向移動量Ｍｘと、任意のＹ位置におけるＸ座
標の差異ΔＸから数式１で求めることができる。また、
同じく図２（ｂ）から明らかなように、Ｙｍに相当する
試料１の表面上の距離Ｄｙは、ＹステージをＹ軸方向に
Ｍｙだけ移動したときの任意のＸ位置におけるＹ座標の
差異ΔＹから数式２で求めることができる。

【００１９】

【数１】Ｄｘ＝Ｍｘ・Ｘｍ／ΔＸ

【数２】Ｄｙ＝Ｍｙ・Ｙｍ／ΔＹ

【００２０】はじめに、試料１の孔１１が正方形である
場合にその辺の長さＤを求める方法について説明する。
図３は正方形の孔の辺長を求める方法を説明する図面で
ある。初期の調整により正方形をした孔１１のエッジが
画面中に現れているとして、Ｙ軸方向の適当な座標Ｙ１
における孔１１の上記エッジＰ１のＸ座標をＸ１とす
る。また、孔１１のエッジが延伸する方向がＸ軸となす
角度θを求めておく。次いで、試料１を搭載したＸＹス
テージ２のＸステージをＸ軸方向かつ孔１１の面積が広
がる方向に移動させて、座標Ｙ１の位置に孔１１の反対
側のエッジＰ２が現れた画面を取得するようにする。こ
こで、Ｙ座標Ｙ１における孔１１のエッジのＸ座標Ｘ２
を読みとる。このときのＸステージの移動量をＬｘとす
ると、ＬｘはＸＹステージ２の移動を制御するステージ
コントローラ８から取得する信号により正確に知ること
ができる。なお、実際に装置に用いられるステージは、
機構上あるいは操作上の問題から常に連続的に駆動され
るようになっているとは限らないが、移動量が正確に把
握できれば動きが間欠的であってもよい。さらに、今度
は該ＸＹステージ２のＹステージをＹ軸方向かつ孔１１
の面積が広がる方向に移動させて、座標Ｘ２の位置に孔
１１の反対側のエッジＰ３が再び現れるようにする。こ
のときのＹステージの移動量をＬｙとする。そして、該
座標Ｘ２における孔１１のエッジのＹ座標Ｙ２を読みと
る。上記Ｐ２がＰ１が存在する辺の隣辺上にある場合に
は、正方形の辺長Ｄは、図３から明らかなように辺Ｐ１
Ｐ２の正弦と辺Ｐ２Ｐ３の余弦の和となるから、数式３
により求めることができる。なお、点Ｐ２がＰ１の存在
する辺の対辺であるときは、数式３の第１項だけで辺長
Ｄが求まることはいうまでもない。

【００２１】

【数３】Ｄ＝（Ｌｘ＋Ｄｘ・（Ｘ２−Ｘ１）／Ｘｍ）si
nθ＋（Ｌｙ＋Ｄｙ・（Ｙ２−Ｙ１）／Ｙｍ）cosθ

【００２２】次に、孔１１が真円であることが予め知ら
れている場合の円の直径を求める方法を説明する。図４
は、円形の孔の直径を求める方法を説明する図面であ
る。初期の調整により円形の孔１１のエッジが画面中に
現れているとして、Ｙ軸方向の適当な座標Ｙ１における
孔１１の上記エッジＰ１のＸ座標をＸ１とする。次に、
試料１を搭載したＸＹステージ２のＸステージをＸ軸方
向かつ孔１１の面積が広がる方向に移動させて、座標Ｙ
１の位置に孔１１の反対側のエッジＰ２が現れた画面を
取得し、座標Ｙ１における孔１１のエッジの座標Ｘ２を
読みとる。このときのＸステージの移動量をＬｘとす
る。

【００２３】次に、２つのエッジＰ１とＰ２の中点Ｐｈ
までの距離Ｄｈを数式４により求め、ＸステージをＸ軸
上逆方向にほぼＤｈだけ戻し、Ｐｈ点が画面中に収まる
ようにする。そこで、Ｘステージの実際の移動量Ｌｈと
点Ｐ２について先に求めた座標値Ｘ２とから、新しい画
面中のＰｈ点のＸ軸座標値Ｘｈを得る。

【００２４】

【数４】Ｄｈ＝（Ｌｘ＋Ｄｘ・（Ｘ２−Ｘ１）／Ｘｍ）／２

【００２５】さらに、ＸＹステージ２のＹステージをＹ
軸方向に移動させて、座標Ｘｈの位置に孔１１のエッジ
Ｐ３が現れるようにして、画面中の座標Ｘｈにおけるエ
ッジＰ３のＹ座標Ｙ３を読みとる。次に、Ｙステージを
Ｙ軸上で先と反対の方向に移動して、Ｘ座標Ｘｈの位置
に円形孔１１の反対側のエッジＰ４が現れた画面を取得
して、Ｘ座標ＸｈにおけるエッジＰ４のＹ座標Ｙ４を読
みとる。このときのＹステージの移動量をＬｍとすれ
ば、円形孔１１の半径Ｒは、数式５で与えられる。

【００２６】

【数５】Ｒ＝（Ｌｍ＋Ｄｙ・（Ｙ３−Ｙ４）／Ｙｍ）／２

【００２７】従って、孔１１の中心Ｏの位置はＹステー
ジをＹ軸方向にほぼ距離Ｒ、実際にはＬｒ、だけ戻して
得られる画面中のＸ座標Ｘｈ、Ｙ座標Ｙｏにあることに
なる。ただし、Ｙｏは数式６で与えられる値である。

【００２８】

【数６】Ｙｏ＝Ｙ４＋Ｙｍ・（Ｒ−Ｌｒ）／Ｄｙ

【００２９】以上のようにして求まる孔１１の中心Ｏの
座標（Ｘｈ，Ｙｏ）を用いてＸＹステージ２を調整すれ
ば、画面中の所望の位置に孔１１の中心Ｏを合わせるこ
とは容易である。

【００３０】次に、孔１１が不定形であるときに孔の面
積を求める方法について、図５を用いて説明する。従前
の方法では、ＣＣＤで全体像を撮像してＣＣＤ素子のう
ち孔を検出しているものの総数から孔の面積を評価する
ものであったから、測定精度はＣＣＤマトリックスの総
数と密度に支配され、高い精度は望めなかった。これに
対して、本発明の測定方法では、試料を搭載する試料台
としてＸＹステージを採用し測定中のステージ移動を管
理してその移動量を画像評価に用いるので、ＣＣＤカメ
ラの画面位置を定量的に管理することができるため、Ｃ
ＣＤカメラの１画面で孔全体を撮像する必要がなく、Ｃ
ＣＤカメラが画像を取り込める範囲をレンズで拡大する
ことにより対象に対する実質的な分解能を大きくして精
度を向上することができる。

【００３１】まず、ＸＹステージ２を適当に調整して試
料１中の孔１１のエッジの一部がＣＣＤカメラ５のＣＣ
Ｄマトリックス面に投影されるようにする。適当なＹ座
標Ｙ１における孔１１のエッジＰ１のＸ座標をＸ１と
し、わずかに離れたＹ座標Ｙ２におけるエッジＰ２のＸ
座標をＸ２とする。これらの座標値の平均値をもって、
この部分のエッジの座標とする。孔１１のエッジは必ず
しも滑らかな曲線を描かず、エッジ上の１点について求
める座標は実体的な孔の輪郭を表さない特異点であるお
それがあるからである。次に、試料１を搭載したＸＹス
テージ２のＸステージをＸ軸方向かつ孔１１の面積が広
がる方向に移動させて、座標Ｙ１の位置に孔１１の反対
側のエッジＰ３が現れた画面を取得するようにする。こ
のときのＸステージの移動量をＬとする。ここで、Ｙ座
標Ｙ１における孔１１のエッジＰ３のＸ座標Ｘ３を読み
とる。またＹ座標Ｙ２に対応するエッジＰ４のＸ座標を
読みとりＸ４とする。先と同様、これらの平均値をもっ
てこの部分のエッジの座標とする。Ｙ座標Ｙ１Ｙ２の位
置における孔１１の幅Ｄは、上記の値を用いて、数式７
で表される。

【００３２】

【数７】Ｄ＝Ｌ＋Ｄｘ・（（Ｘ３＋Ｘ４）／２−（Ｘ１
＋Ｘ２）／２）／Ｘｍ）

【００３３】孔１１全体の面積を求めるには、孔１１の
Ｙ軸方向の幅全体にわたってＹ座標値を適当な一定量ず
つ歩進させながら、上記の方法でＸ軸方向の幅を算出し
て積算し、上記Ｙ軸方向の歩進幅を掛け合わせればよ
い。

【００３４】図６は、本発明の形状測定装置を薄膜評価
装置に組み込んで使用する例を示すブロック図である。
薄膜評価装置は、基板上に形成した薄膜の物性を評価す
るためのものである。図７はここで形状測定装置を組み
込む薄膜評価装置における薄膜評価方法を説明する図面
である。この方法によれば、孔を有するシリコンウェハ
Ｓの上に孔を覆うように薄膜Ｆを形成した試料を真空で
引いて薄膜Ｆに差圧ｐをかけるときに薄膜の撓む量ｈを
測定し、その測定値を用いて数式８、９、１０で算出さ
れる内部応力σとヤング率Ｅに基づいて評価する。ここ
で、νはポアソン比、ｔは薄膜の厚さ、ｒは孔の径や長
さなどディメンジョンを代表する指数、ＡとＢは中間変
数である。

【００３５】

【数８】ｐ＝Ａ・ｈ＋Ｂ・ｈ³

【数９】Ａ＝ｔσ／ｒ²

【数１０】Ｂ＝３ｔＥ／８ｒ⁴（１−ν）

【００３６】この式を用いて薄膜を評価するためには、
薄膜の厚さｔと孔のディメンジョンを表す値ｒを別途求
めておく必要がある。しかも、ｒは数式中に２次および
４次の関数として含まれることから、その誤差は求める
内部応力やヤング率の精度に大きな影響を与える。そこ
で、本発明の形状測定装置を上記薄膜評価装置に組み込
んで、評価測定と同時に孔の形状を正確にかつ自動的に
測定し評価式にその結果を取り込んで、正確な物性値を
求めるようにしたものである。

【００３７】図６において、２１は測定対象となる薄膜
が形成されたシリコン基板、２２は試料となるシリコン
基板を搭載するＸＹステージ、２３は可動部分を振動し
ないように保持する定盤、２４は試料の映像を拡大して
検出装置の撮像面に投影させる顕微鏡鏡筒、２５は試料
の映像を取り込んで電気信号に変換するＣＣＤ光検出
器、２６はＣＣＤ光検出器からの映像信号を入力して信
号処理して有効な画像情報を生成する画像処理装置、２
７は各検出器から検出信号を入力して信号処理し各制御
装置に適切な操作信号を供給しかつ必要な測定値をディ
スプレイやプリンタに出力するパソコン、２８はＸＹス
テージ２２を測定に適合するように制御して測定対象が
必要な位置に来るように制御するステージコントローラ
である。

【００３８】図６において、３１は光波干渉法により薄
膜の撓みを２次平面情報として取得するプローブ、３２
はプローブ３１からの信号を処理して薄膜の撓みの分布
を算出する画像処理装置、３３は試料２１を搭載して試
料の裏側から真空を作用させる真空チャンバー、３４は
パソコン２７からの指令に従って真空チャンバに搭載さ
れた薄膜に印加する真空を制御する真空ポンプ制御装
置、３５は真空チャンバー３３に印加する真空度を測定
する真空計である。

【００３９】初めに、薄膜で孔を被覆した試料２１を薄
膜形成面を上にして真空チャンバー３３の真空開口に孔
の部分が当たるように搭載し、別途真空チャック装置で
シリコン基板の肉の部分を真空で吸引して基板を真空チ
ャンバーに把持する。真空チャックは孔の部分に測定用
の真空を印加したときに周囲から真空が破れないような
構造にしてある。次に、試料２１を粗く走査してＣＣＤ
光検出器の視野内に試料中の孔が来るようにする。そこ
で、先に説明した方法によりＣＣＤマトリックスの視野
内における座標値とＸＹステージ２２の移動量とを用い
て、その孔の径あるいは辺長など孔の寸法ｒ、すなわち
数式９と１０に用いる数値ｒを求める。次に、パソコン
２７からの指令に基づくステージコントローラ２８の働
きによりＸＹステージ２２を調整して目的とする孔の中
心がプローブ３１の視野の中心付近に来るようにする。

【００４０】次いで、薄膜評価を実施する。初めに大気
圧下において、適当な基準面から孔の部分における薄膜
の表面までの距離を測定する。次に、真空ポンプ制御装
置３４の制御により真空チャンバー３３に決められた真
空を生成させる。真空度は真空計で測定し評価式に用い
るため演算装置に伝送される。この真空と大気圧の差が
薄膜に印加される差圧ｐとなる。このように圧力ｐが印
加された状態で薄膜までの距離を測定すると、先に求め
た大気圧下での距離との差が数式８に用いる薄膜の撓み
量ｈとなる。薄膜評価装置は最大撓み量を２次平面の測
定結果から求めることができる。孔の中心位置が予め与
えられる場合には、中心位置における直接的な測定によ
り容易かつ正確に数式に用いる撓み量ｈを得ることがで
きることはいうまでもない。

【００４１】真空度を変更して、再度上記の撓み量を測
定し、２組の測定値を数式８に代入すると、係数ＡとＢ
が求められる。従って、数式９と数式１０に既知の数値
を代入することにより、薄膜の内部応力σとヤング率Ｅ
が求まり、これによって薄膜の物性が評価できる。上記
の手順はパソコン２７に組み込まれるシーケンス制御プ
ログラムに従って自動的に実施することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の形状測定
方法及び装置は、ＸＹステージを用いることにより、小
さな視野しか持たないＣＣＤカメラを利用して、比較的
大きな孔の寸法を精度よく測定することができる。ま
た、本発明の方法及び装置を薄膜評価装置に組み込む
と、測定者が直接に物差しなどを用いて計るかわりに、
試料の孔径等の値を極めて高精度で自動的に測定して薄
膜評価式に代入できるから、正確かつ迅速に試料の物性
が評価できるようになる。また、ＸＹステージや対物レ
ンズは薄膜評価装置に既に付属するものを兼用すること
ができるから、本発明の形状測定装置を適用することは
極めて容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の形状測定装置の第１実施例を示す概念
説明図である。

【図２】本発明の実施例に用いられる校正方法を説明す
る図面である。図２（ａ）はＸ軸に関して、また図２
（ｂ）はＹ軸に関して説明する図である。

【図３】孔が正方形であるときの形状測定方法を説明す
る図面である。

【図４】孔が円形であるときの形状測定方法を説明する
図面である。

【図５】孔が不定形であるときの形状測定方法を説明す
る図面である。

【図６】本発明の形状測定装置を薄膜評価装置に使用す
る例を示すブロック図である。

【図７】薄膜評価方法を説明する図面である。

【符号の説明】

１、２１試料２、２２ＸＹステージ３、２３定盤４、２４鏡筒５、２５ＣＣＤカメラ６、２６画像処理装置７、２７演算処理装置８、２８ステージコントローラ３１プローブ３２画像処理装置３３真空チャンバー３４真空ポンプ制御装置３５真空計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２軸に移動するＸＹステージ上に閉曲線
で囲まれた明度の異なる部分を有する試料を搭載し、対物レンズによりＣＣＤマトリックス上に前記試料の映
像を投影し、前記閉曲線で囲まれた部分の一端の像が前記ＣＣＤマト
リックスに投影されるように調整して、該端の位置を前
記ＣＣＤマトリックスの座標によって特定し、前記ＸＹステージを移動させて前記閉曲線で囲まれた部
分の別の端の像が前記ＣＣＤマトリックスに投影される
ように調整して、前記別の端の位置を前記ＣＣＤマトリ
ックスの座標によって特定し、前記孔の端に対応する前記ＣＣＤマトリックスの座標と
ＸＹステージの移動量から前記閉曲線で囲まれた部分の
寸法を算出する基板形状測定方法。
【請求項２】請求項１記載の基板形状測定方法におい
て、前記明度の異なる部分が正方形の孔であるときに、該明度の異なる部分の第１の端の位置をＣＣＤマトリッ
クスの座標で特定した後に、ＸＹステージを一方の軸方
向に移動させて前記明度の異なる部分の第２の端がＣＣ
Ｄマトリックスに投影されるようにして該第２端の位置
をＣＣＤマトリックスの座標で特定し、さらにＸＹステージを先の軸と直行する方向に移動させ
て前記明度の異なる部分の第３の端がＣＣＤマトリック
スに投影されるようにして該第３端の位置をＣＣＤマト
リックスの座標で特定し、これらＣＣＤマトリックスの座標とＸＹステージの移動
量に基づいて、前記正方形の辺の長さを算出する基板形
状測定方法。
【請求項３】請求項１記載の基板形状測定方法におい
て、前記明度の異なる部分が円形の孔であるときに、ＸＹステージを一方の軸方向に移動させて該明度の異な
る部分の第１の端の位置と第２の端の位置をＣＣＤマト
リックスの座標で特定して、これらＣＣＤマトリックス
の座標とＸＹステージの移動量に基づいて、前記第１端
と第２端の中点を算出してＸＹステージを該中点付近に
戻し、ＸＹステージを別の軸方向に移動させて、該中点に立て
た垂線が前記明度の異なる部分と交差する第３の端と第
４の端をＣＣＤマトリックスの座標で特定して、これら
ＣＣＤマトリックスの座標とＸＹステージの移動量に基
づいて、前記第３端と第４端の中点を算出して該円の中
心とする基板形状測定方法。
【請求項４】請求項１記載の基板形状測定方法におい
て、前記明度の異なる部分が不定形の孔であるときに、前記ＸＹステージの一方の軸方向に移動させて該明度の
異なる部分の第１端と第２端の位置をＣＣＤマトリック
スの座標で特定し、さらにＸＹステージの移動量に基づ
いて前記孔の該軸方向の幅を算出し、さらにＸＹステージを先の軸と直行する方向に所定の刻
みで移動を繰り返して前記軸方向の幅を算出し、これら算出された幅を積算して前記不定形の孔の寸法を
算出する基板形状測定方法。
【請求項５】孔を有する試料を搭載して２軸に移動す
るＸＹステージと、ＸＹステージのＸＹ軸とＸＹ軸方向を合致させたＣＣＤ
マトリックスを備えＣＣＤ素子に投影する映像の光強度
に対応する電気信号を発生するＣＣＤカメラと、試料の像をＣＣＤカメラの受像面に拡大して投影する対
物レンズを備える鏡筒と、ＣＣＤカメラの出力を受けて画像の特徴を検出して出力
する画像処理装置と、画像処理装置の出力とＸＹステージの移動量を受信して
これらに基づき前記孔の寸法に対応する値を算出する演
算処理装置とを備えた基板形状測定装置。
【請求項６】薄膜試料を搭載するＸＹステージと、該試
料の映像を拡大して検出装置の撮像面に投影させる顕微
鏡鏡筒と、該試料の形状情報を取得するプローブと、該
プローブからの信号を処理して該試料の撓みを算出する
第１の画像処理装置と、各検出器から検出信号を入力し
て演算処理し該試料の物性評価をする演算処理装置とを
備える薄膜評価装置であって、さらに、前記顕微鏡鏡筒を介して試料の拡大した映像を
取り込んで電気信号に変換するＣＣＤ光検出器と、該ＣＣＤ光検出器からの映像信号を入力して前記試料の
映像中の明度差を有する部分を抽出する第２の画像処理
装置とを備えて、前記第２画像処理装置の出力とＸＹステージの移動量か
ら前記試料の寸法を算出して、前記試料の物性評価に算
入することを特徴とする薄膜評価装置。