JPS5875005A - 板厚測定方法および装置 - Google Patents

板厚測定方法および装置

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JPS5875005A
JPS5875005A JP17303881A JP17303881A JPS5875005A JP S5875005 A JPS5875005 A JP S5875005A JP 17303881 A JP17303881 A JP 17303881A JP 17303881 A JP17303881 A JP 17303881A JP S5875005 A JPS5875005 A JP S5875005A
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JP
Japan
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measured
objective lens
light
pattern
back surfaces
Prior art date
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Pending
Application number
JP17303881A
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English (en)
Inventor
Yoshisada Oshida
良忠 押田
Hiroshi Makihira
牧原平 担
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

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】 本発明は試料板の厚さを高精度に測定する方法および装
置に関するものである。
半導体製造技術においてウェハの板*1−一定Or!#
さに製造することは特性のばらつきを押える上で11!
である1例えば、圧カセンサダイアフラふとして用いら
れるウェハはエツチング技術によシ薄膜状に形成される
がそれの板厚の測定や、極薄の金属箔や金属板厚の板厚
を測定する方法として、従来は接触式のダイヤルゲージ
を用い、被測定板の数ケ所を測定し、他の部分はその測
定値から推測することによって全体の厚さの測定値とし
てい友、しかしながら、この測定方法によると、被測定
物に測定用触針を接触させる丸め、被測定物に傷をつけ
たシ汚したプし、その被測定物を不良品とする欠点がめ
った。tた。測定In1F:も測定用触針にかかる接触
圧の影響や測定場所による板厚ばらつきの影響を受ける
等と充分な精[(1μ罵以下01111[)が得られな
いという問題があった。
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点tなくシ、非
接触で被測定物の板厚を高精[K測定することを可能な
らしめる方法および装置を提供することKIりる。
上記目的を達成するために本発明にお込ては。
被測定一体の表面と裏面の側に板厚測定検出器の検出ヘ
ッドを具備し、この検出ヘッドに設置した対物レンズを
通し、被測定物表面および裏面に光パターンを投影し、
その被測定物表面。
裏面に投影して得られた投影パターンの反射パターンを
再び対物レンズにより検出器上に結像する。上記投影光
パターンとしては一つ以上の空間周波数を持つ微細パタ
ーンもしくはレーザスポット等t−雨いる。前者の微細
パターンを採用する場合は検出器によシ得られる信号か
らコントラストを求め、このコントラスト信号が最大に
なるように(合焦点になるように)上記対物レンズを移
動する。又後者のレーザスポットを用いる場合は被測定
物に斜めよシレーザスポットを照射し、検出器として位
置検出器を用い。
仁の位置検出器の中心に結像するように(合焦点になる
ように)上記対物レンズを移動する。
いずれの方法の場合にも合焦点になる瞬間の対物レンズ
の位置を、それぞれの検出へ゛ラドの対物レンλに対し
求める。それぞれの対物レンズの位置が分れば両対物レ
ンズの間に挾まれた被測定物の厚さを両対物レンズの位
置の差として算出できる。
この際正確に被測定物の厚さを求めるために。
後に詳細に説明するように対物レンズの位置に一定の補
正演算を行なり良能の差から被測定物の犀さt算出する
。また検出ヘッド間の温度変化に伴なう熱膨張による間
I!1j変化の板厚測定値に及はす影l11t−除去す
る丸め、被測定物の近傍に設けられ、あらかじめ厚さの
分っている基準厚さ試料に対し、上述の焦点合わせを行
なって両対物レンズの位fl11t−求めておき、その
位置の差又は和をこの基準試料の厚さとし、以後の任意
の被−1定物に対し、キャリプレーン1フ管行なうこと
が可能になり、j!!に正確な非接触板厚測定が可能と
なる。
以下1本発明を図に示す実施例にもとづいて具体的に説
明する1w41図は本発明の一実施例を示す板厚測定装
置の概略構成図であって1図中1と1゛は被測定物の表
裏面に光照射するための光源で、光源の前面に集光レン
ズ11.11’叫設拡大図に示す如き02種類の空間周
波数成分から成る微細パターン(稠密なパターン21と
粗いパターン22から成る2周期パターン)2および2
′が配置しである。3および3′は、微細パターンを介
して得九光′f:山角に反射させて対物レンズ4および
4’に光軸を導ひくとともに」対物レンズ4および4′
より得られた光ヲ[1的に透過させるハーフミラ−を示
す、対物レンズ4と4″はZ方向の光軸に配置され、レ
ンズ移動機構5と5″によシZ軸方向に微動制御される
。この微動量はレンズ位置検出器51と51′ によシ
読み取られる。2と2′の微細バタ゛−ンは)1−フン
ラー3と3′、対物レンズ4と4′を介し被測定物上に
縮小投影される。縮小投影されたパターンは被測定物の
表裏面讐反射し再び対物レンズ4と4′およびハーフミ
ラ−3と3′ヲ介して検出器8と8′上に結像する。検
中器8.8′で得られる結像パターン信号は制御回路′
800に送られる。この制御回路800によシそれぞれ
のコントラスト信号が最大となるように対物レンズ4と
4″がレンズ移動機構5と5’によシ微動制御され、最
大コントラスF信号が得られる瞬間の対物vyW位置が
レンズ位置検出s51と51′により読まれる。
読み取られた対物レンズ位置信号は補正演算回路500
に送られ、正確な板厚測定が行なわれる一以下補正演算
の内容t−第3図を用い2て詳mttc#5を明する。
第5図の部品に付けられ九番号で第1図の部品番号と同
一のものは同一物を表わしている。な上第S図の説明で
はレンズは薄肉レンズとして説明するが厚内の場合でも
同様にして説明できる。第5図(a)の状態で対物レン
ズの位置をレンズ位置測定基準Rから測り、Laとする
仁の時被測定物上の投影パターンが検知器に結像してい
るとし、レンズと被測定物および検知器の撮像−までの
距離をそ些ぞれ6およびbとする。又し/ズの焦点距離
1/とする1次に第3図(α)に示す基準位置Iから、
試料の厚さが変化し、第5図(旬の状態に試料表面位置
が変化したとする。この時試料表面の変位量をΔとする
と対物レンズと撮像面がと4にΔだけ変位すれば(第3
図Cb)で点線で示した位置に変位すれば)撮像面には
合焦点状態で結像する。しかるに撮像面は固定されてい
るため(第5図(旬で実線の位置にあるため)1合焦点
状態で結像するに9は対物レンズ4扛−測定物表面の変
位Δとは若干、異なる量eだけ変位す、陣、このgt−
次に求める。
レンズの公式よシ 又訊3図よシー (3) 、α+h+Δ=αl 、+ b′。
上記の(11〜(3)式を焦点距離fで再現化し。
α=tX/f、  β=b/f、  α’=a’/f、
 p’−4’fa=t¥f  とおく。
111〜(3)式より β′=7(γ+12−41)       、 +43
゜r 7/ + 1+ a + Tイ        
幅)となる、上記(4)、’ (51を用いてeが求ま
る。
ε=b’−h−Δ =f・(β′−β−J )           (I
I)(6)式で表わせる1を具体的数値として一1表と
第2表に示す。
絡11!1j4G倍対物レンズを用いた場合でf ==
 5.4 m 、β=41を示す。
第2表は20倍対物レンズを用いた場合で/=115腸
、β=21を示す。
上表に示すごとく対物レンズの焦点距離か長く、結像倍
率が低くなる程g(Q@は大きくなり。
補正演算の必要が生じる0次に補正演算の実施例を示す
、第5図に示すように対物レンズの移動量は被測定物表
面の変位置Δに対しΔ+1となる。第S図に示すように
Z軸の正方向を決めるとΔと8は同−付号であシ(6)
式で示される。
この時のレンズ位置測定基準Rから測り九位置t−17
とすると t、1=t、+△十信 となる、従って被測定物の表面の基準位置(嬉5図(@
))からの真の変位蓋Δはg (Aα′、tα、Δの条
件が成立するため第1図の補正演算回路5OOkより次
の演算を行なって求める。
Δ=La’−La−g(1g’−1a)  ・−(7)
但しC(ハ)はΔの関数で6fi 、 141.151
. +61式で与えられる。ここで(4)〜(6)式′
1il−1とめて示すと次のようになる。  ′ t@=f ・(’ (r+ f−ar)−β−δ) ・
・(8)上記の被測定物の基準位置はあらかじめ決めら
れ九tut任意に与えてもよい、この場合1.0麺とし
ては被測定物の表面を測った時の籠tα′から離れてい
ない方が望ましい、又上記被測定物の基準位−として前
述したあらかじめ厚さが正確に測定された111準試料
、ガえばプクックゲージを測定し死時の値を採用しても
よい。
次にプロアクゲージを用いて絶対厚さ測定を正mK行な
う実施例t−第4図を用いて説明する。
第4図(1)は被測定物の測定に先がけて既知の厚さ1
oを持つ標準試料taI定している図である。
合焦点状勅での両対物レンズの位置を対物レンズ測定基
準から測定し、それぞれL(El) * Am’とする
0次に第4図(b) K示すごとく未知の厚さ’st有
する被測定物t−測測定1合焦点状態での両対物レンズ
の位置を対物レンズ測定基準から測シ(111定基準か
ら被測定物側の方向を正方向としている)、それぞれZ
al @ Zal’とする@ Ig ’図の補正演算回
路500によ2り次の演算を行ない厚さtltXめる。
t、=to +La−taI−g (La−1,)+t
ao’−Lea −a (LtxニーLa*) (9)
ここで6(Lao −’aJは(8)式で与えられる関
数である(上記対物レンズ位置の方向の符号の取り方に
より和算もしくは差算になる)。
次k(9)“式による演算を簡略化して実行する実1に
例を示す、91表および第2表に示し友ように−とΔの
関係は広い範囲に亘9#景は比例関係で変化する几め、
 ts−’cL1およびtan’ −tatに一定の比
例定数管掛゛算□することにより補正演算を行っても効
果が大きい、llN1表および第2表の対物レンズを用
いる場合の上記比例定数はそれぞれ0.99940  
およ゛びQ、9976である。
第5図線本発明の他の実施例を示す図である。
第5図の番号とlK1図の番号が同一のものは同一物を
表わす0図中100社レーザ光源、111は出射レーザ
光を対物レンズ4と4′の後匈の拡大結像位置A、A’
に収束させるレンズである。出射レーザ光はビームスプ
リッタ101で2光路に分離し、ミ5−102と102
′によプA、A″で収束しビームスプリッタ3と3″対
物レンズ4と4′を介し、被測定物の表裏面に斜めより
入射し、集束スポット状パターンを結像する1表および
裏面で反射したレーザ光は対物レンズ4と4′ビームス
プリツタ3と5゛を介し位置検出器80と80゛上に結
像する。レーザ光が斜めより被測定物に入射する丸め1
合焦点位置では位置検出器の中心に結像するが1合焦点
位置の前か後かKよ多位置検出器の中心に対し例えば左
か右に結像するため1位置検出器号が0になるように対
物レンズを微動し合焦点制御を行なうことができる。
本実施例の場合も王妃し九対物レンズの位置に一定の補
正演算を行なうことによシ正確な板厚測定が可能となる
以上説明したように本発明によれば、板厚測定を非接触
で試料に傷を付けることなく、シかも従来α5μ嬶以下
の高精度測定が不可能であった15M以上の厚い試料に
対しても正確に絶対寸法高倍軸度でもって板厚を測定す
ることができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
W、1囚は本発明の一夾施例を示す図、92図は第1図
に示す微細パターンを拡大して示した図、第6図は本発
明の袖゛正演算の内容を説明する九めの図、第4図は本
発明の標準試料を用い。 キヤリプレーシ璽ンを行なう方法t−説明するための図
、第5図は本発明のレーザスポットを投影する方法會示
す図である。 1・・・光源       2・・・微細パターン4・
・・対物レンズ    5・・・対物レンズ微IkI+
機構51・・・レンズ位置検出器 8・・・検出器80
0・・・制御回路    sno・・・補正演算回路1
00・・・レーザ     80’・・・位置検出器代
理人弁理士 薄 1)利 辛 箔ご図 2 閑4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 t M厚tm定する被測定物の表面と裏面側に対向設置
    した対物レンズを通して、前記被測定物の表面および裏
    面に光パターンを投影し。 該被測定物よシ得られた反射光を再び前記対物レンズに
    よシ結像し、当該結像ノ(ターンを検出し、検出信号に
    よシそれぞれの対物レンズを微動して自動焦点制御を行
    ない1合焦点位置でのそれぞれの対物レンズの位11に
    一定2 前記一定の補正演算として基準位置から測った
    対物レンズの位置に一定の定数を掛算することt%黴と
    する特許請求の範囲第1項に記載の板厚III定方法。 & 前記被測定物の表面および裏面に投影する光パター
    ンとして少くも1つ以上の9間R@数を有する微細パタ
    ーンを用い、前記検出信号として該パターンのコントラ
    スト信号を得て、当該コントラスト信号が最大になるよ
    うに自動焦点制御を行なうことを特徴とする特許−求の
    範囲餠1項に記載の板厚測定方法。 4、 前記被測定物の表面および裏面に投影する光パタ
    ーンとしてレーザスポットを用い、該レーずスボッ)1
    前記対物レンズの光軸に対し一定の傾きを成し被測定物
    の表面および裏面に投影し1反射光を前記対物レンズと
    ビームスプリッタを介し、結像し、当該結像パターンを
    位置検出器によシ検出し、当該検出信号により自動焦点
    制御を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の板厚測定方法。 & 前記、被測定物の表、裏面部に配置された対物レン
    ズによシ既知の板厚を有する基準試料を前記被測定物の
    測定前あるいは後に測定し、該両対物レンズの位置に前
    記一定の補正演算を行碌りた僅に対し前記既知の板厚値
    を前記被測定物の測定結果のキヤリブレータ。 ン値として用いることを特徴とする特許請求の範囲[1
    ]Jに記載の板厚測定方法。 4 光源と、#光源からの光を被測定物の板厚検出ヘッ
    ド部に導く手段と、骸光を反射させて被測定物面まで導
    くと共に、#被測ず物面よシ得られ良友射光を透過する
    ハーフミラ−と、被測定物の表、裏面部に設置され、前
    記ハーフミラ−により反射された光を縮小投影する対物
    レンズと、皺対物レンズを介して被測定物の表裏面に縮
    小投影された光の反射光を該対物レンズ、ハーフミラ−
    を介して拡大結像し、紋結像パターンを検出する検出器
    と。 該検出器で検出された信号によシ前記対物レンズの駆動
    機構を制御する制御回路と、#制御回路で検出された合
    焦点状態における前記対物レンズの位置を読み取るレン
    ズ位置検出器と、該位置検出器で読み取られた値に一定
    の補正演算を行なうとともに、被測定物の両側に設置し
    た対物レンズ位置の前記補正演算の結果の差又は和t−
    算出する手段t−其伽して構成したことを特徴とする板
    厚測定装置。 l 前記光源と、前記バーフィラーの間に微細パターン
    を配置し、該微細パターンを、前記ハーフミラ−1対物
    レンズを介して被測定物の表、jI面部に縮I」\投影
    し、該対物レンズとハーフミラ−を介して被測定物の表
    裏面に縮小投影されたパターンの反射光を拡大結像し。 該結像パターンを前記検出器で検出し、検出微細パター
    ンのコントラスト信号を得、該コントラスト信号が最大
    となるごとく前記対物レンズの駆動機構を制御する前記
    制御回路を用い九ことを特徴とする特許請求の範囲1g
    t項に記載の板厚測定装置。
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