JPS61275606A - 対象物の特性測定方法及び装置 - 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〉 この発明は対象物の特性測定方法及び装置に関し、測定
の空間的な分解能を向上させることを目的とする。

〈従来の技術〉 対象物の長さや厚み等の外寸や他の様々な特性を測定す
る測定装置が知られている。この測定装置は通常プロー
ブと呼ばれるセンサ装置を有し、その例として例えば容
量型、光センサ型、磁気型、音響型等種々のプローブが
ある。

これらプローブの表面領域はプローブの感度と空間的な
分解能を少なくとも部分的に決定する。

即ち、受感領域を拡大すると感度は向上するが、逆に空
間的分解能は減少する。はとんどの測定装置においては
、大きな受感領域による高感度を有しつつこより小さな
受感領域に対応する分解能を有することが望ましい。

ところで半導体ウェハーの品質管理や製造工程において
は、ウェハーの厚みや平坦度についての高精度、高信頼
度の測定値が要求され、これに応えるために本願出願人
により米国出願第５７２６９５号が提案されている。こ
の発明装置は、容量型センサヘッドと、半導体ウェハー
の厚みを連続的に測定するためのアクチュエータとを有
し、自動的にウェハーの平坦度データを出力する構成と
なっている。容量型センサヘッドは、その寸法により決
定される空間的分解能を有する少なくとも１つのプロー
ブを有している。

半導体ウェハーの端部から離れた場所で厚み測定する場
合には、該ヘッドは高い精度と信頼性のデータを出力す
る。しかしたとえば、ウェハ一端部からプローブ幅の範
囲内にある部分の測定等、端部近傍の特性を測定する場
合にはデータの信頼性には限界がある。

データの信頼性を向上させる一つの方法はプローブの寸
法を減少させることである。しかしこの方法の場合プロ
ーブのサイズを小さくするための製造上のコストの問題
がある上、小ざなプローブ故の対ノイズ信号レベル減少
の問題がある。

〈発明の概要〉 本発明は上記した従来技術の欠点を改善すべくなされた
もので、プローブの寸法を減少することなく対象物の特
性を高分解能で測定する方法及び装置を提供しようとす
るものである。即ち、いまサイズ“Ｎ　ｔｏの受感部を
持つプローブを用いたとすると、本発明によれば、６Ｎ
”を細分した小さな“ｎ′′を有するプローブにより測
定したのと同じ分解能を得られる。従って本発明によれ
ば感度低下等の欠点を有することなく、比較的大きなプ
ローブを用いて、比較的小ざなプローブにより得られる
空間的分解能及び高信頼性データを得ることができる。

このような目的、効果のために、本発明においては被測
定対象物とプローブとを相対的に直線的に運動させる。

この運動は連続でも不連続でも良いが、所定間隔の対象
物とプローブとの進み量“ｎｍｅはプローブ寸法“Ｎ”
を細分したものとなっている。プローブは進み量ｎ″毎
に“Ｎ”に規定される分解能で対象物の所定の特性を測
定する。プローブには演算処理装置等を含む手段等を接
続し、プローブからの測定値をデジタルフィルタ処理等
により、前記した相対運動の進み量“ｎ″により決定さ
れる分解能の処理信号を得る。

後述する実施例に示すように、本発明は例えば半導体ウ
ェハーの形状測定装置等に適用され、この場合高精度で
かつ、端部からプローブ幅寸法内の領域における半導体
ウェハーの厚み測定データを高信頼性で提供可能となる
。最も好ましい実施例において、容量型センサが備えら
れ、これは対象物から距離をおいて設置される上下の容
量型プローブを有する。該プローブは通常断面方形状を
しており、その周囲にガード部分を有している。

測定されるべきウェハーは、Ｘ、θ、Ｚ方向に可動なバ
キュームチャック上に置かれ、その端部からプローブ幅
内にある予め選択されたポイントが容量型センサ内を移
動する。この運動の前記進み量は方形プローブ幅の整数
の約数となるように調整される。このように測定された
値はデジタル化され、前記各ポイントの円座標位置に対
応するデータテーブル番地に格納される。このデータは
デジタル的にフィルタされ、ウェハ一端部の厚み形状を
出力する。この出力値の空間的分解能は方形プローブの
整数の約数であり、これにより、ウェハ一端部からプロ
ーブ幅の範囲内の各ポイントの測定値を高信頼度で得る
ことが可能となる。

く実　施　例〉 本発明の他の特徴、効果は以下説明する実施例により明
確にする。但しこの実施例は単なる一例であり、発明を
限定するものではない。

まず第７図と第８図により簡単に概略を説明する。本発
明の測定方法及び装置は、第７図に示すように予め決め
られた特性を測定するための寸法゛Ｎ　Ｉｍの受感領域
を有する少なくとも１つのプローブ１を備えたセンサヘ
ッドを用いる。また本発明では少なくとも１つのプロー
ブと被測定対象物との間で相対運動を行わせる（第８図
ステップ４）。この相対運動は進み量“ｎｅｐにおける
変数値を測定するようにコントロールされる（ステップ
６）。進み量゛ｎ″はプローブの仕様寸法“Ｎ″を細分
するものである。上記により、まずプローブの仕様サイ
ズ“Ｎ　１１により決定される空間的分解能の変数値を
示すデータを得る。本発明では更に信号処理過程を有す
る（ステップ８）。この処理においては逐次相対運動の
“進み″に対応した測定値に応答して、該進み量“ｎ　
ＰＩにより決定される空間的分解能の処理データを出力
する。したがって本発明方法及び装置は多くの応用範囲
を有し、実際に用いるプローブの寸法より小さな寸法の
プローブにより得られる高い分解能を必要とするあらゆ
る測定分野に適用できる。このような応用例として前記
した半導体ウェハーの品質管理や、製品のそり規格の測
定、平坦度測定、転移量測定等が挙げられるが、本発明
は他にもプローブ寸法を小さくすることなくその分解能
を向上させる必要のあるあらゆる分野に適用可能である
。また本発明は容量型センサに限定されるものではなく
、その空間的利得を線形的に合計できるセンサ、例えば
オプティカル、エレクトロマグネティックセッサ等、で
あればどのようなセンサでも使用できる。

第１図において１０は半導体ウェハーの形状測定ステー
ションのブロック図であり、本発明の一実施例を示して
いる。システム１０は真空チャック１２を備え、このチ
ャック１２は被測定ウェハー１４を着脱可能に把持する
。Ｘ、θ、２方向方向アクチーエータ１６ャック１２に
設けられており、これはＸ。

θ、７制御信号に応答してウェハー１２を移送又は回転
させる。容量型センサヘッド１８がアクチュエータ１８
に近接し、かつその動作範囲に設置されている。ヘッド
１８は好ましくは互いに離間した上下の容量型プローブ
２０．２２を有し、これらの間にウェハーと非接触で測
定ギャップを形成する。垂直方向位置調整手段（図示せ
ず）を設置してプローブ２０．２２間のギャップを変更
できるようにしても良い。チャック１２とアクチュエー
タ１６は他の適当なものを使用可能であるが、この実施
例では上記米国特許出願筒５７２６９５＠のちのを用い
ている。公知のアナログ信号条件付はユニット２４がプ
ローブ２０、２２に接続され、ウェハーの厚みを示すア
ナログ信号を出力する。

公知のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２６が
ユニット２４に接続し、アナログ信号に応答してデジタ
ル信号を出力する。

このＡ／Ｄｉンバータ２６にプロセッサ２８が接続して
いる。プロセッサ２８にはＰＲＯＭ３０とＲＡＭ３２が
備えられ、夫々“Ｘ″、“θ″、“Ｚ″。

“”　Ｖ　Ａ　Ｃ”に振り当てられた複数のコントロー
ルラインを介して、アクチュエータ１６とチャック１２
に接続している。

第２図において３０はウェハー・プロフィ−リング・ス
テーションの容量型センサヘッドのプローブの一例を示
すものである。プローブ３０は円筒形状の本体３２と、
この端部に設けられほぼ方形の容量型センサエレメント
３４を有する。そしてこのエレメント３４の外側周囲に
方形のガード３６が設けられている。センサエレメント
３４の断面領域は適宜の大きさとすることができるが、
ウェハ−１４端部の曲率半径に近くないことが必要であ
る。エレメント３４が方形であることは、相対運動にお
けるプローブの部分形状の加減算を行う点で重要である
。

また方形のガード３４は容量域ラインの直角を保持し、
端部容量の悪影響を最小化する助けをする。

第３Ａ図において４０は容量型センサエレメントの拡大
図である。容量型センサエレメント４０は“ＷＰＩの幅
を有し、これは本発明においては概念上０１１個の電気
的に絶縁された近接する容量ストリップ“ｍｌ　”　、
・・・　ｍｋ　・・・　ｍ　　から構成されていると考
えることができる。各ストリップ“ｍｋ”はエレメント
４０の一端部から他端部に横断的に配設されている。ま
た各ストリップ“ｍｋ”はエレメント４０の幅“ＷＨを
細分する幅を有し、該各ストリップの幅は“Ｗ″の整数
の約数であることが望ましい。したがって、センサエレ
メント４０のキャパシタンスは概念１各ストリップ“ｍ
ｋ”のキャパシタンスの総和となる。

容量型センサエレメント４０の空間的分解能を決定する
仕様寸法はその幅“Ｗ”である。下記から明らかなよう
に、本発明の方法、装置は、概念的に構成されるストリ
ップ“’ｍｋ”の８幅の仕様寸法をエレメント４０が有
するような空間的分解能のデータを出力することを可能
とする。

第３Ｂ図において４２は、分解能の向上を可能とする相
対運動を説明するウェハー・プロフィ−リング・ステー
ションの概略立面図である。矢印４４で示されるように
相対運動は被測定対象であるウェハー４６と容量型セン
サヘッド４８（第１図と第２図に示したものと同じ）と
の間でコントロールされて実現される。この相対運動は
不連続でも連続でも良く、不連続の場合には各不連続の
進み量が空間的な間隔を規定し、これは第３Ａ図に示す
ストリップ゛ｍｋ”の幅と同一である。連続運動の場合
には前記した各進み量に対応する時間（タイミング）に
対象物の特性測定を行なう。

この実施例では、ウェハー４６は不連続にステップ状に
駆動される。この時の進み量はプローブ４０の幅“Ｗｅ
ｍの整数の約数である。第３Ｂ図においては説明のため
に、プローブ４８は破線５０で示す基の位置から実線５
２で示す次の位置に移動するように示しである。そして
、その時の進み但は第３Ａ図に示す各ストリップ“ｍｋ
”の幅と同一である。

第３Ｃ図の５４は、本発明によるウェハー・プロフィ−
リング・ステーションの動作を説明する拡大平面図であ
る。第３Ｂ図において５０で示されるヘッド４８の元の
位置は破線５６で示され、第３Ｂ図において５２で示さ
れるヘッド４８の次の位置は実線５８で示されている。

ヘッド４８はウェハー４６の表面上を横切って順次基の
位置から次の位置へと移動していく。“Ｍ′に＃＃で示
す破線５６の位置にあるセンサエレメントのキャパシタ
ンスは、下式に示すように概念上の“ｎ”個のストリッ
プ“ｍｋ”のキャパシタンスの和となる。

”　ｋ　＝ｍｋ　十ｍｋ−１””十ｍｋ−（ｎ−１）　
”・・”■そして、実線５８の“Ｍ″′で示す次の位置
のに＋１ センサエレメントのキャパシタンスは、下式で示すよう
に“ｎ″個のストリップ“ｍｋ”の和で構成される。

Ｍ’　ｋ＋１　＝ｍｋ＋１　”’ｋ　””””ｋ＋１−
（ｎ−１）・・・・・・■ なお■、■式でｋは相対運動における進みの位置を示し
ている。

“Ｍ’（”で示される容量型センサヘッド４８による測
定値は、センサエレメント４０（第２図）プローブ運動
方向の寸法“Ｗ”により規定される分解能のウェハー４
６の厚みを示している。上記各キャパシタンス測定値は
概念上電気的に絶縁し隣りあった一連のストリップの合
計として構成されるから、元の位置の測定値と次の位置
の測定値の差は各ストリップ間の差を表わすことになる
。これを下式に示す。

”　Ｋ＋１　　”　ｋ　＝ｍｋ＋１−ｍｋ−（ｎ−１）
　　””■この式かられかるように、中間のストリップ
（第３Ｃ図の斜線部）はキャンセルされ、元の位置と次
の位置における実際のプローブからの測定値の差（Ｍ’
　ｋ＋ｉ　−Ｍ’　ｋ）は、プローブの先端側にある概
念上のストリップ“ｍｋ＋１　”の測定値とプローブ後
端の直後にあるストリップ“”’に−（ｎ−１）の差と
同じになる。

プローブのストリップ幅に該当する各進み位置における
上記データの分解能は、プローブの幅により決定される
。そして、基の位置と次の位置におけるこのデータの差
は、プローブ先端と後端直後の概念上の２つのストリッ
プの差となる。

上記０式で得た電気的に絶縁されかつ近接して配設され
るストリップ群“ｍｋ”の差の値から、実際のウェハー
厚みを示す値を算出するには、デジタル的にフィルタを
かければ良い。

いま０式を書き換えて、ｋとに一１位置でのプローブか
らの測定値“Ｍ’ｋ”の差“Ｍ″′ｋ”を次のように定
義する。

”’ｋ””’に−”　　　＝ｍｋ−ｍｋ−ｎ”’■に−
１ ここでｍｋ−ｎは、１７０一ブ幅前の測定においては、
プローブ先端のストリップであったものであるから、Ｍ
”ｋにＭ”ｋ−ｎを加えれば、ｍｋ−ｎは消去されＭ′
にの値は先端のストリップ位置のウェハー厚みを示す値
となる。このように、Ｍ′ｋに１プロ一ブ幅前のＭ”ｋ
−ｎを加算したものを順次加えていけば、実際の特性を
示す出力Ｏｋが得られる。このＯｋは下記０式のように
定義される。

Ｏｋ＝Ｍ″に＋ｒＯｋ−ｎ　　　　・・・・・・・・・
・・・・・・　■ここでｒは１以下の値をとる定数であ
り、ループを安定化するためのものである。数回の繰返
し後、■式の左項と右項は同一となり、“”ｋ”は各進
み位＠Ｋにおけるストライプ“ｍｌ”に対応する高分解
能のデータとなる。そして、このデータを更にｎに対応
した値でスケーリングすれば、求める特性の測定値とな
る。下掲表１は上記したプロセスを模式的に数値をあて
はめて説明するものである。この例ではｎ＝１０のプロ
ー１を用い、ｒ＝１と設定している。対動物の形状は、
ｋ＝４゜５．６の位置において“１”　、　ｋ＝１０．
１１．１２の位置において“ｇ−Ｉｎの値をもつものと
する。

Ｍ′の欄におけるｋはプローブの先端のストライプの位
置を示しており、上記■式から明らかなように゛（Ｍ／
　ｋｅｌの値は、当該に以前の１０のストライプにおけ
る値の総和となっている。“ＭｆＩｋｇ９゜“ｏｋ”と
順に痺出してゆき、最終的なスケーリングにより、対象
物の形状と同一の出力を分解能ｎ＝１０で得ることがで
きる。

表　　　１ 表　　１　　（続き） 表　　１　　（続き） 第４Ａ図にフローチャート５９を示す。これは上記した
ウェハー・プロフィ−リング・ステーションにおける本
発明の好ましい実施例のプロセスのステップを示すもの
である。

ブロック６０で示すように、プロセッサ２８（第１図）
は真空チャック１２（第１図）にハキ１−ム制御信号を
送り、ウェハー１４（第１図）をその中心に吸引する。

次にブロック６２で示すように、プロセッサ２８はＸ制
御信号をＸ、θ、Ｚアクチュエータ１６（第１図）に送
信し、ウェハー１４を容量型センサヘッド１８（第１図
）内に送り、好ましくは概念的に構成される１ストライ
プの幅分だけヘッド１８内に送る。そしてプロセッサは
θ制御信号をアクチュエータ１６に送り、ウェハー１４
をステップ状に回転させ、センサヘッド１８内（あるウ
ェハーの周縁部の予め決められたポイントを順次位置せ
しめる。

そして、ブロック６４．６６に示すように厚さデータは
ＲＡＭ３２（第１図）内のデータテーブルに格納される
。この格納番地は前記各ポイントの円座標位置（半径及
び角度）に対応している。

ブロック６２に示すように、プロセッサ２８は次にウェ
ハー１４を半径方向外側、センサヘッド１８の左側にス
テップ状に１進み同道める。これはＸ制御信号をアクチ
ュエータ１６に出力することにより行う。次いでプロセ
ッサ２８はθ制御信号をアクチュエータ１６に送りウェ
ハー１４を回転させ、センサへ　　−ラド１８内の周縁
の所定のポイントに順次移動する。

ブロック６４．６６に示すように、データは、データテ
ーブルのウェハー上のポイントの半径及び角度位置に対
応する番地に格納される。

第５図において６７はウェハー・プロフィ−リング・ス
テーションにおける本発明による好ましいデータ・コレ
クション・パターンを示すものである。ウェハーは実線
６８で示され、予め決められた複数の円周リング７０が
ウェハー６８のエツジに近接して設けられている。リン
グ７０は互いに間隔をあけて離間しており、該間隔はプ
ローブのセンサエレメントの概念上構成されるストライ
プの幅に該当している。そして前記したセンサヘッド内
に移送される予め決められたポイントは各リング上に突
点として示されている。

ブロック６４．６６に示すように、プロセッサ２８は上
記したプロセスを、何本かのリング７０上のすべてのポ
イントが容量型センサヘッド内に位置せしめられ、そし
てそのデータが運動位置の機能を有するデータテーブル
に格納されるまで繰返す。

リング１０上のポイントのすべてのデータが集積される
と、プロセッサ２８はウェハーを大きく半径方向に移動
させ、ウェハーのエツジから離れた円周リング７２に位
置する各ポイントのデータを集積する。

第４Ａ図に戻り、ブロック７４に示すように、リング７
０．７２上のポイントのデータがすべて集積された後、
プロセッサは“エツジ厚み計算″のサブルーチンを呼び
出してエツジ厚さを計算する。

ブロック７６に示すように、計算が完了したら、プロセ
ッサはウェハーエツジ近接のリング７０上の各点の厚み
を示す処理データを格納する。

ブロック７８に示すように、プロセッサは次にウェハー
の平坦度を計算し、その結果のデータはブロック８０に
示すように格納される。そして、上記プロセスは同じ又
は他のウェハーにおいて繰返される。この平坦度データ
は、前述して本願出願人による米国出願に開示されたア
ルゴリズムを用いてコンパイルするのが有利であるが、
他の適当な手段を用いることも当然可能である。

第４Ｂ図の８２に゛エツジ厚み計算″のサブルーチンの
プロセスを示す。ブロック８４に示すようにプロセッサ
はメモリ内のデータテーブルからエツジリング７０の厚
みデータを読み出す。２つの容量型プローブ間の真中に
位置させた対象物の厚みを計測する場合、キャパシタン
スＣと測定された厚みｔは Ｃ＝（２Ｋ＞／（Ｄ−ｔ＞ で表わされる。ここでＤは２つのプローブの間隔であり
、Ｋは定数である。キャパシタンスはプローブの仕様寸
法により線形に変化するが、厚さ“１１１はキャパシタ
ンスに逆比例している。プローブ寸法の細分化された分
解能を達成するために、厚さ値は仕様寸法により線形に
変化する値、即ちこの実施例ではキャパシタンスに変換
される。しかしプローブが直接空間領域に関し出力を合
計できるように構成されているものである場合には、上
記変換は必要ない。

ブロック８６で示すように、プロセッサ２８は次にデー
タテーブル内のデータを反転して、該データをキャパシ
タンス値とする。

次にブロック８８に示すようにプロセッサ２８は同一の
角度座標を持ち、連続する半径座標を持つデータ・セッ
ト（矢印９０）により“ｍ″に″を計算する。これはウ
ェハー６８の円周方向の各座標のすべてのデータについ
て行われる。

次にプロセッサはブロック９２に示すように各データセ
ットのデータポイントの“Ｏｋ″を算出する。そしてブ
ロック９４に示すように計算結果のデータをメモリ内の
データマトリックスにおいて反転することにより、厚さ
データに再変換する。そしてプロセスは第４Ａ図のステ
ップ７６に戻る。

次に第６図を説明する。この図は本発明によるウェハー
プロフィール測定装置の高分解能を示すものである。グ
ラフ９６は仕様寸法“Ｗ″のプローブに関するもの、グ
ラフ９８はプローブ幅の整数の約数と同一の幅を有する
概念上のストライプを有する概念上のプローブに関する
ものである。グラフ９６．９８の縦軸はプローブの線形
的に加算可能な出力、即ちキャパシタンスを示しており
、その単位は任意である。グラフ１００は対象物（ウェ
ハー）の実際のウェハーに対応しており、ウェハーの端
部がステップとして表わされている。垂直線１０２１は
ウェハ一端部の境界線を定めるものである。グラフ９６
．９８．１００の横座標はプローブの先端とウェハ一端
部との距離を表わすものである。

プローブの出力信号は線形であるから、グラフ９６の平
坦部で示されるようなウェハ一端部から離れた（少なく
ともプローブ幅）部分では特定可能である。しかし、端
部からプローブ幅内にあるウェハー上の点では、プロー
ブは信頼性のないデータを出力する。この端部測定結果
が、グラフ９６の斜線部で示されている。−力木発明に
おける概念上のプローブは十分な空間的な分解能を可能
とし、ウェハ一端部のブロック幅内にある点のデータも
十分な信頼性を有するものとなる。これをグラフ９８の
斜線部で示す。

上記説明したように本発明はウェハープロフィール装置
において高い有用性を示すが、他の高分解能を要求しか
つこれら重要である種々の技術分野に適用可能である。

したがって上記実施例は本発明を何ら限定するものでは
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をウェハープロフィ−リング装置に適用
した実施例を示すブロック図、第２図はプローブの一例
を示す斜視図、第３Ａ図はセンサエレメントの幅とスト
ライプの説明図、第３Ｂ図は相対運動の説明図、第３Ｃ
図はプローブ測定値の構造の説明図、第４Ａ図は本発明
の一実施例のプロセスを示すフローチャート図、第４Ｂ
図は端部厚さ算出のプロセスを示すフローチャート図、
第５図はデータ・集積パターンの説明図、第６Ａ図は従
来法による端部測定結果を示すグラフ、第６Ｂ図は本発
明による端部測定結果を示すグラフ、第６Ｃ図はウェハ
ーの実際のプロフィールを示すグラフ、第７図は本発明
を概略説明するためのプローブの斜視図、第８図は本発
明の基本概念を示すブロック図である。 ２０、２２・・・プローブ　　　２８・・・プロセッサ
１６・・・アクチ１エータ ”　　　　ＦＩＧ、Ｉ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の大きさ及びこれによる所定の空間的分解能
   を有するプローブを用いて対象物の所定の特性を測定す
   る方法において、 プローブの大きさを細分するように所定の進み量で順次
   プローブと対象物とを相対的に動かし、 前記プローブと対象物との相対運動の各進み段階におい
   て対象物の所定の特性をプローブの大きさにより決定さ
   れる分解能で測定し、 該測定値に基づいて前記進み量により決定される分解能
   を有する第２の測定値を得ることを特徴とする対象物の
   特性測定方法。
2. （２）その大きさにより決定される空間的な分解能によ
   り対象物の特性を測定するプローブと、前記プローブと
   対象物とを所定の進み量で、かつその進み量の少なくと
   もいくつかが前記プローブの大きさを細分するように相
   対的に動かす手段と、 前記プローブからの測定値に応答し、前記進み量により
   決定され、プローブ本来の分解能より高い分解能で各進
   み位置における対象物の特性の測定値を出力する手段と
   、 を有することを特徴とする対象物の特性測定装置。