TWI360647B - Surface form measuring apparatus and stress measur - Google Patents

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丄360647 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 :本發明係關於測定對象物之表面形狀的技術，並關於利 .用所測定之表面形狀而測定對象物上的膜内應力之技術。 【先前技術】 客知技術中，在半導體元件之製造中，係進行半導體基 板（以下簡稱為「基板」）上之成膜或回火等各種處理， φ由於該等處理，於基板上之薄膜内產生殘留應力。近年 來，伴Pic半導體元件之高精細化，該殘留應力對於半導體 疋件之品質的影響變大，薄膜内之應力測定的必要性提 . 高。 作為以非接觸方式測定薄膜内應力之裝置之一，於日本 專利特開2000-9553號公報（文獻1)中揭示一種薄膜評 4貝裝置’其係利用光檟桿法測定基板之曲率半徑，使用所 得之曲率半徑而求出薄膜内之應力。文獻1之薄膜評價襄 ♦置中’係將自雷射光源射出之雷射光於基板上掃瞄，根據 來自薄膜之反射光於檢測器上之受光位置，算出薄膜上之 複數位置的反射角，求出曲率半徑。 另一方面，日本專利特開2004-138519號公報（文獻2) 中揭示一種技術，其係於測定對象物上之膜厚的膜厚測定 裝置中’於自光源往基板之照明光的光路徑上配置遮光圖 案，根據來自對象物之反射光的光路徑上所成像之遮光圖 案之像’求出對象物之傾斜角。文獻2之膜厚測定裂置 中，藉由使用所得之傾斜角求出對象物上之膜的厚度，可 312ΧΡ/發明說明書(補件)/97.02/9614197〇 6 (S ) 丄 進行高精度之膜厚測定。 然而，於文獻1之薄膜評價裝置中，由於在曲率半徑之 計測中利用雷射光，因此，在測定對象相對於該雷射光之 波長為低反射率之情況，曲率半徑之測定誤差變大，益法 高精度地求出膜内之應力。又’於基板上形成圖案：情 況’由於該圖案使得雷射光散射，無法高精度地測定曲率 +梭’因此不是非常適合於形成有圖案之基板的應力測 定。 ，外’⑦裝置中’係根據複數的測定位置之反射光於檢 測盗上之受光位置的偏差而求出曲率半徑，各測定位置之 焦點位置對於測定結果產生之影響大，因此，必須於各測 定位置進行高精度的焦點調整。&，裝置之構成複雜化， 且應力測定所需之時間亦增大。 【發明内容】 本發明係關於測定對象物之表面形狀的表面形狀測定 裝置’其目的在於容易且料地求出對象物之表面形狀。 本發明亦關於測定對象物上之膜内應力的應力測定裝 置其目的在於根據對象物之表面形狀，容易且迅速地求 出對象物上之膜内應力。 表面形狀測定裝置係具備：光源，其係用以射出光；光 學系統’其係將來自上述光源之光透過物鏡而導向對象物 上之照射區域’並且將來自上述照射區域之反射光，透過 上述物鏡而導向既定之位置；遮光圖案，其係於由上述光 源至上述照射區域之光路徑上’配置於與孔徑光鬧位置大 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 7 < 丄J0U04/ 共輛之位置；攝像部’其係用以取得成像於上述 上述遮光圖案之像;傾斜向量算出部，其係根 4攝像部之輸出，求出顯示上述照射區域之法線 L=斜向量;移動機構，其係將上述照射區域對於上 二述倾拉相移動；以及表面形狀算出部，其係根據由 之^料Γ向量算出部求出之上述對象物上的複數區域中 求出上述對象物之表面形狀。以表面形狀測 、置可谷易且迅速地求出對象物之表面形狀。 應力測定裝置係具備：光源，其係 統，其係將來自上述光泝之扣尤’九子系 I尤原之先透過物鏡而導向對象物 照射區域，並且將來白卜、+、6丄广 i 射區域之反射光，透過上述 物鏡而導向既定之位置矽 甘/ · ,,,BS ^ ^ 遮先圖案，其係於由上述光源至

上述照射區域之光路經卜，A 配置於與孔徑光闌位置大致為 位置之上述遮光圖案之像.傾传成像於上述既定 白卜、十-揭㈣Ζ 斜向量算出部，其係根據來 自上述攝像部之輸出，·戈φ _ ww a 不上述照射區域之法線方向 的f貞斜向里，移動機構，並择 爱鉍如斜从從& 八係將上述照射區域對於上述對

象物相對地移動；表面形狀I 旦μ山* 、 异出部，其係根據利用上述傾 斜向里鼻出部所求出之上械剩_务n +、h 上攻對象物上的複數區域中之傾 斜向量，求出上述對象物表 ^ 甘你拍4老U « 衣面t狀，曲率半徑算出部， 其係根據利用上述表面形狀算 狀，求出上述對象物上j力异:定=求出之上述表面形 測定部，其係用以光學性::二^域之曲率半徑;膜厚 θ m六笪“ 測定上述對象物上之膜的厚 度，以及應力养出部，並将j姑 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 八係根據利用上述曲率半徑算出部 8

S 1360647 及上述膜厚測定部所求出之上述應 徑及膜厚，求h錢力敎區財之曲率半 :應力測定穿詈可—且 、、内應力。以 :本發明之-::ΐ=Γ出對象物上之膜内應力。 受光自Γ.ΓΓs述轉敎耗具備： 光，推」、.來自述光源之光在上述照射區域之反射 ===及膜厚算出部，其係根據來自上述受光 的厚h 法而求出上述照射區域中之上㈣ 單形態中，上述膜厚測定部係具備:光源 η!:有甘另一個光源，朝上述對象物射出經偏光之 ，又先早7C，其係對來自上述對象物的上 受光，取得上述反射光之偏光狀態= =异=’其係'根據利用上述受光單元而取得之偏光狀 求出上述對象物上之上述膜的厚度。 立其他之實施形態中，應力測定裝置係進一步具備：保持 部，其係保持上述對象物；距離檢測部，其係利用由上述 物鏡射出之光，檢測在未保持對象物之狀態下的上述物鏡 與上述保持部間之距離、以及上述物鏡與被保持於上述保 持部之上述對象物間之距離；以及對象物厚度算出部，其 係根據由上述距離檢測部所檢測之上述物鏡與上述對象 物間之距離、以及上述物鏡與上述保持部間之距離，求出 利用於上述應力算出部中上述膜内應力之算出的上 象物之厚度。 本發明之一態樣中，用以測定對象物之表面形狀的表面 312ΧΡ/發明說明書(補件)/97_〇2/96141970 g ( t 1360647 形狀測定方法係具備：a)將來自上述光源之光，透過且有 物鏡之光學系統而照射於對象物上之照射區域之步驟… 光源至上述對象物之光路徑上，於與孔徑光闌位 置大致為光學共輕之位置配置遮光圖案，將來自上述昭射 區域之上述光的反射光，透過上述物鏡而導向既定位置， 利用攝像部而取得成像於上述既定位置之上述遮光圖案 一邊將上述照射區域相對於上述對象物而 ::地移動，一邊重複上述a)步驟與上述b)步驟，根據 來自上述攝像部之輸出，求出表示上述對象物上之複數區 =法線方向之傾斜向量之步驟；以及d)根據上述複數 傾斜向量，求出上述對象物之表面形狀之步驟。 —表面形狀敎方法中，較佳係於上述C)步驟中連續進 灯上述照射區域相對於上述對象物之相對移動。 ^發明之其他態樣中，用以測定對象物上之膜内應力之 應力測疋方法係具備：a)將來自上述光源之光，透過且有 物鏡之光學系統而照射於對象物上之照射區域之步驟:b) 至上述對象物之光路徑上，於與孔徑光閑位 置=致為h共輛之位置配置遮光圖案，將來自上述照射 f之上述光的反射光，透過上述物鏡而導向既定位置， 利用攝像部而取得成像於上述既定位置之上述遮光圖荦 的像之步驟；C) 一邊將卜什昭从r 兀^茶 相㈣㈣—a 也、、射域相對於上述對象物而 一邊重複上述a)步驟與上述b)步驟，根據 來自上述攝像部之輪出，< 邵很據 祕…… 表不上述對象物上之複數區 域的法線方向之傾斜向量之步驟⑷根據上述複數區域之 312XP/發明說明書(補件)/97-02/9614197〇 10 \ -¾ 傾斜向量，求出上述對象物之表面形狀之步驟；e)根據上 ^表面形狀’求出上述對象物上之應力測定區域的曲率半 ^之步驟’ f)光學性地測定上述應力測定區域之膜厚之步 :驟’以及g)根據上述應力測定區域之上述曲率半徑以及 上述膜厚’求出上述應力測定區域之上述膜内應力之步 驟0 、應力測疋方法中’較佳係於上述c)步驟中連續進行上 φ述照射區域相對於上述對象物之相對移動。 上述目的及其他目的、特徵、態樣及優點，藉由參照附 圖而於以下進行之本發明之詳細說明，可進一步明瞭。 【實施方式】 .、圖1係顯示本發明第1實施形態之應力測定裝置1的構 成=圖。應力測定裝置丄係測定形成於半導體基板9 (以 下簡稱4基板9」）之主面上的膜内之應力的裝置。膜 可為單層膜，亦可為多層膜。本實施形態中，於基板9上 • 並未形成佈線圖案等圖案。 如圖1所示’應力測定裝置1係具備：屬於用以保持基 板9之基板保持部的台座2、將台座2於圖丄中之X方向 Y方向移動之σ座移動機構21、將台座2於圖1中之z 方向升降之台座升降機構24、取得使用於對基板9上之 -膜的偏光解析之資訊的橢圓偏光計3、取得來自基板9之 反射光的分光強度之光干涉單元4、以及控制該等構成之 控制部5。 圖2係顯示控制部5之構成的圖。如圖2所示，控制部 312ΧΡ/發明說明書(補件)/97-〇2/9614197〇 1360647 cpu^r、印t電腦/相同，係連接進行各種演算處理之 RAM52 ::被執仃之程式並成為演算處理之作業區域的 ^己憶基本程式之_3、記憶各種資訊之固定磁 …、對作業者顯示各種資訊之顯示器5 滑鼠等輸入部56等之構成。 飞 圖3係顯示藉由控制部5之cmi (參照圖2)等依據 程式而進行演算處理而實現之機能與其他構成之方塊 圖，圖乂中之傾斜向量算出部5U、表面形狀算出部512、 曲率半@算出部513、應力算出部514、第1膜厚算出部 515以及第2膜厚算出部516係相當於藉由咖51等而實 現之機能。另外，該等機能亦可藉由複數台的電腦而實現。 如圖1所示，台座移動機構21係具備使台座2於圖1 t之X方向移動的X方向移動機構22、以及於γ方向移 動之Y方向移動機構23。X方向移動機構22係於馬達221 上被連接著滾珠螺桿（省略圖示），藉由馬達221之旋轉， Y方向移動機構23係沿著導引軌222而在圖工中之x方 向上移動。Y方向移動機構23亦構成為與χ方向移動機 構22相同，當馬達231旋轉，則台座2藉由滾珠螺桿（省 略圖示）而沿著導引執232在Υ方向上移動。應力測定裝 置1中，藉由台座移動機構21，自橢圓偏光計3以及光 干步單元4照射於基板9上之光的照射區域，對於基板9 而言係相對移動。 擴圓偏光計3係具備將經偏光之光（以下稱為「偏光 光」）朝向基板9射出之光源單元31、以及對來自基板9 12 ;職發明說明書(補件)/97.02服41970 1360647 之偏光光的反射光進行受光而取得反射光之偏光狀態的 受光單元32，表示所取得之偏光狀態的資料係被輸出至 -控制部5。 - 光源單元31係具備屬於將光束射出之光源的半導體雷 射（LD) 312、控制半導體雷射312之輸出的LD驅動控制 部311、偏光濾光器313、以及波長板（以下稱為「又/4 板」）314。橢圓偏光計中，由光源單元31之半導體雷射 鲁 312所射出之光束係射入偏光滤光器313，經由偏光濾光 器313進行直線偏光之光被取出。來自於偏光濾光器313 之光係射入；1/4板314’經由；1/4板314變換為圓偏光 - 之光，透過透鏡331而以既定的入射角（例如72。〜80。） 導向台座2上之基板9表面。另外，光源單元31 (具體 而言係半導體雷射312與偏光濾光器313之間的光路徑 上）係設有遮斷光束之電磁快門315，藉由電磁快門315， 對於基板9之光照射係被〇n/〇FF控制。 • 受光單元犯係具備旋轉分析板321以及光二極體322。 橢圓偏光計3中’由光源單元31射出至基板9之光的反 射光’係透過透鏡332而導向旋轉分析板321，穿透過以 平行於光軸之軸作為中心而旋轉的旋轉分析板321，由光 二極體322進行受光。顯示由光二極體322進行受光之光 - 的強度之訊號，係透過AD轉換器34而輸出至控制部5之 第1膜厚算出部515(參照圖3)’藉由將光二極體322之 輸出對應於旋轉分析板321之旋轉角，可取得反射光之偏 光狀態。 31簡發明說明書(補件)/97-02/96141970 13 1360647 (本實施形態中為10倍），由於該物鏡457之焦點深度相 較係大約4/ζιη，故自物鏡457往基板9之光，係於基板9 ··上成為大致平行光。 • 來自基板9之反射光係透過物鏡457被導向半反射鏡 456，一部份之光係朝半反射鏡455而反射。被反射之光 係被半反射鏡455進一步反射，透過透鏡45〇d而以遮光 圖案攝像部43進行受光。來自遮光圖案453a經過基板g φ之表面而到達遮光圖案攝像部43之光學系統中，遮光圖 案攝像部43之位置係與遮光圖案453a為光學共軛，遮光 圖案453a之像係成像於遮光圖案攝像部43，遮光圖案 .453a之影像資料被輸出至控制部5之傾斜向量算出部5i i (參照圖3 )。 穿透過半反射鏡456之反射光’係穿透半反射鏡458而 被導向半反射鏡459 ’ 一部份之光被反射。被反射之光係 透過透鏡450e而被導向基板攝像部44，進行受光❶由於 • 基板攝像部44之位置係與視野闌部454以及基板9之表 面位置光學共軛，因此’藉由基板攝像部44,基板9上 之照明光的照射位置之像被攝像，所取得之影像資料被輸 出至控制部5。 穿透過半反射鏡459之光係透過透鏡450f而導向分光 器42。光干涉單元4中，來自光源41之光於基板9上之 照射區域所發出的反射光，係由屬於受光部之分光器42 文光，取得反射光之分光強度’該分光強度之資料被輸出 至控制部5之第2膜厚算出部516 (參照圖3)。光干涉單 312ΧΡ/發明說明書(補件)/97-02/96141970 1360647 疋4中，係由透鏡45〇a〜45〇f及仏2 閣部453、視野闌部454、丰及肝似^ W孔位先 404牛反射鏡455與456與458盥 459、物鏡457而構成光學系統杨。 ” 其次，針對應力測定裝置1之基板9上的膜内應力測定 =進行說明。應力測定裝置1巾，藉^干涉單元4而 板9上之應力測定區域的曲率半徑藉由擴圓偏光 涉早疋4 ’求出該應力測定區域之膜厚，根據 “曲率半控、膜厚及基板9之厚度，求出應力測定區域 之應力。 $力測定裝置1中，橢圓偏光計3及控制部5之第i膜 ^算出部515係成為光學測定基板9上之膜厚度的膜厚測 ，4光干涉單元4及第2膜厚算出部5! 6係成為光學測 定基板9上之膜厚度的另一個膜厚測定部。基板9上之膜 k 4之If況’係根據顯不來自橢圓偏光計3之偏光狀態的 輸出’於第1膜厚算出部515中進行偏光解析方式之膜厚 測定，當膜較厚或者為多層膜之情況，㈣由第2膜厚算 出部516，根據顯示來自光干涉單元4之分光強度的輸 出，求出分光反射率並由光干涉法算出膜厚。 圖4係顯示應力測定裝置丨之應力測定流程之圖。藉由 圖1所示之應力測定裝置i而測定基板9上之膜内應力 時，首先係將基板9載置於台座2上，進行焦點調整，以 使基板9之表面上所設定之基準區域（亦即基板9之表面 形狀的测疋中成為基準之區域）位於物鏡457之焦點深度 内。本實施形態中，透過光學系統45，以目視確認基板9 312XP/發明說明書(補件)/97·〇2/96141970 16

I36U047 之基準區域的像’藉由手動方式操作台座升降機構 進仃基板9之焦點調整。當焦點之調整結束，便利用 移動機構21開始台座2及基板9之移動（程序川/ 接著’來自光干涉單元4之光源41的光，係透過 物鏡457之光學系統45而照射至基板9上之 4中表示為「傾斜向量駭區域」）（程序S12)，來自域^ &域之反射光係透過物鏡457而被導向遮光圖案攝像部 基3’取得遮光圖案453a之像（程序幻3)。藉由遮光圖案 攝像部43而取得之遮光圖案4咖的影像資料，係被輸出 至控制部5之傾斜向量算出部511 (參照圖3)。 如上所述，遮光圖案攝像部43之位置係為相對 圖案453a經由基板9之表面而光學共輕之位置（由於遮 =圖案453a係位於大致孔徑光閑位置，因此遮 象:二係位於所謂之對物瞳位置），㈣光圖案攝= 取仔之影像中的遮光圖案之位置係為對應於基板 照明光的照射區域之法線方向（以下稱為「傾斜向量」） 之位置。 ^向1异出部511中，傾斜向量朝向垂直方向（亦即 Z方向）時的影像中之遮光圖案的重心位置（以下稱為「其 準位置」）係被預先記憶，以起點作為基準位置，= 所取得之影料的遮光圖案之重讀置為止的向量了 求出基板9之照射區域中之傾斜向量。 θ 具體而t，令物鏡457與基板9表面間之距離為f、垂 直方向與傾斜向量所成之角度（以下稱為「傾斜角」為 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 17 l36〇647 0，假定在物鏡457之位置對來自基板9之反射光進行受 光，取彳于遮光圖案453a之像，於所取得之影像十，遮光 ••圖案之位置僅由基板9之傾斜角為時移動對應於傾斜 -之方向（fxtan(20))。因此，藉由遮光圖案攝像部43 取得之影像中，於傾斜對應之方向僅移動（fxtan( 乘以相對於物鏡457之位置的倍率之距離，此距離及方向 係成為上述基準位置與檢測出之重心位置之間的距離及 • I:。於傾斜向量算出部511，藉由從根據來自遮光圖荦 攝像部43之輸出所求出之基準位置至該重心位置為= =量、以及物鏡457與基板9表面之間的距離f，可正確 求出基板9之傾斜向量（程序si4)。 「於基板9上設定欲求出傾斜向量之複數區域（以 术自先源41之光的照射區域， 糸由。絲動機構21對基板9進行㈣移動， 個傾斜向量測定區域（裎庠 下 來自h h丄 ）。應力測定裝置1中， 照射區域對於基板9之相對移動係連 二對於基板9上之複數傾斜向量測定 射、遮光圖案453a之取得、以及基板9之 ^: 出（程序S12〜S15)係依序重複。 ° 鼻 判=全部之傾斜向量測定區域中之傾斜向量的算出，若 : 斷無下-個傾斜向量測定區域，則依台座移動=二 仃之基板9的移動被停止（程序s 姐 制部5之表面形狀算出部512 另外，藉由控 5 π ^ ^ , 根據藉由傾斜向量算出邱 1所求付之基板9上的複數傾斜向量測定區域 312ΧΡ/發明說明書(補件)/97-02/96141970 ,。 18 丄划647

It量，求出基板9之表面形狀（程序S17)。 二-曰，令複數傾斜向量測定區域中之一 度（亦即圖1中Z方向之座標值）4 Za，：準：域 ”基準區域中χ方向上鄰接之—個 ^以 下稱為「鄰桩F）, 里列疋&域（以 距離）在 間之水平方向距離（亦即X方向之 量投旦^ 7χ’基準區域與鄰接區域各自之基板9的傾斜向 區域：二=Ζ方向所成角度分別w鄰接 埤；呵度Zb可由數式！求出。 (數式1 )

Zb=Za+ ( tan<9 a+ tan^ b) L/2 f面形狀算出部512中，各傾斜向 斜向量測定區域之基板9的傾斜向量 2曰1敎區域所鄰接之傾斜向量敎區域之高度及傾 :由基準區域由較近之順序依序算出。另外，一傾 之：：：二區域之高度可定為複數條經過路徑中所求出 平均值。例如’根據通過一傾斜向量測定區域而 區域之傾°粗上延曰伸之直線上所設定之複數的傾斜向量測定 定（Ϊ域而^向/所求出之高度、與根據通過該傾斜向量測 ::域…方向上延伸之直線上所設定之複數的傾斜 區域之傾斜向量所求出之高度的平均值，亦可定 為該傾斜向量測定區域之傾斜向量。 實/St則疋裝置1中表面形狀為平坦的基準基板(本 I:』：：’係利用於表面未形成膜之基板)，預先實行 312XP/發明說明書(補件)/97_〇2/9614197〇 與上述相同的表面形狀敎步驟（程序如〜si7)，求出丁

S 1360647 ί應於基板9之各傾斜向量測定區域之區域的高度，記憶 於表面形狀算出部512中。 °〜 ··。表面形狀算出部512中，由基板9之複數傾斜向量測定 — ··，域之高f減去預先記憶之基準基板的複數傾斜向量測 定區域之高度後，藉由對基板9之複數傾斜向量測定區域 之間的區域之高度進行仿樣内插（叩1丨狀 lnterp〇lation)或貝兹内插（Bezier interp〇iation)， 籲求出基板9之表面形狀。如此，藉由使用基準基板之測定 結果修正基板9之傾斜向量測定區域之高度，可修正應力 測疋裝置1之系統誤差，高精度地求出基板9之表面形狀。 圖5A係顯不基板9之表面形狀之圖。圖5A中，顯示由 圓板狀之基板9的直徑上所設定之複數傾斜向量測定區 域之高度、以及該複數傾斜向量測定區域之高度所求出之 表面形狀。如圖5A所示，基板9係於作為測定對象之直 徑方向的一側（亦即圖5A中之左侧）之部位向下翹曲， φ 於另一側部位係向上赵曲。 圖5 A中，以實線9 01顯示藉由應力測定裝置1所求出 之基板9的表面形狀。又，圖5A中，以虛線9〇2顯示利 用比較例之其他測定裝置所得的基板9之表面形狀之測 定結果。比較例之測定裝置中，係於具備自動對焦機構之 台座上載置基板，藉由使台座升降，於基板上之複數位置 進行焦點調整後，根據該複數位置之焦點調整後之台座高 度’求出基板之表面形狀。 如圖5A所示，於比較例之測定裝置所得之測定結果 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 20 1360647 中’於表面實際上為平坦的基板9之中央附近之部位，亦 產生較自動對焦機構之齒隙（backlash)更大的凹凸，而 •'應力測定裝置1中’係高精度地測定基板9之實際形狀所 對應的表面形狀。 圖5B係顯示應力測定裝置1及比較例之測定裝置所得 之其他基板的表面形狀之測定結果的圖。該基板之表面係 形成佈線圖案等之圖案，膜係由該圖案上開始形成。圖 所示之基板中’基板之直徑方向的兩側部分係向上翹 w 曲。 圖5B中，以實線903表示應力測定裝置1之測定結果， 以虛線904表示比較例之測定裝置之測定結果。如圖5B 所不，於對形成有圖案之基板的測定中，應力測定裝置i 相2於比較例之測定裝置，亦可高精度地測定表面形狀。 當測定基板9之表面形狀後，藉由控制部5之曲率半徑 算^部513(參照圖3)，便可根據基板9上所設定之應力 φ別定區域附近的表面形狀（例如根據應力測定區域之高产 及應力測定區域周圍4點之高度），求出該應力測定區^ 之曲率半徑（程序S18)。當預先知道將應力測定區域附 近之部位以ZX面切斷之斷面中該部位之曲率係大致等於 以ZY面切斷之斷面中該部位之曲率的情況，應力測定區 域之曲率半徑可例如根據應力測定區域之高度以及為於 該應力測定區域之X方向兩側的2點之高度而求出:另 應力測定區域可與基板9上之複數傾斜向量測定區域 致，亦可設定於複數傾斜向量測定區域之間。又，亦可 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 21 (S ) 丄·3〇υ〇4/ 屮用表面形狀算出部512所求出之基板9的表面形狀算 2力測定區域之傾斜向量，求得偏光光相對於應力測定 .:之正確的人射角°然後，使用該偏光光之人射角、以 .及藉由雷射波長校準所取得之來自光源單元31之偏光光 1皮，同時根據藉由受光單元32所取得之偏光狀態（正 地心亦利用來自光源單元31之光的偏光狀態），求出 土板9上之應力測定區域中膜的厚度。另外，當應力測定 #區域與複數之傾斜向量測定區域之任-者-致的情況，亦 ^傾斜向量之測定中，取得來自基板9之反射光的偏光 狀態。 應力測定裝置1中，藉由使橢圓偏光計3之雷射波長校 •準在膜厚測定前進行，即便在因周圍之溫度變化或光源單 u之各構成的特性變化等而使來自光源單元31之光的 波長變化之情況，仍可以良好精度求出膜厚。又，利用以 表面形狀算出部512所求出之基板9的表面形狀而修正基 #板9之傾斜，藉此可以良好精度求出應力測定區域中之膜 厚。 *其次’針對光干涉單A 4所施行之膜厚測定進行說明。 藉由光干涉單元4測定膜厚時，首先，於光干涉單元4中， 來自光源41之照明光係透過光學系統45而導向基板9之 應力測定區域，來自基板9之反射光被導向分光器& 然後，以分光器42取得反射光之分光強度，基板9之分 光強度資料被輸出至控制部5之第2膜厚算出部516。 應力測定裝置1中’利用光干涉單元4，被參考之基板 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 23 (S ) 1360647 =施形態中為石夕基板，以下稱為「參考基板」）的分 先強度被預先取得’記憶於第2膜厚算出部516。又，產 生於參考基板上之二氧切（Si〇2)的自缺氧化膜之膜 厚’係藉由則偏光計3及第！膜厚算㈣515而預先測 定，記憶於第2膜厚算出部516。第2膜厚算出部516中， 由利用橢圓偏光計3所測定之自然氧化膜的膜厚，利用理

=算而算出參考基板之（垂直）分光反射率，預先記憶 為理論分光反射率」。 於第2膜厚算出部516中，根據參考基板之理論分光反 射率，由參考基板及基板9之分光強度，求出基板9之分 先反射率。纟此，$參考基板之理論分光反射率為Rc (入）、參考基板之分光強度為Ic(A)、基板9之分光 強度為Im (又）、基板9之分光反射率為Rm (又），則基 板9之分光反射率Rm ( λ )可由數式2求出。 (數式2) • Rm ( ^ ) = (Im ( λ ) /Ic ( λ )) xRc ( λ ) 亦即’基板9之分光反射率，係對光干涉單元4所求得 之基板9的分光強度乘以參考基板之理論分光反射率與 參考基板之分光強度之比而求出。於第2膜厚算出部 516’可進-步由基板9之分光反射率以良好精度求出基 •板9上之應力測定區域的膜厚。另外，當應力測定區域與 複數之傾斜向量測定區域之任一者一致的情況亦可於傾 斜向里之測定令，取得來自基板9之反射光的分光強度。 如上所述，當膜厚測定結束，根據程序S18、S19中藉

312XP/發明說明書(補件)/97_G2/9614197〇 24 C 丄J0U04/ =曲率半徑算出部513及膜厚測定部（亦即橢圓偏光計3 Λ第1膜厚算出部515，或光干涉單元4及第2膜厚算出 6 )所求知之應力測定區域之曲率半徑及膜厚，暨透 .k控制邛之輸入部56 (參照圖2)而預先輸入之基板9 ^厚度，藉由控制部5之應力算出部514而求出應力測定 :域之膜内的應力（程序S2〇)。在此，若分別定應力測 =區域之曲率半徑及膜厚為及hf，定基板9之厚度為h， =別定基板9之揚式模數及帕松比（Ms·训〇)為 及P ’則應力測定區域之膜内應力σ可由數式3求出。 (數式3) σ = ^ Ε/ ^ ^ X ( h2/ ( 6Rhf)) 邱^以上Γ說明’應力測定裝置1中，利用遮光圖案攝像 ―取侍配置於孔控光闌部453之遮光圖案之像， .可f出基板9上之複數傾斜向量測定區域中基板9 ^向量’根據該複數之傾斜向量，可求出基板9之表 夕I安°然後’根據依該表面形狀所求得之應力測定區域 =率半徑、利用橢圓偏光計3或光干涉單元4所求得之 定區域之膜厚、與基板9之厚度，可求出應力測 疋區域中之膜内應力。 =測定f置1，’於求取基板9上之傾斜向量測定區 於:向罝時’係透過較低倍率之物鏡似，將光照射 =反9’利用遮光圖案攝像部43對來自基板9之反射 光’藉此取得遮光圖案仙之像。如上所述， 由於物鏡4 5 7之隹點深；s：如丄 …、”’又較大’因此，即便基板9上之傾 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 , 丄 _647 斜向量測定區域於上下方向（亦即圖i中之z方向）由基 準區域（亦即進行焦點調整之區域）稍微偏離，只要係位 於物鏡457之焦點深度的範圍内，對遮光圖案453&與遮 ·-光圖案攝像部43之成像關係仍不造成影響，可高精度地 取得遮光圖案453a之像。 ，又，由物鏡457導向基板9之光係於基板9上成為大致 平行光，因此，即使在傾斜向量測定區域從焦點深度之範 _圍稍微偏離之情況，仍可以良好精度取得遮光圖案453a 之像。藉此，分別在基板9上之複數傾斜向量測定區域中 測定傾斜向量時，不需於各傾斜向量測定區域中進行焦點 -調整，可迅速且高精度地進行測定，可迅速且高精度I求 出基板9之表面形狀。 於應力測定裝置1之光干涉單元4中，藉由從光源41 射出之白色光，遮光圖案453a之像進行成像。因此，即 便在基板9或基板9上之膜係由吸收特定波長帶的光之材 •料所形成之情況，藉由被基板9等吸收之波長帶以外的波 長帶的光，可於遮光圖案攝像部43上將遮光圖案453a之 像予以成像。其結果，不管基板9或膜之材料為何，可容 易且同精度地求出形成有各種種類的膜之各種種類的基 板之傾斜向量及表面形狀。 此外，於光干涉單元4中，遮光圖案453a與遮光圖案 攝像部43係光學共軛，但遮光圖案453a與基板9並未共 軛，遮光圖案453a之像不會於基板9上成像。因此，即 便是在基板9上形成圖案之情況，利用遮光圖案攝像部 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 26 ( 1360647 43所取得之遮光圖案453a之像並不會受到基板9上之圖 案的影響。因此，不論有無基板9上之圖案，均可容易且 ·、高精度地求出各種種類之基板的傾斜向量及表面形狀。 .··如此，於應力測定裝置1中，由於可容易且迅速地以良 好精度求出基板9之表面形狀，故可根據依該表面形狀求 出之應力測定區域之曲率半徑、應力測定區域之膜厚及基 板9之厚度，容易且迅速地以良好精度求出應力測 #中之膜内應力。 織 。應力測定裝置1中之傾斜向量的測定，可藉由使光干涉 單π 4之照明光的照射區域相對於基板9進行連續的相對 移動，更迅速地取得複數的傾斜向量測定區域中基板9之 •傾斜。其結果，可更迅速地求出基板9之表面形狀及應力 測定區域中之膜内應力。 應力測定裝置1中之臈厚測定，可藉由利用橢圓偏光計 3」高精度地敎較薄之膜的膜厚。又，可藉由在膜厚測 •定中利用光干涉單元4,高精度地測定較厚之膜的膜厚。 光干涉單元4中’由於可利用基板9之表面形狀測定中所 利用之光學系統45而進行膜厚之測定，故可將應力測定 较置1之構造簡單化。 應力測定裝置1亦可僅使用保持基板9之台座2、台座 •移動機構21、光干涉單元4之光源41、光學系統45、遮 ^圖案453a及遮光圖案攝像部43暨控制部5之傾斜向量 算出部511及表面形狀算出部512，不進行應力測定，僅 利用作為測定基板9之表面形狀的表面形狀測定裝置。 312XP/發明說明書(補件)/97·02/96141970 ” ( 1360647 如上所述，應力測定裝置丨中，不需對複數的傾斜向量 測定區域重複焦點調整，即可迅速且高精度地取得遮光圖 •案453a之像，求出基板9之傾斜向量。又，不論基板9 ••或膜之材料為何、及有無基板9上之圖案，可容易且迅速 地以高精度求出各種種類之基板的傾斜向量。因此，將應 力測定裝置1利用作為表面形狀測定裝置之情況，亦同樣 地可容易且迅速地根據基板9之傾斜向量，以高精度求出 基板9之表面形狀。 ❿ 又，如上所述，於應力測定裝置丨之傾斜向量的測定 中，藉由使光干涉單元4之照明光的照射區域相對於基板 • 9連續地相對移動，可更迅速地取得複數傾斜向量測定區 域中基板9之傾斜。其結果，可更迅速地求出基板g之表 面形狀。 其次，針對本發明之第2實施形態的應力測定裝置進行 說明。圖6係顯示第2實施形態之應力測定裝置ia的構 φ 成之圖。如圖6所示，應力測定裝置ia中，除了圖i所 示之應力測定裳置1之構成之外’亦具備自動焦點檢測單 元（以下稱為「AF檢測單元」）46，其係檢測光干涉單元 4支物鏡457與台座2之間的上下方向（亦即圖6中之z 方向）的距離、或物鏡457與台座2上所保持之基板9的 表面間的上下方向距離之距離檢測部。其他構成係與圖1 所示之應力測定裝置1大致相同，於以下說明中係賦予同 樣的元件符號。又，應力測定裝置la之基板9上的膜内 應力測定之流程亦大致與第1實施形態相同。另外，圖6 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 28 ^00647 應力測定裝置la進行之基板9上的膜内應力測定中，係 利用於圖4之程序S20所示之應力算出部514所進行之應 -力的算出。此情況，來自控制部5之輸入部56的基板9 :的厚度之輸入係省略。 於第2實施形態之應力測定裝置la中，與第丨實施形 態相同’可容易且迅速地以良好精度求出基板9上之應力 測定區域之臈内應力。應力測定裝置la中，尤其可藉由 擊AF檢測單元46高精度地求出基板9之厚度，因此可以更 良好之精度求出應力測定區域中之膜内應力。 應力測定裝置la中，在基板9之移動開始（圖4:程 序sii)之别所進行之焦點調整，亦可利用檢測單元 • 46對於基板9之焦點調整中，根據AF檢測單元46所檢 測之物鏡457與基板9表面之間的距離，利用台座升降機 構24而將基板9與台座2於上下方向移動，基板9之表 面係位於物鏡457之焦點深度的範圍内。

點調整的光槓桿法求出基板 曲率半徑之測定裝置等， 其結果，可縮短其如Q 4 可縮短基板9之表面形狀之測定 可縮短焦點調整所需要的時間。 表面形狀之測定、及基板9上之 312XP/發明說明書(補件)/97·02/96141970 30 1360647 膜内應力測定所需要之時間。 以上，針對本發明之實施形態進行說明，但本發明並不 限定於上述實施形態，可進行各種變更。 例如，上述實施形態之應力測定裝置係台座2為固定之 狀態，亦可使來自光干涉單元4之光源41的光、以及來 自橢圓偏光計3之光源單元31的絲基板9上之照射區 域’相對於基板9進行移動。 遮光圖案453a不一定要配置在孔徑光闌部453之位 置，，只要在自光干涉單元4之光源41至基板9為止之光 路位上配置於與孔控光闌位置大致光學共輛之位置即 可。又，遮光圖案453a可為僅將特定波長之光予以遮光 之圖案，此情況，遮光圖案攝像部43亦可配置僅使特定 波長之光穿透的濾光器。 "由橢圓偏光計3之光源單元31朝基板9射出之偏光 光，並不限定於圓偏光的光，視需要亦可利用適度差異之 態樣的偏光光（例如45。之直線偏光）。此外，由光源單 兀31射出之光，並不限定於以半導體雷射作為光源之光 束，例如亦可自光源單元31射出白色光，藉由在受光單 兀32中取代光二極體322而設置之分光器對該白色 之反射光進行受光。 Λ 第2實施形態之應力測定裝置la中，於Αρ檢測單元 46中利用於物鏡457與基板9或與台座2之間的距離之 檢測的光，並不一定為由AF檢測單元46射出例如亦 使來自光干涉單元4之光源41的光被基板9或台座2所 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 31 ( 1360647 反射，透過物鏡457導向AF檢測部463，取得對象之影 像’根據影像之銳利度而進行自動對焦。如此，於AF檢 .測單元46中係利用由物鏡457射出之光，檢測物鏡457 與基板9或與台座2之間的距離，藉此可實現構造之簡單 化。 基板9並不限定為半導體基板’例如亦可為液晶顯示裝 置或其他平板顯示裝置等所使用之玻璃基板。上述實施形 態之應力測定裝置亦可利用於基板以外的各種對象物之 籲表面形狀之測定’以及該對象物上之膜内應力測定。 以上係針對本發明進行詳細描述而說明，但上述說明僅 用於例示’並非用以限定本發明。因此，只要不脫離本發 明之範圍，可進行各種變化或態樣。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示第1實施形態之應力測定裝置構成的圖。 圖2係顯示控制部構成之圖。 • 圖3係顯示控制部機能之方塊圖。 圖4係顯示應力測定流程之圖。 圖5A係顯示基板表面形狀之圖。 圖5B係顯示基板表面形狀之圖。 圖6係顯示第2實施形態之應力測定裝置構成的圖。 圖7係顯示控制部之機能的方塊圖。 【主要元件符號說明】 1 應力測定裝置 la 應力測定裝置 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 32 1360647

2 台座 3 橢圓偏光計 4 光干涉單元 5 控制部 9 半導體基板（基板） 21 台座移動機構 22 X方向移動機構 23 Y方向移動機構 24 台座升降機構 25 鏡子 31 光源單元 32 受光單元 34 AD轉換器 41 光源 42 分光器 43 遮光圖案攝像部 44 基板攝像部 45 光學系統 51 CPU 52 RAM 53 ROM 54 固定磁碟 55 顯示器 56 輸入部 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 33 1360647

221 馬達 222 導引軌 231 馬達 232 導引軌 311 LD驅動控制部 312 半導體雷射（LD) 313 偏光濾光器 314 波長板（λ /4板） 315 電磁快門 321 旋轉分析板 322 光二極體 331 透鏡 332 透鏡 450a 透鏡 450b 透鏡 450c 透鏡 450d 透鏡 450e 透鏡 450f 透鏡 451 光纖 452 透鏡 453 孔徑光闌部 453a 遮光圖案 454 視野闌部 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 34 1360647 455 半反射鏡 456 半反射鏡 457 物鏡 458 半反射鏡 459 半反射鏡 461 半導體雷射 462 柱面透鏡 463 AD檢測部

511 傾斜向量算出部 512 表面形狀算出部 513 曲率半徑算出部 514 應力算出部 515 第1膜厚算出部 516 第2膜厚算出部 517 基板厚度算出部 901 實線 902 虛線 903 實線 904 虛線 312XP/發明說明書(補件)/97-02/96141970 35

Claims (1)

1360647 ·« · SEP 2 9 2011 十、申請專利範圍： 替換本 1. 一種表面形狀測定裝置，係用以測定對象物之表面形 ’狀者’其特徵為具備： - 光源’其係用以射出光； 光孥系統，其係將來自上述光源之光透過物鏡而導向對 象物上之照射區域，並且將來自上述照射區域之反射光， 透過上述物鏡而導向既定之位置； 遮光圖案，其係於由上述光源至上述照射區域之光路徑 上，配置於與孔徑光闌位置大致為光學共軛之位置； 攝像部，其係用以取得成像於上述既定位置之上述遮光 . 圖案之像； 傾斜向量算出部，其係根據來自上述攝像部之輸出，求 出顯示上述照射區域之法線方向的傾斜向量； 移動機構，其係將上述照射區域對於上述對象物相對地 移動；以及 表面形狀算出部，其係根據由上述傾斜向量瞀 之上述對象物上的複數區域中之傾斜向量，求出上述對象 物之表面形狀。 2,種應力測定裝置，係用以測定對象物上之膜内應力 者’其特徵為具備； 光源，其係用以射出光； 光學系統，其係將來自上述光源之光透過物鏡而導向對 象物上之照射區域，並且將來自上述照射區域之反射光， 透過上述物鏡而導向既定之位置； 96141970 36 1360647 遮光㈣，其係於由上述光源至上述照射區域 上搞配置於與孔徑㈣位置大致為光學共輛之位置，·仏 圖其係用以取得成像於上述既定位置之上述遮光 :斜：，算出部，其係根據來自上述攝像部之輸出，求 出”，·員不上述照射區域之法線方向的傾斜向量； 移=動機構，其係將上述照射區域對於上述對象物相對地 2面形狀算出部，錢根據利用上述傾斜向量算出部所 〉之上述對象物上的複數區域中之傾斜向量，长$ i # 對象物之表面形狀； 計门里求出上述 求其係根據利用上述表面形狀算出部所 之曲率^形狀，求出上述對象物上之應力測定區域 的=測其係用以光學性地測定上述對象物上之膜 膜i t:出部’其係根據利用上述曲率半徑算出部及上述 厚出之上述應力測定區域之曲率半徑及膜 出上述應力測定區域中之上述膜内應力。 3.如申請專利範圍第2項之應力 置1 膜厚測定部係具備： 疋裝i其t’上述 :光部，其係對來自上述光源之光在 射光，進行受光；以及 了L域之反 膜厚异出部’其係根據來自上述受光部之輸出，利用光 96141970 37 1360647 干涉法而求出上述照射區域中之上述膜的厚度。 4. 如申請專利範圍第3項之應力測定裝置，其中，上述 膜厚測定部係具備： 光源單元’其係具有另一個光源，朝上述對象物射出經 偏光之光； 文光單元’其係對來自上述對象物的上述經偏光之光的 反射光進行受光’取得上述反射光之偏光狀態；以及 膜厚算出部，其係根據利用上述受光單元而取得之偏光 狀悲’求出上述對象物上之上述膜的厚度。 5. 如申請專利範圍第2項之應力測定裝置，其中，上述 膜厚測定部係具備·· 光源單元，其係具有另一個光源，朝上述對象物射出經 偏光之光； 叉光單元，其係對來自上述對象物的上述經偏光之光的 反射光進行受光，取得.上述反射光之偏光狀態；以及 膜厚算出部，其係根據利用上述受光單元而取得之偏光 狀怨，求出上述對象物上之上述膜的厚度。 6. 如申請專利範圍第…項中任一項之應力測定裝 置’其中進一步具備： 保持部，其係保持上述對象物； 距離檢測部，其係利用由上述物鏡射出之光

之距離；以及 之光，檢測在未 部間之距 i對象物間 96141970 38 IJ0U04/ 之t 'I::度斤出和其係根據由上述距離檢測部所檢測 保㈣fl 1與上述對象物間之距離、以及上述物鏡與上述 :、…之距離’求出利用於上述應力 應力之算出的上述對象物之厚度。 这膜内 妝1 :表面形狀測定方法，係用以測定對象物之表面形 狀者，其特徵為具備： 斟2來自光源之光’透過具有物鏡之光學系統而照射於 士象物上之照射區域之步驟； 闡上述光源至上述對象物之光路徑上，於與孔徑光 致為光學共輕之位置配置遮光圖案，將來自上述 、了 ’之上述光的反射光’透過上述物鏡而導向既定位 =用攝像部而取得成像於上述既定位置之上述遮光圖 案的像之步驟； 動）一邊將ί述照射區域相對於上述對象物而相對地移 ―二邊重複上述a)步驟與上述b)步驟，根據來自上述 之輸出，求出表不上述對象物上之複數區域的法線 方向之傾斜向量之步驟；以及 =據上述複數區域之傾斜向量，求出上述對象物之 面形狀之步驟。 Y申π專利範圍第7項之表面形狀測定方法，其中， ν )ν驟中，連續進行上述照射區域相對於上述對象 物之相對移動。 9.種應力測定方法，係用以測定對象物上之膜内應力 者，其特徵為具備： 96141970 39 1360647 a)將來自光源之光，透過具有物鏡之光學系統而照射於 對象物上之照射區域之步驟； )在由上述光源至上述對象物之光路徑上，於與孔徑光 :位置大致為光學共軛之位置配置遮光圖案，將來自上述 照射區域之上述光的反射光，透過上述物鏡而導向既定位 置利用攝像部而取得成像於上述既定位置之上述遮光圖 案的像之步驟； C)邊將上述照射區域相對於上述對象物而相對地移 一邊重複上述a)步驟與上述b)步驟，根據來自上述 像P之輸出’求出表示上述對象物上之複數區域的法線 方向之傾斜向量之步驟； d)根據上述複數區域之傾斜向量，求出上述對象物之表 面形狀之步驟； 代从a ^上；表面形狀’求出上述對象物上之應力測定區 域的曲率半徑之步驟； f) 光予Hi技上述應力測^區域之膜厚之步驟；以及 g) 根據上述應力測定區域之上述曲率半徑以及上述膜 旱求出上述應力測定區域之上述膜内um 申吻專利範圍第9項之應力測定方法，其中， 述c)步驟中，漣婢L 上 之相對移動。 仃上述照射區域相對於上述對象物 .々申明專利範圍第9或1 〇項之應力測定方法，兑 中，上述Ό步驟係具備： ” h)將來自上述光源之光照射於上述應力測定區域之步 96141970 1360647 ，i)對來自上述應力敎區域之上述光的反射光進行受 光’取得上述反射光之分光強度之步驟；以及 」）利用光干涉法，根據上述i)#驟中取得之上述反射 =的分光強度而求出上述應力測定區域中之上 度之步驟。 12.如申請專利範圍第n項之應力測定方法，其中，在 上述g)步驟之前進一步具備： =用由上述物鏡所射出之光，檢測上述物鏡與上述保 、、象物之保持部間的距離之步驟； 1)利用由上述物鏡所射出之光，檢測上述物鏡與被保持 :上述保持部之上述對象物間的距離之步驟；以及 :)根據上述k)步驟及上述丨）步驟所檢測之2個距離， 於上述g)步驟中算出上述膜内應力所利用之上述對 象物的厚度之步驟。 4 丁 13·如申請專利範圍第9或項之應力測定方法，苴 令，上述f)步驟係具備： 八 :來自另一光源之經偏光的光，照射於上述應力測定 匕域之步驟； 〇)對來自上述應力測定區域之上述經偏光的光之 无進行香朵 & 取仔上述反射光的偏光狀態之步驟：以及 能p t康上述0)步驟中所取得之上述反射光之偏光狀 悲，求出卜、+、虛 Μ力測定區域中上述膜的厚度之步驟。 •如申請專利範圍第13項之應力測定方法，其中，在 96141970 41 上述g)步驟之前進一步具備： )矛J用由上述物鏡所射 持對象物之保持部間的距=二檢測上述物鏡與上述保 1)利用由上述物鏡 於上述保持部之上述對象檢測上述物鏡與被保持 挪上述k)步驟叉=距離之步驟；以及 求出於上⑸步驟中算出驟所檢測之2個距離， 象物的厚度之步驟。出上述膜内應力所利用之上述對 15·如申請專利範圍 令’在上述或10項之應力測定方法，其 疋g)步驟之前進一步且 k)利用由上述物鏡 持對象物之保持呷之光，檢測上述物鏡與上述保 。利用由上==之步驟； 於上述保持部之上 ^出之先，檢測上述物鏡與被保持 •據上述10步驟間：距離之步驟；以及 求出…g)步驟中算；1十)步驟所檢測之2個距離’ 象物的厚度之步驟。异出上述膜内應力所利用之上述對 96141970 42