(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに略平行となるようにそれぞれ土台に固定された一対の固定レールと、該固定レール間に架設され該固定レールに案内されて直線移動可能な架設レールと、該架設レール上に支持され、回転移動が可能なステージと、該ステージ上に載置された測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサとを備える測定装置を用いる表面粗さ測定方法であって、前記ステージを、前記架設レール上での回転移動と、前記架設レールが前記固定レールに案内されて移動するのに伴う直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサによる測定可能位置に移動させることを特徴とする表面粗さ測定方法。
【請求項２】
前記架設レールは剛性材料により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面粗さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面粗さ測定方法および測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体基板等の測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置（以下、単に測定装置ともいう）としては、例えば図１に示すように、互いに平行となるよう土台７上に直接固定された一対のＹ軸レール１，２と、該一対のＹ軸レール１，２と直交するように該一対のＹ軸レール１，２間に架設された一対のＸ軸レール３，４と、該Ｘ軸レール３，４上に支持されたステージ５と、該ステージ５上の測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサ６（以下、単に測定センサともいう）とを備えるものが知られている（具体的には、例えばＨＲＰ（High Resolution Profiler;KLA Tencor社商品名））。
【０００３】
このような表面粗さ測定装置では、測定センサ６の下に、ステージ５上の測定対象物の測定必要箇所が位置するようにステージ５を平面移動して、該測定必要箇所の表面粗さを測定する。
この際に、ステージ５上の測定対象物をＹ軸方向（図１の矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向）に移動させるためには、Ｙ軸レール上に架設されたＸ軸レール３，４をＹ軸レール１，２に沿う方向に移動させるのに伴わせて該Ｘ軸レール３，４に支持されたステージ５を移動させる。
他方、ステージ５上の測定対象物をＸ軸方向（図１の矢印Ｃ方向および矢印Ｄ方向）に移動させるためには、ステージ５をＸ軸レール３，４に沿う方向に移動させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の測定装置を用いて表面粗さを測定すると、ステージ５の中心から離れるに従って実際の表面粗さよりも測定値が大きくなってしまうという問題がある。ただし、この問題は、ステージ５をＹ軸レール１，２に沿って移動させて測定した場合の測定値には発生せず、Ｘ軸レール３，４に沿って移動させて測定した場合にのみ発生する。従って、このようなバラツキは、測定対象物の実際の表面状態ではなく、測定装置に起因すると考えられる。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、表面粗さの測定値の、測定装置に起因するバラツキを解消する表面粗さ測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面粗さ測定方法は、互いに略平行となるようにそれぞれ土台に固定された一対の固定レールと、該固定レール間に架設され該固定レールに案内されて直線移動可能な架設レールと、該架設レール上に支持され、回転移動が可能なステージと、該ステージ上に載置された測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサとを備える測定装置を用いる表面粗さ測定方法であって、前記ステージを、前記架設レール上での回転移動と、前記架設レールが前記固定レールに案内されて移動するのに伴う直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサによる測定可能位置に移動させることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の表面粗さ測定方法は、前記架設レールは剛性材料により構成されていることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。
【００１２】
先ず、本発明に係る表面粗さ測定方法を実施するための表面粗さ測定装置５０の構成について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態の表面粗さ測定装置５０は、土台７上に直接固定された一対のＹ軸レール（固定レール）１，２と、該一対のＹ軸レール１，２と直交するように該一対のＹ軸レール１，２間に架設された一対のＸ軸レール（架設レール）３，４と、該Ｘ軸レール３，４上に支持されたステージ５と、該ステージ５上の測定対象物の表面粗さを測定する表面粗さ測定センサ６と、ステージ５の水平出しの基準となるオプティカルフラット１２とを備えて概略構成されている。
【００１４】
このうち、Ｙ軸レール１，２は、互いに平行となるように、その長手方向に亘って概ね土台７上に固定されている。
【００１５】
他方、Ｘ軸レール３，４は、その一端どうしがそれぞれ連結部材８，９により連結されているため常に互いに平行かつ一定距離に保たれているとともに、これら連結部材８，９を介してＹ軸レール１，２間に架設されている。
これら連結部材８，９は、Ｙ軸レール１，２に案内されてＹ軸方向（図１の矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向）に移動可能となっている。
そして、Ｘ軸レール３，４は、例えば土台７上（例えばＹ軸レール２の脇）に設けられたＹ軸モータ１０の駆動により、（連結部材８，９を介して）Ｙ軸レール１，２に案内されてＹ軸方向に移動する。
【００１６】
また、ステージ５は、その基部５ａを介してＸ軸レール３，４上に支持されていて、図示しない回転駆動装置の駆動により、基部５ａに対し水平方向（の双方向）に回転する。
このステージ５をＹ軸方向に移動させるには、該ステージ５を支持したＸ軸レール３，４を、Ｙ軸レール１，２に沿ってＹ軸方向に移動させると良い。
【００１７】
また、表面粗さ測定センサ６は、土台７に固定された架台６ａに固定されている。この架台６ａは、具体的には例えば略Ｌ字状に構成され、その一辺が鉛直方向となり、他辺が前記一辺よりも上側かつ水平方向となるように配されている。そして、表面粗さ測定センサ６は、この架台６ａの上部先端に固定されている。この表面粗さ測定センサ６は、例えばステージ５上に配された測定対象物の上面に接触するスタイラスと、コンデンサと、電磁石とからなる。そして、平行平板コンデンサの原理を用いて測定対象物の表面粗さを検出する。すなわち、コンデンサの静電容量をＣ、面積をＳ、コンデンサと測定対象物との距離をｄ、真空誘電率をε0とすると、Ｃ＝ε0Ｓ／ｄと表せる。つまり、ｄ＝ε0Ｓ／Ｃとも表せる。この式に、真空誘電率ε0およびコンデンサの面積Ｓ（ともに一定）と、静電容量の検出値Ｃを代入することで、各測定箇所でのコンデンサと測定対象物との距離ｄを求めることができる。さらに、この求めた距離ｄの測定対象物の面内での変動量或いは基準値からのズレ量に基づき表面粗さを算出することができる。
【００１８】
オプティカルフラット１２は、ガラス製の平板であり、ステージ５の下側に、ステージ５とほぼ平行となるように設けられている。
他方、ステージ５の下面には、オプティカルフラット１２の上面を検出するセンサ（図示略）が設けられ、該センサの検出値に基づき、オプティカルフラット１２の上面と平行になるようにステージ５の傾きを補正する制御を行うようになっている。或いは、該センサの検出値に基づき、測定データに補正（ステージ５の傾きの変動に起因する測定値の変動を解消するような補正）を施すようになっている。従って、いずれにしてもステージ５の傾きの変動に起因する測定値の変動を解消できる。
【００１９】
本発明者は、従来の方法により測定した場合の、Ｘ軸方向に沿う表面粗さの測定値が、ステージ５上の測定対象物の中心から離れるほど徐々に大きくなってしまう原因について検討した結果、図３に示すように、Ｘ軸レール３，４上をステージ５が移動することによりＸ軸レール３，４の撓み量が変化してしまうことがその原因であると考えた。つまり、ステージ５がＸ軸レール３，４の長手方向において中央部に位置するとき（図３（ａ））に、Ｘ軸レール３，４の撓み量が最大となり、ステージ５が両端部（図３（ｂ）或いは図３（ｃ））に移動するに従って、徐々に撓み量が減少すると考えた。なお、この図３では、分かり易いようにＸ軸レール３，４の下端ラインＬの変化量（つまり撓み量の変化量）を誇張して示す。
そして、以下に説明するように、本発明に係る表面粗さ測定方法により表面粗さを測定した結果、測定装置に起因する測定値のバラツキが生じないことが分かった。
【００２０】
次に、本発明に係る表面粗さ測定方法について説明する。
【００２１】
この表面粗さ測定方法では、ステージ５を、Ｘ軸レール３，４上での回転移動と、Ｘ軸レール３，４を介したＹ軸レール１，２に沿う方向への直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサ６による測定可能位置に移動させる。
つまり、ステージ５を、以下の条件を満たすように移動させる。
すなわち、▲１▼Ｙ軸方向と平行、かつ、表面粗さ測定センサ６による測定可能位置を通る直線上に、測定対象物の測定必要箇所が到達するようにステージ５を回転移動させる一方、▲２▼表面粗さ測定センサ６による測定可能位置に測定対象物の測定必要箇所が到達するようにステージ５を直線移動させる。
このようにステージ５を移動させる結果、表面粗さ測定センサ６による測定可能位置に測定対象物の測定必要箇所を位置させたら、表面粗さを測定する。
このようなステージ５の移動と表面粗さ測定センサ６による測定とを各測定必要箇所について繰り返すことにより、測定対象物の面内の表面粗さを測定することができる。
従って、ステージ５を、Ｘ軸レール３，４上で該Ｘ軸レール３，４に沿う方向に移動させる必要がない。
なお、測定データを、移動に要した回転角度（ステージ５の、基準となる回転位相に対する回転角度）と、直線移動距離（ステージ５の、基準となるＹ軸方向位置に対する移動距離）に応じて、Ｘ−Ｙ平面上の座標値に換算することで、該データを扱いやすくなる。
【００２２】
＜実施例＞
図２に、上記実施の形態の表面粗さ測定方法を適用して、直径２００ｍｍの鏡面研磨シリコンウェーハ（測定対象物）の表面粗さを測定した結果（ＲＭＳ（Root Mean Square Deviation of the Surface；二乗平均平方根粗さ）（単位；ｎｍ））をプロットした。なお、測定装置としてはKLA Tencor社製 HRP-320（先端形状の曲率半径が２μmのスタイラスを有する）を使用し、表面粗さ測定センサ６による測定範囲は２５０μm×２５０μmとした。
測定点は、例えば鏡面研磨シリコンウェーハの中心を原点とし、該ウェーハ面を含むＸ−Ｙ平面上の座標（Ｘ（ｍｍ），Ｙ（ｍｍ））＝（−９０，０）（図２のＰ１）、（Ｘ，Ｙ）＝（−５０，０）（図２のＰ２）、（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）（図２のＰ３）、（Ｘ，Ｙ）＝（５０，０）（図２のＰ４）、（Ｘ，Ｙ）＝（９０，０）（図２のＰ５）、（Ｘ，Ｙ）＝（０，−９０）（図２のＰ６）、（Ｘ，Ｙ）＝（０，−５０）（図２のＰ７）、（Ｘ，Ｙ）＝（０，５０）（図２のＰ８）、（Ｘ，Ｙ）＝（０，９０）（図２のＰ９）の都合９点である。
図２（ａ）の場合、各測定点のうち、Ｐ１，Ｐ２については、ステージ５を反時計回りに２７０度回転させ、Ｙ軸方向に直線移動させてから測定した。また、Ｐ６，Ｐ７については、ステージ５を反時計回りに１８０度回転させ、Ｙ軸方向に直線移動させてから測定した。また、Ｐ４，Ｐ５については、ステージ５を反時計回りに９０度回転させ、Ｙ軸方向に直線移動させてから測定した。また、Ｐ３，Ｐ８，Ｐ９については、ステージ５をＹ軸方向に直線移動のみさせてから測定した。この結果、図２（ａ）に示すように、各測定点で殆ど測定値にバラツキが生じなかった。
また、図２（ｂ）の場合、各測定点のうち、Ｐ１，Ｐ２については、ステージ５を時計回りに９０度回転させ、Ｙ軸方向に直線移動させてから測定した。また、Ｐ６，Ｐ７については、ステージ５を時計回りに１８０度回転させ、Ｙ軸方向に直線移動させてから測定した。また、Ｐ４，Ｐ５については、ステージ５を時計回りに２７０度回転させ、Ｙ軸方向に直線移動させてから測定した。また、Ｐ３，Ｐ８，Ｐ９については、ステージ５をＹ軸方向に直線移動のみさせてから測定した。この場合も、同様に、図２（ｂ）に示すように、各測定点で殆ど測定値にバラツキが生じなかった。
【００２３】
＜比較例＞
次に、比較例を示す。
図４は、従来の表面粗さ測定方法（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５はＸ軸レール３，４に沿ってステージ５を移動して測定、Ｐ６，Ｐ７，（Ｐ３），Ｐ８，Ｐ９はＹ軸方向にステージ５を移動して測定）により上記実施例と同様の鏡面研磨シリコンウェーハの表面粗さを測定した結果（上記ＲＭＳに加えてＲａ（Roughness Average；中心線平均粗さ））をプロットしたものであり、図５は、その具体的数値を示す図である。なお、ＲＭＳとＲａとは、互いの絶対値に若干の差がでるだけで、いずれも同様の傾向を示す。
これら図４および図５から明らかなように、Ｘ軸レール３，４に沿わせてステージ５を移動させて測定した場合の測定値についてのみ、中心から離れるに従って大きくなる傾向のバラツキが生じてしまう。具体的には、Ｘ軸レールに沿ってステージを移動した場合には、図５に示すようにＲＭＳが約０．３６ｎｍ程度から約０．７２ｎｍ程度まで大きく変動し、しかも中心から離れるほど大きな値を示す傾向があるのに対し、Ｙ軸レールに沿って移動した場合は約０．３３ｎｍ程度から約０．３６ｎｍ程度と殆ど変動しない。
【００２４】
このような実施例と比較例との比較から、Ｘ軸レール３，４に沿ってステージ５を移動させて表面粗さを測定した場合には、ステージ５の位置変化に応じたＸ軸レール３，４の撓み量の変化により、測定値にバラツキが生じていることが明らかである。
つまり、Ｘ軸レール３，４といったように、ステージ５の荷重が加わる部分には、例えばステンレスなどの剛性の高い材料が用いられているため、元々、荷重による撓み量は極めて小さいのではあるが、例えばオングストロームオーダーといった極微少な測定誤差も無視できない測定の場合には問題となることが分かる。
これに対し、Ｙ軸レール１，２は、土台７上に直接固定されているため、撓むことがなく、従って、Ｙ軸レール１，２に沿ってステージ５を移動させて表面粗さを測定した場合には、測定装置に起因する測定値のバラツキは生じないと考えられる。
【００２５】
以上のように、本実施の形態の表面粗さ測定方法によれば、ステージ５を、Ｘ軸レール３，４上での回転移動と、Ｘ軸レール３，４を介したＹ軸レール１，２に沿う方向への直線移動と、を適宜選択或いは組み合わせて移動させることにより、測定対象物の測定必要箇所をそれぞれ表面粗さ測定センサ６による測定可能位置に移動させて、各測定必要箇所の表面粗さを測定するので、ステージ５を、Ｘ軸レール３，４上で該Ｘ軸レール３，４に沿う方向に移動させる必要がない。よって、測定データに、Ｘ軸レール３，４の撓み量の変動に起因するバラツキが生じることがない。
【００２６】
なお、上記の実施の形態では、半導体基板（例えば鏡面研磨シリコンウェーハ）の測定に用いたが、表面粗さを測定する必要があるものであればその他のものに用いても良い。
また、上記の実施の形態では、ステージ５をＸ軸レール３，４に沿って移動させることなく測定を行う例について説明したが、本発明はこれに限らず、例えばステージ５をＸ軸レール３，４に沿う方向に移動させて測定対象物の表面粗さを測定する場合の測定値の分布傾向を予め解析した解析結果に基づく補正を、新たに測定した測定値に施すようにしても良い。つまり、ステージ５をＸ軸レール３，４に沿う方向に移動させて表面粗さを測定した場合に、測定点がステージ５の中心から離れるに従って、測定値がどのように大きくなるかを解析することにより、Ｘ軸レール３，４の撓み量の変化に起因する各測定点毎の測定値の誤差（以下、装置起因誤差ともいう）を算出しておき、この算出した装置起因誤差分だけ、各測定点での実際の測定値から差し引くといった補正を施すことにより、装置起因誤差のない適正な測定値を求めることができる。さらに、このような補正を自動で行う機能を表面粗さ測定装置５０に持たせても良い（つまり、測定装置５０が本発明に係る補正手段を備えることとしても良い）。
或いは、単に、Ｘ軸レール３，４の剛性を高めることにより、該Ｘ軸レール３，４に案内されて移動するステージ５の位置に拘わらず該Ｘ軸レール３，４の撓み量が変化しないようにしても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の表面粗さ測定方法および測定装置によれば、測定装置に起因する測定値のバラツキを解消して適正な測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面粗さ測定装置を示す図であり、このうち（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明の表面粗さ測定方法により半導体基板の表面粗さを測定した場合の測定値の面内分布の傾向を示す図である。
【図３】ステージの移動位置に応じた架設レールの撓み量の変化を示す模式図である。
【図４】従来の表面粗さ測定方法により半導体基板の表面粗さを測定した場合の測定値の面内分布の傾向を示す図である。
【図５】従来の表面粗さ測定方法により半導体基板の表面粗さを測定した場合の測定値を示す図である。
【符号の説明】
１，２    Ｙ軸レール（固定レール）
３，４    Ｘ軸レール（架設レール）
５        ステージ
６        表面粗さ測定センサ
【図１】
0003654238.tif 000002
【図２】
0003654238.tif 000003
【図３】
0003654238.tif 000004
【図４】
0003654238.tif 000005
【図５】
0003654238.tif 000006