(57)【要約】【課題】可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた高アスペクト比の穴の深さ等の段差構造の形状を正確且つ高速に測定する。【解決手段】可視光、近赤外光または赤外光の測定用光Ｌを未貫通ビア１０４が形成されたシリコンウェーハ１０１の裏面１０３側から照射し、共焦点測定法により、測定用光Ｌがシリコンウェーハ１０１の表面１０２及び未貫通ビア１０４の底面１０５に焦点を結ぶ位置を測定することによって未貫通ビア１０４の見かけ上の形状を測定し、予め取得したシリコンウェーハ１０１の屈折率または屈折率を測定する屈折率測定手段によって測定したシリコンウェーハ１０１の屈折率を用いて、前記測定した形状を換算することにより未貫通ビア１０４の実際の形状を算出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた未貫通ビア、トレンチまたはＭＥＭＳ等の段差構造を測定する段差構造測定方法において、
可視光、近赤外光または赤外光の測定用光を前記段差構造が形成された面の裏側から照射し、
前記測定用光が前記材料に焦点を結ぶ位置を測定することによって又は前記材料からの反射光を測定することによって前記段差構造の形状を測定し、
予め取得した前記材料の屈折率を用いてまたは屈折率を測定する屈折率測定手段によって測定した前記材料の屈折率を用いて、前記測定した形状を換算することにより前記段差構造の実際の形状を算出することを特徴とする段差構造測定方法。
【請求項２】
前記段差構造の形状測定に共焦点測定法を使用することを特徴とする請求項１記載の段差構造測定方法。
【請求項３】
前記段差構造の形状測定に光干渉測定法を使用することを特徴とする請求項１記載の段差構造測定方法。
【請求項４】
前記段差構造の形状測定にレーザ三角測定法を使用することを特徴とする請求項１記載の段差構造測定方法。
【請求項５】
前記屈折率測定手段にブリュースター角測定によって屈折率を測定する屈折率測定器を使用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の段差構造測定方法。
【請求項６】
前記屈折率測定手段に分光エリプソ測定器を使用することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の段差構造測定方法。
【請求項７】
前記材料の屈折率を測定する光の波長と、前記段差構造を測定する測定用光の波長を同じ波長とすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の段差構造測定方法。
【請求項８】
前記段差構造の形状測定開始時または形状測定終了時に、前記材料の屈折率または屈折率分布を測定対象領域の裏面から測定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の段差構造測定方法。
【請求項９】
前記段差構造の形状測定に使用する光学系の開口数ＮＡを段差構造の形状にあわせて可変としたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の段差構造測定方法。
【請求項１０】
前記段差構造は近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた未貫通ビアであり、
前記測定用光は近赤外光または赤外光であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一に記載の段差構造測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光、近赤外光または赤外光が透過可能な材料に設けられた有底穴等の段差のある構造の形状の測定方法に関し、例えば、積層ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）チップ作成の際に積層のために用いるシリコン貫通電極（Through Silicon Via（TSV）；貫通ビア）の深さ等の段差のある形状を予め把握するために、貫通ビアを完成する前の未貫通ビアの形状等を測定する段差構造測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細加工技術は現時点では６５ｎｍ前後であるが２５ｎｍに向かって量産化が進んでいる。しかし、数年後には微細化の限界が来るのではないかと予測されている。
また、製造装置価格も高額となり、半導体メーカー１社では設備投資の限界を超えているといわれる。
このように、二次元では限界が近づいてきており、三次元へのアプローチが始まった。
【０００３】
ＬＳＩを三次元化するためにはシリコンに貫通穴を設け、電極を通し、バンプで接続して積層していくことになる。
例えば、積層ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）を形成する方法として、ＤＲＡＭ素子を形成する前に貫通電極を形成するＶｉａ Ｆｉｒｓｔ法があるが、Ｖｉａ Ｆｉｒｓｔ法によってＤＲＡＭ素子を形成する場合、概略次のような工程を経て行われる。
【０００４】
１．シリコンウェーハをドライエッチングでエッチングして貫通ビア用の有底穴（未貫通ビア）を形成し、
２．ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で未貫通ビアの側壁に絶縁膜を形成し、
３．ＣＶＤで未貫通ビアに高Ｐ（リン）濃度のポリシリコンを充填し、
４．ＣＭＰ（Chemical Meshanical Polishing）でシリコンウェーハ表面のポリシリコンを除去し、
５．ＤＲＡＭ素子形成後に電界めっきでシリコンウェーハ表面側にマイクロバンプを形成し、
６．シリコンウェーハをＢＧ（Back Grinding）とＣＭＰで５０μｍ程度の所定厚まで薄化して貫通ビアを形成し、
７．ＣＶＤで窒化膜を形成し、
８．ドライエッチングで貫通電極部を開口することによってして配線を形成し、
９．電解メッキで裏面側にマイクロバンプを形成した後、ダイシングする。
【０００５】
前記の如くして積層ＤＲＡＭ等の積層ＬＳＩチップが形成されるため、貫通ビアを構成する貫通穴の深さ等の形状の測定と、品質保証のために、市場で不良になる可能性を十分に予測できる検査をしておかなければならない。
これは、電気的な検査だけで検出することはできず、内部解析で異常につながる可能性を画像で捕まえる必要が出てくる。
【０００６】
まず始めに、貫通穴の深さや径等の形状が安定してできていることを検査することが、積層前には必要になる。
しかし、要求される貫通穴の仕様は、例えば直径２μｍ、深さ５０μｍという、アスペクト比１：２５の穴であり、通常の光学測定では回折現象のため困難な要求もある。これは積層した構造で、熱を放出できなければ、設計の自由度が狭くなるため、小さなギャップにして、なおかつ熱伝導の良い材料（例えば、シリコンコンパウンド）等の充填により、熱対策をとることが必須になることに関係している。
【０００７】
例えば、図１に示すように、シリコンウェーハ１０１の表面１０２から裏側１０３方向に所定の径及び深さ（例えば直径２μｍ、深さ５０μｍ）に形成される高アスペクト比の貫通ビアの深さ等の形状を、貫通ビア完成前の未貫通ビア１０４の段階で、未貫通ビア１０４に測定用の可視光Ｌを入射させることにより測定する方法が考えられる。
しかしながら、可視光Ｌは未貫通ビア１０４に入射しても、回折現象によって未貫通ビア１０４の底面１０５からは測定に必要な所定量以上の光Ｌが戻ってこないため、未貫通ビア１０４の深さ等の形状が測定困難である。
尚、図１において、未貫通ビア１０４を貫通ビアにする際には、シリコンウェーハ１０１は裏面１０３から破線Ｃ位置まで削除される。
【０００８】
一方、近赤外光または赤外光はシリコンをある程度透過できるので、これを用いてシリコンウェーハ１０１の内部が観察可能である。
しかしながら、未貫通ビア１０４の屈折率（未貫通ビアに含まれる空気の屈折率）が略１でありシリコンウェーハ１０１の屈折率が約３．４〜３．８である。したがって、図２に示すように未貫通ビア１０４の側壁で反射してしまい、近赤外光または赤外光Ｌを未貫通ビア１０４の底面１０５まで進入させることが困難である。
【０００９】
よって、測定に光線を使う限り、干渉法、共焦点法等の他の測定法でも前記のような高アスペクト比の穴の深さ等の形状の測定はシリコンウェーハの表面側からの測定では困難である。
他方、特許文献１には、高アスペクト比の微小穴の一種であるトレンチの深さを裏面から赤外光で測定するようにした発明が開示されている。
【００１０】
しかし、特許文献１の請求項１には、＜ウェーハを透過可能な波長の光源を使用し、前記ウェーハの前面及び背面からの反射光を受光することと、前記前面がトレンチの内部を支持するようにされており、更に、トレンチの突出部の高さを測定する作業と、突出部の高さを、前記前面と前記背面間の前記測定高さの差の変換によって較正する作業とによってトレンチ深さを測定する方法。＞と記載されている。
【００１１】
これを分かりやすく理解するためには、特許文献１の図１１のフロー図で理解が容易になる。このフロー図のポイントを見ると、次のようになる。
１．まず、ウェーハの表面、裏面からの応答を受信する。
２．次に各センサからの前記表面及び裏面の各高さ値を記録する。
３．前記各高さ値に基づいて厚さ値に変換する。
４．ウェーハの形状変化を計算表示する。
と記載されている。
【００１２】
つまり、簡単に言うと、シリコンウェーハの厚さからトレンチの底の位置を比例的に計算している。
しかし、この場合、基準となるシリコンウェーハの厚みにバラツキがあると、それはそのまま、トレンチ深さの測定値のバラツキになってしまう。実際シリコンウェーハは、例えば１２インチウェーハでは、厚さ０．７７５ｍｍ±０．０２５ｍｍのバラツキを持っている。つまり±３．２％のバラツキがあり、これがそのままトレンチ深さの測定誤差になるため、測定精度が悪いという問題がある。
この問題を解決するためには、予めシリコンウェーハの厚みを測っておき、前記厚みによって測定値を補正する必要がある。しかしながら、予めシリコンウェーハの厚みを測るために測定時間がかかるため、高速な測定が困難という問題がある。
【００１３】
また、上記のような高アスペクト比の穴を赤外光干渉法によって測定できる可能性があると推測される測定装置がフランスのＦＯＧＡＬＥ社から、製品名ＤｅｅＰｒｏｂｅとして販売されている。しかしながら前記測定装置では、一穴測定するのに２秒近くを要し、この方式では大幅な高速化は困難であり、生産のインライン検査で使用する場合、生産タクトを下げてしまう問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−８３０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた高アスペクト比の穴の深さ等の段差構造を正確且つ高速に測定することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた未貫通ビア、トレンチまたはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微少電気機械素子）等の段差構造を測定する段差構造測定方法において、可視光、近赤外光または赤外光の測定用光を前記段差構造が形成された面の裏側から照射し、前記測定用光が前記材料に焦点を結ぶ位置を測定することによって又は前記材料からの反射光を測定することによって前記段差構造の形状を測定し、予め取得した前記材料の屈折率を用いて又は屈折率を測定する屈折率測定手段によって測定した前記材料の屈折率を用いて、前記測定した形状を換算することにより前記段差構造の実際の形状を算出することを特徴とする段差構造測定方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた高アスペクト比の穴の深さ等の段差構造を正確且つ高速に測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】可視光を用いた一般的な測定方法を示す説明図である。
【図２】近赤外光を用いた一般的な測定方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の動作を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に使用する共焦点顕微鏡の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態に使用するＸＹスキャン部の概略図である。
【図６】本発明の実施の形態の動作を説明する説明図で、高ＮＡの光線図である。
【図７】本発明の実施の形態の動作を説明する説明図で、低ＮＡの光線図である。
【図８】本発明の実施の形態におけるＸＹスキャンの概略図である。
【図９】本発明の実施の形態で使用するブリュースター角の説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態ににおける密集した未貫通ビアと光線の関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態においてブリュースター角測定からシリコンウェーハの屈折率を求める方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
前述したように、例えば直径２μｍ、深さ５０μｍのような高アスペクト比の有底穴等の頑さ構造の形状測定は、可視光の場合は回折現象によって未貫通ビア１０４の底面１０５からは測定に必要な量の光が戻ってこず、又、近赤外光または赤外光の場合においては表面側から穴に光を進入させることが困難であったり、光線が散乱し計測の大きな障害になる等のため、測定が困難である。
本発明の実施の形態では、前記問題を解決するために発想を全く変えて未貫通ビア等の段差構造に測定用光を入射させようとせずに、逆に段差構造を有する材料（例えばシリコンウェーハ）の裏側（段差構造が形成されている面（表面）の裏側）から近赤外光又は赤外光を照射し、段差構造の外側から観察、検査することで穴等の段差構造のアスペクト比がいくら高くても測定可能な方法を実現している。
【００２０】
ここで、段差構造とは、ガラスのような透明体やシリコンウェーハ等の可視光、近赤外光又は赤外光が透過可能な材料の表面側から裏面側に向かって形成された未貫通ビアやトレンチ等の有底穴や有底溝、ＭＥＭＳ等、シリコンウェーハ表面との間に段差を有する構造を意味している。また、形状とは、有底穴等の段差構造の深さ、径、長さ、面積等の可視光、近赤外光又は赤外光によって測定可能な形を意味している。
以下、本発明の実施の形態に関して図面を参照しながら、高アスペクト比でシリコンウェーハにドライエッチング等で深堀りされた未貫通ビアの深さ等の形状を高精度で高速に測定する例を説明する。
【００２１】
尚、本発明の実施の形態において、測定に使用する光としては可視光、近赤外光又は赤外光を使用できるが、波長３５０ｎｍ以上の可視光は例えばガラスのような透明体に対して有効である。また、シリコンウェーハについては９００ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内の近赤外光又は赤外光が好ましい。このような波長の近赤外光又は赤外光が好ましい理由としては、９００ｎｍ未満の光はシリコンを透過しないためである。尚、以下の記載においては、シリコンウェーハ材料について記述しているが、本発明では材料を光が透過する場合は、その波長の光を使用することができるので、材料はシリコンウェーハに限定されるものではない。
また、測定用光の波長が長くなることによって分解能の目安となるエアリーディスク半径（＝０．６１λ／ＮＡ（但し、λは使用する測定光の波長、ＮＡは開口率である。））が大きくなり、これによって測定精度が大きく劣化するため、必要な測定精度が得られる上限の波長として上限値３０００ｎｍに設定している。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態に係る段差構造測定方法の概略説明図である。
図３の例は、シリコンウェーハ１０１の表面１０２と未貫通ビア１０４の底面１０５とによって段差（本例では未貫通ビア１０４の深さに相当）が形成された段差構造の例である。未貫通ビア１０４は、貫通ビアを形成する前段階のものであり、シリコンウェーハ１０１の表面１０２側から裏面１０３側に向かって所定径で所定深さに形成された有底穴であり、シリコンウェーハ１０１の表面１０２側に露出している。
【００２３】
先ず、段差構造の形状（例えば未貫通ビア１０４の深さ）を測定する場合、シリコンウェーハ１０１の裏面１０３側から、シリコンウェーハの表面１０２、及び、未貫通ビア１０４の底面１０５に、可視光、近赤外光または赤外光の中の所定波長の光である測定用光Ｌを照射する。
次に、共焦点測定法等の測定方法を用いて、シリコンウェーハ１０２の表面１０２及び未貫通ビア１０４の底面１０５で反射した測定用光Ｌを検出し、基準となる所定位置から表面１０２までの距離と、前記所定位置から底面１０５までの距離を測定する。前記所定位置から表面１０２までの距離と前記所定位置から底面１０５までの距離との差を算出することによって、見かけ上の未貫通ビア１０４の深さを測定する。
【００２４】
次に、予め情報として取得していたシリコンウェーハ１０１の屈折率を用いて、或いは、シリコンウェーハ１０１の屈折率を測定する屈折率測定手段を用いて測定したシリコンウェーハ１０１の屈折率を用いて、前記見かけ上の形状に前記屈折率による換算処理を施して実寸法の形状を算出するようにしている。
前記特許文献１と大きく異なるところは、この屈折率の情報を用いて直接的に実際の値を測定する点である。
尚、図３において未貫通ビア１０４から貫通ビアを形成する際には、シリコンウェーハ１０１は裏面１０３から破線Ｃ位置まで削除される。
【００２５】
本実施の形態に係る測定方法により、可視光、近赤外光または赤外光（シリコンの透過しやすさという点から１１２７ｎｍ以上の波長がより好ましく且つ一定以上の分解能を得るという点から３０００ｎｍ以下の波長がより好ましい。）の測定用光Ｌをシリコンウェーハ１０１の裏面１０３側から照射することにより、未貫通ビア１０４のアスペクト比が１：２５でも１：２００でもそれ以上でも問題なく測定できる。また、屈折率による換算処理によって、より高精度な形状測定が可能になる。
【００２６】
尚、詳細は後述するが、屈折率を測定するためにブリュースター角を短時間で測定し、なおかつ正確に求めるために、１つの屈折率測定点の屈折率を複数回測定してそれらの平均値をとり、さらにシリコンウェーハの測定対象領域においてＸＹ方向の複数の屈折率測定点で測定している。
また、例えば後述する共焦点法で測定する場合、１画素当たり１μｍ角の領域として２０００×２０００画素分の領域を、１回に測定する１単位領域として、シリコンウェーハの測定対象領域を複数の単位領域に区分し、各単位領域毎に段差構造の形状（段差形状）を測定し、これをシリコンウェーハの全測定対象領域について行うようにしている。
【００２７】
この場合、段差構造の測定開始時（各単位領域毎に見かけ上の段差形状を測定する直前）に、段差形状を測定する測定用光と同じ波長の測定用光を用いてシリコンウェーハの各単位領域の屈折率を測定し、前記測定用光によって測定した各単位領域の形状の測定値を、当該単位領域の屈折率（屈折率の精度を上げるためには当該単位領域において複数回測定した屈折率の平均値でもよい。）に基づいて換算して実際の形状を求めることにより、シリコンウェーハ内で屈折率の分布が変化しても誤差が生じないようにしている。これにより、十分な測定精度が確保できる。
屈折率の測定は、段差構造の測定開始時ではなく、段差構造の測定終了時（各単位領域に見かけ上の段差形状を測定終了した直後）に行うようにしてもよい。
【００２８】
ＴＳＶの穴の場合には、直径２μｍでピッチが６μｍで形成される場合もあるので、ＴＳＶが所定密度以上に密集する場合、図７に示すように対物レンズ４０７の前段に配置したアパーチャ６０１を小さくすることによって、未貫通ビアの側壁で測定用光が反射しないように開口数ＮＡを小さくした方が、コントラストの高い像が得られる場合がある。
【００２９】
また、ＴＳＶが所定密度以上に密集していない場所での測定は、図６に示すように対物レンズ４０７の前段に配置したアパーチャを大きくすることによって、開口数ＮＡを大きくして集光スポットを小さくした方が分解能が良くなる。この集光スポットは一般的にエアリーディスクと呼ばれ、エアリーディスク半径ε＝０．６１λ／ＮＡできまる。これは、光の波としての性質のために回折現象が生じるからである。
【００３０】
本発明の実施の形態では、図６又は図７のように、段差構造の形状測定に使用する光学系の開口数ＮＡを、段差構造の形状にあわせて変えるようにしている。
また、エアリーディスクが大きくならないように、近赤外光の波長は１１２７ｎｍ以上が好ましいと言えども、上限で３０００ｎｍ以下に抑えることが好ましく、１５００ｎｍ以下に抑えることがより好ましい。
これにより、良品のＬＳＩチップ同士を複数枚接合したときに、接合部分とその周辺に異常はないか、また製品出荷後に接合異常が発生しないか、マイクロクラック等が存在して、それが成長して市場で不良になり、不良回収につながる不具合発生の可能性はないか等、三次元画像で検査できるようになる。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態に係る段差構造の測定方法に使用する測定装置の概略構成と測定動作について詳細に説明する。
図４は、本実施の形態で使用する共焦点レーザ顕微鏡の光学系を示す構成図である。
図４において、レーザ光源４０１は、可視光、近赤外光または赤外光における所定波長の測定用光Ｌを出力し、測定用光Ｌをエキスパンダ４０２及びコリメータ４０３で平行光に広げ、偏光ビームスプリッタ４０４で測定用光ＬのＳ偏光成分を反射してＸＹスキャナ部４０５に導出する。
【００３２】
ＸＹスキャナ部４０５は図５のように、測定用光ＬをＸ方向にスキャンするための共振型レゾナントスキャナ５０１及び測定用光ＬをＸ方向に直角なＹ方向にスキャンするガルバノスキャナ５０２を備えている。
レゾナントスキャナ５０１は共振型で高速にミラー駆動が可能なスキャナである。本実施の形態で使用するレゾナントスキャナ５０１は約８ＫＨｚで往復動作する。つまり、０．０６２５ｍｓｅｃで１行の走査が行える。
【００３３】
ガルバノスキャナ５０２は測定用光ＬをＹ方向に所定行（例えば２０００行）走査する。
レゾナントスキャナ５０１からの測定用光Ｌを、２０００行ガルバノスキャナ５０２で列方向に走査することで１画面（例えばＸ方向２０００画素×Ｙ方向２０００画素）の像が１２５ｍｓｅｃで得られることになる。これは形状測定の１単位である２０００×２０００画素の画像を８フレーム／秒で取得できることになる。
【００３４】
これから、１画素当たりの取得時間を算出すると、３１．２５ｎｓｅｃになり、読み出し速度は３２ＭＨｚの光検出器が必要になるが、浜松ホトニクス株式会社製の製品Ｇ８３７６−０３は２．５ｎｓｅｃである。Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器も３２ＭＨｚ以上で１０ビットのものがあればよく、例えばナショナルセミコンダクター社製のＡＤ１２Ｖ１７０は１２ビット、１７０ＭＳＰＳ（メガサンプルパーセコンド）ものがあり、速度にもまだ余裕がある。
レゾナントスキャナ５０１の速度が上がれば、さらに画像取得速度が上がる。また、要求仕様を満たすＭＥＭＳスキャナができれば、これを使用することも可能である。
【００３５】
ＸＹスキャナ部４０５を介して出力された測定用光Ｌは、λ／４波長板４０６によって円偏光の測定用光Ｌに変換された後、対物レンズ４０７を介して測定対象物であるシリコンウェーハ１０１に照射される。λ／４波長板４０６は偏光ビームスプリッタ４０４とともに用いて、シリコンウェーハ１０１からの反射光がレーザ光源４０１に戻らないようにするためのものである。
【００３６】
これによりシリコンウェーハ１０１は裏面１０３側から測定用光Ｌによって走査されることになるが、図８に示すようにＸＹ方向に、シリコンウェーハ１０１の１単位領域（本実施の形態ではＸ方向２０００画素×Ｙ方向２０００画素）８０１毎に測定用光Ｌで走査が行われる。
前記走査によって、各単位領域毎に各画素において、シリコンウェーハ１０１の表面１０２及び未貫通ビア１０４の底面１０５で測定用光Ｌが反射する。
【００３７】
前記反射した測定用光Ｌは、対物レンズ４０７、λ／４波長板４０６、ＸＹスキャナ部４０５、偏光ビームスプリッタ４０４を順に通過し、結像レンズ４０８及びピンホール４０９を介して光検出器４１０で検出される。
前記測定動作を、所定長単位でＺ軸方向にスキャンしながら行う。光検出器４１０によって鮮明な像が検出されたときのＺ方向位置が所定位置を基準とするシリコンウェーハ１０１の表面１０２及び未貫通ビア１０４の底面１０５の位置となる。表面１０２と底面１０５の位置の差をとることによって未貫通ビア１０４の見かけ上の深さが求められる。
【００３８】
前記動作をシリコンウェーハ１０１の全測定対象領域にわたって行うことにより、シリコンウェーハ１０１の全測定対象領域における表面１０２及び未貫通ビア１０４の底面１０５の見かけ上の位置を測定し、シリコンウェーハ１０１の全測定対象領域に設けられた未貫通ビア１０４の見かけ上の深さを測定する。
【００３９】
その後、予め情報として得ていたシリコンウェーハ１０１の屈折率を用いて、あるいは、前記測定動作開始時若しくは前記測定動作終了時に測定したシリコンウェーハ１０１の屈折率を用いて、前記見かけ上の測定値を実際の値に換算して、未貫通ビア１０４の実際の深さを算出する。例えば、未貫通ビア１０４の見かけの深さをＤＭ、空気の屈折率をｎ１、シリコンウェーハ１０１の屈折率をｎ２とすると、実際の深さＤＳはＤＭ・ｎ２／ｎ１となる。
【００４０】
尚、本実施の形態では、段差形状を測定する単位領域毎に屈折率を複数回測定してそれらの平均値を算出し、前記平均値を当該単位領域の屈折率として用いて、当該単位領域の測定値を実際の値に変換するようにしているが、シリコンウェーハ１０１全体から複数の点を選択して屈折率を測定し、それらの平均値を各単位領域に共通するシリコンウェーハ１０１の１つの屈折率として用いて、各単位領域毎の測定値を、前記１つの屈折率によって換算して実際の値を求めるようにする等、種々の変更が可能である。
【００４１】
前記仕様でシリコンウェーハ１０１に形成された、表面１０２から深さ５０μの未貫通ビア１０４の深さを測るための方法をより詳細に示せば、以下の通りである。
１．シリコンウェーハ１０１の測定を開始するために、まず自動位置決めを行う。これはシリコンウェーハ１０１表面に設けられたシリコンウェーハ１０１の位置決めマーク（図示せず）または一定以上の距離を持った複数の未貫通ビア１０４により、少なくとも２点のＸＹ（水平）位置及びＺ（垂直）位置を決めて取り込む。
これには、例えば５秒程度の時間があれば可能である。      −−−−−−−（１）
【００４２】
２．最初のシリコンウェーハ１０１内の測定チップに移動し、ＸＹＺ位置を決める。これには、例えば１秒程度の時間があれば可能である。            −−−−−−−（２）
３．次に、例えば、１画素当たり１μｍ角で２０００×２０００画素の２ｍｍ角を１単位の領域として測定を開始する。
【００４３】
４．段差構造の形状測定の最初のステップはシリコンウェーハ１０１の屈折率測定から行う。屈折率の測定は表面１０２ではなく、裏面１０３側からの測定（例えばブリュースター角による反射測定）になるため、ウェーハ１０１の厚み方向Ｚの無駄な移動を防ぐために、まずある単位（例えば２ｍｍ間隔）でシリコンウェーハ１０１全体の屈折率分布（複数の点の屈折率）を、未貫通ビア１０４を測定する全測定対象領域について測定し必要に応じて平均化により各測定値の測定誤差を低減する。例えば、未貫通ビア１０４の実際の形状を算出する際にシリコンウェーハ１０１全体について１つの屈折率を使用する場合には全測定対象領域について屈折率を平均化して１つの屈折率を算出する。また、各単位領域毎の屈折率を用いて形状を算出する場合には、各単位領域毎に複数回測定した屈折率を平均化して、各単位領域毎の屈折率を算出する。
ここで、＜３００ｍｍウェーハの回路領域はオリフラと外周部を考慮して直径３００ｍｍの面積の８５％に回路が形成されており、そのうち１０％がＴＳＶの領域である＞と仮定すると、測定の必要な面積（全測定対象領域の面積）は、
３．１４１５×１５０×１５０×０．８５×０．１＝６００８ｍｍ２
となる。２ｍｍ角の単位で屈折率を複数回測定し平均化して測定精度を上げて１箇所に付き１０ｍｓｅｃで屈折率測定および屈折率のデータ取り込みを行う場合、２ｍｍの移動時間を０．２秒とすると、１シリコンウェーハ１０１あたり、次の時間で屈折率の分布データを取り込むことになる。
０．２１秒×（６００８／４）＝３１５．４２秒              −−−−−−（３）
ここで、（６００８／４）は、全測定対象領域における取り込み領域数である。
【００４４】
５．次に、シリコンウェーハ１０１において未貫通ビア１０４の深さを測定する最初の表面１０２の位置を検出する。
これは、例えば１秒程度の時間があれば可能である。          −−−−−−（４）
６．ここから、未貫通ビア１０４の深さの測定を開始する。測定は精度を確保するために、シリコンウェーハ１０１の表面１０２から未貫通ビア１０４の深さ方向に測定することが好ましい。
戻って表面１０２位置にセットするのに、例えば０．１秒程度の時間があれば可能である。これに必要な時間は、
０．１秒×（（６００８／４）−１）＝１５０．１秒          −−−−−−（５）
【００４５】
７．深さ測定に必要な時間は、例えば、次の表１ようなステップで深さ方向（Ｚ方向）にスキャンすることで効率的に精度良く測定することができる。
【表１】
2011191285.tif 000003
【００４６】
表１で測定する場合、垂直（Ｚ）方向には１１画面の画像を取り込むことになる。測定時間は、表１から取り込み領域数をかけて、
１．４４５秒×（６００８／４）＝２１７０秒                −−−−−−（６）
１ウェーハ当たりの測定時間は、上記時間（１）から（６）を合計して、２６４２秒（４４．０４分）となる。
１日に測定できる枚数は、６０分×２４÷３９．０４分／枚＝３２．７枚となり、１ヶ月では９８１枚／３０日の測定が可能になる。
ウェーハ１枚当たりのＬＳＩの取れ数を６００とすると、５８万８千チップ／月の測定速度になる。
尚、シリコンウェーハ１０１についての前記屈折率測定は、全測定対象領域の見かけ上の形状測定が終了した時点で行うようにしてもよい。
【００４７】
次に、材料の屈折率を測定する方法について具体的に説明する。
屈折率を測定するには、分光エリプソ測定器を用いる場合とブリュースター角を測定して屈折率を求める場合の２種類が考えられる。
一般的には、分光エリプソ測定器で測る方がより精度が高いといわれるが、モデリング、マッチング等に測定時間がかかるので、時間を短縮するためにはブリュースター角を精度よく測ることの方が装置の高速化には向いている。
そこで、本実施の形態では、ブリュースター角測定から屈折率を求める方法を記載する。
但し、分光エリプソ測定器を用いて屈折率を測るようにしてもよい。
【００４８】
２つの屈折率の異なる材質の界面にある角度をもって光が入射する時、入射面に平行な偏光成分（Ｐ偏光成分）と、入射面に垂直な偏光成分（Ｓ偏光成分）とでは反射率が異なり、Ｐ偏光成分はある角度（ブリュースター角θｐ）で反射率が０まで減少し、その後増加する。Ｓ偏光成分は反射率が単調に増加する。
ブリュースター角θｐは２つの材質の屈折率ｎ１、ｎ２から次式によって求められる。
ブリュースター角θｐ＝Ａｒｃｔａｎ（ｎ２／ｎ１）
ｎ１は入射側材質（本実施の形態では空気）の屈折率、ｎ２は透過側材質（本実施の形態ではシリコン）の屈折率である。したがって、入射側材質の屈折率ｎ１が既知の場合、ブリュースター角θｐを測定することによって透過側材質の屈折率ｎ２を求めることができる。
【００４９】
例えば、ガラス（ｎ＝１．５２）の場合、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分およびブリュースター角θｐの関係は図９のように表わされる。
上記の式より、ガラス（ｎ＝１．５２）の場合、空気の屈折率ｎをｎ＝１．０００２９２とした場合、ブリュースター角θはθｐ＝５６．６５度、シリコンの屈折率が例えば同じ近赤外光でｎ＝３．４１２とすると、θｐ＝７３．６６度となる。逆に、ブリュースター角θｐを正確に求めると、正確に屈折率ｎを求めることができる。  
【００５０】
図１１は前記原理を用いて、ブリュースター角θｐ測定から測定対象物の屈折率を求める方法の説明図である。
図１１において、レーザ光源１１０１は屈折率測定用の測定用光Ｌを測定対象物に対して可変な角度で照射する光源であり、偏光板１１０２は測定用光ＬのＰ偏光成分を通過させる偏光板、受光器１１０３は測定対象で反射した測定用光Ｌを検出する光検出手段であり、これらによって、ブリュースター角測定によって屈折率を測定する屈折率測定器が構成されている。また、レーザ光源１１０１、偏光板１１０２及び受光器１１０３は屈折率測定手段を構成している。
【００５１】
レーザ光源１１０１から出射した屈折率測定用の測定用光Ｌは、空気（屈折率がｎ１）１１０４中に配置された偏光板１１０２を通って、屈折率測定の対象物であるシリコンウェーハ（屈折率がｎ２）１１０５で反射した後、受光器１１０３によってＰ偏光成分の測定用光Ｌが検出される。
レーザ光源１１０１から偏光板１１０２を介して測定用光Ｌがシリコンウェーハ１１０５に入射する角度を変えながら、受光器１１０３によってＰ偏光成分の測定用光Ｌを検出し、受光器１１０３によって検出されるＰ偏光成分が０になるときの入射角度を測定する。Ｐ偏光成分が０になるときの入射角度がブリュースター角θｐである。
屈折率測定用のレーザ光源１１０１から出力される測定用光Ｌを、段差形状測定用のレーザ光源４０１から出力される可視光、近赤外光又は赤外光と同じ波長の光とすることにより、屈折率を正確に測定することが可能になり、その結果、実際の段差形状を正確に測定することが可能になる。
【００５２】
このようにして、シリコンウェーハ１１０５の複数の点で屈折率を測定し、全測定点の屈折率をシリコンウェーハ全体の１つの屈折率として使用し、測定した形状に、屈折率による換算を行って実際の形状を算出する。あるいは、測定した各単位領域の屈折率をシリコンウェーハ１１０５の各単位領域の屈折率として使用して、形状を測定する単位領域毎に該単位領域の屈折率を用いて、測定した形状に、屈折率による換算を行って実際の形状を算出するようにしてもよい。
【００５３】
次に、図６、図７に関して説明したように、有効な測定を行えるよう、測定対象に応じて光学系の開口数ＮＡを変えるようにしており、以下、開口数ＮＡを小さくした方が有利な場合について説明する。
開口数ＮＡを小さくすることは、焦点を小さくすること、言い換えればエアリディスクを小さくすることにおいては不利になるが、図１０のようにシリコンウェーハ１０１内に高アスペクト比の未貫通ビア１０４が所定密度以上の高い密度で密集する場合は有利になることがある。
【００５４】
これはその密集した未貫通ビア１０４の壁で全反射または反射した測定用光Ｌがノイズとなり、像のコントラストを落とす場合がある。このようなときには、開口数ＮＡを小さくしたほうが正確な測定ができる。
したがって測定対象物の形状にあわせて開口数ＮＡを変えることが有効であり、例えば図１０のようにシリコンウェーハ１０１内に未貫通ビア１０４が所定値以上の密度で密集した場合にはあえて開口数ＮＡが小さくなるように変えて測定を行う。
【００５５】
本実施の形態では、共焦点測定法を用いて焦点を結ぶ位置を測定することによって段差構造の見かけ上の位置（換言すれば見かけ上の形状）を測定したが、光干渉測定法又はレーザ三角測定法を用いて反射光を測定することによって見かけ上の形状を測定し、前記測定した形状に、既知の屈折率または測定した屈折率による換算を行って実際の形状を算出するように構成してもよい。
また、本実施の形態では、屈折率測定手段として、ブリュースター角測定によって屈折率を求める手段を用いたが、分光エリプソ測定器を用いるようにしてもよい。
【００５６】
また、本実施の形態では、シリコンウェーハの屈折率を屈折率測定手段によって測定して求めるようにしたが、全体としての１つの屈折率が予め既知であれば、当該既知の屈折率を用いて、測定した形状を換算し、実際の形状を算出するようにしてもよい。また、シリコンウェーハの複数の点の屈折率が既知の場合には、形状を測定する領域毎に、測定した形状に屈折率による換算を行って実際の形状を得るようにしてもよい。
また、本実施の形態では、段差形状が設けられた材料としてシリコンウェーハの例で説明したが、可視光、近赤外光又は赤外光が透過可能な材料であれば適用可能であり、例えば、ガラス、セラミック、化合物半導体の場合にも適用可能である。
【００５７】
以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた未貫通ビア、トレンチまたはＭＥＭＳ等の段差構造を測定する測定方法において、可視光、近赤外光または赤外光の測定用光を前記段差構造が形成された面の裏側から照射し、前記測定用光が前記材料に焦点を結ぶ位置を測定することによって又は前記材料からの反射光を測定することによって前記段差構造の見かけ上の形状を測定し、予め取得した前記材料の屈折率または測定によって得た前記材料の屈折率を用いて前記測定した形状を換算して実際の形状を算出することを特徴としている。
【００５８】
また例えば、可視光、近赤外光または赤外光の測定用光Ｌを未貫通ビア１０４が形成されたシリコンウェーハ１０１の裏面１０３側から照射し、共焦点測定法により、測定用光Ｌがシリコンウェーハ１０１の表面１０２及び未貫通ビア１０４の底面１０５に焦点を結ぶ位置を測定することによって未貫通ビア１０４の見かけ上の形状を測定し、予め取得したシリコンウェーハ１０１の屈折率または屈折率を測定する屈折率測定手段によって測定したシリコンウェーハ１０１の屈折率を用いて、前記測定した見かけ上の形状を換算して未貫通ビア１０４の実際の形状を算出するようにしている。
したがって、可視光、近赤外光または赤外光が透過する材料に設けられた高アスペクト比の穴の深さ等の段差構造の形状を正確且つ高速に測定することが可能になる。
【００５９】
ここで、前記段差構造の形状測定方法として、前記測定用光が前記材料に焦点を結ぶ位置を測定することによって前記段差構造の形状を測定する共焦点測定法を用いることにより、高速且つ高精度な測定が可能になる。
また、前記段差構造の形状測定方法として、前記材料からの反射光を測定することによって前記段差構造の形状を測定する光干渉測定法を用いることにより、より高精度な測定が可能になる。
また、前記段差構造の形状測定方法として、前記材料からの反射光を測定することによって前記段差構造の形状を測定するレーザ三角測定法を用いることもできる。
また、前記屈折率測定手段にブリュースター角測定によって屈折率を測定する屈折率測定器を用いることにより、より高速な屈折率測定が可能になる。
また、前記屈折率測定手段に分光エリプソ測定器を用いることにより、より高精度な屈折率測定が可能になる。
また、前記材料の屈折率を測定する光の波長と、前記段差構造を測定する測定用光の波長を同じ波長とすることにより、より正確な屈折率測定が可能になる。
【００６０】
また、前記段差構造の形状測定開始時または形状測定終了時にまとめて、前記材料の屈折率または屈折率分布を測定対象領域の裏面から測定することにより、総測定時間を短縮化することが可能になる。
また、前記段差構造の形状測定に使用する光学系の開口数ＮＡを段差構造の形状にあわせて可変とすることにより、測定対象の形状等に応じた高精度な測定が可能になる。
【００６１】
また、シリコンウェーハの厚みのバラツキに影響されることがなく又、シリコンウェーハの裏面から表面に焦点を合わせて測定し、穴の深さ方向に焦点移動させ、全ての穴の深さのが測定できた時点で測定を終了すればよいため厚みを測る必要はない。言い換えると、例えば厚みが０．７７５ｍｍのウェーハでも穴の深さが５０μｍであり、バラツキで最も深くなった穴を例えば５５μｍとすれば、その時点で測定を終了させればいいので、測定時間が早くなる。また、穴の深さ測定おいてはウェーハ裏面の測定は全く必要ない。
したがって、高アスペクト比の穴等の段差構造の形状を、直接的に、正確に又高速に測定することが可能である。
【００６２】
また、直径２μｍ、深さ５０μｍのアスペクト比１：２５の穴の深さ等の形状を高速に測定でき、生産のインラインで生産タクトを落とさずに高速に精度よく測定することが可能になる。
また、シリコンに形成された、小さな穴（２μｍ〜１００μｍ）、直径と深さのアスペクト比が１：２５以上の大きなものであっても、アスペクト比に左右されず穴の深さ、形状の測定が可能になる。
【００６３】
また、良品のＬＳＩチップ同士を複数枚接合したときに、接合部分とその周辺に異常が発生する可能性の有無、製品出荷後に接合異常が発生する可能性の有無、マイクロクラック等が存在して、それが成長して市場不良、不良回収につながる不具合発生の可能性の有無等を三次元画像で検査することが可能になる。
また、積層したシリコンウェーハの接続部およびその周辺等の観察が同じ方法と装置で実現できるようになり、積層ウェーハ技術を支える検査、品質を出荷時だけでなく出荷後の品質の保証も実現でき、市場での品質異常、不良回収を未然に防ぐことができるようになる等の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
シリコンウェーハに設けられた微細、高アスペクト比の有底穴、階段形状等の段差構造の測定のみならず、可視光、近赤外光または赤外光が透過するシリコン以外の材料、例えば、ガラス、セラミック、化合物半導体に設けられた段差構造の測定・検査に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１０１・・・シリコンウェーハ
１０２・・・表面
１０３・・・裏面
１０４・・・未貫通ビア
１０５・・・底面
４０１、１１０１・・・レーザ光源
４０２・・・エキスパンダ
４０３・・・コリメータ
４０４・・・偏光ビームスプリッタ
４０５・・・ＸＹスキャナ部
４０６・・・λ／４波長板
４０７・・・対物レンズ
４０８・・・結像レンズ
４０９・・・共焦点ピンホール
４１０・・・光検出器
５０１・・・共振型レゾナントスキャナ
５０２・・・ガルバノスキャナ
６０１・・・アパーチャ
８０１・・・１単位領域
１１０２・・・偏光板
１１０３・・・受光器
【図１】
2011191285.tif 000004
【図２】
2011191285.tif 000005
【図３】
2011191285.tif 000006
【図４】
2011191285.tif 000007
【図５】
2011191285.tif 000008
【図６】
2011191285.tif 000009
【図７】
2011191285.tif 000010
【図８】
2011191285.tif 000011
【図９】
2011191285.tif 000012
【図１０】
2011191285.tif 000013
【図１１】
2011191285.tif 000014