(57)【要約】【課題】シリコンウエハやガラス基板等の基板に形成されたビアの底面の直径を測定できるビア形状測定装置を実現する。【解決手段】本発明のビア形状測定装置は、ウエハ（１）に対して透明な照明光を発生する光源装置と、光源装置から出射した照明光を基板に向けて投射する照明光学系（１０ａ，１０ｂ）と、ビア（２０，３０）で反射し基板の裏面から出射する反射光を集光する対物レンズ（６）と、対物レンズにより集光された反射光を受光する撮像素子（８）と、前記撮像素子から出力される画像信号から、ビアの底面の直径を求める信号処理装置（３）とを有する。ビアをウエハの表面側から裏面側に向けて進行する照明ビームで照明すると、ビア底面のエッジで全反射した反射光は光軸に平行に進行するので対物レンズにより集光され、輝度画像を形成する。よって、エッジの輝度画像間の間隔を測定することによりビア底面の直径が測定される。【選択図】  図４
2015008241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成されたビアの底面のサイズないし直径を測定するビア形状測定装置であって、
基板に対して透明な照明光を発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明光を基板に向けて投射する照明光学系と、
光軸が基板表面と直交するように配置され、前記ビアで反射し基板の裏面から出射する反射光を集光する対物光学系と、
対物レンズにより集光された反射光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子から出力される画像信号から、ビアの底面のサイズを求める信号処理装置とを有し、
前記照明光学系は、前記対物レンズの光軸を含み基板表面と直交する光入射面内において、対物レンズの光軸をはさんで互いに反対向きの入射角で基板表面に入射する第１及び第２の照明ビームを投射する第１及び第２の照明ビーム投射手段を有し、
前記信号処理装置は、前記撮像素子から出力される画像信号から、ビア底面のエッジ又はその近傍の輝度画像に対応する第１及び第２の輝度画像を検出する手段と、
検出された第１及び第２の輝度画像間の間隔を求める手段とを有することを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のビア形状測定装置において、前記前記第１及び第２の輝度画像は、前記ビアの底面のエッジ又はその近傍で全反射し、基板の裏面から出射する反射光により形成されることを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のビア形状測定装置において、前記光源装置は直線偏光した照明光を放出し、前記第１及び第２の照明ビーム投射手段は、Ｐ偏光した第１及び第２の照明ビームを、ブリュースター角にほぼ等しい入射角で前記基板の表面又は表面と対向する裏面に向けて投射することを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のビア形状測定装置において、前記照明光学系は、前記光源装置に光学的に接続した２本の偏波面保存ファイバを有し、これら偏波面保存ファイバは、シリコンウエハのビアが形成されている表面又は表面と対向する裏面に向けて、ブリュースター角にほぼ等しい入射角でＰ偏光した第１及び第２の照明ビームを投射することを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載のビア形状測定装置において、前記偏波面保存ファイバの先端には、コリメータレンズとして作用する光学素子が固定され、Ｐ偏光した照明ビームのほぼ全体がブリュースター角でシリコンウエハの表面又は裏面に投射されることを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載のビア形状測定装置において、前記基板として、ビアが形成されている表面に反射性の配線層が形成されたシリコンウエハが用いられ、
前記第１及び第２の照明ビームは、シリコンウエハの裏面にブリュースター角にほぼ等しい入射角で投射され、
前記対物レンズは、シリコンウエハの裏面を透過し、当該ウエハの表面に形成された配線層で反射し、さらにビアの底面のエッジ又はその近傍で全反射し、シリコンウエハの裏面から出射する反射ビームを集光することを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項７】
請求項１から５までのいずれか１項に記載のビア形状測定装置において、前記基板として、ビアが形成されている表面に配線層が形成されていないシリコンウエハが用いられ、
前記第１及び第２の照明ビームは、シリコンウエハのビアが形成されている表面に向けてブリュースター角にほぼ等しい入射角で投射され、
前記対物レンズは、シリコンウエハの表面を透過し、さらにビアの底面のエッジ又はその近傍で全反射し、シリコンウエハの裏面から出射する反射ビームを集光することを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のビア形状測定装置において、前記対物レンズの瞳位置に瞳フィルタが配置され、基板の裏面から出射した反射光のうち所定の角度範囲の反射光だけが撮像素子に入射するように構成したことを特徴とするビア形状測定装置。
【請求項９】
基板の表面に形成されたビアの底面を検査するビア検査装置であって、
基板に対して透明な照明光を発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明光を基板の裏面に向けて投射する照明光学系と、
光軸が基板表面と直交するように配置され、前記ビアで反射し基板の裏面から出射する反射光を集光する対物レンズと、
対物レンズにより集光された反射光を受光する撮像素子と、
光検出手段から出力される画像信号から、ビアの底面の湾曲状態を検査すると共にビアの底面の直径を検出する信号処理装置とを有し、
前記照明光学系は、前記対物レンズの光軸を含み基板表面と直交する光入射面内において、対物レンズの光軸をはさんで互いに反対向きの入射角で基板表面に入射する第１及び第２の照明ビームを投射する第１及び第２の照明ビーム投射手段を有し、
前記信号処理装置は、前記撮像素子から出力される画像信号から基板の２次元画像を形成する画像形成手段と、
形成された２次元画像から、ビア底面のエッジ又はその近傍の輝度画像に対応する２つの輝度画像から成る第１の輝度画像対を検出する手段と、
検出された第１の輝度画像対の２つの輝度画像間の間隔を測定する手段とを有することを特徴とするビア検査装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のビア検査装置において、前記基板として、ビアが形成されている表面に反射性の配線層が形成されたシリコンウエハが用いられ、
前記第１及び第２の照明ビームはシリコンウエハの裏面に向けて投射され、
前記信号処理装置は、さらに、前記画像形成手段により形成された２次元画像から、前記第１の輝度画像対の２つの輝度画像間の間隔よりも短い間隔で形成される２つの輝度画像より成る第２の輝度画像対を検出する手段、及び検出された第２の輝度画像対の輝度画像間の間隔を測定する手段を有し、検出された第１及び第２の画像対の輝度画像間の間隔情報に基づいてビアの良否判定を行うことを特徴とするビア検査装置。  
【請求項１１】
請求項１０に記載のビア検査装置において、前記第１及び第２の照明ビームは、シリコンウエハの裏面に向けてブリュースター角にほぼ等しい入射角で投射され、
前記対物レンズは、シリコンウエハの裏面を通過し、当該ウエハの表面に形成された配線層で反射し、さらにビアの底面のエッジ又はその近傍で全反射し、シリコンウエハの裏面から出射する反射光、及び、シリコンウエハの裏面を通過し、ビアの底面で反射した反射光を集光することを特徴とするビア検査装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のビア検査装置において、前記第１の輝度画像対は、前記基板の裏面を通過し、基板の表面に形成された配線層で反射し、前記ビアの底面のエッジ又はその近傍で全反射し、ウエハの裏面から出射する反射光により形成され、
前記第２の輝度画像対は、前記基板の裏面を通過し、ビアの底面で反射し、ウエハの裏面から出射する反射光により形成されることを特徴とするビア検査装置。
【請求項１３】
請求項９に記載のビア検査装置において、前記基板として、ビアが形成されている表面に反射性の配線層が形成されていないシリコンウエハが用いられ、
前記第１及び第２の照明ビームは、ビアが形成されているウエハの表面に向けてブリュースター角にほぼ等しい入射角で投射され、
前記対物レンズは、シリコンウエハの表面を通過し、ビアの底面のエッジ又はその近傍で全反射した反射光を集光することを特徴とするビア検査装置。
【請求項１４】
請求項９から１３までのいずれか１項に記載のビア検査装置において、前記基板は、主走査方向及びこれと直交する副走査方向にジッグザッグ状に移動するステージ上に配置され、ステージの主走査方向は前記光入射面と直交するように設定されていることを特徴とするビア検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウエハのような基板に形成されたビアホールの底面のサイズないし直径を測定するビア形状測定装置及びビアの底面を検査するビア検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代シリコンの３次元実装技術として、TSV（Through Silicon Via）技術が開発されている。TSV技術では、シリコンウエハに配線層を形成する前又は配線層の形成後において、RIEエッチングにより直径が５μｍ程度で深さが５０μｍ程度のビアホールが形成されている。続いて、ビアホールの側壁に絶縁膜が形成された後、銅メッキ処理によりビアの内部に銅が埋め込まれ、柱状電極が形成されている。ビアの内部に銅を充填した後、ウエハの裏面は、銅の柱状電極の先端が露出するようにバックグラインドされると共に、ウエハの表面側に突起電極（バンプ）が形成される。柱状電極及びバンプが形成された後、シリコンダイは積層され、シリコンウエハを貫通する柱状電極とバンプとが電気的に接続される。
【０００３】
積層したシリコンダイ同士は、柱状電極とバンプとにより電気的に接続されるので、柱状電極の先端部分の形状はコンタクトの安定性に影響を与える可能性がある。従って、柱状電極を形成するためにウエハに形成されるビアの先端部分の形状を正確に検査できると共にビア底面の直径を測定できる検査装置の開発が要請されている。すなわち、ビアの底面の直径が不正確な場合、柱状電極の先端の直径が基準値からずれてしまい、柱状電極とバンプとの間の電気的な接続が不安定になってしまう。また、ビアの底面の湾曲状態が規定値よりもずれた場合、例えば底面の曲率半径が規定値よりも小さい場合、柱状電極の先端が先鋭になり、同様にバンプとの間の電気的接続が不安定になってしまう。従って、ビアのエッチング底面のサイズないし直径を正確に測定すること及びビアのエッチング底面の形状を検査することがTSV技術を開発する上で急務の課題となっている。
【０００４】
シリコンウエハに形成されたビアの底面を観察する方法として、ビアが形成されているウエハの表面側から落射照明を行い、明視野観察する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、照明光はビアの内部に十分に入射しないため、ビア全体が暗く観察され、ビアの底面を検査することは困難であった。
【０００５】
また、シリコンウエハの裏面側から落射照明を行い、ビアの底面を明視野観察する方法も考えられ。しかしながら、この方法では、ビアの中央部だけが明るく観察され、底面のエッジ付近は側壁部を含めて全体的に暗く、底面の直径を正確に測定することは困難であった。また、共焦点レーザ顕微鏡を用いてウエハの裏面側からビアの形状を観察することも既知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、ウエハ表面をSEMを用いて観察することも想定される。しかし、SEMを用いて底面を観察する場合、底面から発生する２次電子の収率が低く、ビアの底面を明瞭に観察することは困難であった。
【０００７】
さらに、シリコンウエハの内部に存在する欠陥を検出する検査装置として、シリコンウエハの裏面又は表面に向けて照明ビームをブリュースター角で投射し、欠陥で発生する散乱光を対物レンズにより集光する検査装置が既知である（例えば、特許文献２参照）。この既知の検査装置では、照明ビームをブリュースター角に等しい入射角で投射し、欠陥により発生した散乱光はウエハの裏面又は表面から出射し対物レンズにより集光されている。従って、照明光の大部分がシリコンの内部に進入するため、暗視野照明により欠陥検出が行われ、高精度な欠陥検出が行われている。
【特許文献１】特開２０１１−１９１２８５号公報
【特許文献２】特許第５１５８５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、柱状電極を形成するためのビアの底面の直径や湾曲度の測定は、柱状電極とバンプとの間で安定した電気的接続を確立する上で極めて重要である。しかしながら、共焦点レーザ顕微鏡を用いてシリコンウエハの裏面側からビアを観察する方法を記載した特許文献１には、ビアの深さ測定について言及されているが、ビアの底面の直径を測定することについて言及されていない。また、ビアの底面の湾曲度を検査することについても言及されていない。また、特許文献２に記載された検査装置は、異物から発生する散乱光を検出しているので、ウエハの内部に存在する欠陥を検出する検査装置として有効である。しかし、ビアの底面の直径を測定することができず、またビアの底面の湾曲度等を測定するように適合していない。
【０００９】
本発明の目的は、シリコンウエハやガラス基板等の基板に形成されたビアの底面のサイズないし直径を測定できるビア形状測定装置を実現することにある。
また、本発明は、ビアのエッチング底面の形状及びビアに埋め込まれた絶縁膜や金属材料を高速で検査できるビア検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるビア形状測定装置は、基板の表面に形成されたビアの底面の直径を測定するビア形状測定装置であって、
基板に対して透明な照明光を発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明光を基板に向けて投射する照明光学系と、
光軸が基板表面と直交するように配置され、前記ビアで反射し基板の裏面から出射する反射光を集光する対物レンズと、
対物レンズにより集光された反射光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子から出力される画像信号から、ビアの底面の直径を求める信号処理装置とを有し、
前記照明光学系は、前記対物レンズの光軸を含み基板表面と直交する光入射面内において、対物レンズの光軸をはさんで互いに反対向きの入射角で基板表面に入射する第１及び第２の照明ビームを投射する第１及び第２の照明ビーム投射手段を有し、
前記信号処理装置は、前記撮像素子から出力される画像信号から基板の２次元画像を形成する画像形成手段と、
形成された２次元画像から、ビア底面のエッジ又はその近傍の輝度画像に対応する第１及び第２の輝度画像を検出する手段と、
検出された第１及び第２の輝度画像間の間隔を求める手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、シリコンウエハの表面に形成されたビアのサイズないし直径を測定する方法として、ビアが形成されている表面側から裏面側に向けて進行する照明ビームを用いる。この照明ビームがビアに入射すると、ビア底面のエッジ又はその近傍において全反射し、ビアの中心軸線ないし対物レンズの光軸と平行に進行する反射光としてウエハから出射する。従って、ビアの底面のエッジ及びその近傍を円弧状の輝度画像として撮像することができる。一方、対物レンズは限られた集光角の範囲を有するので、このような照明ビームがビア底面のエッジ以外の部位に入射すると、ウエハの裏面で大きく屈折し、ほとんどの反射光は対物レンズの集光範囲から大きく外れて出射する。従って、ビア底面のエッジ及びその近傍を暗視野照明と同様な照明状態で明瞭に検出することができる。よって、対物レンズの光軸をはさんで互いに反対側から照明すれば、ビア底面の互いに対向するエッジの画像が形成できるので、２次元画像を用いてビア底面の対向するエッジの位置を検出することができ、２つのエッジ間の間隔を測定することにより、ビア底面のサイズないし直径を測定することができる。
【００１２】
ビアをウエハの表面側から裏面側に向けて進行する照明ビームを形成する方法として、シリコンウエハのビアが形成される表面に反射性の配線層が形成されている場合、裏面側から照明ビームを投射すれば、照明ビームは配線層で反射し、表面側から裏面側に進行する照明ビームを形成する。一方、ウエハの表面に配線層が形成されていない場合、ウエハの表面に照明ビームを投射すれば、表面側から裏面側に進行する照明ビームを形成することができる。
【００１３】
本発明によるビア検査装置は、基板の表面に形成されたビアの底面を検査するビア検査装置であって、
基板に対して透明な照明光を発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明光を基板の裏面に向けて投射する照明光学系と、
光軸が基板表面と直交するように配置され、前記ビアで反射し基板の裏面から出射する反射光を集光する対物レンズと、
対物レンズにより集光された反射光を受光する撮像素子と、
光検出手段から出力される画像信号から、ビアの底面の湾曲状態を検査すると共にビアの底面の直径を検出する信号処理装置とを有し、
前記照明光学系は、前記対物レンズの光軸を含み基板表面と直交する光入射面内において、対物レンズの光軸をはさんで互いに反対向きの入射角で基板表面に入射する第１及び第２の照明ビームを投射する第１及び第２の照明ビーム投射手段を有し、
前記信号処理装置は、前記撮像素子から出力される画像信号から基板の２次元画像を形成する画像形成手段と、
形成された２次元画像から、ビア底面のエッジ又はその近傍の輝度画像に対応する２つの輝度画像から成る第１の輝度画像対を検出する手段と、
検出された第１の輝度画像対の２つの輝度画像間の間隔を測定する手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明によるビア検査装置では、２つの輝度画像から成る輝度画像対を検出し、２つの輝度画像間の間隔を測定することによりビアの直径が求められるので、検出された２つの輝度画像間の間隔を基準値と比較することにより、シリコンウエハ等の各種基板に形成されたビアの良否判定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、基板に形成されたビアの底面のエッジ又はその近傍が周囲から識別できる輝度画像として撮像されるので、照明ビームを用いて基板を走査することにより得られる輝度画像からビア底面の直径を求めることができる。
さらに、本発明では、光軸をはさんで対向する２本の照明ビームを用いて基板を走査することによりビア底面の直径が求められるので、ビアの検査を高速で行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるビア検査装置の光学系の一例を示す図である。
【図２】照明ビーム投射部の一例を示す図である。
【図３】シリコンウエハの内部を伝搬する照明光線と対物レンズの集光角との関係を示す図である。
【図４】本発明によるビア形状測定装置の原理を説明するための図である。
【図５】ウエハに入射した照明ビームの進行状態をより詳細に示す図である。
【図６】撮像素子により撮像されるビア底面の２次元画像を示す図である。
【図７】ウエハ表面に金属の配線層が形成されていないシリコンウエハを検査する実施例を示す図である。
【図８】瞳フィルタを用いて角度分解能を改良した実施例を示す図である。
【図９】本発明による検査装置の検査アルゴリズムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本例では、検査すべき基板として、表面側にデバイス及び反射性の配線層（金属配線層）が形成されると共にTSV用のビアホールがエッチング形成されているシリコンウエハを用いる。そして、シリコンウエハの裏面側から照明ビームを投射し、ビアで反射した反射光、すなわちビアの内壁表面と空気との界面で反射した反射光を対物レンズにより集光する。対物レンズにより集光された反射光は光検出手段に入射し、光検出手段から出力される画像信号に基づいてビア底面の直径を測定し、ビアの底面の湾曲度を検査する。勿論、金属の配線層が形成されていないシリコンウエハについて検査する場合、ビアホールがエッチング形成されている表面側から照明ビームを投射してビア底面の直径を測定することができる。
【００１８】
柱状電極とバンプとの間に良好な電気的接続を確立するためには、正常な底面形状のビアが形成されることが必要であり、ビアの底面の検査のパラメータとして底面の直径を計測することにより、ウエハに形成されたビアの良否判定を行うことができ、ビアの底面ないし先端部分の直径を測定し、基準値と比較することによりビアについての欠陥検査を行うことができる。基準値との比較検査として、例えばビアの底面のエッジの画像を撮像し、ダイ対ダイ比較検査により不良なビア及びそのアドレスを検出することが可能である。尚、本発明は、検査すべき試料としてガラス基板を用い、ガラス基板に形成されたビアやトレンチの底面の直径を測定し底面の湾曲度を検査する場合にも適用される。
【００１９】
図１は本発明によるビア検査装置の光学系の一例を示す図であり、図２は、図１に示すビア検査装置の照明ビーム投射部の構成を対物レンズの光軸方向から見た平面図である。検査されるべきシリコンウエハ１はステージ２上に載置する。ステージ２として、第１の方向（Ｘ方向）及び第１の方向と直交する第２の方向（Ｙ方向）に移動可能なＸＹステージが用いられ、ウエハ１を支持すると共に走査系を構成する。ステージ２は、信号処理装置３から供給される駆動信号によりＸ方向及びＹ方向にジッグザグ状に移動し、検査されるシリコンウエハ１の裏面は照明ビームによりその全面が走査される。ステージ２には位置センサ４が連結され、移動中のステージのＸ方向及びＹ方向の位置が検出され、位置情報として信号処理装置３に供給される。信号処理装置３は、入力した位置情報を用いて異常が認められたビアのアドレスを特定する。
【００２０】
照明ビーム投射部５から、ステージ上に載置されたシリコンウエハ１に向けて光学的に透明な波長域の照明ビームを投射する。本例では、照明ビームを投射する手段として２本の偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂを用いる。これら偏波面保存ファイバから照明ビームが投射され、シリコンウエハ１に照明エリアを形成する。本例では、偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂは、シリコンウエハに対してＰ偏光した照明光をブリュースター角（７４°）にほぼ等しい入射角で投射する。従って、シリコンウエハ１の表面における反射率はほぼ零となり、投射された照明光の大部分はシリコンウエハの内部に進入する。尚、偏波面保存ファイバの先端にはコリメータレンズとして機能するGINレンズ又はロッドレンズが装着され、偏波面保存ファイバから全体が平行な照明ビームが放出される。
【００２１】
シリコンウエハ１の表面（ステージ２と直接対向する側）には金属の配線層が形成されているので、照明ビームは、ウエハ１の裏面を透過し、表面側の配線層との界面で反射し、ウエハの表面に形成さているビアを照明する。そして、ビアの底面のエッジ付近においてビアの内壁と空気との界面で反射し、ウエハ１の裏面を通過して対物レンズ（対物光学系）６により集光される。また、ビアの底面に入射した照明光は、その一部の照明光は底面の内壁と空気との界面でフレネル反射し、ウエハの裏面を透過して対物レンズ６に入射する。対物レンズ６は、その光軸がシリコンウエハ１の面と直交するように配置する。
【００２２】
対物レンズ６により集光された反射光は、結像レンズ７を経て撮像素子８に入射する。本例では、撮像素子としてラインＣＣＤセンサを用いる。ラインセンサ以外の撮像素子として、TDIセンサ、２次元CCDセンセやCMOSセンサを用いることができる。撮像素子８から出力された画像信号は信号処理装置３に供給され、信号処理装置３はシリコンウエハの全面の２次元画像を形成する。そして、形成された２次元画像からビアで反射した反射光に基づいてビアの２次元画像が形成され、ビアの２次元画像からビア底面の直径が計測されると共にビア底面の湾曲度が検査される。
【００２３】
次に、照明ビームの投射方法について説明する。図２は、対物レンズの光軸方向にそって照明ビーム投射部５を見た平面図である。図１及び図２を参照して、照明ビーム投射部５について説明する。照明ビーム投射部は、シリコンウエハ１の裏面（デバイス及び配線層が形成されていない面）に向けて照明ビームを投射する２本の偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂと、これら偏波面保存ファイバを支持する支持プレート１１と、偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂを支持プレート１１に固定するための押えプレート１２とを有する。２本の偏波面保存ファイバは、それらの先端側は被覆が取り除かれた状態に維持する。そして、支持プレート１１には、照明エリアを挟んで対向する２つのＶ溝が形成され、これらＶ溝中に偏波面保存ファイバを配置し、接着剤により固定する。さらに、各Ｖ溝中に偏波面保存ファイバをそれぞれ配置した状態で押えプレート１２を接着剤により取付け、２本の偏波面保存ファイバを固定する。
【００２４】
支持プレート１１に形成されたＶ溝は、試料表面に対して試料のブリュースター角にほぼ等しい入射角で照明ビームが入射するように傾斜を設ける。例えば、シリコンウエハに形成されたビアを検査する場合、近赤外域の波長光（例えば、１３００ｎｍの波長光）を用いた場合シリコン材料のブリュースター角は約７４°であるため、各偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂ光出射端から出射する照明ビームがシリコンウエハ１の表面に対して７４°の入射角で入射するように偏波面保存ファイバを支持する。尚、試料の光学特性に応じてブリュースター角が相違するため、検査すべき試料の光学特性に応じて対応するブリュースター角に等しい入射角で照明できるように、傾斜角度が設定された支持プレートを用意することが望ましい。尚、本例では、照明ビームはブリュースター角に等しい入射角で投射する構成としたが、ブリュースター角以外の入射角で照明ビームを投射することも可能である。
【００２５】
２本の偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂは、対物レンズ６の光軸を含みシリコンウエハの表面と直交する光入射面内に互いに対向するように配置される。すなわち、２本の偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂは、ブリュースター角（７４°）にほぼ等しい入射角で照明ビームを投射し、照明エリアを照明する。従って、シリコンウエハに形成される照明エリアは、互いに反対の２方向からブリュースター角で照明されることになる。  
【００２６】
図３は、シリコンウエハの内部を伝搬する照明光線と対物レンズの集光角との関係を示す。本例では、対物レンズとして、倍率が５０倍で開口数が０．６の対物レンズについて説明する。シリコンウエハの屈折率は３．５であり、厚さは７７５μｍ（φ３００ｍｍウエハの場合）とする。本例のシリコンウエハは、裏面に金属の反射層が形成されている。波長が１３００ｎｍの照明ビームをシリコンウエハに投射する場合、ブリュースター角はほぼ７４°である。照明ビームをブリュースター角に等しい入射角でシリコンウエハに投射すると、シリコンウエハの表面で屈折し、１６°の屈折角でウエハの内部を伝搬する。
【００２７】
ＮＡ＝０．６の対物レンズの集光角は、計算によれば、約３７°である。この角度で照明ビームがシリコンウエハの表面に入射した場合、ウエハ表面における屈折角は約１０°となる。従って、ビアの内壁とビア内部の空気との界面で全反射し又はフレネル反射した反射ビームが対物レンズの光軸に対して±１０°の角度範囲内でウエハの内部を伝搬する場合、ビアで反射した反射ビームは対物レンズにより集光され、それ以外の角度でウエハの内部を伝搬する光線は対物レンズにより集光されず、２次元画像の形成に寄与しないことになる。
【００２８】
図４は本発明によるビア形状測定装置の原理を示す図である。シリコンウエハ２０は表面２０ａと裏面２０ｂを有し、その表面２０ａにビア２１が形成される。尚、シリコンウエハの深さ方向の寸法は縮小して図示する。ビア２１はRIEエッチングにより形成され、断面が円形の細孔である。ビアは側壁２１ａと底面２１ｂとを有する。また、ビアの中心軸線をＬで示し、中心軸線Ｌはウエハの表面２０ａ及び裏面２０ｂと直交すると共に対物レンズの光軸と平行である。RIEエッチングの特性より、底面２１ｂは連続した湾曲面として形成される。このビアの底面２１ｂは、側壁とつながる部位（エッジ部分）は中心軸線Ｌと平行であり、底面２１ｂの中央部は中心軸線Ｌと直交する。すなわち、ビアの底面は、中心軸線Ｌに対して０°の角度から９０°の角度まで連続的に変化する湾曲面である。
【００２９】
本例では、ウエハの表面２０ａに対してブリュースター角に等しい入射角で照明ビームを投射する。照明ビームは平行光束とする。照明ビームは、ウエハの表面２０ａで１６°の屈折角で屈折し、ウエハの内部に進入する。ここで、光線ｂ1は、屈折した後、ビアをかすめてウエハの裏面２０ｂに入射し、７４°の屈折角で屈折し、外部に出射する。この照明光線ｂ1は、対物レンズの集光範囲から大幅にはずれるため、対物レンズにより集光されない。
【００３０】
次に、光線ｂ3は、ビアの側壁２１ｂに入射し、全反射し、ウエハの裏面２０ｂに入射する。そして、７４°の屈折角で屈折し、外部に出射する。この照明光線ｂ3も対物レンズの集光角の範囲からは大幅にはずれるため、対物レンズにより集光されない。
【００３１】
次に、ビアの底面のエッジ又はその近傍に入射する照明光線について説明する。光線ｂ2は、ウエハの表面２０ａで１６°の屈折角で屈折し、ウエハの内部に進入し、ビアのエッジである側壁と底面との境界付近に入射する。この場合、入射した部位がビアの中心軸線Ｌに対して８°の傾斜角をなす場合、照明光線ｂ2は、当該部位で全反射しビアの中心軸線Ｌと平行な反射光線となりウエハの裏面２０ｂに入射し、そのまま出射する。この反射光線は、対物レンズの集光角の範囲内であるため、対物レンズにより集光される。すなわち、ビア底面のエッジ付近は、中心軸線Ｌに対して僅かに傾斜した湾曲面であるため、エッジ又はその近傍に入射した照明光線は、ビアの内壁と空気との界面で全反射し、中心軸線にほぼ平行ないし平行に近い状態でウエハの裏面２０ｂに入射するため、対物レンズにより集光され、底面のエッジの画像を形成する。従って、ビアをはさんで互いに反対側から照明ビームを投射し、対物レンズにより集光される光線間の間隔Ｄ１を測定することによりビア底面のエッジ間の距離が測定される。ここで、ビア底面のビアの中心軸線に対して８°の角度をなす部位は、底面と側壁との交差部近傍に位置するので、底面のエッジの位置とみなすことができる。
【００３２】
上述したように、ウエハの内部を表面側から裏面に向けて進行する照明ビームを用いてビアのエッジを照明した場合、エッジからずれた位置に入射した照明光線は対物レンズの集光範囲からはずれ、エッジ又はその近傍に入射した照明光線だけが対物レンズにより集光される。従って、ビアをはさんで互いに反対の方向からビア底面のエッジを照明することにより、エッジの２次元画像が撮像され、２つのエッジ像間の間隔を測定することによりビア底面の直径を測定することができる。
【００３３】
図５はウエハ裏面から照明する場合の照明ビームの進行状態をより詳細に示す。尚、図面を明瞭にするため、シリコンウエハの深さ方向の寸法は縮小して図示する。本例では、検査の対象として、表面に金属の配線層３１が形成されているシリコンウエハ３０を用い、シリコンウエハ３０に形成されたビア３２を検査する。ビア３２は、断面が円形な側壁部３２ａと底面３２ｂを有する。ビア３２は、RIEエッチングにより形成されるので、側壁はウエハの表面と直交し、底面３２ｂは、光軸に対して０°（エッジ部）から９０°（ビアの中央部）にわたって凸状に連続的に湾曲した湾曲面を形成する。
【００３４】
図面上、ビア３２をはさんで左側から第１の照明ビームＢＬがブリュースター角（７４°）で投射され、右側から第２の照明ビームＢＲがブリュースター角で投射される。これら照明ビームＢＬ及びＢＲは、ビーム全体が平行な平行光束とする。ステージ上に配置されたシリコンウエハ３０はステージ移動により紙面と直交する方向に向けて相対移動し、照明ビームは静止状態とする。従って、シリコンウエハ３０は、互いに反対向きのブリュースター角に等しい入射角で入射する２本の照明ビームにより２次元的に走査される。尚、図面を明瞭にするため、第１の照明ビームＢＬは照明光線ｂ１〜ｂ７を用いて説明するが、第２の照明ビームＢＲは、入射方向の向きが反対方向であり、その他は第１の照明ビームＢＬと同一であるため、詳細な説明は省略する。
【００３５】
照明光線ｂ１は、ブリュースター角でシリコンウエハ３０の裏面に入射し、１６°の屈折角で屈折し、進行する。そして、シリコンウエハの表面側に形成された金属の配線層３１で反射し、ウエハの裏面で屈折し、ウエハから７４°の出射角で出射する。この照明光線ｂ１は、対物レンズの集光角の範囲を大きく超えるため、対物レンズにより集光されない。
【００３６】
照明光線ｂ２も同様に、シリコンウエハの裏面で屈折し、金属の配線層で反射し、ウエハの外部に出射する。この照明光線も対物レンズの集光範囲を超えるため、対物レンズにより集光されない。
【００３７】
照明光線ｂ３は、ウエハの裏面で１６°の屈折角で屈折し、配線層２１で反射し、さらにビアの底面のエッジ付近に入射する。この場合、照明光線がビアに入射すると、シリコンと空気の屈折率の関係より、照明光線はビアの内壁と空気との間の界面で全反射する。この際、ビアの底面が対物レンズの光軸に対して８°の角度をなす場合、エッジ付近に入射した照明光線ｂ３は、ビアの底面のエッジ付近で全反射し、光軸と平行な反射光線となり、ウエハから出射する。この反射光線は、対物レンズにより集光され、輝度画像を形成する。
【００３８】
照明光線ｂ４は、配線層３１で反射してビアの側壁２２ａに入射する。この光線は、ビアの側壁で反射し、再び配線層２１で反射し、ウエハの内部を進行し、裏面から７４°の出射角で出射する。この光線も、対物レンズの集光範囲を大幅に超え、対物レンズにより集光されない。
【００３９】
照明光線ｂ５は、ウエハの裏面で屈折した後、ビアの底面３２ｂに入射する。この照明光線の一部は、ビア底面と空気との界面でフレネル反射する。この場合、入射した底面の部位がビアの中心軸線Ｌに対して８２°の角度をなす湾曲面の場合、フレネル反射した反射光は対物レンズの光軸と平行になり、そのままウエハから出射し、対物レンズにより集光される。従って、底面が中心軸線に対して８２°の角度をなす部位及びその近傍に入射した場合、輝度画像を形成する。
【００４０】
さらに、照明光線ｂ６は、ビアの底面２２ｂに入射し、その一部は反対方向にフレネル反射し、裏面から出射する。この反射光も対物レンズの集光角の範囲を超えるため、対物レンズにより集光されない。
【００４１】
さらに、照明光線ｂ７は、ウエハの裏面で屈折し、ビアはさんで反対側の配線層に入射し、配線層で反射してウエハの裏面から出射する。この光線も対物レンズにより集光されない。
【００４２】
上述したように、ウエハに形成されたビア及びその近傍を平行光束の照明ビームにより照明すると、ビアの底面の光軸に対して８°及び８２°の角度をなす部位から発生する反射光だけが対物レンズにより集光され、それぞれ輝度画像を形成する。尚、図３を用いて説明したように、対物レンズは集光角について範囲を有するので、８±α°及び８２±α°の角度の部位からの反射光も輝度画像を形成する。
【００４３】
反対向きの照明ビームＢＲについても同様であり、ビアの中心軸線Ｌに対して８°及び８２°の角度をなす部位から発生する反射光だけが対物レンズにより集光され、それぞれ輝度画像を形成する。
【００４４】
ここで、ビア底面が中心軸線に対して８°の傾斜角をなす部位は、底面のエッジ近傍であるため、８°の傾斜角をなす部位は底面のエッジとみなすことができる。
【００４５】
図６はシリコンウエハを照明ビームにより照明することにより、撮像素子８により撮像されるビア底面の２次元画像（輝度画像）を示す。ビア底面３２ｂの中心軸線に対して８°角度をなす傾斜面の反射画像４０Ｒ及び４０Ｌから成る第１の輝度画像対が撮像され、底面の傾斜角が８２°の部位の反射画像４１Ｒ及び４１Ｌから成る第２の輝度画像対が撮像される。ビア３２は円形の孔であるため、反射画像４０Ｒ及び４０Ｌ並びに４１Ｒ及び４１Ｌは、円弧状の輝度画像となる。ここで、第１の輝度画像対の輝度画像４０Ｒと４０Ｌとの間の間隔Ｄ１はビア底面のエッジ間距離、すなわち直径に対応する。従って、画像処理技術を用い、形成された２次元画像から円弧状の輝度画像を検出し、２つの円弧状の輝度画像間の間隔を測定することによりビア底面の直径が求められる。求めた２つの輝度画像間の間隔を基準値と比較することにより、ビア底面が規定通りに形成されているか否か検査され、基準値からずれている場合欠陥と判定することができる。
【００４６】
傾斜角が８２°の部位の２つの画像４１Ｒと４１Ｌとの間の間隔Ｄ２は、ビア底面の湾曲度に対応する。すなわち、底面の湾曲度が先鋭な場合、第２の輝度画像対の２つの輝度画像４１Ｒと４１Ｌとの間の間隔は短くなる。従って、傾斜角が８２°の部位の反射画像４１Ｒと４１Ｌとの間の間隔Ｄ２を測定することにより、ビア底面が基準の形状ないし基準の湾曲度に形成されているか判断でき、間隔が基準値よりも短い場合、欠陥と判定することができる。  
【００４７】
次に、ビアが形成されているウエハ表面に反射性の配線層が存在しない場合について説明する。この場合、図４に基づいて説明したように、シリコンウエハのビアが形成されている表面側から照明ビームを投射し、ビアで反射し、ウエハの裏面から出射する反射光を検出し、２次元画像（輝度画像）を形成することによりビア径を測定することができる。
【００４８】
さらに、図７はウエハ表面に金属の配線層が形成されていないシリコンウエハを検査する別の実施例を示す。図７において、図１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付する。本例では、２本の偏波面保存ファイバ１０ａ及び１０ｂの出射側に、回転可能な１／２波長板５０ａ及び５０ｂをそれぞれ配置する。１／２波長板５０ａ及び５０ｂを回転調整することにより、光源から出射した照明ビームをＰ偏光とＳ偏光との間で切り換えることができる。従って、金属の配線層が形成されているシリコンウエハを検査する場合１／２波長板を調整してＰ偏光を投射し、金属の配線層が形成されていないシリコンウエハを検査する場合Ｓ偏光を出射するように調整する。Ｓ偏光の照明ビームは、シリコンウエハ１の裏面を透過し、ウエハの内部を伝搬し、ウエハの表面においてフレネル反射する。よって、表面でフレネル反射した照明ビームを利用することにより、表面側から裏面に向けて進行する照明ビームによりビアを照明することができる。  
【００４９】
図８は瞳フィルタを用いて角度分解能を改良した実施例を示す。本例では、対物レンズの瞳位置又はリレーレンズを介して瞳と共役な位置に瞳フィルタ５０を配置する。瞳フィルタは、基板のビアで反射した反射光のうち、特定の角度範囲で進行する反射光だけを選択的に通過させる。従って、瞳フィルタを用いることにより、ビアの底面のように、湾曲度が緩やかに変化する場合高い角度分解能で観察することができ、底面の良否判定に有益である。
【００５０】
瞳フィルタ５０は、入射光を遮光する遮光部５０ａと入射光を通過させる光透過部５０ｂとを有する。図８（Ａ）〜（Ｃ）の上段は、３種類の瞳フィルタを示す。図８（Ａ）の瞳フィルタは、光軸に対してエッジ部が３°傾斜し、底面が７７°傾斜した部位を検出して検査する場合に有効である。図８（Ｂ）の瞳フィルタは、光軸に対してエッジ部が８°傾斜し、底面が８２°傾斜した部位を検出して検査する場合に有効である。さらに、図８（Ｃ）の瞳フィルタは、光軸に対してエッジ部が１３°傾斜し、底面が８８°傾斜した部位を検出する場合に有効である。
【００５１】
次に、検査装置のアルゴリズムについて説明する。図９は信号処理装置における検査アルゴリズムの一例を示す図である。撮像素子８から出力される画像信号は増幅器６０により増幅され、Ａ／Ｄ変換器６１によりデジタル信号に変換され、信号処理装置８に供給される。また、位置センサ４から出力されるシリコンウエハの位置情報も信号処理装置に供給され、位置情報として利用する。
【００５２】
位置センサ入力した画像信号は、２次元画像形成手段６２に供給され、シリコンウエハの２次元画像が形成される。本例では、ダイ対ダイ比較検査により欠陥を検出する。例えば、所定の位置にビアが形成されていない場合、或いはビアの直径が基準値から外れている場合、さらに所定の位置に円弧状の輝度画像が形成されていない場合、画像比較検査により欠陥ビアを検出することができる。１つのダイの２次元画像情報は画像メモリ６３に供給される。続いて、次のダイの２次元画像が形成され、順次比較手段６４に供給される。比較手段６４は、入力する２つの画像信号を比較し、輝度値の差分を検出する。検出された差分値は閾値比較手段６５に供給する。閾値比較手段６５は、入力した差分値が予め設定した閾値を超えるか否かを判定し、閾値を超える場合欠陥であると判定し、欠陥のアドレスを含む欠陥検出信号を発生する。
【００５３】
２次元画像形成手段６２から出力される２次元画像情報は、輝度画像検出手段６５にも供給される。輝度画像検出手段６６は、２つの輝度画像対を検出する。すなわち、ビアのエッジ及びその付近の輝度画像並びにビアの底面の輝度画像は円弧状の輝度画像であるため、画像処理技術を利用して４つの円弧状の輝度画像を検出する。そして、外側の対称的な形状の２つの円弧状輝度画像を第１の輝度画像対とし、内側の対称的な形状の２つの円弧状輝度画像を第２の輝度画像対として検出する。検出された２つの輝度画像対は間隔検出手段６７に供給され、第１及び第２の円弧状の輝度画像対の輝度画像間の間隔を検出する。輝度画像間の間隔は、照明ビームの走査方向、すなわちステージの移動方向と直交する方向の対称的な２つの輝度画像間の距離を検出することにより、行うことができる。検出された第１及び第２の輝度画像対の輝度画像間の間隔は、ビア直径情報及び底面湾曲度情報として出力される。
【００５４】
さらに、検出された２つの輝度画像間の間隔情報は、閾値比較手段６８に供給される。閾値比較手段は、入力した２つの輝度画像手段の間隔が予め定めた間隔の範囲にあるか否かを判定し、閾値を超える場合及び下回る場合、欠陥ビアと判定し、ビア欠陥情報として出力する。すなわち、検出されたビアの直径が所定の範囲から外れた場合欠陥ビアと判定し、底面の輝度画像対の間隔が所定の範囲から外れた場合、底面の湾曲度が所定の範囲からはずれているものと判定し、同様に欠陥ビアと判定する。
【００５５】
尚、ビア検査は、シリコンウエハに形成された全てのビアについて検査してれよく、又は予め定めた位置のビアだけを検査するサンプリング検査を行うことも可能である。
【００５６】
本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、照明光学系は、ブリュースター角に等しい入射角で照明ビームを投射する構成としたが、照明ビームの入射角はブリュースター角に限定されず、ブリュースター角以外の入射角に設定することができる。
【００５７】
さらに、上述した実施例では、照明ビーム投射手段として、偏波面保存ファイバを用いたが、光源装置から出射した光ビームをレンズ系を用いて平行光束として基板表面に向けて投射することも可能である。
【００５８】
さらに、対物レンズとラインセンサとの間の光路中にガルバノミラーを配置し、指定された位置の２次元画像を撮像することも可能である。
【００５９】
さらに、上述した実施例では、検査すべき試料としてシリコンウエハを用いたが、本発明はガラス基板に形成されたビアやトレンチの底面の径やサイズを測定する場合にも適用することができる。  
【符号の説明】
【００６０】
１，２０，３０  シリコンウエハ
２  ステージ
３  信号処理装置
４  位置センサ
５  照明ビーム投射部
６  対物レンズ
７  結像レンズ
８  撮像素子
１０ａ，１０ｂ  偏波面保存ファイバ  
１１  支持プレート
１２  押えプレート
２１，３２  ビア
３１  配線層
【図１】
2015008241.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015008241.tif 000008
【図７】
2015008241.tif 000009
【図８】
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【図９】
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