(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から生成した光が入射されて互いに垂直の第１方向と第２方向に分割して出力し、前記第１方向と第２方向から入力される光を結合して、結合光で出力するビームスプリッタ、
前記第１方向に配置され、前記ビームスプリッタから出力された出力光が入力された後、前記ビームスプリッタに反射するミラー、
前記ミラー、及び、少なくとも１つのＴＳＶが形成され、前記第２方向に配置され、前記ビームスプリッタから出力された出力光が入力された後、前記ビームスプリッタに反射する測定対象物から反射され、前記ビームスプリッタから出力された結合光の入力を受け、前記結合光を介して干渉信号が形成される撮像手段、
前記ビームスプリッタと前記撮像手段の間に位置するか、前記ビームスプリッタと前記測定対象物の間に位置し、テレセントリックレンズである対物レンズ、および、
前記ビームスプリッタと前記撮像手段の間に位置し、相異なる大きさを有する複数の開口が形成され、前記測定対象物に分割された光の焦点が前記ＴＳＶの入口である基準位置と前記ＴＳＶの床面である可変位置に調節されるようにする可変型フィールドストップを含み、
前記基準位置での干渉信号と前記可変位置での干渉信号に基づいて、前記ＴＳＶの直径と深さを測定するＴＳＶ測定用干渉計。
【請求項２】
前記対物レンズから出力される光は、直線光である請求項１に記載のＴＳＶ測定用干渉計。
【請求項３】
前記可変型フィールドストップは、前記ビームスプリッタから分割された光がＴＳＶの入口である基準位置に焦点が合うようにする第１開口と、前記ビームスプリッタから分割された光が前記ＴＳＶの床面である可変位置に焦点が合うようにする第２開口を含む請求項１に記載のＴＳＶ測定用干渉計。
【請求項４】
前記第１開口の大きさは１０ｍｍ乃至１４ｍｍであり、前記第２開口の大きさは０．１ｍｍ乃至４．５ｍｍである請求項３に記載のＴＳＶ測定用干渉計。
【請求項５】
光を生成してビームスプリッタを介して互いに垂直の第１方向と第２方向に分割して出力し、前記第１方向に配置されたミラーと前記第２方向に配置された測定対象物から出力された出力光が反射された後、前記ビームスプリッタで入力及び結合され、撮像手段に干渉信号が形成されるＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定方法において、
相異なる大きさを有する複数の開口が形成される可変型フィールドストップの第１開口を介して前記測定対象物に形成されたＴＳＶの入口である基準位置に焦点が形成されるようにする段階と、
光を生成して前記ビームスプリッタを介して光を分割し、反射された光の入力を受けて結合し、前記撮像手段を介して第１干渉信号を形成する段階と、
前記第１開口と異なる大きさを有する第２開口を介して前記測定対象物に形成されたＴＳＶの床面である可変位置に焦点が形成されるように前記可変型フィールドストップを調節する段階と、
光を生成して前記ビームスプリッタを介して光を分割し、反射された光の入力を受けて結合し、前記撮像手段を介して第２干渉信号を形成する段階と、
前記第１干渉信号及び前記第２干渉信号を分析し、前記ＴＳＶの直径と深さを測定する段階と、
を含むＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法に関するものであって、より詳細には干渉計に可変型フィールドストップを設置し、シリコン半導体に形成されるＴＳＶ（Through Silicon Via）のようなアスペクト比の大きいビアホールの直径と深さを測定することができるＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体分野でも、チップ面積の２次元的微細化技術の限界を克服するために、３次元構造のチップ開発が代案として提示されている。
【０００３】
３次元構造の概念は、すでにパッケージングの分野で利用されてきたが、従来の方式は、各種端子が半導体チップの片面のみに配置され、ワイヤボンディングを用いて、複数のチップの信号端子を電気的に連結しなければならないので、チップの大きさ、配線の複雑性及び電力消耗などにおいて問題点が発生する。
【０００４】
したがって、このような問題点を克服するために半導体の基板材料であるシリコンに垂直に貫通する電極を形成し、高層ビルのエレベーターのような信号伝達経路を提供するＴＳＶ（Through Silicon Via）技術が提案された。このようなＴＳＶ技術は、回路の集積度、動作速度、電力消耗及び製造コストなどにおいて非常に大きな改善効果が期待され、研究が集中している。
【０００５】
しかし、ＴＳＶを形成し、ＴＳＶの形成状態を検査するためのＴＳＶ測定装置として、従来の干渉計を利用している実情である。
干渉計において最も代表的に使用される干渉計は、白色光干渉計（WLI、White Light Interferometer）として、１つの光源から出た光を２つに分けて、分けられた２つの光が直角になるように進行させた後、再び会うようにして、２つの光の光行路差によって干渉縞を形成する。前記の原理を用いて、シリコン半導体ウェハのような薄膜の表面トポロジーのような特性を測定することができる。
【０００６】
図１は、白色光干渉計の概略図である。図１を参照すれば、白色光干渉計は光源１１０から生成した光をビームスプリット１２０を介して互いに垂直の２つの方向の光に分割する。分割光のうち１つはミラー１３０を介して反射され、もう１つは測定対象物１４０を介して反射された後、ビームスプリット１２０に再入射される。そして、再入射された各分割光は、ビームスプリット１２０を経て結合され、対物レンズ１７０とリレーレンズ（図示せず）を介してＣＣＤ１５０に干渉縞が形成される。
【０００７】
ここで、対物レンズ１７０は、圧電センサ１８０によって光経路方向に移動し、ＣＣＤ１５０に結像される光の焦点長さを調節することができる。この時、白色光の干渉は、干渉距離（coherence distance）が短いため、未知の測定対象物に対して一定量を測定する場合、測定対象物１４０から最も高いところから干渉現象が現れる。すなわち、干渉縞は、対物レンズ１７０の最適な焦点長さの位置でのみ現れるようになる。
【０００８】
したがって、未知の測定対象物に対して高い順に光の強度（intensity）変化量を確認して、どの部分が高く、どの部分が低いのかを区別し、この時の高さ値は、分析手段１６０を介して取得するようになる。すなわち、干渉縞を介して、測定対象物のどの部分が高く、どの部分が低いのかを知ることができ、この時の高さ値は、圧電センサ１８０を介して測定することができる。
【０００９】
前記のような干渉計で圧電センサ１８０を用いて、対物レンズ１７０を測定対象物方向に移送させながら、一定の間隔ごとにＣＣＤでイメージを撮像することになる。
このような干渉計を用いて、従来にはウェハなどのような薄膜の表面を測定する時に、圧電センサを一度に動かして高さ値についての分析が可能であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の干渉計の場合には、ＴＳＶに光が出射されるようにするレンズが広角レンズを介して出射する時、ＴＳＶに入射される光の入射角がビアホールの直径より大きくて、実質的にＴＳＶの内部に入射される光量が小さくて、床面まで光が到達できなくなる。これにより、ＴＳＶを測定することは事実上不可能であった。
【００１１】
そして、床面に到達する光の強度が強くなるように光源を交換しても、ＴＳＶに出射される光の焦点をＴＳＶが形成された方向に一定距離ごとに測定しなければならないので測定に時間がかかり、結果データの容量もまた非常に大きくなって、全体システムに過負荷の原因となる問題点があった。
【００１２】
本発明の課題は、上述のような従来の問題点を解決するためのものであって、ＴＳＶ測定の際、ＴＳＶの入口と床面に光の焦点が調節されるようにする可変型フィールドストップを用いて、ＴＳＶの直径及び深さを測定し、測定時間及び結果データの容量を減らすことができるＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、ＴＳＶに入射される光が実質的に直線光になるようにするテレセントリックレンズを用いて、ＴＳＶのようなアスペクト比の大きい場合でも、床面まで到達する光量が確保され、測定の正確度を向上させることができるＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題は、本発明により、光源から生成した光が入射されて互いに垂直の第１方向と第２方向に分割して出力し、前記第１方向と第２方向から入力される光を結合して、結合光で出力するビームスプリッタと、前記第１方向に配置され、前記ビームスプリッタから出力された出力光が入力された後、前記ビームスプリッタに反射するミラーと、少なくとも１つのＴＳＶが形成され、前記第２方向に配置され、前記ビームスプリッタから出力された出力光が入力された後、前記ビームスプリッタに反射する測定対象物と、前記ミラー及び前記測定対象物から反射され、前記ビームスプリッタから出力された結合光の入力を受け、前記結合光を介して干渉信号が形成される撮像手段と、前記ビームスプリッタと前記撮像手段の間に位置するか、前記ビームスプリッタと前記測定対象物の間に位置し、テレセントリックレンズである対物レンズ、および、前記ビームスプリッタと前記撮像手段の間に位置し、相異なる大きさを有する複数の開口が形成され、前記測定対象物に分割された光の焦点が前記ＴＳＶの入口である基準位置と前記ＴＳＶの床面である可変位置に調節されるようにする可変型フィールドストップとを含み、前記基準位置での干渉信号と前記可変位置での干渉信号に基づいて、前記ＴＳＶの直径と深さを測定するＴＳＶ測定用干渉計によって達成することができる。
【００１５】
ここで、前記対物レンズから出力される光は直線光であることができ、前記対物レンズはテレセントリックレンズであることができる。
【００１６】
また、前記可変型フィールドストップは、前記ビームスプリッタから分割された光がＴＳＶの入口である基準位置に焦点が合うようにする第１開口と、前記ビームスプリッタから分割された光が前記ＴＳＶの床面である可変位置に焦点が合うようにする第２開口を含むことができる。
この時、前記第１開口の大きさは１４ｍｍないし１０ｍｍであり、前記第２開口の大きさは４．５ｍｍないし０．１ｍｍであることができる。前記ホールの深さや直径によって、可変することができる。
【００１７】
一方、前記ＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定方法は、前記測定対象物に形成されたＴＳＶの入口である基準位置に焦点が形成されるようにする段階と、光を生成して前記ビームスプリッタを介して光を分割し、反射された光の入力を受けて結合し、前記撮像手段を介して第１干渉信号を形成する段階と、前記測定対象物に形成されたＴＳＶの床面である可変位置に焦点が形成されるように可変型フィールドストップを調節する段階と、光を生成して前記ビームスプリッタを介して光を分割し、反射された光の入力を受けて結合し、前記撮像手段を介して第２干渉信号を形成する段階と、前記第１干渉信号及び前記第２干渉信号を分析し、前記ＴＳＶの直径と深さを測定する段階とを含むことができる。
この時、前記測定対象物に出力される光は直線光であることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＴＳＶ測定の際、ＴＳＶの入口と床面に光の焦点が調節されるようにする可変型フィールドストップを用いてＴＳＶの直径及び深さを測定し、測定時間及び結果データの容量を減らすことができるＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法が提供される。
【００１９】
また、ＴＳＶに入射される光が実質的に直線光になるようにするテレセントリックレンズを用いて、ＴＳＶのようなアスペクト比の大きい場合でも、床面まで到達する光量が確保され、測定の正確度を向上させることができるＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、白色光干渉計の概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係るＴＳＶ測定用干渉計の概略図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係るＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定方法のアルゴリズムである。
【図４】図４は、フィールドストップ移動時の作動状態図である。
【図５】図５は、各実験例におけるＴＳＶのＳＥＭイメージである。
【図６】図６は、各実験例におけるＴＳＶのＳＥＭイメージである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
説明の前に、様々な実施形態において、同一の構成を有する構成要素については、同一の符号を使用して代表的に第１実施形態で説明し、その他の実施形態では、第１実施形態と異なる構成について説明することにする。
以下、添付の図面を参照して、本発明の第１実施形態に係るＴＳＶ測定用干渉計について詳細に説明する。
【００２２】
図２は、本発明の第１実施形態に係るＴＳＶ測定用干渉計の概略図である。図２を参照すると、本発明の第１実施形態に係るＴＳＶ測定用干渉計は光源１０、ビームスプリッタ２０、ミラー３０、対物レンズ５０、撮像手段６０、リレーレンズ７０、可変型フィールドストップ８０を含んで構成される。
【００２３】
前記光源１０は、干渉計の深さ分解能と透過深さを決める最も重要な要素として、コヒーレン長さ（coherence length）が短い広帯域光源であることができる。具体的には、エルイーディー（Light Emitting Diode）、スーパールミネセントダイオード（SLD、superluminescent diode）、ハロゲンランプ、極超短パルス レーザーやフォトニック結晶ファイバ（PCF、photonic crystal fiber）などの連続光光源であることもあり、はやいイメージ取得が可能なように広帯域範囲で周波数が早く変化する高速周波数変移レーザー（frequncy-sweeping laser）としてフーリエ領域のモードロックレーザー（Fourier domain mode-locked laser source）であることができる。また、コヒーレン長さが長い短波長を有するレーザーやLEDなども含まれる。
【００２４】
前記ビームスプリッタ２０（Beam Splitter）は、光源１０から生成された光が入射されて互いに垂直な第１方向と第２方向に分割して出力されるように設置され、後述のミラー３０及び測定対象物４０から反射された後に入力される光を結合して結合光で出力する。
【００２５】
前記ミラー３０（mirror）と測定対象物４０は、ビームスプリッタ２０から出力される出力光の第１方向または第２方向にそれぞれ配置されてビームスプリッタ２０から出力された出力光が入力された後、ビームスプリッタ２０に反射するように設置される。図示のように、前記ミラー３０は第１方向すなわち、ビームスプリッタ２０の右側に設置され、測定対象物４０は第１方向に対し垂直の第２方向、すなわちビームスプリッタ２０の下方に位置する。
【００２６】
前記対物レンズ５０は、内部に複数のレンズを備えて入射される光が直線（平行）光で出力されるようにするテレセントリックレンズで設け、ビームスプリッタ２０と後述の撮像手段６０の間に、またはビームスプリッタ２０と測定対象物４０の間に位置するように設置される。
【００２７】
本発明では、対物レンズ５０から出力される出力光が直線光の形態で出力されるため、従来とは異なり、ビームスプリッタ２０と撮像手段６０の間に位置することができ、本実施形態では、ビームスプリッタ２０と撮像手段６０の間に設置される。テレセントリック（telecentric）レンズに設けられた対物レンズ５０を使用することにより、従来の広角レンズなどを使用する場合に比べて、測定対象物４０のＴＳＶ４１のアスペクト比の大きい場合でも、ＴＳＶ４１の床面まで光が到達することができる。
【００２８】
前記撮像手段６０は、通常のＣＣＤカメラとしてミラー３０及び測定対象物４０から反射され、ビームスプリッタ２０を経由して結合された結合光の入力を受けて干渉信号が形成される。
また、撮像手段６０から取得された干渉信号は、所定の分析手段により分析され、干渉信号に基づいて測定対象物４０の直径と深さを測定することができる。
【００２９】
前記リレーレンズ７０は、後述の可変型フィールドストップ８０の間に位置して、光をリレー（relay）するように設置される。
【００３０】
前記可変型フィールドストップ８０（field stop）は、第１開口８１と第２開口８２が形成されることができる。ここで、第１開口８１の大きさは、測定対象物４０のＴＳＶ４１の入口である基準位置に分割された光の焦点が合うように形成され、第２開口８２は、測定対象物４０のＴＳＶ４１の床面である可変位置に分割された光の焦点が合うように形成される。本実施形態では、可変型フィールドストップ８０の形態が、２つの開口を有した形態で形成されたものを示しているが、通常のカメラで使用される絞りの形態で形成され、開口を調節することができるように設置される。
【００３１】
また、可変型フィールドストップ８０は、所定のモータを有する駆動手段（図示せず）と連結され、第１開口８１と第２開口８２の位置が移動する。第１開口８１と第２開口８２の位置を変更しながら、基準位置での干渉信号と可変位置での干渉信号を取得し、取得された各干渉信号の結果を合わせて測定対象物４０に形成されたＴＳＶ４１の深さまたは幅を測定することができる。
【００３２】
ここからは、上述したＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定方法について説明する。図３は、本発明の第１実施形態に係るＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定方法のアルゴリズムであり、図４は、フィールドストップ移動時の作動状態図である。
【００３３】
図３を参照すると、まず図２と同じ準備状態で測定対象物４０に形成されたＴＳＶ４１の入口である基準位置に焦点が形成されるように可変型フィールドストップ８０の第１開口８１を位置させる（Ｓ１０）。
【００３４】
そして、光源１０から光を生成し、ビームスプリッタ２０を介して光を分割して出力し、測定対象物４０のＴＳＶ４１の基準位置とミラー３０を介して反射された光がビームスプリッタ２０を介して結合されて撮像手段６０に第１干渉信号が形成される（Ｓ２０）。
【００３５】
続いて、図４に示すように、可変型フィールドストップ８０の第２開口８２を介し、光が通過するようにしてＴＳＶ４１の床面である可変位置で分割された光の焦点が形成されるようにする（Ｓ３０）。
【００３６】
そして、光源１０から光を生成し、ビームスプリッタ２０を介して光を分割して出力し、測定対象物４０のＴＳＶ４１の基準位置とミラー３０を介して反射された光が、ビームスプリッタ２０を介して結合されて撮像手段６０に第２干渉信号が形成される（Ｓ４０）。
【００３７】
干渉信号を分析する分析プログラムが設置された分析手段を介し、撮像手段６０に形成された第１干渉信号と第２干渉信号を結合してＴＳＶ４１の直径と深さを測定する（Ｓ５０）。
【００３８】
上述の通り、ＴＳＶ４１の基準位置と可変位置の２回の測定だけでＴＳＶ４１の直径と深さを測定することができ、結果データの容量が顕著に減ってシステムの過負荷を防止することができる。
【００３９】
また、従来は、対物レンズ５０が広角レンズなどで設けられてアスペクト比の大きいＴＳＶは測定が不可能であったが、対物レンズ５０がテレセントリックレンズとして設けられることによってＴＳＶの内部に流入する光量が顕著に増加し、測定が可能となる。
【００４０】
実験例１
ＴＳＶが形成された基板を用意し、通常の走査電子顕微鏡を用いて、図５に示すようなＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）イメージを取得し、前記ＳＥＭイメージからＴＳＶの直径及び深さを直接実測した。
そして、図１の従来の圧電センサを用いた干渉計を介してＴＳＶを一定区間に分けて連続的にスキャンしながらＴＳＶの直径及び深さを測定した。
【００４１】
また、本発明のＴＳＶ測定用干渉計の可変型フィールドストップ（８０）を介してＴＳＶの入口である基準位置（Top CD）に焦点が調節されるようにして第１干渉信号を取得し、可変型フィールドストップ８０を介してＴＳＶの床面である可変位置（Bottom CD）に焦点が調節されるようにして第２干渉信号を取得し、所定の分析プログラムを介してＴＳＶの直径及び深さを測定した。
【００４２】
前記のＳＥＭイメージと従来の干渉計及び本発明に係るＴＳＶ測定用干渉計を用いた測定値は次の通りである。
【００４３】
【表１】
0005751734.tif 000002
【００４４】
ＳＥＭイメージを介しては、ＴＳＶの入口での直径（Top CD）は７μｍであり、ＴＳＶの床面での直径（Bottom CD）は６μｍであり、ＴＳＶの深さは５５μｍと実測された。
従来の干渉計を用いて、測定時にはＴＳＶの入口での直径（Top CD）は７．０３５８μｍと測定されたが、ＴＳＶの床面の場合には干渉信号が形成されなくて測定が不可であった。これに伴い、ＴＳＶの深さも測定が不可となった。
【００４５】
そして、本発明に係るＴＳＶ測定用干渉計を用いては、ＴＳＶの入口での直径（Top CD）は７．１５５６μｍ、ＴＳＶの床面での直径（Bottm CD）は６．１１１８μｍであり、この時の深さ（Height）は、−５３．２２９３μｍと測定された。
ここで、本発明の干渉計を用いたビアホール測定装置の基準位置が基板表面を基準としているので、（−）値で表れる。
【００４６】
本発明に係るＴＳＶ用干渉計を用いてＴＳＶを測定した結果、従来の干渉計を介してはＴＳＶの測定が不可であったＴＳＶの床面での測定が可能となり、これに伴ってＴＳＶの深さの測定も可能となった。
この時、本発明に係るＴＳＶ用干渉計の測定値が実測値と多少差異があるが、これは許容公差の範囲内での値として、実質的にほとんど同一な値といえる。
【００４７】
実験例２
実験例１と異なる形態のＴＳＶを有した基板を用意して、実験例１と同一な方法で実験を実施し、図６のようなＳＥＭイメージを取得してＴＳＶを実測し、図１のような従来の干渉計及び本発明に係るＴＳＶ測定用干渉計を用いてＴＳＶを測定し、次のような測定値を得た。
【００４８】
【表２】
0005751734.tif 000003
【００４９】
実験例１より実験例２においては、より実測値に近い値が測定され、これはＴＳＶの直径が大きくなることによって、より正確に測定されたものである。
あわせて、ＴＳＶの直径が大きくなるにつれ、従来の干渉計を用いても測定は可能になったが、その測定値の正確度が本発明に比べて顕著に低いことを確認した。
【００５０】
したがって、本発明に係るＴＳＶ測定用干渉計を介してＴＳＶ測定の際、ストップフィールドを介して、光の焦点がＴＳＶの基準位置と可変位置に調節されるようにすることにより、従来より正確に測定することができる。
【００５１】
また、本発明のＴＳＶ用干渉計は、ＴＳＶ入口と床面の２ヵ所を測定することに比べ、従来の干渉計は、ＴＳＶを一定区間に分けて、連続的に測定しなければならないため、結果的に本発明に係る干渉計の結果データの容量が顕著に減少することができる。
【００５２】
本発明の権利範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態で具現することができる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求範囲の記載の範囲内にあるものとみなす。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、ＴＳＶ測定時ＴＳＶの入口と床面に光の焦点が調節されるようにする可変型フィールドストップを用いて、ＴＳＶの直径と深さを測定し、測定時間及び結果データの容量を減らすことができるＴＳＶ測定用干渉計及びこれを用いた測定方法が提供される。
【図１】
0005751734.tif 000004
【図２】
0005751734.tif 000005
【図３】
0005751734.tif 000006
【図４】
0005751734.tif 000007
【図５】
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【図６】
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