(57)【要約】【課題】薄片状の被測定物の厚さ分布および反り形状を同時にかつ高精度に測定できる形状測定方法およびその装置を提供する。【解決手段】対向する一対の静電容量センサ２，２’を、被測定物Ｓを挟んで昇降可能に配置し、上部の静電容量センサ２を昇降させて被測定物Ｓとの間隙を略一定に保持するとともに、下部の静電容量センサ２’を、上部の静電容量センサ２の前記移動に追随させて移動させ、一対の静電容量センサ２，２’間の距離を一定に保持する。そして、上部の静電容量センサ２の移動量および一対の静電容量センサ２，２’で検出された被測定物Ｓとの間隙に基づいて前記被測定物の厚さおよび反り形状を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄片状の被測定物を非接触式の対物変位センサで走査してその形状を測定する方法であって、
対向する一対の非接触式の対物変位センサを、前記被測定物を挟んで、当該被測定物の厚さ方向に移動可能に配置し、
前記一対の対物変位センサのうちいずれか一方の対物変位センサを前記被測定物の厚さ方向に移動させることにより前記被測定物との間隙を略一定に保持するとともに、他方の対物変位センサを、前記一方の対物変位センサの前記移動に追随させて移動させることにより前記一対の対物変位センサ間の距離を一定に保持し、
前記一方の対物変位センサの移動量および前記一対の対物変位センサで検出された前記被測定物との間隙に基づいて前記被測定物の厚さおよび反り形状を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
薄片状の被測定物を非接触式の対物変位センサで走査してその形状を測定する装置であって、
被測定物の表裏を挟むように配置され、前記被測定物の厚さ方向には移動しないフレームと、
前記被測定物を挟んで対向して配置される一対の非接触式の対物変位センサと、
前記一対の対物変位センサのそれぞれを、前記フレームに対して前記被測定物の厚さ方向に移動可能に支持するセンサ可動手段と、
前記フレームに対する前記一対の対物変位センサのそれぞれの移動量を検出するセンサ移動量検出手段と、
前記一対の対物変位センサのうちいずれか一方の対物変位センサの移動量を調整して前記被測定物との間隙を略一定に保持するとともに、他方の対物変位センサを前記一方の対物変位センサの移動量と同じ量だけ移動させることにより前記一対の対物変位センサ間の距離を一定に保持するセンサ位置制御手段と、
前記センサ移動量検出手段で検出された移動量および前記一対の対物変位センサで検出された当該対物センサから前記被測定物の表面および裏面までの距離に基づいて前記被測定物の厚さおよび反りの度合いを演算する形状演算手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
薄片状の被測定物を非接触式の対物変位センサで走査してその形状を測定する装置であって、
被測定物の表裏を挟むように配置されたフレームと、
このフレームに固定され、前記被測定物を挟んで対向して配置される一対の非接触式の対物変位センサと、
前記フレームを、前記被測定物の厚さ方向に移動可能となすフレーム可動手段と、
前記フレームの移動量を検出するフレーム変位検出手段と、
前記一対の対物変位センサのうちいずれか一方の対物変位センサの移動量を調整して前記被測定物との間隙を略一定に保持するセンサ位置制御手段と、
前記フレーム移動量検出手段で検出された移動量および前記一対の対物変位センサで検出された当該対物センサから前記被測定物の表面および裏面までの距離に基づいて前記被測定物の厚さおよび反りの度合いを演算する形状演算手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
前記対物変位センサが、静電容量センサまたはレーザ干渉測長計である請求項２または３に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板（ウェハ）等の薄片試料の形状、詳しくは厚さ分布および反り形状の測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板（ウェハ）等の薄片試料にはできるだけ厚さが均一でかつ反りが生じていないことが要求される。
【０００３】
〔従来技術１〕
このような薄片状の試料（被測定物）の厚さ分布および反り形状を同時に測定する方法として、例えば、干渉計、レーザ変位計、静電容量式変位計等の非接触式の変位計２台を対向させて試料の表裏に配置し、これらを走査させて試料表面の高さ（変位量）分布を測定し、その測定値から厚さ分布と反り形状を同時に求める方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法は、試料を水平に保持し、２台の変位計をフレームに固定してこのフレームごと水平に移動させて走査するものである。
【０００４】
ここで、一般的に半導体基板（ウェハ）のような薄片試料では、反りの大きさは厚さのバラツキに比べ非常に大きい。たとえば、シリコンウェハでは、反りの大きさは１０〜１００μｍのオーダーであるのに対し、厚さのバラツキはウェハ全面で１００ｎｍ〜１μｍのオーダーである。このため、反りの測定に求められる分解能または再現性は０．１μｍ（＝１００ｎｍ）程度であるに対して、厚さの分解能または再現性は１０ｎｍ程度であった。上記のようなオーダーの反りを有する試料の表面を上記従来技術１の変位計で走査する場合、試料に接触しないよう安全をみて変位計を試料表面から数１００μｍ離して設置する必要がある。このため、変位計には数１００μｍの測定範囲と１０ｎｍの分解能または再現性が必要とされ、数１００μｍ／１０ｎｍ＝数万のダイナミックレンジが必要であった。しかも、近年ＬＳＩの製造に用いられるウェハにはさらなる平坦性が要求されており、厚さのバラツキを１ｎｍ程度まで低減したものが求められている。一方、反りの大きさは、ウェハのサイズが２００ｍｍから３００ｍｍへと拡大してきたこともあり、大きな変化はない。このため、変位計のダイナミックレンジはさらに大きなものが求められ、信号処理の容量の制約などの点から高精度の厚さ測定が困難となってきている。
【０００５】
つまり、測定精度を高めようとして２台の変位計の間隔を狭めて試料に近づけすぎると、試料の反りが大きい場合は変位計が試料に接触してしまうおそれがある。このため、２台の変位計の間隔はある程度大きくしておかざるを得ず、高い精度で試料の厚さと反りの大きさを同時に測定することは困難であった。
【０００６】
〔従来技術２〕
一方、試料（被検体）の表面形状を測定する装置として、固定したフレームにリニアモータなどの変位機構を介して静電容量センサを移動可能に取り付け、この変位機構の操作により静電容量センサを試料（被検体）表面から一定の距離範囲に移動させて測定を行うことにより、測定精度を向上させることができる装置が開示されている（特許文献２参照）。
【０００７】
この装置によれば、変位機構により変位計を試料に接触させることなく接近させることができ、試料の表面形状（すなわち、反り形状）は高精度に測定しうる。しかしながら、この装置は１台の変位計を使用するものであるため裏面形状を同時に測定することができず、試料の厚さは測定することができない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−７５１４７号公報
【特許文献２】特開２００１−２２１６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、薄片状の被測定物の厚さ分布および反り形状を同時にかつ高精度に測定できる形状測定方法およびその装置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】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、薄片状の被測定物を非接触式の対物変位センサで走査してその形状を測定する方法であって、対向する一対の非接触式の対物変位センサを、前記被測定物を挟んで、当該被測定物の厚さ方向に移動可能に配置し、前記一対の対物変位センサのうちいずれか一方の対物変位センサを前記被測定物の厚さ方向に移動させることにより前記被測定物との間隙を略一定に保持するとともに、他方の対物変位センサを、前記一方の対物変位センサの前記移動に追随させて移動させることにより前記一対の対物変位センサ間の距離を一定に保持し、前記一方の対物変位センサの移動量および前記一対の対物変位センサで検出された前記被測定物との間隙に基づいて前記被測定物の厚さおよび反り形状を求めることを特徴とする形状測定方法である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、薄片状の被測定物を非接触式の対物変位センサで走査してその形状を測定する装置であって、被測定物の表裏を挟むように配置され、前記被測定物の厚さ方向には移動しないフレームと、前記被測定物を挟んで対向して配置される一対の非接触式の対物変位センサと、前記一対の対物変位センサのそれぞれを、前記フレームに対して前記被測定物の厚さ方向に移動可能に支持するセンサ可動手段と、前記フレームに対する前記一対の対物変位センサのそれぞれの移動量を検出するセンサ移動量検出手段と、前記一対の対物変位センサのうちいずれか一方の対物変位センサの移動量を調整して前記被測定物との間隙を略一定に保持するとともに、他方の対物変位センサを前記一方の対物変位センサの移動量と同じ量だけ移動させることにより前記一対の対物変位センサ間の距離を一定に保持するセンサ位置制御手段と、前記センサ移動量検出手段で検出された移動量および前記一対の対物変位センサで検出された当該対物センサから前記被測定物の表面および裏面までの距離に基づいて前記被測定物の厚さおよび反りの度合いを演算する形状演算手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、薄片状の被測定物を非接触式の対物変位センサで走査してその形状を測定する装置であって、被測定物の表裏を挟むように配置されたフレームと、このフレームに固定され、前記被測定物を挟んで対向して配置される一対の非接触式の対物変位センサと、前記フレームを、前記被測定物の厚さ方向に移動可能となすフレーム可動手段と、前記フレームの移動量を検出するフレーム変位検出手段と、前記一対の対物変位センサのうちいずれか一方の対物変位センサの移動量を調整して前記被測定物との間隙を略一定に保持するセンサ位置制御手段と、前記フレーム移動量検出手段で検出された移動量および前記一対の対物変位センサで検出された当該対物センサから前記被測定物の表面および裏面までの距離に基づいて前記被測定物の厚さおよび反りの度合いを演算する形状演算手段と、を備えたことを特徴とする形状測定装置である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記対物変位センサが、静電容量センサまたはレーザ干渉測長計である請求項２または３に記載の形状測定装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、対向する一対の対物変位センサを被測定物の表裏にできるだけ近接させた状態で走査できるので、高精度で被測定物の厚さ分布および反り形状を同時に測定できる方法および装置を提供することが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
〔実施形態１〕
図１に、本発明の実施形態に係る形状測定装置の概略構成を示す。ウェハ等の被測定物Ｓは水平方向に移動可能なステージ７上に複数の支持点１２を介して水平に支持される。符号１，１’は固定したフレームであり、被測定物Ｓの表裏を挟むように配置されている。符号２，２’は一対の非接触式の対物変位センサとしての静電容量センサであり、被測定物Ｓを挟んで対向して配置されている。符号３，３’はセンサ可動手段としてのＰＺＴ素子であり、フレーム１，１’にそれぞれ固定され、静電容量センサ２，２’のそれぞれを、フレーム１，１’それぞれに対して被測定物Ｓの厚さ方向（すなわち、上下方向）に移動可能に支持している。符号４，４’はセンサ移動量検出手段としての静電容量センサであり、フレーム１，１’それぞれに対する対物変位センサ２，２’のそれぞれの移動量を検出するものである。符号５はセンサ位置制御手段としてのセンサ位置制御部であり、一方（本例では上部）の静電容量センサ２の移動量を調整して被測定物Ｓとの間隙を略一定に保持するとともに、他方（本例では下部）の静電容量センサ２’を一方（上部）の静電容量センサ２の移動量と同じ量だけ移動させることにより一対の静電容量センサ２，２’間の距離を一定に保持するものである。符号６は形状演算手段としての形状演算部であり、静電容量センサ４，４’で検出された静電容量センサ２，２’の移動量および一対の静電容量センサ２，２’で検出された当該静電容量センサ２，２’それぞれから被測定物Ｓの表面および裏面までの距離に基づいて被測定物Ｓの厚さおよび反りの度合いを演算するものである。
【００１７】
つぎに、本例の形状測定装置により被測定物Ｓの形状を測定する方法を説明する。まず、静電容量センサ２，２’間の距離は被測定物Ｓに接触しない範囲でできるだけ被測定物Ｓに近接させるため、静電容量センサ２，２’の直径等により異なるが、被測定物Ｓの厚さより少し大きい例えば、被測定物Ｓの厚さ＋１００〜２０００μｍ程度、より好ましくは被測定物Ｓの厚さ＋１００〜２００μｍ程度とする。そして、ステージ７を初期の位置、すなわち被測定物Ｓの片端が対向する一対の静電容量センサ２，２’の間に位置するようにセットする。このとき、静電容量センサ２，２’それぞれと被測定物Ｓとの隙間がほぼ同じになるように静電容量センサ２，２’の高さ位置を予め定めておき、その高さ位置に静電容量センサ２，２’をセットしておく。また、静電容量センサ２で検出された被測定物Ｓの表面までの距離の信号が常時センサ位置制御部５に送られるようにしておく。
【００１８】
そして、被測定物Ｓを走査するためステージ７の水平移動を開始すると、被測定物Ｓに反りが存在する場合は、上部の静電容量センサ２と被測定物Ｓの表面との間隙の大きさが変化する。
【００１９】
センサ位置制御部５は、この間隙の大きさの変化を検知すると、この変化分と同じ量だけ上下方向に変位（伸縮）するよう上部のＰＺＴ素子３の入力電圧を変化させる。これにより上部のＰＺＴ素子３は変位（伸縮）し、フレーム１に対する上部の静電容量センサ２の上下方向の相対的な位置も変位する。センサ可動手段としてＰＺＴ素子３を用いたのは、位置決めの整定時間を短縮できるからである。しかしながら、ＰＺＴ素子３の入力電圧に対する変位の特性はヒステリシスや温度ドリフトを有するので、入力電圧だけからではＰＺＴ素子３の実際の変位量は確定できず、静電容量センサ２の実際の変位量を正確に求めることができない。このため、上部の静電容量センサ２の実際の変位量は静電容量センサ４で測定する。
【００２０】
次いで，センサ位置制御部５は、この上部の静電容量センサ２の実際の変位量と同じ量だけ下部の静電容量センサ２’が変位するように、下部のＰＺＴ素子３’の入力電圧を変化させる。上部と同様、下部の静電容量センサ２’の実際の変位量は静電容量センサ４’で測定する。
【００２１】
なお、上下の静電容量センサ２，２’の変位をできるだけ同じにするため、上下のＰＺＴ素子３，３’は、同じ形状、同じ特性を有するものを選択し、フレーム１，１’への固定方法、ＰＺＴ素子３，３’にかかる荷重も同じとして、上下のＰＺＴ素子３，３’の動特性を可能な範囲で同じとすることが望ましい。
【００２２】
また、ウェハ等の薄片の被測定物Ｓを横置きした場合、反りの他に被測定物Ｓ自身の重さによるたわみが発生するが、このたわみ量は予め、ステージ７の支持位置や被測定物Ｓの径、厚さ、結晶方位、弾性係数などから計算して、その影響を除去しておくことができる。
【００２３】
次いで、形状演算部６において、被測定物Ｓの厚さおよび反りの度合いを演算する。
【００２４】
被測定物Ｓの反り量は、所定の高さ位置（例えば測定開始時における上部の静電容量センサ２の高さ位置）を基準にして、被測定物Ｓの表面までの距離と、予め定めた基準の平面（例えば被測定物Ｓの端部の高さ位置）までの距離との差で求めることができる。なお、ウェハ等の薄片の被測定物Ｓを横置きした場合、反りの他に被測定物Ｓ自身の重さによるたわみが発生するが、このたわみ量は予め、ステージ７の支持位置や被測定物Ｓの径、厚さ、結晶方位、弾性係数などから計算して、その影響を除去しておくことができる。
【００２５】
また、被測定物Ｓの厚さｔは、図２を参照して、以下のようにして求めることができる。すなわち、各静電容量センサ２，２’と被測定物Ｓとの間隙をそれぞれａ，ｂとし、上下の静電容量センサ２，２’間の距離をｃとすると、
ｔ＝ｃ−ａ−ｂ  …式（１）
の関係がある。ここで、上下の静電容量センサ２，２’間の距離ｃは被測定物Ｓの走査中には直接測定することはできないが、この距離は常に一定に保持されるので、事前に既知の厚さｔ０の較正片を用いて測定しておくことができる。各静電容量センサ２，２’と較正片との間隙をそれぞれａ０，ｂ０とすると、ｃは、
ｃ＝ｔ０＋ａ０＋ｂ０  …式（２）
で得られる。したがって、このｃの値を式（１）に用いることにより、被測定物Ｓの厚さｔを求めることができる。なお、ａ，ｂの値は各静電容量センサ２，２’からの出力に基づいて個別に求めてもよいが、センサ位置制御部５で各出力の電気的な加算を行い、ａ＋ｂの値を直接求めることもできる。
【００２６】
このようにして、被測定物Ｓを他端まで走査しつつ上記測定・演算を繰り返すことによって、被測定物Ｓの反り形状および厚さ分布が測定できる。
【００２７】
図３は、上記測定の概念を示す模式図であり、横軸は水平方向の位置、縦軸は高さ位置を示す。図中、上から順に、上部の静電容量センサ２の高さ位置の軌跡、被測定物Ｓの表面形状、被測定物Ｓの裏面形状、上部の静電容量センサ２’の高さ位置の軌跡を示す。上述したように、静電容量センサ２と被測定物Ｓの表面との間隙ａは一定に保持する制御を行っているが、被測定物Ｓを所定の速度で走査する関係上、上部の静電容量センサ２の高さ位置は被測定物Ｓの表面形状には完全には追随できない。すなわち、大まかな表面形状には追随できるが、空間周波数の高い、細かい変化を有する部分の表面形状には追随できず、この部分は制御誤差が残る。また、下部の静電容量センサ２’の高さ位置は、上部の静電容量センサ２の高さ位置に連動して変化するので、上部の静電容量センサ２の軌跡から一定のオフセット分だけ下方にずれた軌跡となる。
【００２８】
図４は、図３の測定中に得られる上下の静電容量センサ２，２’の出力（すなわち、上部の静電容量センサ２から被測定物Ｓの表面までの距離ａおよび下部の静電容量センサ２から被測定物Ｓの裏面までの距離ｂ）と、これらの出力ａ，ｂに基づいて上記式（１）で計算された厚さｔの分布を示す。上下の静電容量センサ２，２’の出力ａ，ｂはいずれも、大まかな反りが除去され、細かい変化を有する部分の表面形状が忠実に再現されており、計算された厚さｔは被測定物Ｓの真の厚さを高精度に再現することになる。
【００２９】
〔実施形態２〕
図５に、本発明の別の実施形態に係る形状測定装置の概略を示す。本例は上記実施形態１と異なり、１個のフレーム１１に一対の非接触式の対物変位センサとしての静電容量センサ１２，１２’を対向させて固定し、このフレーム１１をフレーム可動手段としてのＰＺＴ素子１３を介して別の固定フレーム１８に昇降可能に固定している。さらに、固定フレーム１８に対するフレーム１１の移動量を検出するため、固定フレーム１８にフレーム変位検出手段としての静電容量センサ１４をフレーム１１の底面に面して設けている。
【００３０】
また、センサ位置制御手段としてのセンサ位置制御部１５は、フレーム１１の移動量を調整して上下の静電容量センサ１２，１２’と被測定物Ｓとの間隙を略一定に保持するものである。また、形状演算手段としての形状演算部１６は、静電容量センサ１４で検出されたフレーム１１の移動量および一対の静電容量センサ１２，１２’で検出された当該静電容量センサ１２，１２’それぞれから被測定物Ｓの表面および裏面までの距離に基づいて被測定物Ｓの厚さおよび反りの度合いを演算するものである。
【００３１】
上記の構成により、一対の静電容量センサ１２，１２’間の距離は固定されているので、上記実施形態１に比べ、ＰＺＴ素子や静電容量センサの数を節約できる。
【００３２】
フレーム１１は、例えば図５に示すように断面コの字状とし、フレーム１１に取り付けられた一対の静電容量センサ１２，１２’間の距離が変動して誤差が生じないよう、剛性を有する材料、例えばステンレス鋼で作製するとよい。
【００３３】
［変形例］
上記実施例１，２では、対物変位センサとして静電容量センサを例示したが、レーザ干渉測長計を用いることもできる。
【００３４】
また、上記実施例１では、センサ移動量検出手段として静電容量センサを例示したが、レーザ変位計、リニアスケールなどを用いることもできる。
【００３５】
また、上記実施例２では、フレーム移動量検出手段として静電容量センサを例示したが、上記センサ移動量検出手段と同様、レーザ変位計、リニアスケールなどを用いることもできる。
【００３６】
上記実施例１，２では、被測定物を横置きとする例を示したが、被測定物の置き方に特に制約はなく、例えば縦置きも可能である。
【００３７】
上記実施例１，２では、上部の静電容量センサと被測定物との間隙を一定とする制御を例示したが、下部の静電容量センサと被測定物Ｓとの間隙を一定とする制御も当然に可能である。
【００３８】
上記実施例１，２では、フレームの水平方向への移動を禁止してステージを水平に移動させることにより被測定物の方を走査する例を示したが、固定のステージ上に被測定物を載置してフレームの方を水平に移動させて走査することもできる。
【００３９】
上記実施例１では、固定したフレーム２個で構成する例を示したが、１個で構成することも可能であり、例えば上記実施例２のフレームと同様の断面コの字状のフレームを用いれば１個で構成することができる。
【００４０】
上記実施例２では、断面コの字状のフレームを例示したが、断面ロの字状のフレームを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態１に係る形状測定装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】被測定物の厚さを求める方法を説明する部分縦断面図である。
【図３】本発明に係る測定の概念を示すグラフ図である。
【図４】被測定物の厚さの分布を示すグラフ図である。
【図５】実施形態２に係る形状測定装置の概略構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１，１’，１１：フレーム
２，２’，１２，１２’：対物変位センサ（静電容量センサ）
３，３’：センサ可動手段（ＰＺＴ素子）
４，４’：センサ移動量検出手段（静電容量センサ）
５，１５：センサ位置制御手段（センサ位置制御部）
６，１６：形状演算手段（形状演算部）
７：ステージ
１３：フレーム可動手段（ＰＺＴ素子）
１４：フレーム変位検出手段（静電容量センサ）
１８：固定フレーム
Ｓ：被測定物（ウェハ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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