(57)【要約】【課題】正確に表面形状を測定することができる表面形状測定装置、及び表面形状測定方法を提供する。【解決手段】。  本実施の形態にかかる表面形状測定装置は、光源２１と、試料１１で反射した反射光を受光する光センサ２５とが設けられたセンサヘッド１２と、センサヘッド１２と試料１１との相対位置を変化させるＸ駆動機構１７と、光センサ２５上での反射光の入射位置を抽出する位置抽出部３１と、反射光の入射位置に相対位置が対応付けられた位置データを周波数領域のデータに変換する変換部３２と、周波数領域のデータに対して、一定周波数以上の成分、又は所定の周波数帯の成分をフィルタリングするフィルタ部３３と、フィルタリングされた周波数領域のデータを、空間領域のデータに逆変換する逆変換部３４と、を備えるものである。【選択図】図３
2008241506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
前記試料に光を照射する光源と、前記光源からの光のうち前記試料で反射した反射光を受光する光センサとが設けられたセンサヘッドと、
前記センサヘッドと前記試料との相対位置を変化させる駆動機構と、
前記光センサ上での前記反射光の入射位置を抽出する位置抽出部と、
前記反射光の入射位置に前記相対位置が対応付けられた位置データを周波数領域のデータに変換する変換部と、
前記周波数領域のデータに対して、一定周波数以上の成分、又は所定の周波数帯の成分を遮断するようフィルタリングするフィルタ部と、
前記フィルタリングされた周波数領域のデータを、空間領域のデータに逆変換する逆変換部と、を備える表面形状測定装置。
【請求項２】
前記フィルタ部でフィルタリングされる成分の周波数が前記試料に設けられているパターンの周期に基づいて設定されている請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記位置抽出部が前記光センサ上での前記受光強度のピーク位置を前記入射位置として抽出し、
任意の前記相対位置での検出結果に対して、ピーク位置が複数存在する場合に、隣の相対位置でのピーク位置に最も近いピーク位置を入射位置として抽出する請求項１、又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記試料表面と前記センサヘッドとの距離に応じて、前記光センサ上での前記反射光の入射位置が変化する方向に前記反射光の通過を制限するスリットが前記センサヘッドに設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記試料の端部において前記試料を支持するステージをさらに備え、
前記試料の裏面、及び表面に対して、算出された表面形状に基づいて、前記試料の自重による反り量を含んだ試料の変形量を求めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記試料の自重による反り量を求め、自重による反り量を除いた前記試料の変形量を求める請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
試料に光を照射する光源と、前記光源からの光のうち前記試料で反射した反射光を受光する光センサとが設けられたセンサヘッドと、
前記センサヘッドと前記試料との相対位置を変化させる駆動機構と、を備えた表面形状測定装置による表面形状測定方法であって、
前記センサヘッドと前記試料との相対位置を変化させるステップと、
前記光センサ上での前記反射光の入射位置を抽出するステップと、
前記反射光の入射位置に前記相対位置が対応付けられた位置データを周波数領域のデータに変換するステップと、
前記周波数領域のデータに対して、一定周波数以上の成分、又は所定の周波数帯の成分を遮断するようフィルタリングするステップと、
前記フィルタリングされた周波数領域のデータを、空間領域のデータに逆変換するステップと、を備える表面形状測定方法。
【請求項８】
前記フィルタリングされる成分の周波数が前記試料に設けられているパターンの周期に基づいて設定されている請求項７に記載の表面形状測定方法。
【請求項９】
前記位置抽出部が前記光センサ上での前記受光強度のピーク位置を前記入射位置として抽出し、
任意の前記相対位置での検出結果に対して、ピーク位置が複数存在する場合に、隣の相対位置でのピーク位置に最も近いピーク位置を入射位置として抽出する請求項７、又は８に記載の表面形状測定方法。
【請求項１０】
前記試料表面と前記センサヘッドとの距離に応じて、前記光センサ上での前記反射光の入射位置が変化する方向に前記反射光の通過を制限するスリットが前記センサヘッドに設けられていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の表面形状測定方法。
【請求項１１】
前記試料の端部において前記試料を支持するステージに前記試料が載置され、
前記試料の裏面、及び表面に対して、算出された表面形状に基づいて、前記試料の自重による反り量を求めることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の表面形状測定方法。
【請求項１２】
前記試料の自重による反り量を求め、自重による反り量を除いた前記試料の変形量を求める請求項１１に記載の表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面形状測定装置、及び表面形状測定方法に関し、特に詳しくは、試料の表面の形状を測定する表面形状測定装置、及び表面形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程では、ウエハの変形に起因する搬送等の不具合が発生することがある。この不具合を未然に含むために、ウエハの反り（撓み）を評価することが望まれている。ウエハの反りを評価するため、ウエハの表面形状が測定されることがある。ウエハの表面形状を測定するため、ウエハ表面で反射した反射光の光センサ上における入射位置に応じて測長する技術が開示されている（特許文献１〜３）。
【０００３】
例えば、特許文献２では、試料に対して光を斜めから入射させている。従って、センサと試料表面との距離に応じて、位置検出センサ上での反射光の入射位置が変化する。よって、位置検出センサ上での反射光の入射位置を求めることによって、試料との距離を測定することができる。
【０００４】
また、ウエハの表面と裏面との形状を測定して、ウエハを評価する方法が開示されている（特許文献４）。この評価方法では、表面、及び裏面の形状を測定し、そのプロファイルを周波数解析している。具体的には周波数解析によって、振幅あるいパワースペクトル密度を求め、これをパラメータとして定量評価している。さらに、オートフォーカス機能により、高さ方向の変動を測定したデータをフーリエ変換して、低次スペクトル成分を反り量として抽出する欠陥検査装置が開示されている（特許文献５）。
【特許文献１】特開昭５９−１６４９１０号公報
【特許文献２】特開昭６３−７６２６号公報
【特許文献３】特開昭６３−８５３１１号公報
【特許文献４】特開平９−３１１１０８号公報
【特許文献５】特開平５−２４９６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の技術では、例えば、反射光のプロファイルのピーク位置や中心位置に基づいて、測長している。しかしながら、センサ上の受光位置に応じて測長する場合、以下に示す問題点がある。半導体ウエハの上には、各種のパターンが形成される。従って、パターンの有無、あるいはパターンの種類によって光の反射率が異なる。このため、例えば、パターンの境界部分に光が入射すると、光センサでの反射光プロファイルが変化してしまう。
【０００６】
すなわち、反射率が高い部分では、反射光量が大きくなり、反射率が低い部分では、反射光量が小さくなる。そのため、試料表面での反射率での違いに応じて、反射光プロファイルのピーク位置や中心位置が変化してしまう。具体的には、反射率の高い部分にピーク位置や中心位置がシフトしてしまう。このため、光センサ上における反射光の入射位置がずれて判断されてしまう。よって、上記の技術では、正確に表面形状を測定することが困難であるという問題点があった。半導体ウエハに限らず、半導体製造工程に用いられるフォトマスクでも同様の問題点が生じている。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、正確に試料の表面形状を測定することができる表面形状測定装置、及び表面形状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】
【０００８】
本発明の第１の態様にかかる表面形状測定装置は、試料の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記試料に光を照射する光源と、前記光源からの光のうち前記試料で反射した反射光を受光する光センサとが設けられたセンサヘッドと、前記センサヘッドと前記試料との相対位置を変化させる駆動機構と、前記光センサ上での前記反射光の入射位置を抽出する位置抽出部と、前記反射光の入射位置に前記相対位置が対応付けられた位置データを周波数領域のデータに変換する変換部と、前記周波数領域のデータに対して、一定周波数以上の成分、又は前記所定の周波数帯の成分を遮断するようフィルタリングするフィルタ部と、前記フィルタリングされた周波数領域のデータを、空間領域のデータに逆変換する逆変換部と、を備えるものである。これにより、正確に測定することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様にかかる表面形状測定装置は、上述の測定装置であって、前記フィルタ部でフィルタリングされた成分の周波数が前記試料に設けられているパターンの周期に基づいて設定されているものである。これにより、パターン境界での影響を低減することができ、正確な測定が可能となる。
【００１０】
本発明の第３の態様にかかる表面形状測定装置は、上述の測定装置であって、前記位置抽出部が前記光センサ上での前記受光強度のピーク位置を前記入射位置として抽出し、任意の前記相対位置での検出結果に対して、ピーク位置が複数存在する場合に、隣の相対位置でのピーク位置に最も近いピーク位置を入射位置として抽出するものである。これにより、より正確に測定することができる。
【００１１】
本発明の第４の態様にかかる表面形状測定装置は、上述の測定装置であって、前記試料表面と前記センサヘッドとの距離に応じて、前記光センサ上での前記反射光の入射位置が変化する方向に前記反射光の通過を制限するスリットが前記センサヘッドに設けられていることを特徴とするものである。これにより、迷光を除去することができるため、正確に測定することができる。
【００１２】
本発明の第５の態様にかかる表面形状測定装置は、上述の測定装置であって、前記試料の端部において前記試料を支持するステージをさらに備え、前記試料の裏面、及び表面に対して、算出された表面形状に基づいて、前記試料の自重による反り量を含んだ試料の変形量を求めることを特徴とするものである。これにより、自重による反り量を含んだ試料の変形量を正確に測定することができる。
本発明の第６の態様にかかる表面形状測定装置は、上述の測定装置であって、前記試料の自重による反り量を求め、自重による反り量を除いた前記試料の変形量を求めるものである。これにより、自重による反り量を除いた試料の変形量を正確に求めることができる。
【００１３】
本発明の第７の態様にかかる表面形状測定方法は、試料に光を照射する光源と、前記光源からの光のうち前記試料で反射した反射光を受光する光センサとが設けられたセンサヘッドと、前記センサヘッドと前記試料との相対位置を変化させる駆動機構と、を備えた表面形状測定装置による表面形状測定方法であって、前記センサヘッドと前記試料との相対位置を変化させるステップと、前記光センサ上での前記反射光の入射位置を抽出するステップと、前記反射光の入射位置に前記相対位置が対応付けられた位置データを周波数領域のデータに変換するステップと、前記周波数領域のデータに対して、一定周波数以上の成分、又は前記所定の周波数帯の成分を遮断するようフィルタリングするステップと、前記フィルタリングされた周波数領域のデータを、空間領域のデータに逆変換するステップと、を備えるものである。これにより、正確に測定することができる。
【００１４】
本発明の第８の態様にかかる表面形状測定方法は、上述の測定方法であって、前記フィルタリングされた成分の周波数が前記試料に設けられているパターンの周期に基づいて設定されているものである。これにより、パターン境界での影響を低減することができ、正確な測定が可能となる。
【００１５】
本発明の第９の態様にかかる表面形状測定方法は、上述の測定方法であって、前記位置抽出部が前記光センサ上での前記受光強度のピーク位置を前記入射位置として抽出し、任意の前記相対位置での検出結果に対して、ピーク位置が複数存在する場合に、隣の相対位置でのピーク位置に最も近いピーク位置を入射位置として抽出するものである。これにより、より正確に測定することができる。
【００１６】
本発明の第１０の態様にかかる表面形状測定方法は、上述の測定方法であって、前記試料表面と前記センサヘッドとの距離に応じて、前記光センサ上での前記反射光の入射位置が変化する方向に前記反射光の通過を制限するスリットが前記センサヘッドに設けられていることを特徴とするものである。これにより、自重による反り量を正確に測定することができる。
【００１７】
本発明の第１１の態様にかかる表面形状測定方法は、上述の測定方法であって、前記試料の端部において前記試料を支持するステージに前記試料が載置され、前記試料の裏面、及び表面に対して、算出された表面形状に基づいて、前記試料の自重による反り量を求めることを特徴とするものである。これにより、迷光を除去することができるため、正確に測定することができる。
本発明の第１２の態様にかかる表面形状測定方法は、上述の測定方法であって、前記試料の自重による反り量を求め、自重による反り量を除いた前記試料の変形量を求めるものである。これにより、自重による反り量を除いた試料の変形量を正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、正確に試料の表面形状を測定することができる表面形状測定装置、及び表面形状測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本実施の形態では、試料に光を照射し、その反射光を検出することによって、試料の表面形状を測定する。これにより、試料の反り（撓み）を評価することができる。典型的な試料としては、半導体ウエハやフォトマスクなどがある。
【００２０】
本実施の形態にかかる表面形状測定装置の構成について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、表面形状測定装置の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）はその側面図である。図１に示すように、表面形状測定装置１０は、センサヘッド１２、ステージ１３、処理装置１５、Ｙ駆動機構１６、及びＸ駆動機構１７を有している。表面形状測定装置１０は、試料１１の表面形状を測定する。図１では、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向と垂直な方向をＸ方向としている。さらに、Ｚ方向、及びＸ方向と垂直な方向をＹ方向としている。よって、ＸＹ面は水平面となる。試料１１は、ＸＹ平面と略平行に配置されている。
【００２１】
試料１１は、ステージ１３上に載置されている。試料１１の下面には、所定のパターン膜１１ｃが形成されている。すなわち、試料１１には、パターン膜１１ｃが形成されている領域と、パターン膜１１ｃが形成されていない領域とが存在する。ステージ１３は３点で試料１１を支持している。すなわち、ステージ１３は試料１１端部の３点で試料１１下面と接触する。従って、試料１１の略全体において下側が開放している。すなわち、ステージ１３が設けられて３点以外では、試料１１の下側が空間になっている。ステージ１３としては、例えば、３本の支柱が設けられた中空ステージを用いることができる。ステージ１３は、Ｙ駆動機構１６に接続されている。Ｙ駆動機構１６はステージ１３をＹ方向に移動する。従って、ステージ１３上の試料１１は、Ｙ駆動機構１６によって、Ｙ方向に走査される。
【００２２】
センサヘッド１２は、試料１１の下側に配置される。すなわち、センサヘッド１２は、試料１１のパターン面側に配置される。センサヘッド１２による検出に基づいて、試料１１の表面形状が測定される。センサヘッド１２は、検出結果に応じた検出信号を処理装置１５に出力する。センサヘッド１２は、三角測量の原理を応用して検出を行なっている。センサヘッド１２の構成については、後述する。センサヘッド１２は、Ｘ駆動機構１７に接続されている。Ｘ駆動機構１７は、センサヘッド１２をＸ方向に移動する。従って、ステージ１３上の試料１１に対するセンサヘッド１２の位置がＸ方向に変化する。このように、Ｘ駆動機構１７によって、センサヘッド１２は、Ｘ方向に走査される。Ｘ駆動機構１７は、例えば、一定速度でセンサヘッド１２を往復させる。すなわち、走査領域の両端近傍以外で、センサヘッド１２が一定速度でＸ方向に移動する。
【００２３】
Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６は、モータなどのアクチュエータと、リニアガイドなどを有している。これにより、直進性よく移動させることができる。Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６は、処理装置１５に接続されている。処理装置１５は、Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６の駆動を制御する。すなわち、処理装置１５からの駆動信号によって、Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６が駆動される。
【００２４】
センサヘッド１２は、ステージ１３よりも高速で移動する。そして、センサヘッド１２をＸ方向に移動しながら、ステージ１３をＹ方向に送り出していく。これによって、試料全面に対して測定を行うことができる。すなわち、測定位置をラスタ走査や、ジグザグ走査することによって、試料１１の全体に対して測定を行うことができる。具体的には、Ｘ駆動機構１７は、試料１１の一端から他端まで、センサヘッド１２を＋Ｘ方向に移動させる。これにより、試料１１の１ライン分の測定が行なわれる。そして、Ｘ方向の１ライン分の移動が終了したら、Ｘ駆動機構１７は、移動方向を反転させる。また、移動方向を反転させている間に、Ｙ駆動機構１６が所定の間隔だけＹ方向にステージを送り出す。そして、２ライン目の測定を行なう。よって、２ライン目の測定では、逆方向（−Ｘ方向）にセンサヘッド１２が移動する。なお、センサヘッド１２が反転している間以外、センサヘッド１２は略同じ速さで移動する。すなわち、１ライン分の測定を行っている間は、センサヘッド１２が等速で移動する。
【００２５】
処理装置１５には、センサヘッド１２からの検出信号が入力される。処理装置１５は、センサヘッド１２からの検出信号を記憶する。また、Ｙ駆動機構１６はステージ１３のＹ方向の位置を示す位置信号を処理装置１５に出力する。また、Ｘ駆動機構１７はセンサヘッド１２のＸ方向の位置を示す位置信号を処理装置１５に出力する。これにより、試料１１においてセンサヘッド１２が検出を行なっている検出位置の座標を特定することができる。処理装置１５は、センサヘッド１２からの検出信号に検出位置の座標を対応付けて記憶する。これにより、試料１１の各座標での検出信号が記憶される。
【００２６】
処理装置１５は、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置であり、検出信号に対して所定の演算処理を行なう。すなわち、処理装置１５は、ＣＰＵやメモリ等の記憶領域を備えるコンピュータである。例えば、処理装置１５は、演算処理部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、通信用のインターフェースなどを有し、表明形状を測定するために必要な処理を実行する。例えば、ＲＯＭには、演算処理するための演算処理プログラムや、各種の設定データ等が記憶されている。そして、ＣＰＵは、このＲＯＭに記憶されている演算処理プログラムを読み出し、ＲＡＭに展開する。そして、設定データや、センサヘッド等からの出力に応じてプログラムを実行する。さらに、処理装置１５は、演算処理結果を表示させるためのモニター等を有している。処理装置１５による処理については、後述する。
【００２７】
次に、センサヘッド１２の構成について図２を用いて説明する。図２は、センサヘッド１２の光学系の構成を示す図である。センサヘッド１２には、光源２１、レンズ２２、スリット２３、レンズ２４、及び光センサ２５が設けられている。なお、図２では、図１に示す構成と上下を反転して図示している。図２では、試料１１の表面を試料表面１１ａ、１１ｂとして示している。なお、試料表面１１ａと試料表面１１ｂとは、センサヘッド１２からの距離が変化している。すなわち、試料表面１１ｂは、試料表面１１ａよりもセンサヘッド１２からの距離が離れている。
【００２８】
光源２１は、レーザ光源等あり、試料１１に対してレーザ光を照射する。従って、光源２１からの光は、試料１１の表面１１ａに入射する。試料１１の表面１１ａが、光源２１からの光は所定のスポットで照明される。また、光源２１からのレーザ光は、試料１１に対して斜めに入射する。すなわち、レーザ光は、試料１１の表面１１ａに垂直な方向から傾いた方向に伝播し、所定の入射角度で試料１１に入射する。光源２１から試料１１に入射した光の一部は、試料表面１１ａで反射される。光源２１から試料１１に入射した光のうち、試料表面１１ａで反射した反射光は、レンズ２２に入射する。レンズ２２は反射光を屈折して、集光する。これにより、反射光は、平行光束となる。
【００２９】
レンズ２２で屈折された反射光は、スリット２３に入射する。スリット２３は、レンズ２２の瞳位置に配置されている。スリット２３は、所定の幅が開口しており、その外側に入射した反射光を遮光する。すなわち、スリット２３に設けられたライン状の開口部内に入射した反射光がスリット２３を通過し、開口部外に入射した反射光は、遮光される。これにより、光学系内の迷光を遮光することができる。よって、パターン付き試料１１からの回折光による誤差を低減することができ、正確な検出が可能になる。スリット２３の中央は、反射光の中央になるように配置されている。スリット２３を通過した反射光は、レンズ２４に入射する。レンズ２４は、反射光を屈折して、光センサ２５の受光面に集光する。
【００３０】
光センサ２５は、例えば、ラインセンサである。具体的には、光センサ２５として１次元ＣＣＤを用いることができる。よって、光センサ２５の受光面には、受光画素が１列に配置されている。光センサ２５は、各受光画素が受光した反射光に応じた検出信号を処理装置１５に出力する。すなわち、光センサ上での受光強度のプロファイルが検出信号として出力される。ここで、センサヘッド１２と試料１１の表面との距離が変化すると、光センサ２５での受光位置が変化する。光センサ２５の受光画素は、試料表面とセンサヘッド１２との距離によって受光位置がずれる方向に、配列されている。例えば、試料表面１１ａからの反射光は、光センサ２５の受光面の略中央の画素に入射するが、試料表面１１ｂからの反射光は、光センサ２５の受光面の中央からずれた画素に入射する。ここでは、試料１１ｂからの反射光は、中央の画素から左側にずれた画素に入射している。このように、光源１１からの光を試料１１に対して斜めに照射しているため、試料１１の表面の高さに応じて、試料１１の表面上における光の入射位置が変わる。従って、試料１１の表面上において、光が反射される位置が変化する。光センサ２５と試料１１との距離が変わると、光センサ２５上での受光位置が変化する。よって、光センサ２５の受光面上での反射光の入射位置に基づいて、光センサ２５と試料１１の表面との距離を求めることができる。
【００３１】
また、スリット２３は、試料表面とセンサヘッド１２との距離に応じて、光センサ２５上での反射光の入射位置が変化する方向に反射光の通過を制限している。具体的には、光学系内の中心から両側にずれた光が遮断されるため、反射光が光学系の中心を通過する。従って、光センサ２５で検出されたプロファイルの対称性を維持することができる。よって、光センサ２５上での入射位置を正確に抽出することができる。
【００３２】
そして、Ｘ駆動機構１７、及びＹ駆動機構１６によって、センサヘッド１２と試料１１との相対位置を変化させる。これにより、試料１１に対するセンサヘッド１２の位置が水平方向に変化し、試料１１上における測定位置が変化する。そして、相対位置を変化させながら、試料１１の表面からセンサヘッド１２までの距離を測定する。複数の相対位置における試料１１の表面からセンサヘッド１２までの距離をつなぎ合わせる。こうすることによって、試料１１の表面形状を測定することができる。すなわち、光センサ２５の中央の受光画素を基準とする入射位置のずれ量が、試料１１とセンサヘッド１２との距離に対応する。この入射位置のずれ量に応じて、試料１１と光センサ２５との距離が測定される。そして、試料１１の全体に対して、光センサ２５から試料１１の表面までの距離を測定することで、試料１１の凹凸、反り、撓み、うねり等を求めることができる。ここで、センサヘッド１２からの検出信号によって、表面形状を測定する処理は、処理装置１５において実行させる。
【００３３】
次に、処理装置１５の構成について図３〜図６を用いて説明する。図３は、処理装置１５の構成を示すブロック図である。図４、及び図５は、試料１１上の任意の座標における光センサ２５の検出結果を示すプロファイルである。図４、及び図５では、横軸が光センサ２５上での位置を示し、縦軸が受光量を示している。なお、図４は、パターン膜１１ｃがない箇所でのプロファイルを示し、図５は、パターン膜１１ｃの境界でのプロファイルを示している。図６は、処理装置１５で処理を説明するための示す図である。処理装置１５では、正確に表面形状を測定するため、第１の表面形状測定処理と、第２の表面形状測定処理とを実行している。まず、第１の表面形状測定処理について、以下に説明する。
【００３４】
図３に示すように、処理装置１５は、位置抽出部３１、変換部、フィルタ部３３、逆変換部３４、形状測定部３５、反り量算出部３６、センサヘッド制御部４１、記憶部４２、ステージ制御部４３を有している。センサヘッド制御部４１は、駆動信号を出力して、Ｘ駆動機構１７によるセンサヘッド１２の駆動を制御する。ステージ制御部４３は、駆動信号を出力して、Ｙ駆動機構１６によるステージ１３の駆動を制御する。これにより、試料１１の任意の座標での検出を行なうことができる。記憶部４２は、センサヘッド１２からの検出信号を試料１１上での座標に対応付けて記憶する。
【００３５】
位置抽出部３１は、センサヘッド１２からの検出信号に基づいて、検出信号のプロファイルのピーク位置を抽出する。すなわち、位置抽出部３１は、プロファイルのピーク位置を反射光の入射位置として抽出する。例えば、位置抽出部３１は、受光強度が高い受光画素近傍のデータに対して、二次曲線でのカーブフィッティングを行なう。これにより、光センサ２５の受光面上におけるプロファイルのピーク位置を正確に抽出することができる。このように、位置抽出部３１が光センサ２５上での受光強度プロファイルのピーク位置を入射位置として抽出する。もちろん、ピーク位置の抽出方法は、これに限るものではない。
【００３６】
例えば、パターン膜１１ｃがない箇所でのプロファイルは、図４に示すようになる。パターン膜１１ｃがない箇所では、光センサ２５でのプロファイルのピーク位置がＬ０となる。しかしながら、パターン膜１１ｃの境界では、パターン膜１１ｃの有無によって、試料表面の反射率が異なる。例えば、パターン膜１１ｃが存在する箇所は、反射率が高くなり、パターン膜１１ｃが存在する箇所は、反射率が低くなる。よって、パターン膜１１ｃの境界では、図４に示すプロファイルがくずれてしまう。例えば、図５に示すように、プロファイルがブロードになるとともに、反射率が高い方の受光画素に、ピーク位置がシフトする。従って、光源１１からのレーザ光のスポットが、パターン膜１１ｃの端部をまたいでいると、ピーク位置がずれてしまう。この場合、検出されたピーク位置に対して、実際のレーザ光のスポット中心での試料表面の高さからの誤差が生じてしまう。すなわち、パターン膜１１ｃがない箇所の高さが同じであっても、パターン膜１１ｃの境界では、ピーク位置が大きくシフトとする。なお、レーザ光のスポット全体がパターン膜１１ｃ上に入射する場合、例えば、図４と同様のプロファイルとなり、そのピーク高さが変化する。
【００３７】
従って、パターン膜１１ｃの境界では、ピーク位置が急激に変化することになる。例えば、図６（ａ）に示すように、試料１１上にパターン膜１１ｃが一定のピッチで形成されているとする。なお、図６（ａ）は、試料１１の表面の構成を示す平面図である。この場合、図６（ａ）の矢印方向にセンサヘッド１２を移動していくと、一定の時間毎にパターン膜１１ｃの境界にレーザ光が入射する。すなわち、一定の周期でパターン膜１１ｃの境界が、測定位置となる。
【００３８】
従って、センサヘッド１２を移動したときのピーク位置の変化は図６（ｂ）に示すようになる。図６（ｂ）では、測定座標に対するピーク位置のデータを示している。すなわち、図６（ｂ）は、横軸が試料１１上での測定位置を示し、縦軸が位置抽出部３１によって抽出されたピーク位置を示している。このピーク位置の変化を示すデータを位置データとする。従って、位置データには、複数の測定位置において抽出された反射光の入射位置（ピーク位置）から構成されている。そして、位置データでは、入射位置に試料１１に対するセンサヘッド１２の相対位置（測定位置）が対応付けられている。なお、図６では、横軸を、試料上の測定位置をＸ座標で示している。また、センサヘッド１２が一定速度でＸ方向に移動しているとすると、横軸を時間軸として捉えることも可能である。よって、図６（ｂ）に示す位置データは、空間領域、又は時間領域のデータである。
【００３９】
図６（ｂ）に示すように、パターン膜１１ｃのエッジ部分では、ピーク位置が急激に変化する。これは、上述の通り、パターン膜１１ｃの有無によって、反射率が変化することに起因している。従って、図６（ｂ）に示す位置データに基づいて、表面形状を測定すると、パターン膜１１ｃの境界での測定誤差が大きくなってしまう。すなわち、パターン膜１１ｃの境界では、ピーク位置が大きく突出している。そこで、本実施の形態では、変換部３２が、図６（ｂ）に示す空間領域の位置データを周波数領域のデータに変換する。
【００４０】
ここで、変換部３２によって変換された周波数領域のデータを図６（ｃ）に示す。図６（ｃ）において、横軸が周波数を示し、縦軸が信号強度を示している。変換部３２は、例えば、離散的なフーリエ変換（ＤＦＴ）を実行する。具体的には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行して、図６（ｂ）に示す空間領域のデータを周波数領域のデータに変換する。フーリエ変換は、数式１によって実施される。
【００４１】
【数１】
2008241506.tif 000003
【００４２】
なお、図６（ｂ）の横軸を時間軸として捉えると、変換部３２は、時間領域の位置データを周波数領域のデータに変換する。このように、変換部３２は、フーリエ変換を用いて反射光の入射位置に応じた位置データを周波数領域のデータに変換する。ここで、周波数領域のデータには、ｆｄにおいてピークが表れる。このｆｄは、パターン膜１１ｃの境界が表れる時間間隔（空間距離）に対応している。すなわち、パターン膜１１ｃの境界が測定位置となる周波数が、ｆｄとなる。もちろん、パターン膜１１ｃの配置によっては、２箇所以上にピークが表れることもある。
【００４３】
フィルタ部３３は、一定周波数（ｆ０）以上の成分をフィルタリングする。これにより、周波数領域のデータは、図６（ｄ）に示すようになる。ここでｆ０はｆｄよりも低い周波数になっている。よって、フィルタ部３３は、ｆｄを含む高周波数成分をフィルタリングする。例えば、フィルタ部３３は、ｆ０以上の成分をカットする。よって、ｆ０よりも大きい周波数では信号強度が０となる。これにより、ｆｄを含む高周波数帯の成分が除去され、パターン膜１１ｃの境界による影響を除去することができる。このように、フィルタ部３３は低域周波数の信号を通過させるローパスフィルタとして機能する。従って、ｆ０よりも低い周波数では、信号強度が変化しない。
【００４４】
そして、逆変換部３４は、フィルタリングされた周波数領域のデータに対して逆変換を行なう。これにより、周波数領域のデータが空間領域（時間領域）のデータに逆変換される。具体的には、逆フーリエ変換を行い、空間領域のデータを算出する。空間領域に逆変換されたデータは、図６（ｅ）に示すようになる。このようにして、パターン膜１１ｃによる影響が低減される。従って、図６（ｅ）に示すように、パターン膜１１ｃの境界においても、ピーク位置は滑らかに変化する。すなわち、パターン膜１１ｃの境界において突出しているデータが削除される。よって、パターン膜１１ｃの境界における測定誤差を低減することができる。
【００４５】
パターン膜１１ｃによる影響は、試料１１であるウエハの反りに対して短い周期である。このため、逆フーリエ変換を行なう際に、通常用いられる数式２の代わりに数式３を用いて、逆フーリエ変換を行なう。
【００４６】
【数２】
2008241506.tif 000004
【数３】
2008241506.tif 000005
【００４７】
なお、数式３においてＭはパターンの影響による信号周期以下の値である。これにより、高周波成分がカットされる。ｆ０は試料１１に設けられているパターンの周期に基づいて設定されている。従って、換言すると、ｆ０以下の帯域では、試料１１の反りの情報が含まれている。ｆ０をカット周波数とすることで、ウエハの反り（撓み）と比べて短い周期のパターンによる影響を低減することができる。このようにすることによって、フィルタ部３３による処理と、逆変換部３４による処理を一度に行うことができる。よって、容易に、パターンの影響による測定誤差を低減することができる。もちろん、試料１１に応じて、カット周波数であるｆ０を可変としてもよい。ｆ０は、パターンの幅や、パターン間のギャップに応じて設定してもよい。
【００４８】
そして、形状測定部３５は、逆変換されたデータにおける入射位置に基づいて、表面形状を測定する。具体的には、形状測定部３５は、光センサ２５上での反射光の入射位置に基づいて測長する。すなわち、形状測定部３５は、逆変換されたデータにおける入射位置に基づいて、試料１１とセンサヘッド１２との距離を測長する。入射位置のずれ量に基づいて、試料表面の高さが算出される。この試料表面の高さは、試料１１の表面のＺ方向における変位量に相当する。そして、試料１１に対するセンサヘッド１２の相対位置、すなわち、測定位置を変えて測定を行なう。形状測定部３５は、それぞれの測定位置での、試料１１の表面のＺ方向における変位量をつなぎ合わせる。これにより、測長結果に基づいて、試料１１の表面形状を測定することができる。また、高周波成分をカットすることで、パターン膜１１ｃの境界部分の影響を低減することができる。このため、正確な表面形状の測定が可能になる。なお、形状測定部３５は、変換部３２で変換する前の位置データに基づいて、測長してもよい。すなわち、変換部３２でフーリエ変換する前に、試料表面と光センサ２５との距離を算出してもよい。この場合、測定位置を変えたときの試料表面の変位量が位置データとなる。そして、各測定位置での変位量に応じた位置データが周波数領域にフーリエ変換される。
【００４９】
次に、上記の演算処理結果について図７、及び図８を用いて説明する。図７は、パターン膜１１ｃの境界部分の影響を低減する前の測定結果を示している。図８は、パターン膜１１ｃの境界部分の影響を低減した後の、測定結果を示している。すなわち、図７は、フーリエ変換前の位置データの波形を示し、図８は、逆フーリエ変換後のデータの波形を示している。換言すると、図７は、数式２によって逆変換した測定結果を示し、図８は数式３によって逆変換した測定結果を示している。図７、及び図８は、横軸が時間を示しており、縦軸が入射位置に基づく試料表面の変位量を示している。なお、横軸の時間をＸ方向におけるセンサヘッド１２の移動速度から試料１１上の空間距離に換算すると、２５ｍｓｅｃが１．５６ｍｍとなる。
【００５０】
パターン膜１１ｃの影響を除去しないと、図７に示すように、パターン膜１１ｃのエッジ部分での測定結果が突出したノイズとして現れる。一方、パターン膜１１ｃの影響を除去すると、図８に示すように、パターン膜１１ｃのエッジ部分での測定結果がノイズとして現れない。よって、パターンの影響による測定誤差を低減することができる。
【００５１】
次に、第２の表面形状測定処理について、図９、図１０を用いて説明する。図９は、試料１１上の任意の座標における光センサ２５の検出結果を示すプロファイルである。図９では、横軸が光センサ２５上での位置を示し、縦軸が受光量を示している。図１０は、処理装置１５で処理を説明するための示す図である。
【００５２】
試料１１にパターン膜１１ｃが形成されている場合、パターン膜１１ｃによっては、図９に示すようなプロファイルとなることがある。すなわち、パターン膜１１ｃが存在する箇所では、レーザ光の干渉によって、複数のピークが表れることがある。このような場合、通常、高いピークの両側に、低いピークが存在する。すなわち、プロファイルに現れた３つのピークの位置、中央のピークが最も高いピークとなる。このように、パターン１１ｃが存在する箇所では、ピーク位置が複数算出されてしまう。
【００５３】
図１０（ａ）に示すようなパターン膜１１ｃが一定間隔で設けられている領域に対して測定を行なうとする。すると、この領域での位置データは図１０（ｂ）に示すようになる。すなわち、パターン膜１１ｃが形成されている箇所では、ピーク位置の値が３つ存在する。従ってパターン膜１１ｃが形成されている箇所では、ある任意の測定位置において、中央のピークに対応するピーク位置の値の上下にも、ピーク位置の値が算出される。一方、パターン膜１１ｃがない箇所では１つのピーク位置のみ算出されている。なお、図１０（ｂ）は、横軸が試料１１上での測定位置を示し、縦軸が位置抽出部３１によって抽出されたピーク位置を示している。
【００５４】
そのため、本測定処理では、隣の測定位置から連続するピーク位置の値を真の入射位置として抽出する。すなわち、３つのピーク位置に対して、隣の測定位置でのピーク位置と最も近い値のピーク位置を入射位置として抽出する。これにより、１つのピーク位置のみ算出されている測定位置と隣の測定位置では、１つのピーク位置のみ抽出される。よって、パターン膜１１ｃが形成されていない測定位置と隣の測定位置で３つのピーク位置が算出されたとしても、中央のピークに対応するピーク位置のみ抽出することができる。そして、測定位置を順番にずらして、上記の処理を実行すれば、各測定位置で１つのピーク位置のみが抽出される。
【００５５】
すなわち、中央のピークに対応するピーク位置以外は、入射位置として認識されなくなる。このため、それぞれの測定位置で入射位置が１つに特定される。従って、パターン膜１１ｃが存在する測定位置でも、正確に１つのピーク位置を抽出することができる。このように、隣の測定位置から連続するピーク位置の値を真のピーク位置として抽出すると、位置データは、図１０（ｃ）に示すようになる。なお、図１０（ｃ）は、横軸が試料１１上での測定位置を示し、縦軸が位置抽出部３１によって抽出されたピーク位置を示している。
【００５６】
このように、隣の測定位置でのピーク位置と連続するピーク位置を順番に選択していく。パターン膜１１ｃがない箇所からピーク位置を選択すると、パターン膜１１ｃがある箇所でも入射位置が１つに特定される。よって、正確に入射位置を抽出することができる。このため、正確な表面形状測定が可能になる。
【００５７】
もちろん、第１の表面形状測定処理と、第２の表面形状測定処理との処理を行ってもよい。この場合、空間領域の位置データに対して、第２の表面形状測定処理を行なった後、第１の表面形状測定処理を行う。これにより、空間領域の波形が連続したものとなった状態で、パターン膜１１ｃの境界部分での影響を低減することができる。よって、より正確な形状測定が可能になり、試料１１の反り（たわみ）を正確に評価することができる。
【００５８】
さらに、反り量算出部３６は、試料１１の自重による反り量（撓み量）を算出する。上記の表面形状測定を試料１１の両面に対して行なうことによって、自重による反り量を算出することができる。例えば、試料１１の表側の面（パターン面）に対して表面形状を測定した後、試料１１を反転させて、ステージ１３上に載置する。そして、試料１１の裏側の面に対して表面形状を測定する。これにより、試料１１の両面（表面、及び裏面）の表面形状を測定することができる。そして、測定位置毎に、表面の測長距離と裏面の測長距離との差を取り、２で割る。ここでは、同じ測定位置における測長距離の差を取り、２で割る。このデータが自重による試料１１の反り量となる。なお、表面と裏面との形状測定の順番は反対でもよい。
【００５９】
反り量算出部３６によって算出された反り量に基づいて、自重がかからない状態での表面形状を推測することができる。これにより、例えば、試料１１を鉛直方向に配置した状態での、表面形状が推測される。すなわち、試料である半導体ウエハを縦置きにしたときの、表面形状が推測される。一方の面では、測定された表面形状に反り量を足し、他方の面では、測定された表面形状から反り量を引く。そして、測定された表面形状に対して反り量を足したもの、あるいは引いたものが、自重がかからない状態での表面形状として推測される。なお、半導体ウエハの厚さのムラは、数μｍ程度であり、自重による反り量は、７０〜１００μｍ程度である。よって、自重による反り量の変化は、厚さのムラに比べて十分大きい。従って、自重による反り量に基づいて、自重がかからない状態での表面形状を推測することができる。このように、試料１１の自重による反り量を測定値、又は推測値から求めることができる。そして、求められた自重による反り量を除いた試料１１の変形量を求めることができる。
【００６０】
なお、上記の説明では、光センサ２５をラインセンサとして説明したが、受光画素がマトリクス状に配列されたエリアセンサや、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサであってもよい。すなわち、反射光の入射位置を検出することができるものであればよい。また、反射光の入射位置をプロファイルのピーク位置として説明したが、プロファイルの重心位置であってもよい。また、フィルタ部３３によって、一定周波数以上の成分がフィルタリングされるとして説明したが、これに限るものではない。例えば、フィルタ部３３が所定の周波数帯の成分をフィルタリングしてもよい。すなわち、フィルタ部３３が特定の周波数近傍の成分を遮断するようにしてもよい。この場合も、フィルタリングする成分の周波数は、パターンの周期によって決めることが好ましい。この場合、フィルタ部３３は、バンドパスフィルタとして機能する。
【００６１】
なお、処理装置１５は、物理的に単一な装置にかぎるものではない。位置抽出部３１、変換部３２、フィルタ部３３、逆変換部３４、形状測定部３５、及び反り量算出部３６のうちの一部が異なる装置に組み込まれていても良い。例えば、位置抽出部３１による入射位置の検出は、光センサ２５のコントローラによって実施されてもよい。すなわち、位置抽出部３１が光センサ２５に設けられていてもよい。この場合、各測定位置でのピーク位置が処理装置１５に入力される。そして、処理装置１５は、変換部３２以降の処理を実行する。また、第２の形状測定処理が光センサ２５のコントローラで実施されていてもよい。
【００６２】
上記の表面形状測定方法によって、表面形状を正確に求めることができる。特にパターン付き基板に対する表面形状の測定に好適である。よって、半導体のシリコンウエハや、半導体製造工程で用いられるフォトマスクの反り、撓み、うねり等を正確に評価することができる。よって、不良となるウエハやフォトマスクを取り除くことができ、半導体の生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本実施の形態にかかる表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態にかかる表面形状測定装置に用いられるセンサヘッドの構成を示す図である。
【図３】本実施の形態にかかる表面形状測定装置の処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】パターン膜がない箇所での検出結果のプロファイルを示す図である。
【図５】パターン膜が存在する試料での検出結果のプロファイルを示す図である。
【図６】本実施の形態にかかる表面形状測定装置の処理装置での第１の処理を説明するための図である。
【図７】第１の形状測定処理を行なう前の位置データを示す図である。
【図８】第１の形状測定処理を行った後のデータを示す図である。
【図９】パターン膜が存在する試料での別の検出結果のプロファイルを示す図である。
【図１０】本実施の形態にかかる表面形状測定装置の処理装置での第２の処理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６４】
１１  ウエハ、１１ａ  試料面、１１ｂ  試料面、１１ｃ  パターン膜、
１２  センサヘッド、１３  ステージ、１５  処理装置、
１６  Ｙ駆動機構、１７  Ｘ駆動機構、
２１  光源、２２  レンズ、２３  スリット、２４  レンズ、２５  光センサ、
３１  位置抽出部、３２  変換部、３３  フィルタ部、３４  逆変換部、
３５  形状測定部、３６  反り量算出部、
４１  センサヘッド制御部、４２  記憶部、４３  ステージ制御部、
【図１】
2008241506.tif 000006
【図２】
2008241506.tif 000007
【図３】
2008241506.tif 000008
【図４】
2008241506.tif 000009
【図５】
2008241506.tif 000010
【図６】
2008241506.tif 000011
【図７】
2008241506.tif 000012
【図８】
2008241506.tif 000013
【図９】
2008241506.tif 000014
【図１０】
2008241506.tif 000015