(57)【要約】【課題】比較的簡単かつ高速に高アスペクト比の穴や溝の深さの測定ができる深さ測定装置を提供する。【解決手段】基板２に形成された凹部２ａの深さを測定する深さ測定装置１であって、基板２に赤外線を照射する赤外線光源１０と、赤外線光源１０から基板２に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラ１１と、赤外線カメラ１１の位置を調整する位置調整手段１３と、を有する深さ測定装置１において、基板２に赤外線を透過させ、位置調整手段１３で赤外線カメラ１１の位置を調整していき、複数箇所で透過光の画像を赤外線カメラ１１で計測することにより、基板２の凹部の深さを測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、
該基板に赤外線を照射する赤外線光源と、
該赤外線光源から前記基板に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラと、
該赤外線カメラの位置を調整する位置調整手段と、
を有する深さ測定装置において、
前記基板に前記赤外線を透過又は反射させ、前記位置調整手段で前記赤外線カメラの位置を調整していき、複数箇所で透過光又は反射光の画像を前記赤外線カメラで計測することにより、前記基板の凹部の深さを測定することを特徴とする深さ測定装置。
【請求項２】
前記基板の下面に該当する画像を前記赤外線カメラで検出した時のフォーカス位置と、前記凹部の上面（穴の奥側の面）に該当する画像を前記赤外線カメラで検出したときのフォーカス位置と、を計測し、この両位置の距離差に、基板の屈折率を乗じた値を基板の厚みから引いた値を求めることにより、前記凹部の深さを測定することを特徴とする請求項１に記載の深さ測定装置。
【請求項３】
前記基板の下面にフォーカス位置を合わせ、その位置の値から凹部の形状が最も小さく見える位置までの距離に、前記基板の屈折率を乗じた値を求めることにより、前記凹部の深さを測定することを特徴とする請求項１に記載の深さ測定装置。
【請求項４】
前記赤外線光源から照射された赤外線を集束させて基板に照射するための照明用レンズを用いることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の深さ測定装置。
【請求項５】
前記反射光の画像を前記赤外線カメラで計測する際に、前記赤外線光源に、波長感度特性が略１１００ｎｍに合うように他の波長の光をカットするバンドパスフィルタを接続することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の深さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の溝や穴の深さを赤外線カメラを用いて測定する深さ測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程中においては、半導体基板に、種々の加工がなされる。それら加工のうち、例えば、基板の裏面に数万個もの穴が空けられることがある。これらの穴は基板を貫通しておらず、穴の径の割りに深さの深い高アスペクト比の穴となっている場合がある。例えば、５インチ若しくは８インチのシリコンウエハの場合には、ウエハの厚みは、６００μｍ程度で、ウエハに設けられた穴径は、直径２５μｍ以下で、穴深さは２００μｍ以上という８倍以上の高アスペクト比の穴が空けられることがある。そこで、半導体基板の製造工程では、これら高アスペクト比の穴の深さを測定することが望まれている。
【０００３】
従来、基板上に設ける穴の深さは、レーザ変位計を用いて測定していた。これらの方法では、まず、レーザ光を穴の内部に照射し、その反射光を計測して、その距離を測定していた。
【０００４】
また、例えば、特許文献１に示されているように、青色レーザなどの光ビームを用いたコンフォーカル光学系を利用した計測装置がある。この方法は、基板表面に光ビームを当てて、その反射光のピーク値を得る。さらに、光軸方向の位置を移動させて、穴の底部表面で反射した反射光のピーク値を得る。そして、その２つの反射光のピークを発生させる対物レンズと基板との間の相対距離を検出することにより、基板に形成された穴の深さを決定することができる。
【特許文献１】特開２００３−１４８９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ光による測定を直径２５μｍ以下という微小径で高アスペクト比の穴に適用しようとすると、穴の中にレーザ光を照射しても、アスペクト比が高いので、反射光が十分に返ってこず、深さの測定ができないという事態が生じていた。また、特許文献１に示されている方法では、レンズやミラーを多用して、光学系システムが複雑になってしまうという難点がある。また、アスペクト比の高い穴の測定時には、低速でビーム走査を行う必要があり、測定時間が長くなってしまう。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、比較的簡単かつ高速に高アスペクト比の穴や溝の深さの測定ができる深さ測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、基板に形成された凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、該基板に赤外線を照射する赤外線光源と、該赤外線光源から前記基板に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラと、該赤外線カメラの位置を調整する位置調整手段と、を有する深さ測定装置において、前記基板に前記赤外線を透過又は反射させ、前記位置調整手段で前記赤外線カメラの位置を調整していき、複数箇所で透過光又は反射光の画像を前記赤外線カメラで計測することにより、前記基板の凹部の深さを測定する構成を採用した。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明のように、前記基板の下面に該当する画像を前記赤外線カメラで検出した時のフォーカス位置と、前記凹部の上面（穴の奥側の面）に該当する画像を前記赤外線カメラで検出したときのフォーカス位置と、を計測し、この両位置の距離差に、基板の屈折率を乗じた値を基板の厚みから引いた値を求めることにより、前記凹部の深さを測定することもできる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明のように、前記赤外線カメラの画像を見ながら基板の下面にフォーカス位置を合わせ、その位置の値から凹部の形状が最も小さく見える位置までの距離に、前記基板の屈折率を乗じた値を求めることにより、前記凹部の深さを測定することもできる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明のように、前記赤外線光源から照射された赤外線を集束させて基板に照射するための照明用レンズを用いることが好ましい。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明のように、前記反射光の画像を前記赤外線カメラで計測する際に、前記赤外線光源に、波長感度特性が略１１００ｎｍに合うように他の波長の光をカットするバンドパスフィルタを接続することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、基板の各断面位置に赤外線カメラのフォーカス位置を移動させることにより、その断面での赤外線の透過光又は反射光の画像を赤外線カメラで計測する。つまり、計測するのは、基板断面のカメラのフォーカス位置での画像であるので、アスペクト比が高くても比較的はっきりとした穴の画像を得られる。また、得られた画像から基板の各断面での穴の径を計測して、ウエハの穴の深さを測定できるので、簡単かつ高速に高アスペクト比の穴を測定することができる。
【００１３】
また、請求項２及び請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、簡単な計算方法で穴の深さを測定することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３に記載の発明の効果に加え、照明用レンズで赤外線を屈折させて穴の上面に向けて照射することにより、穴の壁面からの散乱光の悪影響を減らすことで、より正確でくっきりとした画像を得ることができる。
【００１５】
さらに、請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４に記載の発明の効果に加え、１１００μｍのバンドパスフィルタを付けたことにより、他の波長の光をカットすることができ、赤外線カメラの撮影画像の画質が向上し、計測精度を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る深さ測定装置は、基板に形成された凹部の深さを測定する深さ測定装置であって、該基板に赤外線を照射する赤外線光源と、該赤外線光源から前記基板に照射された赤外線の画像を計測する赤外線カメラと、該赤外線カメラの位置を調整する位置調整手段と、を有する深さ測定装置において、前記基板に前記赤外線を透過又は反射させ、前記位置調整手段で前記赤外線カメラの位置を調整していき、複数箇所で透過光又は反射光の画像を前記赤外線カメラで計測することにより、前記基板の凹部の深さを測定する。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る深さ測定装置の第１の実施形態を示す側面図である。図２は、ウエハ（基板）上に形成された穴を示す図である。図２（ａ）はウエハの側面断面図であり、図２（ｂ）はウエハの裏面の拡大図である。図では、水平方向をＸＹ方向とし、鉛直方向をＺ方向とする。
【００１８】
図１には、本発明の実施の形態に係る深さ測定装置１が示されている。図１の中央部には、測定対象である穴が形成されたウエハ（基板）２が配置されている。ウエハ２には、図２に示すように、その裏面に穴２ａが空けられている。穴２ａは、図では省略してあるが、１つの基板上に例えば８万個も空けられている。穴２ａは、図２（ｂ）に示すように、ウエハ２を貫通してはおらず、ウエハ２の下端面の径よりも穴２ａの上面（穴の奥側の面）の径のほうがやや小さくなったテーパ状をしている。
【００１９】
ウエハ２は、図１に示すように、Ｘ方向に移動可能なＸ方向の載置台３の上部にチャック４により固定されている。また、Ｘ方向の載置台３は、Ｙ方向に移動可能なＹ方向の載置台５に移動可能に載置されている。Ｘ方向の載置台３及びＹ方向の載置台５は、高精度のリニアスケールで位置を制御され、赤外線がウエハに形成された穴の位置に当たるようにフィードバック制御される。Ｙ方向の載置台５等は、水平方向に広がる板状をしたベース６に固定されている。
【００２０】
ウエハ２の下方には、光源から出た光を集束してウエハ２に照射する照明用レンズ７が配置されている。照明用レンズ７には、光ファイバケーブル８が接続されている。光ファイバケーブル８の先には、バンドパスフィルタ９が接続されている。バンドパスフィルタ９は、赤外線カメラの波長感度特性が略１１００ｎｍに合うように他の波長の光をカットする。なお、この例では、バンドパスフィルタ９を接続した例を示したが、この例のように、透過光を計測する際には、バンドパスフィルタ９を接続しなくてもいい。バンドパスフィルタ９の図の左には、赤外線光源１０が配置されている。赤外線光源１０は、ウエハ２を透過する略１１００ｎｍの波長の赤外線を照射する。このように、赤外線カメラの波長感度特性を、シリコンウエハを透過する１１００μｍに合わせることにより、赤外線カメラの撮影画像の画質が向上し、計測精度が上がる。
【００２１】
ウエハ２の上方には、赤外線の画像を計測する赤外線カメラ１１が配置されている。赤外線カメラ１１の下端には、ウエハ２の穴を拡大して検出する対物レンズ１２が配置されている。この対物レンズ１２は、赤外線用で焦点深度の浅いものを用いることにより精度の高い計測が可能となる。赤外線カメラ１１は、位置調整手段としての高精度のリニアスケール１３でその側面がガイドされており、その高さ位置がフィードバック制御される。このように赤外線カメラ１１を上下に移動させることで、そのフォーカス位置を移動させることができる。リニアスケール１３は、ベース６上に固定された赤外線カメラ固定台１４に固定されている。
【００２２】
リニアスケール５、赤外線光源１０、赤外線カメラ１１、リニアスケール１３等は、図の下方に示す制御装置１５に接続されている。制御装置１５としては、例えば、パーソナルコンピュータを挙げることができる。制御装置１５は、リニアスケール５を制御してウエハ２に形成された穴に光源からの赤外線が照射されるようにする。また、赤外線光源１０を制御して光源から赤外線を照射させ、赤外線カメラ１１で検出された画像のコントラストを改善したり、ノイズ除去処理を行ったりしながら、穴の径の像を計測する。さらに、制御装置１５は、リニアスケール１３を制御して、赤外線カメラ１１の高さ位置を制御して穴の深さを測定できるようにしている。
【００２３】
次に、本発明に係る深さ測定装置を用いた深さ測定方法について説明する。
図３は、深さ測定方法の原理を示す図である。図４は、赤外線カメラで検出した画像を示す図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）は図３のＡ〜Ｄの断面部分に赤外線カメラのピントを合わせたときに検出されたそれぞれの画像を示している。
【００２４】
図３の下方には、図１、２で説明したウエハ２の断面が示されている。ウエハ２には、テーパ状をした穴２ａが形成されている。ウエハ２としては、例えば、５インチ若しくは８インチのシリコンウエハを用いることができる。シリコンウエハの厚みは、６００μｍ程度で、ウエハに設けられた穴径は、直径２５μｍ以下で、穴深さは２００μｍ以上という８倍以上の高アスペクト比の穴を測定できる。なお、穴の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、穴径が直径５０μｍ以下で、深さ６５０μｍ程度の穴も測定できる。
【００２５】
ウエハ２の下方からは、赤外線光源から発せられた赤外線２０が照射されている。シリコンウエハは、１１００μｍの波長の赤外線を透過するという特性があるので、赤外線２０は、穴２ａの形成されていない部分では、ウエハ２を下から上に透過している。しかし、穴２ａが形成されている部分では、穴２ａの上面に当たって、そこから上には透過していない。これは、穴２ａの内面には、カーボンや酸化物等が付着しており、赤外線２０を透過しないためである。なお、この例では、赤外線光源から発せられた赤外線は、照明用レンズ７（図１参照）を通すことなくウエハ２に照射されている。
【００２６】
ウエハ２の上方には、図１でも説明した、対物レンズ１２と赤外線カメラ１１が配置されている。測定時には、この対物レンズ１２と赤外線カメラ１１を上下に移動させて、赤外線カメラ１１のフォーカス位置を各断面に合わせて画像を計測する。
【００２７】
図３を参照しつつ、本発明の深さ測定装置を用いた深さ測定方法について説明する。まず、図３に示すように、ウエハ２に形成された穴２ａに赤外線２０を当てる。そして、ウエハ２を透過した光と、穴２ａの内面のカーボンで遮られた光のコントラストの違いを赤外線カメラ１１で画像として撮影する。この撮影は、フォーカス位置を変えながら、複数箇所にわたって行うことができるが、この例では、図３に示すように、Ａ〜Ｄの４箇所にフォーカス位置を合わせている。なお、この例では、ウエハ２の４箇所について赤外線カメラの画像を取り上げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに多くの箇所で測定することにより、穴の深さをより正確に測定することができる。
【００２８】
この撮影は、まず、赤外線カメラ１１の焦点をウエハ２の上面に合わせて、その時の赤外線カメラ１１のフォーカス位置を記憶する。この例では、図３のＡの位置がウエハ２の上面となっており、その時の画像が図４（ａ）である。そこから赤外線カメラ１１のフォーカス位置を少しずつ下げていき、穴２ａの形状が一番よく見えるフォーカス位置を探す。穴２ａはテーパ状をしているので、穴２ａの径が最も小さくはっきりと見える位置が穴２ａの上面である。この例では、図３のＢの位置が該当し、その時の画像が図４（ｂ）である。
【００２９】
この位置から赤外線カメラ１１を鉛直方向下方に移動させ、フォーカス位置を下げていくと、穴２ａがテーパ状をしているので、穴の径の画像は徐々に大きくなっていく。この例では、図３のＣの位置が穴２ａの中間点となっており、その時の画像が図４（ｃ）である。さらに、フォーカス位置を下げていくと、やがてウエハ２の底面に焦点が合う。この例では、図３のＤの位置がウエハ２の下面となっており、その時の画像が図４（ｄ）である。
【００３０】
上記図４に示した画像を、図１の制御装置１５で画像処理を行い、ウエハ２の下面に該当する画像を検出した時のフォーカス位置（図３のＤの位置）と、穴２ａの上面に該当する画像を検出したときのフォーカス位置（図３のＢの位置）をリニアスケール１３にて計測する。そして、この両位置の距離差にウエハの屈折率を乗じた値をウエハ２の厚みから引いた値が穴２ａの深さになる。また、赤外線カメラ１１の画像を見ながらウエハ２の下面にフォーカス位置を合わせ（図３のＤの位置）、その位置の値から穴２ａが最も小さく見える位置（図３のＢの位置）までの距離に、ウエハ２の屈折率を乗じた値を穴深さとすることも可能である。なお、ウエハ２の上面などに他の材料の薄膜等がある場合には、その屈折率も考慮する必要がある。
【００３１】
次に、赤外線を照明用レンズで集光してウエハに照射する方法について説明する。
図５は、赤外線を照明用レンズで集光してウエハに照射する方法を示す図である。図５には、穴２ａが形成されたウエハ２が配置されている。穴２ａは下面側の径が大きいテーパ状をしている。
【００３２】
ウエハ２の下面には、照明用レンズ７（図１参照）が配置されている。この照明用レンズ７の下面に照射された赤外線は、レンズで屈折されて穴２ａの上面に向けて斜めに入射している。ところで、ウエハ２に平行光照明を当てた際には、穴２ａ付近で乱反射が起こり、穴２ａの上面ではないところに穴のような影ができ、この影の画像を計測してしまうことで、穴の深さに誤差を生じ、深さ測定の精度の低下を招く虞がある。そこで、この例のように、照明用レンズ７で赤外線を屈折させて穴２ａの上面に向けて照射することにより、穴２ａの周辺での乱反射による悪影響が軽減され、より正確にくっきりとした画像を得ることができる。
【実施例２】
【００３３】
次に、本発明に係る深さ測定装置の第２の実施形態について説明する。
図６は、本発明に係る深さ測定装置の第２の実施形態を示す図である。図６の上方には、図1に示した赤外線光源１０が配置されている。赤外線光源１０の先には、バンドパスフィルタ９が接続されている。バンドパスフィルタ９は、赤外線カメラの波長感度特性が略１１００ｎｍに合うように他の波長の光をカットする。図の下方には穴２ａが形成されたウエハ２が配置されている。対物レンズ１２とウエハ２の間には、光の一部を通し一部を反射するハーフミラー３１が斜め４５度に傾けて配置されている。ハーフミラー３１の図の左方には、図１に示した赤外線カメラ１１と対物レンズ１２が配置されている。
【００３４】
この例では、赤外線光源１０から発せられた赤外線は、ハーフミラー３１を通過して、下方に進み、ウエハ２に照射されている。ウエハ２で反射した赤外線は、上方に進み、ハーフミラー３１で向きを左に変える。その赤外線は、対物レンズ１２に入射し、赤外線カメラ１１で画像が計測される。この例のように、反射光を利用してウエハの穴の深さを測定することもできる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る深さ測定装置は、半導体基板の製造工程などで用いる、種々の大きさの基板に形成された高アスペクト比の穴や溝の深さの測定ができる深さ測定装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る深さ測定装置の第１の実施形態を示す側面図である。
【図２】ウエハ（基板）上に形成された穴を示す図である。図２（ａ）はウエハの側面断面図であり、図２（ｂ）はウエハの裏面の拡大図である。
【図３】深さ測定方法の原理を示す図である。
【図４】赤外線カメラで検出した画像を示す図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）は図３のＡ〜Ｄの断面部分に赤外線カメラのピントを合わせたときに検出されたそれぞれの画像を示している。
【図５】赤外線を照明用レンズで集光してウエハに照射する方法を示す図である。
【図６】本発明に係る深さ測定装置の第２の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・深さ測定装置
２・・・ウエハ
２ａ・・穴
３・・・Ｘ方向の載置台
４・・・チャック
５・・・Ｙ方向の載置台
６・・・ベース
７・・・照明用レンズ
８・・・光ファイバケーブル
９・・・バンドパスフィルタ
１０・・赤外線光源
１１・・赤外線カメラ
１２・・対物レンズ
１３・・リニアスケール
１４・・固定台
１５・・制御装置
２０・・赤外線
３１・・ハーフミラー
【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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【図６】
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