(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状の検査試料の形状を測定する試料検査装置において、前記検査試料の測定表面及び測定裏面を除く部分を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された検査試料の測定表面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第１参照面を持ち、検査試料の測定表面に可干渉光を投光して第１参照面と測定表面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第１撮像素子により撮像する第１検査光学系と、前記保持手段に保持された検査試料の測定裏面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第２参照面を持ち、検査試料の測定裏面に可干渉光を投光して第２参照面と測定裏面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第２撮像素子により撮像する第２検査光学系と、前記第１撮像素子又は第２撮像素子により撮像される干渉縞画像であって、前記第１参照面と第２参照面とにより前記検検査試料の領域外に形成された干渉縞画像に基づいて前記第１参照面と第２参照面との相対的平行度を検出する平行度検出手段と、前記第１撮像素子及び第２撮像素子によりそれぞれ得られる干渉縞画像に基づいて前記検査試料の面形状情報を解析し、前記平行度検出手段により検出された検出情報に基づいて検査試料の表裏面の相対的な面形状情報を補正する解析手段と、を備えることを特徴とする試料検査装置。
【請求項２】
薄板状の検査試料の形状を測定する試料検査装置において、前記検査試料の測定表面及び測定裏面を除く部分を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された検査試料の測定表面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第１参照面を持ち、検査試料の測定表面に可干渉光を投光して第１参照面と測定表面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第１撮像素子により撮像する第１検査光学系と、前記保持手段に保持された検査試料の測定裏面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第２参照面を持ち、検査試料の測定裏面に可干渉光を投光して第２参照面と測定裏面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第２撮像素子により撮像する第２検査光学系と、第１参照面及び第２参照面の間の異なる３点の平行度を検出する３組の平行度検出光学系であって、第１参照面及び第２参照面に測定光束を照射する光源と、第１参照面及び第２参照面からの反射光を受光する受光素子をそれぞれ持つ平行度検出光学系を有し、各受光素子により検出される第１参照面及び第２参照面の光路差によって生じる干渉の光強度に基づいて第１参照面及び第２参照面との相対的平行度を検出する平行度検出手段と、前記第１撮像素子及び第２撮像素子によりそれぞれ得られる干渉縞画像に基づいて前記検査試料の面形状情報を解析し、前記平行度検出手段により検出された検出情報に基づいて検査試料の表裏面の相対的な面形状情報を補正する解析手段と、を備えることを特徴とする試料検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検査試料の形状を測定する試料検査装置に係り、殊に薄板状の検査試料の面形状や厚さむら測定に好適な試料検査装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体素子製造過程における半導体ウエハ等の検査試料の面形状や厚さむらを測定するものとしては、静電容量センサ等の変位センサを用いた装置が知られている。しかし変位センサはポイント的な測定であるため、試料全面の詳細な測定データを得る上では変位センサを試料全面で走査させる必要があり、測定に非常に時間が掛かる。
【０００３】
測定に時間を掛けずに測定を行うものとしては、干渉計を用いた装置が知られている。従来、この種による測定では、高精度に平面研磨された基準平面を持つ吸着台に検査試料の裏面を密着させることにより試料の裏面と基準平面とを一致させ、試料の表面に可干渉光を投光し、表面と参照面から反射される反射光により形成される干渉縞からその表面形状を得ていた。殊に斜入射干渉計は、斜め方向から測定面へ可干渉光を入射させるので、比較的凹凸の大きな面も測定可能であり、また、可干渉光の測定面への入射角度を変えることにより測定感度を変更することができるので有利である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の干渉計を用いた装置において、吸着台に試料裏面を密着させて試料を保持する構成ものは、吸着台と試料裏面との間に異物が混入すると、これにより表面形状測定の誤差となったり、試料裏面に損傷を生じさせるという問題があった。また、接触面が多いためダストの付着や接触による汚れなどの化学的汚染の可能性が大きくなる。微細なパターンを形成する半導体素子製造においては、これらをできるだけ低減することが望まれている。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑み、上記のような検査試料へのダメージを抑え、試料の面形状や厚さむらを高精度に、素早く測定検査することのできる試料検査装置を提供することを技術課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）  薄板状の検査試料の形状を測定する試料検査装置において、前記検査試料の測定表面及び測定裏面を除く部分を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された検査試料の測定表面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第１参照面を持ち、検査試料の測定表面に可干渉光を投光して第１参照面と測定表面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第１撮像素子により撮像する第１検査光学系と、前記保持手段に保持された検査試料の測定裏面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第２参照面を持ち、検査試料の測定裏面に可干渉光を投光して第２参照面と測定裏面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第２撮像素子により撮像する第２検査光学系と、前記第１撮像素子又は第２撮像素子により撮像される干渉縞画像であって、前記第１参照面と第２参照面とにより前記検検査試料の領域外に形成された干渉縞画像に基づいて前記第１参照面と第２参照面との相対的平行度を検出する平行度検出手段と、前記第１撮像素子及び第２撮像素子によりそれぞれ得られる干渉縞画像に基づいて前記検査試料の面形状情報を解析し、前記平行度検出手段により検出された検出情報に基づいて検査試料の表裏面の相対的な面形状情報を補正する解析手段と、を備えることを特徴とする。
（２）  薄板状の検査試料の形状を測定する試料検査装置において、前記検査試料の測定表面及び測定裏面を除く部分を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された検査試料の測定表面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第１参照面を持ち、検査試料の測定表面に可干渉光を投光して第１参照面と測定表面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第１撮像素子により撮像する第１検査光学系と、前記保持手段に保持された検査試料の測定裏面に対向して配置され、測定表面の領域外に広がった第２参照面を持ち、検査試料の測定裏面に可干渉光を投光して第２参照面と測定裏面との光干渉により干渉縞を形成し、該干渉縞を第２撮像素子により撮像する第２検査光学系と、第１参照面及び第２参照面の間の異なる３点の平行度を検出する３組の平行度検出光学系であって、第１参照面及び第２参照面に測定光束を照射する光源と、第１参照面及び第２参照面からの反射光を受光する受光素子をそれぞれ持つ平行度検出光学系を有し、各受光素子により検出される第１参照面及び第２参照面の光路差によって生じる干渉の光強度に基づいて第１参照面及び第２参照面との相対的平行度を検出する平行度検出手段と、前記第１撮像素子及び第２撮像素子によりそれぞれ得られる干渉縞画像に基づいて前記検査試料の面形状情報を解析し、前記平行度検出手段により検出された検出情報に基づいて検査試料の表裏面の相対的な面形状情報を補正する解析手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る試料検査装置の光学系要部図であり、本形態の装置は斜入射干渉計を使用して構成している。
【００１７】
検査試料であるウェハＷの測定表面ＷF及び測定裏面ＷBは、一対の表面検査光学系１と裏面検査光学系２により検査される。ウェハＷは、後述するウエハ保持ユニットによりその周端部を３つの保持チャックで狭持され、表面検査光学系１と裏面検査装置２との間に置かれる。
【００１８】
表面検査光学系１は光源１０、エキスパンダレンズ１１、コリメータレンズ１２、プリズム１３、スクリーン１４、フィールドレンズ１５、ＴＶカメラ１６から構成されている。光源１０は可干渉光を出射するレーザ光源であり、本実施形態ではＨｅ−Ｎｅレーザ光源を使用している。光源１０から出射されたレーザ光は、エキスパンダレンズ１１により必要な大きさの光束に拡張された後、コリメータレンズ１２により平行光束にされ、プリズム１３に入射する。プリズム１３の参照面１３ａで反射した光束と、プリズム１３を透過して測定表面ＷFで反射した光束とが干渉現象を起こし、これがスクリーン１４に投影される。スクリーン１４に投影された干渉縞は、フィールドレンズ１５を介してＴＶカメラ１６に撮像される。
【００１９】
裏面検査光学系２は表面検査光学系１と同一要素の、光源２０、エキスパンダレンズ２１、コリメータレンズ２２、プリズム２３、スクリーン２４、フィールドレンズ２５、ＴＶカメラ２６から構成されており、プリズム２３を透過して測定裏面ＷBで反射した光束と、プリズム２３の参照面２３ａで反射した光束とが干渉現象を起こし、これがスクリーン２４に投影される。スクリーン２４に投影された干渉縞は、フィールドレンズ２５を介してＴＶカメラ２６に撮像される。光源２０はウェハＷを挟んで光源１０に対向するように配置されており、各々の光源からの光束が対向する側のＴＶカメラ１６、２６に入射し難いように配置されている。
【００２０】
１７及び２７はピエゾ素子等からなるアクチエータで、測定表面ＷFとプリズム１３の参照面１３ａとの距離、測定裏面ＷBとプリズム２３の参照面１３ａとの距離をそれぞれ変化させる。
【００２１】
なお、コリメータレンズ１２とプリズム１３との間、及びコリメータレンズ２２とプリズム２３との間には、共に図示なき入射角調整プリズムが配置されており、各プリズムへのレーザ光束の入射角度を変えることにより、測定感度を変化させることができるようになっている。
【００２２】
図２（ａ）はウェハＷを保持する保持ユニット３０の概略構成を示す図であり、ウェハＷは保持リング３１に設けられた３つの保持チャック３２によりその周端面が保持され、測定表面ＷF及び測定裏面ＷBは非接触となっている。図２（ｂ）に示すように、保持チャック３２の先端部は、ウェハＷの端部のテーパ形状に合う傾斜面を持つＶ字溝が設けられており、保持チャック３２が進退移動することによりウェハＷの狭持、解放を行なう。また、この保持チャック３２はウェハＷの幅とほぼ同で幅を持ち、ウェハＷを保持したままプリズム１３の参照面１３ａとプリズム２３の参照面２３ａとの間に配置できるようになっている。なお、保持ユニット３０はウェハＷを狭持した状態で図示なき搬送装置により移動される。
【００２３】
次に、以上のような構成を備える試料検査装置について、その動作を図３の制御系要部図に基づいて以下に説明する。
【００２４】
保持ユニット３０により保持されたウェハＷを表面検査光学系１及び裏面検査光学系２の各プリズム１３、２３の間に配置する。光源１０及び２０からのレーザ光によりスクリーン１４及び２４にはそれぞれ干渉縞が形成され、これがＴＶカメラ１６、２６により撮像される。ＴＶカメラ１６、２６からの各映像信号は画像処理部４２に取り込まれ、画像処理部４２内のメモリにデジタル変換された画像データが記憶される。このときのＴＶカメラ１６、２６による画像データは、タイミングジェネレータ４１の信号により同期して同時に撮像されたものが取り込まれる。
【００２５】
１枚目の各画像データが得らると、制御部４０はアクチュエータ１７、２７を駆動して、干渉縞の位相を所定の縞感度分だけ変化すべく、それぞれプリズム１３、２３（参照面１３ａ、２３ａ）を移動する。その後、ＴＶカメラ１６、２６により撮像される画像データは、前述と同様にタイミングジェネレータ４１の信号により同期して画像処理部４２に取り込まれる。
【００２６】
こうして位相を変化させた画像データの取り込みを所定の枚数分行う。ウエハＷの両測定面における所定数の画像データが得られると、画像処理部４２は各測定面の画像データに対して、それぞれウエハ面の解析領域を決定して位相シフト法による所定の解析処理を施すことにより各面毎の面形状データを得る（例えば、本出願人による特開平１０−２２１０３３号公報に記載されているように、８枚の画像データから解析する方法を使用することができる）。そして、ウェハＷの測定表面ＷF及び測定裏面ＷBの各面形状データを対応させることにより、厚さむらデータが算出される。得られた解析結果は、モニタ４５に表示される。
このようなウエハの面形状の解析において、参照面１３ａと参照面２３ａとの間が平行でなく、傾斜成分が発生している場合は次のようにしてその傾斜成分による誤差を取り除くことができる。
【００２７】
図４は、参照面１３ａに対して参照面２３ａが傾斜していた場合の干渉縞画像の例を示す図であり、ウエハ領域外にはプリズム１３の参照面１３ａで反射した光束と対向するプリズム２３の参照面２３ａで反射した光束とによる干渉縞も形成されている。画像処理部４２はこのようにウエハ領域外に形成される参照面間の干渉縞を利用して、参照面１３ａと参照面２３ａとの相対的平行度（傾斜）の情報を得る。すなわち、ウエハ領域外に測定感度分の干渉縞が得られるので、ウエハ面の形状解析と同様に解析領域を決定して、位相シフト法による解析処理を行うことによりその傾斜成分を検出する。この傾斜情報に基づいて前述のように算出される厚さむらデータを補正することにより、精度の良い測定結果を得ることができる。
【００２８】
なお、プリズムの参照面１３ａ、２３ａ間の平行度を検出する方法としては、専用の検出光学系を設けて構成することもできる。図５はその例を示す図である。平行度検出光学系５０は参照面１３ａ、２３ａ間の異なる３点を測定できる位置に３組配置されており（図では１組の図示を略している）、測定光束を出射する半導体レーザ光源５１、ビームスプリッタ５２、受光素子５３から構成されている。その検出光軸は、プリズム１３に入射した測定光束が参照面１３ａに対して略垂直に透過するように配置されている。
【００２９】
プリズム１３に入射した測定光束は参照面１３ａで反射されるとともに、透過した光束がプリズム２３の参照面２３ａで反射される。この２つの反射光は共に略同じ光路となって受光素子５３により検出される。２つの反射光の位相差成分は干渉を起し、受光素子５３により検出される光強度は２つの反射光の光路差に応じて変化する。したがって、各受光素子５３からの出力信号の変化から測定点間の距離の変化量を検出することができ、これに基づいて参照面１３ａ、２３ａ間の平行度を知ることができる。
【００３０】
以上の実施形態においては、測定面に対して斜め方向から可干渉光を入射させる斜入射干渉計を例にとって説明したが、測定面に対して垂直方向から可干渉光を入射させる垂直入射型の干渉計で構成してもよい。
【００３１】
また、プリズム参照面の相対的平行度を検出する方法としては、上記した変容の他、マイクロメータや変位センサ等により参照面位置を測定する構成とすることも可能である。
【００３２】
さらに、プリズムサイズ以上の大口径の試料を測定する場合には、試料表面及び裏面のそれぞれの測定領域を複数に分割して撮影し、各撮影像毎に両面の形状を算出した後、これらを繋ぎ合わせることにより全面の領域を形状結果を得ることも可能である。例えば、図６に示すように、ＭＡ1（斜線部）の領域を１回目の測定領域として面形状を算出した後、ＭＡ2の領域が撮影できるように検査光学系に対して試料を相対移動させる（平行移動又は回転移動で行う）。ＭＡ2領域の面形状が測定できたら、同様にＭＡ3、ＭＡ4の順に各々面形状を測定する。各ＭＡ1〜ＭＡ4の重複部分ＰAとして、面形状の凹凸情報が一致する部分を重ね合わせて繋ぎ合わせることにより、試料全面の面形状情報が得られる。各領域の繋ぎ合わせ方法は、凹凸情報の一致だけではなく、例えば、予め与えておいた特異点を重ね合わせたり、試料外形を一致させるようにして繋ぎ合わせてもよい。このように、１つの試料を複数に分割して測定することにより、試料の大型化にも比較的容易に対応することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、検査試料の測定表面及び測定裏面を非接触の状態で同時に測定できるので、検査試料へのダメージを抑え、試料の面形状や厚さむらを高精度に測定できる。また、干渉計を利用した測定であるので、大きな面を持つ検査試料の測定も高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る試料検査装置の光学系要部図である。
【図２】ウェハＷを保持する保持ユニットの概略構成図である。
【図３】本発明に係る試料検査装置の制御系要部図である。
【図４】参照面１３ａに対して参照面２３ａが傾斜していた場合の干渉縞画像の例を示す図である。
【図５】プリズムの参照面間の平行度を検出する検出光学系の説明図である。
【図６】分割して測定する場合の測定領域を示した模式図である。
【符号の説明】
１  表面検査光学系
２  裏面検査光学系
１０、２０  光源
１２、２２  コリメータレンズ
１３、２３  プリズム
１３ａ、２３ａ  参照面
１６、２６  ＴＶカメラ
３２  保持チャック
４０  制御部
４１  タイミングジェネレータ
４２  画像処理部
【図１】
0004011205.tif 000002
【図２】
0004011205.tif 000003
【図３】
0004011205.tif 000004
【図４】
0004011205.tif 000005
【図５】
0004011205.tif 000006
【図６】
0004011205.tif 000007