(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の測定面に向かって照射した光の反射光を計測する干渉計を具備し，該干渉計により得られた画像に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において，
前記被測定物の測定面の反対側から前記反射光に平行な光を照射し，照射した光が前記被測定物の背景光として前記干渉計に入射するよう構成された背景光照射手段と，
前記干渉計により得られた画像に基づいて前記背景光の領域とその他の領域との境界を前記被測定物のエッジとして検出するエッジ検出手段と，
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記エッジ検出手段が，前記干渉計により得られた画像の輝度情報及び色情報の一方又は両方により前記背景光の領域とその他の領域との境界を検出してなる請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記干渉計が前記被測定物の測定面に対して斜め方向に反射した反射光を計測するものであり，
前記干渉計により計測される前記反射光及び前記背景光と，検出対象となる前記被測定物のエッジにおける前記測定面に平行な方向の接線とが，前記被測定物の測定面に垂直な方向から見て略平行となるよう構成されてなる請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記被測定物の測定面の裏面の形状を測定するための裏面側干渉計も具備し，
該裏面側干渉計における前記被測定物の裏面への照射光が，前記被測定物の外側を通過して前記測定面側の前記干渉計に入射されるよう構成することにより，前記背景光照射手段を構成してなる請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記背景光照射手段が，前記被測定物の測定面の反対側に近接する反射面を有し，前記被測定物の測定面に向かって照射された光のうち前記被測定物の外側を通過する光を前記反射面で反射することにより前記背景光を照射するよう構成されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，干渉計を用いて半導体ウェハ等の被測定物の形状（平坦度等）を測定する形状測定装置において，被測定物のエッジ検出を可能とする形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，半導体ウェハ（以下，ウェハという）においては，その中央部での平坦度は十分確保されるが，そのエッジ部に向かうに従って平坦度が悪化する傾向にある。一方，近年，１枚のウェハから得られる半導体チップの数を極力増やすため，ウェハのエッジにより近い部分まで高い平坦度が要求される。このとき，ウェハ全範囲のうち，要求される平坦度を満足する有効範囲を表す指標として，エッジからの距離が用いられる。即ち，示されたエッジからの距離よりも内側が前記有効範囲であることを表す。
従来，ウェハの測定面に向かって照射した光の反射光を計測する干渉計により得られた干渉縞画像に基づいてウェハの形状を測定する形状測定装置が普及している。このような干渉計を用いた形状測定装置により得られた形状データに基づいて前記有効範囲をウェハのエッジからの距離で表すには，ウェハのエッジを検出する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，図５に示すように，ウェハ１端面の先端部であるエッジＳの近傍は，ウェハ１表面からエッジＳにかけて徐々にカーブするチャンパー部１ｃを形成している。このため，従来の干渉計を用いた形状測定では，前記チャンパー部１ｃに照射された光はウェハ１の表面とは全く異なる方向へ反射して干渉縞が観測されず，前記チャンパー部１の外側のどの位置がエッジＳであるかを検出することはできなかった。
また，ウェハ１の表面に測定針を接触させてその形状を測定する触針式の形状計を用いて，その測定針をウェハ１の内側からエッジＳ方向に移動させながら表面形状を測定する場合も，ウェハ１の形状測定に要求される０．１μｍオーダーの精度を有する触針式形状計では，前記チャンパー部１ｃの途中で測定レンジをオーバーしてしまうためエッジＳを検出できない。これを解決するため，「M. Kimura et al., Jpn.J.Appl.Phys. Vol.38(1999)」（先行文献）には，触針式の形状計を用いてウェハ１の形状及びそのエッジＳを検出する方法が示されている。
前記先行文献に示されるエッジ検出方法では，触針式の形状計によりウェハ１の表面形状を測定するとともに，図６に示すように，ウェハ１の端部であるエッジＳに角型のブロック部材５１を当接させ，前記ブロック部材５１の前記ウェハ１に当接する面５ａに直交する面５１ｂの形状（表面変位の変化）を，触針５２を前記ウェハ１に向かう方向に移動させながら測定し，その測定値が急変する位置を前記ウェハ１のエッジとして検出する。これにより，検出されたウェハ１のエッジＳと，同時に測定されたウェハ１の表面形状とに基づいて，前記有効範囲を表すエッジＳからの距離を求めることが可能となる。
しかしながら，触針式の形状計を用いると，針圧によってウェハ１表面に傷等の汚染が生じる危険性があるという問題点があった。さらに，ウェハ１を載置するチェック台に高精度の平坦度が要求され，このチェック台の加工精度や，ウェハ１と前記ブロック部材５１との間への塵の挟まりが測定精度に影響を及ぼすという問題点もあった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，被測定物の表面形状及びそのエッジを被接触かつ高精度で測定できる形状測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は，被測定物の測定面に向かって照射した光の反射光を計測する干渉計を具備し，該干渉計により得られた画像に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において，前記被測定物の測定面の反対側から前記反射光に平行な光を照射し，照射した光が前記被測定物の背景光として前記干渉計に入射するよう構成された背景光照射手段と，前記干渉計により得られた画像に基づいて前記背景光の領域とその他の領域との境界を前記被測定物のエッジとして検出するエッジ検出手段と，を具備してなることを特徴とする形状測定装置である。
これにより，被測定物の表面形状及びそのエッジを干渉計を用いて光学的に被接触かつ高精度で測定でき，被測定物に傷等の汚染が生じることがない。さらに測定用のブロック部材を被測定物に当接せてエッジ検出を行う場合のように，塵の挟まりが測定精度に影響を及ぼすといったことも生じない。
前記エッジ検出手段としては，前記干渉計により得られた画像の輝度情報及び色情報の一方又は両方により前記背景光の領域とその他の領域との境界を検出するもの等が考えられる。
【０００５】
また，前記干渉計が斜入射干渉計であってもかまわない。即ち，前記干渉計が前記被測定物の測定面に対して斜め方向に反射した反射光を計測するものであり，前記干渉計により計測される前記反射光及び前記背景光と，検出対象となる前記被測定物のエッジにおける前記測定面に平行な方向の接線とが，前記被測定物の測定面に垂直な方向から見て略平行となるよう構成すればよい。
これにより，前記背景光の方向が被測定物の面に対して斜めであっても，前記背景光は，被測定物の端部の先端（即ち，エッジ）を境界線とした（即ち，チャンパー部が境界線とならない）背景光となる。
【０００６】
また，前記被測定物の測定面の裏面の形状を測定するための裏面側干渉計も具備し，該裏面側干渉計における前記被測定物の裏面への照射光が，前記被測定物の外側を通過して前記測定面側の前記干渉計に入射されるよう構成することにより，前記背景光照射手段を構成してなるものも考えられる。
これにより，被測定物の表裏両面の形状を干渉計により測定する場合，エッジ検出用の光源を別途設ける必要がない。
【０００７】
また，前記背景光照射手段が，前記被測定物の測定面の反対側に近接する反射面を有し，前記被測定物の測定面に向かって照射された光のうち前記被測定物の外側を通過する光を前記反射面で反射することにより前記背景光を照射するよう構成されてなるものであってもよい。
これにより，被測定物の片面のみの形状を測定する場合に，裏面側に別途光源を設ける必要がない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの構成図，図２は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの具備する２つの干渉計における測定光の経路を模式的に表した図，図３は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの具備する干渉計により得られる画像の例を模擬的に表した図，図４は本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘによる測定データの一例を表すグラフ，図５はウェハのエッジ近傍の断面形状を模式的に表した図，図６は触針式の形状計を用いた従来のエッジ検出方法を説明する図である。
【０００９】
図１を用いて，本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの構成について説明する。
本形状測定装置Ｘは，被測定物の一例であるウェハ１の主面１ａ側及び裏面１ｂ側のそれぞれに設けられた斜入射干渉計１０，２０と，該斜入射干渉計１０，２０それぞれから得られる画像を入力する演算器３１とを具備している。ここで，前記ウェハ１の一方の面を前記主面１ａ（前記測定面に相当），その反対面を前記裏面１ｂとしているが，これは便宜上そのように称するものであり，前記ウェハ１の特定の面を意味するものではない。
【００１０】
２つの前記斜入射干渉計１０，２０は，それぞれ，前記ウェハ１に対して測定光１２，２２を出射する発光器１１，２１，その測定光１２，２２を前記ウェハ１の表面（主面１ａ，裏面１ｂ）に対して斜め方向の平行ビームとするコリメータレンズ１４，２４，その平行ビーム１２，２２の一部を透過し，一部を反射する基準平面１５ａ，２５ａを有する三角プリズム１５，２５，前記ウェハ１の表面１ａ，１ｂで反射された測定光が前記基準平面１５ａ，２５ａ（前記三角プリズム１５，２５）及びコリメータレンズ１４’，２４’等を経た光を受光するＣＣＤカメラ等の受光器１６，２６，及び前記三角プリズム１５，２５を前記ウェハ１の面に略垂直な方向に移動させるピエゾアクチュエータ１７，２７を備えている。これら２つの前記斜入射干渉計１０，２０は，前記裏面１ｂ側の前記発光器２１と前記主面１ａ側の前記受光器１６とが，さらに，前記主面１ａ側の前記発光器１１と前記裏面１ｂ側の前記受光器２６とが，それぞれ対向するよう構成されている。そして，前記基準平面１５ａ，２５ａでの反射光と，前記ウェハ１の表面１ａ，１ｂでの反射光とには，前記基準平面１５ａ，２５ａと前記表面１ａ，１ｂとの距離に対応する光路差があるため，この光路差が，前記受光器１６，２６において，両反射光で形成される干渉縞として観測される。前記三角プリズム１５，２５は，前記基準平面１５ａ，２５ａが前記ウェハ１の裏面１ｂに近接するよう（例えば，０．１ｍｍ程度の距離で）配置されている。前記測定光１２，２２としては，例えば，ＨｅＮｅレーザ（λ＝６３３ｎｍ）や，半導体レーザ等のコヒーレント光が用いられる。また，前記三角プリズム１５，２５は，フィゾー干渉で用いられるようなウェッジプリズム等の参照板を用いてもかまわない。
【００１１】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は，それぞれ本形状測定装置Ｘの正面（図１と同じ面）側，その側面側及び上面側から（前記ウェハ１の面１ａ，１ｂに垂直な方向から）見たときの，２つの前記三角プリズム１５，２５を通過する測定光の経路を模式的に表した図である。
図２（ａ）に示すように，前記ウェハ１の主面１ａ側の前記測定光１２が前記三角プリズム１５を通過後に前記主面１ａで反射した反射光１２ｂと，前記ウェハ１の裏面１ｂ側の前記測定光２２が前記三角プリズム２５を通過した測定光２２ａとが平行となるように構成されている。これを側面側から見ると，図２（ｂ）に示すように，２つの前記三角プリズム１５，２５が前記ウェハ１のエッジＳよりも外側にはみ出るように配置されている。これにより，前記裏面１ｂ側の三角プリズム２５を通過した測定光２２ａが，前記ウェハ１の外側を通って前記主面１ａ側の前記三角プリズム１５及び前記コリメータレンズ１４’を経由し，前記ウェハ１の背景光２２ａ’として前記主面１ａ側の前記受光器１６に入射することになる。前記主面１ａでの前記反射光１２ｂと前記背景光２２ａ’とは平行なので，それらは，前記主面１ａ側の前記コリメータレンズ１４’にも平行に入射する。また，図２（ｃ）に示すように，前記主面１ａでの前記反射光１２ｂ及び前記背景光２２ａ’と，前記ウェハ１の検出対象となる前記エッジＳにおける前記主面１ａに平行な方向の接線ＳＳとが，ウェハ１の面１ａ，１ｂに垂直な方向から見て略平行となるように構成されている。これにより，前記背景光２２ａ’の方向が前記ウェハ１の面に対して斜めであっても，前記背景光２２ａ’は，前記ウェハ１端部の先端（即ち，エッジＳ）を境界線とした（前記チャンパー部１ｃが境界線とならない）背景光となる。
【００１２】
２つの前記受光器１６，２６で得られる干渉縞画像は，画像入力手段を有するパーソナルコンピュータ等である前記演算器３１（前記エッジ検出手段の一例）に入力され，入力された干渉縞画像に基づいて前記ウェハ１の主面１ａ及び裏面１ｂの表面形状（高さ分布）が演算される。
２つの前記干渉計１０，２０それぞれによる干渉縞画像は，前記ピアゾアクチュエータ１７，２７によって前記三角プリズム１５，２５（即ち，前記基準平面１５ａ，２５ａ）を，前記測定光１２，２２の前記ウェハ１の表面１ａ，１ｂへの入射角θを考慮した位置，例えば，０（所定の基準位置），λ／８／ｃｏｎθ，２λ／８／ｃｏｓθ，３λ／８／ｃｏｓθの各位置に移動させることにより，それぞれの位置での干渉縞画像の輝度データとして前記演算器３１に取り込まれる。この輝度データにより求められる位相データに所定のアンラップ処理を施しすことにより，前記主面１ａとその基準平面１５ａとの距離，及び前記裏面１ｂとその基準平面２５ａとの距離を算出できる。その算出方法としては，周知の方法を適用すればよいのでここでは説明を省略する。
【００１３】
図３は，前記演算器３１に入力される前記干渉縞画像の例を模擬的に表した図である。図中，干渉縞が現れているＥ部が前記ウェハ１の主面１ａ部分であり，その外側の黒いＢ部が前記チャンパー部１ｃ，さらにその外側の比較的明るいＡ部が前記ウェハ１の外側（即ち，前記背景光２２ａ’の部分）である。図３の画像において，白抜きの線分Ｃ−Ｄで示される位置（及びその延長線上）の輝度情報をグラフ化したものが図４である。図４のグラフにおいて，縦軸は輝度，横軸は線分Ｃ−Ｄ及びその延長線上の位置を表す。このグラフからわかるように，前記ウェハ１の外側は，前記背景光２２ａ’を受けているため，他の部分よりも輝度が高いが，前記ウェハ１の内側（Ｄ側）に向かう途中で急激に下がる位置がある。この位置が，前記背景光２２ａ’の領域（Ａ部）とその他の領域（前記チャンパー部１ｃの部分（Ｂ部）等）との境界であり，この輝度が急激に下がる位置を前記演算器３１によって前記ウェハ１のエッジＳの位置として算出する。
これにより，前記ウェハ１の表面形状として許容される平坦度を有する前記有効範囲のうち，最も外側の位置（例えば，位置Ｄ）と前記エッジＳとの距離を被接触で求めることが可能となる。しかも，２つの干渉計を用いてウェハの表裏両面の形状を測定する従来の形状測定装置において，前記発光器１１，２１や前記受光器１６，２６等の配置を考慮し，前記演算器３１における演算処理プログラムを追加するだけで実現できるので適用が容易である。
【００１４】
【実施例】
前記形状測定装置Ｘは，前記ウェハ１の表裏両側に２つの斜入射干渉計１０，２０を具備するものであったが，これに限るものでなく，前記ウェハ１の主面１ａ側及び裏面１ｂ側それぞれに，前記ウェハ１の面に略垂直に光を照射する他の干渉計（例えば，フィゾー干渉計やマイケルソン干渉計等）であってもかまわない。この場合，前記主面１ａ側及び前記裏面１ｂそれぞれに，２つの干渉計を対向して配置すればよい。
もちろん，前記ウェハ１の一方の面（例えば，前記主面１ａ）の形状を測定する１つの干渉計のみを具備する形状測定装置に適用してもよい。この場合，前記裏面１ｂ側の三角プリズム２５を通過した前記測定光２２ａと同方向（即ち，前記主面１ａでの前記反射光１２ｂに平行）に光を照射する発光手段（例えば，図１における前記発光器２１，前記コリメータレンズ２４，及び前記三角プリズム２５）を，前記裏面１ｂ側に設ければよい。このとき，前記ウェハ１の面に略垂直に光を照射するタイプの干渉計を用いる場合は，前記ウェハ１の裏面１ｂ側から，該裏面１ｂに略垂直に光を照射する発光手段を設ければよいことはいうまでもない。
また，前記ウェハ１の一方の面（例えば，前記主面１ａ）の形状を測定する１つの干渉計のみを具備する形状測定装置に適用する場合，前記ウェハ１の裏面１ｂに略平行に近接した反射面を有する反射板等を設け，前記ウェハ１の主面１ａに向かって照射された光のうち前記ウェハ１の外側を通過する光をその反射面で反射することにより前記背景光を照射するよう構成してもよい。これにより，非常にシンプルな構成となる。
さらに，前記反射板等をピエゾアクチュエータに支持させる等により，前記反射面と前記ウェハ１の裏面１ｂとの距離を変えて複数の干渉縞画像を取得し，いわゆる位相シフト法で前記ウェハ１の表面形状を測定する場合と同様に前記複数の干渉画像からその干渉強度Ｉkyodoを求めれば，前記チャンパー部１ｃ（図３のＢ部）に比べて前記背景光２２ａ’の部分（図３のＡ部）の方がはるかに前記干渉強度Ｉkyodoが高くなるので，前記干渉強度Ｉkyodoが急変する境界線をエッジＳとして求めてもよい。ここで前記干渉強度Ｉkyodoは，例えば前記反射面の位置を前記ウェハ１に照射する光の９０°の位相ごとに４段階移動させたときの各干渉画像における輝度Ｉ0，Ｉ90，Ｉ180，Ｉ270に基づいて次式により求めればよい。
Ｉkyodo＝（（Ｉ90−Ｉ0）2＋（Ｉ270−Ｉ180）2）1/2
これにより，前記チャンパー部１ｃ（図３のＢ部）と前記背景光２２ａ’の部分（図３のＡ部）との境界線（即ちエッジ）をより明確に（正確に）検出することが可能となる。もちろん，前記干渉強度Ｉkyodoを求める方法は，前記反射面を９０°の位相ごとに４段階移動させる方法に限らず他の周知の位相シフト法であってもかまわない。
【００１５】
また，前記形状測定装置Ｘでは，前記背景光２２ａ’の領域とその他の領域との境界を，干渉計で得られた画像データの輝度情報に基づいて求めたが，例えば，前記裏面１ｂ側から照射する光（背景光）の色を，前記主面１ａ側の干渉計で用いる測定光の色と異なる色とし，干渉計で得られた画像データの色情報に基づいて前記境界を求めるよう構成することも考えられる。
また，前記実施の形態では，前記ピエゾアクチュエータ１７，２７により，前記２つの基準平面１５ａ，２５ａを，９０°の位相ごとに４段階移動させているが，他の位相シフト方法（例えば，波長掃引等）であってもかまわない。さらに，前記２つの基準平面１５ａ，２５ａを移動させるのではなく，前記ウェハ１をアクチュエータで移動させる構成としてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，被測定物の表面形状及びそのエッジを干渉計を用いて光学的に被接触かつ高精度で測定できる。これにより，被測定物に傷等の汚染が生じることがなく，さらに測定用のブロック部材を被測定物に当接せてエッジ検出を行う場合のように，塵の挟まりが測定精度に影響を及ぼすといったことも生じない。
また，被測定物の測定面の裏面の形状を測定するための裏面側干渉計も具備する場合，該裏面側干渉計における被測定物の裏面への照射光が，被測定物の外側を通過して測定面側の前記干渉計に入射されるよう構成することにより，エッジ検出用の光源を別途設ける必要がない。
また，被測定物の片面のみの形状を測定する場合に，被測定物の測定面の反対側に近接する反射面を設け，被測定物の測定面に向かって照射された光のうち被測定物の外側を通過する光を前記反射面で反射するよう構成すれば，裏面側に別途光源を設ける必要がなく，より簡易かつ低コストでエッジ検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの具備する２つの干渉計における測定光の経路を模式的に表した図。
【図３】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘの具備する干渉計により得られる画像の例を模擬的に表した図。
【図４】本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘによる測定データの一例を表すグラフ。
【図５】ウェハのエッジ近傍の断面形状を模式的に表した図。
【図６】触針式の形状計を用いた従来のエッジ検出方法を説明する図。
【符号の説明】
１０，２０…斜入射干渉計
１１，２１…発光器
１２，２２…測定光
１４，１４’，２４，２４’…コリメータレンズ
１５，２５…三角プリズム
１５ａ，２５ａ…基準平面
１６，２６…受光器
１７，２７…ピエゾアクチュエータ
３１…演算器
１ａ…ウェハの主面
１ｂ…ウェハの裏面
【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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