JP2000002514A - 膜厚測定装置及びアライメントセンサ並びにアライメント装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動化による効率化と省人化を図り、効率的
に検査や測定を行えるうえに、検査物、測定物を汚染す
ることがないエッジ検査装置、膜厚測定装置、及びアラ
イメントセンサ並びにアライメント装置を提供する。 【解決手段】 ハロゲンランプ１０を有し、被検査ウェ
ハ２０のエッジ近傍を含み、かつ所定方向に伸びる測定
領域に光を照射する照射光学系と、測定領域からの反射
光を上記所定方向に対して交差する方向に分光させる分
散プリズム２２と、分光された反射光を結像するレンズ
２４と、レンズ２４により結像された画像を撮像するＣ
ＣＤカメラ２６と、ＣＣＤカメラ２６からの信号に基づ
いて被検査ウェハ２０のエッジを検査するパーソナルコ
ンピュータ２８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜厚測定装置及び
アライメントセンサ並びにアライメント装置に係り、特
に半導体ウェハや液晶基板等に塗布されたレジスト等の
薄膜の膜厚測定を行って当該薄膜の膜厚の不均一性や不
規則性による欠陥を検出する膜厚測定装置及び被検査物
に設けられた位置検出用マークを検出するためのアライ
メントセンサ並びに検出した位置ズレを修正するための
アライメント装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路や液晶基板等の製造プロ
セスでは、レジストの塗布、露光、及び現像を行ってレ
ジストを所定の形状にパターニングした後、エッチン
グ、成膜、又はドーピング等を行う工程が繰り返し行わ
れる。この工程でレジストを塗布した際、レジスト塗布
ムラの欠陥に関してはウェハ表面のレジスト層の薄膜干
渉で生じるウェハ表面の色情報により検査者が目視検査
を行っていた。また、製造プロセスの工程上、ウェハ周
囲近傍のレジストを意図的に剥す場合がある。このウェ
ハ周囲のレジストを剥した後、正常にレジストが剥離さ
れたか否かの確認も目視で行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の目視
による膜厚の検査及びレジスト剥離の確認作業において
は、非効率的であるうえに、微細な異物による非検査物
体の表面汚染を避けなければいけない製造工程におい
て、発塵要因となる人間による検査工程は回避すべきと
ころである。また、目視による膜厚の検査においては、
上記の問題点があるとともに検査基準は検査者の習熟度
に大きく依存するため安定した検査基準を維持すること
は困難であるという問題があった。

【０００４】更に、上述の簡易的な照明装置を使用して
目視検査する場合、照明光位置と非検査物体と検査員の
目の位置関係により、非検査物体の全面から均一な光学
的条件は得られず非検査物体上の位置により欠陥検出性
能に不均一を生じることとなる。

【０００５】また、レジスト塗布ムラ、レジスト剥離処
理後の欠陥検査の自動化に関しては、被検査物体の分光
反射率を分光器を用いることにより測定し、光学的に膜
厚を測定するという方法が考えられる。しかしながら、
一般に分光器を用いた膜厚計は装置の簡易な構成がおこ
なえないおそれがある。

【０００６】即ち、従来の分光膜厚計は被検査物体上の
１点の膜厚を測定することしかできず、そのためレジス
ト塗布ムラ、レジスト剥離処理の欠陥検査を行うために
は、被測定物体の測定点を走査することで、複数の点の
膜厚測定を行わなければならない。これには可動部の機
械的な精度が検査精度に影響を与えることや、走査に長
時間を要し、スループットが低下するという問題もあ
る。

【０００７】更に、プロセス工程においては、ウェハ等
の位置を調整するためにアライメントを行う必要があ
る。アライメント装置は物理的な接触のない光学的なセ
ンサが一般的に用いられるが、上記の膜厚測定装置に用
いられる光学系以外の光学系を更に設けることは不経済
ばかりでなく、装置の大型化を招いてしまい好ましくな
い。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、自動化による効率化と省人化を図り、効率的に
検査や測定を行えるうえに、検査物、測定物を汚染する
ことがない膜厚測定装置を提供することを第一の目的と
する。また、上記膜厚測定装置として用いることができ
るうえにアライメントセンサとしても用いることができ
るアライメントセンサ及び当該アライメントセンサを用
いたアライメント装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の膜厚測定装置は、被検査物の所定方向に伸
びる測定領域を照明する照明光学系と、前記測定領域か
らの反射光を前記所定方向に対して交差する方向に分光
させる分光手段と、分光された前記反射光を結像する結
像光学系と、前記結像光学系により結像された画像を撮
像する二次元撮像素子と、前記二次元撮像素子からの信
号に基づいて前記被検査物の膜厚を検出する膜厚検出手
段とを備える。また、本発明のアライメントセンサは、
位置検出用マークを有する被検査物の所定方向に伸びる
測定領域を照明する照明光学系と、前記測定領域からの
反射光を前記所定方向に対して交差する方向に分光させ
る分光手段と、分光された前記反射光を結像する結像光
学系と、前記結像光学系により結像された画像を撮像す
る二次元撮像素子と、前記二次元撮像素子からの信号に
基づいて前記位置検出用マークを検出する位置検出手段
とを備える。また、本発明のアライメント装置は、前記
アライメントセンサと、前記位置検出手段の検出結果に
基づいて前記被検査物の位置を調整する位置調整手段と
を備える。

【００１０】本発明の膜厚測定装置によれば、測定領域
を被検査物の任意の位置に設定することで、被検査物の
任意の位置における膜厚を機械的な可動部を用いずに広
範囲に同時に測定でき、且つ被検査物を汚染する虞がな
いという効果がある。これによりレジスト塗布ムラ、レ
ジスト剥離処理の欠陥検査の自動化による効率化と省人
化を図る事が可能となる効果がある。また、本発明のア
ライメントセンサ及びアライメント装置によれば、膜厚
測定装置と光学系を同一とすることができるので、低コ
スト化、及び装置の小型化が図れるという効果がある。

【００１１】また、本発明の膜厚測定装置は、前記二次
元撮像素子が、その一方向に配列された画素が前記測定
領域の前記所定方向に対応し、他方向に配列された画素
が前記所定方向に対して交差し、かつ前記分光手段によ
り分光された周波数成分に対応することを特徴とする。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記被検査物における
前記照明光学系の照明位置と、前記被検査物とを相対的
に移動させる移動手段を備え、前記膜厚検出手段が、前
記二次元撮像素子から出力される信号と、前記移動手段
による前記相対的な移動とから前記被検査物の膜厚を三
次元的に解析することを特徴とする。また、本発明の膜
厚測定装置は、前記分光手段が、分散プリズム又は回折
格子が用いられることを特徴とする。また、本発明の膜
厚測定装置は、前記照明光学系が照明する前記測定領域
が、前記被検査物のエッジ近傍を含む領域であることを
特徴とする。

【００１２】以下、上記二次元撮像素子からの信号に基
づいて被検査物の膜厚が測定され、位置検出用マークが
検出される原理について説明する。照明光学系の光源と
して白色光源を用いて説明する。いま、光源からの光線
が均一な材質からなる薄膜に入射したと仮定する。ここ
で薄膜の幾何学的厚さｄ、屈折率ｎ、光源である白色光
の電場Ｅ（ｔ）とする。

【００１３】薄膜に入射した白色光は薄膜表面で反射す
る光と、薄膜内部に入射した後、前の工程で塗布された
薄膜表面で反射する光とに振幅分割される。簡略化のた
めに前面反射光と後面反射光の電場の振幅が等しく、ま
た薄膜層内を複数回反射する光の強度は無視できるほど
小さいと仮定すると、反射光の電場Ｒ（ｔ）は以下の
（１）式で表される。

【数１】

【００１４】但し、ここでＴは（２）式で与えられる薄
膜表面で反射する光と、薄膜内部に入射した後、前の工
程で塗布された薄膜表面で反射する光との電場の間の時
間遅れを表す。またｃは光速である。

【数２】 電場Ｅ（ｔ）の正規化された自己相関は複素コヒーレン
ス度とよばれる。この複素コヒーレンス度は（３）式で
定義される。

【数３】 ここで（３）式内の記号“〈 〉”は、（４）式で表さ
れる時間平均である。

【数４】

【００１５】（１）式及び（３）式より反射光の複素コ
ヒーレンス度は（５）式の様に表すことができる。

【数５】 ウイナー・ヒンチンの定理によれば（６）式に示すよう
に、光源のパワースペクトルＧ（γ）と複素コヒーレン
ス度γ（τ）は互いにフーリエ変換の関係にある。

【数６】

【００１６】（５）式及び（６）式から薄膜からの反射
光のパワースペクトルを求めると（７）式のように表さ
れる。（７）式から明らかなように薄膜層からの反射光
は周波数領域において一定の周波数の間隔で強度が変化
している。この反射光を分光器に入射させると分光器の
観察面には一定の周波数の間隔で変化する明暗の縞を観
察することができる。この縞をチャンネルスペクトルと
呼ぶ。

【数７】

【００１７】分光器を用いて薄膜の厚みを測定する方法
としては２通りの方法がある。１つは周波数領域におい
てチャンネルスペクトルの隣り合う強度のピーク周波数
の差、あるいはボトム周波数の差から薄膜の光学的厚
み、すなわちｎｄを測定する方法である。（７）式から
薄膜の光学的厚みｎｄは（８）式で与えられる。ここ
で、（８）式中の△νは隣り合う強度のピーク周波数の
差である。

【数８】

【００１８】もう一つの方法は測定されたチャンネルス
ペクトルを逆フーリエ変換することで時間領域の関数、
すなわち（５）式で表されるような複素コヒーレンス度
に変換する方法である。反射光の複素コヒーレンス度に
おいて、強度のピーク間の差△τから薄膜の光学的厚み
ｎｄは（９）式で与えられる。

【数９】

【００１９】本発明においては、二次元撮像素子は、そ
の一方向に配列された画素が所定方向に伸びる測定領域
の当該所定方向に対応し、他方向に配列された画素が上
記の所定方向に対して交差し、かつ分光手段により分光
された周波数成分に対応している。よって、従来のよう
に機械的な可動部を用いることなく二次元撮像素子から
得られる信号を用いることで、測定点を走査することな
く、薄膜の任意の測定領域の膜厚を同時に測定すること
が可能である。さらにこの測定領域と垂直な方向に被検
査物体を走査することで、三次元の膜厚を測定すること
も可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態による膜厚測定装置及びアライメントセンサ並
びにアライメント装置について詳細に説明する。図１
は、本発明の第１実施形態による膜厚測定装置の構成を
示す構成図である。図１において、１０はハロゲンラン
プ等の光源である。１２はスリットであり、光源１０か
ら出射された光を線状の線光源に変換する。１４はスリ
ット１２から出射された線光源を平行光に変換するレン
ズである。１６はビームスプリッタであり、レンズ１４
によって変換された平行光を反射して被測定物たる被検
査ウェハ２０に照射させるとともに、被検査ウェハ２０
において反射された光を後述の分散プリズム２２へ光学
的に結合させる役割を果たす。ビームスプリッタ１６
は、被検査ウェハ２０へ入射する光と反射される光とが
空間的に同軸となるようにするものである。

【００２１】１８はビームスプリッタ１６で反射された
平行光を被検査ウェハ２０の所定位置に設定された測定
領域に集光するとともに、測定領域から反射された反射
光を平行光に変換するレンズである。本実施形態におけ
る被検査ウェハ２０は、例えばシリコン基板であり、そ
の上面には少なくとも１層の薄膜が形成されている。

【００２２】図２は、被検査ウェハの上面図である。半
導体基板は一般的にその形状や寸法が規格で決定されて
いるが、本実施形態における被検査ウェハ２０として
は、円形のものを考える。図２中符号Ｒは測定領域を示
す。測定領域Ｒは線状の形状である。本実施形態の膜厚
測定装置においては、測定領域Ｒは被検査ウェハ２０の
エッジ近傍を含む位置に設定され、長手方向が被検査ウ
ェハ２０のエッジに対して法線となる方向（図中符号ｘ
を付して示した方向；以下、ｘ方向と称する）に設定さ
れている。

【００２３】また、図１で説明したように、ハロゲンラ
ンプ１０から出射した光はスリット１２によって線状に
変換されるため、被検査ウェハ２０に対する照射光の形
状は測定領域Ｒの形状とほぼ同一となる。尚、測定領域
Ｒは、エッジを含まない領域、即ちウェハ表面内に設定
しても良いことは勿論のことである。また、変換された
線状の光は、測定領域Ｒを含むように被検査ウェハ２０
に照射される。測定領域Ｒの寸法は、具体的に、長手方
向の長さが約５センチメートルであり、幅が数ミリメー
トルである。

【００２４】次に、被検査ウェハ２０についてより具体
的に言及する。図３は被検査ウェハ２０の構造の一例を
示す図である。図３において、横軸は図２に示した測定
領域Ｒの一方の端部（図２において符号ｒ１を付した端
部）からのｘ方向の距離であり、縦軸は被検査ウェハ２
０中の基板（例えばシリコン基板）表面からの距離を示
す。

【００２５】被検査ウェハ２０として、例えば、シリコ
ン基板上に、ＳｉＮ（窒化シリコン）の薄膜層Ｌ１、ポ
リシリコンの薄膜層Ｌ２、ＳｉＯ₂（二酸化シリコン）
の薄膜層Ｌ３が順に形成され、その上面にレジストを塗
布した層Ｌ４があり、各層Ｌ１〜Ｌ４のエッジ部分は露
呈した構造であるとする。つまり、シリコン基板上に形
成されたＳｉＮの薄膜層Ｌ１は、膜厚が約０．５ミクロ
ンであり、その端部が約１ミリメートル露呈しており、
ポリシリコンの薄膜層Ｌ２は、膜厚が約０．５ミクロン
であり、その端部が約１ミリメートル露呈しており、Ｓ
ｉＯ₂の薄膜層Ｌ３は、膜厚が約９ミクロンであり、そ
の端部が約１ミリメートル露呈しており、レジストを塗
布した層Ｌ４は、膜厚が約１０ミクロンである場合を考
える。もちろん、本発明はこの構造の被検査ウェハに限
定されることはない。

【００２６】図１に戻り、２２は分散プリズムであり、
測定領域Ｒから反射され、レンズ１８及びビームスプリ
ッタ１６を通過した光を空間的に分散させる。この分散
プリズム２２は、入射した光を図２中の測定領域Ｒの長
手方向（ｘ方向）に対して所定の垂直方向に分散する。
２４はレンズであり、分散プリズム２２で分散された光
をＣＣＤカメラ２６の受光面に結像させる。

【００２７】ＣＣＤカメラ２６はその受光面に一般的に
用いられる二次元の撮像素子が配置される。二次元の撮
像素子としては、例えば一方向の画素数が６４０画素、
もう一方向の画素数が４００画素のものが用いられる。
また、ＣＣＤカメラ２６に設けられた二次元撮像素子
は、その一方向に配列された画素が図２中のｘ方向に対
応し、他方向に配列された画素がｘ方向に対して交差
し、かつ分散プリズム２２により分散された周波数成分
に対応するよう配される。

【００２８】２８はパーソナルコンピュータであり、Ｃ
ＣＤカメラ２６から出力される信号を入力して、ｘ軸に
対して垂直なｚ軸方向に光学的厚みを表示するような、
いわゆる断層画像に変換する。パーソナルコンピュータ
２８は一般的に市販されているコンピュータであるが、
ＣＣＤカメラ２６から出力される信号から膜厚を算出
し、上記断層画像を得るソフトウェアが組み込まれてい
る。

【００２９】上記構成において、ハロゲンランプ１０か
ら出射された光は、スリット１２によって線光源に変換
される。スリット１２によって変換された線光源は、レ
ンズ１４によって平行光に変換され、ビームスプリッタ
１６を介してレンズ１８によって被検査ウェハ２０の測
定領域Ｒに照射されるよう結像される。

【００３０】被検査ウェハ２０の測定領域Ｒから反射さ
れた反射光は、レンズ１８、分散プリズム２２、及びレ
ンズ２４によってＣＣＤカメラ２６が備える二次元撮像
素子上に結像される。ＣＣＤカメラ２６によって撮像さ
れた信号は、パーソナルコンピューター２８に出力され
る。パーソナルコンピュータ２８は、所定の画像処理を
行い、ＣＣＤカメラ２６から出力された信号を、測定領
域Ｒの長手方向、即ちｘ方向と、ｚ軸方向に光学的厚み
を表示するような、いわゆる断層画像に変換する。

【００３１】いま、図３に示された構造を有する被検査
ウェハ２０に対して測定を行った結果、図４に示す信号
がＣＣＤカメラ２６から出力されたとする。図４は、図
３に示す構造を有する被検査ウェハ２０を測定した場合
にＣＣＤカメラ２６から出力される信号の一例を示す図
である。

【００３２】図４において、横軸は図２に示した測定領
域Ｒの一方の端部（図２において符号ｒ１を付した端
部）からのｘ方向の距離に対応し、縦軸は波長（周波
数）に対応する。例えば、図４において横軸の値が２ｍ
ｍ、縦軸の値が５５０ｎｍの点の明るさは、図２に示し
た測定領域Ｒの一方の端部ｒ１から２ｍｍの距離を隔て
た点の反射光のうち、波長５５０ｎｍの光の強度を表す
といった具合である。このような信号が得られるのは、
ＣＣＤカメラ２６に設けられた二次元撮像素子に対し、
その一方向に配列された画素を図２中のｘ方向に対応さ
せ、他方向に配列された画素をｘ方向に対して交差する
方向であって分散プリズム２２により分散された周波数
成分に対応させたからである。

【００３３】いま、この信号をＩ（ｘ，ν）と定義す
る。信号Ｉ（ｘ，ν）上ｘ方向の座標は、被検査ウェハ
２０の測定領域Ｒの各点と１対１に対応する空問的な変
位ｘを示している。また、図４中の縦軸は、分散プリズ
ム２２によって分散された反射光の波長（周波数ν）を
示している。被検査ウェハ２０上に何らかの薄膜が存在
する場合、図４中の縦軸方向には薄膜干渉の影響により
一定の周波数の間隔であらわれる明暗の縞、いわゆるチ
ャンネルスペクトルが観測される。尚、図４の縦軸は波
長に対する軸であるが、波長は単純に周波数へ変換する
ことができるため、以下の説明では縦軸を周波数に読み
換えて説明する。

【００３４】以下に、上記断層画像を得るアルゴリズム
の詳細について説明する。はじめにＣＣＤカメラ１０８
によって撮像された画像信号Ｉ（ｘ，ν）において、図
４中の縦軸方向、即ちスペクトル軸について規格化を行
う。ここで規格化とは（１０）式により表される演算を
示す。

【数１０】 ここで、Ｉ（ν）は、図１に示す構成の装置を用い、表
面に何も塗布されていない基板からの反射光のスペクト
ルを測定した場合の反射光のスペクトルである。上記
（１０）式では、Ｉ（ν）によってＩ（ｘ，ν）を除算
する。この演算により規格化された画像信号をＩ’
（ｘ，ν）と定義する。これにより、ハロゲンランプ１
０の分光強度分布、ＣＣＤカメラ２６の分光感度特性、
及びγ特性の補正を同時に行う。

【００３５】次に光学的厚みｎｄの算出を行う。各ｘ座
標においてＩ’（ｘ，ν）の隣り合う強度のピークをそ
れぞれ検出する。この隣り合う強度のピーク周波数をそ
れぞれν₁、ν₂とする。ピーク間の周波数の差から（１
１）式により、各ｘ座標における光学的厚みｎｄを算出
する。

【数１１】

【００３６】最後に画像上ｘ軸方向の座標は上記被検査
ウェハ２０の測定領域Ｒの一方の端部（図２において符
号ｒ１を付した端部）からのｘ方向の各点と１対１に対
応する空間的な変位ｘとし、ｘ軸に垂直なｚ軸を各点の
光学的厚みｎｄとして２次元断層画像を構成する。この
ようにすることで、結果として、図４に示された信号か
ら図３に示された距離と厚さとを関係が得られる。

【００３７】上記光学的厚みｎｄの算出の代わりにフー
リエ変換による解析を用いることもできる。上記（１
０）式による規格化により、規格化された画像に対して
（１２）式に示すような座標変換を行う。但し、ここで
ν₀は光源の中心周波数、Δνは分光器の測定レンジを
表す。

【数１２】 以上の処理によって測定領域Ｒ内の各店の膜厚を測定す
ることができたが、膜厚分布を測定者が直感的に把握で
きるように、測定領域Ｒの長手方向、即ちｘ方向と、ｚ
軸方向に光学的厚みを表示するような、いわゆる断層画
像としてディスプレイ上に表示してもよい。

【００３８】以上、本発明の一実施形態による膜厚測定
装置について説明した。以上の説明おいては、図２に示
されたように測定領域Ｒの形状は線状であり、被検査ウ
ェハ２０の一箇所についてのみ膜厚測定を行っている。
図５は、他の実施形態における膜厚測定装置の構成を示
す斜視図である。図５に示された他の実施形態と図１に
示された実施形態とが異なる点は、被測定ウェハ２０を
回転させる移動手段たる回転テーブル３０が設けられた
点である。

【００３９】回転テーブル３０を一定の角速度で回転さ
せることにより図４に示した信号が時系列に連続して得
られることになる。仮に、被検査物２０のエッジの膜厚
が場所によって変化しているとすると、図４に示した信
号も時系列に変化する。例えばある位置における縞が変
化し、チャンネルスペクトルが変化するといった具合で
ある。

【００４０】ＣＣＤカメラ２６から時系列に得られた信
号に対して前述の処理を施すことにより、被測定ウェハ
２０の周囲部を三次元的に解析することができる。つま
り、被検査ウェハ２０は一定の角速度で回転しているた
め、ＣＣＤカメラ２６から各時間毎に出力される信号
は、被検査ウェハ２０の周方向の位置に対応することと
なるため、被検査ウェハ２０のエッジ付近におけるｘ方
向の位置、周方向の位置、及び膜厚からなる三次元の解
析を行えることとなる。

【００４１】以上、本発明の実施形態による膜厚測定装
置を説明したが、本発明の膜厚測定装置は上述の実施形
態に限定されず、本発明の範囲内において自由に変更が
可能である。例えば、上記実施形態においては、分光手
段として分散プリズム２２が用いらていたが、これに限
られず、例えば代表的なものとして回折格子を用いても
よい。

【００４２】図６は、分光手段として回折格子を用いた
場合の本発明の実施形態による膜厚測定装置の光学系の
構成を示す図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は
斜視図である。図１又は図５に示した膜厚測定装置の光
学系と、図６に示した膜厚測定装置の光学系との相違点
は、図１及び図５中の分散プリズム２２の代わりに回折
格子２３を設けた点である。回折格子２３は、分散プリ
ズム２２と同様に、測定領域Ｒから反射され、レンズ１
８及びビームスプリッタ１６を通過した光を空間的に分
散させる。この回折格子２３は、入射した光を図２中の
測定領域Ｒの長手方向（ｘ方向）に対して所定の垂直方
向に分散する。また、ＣＣＤカメラ２６に設けられた二
次元撮像素子は、その一方向に配列された画素が図２中
のｘ方向に対応し、他方向に配列された画素がｘ方向に
対して交差し、かつ回折格子２３により分散された周波
数成分に対応するよう配される。

【００４３】また、上記の被検査ウェハ２０の形状が円
形の形状であるため、移動手段として回転テーブル３０
を設けた例について説明したが、移動手段としては被検
査ウェハ２０を回転させるものに限定されない。例え
ば、被検査物が四角形であれば、移動手段は被検査物を
ある方向に直線的に移動させるものとなる。つまり、移
動手段は測定領域に対して被検査物を相対的に移動させ
ることができるものであればよい。更に、上記の実施形
態においては、測定領域Ｒの形状は線状であり、被検査
ウェハ２０に照射する光も線状であったが、これに限ら
れず被検査領域Ｒの形状及びウェハ２０に照射する光の
断面形状は、例えば楕円形等の所望の形状であってもよ
い。

【００４４】また、被検査ウェハ２０に照射する光は線
状であったが、これに限られない。例えば、被検査ウェ
ハ２０に照射された際の形状が円状となる光を照射し、
反射された光をスリット等を用いて線状に変換するよう
にしてもよい。この場合の光学系の構成は図７に示した
ようになる。図７は、線状の光を照射しない場合の膜厚
測定装置の構成を示す図である。図７に示した膜厚測定
装置が図１に示した膜厚測定装置と異なる点は、図１中
のスリット１２が省略され、ビームスプリッタ１６と分
散プリズム２２との間にレンズ５０、スリット５２、及
びレンズ５４が設けられた点である。

【００４５】この構成において、ハロゲンランプ１０か
ら出射された光は、レンズ１４によって平行光に変換さ
れ、ビームスプリッタ１６及びレンズ１８を介して被検
査ウェハ２０に照射される。被検査ウェハ２０に照射さ
れる光は、図１に示した膜厚測定装置のようにスリット
１２によって線状に変換されていないため円状の光が照
射される。被検査ウェハ２０から反射された光はレンズ
１８、ビームスプリッタ１６を通過し、レンズ５０によ
って集光される。レンズ５０の焦点位置にスリット５２
が配置されているため、光は線状に変換される。スリッ
ト５２を通過した光はレンズ５４に変換されて分散プリ
ズム２２へ入射する。

【００４６】このような構成においても、分散プリズム
２２へ入射する光を線状とすることができるため二次元
撮像素子に対し、その一方向に配列された画素を図２中
のｘ方向に対応させ、他方向に配列された画素をｘ方向
に対して交差し、かつ分散プリズム２２により分散され
た周波数成分に対応させることができる。更に、図１に
示した膜厚測定装置においては、ハロゲンランプ１０か
ら出射された光をスリット１２によって線状に変換して
いたが、ハロゲンランプ１０の代わりに出射される光そ
のものが線状の光源であってもよい。

【００４７】また、以上の説明においては被検査ウェハ
２０の上面から光を照射する場合について説明したが、
被検査ウェハ２０が透明性を有する場合には、上面から
照射せずに裏面から光を照射するようにしてもよい。図
８は、被検査ウェハ２０の裏面から光を照射する場合の
膜厚測定装置の構成を示す図である。

【００４８】図８に示した膜厚測定装置が図７に示した
膜厚測定装置と異なる点は、ビームスプリッタ１６が省
略され、ハロゲンランプ１０及びレンズ１４が被検査ウ
ェハ２０の裏面に配置され、レンズ１４と被検査ウェハ
２０との間に光を集光するレンズ５６が配置されている
点である。図８に示した膜厚測定装置は、被検査ウェハ
２０に照射する光は円状の形状であり、スリット５２に
よって分散プリズム２２に入射する光を線状とする場合
であるが、図１のように、ハロゲンランプ１０から出射
された光を線状に変換するスリット１２をハロゲンラン
プ１０とレンズ１４との間に設け、被検査ウェハ２０に
入射する光を線状とするとともに、レンズ５０、スリッ
ト５２、及びレンズ５４を省略した構成であってもよ
い。

【００４９】以上の説明では、測定領域Ｒが図２及び図
５に示されるように被測定ウェハ２０のエッジを含むよ
う配置されていた。このように配置されている場合、例
えば被測定ウェハ２０の周囲部のみのレジストを剥離し
たときの剥離が正常に行われたか否かを検査することが
できる。この場合には、パーソナルコンピュータ２８の
記憶装置には予め正常に剥離が行われた被測定ウェハ２
０を測定した膜厚に関するデータが格納され、このデー
タと測定した結果とを比較するソフトウェアが組み込ま
れている。

【００５０】以下に膜厚測定装置をレジスト剥離処理検
査に適用した場合に、被検査ウェハ２０のレジストが正
常に剥離されているか否かを判断するアルゴリズムにつ
いて説明する。まず、良品ウェハの断層画像を測定し、
レジスト剥離処理の行われている部分のｘ座標の範囲及
びその範囲における薄膜の厚みを予め求め、得られたデ
ータをパーソナルコンピュータ２８の記憶装置に記憶す
る。次に被測定ウェハ２０に対して測定を行い、断層画
像上の厚みと予め記憶した良品ウェハに関するデータと
の差分値を計算する。計算して得られた差分値に所定の
閾値処理を行うことで、レジスト剥離処理の良否を判定
する。

【００５１】また、以上の説明においては、測定領域Ｒ
が被検査ウェハ２０のエッジを含むように配されていた
が、これに限られず測定領域Ｒの位置を被検査ウェハ２
０の任意の位置に設定し、その位置の膜厚を測定するよ
うにしても良い。また、パーソナルコンピュータ２８に
おいては、ＣＣＤカメラ２６から出力された信号に対
し、フーリエ変換等の処理が行われる。フーリエ変換に
よる解析を用いることでウェハ上の薄膜が、異なる屈折
率からなる多層膜を構成している場合、各中間層の断層
画像を得ることが可能である。

【００５２】〔アライメントセンサ及びアライメント装
置〕次に、本発明の一実施形態によるアライメントセン
サ及びアライメント装置について説明する。本発明の一
実施形態によるアライメントセンサの光学的な構成は、
図１に示した膜厚測定装置と同様である。アライメント
センサは、被検査ウェハ２０の配置された位置を知る必
要があるため、測定領域Ｒは前述した膜厚測定装置と同
様に被検査ウェハ２０のエッジ近傍を含むように配され
ている。

【００５３】まず、アライメント処理について説明す
る。アライメント処理とは一般にウェハ外周の方向基準
マークである切り欠き（図５中符号Ｋが付されたもの）
と搬送された被検査ウェハ２０のウェハ外周エッジ部を
ラインＣＣＤセンサによりライン状の反射光の輝度分布
信号を測定し、座標計測することでウェハの中心位置と
切り欠きの方向の補正、認識を行う処理のことを示す。
従来は、アライメント処理用のアライメントセンサ（例
えば上記のラインＣＣＤセンサ）及び専用の照射光学系
が備えられている。

【００５４】アライメントセンサは、上述のように被検
査ウェハ２０が配置されている位置を検出するものであ
るが、被検査ウェハ２０の配置位置ずれは種々のものが
ある。従って、一方向の位置ズレを検出すればよい場合
と、面内の位置ズレを検出すればよい場合とが考えられ
る。一方向の位置ズレを検出する場合には、被検査ウェ
ハ２０を測定領域Ｒに対して相対的に移動させる必要が
ないが、面内の位置ズレを検出する場合には、被検査ウ
ェハ２０を測定領域Ｒに対して相対的に移動させる必要
がある。

【００５５】被検査ウェハ２０を測定領域Ｒに対して相
対的に移動させる必要がない場合は、図１に示した膜厚
測定装置をほぼそのまま用いることができる。アライメ
ントセンサとして用いる場合には、図１中のパーソナル
コンピュータ２８に、得られた断層画像から被検査ウェ
ハ２０の位置ズレ量を算出するソフトウェハを組み込む
だけでよい。

【００５６】被検査ウェハ２０を測定領域Ｒに対して相
対的に移動させる必要がある場合は、図５に示した膜厚
測定装置をほぼそのまま用いることができる。つまり、
被検査ウェハ２０に対して三次元解析を行う装置であ
る。アライメントセンサとして用いる場合には、図１中
のパーソナルコンピュータ２８に、得られた断層画像か
らエッジを検出するソフトウェアと、検出したエッジか
ら被検査ウェハ２０がどの方向へどれだけずれているか
を算出するソフトウェアを組み込むだけでよい。尚、被
検査ウェハ２０のエッジのかわりに、ウェハ周縁部のう
ち一部にレジスト剥離処理を施した部分を検出するよう
にしてもよい。

【００５７】本発明の一実施形態によるアライメント装
置は上記のアライメントセンサによって得られた結果か
ら被検査ウェハ２０の配置位置を修正する位置調整装置
（図示省略）が設けられている。アライメント処理によ
り検査物体の中心位置及び回転量のずれ量を検出され、
そのずれ量を試料ステージのＸＹθ駆動機構により位置
補正を行い、試料の回転方位角及びＸＹ位置は所定の精
度範囲内に保証される。

【００５８】本実施形態においては、図１又は図５に示
したＣＣＤカメラ２６からの画像信号Ｉ（ｘ，ν）に対
して以下の処理を行うことにより、上記ラインＣＣＤセ
ンサと等価の座標計測を行なっている。ＣＣＤカメラ３
２６から出力信号に対し（１３）式で示される演算を行
う。

【数１３】 ここでＩ（ｘ）は画像信号Ｉ（ｘ，ν）のスペクトル軸
方向に対しての加算平均を表しており、これは上記ライ
ンＣＣＤセンサを用いて測定されるライン状の反射光の
輝度分布信号と等価である。このＩ（ｘ）を上記ライン
ＣＣＤセンサを用いて測定されるライン状の反射光の輝
度分布信号の代わりに用いてアライメント処理を行う。

【００５９】尚、本実施形態におけるアライメントセン
サ及びアライメント装置は、前述した膜厚測定装置と同
様に、分光手段として回折格子を用いてもよい。また、
移動手段としては被検査ウェハ２０を回転させるものに
限定されない。

【００６０】更に、測定領域Ｒの形状は線上に限定され
ず、図６に示すような楕円形状であってもよい。また、
図７に示すように、被検査ウェハ２０に照射された際の
形状が円状となる光を照射し、反射された光をスリット
等を用いて線上に変換するようにしてもよい。また、被
検査ウェハ２０が透明である場合には、裏面から光を照
射するようにしてもよい。

【００６１】また、本実施形態によるアライメントセン
サ及びアライメント装置は、膜厚測定装置と同様の光学
系を用いて実現でき、パーソナルコンピュータ２８にお
ける処理が異なるだけであるので、光学系を検査装置及
び膜厚測定装置と共通とすることができ、装置の小型化
及び低コスト化が実現できる。

【００６２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、被検査物の所定方向に伸びる測定領域を照明する照
明光学系と、前記測定領域からの反射光を前記所定方向
に対して交差する方向に分光させる分光手段と、分光さ
れた前記反射光を結像する結像光学系と、前記結像光学
系により結像された画像を撮像する二次元撮像素子と、
前記二次元撮像素子からの信号に基づいて前記被検査物
の膜厚を検出する膜厚検出手段とを備えたので、被検査
物の膜厚を機械的な可動部を用いずに広範囲に同時に検
査でき、且つ被検査物を汚染する虞がないという効果が
ある。これによりレジスト塗布ムラ、レジスト剥離処理
の欠陥検査の自動化による効率化と省人化を図る事が可
能となる効果がある。更に、アライメントセンサ及びア
ライメント装置においては、膜厚測定装置と光学系を同
一とすることができるので、低コスト化、及び装置の小
型化が図れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態による膜厚測定装置の
構成を示す構成図である。

【図２】 被検査ウェハの上面図である。

【図３】 被検査ウェハ２０の構造の一例を示す図であ
る。

【図４】 図３に示す構造を有する被検査ウェハ２０を
測定した場合にＣＣＤカメラ２６から出力される信号の
一例を示す図である。

【図５】 他の実施形態における膜厚測定装置の構成を
示す斜視図である。

【図６】 分光手段として回折格子を用いた場合の本発
明の実施形態による膜厚測定装置の光学系の構成を示す
図である。

【図７】 線状の光を照射しない場合の膜厚測定装置の
構成を示す図である。

【図８】 被検査ウェハ２０の裏面から光を照射する場
合の膜厚測定装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ ハロゲンランプ １２ スリット １４，１８，５６ レンズ １６ ビームスプリッタ（以上、照明光学系） Ｒ 測定領域 ２２ 分散プリズム（分光手段） ２４，５０，５４ レンズ ５２ スリット（以上、結像光学系） ２６ ＣＣＤカメラ（二次元撮像素子） ２８ パーソナルコンピュータ（膜厚検出手段、位置
検出手段）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA12 AA17 AA18 AA30 CC17 CC31 DD02 DD06 DD13 FF04 FF51 FF67 GG03 HH05 JJ03 JJ26 LL04 LL12 LL28 LL42 LL46 LL50 MM03 MM04 PP12 PP22 QQ16 QQ25 QQ28 QQ31 QQ39 RR08 SS02 SS13 TT02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査物の所定方向に伸びる測定領域を
   照明する照明光学系と、 前記測定領域からの反射光を前記所定方向に対して交差
   する方向に分光させる分光手段と、 分光された前記反射光を結像する結像光学系と、 前記結像光学系により結像された画像を撮像する二次元
   撮像素子と、 前記二次元撮像素子からの信号に基づいて前記被検査物
   の膜厚を検出する膜厚検出手段とを具備することを特徴
   とする膜厚測定装置。
2. 【請求項２】 前記二次元撮像素子は、その一方向に配
   列された画素が前記測定領域の前記所定方向に対応し、
   他方向に配列された画素が前記所定方向に対して交差
   し、かつ前記分光手段により分光された周波数成分に対
   応することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
3. 【請求項３】 前記被検査物における前記照明光学系の
   照明位置と、前記被検査物とを相対的に移動させる移動
   手段を備え、 前記膜厚検出手段は、前記二次元撮像素子から出力され
   る信号と、前記移動手段による前記相対的な移動とから
   前記被検査物の膜厚を三次元的に解析することを特徴と
   する請求項１又は請求項２記載の膜厚測定装置。
4. 【請求項４】 前記分光手段は、分散プリズム又は回折
   格子が用いられることを特徴とする請求項１記載の膜厚
   測定装置。
5. 【請求項５】 前記照明光学系が照明する前記測定領域
   は、前記被検査物のエッジ近傍を含む領域であることを
   特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
6. 【請求項６】 位置検出用マークを有する被検査物の所
   定方向に伸びる測定領域を照明する照明光学系と、 前記測定領域からの反射光を前記所定方向に対して交差
   する方向に分光させる分光手段と、 分光された前記反射光を結像する結像光学系と、 前記結像光学系により結像された画像を撮像する二次元
   撮像素子と、 前記二次元撮像素子からの信号に基づいて前記位置検出
   用マークを検出する位置検出手段とを具備することを特
   徴とするアライメントセンサ。
7. 【請求項７】 請求項６記載のアライメントセンサと、 前記位置検出手段の検出結果に基づいて前記被検査物の
   位置を調整する位置調整手段とを具備することを特徴と
   するアライメント装置。