表面形状测定装置及方法、以及应力测定装置及方法

专利名称：表面形状测定装置及方法、以及应力测定装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测定对象物表面形状的技术，还涉及一种利用所测定表 面形状测定对象物上的膜内应力的技术。
背景技术：
到目前为止，在半导体元件的制造中，通常半导体基板(下面简称为"基
板")上进行成膜(film deposition)或退火(annealing process)等各种处理。 根据这些处理，在基板上的薄膜内产生残余应力(residual stress)。近年来， 随着半导体元件的高精细化要求，该残余应力对半导体元件的品质的影响曰 益突出，需要提高薄膜内的应力测定。
作为以非接触方式测定薄膜内应力的装置之一，JP特开2000-9553号公 报(文献l)中公开了这样一种薄膜评价装置，艮卩，采用光杠杆法(optical lever detection method:光杠杆检测法)测定基板的曲率半径，利用得到的曲率半 径求得薄膜内应力。在文献l的薄膜评价装置中，将激光光源出射的激光在 基板上进行扫描，基于来自薄膜的反射光的检测器上的受光位置，计算出薄 膜上多个位置的反射角从而求得曲率半径。
另一方面，JP特开2004-138519号公报(文献2)中公开了这样一种技 术，即，在测定对象物上膜厚的膜厚测定装置中，在从光源射向基板的照明 光的光路上配置遮光图案，基于成像于对象物反射光的光路上的遮光图案的 像而求得对象物的倾斜角。在文献2的膜厚测定装置中，通过利用所得到的 倾斜角求得对象物上膜厚从而能够实现高精度的膜厚测定。
然而，在文献l的薄膜评价装置中，由于曲率半径测定中利用激光，所 以在测定目标相对该激光波长反射率低的情况曲率半径测定误差将会变大， 从而不能高精度的求得膜内应力。另外，在基板上形成图案的情况下，激光 会由于该图案而发生散射，从而不能高精度测定曲率半径，所以，不太适用 于形成有图案的基板的应力测定。
进一步，在该装置中，根据多个测定位置上的反射光在检测器上的受光
位置的偏移而求得曲率半径，各测定位置的聚焦位置对测定结果的影响很 大，所以，需要在各测定位置上进行高精度调焦。因此，装置结构复杂化， 应力测定用时增加。

发明内容
本发明面向测定对象物表面形状的表面形状测定装置，其目的在于能够 容易且迅速的得到对象物的表面形状。本发明还面向测定对象物上的膜内应 力的应力测定装置，其目的还在于提供一种能够基于对象物表面形状容易且 迅速的得到对象物上的膜内应力。
一种表面形状测定装置，包括光源，其射出光；光学系统，其将上述 光源射出的光经由物镜导向对象物上的照射区域，并将来自上述照射区域的 反射光经由上述物镜导向规定位置；遮光图案，其在从上述光源至上述照射 区域的光路上，配置于在光路上与孔径光阑位置大致成共轭关系的位置；拍 摄部，其获取成像于上述规定位置的上述遮光图案的像；倾斜矢量计算部， 其基于上述拍摄部的输出，求得表示上述照射区域法线方向的倾斜矢量；移 动机构，其使上述照射区域相对上述对象物移动；表面形状计算部，其基于 上述倾斜矢量计算部求得的上述对象物上的多个区域的倾斜矢量，求得上述 对象物的表面形状。在表面形状测定装置中，能够容易且迅速地求得对象物 的表面形状。
一种应力测定装置，包括光源，射出光；光学系统，其将上述光源射 出的光经由物镜导向对象物上的照射区域，并将来自上述照射区域的反射光 经由上述物镜导向规定位置；遮光图案，其在从上述光源至上述照射区域的 光路上，配置于在光学上与孔径光阑位置大致成共轭关系的位置；拍摄部， 其获取成像于上述规定位置的上述遮光图案的像；倾斜矢量计算部，其基于 上述拍摄部的输出，求得表示上述照射区域法线方向的倾斜矢量；移动机构， 其使上述照射区域相对上述对象物移动；表面形状计算部，其基于上述倾斜 矢量计算部求得的上述对象物上的多个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的 表面形状；曲率半径计算部，其基于上述表面形状计算部求得的上述表面形 状，求得上述对象物上的应力测定区域的曲率半径；膜厚测定部，其通过光 学方法测定上述对象物上的膜的膜厚；应力计算部，其基于上述曲率半径计
算部及上述膜厚测定部求得的上述应力测定区域的曲率半径及膜厚，求得上 述应力测定区域中的上述膜内的应力。应力测定装置中，能够容易且迅速地 求得对象物上膜内的应力。
在本发明的一个优选实施方式中，上述膜厚测定部具有受光部，其接 收来自上述光源射出的光被上述照射区域反射的反射光；膜厚计算部，其基 于上述受光部的输出，通过光干涉法求得上述照射区域中的上述膜的膜厚。
在另一个优选实施方式中，上述膜厚测定部还具有光源单元，其具有 另一个光源，向上述对象物射出发生偏振的光；受光单元，其接收来自上述 对象物的上述发生偏振的光的反射光，从而获取上述反射光的偏振状态；膜 厚计算部，其基于上述受光单元所获取的偏振状态，求得上述对象物上的上 述膜的膜厚。
在又一个实施方式中，应力测定装置还包括保持部，其用于保持上述 对象物；距离检测部，其利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和上述保 持部或保持于上述保持部上的上述对象物之间的距离；对象物厚度计算部， 其基于上述距离检测部所检测出的上述物镜和上述对象物之间的距离、以及 在未保持对象物状态下的上述物镜和上述保持部之间的距离，求得上述对象 物的厚度，上述对象物的厚度用于上述应力计算部对于上述膜内应力的计算 中。
本发明的一个技术方案中，提供一种表面形状测定方法，用于测定对象 物的表面形状，包括a)工序，将光源射出的光经由具有物镜的光学系统 照射至对象物上的照射区域；b)工序，在从上述光源到上述对象物的光路 上，与孔径光阑位置在光学上大致成共轭关系的位置配置有遮光图案，将来 自上述照射区域的上述光的反射光经由上述物镜导向规定位置，并通过拍摄 部获取成像于上述规定位置的上述遮光图案的像；C)工序，在相对上述对 象物移动上述照射区域的同时重复进行上述的a)工序和上述的b)工序， 并基于上述拍摄部的输出，求得表示上述对象物上多个区域的法线方向的倾 斜矢量；d)工序，基于上述多个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的表面 形状。
在表面形状测定方法的上述c)工序中，优选连续进行对于上述照射区 域的上述对象物的相对移动。
本发明的还一个技术方案，提供一种应力测定方法，用于测定对象物上 的膜内应力，包括a)工序，将光源射出的光线经由具有物镜的光学系统
照射至对象物上的照射区域；b)工序，在从上述光源到上述对象物的光路
上，与孔径光阑位置在光学上大致成共轭关系的位置配置有遮光图案，将来 自上述照射区域的上述光的反射光经由上述物镜导向规定位置，并通过拍摄
部获取成像于上述规定位置的上述遮光图案的像；c)工序，将相对上述对 象物移动上述照射区域的同时重复进行上述的a)工序和上述的b)工序， 并基于上述拍摄部的输出，求得表示上述对象物上多个区域的法线方向的倾 斜矢量；d)工序，基于上述多个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的表面 形状；e)工序，基于上述表面形状，求得上述对象物上的应力测定区域的 曲率半径；f)工序，通过光学方法测定上述应力测定区域中的膜的膜厚；g) 工序，基于上述应力测定区域的上述曲率半径和上述膜厚，求得上述应力测 定区域中的上述膜内的应力。
应力测定方法的上述c)工序中，优选连续进行对于上述照射区域的上 述对象物的相对移动。
上述的目的及其他的目的、特征、形态及优点将参照附图通过本发明的 详细说明可变得更加清晰。


图1是表示第一实施方式的应力测定装置结构的图。
图2是表示控制部结构的图。
图3是表示控制部功能的框图。
图4是表示应力测定流程的图。
图5A和图5B是表示基板表面形状的图。
图6是表示第二实施方式的应力测定装置结构的图。
图7是表示控制部功能的框图。
具体实施例方式
图1是表示本发明第一实施方式的应力测定装置1结构的图。应力测定 装置1为用于测定形成于半导体基板9 (下面简称为"基板9")主面上的
膜内应力的装置。膜既可以是单层膜也可以是多层膜。在本实施方式中，基 板9上并未形成配线图案等图案。
如图1所示，应力测定装置1包括载物台2，其作为保持基板9的基
板保持部；载物台移动机构21，其将载物台2沿图1中的X方向和Y方向 移动；载物台升降机构24，其将载物台2沿着图1中的Z方向升降；椭圆偏 振仪3，其获得用于对基板9上的膜的偏振解析(ellipsometry)的信息；光 干涉单元4，其得到来自基板9的反射光的光谱强度(Spectral intensity); 以及控制部5，其对这些结构进行控制。
图2是表示控制部5的结构的图。如图2所示，和一般的计算机同样， 控制部5由进行各种计算处理的CPU51、存储所执行的程序或成为计算处理 的作业区域的RAM52、存储基本程序的ROM53、存储各种信息的硬盘54、 向操作者显示各种信息的显示器55、以及键盘及鼠标等输入部56等连接而 成。
图3示出的是控制部5的CPU51 (参照图2)等根据程序进行计算处理 从而实现的功能的框图，其中， 一起示出了其他的结构，图3中的倾斜矢量 计算部511、表面形状计算部512、曲率半径计算部513、应力计算部514、 第一膜厚计算部515以及第二膜厚计算部516相当于CPU51等所实现的功 能。而且，这些功能可以由多台计算机实现。
如图1所示，载物台移动机构21具有将载物台2沿图1中的X方向移 动的X方向移动机构22及沿Y方向移动的Y方向移动机构23 。X方向移动 机构22中将滚珠螺杆(省略图示)连接在马达221上，通过马达221的转 动，Y方向移动机构23沿着导轨222在图1中的X方向上移动。Y方向移 动机构23与X方向移动机构22为相同的结构，当马达231转动时，通过滚 珠螺杆(省略图示)载物台2沿着导轨232在Y方向上移动。在应力测定装 置1中，通过载物台移动机构21，使从椭圆偏振仪3和光干涉单元4照射至 基板9上的光的照射区域相对基板9移动。
椭圆偏振仪3包括向基板9射出发生偏振的光(下称"偏振光")的光 源单元31以及接收来自基板9的偏振光的反射光并获取反射光偏振状态的 受光单元32，将表示所获得的偏振状态的数据输向控制部5。
光源单元31包括半导体激光器(LD) 312，其作为射出光束的光源；
LD驱动控制部311，其控制半导体激光器312的输出；偏振滤光器313;以 及波片(下称"1/4波片")314。在椭圆偏振仪中，光源单元31的半导体 激光器312射出的光束入射至偏振滤光器313上，从而得到通过偏振滤光器 313发生线偏振的光。从偏振滤光器313出射的光入射至1/4波片314，由 1/4波片314转换成圆偏振光并经由透镜331以规定的入射角(例如72° 80°) 被导向位于载物台2之上的基板9的表面上。此外，光源单元31 (具体地说， 在半导体激光器312和偏振滤光器313之间的光路上)，设有用于切断光束 的电磁快门315，由电磁快门315进行射向基板9上的光的开关控制。
受光单元32具有转动检光元件321和光电二极管322。在椭圆偏振仪3 中，从光源单元31射至基板9的光的反射光，经由透镜332被导向转动检 光元件321，透过以平行于光轴的轴为中心进行转动的转动检光元件321之 后被光电二极管322接收。表示光电二极管322所接收的光强度的信号通过 AD转换器34被输出到控制部5的第一膜厚计算部515 (参照图3)，通过 将光电二极管322的输出与转动检光元件321的转动角建立对应关系由此得 到反射光的偏振状态。
在应力测定装置1中，在载物台2上配置有用于确认椭圆偏振仪3的光 源单元31射出的光的波长的反射镜25，反射镜25以使从光源单元31照射 的规定入射角的光向垂直方向上方反射的方式倾斜设置。
光干涉单元4具有将白光作为照明光而射出的光源41、将来自基板9的 反射光分光的分光器42、获取后述的遮光图案像的遮光图案拍摄部43、对 基板9上照明光的照射位置进行拍摄的基板拍摄部44、及光学系统45，在 由光学系统45将光源41射出的照明光导向基板9上的照射区域，并将来自 该照射区域的反射光导向分光器42、遮光图案拍摄部43及基板拍摄部44。
具体地说，来自光源41的照明光沿光纤451的一端导入，从另一端所 设的透镜452导出照明光。所导出的照明光经由透镜450a被导向孔径光阑 部453。在孔径光阑部453设有规定的遮光图案453a (如形成十字的标线)， 照明光对应于遮光图案453a的部分被遮挡并经由透镜450b被导向视场光阑 454。
被视场光阑部454限制视场的照明光经由透镜450被导向半透半反镜 455，并透过半透半反镜455被导向半透半反镜456。被半透半反镜456反射
的照明光通过经由物镜457被照射至基板9上的照射区域之上。此时，基板 9上的照明光的照射区域的广度尽管对应着视场光阑454的视场限制，但孔 径光阑部453的遮光图案453a的像不能成像于基板9之上。在应力测定装 置1中，由于物镜457采用低倍率(本实施方式中为10倍)的物镜，该物 镜457的焦深(depth of focus)比较大约为4|am，故从物镜457射向基板9 的光在基板9上大致呈平行光。
来自基板9的反射光经由物镜457被导向半透半反镜456，其中一部分 光反射向半透半反镜455。被反射的光进一步被半透半反镜455反射，经由 透镜450d被遮光图案拍摄部43接收。在从遮光图案453a经由基板9的表 面至遮光图案拍摄部43的光学系统中，遮光图案拍摄部43的位置与遮光图 案453a在光学上成共轭关系，遮光图案453a在遮光图案拍摄部43中被成像， 遮光图案453a的图像数据被输向控制部5的倾斜矢量计算部511 (参照图3)。
透过半透半反镜456的反射光透过半透半反镜458之后被导向半透半反 镜459，其中一部分光被反射。被反射的光经由透镜450被导向基板拍摄部 44而被接收。基板拍摄部44的位置与视场光阑部454及基板9的表面位置 在光学上成共轭关系，通过基板拍摄部44拍摄基板9上照明光的照射位置 的像，所获取的图像数据被输向控制部5。
透过半透半反镜459的光经由透镜450f导向分光器42。光干涉单元4 中，光源41射出的光中的被基板9上照射区域反射的光作为受光部的分光 器42接收并获得反射光的光谱强度，该光谱强度的数据被输向控制部5的 第二膜厚计算部516 (参照图3)。在光干涉单元4中，由透镜450a 450f、 452、光纤451、孔径光阑部453、视场光阑部454、半透半反镜455、 456、 458、 459及物镜457构成光学系统45。
下面对利用应力测定装置1对基板9上的膜内应力进行测定的流程进行 说明。在应力测定装置l中，由光干涉单元4求得基板9上应力测定区域的 曲率半径，由椭圆偏振仪3或光干涉单元4求得该应力测定区域的膜厚，根 据这些曲率半径、膜厚及基板9的厚度求得应力测定区域中的应力。
在应力测定装置1中，椭圆偏振仪3及控制部5的第一膜厚计算部515 充当用于通过光学方法测定基板9上膜厚的膜厚测定部，光干涉单元4及第 二膜厚计算部516充当用于通过光学方法测定基板9上的膜厚的另一个膜厚
测定部。在基板9上的膜较薄时，基于表示来自椭圆偏振仪3的光的偏振状
态的输出在第一膜厚计算部515中进行采用偏振解析方式的膜厚测定，而在 膜较厚或为多层膜时，通过第二膜厚计算部516，基于表示来自光干涉单元 4的光的光谱强度的输出，求得光谱反射率(spectral reflectance)并采用光 干涉法算出膜厚。
图4是表示由应力测定装置1进行应力测定的流程图。在采用图1所示 应力测定装置1对基板9上的膜内应力进行测定的时候，首先，基板9被置 于载物台2之上，并以设于基板9表面上的基准区域(即，在基板9的表面 形状测定中成为基准的区域)位于物镜457焦深内的方式进行调焦。在本实 施方式中，通过光学系统45通过肉眼观测以确认基板9的基准区域的像， 以手动方式操作载物台升降机构24以进行基板9的调焦。如果调焦结束， 则利用载物台移动机构21开始移动载物台2及基板9 (步骤Sll)。
然后，光干涉单元4的光源41射出的光经由包含物镜457的光学系统 45射向基板9上的照射区域(图4中记为"倾斜矢量测定区域")(步骤 S12)，来自照射区域的反射光经由物镜457被导向遮光图案拍摄部43而获 得遮光图案453a的像(步骤S13)。遮光图案拍摄部43所获取的遮光图案 453a的图像数据被输向控制部5的倾斜矢量计算部511 (参照图3)。
如前所述，遮光图案拍摄部43的位置是，经由基板9的表面而相对遮 光图案453a在光学上成共轭关系的位置(因遮光图案453a大致位于孔径光 阑位置，故遮光图案拍摄部43大致位于所谓的入瞳位置)，遮光图案拍摄 部43所获取的图像中的遮光图案的位置为与基板9的照明光照射区域的法 线方向(下面称为"倾斜矢量")相对应的位置。
在倾斜矢量计算部511中，预先存储倾斜矢量朝向垂直方向(即，Z方 向)时图像中遮光图案的重心位置(下称"基准位置")，以基准位置为起 点，通过计算出至所得图像中遮光图案的重心位置的矢量从而求得基板9上 照射区域的倾斜矢量。
具体地说，将物镜457和基板9的表面之间的距离设定为f，将垂直方 向和倾斜矢量所成的角(下称"倾斜角")设定为e，若假设为物镜457的 位置接收来自基板9的反射光并获得遮光图案453a的像，则在所获得的图 像中，遮光图案的位置从基板9的倾斜角为(T时仅沿与倾斜对应的方向(f x
tan(2e))移动。因此，在由遮光图案拍摄部43获得的图像中，沿与倾斜对应 的方向移动在仅以相对物镜457的位置的倍率乘以(f x tan(2e))的距离， 该距离和方向成为上述基准位置和所检测出的重心位置之间的距离和方向。 在倾斜矢量计算部511中，基于从自遮光图案拍摄部43的输出而求得的基 准位置到该重心位置的矢量以及物镜457和基板9的表面之间的距离f，由 此能够正确求得基板9的倾斜矢量(步骤S14)。
在基板9上，设定有多个应求得倾斜矢量的区域(下称"倾斜矢量测定 区域")，光源41射出光的照射区域根据载物台移动机构21相对基板9进 行移动并朝向下一个倾斜矢量测定区域(步骤S15)。在应力测定装置1中， 从光源41射出的光的照射区域相对基板9连续进行相对移动，对于基板9 上的多个倾斜矢量测定区域，依次重复进行光的照射、遮光图案453a的获 取以及基板9的倾斜矢量的算出(步骤S12 S15)。
在全部的倾斜矢量测定区域的倾斜矢量计算结束之后，当判断出已无下 一个倾斜矢量测定区域时，利用载物台移动机构21停止基板9的移动(步 骤S16)。然后，通过控制部5的表面形状计算部512，基于被倾斜矢量计 算部511求得的基板9上的多个倾斜矢量测定区域中的基板9的倾斜矢量， 来求得基板9的表面形状(步骤S17)。
具体地说，将作为多个倾斜矢量测定区域中其中之一的基准区域的高度 (即，图1中的Z方向的坐标值)设定为Za，将基准区域和与基准区域在X 方向上邻接的一个倾斜矢量测定区域(下称"邻接区域")之间的水平方向 上的距离(即，X方向上的距离)设定为L，将基准区域及邻接区域各自中 的基板9的倾斜矢量在ZX面上的投影和Z方向所成的角度分别设定为ej口
eb，则邻接区域的高度zb可通过公式i求得。
Zb=Za+Onea+taneb;)L/2 … (1)
在表面形状计算部512中，对于各倾斜矢量测定区域的高度，根据该倾 斜矢量测定区域中的基板9的倾斜矢量、以及与该倾斜矢量测定区域邻接的 倾斜矢量测定区域的高度及倾斜矢量，从基准区域开始按照远近顺序顺次算 出。此外，其中一个倾斜矢量测定区域的高度可以是多个路径求得的高度的 平均值。例如，基于经过过其中一个倾斜矢量测定区域而在X方向延伸的直 线上所设定的多个倾斜矢量测定区域的倾斜矢量而求得的高度、与基于通过
该倾斜矢量测定区域沿Y方向延伸的直线上所设定的多个倾斜矢量测定区 域的倾斜矢量而求得的高度之间的平均值，可以作为该倾斜矢量测定区域的 倾斜矢量。
在应力测定装置l中，对于表面形状平坦的基准基板(本实施方式中采 用表面上未形成膜的基板)，事先进行和上述同样的表面形状测定工序(步
骤S11 S17)，求得与基板9的各倾斜矢量测定区域对应的区域的高度并存 储在表面形状计算部512中。
在表面形状计算部512中，从基板9的多个倾斜矢量测定区域的高度减 去预先存储的基准基板的多个倾斜矢量测定区域的高度之后，基板9的多个 倾斜矢量测定区域之间的区域高度通过采用样条插值法(spline interpolation) 或贝齐尔插入法(Bezier curve)进行插补以求得基板9的表面形状。这样， 通过利用基准基板的测定结果矫正基板9的倾斜矢量测定区域的高度，能够 矫正应力测定装置1的系统误差从而以高精度求得基板9的表面形状。
图5A是表示基板9的表面形状的图。在图5A中示出了圆板状基板9 的直径上所设定的多个倾斜矢量测定区域的高度以及由该多个倾斜矢量测 定区域的高度而求得的表面形状。如图5A所示，基板9中作为测定目标的 直径方向上的一侧(即，图5A中左侧)部位向下弯曲，而另一侧的部位向 上弯曲。
图5A中用实线901表示应力测定装置1所求得的基板9的表面形状。 而且，在图5A中用虚线902表示利用作为比较例的另外的测定装置所得到 的基板9的表面形状的测定结果。在比较例的测定装置中，基板被放置在具 有自动对焦机构的载物台上，通过升降载物台而在基板上的多个位置上进行 调焦之后，基于该多个位置上的调焦之后的载物台高度来求得基板的表面形 状。
如图5A所示，在利用比较例的测定装置所得到的测定结果中，纵然在 作为表面实际上平坦的基板9的中央附近部位，也会由于自动对焦机构的回 差(backlash)而产生较大的凹凸，但是，在应力测定装置1中，则能够高 精度地测定与基板9的实际形状对应的表面形状。
图5B式表示根据应力测定装置1及比较例的测定装置测定的另一基板 的表面形状的测定结果的图。在该基板的表面上，形成有配线图案等图案，
自该图案上形成膜。在图5B所示的基板上，基板直径方向上的两侧部分均 向上弯曲。
在图5B中，以实线903表示由应力测定装置1得到的测定结果，虚线 904表示由比较例的测定装置得到的测定结果。如图5B所示，即使在对形 成有图案的基板的测定中，应力测定装置1也能够以比比较例的测定装置精 度更高的测定表面形状。
若基板9的表面形状被测定，则通过控制部5的曲率半径计算部513(参 照图3)，基于基板9上所设定的应力测定区域附近的表面形状(例如基于 应力测定区域的高度及应力测定区域周围4点的高度)，能够求得该应力测 定区域的曲率半径(步骤S18)。在事先判断为应力测定区域附近的部位被 ZX面截断的截面中该部位的曲率、与被ZY面截断的截面中的该部位的曲率 大致相等的情况下，应力测定区域的曲率半径则可以基于应力测定区域的高 度及位于该应力测定区域的X方向上两侧的2个点的高度而求得。应力测定 区域可以与基板9上的多个倾斜矢量测定区域相一致，也可以设定于多个倾 斜矢量测定区域之间。还有，也可以在基板9上设定多个应力测定区域。
若求得应力测定区域的曲率半径，则根据椭圆偏振仪3及第一膜厚计算 部515、或者光干涉单元4及第二膜厚计算部516 (即，根据应力测定装置l 的膜厚测定部)，可以通过光学方法测定该应力测定区域中基板9上的膜厚 (歩骤S19)。下面，对采用椭圆偏振仪3进行的膜厚测定进行说明，之后 再对利用光干涉单元4进行的膜厚测定进行说明。
在通过椭圆偏振仪3测定膜厚时，首先，通过载物台移动机构21，载物 台2上的反射镜25向光源单元31射出的激光的照射位置移动，光源单元31 射出的激光被反射镜25反射，然后被导入光干涉单元4的分光器42中。在 分光器42中，获得接收的光的光谱强度，其结果，实质上进行半导体激光 器312出射的激光波长的确认(下称"激光波长校准")。所获取的激光波 长输向控制部5的第一膜厚计算部515 (参照图3)，以于由椭圆偏振仪3 进行的膜厚测定时使用。
接着，从光干涉单元4的光源41出射照明光，并利用基板拍摄部44得 到基板9的图像，根据该图像，载物台移动机构21将基板9和载物台2 — 起移动，通过采用这种方式，可以使来自椭圆偏振仪3的光源单元31的偏
振光的照射位置与基板9上的应力测定区域相一致。当位置调整结束时，偏
振光从光源单元31出射向基板9，并利用受光单元32得到反射光的偏振状态。
在控制部5的第一膜厚计算部515 (参照图3)，由表面形状计算部512 所求得的基板9的表面形状可以算出应力测定区域的倾斜矢量，从而求得相 对偏振光的应力测定区域的正确的入射角。然后，利用该偏振光的入射角以 及通过激光波长矫正方式获得的光源单元31射出的偏振光的波长，并且根 据受光单元32所获取的偏振状态(更准确的说，还利用光源单元31射出的 光的偏振状态)，能够求得基板9上应力测定区域中的膜厚。此外，在应力 测定区域与多个倾斜矢量测定区域中的任一个相一致的场合中，可以在倾斜 矢量的测定中得到来自基板9的反射光的偏振状态。
在应力测定装置1中，通过将椭圆偏振仪3的激光波长校准在膜厚测定 前进行，从而即使在由于周围温度变化及光源单元31的各结构的特性变化 等而引起光源单元31射出光的波长变化的情况下，也能够以良好的精度求 得膜厚。另外，通过利用由表面形状计算部512求得的基板9的表面形状而 对基板9的倾斜度进行矫正，从而能够以良好的精度求得应力测定区域中的 膜厚。
下面对利用光干涉单元4进行的膜厚测定进行说明。在利用光干涉单元 4进行膜厚测定时，首先，在光干涉单元4中，将从光源41射出的照明光经 由光学系统45导向基板9的应力测定区域，并将来自基板9的反射光被导 向分光器42。然后，由分光器42得到反射光的光谱强度，基板9的光谱强 度数据被输向控制部5的第二膜厚计算部516。
在应力测定装置1中，根据光干涉单元4，预先获取进行参照的基板(本 实施方式中为硅基板，下称"参考基板")的光谱强度并存储在第二膜厚计 算部516中。并且，将参考基板上生成的二氧化硅(Si02)的自然氧化膜的 膜厚由椭圆偏振仪3及第一膜厚计算部515预先测定出并存储在第二膜厚计 算部516中。在第二膜厚计算部516中，由被椭圆偏振仪3测定出的自然氧 化膜的膜厚通过理论运算而计算出参考基板上的(垂直)光谱反射率，作为 "理论光谱反射率"而事先存储起来。
在第二膜厚计算部516中，基于参考基板的理论光谱反射率由参考基板及基板9的光谱强度求得基板9的光谱反射率。在此，若将参考基板的理论 光谱反射率设定为RC ，将参考基板的光谱强度设定为IC (D ，将基板
9的光谱强度设定为Im (X)，将基板9的光谱反射率设定为Rm a)，则 基板9的光谱反射率Rm (X)可由公式2求得。
Rm (X) = (Im (入)/Ic (" ) x Rc (人) … (2) 艮口，基板9的光谱反射率可以通过光干涉单元4所求得的基板9的光谱 强度乘以参考基板的理论光谱反射率和参考基板的光谱强度比而求得。第二 膜厚计算部516中，还可以由基板9的光谱反射率以良好的精度求得基板9 上的应力测定区域中的膜厚。此外，在应力测定区域与多个倾斜矢量测定区 域的任一个相一致时，可以在倾斜矢量的测定中获得来自基板9的反射光的 光谱强度。
如上所述，当膜厚测定结束时，基于在步骤S18、 S19中通过曲率半径 计算部513和膜厚测定部(即，椭圆偏振仪3及第一膜厚计算部515、或光 干涉单元4及第二膜厚计算部516)求得的应力测定区域的曲率半径及膜厚， 以及通过控制部5的输入部56 (参照图2)预先输入的基板9的厚度，利用 控制部5的应力计算部514求得应力测定区域中的膜内的应力(步骤S20)。 在此，如果将应力测定区域中的曲率半径及膜厚分别设定为R和hf，将基板 9的厚度设定为h，基板9的杨氏模量(Young，smodulus)和泊松比(Poisson，s ratio)分别设定为E和v，则应力测定区域中的膜内应力d可由公式3求得。
d= (E/ (l-v) ) x (h2/ (6Rhf)) … (3)
如上所述，在应力测定装置1中，通过利用遮光图案拍摄部43获取配 置于孔径光阑部453的遮光图案453a的像，由此能够求得基板9上多个倾 斜矢量测定区域中的基板9的倾斜矢量，基于该多个倾斜矢量可求得基板9 的表面形状。然后，根据基于该表面形状而求得的应力测定区域的曲率半径、 利用椭圆偏振仪3或光干涉单元4所求得的该应力测定区域中的膜厚、以及 基板9的厚度，可以求得应力测定区域中的膜内应力。
在应力测定装置1中，在求取基板9上倾斜矢量测定区域的倾斜矢量时， 经由较低倍率的物镜457将光照射至基板9上，来自基板9的反射光被遮光 图案拍摄部43接收，从而获取遮光图案453a的像。如上所述，由于物镜457 的焦深较大，所以即使在基板9上的倾斜矢量测定区域从基准区域(即进行
调焦的区域)在上下方向发生或多或少的偏移的情况下，如果其仍然位于物
镜457的焦深范围内，则对遮光图案453a和遮光图案拍摄部之间的成像关 系不会产生影响，还能够以高精度地获取遮光图案453a。
另外，由于从物镜457导向基板9的光在基板9上大致呈平行光，所以 即使倾斜矢量测定区域自焦深范围存在或多或少的偏离的情况下，也可以以 良好的精度获取遮光图案453a的像。因此，在基板9上多个倾斜矢量测定 区域的各区域中进行倾斜矢量的测定时，各倾斜矢量测定区域中不用进行调 焦操作，就能够迅速且高精度的进行测定，并能够迅速且高精度的求得基板 9的表面形状。
在应力测定装置1的光干涉单元4中，通过光源41射出的白光而对遮 光图案453a的像进行成像。因此，即使在基板9及基板9上的膜由吸收特 定波长范围的光的材料形成的情况下，也能够根据基板9等所吸收的波长范 围以外的波长范围的光而将遮光图案453a的像成像于遮光图案拍摄部43 上。这样，无论基板9及膜采用何种材料，均可以容易且高精度地求得形成 有各种的膜的各种的基板的倾斜矢量及表面形状。
进一步，在光干涉单元4中，虽然遮光图案453a和遮光图案拍摄部43 在光学上成共轭关系，但遮光图案453a并没有与基板9成共轭关系，所以 遮光图案453a的像没有成像于基板9上。因此，即使基板9上形成有图案， 遮光图案拍摄部43所获取的遮光图案453a的像也不受基板9上图案的影响。 因此，无论基板9上有无图案也能够容易且高精度地求得各种的基板上的倾 斜矢量及表面形状。
这样，在应力测定装置l中，由于能够容易且迅速地并且精度良好的求 得基板9的表面形状，所以基于根据该表面形状所求得的应力测定区域的曲 率半径、应力测定区域中的膜厚、以及基板9的厚度，能够容易且迅速地而 且精度良好地求得应力测定区域中的膜内应力。
应力测定装置l中的倾斜矢量的测定中，采用根据光干涉单元4使照明 光照射区域相对基板9做连续相对移动的方式，能够更加迅速地获得多个倾 斜矢量测定区域中基板9的倾斜度。其结果，能够进一步迅速求得基板9的 表面形状及应力测定区域中膜内应力。
应力测定装置1中的膜厚测定中，通过利用椭圆偏振仪3，能够高精度
测定较薄膜的膜厚。另外，通过采用光干涉单元4进行膜厚测定，能够高精 度测定较厚膜或多层膜的膜厚。光干涉单元4中，由于能够利用用于基板9
的表面形状测定的光学系统45进行膜厚测定，所以能够使应力测定装置1
的结构简化。
应力测定装置1如果仅使用用于保持基板9的载物台2、载物台移动机 构21、光干涉单元4的光源41、光学系统45、遮光图案453a以及遮光图案 拍摄部43以及控制部5的倾斜矢量计算部511及表面形状计算部512，则不 能进行应力测定，但可以用作为测定基板9的表面形状的表面形状测定装置。
如上所述，在应力测定装置l中，不用重复进行对多个倾斜矢量测定区 域调焦就能获取遮光图案453a的像，从而能够迅速且高精度地求得基板9 的倾斜矢量，另外，无论基板9及膜的材料如何以及基板9上有无图案，均 可以容易且迅速地高精度地求得各种基板的倾斜矢量。因此，即便将应力测 定装置1作为表面形状测定装置使用时，也同样能够基于基板9的倾斜矢量 而容易且迅速地以高精度求得基板9的表面形状。
另外，如上所述，应力测定装置l中的倾斜矢量的测定中，通过使采用 光干涉单元4得到的照明光照射区域相对基板9进行移动，由此能够更迅速 地获取多个倾斜矢量测定区域中基板9的倾斜度。其结果，能够进一步迅速 地求得基板9的表面形状。
接下来对本发明第二实施方式的应力测定装置进行说明。图6是表示第 二实施方式的应力测定装置la结构的图。如图6所示，应力测定装置la除 了具有图1所示的应力测定装置1的结构外，还具有作为距离检测部的自动 对焦检测单元(下称"AF检测单元")46，该距离检测部用于检测光干涉 单元4的物镜457和载物台4之间的上下方向(即图6中的Z方向)上的距 离、或者保持于载物台2之上的基板9表面和物镜457之间的上下方向上的 距离。其他结构和图1所示的应力测定装置1大致相同，下面的说明中采用 同一符附图标记表示。另外，利用应力测定装置la进行的基板9上的膜内 应力测定流程和第一实施方式也大致一样。此外，在图6中，为了简化附图 而省略控制部5的图示。
如图6所示，AF检测单元46包括出射光束的半导体激光器461、柱面 透镜462、以及采用PSD (Position Sensitive Detector:位置灵敏探测器)元
件检测接收的光的位置的AF检测部463。在将基板9置于载物台2上的状 态下，由半导体激光器461出射的光束经由光学系统45的物镜457射向基 板9的表面。来自基板9的光束反射光经由物镜457导向AF检测单元46的 柱面透镜462，并进一步被导向AF检测部463。在AF检测部463中，根据 来自基板9的反射光的受光位置检测出物镜457和基板9表面之间的距离。 另外，在基板9没有被置于载物台2之上的状态下，检测物镜457和载物台 2的表面之间的距离。
图7是表示应力测定装置la的控制部5的功能的框图，图中还示出了 其他的结构。如图7所示，应力测定装置la的控制部5还包括用于求取基 板9厚度的基板厚度计算部517 (即，对象物厚度计算部)。其他的结构和 图3相同。
在应力测定装置la的AF检测单元46中的AF检测部463检测物镜457， 检测物镜457和基板9之间的距离、以及检测未保持基板9的状态下的物镜 457和载物台2之间的距离，并输至控制部5的基板厚度计算部517。然后， 在基板厚度计算部517中，基于这2个距离求取基板9的厚度。在本实施方 式中，求得该这个距离的差作为基板9的厚度。
由基板厚度计算部517所求得的基板9的厚度在利用应力测定装置la 进行的基板9上的膜内应力测定中，用于图4的步骤S20所示的利用应力计 算部514进行应力计算。此时，省略了基板9的厚度从控制部5的输入部56 的输入。
在第二实施方式的应力测定装置la中，和第一实施方式同样，能够容 易且迅速地以良好精度求得基板9上应力测定区域中的膜内应力。在应力测 定装置la中，尤其通过AF检测单元46能够以高精度求得基板9的厚度， 因此能够以更加良好的精度求得应力测定区域中的膜内应力。
在应力测定装置la中，在基板9的移动开始(图4:步骤Sll)之前进 行的调焦中也利用AF检测单元46。在进行针对基板9调焦时，基于由AF 检测单元46检测出的物镜457和基板9的表面之间的距离，基板9通过载 物台升降机构24和载物台2 —起在上下方向上移动，基板9的表面位于物 镜457的焦深范围内。
在应力测定装置la中，还可以是在对基板9上的各倾斜矢量测定区域
的倾斜矢量进行测定时，利用载物台移动机构21停止基板9的移动，通过
AF检测单元46及载物台升降机构24进行调焦。此时，由于物镜457的焦 深较大，还有从物镜457导向基板9的光基本上呈平行光，从而能够将调焦 所要求的精度控制得较低，这样，与通过需要高精度调焦的光杠杆法求得基 板曲率半径的测定装置等相比，能够縮短调焦所需时间。其结果，能够縮短 基板9的表面形状的测定以及基板9上的膜内应力测定所需的时间。
以上尽管对本发明实施方式进行了说明，但本发明并非仅限于上述实施 方式，其可以作出种种的变形。
例如，在上述实施方式的应力测定装置中也可以是，在载物台2被固定 的状态下，光干涉单元4的光源41射出的光以及椭圆偏振仪3的光源单元 31射出的光在基板9上的照射区域相对基板9移动。
遮光图案453a无需必须配置在孔径光阑部453的位置上，在从光干涉 单元4的光源41到基板9的光路上，配置在与孔径光阑位置在光学上成共 轭关系的位置上即可。另外，遮光图案453a还可以是仅遮断特定波长的光 的图案，此时，遮光图案拍摄部43中可以配置仅透过特定波长光的滤光器。
从椭圆偏振仪3的光源单元31射向基板9的偏振光并非仅限于圆偏振 光，也可以利用根据需要而成为适当不同的情况的偏振光(例如45。的线偏 振)。而且，光源单元31出射的光并不限于以半导体激光器作为光源的光 束，例如，也可以是从光源单元31出射白光，在受光单元32中通过代替分 光器而设置的光电二极管322从而接收该白光的反射光。
在第二实施方式的应力测定装置la中，AF检测单元46中用于物镜457 和基板9或载物台2之间的距离的检测的光，无需一定从AF检测单元46中 出射，例如可以是，从光干涉单元4的光源41射出的光被基板9或载物台2 反射，经由物镜457导向AF检测部463从而获取目标图像，根据图像的清 晰度进行自动对焦。这样，在AF检测单元46，通过利用物镜457出射的光 检测物镜457和基板9或载物台2之间的距离从而可以实现结构的简化。
基板9并非仅限于半导体基板，例如也可以是液晶显示装置或其他平面 面板显示装置等中所使用的玻璃基板。上述实施方式的应力测定装置也可以 用于基板之外的其他各种对象物的表面形状测定以及该对象物上的膜内应 力测定。
以上对本发明作出了详细的描述及说明，但所述的说明仅是示例性的而 并非限定性的。因此，可以理解为在不脱离本发明的范围内，可以有多种变 形及方式及均应包括在本发明中。
权利要求
1.一种表面形状测定装置，用于测定对象物的表面形状，其特征在于，具有光源，其射出光；光学系统，其将上述光源射出的光经由物镜导向对象物上的照射区域，并将来自上述照射区域的反射光经由上述物镜导向规定位置；遮光图案，其在从上述光源至上述照射区域的光路上，配置于在光学上与孔径光阑位置大致成共轭关系的位置；拍摄部，其获取成像于上述规定位置的上述遮光图案的像；倾斜矢量计算部，其基于上述拍摄部的输出，求得表示上述照射区域法线方向的倾斜矢量；移动机构，其使上述照射区域相对上述对象物移动；以及表面形状计算部，其基于上述倾斜矢量计算部求得的上述对象物上的多个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的表面形状。
2. —种应力测定装置，用于测定对象物上的膜内应力，其特征在于， 具有光源，其射出光；光学系统，其将上述光源射出的光经由物镜导向对象物上的照射区域， 并将来自上述照射区域的反射光经由上述物镜导向规定位置；遮光图案，其在从上述光源至上述照射区域的光路上，配置于在光学上 与孔径光阑位置大致成共轭关系的位置；拍摄部，其获取成像于上述规定位置的上述遮光图案的像；倾斜矢量计算部，其基于上述拍摄部的输出，求得表示上述照射区域法 线方向的倾斜矢量；移动机构，其使上述照射区域相对上述对象物移动；表面形状计算部，其基于上述倾斜矢量计算部求得的上述对象物上的多 个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的表面形状；曲率半径计算部，其基于上述表面形状计算部求得的上述表面形状，求 得上述对象物上的应力测定区域的曲率半径；膜厚测定部，其通过光学方法测定上述对象物上的膜的膜厚；以及应力计算部，其基于上述曲率半径计算部及上述膜厚测定部求得的上述 应力测定区域的曲率半径及膜厚，求得上述应力测定区域中的上述膜内的应 力。
3. 如权利要求2所述的应力测定装置，其特征在于，上述膜厚测定部 具有受光部，其接收上述光源射出的光被上述照射区域反射的反射光； 膜厚计算部，其基于上述受光部的输出，通过光干涉法求得上述照射区 域中的上述膜的膜厚。
4. 如权利要求3所述的应力测定装置，其特征在于，上述膜厚测定部还具有光源单元，其具有另一个光源，向上述对象物射出发生偏振的光；受光单元，其接收来自上述对象物的上述发生偏振的光的反射光，从而获取上述反射光的偏振状态；膜厚计算部，其基于上述受光单元所获取的偏振状态，求得上述对象物 上的上述膜的膜厚。
5. 如权利要求2所述的应力测定装置，其特征在于，上述膜厚测定部 具有光源单元，其具有另一个光源，向上述对象物射出发生偏振的光； 受光单元，其接收来自上述对象物的上述发生偏振的光的反射光，从而获取上述反射光的偏振状态；膜厚计算部，其基于上述受光单元所获取的偏振状态，求得上述对象物上的上述膜的膜厚。
6. 如权利要求2至5中任一项所述的应力测定装置，其特征在于，还 具有保持部，其用于保持上述对象物；距离检测部，其利用从上述物镜出射的光，检测在未保持对象物的状态 下的上述物镜和上述保持部之间的距离、以及上述物镜和被上述保持部所保 持的上述对象物之间的距离；对象物厚度计算部，其基于上述距离检测部所检测出的上述物镜和上述 对象物之间的距离、以及上述物镜和上述保持部之间的距离，求得上述対象物的厚度，上述对象物的厚度用于上述应力计算部对于上述膜内应力的计算中。
7. —种表面形状测定方法，用于测定对象物的表面形状，其特征在于，包括a) 工序，将光源射出的光经由具有物镜的光学系统照射至对象物上的 照射区域；b) 工序，在从上述光源到上述对象物的光路上，与孔径光阑位置在光 学上大致成共轭关系的位置配置有遮光图案，将来自上述照射区域的上述光 的反射光经由上述物镜导向规定位置，并通过拍摄部获取成像于上述规定位 置的上述遮光图案的像；c) 工序，在相对上述对象物移动上述照射区域的同时重复进行上述a) 工序和上述b)工序，并基于上述拍摄部的输出，求得表示上述对象物上多 个区域的法线方向的倾斜矢量；d) 工序，基于上述多个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的表面形状。
8. 如权利要求7所述的表面形状测定方法，其特征在于，在上述c)工 序中，连续进行对于上述照射区域的上述对象物的相对移动。
9. 一种应力测定方法，用于测定对象物上的膜内应力，包括a) 工序，将光源射出的光经由具有物镜的光学系统照射至对象物上的 照射区域；b) 工序，在从上述光源到上述对象物的光路上，与孔径光阑位置在光 学上大致成共轭关系的位置配置有遮光图案，将来自上述照射区域的上述光 的反射光经由上述物镜导向规定位置，并通过拍摄部获取成像于上述规定位 置的上述遮光图案的像；c) 工序，在相对上述对象物移动上述照射区域的同时重复进行上述a) 工序和上述b)工序，并基于上述拍摄部的输出，求得表示上述对象物上多 个区域的法线方向的倾斜矢量；d) 工序，基于上述多个区域的倾斜矢量，求得上述对象物的表面形状;e) 工序，基于上述表面形状，求得上述对象物上的应力测定区域的曲 率半径；f) 工序，通过光学方法测定上述应力测定区域中的膜的膜厚；g) 工序，基于上述应力测定区域的上述曲率半径和上述膜厚，求得上 述应力测定区域中的上述膜内的应力。
10. 如权利要求9所述的应力测定方法，其特征在于，在上述C)工序 中，连续进行对于上述照射区域的上述对象物的相对移动。
11. 如权利要求9或10所述的应力测定方法，其特征在于，上述f)工序包括h) 工序，将上述光源射出的光照射到上述应力测定区域；i) 工序，接收来自上述应力测定区域的上述光的反射光，从而获取上述 反射光的光谱强度；j)工序，基于由上述i)工序获取的上述反射光的光谱强度，通过光干 涉法求得上述应力测定区域中的上述膜的膜厚。
12. 如权利要求ll所述的应力测定方法，其特征在于，在上述g)工序之前还包括IO工序，利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和保持上述对象物 的保持部之间距离；1)工序，利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和被上述保持部所保 持的上述对象物之间距离；m)工序，基于由上述k)工序和上述l)工序检测出的两种距离，求得 上述对象物的厚度，上述对象物的厚度用于上述g)工序对于上述膜内应力 的计算中。
13. 如权利要求9或IO所述的应力测定方法，其特征在于，上述f)工 序包括n)工序，将另一个光源射出的发生偏振的光照射到上述应力测定区域;o)工序，接收来自上述应力测定区域的上述发生偏振的光的反射光， 从而获取上述反射光的偏振状态；p)工序，基于由上述o)工序所获取的上述反射光的偏振状态，求得上 述应力测定区域中的上述膜的膜厚。
14. 如权利要求13所述的应力测定方法，其特征在于，在上述g)工序 之前还包括k)工序，利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和保持上述对象物的保持部之间距离；1)工序，利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和被上述保持部所保 持的上述对象物之间距离；m)工序，基于由上述k)工序和上述l)工序检测出的两种距离，求得 上述对象物的厚度，上述对象物的厚度用于上述g)工序对于上述膜内应力 的计算中。
15.如权利要求9或10所述的应力测定方法，其特征在于，在上述g) 工序之前还包括k)工序，利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和保持上述对象物 的保持部之间距离；1)工序，利用从上述物镜出射的光，检测上述物镜和被上述保持部所保 持的上述对象物之间距离；m)工序，基于由上述k)工序和上述l)工序检测出的两种距离，求得 上述对象物的厚度，上述对象物的厚度用于上述g)工序对于上述膜内应力 的计算中。
全文摘要
应力测定装置(1)中，通过由遮光图案拍摄部(43)接收经由物镜(457)而照射至基板(9)上的光的反射光，从而得到配置于光学系统(45)的孔径光阑部(453)的遮光图案(453a)的像。在控制部(5)中，基于遮光图案拍摄部(43)的输出，求得多个倾斜矢量测定区域中的基板(9)的倾斜矢量以及基板(9)的表面形状，基于根据表面形状所求得的曲率半径、膜厚以及根据基板的厚度可求得膜内应力。在应力测定装置(1)中，由于来自物镜(457)的光在基板上大致成为平行光，故基板上的各倾斜矢量测定区域中能够不调焦而进行测定，从而能够容易且迅速地求得基板的表面形状。其结果，能够容易且迅速地求得基板(9)上膜内应力。
文档编号H01L21/66GK101183656SQ20071017006
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月9日 优先权日2006年11月13日
发明者堀江正浩, 赤鹿久美子 申请人:大日本网目版制造株式会社