JP2000028325A - 膜厚測定装置 - Google Patents
膜厚測定装置Info
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Abstract
に依らず、薄膜の膜厚を正確に測定することができる技
術を提供する。 【解決手段】 光源部から射出された光は、基板を照射
する第1の光と基板を照射しない第2の光とに分離され
る。第1の受光部130は、基板を照射する第1の光の
うち基板からの反射光を測定する。第2の受光部140
は、第1の受光部における測定と同時に、第2の光を測
定する。第1の受光部によって測定された第1の測定値
を第2の測定によって測定された第2の測定値を用いて
補正することによって求められる第1の光の反射率の実
測値と、薄膜の複数の膜厚値から予測される反射率の予
測値とから、薄膜の膜厚を決定する。
Description
液晶パネル用のガラス基板などの基板上に形成された薄
膜の膜厚を測定する技術に関する。
基板上に薄膜が形成される場合が多い。例えば、基板上
にパターンを形成する際にはフォトレジスト膜が形成さ
れ、また、MIS(Metal Insulator Semiconductor)
構造を形成する際には絶縁膜が形成される。
光学的手法を用いて測定される。すなわち、薄膜が形成
された基板上に光を照射し、基板において反射した光の
強度から反射率を求めることによって膜厚が決定され
る。なお、このような測定を行う装置では、光源として
白熱電球や水銀ランプ、タングステンランプなどが採用
され、また、反射光の強度の測定には、回折格子と受光
素子とを組み合わせた分光計が採用されている。
出された基準となる光の強度が測定される。反射率は、
薄膜が形成された基板について測定された反射光の強度
と、基準となる光の強度との比から求められる。
される光の強度は、時間とともに常に変動している。し
たがって、基準となる光の強度を測定した時点と、薄膜
が形成された基板からの反射光の強度を測定した時点と
では、光源から射出される光の強度は異なっている。光
源から射出される光の強度の時間的な変動が無視できな
い場合には、反射率を精度よく求めることができず、膜
厚を正確に決定できないという問題があった。
を解決するためになされたものであり、光源から射出さ
れる光の強度の時間的な変動に依らず、薄膜の膜厚を正
確に測定することができる技術を提供することを目的と
する。
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装
置は、基板上に形成された薄膜の膜厚を測定するための
膜厚測定装置であって、前記薄膜の膜厚を測定するのに
適した光を射出する光源部と、前記光源部から射出され
た光を、前記基板を照射する第1の光と、前記基板を照
射しない第2の光とに分離する光分離部と、前記基板を
照射する前記第1の光のうち、前記基板からの反射光を
測定するための第1の受光部と、前記第1の受光部にお
ける測定と同時に、前記第2の光を測定するための第2
の受光部と、前記第1の受光部によって測定された第1
の測定値を、前記第2の測定によって測定された第2の
測定値を用いて補正することによって求められる前記第
1の光の反射率の実測値と、前記薄膜の複数の膜厚値か
ら予測される反射率の予測値とから、前記薄膜の膜厚を
決定する膜厚決定部と、を備えることを特徴とする。
板から反射される光を測定すると同時に、光源から射出
される第2の光を測定することができる。したがって、
光源から射出される光の時間的な変動が無視できない場
合にも、第1の測定値と第2の測定値とから求められる
反射率の実測値と、複数の薄膜の膜厚値に応じた反射率
の予測値とを用いて、薄膜の膜厚を正確に測定すること
ができる。
は、ほぼ単色の光を射出する半導体発光素子を含むよう
にしてもよい。
には、白熱電球や水銀ランプなどを用いた場合に比べ、
その点灯時から安定した光を射出することができる。し
たがって、光源部として半導体発光素子を用いて、光源
部から射出される光の変動をできるだけ小さくすれば、
より正確に膜厚を測定することが可能となる。
半導体発光素子は、異なる複数の光を射出する発光ダイ
オードを含むようにしてもよい。
を射出する発光ダイオードを用いれば、複数の波長につ
いて反射率の実測値を求めることができるので、より正
確に膜厚を測定することが可能となる。
も含んでいる。第1の態様は、上記の発明の各部の機能
をコンピュータに実現させるためのコンピュータプログ
ラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体で
ある。
の各部の機能を実現させるコンピュータプログラムを通
信経路を介して供給するプログラム供給装置としての態
様である。こうした態様では、プログラムをネットワー
ク上のサーバなどに置き、通信経路を介して、必要なプ
ログラムをコンピュータにダウンロードし、これを実行
することで、上記の装置を実現することができる。
実施の形態を実施例に基づいて説明する。図1は、本発
明の第1実施例としての膜厚測定装置の構成を示す説明
図である。この膜厚測定装置は、半導体ウェハWに形成
された絶縁膜の膜厚を測定するための装置であり、測定
光学系を配置するための筐体100と、信号処理部20
0と、駆動系コントロール部300とを備えている。
可能なXYステージ110を備えている。ウェハWは、
XYステージ110上に載置される。筐体100の上面
には、その中央付近に光源部120が設けられている。
図中、光源部120の左側には、第1の受光部130
が、支持柱132とブラケット134とを介して筐体1
00に取り付けられている。光源部120の右側には、
第2の受光部140が、支持柱142とブラケット14
4とを介して筐体100に取り付けられている。また、
筐体100には、光源部120から射出された光を2つ
の受光部130,140に導くためのハーフミラー15
0と、2つの集光レンズ160,170とが設けられて
いる。第1の集光レンズ160は、筐体100の側壁に
設けられた支持柱162とブラケット164とを介して
筐体100に取り付けられている。第2の集光レンズ1
70は、筐体100の上面に設けられた支持柱172と
ブラケット174とを介して筐体100に取り付けられ
ている。同様に、ハーフミラー150も図示しない支持
柱、ブラケットによって筐体100に取り付けられてい
る。
光は、その一部がハーフミラー150を透過し、他の一
部はハーフミラー150で反射する。ハーフミラー15
0を透過した一部の光は、集光レンズ160を通過して
ウェハWを照射する。ウェハW上で反射された光束は、
集光レンズ160を通過した後、ハーフミラー150で
反射され、第1の受光部130に到達する。一方、光源
部120から射出され、ハーフミラー150で反射した
他の一部の光は、第2の集光レンズ170を通過して第
2の受光部140に到達する。
部130は、ウェハWから反射された光の強度を測定す
る。第2の受光部140は、光源部120から射出され
た光の強度を測定する。このような構成を採用すること
により、第1の受光部130においてウェハWからの反
射光の強度を測定すると同時に、第2の受光部140
は、光源部120からの光の強度を測定することができ
る。したがって、第1の受光部130で測定された光の
強度Im1を、第2の受光部140で測定された光の強度
Im2を用いて補正すれば、ウェハW上で反射する光の反
射率を正確に求めることができる。
ら射出される光の強度が、時間的に変動する場合であっ
ても、時間的な変動に応じた光の強度を第2の受光部1
40において測定することができるので、第1の受光部
130において測定されるウェハWからの反射光の強度
をうまく補正することができる。これにより、光源部1
20から射出される光の強度に影響されることなく、精
度の高い反射率を求めることができる。
光の強度の時間的な変動が少ないものを用いることが好
ましい。本実施例においては、光源部120として、光
の強度の時間的な変動が少ない発光ダイオード(LE
D)を用いている。ところで、ウェハW上で反射される
光の強度は波長に依存するので、通常の膜厚測定では、
分光器を用いて反射光のスペクトルを測定している。一
方、発光ダイオードは、ほぼ単色の光を射出するので、
反射光の波長は既知であり、その強度を測定できればよ
く、分光器を用いる必要はない。そこで、本実施例で
は、2つの受光部130,140として、フォトダイオ
ード(PD)が用いられている。
メインメモリとCPUと入力装置と表示装置とを備えた
コンピュータであり、そのメインメモリには、膜厚決定
部210としての機能を実現するためのコンピュータプ
ログラムが格納されている。信号処理部200には、ウ
ェハWで反射される光の分光反射率の予測値Rcを格納
するハードディスク装置220が電気的に接続されてい
る。また、信号処理部200には、2つの受光部13
0,140が電気的に接続されている。
0,140において測定された光の強度に基づいて、反
射率の実測値Rmを求める。膜厚決定部210は、反射
率の実測値Rmと、分光反射率の予測値Rcとを比較し
て、予測値Rcと実測値Rmとの一致度から膜厚を決定
する。
0のXYステージ110を駆動するための駆動系コント
ロール部300が電気的に接続されている。したがっ
て、駆動系コントロール部300によってXYステージ
110を制御することにより、ウェハW上の任意の位置
を測定位置として決定することができる。
現するコンピュータプログラムは、フレキシブルディス
クやCD−ROM等の、コンピュータ読み取り可能な記
録媒体に記録された形態で提供される。コンピュータ
は、その記録媒体からコンピュータプログラムを読み取
って内部記憶装置または外部記憶装置に転送する。ある
いは、通信経路を介してコンピュータにコンピュータプ
ログラムを供給するようにしてもよい。コンピュータプ
ログラムの機能を実現する時には、内部記憶装置に格納
されたコンピュータプログラムがコンピュータのマイク
ロプロセッサによって実行される。また、記録媒体に記
録されたコンピュータプログラムをコンピュータが読み
取って直接実行するようにしてもよい。
ハードウェア装置とオペレーションシステムとを含む概
念であり、オペレーションシステムの制御の下で動作す
るハードウェア装置を意味している。また、オペレーシ
ョンシステムが不要でアプリケーションプログラム単独
でハードウェア装置を動作させるような場合には、その
ハードウェア装置自体がコンピュータに相当する。ハー
ドウェア装置は、CPU等のマイクロプロセッサと、記
録媒体に記録されたコンピュータプログラムを読み取る
ための手段とを少なくとも備えている。コンピュータプ
ログラムは、このようなコンピュータに、上述の各手段
の機能を実現させるプログラムコードを含んでいる。な
お、上述の機能の一部は、アプリケーションプログラム
でなく、オペレーションシステムによって実現されてい
ても良い。
ては、フレキシブルディスクやCD−ROM、光磁気デ
ィスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカー
ド、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピ
ュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)
および外部記憶装置等の、コンピュータが読取り可能な
種々の媒体を利用できる。
(λ)の一例を示すグラフである。反射率の分光特性の
予測値Rc(λ)は、基板および薄膜の光学定数、薄膜
の膜厚から求められる。図2のグラフには、半導体基板
上に酸化膜が形成されたウェハWについて、膜厚dがそ
れぞれ10nm,5nmである場合の反射率の分光特性
の予測値Rc(λ)が示されている。図2に示す反射率
Rは、ウェハWからの反射光の強度を、酸化膜が形成さ
れていない半導体基板から反射された光の強度が100
%となるように調整されている。すなわち、酸化膜が形
成されていない半導体基板から反射された光の強度が、
反射率を求める際の基準となっている。このときの反射
率の分光特性Rc(λ)は、以下の式(1)で表され
る。
射光のうち波長λの光の強度を示しており、ISO(λ)
は、酸化膜が形成されていない半導体基板から反射され
た光のうち波長λの光の強度を示している。
光学的厚みが光の波長に対して非常に小さい(波長の約
1/10以下)場合には、反射率Rの100%からの差
は小さい。例えば、酸化膜の膜厚dが10nmの場合に
は、波長400〜500nmの光に対して反射率Rは約
97〜98%となっており、酸化膜が形成されていない
半導体基板から反射された場合の反射率(図2において
は100%)との差は約2〜3%である。
長に対して非常に小さく、反射率の差があまり表れない
場合にも、本実施例の膜厚測定装置(図1)を用いれ
ば、膜厚を決定することができる。すなわち、この膜厚
測定装置では、第1の受光部130においてウェハWか
らの反射光の強度を測定するのと同時に、第2の受光部
140において光源部120から射出される光の強度を
測定するので、膜厚に応じた反射率の差がわずかである
場合にも、精度よく反射率を求めることができる。
0で測定されたウェハWからの反射光の強度Im1は、第
2の受光部140で測定された光源部120から射出さ
れた光の強度Im2を用いて補正される。すなわち、光源
部120から射出された光の強度が反射率を求める際の
基準となる。このときの反射率Rm(λ)は、以下の式
(2)で表される。
0で測定されたウェハWからの反射光の強度を示してお
り、Im2(λ)は、第1の受光部130においてI
m1(λ)が測定されるのと同時に、第2の受光部140
で測定されたハーフミラー150において反射した光の
強度を示している。また、k(λ)は、光の波長λに依
存する所定の関数である。
は、関数k(λ)として、予め第1および第2の受光部
130,140において、酸化膜が形成されていない半
導体基板について測定される次の式(3)で表される値
が用いられる。
30で測定される酸化膜が形成されていない半導体基板
からの反射光の強度を示しており、Im20(λ)は、第
1の受光部130においてIm10(λ)が測定されるの
と同時に、第2の受光部140で測定された光の強度を
示している。
れば、式(2)から得られる反射率の実測値Rm(λ)
と、図2の予測値Rc(λ)とを直接比較することがで
きる。
記のように酸化膜が形成されていない半導体基板につい
て予め測定を行うことによって求められるが、計算によ
ってもおおよそ見積もることができる。すなわち、ハー
フミラー150の反射率、透過率、および酸化膜が形成
されていない半導体基板の反射率が既知であれば、式
(3)のIm10(λ),Im20(λ)の値を見積もること
ができるので、関数k(λ)を求めることが可能であ
る。ただし、本実施例のように、関数k(λ)を酸化膜
が形成されていない半導体基板について測定を行うこと
によって求める場合には、より正確に反射率を求めるこ
とができるという利点がある。
m(λ)を用いれば、図1の光源部120から射出され
た光が、ほぼ単色の光とみなせる場合にも、その波長に
対する反射率から膜厚を決定することができる。例え
ば、光源部120が、中心波長470nmのほぼ単色の
光を射出するLEDである場合に、その反射率の実測値
Rm(470nm)としてほぼ98%の値が得られた場
合には、図2の反射率の分光特性の予測値Rc(λ)に
従って、膜厚を10nmと決定することができる。
いれば、基板上の薄膜の光学的厚みが、光の波長に対し
てかなり小さい場合にも、反射率の実測値Rmを精度よ
く求めることができる。これにより、膜厚dを正確に決
定することが可能となる。
としてほぼ単色とみなせるLEDを用いているが、波長
の異なる複数のLEDを組み合わせて用いてもよい。こ
の場合には、波長の異なる複数のLEDが1パッケージ
に収められているものを使用することができる。こうす
れば、複数の異なる波長の光についてそれぞれ反射率の
実測値Rmが得られるので、これらの複数の実測値Rm
を用いてより正確な膜厚を決定することができる。
施例としての膜厚測定装置の構成を示す概念図である。
この膜厚測定装置は、図1の装置とほぼ同様の構成を有
するので、詳細な説明は省略する。なお、図3に示す膜
厚測定装置では、図1の測定光学系を位置決めするため
の筐体100の図示は省略されている。
70が備えられていない。したがって、この装置では、
光源部120から射出された光束のうちハーフミラー1
50で反射された光が、集光されずに第2の受光部14
0に向かう。このとき、ハーフミラー150で反射され
た光は、第2の受光部140が設けられた位置では、そ
の受光領域より大きな径を有する光束となっている。し
たがって、受光部140には、ハーフミラー150で反
射された光束の一部のみが入射する。
源部120から射出される光の強度の時間的な変動を捉
えることができるので、第1の受光部130においてウ
ェハWからの反射光を測定すると同時に、第2の受光部
140において光源部120からの光を測定することが
できる。したがって、第1実施例において説明したよう
に、第1の受光部130で測定された光の強度を、第2
の受光部140で測定された光の強度で補正すれば、ウ
ェハW上で反射する光の反射率を求めて膜厚を決定する
ことができる。
施例としての膜厚測定装置の構成を示す概念図である。
この膜厚測定装置は、図1,図3の装置とほぼ同様の構
成を有するので、詳細な説明は省略する。なお、図4で
は、図1の測定光学系を位置決めするための筐体100
の図示は省略されている。
ーフミラー150に代えて、両面ミラー152が備えら
れている。両面ミラー152は、光源部120から射出
された光束の右側半分のみを反射する位置に設置されて
いる。このとき、両面ミラー152で反射された光は、
集光レンズ182を通過した後、第2の受光部140に
入射する。一方、光源部120から射出された光束の左
側半分は、集光レンズ180の左半分の領域を通過した
後、ウェハWに到達する。ウェハWで反射した光は、集
光レンズ180の右側半分の領域を通過した後、両面ミ
ラー152で反射される。両面ミラー152で反射され
た光は、第1の受光部130に入射する。
においてウェハWからの反射光の強度を測定すると同時
に、第2の受光部140において光源部120からの光
の強度を測定することができる。したがって、第1の受
光部130で測定された光の強度を、第2の受光部14
0で測定された光の強度で補正することができるので、
ウェハW上で反射する光の反射率を正確に求めることが
できる。
受光部130に入射するウェハWからの反射光の強度を
大きくすることができる。すなわち、本実施例において
は、ウェハWからの反射光が、両面ミラー152によっ
てほとんどすべて反射されるので、第1の受光部130
において測定される光の強度は、ハーフミラーによって
反射される場合に比べ、ほぼ2倍の強度となる。こうす
れば、さらに精度よく反射率を測定して、正確な膜厚を
決定することが可能となる。
施例としての膜厚測定装置の構成を示す概念図である。
なお、図5では、図1の測定光学系を位置決めするため
の筐体100の図示は省略されている。本実施例の膜厚
測定装置では、光源部120から射出された光を分離す
るために、偏光ビームスプリッタ400を用いている。
光とを含む光束は、集光レンズ184によって平行光と
された後、偏光ビームスプリッタ400に入射する。偏
光ビームスプリッタ400に入射した光は、2つのプリ
ズムの界面に形成された偏光分離膜402によってp偏
光とs偏光とに分離される。s偏光は、偏光分離膜40
2で反射された後、集光レンズ185を通過して第2の
受光部140に到達する。一方、p偏光は、偏光分離膜
402を透過した後、集光レンズを通過してλ/4板4
20に入射する。λ/4板420は、入射した直線偏光
を円偏光に変換する機能を有している。したがって、λ
/4板420に入射したp偏光は、円偏光に変換され
て、ウェハWに到達する。ウェハWを反射した光はさら
にλ/4板420を通過することによりs偏光に変換さ
れる。このs偏光は、集光レンズ186を通過した後、
偏光ビームスプリッタ400の偏光分離膜402によっ
て反射される。反射されたs偏光は、集光レンズ187
を通過した後、第1の受光部130に到達する。
フミラー150、あるいは図4に示す両面ミラー152
に代えて偏光ビームスプリッタ400を用いた場合に
も、第1の受光部130において、光源部120から射
出された一部の光のウェハWからの反射光を測定すると
同時に、第2の受光部140において光源部120から
の光の一部を測定することができる。
施例と同様に、第1の受光部130において測定される
光の強度を大きくすることができる。すなわち、本実施
例においては、ウェハWで反射された光がλ/4板42
0によってs偏光に変換される。変換されたs偏光は偏
光ビームスプリッタ400の偏光分離膜402によって
ほとんどすべて反射されるので、第1の受光部130に
おいて測定される光の強度は、ハーフミラーによって反
射される場合に比べ、ほぼ2倍の強度となる。これによ
り、反射率を精度よく測定することができるので、より
正確な膜厚を決定することが可能となる。
ては、2つの受光部130,140を用いて、ウェハW
から反射された光を測定すると同時に、光源部120か
ら射出された光の一部を測定しているので、光源部12
0から射出される光の強度が時間的に変動する場合に
も、ウェハWから反射される光の反射率の実測値Rmを
精度よく求めることができる。したがって、反射率の実
測値Rmと予測値Rcとから、ウェハWに形成された薄
膜の膜厚を正確に決定することが可能となる。
に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて種々の態様において実施することが可能であり、
例えば次のような変形も可能である。
0としてほぼ単色の光とみなせる発光ダイオードを用い
ているが、光源部120としては、半導体レーザなどの
他の半導体発光素子を用いてもよい。半導体レーザは、
単一波長であるため、より正確な測定ができる可能性が
あるが、異なる複数の光を射出する発光ダイオードを用
いた場合の方が安価に膜厚測定装置を構成することがで
きるという利点がある。
0としてLEDを用いているが、これに代えて波長領域
の広い光源、例えば、重水素放電管やハロゲンランプ、
水銀ランプなどを用いてもよい。この場合には、2つの
受光部130,140として、分光計を用いればよい。
あるいは、第2の受光部140への光の入射側にフィル
タを設けるようにしてもよい。こうすれば、広い波長領
域での反射率を連続的に測定することができるので、反
射率の連続的な実測値Rmと予測値Rcとから、膜厚を
決定することができる。ただし、上記実施例のように、
光源部120としてLEDを用いれば、重水素放電管や
ハロゲンランプなどを用いた場合と比べ、光の強度の時
間的な変動が少ないという利点があるとともに、安価に
膜厚測定装置を構成することができるという利点があ
る。
射出された光がウェハWにほぼ垂直に入射する場合につ
いて説明したが、本発明は、光がウェハWに対して斜め
に入射する場合にも適用可能である。この場合には、ウ
ェハWへの光の入射角度に応じて分光反射率の予測値R
cを求めればよい。
によって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置
き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによっ
て実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換え
るようにしてもよい。
成を示す説明図。
示すグラフ。
成を示す概念図。
成を示す概念図。
成を示す概念図。
Claims (3)
- 【請求項1】 基板上に形成された薄膜の膜厚を測定す
るための膜厚測定装置であって、 前記薄膜の膜厚を測定するのに適した光を射出する光源
部と、 前記光源部から射出された光を、前記基板を照射する第
1の光と、前記基板を照射しない第2の光とに分離する
光分離部と、 前記基板を照射する前記第1の光のうち、前記基板から
の反射光を測定するための第1の受光部と、 前記第1の受光部における測定と同時に、前記第2の光
を測定するための第2の受光部と、 前記第1の受光部によって測定された第1の測定値を、
前記第2の測定によって測定された第2の測定値を用い
て補正することによって求められる前記第1の光の反射
率の実測値と、前記薄膜の複数の膜厚値から予測される
反射率の予測値とから、前記薄膜の膜厚を決定する膜厚
決定部と、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の膜厚測定装置であって、 前記光源部は、ほぼ単色の光を射出する半導体発光素子
を含む、膜厚測定装置。 - 【請求項3】 請求項2記載の膜厚測定装置であって、 前記半導体発光素子は、異なる複数の光を射出する発光
ダイオードを含む、膜厚測定装置。
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JP21035398A JP4070887B2 (ja) | 1998-07-08 | 1998-07-08 | 膜厚測定装置 |
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ID=16587995
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1998
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