JP2007248255A - 光強度計測方法及び光強度計測装置並びに偏光解析装置およびこれを用いた製造管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で高精度の測定が可能な光強度計測方法及び光強度計測装置並びに偏光解析装置およびこれを用いた製造管理装置を提供する。
【解決手段】被測定物１０にレーザ光２を照射する多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源１と、被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する複数の受光素子からなる検出手段１３と、光源より発光されたレーザ光を被測定物に導き、また被測定物を透過または反射したレーザ光を検出手段へ導く光学系と、検出手段が検出した受光量情報から被測定物の光学特性を演算する制御手段１４とから構成したもので、同時に複数のデータが取得できるため、計測時間の大幅な削減が図れると共に、データを取得する際に発生する電気的ノイズの低減が図れるため、高精度の計測が可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、被測定物を透過または反射した光から、光強度を高速かつ高精度で計測する光強度計測方法及び光強度計測装置並びに偏光解析装置およびこれを用いた製造管理装置に関する。

ＬＳＩ等に使用する半導体ウエハには、表面に薄膜が形成されているが、この薄膜の膜厚はＬＳＩの電気特性に大きな影響を及ぼすことから、ＬＳＩの製造過程において精度の高い膜厚測定が必要となる。

このため従来では、膜厚を測定する被測定物に偏光した光を照射し、その反射光を偏光状態で取得して偏光解析を行うことにより、膜厚を測定する偏光解析装置（エリプソメータ）が種々開発されている（例えば特許文献１）。

図１９は単一波長の光源を使用した従来のエリプソメータを示すもので、光源ａより発光された光は、偏光子ｂにより偏光された後移相子ｃを経て被測定物ｄへ照射されるようになっている。

被測定物ｄで反射された反射光は、検光子ｅを経て検出器ｆに達し、検出器ｆで偏光情報が検出された後コンピュータｇに取り込まれて、検出器ｆが検出した偏光情報を基に次のプロセスで膜厚を測定している。

すなわち検出器ｆが検出した偏光情報には、Ψ（振幅比：偏光方向の縦横比）と△（位相差）のパラメータがある。

これら偏光情報を基に予めコンピュータｇは、膜質や膜厚毎の理論上のパラメータを算出して理論値として記憶手段に保存しておき、実際の測定で得られた偏光情報のパラメータと理論値を比較して、測定で得られた膜厚値を決定している。

この測定方法によれば偏光情報のパラメータを変えることにより、膜厚の測定に限らず、種々の測定が可能になる利点がある。
特開２００５−３３７７８５号公報

しかし単一波長の光源を使用した従来のエリプソメータでは、検出器ｆが単一の素子であるため、検出器ｆを構成する受光素子が持つ電気ノイズ、すなわち反射光を受光素子で受光量データに変換する際や、受光データをコンピュータｇに送出する際に発生する電気ノイズの影響を受けやすく、その結果受光量データより算出される位相差△及び振幅比Ψの値は、同じ条件下で連続的に測定した場合であっても安定した測定値が得られない問題がある。

このため従来では、位相差△及び振幅比Ψを安定させるために、同一対象物に対し計測を複数回行い、得られたデータを平均化してから解析を行っている。これは光源の光量を大きくして受光データを増加させ、Ｓ／Ｎを向上させようとしても、検出器ｆのダイナミックレンジによって制限（受光素子の飽和）されて、一定値以上にはＳ／Ｎを向上させることができないからである。この方法では測定時間が長くなるため、インライン、すなわち製造工程にエリプソメータを設置して膜厚測定を実施した場合、計測に時間がかかり過ぎて生産性を低下させる問題がある。

また従来のエリプソメータでは、光源ａに固体レーザやガスレーザ等を使用しているが、これら光源ａは大型なため、エリプソメータ全体が大型となって、インラインで膜厚を測定する際に支障をきたす等の問題もある。

本発明はかかる問題を改善するためになされたもので、短時間で高精度の測定が可能な光強度計測方法及び光強度計測装置並びに偏光解析装置およびこれを用いた製造管理装置を提供することを目的とするものである。

本発明の光強度計測方法は、光源より被測定物にレーザ光を照射し、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を検出手段により検出して、前記検出手段が検出した受光量情報を基に制御手段により前記被測定物の光学特性を演算する光強度計測方法であって、多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源により前記被測定物を照射し、かつ前記被測定物を透過または反射したレーザ光を複数の受光素子からなる検出手段により検出すると共に、前記検出手段の複数の受光素子が検出した受光量を加算して得られる受光量情報を基に制御手段により前記被測定物の光学特性を演算するようにしたものである。

複数の受光素子が検出した受光量の加算は、各受光素子の出力段階アナログ値の状態で加算しても良いし、各出力の増幅後あるいはデジタル値に変換した後に加算しても良い。

前記方法により、単一波長（シングルモード）のレーザを使用して繰り返し測定する従来の方法に比べて、同時に複数のデータが取得できるようになるため、計測時間の大幅な削減が図れるようになり、これによってＬＳＩの製造工程等においてインラインで膜厚測定を実施した場合でも、生産性が低下することがない。

また複数の受光素子の受光量を加算することにより、データを取得する際に発生する電気的ノイズの低減も図れるため、精度の高い測定が可能になる。また、被計測物を透過または反射したレーザ光を複数の受光素子に入射させるようにすると、これまでの単一の受光素子によって受光していたときには生じなかった問題として、介在する光学系もしくは被計測物の影響によって干渉縞や干渉むらが生じ、各受光素子毎に入射光量が大きくばらつくようになる。干渉の明の部分にあたる受光素子については強度の高い光が入射し、干渉の暗の部分にあたる受光素子には強度の低い光しか入射しないこととなるので、受光素子全体に対して明の強度において飽和が生じないように受光素子の感度あるいは光源の光量を設定しなければならず、全ての受光素子についてそれぞれダイナミックレンジを十分に活用して受光させることができない。従って、各受光素子の受光量を加算してもＳ／Ｎを最大限に向上させることができないが、この問題に対しては、多モードＬＤを光源に使用したことにより、干渉縞や干渉むらの発生を抑制し、受光素子間の受光量のばらつきを抑えることができるので、受光素子全体についてダイナミックレンジを十分に活用して適切な受光感度および光源の光量を設定することが可能になり、各受光素子の受光量を加算することにより電気的ノイズを効果的に低減することができる。

本発明の光強度計測装置は、被測定物にレーザ光を照射する光源と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する検出手段と、前記検出手段が検出した受光量情報から前記被測定物の光学特性を演算する制御手段とを備えた光強度計測装置であって、被測定物にレーザ光を照射する多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する複数の受光素子からなる検出手段と、前記光源より発光されたレーザ光を前記被測定物に導き、また前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記検出手段の複数の受光素子へ導く光学系と、前記検出手段の複数の受光素子が検出した受光量を加算して得られる受光量情報から前記被測定物の光学特性を演算する制御手段とから構成したものである。

前記構成により、シングルモードのレーザを使用して繰り返し測定する従来のものに比べて、同時に複数のデータが取得できるようになるため、計測時間の大幅な削減が図れるようになり、これによってＬＳＩの製造工程等においてインラインで膜厚測定を実施した場合でも、生産性が低下することがないと共に、光源に多モードＬＤを使用したことにより、計測装置全体の小型化が図れるため、製造ライン等にも容易に設置することができる。

またデータを取得する際に発生する電気的ノイズの低減も図れるため、精度の高い測定が可能になる上、同時に複数のデータを取得する際に発生することがある干渉の影響も、多モードＬＤを光源に使用したことにより、低減することができる。

本発明の光強度計測装置は、複数の受光素子を特定方向に配列して前記検出手段を形成し、かつ前記検出手段を前記特定の配列方向が、前記被測定物を透過したレーザ光を検出するときには前記被測定物へ照射するレーザ光の光軸または被計測物を透過した光の光軸となるように設置し、前記被測定物を反射したレーザ光を検出するときには前記被測定物へ照射するレーザ光の光軸および被計測物により反射された光の光軸により規定される入射面に垂直となるように設置したものである。

前記構成により、被測定物の表面の位置が上下方向にバタついても、検出手段における反射光の受光量強度分布は変化しないため、距離のバタツキに対して影響を受け難い光強度計測装置が得られる。

本発明の光強度計測装置は、光源に、単一波長レーザダイオード（ＬＤ）に高周波成分を含む変調をかけて多モード化した多モードＬＤ、または自励発振型多モードＬＤを使用したものである。

前記構成により、光源より発せられるレーザ光のスペクトルバンド幅が拡大するため、干渉縞の発生を抑制することができる上、小型の光源が安価に得られるようになる。

本発明の光強度計測装置は、被測定物を透過または反射したレーザ光を検出手段へ導く光学系の受光レンズの焦点位置に検出手段を設置したものである。

前記構成により、被測定物の表面の位置が上下方向にバタついても、検出手段における反射光の受光量強度分布は変化しないため、距離のバタツキに対して影響を受け難い光強度計測装置が得られるようになる。

本発明の光強度計測装置は、光源より発光されたレーザ光の一部を前記特定の配列方向に垂直な線を境界として遮光する垂直遮光部を被測定物に導く光学系に設け、かつ前記レーザ光が前記垂直遮光部を通過することによって生じる、光が通過した領域と前記遮光部による影の領域との境界の位置が前記検出手段のどの受光素子で受光されたかを検出することにより、前記被測定物の傾きを測定したもので、前記遮光部として、開口によって構成する場合を含むところである。

前記構成により、得られた測定値を理論値を演算する際の補正値として使用することにより、より精度の高い計測が可能になる。

本発明の光強度計測装置は、複数の受光素子を特定の方向に配列して他の検出手段を形成し、当該他の検出手段の特定の配列方向が、前記検出手段の特定の配列方向に対して垂直になるように、かつ、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する光学系の光軸に対して垂直になるように設置し、前記光学系は前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記他の検出手段の複数の受光素子へもさらに導く光分岐素子を備え、前記光源より発光されたレーザ光の一部を前記検出手段の特定の配列方向に水平な線を境界として遮光する水平遮光部を被測定物に導く光学系に設け、かつ前記レーザ光が前記水平遮光部を通過することによって形成される、光が通過した領域と前記遮光部による影の領域との境界の位置が前記他の検出手段のどの受光素子で受光されたかを検出することにより、前記被測定物の傾きを測定してなるものである。

前記構成により、得られた測定値を理論値を演算する際の補正値として使用することにより、より精度の高い計測が可能になる。

本発明の光強度計測装置は、光源を波長が異なる複数の多モードレーザダイオードの光軸を同軸に合成したものである。

前記構成により、表面に複数層の薄膜が積層された被測定物に対しても、精度の高い測定が可能になる。

本発明の偏光解析装置は、レーザ光を照射する光源と、該光源から照射されるレーザ光を被測定物に偏光して照射する偏光手段と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を偏光状態で受光する検出手段と、前記検出手段が検出した偏光情報から偏光解析を行う制御手段とを備えた偏光解析装置であって、被測定物にレーザ光を照射する多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する複数の受光素子からなる検出手段と、前記光源より発光されたレーザ光を前記被測定物に導き、また前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記検出手段の複数の受光素子へ導く光学系と、前記偏光情報を前記検出手段の複数の受光素子が検出した受光量を加算することにより得て、当該偏光情報から偏光解析を行う制御手段とから構成したものである。

前記構成により、シングルモードのレーザを使用して繰り返し測定する従来のものに比べて、同時に複数のデータが取得できるようになるため、計測時間の大幅な削減が図れるようになり、これによってＬＳＩの製造工程等においてインラインで膜厚測定を実施した場合でも、生産性が低下することがないと共に、光源に多モードＬＤを使用したことにより、計測装置全体の小型化が図れるため、製造ライン等にも容易に設置することができる。

またデータを取得する際に発生する電気的ノイズの低減も図れるため、精度の高い測定が可能になる上、同時に複数のデータを取得する際に発生することがある干渉縞も、多モードＬＤを光源に使用したことにより、低減することができる。

本発明の製造管理装置は、光強度計測装置または偏光解析装置により計測された計測結果により膜質や膜厚の傾向を把握し、得られた計測データを基に製膜装置を微調整する等の製造管理を行うようにしたものである。

前記構成により、製造工程において、連続的に流れてくるワークの膜厚を順次計測し、計測結果により膜質や膜厚の傾向を把握して、製膜装置を微調整したり、異常が発見された場合に警報を発して、製造ラインを非常停止する等の製造管理を行うことにより、不良品の発生を未然に防止したり、不良品の歩留まりを低減することができる。

本発明によれば、シングルモードのレーザを使用して繰り返し測定する従来のものに比べて、同時に複数のデータが取得できるようになるため、計測時間の大幅な削減が図れるようになり、これによってＬＳＩの製造工程等においてインラインで膜厚測定を実施した場合でも、生産性が低下することがないと共に、光源に多モードＬＤを使用したことにより、計測装置全体の小型化が図れるため、製造ライン等にも容易に設置することができる。

またデータを取得する際に発生する電気的ノイズの低減も図れるため、精度の高い測定が可能になる上、同時に複数のデータを取得する際に発生することがある干渉の影響も、多モードＬＤを光源に使用したことにより、低減することができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を、図面を参照して詳述する。

図１は光強度計測装置の正面図、図２は制御方法のブロック図である。

図１において光源は、多モード(多波長)レーザダイオード(ＬＤ)で、光源より発光されたレーザ光２は、コリメートレンズ３によりコリメートされ、投光レンズ９により被測定物体１０の表面に集光される。

被測定物体１０の表面で反射した反射光は、受光レンズ１１により集光されて再びコリメートされた後、検出手段１３へ入射される。

検出手段１３は、多数の受光素子を入射面に対して垂直な方向にアレイ状に配置した受光素子アレイにより構成された例えば１次元ＣＣＤより形成されていて、受光素子アレイの各光電変換部から得られた一連の受光量データが図２に示す制御手段１４へ送られるようになっている。

制御手段１４は、演算処理部１５を有するマイクロコンピュータからなり、検出手段１３より送られてきた受光量データは、Ａ／Ｄ変換部１７によりＡ／Ｄ変換された後、演算処理部１５で受光量データから反射光の反射率や偏光情報等の光学特性が演算されるようになっている。

また制御手段１４には、各種のシステムプログラムが予め格納されたＲＯＭや、演算した光学特性データ等を保存するＲＡＭ、ハードディスク（ＨＤ）から構成された記憶手段１９、計測条件等のパラメータを人為的に入力するキーボードやマウス等の入力手段（図示せず）と演算処理部１５を接続する入出力ＩＦ２０、計測時の状況や計測結果を表示する表示手段２４と演算処理部１５を接続する表示ＩＦ２１も設けられている。

（第１変形例）
なお図３はレーザ光２を被測定物体１０に入射し、被測定物体１０から受光レンズ１１を透過した透過光２−１を検出手段１３へ入射する第１変形例を示すもので、透過光２−１を検出する以外は前記第１の実施形態と構造及び作用は同じなのでその説明は省略する。

（第２の実施形態）
次に、図４乃至図１１及び前記第１の実施形態の説明において使用した図２を用いて、光強度計測装置を偏光解析装置（エリプソメータ）に適用した第２の実施形態にについて説明する。

図４は本発明の第１の実施形態になる光強度計測装置を示す正面図、図５は同平面図、図６乃至図１１は偏光解析装置の説明図である。

図４において１は、多モード（多波長）レーザダイオード（ＬＤ）よりなる光源で、これら光源１より発光されたレーザ光２は、コリメートレンズ３によりコリメートされた後、ビームスプリッタのような分光素子よりなる光学素子４により同軸に合成されて偏光子５に達すると共に、偏光子５を通過した偏光成分は移相子６に達するようになっている。

移相子６は、モータのような回転駆動手段７によりレーザ光２の光軸２ａを中心回転自在となっていて、偏光子５を通過した偏光成分の波長の４分の１だけ位相を遅らすことができるようになっており、移相子６を通過したレーザ光２は、スリット板８のスリット８を通過する際周辺部のエッジが成形された後、投光レンズ９により被測定物１０の表面に形成された薄膜１０ａ表面に集光されるようになっている。

被測定物１０の薄膜１０ａ表面で反射した反射光は、受光レンズ１１により集光されて再びコリメートされた後、検光子１２に達するようになっており、検光子１２により偏光成分のみが通過されて、検出手段１３へ入射されるようになっている。

検出手段１３は、多数の受光素子を横方向にアレイ状に配置した受光素子アレイにより構成された例えば１次元ＣＣＤより形成されていて、受光素子アレイの各光電変換部から得られた一連の受光量データが図２に示す制御手段１４へ送られるようになっている。

制御手段１４は、演算処理部１５を有するマイクロコンピュータからなり、検出手段１３より送られてきた受光量データは、Ａ／Ｄ変換部１７によりＡ／Ｄ変換された後、演算処理部１５で受光量データから反射光の反射率や偏光情報等の光学特性が演算されるようになっている。

制御手段１４は、光学特性の演算を行うと同時に、光源１の制御や検出手段１３の制御も行うようになっており、光源１に光源制御信号Ｓ１を出力する光源駆動回路１６や、検出手段１３に検出手段制御信号Ｓ３を出力する検出手段駆動回路１８を有している。

また制御手段１４には、各種のシステムプログラムが予め格納されたＲＯＭや、演算した光学特性データ等を保存するＲＡＭ、ハードディスク（ＨＤ）から構成された記憶手段１９、計測条件等のパラメータを人為的に入力するキーボードやマウス等の入力手段（図示せず）と演算処理部１５を接続する入出力ＩＦ２０、計測時の状況や計測結果を表示する表示手段２４と演算処理部１５を接続する表示ＩＦ２１も設けられている。

次に前記構成された光強度計測装置により、被測定物１０である例えば半導体ウエハの表面に形成された酸化膜等の薄膜１０ａの膜厚を計測する方法を、図６ないし図１１を参照して説明する。

被測定物１０の膜厚を半導体ウエハの製造ラインの工程中、すなわちインラインで計測する場合は、光強度計測装置を製造工程中の検査工程部分に配置する。

そして製造工程で製造された半導体ウエハが検査工程へと送られてきた段階で、被測定物１０の表面に光源１よりレーザ光２が照射される。

光源１から発せられたレーザ光２は、コリメートレンズ３によりコリメート光にコリメートされた後、光学素子４により同軸に合成されて偏光子５、位相子６を経て投光レンズ９に達し、投光レンズ９により被測定物１０の薄膜１０ａ表面に集光される。

被測定物１０の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置となるように予め被測定物１０が設置されているため、このときθ０〜θ１の範囲の連続した入射角成分を有するレーザ光２が被測定物１０の表面に入射されることになる。

投光レンズ９を介して入射されたレーザ光２は、被測定物１０表面の薄膜１０ａで反射されて反射光となり、この反射光は受光レンズ１１によりコリメート光となって、検出子１１を経て検出手段１３に達し、検出手段１３により反射光の光量が受光量として検出される。

検出手段１３は１次元ＣＣＤから形成されていて、各受光素子（画素）の受光量データをシリアルに並べたものに相当する１次元ＣＣＤ出力信号Ｓ２が検出手段１３より制御手段１４へ出力される。

制御手段１４は、検出手段１３より送られてきた出力信号Ｓ２に基づいて、入射角（θ０〜θ１）のそれぞれに応じた反射光強度分布を検出する。

同時に移相子６を回転駆動する回転駆動手段７へ駆動信号を送って、回転駆動手段７により移相子６を角度ｘ°ずつ回転し、順次１次元ＣＣＤデータを計測する。

そして移相子６が１８０度回転したところで、これらを演算処理部１５で演算処理することにより、実測値の位相差△と振幅比Ψを算出し、同時に理論値の位相差△と振幅比Ψを算出して、得られた実測値と理論値を対比することにより、被測定物１０の表面に形成された薄膜１０ａの膜厚を求めるもので、制御手段１４の演算処理部１５で実測値の位相差△と振幅比Ψの算出は、次の回転補償子法や、後述するカーブフィティング法で行う。

回転補償子法では、１次元ＣＣＤで検出される光強度波形Ｉは一般的に以下の数１で表される。

ここでα0、α1、α2、α3は規格化フーリエ級数、ωtは移相子の回転角を示している。

また、規格化フーリエ級数とストークスパラメータＳ₀、Ｓ_l、Ｓ₂、Ｓ₃には一般的に以下の関係式がある。

ここでＰは偏光子の方位角、Ａは検光子の方位角、φは移相子の位相差、λは波長を示す。

また、ストークスパラメータＳ₀、Ｓ_l、Ｓ₂、Ｓ₃と位相差△および振幅比Ψには一般的に以下の関係式がある。なお、ｐは偏光度を示す。

上記に示した式（1）〜（8）より実測値の位相差△および振幅比Ψを算出することができる。

次に理論値の位相差△と振幅比Ψの算出法方法を説明する。

例えばＳｉ基板上に成膜された酸化膜（ゲート酸化膜など）の膜厚を測定する場合、前記方法により、空気（屈折率＝Ｎ０）中から角度θ０で照射された楕円偏光状態の入射光は、酸化膜（屈折率＝Ｎ１）表面で反射するとともに、そのほとんどは酸化膜内に入射する。

そして、酸化膜内に入射した光は、Ｓｉ基板界面（基板面）（屈折率＝Ｎ２）で反射して酸化膜内から空気中に戻り、酸化膜表面での反射光と偏光干渉する。

このような光について、それぞれｐ偏光成分とｓ偏光成分を計算し、それぞれの位相差△と振幅比Ψから膜厚が算出される。

Ｓｉ基板面での反射光のｐ偏光成分（r1p）と、S偏光成分（rls）は、それぞれ以下の式によって計算される。

また、検出される光のｐ偏光成分（ＲＳ）とｓ偏光成分（Ｒs）は、上記のr1ｐ、rlsと、酸化膜面での反射光のｐ偏光成分（r0ｐ）と、ｓ偏光成分（ros）から、以下の式により偏光状態が計算される。

を用いて、位相差△と振幅比Ψを算出し、薄膜１０ａの膜厚値ｄをパラメータとして実測値と理論値を比較することにより、膜厚値ｄが算出できるようになる。

また演算処理部１５での膜厚の算出方法として、次のカーブフィツティング法を使用してもよい。

カーブフィツティング法とは、予め計算してテーブルとして記憶しておいた各膜厚に対する理論値の位相差△、振幅比Ψの波形データ（テーブルデータ）と測定した受光量データから算出した実測値の位相差△、振幅比Ψの波形データを比較し、最小自乗法により最も誤差の少ないデータを抽出して、その波形データの膜厚を測定対象となっている薄膜の膜厚とする方法であり、膜厚の計算処理法としては、他にも極値探索法または位相差△、振幅比Ψに重みづけをするような膜厚の計算方法を利用することも可能である。

膜厚を演算するに当たって、予め測定対象となる薄膜の屈折率ｎ及びｒ０、ｒ１を、キーボード等の入力手段から入力すると、演算処理部１５では、膜厚ｄ及び入射角βの各値に対する位相差△、振幅比Ψの値を演算し、これらを制御手段１４の記憶手段１９にテーブルとし保持する。

次にカーブフィツティングを実行すると、演算処理部１５は、Ａ／Ｄ変換部１７によりデジタル化された計測データを取得し、図４に示すフローチャートのステップＳt１で、実測値の位相差△＿ｅｘ（β）、振幅比Ψ＿ｅｘ（β）を算出する。

次にステップＳt２で膜厚ｄを最小膜厚ｄｘとし、理論テーブルを用いて、膜厚ｄ＝ｄｘにおける理論値の位相差△ｄｘ（β）、振幅比Ψｄｘ（β）と実測値の位相差△−ｅｘ（β）、振幅比Ψ＿ｅｘ（β）との差の自乗［△＿ｅｘ（θ）−△ｄｘ（θ）］２＋［Ψ＿ｅｘ（θ）−Ψｄｘ（θ）］２を入射角範囲θｐからθqまでΔθ刻みで計算し、ステップＳt３でその和を、評価式Ｐ（ｄ）＝Σ（［△＿ｅｘ（θ）−△ｄｘ（θ）］２＋［Ψ＿ｅｘ（θ）−Ψｄｘ（θ）］２）を求めて、記憶手段１９に記憶しておく。

なお、フイツティングにおける評価式Ｐ（ｄ）は、理論値と実測値の差を表すものであれば、これ以外でもよい。

次にステップＳt４で、膜厚ｄが最大膜厚ｄｙに達するまで膜厚ｄの値を順次Δｄずつ増加させ、ステップＳt５そのときの膜厚における理論データと測定データの差の自乗和を求め、ステップＳt３へ戻って記憶手段１９に記憶する。

こうして、最大膜厚ｄｙまで自乗和の計算が終了したら、ステップＳt５からステップＳt６へ進んで、記憶手段１９に記憶しておいた膜厚範囲ｄｘ〜ｄｙにおける自乗和Ｐ（ｄｘ）〜Ｐ（ｄｘ）の中から最小の値をとる自乗和Ｐ（ｄｚ）を抽出し、ステップＳt７でこのときの膜厚ｄｚを測定膜厚とする。

以上説明したように、検出手段１３に多数の受光素子をアレイ状に配置した受光素子アレイにより構成された１次元ＣＣＤを採用することにより、同時に複数のデータが取得できるようになるため計測時間の短縮が図れると同時に、データを取得する際に発生する電気的ノイズの低減も図れるようになる。

データの取得時発生する電気的ノイズは、測定精度に影響するので取り除く必要がある。

図７の（ａ）は、単一画素の検出手段により被測定物１０からの反射光を受光した場合を示すもので、単一画素による検出手段により計測を繰り返した場合、図８の（ｂ）に示すようにバラツキが大きくなって電気的ノイズの原因になるが、図８の（ａ）に示すように複数画素による検出手段１３で繰返し計測した場合には、図７の（ｂ）に示すように電気的ノイズが平均化されるため、電気的ノイズの低減も図れるようになる。

また図９の（ａ）に示すように、前記第１の実施形態では、光軸上に複数の光学系を配置しているため、これら光学系の表裏面で反射が起こり、この反射により干渉が発生して、図９の（ｂ）に示すようにうねりが観測される。

このうねりにより干渉縞が発生して測定精度に影響を及ぼすが、多モードＬＤを光源１に使用することにより、干渉縞の抑制も図れる。

シングルモードのＬＤを多モード化する方法としては、高周波重畳回路を使用して高周波を重畳する方法と、自励発振型ＬＤを使用する方法がある。

図１０(ａ)は高周波を重畳した際の分光特性を示すもので、光源１の変調周波数４００ＭＨｚ、波長の広がり１ｎｍ、コーヒーレンス長（干渉波長）０．５ｍｍである。

図１０(ｂ)は、シングルモードＬＤの分光特性を示すもので、これと比較して、図１０(ａ)に示すように、高周波重畳により多モード化することにより、シングルモードの場合に比べて波長が１ｎｍ程度広がることになる。

光学系のうち最も薄い素子は検出手段１３に使用されているカバーガラスであり、その厚みは０．７ｍｍ程度である。干渉が防止できるコーヒーレンス長は０．５ｍｍであることから、０．７ｍｍ離れていれば０．５ｍｍより大きいため干渉が発生しないことになり、多モードＬＤを使用したことによる効果が得られるようになる。

図１１は多モードＬＤを使用したことによる効果を示すもので、図１１の（ａ）に示すシングルモードに比べて図１１の（ｂ）に示すように、多モードＬＤを光源１に使用した場合、うねりを低減できることが明らかであり、またＬＤに高周波を重畳した場合電気的ノイズの発生が考えられるが、レーザ光を受光する検出手段１３が信号を受光する時間に比べて光源１の発光周期は非常に短いため、検出手段１３側でノイズとして検出されることはない。

（第１変形例）
なお図１２及び図１３は、多モードＬＤを複数個光源１に使用した第１変形例を示すもので、光源１を複数個にした点以外は前記第１の実施形態と構成及び作用が同様なので、その説明は省略するが、光源１を複数個にすることにより、表面に複数層の薄膜が積層された被測定物に対しても、精度の高い測定が可能になる。

また図１２は、被測定物１０からの反射光は複数の波長成分を含んでいる。そのため、試料と検出手段の間に複数の分光素子を含む。複数の分光素子は入射面に対して垂直に配置するため単一の受光手段により一括に受光することができる。

（第２変形例）
また図１４は、被測定物１０からの反射光を２個の検出手段１３ａ，１３ｂにより同時に受光するため、検光子１２と検出手段１３の間にハーフミラーのような分光素子２６を設けた第２変形例を示すものである。この場合、各検出手段１３ａ，１３ｂと分光素子２６の間に、分光素子（バンドパスフィルタ）を配置する。この場合、光源の各波長の情報を独立して検出手段で受光することができるため、前記図１に示す第１の字実施形態と同じ受光量データを各波長において得ることができ高精度な計測が可能となる。その他の構成は、後述する第２の実施形態を示す図１５におけるエリプソメータと同様のため、説明は省略する。

一方光強度計測装置やエリプソメータをＬＳＩ等の製造工程に配置して、インラインで被測定物１０の膜厚測定を行う場合、被測定物１０の高さに変動が生じることがある。

この変動を距離のバタツキと称しているが、この距離のバタツキは計測精度に大きく影響する。

このため距離のバタツキに影響を受けることが少ない検出手段１３の配置例について図１６および図１７で説明する。

図１７に示すように受光レンズ１１後方の焦点距離に検出手段１３を設置することにより、被測定物１０の表面の位置が上下方向にバタついても、検出手段１３における反射光の受光量強度分布は変化しない。

図１６の（ａ）は、検出手段１３を入射面に対して垂直な方向に設置した場合を示し、図１６の（ｂ）は、検出手段１３を入射面に対して平行な方向に設置した例を示している。

光源１より被測定物１０に照射されたレーザ光は、被測定物１０の表面で反射し、反射光が検出手段１３に到達するが、図１６の（ａ）に示すように検出手段１３を入射面に対して平行な方向に設置している場合、被測定物１０の表面が基準面より例えば下方へずれていると、被測定物１０の表面で反射した反射光は、破線で示すようにその一部分が受光レンズ１１に到達しない。

すなわち図１６の(b)では、受光量強度分布を検出手段で取得することができなくなる。

そこで図１６の（ａ）に示すように、検出手段１３を入射面に対して垂直な方向に予め設置しておけば、被測定物１０の表面が基準面より下方へずれていても、破線で示すように受光レンズに入りやすくなるため、検出手段１３へ入射する反射光の強度分布はほとんど変わらない。これより、距離ばたつきに対して影響を受けにくい光強度計測装置及びエリプソメータが得られる。

また、入射面に対して平行に検出手段１３を設置する場合、検出手段１３が検出する受光量データは入射角が異なるため、入射角ごとに解析を行う必要がある。しかし、垂直な方向に検出手段１３を設置することで、検出手段１３が検出する受光量データの被測定物体１１に対する入射角は等しく、一括して入射角を設定し解析できるため、解析を短時間で行うこともできる。

（第３の変形例）
図１８は投光レンズ９の手前に開口板８を設けて、この開口板８の開口８ａで制限されたレーザ光２が検出手段１３のどの位置で受光されたかを検出することにより、被測定物１０の傾きを検出するようにしたもので、被測定物１０より反射した反射光をハーフミラーのような分光素子２５で分光して、検出手段１３で検出するようになっており、直行して設置した２個の検出手段１３ａ，１３ｂにより被測定物１０の表面に入射するレーザ光２の入射角を検出し、得られた入射角から被測定物１０の傾きを算出して、理論値を演算する際に補正値として使用したり、被測定物１０の傾きの補正に使用することにより、より精度の高い計測が可能になる。

（第２の実施形態）
一方図１５は、光強度計測装置をＳ／Ｐ偏光を分離して受光する偏光解析装置に適用した第２の実施形態を示すもので、次にこれを説明する。

なお前記第１の実施形態と同一部分は、同一符号を付してその説明は省略する。

光源１から発せられたレーザ光２は、コリメートレンズ３によりコリメート光にコリメートされた後、偏光子５、位相子６を経て投光レンズ９に達し、投光レンズ９により被測定物１０の表面に集光される。

投光レンズ９を介して入射されたレーザ光２は、被測定物１０表面の薄膜１０ａで反射されて反射光となり、この反射光は受光レンズ１１によりコリメート光にコリメートされ、検光子１２に達する。

検光子１２と検出手段１３の間には、偏光ビームスプリッタからなる分光手段２５が設けられていて、検光子１２を通過した反射光は、分光手段によりＳ偏光とＰ偏光に分光される。

そしてＳ偏光は、光軸と直交するように配置された検出手段１３ａに受光され、Ｐ偏光は、光軸上に配置された検出手段１３ｂに受光される。

各検出手段１３ａ，１３ｂにより受光されたＳ偏光及びＰ偏光の受光量は制御手段１４の演算処理１５へと送られて、演算処理部１５によりＳ偏光の反射率比とＰ偏光の反射率比（実測値Ｒｓ／Ｒｐ）が算出され、同時に演算処理部１５で理論値のＳ偏光の反射率比とＰ偏光の反射率比（理論値Ｒｓ／Ｒｐ）が算出されて両者を比較することにより、被測定物１０の膜厚が計測できるようになる。

（第２変形例）
また図１５は、被測定物１０からの反射光を２個の検出手段１３ａ，１３ｂにより同時に受光するため、検光子１２と検出手段１３の間にハーフミラーのような分光素子２６を設けた題２変形例を示すもので、その他の構成は、図１３に示すエリプソメータと同様のため、説明は省略する。

上記第２変形例によれば、被測定物１０の表面の位置が上下方向にバタついても、検出手段１３における反射光の受光量強度分布は変化しないため、距離のバタツキに対して影響を受け難い光強度計測装置が得られる。

以上のようにして光強度計測装置及びエリプソメータで得られた計測データは、製造ラインにおける膜質や膜厚の傾向管理に使用することにより、品質の良好な製品の製造に寄与することができる。

すなわち製造工程において、連続的に流れてくるワークの膜厚を順次計測し、計測結果により膜質や膜厚の傾向を把握して、製膜装置を微調整したり、異常が発見された場合に警報を発して、製造ラインを非常停止する等の製造管理を行うことにより、不良品の発生を未然に防止したり、不良品の歩留まりを低減することもできるようになる。

本発明は、シングルモードのレーザを使用して繰り返し測定する従来のものに比べて、同時に複数のデータが取得できるようになるため、計測時間の大幅な削減が図れるようになり、これによってＬＳＩの製造工程等においてインラインで膜厚測定を実施した場合でも、生産性が低下することがないと共に、光源に多モードＬＤを使用したことにより、計測装置全体の小型化が図れるため、製造ライン等にも容易に設置することができ、またデータを取得する際に発生する電気的ノイズの低減も図れるため、精度の高い測定が可能になる上、同時に複数のデータを取得する際に発生することがある干渉縞も、多モードＬＤを光源に使用したことにより、低減することができるため、被測定物を透過または反射した光から、光強度を高速かつ高精度で計測する光強度計測方法及び光強度計測装置並びに偏光解析装置およびこれを用いた製造管理装置等に最適である。

本発明の第１の実施形態になる光強度計測装置の概略構成を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態になる光強度計測装置の制御手段を示すブロック図である。 図１における第１の実施形態における第１の変形例を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態になる光強度計測装置の概略構成を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態になる光強度計測装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態になる光強度計測装置の演算処理部で膜厚を演算する際の流れを示すフローチャートである。 単一画素（ａの場合）又は複数画素（ｂの場合）の検出手段で受光した際に発生する電気的ノイズの説明図である。 単一画素（ａの場合）の検出手段に対して、複数画素（ｂの場合）の検出手段で受光した際に電気的ノイズが低減できる理由を示す説明図である。 光学系の干渉により発生するうねりを示す説明図である。 シングルモードＬＤに高周波を重畳して多モード化した多モードＬＤの分光特性を示す線図である。 シングルモードＬＤを多モードＬＤにすることにより電気的ノイズが減少する理由を示す説明図である。 本発明に係る第２の実施形態の第１変形例を示す光強度閉塞装置の概略構成を示す正面図である。 本発明に係る第２の実施形態の第１変形例を示す光強度閉塞装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態になる偏光解析装置の第２変形例を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態になる光強度計測装置をＳ／Ｐ偏光を分離して受光する偏光解析装置に適用した第２の実施形態を示す正面図である。 被測定物表面の距離ばたつきに対する検出手段の距離耐性を示す説明図である。 被測定物表面の距離ばたつきに対して受光量が変化しない検出手段の配置例を示す説明図である。 被測定物表面の傾斜を検出する方法を示す説明図である。 従来のエリプソメータを示す概略構成図である。

符号の説明

１ 光源
２ レーザ光
５ 偏光子
６ 位相子
８ａ 開口
９ 投光レンズ
１０ 被測定物
１１ 受光レンズ
１２ 検光子
１３ 検出手段
１４ 制御手段
１５ 演算処理部

Claims (10)

1. 光源より被測定物にレーザ光を照射し、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を検出手段により検出して、前記検出手段が検出した受光量情報を基に制御手段により前記被測定物の光学特性を演算する光強度計測方法であって、多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源により前記被測定物を照射し、かつ前記被測定物を透過または反射したレーザ光を複数の受光素子からなる検出手段により検出すると共に、前記検出手段の複数の受光素子が検出した受光量を加算して得られる受光量情報を基に制御手段により前記被測定物の光学特性を演算すること特徴とする光強度計測方法。
2. 被測定物にレーザ光を照射する光源と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する検出手段と、前記検出手段が検出した受光量情報から前記被測定物の光学特性を演算する制御手段とを備えた光強度計測装置であって、被測定物にレーザ光を照射する多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する複数の受光素子からなる検出手段と、前記光源より発光されたレーザ光を前記被測定物に導き、また前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記検出手段の複数の受光素子へ導く光学系と、前記検出手段の複数の受光素子が検出した受光量を加算して得られる受光量情報から前記被測定物の光学特性を演算する制御手段とを具備したこと特徴とする光強度計測装置。
3. 複数の受光素子を特定方向に配列して前記検出手段を形成し、かつ前記検出手段を前記特定の配列方向が、前記被測定物を透過したレーザ光を検出するときには前記被測定物へ照射するレーザ光の光軸または被計測物を透過した光の光軸に垂直となるように設置し、前記被測定物を反射したレーザ光を検出するときには前記被測定物へ照射するレーザ光の光軸および被計測物により反射された光の光軸により規定される入射面に垂直となるように設置してなる請求項２に記載の光強度計測装置。
4. 前記光源に、単一波長レーザダイオード（ＬＤ）に高周波成分を含む変調をかけて多モード化した多モードＬＤ、または自励発振型多モードＬＤを使用してなる請求項２または３に記載の光強度計測装置。
5. 前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記検出手段へ導く光学系の受光レンズの焦点位置に前記検出手段を設置してなる請求項２ないし４の何れかに記載の光強度計測装置。
6. 前記光源より発光されたレーザ光の一部を前記特定の配列方向に垂直な線を境界として遮光する垂直遮光部を被測定物に導く光学系に設け、かつ前記レーザ光が前記垂直遮光部を通過することによって生じる、光が通過した領域と前記遮光部による影の領域との境界の位置が前記検出手段のどの受光素子で受光されたかを検出することにより、前記被測定物の傾きを測定してなる請求項２ないし５のいずれかに記載の光強度計測装置。
7. 複数の受光素子を特定の方向に配列して他の検出手段を形成し、当該他の検出手段の特定の配列方向が、前記検出手段の特定の配列方向に対して垂直になるように、かつ、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する光学系の光軸に対して垂直になるように設置し、
   前記光学系は前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記他の検出手段の複数の受光素子へもさらに導く光分岐素子を備え、
   前記光源より発光されたレーザ光の一部を前記検出手段の特定の配列方向に水平な線を境界として遮光する水平遮光部を被測定物に導く光学系に設け、かつ前記レーザ光が前記水平遮光部を通過することによって形成される、光が通過した領域と前記遮光部による影の領域との境界の位置が前記他の検出手段のどの受光素子で受光されたかを検出することにより、前記被測定物の傾きを測定してなる請求項３ないし５のいずれかに記載の光強度計測装置。
8. 前記光源を波長が異なる複数の多モードレーザダイオードの光軸を同軸に合成してなる請求項１に記載の光強度計測装置。
9. レーザ光を照射する光源と、該光源から照射されるレーザ光を被測定物に偏光して照射する偏光手段と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を偏光状態で受光する検出手段と、前記検出手段が検出した偏光情報から偏光解析を行う制御手段とを備えた偏光解析装置であって、被測定物にレーザ光を照射する多モード半導体レーザからなる少なくとも１個の光源と、前記被測定物を透過または反射したレーザ光を受光する複数の受光素子からなる検出手段と、前記光源より発光されたレーザ光を前記被測定物に導き、また前記被測定物を透過または反射したレーザ光を前記検出手段の複数の受光素子へ導く光学系と、前記偏光情報を前記検出手段の複数の受光素子が検出した受光量を加算することにより得て、当該偏光情報から偏光解析を行う制御手段とを具備したこと特徴とする偏光解析装置。
10. 請求項２ないし８に記載の光強度計測装置または請求項９に記載の偏光解析装置により計測された計測結果により膜質や膜厚の傾向を把握し、得られた傾向データを基に製膜装置を微調整する等の製造管理を行うことを特徴とする製造管理装置。
    
    

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