JP5245942B2 - 膜厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式の膜厚測定装置に関する。

光学式の膜厚計測装置には、薄膜が形成された基板に光を照射すると、前記薄膜の表面で反射する光と、薄膜と基板との境界面で反射する光とが干渉し、この干渉光の強度は、薄膜の厚みによって異なり、また同じ基板であっても、その基板に照射する光の波長によって干渉光の強度が変化するという光干渉の原理を利用した膜厚測定装置がある。

かかる膜厚測定装置では、所定の波長域に分布する光を発光する光源から、測定対象物の基板に光を照射するとともに、その基板からの反射光を、分光フィルタや複数の受光素子より成る受光部に導いて複数の波長成分に分光して抽出し、これらの波長成分毎の反射の度合を示す反射スペクトルの実測波形と、薄膜の厚みが所定値である場合の理論上の反射スペクトルの理論波形とを順に比較するカーブフィッティング法によって、基板上の薄膜の厚みを測定するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−８１９１６号公報

上記カーブフィッティング法では、反射スペクトルの実測波形と反射スペクトルの理論波形との波長毎の差の自乗和に関連するレベルであるフィッティングレベルが、最小となる理論波形を特定し、その理論波形に対応する膜厚を、測定対象物の膜厚とするものである。

かかるカーブフィッティング法を用いた膜厚測定装置では、得られた膜厚と最小の前記フィッティングレベルとを、測定結果として出力するようにしている。

測定対象物である薄膜が、均一な膜厚であれば、正確な測定値を得ることができるが、膜厚にむらがあるような場合には、膜厚測定が不安定となり、最悪の場合には、異なる測定値が得られることがある。

従来の膜厚測定装置では、測定値に信頼性がなくても、得られた膜厚と最小のフィッティングレベルとを、測定結果として出力するようになっている。

このため、例えば、全く異なる測定対象物を測定したような場合には、上記フィッティングレベルが大きく変化するので、測定対象物が異なることを判断することができるけれども、膜厚のむらなどによって誤った測定値が得られたような場合に、得られた測定値が、信頼できるものであるか否かを判断することができず、正しい測定値であると誤って認識したり、あるいは、触針式の測定装置などの他の測定装置で再度測定して確認するといった必要があった。

本発明は、このような実情に鑑みて為されたものであって、測定値の信頼性を関して新たな情報を提供できるようにすることを目的とする。

（１）本発明の膜厚測定装置は、測定対象物に光を照射し、その反射光を分光して得られる実測干渉波形と、予測した複数の膜厚にそれぞれ対応する複数の理論干渉波形とをそれぞれ比較し、前記実測干渉波形と前記理論干渉波形との波長毎の差の自乗和に関連するフィッティングレベルが最小となる理論干渉波形に対応する膜厚を、前記測定対象物の膜厚とする膜厚測定装置であって、前記理論干渉波形毎に得られる前記フィッティングレベルと、該フィッティングレベルが得られる理論干渉波形に対応する膜厚との相関を示す相関図を作成する作成手段を備えている。

前記実測干渉波形と前記理論干渉波形との波長毎の差の自乗和に関連するフィッティングレベルとは、実測干渉波形と理論干渉形との波長毎の差の自乗和に関係するレベル、あるいは、前記差の自乗和に対応するレベルをいい、例えば、前記差の自乗和そのものであってもよいし、前記差の自乗和に係数を乗じたり、所定の数を加算あるいは減算したようなものであってもよい。

作成された相関図は、表示出力するのが好ましいが、印字出力してもよい。

本件発明者は、測定値の信頼性の判断に役立つ情報を得られるように、鋭意研究した結果、カーブフィッティング法における実測干渉波形に対する複数の各理論干渉波形の各フィッティングレベルを、膜厚に対してプロットした相関図では、約２００ｎｍ周期でフィッティングレベルが小さい複数の谷部を有する形状となり、測定対象物である膜厚が均一な場合と、膜厚にむらがある場合とで、谷部のピークが変化することを見出した。

すなわち、本発明の膜厚測定装置によれば、理論干渉波形毎に得られる各フィッティングレベルと膜厚との相関を示す相関図を作成するので、作成された相関図を表示したり、印字することにより、ユーザは、相関図を観察し、膜厚が均一で安定した測定が行われている場合の谷部のピークと、膜厚にむらが生じて不安定な測定が行われている場合の谷部のピークとの相違に基づいて、測定の信頼性に関する判断を行うことができる。

（２）本発明の膜厚測定装置の一つの実施形態では、前記作成手段で作成された前記相関図を表示する表示手段を備え、前記相関図は、横軸に膜厚をとり、縦軸にフィッティングレベルをとった図である。

この実施形態では、フィッティングレベルの大小が、相関図の上下方向に対応するので、フィッティングレベルが小さい谷部のピークの観察がしやすいものとなる。

（３）本発明の膜厚測定装置の他の実施形態では、前記相関図のフィッティングレベルが最も小さい第１の谷部のピーク値、および、フィッティングレベルが次に小さい第２の谷部のピーク値の少なくとも一方のピーク値が、設定条件を満たしたときに、警報を出力する出力手段を備えている。

膜厚が均一で安定な測定が行われている場合には、測定値に対応するフィッティングレベルが最も小さい第１の谷部のピーク値と、フィッティングレベルが次に小さい第２の谷部のピーク値とは、その差が比較的大きいが、膜厚にむらが生じると、両ピーク値の差が小さくなって近接し、遂には、逆転して第２の谷部のピーク値が、第１の谷部のピーク値よりも小さくなって、測定値が誤った値となる。

警報は、膜厚のむらによって第１の谷部のピーク値と第２の谷部のピーク値とが近接したときに出力できればよいので、両ピーク値が近接したことを前記設定条件とすればよい。

この実施形態によると、測定対象物の膜厚にむらが生じて測定が不安定となって、第１の谷部のピーク値と第２の谷部のピーク値とが近接したときには、予め設定した設定条件を満たして警報を出力することができるので、ユーザは、相関図のピーク値の変化を目視で観察して膜厚にむらが生じたか否かを監視する必要がない。

（４）本発明の膜厚測定装置の更に他の実施形態では、前記出力手段は、前記少なくとも一方のピーク値についての閾値を設定する設定部を備えている。

この実施形態によると、一方のピーク値が閾値を越えて他方のピーク値に近接したときに警報を出力することができる。

（５）本発明の膜厚測定装置の他の実施形態では、前記出力手段は、前記第１の谷部のピーク値と前記第２の谷部のピーク値との差についての警報範囲を設定する設定部を備えている。

この実施形態によると、両ピーク値が近接して警報範囲に入っときに、警報を出力することができる。

本発明によれば、カーブフィッティング法における実測干渉波形に対する複数の各理論干渉波形の各フィッティングレベルと膜厚との相関を示す相関図を作成するので、測定値が信頼できるものであるか否かを判断するのに、前記相関図の情報を利用することができる。

本発明の実施形態に係る膜厚測定装置の外観を記す斜視図である。 図１の膜厚測定装置の概略構成図である。 カーブフィッティング法の原理を説明する図である。 基板で反射される様子を示す図である。 フィッティングレベル総覧図である。 膜厚むらがある場合のフィッティングレベル総覧図である。 膜厚むらが増大した場合のフィッティングレベル総覧図である。 メイン表示画面を示す図である。 動作説明に供するフローチャートである。 パラメータセット編集画面を示す図である。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る膜厚測定装置の外観を示す斜視図である。この膜厚測定装置は、センサヘッド１とコントローラ２とを光ファイバケーブル３により接続して成る。コントローラ２には、後述の図２に示される投光部５、受光部６、制御回路７などが組み込まれている。光ファイバケーブル３は、投光用の光ファイバと受光用の光ファイバとがそれぞれ複数本束ねられたもので、所定位置において投光用の光ファイバを集めたケーブル３ａと受光用の光ファイバを集めたケーブル３ｂとに分けられて、コントローラ２に接続される。なお、図中の４は、外部機器であるパーソナルコンピュータであって、コントローラ２の制御回路にケーブル接続される。このパーソナルコンピュータ４は、測定対象物の基板８に関する設定データを入力したり、コントローラ２から膜厚の測定結果を受け取って表示する用途で用いられる。

前記センサヘッド１は、円筒状のケース体内に集光用の対物レンズ１ａ図２に示すなどを組み込んで成るもので、測定対象物の基板８に対し所定距離だけ上方位置において、レンズ面を基板表面に対向させた状態で設置される。前記投光部５からの光は、光ファイバケーブル３ａを介してセンサヘッド１より基板表面に照射され、その照射光に対する基板からの反射光が、センサヘッド１より光ファイバケーブル３ｂを介して受光部６に導かれる。

図２は、図１の膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。

この膜厚計測装置は、投光部５と、光ファイバ３ａ，３ｂと、受光部６と、制御回路７とを備えており、いずれも上述のコントローラ２内に組み込まれる。

投光部５は、出力波長の特性が異なる３個のＬＥＤ１１，１２，１３と、透過特性の異なる２個のダイクロイックミラー１４，１５と、集光用のレンズ（図示せず）とが組み込まれた光源を有している。各ＬＥＤ１１〜１３には、それぞれ赤色光発光用、白色発光用、青色発光用のＬＥＤが用いられる。

投光部５からの光は、光ファイバケーブル３ａを介してセンサヘッド１の先端から測定対象である基板８の表面に照射される。この光は、基板本体８ｂ上の薄膜８ａの表面および薄膜８ａと基板本体８ｂとの境界面において反射するもので、その反射光はセンサヘッド１に入射した後に、光ファイバケーブル３ｂを介して受光部６に導かれる。

受光部６は、光学多層膜を用いた分光フィルタ２０と、ラインＣＣＤ（複数のＣＣＤを一次元配列したもの）２１とにより構成される。前記反射光は、分光フィルタ２０により波長単位に分光された後、分光された各光がラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤに取り込まれて波長単位の反射光の強度が取り出される。

制御回路７は、後述の相関図を作成する作成手段としての機能や警報を出力する手段などの各種の機能を有するマイクロコンピュータを主体とする制御部２２に、Ａ／Ｄ変換部２３、投光量調整部２４、受光感度調整部２５、表示制御部２６、入出力部２７などが接続されて成る。Ａ／Ｄ変換部２３は、ラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤからの受光出力を抽出してディジタル変換することにより、前記波長単位毎の反射光の強度分布（干渉波形）を示す受光データを作成する。制御部２２はこの受光データを取り込んで、膜厚測定処理を実行する。

入出力部２７は、測定対象物の基板８の基板本体８ｂや薄膜８ａについて、材質、光学定数などの設定データを取り込んだり、膜厚の測定結果を装置外部に出力するためのものである。表示制御部２６は、前記測定結果などの表示用データを与えることにより、ディスプレイ画面上でのデータ表示を行わせる。

投光量調整部２４は、前記投光部５の各ＬＥＤ１１〜１３に対する駆動回路を制御して発光パルス間隔を調整することにより、投光部５の出力レベルを調整する。受光感度調整部２５は、ラインＣＣＤ２１のシャッタ時間間隔を制御したり、ラインＣＣＤ２１とＡ／Ｄ変換部２３との間の増幅回路２８のゲインを調整することにより、受光感度を調整する。

かかる膜厚測定装置では、測定対象物の基板の種類に応じて前記各調整部２４，２５によりラインＣＣＤ２１の出力レベルを自動調整した後、膜厚測定処理を開始する。この測定処理において、制御部２２は、薄膜の厚みが所定値に想定されたときの理論上の干渉波形を示すデータを所定数の膜厚毎に設定した後、これら理論上の理論干渉波形と前記Ａ／Ｄ変換部２３から入力された受光データの示す実測干渉波形とを順に比較するカーブフィッティング方法により、薄膜の厚みを特定するものである。

図３は、カーブフィッティング法の原理を示す図である。図中、Ｓは、実測の受光データが示す実測干渉波形である。Ｒ_A〜Ｒ_Eは膜厚毎に下記（１）式により得られた理論上の理論干渉波形であって、膜厚によって光の干渉の度合が変化するという現象を反映してそれぞれ異なる分布形状をとる。
Ｒ＝１−Ａ／｛Ｂ＋Ｃ×ｃｏｓ［（４π／λ）×ｎ×ｄ］｝ ・・・１
ここで、Ｒ（％）は、図４に示すように、薄膜３０が形成された基板３１に、波長λの光が入射したときの薄膜３０の反射率、λは入射光波長、ｎは薄膜３０の屈折率、ｄは薄膜３０の膜厚、Ａ，Ｂ，Ｃは、基板３１、薄膜３０の屈折率により求められる定数である。

カーブフィッティング法では、実測の受光データから得られる実測干渉波形について各理論干渉波形に対する波長毎の差の自乗和を順に求めることにより、実測干渉波形に最も近い形状の理論干渉波形、すなわち、前記自乗和が最小となる理論干渉波形を特定し、その理論干渉波形に対応する膜厚ｄ（図示例では１０００ｎｍ）を、測定対象の薄膜の厚みとするものである。

従来の膜厚測定装置では、得られた膜厚と、最小の差の自乗和に関連するフィッティングレベルとを出力するだけであるので、得られた膜厚の値の信頼性について判断する情報がなく、例えば、膜厚にむらが生じて測定が不安定となって、誤った測定値が得られた場合に、誤った測定値であるか否かの判断が困難であった。

そこで、本件発明者は、鋭意研究した結果、実測干渉波形に対する複数の各理論干渉波形の各フィッティングレベルを、膜厚に対してプロットすると、例えば、図５に示すように、約２００ｎｍ周期で谷部にピークを有する波状となることを見出した。

この図５は、膜厚５００ｎｍの薄膜を測定した実測干渉波形と、膜厚測定範囲である０ｎｍ〜２０００ｎｍで分解能１ｎｍとした、膜厚０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、…１９９９ｎｍ、２０００ｎｍの各理論干渉波形との差の自乗和に関連する２００１個の各フィッティングレベルを、各理論干渉波形の各膜厚に対応させて表示した相関図である。この実施形態では、実測干渉波形と各理論干渉波形との差の自乗和に関連する各フィッティングレベルとして、前記差の自乗和そのものを用いている。

図５の相関図は、フィッティングレベルの全体を見通すことができるので、以下、「フィッティングレベル総覧図」ともいう。

図５に示すように、真の膜厚である５００ｎｍで、フィッティングレベルが最小となっており、従来の膜厚測定装置では、測定結果として、膜厚５００ｎｍと、そのフィッティングレベルとを出力することになる。

この図５に示すように、フィッティングレベル総覧図では、通常、真の膜厚でフィッティングレベルが最小になるとともに、約２００ｎｍ周期の複数の谷部でピークを有する波状となる。

更に、本件発明者の研究によると、測定対象である５００ｎｍの薄膜の膜厚にむらがあると、実測される干渉波形が、理論波形と異なった歪んだ波形となり、その結果、フィッティングレベル総覧図は、例えば、図６に示すように、真の膜厚５００ｎｍの第１の谷部のピークＰ１と、約２００ｎｍずれた膜厚３００ｎｍの第２の谷部のピークＰ２とが近接してくる。

更に、膜厚のむらが増大して、実測される干渉波形の歪みが大きくなると、図７に示すように、真の膜厚５００ｎｍの第１の谷部のピークＰ１と膜厚３００ｎｍの第２の谷部のピークＰ２とが逆転し、測定値として、誤った膜厚３００ｎｍを出力することになる。

従来の膜厚計測装置では、測定結果として、膜厚の測定値と、その測定値に対応するフィッティングレベルの値しか出力されず、したがって、例えば、５００ｎｍの薄膜が形成された基板を流して測定している場合に、５００ｎｍであった測定値が、３００ｎｍに変化した場合には、従来では、基板の膜厚が３００ｎｍであるのか、あるいは、膜厚のむらによって、誤った測定値が得られたかを判断するといったことができなかった。

そこで、この実施形態の膜厚測定装置では、測定結果として、膜厚、フィッティングレベルに加えて、上述のフィッティングレベル総覧図を表示できるようにしている。

更に、膜厚のむらなどによって、真の膜厚の第１の谷部のピークＰ２と他の膜厚の第２の谷部のピークＰ２とが逆転する前に、測定が不安定になっていることを、ユーザに報知できるように、真の膜厚の第１の谷部のピーク値Ｐ１と第２の谷部のピーク値Ｐ２との間に警報範囲を設定できるようにし、この警報範囲に入って両ピーク値Ｐ１，Ｐ２が近接したときには、表示や音声などによる警報を発するようにしている。

図８は、この実施形態の膜厚測定装置のディスプレイに表示されるメイン表示画面を示しており、波形データ、膜厚の測定値、および、フィッティングレベルの値などが各種のボタン等とともに表示されている。

例えば、ユーザがＳｉ上のＳｉＯ_２膜を計測したいときには、図９に示されるような手順で計測を行う。

先ず、ユーザは、図８のメイン表示画面において、「パラメータセット編集」ボタン３９をクリックしステップｎ１、図９に示されるパラメータセット編集画面に移行する。

このパラメータセット編集画面において、
パラメータセット名称：（Ｔｅｓｔ）ＳｉＯ_２ ｏｎ Ｓｉ
膜 種：ＳｉＯ_２
基板種：Ｓｉ
計測する光波長範囲：４６０〜６８０ｎｍ
といった設定内容を設定しステップｎ２、保存ボタン４０をクリックして図８のメイン表示画面にもどるステップｎ３。

次に、測定位置に、膜なしのＳｉ基板を設置し、図８のメイン表示画面にて、「リファレンス」ボタン３２をクリックするとステップｎ４、アプリケーションソフトウェアはリファレンス取得時に使用される「Ｓｉ」の屈折率と吸収係数、および膜なしＳｉ基板からの反射光をもとに、投光部・受光部を制御して、Ｓｉ上ＳｉＯ_２に対して最適なＬＥＤ発光量およびＣＣＤの受光ダイナミックレンジ受光感度を設定する。

この状態でＳｉＯ２膜が付いた基板を流して計測するステップｎ５。図８のメイン画面上の「計測」ボタン３３をクリックすると、アプリケーションソフトウェアは、投光部・受光部を制御し、受光データが制御部に取り込まれ、カーブフィッティング法に基づいて膜厚が演算される。

演算結果は、図８のメイン表示画面上の波形表示領域３４に、実測した受光波形・カーブフィット法で選択された理論波形として表示されるとともに、その右横の数値欄３５には、膜厚値およびフィッティングレベルが表示される。

更に、この実施形態では、表示画面の下部に、上述のフィッティングレベル総覧図３６が表示されるとともに、しきい値Ｌが表示される。

ユーザは、設定部としてのしきい値変更ボタン３７を操作して、しきい値Ｌを、真の膜厚の第１の谷部のピークＰ１と他の膜厚の第２の谷部のピークＰ２との間の適当なレベルに置きステップｎ６，ｎ７）、しきい値確定ボタン３８をクリックして確定する（ステップｎ８）。

次に、ＳｉＯ２膜が付いた基板を流して計測しステップｎ９、しきい値Ｌを下回るピークが２箇所以上あったか否かを判断し（ステップｎ１０）、２箇所以上なかった場合には、真の膜厚の第１の谷部のピークＰ１のみが、しきい値を下回っており、安定に測定できている（ステップｎ１１）。ステップｎ１０で、しきい値Ｌを下回るピークが２箇所以上あったときには、メイン表示画面のフィッティングレベル総覧図３６を見て、しきい値を下回るピークが１箇所だけになるようにしきい値Ｌを調整し（ステップｎ１２）、ステップｎ８に移る。

以上のようにして何回かの安定な測定を行うことによって、適切なしきい値Ｌを設定し、以降は、警報設定を行って、しきい値を下回るピークが２箇所以上になったときには、安定な計測が行われていないとして警報表示などを行う。

なお、上下にしきい値を設定し、その間を警報範囲としてもよい。

本発明は、膜厚測定装置として有用である。

１ センサヘッド
８ 基板
２０ 分光フィルタ
３６ フィッティングレベル総覧図

Claims (5)

1. 測定対象物に光を照射し、その反射光を分光して得られる実測干渉波形と、予測した複数の膜厚にそれぞれ対応する複数の理論干渉波形とをそれぞれ比較し、前記実測干渉波形と前記理論干渉波形との波長毎の差の自乗和に関連するフィッティングレベルが最小となる理論干渉波形に対応する膜厚を、前記測定対象物の膜厚とする膜厚測定装置であって、
   前記理論干渉波形毎に得られる前記フィッティングレベルと、該フィッティングレベルが得られる理論干渉波形に対応する膜厚との相関を示す相関図を作成する作成手段を備えることを特徴する膜厚測定装置。
2. 前記作成手段で作成された前記相関図を表示する表示手段を備え、
   前記相関図は、横軸に膜厚をとり、縦軸にフィッティングレベルをとった図である請求項１に記載の膜厚測定装置。
3. 前記相関図のフィッティングレベルが最も小さい第１の谷部のピーク値、および、フィッティングレベルが次に小さい第２の谷部のピーク値の少なくとも一方のピーク値が、設定条件を満たしたときに、警報を出力する出力手段を備える請求項１または２に記載の膜厚測定装置。
4. 前記出力手段は、前記少なくとも一方のピーク値についての閾値を設定する設定部を備える請求項３に記載の膜厚測定装置。
5. 前記出力手段は、前記第１の谷部のピーク値と前記第２の谷部のピーク値との差についての警報範囲を設定する設定部を備える請求項３に記載の膜厚測定装置。

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