JPS6271804A

JPS6271804A - 膜厚測定装置

Info

Publication number: JPS6271804A
Application number: JP21321185A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ichihara; 裕市原
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1985-09-26
Filing date: 1985-09-26
Publication date: 1987-04-02

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、透明膜の膜厚測定装置に関し特に半導体製造
においてフォトレジスト等の比較的厚い膜厚の測定に好
適な膜厚測定装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、反射防止膜のような透明な薄膜の膜厚測定には、
光の干渉あるいは偏光回折等が用いられている。しかし
、これ等の方法で例えばフォトレジストの如き厚い膜を
測定する場合には、使用する光の波長に対して膜厚が大
きすぎるため、干・渉の次数が不明となり、測定不可能
であった。その干渉の次数を決めるため蒸着膜等では、
その蒸着中に連続的に膜厚をモニターすることにより、
矢数をカウントして膜厚を測定することも可能であるが
、フォトレジスト等の如く瞬時に膜を形成する場合には
、上記の膜厚をモニターする方法は採用できない。従っ
て、従来、このフォトレジストの膜厚測定の場合には、
膜の一部を基板から剥離してフォトレジストの付着面と
フォトレジストの表面との段差を干渉とかクリステツブ
（ＴａｌｌｙＳｔｅｐ）等を用いて測っていた。しかし
、この方法では、作業工程が面倒でしかも被測定物を破
壊損傷させる恐れが有った。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来の測定方法の欠点を解決し、例えばフ
ォトレジストの如き比較的厚い透明膜の厚さを、無接触
で且つ高精度に測定できる膜厚測定装置を提供すること
を目的とする。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために本発明は、測定すべき透明
膜を複数の波長を含む光例えば白色光で照明する照明系
と、その透明膜の表裏両面からの反射干渉光を分光する
分散素子と、その分散素子によって分光された光を検出
する検出素子とを含み光の干渉によって起る現象である
チャンネルトスペクトラム即ち波長によって反射光強度
の異る現象を用いて検出素子の出力する検出信号の周期
・から透明膜の膜厚を測定可能に構成することを技術的
要点とするものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示す光学系概略図で、ウェ
ハＷ上に塗布された透明なフォトレジスト２は照明系１
によりコリメートされた白色光りによってビームスプリ
ンタ３を介して照射される。

フォトレジスト２およびウェハＷのそれぞれの表面で反
射された光は、ビームスプリッタ３を透過し、一対のレ
ンズ４．６および絞り５から成る空間フィルター系を通
り、分光プリズム７で分光され、レンズ８によって例え
ば−次元ＣＣＤの如き光電検出素子９上に集光される。

その際、フォトレジスト２とウェハＷの表面からの反射
光が干渉して光電検出素子９上で明暗の縞を作る。

この縞は、フォトレジスト２の厚さをｄ、屈折率をｎ、
光の波長をλとすると、 ’ｌ　ｎ　ｄ　＝ｍλ　（ｍ　＝　１．２．３　−−−
−−−−　）を満たす波長で明るくなり、２　ｎ　ｄ　
＝　（ｍ＋４４）　λを満たす波長で暗くなる。従って
、光電検出素子（−次元ＣＣＤ）９からは、第２図に示
す如き信号が得られる。この信号は波長λに関して非周
期的であるが、！／λに座標変換すれば、−第３図に示
すように周期的な信号が得られる。この第３図の信号か
ら周期を求めるためには、第３図の信号をフーリエ変換
すればよい。この信号の周期をＸ（μｍ−’）’／ｘを
空間周波数とすると、フォトレジストの厚さｄは、ｄ　＝　１／　（２ｎ　ｘ）　　−−−（１）で与えら
れる。

従って、分光プリズム７によって分光された光による明
暗の干渉縞を光電的に検出し、その検出信号の周期から
膜厚ｄを（１）式によって求めることができる。

一方、ウェハ上には一般に微細なパターンの凹凸が形成
されているので、この面に光を投射すると、その面から
の反射光束中には散乱光が多く含まれる。その散乱光は
雑音となって測定精度に悪影響を及ぼすので、これを除
去するために、一対のレンズ４と５の間の瞳位置に絞り
５（空間フィルター）が設けられる。光電検出素子９と
しては、第１図の実施例では一次元ＣＣＤが用いられて
いるが、ＰＤＡ　（フォトダイオードアレー）等の如き
アレーセンサーや撮像管、固体イメージセンサ−、イメ
ージディセクタ−チューブ等の如き撮像素子であっても
よい。また、第４図に示すように分光プリズム（分散素
子）Ｔａを動かして波長を走査することにより、上記の
撮像素子の代りにホトトランジスタまたはホトダイオー
ドの如き１個のディテクタ９ａで受光する如く構成して
もよい。

また、分散素子７ａを動かす代りに、光源の波長を走査
し、その走査された波長の照明光でフォトレジスト２を
照射してもよい。さらに、分散素子として、分光プリズ
ムの代りに回折格子でもよく、音響光学効果を有する音
響光学（ＡＯ）素子を用いてもよい。

さて、第３図の信号から周期を求めるためには、その信
号をフーリエ変換してやればよいが、実際には、ウェハ
Ｗおよびフォトレジスト２を含む光学系には、波長特性
（分光特性）があるので、あらかじめ光学系の波長特性
を測定および計算してその値を求め、その特性を補正し
て、−できるだけ理想的な正弦波状に第３図の信号を近
づけるようにすることが望ましい。（この補正はコンピ
ュータで行うのがよい。）また、第３図の信号では、不
要な直流成分を含んでいるので、特にフォトレジストが
薄い場合には、周波数（周期）が求められなくなったり
、誤差が大きくなるので、データの最大値（の平均）と
最小値（の平均）の平均値をデータから差し引いて第５
図に示す如ききれいな形の信号とする。

さらに、データ領域をデータの無い部分に拡大（ただし
、拡大した領域でのデータは０〔ゼロ〕）シ、ＦＦＴ（
高速フーリエ変換）を行うと、第６図の実線にて示すよ
うな連続した信号が得られる。第６図において黒点にて
示した値は、上記のデータ領域を拡大せずにＦＦＴを行
った場合の値である。この値は、第５図の１／λの領域
の逆数で決る値で、不連続なものとなる。従って、でき
るだけ細かい値を知りたいときはｌ／λの領域を拡大し
てＦＦＴを行う必要が有る。このＦＦＴＯ値の最大値を
与える座標、すなわち第５図の信号の周波数から前述の
（１）式によって膜厚ｄを高精度に求めることができる
。このとき、第３図から第５図への変換、すなわち直流
成分の除去を行わないと、Ｆ　１？　Ｔの最大値は原点
（周波数０）となる、その為、求める周波数は原点を除
いた最大値（極大値）となり、膜が厚い場合には、この
周波数は大きな値となるので原点での最大値と明確に区
別され、簡単に求めることができる。しかし、膜が薄く
なると、原点での最大値と分離不可能になったり、たと
え分離できても、誤差が増大するので、薄い膜の膜厚測
定の場合には、第３図から第５図への信号の変換は必須
の条件となる。

いま、白色光の波長範囲をλ＝０．４〜０．８μｍ１フ
ォトレジストの屈折率をｎ　＝　１．５とすると、最小
膜厚ｄ　ｗｉｎは、（１１式から最大膜厚ｄ　＝は、サンプル点数（ＣＣＤの場合は受光
素子数）をＮとすると、１１０．４−１１０．８　　２ｘ１．５　　　２＝０．
１３３Ｎ　（μｍ）例えば、サンプル点数Ｎ＝６４とするとｄ　ｍ−＝ｏ、
１３３Ｎ＝８．５　（＃ｍ）となる。またデータ領域を
１０倍に拡大した場合の分解能は、１１０．４−１１０．８　　２ｘ１．５　　１０となる
。

上記の説明は、第１図に示す如く、不透明なウェハＷの
上に透明なフォトレジストが塗布されている場合である
が、一般には、ウェハの上にＳｉｎｇ、Ａ１等の膜が形
成され、その上にフォトレジストが塗布される。フォト
レジストの下の膜が不透明な場合には、前述のｌＩ論は
そのまま成立する。しかし、その膜が透明膜の場合には
多光束の干渉となり、反射光は複雑なものとなる。その
場合の測定の仕方を次に述べる。第７図はウェハＷ上に
透明膜１０が形成されている場合、第８図は、第７図の
透明膜１０の上にさらにフォトレジスト２が塗布されて
いる場合の反射光の様子を示す断面説明図である。また
、第９図では第７図に示す反射光に基づくデータのフー
リエ変換（ＦＦＴ）の結果を示し、第１Ｏ図は第７図に
示す反射光に基づくフーリエ変換（ＦＦＴ）の結果を示
す線図である。第７図に示す状態では、ウェハＷからの
反射光束ａと透明膜１０の表面からの反射光束すとが干
渉する。従来の２光束干渉と同一であるので、第９図で
示す如く１個所にのみピークをもつ曲線が得られる。し
かし、第８図のようにウェハＷ、透明膜１０およびフォ
トレジスト３の表面からそれぞれ反射する３つの反射光
束ａ、ｂ、ｃによる３光束干渉の場合には、第１Ｏ図に
示すように３個所にピークが出る。このうち１個所は、
ウェハＷとウェハ上の透明膜１０の表面からの反射光ａ
−ｂによるもので、第９図と同じ位置に現われる。

他の２個所のピークのうち、周波数の高いものは、ウェ
ハＷとフォトレジスト２の表面からの反射光ａ−ｃによ
るものであり、残りの１個のピークがウェハＷ上の透明
膜１０（すなわちフォトレジストの裏面）とフォトレジ
スト２の表面からの反射光ｂ−ｃによるものである。

従って、フォトレジスト２の膜厚を求めるには、最初の
フォトレジストを塗布する前に、第１図の装置を用いて
データを取り、フーリエ変換をして第９図に示す如き線
図に示すようなピーク位置を求め、その位置を、メモリ
ー装置に記憶しておく、次に、フォトレジスト２を塗布
して、同様にしてデータを取り、フーリエ変換をして、
第１０図に示すようなピークを求め、記憶したデータか
ら、それぞれのピークを決定して厚さを求めればよい。

ただし、フォトレジスト２の厚さによっては、求めるピ
ークが最初の記憶したピークと区別できないことが有る
。そのときは、周波数の高いピーク位置と記憶したピー
ク位置との差から求めるピーク位置を決定することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、被測定膜からの反射光を分
光して、検出素子でその光を検出し、その検出信号の周
期から膜厚を測定するようにしたから、面倒な操作無し
に非接触で且つ非常に高い精度で膜の厚さを測ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光学系配置図、第２図
は、第１図の実施例中の検出素子から出力される出力信
号曲線図、第３図は、第２図の出力信号の座標を変換し
た信号曲線図、第４図は第１図の実施例とは異なる本発
明の第２実施例を示す光学系図、第５図は第３図の信号
波形から直流、成分を除去した信号曲線図、第６図は、
第５図のデータ領域を拡げて高速フーリエ変換を行った
曲線図、第７図はウェハに透明膜を形成したときの反射
光説明図、第８図は、第７図の透明膜の上に更にフォト
レジストを塗布したときの反射光説明図、第９図は、第
７図の反射光を第１図の実施例装置で検出し、そのデー
タを高速フーリエ変換して得た曲線図、第１０図は第８
図の反射光を第１図の実施例装置で検出し、そのデータ
を高速フーリエ変換して得た曲線図を示す。〔主要部分の符号の説明〕１−・−・照明系　２−・・フォトレジスト（透明膜）
３・−ビームスプリッタ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）測定すべき透明膜を複数の波長を含む光で照明す
る照明系と、該透明膜の表裏両面からの反射干渉光を分
光する分散素子と、該分散素子によって分光された光を
検出する検出素子とを含み、該検出素子の出力する検出
信号の周期から前記透明膜の膜厚を測定可能に構成した
ことを特徴とする膜厚測定装置。
（２）前記分散素子は、分光プリズムまたは回折格子で
あって、該分散素子に入射する前記反射干渉光は一対の
レンズ（４、６）とその瞳位置に設けられた絞り（５）
とから成る空間フィルタによって散乱光が除去されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の膜厚測
定装置。
（３）前記検出素子は、Ｃ、Ｃ、Ｄ、またはＰＤＡの如
きアレーセンサーまたは撮像管、固体イメージセンサー
、イメージディセククターチューブの如き撮像素子であ
って、前記分散素子によって分光された光の干渉縞の光
強度と間隔を検出する如く構成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項または第２項記載の膜厚測定
装置。
（４）前記検出素子は、ホトマル、ホトトランジスタ、
またはホトダイオードの如き一個のデテクター（９ａ）
から成り、前記分散素子は波長を走査する回転分光プリ
ズム（７ａ）であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項または第２項記載の膜厚測定装置。