KR100724272B1 - 분광 계측 장치 - Google Patents

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KR100724272B1
KR100724272B1 KR1020050112753A KR20050112753A KR100724272B1 KR 100724272 B1 KR100724272 B1 KR 100724272B1 KR 1020050112753 A KR1020050112753 A KR 1020050112753A KR 20050112753 A KR20050112753 A KR 20050112753A KR 100724272 B1 KR100724272 B1 KR 100724272B1
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준 타카시마
코이치 에카와
히데유키 무라이
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 소형화를 실현하고, 거리 편차나 수평방향 각도 편차나 수직방향 각도 편차에 대한 내성을 부여함에 의해, 예를 들면 반도체 제조 프로세스나 FPD 제조 프로세스 등에 있어서의 인라인 계측에 적합한 분광 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 상기 목적을 달성하기 위한 해결 수단에 있어서, 투과 위치에 의해 투과광 파장을 점차로 변화시키는 광간섭식의 분광 소자를 상기 광전 변환부 어레이 수단의 직전에 구비함과 함께, 시료로부터의 반사광의 편광 상태의 변화를 검출하는 기능을 갖는 수광측 광학계와, 상기 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여 편광해석하고, 실측 파형과 이론 파형과의 피팅에 의해 막두께 또는 막질을 구한다.
분광 계측 장치

Description

분광 계측 장치{SPECTROGRAPHIC MEASURING APPARATUS}
도 1은 단입사각 분광 엘립소미터의 전체 구성도(모든 실시예에 공통).
도 2는 센서 헤드부의 광학적 구성의 한 예를 도시한 도면.
도 3은 연산 처리부의 전기적 구성을 도시한 도면.
도 4는 경사막 사용 광학계와 회절 격자 사용 광학계와의 비교 설명도.
도 5는 박막과 입사광·반사광과의 관계를 도시한 설명도.
도 6은 단층막과 반사광과의 관계를 도시한 설명도.
도 7은 다층막과 반사광과의 관계를 도시한 설명도.
도 8은 테이블 데이터의 내용을 도시한 도면(1).
도 9는 테이블 데이터의 내용을 도시한 도면(2).
도 10은 막두께 측정 프로그램의 내용을 도시한 플로우 차트.
도 11은 수광 강도 스펙트럼과 반값폭과의 관계를 도시한 그래프.
도 12는 파장과 경사막 반값폭과의 관계를 도시한 그래프.
도 13은 로렌츠 함수를 도시한 그래프.
도 14는 보정 전후의 파장과 위상차와의 관계를 도시한 그래프.
도 15는 보정 전후의 파장과 진폭비와의 관계를 도시한 그래프.
도 16은 센서 헤드부의 광학적 구성의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 17은 거리 편차 대책의 작용 설명도.
도 18은 거리 편차 대책의 원리 설명도.
도 19는 거리 편차 대책의 작용을 입사광로 별로 도시한 설명도(1).
도 20은 거리 편차 대책의 작용을 입사광로 별로 도시한 설명도(2).
도 21은 거리 편차 대책의 작용을 입사광로 별로 도시한 설명도(3).
도 22는 거리 편차의 작용을 수광용 렌즈의 후단에 관해 도시한 설명도.
도 23은 1차원 CCD 수광면 부근의 집광 상태를 확대해 도시한 설명도.
도 24는 거리 편차가 있는 경우의 설명도(이상자는 수광계).
도 25는 각도 편차가 있는 경우의 설명도(이상자는 수광계).
도 26은 거리 편차가 있는 경우의 설명도(이상자는 투광계).
도 27은 각도 편차가 있는 경우의 설명도(이상자는 투광계).
도 28은 센서 헤드부의 광학적 구성의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 29는 에지 정형 수단의 설명도.
도 30은 센서 헤드부의 광학계의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 31은 거리 편차 대책의 작용을 입사광로 별로 도시한 설명도(1).
도 32는 거리 편차 대책의 작용을 입사광로 별로 도시한 설명도(2).
도 33은 거리 편차 대책의 작용을 입사광로 별로 도시한 설명도(3).
도 34는 센서 헤드부의 광학계의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 35는 테이블 데이터의 내용을 도시한 도면.
도 36은 막두께 측정 프로그램의 내용을 도시한 플로우 차트.
도 37은 센서 헤드부의 광학계의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 38은 센서 헤드부의 광학계의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 39는 센서 헤드부의 광학계의 다른 한 예를 도시한 도면.
도 40은 본 발명 장치의 인프라인 적용예를 도시한 도면.
도 41은 테이블 데이터의 내용을 도시한 도면.
도 42는 검광자를 회전시키는 종래의 단입사각 분광 엘립소미터의 예를 도시한 구성도.
도 43은 도 42에 도시한 단입사각 엘립소미터의 구성을 간략화하여 도시한 도면.
도 44는 거리의 편차의 설명도(1).
도 45는 거리의 편차의 설명도(2).
도 46은 거리의 편차의 설명도(3).
도 47은 수평방향 각도 편차의 설명도(1).
도 48은 수평방향 각도 편차의 설명도(2).
도 49는 수평방향 각도 편차의 설명도(3).
도 50은 수직 각도 편차의 설명도(1).
도 51은 수직 각도 편차의 설명도(2).
도 52는 수직 각도 편차의 설명도(3).
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 : 입사각 분광 엘립소미터 2 : 센서 헤드부
3 : 연산 처리부 4 : 조작 표시부
5 : 기판 6 : 박막
301 : 광원 302 : 콜리메이터 렌즈
303 : 편광자 304 : 이상자
305 : 구동 수단 306 : 투광 렌즈
308 : 수광 렌즈 309 : 검광자
310 : 1차원 CCD 311 : 경사막
기술분야
본 발명은, 박막의 막두께나 막질(광학 정수, 시료 구조 등)의 계측 등의 용도에 알맞는 광의 편광 상태의 변화를 이용한 분광 계측 장치에 관한 것으로, 특히, 생산 라인에 있어서의 인라인 계측에 알맞는 분광 계측 장치에 관한 것이다.
종래기술
근래, 반도체 제조 프로세스에서는, 반도체 기판의 대형화나 디자인 룰의 미세화에 수반하여, 불량에 대한 막대한 손해의 가능성이나 미묘한 이상(異常)에 대한 관리의 필요성이 생기고, 이것으로부터 검사의 중요성이 더욱더 높아지고 있다.
또한, LCD(Liquid Crystal Display)나 PDP(Plasma Display Panel)로 대표되는 FPD(Flat Panel Display) 제조 프로세스에서도, 유리 기판의 대형화가 진행되는 중이고, 대화면화·고정밀화·고품위화가 급속하게 진행되고 있고, 고품질의 제품을 고수율로 생산하기 위해, 검사의 중요성이 더욱더 높아지고 있다.
종래, 이런 종류의 제조 프로세스에 있어서의 제품 검사, 특히, 막두께 검사는, 크고 또한 고가인 분광 계측 장치를 이용하여, 오프라인 계측으로 행하여지고 있다. 이 오프라인 계측은, 제조 프로세스중에서부터 제품을 발취하고, 떨어진 곳에 있는 분광 계측 장치까지 운반, 측정·확인을 행한다는 일련의 순서를 통하여 행하여진다.
이와 같은 오프라인 계측에서는, 측정한 결과가 관리 기준으로부터 벗어난 경우, 그 정보를 피드백하여 프로세스에 반영·수정할 때까지에 시간을 필요로 하고, 또한 발취를 행하지 않은 제품에 대해서는 관리 기준으로부터 벗어나 있는지의 판정도 할 수 없고, 수율을 저하시킨다는 문제가 있다.
그래서, 예를 들면, 성막 프로세스중(in-situ) 또는 성막 프로세스 직후의 제조 라인중에 분광 계측 장치를 조립함으로써 인라인 막두께 계측을 실현하고, 제조 프로세스중에서부터 제품을 발취하는 일 없이 전수(全數) 측정을 행함으로써, 제품 수율을 향상시키고자 하는 필요성이 커지고 있다.
이와 같은 인라인 계측에 적용 가능한 분광 계측 장치로서는, (1) 종래의 오프라인 막두께 계측에 사용되는 분광 계측 장치와 동등한 성능을 갖을 것, (2) 소형이고 고속 연산 처리가 가능할 것, (3) 후술하는 거리 편차나 각도 편차에 대한 내성(耐性)을 갖을 것이라는 여러 조건이 요구된다. 더하여, 근래의 디자인 룰의 미세화에 수반하여, 절연막 등은 얇아져서, 수㎚의 초박막의 막두께 및 막질을 검사하는 중요성이 더욱더 높아지고 있다.
종래, 막두께의 측정에는 분광해석 방식 또는 편광해석 방식의 막후계(膜厚計)가 주로 사용되고 있는데, 모두 회절 격자를 이용한 분광기에 의해 구성되어 있기 때문에, 장치가 대형으로 되고 인라인 계측에는 부적합하다는 결점이 있다.
또한, 분광해석 방식의 막후계에서는 S편광과 P편광의 평균치인 반사율 밖에 측정할 수 없기 때문에, S편광 또는 P편광, 각각의 반사율을 종합하여 막두께를 산출하는 엘립소미터 등으로 대표되는 편광해석 방식의 막후계에 비하여, 정보량이 적고, 고정밀한 계측은 불가능하다.
또한, 분광해석 방식의 막후계에서는, 시료에의 입사파의 강도 분포 파형과 시료로부터의 반사파의 강도 분포 파형과의 비를 취함으로써 반사율을 산출하기 때문에, 막두께 계측시에는 별도, 입사파의 강도 분포 파형을 측정하는 작업이 필요해진다. 그 결과, 계측 시간이 증대한다는 결점이 있고, 인라인 계측에는 불리하다.
한편, 편광해석 방식의 막후계에서는, S편광의 강도 분포 파형과 P편광의 강도 분포 파형을 동시에 측정하고, 그것들에 의해 막두께를 산출하기 때문에, 별도 입사파의 강도 분포 파형을 계측하는 등의 작업은 필요 없다. 그 때문에, 계측 시간이 적어도 해결되고, 인라인 계측에 알맞다고 한다.
또한, 물질의 막질(膜質)(광학 정수, 시료 구조 등)을 해석하기 위해서는, 넓은 파장 영역에서 측정된 스펙트럼이 필요하고, 막질을 계측하는 점에서 분광편광해석 방식의 막후계가 유리하다. 또한, 여기서 말하는 『막질』이란, 굴절율, 흡 수 계수, 밴드 구조, 결정 구조 등의 여러 특성을 의미한다.
편광해석 방식의 막후계인 검광자(檢光子)를 회전시키는 단(單)입사각 분광 엘립소미터의 종래예가 도 42에 도시되어 있다(특허 문헌 1 참조). 도면에서, a는 광원부, b는 편광자, c는 1/4파장판, d는 측정 시료, e는 회전 검광자, f는 검광자 구동부, g는 전자계산기, h1 내지 h5는 광검출기, i는 회절 격자이다.
설명의 편리를 위해, 도 42에 도시된 단입사각 분광 엘립소미터에 있어서의 광검출기(h1 내지 h5)를 포토어레이형 검출기로 한 예가 도 43에 도시되어 있다. 도면에서, 101은 다색 광원, 102는 편광자, 103은 이상자(移相子), 104는 시료, 105는 검광자, 106은 집광 렌즈, 107은 회절 격자, 108은 1차원 CCD이다.
도 43에서 분명한 바와 같이, 다색 광원(101)으로부터 발하여진 광은, 편광자(102) 및 이상자(103)를 통과함에 의해 직선 편광 상태로 되고, 시료(104)의 표면으로 비스듬하게 입사되도록 조사된다. 시료(104)로부터의 반사광의 광로상에는, 편광 상태를 조사하기 위한 검광자(105), 집광 렌즈(106), 분광 기능을 갖는 회절 격자(107), 광전 변환 기능을 갖는 포토어레이 검출기(108)가 차례로 배치되어 있다. 이로써, 반사광의 각 파장에 관한 편광 상태가 측정되고, 대응하는 스펙트럼이 취득된다. 최후로, 도시하지 않은 연산부에서 이론 파형과 실측 파형과의 피팅이 행하여지고, 시료의 막두께가 산출된다.
[특허 문헌 1] 특개평6-288835호 공보
상술한 단입사각 분광 엘립소미터에서는, 회절 격자를 이용한 분광기에 의해 구성되어 있기 때문에 장치가 대형으로 되고(제 1의 문제점), 인라인 계측을 위해 인라인에 조립하는 것이 곤란해진다.
또한, 후술하는 거리 편차가 생긴 경우, 관측되는 반사광의 강도 분포 파형은 변화하지 않지만, 후술하는 수평방향 각도 편차 또는 수직방향 각도 편차가 생긴 경우에는, 관측되는 반사광의 강도 분포 파형이 크게 변동하고(제 2의 문제점), 계측이 곤란해진다. 즉, 거리 편차에도, 각도 편차에도 약하기 때문에, 실제 사양상, 인라인 계측은 불가능하게 된다. 이와 같은 상황을 해소하려고 하면, 측정하고 싶은 시료를 고정하는 전용의 스테이지가 필요해지고, 장치의 설치 조건이 대폭적으로 제한된다.
또한, 측정 전(前)에는 시료까지의 거리 및 시료의 경사의 위치 맞춤을 하여야 하기 때문에(제 3의 문제점), 스테이지의 조정에 시간이 걸린다. 그 결과, 계측 시간이 증대하고, 인라인에서의 계측에는 부적합하게 된다.
[거리 편차의 설명]
도 44 내지 도 46을 참조하면서 「거리 편차」에 관해 설명한다. 도 44 내지 도 46에서, 201은 다색 광원, 202는 편광자, 203은 이상자, 204는 반도체 제품이나 FDP 등의 시료, 205는 검광자, 206은 집광점을 1차원 CCD의 수광면에 갖는 집광 렌즈, 207은 회절 격자, 208은 1차원 CCD이고, 특허 문헌 1에 기재된 발명을 간략화하여 도시한 것이다.
또한, 도 44는 시료가 기준 높이에 있는 때, 도 45는 시료가 하강 높이에 있는 때, 도 46은 시료가 상승 높이에 있는 때의 각각에 있어서의 광학계와 시료와의 위치 관계를 도시한 도면이다.
거리 편차란, 광학계(예를 들면, 이상자(203))와 시료(204)와의 거리가 변동하는 현상에 관한 것이다. 이 거리 편차가 발생하면, 1차원 CCD(208)를 통하여 관측되는 반사광 강도 분포 파형의 어레이열(列) 방향의 폭은 변동하지 않지만, 위치가 변동하기 때문에, 그 강도 분포 파형에 의거하여 산출되는 박막의 광학 정수는 잘못된 것으로 된다.
도 44와 도 45와의 비교에서 분명한 바와 같이, 시료가 기준 높이에 있는 때의 시료(204)로부터의 반사광선(L101)과, 시료가 하강 높이에 있는 때의 시료(204)로부터의 반사광선(L102)은 평행하지만, 회절 격자(207)에 입사하는 위치가 다르기 때문에, 시료(204)가 기준 높이에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W101)과 하강 높이에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W102)은 일치하지 않는다. .
마찬가지로, 도 44와 도 46과의 비교에서 분명한 바와 같이, 시료가 기준 높이에 있는 때의 시료(204)로부터의 반사광선(L101)과, 시료가 상승 높이에 있는 때의 시료(204)로부터의 반사광선(L103)은 평행하지만, 회절 격자(207)에 입사하는 위치가 다르기 때문에, 시료(204)가 기준 높이에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W101)과 상승 높이에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W103)은 일치하지 않는다.
[수평방향 각도 편차의 설명]
도 47에 내지 도 49를 참조하면서, 「수평방향 각도 편차」에 관해 설명한다. 도 47 내지 도 49에서, 도 44 내지 도 46과 동일 구성 부분에 관해서는 같은 부호를 붙이고 설명은 생략한다.
또한, 도 47은 시료가 기준 각도(입사면에 대해 수직한 평면)에 있는 때, 도 48은 시료가 오른쪽 밑으로 경사(우경) 상태에 있는 때, 도 49는 시료가 왼쪽 밑으로 경사(좌경) 상태에 있는 때의 각각에 있어서의 광학계와 시료와의 위치 관계를 도시한 도면이다.
수평방향 각도 편차란, 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료(204)의 경사가 변동하는 현상인 것이다. 이 수평방향 각도 편차가 생기면, 1차원 CCD(208)를 통하여 관측되는 반사광 강도 분포 파형의 어레이열 방향의 폭은 변동하고, 그 강도 분포 파형에 의거하여 산출되는 박막의 광학 정수는 잘못된 것으로 된다.
도 47과 도 48과의 비교로부터 분명한 바와 같이, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 시료로부터의 반사광선(L201)과, 시료가 우경 각도에 있는 때의 시료로부터의 반사광선(L202)은 평행이 아니라, 회절 격자(207)상에 입사하는 각도 및 위치가 다르기 때문에, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W201)과 우경 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W202)은 일치하지 않는다.
마찬가지로, 도 47과 도 49와의 비교로부터 분명한 바와 같이, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 시료로부터의 반사광선(L201)과, 시료가 좌경 각도에 있는 때의 시료로부터의 반사광선(L203)은 평행이 아니라, 회절 격자(207)상에 입사하는 각도 및 위치가 다르기 때문에, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W201)과 좌경 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W203)은 일치하지 않는다.
[수직방향 각도 편차의 설명]
도 50 내지 도 52를 참조하면서, 「수직방향 각도 편차」에 관해 설명한다. 도 50 내지 도 52에서, 도 44 내지 도 46과 동일 구성 부분에 관해서는 같은 부호를 붙이고 설명은 생략한다.
또한, 도 47은 시료가 기준 각도(입사면에 대해 수직한 평면)에 있는 때, 도 48은 시료가 뒤로 내려가는 경사(후경 각도)에 있는 때, 도 49는 시료가 앞으로 내려가는 경사(전경 각도)에 있는 때의 각각에 있어서의 광학계와 시료와의 위치 관계를 도시한 도면이다.
수직방향 각도 편차란, 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사가 변동하는 현상에 관한 것이다. 이 수직방향 각도 편차가 생기면, 회절 격자(207)에서 회절된 광선의 확산 방향은 1차원 CCD(208)의 어레이열 방향으로부터 어긋나고, 1차원 CCD(208)에서 반사광 강도 분포를 완전하게 수광할 수 없게 된다. 그 결과, 그 강도 분포 파형에 의거하여 산출되는 박막의 광학 정수는 잘못된 것으로 된다.
도 50과 도 51과의 비교로부터 분명한 바와 같이, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 시료로부터의 반사광선(L301)과, 시료가 후경 각도에 있는 때의 시료(204)로부터의 반사광선(L302)은 평행이 아니라, 회절 격자(207)상에 입사하는 각도 및 위치가 다르기 때문에, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W301)과 우경 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W302)은 일치하지 않는다. .
마찬가지로, 도 50과 도 52와의 비교에서 분명한 바와 같이, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 시료로부터의 반사광선(L301)과, 시료(204)가 전경 각도에 있는 때의 시료(204)로부터의 반사광선(L303)은 평행이 아니라, 회절 격자(207)상에 입사하는 각도 및 위치가 다르기 때문에, 시료(204)가 기준 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W301)과 전경 각도에 있는 때의 반사광 강도 분포 파형(W303)은 일치하지 않는다. .
또한, 이하, 수평방향 각도 편차와 수직방향 각도 편차를 총칭하여, 각도 편차라고 칭한다.
본 발명은, 종래의 분광해석 방식 및 편광해석 방식의 막후계를 포함하는 분광 계측 장치에 있어서의 상술한 문제점에 착안해 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 점은, 예를 들면 반도체 제조 프로세스나 FPD 제조 프로세스 등에 있어서의 인라인 계측에 알맞는 분광 계측 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의, 보다 구체적인 목적으로 하는 점은, 소형화를 실현하고, 거리 편차나 수평방향 각도 편차나 수직방향 각도 편차에 대한 내성을 갖는 분광 계측 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 분광 계측 장치는, 시료에 대해 측정 매체광(測定媒體光)을 조사하여 반사광을 수광하고, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화를 검출함에 의해 해당 시료의 막두께 또는 막질(膜質)을 구하는 계측 장치로서, 다양한 방위각도 성분을 포함하는 측정 매체광을 시료 표면에 집광하여 조사하는 투광측 광학계와, 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향으로 어레이 형상으로 배치하 여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단과 렌즈와 투과 위치에 의해 투과광 파장을 점차로 변화시키는 광간섭식의 분광 소자를 포함하고, 분광 소자를 상기 광전 변환부 어레이 수단의 직전에 구비되고, 상기 렌즈와 상기 광전 변환부 어레이 수단의 상기 수광면과의 거리는 해당 렌즈의 초점거리와 거의 일치하도록 배치되어 시료로부터의 반사광을 상기 렌즈를 통하여 상기 광전 변환부 어레이 수단에 의해 수광하는 수광측 광학계와,
상기 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화량을 상기 분광 소자의 투과 파장에 대응시켜 해석하고 실측(實測) 분광 파형을 얻음과 함께, 상정(想定)한 막두께 및/또는 막질로부터 이론적으로 계산되는 이론 분광 파형을 산출하고, 상기 실측 분광 파형과 상기 이론 분광 파형과의 피팅에 의해 막두께 또는 막질을 구하는 연산부를 구비하고, 또한
상기 투광측 광학계에는, 상기 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단이 포함되어 있고,
상기 수광측 광학계에는, 상기 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하여 그것에 포함되는 상기 시료의 경사 변동에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단이 포함되어 있고,
상기 연산 수단에는, 상기 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광 량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단에는, 미리 정한 형상 또는 강도 분포를 갖게 하여 측정 매체광을 시료에 조사한 경우를 포함한다.
또한, 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단에는, 시료로부터의 반사광을 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 수광하고, 그 수광된 광의 형상 또는 수광 강도 분포로부터, 미리 정한 형상 또는 강도 분포를 갖게 하여 조사한 측정 매체광의 수광 위치를 찾아내고. 시료에 경사가 없으면 수광되어야 할 수광 위치와의 비교에 의거하여 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수단을 포함한다. 측정 매체광의 미리 정한 형상 또는 강도 분포는, 적어도, 측정 매체광의 진행 방향에 대해 수직인 동시에 입사면에 평행한 방향에 관해 형상 또는 강도 분포를 갖으면 좋다.
시료에 대해 측정 매체광을 조사하여 반사광을 수광하고, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화를 검출함에 의해 해당 시료의 막두께 또는 막질을 구하는 계측 장치로서,
다양한 방위각도 성분을 포함하는 측정 매체광을 시료 표면에 집광하여 조사하는 투광측 광학계와,
다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단과 렌즈와 투과 위치에 의해 투과광 파장을 점차로 변화시키는 광간섭식의 분광 소자를 포함하고, 상기 분광 소자는 상기 광전 변환부 어레이 수단의 직전에 구비되고, 상기 렌즈와 상기 광전 변환부 어레이 수단의 상기 수광면과의 거리는 해당 렌즈의 초점거리와 거의 일치하도록 배치되어 시료로부터의 반사광을 상기 렌즈를 통하여 상기 광전 변환부 어레이 수단에 의해 수광하는 수광측 광학계와,
상기 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화량을 상기 분광 소자의 투과 파장에 대응시켜 해석하고 실측 분광 파형을 얻음과 함께, 상정한 막두께 및/또는 막질로부터 이론적으로 계산되는 이론 분광 파형을 산출하고, 상기 실측 분광 파형과 상기 이론 분광 파형과의 피팅에 의해 막두께 또는 막질을 구하는 연산부를 구비하고, 또한
상기 투광측 광학계에는, 상기 측정 매체광에 대해 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특지화 수단이 포함되어 있고, 상기 연산 수단에는, 상기 광전 변환부 어레이 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있다.
측정 매체광에 대해 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하 여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단에는, 미리 정한 형상 또는 강도 분포를 갖게 한 측정 매체광을 시료에 조사하는 경우를 포함한다. 또한, 수광량 데이터 보정 수단에 관해서는, 시료로부터의 반사광을 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 수광하고, 그 수광된 광의 형상 또는 수광 강도 분포로부터, 미리 정한 형상 또는 강도 분포를 갖게 하여 조사한 측정 매체광의 수광 위치를 찾아내고, 시료에 경사가 없으면 수광되어야 할 수광 위치와의 비교에 의거하여 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수단을 포함한다. 측정 매체광의 미리 정한 형상 또는 강도 분포는, 적어도, 측정 매체광의 시료에 대한 입사면에 수직한 방향에 관해 형상 또는 강도 분포를 갖으면 좋다.
시료에 대해 측정 매체광을 조사하여 반사광을 수광하고, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화를 검출함에 의해 해당 시료의 막두께 또는 막질을 구하는 계측 장치로서,
다양한 방위각도 성분을 포함하는 측정 매체광을 시료 표면에 집광하여 조사하는 투광측 광학계와,
다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단과 렌즈와 투과 위치에 의해 투과광 파장을 점차로 변화시키는 광간섭식의 분광 소자를 포함하고, 상기 분광 소자는 상기 광전 변환부 어레이 수단의 직전에 구비되고, 상기 렌즈와 상기 광전 변환부 어레이 수단의 상기 수광면과의 거리는 해당 렌즈의 초점거리와 거의 일치하도록 배치되어 시료로부터의 반사광을 상기 렌즈를 통하여 상기 광전 변환부 어레이 수단에 의해 수광하는 수광측 광학계와,
상기 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화량을 상기 분광 소자의 투과 파장에 대응시켜 해석하고 실측 분광 파형을 얻음과 함께, 상정한 막두께 및/또는 막질로부터 이론적으로 계산되는 이론 분광 파형을 산출하고, 상기 실측 분광 파형과 상기 이론 분광 파형과의 피팅에 의해 막두께 또는 막질을 구하는 연산부를 구비하고, 또한
상기 투광측 광학계에는, 상기 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 1의 특징화 수단이 포함되어 있고, 또한 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 2의 특징화 수단이 포함되어 있고,
상기 수광측 광학계에는, 상기 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하여 그것에 포함되는 상기 제 1의 특징화 수단에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단이 포함되어 있고, 상기 수광측 광학계에 포함되는 상기 렌즈와 경사 검출용 광전 변환부 어레이 수단의 상기 수광면과의 거리는, 해당 렌즈의 초점거리와 거의 일치하도록 설정되어 있고,
상기 연산 수단에는, 상기 광전 변환 어레이 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있고, 또한 상기 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있다.
측정 매체광의 미리 정한 형상 또는 강도 분포는, 측정 매체광의 진행 방향에 대해 수직인 동시에 입사면에 평행한 방향에 관해, 및 측정 매체광의 시료에 대한 입사면에 수직한 방향에 관해 형상 또는 강도 분포를 갖으면 좋다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 특징화 수단이 상기 측정 매체광의 단면(斷面) 윤곽중에서 시료의 경사 기준에 상당하는 부분을 에지 정형(整形)하는 단면 윤곽 정형 수단이다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 단면 윤곽 정형 수단에는, 슬릿, 애퍼처, 또는 나이프 에지가 적어도 포함되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 광원에 백색 광원이 사용되고 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 백색 광원이 LED 광원으로 되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 시료상의 스폿 지름이 1㎜ 이하로 되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 기재된 광전 변환부 어레이 수단으로서, 2차원 어레이 수단이 사용되고 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 이론 파형을 산출하는 연산부가, 상기 분 광 소자의 파장 분해능에 의한 오차를 해소하는 처리를 포함하고 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 시료 기판이 투명 기판인 경우, 연산부가 시료 기판의 이면으로부터의 반사한 광을 포함하는 반사율의 이론식에 의해, 이론 파형을 산출하는 처리를 포함하고 있다·
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 연산부가, 시료 기판이 투명 기판인지 불투명 기판인지를 입력할 수 있는 입력 수단을 갖는 것으로 되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 위상을 지연시키는 기능을 갖는 이상자를 회전하는 기구를 구비하고, 투광측 광학계에는 편광자가 포함되어 있고, 수광측 광학계에는 검광자가 포함되어 있는 것으로 되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 위상을 지연시키는 기능을 갖는 이상자를 상기 투광측 광학계에 구비하고 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 투광측 광학계로부터 조사되는 상기 측정 매체광에는 2 이상의 편광 성분이 포함되어 있고, 또한 상기 수광측 광학계에는 상기 각 편광 성분에 대응하는 2 이상의 광전 변환부 어레이 수단 및 상기 시료상의 막두께 계측점으로부터 도래하는 반사광을 각 편광 성분으로 분리하여 해당하는 광전 변환부 어레이 수단의 각각에 유도하기 위한 편광 분리 수단이 포함되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 시료의 색도(色度)를 계측하도록 구성되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 시료의 막두께를 계측하도록 구성되 어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 상기 시료의 막질을 계측하도록 구성되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 제조 라인에 배치되어 인라인으로 계측을 행하도록 구성되어 있다.
바람직한 실시의 형태에 있어서는, 제조 라인에 배치되고, 전수(全數) 검사하고, 기록하여 해석한 결과를 제조 라인 내의 장치에 피드백할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명의 분광 계측 장치에 의하면, 소형화를 실현함과 함께, 거리 편차나 수평방향 각도 편차나 수직방향 각도 편차에 대한 내성을 획득할 수 있고, 이로써 예를 들면 반도체 제조 프로세스나 FPD 제조 프로세스 등에 있어서의 인라인 계측에 알맞는 분광 계측 장치를 실현할 수 있다.
우선, 본 발명의 실시예의 위치 판정을 명확히 하기 위해, 종래의 분광 엘립소미터의 과제와 본 발명의 실시예와의 관계에 관해 설명한다.
[종래의 분광 엘립소미터의 과제]
(1) 제 1의 과제
분광 수단으로서, 회절 격자형의 분광 소자를 이용하기 때문에, 장치가 대형으로 되고, 인라인 계측에는 부적합하다.
(2) 제 2의 과제
거리 편차 및 각도 편차에 약하고, 인라인에서의 계측이 불가능하다.
[상기 과제와 본 발명의 실시예와의 관계]
(1) 제 1의 과제에 대한 해결책
제 1 실시예 내지 제 9 실시예에 나타낸 바와 같이 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 이용함으로써, 소형화를 실현하였다.
(2) 제 2의 과제에 대한 해결책
제 2 실시예 및 제 6 실시예에 도시한 거리 편차에 강한 광학계, 제 3 실시예 및 제 7 실시예에 도시한 수평 및 수직방향 각도 편차에 강한 광학계, 제 4 실시예 및 제 8 실시예에 도시한 거리 편차 및 수평 및 수직방향 각도 편차에 강한 광학계를 실현하고, 인라인 계측을 가능하게 하였다.
이하에, 본 발명에 관한 분광 계측 장치가 알맞는 실시의 형태를 첨부 도면에 따라 상세히 설명한다.
[제 1 실시예]
단입사각 분광 엘립소미터의 전체를 도시한 구성도가 도 1에 도시되어 있다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 이 엘립소미터(1)는, 센서 헤드부(2)와, 연산 처리부(3)와, 모니터·키보드·마우스 등의 HMI(Human Machine Interface)부(4)를 포함하고 있다. 또한, 도면에서는 5는 시료(예를 들면 반도체나 FPD 등)를 구성하는 기판, 5a는 기판(5)의 표면에 존재하는 측정 대상 박막이다. 이 도 1에 도시된 엘립소미터의 기본 구성은, 이하에 기술하는 제 1 내지 제 9 실시예의 전부에 공통으로 적용된다.
도 1에 도시된 기본 구성을 전제로 하여, 투과 위치에 의해 투과광 파장을 점차로 변화시키는 광간섭식의 분광 소자(이하, 경사막이라고 칭한다)를 이용함에 의해 소형화를 실현한 엘립소미터의 제 1 실시예를, 도 2 내지 도 15를 참조하면서 상세히 설명한다.
소형화 기술이 조립된 센서 헤드부(2)의 광학적 구성이 도 2에 도시되어 있다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 이 엘립소미터(1)는, 투광용 광학계와 수광용 광학계를 갖고 있다.
투광용 광학계는, 광원(도시한 예에서는 백색 광원)(301)과, 광원(301)으로부터 발하여진 광을 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(302)와, 콜리메이터 렌즈(302)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 편광자(303)와, 편광자(303)로부터 출사되는 광을 파장의 4분의1만큼 위상을 지연시키는 이상자(304)와, 이상자(304)를 회전시키는 구동 수단(305)과, 이상자 통과 후의 광을 집광하여 기판(시료)(5)의 박막(5a)의 막두께 측정점에 조사하는 집광 렌즈(306)를 포함하고 있다. 또한, 당업자에게는 잘 알려져 있는 바와 같이, 이상자(304)는, 구동 수단(305)으로부터의 동력을 받아서, 광축을 중심으로 하여 그 주위를 회전한다.
수광용 광학계는, 기판(5)에 조사된 측정 매체광의 반사광을 수광하여 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(수광 렌즈)(308)와, 콜리메이터 렌즈(308)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 검광자(309)와, 투과광 파장이 길이 방향의 각 위치에 따라 점차로 변화하는 광간섭식의 분광 소자인 경사막(311)과, 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향(지면(紙面)과 수직한 방향)으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(310)가 상당)을 포함하고 있다.
경사막(311)은, 광전 변환부 어레이 수단을 구성하는 1차원 CCD(310)의 수광면에 피착된 상태로 되고, 그 길이 방향이 1차원 CCD(310)의 화소열 방향과 정합(整合)하도록 방향 지어져 있다.
광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터는 연산 수단(도시한 예에서는 연산 처리부(3)가 상당)으로 보내지고, 이로써 측정 대상이 되는 박막(5a)의 막두께가 구하여진다.
연산 처리부(3)의 전기적 구성이 도 3에 도시되어 있다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 연산 처리부(3)는 투광부 제어 신호(s1)를 생성 출력하는 투광부 구동 회로(32)와, 1차원 CCD 출력 신호(s2)를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(33)와, 1차원 CCD 제어 신호(s3)를 생성 출력하는 C0D 구동 회로(34)와, 각종의 시스템 프로그램을 격납한 R0M(35)과, HMI부를 구성하는 키보드나 마우스와의 인터페이스로서 기능하는 입출력부(36)와, HMI부를 구성하는 디스플레이와의 인터페이스로서 기능하는 표시부(37)와, 그들의 구성 요소(32 내지 37)를 통괄 제어함과 함께, 후술하는 막두께 측정 연산 등을 실행하기 위한 CPU(31)를 포함하여 구성된다.
다음에, 이상의 구성으로 이루어지는 본 실시예의 작용을 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 모든 스토크스 파라미터(S0 내지 S3)를 구하는 것이 가능한 회전 이 상자법을 채용함에 의해, 고정밀도의 계측을 가능하게 하였다. 또한 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채용함에 의해, 회절 격자 후단의 렌즈 등을 생략하여 장치의 소형화를 실현하였다(도 4 참조).
도 2를 참조하면서, 막두께 측정을 위한 기본 동작을 설명한다. 광원(301)으로부터 발하여진 측정 매체광은, 콜리메이터 렌즈(302)·편광자(303)·이상자(304)를 통하여, 집광 렌즈(306)의 작용으로 측정 대상인 기판(5)상의 박막(5a)에 집광하여 조사된다. 시료의 막두께 측정점은, 입사광의 거의 집광 위치에 놓여진다. 이때, θ0 내지 θ1의 범위의 연속한 입사각 성분을 갖는 측정 매체광이 시료에 입사되게 된다.
집광 렌즈(306)를 통하여 입사된 측정 매체광은 시료에서 반사된다. 시료의 막두께 측정점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광중 입사각이 θ2의 광은, 콜리메이터 렌즈(308) 검광자(309)·경사막(311)을 통하여, 수광 렌즈(308)의 작용으로 1차원 CCD(310)의 수광면에 유도된다.
이로써, 1차원 CCD(310)로부터는 각 수광 소자(화소)의 수광량 데이터를 시리얼로 나열한 것에 상당하는 1차원 CCD 출력 신호(s2)가 송출된다. 이 1차원 CCD 출력 신호(s2)에 의거하여, 입사각(θ2)에 있어서의 파장에 따른 반사광 강도 분포가 관측된다. 이때 관측되는 반사광 강도 분포는, 파장에 따른 양이다.
구동 수단(이상자)(305)을 각도 x°씩 회전하고, 순차적으로 1차원 CCD 데이터를 계측한다. 구동 수단(이상자)(305)이 반회전(180°)분 회전한 곳에서, 이들을 연산 처리부(3)에서 처리함에 의해, 실측치의 위상차(△)와 진폭비(ψ)를 산출한 다. 동시에, 연산 처리부(3)에서 이론치의 위상차(△)와 진폭비(ψ)를 산출하고, 최후로, 실측치와 이론치를 대비함으로써 막두께를 구할 수 있다.
실측치의 위상차(△)와 진폭비(ψ)의 산출법을 이하에 나타낸다. 회전 이상자법에서는, 1차원 CCD(310)로 검출되는 광강도 파형(I)은 일반적으로 이하의 식으로 나타난다.
I=I0(1+α0cos2ωt+α1sin2ωt+α2cos4ωt+α3sin4ωt)
여기서 α0, α1, α2, α3는 규격화 프리에 급수, ωt는 이상자의 회전각을 나타내고 있다.
또한, 규격화 프리에 급수와 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)에는 일반적으로 이하의 관계식이 있다.
[수식 1]
Figure 112005067824512-pat00001
여기서 P는 편광자의 방위각, A는 검광자의 방위각, φ는 이상자의 위상차, λ는 파장을 나타낸다. 또한, 스토크스 파라미터(S0, S1, S2, S3)와 위상차(△) 및 진폭비(ψ)에는 일반적으로 이하의 관계식이 있다. 또한, p는 편광도를 나타낸다.
[수식 2]
Figure 112005067824512-pat00002
상기에 나타낸 식(1 내지 8)에서 실측치의 위상차(△) 및 진폭비(ψ)를 산출할 수 있다.
다음에, 이론치의 위상차(△)와 진폭비(ψ)의 산출법을 이하에 나타낸다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와같이, Si기판(702)상에 성막된 산화막(게이트 산화막 등)(701)의 막두께를 측정하는 경우, 상기한 바와 같이 하여, 공기(굴절율=N0)(700) 중에서 각도 θ0로 조사된 타원 편광 상태의 입사광은, 산화막(굴절율=N1)(701)표면에서 반사함과 함께, 그 대부분은 산화막(701) 내로 입사한다.
산화막(701) 내로 입사한 광은, Si기판(702) 계면(기판면)(굴절율=N2)에서 반사하여 산화막(701) 내로부터 공기(700)중으로 되돌아와, 산화막(701) 표면에서의 반사광과 편광 간섭한다. 상기와 같은 광에 관해, 각각 P편광 성분과 S편광 성 분을 계산하고, 각각의 위상차(△)와 진폭비(ψ)로부터 막두께가 산출된다.
Si기판(702)면에서의 P편광 성분(r1P)과, S편광 성분(r1S)은, 각각 이하의 식에 의해 계산된다.
r1P=(n2cosθ1-n1cosθ2)/(n2cosθ1+n1cosθ2)
r1 λS=(n1Cosθ1-n2cosθ2)/(n1cosθ1+n2cosθ2)
또한, 검출된 광의 p편광 성분(RP)과 S편광 성분(RS)은, 상기한 r1P, r1S와, 산화막(701)면에서의 반사광의 p편광 성분(r0P)과, S편광 성분(r0S)으로부터, 이하의 식에 의해 편광 상태가 계산된다.
RP=(r0P+r1Pexp(-2iδ))/(1+r0P·r1Pexp(2iδ))
RS=(r0S+r1Sexp(-2iδ))/(1+r0S·r1Sexp(2iδ))
다만, (δ=2πn1dcosθ1/λ)
최종적으로,
RP/RS=tan(ψ)·exp(i△) ‥‥‥‥ 식(9)
를 이용하여, △와 Ψ을 각 파장에 관해 계산함으로써, 파장 의존 스펙트럼을 얻을 수 있다. 그리고, 산화막(701)의 막두께값(d)을 파라미터로 하고, 실측 스펙트럼과, 후술하는 경사막의 반값폭 보정 처리 후의 이론 스펙트럼(테이블 데이터)을 비교함으로써, 막두께값(d)을 산출할 수 있다. 또한, 도 6에서는 단층막으로 한정하여 RP, RS를 도출하고 있지만, 도 7에 도시된 바와 같이, 다층막에 대응하는 이론식도 도출 가능하고, 다층막의 막두께나 굴절율 측정도 가능하다.
연산 처리부(3)의 CPU(31)에 있어서의 막두께의 계산 처리법으로서는, 커브 피팅법을 이용할 수 있다. 커브 피팅법이란, 미리 계산하여 테이블로서 기억하여 둔 각 막두께에 대한 후술하는 경사막 반값폭 보정 처리 후의 이론치의 위상차(△), 진폭비(ψ)의 파형 데이터(테이블 데이터)와 측정한 수광량 데이터로부터 산출한 실측치의 위상차(△), 진폭비(ψ)의 파형 데이터를 비교하고, 최소제곱법에 의해 가장 오차가 적은 데이터를 추출하고, 그 파형 데이터의 막두께를 측정 대상으로 되어 있는 박막의 막두께로 하는 방법이다. 막두께의 계산 처리법으로서는, 그밖에도 극치 탐색법 또는 위상차(△), 진폭비(ψ)에 무게 부여를 하는 막두께의 계산 방법을 이용하는 것도 가능하다.
미리, 측정 대상이 되는 박막의 굴절율(n), 및 r0, r1을, 키보드 등의 입출력부로부터 입력하면, 연산부에서는, 입사각(θ)으로, 막두께(d) 및 파장(λ)의 각 값에 대한 위상차(△), 진폭비(ψ)의 값을 연산하고, 이들을 연산부 내의 메모리에 테이블로서 보존한다. 이와 같은 테이블의 예를, 도 8 및 도 9에 도시한다.
다음에 커브 피팅의 상세를 기술한다. 우선, CPU(31)는, A/D 변환부(33)로부터 디지털화된 측정 데이터를 취득하고, 실측치의 위상차(△ex)(λ), 진폭비(ψex)(λ)를 산출한다(STEP 1). 다음에, 막두께(d)를 최소 막두께(dx)로 하고(STEP 2), 도 8 및 도 9의 이론 테이블을 이용하여, 막두께(d)=dx에 있어서의 이론치의 위상차(△dx)(λ), 진폭비(ψdx)(λ)와 실측치의 위상차(△ex)(λ), 진폭비(ψex)(λ)와의 차의 제곱 [△ex(λ)-△dx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2를 파장 범위 λp부터 λq까지, △λ씩 계산하고, 그 합
평가식 P(d)=Σ([△ex(λ)-△dx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2)를 구하고(STEP 3), 메모리 내에 기억하여 둔다. 또한, 피팅에 있어서의 평가식 (d)은 이론치와 실측치의 차를 나타내는 것이면 이 이외라도 좋다.
이와 같이 하여, 막두께(d)가 최대 막두께(dy)에 달할 때까지 막두께(d)의 값을 순차적으로 △d씩 증가시키면(STEP 5), 그때의 막두께에 있어서의 이론 데이터와 측정 데이터의 차의 제곱합을 구하고(STEP 3) 메모리 내에 기억한다.
이렇게 하여, 최대 막두께(dy)까지 제곱합의 계산이 종료되면(STEP 5에서 YES의 경우), 메모리에 기억하여 둔 막두께 범위(dx 내지 dy)에 있어서의 제곱합 P(dx) 내지 P(dx)중에서 최소의 값을 취하는 제곱합 P(dz)를 추출하고(STEP 6), 이때의 막두께(dz)를 측정 막두께로 한다(STEP 7).
또한, 상기에서는 불투명 기판을 상정하고, 기판의 이면으로부터의 반사는 고려하지 않지만, 투명 기판에서는 이면으로부터의 반사를 고려할 필요가 있다. 이와 같은 경우에는, 도 6과 같이, 이론식도 도출 가능하고, 이 이론식을 이용하면 상기한 바와 마찬가지로, 투명 기판에 있어서의 다층막의 막두께나 막질 측정도 가능하다. 단, 도 6중의 r은, 도 5에서 나타낸 반사광(r)을 나타낸다.
여기서, 본 발명에서 이용하는 경사막에 관해 설명한다. 예를 들면, 경사막 에 대해 파장 450㎚의 광을 입사하고, 1차원 CCD로 수광하면, 수광 파형은 도 11과 같이 된다. 즉, 수광 파형은 파장 분해능의 오차에 의해, 어느 정도의 반값폭(h)을 갖게 된다. 반값폭(h)은, 최대 수광량의 높이(도면에서는 라인)에 있어서의 폭을 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 경사막의 특성으로서 반값폭(h)은 파장 특성을 갖는다. 그 결과, 이론치와 실측치를 대비하여 막두께를 구할 때에는, 경사막의 파장 분해능의 오차를 해소하는 처리가 필요하게 되어 온다. 이 처리를 「반값폭 보정」이라고 칭한다.
다음에, 도 8 및 도 9에 도시한 테이블의 작성 방법을 기술한다. 이론치의 위상차(△), 진폭비(ψ)의 반값폭 보정 방법은 이하와 같다. 우선, 이하의 식(10) 내지 (12)를 이용하여, 보정 전의 스토크스 파라미터(S1, S2, S3)를 구한다. 또한, 이하의 식은, 회전 이상자법에서 이용되는 일반적인 식이다.
S1=-cos2ψ ‥‥ 식(10)
S2=-=sin2ψcos△ ‥‥ 식(11)
S3=-sin2ψsin△ ‥‥ 식(12)
보정 전의 S1, S2, S3에 대해, 도 12에 도시한 경사막의 반값폭(h)과 도 13에 도시한 로렌츠 함수 f(x)에 의해 수광량 데이터의 주목(注目) 파장(α)마다 무게 부여를 행한다. 이하에 보정 후 S1, S2, S3의 산출식을 나타낸다. 여기서, x는 수광량 데이터의 임의의 파장을 나타낸다. 또한, 여기서는 로렌츠 함수를 이용하여 경 사막의 파장 분해능의 오차를 해소하고 있지만, 경사막의 파장 분해능의 오차를 해소하는 반법이라면 이 이외라도 좋다.
[수식 3]
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상기에서 구한 보정 후의 스토크스 파라미터(S1, S2, S3)로부터 식(10) 내지 (12)에 의해 재차 이론치의 위상차(△), 진폭비(ψ)를 산출하고, 이것을 테이블 데이터로서, 메모리에 격납한다. 반값폭 보정을 한 결과를 도 14 및 도 15에 도시한 다.
또한, 본 실시예에서는 이하의 응용예가 있다. 이들의 응용예는 후술하는 제 2 내지 9 실시예에도 적용할 수 있다.
(응용예 1)
광원에 백색 광원 이외의 LED를 이용하는 것도 가능하다. 복수의 LED를 이용함으로써, 백색 광원과 동등한 넓은 파장대를 실현할 수 있고, 광원으로서의 수명이 대폭적으로 늘어나고, 본 발명 장치의 메인터넌스성이 올라가고, 보다 인라인 계측에 유효해진다.
(응용예 2)
광전 변환부 어레이 수단에 1차원 CCD 이외의 2차원 CCD를 이용하는 경우를 고려한다. 1차원 CCD에서는, 입사각은 거의 변화하지 않고, 파장은 변화하는데 대해, 2차원 CCD에서는 입사각과 파장이 각각 독립으로 변화한다. 즉, 2차원 CCD의 경우 또한 정보량이 많아지고 보다 고정밀 계측이 가능해진다.
[제 2 실시예]
거리 편차 대책이 조립된 분광 엘립소미터의 실시예를, 도 16 내지 도 27을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예의 단입사각 분광 엘립소미터의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도, 막두께 측정을 위한 기본 동작은, 도 1이나 도 3 등을 참조하면서 제 1 실시예에서 나타낸 바와 같다.
거리 편차 대책이 조립된 센서 헤드부(2)의 광학적 구성이 도 16에 도시되어 있다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 이 엘립소미터(1)는, 투광용 광학계와 수광용 광학계를 갖고 있다.
투광용 광학계는, 광원(도시한 예에서는 백색 광원)(301)과, 광원(301)으로부터 발하여진 광을 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(302)와, 콜리메이터 렌즈(302)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 편광자(303)와, 편광자(303)로부터 출사되는 광을 파장의 4분의1만큼 위상을 지연시키는 이상자(304)와, 이상자(304)를 회전시키는 구동 수단(305)과, 이상자 통과 후의 광을 집광하여 기판(시료)(5)의 박막(5a)의 막두께 측정점에 조사하는 집광 렌즈(306)를 포함하고 있다.
수광용 광학계는, 기판(5)에 조사된 측정 매체광의 반사광을 수광하여 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(수광 렌즈)(308)와, 콜리메이터 렌즈(308)로부터 출사된 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 검광자(309)와, 투과광 파장이 길이 방향의 각 위치에 따라 점차로 변화하는 광간섭식의 분광 소자인 경사막(311)과, 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향(지면과 수직한 방향)으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(310)가 상당)을 포함하고 있다. 경사막(311)은, 광전 변환부 어레이 수단을 구성하는 1차원 CCD(310)의 수광면에 피착된 상태로 되고, 그 길이 방향이 1차원 CCD(310)의 화소열 방향과 정합하도록 방향지어져 있다.
더하여, 수광측 광학계에 포함되는 렌즈(도시한 예에서는 수광 렌즈가 상당)와 광전변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD가 상당)의 수광면과의 거리는, 해당 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하도록 설정되어 있다.
광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터는 연산 수단(도시한 예에서는 연산 처리부(3)가 상당)으로 보내지고, 이로써 측정 대상이 되는 박막(5a)의 막두께가 구하여진다.
본 실시예의 센서 헤드부의 큰 특징으로서는, [1] 회전 이상자법의 분광 엘립소미터를 채용한 것, [2] 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채용한 것, [3] 수광 렌즈에 대해 후방 초점거리에 1차원 CCD를 배치한 것, [4] 투광측 광학계에, 이상자를 배치한 것을 들 수 있다. [1], [2], 및 [4]에 관해서는, 제 1 실시예에서 나타낸 바와 같기 때문에 할애한다.
이하에, [3]의 점을 상세히 설명한다. [3]의 특징은, 요컨대, (1) 수광 렌즈(308)와 1차원 CCD(310)의 수광면이 평행한 것, 및 (2) 수광 렌즈(308)와 1차원 CCD(310)의 수광면과의 거리가, 수광 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하고 있는 것으로서, 환언하면, 수광 렌즈(308)에 대해 시료(기판(5))측을 전방, 1차원 CCD(310)측을 후방이라고 정의하면, 1차원 CCD(310)의 수광면의 위치는 수광 렌즈(308)의 거의 후방 초점 위치라고 표현할 수 있다. 그리고, 이와 같은 배치에 의하면, 거리 편차의 영향을 받지 않는 광학계를 실현할 수 있다.
거리 편차 대책의 작용 설명도가 도 17에 도시되어 있다. 지금 가령, 집광 렌즈(306)로부터의 광속중에서, 광축을 통과하는 광선을 L1이라고 정의한다. 또한, 기준 높이(Href)에 있는 때의 기판을 부호 5(박막을 5a), 또한 거리 편차에 의해 하강한 때의 기판을 부호 5'(박막을 5a')라고 한다. 또한, 광선(L1)이 기판(5)에서 반사된 반사광선을 부호 L11, 기판(5')에서 반사된 반사광선을 L12라고 한다. 또 한, 1차원 CCD(310)의 수광면상에 있어서의 반사광선(L11, L12)의 입사점을 P1이라고 한다.
그러면, 도면으로부터 분명한 바와 같이, 동일한 입사광선(L1)에 관해서는, 거리 편차에 의해 기판이 상하 이동하였다고 하여도, 대응하는 반사광(L11, L12)에 관해서는, 1차원 CCD(310)의 수광 화상의 동일한 입사점(P1)에 입사하는 것이 이해될 것이다.
상술한 거리 편차에 의한 영향을 해소하는 작용은, 이하의 원리에 의거한 것이다. 스넬의 법칙에 의하면, 입사광의 각도와 시료의 법선 방향이 결정되면, 반사각은 일의적으로 결정되는 것이 알려져 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 입사각(θ)으로 시료에 광선(L1)이 입사하고 있는 상황을 고려하면, 이때에 거리 편차에 의해 시료의 상하 변동(△L)이 생겼다고 하여도, 입사광선(L1)의 각도(θ)와 시료의 법선(Lo1, Lo2, Lo3, 104)의 방향은 변화하지 않기 때문에, 반사각도 변화하지 않는 것을 알 수 있다. 그러나, 거리 편차가 생기면, 반사면의 평행 이동에 수반하여, 반사하는 점이 P11, P12, P13, P14와 같이 이동하기 때문에, 반사광선(L11, L12, L13, L14)도 평행하게 이동한다.
여기서, 각각 다른 입사각(θ1, θ3, θ2)을 갖는 3개의 입사광선(L1, L3, L2)을 상정한다. 이때, 거리 편차(기준 높이의 기판(5), 하강 위치의 기판(5'), 상승 위치의 기판(5"))가 생기면, 도 19 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 각 입사광선(L1, L3, L2)의 각각에 관해, 평행한 3개의 반사광선((L10, L11, L12), (L30, L31, L32), (L20, L21, L22))이 생긴다.
앞서 기술한 바와 같이, 수광 렌즈와 1차원 CCD의 수광면과의 거리는, 수광 렌즈(308)의 초점거리(f)와 거의 일치시키고 있기 때문에, 도 22에 도시된 바와 같이, 그들 3조(組)의 평행 광선((L10, L11, L12), (L20, L21, L22), (L30, L31, L32))은, 1차원 CCD(310)의 수광 화상의 3점인 P1, P2, P3에 수속(收束)하게 된다. 즉, 거리 편차가 생겼다고 하여도, 1차원 CCD(310)의 출력 신호(s2)를 통하여 관측되는 파형에 따른 반사광 강도 분포는 변화하지 않기 때문에, 정상적인 막두께 측정이 가능해지는 것이 이해될 수 있을 것이다.
단지, 수광 렌즈(308)에는 수차(收差)가 있는 것이 보통이기 때문에, 가령 수광 렌즈(308)와 1차원 CCD(310)의 수광면(310a)이 평행하고, 또한 양자의 거리가 수광 렌즈의 초점거리(f)와 완전하게 일치하였다고 하여도, 도 23에 도시된 바와 같이, 각 조의 평행 광선의 집광점은, 엄밀한 의미에서는 수광면상의 1점에 수속하지 않는다. 『~ 초점거리(f)와 거의 일치 ~』라고 표현한 것은, 이것을 의식하였기 때문이다.
본 발명과는 달리, 수광측 광학계에 이상자(304A)를 배치하고, 거리 편차가 있는 경우를 도 24에 만약을 위해 도시한다. 지금 가령, 집광 렌즈(306)로부터의 광속중에서, 광축의 광선을 L1이라고 정의한다. 또한, 기준 높이(Href)에 있는 때의 기판을 부호 5(박막을 5a), 또한 거리 편차에 의해 하강한 때의 기판을 부호 5'(박막을 5a')라고 한다. 또한, 광선(L1)이 기판(5)에서 반사되어 콜리메이트 렌즈(308)를 통과한 직후의 광선을 부호 L11, 기판(5')에서 콜리메이트 렌즈(308)를 통과한 직후의 광선을 L12'라고 한다. 또한, 광선(L11)이 이상자(304A)를 통과한 직후의 광선을 L11", 광선(L12)가 이상자(304A)를 통과한 직후의 광선을 L12'라고 한다.
도 24로부터, 광선(L12)이 이상자(304A)에 입사하는 각도(θ1)와 광선(L11)이 이상자(304A)에 입사하는 각도(θ2)는 동등하지 않은 것을 알 수 있다. 일반적으로 이상자는, 입사각 의존성을 갖기 때문에, L11'와 L12'에 있어서의 편광 상태도 달라진다. 따라서, 수광측 광학계에 이상자를 배치하고, 거리 편차에 강한 광학계는 실현할 수 없는 것을 알 수 있다.
수광측 광학계에 이상자를 배치하고, 각도 편차가 있는 경우를 도 25에 도시한다. 지금 가령, 집광 렌즈로부터의 광속중에서, 기준 각도(A1)에 있는 때의 CCD(310)에 입사하는 광선을 L1, 각도(A2)에 있는 때의 CCD(310)에 입사하는 광선을 L2라고 한다. 또한, 광선(L1)이 기준 각도(A1)에 있는 때의 기판(5)에서 반사된 광선을 L11, 광선(L2)이 각도(A2)에 있는 때의 기판(5)에서 반사된 광선을 L21이라고 한다. 이때, 광선(L11)과 광선(21)은 일치한다. 즉, CCD(310)에 입사되는 광선은 각도 편차가 없는 경우와 각도 편차가 있는 경우에서는 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 그 결과, 이상자에 입사하는 각도도 동등하게 되고 편광 상태도 동등하게 된다. 따라서, 수광측 광학계에 이상자(304A)를 배치하는 경우, CCD(310)에 입사한 광선의 입사각을 산출할 수 있다면, 각도 편차에 강한 광학계는 실현할 수 있다.
상기로부터 수 북쪽 광학계에 이상자(304A)를 배치하는 경우, 각도 편차에 강한 광학계는 실현할 수 있지만, 거리 편차에 강한 광학계는 실현할 수 없는 것을 알 수 있다. 즉, 각도 편차 및 거리 편차의 쌍방에 강한 광학계는 실현할 수 없기 때문에, 인라인 계측은 불가능하다.
다음에, 투광측 광학계에 이상자를 배치하고, 거리 파타츠키가 있는 경우를 도 26에 도시한다. 지금 가령, 기준 높이(Href)에 있는 때의 기판을 부호 5(박막을 5a), 또한 거리 편차에 의해 하강한 때의 기판을 부호 5'(박막을 5a')라고 한다. 또한, 부호 5에서 반사한 광선을 L1, 부호 5'에서 반사한 광선을 L2라고 한다.
동 도면으로부터, 거리 편차가 없는 경우와 거리 편차가 있는 경우에서는, 이상자(304)에 입사하는 광선은 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 거리 편차가 없는 경우와 거리 편차가 있는 경우에서는, 편광 상태도 동등하다. 따라서 투광측 광학계에 이상자를 배치하는 경우, 거리 편차에 강한 광학계를 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예의 응용예는 제 1 실시예에 나타낸 응용예를 적용할 수 있다.
[제 3 실시예]
다음에, 각도 편차가 조립된 엘립소미터의 실시예를, 도 27 내지 도 29를 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예의 단입사각 분광 엘립소미터의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도, 막두께 측정을 위한 기본 동작은 제 1 실시예(도 3, 도 5 등)에서 나타낸 바와 같다.
각도 편차 대책이 조립된 센서 헤드부의 광학적 구성이 도 28에 도시되어 있다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 이 엘립소미터는, 투광용 광학계와 수광용 광학계를 갖고 있다.
투광용 광학계는, 광원(도시한 예에서는 백색 광원)(301)과, 광원(301)으로부터 발하여진 광을 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(302)와, 콜리메 이터 렌즈(302)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 편광자(303)와, 편광자(303)로부터 출사되는 광을 파장의 4분의1만큼 위상을 지연시키는 이상자(304)와, 이상자(304)를 회전시키는 구동 수단(305)과, 이상자 통과 후의 광을 집광하여 기판(시료)(5)의 박막(5a)의 막두께 측정점에 조사하는 집광 렌즈(306)를 포함하고 있다.
수광용 광학계는, 기판(5)에 조사된 측정 매체광의 반사광을 수광하여 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(수광 렌즈)(308)와, 콜리메이터 렌즈(308)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 검광자(309)와, 투과광 파장이 길이 방향의 각 위치에 따라 점차로 변화하는 광간섭식의 분광 소자인 경사막(311)과, 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향(지면과 수직한 방향)으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(310)가 상당)을 포함하고 있다. 경사막(311)은, 광전 변환부 어레이 수단을 구성하는 1차원 CCD(310)의 수광면에 피착된 상태로 되고, 그 길이 방향이 1차원 CCD(310)의 화소열 방향과 정합하도록 방향지어져 있다.
더하여, 수광측 광학계에 포함되는 렌즈(도시한 예에서는 수광 렌즈가 상당)와 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD가 상당)의 수광면과의 거리는, 해당 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하도록 설정되어 있다.
광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터는 연산 수단(도시한 예에서는 연산 처리부(3)가 상당)으로 보내지고, 이로써 측정 대상이 되는 박막(5a)의 막두께가 구하여진다.
또한, 투광측 광학계에는, 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 1의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 제 1의 슬릿(313A)이 상당)이 포함되어 있고, 또한 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 2의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 제 2의 슬릿(313B)이 상당)이 포함되어 있다.
또한, 상기 수광용 광학계에는, 상기 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하여 그것에 포함되는 상기 제 1의 특징화 수단에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단(도면에서는 1차원 CCD(314))가 포함되어 있다.
또한, 연산 수단에는, 제 1의 광전 변환 수단에 의해 검출된 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단과, 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있다. 또한, 연산 처리부(3)에 있어서의 막두께 측정을 위한 상세한 처리에 관해서는, 제 1 실시예에서 설명한 바와 같다.
본 실시예의 센서 헤드부의 큰 특징으로서는, (1) 회전 이상자법의 분광 엘 립소미터를 채용한 것, (2) 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채용한 것, (3) 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단을 배치한 것, (4) 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단을 배치한 것, (5) 투광측 광학계에, 이상자를 배치한 것을 들 수 있다.
(1), (2)에 관해서는, 제 1 실시예에서 나타낸 바와 같기 때문에 할애한다. 이하에, (3) 및 (4)의 점에 관해 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이런 종류의 엘립소미터에서 각도 편차가 생기면, 1차원 CCD를 통하여 관측되는 파형의 화소열 방향 양단(兩端)이 기준 위치로부터 어긋난다. 이 상태에서는 연산 처리부에서 정상적으로 파형 처리를 행할 수 없기 때문에, 이것을 막두께 측정을 위한 연산 처리에 앞서 1차원 CCD에서 수광되는 광선의 시료에 대한 입사각을 정확하게 산출할 필요가 있다.
(3) 및 (4)의 점에 관해서는, 도 28에 도시한 바와 같이, (1) 집광 렌즈의 입사측에 에지 정형 수단으로서 기능하는 슬릿판(313)이 배치되어, 입사광의 단면(斷面)이 에지 정형되어, 주로 수평방향 각도 편차를 검지하기 위한 기준 광축(Lref0, Lref1) 및 주로 수직방향 각도 편차를 검지하기 위한 기준 광축(Lref2, Lref3)이 특징지어져 있는 것, (2) 반사광의 기준 광축(Lref0', Lref1')의 도달점(Pref0, Pref1)이 1차원 CCD(314)를 통하여 검출되는 것, (3) 반사광의 기준 광축(Lref2', Lref3')의 도달점(Pref2, Pref3)이 1차원 CCD(310)를 통하여 검출되는 것 , (4) 검출된 입사점(Pref0, Pref1)에 의거하여, 1차원 CCD(314)로부터의 출력 신호(s2)에 포함되는 시료의 주로 수평방향 각도 편차에 의한 오차 성분이 수정되는 것, (5) 검출된 입사점(Pref0, Pref1)에 의거하여, 1차원 CCD(310)로부터의 출력 신호(s2)에 포함되는 시료의 주로 수직방향 각도 편차에 의한 오차 성분이 수정되는 것에 관련된다.
여기서, 「주(主)로」라고 기술하고 있는 것은, 수평방향 각도 편차 및 수직방향 각도 편차가 생긴 경우에는, 도달점(Pref0, Pref1)은 수직방향 각도 편차에 의한 영향을 받아 다소나마 변동하고, 마찬가지로, 도달점(Pref2, Pref3)도 수평방향 각도 편차에 의한 영향을 받아 다소나마 변동하기 때문이다.
즉, 투광 광학계에 배치된 에지 정형 수단으로서의 슬릿판(313)에는, 도 29(a)에 도시된 바와 같이, 그 중앙부에 직사각형 개구(313a)가 형성되어 있고, 이 직사각형 개구(313a)의 상하 연부(313b, 313c)에 의해 입사각 범위(θ0 내지 θ1)가 결정되고, 환언하면, 측정 매체광중에 2개의 기준 광축(Lref0, Lref1)이 특징지어진다.
이들 2개의 기준 광축(Lref0, Lref1)은, 시료에서 반사되어 반사광의 기준 광축(Lref0', Lref1')으로 되고, 1차원 CCD의 수광면상의 화소 위치(Pref0, Pref1)에 입사된다. 이들 입사점의 화소 좌표(RrefO, Rref1)는, 일차원 CCD(314)의 출력 신호를 예를 들면 암(暗)레벨 상당의 임계치로 2치화함으로써, 용이하게 검출할 수 있다.
따라서 상하 연부(313b, 313c)에 있어서의 입사각을 1차원 CCD(314)의 각 화 소를 통하여 관측하고, 기준 위치로부터의 화소 위치의 어긋남을 봄으로써, 주로 수평방향 각도 편차를 검출하고, 또한 1차원 CCD(310)에 입사하는 광선의 입사각을 결정할 수 있다. 여기서 기준 위치란, 도 28에서 Pref0 Pref1로 도시된 바와 같이, 각도 편차가 존재하지 않는 상태에서 측정한 화소 위치인 것이다.
마찬가지로, 직사각형 개구(313a)의 좌우 연부(313d, 3l3e)에 의해 입사각 범위가 결정되고, 환언하면, 측정 매체광에 2개의 기준 광축(Lref2, Lref3)이 특징지우게 된다.
이들 2개의 기준 광축(Lref2, Lref3)은, 시료에서 반사되어 반사광의 기준 광축(Lref2', Lref3')으로 되고, 1차원 CCD(310)의 수광면상의 화소 위치(Pref2, Pref3)에 입사된다. 이들 입사점의 화소 좌표(Rref2, Rref3)는, 1차원 CCD(310)의 출력 신호를 예를 들면 암레벨 상당의 임계치로 2치화함으로써, 용이하게 검출할 수 있다.
따라서 좌우 연부(313d, 313e)에 있어서의 1차원 CCD(310)의 각 화소를 통하여 관측하고, 기준 위치로부터의 화소 위치의 어긋남을 봄으로써, 주로 수직방향 각도 편차를 검출하고, 또한 1차원 CCD(1)에 입사하는 광선의 입사각을 결정할 수 있다. 여기서 기준 위치란, 도 28에서 Pref2, Pref3로 도시된 바와 같이, 각도 편차가 존재 하지 않는 상태에서 측정한 화소 위치인 것이다.
수평방향 각도 편차 및 수직방향 각도 파타키가 생긴 경우에는, 엄밀하게는, 도달점(Pref0, Pref1, Pref2, Pref3)은 각각, 수평방향 각도 편차 및 수직방향 각도 편차에 의한 영향을 받는다.
이하에, 수평방향 각도 편차 및 수직방향 각도 편차가 생긴 경우의 1차원 CCD(310)에서 수광되는 광선의 시료에 대한 입사각의 산출법을 나타낸다.
수평방향 각도 편차를 θ1, 수직방향 각도 편차를 Q2, 1차원 CCD(1)에서 기준 위치로부터의 화소 위치 어긋남을 P1, 1차원 CCD(2)에 있어서의 기준 위치로부터의 화소 위치 어긋남을 P2라고 하면,
P1=F(θ1, θ2) ‥‥ 식(16)
P2=G(θ1, θ2) ‥‥ 식(17)
로 표시된다. 즉, 식(16), 식(17)의 연립 방정식을 풀음에 의해, θ1, θ2를 산출할 수 있다. 또한, θ1, θ2를 산출하는 방법은, 피팅 등의 수치 해석 등을 이용하여도 좋다. 그리고, θ1, θ2로부터 수학적으로 본 실시예의 광선을 추적함으로써, 1차원 CCD로 수광되는 광선의 시료에 대한 입사각을 산출할 수 있다. 환언하면, 수평방향 및 수직방향 각도 파타츠키를 검지함으로써, 1차원 CCD에서 수광되는 광선의, 보다 정확한 입사각을 산출할 수 있다. 그 결과, 정확한 막두께 측정이 가능하게 되고, 수평방향 각도 편차 및 수직방향 각도 편차에 강한 광학계를 실현할 수 있다.
또한, 이 예에서는, 에지 정형 수단(슬릿판)은 집광용 렌즈 부근의 광원측에 배치 되어 있지만, 렌즈 부근의 기판측에 배치하여도 같은 작용을 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 기준 광축 특징지움을 위한 에지 정형 수단으로서 슬릿판을 사용하였지만, 이에 대신하여, 도 29(b)에 도시된 애퍼처판(313') 등의 다른 에지 정형 수단을 채용하여도 좋다. 그리고, 313a'는 애퍼처이다.
다음에, [5]의 점에 관해 설명한다. 투광측 광학계에 이상자(304)를 배치하고, 각도 편차가 있는 경우를 도 27에 도시한다. 지금 가령, 집광 렌즈로부터의 광속중에서, 기준 각도(A1)에 있는 때의 CCD(310)에 입사하는 광선을 L1, 각도(A2)에 있는 때의 CCD(310)에 입사하는 광선을 L2라고 한다. 또한, 광선(L1)이 기준 각도(A1)에 있는 때의 기판에서 반사된 광선을 L11, 광선(L2)이 각도(A2)에 있는 때의 기판에서 반사된 광선을 L21이라고 한다. 이때, 광선(L11)과 광선(L21)은 일치한다. 또한, 광선(L1)과 광선(L2)은 평행 광임에 의해, 이상자에 입사하는 각도도 동등하게 되고 편광 상태도 동등하개 된다. 따라서, 수광 측 광학계에 이상자를 배치하는 경우, 각도 편차에 강한 광학계는 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예의 응용예는 제 1 실시예에 나타난 응용예를 적용할 수 있다.
[제 4 실시예]
거리 편차 및 각도 편차가 조립된 엘립소미터의 실시예를, 도 30 내지 도 33을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예의 단입사각 분광 엘립소미터의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도, 막두께 측정을 위한 기본 동작은 제 1 실시예에서 나타낸 바와 같다.
동 도 30에 도시된 바와 같이, 이 엘립소미터는 투광용 광학계와 수광용 광학계를 갖고 있다.
투광용 광학계는, 광원(도시한 예에서는 백색 광원)(301)과, 광원(301)으로부터 발하여진 광을 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(302)와, 콜리메이터 렌즈(302)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 편광자(303)와, 편광자(303)로부터 출사되는 광을 파장의 4분의1만큼 위상을 지연시키는 이상자(304)와, 이상자(304)를 회전시키는 구동 수단(305)과, 이상자 통과 후의 광을 집광하여 기판(시료)(5)의 박막(5a)의 막두께 측정점에 조사하는 집광 렌즈(306)를 포함하고 있다.
수광용 광학계는, 기판(5)에 조사된 측정 매체광의 반사광을 수광하고 콜리메이트 광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(수광 렌즈)(308)와, 콜리메이터 렌즈(308)로부터 출사되는 콜리메이트 광의 어떤 편광 성분만을 통과시키는 검광자(309)와, 투과광 파장이 길이 방향의 각 위치에 따라 점차로 변화하는 광간섭식의 분광 소자인 경사막(311)과, 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향(지면과 수직한 방향)으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(310)가 상당)을 포함하고 있다. 경사막(311)은 광전 변환부 어레이 수단을 구성하는 1차원 CCD(310)의 수광면에 피착된 상태로 되고, 그 길이 방향이 1차원 CCD(310)의 화소열 방향과 정합하도록 방향지어져 있다.
수광측 광학계에 포함되는 렌즈(도시한 예에서는 수광 렌즈가 상당)와 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD가 상당)의 수광면과의 거리는, 해당 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하도록 설정되어 있다.
광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터는 연산 수단(도시한 예에서는 연산 처리부(3)가 상당)으로 보내지고, 이로써 측정 대상이 되는 박막(5a)의 막두께가 구하여진다.
투광측 광학계에는, 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심 축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 1의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 제 1의 슬릿(313A)이 상당)이 포함되어 있고, 또한 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 2의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 제 2의 슬릿(313B)이 상당)이 포함되어 있다.
수광측 광학계에는 상기 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하고 그것에 포함되는 상기 제 1의 특징화 수단에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단(도면에서는 1차원 CCD(314))이 포함되어 있다.
연산 수단에는, 제 1의 광전 변환 수단에 의해 검출된 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단과, 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있다. 또한, 연산 처리부(3)에 있어서의 막두께 측정을 위한 상세한 처리에 관해서는, 제 1 실시예에서 설명한 바와 같다.
본 실시예의 센서 헤드부의 큰 특징으로서는, (1) 회전 이상자법의 분광 엘립소미터를 채용한 것, (2) 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채 용한 것, (3) 수광 렌즈에 대해 후방 초점거리에 제１의 광전 변환 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(1)가 상당)을 배치한 것, (4) 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단을 배치한 것, (5) 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단을 배치한 것, (6) 경사 검출용 광전 변환 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(314)가 상당)의 수광 화상에 초점이 오도록, 경사 검출용 광전 변환 어레이 수단을 배치한 것, (7) 투광측 광학계에, 이상자를 배치한 것을 들 수 있다.
(1), (2)에 관해서는 제 1 실시예, (3)에 관해서는 제 2 실시예, (4), (5)에 관해서는 제 3 실시예, (7)에 관해서는 제 2·3 실시예에서 나타낸 바와 같기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다.
이하에, (6)의 점에 관해 설명하기 전에, 거리 및 각도 편차 대책을 병용하는 경우의 작용을 설명한다. 거리 및 수평방향 각도 편차 대책을 병용하는 경우의 작용 설명도(그 1 내지 그 3)가 도 31 내지 도 33에 도시되어 있다. 도 31 내지 도 33은, 본 실시예(도 30)에서의 1차원 CCD(314)를 생략한 도면이다·
우선, 도 19 내지 도 22를 참조하여 설명한 바와 같이, 수광 렌즈(308)와 1차원 CCD(301)의 수광면(315)과의 광로상의 거리가, 수광 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하는 것으로 되는 조건이 만족되는 한, 수광 렌즈(310)에 입사되는 평행 광선은 1차원 CCD(310)의 수광 평면(315)상의 1점에 집광하여 입사된다.
여기서, 도 31 내지 도 33을 참조하여 분명한 바와 같이, 수평방향 어긋난 각(△θ)이 일정한 한, 거리 바타츠기의 유무에 관계없이, 각 높이 위치(상승 높이, 기준 높이, 하강 높이)에 있는 기판(5", 5, 5')으로부터의 3조의 반사광((L10, L11, L12), (L20, L21, L22), (L30, L31, L33))은 어느 조에서도 서로 평행한 관계를 유지하고 있다.
그 때문에, 이 실시예에서도, 입사광(L1, L2, L3)에 대한 반사광((L10, L11, L12), (L20, L21, L22), (L30, L31, L33))은, 1차원 CCD(310)의 수광 평면상의 3점(P1, P2, P3)에 반드시 집광되기 때문에, 거리 편차에 의한 영향이 받지 않는 광학계를 실현할 수 있다.
마찬가지로, 수직방향 각도 어긋남에 관해서도, 수광 렌즈(308)와 1차원 CCD(310)의 수광면(315)과의 거리가, 수광 렌즈(308)의 초점거리(f)와 거의하는 것으로 되는 조건이 만족되는 한, 수광 렌즈(308)에 입사되는 평행 광선은 1차원 CCD(310)의 수광 평면(315)상의 점에 집광하여 입사된다.
이하에, [6]의 점에 관해 설명한다. 본 실시예(도 30)에 있어서의 1차원 CCD(314)에서도, 상기한 바와 같은 것을 말할 수 있다. 즉, 수광 렌즈(308)와 1차원 CCD(314)의 수광면과의 광로상의 거리가, 수광 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하는 것으로 되는 조건이 만족되는 한, 수광 렌즈(308)에 입사되는 평행 광선은 1차원 CCD(310)의 수광 평면(315)상의 1점에 집광하여 입사된다. 그 결과, 거리 편차에 의한 영향을 받지 않는 광학계를 실현할 수 있다.
또한, 수평방향 각도 편차 및 수직방향 각도 편차가 생긴 경우의 입사각의 산출법에 관해서는 제 3 실시예에서 나타낸 바와 같다.
따라서 이 실시예에 의하면, 시료의 거리 편차 및 각도 편차에 관계없이, 시료의 단층 박막 또는 다층 박막의 막두께/막질을 고정밀도로 측정하는 것이 가능해진다. 특히, 이 실시예에 의하면, 거리 편차에 관한 보정은 1차원 CCD(310)에서 관측된 시점에서 이미 완료하고 있고, 거리 편차에 의한 관측 파형의 변화는 해소되어 있다. 따라서, 관측 파형이 변화하는 요인은 각도 편차뿐이며, 연산 처리부에서는 각도 편차에 기인하는 오차 성분을 보정하는 처리(정확한 입사각을 산출하는 처리)를 실행하는 것만으로 끝난다.
이와 같이, 거리 편차 및 각도 편차는 서로 독립된 과정에서 보정되기 때문에, 이들 2종류의 편차에 기인하는 관측 파형의 변화를 연산 처리부에서 동일한 과정에서 보정하는 경우와 같이, 2개의 보정 처리가 서로 경합하여 연산 처리가 수속하지 않는다는 부적합함은 생기지 않는다. 또한 스폿 지름이 크게 되었더라도, 시료의 거리 편차 및 각도 편차의 이론이 성립되고, 거리 편차 및 각도 편차에 강한 광학계를 실현할 수 있는 것도 특징의 하나이다.
그 결과, 이 실시예에 의하면, 설치 조건(거리/각도 편차)이 완화되고, 종래 필요하였던 오토 포커스 기능, 또는 측정 전의 스테이지의 핀트 및 경사 조정이 불필요하게 된다. 동시에, 장치의 소형화도 실현되고, 인라인 계측에 적합한 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 실시예의 응용예는 제 1 실시예에 나타낸 응용예를 적용할 수 있다.
[제 5 실시예]
다음에, 소형화 기술이 조립되고 S편광 및 P편광을 분리 검출하고 반사율비 에 의해 막두께 또는 막질을 계측하는 편광해석 장치의 실시예를, 도 34 내지 도 36을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도는 제 1 실시예에서 도시한 바와 같다.
소형화 기술이 조립된 센서 헤드부의 광학적 구성이 도 34에 도시되어 있다. 또한, 도 34의 광학계 구성도에서는, 앞의 실시예와 동일 구성 부분에 관해서는 같은 부호를 붙임에 의해 설명은 생략한다.
본 실시예의 센서 헤드부의 큰 특징으로서는, 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채용한 것을 들 수 있다. 도 34를 참조하면서, 막두께 측정을 위한 기본 동작을 설명한다.
광원(301)으로부터 발하여진 측정 매체광은, 콜리메이터 렌즈(302)를 통하여, 집광 렌즈(306)의 작용으로 측정 대상인 기판(5)상의 박막(5a)에 집광하여 조사된다. 시료의 막두께 측정점은, 입사광의 거의 집광 위치에 놓여진다. 이때, θ0 내지 θ1의 범위의 연속한 입사각 성분을 갖는 측정 매체광이 시료에 입사되게 된다.
집광 렌즈를 통하여 입사된 측정 매체광은 시료에서 반사된다. 시료의 막두께 측정점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광중 입사각이 θ2의 광은, 콜리메이터 렌즈(308)·편광 빔 스플리터(318)·경사막(316a, 317a)을 통하여, 수광 렌즈(308)의 작용으로 S편광 성분은 1차원 CCD(316)의 수광면으로 또한 P편광 성분은 1차원 CCD(317)의 수광면으로 유도된다.
이로써, 1차원 CCD(316) 및 1차원 CCD(317)로부터는 각 수광 소자(화소)의 수광량 데이터를 시리얼로 나열한 것에 상당하는 1차원 CCD(316) 및 1차원 CCD(317)의 출력 신호(s2)가 송출된다. 이 1차원 CCD 출력 신호(s2)에 의거하여, 입사각((θ2)에서 파장에 따른 반사광 강도 분포가 관측된다.
이때 관측되는 반사광 강도 분포는, 파장에 따른 양이다. 그리고, S편광의 반사율과 P편광의 반사율의 비(실측치(RS/RP))를 산출한다. 동시에, 연산 처리부(3)에서 이론치의 S편광의 반사율과 P편광의 반사율비(이론치(RS/RP))를 산출하고, 최후로, 실측치와 이론치를 대비함으로써 막두께를 구할 수 있다. 실측치(RS/RP)는 1차원 CCD(1)의 강도 분포 파형과 1차원 CCD(2)의 강도 분포 파형의 비를 취함으로써 산출한다. 이론의 RS 및 RP의 산출은 제 1 실시예에서 나타낸 바와 같다.
최종적으로, 이하의 절대 반사율비(R)를 이론치로 하여
S/P편광 절대 반사율비 R=|RP|/|RS| ‥‥ 식(18)
을 이용하여, 각 파장에 관해 계산함으로써, 파장 의존 스펙트럼을 얻을 수 있다.
그리고, 산화막(701)의 막두께값(d)을 파라미터로 하여 실측 스펙트럼과, 후술하는 경사막의 반값폭 보정 처리 후의 이론 스펙트럼(테이블 데이터)(도 35 참조)을 비교함으로써, 막두께값(d)을 산출할 수 있다.
연산 처리부(3)의 CPU(31)에 있어서의 막두께의 계산 처리법으로서는, 커브 피팅법을 이용할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 커브 피팅법이란, 미리 계산하 여 테이블로서 기억하여 둔 각 막두께에 대한 후술하는 경사막 반값폭 보정 처리 후의 이론치의 S/P 편광 절대 반사율비(R)의 파형 데이터(테이블 데이터)와 측정한 수광량 데이터로부터 산출한 실측치의 R의 파형 데이터를 비교하고, 최소제곱법에 의해 가장 오차가 적은 테이터를 추출하고, 그 파형 데이터의 막두께를 측정 대상으로 되어 있는 박막의 막두께로 하는 방법이다. 막두께의 계산 처리법으로서는, 그 밖에도 극치(極値) 탐색법 또는 S/P 편광 절대 반사율비(R)에 가중하는 막두께의 계산 방법을 이용하는 것도 가능하다.
미리, 측정 대상이 되는 박막의 굴절율(n), 및 r0, r1을, 키보드 등의 입출력부로부터 입력하면, 연산부에서는, 입사각에서 막두께 및 파장(λ)의 각 값에 대한 위상차(△), 진폭비(ψ)의 값을 연산하고, 이들을 연산부 내의 메모리에 테이블로서 보존한다. 이와 같은 테이블의 예를, 도 35에 도시한다.
커브 피팅에 관해서는, 도 36의 플로우 차트에 따라 실행된다. 즉, 우선, CPU(31)는 A/D 변환부(33)로부터 디지털화된 측정 데이터를 취득하고, 실측치의 위상차(△ex(λ)), 진폭비(ψex(λ))를 산출한다(STEP 1). 다음에, 막두께(d)를 최소 막두께(dx)로 하고(STEP 2), 도 8 및 및 도 9의 이론 테이블을 이용하여, 막두께(d)=dx에 있어서의 이론치의 위상차(△ex(λ)), 진폭비(ψex(λ))와 실측치의 위상차(△ex(λ)), 진폭비(ψex(λ))의 차의 제곱 [△ex(λ)-Adx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2를 파장 범위 λp로부터 λq까지, △λ새겨 계산하고, 그 합
평가식 P(d)=Σ([△ex(λ)-△dx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2)
를 구하고(STEP 3), 메모리 내에 기억하여 둔다. 또한, 피팅에 있어서의 평가식 P(d)는 이론치와 실측치의 차를 나타내는 것이라면 이 이외라도 좋다.
이와 같이 하여, 막두께(d)가 최대 막두께(dy)에 달할 때까지 막두께(d)의 값을 순차적으로 △d씩 증가시키면(STEP 5), 그때의 막두께에 있어서의 이론 데이터와 측정 데이터의 차의 제곱합을 구하여(STEP 3) 메모리 내에 기억한다.
이렇게 하여, 최대 막두께(dy)까지 제곱합의 계산이 종료되면(STEP 5에서 YES의 경우), 메모리에 기억하여 둔 막두께 범위(dx 내지 dy)에 있어서의 제곱합(P(dx) 내지 P(dx))중에서 최소의 값을 취하는 제곱합(P(dz))을 추출하고(STEP 6), 이때의 막두께(dz)를 측정 막두께로 한다(STEP 7).
[제 6 실시예]
다음에, 소형화 기술이 조립되고 거리 편차에 강한 S편광 및 P편광을 분리 검출하고 반사율비에 의해 막두께 또는 막질을 계측하는 편광해석 장치의 실시예를, 도 37을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도는 제 1 실시예에서, 막두께 계측의 기본 동작은 제 5 실시예에서 나타낸 바와 같다.
거리 편차 대책이 조립된 센서 헤드부의 광학적 구성이 도 37에 도시되어 있다. 도면에 있어서, 앞의 실시예와 동일 구성 부분에 관해서는, 같은 부호를 붙임에 의해 설명은 생략한다.
본 실시예의 센서 헤드부의 큰 특징으서는, (1) 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채용한 것, (2) 수광 렌즈에 대해 광로상의 후방 초점거리에 1차원 CCD(1), 1차원 CCD(2)를 배치한 것, (3) 투광측 광학계에, 이상자를 배치한 것을 들 수 있다. 그들의 특징(1) 내지 (3)의 개개에 관해서는, 제 1 및 제 2 실시예에서 설명한 바와 같다.
[제 7 실시예]
다음에, 소형화 기술이 조립되고 각도 편차에 강한 S편광 및 P편광을 분리 검출하고 반사율비에 의해 막두께 또는 막질을 계측하는 편광해석 장치의 실시예를, 도 38을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도는 제 1 실시예에서 도시한 바와 같다.
각도 편차 대책이 조립된 센서 헤드부의 광학적 구성이 도 38에 도시되어 있다. 도면에 있어서, 앞의 실시예와 동일 구성 부분에 관해서는, 같은 부호를 붙임에 의해 설명은 생략한다.
이 분광 편광해석 장치는, 시료의 막두께 측정점에 대해, 측정 매체광을 콜리메이트 광으로 하는 콜리메이터 렌즈(302)와, 광원(도시한 예에서는 백색 광원)(301)으로부터의 광을 집광하여 기판(5)(시료)의 박막(5a)의 막두께 측정점에 조사하는 집광용 렌즈(306)로 이루어지는 투광용 광학계와, 매체광의 반사광을 콜리메이트 광으로 하는 쿨리메이터 렌즈(수광 렌즈)(308)와, S편광과 P편광으로 분리하는 편광빔 스플리터(318)와, 경사막과 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 S편광을 검출하기 위한 제 1의 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(316)가 상당) 및 P편광을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(317)가 상당)을 포함하는 수광측 광학계와, 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여 측정 대상이 되는 막두께를 구하는 연산 수단(도시한 예에서는 연산 처리부(3)가 상당)을 포함하고 있다.
또한, 투광측 광학계에는, 상기 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 1의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 슬릿(313A)이 상당)과, 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 2의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 슬릿(313B)이 상당)이 포함되어 있다.
수광측 광학계에는, 상기 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하여 그것에 포함되는 상기 제 1의 특징화 수단에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(319)가 상당)이 포함되어 있다.
연산 수단에는, 상기 제 1의 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단과, 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징 에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있다. 또한, 연산 처리부(3)에 있어서의 막두께 측정을 위한 상세한 처리에 관해서는, 제 1 실시예에서 설명한 바와 같다.
본 실시예에 나타나는 센서 헤드부의 큰 특징으로서는, (1) 분광 수단으로서 간섭 방식의 분광 소자(경사막)를 채용한 것, (2) 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단을 배치한 것, (3) 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단을 배치한 것, (4) 투광측 광학계에, 이상자를 배치한 것을 들 수 있다.
(1) 에 관해서는 제 1 실시예, (2) 및 (3)에 관해서는 제 4 실시예, (4)에 관해서는 제 3 실시예에서 이미 나타낸 바와 같기 때문에 설명은 할애한다. 또한, 본 실시예의 응용예는 제 1 실시예에서 나타낸 응용예를 적용할 수 있다.
[제 8 실시예]
다음에, 소형화 기술이 조립되고, 거리 편차 및 각도 편차에 강한 S편광 및 P편광을 분리 검출하고, 반사율비에 의해 막두께 또는 막질을 계측하는, 편광해석 장치의 실시예를 설명한다. 또한, 본 실시예의 전체를 도시한 구성도, 연산 처리부의 전기적 구성도는 제 1 실시예에서 도시한 바와 같다.
거리 및 각도 편차 대책이 조립된 센서 헤드부의 광학적 구성이 도 39에 도시되어 있다. 이 분광 편광해석 장치는, 시료의 막두께 측정점에 대해, 측정 매체 광을 콜리메이트 광으로 하는 콜리메이터 렌즈(302)와, 광원(도시한 예에서는 백색 광원)(301)으로부터의 광을 집광하여 기판(시료)(5)의 박막(5a)의 막두께 측정점에 조사하는 집광용 렌즈를 포함하는 투광용 광학계와, 매체광의 반사광을 콜리메이트 광으로 하는 콜리메이터 렌즈(수광 렌즈)(308)와, S편광과 P편광으로 분리하는 편광빔 스플리터(318A)와, 경사막과 다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 S편광을 검출하기 위한 제 1의 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(316)가 상당) 및 P편광을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(317)가 상당)을 포함하는 수광측 광학계와, 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여 측정 대상이 되는 막두께를 구하는 연산 수단(도시한 예에서는 연산 처리부(3)가 상당)을 포함하고 있다.
또한, 투광측 광학계에는, 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 1의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 슬릿(313A)이 상당)과, 입사면과 측정 대상면이 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 제 2의 특징화 수단(도시한 예에서는 에지 정형 수단으로서 기능하는 슬릿(313B)이 상당)이 포함되어 있다.
수광측 광학계에는, 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하여 그것에 포함되는 상기 제 1의 특징화 수단에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(319)가 상 당)이 포함되어 있다.
연산 수단에는, 제 1의 광전 변환 수단에 의해 검출된 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단과, 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있다.
더하여, 수광측 광학계에 포함되는 렌즈(도시한 예에서는 수광 렌즈(308)가 상당)와 제 1 경사 검출용 광전 변환부 어레이 수단(도시한 예에서는 1차원 CCD(316), 1차원 CCD(317)가 상당)의 수광면과의 광로상의 거리는, 해당 렌즈의 초점거리(f)와 거의 일치하도록 설정되어 있다. 또한, 연산 처리부(3)에 있어서의 막두께 측정을 위한 상세한 처리에 관해서는, 제 1 실시예에서 설명한 바와 같다.
[제 9 실시예]
다음에, 제 1 실시예 내지 제 8 실시예의 어느 하나를 이용한 적용예를 도 40을 참조하여 설명한다. 도시한 내용은, 반도체 제품이나 FPD 등과 같은 성막 프로세스를 수반하는 제품의 제조 라인 내에 있어서의 적용예를 도시한다. 도면에 있어서, 401은 프로세스 장치, 402는 컨트롤러, 403은 퍼스널 컴퓨터 등의 컴퓨터, 404는 본 발명이 조립된 계측 장치(센서), 405는 폭방향 이동 가이드, 406은 라인 방향 이동 가이드이다. 이 적용예에 의하면, 우선, 라인상을 흐르는 제품의 위에 센서(본 발명 장치)를 배치하고, 인라인으로 전 제품에 대해 데이터 수집을 행하고, 퍼스널 컴퓨터 등의 컴퓨터(403)에 데이터를 전송한다. 다음에, 컴퓨터(403) 내에서 전송되어 온 데이터를 기록하고, 기록한 데이터를 해석한다. 최후로, 해석한 결과를 제조 라인 내의 프로세스 장치(401)의 컨트롤러(402)에 피드백함에 의해 프로세스를 개선하고 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 분광 계측 장치에 의하면, 소형화를 실현함과 함께, 거리 편차나 수평방향 각도 편차나 수직방향 각도 편차에 대한 내성을 획득할 수 있고, 이로써 예를 들면 반도체 제조 프로세스나 FPD 제조 프로세스 등에 있어서의 인라인 계측에 알맞는 분광 계측 장치를 실현할 수 있다.

Claims (22)

  1. 시료에 대해 측정 매체광을 조사하여 반사광을 수광하고, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화를 검출함에 의해 해당 시료의 막두께 또는 막질을 구하는 계측 장치에 있어서,
    다양한 각도 성분을 포함하는 측정 매체광을 어떠한 각도 성분의 광도 동일 입사각으로 시료 표면에 집광하여 조사하는 투광측 광학계와,
    다수의 광전 변환부를 입사면에 대해 수직한 방향으로 어레이 형상으로 배치하여 이루어지는 광전 변환부 어레이 수단과 렌즈와 투과 위치에 의해 투과광 파장을 점차로 변화시키는 광간섭식의 분광 소자를 포함하고, 상기 분광 소자는 상기 광전 변환부 어레이 수단의 직전에 구비되고, 상기 렌즈와 상기 광전 변환부 어레이 수단의 상기 수광면과의 거리는 해당 렌즈의 초점거리와 일치하도록 배치되어 시료로부터의 반사광을 상기 렌즈를 통하여 상기 광전 변환부 어레이 수단에 의해 수광하는 수광측 광학계와,
    상기 광전 변환부 어레이 수단의 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 의거하여, 조사한 광에 대한 반사광의 편광 상태의 변화량을 상기 분광 소자의 투과 파장에 대응시켜 해석하고 실측 분광 파형을 얻음과 함께, 상정한 막두께 또는 막질로부터 이론적으로 계산되는 이론 분광 파형을 산출하고, 상기 실측 분광 파형과 상기 이론 분광 파형과의 피팅에 의해 막두께 또는 막의 표면구조를 구하는 연산부를 구비하고, 또한
    상기 투광측 광학계에는, 상기 측정 매체광에 대해 입사면에 대해 수직한 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단이 포함되어 있고,
    상기 수광측 광학계에는, 상기 시료의 막두께 계측점으로부터 도래하는 측정 매체광의 반사광을 수광하여 그것에 포함되는 상기 시료의 경사 변동에 있어서의 특징을 검출하기 위한 경사 검출용 광전 변환 수단이 포함되어 있고,
    상기 연산 수단에는, 상기 경사 검출용 광전 변환 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되며,
    상기 투광측 광학계에는, 상기 측정 매체광에 대해 입사면과 측정 대상면의 교차하는 직선을 중심축으로 하여 회전하는 방향에 있어서의 시료의 경사 변동을 특징짓는 특징화 수단이 포함되어 있고,
    상기 연산 수단에는 상기 광전 변환부 어레이 수단에 의해 검출된 상기 시료의 경사 변동의 특징에 의거하여, 각 광전 변환부로부터 얻어지는 일련의 수광량 데이터에 포함되는 시료의 경사 변동에 의한 오차 성분을 수정하는 수광량 데이터 보정 수단이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 특징화 수단이 상기 측정 매체광의 단면 윤곽중에서 시료의 경사 기준에 상당하는 부분을 에지 정형하는 단면 윤곽 정형 수단인 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 특징화 수단이 상기 측정 매체광의 단면 윤곽중에서 시료의 경사 기준에 상당하는 부분을 에지 정형하는 단면 윤곽 정형 수단인 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 단면 윤곽 정형 수단에는, 슬릿, 애퍼처, 또는 나이프 에지가 포함되는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 매체광이 백색 LED 광원인 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    시료상의 매체광의 스폿 지름이 1㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치,
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 기재된 광전 변환부 어레이 수단으로서, 2차원 어레이 수단을 이용하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    이론 파형을 산출하는 연산부가, 상기 기재된 분광 소자의 파장 분해능에 의한 오차를 해소하는 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 부측 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    시료 기판이 투명 기판인 경우, 연산부가 시료 기판의 이면으로부터의 반사한 광을 포함하는 반사율의 이론식에 의해, 이론 파형을 산출하는 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    연산부가, 시료 기판이 투명 기판인지 불투명 기판인지를 입력할 수 있는 입력 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    위상을 지연시키는 기능을 갖는 이상자를 회전시키는 수단을 구비하고, 투광측 광학계에는 편광자가 포함되어 있고, 수광측 광학계에는 검광자가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    위상을 지연시키는 기능을 갖는 이상자를 상기 투광측 광학계에 구비하는 것을 특징으로 하는, 분광 계측 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 투광측 광학계로부터 조사된 상기 측정 매체광에는 2 이상의 편광 성분이 포함되어 있고, 또한 상기 수광측 광학계에는 상기 각 편광 성분에 대응하는 2 이상의 광전 변환부 어레이 수단 및 상기 시료상의 막두께 계측점으로부터 도래하는 반사광을 각 편광 성분으로 분리하여 해당하는 광전 변환부 어레이 수단의 각각에 유도하기 위한 편광 분리 수단이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 시료의 색도를 계측하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 시료의 막두께를 계측하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 시료의 막의 표면구조를 계측하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  20. 제 18항에 있어서,
    제조 라인에 배치되어 인라인으로 계측을 행하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  21. 제 19항에 있어서,
    제조 라인에 배치되어 인라인으로 계측을 행하는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
  22. 제 20항에 있어서,
    제조 라인에 배치되어, 전수(全數) 검사하고, 기록하여 해석한 결과를 제조 라인 내의 장치에 피드백할 수 있는 것을 특징으로 하는 분광 계측 장치.
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