KR20040034375A - 대상물의 막 두께를 측정하는 장치, 대상물의분광반사율을 측정하는 장치 및 방법과, 대상물상의이물을 검사하는 장치 및 방법 - Google Patents

대상물의 막 두께를 측정하는 장치, 대상물의분광반사율을 측정하는 장치 및 방법과, 대상물상의이물을 검사하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

막 두께 측정장치(1)는, 기판(9)상의 막(膜)의 편광상태를 취득하는 일립소미터(ellipsometer)(3) 및 기판(9)상의 막의 분광강도를 취득하는 광 간섭유닛(4)을 가진다. 광간섭유닛(4)의 광학시스템(45)에 있어서, 개구 조리개부(453)에는 차광패턴(453a)이 배치되고, 광원(41)에서의 조명광은 광학시스템(45)에 의해 기판(9)으로 조사된다. 기판(9)에서의 반사광은 차광패턴 촬영부(43)로 안내되어, 차광패턴(453a)의 이미지가 취득된다. 일립소미터(3)에 의해 막 두께 측정이 행해질 때에는, 차광패턴(453a)의 이미지에 의거해서 기판(9)의 경사각이 구해지고, 수광 유닛(32)에 의해 반사광의 편광상태가 취득된다. 연산부(51)에서는, 요구된 경사각을 이용하면서 반사광의 편광상태에서 막의 두께가 정밀도 좋게 구해진다.

Description

대상물의 막 두께를 측정하는 장치, 대상물의 분광반사율을 측정하는 장치 및 방법과, 대상물상의 이물을 검사하는 장치 및 방법{Apparatus for measuring film thickness formed on object, apparatus and method of measuring spectral reflectance of object, and apparatus and method of inspecting foreign material on object}
본 발명은, 대상물상의 막의 두께를 측정하는 기술에 관한 것이다.
종래부터, 대상물의 표면에 형성된 박막의 두께를 측정하는 방법으로서, 편광(偏光) 해석방식(ellipsometry) 또는 분광반사율 방식(reflectance spectroscopy) 혹은 백색광 간섭방식(white light interferometric method)이라 불리는 편광 해석을 수반하지 않는 방식(이하,「백색광 간섭방식 등」이라 한다)이 채용되고 있다. 일반적으로, 편광 해석방식은 얇은 막에 대해서 고정밀도로 막 두께 측정을 행하는 것이 가능하고, 백색광 간섭방식 등에서는 편광 해석방식에 비해 두꺼운 막 또는 다층막에 대해서 측정을 행할 수 있다.
일본특허공개 소61-182507호 공보에서는, 일립소미터(ellipsometer)와 간섭계(interferometer)를 동일한 장치에 설치하고, 일립소미터에 의해 측정되는 굴절율(refractive index)과 간섭계에 의해 구해지는 간섭파형(interfering wave)으로부터 대상물상의 막 두께를 특정하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본특허공개 평11-271027호 공보에서는, 백색광 간섭방식등에 의해 대상물상의 막 두께의 범위를 특정하고, 특정된 막 두께 범위에 의거해서 편광 해석방식에 의해 막 두께를 측정하는 방법이 제안되어 있다.
그렇지만, 편광 해석방식에서는 대상물로 향해서 출사하는 광의 파장과 입사각이 막 두께를 구하는 연산에 이용되기 때문에, 고정밀도로 막 두께를 측정하기 위해서는 입사광의 파장을 정확하게 특정하고, 대상물상의 측정면을 수평으로 유지하는 등 할 필요가 있다. 또한, 측정영역이 미소한 것이므로, 대상물 표면에 미소한 이물(foreign material)(예를 들면, 서브 마이크론 단위의 파티클 등)이 부착하고 있는 경우에는 정밀도 좋게 막 두께를 측정할 수 없다.
한편, 백색광 간섭방식 등에서는 반사율이 이미 알고 있는 참조대상물을 이용해서 측정치를 보정할 필요가 있지만, 참조대상물의 표면이 자연 산화(natural oxide)하여 반사율이 변화한 경우에는, 측정치를 적절히 보정할 수 없게 된다.
본 발명은 대상물에 형성된 막의 두께를 정밀도 좋게 측정하는 것을 주된 목적으로 하고 있다.
도 1은 막 두께 측정장치의 개략 구성을 나타내는 도면,
도 2는 레이저 파장 캘러브레이션(calibration) 처리의 흐름을 나타내는 도면,
도 3은 이물 검사(foreign material inspection)의 처리의 흐름을 나타내는 도면,
도 4는 막 두께 측정결과와 경사각과의 관계를 나타내는 도면,
도 5는 광 간섭유닛의 출력에 의거해서 막 두께 측정을 행하는 처리의 흐름을 나타내는 도면이다.
본 발명은, 대상물상에 형성된 막의 두께를 측정하는 막 두께 측정장치에 관한 것이다.
막 두께 측정장치는, 편광한 광을 대상물로 향해서 출사하는 제1 광원과, 상기 대상물에서의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 편광상태를 취득하는 수광부와, 상기 편광상태에 의거해서 상기 대상물상의 막의 두께를 구하는 연산부와, 조명광을 출사하는 제2 광원과, 상기 조명광을 상기 대상물로 안내함과 동시에 상기 대상물에서의 상기 조명광의 반사광을 소정의 위치로 안내하는 광학시스템과, 상기 제2 광원에서 상기 대상물에 도달하는 광로상에 있어서, 개구(開口) 조리개 위치와 광학적으로 거의 공액(共役)한 위치에 배치된 차광패턴과, 상기 소정의 위치에 결상된 상기 차광패턴의 이미지를 취득하는 촬영부를 구비하고, 상기 연산부가, 상기 촬영부에서의 출력에 의거해서 상기 대상물의 경사각을 구하고, 상기 경사각을 이용하면서 상기 편광상태에서 막의 두께를 구한다.
막 두께 측정장치에 의하면, 대상물의 경사각을 구하면서, 대상물상의 막의두께를 정밀도 좋게 구할 수 있다.
막 두께 측정장치의 바람직한 실시형태에서는, 막 두께 측정장치는, 상기 제2 광원에서 상기 대상물에 도달하는 광로상에 있어서, 시야(視野) 조리개 위치와 광학적으로 거의 공액한 위치에 배치된 필터를 더 구비하고, 상기 필터가, 상기 대상물상의 미소영역에 대응하는 부위 이외에 있어서 적어도 특정의 파장의 광을 차단한다. 이것에 의해, 대상물상의 미소영역에서의 경사각을 구할 수 있다.
본 발명은, 측정대상물의 분광반사율을 측정하는 반사율 측정장치에도 관한 것이다. 반사율 측정장치는, 바람직하게는 측정대상물의 막 두께의 측정에 이용된다.
반사율 측정장치는, 참조대상물상의 막의 두께를 편광 해석방식에 의해 측정하는 막 두께 측정부와, 상기 참조대상물 및 측정대상물에 조명광을 조사하여 상기 참조대상물 및 상기 측정대상물에서의 반사광의 분광강도를 각각 취득하고, 상기 측정대상물의 분광반사율을 구하는 반사율 측정부를 구비하며, 상기 반사율 측정부가 상기 막 두께 측정부에 의해 측정된 상기 참조대상물상의 상기 막의 상기 두께에 의거해서 상기 참조대상물의 분광반사율을 산출하고, 상기 분광반사율을 참조하여 상기 측정대상물의 상기 분광반사율을 구하는 연산부를 가진다.
반사율 측정장치에 의해, 측정대상물의 분광반사율을 적절히 구할 수 있다.
본 발명은, 또 하나의 막 두께 측정장치에도 관련되어 있고, 막 두께 측정장치는 편광한 광을 대상물로 향해서 출사하는 광원과, 상기 대상물에서의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 편광상태를 취득하는 수광부와, 상기 편광상태에 의거해서 상기 대상물상의 막의 두께를 구하는 연산부와, 비측정시에 상기 광원에서의 광을 소정의 위치로 안내하는 교체기구와, 상기 소정의 위치로 안내된 상기 광의 파장을 취득하는 파장측정부를 구비하고, 상기 연산부가 상기 파장측정부에서 취득된 상기 파장을 이용해서 상기 대상물상의 상기 막의 상기 두께를 구한다.
막 두께 측정장치에 의해, 광원에서의 광의 파장을 구하면서, 대상물상의 막의 두께를 정밀도 좋게 구할 수 있다.
본 발명은, 또한 기판상의 이물(異物)의 유무를 검사하는 이물 검사장치에도 관련되어 있다.
이물 검사장치는, 소정의 입사각으로 기판에 입사하는 광을 출사하는 광원과, 상기 기판에서의 반사광에서의 p편광 성분의 강도를 취득하는 수광부와, 상기 p편광 성분의 상기 강도에 의거해서 상기 기판상의 이물의 유무를 판정하는 판정부를 구비한다.
이물 검사장치에 의하면, 기판상의 유무를 신속하고 또 용이하게 검사할 수 있다. 이물 검사장치는, 바람직하게는, 기판의 분광반사율과 기판상의 막의 두께를 측정할 때 이용되어, 측정 결과의 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 상기 및 그 이외의 목적, 특징, 양상 및 이점은 첨부된 도면과 결합되는 다음의 상세한 설명으로 부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관한 막 두께 측정장치(1)의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 막 두께 측정장치(1)는, 다층막(단층막이라도 된다)이 형성된반도체 기판(이하,「기판」이라 한다)(9)이 얹혀지는 스테이지(2), 기판(9)상의 막에 대해서 편광 해석을 행하기 위해 정보를 취득하는 일립소미터(3), 기판(9)에서의 광(반사광)의 분광강도를 취득하는 광 간섭유닛(4), 각종 연산처리를 행하는 CPU와 각종 정보를 기억하는 메모리 등으로 구성된 제어부(5) 및 일립소미터(3)와 광 간섭유닛(4)에 의한 광의 조사위치에 대해서 스테이지(2)를 이동하는 스테이지 이동기구(21)를 구비한다.
일립소미터(3)는 편광한 광(이하,「편광광」이라 한다)을 기판(9)으로 향해서 출사하는 광원 유닛(31) 및 기판(9)에서의 반사광을 수광하여 반사광의 편광상태를 취득하는 수광 유닛(32)을 가지며, 취득된 편광상태를 나타내는 데이터는 제어부(5)로 출력된다.
광원 유닛(31)은, 광빔을 출사하는 반도체 레이저(LD)(312) 및 반도체 레이저(312)의 출력을 제어하는 LD 구동제어부(311)를 가지고, 반도체 레이저(312)에서의 광빔은 편광 필터(313)로 입사한다. 편광 필터(313)에서는 광빔에서 직선 편광한 광이 꺼내지고, 파장판(이하,「λ/4판」이라 한다)(314)에 의해 원편광의 광이 꺼내진다. λ/4판(314)에서의 광은 렌즈(331)를 통해서 소정의 입사각(예를 들면, 72~80도)으로 스테이지(2)상의 기판(9) 표면으로 안내된다. 이와 같이, LD 구동제어부(311), 반도체 레이저(312), 편광 필터(313) 및 λ/4판(314)에 의해 광원 유닛(31)이 구성되고, 원(圓)편광의 광이 기판(9)으로 향해서 출사된다. 또, 광원 유닛(31)에는(구체적으로는, 반도체 레이저(312)와 편광 필터(313)와의 사이의 광로상에는), 광빔을 차단하는 전자 셧터(electromagnetic shutter)(315)가 설치되고, 전자 셧터(315)에 의해 기판(9)으로의 광의 조사가 ON/OFF 제어된다.
기판(9)에서의 반사광은, 렌즈(332)를 통해서 회전검광자(rotating analyzer)(321)로 안내되고, 회전검광자(321)가 광축에 평행한 축을 중심으로 하여 회전하면서 투과한 광이 포토다이오드(322)로 안내되어, 수광된 광의 강도를 나타내는 신호가 AD 컨버터(34)를 통해서 제어부(5)로 출력된다. 이상과 같이, 회전검광자(321) 및 포토다이오드(322)에 의해 수광 유닛(32)이 구성되고, 포토다이오드(322)의 출력이 회전검광자(321)의 회전각에 대응하게 되는 것에 의해 반사광의 편광상태가 취득된다.
광 간섭유닛(4)은, 백색광을 조명광으로 하여 출사하는 광원(41), 기판(9)에서의 반사광을 분광하는 분광기(spectroscope)(42), 후술하는 차광패턴의 이미지를 취득하는 차광패턴 촬영부(43), 기판(9)상의 조명광의 조사위치를 촬영하는 기판촬영부(44) 및 광학시스템(45)을 가지고, 광학시스템(45)에 의해, 광원(41)에서의 조명광이 기판(9)으로 안내됨과 동시에 기판(9)에서의 반사광이 분광기(42), 차광패턴 촬영부(43) 및 기판촬영부(44)로 안내된다.
구체적으로는, 광파이버(451)의 일단에 광원(41)에서의 조명광이 도입되고, 타단에 설치된 렌즈(452)에서 조명광이 도출된다. 도출된 조명광은 렌즈(450a)를 통해서 개구 조리개부(453)로 안내된다. 개구 조리개부(453)에는 소정의 차광패턴(453a)(예를 들면, 십(十)자로 형성된 표선(標線))이 설치되어 있고, 조명광은 차광패턴(453a)에 대응하는 부분이 차단되면서 렌즈(450b)를 통해서 시야 조리개부(454)로 안내된다.
시야 조리개부(454)에서 시야가 제한된 조명광은 렌즈(450c)를 통해서 하프미러(455)로 안내되고, 하프미러(455)를 투과하여 하프미러(456)로 안내된다. 하프미러(456)에서 반사된 조명광은, 대물렌즈(457)를 통해서 기판(9)의 표면으로 조사된다. 이때, 기판(9)상에서의 조명광의 조사영역의 넓이는, 시야 조리개부(454)에 의한 시야의 제한에 대응하지만, 개구 조리개부(453)의 차광패턴의 이미지는 기판(9)상에는 결상(結像)되지 않는다.
기판(9)에서의 반사광은, 대물렌즈(457)를 통해서 하프미러(456)로 안내되고, 일부의 광이 하프미러(455)로 향해서 반사된다. 반사된 광은, 하프미러(455)에서 더 반사되고, 렌즈(450d)를 통해서 차광패턴 촬영부(43)에서 수광된다. 차광패턴(453a)에서 기판(9)의 표면을 경유하여 차광패턴 촬영부(43)에 도달하는 광학시스템에 있어서, 차광패턴 촬영부(43)의 위치는 차광패턴(453a)과 광학적으로 공액으로 되고, 차광패턴 촬영부(43)에 차광패턴(453a)의 이미지가 결상되며, 차광패턴(453a)의 화상데이터는 제어부(5)로 출력된다.
하프미러(456)를 투과한 반사광은 하프미러(458)를 투과하여 하프미러(459)로 안내되어, 일부의 광이 반사된다. 반사된 광은 렌즈(450e)를 통해서 기판촬영부(44)로 안내되어 수광된다. 기판촬영부(44)의 위치는 시야 조리개부(454) 및 기판(9) 표면의 위치와 광학적으로 공액으로 되기 때문에, 기판촬영부(44)에 의해 기판(9)상의 조명광의 조사위치의 이미지가 촬영되고, 취득된 화상데이터는 제어부(5)로 출력된다.
하프미러(459)를 투과한 광은 렌즈(450f)를 통해서 분광기(42)로 안내되어,반사광의 분광강도가 취득된다. 분광강도의 데이터는 제어부(5)로 출력된다. 이상과 같이, 렌즈(450a~450f, 452), 광파이버(451), 개구 조리개부(453), 시야 조리개부(454), 하프미러(455, 456, 458, 459) 및 대물렌즈(457)에 의해 광학시스템(45)이 구성된다.
광 간섭유닛(4)은, 또한, 대물렌즈(457)과 기판(9)의 표면과의 사이의 거리를 검출하는 오토포커스 검출유닛(이하,「AF검출(AF detection)유닛」이라 한다)(46)을 가진다. AF 검출유닛(46)은 광빔을 출사하는 반도체 레이저(461), 수광하는 광의 위치를 PSD 소자에 의해 검출하는 AF 검출부(463)를 가지고, 반도체 레이저(461)에서 출사된 광빔은 광학시스템(45)를 통해서 기판(9)의 표면으로 조사된다. 기판(9)에서의 광빔의 반사광은 광학시스템(45)를 통해서 AF 검출유닛(46)의 원통형(cylindrical) 렌즈(462)로 안내되고, 또 AF검출부(463)로 안내된다.
AF 검출부(463)에서는 수광하는 광의 위치에 의해 대물렌즈(457)와 기판(9)의 표면과의 사이의 거리가 검출되고, 스테이지(2)에 설치된 승강기구(도시 생략)에 의해 대물렌즈(457)와 기판(9)의 표면과의 사이의 거리가 일정하게 조정된다. 이때, 대물렌즈(457)와 기판(9)의 표면과의 사이의 거리는, 대물렌즈(457)로 입사하는 평행광이 기판(9)의 표면에서 이미지를 결상하는 거리(즉, 초점거리(focal length))로 된다.
스테이지 이동기구(21)는, 스테이지(2)를 도 1중의 X방향으로 이동하는 X방향 이동기구(22) 및 Y방향으로 이동하는 Y방향 이동기구(23)를 가진다. X방향 이동기구(22)는 모터(221)에 볼 나사(도시 생략)가 접속되고, 모터(221)가 회전하는 것에 의해, Y방향 이동기구(23)가 가이드 레일(222)을 따라서 도 1중의 X방향으로 이동한다. Y방향 이동기구(23)도 X방향 이동기구(22)와 같은 구성으로 되어 있고, 모터(231)가 회전하면 볼 나사(도시 생략)에 의해 스테이지(2)가 가이드 레일(232)을 따라서 Y방향으로 이동한다.
또한, 스테이지(2)상에는 후술하는 광원 유닛(31)에서의 광의 파장의 확인에 이용되는 미러(24)가 배치되어 있고, 미러(24)는 광원 유닛(31)에서 조사되는 소정의 입사각의 광을 연직방향의 상방으로(즉, 대물렌즈(457)로 행해서) 반사하도록 경사져 설치되어 있다.
제어부(5)는, 각종 연산을 행하는 연산부(51)를 가지고, 차광패턴 촬영부(43), 분광기(42), 기판촬영부(44) 및 수광 유닛(32)에서 취득된 각종 정보는 연산부(51)로 입력된다. 또한, 광원(41), 광원 유닛(31) 및 스테이지 이동기구(21)도 제어부(51)에 접속되고, 제어부(51)가 이들 구성을 제어하는 것에 의해, 막 두께 측정장치(1)에 의한 기판(9)상의 막 두께 측정이 행해진다.
막 두께 측정장치(1)에서는, 기판(9)상의 막이 비교적 얇은 경우에는, 연산부(51)가 일립소미터(3)에서의 편광상태를 나타내는 출력에 의거해서 편광 해석방식에 의한 막 두께 측정이 행해지고, 막이 비교적 두꺼운 혹은 다층막인 경우에는, 연산부(51)에 있어서 광 간섭유닛(4)에서의 분광 강도를 나타내는 출력에 의거해서 분광반사율을 구하면서 막 두께가 산출된다.
막 두께 측정장치(1)에 있어서, 일립소미터(3)에서의 편광상태를 나타내는 출력에 의거해서 막 두께가 측정될 때에는, 우선, 광원 유닛(31)에서 출사되는 광의 파장의 확인(이하,「레이저 파장 캘러브레이션」이라 한다)이 행해지고, 계속해서, 기판(9)상의 측정대상 위치에 있어서 이물의 유무를 검사하는 이물 검사가 행해진다. 그리고, 이물이 존재하지 않는 것이 확인된(즉, 기판(9)상의 측정대상 위치에서 정확하게 막 두께를 측정하는 것이 가능한 것이 확인된) 경우에는, 기판(9)의 경사각의 측정이 행해진 후에, 막 두께 측정이 행해진다. 이하, 막 두께 측정장치(1)가 일립소미터(3)에 의해 기판(9)상의 막 두께를 측정할 때의 동작에 대해서 순차 설명을 행한다.
도 2는 레이저 파장 캘러브레이션의 흐름을 나타내는 도면이다. 레이저 파장 캘러브레이션에서는, 우선, 스테이지 이동기구(21)에 의해 스테이지(2)상의 미러(24)가 편광광의 조사위치로 이동하고(스텝(S11)), 제어부(5)의 제어에 의해 광원 유닛(31)에서 편광광의 출사가 개시된다(스텝(S12)). 이것에 의해, 광원 유닛(31)에서의 광은 미러(24)에서 반사되어, 광 간섭유닛(4)의 분광기(42)로 안내된다.
분광기(42)에서는, 수광한 광의 분광강도가 취득되고, 그 결과, 실질적으로 반도체 레이저(312)를 출사하는 레이저 광의 파장이 취득된다. 파장을 나타내는 데이터는 연산부(51)로 출력되어, 연산부(51)내의 메모리에 기억된다(스텝(S13)). 취득된 레이저 광의 파장은, 일립소미터(3)에 의한 막 두께 측정시에 이용된다.
이상과 같이, 막 두께 측정장치(1)에서는, 스테이지(2)를 이동함으로써 광 원 유닛(31)에서의 광의 조사위치에 기판(9) 또는 미러(24)를 교체하여 위치시키는 것이 가능하게 되어 있고, 비측정시에 광원 유닛(31)에서의 광을 분광기(42)로 안내하여 광(즉, 편광광)의 파장이 취득된다. 이것에 의해, 막 두께 측정장치(1)에서는, 주위의 온도 변화와 광원 유닛(31)의 각 구성의 특성 변화 등이 생기는 것에 의해 광원 유닛(31)에서의 광의 파장이 변화한 경우라도, 막 두께를 정밀도 좋게 구하는 것이 실현된다.
또, 미러(24) 대신에 광을 산란하는 산란체가 설치되어도 된다. 또한, 미러(24)와 산란체는 스테이지(2) 이외의 장소에서 편광광의 조사위치로 이동되어도 된다.
다음에, 막 두께 측정장치(1)에서의 기판(9)상의 이물(異物) 검사에 대해서 설명한다. 이물 검사에서는, 사전에, 광원(41)에서 조명광이 출사됨과 동시에 기판 촬영부(44)에서 기판(9)의 화상이 취득되고, 화상에 의거해서 스테이지 이동기구(21)가 스테이지(2)를 이동하여 편광 해석용의 편광광의 조사위치와 기판(9)의 측정 대상위치를 맞추고 있다.
도 3은 이물을 검사하는 처리의 흐름을 나타내는 도면이다. 우선, 광원 유닛(31)에서 편광광의 출사가 개시되고, 기판(9)의 측정 대상위치와 편광광이 소정의 입사각으로 조사된다(스텝(S21)). 이때, 편광광이 조사되는 기판(9)상의 조사영역은, 지름이 10㎛의 원형영역이 된다. 편광광의 기판(9)에서의 반사광은 수광 유닛(32)으로 안내된다. 그때, 수광 유닛(32)의 회전검광자(321)의 방향은 p편광 성분만을 투과하는 방향으로 고정되고, 포토다이오드(322)에서는 반사광의 p편광 성분만의 강도가 취득된다(스텝(S22)).
연산부(51)에서는, 수광 유닛(32)에서 입력되는 광의 강도에 의거해서,기판(9)상의 이물의 유무가 판정된다(스텝(S23)). 예를 들면, 편광광의 기판(9)으로의 입사각이 72~80도가 되면, 기판(9)상의 광의 조사위치에 이물이 존재하지 않는 경우에는, 기판(9)에서의 반사광에는 p편광 성분이 거의 존재하지 않게 된다. 한편, 이물이 존재하는 경우에는 p편광 성분이 비교적 크게 된다. 그래서, p편광 성분이 검출된 경우에 연산부(51)가 이물이 존재하는 것으로 판정한다.
이상과 같이, 막 두께 측정장치(1)에서는, 광원 유닛(31)에서의 광의 기판(9)에 의한 반사광의 p편광 성분의 강도가 취득되고, 연산부(51)에 의해, p편광 성분의 강도에 의거해서 기판(9)상의 이물의 유무가 판정된다. 그 결과, 막 두께 측정장치(1)에서는, 용이하게 이물의 유무(有無)를 검사할 수 있다.
또, 기판(9)상의 이물의 유무는, 후술하는 막 두께 측정시에 취득되는 편광상태를 나타내는 정보의 일부인 주기 강도신호와 미리 산출된 주기신호를 비교함으로써 판정하는 것도 가능하지만, 편광상태를 취득하기 위해서는 회전검광장(321)를 1회전시킬 필요가 있어, 스루풋이 저하하여 버린다. 이것에 대해서, 막 두께 측정장치(1)에서는, 회전검광자(321)의 방향을 고정하여 검사하기 때문에, 신속하게 이물 검사를 행할 수 있다.
광원 유닛(31)에서의 광의 입사각이 72~80도 이외인 경우와, 광원 유닛(31)에서의 광이 편광광이 아닌 경우라도, 수광 유닛(32)에서 취득되는 p편광 성분의 강도의 변화에 의해 이물의 유무를 판정하는 것은 가능하다. 단, 막 두께 측정장치(1)에서는 편광광을 72~80도의 입사각으로 입사시킴으로써 고감도로 이물의 유무를 검사하는 것이 가능하게 된다.
기판(9)상의 측정 대상위치에 이물이 존재하지 않는 것이 확인되면, 계속해서, 기판(9)이 수평면(즉, 도 1중의 XY평면)에 대해서 경사지는 경사각의 측정이 행해진다. 우선, 광원(41)에서 조명광의 출사가 개시되고, 차광패턴 촬영부(43)에 의한 촬영이 행해지며, 차광패턴(453a)의 화상데이터가 연산부(51)로 출력된다.
상술한 바와 같이, 차광패턴 촬영부(43)의 위치는, 차광패턴(453a)에 대해서 기판(9)의 표면을 경유하여 광학적으로 공액이 되는 위치(차광패턴(453a)이 거의 개구 조리개 위치에 위치하는 것이므로, 차광패턴 촬영부(43)는, 소위, 대물렌즈 동공(objective pupil)의 위치에 거의 위치한다)이고, 차광패턴 촬영부(43)에서 취득되는 화상중의 차광패턴의 위치는, 기판(9)의 경사각(정확하게는, 조명광의 조사 위치에서의 경사각)에 대응한 위치로 된다.
연산부(51)에서는, 경사각이 0도인 경우의 화상중의 차광패턴의 중심위치(이하,「기준위치」라 한다)가 미리 기억되어 있고, 취득된 화상중의 차광패턴의 중심위치와 기준위치 사이의 거리(벡터)를 산출함으로써 기판(9)의 경사각(정확하게는, 기판(9)의 법선방향을 나타내는 벡터)이 구해진다.
구체적으로는, 대물렌즈(457)와 기판(9)의 표면과의 사이의 거리(즉, AF 검출유닛(46)에 의해 일정하게 유지되는 거리)를 f, 기판(9)의 경사각을 θ로 하고, 대물렌즈(457)의 위치에서 기판(9)에서의 반사광을 수광하며, 차광패턴(453a)의 이미지를 취득하는 것으로 가정하면, 취득된 화상에 있어서, 차광패턴의 위치는 기판(9)의 경사각이 0도 일때부터 경사에 대응하는 방향으로 (f×tan(2θ))만큼 이동한다. 따라서, 차광패턴 촬영부(43)에 의해 취득되는 화상에 있어서는,(f×tan(2θ))로 대물렌즈(457)의 위치에 대한 배율을 곱한 거리만큼 경사에 대응하는 방향으로 이동하게 되고, 이 거리가 전술의 기준위치와 검출되는 중심위치와의 사이의 거리로 된다. 거리 f는 AF 검출유닛(46)에 의해 일정하게 되는 것이므로, 연산부(51)에서 기판(9)의 경사각 θ가 정확하게 구해진다.
경사각의 측정이 종료하면, 광원 유닛(31)에서 편광광이 기판(9)으로 출사되면서 수광 유닛(32)에서 반사광의 편광상태가 취득된다. 그리고, 연산부(51)에 있어서, 레이저 파장 캘러브레이션에 의해 취득된 광원 유닛(31)에서의 편광광의 파장 그리고 경사각(및, 경사방향)에서 구해지는 정확한 입사각을 이용하면서 취득된 편광상태에 의거해서 기판(9)상의 막의 두께가 구해진다. 또, 경사각의 측정중에 기판(9)에서의 반사광의 편광상태가 취득되어도 된다.
도 4는, 동일한 기판(9)에 있어서 경사각을 변경하면서 취득된 편광상태에 의거해서 산출된 막 두께를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 선(61)은 측정된 경사각을 이용해서 막 두께를 산출한 결과를 나타내고, 선(62)은 경사각의 측정을 행하지 않고 막 두께를 산출한(즉, 경사각을 0초로하여 산출한) 경우의 결과를 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 경사각 측정을 행하지 않는 경우에는, 산출된 막 두께가 기판(9)의 경사각의 영향에 의해 변동하여 버리지만, 경사각 측정을 행하는 것에 의해, 일정한 막 두께가 정밀도 좋게 산출되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 막 두께 측정장치(1)에서는, 개구 조리개부(453)에 설치된 차광패턴(453a)의 이미지를 차광패턴 촬영부(43)에 있어서 취득하여 기판(9)의 경사각이 구해진다. 그리고, 구해진 경사각을 이용함으로써 기판(9)상의 막의 두께가정밀도 좋게 구해진다. 이것에 의해, 막 두께 측정장치(1)에서는 기판(9)이 기울어져 있는 경우라도, 기판(9)의 기울기를 조정하지 않고 적절히 막 두께를 보정하면서 구할 수 있다.
일립소미터(3)에 의해 막 두께 측정이 행해질 때에는, 반드시 레이저 파장 캘러브레이션, 이물 검사 및 경사각 측정 전체가 행해질 필요는 없다. 또한, 파장 캘러브레이션은 반드시 막 두께 측정마다 행해질 필요는 없고, 정기적으로(예를 들면, 소정의 측정횟수마다) 행해도 된다.
다음에, 기판(9)의 경사각 측정의 다른 예에 대해서 설명을 행한다. 다른 예에 관한 경사각의 측정에서는, 시야 조리개부(454)에 소정의 영역 이외에 있어서 특정의 파장을 차단하는 필터(454a)가 배치된다. 예들 들면, 광원(41)이 텅스텐 할로겐 램프를 이용하고 있는 경우에는, 시야 조리개부(454)에는, 중심부 이외에 있어서 파장 800㎚ 이상의 적외선 광을 차폐하는 차광필터(454a)가 배치된다. 또한, 차광패턴 촬영부(43)에는, 적외선 광만을 투과하는 투과 필터가 부착되어 있다. 이것에 의해, 기판(9)상의 조명광의 조사위치에 있어서, 파장 800㎚ 이상의 적외선 광이 차광필터의 중심부에 대응하는 미소 영역에만 조사된다. 미소 영역의 위치는, 광원 유닛(31)에서의 편광광의 조사위치와 겹쳐진다.
조명광의 반사광은 차광패턴 촬영부(43)로 안내되고, 미소 영역에 대응하는 반사광만이 차광패턴 촬영부(43)에서 수광되고, 또 미소 영역에서의 광에 의해 차광패턴(453a)이 결상된다. 여기서, 취득되는 화상에 있어서 차광패턴(453a)의 이미지의 중심위치는, 이미 기술한 바와 같이 기판(9)상의 미소 영역의 경사각에 따라서 기준위치로부터 이동한다. 따라서, 기준위치와 검출된 중심위치 사이의 벡터에 의거해서 미소영역만에서의 경사각이 구해지는 것이 실현된다.
또, 기판(9)상의 조사 영역 전체에는 파장 800㎚ 이하의 광이 조사되기 때문에, 기판촬영부(44)에서 촬영되는 이미지에 의해 기판(9)상의 조명광의 조사위치가 확인 가능하고, 편광광의 조사위치를 기판(9)상의 소망의 위치로 이동할 수 있다. 또한, 후술하는 광 간섭유닛(4)에 의한 막 두께 측정시에도, 파장 800㎚ 이하의 광을 이용한 막 두께 측정이 가능하게 된다. 물론, 광 간섭유닛(4)에 의한 막 두께 측정을 고려하여 차광필터(454a)가 광로에서 대피 가능하게 되어도 된다.
미소 영역에 관한 경사각이 측정되면, 광원 유닛(31)에서 편광광이 기판(9)상의 미소 영역으로 출사되면서 수광 유닛(32)에서 편광광의 반사광이 수광되고, 반사광의 편광상태가 취득된다. 연산부(51)에서는, 미소 영역에 관한 경사각을 이용하면서 취득된 편광상태에 의거해서 기판(9)상의 미소 영역에 관한 막의 두께가 구해진다.
이상과 같이, 막 두께 측정장치(1)에서는, 시야 조리개부(454)에 차광필터(454a)를 배치함으로써, 기판(9)상의 미소 영역의 막 두께를 보다 정밀도 좋게 구할 수 있다. 또, 차광필터(454a)는 반드시 시야 조리개부(454)의 위치에 배치될 필요는 없고, 광원(41)에서 기판(9)에 도달하는 광로상에 있어서, 시야 조리개 위치와 광학적으로 거의 공액한 위치에 배치되면 된다. 또한, 배치되는 차광필터(454a)는 적어도 특정의 파장의 광을 기판(9)상의 미소 영역에 대응하는 부위 이외에 있어서 차단하면 되고, 모든 파장의 광이 차광되어도 된다.
다음에, 막 두께 측정장치(1)가 광 간섭유닛(4)에서의 분광 강도를 나타내는 출력에 의거해서 분광반사율을 구하여, 막 두께를 측정할(구체적으로는, 비교적 두꺼운 막과 다층막이 측정된다) 때의 처리에 대해서 설명을 행한다. 도 5는 막 두께 측정장치(1)가 광 간섭유닛(4)에 의해 막 두께 측정을 행하는 처리의 흐름을 나타내는 도면이고, 이하, 도 5에 따라서 설명을 행한다.
광 간섭방식에 의한 막 두께 측정에서는, 참조되는 대상물(이하,「참조 기판」이라 한다)이 사용된다. 참조 기판으로서는, 통상, 실리콘 기판이 사용되지만, 장시간 대기중에 방치된 참조 기판상에는, 이산화규소(SiO2)에 의한 자연산화막이 생기고 있다. 그래서, 막 두께 측정장치(1)에서는, 우선, 일립소미터(3)를 이용해서 편광 해석방식에 의한 참조 기판상의 자연산화막의 막 두께 측정이 행해진다(스텝(S31)).
일립소미터(3)에 의한 측정에서는 참조대상물이 불필요하기 때문에, 조사되는 광의 파장과 입사각(조사위치의 경사각) 등이 정확하게 특정되는 한, 막 두께의 절대량(이하,「절대 막 두께」라 한다)을 취득할 수 있다. 취득된 참조 기판의 절대 막 두께는 연산부(51)에 기억된다.
참조 기판의 절대 막 두께가 측정되면, 광 간섭유닛(4)에 있어서, 광원(41)에서 조명광이 출사되어 광학시스템(45)에 의해 조명광이 참조 기판으로 안내되고, 참조 기판에서의 반사광이 분광기(42)로 안내된다. 그리고, 분광기(42)에서 반사광의 분광강도가 취득되고(스텝(S32)), 참조 기판의 분광강도 데이터가 연산부(51)로 출력된다. 계속해서, 측정대상물인 기판(9)(이하, 참조 기판과 구별하기 위해「대상 기판(9)」이라 한다)이 스테이지(2)상에 얹혀지고, 광원(41)에서의 조명광이 대상 기판(9)상의 측정 대상위치로 조사되어, 분광기(42)에 의해 반사광의 분광강도가 취득된다(스템(S33)). 대상 기판(9)의 분광강도 데이터는 연산부(51)로 출력된다.
연산부(51)에서는 스텝(S31)에서 취득된 참조 기판의 절대 막 두께에서 참조 기판의 (수직)분광반사율이 이론적 연산에 의해 산출된다(스텝(S34)). 이하, 스테(S34)에서, 구해진 분광반사율을「이론 분광반사율」이라 한다.
계속해서, 참조 기판의 이론 분광반사율에 의거해서 참조 기판 및 대상 기판(9)의 분광강도에서 대상 기판(9)의 분광반사율이 구해진다(스텝(S35)). 여기서, 참조 기판의 이론 분광반사율을 Rc(λ), 참조 기판의 분광강도를 Ic(λ), 대상 기판(9)의 분광강도를 Im(λ)으로 하고, 대상 기판(9)의 분광반사율을 Rm(λ)으로 하면, 대상 기판(9)의 분광반사율 Rm(λ)은, (Rm(λ)=(Im(λ)/Ic(λ))×Rc(λ))에 의해 구해진다. 즉, 대상 기판(9)의 분광반사율은 광 간섭유닛(4)에 의해 구해진 대상 기판(9)의 분광강도에 대해서 참조 기판의 이론 분광반사율과 참조 기판의 분광강도의 비율을 곱하는 것에 의해 구해진다. 연산부(51)에서는, 또 대상 기판(9)의 분광반사율에서 대상 기판(9)상의 막 두께가 산출된다(스텝(S36)).
이상과 같이, 막 두께 측정장치(1)에서는, 편광 해석방식에 의해 측정된 참조 기판상의 막의 두께에 의거해서 참조 기판의 분광반사율을 산출하고, 산출된 분광반사율을 참조하여 대상 기판(9)의 분광반사율이 구해진다. 그 결과, 막 두께 측정장치(1)에서는 참조 기판상의 자연산화막의 영향을 받지 않고 대상 기판(9)의 분광반사율을 적절히 구할 수 있어, 정밀도 좋게 막 두께를 산출할 수 있다.
또, 참조 기판은, 반드시 실리콘 기판일 필요는 없고, 예를 들면, 금속판 등이라도 된다. 또한, 도 5에 나타내는 막 두께 측정의 처리의 흐름은 가능한 범위내에서 적절히 변경되어도 되고, 예를 들면, 참조 기판의 이론 분광반사율이 산출된 후에 분광강도가 취득되어도 된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명해 왔지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형이 가능하다.
상기 실시형태에서는, 일립소미터(3)를 이용한 막 두께 측정시에 이물 검사가 행해지고 있지만, 이물 검사에 관한 구성은, 예를 들면, 반도체 제조 프로세스 등에 있어서 이물 검사만의 목적으로 이용되어도 된다.
이물 검사시에, 기판(9)상에 큰 이물과 다수의 이물이 존재하는 경우에는, 광 간섭유닛(4)의 분광기(42)에 의해 기판(9)에서의 반사광이 수광되는 것이므로, 분광기(42)에 의한 이물의 검사를 병용하는 것도 가능하다.
차광패턴(453a)은 반드시 개구 조리개부(453)의 위치에 배치될 필요는 없고, 광원(41)에서 기판(9)에 도달하는 광로상에 있어서, 개구 조리개 위치와 광학적으로 거의 공액한 위치에 배치되면 된다. 또한, 차광패턴(453a)은 특정의 파장의 광만을 차광하는 패턴이라도 되고, 그 경우, 차광패턴 촬영부(43)에는 특정의 파장의 광만을 투과하는 필터가 배치되어도 된다.
광원 유닛(31)에서 기판(9)으로 향해서 출사되는 편광광은, 원편광의 광에 한정되지 않고, 필요에 따라서 적절히 다른 태양의 편광광(예를 들면, 45°의 직선편광)이 이용되어도 된다.
기판(9)은 반도체 기판에 한정되지 않고, 예를 들면, 액정 표시장치와 그 이외의 플랫패널 표시장치 등에 사용되는 유리기판이라도 된다.
본 발명이 상세하게 도시되어 설명되었지만, 상술한 설명은 모든 양태의 예시일뿐 그것에 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 한 다수의 수정 및 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
청구항 1 및 2의 발명에서는, 대상물의 경사각을 구하면서, 대상물상의 막의 두께를 정밀도 좋게 구할 수 있고, 청구항 2의 발명에서는 대상물상의 미소영역에서의 경사각을 구할 수 있다.
청구항 3 및 8의 발명에서는, 측정대상물의 분광반사율을 적절히 구할 수 있다.
청구항 4 내지 6의 발명에서는, 광원에서의 광의 파장을 구하면서, 대상물상의 막의 두께를 정밀도 좋게 구할 수 있고, 청구항 6의 발명에서는 분광기에 의해 분광강도를 취득할 수 있다.
청구항 7 및 9의 발명에서는, 기판상의 이물의 유무를 신속하고 용이하게 검사할 수 있다.

Claims (20)

  1. 대상물상에 형성된 막의 두께를 측정하는 막 두께 측정장치에 있어서,
    편광한 광을 대상물로 향해서 출사하는 제1 광원과,
    상기 대상물에서의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 편광상태를 취득하는 수광부와,
    상기 편광상태에 의거해서 상기 대상물상의 막의 두께를 구하는 연산부와,
    조명광을 출사하는 제2 광원과,
    상기 조명광을 상기 대상물로 안내함과 동시에 상기 대상물에서의 상기 조명광의 반사광을 소정의 위치로 안내하는 광학시스템과,
    상기 제2 광원에서 상기 대상물에 도달하는 광로상에 있어서, 상기 개구 조리개 위치와 광학적으로 거의 공액한 위치에 배치된 차광패턴과,
    상기 소정의 위치에 결상된 상기 차광패턴의 이미지를 취득하는 촬영부를 구비하고,
    상기 연산부가, 상기 촬영부에서의 출력에 의거해서 상기 대상물의 경사각을 구하고, 상기 경사각을 이용하면서 상기 편광상태에서 막의 두께를 구하는 막 두께 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 광원에서 상기 대상물에 도달하는 광로상에 있어서, 시야 조리개위치와 광학적으로 거의 공액한 위치에 배치된 필터를 더 구비하고,
    상기 필터가, 상기 대상물상의 미소 영역에 대응하는 부위 이외에 있어서 적어도 특정의 파장의 광을 차광하는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부가, 상기 촬영부에서의 상기 출력이 나타내는 화상에 있어서 소정의 기준위치와 상기 차광패턴의 이미지의 중심위치와의 사이의 벡터에 의거해서 상기 경사각을 구하는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정장치.
  4. 측정대상물의 분광반사율을 측정하는 반사율 측정장치에 있어서,
    참조대상물상의 막의 두께를 편광 해석방식에 의해 측정하는 막 두께 측정부와,
    상기 참조대상물 및 측정대상물에 조명광을 조사하여 상기 참조대상물 및 상기 측정대상물에서의 반사광의 분광강도를 각각 취득하고, 상기 측정대상물의 분광반사율을 구하는 반사율 측정부를 구비하고,
    상기 반사율 측정부가, 상기 막 두께 측정부에 의해 측정된 상기 참조대상물상의 상기 막의 상기 두께에 의거해서 상기 참조대상물의 분광반사율을 산출하고, 상기 분광반사율을 참조하여 상기 측정대상물의 상기 분광반사율을 구하는 연산부를 가지는 것을 특징으로 하는 반사율 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산부가, 상기 측정대상물의 상기 분광반사율을 이용해서 상기 측정대상물상의 막의 두께를 더 구하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 참조대상물이 실리콘 기판이고, 상기 참조대상물상의 상기 막이 자연산화막인 것을 특징으로 하는 반사율 측정장치.
  7. 대상물상에 형성된 막의 두께를 측정하는 막 두께 측정장치에 있어서,
    편광한 광을 대상물로 향해서 출사하는 광원과,
    상기 대상물에서의 상기 편광한 광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 편광상태를 취득하는 수광부와,
    상기 편광상태에 의거해서 상기 대상물상의 막의 두께를 구하는 연산부와,
    비측정시에 상기 광원에서의 광을 소정의 위치로 안내하는 교체기구와,
    상기 소정의 위치로 안내된 상기 광의 파장을 취득하는 파장측정부를 구비하고,
    상기 연산부가, 상기 파장측정부에서 취득된 상기 파장을 이용해서 상기 대상물상의 상기 막의 상기 두께를 구하는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 교체기구가,
    상기 대상물이 얹혀지는 스테이지와,
    상기 스테이지상에 배치된 미러와,
    상기 스테이지를 이동함으로써, 상기 광원에서의 상기 광의 조사위치에 상기 대상물 또는 상기 미러를 위치시키는 기구를 가지는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    조명광을 상기 대상물로 향해서 출사하는 또 하나의 광원을 더 구비하고,
    상기 파장측정부가 분광기이고, 상기 분광기가 상기 대상물에서의 상기 조명광의 반사광을 수광하여 상기 반사광의 분광강도를 취득하는 것을 특징으로 하는 막 두께 측정장치.
  10. 기판상의 이물의 유무를 검사하는 이물 검사장치에 있어서,
    소정의 입사각으로 기판에 입사하는 광을 출사하는 광원과,
    상기 광원에서의 반사광에 있어서의 p편광 성분의 강도를 취득하는 수광부와,
    상기 p편광 성분의 상기 강도에 의거해서 상기 기판상의 이물의 유무를 판정하는 판정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이물 검사장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광원에서 상기 광이 상기 기판으로 입사하기 전에 편광되는 것을 특징으로 하는 이물 검사장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 수광부가 일립소미터의 일부인 것을 특징으로 하는 이물 검사장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 입사각이, 이물이 존재하지 않는 경우에 기판에서의 반사광에 p편광 성분이 거의 존재하지 않는 각도로 되는 것을 특징으로 하는 이물 검사장치.
  14. 측정대상물의 분광반사율을 측정하는 반사율 측정방법에 있어서,
    참조대상물상의 막의 두께를 편광 해석방식에 의해 측정하는 공정과,
    상기 참조대상물 및 측정대상물에 조명광을 조사하여 상기 참조대상물 및 상기 측정대상물에서의 반사광의 분광강도를 각각 취득하는 공정과,
    상기 참조대상물상의 상기 막의 상기 두께에 의거해서 상기 참조대상물의 분광반사율을 산출하고, 상기 분광반사율을 참조하여 상기 측정대상물의 분광반사율을 구하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 반사율 측정방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 측정대상물의 상기 분광반사율을 이용해서 상기 측정대상물상의 막의 두께를 구하는 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반사율 측정방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 참조대상물이 실리콘 기판이고, 상기 참조대상물상의 상기 막이 자연산화막인 것을 특징으로 하는 반사율 측정방법.
  17. 기판상의 이물의 유무를 검사하는 이물 검사방법에 있어서,
    광원에서의 광을 소정의 입사각으로 기판에 입사하는 공정과,
    상기 기판에서의 반사광에 있어서의 p편광 성분의 강도를 취득하는 공정과,
    상기 p편광 성분의 상기 강도에 의거해서 상기 기판상의 이물의 유무를 판정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 이물 검사방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광원에서의 상기 광이 상기 기판으로 입사하기 전에 편광되는 것을 특징으로 하는 이물 검사방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원에서의 광이, 편광 해석법에 의해 기판상의 막의 두께를 측정할 때이용되는 것을 특징으로 하는 이물 검사방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 입사각이, 이물이 존재하지 않는 경우에 기판에서의 반사광에 p편광 성분이 거의 존재하지 않는 각도로 되는 것을 특징으로 하는 이물 검사방법.
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