WO2003091659A1 - Dispositif de mesure d'epaisseur - Google Patents

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Teruo Takahashi
Tohru Shimizu
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Hamamatsu Photonics K.K.
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    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/024—Optical fibres with cladding with or without a coating with polarisation maintaining properties

Definitions

  • the present invention relates to a thickness measuring device for measuring the thickness of a semiconductor wafer or the like, and particularly to a thickness measuring device using a Michelson interferometer.
  • a thickness measuring device using a Michelson interferometer As a device for measuring the thickness of a semiconductor wafer or the like in a non-contact manner, a thickness measuring device using a Michelson interferometer is known.
  • a condensing lens 303 As a device for measuring the thickness of a semiconductor wafer or the like in a non-contact manner, a thickness measuring device using a Michelson interferometer is known.
  • light from a light source 301 is condensed by a condensing lens 303 as shown in FIG. Irradiates the object to be measured 308 and moves the object to be measured 308 or the condensing lens 303 and the reference light mirror 306 so that the interference light on the front and rear surfaces is detected by the photodetector.
  • an object of the present invention is to provide a thickness measuring apparatus using a Michelson interferometer, which enables high-accuracy measurement and facilitates adjustment with a compact configuration.
  • a thickness measuring device is a thickness measuring device using a Michelson interferometer, wherein the Michelson interferometer has an optical system composed of two optical cables connected by an optical power bra.
  • Each optical cable consists of a polarization maintaining optical fiber connected by an optical connector, and each optical connector relatively rotates the connected polarization maintaining optical fiber around the optical axis to adjust the relative position.
  • the device By forming the main part of the optical system of the Michelson interferometer with optical fibers, the device becomes compact and the degree of freedom in arrangement is improved.
  • the polarization plane is maintained even if the bending degree of the optical fiber is changed, so that stable interference light can be generated.
  • manufacture and adjustment of the device are facilitated. Since this optical connector has a configuration in which the optical fibers to be connected can be relatively rolled, the polarization plane directions can be surely matched between the optical fibers.
  • At least one of the optical connectors includes a polarizer arranged between the end faces of the optical fibers to be connected so as to roll around the optical axis.
  • a polarizer arranged between the end faces of the optical fiber connected at the connector, noise components can be removed and high-precision measurement is possible.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of a thickness measuring device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of an optical connector used in the apparatus of FIG. 1, and
  • FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram thereof.
  • FIG. 4A is a side view of an adapter part of the optical connector of FIG. 2, and FIG. 4B is a front view thereof.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a polarizer of the device of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a state of light reflection on a semiconductor wafer.
  • 7A to 7C are diagrams for comparing and explaining differences in the output of the photodetector due to the positional relationship between the principal axes of polarization.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of signal strength at the time of adjustment of the device of FIG.
  • FIG. 9A is a diagram showing a modified example of the Michelson interferometer of FIG. 1, and FIG. 9B is a schematic diagram of the Michelson interferometer of FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a conventional thickness measuring device.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of a thickness measuring device according to the present invention.
  • the thickness measuring device 100 irradiates the semiconductor wafer 200 to be measured with measurement light, and interferes the reflected light from the semiconductor wafer 200 with the reference light reflected by the reference optical system.
  • This is a Michelson interferometer type non-contact thickness meter that measures the thickness of the semiconductor wafer 200 using the change in the light intensity of the interference light obtained.
  • the thickness measuring device 100 includes a Michelson interferometer 1 and a calculation / control unit 2 that controls the Michelson interferometer 1 and calculates a thickness from a detection result.
  • the Michelson interferometer 1 has an optical system of a main part composed of two optical cables 4 and 5 connected by an optical power plug 3, a measurement light source 6 is arranged at one end of the optical cable 4, and the other end.
  • a probe head 7 for irradiating the wafer 200 with the measurement light and receiving the reflected light is disposed in the wafer.
  • an optical detector 8 is disposed at one end of the optical cable 5, and a reference optical system 9 is disposed at the other end.
  • the measurement light source 6 is a low coherence light source, for example, a wavelength of 1.
  • the photodetector 8 may be of any type that can measure the temporal change in light intensity. Various photodetectors can be used in addition to a photoelectron counter. Wear.
  • the optical cable 4 is configured by connecting polarization maintaining optical fibers 40 and 41 by an optical connector 42.
  • the other end of the optical fiber 40 is connected to an output polarization maintaining optical fiber 60 extending from the measurement light source 6 by an optical connector 62.
  • the other end of the optical fiber 41 is connected to the probe head 7 by an optical plug 46.
  • the other optical cable 5 is configured by connecting polarization maintaining optical fibers 50 and 51 by an optical connector 52.
  • the other end of the optical fiber 50 is connected to the input end of the photodetector 8 via the optical plug 53.
  • an optical plug 54 is also provided at the other end of the optical fiber 51, and a reference optical system 9 is arranged on the optical path.
  • the optical power bra 3 is formed by melting and coupling the optical fiber 41 and the optical fiber 50.
  • the reference optical system 9 is an optical system that reflects the incident light and returns it, and has a function of changing the internal optical path length. Specifically, a polarizer 90 arranged on the optical plug 54 side so as to be able to roll around the optical axis, and a mirror arranged at the end of the optical path opposite to the polarizer 90 9, a glass substrate 92 disposed between the polarizer 90 and the mirror 91, and a galvanometer 93 for periodically vibrating the glass substrate 92.
  • the arithmetic and control unit 2 is based on a processing result of the signal processing unit 20 for processing a signal sent from the photodetector 8, an optical path length control unit 21 for controlling the galvanometer 93, and a processing result of the signal processing unit 20.
  • the calculation unit 22 calculates the thickness of the wafer 200. These may be separated by hardware, or when a personal computer or EWS is used as the arithmetic and control unit 2, these functions may be realized by software.
  • the optical connectors 4 2, 5 2, and 6 2 have the same configuration. The configuration will be described with reference to an example.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the optical connector
  • FIG. 3 is a sectional configuration view.
  • the optical connector 42 is composed of plugs 400, 410 attached to the ends of the optical fibers 40, 41, and an adapter 420 arranged therebetween.
  • the basic configuration is based on the F01 single-fiber optical fiber connector of JISC5970, and the necessary structure according to the present invention is added to the structure of the adapter 420.
  • the plug 400 is attached to the end of the optical fiber 40 from which the coating 40a has been removed, and includes a ferrule 400a for fixing the optical fiber 40 and a frame 40 for winding and fixing the same. 0b, a screw-in connection nut 400c provided around it in the axial direction, and a hood 400d for fixing the coated optical fiber on the optical fiber 40 side from the frame 400b. .
  • the plugs 410, 46, 53, and 54 have the same configuration.
  • the adapter 420 has a configuration similar to, for example, FCN-AA-001 manufactured by Dai-ichi Denshi Kogyo, and has two sleeve holders 420 of the same shape as the sleeve 420a. b, Honored Leaves 420c, two housings 420d and 420e having different shapes, and two to four machine screws 420f.
  • the adapter 420 according to the present invention and the FCN-AA-001 differ in the structure of the nosing 420e side. As shown in Fig. 4A and Fig. 4B, the housing 420e has a small screw 4200f force S.
  • the cross section of the threaded hole is not round like FCN-AA-001, It has a shape like That is, it has a shape in which semicircles are arranged on both sides of two arcs centered on the center of the inner cylinder of the housing 420e, and the angle of the arc is set to 35 degrees.
  • the radius of the semicircle is the same as the radius of the conventional circular screw hole. Accordingly, the seating surface is also counterfeited in a shape substantially similar to this. With this configuration, it is possible to rotate the plug 400 relatively to the plug 410 with the plugs 400 and 410 attached to both sides of the adapter 420.
  • the polarizer 90 composed of a circular polarization filter may be arranged in a hole in the holder 90a, and may be fixed with a set screw 90b if necessary.
  • the angle of the filter may be adjustable using a gear.
  • the light emitted from the measurement light source 6 is guided to the optical fiber 60, the optical connector 62, and the optical fiber 40.
  • a part of the light guided through the optical fiber 40 is incident on the optical fiber 50 by the optical power blur 3, and is referred to through the optical connector 52, the optical fiber 51, and the optical plug 54.
  • Guided to Corollary 9. The light that has entered the reference optical system 9 passes through the polarizer 90 and the glass substrate 92, is reflected by the mirror 91, passes through the glass substrate 92 and the polarizer 90 again, and passes through the optical plug 54 again.
  • the light enters the optical fiber 51 via the optical fiber 52, and is guided to the optical fiber 50 via the optical connector 52.
  • the light guided through the optical fiber 40 as it is is guided to the probe head 7 via the optical connector 42, the optical fiber 41 and the optical plug 46, and is irradiated toward the wafer 200.
  • the incident light is reflected at two points on the front surface and the back surface due to the difference in the refractive index between the air and the wafer 200.
  • the vertically incident light is drawn as if it is reflected obliquely in order to clearly show the reflection position, but in actuality, the vertically incident light is reflected vertically.
  • the reflected light is guided back through the optical path at the time of incidence, enters the probe head 7, and is guided to the optical fiber 40 via the optical plug 46, the optical fiber 41, and the optical connector 42.
  • Light power plastic reaches 3 parts.
  • the light reflected by the wafer 200 and returned to the optical fiber 40 and the light returned to the optical fiber 50 by reciprocating in the reference optical system 9 are multiplexed and interfere with each other. Generate light.
  • the generated interference light is guided through the optical fiber 50, and is sent to the photodetector 8 via the optical plug 53.
  • the photodetector 8 converts the input interference light intensity signal into an electric signal and transmits the electric signal to the signal processing unit 20.
  • the operation unit 22 is based on the time-intensity change obtained by the signal processing unit 20 and the control result of the optical path length control unit 21, C) Calculate the thickness of 200.
  • the intensity of the interference light generated when the arrival timings of the reference light and the reflected light match each other is maximized when the polarization axes of the reference light and the reflected light match.
  • the polarization plane is maintained in the same optical fiber (including the optical power bra 4).
  • the linearly polarized light in the direction of the principal axis of polarization in the upstream optical fiber becomes linear in the direction of the principal axis of polarization in the downstream optical fiber.
  • the reference light and the reflected light are generated at a timing different from the case where the main polarization axes are aligned, and the interference light generated by these becomes noise.
  • the transmittance of the semiconductor wafer 200 is low, the intensity of the reflected light itself from the back surface of the wafer 200 is weak, whereas the intensity of the reflected light from the front surface is strong.
  • FIGS. 7A to 7C show how the output of the photodetector changes depending on the positional relationship between the principal axes of polarization.
  • the time change of the signal output from the photodetector 8 is as shown in FIG. 7A, and the signal P1 corresponding to the reflection from the front surface and the signal P1 from the back surface are obtained. Only two signals, P2, corresponding to the reflection are obtained.
  • noise n occurs around the original signals P 1 and P 2 as shown in FIG. 7B.
  • the impurity concentration of the semiconductor wafer 200 becomes higher, the light absorption increases, and as a result, the noise component accompanying the signal P1 increases. As a result, as shown in FIG. Discrimination from these noise components n becomes difficult.
  • optical connectors 42, 52, and 62 are used.
  • the relative positions of the connected optical fibers with respect to the optical axis can be adjusted independently. This makes it possible to perform high-accuracy measurement by aligning the principal axes of polarization and suppressing the generation of noise.
  • the rotation angle of the polarizer 90 can be adjusted, there is an effect of suppressing noise generated when the plane of polarization rotates in the optical path in the space of the reference optical system 9.
  • a reference medium is placed in place of the semiconductor wafer 200, and the thickness measuring device 100 is operated.
  • the reference medium a medium having a low transmittance and a large reflection on the front and back surfaces, for example, a glass substrate is preferable.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the signal strength. Since the noise whose intensity varies depending on the connector and the polarizer to be rotated differs, it is advisable to make adjustments focusing on the signal component (noise) whose intensity varies greatly. However, since the rotation angle of other connectors and the polarizer is also affected, it is preferable to repeatedly perform the adjustment until all the noises n are below the allowable limit.
  • noise n appears basically symmetrically with respect to the original signal peaks S and P2, it does not appear strictly symmetrically, and if one is reduced during adjustment, the other may increase. I do.
  • FIG. 9B is a diagram showing a modification 1a of the Michelson interferometer 1 of the thickness measuring apparatus 100 according to the present invention.
  • Fig. 9A shows the Michelson interferometer shown in Fig. 1 for comparison.
  • a polarizer 420 g arranged rotatably around the optical axis between the plugs of the connectors 42, 52, and 62 and at the tip of the probe head 7 respectively , 520 g, 620 g, 70 are arranged.
  • an adapter with a polarizer 420 g at the center is installed instead of the adapter 42 shown in Fig. 3, or a polarizer is placed between two receptacles. Can be adopted.
  • the S / N ratio is further improved by cutting unnecessary components with a polarizing filter, and it is possible to measure even an object with low transmittance.
  • the polarizing filters are arranged at all positions where they can be arranged, but at least one of them may be arranged with a polarizing filter.
  • the measurement of the thickness of a semiconductor wafer has been described as an example, but the present invention is also applicable to the measurement of the thickness of other light-transmitting media.
  • the thickness measuring apparatus can be suitably used for measuring the thickness of a semiconductor wafer and other light-transmitting media.

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Description

明糸田書
厚み計測装置
技術分野
本発明は、 半導体ウェハ等の厚みを計測するための厚み計測装置に関し、 特に マイケルソン干渉計を用いた厚み計測装置に関する。
背景技術
半導体ウェハ等の厚みを非接触で測定する装置としてマイケルソン干渉計を用 いた厚み計測装置が知られている。 例えば、 特開平 1 0— 3 2 5 7 9 5号公報に 開示されている装置では、 図 1 0に示されるように、 光源 3 0 1からの光を集光 レンズ 3 0 3により集光して測定対象物 3 0 8に照射し、 測定対象物 3 0 8また は集光レンズ 3 0 3および参照光ミラー 3 0 6を移動させて、 前面、 後面それぞ れにおける干渉光を光検出器 3 0 4で測定し、 最大強度が表れたときの測定対象 物 3 0 8または集光レンズ 3 0 3および参照光ミラー 3 0 6の移動距離から測定 対象物 3 0 8の屈折率および厚みを計測するものである。
発明の開示
このような計測装置においては、 測定精度を高めるためには、 マイケルソン干 渉計 3 0 2における光学系の配置を厳密に行う必要があり、 装置の大型化や設備 の調整が複雑なものとなる。
そこで本発明は、 高精度の測定を可能としつつ、 コンパクトな構成で調整を容 易にしたマイケルソン干渉計を利用した厚み計測装置を提供することを課題とす る。
上記課題を解決するため、 本発明に係る厚み計測装置は、 マイケルソン干渉計 を用いた厚み計測装置において、 マイケルソン干渉計は、 光力ブラによって接続 された 2本の光ケーブルにより光学系が構成され、 各光ケーブルは光コネクタに よって接続された偏波保持光ファイバからなり、 各光コネクタは接続される偏波 保持光ファイバを光軸を中心として相対的に転動させてその相対位置を調整可能 に構成されているとともに、少なくとも (1)光力ブラと参照光学系のミラーとの間、 (2)光力ブラと光源との間、（3)光力ブラと測定対象物との間、のいずれかの光軸上 に光軸を中心に転動可能に配置されている偏光子を備えているものである。
マイケルソン干渉計の光学系の主要部分を光フアイバによつて形成することで、 装置がコンパクトになり、 配置の自由度が向上する。 この光ファイバとして偏波 保持光フアイバを用いることで光フアイバの曲げ具合を変えても偏光面が保たれ るので安定した干渉光の生成が可能となる。 また、 偏波保持光ファイバを光コネ クタにより連結することで装置の製造や調整が容易となる。 この光コネクタは、 連結する光ファイバ同士を相対的に転動可能な構成としているので、 光ファイバ 間で偏光面方向を確実に合致させることができる。 さらに、 少なくとも（1)光力プ ラと参照光学系のミラーとの間、（2)光力ブラと光源との間、（3)光力ブラと測定対 象物との間、 のいずれかの光軸上に偏光子を配置することで、 光力ブラの外で偏 光面が回転することによって生ずるノイズ成分をカツトして、 干渉光信号を高精 度で検出することが可能である。
光コネクタの少なくとも 1つは、 接続される光ファイバの端面間に光軸を軸と して転動可能に配置された偏光子を備えていることが好ましい。 コネクタ部で接 続される光フアイバの端面間に偏光子を配置することで、 ノィズ成分を除去して 高精度の測定が可能となる。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る厚み計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図 2は、 図 1の装置で用いられる光コネクタの分角爭斜視図であり、 図 3はその 断面構成図である。
図 4 Aは、 図 2の光コネクタのアダプタ部分の側面図であり、 図 4 Bはその正 面図である。
図 5は、 図 1の装置の偏光子の構成図である。
図 6は、 半導体ウェハにおける光反射の様子を説明する図である。 図 7 A〜図 7 Cは、 偏光主軸同士の配置関係による光検出器の出力の違いを比 較して説明する図である。
図 8は、 図 1の装置の調整時の信号強度例を説明する図である。
図 9 Aは、 図 1のマイケルソン干渉計の変形例を示す図であり、 図 9 Bは、 図 1のマイケルソン干渉計の概略図である。
図 1 0は、 従来の厚み計測装匱を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。 説明の理解を容易にするため、 各図面において同一の構成要素に対しては可能な 限り同一の参照番号を附し、 重複する説明は省略する。
図 1は、 本発明に係る厚み計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。 こ の厚み計測装置 1 0 0は、計測対象である半導体ウェハ 2 0 0に計測光を照射し、 半導体ウェハ 2 0 0からの反射光と、 参照光学系で反射させた参照光とを干渉さ せて得られた干渉光の光強度変化を利用して半導体ウェハ 2 0 0の厚みを計測す るマイケルソン干渉計タイプの非接触式の厚み計測計である。
この厚み計測装置 1 0 0は、 マイケルソン干渉計 1とこれを制御するとともに 検出結果から厚みの演算を行う演算■制御部 2とからなる。
マイケルソン干渉計 1は、光力プラ 3によって接続される 2本の光ケーブル 4、 5によって主要部分の光学系が構成されており、 光ケーブル 4の一端には、 計測 光源 6が配置され、 他端には、 ウェハ 2 0 0に測定光を照射して反射光を受光す るためのプローブヘッド 7が配置される。 一方、 光ケーブル 5の一端には、 光検 出器 8が配置され、 他端には、 参照光学系 9が配置されている。
このうち、 計測光源 6としては、 低コヒーレンス光源、 例えば波長 1 .
の光を発生させる赤外 S L D (Super Luminescent Diode) 等を用いることが好 ましい。 また、 光検出器 8としては、 光強度の時間的変化を測定できるタイプの ものであれば良く、 光電子カウンターのほか、 各種の光検出器を用いることがで きる。
光ケーブル 4は、 偏波保持光ファイバ 4 0、 4 1を光コネクタ 4 2によって連 結することで構成されている。 光ファイバ 4 0の他端は、 計測光源 6から延びる 出力用の偏波保持光ファイバ 6 0と光コネクタ 6 2により接続されている。一方、 光ファイバ 4 1の他端は、 光プラグ 4 6によりプローブへッド 7に接続されてい る。
もう 1本の光ケープル 5は、 偏波保持光ファイバ 5 0、 5 1を光コネクタ 5 2 によって連結することで構成されている。 光ファイバ 5 0の他端は、 光検出器 8 の入力端に光プラグ 5 3を介して接続されている。 一方、 光ファイバ 5 1の他端 にも光プラグ 5 4が設けられ、 その光路上に参照光学系 9が配置されている。 光力ブラ 3は、 光ファイバ 4 1と光ファイバ 5 0とを溶融させて結合させるこ とで形成されている。 こうした偏波保持光ファイバ力ブラについては蒲野哲也ら の" C02レーザ照射法による偏波保持光ファイバ力ブラの作製"、第 61回応用物理 学会学術講演会講演予稿集 No.3， 4p-Q-2(2000.9)等に開示されている。
参照光学系 9は、 入射した光を反射させて戻す光学系であって、 内部の光路長 を変更する機能を有している。 具体的には、 光プラグ 5 4側に光軸を中心として 転動可能に配置されている偏光子 9 0と、 光路のこの偏光子 9 0とは反対側の末 端に配置されているミラー 9 1と、 偏光子 9 0とミラー 9 1の間に配置されるガ ラス基板 9 2と、 ガラス基板 9 2を周期的に振動させるガルバノメータ 9 3とを 備えている。
演算-制御部 2は、光検出器 8から送られる信号を処理する信号処理部 2 0と、 ガルバノメータ 9 3を制御する光路長制御部 2 1と、 信号処理部 2 0の処理結果 を基にウェハ 2 0 0の厚みを算出する演算部 2 2からなる。 これらはハード的に 区分されていてもよいし、 演算 ·制御部 2としてパーソナルコンピュータや EW Sを用いる場合には、 これらの機能をソフトウェアによって実現してもよい。 光コネクタ 4 2、 5 2、 6 2の構成は共通であるため、 以下、 光コネクタ 4 2 を例にその構成を説明する。図 2はこの光コネクタの分解斜視図であり、図 3は、 断面構成図である。 この光コネクタ 4 2は、 各光ファイバ 4 0、 4 1の端部に取 り付けられたプラグ 4 0 0 , 4 1 0とその中間に配置されるアダプタ 4 2 0から なる。 基本的な構成は、 J I S C 5 9 7 0の F 0 1形単心光ファイバコネク タに準拠しており、 アダプタ 4 2 0の構造について本発明に係る必要な改良を加 えたものである。
プラグ 4 0 0は、 被覆 4 0 aを除去した光ファイバ 4 0の端部に取り付けられ ており、 光ファイバ 4 0を固定するフエルール 4 0 0 aと、 これを取り卷き固定 するフレーム 4 0 0 bと、 その周囲に軸方向に設けられたねじ込み用の接続ナツ ト 4 0 0 cと、 フレーム 4 0 0 bより光ファイバ 4 0側で被覆光ファイバを固定 するフード 4 0 0 dからなる。 なお、 プラグ 4 1 0、 4 6、 5 3、 5 4も同様の 構成をなしている。
一方、 アダプタ 4 2 0は、 例えば、 第一電子工業製 F C N— AA—0 0 1に類 似した構成を有し、 スリーブ 4 2 0 aと、 同一形状の 2個のス リーブホルダー 4 2 0 bと、 ホノレダース リーブ 4 2 0 cと、 形状の異なる 2個のハウジング 4 2 0 d、 4 2 0 eと、 2〜4本の小ねじ 4 2 0 f からなる。 本発明に係るアダプタ 4 2 0と F C N— AA— 0 0 1とは、 ノヽウジング 4 2 0 e側の構造が相違する。 ハウジング 4 2 0 eは、 図 4 A、 図 4 Bに示されるように、 小ねじ 4 2 0 f 力 S 貫通するねじ孔の断面が F C N— AA— 0 0 1のような円形ではなく、 そら豆の ような形状をしている。 すなわち、 ハウジング 4 2 0 eの内側円筒の中心を中心 とする 2つの円弧の両側に半円を配置した形状となっており、 円弧の角度は 3 5 度に設定されている。 そして、 半円の半径は、 従来の円形のねじ孔の半径と同一 である。 これに応じて座面もこれに略相似する形状に座繰りされている。 この構 成によって、 アダプタ 4 2 0の両側にプラグ 4 0 0、 4 1 0を取り付けた状態で プラグ 4 0 0を 4 1 0に対して相対的に回転させることが可能となる。
偏光子 9 0を前述したように転動可能とするためには、 図 5に示されるように 円形の偏光フィルタからなる偏光子 9 0をホルダー 9 0 a内の孔内に配置し、 必 要に応じて止めねじ 9 0 bで固定する構成をとればよい。 あるいはギヤを用いて フィルタの角度を調整可能としてもよい。
次に、 この厚み計測装置 1 0 0を用いた半導体ウェハ 2 0 0の厚み測定につい て具体的に説明する。 計測光源 6から発せられた光は、 光ファイバ 6 0、 光コネ クタ 6 2、 光ファイバ 4 0へと導かれる。 光ファイバ 4 0を導波する光は、 光力 ブラ 3によってその一部が光ファイバ 5 0へと入射し、 光コネクタ 5 2、 光ファ ィバ 5 1、 光プラグ 5 4を介して参照光学系 9へと導かれる。 参照光学系 9に入 射した光は、 偏光子 9 0、 ガラス基板 9 2を通過した後にミラー 9 1で反射され て再びガラス基板 9 2、 偏光子 9 0を通過して再度光プラグ 5 4を介して光ファ ィバ 5 1に入射し、 光コネクタ 5 2を介して光ファイバ 5 0へと導かれる。 一方、 光ファイバ 4 0をそのまま導波した光は光コネクタ 4 2、 光ファイバ 4 1ヽ 光プラグ 4 6を介してプローブヘッド 7へと導かれ、 ウェハ 2 0 0へと向け て照射される。 ウェハ 2 0 0においては、 空気とウェハ 2 0 0との屈折率差によ り、 図 6で示されるように、 その表面と、 裏面の 2力所で入射した光が反射され る。 図では反射位置をわかりやすく示すために垂直に入射した光が斜めに反射す るかのように描かれているが、 実際には、 垂直に入射した光は垂直に反射する。 反射光は、 入射した際の光路を逆に導波して、 プローブヘッド 7へと入射し、 光 プラグ 4 6、 光ファイバ 4 1、 光コネクタ 4 2を介して光ファイバ 4 0へと導か れ、 光力プラ 3部分へと至る。
光力プラ 3では、 ウェハ 2 0 0で反射されて光ファイバ 4 0まで戻ってきた光 と参照光学系 9を往復して光ファイバ 5 0まで戻ってきた光とが合波されて干渉 し干渉光を生成する。 生成された干渉光は光ファイバ 5 0を導波して光プラグ 5 3を介し、 光検出器 8へと送られる。 光検出器 8は入力された干渉光の強度信号 を電気信号に変換する等して信号処理部 2 0へ伝達する。 演算部 2 2は信号処理 部 2 0で得られた時間一強度変化と光路長制御部 2 1の制御結果を基にしてゥェ ハ 2 0 0の厚みを算出する。
ここで、 光力プラ 4において、 参照光と反射光の到達タイミングが一致したと きに生成される干渉光は、 参照光と反射光の偏光軸が一致しているときに強度が 最大となる。 厚み計測装置 1 0 0では、 導波路の大部分に偏波保持光ファイバを 用いているので、 同一の光ファイバ内 （光力ブラ 4内も含む） では偏光面は保持 される。 しかし、 光コネクタ部分において相互の光ファイバの偏波主軸の向きが 異なっていると、 上流側の光ファイバで偏波主軸方向の直線偏光は、 下流側の光 ファイバでは、 偏波主軸方向の直線偏光と、 これに直交する直線偏光の 2成分に 分離される。 そして、 偏波主軸方向とこれに直交する方向とでは、 屈折率が相違 することから、 その伝播速度に違いを生じ、 下流側の光ファイバを導波するにし たがい、 両偏光にずれが生ずる。 この結果、 偏光主軸が揃っている場合とは異な るタイミングに参照光、 反射光が生成され、 これらにより発生する干渉光がノィ ズとなる。 特に、 半導体ウェハ 2 0 0の透過率が低いような場合には、 ウェハ 2 0 0の裏面からの反射光自体の強度が弱く、 これに対して表面からの反射光強度 が強く、 この結果、 表面からの反射光に伴って生ずるノイズも大きくなるため、 ノィズのほうが裏面からの反射光より強い場合があり、正確な測定が困難になる。 図 7 A〜図 7 Cは偏光主軸の位置関係によって光検出器の出力がどのように変化 するかを示したものである。 偏光主軸が全て揃っている場合には、 光検出器 8か ら出力される信号の時間変化は、 図 7 Aに示されるようになり、 表面からの反射 に対応する信号 P 1と裏面からの反射に対応する信号 P 2の 2つのみが得られる。 し力 し、 偏光主軸が不揃いの場合には図 7 Bに示されるように本来の信号 P 1、 P 2に前後してノイズ nが発生する。 そして、 半導体ウェハ 2 0 0の不純物濃度 が高いほど光吸収が大きくなり、 この結果、 信号 P 1に付随して発生するノイズ 成分が大きくなる結果、 図 7 Cに示されるように信号 P 2とこれらのノイズ成分 nとの識別が困難になる。
そこで、 この厚み計測装置 1 0 0においては、 光コネクタ 4 2、 5 2、 6 2で 接続される光フアイバ相互の光軸に対する相対位置をそれぞれ独立して調整可能 としている。 これにより、 偏光主軸を揃えてノイズの発生を抑制することにより 高精度の測定を行うことが可能となっている。 また、 偏光子 9 0の回転角を調整 可能とすることで、 参照光学系 9の空間中の光路内で偏波面が回転することによ つて発生するノイズを抑制する効果がある。
この調整方法について次に説明する。 まず、 半導体ウェハ 2 0 0に代えて、 リ ファレンス媒体を配置し、 厚み計測装置 1 0 0を作動させる。 このリファレンス 媒体としては、 透過率が低く、 表面裏面での反射は大きな媒体、 例えばガラス基 板等が好ましい。
このとき、 各コネクタを構成するアダプタの小ねじを緩めておき、 装着したプ ラグ同士の相対的な回転を許容しうる状態にしておく。 この状態で光検出器 8か ら出力される信号強度の変化をモニターしながら、 ノイズが小さくなるように各 コネクタにおけるハウジング相互の角度、 偏光子の回転角を交互に調整する。 図 8はこの信号強度例を示す図である。 回転させるコネクタ、 偏光子によって強度 の変化するノイズは異なってくるので、 強度変化の大きい信号成分 （ノイズ） に 着目して調整を行うとよい。 ただし、 他のコネクタ、 偏光子の回転角度を変化さ せた影響も受けるので、 全てのノイズ nが許容限度以下になるまで繰り返し調整 を行うことが好ましい。 なお、 ノイズ nは本来の信号ピーク S、 P 2に対して、 基本的には対称に表れるが、 厳密に対称に表れるのではなく、 調整時にも一方を 小さくすると、 他方が大きくなる場合が存在する。 し力 し、 除去する必要が大き いのは、 ピーク信号 S、 P 2より後に表れるノイズ n、 つまり図 8ではピーク信 号 S、 P 2の下に表れるノイズ nなのでこれに着目して調整を行うとよい。
調整後に小ねじを締め付けることで各光ファィバ同士を調整した角度で固定す る。 このときも信号強度をモニターしながら作業を行うと、 締め付けに伴って不 用意に角度ずれが起こるのを防止でき、 好ましい。 なお、 調整後に回転させた側 のアダプタからブラグを外して再度取り付けることで、 光フアイバのねじれを除 去し、 さらにノイズを低減させることができる。 この調整は測定ごとに行う必要 はなく、 光学系を移動させた場合にのみ行えば十分である。
図 9 Bは本発明に係る厚み計測装置 1 0 0のマイケ ソン干渉計 1の変形形態 1 aを示す図である。 比較のため図 9 Aに図 1に示されるマイケルソン干渉計を 示す。 このマイケルソン干渉計 1 aでは、 コネクタ 4 2、 5 2、 6 2のプラグ間 およぴプローブへッド 7の先端にそれぞれ光軸を中心に回転可能に配置された偏 光子 4 2 0 g、 5 2 0 g、 6 2 0 g、 7 0が配置されている。 この構成を実現す るためには、 図 3に示されるアダプタ 4 2◦に代えて、 中央に偏光子 4 2 0 gを 配置したアダプタを設置するか、 2つのレセプタクルの間に偏光子を配置する等 の方法が採用できる。 この場合、 不要な成分を偏光フィルタによってカットする ことでより S /N比を向上させ、 透過率の低い対象物についても測定が可能とな る。 この干渉計では、 配置可能な位置全てに偏光フィルタを配置しているが、 少 なくともこのうち 1力所に偏光フィルタを配置すればよい。
以上の説明では、 半導体ウェハの厚み計測を例に説明してきたが、 その他の光 透過性の媒体の厚み計測にも本発明は適用可能である。
産業上の利用可能性
本発明に係る厚み計測装置は、 半導体ウェハその他の光透過性媒体の厚み計測 に好適に用いることができる。

Claims

請求の範囲
1 . マイケルソン干渉計を用いた厚み計測装置において、
前記マイケルソン干渉計は、 光力ブラによつて接続された 2本の光ケーブルに より光学系が構成され、 各光ケーブルは光コネクタによって接続された偏波保持 光ファイバからなり、 各光コネクタは接続される偏波保持光ファイバを光軸を中 心として相対的に転動させてその相対位置を調整可能に構成されているとともに、 少なくとも前記光力ブラと参照光学系のミラーとの間、 前記光力ブラと光源との 間、 前記光力ブラと測定対象物との間、 のいずれかの光軸上に光軸を中心に転動 可能に配置されている偏光子を備えている厚み計測装置。
2 . 前記光コネクタの少なくとも 1つは、 接続される光ファイバの端面間に光 軸を軸として転動可能に配置された偏光子を備えている請求の範囲第 1項記載の 厚み計測装置。
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