JP2000046525A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハロゲンランプや分光計を用いずに膜厚測定
装置を構成することができる技術を提供する。 【解決手段】 膜厚測定装置は、基板上に形成された薄
膜の膜厚を測定するのに適したほぼ単色の互いに異なる
複数の光を基板に順次１つずつ照射するための半導体発
光素子１２０と、基板からの反射光を複数の光のそれぞ
れに関して測定するためのフォトダイオード１３０と、
フォトダイオードによって測定された複数の光に対する
測定値から求められる複数の反射率の実測値と、薄膜の
複数の膜厚値から予測される反射率の予測値とから、薄
膜の膜厚を決定する膜厚決定部２１０と、を備える。こ
れにより、安価に膜厚測定装置を構成することが可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体基板や、
液晶パネル用のガラス基板などの基板上に形成された薄
膜の膜厚を測定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造工程においては、
基板上に薄膜が形成される場合が多い。例えば、基板上
にパターンを形成する際にはフォトレジスト膜が形成さ
れ、また、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）
構造を形成する際には絶縁膜が形成される。

【０００３】基板上に形成された薄膜の膜厚は、通常、
光学的手法を用いて測定される。すなわち、薄膜が形成
された基板上に光を照射し、基板において反射した光の
強度と、薄膜が形成されていない基板からの反射光の強
度とを比較することによって、反射率を求めて膜厚を決
定する。

【０００４】図１は、従来の膜厚測定装置の構成を示す
概念図である。図１の装置には、光源部９００と、ハー
フミラー９１０と集光レンズ９２０と、分光計９５０と
が備えられている。膜厚測定の対象となる薄膜が形成さ
れた基板Ｓは、ステージ９３０上に載置されている。

【０００５】光源部９００から射出された光は、その一
部がハーフミラー９１０を透過する。ハーフミラー９１
０を透過した光は、集光レンズ９２０を通過した後、基
板Ｓを照射する。基板Ｓで反射された光は、再度、集光
レンズ９２０を通過した後、ハーフミラー９１０で反射
され、分光計９５０に入射する。分光計９５０は、波長
毎に光の強度を測定する機能を有している。分光計９５
０において測定された波長毎の光の強度から反射率を求
めれば、基板Ｓ上に形成された薄膜の膜厚を決定するこ
とができる。

【０００６】従来の膜厚測定装置では、光源部９００と
してハロゲンランプなどが採用されている。また、分光
計９５０は、回折格子９６０とＣＣＤカメラ９７０との
組み合わせにより構成されており、回折格子９６０によ
って分光された光の強度は、ＣＣＤカメラ９７０によっ
て測定される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光源部９００
として用いられるハロゲンランプや分光計９５０は高額
であるため、膜厚測定装置全体としては非常に高額とな
ってしまうという問題があった。

【０００８】この発明は、従来技術における上述の課題
を解決するためになされたものであり、ハロゲンランプ
や分光計を用いずに膜厚測定装置を構成することができ
る技術を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装
置は、基板上に形成された薄膜の膜厚を測定するための
膜厚測定装置であって、前記薄膜の膜厚を測定するのに
適したほぼ単色の互いに異なる複数の光を前記基板に順
次１つずつ照射するための半導体発光素子と、前記基板
からの反射光を前記複数の光のそれぞれに関して測定す
るためのフォトダイオードと、前記フォトダイオードに
よって測定された前記複数の光に対する測定値から求め
られる複数の反射率の実測値と、前記薄膜の複数の膜厚
値から予測される反射率の予測値とから、前記薄膜の膜
厚を決定する膜厚決定部と、を備えることを特徴とす
る。

【００１０】この膜厚測定装置では、半導体発光素子か
ら射出される異なる複数の光に対応する反射率の実測値
を求めることができるので、複数の膜厚値から予測され
る予測値と比較することにより、膜厚決定部において薄
膜の膜厚を決定することができる。したがって、このよ
うな構成を採用すれば、ハロゲンランプや分光計を用い
ずに膜厚測定装置を構成することが可能となる。

【００１１】上記の膜厚測定装置において、前記半導体
発光素子は、発光ダイオードを含むことが好ましい。

【００１２】このように光源として発光ダイオードを用
いる場合には、ハロゲンランプなどを用いた場合に比
べ、膜厚測定装置をかなり安価に構成することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】Ａ．第１実施例：以下、本発明の
実施の形態を実施例に基づいて説明する。図２は、本発
明の第１実施例としての膜厚測定装置の構成を示す説明
図である。この膜厚測定装置は、半導体ウェハＷに形成
された薄膜の膜厚を測定するための装置であり、測定光
学系を配置するための筐体１００と、信号処理部２００
と、駆動系コントロール部３００とを備えている。

【００１４】筐体１００は、その底部に水平面内で移動
可能なＸＹステージ１１０を備えている。ウェハＷは、
ＸＹステージ１１０上に載置される。筐体１００の上面
には、光源部１２０が設けられている。図中、光源部１
２０の左側には、受光部１３０が、支持柱１３２とブラ
ケット１３４とを介して筐体１００に取り付けられてい
る。また、筐体１００には、光源部１２０から射出され
た光を受光部１３０に導くためのハーフミラー１５０
と、集光レンズ１６０とが設けられている。集光レンズ
１６０は、筐体１００の側壁に設けられた支持柱１６２
とブラケット１６４とを介して筐体１００に取り付けら
れている。同様に、ハーフミラー１５０も図示しない支
持柱、ブラケットを介して筐体１００に取り付けられて
いる。

【００１５】光源部１２０から一定の角度で射出された
光は、その一部がハーフミラー１５０を透過する。ハー
フミラー１５０を透過した一部の光は、集光レンズ１６
０を通過してウェハＷを照射する。ウェハＷ上で反射さ
れた光は、再度、集光レンズ１６０を通過した後、ハー
フミラー１５０で反射され、受光部１３０に到達する。

【００１６】受光部１３０は、入射した光の強度を測定
する。したがって、受光部１３０で測定されたウェハＷ
からの反射光の強度Ｉ_mと、予め測定された薄膜が形成
されていないウェハ（以下、「ベアウェハ」と呼ぶ）か
らの反射光の強度とを比較することによって、ウェハＷ
上で反射する光の反射率を求めることができる。

【００１７】なお、本実施例においては、光源部１２０
として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いている。これ
により、ハロゲンランプなどを用いた場合に比べ、安価
に光源部を構成できる。また、光源部としてＬＥＤを用
いれば、射出される光の強度の時間的な変動が少なく、
発熱もほとんどないという利点もある。

【００１８】本実施例の光源部１２０には、ほぼ単色の
異なる複数の光を射出する４つのＬＥＤが１パッケージ
に収められている。４つのＬＥＤを１つずつ順次点灯さ
せることにより、中心波長の異なる光をウェハＷに照射
することができる。これにより、異なる複数の光につい
ての反射率の実測値を求めることができる。なお、この
膜厚測定装置においては、膜厚値をできるだけ正確に求
めるために、光源部が、相互に異なる中心波長を有する
光をなるべくたくさん射出できるようにすることが好ま
しい。例えば、１パッケージから光の中心波長が異なる
７つの光を射出できるようにしてもよい。なお、複数の
ＬＥＤから射出される光の中心波長は、複数の反射率の
実測値に差がでるように、ほぼ均等に分布していること
が好ましい。

【００１９】ところで、ウェハＷ上で反射される光の強
度は波長に依存するので、図１に示すような従来の膜厚
測定装置では、受光部として分光計９５０を用いて反射
光のスペクトルを測定している。一方、ＬＥＤは、ほぼ
単色の光を射出するので反射光の波長は既知であり、そ
の強度を測定できればよく、分光計９５０を用いる必要
はない。そこで、本実施例では、受光部１３０として、
フォトダイオード（ＰＤ）が用いられている。このよう
に受光部１３０としてＰＤを用いる場合には、分光計を
用いる場合に比べ、非常に安価に膜厚測定装置を構成す
ることができる。また、受光部１３０としてＰＤを用い
る場合には、所要スペースが小さくて済むので、膜厚測
定装置を小型化することができるという利点もある。

【００２０】信号処理部２００（図２）は、図示しない
メインメモリとＣＰＵと入力装置と表示装置とを備えた
コンピュータであり、そのメインメモリには、膜厚決定
部２１０としての機能を実現するためのコンピュータプ
ログラムが格納されている。信号処理部２００には、ウ
ェハＷで反射される光の分光反射率の予測値Ｒｃを格納
するハードディスク装置２２０が電気的に接続されてい
る。また、信号処理部２００には、光源部１２０と受光
部１３０とが電気的に接続されている。信号処理部２０
０は、光源部１２０に含まれる４つのＬＥＤを順次１つ
ずつ駆動して発光させ、また、４つのＬＥＤから射出さ
れる光に応じて、受光部１３０において測定されたウェ
ハＷからの反射光の測定値を取り込んで処理する。

【００２１】膜厚決定部２１０は、受光部１３０におい
て測定された光の強度に基づいて、複数の異なる光に対
する反射率の実測値Ｒｍを求める。膜厚決定部２１０
は、複数の反射率の実測値Ｒｍと、薄膜の複数の膜厚値
から予測される分光反射率の予測値Ｒｃとを比較して、
予測値Ｒｃと実測値Ｒｍとの一致度から膜厚を決定す
る。

【００２２】さらに、信号処理部２００には、筐体１０
０のＸＹステージ１１０を駆動するための駆動系コント
ロール部３００が電気的に接続されている。したがっ
て、駆動系コントロール部３００によってＸＹステージ
１１０を制御することにより、ウェハＷ上の任意の位置
を測定位置として決定することができる。

【００２３】図３は、分光反射率の予測値Ｒｃ（λ）の
一例を示すグラフである。分光反射率の予測値Ｒｃ
（λ）は、基板および薄膜の光学定数、薄膜の膜厚から
求められる。図３のグラフには、半導体基板上に酸化膜
が形成されたウェハ（以下、「膜付きウェハ」と呼ぶ）
について、酸化膜の膜厚がｄ１，ｄ２，ｄ３である場合
の３種類の分光反射率の予測値Ｒｃ（λ）が示されてい
る。図３に示す反射率Ｒは、ベアウェハにおける反射率
の値が１００％となるように規格化されている。このと
きの反射率の分光特性の予測値Ｒｃ（λ）は、以下の式
（１）で表される。

【００２４】 Ｒｃ（λ）＝Ｉ_WO（λ）／Ｉ_SO（λ） ・・・（１）

【００２５】ここで、Ｉ_WO（λ）は、膜付きウェハから
の反射光のうち波長λの光の強度を示しており、Ｉ
_SO（λ）は、ベアウェハからの反射光のうち波長λの光
の強度を示している。

【００２６】この膜厚測定装置では、予め、光源部１２
０から射出される異なる複数の光について、ベアウェハ
からの反射光の強度Ｉ_mS（λ）がそれぞれ測定される。
本実施例の反射率の実測値Ｒｍ（λ）は、以下の式
（２）で表される。

【００２７】 Ｒｍ（λ）＝Ｉ_m（λ）／Ｉ_mS（λ） ・・・（２）

【００２８】ここで、Ｉ_m（λ）は、光源部１２０から
射出される異なる複数の光について、受光部１３０にお
いて測定された膜付きウェハからの反射光の強度を示し
ている。

【００２９】上記の説明から分かるように、式（２）か
ら得られる反射率の実測値Ｒｍ（λ）と、式（１）の反
射率の予測値Ｒｃ（λ）とは、同様に定義されているの
で、測定によって求められる反射率の実測値Ｒｍ（λ）
と図３の分光反射率の予測値Ｒｃ（λ）とを、直接比較
することができる。

【００３０】図３には、膜付きウェハを測定対象とした
場合に、式（２）を用いて得られた４つの反射率の実測
値Ｒｍ（４７０）、Ｒｍ（５５０）、Ｒｍ（６７０）、
Ｒｍ（７８０）が示されている。すなわち、本実施例の
膜厚測定装置において、光源部１２０に含まれる４つの
ＬＥＤは、それぞれ光の中心波長が約４７０ｎｍ、５５
０ｎｍ、６７０ｎｍ、７８０ｎｍであるＬＥＤが用いら
れている。図３に示すように、膜厚がｄ１である場合の
反射率の予測値Ｒｃ（λ）と４つの反射率の実測値Ｒｍ
とは、波長５５０ｎｍにおける反射率のみ一致してい
る。また、膜厚がｄ２である場合の反射率の予測値Ｒｃ
（λ）と４つの反射率の実測値Ｒｍとは、波長４７０ｎ
ｍ、６７０ｎｍの２点における反射率のみ一致してい
る。一方、膜厚がｄ３である場合の反射率の予測値Ｒｃ
（λ）と４つの反射率の実測値Ｒｍとは、４つの波長に
おいてそれぞれ反射率が一致している。このように、４
つの反射率の実測値Ｒｍ（４７０）、Ｒｍ（５５０）、
Ｒｍ（６７０）、Ｒｍ（７８０）と分光反射率の各波長
についての予測値Ｒｃ（４７０）、Ｒｃ（５５０）、Ｒ
ｃ（６７０）、Ｒｃ（７８０）とが、それぞれほぼ一致
すれば、測定対象となった膜付きウェハの酸化膜の膜厚
をｄ３と決定することができる。

【００３１】このように、本実施例の膜厚測定装置を用
いれば、複数の光についてそれぞれ反射率の実測値Ｒｍ
を求めることができるので、複数の反射率の実測値Ｒｍ
と分光反射率の予測値Ｒｃとから、膜厚ｄを決定するこ
とができる。

【００３２】Ｂ．第２実施例：図４は、本発明の第２実
施例としての膜厚測定装置の構成を示す概念図である。
なお、図４に示す膜厚測定装置では、図２の測定光学系
を位置決めするための筐体１００と、信号処理部２００
と、駆動系コントロール部３００の図示は省略されてい
る。

【００３３】本実施例の装置では、図２の光源部１２０
に代えて、４つのＬＥＤ４１０〜４１３と、３つのハー
フミラー４２０〜４２２とが備えられている。すなわ
ち、第１実施例の装置（図２）では、光源部１２０は、
そのパッケージの内部に４つのＬＥＤを含んでいるのに
対し、本実施例の装置では、４つのＬＥＤ４１０〜４１
３が別々に設けられている。ＬＥＤ４１０〜４１３のそ
れぞれは、ほぼ単色の光を射出し、相互に光の中心波長
が異なっている。なお、４つのＬＥＤ４１０〜４１３
は、図示しない信号処理部によって順次１つずつ駆動さ
れる。４つのＬＥＤ４１０〜４１３から射出されたそれ
ぞれの光は、３つのハーフミラー４２０〜４２２のうち
のいくつかを透過あるいは反射しつつ、下方のハーフミ
ラー１５０に向かう。ハーフミラー１５０を透過した光
は、第１実施例において説明したように、ウェハＷで反
射された後、受光部１３０に到達する。

【００３４】図４に示す構成を採用する場合にも、ＬＥ
Ｄ４１０〜４１３から射出されたほぼ単色の異なる複数
の光は、ウェハＷにおいて反射された後、受光部１３０
に到達する。したがって、本実施例の膜厚測定装置にお
いても、予めベアウェハからの反射光の強度を測定して
おけば、前述の式（２）に従って反射率の実測値Ｒｍを
求めることができる。このように求められた複数の反射
率の測定値Ｒｍと図３に示すような分光反射率の予測値
Ｒｃとから、膜厚を決定することができる。

【００３５】Ｃ．第３実施例：図５は、本発明の第３実
施例としての膜厚測定装置の構成を示す概念図である。
図５では、図２の測定光学系を位置決めするための筐体
１００と、信号処理部２００と、駆動系コントロール部
３００の図示は省略されている。

【００３６】図５に示す装置では、図２の光源部１２０
に代えて、５つのＬＥＤ５１０〜５１４と、５種類の光
ファイバ５２０〜５２４と、光射出器５３０とが備えら
れている。ＬＥＤ５１０〜５１４は、それぞれほぼ単色
の光を射出し、射出される光の中心波長は相互に異なっ
ている。５つのＬＥＤ５１０〜５１４は、図示しない信
号処理部によって順次駆動されて発光する。ＬＥＤ５１
０〜５１４から射出される光は、それぞれ光ファイバ５
２０〜５２４によって光射出器５３０に導かれる。５種
類の光ファイバ５２０〜５２４は、光射出器５３０内で
は、１つにまとめられている。

【００３７】図６は、光射出器５３０内の光ファイバの
先端部の概略を示す説明図である。図６では、便宜上２
種類の光ファイバ５２０、５２１のみが１つにまとめら
れている場合を示しているが、実際には５種類の光ファ
イバ５２０〜５２４が１つにまとめられている。図６に
示すように、光射出器５３０内では、複数種類の光ファ
イバがそれぞれほぼ均一に分布するように円形にまとめ
られている。これにより、５つのＬＥＤを順次１つずつ
駆動することによって、ウェハＷ上に異なる複数の光を
順次を照射することができる。

【００３８】本実施例の膜厚測定装置においても、第１
および第２実施例と同様に、予めベアウェハについての
反射光の強度を測定しておけば、式（２）に従って反射
率の実測値Ｒｍを求めることができる。このように求め
られた複数の反射率の実測値Ｒｍと図３に示すような分
光反射率の予測値Ｒｃとから、膜厚を決定することがで
きる。

【００３９】Ｄ．第４実施例：図７は、本発明の第４実
施例としての膜厚測定装置の構成を示す概念図である。
本実施例の膜厚測定装置は、図５に示す装置とほぼ同様
の構成であるが、本実施例の光射出器５３２は、５つの
ＬＥＤ５１０〜５１４から射出された光をウェハＷ上に
照射する機能を有しているとともに、ウェハＷからの反
射光を受光部１３０に導く機能を有している。

【００４０】すなわち、本実施例の光射出器５３２内で
は、５つのＬＥＤ５１０〜５１４から射出された光を導
くための５種類の光ファイバ５２０〜５２４とともに、
ウェハＷから反射された光を受光部１３０に導くための
光ファイバ５２６が１つにまとめられている。このと
き、光射出器５３２内の光ファイバの先端部は、図６に
おいて説明したように６種類の光ファイバ５２０〜５２
４、５２６がそれぞれほぼ均一に分布するように円形に
まとめられている。

【００４１】光射出器５３２の光射出口５３２ａから射
出された光は、集光レンズ１６０を通過した後、ウェハ
Ｗを照射する。ウェハＷから反射された光は、再度、集
光レンズ１６０を通過して、光射出器５３２の光射出口
５３２ａに入射する。この光は、光ファイバ５２６によ
って導かれ受光部１３０に到達する。このような構成を
採用しても、ウェハＷからの反射光の強度を測定するこ
とが可能となる。

【００４２】本実施例の膜厚測定装置においても、第３
実施例の装置と同様に、予めベアウェハについての反射
光の強度を測定しておけば、式（２）に従って反射率の
実測値Ｒｍを求めることができる。このように求められ
た複数の反射率の実測値Ｒｍと図３に示すような反射率
の予測値Ｒｃとから、膜厚を決定することができる。

【００４３】以上、説明したように、上記実施例におい
ては、光源部は、複数のＬＥＤを備えており、ほぼ単色
の互いに異なる複数の光を射出するので、複数の光に対
するウェハＷからの反射光の強度をフォトダイオードを
用いて測定することができる。このように測定された反
射光の強度から複数の反射率の実測値Ｒｍを求めて反射
率の予測値Ｒｃと比較すれば、ウェハＷに形成された薄
膜の膜厚を決定することができる。上記のような構成を
採用すれば、ハロゲンランプや分光計を用いずに安価に
膜厚測定装置を構成することが可能となる。

【００４４】なお、この発明は上記の実施例や実施形態
に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて種々の態様において実施することが可能であり、
例えば次のような変形も可能である。

【００４５】（１）上記実施例においては、光源部とし
てほぼ単色の異なる複数の光を射出する半導体発光素子
として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いているが、Ｌ
ＥＤに代えて半導体レーザなどを用いてもよい。また、
ＬＥＤと半導体レーザとを組み合わせて光源部を構成し
てもよい。半導体レーザは、単一波長であるため、より
正確に反射率の実測値を求め、精度よく膜厚を決定でき
る可能性がある。ただし、上記実施例のように発光ダイ
オードを用いた場合には、より安価に膜厚測定装置を構
成することができるという利点がある。

【００４６】（２）上記実施例では、光源部１２０から
射出された光がウェハＷにほぼ垂直に入射する場合につ
いて説明したが、本発明は、光がウェハＷに対して斜め
に入射する場合にも適用可能である。この場合には、ウ
ェハＷへの光の入射角度に応じた分光反射率の予測値Ｒ
ｃを用いればよい。

【００４７】（３）上記実施例において、ハードウェア
によって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置
き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによっ
て実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換え
るようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の膜厚測定装置の構成を示す概念図。

【図２】本発明の第１実施例としての膜厚測定装置の構
成を示す説明図。

【図３】分光反射率の予測値Ｒｃ（λ）の一例を示すグ
ラフ。

【図４】本発明の第２実施例としての膜厚測定装置の構
成を示す概念図。

【図５】本発明の第３実施例としての膜厚測定装置の構
成を示す概念図。

【図６】光射出器５３０内の光ファイバの先端部の概略
を示す説明図。

【図７】本発明の第４実施例としての膜厚測定装置の構
成を示す概念図。

【符号の説明】

１００…筐体 １１０…ＸＹステージ １２０…光源部 １３０…受光部 １３２，１６２…支持柱 １３４，１６４…ブラケット １５０…ハーフミラー １６０…集光レンズ ２００…信号処理部 ２１０…膜厚決定部 ２２０…ハードディスク装置 ３００…駆動系コントロール部 ４１０〜４１３…ＬＥＤ ４２０〜４２２…ハーフミラー ５１０〜５１４…ＬＥＤ ５２０〜５２４…光ファイバ ５２６…光ファイバ ５３０…光射出器 ５３２…光射出器 ５３２ａ…光射出口 ９００…光源部 ９１０…ハーフミラー ９２０…集光レンズ ９３０…ステージ ９５０…分光計 ９６０…回折格子 ９７０…ＣＣＤカメラ Ｓ…基板 Ｗ…半導体ウェハ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB17 CC17 CC21 DD02 FF04 FF48 GG03 GG06 GG07 JJ03 JJ16 JJ18 JJ26 LL37 LL42 MM03 PP12 QQ23 QQ25 QQ26 RR09 SS02 SS13

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された薄膜の膜厚を測定す
   るための膜厚測定装置であって、 前記薄膜の膜厚を測定するのに適したほぼ単色の互いに
   異なる複数の光を前記基板に順次１つずつ照射するため
   の半導体発光素子と、 前記基板からの反射光を前記複数の光のそれぞれに関し
   て測定するためのフォトダイオードと、 前記フォトダイオードによって測定された前記複数の光
   に対する測定値から求められる複数の反射率の実測値
   と、前記薄膜の複数の膜厚値から予測される反射率の予
   測値とから、前記薄膜の膜厚を決定する膜厚決定部と、
   を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の膜厚測定装置であって、 前記半導体発光素子は、発光ダイオードを含む、膜厚測
   定装置。