JP2000065538A

JP2000065538A - 膜厚測定装置

Info

Publication number: JP2000065538A
Application number: JP10251844A
Authority: JP
Inventors: Fumiyoshi Nakatani; 郁祥中谷
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】基板が傾いて配置されることにより、光源か
ら射出される光の主光線が所定の入射角からずれた角度
で基板に入射した場合にも、膜厚を正確に決定すること
ができる技術を提供する。【解決手段】膜厚測定装置は、薄膜の膜厚を測定する
のに適した入射光を射出する光源部と、光源部から射出
された入射光を集光しつつ、入射光が結像する場合の最
小光スポットより大きな光スポットを基板上に形成する
集光レンズと、基板からの反射光を測定するための受光
部と、光源部と集光レンズとの間の光路上に配置され、
基板で反射された後に集光レンズで再度集光された反射
光の一部を受光部に導くためのハーフミラーと、を備え
る。この構成により、基板が傾いて配置された場合に
も、基板からの反射光をすべて集光レンズに入射させる
ことができるので、反射光を正確に求めて、膜厚を決定
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
強度を測定することにより反射率を求め、膜厚を決定す
る。

【０００４】図１は、従来の膜厚測定装置の概略を示す
説明図である。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、図示しないステージ上に載置されてい
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。このとき、集光レンズ９２０を通過し
た入射光の光線束の中心の光線（以下、光線束の中心の
光線を「主光線」と呼ぶ）は、基板Ｓが水平に配置され
ている場合には、基板Ｓに対して垂直に入射する。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９５０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】

【発明が解決しようとする課題】しかし、基板Ｓを載置
する図示しないステージが傾いている場合などには、基
板は水平に配置されずに、傾いて配置される（図中、破
線で示す基板Ｓ’）。このような場合には、集光レンズ
９２０を通過した光の主光線は、基板Ｓ’に垂直に入射
せずに、基板の傾き分だけずれた入射角で基板Ｓ’に入
射する。このとき、基板Ｓ’からの反射光の光線束の一
部ＵＬは、図１に示すように集光レンズ９２０を通過し
ない。このような場合には、分光計９５０に入射する反
射光の光量が減少するため、基板からの反射光の強度を
精度よく測定することができず、正確に薄膜の膜厚を決
定するのが困難であるという問題があった。

【０００７】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、基板が傾いて配
置されることにより、光源部から射出される光の主光線
が所定の入射角からずれた角度で基板に入射した場合に
も、膜厚を正確に決定することができる技術を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【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、本発明の第
１の装置は、基板上に形成された薄膜の膜厚を、基板か
らの反射光を測定することにより決定するための膜厚測
定装置であって、薄膜の膜厚を測定するのに適した入射
光を射出する光源部と、前記光源部から射出された入射
光を集光しつつ、入射光が結像する場合の最小光スポッ
トより大きな光スポットを基板上に形成する集光レンズ
と、基板からの反射光を測定するための受光部と、前記
光源部と前記集光レンズとの間の光路上に配置され、基
板で反射された後に前記集光レンズで再度集光された反
射光の一部を前記受光部に導くためのハーフミラーと、
を備えることを特徴とする。

【０００９】この膜厚測定装置では、光源部から射出さ
れた入射光を基板上で結像させないので、基板上には、
入射光が結像する場合の最小光スポットより大きな光ス
ポットが形成される。このとき、反射光が集光レンズを
通過する際の光線束の直径は、入射光が集光レンズを通
過する際の光線束の直径よりも小さくなるので、基板が
所定の許容範囲の角度で傾いて配置された場合にも、基
板からの反射光は、すべて集光レンズに入射する。した
がって、集光レンズを通過した基板からの反射光をハー
フミラーにより受光部に導けば、受光部に導かれる反射
光の光量を一定に保つことができる。これにより、基板
が傾いて配置される場合にも、受光部において、基板か
らの反射光を正確に測定することができるので、薄膜の
膜厚を正確に決定することが可能となる。

【００１０】上記の膜厚測定装置において、基板上に形
成される入射光の光スポットの面積は、最小光スポット
の面積の１．０５倍以上であることが望ましい。

【００１１】こうすれば、基板からの反射光をすべて集
光レンズに入射させることができる可能性が大きい。

【００１２】また、上記の膜厚測定装置において、前記
ハーフミラーと前記受光部との間の光路上に配置され、
前記ハーフミラーによって導かれた反射光を前記受光部
に導くための導光光学系を備えるようにしてもよい。

【００１３】このような導光光学系を備えれば、ハーフ
ミラーで導かれた反射光を、その光量をほとんど減少さ
せることなく受光部において測定することができるの
で、薄膜の膜厚を精度よく測定することが可能となる。

【００１４】本発明の第２の装置は、基板上に形成され
た薄膜の膜厚を、基板からの反射光を測定することによ
り決定するための膜厚測定装置であって、薄膜の膜厚を
測定するのに適した入射光を射出する光源部と、前記光
源部から射出された入射光を集光しつつ、入射光が結像
する場合の最小光スポットより大きな光スポットを基板
上に照射するための第１の集光レンズと、基板からの反
射光を測定するための受光部と、基板からの反射光を前
記受光部に導くための第２の集光レンズと、を備え、前
記第２の集光レンズの開口面積は、基板が所定の許容範
囲の角度で傾くことによって、入射光の主光線の基板へ
の入射角が所定の角度からずれた場合にも、基板から前
記受光部に導かれる反射光の光量を一定に保つように設
定されていることを特徴とする。

【００１５】この膜厚測定装置においては、第１の集光
レンズと第２の集光レンズとが備えられているので、光
源部から射出された光を、基板に対して斜めに入射させ
ることができる。この場合にも、第１の集光レンズによ
って、基板上には入射光が結像する場合の最小光スポッ
トより大きな光スポットが形成される。したがって、第
２の集光レンズを用いることによって、本発明の第１の
装置と同様に、基板が所定の許容範囲の角度で傾いて配
置された場合にも、基板からの反射光をその光量を一定
に保ったまま受光部に導くことができる。これにより、
薄膜の膜厚を正確に決定することが可能となる。

【００１６】

【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
された絶縁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２０
０と、駆動系コントロール部３００とを備えている。

【００１７】筐体１００は、その底部に移動ステージ１
１０を備えている。移動ステージ１１０は、水平面内に
移動可能なＸＹステージと、上下方向に移動可能なＺス
テージとを備えている。ウェハＷは、移動ステージ１１
０上に載置される。筐体１００の上面には、光源部１２
０が設けられている。図２中、光源部１２０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、あるい
はウェハＷから反射された光を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、ブラケットによって筐体１００に取り付け
られている。

【００１８】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を透過した光の主光線は、集光レンズ１
６０の中央近傍を通過して、ウェハＷを照射する。ウェ
ハＷで反射された光は、再度、集光レンズ１６０を通過
した後、その一部がハーフミラー１５０で反射され、受
光部１３０に到達する。受光部１３０は、ウェハＷから
反射された光の強度Ｉ_mを測定する。

【００１９】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。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、通常の膜厚測定では、分光計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。

【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、受光部１３０が電気
的に接続されている。信号処理部２００は、受光部１３
０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、反射率の実測値Ｒｍ
を求める。膜厚決定部２１０は、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、移動ステ
ージ１１０を駆動するための駆動系コントロール部３０
０が電気的に接続されている。駆動系コントロール部３
００によって移動ステージ１１０のＸＹステージを水平
面内で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。また、移動ステ
ージ１１０のＺステージを上下方向に制御することによ
り、集光レンズ１６０を通過した入射光がウェハＷを照
射する際にウェハＷ上に形成される光スポットの大きさ
を調整することができる。すなわち、Ｚステージを昇降
させることにより、入射光がウェハＷ上に形成する光ス
ポットの集光状態を調整することができる。

【００２３】図３は、ウェハＷからの反射光の経路を示
す説明図である。なお、図３には、図２に示す装置の測
定光学系のみが示されている。図３（Ａ）は、ウェハＷ
が膜厚測定装置において水平に配置されている場合の反
射光の経路を示しており、図３（Ｂ）は、ウェハＷが膜
厚測定装置において傾いて配置されている場合の反射光
の経路を示している。なお、ウェハＷの傾きは、前述の
ように、移動ステージ１１０が傾いている場合などに生
じ得る。

【００２４】図３に示すように、本実施例の膜厚測定装
置では、光源部１２０から射出された光が、ウェハＷ上
で結像しないように、すなわち、ウェハ上に形成される
光スポットがデフォーカスした状態（非合焦点状態）に
なるように、光源部１２０と集光レンズ１６０とウェハ
Ｗとが配置されている。このとき、光源部１２０から射
出され、集光レンズ１６０を通過した入射光は、ウェハ
Ｗにおいて反射された後で結像する。また、受光部１３
０は、ウェハＷからの反射光が、受光部１３０の受光面
においてほぼ結像するような位置関係で配置されてい
る。

【００２５】前述のように、光源部１２０から射出され
た光は、その一部がハーフミラー１５０を透過して、集
光レンズ１６０に入射する。本実施例においては、図に
示すように、光源部１２０から射出される入射光が集光
レンズ１６０を通過する際の光線束の直径は、集光レン
ズ１６０の直径よりも小さくなっている。このように、
集光レンズ１６０を通過する際の入射光の光線束の直径
は、集光レンズ１６０の直径よりも小さくなるように調
整することが望ましい。したがって、光源部１２０から
射出される入射光の広がりが大きいときには、光源部１
２０とハーフミラー１５０との間に、入射光の広がりを
制御するための開口絞り（図示せず）を設けることが好
ましい。

【００２６】図３（Ａ）に示すようにウェハＷが水平に
配置される場合には、集光レンズ１６０を通過した入射
光の主光線ＰＲは、ウェハＷに対して垂直に入射する。
この場合には、ウェハＷからの反射光の主光線は、入射
光の主光線ＰＲと同じ経路で集光レンズ１６０を通過す
る。一方、入射光の光線束を形成する周縁部分の光線Ｏ
Ｒは、ウェハＷにおいて、入射角度と等しい角度で反射
された後、集光レンズ１６０に向かう。したがって、集
光レンズ１６０を通過した入射光は、ウェハＷで反射さ
れた後、主光線ＰＲ上の点Ｐｆ１で結像する。このと
き、反射光が集光レンズ１６０を通過する際の光線束の
直径は、入射光が集光レンズ１６０を通過する際の光線
束の直径より小さくなっている。このように、光源部１
２０と集光レンズ１６０とウェハＷとの位置関係を調整
して、入射光の光スポットをデフォーカスさせてウェハ
Ｗ上に照射すれば、ウェハＷからの反射光をすべて集光
レンズ１６０に入射させることができる。なお、この反
射光は、集光レンズ１６０を通過した後、その一部がハ
ーフミラー１５０で反射されて、受光部１３０の受光面
の中央近傍の点Ｐｆ２で結像する。

【００２７】一方、図３（Ｂ）に示すようにウェハＷが
傾いて配置される場合には、集光レンズ１６０を通過し
た入射光の主光線ＰＲは、ウェハＷに対して、その法線
方向からずれた角度で入射する。この場合には、ウェハ
Ｗからの反射光の主光線ＰＲ’は、集光レンズ１６０の
中心からずれた位置を通過する。また、集光レンズ１６
０を通過した入射光は、図３（Ａ）と同様に、ウェハＷ
で反射された後に結像する。ただし、ウェハＷが傾いて
配置される場合には、図３（Ｂ）に示すように、ウェハ
Ｗで反射された光は、反射光の主光線ＰＲ’上の点Ｐｆ
１’で結像する。この場合にも、集光レンズ１６０を通
過する際の反射光の光線束の直径は、集光レンズ１６０
を通過する際の入射光の光線束の直径より小さくなって
おり、反射光の光線束はすべて集光レンズ１６０を通過
する。なお、図３（Ｂ）に示す集光レンズ１６０を通過
する際の反射光の光線束の直径は、図３（Ａ）に示すウ
ェハＷが水平に配置されている場合の反射光の光線束の
直径とほぼ同じであるが、この反射光の光線束は、集光
レンズ１６０の左側にずれた位置に入射する。このと
き、集光レンズ１６０を通過した反射光は受光部１３０
の受光面の中央からずれた点Ｐｆ２’で結像する。

【００２８】このように、本実施例の膜厚測定装置で
は、集光レンズ１６０を通過した入射光が、デフォーカ
スした状態でウェハＷを照射するような位置関係で、光
源部１２０と集光レンズ１６０とウェハＷが位置決めさ
れている。これにより、ウェハＷがある程度傾いて配置
された場合にも、ウェハＷからの反射光をすべて集光レ
ンズ１６０に入射させることが可能となる。集光レンズ
１６０を通過した反射光は、その一部がハーフミラー１
５０で反射され、受光部１３０に入射する。したがっ
て、ウェハＷが傾いて配置された場合にも、ウェハＷか
らの反射光を、その光量を一定に保ったまま受光部１３
０に入射させることができる。

【００２９】なお、光源部１２０と集光レンズ１６０と
ウェハＷとの位置関係は、ウェハ上に形成される入射光
の光スポットの面積が、フォーカスした状態（合焦点状
態）での最小光スポットの面積より１．０５倍以上大き
いことが好ましい。こうすれば、ウェハＷからの反射光
をすべて集光レンズ１６０に入射させることが容易とな
る。

【００３０】図４は、本膜厚測定装置における結像位置
を示す説明図である。図４の左側には、図３とほぼ同じ
測定光学系を示しているが、便宜上、ハーフミラー１５
０と受光部１３０との図示を省略している。また、ウェ
ハＷからの反射光がハーフミラー１５０で反射せずに、
そのまま上方に向かって結像した場合を示している。一
方、図４の右側には、左側に示す各結像点Ｐｆ０，Ｐｆ
１，Ｐｆ１’，Ｐｆ２，Ｐｆ２’の関係が模式的に示さ
れているが、ここでは左右方向の寸法が拡大されてい
る。

【００３１】前述のように、光源部１２０から射出され
た入射光は、ウェハＷで反射した後に結像する。このと
き、結像点Ｐｆ１，Ｐｆ１’のウェハＷからの距離は、
入射光がウェハＷで反射されずにそのまま結像する場合
の結像点Ｐｆ０とウェハＷとの距離にほぼ等しい。ウェ
ハＷが傾いて配置された場合には、ウェハＷから反射し
た光は、反射光の主光線ＰＲ’上の点Ｐｆ１’で結像す
る。ここで、ウェハＷが水平方向から角度θだけ傾いて
配置される場合には、反射光の主光線ＰＲ’は、入射光
の主光線ＰＲから角度２θだけずれた方向に反射され
る。したがって、この結像点Ｐｆ１’とウェハＷが水平
に配置された場合の結像点Ｐｆ１とのずれ量Δｆは、数
式１で表される。

【００３２】

【数１】

【００３３】ここで、ｄ_WFは、ウェハＷと、入射光がそ
のまま結像する場合の結像点Ｐｆ０との距離を示してい
る。

【００３４】ウェハＷからの反射光は、集光レンズ１６
０を通過すると、点Ｐｆ２あるいはＰｆ２’において再
び結像する。ウェハＷが傾いて配置された場合の結像点
Ｐｆ２’は、結像点Ｐｆ１’と集光レンズの中心ＬＣと
の延長線上に存在するので、結像点Ｐｆ２’と結像点Ｐ
ｆ２とのずれ量Δｄは、上記のΔｆを用いて次の数式２
で表される。

【００３５】

【数２】

【００３６】ここで、ｄ_LDは集光レンズ１６０と結像点
Ｐｆ２との距離を示しており、ｄ_LFは集光レンズ１６０
と、入射光がそのまま結像する場合の結像点Ｐｆ０との
距離を示している。

【００３７】したがって、数式２のずれ量Δｄは、数式
１を用いて数式３で表される。

【００３８】

【数３】

【００３９】このずれ量Δｄは、図３（Ｂ）に示すよう
にハーフミラー１５０がある場合にも同じである。した
がって、上記の数式３に基づいて、受光部１３０の受光
面の大きさを調整すれば、ウェハＷが傾いて配置される
場合にも、ウェハＷからの反射光を受光部１３０におい
て測定することができる。本実施例の受光部１３０の受
光面の大きさは、次の数式４を満たすように決定されて
いる。

【００４０】

【数４】

【００４１】ここで、Ｄｒは、受光部１３０の受光面の
半径を示している。

【００４２】このように、決定された受光面を有する受
光部１３０を用いれば、ウェハＷからの反射光の光量を
一定に保ったまま受光部１３０において反射光を測定す
ることが可能となる。

【００４３】図５は、反射率の分光特性の予測値Ｒｃ
（λ）の一例を示すグラフである。反射率の分光特性の
予測値Ｒｃ（λ）は、基板および薄膜の光学定数と、薄
膜の膜厚とから求められる。図５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、膜厚ｄがそれぞれ１０ｎｍ，
５ｎｍである場合の反射率の分光特性の予測値Ｒｃ
（λ）が示されている。図５に示す反射率Ｒは、酸化膜
が形成されていない半導体基板（以下、「ベアウェハ」
と呼ぶ）から反射された光の強度が１００％となるよう
に調整されている。このときの反射率の分光特性の予測
値Ｒｃ（λ）は、以下の数式５で表される。

【００４４】

【数５】

【００４５】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。

【００４６】図５のグラフから分かるように、酸化膜の
光学的厚みが光の波長に対して非常に小さい（波長の約
１／１０以下）場合には、反射率Ｒの１００％からの差
は小さい。例えば、酸化膜の膜厚ｄが１０ｎｍの場合に
は、波長４００〜５００ｎｍの光に対して反射率Ｒは約
９７〜９８％となっており、ベアウェハから反射された
場合の反射率（図５においては１００％）との差は約２
〜３％である。

【００４７】このように、酸化膜の光学的厚みが光の波
長に対して非常に小さく、反射率の差があまり表れない
場合にも、本実施例の膜厚測定装置（図２）を用いれ
ば、膜厚を正確に決定することができる。すなわち、こ
の膜厚測定装置では、ウェハＷが所定の許容範囲内の角
度で傾いて配置された場合でも、ウェハＷからの反射光
をすべて集光レンズ１６０に入射させることができるの
で、受光部１３０においてウェハＷからの反射光の強度
を正確に求めることが可能となる。これにより、膜厚に
応じた反射率の差がわずかである場合にも、精度よく反
射率を求めることができる。

【００４８】この膜厚測定装置では、予め、ベアウェハ
からの反射光の強度Ｉ_mS（λ）が測定される。本実施例
における反射率の実測値Ｒｍ（λ）は、以下の数式６で
表される。

【００４９】

【数６】

【００５０】ここで、Ｉ_m（λ）は、光源部１２０から
射出される光について、受光部１３０において測定され
たウェハＷからの反射光の強度を示している。

【００５１】上記の説明から分かるように、数式５から
得られる反射率の実測値Ｒｍ（λ）と数式６の反射率の
予測値Ｒｃ（λ）とは、同様に定義されている。したが
って、測定によって求められる反射率の実測値Ｒｍ
（λ）と図５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。

【００５２】上記のように得られる反射率の実測値Ｒｍ
（λ）を用いれば、図２の光源部１２０から射出された
光が、ほぼ単色の光とみなせる場合にも、その波長に対
する反射率から膜厚を決定することができる。例えば、
光源部１２０が中心波長４７０ｎｍのほぼ単色の光を射
出するＬＥＤである場合に、その反射率の実測値Ｒｍ
（４７０ｎｍ）としてほぼ９８％の値が得られた場合に
は、図５の反射率の分光特性の予測値Ｒｃ（λ）に従っ
て、膜厚を１０ｎｍと決定することができる。

【００５３】このように、本実施例の膜厚測定装置を用
いれば、基板上の薄膜の光学的厚みが、光の波長に対し
てかなり小さい場合にも、反射率の実測値Ｒｍを精度よ
く求めることができる。これにより、膜厚ｄを正確に決
定することが可能となる。

【００５４】なお、本実施例においては、光源部１２０
としてほぼ単色とみなせるＬＥＤを用いているが、波長
の異なる複数のＬＥＤを組み合わせて用いてもよい。こ
の場合には、波長の異なる複数のＬＥＤが１パッケージ
に収められているものを使用することができる。こうす
れば、複数の異なる波長の光についてそれぞれ反射率の
実測値Ｒｍが得られるので、これらの複数の実測値Ｒｍ
を用いてより正確な膜厚を決定することができる。

【００５５】Ｂ．第２実施例：図６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。
この膜厚測定装置は、第１実施例の装置（図２）とほぼ
同じであるため詳細な説明は省略する。ただし、本実施
例の装置では、受光部３３０の受光面側に、略円錐台の
形状を有するガラス（以下、「コーンガラス」と呼ぶ）
３４０が備えられている。なお、コーンガラス３４０の
光射出面３４０ａは、図示するように受光部３３０の受
光面と接しており、光射出面３４０ａから射出される光
は、すべて受光部３３０において測定される。

【００５６】前述のように、ウェハＷからの反射光は、
すべて集光レンズ１６０を通過した後、ハーフミラー１
５０でその一部が反射される。ハーフミラー１５０にお
いて反射された光は、コーンガラス３４０の光入射面３
４０ｂに入射する。コーンガラス３４０に入射した光
は、コーンガラス３４０内を全反射しながら受光部３３
０に向かうので、この光はすべて受光部３３０において
測定される。

【００５７】このような構成を採用すれば、ハーフミラ
ー１５０で反射された反射光を、その光量をほとんど減
少させることなく受光部３３０において測定することが
できるので、薄膜の膜厚ｄを精度よく測定することが可
能となる。

【００５８】また、本実施例においては、ハーフミラー
１５０において反射された光は、コーンガラス３４０に
よって集光されて受光部３３０に導かれるので、コーン
ガラス３４０の光射出面３４０ａを小さく設定すれば、
受光部３３０の受光面を小さくすることが可能である。

【００５９】上記の説明からも分かるように、本実施例
のコーンガラス３４０が、本発明の導光光学系に相当す
る。なお、ハーフミラー１５０において反射された光を
すべて受光部３３０に導く導光光学系としては、コーン
ガラス３４０に限られず、１つあるいは複数の集光レン
ズ（図示せず）によって構成してもよい。

【００６０】Ｃ．第３実施例：図７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。
本実施例の膜厚測定装置では、光源部４２０から射出さ
れた入射光の主光線ＰＲ１は、ウェハＷに斜めに入射す
る。したがって、この装置には、光源部４２０からの光
をウェハＷ上に導くための第１の集光レンズ４６０と、
ウェハＷからの反射光を受光部４３０に導くための第２
の集光レンズ４６２との２つの集光レンズが備えられて
いる。なお、図７の装置では、２つの集光レンズ４６
０，４６２は、同じ直径Ｌｄを有しており、また、ウェ
ハＷが水平に配置された場合のウェハＷの法線ＮＬに対
して対称に設けられている。

【００６１】図７に示すように、本実施例の膜厚測定装
置では、光源部４２０から射出された入射光の光スポッ
トがウェハＷ上でデフォーカスした状態になるような位
置関係で、光源部４２０と第１の集光レンズ４６０とウ
ェハＷとが配置されている。また、ウェハＷからの反射
光が受光部４３０においてほぼ結像するような位置関係
で、第２の集光レンズ４６２と受光部４３０とが配置さ
れている。

【００６２】光源部４２０から射出された入射光は、第
１の集光レンズ４６０を通過する。このとき、入射光の
主光線ＰＲ１は、第１の集光レンズの中央近傍を通過す
る。図７に示すように、光源部４２０から射出された入
射光が第１の集光レンズ４６０を通過する際の光線束の
直径Ｌｉは、第１の集光レンズ４６０の直径Ｌｄよりも
小さい。本実施例の装置においても、光源部４２０から
射出される入射光の光線束の直径が、第１の集光レンズ
４６０を通過する際に、その直径Ｌｄよりも大きくなる
場合には、光源部４２０と第１の集光レンズ４６０との
間に、開口絞りを設けることが好ましい。

【００６３】図７において、ウェハＷが実線で示すよう
に水平に配置されている場合には、入射光の主光線ＰＲ
１は、入射角φでウェハＷに入射する。ウェハＷからの
反射光は、第２の集光レンズ４６２によって集光されて
受光部４３０に入射する。このとき、反射光の主光線Ｐ
Ｒ２は、反射角φで反射されて、第２の集光レンズ４６
２の中央近傍を通過する。第２の集光レンズ４６２を通
過する際の反射光の光線束の直径Ｌｏは、入射光が第１
の集光レンズ４６０を通過する際の光線束の直径Ｌｉよ
り小さくなるので、第２の集光レンズ４６２の直径Ｌｄ
よりも十分小さい。

【００６４】一方、ウェハＷが破線で示すように水平方
向から角度θだけ傾いた状態で配置される場合には、入
射光の主光線ＰＲ１は、ウェハＷに対し、入射角φから
角度θだけずれた入射角で入射する。このとき、ウェハ
Ｗからの反射光の主光線ＰＲ２’は、ウェハＷが水平に
配置された場合の主光線ＰＲ２の反射角φから角度２θ
だけずれた方向に反射される。したがって、反射光の主
光線ＰＲ２’は、第２の集光レンズ４６２の中心位置か
らずれた位置を通過する。このとき、第２の集光レンズ
４６２を通過する際の反射光の光線束の直径は、ウェハ
Ｗが水平に配置された場合の反射光の光線束の直径Ｌｏ
とほぼ同じである。この場合にも、反射光の光線束は、
すべて第２の集光レンズ４６２を通過する。

【００６５】第２の集光レンズ４６２を通過した光線束
は、集光されて受光部４３０に入射する。受光部４３０
は、ウェハＷが水平に配置された場合に反射光の主光線
ＰＲ２が受光面のほぼ中央に入射するような位置に配置
されており、その受光面は、ウェハＷが所定の許容範囲
の角度で傾いて配置された場合にも、反射光が受光面内
に入射するような大きさを有している。なお、この受光
部４３０の受光面の大きさも、第１実施例の受光部１３
０と同様に決定できる。

【００６６】したがって、第２の集光レンズ４６２を通
過する反射光は、すべて受光部４３０に入射する。これ
により、ウェハＷが傾いて配置される場合にも、受光部
４３０において、ウェハＷからの反射光を光量を一定に
保ったまま正確に測定することができる。

【００６７】なお、本実施例の装置においては、第２の
集光レンズ４６２は、第１の集光レンズ４６０と同じ直
径Ｌｄを有しているが、図７から分かるように、第２の
集光レンズ４６２の直径は、第１の集光レンズ４６０の
直径Ｌｄより小さくすることができる。このように、第
２の集光レンズ４６２の開口面積を小さく設定する場合
にも、反射光の光線束をすべて第２の集光レンズ４６２
に入射させることができるので、受光部４３０において
ウェハＷからの反射光を、その光量を一定に保ったまま
正確に測定することが可能となる。

【００６８】また、受光部４３０の受光面を大きくする
代わりに、第２実施例と同様にコーンガラスを受光部の
受光面側に設けてもよい。この場合には、受光部の受光
面を小さくできるという利点がある。

【００６９】本実施例の膜厚測定装置を用いた場合に
も、第１実施例で説明したように、反射率の実測値Ｒｍ
を精度よく求めることができる。これにより、反射率の
実測値Ｒｍと予測値Ｒｃとから膜厚ｄを正確に決定する
ことが可能となる。なお、本実施例においては、光源部
４２０から射出された入射光の主光線は、ウェハＷに対
して斜めに入射するので、反射率の予測値Ｒｃは、その
入射角φに応じて求めておけばよい。

【００７０】また、本実施例の膜厚測定装置において
は、光源部４２０から射出された光の主光線は、ウェハ
Ｗに対して斜めに入射するので、図２のハーフミラー１
５０を省略することができる。これにより、受光部４３
０において測定される反射光の強度を大きくすることが
可能となる。したがって、本実施例の装置を採用すれ
ば、さらに精度よく反射率の実測値Ｒｍを求め、薄膜の
膜厚を正確に決定することができるという利点がある。

【００７１】以上、説明したように、上記第１ないし第
３実施例においては集光レンズ１６０，４６０を通過し
た入射光は、デフォーカスした状態でウェハＷを照射す
る。このとき、ウェハＷからの反射光が、集光レンズ１
６０，４６２を通過する際の光線束の直径は、入射光が
集光レンズ１６０，４６０を通過する際の光線束の直径
より小さくなるため、ウェハＷからの反射光の光線束
は、ウェハＷが所定の許容範囲内の角度で傾いて配置さ
れた場合にも、確実に集光レンズ１６０，４６２を通過
する。これにより、受光部１３０，３３０，４３０にお
いて、ウェハＷからの反射光の光量を一定に保ったまま
測定することができるので、ウェハＷに形成された薄膜
の膜厚を正確に決定することが可能となる。

【００７２】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。

【００７３】（１）上記第１および第２実施例（図２，
図６）においては、光源部１２０は、ハーフミラー１５
０の上方に設けられており、また、受光部１３０，３３
０は、ハーフミラー１５０の左方に設けられているが、
光源部１２０と受光部１３０，３３０との配置は逆にし
てもよい。この場合には、光源部１２０から射出される
光は、ハーフミラー１５０において反射されてウェハＷ
を照射し、また、ウェハＷからの反射光は、ハーフミラ
ー１５０を透過して受光部１３０，３３０に到達する。

【００７４】（２）上記第１ないし第３実施例において
は、光源部１２０，４２０としてほぼ単色の光とみなせ
るＬＥＤを用いているが、光源部１２０，４２０として
は、半導体レーザなどの他の半導体発光素子を用いても
よい。半導体レーザは、単一波長であるため、より正確
な測定ができる可能性がある。

【００７５】（３）上記第１ないし第３実施例において
は、光源部１２０，４２０としてＬＥＤを用いている
が、これに代えて波長領域の広い光源、例えば、重水素
放電管やハロゲンランプ、水銀ランプなどを用いてもよ
い。この場合には、受光部１３０，３３０，４３０とし
て、ＰＤに代えて分光計を用いればよい。あるいは、受
光部１３０，３３０，４３０の光入射面に光学フィルタ
を設けるようにしてもよい。こうすれば、広い波長領域
での反射率を連続的に測定することができるので、反射
率の連続的な実測値Ｒｍと予測値Ｒｃとから、膜厚を決
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の膜厚測定装置の概略を示す説明図。

【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】ウェハＷからの反射光の経路を示す説明図。

【図４】本膜厚測定装置における結像位置を示す説明
図。

【図５】反射率の分光特性の予測値Ｒｃ（λ）の一例を
示すグラフ。

【図６】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７】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。

【符号の説明】

１００…筐体１１０…移動ステージ１２０…光源部１３０…受光部１３２…支持柱１３４…ブラケット１５０…ハーフミラー１６０…集光レンズ１６２…支持柱１６４…ブラケット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３３０…受光部３４０…コーンガラス４２０…光源部４３０…受光部４６０，４６２…集光レンズ９００…光源部９１０…ハーフミラー９２０…集光レンズ９５０…分光計Ｓ…基板Ｗ…半導体ウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された薄膜の膜厚を、基板
からの反射光を測定することにより決定するための膜厚
測定装置であって、薄膜の膜厚を測定するのに適した入射光を射出する光源
部と、前記光源部から射出された入射光を集光しつつ、入射光
が結像する場合の最小光スポットより大きな光スポット
を基板上に形成する集光レンズと、基板からの反射光を測定するための受光部と、前記光源部と前記集光レンズとの間の光路上に配置さ
れ、基板で反射された後に前記集光レンズで再度集光さ
れた反射光の一部を前記受光部に導くためのハーフミラ
ーと、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】請求項１記載の膜厚測定装置であって、基板上に形成される入射光の光スポットの面積は、最小
光スポットの面積の１．０５倍以上である、膜厚測定装
置。
【請求項３】請求項１または２記載の膜厚測定装置で
あって、さらに、前記ハーフミラーと前記受光部との間の光路上に配置さ
れ、前記ハーフミラーによって導かれた反射光を前記受
光部に導くための導光光学系を備える、膜厚測定装置。
【請求項４】基板上に形成された薄膜の膜厚を、基板
からの反射光を測定することにより決定するための膜厚
測定装置であって、薄膜の膜厚を測定するのに適した入射光を射出する光源
部と、前記光源部から射出された入射光を集光しつつ、入射光
が結像する場合の最小光スポットより大きな光スポット
を基板上に照射するための第１の集光レンズと、基板からの反射光を測定するための受光部と、基板からの反射光を前記受光部に導くための第２の集光
レンズと、を備え、前記第２の集光レンズの開口面積は、基板が所定の許容
範囲の角度で傾くことによって、入射光の主光線の基板
への入射角が所定の角度からずれた場合にも、基板から
前記受光部に導かれる反射光の光量を一定に保つように
設定されていることを特徴とする膜厚測定装置。