JP2000074633A

JP2000074633A - 膜厚検査装置

Info

Publication number: JP2000074633A
Application number: JP10257587A
Authority: JP
Inventors: Motoo Koyama; 元夫小山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上に種々のパターンが形成されているよう
な基板であっても、基板の膜厚を正確に測定できる膜厚
検査装置を提供する。【解決手段】調整装置６により測定光の集光点Ｐと基板
８との光軸Ｚ方向の距離を変化させて、被検面を膜の表
面９の位置にしたときに検出器１４から出力される第１
の信号と、被検面を膜の裏面１０の位置にしたときに検
出器１４から出力される第２の信号とを検出することで
膜の膜厚を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
た薄膜の膜厚を検査する膜厚検査装置に関し、特に半導
体の製造工程で用いられるシリコン基板上に形成された
薄膜の膜厚を測定する膜厚検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造工程において、薄膜層を有
するシリコン基板等の基板には、種々の微細なパターン
が形成される。そして、こうした基板の高い品質を確保
するために、基板上の薄膜の膜厚を正確に検査、測定す
ることが求められている。図４にて、従来の膜厚検査装
置について説明する。レーザーダイオード等の光源１か
ら射出した直線偏光は、コリメートレンズ２を透過して
平行光束となった後、１／２波長板２０に入射する。１
／２波長板２０によって、電気ベクトルの振動方向が変
換された直線偏光となった光束は、１／４波長板２１に
入射する。１／４波長板２１によって楕円偏光となった
光束は、基板８に入射する。ここで、１／２波長板２０
と１／４波長板２１とを独立に回転することによって、
楕円偏光の主軸の方位と、楕円率を任意に変更すること
ができる。また、基板８は、表面に薄膜が形成されてい
る。すなわち、薄膜表面９と薄膜裏面１０（基板境界
面）との間が薄膜層となっている。

【０００３】基板８を射出した光束は、検光子２２に入
射する。検光子２２を射出した光束は、集光レンズ２３
を透過した後に、検出器１４に入射する。ここで、前述
した１／２波長板２０と１／４波長板２１との回転調整
によって、基板８から射出する光束を、検光子２２の透
過軸と直交する直線偏光とする。この消光状態を検出器
１４にて検出することで、基板８上での位相差発生量を
求める。この位相差発生量より、薄膜表面９と薄膜裏面
１０との距離、すなわち、基板８に形成された薄膜の膜
厚を測定する。以上の方法は、エリプソメトリーと呼ば
れる方法であり、膜厚検査方法として一般的に用いられ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の膜厚検査装
置では、検査対象である基板上に種々のパターンが形成
されている場合、例えば、半導体製造プロセスにおける
基板を測定する場合、正確な膜厚測定ができなかった。
すなわち、基板で付与される光束の位相差を検出する
際、基板上に形成された種々のパターンによって、位相
差に誤差が生じていた。したがって本発明は、半導体製
造プロセスにおける基板のように基板上に種々のパター
ンが形成されているような基板であっても、基板の膜厚
を正確に測定できる膜厚検査装置を提供することを課題
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、すなわち、添付図面に
付した符号をカッコ内に付記すると、本発明は、光源
（１）と、光源（１）から放射された光を測定光と参照
光とに分離する光分割手段（３）と、光分割手段（３）
で反射し又は透過した測定光を基板（８）上に形成され
た１又は複数の膜のうちのいずれか１つの膜の被検面に
集光させる第１集光光学系（５）と、第１集光光学系
（５）による測定光の集光点（Ｐ）と基板（８）との光
軸（Ｚ）方向の距離を調整する調整装置（６）と、光分
割手段（３）を透過し又は反射した参照光を反射する参
照面（４）と、被検面で反射し第１集光光学系（５）及
び光分割手段（３）を通過した測定光と参照面（４）で
反射して光分割手段（３）を通過して測定光と統合され
た参照光とを集光させる第２集光光学系（１２）と、第
２集光光学系（１２）の集光位置に配置された検出器
（１４）とを備え、調整装置（６）により測定光の集光
点（Ｐ）と基板（８）との光軸（Ｚ）方向の距離を変化
させて、被検面を膜の表面（９）の位置にしたときに検
出器（１４）から出力される第１の信号と、被検面を膜
の裏面（１０）の位置にしたときに検出器（１４）から
出力される第２の信号とを検出することで膜の膜厚を求
めることを特徴とする膜厚検査装置である。

【０００６】その際、調整装置は、基板（８）を測定光
の光軸（Ｚ）方向へ移動させる移動装置（６）を有する
ものであることが好ましい。そして、第１の信号と第２
の信号とが出力されたときの時間に基づいて膜厚を求め
ることが好ましい。また、第１の信号と第２の信号とが
出力されたときの移動装置（６）の位置に基づいて膜厚
を求めることが好ましい。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面によっ
て説明する。図１、図２にて、本発明による膜厚検査装
置の第１実施例を示す。図１は、膜厚検査装置の構成を
示す概略図である。レーザーダイオード等の光源１から
射出した光束は、コリメートレンズ２を透過して平行光
束となった後、ビームスプリッタとしてのハーフミラー
３に入射する。ハーフミラー３に入射した光束は、ハー
フミラー３の光束分割面で、測定光束と参照光束とに分
離される。

【０００８】ハーフミラー３の光束分割面で反射した測
定光束は、第１集光レンズ５を透過して、集光点Ｐに集
光され、基板８の薄膜表面９に入射する。薄膜表面９に
入射した測定光束のうちの一部の光束は、薄膜表面９で
反射する。そして、薄膜表面９に入射した測定光束のう
ちのその他の光束は、薄膜表面９を透過して、薄膜裏面
１０に入射し、更に一部の光束が薄膜裏面１０で反射し
て、薄膜表面９を透過する。これらの薄膜表面９より発
した測定光束は、第１集光レンズ５を透過して再び平行
光束となった後、ハーフミラー３に入射する。ハーフミ
ラー３を透過した測定光束は、第２集光レンズ１２を透
過して、検出器１４の検出面１３に入射する。

【０００９】一方、ハーフミラー３にて分離された参照
光束、すなわち、ハーフミラー３の光束分割面を透過し
た参照光束は、参照ミラー４に入射する。参照ミラー４
で反射した参照光束は、再びハーフミラー３に入射す
る。ハーフミラー３の光束分割面で反射した参照光束
は、測定光束と同様に、第２集光レンズ１２を透過し
て、検出器１４の検出面１３に入射する。このように、
検出器１４に測定光束及び参照光束が入射すると、それ
らの光束の干渉の度合いに応じた信号が、検出器１４か
ら出力される。

【００１０】ここで、基板８は、移動装置６に載置され
ている。そして、移動装置６は、測定光束の光軸方向
（±Ｚ方向）に移動可能となっている。移動装置６とし
ては、例えば、ピエゾ素子やリニアモータ等を用いて比
較的微小な距離のみ移動する構成としても良い。なお、
図１において、移動装置６は、集光点Ｐと基板８との光
軸方向の距離を調整する調整装置として機能している
が、その代わりに、基板８を固定して、膜厚検査装置全
体が±Ｚ方向に移動する調整装置であっても良い。ま
た、集光点Ｐとハーフミラー３の光束分割面との距離
は、参照面４とハーフミラー３の光束分割面との距離と
ほぼ等しい。なお、図１では、ハーフミラー３の光束分
割面に対して、測定光束の入射経路を反射経路とし、参
照光束の入射経路を透過経路としたが、その代わりに、
測定光束の入射経路を透過経路とし、参照光束の入射経
路を反射経路としても良い。

【００１１】次に図２にて、検出器から出力される信号
について説明する。図２は、基板８が移動装置６によっ
て、等速度で±Ｚ方向に微小量往復移動したときの、検
出器１４の出力信号を示すグラフである。グラフの横軸
は時間ｔを表し、縦軸は信号出力Ｉを表している。時刻
ｔ_R1及び時刻ｔ_R3のとき、基板８は、ハーフミラー３に
対して最も近い位置となっている。時刻ｔ_R2のとき、基
板８は、ハーフミラー３に対して最も遠い位置となって
いる。すなわち、時間ｔ_R1〜ｔ_R2では基板８は−Ｚ方向
に移動しており、時間ｔ_R2〜ｔ_R3では基板８は＋Ｚ方向
に移動している。更に、時刻ｔ_R1、ｔ_R2、及びｔ_R3の近
傍における加減速度はその前後で等しく、時刻ｔ_R1、ｔ
_R2、及びｔ_R3の近傍以外では基板８は等速度で移動して
いるため、時間ｔ_R1〜ｔ_R2と時間ｔ_R2〜ｔ_R3とは等し
い、すなわち、グラフ上のｔ_R1〜ｔ_R2の長さとｔ_R2〜ｔ
_R3の長さとは等しい。

【００１２】本第１実施例において、光源１の波長幅
は、例えば１００ｎｍ以上と広いため、コヒーレントレ
ングス（可干渉距離）が極めて短くなっている。したが
って、測定光束の光路長と参照光束の光路長とが全く一
致しない位置に被検面がある場合、すなわち、測定光束
と参照光束の干渉が全く生じない場合、検出器１４の信
号出力Ｉの変動はなく、その波形は直線波形となる。同
図の時間ｔ_R1〜ｔ_R2では、時間ｔ_R1〜ｔ₁’、時間ｔ₁”
〜ｔ₂’、時間ｔ₂”〜ｔ_R2がこれに相当する。一方、測
定光束の光路長と参照光束の光路長とがほとんど一致す
る位置に被検面がある場合、すなわち、測定光束と参照
光束の干渉が生じる場合、検出器１４の信号出力Ｉは変
動し、その波形は交流波形となる。同図の時間ｔ_R1〜ｔ
_R2では、時間ｔ₁’〜ｔ₁”（時間ａ）、時間ｔ₂’〜
ｔ₂”（時間ｂ）がこれに相当する。

【００１３】ここで、測定光束と参照光束の光路長がほ
とんど一致する位置に被検面がある状態とは、基板８の
被検面が可干渉距離内に入っている状態をいう。時間ａ
では、基板８の薄膜裏面１０が被検面となり、可干渉距
離内に入っているため、干渉による交流波形が生じてい
る。時間ａの交流波形は、中央部近傍（時刻ｔ₁）で出
力は極大となり、両端部（時刻ｔ₁’、ｔ₁”）に向けて
出力は減衰している。時間ｂでは、基板８の薄膜表面９
が被検面となり、可干渉距離内に入っているため、干渉
による交流波形が生じている。時間ｂの交流波形も、時
間ａの交流波形と同様に、中央部近傍（時刻ｔ₂）で出
力は極大となり、両端部（時刻ｔ₂’、ｔ₂”）に向けて
出力は減衰している。

【００１４】時間ａの交流波形の振幅は、時間ｂの交流
波形の振幅と比べて大きくなっている。これは、薄膜裏
面１０の光の反射率が、薄膜表面９の反射率に比べて大
きくて、その分干渉に寄与する光量が多くなるためであ
る。また、前述したように、時間ｔ_R1〜ｔ_R2を往路とし
たとき、時間ｔ_R2〜ｔ_R3は復路に相当するため、グラフ
上のｔ_R1〜ｔ_R2の波形とｔ_R2〜ｔ_R3の波形とは、ｔ＝ｔ
_R2の縦軸に対して線対称となっている。すなわち、時間
ａの交流波形を縦軸に対して反転させたものが、時間
ａ’の交流波形に相当し、時刻ｔ₁での基板８の位置
は、時刻ｔ₄での基板８の位置と一致する。同様に、時
間ｂの交流波形を縦軸に対して反転させたものが、時間
ｂ’の交流波形に相当し、時刻ｔ₂での基板８の位置
は、時刻ｔ₃での基板８の位置と一致する。

【００１５】以上のようにして得た検出器１４での出力
信号を基に、薄膜表面９と薄膜裏面１０との距離、すな
わち、基板８の膜厚を、次工程で算出することになる。
各交流波形が極大となる基板８の位置は、最も測定光と
参照光との干渉が大きくなる位置、すなわち、薄膜表面
９又は薄膜裏面１０と集光点Ｐが重なる位置である。し
たがって、時刻ｔ₁、ｔ₂より、基板８の膜厚の光学的光
路長ｄ’は次式で求まる。ｄ’＝ｖ・（ｔ₂−ｔ₁）（１）但し、ｖ：移動装置の移動速度故に、膜厚ｄは、ｄ＝ｄ’／ｎとなる。ここで、上式のｎは、半導体プロセスで形成さ
れた薄膜の屈折率であり、既知の値である。

【００１６】なお、上式では時刻ｔ_R1、ｔ_R2を基に膜厚
ｄを求めたが、時刻ｔ_R2、ｔ_R3を基に膜厚ｄを求めても
良いし、それらの平均値を求めても良い。更に、時間ｔ
_R1〜ｔ_R3のような往復移動を繰り返して、時刻ｔ_m+1、
ｔ_m（ｍは、奇数）で求まる膜厚ｄの平均値を求める等
することで、測定の精度を一層向上することができる。
以上のように本第１実施例では、基板８上の微小範囲の
膜厚を測定しており、種々のパターンが形成されている
ような基板であっても基板８の膜厚を正確に測定するこ
とができる。

【００１７】なお、本第１実施例では、検出器１４の出
力信号の発生時間（ｔ₂−ｔ₁）と、移動装置６の速度ｖ
とから基板８の膜厚を求めたが、その代わりに、時刻ｔ
₁、ｔ₂での移動装置６の位置を、干渉計等で直接検出す
ることによって基板８の膜厚を求めても良い。また、本
第１実施例では、移動装置６の速度ｖを等速度とした
が、移動装置６の速度ｖが等速度でない場合、速度計等
で時間ｔ₁〜ｔ₂の速度ｖを直接測定して、上記（１）式
に用いても良い。また、本第１実施例では、薄膜表面９
と薄膜裏面１０とで反射率が異なる基板８を対象とした
が、本発明は、反射率が等しい基板等であっても、薄膜
表面９と薄膜裏面１０の干渉信号を分離できれば適用で
きる。すなわち、可干渉距離が膜厚以下、好ましくは、
膜厚の半分程度であれば、薄膜表面９と薄膜裏面１０の
干渉信号を充分分離することができる。

【００１８】次に、図３にて、本発明による膜厚検査装
置の第２実施例を示す。本第２実施例では、図１の参照
ミラー４の代わりに、コーナーキューブ７を用いてい
る。前記第１実施例では、参照面である参照ミラー４
が、参照光の光軸方向（Ｘ方向）に対して直交せずに傾
いてしまうと、参照ミラー４で反射する参照光束の波面
も傾いてしまう。これが検出器１４上での干渉による信
号出力にも影響し、正確な膜厚測定ができなくなってし
まう。したがって、前記第１実施例において、正確な膜
厚測定を達成するためには、参照ミラー４の傾き調整が
必要となる。

【００１９】これに対して、本第２実施例においては、
参照面としてコーナーキューブ７を用いているため、前
記第１実施例のような傾き調整が不要となる。本第２実
施例においても、前記第１実施例と同様に、基板８上の
微小範囲の膜厚を測定しており、種々のパターンが形成
されているような基板であっても基板８の膜厚を正確に
測定することができる。なお、以上の実施例において
は、１層の膜のみで形成された基板８を測定対象とした
が、本発明は、複数の膜で形成された多層膜の基板につ
いても測定対象とすることができる。例えば、基板側か
ら第１層、第２層、第３層の３層の膜が形成された基板
の場合、第１層〜第３層の各々の膜厚について測定でき
るし、全体の膜厚について、すなわち、第１層の裏面と
第３層の表面の距離についても測定することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明では、半導体製造プ
ロセスにおける基板のように基板上に種々のパターンが
形成されているような基板であっても、基板の膜厚を正
確に測定できる膜厚検査装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による膜厚検査装置を示す
図である。

【図２】本発明の第１実施例による膜厚検査装置におけ
る出力信号を示す図である。

【図３】本発明の第２実施例による膜厚検査装置を示す
図である。

【図４】従来の膜厚検査装置を示す図である。

【符号の説明】

１…光源２…コリメートレンズ３…ハーフミラー４…参照ミラー５…第１集光レンズ６…移動装置７…コーナーキューブ８…基板９…薄膜表面１０…薄膜裏面１２…第２集光レンズ１３…検出面１４…検出器Ｐ…集光点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源から放射された光を測定光
と参照光とに分離する光分割手段と、該光分割手段で反
射し又は透過した前記測定光を基板上に形成された１又
は複数の膜のうちのいずれか１つの膜の被検面に集光さ
せる第１集光光学系と、該第１集光光学系による前記測
定光の集光点と前記基板との光軸方向の距離を調整する
調整装置と、前記光分割手段を透過し又は反射した前記
参照光を反射する参照面と、前記被検面で反射し前記第
１集光光学系及び前記光分割手段を通過した前記測定光
と前記参照面で反射して前記光分割手段を通過して前記
測定光と統合された前記参照光とを集光させる第２集光
光学系と、該第２集光光学系の集光位置に配置された検
出器とを備え、前記調整装置により前記測定光の集光点と前記基板との
光軸方向の距離を変化させて、前記被検面を前記膜の表
面の位置にしたときに前記検出器から出力される第１の
信号と、前記被検面を前記膜の裏面の位置にしたときに
前記検出器から出力される第２の信号とを検出すること
で前記膜の膜厚を求めることを特徴とする膜厚検査装
置。
【請求項２】前記調整装置は、前記基板を前記測定光の
光軸方向へ移動させる移動装置を有することを特徴とす
る請求項１記載の膜厚検査装置。
【請求項３】前記第１の信号と第２の信号とが出力され
たときの時間に基づいて前記膜厚を求めることを特徴と
する請求項２記載の膜厚検査装置。
【請求項４】前記第１の信号と第２の信号とが出力され
たときの前記移動装置の位置に基づいて前記膜厚を求め
ることを特徴とする請求項２記載の膜厚検査装置。