JP2003042723A

JP2003042723A - 光強度測定装置

Info

Publication number: JP2003042723A
Application number: JP2001235158A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watanabe; 広渡邉
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度の膜厚測定装置を提供すること。【解決手段】光源１と、前記光源からの光を試料上に
集光させる第１の集光光学系２と、前記試料からの反射
光を集光させる第２の集光光学系７と、前記第２の集光
光学系を介した前記試料からの反射光を検出する光検出
部８と、前記光検出部で検出した反射光の光強度変化を
測定する測定手段９とを備え、前記試料のいずれかを前
記第１の集光光学系のデフォーカス位置に配置する手段
と、前記光検出部の受光面を前記第２の集光光学系のデ
フォーカス位置に配置する手段の少なくとも一方を備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
膜厚測定装置、半導体基板や液晶パネル用のガラス基板
の製造工程における成膜、エッチング、平坦化工程の終
了点検出装置、並びにリアルタイム膜厚モニターなどの
光強度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体デバイスの製造工程にお
いて、基板上に形成された薄膜の厚さを測定するのに、
一般的に、光学的手法が用いられている。この膜厚装置
の光源として、ハロゲンランプや分光計を用いた膜厚測
定装置が使用されているが、高価であるという問題があ
る。この問題を解決するために、図８に示すような、光
源にＬＥＤを用いた膜厚測定装置が提案されている（特
開２０００−４６５２５号公報参照）。

【０００３】この装置では、光源１である発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）から出射された光は、投光側光ファイバ３
を経由した後に、光射出部４から試料５であるウェハに
照射される。試料５からの反射光は再び光射出部４、受
光側光ファイバ６によって導かれ光検出部８に到達す
る。光検出部８は入射した光の強度を測定し、その信号
を演算部９に送り必要な演算がなされ、膜厚を測定す
る。

【０００４】しかし、この装置では、ＬＥＤ１において
は、パッケージ内のチップ上の発光素子が発光するた
め、チップ、ボンデイングが像として投影されてしま
う。従って、ＬＥＤ１の発光強度分布には大きなムラが
ある。また、投光側光ファイバ３や受光側光ファイバ６
の光ファイバ束の配列にも大きなバラツキが存在する。
従って、投光側光ファイバ３や、光射出部４からウェハ
５へ照射する光の光量分布が均一ではなく、更に、光検
出部８に導かれるウェハ５からの反射光も均一ではない
ため光強度測定の精度が悪くなるおそれがある。

【０００５】また、構成部品の機械公差などによって、
光軸に対してケラレが発生した場合には、投光側光ファ
イバ３に照射される光量や光検出部８に導かれる光量が
大きく損なわれてしまうという問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高精度の膜
厚測定装置を提供することを目的とする。本発明によれ
ば、以下の各手段により、試料に照射する光や光検出部
に入射する光の光量分布が均一になり、更には、またＬ
ＥＤ−投光側光ファイバや受光側光ファイバ−光検出部
の光軸に対するケラレの影響をなくすことができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を講じた。

【０００８】本発明の第１局面に係る光強度測定装置
は、光源と、前記光源からの光を試料上に集光させる第
１の集光光学系と、前記試料からの反射光を集光させる
第２の集光光学系と、前記第２の集光光学系を介した前
記試料からの反射光を検出する光検出部と、前記光検出
部で検出した反射光の光強度変化を測定する測定手段と
を備え、前記試料のいずれかを前記第１の集光光学系の
デフォーカス位置に配置する手段と、前記光検出部の受
光面を前記第２の集光光学系のデフォーカス位置に配置
する手段の少なくとも一方を備えたことを特徴とする。

【０００９】本発明の第２局面に係る光強度測定装置
は、光源と、前記光源からの光を集光させる集光光学系
と、前記集光光学系からの光を試料に照射するための光
射出手段と、前記試料からの反射光を検出する光検出部
と、前記光検出部で検出した反射光の光強度変化を測定
する測定手段とを備え、前記光射出手段の入射端を、前
記集光光学系のデフォーカス位置に配置したことを特徴
とする。

【００１０】本発明の第３局面に係る光強度測定装置
は、試料を照明する光源と、前記試料からの反射光を集
光させる集光光学系と、前記集光光学系を介した前記試
料からの反射光を検出する光検出部と、前記光検出部で
検出した反射光の光強度変化を測定する測定手段とを備
えた光強度測定装置において、前記光源及び前記光検出
部の受光面の少なくとも一方を、前記集光光学系のデフ
ォーカス位置に配置したことを特徴とする。

【００１１】上記の光強度測定装置の好ましい実施態様
は以下のとおりである。なお、以下の各実施態様は、単
独で適用しても良いし、適宜組み合わせて適用しても良
い。（１）前記光射出手段の少なくとも１部を光ファイバ
で構成したこと。（２）前記第１の集光光学系からのデフォーカス光の
照射面積が、前記光射出手段の入射端の有効面積よりも
大きいこと。（３）前記集光光学系からのデフォーカス光の照射面
積が、前記光検出部の受光面の有効受光面積よりも大き
いこと。（４）前記光源に少なくとも１つ以上の発光ダイオー
ドを用いたこと。

【００１２】

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明の実施の形
態を説明する。（第１の実施形態）図1は、本発明の第１の実施形態に
係る膜厚測定装置の概略構成を示す図であって、その全
体構成を図１の（ａ）に示す。図１に示す膜厚測定装置
は、半導体ウェハなどに形成された膜厚を測定するため
の膜厚測定装置である。なお、以下の各実施形態におい
ては、膜厚測定装置を例にとって説明するが、これに限
らず、本発明は、光強度を測定する装置、例えば、半導
体基板などの成膜やエッチング等の終了点検装置や、リ
アルタイム膜厚モニターなどにも適用可能である。

【００１３】図１において、ＬＥＤ光源１は、試料に照
射する光を出射する。ＬＥＤ光源１から出射された光
は、投光側集光レンズ２を介して、投光側光ファイバ３
の導入部に入射する。ＬＥＤ光源１、投光側集光レンズ
２、投光側光ファイバ３の部分拡大図を図１の（ｂ）に
示す。図１の（ｂ）で示すように、本実施形態において
は、投光側光ファイバ３の導入部が、投光側集光レンズ
２の焦点距離ｆ１とは異なる位置に配置されている（以
下、焦点距離とは異なる位置に配置することを、本明細
書においては「デフォーカス」と称する）。すなわち、
ＬＥＤ光源１から出射された光は、焦点距離ｆ１の位置
の像１１ではなく、投光側集光レンズ２により投光側光
ファイバ３の導入部にデフォーカスされて集光され、こ
のデフォーカスされた光は、投光側光ファイバ３の導入
部よりも広い範囲で集光される。従って、ＬＥＤチップ
１０の像は、投光側光ファイバ３の導入部位置において
デフォーカスした像１２が集光されることになる。図１
の（ｃ）にその様子を示す。図１の（ｃ）は、図１の
（ｂ）の１Ｃ−１Ｃ矢視図である。図１の（ｃ）の示す
ように、投光側光ファイバ３の導入部位置にデフォーカ
スした像１２は、ファイバ束１３の面積より大きくなる
ように集光されている。

【００１４】投光側光ファイバ３の導入部に入射した光
は、投光側光ファイバ３の他端に配置された光射出部４
を経由して試料５を照射する。この試料５は、半導体基
板や液晶パネル用のガラス基板などであって、ＸＹＺの
3軸方向に駆動可能なステージ（図示しない）に固定さ
れている。そして、試料５からの反射光は再び光射出部
４、受光側光ファイバ６を経由して受光側集光レンズ７
によって、光検出部８の受光面に入射する。光検出部８
は入射した光の強度を測定して、その測定結果に係る信
号を演算部９に送る。演算部９は、光検出部８から送ら
れた信号に基づいて必要な演算を行う。なお、光検出部
８は、光強度が測定可能なものであれば、どのようなも
のでも適用可能であるが、例えば、分光器や、光電子増
倍管、フォトダイオードなどが用いられる。また、演算
部９で必要な演算が行われ、試料５の膜圧が測定されて
必要に応じて図示しない外部装置を制御する。

【００１５】本実施形態においては、投光側光ファイバ
３の導入部における入射光がデフォーカスされているこ
とを特徴とする。図２を用いて、本実施形態の作用を説
明する。図２は焦点位置で集光した像とデフォーカスさ
せた像の中心距離と光量の関係を示すグラフであって、
（ａ）は、焦点位置で集光した像であり、（ｂ）はデフ
ォーカスさせた像である。図２の（ａ）に示すように、
焦点位置で集光させた像は、ＬＥＤ光源１からの強度分
布を正確に反映しており、シャープな像が得られてい
る。これに対して、図２の（ｂ）に示すように、デフォ
ーカスさせた像は、焦点位置で集光させた像に比ベ均一
な光量分布が得られる。なお、投光側光ファイバ３導入
部位置にデフォーカスした像１２は、ファイバ束１３の
面積より大きくなるように集光するようにしている。

【００１６】上記のように、本実施形態によれば、投光
側光ファイバ３へ集光する光をデフォーカスすることに
より、試料５に照射する光の光量分布が均一となるの
で、膜厚測定の精度悪化の影響が軽減される。また、投
光側光ファイバのファイバ束１３に対して、ＬＥＤ光源
１の像１２を大きくなるように集光させることより、Ｌ
ＥＤ光源１と投光側光ファイバ３を固定している部品の
機械公差などに起因する光軸に対してのケラレによる光
量減衰の影響が軽減される。従って、本実施形態によれ
ば、高精度の膜厚測定ができる。

【００１７】（第２の実施形態）図３を参照して、本発
明の第２の実施形態を説明する。図３は、本発明の第２
の実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図であ
って、（ａ）は全体構成を示す図であり、（ｂ）は受光
側光ファイバ６、受光側集光レンズ７、光検出部８の拡
大図であり、（ｃ）は（ｂ）の３Ｃ−３Ｃ矢視図であ
る。なお、図３において、図１と同じ部分には、同じ符
号を付し、詳細な説明は省略する。

【００１８】本実施形態においては、投光側光ファイバ
３の導入部は投光側集光レンズ２の焦点位置ｆ１に配置
されている。そして、図３の（ｂ）に示すように、光検
出部８が、受光側集光レンズ７の焦点位置ｆ２とは異な
る位置（すなわち、デフォーカス位置）に配置されてい
る。また、図３（ｃ）に示すように、受光側光ファイバ
６からの像１４が光検出部８の受光面１５の面積より大
きくなるように集光させるように受光側集光レンズ７を
構成している。これにより、光検出部８の受光面に入射
される光は、光検出部８が受光側集光レンズ７の焦点位
置ｆ２にある時に比べて、均一な光量分布となって、光
検出部８の受光面に入射される。この理由は、第１の実
施形態と同様である。

【００１９】上記のように、本実施形態においても第１
の実施形態と同様に、光検出部８への入射光をデフォー
カスして、均一光にすることで、ＬＥＤ光源１のムラに
よる膜厚測定の精度悪化の影響が軽減される。また、受
光側光ファイバ６の像１４を光検出部８の受光面１５の
面積より大きくなるように集光させることにより、光検
出部８−受光側光ファイバ６を固定している部品の機械
公差などに起因する光軸に対してのケラレによる光量減
衰の影響が軽減される。

【００２０】（第３の実施形態）図４を参照して、本発
明の第３の実施形態を説明する。図４は、本発明の第３
の実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図であ
る。なお、図４において、図１及び図３と同じ部分に
は、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

【００２１】本実施形態においては、第１の実施形態と
第２の実施形態とを組み合わせて、投光側光ファイバ３
の導入部が投光側集光レンズ２の焦点距離ｆ１とは異な
る位置に配置され、光検出部８が受光側集光レンズ７の
焦点位置ｆ２と異なる位置に配置されている。具体的に
は、以下の通りである。

【００２２】ＬＥＤ光源１から発せられた光は、図４の
右方より投光側集光レンズ２によって投光側光ファイバ
３に集光される。図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤチッ
プ１０の像は、焦点距離ｆ１の位置で集光される像１１
ではなく、投光側光ファイバ３の導入部の位置にデフォ
ーカスした像１２が集光される。従って、光射出部４か
ら均一な光量分布を持つ光が試料５に照射される。ま
た、試料５からの反射光は再び光射出部４を経由して受
光側光ファイバ６に導入され、図３（ｂ）に示すよう
に、受光側光ファイバ６の他端からの光は受光側集光レ
ンズ７で光検出部８にデフォーカスして検出される。従
って、光検出部８に入射する光は、光検出部８が受光側
集光レンズ７からｆ２の焦点位置の距離に配置されてい
る時に比べ、均一な光量分布が得られる。

【００２３】本実施形態においては、投光側光ファイバ
３へ導入する光をデフォーカスすることにより、試料５
に照射する光の光量分布が均一となり、加えて、光検出
部８への入射光をデフォーカスして均一光にしているの
で、光検出部に対する膜厚測定の精度悪化の影響がより
一層軽減される。

【００２４】（第４の実施形態）図５を参照して、本発
明の第４の実施形態を説明する。図５は、本発明の第４
の実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図であ
る。なお、図５において、図４と同じ部分には、同じ符
号を付し、詳細な説明は省略する。

【００２５】本実施形態においては、第３の実施形態に
おいて、ＬＥＤ光源を複数としている。すなわち、本実
施形態に係る膜厚測定装置は、複数のＬＥＤ光源１ａ、
１ｂ、投光側集光レンズ２ａ、２ｂ、投光側ファイバ１
４、光射出部４、試料５、受光側光ファイバ６、受光側
集光レンズ７、光検出部８を備えている。本構成におい
て、投光側光ファイバ２０の導入部は投光側集光レンズ
２ａ、２ｂ，の焦点距離ｆ１ａ、ｆ１ｂとは異なる位置
に配置され、更に、光検出部８は受光側集光レンズ７の
焦点位置ｆ２とは異なる位置に配置されている。

【００２６】具体的には、ＬＥＤ光源１ａ、１ｂから発
せられた光は、投光側集光レンズ２ａ、２ｂによって投
光側光ファイバ２０に導入される。ここで、第３の実施
形態と同様に、受光側光ファイバ６の導入部位置にデフ
ォーカスした像１２が集光される。そして、デフォーカ
スした像は、投光側光ファイバ２０の他端から光射出部
４に導入されて、光射出部４で、複数の光源１ａ、１ｂ
からの光が足し合わされて試料５に照射される。試料５
から反射された光は、第３の実施形態と同様に、光検出
部８にデフォーカスして検出される。

【００２７】本実施形態によれば、第１の実施形態の効
果に加えて、複数の単色ＬＥＤを用いることによって、
より強い均一な光を試料５に照射する事が可能となる。

【００２８】なお、本実施形態において、光源１ａ、１
ｂは独立に点灯することも可能である。また、複数のＬ
ＥＤ光源１ａ、１ｂは、同一色を複数備えるだけでな
く、異なる色のＬＥＤ、またＬＥＤとランプ、ハロゲン
ランプとＸｅランプといった組合せでも構わない。この
ように、複数色の光源を用いることにより、試料に合わ
せて光源色を選択することが可能になる。

【００２９】（第５の実施形態）図６を参照して、本発
明の第５の実施形態を説明する。図６は、投光側の集光
レンズをフォーカス方向（すなわち、光軸方向）に調整
できるスライド機構を備えた場合の実施形態を示す図で
ある。なお、図６において、図１と同じ部分には、同じ
符号を付し、詳細な説明は省略する。

【００３０】図６に示すように、本実施形態において
は、集光レンズ２を移動させることが可能なスライド機
構（図示しない）を設け、焦点位置を可変としている。
このような構成とすることにより、集光レンズ２をフォ
ーカス方向（図中矢印方向）に動かして、焦点位置を調
整することによって、ＬＥＤチップ１０の像を最適な状
態にするように調整して、ＬＥＤ光源１から出射された
光を投光側光ファイバ３の導入部に集光する。

【００３１】このように、集光レンズ２の位置を移動可
能として、焦点位置を任意に調整することができるよう
にしたのデ、ＬＥＤ光源１、投光側光ファイバ３周辺部
品の機械公差や、組み立てなどのばらつきがあった場合
でも、ユーザーが最適位置を設定することができる。

【００３２】なお、本実施形態においては、投光側集光
レンズ２のみを移動可能としたが、これに限定されず、
例えば、ＬＥＤ光源１や投光側光ファイバ３がそれぞれ
移動可能としても構わない。またＬＥＤ光源１、投光側
集光レンズ２、投光側光ファイバ３の全てが同時に動く
ような機構としても構わない。

【００３３】（第６の実施形態）図７を参照して、本発
明の第６の実施形態を説明する。図７は、本発明の第６
の実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図であ
る。なお、図７において、図１と同じ部分には、同じ符
号を付し、詳細な説明は省略する。本実施形態において
は、第１から第４の実施形態と異なり、光ファイバを用
いずに、ハーフミラー２１にて投光部、受光部の光路を
分割し、集光レンズ２２の焦点位置ｆ１３から異なる位
置（すなわち、デフォーカス位置）に、ＬＥＤ光源１と
光検出部８を設置している。

【００３４】本実施形態においては、図７に示すよう
に、ＬＥＤ光源１から発せられた光は、ハーフミラー２
１を通過し、集光レンズ２２に導入される。この時ＬＥ
Ｄ光源１は集光レンズ２２の焦点距離ｆ３と異なる位置
に配置されているためＬＥＤ光源１の像は、試料５にデ
フォーカスして集光される。試料５からの反射光は、集
光レンズ２２からハーフミラー２１にて偏向され、デフ
ォーカスして光検出部８に集光する。

【００３５】本実施形態においても、第１の実施形態と
比較して、第１の実施形態と同様の効果が得られること
に加え、構成する部品数を少なくできる。

【００３６】なお、本実施形態においては、ＬＥＤ光源
１、光検出部８の両方をデフォーカスさせた例を示した
が、どちらか一方のみでも良い。

【００３７】本発明は、上記の発明の実施の形態に限定
されるものではない。上記の各実施形態では、膜厚測定
装置に適用した実施形態を説明したが、これに限定され
ず、半導体、液晶パネル製造の成膜、エッチング、平坦
化工程などの終了点検出装置、リアルタイム膜厚モニタ
ーなどの光強度測定装置に本発明を適用することができ
る。また、ＬＥＤ光源１は、単色、白色、１パッケージ
に複数色のチップが１パッケージに納めされているＬＥ
Ｄなど、１パッケージのＬＥＤ、更には、ＬＥＤに限定
されずハロゲンランプ、Ｘｅランプを光源として使用す
ることができる。また、上記の実施形態においては、Ｌ
ＥＤ、その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変
形して実施できるのは勿論である。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、光量分布ムラの大きい
光源を用いても試料に照射する光の光量分布が均一とな
り、膜厚測定の精度悪化の影響が軽減される。加えて、
投光側各構成部品の機械公差などにより生じる、光軸に
対してのケラレ等による光量減衰の影響が軽減される。
従って、測定の精度が向上する。

【００３９】また、光源にＬＥＤを適用することで、装
置の省スペース化、メンテナンス性が向上する。更に、
光ファイバを適用することで装置スペースの設置自由度
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る膜厚測定装置
の概略構成を示す図。

【図２】焦点位置で集光した像とデフォーカスさせた
像の中心距離と光量の関係を示すグラフ。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る膜厚測定装置
の概略構成を示す図。

【図４】本発明の第３の実施形態に係る膜厚測定装置
の概略構成を示す図。

【図５】本発明の第４の実施形態に係る膜厚測定装置
の概略構成を示す図。

【図６】本発明の第５の実施形態に係る膜厚測定装置
の概略構成を示す図。

【図７】本発明の第６の実施形態に係る膜厚測定装置
の概略構成を示す図。

【図８】従来例を説明するための図。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ…光源（ＬＥＤ光源）２、２ａ、２ｂ…投光側集光レンズ３…投光側光ファイバ４…光射出部５…試料（ウェハ）６…受光側光ファイバ７…受光側集光レンズ８…光検出部９…演算部１０…ＬＥＤチップ１１…像１２…像１３…ファイバ束１４…投光側ファイバ１５…受光面２０…投光側光ファイバ２１…ハーフミラー２２…集光レンズ

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA30 AA55 BB13 BB17 CC17 DD03 FF44 LL02 NN01 PP12 QQ26 UU01 2H088 FA11 FA30 MA20 4M106 AA01 BA10 CA48 DH03 DH12 DH31 DH38 DH40 DJ20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を試料上に集
光させる第１の集光光学系と、前記試料からの反射光を
集光させる第２の集光光学系と、前記第２の集光光学系
を介した前記試料からの反射光を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出した反射光の光強度変化を測定する
測定手段とを備えた光強度測定装置において、前記試料を前記第１の集光光学系のデフォーカス位置に
配置する手段と、前記光検出部の受光面を前記第２の集
光光学系のデフォーカス位置に配置する手段の少なくと
も一方を備えたことを特徴とする光強度測定装置。
【請求項２】光源と、前記光源からの光を集光させる
集光光学系と、前記集光光学系からの光を試料に照射す
るための光射出手段と、前記試料からの反射光を検出す
る光検出部と、前記光検出部で検出した反射光の光強度
変化を測定する測定手段とを備えた光強度測定装置にお
いて、前記光射出手段の入射端を、前記集光光学系のデフォー
カス位置に配置したことを特徴とする光強度測定装置。
【請求項３】請求項第２項に記載の光強度測定装置に
おいて、前記光射出手段の少なくとも１部を光ファイバ
で構成したことを特徴とする光強度測定装置。
【請求項４】請求項第２項または３項のいずれかに記
載の光強度測定装置において、前記第１の集光光学系か
らのデフォーカス光の照射面積が、前記光射出手段の入
射端の有効面積よりも大きいことを特徴とする光強度測
定装置。
【請求項５】試料を照明する光源と、前記試料からの
反射光を集光させる集光光学系と、前記集光光学系を介
した前記試料からの反射光を検出する光検出部と、前記
光検出部で検出した反射光の光強度変化を測定する測定
手段とを備えた光強度測定装置において、前記光源及び前記光検出部の受光面の少なくとも一方
を、前記集光光学系のデフォーカス位置に配置したこと
を特徴とする光強度測定装置。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれか１項に
記載の光強度測定装置において、前記集光光学系からの
デフォーカス光の照射面積が、前記光検出部の受光面の
有効受光面積よりも大きいことを特徴とする光強度測定
装置。