JP2004156996A - 膜厚測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】膜厚測定装置1は、基板9上の膜厚を測定するための情報を取得するエリプソメータ3および光干渉ユニット4を有する。膜厚測定装置1では、光干渉ユニット4から基板9に向けて照明光が照射され、基板9からの反射光の分光強度が取得される。続いて、エリプソメータ3による測定の際に、記憶部52に予め記憶された位置ずれ量が読み出され、演算部51が位置ずれ量に基づいてステージ移動機構21を制御することにより、エリプソメータ3からの偏光光の照射位置が直前の光干渉ユニット4による照射位置に一致し、基板9上の同一の位置における情報が取得される。その結果、光干渉ユニット4およびエリプソメータ3からの光の基板9上の照射位置を容易に一致させることができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物上の膜の厚さを測定する膜厚測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体の基板に光を照射して基板上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置において複数の測定部を設けたものが従来より提案されている。例えば、特許文献1では、エリプソメータと干渉計とを同一装置に設け、エリプソメータにより測定される屈折率と干渉計により求められる干渉波形とから基板上の膜厚を特定する手法が開示されている。このような膜厚測定装置では、装置上における各測定部の取り付け位置を精度よく調整することにより、各測定部からの光の基板上の照射位置を一致させ、各測定部による測定が基板上の同一の位置に対して行われる。
【0003】
【特許文献1】
特開昭61−182507号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、膜厚測定装置が使用される製造現場(例えば、半導体部品製造工場等)において、膜厚測定装置のメンテナンスや故障による部品交換等により各測定部の取り外しを伴う作業が行われる場合には、一般的に装置の停止時間が製造コストに大きく影響するため、各測定部の再取り付け後の位置の調整を迅速かつ容易に行うことが要求されている。ところが、取り付け位置の調整は、通常、高度な調整が必要とされるため容易に行うことができず、作業に長時間を要してしまう。
【0005】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数の測定部を有する膜厚測定装置において各測定部の基板上の測定位置(測定用の光の照射位置)を容易に一致させることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第1測定部と、前記第1測定部とは別に、対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第2測定部と、対象物を保持するステージと、前記ステージを前記第1測定部および前記第2測定部に対して相対的に移動する移動機構と、前記第1測定部からの光の照射位置と前記第2測定部からの光の照射位置との位置ずれ量を記憶する記憶部と、前記第1測定部と前記第2測定部との間で測定が切り替えられる際に前記位置ずれ量に基づいて前記移動機構を制御する制御部とを備える。
【0007】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の膜厚測定装置であって、前記第1測定部が前記ステージに保持された参照対象物の画像を取得する撮像部を有し、前記第1測定部または前記第2測定部が光を照射した状態を前記撮像部にて取得した画像に基づいて前記位置ずれ量を求める演算部をさらに備える。
【0008】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の膜厚測定装置であって、前記参照対象物が、光を散乱する散乱部を有し、前記位置ずれ量が求められる際に、前記移動機構が前記ステージを移動しつつ前記撮像部にて連続的に複数の画像が取得される。
【0009】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の膜厚測定装置であって、前記移動機構が前記ステージを第1の方向および第2の方向に移動しつつ、前記撮像部により連続的に複数の画像が取得され、前記複数の画像に基づいて前記演算部により前記第1測定部または前記第2測定部からの光の照射領域の中心が求められる。
【0010】
請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の膜厚測定装置であって、前記第1測定部が白色光による光干渉方式の測定部であり、前記第2測定部がエリプソメータである。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一の実施の形態に係る膜厚測定装置1の概略構成を示す図である。膜厚測定装置1は、多層膜(単層膜であってもよい。)が形成された半導体基板(以下、「基板」という。)9が載置されるステージ2、基板9上の膜に対して偏光解析を行うための情報を取得するエリプソメータ3、基板9からの光(反射光)の分光強度を取得する光干渉ユニット4、各種演算処理を行うCPUや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部5、および、エリプソメータ3および光干渉ユニット4に対してステージ2を移動するステージ移動機構21を備える。
【0012】
エリプソメータ3は、偏光した光(以下、「偏光光」という。)を基板9に向けて出射する光源ユニット31、および、基板9からの反射光を受光して反射光の偏光状態を取得する受光ユニット32を有し、取得された偏光状態を示すデータは制御部5へと出力される。
【0013】
光源ユニット31は、光ビームを出射する半導体レーザ(LD)312および半導体レーザ312の出力を制御するLD駆動制御部311を有し、半導体レーザ312からの光ビームは偏光子313に入射する。偏光子313と波長板(以下、「λ/4板」という。)314により円偏光または直線偏光の光が取り出される。λ/4板314からの光はレンズ331を介して所定の入射角(例えば、70〜80度)にてステージ2上の基板9表面へと導かれる。このように、LD駆動制御部311、半導体レーザ312、偏光子313およびλ/4板314により光源ユニット31が構成され、円偏光または直線偏光の光が基板9に向けて出射される。なお、光源ユニット31には(具体的には、半導体レーザ312と偏光子313との間の光路上には)、光ビームを遮断する電磁シャッタ315が設けられ、電磁シャッタ315により基板9への光の照射がON/OFF制御される。
【0014】
基板9からの反射光は、レンズ332を介して回転検光子321へと導かれ、回転検光子321が光軸に平行な軸を中心として回転しつつ透過した光が受光素子322へと導かれ、受光された光の強度を示す信号がADコンバータ34を介して制御部5へと出力される。以上のように、回転検光子321および受光素子322により受光ユニット32が構成され、受光素子322の出力が回転検光子321の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得される。
【0015】
光干渉ユニット4は、白色光を照明光として出射する光源41、基板9からの反射光を分光する分光器42、基板9上の照明光の照射位置を撮像する撮像部44、および、光学系45を有し、光学系45により光源41からの照明光が基板9へと導かれるとともに基板9からの反射光が分光器42および撮像部44へと導かれる。
【0016】
具体的には、光ファイバ451の一端に光源41からの照明光が導入され、他端に設けられたレンズ452から照明光が導出される。導出された照明光はレンズ群450aによりハーフミラー456へと導かれ、反射された照明光は対物レンズ457を介して基板9の表面に照射される。
【0017】
基板9からの反射光は、対物レンズ457を介してハーフミラー456へと導かれる。ハーフミラー456およびハーフミラー458を透過した光はハーフミラー459へと導かれ、一部の光が反射される。反射された光はレンズ450bを介して撮像部44へと導かれ、受光される。撮像部44により基板9上の照明光の照射位置の像が撮像され、取得された画像データは制御部5へと出力される。
【0018】
ハーフミラー459を透過した光はレンズ450cを介して分光器42へと導かれ、反射光の分光強度が取得される。分光強度のデータは制御部5へと出力される。以上のように、レンズ群450a,レンズ450b,450c,452、光ファイバ451、ハーフミラー456,458,459および対物レンズ457により光学系45が構成される。
【0019】
光干渉ユニット4は、さらに、対物レンズ457と基板9の表面との間の距離を検出するオートフォーカス検出ユニット(以下、「AF検出ユニット」という。)46を有する。AF検出ユニット46は、光ビームを出射する半導体レーザ461、受光する光の位置をPSD素子により検出するAF検出部463を有し、半導体レーザ461から出射された光ビームは光学系45を介して基板9の表面へと照射される。基板9からの光ビームの反射光は光学系45を介してAF検出ユニット46のレンズ462へと導かれ、さらに、AF検出部463へと導かれる。
【0020】
AF検出部463では受光する光の位置により対物レンズ457と基板9の表面との間の距離が検出され、ステージ2に設けられた昇降機構24により対物レンズ457と基板9の表面との間の距離が一定に調整される。このとき、対物レンズ457と基板9の表面との間の距離は、対物レンズ457に入射する平行光が基板9の表面にてほぼ集光する距離(すなわち、焦点距離)とされる。
【0021】
ステージ移動機構21は、ステージ2を図1中のX方向に移動するX方向移動機構22、および、Y方向に移動するY方向移動機構23を有する。X方向移動機構22はモータ221にボールねじ(図示省略)が接続され、モータ221が回転することにより、Y方向移動機構23がガイドレール222に沿って図1中のX方向に移動する。Y方向移動機構23もX方向移動機構22と同様の構成となっており、モータ231が回転するとボールねじ(図示省略)によりステージ2がガイドレール232に沿ってY方向に移動する。
【0022】
制御部5は、各種演算を行う演算部51、および、各種情報を記憶する記憶部52を有し、分光器42、撮像部44および受光ユニット32にて取得された各種情報は演算部51へと入力され、演算部51による演算結果は記憶部52に記憶される。また、光源41、光源ユニット31およびステージ移動機構21も制御部5に接続され、制御部5がこれらの構成を制御することにより、膜厚測定装置1による基板9上の膜厚測定が行われる。
【0023】
図2は膜厚測定装置1が基板9上の膜の厚さを測定する処理の流れを示す図である。以下、図1を参照しながら図2に沿って膜厚測定装置1による膜厚測定について説明を行う。
【0024】
まず、光干渉ユニット4において光源41から照明光が出射され(ステップS11)、光学系45により照明光が基板9へと導かれる。基板9からの反射光の一部は撮像部44へと導かれ、照明光の照射位置を示す画像が取得される。制御部5は、取得された画像に基づいてステージ移動機構21を制御し、照明光の照射位置を基板9上の所望の測定位置へと相対的に移動する。そして、反射光の一部が分光器42へと導かれて分光器42により反射光の分光強度が取得され(ステップS12)、分光強度データが演算部51へと出力される。演算部51では、取得された分光強度から基板9の分光反射率が求められる。このとき、分光反射率が既知である他の基板の分光強度が予め準備されており、この分光強度を用いて基板9の分光反射率が求められる。
【0025】
続いて、膜厚測定装置1では光干渉ユニット4からエリプソメータ3に測定が切り替えられる。すなわち、エリプソメータ3の光源ユニット31から偏光光が基板9へと出射されるとともに(ステップS13)、記憶部52に記憶された位置ずれ量が読み出される(ステップS14)。そして、制御部5が位置ずれ量に基づいてステージ移動機構21を制御し、ステージ2が対応する位置へと移動する(ステップS15)。
【0026】
ここで、位置ずれ量とは基板9上における光干渉ユニット4による照明光の照射位置とエリプソメータ3による偏光光の照射位置との相対的な位置の差であり、後述する位置ずれ量を取得する処理により予め求められる。これにより、基板9上の偏光光の照射位置が直前の照明光の照射位置に移動し(すなわち、ステージ2の位置が偏光光の照射位置に対して補正され)、ステップS12にて分光強度が取得されたのと同一の位置において受光ユニット32により反射光の偏光状態が取得される(ステップS16)。偏光状態を示すデータは演算部51に入力され、取得された分光反射率および偏光状態に基づいて基板9上の所望の位置における膜の厚さが求められる(ステップS17)。例えば、演算部51では、分光反射率から求められる膜厚と偏光状態から求められる膜厚とが比較され、適切な膜厚が特定される。なお、膜厚測定装置1では、エリプソメータ3による測定後に光干渉ユニット4による測定が行われてもよい。
【0027】
次に、上述の位置ずれ量を取得する処理について説明を行う。図3は、膜厚測定装置1が位置ずれ量を求める処理の流れを示す図である。まず、ステージ2上に所定のパターンが形成された参照基板が載置され、光干渉ユニット4の光源41から照明光が出射される(ステップS21)。撮像部44では照明光の照射位置の画像が取得され、演算部51は取得された画像に基づいて照明光の照射位置をステージ移動機構21により参照基板上の特定の位置へと相対的に移動する(ステップS22)。
【0028】
例えば、図4(a)に示すようにY方向に伸びる段差部91(例えば、数100オングストロームの段差となった段差部)が設けられた参照基板9a(平行斜線を付して図示)が使用される場合には、まず、光干渉ユニット4の照明光の照射位置が段差部91のエッジ上に位置する状態とされる。そして、照明光の照射位置が参照基板9aに対して(+X)方向に任意の距離L1だけ相対的に移動し(すなわち、図4(a)中の矢印P1の位置へと移動し、)、図5に示す画像61が撮像部44により取得される。このとき、ステージ2の移動量(すなわち、距離L1)は光干渉ユニット4の照明光の照射位置P1と段差部91との間のX方向に関する距離として記憶部52に記憶される(ステップS23)。
【0029】
また、対物レンズ457と参照基板9aの凹部92側の表面との間の距離がAF検出ユニット46により検出され、一定に調整された後、AF検出ユニット46がOFFとされる。なお、本実施の形態では図5の画像61中の中心点と参照基板9a上における照明光の照射領域の中心とが一致しており、図4(a)中の照明光の照射位置P1と同様に、符号P1を付している。
【0030】
続いて、エリプソメータ3から偏光光が出射される(ステップS24)。このとき、参照基板9a上に照射された偏光光は、受光ユニット32に向かって全反射するため撮像部44による画像からは確認することができない。そこで、ステージ2が(+X)方向へと移動しつつ、ステージ2の移動量に対応付けられた複数の画像が撮像部44により連続的に取得される(ステップS25)。
【0031】
図4(b)は偏光光が照射された直後の状態(または、ステージ2の移動直前の状態)を示す図であり、偏光光の照射位置を矢印P2により示している。また、図5では、偏光光の照射位置を符号P2を付す点により示し、偏光光の照射領域を二点鎖線で示す領域62として図示している。ステージ2の移動により段差部91が図5中の符号91aに示す状態となるときには、段差部91が偏光光の照射領域62の外側に位置するが、符号91bに示す状態になると段差部91が照射領域62内に位置するため偏光光が段差部91のエッジにて散乱する。ステージ2がさらに移動し、段差部91が符号91c,91dに示す状態を経由する間も、段差部91における散乱光が継続して発生し、符号91eに示す状態となると段差部91が照射領域62の外側に位置し、散乱光が消滅する。
【0032】
撮像部44にてステージ2の移動中に連続して取得された複数の画像(図5中の符号91a〜91eに示す状態を含む複数の画像)は演算部51へと出力される。演算部51では、取得された複数の画像から散乱光の発生直後に対応する画像と消滅直後に対応する画像とが特定され、両画像に対応付けられたステージ2の移動量の平均値が、移動直前の状態(すなわち、図4(b)または図5の状態)における段差部91と偏光光の照射領域62の中心(すなわち、照射位置P2)との間のX方向に関する距離L2として求められる(ステップS26)。なお、距離L2は、例えば、散乱光が最大となる画像に対応付けられたステージ2の移動量であってもよい。
【0033】
演算部51では、X方向に関して特定された段差部91と照明光の照射位置P1との距離L1、および、段差部91と偏光光の照射位置P2との距離L2から照明光の照射位置P1と偏光光の照射位置P2とのX方向に関する位置ずれ量が算出され、記憶部52に記憶される(ステップS27)。
【0034】
続いて、ステップS21へと戻って(ステップS28)、照明光が出射されるとともに、参照基板9a上の照明光の照射位置が段差部91とは異なるX方向に伸びる段差部の位置に相対的に移動する(ステップS22)。そして、ステージ2の移動方向をY方向としてステップS23〜S25が同様に繰り返され、Y方向に関する照明光の照射位置P1と偏光光の照射位置P2との位置ずれ量が算出され、記憶部52に記憶される(ステップS27)。膜厚測定装置1では、X方向およびY方向に関する位置ずれ量が求められると位置ずれ量取得処理を終了する(ステップS28)。
【0035】
以上のように、膜厚測定装置1ではステージ2をX方向およびY方向に(すなわち、水平面内で互いに垂直な2方向に)移動しつつ、撮像部44によりエリプソメータ3が偏光光を照射した状態を示す複数の画像が連続的に取得される。そして、演算部51により複数の画像に基づいて偏光光の照射領域の中心が求められ、照明光の照射位置と偏光光の照射位置との位置ずれ量が自動的に求められる。これにより、膜厚測定装置1ではエリプソメータ3と光干渉ユニット4との間で測定が切り替えられる際に、位置ずれ量に基づいて双方の光の基板9上の照射位置を容易に一致させることができ、その結果、基板9上の所望の位置における膜厚を正確に求めることができる。また、膜厚測定装置1における各測定部の取り付け位置の調整を簡略化することができる。
【0036】
なお、照明光が参照基板9a上の凹部92側にて集光するようにAFが行われ、かつ、図4(a)において左上から偏光光が入射する場合は、偏光光の散乱箇所は段差部91の上端となるため、厳密には、正確な位置ずれ量が求められない可能性がある。しかしながら、実際には段差部91の段差が微小であるためこの誤差は無視することが可能である。もちろん、より正確に位置ずれ量を求める必要がある場合には、段差を考慮しつつ偏光光の照射位置が求められてよい。
【0037】
また、膜厚測定装置1では、必ずしもステージ2の移動量に基づいて位置ずれ量が求められる必要はなく、例えば、演算部51により偏光光の散乱光が出現する複数の画像から偏光光の照射位置と照明光の照射位置との画像中の距離を求め、この距離に基づいて位置ずれ量が求められてもよい。また、ステージ2を移動しつつ取得される複数の画像により、光干渉ユニット4の光の照射領域の中心が求められてもよい。
【0038】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【0039】
参照基板9aに設けられる段差部91は必ずしも一方向に伸びる段差部である必要はなく、例えば、曲線状の段差部や光を散乱する散乱面が参照基板上に形成されてもよい。
【0040】
また、位置特定用のパターンや目盛り等が形成された参照基板を使用し、操作者がステージ2の上面に対して別途設けられた顕微鏡等を介して光の照射位置を直接確認したり、各測定部(すなわち、エリプソメータ3および光干渉ユニット4のそれぞれ)に設けられた顕微鏡や撮像部等により光の照射位置が確認されることにより、位置ずれ量が求められてもよい。
【0041】
基板9は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。
【0042】
エリプソメータ3および光干渉ユニット4とステージ2とは相対的に移動すればよく、例えば、エリプソメータ3および光干渉ユニット4に移動機構が設けられてもよい。
【0043】
膜厚測定装置に設けられる複数の測定部は必ずしもエリプソメータ3および光干渉方式の光干渉ユニット4である必要はない。また、膜厚測定装置に3つ以上の測定部が設けられるとともに任意の2つに対する位置ずれ量がそれぞれ求められ、各測定部の測定時に対応する位置ずれ量に基づいてステージ位置の補正が行われてもよい。
【0044】
【発明の効果】
請求項1ないし5の発明では、第1測定部からの光の照射位置と第2測定部からの光の照射位置とを容易に一致させることができる。
【0045】
また、請求項2の発明では、位置ずれ量を自動的に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図2】膜厚を測定する処理の流れを示す図である。
【図3】位置ずれ量を求める処理の流れを示す図である。
【図4】
(a)は照明光の照射位置を示す図であり、(b)は偏光光の照射位置を示す
図である。
【図5】
撮像部により取得される画像を示す図である。
【符号の説明】
1 膜厚測定装置
2 ステージ
3 エリプソメータ
4 光干渉ユニット
5 制御部
9 基板
9a 参照基板
21 ステージ移動機構
44 撮像部
51 演算部
52 記憶部
61 画像
91 段差部
P1,P2 照射位置
Claims (5)
- 対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第1測定部と、
前記第1測定部とは別に、対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第2測定部と、
対象物を保持するステージと、
前記ステージを前記第1測定部および前記第2測定部に対して相対的に移動する移動機構と、
前記第1測定部からの光の照射位置と前記第2測定部からの光の照射位置との位置ずれ量を記憶する記憶部と、
前記第1測定部と前記第2測定部との間で測定が切り替えられる際に前記位置ずれ量に基づいて前記移動機構を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項1に記載の膜厚測定装置であって、
前記第1測定部が前記ステージに保持された参照対象物の画像を取得する撮像部を有し、
前記第1測定部または前記第2測定部が光を照射した状態を前記撮像部にて取得した画像に基づいて前記位置ずれ量を求める演算部をさらに備えることを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項2に記載の膜厚測定装置であって、
前記参照対象物が、光を散乱する散乱部を有し、
前記位置ずれ量が求められる際に、前記移動機構が前記ステージを移動しつつ前記撮像部にて連続的に複数の画像が取得されることを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項3に記載の膜厚測定装置であって、
前記移動機構が前記ステージを第1の方向および第2の方向に移動しつつ、前記撮像部により連続的に複数の画像が取得され、前記複数の画像に基づいて前記演算部により前記第1測定部または前記第2測定部からの光の照射領域の中心が求められることを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の膜厚測定装置であって、
前記第1測定部が白色光による光干渉方式の測定部であり、前記第2測定部がエリプソメータであることを特徴とする膜厚測定装置。
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