JP2004198126A

JP2004198126A - 膜厚測定装置

Info

Publication number: JP2004198126A
Application number: JP2002363715A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Sakaki; 哲夫榊
Original assignee: Applied Electronics Corp
Current assignee: Applied Electronics Corp
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】渦電流式の膜厚測定装置において、ポリシリコン等の半導体の膜厚測定を可能とする。
【解決手段】測定対象物に対して一定の距離に置かれ、高周波電圧が印加されることにより測定対象物に渦電流を励起させるセンサコイル１、センサコイル１に高周波電圧を供給する発振回路２１、及び前記渦電流によるセンサコイル１のインダクタンスの変化を検出する検出回路３１を有する渦電流式膜厚測定装置１００において、発振回路２１が形成された発振部２０と検出回路３１が形成された受信部３０をそれぞれ静電シールドし、該膜厚測定装置１００へ電源を供給する電源供給端子５１及び検出信号を外部に出力する出力端子４５にそれぞれ貫通コンデンサを取り付ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦電流式の膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量産性のある実用的な膜厚計として、渦電流式膜厚計が知られている。渦電流式膜厚計は、測定対象物とする金属膜に対して所定の距離においたコイルに一定の高周波電圧を印加することにより、その金属膜に渦電流を励起させ、この渦電流によるコイル電流又はコイル電圧の変化を検出し、予め求めておいたコイル電流又はコイル電圧の変化と金属材料の膜厚との関係から当該金属膜の膜厚を求めるものである（特許文献１参照）。
【０００３】
この渦電流式膜厚計は、測定対象物に励起される渦電流によって引き起こされるコイルのインダクタンスの変化をみることを前提とするので、測定対象物は良導体である金属に限られ、電気抵抗が金属の１０¹⁶〜１０¹⁷倍であるポリシリコン等の半導体の膜厚測定には使用されない。
【０００４】
そこで、ポリシリコン等の半導体の膜厚測定には、試料表面での反射光の干渉あるいは偏光の回転角を利用して膜厚を測定する光学式膜厚計や触針法により機械的に段差を測定する段差計が用いられている。
【０００５】
しかしながら、光学式膜厚計によると、試料の表面性状によって測定値が変わり、特にポリシリコンの膜厚は、試料によっては測定できない場合もある。また、触針法による段差計で測定できるのはあくまで段差であり、直接的に膜厚を測定することはできない。
【０００６】
この他、膜厚の測定方法としては、金属膜の抵抗を測定することにより膜厚を求める四探針法があるが、ポリシリコンは金属膜に比して抵抗が大きすぎるので、四探針法によっても膜厚を測定することができない。
【０００７】
また、電子顕微鏡を用いる方法もあるが、簡便に使用できる実用的な測定方法とはならない。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２８５５１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金属膜に限らず、ポリシリコン等の半導体の膜厚も測定することのできる、実用的な膜厚測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、金属膜の膜厚測定に使用されていた渦電流式膜厚計において、発振回路と検出回路をそれぞれ静電シールドし、さらに、電源供給端子や測定結果を外部に出力する出力端子をそれぞれ貫通コンデンサを用いて外部と接続すると、従来、原理的に測定対象物から外されていたポリシリコン等の半導体の膜厚を測定できることを見出した。
【００１１】
即ち、本発明は、測定対象物に対して一定の距離に置かれ、高周波電圧が印加されることにより測定対象物に渦電流を励起させるセンサコイル、センサコイルに高周波電圧を供給する発振回路、及び前記渦電流によるセンサコイルのインダクタンスの変化を検出する検出回路を有する渦電流式膜厚測定装置において、発振回路が形成された発振部と検出回路が形成された受信部がそれぞれ静電シールドされ、該膜厚測定装置へ電源を供給する電源供給端子及び検出信号を外部に出力する出力端子にそれぞれ貫通コンデンサが取り付けられている膜厚測定装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の膜厚測定装置１００の一態様のブロック構成図、図２はこの膜厚測定装置１００の使用方法の説明図である。
【００１３】
この膜厚測定装置１００は、測定時に測定対象物Ｓに対して一定の距離Ｌに置かれるセンサコイル１が組み込まれたプローブ１０と、センサコイル１に高周波電圧を供給する発振回路２１が形成された発振部２０、高周波電圧が印加されたセンサコイル１により測定対象物Ｓに渦電流を励起させ、その渦電流により引き起こされるセンサコイル１のインダクタンスの変化を検出する検出回路３１が形成された受信部３０、検出されたインダクタンスの変化から測定対象物の膜厚に対応する電圧を出力する演算部４０及び安定化電源回路５０からなる。
【００１４】
センサコイル１は、測定対象物Ｓが無い時の出力電圧を０Ｖとしてコイル電圧と位相の変化を検出する検出コイル１ａ、測定対象物Ｓが無い場合の補正に用いるキャリアキャンセル用コイル１ｂ、発振回路２１と接続した磁界発生コイル１ｃからなる。
【００１５】
検出コイル１ａ、キャリアキャンセル用コイル１ｂ、磁界発生コイル１ｃとしては、それぞれ、図３に示すように、導線を複数回重ね巻きしたループコイルを使用し、これをプラスチック製の保護ケースに収納することによりプローブ１０とする。
【００１６】
発振回路２１としては、０．５〜２ＭＨｚの範囲で一定の高周波を安定的に発振できるものを使用し、例えば、水晶発振器を用いる。
【００１７】
受信部３０では、検出された電圧を、例えば、高周波増幅回路３２により＋４０ｄＢ〜＋８０ｄＢに増幅し、同期検波回路３３により抵抗分とリアクタンス分とを分離して検波する。
【００１８】
演算部４０では、まず、ベクトル演算回路４１により同期検波回路３３から出力された抵抗分の出力とリアクタンス分の出力とをそれぞれ二乗して加算し、その平方根（出力電圧変化量の絶対値）を出力し、それを直線化演算回路４２で直線出力に補正し、ゼロ調整及び増幅率調整回路４３で初期設定値を０Ｖに調整する（ゼロ調整）すると共に膜厚変化対出力電圧変化量を調整（増幅率調整）し、出力バッファ回路４４で、出力信号における外来ノイズの低減のため、出力インピーダンスを低下させる。
【００１９】
安定化電源回路５０としては、例えば、入力がＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚの場合に、ＤＣ出力電圧が±１５Ｖとなるものを使用する。
【００２０】
この膜厚測定装置１００においては、発振回路を有する発振部２０と、検出回路３１を有する受信部３０がそれぞれ静電シールドされ、さらに安定化電源回路５０に外部電源を接続する電源供給端子５１、及び検出信号を外部に出力する出力端子４５にそれぞれ貫通コンデンサ（図示せす）が取り付けられている。
【００２１】
ここで、静電シールドは、例えば、発振部２０及び受信部３０をそれぞれ厚さ１〜２ｍｍの銅等の金属製の筐体に入れ、さらにこれらと演算部４０と安定化電源回路５０を同様の金属製の筐体で囲むことにより２重にシールドすることが好ましい。
【００２２】
このように発振部２０と受信部３０をそれぞれ静電シールドし、さらに貫通コンデンサを取り付けることにより、静電シールドをせず、また、貫通コンデンサを設けない場合に比して、検出感度を６０ｄＢ以上向上させることができる。したがって、従来の膜厚計のように、静電シールドをせず、また、貫通コンデンサも設けない場合には、例えば、銅（抵抗１.7×10^-8Ω・ｃｍ）等の金属膜の膜厚は測定できても、ポリシリコン（抵抗2.3×10⁹Ω・ｃｍ）等の半導体膜の膜厚は測定できないのに対し、この膜厚測定装置１００によれば、上述のように検出感度を６０ｄＢ以上に高めることができるので、例えば、厚さ１ｍｍ以下の半導体膜の膜厚を１００ｎｍ程度の分解能で測定することが可能となる。
【００２３】
この膜厚測定装置１００の使用方法としては、例えば、まず、図２に示すように、単結晶シリコン基板６０上に形成されたポリシリコン膜６１を測定対象物Ｓとし、ポリシリコン膜６１の膜厚を測定する場合、センサコイル１をポリシリコン膜６１に対して、距離０．５〜３．０ｍｍの範囲で一定距離におく。このようにセンサコイル１を測定対象物Ｓに非接触に設置することにより、測定対象物Ｓに傷をつけることを防止できる。
【００２４】
次に、センサコイル１からポリシリコン膜６１に高周波電圧を印加してポリシリコン膜６１に渦電流を励起し、その渦電流によりセンサコイル１に引き起こされるインダクタンスの変化に基づいて検出される検出電圧を出力端子４５から出力させる。一方、予め、膜厚が既知のポリシリコンの標準試料を用いてポリシリコンの膜厚と検出電圧との関係を得ておき、その関係に基づき、当該ポリシリコン膜６１の膜厚を得る。
【００２５】
【実施例】
実施例１
図１の膜厚測定装置１００において、発振回路２１に水晶発振器（１ＭＨｚ）を用い、発振部２０と受信部３０の静電シールドをそれぞれ厚さ１ｍｍの銅製の筐体で囲み、さらにこれらと演算部４０と安定化電源回路５０を厚さ１ｍｍの銅製の筐体で囲むことにより行った。
【００２６】
試料として、(1)ウエハ１：厚さ７６０μｍの単結晶シリコン基板単独、(2)ウエハ２：厚さ７６０μｍの単結晶シリコン基板上に厚さ１６１μｍのポリシリコン膜を形成したもの、(3)ウエハ３：同様の単結晶シリコン基板上に厚さ５４０μｍのポリシリコン膜を形成したもの、の３種を用意し、出力端子４５から出力されるこれらの検出電圧の差を求めた。なお、各ウエハについて５回ずつ同様の測定を繰り返した。結果を図４に示す。
【００２７】
図４から、この膜厚測定装置１００によれば、ウエハ１、ウエハ２、ウエハ３の検出電圧が異なること、したがって、ポリシリコンの膜厚を検出電圧によって測定できることがわかる。
【００２８】
比較例１
発振部２０と受信部３０に静電シールドをせず、電源供給端子５１及び出力端子４５に貫通コンデンサを設けない以外は実施例１と同様の装置を作製し、実施例１と同様に各試料を測定した。結果を図５に示す。
【００２９】
図５から、静電シールドをせず、貫通コンデンサを用いない場合には、出力端子４５から出力される検出電圧のバラツキが大きく、検出電圧によって各ウエハを区別できないことがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、渦電流式の膜厚測定装置において発振部と受信部をそれぞれ静電シールドし、電源供給端子と出力端子に貫通コンデンサを用いるので、金属膜に限らず、ポリシリコン等半導体の膜厚を測定することが可能となる。したがって、本発明の装置は、簡便な構成で、半導体の膜厚を測定することのできる実用的な膜厚測定装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚測定装置のブロック構成図である。
【図２】膜厚測定装置の使用方法の説明図である。
【図３】センサコイルの説明図である。
【図４】実施例の装置の検出電圧のグラフである。
【図５】比較例の装置の検出電圧のグラフである。
【符号の説明】
１センサコイル
１ａ検出コイル
１ｂキャリアキャンセル用コイル
１ｃ磁界発生コイル
１０プローブ
２０発振部
２１発振回路
３０受信部
３１検出回路
３２高周波増幅回路
３３同期検波回路
４０演算部
４５出力端子
５０安定化電源回路
５１電源供給端子
６０単結晶シリコン基板
６１ポリシリコン膜
１００膜厚測定装置

Claims

測定対象物に対して一定の距離に置かれ、高周波電圧が印加されることにより測定対象物に渦電流を励起させるコイル、コイルに高周波電圧を供給する発振回路、及び前記渦電流によるコイルのインダクタンスの変化を検出する検出回路を有する渦電流式膜厚測定装置において、発振回路が形成された発振部と検出回路が形成された受信部がそれぞれ静電シールドされ、該膜厚測定装置へ電源を供給する電源供給端子及び検出信号を外部に出力する出力端子にそれぞれ貫通コンデンサが取り付けられている膜厚測定装置。
静電シールドされた発振部が、水晶発振器を用いた発振回路からなり、静電シールドされた受信部が、センサコイルのインダクタンスの変化に伴うコイル電圧を検出する検出回路、センサコイルの出力電圧の高周波増幅回路、及び増幅した出力電圧の同期検波回路からなる請求項１記載の膜厚測定装置。