JP2005227256A - 膜厚測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】位置精度の高い膜厚測定装置を提供する。
【解決手段】
基板61上に導電性薄膜を形成し、パターニングして測定用コイル部64と、それを取り囲む導電性リング68を形成する。この測定用コイル部64を測定対象物に近接させ、交流電流を流すと、測定対象物内に渦電流が誘起される。測定用コイル部64周囲が導電性リング68で取り囲まれており、導電性リング68よりも外側には渦電流が広がらないので、位置精度の高い測定を行うことができる。導電性リング68に換え、中心部とは逆向きのコイルを外周に配置して測定用コイル部を構成してもよい。
【選択図】 図19
Description
従来は、コイルとしてソレノイドが用いられているが、その空間分解能は十分ではなく、より高い分解能が要求されている。ここでの空間分解能は、薄膜の端での膜厚計の出力の振舞いに関するもので、薄膜の端まで膜厚をいかに正しく測定できるかを表すものである。
従来は変位センサとコイルを別々に製作した後、治具を用いて変位センサの下端とコイルの下端の位置が合うように組み立てているが、それらの相対的な位置を精度よく組み付けるのは困難であり、また、装置の部品点数が多く、必要な作業量も多いという問題があった。
請求項2記載の発明は、前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項1記載の膜厚測定装置であって、前記基準用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて構成が請求項1記載の膜厚測定装置である。
請求項3記載の発明は、前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項4記載の発明は、前記導電性リングは、前記導電性薄膜がパターニングされて構成されている請求項3記載の膜厚測定装置である。
請求項5記載の発明は、前記測定用コイル部上には絶縁膜が配置され、前記絶縁膜上の前記測定用コイル部の中心位置を含む少なくとも一部領域を取り囲む位置に導電性リングが配置された請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項6記載の発明は、前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項3乃至請求項5のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項7記載の発明は、前記測定用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項1記載の膜厚測定装置である。
請求項8記載の発明は、前記基準用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項2記載の膜厚測定装置である。
請求項9記載の発明は、測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、前記測定用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置である。
請求項10記載の発明は、前記順コイルの中心と前記逆コイルの中心とは略一致された請求項9記載の膜厚測定装置である。
請求項11記載の発明は、前記順コイルは前記逆コイルの外周よりもはみ出ないように配置された請求項10記載の膜厚測定装置である。
請求項12記載の発明は、前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項9乃至請求項11のいずれか1項記載の膜厚測定装置であって、前記基準用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置である。
請求項13記載の発明は、前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項9乃至請求項12のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項14記載の発明は、前記測定用コイル部の前記順コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項9乃至請求項13のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項15記載の発明は、前記測定用コイル部の前記順コイルは基板上に配置された請求項14記載の膜厚測定装置である。
請求項16記載の発明は、前記測定用コイル部の前記逆コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項9乃至請求項15のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項17記載の発明は、前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項9乃至請求項16のいずれか1項記載の膜厚測定装置である。
請求項18記載の発明は、前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項17記載の膜厚測定装置。
従来用いられたソレノイドは長さ(厚み)があるために、一端を薄膜に近づけると、他端は薄膜から離れてしまう。例えば、図1に示したaのような部分である。
変位センサとの相対位置精度が向上する。
測定周波数を上げることで、測定対象の薄膜自体による磁束の遮蔽効果により渦電流が相対的に中心に集中するために、膜厚計の空間分解能が向上する。
この第一例の平面コイルの製造工程を説明すると、同図(a)に示すように、ポリイミド板等の絶縁基板61に形成された孔に、二本のリード線651、652を裏面側から挿入し、リード線651、652の先端を、絶縁基板61表面の高さと一致させた状態で、その表面にスパッタリング法等の成膜方法によって銅薄膜等の金属薄膜62を形成する。
図25に示すように、この膜厚測定装置11は、例えば、駆動系(移動機構)3によって駆動される基板ステージ3a上に支持されたシリコンウェハ等の基板50の上方に配置される測定部2を有している。
また、レーザセンサ30は、渦電流センサ20の上方の所定の位置に取り付けられている。
図27の符号10は、Maxwellブリッジと呼ばれるインピーダンスブリッジを示している。
ここで、インピーダンスブリッジ10に印加する交流電圧VDを、
で表した場合、接続中点23、24の間に現れる交流電圧VSは、
で表される。
もっとも、データベースを作製したときの導電膜51と未知の膜厚Dの導電膜51の材質が同じである等、導電率が一定であることが条件になる。
そして、レーザセンサ30からレーザを照射し、そのスポットが導電膜51上の所定の膜厚測定部位に位置するように基板50を移動し、レーザセンサ30によって導電膜51との間の距離を測定する。
なお、本実施の形態においては、渦電流センサ20と導電膜51との間の相対的な距離を常に一定の値に保つことにより、常に同一の条件で渦電流センサ20におけるインダクタンスの変化量を測定することができるので、より正確な膜厚の測定を行うことが可能になる。
なお測定に用いたソレノイドのパラメーターは、図6、7、11を求めたときのソレノイドのそれと同一ではないが、同様の値である。
ΔV=const.exp(−X/r0)として特性半径r0を定義すると、ソレノイドではr0=1.32mm、平面30巻きコイルではr0=0.67mmとなり、空間分解能が約2倍に向上していることを示している。つまり、計算で示したことが実験で確認できたということである。
測定周波数が1MHZと10MHZで渦電流の径方向分布の計算結果を図17に示す。1MHZが○、10MHZが●である。計算方法は上述したとおりである。
この膜厚測定装置13は、上記第一、第二例の膜厚測定装置11、12がレーザセンサ30を用いていたのに対し、静電容量センサコントローラ7を有している。
上記遮蔽効果を説明するため、導電性リング68に関する式を加えた次の連立方程式を解いた。
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
他の例として、本発明には、径の異なる導電性リングを複数個用いてもよい。
また、上記フィルム上のパターニングされた金属薄膜や、溝73内の配線膜によって、後述する順コイルや逆コイルやも構成させることができる。
上記実施例では、径が大きい領域で渦電流は流れている。
例として、50μmピッチ、20巻きの平面コイルの場合を図32に点線で示す。内径は100μm、外径は2mmである。コイルにより誘起された半径rの渦電流が、そのコイルに作る鎖交磁束をプロットしたもので、10mmまでの積分値が1になるように規格化してある。
r(i)=0.05xi(mm)
であり、i=1〜20の円電流の重ね合わせとして扱っている。測定周波数が低い極限での計算結果である。例えば、r=1.5mmでの値はピークの値の20%ほどあり、無視できない。つまり、「コイルの中心が薄膜の端から1.5mmの位置にあるとき」には、「コイルの中心が薄膜の端から十分離れた位置にあるとき」と比べて渦電流の流れ方やそれがコイルに作る鎖交磁束が異なるわけで、コイルのインピーダンスも異なり、その結果、膜の端の近くでは膜厚を正しく測定できないことになる。このような「径の大きい領域での渦電流」が空間分解能を低下させており、薄膜の端まで正しく膜厚を測るためには、「径の大きい領域での渦電流」を小さくするのが好ましい。
その結果、順コイルの最外周の単位コイル1045よりも外側に広がる磁界は逆コイルによって打ち消される。
前述の20巻き平面状の順コイルの外側の同一面上に、半径1.15mmで逆向きの1巻きの逆コイルを設け、直列につないだ場合を考える。このとき、半径rの渦電流がコイルに作る鎖交磁束(10mmまでの積分値が1になるように規格化)を前述の図32に実線で示す。逆向きに巻いた外側の逆コイルにより、径の大きい渦電流が抑制されており、例えば、r=1.5mmでの値は、逆コイルがないときに比べて20%程度減少している。一方、ピークの高さは逆に増大している。これらから、渦電流式膜厚計の空間分解能が向上することが分かる。
r(i)=1.0+0.05xi(mm)
である。
また元々のインピーダンスが小さいと、膜厚の変化によるインピーダンスの変化量も小さく、膜厚計としての感度が低下する。
ピッチ40μmで、線幅20μm、厚さ5μmから10μmの場合の上記実施例において、ピッチを半分にすると20μmとなり、線幅は10μmとなる。厚さは5μmから10μmと変わらない。このピッチや線幅では、線幅と線の間隔と膜厚が同程度になり、作製が困難になってくる。
図38の符号103は本発明の第三の精密測定コイルを示している。
以上は、順コイルと逆コイルの両方が平面コイルであったが、本発明はそれに限定されるものではない。
逆コイルは平面コイルに限定されるものではなく、図43(c)ように、立体状の順コイル130の外周に立体状の逆コイル132を配置してもよい。
7……静電容量センサコントローラ
10……インピーダンスブリッジ
11……測定用平面コイル
12……基準用平面コイル
14、15……抵抗素子
64……コイル部
61……基板
101〜107……精密測定コイル
Claims (19)
- 測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、
前記測定用コイル部は、パターニングされた導電性薄膜で構成された膜厚測定装置。 - 前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項1記載の膜厚測定装置であって、
前記基準用コイル部は、パターニングされた導電性薄膜で構成された膜厚測定装置。 - 前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の膜厚測定装置。
- 前記導電性リングは、パターニングされた導電性薄膜で構成された請求項3記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部上には絶縁膜が配置され、
前記絶縁膜上の前記測定用コイル部の中心位置を含む少なくとも一部領域を取り囲む位置に導電性リングが配置された請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の膜厚測定装置。 - 前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項3乃至請求項5のいずれか1項記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項1記載の膜厚測定装置。
- 前記基準用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項2記載の膜厚測定装置。
- 測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、
前記測定用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、
前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置。 - 前記順コイルの中心と前記逆コイルの中心とは略一致された請求項9記載の膜厚測定装置。
- 前記順コイルは前記逆コイルの外周よりもはみ出ないように配置された請求項10記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項9乃至請求項11のいずれか1項記載の膜厚測定装置であって、
前記基準用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、
前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置。 - 前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項9乃至請求項12のいずれか1項記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部の前記順コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項9乃至請求項13のいずれか1項記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部の前記順コイルは基板上に配置された請求項14記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部の前記逆コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項9乃至請求項15のいずれか1項記載の膜厚測定装置。
- 前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項9乃至請求項16のいずれか1項記載の膜厚測定装置。
- 前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項17記載の膜厚測定装置。
- 同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、
前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有し、
前記順コイルと前記逆コイルは同じ基板上に配置され、前記逆コイルの内周に前記順コイルが配置された精密測定コイル。
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