JP2017125685A - 厚さ測定装置及び厚さ分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄い半導体層の厚さを正確に測定できる厚さ測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】本発明による厚さ測定装置は、試料から出射した反射光を受光し、フリンジスキャンを行って白色干渉光を出射する干渉光学系１８と、干渉光学系から出射した白色干渉光を受光して干渉画像信号を出力する撮像装置３０と、干渉画像信号を用いて試料に含まれる半導体層の厚さを算出する信号処理装置とを具える。信号処理装置は、干渉画像を用いて白色干渉信号を形成する手段と、白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って時間周波数スペクトルを形成する手段と、形成された時間周波数スペクトルを分光スペクトルに変換する手段と、形成された分光スペクトルから、２つの波長λ１とλ２との間に含まれるピーク数又はボトム数を検出する手段と、検出されたピーク数又はボトム数から半導体層の厚さを算出する厚さ算出手段とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、白色干渉を利用して半導体層の厚さを測定する厚さ測定装置、特に厚さが１μｍ前後の半導体層の厚さを高精度に測定できる厚さ測定装置及び厚さ分布測定方法に関するものである。

半導体デバイスの微細化に伴い、薄い半導体層の厚さを測定できる厚さ測定装置の開発が要請されている。例えば、ＴＳＶの製造プロセスにおいては、半導体基板に貫通電極を形成するための孔が形成され、孔の内部に電極材料が埋め込まれ、その後基板の裏面側が機械的に研磨されて厚さの薄い半導体基板が形成されている。その後、エッチング処理により孔の底部が除去されて、電極の先端が露出される。この際、エッチングの処理時間は孔の底部の厚さにより規定されるため、スループットを改善する観点より孔の底部を構成する半導体層の厚さはできるだけ薄くすることが望まれている。従って、１μｍ程度の薄い厚さの半導体層を測定できる厚さ測定装置の開発が要請されている。また、ＴＳＶ以外の技術においても、厚さの薄い半導体層や半導体膜等の厚さを高精度に測定することが求められている。また、ＴＳＶにおける貫通電極用の孔の直径は数μｍ程度に微細化されているため、数μｍ径の程度の微細なエリアの厚さ及び厚さ分布を測定できることも求められている。

半導体層や半導体基板の厚さを測定する厚さ測定装置として、白色干渉を利用した測定装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知の測定装置では、照明光源と試料との間にシアリング機構を有するマッハ・ツェンダー光学系が配置され、白色光源から出射した照明光をマッハ・ツェンダー光学系を介して試料に向けて投射し、試料からの反射光を再びマッハ・ツェンダー光学系を介して２次元撮像装置により受光している。そして、マッハ・ツェンダー光学系により形成された白色干渉パターンを２次元撮像装置により撮像し、白色干渉信号が出力されている。すなわち、この既知の測定装置では、試料に向かう往路において、マッハ・ツェンダー光学系のシアリング作用（横ずらし作用）により２本の照明ビームが形成されて試料上の２つの点が照明されている。そして、試料から撮像装置に向かう復路において、試料の異なる２つの照明点から出射した２本の反射ビームが合成されると共にフリンジスキャンが行われて白色干渉画像が形成されている。

撮像装置から出力される白色干渉信号は信号処理装置に供給され、白色干渉画像中に含まれる２つの白色干渉パターンのピークが検出され、ピーク間距離を求めることにより半導体層の厚さが算出されている。
特開２０１３−２９３４公報

上述した既知の厚さ測定装置では、マッハ・ツェンダー干渉系によりフリンジスキャンを行っているため、高分解能で半導体層の厚さを測定できる利点がある。しかしながら、半導体層を形成する２つの界面からの反射光による白色干渉パターンのピーク間距離から厚さを求めているため、測定できる半導体層の厚さに限界があった。すなわち、白色干渉パターンの幅は２．５μｍ〜５μｍ程度であるため、半導体層の厚さが５μｍ以下になると、２つの白色干渉パターン同士が重なり合ってしまい、ピーク間距離が検出できなくなってしまう。従って、半導体層の厚さが薄くなると、測定できなくなる不具合があった。

さらに、従来の厚さ測定装置では、マッハ・ツェンダー光学系を介して照明光を試料に向けて投射して試料上の２つの点を照明し、試料から出射した反射光はマッハ・ツェンダー光学系を介して２次元撮像装置に入射させている。そのため、光学系全体が複雑化すると共に光路調整が煩雑化する欠点もあった。さらに、試料上の２つの点から出射した反射ビームによる干渉を利用しているので、測定点の位置ずれに起因する誤差が発生するおそれも指摘されている。

ＴＳＶプロセスでは、シリコン基板上に多数のビアが形成され、ビアの直径は数μｍ程度に微細化されている。従って、微細なエリアや局所的に位置するエリアの厚さを測定することも強く要請されている。また、ＴＳＶでは、ビアの底部の厚さだけでなく、ビアが形成されていないエリアの厚さも同時に測定できることも要請されている。

本発明の目的は、厚さによる制約を受けることなく、薄い半導体層の厚さを正確に測定できる厚さ測定装置及び測定方法を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、微細なエリアの厚さを測定できると共に、複数のエリアの厚さを同時に測定できる厚さ分布測定装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、１本の照明ビームを試料に投射し、フリンジスキャンするだけで半導体層の２つの界面から出射した反射光による白色干渉パターンを形成することができ、光学系の構成が比較的簡単化され、光路調整が比較的容易に行うことができる厚さ測定装置を提供することにある。

本発明による厚さ測定装置は、白色干渉を利用して試料に含まれる半導体層の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
広帯域の照明光を発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明光を測定すべき半導体層に向けて垂直に投射すると共に半導体層から出射した反射光を集光する対物レンズと、
前記光源装置から出射し対物レンズに向かう照明光と対物レンズにより集光された反射光とを分離するビームスプリッタと、
前記対物レンズにより集光された反射光を受光し、フリンジスキャンを行って白色干渉光を出射する干渉光学系と、
前記干渉光学系から出射した白色干渉光を受光して干渉画像信号を出力する撮像装置と、
前記干渉画像信号を用いて、試料に含まれる半導体層の厚さを算出する信号処理装置とを具え、
前記信号処理装置は、前記干渉画像信号を用いて白色干渉信号を形成する手段と、
白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って周波数スペクトルを形成する手段と、
形成された周波数スペクトルを分光スペクトルに変換する手段と、
形成された分光スペクトルから、２つの波長λ１とλ２との間に含まれるピーク数又はボトム数を検出する手段と、
検出されたピーク数又はボトム数から前記半導体層の厚さを算出する厚さ算出手段とを有することを特徴とする。

白色干渉パターンは、複数の波長光の干渉パターンの合成である。従って、撮像装置から出力される干渉画像を用いて白色干渉信号を形成し、白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行うことにより各波長光の干渉信号成分に分解することができる。すなわち、フーリエ変換処理を行うことにより時間周波数スペクトルが得られ、時間周波数スペクトルを波長変換することにより分光干渉スペクトルが形成される。よって、照明光の波長帯域λ1〜λ2に含まれる干渉ピークの数を検出することにより、試料に含まれる半導体層の厚さを測定することができる。このように、白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って分光スペクトルを求めているので、白色干渉パターンが空間的に重なり合っても、半導体層の厚さを測定することができる。この結果、厚さの薄い、例えば１μｍ又はそれ以下の厚さの半導体層の厚さを測定することが可能になる。さらに、照明光の波長帯域λ1〜λ2を特定し、この波長帯域に含まれる干渉ピーク数を検出して演算処理するだけで厚さの測定値を求めることができる。

さらに、本発明では、光学系の構成として顕微鏡の構成を採用する。すなわち、対物レンズを介して照明光を試料に対して垂直に投射し、試料から出射する反射光を対物レンズにより集光する。対物レンズにより集光された反射光を干渉光学系を介して撮像装置により撮像する。このような顕微鏡の構成を採用することにより、撮像装置の各画素毎に信号処理することができ、この結果微細なエリアの厚さを容易に測定することができる。よって、ＴＳＶの微細な貫通孔の底部の厚さも容易に測定できる。さらに、１回の撮像処理により多数の部位の厚さを同時に測定できるので、この結果、試料の厚さ分布を測定することも可能である。さらに、特に重要なこととして、１台の厚さ測定装置を用いるだけで、試料表面の顕微鏡画像が撮像されると共に厚さ測定することができる利点が達成される。この結果、試料の厚さを測定できるだけでなく、試料表面を画像観察することが可能になる。

尚、本明細書において、「半導体層」とは、成膜装置を用いて基板や半導体層上に形成された半導体層だけでなく、薄い厚さの半導体材料体や半導体基板を研磨することにより形成される各種厚さの薄い半導体部材を含む概念である。また、半導体層は、シリコン層だけでなく、窒化シリコンや炭化シリコンのようなシリコン化合物やＧａＡｓ等の化合物半導体等の各種半導体材料を含む概念である。

本発明による厚さ測定装置の好適実施例は、干渉光学系は、試料で反射した１本の反射ビームを分割して２本の反射光を形成する光分割素子と、分割された一方の反射光を伝搬させる第1の光路と、分割された他方の反射光に連続的に変化する光路長ないし位相差を導入する第２光路と、第１の光路を伝搬した反射光と第２の光路を伝搬した反射光とを合成して干渉光を出射させる光合成素子とを有し、
前記第２の光路を伝搬する反射光に対して連続的に変化する光路長ないし位相差を導入することによりフリンジスキャンが行われることを特徴とする。

本発明では、１本の照明ビームにより試料の１点を照明し、半導体層を規定する２つの界面から出射した１本の反射ビームは、干渉光学系により２分割する。そして、一方の光路を伝搬する間に連続的に変化する光路長が導入されてフリンジスキャンが行われる。この結果、試料上の２つの照明点を形成することなく、すなわちシアリング（横ずらし）することなく、白色干渉パターンを形成することができる。この結果、光学系の全体構成が簡単化される利点が達成される。また、試料に起因する誤差が発生しない利点が達成される。

本発明による厚さ測定装置の別の好適実施例は、干渉光学系としてマッハ・ツェンダー光学系が用いられ、当該マッハ・ツェンダー光学系のシアリング光路を第１の光路としスキャン光路を第２の光路とし、シアリング光路のシアリング量は零に設定され、スキャン光路中に配置した楔の光路への挿入量を連続的に変化させることによりフリンジスキャンが行われることを特徴とする。マッハ・ツェンダー光学系は、２つの光路が近接するように構成できるので、外部振動や温度変化等による影響を受けにくい特性があり、極めて有益である。

本発明の厚さ測定装置の好適実施例は、干渉光学系は、前記第１及び第２の界面からそれぞれ出射し干渉光学系の第１の光路を伝搬する反射光と第１及び第２の界面からそれぞれ出射し干渉光学系の第２の光路を伝搬する反射光との干渉により形成される第１の白色干渉パターン、前記第１の界面から出射し干渉光学系の第１の光路を伝搬する反射光と前記第２の界面から出射し干渉光学系の第２の光路を伝搬する反射光との干渉により形成される第２の白色干渉パターン、及び前記第２の界面から出射し干渉光学系の第１の光路を伝搬する反射光と前記第１の界面から出射し干渉光学系の第２の光路を伝搬する反射光との干渉により形成された第３の白色干渉パターンを形成することを特徴とする。

本発明では、試料に向けて１本の照明ビームを投射しているので、試料中の２つの界面でそれぞれ反射した２本の反射光は互いに重なり合った１本の反射ビームとして試料から出射する。この反射ビームをビームスプリッタにより２分割し、第１の光路を伝搬の反射光の位相状態は固定した状態に維持し、フリンジスキャンにより第２の光路を伝搬する反射光に対して連続的に変化する光路長を導入して位相を進め又は遅らせば、フリンジスキャン中に異なる２つの界面でそれぞれ反射した２本の反射光が非同相から同相となり、白色干渉パターンが形成される。形成された白色干渉パターンについてフーリエ変換処理を行って時間周波数スペクトルを形成することにより、試料中の半導体層の厚さを求めることができる。

本発明の別の好適実施例は、第１の白色干渉パターンと第２及び第３の白色干渉パターンとは互いに重なり合っており、重なり合った３つの白色干渉パターンについてフーリエ変換処理が行われることを特徴とする。本発明では、３つの白色干渉パターンが重なり合っても、フーリエ変換処理を行って時間周波数スペクトルを形成することにより、半導体層の厚さを算出することができる。

本発明による厚さ分布測定装置は、白色干渉を利用して試料に含まれる半導体層の厚さ分布を測定する厚さ分布測定装置であって、
広帯域の照明光を発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明光を測定すべき半導体層に向けて垂直に投射すると共に半導体層から出射した反射光を集光する対物レンズと、
前記光源装置から出射し対物レンズに向かう照明光と対物レンズにより集光された反射光とを分離するビームスプリッタと、
前記対物レンズにより集光された反射光を受光し、フリンジスキャンを行って白色干渉光を出射する干渉光学系と、
前記干渉光学系から出射した白色干渉光を受光して２次元干渉画像信号を出力する２次元撮像装置と、
前記２次元干渉画像信号を用いて、試料に含まれる半導体層の厚さを算出する信号処理装置とを具え、
前記信号処理装置は、前記２次元干渉画像信号から白色干渉信号を形成する手段と、
前記白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って周波数スペクトルを形成する手段と、
形成された周波数スペクトルを分光スペクトルに変換する手段と、
形成された分光スペクトルから、２つの波長λ１とλ２との間に含まれるピーク数又はボトム数を検出する手段と、
検出されたピーク数又はボトム数から前記半導体層の厚さを算出する厚さ算出手段とを有することを特徴とする。

本発明では、白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って時間周波数スペクトルを求め、さらに、波長変換を行って分光スペクトルを形成しているので、予め設定した波長範囲λ1〜λ2内に含まれるピーク数又はボトム数を検出することにより、半導体層の厚さを求めることができる。この結果、半導体層の厚さが薄く白色干渉パターンが重なり合っても、半導体層の厚さを求めることができる。

本発明による厚さ測定装置及び厚さ分布測定装置の一例を示す図である。 試料に照明光が投射された際に発生する反射光の状態を示す図である。 フリンジスキャン中における白色干渉パターンの発生状況を示す図である。 フリンジスキャン中における白色干渉パターンの発生状況を示す図である。 半導体層の表面及び裏面から出射した反射光の干渉状態及び干渉信号波形を示す図である。 信号処理装置の一例を示す図である。 ＴＳＶの底部の厚さを測定した際の白色干渉信号、周波数スペクトル、及び分布干渉スペクトルを示す図である。

図１は本発明による厚さ測定装置並びに厚さ分布測定装置の一例を示す。本例では、試料として凹部が形成されたシリコン基板を用い、シリコン基板の表面と凹部の底面との間のシリコン材料体（シリコン層）の厚さを測定する。勿論、本発明による厚さ測定装置は、各種シリコン層や、窒化シリコンや炭化シリコン等のシリコン化合物層の厚さを測定することができる。また、例えばＧａＡｓ等の化合物半導体の膜厚を測定することも可能である。さらに、２次元干渉画像を撮像することにより、複数の凹部の底部の厚さを同時に測定することができる。また、勿論、シリコン基板の種々の部位の厚さを同時に測定することができる。

照明光を発生する光源装置は、シリコンに対して透明な近赤外域の広帯域照明光を発生する照明光源を有し、照明光源として例えばハロゲンランプやSLDを用いることができる。本例では、照明光源としてハロゲンランプとSLDの両方を用いる。ハロゲンランプとSLDは、共に波長が１μｍ付近の近赤外域の照明光を発生する点において共通する。しかし、SLDは高いコンフォーカリティ（可干渉性）を有するため、膜厚の厚い半導体層の厚さ測定に有効であり、ハロゲンランプは可干渉性が比較的低いため、薄い膜の半導体層の測定に好適である。本例では、２つの光源の可干渉性が異なることに鑑み、測定すべき試料の厚さに応じてハロゲンランプとSLDとを切り換える構成を採用する。

ハロゲンランプから出射した照明光を光ファイバ１を介して出射させる。照明光は、コリメータレンズ２及びフィルタ３を介して切換ミラー（ハーフミラー）４に入射する。フィルタ３は、照明光の波長範囲を規定する機能を果たす。本例では、照明光として、９００〜１７００ｎｍの波長域の照明光を用いて白色干渉画像を撮像し、得られた白色干渉信号を用いて厚さ測定を行う。

SLD５から出射した照明光は、コリメータレンズ６を介して切換ミラー４に入射する。切換ミラー４はハーフミラーで構成され、光ファイバ１から出射した照明光は切換ミラー４で反射し、試料に向けて進行する。また、SLD５から出射した照明光は、切換ミラー４を透過して、試料に向けて進行する。従って、ハロゲンランプ又はSLDを選択的に点灯することにより、照明光源を切り換えることができる。

切換ミラー４から出射した照明光は、リレーレンズ７及び全反射ミラー８を介してビームスプリッタ９に入射する。ビームスプリッタ９はハーフプリズムにより構成する。照明光は、ビームスプリッタ９で反射し、対物レンズ１０により平行光束に変換され、平行光束として試料１１に入射する。試料１１はステージ１２に保持され、ステージ１２はＸ、Ｙ及びＺ方向に移動可能な３次元ステージにより構成する。

図２は、試料の一例を示す線図的断面図である。本例では、試料として、ＴＳＶ技術において用いられるシリコン基板１３を用いる。シリコン基板１３には貫通電極形成用の凹部１４が複数個形成され、本例では、凹部の底面１４ａとシリコン基板の表面１３ａとの間の厚さｄをシリコン層の厚さとして測定する。ＴＳＶの製造工程では、貫通電極形成用の凹部が形成された後に、凹部にはＣｕ等が充填され、その後にシリコン基板の裏面は機械的な研磨処理が行われる。この際、凹部の底部の厚さｄが１〜１０μｍ程度になるように研磨される。その後、エッチング処理により凹部の底部が除去され、充填されたＣｕ等が露出することで、貫通電極が形成される。この処理において、スループットを改善するためには、凹部の底部の厚さはできるだけ薄くする必要がある。一方、研磨し過ぎた場合銅が研磨され、汚染の問題が発生する。従って、研磨後に研磨処理へのフィードバックやエッチング処理へのフィードフォワードを行うために、１μｍ前後の凹部の底部の厚さを高精度に測定できることが強く要請されている。

試料に照明光が投射されると、シリコン基板の表面１３ａで反射する反射光が発生する。また、凹部１４の底面１４ａで反射する反射光も発生し、シリコン基板の裏面１３ｂで反射した反射光も発生する。本例では、シリコン基板の表面１３ａで反射した反射光と凹部の底面１４ａで反射した反射光とが合成され、１本の反射ビームとしてシリコン基板１３から出射する。従って、位相状態の異なる２つの反射光成分を含む合成反射ビームが試料から出射する。尚、２つの反射光成分は同一の光路を伝搬する。

図１を参照するに、試料から出射した反射光は、対物レンズ１０により集光され、ビームスプリッタ９を透過し、試料に向かう照明光から分離される。さらに、反射光は、リレーレンズ１５、全反射ミラー１６及びレンズ１７を介して干渉光学系１８に入射する。本例では、干渉光学系としてマッハ・ツェンダー光学系を用いる。マッハ・ツェンダー光学系１８は、ビームスプリッタとして機能するハーフミラー２０を有し、試料から出射した反射光はハーフミラー２０により第１及び第２のサブビーム（サブ反射光）に分割される。

第１のサブビームはシアリング光路２１ａを伝搬し、第２のサブビームはスキャン光路２１ｂを伝搬する。シアリング光路２１ａを伝搬する反射光は、第１の楔組２２ａに入射する。この第１の楔組２２ａは、通過ビームの横ずらし量（シアリング量）を規定する。本例では、シアリング量は零に設定する。従って、シアリング光路２１ａを伝搬する第１のサブビームとスキャン光路２１ｂを伝搬する第２のサブビームは、干渉光学系から出射した後空間的に一致するように合成される。尚、シアリング光路の光路長は固定されているため、シアリング光路を伝搬する第１のサブビームの位相状態は固定されている。第１の楔組２２ａから出射したサブビームは、全反射ミラー２３を経て合成ミラー２４に入射する。

ハーフミラー２０により分割された第２のサブビームは、全反射ミラー２５を経て第２の楔組２２ｂに入射する。第２の楔組２２ｂは、入射した第２のサブビームに連続的に変化する光路長（位相量ないし位相差）を導入してフリンジスキャンを実行する。具体的には、第２の楔組２２ｂの一方の楔の光路への挿入量を増大又は減少させて光路長（シアリング光路を伝搬する光との位相差）を連続的に変化させ、これにより第２のサブビームの位相を連続的に変化させる。楔による導入光路長はドライバ２６により制御され、楔の位置情報（導入された光路長に対応する）は位置センサ２７により検出され、検出された位置情報は信号処理装置２８に供給される。

第２の楔組２２ｂから出射した第２のサブビームは合成ミラー２４に入射する。よって、シアリング光路を伝搬したサブビームとスキャン光路を伝搬したサブビームとは合成ミラー２４により空間的に重ね合わされて白色干渉光を形成する。この白色干渉光は、結像レンズ２９を介して２次元撮像装置３０上に結像される。従って、撮像装置３０上には、試料１１の２次元観察画像及び、位相状態が固定されたサブビームと、位相が連続的に変化するサブビームとの白色干渉画像が形成される。すなわち、シアリング光路２１ａを伝搬したサブビームの位相は固定状態にあり、スキャン光路２１ｂを伝搬するサブビームは、フリンジスキャンにより時間的に連続して変化する光路長が導入される。従って、フリンジスキャン中に、第１のサブビームと第２のサブビームとが同相状態になると、白色干渉が発生し、白色干渉パターンが形成される。具体的には、シアリング光路を伝搬する半導体基板１３の基板表面１３ａで反射した反射光及び凹部の底面１４ａで反射した反射光（図２参照）に対して、スキャン光路を伝搬する基板表面１３ａからの反射光又は凹部の底面１４ａから出射した反射光とが同相になると白色干渉が発生する。よって、撮像装置３０により白色干渉パターンが撮像され、時系列の干渉画像信号が出力される。撮像装置から出力される時系列の干渉画像信号は信号処理装置２８に供給され、半導体層の厚さが測定される。尚、導入光路長を零とし、シアリング量を零とすることにより、試料表面の２次元画像を撮像することができる。

図３は、シアリング光路を伝搬する反射光の波面とスキャン光路を伝搬する反射光の波面との位相関係を説明するための図である。本例では、半導体層の厚さが比較的厚く、３つの独立した白色干渉パターンが個別に形成される例について説明する。図３において、横軸は位相の進行状態（位相軸）を示す。シアリング光路を伝搬する基板表面１３ａからの反射光及び凹部の底面１４ａからの反射光（図２参照）の波面をそれぞれ第１及び第２の波面４０ａ及び４０ｂとして図示する。また、スキャン光路を伝搬する基板表面からの反射光及び凹部の底面からの反射光の波面をそれぞれ第３及び第４の波面４０ｃ及び４０ｄとして図示する。第１の波面４０ａと第２の波面４０ｂとは、半導体層の厚さｄの２倍の光路長に対応する位相差が形成され、同様に第３の波面と第４の波面とは半導体層の厚さｄの２倍の光路長に対応する位相差が形成されている。

シアリング光路を伝搬する２つの反射光成分の波面、すなわち第１及び第２の波面４０ａ及び４０ｂの位相は固定されている。一方、スキャン光路を伝搬する反射光による第３及び第４の波面４０ｃ及び４０ｄの位相は、フリンジスキャンにより進行する。本例では、マッハ・ツェンダー光学系１８の第２の楔組の楔の光路中への挿入量を連続的に変化させ、スキャン光路を伝搬する２つの反射光の波面の位相を連続的に進ませる。すなわち、図３において、第３及び第４の波面４０ｃ及び４０ｄの位相は、左側から右側に移動する。

図３に示すように、初期位置において、シアリング光路を伝搬する位相固定された反射光に対して、スキャン光路を伝搬する反射光の位相が遅れた状態に設定する。この状態からフリンジスキャンを開始し、スキャン光路を伝搬する反射光の位相を連続的に進める。第３及び第４の波面の位相が進むと、第２の波面４０ｂと第３の波面４０ｃとが同相関係になり、白色干渉が発生する。すなわち、シアリング光路を伝搬する凹部底面からの位相固定された反射光とスキャン光路を伝搬する基板表面からの反射光とが合成されて白色干渉を起こし、白色干渉パターンを形成する。この白色干渉の振幅は比較的小さい。さらにフリンジスキャンを行い第３及び第４の波面の位相を進めると、一旦同相状態が解除された後、第１の波面４０ａと第３の波面４０ｃとが同相となると共に第２の波面４０ｂと第４の波面４０ｄとが同相となる。この位相状態において、振幅の比較的大きな白色干渉が発生する。さらに位相を進めると、一旦同相状態が解除され、続いて、第１の波面と第４の波面とが同相となり、白色干渉が発生する。

図３の実施例においては、測定すべき半導体層の厚さが厚いため、３つの白色干渉パターンがそれぞれ独立して観測された。よって、隣接する２つの白色干渉パターンのピーク間距離を測定することにより、半導体層の厚さｄを測定することができる。しかしながら、測定対象となる半導体層の厚さが薄くなると、隣接する白色干渉パターン同士が重なり合い、ピーク間距離の測定手法では、白色干渉パターンのピークを検出することができず、半導体層の厚さが測定されない不具合が発生する。この位相状態を図４に示す。図４において、３つの白色干渉パターンは部分的に重なり合い、３つの白色干渉パターンが発生しているにもかかわらず、１つの白色干渉パターンとして形成された状態を示す。この場合、従来のピーク検出手法では、白色干渉パターンのピークが検出されないため、厚さ測定を行うことができない。これに対して、本発明による厚さ測定装置では、白色干渉パターンが個別に形成される場合及び重なり合って形成される場合のいずれにおいても厚さ測定することができる。

以下において、本発明の基本原理について説明する。白色干渉により形成される白色干渉パターンは、波長の異なる多数の波長光により形成される干渉パターンの合成である。従って、白色干渉信号についてフーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行うことにより、各波長光の信号成分に分解することができる。すなわち、２次元撮像装置から出力される白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行うことにより時間周波数スペクトルが形成される。形成された時間周波数スペクトルについて、位置センサ２７から出力される楔の位置情報と楔材料の屈折率情報とによる光学的距離を基準として変換することにより、波数とスペクトル強度との関係が得られ、波数を波長に変換することにより分光干渉スペクトルが形成される。本発明では、得られた分光干渉スペクトルから半導体層の厚さを算出する。

図５（Ａ）は厚さがｄの試料に垂直に照明光が入射し、試料の表面５０ａで反射した反射光と裏面５０ｂで反射した反射光との干渉状態を示す図である。照明光の波長をλとし、試料の屈折率をｎとすると、光学的光路長差２ｎｄが以下の条件を満たす場合、試料の表面５０ａからの反射光と裏面５０ｂからの反射光とが干渉し合い最大輝度値の干渉パターン（干渉画像）を発生する。
２ｎｄ＝ｍλ ｍ＝１、２、・・・・・・ （１）
また、以下の条件を満たす場合、反射光同士がキャンセルし合い、最小輝度値の干渉パターンが発生する。
２ｎｄ＝（２ｍ−１）×（λ／２） ｍ＝１、２、・・・・・・

図５（Ｂ）は干渉パターンを形成する照明光の波長と信号強度との関係すなわち分光干渉信号を示すグラフである。横軸は照明光の波長を示し、縦軸は信号強度を示す。図５（Ａ）において、波長λ1で試料の表面からの反射光と裏面からの反射光とが同相となり、第１の干渉ピークが形成されている。この場合、以下の式が成立する。
２ｎｄ＝ｍλ1 （２）
尚、上式において、ｍは不明である。
次に、別の波長λ2において、同相条件を満たし干渉ピークが形成されているものとする。この干渉ピークは、第１の干渉ピークから数えてＭ番目の干渉ピークとする。この場合、以下の式が成立する。
２ｎｄ＝（ｍ＋Ｍ）λ2 （３）
上記（２）式を（３）式に代入して試料の厚さｄを求めると、以下の（４）が得られる。
ｄ＝Ｍ／｛２ｎ（１／λ2＋１／λ1）｝ （４）
上記（４）式より、試料の厚さｄは、照明光の波長帯域両端波長λ1及びλ2、波長帯域λ1〜λ2に含まれる干渉ピークの数Ｍ、及び試料の屈折率ｎから求めることができる。

具体的な測定手法は、一例として以下のように行うことができる。例えばフィルタを用いて照明光の波長帯域を予め設定する。また、試料の屈折率ｎは予め入手する。次に、図１に示す測定装置を用い、フリンジスキャンを行って白色干渉画像を撮像する。さらに、白色干渉画像についてフーリエ変換処理を行って時間周波数スペクトルを形成する。続いて、形成された時間周波数スペクトルを波長のスペクトルに変換して、分光干渉スペクトルを形成する。そして、得られた分光干渉スペクトルの波長域９００〜１７００ｎｍ内で、干渉ピークを取る波長λ1及びλ2と、その間に含まれる干渉ピークの数Ｍを検出する。そして、上記（４）式に、分光干渉波長λ1及びλ2、試料の屈折率ｎ及び干渉ピーク数Ｍを入力して演算処理することにより試料の厚さｄが求められる。より具体的には、分光波長帯域及び試料の屈折率は既知であるから、図１に示す測定装置を用いて白色干渉信号を形成すれば、得られた白色干渉信号を用いて信号処理装置が式（４）に基づいて演算処理することにより自動的に厚さを算出する。

図６は信号処理装置の一例を示す。２次元撮像装置３０から出力される時系列の干渉画像信号は、増幅器（図示せず）により増幅された後Ａ／Ｄ変換器６０に入力し、デジタル信号に変換され、信号処理装置２８に入力する。入力した干渉画像信号は、白色干渉信号形成手段６１に入力する。白色干渉信号形成手段には、位置センサ２７から出力される楔の位置情報も入力する。白色干渉信号形成手段６１は、入力した画像信号と楔の位置情報とを用いて、図３及び図４の最下段に示す白色干渉信号を形成する。この白色干渉信号は２次元撮像装置の各受光素子ごとに又は複数の受光素子ごとに作成する。従って、各受光素子ごとに厚さ情報が出力される。尚、本例では、白色干渉信号は、楔の位置情報と画像信号の輝度値との関係として図示した。しかし、フリンジスキャン中の経過時間を用い、時間と輝度値との関係として表すこともできる。各受光素子ごとに形成された白色干渉信号は、フーリエ変換手段６２に入力する。フーリエ変換手段６２は、入力した白色干渉信号についてフーリエ変換処理を実行して、時間周波数スペクトルを形成する。形成された時間周波数スペクトルは、分光スペクトル変換手段６３に供給される。分光スペクトル変換手段６３には、位置センサ２７から出力される楔の位置情報及び楔の屈折率情報も入力する。分光スペクトル変換手段は、楔の位置情報及び屈折率情報に基づく光学距離を算出し、光学距離をベースにしてフリンジスキャンにおけるスキャン量を算出する。そして、入力した周波数スペクトルについて、光学距離を基準にして変換処理を実行し、波数とスペクトル強度との関係を形成し、さらに、波数を波長に変換することにより分光干渉スペクトルを形成する。

分光干渉スペクトルは、ピーク検出手段６３に供給する。ピーク検出手段は、干渉波長帯域λ1及びλ2内において発生したピークの数を検出する。この際、ベース情報も供給される。ベース情報は、例えば照明光源の輝度分野や光ファイバの光吸収特性等を含む光学装置全体の特性を意味する。ピーク検出手段６３は、入力した分光干渉スペクトルについて、ベース情報及び干渉波長帯域を考慮して、干渉波長帯域λ1〜λ2の範囲内のピーク数を検出する。

検出されたピーク数は、厚さ算出手段６４に供給する。厚さ算出手段には、干渉波長帯域情報、試料の屈折率情報も供給される。厚さ算出手段６４は、これら入力した情報を用い、式（４）に基づいて試料の厚さｄを算出する。

図７は、図２に示すＴＳＶウエハの凹部（測定すべき底部の厚さは９．０μｍ）について厚さ測定を行った際の実際のデータを示す。図７（Ａ）は白色干渉信号を示す。白色干渉信号は、横軸が楔の位置を示し、縦軸は信号強度を示す。勿論、横軸は、フリンジスキャン中の経過時間を用いることも可能である。従って、白色干渉信号は、時間と画像信号の輝度値との関係として表示してもよい。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行い、得られたフーリエスペクトル（時間周波数スペクトル）を示し、横軸は次数（周波数）を示し、縦軸はスペクトル強度を示す。図７（Ｃ）は、形成されたフーリエスペクトルを変換して得た分光干渉スペクトルを示す。本例では、照明光の波長域内において、λ1＝１．１６μｍとλ2＝１．６４μｍで分光干渉ピークを示し、波長範囲λ1からλ2内に１６個のピークを示す。楔の屈折率は３．５５であり、測定される底部の厚さは９．０６μｍと算出され、高精度な厚さ測定を行うことができることが実証された。

上述した実施例では、シリコン基板に形成された凹部の底部の厚さを測定したが、各種基板上に形成された半導体層の厚さを測定することも可能である。例えば、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜の厚さを測定する実験を行ったところ、良好な測定結果を得ることができた。また、シリコン基板上にＳｉＯ_２層を形成し、その上に別のシリコン層を形成した多層構造体について、中間のＳｉＯ_２層の厚さを測定することも可能である。この場合、ＳｉＯ_２層とシリコン基板との界面からの反射光と、ＳｉＯ_２層と上側の別のシリコン層との界面からの反射光との干渉を利用することにより、測定可能である。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。上述した実施例では、半導体材料としてシリコン、窒化シリコンのようなシリコン化合物を用いたが、勿論ＧａＡｓ等の他の半導体材料の半導体層の厚さ測定に適用することも可能である。

さらに、上述した実施例では、２次元撮像装置の各受光素子ごとに白色干渉信号を形成し、各受光素子ごとに厚さを測定したが、指定した画素の受光素子から出力される干渉画像信号を用いて指定したエリアの厚さだけを選択的に測定することも可能である。この場合、厚さ測定に先立って試料表面の２次元画像を撮像し、必要なエリアないし部位を指定することができる。さらに、ＴＳＶ用のシリコン基板の場合、孔の底部の厚さと孔と隣接する基板の厚さも同時に測定できる利点が達成される。この場合、孔の周囲の基板の厚さ情報を用いてベース情報とすることも可能である。

１ 光ファイバ
２ コリメータレンズ
３ フィルタ
４ 切換ミラー
５ SLD
６ コリメータレンズ
７，１５，１７ リレーレンズ
８，１６，２３，２５ 全反射ミラー
９ ビームスプリッタ
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ ステージ
１３ シリコン基板
１４ 凹部
１８ マッハ・ツェンダー光学系
２０ ハーフミラー
２１ａ シアリング光路
２１ｂ スキャン光路
２２ａ 第１の楔組
２２ｂ 第２の楔組
２４ 合成ミラー
２６ ドライバ
２７ 位置センサ
２８ 信号処理装置
２９ 結像レンズ
３０ 撮像装置
４０ａ〜４０ｄ 波面
６１ 白色干渉信号形成手段
６２ フーリエ変換手段
６３ 分光スペクトル変換手段
６４ ピーク検出手段
６５ 厚さ算出手段

Claims (13)

1. 白色干渉を利用して試料に含まれる半導体層の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
   広帯域の照明光を発生する光源装置と、
   光源装置から出射した照明光を測定すべき半導体層に向けて垂直に投射すると共に半導体層から出射した反射光を集光する対物レンズと、
   前記光源装置から出射し対物レンズに向かう照明光と対物レンズにより集光された反射光とを分離するビームスプリッタと、
   前記対物レンズにより集光された反射光を受光し、フリンジスキャンを行って白色干渉光を出射する干渉光学系と、
   前記干渉光学系から出射した白色干渉光を受光して干渉画像信号を出力する撮像装置と、
   前記干渉画像信号を用いて、試料に含まれる半導体層の厚さを算出する信号処理装置とを具え、
   前記信号処理装置は、前記干渉画像信号を用いて白色干渉信号を形成する手段と、
   白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って周波数スペクトルを形成する手段と、
   形成された周波数スペクトルを分光スペクトルに変換する手段とを有することを特徴とする厚さ測定装置。
2. 請求項１に記載の厚さ測定装置において、前記撮像装置は複数の受光素子を有し、各受光素子ごとに時系列の干渉画像信号を出力し、
   前記信号処理装置は、各受光素子ごとに信号処理を行って半導体層の厚さ出力することを特徴とする厚さ測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の厚さ測定装置において、前記干渉光学系は、対物レンズにより集光された反射光を分割して２本の反射光を形成する光分割素子と、分割された一方の反射光を伝搬させる第1の光路と、分割された他方の反射光に連続的に変化する光路長ないし位相差を導入する第２光路と、第１の光路を伝搬した反射光と第２の光路を伝搬した反射光とを合成して干渉光を出射させる光合成素子とを有し、
   前記第２の光路を伝搬する反射光に連続的に変化する光路長ないし位相差を導入することによりフリンジスキャンが行われることを特徴とする厚さ測定装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の厚さ測定装置において、前記干渉光学系としてマッハ・ツェンダー光学系が用いられ、当該マッハ・ツェンダー光学系のシアリング光路を第１の光路としスキャン光路を第２の光路とし、シアリング光路のシアリング量は零に設定され、スキャン光路中に配置した楔の光路への挿入量を連続的に変化させることによりフリンジスキャンが行われることを特徴とする厚さ測定装置。
5. 請求項３又は４に記載の厚さ測定装置において、前記測定すべき半導体層は第１及び第２の界面を有し、
   前記干渉光学系は、前記第１及び第２の界面からそれぞれ出射し干渉光学系の第１の光路を伝搬する反射光と第１及び第２の界面からそれぞれ出射し干渉光学系の第２の光路を伝搬する反射光との干渉により形成される第１の白色干渉パターン、前記第１の界面から出射し干渉光学系の第１の光路を伝搬する反射光と前記第２の界面から出射し干渉光学系の第２の光路を伝搬する反射光との干渉により形成される第２の白色干渉パターン、及び前記第２の界面から出射し干渉光学系の第１の光路を伝搬する反射光と前記第１の界面から出射し干渉光学系の第２の光路を伝搬する反射光との干渉により形成された第３の白色干渉パターンを形成することを特徴とする厚さ測定装置。
6. 請求項５に記載の厚さ測定装置において、前記第１の白色干渉パターンと第２及び第３の白色干渉パターンとは互いに重なり合っており、重なり合った３つの白色干渉パターンについてフーリエ変換処理が行われることを特徴とする厚さ測定装置。
7. 請求項５に記載の厚さ測定装置において、前記第１の白色干渉パターンと第２及び第３の白色干渉パターンとは互いに独立しており、少なくとも第１の白色干渉パターンと第２又は第３の白色干渉パターンとについてフーリエ変換処理が行われることを特徴とする厚さ測定装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の厚さ測定装置において、
   前記信号処理装置は、形成された分光スペクトルから選択した２つの波長λ1及びλ2と、その間に含まれるピーク数又はボトム数Ｍを検出する手段を有し、
   前記厚さ算出手段は、前記白色干渉パターンの波長帯域を示す波長情報（λ1，λ2）と、前記検出されたピーク数又はボトム数Ｍと、測定すべき半導体層の屈折率ｎとを用いて半導体層の厚さを算出することを特徴とする厚さ測定装置
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の厚さ分布測定装置において、前記光源装置は、コヒーレンシーの大きい照明光を発生する第１の照明光源と、第１の照明光源から出射する照明光のコヒーレンシーよりも小さいコヒーレンシーの照明光を発生する第２の照明光源とを有し、測定すべき半導体層に応じて光源を切り換えることを特徴とする厚さ測定装置。
10. 白色干渉を利用して試料に含まれる半導体層の厚さ分布を測定する厚さ分布測定装置であって、
    広帯域の照明光を発生する光源装置と、
    光源装置から出射した照明光を測定すべき半導体層に向けて垂直に投射すると共に半導体層から出射した反射光を集光する対物レンズと、
    前記光源装置から出射し対物レンズに向かう照明光と対物レンズにより集光された反射光とを分離するビームスプリッタと、
    前記対物レンズにより集光された反射光を受光し、フリンジスキャンを行って白色干渉光を出射する干渉光学系と、
    前記干渉光学系から出射した白色干渉光を受光して２次元干渉画像信号を出力する２次元撮像装置と、
    前記２次元干渉画像信号を用いて、試料に含まれる半導体層の厚さを算出する信号処理装置とを具え、
    前記信号処理装置は、前記２次元干渉画像信号から白色干渉信号を形成する手段と、
    前記白色干渉信号についてフーリエ変換処理を行って周波数スペクトルを形成する手段と、
    形成された周波数スペクトルを分光スペクトルに変換する手段とを有することを特徴とする厚さ分布測定装置。
11. 請求項１０に記載の厚さ分布測定装置において、前記信号処理装置は、２次元撮像装置の各受光素子から出力される干渉画像信号ごとに信号処理を行って半導体層の厚さ分布を出力することを特徴とする厚さ分布測定装置。
12. 請求項１０又は１１に記載の厚さ分布測定装置において、前記試料は複数の凹部が形成されているシリコン基板を有し、前記照明光はシリコン基板の前記凹部が形成されていない基板表面に向けて投射され、
    前記干渉光学系は、前記凹部が形成されていない基板表面からの反射光と凹部の底面からの反射光との干渉光、及び前記凹部が形成されていない基板表面からの反射光と凹部が形成されている基板表面からの反射光との干渉光を出射することを特徴とする厚さ分布測定装置。
13. 請求項１０又は１１に記載の厚さ測定装置において、前記試料は、基板と、基板上に形成した第１のシリコン材料層と、その上に形成した第２のシリコン材料層とを有し、第１のシリコン材料層又は第２のシリコン材料層の厚さ分布を測定することを特徴とする厚さ測定装置。
    
    
    
    

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