JP2730864B2 - 散乱表面を含んだ構造のフィルムの厚さ測定システム - Google Patents

散乱表面を含んだ構造のフィルムの厚さ測定システム

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JP2730864B2
JP2730864B2 JP6245981A JP24598194A JP2730864B2 JP 2730864 B2 JP2730864 B2 JP 2730864B2 JP 6245981 A JP6245981 A JP 6245981A JP 24598194 A JP24598194 A JP 24598194A JP 2730864 B2 JP2730864 B2 JP 2730864B2
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    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はフィルムの厚さ測定シス
テム、特に散乱表面を含んだ構造で使用されるフィルム
の厚さ測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】単純なシリコンウェハおよび結合したシ
リコンウェハの製造において、単一のウェハの場合にウ
ェハの片面が研磨されるとき或いは結合されたウェハの
上部表面がプラズマ研磨を開始することができるレベル
まで機械的に研磨されるときに製造の初期段階で層の厚
さを測定する必要がある。結合されたシリコンウェハは
シリコン層が薄いので光学的なスペクトルの可視範囲の
放射光を使用して測定されることもできるが、厚い単一
のウェハは可視波長の光吸収レベルが高いので光スペク
トルの赤外線領域を使用して測定されなければならな
い。
【０００３】薄いフィルムのシリコンウェハが狭い帯域
の放射で照射されるならば、光干渉縞は開口を横切って
形成されるが、露出された散乱表面（上面の、微細に研
磨された散乱表面）により導入される平均効果により精
細度、またはコントラストが減少する。形成された層と
残りの薄いフィルムとの間の結合はこの場合フィルムの
厚さが光源のコヒーレント長よりも短いためコヒーレン
トである。パターン整合に使用されるライブラリーが散
乱または表面構造の細部の効果を含むならばこれらの状
況下で厚さ測定を行うことが可能である。外側の、散乱
表面を形成する研磨表面の最も簡単な場合として、研磨
処理と大きな角度範囲によって生じたランダムなフィル
ムの厚さによって生じるモデル、すなわちこの層で生じ
る光路の差により得られるモデルが形成される。
【０００４】典型的に散乱プレートと散乱表面はミラー
または物体表面の通常の干渉的およびホログラフ測定で
使用される。しかしながらこれらの通常の方法はミラー
の表面プロフィルの測定に使用されるがミラー表面上に
配置された薄いフィルムの厚さの測定には使用されてい
ない。回折格子から構成される構造表面が多層被覆の内
部に埋設され、または上部に配置された構造が従来知ら
れている。これらの装置は高エネルギレーザシステムで
ダイクロイック反射ビームスプリッタとビームサンプリ
ング光学素子として使用されている。しかしながら、部
分的に仕上げられたウェハを測定するためにコヒーレン
トに薄いフィルム構造に結合されている散乱表面の使
用、または大型の波形に湾曲している反射表面の多重ス
ペクトル画像を可能にするためビームスプリッタ（コヒ
ーレントではない結合）としての散乱表面の使用に関す
る従来技術は存在しない。
【０００５】平面のフィルムを有する結合した絶縁体上
のシリコン（ＳＯＩ）を含むシリコン上の薄いフィルム
の厚さ測定は現在、多数の波長において十分な開口干渉
縞パターンを記録し、ウェハ全体にわたるフィルムのス
ペクトル特性を得ることにより測定される。このデ−タ
は最も適合したスペクトルを決定し、したがって層の１
つのフィルムの厚さを決定するために予め計算されたラ
イブラリーに対してパターン整合される。この場合、ラ
イブラリーは通常の薄いフィルム構造で見られるように
平面が平行で均一な層の反射スペクトルパターンをモデ
ル化する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】それ故、本発明の目的
は散乱表面を含んだ構造で使用するためのフィルムの厚
さ測定システムを提供することである。本発明の別の目
的は部分的に仕上げられたウェハを測定するために薄い
フィルム構造にコヒーレントに結合された散乱表面を使
用し、大型の波形に湾曲している反射表面であっても多
重スペクトル画像を可能にするためにビームスプリッタ
（コヒーレントではない結合）として散乱表面を使用す
るフィルムの厚さ測定システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前述のおよびその他の目
的を達成するために、本発明は研磨したガラススクリー
ン、複眼アレイ、小レンズのアレイ、２進光学素子また
は回折パターンのような構造表面がコヒーレントではな
くまたはコヒーレントに薄いフィルム構造に結合される
とき薄いフィルム構造の厚さ測定を行うシステムを提供
する。本発明の薄いフィルム構造の厚さを測定するシス
テムは、薄いフィルム構造により反射散乱されるビーム
を生成するために多数の異なった狭いスペクトル帯域の
波長の光ビームを厚さを測定すべき薄いフィルム構造の
表面に順次投射する光源と、薄いフィルム構造により反
射散乱されたビームを検出してその散乱パターンに対応
するパターン映像出力信号を発生させる検出システム
と、予め知られている異なった厚さの複数の薄いフィル
ム構造のそれぞれによって反射散乱された多数の異なっ
たスペクトル帯域波長の光ビームの散乱パターンにそれ
ぞれ対応する複数のモデルを記憶しているライブラリー
と、検出システムに結合され、測定すべき薄いフィルム
構造の散乱パターンに対応する前記パターン映像出力信
号とライブラリーに記憶されているモデルとを比較して
測定すべき薄いフィルム構造の厚さを決定するコンピュ
−タとを具備していることを特徴とする。
【０００８】本発明の第１の実施形態のシステムは研磨
し構成された表面がコヒーレントに共に結合されている
構造の層の厚さを測定するために使用される。研磨した
上部表面を有する薄い結合されたウェハの厚さを測定す
るために使用される可視光または赤外線光は、一方の表
面が研磨され、他方の表面が仕上げ研磨されている厚い
シリコンウェハの厚さを測定するために使用される。第
２のシステムは多数の角度でフィルムを照射するために
フィルム構造にコヒーレントではなく結合される構造表
面を使用する。両方のシステムはテレビジョンカメラの
ような記録装置を使用して記録される干渉縞を生成し、
多重スペクトルパターン整合はライブラリーに蓄積され
た干渉パターンに含まれる散乱特性を使用してフィルム
の厚さを計算するために使用される。
【０００９】特に、薄いフィルム構造の層の上部表面が
複眼特性、小レンズのアレイ、２進光学素子または回折
パターンなどを使用して光学的に構成された表面を形成
することにより、散乱表面に微細に研磨され、または構
成されるならば、単色光を使用して干渉縞が形成され、
それには（角度範囲の選択を行うために）狭い視野を有
する受信検出システム（カメラ）が使用される。この薄
いフィルム構造が多数の狭い帯域の波長で照明されるな
らば、一連の減少された振幅の干渉縞のパターンがカメ
ラにより観察され、それは散乱効果のモデルを含んでい
るパターン整合ライブラリーを使用することにより薄い
フィルム構造の層の未知の厚さを計算するために使用さ
れる。これは結合されたウェハの厚さ測定がウェハの上
部表面を研磨する必要なく行われることを可能にする。
この技術もまた厚いシリコンウェハを測定するために赤
外線放射が使用され、ウェハの片面は精密に仕上げ研磨
され、他方の面も研磨される。この測定技術は製造処理
の初期におけるウェハ測定を可能にする。
【００１０】さらに、微細に研磨された、または光学的
に構成された表面が結合された、または被覆されたウェ
ハの近くに位置され、構造表面とウェハが単色光または
帯域の限定された光により照射されるならば、減少され
た振幅の干渉縞が形成される。この場合構造表面による
結合は典型的にコヒーレントではなく、フィルムの厚さ
はライブラリー中の適切なモデルを使用するパターン整
合により決定される。構造表面は散乱プレートビームス
プリッタとして作用し、フィルタで処理（波長選択）さ
れた光源は軸を外れた位置からの多数の角度でウェハお
よび構造表面の照射するために使用され、通常のカメラ
が第２の軸を外れた位置から薄いフィルムの干渉縞を観
察するために使用される。この照明システムはプラスチ
ック光学系を使用して作られてもよく、画像レンズは廉
価なＴＶカメラレンズであってもよく、測定システムは
廉価となる。
【００１１】本発明で使用される検出システムは典型的
に反射散乱されたビームを検出し、それに対応する出力
信号を与えるための検出器（単一の検出器および増幅
器、線形アレイおよび増幅器アレイ、またはＣＣＤアレ
イおよびフレ−ム捕捉器）と検出器により発生される出
力信号を捕らえるため検出器に結合されているフレ−ム
捕捉器とを含んでいる。薄いフィルム構造はウェハを具
備する多重層の薄いフィルム構造を有し、このウェハ
は、基体、第１の薄いフィルムの層、コヒーレントに構
成されたウェハの外側表面を形成する研磨した外側表面
を備えた外側の薄いフィルム層とを有する。薄いフィル
ム構造は部分的に仕上げ研磨された薄いフィルム構造を
有し、フィルムの厚さ測定システムはさらに構造表面を
具備し、これは薄いフィルム構造とスペクトル的にフィ
ルタ処理された光源との間に配置され、その光源により
与えられた放射光のコヒーレント長（Ｌ）よりも大きな
距離で薄いフィルム構造に近接して位置している。薄い
フィルム構造は結合され、または被覆されたウェハを具
備してもよい。
【００１２】本発明は製造の初期段階に単一の、および
結合されたウェハの厚さ決定と、シリコンウェハ上の薄
いフィルムの十分なウェハマップを得るための廉価な装
置の開発を可能にする。後者の技術は平坦な、結合され
た多層のパターン化されたウェハに適用される。
【００１３】
【実施例】本発明の種々の特徴および利点は添付図面を
伴った後述の詳細な説明を参照してよりよく理解できる
であろう。図面を参照すると、図１は構成された外側表
面16を具備した薄いフィルム構造11の厚さ測定用の本発
明の原理による厚さ測定システム20を示している。特に
図１は基体12、第１の薄いフィルム層13、外側の薄いフ
ィルム層14とを含んだウェハ10を具備する２層の薄いフ
ィルム構造11の一部分を示している。外側層14はウェハ
10のコヒーレントに構成された外側表面16を形成する研
磨した外側の、露出表面16を有する。図１の下部で示さ
れているように、第１および外側の薄いフィルム層13,1
4 を具備するウェハ10の上部の２つの鏡面層はウェハ10
のような薄いフィルムの多層構造を解析するとき通常行
われているように結合された反射層14ａを形成するよう
に結合されている。
【００１４】スペクトル的にフィルタ処理された光源27
から得られる照準された放射光15はウェハ10の露出表面
16に対して任意の角度で入射され、外側の薄いフィルム
層14の露出表面16は散乱表面を形成し、それは研磨した
外側表面16からの一連の球面散乱波15ａ（点Ａ、Ｂ、Ｃ
で区別されている）を生成するものと考えらる。しかし
ながら、これら一連の球面散乱波15ａは結合された反射
層14ａの背後に位置する一連の仮想点の光源（点Ａ' 、
Ｂ' 、Ｃ' で示されている）から放射されるように見え
る。これらの仮想点光源（Ａ' 、Ｂ' 、Ｃ' ）は（図１
の右方向の）観察方向に再度散乱される球面波15ｂを生
成し、例えば入射光線15' により生成される散乱された
球面波15ｃと干渉する。これは反射的に散乱されたビー
ム17を発生する。
【００１５】反射的に散乱されたビーム17は検出器25ａ
（例えばテレビジョンカメラ25ａ）を有する検出システ
ム25により検出され、その出力はフレ−ム捕捉器28によ
り捕らえられる。フレ−ム捕捉器28の出力、すなわち検
出システム25の出力はコンピュ−タ29に供給され、これ
は反射的に散乱したビーム17を構成する散乱パターンま
たは干渉縞パターンに対応するモデルのライブラリー30
を含んでいる。異なったライブラリーモデルは外側の薄
いフィルム層14の異なった厚さに対応する。
【００１６】入射光放射15のコヒーレント長（Ｌ）は第
１および外側の薄いフィルム層13,14の各末端の表面間
の分離距離よりも小さいために、干渉効果が１組の波15
ｂ，15ｃの間で生じる。放射光15の入射および反射角度
は通常、等しくなく、散乱損失は多重反射の振幅を急速
に減少し、従って後述するように外側層14の厚さを予測
するのに使用されるライブラリーモデルを簡単にする。
散乱表面16の特性は十分な干渉縞精細度を得るために重
要であり、強力な前方散乱が好ましい。
【００１７】図２は薄いフィルム構造11ａの厚さを測定
するように構成された図１の厚さ測定システム20を示し
ており、この薄いフィルム構造11ａは基体12、２つの平
坦な層13, 13ａ、ウェハ10のコヒーレントな構成の外側
表面16を形成する研磨した外側または露出表面16を有す
る外側の薄いフィルム層14を具備する。２つの平坦な層
13, 13ａは前述したように照射されている単一の層14ａ
を生成するように外側の薄いフィルム層14と組合わされ
ることができる。入射の放射角度の範囲の効果は前述の
方法で外側の薄いフィルム層14の散乱表面16をシミュレ
−トするためにライブラリー30に含まれている。
【００１８】図３は本発明の原理による部分的に研磨し
た薄いフィルム構造11のフィルムの厚さを測定するため
の厚さ測定システム20ａを示している。薄いフィルム構
造11は前述の図１、２を参照して説明されているものと
同じである。図３で示されているようにウェハ10は微細
に研磨した上部表面16を有し、システム20ａの光路に沿
って配置されている。例えば研磨したガラスプレートの
ような分離した構造表面21は薄いフィルム構造11の照射
に用いられる放射15用のコヒーレント長（Ｌ）よりも大
きい距離でフィルム構造11に近接して位置される。薄い
フィルム構造11は広く変化する範囲の角度で照射される
が、散乱表面16から生じる反射散乱ビーム17には干渉効
果はない。ウェハ10上の任意の点での結果的な反射率は
散乱表面16と例えばテレビジョンカメラ25ａを具備する
観察用光学システム（検出システム25）の形態により限
定される角度範囲でスペクトル応答を平均することによ
り決定される。フィルムの厚さの決定は限定された範囲
で薄いフィルム構造11のスペクトル性能を予測するため
にコンピュ−タ29中に蓄積されるライブラリー30中の散
乱特性を使用する。
【００１９】図４は本発明の原理による分離した構造表
面21を使用する結合または被覆ウェハ10の厚さを測定す
るための厚さ測定システム20ｂを示している。構造表面
21は例えば研磨したガラスプレートまたはスクリーン、
レンズアレイ、格子アレイまたは２進光学系で構成され
ている。図４の厚さ測定システム20ｂでは構造表面21は
ウェハ10に近接して位置し、ウェハ10と構造表面21はフ
ィルタ処理された光源27により照明され、テレビジョン
カメラ25ａのような検出システム25により観察される。
構造表面21の散乱特性は主要な前方散乱を与えるように
最適化されるならば、光損失は最小化され、測定の信号
対雑音比が改良される。
【００２０】以上、散乱表面を含んだ構造で使用される
新規で改良されたフィルムの厚さ測定システムを説明し
た。前述の実施例は本発明の原理の応用を表した多数の
特定の実施例の単なる例示であることが理解できよう。
多数の他の装置が当業者により本発明の技術的範囲を逸
脱することなく容易に開発されることが明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理によるコヒーレントに結合した外
側表面を有する薄いフィルム構造の厚さを測定する厚さ
測定システムの概略図。
【図２】本発明の原理による分離したコヒーレントでは
ない結合した構造表面を有する薄いフィルム構造の厚さ
を測定する厚さ測定システムの概略図。
【図３】本発明の原理による仕上げ研磨の途中の薄いフ
ィルム構造のフィルムの厚さを測定する厚さ測定システ
ムの概略図。
【図４】本発明の原理による散乱または構造表面を有す
る薄いフィルム構造のフィルムを測定する厚さ測定シス
テムの概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−248825（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−42923（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281420（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−66524（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−77003（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−24502（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 薄いフィルム構造により反射散乱される
    ビームを生成するために多数の異なった狭いスペクトル
    帯域の波長の光ビームを厚さを測定すべき薄いフィルム
    構造の表面に順次投射する光源と、前 記薄いフィルム構造により反射散乱されたビームを検
    出してその散乱パターンに対応するパターン映像出力信
    号を発生させる検出システムと、 予め知られている異なった厚さの複数の薄いフィルム構
    造のそれぞれによって反射散乱された多数の異なったス
    ペクトル帯域波長の光ビームの散乱パターンにそれぞれ
    対応する複数のモデルを記憶しているライブラリーと、 前記検出システムに結合され、測定すべき薄いフィルム
    構造の散乱パターンに対応する前記パターン映像出力信
    号と前記ライブラリーに記憶されているモデルとを比較
    して測定すべき薄いフィルム構造の厚さを決定するコン
    ピュ−タとを具備していることを特徴とする薄いフィル
    ム構造の厚さ測定システム。
  2. 【請求項２】 前記検出システムは、 反射散乱ビームを検出してその散乱パターンに対応する
    パターン映像出力信号を提供する検出器と、 検出器に結合され、検出器により発生される出力信号を
    フレームとして捕捉するフレ−ム捕捉器とを具備してい
    ることを特徴とする請求項１記載のフィルムの厚さ測定
    システム。
  3. 【請求項３】 薄いフィルム構造は、基体と、第１の薄
    いフィルム層と、ウェハのコヒーレントな構造の外部表
    面を形成する研磨された外部表面を有する外側の薄いフ
    ィルム層とを具備する多層薄膜からなる構造を備えてい
    ることを特徴とする請求項１記載のフィルムの厚さ測定
    システム。
  4. 【請求項４】 薄いフィルム構造が部分的に研磨された
    薄いフィルム構造を具備し、フィルムの厚さ測定システ
    ムの構造表面は、薄いフィルム構造と前記光源との間
    に、前記薄いフィルム構造に近接して位置し、この構造
    表面と前記薄いフィルム構造との間の距離は前記光源に
    より与えられた多数の異なった狭いスペクトル帯域波長
    の光ビームのコヒーレント長よりも大きく設定されてい
    る請求項１記載のフィルムの厚さ測定システム。
  5. 【請求項５】 薄いフィルム構造が結合されたウェハを
    具備している請求項１記載のフィルムの厚さ測定システ
    ム。
  6. 【請求項６】 薄いフィルム構造が被覆されたウェハを
    具備している請求項１記載のフィルムの厚さ測定システ
    ム。
JP6245981A 1993-10-12 1994-10-12 散乱表面を含んだ構造のフィルムの厚さ測定システム Expired - Lifetime JP2730864B2 (ja)

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