JP3577840B2 - 半導体厚測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体圧力センサなどに用いられる半導体薄肉ダイヤフラムなどの半導体厚を測定する装置及びその方法に関し、特に、エッチング等による半導体の加工中に非接触でリアルタイムにて半導体厚の測定を可能とする半導体厚測定装置及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非接触で片面側から半導体厚を測定する技術として、例えば、本願発明者が既に出願した測定技術（特開平７−３０６０１８号公報）などがある。
この半導体厚測定技術は、光源より連続的に、または特定波長間隔で発振中心波長を変化させて光ビームを半導体の被測定部位に照射し、半導体から得られる反射光または透過光の強度変化の波形から位相変化量を求め、その位相変化量に基づいて半導体厚を検出する構成としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記開示技術では、光源より光ビームの発振中心波長を連続的に変化させるために、光源内に非常に狭い波長幅の選択機能を持たせ、かつ高精度な制御が要求されるので、光ビームの波長変化動作の速度が制限される。そのため、半導体厚の検出速度が制限されることになり、エッチングや成膜などによる半導体の加工中において、リアルタイムで半導体厚を測定できないという問題があった。
また、特定波長間隔で光ビームの発振中心周波数を変化させる場合においても、波長選択素子を特定波長毎に制御する必要があり、波長設定動作の速度が制限されるため、上述の場合と同様に半導体加工中のリアルタイム半導体厚測定を行うことができない。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、光ビームを用いた非接触型半導体厚測定の高精度化及び高速化を実現し、半導体加工中における半導体厚のリアルタイム測定を可能にすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の手段を採用することができる。この手段によると、光照射手段より光ビームが半導体の透過波長領域内で可変波長にて放射され、その光ビームは光学系手段により半導体の被測定部位に照射される。この光ビームの波長は波長検出手段により検出され、信号光強度検出手段では波長検出手段による波長検出と同期して、半導体から得られる光ビームの反射光または透過光による信号光の強度が検出される。信号処理手段により波長検出手段及び信号光強度検出手段からの検出値を用いて信号光の周波数解析が行われ、パワースペクトルのピーク値が信号光の中心周波数（基本周波数）として算出され、解析手段により信号光の中心周波数に基づいて半導体の被測定部位の肉厚が検出される。
これにより、パワースペクトルは広がりを持っているが、基本周波数によってピーク値が決まるために、そのピーク値は保存されるので、中心周波数を高精度で検出でき、半導体厚の高精度検出が可能となる。また、光照射手段より放射される光ビームの波長の高精度な制御を要せず、データの取得及び処理を高速で行えるので、半導体厚測定の高速化並びに半導体厚測定装置の低コスト化を実現できる。よって、半導体加工中における半導体厚のリアルタイムモニタが可能となり、高精度な半導体加工を実現できる。
【０００６】
また、請求項２に記載の手段によれば、光照射手段から放射される光ビームの強度が光源強度検出手段によって検出され、信号処理手段では、信号光強度検出手段による検出値を光源強度検出手段による検出値で除算し、その除算値を用いて中心周波数を算出する。
これにより、光照射手段の出力変動の影響が除去されるため、半導体厚をより精度よく検出できる。
【０００７】
請求項３に記載の手段によれば、波長選択素子により光源からの光の特定波長が選択され、駆動手段により波長選択素子が所定方向に駆動され、光ビームに対する波長選択素子の成す角度が任意に変化することで光ビームの波長が任意に変化する。波長検出手段では、光ビームに対する波長選択素子の成す角度を検出することで、光ビームの波長を検出する。
これにより、光ビームの波長を容易に変化させることができると共に、光ビームの波長を容易に検出することができる。
【０００８】
請求項４に記載の手段によれば、信号処理手段では、波長検出手段及び信号光強度検出手段からの検出値を用いてフーリエ積分値が演算され、そのピーク値が中心周波数として算出される。
これにより、信号光のデータ列が等間隔でない場合においても、中心周波数を精度よく求めることができる。
【０００９】
請求項５に記載の手段によれば、信号処理手段によりフーリエ積分値に対して所定の探索幅を設け、その探索幅が所定の分解能以下になるまで探索幅を狭めながらフーリエ積分値を大小比較することでピーク値を算出する。
これにより、フーリエ積分値のピーク値を容易に求めることができ、半導体厚測定をより高速化できる。
【００１０】
請求項６に記載の手段によれば、参照用光学系手段により光照射手段からの光ビームが複数の光路に分離され、その分離された光ビームが肉厚既知の参照用半導体に照射され、信号光強度検出手段により被測定対象の半導体から得られた信号光の強度と、参照用半導体から得られた透過光または反射光による信号光の強度とが検出される。そして、信号処理手段により、それら信号光のそれぞれの中心周波数が算出され、解析手段により、それら信号光の中心周波数の比に基づいて被測定部位の肉厚が算出される。
これにより、光照射手段から放射される光ビーム波長の正確な検出を必要としないので、容易に半導体厚を検出することができ、より低コストな装置構成とすることができる。
【００１１】
請求項７に記載の手段によれば、光ビームを半導体の被測定部位に照射する光学系手段が光ファイバを含む光導波路で構成される。
これにより、半導体厚測定装置のさらなる小型化を実現できる。
【００１２】
請求項８に記載の手段によれば、非接触方式の半導体厚測定方法において、半導体の透過波長領域内で光ビームの波長が変化して半導体の被測定部位に照射され、その光ビームの波長、及び半導体から得られる反射光または透過光による信号光の強度がそれぞれ同期して検出される。そして、それら検出値を用いて信号光の周波数解析が行われ、パワースペクトルのピーク値が信号光の中心周波数として算出され、その中心周波数に基づいて半導体の被測定部位の肉厚が検出される。
これにより、パワースペクトルは広がりを持っているがピーク値が保存されるため、信号光の中心周波数の高精度検出が可能となり、半導体厚の高精度検出を実現できる。また、放射される光ビームの波長の高精度制御が不要であるので、半導体厚の測定を高速化することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第一実施例）
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一実施例に係わる半導体厚測定装置１００の構成を示したブロック図である。半導体厚測定装置１００は、可変波長の光ビーム２を放射する光源１を備え、光源１より放射された光ビーム２は光学素子３により半導体サンプル４の被測定部位に照射される。半導体サンプル４で反射された光ビーム５の強度は光量検出器６（信号光強度検出手段に相当）により検出され、光量検出器６による検出値、及び後述する光源１による検出値は、それぞれ同期してＡ／Ｄ変換器１１に取り込まれ、デジタル値に変換される。デジタル変換された各検出を用いて波形成形器１２にて信号光の波形が成形され、その波形に基づいて周波数解析器１３によりパワースペクトラムのピーク値から中心周波数が求められる。この中心周波数に基づいて厚さ換算表示装置１４により半導体厚が算出される。
【００１４】
光源１において、光増幅媒体７には安価で取り扱いが容易な半導体レーザ等が用いられ、光源１の内部でレーザ共振器が構成されている。この共振器内に挿入される波長選択素子８は、回折格子、ファブリペローエタロン、干渉フィルタ等が使用可能であり、光ビームに対する波長選択素子８の成す角度を変えることで選択波長のピークが変化する。光源１の発振波長は、波長選択素子８の選択波長のピークにほぼ一致するため、波長選択素子８の光ビームに対する角度位置によって光源１から出力される光ビーム２の波長を制御できる。
【００１５】
波長選択素子８は、駆動機構１５により速度や位置制御をせずに、高速で反転または回転動作される。この駆動機構１５は、例えばガルバノメータやモータ等によって実現できる。
波長選択素子８には角度検出器９（波長検出手段に相当）が接続されており、この角度検出器９により光ビームに対する波長選択素子８の成す角度が検出される。また、光源１から出力される光ビーム２の強度は、光源出力検出器１０により検出される。
この角度検出器９の出力と光源波長とを実測した例を図２に示す。図２に示されるように角度検出器９の出力、即ち、光ビームに対する波長選択素子８の成す角度と光源１の発振中心波長とは、非線形の関係にある。
【００１６】
光源１より出力される光ビーム２は、光学素子３によりその強度が反射方向と透過方向とに二分され、光学素子３による光ビーム２の透過方向に被測定対象としての半導体サンプル４が配置されている。半導体サンプル４で反射された光ビーム５は、半導体サンプル４の表面と裏面とで反射された光が干渉して構成されたものであり、半導体サンプル４の厚みに応じた干渉光を成している。
このとき、光ビーム２の波長の変化は、半導体サンプル４の肉厚の変化より十分に速いものとする。尚、光ビーム２の照射は、ビーム２、５の光路を妨げなければ半導体サンプル４の加工中であってもかまわない。
【００１７】
サンプル４で反射された光ビーム５は光学素子３により反射され、光量検出器６に導かれる。光量検出器６では光ビーム５の強度が電気的に検出され、Ａ／Ｄ変換器１１にて角度検出器９及び光源出力検出器１０の出力と共に、光量検出器６の出力が波形デジタルデータとして取り込まれる。
ここで、光量検出器６、角度検出器９、及び光源出力検出器１０の出力をそれぞれ図３（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）に示すが、図３（ｃ）より光源１の出力が変動していることがわかる。
【００１８】
波形成形器１２では、Ａ／Ｄ変換器１１でデジタル値に変換された各出力値を用い、波長と強度とを対応させて波形を形成する。このとき、図３（ａ）に示される光量検出器６の出力を、図３（ｃ）に示される光源出力検出器１０の出力で除算することで、光源１の出力変動の影響が除去される。
また、予め図２に示される角度検出器９の出力値と光源１の発振中心波長との関係をデータテーブルとして図略のメモリに記憶しておき、このデータテーブルを用いて図３（ｂ）に示される角度検出器９の角度データ（出力値）を光源１の波長に換算し、同時刻の上記除算値と対応させることで波形が形成される。
波形成形器１２による成形結果を図３（ｄ）に示すが、このデータ列の間隔は等間隔ではない。
【００１９】
周波数解析器１３では、波形成形器１２の出力データを用いて周波数解析を行い、式（１）を用いてパワースペクトル値Ｐ（ｆ）を計算し、このＰ（ｆ）の値が最大になる周波数ｆを求める。尚、上記構成のうちＡ／Ｄ変換器１１、波形成形器１２、及び周波数解析器１３が信号処理手段に相当する。
【００２０】
【数１】

【００２１】
式（１）において、Ｎはデータ数を示し、ｙ_ｉ は光量検出器６の出力を光源出力検出器１０の出力で除算した除算結果のデータ列を示している。また、λ_ｉ は光源波長のデータ列を示している。
式（１）により算出された値は、データが取得できた点におけるフーリエ積分値に相当し、得られるパワースペクトルは広がりを持っているが、基本周波数によってピーク値が決まりため、図３（ｄ）に示される波形ではピーク値が保存されることが確認されており、スペクトルが最大である時の中心周波数を高分解能で検出することができる。
最大スペクトルの検出は、ｆを必要分解能毎に変化させて式（１）を計算する方法もあるが、初期解を与え、その周辺で解を探索して最大値を求めることで計算時間を大幅に短縮できる。尚、式（１）の計算の前処理として適当な窓関数を施すことで計測精度をより向上させることができる。
【００２２】
次に、解探索の具体的な処理例を以下に説明する。まず、初期解は、測定する半導体厚の概略値が既知である場合には、式（２）を用いて周波数ｆを算出し、その算出値を初期解とする。
【００２３】
【数２】
ｆ ＝ ２ｎｄ（１／λ_１ −１／λ_２ ） ─ （２）
【００２４】
式（２）において、ｎ、ｄはそれぞれ半導体の屈折率、半導体厚の概略値を示し、λ_１ 、λ_２ は光源波長の最小値、最大値をそれぞれ示している。
半導体厚の概略値が明らかでない場合には、データが取得された波長幅を周期とする基本周波数の整数倍の値で式（１）を計算し、その計算値が最大となる点を初期解とする。その際、計算する周波数範囲は、半導体が取り得る厚みから式（２）より算出される。
【００２５】
続いて、解の探索の具体的な手順を、図４を用いて説明する。
まず、初期解から所定の探索幅分だけ離れた両側の点で式（１）の値を計算する。そして、両側の点と初期解を合わせた３点のなかの最大値を次の探索の初期解とし、探索幅を半分にして両側の点における式（１）の値を計算し、同様にその探索幅内の３点のなかの最大値を次の探索の初期解として同様の探索を行う。このようにして、探索幅が必要分解能以下になるまで繰り返し、そのときのスペクトルの最大値を中心周波数とする。
【００２６】
図４に示される処理は、半導体加工中の計測において初期解に前回の計測結果を用いることができ、かつ、求める解がその初期解周辺にあるために初めから探索幅を狭くできるので、処理時間を短縮することができる。
厚さ換算表示装置１４では、検出された中心周波数を用いて半導体厚に換算して表示する。この換算式を式（３）に示す。
【００２７】
【数３】

【００２８】
式（３）において、ｆは（１／λ_１ −１／λ_２ ）を基本周期（ｆ＝１の周期）としている。式（３）において、右辺のｆ以外は既知であるため、ｆを検出することで厚さｄの絶対値を求めることができる。
このように本実施例では、等間隔でない検出値を用い、高速、高分解能な周波数解析を行うことができ、高速、高精度な半導体厚の計測が可能である。即ち、半導体加工中において半導体厚をリアルタイムでモニタし、任意の厚みで半導体の加工を停止させることが可能となり、高精度な半導体加工を実現できる。尚、本実施例では、光信号の取得時間は １ｍｓ以下、データ処理時間は５０ｍｓ以下の高速化を実現し、また、半導体厚計測の繰り返し精度は３σで ０．１μｍ 以下を実現した。
また、本実施例では、光源１内部の高精度な波長制御を必要としないので、光源を安価で簡易な構成にでき、低コストな装置構成とすることができる。
【００２９】
（第二実施例）
図５は、本発明の第二実施例に係わる半導体厚測定装置１０１の構成を示したブロック図である。本実施例の特徴は、請求項でいうところの参照用光学系手段を備えた点にある。
即ち、光学素子３による光ビーム２の反射方向に半導体厚が既知である参照用半導体１６を配置し、光ビーム２を光学素子３を介して半導体サンプル４に照射すると共に参照用半導体１６にも照射させ、参照用半導体１６の透過光による信号光の強度を光量検出器１７で検出し、その検出信号はＡ／Ｄ変換器１１に入力され、デジタル信号に変換される。尚、本実施例における他の構成は第一実施例と同様である。
【００３０】
半導体厚測定装置１０１では、光量検出器１７で検出された信号は、光量検出器６で検出された信号と共にＡ／Ｄ変換器１１にてデジタル信号に変換され、波形成形器１２、周波数解析器１３にて第一実施例に示された処理と同様の処理が行われ、光量検出器１７及び光量検出器６でそれぞれ検出された信号の周波数ｆ_ｒｅｆ 、ｆ_ｏｂｊ が算出される。この周波数ｆ_ｒｅｆ 、ｆ_ｏｂｊ を用いることで、半導体サンプル４の肉厚ｄ_ｏｂｊ と参照用半導体１６の肉厚ｄ_ｒｅｆ との間には式（４）に示される関係式が得られる。
【００３１】
【数４】

【００３２】
式（４）において、参照用半導体１６の肉厚ｄ_ｒｅｆ は既知であるから、周波数ｆ_ｏｂｊ 及びｆ_ｒｅｆ を検出することで半導体サンプル４の肉厚ｄ_ｏｂｊ を計測することが可能である。
このように本実施例では、式（４）を用いることで、光源１より放射される光ビーム２の波長の正確な測定を要せずに、半導体厚ｄ_ｏｂｊ を簡易に計測することができ、より低コストな装置構成とすることができる。
【００３３】
上記各実施例では、データテーブルを用いて角度位置を光源波長に変換する構成としているが、予め求めておいた変換式を用いて角度位置を光源波長に変換する構成としてもよい。
また、上記各実施例では、周波数解析器１３において等間隔でないデータからフーリエ積分値を算出する構成としているが、等間隔でないデータを等間隔データに補間し、線形予測法やＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いて周波数解析を行う構成としてもよい。但し、この場合には補間処理時間が余分に付加され、線形予測法では計測精度が上記各実施例より劣化し、ＦＦＴでは上記各実施例より分解能が劣ることが判明している。
【００３４】
波長選択素子８としては、上記に示されたものの他に超音波フィルタを用いることも可能である。その場合、波長検出手段は、超音波フィルタの駆動周波数を検出すればよい。
上記構成において、光学系を光ファイバや光導波路で構成することで、装置構成をより小型化できる。
また、測定点を１点に限定せずに、光ビームを複数の光路に分離し、信号光強度検出用の検出器をその分離された光ビームの数だけ用意すれば、多点同時計測が可能となる。
【００３５】
上記に示されるように、本発明によれば、信号光のパワースペクトラムのピーク値を中心周波数とし、その中心周波数に基づいて半導体厚を計測することで、低コストで高速、高精度な半導体厚測定装置を実現でき、半導体加工中における半導体厚のリアルタイム計測を可能として、半導体の加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例に係わる半導体厚測定装置の構成を示したブロック図。
【図２】本発明の第一実施例に係わる半導体厚測定装置において角度検出器出力と光ビームの発振中心波長との関係を示した関係図。
【図３】本発明の第一実施例に係わる半導体厚測定装置において、信号光の波形成形処理を示した模式図。
【図４】本発明の第一実施例に係わる半導体厚測定装置において、信号光より中心周波数の算出方法を示した模式図。
【図５】本発明の第二実施例に係わる半導体厚測定装置の構成を示したブロック図。
【符号の説明】
１ 光源
２ 光ビーム
３ 光学素子
４ 半導体サンプル
５ 反射光ビーム
６、１７ 光量検出器
７ 光増幅媒体
８ 波長選択素子
９ 角度検出器
１０ 光源出力検出器
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ 波形成形器
１３ 周波数解析器
１４ 厚さ換算表示装置
１５ 駆動機構
１６ 参照用半導体
１００、１０１ 半導体厚測定装置

Claims (8)

1. 被測定対象としての半導体に可変波長の光ビームを照射し、その半導体から得られる信号光を用いて前記半導体の肉厚を測定する非接触型の半導体厚測定装置であって、
   前記半導体の透過波長領域内で前記光ビームの波長を変化させて放射する光照射手段と、
   前記光照射手段から放射される前記光ビームの波長を検出する波長検出手段と、
   前記光ビームを前記半導体の被測定部位に照射する光学系手段と、
   前記波長検出手段による波長検出に同期させて、前記半導体から得られる前記光ビームの反射光または透過光による信号光の強度を検出する信号光強度検出手段と、
   前記波長検出手段及び前記信号光強度検出手段からの検出値を用いて前記信号光の周波数解析を行い、そのパワースペクトルのピーク値を前記信号光の中心周波数として算出する信号処理手段と、
   前記信号処理手段により算出された前記信号光の中心周波数に基づいて前記半導体の前記被測定部位の肉厚を算出する解析手段と
   を備えたことを特徴とする半導体厚測定装置。
2. 前記光照射手段から放射される前記光ビームの強度を検出する光源強度検出手段を備え、
   前記信号処理手段は、前記信号光強度検出手段による検出値を前記光源強度検出手段による検出値で除算し、その除算値を用いて前記中心周波数を算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体厚測定装置。
3. 前記光照射手段は、
   光源からの光の特定の波長を選択する波長選択素子と、
   前記波長選択素子を所定方向に駆動し、前記光ビームに対する前記波長選択素子の角度を任意に変化させ、前記光ビームの波長を任意に変化させる駆動手段とを備え、
   前記波長検出手段が、前記光ビームに対する前記波長選択素子の成す角度を検出し、その検出値から前記光ビームの波長を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体厚測定装置。
4. 前記信号処理手段は、前記波長検出手段、及び前記信号光強度検出手段からの検出値を用いてフーリエ積分値を演算し、そのフーリエ積分値のピーク値を前記中心周波数として算出すること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体厚測定装置。
5. 前記信号処理手段は、前記フーリエ積分値に対して所定の探索幅を設けて、所定の必要分解能以下になるまで前記探索幅を狭めながら、前記フーリエ積分値を大小比較することで前記ピーク値を算出すること
   を特徴とする請求項４に記載の半導体厚測定装置。
6. 前記光学系手段は、前記光照射手段からの前記光ビームを複数の光路に分離し、その分離された前記光ビームの肉厚が既知である参照用半導体に照射する参照用光学系手段を備え、
   前記信号光強度検出手段により、前記半導体から得られた前記信号光の強度と、前記参照用半導体から得られる前記光ビームの反射光または透過光による信号光の強度とが検出され、
   前記信号処理手段により、前記半導体から得られた前記信号光及び前記参照用半導体から得られた前記信号光のそれぞれの中心周波数が算出され、
   前記解析手段により、前記半導体から得られた前記信号光の中心周波数と、前記参照用半導体から得られた前記信号光の中心周波数との比に基づいて前記被測定部位の肉厚が算出されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の半導体厚測定装置。
7. 前記光学系手段が、光ファイバを含む光導波路で構成されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の半導体厚測定装置。
8. 被測定対象としての半導体に可変波長の光ビームを照射し、その半導体から得られる信号光を用いて前記半導体の肉厚を測定する非接触方式の半導体厚測定方法であって、
   前記半導体の透過波長領域で光ビームの波長を変化させて前記半導体の被測定部位に照射し、
   前記光ビームの波長、及び前記半導体から得られる前記光ビームの反射光または透過光による信号光の強度をそれぞれ同期させて検出し、
   それら検出値を用いて前記信号光の周波数解析を行い、パワースペクトルのピーク値を前記信号光の中心周波数を算出し、
   前記信号光の前記中心周波数に基づいて前記半導体の前記被測定部位の肉厚を測定すること
   を特徴とする半導体厚測定方法。

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