JP3711723B2

JP3711723B2 - Semiconductor thickness measuring device

Info

Publication number: JP3711723B2
Application number: JP33766497A
Authority: JP
Inventors: 篤史大谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JPH11153415A

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をエッチング等による加工中しながら、その半導体厚を非接触でリアルタイムにて測定可能とする半導体厚測定装置に関する。特に、半導体厚の変化範囲が広い場合にも高精度の測定を可能とした装置に関する。
【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】
このリアルタイム半導体厚測定を可能とするために、外部共振器型半導体レーザを用いて、外部共振器による波長フィードバックにより高速度で発振波長を変化させることが考えられる。しかし、半導体レーザの光増幅可能な波長域は、発振中心波長に対して１０％程度の範囲に限定される。この結果、半導体に照射する光ビームの波長可変範囲もその程度の範囲に限定される。
【０００５】
半導体厚をリアルタイムで測定する場合には、半導体厚の変化範囲が広く、測定装置の検出可能範囲も広いことが要求される。ところが、この装置の厚さの測定原理は、光ビームの波長を可変させて、干渉光強度のその可変範囲内における位相変化により厚さを測定するというものである。このため、波長可変範囲を所定厚の時に最大精度が得られるように設定した場合に、半導体厚がその所定厚から薄くなるに従ってその波長可変範囲における位相変化量が漸減し、得られる位相変化の情報量が少なくなる結果、厚さの薄い領域で測定精度が悪くなるという問題がある。例えば、エッチングにより半導体厚が薄くなると、波長可変範囲において得られる干渉光強度の変化特性が２周期にも満たなくなる。この場合、この波長可変範囲における位相変化量を求めることが困難となる。又、この波長可変範囲における干渉光度特性のスペクトルをフーリエ変換により求めるにしても、窓関数の影響が大きくなるため、正確な中心周波数を決定することができない。実際に、フーリエ変換により中心周波数を求め、その中心周波数から厚さを測定した場合の加工時間に対する厚さの測定値を測定したところ、図８に示す特性が得られた。この図８の測定結果からも明らかなように、加工時間の経過と共に、半導体厚が減少して行くが、測定値の変動が大きくなり、半導体厚が薄くなるに従って、測定誤差が増大していることが理解される。
【０００６】
厚さの薄い範囲で測定精度を上げるには、波長可変範囲を拡大し、又は、レーザ光の中心波長を短くして波長可変範囲内における干渉光強度の位相変化量を多くすることも考えられる。しかし、波長可変範囲を拡大する方法は、構造が簡単な外部共振器型レーザが使用できず、高速の波長変化をさせることが出来ない等の問題がある。又、レーザ光の中心波長を短くする方法は、短波長にすると半導体内で光吸収があるため、この方法にも限界がある。
【０００７】
このように、厚さが時間的に変化する測定物の厚さを測定する場合に、従来装置では、厚さが薄い領域での測定精度が低下し、全範囲に渡って均一な測定精度を得ることが出来なかった。特に、エッチングの停止タイミングを決定するような場合には、半導体厚が測定可能範囲の下限領域に近づくため、半導体厚の仕上げ寸法を均一にすることが困難であった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、光ビームを用いたリアルタイム非接触型半導体厚測定装置において、厚さの薄い領域での測定精度を向上させることである。
【０００９】
【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、発振中心波長が異なる２以上のレーザ光源を有した光照射手段により、半導体の透過波長領域内で各レーザ光源からの各光ビームの波長が変化されて可変波長の光ビームが放射される。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。そして、解析手段により、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、２以上のレーザ光源の全可変波長範囲における強度波長特性が求められ、その特性から被測定部位の肉厚が算出される。
【００１０】
即ち、発振中心波長の異なる２以上のレーザ光源を用いて、各レーザ光源に対してそれぞれの可変波長範囲を設定している。よって、全体として見る時、半導体に照射される光ビームの可変波長範囲が拡大されたのと等価になり、全可変波長範囲における干渉光強度の位相変化量が多くなる。このため、被測定物の厚さが薄くなっても、厚さの測定精度を低下させることがない。
【００１１】
厚さを全可変波長範囲内における位相変化量又は周波数で求めることができる。請求項２は、厚を全可変波長範囲内における干渉光の強度波長特性のパワースペクトルを求め、そのスペクトルから中心周波数（基本周波数）から求めることを特徴とする。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。
【００１２】
【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、可変波長範囲の異なる光ビームＢ１、Ｂ２をそれぞれ出力する第１レーザ装置２１と第２レーザ装置２２とを有している。光ビームＢ１、Ｂ２は合波素子３０で混合され、２つの可変波長範囲を波長分割多重化して得られる１つの全可変波長範囲で波長が可変な光ビーム２となる。この光ビーム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）により検出される。光量検出器６により検出された光強度検出値と第１レーザ装置２１及び第２レーザ装置２２にから出力される波長検出値は、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光強度検出値と波長検出値とを用いて、光ビーム５の強度波長特性が波形成形器１２にて求められる。その強度波長特性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。
【００１３】
第１レーザ装置２１と第２レーザ装置２２は同一構造をしている。一方の第１レーザ装置２１についてのみ説明すると、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、光増幅媒体７を含ん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。第１レーザ装置２１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第１レーザ装置２１から出力される光ビームＢ１の波長を制御できる。
【００１４】
波長選択素子８は、速度や位置制御することなく駆動機構１５により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、光ビームＢ１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の出力と波長との関係を実測した例を図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の成す角度とレーザの発振中心波長との関係は非線形である。
【００１５】
合波素子３０より出力される光ビーム２は、光学素子３を透過して被測定対象としての半導体サンプル４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は、半導体サンプル４の表面と裏面とで反射された光の干渉光である。この干渉光強度は、波長や厚さに関して周期的関数となる。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。
【００１６】
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）より第１、第２レーザ装置２１、２２の出力が変動していることがわかる。
【００１７】
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、第１、第２レーザ装置２１、２２の出力変動の影響が除去される。即ち、規格化された干渉反射光強度が得られる。また、予め図２に示される角度検出器９の出力値と第１、第２レーザ装置２１、２２のそれぞれ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）を第１、第２レーザ装置２１、２２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干渉反射光の強度波長特性が形成される。
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。
【００１８】
全可変波長範囲で干渉光の強度波長特性を得るには、まず、第１レーザ装置２１の出力するレーザ光Ｂ１の波長を変化させ、続いて、第２レーザ装置２２の出力するレーザ光Ｂ２の波長を変化させて、上述したように、波長と干渉光強度とを測定すれば良い。一方のレーザ装置のレーザ光の波長を変化させている間は、他のレーザ装置は出力を停止させるか出力させた状態ではあるが波長を固定させた状態にすれば良い。
【００１９】
この測定により、全可変波長範囲における干渉光の強度波長特性が得られる。その測定結果は、図５に示すようになり、図３（ｄ）に示す各可変波長範囲の特性を波長分割多重化した特性となる。各可変波長範囲のとり方によっては、図５に示すように、中央の波長範囲で特性の得られていない範囲が存在するが、この範囲があっても測定精度に影響はない。又、各可変波長領域は一部重複しても連続していても、図５に示すように離散して設けられていても良い。又、レーザ装置を３以上設けて、可変波長領域を３以上形成しても良い。離散して設けられていても、２つの可変波長範囲で波長の誤差がなければ、両範囲で特性の位相関係が保存されることになる。この図５に示す特性をフーリエ分析することで、この特性のスペクトルが演算される。このように、第１可変波長範囲と第２可変波長範囲とを設けて、それぞれの範囲よりも広い全可変波長範囲において得られる干渉反射光の強度波長特性から中心周波数を決定しているので、可変波長範囲内の波形数が増大することになり、半導体厚が薄くなっても測定精度が低下することがない。
【００２０】
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。
【００２１】
【数１】

【００２２】
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るため、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）を数値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。
【００２３】
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。
【００２４】
【数２】
ｆ＝２ｎｄ（１／λ₁−１／λ₂） ─ （２）
【００２５】
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、λ₁、λ₂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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
【数３】

【００２９】
式（３）において、ｆは（１／λ₁−１／λ₂）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。このようにして厚さｄを半導体をエッチングしながらリアルタイムで測定した結果を図８に示す。厚さｄの測定値が時間的に減少して行くが、その変動は大きくならず、厚さの薄い領域で測定精度が低下していないことが理解される。
【００３０】
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。
【００３１】
（第二実施例）
図７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、参照用光学系を備えた点にある。
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。
【００３２】
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。
【００３３】
【数４】

【００３４】
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、第１、第２レーザ装置２１、２２より放射される光ビームＢ１、Ｂ２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。
【００３５】
上記各実施例では、データテーブルを用いて波長選択素子８の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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】本発明の第一実施例に係わる半導体厚測定装置において、得られる干渉反射光の測定された強度波長特性を示した波形図。
【図６】半導体をエッチングしながらその厚さをリアルタイムで測定した時の厚さの測定値の時間変化特性を示す測定図。
【図７】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。
【図８】従来装置において、得られる厚さの測定値の時間変化を示した測定図。
【符号の説明】
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
１１Ａ／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
２１第１レーザ装置
２２第２レーザ装置
３０合波素子
１００、１０１半導体厚測定装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor thickness measuring apparatus capable of measuring a semiconductor thickness in a non-contact manner in real time while processing a semiconductor thin diaphragm used for a semiconductor pressure sensor or the like by etching or the like. In particular, the present invention relates to an apparatus that enables high-precision measurement even when the change range of the semiconductor thickness is wide.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a technique for measuring a semiconductor thickness from one side without contact, for example, there is a measurement technique (Japanese Patent Laid-Open No. 7-306018) already filed by the inventor of the present application.
This semiconductor thickness measurement technique irradiates a measured region of a semiconductor with a light beam continuously from a light source or by changing the oscillation center wavelength at a specific wavelength interval, and changes the intensity of reflected or transmitted light obtained from the semiconductor. The phase change amount is obtained from the waveform, and the semiconductor thickness is detected based on the phase change amount.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above disclosed technique, in order to continuously change the oscillation center wavelength of the light beam from the light source, a very narrow wavelength width selection function is provided in the light source, and high-precision control is required. The speed of the wavelength change operation of the light beam is limited. For this reason, the detection speed of the semiconductor thickness is limited, and there is a problem that the semiconductor thickness cannot be measured in real time during the processing of the semiconductor by etching or film formation.
Even when the oscillation center frequency of the light beam is changed at specific wavelength intervals, the wavelength selection element needs to be controlled for each specific wavelength, and the speed of wavelength setting operation is limited. Real-time semiconductor thickness measurement during semiconductor processing cannot be performed.
[0004]
In order to enable this real-time semiconductor thickness measurement, it is conceivable to change the oscillation wavelength at a high speed by wavelength feedback by an external resonator using an external resonator type semiconductor laser. However, the wavelength range where the semiconductor laser can be amplified is limited to a range of about 10% with respect to the oscillation center wavelength. As a result, the wavelength variable range of the light beam applied to the semiconductor is also limited to that extent.
[0005]
In the case of measuring the semiconductor thickness in real time, it is required that the change range of the semiconductor thickness is wide and the detectable range of the measurement apparatus is also wide. However, the measurement principle of the thickness of this apparatus is that the wavelength of the light beam is varied and the thickness is measured by the phase change within the variable range of the interference light intensity. For this reason, when the wavelength variable range is set so that the maximum accuracy is obtained when the thickness is a predetermined thickness, the phase change amount in the wavelength variable range gradually decreases as the semiconductor thickness decreases from the predetermined thickness. As a result of the reduction in the amount of information, there is a problem that the measurement accuracy deteriorates in a thin region. For example, when the semiconductor thickness is reduced by etching, the change characteristic of the interference light intensity obtained in the wavelength variable range becomes less than two cycles. In this case, it is difficult to obtain the amount of phase change in this wavelength variable range. Further, even if the spectrum of the interference light intensity characteristic in this wavelength variable range is obtained by Fourier transform, the influence of the window function becomes large, so that an accurate center frequency cannot be determined. Actually, the center frequency was obtained by Fourier transform, and when the thickness was measured from the center frequency, the measured thickness value with respect to the processing time was measured, and the characteristics shown in FIG. 8 were obtained. As is apparent from the measurement results of FIG. 8, the semiconductor thickness decreases with the lapse of the processing time, but the measurement value increases as the semiconductor thickness decreases. It is understood.
[0006]
In order to increase the measurement accuracy in a thin range, it is conceivable to increase the phase change amount of the interference light intensity within the wavelength variable range by expanding the wavelength variable range or shortening the center wavelength of the laser beam. . However, the method of expanding the wavelength tunable range has a problem that an external resonator laser having a simple structure cannot be used, and the wavelength cannot be changed at high speed. In addition, the method of shortening the center wavelength of the laser light has a limit because this method absorbs light in the semiconductor when the wavelength is short.
[0007]
In this way, when measuring the thickness of an object whose thickness varies with time, the conventional device has a reduced measurement accuracy in a thin region, and uniform measurement accuracy over the entire range. I couldn't get it. In particular, when the etching stop timing is determined, the semiconductor thickness approaches the lower limit region of the measurable range, so that it is difficult to make the finished dimension of the semiconductor thickness uniform.
[0008]
Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to improve measurement accuracy in a thin region in a real-time non-contact type semiconductor thickness measuring apparatus using a light beam.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the means described in claim 1 can be employed. According to this means, the wavelength of each light beam from each laser light source is changed within the transmission wavelength region of the semiconductor by the light irradiation means having two or more laser light sources having different oscillation center wavelengths, so that a light beam having a variable wavelength is generated. Radiated. The light beam is irradiated to the measurement site of the semiconductor by the optical system means. The wavelength of the light beam is detected by the wavelength detecting means, and the signal light intensity detecting means detects the intensity of the signal light by reflected light or transmitted light of the light beam obtained from the semiconductor in synchronization with the wavelength detection by the wavelength detecting means. The Then, using the detection values from the wavelength detection means and the signal light intensity detection means, the analysis means obtains the intensity wavelength characteristics in the entire variable wavelength range of two or more laser light sources, and the thickness of the measured site is determined from the characteristics. Is calculated.
[0010]
That is, two or more laser light sources having different oscillation center wavelengths are used to set the respective variable wavelength ranges for each laser light source. Therefore, when viewed as a whole, this is equivalent to an expansion of the variable wavelength range of the light beam applied to the semiconductor, and the amount of phase change of the interference light intensity in the entire variable wavelength range increases. For this reason, even if the thickness of the object to be measured is reduced, the thickness measurement accuracy is not reduced.
[0011]
The thickness can be determined by the amount of phase change or frequency within the entire variable wavelength range. According to a second aspect of the present invention, the power spectrum of the intensity wavelength characteristic of the interference light within the entire variable wavelength range is obtained, and the center frequency (fundamental frequency) is obtained from the spectrum. As a result, the power spectrum is broad, but since the peak value is determined by the fundamental frequency, the peak value is stored, so that the center frequency can be detected with high accuracy and the semiconductor thickness can be detected with high accuracy. Become. In addition, high-accuracy control of the wavelength of the light beam emitted from the light irradiation means is not required, and data acquisition and processing can be performed at high speed. realizable. Therefore, real-time monitoring of the semiconductor thickness during semiconductor processing becomes possible, and high-precision semiconductor processing can be realized.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First Example)
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a semiconductor thickness measuring apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor thickness measuring apparatus 100 includes a first laser device 21 and a second laser device 22 that output light beams B1 and B2 having different variable wavelength ranges, respectively. The light beams B1 and B2 are mixed by the multiplexing element 30 and become a light beam 2 having a variable wavelength in one total variable wavelength range obtained by wavelength division multiplexing two variable wavelength ranges. The light beam 2 is irradiated to the measurement site of the semiconductor sample 4 by the optical element 3. The intensity of the light beam 5 reflected by the semiconductor sample 4 is detected by a light amount detector 6 (corresponding to a signal light intensity detecting means). The light intensity detection value detected by the light amount detector 6 and the wavelength detection value output from the first laser device 21 and the second laser device 22 are respectively taken into the A / D converter 11 in synchronization with each other, and are digital values. Is converted to The waveform shaper 12 obtains the intensity wavelength characteristic of the light beam 5 using the digitally converted light intensity detection value and wavelength detection value. The center frequency is obtained from the peak value of the power spectrum by the frequency analyzer 13 based on the intensity wavelength characteristic. The semiconductor thickness is calculated by the thickness conversion display device 14 based on this center frequency.
[0013]
The first laser device 21 and the second laser device 22 have the same structure. Only the first laser device 21 will be described. A semiconductor laser or the like that is inexpensive and easy to handle is used as the optical amplifying medium 7, and the laser resonator includes the optical amplifying medium 7. A diffraction grating, a Fabry-Perot etalon, an interference filter, or the like can be used as the wavelength selection element 8 inserted into the resonator, and the peak of the selected wavelength changes by changing the angle formed by the wavelength selection element 8 with respect to the light beam. To do. Since the oscillation wavelength of the first laser device 21 substantially matches the peak of the selection wavelength of the wavelength selection element 8, the wavelength of the light beam B1 output from the first laser device 21 according to the angular position of the wavelength selection element 8 with respect to the light beam. Can be controlled.
[0014]
The wavelength selection element 8 is reversed or rotated at a high speed by the drive mechanism 15 without controlling the speed or position. The drive mechanism 15 can be realized by, for example, a galvanometer or a motor.
An angle detector 9 (corresponding to wavelength detecting means) is connected to the wavelength selection element 8, and the angle formed by the wavelength selection element 8 with respect to the light beam is detected by the angle detector 9. The intensity of the light beam B1 is detected by the light source output detector 10.
An example in which the relationship between the output of the angle detector 9 and the wavelength is measured is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the relationship between the output of the angle detector 9, that is, the angle formed by the wavelength selection element 8 with respect to the light beam, and the oscillation center wavelength of the laser is non-linear.
[0015]
The light beam 2 output from the multiplexing element 30 passes through the optical element 3 and irradiates the semiconductor sample 4 as the object to be measured. The light beam 5 reflected by the semiconductor sample 4 is interference light of light reflected by the front surface and the back surface of the semiconductor sample 4. This interference light intensity is a periodic function with respect to wavelength and thickness. At this time, the change in the wavelength of the light beam 2 is sufficiently faster than the change in the thickness of the semiconductor sample 4. The irradiation of the light beam 2 may be during the processing of the semiconductor sample 4 as long as the optical paths of the

beams

2 and 5 are not disturbed.
[0016]
The light beam 5 reflected by the sample 4 is reflected by the optical element 3 and guided to the light amount detector 6. The intensity of the light beam 5 is electrically detected by the light quantity detector 6, and the output of the light quantity detector 6 is output as waveform digital data together with the outputs of the angle detector 9 and the light source output detector 10 by the A / D converter 11. It is captured.
Here, the outputs of the light quantity detector 6, the angle detector 9, and the light source output detector 10 are shown in FIGS. 3 (a), 3 (b), and 3 (c), respectively. It can be seen that the outputs of the second laser devices 21 and 22 are fluctuating.
[0017]
The waveform shaper 12 uses each output value converted into a digital value by the A / D converter 11 to form a waveform by associating the wavelength with the intensity. At this time, the first and second laser devices 21 and 22 are divided by dividing the output of the light quantity detector 6 shown in FIG. 3A by the output of the light source output detector 10 shown in FIG. The effect of output fluctuations is eliminated. That is, a standardized interference reflected light intensity can be obtained. Further, the relationship between the output value of the angle detector 9 shown in FIG. 2 and the oscillation center wavelengths of the first and second laser devices 21 and 22 is stored in advance in a memory (not shown) as a data table. Using the data table, the angle data (output value) of the angle detector 9 shown in FIG. 3B is converted into the wavelengths of the first and second laser devices 21 and 22 and is made to correspond to the divided value at the same time. Thus, the intensity wavelength characteristic of the interference reflected light is formed.
Although the shaping result by the waveform shaper 12 is shown in FIG. 3D, the intervals of the data strings are not equal.
[0018]
In order to obtain the intensity wavelength characteristic of the interference light in the entire variable wavelength range, first, the wavelength of the laser light B1 output from the first laser device 21 is changed, and then the laser light B2 output from the second laser device 22 is changed. What is necessary is just to measure a wavelength and interference light intensity as mentioned above by changing a wavelength. While the wavelength of the laser beam of one laser device is being changed, the other laser device may be in a state where the output is stopped or output, but the wavelength is fixed.
[0019]
By this measurement, the intensity wavelength characteristic of the interference light in the entire variable wavelength range can be obtained. The measurement result is as shown in FIG. 5, and is a characteristic obtained by wavelength division multiplexing the characteristics of each variable wavelength range shown in FIG. Depending on how each variable wavelength range is set, as shown in FIG. 5, there is a range in which characteristics are not obtained in the central wavelength range, but even if this range exists, measurement accuracy is not affected. Each variable wavelength region may be partially overlapped or continuous, or may be provided discretely as shown in FIG. Further, three or more laser devices may be provided to form three or more variable wavelength regions. Even if they are provided discretely, if there is no wavelength error in the two variable wavelength ranges, the phase relationship of the characteristics is preserved in both ranges. The spectrum of this characteristic is calculated by performing Fourier analysis on the characteristic shown in FIG. In this way, the first variable wavelength range and the second variable wavelength range are provided, and the center frequency is determined from the intensity wavelength characteristics of the interference reflected light obtained in the entire variable wavelength range wider than the respective ranges. The number of waveforms in the variable wavelength range will increase, and the measurement accuracy will not decrease even if the semiconductor thickness is reduced.
[0020]
The frequency analyzer 13 performs frequency analysis using the output data of the waveform shaper 12, calculates the power spectrum value P (f) using the equation (1), and maximizes the value of P (f). The frequency f is obtained. In the above configuration, the A / D converter 11, the waveform shaper 12, and the frequency analyzer 13 correspond to signal processing means.
[0021]
[Expression 1]

[0022]
In Expression (1), N indicates the number of data, and y _i indicates a data string of a division result obtained by dividing the output of the light amount detector 6 by the output of the light source output detector 10. In addition, λ _i indicates a data string of the light source wavelength.
The value calculated by the equation (1) corresponds to the Fourier integral value at the point where data can be acquired, and the obtained power spectrum has a spread, but the peak value is determined by the fundamental frequency. It is confirmed that the peak value is preserved in the waveform shown in (), and the center frequency when the spectrum is maximum can be detected with high resolution.
There is a method of calculating the formula (1) by changing f for each necessary resolution in order to detect the maximum spectrum, but it is possible to calculate the calculation time by giving an initial solution and searching for the solution around it to obtain the maximum value. Can be greatly shortened. Note that the measurement accuracy can be further improved by applying an appropriate window function as a pre-processing for the calculation of the equation (1).
[0023]
Next, a specific processing example of the solution search will be described below. First, as the initial solution, when the approximate value of the semiconductor thickness to be measured is known, the frequency f is calculated using Equation (2), and the calculated value is set as the initial solution.
[0024]
[Expression 2]
f = 2nd (1 / λ ₁ −1 / λ ₂ ) (2)
[0025]
In the formula (2), n and d indicate the approximate values of the refractive index and semiconductor thickness of the semiconductor, respectively, and λ ₁ and λ ₂ indicate the minimum value and the maximum value of the light source wavelength, respectively.
If the approximate value of the semiconductor thickness is not clear, calculate equation (1) with a value that is an integer multiple of the fundamental frequency with the wavelength width from which the data was acquired as the period, and find the point where the calculated value is maximum as the initial solution. And At this time, the frequency range to be calculated is calculated from Equation (2) from the thickness that the semiconductor can take.
[0026]
Next, a specific procedure for searching for a solution will be described with reference to FIG.
First, the value of Expression (1) is calculated at points on both sides that are separated from the initial solution by a predetermined search width. Then, the maximum value among the three points obtained by combining the points on both sides and the initial solution is set as the initial solution for the next search, and the value of the expression (1) at the points on both sides is calculated by halving the search width. A similar search is performed using the maximum value among the three points within the search width as the initial solution for the next search. In this way, the search is repeated until the search width becomes less than the required resolution, and the maximum value of the spectrum at that time is set as the center frequency.
[0027]
The processing shown in FIG. 4 can use the previous measurement result as the initial solution in the measurement during semiconductor processing, and the search width can be narrowed from the beginning because the solution to be found is around the initial solution. Time can be shortened.
In the thickness conversion display device 14, the detected center frequency is converted into a semiconductor thickness and displayed. This conversion formula is shown in Formula (3).
[0028]
[Equation 3]

[0029]
In Expression (3), f has (1 / λ ₁ −1 / λ ₂ ) as a basic period (period of f = 1). In Expression (3), since f other than f on the right side is known, the absolute value of the thickness d can be obtained by detecting f. The result of measuring the thickness d in this way in real time while etching the semiconductor is shown in FIG. Although the measured value of the thickness d decreases with time, it is understood that the fluctuation does not increase and the measurement accuracy does not decrease in the thin region.
[0030]
As described above, in this embodiment, it is possible to perform high-speed and high-resolution frequency analysis using detection values that are not equally spaced, and it is possible to measure a semiconductor thickness with high speed and high accuracy. That is, the semiconductor thickness can be monitored in real time during semiconductor processing, and the semiconductor processing can be stopped at an arbitrary thickness, so that highly accurate semiconductor processing can be realized. In this embodiment, the optical signal acquisition time is 1 ms or less, the data processing time is 50 ms or less, and the semiconductor thickness measurement repeatability is 3 σ and 0.1 μm or less.
Further, in the present embodiment, since high-precision wavelength control inside the light source 1 is not required, the light source can be made inexpensive and simple, and a low-cost apparatus configuration can be achieved.
[0031]
(Second embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the semiconductor thickness measuring apparatus 101 according to the second embodiment of the present invention. The feature of the present embodiment is that a reference optical system is provided.
That is, a reference semiconductor 16 having a known semiconductor thickness is arranged in the reflection direction of the light beam 2 by the optical element 3, and the semiconductor sample 4 is irradiated with the light beam 2 through the optical element 3 and also to the reference semiconductor 16. The intensity of the signal light by the transmitted light of the reference semiconductor 16 is detected by the light amount detector 17, and the detection signal is input to the A / D converter 11 and converted into a digital signal. In addition, the other structure in a present Example is the same as that of a 1st Example.
[0032]
In the semiconductor thickness measuring apparatus 101, the signal detected by the light quantity detector 17 is converted into a digital signal by the A / D converter 11 together with the signal detected by the light quantity detector 6, and the waveform shaper 12, frequency analyzer 13, the same processing as that shown in the first embodiment is performed, and the frequencies f _ref and f _{obj of} the signals detected by the light quantity detector 17 and the light quantity detector 6 are calculated. By using the frequencies f _ref and f _obj , the relational expression shown in Expression (4) is obtained between the thickness d _obj of the semiconductor sample 4 and the thickness d _ref of the reference semiconductor 16.
[0033]
[Expression 4]

[0034]
In equation (4), since the thickness d _ref of the reference semiconductor 16 is known, the thickness d _obj of the semiconductor sample 4 can be measured by detecting the frequencies f _obj and f _ref .
Thus, in the present embodiment, by using the equation (4), it is not necessary to accurately measure the wavelengths of the light beams B1 and B2 emitted from the first and second laser devices 21 and 22, and the semiconductor thickness d _obj can be easily measured, and a lower-cost apparatus configuration can be achieved.
[0035]
In each of the above embodiments, the angular position of the wavelength selection element 8 is converted to the light source wavelength using the data table. However, the angular position may be converted to the light source wavelength using a conversion formula obtained in advance. Good.
In each of the above embodiments, the frequency analyzer 13 is configured to calculate the Fourier integral value from data that is not equally spaced. ) May be used for frequency analysis. However, in this case, extra interpolation processing time is added, and it has been found that the measurement accuracy is deteriorated in the linear prediction method compared to the above embodiments, and the resolution is inferior to that in the above embodiments in the FFT.
[0036]
As the wavelength selection element 8, it is also possible to use an ultrasonic filter in addition to those shown above. In that case, the wavelength detection means may detect the drive frequency of the ultrasonic filter.
In the above configuration, the device configuration can be further reduced by configuring the optical system with an optical fiber or an optical waveguide.
Also, without limiting the number of measurement points to one point, if the light beam is separated into a plurality of optical paths, and as many detectors for detecting signal light intensity as the number of separated light beams are prepared, simultaneous measurement at multiple points is possible. It becomes possible.
[0037]
As described above, according to the present invention, the peak value of the power spectrum of the signal light is set as the center frequency, and the semiconductor thickness is measured based on the center frequency. A measurement apparatus can be realized, and semiconductor thickness can be measured in real time during semiconductor processing, so that the semiconductor processing accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a semiconductor thickness measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a relationship diagram showing a relationship between an angle detector output and an oscillation center wavelength of a light beam in the semiconductor thickness measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a waveform shaping process of signal light in the semiconductor thickness measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a method for calculating a center frequency from signal light in the semiconductor thickness measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a waveform diagram showing measured intensity wavelength characteristics of interference reflection light obtained in the semiconductor thickness measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a measurement diagram showing a time-varying characteristic of a measured thickness value when the thickness is measured in real time while etching a semiconductor.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor thickness measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a measurement diagram showing a change over time of a measured thickness value obtained in a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
2 Light beam 3 Optical element 4 Semiconductor sample 5 Reflected

light beam

6, 17 Light quantity detector 7 Optical amplification medium 8 Wavelength selection element 9 Angle detector 10 Light source output detector 11 A / D converter 12 Waveform shaper 13 Frequency analyzer 14 Thickness Conversion Display Device 15 Drive Mechanism 16 Reference Semiconductor 21 First Laser Device 22 Second Laser Device 30 Multiplexing Elements 100 and 101 Semiconductor Thickness Measurement Device

Claims

A non-contact type semiconductor thickness measuring apparatus that irradiates a semiconductor as a measurement target with a light beam having a variable wavelength, and measures the thickness of the semiconductor using signal light obtained from the semiconductor,
A light irradiating means that has two or more laser light sources having different oscillation center wavelengths and emits light by changing the wavelength of each light beam from each laser light source within the transmission wavelength region of the semiconductor;
Wavelength detection means for detecting the wavelength of the light beam emitted from the light irradiation means;
Optical system means for irradiating the measurement site of the semiconductor with the light beam;
In synchronization with wavelength detection by the wavelength detection means, signal light intensity detection means for detecting the intensity of the signal light by the reflected light or transmitted light of the light beam obtained from the semiconductor,
Using the detection values from the wavelength detection means and the signal light intensity detection means, an intensity wavelength characteristic in the entire variable wavelength range of the two or more laser light sources is obtained, and the thickness of the measurement site of the semiconductor is determined from the characteristics. And a semiconductor thickness measuring apparatus.

The analyzing means includes signal processing means for performing frequency analysis of the signal light using the intensity wavelength characteristic and calculating a peak value of the power spectrum as a center frequency of the signal light, and the calculated center frequency 2. The semiconductor thickness measuring apparatus according to claim 1, wherein the thickness of the measured portion of the semiconductor is calculated based on the above.