JP3782673B2

JP3782673B2 - 膜厚測定装置のビームスポット径管理方法およびこれに用いるビームスポット径管理用サンプル

Info

Publication number: JP3782673B2
Application number: JP2001071771A
Authority: JP
Inventors: 章浩片西; 朋也吉沢; 裕飯田; 工出島
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP2002267421A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体ウェーハやレティクル／マスク、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のガラス基板などの表面の薄膜の厚みを測定する膜厚測定装置のビームスポット径管理方法およびこれに用いるビームスポット径管理用サンプルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記膜厚測定装置の一つに、分光エリプソメータがある。この分光エリプソメータは、物質の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、その物質の光学定数（屈折率、消衰係数）を、また、物質の表面に薄膜層が存在する場合は、その膜厚や光学定数を測定するものである。
【０００３】
ところで、近年、ウェハなどの試料の膜厚測定においては、入射光の径（以下、ビームスポット径という）を絞り、ウェハの測定領域を可及的に微小な部分にまで限定することが要求されるようになってきており、試料に対するビームスポット径を厳密に管理する必要がある。
【０００４】
従来、前記ビームスポット径の管理は、例えば、膜厚測定装置を使用するユーザ側が独自に製作した管理用サンプルを用い、実測定を行うようにしていた。すなわち、矩形状の測定エリアを形成した管理用サンプルを膜厚測定装置の測定ステージ上に水平に載置し、前記測定エリアの大きさに見合うような大きさに絞ったレーザ光を照射して、そのときのビームスポット径を、測定ステージの上方に設けられている光学顕微鏡によって観察し、これをＣＣＤカメラ画像としてコンピュータなどのデータ処理装置に取り込み、所定の大きさになっているか否かを判断するようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記光学顕微鏡およびＣＣＤカメラ画像を用いる手法においては、図５（Ａ）に示すように、矩形状の測定エリア４１に対して符号４２で示すようなビーム４２を照射した場合、中心４３に近い部分の画像４４は、前記ＣＣＤカメラ画像として鮮明に把握され、これによれば、前記ビームスポット４２が、所定の大きさに絞られているかのように見える。しかし、同図（Ａ）において仮想線４５で示すように、周辺の部分はぼやけて見える。この場合のエネルグー分布は、同図（Ｂ）に示すようになり、図中のａ，ｂ間の大きさは８０％のラインを示している。この場合、これらのラインａ，ｂの外側の部分（符号ｃ，ｄで示す部分）は、前記同図（Ａ）における部分４５に相当する。つまり、従来のビームスポット径管理手法によれば、ビームスポット径を必ずしも正確に管理することができないとともに、ユーザ仕様に立った管理を必ずしも十分に行うことができなかった。
【０００６】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、ビームスポット径の管理を簡単かつ確実に、しかも、ユーザ仕様に対応した管理を行うことができる膜厚測定装置のビームスポット径管理方法およびこれに用いるビームスポット径管理用サンプルを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の膜厚測定装置のビームスポット径管理方法は、基板上にビームスポットのサイズに対応した測定エリアを形成するとともに、これらの測定エリアに形成される膜質と前記測定エリアの周囲に形成される膜質とを互いに異ならせてなるビームスポット径管理用サンプルに対して光源からの光を照射し、そのとき前記サンプル表面で反射した楕円偏光の偏光変化量を分光器において測定し、この測定された偏光変化量に基づいて得られるデータを基にして、前記光のビームスポット径が所定の大きさに絞られているか否かを判断するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
そして、この発明のビームスポット径管理用サンプルは、光源からの光を偏光子によって直線偏光し、この直線偏光を試料の表面に照射し、そのとき前記試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量を分光器において測定し、この測定された偏光変化量に基づいて試料表面の光学定数や試料における薄膜の厚さを求めるようにした膜厚測定装置のビームスポット径管理用サンプルであって、基板上にビームスポットのサイズに対応した測定エリアを形成し、これらの測定エリアに形成される膜質と前記測定エリアの周囲に形成される膜質とを互いに異ならせたことを特徴としている。
【０００９】
なお、上記膜質とは、膜の素材および／または膜の厚みのことをいう。
【００１０】
上記ビームスポット径管理用サンプルの所定の測定エリアに対して光源から光を照射した場合、前記光が前記測定エリアのみに照射されているときには、その測定エリアのみに形成されている膜の光学定数が測定され、その膜に関する正確なデータが得られる。そして、前記光が前記測定エリアのみならず、その周囲にまで照射されていれば、２またはそれ以上の膜が同時に測定されるため、前記測定エリアに形成された膜に関する正確なデータとは異なる誤ったデータが得られる。したがって、前記ビームスポット径管理用サンプルを測定したときの測定データにおける正誤を判別することにより、ビームスポット径を合理的に管理することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、この発明の一つの実施例を示す。まず、図１は、この発明方法が適用される膜厚測定装置としての分光エリプソメータの構成の一例を概略的に示すもので、この図において、１は測定ステージで、試料としてのウェハ２を真空吸着などの手段で吸着し、これを水平な状態に保持するとともに、ステージ保持機構３によって、３つの互いに直交するＸ方向（照射側紙面の左右方向）、Ｙ方向（紙面に垂直な方向）、Ｚ方向に（紙面に平行な上下方向）にそれぞれ直線的に移動するように構成されている。
【００１２】
４は測定ステージ１の上方の一方の側に設けられる入射光学系で、例えば１９０〜８３０ｎｍの広い波長領域の光を発する例えばキセノンランプからなる白色光源５と、この白色光源５から発せられる光を絞るためのスリット６と、ビーム縮小光学系７と、偏光子８とから構成され、光源５からの多波長光を縮小し、所定の方向に偏光された直線偏光９をウェハ２の表面２ａに照射するものである。
【００１３】
１０は測定ステージ１の上方の他方の側に設けられる検出光学系で、ウェハ２の表面２ａに直線偏光９を照射したときに前記表面２ａで反射した楕円偏光１１の偏光変化量を例えばえば分光器１２に出力するもので、位相変調素子１３と、検光子１４と、ビーム縮小光学系１５と、分光器１２への信号取り出し用の光ファイバ１６とからなる。
【００１４】
１７は測定ステージ１の上方に設けられる光学顕微鏡、１８は光学顕微鏡１７の上方（後段側）に設けられた例えばＣＣＤカメラである。
【００１５】
１９は装置全体を制御する機能や演算機能さらには画像処理機能を有するデータ処理装置で、例えばコンピュータであって、分光器１２からの測定データ、すなわち、ウェハ表面２ａで反射した光の偏光変化量の測定データや、光学顕微鏡１７やＣＣＤカメラ１８からの信号が入力され、前記測定データは適宜演算処理されたり画像処理されたりし、ウェハ表面２ａのｎ，ｋ，ｔが演算によって求められ、光学顕微鏡１７やＣＣＤカメラ１８からの信号は演算処理および画像処理される。
【００１６】
２０は前記コンピュータ１９に接続された表示装置で、例えばカラー表示可能なＣＲＴディスプレイで、その表示画面２０ａには、ウェハ２の測定ポイントにおけるｎ，ｋ，ｔが表示される。
【００１７】
次に、図２および図３は、この発明方法で用いるビームスポット径管理用サンプル（以下、単にサンプルという）２１の一例を示すもので、このサンプル２１は、例えば４インチのシリコン（Ｓｉ）基板２２の表面に、複数の測定エリアＡを形成するとともに、これらの測定エリアＡに形成される膜質とこの測定エリアＡの周囲に形成される膜質とを互いに異ならせてなるものである。
【００１８】
すなわち、前記Ｓｉ基板２２の表面にＳｉＯ2 およびＳｉＮをＣＶＤ法など適宜の手法で堆積させ、それぞれ、１０００Åの厚みのＳｉＯ2 膜２３、ＳｉＮ膜２４を形成し、その後、リソグラフィ技術および反応性イオンエッチング法を用いて、前記両膜２３，２４に跨がるようにして、各種のビームスポット径に対応した所定寸法の複数の矩形状の孔２５を所定の間隔をおいて形成し、その後、これらの矩形状の孔２５の下部、つまり、Ｓｉ基板２２表面にＳｉＯ2 をＣＶＤ法など適宜の手法で堆積させ、ＳｉＯ2 膜２６を形成する。この例においては、ビームスポット径に対応するように形成された矩形状の孔２５内に形成されたＳｉＯ2 膜２６が測定エリアＡとなる。そして、測定エリアＡの周囲は、ＳｉＮ膜２４となっている。
【００１９】
なお、図２において、２７は前記Ｓｉ基板２２の表面の適宜位置に形成されるスケールで、例えば１０μｍピッチの短線と１００μｍピッチの長線とからなる。また、２８は前記Ｓｉ基板２２の表面の適宜位置に形成される１０ｍｍ各の大きさを示す孔である。
【００２０】
上記構成のサンプル２１を用いて、膜厚測定装置のビームスポット径をチェックするには、前記サンプル２１を測定ステージ１上に載置し、サンプル２１上の所定の測定エリアＡに対して光源５から光９を照射して測定した場合、前記光９が前記所定の測定エリアＡのみに照射されているときには、その測定エリアＡのみに形成されているＳｉＯ2 膜２６の性質に関する光学定数が測定され、ＳｉＯ2 膜２６に関する正確なデータが得られる。そして、前記光９が前記測定エリアＡのみならず、その周囲にまで照射されていれば、ＳｉＯ2 膜２６の他にＳｉＮ膜２４にも光９が照射されることになり、前記測定エリアＡに形成されたＳｉＯ2 膜２６に関する正確なデータとは異なる誤ったデータが得られる。
【００２１】
つまり、ある測定エリアＡに所定のビームスポット径の光９を照射して、当該測定エリアＡを測定した結果に基づいて、その測定の用いた光９が所定のビームスポット径であるか否かの判別を行うことができる。そして、複数のビームスポット径のチェックを行うときには、測定ステージ１を移動することにより、サンプル２１を移動させ、そのそれぞれのビームスポット径に見合う測定エリアＡを測定すればよい。
【００２２】
そして、上記サンプル２１においては、基板２２の同一面に測定エリアＡとともにスケール２７が形成されているので、実際に照射される光９のビームスポット径の大きさの確認を行うこともできる。
【００２３】
上述の実施例におけるサンプル２１においては、孔２６を所定の大きさかつ所定形状に形成し、この部分を測定エリアとしていたが、これに代えて、図４に示すようにしてもよい。すなわち、図４に示す実施の形態においては、孔２５の周囲の部分を、各種のビームスポット径に対応した所定寸法に形成し、この部分を測定エリアＢとするのである。
【００２４】
なお、上述の実施例においては、測定エリアＡまたはＢにおける膜の素材とこれらの周囲における膜の素材とを互いに異ならせるようにしていたが、前者の膜の厚みと後者の膜の厚みとを互いに異ならせてあってもよく、また、これらにおける膜の素材と厚みの双方を異ならせてあってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、簡単な構成および手法によってビームスポット径の管理を簡単かつ確実に行うことができるとともに、ユーザ仕様に対応したビームスポット径の管理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のビームスポット径管理方法が適用される膜厚測定装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】前記方法の実施に用いるビームスポット径管理用サンプルの一例を示す平面図である。
【図３】前記サンプルの要部を示す断面図である。
【図４】前記サンプルの他の実施の形態を説明するための断面図である。
【図５】従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
５…光源、９…光、１１…楕円偏光、１２…分光器、２１…ビームスポット径管理用サンプル、２２…基板、Ａ，Ｂ…測定エリア。

Claims

基板上にビームスポットのサイズに対応した測定エリアを形成するとともに、これらの測定エリアに形成される膜質と前記測定エリアの周囲に形成される膜質とを互いに異ならせてなるビームスポット径管理用サンプルに対して光源からの光を照射し、そのとき前記サンプル表面で反射した楕円偏光の偏光変化量を分光器において測定し、この測定された偏光変化量に基づいて得られるデータを基にして、前記光のビームスポット径が所定の大きさに絞られているか否かを判断するようにしたことを特徴とする膜厚測定装置のビームスポット径管理方法。
光源からの光を偏光子によって直線偏光し、この直線偏光を試料の表面に照射し、そのとき前記試料表面で反射した楕円偏光の偏光変化量を分光器において測定し、この測定された偏光変化量に基づいて試料表面の光学定数や試料における薄膜の厚さを求めるようにした膜厚測定装置のビームスポット径管理用サンプルであって、基板上にビームスポットのサイズに対応した測定エリアを形成し、これらの測定エリアに形成される膜質と前記測定エリアの周囲に形成される膜質とを互いに異ならせたことを特徴とする膜厚測定装置のビームスポット径管理用サンプル。