JP6709407B2 - 厚さ測定装置及び厚さ分布測定装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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、・・・・・・
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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、及び、前記2つの波長の波長情報(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厚さ算出手段を有することを特徴とする厚さ測定装置。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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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