JPH0352885B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は膜厚測定装置に関し、さらに詳しく
は、例えば集積回路（以下単にICと称する）製
作用のフオトマスク基板やウエハの上に形成され
た透明な薄膜の膜厚を測定するのに用いられる膜
厚測定装置に関する。

＜従来技術＞ マスクやウエハ等の基板上に形成される、例え
ばフオトレジスト膜や、シリコン酸化膜等は、一
般に極めて薄い透明な膜で形成され、この膜厚は
およそ400Åないし30000Åであり、この薄膜に露
光、現像、エツチング等、所定の処理を施こして
得られるICパターンの線幅はおよそ、0.3μｍない
し100μｍ程度である。

この膜厚及びパターンの線幅が規定された通り
に製造されているか否かによつてICの良否が決
せられる。

従つて、ICの製造管理上、この膜厚を高い再
現精度をもつて測定することができる膜厚測定装
置が要請されている。

ところで、上記のような透明な薄膜の膜厚測定
においては、あらかじめ、膜厚の値が既知である
多数の標準試料の分光反射スペクトルを測定し
て、これらの測定値をマイクロコンピユータ等の
信号処理装置内の記憶部に記憶しておき、次いで
被測定試料の分光反射スペクトルを測定し、標準
試料とのスペクトル光強度の比をもつて、当該被
測定試料の膜厚を求めるという手法が一般に用い
られる。

このような膜厚測定装置としては、従来より第
７図に示すものが知られている。この図におい
て、符号１は顕微鏡、２は試料台３にセツトされ
た被測定試料、４は対物レンズ、５は対物レンズ
４を介して被測定試料２を照射する白色光源、６
は当該試料２の表面の観察及び焦点調整のための
接眼レンズ、７は試料２からの反射光を通過させ
る入射アパーチヤ、８は反射光の分光スペクトル
を発生する凹面回折格子、９はステツピングモー
タ１０により、凹面回折格子８を矢印Ａ方向へ回
動させて所定の波長範囲（例えば、400〜800n
ｍ）を掃引する掃引装置、９ａは波長カウンタ、
１１はスリツト、１２は光電子増倍管、１３は増
幅器を内蔵した電流−電圧変換器、１４はステツ
ピングモータ１０を駆動制御し、かつ電流−電圧
変換器１３からの光強度信号Ｋを受けて、この信
号Ｋを統計演算処理し、膜厚を演算して結果を必
要に応じて、表示装置（CRT）１５ａあるいは
プリンタ１５ｂの出力装置１５に出力するマイク
ロコンピユータ、１４ａはコンピユータ１４の操
作キイである。

この膜厚測定装置は次のようにして膜厚を測定
することができる。

被測定試料２を顕微鏡１の試料台３に載置して
接眼レンズ６を見ながら、第６図のように当該被
測定試料２の被測定点Ｐに標線の交点を位置合せ
し、測定装置をスタートさせる。

当該試料２からの反射光は、顕微鏡１の前記光
学系を介して凹面回折格子８に入射される。この
凹面回折格子はステツピングモータ１０で作動す
る前記掃引装置９によつて回動されつつ、例えば
400nｍないし800nｍの光波長に対応する分光ス
ペクトルを発生する。この分光スペクトルはスリ
ツト１１を介して、固定された光電子増倍管１２
に入射し、凹面回折格子８の掃引作動と同期し
て、時系列的に分光スペクトル信号Ｉを発生す
る。次いで電流−電圧変換器１３によつて増幅さ
れた分光反射スペクトルに対応する光強度信号Ｋ
を得る。

この光強度信号Ｋは更にマイクロコンピユータ
１４によつて後述する如き、所要の演算処理がな
され、膜厚が演算され、その結果は出力装置１５
で表示あるいは印字される。

なお、被測定試料２の測定に先立つて、あらか
じめ膜厚のわかつている多数の標準試料の分光反
射スペクトル強度の測定がなされ、そのデータが
マイクロコンピユータ１４に入力されていること
は前述の通りである。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかるに、凹面回折格子を掃引作動させて、こ
の掃引作動と同期して光電子増倍管から時系列的
に分光スペクトル信号を取り出す従来技術におい
ては、掃引作動中に順次分光スペクトル信号を出
力するものであるため測定時間の短縮には限度が
あり、殊に測定精度を向上させるために複数回掃
引させて測定データを多く得る場合にはなおさら
である。

その上掃引作動中に、照射用光源の輝度の変
化、機械振動に伴なう当該光源の光量変動等より
成る外乱変動の影響を受け易く、測定精度をさら
に向上させる場合の妨げとなつていた。

本発明は、このような難点を解消した膜厚測定
装置を提供することをその目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は上記目的を達成するために、次のよう
に構成したものである。

すなわち、試料に白色光を照射し、その反射光
を拡大光学系を介して固定の回折格子に投影し、
分光反射スペクトルを得、そのスペクトルを光電
変換し、光電変換された信号をＡ／Ｄ変換手段に
よりデジタル信号に変換し、さらにデジタル変換
した信号をマイクロコンピユータ等の信号処理装
置で演算処理して膜厚を得るようにした膜厚測定
装置において、光電変換手段を、複数の光電変換
素子が１次元配列された１次元イメージセンサア
レイで構成するとともに、この各光電変換素子が
有するそれぞれ固有の感度情報を予め記憶する感
度情報記憶手段と、この感度情報記憶手段からの
感度情報に基づき、それぞれ対応する前記Ａ／Ｄ
変換手段からのデジタル信号を補正するスペクト
ル補正手段とを設けたものである。

＜作用＞ 複数の光電変換素子からなる１次元イメージセ
ンサアレイにより、回折格子で分光された分光ス
ペクトルから一瞬にして所定波長範囲のスペクト
ル信号を得ることができる。

しかも、各光電変換素子の間に感度のバラツキ
があつても、各素子から出力されるスペクトル信
号はスペクトル補正手段により各光電変換素子間
の感度のバラツキが補正されるので、正確な信号
値としてこれを得ることができる。

＜実施例＞ 本発明は、光電子増倍管に代えて１次元イメー
ジセンサアレイを使用しても、光電子増倍管に劣
らない十分なダイナミツクレンジ及び十分なＳ／
Ｎ比を確保し得る方法を見出してそれを膜厚測定
装置に適用することによりなされたもので、以
下、本発明に係る実施例を示す図面に基づいて説
明する。

第１図は本発明に係る膜厚測定装置の構成の１
実施例を示すブロツク図であり、第７図で説明し
た符号と同一の符号は同一部材を示すものとす
る。

第１図において、符号８は顕微鏡１の結像面に
配置したアパーチヤー７を通つて来た試料２から
の反射光を、分光スペクトルとして平面状に結像
させる凹面回折格子で例えばフラツトフイールド
型のホログラフイツク回折格子を用いることもで
きる。

符号１６は、凹面回折格子８の分光スペクトル
結像面に所定のピツチで多数配列されたCCD
（Charge Cupled Device）より成る１次元イメ
ージセンサアレイ、１７は１次元イメージセンサ
アレイ１６によつて光電変換され、並列的に出力
された画像信号Ｉを増幅して時系列的に出力させ
るＰ／Ｓ変換回路、１８は例えば10ビツトの分解
能を有するＡ／Ｄ変換器、１９はタイミングパル
ス発生回路であり、Ｐ／Ｓ変換回路１７・Ａ／Ｄ
変換器１８及び後述するマイクロコンピユータ等
の信号処理装置２０のアドレス指定手段２１に対
するタイミングパルス信号を出力する。

上記１次元イメージセンサアレイ１６は、例え
ば１素子の大きさが15μｍ×15μｍ程度のものを
直線状に2048個配列して構成され、この場合には
凹面回折格子８によつて分光されたスペクトルの
波長400nｍないし800nｍについて１度に光電変
換して出力させることができる。

なお、かかる１次元イメージセンサアレイ１６
はCCDに代えてPDA（Photo Diode Array）を
用いることもできる。

Ａ／Ｄ変換器１８として2¹⁰の分解能を有する
ものを使用した場合には、Ｐ／Ｓ変換回路１７に
より増幅されて時系列的に出力された信号Ｊは、
1024階調の信号レベルのデジタル信号Ｋに変換さ
れる。

なお、実験によると、Ａ／Ｄ変換器１８に2¹²
の分解能のものを使用して、4096階調までの信号
レベルについても、その再現性を確保できること
が判明した。次に、デジタル信号Ｋは、信号処理
装置２０の内部メモリ（記憶部）２２のスペクト
ル情報記憶部２２ａにアドレス指定手段２１を介
して、例えば上記2048素子のイメージセンサアレ
イを用いる場合2048個の異なるアドレスに記憶さ
れる。

この信号処理装置２０は中央制御部（以下単に
CPUと称する）２３と、アドレス指定手段２１
と、感度情報、スペクトル情報等の情報を記憶す
る記憶部２２と、スペクトル情報補正手段２４
と、平均化処理手段２５と標準試料、データとの
比較手段２６と、膜厚演算手段２７とから構成さ
れ、第２図に示すフローチヤートに基づいて薄膜
の膜厚を出力装置１５に出力するように構成され
ている。

ところで、前記１次元イメージセンサアレイ１
６が光電変換した出力には、各素子の感度のバラ
ツキが最大±10％程度見込まれ、さらに各素子が
受光しない時にもわずかに暗電流を発生するた
め、測定精度を向上させるためにはスペクトル情
報記憶部２２ａに記憶された2048個のスペクトル
情報を補正して、真の値に近づける必要がある。
そこで、本発明に係る膜厚測定装置においては１
次元イメージセンサアレイ１６の各素子固有の暗
電流の大きさDi（ｉ＝１〜2024）及び感度Si（ｉ
＝１〜2024）を、あらかじめ感度情報として感度
情報記憶部２２ｂに記憶し、スペクトル情報記憶
部２２ａから読み出された各スペクトル情報Xi
（ｉ＝１〜2024）に対応させて感度情報Di、Siを
感度情報記憶部２２ｂから読み出し、スペクトル
情報補正手段２４で、 例えばXi−Di／Si−Diなる補正演算を行ない、スペクト ル情報たるデジタル信号Ｋの信号レベルを真の値
に近づけ、その補正されたスペクトル情報に平均
化処理・標準試料データとの比較処理等の統計処
理を行なつた上で、膜厚を演算するように構成さ
れている。

かかる平均化処理は、デジタル画像処理分野等
においては、既に公知と思われるが、ここでは１
次元イメージセンサアレイを構成する各素子につ
いて、例えば域る素子を中心として想定される両
隣りの素子２個ずつ、計４個を加えた５個の素子
の出力平均を算出し、この算出平均値を当該素子
の出力値とする演算処理を行ない、かかる演算処
理を例えば３回繰返すことにより平均化処理を行
なつている。

かくのごとくして平均化処理されたスペクトル
情報は、次に比較手段２６において所定の膜厚範
囲ごとに分類された標準試料データと比較され、
そのプロフイールが、例えば第４図にその１例を
示す如く、(a)単調増加の場合、(b)極小点が１個の
場合、(c)極大点が１個の場合、(d)極小点、極大点
が１個以上の場合とに判別される。しかる後、膜
厚演算手段２７で前記各場合について、そのスペ
クトル情報に対応した膜厚が算出される。すなわ
ち、被測定試料のスペクトル情報のプロフイール
が第４図ａのような場合、まず或る特定の波長
λ_Aに対するスペクトル光量値R_Aを求め、該スペ
クトル光量値R_Aをあらかじめ記憶部２２ｃに書
込まれた多数の標準試料のスペクトル光量値と比
較し、前記特定の波長λ_Aに対するスペクトル光
量値R_Aと一致する標準試料を検索し、一致すれ
ばその標準試料の膜厚を当該被測定試料の膜厚と
する。一方、一致する標準試料がなく、近似した
標準試料しかない場合には、被測定試料と近似し
た標準試料とで補間演算を行ない、その膜厚を算
出する。

なお、かかる手法は、測定器分野などにおい
て、「検量線方式」として多用されている。この
膜厚の算出方法は、第４図ｂ，ｃ，ｄの場合も同
様であり、この測定精度は、あらかじめ記憶部２
２ｃに書込まれる標準試料数を可能な限り多く、
かつ、各試料についてのデータ数を多くするとと
もに、比較すべきスペクトル光量値に対応する特
定波長の数を増加させることにより容易に向上さ
せることができる。

なお、第３図は、第２図のフロートチヤートに
基づいてなされる信号処理の態様を模式的に示す
グラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は波長
に対応して時系列的に出力される信号の出力レベ
ルを示す。

以下、第１図ないし第３図により、本実施例に
係る膜厚測定装置の機能を説明する。

まず、信号処理装置２０のキイ１４ａを操作し
て本発明に係る膜厚測定装置をスタートさせる
と、１次元イメージセンサアレイ１６の各素子
は、あらかじめ設定された積分時間ｔの間、同時
に凹面回折格子８からの分光スペクトル光量を蓄
積する。

次いで、Ｐ／Ｓ変換回路１７及びＡ／Ｄ変換器
１８を介して第３図Ａに示すような信号レベルの
スペクトル情報Ｋが記憶部２２のスペクトル情報
記憶部２２ａに記憶される。

このスペクトル情報Ｋは前記のようにしてスペ
クトル情報補正手段２４によつて真の値に近づけ
られ、第３図Ｂに示すような信号レベルに補正さ
れる。そして、平均比処理手段２５によつて、第
３図Ｃに示すような滑らかな信号レベルに平均化
される。

なお、第５図は第３図Ｃを拡大して示したもの
であり、例えば膜厚3392ÅのSiO₂試料の分光反
射スペクトルをプリンター等の出力装置１５で出
力したものに当相する。

このようにして平均化処理されたスペクトル情
報は、一旦記憶部２２ｃへ記憶されるが、あらか
じめ当該記憶部２２ｃへ記憶されている標準試料
のデータとともに、比較手段２６で比較され、次
いで膜厚演算手段２７で膜厚が求められ、その結
果を、必要に応じて第５図に示す如きグラフとと
もにCRT又はプリンタよりなる出力装置１５へ
出力される。

なお、第１図において符号５ａは半導体レーザ
光源、５ｂはその半導体レーザ光源による単色光
で試料２を照射した反射光を光電変換するための
光電変換手段であり、特に300Å以下の薄膜の測
定精度を向上させたい場合に適用することができ
るように、前記膜厚測定装置に併設され、白色光
源５と切換えて使用することができるように構成
されている。

上記した説明においては、最終的に2¹⁰以上の
分解能を有するスペクトル情報を得るため、例え
ば2¹⁰以上の分解能を有するＡ／Ｄ変換器を使用
したが、本発明においては、かかるＡ／Ｄ変換器
に限定されるものではなく、Ａ／Ｄ変換器として
は、例えば通常の2⁸の分解能のものを使用し、以
後のデータ処理の段階で周知のデータ処理方法に
より2¹⁰以上のデジタル信号にすることも可能で
ある。

＜発明の効果＞ 本発明によると前記のように構成され作用する
から、次のような秀れた効果を奏する。

イ 光電変換手段を１次元イメージセンサアレイ
を用いて一度に１掃引分の分光反射スペクトル
信号を得ることができるから、測定時間の大幅
な短縮を図ることができる。

ロ 掃引手段を必要としないので分光手段の構造
を極めて簡素化することができるとともに、掃
引作動を必要としないから、従来のように掃引
作動中に外乱変動の影響による測定誤差を無く
すことができ、測定精度をさらに向上させるこ
とができる。

ハ １次元イメージセンサアレイの各素子間の暗
電流及び感度のバラツキが補正されて、正確な
スペクトル信号値が得られるので、従来の、単
一の光電子倍増管を使用する装置と同等の信頼
性を確保でき、この結果、試料の膜厚を正確に
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る膜厚測定装置の構成を示
すブロツク図、第２図はそのフローチヤート、第
３図は第２図のフローチヤートに基づいてなされ
る信号処理の態様を模式的に示すグラフ、第４図
は被測定試料のスペクトル情報の分布状態を示す
グラフ、第５図は第３図Ｃを拡大して示すグラ
フ、第６図は被測定試料の顕微鏡による拡大図、
第７図は従来技術に係る膜厚測定装置の概要を示
すブロツク図である。 １……拡大光学系（顕微鏡）、２……試料、８
……回折格子、１６……１次元イメージセンサア
レイ、１７……並列−直列変換回路（Ｐ／Ｓ変換
回路）、１８……Ａ／Ｄ変換器、１９……タイミ
ングパルス発生回路、２０……信号処理装置、２
２……記憶部、２２ａ……スペクトル情報記憶
部、２２ｂ……感度情報記憶部、２３……中央制
御部（CPU）、２４……スペクトル情報補正手
段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所要の光源で照射された試料からの反射光を
   拡大投影するための拡大光学系と、 拡大投影された反射光を分光するための回折格
   子と、 該回折格子により分光された各分光スペクトル
   に対応して分光スペクトル信号を順次出力する光
   電変換手段と、 該光電変換手段から出力される前記分光スペク
   トル信号をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換手段
   と、 該Ａ／Ｄ変換手段からの出力信号に基づいて、
   前記試料の膜厚を演算する信号処理手段とを有す
   る膜厚測定装置において、 前記光電変換手段を、複数の光電変換素子が１
   次元配列された１次元イメージセンサアレイで構
   成するとともに、 この各光電変換素子が有するそれぞれ固有の感
   度情報を予め記憶する感度情報記憶手段と、 この感度情報記憶手段からの感度情報に基づ
   き、それぞれ対応する前記Ａ／Ｄ変換手段からの
   出力信号を補正するスペクトル補正手段とを設け
   たことを特徴とする膜厚測定装置。 ２ Ａ／Ｄ変換手段を2¹⁰以上の分解能を有する
   Ａ／Ｄ変換器で構成した特許請求の範囲第１項記
   載の膜厚測定装置。