JPH0384401A - 膜厚測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザー光を利用して透明膜または半透明膜
の膜厚を測定する方法およびその測定装置、並びにそれ
を利用する誘電体膜等の成膜装はに関するものである。

［従来技術］ 従来例えば、真空中で蒸着法を用いて誘電体簿膜や金層
薄膜などを作ったり、ガス雰囲気中でスパッタリングを
利用して膜付けを行なったりして、透明膜または半透明
膜をウェハー上の所定の場所等に堆積する成膜装置にお
いては、水晶振動子を使う膜厚測定方法やＨｅ＝Ｎｅレ
ーザー光等を用いる膜厚測定方法が用いられている。ス
パッタ・蒸着後のほか、スパッター蒸着中にも膜厚の測
定は行なわれ、それを利用して成膜速度を測定するなど
のことも行なわれている。

水晶振動子を用いる膜厚測定方法は、スパッタ・蒸着に
よる水晶振動子表面の付着質量で生じる水晶振動子の共
振周波数の変化から被測定物の膜厚を間接的に求めるも
のであって、あらゆる膜材料でその測定が可能であると
ころから広（用いられている。

被測定膜が透明または半透明薄膜の場合は、膜に光を当
てると、膜の表面で反射される光と、膜の裏面で反射さ
れる光とが互いに干渉して、前記した反射干渉光の強度
が膜厚とともに周期的に変化してゆ（ことが知られてお
り、この原理を利用して、スパッタ蒸着法で成膜される
透明薄膜の膜厚を、Ｈｅ−Ｎｅレーザーによって行なっ
た膜厚測定装置（膜厚モニターともいう）が、例えば、
特開昭５７−＝−３２３６９号公報に開示されている。

第４図にこの方法の原理を説明するグラフを示す。

被測定膜に入射したレーザー光はある反射干渉光強度で
反射されるが、レーザー光の入射角度が殆んど裏面に垂
直である場合は、その反射干渉光強度は被測定膜の膜厚
に対して、第４図のグラフのように変化する。即ち、膜
厚の変化に対して反射干渉光強度は、λ／４ｎ　（ｎ：
屈折率、λ：レーザー波長）の周期で余弦曲線を描いて
行く。従って反射干渉光の強度Ｒ（強度の最大値を１と
して規格化されているものとする）が与えられた時これ
に耐応する膜厚の候補値は、Ｒを通る水平線Ｈと余弦曲
線ＣＯ８との交点α１１　　α２、α３．、、、の膜厚
軸の座標、ｔｌ、　　ｔ２、ｔ３．。１９．で与えられ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の従来の技術には以下に述べるような欠点があった
。

まず、水晶振動子を用いたスパッタ蒸着膜厚測定装置で
は、成膜装置の槽内の放電による信号妨害があるためタ
ーゲットの近傍に水晶振動子を置いて測定するとεには
困難があり、また水晶振動子の表面に蒸着物質を付着さ
せなければばならないため振動子を蒸着源からあまり遠
い場所に置くことができず、水晶振動子に付着した膜の
処理の煩わしさ、ゴミの発生による参画りの低下、さら
に水晶振動子の配直によっては生成膜の膜厚分布や膜質
にまで悪影響が及ぶなどの欠点がある。

なおまた、水晶振動子は配置場所によって膜の付着量が
変化するため、場所を変えるといちいち校正を行なわな
ければならず、この校正に取られる時間も大きくて無視
することができない。

次に、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光や白色光等を使用してその
光干渉効果を用いる方法や装置であるが、被測定物は動
かないものに限られ、例えば、回転中の被測定膜では膜
厚測定が困難であるという欠点がある。また先の第４図
のグラフからも分かるように、膜を成長させながらその
膜厚を測定するような場合には、現在の膜厚が第４図の
曲線ＣＯ８の何山目に当たるか（現在がα１１　α２、
α３０．。

のいずれの交点に相当するのか）の判定は、常に時間を
追って膜の変化の履歴を記録しておくのでなければ不可
能であり、もし停電等のトラブルがあって追跡が中断さ
れたような場合には、忽ち測定が不能になるなどの欠点
があった。

［発明の目的］ 本発明はこれらの問題を解決し、成膜後は勿論、スパッ
タ中もしくは蒸着の成膜作業中も、しかも成膜室内にお
いて、成膜の履歴を記録して追っかける等の必要もなく
、瞬時に被測定膜の膜厚を測定でき、さらにまたその測
定が移動中の被測定物に対しても適用可能であるよろな
、新規な膜厚測定方法およびその装置、およびこれを利
用する自動化に適した成膜装置を提供することを目的と
する。

［問題を解決するための手段］ 本発明は、透明膜または半透明膜を被測定膜とし、これ
にレーザー光を投射して、膜の表面からと膜の裏面から
の二つの反射光の干渉光（反射干渉光）の強度を検出す
ることによって、その膜の膜厚値を推定させる一群の候
補値を獲得し、その候補値の中から適宜の方法により正
しい膜厚測定値を選出する如くする膜厚測定方法におい
て、波長を異にする２つのレーザー光を被測定膜に投射
しそれぞれの反射干渉光強度を各別に検出することで膜
厚測定値のそれぞれの候補値群を獲得し、かくして得ら
れた二群の候補値の中から、互いに一致、もしくは、最
も近似するものを探し出すことで正しい膜厚測定値を選
出するようにした膜厚測定方法である。

２つのレーザー光を同時に被測定膜に投射してそれぞれ
の反射干渉光強度を検出することができ、また、成膜中
にその膜の膜厚を測定することができる。回転または移
動させながら成膜が行なわれる場合に、膜厚の測定をそ
の回転または移動中に行なうこともできる。

この方法を用いる装置は、透明膜または半透明膜の被測
定膜に対して波長を異にする２つのレーザー光を該被測
定膜に投射する装置と、それぞれの反射干渉光強度を各
別に検出しそれぞれを電気量に変換する装置と、得られ
た電気量から莢膜の候補値群を各別に算出する装置と、
各別に算出して得られた二群の候補値の中から、互いに
一致、もしくは、最も近似するものを探し出し探し出さ
れた候補値をもって正しい膜厚測定値として出力する装
置とを備えて構成される。

前記の膜厚測定装置と、その測定で得られた膜厚測定値
を入力としてその値が所定値に達したときに、その成膜
作業を停止し、または、その成膜条件を変更する装置を
備えた透明膜または半透明膜の成膜装置は極めて有用で
ある。

［作用コ 透明または半透明薄膜にレーザー光を当てると、表面で
反射される光と、膜の裏面で反射される光との、２つの
反射光が干渉を起こして、それぞれの反射干渉光の強度
が、膜厚の変化とともに第４図の曲線ＣＯ８のように変
化すること等は既に述べた。

第４図の曲線ＣＯ８をそのまま写した第２図の曲線ｃｏ
ｓ　ｔにて、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光の反射干渉光強度Ｒ
１（規格化されたもの）が与えられると、測定膜厚の候
補値はＲ１を通る水平線Ｈ１と曲線ｃｏｓｔとの交点で
あるα１１　　α２、α３０．。

、の座標、ｔｌ、ｔ２、ｔ　３．、、、、で与えられる
。

波長を異にするもう１つのレーザー光（半導体レーザー
光）を投射し、先と同様、反射干渉光の強度Ｒ２を検出
して、これに対応する膜厚測定値の候補、即ち、Ｒ２を
通る水平線と、先と同様の曲線Ｃ０８２との交点β１１
　　Ｒ２、Ｒ３，、、、の座標、Ｓ１％　　ｓ２、ｓ３
．、、、、が得られるときは、上記の２群の膜厚測定候
補値ｔｉ１ｔ２、ｔ３．、、、．８１％　　Ｓ２、ｓ３
．、、、の集合の中から、互いに一致、もしくは、最も
近似する候補値（図の場合はｔ２、ｓ３）を探し出すこ
とで、正しい膜厚測定値を特定することができる。

［実施例］ 第１図は本発明の膜厚測定装置の構成と動作を示す概略
図であり、１は膜厚モニター本体、ａｌｂ、　　ｄは全
反射ミラー　Ｃｓ　　ｅはそれぞれ固有の性能をもつハ
ーフミラ−である。

Ｈｅ−Ｎｅレーザー装置２から出たレーザー光２１０（
細い実線で示す）は、その一部（一定の比率で約２０％
）２１１がハーフミラ−Ｃで反射されて参照光として用
いられセンサー１０に入り検ＩＪＪ　＄れて電気量とな
る。　この参照光２１１の検出電気量は、後記するよう
にＨｅ−Ｎｅレーザー光の検出出力を規格化するのに使
用される。

Ｈｅ−Ｎｅレーザー光２１０の残り（約８０％）の光２
１２はハーフ之う−Ｃを透過し、全反射ミラーｄで反射
されて入射光２１ｓｔなり透明ガラス窓４を透過して真
空室２００内に入り、真空室２００内に画かれた被測定
膜６の表面に大尉される。そして被測定膜６の表面反射
光こ裏面反射光の反射干渉光２１４は、透明ガラス窓４
を透過してハーフミラ−ｅを通過し、Ｈｅ−Ｎ　ｅレー
ザー光センサー２０に入って、その光強度に比例した電
気量に変換される。

一方、半導体レーザー装置３を唱たレーザー光３１０（
点線で示す）は、各全反射鏡ｂｓ　　ａで反射されて３
１１．３１２と進み、次のハーフミラ−ｅは半導体レー
ザー光３１２に対しては１００％の反射鏡として働くた
めにここで全反射され、その後の光は３１３．３１４己
、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光２１２．２１３、・・・・・・
セ同じ経路をたどって被測定膜δに投射されて被測定膜
５の反射干渉光３１５．！：なる。反射干渉光３１５は
、最後にハーフミラ−ｅでその一部が反射されて、フィ
ルターｆを通過して受光センサー３０でその光強度が電
気量に変換される。

フィルターｆはＨｅ−Ｎｅレーザー光の通過を選択的に
阻止するフィルターである。

上記の構成の装置によれば、図のように互いに異なる２
つの波長のレーザー光を、同時に又は時壱たがえて、被
測定膜面の同一場所に当てるここが可能である。実用上
、レーザー光は１ｍｒｎφ程度の範囲内に投射されさえ
ずれば目的は遠せられるという場合が多いので、この２
つのレーザー光・の投射は目視の作業で充分に調整可能
である。

既述のように、受光センサー２０で検出され、変換して
得られた電気量は受光センサーｌＯで得られた電気量で
規格化される。その電気量は図示されていないコンピュ
ーターで処理されて、その結果が第２図のｅｏｓ　ｉ曲
線のグラフで示されるような各データにまとめられる。

受光センサー３０で検出され、変換して得られた半導体
レーザー光の電気量は半導体レーザー装置が安定してい
るので規格化の必要がな（、そのま求が、先と園様に図
示されていないコンピューターで処理されて、その結果
が第２図のＣ０８２曲線のグラフで示されるような各デ
ータにまとめられる。

表１は、その膜厚を測定し、膜面の同一場所にレーザー
光を３回照射して得た３回の測定で、最も正しい膜厚側
定直として出力された値、即ち、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光
で得た値（前記のｓ３）、！：半半導体レーザ先光得た
値（前記のｔ２）をそのまま併記しである。

２つの値（ｓ３とｔ２）は、完全には一致してはいない
が、かなり近接していて、真の膜厚値はこれら２つの値
の極く近傍にある答である。事実、真の膜厚値がこの値
の付近にあることが、別途、段差計による測定で確認さ
れた。

なお３回の測定において、Ｈｅ−Ｎｅレーザーによる測
定値（ｓ３）にがバラつきがやや太き（現れたいのは、
Ｈｅ　　Ｎ　ｅレーザー管が充分に安定していなかった
せいと思われる。

表１ この膜厚測定装置の特徴は、従来第４図のグラフで行な
われていたような膜生成の履歴を追跡して、候補値群か
ら正しい膜厚測定値を推定するのとは異なり、正しい膜
厚測定値を瞬間的に決定できるところにある。実際には
、２つのレーザー光で得られる２つの反射干渉光強度は
、検出されて電圧に変換されると直ちに数値化され、コ
ンピューター処理で規格化、交点の計算、２つの候補値
群の算出、両群の比較が行なわれて、測定硝の候補のの
組合わせの幾つかが（例えば、Ｓ３とｔ２、・・・と・
・・、・・・・・・・・・・・・が）、その正しらしさ
の順に、数値の誤差（例えば、５３−ｔ２）とともに表
示されるため、被測定膜がもし移動中であっても、レー
ザー光を一瞬照射することで忽ち膜厚の測定が完了する
。

よって、ウェハーを回転させて成膜している最中におい
て、膜厚が所定の膜厚値に達したところで自動的にその
成膜作業が停止されるようにすることも充分に可能とな
る。

当然のことながら、停電などのトラブルがあった場合で
も、ガラス窓（レーザー光を透過するものであればガラ
スの材質は何であってもよい）を通して真空室内のウェ
ハーにレーザー光を投入して膜厚が直ちに測定できるた
め、従来のように真空装置の真空をいったん大気に開放
してウェハーを取り出し、大気中で膜厚を確認するなど
の必要もなくなる。

次には、この本発明の構造の膜厚測定装置を組み込んだ
スパッタ装置の構成を説明する。

第８図はその要部の俺略図である。スパッタ装＠３０で
は被測定膜５はカル−セル（回転ドラム式ホルダー）３
１のドラムの表面に載せらたウェハー５０上の膜であり
、この膜のスパッタ蒸着による成膜は、Ｓ　ｉ　０２タ
ーゲツト３２を用いて、電源３４から高周波電力を印加
してスパッタリングを行なわれる。

ドラムの静止中、または移動中の被測定物５に、ガラス
窓４を通してセンサー本体１からレーザー光４１（２Ｆ
ｌ類であるが１本で現している）が送られ、反射干渉光
４２（同上）がセンサー本体ｌで受光されと電圧に変換
されＡ／Ｄ変換器４３でディジタル化される。そのディ
ジタル化された信号はコンピューター８０で処理され、
上述の選ばれた出力がデイスプレー８１に表示される。

カル−セルが回転移動中に膜厚測定が行なわれる場合は
、その回転に同期させてレーザー光を投射して反射干渉
光を拾い、電圧に変換してピークホールドし、その電圧
を用いてＡ／Ｄ変換およびコンピューター処理する。コ
ンピューターの出力は電源３４に送られて成膜の中止又
は変化が行なわれる。

なお、本発明の方法が、カル−セルタイプでない平面型
回転式のスパッタ成膜装置に対しても上記同様にして利
用できることは明白である。

更にまた、上記はスパッタ装置について本発明の詳細な
説明したものであるが、ＣＶＤ装置、蒸着装置等の他の
成膜装置においても本発明が有効に実施できることは明
らかである。

［発明の効果コ 本発明によれば、真空室中の絶対膜厚が簡単に測定でき
、また移動中の被測定物の膜厚も測定できることから、
成膜を所望する膜厚で自動的に停止させることが可能と
なるなど、生産上大きい貢献をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の２波長のレーザー光による膜厚測定装
置の膜厚モニター本体部の概略図。 第２図は本発明の２波長のレーザー光にょる膜厚測定の
原理を説明するための図。 第３図はスパッタ装置に対して本発明の装置を利用する
場合の実施例の図。 第４図は従来の単一のレーザー光による反射干渉光強度
と膜厚の関係を示すグラフ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明膜または半透明膜を被測定膜とし、これにレ
   ーザー光を投射して、該膜の表面からと該膜の裏面から
   の二つの反射光の干渉光（以下、反射干渉光）の強度を
   検出することによって、該膜の膜厚値を推定させる一群
   の候補値を獲得し、その候補値の中から適宜の方法によ
   り正しい膜厚測定値を選出する如くする膜厚測定方法に
   おいて、波長を異にする２つのレーザー光を該被測定膜
   に投射しそれぞれの反射干渉光強度を各別に検出するこ
   とで膜厚測定値のそれぞれの候補値群を獲得し、かくし
   て得られた二群の候補値の中から、互いに一致、もしく
   は、最も近似するものを探し出すことで正しい膜厚測定
   値を選出することを特徴とする膜厚測定方法。
2. （２）該２つのレーザー光を同時に被測定膜に投射して
   それぞれの反射干渉光強度を検出することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の膜厚測定方法。
3. （３）成膜中にその膜を被測定膜としてその膜厚を測定
   することを特徴とする特許請求の範囲第１または２項記
   載の膜厚測定方法。
4. （４）該成膜が、該膜を回転または移動させながら行な
   われるものである場合において、膜厚の測定を該回転ま
   たは移動中に行なうことを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の膜厚測定方法。
5. （５）透明膜または半透明膜を被測定膜として波長を異
   にする２つのレーザー光を該被測定膜に投射する装置と
   、それぞれの反射干渉光強度を各別に検出しそれぞれを
   電気量に変換する装置と、得られた電気量から該膜の候
   補値群を各別に算出する装置と、各別に算出して得られ
   た二群の候補値の中から、互いに一致、もしくは、最も
   近似するものを探し出し探し出された候補値をもって正
   しい膜厚測定値として出力する装置とを備えたことを特
   徴とする膜厚測定装置。
6. （６）透明膜または半透明膜の成膜装置において、特許
   請求の範囲第５項記載の膜厚測定装置と、その測定で得
   られた膜厚測定値を入力としてその値が所定値に達した
   ときに、その成膜作業を停止、または、変更する装置を
   備えたことを特徴とする成膜装置。