JPH085339A

JPH085339A - 膜厚計測装置

Info

Publication number: JPH085339A
Application number: JP14057194A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nishida; 和弘西田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1994-06-22
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】膜厚計測装置の計測再現性の向上をはかる。【構成】レーザ発振器１から放射されるレーザ光をレ
ンズ７によって焦光させて対象物８の表面ａおよび該表
面に形成された膜１１の表面ｂに照射し、その各々の反
射光を第１、第２の光電子増倍管５５、５６によって検
出して膜厚を計測する膜厚計測装置であって、前記レー
ザ光の強度を検出する第３の光電子増倍管８０と、第１
の光電子増倍管の出力を第３の光電子増倍管の出力によ
って除算する除算器８１と、第２の光電子増倍管の出力
を第３の光電子増倍管の出力によって除算する除算器８
２とを具備し、第１、第２の除算器８１、８２の各出力
に基づいて膜１１の厚さを計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点走査方式レーザ
顕微鏡を用いて薄膜等の厚さを測定するのに用いて好適
な膜厚計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】共焦点走査方式レーザ顕微鏡は、従来よ
り主として半導体集積回路の製造に際してウェハーやマ
スク上に形成されたパターンの幅等の寸法を計測するの
に利用されている。

【０００３】共焦点走査方式レーザ顕微鏡の原理図を図
７（ａ）および図７（ｂ）に示す。図７（ａ）におい
て、レーザ発振器１から放射されたレーザ光２ａはミラ
ー３で反射され、レンズ４によって集光されてピンホー
ル５に通される。ピンホール５を通過したレーザ光２ａ
は、ビームスプリッタ６を透過して対物レンズ７で収束
されて、試料（ウェハーやマスクあるいはレチクル）８
に照射される。試料８の表面で反射された反射光２ｂ
は、前記ビームスプリッタ６で反射されて、ピンホール
９を通過して光電子増倍管１０によって光電変換され、
電気信号として検出される。

【０００４】このようなレーザ顕微鏡で寸法測定を行な
う時は、レーザ光２ａの焦点Ｆの位置を図７（ａ）のよ
うに膜１１と膜１１との間の面（または膜１１の表面）
の位置に合わせて固定する。そして、スキャンコントロ
ーラ１２により試料８を高周波でＸ軸方向にスキャンさ
せながら、図示しないＸＹステージでＹ軸方向にゆっく
りと移動させる。このとき、図７（ａ）のようにビーム
スポットが膜１１と膜１１との間の面を通過している時
は反射光２ｂはすべてピンホール９を通過するので、光
電子増倍管１０の出力は最も高くなる。これに対し、図
７（ｂ）のようにビームスポットが膜１１の表面を通過
している時は、反射光２ｂはピンホール９の位置でフォ
ーカスせず、その大部分がそのピンホール９により遮ら
れるので光電子増倍管１０の出力は最も低くなる。した
がって、スキャンコントローラ１２によるスキャンに同
期して光電子増倍管１０の出力に応じた輝度をテレビモ
ニタ１３上に順次描いていくことにより、膜１１の拡大
画像１４がテレビモニタ１３に映し出され、その拡大画
像１４に基づいて膜１１の幅寸法の自動計測等を高精度
で行なうことが可能となる。

【０００５】以上の原理を用いた共焦点走査方式レーザ
顕微鏡の具体例を図８を参照して説明する。図８は、米
国Ｓｉｓｃａｎ−Ｓｙｓｔｅｍｓ社の製品である共焦点
走査方式レーザ顕微鏡（商品名Ｓｉｓｃａｎ−IIＡ）の
装置構成図であって、これは、信号ケーブル１５で相互
に接続された光学モジュール１６とワークステーション
１７により構成されている。

【０００６】光学モジュール１６は、エアサスペンショ
ン１８で支持された基台１９上にＸＹステージ２０が取
り付けられ、さらにその上部にスキャナー２１が設置さ
れている。試料はスキャナー２１上に真空吸着によりチ
ャックされて保持されるようになっている。スキャナー
２１の上方にはフォーカス装置２２が配置され、レーザ
ーヘッド２３から放射されるレーザ光を対物レンズ７で
収束してスキャナー２１上の試料に照射する。そして、
レーザーヘッド２３内には前記図７（ａ）および図７
（ｂ）に示した光学系が収容されている。また、レーザ
ヘッド２３に隣接して、試料のレーザ照射位置付近の画
像を撮影するためのズームレンズ付テレビカメラ２４が
下方に向けて配設されている。さらに、基台１９の下方
には、電気回路シャーシ２５、試料をチャックするため
の真空機器等の各種インジケータ２６、レーザ用電源２
７や、試料をハンドリングしてスキャナー２１上にセッ
トするとともに、そこから取り外すためのロボットの制
御装置等が設けられている。

【０００７】一方、ワークステーション１７には、操作
盤（キーボード）２８、テレビモニタ１３、プリンタ２
９、ＣＰＵを含む制御装置３０が備えられ、前記光学モ
ジュール１６をこのワークステーション１７から操作で
きるようになっていると共に、テレビモニタ１３には、
レーザ光による観測画像とテレビカメラ２４による撮影
画像、および操作に必要なメニューなどが表示されるよ
うになっている。

【０００８】次に、図８の共焦点走査方式レーザ顕微鏡
のシステム構成を図９に示す。試料８は、ウェハー・ハ
ンドリング・ロボット３１によりスキャナー２１上に搬
送されてチャックされている。レーザ発振器１から放射
されたレーザ光２ａは、前記光学モジュール１６を介し
て対物レンズ７から試料８に照射される。そして、その
反射光２ｂは光電子増倍管１０によって光電変換され、
電気信号として検出される。

【０００９】ワークステーション１７のコンピュータ・
システム３０はバス３２を介して各部を制御する。すな
わち、ウェハーハンドラー制御部３３はウェハー・ハン
ドリング・ロボット３１を駆動して、試料８の搬出、搬
入を行なう。また、ＸＹステージモータ制御部３４は、
ＸＹステージ２０を駆動して、試料８の所望の被検査箇
所をレーザ光２ａのスキャン範囲として位置決めを行な
う。また、Ｚ軸フォーカス制御部３５は、対物レンズ７
を上下方向に動かすことにより、試料８上のパターンの
下または上に焦点を合わせる。そして、焦点があったら
対物レンズ７の高さをそこに固定する。

【００１０】スキャン制御および同期回路３６は、スキ
ャン制御としてスキャン用波形の読み出しや同期制御を
行なうものである。ライン・スキャン波形メモリ３７
は、サイン波等のスキャン用波形を記憶しており、スキ
ャン制御および同期回路３６からの指令により、記憶し
ているスキャン波形を高速（たとえば２ｋＨｚ）で読み
出す。読み出されたスキャン波形は、Ｄ／Ａコンバータ
３８でアナログ波形に変換され、アンプ３９ａを介して
スキャナー２１のアクチュエータ（ボイス・コイル・モ
ータ、圧電素子等）をＸ軸方向に駆動し、レーザ光２ａ
照射位置をスキャニングする。スキャニング速度は速度
フィードバックにより規定速度に保持されている。

【００１１】前記光電子増倍管１０の出力は、アンプ３
９ｂを介してＡ／Ｄコンバータ４０でディジタル信号に
変換される。ピクセルタイミングおよび同期回路４１
は、各走査で連続して得られる光電子増倍管１０の検出
情報とＸ軸上の位置との対応関係を取るものであって、
Ａ／Ｄコンバータ４０から順次出力されるデータに対
し、１走査ライン上のアドレスを与えてライン・スキャ
ン・ピクセル・メモリ４２に取り込む。なお、ライン・
スキャン歪みメモリ４３は、スキャン用波形と実際のス
キャナー２１の動きのずれ等を補正して、正確なパター
ンがライン・スキャン・ピクセル・メモリ４２に取り込
まれるようにするものである。

【００１２】試料８のスキャニングは、ＸＹステージ２
０のＹ軸を一定速度でゆっくり動かしながら行なわれ、
このとき、各スキャン毎にライン・スキャン・ピクセル
・メモリ４２の内容がビデオ・ディスプレイ・メモリ４
４に順次取り込まれていき、これによってＸＹ平面上の
所望の範囲のパターン画像がテレビモニタ１３上のイメ
ージモニタ４５の表示領域に表示される。また、テレビ
モニタ１３上のグラフィックモニタ４６の表示領域に
は、イメージモニタ４５上においてカーソルで指示した
Ｙ軸位置のＸ軸方向の光電子増倍管１０の検出波形が表
示される。パターン幅の計測では、イメージモニタ４５
上においてカーソルで指示した範囲について、ビデオ・
ディスプレイ・メモリ４４に記憶されているパターンの
ピクセル数をカウントし、カーソル内のＹ軸方向各位置
のカウント値を平均した値を自動演算し、その結果が数
値としてテレビモニタ１３上に表示される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体製造
工程においては、ウェハーやマスクに形成された膜の幅
寸法を計測するというような平面的な寸法の測定が要求
されるとともに、ウェハーやマスクに形成された膜の厚
さの測定が要求される場合が多くある。しかしながら、
従来のレーザ顕微鏡は、前述したように平面的な寸法の
測定に用いることはできても、厚さ方向の寸法を測定す
ることはできなかった。

【００１４】そこで、本願発明者らは、前記レーザ顕微
鏡を用いて厚さを計測する方法を考案した。前述したよ
うに、平面的な寸法の計測においては、Ｚ軸のフォーカ
ス位置を固定して計測対象物をＸ、Ｙ軸方向にスキャン
させていたのに対して、その厚さ計測方法は、厚さが測
定される計測対象物の上面および下面の２つの表面を通
過するようにフォーカス軸を移動させて、レーザ光の反
射強度が最大となる位置、いわゆるピーク位置を各表面
について求め、その差から前記計測対象物の厚さを求め
ようとするものである。

【００１５】ところが、たとえばマスクのガラス基板上
に形成されたクロムパターンの厚さを計測する場合、前
記２つの表面は上面側がクロム面、下面側がガラス面と
なり、レーザ光に対して高反射率を有するクロムと、高
透過率を有するガラスとでは、レーザ光の反射率が大き
く異なるために、反射強度を検出する光電子増倍管をど
ちらの面からの反射光にも適切な感度に設定することは
困難であった。

【００１６】したがって、計測の手順としては、例えば
クロム面からの反射光に適切な感度となるように光電子
増倍管を調整するためにフォーカス軸の移動を行い、次
に、フォーカス軸を移動させながらクロム面の反射強度
を測定する。次に、ガラス面からの反射光に対して適正
になるように光電子増倍管の調整をやり直すためにもう
一度フォーカス軸の移動を行い、そして、フォーカス軸
を移動させながらガラス面の反射強度を測定しなければ
ならなかった。

【００１７】しかしながら、このようにクロム面とガラ
ス面について各々の反射強度を求める間に、フォーカス
軸を一度移動させることによって、フォーカス軸を移動
させるためのメカニズムの位置再現精度がばらつく影響
を受けて、厚さ測定の再現性が低下するという問題があ
った。

【００１８】また、一方、レーザ発振器が放射するレー
ザ光は、レーザ発振器の出力変動やノイズにより、その
強度が変動することがある。このために、ウエハーやマ
スクに形成された膜厚を数ｎｍの精度で測定しようとし
た場合、各々の面に関して検出される反射光の強度変化
に対して、このレーザ光の強度変動がノイズ成分となっ
て測定の再現性が低下するという問題がある。

【００１９】本発明は、前記の課題を解決するためにな
されたものであって、膜厚計測の再現精度を低下させる
ことなく膜厚を測定することのできる膜厚計測装置を提
供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の膜厚計測
装置は、前記の問題点を解決するために、対象物の表面
および該表面に形成された膜にレーザ光を照射し、その
結果得られる反射光の強度を検出することにより前記膜
の厚さを計測する膜厚計測装置であって、レーザ光を放
射するレーザ発振器と、前記対象物の表面ａおよび該表
面に形成された膜の表面ｂの各々についてレーザ光を焦
光させるレンズと、前記ａおよびｂについて各々検出す
る第１の光電子増倍管と、前記レーザ光の強度を検出す
る第２の光電子増倍管と、前記第１の光電子増倍管の出
力を前記第２の光電子増倍管の出力によって除算する除
算器とを具備し、前記ａおよびｂの各々に対応した前記
除算器の各出力に基づいて、前記膜の厚さを計測するこ
とを特徴とする。

【００２１】請求項２記載の膜厚計測装置は、前記の問
題点を解決するために、対象物の表面および該表面に形
成された膜にレーザ光を照射し、その結果得られる反射
光の強度を検出することにより前記膜の厚さを計測する
膜厚計測装置であって、レーザ光を放射するレーザ発振
器と、前記対象物の表面ａまたは該表面に形成された膜
の表面ｂの各々についてレーザ光を焦光させるレンズ
と、前記ａについて反射光の強度を検出する第１の光電
子増倍管と、前記ｂについて反射光の強度を検出する第
２の光電子増倍管と、前記レーザ光の強度を検出する第
３の光電子増倍管と、前記第１の光電子増倍管の出力を
前記第３の光電子増倍管の出力によって除算する第１の
除算器と、前記第２の光電子増倍管の出力を前記第３の
光電子増倍管の出力によって除算する第２の除算器とを
具備し、前記ａに対応した前記第１の除算器の出力およ
び前記ｂに対応した前記第２の出力に基づいて、前記膜
の厚さを計測することを特徴とする。

【００２２】

【作用】請求項１記載の膜厚計測装置によれば、対象物
の表面ａと該対象物の表面に形成された膜の表面ｂに関
する情報を検出する第１の光電子増倍管の出力を第２の
光電子増倍管の出力によって除算し、第１の光電子増倍
管の出力に含まれるノイズ成分が除去される。

【００２３】請求項２記載の膜厚計測装置によれば、レ
ーザ光の反射率が対象物の表面ａと該対象物の表面に形
成された膜の表面ｂとで大きく異なっている場合におい
ても、対象物の表面ａと該対象物の表面に形成された膜
の表面ｂに関する情報を各々検出する第１、第２の光電
子増倍管の出力に含まれるノイズ成分が除去される。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５を参照
して説明する。なお、本実施例の膜厚計測装置は、前述
した従来の共焦点走査方式レーザ顕微鏡を基本として、
その本体に後述する１／４波長板、およびビームスプリ
ッタを付加し、３つの光電子増倍管を備えた構成のもの
である。

【００２５】図１は、本実施例の膜厚計測装置における
光学系を示す図である。図において、符号１はレーザ発
振器、４７、４８、４９、５８はターニングミラー、５
０は本体用ビームスプリッタ、５１はビームエキスパン
ダ、５２はコリメータレンズ、７は対物レンズである。

【００２６】また、図２は、本実施例の膜厚計測装置に
おけるノイズキャンセル処理のブロック図である。図に
おいて、８１は第１の除算器、８２は第２の除算器であ
る。

【００２７】以上の各機器の構成は、従来の共焦点走査
方式レーザ顕微鏡におけるものと同様であるが、図１に
示すように、本実施例においては前記各機器が備えられ
た共焦点走査方式レーザ顕微鏡本体７０に加えて、１／
４波長板（分離器）５３、分離用ビームスプリッタ（分
離器）５４、第１、第２の光電子増倍管５５、５６、お
よび第３の光電子増倍管８０が設置されている。前記１
／４波長板５３は、本体用ビームスプリッタ５０からの
反射光２ｂの光路上に設置されており、１／４波長板移
動機構５７と接続されて光路内外への出し入れが自在と
されている。また、この１／４波長板５３の後段には分
離用ビームスプリッタ５４が設置されている。そして、
前記分離用ビームスプリッタ５４の反射光２ｃの光路上
には第１の光電子増倍管５５が設置され、分離用ビーム
スプリッタ５４の透過光２ｄの光路上にはターニングミ
ラー５８を介して第２の光電子増倍管５６が設置されて
いる。また、レーザ発振器１から出射されたレーザ光２
ａが前記本体用ビームスプリッタ５０によって反射され
た反射光２ｅの光路上には第３の光電子増倍管８０が設
置されている。

【００２８】前記１／４波長板５３は、人工水晶製の複
数の板体が貼り合わされたものであって、その内部にレ
ーザ光を透過させてレーザ光の偏光状態を直線偏光から
円偏光（互いに直交する偏光成分を等しく持つ偏光状
態）に変換させる偏光素子である。なお、１／４波長板
５３は、人工水晶製の１枚の板体からなるものでもよ
い。一方、前記分離用ビームスプリッタ５４は、直線偏
光のレーザ光に対してはこの全部を反射、または透過
（偏光方向による）させるが、円偏光のレーザ光に対し
てはこの１／２を反射させ残りの１／２を透過させると
いった作用を持つ偏光プリズムである。なお、本実施例
の光学系においては、レーザ発振器１から出射されたレ
ーザ光２ａが試料８で反射されて前記１／４波長板５３
に入射されるまでの間に、図示しない他の偏光素子を透
過することによって偏光状態が調整され、１／４波長板
５３に入射される時点では反射光２ｂは直線偏光になっ
ている。

【００２９】したがって、本実施例を従来のレーザ顕微
鏡として使用するときには、前記１／４波長板５３を光
路外に出しておけば反射光２ｂは直線偏光のまま分離用
ビームスプリッタ５４に入射され、ここでレーザ光の全
部が第１の光電子増倍管５５に向けて反射されてパター
ン画像を作り出し、パターン幅の計測を行なうことがで
きる。また、本実施例を厚さ計測装置として使用すると
きには、１／４波長板５３を光路内に入れておけば反射
光２ｂは直線偏光から円偏光に変換されて分離用ビーム
スプリッタ５４に入射されるので、レーザ光の１／２は
分離用ビームスプリッタ５４によって第１の光電子増倍
管５５に向けて反射され、残りの１／２は分離用ビーム
スプリッタ５４を透過して第２の光電子増倍管５６に入
射されて、反射光の反射強度がそれぞれ検出されるよう
になっている。

【００３０】また、レーザ光２ａは、本体用ビームスプ
リッタ５０によって反射されて第３の光電子増倍管８０
に入射され、レーザ発振器１の出力変動やノイズによる
強度変動が検出されるようになっている。

【００３１】上記第１の電子増倍管５５、第２の光電子
増倍管５６、および第３の光電子増倍管８０の出力信号
は、アンプによって増幅された後、図２に示すようなノ
イズキャンセル処理が施される。第１の除算器８１は、
アナログ除算回路によって構成され、第１の電子増倍管
５５の出力を第３の光電子増倍管８０の出力によって除
算し、この除算した信号をサンプリングしてデジタル信
号に変換するＡ／Ｄコンバータに供給する。また、第２
の除算器８２も第１の除算器８１と同様に構成され、第
２の電子増倍管５６の出力を第３の光電子増倍管８０の
出力によって除算し、この除算した信号をサンプリング
してデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータに供給す
る。

【００３２】ここで、図３を用いて厚さ計測を行なう際
の原理を説明する。ここでは、基板（たとえばマスクや
ウェハー）５９上に形成された対象物（たとえばパター
ン）６０の厚さｄを測定するものとする。図３（ａ）に
示したように、対象物６０上のＡ位置と対象物６０を外
れたＢ位置とで、対物レンズ７をフォーカス軸方向（Ｚ
軸方向）にそれぞれ移動させる。このとき得られるレー
ザ光の反射強度は図３（ｂ）に示すようになり、Ｚ軸上
のピーク位置がＡ位置とＢ位置とで異なる。Ａ位置での
ピーク６１は対象物６０の表面によるものであり、Ｂ位
置でのピーク６２は基板５９の表面によるものである。
そこで、このピーク位置の差が対象物６０の厚さｄとし
て求められることになる。

【００３３】しかしながら、マスクを試料としてガラス
基板上に形成されたクロムパターンの厚さを測定する場
合などでは、前記Ａ位置、すなわちクロム面上と、前記
Ｂ位置、すなわちガラス面上とではレーザ光の反射率が
大きく異なり、クロム面の反射率の方が非常に高いの
で、実際の計測においては、前述した図３（ｂ）のよう
に２つのピーク６１、６２が同程度の高さで検出できる
わけではなく、たとえば、図３（ｃ）あるいは図３
（ｄ）のようになり、片方のピークしか検出できないこ
とになる。そこで、各計測位置毎の反射率に応じた感度
で検出できるように２つの光電子増倍管が必要となるわ
けである。

【００３４】ここで、図２を参照して、上述するように
第１の電子増倍管５５の出力および第２の電子増倍管５
６の出力を第３の光電子増倍管８０の出力でそれぞれ除
算することによって、試料８の表面に形成された膜の厚
さ情報を示す第１の光電子増倍管５５と第２の光電子増
倍管５６の各々の出力信号に含まれるノイズ成分が除去
される原理について詳しく説明する。

【００３５】いま、第３の光電子増倍管８０が出力する
信号をＡ、第１の光電子増倍管５５が出力する信号を
Ｂ、第２の光電子増倍管５６が出力する信号をＣ、そし
て第１の除算器８１が出力する信号をＤ、第２の除算器
８２が出力する信号をＥとする。出力信号Ａは、光源で
あるレーザ発振器１の出力するレーザ光２ａを直接第３
の光電子増倍管８０によって光電変換して得られた信号
であり、レーザ発振器１による強度変動成分を含んでい
る。一方、信号Ｂおよび信号Ｃは、レーザ発振器１が出
力したレーザ光２ａを試料８に照射し、このレーザ光２
ａが試料８の表面に形成された膜の反射率の差によって
強度変化を受けた反射光２ｂを各々第１の光電子増倍管
５５と第２の光電子増倍管５６とによって光電変換して
得られた信号である。したがって、信号Ｂおよび信号Ｃ
は、試料８の表面に形成された膜の反射率による強度変
化成分に、光源であるレーザ発振器１の出力変動やノイ
ズによって生じる強度変動成分が重畳された形で含まれ
ている。

【００３６】以上のことから、第１の光電子増倍管５５
によって得られる試料８の表面に形成された膜の反射率
による強度変化成分をＦ、また第２の光電子増倍管５６
によって得られる試料８の表面に形成された膜による強
度変化成分をＧとすると、信号Ｂは（Ａ×Ｆ）また信号
Ｃは（Ａ×Ｇ）として表される。したがって、第１の光
電子増倍管５５が出力する信号Ｂを第３の光電子増倍管
８０が出力する信号Ａにより除算することによって、第
１の除算器８１が出力する信号Ｄは、Ｄ＝（Ａ×Ｆ）／Ａ＝Ｆとして表され、また第２の光電子増倍管５６が出力する
信号Ｃを第３の光電子増倍管８０が出力する信号Ａによ
り除算することによって、第２の除算器８２が出力する
信号Ｅは、Ｅ＝（Ａ×Ｇ）／Ａ＝Ｇとして表される。このようにして、光源であるレーザ発
振器１の出力変動やノイズによって生じる強度変動成分
が除去されて、試料８の表面に形成された膜による強度
変化成分ＦおよびＧのみが出力される。

【００３７】次に、前記の計測原理を利用して、厚さ計
測を行なう際の具体的な手法の一例について説明する。
この例における測定対象物は、前記と同様にマスクのガ
ラス基板６３上に形成されたクロムパターン６４とす
る。図４は、厚さ計測を行なう手順の流れを示したもの
であるが、以下、これに基づいて説明する。

【００３８】（１）試料８における厚さ計測箇所を含
む所定範囲のＸ、Ｙ２次元の画像を通常のパターン幅測
定時と同様の方法で作成する。この際には、Ｘ軸方向に
レーザ光をスキャニングさせつつ、Ｙ軸方向にＸＹステ
ージ２０を定速移動させて１０００〜１６０００倍の倍
率のＸ、Ｙ２次元の画像を得るようにする。なお、この
時点ではＺ軸（フォーカス軸）は一定の位置に固定した
ままにしておくとともに、１／４波長板５３は光路外へ
出しておく。

【００３９】（２）図５に示したように、前記Ｘ、Ｙ
２次元の画像上に２つのカーソル６５、６６を表示させ
て、厚さ計測を行なう箇所、すなわちクロムパターン６
４上の所定の箇所（Ａ位置）およびガラス基板６３上の
所定の箇所（Ｂ位置）をオペレータが指定する。

【００４０】（３）ＸＹステージ２０を前記指定箇所
に移動させる。この際には、ＸＹステージ制御回路がＹ
軸を制御して、カーソル６５、６６で指示されたＹ軸位
置でレーザ光のＸ軸方向のスキャンが行なわれるように
ＸＹステージ２０の位置決めを行なう。

【００４１】（４）１／４波長板５３を光路内に移動
させ、第１の光電子増倍管５５、第２の光電子増倍管５
６それぞれにレーザ光が入射されるようにする。

【００４２】（５）第１の光電子増倍管５５において
Ａ位置に対するコントラスト調整、すなわちクロムパタ
ーン６４からの反射光に対する感度調整を行ない、Ａ位
置からの信号を飽和しない程度に大きくして感度よく検
出できるようにする。この感度調整は、具体的には第１
の光電子増倍管５５の入力電圧を調整することにより行
なわれるものであって、たとえば入力電圧を７００Ｖと
設定する。なお、このとき、Ｂ位置からの信号に対して
は感度が低くなりすぎて検出が困難になってもよい。

【００４３】（６）（５）と同様に、第２の光電子増
倍管５６においてＢ位置に対するコントラスト調整、す
なわちガラス基板６３からの反射光に対する感度調整を
行ない、Ｂ位置からの信号を飽和しない程度に大きくす
る。ここでは、第２の光電子増倍管５６の入力電圧をた
とえば１０００Ｖと設定する。なお、このとき、Ａ位置
からの信号に対しては感度が高くなりすぎて飽和してし
まってもよい。

【００４４】（７）第３の光電子増倍管８０において本
体用ビームスプリッタ５０によって反射される反射光に
対する感度調整を行い、出力信号が飽和しないよう程度
に大きくして、反射光に含まれる振幅変動を感度よく検
出できるようにする。

【００４５】（８）Ｚ軸のフォーカス位置をクロム面
の上方の、反射強度のデータ収集を行なう最も高い位置
Ｚmax まで移動させる。ただし、この説明に用いるフォ
ーカス位置を表わす記号Ｚは、フォーカスの位置の高さ
を表わすのではなく、フォーカスを移動させるステップ
数を表わすものとする。

【００４６】（９）第１の除算器８１により、第１の光
電子増倍管５５の出力信号を第３の光電子増倍管８０の
出力信号で除算し、第１の光電子増倍管５５の出力信号
に含まれるレーザ光２ａの振幅変動を除去する。また、
第２の除算器８２により、第２の光電子増倍管５６の出
力信号を第３の光電子増倍管８０の出力信号で除算し、
第２の光電子増倍管５６の出力信号に含まれるレーザ光
２ａの振幅変動を除去する。

【００４７】（１０）Ｘ軸方向のスキャニングを行な
い、第１の光電子増倍管５５の出力信号のうちＡ位置に
対応するデータをサンプリングして、Ａ位置近傍の一定
領域内のデータを平均処理し、その値をＺmax における
Ａ位置の反射強度とする。またそれと同時に、第２の光
電子増倍管５６の出力信号のうちＢ位置に対応するデー
タをサンプリングして、Ｂ位置近傍の一定領域内のデー
タを平均処理し、その値をＺmax におけるＢ位置の反射
強度とする。

【００４８】（１１）Ｚ軸を移動させてフォーカスの
位置を前回より１０ｎｍだけ低い位置に設定し直す。な
お、この移動距離は測定の再現性が良い４〜１６ｎｍの
範囲で設定するのが望ましい。

【００４９】（１２）前記フォーカスの位置が、デー
タ収集を行なう最も低い位置Ｚmin に達するまで
（８）、（９）の手順を繰り返す。

【００５０】（１３）フォーカスの位置がＺmin に達
したらスキャニングを終了する。そこで、この時点にお
いては、各データによって図６（ａ）に示したような反
射強度のピークをもつ２つの曲線６７、６８を得ること
ができる。

【００５１】（１４）前記２つの曲線６７、６８のそ
れぞれのピークの頂点、すなわち反射強度の最大点のフ
ォーカス位置を求め、それぞれＺ₁ 、Ｚ₂ とする。

【００５２】（１５）（１２）で求めたＺ₁ 、Ｚ₂ は
１０ｎｍ間隔の離散的なデータであるので、精度を向上
させるために補間処理を行なう。すなわち、図６（ｂ）
に示したように、ピーク位置Ｚ₁ とその前後の位置Ｚ₁
−１、Ｚ₁ ＋１におけるデータの３点から２次曲線６９
を求め、その２次曲線６９のピーク位置を改めてＺ₁´
として求める。また同様にして、Ｚ₂´ を求める。

【００５３】（１６）Ｚ₁´、Ｚ₂´の位置の差を求め
る。ただし、前述したように、Ｚ₁´、Ｚ₂´自体はステ
ップ数を示しているので、距離を算出する際にはＺ
₁´、Ｚ₂´の差にステップサイズΔＺ、この場合は１０
ｎｍを掛ける必要がある。すなわち、Ｚ₁´、Ｚ₂´間の
距離Ｗは、Ｗ＝ΔＺ×（Ｚ₁´−Ｚ₂´）として求めることができる。

【００５４】（１７）測定対象物の材料の違いや構造
による補正係数ｃ、ｄを用いて最終的な計測結果を求め
る。すなわち、厚さ計測値Ｗ₁ は、Ｗ₁ ＝ｃ×Ｗ＋ｄとなる。なお、ｃ、ｄの値は各測定対象物に応じてオペ
レータが入力するが、この例の場合を含めて通常はｃ＝
１．０、ｄ＝０である。

【００５５】（１８）以上のようにして求められた計
測結果Ｗ₁ をクロムパターン６４の厚さとしてテレビモ
ニタ１３上のグラフィックモニタ４６領域に表示する。

【００５６】前述したように、本実施例による膜厚計測
装置によれば、第１の光電子増倍管５５、第２の光電子
増倍管５６がそれぞれクロム面、およびガラス面の反射
率に応じて反射強度のピークが適度に大きくなるように
感度調整されているので、双方の光電子増倍管５５、５
６からのデータを合わせれば２つのピーク位置を確実に
検出することができる。したがって、データ収集の際に
フォーカス軸の移動を１回だけ行なえばよいので、従来
の膜厚計測方法の欠点である、フォーカス軸の動作を２
回行なうためにフォーカス軸を動作させるメカニズムの
位置再現性がばらつく影響を受けて、膜厚測定の再現性
が低下するという問題点を解決することができる。

【００５７】また、共焦点走査方式レーザ顕微鏡本体７
０に備えられたレーザ発振器１の出力変動やノイズによ
って生じるレーザ光２ａの強度変動のために、第１の光
電子増倍管５５の出力および第２の光電子増倍管５６の
出力に含まれるノイズ成分は、レーザ光２ａの振幅変動
を検出する第３の光電子増倍管８０の出力信号で除算さ
れることにより除去される。これによって、膜厚測定の
再現性が向上する。

【００５８】さらに、膜厚計測装置の構成が、従来の共
焦点走査方式レーザ顕微鏡本体に、１／４波長板（１／
４波長板移動機構５７を含む）５３、分離用ビームスプ
リッタ５４、光電子増倍管を追加するのみで実現できる
ものであるので、装置自体を容易に製作することができ
る。さらに、１／４波長板５３を移動させるだけで従来
通りのパターン幅計測装置としての使用と、膜厚計測装
置としての使用の変更が可能であり、また１／４波長板
５３、分離用ビームスプリッタ５４、１／４波長板移動
機構５７のかわりにハーフミラーを設置することによ
り、非常にコンパクトなシステム構成が可能となる。

【００５９】また、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、各部の具体的な構成において種々の設計的
な変更を行ない得ることは勿論である。

【００６０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
る膜厚計測装置によれば、以下のような優れた効果を奏
する。

【００６１】（１）レーザ光の反射光が分離器によって
分離され第１、第２の光電子増倍管に入射されるととも
に、各光電子増倍管は、対象物の表面と該対象物の表面
に形成された膜の表面の反射率に応じてその感度が異な
るように設定されているので、上記各面におけるそれぞ
れの反射強度のピーク位置を測定する間にフォーカス軸
の移動を行わなくてもよい。したがって、フォーカス軸
の移動における位置再現性がばらつく影響を受けること
もなく、測定の再現性を向上させることができる。

【００６２】（２）第１の除算装置により前記第１の光
電子増倍管の出力は第３の光電子増倍管の出力によって
除算され、第２の除算装置により前記第２の光電子増倍
管の出力は第３の光電子増倍管の出力によって除算され
ることにより、共焦点走査方式レーザ顕微鏡本体に備え
られたレーザ発振器が照射するレーザ光の強度変動によ
るノイズ成分が除去される。したがって、厚さ測定にお
ける測定の再現性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の膜厚計測装置の光学系の一実施例を示
す図である。

【図２】本発明の膜厚計測装置のノイズキャンセル処理
のブロック図である。

【図３】本発明の膜厚計測装置における厚さ計測の原理
を示す図である。

【図４】前記実施例を用いた膜厚計測の手順を示すフロ
ー図である。

【図５】膜厚計測における計測位置を設定するテレビモ
ニタ画面を示す正面図である。

【図６】レーザ光の反射強度曲線の一例を示す図であ
る。

【図７】共焦点走査方式レーザ顕微鏡の原理を示す図で
ある。

【図８】共焦点走査方式レーザ顕微鏡の具体例を示す正
面図である。

【図９】同例におけるシステム構成を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器７レンズ８試料１１膜５３１／４波長板（分離器）５４分離用ビームスプリッタ（分離器）５５第１の光電子増倍管５６第２の光電子増倍管６３ガラス基板６４クロムパターン７０共焦点走査方式レーザ顕微鏡本体８０第３の光電子増倍管８１第１の除算器８２第２の除算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物の表面および該表面に形成された
膜にレーザ光を照射し、その結果得られる反射光の強度
を検出することにより前記膜の厚さを計測する膜厚計測
装置であって、レーザ光を放射するレーザ発振器と、前記対象物の表面ａおよび該表面に形成された膜の表面
ｂの各々についてレーザ光を焦光させるレンズと、前記ａおよびｂについて各々検出する第１の光電子増倍
管と、前記レーザ光の強度を検出する第２の光電子増倍管と、前記第１の光電子増倍管の出力を前記第２の光電子増倍
管の出力によって除算する除算器とを具備し、前記ａおよびｂの各々に対応した前記除算器の各出力に
基づいて、前記膜の厚さを計測することを特徴とする膜
厚計測装置。
【請求項２】対象物の表面および該表面に形成された
膜にレーザ光を照射し、その結果得られる反射光の強度
を検出することにより前記膜の厚さを計測する膜厚計測
装置であって、レーザ光を放射するレーザ発振器と、前記対象物の表面ａまたは該表面に形成された膜の表面
ｂの各々についてレーザ光を焦光させるレンズと、前記ａについて反射光の強度を検出する第１の光電子増
倍管と、前記ｂについて反射光の強度を検出する第２の光電子増
倍管と、前記レーザ光の強度を検出する第３の光電子増倍管と、前記第１の光電子増倍管の出力を前記第３の光電子増倍
管の出力によって除算する第１の除算器と、前記第２の光電子増倍管の出力を前記第３の光電子増倍
管の出力によって除算する第２の除算器とを具備し、前記ａに対応した前記第１の除算器の出力および前記ｂ
に対応した前記第２の出力に基づいて、前記膜の厚さを
計測することを特徴とする膜厚計測装置。