JPH1047925A - 膜厚測定方法、膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物である膜の特性や厚さ等による制約
が小さく、測定可能範囲が広い膜厚測定方法を提供する
こと。 【解決手段】 被測定物であるレジスト膜３及び基材２
の表面にて全反射しうる入射角度θに設定された光を、
レジスト膜３と基材２とがなす段差部Ｄ1 の周囲に照射
する。その反射光を受光する面にできるギャップＴの大
きさに基づいて、レジスト膜３の厚さＨを求める。この
場合、使用される光はレーザ光であることがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜厚測定方法、膜
厚測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に半導体製造プロセスにおいて
は、基材等の表面に回路パターン等を形成する際の前段
階として、レジスト等に代表される各種の膜が形成され
る。また、このような膜の厚さは、回路パターンの形成
精度等に影響するものであるため、極力正確に測定され
ることが望ましい。

【０００３】膜の厚さを測定する従来の手法を分類する
と、接触法と無接触法とに大別される。しかしながら、
例えば被測定物が硬化前の透明な液体レジスト等である
ような場合には、プローブに膜が付着する等の問題があ
るため、接触法の使用が困難である。よって、かかる場
合の膜厚測定には、無接触法が適しているものと考えら
れている。なお、無接触法とは、例えば光の干渉を利用
した測定装置を用いる方法（光干渉法）や、静電容量の
変化を利用した測定装置を用いる方法（静電容量法）な
どを指す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、無接触式の
従来手法にも以下のような問題がある。光干渉法では、
測定可能な膜厚の範囲が光の波長程度に限定されてしま
う。従って、光波長よりも数オーダー大きな液体レジス
ト（厚さ数十μｍ）等の膜厚測定は不可能である。ま
た、膜の表面が高度に平滑であることも要求される。

【０００５】静電容量法では、膜に対して電極を正確に
近接させること等が困難となるため、逆に厚さ数十μｍ
以下での膜厚測定には不向きとなる。本発明は上記の課
題を解決するためなされたものであり、その目的は、被
測定物である膜の特性や厚さ等による制約が小さく、測
定可能範囲が広い膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明では、被測定物である膜及
び基材の表面にて反射しうる入射角度に設定された光
を、前記膜と前記基材とがなす段差の周囲に照射し、そ
の反射光を受光する面にできるギャップの大きさに基づ
いて前記膜の厚さを求めることを特徴とした膜厚測定方
法をその要旨とする。

【０００７】請求項２に記載の発明は、被測定物である
膜及び基材の表面にて反射しうる入射角度で光を照射す
る光照射手段と、前記膜と前記基材とがなす段差の周囲
において反射した光を受光する受光手段と、前記受光手
段の受光面にできるギャップの大きさを測定し、それに
基づいて演算を行うことにより、前記膜の厚さを算出す
る演算手段とを備えた膜厚測定装置をその要旨とする。

【０００８】以下、本発明の「作用」を説明する。請求
項１に記載の発明は、光をプローブとする非接触式の測
定方法であるため、接触式の測定方法に比べて連続測定
に向いている。また、この方式であると被測定物である
膜の特性、例えば膜の硬化・未硬化の如何を問わず膜厚
測定を実施することが可能である。ゆえに、接触法に比
べて測定可能範囲が広くなる。なお、未硬化状態での膜
厚測定が可能になることにより、膜の剥離や修正等の作
業が従来に比べて容易になる。

【０００９】さらに、本発明は膜によって光を反射させ
る手法（より好ましくは光を全反射させる手法）である
ため、干渉による従来の手法とは異なり、光の波長によ
る制約を受けることはない。また、膜が透明であっても
不透明であっても測定が可能であること等から、干渉法
に比べて膜の測定可能範囲が広くなる。従って、数十μ
ｍ程度の膜の厚さも確実に測定することができる。

【００１０】また、請求項１に記載の発明において光を
レーザ光に限定すれば、光の集光性や直進性に優れた、
より高い測定精度を得ることができる。さらにまた、請
求項１に記載の発明において光を赤外線または遠赤外線
領域の波長のレーザ光に限定すれば、例えば被測定物で
ある膜が紫外線によって感光する性質を有するものであ
ったとしても、赤外線レーザ光であればその膜を硬化さ
せてしまうようなことはない。ゆえに、感光性の有無を
問わず膜厚を測定することができ、測定可能範囲がより
いっそう広くなる。

【００１１】請求項２に記載の発明によると、光照射手
段の光が膜及び基材とがなす段差の周囲に照射される
と、その光は膜及び基材の表面において反射し、その反
射した光は受光手段の受光面に投影される。このとき受
光面にできたギャップの大きさを演算手段が測定し、そ
れに基づいて膜の厚さが算出される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を膜厚測定装置１を
備える自動レジスト形成システムに具体化した一実施形
態を図１〜図５に基づき詳細に説明する。

【００１３】図１に示されるように、この自動レジスト
形成システムは、基材２に対して紫外線感光性の液体レ
ジストのワニスを塗布した後、得られたレジスト膜３の
厚さを未硬化の状態で連続的にかつ自動的に測定するも
のである。

【００１４】搬送手段である一対のベルトコンベア４
は、基材２を水平方向に搬送する。このベルトコンベア
４の搬送経路の途中には、塗布手段としてのロールコー
タ５が設置されている。このロールコータ５は、上部ロ
ール６と下部ロール７とからなり、両ロール６，７はベ
ルトを挟むようにして上下に並んで配置されている。そ
して、基材２がこれらのロール６，７間を通過すると
き、基材２の上面に液体レジストのワニスが数十μｍほ
ど塗布されるようになっている。なお、ロール６，７の
幅は基材２の一片の長さよりも短いことから、基材２の
両側にはワニスが塗布されない領域ができる。図２に示
されるように、ワニスの塗布によって得られるレジスト
膜３は、断面略台形状となる。そして、基材２とレジス
ト膜３とによって段差Ｄ1 ができる。

【００１５】前記ロールコータ５の後段には、膜厚測定
装置１が設置されている。本実施形態の膜厚測定装置１
は、光照射手段としての赤外線レーザ光源８、受光手段
としてのＣＣＤカメラ９、演算手段としてのコンピュー
タ１０等によって構成されている。

【００１６】赤外線レーザ光源８及びＣＣＤカメラ９
は、図１（ａ），図１（ｂ）に示されるように、ベルト
コンベア４の搬送面よりも高い位置において、同ベルト
コンベア４を挟んで対峙している。

【００１７】赤外線レーザ光源８は、透明なレジスト膜
３の表面及び基材２の表面にて全反射しうるような入射
角度θで赤外線レーザ光を照射する（図２参照）。この
場合、図示しないレーザ光操作手段によりビーム状の赤
外線レーザ光をスキャニングすることにより、段差Ｄ1
の周囲にレーザ光を照射してもよい。ただし、レーザ光
の入射角度θは常に一定に保持されるべきである。ま
た、スポット光の固定照射でもよい。あるいは、スリッ
ト光を段差Ｄ1 の周囲に照射してもよい。

【００１８】図３に示されるように、ＣＣＤカメラ９の
前面中央部には、ＣＣＤ素子１１が配設されている。こ
のＣＣＤ素子１１は、レジスト膜３と基材２とがなす段
差Ｄ1 の周囲において反射したレーザ光を受光し、かつ
その撮像信号をケーブル１２を介してコンピュータ１０
に出力する。また、受光面であるＣＣＤ素子１１の表面
は、実際上は前記入射角度θと同じ角度だけ傾斜してい
る（図４参照）。コンピュータ１０は、撮像信号に基づ
いて所定の演算を行い、レジスト膜３の厚さを算出す
る。なお、ＣＣＤカメラ９においてＣＣＤ素子１１の表
面以外の部分は、乱反射等に起因する測定精度の低下を
防止するために、黒色で覆われていることが好ましい。

【００１９】さて、図３，図４に示されるように、段差
Ｄ1 の周囲において反射された光がＣＣＤ素子１１の表
面に投影されると、その投影された画像の一部にはギャ
ップＴができる。ここでいうギャップＴとは、レーザ光
が投影されることによってできた線分のうち不連続にな
った部分のことを指す（図５参照）。このようなギャッ
プＴが生じるのは以下の理由による。つまり、レーザ光
は所定の入射角度θをもって入射することから、レジス
ト膜３のエッジの影となる部分には当該レーザ光が当た
らないことがわかる。従って、この不照射部分に対応す
る分だけレーザ光が反射せず、結果として受光面に上記
のギャップＴができる。

【００２０】このようなギャップＴの大きさは、前記撮
像信号に基づいてコンピュータ１０が測定する。そし
て、コンピュータ１０は次式１に基づいて膜厚Ｈの値を
算出する。

【００２１】Ｈ＝Ｔ cosθ …（１） 即ち、図４において直角二等辺三角形を仮想した場合、
その三角形の斜辺の大きさがちょうど前記ギャップＴの
大きさに相当するものとなる。ゆえに、その cosθを考
えれば、その値がまさにレジスト膜３の厚さとなる。そ
して、本実施形態の膜厚測定装置１によると、以上のよ
うな演算処理により膜厚Ｈが算出されるようになってい
る。

【００２２】以下、本実施形態において特徴的な作用効
果を列挙する。 （イ）この実施形態の膜厚測定装置１は、光をプローブ
とする非接触式の測定方法を行うものであるため、接触
式の測定方法を行う従来装置に比べて連続測定に向いて
いる。また、この方式であると、被測定物であるレジス
ト膜３の特性、即ちここではレジスト膜３の硬化・未硬
化の如何を問わず膜厚測定の実施が可能となる。ゆえ
に、接触法に比べて測定可能範囲が確実に広くなる。な
お、未硬化状態での膜厚測定が可能になることにより、
レジスト膜３の剥離や修正等の作業が従来に比べて容易
になる。

【００２３】（ロ）本実施形態の膜厚測定装置１はレジ
スト膜３等によって光を全反射させる手法を採用したも
のであるため、干渉による手法を採用した従来装置とは
異なり、光の波長による制約を受けることはない。

【００２４】（ハ）また、レジスト膜３が透明であって
も不透明であっても測定が可能であること等から、干渉
法に比べて膜３の測定可能範囲が広くなる。従って、一
般的に使用されるレジスト膜３のように、膜厚が数十μ
ｍ程度のものであっても確実に測定することができる。
勿論、それよりも膜厚が小さかったり、逆に膜厚が大き
かったりした場合でも測定が可能である。

【００２５】（ニ）本実施形態の膜厚測定装置１では、
プローブとしてレーザ光を使用しているため、普通の光
を使用した場合に比べて集光性や直進性に優れたものと
なっている。ゆえに、ギャップＴが受光面に正確に投影
されることとなり、結果としてより高い測定精度を得る
ことができる。加えて、レーザ光のうちでも赤外線レー
ザ光を用いていることから、本実施形態のように紫外線
感光性のレジスト膜３を選択したときでも、それを硬化
させてしまうことがない。ゆえに、感光性の有無を問わ
ず膜厚を測定することができ、結果として測定可能範囲
がよりいっそう広くなる。

【００２６】なお、本発明は例えば次のように変更する
ことが可能である。 （１）実施形態のような透明かつ液状のレジスト膜３以
外のものであっても、本発明の装置１による膜厚測定が
可能である。その例をいくつか示す。

【００２７】図６に示される例では、基材２に形成され
たキャビティ２１の深さを測定せんとしている。この場
合においても、キャビティ２１の縁部の周囲に照射され
たレーザ光が反射すると、受光面に実施形態と同じよう
なギャップＴができる。

【００２８】図７に示される例では、基材２に対するパ
ッド２２，２３の水平度を測定せんとしている。この場
合において、例えば右側のパッド２３と基材２とがなす
段差Ｄ1 の周囲に照射されたレーザ光が反射すると、受
光面に実施形態と同じようなギャップＴができる。そし
て、このようなギャップＴに基づく高さ測定をパッド２
３の複数地点にて行い、その測定値を比較すると、ばら
ついた測定値が得られる。従って、前記パッド２３は水
平でないということがわかる。左側のパッド２について
同様のことを行った場合には、上記の場合とは異なりほ
ぼ同じ測定値が得られる。従って、前記パッド２３は水
平であるということがわかる。

【００２９】図８に示される例では、平坦な基材２に代
えて、回転体２４の周面に形成された膜２５の厚さを測
定せんとしている。この場合においても、回転体２４と
膜２５とがなす段差Ｄ1 の周囲に照射されたレーザ光が
反射すると、受光面に実施形態と同じようなギャップＴ
ができる。

【００３０】（２）例えば受光面を拡大鏡等により拡大
し、目視により直接ギャップＴの大きさを計測し、それ
に基づいて膜厚Ｈを求めてもよい。即ち、コンピュータ
１０やＣＣＤカメラ９を省略した構成とすることも可能
である。この場合、受光面にスケール等を形成しておい
てもよい。

【００３１】（３）ロールコータ５に代えて、例えばカ
ーテンコータ等を配設した構成としてもよい。また、こ
の種の塗布手段のように塗布領域と未塗布領域とが明確
に表れるものに限定されず、スピンコータ、ディップコ
ータ、スプレーコータ等を使用することも可能である。
この場合、基材２のほぼ全面にワニスを塗布した後にス
クレーパ等で部分的にワニスを掻き取り、その結果形成
された段差Ｄ1 部分についてレーザ光の照射を行えばよ
い。なお、このような掻き取りを行う箇所は、基材２の
両側部に限定されることはなく、中央部であってもよ
い。

【００３２】（４）被測定物が感光性を有するものでな
ければ、赤外線レーザ光に代えて紫外線レーザ光を使用
しても構わない。さらにはレーザ光でない普通の可視光
線、紫外線、赤外線等を使用してもよい。

【００３３】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 被測定物及び基材の表面にて反射しうる入射角
度に設定された光を、前記被測定物と前記基材とがなす
段差の周囲に照射し、その反射光を受光する面にできる
ギャップの大きさに基づいて前記被測定物の前記基材に
対する水平度を求めることを特徴とした水平度測定方
法。この方法であると、確実に被測定物の水平度を測定
することができる。

【００３４】（２） 基材を搬送する搬送手段と、前記
基材にレジスト膜形成用ワニスを塗布する塗布手段と、
その塗布手段の後段に配置される請求項２に記載の膜厚
測定装置とからなる自動レジスト形成システム。この構
成であると、ワニスを塗布した後に速やかにレジスト膜
の厚さを測定することができる。なお、この場合に膜厚
測定結果に基づいてワニスの塗布量を増減するようにフ
ィードバック制御を行ってもよい。

【００３５】なお、本明細書中において使用した技術用
語を次のように定義する。 「光： 赤外線レーザ光や紫外線レーザ光等のレーザ光
をいうほか、レーザ光でない普通の可視光線、紫外線、
赤外線等をも含む。」

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載の
発明によれば、被測定物である膜の特性や厚さ等による
制約が小さく、測定可能範囲が広い膜厚測定方法提供す
ることができる。

【００３７】請求項２に記載の発明によれば、被測定物
である膜の特性や厚さ等による制約が小さく、測定可能
範囲が広い膜厚測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は一実施形態の膜厚測定装置が設置され
たレジスト塗布ラインを示す概略平面図、（ｂ）はその
概略正面図。

【図２】膜厚測定装置を説明するための概略図。

【図３】膜厚測定装置のＣＣＤカメラの正面図。

【図４】膜厚測定方法を説明するための概略図。

【図５】受光面におけるギャップを示す概念図。

【図６】別の使用例を示す概略図。

【図７】別の使用例を示す概略図。

【図８】別の使用例を示す概略図。

【符号の説明】

１…膜厚測定装置、２…基材、３…膜としてのレジスト
膜、８…光照射手段としての赤外線レーザ光源、９…受
光手段としてのＣＣＤカメラ、１０…演算手段としての
コンピュータ、θ…入射角度、Ｄ1 …段差、Ｔ…ギャッ
プ、Ｈ…膜の厚さ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物である膜及び基材の表面にて反射
   しうる入射角度に設定された光を、前記膜と前記基材と
   がなす段差の周囲に照射し、その反射光を受光する面に
   できるギャップの大きさに基づいて前記膜の厚さを求め
   ることを特徴とした膜厚測定方法。
2. 【請求項２】被測定物である膜及び基材の表面にて反射
   しうる入射角度で光を照射する光照射手段と、 前記膜と前記基材とがなす段差の周囲において反射した
   光を受光する受光手段と、 前記受光手段の受光面にできるギャップの大きさを測定
   し、それに基づいて演算を行うことにより、前記膜の厚
   さを算出する演算手段とを備えた膜厚測定装置。