JPH11153415A - 半導体厚測定装置 - Google Patents
半導体厚測定装置Info
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- JPH11153415A JPH11153415A JP9337664A JP33766497A JPH11153415A JP H11153415 A JPH11153415 A JP H11153415A JP 9337664 A JP9337664 A JP 9337664A JP 33766497 A JP33766497 A JP 33766497A JP H11153415 A JPH11153415 A JP H11153415A
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Abstract
域における測定精度を低下させないようにすること。 【解決手段】第1、第2レーザ装置21、22は光増幅
媒体7 とレーザ共振器を有し、波長選択素子8 の光ビー
ムに対する角度を変化させて可変波長の光ビームB1、
B2が放射される。各光ビームB1、B2は、各異なる
可変波長範囲で波長が可変であり、光ビームB1、B2
を混合した光ビーム2は、2つの可変波長範囲を波長分
割多重化した全可変波長範囲で波長が可変である。サン
プル4 にて反射された干渉反射光である光ビーム5 は素
子3 を介して光量検出器6 に導かれ、ビーム5 の強度が
検出される。波形成形器12により干渉反射光の強度波長
特性が得られる。周波数解析器13ではスペクトルから中
心周波数が求められ、その値に基づいて厚さ換算表示装
置14でサンプル4の厚さが算出される。
Description
センサなどに用いられる半導体薄肉ダイヤフラムをエッ
チング等による加工中しながら、その半導体厚を非接触
でリアルタイムにて測定可能とする半導体厚測定装置に
関する。特に、半導体厚の変化範囲が広い場合にも高精
度の測定を可能とした装置に関する。
定する技術として、例えば、本願発明者が既に出願した
測定技術(特開平7−306018号公報)などがあ
る。この半導体厚測定技術は、光源より連続的に、また
は特定波長間隔で発振中心波長を変化させて光ビームを
半導体の被測定部位に照射し、半導体から得られる反射
光または透過光の強度変化の波形から位相変化量を求
め、その位相変化量に基づいて半導体厚を検出する構成
としている。
示技術では、光源より光ビームの発振中心波長を連続的
に変化させるために、光源内に非常に狭い波長幅の選択
機能を持たせ、かつ高精度な制御が要求されるので、光
ビームの波長変化動作の速度が制限される。そのため、
半導体厚の検出速度が制限されることになり、エッチン
グや成膜などによる半導体の加工中において、リアルタ
イムで半導体厚を測定できないという問題があった。ま
た、特定波長間隔で光ビームの発振中心周波数を変化さ
せる場合においても、波長選択素子を特定波長毎に制御
する必要があり、波長設定動作の速度が制限されるた
め、上述の場合と同様に半導体加工中のリアルタイム半
導体厚測定を行うことができない。
るために、外部共振器型半導体レーザを用いて、外部共
振器による波長フィードバックにより高速度で発振波長
を変化させることが考えられる。しかし、半導体レーザ
の光増幅可能な波長域は、発振中心波長に対して10%
程度の範囲に限定される。この結果、半導体に照射する
光ビームの波長可変範囲もその程度の範囲に限定され
る。
は、半導体厚の変化範囲が広く、測定装置の検出可能範
囲も広いことが要求される。ところが、この装置の厚さ
の測定原理は、光ビームの波長を可変させて、干渉光強
度のその可変範囲内における位相変化により厚さを測定
するというものである。このため、波長可変範囲を所定
厚の時に最大精度が得られるように設定した場合に、半
導体厚がその所定厚から薄くなるに従ってその波長可変
範囲における位相変化量が漸減し、得られる位相変化の
情報量が少なくなる結果、厚さの薄い領域で測定精度が
悪くなるという問題がある。例えば、エッチングにより
半導体厚が薄くなると、波長可変範囲において得られる
干渉光強度の変化特性が2周期にも満たなくなる。この
場合、この波長可変範囲における位相変化量を求めるこ
とが困難となる。又、この波長可変範囲における干渉光
度特性のスペクトルをフーリエ変換により求めるにして
も、窓関数の影響が大きくなるため、正確な中心周波数
を決定することができない。実際に、フーリエ変換によ
り中心周波数を求め、その中心周波数から厚さを測定し
た場合の加工時間に対する厚さの測定値を測定したとこ
ろ、図8に示す特性が得られた。この図8の測定結果か
らも明らかなように、加工時間の経過と共に、半導体厚
が減少して行くが、測定値の変動が大きくなり、半導体
厚が薄くなるに従って、測定誤差が増大していることが
理解される。
波長可変範囲を拡大し、又は、レーザ光の中心波長を短
くして波長可変範囲内における干渉光強度の位相変化量
を多くすることも考えられる。しかし、波長可変範囲を
拡大する方法は、構造が簡単な外部共振器型レーザが使
用できず、高速の波長変化をさせることが出来ない等の
問題がある。又、レーザ光の中心波長を短くする方法
は、短波長にすると半導体内で光吸収があるため、この
方法にも限界がある。
物の厚さを測定する場合に、従来装置では、厚さが薄い
領域での測定精度が低下し、全範囲に渡って均一な測定
精度を得ることが出来なかった。特に、エッチングの停
止タイミングを決定するような場合には、半導体厚が測
定可能範囲の下限領域に近づくため、半導体厚の仕上げ
寸法を均一にすることが困難であった。
み、光ビームを用いたリアルタイム非接触型半導体厚測
定装置において、厚さの薄い領域での測定精度を向上さ
せることである。
めに、請求項1に記載の手段を採用することができる。
この手段によると、発振中心波長が異なる2以上のレー
ザ光源を有した光照射手段により、半導体の透過波長領
域内で各レーザ光源からの各光ビームの波長が変化され
て可変波長の光ビームが放射される。その光ビームは光
学系手段により半導体の被測定部位に照射される。この
光ビームの波長は波長検出手段により検出され、信号光
強度検出手段では波長検出手段による波長検出と同期し
て、半導体から得られる光ビームの反射光または透過光
による信号光の強度が検出される。そして、解析手段に
より、波長検出手段及び信号光強度検出手段からの検出
値を用いて、2以上のレーザ光源の全可変波長範囲にお
ける強度波長特性が求められ、その特性から被測定部位
の肉厚が算出される。
ザ光源を用いて、各レーザ光源に対してそれぞれの可変
波長範囲を設定している。よって、全体として見る時、
半導体に照射される光ビームの可変波長範囲が拡大され
たのと等価になり、全可変波長範囲における干渉光強度
の位相変化量が多くなる。このため、被測定物の厚さが
薄くなっても、厚さの測定精度を低下させることがな
い。
量又は周波数で求めることができる。請求項2は、厚を
全可変波長範囲内における干渉光の強度波長特性のパワ
ースペクトルを求め、そのスペクトルから中心周波数
(基本周波数)から求めることを特徴とする。これによ
り、パワースペクトルは広がりを持っているが、基本周
波数によってピーク値が決まるために、そのピーク値は
保存されるので、中心周波数を高精度で検出でき、半導
体厚の高精度検出が可能となる。また、光照射手段より
放射される光ビームの波長の高精度な制御を要せず、デ
ータの取得及び処理を高速で行えるので、半導体厚測定
の高速化並びに半導体厚測定装置の低コスト化を実現で
きる。よって、半導体加工中における半導体厚のリアル
タイムモニタが可能となり、高精度な半導体加工を実現
できる。
体的な実施例に基づいて説明する。図1は、本発明の第
一実施例に係わる半導体厚測定装置100の構成を示し
たブロック図である。半導体厚測定装置100は、可変
波長範囲の異なる光ビームB1、B2をそれぞれ出力す
る第1レーザ装置21と第2レーザ装置22とを有して
いる。光ビームB1、B2は合波素子30で混合され、
2つの可変波長範囲を波長分割多重化して得られる1つ
の全可変波長範囲で波長が可変な光ビーム2となる。こ
の光ビーム2は光学素子3により半導体サンプル4の被
測定部位に照射される。半導体サンプル4で反射された
光ビーム5の強度は光量検出器6(信号光強度検出手段
に相当)により検出される。光量検出器6により検出さ
れた光強度検出値と第1レーザ装置21及び第2レーザ
装置22にから出力される波長検出値は、それぞれ同期
してA/D変換器11に取り込まれ、デジタル値に変換
される。デジタル変換された光強度検出値と波長検出値
とを用いて、光ビーム5の強度波長特性が波形成形器1
2にて求められる。その強度波長特性に基づいて周波数
解析器13によりパワースペクトラムのピーク値から中
心周波数が求められる。この中心周波数に基づいて厚さ
換算表示装置14により半導体厚が算出される。
は同一構造をしている。一方の第1レーザ装置21につ
いてのみ説明すると、光増幅媒体7には安価で取り扱い
が容易な半導体レーザ等が用いられ、光増幅媒体7を含
んでレーザ共振器が構成されている。この共振器内に挿
入される波長選択素子8は、回折格子、ファブリペロー
エタロン、干渉フィルタ等が使用可能であり、光ビーム
に対する波長選択素子8の成す角度を変えることで選択
波長のピークが変化する。第1レーザ装置21の発振波
長は、波長選択素子8の選択波長のピークにほぼ一致す
るため、波長選択素子8の光ビームに対する角度位置に
よって第1レーザ装置21から出力される光ビームB1
の波長を制御できる。
となく駆動機構15により高速で反転または回転動作さ
れる。この駆動機構15は、例えばガルバノメータやモ
ータ等によって実現できる。波長選択素子8には角度検
出器9(波長検出手段に相当)が接続されており、この
角度検出器9により光ビームに対する波長選択素子8の
成す角度が検出される。また、光ビームB1の強度は、
光源出力検出器10により検出される。この角度検出器
9の出力と波長との関係を実測した例を図2に示す。図
2に示されるように角度検出器9の出力、即ち、光ビー
ムに対する波長選択素子8の成す角度とレーザの発振中
心波長との関係は非線形である。
は、光学素子3を透過して被測定対象としての半導体サ
ンプル4に照射される。半導体サンプル4で反射された
光ビーム5は、半導体サンプル4の表面と裏面とで反射
された光の干渉光である。この干渉光強度は、波長や厚
さに関して周期的関数となる。このとき、光ビーム2の
波長の変化は、半導体サンプル4の肉厚の変化より十分
に速いものとする。尚、光ビーム2の照射は、ビーム
2、5の光路を妨げなければ半導体サンプル4の加工中
であってもかまわない。
素子3により反射され、光量検出器6に導かれる。光量
検出器6では光ビーム5の強度が電気的に検出され、A
/D変換器11にて角度検出器9及び光源出力検出器1
0の出力と共に、光量検出器6の出力が波形デジタルデ
ータとして取り込まれる。ここで、光量検出器6、角度
検出器9、及び光源出力検出器10の出力をそれぞれ図
3(a)、(b)、及び(c)に示すが、図3(c)よ
り第1、第2レーザ装置21、22の出力が変動してい
ることがわかる。
デジタル値に変換された各出力値を用い、波長と強度と
を対応させて波形を形成する。このとき、図3(a)に
示される光量検出器6の出力を、図3(c)に示される
光源出力検出器10の出力で除算することで、第1、第
2レーザ装置21、22の出力変動の影響が除去され
る。即ち、規格化された干渉反射光強度が得られる。ま
た、予め図2に示される角度検出器9の出力値と第1、
第2レーザ装置21、22のそれぞれの発振中心波長と
の関係をデータテーブルとして図略のメモリに記憶して
おき、このデータテーブルを用いて図3(b)に示され
る角度検出器9の角度データ(出力値)を第1、第2レ
ーザ装置21、22の波長に換算し、同時刻の上記除算
値と対応させることで干渉反射光の強度波長特性が形成
される。波形成形器12による成形結果を図3(d)に
示すが、このデータ列の間隔は等間隔ではない。
得るには、まず、第1レーザ装置21の出力するレーザ
光B1の波長を変化させ、続いて、第2レーザ装置22
の出力するレーザ光B2の波長を変化させて、上述した
ように、波長と干渉光強度とを測定すれば良い。一方の
レーザ装置のレーザ光の波長を変化させている間は、他
のレーザ装置は出力を停止させるか出力させた状態では
あるが波長を固定させた状態にすれば良い。
干渉光の強度波長特性が得られる。その測定結果は、図
5に示すようになり、図3(d)に示す各可変波長範囲
の特性を波長分割多重化した特性となる。各可変波長範
囲のとり方によっては、図5に示すように、中央の波長
範囲で特性の得られていない範囲が存在するが、この範
囲があっても測定精度に影響はない。又、各可変波長領
域は一部重複しても連続していても、図5に示すように
離散して設けられていても良い。又、レーザ装置を3以
上設けて、可変波長領域を3以上形成しても良い。離散
して設けられていても、2つの可変波長範囲で波長の誤
差がなければ、両範囲で特性の位相関係が保存されるこ
とになる。この図5に示す特性をフーリエ分析すること
で、この特性のスペクトルが演算される。このように、
第1可変波長範囲と第2可変波長範囲とを設けて、それ
ぞれの範囲よりも広い全可変波長範囲において得られる
干渉反射光の強度波長特性から中心周波数を決定してい
るので、可変波長範囲内の波形数が増大することにな
り、半導体厚が薄くなっても測定精度が低下することが
ない。
出力データを用いて周波数解析を行い、式(1)を用い
てパワースペクトル値P(f)を計算し、このP(f)
の値が最大になる周波数fを求める。尚、上記構成のう
ちA/D変換器11、波形成形器12、及び周波数解析
器13が信号処理手段に相当する。
yi は光量検出器6の出力を光源出力検出器10の出力
で除算した除算結果のデータ列を示している。また、λ
i は光源波長のデータ列を示している。式(1)により
算出された値は、データが取得できた点におけるフーリ
エ積分値に相当し、得られるパワースペクトルは広がり
を持っているが、基本周波数によってピーク値が決まる
ため、図3(d)に示される波形ではピーク値が保存さ
れることが確認されており、スペクトルが最大である時
の中心周波数を高分解能で検出することができる。最大
スペクトルの検出は、fを必要分解能毎に変化させて式
(1)を数値計算する方法もあるが、初期解を与え、そ
の周辺で解を探索して最大値を求めることで、計算時間
を大幅に短縮できる。尚、式(1)の計算の前処理とし
て適当な窓関数を施すことで計測精度をより向上させる
ことができる。
明する。まず、初期解は、測定する半導体厚の概略値が
既知である場合には、式(2)を用いて周波数fを算出
し、その算出値を初期解とする。
体の屈折率、半導体厚の概略値を示し、λ1 、λ2 は光
源波長の最小値、最大値をそれぞれ示している。半導体
厚の概略値が明らかでない場合には、データが取得され
た波長幅を周期とする基本周波数の整数倍の値で式
(1)を計算し、その計算値が最大となる点を初期解と
する。その際、計算する周波数範囲は、半導体が取り得
る厚みから式(2)より算出される。
を用いて説明する。まず、初期解から所定の探索幅分だ
け離れた両側の点で式(1)の値を計算する。そして、
両側の点と初期解を合わせた3点のなかの最大値を次の
探索の初期解とし、探索幅を半分にして両側の点におけ
る式(1)の値を計算し、同様にその探索幅内の3点の
なかの最大値を次の探索の初期解として同様の探索を行
う。このようにして、探索幅が必要分解能以下になるま
で繰り返し、そのときのスペクトルの最大値を中心周波
数とする。
測において初期解に前回の計測結果を用いることがで
き、かつ、求める解がその初期解周辺にあるために初め
から探索幅を狭くできるので、処理時間を短縮すること
ができる。厚さ換算表示装置14では、検出された中心
周波数を用いて半導体厚に換算して表示する。この換算
式を式(3)に示す。
λ2 )を基本周期(f=1の周期)としている。式
(3)において、右辺のf以外は既知であるため、fを
検出することで厚さdの絶対値を求めることができる。
このようにして厚さdを半導体をエッチングしながらリ
アルタイムで測定した結果を図8に示す。厚さdの測定
値が時間的に減少して行くが、その変動は大きくなら
ず、厚さの薄い領域で測定精度が低下していないことが
理解される。
出値を用い、高速、高分解能な周波数解析を行うことが
でき、高速、高精度な半導体厚の計測が可能である。即
ち、半導体加工中において半導体厚をリアルタイムでモ
ニタし、任意の厚みで半導体の加工を停止させることが
可能となり、高精度な半導体加工を実現できる。尚、本
実施例では、光信号の取得時間は 1ms以下、データ処理
時間は50ms以下の高速化を実現し、また、半導体厚計測
の繰り返し精度は3σで 0.1μm 以下を実現した。ま
た、本実施例では、光源1内部の高精度な波長制御を必
要としないので、光源を安価で簡易な構成にでき、低コ
ストな装置構成とすることができる。
例に係わる半導体厚測定装置101の構成を示したブロ
ック図である。本実施例の特徴は、参照用光学系を備え
た点にある。即ち、光学素子3による光ビーム2の反射
方向に半導体厚が既知である参照用半導体16を配置
し、光ビーム2を光学素子3を介して半導体サンプル4
に照射すると共に参照用半導体16にも照射させ、参照
用半導体16の透過光による信号光の強度を光量検出器
17で検出し、その検出信号はA/D変換器11に入力
され、デジタル信号に変換される。尚、本実施例におけ
る他の構成は第一実施例と同様である。
17で検出された信号は、光量検出器6で検出された信
号と共にA/D変換器11にてデジタル信号に変換さ
れ、波形成形器12、周波数解析器13にて第一実施例
に示された処理と同様の処理が行われ、光量検出器17
及び光量検出器6でそれぞれ検出された信号の周波数f
ref 、fobj が算出される。この周波数fref 、fobj
を用いることで、半導体サンプル4の肉厚dobj と参照
用半導体16の肉厚dref との間には式(4)に示され
る関係式が得られる。
厚dref は既知であるから、周波数fobj 及びfref を
検出することで半導体サンプル4の肉厚dobj を計測す
ることが可能である。このように本実施例では、式
(4)を用いることで、第1、第2レーザ装置21、2
2より放射される光ビームB1、B2の波長の正確な測
定を要せずに、半導体厚dobj を簡易に計測することが
でき、より低コストな装置構成とすることができる。
て波長選択素子8の角度位置を光源波長に変換する構成
としているが、予め求めておいた変換式を用いて角度位
置を光源波長に変換する構成としてもよい。また、上記
各実施例では、周波数解析器13において等間隔でない
データからフーリエ積分値を算出する構成としている
が、等間隔でないデータを等間隔データに補間し、線形
予測法やFFT(高速フーリエ変換)を用いて周波数解
析を行う構成としてもよい。但し、この場合には補間処
理時間が余分に付加され、線形予測法では計測精度が上
記各実施例より劣化し、FFTでは上記各実施例より分
解能が劣ることが判明している。
ものの他に超音波フィルタを用いることも可能である。
その場合、波長検出手段は、超音波フィルタの駆動周波
数を検出すればよい。上記構成において、光学系を光フ
ァイバや光導波路で構成することで、装置構成をより小
型化できる。また、測定点を1点に限定せずに、光ビー
ムを複数の光路に分離し、信号光強度検出用の検出器を
その分離された光ビームの数だけ用意すれば、多点同時
計測が可能となる。
信号光のパワースペクトラムのピーク値を中心周波数と
し、その中心周波数に基づいて半導体厚を計測すること
で、低コストで高速、高精度な半導体厚測定装置を実現
でき、半導体加工中における半導体厚のリアルタイム計
測を可能として、半導体の加工精度を向上させることが
できる。
の構成を示したブロック図。
において角度検出器出力と光ビームの発振中心波長との
関係を示した関係図。
において、信号光の波形成形処理を示した模式図。
において、信号光より中心周波数の算出方法を示した模
式図。
において、得られる干渉反射光の測定された強度波長特
性を示した波形図。
タイムで測定した時の厚さの測定値の時間変化特性を示
す測定図。
の構成を示したブロック図。
間変化を示した測定図。
Claims (2)
- 【請求項1】 被測定対象としての半導体に可変波長の
光ビームを照射し、その半導体から得られる信号光を用
いて前記半導体の肉厚を測定する非接触型の半導体厚測
定装置であって、 発振中心波長が異なる2以上のレーザ光源を有し、前記
半導体の透過波長領域内で前記各レーザ光源からの各光
ビームの波長を変化させて放射する光照射手段と、 前記光照射手段から放射される前記光ビームの波長を検
出する波長検出手段と、 前記光ビームを前記半導体の被測定部位に照射する光学
系手段と、 前記波長検出手段による波長検出に同期させて、前記半
導体から得られる前記光ビームの反射光または透過光に
よる信号光の強度を検出する信号光強度検出手段と、 前記波長検出手段及び前記信号光強度検出手段からの検
出値を用いて、前記2以上のレーザ光源の全可変波長範
囲における強度波長特性を求め、その特性から前記半導
体の前記被測定部位の肉厚を算出する解析手段とを備え
たことを特徴とする半導体厚測定装置。 - 【請求項2】前記解析手段は、前記強度波長特性を用い
て前記信号光の周波数解析を行い、そのパワースペクト
ルのピーク値を前記信号光の中心周波数として算出する
信号処理手段を有し、算出された前記中心周波数に基づ
いて前記半導体の前記被測定部位の肉厚を算出ことを特
徴とする請求項1に記載の半導体厚測定装置。
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JP33766497A JP3711723B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 半導体厚測定装置 |
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JPH11153415A true JPH11153415A (ja) | 1999-06-08 |
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JP33766497A Expired - Fee Related JP3711723B2 (ja) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | 半導体厚測定装置 |
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