JPS601502A - ホトレジスト膜測定装置 - Google Patents

ホトレジスト膜測定装置

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JPS601502A
JPS601502A JP10938383A JP10938383A JPS601502A JP S601502 A JPS601502 A JP S601502A JP 10938383 A JP10938383 A JP 10938383A JP 10938383 A JP10938383 A JP 10938383A JP S601502 A JPS601502 A JP S601502A
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JP
Japan
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photoresist
light
fluorescence
laser
film
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JP10938383A
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English (en)
Inventor
Shigeji Kimura
茂治 木村
Katsumi Takami
高見 勝己
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ホトレジスト膜の膜厚あるいは寸法等の形状
を測定する装置に関するものである。
〔発明の背景〕
ホトレジスト膜の膜厚あるいは寸法等を測定することは
、半導体プロセスにおける重要課題めひとつである。
従来、膜厚の測定には、近赤外偏光干渉計(日立評論、
45、Nα63、pp、1666.1963)、光学干
渉顕微鏡による目視測定、エリプソメータ、クリステツ
ブ等が使用されてきた。また、吸収を用いた膜厚測定法
(第20回計測自動制御学会学術講演会予稿集、Nα2
706.1981 )、あるいは、金属表面上の油膜の
膜厚測定を蛍光を使って行う方法(油分測定装置、特開
昭57−86743号公報)などが提案されている。
一方、半導体プロセスでは、面積が0.01〜1μm2
、厚さが0.01〜1μmの半導体基板上での残留ホト
レジストや、幅が1〜2pm、厚さが1μm程度のホト
レジストのパターンの測定を行う必要がある。しかしな
がら、上記した従来の1漠厚の測定方法は、これらの測
定の実施に対し、以下述べるような問題点や欠点を有し
ていた。
まず、近赤外偏光干渉計では、入射光を基板に対して斜
めに入射させるので、短焦点のレンズを使うことができ
ず、光束を絞ることができない。
このため、高い位置分解能は期待できない。また、この
方法では膜厚が約1000 Aよ、り薄いものを測定す
ることは不可能である。
光学干渉顕微鏡を使った場合には、ホトレジスト膜は膜
厚が薄いと干渉色が発生するので、干渉縞の色を判別す
るのが困難°になる。また、当然段差がなければ測定で
きないが、ホトレジスト膜の面積が1μm2以下と小さ
い場合には、その小さい面積内で干渉縞を読みとる必要
があるため、測定は非常に難しくなる。
エリプソメータは、薄いホトレジストの膜厚が測定でき
るが、光を膜面に対して斜めに入射する方式をとるため
、位置分解能をミクロンオーダにすることが困難である
。また、膜厚を導出するための計算が複雑である。
一方、上記した吸収を利用する膜厚測定法を、ホトレジ
スト膜に適用した場合を考えてみる。例えば、シリコン
基板上のホトレジスト薄膜に斜めに入射光を照射し、吸
収を受けた反射光を、測定するものとする。この場合、
ホトレジスト膜が、例えばl000 A以下というよう
に薄くなると、ホトレジストかある場合と、ない場合と
の反射光量の差を検出するのが、光源のゆらぎのために
困難となる。
また、上記した油分測定装置(特開昭57−86743
号公報)をホトレジスト膜に適用した場合は、次のよう
な困難が伴う。すなわち、(a)紫外光源からの光束を
絞ることが難しく、ミクロンオーダの形・状の微小測定
に適していない、(b)2次元的なスキャンをしないた
め、膜厚分布がゎがらない、telホトレジストの幅の
測定ができない、(d)紫外線を使用するため、フィル
タおよびレンズを使用した場合にはレンズから蛍光が発
生し、S/N比の低下を招く。もし蛍光を出さない光学
系を使えば高価になり、実用性に欠ける。
他方、紫外光源としてレーザを用いると仮定した場合た
とえ光束を微小スポットに収束できたとしても、紫外レ
ーザとして連続発振を行うものは少ない。従−て、通常
あパルス発振レーザを用いると、走査速度を落さざるを
得ない。また、紫外レーザとして連続発振のものを使用
したとしても、発振出力は極めて小さい。従って、紫外
レーザは実用的でない。
以上のように、従来の膜厚の測定方法は、いずれもホト
レジスト膜への適用に対し、問題点や欠点を有していた
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、ホ
トレジスト膜の膜厚分布あるいは寸法等の形状をミクロ
ンオーダの高分解能で検出測定することができる装置を
提供するにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記の目的を達成するため、可視レーザ光を
ホトレジストに照射することにより該ホトレジストから
発する蛍光を利用する。すなわち、ホトレジストの付着
した基板あるいは励起のための可視レーザ光のビームス
ポットをスキャンしながら、ホトレジストからの蛍光量
を測定することにより、ホトレジストの膜厚分布あるい
は寸法等の形状の測定ができるようにしたものである。
ここで、本発明では可視レーザ光を用いている点につい
て説明する。第1図は、シリコン基板上に1μmの厚さ
で塗布したホトレジスト(AZ1350J)に波長40
0 nmの光を照射したときの蛍光スペクトルで、横軸
は蛍光の波長(nm)、縦軸は蛍光量(任意単位)を表
す。本発明では、このような蛍光を利用して、ホトレジ
ストの膜厚分布や寸法等の形状測定を行うものである。
また、第2図は、上記の試料に対して、励起波長を変化
させたときに、ホトレジストから出てくる蛍光量がどの
ように変化するかを示した励起スペクトルで、横軸は励
起波長(nm)、縦軸は蛍光量(任意単位)を表す。な
お、この励起スペクトルの測定では、検出器の前にフィ
ルタを置き、570nmより長い波長の蛍光だけを検出
器に入れた。この励起スペ・クトルから、ホトレジスト
からの蛍光を利用する場合、照射光として紫外光よりも
むしろ可視光を使用した方が効率的であり、また可視の
アルゴンレーザ(波長514.5 nm )が使用可能
であることかわかる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を図面により説明する。
なお、各実施例では、ホトレジストとしてAz 135
0Jをf重用した。
実施例1: 第3図に、フィルタを使った場合の実施例の概略1蛇明
図を示す。図において、1は可視励起光源となるアルゴ
ンレーザで、該レーザから出る波長5]45人のレーザ
光2(出力0.3 mW )が可視励起光として使用さ
れる。レーザ光2は、レンズ3およびレンズ4によって
、ヒ゛−ム径の太きし1平行光に変えられる。この光は
、ノ1−フミラー5で反射され、ホトレジスト8の付着
したシリコン基板7上に直径2μmのビームスボ・ント
とじて、絞り込み用のレンズ6により絞り込まれる。レ
ンズ6審こは、顕微鏡用の対物レンズ(N、 A、= 
0.9 )力≦使用された。なお、シリコン基板7は、
ビームlこ対して平行移動して、ビーム照射場所を変え
ること力≦できるようになっている。このビームスポ・
ントによる励起光が照射されたホトレジスト8からは蛍
光が発生し、この蛍光をレンズ6で集光する。この蛍光
は、ハーフミラ−5と、励起光である波長5145 A
の光をカットするフィルタ9とを透過した後、レンズ]
0により、光電子増倍管]2の光電面に入射される。な
お、レンズ10と光電子増倍管12との間に設けられた
ピンホール11は、シリコン基板7上でビームスポット
以外の場所から入ってくる迷光をカットするためのもの
である。光電子増倍管12の出力信号は、検出系エレク
トロニクス13で処理される。処理方法としては、蛍光
の強さに応じて、これが強いときは光電流増幅法が、弱
いときは微弱光検出に適した光子計数法が、□それぞれ
使い分けて用いられた。
次に、第3図の装置によって行った実験の結果を説明す
る。まず、ホトレジスト8の膜厚と蛍光量との関係を第
4図に示す。検出系エレクトロニクス13には光子計数
法が使用され、計測時間は0.1秒である。この第4図
の検量線を、ホトレジストの膜の面積が照射光のシリコ
ン基板上でのスポット径(2μm)より十分大きいとい
う条件のもとで使用することにより、ホトレジストから
でる蛍光から該ホトレジストの膜厚がわかる。光電子増
倍管12のダークカウントは300cpsであり、また
計測時間が0.1秒であるので、最小検出信号は約5Q
 cpsとなる。このことから、ホトレジストの膜厚は
確実に10人まで測定可能である。
第5図は、ホトレジストのパターンが付いたシリコン基
板7を走査したときの結果を示したもの゛である。この
場合のホトレジストのパターンはストライプ状になって
おり、ホトレジストの幅が3μITI、厚さが0.05
μm、ホトレジストの付いていないところの幅は25μ
mである。シリコン基板7は5μrn/Sの速度で転動
され、移動方向はホトレジストのストライプの方向に対
して直角方向である。
第5図において、ホトレジストのあるところで、信号(
蛍光量)が立ち上がっており、その最大値と、第4図の
蛍光量−膜厚の関係とから、ホトレシートの厚さが約0
.05μmであることが容易に推定される。また、ホト
レジストの大きさがビームスポットのサイズよりも十分
大きければ、照射場所を変えながら蛍光量を測定するこ
とにより、ホトレジストの膜厚の2次元変化をとらえる
ことが可能であるので、ホトレジストの形状を知ること
ができる。さらに、ホトレジストのストライプブの1本
の断面がほぼ長方形状であるならば、線幅の測定が可能
である。すなわち、信号(蛍光量)の半値幅(例え−ば
、第5図の点A、 8間の時間)をめて、これを長さに
換算し、これをホトレジストの幅としてやればよい。
実施例2: 分光器を使用した場合の実施例の概略を第6図に示す。
本実施例は、第3図により説明した実施例1と共通する
部分が多いので、異なるところのみ説明する。まず、レ
ンズ10で分光器14に蛍光を絞り込み、分光する。分
光された蛍光を光電子増倍管12で受け、その出力信号
を検出系エレクトロニクス13で処理する。検出系エレ
クトロニクス13としては、実施例1の場合と同様、蛍
光の強さによって、光電流増幅法と光子計数法とが使い
分けて用いられる。また、分光器14の役割は、励起光
であるアルゴンレーザ光を取り除くことと、ホトレジス
トの蛍光スペクトルと形の異なる蛍光スペクトルを有す
る他の物質がシリコン基板に付着している場合に、その
物質とホトレジストとを蛍光スペクトルにより区別する
ことである。
実施例3: 上記した2つの実施例は、いずれも被観察物体を移動さ
せて走査を行う例であるが、第7図にその概略を示す本
実施例は、光スポットを移動させて走査するタイプの例
である。本実施例においても、可視励起光源としてアル
ゴンレーザlを使用する。第7図で第3図および第6図
と同一符号を付したものは、同一部品を示す。図におい
て、波長5145 Aのレーザ光2は、カプリングレン
ズ17と絞り込みレンズ18とによって、ホトレジスト
8のパターン上に絞り込まれる。スポット状に絞り込ま
れたレーザ光の走査は、ガルバノミラ−15゜16によ
′り行われる。すなわち、ガルバノミラ−15はレーザ
スポットをシリコン基板7上で左右に、ガルバノミラ−
16は上下に、それぞれ走査する。
レーザ光の照射によって発する蛍光の像は、絞り込みレ
ンズ18とレンズ19により拡散板20上に結像し、拡
散板20で拡散された蛍光は光電子増倍管12で検出さ
れる。ここで検出された電気信号は、検出系エレクトロ
ニクス13において、前記2つの実施例の場合と同様に
処理される。なお、検出系エレクトロニクス13はガル
バノミラ−15,16の振れ角の制御も行っており、出
力信号がシリコン基板7上のどの場所のものか対応がつ
くようになっている。
以上説明した3つの実施例では、ハーフミラ−5を用い
ているが、これをダイクロイックミラーに代えることが
可能である。使用すべきダイクロイックミラーは、45
°入射で、波長5145 Aのアルゴンレーザ光を反射
し、波長6000 A付近の光を透過するものである。
これを使用rることによりハーフミラ−を使った場合に
比べて4倍近くの蛍光を光検出器に入れることができる
ので、信号のS/N比を向上することができる。
また、以上の実施例は、いずれもホトレジストがAZ 
1350Jの場合について説明したが、他のホトレジス
トの場合にも、同様な効果を得ることができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ホトレジストの膜の測定に際し、次の
ような効果が得られる。
(a)直径数ミクロンの照射場所を2次元的に走査する
ことにより、ミクロンオーダの位置分解能で、ホトレジ
ストの膜厚分布あるいは形状がわかる。
(b) 可視光で励起するので、紫外線で励起するより
も、ホトレジストの蛍光が効率よ(出る。
(C) 励起光として紫外線を使用する場合は高価な無
蛍光レンズが必要であるが、可視光のレーザを使用する
ので、光学系は安価である。
(d)紫外レーザはパルス発振のものが多(、照射場所
を走査して計測するのに不便であるが、本発明で用いる
可視光レーザは連続発振のものが多く、高速で照射場所
を走査するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図はホトレジス) < AZ 1350J )の薄
膜に波長400 nmの光を照射したときの蛍光スペク
トル、第2図はホトレジストの励起スペクトル、第3図
は本発明による測定装置のフィルタを使った場合の一実
施例の概略説明図、第4図は該実施例の装置を使ったと
きのホトレジストの膜厚と蛍光量との関係を示すグラフ
、第5図は該実施例の装置を用い、ホトレジストパター
ンを移動させたときの信号である蛍光量の変化の様子を
示すグラフ、第6図は分光器を使った場合の他の実施例
の概略説明図、第7図は光スポットを移動させて走査を
行う場合の他の実施例の概略説明図である。 符号の説明 ■・・・アルゴンレーザ 2・・・レーザ光3.4・・
・レンズ 5・・・ハーフミラ−6・・・レンズ 7・
・・シリコン基板8・・・ホトレジスト 9・・・フィ
ルタ10・・・レンズ 11・・・ピンホール12・・
・光電子増倍管 13・・・検出系エレクトロニクス 14・・・分光器 15.16・・・ガルバノ、ミラー 17・・・カプリングレンズ 18・・・絞り込みレンズ 19・・・レンズ 20・・・拡散板 代理人弁理士 中村純之助 第1図 X雀(nm ) 第2図 波 長 (nm) 第3図 第4図 膜 厚 (/l1m ) 第5図 時 闇 (S) オ6図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 試料物体上のホトレジスト11の膜厚あるいは寸法等の
    形状を測定する装置であって、波長域が約400 nm
    以上600 nm以下の1町囲にあるレーザと、該レー
    ザからのレーザビームを゛C記試料物体上で微小スポッ
    トに収束する光学系と、該試料物体上の該微小スポット
    による照射場所を相対的に変化させる機構と、該微小ス
    ポットを励起光としホトレジストの存在によって発する
    蛍光を検出器に導入する光学系と、該蛍光の検出器とか
    らなることを特徴とするホトレジスト膜測定装置。
JP10938383A 1983-06-20 1983-06-20 ホトレジスト膜測定装置 Pending JPS601502A (ja)

Priority Applications (1)

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JP10938383A JPS601502A (ja) 1983-06-20 1983-06-20 ホトレジスト膜測定装置

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JP10938383A JPS601502A (ja) 1983-06-20 1983-06-20 ホトレジスト膜測定装置

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1987007369A1 (en) * 1986-05-27 1987-12-03 Dr.-Ing. Rudolf Hell Gmbh Volume-measurement process for surface depressions
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