KR20220137615A - 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법 - Google Patents

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도모노리 나카무라
겐이치 오츠카
사토시 아라노
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

막 두께 측정 장치는, 대상물에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 광 조사부와, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 대상물로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자와, 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 촬상부와, 광을 촬상한 촬상부로부터의 신호에 기초하여 대상물의 막 두께를 추정하는 해석부를 구비하고, 광 조사부는, 광학 소자의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 조사한다.

Description

막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법
본 발명의 일 태양은, 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체의 제조 장치 등에서는, 웨이퍼 면에 균일하게 성막(成膜)하는 것이 중요하다. 막 두께값의 면내 균일성이 나쁜 경우에는, 배선 불량이나 보이드(void) 등의 고장 요인이 생겨, 수율이 악화되어 버린다. 이 경우, 프로세스 시간 및 재료가 늘어나는 것에 의해서, 생산성이 악화되는 것이 문제가 된다. 이 때문에, 반도체의 제조 장치 등에서는, 통상, 포인트 센서 또는 라인 스캔(예를 들면 특허문헌 1 참조) 등에 의해서 막 두께를 측정하여, 원하는 막 두께 분포가 되어 있는지 아닌지를 판정하고 있다.
특허문헌 1: 일본 공개 특허 2018-205132호
여기서, 상술한 포인트 센서 또는 라인 스캔 등에 의해서 막 두께를 측정하는 방법에서는, 측정 시간이 길어지는 것이 문제가 된다.
본 발명의 일 태양은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 막 두께를 고속으로 측정할 수 있는 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 관한 막 두께 측정 장치는, 대상물에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 광 조사부와, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 대상물로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자와, 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 촬상부와, 광을 촬상한 촬상부로부터의 신호에 기초하여 대상물의 막 두께를 추정하는 해석부를 구비하고, 광 조사부는, 광학 소자의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 조사한다.
본 발명의 일 태양에 관한 막 두께 측정 장치에서는, 대상물에 대하여 면 모양으로, 광학 소자의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광이 조사된다. 그리고, 본 막 두께 측정 장치에서는, 광학 소자가, 대상물로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리한다. 여기서, 광학 소자는, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화한다. 그 때문에, 광학 소자에서 분리된 광에서의 투과되는 비율과 반사되는 비율은, 파장에 따라 변화하는 것이 된다. 그리고, 분리된 광이 촬상부에서 촬상되는 것에 의해, 투과광의 비율과 반사광의 비율이 특정 가능하게 되고, 그 결과, 파장이 특정 가능하게 된다. 또한, 해석부에서, 촬상부로부터의 신호에 기초하여 대상물의 막 두께가 추정된다. 파장을 나타내는 정보에 기초하여 막 두께가 추정 가능한 바, 상술한 바와 같이, 촬상부에서의 촬상 결과로부터 파장이 특정되기 때문에, 해당 파장의 정보를 포함하는 신호(촬상부로부터의 신호)가 고려되는 것에 의해서, 대상물의 막 두께를 고정밀도로 추정할 수 있다. 그리고, 본 막 두께 측정 장치에서는, 대상물에 대하여 면 모양으로 광이 조사되어, 대상물로부터의 광에 따라 대상물의 면내의 막 두께가 동시에 추정되기 때문에, 포인트 센서 또는 라인 스캔 등에 의해서 광의 조사 범위가 변경되면서 면내의 막 두께가 추정되는 경우와 비교하여, 면내의 막 두께 분포를 고속으로 추정할 수 있다. 이상과 같이, 본 발명의 일 태양에 관한 막 두께 측정 장치에 의하면, 대상물의 막 두께를 고속으로 측정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치에서, 해석부는, 촬상부에서의 화소 마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정해도 된다. 이러한 구성에 의하면, 대상물의 조사면에서의 막 두께 분포를 보다 상세히 (화소 마다)추정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치에서, 해석부는, 대상물에 조사되는 광의 각도를 더 고려하여, 막 두께를 추정해도 된다. 대상물에 조사되는 광의 각도가 변하면 광로가 변하기 때문에, 파장만의 정보로부터는 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 없는 경우가 있다. 이 점, 대상물에 조사되는 광의 각도를 더 고려하는 것에 의해서, 실제의 광로에 따라, 보다 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치에서, 광 조사부는, 대상물에 대하여 확산광을 조사해도 된다. 이것에 의해, 대상물의 표면에 대하여 균일하게 광을 조사할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치에서, 광 조사부는, 확산광을 생성하는 도광판을 갖고 있어도 된다. 이것에 의해, 콤팩트한 구성으로, 대상물의 표면에 대하여 균일하게 광을 조사할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치는, 광학 소자 및 촬상부의 사이에 배치된 밴드 패스 필터를 더 구비해도 된다. 이것에 의해, 원하는 파장 범위 외의 광을 제거할 수 있어, 막 두께 추정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 태양에 관한 막 두께 측정 방법은, 대상물에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 제1 공정과, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고 대상물로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과, 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 해당 파장에 기초하여 대상물의 막 두께를 추정하는 제3 공정을 포함한다. 이러한 막 두께 측정 방법에 의하면, 상술한 막 두께 측정 장치와 마찬가지로, 대상물의 막 두께를 고속으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 태양에 관한 막 두께 측정 장치에 의하면, 대상물의 막 두께를 고속으로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태로 막 두께 측정 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 광원의 일예를 모식적으로 나타내는 도면이며, 도 2의 (a)는 플랫 돔 조명, 도 2의 (b)는 돔 조명을 나타내고 있다.
도 3은 다이크로익 미러의 특성과 광원으로부터 출사되는 광의 파장과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 4는 광의 스펙트럼 및 경사 다이크로익 미러의 특성을 설명하는 도면이다.
도 5는 투과광량 및 반사광량에 따른 파장 시프트를 설명하는 도면이다.
도 6은 파장과 막 두께와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다.
도 8은 카메라 시스템에 대한 광의 입사각의 차이를 설명하는 도면이다.
도 9는 막 두께 측정값의 보정을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치와 비교예와의 비교 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 변형예에 관한 막 두께 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 12는 변형예에 관한 막 두께 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 13은 변형예에 관한 막 두께 측정 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)를 모식적으로 나타낸 도면이다. 막 두께 측정 장치(1)는, 샘플(100)(대상물)에 대하여 면 모양으로 광을 조사하고, 해당 샘플(100)로부터의 반사광에 기초하여, 샘플(100)에 형성된 막의 두께를 측정하는 장치이다. 샘플(100)은, 예를 들면 LED, 미니 LED, μLED, SLD 소자, 레이저 소자, 수직형 레이저 소자(VCSEL), OLED 등의 발광 소자여도 되고, 나노 도트 등을 포함하는 형광 물질에 의해 발광 파장을 조정하는 발광 소자여도 된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 막 두께 측정 장치(1)는, 광원(10)(광 조사부)과, 카메라 시스템(20)과, 제어 장치(30)(해석부)를 구비하고 있다.
광원(10)은, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로 광을 조사한다. 광원(10)은, 예를 들면, 샘플(100)의 표면의 대략 전면(全面)에 대하여 면 모양으로 광을 조사한다. 광원(10)은, 예를 들면, 샘플(100)의 표면을 균일하게 조사 가능한 광원이며, 샘플(100)에 대하여 확산광을 조사한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 광원(10)은, 소위 플랫 돔형의 광원(10A)(도 2의 (a) 참조)이어도 되고, 돔형 광원(10B)(도 2의 (b) 참조)이어도 된다. 도 2의 (a)에 나타낸 광원(10A)은, LED(10c)와, 도광판(10d)을 갖는다. 도광판(10d)은, LED(10c)로부터 조사되는 광에 따라 확산광을 생성한다. 도광판(10d)에 의해서 생성된 확산광은, 샘플(100)에서 반사되고, 카메라 시스템(20)에 입력된다. 이와 같은 플랫 돔형의 광원(10A)에 의하면, 충분한 시야(예를 들면 300mm 정도의 시야)를 확보하면서, 겹침 현상을 억제할 수 있다. 광원(10B)은, LED(10e)와, 돔부(10f)를 갖는다. LED(10e)로부터 조사된 광이 돔부(10f)의 내면에 조사되고, 해당 돔부(10f)의 내면으로부터의 확산광이 샘플(100)에서 반사되고, 샘플(100)에서의 반사광이 카메라 시스템(20)에 입력된다. 광원(10)은, 백색 LED, 할로겐 램프, 또는 Xe 램프 등을 이용한 면 조명 유닛이어도 된다.
광원(10)은, 카메라 시스템(20)이 갖는 경사 다이크로익 미러(22)(상세는 후술)의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을, 샘플(100)에 대하여 조사한다. 상세는 후술하지만, 경사 다이크로익 미러(22)는, 샘플(100)로부터의 광을 파장에 따라서 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자이다. 경사 다이크로익 미러(22)는, 상술한 소정의 파장역에서, 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화한다.
도 3은, 경사 다이크로익 미러(22)의 특성과 광원(10)으로부터 출사되는 광의 파장과의 관계를 설명하는 도면이다. 도 3에서, 횡축은 파장을 나타내고 있고, 종축은 경사 다이크로익 미러(22)의 투과율을 나타내고 있다. 도 3의 경사 다이크로익 미러(22)의 특성(X4)에 나타내는 바와 같이, 경사 다이크로익 미러(22)에서는, 소정의 파장역(X10)에서는 파장의 변화에 따라 광의 투과율(및 반사율)이 완만하게 변화하고, 해당 특정의 파장역 이외의 파장역에서는 파장의 변화에 관계 없이 광의 투과율(및 반사율)이 일정하게 되어 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 광원(10)으로부터 출력되는 광(X20)은, 상술한 소정의 파장역(X10)에 포함되는 파장의 광을 포함하고 있다. 즉, 광원(10)은, 소정의 파장역(X10)을 포함하는 광 스펙트럼의 광을 출력한다. 또한, 측정에 관한 파장역(간섭 피크 파장)은, 샘플(100)에 형성되어 있는 막의 재질이나 측정 막 두께 범위에 의해서 정해진다.
도 1로 되돌아가서, 카메라 시스템(20)은, 렌즈(21)와, 경사 다이크로익 미러(22)(광학 소자)와, 에어리어 센서(23, 24)(촬상부)와, 밴드 패스 필터(25, 26)를 포함하여 구성되어 있다.
렌즈(21)는, 입사한 샘플(100)로부터의 광을 집광하는 렌즈이다. 렌즈(21)는, 경사 다이크로익 미러(22)의 전단(前段)(상류)에 배치되어 있어도 되고, 경사 다이크로익 미러(22)와 에어리어 센서(23, 24)와의 사이의 영역에 배치되어 있어도 된다. 렌즈(21)는, 유한 초점 렌즈여도 되고, 무한 초점 렌즈여도 된다. 렌즈(21)가 유한 초점 렌즈인 경우에는, 렌즈(21)로부터 에어리어 센서(23, 24)까지의 거리는 소정값으로 된다. 렌즈(21)가 무한 초점 렌즈인 경우에는, 렌즈(21)는, 샘플(100)로부터의 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터 렌즈이며, 평행광이 얻어지도록 수차 보정되어 있다. 렌즈(21)로부터 출력된 광은, 경사 다이크로익 미러(22)에 입사한다.
경사 다이크로익 미러(22)는, 특수한 광학 소재를 이용하여 작성된 미러이며, 샘플(100)로부터의 광을 파장에 따라 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자이다. 경사 다이크로익 미러(22)는, 소정의 파장역에서 파장에 따라 광의 투과율 및 반사율이 변화하도록 구성되어 있다.
도 4는, 광의 스펙트럼 및 경사 다이크로익 미러(22)의 특성을 설명하는 도면이다. 도 4에서 횡축은 파장을 나타내고 있고, 종축은 스펙트럼 강도(광의 스펙트럼의 경우) 및 투과율(경사 다이크로익 미러(22)의 경우)을 나타내고 있다. 도 4의 경사 다이크로익 미러(22)의 특성(X4)에 나타낸 바와 같이, 경사 다이크로익 미러(22)에서는, 소정의 파장역(파장 λ1~λ2의 파장역)에서는 파장의 변화에 따라 광의 투과율(및 반사율)이 완만하게 변화하고, 해당 소정의 파장역 이외의 파장역(즉, 파장 λ1보다도 저파장측 및 파장 λ2보다도 고파장측)에서는 파장의 변화에 관계 없이 광의 투과율(및 반사율)이 일정하게 되어 있다. 다시 말하면, 특정의 파장대(파장 λ1~λ2의 파장대)에서는 파장의 변화에 따라 광의 투과율이 단조 증가(반사율이 단조 감소)로 변화하고 있다. 투과율과 반사율은, 일방이 커지는 방향으로 변화하면 타방이 작아지는 방향으로 변화하는, 부의 상관 관계에 있기 때문에, 이하에서는 「투과율(및 반사율)」이라고 기재하지 않고 단순히 「투과율」이라고 기재하는 경우가 있다. 또한, 「파장의 변화에 관계 없이 광의 투과율이 일정」이란, 완전히 일정한 경우만이 아니라, 예를 들면 파장 1nm의 변화에 대한 투과율의 변화가 0.1%이하와 같은 경우도 포함하는 것이다. 파장 λ1보다도 저파장측에서는 파장의 변화에 관계 없이 광의 투과율이 대체로 0%이고, 파장 λ2보다도 고파장측에서는 파장의 변화에 관계 없이 광의 투과율이 대체로 100%이다. 또한, 「광의 투과율이 대체로 0%이다」란, 0% + 10% 정도의 투과율을 포함하는 것이고, 「광의 투과율이 대체로 100%이다」란, 100% - 10% 정도의 투과율을 포함하는 것이다. 도 4에서, 파형(X1)은, 광원(10)으로부터 출력된 광의 파장을 나타내고 있다. 도 4의 파형(X1)에 나타낸 바와 같이, 광원(10)으로부터 출력된 광은, 경사 다이크로익 미러(22)의 소정의 파장역(파장 λ1~λ2의 파장역)에 포함되는 파장의 광을 포함하고 있다.
에어리어 센서(23, 24)는, 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상한다. 에어리어 센서(23)는, 경사 다이크로익 미러(22)에서 투과된 광을 촬상한다. 에어리어 센서(24)는, 경사 다이크로익 미러(22)에서 반사된 광을 촬상한다. 에어리어 센서(23, 24)가 감도를 갖는 파장의 범위는, 경사 다이크로익 미러(22)에서 파장의 변화에 따라 광의 투과율(및 반사율)이 변화하는 소정의 파장역에 대응하고 있다. 에어리어 센서(23, 24)는, 예를 들면 모노크롬 센서 또는 컬러 센서이다. 에어리어 센서(23, 24)에 의한 촬상 결과(화상)는, 제어 장치(30)에 출력된다.
밴드 패스 필터(25)는, 경사 다이크로익 미러(22) 및 에어리어 센서(23)의 사이에 배치되어 있다. 밴드 패스 필터(26)는, 경사 다이크로익 미러(22) 및 에어리어 센서(24)의 사이에 배치되어 있다. 밴드 패스 필터(25, 26)는, 예를 들면 상술한 소정의 파장역(경사 다이크로익 미러(22)에서, 파장에 따라 광의 투과율 및 반사율이 변화하는 파장역) 이외의 파장역의 광을 제거하는 필터여도 된다.
도 1로 되돌아가서, 제어 장치(30)는, 컴퓨터이며, 물리적으로는, RAM, ROM 등의 메모리, CPU 등의 프로세서(연산 회로), 통신 인터페이스, 하드 디스크 등의 격납부를 구비하여 구성되어 있다. 제어 장치(30)는, 메모리에 격납된 프로그램을 컴퓨터 시스템의 CPU에서 실행하는 것에 의해 기능한다. 제어 장치(30)는, 마이콤(microcomputer)이나 FPGA로 구성되어 있어도 된다.
제어 장치(30)는, 광을 촬상한 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정한다. 제어 장치(30)는, 에어리어 센서(23, 24)에서 각 화소 마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정한다. 보다 상세하게는, 제어 장치(30)는, 에어리어 센서(23)에서 촬상 결과(에어리어 센서(23)로부터의 신호)에 기초하여 특정되는 투과광량과, 에어리어 센서(24)에서 촬상 결과(에어리어 센서(24)로부터의 신호)에 기초하여 특정되는 반사광량과, 경사 다이크로익 미러(22)의 중심(中心) 파장(소정의 파장역의 중심(中心) 파장)과, 경사 다이크로익 미러(22)의 폭에 기초하여, 화소 마다의 광의 파장 중심(重心)을 도출하고, 해당 파장 중심(重心)에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정한다. 경사 다이크로익 미러(22)의 폭은, 예를 들면 경사 다이크로익 미러(22)에서 투과율이 0%가 되는 파장으로부터 투과율이 100%가 되는 파장까지의 파장 폭이다.
구체적으로는, 제어 장치(30)는, 이하의 (1) 식에 기초하여 각 화소의 파장 중심(重心)을 도출한다. 이하의 (1) 식에서, λ은 파장 중심(重心), λ0은 경사 다이크로익 미러(22)의 중심(中心) 파장, A는 경사 다이크로익 미러(22)의 폭, R은 반사광량, T는 투과광량을 나타내고 있다.
λ=λ0+A(T-R)/2(T+R) (1)
도 5는, 투과광량 및 반사광량에 따른 파장 시프트를 설명하는 도면이다. 상술한 (1) 식에 의해서 λ(파장 중심(重心))을 도출하는 경우, 도 5에 나타내는 바와 같이, T(투과광량)=R(반사광량)인 화소에 대해서는, λ=λ0(경사 다이크로익 미러(22)의 중심(中心) 파장)으로 된다. 또한, T<R인 화소, 즉 투과광량보다도 반사광량이 많은 화소에 대해서는, λ=λ1(λ0보다도 단파장측의 파장)으로 된다. 또한, T<R인 화소, 즉 투과광량보다도 반사광량이 많은 화소에 대해서는, λ=λ1(λ0보다도 단파장측의 파장)으로 된다. 또한, T>R인 화소, 즉 투과광량이 반사광량보다도 많은 화소에 대해서는, λ=λ2(λ0보다도 장파장측의 파장)으로 된다. 이와 같이, λ(파장 중심(重心))은, 투과광량 및 반사광량에 기초하여 값이 시프트(파장 시프트)된다.
또한, 파장 중심(重心)의 도출 방법은, 상기에 한정되지 않는다. 예를 들면, λ(파장 중심(重心))은 이하의 x와 비례 관계에 있기 때문에, 이하의 (2) 식 및 (3) 식으로부터 파장 중심을 도출해도 된다. 이하의 (3) 식에서, IT는 투광광량, IR은 반사광량을 나타내고 있다. 또한, 측정 대상의 스펙트럼 형상이나 경사 다이크로익 미러(22)의 선형성이 이상적인 형상인 경우에는, (2) 식에서는 파라미터인 a, b은 경사 다이크로익 미러(22)의 광학 특성에 의해서 결정할 수 있다.
λ=ax+b (2)
x=IT-IR/2(IT+IR) (3)
또한, 실제로는 광학계나 카메라 간의 스펙트럼 특성에 차이(개체차)가 있기 때문에, 그들을 보정하는 목적으로, 예를 들면, 반사 특성이 기지의 기판의 신호 강도를 레퍼런스로 하여, x를 이하의 (4) 식에 의해서 도출해도 된다. 이하의 (4) 식에서, ITr은 레퍼런스에서 투과광량, IRr은 레퍼런스에서의 반사광량을 나타내고 있다.
x=(IT/ITr-IR/IRr)/2(IT/ITr+IR/IRr) (4)
또한, 광원으로부터의 직접광의 영향을 제거할 목적으로 무반사 상태의 신호량을 이용하여 x를 이하의 (5) 식에 의해 도출해도 된다. 이하의 (5) 식에서, ITb는 무반사 상태의 투과광량, IRb는 무반사 상태의 반사광량을 나타내고 있다.
x={(IT-ITb)/(ITr-ITb)-(IR-IRb)/(IRr-IRb)}/2{(IT-ITb)/(ITr-ITb)+(IR-IRb)/(IRr-IRb)} (5)
또한, 막 특성, 조사 스펙트럼, 경사 다이크로익 미러(22)의 비선형성 등의, 여러가지의 보정을 포괄적으로 실행하기 위해, 파장 중심(重心)(λ)은 이하의 (6) 식과 같은 다항식으로 근사해도 된다. 또한, 이하의 (6) 식에서의 각 파라미터(a, b, c, d, e)는, 예를 들면, 파장 중심(重心)(막 두께)의 다른 샘플을 복수 측정하는 것에 의해 결정된다.
λ=ax4+bx3+cx2+dx+e (6)
도 6은, 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다. 도 6에서는, 횡축이 파장, 종축이 반사율로 되어 있다. 도 6에 나타난 예에서는, 막 두께가 820nm의 예의 각각에 대하여 파장과 반사율과의 관계가 나타나 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 막 두께의 차이에 의해서, 파장 중심(重心)이 다른 것이 된다. 이 때문에, 파장 중심(重心)이 특정되는 것에 의해, 막 두께를 추정하는 것이 가능해진다.
파장과 막 두께와의 관계는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 이하의 (7) 식에 의해 설명할 수 있다. 이하의 (7) 식에서, n은 막의 굴절율, d는 막 두께, m은 양의 정수(1, 2, 3, …), λ는 파장 중심(重心)을 나타내고 있다. 2nd는, 광로차(막이 배치되어 있는 것에 의해 생기는 광로차)를 나타내고 있다. 제어 장치(30)는, 이하의 (7) 식에 기초하여, 각 화소의 파장 중심(重心)으로부터 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정한다.
2nd=mλ(m=1, 2, 3, …) (강하게 만나는 조건)
2nd=(m-1/2)(m=1, 2, 3, …) (약하게 만나는 조건) (7)
여기서, 상술한 파장과 막 두께와의 관계를 나타내는 (7) 식은, 샘플(10)에 대하여 광이 수직으로 입사하는 경우에 성립한다. 일방에서, 샘플(100)에 대하여, 광이 수직으로 입사하지 않는 경우에는, 상기 (7) 식은 성립하지 않는다. 즉, 도 8에 나타내는 바와 같이, 기재(102)의 표면에 막(101)이 배치된 샘플(100)에 대하여 광이 입사하는 경우, 측정점에 의해서 광의 입사각이 다르고 광로차가 다르기 때문에, 일률적으로 상기 (7) 식에 의해서 막 두께를 고정밀도로 추정할 수가 없다. 이 때문에, 어느 측정점(입사각)에서도 고정밀도로 막 두께를 추정하기 위해서는, 측정점(입사각)에 따른 계산(보정 처리)가 필요하게 된다.
도 9는, 막 두께 측정값의 보정을 설명하는 도면이다. 도 9의 (a) 나타낸 바와 같이, 광의 입사각이 θ인 경우, 광로차는, 2ndcosθ로 나타낸다. 이것에 의해, 입사각θ을 고려한 파장과 막 두께와의 관계는, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이하의 (8) 식에 의해 설명할 수 있다. 제어 장치(30)는, 이하의 (8) 식에 기초하여, 측정점(입사각)에 따른 막 두께 추정을 행한다. 이와 같이, 제어 장치(30)는, 샘플(100)에 조사되는 광의 각도를 더 고려하여, 파장 중심(重心)으로부터 막 두께를 추정해도 된다.
2ndcosθ= mλ (강하게 만나는 조건)
2ndcosθ=(m-1/2)λ (약하게 만나는 조건) (8)
상술한 바와 같이, 막 두께 측정 장치(1)는, 막 두께 측정 방법을 실시한다. 막 두께 측정 방법은, 예를 들면, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 제1 공정과, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 샘플(100)로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과, 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 해당 파장에 기초하여 대상물의 막 두께를 추정하는 제3 공정을 포함한다.
다음으로, 본 실시 형태의 작용 효과에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)는, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 광원(10)과, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 샘플(100)로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 경사 다이크로익 미러(22)와, 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 에어리어 센서(23, 24)와, 광을 촬상한 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정하는 제어 장치(30)를 구비하고, 광원(10)은, 경사 다이크로익 미러(22)의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 조사한다.
본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)에서는, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로, 경사 다이크로익 미러(22)의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광이 조사된다. 그리고, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)에서는, 경사 다이크로익 미러(22)가, 샘플(100)로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리한다. 여기서, 경사 다이크로익 미러(22)는, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화한다. 그 때문에, 경사 다이크로익 미러(22)에서 분리되는 광에서 투과되는 비율과 반사되는 비율은, 파장에 따라서 변화하는 것이 된다. 그리고, 분리된 광이 에어리어 센서(23, 24)에서 촬상되는 것에 의해, 투과광의 비율과 반사광의 비율이 특정 가능해지고, 그 결과, 파장이 특정 가능해진다. 또한, 제어 장치(30)에서, 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께가 추정된다. 파장을 나타내는 정보에 기초하여 막 두께가 추정 가능한 바, 상술한 바와 같이, 에어리어 센서(23, 24)에서의 촬상 결과로부터 파장이 특정되기 때문에, 해당 파장의 정보를 포함하는 신호(에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호)가 고려되는 것에 의해서, 샘플(100)의 막 두께를 고정밀도로 추정할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)에서는, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로 광이 조사되어, 샘플(100)로부터의 광에 따라 샘플(100)의 면내의 막 두께가 동시에 추정되기 때문에, 포인트 센서 또는 라인 스캔 등에 의해서 광의 조사 범위가 변경되면서 면내의 막 두께를 추정하는 경우와 비교하여, 면내의 막 두께 분포를 고속으로 추정할 수 있다. 이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)에 의하면, 샘플(100)의 막 두께를 고속으로 측정할 수 있다.
도 10은, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)와 비교예와의 비교 결과를 나타내는 도면이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 포인트 센서에 의해서 1점씩 막 두께가 측정되는 경우에는, 예를 들면 4시간 정도의 측정 시간이 걸린다. 또한, 여기서의 4시간이란, 예를 들면 약 16000점의 검출이 행해진 경우의 측정 시간이다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 라인 스캔에 의해서 1라인씩 막 두께가 측정되는 경우에는, 예를 들면 3분 정도의 측정 시간이 걸린다. 이것에 대하여, 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)에서는, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로 광이 조사되어 면내의 막 두께가 일괄로(동시에) 측정되기 때문에, 측정 시간이 5초 정도로 된다. 이와 같이, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)는, 비교예에 관한 포인트 센서 또는 라인 스캔 등과 비교하여, 면내의 막 두께 분포를 고속으로 추정할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)에서는, 측정 결과와 실제의 막 두께의 오차를 0.1% 이하로 할 수 있었다. 이와 같이, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)는, 막 두께에 관한 측정 시간의 단축 및 측정 정밀도의 향상을 양립할 수 있다. 또한, 포인트 센서 및 라인 스캔에 관한 구성은, 인라인(장치에의 탑재)이 곤란한 점에서, 본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 장치(1)는, 용이하게 인라인 대응이 가능하다.
상기 막 두께 측정 장치(1)에서, 제어 장치(30)는, 에어리어 센서(23, 24)에서의 화소 마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정해도 된다. 이러한 구성에 의하면, 샘플(100)의 조사면에서의 막 두께 분포를 보다 상세하게(화소 마다에) 추정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치(1)에서, 제어 장치(30)는, 샘플(100)에 조사되는 광의 각도를 더 고려하여, 막 두께를 추정해도 된다. 샘플(100)에 조사되는 광의 각도가 변화하면 광로가 변화하기 때문에, 파장만의 정보로부터는 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 없는 경우가 있다. 이 점, 샘플(100)에 조사되는 광의 각도가 더 고려되는 것에 의해서, 실제의 광로에 따라, 보다 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 있다. 구체적으로는, 상술한 (8) 식을 이용하여 막 두께가 추정된다.
상기 막 두께 측정 장치(1)에서, 광원(10)은, 샘플(100)에 대하여 확산광을 조사해도 된다. 이것에 의해, 샘플(100)의 표면에 대하여 균일하게 광을 조사할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치(1)에서, 광원(10)은, 확산광을 생성하는 도광판(10d)(도 2의 (a) 참조)을 갖고 있어도 된다. 이것에 의해, 콤팩트한 구성으로, 샘플(100)의 표면에 대하여 균일하게 광을 조사할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치(1)는, 경사 다이크로익 미러(22) 및 에어리어 센서(23, 24)의 사이에 배치된 밴드 패스 필터(25, 26)를 더 구비해도 된다. 이것에 의해, 원하는 파장 범위 외의 광을 제거할 수 있어, 막 두께 추정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에 관한 막 두께 측정 방법은, 막 두께 측정 장치(1)에 의해 실시되고, 샘플(100)에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 제1 공정과, 소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하 샘플(100)로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과, 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 해당 파장에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정하는 제3 공정을 포함한다. 이러한 막 두께 측정 방법에 의하면, 샘플(100)의 막 두께를 고속으로 측정할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 막 두께 측정 장치(1)는, 다양한 샘플(100)의 막 두께 측정에 응용할 수 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 샘플(100)로서, 반도체 소자(100A), 플랫 패널 디스플레이(100B), 필름 부재(100C), 전자 부품(100D), 전자 부품 이외의 다른 부품(100E) 등이 고려된다.
즉, 막 두께 측정 장치(1)는, 반도체 소자(100A)에 대해, 웨이퍼인 기재(102)에 형성된 막(101)의 두께를 측정해도 된다. 이 경우, 장치 구성으로서는, 암, 카세트, 후프, 컨베이어, 이동 스테이지 등을 포함한 웨이퍼 반송 및 유지 기구가 이용된다.
또한, 막 두께 측정 장치(1)는, 플랫 패널 디스플레이(100B)에 대해, 글래스, 필름, 시트 등으로 구성되는 기재(102)에 형성된 막(101)의 두께를 측정해도 된다. 이 경우, 장치 구성으로서는, 암, 글래스대, 컨베이어, 이동 스테이지 등을 포함한 반송 및 유지 기구가 이용된다.
또한, 막 두께 측정 장치(1)는, 필름 부재(100C)에 대해, 글래스, 필름, 시트 등으로 구성되는 기재(102)에 형성된 막(101)의 두께를 측정해도 된다. 이 경우, 장치 구성으로서는, 암, 글래스대, 컨베이어, 이동 스테이지 등을 포함한 반송 및 유지 기구가 이용된다. 또한, 필름 부재(100C)에 대해서는, 예를 들면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 일방향으로 반송되고 있는 필름 부재(100C)가 연속적으로 촬상되고, 촬상 영역끼리가 연결되는 것에 의해서, 반송되고 있는 필름 부재(100C) 전체의 막 두께 측정이 실시되어도 된다.
또한, 막 두께 측정 장치(1)는, 전자 부품(100D)에 대하여, 기판인 기재(102)에 형성된 막(101)의 두께를 측정해도 된다. 이 경우, 장치의 구성으로서는, 암, 카세트, 후프, 컨베이어, 샘플대, 이동 스테이지 등을 포함하는 웨이퍼 반송 및 유지 기구가 이용된다.
또한, 막 두께 측정 장치(1)는, 부품(100E)에 대하여, 기판인 기재(102)에 형성된 막(101)의 두께를 측정해도 된다. 부품(100E)의 막이란, 예를 들면, 성형품 등의 박막이며, 이 경우의 막 두께 측정이란, 예를 들면 박막 코트 두께의 측정이다. 장치 구성으로서는, 암, 카세트, 후프, 컨베이어, 샘플대, 이동 스테이지 등을 포함한 웨이퍼 반송 및 유지 기구가 이용된다.
또한, 상술한 막 두께 측정에 의해서는, 상대적인 막 두께 분포가 도출되지만, 이것에 더하여, 샘플(100)의 어느 일점의 스펙트럼 정보(기준 스펙트럼 정보)를 검출하는 것에 의해, 상대적인 막 두께 분포 및 기준 스펙트럼 정보에 기초하여, 각 에어리어의 막 두께의 절대값을 각각 도출해도 된다. 도 13은, 변형예에 관한 막 두께 측정 장치(1A)를 모식적으로 나타낸 도면이다. 막 두께 측정 장치(1A)는, 실시 형태에서 설명한 막 두께 측정 장치(1)의 각 구성에 더하여, 하프 미러(29)와, 분광기(50)를 구비하고 있다. 하프 미러(29)는, 예를 들면 샘플(100)의 중앙 부근의 1점의 광을 반사한다. 분광기(50)는, 해당 1점의 광의 분광 스펙트럼 데이터인 기준 스펙트럼 정보를 취득한다. 이와 같이, 기준 스펙트럼 정보가 취득되는 것에 의해, (7) 식 및 (8) 식에서 m의 값을 결정하고, 상대적인 막 두께의 변화량만이 아니라, 각 에어리어의 막 두께의 절대값을 도출할 수 있다. 또한, 막 두께의 절대값 계측의 수법은 상기에 한정되지 않는다.
1, 1A: 막 두께 측정 장치
10: 광원(광 조사부)
10d: 도광판
22: 경사 다이크로익 미러
23, 24: 에어리어 센서(촬상부)
25, 26: 밴드 패스 필터
30: 제어 장치(해석부)
100: 샘플(대상물)

Claims (7)

  1. 대상물에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 광 조사부와,
    소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 상기 대상물로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자와,
    상기 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 촬상부와,
    광을 촬상한 상기 촬상부로부터의 신호에 기초하여 상기 대상물의 막 두께를 추정하는 해석부를 구비하고,
    상기 광 조사부는, 상기 광학 소자의 상기 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 조사하는, 막 두께 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 해석부는, 상기 촬상부에서의 화소 마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정하는, 막 두께 측정 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 해석부는, 상기 대상물에 조사되는 광의 각도를 더 고려하여, 막 두께를 추정하는, 막 두께 측정 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 조사부는, 상기 대상물에 대하여 확산광을 조사하는, 막 두께 측정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광 조사부는, 상기 확산광을 생성하는 도광판을 갖는, 막 두께 측정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광학 소자 및 상기 촬상부의 사이에 배치된 밴드 패스 필터를 더 구비하는, 막 두께 측정 장치.
  7. 대상물에 대하여 면 모양으로 광을 조사하는 제1 공정과,
    소정의 파장역에서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고 상기 대상물로부터의 광을 투과 및 반사하는 것에 의해 분리하는 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과,
    촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 상기 파장에 기초하여 상기 대상물의 막 두께를 추정하는 제3 공정을 포함하는 막 두께 측정 방법.
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