JPH07159132A - 半導体表面の温度と表面上に形成された膜の厚さを 測定する装置 - Google Patents
半導体表面の温度と表面上に形成された膜の厚さを 測定する装置Info
- Publication number
- JPH07159132A JPH07159132A JP33965993A JP33965993A JPH07159132A JP H07159132 A JPH07159132 A JP H07159132A JP 33965993 A JP33965993 A JP 33965993A JP 33965993 A JP33965993 A JP 33965993A JP H07159132 A JPH07159132 A JP H07159132A
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- light
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- wavelength
- semiconductor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体基板に蒸着膜を形成する場合の基板表
面温度制御と膜厚の制御を同時に行う装置 【構成】 半導体表面の光の反射率は半導体のエネルギ
ーバンドのバンドギャップに相当する波長の前後で変化
し、その波長が温度で変わることを利用して基板の温度
を検出すると共に、その時使用する光を偏光とし、分光
偏光解析手段によって膜厚を検出するようにした。 【効果】温度と膜厚の検出が相互同時にできるので、半
導体デバイスの品質管理が正確にできる。
面温度制御と膜厚の制御を同時に行う装置 【構成】 半導体表面の光の反射率は半導体のエネルギ
ーバンドのバンドギャップに相当する波長の前後で変化
し、その波長が温度で変わることを利用して基板の温度
を検出すると共に、その時使用する光を偏光とし、分光
偏光解析手段によって膜厚を検出するようにした。 【効果】温度と膜厚の検出が相互同時にできるので、半
導体デバイスの品質管理が正確にできる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体基板上に蒸着膜を
形成する場合の基板の温度と形成する膜の厚さの両者の
制御方法に関する。
形成する場合の基板の温度と形成する膜の厚さの両者の
制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスは半導体基板上に各種の
物質を蒸着または拡散させる等の工程を繰返すことによ
って製作される。所で半導体基板上にこのような蒸着を
行う場合、所望の特性と品質を備えた層を安定的に形成
するためには、基板温度と層の厚さとを正確に制御でき
ることが必要である。半導体基板の表面温度を測定する
技術として熱電対用いる方法とか温度輻射を測定する方
法があるが精度が低い。高精度な測温技術として、半導
体表面の光の反射率が半導体のエネルギーバンドのバン
ドギャップに相当する波長の前後で急変し、しかもその
波長が温度によって変化することを利用する光学的な方
法が提案され実用されている。また表面に形成された膜
の厚さを測定する技術として以前から分光偏光解析手段
が利用されている。
物質を蒸着または拡散させる等の工程を繰返すことによ
って製作される。所で半導体基板上にこのような蒸着を
行う場合、所望の特性と品質を備えた層を安定的に形成
するためには、基板温度と層の厚さとを正確に制御でき
ることが必要である。半導体基板の表面温度を測定する
技術として熱電対用いる方法とか温度輻射を測定する方
法があるが精度が低い。高精度な測温技術として、半導
体表面の光の反射率が半導体のエネルギーバンドのバン
ドギャップに相当する波長の前後で急変し、しかもその
波長が温度によって変化することを利用する光学的な方
法が提案され実用されている。また表面に形成された膜
の厚さを測定する技術として以前から分光偏光解析手段
が利用されている。
【０００３】上述した反射率の変化を利用した測温方法
や偏光解析による膜厚測定方法は夫々精度の良い方法で
あるが、これらの方法を一つ装置で実行できる装置はな
く、何れも光学的な方法によっているので、一方の測定
が他方の測定の邪魔になる関係にあって、夫々に装置を
用意しても温度と膜厚の測定を同時に行うことは困難で
あり、蒸着装置の周りに２種の測定装置を配置すること
にはスペース上の制約もある。このため従来は測温は熱
電対で行い、膜厚を偏光解析装置で測定すると云うよう
なことが行われていた。
や偏光解析による膜厚測定方法は夫々精度の良い方法で
あるが、これらの方法を一つ装置で実行できる装置はな
く、何れも光学的な方法によっているので、一方の測定
が他方の測定の邪魔になる関係にあって、夫々に装置を
用意しても温度と膜厚の測定を同時に行うことは困難で
あり、蒸着装置の周りに２種の測定装置を配置すること
にはスペース上の制約もある。このため従来は測温は熱
電対で行い、膜厚を偏光解析装置で測定すると云うよう
なことが行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述したよう
な状況に鑑み、一つの装置で上述した反率率変化による
測温と分光偏光解析による膜厚測定の両方の同時実行を
可能にしようとする。
な状況に鑑み、一つの装置で上述した反率率変化による
測温と分光偏光解析による膜厚測定の両方の同時実行を
可能にしようとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】試料面に励起光を照射す
る手段と、この励起光をオンオフする手段と、試料面の
上記励起光照射点に他の波長の測定光を照射する手段
と、この測定光の光路に挿入された偏光子と、試料面か
ら反射される上記測定光の反射光路上に置かれた回転検
光子と、この回転検光子の後方に置かれ測定光を検出す
る光検出手段と、上記光検出手段の出力から上記オンオ
フ手段の動作と同期した周波数の成分を取出す手段と、
同手段の出力振幅の変化を検出するデータ処理手段と、
上記光検出手段の出力の直流成分を取出す手段と、同手
段より出力される信号と上記検光子の回転角位置とから
偏光解析を行うデータ処理手段とにより装置を構成し
た。
る手段と、この励起光をオンオフする手段と、試料面の
上記励起光照射点に他の波長の測定光を照射する手段
と、この測定光の光路に挿入された偏光子と、試料面か
ら反射される上記測定光の反射光路上に置かれた回転検
光子と、この回転検光子の後方に置かれ測定光を検出す
る光検出手段と、上記光検出手段の出力から上記オンオ
フ手段の動作と同期した周波数の成分を取出す手段と、
同手段の出力振幅の変化を検出するデータ処理手段と、
上記光検出手段の出力の直流成分を取出す手段と、同手
段より出力される信号と上記検光子の回転角位置とから
偏光解析を行うデータ処理手段とにより装置を構成し
た。
【０００６】
【作用】半導体の光の吸収率は光のエネルギーが半導体
のエネルギーバンドの充満帯と伝導帯との間のエネルギ
ーギャップに相当するエネルギーの波長より短くなる
と、充満帯の電子を伝導体に遷移させることによって半
導体に吸収されるため急増する。従って光の波長を長波
長から短波長へと変化させると、或る波長の所で反射率
が急に低下する。この反射率が急に低下する波長は温度
が上がると長波長側に移動するので、その波長変化から
半導体試料の温度を知ることができる。しかしながら、
反射率スペクトルは非常に微弱であり、精度よく測定す
ることは困難である。そこで、試料に変調された励起光
を照射し、微少な温度変化を生じさせることにより、反
射率が急変する波長を励起光の変調周期で変化させるこ
とができる。故に、反射光の励起光の変調に同調した成
分を取り出すと、丁度、反射率を波長微分した光が得ら
れ、このスペクトルは吸収端波長でするどいピークが得
られるため、求める波長（反射率が急変する波長）を測
定することができ、試料の温度が検出できる。
のエネルギーバンドの充満帯と伝導帯との間のエネルギ
ーギャップに相当するエネルギーの波長より短くなる
と、充満帯の電子を伝導体に遷移させることによって半
導体に吸収されるため急増する。従って光の波長を長波
長から短波長へと変化させると、或る波長の所で反射率
が急に低下する。この反射率が急に低下する波長は温度
が上がると長波長側に移動するので、その波長変化から
半導体試料の温度を知ることができる。しかしながら、
反射率スペクトルは非常に微弱であり、精度よく測定す
ることは困難である。そこで、試料に変調された励起光
を照射し、微少な温度変化を生じさせることにより、反
射率が急変する波長を励起光の変調周期で変化させるこ
とができる。故に、反射光の励起光の変調に同調した成
分を取り出すと、丁度、反射率を波長微分した光が得ら
れ、このスペクトルは吸収端波長でするどいピークが得
られるため、求める波長（反射率が急変する波長）を測
定することができ、試料の温度が検出できる。
【０００７】本発明では上述した測定光が直線偏光にな
っているので、試料からの反射光は回転偏光となってお
り、測定光の検出信号の直流成分からその回転偏光の長
軸方向と楕円率とから試料面上の膜厚が求められ、長軸
方向と楕円率は検光子を回転させたときの角位置と測定
光の検出強度との関係から求められる。このようにして
一つの装置で試料の温度と表面の厚さが同時に測定され
る。
っているので、試料からの反射光は回転偏光となってお
り、測定光の検出信号の直流成分からその回転偏光の長
軸方向と楕円率とから試料面上の膜厚が求められ、長軸
方向と楕円率は検光子を回転させたときの角位置と測定
光の検出強度との関係から求められる。このようにして
一つの装置で試料の温度と表面の厚さが同時に測定され
る。
【０００８】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示す。１は蒸着を
行うチャンバで、２は蒸着を行うべき対象の半導体基板
である。チャンバ１には２つの光透過窓３，４が設けら
れている。この窓を通して半導体基板２に光を照射し、
その反射光を取出すのである。５は基板２に励起光を照
射する励起用光源、６は測定光光源で、その出射光は半
透明鏡７によって励起光と同じ光路に乗り、基板を照射
するようになっている。半透明鏡７と窓３との間に偏光
子８が挿入されている。基板２から反射した光は窓４を
通してチャンバ１の外に出、検光子９を通って分光素子
の回析格子１０に入射し、スペクトル像を形成する。そ
の像面にアレー状の光検出器１１が配置されている。１
２は制御装置で励起用光源をオンオフし、検光子駆動モ
ータ１３を駆動して検光子９を回転させる。励起用光源
のオンオフ周期は検光子９の回転速度に比し充分短くし
てある。光検出器１１の一つの波長位置の素子の出力が
ＤＣアンプ１４を介して制御装置１２に取込まれる。こ
の波長は励起光の波長とは異なった波長で、白色光光源
６からの光である。また同じ波長の光の検出出力からは
ＡＣアンプ１５を経て交流成分が取出され、検出周波数
を励起用光源のオンオフ周波数に合わせたロックインア
ンプ１６を通して、励起用光源のオンオフと同期した交
流成分のみが取出され、制御装置にはこの交流信号も取
込む。
行うチャンバで、２は蒸着を行うべき対象の半導体基板
である。チャンバ１には２つの光透過窓３，４が設けら
れている。この窓を通して半導体基板２に光を照射し、
その反射光を取出すのである。５は基板２に励起光を照
射する励起用光源、６は測定光光源で、その出射光は半
透明鏡７によって励起光と同じ光路に乗り、基板を照射
するようになっている。半透明鏡７と窓３との間に偏光
子８が挿入されている。基板２から反射した光は窓４を
通してチャンバ１の外に出、検光子９を通って分光素子
の回析格子１０に入射し、スペクトル像を形成する。そ
の像面にアレー状の光検出器１１が配置されている。１
２は制御装置で励起用光源をオンオフし、検光子駆動モ
ータ１３を駆動して検光子９を回転させる。励起用光源
のオンオフ周期は検光子９の回転速度に比し充分短くし
てある。光検出器１１の一つの波長位置の素子の出力が
ＤＣアンプ１４を介して制御装置１２に取込まれる。こ
の波長は励起光の波長とは異なった波長で、白色光光源
６からの光である。また同じ波長の光の検出出力からは
ＡＣアンプ１５を経て交流成分が取出され、検出周波数
を励起用光源のオンオフ周波数に合わせたロックインア
ンプ１６を通して、励起用光源のオンオフと同期した交
流成分のみが取出され、制御装置にはこの交流信号も取
込む。
【０００９】励起用光源の光はそのエネルギーが基板２
のエネルギーバンドのバンドギャップに近い所でそれよ
り大きいような波長の光であって、単色光である必要は
ないが、実施例では半導体レーザが用いられる。測定光
は上記バンドギャップ前後のエネルギー範囲を含んでい
ることが望ましく実施例では白色光源６を用いている。
制御装置１２が光検出器１１から信号を取込んでいる波
長は、基板２の設定温度において反射率が急変する波長
で、励起光はそれより短波長の所にある。前述したよう
に反射率が急変する波長の付近では反射率は励起光のオ
ンオフによって大きく変化し、ロックインアンプ１６は
この変化幅ΔＲを検出していることになる。そして検出
波長が固定してあるのでこのΔＲスペクトルは基板の反
射率の急変する波長で極性が大きく反転する。つまり温
度変化によってΔＲスペクトルが変化するので、ΔＲス
ペクトルと交わる波長か目標値であるように制御する。
ΔＲの絶対値は窓３，４の汚れや光源６の変動で変化す
るので、実際の制御はＤＣアンプ１４の出力に対するΔ
Ｒの比によって行われる。
のエネルギーバンドのバンドギャップに近い所でそれよ
り大きいような波長の光であって、単色光である必要は
ないが、実施例では半導体レーザが用いられる。測定光
は上記バンドギャップ前後のエネルギー範囲を含んでい
ることが望ましく実施例では白色光源６を用いている。
制御装置１２が光検出器１１から信号を取込んでいる波
長は、基板２の設定温度において反射率が急変する波長
で、励起光はそれより短波長の所にある。前述したよう
に反射率が急変する波長の付近では反射率は励起光のオ
ンオフによって大きく変化し、ロックインアンプ１６は
この変化幅ΔＲを検出していることになる。そして検出
波長が固定してあるのでこのΔＲスペクトルは基板の反
射率の急変する波長で極性が大きく反転する。つまり温
度変化によってΔＲスペクトルが変化するので、ΔＲス
ペクトルと交わる波長か目標値であるように制御する。
ΔＲの絶対値は窓３，４の汚れや光源６の変動で変化す
るので、実際の制御はＤＣアンプ１４の出力に対するΔ
Ｒの比によって行われる。
【００１０】制御装置１２はまたＤＣアンプ１４の出力
信号と検光子９の回転角位置のデータとからＤＣアンプ
出力の最大，最小と夫々の場合の検光子の角位置を検出
している。これは基板２に入射させた直線偏光の反射光
が楕円偏光となっていて、その楕円偏光の楕円率と長軸
方位を表わしており、これから基板上に形成される膜の
厚さが求められるので、楕円率と長軸方位が目標値にな
った所で蒸着動作を停止させる。上述実施例では励起光
と測定光は同じ光路に乗せているが、これらは同じ光路
である必要はなく、例えば励起光は上方から基板２に垂
直に照射してもよい。
信号と検光子９の回転角位置のデータとからＤＣアンプ
出力の最大，最小と夫々の場合の検光子の角位置を検出
している。これは基板２に入射させた直線偏光の反射光
が楕円偏光となっていて、その楕円偏光の楕円率と長軸
方位を表わしており、これから基板上に形成される膜の
厚さが求められるので、楕円率と長軸方位が目標値にな
った所で蒸着動作を停止させる。上述実施例では励起光
と測定光は同じ光路に乗せているが、これらは同じ光路
である必要はなく、例えば励起光は上方から基板２に垂
直に照射してもよい。
【００１１】図２は上述実施例における測温のための構
成を多チャンネル化したもので、複数の蒸着チャンバに
より平行的に蒸着作業を行う場合に適用されるものであ
る。１Ａ，１Ｂ…１Ｅは蒸着を行うチャンバで２Ａ，２
Ｂ…２Ｅは半導体基板である。各チャンバの頂面には夫
々窓３Ａ，３Ｂ等が設けられている。励起光と測定光は
この窓を通して基板２Ａ等に垂直に入射せしめられ、基
板面から垂直に反射して再び窓３Ａ等を通って取出され
る。５は励起用光源、６は測定光用の光源で半透明鏡７
を介して両者の光は同一光路上に乗せられる。１７は光
スイッチで励起光と測定光を基板２Ａ〜２Ｅに切換入射
させる。各チャンバ１Ａ等の窓３Ａ等の上方には集光レ
ンズ１８Ａ，１８Ｂ…１８Ｅが配置され、光スイッチ１
７と集光レンズ１８Ａ等との間は光ファイバー１９で結
合されている。光スイッチ１７は図では左右に移動可能
な半透明鏡で、何れの基板に光を入射させるかを切換え
ると共にその光の基板からの反射光を光スイッチの半透
明鏡を通して上方へ送り出す。送り出された光はフィル
タ２０を通して励起光とは異る波長の光が選択されて、
各チャンバ１Ａ等に対応させた５個の光検出器１１Ａ，
１１Ｂ等に入射せしめられる。即ちこの実施例はＡから
Ｅまでの５チャンネルがあって、各チャンネルが時分割
的に開通して、半導体基板２Ａ〜２Ｅの温度が順次測定
される。各チャンネルについての測温動作は前述実施例
と同じなので、測定回路の各部には第１図の対応部分と
同じ符号をつけ、一々の説明は省略する。光スイッチ１
７と各光検出器との間も光ファイバーでつないでもよ
い。
成を多チャンネル化したもので、複数の蒸着チャンバに
より平行的に蒸着作業を行う場合に適用されるものであ
る。１Ａ，１Ｂ…１Ｅは蒸着を行うチャンバで２Ａ，２
Ｂ…２Ｅは半導体基板である。各チャンバの頂面には夫
々窓３Ａ，３Ｂ等が設けられている。励起光と測定光は
この窓を通して基板２Ａ等に垂直に入射せしめられ、基
板面から垂直に反射して再び窓３Ａ等を通って取出され
る。５は励起用光源、６は測定光用の光源で半透明鏡７
を介して両者の光は同一光路上に乗せられる。１７は光
スイッチで励起光と測定光を基板２Ａ〜２Ｅに切換入射
させる。各チャンバ１Ａ等の窓３Ａ等の上方には集光レ
ンズ１８Ａ，１８Ｂ…１８Ｅが配置され、光スイッチ１
７と集光レンズ１８Ａ等との間は光ファイバー１９で結
合されている。光スイッチ１７は図では左右に移動可能
な半透明鏡で、何れの基板に光を入射させるかを切換え
ると共にその光の基板からの反射光を光スイッチの半透
明鏡を通して上方へ送り出す。送り出された光はフィル
タ２０を通して励起光とは異る波長の光が選択されて、
各チャンバ１Ａ等に対応させた５個の光検出器１１Ａ，
１１Ｂ等に入射せしめられる。即ちこの実施例はＡから
Ｅまでの５チャンネルがあって、各チャンネルが時分割
的に開通して、半導体基板２Ａ〜２Ｅの温度が順次測定
される。各チャンネルについての測温動作は前述実施例
と同じなので、測定回路の各部には第１図の対応部分と
同じ符号をつけ、一々の説明は省略する。光スイッチ１
７と各光検出器との間も光ファイバーでつないでもよ
い。
【００１２】上例は半導体基板の温度だけを制御する装
置であるが、図１の実施例のように偏光解析法による膜
厚測定系も付設できる。図３にその実施例を示す。図２
の各部と同じ部分には同じ符号をつけ説明を略す。光ス
イッチ１７の各出口から出た光は光ファイバー２１で一
個所に集められ、レンズ２２，フィルタ２０，回転検光
子９を通して光検出器１１に入射せしめられるようにな
っている。
置であるが、図１の実施例のように偏光解析法による膜
厚測定系も付設できる。図３にその実施例を示す。図２
の各部と同じ部分には同じ符号をつけ説明を略す。光ス
イッチ１７の各出口から出た光は光ファイバー２１で一
個所に集められ、レンズ２２，フィルタ２０，回転検光
子９を通して光検出器１１に入射せしめられるようにな
っている。
【００１３】
【発明の効果】本発明は半導体基板の測温と膜厚とを同
じ光を使って同時に行え、両測定方法は共に精度の高い
方法であるから、両方の測定が同時に行えて時間的ずれ
がないことと相俟って半導体上の成膜工程の精度の良い
管理が行える。
じ光を使って同時に行え、両測定方法は共に精度の高い
方法であるから、両方の測定が同時に行えて時間的ずれ
がないことと相俟って半導体上の成膜工程の精度の良い
管理が行える。
【図１】本発明の一実施例の構成図
【図２】本発明の他の一実施例の構成図
【図３】本発明の更に他の実施例の要部構成図
１ … チャンバ ２ … 半導体基板 ３ … 窓 ４ … 窓 ５ … 励起用光源 ６ … 測定光光源 ８ … 偏光子 ９ … 検光子 １０ … 分光素子 １１ … 光検出器 １２ … 制御装置 １３ … 検光子駆動モータ １６ … ロックインアンプ
Claims (1)
- 【請求項１】 試料面に励起光を照射する手段と、この
励起光をオンオフする手段と、試料面上の励起光照射点
に励起光と異る波長の測定光を照射する手段と、この測
定光の光路に挿入された偏光子と、試料面から反射され
る上記測定光の反射光路上に挿入された回転検光子と、
この回転検光子の後方に置かれ測定光を検出する光検出
手段と、この光検出手段の出力から上記オンオフ手段の
動作周期と同期した周波数の信号を取出す手段と同手段
の出力の振幅の変化を検出するデータ処理手段と、上記
光検出手段の出力から直流成分を取出す手段と同手段の
出力信号と上記検光子の回転角位置とから分光偏光解析
を行うデータ処理手段とよりなることを特徴とする半導
体表面の温度と表面上に形成された膜の厚さを測定する
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33965993A JPH07159132A (ja) | 1993-12-04 | 1993-12-04 | 半導体表面の温度と表面上に形成された膜の厚さを 測定する装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33965993A JPH07159132A (ja) | 1993-12-04 | 1993-12-04 | 半導体表面の温度と表面上に形成された膜の厚さを 測定する装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07159132A true JPH07159132A (ja) | 1995-06-23 |
Family
ID=18329594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33965993A Pending JPH07159132A (ja) | 1993-12-04 | 1993-12-04 | 半導体表面の温度と表面上に形成された膜の厚さを 測定する装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07159132A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09126892A (ja) * | 1995-10-31 | 1997-05-16 | Nec Corp | エリプソメータ |
| JP2009529139A (ja) * | 2006-03-07 | 2009-08-13 | センサリー アナリティクス | 被覆厚さの表面測定が可能な移動式装置 |
| KR101288131B1 (ko) * | 2011-03-29 | 2013-07-19 | 주식회사 에스에프에이 | 기판 증착 장치 |
| WO2014050319A1 (ja) * | 2012-09-25 | 2014-04-03 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 成膜装置および成膜方法 |
| CN119595121A (zh) * | 2024-12-05 | 2025-03-11 | 中国科学院工程热物理研究所 | 基于动态校准的辐射测温装置及方法 |
-
1993
- 1993-12-04 JP JP33965993A patent/JPH07159132A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09126892A (ja) * | 1995-10-31 | 1997-05-16 | Nec Corp | エリプソメータ |
| JP2009529139A (ja) * | 2006-03-07 | 2009-08-13 | センサリー アナリティクス | 被覆厚さの表面測定が可能な移動式装置 |
| KR101288131B1 (ko) * | 2011-03-29 | 2013-07-19 | 주식회사 에스에프에이 | 기판 증착 장치 |
| WO2014050319A1 (ja) * | 2012-09-25 | 2014-04-03 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 成膜装置および成膜方法 |
| CN119595121A (zh) * | 2024-12-05 | 2025-03-11 | 中国科学院工程热物理研究所 | 基于动态校准的辐射测温装置及方法 |
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