JPS62177404A - 膜厚測定装置 - Google Patents

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】 〔発明の技術分野〕 本発明は半導体の基板に形成されるＳ　ｉＯ，等の膜厚
性状を測定する膜厚測定装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

半導体の基板面に形成されるＳｉｎ、等の膜厚の誤差は
１歩留り向上のうえから最少限にとどめる必要があるた
め、エツチング工程における薄膜の時間的膜厚変化（以
下、早番こ膜厚変化と指称する。）および特定部位にお
ける空間的膜厚変化である厚みむらが測定されている。

そこで、従来膜厚は。

光の干渉を利用して測定している。すなわち、薄膜に対
して単色光（中心波長λ。）を照射し、このとき薄膜か
らの反射光を受光してこの受光量から膜厚を求めている
。第１２図は膜厚ｄに対する受光量工を示す図で、この
受光量工は次式で表わされる。

Ｉ　＝　ｓｍ”　（（２ｒｒ　ｎｄ　／λｏ）ｃｏａｉ
ｌ）　　　・＝ｍここで、ｎは薄膜の屈折率、ｄは膜厚
、１１は薄膜内部の屈折角である。このように受光量工
は正弦波的な変化を示すものとなり、したがって、この
周期数から膜厚およびその時間的変化が求められる。な
お、第１２図において受光量Ｉａは薄膜内部での多重反
射を考慮しない場合であり、Ｉｂは多重反射を考慮した
場合を示している。

一方、厚みむらは第１３図に示す装置により測定されて
いる。すなわち、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を発振するレーザ
発振器からなる投光装置（１）から基盤（匂上に形成さ
れた薄膜（３）に対して照射角θでレーザ光線（４）を
出力し、薄膜（３）の反射光（５）を複数並列された受
光素子（６−１８６−ｎ）で受光してその受光量に応じ
た各電気信号を増幅器（７）を通して信号処理装置（８
）に送っている。そして、この信号処理装置（８）によ
って各受光素子（６−１）〜（６−ｎ）の受光量の違い
から厚みむらが求められる。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、第１４図ｔこ示すように、ブリ晶−スタ
角以上の入射角でレーザ光を入射させた場合。

薄膜（３）上のレーザ光線（４）のスポットの大きさは
。

Ｄ　＝　ｄ／（２）θ（ただし、ｄはレーザ光！　（４
）の直径。

θは入射角である。）で表わすことができる。ところで
、入射角θを大きくすればするほど第１５図の干渉信号
の谷と山との強度差が大きくなる。よって、谷の形状が
尖鋭となり、測定にとってはより良好な信号となる。た
とえば、入射角θを８９度。

半径ｄを１朋とした場合、スポットの大きさＤは。

５７龍となる。しかし、測定スポット内に薄膜（３）の
場所による厚みむらがあったとすると、それぞれの厚さ
によった位相を有する干渉信号の合成となり、谷の位置
が不明確となる結果、測定誤差が生じやすくなる。つま
り、測定スポットが大きいほど、厚さむらの影響を受け
やすくなり、測定精度の同上にとっての制約条件となっ
ている。たとえば、第１６図に示しているのはウェハー
（Ｗ）の拡大図であるが、このウェーハ（Ｗ）は、膜厚
被測定部（ｗｌ）と、膜が形成されていないその他の部
位（ｗ２）とからなっており、かりに、測定スポットが
その他の部位σ幻のみにあたった場合、干渉信号はなく
なり測定信号はなくなる。

〔発明の目的〕

本発明は上記実情に基づいてなされたもので。

その目的とするところは１ｇ厚を正確に測定できる高精
度の膜厚測定装置を提供することにある。

〔発明の概要〕 本発明は、投光手段から測定光を被膜形成された膜面に
対してブリュースタ角よりも大きな入射角をもって投射
し、膜面における反射光または透過光を受光手段により
受光して光電変換し得られた電気信号に基づいて膜面の
膜厚性状を検出する膜厚測定装置において、レーザ光線
の）換部上におけるスポットの大きさを調節できる構成
にしたものである。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図（Ａ）は膜厚測定装置の構成図である。同図にお
いて（１０はエツチングチャンバであって２この内部の
電極０υ、α２間にウェハー（１３が載置されてウェハ
ー（＋３１上の薄膜が削除される。α（は投光器であっ
て、この投光器α荀の設置位置はレーザ光（１９がウェ
ハー（［３１上に形成される薄膜に対してブリュースタ
角よりも大きい角度で入射するものとなっている。つ才
り第２図に示すように雰囲気中の屈折率をｎｌ、薄膜の
屈折率を０２として法線をＫとすると、入射角ｉ０はブ
リュースタ角よりも大きい角つまり １０　＝ｔａｎ　　（ｎ２／ｎｌ　） 以上１例えば８９°、８５°である。このようにプリ為
−スク角よりも大きな角１（で入射すると、その反射光
（ｌｆｉｌは薄膜の面に対して平行に振動している光波
をＰ成分、このＰ成分に対して垂直に振動している光波
をＳ成分とすると、これらＰ成分と８成分とは互いに位
相がπだけずれている。しかして。

上記投光器Ｃ１４１は、第１図（Ｂ）に示すように、レ
ーザ光ａ９を発振するレーザ発振器（１＋ａ）と、この
レーザ発振器（１４ａ）から発振したレーザ光αωのス
ポット径を拡大するビームエキスパンダ（１４ｂ）と。

このビームエキスパンダ（１４ｂ）から出光した拡径し
たレーザ光（１つを入光して１方向成分のみしぼる第１
のシリンドリカルレンズ（１４Ｃ）と、この第１のシリ
ンドリカルレンズ（１４Ｃ）から出光したレーザ光α５
）を通過させるスリット板（１４ｄ）と、このスリット
板（１４ｄ）から出光したレーザ元側を入光して平行光
束となっている断面楕円状のレーザ光（１５）に変換す
るｉＪ２のシリンドリカルレンズ（１４ｅ）　トからな
っている。このとき、ウェハー（１３）の１チップ程度
の大きさ番こ第２のシリンドリカルレンズ（１４ｅ）か
ら出光したレーザ光（１５１のスポット径をするために
は、１チツプの大きさをＡａｍ角、ウェハー　（１３）
上におけるスポット径を、／ＴＡとした場合、レーザ発
振器（１４ａ）から出光したレーザ光（１５）の径をｄ
とした場合、ビームエキスパンダ（１４ｂ）の倍率は、
ｖ’Ｔｋ／ｄ、かつ、第１及び第２のシリンドリカルレ
ンズ（１４Ｇ）、　（１４ｅ）の一つにつき一、ｆＴＡ
／（ｄμθ）倍縮率する必要がある。ちなみに１人を］
ＱｍｉＥ、　ｄヲｌｌ１１ｍｌ、　　θを８９°とした
場合、ビームエキスパンダ（１４ｂ）の倍率は、１４倍
、第１及び第２のシリンドリカＡ／　ｖ　ｙズ（１４Ｃ
）、　（１４ｅ）の倍率は、　０．２５倍となる。（１
７）はこれらＰ成分と８成分の各反射波を受光してその
受光量に応じた電気信号を出力する受光器である。この
受光器αηの出力端には増幅回路０印が接続され、さら
にＶ／Ｆ変換回路（電圧−周波数変換回路）ｎｌ、Ｅ１
０変換回路（電気−光変換回路）　（２０）が接続され
ている。したがって、受光器ｌ１１７）から出力された
電気信号は周波数信号に変換され１次に光信号に変換さ
れて元ファイパージυを伝播して測定演算手段ｔｚ２ｔ
ｉこ送られるようになっている。この１ｊｌｌｌ定演算
手段（２り内ではＯ／Ｅ変換回路（光−電気変換回路）
（ハ）、パルスカウンタ（２４）により受光器（１７）
での受光量に応じたディジタル信号が演算部Ｑｍ（こ取
込まれるようになっている。

一方、エツチングチャンバー（ｌωの側面にはエツチン
グチャンバー００）内でのプラズマ発生を検出する受光
ｓ　（２６）が設置され、この受光器！２［１）の出力
端に増幅回路（２７）、　Ｖ／Ｆ変換回路凶、Ｅ１０変
換回路（ハ）および光ファイバー（至）を介して測定演
算手段（２２の０／Ｅ変換回路Ｇ旧こ接続されている。

そして。

パルスカウンタ０４を介して演算部（ハ）に接続されて
いる。

さて、演算部（ハ）は取込んだディジタル信号から干渉
波形を求め、この干渉波形から谷の間隔および谷の先端
幅を捕らえて薄膜の時間的膜厚変化および薄膜のレーザ
光αωが照射された部分の厚みむらのいずれか一方また
は両方を演算して求める機能をもっている。具体的には
、膜厚変化は谷の間隔から求められ、厚みむらは谷の先
端幅から求められる。

次に上記の如く構成された装置の動作について説明する
。投光器Ｑ４１からレーザ光（【ωがウェハー（１３）
の薄膜に対してブリュースタ角よりも大きな角度をもっ
て照射される。このときのウェハー（１３）上のレーザ
光（１９のスポットの大きさは、半導体１チップ程度と
なっている。すると、その反射光（１６）はそのＰ成分
と８成分との間にπの位置ずれが生じる。

したがって、受光器（１７）はこれらＰ成分とＳ成分と
の反射光θ０を受光してその受光量に応じた電気信号を
出力する。この電気信号は増幅回路側により最適なレベ
ルに増幅されて次のＶ／Ｆ変換回路（１１により電圧レ
ベルに応じて周波数信号に変換されてＥ１０変換回路ｅ
旧こ送られる。そして、光信号に変換されて光ファイバ
ーＱＤ内を伝播して測定演算手段（２りに入力される。

この測定演算手段ｃ３では０／Ｅ変換回路（ハ）により
再び電圧信号ｔこ変換されサラにパルスカウンタ０４）
によって電圧レベルに応じたディジタル信号に変換され
て演算部（ハ）に取込まれる。一方、炎光器（イ）はプ
ラズマ発生を検出する。つまり、エツチングチャンバー
α臼内ではエツチング処理が同一ウニバー（ｔ３１に対
して２回行なわれ、その間にエツチングチャンバー（１
１内のガス交換が行なわれる。したがって、プラズマ発
生を検出して動作タイミングを取っている。この受光器
（ハ）から出力された電気信号も増幅回路（５）、　Ｖ
／Ｆ変換回路（Ｊ、Ｅ１０変換回路翰、光ファイバー（
至）を通って測定演算手段ｃａ３に入力する。そして。

０／Ｂ変換回路０１）、パルスカウンタｃ１４を介して
演算部（ハ）に取込まれる。

さて、演算部（２５１は取込んだディジタル信号から干
渉波形を作成する。つまり、第３図に示す干渉波形Ｑで
ある。この干渉波形Ｑは上述したようにＰ成分とＳ成分
との間にπの位相差が生じる。つまり、第４図に示すＰ
成分と第５図に示すＳ成分とが合成されたものとなって
いる。なお、第３図においてＱ。はレーザ光Ｑ９の入射
角が〔０°〕の干渉波形である。また、ブリュースタ角
以上のｇｒａｚ　１ｎｙｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　（すれす
れ入射）の場合、信号の振幅が。

反射率が極端に高くなるため第６図に示すように大きく
なる。演算部（２５は谷の間隔りと谷の個数とこの信号
のスタートの位相とを演算し求めて薄膜　　。

の膜厚変化を求める。ところで、薄膜の膜厚が変化する
と信号スタートの位相がその厚みに関連して変化する。

すなわち、第７図（ａ）ないし第７図（Ｃ）は膜厚がそ
れぞれ４５００人、　５０００人、　５５００Ｘの場合
を示しており、膜厚の増加とともに谷の数が増加しかつ
信号スタートの位相が変化していることが分る。したが
って、演算部（ハ）には予め谷の間隔りと谷の個数と信
号のスタートの位相と膜厚との関係の情報を記憶させて
おき、この情報から膜厚を求めることになる。

次に厚みむら測定について説明する。第８図に示すよう
に薄膜０３Ｊこ±Δｄの厚みむらがあると、これら厚み
むらΔｄに応じたレーザ光の光路差から各厚みに対する
位相差は、薄膜の屈折率をｎ２．レーザ光の中心波長を
λ。とすると。

ｎｔΔｄａｓ　（ｉｌ／λ。） づつずれる。なお、ｉｌは薄膜（至）内部での屈折角で
ある。したがって、このような反射光を受光すると、第
９図に示すように各厚みの位相の光が合成されたその厚
みむらΔｄ・２に比例した谷先端幅Ｌ８をもつ干渉波形
が得られる。したがって、演算部Ｑ１はこの谷先端幅Ｌ
８を測定して厚みむらを求める。

また、厚みむらが第１０図に示すように連続している場
合の干渉波形は第１１図のようになる。この場合も谷先
端幅ＬＳを求めることによって厚みむらが求められる。

このように上記一実施例においては、レーザ光α９を膜
面に対してブリュースタ角以上に入射角をもって照射し
、これにより得られるＰ成分およびＳ成分の反射光（１
Ｇを受光して干渉波形を作成し。

信号の谷の間隔と谷の個数とスタートの位相とを求めて
膜厚変化を測定し、また谷先端幅Ｌ８を求めて厚みむら
を測定するので、簡単な構成のもので膜厚変化および厚
みむらを測定でき、かつ外部ノイズの影響を受けずに正
確に測定できる。つまり。

ブリュースタ角以上（Ｇｒａｚｉｎｐ　Ｉｎｃｉｄｅｎ
ｃｅ　）で入射すると、信号の谷付近の振幅の変化率が
大きくなるので判別が容易であるからである。これによ
りプラズマ発光で生じる光学的ノイズの影響を受けにく
くなる。また、膜厚の変化により得られる信号の位相は
。

（２πｎｄ／λ。） Ｘ　Ｑ”　（５ｉｎ−’　（（ｎＱ／ｎ）ｓｉｎ　ｉＯ
）　）　　・・・・・・（２）と表わされ、　ｎｏ＝１
．　ｎ１＝１．５の％せ、ＧｒａｚｉＢＩ　ｎｃ　１ｄ
ｅｎｃｅ　（例えばｔｏ＝８９°）の周期は垂直入射と
比較して長くなるが、ｐ、Ｓ成分のπの位相ずれにより
谷の数が１．４倍となるので、結果として垂直入射と比
較して約０．７倍の周期となる。このため。

膜厚を求める精度が向上する。

さらに、厚みむら測定に対しても従来のように受光素子
を゛復数設けることもなく１つの受光器で厚みむら脣に
厚みむらの分布を測定できる。なお。

厚みむらはレーザ光の光束を広げてコリメートすること
により測定範囲を任意に広げたり狭めたりできる。また
、膜厚変化および厚みむら測定は多層膜に対しても適用
できる。

さらに、レーザ光のウェハー上ζこおけるスポットの大
きさを半導体１チップ程度にしたので、入射角をＧｒａ
ｚｉｎ９Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　（すれすれ入射）にした
場合、場所による厚みむらがあったとしても、干渉信号
のＳ／Ｎ比が劣化しにくくなる。

また、スポット径の大きさが、１チップ程度に調整して
いるので、ウェハーのどの場所にスポットが動いたとし
ても、チップの膜厚被測定部とその他の部分さの比率が
ほぼ同程度となるので、干渉信号の再現性が高くなる。

なお１本発明は上記一実施例に限定されるものではなく
その主旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。上記一実
施例では半導体製造用のエツチング、デポジット装置に
適用したが、その他の＃膜測定に適用してもよい。さら
に上記実施例においては、膜面からの反射光の谷部を膜
性状の検出に利用しているが、膜面からの透過光のピー
ク部を検出に利用してもよい。要するに受光手段から出
力された電気信号の極値部を膜性状の検出に利用すれば
よい。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、膜厚性状を耐ノイ
ズ性に強くかつ簡単な構成のもので正確に測定できる高
精度の膜厚測定装置を提供できる。

と（に、場所ｌこよる厚みむらの影響を受けにくくＳ／
Ｎ比が向上するとともに、干渉信号の再現性が高い利点
を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、　（Ｂ）は本発明に係わる膜厚測定装置
の一実施例を示す構成図、第２図はレーザ光入射角を示
す図、第３図ないし第５図は反射光のＰ成分およびＳ成
分の分離状態を示す図、第６図はレーザ光の入射角に対
する振幅を示す図、第７図（ａ）（ｂ）　（Ｃ）は膜厚
に対する受光量の周期変化を示す図。 第８図は段階状の厚みむらを示す図、第９図は第８図に
示す厚みむらの干渉波形を示す図、第１０図は連続的に
変化する厚みむらを示す図、第１１図は第１０図に示す
厚みむらの干渉波形を示す図、第１２図および第１３図
は従来における膜厚変化および厚みむら測定を説明する
ための図、第１４図はスポット径の大きさの説明図、第
１５図は従来法の欠点を説明するためのグラフ２第１６
図はウェハーの要部拡大図である。 １０・・・エツチングチャンバ＋、１３・・・ウェハー
。 １４・・・投光器、１７・・・受光器。 １８・・・増幅回路、１９・・・Ｖ／Ｆ変換回路。 ２０・・・Ｅ１０変換回路。 ２１・・・光ファイバー、測定演算手段。 ｎ・・・０／Ｅ変換回路、２４・・・パルスカウンタ。 ５・・・演算部。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 第　１　　図（八） 第１図ＣＢ） 第２図 第３図 ４ｓ　４　図 第５図 入」１円　（腐） 第６図 第８図 エソ゛ノーンク里 第１Ｏ図 第１１図 繰４ｄ 第１２図 第１３図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）被膜形成された膜に対してブリュースタ角よりも
   大きな入射角をもって測定光を上記膜上における上記測
   定光の光束調整自在に投射する投光手段と、前記膜から
   の反射光又は透過光を受光して光電変換する受光手段と
   、この受光手段から出力された電気信号に基づいて前記
   膜の膜厚性状を検出する検出手段とを具備したことを特
   徴とする膜厚測定装置。
2. （２）投光手段は、測定光の光束の大きさを拡大するビ
   ームエキスパンダと、上記測定光の光束の大きさを縮小
   するシリンドリカルレンズとを有していることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の膜厚測定装置。
3. （３）膜はチップに分割されるウェハー上に被着され、
   上記ウェハー上の測定光の大きさは上記チップの大きさ
   とほぼ同じ大きさに投光手段により調整されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の膜厚測定装置。
4. （４）検出手段は、反射光または透過光の極値部の周期
   性に基づいて膜の時間的膜厚変化を求めることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の膜厚測定装置。
5. （５）検出手段は、反射光または透過光の極値部の先端
   幅に基づいて膜の測定光が投射された部分の厚みむらを
   求めることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の膜
   厚測定装置。
6. （６）検出手段は、受光手段から出力された電気信号を
   入力して電圧−周波数変換する電圧−周波数変換回路と
   、この電圧−周波数変換回路から出力された周波数信号
   を光信号に変換する電気−光変換回路と、この電気−光
   変換回路から出力された光信号を伝送する光ファイバと
   、この光ファイバにて伝送された光信号を周波数信号に
   変換する光−電気変換回路と、この光−電気変換回路か
   ら出力された周波数信号を前記受光手段にて受光された
   受光量を示すディジタル信号に変換するパルスカウンタ
   と、このパルスカウンタから出力されたディジタル信号
   を入力して膜の膜厚性状を検出する演算部とから構成さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の膜厚
   測定装置。