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JP2004069651A - Film thickness measuring device - Google Patents

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JP2004069651A
JP2004069651A JP2002232971A JP2002232971A JP2004069651A JP 2004069651 A JP2004069651 A JP 2004069651A JP 2002232971 A JP2002232971 A JP 2002232971A JP 2002232971 A JP2002232971 A JP 2002232971A JP 2004069651 A JP2004069651 A JP 2004069651A
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light
film thickness
photoelectric conversion
conversion unit
sample
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Pending
Application number
JP2002232971A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Murai
村井 偉志
Koichi Egawa
江川 弘一
Hiroshi Fukui
福井 浩
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Omron Corp
Original Assignee
Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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Publication date
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Abstract

【課題】例えば半導体製造プロセスやFPD製造プロセス等におけるインライン計測に好適なVAR法利用の膜厚測定装置を提供する。
【解決手段】試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている。
【選択図】   図12
An object of the present invention is to provide a film thickness measuring apparatus using a VAR method suitable for in-line measurement in a semiconductor manufacturing process, an FPD manufacturing process, or the like.
A light emitting side optical system that irradiates a measurement medium light including various irradiation angle components to a film thickness measurement point of a sample, and a large number of photoelectric conversion units are arranged in an array on a light receiving surface. Receiving side optics including a photoelectric conversion unit array means, and a lens for guiding reflected light of the measurement medium light for each irradiation angle coming from the film thickness measurement point of the sample onto a light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means And a calculating means for calculating a film thickness to be measured based on a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means, wherein the light receiving side optical system includes The distance between the lens and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means is set so as to substantially coincide with the focal length of the lens.
[Selection diagram] FIG.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体製造プロセスやFPD(Flat Panel Display)製造プロセスにおいて、インラインで膜厚計測を行う場合等に好適な膜厚測定装置に係り、特に、インライン計測時に起こりがちな試料の距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を向上させて、高精度インライン計測を可能としたVAR(Variable Angle Reflectometry)法を利用した膜厚測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体製造プロセスにおいては、半導体基板の大型化やデザインルールの微細化に伴い、不良に対する莫大な損害の可能性や微妙な異常に対する管理の必要性が生じており、このことから検査の重要性がますます高まっている。また、LCD(Liquid Crystal Display)やPDP(Plasma Display Panel)に代表されるFPD(Flat Panel Display)製造プロセスにおいても、ガラス基板の大型化が進む中で、大画面化・高精細化・高品位化が急速に進んでおり、高品質の製品を高歩留まりで生産するために、検査の重要性がますます高まっている。
【0003】
従来、この種の製造プロセスにおける製品検査は、大きくかつ高価な膜厚測定装置を用いて、オフライン計測にて行われていた。このオフライン計測は、製造プロセス中から製品を抜き取り、離れたところにある膜厚測定装置まで運び、測定・確認を行うという一連の手順を通じて行われる。このようなオフライン計測では、測定した結果が管理基準から外れていた場合、その情報をフィードバックしてプロセスに反映・修正するまでに時間を要し、また抜き取りを行っていない製品については管理基準から外れているかの判定もできず、歩留まりを低下させるという問題があった。
【0004】
そこで、例えば、成膜プロセス中(in−situ)又は成膜プロセス直後の製造ライン中に膜厚測定装置を組み込むことでインライン計測を実現し、製造プロセス中から製品を抜き取ることなく全数測定を行うことで、製品歩留まりを向上させたいとするニーズが大きくなっている。
【0005】
このようなインライン計測に適用可能な膜厚測定装置は、(1)従来のオフライン計測に使用される膜厚測定装置と同等の性能を有すること、(2)小型で高速演算処理が可能であること、(3)後述する距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を有すること、と言った諸条件が要求される。
【0006】
ところで、薄膜の膜厚を高精度に測定可能な膜厚測定方法としては、VAR(Variable Angle Reflectometry)法が従来より知られている。このVAR法は、光の入射角に応じた反射率分布を利用して薄膜の膜厚を計測するものである。
【0007】
VAR法を用いた従来の膜厚測定装置の説明図が図33に示されている。なお、同図(a)に示されているのは、特開平04−184104号公報に記載された入射角度走査型(仮称)の膜厚測定装置であり、同図(b)に示されているのは、特開平9−196630号公報に記載されたマルチ角度同時入射型(仮称)の膜厚測定装置である。
【0008】
先ず、同図(a)を参照して、入射角度走査型の膜厚測定装置について説明する。レーザ光源101,104は波長6328Åの出力安定化されたHeNeレーザであり、このレーザ101,104の出力光は偏光子103,106によりそれぞれS,P偏光に変換される。これらのS,P偏光の光は、消光比の高い偏光ビームスプリッタ107を介して測定試料Oに照射される。測定試料Oに照射される光の偏光状態は、シャッタ102,105により、S,Pのいずれかに選択可能となされている。レーザ光源101,104、シャッタ102,105、偏光子103,106、及び偏光ビームスプリッタ107により、光源装置が構成される。測定試料Oはターンテーブル111に支持される。ターンテーブル111には、回転アーム110が同軸的に取り付けられており、回転アーム110が2θ回転すると、ターンテーブル111がθだけ回転するようになっている。ターンテーブル111と回転アーム110とは支持手段を構成している。なお、108は演算手段、109は受光素子である。
【0009】
次に、同図(b)を参照して、マルチ角度同時入射型の膜厚測定装置について説明する。この膜厚測定装置は、試料217の表面に収束光又は発散光215を照射する照射光学系215(主として、レーザ光源214、ハーフミラー213、及び対物レンズ216で構成される)と、前記収束光又は発散光の前記試料からの反射光を導く受光光学系214(主として、対物レンズ216、ハーフミラー213、ハーフミラー210,コンデンサレンズ209、ピンホール208、ビームスプリッタ219、及びアレイセンサ207,211で構成される)と、該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布に基づいて前記試料の光学定数又は前記試料表面に形成された薄膜の光学定数を算出する光学定数算出装置206とを具備して構成される。なお、218は可動ステージ、201はCCDカメラ、202はリレーレンズ、203は白色光源、204は集光レンズ、205はハーフミラーである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図33(a)に示される入射角度走査型の膜厚測定装置にあっては、入射角に応じた反射率分布を測定するために、測定試料O又は光学系を回転させると言う構成を採用しているため、装置全体が大型になること、回転機構があるため計測に時間がかかること等の欠点があり、インライン計測には不適とされている。
【0011】
一方、図33(b)に示されるマルチ角度同時入射型の膜厚測定装置によれば、開口径の大きな対物レンズの使用により、試料に対して様々な入射角度成分を有する測定媒体光を同時に照射することから、試料または光学系を回転させる機構が不要となり、その分だけ装置全体の小型化が可能となる。しかし、このマルチ角度同時入射型の膜厚測定装置にあっては、光学系と試料との相対的な位置関係が僅かに変動しても、光電素子アレイを介して観測される反射光の強度分布波形が大きく変動するため、装置の設置条件が大幅に制限され、インライン計測にはやはり不適とされる。ここで、光学系(主として、対物レンズ)と試料との相対的な位置関係の変動には、図34に示される距離バタツキ(仮称)と図35に示される角度バタツキ(仮称)とが想定される。
【0012】
図34を参照して、距離バタツキについて説明する。なお、図において、301は入射光束、302は反射光束、311は試料が基準高さ状態にあるときの反射光の強度分布波形、312は試料が上昇状態にあるときの反射光の強度分布波形、313は試料が下降状態にあるときの反射光の強度分布波形、321は一次元CCDやLEDアレイ等の受光素子アレイ、322は基準高さ、323は対物レンズ、324は半導体製品やFDP等の試料、324aは試料表面の薄膜である。
【0013】
距離バタツキとは、光学系(例えば、対物レンズ323)と試料324との距離が変動する現象のことである。この距離バタツキが発生すると、受光素子アレイ321を介して観測される反射光の強度分布波形311のアレイ列方向の幅が変動するため、その強度分布波形に基づいて算出される薄膜の光学定数は誤ったものとなる。
【0014】
同図(b)に示されるように、試料324の上面が基準高さ322に一致する基準高さ状態においては、入射光束301の集光点は試料324の上面に一致して、入射光束301と反射光束302とは完全に重なり合うため、受光素子アレイ321の出力側においては、符号311で示される基準となるアレイ列方向幅を有する反射光の強度分布波形が観測される。
【0015】
同図(a)に示されるように、試料324の上面が基準高さ322よりも上昇した上昇状態においては、入射光束301の集光点は試料324の上面よりも下方に位置して、入射光束301の輪郭よりも反射光束302の輪郭の方が小さくなるため、受光素子アレイ321の出力側においては、基準となる強度分布波形311よりも幅狭な反射光の強度分布波形312が観測される。
【0016】
同図(c)に示されるように、試料324の上面が基準高さ322よりも下降した下降状態においては、入射光束301の集光点は試料324の上面よりも上方に位置して、入射光束301の輪郭よりも反射光束302の輪郭の方が大きくなるため、受光素子アレイ321の出力側においては、基準となる強度分布波形311よりも幅広な反射光の強度分布波形313が観測される。
【0017】
図35を参照して、角度バタツキについて説明する。なお、図において、401は入射光束、402は反射光束、411は試料が基準角度(水平)状態にあるときの反射光の強度分布波形、412は試料が左下り傾斜状態にあるときの反射光の強度分布波形、413は試料が右下り傾斜状態にあるときの反射光の強度分布波形、421は一次元CCDやLEDアレイ等の受光素子アレイ、422は基準角度(水平)、423は対物レンズ、424は半導体製品やFDP等の試料、424aは試料表面の薄膜である。
【0018】
角度バタツキとは、光学系(例えば、対物レンズ423)の光軸と試料424とのなす角度が変動する現象のことである。この角度バタツキが生ずると、受光素子アレイ421を介して観測される反射光の強度分布波形411のアレイ列方向の位置が変動(シフト)するため、その強度分布波形に基づいて算出される薄膜の光学定数は誤ったものとなる。
【0019】
同図(b)に示されるように、試料424の上面が基準角度(水平)422に一致する基準角度(水平)状態においては、入射光束401の集光点は試料424の上面に一致して、入射光束401と反射光束402とは完全に同軸で重なり合うため、受光素子アレイ421の出力側においては、符号411で示されるアレイ列方向の幅並びに位置を有する反射光の強度分布波形が観測される。
【0020】
同図(a)に示されるように、試料424の上面が基準角度(水平レベル)よりも左下りに傾斜した左下り傾斜状態においては、反射光束402の光軸は入射光束401の光軸よりも左に傾斜するため、受光素子アレイ421の出力側においては、基準となる強度分布波形411よりも左方向へとシフトされた強度分布波形412が観測される。
【0021】
同図(c)に示されるように、試料424の上面が基準角度(水平レベル)よりも右下りに傾斜した右下り傾斜状態においては、反射光束402の光軸は入射光束401の光軸よりも右に傾斜するため、受光素子アレイ421の出力側においては、基準となる強度分布波形411よりも右方向へとシフトされた強度分布波形413が観測される。
【0022】
なお、上述の特開平9−196630号公報に記載のマルチ角度同時入射型の膜厚測定装置にあっては、距離バタツキや角度バタツキに対処するために、オートフォーカス機能並びにステージ移動機能を搭載している。しかし、これらの機能を搭載した膜厚測定装置は、装置全体が大型化すると共に、演算処理時間も長大化するため、インライン計測には尚も不適である。
【0023】
この発明は、従来の膜厚測定装置における上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、例えば半導体製造プロセスやFPD製造プロセス等におけるインライン計測に好適なVAR法利用の膜厚測定装置を提供することにある。
【0024】
この発明のより具体的な目的とするところは、小型で高速演算処理が可能であり、しかも距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を有するVAR法利用の膜厚測定装置を提供することにある。
【0025】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記載を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜厚測定装置は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている、ことを特徴とする。
【0027】
このような構成によれば、試料と受光光学系との距離が変動したとしても、同一の入射光軸に対応する反射光軸は単に平行移動するだけであるから、受光側光学系に含まれるレンズと光電変換部アレイ手段の受光面との距離が当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されていれば、各入射光軸に対応する反射光は光電変換部アレイ手段上の決められたアレイ位置に必ず到達することとなるから、距離バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されて、距離バタツキに対する耐性が向上する。
【0028】
なお、ここで、レンズと受光面との距離に関して『焦点距離とほぼ一致する』とあるのは、レンズには収差が存在するため、焦点距離と僅かにずれる場合もあることを考慮したものである。
【0029】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光側光学系には、前記測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段が含まれており、前記受光側光学系には、前記試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第2の光電変換手段が含まれており、さらに前記演算手段には、前記第2の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている、ものであってもよい。
【0030】
このような構成によれば、試料に対する入射角度が変動すると、第2の光電変換手段にて検出される基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されて、角度バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されることとなるから、角度バタツキに対する耐性も向上する。しかも、このような膜厚測定装置にあっては、距離バタツキに対する修正機能と角度バタツキに対する修正機能とは互いに影響を及ぼすことなく独立に作用するため、両者の修正機能を同時に実現しつつも、演算処理を複雑化することがないと言う利点を有する。すなわち、距離バタツキに関する修正機能は光学系の構成(『焦点距離にほぼ一致』)で実現される一方、角度バタツキに関する修正機能は電気系の構成(『一連の受光量データの誤差修正演算』)で実現されるため、両者が相互に影響し合って演算結果の収束に長時間を要すると言った不都合が回避される。
【0031】
本発明の特徴化手段としては、計測媒体光とは別に専用の光源を設けて基準光軸を示すビームを形成する等々の様々な構成を採用することが可能である。もっとも、前記特徴化手段が前記測定媒体光の断面輪郭のうちで基準光軸に相当する部分をエッジ整形する断面輪郭整形手段であれば、そのような専用の光源が不要となり、コスト的に有利となる。このような断面輪郭整形手段としては、スリット、アパーチャ(投光に用いるレンズ自体がアパーチャとして作用する場合も含まれる)、又はナイフエッジ等を利用することができる。また、本発明の膜厚測定装置において、前記光電変換部アレイ手段が前記第2の光電変換手段を兼ねるようにすれば、第2の光電変換手段それ自体も不要となり、コスト的に一層有利となる。
【0032】
本発明の膜厚測定装置において、前記受光量データ修正手段としては、前記測定媒体光の基準光軸に相当する部分の前記第2の光電変換手段上の受光位置から前記試料の角度ズレ量を求めると共に、該求められた角度ズレ量に応じて、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データを角度ズレ量が修正される方向へと全体的にシフトさせる機能を有する、ものであってもよい。このような構成によれば、演算処理が簡素化される。
【0033】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には2以上の波長成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各波長成分に対応する2以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各波長成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための波長別分光手段が含まれている、ものであってもよい。
【0034】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には2以上の偏光成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各偏光成分に対応する2以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各偏光成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための偏光別分光手段が含まれている、ものであってもよい。
【0035】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光光学系には、それぞれ異なる波長成分若しくは偏光成分を有する2種以上の測定媒体光を時分割して照射する手段が含まれ、前記演算手段は、前記測定媒体光の照射タイミングに同期することにより、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部を介して各波長成分若しくは各偏光成分別の受光量データを取得する、ものであってもよい。
【0036】
このような構成によれば、波長や偏光を2以上に亘り備えることで、各入射角度成分毎の検出情報量を増加させ、より高精度な膜厚計測が可能となる。
【0037】
なお、以上の各膜厚測定装置において、前記光電変換部アレイ手段としては、一次元又は二次元のCCDやPDアレイが使用可能である。もっとも、一次元CCDを使用すれば、データ処理の容易化や装置のコストダウンを図ることができる。
【0038】
このような本発明の膜厚計測装置は、半導体製品やFPD等のような成膜プロセスを伴う製品の製造ラインに配置されてインラインで製品の膜厚計測に供することができ、これにより製品の歩留まりを向上させることができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る膜厚計測装置の好適な実施の一形態を添付図面に従って詳細に説明する。
[膜厚測定装置の基本原理]
【0040】
本発明の説明に入る前に、本発明の前提となるVAR法を用いた膜厚測定装置の基本原理について説明する。
【0041】
VAR法を用いた膜厚測定装置の全体を示す構成図が図1に示されている。同図に示されるように、この膜厚測定装置1は、センサヘッド部2と、演算処理部3と、モニタ・キーボード・マウス等のHMI(Human Machine Interface)部4とを含んでいる。なお、図において、5は試料(例えば半導体やFPD等)を構成する基板、5aは基板5の表面に存在する測定対象薄膜である。
【0042】
センサヘッド部2の光学的構成が図2に示されている。同図に示されるように、センサヘッド部2には、投光部制御信号s1により発光状態が制御される光源21と、光源21からの光を集光して基板(試料)5の薄膜5aの膜厚測定点に照射する集光用レンズ22と、膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光が図示しない受光用光学系を介して導かれる一次元CCD23とを含んでいる。なお、23aは一次元CCD23を構成する光電変換素子(画素)である。一次元CCD23の撮影動作は、一次元CCD制御信号s3により制御される。一次元CCD23の各画素23aから得られる一連の受光量データは、一次元CCD出力信号s2として外部へと出力される。
【0043】
演算処理部3の電気的構成が図3に示されている。同図に示されるように、演算処理部3は、投光部制御信号s1を生成出力する投光部駆動回路32と、一次元CCD出力信号s2をデジタル信号に変換するAD変換部33と、一次元CCD制御信号s3を生成出力するCCD駆動回路34と、各種のシステムプログラムを格納したROM35と、HMI部を構成するキーボードやマウスとのインタフェースとして機能する入出力部36と、HMI部を構成するディスプレイとのインタフェースとして機能する表示部37と、それらの構成要素32〜37を統括制御すると共に、後述する膜厚測定演算や角度バタツキ演算等を実行するためのCPU31とを含んで構成される。
【0044】
次に、この膜厚測定装置の作用を説明する。図2において、光源21から発せられた光は、集光レンズ22によって集められ、測定対象である基板5上の薄膜5aに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、試料の膜厚測定点には、角度θ0から角度θ1に至る連続した入射角成分を有する測定媒体光が入射される。
【0045】
入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点からの反射光は、図示しない受光光学系を介して一次元CCD23の受光面に導かれる。一次元CCD23の受光面には、多数の受光素子(画素)23aを一列に配列してなる画素列が形成されている。画素列を構成する各受光素子23aの受光量データは、一次元CCD出力信号s2として外部へとシリアルに出力される。この一次元CCD出力信号s2を介して入射角(θ0〜θ1)に応じた反射光強度分布波形が観測される。観測された反射光強度分布波形は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であるから、これを演算処理部3で理論反射率分布と対比することにより膜厚を求めることができる。
【0046】
理論反射率分布は以下のようにして求めることができる。図5に示されるように、基板5上の薄膜5aに測定媒体光(入射光Ii)が入射すると、測定媒体光は薄膜5aの表面及び裏面で反射されて互いに干渉する。このとき、反射率Rの理論式は式1で表されることが知られている。
【数1】

Figure 2004069651
【0047】
ここで、Rは反射率、dは薄膜5aの膜厚、nは薄膜5aの屈折率、θ0は入射角、λは入射光の波長、r0,r1は基板の屈折率n0,薄膜の屈折率n,入射角θ0に関する量である。
【0048】
よって、基板5の屈折率nと、薄膜5aの屈折率n0と、入射光の波長λとがわかっていれば、式1は膜厚dと入射角θ0との関数となり、任意の膜厚dにおける入射角θ0に応じた反射率分布が求められる。
【0049】
例えば、基板5の材質がSi、薄膜5aの材質がSiO2のとき、薄膜5aの膜厚dが1000nmの場合と1500nmの場合との2つの場合を考える。このとき、式1にて規定される入射角θ0に応じた反射率分布曲線は、図6のグラフに表される。すなわち、同図のグラフにおいて、aは膜厚1000nmのときの反射率分布曲線、bは膜厚1500nmのときの反射率分布曲線である。このグラフに示されるように、膜厚が変われば反射率分布波形も異なるものとなることから、入射角に応じた反射率分布を知ることで、逆に、膜厚を測定できることが理解されるであろう。また、入射角に対する反射率の組み合わせを多数求めることができれば、薄膜の膜厚以外に薄膜の屈折率、基板の屈折率が未知数でも、式1からこれらを求めることが可能である。
【0050】
なお、図5では単層膜に限定して式1を導出しているが(図7及び図8参照)、多層膜に対応した理論式も導出可能であり(図7及び図9参照)、これにより多層膜の膜厚測定も可能である。
【0051】
演算処理部3のCPU31における膜厚の計算処理法としては、カーブフィッティング法を利用することができる。カーブフィッティング法とは、予め計算してテーブルとして記憶しておいた各膜厚に対する波形データ(テーブルデータ)と測定した受光量データとを比較し、最小自乗法により受光量データと最も誤差(すなわち図10のハッチング部分)の少ないデータを抽出し、その波形データの膜厚を測定対象となっている薄膜の膜厚とする方法である。膜圧の計算処理法としては、他にも極値探索法のような膜厚の計算方法を利用することも可能である。
【0052】
膜厚の計算処理法として、カーブフィッティングを利用する場合の詳細を以下に説明する。測定対象となる薄膜の屈折率n及びr0,r1がキーボード等から入出力部36を介して入力されると、CPU31では、膜厚d及び入射角θ0の各値に対する反射率の値を式1により演算し、これらをCPU31内のメモリにテーブルとして保持する。このようなテーブルの一例が図11に示されている。同図に示されるように、このテーブルによれば、例えば、膜厚dx,入射角θpのときの反射率はRdx(θp)、膜厚dy,入射角θp+Δθのときの反射率はRdy(θp+Δθ)であることが判る。
【0053】
その後、図4のフローチャートに示される処理手順で、カーブフィッティングが実行される。すなわち、先ず、CPU31は、デジタル化された測定データ(反射率の測定データ)M(θ)をA/D変換部33から取得する(ステップ401)。この測定データM(θ)は、言うまでもないが、一次元CCD23から得られたものである。その後、測定データM(θ)の取得に続いて、膜厚算出処理が開始される。
【0054】
この膜厚算出処理では、膜厚dを最小膜厚dxに初期設定したのち(ステップ402)、図11の理論テーブルを用いて、膜厚d=dxにおける反射率の理論データRdx(θ)と測定データM(θ)との差の自乗[Rdx(θ)−M(θ)]を入射角範囲θpからθqまで、Δθ刻みで計算し、その和P(d)=■(Rdx(θ)−M(θ))を求めて、メモリ内に記憶する一連の処理が実行される(ステップ403)。この理論データと測定データとの差の自乗和を求めてメモリ内に記憶する処理(ステップ403)は、膜厚dの値をΔd刻みで増加させつつ(ステップ404)、膜厚dがその最大膜厚dzに達するまで(ステップ405NO)、繰り返し実行される(ステップ403)。
【0055】
最大膜厚dzまで自乗和の計算が終了すると(ステップ405YES)、メモリに記憶しておいた膜厚範囲dx〜dzにおける自乗和P(dx)〜 P(dz)の中から最小の値をとる自乗和P(dy)が抽出され(ステップ406)、このときの膜厚dyが測定膜厚として決定される(ステップ407)。
[第1実施形態]
【0056】
次に、距離バタツキが組み込まれた膜厚測定装置の実施形態を図12〜図19を参照しつつ詳細に説明する。
【0057】
距離バタツキ対策が組み込まれたセンサヘッド部2の光学的構成が図12に示されている。この膜厚測定装置は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分(図示例ではθ0〜θ1)を含む測定媒体光を照射する投光側光学系(図示例では、光源21と集光レンズ22とが相当)と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段(図示例では一次元CCD23が相当)を含むと共に、試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズ(図示例ではレンズ24が相当)を含む受光側光学系と、光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段(図示例では演算処理部3が相当)と、を含んでいる。加えて、受光側光学系に含まれるレンズ(図示例ではレンズ24が相当)と光電変換部アレイ手段(図示例では一次元CCD23が相当)の受光面との距離は、当該レンズの焦点距離(f)とほぼ一致するように設定されている。
【0058】
膜厚測定のための基本動作は次の通りである。光源21から発せられた測定媒体光は、集光レンズ22の作用で測定対象である基板5上の薄膜5aに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、θ0〜θ1の範囲の連続した入射角成分を有する測定媒体光が試料へと入射されることになる。
集光レンズ22を介して入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光は、受光レンズ24の作用で一次元CCD23の受光面に導かれる。これにより、一次元CCD23からは各受光素子(画素)23aの受光量データをシリアルに並べたものに相当する一次元CCD出力信号s2が送出される。この一次元CCD出力信号s2に基づいて、入射角(θ0〜θ1)のそれぞれに応じた反射光強度分布が観測される。このとき観測される入射角のそれぞれに応じた反射光強度分布は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部3で理論反射率分布と対比することにより目的とする膜厚が求められる。なお、演算処理部3における膜厚測定のための処理については、先に図1〜図11を参照して説明した通りである。
【0059】
図12に示されるセンサヘッド部2の大きな特徴は、(1)受光レンズ24と一次元CCD23の受光面とが平行であること、及び(2)受光レンズ24と一次元CCD23の受光面との距離が、受光レンズ24の焦点距離fとほぼ一致していること、にある。換言すれば、受光レンズ24に対して試料(基板5)側を前方、一次元CCD23側を後方と定義すれば、一次元CCD23の受光面の位置は受光レンズ24のほぼ後方焦点位置であると表現することができる。そして、このような配置によれば、距離バタツキの影響を受けない光学系を実現することができる。
【0060】
距離バタツキ対策の作用説明図が図13に示されている。今仮に、集光レンズ22からの光束のうちで、入射角が最も離隔した2本の光線をL1,L2と定義する。また、基準高さHrefにあるときの基板を符号5(薄膜を5a)、また距離バタツキにより下降したときの基板を符号5´(薄膜を5a´)とする。また、光線L1が基板5で反射された反射光線を符号L11、基板5´で反射された反射光線をL12とする。また、光線L2が基板5で反射された反射光線をL21、基板5´で反射された反射光線をL22とする。さらに、一次元CCD23の受光面上における反射光線L11,L12の入射点をP1、反射光線L21,L22の入射点をP2とする。すると、図から明らかなように、同一の入射光線L1,L2に関しては、距離バタツキにより基板が上下移動したとしても、対応する反射光(L11,L12),(L21,L22)については、一次元CCD23の受光面上の同一の入射点P1,P2に入射することが理解されるであろう。
【0061】
上述の距離バタツキによる影響を解消する作用は、以下の原理に基づくものである。スネルの法則によれば、入射光の角度と試料の法線方向とが決定されれば、反射角は一意に決定されることが知られている。図14に示されるように、入射角θで試料に光線L1が入射している状況を考えると、このときに距離バタツキにより試料の上下変動ΔLが生じたとしても、入射光線L1の角度θと試料の法線L01,L02,L03,L04の方向は変化しないから、反射角も変化しないことが判る。しかし、距離バタツキが生ずると、反射面の平行移動に伴い、反射する点がP11,P12,P13,P14の如く移動するため、反射光線L11,L12,L13,L14も平行に移動する。
ここで、それぞれ異なる入射角θ1,θ2,θ3を有する3本の入射光線L1,L3,L2を想定する。このとき、距離バタツキ(基準高さの基板5,下降位置の基板5′、上昇位置の基板5″)が生ずると、図15〜図17に示されるように、各入射光線L1,L2,L3のそれぞれについて、平行な3本の反射光線(L10,L11,L12),(L20,L21,L22),(L30,L31,L32)が生ずる。
【0062】
先に述べたように、受光レンズ24と一次元CCD23の受光面との距離は、受光レンズ24の焦点距離fとほぼ一致させてあるため、図18に示されるように、それら3組の平行光線(L10,L11,L12),(L20,L21,L22),(L30,L31,L32)は、一次元CCD23の受光面上の3点であるP1,P2,P3に収束することになる。つまり、距離バタツキが生じたとしても、一次元CCD23の出力信号s2を介して観測される波形の入射角(θ1〜θ3)に応じた反射光強度分布は変化しないので、正常な膜厚測定が可能になることが理解されるであろう。
ただ、受光レンズ24には収差があるのが普通であるから、仮に受光レンズ24と一次元CCD23の受光面23aが平行で、かつ両者の距離が受光レンズ24の焦点距離fと完全に一致したとしても、図19に示されるように、各組の平行光線の集光点は、厳密な意味では受光面23b上の一点に収束しない。『〜焦点距離fとほぼ一致〜』と表現したのは、このことを意識したためである。
[第2実施形態]
【0063】
次に、角度バタツキが組み込まれた膜厚測定装置の実施形態を図20〜図23を参照しつつ詳細に説明する。
【0064】
角度バタツキ対策が組み込まれたセンサヘッド部2の光学的構成が図20に示されている。この膜厚測定装置2は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分(図示例ではθ0〜θ1)を含む測定媒体光を照射する投光側光学系(図示例では、光源21と集光レンズ22とが相当)と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段(図示例では一次元CCD23が相当)を含むと共に、試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を光電変換部アレイ手段の受光面上に導く受光光学系(図示省略)と、光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段(図示例では演算処理部3が相当)と、を含んでいる。
【0065】
さらに、投光側光学系には、測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段(図示例ではエッジ整形手段として機能するスリット板25のスリット25aが相当)が含まれており、また受光側光学系には、試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第2の光電変換手段(図示例では一次元CCD23そのものが相当)が含まれている。さらに、演算手段には、第2の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている。
【0066】
膜厚測定のための基本動作は次の通りである。光源21から発せられた測定媒体光は、集光レンズ22の作用で測定対象である基板5上の薄膜5aに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、θ0〜θ1の範囲の連続した入射角成分を有する測定媒体光が試料へと入射されることになる。
集光レンズ22を介して入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光は、図示しない受光光学系(図12に示した受光レンズ24と同等)の作用で一次元CCD23の受光面に導かれる。これにより、一次元CCD23からは各受光素子(画素)23aの受光量データをシリアルに並べたものに相当する一次元CCD出力信号s2が送出される。この一次元CCD出力信号s2に基づいて、入射角(θ0〜θ1)のそれぞれに応じた反射光強度分布が観測される。このとき観測される入射角のそれぞれに応じた反射光強度分布は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部3で理論反射率分布と対比することにより目的とする膜厚が求められる。なお、演算処理部3における膜厚測定のための処理については、先に図1〜図11を参照して説明した通りである。
【0067】
図20に示されるセンサヘッド部2の大きな特徴は、(1)集光レンズ22の入射側にエッジ整形手段として機能するスリット板25(スリット25a)が配置されて、入射光の断面がエッジ整形されて、基準光軸Lref0.Lref1が特徴づけられていること、(2)反射光の基準光軸Lref0′,Lref1′の到達点Pref0.Pref1が一次元CCD23を介して検出されること、(3)検出された入射点Pref0,Pref1に基づいて、一次元CCD23からの出力信号s2に含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されること、にある。
【0068】
すなわち、投光光学系に配置されたエッジ整形手段としてのスリット板25には、図21(a)に示されるようにその中央部にスリット25aが形成されており、このスリット25aの長手方向の両端縁により入射角範囲(θ0〜θ1)が決定され、換言すれば、測定媒体光中に2本の基準光軸Lref0,Lref1が特徴付けされる。これらの2本の基準光軸Lref0,Lref1は、試料で反射されて反射光の基準光軸Lref0′,Lref1′となり、一次元CCD23の受光面上の画素位置Pref0,Pref1に入射される。これら入射点の画素座標Rref0,Rref1は、一次元CCD23の出力信号s2を例えば暗レベル相当のしきい値で二値化することで、容易に検出することができる。したがって、入射角範囲の両端(θ0とθ1)を一次元CCD23の各画素23aを介して観測し、基準位置からの画素位置のずれを見ることで、角度バタツキを検出し、かつ角度バタツキのない状態に戻すことができる。ここで基準位置とは、図20においてPref0,Pref1に示されるように、角度バタツキが存在しない状態で測定した画素位置のことである。
【0069】
なお、この例では、エッジ整形手段(スリット板25)は集光用レンズ22近傍の光源21側に配置されているが、レンズ22近傍の基板5側に配置しても同様の作用を得ることができる。
【0070】
角度バタツキの検出方法及び補正方法についてさらに詳細に説明する。先に説明したように、この種の膜厚測定装置において角度バタツキが生ずると、一次元CCDを介して観測される波形の画素列方向両端が基準位置からずれる。この状態では演算処理部で正常に波形処理を行うことができないため、これを膜厚測定のための演算処理に先立って補正する必要がある。
【0071】
本発明者等の鋭意研究によれば、角度バタツキとそれに伴う測定条件の変動との間には、図22に示される因果関係があることが知見された。角度バタツキが生ずると、それに伴って試料の傾きもΔθだけ傾き、その結果、試料の法線はL0からL0′となる。すると、入射角もΔθずれることとなり、入射角範囲はθ0+Δθ〜θ1+Δθとなる。入射角がΔθずれると、一次元CCD23で観測される光強度分布波形は、基準位置(Pref0〜Pref1)に対して2Δθだけずれた画素位置(Px0〜Px1)へと移動することとなり、一次元CCDにおいては、この入射角範囲θ0+2Δθ〜θ1+2Δθの画素位置(Px0〜Px1)にて光強度分布波形が観測される。したがって、一次元CCD23で観測された波形から、基準位置に対して波形が何度ずれているかを見ることで、試料が基準位置(Href)に対して何度傾いているかを測定することができる。例えば、観測された波形が、基準位置から2Δθずれていれば、試料はΔθだけ傾いていることになる。
【0072】
次に、検出した波形を、角度バタツキのない状態に戻すには、観測された波形の入射角範囲を検出されたずれ角度2Δθに応じてΔθだけ戻す操作を演算処理部3で行えばよい。例えば、入射角度範囲θ0+2Δθ〜θ1+2Δθの画素位置(Px0〜Px1)で観測された波形は、入射角度範囲θ0+Δθ〜θ1+Δθの範囲(Pref0〜Pref1)に戻される。この方法で、一次元CCDで観測される光強度分布波形を角度バタツキのない状態に戻すことができる。この結果、角度バタツキがあっても、正常な膜厚測定が可能になる。
【0073】
演算処理部3にて実行される角度修正処理を示すフローチャートが図23に示されている。同図に示されるように、演算処理部3では、先ず、A/D変換部33より測定データM(θ)を取得し(ステップ2301)、次いで測定データM(θ)に基づいて前述のアルゴリズムにより波形ずれ量2Δθの算出を行い(ステップ2302)、最後に、観測された入射角範囲をΔθだけ戻す処理を実行することにより、角度修正を完了する。その後、先に図4に示した処理を実行することで、正確な膜厚測定が可能となる。
【0074】
なお、本実施形態においては、基準光軸特徴付けのためのエッジ整形手段としてスリット板25を使用したが、これに代えて、図21(b)に示されるアパーチャ板25′、図21(c)に示されるナイフエッジ板25″等の他のエッジ整形手段を採用しても良い。なお、25a′はアパーチャ、25a″はナイフエッジである。
[第3実施形態]
【0075】
距離バタツキ及び角度バタツキの双方に対する対策が組み込まれたセンサヘッド部の光学的構成が図24に示されている。同図に示されるように、この膜厚測定装置2は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系(図では、光源21、コリメータレンズ26、集光レンズ22が相当)と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段(図では、一次元CCD23が相当)を含むと共に、試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズ(図では、レンズ24が相当)を含む受光側光学系と、光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段(図では、演算処理部3が相当)と、を含んで構成される。加えて、受光側光学系に含まれるレンズ(レンズ24)と光電変換部アレイ手段(一次元CCD23)の受光面との距離は、当該レンズの焦点距離(f)とほぼ一致するように設定されている。
【0076】
また、投光側光学系には、測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段(図ではエッジ整形手段として機能するスリット板25が相当)が含まれており、受光側光学系には、試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第2の光電変換手段(図では一次元CCD23自体が相当)が含まれており、さらに演算手段には、第2の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている。
【0077】
膜厚測定のための基本動作は次の通りである。光源21から発せられた測定媒体光は、コリメータレンズ26にて平行光線とされたのち、スリット板25のスリット25aを通過し、集光レンズ22の作用で測定対象である基板5上の薄膜5aに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、θ0〜θ1の範囲の連続した入射角成分を有する測定媒体光が試料へと入射されることになる。
集光レンズ22を介して入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光は、受光レンズ24の作用で一次元CCD23の受光面に導かれる。これにより、一次元CCD23からは各受光素子(画素)23aの受光量データをシリアルに並べたものに相当する一次元CCD出力信号s2が送出される。この一次元CCD出力信号s2に基づいて、入射角(θ0〜θ1)のそれぞれに応じた反射光強度分布が観測される。このとき観測される入射角のそれぞれに応じた反射光強度分布は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部3で理論反射率分布と対比することにより目的とする膜厚が求められる。なお、演算処理部3における膜厚測定のための処理については、先に図1〜図11を参照して説明した通りである。
【0078】
図24に示されるセンサヘッド部2の大きな特徴は、(1)受光レンズ24と一次元CCD23の受光面とが平行であること、(2)受光レンズ24と一次元CCD23の受光面との距離が、受光レンズ24の焦点距離fとほぼ一致していること、(3)集光レンズ22の入射側にエッジ整形手段として機能するスリット板25(スリット25a)が配置されて、入射光の断面がエッジ整形されて、基準光軸Lref0.Lref1が特徴づけられていること、(4)反射光の基準光軸Lref0′,Lref1′の到達点が一次元CCD23を介して検出されること、(5)検出された反射光の基準光軸Lref0′,Lref1′の入射点と基準入射点Pref0,Pref1とに基づいて、一次元CCD23からの出力信号s2に含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されること、にある。
【0079】
距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図(その1〜その3)が図25〜図27に示されている。先に、図14〜図18を参照して説明したように、(1)受光光学系に含まれる受光レンズ24と一次元CCD23の受光面とが平行であること、及び(2)受光レンズ24と一次元CCD23の受光面との距離が、受光レンズ24の焦点距離fとほぼ一致すること、なる条件が満たされる限り、受光レンズ24に入射される平行光線は一次元CCD23の受光面上の一点に集光して入射される。ここで、図25〜図27を参照して明らかなように、ズレ角Δθが一定である限り距離バタツキの有無に拘わらず、各高さ位置(上昇位置、基準位置、下降位置)にある基板5″,5,5′からの3組の反射光(L10,L11,L12),(L20,L21,L22),(L30,L31,L33)は、いずれの組においても互いに平行な関係を維持している。そのため、この実施形態にあっても、入射光L1,L2,L3に対する反射光(L10,L11,L12),(L20,L21,L22),(L30,L31,L33)は、一次元CCD23の受光面上の3点P1,P2,P3に必ず集光されるから、距離バタツキによる影響の受けない光学系を実現することができる。
【0080】
一方、図25〜図27において、ズレ角Δθが変動した場合には、先に、図22を参照して説明したように、一次元CCD23の受光面に入射する反射光の入射点は、法線L0から法線L0′へのズレ角(Δθ)に応じて画素列方向へと所定角度分(2Δθ)移動することとなる。先の例で説明したように、投光光学系に配置されたスリット板25のスリット25aは、エッジ整形手段として機能して入射角範囲(θ0〜θ1)を規定しており、換言すれば、入射光中に基準光軸Lref0,Lref1を特徴づけている。これら基準光軸Lref0,Lref1の反射光の一次元CCD23への入射点Px0,Px1は、一次元CCD23の出力信号s2から検出することができる。演算処理部3では、検出された入射点Px0,Px1と基準となる入射点Pref0,Pref1とのズレ角2θに基づいて、試料の実際のズレ角Δθを求め、観測波形を角度バタツキのない状態に戻す処理を実行する。
【0081】
したがって、この実施形態によれば、試料の距離バタツキ並びに角度バタツキに拘わらず、試料の単層薄膜又は多層薄膜の膜厚を高精度に測定することが可能となる。殊に、この実施形態によれば、距離バタツキに関する補正は一次元CCD23で観測された時点で既に完了しており、距離バタツキによる観測波形の変化は解消されている。したがって、観測波形が変化する要因は角度バタツキのみであり、演算処理部では角度バタツキに起因する誤差成分を補正する処理を実行するだけで済む。このように、距離バタツキ及び角度バタツキは互いに独立な過程で補正されるため、これら2種類のバタツキに起因する観測波形の変化を演算処理部で同一の過程で補正する場合のように、2つの補正処理が互いに競合して演算処理が収束しないと言った不都合は生じない。
その結果、この実施形態によれば、設置条件(距離/角度バタツキ)が緩和され、オートフォーカス機能が不要となる。同時に、装置の小型化、高速演算処理も実現され、インライン計測に適した装置を提供することが可能となる。
[第4実施形態]
【0082】
2種類の光源並びに距離、角度バタツキ対策を施したセンサヘッドの光学的構成が図28に示されている。同図に示されるように、この実施形態における光学系には、2種類の光源21A,21Bが含まれている。これらの光源21A,21Bからの光はハーフミラー21Cを経て同軸整合されたのち、コリメータレンズ26を経て平行光に整形される。平行光の経路部分には、スリット25aと偏光子27とが配置されており、これにより入射角範囲(θ0〜θ1)と、光の偏光方向が決定される。偏光子27を通過した光は集光レンズ22によって集められ、測定対象である基板5上の薄膜5aに集光して照射される。試料の膜厚測定点は入射光のほぼ集光位置に置かれる。ここで、偏光子27は、入射光の偏光状態を入射面に対して45度傾けるように設定する。これにより、連続した入射角θ0〜θ1を有すると共に、偏光子27によって決定された偏光方向を有する測定媒体光が試料に入射されることになる。
【0083】
入射された測定媒体光は試料で反射され、受光レンズ24を通ってから、偏光ビームスプリッタ28を経てS偏光とP偏光に分離される。分離された反射光は、2つの一次元CCD23A,23Bの一連の画素を介して入射角(θ0〜θ1)に応じたS偏光とP偏光の反射光強度分布として観測される。観測された反射強度分布波形は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部3で、理論反射率分布と対比して膜厚が求められる。
【0084】
なお、受光レンズ24と各一次元CCD23A,23Bとの距離は受光レンズ24の焦点距離fとほぼ一致させてあり、又演算処理部3では前述の角度バタツキに対応したデータ修正処理が実行されることは言うまでもない。
【0085】
なお、先に説明した反射率の理論式(式1)においては、波長も変数(λ)として扱われているため、2つの光源21A,21Bが使用されている第4実施形態にあっては、それら2つの光源から照射される測定媒体光の波長を異なるものとすることで(使用する波長の数を増やせば)、測定できる反射率の情報が増えるため測定精度を上げることが可能である。
【数2】
Figure 2004069651
【0086】
理論式(式1)は単一波長を想定しているため、1つの光源のみを使用して上記したように複数の波長を使用する際には、受光部で何らかの分光装置を用いて複数の波長に分離し、各波長に対する反射率を測定する必要がある。第4実施形態では、2つの光源21A,21Bを使用しているため、それら各光源を異なる波長のものとして時分割的に動作(例えば均等に交互に光らせる等)させ、それぞれの波長に対する反射率を交互に測定するといった測定方法を採用することができる。
【0087】
使用する光源の波長は、任意に変えることができ、より薄い膜を測定したいときには波長の短いものを用いる等、用途によって使い分けることができる。具体的には、紫外光、可視光、赤外光等の半導体レーザを用いることができる。また、複数の波長の光源を使用する結果、屈折率の分光特性を得ることも可能である。
【0088】
また、通常のレンズには色収差があるため、集光レンズによって試料に集光して照射する際に、集光点が波長によって異なる等の問題がある。しかし、装置に使用する集光レンズに、アクロマティックレンズのような、色収差の補正されたレンズを用いれば、光源を取り替えるだけで様々な波長の光源に対応することが可能である。
【0089】
この実施形態にあっては、図28に示されるように、偏光子27を使用することにより、試料への入射光の偏光状態を入射面に対して45度傾けるように設定している。このような偏光特性を有する光を試料に入射し、受光部の偏光ビームスプリッタ28でS偏光とP偏光に分離して、反射率の入射角分布を測定している。前述のように、反射率の入射角分布は式1で表される。しかし、式1に含まれるr0,r1の値は、
【外1】
Figure 2004069651
と、
【外2】
Figure 2004069651
では、式2に表されるように異なる理論式となる。
【数3】
Figure 2004069651
【0090】
よって、S偏光とP偏光の両方を測定することで、測定できる反射率の情報が増えるため測定精度を向上することが可能である。
[第5実施形態]
【0091】
基準光軸を専用の光源にて設定するようにしたセンサヘッド部の光学的構成が図29に示されている。先に説明した第2乃至第4実施形態にあっては、角度補正に必要な入射光の基準軸特徴付けを、スリット等のエッジ整形手段を使用して行っているが、この第5実施形態にあっては、別途専用の光源を付加することで、基準軸の特徴付けを行っている。また、先に説明した第2乃至第4実施形態にあっては、角度補正に必要な基準光軸の位置検出を膜厚測定用CCDそのものを使用して行っていたが、この第5実施形態にあっては、別途専用の光電センサ(PSD)を使用することで、基準光軸の位置検出を行っている。
【0092】
すなわち、図29において、光源21から出射された光は、ビームスプリッタ29bを通り、集光レンズ22によって集められ、測定対象である基板5上の薄膜5aに集光して照射される。試料膜厚測定点は、入射光(測定媒体光)のほぼ集光位置に置かれる。入射光は試料で反射され、受光レンズ24を通ってから、偏光ビームスプリッタ29cを通り、一次元CCD23の各画素23aで、入射角に応じた反射光強度分布として観測される。観測された波形は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部3で、理論反射率分布と対比して膜厚が求められる。受光レンズ24は一次元CCD23と平行に、かつほぼ後方焦点位置に配置される。この配置により、距離バタツキの影響を受けない光学系を実現することができる。
【0093】
一方、光源29aから出射された細いビーム状の光は、ビームスプリッタ29bで向きを変えられ、集光レンズ22を通過して、測定対象である基板5上の薄膜5aに基準光軸として照射される。入射された基準光軸に相当する光は試料で反射され、受光用レンズを通過してから、偏光偏光ビームスプリッタ29cで向きを変えられ、PSD(Position Sensing Device)29dに照射される。このとき、光軸設定用の光源29aからの光は、膜厚測定用の光源21からの光とは異なる偏光状態の光とし、偏光ビームスプリッタ29cにより光源21からの光と分離されている。PSD29dにおける観測位置Pxに対して、基準位置Prefからのずれを検出することで、角度バタツキを検出し、かつ角度バタツキのない状態に戻すことができる。ここで、基準位置Prefとは、図30に示されるように、角度バタツキが存在しない状態で測定した基準光軸の照射位置のことである。この配置により、角度バタツキの影響を受けない光学系を実現することができる。なお、角度バタツキの修正に必要な演算処理については、先に、第2実施形態にて詳細に説明したので省略する。
【0094】
なお、上記した第5実施形態においては、光源21と光源29aを時分割的に動作させるとともに、それに同期させて強度分布波形を習得することで、2つの波長の測定媒体光に基づく膜厚測定を行うことも可能である。或いは、光源21と光源29aの波長を異なったものとし、ビームスプリッタ29b、29cに波長分離機能を有するダイクロイックミラー等を用いることで、2つの波長の測定媒体光に基づく膜厚測定を行うようにしてもよい。
【0095】
以上説明した第1乃至第5実施形態からも明らかなように、本発明の膜厚測定装置は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている、ことを特徴とするものである。
【0096】
そのため、試料と受光光学系との距離が変動したとしても、同一の入射光軸に対応する反射光軸は単に平行移動するだけであるから、受光側光学系に含まれるレンズと光電変換部アレイ手段の受光面との距離が当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されていれば、各入射光軸に対応する反射光は光電変換部アレイ手段上の決められたアレイ位置に必ず到達することとなるから、距離バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されて、距離バタツキに対する耐性が向上する。
【0097】
また、前記投光側光学系には、前記測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段が含まれており、前記受光側光学系には、前記試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第2の光電変換手段が含まれており、さらに前記演算手段には、前記第2の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている、ものである。
【0098】
そのため、試料に対する入射角度が変動すると、第2の光電変換手段にて検出される基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されて、角度バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されることとなるから、角度バタツキに対する耐性も向上する。しかも、このような膜厚測定装置にあっては、距離バタツキに対する修正機能と角度バタツキに対する修正機能とは互いに影響を及ぼすことなく独立に作用するため、両者の修正機能を同時に実現しつつも、演算処理を複雑化することがないと言う利点を有する。すなわち、距離バタツキに関する修正機能は光学系の構成(『焦点距離にほぼ一致』)で実現される一方、角度バタツキに関する修正機能は電気系の構成(『一連の受光量データの誤差修正演算』)で実現されるため、両者が相互に影響し合って演算結果の収束に長時間を要すると言った不都合が回避される。
【0099】
なお、以上の第1乃至第5実施形態にあっては、投光用レンズ(集光レンズ22)と受光用レンズ(受光レンズ24)とを分けて、試料に斜入射する方式を採用したが、図33を参照して説明した従来例(特開平9−196630)のように、投光用と受光用に同一のレンズ(中心入射角が0°)を用いた同軸型でも距離/角度バタツキに強い光学系を実現することができる。このように同軸型で構成した本発明に係るセンサヘッドの一例を図31に示す。
【0100】
ただし、同軸型では集光レンズ(受光レンズ)の開口数N.A.が0.45以上であると、図32に示されるように、受光レンズ22Aの後方焦点距離に一次元CCD23を配置することができない。よって、同軸型では開口数N.A.を0.45以下(入射角範囲は27°以下)にしないと、距離/角度バタツキに強い光学系を実現することは困難である。反射率の理論式である式1は入射角の関数であり、入射角範囲は広く取れることが望ましい。斜入射型は、投光用と受光用が分離しているため、上記のような制限がなく、入射角範囲を広く取れる利点がある。
【0101】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、小型で高速演算処理が可能であり、しかも距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を有するVAR法利用の膜厚測定装置を提供することができ、この種の膜厚測定装置を例えば半導体製造プロセスやFPD製造プロセス等におけるインライン計測に適用するとが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】VAR方向決め用いた膜厚測定装置の全体を示す図である。
【図2】センサヘッド部の光学的構成を示す図である。
【図3】演算処理部の電気的構成を示す図である。
【図4】膜厚測定処理を示すフローチャートである。
【図5】薄膜と入射光、反射光との関係を示す説明図である。
【図6】入射角に応じた反射率分布曲線を示すグラフである。
【図7】多層薄膜と各層の特性係数との関係を示す説明図である。
【図8】単層膜の光学特性を示す説明図である。
【図9】多層膜の光学特性を示す説明図である。
【図10】最小自乗法での採用データを示す説明図である。
【図11】演算部のメモリに格納されたテーブルの内容を示す図である。
【図12】距離バタツキ対策の組み込まれたセンサヘッド部の光学的構成を示す図である。
【図13】距離バタツキ対策の作用説明図である。
【図14】距離バタツキ対策の原理説明図である。
【図15】距離バタツキ対策の作用を入射光路別に示す説明図(その1)である。
【図16】距離バタツキ対策の作用を入射光路別に示す説明図(その2)である。
【図17】距離バタツキ対策の作用を入射光路別に示す説明図(その3)である。
【図18】距離バタツキ対策の作用を受光用レンズの後段について示す説明図である。
【図19】一次元CCD受光面付近の集光状態を拡大して示す説明図である。
【図20】角度バタツキ対策の組み込まれたセンサヘッド部の光学的構成を示す図である。
【図21】エッジ整形手段の説明図である。
【図22】角度バタツキ対策の作用説明図である。
【図23】角度修正処理を示すフローチャートである。
【図24】距離バタツキ及び角度バタツキの双方に対する対策が組み込まれたセンサヘッド部の構成を示す図である。
【図25】距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図(その1)である。
【図26】距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図(その2)である。
【図27】距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図(その3)である。
【図28】2つの光源並びに距離、角度バタツキ対策を施したセンサヘッドの光学的構成を示す図である。
【図29】基準光軸を専用の光源にて設定する場合の光学的構成を示す図である。
【図30】基準光軸を専用の光源にて設定する場合の作用説明図である。
【図31】同軸型で構成したセンサヘッド部の説明図(その1)である。
【図32】同軸型で構成したセンサヘッド部の説明図(その2)である。
【図33】VAR法を用いた従来の膜厚測定装置の説明図である。
【図34】距離バタツキの説明図である。
【図35】角度バタツキの説明図である。
【符号の説明】
1     膜厚測定装置
2     センサヘッド部
3     演算処理部
4     演算処理部
5     基板
5a    薄膜
21,21A,21B    光源
21C   ハーフミラー
22    集光用レンズ
23,23A,23B    一次元CCD
23a   画素
23b   受光面
24    受光用レンズ
25    スリット板
25a   スリット
25′   アパーチャ板
25a′  アパーチャ
25″   ナイフエッジ板
25a″  ナイフエッジ
26    コリメータレンズ
27    偏光子
28    偏光ビームスプリッタ
29a   基準光軸用の光源
29b   偏光ビームスプリッタ
29c   偏光ビームスプリッタ
29d   PSD
Href  試料の基準位置
Lref0,Lref1    基準光軸
f     焦点距離
P1,P2,P3    入射点
θ0〜θ1    入射角[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a film thickness measurement apparatus suitable for performing in-line film thickness measurement in, for example, a semiconductor manufacturing process or an FPD (Flat Panel Display) manufacturing process, and more particularly, to a sample distance flutter that tends to occur during in-line measurement. The present invention relates to a film thickness measurement apparatus using a VAR (Variable Angle Reflectometry) method that enables high-precision in-line measurement by improving resistance to angle and flutter.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the semiconductor manufacturing process, with the enlargement of semiconductor substrates and the miniaturization of design rules, the possibility of enormous damage to defects and the need to manage subtle abnormalities have arisen. Sex is growing more and more. Also, in the process of manufacturing an FPD (Flat Panel Display) typified by an LCD (Liquid Crystal Display) or a PDP (Plasma Display Panel), as the size of a glass substrate increases, a large screen, high definition, and high quality are achieved. Inspection is rapidly progressing, and the importance of inspection is increasing in order to produce high quality products with high yield.
[0003]
Conventionally, product inspection in this type of manufacturing process has been performed by off-line measurement using a large and expensive film thickness measuring device. This off-line measurement is performed through a series of procedures of extracting a product from the manufacturing process, transporting the product to a remote film thickness measuring device, and performing measurement and confirmation. In such off-line measurement, if the measurement result is out of the control standard, it takes time to feed back the information and reflect / correct it in the process. It is not possible to judge whether it is off or not, and there is a problem that the yield is reduced.
[0004]
Therefore, for example, in-line measurement is realized by incorporating a film thickness measuring device during a film forming process (in-situ) or in a manufacturing line immediately after the film forming process, and 100% measurement is performed without removing a product from the manufacturing process. As a result, there is an increasing need to improve product yield.
[0005]
A film thickness measurement apparatus applicable to such in-line measurement has (1) the same performance as a film thickness measurement apparatus used for conventional off-line measurement, and (2) is small and capable of high-speed arithmetic processing. (3) It is required to have various conditions such as resistance to distance and angle flutter described later.
[0006]
By the way, as a film thickness measuring method capable of measuring the film thickness of a thin film with high accuracy, a VAR (Variable Angle Reflectometry) method is conventionally known. In the VAR method, the thickness of a thin film is measured using a reflectance distribution according to an incident angle of light.
[0007]
FIG. 33 is an explanatory diagram of a conventional film thickness measuring apparatus using the VAR method. FIG. 1A shows an incident angle scanning type (tentative name) film thickness measuring device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-184104, and FIG. What is described is a multi-angle simultaneous incidence type (tentative name) film thickness measuring device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-196630.
[0008]
First, an incident angle scanning type film thickness measuring apparatus will be described with reference to FIG. The laser light sources 101 and 104 are output stabilized HeNe lasers having a wavelength of 6328 °, and output lights of the lasers 101 and 104 are converted into S and P polarized lights by polarizers 103 and 106, respectively. These S and P polarized lights are radiated to the measurement sample O via the polarizing beam splitter 107 having a high extinction ratio. The polarization state of the light applied to the measurement sample O can be selected from S and P by the shutters 102 and 105. The laser light sources 101 and 104, the shutters 102 and 105, the polarizers 103 and 106, and the polarization beam splitter 107 constitute a light source device. The measurement sample O is supported by the turntable 111. The rotation arm 110 is coaxially attached to the turntable 111. When the rotation arm 110 rotates by 2θ, the turntable 111 rotates by θ. The turntable 111 and the rotary arm 110 constitute support means. In addition, 108 is a calculating means, and 109 is a light receiving element.
[0009]
Next, a multi-angle simultaneous incidence type film thickness measuring apparatus will be described with reference to FIG. This film thickness measuring apparatus includes an irradiation optical system 215 (mainly composed of a laser light source 214, a half mirror 213, and an objective lens 216) for irradiating convergent light or divergent light 215 onto the surface of a sample 217, and the convergent light. Alternatively, a light receiving optical system 214 (mainly an objective lens 216, a half mirror 213, a half mirror 210, a condenser lens 209, a pinhole 208, a beam splitter 219, and array sensors 207 and 211 for guiding divergent light reflected from the sample) And an optical constant calculation device for calculating the optical constant of the sample or the optical constant of a thin film formed on the sample surface based on the light intensity distribution in the light beam of the reflected light guided by the light receiving optical system. 206. Reference numeral 218 denotes a movable stage, 201 denotes a CCD camera, 202 denotes a relay lens, 203 denotes a white light source, 204 denotes a condenser lens, and 205 denotes a half mirror.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the incident angle scanning type film thickness measuring device shown in FIG. 33A, the measurement sample O or the optical system is rotated in order to measure the reflectance distribution according to the incident angle. This method has disadvantages such as an increase in the size of the entire apparatus and a long time required for measurement due to the presence of a rotating mechanism, and is not suitable for in-line measurement.
[0011]
On the other hand, according to the multi-angle simultaneous incidence type film thickness measuring apparatus shown in FIG. 33 (b), by using an objective lens having a large aperture diameter, measurement medium light having various incident angle components can be simultaneously transmitted to the sample. Since the irradiation is performed, a mechanism for rotating the sample or the optical system is not required, and the entire apparatus can be reduced in size accordingly. However, in this multi-angle simultaneous incidence type film thickness measuring apparatus, even if the relative positional relationship between the optical system and the sample slightly changes, the intensity of the reflected light observed through the photoelectric element array is small. Since the distribution waveform fluctuates greatly, the installation conditions of the apparatus are greatly limited, and are still unsuitable for in-line measurement. Here, the variation in the relative positional relationship between the optical system (mainly the objective lens) and the sample is assumed to be a distance flap (tentative name) shown in FIG. 34 and an angle flap (tentative name) shown in FIG. You.
[0012]
With reference to FIG. 34, distance flutter will be described. In the drawing, 301 is an incident light beam, 302 is a reflected light beam, 311 is an intensity distribution waveform of reflected light when the sample is in the reference height state, and 312 is an intensity distribution waveform of reflected light when the sample is in the up state. Reference numeral 313 denotes an intensity distribution waveform of reflected light when the sample is in a lowered state, 321 denotes a light receiving element array such as a one-dimensional CCD or LED array, 322 denotes a reference height, 323 denotes an objective lens, 324 denotes a semiconductor product or FDP, etc. The sample 324a is a thin film on the sample surface.
[0013]
Distance flapping is a phenomenon in which the distance between the optical system (for example, the objective lens 323) and the sample 324 fluctuates. When this distance flutter occurs, the width of the intensity distribution waveform 311 of the reflected light observed through the light receiving element array 321 in the array column direction changes, so that the optical constant of the thin film calculated based on the intensity distribution waveform is It will be wrong.
[0014]
As shown in FIG. 3B, in the reference height state where the upper surface of the sample 324 coincides with the reference height 322, the converging point of the incident light beam 301 coincides with the upper surface of the sample 324, and the incident light beam 301 Since the reflected light flux 302 and the reflected light beam 302 completely overlap each other, an intensity distribution waveform of reflected light having a reference array column direction width 311 is observed on the output side of the light receiving element array 321.
[0015]
As shown in FIG. 11A, in the ascending state in which the upper surface of the sample 324 has risen above the reference height 322, the focal point of the incident light beam 301 is located below the upper surface of the sample 324, and Since the contour of the reflected light beam 302 is smaller than the contour of the light beam 301, an intensity distribution waveform 312 of the reflected light narrower than the reference intensity distribution waveform 311 is observed on the output side of the light receiving element array 321. You.
[0016]
As shown in FIG. 3C, in the descending state in which the upper surface of the sample 324 is lower than the reference height 322, the condensing point of the incident light beam 301 is located above the upper surface of the sample 324, and Since the contour of the reflected light beam 302 is larger than the contour of the light beam 301, an intensity distribution waveform 313 of the reflected light wider than the reference intensity distribution waveform 311 is observed on the output side of the light receiving element array 321. .
[0017]
The angle flutter will be described with reference to FIG. In the drawing, 401 is an incident light beam, 402 is a reflected light beam, 411 is an intensity distribution waveform of reflected light when the sample is in a reference angle (horizontal) state, and 412 is reflected light when the sample is in a downwardly inclined state. 413, an intensity distribution waveform of reflected light when the sample is inclined downward to the right, 421, a light receiving element array such as a one-dimensional CCD or LED array, 422, a reference angle (horizontal), 423, an objective lens. Reference numeral 424 denotes a sample such as a semiconductor product or FDP, and 424a denotes a thin film on the surface of the sample.
[0018]
Angle flapping is a phenomenon in which the angle formed between the optical axis of an optical system (for example, the objective lens 423) and the sample 424 fluctuates. When this angular flapping occurs, the position of the intensity distribution waveform 411 of the reflected light observed via the light receiving element array 421 in the array column direction changes (shifts), so that the thin film calculated based on the intensity distribution waveform is calculated. The optical constants will be wrong.
[0019]
As shown in FIG. 13B, in a reference angle (horizontal) state where the upper surface of the sample 424 coincides with the reference angle (horizontal) 422, the focal point of the incident light beam 401 coincides with the upper surface of the sample 424. Since the incident light beam 401 and the reflected light beam 402 completely and coaxially overlap each other, on the output side of the light receiving element array 421, the intensity distribution waveform of the reflected light having the width and position in the array column direction indicated by reference numeral 411 is observed. You.
[0020]
As shown in FIG. 9A, in the downwardly inclined state where the upper surface of the sample 424 is inclined to the left from the reference angle (horizontal level), the optical axis of the reflected light beam 402 is more than the optical axis of the incident light beam 401. Is also inclined to the left, an intensity distribution waveform 412 shifted leftward from the reference intensity distribution waveform 411 is observed on the output side of the light receiving element array 421.
[0021]
As shown in FIG. 13C, in a downward-sloping state in which the upper surface of the sample 424 is inclined downward to the right from the reference angle (horizontal level), the optical axis of the reflected light beam 402 is smaller than the optical axis of the incident light beam 401. Is also tilted to the right, an intensity distribution waveform 413 shifted to the right from the reference intensity distribution waveform 411 is observed on the output side of the light receiving element array 421.
[0022]
The multi-angle simultaneous incidence type film thickness measuring apparatus described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-196630 has an auto-focus function and a stage moving function in order to deal with distance flutter and angle flutter. ing. However, a film thickness measuring apparatus equipped with these functions is still unsuitable for in-line measurement because the whole apparatus becomes large and the processing time becomes long.
[0023]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the conventional film thickness measuring apparatus, and has as its object the use of the VAR method suitable for in-line measurement in, for example, a semiconductor manufacturing process or an FPD manufacturing process. To provide a film thickness measuring device.
[0024]
A more specific object of the present invention is to provide a film thickness measuring apparatus using the VAR method, which is compact, capable of high-speed arithmetic processing, and has resistance to distance and angle flutter.
[0025]
Still other objects and operational effects of the present invention will be easily understood by those skilled in the art by referring to the following description in the specification.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The film thickness measuring apparatus according to the present invention includes a light projecting side optical system that irradiates a measurement medium light including various irradiation angle components to a film thickness measuring point of a sample, and an array of a large number of photoelectric conversion units on a light receiving surface. A lens including a photoelectric conversion unit array means arranged in a shape, and guiding reflected light of measurement medium light for each irradiation angle coming from the film thickness measurement point of the sample onto a light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means A light receiving side optical system comprising: a light receiving side optical system; and a calculating means for obtaining a film thickness to be measured based on a series of light receiving amount data obtained from each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means. The distance between the lens included in the system and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means is set so as to substantially coincide with the focal length of the lens.
[0027]
According to such a configuration, even if the distance between the sample and the light receiving optical system fluctuates, the reflected light axis corresponding to the same incident optical axis simply moves in parallel, and is included in the light receiving side optical system. If the distance between the lens and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means is set to substantially match the focal length of the lens, the reflected light corresponding to each incident optical axis is determined on the photoelectric conversion unit array means. Since the light always reaches the array position, the fluctuation of the intensity distribution waveform of the reflected light due to the distance flutter is suppressed, and the resistance to the distance flutter is improved.
[0028]
Here, the expression "substantially coincides with the focal length" with respect to the distance between the lens and the light receiving surface is based on the consideration that the lens may have a slight deviation from the focal length due to the presence of aberration. is there.
[0029]
In the film thickness measuring apparatus of the present invention, the light-emitting side optical system includes characterization means for performing characterization corresponding to a reference optical axis with respect to the measurement medium light, and the light-receiving side The optical system includes second photoelectric conversion means for receiving reflected light of the measurement medium light coming from the film thickness measurement point of the sample and detecting a feature corresponding to a reference optical axis included therein. Further, the arithmetic means includes an angle flutter of a sample included in a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit based on a feature corresponding to a reference optical axis detected by the second photoelectric conversion means. And a light-receiving-amount data correcting means for correcting an error component due to
[0030]
According to such a configuration, when the incident angle with respect to the sample changes, a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit based on a feature corresponding to the reference optical axis detected by the second photoelectric conversion unit Since the error component due to the angle flutter of the sample included in the above is corrected and the fluctuation of the intensity distribution waveform of the reflected light caused by the angle flutter is suppressed, the resistance to the angle flutter is also improved. Moreover, in such a film thickness measuring device, the correction function for the distance flutter and the correction function for the angle flutter operate independently without affecting each other. There is an advantage that the arithmetic processing is not complicated. That is, the correction function relating to the distance flutter is realized by the configuration of the optical system ("substantially coincides with the focal length"), while the correction function relating to the angular flutter is realized by the configuration of the electric system ("error correction calculation of a series of received light amount data"). Therefore, it is possible to avoid such a disadvantage that the two influence each other and it takes a long time to converge the operation result.
[0031]
As the characterizing means of the present invention, it is possible to adopt various configurations such as providing a dedicated light source separately from the measurement medium light to form a beam indicating the reference optical axis. However, if the characterization means is a cross-sectional contour shaping means for edge-shaping a portion corresponding to the reference optical axis in the cross-sectional contour of the measurement medium light, such a dedicated light source is not required, which is advantageous in cost. It becomes. As such a section contour shaping means, a slit, an aperture (including a case where a lens itself used for light projection functions as an aperture), a knife edge, or the like can be used. Further, in the film thickness measuring apparatus of the present invention, if the photoelectric conversion unit array means also serves as the second photoelectric conversion means, the second photoelectric conversion means itself becomes unnecessary, which is more advantageous in cost. Become.
[0032]
In the film thickness measuring apparatus according to the present invention, the received light amount data correcting means may calculate an angle deviation amount of the sample from a light receiving position on the second photoelectric conversion means in a portion corresponding to a reference optical axis of the measurement medium light. A function of shifting a series of received light amount data obtained from each of the photoelectric conversion units of the photoelectric conversion unit array means in a direction in which the angle shift amount is corrected, in accordance with the obtained angle shift amount. It may have. According to such a configuration, the arithmetic processing is simplified.
[0033]
In the film thickness measuring device of the present invention, the measurement medium light emitted from the light emitting side optical system includes two or more wavelength components, and the light receiving side optical system includes the respective wavelength components. Two or more photoelectric conversion unit array means corresponding to the components, and wavelength-specific spectroscopy for separating the reflected light coming from the film thickness measurement point on the sample into each wavelength component and guiding the reflected light to each of the corresponding photoelectric conversion unit array means. Means may be included.
[0034]
In the film thickness measuring device of the present invention, the measurement medium light emitted from the light emitting side optical system contains two or more polarized light components, and the light receiving side optical system contains the polarized light components. Polarization-based spectroscopy for separating two or more photoelectric conversion unit array means corresponding to the components and reflected light coming from the film thickness measurement point on the sample into respective polarized light components and leading the polarized light components to the corresponding photoelectric conversion unit array means. Means may be included.
[0035]
In the film thickness measuring apparatus of the present invention, the light projecting optical system includes means for irradiating two or more kinds of measurement medium lights having different wavelength components or polarization components in a time-division manner, The means, by synchronizing with the irradiation timing of the measurement medium light, obtains received light amount data for each wavelength component or each polarized light component via each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means, Is also good.
[0036]
According to such a configuration, by providing two or more wavelengths and polarizations, the amount of detection information for each incident angle component is increased, and more accurate film thickness measurement becomes possible.
[0037]
In each of the above film thickness measuring apparatuses, a one-dimensional or two-dimensional CCD or PD array can be used as the photoelectric conversion unit array means. However, if a one-dimensional CCD is used, data processing can be facilitated and the cost of the apparatus can be reduced.
[0038]
Such a film thickness measuring apparatus of the present invention can be arranged in a production line of a product with a film forming process such as a semiconductor product or an FPD and used for in-line film thickness measurement of the product. The yield can be improved.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of a film thickness measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[Basic principle of film thickness measuring device]
[0040]
Before describing the present invention, the basic principle of a film thickness measuring apparatus using a VAR method, which is a premise of the present invention, will be described.
[0041]
FIG. 1 is a configuration diagram showing the entire thickness measuring apparatus using the VAR method. As shown in FIG. 1, the film thickness measuring apparatus 1 includes a sensor head unit 2, an arithmetic processing unit 3, and an HMI (Human Machine Interface) unit 4 such as a monitor, a keyboard, and a mouse. In the drawing, reference numeral 5 denotes a substrate constituting a sample (for example, a semiconductor or an FPD), and reference numeral 5a denotes a thin film to be measured existing on the surface of the substrate 5.
[0042]
The optical configuration of the sensor head unit 2 is shown in FIG. As shown in the figure, a light source 21 whose light emission state is controlled by a light projecting unit control signal s1 and a thin film 5a of a substrate (sample) 5 by condensing light from the light source 21 are provided in the sensor head unit 2. And a one-dimensional CCD 23 in which reflected light of the measurement medium light coming from the film thickness measurement point is guided through a light receiving optical system (not shown). Reference numeral 23a denotes a photoelectric conversion element (pixel) constituting the one-dimensional CCD 23. The photographing operation of the one-dimensional CCD 23 is controlled by a one-dimensional CCD control signal s3. A series of received light amount data obtained from each pixel 23a of the one-dimensional CCD 23 is output to the outside as a one-dimensional CCD output signal s2.
[0043]
FIG. 3 shows an electrical configuration of the arithmetic processing unit 3. As shown in the figure, the arithmetic processing unit 3 includes a light emitting unit drive circuit 32 that generates and outputs a light emitting unit control signal s1, an AD conversion unit 33 that converts the one-dimensional CCD output signal s2 into a digital signal, A CCD drive circuit 34 for generating and outputting a one-dimensional CCD control signal s3, a ROM 35 storing various system programs, an input / output unit 36 functioning as an interface with a keyboard and mouse constituting the HMI unit, and an HMI unit A display unit 37 that functions as an interface with a display that performs processing, and a CPU 31 that performs overall control of the constituent elements 32 to 37 and executes a film thickness measurement calculation, an angle flapping calculation, and the like, which will be described later. .
[0044]
Next, the operation of the film thickness measuring device will be described. In FIG. 2, light emitted from a light source 21 is collected by a condenser lens 22, and is condensed and irradiated on a thin film 5a on a substrate 5 to be measured. The measurement point of the film thickness of the sample is located at a position where the incident light is focused. At this time, measurement medium light having a continuous incident angle component from the angle θ0 to the angle θ1 is incident on the film thickness measurement point of the sample.
[0045]
The incident measurement medium light is reflected by the sample. The reflected light from the sample thickness measurement point is guided to the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 via a light receiving optical system (not shown). On the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23, there is formed a pixel row in which a large number of light receiving elements (pixels) 23a are arranged in one row. The received light amount data of each light receiving element 23a constituting the pixel row is serially output to the outside as a one-dimensional CCD output signal s2. Through this one-dimensional CCD output signal s2, a reflected light intensity distribution waveform corresponding to the incident angle (θ0 to θ1) is observed. Since the observed reflected light intensity distribution waveform is an amount corresponding to the reflectance distribution according to the incident angle, the arithmetic processing unit 3 can compare this with the theoretical reflectance distribution to determine the film thickness.
[0046]
The theoretical reflectance distribution can be obtained as follows. As shown in FIG. 5, when the measurement medium light (incident light Ii) is incident on the thin film 5a on the substrate 5, the measurement medium light is reflected on the front and back surfaces of the thin film 5a and interferes with each other. At this time, it is known that the theoretical expression of the reflectance R is represented by Expression 1.
(Equation 1)
Figure 2004069651
[0047]
Here, R is the reflectance, d is the thickness of the thin film 5a, n is the refractive index of the thin film 5a, θ0 is the incident angle, λ is the wavelength of the incident light, r0 and r1 are the refractive index n0 of the substrate, and the refractive index of the thin film. n is a quantity related to the incident angle θ0.
[0048]
Therefore, if the refractive index n of the substrate 5, the refractive index n0 of the thin film 5a, and the wavelength λ of the incident light are known, Equation 1 becomes a function of the film thickness d and the incident angle θ0, and an arbitrary film thickness d , A reflectance distribution according to the incident angle θ0 is obtained.
[0049]
For example, when the material of the substrate 5 is Si and the material of the thin film 5a is SiO2, two cases are considered: a case where the thickness d of the thin film 5a is 1000 nm and a case where it is 1500 nm. At this time, the reflectance distribution curve according to the incident angle θ0 defined by Expression 1 is shown in the graph of FIG. That is, in the graph of FIG. 3, a is a reflectance distribution curve when the film thickness is 1000 nm, and b is a reflectance distribution curve when the film thickness is 1500 nm. As shown in this graph, if the film thickness changes, the reflectance distribution waveform also changes, so it is understood that the film thickness can be measured by knowing the reflectance distribution according to the incident angle. Will. In addition, if a large number of combinations of the reflectance with respect to the incident angle can be obtained, even if the refractive index of the thin film and the refractive index of the substrate other than the film thickness of the thin film are unknown, they can be obtained from Expression 1.
[0050]
In FIG. 5, Equation 1 is derived only for a single-layer film (see FIGS. 7 and 8), but a theoretical equation corresponding to a multilayer film can also be derived (see FIGS. 7 and 9). As a result, the thickness of the multilayer film can be measured.
[0051]
As a method for calculating the film thickness in the CPU 31 of the arithmetic processing unit 3, a curve fitting method can be used. The curve fitting method compares waveform data (table data) for each film thickness calculated in advance and stored as a table with measured light receiving amount data, and calculates the error (ie, the least error) from the received light amount data by the least square method. This is a method in which data with a small amount (hatched portion in FIG. 10) is extracted, and the thickness of the waveform data is used as the thickness of the thin film to be measured. As a method for calculating the film pressure, it is also possible to use a film thickness calculation method such as an extreme value search method.
[0052]
Details of the case where curve fitting is used as a method of calculating the film thickness will be described below. When the refractive index n and r0, r1 of the thin film to be measured are input from a keyboard or the like via the input / output unit 36, the CPU 31 calculates the reflectance value with respect to each value of the film thickness d and the incident angle θ0 according to Equation 1. And these are stored as a table in a memory in the CPU 31. An example of such a table is shown in FIG. As shown in the figure, according to this table, for example, the reflectance at the film thickness dx and the incident angle θp is Rdx (θp), and the reflectance at the film thickness dy and the incident angle θp + Δθ is Rdy (θp + Δθ). ).
[0053]
Thereafter, the curve fitting is executed according to the processing procedure shown in the flowchart of FIG. That is, first, the CPU 31 acquires digitized measurement data (reflectance measurement data) M (θ) from the A / D converter 33 (step 401). Needless to say, this measurement data M (θ) is obtained from the one-dimensional CCD 23. Then, following acquisition of the measurement data M (θ), the film thickness calculation processing is started.
[0054]
In this film thickness calculation processing, after initially setting the film thickness d to the minimum film thickness dx (Step 402), the theoretical data Rdx (θ) of the reflectance at the film thickness d = dx is obtained using the theoretical table of FIG. Square of difference from measurement data M (θ) [Rdx (θ) -M (θ)] 2 From the incident angle range θp to θq in increments of Δθ, and the sum P (d) = ■ (Rdx (θ) −M (θ)) 2 , A series of processes for storing in the memory is executed (step 403). In the process of calculating the sum of squares of the difference between the theoretical data and the measured data and storing the sum in a memory (step 403), while the value of the film thickness d is increased in steps of Δd (step 404), the film thickness d reaches its maximum value. The process is repeatedly executed until the film thickness dz is reached (step 405 NO) (step 403).
[0055]
When the calculation of the sum of squares is completed up to the maximum film thickness dz (step 405 YES), the minimum value is taken from the sum of squares P (dx) to P (dz) in the film thickness range dx to dz stored in the memory. The sum of squares P (dy) is extracted (step 406), and the film thickness dy at this time is determined as a measured film thickness (step 407).
[First Embodiment]
[0056]
Next, an embodiment of a film thickness measuring apparatus in which distance flutter is incorporated will be described in detail with reference to FIGS.
[0057]
FIG. 12 shows an optical configuration of the sensor head unit 2 in which a countermeasure against distance flapping is incorporated. This film thickness measuring apparatus is a light projecting side optical system (in the illustrated example, a light source 21) that irradiates a measurement medium light including various irradiation angle components (θ0 to θ1 in the illustrated example) to the thickness measuring point of the sample. And a condenser lens 22), and a photoelectric conversion unit array means (corresponding to a one-dimensional CCD 23 in the illustrated example) in which a large number of photoelectric conversion units are arranged in an array on a light receiving surface. A light receiving side optical system including a lens (corresponding to lens 24 in the illustrated example) for guiding the reflected light of the measurement medium light for each irradiation angle coming from the thickness measurement point onto the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means, and a photoelectric conversion unit Calculating means for calculating a film thickness to be measured based on a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit of the array means (corresponding to the processing unit 3 in the illustrated example). In addition, the distance between the lens (corresponding to the lens 24 in the illustrated example) included in the light receiving side optical system and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means (corresponding to the one-dimensional CCD 23 in the illustrated example) is determined by the focal length of the lens ( f) is set so as to substantially match.
[0058]
The basic operation for measuring the film thickness is as follows. The measurement medium light emitted from the light source 21 is condensed and irradiated on the thin film 5a on the substrate 5 to be measured by the action of the condenser lens 22. The measurement point of the film thickness of the sample is located at a position where the incident light is focused. At this time, measurement medium light having a continuous incident angle component in the range of θ0 to θ1 is incident on the sample.
The measurement medium light incident via the condenser lens 22 is reflected by the sample. The reflected light of the measurement medium light coming from the sample thickness measurement point is guided to the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 by the action of the light receiving lens 24. As a result, the one-dimensional CCD 23 sends out a one-dimensional CCD output signal s2 corresponding to a serial arrangement of the light receiving amount data of each light receiving element (pixel) 23a. Based on the one-dimensional CCD output signal s2, a reflected light intensity distribution corresponding to each of the incident angles (θ0 to θ1) is observed. The reflected light intensity distribution corresponding to each of the incident angles observed at this time is an amount corresponding to the reflectance distribution corresponding to the incident angle, and is compared with the theoretical reflectance distribution by the arithmetic processing unit 3 to obtain the objective. Is required. Note that the processing for measuring the film thickness in the arithmetic processing unit 3 is as described above with reference to FIGS.
[0059]
The major features of the sensor head unit 2 shown in FIG. 12 are that (1) the light receiving lens 24 and the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 are parallel, and (2) the light receiving lens 24 and the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 The distance is substantially equal to the focal length f of the light receiving lens 24. In other words, if the sample (substrate 5) side is defined as the front side and the one-dimensional CCD 23 side is defined as the rear side with respect to the light receiving lens 24, the position of the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 is substantially the rear focal position of the light receiving lens 24. Can be expressed. According to such an arrangement, it is possible to realize an optical system that is not affected by distance flutter.
[0060]
FIG. 13 is an explanatory diagram of the operation of the distance flapping countermeasure. Now, let us suppose that, of the light beams from the condenser lens 22, the two light beams whose incident angles are the most separated are defined as L1 and L2. The substrate at the reference height Href is denoted by reference numeral 5 (the thin film is 5a), and the substrate when the substrate is lowered due to the flutter is denoted by reference numeral 5 '(the thin film is 5a'). Further, the light beam L1 reflected by the substrate 5 is denoted by symbol L11, and the light beam reflected by the substrate 5 'is denoted by L12. The reflected light beam L2 reflected by the substrate 5 is denoted by L21, and the reflected light beam reflected by the substrate 5 'is denoted by L22. Further, the incident point of the reflected light beams L11 and L12 on the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 is P1, and the incident point of the reflected light beams L21 and L22 is P2. Then, as is clear from the drawing, as for the same incident light beams L1 and L2, even if the substrate moves up and down due to the distance flutter, the corresponding reflected lights (L11, L12) and (L21, L22) are one-dimensional. It will be understood that the light enters the same incident points P1 and P2 on the light receiving surface of the CCD 23.
[0061]
The effect of eliminating the influence of the distance flutter described above is based on the following principle. According to Snell's law, it is known that the reflection angle is uniquely determined if the angle of the incident light and the normal direction of the sample are determined. As shown in FIG. 14, considering that the light beam L1 is incident on the sample at the incident angle θ, even if the vertical fluctuation ΔL of the sample occurs due to the distance flapping at this time, the angle θ of the incident light beam L1 Since the directions of the normal lines L01, L02, L03, and L04 of the sample do not change, it can be seen that the reflection angle does not change. However, when the fluttering of the distance occurs, the reflecting point moves as indicated by P11, P12, P13, and P14 along with the parallel movement of the reflecting surface, so that the reflected light beams L11, L12, L13, and L14 also move in parallel.
Here, three incident light beams L1, L3, and L2 having different incident angles θ1, θ2, and θ3 are assumed. At this time, when the distance flapping (the substrate 5 at the reference height, the substrate 5 'at the descending position, and the substrate 5 "at the ascending position) occurs, as shown in FIGS. 15 to 17, the incident light beams L1, L2, L3 , Three parallel reflected light beams (L10, L11, L12), (L20, L21, L22), and (L30, L31, L32) are generated.
[0062]
As described above, since the distance between the light receiving lens 24 and the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 is almost equal to the focal length f of the light receiving lens 24, as shown in FIG. The light beams (L10, L11, L12), (L20, L21, L22) and (L30, L31, L32) converge on three points P1, P2, and P3 on the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23. In other words, even if the distance fluctuates, the reflected light intensity distribution according to the incident angles (θ1 to θ3) of the waveform observed via the output signal s2 of the one-dimensional CCD 23 does not change. It will be appreciated that it is possible.
However, since the light receiving lens 24 usually has aberration, it is assumed that the light receiving lens 24 and the light receiving surface 23a of the one-dimensional CCD 23 are parallel and the distance between the two completely matches the focal length f of the light receiving lens 24. However, as shown in FIG. 19, the focal point of each set of parallel rays does not converge to one point on the light receiving surface 23b in a strict sense. The expression "~ substantially equal to the focal length f ~" is due to this fact.
[Second embodiment]
[0063]
Next, an embodiment of a film thickness measuring device incorporating angle flapping will be described in detail with reference to FIGS.
[0064]
FIG. 20 shows an optical configuration of the sensor head unit 2 in which a countermeasure against angle flapping is incorporated. The film thickness measuring device 2 is a light emitting side optical system (in the illustrated example, a light source in the illustrated example) that irradiates a measurement medium light including various irradiation angle components (θ0 to θ1 in the illustrated example) to the thickness measuring point of the sample. 21 and a condenser lens 22), and a photoelectric conversion unit array means (a one-dimensional CCD 23 in the illustrated example) in which a large number of photoelectric conversion units are arranged in an array on a light receiving surface. A light receiving optical system (not shown) for guiding the reflected light of the measurement medium light for each irradiation angle coming from the film thickness measurement point onto the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means, and from each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means Calculating means for calculating the film thickness to be measured based on the obtained series of received light amount data (the processing unit 3 corresponds in the illustrated example).
[0065]
Further, the light projecting side optical system includes characterization means (characterized as a slit 25a of the slit plate 25 functioning as an edge shaping means in the illustrated example) for performing characterization corresponding to the reference optical axis with respect to the measurement medium light. In addition, the light receiving side optical system receives a reflected light of the measurement medium light coming from the film thickness measurement point of the sample and detects a characteristic corresponding to the reference optical axis included in the reflected light. A conversion means (corresponding to the one-dimensional CCD 23 itself in the illustrated example) is included. Further, the calculating means includes an error component due to angular flutter of the sample included in a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit based on a feature corresponding to the reference optical axis detected by the second photoelectric conversion means. Is included.
[0066]
The basic operation for measuring the film thickness is as follows. The measurement medium light emitted from the light source 21 is condensed and irradiated on the thin film 5a on the substrate 5 to be measured by the action of the condenser lens 22. The measurement point of the film thickness of the sample is located at a position where the incident light is focused. At this time, measurement medium light having a continuous incident angle component in the range of θ0 to θ1 is incident on the sample.
The measurement medium light incident via the condenser lens 22 is reflected by the sample. The reflected light of the measurement medium light coming from the sample thickness measurement point is guided to the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 by the operation of a light receiving optical system (not shown) (equivalent to the light receiving lens 24 shown in FIG. 12). As a result, the one-dimensional CCD 23 sends out a one-dimensional CCD output signal s2 corresponding to a serial arrangement of the light receiving amount data of each light receiving element (pixel) 23a. Based on the one-dimensional CCD output signal s2, a reflected light intensity distribution corresponding to each of the incident angles (θ0 to θ1) is observed. The reflected light intensity distribution corresponding to each of the incident angles observed at this time is an amount corresponding to the reflectance distribution corresponding to the incident angle, and is compared with the theoretical reflectance distribution by the arithmetic processing unit 3 to obtain the objective. Is required. Note that the processing for measuring the film thickness in the arithmetic processing unit 3 is as described above with reference to FIGS.
[0067]
The major feature of the sensor head unit 2 shown in FIG. 20 is that (1) a slit plate 25 (slit 25a) functioning as an edge shaping unit is arranged on the incident side of the condenser lens 22 so that the cross section of the incident light is edge-shaped. Then, the reference optical axes Lref0. Lref1 is characterized, and (2) the reaching points Preref0. Lref1 'of the reference optical axes Lref0' and Lref1 'of the reflected light. Pref1 is detected via the one-dimensional CCD 23, and (3) an error component due to angular flutter of the sample included in the output signal s2 from the one-dimensional CCD 23 is corrected based on the detected incident points Pref0 and Pref1. That is in.
[0068]
That is, as shown in FIG. 21A, a slit 25a is formed at the center of the slit plate 25 as an edge shaping means arranged in the light projecting optical system, and the slit 25a extends in the longitudinal direction of the slit 25a. The incident angle range (θ0 to θ1) is determined by the both edges, in other words, two reference optical axes Lref0 and Lref1 are characterized in the measurement medium light. These two reference optical axes Lref0 and Lref1 are reflected by the sample to become the reference optical axes Lref0 'and Lref1' of the reflected light, and are incident on the pixel positions Preref0 and Preref1 on the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23. The pixel coordinates Rref0 and Rref1 of these incident points can be easily detected by binarizing the output signal s2 of the one-dimensional CCD 23 with, for example, a threshold value corresponding to a dark level. Therefore, both ends (θ0 and θ1) of the incident angle range are observed through the pixels 23a of the one-dimensional CCD 23, and the deviation of the pixel position from the reference position is detected, so that the angular flutter is detected and there is no angular flutter. You can return to the state. Here, the reference position is a pixel position measured in a state where there is no angular flapping, as indicated by Pref0 and Pref1 in FIG.
[0069]
In this example, the edge shaping means (slit plate 25) is arranged on the light source 21 side near the condenser lens 22, but the same effect can be obtained by disposing it on the substrate 5 side near the lens 22. Can be.
[0070]
The method for detecting and correcting the angle flutter will be described in more detail. As described above, when an angle flutter occurs in this type of film thickness measuring apparatus, both ends in the pixel column direction of the waveform observed via the one-dimensional CCD deviate from the reference position. In this state, waveform processing cannot be performed normally by the arithmetic processing unit, and it is necessary to correct this before performing arithmetic processing for film thickness measurement.
[0071]
According to the earnest research by the present inventors, it has been found that there is a causal relationship shown in FIG. 22 between the angular flapping and the accompanying fluctuation of the measurement condition. When the angular flapping occurs, the inclination of the sample is also inclined by Δθ, and as a result, the normal line of the sample changes from L0 to L0 ′. Then, the incident angle is also shifted by Δθ, and the incident angle range is θ0 + Δθ to θ1 + Δθ. If the incident angle shifts by Δθ, the light intensity distribution waveform observed by the one-dimensional CCD 23 moves to a pixel position (Px0 to Px1) shifted by 2Δθ with respect to the reference position (Pref0 to Pref1). In the CCD, a light intensity distribution waveform is observed at pixel positions (Px0 to Px1) in the incident angle range θ0 + 2Δθ to θ1 + 2Δθ. Therefore, by observing how many times the waveform deviates from the reference position from the waveform observed by the one-dimensional CCD 23, it is possible to measure how many times the sample is inclined with respect to the reference position (Href). . For example, if the observed waveform deviates from the reference position by 2Δθ, the sample is tilted by Δθ.
[0072]
Next, in order to return the detected waveform to a state in which there is no angle flapping, the arithmetic processing unit 3 may perform an operation of returning the range of incident angles of the observed waveform by Δθ in accordance with the detected deviation angle 2Δθ. For example, the waveform observed at the pixel positions (Px0 to Px1) in the incident angle range θ0 + 2Δθ to θ1 + 2Δθ is returned to the incident angle range θ0 + Δθ to θ1 + Δθ (Pref0 to Pref1). With this method, the light intensity distribution waveform observed by the one-dimensional CCD can be returned to a state without angular flutter. As a result, it is possible to measure the film thickness normally even if there is angle flutter.
[0073]
FIG. 23 is a flowchart showing the angle correction processing executed by the arithmetic processing unit 3. As shown in the figure, the arithmetic processing unit 3 first acquires the measurement data M (θ) from the A / D conversion unit 33 (step 2301), and then, based on the measurement data M (θ), Is calculated (step 2302), and finally, the angle correction is completed by executing a process of returning the observed incident angle range by Δθ. Thereafter, by executing the processing shown in FIG. 4 earlier, accurate film thickness measurement becomes possible.
[0074]
In the present embodiment, the slit plate 25 is used as an edge shaping means for characterizing the reference optical axis. Instead, an aperture plate 25 'shown in FIG. Other edge shaping means such as a knife edge plate 25 "shown in FIG. 1) may be employed. In addition, 25a 'is an aperture, and 25a" is a knife edge.
[Third embodiment]
[0075]
FIG. 24 shows an optical configuration of the sensor head unit in which measures against both the distance flutter and the angle flutter are incorporated. As shown in the figure, the film thickness measuring device 2 is a light emitting side optical system (in the figure, a light source 21) that irradiates a measurement medium light including various irradiation angle components to a film thickness measurement point of a sample. , A collimator lens 26 and a condenser lens 22), and photoelectric conversion unit array means (a one-dimensional CCD 23 in the figure is equivalent) in which a large number of photoelectric conversion units are arranged in an array on a light receiving surface. A light receiving side optical system including a lens (in the figure, a lens 24 is equivalent) for guiding the reflected light of the measurement medium light at each irradiation angle coming from the sample film thickness measurement point onto the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means; Calculating means for calculating a film thickness to be measured based on a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means (in the figure, the processing unit 3 is equivalent); . In addition, the distance between the lens (lens 24) included in the light receiving side optical system and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means (one-dimensional CCD 23) is set to substantially match the focal length (f) of the lens. ing.
[0076]
In addition, the light projecting side optical system includes characterization means (corresponding to a slit plate 25 functioning as an edge shaping means in the figure) for performing characterization corresponding to the reference optical axis with respect to the measurement medium light, The light-receiving side optical system includes a second photoelectric conversion means (in the figure, the second photoelectric conversion means) for receiving the reflected light of the measurement medium light coming from the sample film thickness measurement point and detecting a feature corresponding to the reference optical axis included therein. The one-dimensional CCD 23 itself is included), and the arithmetic means includes a series of light receiving units obtained from each photoelectric conversion unit based on a feature corresponding to the reference optical axis detected by the second photoelectric conversion unit. Included is a received light amount data correcting means for correcting an error component caused by angle flutter of the sample included in the amount data.
[0077]
The basic operation for measuring the film thickness is as follows. The measurement medium light emitted from the light source 21 is collimated by the collimator lens 26, passes through the slit 25 a of the slit plate 25, and acts on the thin film 5 a on the substrate 5 to be measured by the condensing lens 22. Is condensed and irradiated. The measurement point of the film thickness of the sample is located at a position where the incident light is focused. At this time, measurement medium light having a continuous incident angle component in the range of θ0 to θ1 is incident on the sample.
The measurement medium light incident via the condenser lens 22 is reflected by the sample. The reflected light of the measurement medium light coming from the sample thickness measurement point is guided to the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 by the action of the light receiving lens 24. As a result, the one-dimensional CCD 23 sends out a one-dimensional CCD output signal s2 corresponding to a serial arrangement of the light receiving amount data of each light receiving element (pixel) 23a. Based on the one-dimensional CCD output signal s2, a reflected light intensity distribution corresponding to each of the incident angles (θ0 to θ1) is observed. The reflected light intensity distribution corresponding to each of the incident angles observed at this time is an amount corresponding to the reflectance distribution corresponding to the incident angle, and is compared with the theoretical reflectance distribution by the arithmetic processing unit 3 to obtain the objective. Is required. Note that the processing for measuring the film thickness in the arithmetic processing unit 3 is as described above with reference to FIGS.
[0078]
The major features of the sensor head unit 2 shown in FIG. 24 are (1) the light receiving lens 24 and the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 are parallel, and (2) the distance between the light receiving lens 24 and the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23. (3) A slit plate 25 (slit 25 a) functioning as an edge shaping means is disposed on the incident side of the condenser lens 22, so that the cross section of the incident light is Are edge-shaped, and the reference optical axes Lref0. Lref1 is characterized; (4) the arrival points of the reference optical axes Lref0 'and Lref1' of the reflected light are detected via the one-dimensional CCD 23; and (5) the reference optical axis of the detected reflected light. The error component due to the angular flutter of the sample included in the output signal s2 from the one-dimensional CCD 23 is corrected based on the incidence points of Lref0 'and Lref1' and the reference incidence points Pref0 and Pref1.
[0079]
FIGS. 25 to 27 show operation explanatory diagrams (parts 1 to 3) in the case where the measures against distance and angle flapping are used together. As described above with reference to FIGS. 14 to 18, (1) the light receiving lens 24 included in the light receiving optical system and the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 are parallel, and (2) the light receiving lens 24 The parallel light incident on the light-receiving lens 24 is on the light-receiving surface of the one-dimensional CCD 23 as long as the condition that the distance between the light-receiving lens 24 and the light-receiving surface of the one-dimensional CCD 23 is substantially equal to the focal length f of the light-receiving lens 24 is satisfied. Light is condensed and incident on one point. Here, as is apparent with reference to FIGS. 25 to 27, as long as the shift angle Δθ is constant, the substrate at each height position (elevated position, reference position, lowered position) regardless of the presence or absence of the distance flapping. The three sets of reflected light (L10, L11, L12), (L20, L21, L22) and (L30, L31, L33) from 5 ″, 5, 5 ′ maintain a parallel relationship with each other in any set. Therefore, even in this embodiment, the reflected lights (L10, L11, L12), (L20, L21, L22), (L30, L31, L33) with respect to the incident lights L1, L2, L3 are primary. Since the light is always condensed at three points P1, P2, and P3 on the light receiving surface of the original CCD 23, it is possible to realize an optical system that is not affected by distance flutter.
[0080]
On the other hand, in FIGS. 25 to 27, when the deviation angle Δθ fluctuates, as described above with reference to FIG. 22, the incident point of the reflected light incident on the light receiving surface of the one-dimensional CCD 23 is It moves by a predetermined angle (2Δθ) in the pixel column direction in accordance with the deviation angle (Δθ) from the line L0 to the normal L0 ′. As described in the previous example, the slit 25a of the slit plate 25 arranged in the light projecting optical system functions as an edge shaping unit and defines an incident angle range (θ0 to θ1). In other words, The reference optical axes Lref0 and Lref1 are characterized in the incident light. The incident points Px0 and Px1 of the reflected light of these reference optical axes Lref0 and Lref1 to the one-dimensional CCD 23 can be detected from the output signal s2 of the one-dimensional CCD 23. The arithmetic processing unit 3 obtains the actual deviation angle Δθ of the sample based on the deviation angle 2θ between the detected incident points Px0 and Px1 and the reference incident points Pref0 and Pref1, and converts the observed waveform to a state without angular flutter. Execute the process to return to.
[0081]
Therefore, according to this embodiment, it is possible to measure the thickness of the single-layer thin film or the multilayer thin film of the sample with high accuracy regardless of the distance flutter and the angle flutter of the sample. In particular, according to this embodiment, the correction for the distance flutter has already been completed at the time of observation by the one-dimensional CCD 23, and the change in the observed waveform due to the distance flutter has been eliminated. Therefore, the cause of the change in the observed waveform is only the angle flutter, and the arithmetic processing unit only needs to execute the process of correcting the error component caused by the angle flutter. As described above, since the distance flutter and the angle flutter are corrected in a process independent of each other, the change in the observed waveform caused by these two types of flutter is corrected by the arithmetic processing unit in the same process. There is no inconvenience that the correction processes compete with each other and the calculation process does not converge.
As a result, according to this embodiment, the installation condition (distance / angle flapping) is reduced, and the autofocus function is not required. At the same time, downsizing of the device and high-speed arithmetic processing are realized, and it is possible to provide a device suitable for in-line measurement.
[Fourth embodiment]
[0082]
FIG. 28 shows an optical configuration of a sensor head in which two types of light sources and a measure against distance and angle flutter are taken. As shown in the figure, the optical system in this embodiment includes two types of light sources 21A and 21B. The light from these light sources 21A and 21B is coaxially aligned via a half mirror 21C, and then shaped into parallel light via a collimator lens 26. A slit 25a and a polarizer 27 are arranged in the path of the parallel light, whereby the incident angle range (θ0 to θ1) and the polarization direction of the light are determined. The light that has passed through the polarizer 27 is collected by the condenser lens 22, and is condensed and irradiated on the thin film 5a on the substrate 5 to be measured. The measurement point of the film thickness of the sample is located substantially at the condensing position of the incident light. Here, the polarizer 27 is set so that the polarization state of the incident light is inclined by 45 degrees with respect to the incident plane. Thus, the measurement medium light having the continuous incident angles θ0 to θ1 and having the polarization direction determined by the polarizer 27 is incident on the sample.
[0083]
The incident measurement medium light is reflected by the sample, passes through the light receiving lens 24, and is separated into S-polarized light and P-polarized light through the polarizing beam splitter 28. The separated reflected light is observed as a reflected light intensity distribution of S-polarized light and P-polarized light corresponding to the incident angles (θ0 to θ1) through a series of pixels of the two one-dimensional CCDs 23A and 23B. The observed reflection intensity distribution waveform is an amount corresponding to the reflectance distribution according to the incident angle, and the arithmetic processing unit 3 calculates the film thickness in comparison with the theoretical reflectance distribution.
[0084]
Note that the distance between the light receiving lens 24 and each of the one-dimensional CCDs 23A and 23B is substantially equal to the focal length f of the light receiving lens 24, and the arithmetic processing unit 3 executes data correction processing corresponding to the above-mentioned angle flapping. Needless to say.
[0085]
In the above-described theoretical formula of reflectivity (formula 1), the wavelength is also treated as a variable (λ). Therefore, in the fourth embodiment in which two light sources 21A and 21B are used. By making the wavelengths of the light emitted from the two light sources different from each other (by increasing the number of wavelengths used), the information on the reflectivity that can be measured increases, so that the measurement accuracy can be improved. .
(Equation 2)
Figure 2004069651
[0086]
Since the theoretical equation (Equation 1) assumes a single wavelength, when using only one light source and using a plurality of wavelengths as described above, the light receiving unit uses a plurality of spectroscopic devices to generate a plurality of wavelengths. It is necessary to separate them into wavelengths and measure the reflectance for each wavelength. In the fourth embodiment, since the two light sources 21A and 21B are used, the light sources are operated at different wavelengths in a time-division manner (for example, the light sources are evenly and alternately illuminated), and the reflectance for each wavelength is changed. Can be adopted as a measurement method of alternately measuring.
[0087]
The wavelength of the light source to be used can be arbitrarily changed, and when it is desired to measure a thinner film, a light source having a shorter wavelength can be used depending on the application. Specifically, a semiconductor laser of ultraviolet light, visible light, infrared light, or the like can be used. Further, as a result of using a light source having a plurality of wavelengths, it is possible to obtain a spectral characteristic of a refractive index.
[0088]
Further, since a normal lens has chromatic aberration, there is a problem in that, when light is condensed and illuminated on a sample by a condensing lens, the converging point differs depending on the wavelength. However, if a lens with corrected chromatic aberration, such as an achromatic lens, is used as a condenser lens used in the apparatus, it is possible to cope with light sources of various wavelengths simply by replacing the light source.
[0089]
In this embodiment, as shown in FIG. 28, by using the polarizer 27, the polarization state of the light incident on the sample is set to be inclined by 45 degrees with respect to the incident plane. Light having such a polarization characteristic is incident on the sample, is separated into S-polarized light and P-polarized light by the polarization beam splitter 28 of the light receiving section, and the incident angle distribution of the reflectance is measured. As described above, the incident angle distribution of the reflectance is represented by Expression 1. However, the values of r0 and r1 included in Equation 1 are
[Outside 1]
Figure 2004069651
When,
[Outside 2]
Figure 2004069651
Then, a different theoretical expression is obtained as shown in Expression 2.
[Equation 3]
Figure 2004069651
[0090]
Therefore, by measuring both the S-polarized light and the P-polarized light, the information on the reflectivity that can be measured increases, so that the measurement accuracy can be improved.
[Fifth Embodiment]
[0091]
FIG. 29 shows an optical configuration of the sensor head unit in which the reference optical axis is set by a dedicated light source. In the second to fourth embodiments described above, the reference axis characterization of the incident light necessary for the angle correction is performed by using an edge shaping means such as a slit. In, the reference axis is characterized by adding a dedicated light source separately. In the second to fourth embodiments described above, the position of the reference optical axis required for angle correction is detected by using the film thickness measuring CCD itself. In the method, the position of the reference optical axis is detected by using a dedicated photoelectric sensor (PSD) separately.
[0092]
That is, in FIG. 29, the light emitted from the light source 21 passes through the beam splitter 29b, is collected by the condenser lens 22, and is condensed and irradiated on the thin film 5a on the substrate 5 to be measured. The sample film thickness measurement point is located at a substantially condensing position of incident light (measurement medium light). The incident light is reflected by the sample, passes through the light receiving lens 24, passes through the polarization beam splitter 29c, and is observed as a reflected light intensity distribution corresponding to the incident angle at each pixel 23a of the one-dimensional CCD 23. The observed waveform is an amount corresponding to the reflectance distribution according to the incident angle, and the arithmetic processing unit 3 calculates the film thickness in comparison with the theoretical reflectance distribution. The light receiving lens 24 is arranged in parallel with the one-dimensional CCD 23 and substantially at the rear focal position. With this arrangement, it is possible to realize an optical system that is not affected by distance flutter.
[0093]
On the other hand, the thin beam-like light emitted from the light source 29a is turned by the beam splitter 29b, passes through the condenser lens 22, and irradiates the thin film 5a on the substrate 5 to be measured as a reference optical axis. You. The incident light corresponding to the reference optical axis is reflected by the sample, passes through the light receiving lens, is changed in direction by the polarization polarizing beam splitter 29c, and is irradiated on the PSD (Position Sensing Device) 29d. At this time, the light from the light source 29a for setting the optical axis has a polarization state different from that of the light from the light source 21 for film thickness measurement, and is separated from the light from the light source 21 by the polarization beam splitter 29c. By detecting a deviation from the reference position Pref with respect to the observation position Px in the PSD 29d, it is possible to detect angular flutter and return to a state without angular flutter. Here, the reference position Pref is, as shown in FIG. 30, an irradiation position of the reference optical axis measured in a state where there is no angular flapping. With this arrangement, it is possible to realize an optical system that is not affected by angle flutter. Note that the calculation processing required for correcting the angle flutter has been described in detail in the second embodiment, and will not be described.
[0094]
In the fifth embodiment, the light source 21 and the light source 29a are operated in a time-division manner, and the intensity distribution waveform is acquired in synchronization with the light source 21 and the light source 29a. It is also possible to do. Alternatively, the wavelengths of the light source 21 and the light source 29a are different from each other, and a dichroic mirror or the like having a wavelength separating function is used for the beam splitters 29b and 29c so that the film thickness measurement based on the measurement medium light of the two wavelengths is performed. You may.
[0095]
As is clear from the above-described first to fifth embodiments, the film thickness measuring apparatus of the present invention irradiates a film thickness measuring point of a sample with a measuring medium light including various irradiation angle components. A light-side optical system, and a photoelectric conversion unit array means in which a large number of photoelectric conversion units are arranged in an array on a light-receiving surface; and a measurement medium light for each irradiation angle coming from a film thickness measurement point of the sample. A light receiving side optical system including a lens for guiding the reflected light on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means, and a measurement target based on a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means. Calculating means for determining the thickness of the film so that the distance between the lens included in the light receiving side optical system and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means is substantially equal to the focal length of the lens. Is set Than it is.
[0096]
Therefore, even if the distance between the sample and the light receiving optical system fluctuates, the reflected optical axis corresponding to the same incident optical axis simply moves in parallel, so that the lens included in the light receiving side optical system and the photoelectric conversion unit array If the distance from the light receiving surface of the means is set to be substantially equal to the focal length of the lens, the reflected light corresponding to each incident optical axis always reaches the determined array position on the photoelectric conversion unit array means. Therefore, the fluctuation of the intensity distribution waveform of the reflected light due to the distance flutter is suppressed, and the resistance to the distance flutter is improved.
[0097]
Further, the light projecting side optical system includes characterization means for performing characterization corresponding to a reference optical axis with respect to the measurement medium light, and the light receiving side optical system includes a film thickness of the sample. A second photoelectric conversion unit for receiving reflected light of the measurement medium light coming from the measurement point and detecting a feature corresponding to a reference optical axis included therein is included, and the arithmetic unit includes the second photoelectric conversion unit. Based on a feature corresponding to the reference optical axis detected by the second photoelectric conversion means, correction of an amount of received light data for correcting an error component due to angular flutter of a sample included in a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit. Means are included.
[0098]
Therefore, when the incident angle with respect to the sample changes, the angle of the sample included in a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit based on a feature corresponding to the reference optical axis detected by the second photoelectric conversion unit. Since the error component due to the flapping is corrected and the fluctuation of the intensity distribution waveform of the reflected light due to the angular flapping is suppressed, the resistance to the angular flapping is also improved. Moreover, in such a film thickness measuring device, the correction function for the distance flutter and the correction function for the angle flutter operate independently without affecting each other. There is an advantage that the arithmetic processing is not complicated. That is, the correction function relating to the distance flutter is realized by the configuration of the optical system ("substantially coincides with the focal length"), while the correction function relating to the angular flutter is realized by the configuration of the electric system ("error correction calculation of a series of received light amount data"). Therefore, it is possible to avoid such a disadvantage that the two influence each other and it takes a long time to converge the operation result.
[0099]
In the above-described first to fifth embodiments, a method in which the light projecting lens (condensing lens 22) and the light receiving lens (light receiving lens 24) are separated and the light is obliquely incident on the sample is employed. As in the conventional example described with reference to FIG. 33 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-196630), the distance / angle flapping occurs even in a coaxial type using the same lens for projecting light and receiving light (center incident angle is 0 °). A strong optical system can be realized. FIG. 31 shows an example of the sensor head according to the present invention configured as a coaxial type.
[0100]
However, in the case of the coaxial type, the numerical aperture N.sub. A. Is 0.45 or more, the one-dimensional CCD 23 cannot be arranged at the rear focal length of the light receiving lens 22A as shown in FIG. Therefore, in the coaxial type, the numerical aperture N. A. Is set to 0.45 or less (the incident angle range is 27 ° or less), it is difficult to realize an optical system that is strong against distance / angle flapping. Equation 1, which is a theoretical expression of reflectivity, is a function of the incident angle, and it is desirable that the range of the incident angle be wide. The oblique incidence type is separated from the light emitting type and the light receiving type, and thus has no advantage as described above, and has an advantage that the incident angle range can be widened.
[0101]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a film thickness measuring apparatus using the VAR method, which is small, capable of high-speed arithmetic processing, and has resistance to distance and angle flapping. This type of film thickness measuring apparatus can be applied to in-line measurement in, for example, a semiconductor manufacturing process or an FPD manufacturing process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an entire film thickness measuring apparatus using a VAR direction.
FIG. 2 is a diagram illustrating an optical configuration of a sensor head unit.
FIG. 3 is a diagram illustrating an electrical configuration of an arithmetic processing unit.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a film thickness measurement process.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a thin film, incident light, and reflected light.
FIG. 6 is a graph showing a reflectance distribution curve according to an incident angle.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a relationship between a multilayer thin film and a characteristic coefficient of each layer.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing optical characteristics of a single-layer film.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing optical characteristics of a multilayer film.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing adoption data in the least squares method.
FIG. 11 is a diagram showing the contents of a table stored in a memory of a calculation unit.
FIG. 12 is a diagram showing an optical configuration of a sensor head unit in which a measure against distance flapping is incorporated.
FIG. 13 is an explanatory diagram of an action of a distance flapping countermeasure.
FIG. 14 is a diagram illustrating the principle of measures against distance flapping.
FIG. 15 is an explanatory diagram (part 1) illustrating the action of distance flapping countermeasures for each incident optical path.
FIG. 16 is an explanatory diagram (part 2) illustrating the action of the distance flapping countermeasure for each incident optical path.
FIG. 17 is an explanatory view (No. 3) illustrating the action of distance flapping countermeasures for each incident optical path.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the action of distance flapping countermeasures on the rear stage of the light receiving lens.
FIG. 19 is an explanatory diagram showing an enlarged light condensing state near a one-dimensional CCD light receiving surface.
FIG. 20 is a diagram illustrating an optical configuration of a sensor head unit in which measures against angle flapping are incorporated.
FIG. 21 is an explanatory diagram of an edge shaping unit.
FIG. 22 is an operation explanatory view of a measure against angle flapping.
FIG. 23 is a flowchart showing an angle correction process.
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a sensor head unit in which measures against both distance flutter and angle flutter are incorporated.
FIG. 25 is an operation explanatory view (part 1) in a case where measures against distance and angle flapping are used together.
FIG. 26 is an operation explanatory view (part 2) in a case where a countermeasure against distance and angle flapping is used together.
FIG. 27 is an operation explanatory view (part 3) in a case where a countermeasure against distance and angle flapping is used together;
FIG. 28 is a diagram showing an optical configuration of a sensor head in which two light sources and a countermeasure against distance and angle flapping are taken.
FIG. 29 is a diagram showing an optical configuration when a reference optical axis is set by a dedicated light source.
FIG. 30 is an explanatory diagram of the operation when the reference optical axis is set by a dedicated light source.
FIG. 31 is an explanatory diagram (part 1) of a sensor head configured as a coaxial type.
FIG. 32 is an explanatory view (part 2) of a sensor head configured as a coaxial type.
FIG. 33 is an explanatory view of a conventional film thickness measuring device using the VAR method.
FIG. 34 is an explanatory diagram of distance flapping.
FIG. 35 is an explanatory diagram of an angle flutter.
[Explanation of symbols]
1 Film thickness measuring device
2 Sensor head
3 arithmetic processing unit
4 Arithmetic processing unit
5 Substrate
5a Thin film
21, 21A, 21B Light source
21C half mirror
22 Condensing lens
23,23A, 23B One-dimensional CCD
23a pixel
23b Light receiving surface
24 Receiving lens
25 slit plate
25a slit
25 'aperture plate
25a 'aperture
25 "knife edge plate
25a "knife edge
26 Collimator lens
27 Polarizer
28 Polarizing beam splitter
29a Light source for reference optical axis
29b Polarizing beam splitter
29c polarizing beam splitter
29d PSD
Reference position of Href sample
Lref0, Lref1 Reference optical axis
f focal length
P1, P2, P3 incident point
θ0 to θ1 Incident angle

Claims (10)

試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、
多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、
前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、
前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている、ことを特徴とする膜厚計測装置。
A projection-side optical system that irradiates a measurement medium light including various irradiation angle components to a film thickness measurement point of a sample,
The photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion unit array means in which a large number of photoelectric conversion units are arranged in an array on a light receiving surface, and reflects reflected light of measurement medium light at each irradiation angle coming from a film thickness measurement point of the sample. A light receiving side optical system including a lens for guiding the light on the light receiving surface of the conversion unit array means,
Computing means for obtaining a film thickness to be measured based on a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means,
The film thickness measurement, wherein a distance between the lens included in the light receiving side optical system and the light receiving surface of the photoelectric conversion unit array means is set to substantially coincide with a focal length of the lens. apparatus.
前記投光側光学系には、前記測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段が含まれており、
前記受光側光学系には、前記試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第2の光電変換手段が含まれており、さらに
前記演算手段には、前記第2の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている、ことを特徴とする請求項1に記載の膜厚測定装置。
The projection-side optical system includes a characterization unit that performs characterization corresponding to a reference optical axis on the measurement medium light,
The light receiving side optical system includes a second photoelectric conversion unit for receiving reflected light of the measurement medium light coming from the film thickness measurement point of the sample and detecting a feature corresponding to a reference optical axis included therein. A sample included in a series of received light amount data obtained from each photoelectric conversion unit based on a feature corresponding to a reference optical axis detected by the second photoelectric conversion unit. 2. A film thickness measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for correcting an amount of received light data for correcting an error component caused by the angle flutter.
前記特徴化手段が前記測定媒体光の断面輪郭のうちで基準光軸に相当する部分をエッジ整形する断面輪郭整形手段である、ことを特徴とする請求項2に記載の膜厚測定装置。3. The film thickness measuring apparatus according to claim 2, wherein said characterization means is a cross-sectional contour shaping means for edge-shaping a portion corresponding to a reference optical axis in a cross-sectional contour of the measurement medium light. 前記断面輪郭整形手段には、スリット、アパーチャ、又はナイフエッジが少なくとも含まれる、ことを特徴とする請求項3に記載の膜厚測定装置。4. The film thickness measuring apparatus according to claim 3, wherein the cross-section contour shaping unit includes at least a slit, an aperture, or a knife edge. 前記光電変換部アレイ手段が前記第2の光電変換手段を兼ねる、ことを特徴とする請求項2に記載の膜厚測定装置。3. The film thickness measuring apparatus according to claim 2, wherein the photoelectric conversion unit array means also serves as the second photoelectric conversion means. 前記受光量データ修正手段が、前記測定媒体光の基準光軸に相当する部分の前記第2の光電変換手段上の受光位置から前記試料の角度ズレ量を求めると共に、該求められた角度ズレ量に応じて、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データを角度ズレ量が修正される方向へと全体的にシフトさせる機能を有する、ことを特徴とする請求項2に記載の膜厚測定装置。The received light amount data correction means obtains an angle shift amount of the sample from a light receiving position on the second photoelectric conversion means at a portion corresponding to a reference optical axis of the measurement medium light, and the obtained angle shift amount A function of shifting a series of received light amount data obtained from each of the photoelectric conversion units of the photoelectric conversion unit array means in a direction in which the angle shift amount is corrected in accordance with the following. 3. The film thickness measuring device according to 2. 前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には2以上の波長成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各波長成分に対応する2以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各波長成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための波長別分光手段が含まれている、請求項1〜6のいずれかに記載の膜厚測定装置。The measurement medium light emitted from the light projecting side optical system includes two or more wavelength components, and the light receiving side optical system includes two or more photoelectric conversion unit array means corresponding to each wavelength component. And a wavelength-specific spectral unit for separating reflected light arriving from the film thickness measuring point on the sample into each wavelength component and guiding the reflected light to each of the corresponding photoelectric conversion unit array units. The film thickness measuring device according to any one of the above. 前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には2以上の偏光成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各偏光成分に対応する2以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各偏光成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための偏光別分光手段が含まれている、請求項1〜6のいずれかに記載の膜厚測定装置。The measurement medium light emitted from the light projecting side optical system includes two or more polarized light components, and the light receiving side optical system includes two or more photoelectric conversion unit array means corresponding to each polarized light component. 7. A polarization-specific spectroscopic means for separating reflected light coming from a film thickness measurement point on the sample into respective polarized light components and guiding the polarized light components to respective corresponding photoelectric conversion unit array means. The film thickness measuring device according to any one of the above. 前記投光光学系には、それぞれ異なる波長成分若しくは偏光成分を有する2種以上の測定媒体光を時分割して照射する手段が含まれ、
前記演算手段は、前記測定媒体光の照射タイミングに同期することにより、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部を介して各波長成分若しくは各偏光成分別の受光量データを取得する、ことを特徴とする、請求項1乃至6の何れかに記載の膜厚測定装置。
The light projection optical system includes means for irradiating two or more types of measurement medium light having different wavelength components or polarization components in a time-division manner,
The arithmetic means, by synchronizing with the irradiation timing of the measurement medium light, obtains the received light amount data for each wavelength component or each polarized light component via each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit array means. The film thickness measuring device according to claim 1, wherein:
半導体製品やFPD等のような成膜プロセスを伴う製品の製造ラインに配置されてインラインで製品の膜厚計測を行うことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の膜厚測定装置。The film thickness measuring apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the film thickness measuring apparatus is arranged in a production line of a product including a film forming process such as a semiconductor product or an FPD and measures the film thickness of the product in-line. .
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