【手続補正書】
【提出日】平成17年3月28日(2005.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜が形成された試料基板を支持して搬送されうる試料基板移送台を含む試料基板移送部と、
前記試料基板移送台に支持される前記試料基板に入射される入射光を提供する光源を含む光学部と、
前記試料基板に入射される入射光または試料基板から反射される反射光を光波長別に選択的にフィルタリングするフィルタ手段と、
前記フィルタ手段によって選択された特定光波長を有し、前記試料基板から反射された反射光を２次元的に検出する２次元型光検出器と、
前記2次元型光検出器によって検出された前記反射光に含まれる映像情報を捕捉する画像捕捉器と、
前記画像捕捉器によって捕捉された前記反射光に含まれる映像情報を用いて光波長の関数で反射率を演算する画像処理部と、
前記反射率を用いて前記薄膜の特性を演算する情報処理部とを含む薄膜特性測定装置。
【請求項２】
前記薄膜特性測定装置を用いて測定できる前記試料基板上に形成される薄膜は単層膜または多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項３】
前記試料基板上に形成される薄膜はフォトレジスト膜を含むことを特徴とする請求項２に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項４】
前記試料基板上に形成された薄膜の選定された特定領域における薄膜の特性を測定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項５】
前記試料基板移送台を順次に移送しつつ複数の特定領域で薄膜の特性を測定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項６】
前記光学部は、可視光線光源、紫外線光源または赤外線光源のうち少なくとも一つの光源を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項７】
前記光学部は、光源から出射される光を集束させる集束レンズと、前記試料基板に投射される集束された光の投射面積を調節させるアイリスを含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項８】
前記フィルタ手段は特定帯域の光波長を段階的にフィルタリングすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項９】
前記フィルタ手段は特定帯域の光波長だけを選別的にフィルタリングする光フィルタが回転軸を中心にして複数個配されている光フィルタ環で構成されることを特徴とする請求項８に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１０】
前記フィルタ手段は特定帯域の光波長だけを選別的にフィルタリングする同調フィルタで構成されることを特徴とする請求項８に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１１】
前記同調フィルタは液晶同調フィルタまたは音響光学同調フィルタであることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１２】
前記フィルタ手段は特定帯域の光波長を連続的にフィルタリングすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１３】
前記フィルタ手段は特定帯域の光波長だけを選別的にフィルタリングする光フィルタが回転軸を中心にして複数個配されている光フィルタ環よりなることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１４】
前記フィルタ手段は線形可変フィルタで構成されることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１５】
前記フィルタ手段は円形可変フィルタまたは部分円形可変フィルタで構成されることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１６】
前記フィルタ手段は前記光源から前記2次元型光検出器との光経路に光が集中される箇所に位置することを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１７】
前記フィルタ手段は前記光経路において前記２次元型光検出器の直前に位置することを特徴とする請求項１６に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１８】
前記２次元型光検出器は電荷結合素子(CCD)で構成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項１９】
前記画像処理部は前記画像捕捉器が捕捉した前記映像情報から前記反射光の強度を抽出して光波長の関数で反射率グラフを求めることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２０】
前記情報処理部によって演算される前記薄膜の特性は、薄膜の厚さ、薄膜の厚さ形状及び薄膜の屈折率分布のうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２１】
前記情報処理部は非線形誤差最小化方法を用いて前記薄膜の特性を演算できるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２２】
前記画像処理部で演算した前記反射率及び前記情報処理部で演算した前記薄膜の特性を表示するための画像認識部及びモニタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２３】
前記試料基板移送部は前記試料基板移送台を駆動させる試料基板駆動部と前記試料基板駆動部を制御する試料基板移送台制御部を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２４】
前記画像処理部、情報処理部及び前記試料基板移送台制御部を制御するシステム制御部をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２５】
前記画像処理部及び前記情報処理部における演算処理を早めるために多数回反復的に使用される演算係数及び変数を記録したルックアップテーブルをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２６】
前記モニタは前記薄膜の特性を２次元的または３次元的に表示できることを特徴とする請求項２２に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２７】
前記モニタは前記薄膜の特性をカラーで表示できることを特徴とする請求項２６に記載の薄膜特性測定装置。
【請求項２８】
薄膜が上面に形成された試料基板における測定しようとする特定領域を位置決めする段階と、
前記試料基板上に光を投射する段階と、
前記光を光波長別に選択的にフィルタリングする段階と、
前記特定波長帯別にフィルタリングされ、前記試料基板上から反射された反射光を2次元的に検出する段階と、
前記検出された反射光に含まれる映像情報を捕捉する段階と、
前記映像情報から前記反射光の強度を抽出して光波長の関数で反射率を演算する段階と、
前記反射率を用いて前記薄膜の特性を演算する段階とを含む薄膜特性測定方法。
【請求項２９】
前記反射率を試料基板で測定した反射光の強度と標準基板で測定した入射光の強度とを比較して求めることを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３０】
前記特定領域について反射率を演算した後は前記試料基板を移送させ別の測定しようとする特定領域に対して同一な過程によって前記薄膜の反射率を演算することを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３１】
前記反射率を用いて前記薄膜の特性を演算する段階では、前記特定領域について測定した反射率と理論的な反射率との誤差を最小化する非線形最小化誤差法を用いて薄膜の厚さを求めることを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３２】
前記薄膜の厚さと反射率から前記薄膜の厚さ形状及び屈折率分布を求めることを特徴とする請求項３１に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３３】
前記試料基板上に光を投射する段階では、前記測定しようとする薄膜の厚さが薄くなるほど短波長の光を選択して使用することを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３４】
可視光線で測定できる前記薄膜の最小厚さは１００ないし２００Åであることを特徴とする請求項３３に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３５】
前記反射率を演算する段階では、前記光が投射された特定領域の画素群に該当する光の強度、前記画素群で表現される映像の位置、前記画素群に対応する光波長及び初期値として任意に仮定した前記薄膜の厚さ値を用いて反射率誤差が最小になるまで反復的に演算することを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３６】
前記演算時間を短縮するためにルックアップテーブルを用いることを特徴とする請求項３５に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３７】
前記フィルタリングする段階では特定帯域の光波長を段階的にフィルタリングすることを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【請求項３８】
前記フィルタリングする段階では特定帯域の光波長を連続的にフィルタリングすることを特徴とする請求項２８に記載の薄膜特性測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】２次元型検出器を用いた薄膜特性測定装置及びその測定方法
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、多層薄膜の厚さ形状及び屈折率分布を二次元反射光度計の原理を利用して測定する装置とその測定方法に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
半導体及び各種ディスプレーのための製品のコーティング工程で基板に蒸着された薄膜の厚さと屈折率などを測定する過程は半導体製品の形成過程を観察、監視することによって品質を向上させ、不良品を早期に発見することによって工程コストを節減するのに重要な役割を果たす。特に、厚さ形状や薄膜層表面の平坦度を監視することは半導体の品質向上に必須過程である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
図２を参考すれば、図１Ａで対物レンズ１０４を通じて投射された光線２１０が境界面Ｉ２０７上の一点２１７で一部は反射されて反射光線２２２方向に向かい、一部は第２薄膜層２０２を透過して境界面ＩＩ２０８の一点２１８で反射され（２２４）、また、一部は境界面ＩＩ２０８を透過（２１４）する。この透過した光２１４の一部は境界面ＩＩＩ２０９の一点２１９で反射されて反射光線２２６方向に行き、また一部２１６は基板２０６に透過される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図２に示したように、試料基板２３０で反射されて出てくる光２２２、２２４、２２６は基板２０６上の第１薄膜層２０４、第２薄膜層２０２など様々な媒質間の光学的境界面Ｉ２０７、ＩＩ２０８、ＩＩＩ２０９で平行多重反射されて出てくる光線であるゆえに、空気中の開始線２２８を基準とすれば、相互間に微細な光学的経路差を有し、この相互間の光学的経路差によって干渉現象を起こす。ここでこの微細な光学的経路差は光学的にみる時、各波長別に相異なる経路差が発生することによって光線の波長によって相互補強干渉か相互相殺干渉などの相異なる干渉現象を起こす。このような干渉現象のために反射率を光波長の関数で示せば、図３に表示したような典型的な形態を有する。ここで、横軸は光波長であり、縦軸は反射光を入射光で割った反射率である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
画像捕捉処理部は、二次元型光検出器５４２と画像捕捉器５４６とで構成されている。試料基板５１４上の薄膜層５１８の境界面Ｉ５２０と境界面ＩＩ５２２で反射された反射光が対物レンズ５１０、光分割器５０８、補助レンズ５３０、そして狭帯域通過光フィルタ５３８で構成されている光通路を経てニ次元型光検出器５４２に投射された光映像から二次元型光検出器５４２内に装着されている電荷連繋素子（電荷結合素子；ＣＣＤ：ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）による光感知器を通じて画素単位の光度情報に変わる。このニ次元画像は画像捕捉器５４６によって捕捉された後、フレームメモリ（図示せず）に保存される。さらに詳細に説明すれば、二次元型光検出器５４２内にはＣＣＤがニ次元型に配列されている。前記した試料薄膜層５１８の境界面Ｉ５２０と境界面ＩＩ５２２とで反射された反射光は狭帯域通通過光フィルタ５３８を通過した後、この狭帯域に属する波長の光のみが前記した二次元型ＣＣＤに投射されれば、このＣＣＤによって感知された画素は二次元画素群を形成する。この時、形成された画素群を画像捕捉器５４６を通じて捕捉した後、フレームメモリ（図示せず）に保存する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
光源５００から出てきた光は集束レンズ５０２、絞り５０４、平行光投射レンズ５０６、光分割器５０８、対物レンズ５１０を通じる光路を経て試料基板５１４に投射される。ここで測定する試料薄膜５１８はその基板５１６上に図２に示したように２層の薄膜２０２、２０４で形成された構造を試料基板５１４として使用した場合の例を挙げて説明する。図２を参照すれば、試料基板２３０は基板２０６上に第１薄膜層２０４と第２薄膜層２０２とが形成された構造を有している。この場合に、これら薄膜層は屈折率など光学的特性が相異なり、第２薄膜層２０２と空気との境界面Ｉ２０７、前記した第２薄膜層２０２と第１薄膜層２０４間の境界面ＩＩ２０８、そして、第１薄膜層２０４と基板２０６との境界面ＩＩＩ２０９の３枚の境界面が存在する。光学的特性が相異なる薄膜層間の光学的境界面では反射、屈折、そして、透過現象が発生することによって、図２に示したように試料基板２３０全体で反射された反射光は光路差（２１０→２２２、２１０→２１２→２２４、２１０→２１２→２１４→２２６）がある幾つかの境界面での反射光の重畳された光２２２、２２４、２２６よりなる。一般的に、測定しようとする薄膜層の厚さは数ミクロンないし数十Å程度と薄いので、薄膜で反射される反射光間の経路差は、いわゆる光学的可干渉距離より短いために、光学でよく知られたように、反射光が重なる時に反射光間に干渉現象が起きる。しかも、幾何学的に２つの光路が同じであるとしても光信号の波長が異なる時には波長によってその光路が異なることによって波長別に異なる干渉現象が起きる。したがって、ある波長では相殺干渉現象が、他の波長では補強干渉現象が起きるようになるが、この時の反射光の強度は光波長によって異なる値を有する。そして、入射光と反射光の強度も狭帯域内の波長によって異なる値を有する。また、前記した干渉現象は反射光の幾何学的な、すなわち、薄膜層の厚さによる光路差、そして、媒体層の光学的な特性によって変わる屈折率の差で分かる光路差によって発生する。反射率は反射率＝反射光強度／入射光強度と定義されるために、入射光強度を標準試料を使って測定すれば、図３に表示したような反射率グラフを光波長の関数で求めるようになる。本発明では、薄膜層の厚さ、そして薄膜層の特性である反射率と屈折率とを関連させる非線形関数関係を求め、本発明で提示する方法で反射率を測定した後、薄膜層の厚さと屈折率分布とを反復的な試行錯誤による最適値を探す方法によって演算する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
また、本発明によれば、図５に示したように光フィルタ環５３４の代りに液晶同調フィルタや音響光学同調フィルタなどのような同調フィルタ５３９（点線で表示）を使用してもよい。例えば、液晶同調フィルタの原理と代表的な構造は”ＩｍａｇｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙＵｓｉｎｇ ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ”、ｂｙＴｏｍ Ｃｈｒｉｅｎ ａｎｄＣｈｒｉｓ Ｃｈｏｖｉｔ、Ｊｅｔ ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ、ａｎｄ Ｐｅｔｅｒ Ｍｉｌｌｅｒ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ、Ｉｎｃ.、Ａｐｒｉｌ、１９９３によって提示され、音響光学同調フィルタの原理及び構造は”Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏ Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃｓ”、ａｎｄａｌｓｏ ＡＯＴＦ（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ）Ｓｅｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ｂｙ Ｂｒｉｍｒｏｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆＡｍｅｒｉｃａによって提示された。図５で、フィルタ環５３４の代りに使用する同調フィルタ５３９に入射される光源に対して光フィルタ環を使用する時と同じく情報処理部５５０とシステム制御部５５２とによって条件に合った特定波長のみを選別することによって同調フィルタも狭帯域通過光フィルタとして動作する。前記した同調フィルタの場合、機械的な駆動部なしに電気的信号によって動作するために、マイクロ秒（μs）単位のリアルタイムに近い短い時間内にその動作の可能を完了する。したがって、実際工程現場で測定にかかる時間が大幅に短縮される。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９４】
本発明によれば、この実施例で例示した薄膜層厚の形状及び屈折率分布の測定装置の全般的な制御はシステム制御部５５２が施行する。システム制御部５５２は基本的にマイクロプロセッサー、マイクロコンピューターまたはマイクロコントローラを中心として構成されている制御器である。システム制御部５５２はハードウェアとソフトウェアとで構成されているので、ハードウェアは代表的な例として、主にマイクロプロセッサー、メインメモリ、ハードディスク、Ｉ／Ｏ連結部分、プリンタのようなＩ／Ｏ装置などで構成されており、ソフトウェアは大きく分けて開始プログラム、主制御プログラムなどで構成されている。このシステム制御部５５２は薄膜層厚及び屈折率分布測定装置の様々な部分を制御する。すなわち、光学部、試料基板移送台制御部５２８、狭帯域通過光フィルタ環５３４、二次元型ＣＣＤ５４２、フレームグラバー（画像補足器）５４６、情報処理部５５０、画像処理部５４８、画像認識部５５４、モニター５５６などのあらゆる機械的な動きはもとより、複雑な計算機能を含んであらゆる演算過程及び情報処理機能を制御する。
前記した実施例は本発明の原理及び内容を説明するための一例に過ぎず、本発明の原理と基本思想とを制限するためのものでは全くない。当業者はこの実施例と類似しているかその変形を容易に理解して考えて出せるであろう。したがって、当業者はこの実施例を通じてその原理と基本思想の意味を広い範囲で理解し、考えて出すことができるであろう。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
光学部は測定用光を発生させる光源５００と集束レンズ５０２、絞り５０４、投射レンズ５０６、光分割器５０８、対物レンズ５１０、補助レンズ５３０、そして、狭帯域通過光フィルタ５３８が多数装着されたフィルタ環５３４で構成されている。薄膜層厚測定用光源５００としては通常的に使われる可視光線が使われる。この光源から発生された光は、集束レンズ５０２、試料基板５１４上に投射される集束光の投射面積を調節する絞り５０４と平行光レンズ５０６を通じて平行光となって光分割器５０８に投射された後、反射されて対物レンズ５１０を通じて試料基板５１４上部にある、例えば、単層薄膜層５１８の上の表面である境界面Ｉ５２０と下の図面である境界面ＩＩ５２２で反射される。試料基板で反射された光はさらに対物レンズ５１０を通じ、光分割器５０８を経た後、補助レンズ５３０によって狭帯域通過光フィルタ５３８を通過した後、ＣＣＤ光検出器５４２に集光される。狭帯域通過光フィルタ５３８を通過した反射光は前記光フィルタによって決定される特定波長帯に対応する光で二次元型光検出器５４２にその映像が結ばれるようになる。