(57)【要約】【課題】基板上に塗布した膜厚の計測を非破壊かつ非接触にて行うこと。【解決手段】本発明においては、基板に塗布した材料の膜厚を測定する膜厚測定装置において、基板を固定する固定部と、基板を外部から隔離するチャンバーと、スリット状の光を発生させて、このスリット状の光を基板に照射する光源と、基板から反射した光を検出する検出部とを備えたことを特徴とする膜厚測定装置が提供される。また、本発明においては、基板をチャンバー内に固定し、基板にスリット状の光を照射し、この基板から反射した断面輪郭線を検出することを特徴とする膜厚測定方法が提供される。【選択図】  図１
2008202969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に塗布した材料の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
前記基板を固定する固定部と、
前記基板を外部から隔離するチャンバーと、
スリット状の光を発生させて、このスリット状の光を前記基板に照射する光源と、
前記基板から反射した光を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
基板に塗布した材料の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
前記基板を固定する固定部と、
前記基板を外部から隔離するチャンバーと、
それぞれ複数のスリット状の光を発生させて、このスリット状の光を前記基板のそれぞれ異なった位置に照射する複数の光源と、
前記基板の異なった位置から反射した光をそれぞれ検出する複数の検出部と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の膜厚測定装置において、
前記固定部は、前記基板を水平に保持したまま回転させる回転機構を有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の膜厚測定装置において、
前記固定部は、前記基板を加熱するベークユニットを有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の膜厚測定装置において、
前記固定部は、前記基板を上下移動させることが可能であることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項６】
請求項５の記載の膜厚測定装置において、さらに、
前記固定部が前記基板を上下移動させたときの移動量を表示する表示部を有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項７】
基板をチャンバー内に固定し、
前記基板にスリット状の光を照射し、この前記基板から反射した断面輪郭線を検出することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項８】
膜を塗布する前の基板を固定部に搭載し、
前記膜を塗布する前の基板にスリット状の光を照射させて、この基板から反射した塗布前断面輪郭線を検出し、
膜を塗布した後の基板を前記固定部に搭載し、
前記膜を塗布した後の基板に前記スリット状の光を照射させ、この基板から反射した断面輪郭線と前記塗布前断面輪郭線とが一致するように前記固定部を移動させ、
前記固定部の移動量から前記膜の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項９】
膜を塗布した基板を固定部に搭載し、
前記基板にスリット状の光を照射させて、この基板から反射した第１の断面輪郭線を検出し、
前記膜に所定の処理を施し、
前記膜に前記所定の処理を施した後、前記基板に前記スリット状の光を再度照射させ、この基板から反射した第２の断面輪郭線と前記第１の断面輪郭線とが一致するように前記固定部を移動させ、
前記固定部の移動量から前記所定の処理に基づく前記膜の膜厚の変化を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。より詳細には、塗布した材料の膜厚を測定する装置及びこの装置を用いた膜厚の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜厚を測定する方法として、光切断法が用いられることがある。光切断法とは、スリット状の光を被写体に照射したときに生じる、被写体の形状に対応した反射光の変形を観測することにより、三角測量の原理で被写体の形状を捉えて奥行（距離）を求める手法をいう。
【０００３】
このような光切断法は、非接触かつ非破壊で物体の形状を捉える技術である。そこで、この光切断法を用いて、定まった厚みの基板の表面輪郭線を定めた上で、基板上の塗膜の輪郭線を合わせると、ステージの高さを調整した量から、その塗膜の膜厚を損傷させることなく計測できる。
【０００４】
膜厚を非接触かつ非破壊で測定する方法の一つとして、エリプソメータを用いる測定が挙げられる。
【０００５】
エリプソメータでは、干渉の周期性から単一入射角では膜厚を一義的に決定することができないので入射角を変化させて反射光の強度変化を取得している。しかし、微小の光入射スポットの位置を変えずに光を入射させることは困難であり、１０μｍ程度の広さの均一な膜厚しか計測できず、平坦度検査並びに絶対膜厚の測定には用いることができないという問題がある。
【０００６】
従来においては、厚膜レジストを低回転で回転塗布した場合など、必ずしも均一な塗膜が形成されていないサンプルの膜厚を測定するときは、サンプルを断裁してレジスト断面のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像から測定することなどを行っていたが、これは非接触かつ非破壊による測定ではないという問題があった。
【０００７】
非接触かつ非破壊による測定は、特に半導体ウェハや絶縁基板等に厚膜レジストを回転塗布した後のプリベーク中において、基板直径方向での膜厚変化を計測する手段の一つとして、レジスト塗布条件を確認する上でも必要とされていた。
【特許文献１】特開平９−２８３９２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来において、例えば基板に塗布したレジスト膜の膜厚を確認する方法としては、レジスト膜の一部を削り取って、基板下地との段差を蝕針式で測定することや、サンプルを基板ごと断裁してＳＥＭ等の拡大画像から計測する方法による破壊測定によって行われていた。
【０００９】
しかし破壊測定においては、測定対象のサンプル自体を今後の工程に使用することができないので、サンプル断裁やレジスト膜の切削を行わずに、サンプルの検査としても利用可能な非破壊測定を行う方法を確立する必要性があった。
【００１０】
特にレジスト塗布後のプリベーク中における膜厚の直径方向の経時変化を確認する方法はこれまでに無く、非破壊かつ非接触によって膜厚測定を行う方法の確立も求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては、基板に塗布した材料の膜厚を測定する膜厚測定装置において、基板を固定する固定部と、基板を外部から隔離するチャンバーと、スリット状の光を発生させて、このスリット状の光を基板に照射する光源と、基板から反射した光を検出する検出部と、を備えたことを特徴とする膜厚測定装置が提供される
【００１２】
また、上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては、基板に塗布した材料の膜厚を測定する膜厚測定装置において、基板を固定する固定部と、基板を外部から隔離するチャンバーと、それぞれ複数のスリット状の光を発生させて、このスリット状の光を基板のそれぞれ異なった位置に照射する複数の光源と、基板の異なった位置から反射した光をそれぞれ検出する複数の検出部と、を備えたことを特徴とする膜厚測定装置が提供される。
【００１３】
固定部は、基板を水平に保持したまま回転させる回転機構を有してもよい。
【００１４】
固定部は、基板を加熱するベークユニットを有してもよい。
【００１５】
固定部は、基板を上下移動させることが可能であってもよい。
【００１６】
固定部が基板を上下移動させたときの移動量を表示する表示部をさらに有してもよい。
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては、基板をチャンバー内に固定し、基板にスリット状の光を照射し、この基板から反射した断面輪郭線を検出することを特徴とする膜厚測定方法が提供される。
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては、膜を塗布する前の基板を固定部に搭載し、膜を塗布する前の基板にスリット状の光を照射させて、この基板から反射した塗布前断面輪郭線を検出し、膜を塗布した後の基板を固定部に搭載し、膜を塗布した後の基板にスリット状の光を照射させ、この基板から反射した断面輪郭線と塗布前断面輪郭線とが一致するように固定部を移動させ、固定部の移動量から膜の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法が提供される。
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態においては、膜を塗布した基板を固定部に搭載し、基板にスリット状の光を照射させて、この基板から反射した第１の断面輪郭線を検出し、膜に所定の処理を施し、膜に所定の処理を施した後、基板にスリット状の光を再度照射させ、この基板から反射した第２の断面輪郭線と第１の断面輪郭線とが一致するように固定部を移動させ、固定部の移動量から所定の処理に基づく膜の膜厚の変化を測定することを特徴とする膜厚測定方法が提供される。ここに所定の処理とは、ベーク等の熱処理であることが望ましいがチャンバ内で行われるその他の処理でもかまわない
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、チャンバー内においてスリット状の光を照射し、その反射光である断面輪郭線を検出することにより、基板上に塗布した膜厚の計測を非破壊かつ非接触にて行うことができる。
【００２１】
また、スリット状の光を複数照射しその反射光を複数検出する場合には、例えば基板の直径方向につき、膜厚の面内分布を非破壊かつ非接触にて測定することができる。特に、膜厚の基板直径方向に対しての変化が大きいプリベーク中において、時間の変化に対してレジスト膜厚が盛り上がっている部分が平坦になっていく一方で、他の部分の膜厚が増加していく傾向などが定量的に測定可能となる。
【００２２】
また、基板を回転させる回転機構を有した場合には、基板の直径方向のみならず、膜厚の面内分布をより多くのポイントにおいてサンプリングすることが可能となり、より詳細な膜厚の二次元面内分布を測定することができる。これは膜厚の時間変化が想定されない状況下において有用である。
【００２３】
また、基板を加熱するベークユニットを有した場合には、塗布した膜に熱処理を加える際に、いわばｉｎ−ｓｉｔｕで（処理中において）膜厚を測定することができる。
【００２４】
また、固定部が、基板を上下移動させることが可能であり、さらにその移動量が表示可能であれば、複数の時点での断面輪郭線が一致するように基板を上下させることによって、その上下移動量に基づいて膜厚の変化を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明にかかる膜厚測定装置の構成を図1に示す。
【００２６】
この膜厚測定装置はベークチャンバ７を有し、このベークチャンバ内に光切断法の光学系を複数配置している。ベークチャンバ７内には、レジスト等が塗布され、またはされた基板８を搭載するホットプレート（固定部）９、このホットプレート９を回転させる回転機構１０が存在する。
【００２７】
この膜厚測定装置には、さらに、スリット状の光を発生させ基板８表面にこの光を照射するスリット光源レンズ（光源）１、３、５及びディテクタレンズ（検出部）２、４、６が存在する。なお、スリット光源レンズ１は基板の中心部を照射し、ディテクタレンズ２はこの反射光を検出するよう位置決めされている。スリット光源レンズ３は基板の中心から直径方向へ移動した中間地点を照射し、ディテクタレンズ４はこの反射光を検出するよう位置決めされている。スリット光源レンズ５は基板の端部を照射し、ディテクタレンズ６はこの反射光を検出するよう位置決めされている。このように、スリット光照射ポイントを基板直径方向へ一直線上に照射させるように構成されている。
【００２８】
さらに、正確に測定点を捉えるため、特にレジスト等の塗工液の塗布直後の基板のステージへの搬送については、装置によるセンタリング後に、ロボットアームを用いて正確に搬送を行えるようにされている。
【００２９】
本発明の膜厚測定装置は、膜を塗布する前の基板８をホットプレート９に搭載し、これにスリット光源レンズ１、３、５からスリット状の光を照射させて、この基板８から反射した断面輪郭線を検出し、次いで、膜を塗布した後の基板８をホットプレート９に搭載し、膜を塗布した後の基板に再度スリット光源レンズ１、３、５からスリット状の光を照射させ、この基板８から反射した断面輪郭線を検出し、膜の塗布前後で断面輪郭線が一致するように基板の高さを移動させ、その移動量から膜の膜厚を測定する。また、膜の塗布後において、熱処理等の所定の処理中の膜厚の変化も適宜基板の高さを移動させることによって、ｉｎ−ｓｉｔｕで測定することができる。
【実施例１】
【００３０】
４インチベアシリコン基板上に厚膜レジストを回転塗布して積層を行い、最終的な膜厚を２５０μｍとした場合の例を示す。
【００３１】
基材となる4インチシリコン基板は信越化学工業株式会社製、ドーパントはｐ型、厚さは５２５μｍの仕様であり、鏡面研磨された面にレジストを塗布した。
【００３２】
４インチベアシリコン基板に対し、塗布量４ｃｃ、回転数６００ｒｐｍ、加速度３００ｒｐｍ２、保持時間３０秒にて、厚膜用レジスト（商品名：ＳＵ−８）を回転塗布した。
【００３３】
塗布したレジスト膜の膜厚測定には、ベークチャンバ７内に設置した、上述の光切断測定法による光学系（スリット光源レンズ１、３、５及びディテクタレンズ２、４、６）により行った。
【００３４】
光切断法においては、左右の対物レンズの内向角を９０°に配し、図１における左からスリット光を斜めにあて、右の光学系でスリット光によって作られる断面像を拡大し、凹凸の差を非接触で測る。
【００３５】
４インチベアシリコン基板上に塗布したレジスト膜の膜厚を光切断法により測定する場合、レジストを塗布していない４インチベアシリコン基板表面の断面輪郭線を基準線と設定し、レジストを塗布した基板におけるレジスト膜表面の断面輪郭線を基準線まで位置合わせして、基板８を設置するステージ、つまりホットプレート９の上下移動量からレジスト膜厚を求めた。
【００３６】
ホットプレート９のチャンバ内に設置する光切断報における光学系の位置については任意に設定可能な機構であるが、図1に示したように、レジスト膜中心点（ｃｅｎｔｅｒ  ｐｏｉｎｔ）、レジスト膜中心から２０ｍｍ外側の点（中心から直径方向へ移動した中間地点、ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔ）、レジスト膜中心から４５ｍｍ外側の点（端部、ｅｎｄ  ｐｏｉｎｔ）を通るよう合計３系統配置し、３点同時に膜厚変化の測定を行った。
【００３７】
測定の精度は、厚み５２５μｍの４インチベアシリコン基板をステージにセットして測定、取り出して再セットして測定することを１０回繰り返した結果においては、レンジで１０μｍのばらつきとなった。
【００３８】
回転塗布直後のレジスト膜厚は、ｃｅｎｔｅｒ  ｐｏｉｎｔで１１０μｍ、ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔで１１０μｍであり、それらの範囲をパターン領域と定義すると、パターン領域の平均膜厚は１１０μｍとなった。
【００３９】
さらに、ウェハ端部のレジスト膜厚となるｅｎｄ  ｐｏｉｎｔでの測定においては２１０μｍとなり、パターン領域の平均膜厚に対し１００μｍ程度隆起していることがわかった。
【００４０】
プリベーク工程においてはホットプレートを１０５°に加熱し、加熱時間を１０分としてレジスト膜の加熱処理を行った。
【００４１】
ホットプレートによる加熱時間が５分の時点において、ｃｅｎｔｅｒ  ｐｏｉｎｔで１１０μｍ、ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔで１２０μｍ、ｅｎｄ  ｐｏｉｎｔで１９０μｍとなり、加熱されたレジスト膜が軟化することで、端部の隆起部分がなだらかになっていく傾向がわかった。
【００４２】
加熱時間が１０分の時点においては、ｃｅｎｔｅｒ  ｐｏｉｎｔで１２５μｍ、ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔで１２５μｍ、ｅｎｄ  ｐｏｉｎｔで１６０μｍとなり、隆起部分で軟化したレジストが中心付近へ推移し、パターン領域において平坦化されていく傾向がわかった。
【００４３】
このように、光切断法による光学系を複数配置したベークユニットにおいては、経時的に変化する膜厚を一次元的に配置した光学系により測定を行うことによって、ベーク中のレジスト膜の変化挙動を定量的に示すことが可能となる。
【実施例２】
【００４４】
中心から外側方向への一次元測定だけでなく、ステージに回転機構を持たせることで、図２に示したように面内の膜厚分布といった二次元測定も行うことが可能となる。
【００４５】
図２において、２０は４インチベアシリコン基板の外周形状、Ｐ２は直径方向へ一列に並んだ測定点である。このように測定点を設定すれば、ステージを回転機構１０によって回転させることで、図２に示したとおり、面全体の点において、膜厚の面内分布が測定できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いる分野において、厚膜用フォトレジストを低回転で回転塗布し、特に面内の膜厚のばらつきが大きいような基板のプリベーク中の膜厚変化傾向を定量的に測定した研究開発において積極的に利用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の膜厚測定装置の概略図（断面）
【図２】ステージを回転させ面内の膜厚分布を測定する場合の測定点の例
【図３】実施例１におけるベーク時間に対する膜厚変化のグラフ
【符号の説明】
【００４８】
１  スリット光源レンズ（ｃｅｎｔｅｒ  ｐｏｉｎｔ）
２  ディテクタレンズ（ｃｅｎｔｅｒ  ｐｏｉｎｔ）
３  スリット光源レンズ（ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔ）
４  ディテクタレンズ（ｍｉｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔ）
５  スリット光源レンズ（ｅｎｄ  ｐｏｉｎｔ）
６  ディテクタレンズ（ｅｎｄ  ｐｏｉｎｔ）
７  ベークチャンバ
８  基板
９  ホットプレート
１０  回転機構
【図１】
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【図２】
2008202969.tif 000004
【図３】
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