(57)【要約】【課題】光干渉ユニットおよびエリプソメータからの光の基板上の照射位置を容易に一致させることができる膜厚測定装置を提供する。【解決手段】膜厚測定装置１は、基板９上の膜厚を測定するための情報を取得するエリプソメータ３および光干渉ユニット４を有する。膜厚測定装置１では、光干渉ユニット４から基板９に向けて照明光が照射され、基板９からの反射光の分光強度が取得される。続いて、エリプソメータ３による測定の際に、記憶部５２に予め記憶された位置ずれ量が読み出され、演算部５１が位置ずれ量に基づいてステージ移動機構２１を制御することにより、エリプソメータ３からの偏光光の照射位置が直前の光干渉ユニット４による照射位置に一致し、基板９上の同一の位置における情報が取得される。その結果、光干渉ユニット４およびエリプソメータ３からの光の基板９上の照射位置を容易に一致させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第１測定部と、
前記第１測定部とは別に、対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第２測定部と、
対象物を保持するステージと、
前記ステージを前記第１測定部および前記第２測定部に対して相対的に移動する移動機構と、
前記第１測定部からの光の照射位置と前記第２測定部からの光の照射位置との位置ずれ量を記憶する記憶部と、
前記第１測定部と前記第２測定部との間で測定が切り替えられる際に前記位置ずれ量に基づいて前記移動機構を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定装置であって、
前記第１測定部が前記ステージに保持された参照対象物の画像を取得する撮像部を有し、
前記第１測定部または前記第２測定部が光を照射した状態を前記撮像部にて取得した画像に基づいて前記位置ずれ量を求める演算部をさらに備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の膜厚測定装置であって、
前記参照対象物が、光を散乱する散乱部を有し、
前記位置ずれ量が求められる際に、前記移動機構が前記ステージを移動しつつ前記撮像部にて連続的に複数の画像が取得されることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の膜厚測定装置であって、
前記移動機構が前記ステージを第１の方向および第２の方向に移動しつつ、前記撮像部により連続的に複数の画像が取得され、前記複数の画像に基づいて前記演算部により前記第１測定部または前記第２測定部からの光の照射領域の中心が求められることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の膜厚測定装置であって、
前記第１測定部が白色光による光干渉方式の測定部であり、前記第２測定部がエリプソメータであることを特徴とする膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物上の膜の厚さを測定する膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の基板に光を照射して基板上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置において複数の測定部を設けたものが従来より提案されている。例えば、特許文献１では、エリプソメータと干渉計とを同一装置に設け、エリプソメータにより測定される屈折率と干渉計により求められる干渉波形とから基板上の膜厚を特定する手法が開示されている。このような膜厚測定装置では、装置上における各測定部の取り付け位置を精度よく調整することにより、各測定部からの光の基板上の照射位置を一致させ、各測定部による測定が基板上の同一の位置に対して行われる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−１８２５０７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、膜厚測定装置が使用される製造現場（例えば、半導体部品製造工場等）において、膜厚測定装置のメンテナンスや故障による部品交換等により各測定部の取り外しを伴う作業が行われる場合には、一般的に装置の停止時間が製造コストに大きく影響するため、各測定部の再取り付け後の位置の調整を迅速かつ容易に行うことが要求されている。ところが、取り付け位置の調整は、通常、高度な調整が必要とされるため容易に行うことができず、作業に長時間を要してしまう。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数の測定部を有する膜厚測定装置において各測定部の基板上の測定位置（測定用の光の照射位置）を容易に一致させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第１測定部と、前記第１測定部とは別に、対象物に光を照射して膜の厚さを測定する第２測定部と、対象物を保持するステージと、前記ステージを前記第１測定部および前記第２測定部に対して相対的に移動する移動機構と、前記第１測定部からの光の照射位置と前記第２測定部からの光の照射位置との位置ずれ量を記憶する記憶部と、前記第１測定部と前記第２測定部との間で測定が切り替えられる際に前記位置ずれ量に基づいて前記移動機構を制御する制御部とを備える。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定装置であって、前記第１測定部が前記ステージに保持された参照対象物の画像を取得する撮像部を有し、前記第１測定部または前記第２測定部が光を照射した状態を前記撮像部にて取得した画像に基づいて前記位置ずれ量を求める演算部をさらに備える。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の膜厚測定装置であって、前記参照対象物が、光を散乱する散乱部を有し、前記位置ずれ量が求められる際に、前記移動機構が前記ステージを移動しつつ前記撮像部にて連続的に複数の画像が取得される。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の膜厚測定装置であって、前記移動機構が前記ステージを第１の方向および第２の方向に移動しつつ、前記撮像部により連続的に複数の画像が取得され、前記複数の画像に基づいて前記演算部により前記第１測定部または前記第２測定部からの光の照射領域の中心が求められる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の膜厚測定装置であって、前記第１測定部が白色光による光干渉方式の測定部であり、前記第２測定部がエリプソメータである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一の実施の形態に係る膜厚測定装置１の概略構成を示す図である。膜厚測定装置１は、多層膜（単層膜であってもよい。）が形成された半導体基板（以下、「基板」という。）９が載置されるステージ２、基板９上の膜に対して偏光解析を行うための情報を取得するエリプソメータ３、基板９からの光（反射光）の分光強度を取得する光干渉ユニット４、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部５、および、エリプソメータ３および光干渉ユニット４に対してステージ２を移動するステージ移動機構２１を備える。
【００１２】
エリプソメータ３は、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９に向けて出射する光源ユニット３１、および、基板９からの反射光を受光して反射光の偏光状態を取得する受光ユニット３２を有し、取得された偏光状態を示すデータは制御部５へと出力される。
【００１３】
光源ユニット３１は、光ビームを出射する半導体レーザ（ＬＤ）３１２および半導体レーザ３１２の出力を制御するＬＤ駆動制御部３１１を有し、半導体レーザ３１２からの光ビームは偏光子３１３に入射する。偏光子３１３と波長板（以下、「λ／４板」という。）３１４により円偏光または直線偏光の光が取り出される。λ／４板３１４からの光はレンズ３３１を介して所定の入射角（例えば、７０〜８０度）にてステージ２上の基板９表面へと導かれる。このように、ＬＤ駆動制御部３１１、半導体レーザ３１２、偏光子３１３およびλ／４板３１４により光源ユニット３１が構成され、円偏光または直線偏光の光が基板９に向けて出射される。なお、光源ユニット３１には（具体的には、半導体レーザ３１２と偏光子３１３との間の光路上には）、光ビームを遮断する電磁シャッタ３１５が設けられ、電磁シャッタ３１５により基板９への光の照射がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００１４】
基板９からの反射光は、レンズ３３２を介して回転検光子３２１へと導かれ、回転検光子３２１が光軸に平行な軸を中心として回転しつつ透過した光が受光素子３２２へと導かれ、受光された光の強度を示す信号がＡＤコンバータ３４を介して制御部５へと出力される。以上のように、回転検光子３２１および受光素子３２２により受光ユニット３２が構成され、受光素子３２２の出力が回転検光子３２１の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得される。
【００１５】
光干渉ユニット４は、白色光を照明光として出射する光源４１、基板９からの反射光を分光する分光器４２、基板９上の照明光の照射位置を撮像する撮像部４４、および、光学系４５を有し、光学系４５により光源４１からの照明光が基板９へと導かれるとともに基板９からの反射光が分光器４２および撮像部４４へと導かれる。
【００１６】
具体的には、光ファイバ４５１の一端に光源４１からの照明光が導入され、他端に設けられたレンズ４５２から照明光が導出される。導出された照明光はレンズ群４５０ａによりハーフミラー４５６へと導かれ、反射された照明光は対物レンズ４５７を介して基板９の表面に照射される。
【００１７】
基板９からの反射光は、対物レンズ４５７を介してハーフミラー４５６へと導かれる。ハーフミラー４５６およびハーフミラー４５８を透過した光はハーフミラー４５９へと導かれ、一部の光が反射される。反射された光はレンズ４５０ｂを介して撮像部４４へと導かれ、受光される。撮像部４４により基板９上の照明光の照射位置の像が撮像され、取得された画像データは制御部５へと出力される。
【００１８】
ハーフミラー４５９を透過した光はレンズ４５０ｃを介して分光器４２へと導かれ、反射光の分光強度が取得される。分光強度のデータは制御部５へと出力される。以上のように、レンズ群４５０ａ，レンズ４５０ｂ，４５０ｃ，４５２、光ファイバ４５１、ハーフミラー４５６，４５８，４５９および対物レンズ４５７により光学系４５が構成される。
【００１９】
光干渉ユニット４は、さらに、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離を検出するオートフォーカス検出ユニット（以下、「ＡＦ検出ユニット」という。）４６を有する。ＡＦ検出ユニット４６は、光ビームを出射する半導体レーザ４６１、受光する光の位置をＰＳＤ素子により検出するＡＦ検出部４６３を有し、半導体レーザ４６１から出射された光ビームは光学系４５を介して基板９の表面へと照射される。基板９からの光ビームの反射光は光学系４５を介してＡＦ検出ユニット４６のレンズ４６２へと導かれ、さらに、ＡＦ検出部４６３へと導かれる。
【００２０】
ＡＦ検出部４６３では受光する光の位置により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が検出され、ステージ２に設けられた昇降機構２４により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が一定に調整される。このとき、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離は、対物レンズ４５７に入射する平行光が基板９の表面にてほぼ集光する距離（すなわち、焦点距離）とされる。
【００２１】
ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＸ方向に移動するＸ方向移動機構２２、および、Ｙ方向に移動するＹ方向移動機構２３を有する。Ｘ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｙ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＸ方向に移動する。Ｙ方向移動機構２３もＸ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＹ方向に移動する。
【００２２】
制御部５は、各種演算を行う演算部５１、および、各種情報を記憶する記憶部５２を有し、分光器４２、撮像部４４および受光ユニット３２にて取得された各種情報は演算部５１へと入力され、演算部５１による演算結果は記憶部５２に記憶される。また、光源４１、光源ユニット３１およびステージ移動機構２１も制御部５に接続され、制御部５がこれらの構成を制御することにより、膜厚測定装置１による基板９上の膜厚測定が行われる。
【００２３】
図２は膜厚測定装置１が基板９上の膜の厚さを測定する処理の流れを示す図である。以下、図１を参照しながら図２に沿って膜厚測定装置１による膜厚測定について説明を行う。
【００２４】
まず、光干渉ユニット４において光源４１から照明光が出射され（ステップＳ１１）、光学系４５により照明光が基板９へと導かれる。基板９からの反射光の一部は撮像部４４へと導かれ、照明光の照射位置を示す画像が取得される。制御部５は、取得された画像に基づいてステージ移動機構２１を制御し、照明光の照射位置を基板９上の所望の測定位置へと相対的に移動する。そして、反射光の一部が分光器４２へと導かれて分光器４２により反射光の分光強度が取得され（ステップＳ１２）、分光強度データが演算部５１へと出力される。演算部５１では、取得された分光強度から基板９の分光反射率が求められる。このとき、分光反射率が既知である他の基板の分光強度が予め準備されており、この分光強度を用いて基板９の分光反射率が求められる。
【００２５】
続いて、膜厚測定装置１では光干渉ユニット４からエリプソメータ３に測定が切り替えられる。すなわち、エリプソメータ３の光源ユニット３１から偏光光が基板９へと出射されるとともに（ステップＳ１３）、記憶部５２に記憶された位置ずれ量が読み出される（ステップＳ１４）。そして、制御部５が位置ずれ量に基づいてステージ移動機構２１を制御し、ステージ２が対応する位置へと移動する（ステップＳ１５）。
【００２６】
ここで、位置ずれ量とは基板９上における光干渉ユニット４による照明光の照射位置とエリプソメータ３による偏光光の照射位置との相対的な位置の差であり、後述する位置ずれ量を取得する処理により予め求められる。これにより、基板９上の偏光光の照射位置が直前の照明光の照射位置に移動し（すなわち、ステージ２の位置が偏光光の照射位置に対して補正され）、ステップＳ１２にて分光強度が取得されたのと同一の位置において受光ユニット３２により反射光の偏光状態が取得される（ステップＳ１６）。偏光状態を示すデータは演算部５１に入力され、取得された分光反射率および偏光状態に基づいて基板９上の所望の位置における膜の厚さが求められる（ステップＳ１７）。例えば、演算部５１では、分光反射率から求められる膜厚と偏光状態から求められる膜厚とが比較され、適切な膜厚が特定される。なお、膜厚測定装置１では、エリプソメータ３による測定後に光干渉ユニット４による測定が行われてもよい。
【００２７】
次に、上述の位置ずれ量を取得する処理について説明を行う。図３は、膜厚測定装置１が位置ずれ量を求める処理の流れを示す図である。まず、ステージ２上に所定のパターンが形成された参照基板が載置され、光干渉ユニット４の光源４１から照明光が出射される（ステップＳ２１）。撮像部４４では照明光の照射位置の画像が取得され、演算部５１は取得された画像に基づいて照明光の照射位置をステージ移動機構２１により参照基板上の特定の位置へと相対的に移動する（ステップＳ２２）。
【００２８】
例えば、図４（ａ）に示すようにＹ方向に伸びる段差部９１（例えば、数１００オングストロームの段差となった段差部）が設けられた参照基板９ａ（平行斜線を付して図示）が使用される場合には、まず、光干渉ユニット４の照明光の照射位置が段差部９１のエッジ上に位置する状態とされる。そして、照明光の照射位置が参照基板９ａに対して（＋Ｘ）方向に任意の距離Ｌ１だけ相対的に移動し（すなわち、図４（ａ）中の矢印Ｐ１の位置へと移動し、）、図５に示す画像６１が撮像部４４により取得される。このとき、ステージ２の移動量（すなわち、距離Ｌ１）は光干渉ユニット４の照明光の照射位置Ｐ１と段差部９１との間のＸ方向に関する距離として記憶部５２に記憶される（ステップＳ２３）。
【００２９】
また、対物レンズ４５７と参照基板９ａの凹部９２側の表面との間の距離がＡＦ検出ユニット４６により検出され、一定に調整された後、ＡＦ検出ユニット４６がＯＦＦとされる。なお、本実施の形態では図５の画像６１中の中心点と参照基板９ａ上における照明光の照射領域の中心とが一致しており、図４（ａ）中の照明光の照射位置Ｐ１と同様に、符号Ｐ１を付している。
【００３０】
続いて、エリプソメータ３から偏光光が出射される（ステップＳ２４）。このとき、参照基板９ａ上に照射された偏光光は、受光ユニット３２に向かって全反射するため撮像部４４による画像からは確認することができない。そこで、ステージ２が（＋Ｘ）方向へと移動しつつ、ステージ２の移動量に対応付けられた複数の画像が撮像部４４により連続的に取得される（ステップＳ２５）。
【００３１】
図４（ｂ）は偏光光が照射された直後の状態（または、ステージ２の移動直前の状態）を示す図であり、偏光光の照射位置を矢印Ｐ２により示している。また、図５では、偏光光の照射位置を符号Ｐ２を付す点により示し、偏光光の照射領域を二点鎖線で示す領域６２として図示している。ステージ２の移動により段差部９１が図５中の符号９１ａに示す状態となるときには、段差部９１が偏光光の照射領域６２の外側に位置するが、符号９１ｂに示す状態になると段差部９１が照射領域６２内に位置するため偏光光が段差部９１のエッジにて散乱する。ステージ２がさらに移動し、段差部９１が符号９１ｃ，９１ｄに示す状態を経由する間も、段差部９１における散乱光が継続して発生し、符号９１ｅに示す状態となると段差部９１が照射領域６２の外側に位置し、散乱光が消滅する。
【００３２】
撮像部４４にてステージ２の移動中に連続して取得された複数の画像（図５中の符号９１ａ〜９１ｅに示す状態を含む複数の画像）は演算部５１へと出力される。演算部５１では、取得された複数の画像から散乱光の発生直後に対応する画像と消滅直後に対応する画像とが特定され、両画像に対応付けられたステージ２の移動量の平均値が、移動直前の状態（すなわち、図４（ｂ）または図５の状態）における段差部９１と偏光光の照射領域６２の中心（すなわち、照射位置Ｐ２）との間のＸ方向に関する距離Ｌ２として求められる（ステップＳ２６）。なお、距離Ｌ２は、例えば、散乱光が最大となる画像に対応付けられたステージ２の移動量であってもよい。
【００３３】
演算部５１では、Ｘ方向に関して特定された段差部９１と照明光の照射位置Ｐ１との距離Ｌ１、および、段差部９１と偏光光の照射位置Ｐ２との距離Ｌ２から照明光の照射位置Ｐ１と偏光光の照射位置Ｐ２とのＸ方向に関する位置ずれ量が算出され、記憶部５２に記憶される（ステップＳ２７）。
【００３４】
続いて、ステップＳ２１へと戻って（ステップＳ２８）、照明光が出射されるとともに、参照基板９ａ上の照明光の照射位置が段差部９１とは異なるＸ方向に伸びる段差部の位置に相対的に移動する（ステップＳ２２）。そして、ステージ２の移動方向をＹ方向としてステップＳ２３〜Ｓ２５が同様に繰り返され、Ｙ方向に関する照明光の照射位置Ｐ１と偏光光の照射位置Ｐ２との位置ずれ量が算出され、記憶部５２に記憶される（ステップＳ２７）。膜厚測定装置１では、Ｘ方向およびＹ方向に関する位置ずれ量が求められると位置ずれ量取得処理を終了する（ステップＳ２８）。
【００３５】
以上のように、膜厚測定装置１ではステージ２をＸ方向およびＹ方向に（すなわち、水平面内で互いに垂直な２方向に）移動しつつ、撮像部４４によりエリプソメータ３が偏光光を照射した状態を示す複数の画像が連続的に取得される。そして、演算部５１により複数の画像に基づいて偏光光の照射領域の中心が求められ、照明光の照射位置と偏光光の照射位置との位置ずれ量が自動的に求められる。これにより、膜厚測定装置１ではエリプソメータ３と光干渉ユニット４との間で測定が切り替えられる際に、位置ずれ量に基づいて双方の光の基板９上の照射位置を容易に一致させることができ、その結果、基板９上の所望の位置における膜厚を正確に求めることができる。また、膜厚測定装置１における各測定部の取り付け位置の調整を簡略化することができる。
【００３６】
なお、照明光が参照基板９ａ上の凹部９２側にて集光するようにＡＦが行われ、かつ、図４（ａ）において左上から偏光光が入射する場合は、偏光光の散乱箇所は段差部９１の上端となるため、厳密には、正確な位置ずれ量が求められない可能性がある。しかしながら、実際には段差部９１の段差が微小であるためこの誤差は無視することが可能である。もちろん、より正確に位置ずれ量を求める必要がある場合には、段差を考慮しつつ偏光光の照射位置が求められてよい。
【００３７】
また、膜厚測定装置１では、必ずしもステージ２の移動量に基づいて位置ずれ量が求められる必要はなく、例えば、演算部５１により偏光光の散乱光が出現する複数の画像から偏光光の照射位置と照明光の照射位置との画像中の距離を求め、この距離に基づいて位置ずれ量が求められてもよい。また、ステージ２を移動しつつ取得される複数の画像により、光干渉ユニット４の光の照射領域の中心が求められてもよい。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００３９】
参照基板９ａに設けられる段差部９１は必ずしも一方向に伸びる段差部である必要はなく、例えば、曲線状の段差部や光を散乱する散乱面が参照基板上に形成されてもよい。
【００４０】
また、位置特定用のパターンや目盛り等が形成された参照基板を使用し、操作者がステージ２の上面に対して別途設けられた顕微鏡等を介して光の照射位置を直接確認したり、各測定部（すなわち、エリプソメータ３および光干渉ユニット４のそれぞれ）に設けられた顕微鏡や撮像部等により光の照射位置が確認されることにより、位置ずれ量が求められてもよい。
【００４１】
基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。
【００４２】
エリプソメータ３および光干渉ユニット４とステージ２とは相対的に移動すればよく、例えば、エリプソメータ３および光干渉ユニット４に移動機構が設けられてもよい。
【００４３】
膜厚測定装置に設けられる複数の測定部は必ずしもエリプソメータ３および光干渉方式の光干渉ユニット４である必要はない。また、膜厚測定装置に３つ以上の測定部が設けられるとともに任意の２つに対する位置ずれ量がそれぞれ求められ、各測定部の測定時に対応する位置ずれ量に基づいてステージ位置の補正が行われてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１ないし５の発明では、第１測定部からの光の照射位置と第２測定部からの光の照射位置とを容易に一致させることができる。
【００４５】
また、請求項２の発明では、位置ずれ量を自動的に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】膜厚を測定する処理の流れを示す図である。
【図３】位置ずれ量を求める処理の流れを示す図である。
【図４】
（ａ）は照明光の照射位置を示す図であり、（ｂ）は偏光光の照射位置を示す
図である。
【図５】
撮像部により取得される画像を示す図である。
【符号の説明】
１  膜厚測定装置
２  ステージ
３  エリプソメータ
４  光干渉ユニット
５  制御部
９  基板
９ａ  参照基板
２１  ステージ移動機構
４４  撮像部
５１  演算部
５２  記憶部
６１  画像
９１  段差部
Ｐ１，Ｐ２  照射位置
【図１】
2004156996.tif 000003
【図２】
2004156996.tif 000004
【図３】
2004156996.tif 000005
【図４】
2004156996.tif 000006
【図５】
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