(57)【要約】     【課題】位置精度の高い膜厚測定装置を提供する。    【解決手段】  基板６１上に導電性薄膜を形成し、パターニングして測定用コイル部６４と、それを取り囲む導電性リング６８を形成する。この測定用コイル部６４を測定対象物に近接させ、交流電流を流すと、測定対象物内に渦電流が誘起される。測定用コイル部６４周囲が導電性リング６８で取り囲まれており、導電性リング６８よりも外側には渦電流が広がらないので、位置精度の高い測定を行うことができる。導電性リング６８に換え、中心部とは逆向きのコイルを外周に配置して測定用コイル部を構成してもよい。【選択図】    図１９
2005227256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、
前記測定用コイル部は、パターニングされた導電性薄膜で構成された膜厚測定装置。
【請求項２】
前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項１記載の膜厚測定装置であって、
前記基準用コイル部は、パターニングされた導電性薄膜で構成された膜厚測定装置。
【請求項３】
前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記導電性リングは、パターニングされた導電性薄膜で構成された請求項３記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記測定用コイル部上には絶縁膜が配置され、
前記絶縁膜上の前記測定用コイル部の中心位置を含む少なくとも一部領域を取り囲む位置に導電性リングが配置された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記測定用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記基準用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項２記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、
前記測定用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、
前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置。
【請求項１０】
前記順コイルの中心と前記逆コイルの中心とは略一致された請求項９記載の膜厚測定装置。
【請求項１１】
前記順コイルは前記逆コイルの外周よりもはみ出ないように配置された請求項１０記載の膜厚測定装置。
【請求項１２】
前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項９乃至請求項１１のいずれか１項記載の膜厚測定装置であって、
前記基準用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、
前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置。
【請求項１３】
前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項９乃至請求項１２のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項１４】
前記測定用コイル部の前記順コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項９乃至請求項１３のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項１５】
前記測定用コイル部の前記順コイルは基板上に配置された請求項１４記載の膜厚測定装置。
【請求項１６】
前記測定用コイル部の前記逆コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項９乃至請求項１５のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項１７】
前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項９乃至請求項１６のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項１８】
前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項１７記載の膜厚測定装置。
【請求項１９】
同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、
前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有し、
前記順コイルと前記逆コイルは同じ基板上に配置され、前記逆コイルの内周に前記順コイルが配置された精密測定コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜厚測定装置の技術分野にかかり、特に、測定対象物に渦電流を生じさせて膜厚測定を行う膜厚測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
導電性薄膜の膜厚を測定する装置として渦電流式の膜厚計がある。薄膜に近づけたコイルに交流電圧を印加すると薄膜に誘起された渦電流によりコイルのインピーダンスが変化することを利用した装置である
従来は、コイルとしてソレノイドが用いられているが、その空間分解能は十分ではなく、より高い分解能が要求されている。ここでの空間分解能は、薄膜の端での膜厚計の出力の振舞いに関するもので、薄膜の端まで膜厚をいかに正しく測定できるかを表すものである。
【０００３】
測定対象の薄膜とコイルの間の距離を一定に保つために、例えば静電容量式の変位センサが用いられる
従来は変位センサとコイルを別々に製作した後、治具を用いて変位センサの下端とコイルの下端の位置が合うように組み立てているが、それらの相対的な位置を精度よく組み付けるのは困難であり、また、装置の部品点数が多く、必要な作業量も多いという問題があった。
【特許文献１】特開２００２−１４８０１０
【特許文献２】特開２００２−１４８０１１
【特許文献３】特開２００２−１４８０１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、部品点数が少なく、位置精度が高い膜厚計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、前記測定用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて構成された膜厚測定装置である。
請求項２記載の発明は、前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項１記載の膜厚測定装置であって、前記基準用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて構成が請求項１記載の膜厚測定装置である。
請求項３記載の発明は、前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項４記載の発明は、前記導電性リングは、前記導電性薄膜がパターニングされて構成されている請求項３記載の膜厚測定装置である。
請求項５記載の発明は、前記測定用コイル部上には絶縁膜が配置され、前記絶縁膜上の前記測定用コイル部の中心位置を含む少なくとも一部領域を取り囲む位置に導電性リングが配置された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項６記載の発明は、前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項７記載の発明は、前記測定用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項１記載の膜厚測定装置である。
請求項８記載の発明は、前記基準用コイル部は、基板上に形成された導電性薄膜がパターニングされて形成された請求項２記載の膜厚測定装置である。
請求項９記載の発明は、測定対象物の近くに測定用コイル部を配置し、前記測定用コイル部に交流電圧を印加し、前記測定対象物内に渦電流を生じさせ、前記渦電流の影響により生じた前記測定用コイルのインピーダンス値の変化を電圧として測定し、前記測定対象物の厚みを求めるように構成された膜厚測定装置であって、前記測定用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置である。
請求項１０記載の発明は、前記順コイルの中心と前記逆コイルの中心とは略一致された請求項９記載の膜厚測定装置である。
請求項１１記載の発明は、前記順コイルは前記逆コイルの外周よりもはみ出ないように配置された請求項１０記載の膜厚測定装置である。
請求項１２記載の発明は、前記測定用コイル部と、前記測定用コイル部とは別の基準用コイル部と、二個の抵抗素子とをブリッジ接続したインピーダンスブリッジを用い、前記渦電流の影響により、前記ブリッジに生じた電圧を測定する請求項９乃至請求項１１のいずれか１項記載の膜厚測定装置であって、前記基準用コイル部は、同一方向に複数回巻き回わされ、流れる電流が同じ方向に回転する順コイルと、前記順コイルよりも巻数が少なく、流れる電流が前記順コイルとは逆向きに回転する逆コイルとを有する膜厚測定装置である。
請求項１３記載の発明は、前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項９乃至請求項１２のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項１４記載の発明は、前記測定用コイル部の前記順コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項９乃至請求項１３のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項１５記載の発明は、前記測定用コイル部の前記順コイルは基板上に配置された請求項１４記載の膜厚測定装置である。
請求項１６記載の発明は、前記測定用コイル部の前記逆コイルはパターニングされた導電性薄膜で構成された請求項９乃至請求項１５のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項１７記載の発明は、前記測定用コイル部を取り囲む導電性リングを有する請求項９乃至請求項１６のいずれか１項記載の膜厚測定装置である。
請求項１８記載の発明は、前記導電性リングと前記測定対象物との間の静電容量を測定する静電容量センサコントローラを有する請求項１７記載の膜厚測定装置。
【０００６】
先ず、本発明の動作原理を説明する。
従来用いられたソレノイドは長さ(厚み)があるために、一端を薄膜に近づけると、他端は薄膜から離れてしまう。例えば、図１に示したａのような部分である。
【０００７】
本発明の発明者等は、下記に示すような薄膜に誘起される渦電流の径方向の分布から、この部分ａが空間分解能を低下させていることを見出した。そして、その問題を解決するためには、図２のように、コイルを同一平面上に巻くことを案出した。以後、図２のようなコイルを平面コイルと呼ぶことにする。
【０００８】
ソレノイドと平面コイルの空間分解能を比較するために、コイルに流した電流により薄膜に誘起された渦電流密度の径方向の分布を計算した。計算結果を図３と４に示す。
【０００９】
計算に用いたソレノイドのパラメーターは、長さ１．７１ｍｍ、外径２．４ｍｍ、内径０．４ｍｍ。１層につき１０巻き、６層、合計６０巻き、コイル下端から薄膜までの距離ｈ＝０．３ｍｍ、自己インダクタンスＬC＝１．７５ｘ１０-6Ｈ，抵抗ＲC＝０．６６Ωとした。
【００１０】
平面コイルのパラメーターとしては、外径２．３６ｍｍ、内径０．２８ｍｍ、０．０４ｍｍ間隔で２７巻き、ｈ＝０．１５ｍｍ、ＬC＝７．７ｘ１０-7Ｈ、ＲC＝２８Ωまたは１４Ωとした。
【００１１】
図３、４は、渦電流及びその時間変化が小さい場合、即ち、渦電流による「コイルでの鎖交磁束」の変化がコイル自身のそれより小さく無視できる場合の結果であり、以下のようにして求めた。
【００１２】
コイルに流れる電流を円電流の重ね合わせと考え、円電流によるベクトルポテンシャルＡ（ｒ，ｔ）を求め、Ｅ＝−∂Ａ（ｒ，ｔ）／∂ｔより電場Ｅを求め（Ｂ＝ｒｏｔＡ、ｒｏｔＥ＝−∂Ｂ／∂ｔより）、Ｊ＝σＥにより渦電流密度Ｊの径方向分布を求めた。σは電気伝導度である。コイル電流ＩCについてはｄＩC／ｄｔ＝「０ではない一定値」としてＪ（ｒ）を求めた。
【００１３】
コイル電流の時間変化はｄＩC／ｄｔ＝１Ａ／ｓとし、１／σ＝２×１０-8（Ωｍ）としている。この場合、渦電流は時間変化しないので、コイルに影響せず、渦電流間の相互作用もない。渦電流による鎖交磁束が時間変化せず誘導起電力を生じないということである。周波数が低い場合や薄膜のシート抵抗が大きい場合に相当する（周波数が高い場合や薄膜のシート抵抗が小さい場合の結果は後で示す）。
【００１４】
図４の平面コイルでは、図３のソレノイドより径が小さい領域に渦電流が集中していることが分かる。内径、外径共に同様にもかかわらず、このような差が出るのは、ソレノイドの「図１のａの部分」に起因する。即ち、薄膜から遠いコイル部分が空間分解能を低下させている。
【００１５】
本発明が対象とする膜厚計はコイルのインピーダンスの変化をとらえて出力するが、コイルのインピーダンス変化に寄与するのは「渦電流がコイルに作る鎖交磁束」であるので、それを比較すべきである。その鎖交磁束を図５に示した。
【００１６】
「径方向（半径ｒ）に分割した渦電流Ｉｅ（ｒ）」と「そのループ（半径はｒ）とコイルとの相互インダクタンスＭ（ｒ）」との積を実線で示した。図中の点線は、実線をｒまで積分し、「ｒ＝１０ｍｍまで積分した値」で規格化したものである。この値が例えば０．８となる半径を比較すると、平面コイルではソレノイドの半分なので、空間分解能が２倍になると言える。
【００１７】
周波数が高い場合や薄膜のシート抵抗が小さい場合の渦電流の径方向分布を計算した結果を図６〜９に示す。渦電流が小さいとして計算した結果と同様であり、前述の議論が成り立つことが示された。なお、計算は以下のようにして行った。
【００１８】
薄膜を半径０．５，１．０，１．５，２．０，２．５ｍｍの５つのループとみなし（図１０参照）、抵抗値算出のための幅は０．５ｍｍとした。コイルへの印加電圧をｃｏｓωｔとすると（Ｖｐｐ＝２Ｖということ）、コイルと各ループでの電圧についての等式からなる下記の「各電流に関する連立微分方程式」が成り立つ。ＩC：コイル電流、ＬC：コイルの自己インダクタンス、ＲC：コイルの抵抗で、ＩN 、ＬN，ＲN（Ｎ＝１−５）は各ループの電流（即ち渦電流）、自己インダクタンス、抵抗である。ループ間のＭNM、コイルとループ間のＭCN（ＭIJ＝ＭJI，ＭII＝ＬI）が相互インダクタンスである。ＬC，ＲC，ＬN，ＲN，ＭNM，ＭCNを予め求めておき、連立微分方程式を解くことでコイル電流ＩC（ｔ）、渦電流ＩN（ｔ）の時間変化が求まる。渦電流ＩN（ｔ）の最大値（振幅）をループ半径に対してプロットし、渦電流の径方向分布とした。なお、Ｌ，Ｍは鎖交磁束の計算から求めた。
【００１９】
【数１】
2005227256.tif 000003
【００２０】
感度についての計算結果を図１１に示す。インピータンスブリッジの出力電圧の比較である。平面２７巻きコイルの感度はソレノイドのそれより高く、従って、同じ感度のコイルで比較すれば、平面コイルの空間分解能はソレノイドに比べ、さらに高くなる。
【００２１】
即ち、例えば平面コイルの巻き数を２７巻きより減らし外径を小さくすると、感度が低下してソレノイドと同程度の感度になるが、空間分解能は２７巻の平面コイルよりもさらに向上することになる。
【００２２】
なお、この計算は以下のようにして行った。式（１）から求めたコイル電流ＩC（ｔ）より式（２）のようにコイルのインピーダンスＺが求まる。電流振幅の半分Ｉ0からＺを求め、位相のずれφを求めて、Ｚ＝Ｚ・ｅｘｐ［ｉφ］を求める。これをコイルの元のインピーダンスと比較してインピーダンスの変化分（式（３））を求める。
【００２３】
【数２】
2005227256.tif 000004
【００２４】
【数３】
2005227256.tif 000005
【００２５】
コイルのインピーダンスが渦電流により変化し、図１２のインピーダンスブリッジ（マクスウェルブリッジ）が平衡からずれた場合の出力電圧ＶXは式（４）で与えられる（Ｒa＝Ｒbの場合）
【数４】
2005227256.tif 000006
即ち、Ｅ0、Ｒe、Ｌeが決まればＶxが求まる。ここではＥ0は１ＶとしてＶxを計算した。
【００２６】
平面コイルと静電容量式変位センサの電極を、同一の基板上にフォトリソグラフィーを用いて薄膜で作製することで、コイルと変位センサの相対位置精度が飛躍的に向上し、相対的な位置を合わせるための治具やそのための作業が不要になる。
【発明の効果】
【００２７】
渦電流式膜厚計の感度を落とすことなく、空間分解能を従来の少なくとも２倍以上に向上でき、膜の端まで膜厚を正しく測定できるようになる。
変位センサとの相対位置精度が向上する。
測定周波数を上げることで、測定対象の薄膜自体による磁束の遮蔽効果により渦電流が相対的に中心に集中するために、膜厚計の空間分解能が向上する。
【００２８】
測定周波数を上げ、さらにコイルの近傍に導電性のリングを設けることで、リングによる遮蔽効果が起きて、空間分解能がさらに向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図２４(ｃ)の符号５２は、本発明の測定装置に用いられる平面コイルの第一例である。
この第一例の平面コイルの製造工程を説明すると、同図(ａ)に示すように、ポリイミド板等の絶縁基板６１に形成された孔に、二本のリード線６５1、６５2を裏面側から挿入し、リード線６５1、６５2の先端を、絶縁基板６１表面の高さと一致させた状態で、その表面にスパッタリング法等の成膜方法によって銅薄膜等の金属薄膜６２を形成する。
【００３０】
次いで同図(ｂ)に示すように、フォトリソグラフ工程とエッチング工程によって金属薄膜６２を渦巻き状(平面３０巻き)にパターニングする。二本のリード線６５1、６５2は、一方が絶縁基板６１の中央付近に位置し、他方が縁付近に位置しており、渦巻きの両端は、それぞれリード線６５1、６５2に接続される。
【００３１】
次いで、同図(ｃ)に示すように、パターニングした金属薄膜６２にメッキすることで金属薄膜６２表面にメッキ層６３を形成し、コイル部６４を構成させると、平面コイル５２が得られる(同図(ｃ))。図１６は、その斜視図である。コイル部６４は、内径０．３ｍｍ、外径２．７ｍｍ、４０μｍピッチ、３０巻きである。リード線６５1、６５2は、平面コイル５２同士の接続や、後述する第１、第２の抵抗素子１４、１５やインピーダンスメータ５との接続に用いられる。
【００３２】
図２５の符号１1は、上記平面コイル５２を用いた本発明の第一例の膜厚測定装置である。
図２５に示すように、この膜厚測定装置１1は、例えば、駆動系（移動機構）３によって駆動される基板ステージ３ａ上に支持されたシリコンウェハ等の基板５０の上方に配置される測定部２を有している。
【００３３】
この駆動系３はコンピュータ４からの命令によって動作するように構成され、基板ステージ３ａを上下及び水平方向に移動させることにより、測定部２と基板５０との相対的な位置を変えるようになっている。
【００３４】
本実施の形態の測定部２には、例えば、プラスチック等の絶縁材料からなる支持部２ａが設けられ、この支持部２ａに、渦電流センサ２０と、レーザセンサ３０が取り付けられている。
【００３５】
ここで、渦電流センサ２０は、基板５０の近傍に配置されている。基板５０上には測定対象物である導電膜５１が形成されており、渦電流センサ２０は、この導電膜５１に近接するようになっている。
【００３６】
この渦電流センサ２０は、例えばポリアセタール樹脂等の絶縁材料からなる筺体を有しており、その筺体内には、上記平面コイル５２と同じ構造の測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２とが配置されている。
【００３７】
測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２は、後述するように、インピーダンスメータ５に接続されている。
また、レーザセンサ３０は、渦電流センサ２０の上方の所定の位置に取り付けられている。
【００３８】
このレーザセンサ３０はレーザセンサコントローラ６によって制御されるもので、基板５０上の導電膜５１上の所定の位置（本実施の形態では渦電流センサ２０の近傍）を照射し、反射光からレーザセンサ３０と導電膜５１表面間の距離を高精度(例えば、誤差±１μｍ程度)で測定できる機能を有している。
【００３９】
さらに、これらインピーダンスメータ５とレーザセンサコントローラ６はコンピュータ４に接続され、このコンピュータ４においてデータの解析を行うようになっている。
【００４０】
図２７は、本実施の形態の渦電流センサの構成を示す回路図であり、図２８は、渦電流センサ２０内の測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２の相対的な位置関係を説明するための図であり、測定用平面コイル１１は導電膜５１に近接する位置に配置され、基準用平面コイル１２は、導電膜５１から測定用平面コイル１１よりも遠い位置に配置されており、基準用平面コイル１２に流れる電流では、導電膜５１に渦電流が誘起されないように構成されている。また、測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２とは、相互に磁気結合しないように離間されている。
【００４１】
以下、図２７を用いて本発明の測定原理を説明する。
図２７の符号１０は、Ｍａｘｗｅｌｌブリッジと呼ばれるインピーダンスブリッジを示している。
【００４２】
このインピーダンスブリッジ１０は、上記測定用平面コイル１１のコイル部６４(測定用コイル部)と基準用平面コイル１２のコイル部６４(基準用コイル部)の他、第１、第２の抵抗素子１４、１５を有しており、二個のコイル部６４と二個の抵抗素子１４、１５とがブリッジ接続されて構成されている。
【００４３】
ブリッジ接続を説明すると、測定用平面コイル１１のコイル部６４と基準用平面コイル１２のコイル部６４とは、接続中点２３において互いに直列接続され、また、第１、第２の抵抗素子１４、１５は、同様に、接続中点２４において互いに直列接続されており、測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２のコイル部６４の直列接続回路と、第１、第２の抵抗素子１４、１５の直列接続回路は、その両端の並列接続点２１、２２において互いに並列接続されている。
【００４４】
測定用平面コイル１１のコイル部６４のインピーダンスの大きさと、基準用平面コイル１２のコイル部６４のインピーダンスの大きさを等しくし、また、第１、第２の抵抗素子１４、１５のインピーダンスを等しくすると、インピーダンスブリッジ１０のバランスがとれているため、インピーダンスメータ５内の交流電圧源により、並列接続点２１、２２に交流電圧ＶDを印加しても、接続中点２３、２４の間に電圧は現われない。
【００４５】
これは導電膜５１の影響が無い場合であり、インピーダンスブリッジ１０のバランスが取れていても、基板５０が基板ステージ３ａ上に乗せられ、基板５０が渦電流センサ２０に近づいた場合、測定用平面コイル１１に流れる交流電流により、基板５０の内部や、基板５０の表面の導電膜５１中に渦電流が生じ、測定用平面コイル１１のインピーダンス成分の大きさが変化する。
【００４６】
その結果、インピーダンスブリッジ１０のバランスがくずれ、接続中点２３、２４の間に交流電圧ＶSが現れる。
ここで、インピーダンスブリッジ１０に印加する交流電圧ＶDを、
【００４７】
ＶD ＝ ＶD0・ｅｘｐ(ｉωｔ)
で表した場合、接続中点２３、２４の間に現れる交流電圧ＶSは、
【００４８】
ＶS ＝ ＶS0・ｅｘｐ(ｉωｔ＋φ) ＝ＶS0・ｅｘｐ(ｉωｔ)・ｃｏｓ(φ) ＋ ｉ・ＶS0・ｅｘｐ(ｉωｔ)・ｓｉｎ(φ)
で表される。
【００４９】
測定用平面コイル１１や基準用平面コイル１２のインピーダンスの中で、レジスタンス成分が無視できるほど小さい場合、接続中点２３、２４に現れる交流電圧ＶSのうち、印加した交流電圧ＶDに同期した位相の電圧と、９０°ずれた位相の電圧とを求めると、その比から、渦電流の影響によって測定用平面コイル１１のインダクタンス成分が変化した大きさ、即ち、測定用平面コイル１１のインダクタンス成分の変化量ΔＬが求められる。
【００５０】
インダクタンス成分の変化量ΔＬは、基板５０中の渦電流損失に対応した値であり、交流電圧ＶDの周波数は既知であるから、基板５０や基板５０表面の導電膜(例えば銅薄膜)５１の比抵抗が既知であれば、膜厚が求められる。
【００５１】
一般に、基板５０の本体が絶縁性基板であれば、導電膜５１中にだけ渦電流が生じ、他方、基板５０の本体が半導体基板であっても、導電膜５１に比較して導電率が低く、半導体基板中に生じた渦電流は無視できるため、インダクタンス成分の変化量ΔＬは、導電膜５１中に生じた渦電流による影響と見てよい。
【００５２】
ただし、測定用平面コイル１１のインダクタンス成分の変化量ΔＬは、導電膜５１の材質の他、測定用平面コイル１１と基板５０表面の導電膜５１との距離Ｗに強く依存する。
【００５３】
そこで、既知の膜厚Ｄを有する導電膜５１に対し、距離Ｗと、インダクタンス成分の変化量ΔＬとを測定し、それらを対応付けて記憶データとし、データベースを構成しておく。
【００５４】
そして、未知の膜厚Ｄを有する基板５０を測定用平面コイル１１に近づけ、高精度の変位センサを用いて測定用平面コイル１１と基板５０表面の導電膜５１との距離Ｗを測定するとともに、上記方法によってインダクタンス成分の変化量ΔＬを測定し、上述したデータベースに照合することで、未知の膜厚Ｄを求めることが可能になる。
もっとも、データベースを作製したときの導電膜５１と未知の膜厚Ｄの導電膜５１の材質が同じである等、導電率が一定であることが条件になる。
【００５５】
なお、実際には、予め、膜厚が異なる導電膜５１を有する複数の基板５０を用意し、触針式の膜厚測定装置等で各基板５０の導電膜５１の膜厚Ｄを測定しておき、距離Ｗを変えて、各基板５０に対するインダクタンス成分の変化量ΔＬを測定し、膜厚Ｄ、距離Ｗ、変化量ΔＬの測定値と共に記憶データとして記憶装置中に記憶しておくことによりデータベースが得られる。
【００５６】
本実施の形態において膜厚の測定をする場合には、測定すべき導電膜５１が形成された基板５０を基板ステージ３ａによって搬送し、測定部２の下方に位置させる。
そして、レーザセンサ３０からレーザを照射し、そのスポットが導電膜５１上の所定の膜厚測定部位に位置するように基板５０を移動し、レーザセンサ３０によって導電膜５１との間の距離を測定する。
【００５７】
この測定値は、渦電流センサ２０の測定用平面コイル１１と導電膜５１間の距離（変位量）に変換される。そして、この変位量と予めコンピュータ４に記憶させておいた値とを比較し、その差分がゼロになるように基板ステージ３ａを駆動して基板５０を上下動させる。
【００５８】
次いで、渦電流センサ２０が上記膜厚測定部位に位置するように基板５０を平行移動して渦電流センサ２０を動作させ、この膜厚測定部位に渦電流を発生させる。そして、インピーダンスメータ５によって測定用平面コイル１１のインダクタンスを測定する。この測定値は、上述した原理によって測定用平面コイル１１のインダクタンス成分の変化量ΔＬに変換してコンピュータ４に記憶させる。
【００５９】
そして、この測定用平面コイル１１のインダクタンス成分の変化量ΔＬと、測定用平面コイル１１と導電膜５１間の距離とを用い、予め求めておいたこれらの相関関係のデータベースに基づき導電膜５１上の当該部位の膜厚を算出する。
【００６０】
その後、基板ステージ３ａを駆動して基板５０を平行移動させ、次の測定部位まで測定部２を移動させる。そして、上述した方法によってこの位置の導電膜５１の膜厚を測定する。以下、同様の動作を繰り返すことにより、導電膜５１の複数の部位の膜厚を測定する。
【００６１】
以上述べたように本実施の形態によれば、渦電流センサ２０の測定用平面コイル１１におけるインダクタンスの変化量と、レーザセンサ３０にて測定された変位量に基づいて導電膜５１の厚さを測定するものであり、測定用平面コイル１１は平面コイルであるから、従来のコイルを用いた膜厚測定装置に比べて、位置と膜厚とを正確に対応付けることができる。
【００６２】
また、本実施の形態によれば、部品点数が少なくて済むので、安価に膜厚の測定を行うことが可能になる。
なお、本実施の形態においては、渦電流センサ２０と導電膜５１との間の相対的な距離を常に一定の値に保つことにより、常に同一の条件で渦電流センサ２０におけるインダクタンスの変化量を測定することができるので、より正確な膜厚の測定を行うことが可能になる。
【００６３】
次に、本発明の第二例の膜厚測定装置を説明する。図２６の符号１2は、本発明の第二例の膜厚測定装置であり、以下、上記実施の形態と対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００６４】
図２６に示すように、第二例の膜厚測定装置１2では、例えば円筒形状に形成された筺体内に、渦電流センサ２０の一部を構成する測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２とが上下方向に配置されている(測定用平面コイル１１が下)。
【００６５】
測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２には、コイル部６４の渦巻き中心位置に貫通孔が形成されており、レーザセンサ３０のレーザビームＬが渦電流センサ２０に向けて射出されると、基準用平面コイル１２と測定用平面コイル１１の貫通孔を通り、基板５０に照射され、反射光は同じ貫通孔を逆順に通り、レーザセンサ３０に入射するようになっている。即ち測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２の貫通孔を通るようにレーザセンサ３０の位置が定められている。
【００６６】
さらに、導電膜５１上において、渦電流センサ２０によって渦電流を発生させる部位と、レーザセンサ３０によって変位を測定する部位とが一致するように構成されている（図４中符号Ｐによって示す）。
【００６７】
このような構成を有する本実施の形態によれば、導電膜５１の膜厚と、導電膜５１と測定用平面コイル１１との間の距離とを、基板５０を移動させなくても両方測定できるので都合がよい。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００６８】
次に、インピーダンスの実部と虚部の測定結果から式（４）を用いてブリッジの出力電圧を計算した結果を図１３に示す。ここでもＥ0を１ＶとしてＶxを計算した。薄膜の端の領域での振舞いであり、Ｘが正の領域に導電性薄膜がある。この測定ではＸの０点は正確ではなかったが、空間分解能の評価には問題ない。コイルと薄膜間の距離は、ソレノイド、平面コイル共に０．３ｍｍであり、測定周波数は１ＭＨZである、１ＭＨZでは平面３０巻きコイルの感度が高くなることは計算からも期待できないが、それでも、ソレノイドよりも出力は大きい。５ＭＨZに上げれば、平面３０巻きコイルの感度はさらに１桁以上増大することが計算では見積もられている。この図から平面コイルでは薄膜端での出力電圧の立ち上がりが鋭く、平面コイルの空間分解能が高いことが分かる。
なお測定に用いたソレノイドのパラメーターは、図６、７、１１を求めたときのソレノイドのそれと同一ではないが、同様の値である。
【００６９】
図１３のデータを、出力電圧の変化分ΔＶとしてプロットしたのが図１４である。
ΔＶ＝ｃｏｎｓｔ．ｅｘｐ（−Ｘ／ｒ０）として特性半径ｒ０を定義すると、ソレノイドではｒ０＝１．３２ｍｍ、平面３０巻きコイルではｒ０＝０．６７ｍｍとなり、空間分解能が約２倍に向上していることを示している。つまり、計算で示したことが実験で確認できたということである。
【００７０】
インピーダンスの実部と虚部の測定結果から式（４）を用いてブリッジの出力電圧を計算することの妥当性については、そのような計算結果と実際のブリッジ出力電圧の測定値を比較して両者が良い精度で一致することを確認済みである。図１５にその結果を示す。測定結果はアンプで増幅されており、また、計算ではブリッジ両端の電圧振幅を単に便宜上１Ｖとしているだけなので、大きさの比較は無意味であり、出力電圧のＸへの依存性を比較すればよい。両者がよく一致していることが分かる。なお、ここでの結果は、図１３とは異なる薄膜端でのソレノイドでの結果である。
【００７１】
以上から、平面コイルを用いることで膜厚計の空間分解能が向上することを確認できたと言える。
【００７２】
以上は測定周波数が低い極限での計算結果から空間分解能を論じ、その極限として扱える周波数の１ＭＨZでの測定結果からその発明の効果が実証された。測定周波数が低い極限とは、渦電流が作る磁場が、コイルが作る磁場に比べて無視できるほど小さい場合である。測定周波数を上げると渦電流が作る磁場を無視できなくなる。
【００７３】
上記計算は、測定対象の薄膜を仮想的なループに分割して考え、それらループに流れる渦電流を計算したが、高い周波数ではそれらのループ間で相互に作用し合うことになる。即ち、「あるループａに流れる渦電流によるループｂでの鎖交磁束」が、「コイルによるループｂでの鎖交磁束」に比べて無視できなくなり、ループｂでの渦電流はループａでの渦電流（の時間変化）に影響される（式（１）参照）。
【００７４】
測定周波数が高い場合の渦電流の径方向分布の例は上述した通りであるが、測定周波数を上げることにより空間分解能を向上させることもできる。
測定周波数が１ＭＨZと１０ＭＨZで渦電流の径方向分布の計算結果を図１７に示す。１ＭＨZが○、１０ＭＨZが●である。計算方法は上述したとおりである。
【００７５】
コイル部は外径２．３６ｍｍ、内径０．２８ｍｍ、０．０４ｍｍ間隔で２７巻きの平面コイルで、薄膜までの距離ｈ＝０．１５ｍｍ、自己インダクタンスＬC＝７．７ｘ１０-7Ｈ，抵抗ＲC＝２８Ωとし、コイルにかける電圧の振幅を１Ｖ、測定対象の薄膜のシート抵抗を０．０２Ωとした。銅の膜厚に換算すると約１μｍとなる。周波数が増すことで薄膜での鎖交磁束の時間変化が大きくなり渦電流が増大する（コイルのインピーダンスの増大によりコイルに流れる電流は減少している）が、径方向の分布が変化している。ｒ＝２．５ｍｍでの渦電流値は同様だが、ｒ＝０．５や1．０ｍｍでの渦電流値は２倍以上に増大している。即ち、渦電流が径の小さい領域に集中していることになる。測定される膜厚は、渦電流が生じている領域の平均膜厚になるので、渦電流が生じる領域が小さいことは、狭い領域の平均膜厚を測定することになり、空間分解能が向上することになる。
【００７６】
このことは、径の大きい領域で渦電流の増大が抑えられたと見ることができ、コイルによる「薄膜における径の大きいループでの鎖交磁束」の一部が、「径の小さいループを流れる渦電流」により打ち消されたと考えることができ、一種の遮蔽効果と言える。
【００７７】
図１７に示した結果を、ｒ＝０．５ｍｍでの渦電流値を１として径方向分布をプロットしたのが図１８である。図中の実線は測定周波数が低い極限での計算結果である。１ＭＨZではそれと同様の結果となり、１０ＭＨZでは分布形状が向上する（空間分解能が向上する）ことを示している。ｒ＝２．０や２．５ｍｍでは相対的な渦電流値が１ＭＨZの場合に比べて半分程度に低下している。薄膜のできるだけ端まで膜厚を正しく測ろうとする場合には、このように径の大きい渦電流値を小さくすることが重要である。
【００７８】
さらなる解決策として、高い周波数と導電性リングを併用することがある。平面コイルとリングの概略図を図１９に示す。コイルの外側に導電性リングを配置した例である。
【００７９】
この平面コイル５３を図１６の平面コイル５２と同じ部材には同じ符号を付すと、図１９の平面コイル５３は、図１６の平面コイル５２のコイル部６４の周囲に導電性リング６８が配置されている。
【００８０】
この平面コイル５３の製造工程を説明すると、図３０(ａ)に示すように、ポリイミド板等の絶縁基板６１に形成された孔に、三本のリード線６５1、６５2、６６を裏面側から挿通し、各リード線６５1、６５2、６６の先端を絶縁基板６１表面の高さと一致させた状態で、その表面にスパッタリング法等の成膜方法によって銅薄膜等の金属薄膜６２を形成する。
【００８１】
次に、フォトリソグラフ工程とエッチング工程によって金属薄膜６２をパターニングし、渦巻き状の金属薄膜６２ａと、その渦巻き状の金属薄膜６２ａを取り囲むリング状の金属薄膜６２ｂとを形成する(同図(ｂ))。
【００８２】
三本のリード線６５1、６５2、６６は、中央付近の位置と、外周よりもやや内側の位置と、外周付近の位置にそれぞれ配置されており、渦巻き状の金属薄膜６１の両端は、中央付近の位置と、外周よりもやや内側位置のリード線６５1、６５2にそれぞれ接続され、リング状の金属薄膜６２ｂは、外周付近に位置するリード線６６に接続される。
【００８３】
次いで、同図(ｃ)に示すように、両方の金属薄膜６２ａ、６２ｂををメッキし、金属薄膜１２表面にメッキ層６３ａ、６３ｂをそれぞれ形成し、渦巻き状のコイル部６４と、円形リング状の導電性リング６８とを構成させる。
【００８４】
コイル部６４は、渦巻き状の金属薄膜６２ａとその表面のメッキ層６３ａから構成され、導電性リング６８は、円形リング状の金属薄膜６２ｂとその表面のメッキ層６３ｂから構成されており、コイル部６４と導電性リング６８とは分離され、電気的に絶縁されている。
【００８５】
コイル部６４は、二本のリード線６５1、６５2に接続されており、導電性リング６８は、他のリード線６６に接続されている。以上により、平面コイル５３が得られる。
【００８６】
図２９の符号１3は本発明の第三例の膜厚測定装置であり、図３０(ｃ)の平面コイル５３を測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２に用いている。
この膜厚測定装置１3は、上記第一、第二例の膜厚測定装置１1、１2がレーザセンサ３０を用いていたのに対し、静電容量センサコントローラ７を有している。
【００８７】
測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２とは、渦電流センサ２０が有する絶縁性の筺体内に収容されており、測定用平面コイル１１が下側、基準用平面コイル１２が上側、即ち、測定用平面コイル１１が基板５０に近い位置に配置され、基準用平面コイル１２が、測定用平面コイル１１よりも遠い位置に配置されている。
【００８８】
基準用平面コイル１１の絶縁基板６１は、コイル部６４と導電性リング６８が配置された面が、下側に向けられており、基板５０が渦電流センサ２０の真下位置に配置されたときに、コイル部６４と導電性リング６８は、基板５０上の導電膜５１に対し、一定の隙間を持って近接するように構成されている。
【００８９】
測定用平面コイル１１と基準用平面コイル１２のコイル部６４は、第１、第２例の測定装置１1、１2と同様に、渦電流センサ２０内に配置され、第１、第２の抵抗素子１４、１５と共に、図２７に示すようなインピーダンスブリッジ１０を構成している。
【００９０】
コイル部６４に接続されたリード線６５1、６５2は、インピーダンスブリッジ１０を構成するために用いられており、インピーダンスメータ５内の交流電源を動作させると、インピーダンスブリッジ１０に交流電圧が印加され、渦電流の影響でインピーダンスブリッジ１０に生じた電圧が測定されるうようになっている。
【００９１】
他方、測定用平面コイル１１の導電性リング６８に接続されたリード線６６と、基準用平面コイル１２の導電性リング６８に接続されたリード線６６は、静電容量センサコントローラ７に接続されており、測定用平面コイル１１の導電性リング６８と金属薄膜５１との間の静電容量を測定し、測定値から測定用平面コイル１１と金属薄膜５１との間の距離を求め、基板ステージ３ａを上下動させ、金属薄膜５１と測定用平面コイル１１の間の距離を設定通りの大きさにする。
【００９２】
次に、静電容量センサコントローラ７は、測定用平面コイル１１が有する導電性リング６８と基準用平面コイル１２が有する導電性リング６８に同じ大きさの直流電圧を印加する(直流電圧の印加は、接地電位に接続する場合を含む。)か、又は、両方とも浮遊電位に置き、インピーダンスメータ５によってインピーダンスブリッジ１０に交流電圧を印加すると、導電性リング６８の遮蔽効果により、金属薄膜５１の、導電性リング６８が取り囲む領域よりも外側の領域に対応する位置で渦電流の発生が抑制されるため、インピーダンスブリッジ１０に生じた交流電圧の大きさから、導電性リング６８が無い場合よりも狭い領域の膜厚を測定することが可能になる。
【００９３】
このような構成により、導電膜５１上において、測定用平面コイル１１のコイル部６４によって渦電流を発生させる領域と、測定用平面コイル１１の導電性リング６８によって距離を測定する領域とが一致する。
【００９４】
上記の手順を所望位置で繰り返すことで、金属薄膜５１の面内膜厚分布を求めることができる。
上記遮蔽効果を説明するため、導電性リング６８に関する式を加えた次の連立方程式を解いた。
【００９５】
【数５】
2005227256.tif 000007
【００９６】
ＭRC（＝ＭCR）はコイル部と導電性リングとの相互インダクタンス、ＭRN（＝ＭNR）は導電性リングと薄膜上の仮想のループＮ（Ｎ＝１〜５）との相互インダクタンス、ＬRは導電性リングの自己インダクタンス、ＲRは導電性リングの抵抗値、ＩRは導電性リングに流れる電流である。導電性リング以外は前述の計算と同じである。
【００９７】
測定周波数を１０ＭＨZ、導電性リングの半径を１．５ｍｍ、導電性リングの抵抗を０．３７５と０．０３７５Ωとしたときの結果を図１７と図１８に◇と◆で前述の結果と合わせて示す。コイル部は前述と同じ外径約２．４ｍｍの２７巻き平面コイルである。導電性リングの抵抗０．３７５Ωは幅０．５ｍｍ、厚さ１μｍの銅薄膜、０．０３７５Ωは幅０．５ｍｍ、厚さ１０μｍの銅薄膜に対応する。
【００９８】
図２０は図１８を片対数で示したもので、ｒが１．５ｍｍ以上の領域での渦電流が導電性リングにより２０から３０％減少していることが分かる。その結果、１ＭＨZの場合と比べて、ｒ＝１．５ｍｍで１／２に、ｒ＝２．５ｍｍで１／３に渦電流が減少していることが分かる。それにより空間分解能が向上する。
【００９９】
また、測定周波数を上げると誘起される渦電流が増大するので、膜厚計の感度が増す。図２１は前述の２７巻き平面コイル（導電性リングなし）でのブリッジの出力電圧の「シート抵抗ＲSの逆数」に対する依存性を周波数を変えてプロットしたものである。測定周波数を上げることで感度と空間分解能の両方が向上すると言える。
【０１００】
なお、導電性リング６８を静電容量測定に使用せず、遮蔽効果だけを利用してもよい。その場合、レーザセンサ３０及びレーザセンサコントローラ６を設け、レーザ光によって距離を測定してもよい。
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
【０１０１】
例えば、上述の実施の形態においては、基板を上下動及び水平移動させることによって膜厚測定位置を変えるようにしたが、本発明はこれに限られず、渦電流センサ２０を水平方向や上下方向に移動させてもよい。
【０１０２】
また、上述の実施の形態においては、渦電流を発生させて膜厚を測定する際に、測定対象物である導電性薄膜５１と測定用平面コイル１１とのいずれか一方又は両方を移動させ、その間の距離を一定にするようにしたが、金属薄膜５１と測定用平面コイル１１との間の距離を変えず、予め求めておいたデータベースに基づいて、インピーダンスブリッジ１０に生じた電圧の測定値を補正し、正確な膜厚を測定することも可能である。
【０１０３】
さらに、本発明は、例えば、金属膜成膜装置やＣＭＰ装置等の種々のプロセス行う装置に適用でき、また、シリコンウェハやガラス基板等の種々の基板にも適用しうるものである。
【０１０４】
上記は導電性リング６８は、コイル部６４の外に配置したが、導電性リング６８は、コイル部６４と電気的に絶縁されていれば、コイル部６４上に積層することもできる。
【０１０５】
例えば、図３１に示した平面コイル５４のように、コイル部６４を作製した後、その表面を絶縁層６７で覆い、絶縁層６７上に導電性リング６８を配置することができる。
【０１０６】
この場合、導電性リング６８の直径を小さくすることができるので、渦電流の発生位置を、コイル部６４の中心位置に集中させることができ、より狭い領域の膜厚を測定することができる。
【０１０７】
例として、図３１の平面コイル５４のように、導電性リング６８の半径を１．０ｍｍとし、導電性リング６８をコイル部６４上に積層させた他は、図１７の計算に用いたのと同じパラメータに設定して計算した。
【０１０８】
計算結果を図２２と図２３に示す。図２３は図２２の結果をｒ＝０．５ｍｍでの渦電流値を１としてプロットしたものである。リングが小さい分、遮蔽効果が内側によっており、ｒ＝１．０ｍｍでの渦電流値の減少も顕著になり、空間分解能がさらに向上する。
他の例として、本発明には、径の異なる導電性リングを複数個用いてもよい。
【０１０９】
また、中心に穴のあいた導電性リングではなく、そのかわりに穴のない「薄膜」を用いることも考えられる。コイル部の上または下、或いは上下両方に前述のリングと同程度のシート抵抗値の薄膜をつけておけばよい。
【０１１０】
なお、上記各実施例では、測定用コイル部と基準用コイル部の両方に平面コイルを用いたが、インピーダンスブリッジのバランスがとれていれば、基準用コイル部は立体的なコイルであってもよい。
【０１１１】
また、上記実施例では、測定用コイル部や基準用コイル部を平面コイルとする場合に、絶縁基板６１上に金属薄膜を形成し、それをパターニングしたが、予めパターニングされた金属薄膜を絶縁基板６１上に配置してもよい。例えば、樹脂フィルム上に金属薄膜を形成した後、パターニングし、それを絶縁基板６１上に貼付することができる。
【０１１２】
また、図４５(ａ)〜(ｄ)に示すように、絶縁性の基板７１(同図(ａ))の表面をエッチングやレーザ等による掘削によって、所望のコイルパターンの溝７３を形成し(同図(ｂ))、その表面にスクリーン印刷法やインクジェット法等によって金属膜７４を形成し(同図(ｃ))、溝７３内を金属膜７４で充填する。そして、溝７３内の部分以外の部分をエッチングや研磨によって除去すると、溝７３内に配線膜７５が形成される。この配線膜７５によって測定用コイルや基準用コイルや導電性リングを構成させることができる。
また、上記フィルム上のパターニングされた金属薄膜や、溝７３内の配線膜によって、後述する順コイルや逆コイルやも構成させることができる。
【０１１３】
次に、本発明の更に進んだ実施例を説明する。
上記実施例では、径が大きい領域で渦電流は流れている。
例として、５０μｍピッチ、２０巻きの平面コイルの場合を図３２に点線で示す。内径は１００μｍ、外径は２ｍｍである。コイルにより誘起された半径ｒの渦電流が、そのコイルに作る鎖交磁束をプロットしたもので、１０ｍｍまでの積分値が１になるように規格化してある。
【０１１４】
コイルと測定対象の薄膜との距離は０．１５ｍｍとし、ｉは１から２０までの整数としたときに、ｉ番目のコイルの半径ｒ(ｉ)は、
ｒ(ｉ)＝０．０５ｘｉ(ｍｍ)
であり、ｉ＝１〜２０の円電流の重ね合わせとして扱っている。測定周波数が低い極限での計算結果である。例えば、ｒ＝１．５ｍｍでの値はピークの値の２０％ほどあり、無視できない。つまり、「コイルの中心が薄膜の端から１．５ｍｍの位置にあるとき」には、「コイルの中心が薄膜の端から十分離れた位置にあるとき」と比べて渦電流の流れ方やそれがコイルに作る鎖交磁束が異なるわけで、コイルのインピーダンスも異なり、その結果、膜の端の近くでは膜厚を正しく測定できないことになる。このような「径の大きい領域での渦電流」が空間分解能を低下させており、薄膜の端まで正しく膜厚を測るためには、「径の大きい領域での渦電流」を小さくするのが好ましい。
【０１１５】
本願発明者等は、従来コイルの外側に巻き方が逆のコイルを設けることで、「径の大きい領域での渦電流」を小さくできることを見いだした。そのような測定用又は基準用の精密測定コイルの第一例を図３３の符号１０１に示す。
【０１１６】
このコイルは同一方向に渦巻き状に巻き回わされた５本の単位コイル１０４1〜１０４5から成る順コイルと、その外側に順コイルとは逆向きに巻回された１本の単位コイル１０５1から成る逆コイルを有している。
【０１１７】
順コイルの一端は第１のリード１２０1に接続され、他端は逆コイルの一端に接続されており、逆コイルの他端が第２のリード１２０2に接続されており、その結果、第１、第２のリード１２０1、１２０2の間に電圧を印加し、順コイルに右回りに回転する電流が流れるとすると、逆コイルには左回りに回転する電流が流れる。
【０１１８】
要するに、順コイルに流れる電流の回転方向と逆コイルに流れる電流の回転方向とは逆向きであり、その結果、順コイルが形成する磁界の向きと逆コイルが形成する磁界の向きは逆になる。
【０１１９】
この第一例の精密測定コイル１０１及び後述する第二例以降の精密測定コイル１０２〜１０９では、順コイルの中心軸線と逆コイルの中心軸線は一致しており、逆コイルは順コイルの最外周の近傍位置に配置されている。第一例の精密測定コイル１０１では、逆コイルは順コイルを取り囲む位置に配置されている。
その結果、順コイルの最外周の単位コイル１０４5よりも外側に広がる磁界は逆コイルによって打ち消される。
【０１２０】
逆コイルの巻数は順コイルの巻数よりも少ないので、順コイルの逆コイルが位置する領域の内側には磁束が残る。その結果、磁束が順コイルの中央位置に集中するので、分解能が向上する。
【０１２１】
この精密測定コイル１０１の断面図を図３７に示す。精密測定コイル１０１は、基板１１１を有しており、該基板１１１上に、順コイルと逆コイルを構成するようにパターニングされた金属膜１１２が配置されている。金属膜１１２表面にはメッキ層１１３が形成されている。
【０１２２】
この精密測定コイル１０１、及び後述する各精密測定コイル１０２〜１０７は、図２５の膜厚測定装置１1の測定用平面コイル１１や基準用平面コイル１２に用いることができる。
【０１２３】
また、基板１１１に貫通孔を形成し、該貫通孔の周りに順コイルと逆コイルを巻けば、貫通孔をレーザビームＬが貫通できるので、図２６の膜厚測定装置１2の測定用平面コイル１１や基準用平面コイル１２に用いることができる。
【０１２４】
以下、上記のように順コイルと逆コイルが同じ基板上に配置され、両方が同一平面に位置しているコイルについてのシミュレーション結果を示す。
前述の２０巻き平面状の順コイルの外側の同一面上に、半径１．１５ｍｍで逆向きの１巻きの逆コイルを設け、直列につないだ場合を考える。このとき、半径ｒの渦電流がコイルに作る鎖交磁束（１０ｍｍまでの積分値が１になるように規格化）を前述の図３２に実線で示す。逆向きに巻いた外側の逆コイルにより、径の大きい渦電流が抑制されており、例えば、ｒ＝１．５ｍｍでの値は、逆コイルがないときに比べて２０％程度減少している。一方、ピークの高さは逆に増大している。これらから、渦電流式膜厚計の空間分解能が向上することが分かる。
【０１２５】
次に、上記と同じ２０巻きの平面状の順コイルの外側に５巻きの逆コイルを設けた場合について説明する。５巻きの順コイルの半径ｒ(ｉ)(ｉ＝１〜５)は、
ｒ(ｉ)＝１．０+０．０５ｘｉ(ｍｍ)
である。
【０１２６】
測定対象の薄膜までの距離は０．４ｍｍとする。即ち、順コイルと逆コイルは同一平面にあるが、測定対象の薄膜は内側の２０巻きコイルとは異なる面上にある。このときの計算結果を図３４に示す。誘起された半径ｒの渦電流が作るコイルでの鎖交磁束である。
【０１２７】
２０巻きの順コイルのみの場合に比べて、ピークの高さは半分程度に減少するが、例えば、ｒ＝１．５ｍｍでの値は１／４０に減少している。ｒがそれより大きい領域では、さらに大きく減少している。
【０１２８】
膜厚計としての感度は若干低下するが、ｒが大きい領域、即ちｒ＞１．５ｍｍでの渦電流を無視できるくらいに減少でき、それにより空間分解能が向上することが分かる。
【０１２９】
図３４のデータを、１０ｍｍまでの積分値が１になるように規格化したのが図３５である。半径ｒの渦電流の寄与の比較であり、空間分解能を比較できる。ピークの位置が０．８ｍｍから０．７ｍｍへの移動し、ピークの高さも１．５倍程度高くなり、ｒ＞１ｍｍでの値は減少しており、空間分解能の向上を示している。特筆すべきは、ｒ＞１．５ｍｍでの渦電流の寄与の大幅な減少である。ｒ＝１．５ｍｍでは１／１５に減少し、ｒ＝２．０ｍｍでは１／５４に減少している。このことにより、薄膜の端までの膜厚の正確な測定が可能になる。
【０１３０】
図３５のデータをｒまで積分した結果を示したのが図３６である。半径がｒ以下の渦電流の、「コイルでの鎖交磁束」への寄与の割合である。ｒ＞１．５ｍｍの渦電流の寄与が、「２０巻きコイルのみ」では１５％と大きいのに対し、逆５巻きを加えた場合は０．４％以下と非常に小さくできることを示している。
【０１３１】
２０巻きコイルの自己インダクタンスＬは約３．１×１０-7Ｈ、「２０巻き順コイル+５巻き逆コイル」のＬも約３．１×１０-7Ｈと見積もられる。つまり、この例ではＬはほとんど変わらない。
【０１３２】
空間分解能を向上するには、コイルの径を小さくすればよいが、径を小さくするとＬが小さくなり、インピーダンスが小さくなって計測器とのマッチングが悪くなるという問題がある。
また元々のインピーダンスが小さいと、膜厚の変化によるインピーダンスの変化量も小さく、膜厚計としての感度が低下する。
【０１３３】
Ｌは径に比例することと巻き数の２乗に比例する。例えば、ピッチを変えずに径を半分にすると、巻き数も半分になり、Ｌは１／２ｘ（１／２）2＝１／８とかなり小さくなる。計測器とのマッチングや膜厚計としての感度低下が問題となる場合は、径を小さくしても、巻き数を減らさない、或いは、巻き数を増やすことで対策することができる。
【０１３４】
例えば、径を半分にしてもピッチも半分にすれば巻き数は変わらないので、Ｌは１／２となる。このときコイルを成す線の長さは１／２となる。コイルの抵抗Ｒはジュール熱の発生の問題から大きくしたくないので、Ｒを変えないとすると、コイルを形成する薄膜の厚さは従来と同じにしないといけない（ピッチが半分で線幅が１／２、長さが１／２なので、厚さが同じときにＲも同じになる。）
ピッチ４０μｍで、線幅２０μｍ、厚さ５μｍから１０μｍの場合の上記実施例において、ピッチを半分にすると２０μｍとなり、線幅は１０μｍとなる。厚さは５μｍから１０μｍと変わらない。このピッチや線幅では、線幅と線の間隔と膜厚が同程度になり、作製が困難になってくる。
【０１３５】
仮にこのようなピッチが半分のコイルを作製した場合、相似の関係から、図３６のｒ＝１．５ｍｍでの値は０．９６８となる（２０巻きのｒ＝３ｍｍでの値から）。つまり、ｒ＞１．５ｍｍの渦電流の寄与が３．２％ということである。従って、本発明を用いた場合の前述の「０．４％以下」よりも劣ってしまう。このことから本発明の優位性が分かる。
【０１３６】
なお、図４４に示した本発明の第二例の精密測定コイル１０２のように、逆コイルを取り囲む導電性リング１０６を配置することもできる。この場合は空間分解のが更に向上するし、導電性リング１０６に接続した第３のリード１２０3を静電容量センサコントローラ７に接続することで、導電性リング１０６と金属薄膜５１の間の静電容量を測定し、測定値から測定用平面コイル１１と金属薄膜５１との間の距離を求めることができる。
【０１３７】
上記は、順コイルと逆コイルを同じ基板１１１上に形成し、順コイルと逆コイルを同じ平面上に配置したが、本発明はそれに限定されるものではない。
図３８の符号１０３は本発明の第三の精密測定コイルを示している。
【０１３８】
複数本の単位コイル１０４1〜１０４5で構成された順コイル表面に絶縁膜１１４が配置され、絶縁膜１１４上に単位コイル１０５1が配置されており、その絶縁膜１１４上の単位コイル１０５1によって逆コイルが構成されている。
【０１３９】
図３９〜４２の第四例〜第七例の精密コイル１０４〜１０７も第三例の精密コイル１０３と同様に二層構造であり、順コイルと逆コイルの相対的な位置関係が異なっている。
【０１４０】
第三例の精密測定コイル１０３では、逆コイルは順コイルの最外周の部分に位置しているが、図３９の第四例の精密測定コイル１０４では、逆コイルは順コイルの外側に位置し、順コイルを囲んでいる。
【０１４１】
図４０の第五例の精密測定コイル１０５は、複数の単位コイル１０５1、１０５2によって逆コイルが構成されており、逆コイルの内側半分は順コイルの外周部分の上に位置し、外側半分は順コイルよりも外側に位置している。
【０１４２】
図４１の第六例の精密コイル１０６は、順コイルの最外周の単位コイル１０４6の上と、それよりも内側に位置する単位コイル１０４5の上にも逆コイルが配置されている。
【０１４３】
図４２の第七例の精密測定コイル１０７は、逆コイルの巻数が順コイルの巻数よりも少ないものの、逆コイルの巻数が第一例〜第六例の精密測定コイル１０１〜１０６よりも多く、順コイルの最外周の単位コイル１０４5よりも外側上と、最外周の単位コイル１０４5上と、最外周よりも内側の単位コイル１０４4上に逆コイルが配置されている。
【０１４４】
上記の第三〜第七例の精密測定コイル１０３〜１０７では、リード線は省略されているが、順コイルの一端と逆コイルの一端は、それぞれ別のリード線に接続されており、他端同士は絶縁膜１１４を貫通する配線膜によって互いに接続されており、リード線間に電圧を印加し、順コイルと逆コイルに電流を流すと、逆コイルには、順コイルに流れる電流の回転方向とは逆向きに回転する電流が流れ、逆コイルには、順コイルに生じる磁界と逆向きの磁界が生じるようになっている。
以上は、順コイルと逆コイルの両方が平面コイルであったが、本発明はそれに限定されるものではない。
【０１４５】
図４３(ａ)の符号１０８は、本発明の第八例の精密測定コイルを示しており、螺旋状の順コイル１３０に対し、平面上に配置された逆コイル１３１が接続されている。逆コイル１３１は順コイル１０３の一端に配置されている。
【０１４６】
逆コイル１３１の直径は、順コイル１３０の直径よりも大きく、上記第一〜第七例の精密測定コイル１０１〜１０７と同様に、逆コイル１３１が順コイル１３０の外周付近の磁界を打ち消しており、順コイル１３０の外周よりも外側に順コイルの磁界が形成されないようになっている。
【０１４７】
図４３(ｂ)は、第八例のコイル１０８の断面図である。この例は逆コイル１３１の巻数は一回であるが、同一平面上に二回以上の複数回巻き回すことができる。
逆コイルは平面コイルに限定されるものではなく、図４３(ｃ)ように、立体状の順コイル１３０の外周に立体状の逆コイル１３２を配置してもよい。
【０１４８】
第八、第九例の精密測定コイル１０８、１０９を測定用コイルに用いて測定する場合は、測定対象物表面には、順コイル１３０の逆コイル１３１が配置された側の端部を向ける。
【０１４９】
なお、上記では、順コイルと逆コイルを接続し、順コイルと逆コイルに同じ電源から電流を供給したが、順コイルと逆コイルを接続せず、別の電源にそれぞれ接続して電流を供給することもできる。その場合、順コイルと逆コイルに大きさが異なる電流を流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】ソレノイドの概略図。ａの部分は測定対象の薄膜から離れている。
【図２】平面コイルの概略図。
【図３】ソレノイドを用いた場合の薄膜での渦電流密度の径方向分布。
【図４】平面コイルを用いた場合の薄膜での渦電流密度の径方向分布。
【図５】渦電流がコイルに作る鎖交磁束の比較の図。
【図６】２つの方法で計算した渦電流の径方向分布。ソレノイドで１ＭＨZの場合。実線は、渦電流が小さい極限での計算結果で、縦軸のスケールは黒丸に合わせるように変えてある。●は、渦電流の大きさや周波数に制限がない場合の計算結果である。図７から図９でも同じである。
【図７】２つの方法で計算した渦電流の径方向分布の比較。ソレノイドで１０ＭＨZの場合。
【図８】２つの方法で計算した渦電流の径方向分布の比較。平面１８巻きで１ＭＨZの場合。
【図９】２つの方法で計算した渦電流の径方向分布の比較。平面１８巻きで１０ＭＨZ の場合。
【図１０】渦電流の大きさや周波数に制限を設けない場合の計算モデルの概略図。
【図１１】ブリッジの出力電圧とシート抵抗ＲSの関係の計算結果。ソレノイドと平面コイルでの比較である。周波数を図中に記した。
【図１２】インピーダンスブリッジの概略図。
【図１３】インピーダンスの測定結果から計算したブリッジの出力電圧。薄膜の端での振舞いを、ソレノイドと平面コイルで比較した。
【図１４】図１３のデータをプロットし直したもの。出力電圧を規格化し、変化量をＸに対してプロットした。
【図１５】「インピーダンスの測定結果から計算したブリッジの出力電圧」と「測定したブリッジの出力電圧」の比較。ソレノイドでの結果で、薄膜は図１３とは異なる。
【図１６】作成した平面コイルの概略斜視図。
【図１７】渦電流の径方向分布の計算結果。○：測定周波数１ＭＨZ、●：１０ＭＨZ（リングなし）。◇：１０ＭＨZ、リング（０．３７５Ω）あり。◆：１０ＭＨZ、リング（０．０３７５Ω）あり。リングの半径は１．５ｍｍである。
【図１８】図１７のデータをｒ＝０．５ｍｍでの値を１としてプロットしたもの。
【図１９】導電性リングを配置した平面コイルの概略斜視図。
【図２０】図１８のデータを片対数で表示したもの。
【図２１】ブリッジの出力電圧、測定対象の薄膜のシート抵抗ＲS、測定周波数の関係を計算した例。
【図２２】リングの半径が１．０ｍｍのときの薄膜に誘起される渦電流の計算結果。○：１ＭＨZ（リングなし。リングがあってもほとんど変わらない。）□：１０ＭＨZ、リング（０．２５Ω）あり。■：１０ＭＨZ、リング（０．０２５Ω）あり。
【図２３】図２２のデータをｒ＝０．５ｍｍでの値を１としてプロットしたもの。
【図２４】(ａ)〜(ｃ)：本発明に用いることができる平面コイルの製造工程の一例。
【図２５】本発明の第一例の膜厚測定装置。
【図２６】本発明の第二例の膜厚測定装置。
【図２７】インピーダンスブリッジを説明するための回路図。
【図２８】測定用平面コイルと基準用平面コイルの位置関係を説明するための図
【図２９】本発明の第三例の膜厚測定装置。
【図３０】(ａ)〜(ｃ)：本発明に用いることができる平面コイルの製造工程の他の例。
【図３１】本発明に用いることができる平面コイルの変形例。
【図３２】径が大きい領域で渦電流が流れている根拠を示すグラフ
【図３３】本発明の第一例の精密測定コイル
【図３４】本発明の一例の精密測定コイルの特性の計算結果を示すグラフ
【図３５】図３４のグラフを規格化したグラフ
【図３６】図３５のデータをｒまで積分した結果を示したグラフ
【図３７】本発明の第一例の精密測定コイルの断面図
【図３８】本発明の第三例の精密測定コイルの断面図
【図３９】本発明の第四例の精密測定コイルの断面図
【図４０】本発明の第五例の精密測定コイルの断面図
【図４１】本発明の第六例の精密測定コイルの断面図
【図４２】本発明の第七例の精密測定コイルの断面図
【図４３】(ａ)〜(ｃ)：本発明の第八例の精密測定コイルの断面図
【図４４】本発明の第二例の精密測定コイル
【図４５】(ａ)〜(ｄ)：本発明のコイルの他の製造方法
【符号の説明】
【０１５１】
１1〜１3……膜厚測定装置
７……静電容量センサコントローラ
１０……インピーダンスブリッジ
１１……測定用平面コイル
１２……基準用平面コイル
１４、１５……抵抗素子
６４……コイル部
６１……基板
１０１〜１０７……精密測定コイル
【図１】
2005227256.tif 000008
【図２】
2005227256.tif 000009
【図３】
2005227256.tif 000010
【図４】
2005227256.tif 000011
【図５】
2005227256.tif 000012
【図６】
2005227256.tif 000013
【図７】
2005227256.tif 000014
【図８】
2005227256.tif 000015
【図９】
2005227256.tif 000016
【図１０】
2005227256.tif 000017
【図１１】
2005227256.tif 000018
【図１２】
2005227256.tif 000019
【図１３】
2005227256.tif 000020
【図１４】
2005227256.tif 000021
【図１５】
2005227256.tif 000022
【図１６】
2005227256.tif 000023
【図１７】
2005227256.tif 000024
【図１８】
2005227256.tif 000025
【図１９】
2005227256.tif 000026
【図２０】
2005227256.tif 000027
【図２１】
2005227256.tif 000028
【図２２】
2005227256.tif 000029
【図２３】
2005227256.tif 000030
【図２４】
2005227256.tif 000031
【図２５】
2005227256.tif 000032
【図２６】
2005227256.tif 000033
【図２７】
2005227256.tif 000034
【図２８】
2005227256.tif 000035
【図２９】
2005227256.tif 000036
【図３０】
2005227256.tif 000037
【図３１】
2005227256.tif 000038
【図３２】
2005227256.tif 000039
【図３３】
2005227256.tif 000040
【図３４】
2005227256.tif 000041
【図３５】
2005227256.tif 000042
【図３６】
2005227256.tif 000043
【図３７】
2005227256.tif 000044
【図３８】
2005227256.tif 000045
【図３９】
2005227256.tif 000046
【図４０】
2005227256.tif 000047
【図４１】
2005227256.tif 000048
【図４２】
2005227256.tif 000049
【図４３】
2005227256.tif 000050
【図４４】
2005227256.tif 000051
【図４５】
2005227256.tif 000052