(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、
前記二個のインダクタンス素子を保持するコイル保持部と、
互いに直列接続された二個の抵抗素子と、
前記インダクタンス素子の直列接続回路と、前記抵抗素子の直列接続回路とが並列に接続されて構成されるインダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、
少なくとも前記プリアンプを保持する回路保持部とを有し、前記出力信号から測定対象の膜厚を求める膜厚測定装置であって、
前記一方のインダクタンス素子は測定コイルとして、他方のインダクタンス素子よりも前記測定対象に対して近い位置で前記コイル保持部に保持され、
前記測定コイルである前記インダクタンス素子が前記測定対象に渦電流を形成して前記出力信号を発生させ、
前記コイル保持部と前記回路保持部とは互いに固定され、
前記測定コイルである前記インダクタンス素子の一端は、前記測定対象との間にドーナツ状の平行平板コンデンサを構成させるリング状の中心電極の穴から前記測定対象に面するように配置され、
前記平行平板コンデンサを構成する部分の前記測定対象に前記渦電流が流れるように構成され、
前記中心電極と前記測定対象との間の電極間距離が、前記平行平板コンデンサの容量値と流れる電流と測定される電圧とから求められ、
求められた前記電極間距離から、前記測定対象と前記測定コイルである前記インダクタンス素子とが相対的に移動されてその間が所定距離にされて前記出力信号が生成される膜厚測定装置。
【請求項２】
前記出力信号と、前記中心電極と前記測定対象との間に形成されるドーナツ状の平行平板コンデンサの容量値と流れる電流と測定される電圧とから、前記膜厚が求められる請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、
前記二個のインダクタンス素子を保持するコイル保持部と、
互いに直列接続された二個の抵抗素子と、
前記インダクタンス素子の直列接続回路と、前記抵抗素子の直列接続回路とが並列に接続されて構成されるインダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、
少なくとも前記プリアンプを保持する回路保持部とを有し、前記出力信号から測定対象の膜厚を求める膜厚測定装置であって、
前記一方のインダクタンス素子は測定コイルとして、他方のインダクタンス素子よりも前記測定対象に対して近い位置で前記コイル保持部に保持され、
前記測定コイルである前記インダクタンス素子が前記測定対象に渦電流を形成して前記出力信号を発生させ、
前記コイル保持部と前記回路保持部とは互いに固定され、
前記測定コイルである前記インダクタンス素子の一端は、前記測定対象との間にドーナツ状の平行平板コンデンサを構成させるリング状の中心電極の穴から前記測定対象に面するように配置され、
前記平行平板コンデンサを構成する部分の前記測定対象に前記渦電流が流れるように構成され、
前記回路保持部は、前記二個の抵抗素子を保持するように構成され、
前記二個のインダクタンス素子の直列接続回路と、前記二個の抵抗素子の直列接続回路とを接続する導線の長さは、１０cm以下であるように構成されたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項４】
前記プリアンプの入力端子は、前記二個のインダクタンス素子の接続中点又は前記二個の抵抗素子の接続中点のいずれか一方又は両方に接続されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、
前記二個のインダクタンス素子を保持するコイル保持部と、
互いに直列接続された二個の抵抗素子と、
前記インダクタンス素子の直列接続回路と、前記抵抗素子の直列接続回路とが並列に接続されて構成されるインダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、
少なくとも前記プリアンプを保持する回路保持部とを有し、前記出力信号から測定対象の膜厚を求める膜厚測定装置であって、
前記一方のインダクタンス素子は測定コイルとして、他方のインダクタンス素子よりも前記測定対象に対して近い位置で前記コイル保持部に保持され、
前記測定コイルである前記インダクタンス素子が前記測定対象に渦電流を形成して前記出力信号を発生させ、
前記コイル保持部と前記回路保持部とは互いに固定され、
前記測定コイルである前記インダクタンス素子の一端は、前記測定対象との間にドーナツ状の平行平板コンデンサを構成させるリング状の中心電極の穴から前記測定対象に面するように配置され、
前記平行平板コンデンサを構成する部分の前記測定対象に前記渦電流が流れるように構成され、
前記プリアンプの入力端子は、前記二個のインダクタンス素子の接続中点又は前記二個の抵抗素子の接続中点のいずれか一方又は両方に接続され、
前記二個のインダクタンス素子の直列接続回路と、前記二個の抵抗素子の直列接続回路とを接続する導線の長さは、１０cm以下であるように構成されたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項６】
前記回路保持部は、前記二個の抵抗素子を保持するように構成された請求項５記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体基板やガラス基板上に形成された導電性の薄膜の成膜状態を非接触で高速に測定するための方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体の技術分野では、シリコンウェハ上に、例えばスパッタリング、ＣＶＤ、めっき等のプロセスによって導電性薄膜を形成し、これを電子デバイスや光デバイスに用いている。
【０００３】
このようなデバイスにおいては、同一品質のものをいかに多く製造するかが重要であり、このため、基板上の薄膜の膜厚や電気特性を十分に管理することが要求される。
【０００４】
従来、同一のロットについて、導電性薄膜が表面に成膜された基板を、同時に多数枚作成し、そのうちのある基板について四探針測定や触針式プロファイラ等の方式で導電性薄膜の膜厚や電気特性を検査、分析し、その分析結果を代表値として基板の品質を類推する方法が知られている。
【０００５】
しかしながら、この方法では、所定の基準に達しない基板が存在する場合に、基板の品質の不良を検出することができないという問題がある。
一方、基板上の膜に対して非接触で膜厚を測定する方法も知られている。例えば、Ｘ線干渉法やレーザ励起振動法がそれである。
しかし、これらの方法にあっては、測定速度が非常に遅く、また、コストが高すぎるため、大量生産には利用することができないという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、基板上に形成された導電性の薄膜の膜厚を効率良く、しかも安価に測定しうる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、前記二個のインダクタンス素子を保持するコイル保持部と、互いに直列接続された二個の抵抗素子と、前記インダクタンス素子の直列接続回路と、前記抵抗素子の直列接続回路とが並列に接続されて構成されるインダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、少なくとも前記プリアンプを保持する回路保持部とを有し、前記出力信号から測定対象の膜厚を求める膜厚測定装置であって、前記一方のインダクタンス素子は測定コイルとして、他方のインダクタンス素子よりも前記測定対象に対して近い位置で前記コイル保持部に保持され、前記測定コイルである前記インダクタンス素子が前記測定対象に渦電流を形成して前記出力信号を発生させ、前記コイル保持部と前記回路保持部とは互いに固定され、前記測定コイルである前記インダクタンス素子の一端は、前記測定対象との間にドーナツ状の平行平板コンデンサを構成させるリング状の中心電極の穴から前記測定対象に面するように配置され、前記平行平板コンデンサを構成する部分の前記測定対象に前記渦電流が流れるように構成され、前記中心電極と前記測定対象との間の電極間距離が、前記平行平板コンデンサの容量値と流れる電流と測定される電圧とから求められ、求められた前記電極間距離から、前記測定対象と前記測定コイルである前記インダクタンス素子とが相対的に移動されてその間が所定距離にされて前記出力信号が生成されることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の膜厚測定装置であって、前記出力信号と、前記中心電極と前記測定対象との間に形成されるドーナツ状の平行平板コンデンサの容量値と流れる電流と測定される電圧とから、前記膜厚が求められることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、前記二個のインダクタンス素子を保持するコイル保持部と、互いに直列接続された二個の抵抗素子と、前記インダクタンス素子の直列接続回路と、前記抵抗素子の直列接続回路とが並列に接続されて構成されるインダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、少なくとも前記プリアンプを保持する回路保持部とを有し、前記出力信号から測定対象の膜厚を求める膜厚測定装置であって、前記一方のインダクタンス素子は測定コイルとして、他方のインダクタンス素子よりも前記測定対象に対して近い位置で前記コイル保持部に保持され、前記測定コイルである前記インダクタンス素子が前記測定対象に渦電流を形成して前記出力信号を発生させ、前記コイル保持部と前記回路保持部とは互いに固定され、前記測定コイルである前記インダクタンス素子の一端は、前記測定対象との間にドーナツ状の平行平板コンデンサを構成させるリング状の中心電極の穴から前記測定対象に面するように配置され、前記平行平板コンデンサを構成する部分の前記測定対象に前記渦電流が流れるように構成され、前記回路保持部は、前記二個の抵抗素子を保持するように構成され、前記二個のインダクタンス素子の直列接続回路と、前記二個の抵抗素子の直列接続回路とを接続する導線の長さは、１０cm以下であるように構成されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の膜厚測定装置であって、前記プリアンプの入力端子は、前記二個のインダクタンス素子の接続中点又は前記二個の抵抗素子の接続中点のいずれか一方又は両方に接続されたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、前記二個のインダクタンス素子を保持するコイル保持部と、互いに直列接続された二個の抵抗素子と、前記インダクタンス素子の直列接続回路と、前記抵抗素子の直列接続回路とが並列に接続されて構成されるインダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、少なくとも前記プリアンプを保持する回路保持部とを有し、前記出力信号から測定対象の膜厚を求める膜厚測定装置であって、前記一方のインダクタンス素子は測定コイルとして、他方のインダクタンス素子よりも前記測定対象に対して近い位置で前記コイル保持部に保持され、前記測定コイルである前記インダクタンス素子が前記測定対象に渦電流を形成して前記出力信号を発生させ、前記コイル保持部と前記回路保持部とは互いに固定され、前記測定コイルである前記インダクタンス素子の一端は、前記測定対象との間にドーナツ状の平行平板コンデンサを構成させるリング状の中心電極の穴から前記測定対象に面するように配置され、前記平行平板コンデンサを構成する部分の前記測定対象に前記渦電流が流れるように構成され、前記プリアンプの入力端子は、前記二個のインダクタンス素子の接続中点又は前記二個の抵抗素子の接続中点のいずれか一方又は両方に接続され、前記二個のインダクタンス素子の直列接続回路と、前記二個の抵抗素子の直列接続回路とを接続する導線の長さは、１０cm以下であるように構成されたことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の膜厚測定装置であって、前記回路保持部は、前記二個の抵抗素子を保持するように構成されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明のインダクタンス測定装置では、互いに直列接続された二個のインダクタンス素子と、それを保持するコイル保持部と、インダクタンスブリッジの出力信号を増幅するプリアンプと、少なくともプリアンプを保持する回路保持部とを有し、一方のインダクタンス素子は、他方のインダクタンス素子よりも測定対象に対して近い位置でコイル保持部に保持され、コイル保持部と回路保持部とは互いに固定されている。
【０００９】
このように構成し、コイル保持部を、導電性薄膜が成膜された測定対象の表面近傍に位置させ、インダクタンス素子に交流電圧を印加すると、測定対象内に渦電流が生じ、その渦電流の影響により、測定対象に近い側のインダクタンス素子のインダクタンス成分が変化するが、この変化量を求めることで、基板表面に成膜された薄膜の膜厚を、簡素な構成で求めることができる。
【００１０】
かかるインダクタンス素子のインダクタンス成分の変化量は、インダクタンスブリッジを用いた高感度測定回路により求めている。
【００１１】
図２は、本発明におけるインダクタンス成分の測定原理を説明するためのブロック図であり、符号１０は、マクスウェルのインダクタンスブリッジを示している。
【００１２】
このインダクタンスブリッジ１０は、互いに直列接続された２個の抵抗素子１４、１５と、互いに直列接続された二個のインダクタンス素子が、並列接続されて構成されている。二個のインダクタンス素子のうち、測定対象に近い側のインダクタンス素子を測定コイルと称して図２の符号１１に示し、測定対象から遠い側に位置するインダクタンス素子を基準コイルと称して図２の符号１２に示す。
【００１３】
インダクタンスブリッジ１０のバランスが取れている場合、インダクタンスブリッジ１０の入力端子２１、２２の間に交流電圧源２７を接続し、インダクタンスブリッジ１０に交流電圧ＶDを印加しても、インダクタンスブリッジ１０の出力端子２３、２４の間に電圧は現れない。
【００１４】
インダクタンスブリッジ１０のバランスが取れた状態で、測定コイル１１に、測定対象である基板５０を近づけると、基板５０に渦電流が生じ、その影響によって測定コイル１１のインダクタンス値が変化し、バランスがくずれて出力端子２３、２４間に電圧ＶSが現れる。
【００１５】
インダクタンスブリッジ１０に印加する交流電圧ＶDを、
ＶD ＝ ＶD0・ｅｘｐ(ｉωｔ)
で表した場合、出力端子２３、２４間に現れる電圧ＶSは、
【００１６】
ＶS ＝ ＶS0・ｅｘｐ(ｉωｔ＋φ) ＝ＶS0・ｅｘｐ(ｉωｔ)・ｃｏｓ(φ) ＋ ｉ・ＶS0・ｅｘｐ(ｉωｔ)・ｓｉｎ(φ)
となる。
【００１７】
この電圧ＶSの、入力電圧ＶDに同期した位相の電圧と、９０°ずれた位相の電圧とを測定し、その比から、測定コイル１１のインダクタンス成分の大きさの変化分が求められる。
【００１８】
インダクタンス成分の変化量は、基板５０中の渦電流損失を表しており、交流電圧ＶDの周波数は既知であるから、基板５０や基板５０表面の金属薄膜の比抵抗が既知であれば、その金属薄膜の膜厚が求められる。
【００１９】
図１２のグラフは、インダクタンス成分の変化量と、基板表面の銅薄膜の膜厚の関係の一例を示すグラフである。印加した交流信号の周波数は数ＭＨｚであり、また、交流電圧ＶDの大きさは数Ｖ程度である。
【００２０】
このグラフから分かるように、測定コイル１１のインダクタンス成分の変化量は、基板表面の銅薄膜の膜厚に応じて変化するため、予め、インダクタンス成分の変化量と膜厚との関係を測定しておき、薄膜が成膜される前に基板を測定コイルに近づけてインダクタンス成分の変化量を測定しておき、基板表面に銅薄膜を成膜し、成膜後の基板を測定コイルに近づけ、測定コイルのインダクタンス成分の変化量を求めると、求められたインダクタンス成分の変化量から、成膜された薄膜の膜厚を求めることができる。
かかる本発明によれば、簡素な構成で安価に膜厚の測定を行うことが可能になる。
【００２１】
また、本発明によれば、コイル保持部内に、二個のインダクタンス素子が設けられている。このように構成することで、二個のインダクタンス素子は、互いに近接した状態で配置されるので、各インダクタンス素子はほぼ同じ温度になり温度補償が図れるので、インダクタンス成分の変化量が温度に依存することで測定精度が低下することはない。
【００２２】
また、本発明において、コイル保持部内に設けられたインダクタンス素子の直列接続回路と、回路保持部内に設けられた抵抗素子の直列接続回路とを接続する導線が長くなると、導線自身が有する容量成分が無視できない値となり、さらにノイズが混入しやすくなるため測定精度が低下するが、上述したようにコイル保持部と回路保持部とは互いに固定され、その結果互いに近接しているので、導線の長さは短くなる。従って、導線自身の容量成分が小さくなり、また、測定信号内にノイズが混入しにくくなるので、精度の高い測定をすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明に係る膜厚測定装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１の符号１に、本発明に係る膜厚測定装置を示す。本発明に係る膜厚測定装置１は、測定室２と、支持台３と、回転軸８と、駆動機構３４と、アーム７とを有している。
【００２４】
測定室２は、その側面に搬入出口２０が設けられており、この搬入出口２０から基板を測定室２内に搬入したり、測定室２外へと搬出することができるようになっている。
支持台３は、測定室２の内部底面に配置されている。この支持台３は、表面が平坦に形成されており、その表面に基板を載置できるように構成されている。
【００２５】
測定室２の内部底面の、支持台３と離間した位置には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、回転軸８が鉛直に挿通されている。この回転軸８の下端部は、測定室２の外部に配置された駆動機構３４に接続され、回転軸８の上端部には、水平にされたアーム７の末端部が接続されており、駆動機構３４を動作させると、回転軸８を回転し、アーム７を水平面内で移動させられるように構成されている。
【００２６】
アーム７の先端部には、取付治具６９が位置している。この取付治具６９は、絶縁材がＬ字椅子型に形成されて成り、その背面６７がアーム７の先端部に取り付けられ、座面６８が水平状態になっている。
この座面６８上には、回路保持部６１と、距離センサ保持部７１とが配置され、座面６８の裏面６８ａには、コイル保持部８１が配置されている。
【００２７】
図５に、アーム７の先端部付近の拡大図を示し、図４に、図５のＡ−Ａ線断面図を示す。
コイル保持部８１は、筐体８２と、測定コイル１１と、基準コイル１２とを有している。
【００２８】
コイル保持部の筐体８２は、図５に示すように絶縁体が直方体状に形成され、その先端にはフランジ部８２ａが設けられて成る。この筐体８２はフランジ部８２ａが取付治具６９の座面６８の裏面６８ａにねじ８８でねじ止めされることで、取付治具６９に固定されている。
【００２９】
取付治具６９には、その座面６８から座面の裏面６８ａにかけて鉛直方向に貫通する貫通孔８３ａが設けられている。また、コイル保持部の筐体８２は、上下に貫通し、その中心軸線が鉛直方向を向いた貫通孔８３を有しており、この筐体８２は、その貫通孔８３が、取付治具６８の貫通孔８３ａと連通する位置に配置されている。
この貫通孔８３の周囲には、平面形状がリング状の溝からなるコイル収納部８４が設けられている。
【００３０】
測定コイル１１、基準コイル１２はともに螺旋状に巻き回されており、それぞれの中心軸線はともに鉛直方向を向いている。これらの測定コイル１１、基準コイル１２は測定コイル１１が基準コイル１２より下方に位置した状態で、コイル収納部８４内に上下に配置されている。コイル収納部８４の内部は絶縁性の樹脂で封止され、測定コイル１１及び基準コイル１２はコイル収納部８４から落下しないようになっている。
【００３１】
上述したアーム７は、伸縮可能に構成されており、アーム７が縮んだ状態では、コイル保持部８１、回路保持部６１及びレーザセンサ７１を支持台３上方から退避させ、アーム７が伸びた状態では、コイル保持部８１、回路保持部６１及びレーザセンサ７１を支持台３の上方の任意の位置に移動させることができる。
【００３２】
レーザセンサ７１は、コイル保持部８１の鉛直上方に位置している。
レーザセンサ７１の底面には、レーザ射出口７３ａとレーザ受光口７３ｂとが設けられており、レーザ射出口７３ａから鉛直下方にレーザ光を射出することができるように構成されている。
【００３３】
これらのレーザ射出口７３ａ及びレーザ受光口７３ｂは、ともに取付治具６９に設けられた貫通孔８３ａ及びコイル保持部の貫通孔８３から露出しており、レーザ射出口７３ａから鉛直下方にレーザ光が射出されると、そのレーザ光が、取付治具６９の貫通孔８３ａ及びコイル保持部の貫通孔８３を通ってコイル保持部８１の外部へと射出されるようになっている。また、射出されたレーザ光が、レーザセンサ７１下方の水平面で反射され、コイル保持部の貫通孔８３に入射すると、そのレーザ光が取付治具６９の貫通孔８３ａ及びコイル保持部の貫通孔８３を通ってレーザ受光口７３ｂに到達できるようになっている。
【００３４】
取付治具の座面６８の上方の、レーザセンサ７１とアーム７の先端との間には、回路保持部６１が位置している。
回路保持部６１は、筐体６２と、留め具６４と、配線基板６３と、接続端子６５とを有している。
【００３５】
筐体６２は、例えばプラスチック等の絶縁材が直方体状に形成されてなり、その底面が取付治具の座面６８表面に密着して固定されている。筐体６２の内部側面には、留め具６４が固定されている。留め具６４の先端には配線基板６３が固定されている。
【００３６】
この配線基板６３上には、少なくともプリアンプ２５と、抵抗素子１４、１５とが配置されている。
これらの抵抗素子１４、１５は配線基板６３上で互いに直列接続されており、測定コイル１１及び基準コイル１２はコイル保持部８１内で互いに直列接続されている。
【００３７】
測定コイル１１と基準コイル１２の直列接続回路と、抵抗素子１４、１５の直列接続回路とは、ケーブルで接続されている。図４の符号７８にそのケーブルを示す。コイル保持部８１と回路保持部６１とは近接しているので、ケーブル７８は短くなっている。本実施形態では５cm程度の長さになっている。
【００３８】
こうして互いに接続された測定コイル１１及び基準コイル１２の直列接続回路と、抵抗素子１４、１５の直列接続回路とは、図２に示すインダクタンスブリッジ１０を構成している。
【００３９】
かかるインダクタンスブリッジ１０は、抵抗素子１４、１５の直列接続回路の両端が入力端子となっている。図２の符号２１、２２にその入力端子を示す。また、測定コイル１１と基準コイル１２との接続中点と、二つの抵抗素子１４、１５の接続中点とは、それぞれインダクタンスブリッジ１０の出力端子となっている。図２の符号２３、２４に、それぞれの出力端子を示す。
【００４０】
インダクタンスブリッジ１０の入力端子２１、２２と、出力端子２３、２４には、図５に示す接続端子６５に接続されている。この接続端子６５は、測定室２外部に配置された膜厚測定器３１に接続されている。
【００４１】
膜厚測定器３１は、図２に示すように測定器２６と交流電圧源２７とを有している。
この交流電圧源２７は、図６に示すように発振器９１と出力アンプ９２とを有しており、発振器９１で生成された交流電圧を出力アンプ９２で増幅して、インダクタンスブリッジ１０の入力端子２１、２２間に印加することができるように構成されている。
【００４２】
インダクタンスブリッジ１０の入力端子２１、２２間に交流電圧が印加されると、インダクタンスブリッジ１０のバランスがとれた状態ではその出力端子２３、２４間には電圧が現れないが、測定コイル１１を、図３に示すように、その表面に導電膜５２が成膜された基板５０に近づけた状態で、入力端子２１、２２間に交流電圧を印加すると、基板５０及び導電膜５２内部に渦電流が生じて測定コイル１１のインダクタンス成分が変化し、この変化量に応じた大きさの電圧が、インダクタンスブリッジ１０の出力端子２３、２４間に現れる。
【００４３】
インダクタンスブリッジ１０の出力端子２３、２４のうち、測定コイル１１及び基準コイル１２の接続中点側の出力端子２３は接地され、抵抗素子１４、１５の接続中点側の出力端子２４は、プリアンプ２５の入力端子に接続されている。プリアンプ２５の出力端子は、後述する測定器２６に接続されており、インダクタンスブリッジ１０の出力端子２３、２４間に現れた電圧は、プリアンプ２５によって増幅された後に、測定器２６に出力される。
【００４４】
この測定器２６は、図６に示すように、バンドパスフィルタ９５と、直交検波器９６と、出力回路９７とを有している。
バンドパスフィルタ９５には、プリアンプ２５の出力信号が入力されるように構成されており、バンドパスフィルタ９５は、プリアンプ２５から信号が出力されると、その信号のうち特定の周波数帯域のみを直交検波器９６に出力する。
【００４５】
直交検波器９６には、バンドパスフィルタ９５の出力信号と、発振器９１から出力される交流信号と同相の信号と、その信号と９０°位相がずれた信号とが入力されるように構成され、直交検波器９６は、バンドパスフィルタ９５の出力信号すなわちインダクタンスブリッジ１０の出力信号から、発振器９１から出力される交流信号に同期した位相の電圧と、９０°ずれた位相の電圧との二種類の電圧を求めて出力回路９７に出力する。
出力回路９７は、直交検波器９６から出力される二種類の出力電圧の比を求めることで、インダクタンス成分の変化量に応じた大きさの信号を生成する。
【００４６】
測定室２の外部にはコンピュータ３３が配置されており、出力回路９７から出力され、インダクタンス成分の変化量に応じた大きさの信号は、コンピュータ３３に出力される。
【００４７】
コンピュータ３３は、出力回路９７から出力されたインダクタンス成分の変化量を記憶することができるように構成されている。
インダクタンス成分の変化量は、測定コイル１１と、基板表面との間の距離に大きく依存するため、測定の際にその距離を一定にするように制御する必要があり、そのため、膜厚測定装置は、上述したレーザセンサ７１と、距離測定器３２とを有している。
【００４８】
このレーザセンサ７１の部分拡大図を図７に示す。レーザセンサ７１が起動し、レーザ射出口７３ａからレーザ光Ｌ1が鉛直下方に射出されると、そのレーザ光Ｌ1は、取付治具６９の貫通孔８３ａ及びコイル保持部の貫通孔８３を通った後、貫通孔８３の下方に配置された基板５０表面に照射され、表面で反射される。この反射光Ｌ2は、コイル保持部の貫通孔８３と取付治具６９の貫通孔８３ａを通過した後にレーザ受光口７３ｂに到達して受光される。レーザセンサ７１は、射出されたレーザ光Ｌ1と反射光Ｌ2との位相差又は反射光の強度変化を求めることができるように構成されている。
【００４９】
レーザセンサ７１は、距離測定器３２に接続されており、こうして求められたレーザ光Ｌ1と反射光Ｌ2との位相差は、距離測定器３２に出力されるように構成されている。
【００５０】
距離測定器３２は、レーザセンサ７１から、レーザ光と反射光との位相差が出力されると、その位相差を距離に換算してレーザセンサ７１の底面と基板表面との間の距離を求める。こうして求められた距離はコンピュータ３３に出力される。
コンピュータ３３は、測定コイル１１と基板表面との間の距離が一定になるように駆動機構３４を制御できるように構成されている。
【００５１】
上記構成の膜厚測定装置１で、基板表面に成膜された薄膜の膜厚を測定する動作について以下で説明する。
まず、薄膜が成膜されていない状態の基板５０を搬入出口２０から測定室２内に搬入して支持台３上に載置して支持させる。
【００５２】
基板５０が支持台３上に支持されたら、駆動機構３４を駆動してアーム７を移動させ、その先端部のコイル保持部８１、レーザセンサ７１及び回路保持部６１を基板表面の所定位置に位置させる。
【００５３】
そして、レーザセンサ７１を起動し、基板５０の表面にレーザ光を照射して、コイル保持部８１内の測定コイル１１と基板５０表面との間の距離を測定する。距離が測定されたら、アーム７を上下動させ、測定された距離が所定値になったら、アーム７を静止させる。
【００５４】
次に、交流電圧源２７から測定コイル１１に交流電圧を印加し、測定コイル１１のインダクタンス成分の変化量の初期値を測定し、その値をコンピュータ３３に記憶させる。
【００５５】
次いで、アーム７の先端部を別の測定位置に移動させ、その測定位置で測定コイル１１と基板５０表面との距離が所定値になったらアーム７を静止させ、その測定位置におけるインダクタンス成分の変化量の初期値を測定し、その値をコンピュータ３３に記憶させておく。
【００５６】
かかる動作を、予め定められた全ての測定位置について行い、全ての測定位置におけるインダクタンス成分の変化量の初期値を順次求め、基板５０の位置と対応づけ、コンピュータ３３内に記憶させておく。
次いで、基板５０を、搬入出口２０から測定室２外部へと搬出し、図示しない成膜装置内に入れ、基板５０の表面に所定の導電性薄膜を成膜する。
【００５７】
成膜処理が終了したら、その基板５０を再び搬入出口２０から測定室２内部に搬入して支持台３表面に支持させる。次いで、アーム７を移動させ、最初にインダクタンス成分の変化量の初期値を測定した測定位置と同じ位置に、コイル保持部８１、レーザセンサ７１、回路保持部６１を位置させ、基板５０と測定コイル１１との間の距離が所定値になったらアーム７を静止させ、その測定位置における測定コイル１１のインダクタンス成分の変化量を測定する。次いで、測定されたインダクタンス成分の変化量を、コンピュータ３３に記憶させる。
【００５８】
基板５０表面に成膜された導電膜５２の膜厚に応じて、測定コイル１１のインダクタンス成分の変化量は変化する。コンピュータ３３には、上述した各測定位置における、インダクタンス成分の変化量と導電膜５２の膜厚との対応関係が予め記憶されており、導電膜５２が成膜された状態でのインダクタンス成分の変化量と、導電膜５２が成膜されていない状態でのインダクタンス成分の変化量の初期値との差分をとり、この差分を、上述した対応関係と照合することで、基板５０表面の所定の測定位置における導電膜５２の膜厚を、導電膜５２と非接触の状態で求めることができる。
【００５９】
こうして一つの測定位置における膜厚測定が終了したら、コイル保持部８１、レーザセンサ７１、回路保持部６１を順次所定の測定位置に移動させ、上述した動作と同様の動作で導電膜５２の膜厚を測定し、全ての測定位置において導電膜の膜厚を測定する。
【００６０】
以上説明したように本発明によれば、コイル保持部の筐体８２内に測定コイル１１及び基準コイル１２の両方を配置している。こうして二個のコイル１１、１２をともに一つの筐体８２内に、近接した状態で配置することにより、測定コイル１１と基準コイル１２の温度とはほぼ同じ温度になり、温度変化が生じても各コイル１１、１２のインダクタンス成分は同じように変化し、各コイル１１、１２のインダクタンス成分の変化量がアンバランスになることはないので、温度変化が生じても測定精度は低下しない。
【００６１】
これと同様に、抵抗素子１４、１５も回路保持部６１内の配線基板６３上に、互いに近接した状態で配置されており、抵抗素子１４、１５のそれぞれの温度はほぼ同じように変化するので、温度変化により測定精度が低下しない。
【００６２】
また、上記の回路構成では、ノイズ混入防止のため、抵抗素子１４、１５とプリアンプ２５の入力端子との間の導線をできるだけ短くする必要がある。その結果、抵抗素子１４、１５をコイル保持部８１内に入れると、プリアンプ２５もコイル保持部８１内に入れなければならず、コイル保持部８１を大きく作らなければならない。このため、本実施形態では、これらの抵抗素子１４、１５を、コイル保持部８１内には配置していない。
【００６３】
また、測定コイル１１を基板５０表面の所定位置に位置させる機構としては、アーム７側を固定し、支持台３をアーム７先端部と相対的に移動させる機構も可能だが、大面積の基板表面の膜厚を測定する際には、支持台３を大きく作らなければならず、また、大面積の基板を水平面内で移動させるためのスペースを設けなければならないことより、装置が大きくなってしまうので、本実施形態では、先端部が自由に移動可能なアーム７の先端部にコイル保持部８１、レーザセンサ７１及び回路保持部６１を取付け、これらのコイル保持部８１、レーザセンサ７１及び回路保持部６１が基板５０の表面で移動することにより、所定の測定位置の膜厚を測定できるように構成されている。このように構成することにより、装置を小さく作ることができる。
【００６４】
さらに、コイル保持部８１内の測定コイル１１及び基準コイル１２と、回路保持部６１内の電子回路とを接続するケーブル７８が長くなると、ケーブル７８自身が有する容量成分が無視できない値となり、またノイズが混入しやすくなるため測定精度が低下するが、上述したようにコイル保持部８１と回路保持部６１とは近接しており、ケーブル７８は短くなっているので、ケーブル７８自身の容量成分が小さくなり、またノイズが混入しにくくなるので、精度の高い測定をすることができる。
また、本実施の形態によれば、簡素な構成で安価に膜厚の測定を行うことが可能になる。
【００６５】
さらに、本実施の形態においては、測定コイル１１と基板５０表面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、測定コイル１１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。
【００６６】
なお、上記実施形態では、基板５０表面と測定コイル１１との間の距離を測定するのにレーザセンサ７１を用いたが、本発明はこれに限られるものではない。
図８の符号３０に、本発明の他の実施形態の膜厚測定装置を示す。
【００６７】
この膜厚測定装置３０は、アーム７の先端部に設けられていたレーザセンサ７１が設けられておらず、代わりに図９、図１０に示すようなセンサ保持部５５を有している点と、距離測定器３２に変えて容量検出距離測定器３７が設けられた点とで、図１の膜厚測定装置１と異なる。
【００６８】
図１０に、膜厚測定装置３０のアーム７の先端部付近の拡大図を示し、図９に、図１０のＢ−Ｂ線断面図を示す。取付治具６９の座面６８には、回路保持部６１が固定されており、座面６８の裏面６８ａには、センサ保持部５５が固定されている。
【００６９】
このセンサ保持部５５は、図１１に示すように、上述したコイル保持部８１と静電容量センサ保持部４１とを有している。
静電容量センサ保持部４１は、筐体４６と、支持基板４４と、ガード電極４５と中心電極４５ａとを有している。
【００７０】
この筐体４６は、例えば、ポリアセタール樹脂等の絶縁材料が直方体状に形成されて成り、上下に貫通する貫通孔を内部に有している。この貫通孔は、その中心軸線が鉛直方向を向き、かつ外径がコイル保持部８１の筐体８２の外径と同じ大きさにされている。この貫通孔内には、コイル保持部８１の筐体８２が納められている。コイル保持部８１のフランジ部８２ａは、静電容量センサ保持部４１の筐体４６にねじ４３でねじ止め固定されており、その結果、コイル保持部８１の筐体８２と、静電容量センサ保持部４１の筐体４６とは一体化されている。こうして一体化されたコイル保持部の筐体８２及び静電容量センサ保持部の筐体４６は、取付治具６８の座面の裏面６８ａ側にねじ止め固定されている。
【００７１】
静電容量センサ保持部４１の筐体４６の底部には、例えばガラス−エポキシ樹脂からなるリング状の支持基板４４が取り付けられている。この支持基板４４上には同じくリング状の中心電極４５ａが配置され、中心電極４５ａの内側と外側とには、同じくリング状のガード電極４５が配置されている。これらの支持基板４４、中心電極４５ａ及びガード電極４５の鉛直方向での中心軸線と、測定コイル１１の鉛直方向の中心軸線とは互いに一致しており、基板５０表面において、測定コイル１１によって渦電流を発生させる位置と、静電容量センサ保持部４１によって、測定コイル１１と基板表面の距離を測定する位置とが一致するようになっている。
【００７２】
静電容量センサ保持部４１は、容量検出距離測定器３７に接続されている。
この容量検出距離測定器３７は、交流電源４８と、電圧計４９とバッファ回路４７とを有している。
【００７３】
交流電源４８は、一方の出力端子が静電容量センサ保持部４１の中心電極４５ａに接続され、他方の出力端子が、図示しない導電性の接触部材に接続され、その接触部材は基板表面の導電膜５２に接触しており、交流電源４８を起動すると、中心電極４５ａと導電膜５２との間に、一定の交流電流を供給するように構成されている。また、バッファ回路４７は、その出力インピーダンスが低く構成され、入力端子が交流電源４８の出力端子に接続され、出力端子がガード電極４５に接続されており、交流電源４８から供給される、一定の交流電流をインピーダンス変換した後にガード電極４５に供給して、ガード電極４５の電位が中心電極４５ａと同電位となるようにしている。
【００７４】
電圧計４９は、一端がガード電極４５に接続され、他端が図示しない導電性の接触部材に接続され、その接触部材が導電膜５２表面に接触することで、ガード電極４５と導電膜５２との間に生じた電圧を測定できるように構成されている。
【００７５】
なお、本実施の形態の場合は、導電膜５２が切換スイッチ３８を介して接地電位に接続されるように構成されており、切換スイッチ３８を所定タイミングで導通させ、導電膜５２を接地させられるように構成されている。
【００７６】
このような構成を有する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５２が形成された基板５０を、搬入出口２０から測定室２内に搬入し、支持台３上に載置して支持させた後、アーム７を移動させ、その先端部に設けられたセンサ保持部５５及び回路保持部６１を、導電膜５２の上方の所定位置に位置させる。
【００７７】
そして、切換スイッチ３８を導通させて導電膜５２を接地させる。
次に、交流電源４８から導電膜５２及び中心電極４５ａに一定の交流電流を供給するとともに、ガード電極４５に、バッファ４７を介して交流電源４８から一定の交流電流を供給する。
【００７８】
ここで、本実施の形態の静電容量センサ４０にあっては、ガード電極４５と中心電極４５ａとが同電位となっているため、中心電極４５ａと導電膜５２の間ではドーナツ状の平行平板コンデンサが形成される。
【００７９】
その結果、電圧計４９において測定される電圧Ｖは、以下の式で示すように、中心電極４５ａと導電膜５２との距離ｇに比例する。
Ｖ＝(Ｉ/ωε0Ａ)ｇ        Ｉ：電流値      ω：交流電源の角周波数
ε0：真空誘電率  Ａ：中心電極の面積
そして、このようにして測定された電圧Ｖは、コンピュータ３３に出力される。コンピュータ３３はこの電圧Ｖに基づき、中心電極４５ａの端部と面一の位置にある測定コイル１１と、導電膜５２との間の距離を算出する。そして、この距離と予めコンピュータ３３に記憶させておいた値とを比較し、その差分が０になるように駆動機構３４を制御して、アーム７を上下動させる。
【００８０】
ここで、切換スイッチ３８を遮断して導電膜５２の接地状態を解除する。
次いで、この位置において測定コイル１１に交流電流を供給して導電膜５２の膜厚測定位置に渦電流を発生させ、図１の膜厚測定装置１と同様に、測定コイル１１のインダクタンスの変化量を測定する。
そして、以下、上記実施の形態と同様の手順を行うことにより、導電膜５２上の当該位置の膜厚を算出する。
【００８１】
以上述べたように本実施の形態によれば、上記実施の形態と同様、従来の非接触の膜厚測定装置に比べて迅速に膜厚の測定を行うことができるとともに、簡素な構成で安価に膜厚の測定を行うことができる。
【００８２】
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。
例えば、ケーブル７８の長さを５cmとしたが、本発明のケーブルの長さはこれに限られるものではなく、１０cm以下であればよく、例えば２cmでもよい。要するに、ごく近傍に配置し、物理的に接続可能であれば、短い方が良い。
【００８３】
また、コイル保持部８１では、その筐体８２に貫通孔８３を設け、レーザセンサのレーザ光が、その貫通孔８３を貫いて基板表面に照射されるようにすることにより、測定コイル１１及び基準コイル１２による測定位置とレーザ光の照射位置が一致するように構成したが、本発明はこれに限らず、レーザ光がコイル保持部の内部を通らずに、その側方を通って基板表面に照射されるように構成してもよい。
【００８４】
また、上述の実施の形態においては、アーム７先端を基板５０の上方で移動させることにより、基板５０とアーム７の先端とを相対的に移動させ、基板５０表面における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、アーム７の先端を静止させ、支持台３を水平面内で移動させることで、基板５０とアーム７の先端とを相対的に移動させることも可能である。
【００８５】
また、上述の実施の形態においては、膜厚を測定する際に、測定コイル１１と導電膜５２との相対的な距離を一定にするようにしたが、測定コイル１１と導電膜５２との相対的な距離に応じたデータベースを作製しておき、膜厚測定の際に、測定コイル１１と導電膜５２との相対的な距離を測定し、測定された距離に応じたデータを測定値と照合することで、膜厚を求めることも可能である。
【００８６】
また、測定コイル１１と基準コイル１２とは、それぞれの中心軸線が互いに一致した状態で上下に配置されているものとしたが、本発明はこれに限らず、各コイル１１、１２が近接した状態で、かつ測定コイル１１が基準コイル１２よりも基板に近く位置するように構成されていればよい。
【００８７】
また、測定室２は大気圧中で基板表面の導電膜の膜厚を測定するように構成したが、測定室２内部を真空排気可能にし、真空雰囲気中で測定するように構成することも可能である。
【００８８】
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を行う装置に適用でき、また、シリコン基板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。
【００８９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、基板上に形成された導電性の薄膜の膜厚を効率良く、しかも安価で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略全体構成図
【図２】本発明のインダクタンスブリッジを説明する回路図
【図３】本実施形態の測定コイルと基準コイルの相対的な位置関係を説明するための図
【図４】本発明の一実施形態のアーム先端部付近を説明する断面図
【図５】本発明の一実施形態のアーム先端部付近を説明する側面図
【図６】本発明の一実施形態の回路構成を説明する図
【図７】本発明の一実施形態に係るレーザセンサとコイル保持部との位置関係を説明する断面図
【図８】本発明の他の実施形態の概略全体構成図
【図９】本発明の他の実施形態のアーム先端部付近を説明する断面図
【図１０】本発明の他の実施形態のアーム先端部付近を説明する側面図
【図１１】本発明の他の実施形態のセンサ保持部を説明する断面図
【図１２】本発明の測定原理を説明するグラフ
【符号の説明】
１…膜厚測定装置    １１…測定コイル  (インダクタンス素子)  １２…基準コイル(インダクタンス素子)  １４、１５…抵抗素子    ２５…プリアンプ  ５０…基板(測定対象)    ５２…導電膜  ６１…回路保持部  ８１…コイル保持部  ７８…ケーブル(導線)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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