(57)【要約】【課題】導電性膜の膜厚を精度良く測定する。【解決手段】渦電流センサ１は、基板６に形成された導電性膜７に対向して配置されたセンサコイル２ａ及びセンサコイル２ｂと、導電性膜７に渦電流を生じさせるための交流信号をセンサコイル２ａ・２ｂのいずれかに選択的に供給する交流信号源３と、導電性膜７に生じた渦電流に応じてセンサコイル２ａ・２ｂのいずれかに流れる電流値を検出する交流電流計４とを備え、センサコイル２ａの径とセンサコイル２ｂの径とは、導電性膜７の種類に応じて互いに異なっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性膜または基体に形成された導電性膜に対向して配置された第１センサコイル及び第２センサコイルと、
前記導電性膜に渦電流を生じさせるための交流信号を前記第１及び前記第２センサコイルのいずれかに選択的に供給する信号源と、
前記導電性膜に生じた渦電流に応じて前記第１及び前記第２センサコイルのいずれかに流れる電流値を検出する電流計とを備え、
前記第１センサコイルの径と前記第２センサコイルの径とは、前記導電性膜の種類に応じて互いに異なっていることを特徴とする渦電流センサ。
【請求項２】
前記第１センサコイル及び前記第２センサコイルは、前記導電性膜に直列に配置されている請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項３】
前記第１センサコイル及び前記第２センサコイルは、前記導電性膜に並列に配置されている請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項４】
前記信号源によって供給される前記交流信号の周波数は、前記第１及び前記第２センサコイルの自己共振を防止する値に選択される請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項５】
前記第１センサコイルの径及び前記第２センサコイルの径は、前記導電性膜のとり得るシート抵抗の値の範囲内において、渦電流損失が最大値をとらないように選択される請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項６】
前記電流計によって検出された電流値に基づいて渦電流損失を計測し、前記渦電流損失に基づいて前記導電性膜の膜厚を算出する膜厚算出部をさらに備える請求項１記載の渦電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は渦電流センサに関し、特に半導体ウエハ等の基板の表面に形成した導電性膜の膜厚等を検出するのに好適な渦電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハやガラス基板の基板上にスパッタリング法や蒸着法、メッキ法により導電膜を形成する工程の膜厚管理方法として、シート抵抗測定法や、触針式段差測定法、蛍光エックス線法が知られている。しかし、シート抵抗測定法や、触針式段差測定法は、基板表面に針を接触させる必要があるため、実際の製品基板を測定すると、基板表面に傷が生じたり発塵するという問題がある。また蛍光エックス線法では、非接触であるため前述のような問題は生じにくいが、安全上、エックス線の遮蔽を完全に行う必要があるため、コストアップや設置場所の制約が生じる。
【０００３】
そこで、非接触で簡易に導電膜の膜厚を測定する方法として、特許文献１〜４に、渦電流センサ法が提示されている。
【０００４】
図６は、従来の渦電流センサ９１の構成を示す図である。これは、図６に示すように、基板９６上に形成した導電膜９７の近傍に、交流信号源９３と交流電流計９４とを接続したセンサコイル９２を配置する。センサコイル９２に交流信号を加えると、導電膜９７に渦電流が流れ、渦電流の影響でセンサコイル９２に流れる電流が変化することを利用して、導電膜９７の膜厚を測定する方法である。
【０００５】
図７は、交流信号源９３とセンサコイル９２と導電性膜９７との等価回路を示す。一次側は渦電流センサ９１を表し、二次側は導電性膜９７を表す。交流信号源９３により供給される交流電圧により、センサコイル９２に電流Ｉ１が流れる。導電性膜９７の近傍に配置されたセンサコイル９２に電流が流れることで、この磁束が導電性膜９７と鎖交する。このため、その間に相互インダクタンスＭ＝ｋ（Ｌ１・Ｌ２）１／２が形成され、導電性膜９７中に渦電流Ｉ２が流れる。交流信号源９３から見たインピーダンスＺ１は、図７に示す式で表される。
【０００６】
ここで、
Ｒ１：回路配線抵抗、
Ｒ２：導電性膜９７のシート抵抗Ｒｓに比例する等価抵抗、
Ｌ１：センサコイル９２を含む一次側の自己インダクタンス、
Ｌ２：導電性膜９７の等価自己インダクタンス、
ｋ：センサコイル９２と導電性膜９７との間の結合係数（０≦ｋ≦１）、
ω：交流信号源９３の角周波数
である。ここで、この式の右辺における実部の第２項は、導電性膜９７に流れる渦電流がシート抵抗により損失する量（以下、渦電流損失量と称する）を表している。
【０００７】
図８は、渦電流センサ９１のセンサコイル９２に流れる電流の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。図９は、センサコイル９２の渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。実際には、渦電流損失量は、図８に示すように、センサコイル９２に流れる電流Ｉ１の、導電性膜９７が有る場合とない場合との間の差分から得られる。渦電流損失量の導電性膜９７のシート抵抗Ｒｓに対する依存性は、図９のようになる。したがって、渦電流損失量が分かれば、導電性膜９７のシート抵抗Ｒｓが分かり、さらに、導電性膜９７に固有の比抵抗が分かっていれば、導電性膜９７の膜厚が分かる。
【０００８】
しかしながら、図９に示すように、シート抵抗Ｒｓが小さい場合、渦電流損失量は小さい（図９：点ａ）。シート抵抗Ｒｓが大きくなると、渦電流損失量が大きくなり最大点が現れる（図９：点ｂ）。さらに、シート抵抗Ｒｓが大きくなると、渦電流そのものが流れにくくなることにより、渦電流損失量は小さくなる（図９：点ｃ）。したがって、渦電流損失量は、シート抵抗Ｒｓに対して点ｂの変曲点を持っている。したがって、測定する導電性膜９７のシート抵抗Ｒｓの範囲は、変曲点（図９：点ｂ）を含まない範囲としなければならない。
【０００９】
検出対象の導電性膜９７は、たとえば半導体基板においては、スパッタリングにより形成されるが、大きく分けて、バリアメタル層とメタル配線層とに分けられる。バリアメタル層はＴｉ，  ＴｉＷ，  ＴｉＮ，  Ｔａ，  ＴａＮ，  Ｗなどからなる高抵抗層（シート抵抗：数Ω／□）から、メタル配線層はＡｉ，  ＡｌＳｉ，  ＡｌＣｕ，  Ｃｕからなる低抵抗層まである（シート抵抗：数十ｍΩ／□）。ここで、一種類のセンサコイルと周波数との組み合わせだけでは、この広いシート抵抗の範囲をカバーすることは難しい。
【００１０】
図１０は、従来の他の渦電流センサ９１ａの構成を示す図である。特許文献１〜４では、図１０に示すように、複数個の発振周波数を有する交流信号源９３ａを備え、導電性膜９７の種類に応じて、使用する発振周波数を選択可能とすることにより、広いシート抵抗範囲をカバーする方法を提案している。
【００１１】
図１１に、交流信号源９３ａの発振周波数を変化させたときの渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示す。図１１に示すように、交流信号源９３ａの発振周波数を上げることにより、変曲点のシート抵抗値は上昇する。このようにして、広いシート抵抗範囲をカバーすることができる。
【特許文献１】特開２００４−３０１８５７号公報（平成１６年１０月２８日公開）
【特許文献２】特開２００３−１０６８０５号公報（平成１５年４月９日公開）
【特許文献３】特開２０００−３１４７５４号公報（平成１２年１１月１４日公開）
【特許文献４】特開平１−２３９４０３号公報（平成１年９月２５日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記図１０に示す従来の構成では、センサコイル９２に印加する交流信号の発振周波数を高くするので、図１２に示すように、センサコイル９２の寄生容量の影響が大きくなり、その結果、膜厚の測定精度が悪くなるという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、導電性膜の膜厚を導電膜の種類に応じて精度良く測定することができる渦電流センサを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る渦電流センサは、上記課題を解決するために、導電性膜または基体に形成された導電性膜に対向して配置された第１センサコイル及び第２センサコイルと、前記導電性膜に渦電流を生じさせるための交流信号を前記第１及び前記第２センサコイルのいずれかに選択的に供給する信号源と、前記導電性膜に生じた渦電流に応じて前記第１及び前記第２センサコイルのいずれかに流れる電流値を検出する電流計とを備え、前記第１センサコイルの径と前記第２センサコイルの径とは、前記導電性膜の種類に応じて互いに異なっていることを特徴とする。
【００１５】
この特徴によれば、導電性膜の種類に応じて、異なる径のセンサコイルに交流信号を供給することができる。このため、導電性膜の種類に応じて、金属膜シート抵抗の変化に対する渦電流損失量の関係を変えることができ、交流信号の発振周波数を固定しながら、導電性膜の膜厚を精度良く測定することができる。
【００１６】
本発明に係る渦電流センサでは、前記第１センサコイル及び前記第２センサコイルは、前記導電性膜に直列に配置されていることが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、基体を移動させる機構が不要であり、構成が簡単になり、渦電流センサを小型化することができる。
【００１８】
本発明に係る渦電流センサでは、前記第１センサコイル及び前記第２センサコイルは、前記導電性膜に並列に配置されていることが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、第１センサコイル及び第２センサコイルを、基体の直下に配置して測定できるので、測定精度を向上させることができる。
【００２０】
本発明に係る渦電流センサでは、前記信号源によって供給される前記交流信号の周波数は、前記第１及び前記第２センサコイルの自己共振を防止する値に選択されることが好ましい。
【００２１】
上記構成によれば、センサコイル同士の共振による測定値の誤差を防止することができる。
【００２２】
本発明に係る渦電流センサでは、前記第１センサコイルの径及び前記第２センサコイルの径は、前記導電性膜のとり得るシート抵抗の値の範囲内において、渦電流損失が最大値をとらないように選択されることが好ましい。
【００２３】
上記構成によれば、渦電流損失からシート抵抗の値を一意的に特定でき、導電性膜の膜厚を正確に測定することができる。
【００２４】
本発明に係る渦電流センサでは、前記電流計によって検出された電流値に基づいて渦電流損失を計測し、前記渦電流損失に基づいて前記導電性膜の膜厚を算出する膜厚算出部をさらに備えることが好ましい。
【００２５】
上記構成によれば、導電性膜の膜厚を容易に算出することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る渦電流センサは、以上のように、第１センサコイルの径と第２センサコイルの径とが、導電性膜の種類に応じて互いに異なっているので、導電性膜の膜厚を精度良く測定することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の一実施形態について図１ないし図５に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る渦電流センサ１の構成を示す図である。渦電流センサ１は、センサコイル２ａを備えている。センサコイル２ａは、基板６の表面に形成された導電性膜７に対向して配置されている。センサコイル２ａのコイル径は、１０ｍｍである。渦電流センサ１には、センサコイル２ｂが設けられている。センサコイル２ｂは、センサコイル２ａの導電性膜７と反対側に配置されており、コイル径は、５０ｍｍである。センサコイル２ａ・２ｂは、中心軸を共通にして、導電性膜７に直列に配置されている。
【００２９】
渦電流センサ１は、交流信号源３を備えている。交流信号源３は、導電性膜７に渦電流を生じさせるための交流信号を、スイッチＳＷ１・ＳＷ２、またはスイッチＳＷ３・ＳＷ４を介して、センサコイル２ａ・２ｂのいずれかに選択的に供給する。渦電流センサ１には、交流電流計４が設けられている。交流電流計４は、導電性膜７に生じた渦電流に応じてセンサコイル２ａ・２ｂのいずれかに流れる電流値を検出する。
【００３０】
センサコイル２ａ・２ｂ同士の共振による誤差を防ぐため、交流信号源３の周波数は、自己共振が起きない値に設定されている。スイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４で選択したセンサコイル２ａまたはセンサコイル２ｂに、交流信号源３から交流信号を加えると、導電性膜７に渦電流が流れ、渦電流の影響でセンサコイル２ａまたは２ｂに流れる電流が変化する。
【００３１】
図２はセンサコイル２ａまたは２ｂに流れる電流の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。図３はセンサコイル２ａまたは２ｂの渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。図２に示すように、渦電流損失量は、センサコイルに流れる電流の、導電性膜７が有る場合を示す曲線Ｃ１と、導電性膜７がない場合を示す曲線Ｃ２との差分から得られる。渦電流損失量の、導電性膜７のシート抵抗Ｒｓに対する依存性は、図３に示すようになる。したがって、渦電流損失量が分かれば、導電性膜７のシート抵抗Ｒｓが分かり、さらに導電性膜７に固有の比抵抗が分かっていれば、導電性膜７の膜厚が分かる。
【００３２】
シート抵抗Ｒｓに基づいて、導電性膜７の膜厚ｔは、下記の式により導出される。
【００３３】
ｔ＝（σ／ＲＳ）×１００
ここで、
ｔ：膜厚［Å］、
Ｒｓ：シート抵抗［Ω／ｓｑ．］、
σ：比抵抗［μΩ・ｃｍ］
である。
【００３４】
センサコイル径を変化させて、交流信号源３の発振周波数をｆ＝４．０ＭＨｚに固定したときの導電性膜７のシート抵抗Ｒｓと、渦電流損失量との関係を調べた結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
図４は、センサコイルのコイル径を変化させた場合の渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフであり、表１に記載の導電性膜７のシート抵抗Ｒｓと渦電流損失量との関係をまとめた結果である。曲線Ｃ３は、センサコイル径１０ｍｍのときの渦電流損失量とシート抵抗Ｒｓとの関係を示している。曲線Ｃ４はセンサコイル径５０ｍｍのときの関係を示しており、曲線Ｃ５はセンサコイル径１６０ｍｍのときの関係を示している。
【００３７】
センサコイル径１０ｍｍφのときは、シート抵抗Ｒｓ＝４４〜７９ｍΩ／□のところに変曲点Ｐ１があるがセンサコイル径５０ｍｍ以上のときは、７９〜８３６ｍΩ／□のところに変曲点Ｐ２がある。したがって、センサコイル径が１０ｍｍφのときは、４４ｍΩ／□以下のシート抵抗の導電性膜、もしくは７９ｍΩ／□以上のシート抵抗を持つ導電性膜の測定に適している。また、センサコイル径５０ｍｍφ以上の場合は、７９ｍΩ／□以下、もしくは８３６ｍΩ／□以上のシート抵抗の導電性膜の測定に適している。
【００３８】
たとえば、ＬＳＩ製造工程において、スパッタリング法により形成したＡｌ膜やＡｕ膜は、ＬＳＩの金属配線層や、金バンプメッキの下地層として用いられ、概ね１２０００Å（１２００ｎｍ）以下の膜厚で使用されている。
【００３９】
Ａｌ膜（比抵抗２．８μΩ・ｃｍ）では、センサコイル径１０ｍｍφのときは、３５００Å（３５０ｎｍ）以下、もしくは６０００Å（６００ｎｍ）以上の導電性膜の測定に適している。また、センサコイル径５０ｍｍφ以上のときは、３５００Å（３５０ｎｍ）以上、または３００Å（３０ｎｍ）以下の導電性膜の測定に適している。また、たとえば、Ａｕ膜（比抵抗３．０μΩ・ｃｍ）では、センサコイル径１０ｍｍφのときは、３７５０Å（３７５ｎｍ）以下、もしくは７０００Å（７００ｎｍ）以上の導電性膜の測定に適しており、センサコイル径５０ｍｍφ以上のときは、３７５０Å（３７５ｎｍ）以上、または３５０Å（３５ｎｍ）以下の導電性膜の測定に適している。
【００４０】
Ａｌ膜では、センサコイル径１０ｍｍφとすると、膜厚３５００Å（３５０ｎｍ）以下になると、Ａｌ膜のシート抵抗が７９ｍΩ／□以上となり、図３における点ｂと点ｃとの間で過電流損失が発生し、また、膜厚６０００Å（６００ｎｍ）以上になると、Ａｌ膜のシート抵抗が４４ｍΩ／□以下となり、図３における点ｂと点ａとの間で過電流損失が発生し、また、センサコイル径５０ｍｍφ以上とすると、膜厚３００Å（３０ｎｍ）以下になると、Ａｌ膜のシート抵抗が８３６ｍΩ／□以上となり、図３における点ｂと点ｃとの間で過電流損失が発生し、また、膜厚３５００Å（３５０ｎｍ）以上になると、Ａｌ膜のシート抵抗が７９ｍΩ／□以下になって、図３における点ｂと点ａとの間で過電流損失が発生する。
【００４１】
また、センサコイル径を大きくすると、センサコイルと導電性膜との間の距離を大きくすることができる。なぜならば、センサコイルによって発生する磁界の大きさは、コイルの断面積に比例するからである。これにより、センサコイルと導電性膜との間の距離のずれによる渦電流損失の誤差を受けにくくすることができる。このことも考慮してコイル径の選択を行うことが望ましい。
【００４２】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る渦電流センサ１ａの構成を示す図である。実施の形態１で前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００４３】
実施の形態２では、センサコイル２ａ・２ｂは、導電性膜７に対して並列に並べて配置されている。交流信号源３は何れかのセンサコイル２ａ・２ｂに信号を供給できるようにスイッチＳＷ１・ＳＷ２・ＳＷ３・ＳＷ４で切り替え可能としている。このとき、センサコイル２ａ・２ｂ同士の共振による誤差を防ぐため、交流信号源３の周波数では、自己共振が起きないようにしなければならない。
【００４４】
図５に示すように、移動機構（図示せず）により基板６を移動させ、基板６直下のセンサコイル２ａ・２ｂのいずれかを選択し交流信号を供給する。センサコイルに交流信号を加えると、導電性膜７に渦電流が流れ、渦電流の影響でセンサコイルに流れる電流が変化する。
【００４５】
以上説明したように、実施の形態１及び２によれば、非接触で寄生容量の影響をおさえつつ高精度で幅広いシート抵抗範囲の導電性膜厚を測定することができる手段を提供することができる。これにより、ＬＳＩ金属配線層やメッキ下地層に用いられる１２０００Å（１２００ｎｍ）以下のＡｌ、Ａｕスパッタ薄膜を測定することができる。実施の形態１及び２の渦電流センサは、真空中やガラス越しでも設置可能であるため、スパッタリング、蒸着などの真空成膜装置のインラインモニターとして活用することができる。
【００４６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は渦電流センサに適用することができ、特に半導体ウエハ等の基板の表面に形成した導電性膜の膜厚等を検出するのに好適な渦電流センサに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施の形態１に係る渦電流センサの構成を示す図である。
【図２】上記渦電流センサのセンサコイルに流れる電流の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。
【図３】上記センサコイルの渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。
【図４】上記センサコイルのコイル径を変化させた場合の渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。
【図５】実施の形態２に係る渦電流センサの構成を示す図である。
【図６】従来の渦電流センサの構成を示す図である。
【図７】上記渦電流センサの等価回路を示す図である。
【図８】上記渦電流センサのセンサコイルに流れる電流の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。
【図９】上記センサコイルの渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示すグラフである。
【図１０】従来の他の渦電流センサの構成を示す図である。
【図１１】上記渦電流センサの交流信号源の発振周波数を変化させたときの、渦電流損失量の導電膜シート抵抗依存性を示す図である。
【図１２】交流信号源の発振周波数を高くしたときの、センサコイルに生じる寄生容量を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    渦電流センサ
２ａ  センサコイル（第１センサコイル）
２ｂ  センサコイル（第２センサコイル）
３    交流信号源（信号源）
４    交流電流計（電流計）
５    膜厚算出部
６    基板（基体）
７    導電性膜
【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】
2007333439.tif 000011
【図９】
2007333439.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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