(57)【要約】【課題】線膨張率の小さい特殊な材料を用いず温度変化に対して測定誤差を小さくできる厚み測定機を提供する。【解決手段】ほぼ同じ構造体の上に測定光用光学系と参照光用光学系を重ねて設ける。測定光は被測定物の表面及び裏面で反射して検出部に入射する。参照光は被測定物の表面及び裏面の近傍に設けられたミラーで反射して検出部に入射する。検出部では、参照光と測定光を干渉させて被測定物の厚み変化を検出する。参照光と測定光の光路長はほぼ同じなので温度変化による影響を同じように受けるため、たとえ温度により光路長が変化しても被測定物の厚みの変化だけを検出できる。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を参照光と測定光とに分け、
前記測定光を被測定体の表面で反射させた後に前記被測定体の裏面で反射させるように導く測定光用光学系と、
前記参照光用光学系と、
前記参照光及び前記測定光とを互いに干渉させることで前記被測定体の厚みを測定する干渉光学系と、
を有する厚み測定機であって、
前記被測定体の表面近傍及び裏面近傍にそれぞれ配置された第１及び第２の反射手段を有し、前記参照光用光学系は、前記測定光用光学系と略同一の光路長となるように前記測定光用光学系と重複するように又はその近傍に配置され、前記参照光を前記第１の反射手段で反射させた後に前記第２の反射手段で反射させ、さらに前記干渉光学系に導くことを特徴とする厚み測定機。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記第１及び第２の反射手段は、それぞれ前記参照光を反射する第１及び第２の参照ミラーであることを特徴とする厚み測定機。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記測定光用光学系は、
前記測定光が入射する第１の測定光用１／４波長板と、
前記第１の測定光用１／４波長板を通過した測定光を前記被測定体の表面に導く第１の測定光用ミラーと、
前記被測定体の表面で反射した測定光が入射する第２の測定光用１／４波長板と、
前記第２の測定光用１／４波長板を通過した測定光を前記被測定体の裏面に導く第２の測定光用ミラーと、
前記被測定体の裏面で反射した測定光を前記干渉光学系に導く測定光用ビームスプリッタと、
を有し、前記参照光用光学系は、
前記第１の測定光用１／４波長板に対して鉛直方向近傍に配置され、前記参照光が入射する第１の参照光用１／４波長板と、
前記第１の測定光用ミラーに対して鉛直方向近傍に配置され、前記第１の参照光用１／４波長板を通過した参照光を前記第１の参照ミラーに導く第１の参照光用ミラーと、
前記第２の測定光用１／４波長板に対して延長方向近傍に配置され、前記第１の参照ミラーで反射した参照光が入射する第２の参照光用１／４波長板と、
前記第２の測定光用ミラーに対して鉛直方向近傍に配置され、前記第２の参照光用１／４波長板を通過した参照光を前記第２の参照ミラーに導く第２の参照光用ミラーと、
前記測定光用ビームスプリッタに対して鉛直方向近傍に配置され、前記第２の参照ミラーで反射した参照光を前記干渉光学系に導く参照光用ビームスプリッタと、
を有することを特徴とする厚み測定機。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記第１の測定光用ミラー及び前記第２の測定光用ミラーは、それぞれ入射した前記測定光を反射する２個のミラーから構成されることを特徴とする厚み測定機。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記参照光及び前記測定光は、それぞれ偏光方向の異なる光であり、
前記第１及び第２の反射手段は、それぞれ一方の偏光光を前記参照光として反射する第１及び第２のワイヤーグリッド偏光板であることを特徴とする厚み測定機。
【請求項６】
請求項５記載の装置において、
前記参照光用光学系と前記測定光用光学系は、
前記参照光及び前記測定光を前記第１のワイヤーグリッド偏光板に導く第１の共通ミラーと、
前記第１のワイヤーグリッド偏光板で反射した参照光、及び前記第１のワイヤーグリッド偏光板を通過し前記被測定体の表面で反射した測定光を前記第２のワイヤーグリッド偏光板に導く第２の共通ミラーと、
前記第２のワイヤーグリッド偏光板で反射した参照光、及び前記第２のワイヤーグリッド偏光板を通過し前記被測定体の裏面で反射した測定光を前記干渉光学系に導く共通ビームスプリッタと、
を有することを特徴とする厚み測定機。
【請求項７】
測定光を被測定体の表面で反射させた後に前記被測定体の裏面で反射させるように導く測定光用光学系と、
参照光用光学系と、
前記参照光及び前記測定光とを互いに干渉させることで前記被測定体の厚みを測定する干渉光学系と、
を有する厚み測定機であって、
前記被測定体の表面近傍及び裏面近傍にそれぞれ配置された第１及び第２の反射手段を有し、前記参照光用光学系は、前記測定光用光学系と略同一の光路長となるように前記測定光用光学系と重複するように又はその近傍に配置され、前記参照光を前記第１の反射手段で反射させた後に前記第２の反射手段で反射させ、さらに前記干渉光学系に導くものであり、
前記参照光及び前記測定光は、それぞれ偏光方向の異なる光であり、
前記第１及び第２の反射手段は、それぞれ一方の偏光光を前記参照光として反射する第１及び第２のワイヤーグリッド偏光板であることを特徴とする厚み測定機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は厚み測定機、特にシリコンウエーハ等の厚みむらを非接触で検出する測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３Ａ〜図３Ｃに、一般的な光学系を用いたレーザ干渉式厚み測定機を示す。図３Ａは平面図、図３Ｂは側面図、図３Ｃは図３ＢにおいてＡ方向から見た側面図である。直線偏光のレーザ光は、図３Ｂに示すように測定機の下方から入射し、１／２波長板１を通過して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２に入射する。１／２波長板１は、レーザ光を参照光と測定光に分割する比率、すなわちＰＢＳ２で直進する参照光とＰＢＳ２で反射する測定光とに分割する比率を調整するために配置される。ＰＢＳ２を通過した参照光は、１／２波長板１０を通過して受光素子（ＰＤ）１８等で構成される検出部に入射する。一方、ＰＢＳ２で反射した測定光は、１／４波長板３を通過した後、ミラー４，５で反射して図３Ａに示すようにウエーハ６の右側表面に入射する。ウエーハ６の右側表面で反射したレーザ光は、入射光路を戻ってＰＢＳ２に再び入射する。測定光は、１／４波長板３を計２回通過することでその偏光面は９０°回転し、ＰＢＳ２で反射せずに通過する。ＰＢＳ２を通過した測定光は、１／４波長板７を通過した後、ミラー８，９で反射し、ウエーハ６の左側表面に入射する。ウエーハ６の左側表面で反射したレーザ光は、入射光路を戻って再びＰＢＳ２に入射する。この測定光も、１／４波長板７を計２回通過しているのでその偏光面は９０°回転し、ＰＢＳ２で反射して１／２波長板１０を通過して参照光と同様に検出部に入射する。参照光と測定光が通過する１／２波長板１０は、検出部において最適な信号が得られるように参照光と測定光の比率を調整するものである。
【０００３】
１／２波長板１０を通過した参照光と測定光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）１１で等分に分割され、一方のレーザ光は直進して１／４波長板１２を通過してＰＢＳ１３に入射する。１／４波長板１２を通過させるのは、ＢＳ１１で反射したレーザ光に対して９０°位相のずれた信号を得るためである。ＰＢＳ１３に入射したレーザ光は等分されて干渉光となり、それぞれＰＤ１５，１６に入射して光強度信号として検出される。ＢＳ１１で等分された他方のレーザ光はＰＢＳ１４に入射する。入射したレーザ光は等分されて干渉光となり、それぞれＰＤ１７，１８に入射して光強度信号として検出される。ＰＤ１５〜１８で検出された４相正弦波信号は、図示しない後段のアンプで２相正弦波信号に変換される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０８４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、被測定体であるウエーハ６が静止しており、その厚みが変化しない場合には２相正弦波信号出力に変化は生じない。しかし、温度変化があるとウエーハ６が静止しているにもかかわらずその厚みが変化したかのように正弦波信号出力が変化する。その原因は、ウエーハ６の右側表面及び左側表面に入射する測定光の光路長が温度により伸縮するからである。干渉計を構成する光学部品は空間に配置されているわけではなく、必ず構造体に配置されている。その構造体が熱で伸縮すれば当然、測定光の光路長が変化する。光路長が変化すれば、あたかもウエーハ６の厚みが変化したように測定されてしまう。従来より、この影響を極力小さくするために線膨張率の小さい高価で特殊な材料を測定機に使用していたが、それでも完全に熱膨張の影響をなくすことはできず、計測時の温度管理を厳重に施す必要があった。
本発明の目的は、特殊な材料を使用することなく温度変化による測定誤差を低減し、使い勝手のよい高精度なレーザ干渉式厚み測定機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、レーザ光を参照光と測定光とに分け、前記測定光を被測定体の表面で反射させた後に前記被測定体の裏面で反射させるように導く測定光用光学系と、前記参照光用光学系と、前記参照光及び前記測定光とを互いに干渉させることで前記被測定体の厚みを測定する干渉光学系とを有する厚み測定機であって、前記被測定体の表面近傍及び裏面近傍にそれぞれ配置された第１及び第２の反射手段を有し、前記参照光用光学系は、前記測定光用光学系と略同一の光路長となるように前記測定光用光学系と重複するように又はその近傍に配置され、前記参照光を前記第１の反射手段で反射させた後に前記第２の反射手段で反射させ、さらに前記干渉光学系に導くことを特徴とする。
【０００７】
本発明において、参照光の光路を測定光の光路に沿って、測定光の光路と略同一光路長となるように配置する。これにより、温度変化により測定光の光路長が変化しても、参照光の光路長も同様に変化し、参照光と測定光とを干渉させることにより被測定体の厚みを測定する際に、温度変化による光路長の変動が補償される。したがって、温度変化によらず被測定体の厚みや厚みむらを高精度に測定できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、温度変化により光路長が変化してもその影響を補償できるので、光路長の変化を抑制するために線膨張率の小さい特殊な材料を使用する必要がない。また、特殊な材料を必要としないことから製造が容易であり、使い勝手に優れた測定機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１Ａ〜図１Ｄに、本実施形態にかかる厚み測定機の構成を示す。図１は、図３の測長光路を参照光の光路と測定光の光路に分離し、上下に２段重ねたような構成である。図１Ａは側面図、図１Ｂ、図１Ｃは各段の平面図、図１Ｄは図１ＡにおいてＡ方向から見た側面図である。直線偏光のレーザ光は、図１Ａに示すように測定機の下方から入射し、１／２波長板２１を通過してＰＢＳ２２に入射する。１／２波長板２１はＰＢＳ２２で直進する参照光と反射する測定光に分割する比率を調整するために配置される。ＰＢＳ２２を通過した参照光は、１／２波長板３０を通過して図１Ｂに示す参照光路の光学系に入射する。一方、ＰＢＳ２２で反射した測定光は、１／４波長板２３を通過した後、ミラー２４，２５で反射し、ウエーハ２６の右側表面に入射する。ウエーハ２６の右側表面で反射した測定光は、入射光路を戻って１／４波長板２３を通過し、ＰＢＳ２２に再び入射する。測定光は、１／４波長板２３を計２回通過しているためその偏光面は９０°回転しており、ＰＢＳ２２で反射せずに通過する。ＰＢＳ２２を通過した測定光は、１／４波長板２７を通過した後、ミラー２８，２９で反射し、ウエーハ２６の左側表面に入射する。ウエーハ２６の左側表面で反射した測定光は、入射光路を戻って１／４波長板２７を通過し、ＰＢＳ２２に入射する。ＰＢＳ２２に入射した測定光は１／４波長板２７によりその偏光面は９０°回転し、ＰＢＳ２２で反射する。ＰＢＳ２２で反射した測定光は、１／２波長板３０を通過して偏光面が９０°回転し、ＰＢＳ３１および１／２波長板４０を通過して検出部に入射する。図１Ｃに、測定光の光路を示す。
【００１１】
一方、ＰＢＳ２２を通過して図１Ｂに示す参照光路の光学系に入射した参照光は、ＰＢＳ２２の鉛直上方に近接配置されたＰＢＳ３１で反射する。反射した参照光は、１／４波長板２３の鉛直上方に近接配置された１／４波長板３２を通過した後、ミラー２４，２５の鉛直上方にそれぞれ近接配置されたミラー３３，３４で反射して、ウエーハ２６の表面近傍に固定された参照ミラー３５に入射する。参照ミラー３５で反射した参照光は、入射光路を戻ってＰＢＳ３１に再び入射する。参照光の偏光面は１／４波長板３２により９０°回転しているためＰＢＳ３１を通過する。通過した参照光は、１／４波長板２７の鉛直上方に近接配置された１／４波長板３６を通過した後、ミラー２８，２９の鉛直上方にそれぞれ近接配置されたミラー３７，３８で反射し、参照ミラー３５に対してウエーハ２６の反対側に固定された参照ミラー３９に入射する。参照ミラー３９で反射した参照光は、入射光路を戻ってＰＢＳ３１に入射する。戻った参照光は１／４波長板３６によりその偏光面が９０°回転しているためＰＢＳ３１で反射し、測定光と同様に１／２波長板４０を通過して検出部に入射する。参照光と測定光の通過する１／２波長板４０は、検出部が最適な検出信号が得られるように参照光と測定光の比率を調整する。通過した参照光と測定光は、ＢＳ４１で等分に分割され、一方のレーザ光は直進して１／４波長板４２を通過してＰＢＳ４３に入射する。１／４波長板４２を通過させるのは、ＢＳ４１で反射するレーザ光に対して９０°位相のずれた信号を得るためである。ＰＢＳ４３に入射したレーザ光は等分に分割されて干渉光となり、それぞれＰＤ４５，４６に入射して光強度信号として検出される。他方のレーザ光は反射してＰＢＳ４４に入射する。入射したレーザ光は等分に分割されて干渉光となり、それぞれＰＤ４７，４８に入射し、光強度信号として検出される。ＰＤ４５〜４８で検出された４相正弦波信号は図示しない後段のアンプで２相正弦波信号に変換される。  図１Ｂの参照光の光学系及び図１Ｃの測定光の光学系において、ＰＢＳ２２，３１、１／４波長板２３，３２、１／４波長板２７，３６、ミラー２４，３３、ミラー２５，３４、ミラー２８，３７、ミラー２９，３８は、鉛直方向に略同一位置に配置され、参照光の光路と測定光の光路は略同一に設定される。
【００１２】
本実施形態における測定原理は、図３Ａ〜図３Ｃに示すレーザ干渉式厚み測定機と同様であるが、本実施形態では同じ構造体の上にほぼ同じ長さの参照光の光路と測定光の光路が設けられている。測定光はウエーハ２６の厚みの変化を検出しているが、参照光はウエーハ２６の近傍にウエーハ２６を挟むように設けられた一対の参照ミラー３５，３９間の温度変化による光路長の変化を検出する。測定光は純粋にウエーハ２６の厚みの変化を検出するのではなく、参照光と同様に光路長の温度変化による変化が加算されている。本実施形態において参照光と測定光の光路長はほぼ同じなので影響の受け方も同じである。参照光と測定光の干渉信号の変化は光路長の差で生じるので、同じ方向の光路長の変化に対しては干渉信号の変化は生じない。したがって、温度により光路長が変化してもウエーハ２６の厚みの変化だけを検出できることになる。
【００１３】
図２に、他の実施形態の構成を示す。図１と比較して損失の大きい光学系であるが、参照光と測定光を同一光路に伝播させることが可能な構成である。直線偏光のレーザ光は１／２波長板１０１に入射し、参照光と測定光の光量が調整されてＢＳ１０２に入射する。入射するレーザ光は１／２波長板１０１からワイヤーグリッド偏光板１０５に至るまでその偏光面がある傾きをもって伝播する。レーザ光はＢＳ１０２で左に反射するレーザ光（参照光と測定光）と直進するレーザ光に分光される。ＢＳ１０２で反射したレーザ光はミラー１０３，１０４で反射し、ワイヤーグリッド偏光板１０５に入射してＳ偏光（参照光）およびＰ偏光（測定光）に分離される。すなわち、ワイヤーグリッド偏光板１０５はＳ偏光を反射しＰ偏光を通過させる。ワイヤーグリッド偏光板１０５はウエーハ１０６の表面に設けられる。Ｓ偏光は反射し、入射光路を戻ってＢＳ１０２に再び入射する。Ｐ偏光はワイヤーグリッド偏光板１０５を通過してウエーハ１０６に表面に入射する。レーザ光はウエーハ１０６の表面で反射し、ワイヤーグリッド偏光板１０５を再び通過して入射光路を戻りＢＳ１０２に再び入射する。ＢＳ１０２に再び入射したＰ偏光、Ｓ偏光はともにＢＳ１０２を通過してＢＳ１０７に入射する。このとき、参照光及び測定光の一部はＢＳ１０２，１０７で反射するため損失となる。ＢＳ１０７を通過した参照光及び測定光はミラー１０８，１０９で反射し、ウエーハ１０６の裏面に設けられたワイヤーグリッド偏光板１１０に入射する。Ｓ偏光の参照光はワイヤーグリッド偏光板１１０の表面で反射し、入射光路を戻ってＢＳ１０７に再び入射する。一方、Ｐ偏光の測定光はワイヤーグリッド偏光板１１０を通過してウエーハ１０６の裏面に入射する。ウエーハ１０６の裏面で反射した測定光は入射光路を戻ってＢＳ１０７に再び入射する。ＢＳ１０７に入射した参照光及び測定光は１／２波長板１１１を通過して検出部に入射する。参照光と測定光を１／２波長板１１１に入射して通過させるのは、検出部が最適な信号が得られるようにその強度の比率を調整するためである。通過した参照光と測定光はＢＳ１１２に入射し、等分に分割される。直進光は１／４波長板１１３を通過してＰＢＳ１１４に入射する。１／４波長板１１３を通過させるのは、ＢＳ１１２で反射するレーザ光に対して９０°位相のずれた信号を得るためである。ＰＢＳ１１４に入射したレーザ光は等分に分割されて干渉光となり、それぞれＰＤ１１６，１１７に入射する。他方、ＢＳ１１２で反射したレーザ光はＰＢＳ１１５に入射し、等分に分割されて干渉光となり、それぞれＰＤ１１８，１１９に入射する。ＰＤ１１６〜１１９で干渉光の強度が検出され、４相の正弦波信号が得られる。得られた４相信号はアンプで２相の９０°位相差の正弦波信号に変換される。
【００１４】
この実施形態においては、一部を除き参照光と測定光は同一光路を共有することから、温度変化等により光学系の光路長が変化しても参照光と測定光の光路が同じ変化を受けるので光路長差が生ぜず、温度の影響を受けることがない。
【００１５】
本実施形態では、被測定体として半導体ウエーハを例にとり説明したが、これに限らず任意の薄板体の厚み、あるいは厚みむらの測定に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】実施形態の側面図である。
【図１Ｂ】実施形態の平面図であってＢ方向から見た参照光の光学系を示す図である。
【図１Ｃ】実施形態の平面図であってＣ方向から見た測定光の光学系を示す図である。
【図１Ｄ】実施形態のＡ方向から見た側面図である。
【図２】他の実施形態の構成図である。
【図３Ａ】従来装置の平面図である。
【図３Ｂ】従来装置の側面図である。
【図３Ｃ】従来装置のＡ方向から見た側面図である。
【符号の説明】
【００１７】
２１，３０，４０  １／２波長板、２２，３１，４３，４４  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、２３，２７，３２，３６，４２  １／４波長板、２４，２５，２８，２９，３３，３４，３７，３８  ミラー、３５，３９  参照ミラー、２６  ウエーハ、３１  ビームスプリッタ（ＢＳ）、４５，４６，４７，４８  受光素子（ＰＤ）。
【図１Ａ】
2007017178.tif 000003
【図１Ｂ】
2007017178.tif 000004
【図１Ｃ】
2007017178.tif 000005
【図１Ｄ】
2007017178.tif 000006
【図２】
2007017178.tif 000007
【図３Ａ】
2007017178.tif 000008
【図３Ｂ】
2007017178.tif 000009
【図３Ｃ】
2007017178.tif 000010