(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体表層の測定部位の電気的特性を測定する電気的特性評価装置であって，
前記測定部位に近接して設けられる電気光学素子と，
所定の電磁波を出力する電磁波出力手段と，
前記測定部位近傍に前記電磁波を導く導波手段と，
前記電気光学素子に光を照射する光照射手段と，
前記電気光学素子に照射された光の反射光及び／又は透過光を検出する光検出手段と，
前記光検出手段の検出結果に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価する特性評価手段と，
を具備してなることを特徴とする電気的特性評価装置。
【請求項２】
前記光検出手段が，前記反射光及び／又は透過光の偏光度合いを検出する偏光度合い検出手段である請求項１に記載の電気的特性評価装置。
【請求項３】
前記導波手段が，前記測定部位に近接させたその先端部から前記電磁波を前記測定部位近傍に照射するものであり，
前記電気光学素子が前記導波手段の先端部に設けられてなる請求項１又は２のいずれかに記載の電気的特性評価装置。
【請求項４】
前記光照射手段が，前記電磁波の周期に同期したパルス光を照射するものである請求項１〜３のいずれかに記載の電気的特性評価装置。
【請求項５】
前記電気光学素子と前記測定部位との距離を変化させる位置変更手段を具備し，
前記特性評価手段が，前記距離の変化に応じた前記光検出手段の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものである請求項１〜４のいずれかに記載の電気的特性評価装置。
【請求項６】
前記特性評価手段が，前記位置変更手段により前記電気光学素子と前記測定部位との距離を周期的に変化させたときの前記光検出手段の検出結果における，前記距離の変化周期と同周期の成分に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものである請求項５に記載の電気的特性評価装置。
【請求項７】
前記電磁波の周波数を変化させる電磁波周波数変更手段を具備し，
前記特性評価手段が，前記電磁波の周波数変化に応じた前記光検出手段の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものである請求項１〜６のいずれかに記載の電気的特性評価装置。
【請求項８】
前記偏光度合い検出手段が，前記電気光学素子に照射された光の反射光及び／又は透過光を偏光板に通過させた後の光強度を検出するものである請求項２〜７のいずれかに記載の電気的特性評価装置。
【請求項９】
被検体表層の所定の測定部位の電気的特性を測定する電気的特性評価方法であって，
前記測定部位近傍に所定の導波手段を用いて電磁波を導くとともに前記測定部位に近接して設けられた電気光学素子に光を照射し，照射した光の反射光及び／又は透過光を検出し，その検出結果に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価してなることを特徴とする電気的特性評価方法。
【請求項１０】
前記電気光学素子に照射する光が，前記電磁波の周期に同期したパルス光である請求項９に記載の電気的特性評価方法。
【請求項１１】
前記電気光学素子と前記測定部位との距離を変化させ，該距離の変化に応じた前記反射光及び／又は透過光の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものである請求項９又は１０のいずれかに記載の電気的特性評価方法。
【請求項１２】
前記電磁波の周波数を変化させ，前記電磁波の周波数変化に応じた前記反射光及び／又は透過光の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものである請求項９又は１０のいずれかに記載の電気的特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
半導体ウェハ等の被検体の表層の構造や材質等によって定まる電気的特性を高い空間分解能でかつ非接触で評価する電気的特性評価装置及びその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，導電性膜がプリントされた半導体ウェハ等の被検体の表層の電気的特性を非接触で評価するものとして，特開平２００１−３４３２０５号公報（公報１）に，高周波電流をコイルに通電することにより被検体に渦電流を励起し，その渦電流損失を前記コイルで測定することによって被検体表層の電気的特性を評価する方法及び装置が示されている。これは，前記渦電流損失と，被検体表層の構造や材質，例えば，被検体表層にプリントされた導電性膜の膜の厚みや欠陥，ウェハの材質や導電性膜の材料純度によって定まる電気的特性（抵抗率等）とが一定の相関を有するため，予め基準となる被検体について測定した前記渦電流損失の基準値と測定値との比較によって，被検体表層の電気的特性を評価するものである。これにより，被検体表層の導電性膜の膜厚評価等，電気的特性の評価を非接触で行うことが可能である。
一方，特開２００１−３０５０３９号公報（公報２）には，マイクロ波を用いた走査型マイクロ波顕微鏡が示されている。これは，電磁波（マイクロ波）により励振されている同軸共振器の一端の開口部を被検体の表層に近接させると，前記同軸共振器の開口部から局所的に漏れた電磁波が，被検体の電気的特性により変化し，その開口部のインピーダンス（電気的カップリング状態）が変化する結果，前記同軸共振器の共振周波数やＱ値が変化するため，この共振周波数やＱ値の変化をコントラストとして画像化するものである。この公報２の技術によれば，被検体表層の凸凹に沿ってより高い空間分解能でその電気インピーダンスを測定することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記公報１の技術では，前記コイルを細線導体で形成するため，前記公報１にも示されるように前記コイルの大きさは数ｍｍ程度になり，それよりも高い空間分解能で被検体表層の電気的特性を評価することができないという問題点があった。
また，前記公報２の技術では，前記同軸共振器の開口部から局所的に漏れた電磁波の変化は極めて微小であるため，これを感度良く検出するためには，極めて高いＱ値（高い加工精度と低損失の部材）を持つ共振系が必要となる。このため，前記公報２の技術では，共振系の製造コストが高くなる上，定期的に厳格な校正を必要とする等，その取り扱いに多大な手間と注意を要するという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，被検体表層の電気的特性を低コストかつ高い空間分解能で評価でき，かつ取り扱いが容易な電気的特性評価装置及びその方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は，被検体表層の測定部位の電気的特性を測定する電気的特性評価装置であって，前記測定部位に近接して設けられる電気光学素子と，所定の電磁波を出力する電磁波出力手段と，前記測定部位近傍に前記電磁波を導く導波手段と，前記電気光学素子に光を照射する光照射手段と，前記電気光学素子に照射された光の反射光及び／又は透過光を検出する光検出手段と，前記光検出手段の検出結果に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価する特性評価手段と，を具備してなることを特徴とする電気的特性評価装置である。ここで，前記光検出手段としては，例えば，前記反射光及び／又は透過光の偏光度合いを検出する偏光度合い検出手段や，干渉計等により前記電気光学素子への照射光と前記反射光及び／又は透過光との位相差を検出する手段等が考えられる。これにより，測定部位の電気的特性（表層の導電膜の膜厚や材料等）に応じて，電磁波によって測定部位近傍に生じる電界の電界強度が変化するとともに，いわゆる電気光学効果により測定部位に近接した前記電気光学素子での反射光や透過光の特性，例えば，偏光度合いや位相等の特性が前記電界強度の変化に応じて変わるので，前記反射光や透過光を検出することによって測定部位の電気的特性を評価することが可能となる。さらに，測定部位の電気的特性を検出する検出端が電気光学素子（電気光学結晶）であるので，これを微細にすることにより，非常に高い空間分解能かつ高感度で被検体表層の電気的特性を評価できる。
【０００５】
また，前記導波手段が，前記測定部位に近接させたその先端部から前記電磁波を前記測定部位近傍に照射するもの（例えば，導波管やマイクロストリップ線路等）であり，前記電気光学素子が前記導波手段の先端部に設けらたものが考えられる。
【０００６】
また，前記光照射手段が，前記電磁波の周期に同期したパルス光を照射するものが考えられる。
これにより，前記光検出手段により検出される光は，前記電磁波が一定の出力となっているタイミングで前記電気光学素子に反射及び／又は透過した光となるので，前記電磁波の周期が短く（即ち，周波数が高い），前記光検出手段の検出速度（応答速度）がこれに十分追従できない場合であっても，前記測定部位近傍に生じる前記電界強度が前記電磁波と同周期で変化することの影響を無くして正しい前記電界強度を測定できる。
【０００７】
また，前記電気光学素子と前記測定部位との距離を変化させる位置変更手段を具備し，前記特性評価手段が，前記距離の変化に応じた前記光検出手段の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものも考えられる。
例えば，前記特性評価手段が，前記位置変更手段により前記電気光学素子と前記測定部位との距離を周期的に変化させたときの前記光検出手段の検出結果における，前記距離の変化周期と同周期の成分に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するもの等である。
これにより，前記電気光学素子と前記測定部位との絶対距離を高精度に位置決めしなくても，例えば，被検体についての前記光検出手段の検出結果（前記電界強度を表す指標）の時系列データと予め測定した基準となる被検体についての時系列データとに基づいて波形フィッティング等を行うことにより，被測定物の電気的特性を評価することが可能となる。
同様に，前記電磁波の周波数を変化させる電磁波周波数変更手段を具備し，前記特性評価手段が，前記電磁波の周波数変化に応じた前記光検出手段の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものであってもよい。
また，前記偏光度合い検出手段としては，前記電気光学素子に照射された光の反射光及び／又は透過光を偏光板に通過させた後の光強度を検出するものが考えられる。
【０００８】
また，前記電気的特性評価装置による評価方法を，電気的特性評価方法として捉えたものであってもよい。即ち，被検体表層の所定の測定部位の電気的特性を測定する電気的特性評価方法であって，前記測定部位近傍に所定の導波手段を用いて電磁波を導くとともに前記測定部位に近接して設けられた電気光学素子に光を照射し，照射した光の反射光及び／又は透過光を検出し，その検出結果に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価してなることを特徴とする電気的特性評価方法である。
さらに，前記電気光学素子に照射する光が，前記電磁波の周期に同期したパルス光であるものが考えられる。
また，前記電気光学素子と前記測定部位との距離を変化させ，該距離の変化に応じた前記反射光及び／又は透過光の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものや，前記電磁波の周波数を変化させ，前記電磁波の周波数変化に応じた前記反射光及び／又は透過光の検出結果の変化に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価するものであってもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る電気的特性評価装置Ｘの構成を表す図，図２は本発明の実施例に係る電気的特性評価装置において用いられる低周波数のマイクロ波を被測定試料表面に導くマイクロストリップ線路の平面図及び側面図である。
【００１０】
以下，図１を用いて本発明の実施の形態に係る電気的特性評価装置Ｘについて説明する。ここでは，被検体として，その表層に導電性膜がプリントされた半導体ウェハ６（以下，ウェハという）表層の電気的特性を評価する場合について説明する。
本電気的特性評価装置Ｘは，図１（ａ）に示すように，所定のマイクロ波（即ち，電磁波）を出力するマイクロ波発振器１と，出力されたマイクロ波を２分岐する分岐回路１ａと，分岐された１方のマイクロ波を整合する整合器２と，整合されたマイクロ波をウェハ６表層の測定部位に導く導波管３と，所定のパルス光を出力するパルスレーザ７と，分岐されたもう１方の前記マイクロ波を検出するマイクロ波検出器１６と，該マイクロ波検出器１６による検出信号を分周することにより前記マイクロ波の発振周期に同期した同期信号を出力する分周回路１１と，前記導波管３とウェハ６との距離（以下，近接距離という）を検出する変位センサ１２と，前記導波管３を上下に駆動することにより該導波管３の先端部とウェハ６の測定部位との距離を調節する上下駆動装置１３と，各種信号処理及び前記上下駆動装置１３の制御を行う信号処理／制御回路１７とを具備している。
【００１１】
前記導波管３の内径は１０ｍｍ×２３ｍｍ程度であり，該導波管３のウェハ６に近接する先端部には，図１（ｂ）に示すように幅０．１ｍｍ程度，長さ０．５ｍｍ程度のスリット４（開口部）が設けられている。該スリット４から前記マイクロ波が漏れてウェハ６表面の測定部位に局所的に照射される（導かれる）。また，前記スリット４には，０．１ｍｍ角程度のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）やＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）等の電気光学効果を有する電気光学結晶５（前記電気光学素子に相当）が設けられている。このように，誘電率の高い（例えば，比誘電率＞４０）前記電気光学結晶５が前記測定部位に近接するので，該測定部位に照射された前記マイクロ波により生じる電界が前記電気光学結晶５近傍に集中する。この電気光学結晶５近傍（即ち，前記測定部位の近傍）に生じる電界の電界強度が，前記測定部位の電気的特性及び前記近接距離によって変化することは周知である。従って，前記電界強度を測定すれば，ウェハ６表層の電気的特性を評価することが可能である。
【００１２】
本電気的特性評価装置Ｘでは，前記電界強度をコイル等により電気的に測定するのではなく，前記電気光学結晶５の電気光学効果を利用して測定する。電気光学結晶を用いて電界強度を測定する装置及び方法については，例えば，特開平５−２４０８８４号公報や，特開平５−２６７４０７号公報等に示されている。
本電気的特性評価装置Ｘにおいては，前記パルスレーザ７によるレーザ光が，波長板１４ａ，ビームスプリッタ１５，ミラー１８等により，前記導波管３に設けられた導光穴８を通って前記電気光学結晶５に照射されるよう導かれ，さらに，前記レーザ光が前記電気光学結晶５に反射した光と，前記電気光学結晶５を透過してウェハ６に反射した光とが，再度，前記導光穴８を通って前記ミラー１８，前記ビームスプリッタ１５，波長板１４ｂ，偏光板１０を経由して光検出器９により受光される。そして，前記光検出器１０により受光された光が光電変換され，その光の強度信号が前記信号処理／制御回路１７に入力される。
ここで，前記電気光学結晶５に反射及び透過した光は，電気光学効果により，元の前記レーザ光とは異なる偏光面を有する。その偏光度合い（偏光面の角度）は，前記電気光学結晶５近傍の電界強度に応じて変わる。従って，前記偏光板１０を通過後の光の強度は，前記偏光度合いに対応したものとなる。即ち，前記偏光板１０を通過後の光の強度が，前記電気光学結晶５近傍（即ち，前記測定部位近傍）の電界強度を表すことになる。
また，前記電気光学結晶５を，前述したように０．１ｍｍ角程度と微細なものとしているのは，導電性薄膜の厚みのバラツキ等によって生じる前記電界強度の変化は非常に微小であるので，この微小な変化を高感度で検出するためである。このように，前記測定部位の電界強度を検出するための検出端（前記電気光学結晶５）を微細にできるため，非常に高い空間分解能で被検体表層の電気的特性を評価できる。もちろん前記電気光学結晶５の大きさや形状は，評価対象となる電気的特性の変化レンジや被検体表層の形状等に応じて決定すればよい。
【００１３】
しかしながら，前記電界強度は，前記マイクロ波の発振周期と同周期で変動するので，例えば，前記マイクロ波の周波数が１０ＧＨｚである場合，前記電界強度は，０．１ｎｓの周期で変化することになる。一方，通常の前記光検出器９（光電変換器）の応答性は１ｎｓ程度であるため，前記レーザ光を連続照射しながらでは前記電界強度を正しく測定できない（値が０となる等）。そこで，前記分周回路１１によって生成された前記同期信号（前記マイクロ波の周期に同期した信号）を前記パルスレーザ７に入力することにより，前記マイクロ波の周期に同期したパルス光（例えば，パルス幅１ｐｓ以下）を前記電気光学結晶５に照射する。これにより，前記光検出器９により検出される光は，前記マイクロ波が一定の出力となっているタイミングで前記電気光学結晶５に反射及び透過した光となるので，前記電界強度が前記マイクロ波と同周期で変化することの影響を無くして正しい前記電界強度を測定できる。
【００１４】
以下に，前記電界強度（前記光検出器９で検出された光の強度により代用測定される前記電界強度）に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価する方法の例を示す。
その一つの例は，前記導波管３の先端部と前記測定部位との距離（近接距離）を固定して測定した前記電界強度に基づいて評価する方法である。この方法では，まず，予め，前記上下駆動装置１３により，前記近接距離を所定の距離（例えば，１００μｍ以下）に固定させた状態で，基準となる電気的特性を有するウェハ６（例えば，ウェハ６表層の導電性膜の厚み（既知）が異なる複数のウェハ等，以下，基準ウェハ６という）について前記電界強度を測定しておき，その測定値に基づいて前記電界強度と評価対象となる電気的特性（又はその評価値）との関係を表す評価テーブルや評価式等を求めて前記信号処理／制御回路１７に記憶させておく。その上で，前記近接距離を前記所定の距離と同じ距離に固定した状態で，被検体となるウェハ６について前記電界強度を測定し，その測定値を前記評価テーブル等に適用することにより被検体となるウェハ６の電気的特性を定量的に評価する。
【００１５】
別の例は，前記近接距離を周期的に変化させて測定した前記電界強度に基づいて評価する方法である。この方法では，予め，前記上下駆動装置１３により，前記近接距離を所定の周期で周期的に変化させながら，前記基準ウェハ６について前記電界強度の時系列データ（波形データ）を測定しておき，これを前記信号処理／制御回路１７に記憶させておく。その上で，前記近接距離を前記と同周期で周期的に変化させながら，被検体となるウェハ６について前記電界強度の時系列データを測定し，該時系列データと前記基準ウェハについての前記時系列データとに基づいて波形フィッティングを行うことによって被検体となるウェハ６の電気的特性を評価する。例えば，前記電界強度Ｅが，Ｅ＝ｃ・ＥＸＰ（−βｄ）（ｃ，βは被検体の電気的特性等に依存する定数，ｄは前記近接距離）で表される場合，前記近接距離ｄの絶対値が不明であっても，被検体となるウェハ６及び前記基準ウェハそれぞれの時系列データについて波形フィッティングを行い，被検体の電気的特性を表すｃ，βと前記基準ウェハについてのｃ，βとを比較することにより，被検体の電気的特性を評価できる。同様のことは，前記マイクロ波発振器１によりマイクロ波の出力周波数を変化させ，そのときのマイクロ波の周波数変化に応じた前記電界強度の変化（時系列データ）に基づいて前記測定部位の電気的特性を評価する場合にも適用できる。
【００１６】
【実施例】
前記電気的特性評価装置Ｘでは，マイクロ波をウェハ６の前記測定部位に導く導波手段として前記導波管３を用いるものであったが，これに限らず，例えば，マイクロ波ストリップ線路を用いるものであってもよい。
図２は，前記導波手段として用いられる前記マイクロ波ストリップ線路２０の平面及び側面を表す図である。図２に示すように，前記マイクロ波ストリップ線路２０は，１方の面の導電体である伝送路２１，もう１方の面の導電体である接地板２３，及びそれらの間に挟まれた誘電体（絶縁体）２２からなり，さらに，その先端部（ウェハ６の前記測定部位に近接する部分）に前記電気光学結晶５が設けられている。前記マイクロ波発振器１によるマイクロ波は，前記伝送路２１に出力される。これにより，マイクロ波は前記伝送路２１を伝って前記測定部位へ導かれる。また，前記マイクロ波ストリップライン２０の前記先端部には，前記電気光学結晶５に照射するレーザ光を通過させるための導光穴２４が設けられている。図４の平面図においては，便宜上，前記電気光学結晶５が透明であるように図示している（先端部において前記電気光学結晶５を貫通する穴が設けられているわけではない）。
【００１７】
前記測定部位に導くマイクロ波（電磁波）として数ＧＨｚ以上の周波数のものを用いる場合には，前記マイクロ波ストリップ線路２０のように誘電体を有する伝送路では誘電体損失が大きくなり，マイクロ波を効率的に伝送できないため，中空の前記導波管３を用いる必要がある。しかし，それより低い周波数（例えば，数１００ＭＨｚ以下）のマイクロ波を用いる場合は，前記導波手段として前記マイクロ波ストリップライン２０や同軸ケーブル等を用いることが可能となる。この場合，測定される前記電界強度の変化周期が長くなり（例えば，１０ｎｓ程度），前記光検出器９が応答可能な範囲となる。従って，低周波数のマイクロ波，及びその導波手段として前記マイクロ波ストリップライン２０等を用いれば，前記電気光学結晶５に照射する光（レーザ光）を，マイクロ波の周期に同期させたパルス光とする必要がなく，連続光を用いて前記電界強度を測定することが可能となる。このような実施例も本発明の範囲である。
【００１８】
また，前述した電気的特性評価装置Ｘは，前記電気光学結晶５に照射された光の反射光及び／又は透過光の偏光度合いを検出するものであったが，前記電気光学結晶５の電気光学効果によって前記反射光及び／又は透過光の位相も変化するので，前記電気光学結晶５への照射光とその反射光及び／又は透過光との位相差を検出するものであってもよい。これは，例えば，前記パルスレーザ７によるレーザ光を分岐させ，一方を前記電気光学結晶５へ照射してその反射光及び／又は透過光を測定光とし，もう一方を参照光として干渉縞画像を形成する干渉計を用い，前記干渉縞画像の画像データに所定のアンラップ処理を施すことによって前記位相差を求めればよい。このようにして求めた位相差データ，即ち，予め測定した基準となる被検体についての位相差データと，特性評価する被検体についての位相差データとに基づいて，被検体の測定部位の電気的特性を評価する方法は，前述した偏光度合いに基づいて評価する場合と同様である。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，測定部位の電界強度を検出するための検出端が電気光学結晶であるので，これを微細にすることにより，非常に高い空間分解能かつ高感度で被検体表層の電気的特性を評価できる。しかも，前記電気光学結晶や，マイクロ波及びレーザ光の出力装置等は，維持管理や取り扱いに特段の手間や注意を要するものでなく，高いＱ値を持つ共振系を用いる場合に比べて低コストであり，かつ取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電気的特性評価装置Ｘの構成を表す図。
【図２】本発明の実施例に係る電気的特性評価装置において用いられる低周波数のマイクロ波を被測定試料表面に導くマイクロストリップ線路の平面図及び側面図。
【符号の説明】
１…マイクロ波発振器
２…整合器
３…導波管
４…スリット
５…電気光学結晶
６…半導体ウェハ（被検体）
７…パルスレーザ
８…導光穴
９…光検出器
１０…偏光板
１１…分周回路
１２…変位センサ
１３…上下駆動装置
１４ａ，１４ｂ…波長板
１５…ビームスプリッタ
１６…マイクロ波検出器
１７…信号処理／制御回路
１８…ミラー
２０…マイクロ波ストリップ線路
２１…マイクロはの伝送路
２２…誘電体（絶縁体）
２３…接地板
２４…導光穴
【図１】
0003853248.tif 000002
【図２】
0003853248.tif 000003