JP6363382B2

JP6363382B2 - 膜厚測定装置及び方法

Info

Publication number: JP6363382B2
Application number: JP2014083214A
Authority: JP
Inventors: 勇貴佐々木; 朋哉野々村
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd; Joled Inc
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd; Joled Inc
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: US20150292866A1; JP2015203626A

Description

本発明は膜厚測定装置及び方法に関し、特にエリプソメトリ法を用いる膜厚測定に関する。

試料表面に形成された薄膜の厚さを測定する手法としてエリプソメトリ法（偏光解析法）が知られている。この方法では、試料表面で光が反射する場合、反射の前後にて、入射角、膜厚、複素屈折率などのパラメータに応じた偏光状態の変化が生じることを利用する。ここで、上記パラメータのうち、光の入射角は既知であるとして膜厚等が計算されるのが一般的である。

しかしながら、実際には試料表面は測定基準面と平行とは限らず、試料表面に傾きがあると実際の入射角は上記既知の入射角からずれる。そして、このずれは測定誤差に繋がる。この点、下記特許文献１には、エリプソメータとしての測定用光源部とは別に、補助光源部を備え、この補助光源部からの補助光による、例えば十字等のパターンの白色光を試料に照射するとともに、その反射光を撮影し、撮影された画像におけるパターンの位置から試料の傾きを計算することが開示されている。そして、このようにして得られた傾きから正確な入射角を得るとともに、取得された偏光状態に基づき試料表面上の膜に対する偏光解析を行うことで、膜の光学定数や厚さ等を取得することを可能としている。

特開２００８−２７５６３２号公報

しかしながら上記従来技術では、エリプソメータとしての測定用光源部とは別に、補助光源部を備えることが必要となるため、装置構成が複雑となってしまうという課題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、試料が撓むことにより試料表面に傾きが発生する場合であっても、比較的簡単な装置構成で、その試料表面の傾きを比較的簡単に測定でき、もって、正確な入射角を得るとともに、併せて取得した偏光状態に基づき試料表面上の膜に対する偏光解析を行うことで、膜の光学定数や厚さ等を取得することを可能とする膜厚測定装置及び方法を提供することにある。

本発明に係る膜厚測定装置は、偏光した測定光を試料に照射する投光部と、前記測定光の反射光を受光し、偏光状態を取得する受光部と、複数の測定位置において前記試料の表面の高さを測定する高さ測定手段と、前記各測定位置において測定される高さに基づいて前記試料の表面の傾きを計算する傾き計算手段と、計算される前記試料の表面の傾きと、前記反射光の偏光状態と、に基づいて、前記試料の表面の膜の厚さを計算する膜厚計算手段と、を含む。

また、本発明に係る膜厚測定方法は、偏光した測定光を試料に照射するステップと、前記測定光の反射光を受光し、偏光状態を取得するステップと、複数の測定位置において前記試料の表面の高さを測定するステップと、前記各測定位置において測定される高さに基づいて前記試料の表面の傾きを計算するステップと、計算される前記試料の傾きと、前記反射光の偏光状態と、に基づいて、前記試料の表面の膜の厚さを計算するステップと、を含む。

ここで、前記高さ測定手段は、所定の測定基準面に沿って移動可能に設けられてよい。また、前記傾き計算手段は、前記測定基準面に対する前記試料の表面の傾きを計算してよい。

また、前記受光部は、前記試料の表面の傾きに応じて進行方向が変化しうる反射光を集光する集光光学系を含んでよい。

さらに、前記高さ測定手段は、前記投光部及び前記受光部の間に設けられ、前記測定光の照射位置を撮影するカメラを含んでよく、前記カメラの焦点合わせの結果に基づき、前記試料の表面の高さを測定してよい。

本発明によれば、試料が撓むことにより試料表面に傾きが発生する場合であっても、比較的簡単な装置構成で、その試料表面の傾きを比較的簡単に測定でき、もって、正確な入射角を得るとともに、併せて取得した偏光状態に基づき試料表面上の膜に対する偏光解析を行うことで、膜の光学定数や厚さ等を取得することを可能とする膜厚測定装置及び方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成図である。試料の撓みによる入射角の変化の一例を示す図である。試料の平面図であり、試料における高さ測定位置の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置の動作フロー図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成図である。同図に示すように、膜厚計測装置１０は、互いに逆方向から試料４６に向くよう配置された投光エリプソヘッド１６及び受光エリプソヘッド１８を有している。試料４６は、水平に配置された試料ステージ４８上に載置されており、試料ステージ４８の上面が測定基準面５０となる。投光エリプソヘッド１６には、単一波長のレーザ光を出射する光源２２に接続された投光ファイバー３０の先端部が接続されており、該投光ファイバー３０の先端部から測定光が出射される。投光光ファーバー３０の前方には、レンズ３２及び偏光子３４が順に配置されており、測定光はレンズ３２で集光された後、偏光子３４で４５°に直線偏光され、測定基準面５０に対して入射角φ０で試料４６の表面に入射する。図２（ａ）に示すように、試料４６が完全に平らであれば、試料４６の表面にも入射角φ０で測定光が入射する。試料４６の表面には薄膜が形成されており、試料４６の表面で反射することにより測定光は楕円偏光となる。

試料４６の表面が完全に平らであれば、試料４６の表面にて測定光は、測定基準面５０に対して角度φ０の方向に反射する。受光エリプソヘッド１８は、その光軸が反射角φ０にて反射した測定光の経路と一致するよう設けられている。受光エリプソヘッド１８には、試料４６側から順に回転検光子３６、偏光解消板３８、レンズ４０、拡散板４２が設けられている。測定光は、順にこれらを通過し、受光ファイバー４４の先端部に入射する。

ここで、本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置においては、受光エリプソヘッド１８は、上述のようにその光軸が反射角φ０にて反射する測定光の経路と一致するよう設けられていると同時に、集光光学系であるレンズ４０を光経路上に配置しているので、図２（ｂ）に示すように、試料４６の表面に傾きがあって入射角及び反射角がφ０＋φ１にずれたとしても、測定光を受光ファイバー４４に導くことができる構成となっている。

このことにより、試料４６の表面に傾きがあっても、投光エリプソヘッド１６からの測定光の反射を、損失少なく受光エリプソヘッド１８に取り込むことが可能となっている。

測定光は受光ファイバー４４によりフォトマルチプライア―２４に導かれ、そこで測定光の光強度が検出される。測定光の光強度は、コンピュータにより構成されている制御部２６に入力されており、測定光の偏光状態を示すエリプソパラメータ（Ψ，Δ）が算出される。ここで、ΨはＰ偏光成分とＳ偏光成分の振幅比を示し、Δは位相差を示す。また、制御部２６は、エリプソパラメータ（Ψ，Δ）から、試料４６の表面に形成された膜の厚さを算出する。

本実施形態に係る膜厚測定装置１０では、投光エリプソヘッド１６と受光エリプソヘッド１８との間に顕微カメラ１４が設けられている。顕微カメラ１４は、測定基準面５０に対して垂直方向に設けられており、試料４６における測定光の入射位置を撮影するようになっている。撮影される画像は制御部２６に入力され、ディスプレイにより表示される。この画像によりユーザは試料４６における測定光の入射位置を確認することができる。

投光エリプソヘッド１６、受光エリプソヘッド１８及び顕微カメラ１４は、ブラケット２０により互いに固定されており、これらを一体化することにより、測定ユニット１２が構成されている。測定ユニット１２は、モータ等のアクチュエータを含んで構成された測定ユニット駆動部２８により３方向に並進移動し、試料４６及び試料ステージ４８に対して相対移動できるようになっている。すなわち、測定ユニット１２は測定基準面５０に対して垂直方向（ｚ方向）に移動できる。また、測定ユニット１２は、測定光の経路を測定基準面５０に射影して得られる線の方向（ｙ方向）にも移動できる。さらに、上記ｙ方向及びｚ方向に垂直なｘ方向にも移動できる。なお、ここでは測定ユニット駆動部２８が測定ユニット１２を移動させるものとするが、代わりに、試料ステージ４８を移動させてもよい。

制御部２６では、エリプソパラメータ（Ψ，Δ）及び膜厚を計算する前に、試料４６の表面の傾きを測定する。具体的には図３に示すように、膜厚測定位置である位置Ｐ２と、位置Ｐ２に対して投光エリプソヘッド１６側に離間した位置Ｐ１と、及び位置Ｐ２に対して受光エリプソヘッド１８側に離間した位置Ｐ３と、の３点において、顕微カメラ１４の焦点合わせを行う。顕微カメラ１４は固定焦点であり、計測ユニット駆動部２８により計測ユニット１２（つまり顕微カメラ１４）をｚ方向に移動させることにより、顕微カメラ１４の焦点合わせを行う。顕微カメラ１４で撮影される画像は制御部２６に入力されており、制御部２６は、入力される画像の明瞭度等の情報に基づき、顕微カメラ１４の焦点が試料４６の表面に合っているかどうかを判断する。そして、顕微カメラ１４の焦点が試料４６の表面に合うまで、測定ユニット駆動部２８により測定ユニット１２をｚ方向（上下方向）に移動させる。顕微カメラ１４の焦点が試料４６の表面に合うときの該顕微カメラ１４のｚ方向の位置は、試料４６の高さと等価である。そこで、制御部２６では、上述の３つの位置Ｐ１〜Ｐ３にて、試料４６の表面の高さを、ｙ方向の位置座標Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３とともに得るようにしている。

制御部２６は、高さ測定位置であるＰ１〜Ｐ３における試料４６の表面の高さ、各高さ測定位置のｙ座標Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３に基づいて、膜厚測定位置である位置Ｐ２における試料４６の表面の傾きを計算する。例えば、位置Ｐ１及びＰ２の傾き、位置Ｐ２とＰ３の傾きを計算し、その平均を採用してよい。なお、ここでは高さ測定位置を３点としたが、そのうち任意の２点であってもよい。こうして計算される試料４６の表面の傾きは、図２（ｂ）における角度φ１に換算され、膜厚の測定光の補正入射角φ０＋φ１が計算される。この補正入射角φ０＋φ１はエリプソパラメータ（Ψ，Δ）の計算に用いられる。

図４は、本発明の実施形態に係る膜厚測定装置１０の動作フロー図である。試料４６の表面の膜の厚さを測定する場合、まず制御部２６が所定の高さ測定位置に顕微カメラ１４（測定ユニット１２）を移動させて焦点合わせの動作を行う（Ｓ１０１）。高さ測定位置は、例えば図３に示すように膜厚測定位置Ｐ２と、そこからｙ方向にずれた１以上の位置Ｐ１又はＰ３を含む、少なくとも２つである。焦点合せを完了すると、顕微カメラ１４のｚ座標及びｙ座標をメモリに記憶する（Ｓ１０２）。そして、全ての高さ測定位置について顕微カメラ１４の焦点合わせの動作を行わせるまで（Ｓ１０３）、測定ユニット１２をｙ方向に移動させてから（Ｓ１０４）、Ｓ１０１及びＳ１０２の動作を繰り返す。

その後、制御部２６は測定ユニット１２を膜厚測定位置（図２における位置Ｐ２）に移動させ（Ｓ１０５）、偏光反射強度の測定を行う（Ｓ１０６）。さらに、Ｓ１０２で記憶されている各高さ測定位置におけるｚ座標及びｙ座標に基づき、膜厚測定位置における試料４６の表面の傾きを計算し、そこから補正入射角φ０＋φ１を計算する（Ｓ１０７）。そして、こうして得られる補正入射角φ０＋φ１を用いてエリプソパラメータ（Ψ，Δ）を計算する（Ｓ１０８）。さらに、こうして計算されるエリプソパラメータ（Ψ，Δ）を用いて膜厚値を計算する（Ｓ１０９）。膜厚値は、例えば図示しないディスプレイにより表示される。

以上説明した膜厚測定装置１０によれば、試料４６の表面の高さを複数の高さ計測位置で計測し、そこから試料４６の表面の傾きを計算するので、試料の撓みなどにより発生する試料４６の表面の傾きを測定できる。これにより、膜厚の測定精度を向上できる。また、試料４６の表面の高さを測定光のスポット観察用の顕微カメラ１４により計測するので、特別の構造を加えることなく、ソフトウェアの変更のみで、安価に膜厚測定装置１０を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、膜厚測定装置１０は単一波長エリプソメータとしてではなく、分光エリプソメータとして構成されてよい。また、試料４６の表面の膜の厚さの計算手法は、上記の手法に限らず、測定光の入射角をパラメータとするものであればどのような手法であってもよい。

また以上の例では、すべての膜厚測定位置に対して、顕微カメラによる焦点合わせの動作を行うことで、膜厚測定位置での高さ情報をあらかじめ得て、その後、測定ユニットを膜厚測定位置に移動させ、偏光反射強度の測定を行う、という手順を示したが、特にこれに限るものではなく、例えば、実際の偏光反射強度の測定においては、測定光の照射に際し、照射光が試料表面の照射位置に対しジャスト・フォーカスするよう、焦点顕微カメラを用いて焦点合わせにより高さ方向の位置合わせを行うのであるが、これを利用するという方法も挙げられる。

すなわち、事前にすべての膜厚測定位置に対する高さ情報を得るステップは行わず、偏光反射強度測定の際の焦点合わせの際に行う高さ方向の位置合わせの際の位置情報を、試料表面の傾きを計算するための試料の高さ方向の位置情報として利用する、という方法である。このような方法によれば、測定に関し、より簡素化が可能となり好ましい。

また、試料の表面の高さを測定する高さ測定手段の一例として顕微カメラを示したが、レーザ変位計などであっても良い。

１０膜厚測定装置、１２測定ユニット、１４顕微カメラ（高さ測定手段）、１６投光エリプソヘッド（投光部）、１８受光エリプソヘッド（受光部）、２０ブラケット、２２光源、２４フォトマルチプライア―、２６制御部（傾き計算手段，膜厚計算手段）、２８計測ユニット駆動部、３０投光ファイバー、３２，４０レンズ（集光光学系）、３４偏光子、３６回転検光子、３８偏光解消板、４２拡散板、４４受光ファイバー、４６試料、４８試料ステージ、５０測定基準面。

Claims

偏光した測定光を試料に照射する投光部と、
前記測定光の反射光を受光し、偏光状態を取得する受光部と、
固定焦点を有し、前記測定光の照射位置を撮影するカメラと、
複数の測定位置において前記試料の表面の高さを測定する高さ測定手段と、
前記各測定位置において測定される高さに基づいて前記試料の表面の傾きを計算する傾き計算手段と、
計算される前記試料の表面の傾きと、前記反射光の偏光状態と、に基づいて、前記試料の表面の膜の厚さを計算する膜厚計算手段と、
を含み、
前記高さ測定手段は、前記カメラまたは前記試料を上下方向に移動させ、前記カメラの焦点が前記試料の表面に合うときの前記カメラまたは前記試料の位置に基づき、前記試料の表面の高さを測定することを特徴とする膜厚測定装置。
請求項１に記載の膜厚測定装置において、
前記高さ測定手段は、所定の測定基準面に沿って移動可能に設けられ、
前記傾き計算手段は、前記測定基準面に対する前記試料の表面の傾きを計算する、
ことを特徴とする膜厚測定装置。
請求項１又は２に記載の膜厚測定装置において、
前記受光部は、前記試料の表面の傾きに応じて進行方向が変化しうる反射光を集光する集光光学系を含む、
ことを特徴とする膜厚測定装置。
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の膜厚測定装置において、
前記カメラ、前記投光部、及び前記受光部が一体となって計測ユニットを構成し、
前記高さ測定手段は、前記計測ユニットを上下方向に移動させ、前記カメラの焦点が前記試料の表面に合うときの前記カメラの位置に基づき、前記試料の表面の高さを測定することを特徴とする膜厚測定装置。
偏光した測定光を試料に照射するステップと、
前記測定光の反射光を受光し、偏光状態を取得するステップと、
固定焦点を有するカメラを用いて、前記測定光の照射位置を撮影するステップと、
複数の測定位置において前記試料の表面の高さを測定するステップと、
前記各測定位置において測定される高さに基づいて前記試料の表面の傾きを計算するステップと、
計算される前記試料の傾きと、前記反射光の偏光状態と、に基づいて、前記試料の表面の膜の厚さを計算するステップと、
を含み、
前記高さを測定するステップにおいて、前記カメラまたは前記試料を上下方向に移動させ、前記カメラの焦点が前記試料の表面に合うときの前記カメラまたは前記試料の位置に基づき、前記試料の表面の高さを測定することを特徴とする膜厚測定方法。