专利名称：膜厚测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜厚測量装置，特别是涉及对在基板上至少形成一层膜的被測量物的膜厚进行测量的结构。
背景技术：
近年来，为了实现 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor :互补金属氧化物半导体)电路等的低功耗化、高速化，关注了称为SOI (Silicon on Insulator :绝缘体上硅)的基板结构。该S 01基板在两个Si (硅)基板之间配置了 SiO2等的绝缘层(BOX层)，能够降低在形成于ー个Si层的PN结与另ー个Si层(基板)之间产生的寄生ニ极管、杂散电容等。作为这种SOI基板的制造方法，已知如下方法在硅晶片的表面形成氧化膜的基础上，以夹着该氧化膜的方式粘贴其它硅晶片，而且对形成电路元件侧的硅晶片进行研磨而设为规定的厚度。为了这样通过研磨エ序控制硅晶片的厚度而需要连续地监视膜厚。作为这种研磨エ序中的膜厚的測量装置以及测量方法，日本特开2009-270939号公报(专利文献I)、日本特开平05-306910号公报(专利文献2)以及日本特开平05-308096号公报(专利文献3)公开了使用傅立叶变换红外分光光度计(FTIR :Fourier Transform infraredSpectrometer)的测量装置以及测量方法。另外，日本特开2003-114107号公报(专利文献4)公开了作为测量光而使用红外光的光干渉式的膜厚測量装置。而且，日本特开2005-19920号公报(专利文献5)公开了使用由分散型多通道分光器測量出的反射光谱的方法。另外，日本特开2002-228420号公报(专利文献6)公开了向硅薄膜的表面照射具有0. 9μηι以上的波长的红外线，并根据娃薄膜的表面的反射光和薄膜的背面的反射光的干渉结果测量薄膜的膜厚的方法。而且，日本特开平10-125634号公报(专利文献7)公开了使来自红外线光源的红外线透过研磨体而照射在研磨对象物上，并通过检测其反射光来測量膜厚的方法。然而，日本特开2009-270939号公报(专利文献I)所公开的测量装置限制了能够测量的光的波长，因此无法測量膜厚大的被測量物。另外，专利文献I的光学结构利用了在入射进聚光透镜的反射光与通过聚光透镜的发射侧端面反射的反射光之间由光路差引起光的干渉，因此与被測量物的距离(工作距离)、焦点深度受到限制。在日本特开平05-306910号公报(专利文献2)以及日本特开平05-308096号公报(专利文献3)所公开的测量方法中，只能測量相对于预先成为基准的样品的膜厚的相对值，无法測量膜厚的绝对值。另外，在日本特开2003-114107号公报(专利文献4)所公开的测量装置中，对分析方法以及测量数据要求高的精度、并且设为对象的被測量物是液晶显示装置用的滤色CN 102914268 A
书
明
说
2/21 页器。而且，在日本特开2005-19920号公报(专利文献5)所公开的测量方法中，例如将折射率假定为不依赖于波长的固定值，而进行自回归模型的周期推定，但是实际的折射率具有波长依赖性，无法排除因这种波长依赖性导致的误差。
另外，在日本特开2002-228420号公报(专利文献6)所公开的测量方法中，需要在测量对象的样品形成贯通部，无法非破坏性地连续测量膜厚。
发明内容
发明要解决的问题本发明的目的在于提供ー种能够不依赖于与被测量物的距离而高精度地测量被測量物膜厚的膜厚測量装置。用于解决问题的方案根据本发明的ー个方面，膜厚測量装置具备光源、至少ー个第一光路、分光測量部、至少ー个第二光路、以及数据处理部。光源向在基板上至少形成一层膜而得到的被測量物照射具有规定的波长范围的測量光。至少ー个第一光路将从光源照射的測量光引导到被測量物。第一聚光透镜将从第一光路发射的測量光汇聚到被測量物。第二聚光透镜将由被測量物反射的光或者透过被测量物的光聚光到第二光路的端部。至少ー个第二光路将由被測量物反射的光或者透过被测量物的光引导到分光測量部。分光測量部根据由第一聚光透镜汇聚的測量光中的由被測量物反射的光或者透过被测量物的光，来获取反射率或者透射率的波长分布特性。数据处理部通过分析由分光測量部获取的波长分布特性来求出被測量物的膜厚。发明的效果根据本发明所涉及的膜厚測量装置，能够不依赖于与被測量物的距离而以更高的精度測量被測量物的膜厚。下面通过与參照附图来理解的本发明所涉及的详细内容，清楚地说明本发明的上述以及其它目的、特征、方面以及优点。
图I是本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置的概要结构图。图2A、图2B是说明本发明的实施方式I所涉及的聚光光学探头与被測量物的距离的概要图。图3A 图3C是用于说明本发明的实施方式I所涉及的聚光光学探头的原理的概要图。图4是将本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置设为测量对象的被測量物OBJ的截面示意图的ー个例子。图5A 图5C是表示在使用本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置来測量SOI基板的情况下的測量结果的图。图6A、图6B是表示使用本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置来測量SOI基板的其它测量结果的图。
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图7A、图7B是表示使用本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置来測量SOI基板的另外其它测量结果的图。图8A 图SC是用于说明本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量范围与检测部的检测波长范围以及检测点数的关系的图。
图9是表示关于S OI基板的反射率光谱的测量结果的图。图10是表示本发明的实施方式I所涉及的数据处理部的概要的硬件结构的示意图。图11是表示执行本发明的实施方式I的处理模式所涉及的膜厚计算处理的控制结构的框图。图12是表示本发明的实施方式I的处理模式所涉及的膜厚计算处理的过程的流程图。图13A 图13D是表示通过本发明的实施方式I的膜厚測量装置获得的功率谱的一个例子的曲线。图14是表示通过本发明的实施方式I的膜厚測量装置获得的測量结果的ー个例子的表格。图15是用于说明在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中变更聚光光学探头的焦点位置的概要图。图16A、图16B是表示在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中变更焦点位置的情况下的測量结果的一个例子的图。图17是用于说明在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中被測量物的倾斜的概要图。图18A、图18B是表示在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中改变被測量物的倾斜的情况下的測量结果的一个例子的图。图19是表示在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中隔着聚氨酯对被测量物进行测量的一个例子的概要图。图20A 图20D是表示通过本发明的实施方式I的膜厚測量装置隔着聚氨酯进行測量而获得的功率谱的ー个例子的曲线。图21是表示通过本发明的实施方式I的膜厚測量装置隔着水膜以及聚氨酯进行測量而获得的測量结果的一个例子的表格。图22是表示在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中隔着玻璃对被测量物进行测量的一个例子的概要图。图23A、图23B是表示在本发明的实施方式I的膜厚測量装置中由ASE光源以及SLD光源进行测量而获得的功率谱的ー个例子的曲线。图24A、图24B是用于说明本发明的实施方式2的聚光光学探头的结构的概要图。图25是用于说明本发明的实施方式3的聚光光学探头的结构的概要图。附图标记说明10 :測量用光源;20、20a、20b :光纤；30 :聚光光学探头;31、31a 31d :聚光透镜；32 :调整机构；40 :分光测量部；41 :衍射光栅；42 :检测部；43 :截止滤光片；44 :快门；50 数据处理部；71 :缓冲器部；100 :膜厚測量装置；191 :水膜；192 :聚氨酯；193 :玻璃；194 塑料；202 :总线；204 :显示器部；208 :输入部；210 :硬盘部；212 :存储器部；214 :R0M驱动器；216a :软盘；721 :建模部；722 :拟合部。
具体实施例方式针对本发明的实施方式參照附图详细地进行说明。此外，对于图中的相同或者相当部分附加相同标记而不重复其说明。(实施方式I)<装置结构>图I是本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置100的概要结构图。本实施方式I所涉及的膜厚測量装置100代表性地能够测量单层或者层叠结构的被測量物(样品)中的各层的膜厚。特别是，本实施方式I所涉及的膜厚測量装置100适于对包含膜厚较大的层(代表性地为2μπΓ2500μπι)的被測量物进行膜厚測量。具体地说，膜厚測量装置100是分光式的測量装置，能够向被測量物照射光井根据由该被測量物反射的反射光的波长分布特性(以下也称为“光谱”)测量构成被測量物的各层的膜厚。此外，不限于膜厚測量，也能够进行各层中的(绝对和相対)反射率的測量、层结构的分析。此外，也可以代替反射光的光谱而使用透过被测量物的光的光谱(透射光的光谱)。在本说明书中，作为被测量物例示出将在基板单体或者基板上至少形成ー层膜的被測量物设为对象的情況。作为被测量物的具体的ー个例子是Si基板、玻璃基板、蓝宝石基板等的具有相对较大厚度的基板单体、如SOI (Silicon on Insulator :绝缘体上硅)基板那样的层叠结构的基板等。特别是，本实施方式I所涉及的膜厚測量装置100适于对切削或者研磨后的Si基板的膜厚、SOI基板的Si层(活性层)的膜厚、化学机械研磨(CMP :Chemical Mechanical Polishing)エ序中的Si基板的膜厚等进行测量。另外，适于对薄膜制造エ序中的PET (Polyethylene terephthalate :聚对苯ニ甲酸こニ醇酯)、TAC(Triacetylcellulose :三醋酸纤维素)的膜厚以及基材厚度等进行测量。特别是，本实施方式I所涉及的膜厚測量装置100针对用于对被測量物的光学特性进行测量的測量光以及由被測量物反射的光而使用Y型单模光纤和聚光光学探头，同时实现提高光学特性的測量精度和易于对于被測量物的对焦。參照图1，膜厚測量装置100具备測量用光源10、光纤20、聚光光学探头30、分光測量部40、以及数据处理部50。測量用光源10是生成用于对被測量物的光学特性进行测量的測量光的光源，其由ASE(Amplified Spontaneous Emission :放大自发福射)光源构成。此外，在测量特定的厚度的膜厚的情况下，测量用光源10也可以是SLD (super luminescent diode :超福射发光二极管)光源。并且，測量用光源10所产生的測量光包含针对被測量物的光学特性的测量范围(1540nnTl610nm)的波长。特别是，在本实施方式I所涉及的膜厚測量装置100中考虑卤素光源，但是因为使用Y型单模光纤的光纤20，因此需要更强カ的光量的光源。还能够利用日本特开2009-270939号公报(专利文献I)公开的用于光学式变位计的SLD光源，但是在本測量方法(分光干渉方式)中确认了具有SLD光源的相干(可干渉)性在与光纤的弯曲或者分光測量部40的连接部分等处，除了原来应该测量的分光干渉以外的疑似干
6涉的情况多，因此不适合普通膜厚(除了測量特定的膜厚的情况以外)測量。光纤20是将两根单模光纤以在被测量物侧的光轴方向相互平行的方式而形成的Y型光纤(Y型单模光纤)。用于光纤20的单模光纤是芯径9μπκ有效波长范围1460nnTl620nm(光通信用CL带)、传输损耗=0. 5dB/km以下(在波长1550nm)。因此,光纤20与膜厚測量装置100的分光測量部40的波长范围一致，而且也与所使用的測量用光 源10的波长范围一致。此外，光纤20不限于单模光纤，也可以是多模光纤。另外，也可以准备两束多个单模光纤的束来形成Y型光纤。在来自光纤20的光直接照射在被测量物的情况下，如果缩短从光纤20的端部至被測量物的距离WD (工作距离)(约IOmm以下)则能够測量膜厚。但是，从光纤20的9 μ m的芯径发射的光通过光纤20的开口角度进行扩散而照射在被測量物。因此，当9μπι的芯径的光纤20接收由被測量物反射的光时，能够接收的光量非常少，S/N比变差，因此分光测量部40的測量精度下降。另外，在将光纤20用作感光部的情况下，当考虑被測量物的表面的粗糙度、被測量物的结晶状态等时，照射在被測量物的光的斑点尽量小为宜。聚光光学探头30是为了解决上述问题而使用，在被測量物的表面与光纤20的端部之间设置有聚光透镜31。聚光透镜31使从光纤20的端部发射的光聚光到被測量物的表面而缩小光的斑点。此外，为了测量被測量物的膜厚，聚光光学探头30是不利用在入射进聚光透镜31的被測量物的反射光与通过聚光透镜31的发射侧端面而反射的反射光之间由于光路差导致的光的干渉的结构。因此，能够通过调整光纤20的端部与聚光透镜31的距离WD2来变更聚光光学探头30与被測量物的距离WDl。图2Α、图2Β是说明本发明的实施方式I所涉及的聚光光学探头30与被測量物的距离的概要图。图2Α是在聚光光学探头30与被测量物的距离WDl为IOmm的情况下的概要图，图2Β是在聚光光学探头30与被测量物的距离WDl为150mm的情况下的概要图。因此，膜厚測量装置100具备聚光光学探头30，因而不依赖于聚光光学探头30与被測量物的距离WDl就能够以更高精度測量被測量物的膜厚。此外，图2A、图2B所示的聚光光学探头30与被测量物的距离WDl是例示，并不限于10mnTl50mm。另外，图3A 图3C是用于说明本发明的实施方式I所涉及的聚光光学探头30的原理的概要图。图3A图示了不设置聚光光学探头30而从光纤20将测量光直接照射在被測量物的情況。如从图3A可知，从光纤20发射的光通过光纤20的开口角度进行扩散并由被測量物反射而进ー步扩散。因此，在图3A的情况下，由被測量物反射的光的范围301中，能够由光纤20接收的光的范围302变小。图3B图示了设置聚光光学探头30来从光纤20将测量光进行聚光井照射在被测量物的情況。如从图3B可知，能够通过聚光透镜31来抑制从光纤20发射的光扩散。因此，在图3B的情况下，照射在被测量物的光的范围303中，能够由光纤20接收的光的范围304变大。由此，膜厚測量装置100具备聚光光学探头30，由此能够高效地接收由被測量物反射的光，因此S/N比得到改善，因此分光測量部40的測量精度变高。即使能够由光纤20接收的光的范围304相对于照射在被测量物的光的范围303有一定程度一致，由于光纤20的芯径小到9 μ m,聚光光学探头30也需要调整聚光透镜31的位置的调整机构32(图I)。调整机构32首先在Z轴方向确定焦点使得由被測量物反射的光通过光纤20入射、接着在XY轴方向确定聚光透镜31的位置。
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图3C图示了由调整机构32进行调整的聚光透镜31的位置。如图3C所示，调整机构32在Z轴方向(聚光透镜31a)、XY轴方向(聚光透镜31b)调整聚光透镜31使得能够由光纤20接收的光的范围304相对于照射在被測量物的光的范围303 —致。由此，膜厚測量装置100通过具备聚光光学探头30能够高效地接收由被測量物反射的光。此外，如果能够由聚光光学探头30进行调整使得在被測量物的表面成为完全焦点位置，则能够实现被測量物的理想的膜厚測量，但是也有时由于被測量物的表面的粗糙度、被測量物的结晶状态等而不会成为完全焦点位置。但是，如果入射的光的斑点相对于从聚光光学探头30射出的光的斑点有一定程度一致，则9 μ m的芯径的光纤20起到针孔的作用，膜厚測量装置100能够实现对被测量物进行膜厚測量。分光測量部40測量通过了光纤20的9 μ m的芯径的测量反射光的光谱并将其测量结果向数据处理部50进行输出。更详细地说，分光測量部40包含衍射光栅(光栅)41、检测部42、截止滤光片43、以及快门44。截止滤光片43、快门44、以及衍射光栅41配置在光轴AX I上。截止滤光片43是用于限制在通过针孔而入射到分光測量部40的測量反射光中包含的測量范围外的波长成分的滤光片，特别是阻断測量范围外的波长成分。快门44用于当复位检测部42时等阻断入射进检测部42的光。代表性地，快门44由通过电磁力驱动的机械式的快门构成。衍射光栅41在将所入射的測量反射光进行分光的基础上将各分光波引导向检测部42。具体地说，衍射光栅41是反射型的衍射光栅，其构成为每个规定的波长间隔的衍射波向相对应的各方向进行反射。当測量反射波入射到具有这种结构的衍射光栅41时，所包含的各波长成分向相对应方向反射而入射到检测部42的规定的检测区域。此外，该波长间隔与分光测量部40中的波长分辨率相当。代表性地,衍射光栅41由平焦点型(flat focustype)球面光栅构成。为了测量被測量物的反射率光谱，检测部42输出与在由衍射光栅41分光的測量反射光中包含的各波长成分的光強度相应的电信号。检测部42由在红外频带具有灵敏度的InGaAs阵列等构成。此外，衍射光栅41以及检测部42根据光学特性的測量波长范围以及测量波长间隔等来恰当地进行设计。数据处理部50对由检测部42获取的反射率光谱进行各种的数据处理(代表性地为FFT (Fast Fourier Transform :快速傅立叶变换)处理、最大熵法(Maximum EntropyMethod;以下称为“MEM”)处理、降噪处理)，由此来测量构成被測量物的各层的膜厚。而且，数据处理部50还能够对被测量物的各层的反射率、层结构进行分析。此外，关于这种处理的详细情况在后面叙述。并且，数据处理部50输出以測量出的被測量物的膜厚为代表的光学特性。<反射光的分析研究>首先，关于在对被测量物照射測量光的情况下所观测到的反射光，通过数学以及物理的方法来进行研究。图4是本发明的实施方式I所涉及的膜厚測量装置100设为测量对象的被測量物OBJ的截面示意图的ー个例子。參照图4，作为被测量物OBJ的代表例而考虑SOI基板。即，被測量物OBJ具有在
8Si层I与基底Si层3 (基板层)之间配置SiO2层2 (BOX层)的三层结构。并且，设为来自膜厚測量装置100的照射光从纸面上侧入射到被測量物OBJ。即，设为測量光最先向Si层I入射。为了容易理解，研究入射到被测量物OBJ的测量光在Si层I与SiO2层2的界面反射而产生的反射光。在以下的说明中，使用下标i来表现各层。即，将空气、真空等的环境气层设为下标“O”、被測量物OBJ的Si层I设为下标“I”、SiO2层2设为下标“2”。另外，各层中的折射率使用下标i表示为折射率r^。在具有相互不同的折射率ni的层的界面产生光的反射，因此折射率不同的i层与i+1层之间的各界面中的P偏振成分以及S偏振成分的振幅反射率(Fresnel系数)ι·(Ι\ +1、r(s)iji+1能够如下地表示。[数I]
权利要求
1.一种膜厚測量装置，其具备 光源(10)，其向在基板上至少形成一层膜而得到的被測量物照射具有规定的波长范围的測量光； 至少ー个第一光路，其将从上述光源(10)照射的上述測量光引导到上述被測量物；第一聚光透镜(31)，其将从上述第一光路射出的上述測量光聚光到上述被測量物；分光測量部(40)，其根据由上述第一聚光透镜聚光的上述測量光中的由上述被測量物反射的光或者透过上述被測量物的光来获取反射率或者透射率的波长分布特性； 至少ー个第二光路，其将由上述被測量物反射的光或者透过上述被測量物的光引导到上述分光測量部(40)； 第二聚光透镜，其将由上述被測量物反射的光或者透过上述被測量物的光聚光到上述第二光路的端部；以及 数据处理部(50)，其通过分析由上述分光測量部(40)获取的上述波长分布特性，来求出上述被測量物的膜厚。
2.根据权利要求I所述的膜厚測量装置，其特征在干， 上述第一光路以及上述第二光路是单模光纤(20)。
3.根据权利要求I所述的膜厚測量装置，其特征在干， 上述第一光路和上述第二光路是以在上述被測量物侧的光轴方向相互平行的方式来形成的Y型光纤(20), 上述第一聚光透镜以及上述第二聚光透镜是由一个透镜(31)构成的聚光光学探头(30)。
4.根据权利要求3所述的膜厚測量装置，其特征在干， 上述Y型光纤(20)构成为在上述被測量物侧，多个上述第一光路配置在上述第二光路的周围。
5.根据权利要求I所述的膜厚測量装置，其特征在干， 上述光源(10)将非相干光作为上述測量光来进行照射。
6.根据权利要求I所述的膜厚測量装置，其特征在干， 上述分光測量部(40)能够在红外频带的波长范围内获取反射率或者透射率的上述波长分布特性。
全文摘要
本发明是一种膜厚测量装置(100)，该膜厚测量装置(100)具备:光源(10)、第一光路、第一聚光透镜、分光测量部(40)、第二光路、第二聚光透镜、以及数据处理部(50)。光源照射具有规定的波长范围的测量光。第一光路将从光源(10)照射的测量光引导到被测量物。第一聚光透镜将从第一光路射出的测量光汇聚到被测量物。分光测量部(40)获取反射率或者透射率的波长分布特性。第二光路将由被测量物反射的光或者透过被测量物的光引导到分光测量部。第二聚光透镜聚光到第二光路的端部。数据处理部(50)通过分析由分光测量部(40)获取的波长分布特性来求出被测量物的膜厚。
文档编号G01B11/06GK102914268SQ201210273670
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者藤森匡嘉 申请人:大塚电子株式会社