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JP3718584B2 - Film thickness measuring method and apparatus - Google Patents

Film thickness measuring method and apparatus Download PDF

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JP3718584B2
JP3718584B2 JP32861597A JP32861597A JP3718584B2 JP 3718584 B2 JP3718584 B2 JP 3718584B2 JP 32861597 A JP32861597 A JP 32861597A JP 32861597 A JP32861597 A JP 32861597A JP 3718584 B2 JP3718584 B2 JP 3718584B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料から射出される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで、被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
膜厚測定用の分光測定装置では、基板表面に透明薄膜が形成された半導体ウエハなどの被測定試料がステージ上に保持されており、この被測定試料に向けて所定の波長域(例えば、可視域)の照明光を照射するとともに、この試料によって反射された光を結像光学ユニットを介して分光ユニットに導光している。この分光ユニットは、結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを受光するラインセンサとで構成されており、各スペクトルが対応する画素に入射し、各画素からスペクトルの強度に応じた電気信号が出力されて試料の分光特性が測定されている。
【0003】
このように構成された分光測定装置では、ラインセンサの各画素によって受光されるスペクトルの波長を予め求めておくために、分光測定装置の組立および光軸調整などを行った後で、絶対波長較正を行っている。この絶対波長較正は、予め公知の輝線スペクトルを有する低圧水銀ランプを照明位置に配置して該低圧水銀ランプからの光を結像光学ユニットを介して分光ユニットに導光して絶対波長較正を行い、ラインセンサの各画素と分光によるスペクトルの波長とを対応付けるものである。そして、かかる絶対波長較正を終えた後で、低圧水銀ランプを取外し、照明光を被測定試料に照射して分光特性を測定している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようにして絶対波長較正を行った後であっても、経時変化や温度変化などの影響によって結像光学ユニットや分光ユニットなどの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサの各画素と分光によるスペクトルの波長との対応付けが変化することがある。このような変化があると、再現性の良い測定を行うことができなくなる。
【0005】
一方、このような問題は絶対波長較正を定期的に行うことで解消されるが、絶対波長較正を行うためには、分光測定装置のカバーを取外して照明位置に低圧水銀ランプを配置する必要があり、波長較正に多大な労力がかかってしまう。特に、このような分光測定装置は、半導体ウエハなどの表面に形成された薄膜の連続膜厚測定によく利用されており、波長較正の度に低圧水銀ランプを配置し、取除いていたのでは測定効率が低く、スループット(単位時間当たりの処理可能枚数)の低下を招いてしまう。
【0006】
この発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、再現性の良い分光特性の測定を、効率良く行うことができる膜厚測定方法および装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、(a)前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c (ただし、λ a <λ b <λ c において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材を準備する工程と、(b)前記参照光学部材の少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ cを記憶する工程と、(c)被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λ a 、λ b 、λ cのスペクトルを受光する画素 a 、N b 、N cを特定する工程と、(d) 前記工程 (b) で記憶された少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c のうち、互いに隣り合う特定波長λ a 、λ b の間、および特定波長λ b 、λ c の間における所定の補間係数α 1 、α 2 を求めると共に、該補間係数α 1 、α 2 のいずれかと前記工程(c)において特定された画素 a 、N b 、N c のいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する工程と、(e)前記工程(d)を行った後、被測定試料を前記照明位置に位置決めし、当該被測定試料から反射される光を分光し、分光特性を実測した後、当該分光特性を前記工程(d)の演算結果に基づき波長較正する工程と、を備えている。
【0008】
請求項2の発明は、被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、所定の波長域の照明光を照明位置に照射する照明光学ユニットと、前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c (ただし、λ a <λ b <λ c において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材と、被測定試料および前記参照光学部材を選択的に前記照明位置に移動させる移動手段と、前記照明位置に位置決めされた前記被測定試料または前記参照光学部材から射出される光を所定位置に集光する結像光学ユニットと、前記結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを受光するラインセンサとを有する分光ユニットと、装置各部を制御しながら、前記ラインセンサの各画素から出力される電気信号に基づき前記被測定試料および前記参照光学部材の分光特性を求める制御ユニットとを備える膜厚測定装置であって、前記制御ユニットは、前記参照光学部材の少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ cを記憶するメモリと、被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λ a 、λ b 、λ cのスペクトルを受光する画素 a 、N b 、N cを特定する画素特定手段と、前記メモリに記憶された少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c のうち、互いに隣り合う特定波長λ a 、λ b の間、および特定波長λ b 、λ c の間における所定の補間係数α 1 、α 2 を求めると共に、該補間係数α 1 、α 2 のいずれかと前記特定された画素 a 、N b 、N c のいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する演算手段と、被測定試料を前記照明位置に位置決めし、実測される分光特性を波長較正する波長較正手段とを有し、前記移動手段は、被測定試料を保持するテーブルと、前記参照光学部材を保持しながら、前記テーブルに固定されたホルダと、前記テーブルを駆動して前記被測定試料および前記参照光学部材を一体的に移動させるテーブル駆動手段とを備えている。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明にかかる膜厚測定装置を示す斜視図である。以下、この膜厚測定装置の概要を説明した後で、該膜厚測定装置にて行われる分光測定方法について詳述する。
【0010】
A.膜厚測定装置
この図に示す膜厚測定装置は、半導体ウエハの分光特性を測定し、その分光特性から半導体ウエハに形成された薄膜の膜厚を測定する装置であり、ウエハカセットを載置する載置ステージ1と、ウエハカセットに対して半導体ウエハ(以下、ウエハと略す)を出し入れするインデクサ部2と、半導体ウエハの分光特性を測定し、さらに該分光特性に基づき半導体ウエハの表面に形成された薄膜の膜厚を測定する測定部3とを備えている。この実施の形態にかかる膜厚測定装置では、上記インデクサ部2を中心として、その周囲に上記載置ステージ1及び測定部3が配置されたレイアウト構成となっている。
【0011】
A−1.載置ステージ1
上記載置ステージ1は、図示の例では二つ設けられており、各ステージ1には、複数枚のウエハを多段に収納したウエハカセット11,12が、それぞれ収納口をインデクサ部2に臨ませた状態で載置されている。なお、本実施形態の装置では、直径200mm及び300mmの2種類のウエハが測定対象となる。
【0012】
A−2.インデクサ部
上記インデクサ部2には、ウエハの搬送手段であるインデクサロボット21と、該インデクサロボット21により上記ウエハカセット11,12から取り出されたウエハの中心位置修正(センタリング)を行う中心調整装置22とが設けられている。
【0013】
インデクサロボット21は、上下動可能な水平多関節型のロボットからなり、そのアーム先端にはウエハを保持するための薄板状のハンド211が装着されている。ハンド211の表面には、吸引孔212が開口しており、該吸引孔212を介して負圧が供給されることにより、ハンド211によってウエハを吸着、保持するようになっている。
【0014】
中心調整装置22は、上記ハンド211に対するウエハ位置を修正するもので、接離可能な一対のチャック221を備えており、上記ウエハカセット11,12から取り出されたウエハを、上記チャック221により径方向に挾持することによってウエハ位置を機械的に修正するように構成されている。
【0015】
A−3.測定ステージ4
上記測定部3は、被測定ウエハの保持部分となる測定ステージ4と、この測定ステージ4の上部に配置される膜厚測定のための測定ヘッド5とを有している。
【0016】
測定ステージ4には、ウエハを移動可能に保持する六軸テーブル41と、プリアライメント用センサ47と、ウエハを待機させるための補助ステージ48とが設けられている。
【0017】
上記六軸テーブル41は、ウエハを吸着保持するための円盤状の保持プレート411と、これを六軸方向、すなわち、X軸、Y軸、Z軸及びこれら各軸回り(θY方向、θX方向,θ方向)に変位可能に支持する支持機構412から構成されており、保持プレート411を上記各方向に移動させながら補助ステージ48との間でウエハの受渡しを行うとともに、上記測定ヘッド5及びプリアライメント用センサ47の所定の測定位置にウエハを配置するように構成されている。
【0018】
また、この保持プレート411の側面部には、チップホルダ413(後で説明する図8)が取り付けられている。このチップホルダ413の上面部には、図2および図3に示すように、凹部413aが形成されており、この凹部413aの内部には、シリコンなどのリファレンスチップ71、参照光学部材としてのホルミウムガラス72および表面に反射防止膜をコーティングした保護ガラス73がこの順で底面から積層配置されている。したがって、保持プレート411を上記各方向に移動させると、該保持プレート411とともに、ホルミウムガラス72が任意の位置に移動可能となっている。このように、この実施形態では、六軸テーブル41と、チップホルダ413と、六軸テーブル41の駆動機構(図示省略)とで、ウエハおよびホルミウムガラス72を選択的に測定位置に移動させる移動手段が構成されている。
【0019】
なお、ホルミウムガラス72は、例えば図4に示すような透過率特性を有しており、同図から明らかなように、特定波長で透過率が極大的に減少している。したがって、六軸テーブル41を移動させてホルミウムガラス72を照明位置ILに位置決めすると、測定ヘッド5からの照明光が保護ガラス73を介してホルミウムガラス72を通過してリファレンスチップ71で反射された後、再度ホルミウムガラス72および保護ガラス73を通過して測定ヘッド5側に導光される。この際、反射光の各波長成分のうち特定波長成分については、ホルミウムガラス72で吸収されて輝度レベルの低下が認められる。この実施形態では、この吸収特性を利用して波長較正が行われる。この点に関しては、後で詳述する。
【0020】
図1に戻って測定ステージ4の構成についての説明を続ける。プリアライメント用センサ47は、光の照射部471と受光部472とを所定の検査空間を挟んで上下に配置したもので、上記検査空間にウエハ端縁部を介在させた状態でウエハを回転させることにより、プリアライメント、すなわち上記保持プレート411の中心に対するウエハ中心の偏心を検出するようになっている。
【0021】
補助ステージ48は、インデクサ部2と六軸テーブル41との間に配設されており、図示の例では、測定前のウエハを待機させるための供給側ステージ481と、測定後のウエハを待機させるための排出側ステージ482とが並べて設けられている。各ステージ481,482は、上記保持プレート411を介在させるための切欠部分を有した略U字型に形成されており、例えば、供給側ステージ481から六軸テーブル41へのウエハの受渡しは、供給側ステージ481の切欠下部分の下方に上記保持プレート411が配置された状態で、供給側ステージ481と保持プレート411とが相対的に上下動されることにより行われるようになっている。一方、六軸テーブル41から排出側ステージ482へのウエハの受渡しは、これと逆の動作に基づいて行われるようになっている。
【0022】
A−5.測定ヘッド5
図5は測定ヘッド5を示す図であり、図6は図5のA−A線矢視図であり、図7は測定ヘッド5の光学的および電気的構成を示す模式図である。この測定ヘッド5は、上記したように、本発明にかかる照明光学装置としての照明光学ユニット51を有している。この照明光学ユニット51では、所定の光源配置領域(図6の右下隅領域)511に、ハロゲンランプ512と重水素ランプ513とが配置されている。そして、各ランプ512,513から射出された光L1,L2が照明光学ユニット51を介して結像光学ユニット52に入射される。また、この実施形態では、このように光源配置領域511には、ハロゲンランプ512および重水素ランプ513を覆うように保護カバー515が設けられるとともに、この保護カバー515に排気ダクト516を介して図示を省略する排気ファンが接続されている。
【0023】
両ランプ512、513から射出される光L1,L2が入射する照明光学系514は、複数のフィルターを同心円状に配置してなるフィルターターレット514aと、このフィルターターレット514aを回転させて任意のフィルターを光軸OA上に位置決めするフィルター切換用モータ514bと、レンズ514cと、全反射ミラー514dと、視野絞り514eと、ハーフミラー514fとを備えており、ハロゲンランプ512から射出された白色光L1が光軸OA上に位置決めされたフィルターを通過して当該フィルターに対応する可視域の光(以下「可視光」という)がレンズ514c、全反射ミラー514d、視野絞り514eおよびハーフミラー514fを介して結像光学ユニット52に入射する。
【0024】
また、照明光学系514は、全反射ミラー514gと、レンズ514hとをさらに備えており、重水素ランプ513から射出した紫外光L2が全反射ミラー514gで反射された後、レンズ514hおよびハーフミラー514fを介して結像光学ユニット52に入射する。
【0025】
なお、重水素ランプ513から射出される高エネルギーの紫外光L2が常時全反射ミラー514gに入射し、全反射ミラー514gの表面が長時間紫外光に曝されると、その表面が曇るという問題が生じる。そこで、この実施形態では、重水素ランプ513と全反射ミラー514gとの間にシャッター機構517を設けて、被測定試料に紫外光L2を照射する場合のみ、シャッター機構517を開いて重水素ランプ513からの紫外光L2を全反射ミラー514gに導光するように構成している。
【0026】
図8はシャッター機構を示す斜視図であり、同図(a)はシャッターを開いた状態を示す一方、同図(b)はシャッターを閉じた状態を示している。同図に示すように、このシャッター機構517は、断面が略L字状の基台517aの前端面に支持板517bが取り付けられている。この支持板517bの左下部には、貫通孔517cが設けられており、この貫通孔517cを介して基台517aの前端面に固着された全反射ミラー514gに紫外光L2が入射可能となっている。
【0027】
また、支持板517bには、中央上部に設けられた回動軸517d回りにシャッター517eが回動自在に軸支されている。さらに、この回動軸517dにはシャッター駆動用モータ517fが連結されており、モータ517fの作動に応じてシャッター517eが回動軸517dを回動中心として回動し、貫通孔517cを開放したり、塞ぐことができるように構成されている。
【0028】
したがって、紫外光L2を被測定試料に照射する際には、同図(a)に示すように、シャッター517eを貫通孔517cから退避させて紫外光L2を全反射ミラー514gで反射させて被測定試料に導光する一方、被測定試料への紫外光L2の照射が必要ない場合には、同図(b)に示すように、シャッター517eを貫通孔517cに位置決めして紫外光L2の全反射ミラー514gへの入射を禁止することができる。その結果、全反射ミラー514gの表面に紫外光L2が長時間照射されるのを防止することができ、全反射ミラー514gの表面の曇りを効果的に防止することができる。
【0029】
次に、図5および7に戻り、上記のように構成された照明光学ユニット51から射出された可視光および紫外光が入射される結像光学ユニット52、またウエハによって反射された光を分光する分光ユニット54の構成についての説明を続ける。
【0030】
結像光学ユニット52は、複数の対物レンズ521a,521bが同心円状に配置されて回転軸522a回りに回転自在なレンズターレット522と、このレンズターレット522を回転軸522a回りに回転駆動して任意の対物レンズを光軸OA上に位置決めする対物レンズ切換用モータ523と、ビームスプリッタ524と、チューブレンズ525とからなり、照明光学ユニット51からの照明光(可視光あるいは紫外光)がビームスプリッタ524によって反射させ、対物レンズ切換用モータ523によって光軸OA上に位置決めされた対物レンズを介して所定の照明位置ILに照射される。
【0031】
この照明位置ILを含む比較的広い範囲にわたって六軸テーブル41(図1)は移動可能に構成されており、この六軸テーブル41の保持プレート411に被測定試料たるウエハWが載置され、この六軸テーブル41によってウエハWの表面の任意の微小領域を照明位置ILに位置させることができるように構成されている。なお、図面への図示を省略するが、この六軸テーブル41には、その位置(X,Y座標など)を検出して、その位置情報を装置全体を制御する制御ユニット6に与えられるようになっている。
【0032】
この照明位置ILに位置するウエハWの微小領域で反射された光は、対物レンズ521,ビームスプリッタ524およびチューブレンズ525を介して光軸OA上の所定位置に集光される。この集光位置の近傍には、中心部にピンホール531を有するプレート532が配置されている。また、そのプレート532の近傍にシャッター533が配置されており、制御ユニット6からの信号に基づきシャッター533を開閉駆動して、反射光のうちピンホール531を通過した光が分光ユニット54に入射されるかどうかを制御するようになっている。
【0033】
この分光ユニット54は、反射光を分光する凹面回折格子541と、凹面回折格子541により回折された回折光の分光光強度を検出するラインセンサ542とで構成されている。ラインセンサ542は、例えばフォトダイオードアレイやCCDなどにより構成されており、ピンホール531と共役な関係に配置されている。このため、分光ユニット54に取り込まれた光は凹面回折格子541に分光され、その光の分光光強度に対応した信号がラインセンサ542から制御ユニット6に与えられる。
【0034】
なお、チューブレンズ525とプレート532との間の光軸OA上には、プリズム551が配置されており、ウエハWからの光の一部を取り出すようになっている。また、取り出された光は、レンズ552を介して所定位置に集光される。この集光位置には、撮像素子553が配置されており、ウエハW表面の一部領域(膜厚測定領域)の像に対応した画像信号が制御ユニット6に与えられる。このように、この実施形態では、撮像ユニット55によって測定領域の画像を撮像可能となっているが、この撮像ユニット55の配設位置はチューブレンズ525とプレート532との間に限定されるものではなく、対物レンズ521と分光ユニット54との間の光軸OA上であれば任意である。
【0035】
制御ユニット6は、図7に示すように、論理演算を実行する周知のCPU611と、そのCPU611を制御する種々のプログラムなどを予め記憶するROM612と、装置動作中に種々のデータを一時的に記憶するRAM613とを備えた制御部61を備えている。また、この制御部61は、I/O部62を介して以下の構成要素、
・操作部31、
・モニタ32、
・データ処理部631:ラインセンサ542からの信号に対して所定の処理を施す、
・シャッターコントローラ632:シャッター533を開閉制御する、
・画像処理部633:撮像素子553からの画像信号に対して所定の処理を施す、
・フィルター切換コントローラ634:フィルター切換用モータ514bを回転制御してフィルターを切換る、
・点灯回路635:ハロゲンランプ512を点灯/消灯制御する、
・点灯回路636:重水素ランプ513を点灯/消灯制御する、
・シャッターコントローラ637:シャッター517eを開閉制御する、
・レンズターレットコントローラ638:対物レンズ切換用モータ523を回転制御して対物レンズを切換る、
・テーブルコントローラ639:六軸テーブル41を駆動制御する、
と電気的に接続されている。
【0036】
B.分光測定方法
次に、上記ように構成された膜厚測定装置における分光測定方法について図9ないし図11を参照しつつ説明する。この膜厚測定装置では、従来と同様に、装置の組立および光軸調整などを行った後で、絶対波長較正が行われる(ステップS1)。この絶対波長較正は、予め公知の輝線スペクトルを有する低圧水銀ランプを照明位置ILに配置して該低圧水銀ランプからの光を結像光学ユニット52を介して分光ユニット54に導光して絶対波長較正を行い、ラインセンサ542の各画素と分光によるスペクトルの波長とを対応付けるものである。これによって、表1に示す対応関係が得られ、制御ユニット6に記憶される。
【0037】
【表1】

Figure 0003718584
【0038】
なお、同表および後で説明する表における「画素番号」の欄の「N1」は、最も短波長λ1のスペクトルを受光する画素の番号を示しており、長波長(λ2<λ3<…)側に行くに従って「N2」、「N3」、…としている。
【0039】
こうして、絶対波長較正が完了すると、低圧水銀ランプを取外し、ハロゲンランプ512を点灯し(ステップS2)、しばらくしてハロゲンランプ512からの発光量が安定化すると、テーブルコントローラ639からの指令にしたがって六軸テーブル41を移動させてチップホルダ413を照明位置ILに位置決めする(ステップS3)。これによって、照明光学ユニット51から照射される照明光が保護ガラス73を介してホルミウムガラス72を通過してリファレンスチップ71で反射された後、再度ホルミウムガラス72および保護ガラス73を通過して結像光学ユニット52に導光される。さらに、反射光は結像光学ユニット52を介して分光ユニット54に入射して分光される。
【0040】
そこで、次のステップS4では、ラインセンサ542から出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める。こうして測定された分光特性は、例えば図10に示すように、ホルミウムガラス72の吸収特性の影響を直接的に受けて複数の特定波長でスペクトルの輝度レベルが大きく低下している。
【0041】
次のステップS5では、可視域全体を3つの波長帯Ra、Rb、Rcに分け、各波長帯Ra、Rb、Rcにおいて最も顕著に輝度レベルの変化が生じている部分(同図の斜線部分)の重心波長λa、λb、λcを求めている(ステップS5)。ここで、具体的には、各波長帯Ra、Rb、Rcに応じたしきい値として最大輝度の40%、80%および82%にそれぞれ設定して輝度レベルが大きく変化している部分を求める。そして、各部分に対応する重心画素の番号Na、Nb、Ncをそれぞれ求めた後、表1に示す対応関係に基づき各画素番号Na、Nb、Ncに対応する波長λa、λb、λcを求め、これらを重心波長λa、λb、λcとする。
【0042】
こうして求めた重心波長λa、λb、λcは上記したようにホルミウムガラス72の吸収特性を直接的に反映したものであり、この実施形態では、これらを特定波長λa、λb、λcとして制御ユニット6に記憶する(ステップS6)。これらの一連の処理(ステップS1〜S6)によって、被測定試料であるウエハの分光特性を測定するための準備処理が完了する。
【0043】
なお、上記実施形態では、重心波長を求め、それらを特定波長としているが、重心波長を求める(ステップS5)代わりに、各波長帯Ra、Rb、Rcにおいて最も輝度レベルが低下している波長を特定波長とするようにしてもよい。また、この実施形態では、膜厚測定装置を用いて特定波長λa、λb、λcを実際のウエハの分光特性の測定に先立って測定しているが、予め別の分光測定装置によってホルミウムガラス72の吸収特性に基づく特定波長を測定し、制御ユニット6に記憶させるようにしてもよい。
【0044】
上記のようにして、分光測定の準備処理が完了すると、図11に示すフローチャートにしたがって、被測定試料たるウエハの分光特性、さらに該分光特性に基づく膜厚測定を行う。
【0045】
まず、ステップS11で、被測定試料たるウエハをセットする。すなわち、この膜厚測定装置では、インデクサロボット21によりウエハカセット11又は12からウエハを取り出し、中心調整装置22によりセンタリングを行った後、供給側ステージ481に載置する。そして、該供給側ステージ481から六軸テーブル41の保持プレート411にウエハを受渡し、プリアライメント用センサ47による検出(プリアライメント)が行われた後、チップホルダ413を測定ヘッド5直下の所定の測定位置(照明位置IL)に配置する。
【0046】
そして、準備処理におけるステップS2〜S4と同様にして、チップホルダ413に保持されているホルミウムガラス72の分光特性を測定する。すなわち、ハロゲンランプ512を点灯し(ステップS12)、しばらくしてハロゲンランプ512からの発光量が安定化すると、テーブルコントローラ639からの指令にしたがって六軸テーブル41を移動させてチップホルダ413を照明位置ILに位置決めして(ステップS13)、可視域の照明光を上記構造体に照射する。そして、該構造体からの反射光を結像光学ユニット52を介して分光ユニット54に入射して分光させ、さらにラインセンサ542から出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める(ステップS14)。
【0047】
そして、各波長帯Ra、Rb、Rcにおいて最も顕著に輝度レベルの変化が生じている部分の重心画素の番号Na、Nb、Ncをそれぞれ求めた(ステップS15)後、制御ユニット6から準備処理で求めた特定波長λa、λb、λcを読み出し、次式に基づき互いに隣り合った特定波長間、つまり特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間での補間係数α1、α2を求める(ステップS16)。すなわち、特定波長λa、λbの間について、
α1=(Nb−Na)/(λb−λa)
に基づき、また特定波長λb、λcの間について、
α2=(Nc−Nb)/(λc−λb)
に基づき、補間係数α1、α2を求め、制御ユニット6に記憶する。
【0048】
このように補間係数α1、α2を求めておくことで、仮に経時変化や温度変化などの影響によって結像光学ユニット52や分光ユニット54などの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサ542の各画素と分光によるスペクトルの波長との対応付けが変化したとしても、次の波長較正式によって各画素と波長との対応関係を較正することができる。すなわち、画素番号Nkを有する画素によって受光されるスペクトルの波長λk′は、
Nk≦Nbのとき、
λk′=λa+(Nk−Na)/α1
Nb<Nkのとき、
λk′=λb+(Nk−Nb)/α2
によって求まる。
【0049】
上記のようにして補間係数α1、α2が求まると、テーブルコントローラ639からの指令にしたがって六軸テーブル41を移動させて被測定試料たるウエハを照明位置ILに位置決めする(ステップS17)。これによって、照明光学ユニット51から照射される照明光がウエハで反射され、この反射光が結像光学ユニット52を介して分光ユニット54に入射して分光される。そして、分光ユニット54のラインセンサ542から出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める(ステップS18)。なお、こうして求められた分光特性を示すデータは、表2に示すように、画素番号とスペクトル輝度との組み合わせデータである。
【0050】
【表2】
Figure 0003718584
【0051】
次に、ステップS16で求められた補間係数を用い、上記波長較正式にしたがって各画素番号に対応する波長を演算し、波長較正を行う(ステップS19)。すなわち、画素番号N1の画素に対応する波長λ1については、
λ1′=λa+(N1−Na)/α1
によって求められた波長λ1′に較正され、後の画素番号についても同様にして較正され、表3に示す分光特性が得られる。
【0052】
【表3】
Figure 0003718584
【0053】
このように、この実施形態では、ホルミウムガラス72の吸収特性を利用して被測定試料の測定ごとに波長較正を行っているため、経時変化や温度変化などの影響によって結像光学ユニット52や分光ユニット54などの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサ542の各画素と分光によるスペクトルの波長との対応関係が変化したとしても、測定ごとにその対応関係が較正され、再現性のよい分光特性の測定を行うことができる。しかも、該ホルミウムガラス72を六軸テーブル41の移動に応じて移動自在に構成しているため、波長較正を行う際には、単にホルミウムガラス72を照明位置ILに位置決めするのみで済むので、波長較正の度に低圧水銀ランプを照明位置ILに配置する必要があった従来例に比べて、波長較正を簡単に、効率よく行うことができる。
【0054】
また、この膜厚測定装置では、上記のようにして分光特性の測定が完了する(ステップS19)と、その波長較正された分光特性に基づきウエハの表面に形成された薄膜の膜厚測定を行う(ステップS20)。このように分光特性を再現性よく測定することから、その分光特性に基づく膜厚測定を行っているため、必然的に膜厚測定も再現性よく行うことができる。なお、ステップS21で膜厚測定を継続すると判断される間、上記一連の処理(ステップS11〜S20)を繰り返して行う。
【0055】
C.変形例
なお、上記実施形態では、ホルミウムガラス72の吸収特性を利用して特定波長を設定しているが、ホルミウムガラス72の代わりに、透過率が特定波長で極大的に変化する物質(例えばジジムフィルタ)や多層膜などを用いてもよい。また、ホルミウムガラス72の代わりに、特定波長で反射率が変化する反射膜を用いてもよく、この場合、リファレンスチップ71が不要となる。
【0056】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、照明光の波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c (ただし、λ a <λ b <λ c において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材を準備し、被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λ a 、λ b 、λ cのスペクトルを受光する画素 a 、N b 、N cを特定し、前記少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c のうち、互いに隣り合う特定波長λ a 、λ b の間、および特定波長λ b 、λ c の間における所定の補間係数α 1 、α 2 を求めると共に、該補間係数α 1 、α 2 のいずれかと前記画素 a 、N b 、N c のいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算した後、被測定試料を照明位置に位置決めし、当該被測定試料から反射される光を分光し、分光特性を実測するとともに、当該分光特性を上記演算結果に基づき波長較正するようにしているので、再現性の良い分光特性の測定を、効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる分光測定方法を適用可能な膜厚測定装置を示す斜視図である。
【図2】 チップホルダの斜視図である。
【図3】 図2のB−B線矢視図である。
【図4】 ホルミウムガラスの透過率特性を示すグラフである。
【図5】 測定ヘッド5を示す図である。
【図6】 図5のA−A線矢視図である。
【図7】 図5の測定ヘッドの光学的および電気的構成を示す模式図である。
【図8】 シャッター機構を示す斜視図である。
【図9】 膜厚測定装置による分光測定における準備処理を示すフローチャートである。
【図10】 図1の膜厚測定装置によって実測されるホルミウムガラスの分光特性を示すグラフである。
【図11】 膜厚測定装置による分光測定方法および膜厚測定方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
6…制御ユニット
41…六軸テーブル
51…照明光学ユニット
52…結像光学ユニット
54…分光ユニット
72…ホルミウムガラス
512…ハロゲンランプ
513…重水素ランプ
542…ラインセンサ
611…CPU
612…ROM
613…RAM
639…テーブルコントローラ
IL…照明位置
W…ウエハ(被測定試料)
α1、α2…補間係数
λa〜λc…特定波長[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, when a sample to be measured is positioned at an illumination position irradiated with illumination light in a predetermined wavelength range, the light emitted from the sample to be measured is dispersed, and each spectrum is received by a line sensor including a plurality of pixels. The present invention relates to a film thickness measurement method and apparatus for measuring the film thickness of a thin film formed on the surface of a sample to be measured by measuring spectral characteristics.
[0002]
[Prior art]
In a spectroscopic measurement apparatus for film thickness measurement, a sample to be measured such as a semiconductor wafer having a transparent thin film formed on a substrate surface is held on a stage, and a predetermined wavelength region (for example, visible wavelength) is directed toward the sample to be measured. And the light reflected by the sample is guided to the spectroscopic unit through the imaging optical unit. This spectroscopic unit is composed of a spectroscope that splits light from the imaging optical unit and a line sensor that receives a spectrum that is split by the spectroscope, and each spectrum corresponds to the spectroscope. The light is incident on the pixel, and an electrical signal corresponding to the intensity of the spectrum is output from each pixel to measure the spectral characteristics of the sample.
[0003]
In the spectroscopic measurement apparatus configured as described above, the absolute wavelength calibration is performed after the spectroscopic measurement apparatus is assembled and the optical axis is adjusted in order to obtain in advance the wavelength of the spectrum received by each pixel of the line sensor. It is carried out. In this absolute wavelength calibration, a low-pressure mercury lamp having a known emission line spectrum is placed in the illumination position in advance, and light from the low-pressure mercury lamp is guided to the spectroscopic unit through the imaging optical unit to perform absolute wavelength calibration. Each pixel of the line sensor is associated with a spectrum wavelength by spectroscopy. After the absolute wavelength calibration is completed, the low-pressure mercury lamp is removed, and the spectral characteristics are measured by irradiating the sample to be measured with illumination light.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, even after performing absolute wavelength calibration as described above, the optical characteristics of the imaging optical unit, spectroscopic unit, etc. change due to the effects of changes over time, temperature changes, etc. The correspondence between the pixel and the spectrum wavelength by spectroscopy may change. If there is such a change, measurement with good reproducibility cannot be performed.
[0005]
On the other hand, such problems can be resolved by performing absolute wavelength calibration periodically. However, in order to perform absolute wavelength calibration, it is necessary to remove the cover of the spectrometer and place a low-pressure mercury lamp at the illumination position. There is a great deal of effort for wavelength calibration. In particular, such a spectroscopic measurement apparatus is often used for continuous film thickness measurement of a thin film formed on the surface of a semiconductor wafer or the like, and a low-pressure mercury lamp is disposed and removed every time wavelength calibration is performed. The measurement efficiency is low and the throughput (the number of sheets that can be processed per unit time) is reduced.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a film thickness measuring method and apparatus capable of efficiently measuring spectral characteristics with good reproducibility.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1 is a film thickness measuring method for measuring the film thickness of a thin film formed on the surface of a sample to be measured, and the sample to be measured is positioned at an illumination position irradiated with illumination light in a predetermined wavelength range. In the film thickness measuring method , the light reflected from the surface of the sample to be measured is dispersed, each spectrum is received by a line sensor composed of a plurality of pixels, and the spectral characteristics are measured to measure the film thickness of the thin film . (A) At least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c (provided that λ a b c ) that are present in the wavelength range and are different from each other have a maximum transmittance or reflectance. Preparing a reference optical member that changes to (b), (b) storing at least three specific wavelengths λ a , λ b , and λ c of the reference optical member, and (c) measuring the spectral characteristics of the sample to be measured Prior to, the reference optical member is positioned at the illumination position. By Mesuru to measure the spectral characteristics of the reference optical member, wherein the specific wavelength lambda a of the plurality of pixels, lambda b, lambda pixel N a for receiving a spectrum of c, N b, identifies the N c process and, (d) said step (b) at least three specific wavelengths lambda a stored in, lambda b, lambda of c, the particular wavelength lambda a mutually adjacent, during the lambda b, and the specific wavelength lambda b, λ predetermined interpolation coefficients alpha 1 between c, together with obtaining the alpha 2, interpolation coefficients alpha 1, pixel N a identified in the process as one of α 2 (c), N b , with any of the N c by using a step of calculating the wavelength of the spectrum of light received by each pixel of the line sensor, after (e) the step (d), positioning the DUT on the illumination position, the object to be and dispersing the light reflected from the sample, after measuring the spectral characteristics, based on the spectral characteristics in the step (d) of the operation result It comprises the step of wavelength calibration can, a.
[0008]
The invention according to claim 2 is a film thickness measuring device for measuring the film thickness of a thin film formed on the surface of the sample to be measured, and positions the sample to be measured at an illumination position irradiated with illumination light in a predetermined wavelength range. In a film thickness measuring apparatus for measuring the film thickness of the thin film by dispersing light reflected from the surface of the sample to be measured and receiving each spectrum with a line sensor composed of a plurality of pixels and measuring spectral characteristics An illumination optical unit that irradiates an illumination position with illumination light of a predetermined wavelength range, and at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c (provided that λ a b c ) , a reference optical member whose transmittance or reflectance changes maximally, a moving means for selectively moving the sample to be measured and the reference optical member to the illumination position, and positioning at the illumination position The measured An imaging optical unit that collects light emitted from a sample or the reference optical member at a predetermined position, a spectroscope that splits the light from the imaging optical unit, and a plurality of pixels. A spectral unit having a line sensor for receiving the measured spectrum, and obtaining spectral characteristics of the sample to be measured and the reference optical member based on an electric signal output from each pixel of the line sensor while controlling each part of the apparatus. A film thickness measuring apparatus including a control unit, wherein the control unit measures at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c of the reference optical member, and measures spectral characteristics of the sample to be measured Prior to, the spectral characteristics of the reference optical member are measured by positioning the reference optical member at the illumination position, and the identification among the plurality of pixels is performed. Pixel identifying means for identifying the pixels N a , N b , N c that receive the spectra of the wavelengths λ a , λ b , λ c , and at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c stored in the memory which of the specific wavelength lambda a mutually adjacent, during the lambda b, and the specific wavelength lambda b, predetermined interpolation coefficients alpha 1 between lambda c, together with obtaining the alpha 2, interpolation coefficients alpha 1, the alpha 2 of or from the specific pixel N a, N b, by utilizing and either N c, a calculating means for calculating a wavelength of the spectrum of light received by each pixel of the line sensor, the illumination position measured sample Wavelength calibration means for positioning and calibrating the actually measured spectral characteristics, and the moving means includes a table for holding the sample to be measured, and a holder fixed to the table while holding the reference optical member And driving the table to measure the sample to be measured. Fine said reference optical member and a table drive means for moving integrally.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a film thickness measuring apparatus according to the present invention. Hereinafter, after describing the outline of the film thickness measuring apparatus, a spectroscopic measurement method performed by the film thickness measuring apparatus will be described in detail.
[0010]
A. Film Thickness Measuring Device The film thickness measuring device shown in this figure is a device that measures the spectral characteristics of a semiconductor wafer and measures the film thickness of a thin film formed on the semiconductor wafer based on the spectral characteristics, and mounts a wafer cassette. A mounting stage 1, an indexer unit 2 for taking a semiconductor wafer (hereinafter abbreviated as “wafer”) into and out of a wafer cassette, and the spectral characteristics of the semiconductor wafer are measured, and further formed on the surface of the semiconductor wafer based on the spectral characteristics. And a measuring unit 3 for measuring the thickness of the thin film. The film thickness measurement apparatus according to this embodiment has a layout configuration in which the above-described placement stage 1 and measurement unit 3 are arranged around the indexer unit 2.
[0011]
A-1. Placement stage 1
In the illustrated example, two placement stages 1 are provided. In each stage 1, wafer cassettes 11 and 12 that store a plurality of wafers in multiple stages have their storage openings facing the indexer unit 2. It is placed in the state. In the apparatus of this embodiment, two types of wafers having a diameter of 200 mm and 300 mm are measurement targets.
[0012]
A-2. Indexer unit The indexer unit 2 includes an indexer robot 21 serving as a wafer transfer unit, and a center adjusting device 22 for correcting the center position of the wafer taken out from the wafer cassettes 11 and 12 by the indexer robot 21. Is provided.
[0013]
The indexer robot 21 is a horizontal articulated robot that can move up and down, and a thin plate-like hand 211 for holding a wafer is attached to the tip of the arm. A suction hole 212 is opened on the surface of the hand 211, and a negative pressure is supplied through the suction hole 212 so that the wafer is sucked and held by the hand 211.
[0014]
The center adjustment device 22 corrects the wafer position with respect to the hand 211, and includes a pair of chucks 221 that can be contacted and separated, and the wafers taken out from the wafer cassettes 11 and 12 are radially moved by the chuck 221. The wafer position is mechanically corrected by holding it.
[0015]
A-3. Measurement stage 4
The measurement unit 3 includes a measurement stage 4 serving as a holding portion of a wafer to be measured, and a measurement head 5 for measuring a film thickness disposed above the measurement stage 4.
[0016]
The measurement stage 4 is provided with a six-axis table 41 for holding the wafer movably, a pre-alignment sensor 47, and an auxiliary stage 48 for waiting the wafer.
[0017]
The six-axis table 41 includes a disk-shaped holding plate 411 for sucking and holding a wafer, and a six-axis direction, that is, an X-axis, a Y-axis, a Z-axis, and about each of these axes (θY direction, θX direction, The support mechanism 412 is supported so as to be displaceable in the θ direction). The wafer is transferred to and from the auxiliary stage 48 while moving the holding plate 411 in each of the above directions, and the measurement head 5 and the pre-alignment. The wafer is arranged at a predetermined measurement position of the sensor 47 for use.
[0018]
Further, a chip holder 413 (FIG. 8 described later) is attached to a side surface portion of the holding plate 411. As shown in FIGS. 2 and 3, a concave portion 413a is formed in the upper surface portion of the chip holder 413. Inside the concave portion 413a, a reference chip 71 such as silicon and holmium glass as a reference optical member are formed. 72 and a protective glass 73 whose surface is coated with an antireflection film are laminated in this order from the bottom. Therefore, when the holding plate 411 is moved in each of the above directions, the holmium glass 72 can be moved to an arbitrary position together with the holding plate 411. Thus, in this embodiment, the moving means for selectively moving the wafer and the holmium glass 72 to the measurement position by the six-axis table 41, the chip holder 413, and the drive mechanism (not shown) of the six-axis table 41. Is configured.
[0019]
Note that the holmium glass 72 has transmittance characteristics as shown in FIG. 4, for example, and as is clear from the figure, the transmittance is maximally reduced at a specific wavelength. Therefore, after the six-axis table 41 is moved and the holmium glass 72 is positioned at the illumination position IL, the illumination light from the measurement head 5 passes through the holmium glass 72 via the protective glass 73 and is reflected by the reference chip 71. The light passes through the holmium glass 72 and the protective glass 73 again and is guided to the measuring head 5 side. At this time, among the wavelength components of the reflected light, the specific wavelength component is absorbed by the holmium glass 72 and a reduction in luminance level is recognized. In this embodiment, wavelength calibration is performed using this absorption characteristic. This will be described in detail later.
[0020]
Returning to FIG. 1, the description of the configuration of the measurement stage 4 will be continued. The pre-alignment sensor 47 includes a light irradiation unit 471 and a light receiving unit 472 arranged vertically with a predetermined inspection space interposed therebetween. The pre-alignment sensor 47 rotates the wafer with a wafer edge portion interposed in the inspection space. Thus, prealignment, that is, the eccentricity of the wafer center with respect to the center of the holding plate 411 is detected.
[0021]
The auxiliary stage 48 is disposed between the indexer unit 2 and the six-axis table 41. In the illustrated example, the auxiliary stage 48 waits for the wafer before measurement and the supply-side stage 481 for waiting the wafer before measurement. A discharge side stage 482 is provided side by side. Each of the stages 481 and 482 is formed in a substantially U shape having a notch portion for interposing the holding plate 411. For example, the transfer of the wafer from the supply side stage 481 to the six-axis table 41 is a supply The operation is performed by moving the supply side stage 481 and the holding plate 411 relatively up and down in a state where the holding plate 411 is disposed below the notch lower portion of the side stage 481. On the other hand, the delivery of the wafer from the six-axis table 41 to the discharge side stage 482 is performed based on the reverse operation.
[0022]
A-5. Measuring head 5
5 is a diagram showing the measurement head 5, FIG. 6 is a view taken along the line AA in FIG. 5, and FIG. 7 is a schematic diagram showing an optical and electrical configuration of the measurement head 5. As shown in FIG. As described above, the measuring head 5 includes the illumination optical unit 51 as the illumination optical apparatus according to the present invention. In the illumination optical unit 51, a halogen lamp 512 and a deuterium lamp 513 are arranged in a predetermined light source arrangement area (lower right corner area in FIG. 6) 511. Lights L 1 and L 2 emitted from the lamps 512 and 513 are incident on the imaging optical unit 52 through the illumination optical unit 51. In this embodiment, the light source arrangement region 511 is provided with the protective cover 515 so as to cover the halogen lamp 512 and the deuterium lamp 513, and the protective cover 515 is illustrated via the exhaust duct 516. The exhaust fan to be omitted is connected.
[0023]
The illumination optical system 514 to which the lights L1 and L2 emitted from both lamps 512 and 513 are incident includes a filter turret 514a in which a plurality of filters are arranged concentrically, and an arbitrary filter by rotating the filter turret 514a. A filter switching motor 514b for positioning on the optical axis OA, a lens 514c, a total reflection mirror 514d, a field stop 514e, and a half mirror 514f are provided, and the white light L1 emitted from the halogen lamp 512 is light. Light in the visible region (hereinafter referred to as “visible light”) corresponding to the filter passing through the filter positioned on the axis OA is imaged through the lens 514c, the total reflection mirror 514d, the field stop 514e, and the half mirror 514f. The light enters the optical unit 52.
[0024]
The illumination optical system 514 further includes a total reflection mirror 514g and a lens 514h. After the ultraviolet light L2 emitted from the deuterium lamp 513 is reflected by the total reflection mirror 514g, the lens 514h and the half mirror 514f are provided. Then, the light enters the imaging optical unit 52.
[0025]
The high-energy ultraviolet light L2 emitted from the deuterium lamp 513 is always incident on the total reflection mirror 514g, and when the surface of the total reflection mirror 514g is exposed to ultraviolet light for a long time, the surface becomes cloudy. Arise. Therefore, in this embodiment, only when the shutter mechanism 517 is provided between the deuterium lamp 513 and the total reflection mirror 514g and the sample to be measured is irradiated with the ultraviolet light L2, the shutter mechanism 517 is opened and the deuterium lamp 513 is opened. The ultraviolet light L2 from is guided to the total reflection mirror 514g.
[0026]
FIG. 8 is a perspective view showing the shutter mechanism. FIG. 8A shows a state where the shutter is opened, while FIG. 8B shows a state where the shutter is closed. As shown in the figure, the shutter mechanism 517 has a support plate 517b attached to the front end surface of a base 517a having a substantially L-shaped cross section. A through hole 517c is provided in the lower left portion of the support plate 517b, and ultraviolet light L2 can be incident on the total reflection mirror 514g fixed to the front end surface of the base 517a through the through hole 517c. Yes.
[0027]
In addition, a shutter 517e is pivotally supported on the support plate 517b so as to be rotatable around a rotation shaft 517d provided at the upper center portion. Further, a shutter drive motor 517f is connected to the rotation shaft 517d, and the shutter 517e rotates about the rotation shaft 517d as a rotation center in response to the operation of the motor 517f, thereby opening the through hole 517c. It is configured to be occluded.
[0028]
Accordingly, when the sample to be measured is irradiated with the ultraviolet light L2, as shown in FIG. 5A, the shutter 517e is retracted from the through hole 517c and the ultraviolet light L2 is reflected by the total reflection mirror 514g to be measured. When the sample is guided to the sample and the sample to be measured does not need to be irradiated with the ultraviolet light L2, the shutter 517e is positioned in the through hole 517c and the ultraviolet light L2 is totally reflected as shown in FIG. Incident to the mirror 514g can be prohibited. As a result, it is possible to prevent the surface of the total reflection mirror 514g from being irradiated with the ultraviolet light L2 for a long time, and to effectively prevent fogging of the surface of the total reflection mirror 514g.
[0029]
Next, returning to FIGS. 5 and 7, the imaging optical unit 52 that receives the visible light and the ultraviolet light emitted from the illumination optical unit 51 configured as described above, and the light reflected by the wafer are dispersed. The description of the configuration of the spectroscopic unit 54 will be continued.
[0030]
The imaging optical unit 52 includes a lens turret 522 having a plurality of objective lenses 521a and 521b concentrically arranged and rotatable around a rotation axis 522a, and an arbitrary drive by rotating the lens turret 522 around the rotation axis 522a. An objective lens switching motor 523 for positioning the objective lens on the optical axis OA, a beam splitter 524, and a tube lens 525 are provided. The illumination light (visible light or ultraviolet light) from the illumination optical unit 51 is transmitted by the beam splitter 524. The light is reflected and irradiated to the predetermined illumination position IL through the objective lens positioned on the optical axis OA by the objective lens switching motor 523.
[0031]
The six-axis table 41 (FIG. 1) is configured to be movable over a relatively wide range including the illumination position IL, and a wafer W as a sample to be measured is placed on the holding plate 411 of the six-axis table 41. The six-axis table 41 is configured so that an arbitrary minute area on the surface of the wafer W can be positioned at the illumination position IL. Although not shown in the drawings, the six-axis table 41 detects its position (X, Y coordinates, etc.), and gives the position information to the control unit 6 that controls the entire apparatus. It has become.
[0032]
The light reflected by the minute region of the wafer W located at the illumination position IL is condensed at a predetermined position on the optical axis OA via the objective lens 521, the beam splitter 524, and the tube lens 525. A plate 532 having a pinhole 531 at the center is disposed in the vicinity of the light collecting position. A shutter 533 is disposed in the vicinity of the plate 532, and the shutter 533 is driven to open and close based on a signal from the control unit 6. Whether to control or not.
[0033]
The spectroscopic unit 54 includes a concave diffraction grating 541 that splits reflected light and a line sensor 542 that detects the spectral light intensity of the diffracted light diffracted by the concave diffraction grating 541. The line sensor 542 is configured by, for example, a photodiode array or a CCD, and is arranged in a conjugate relationship with the pinhole 531. Therefore, the light taken into the spectroscopic unit 54 is split into the concave diffraction grating 541, and a signal corresponding to the spectral light intensity of the light is given from the line sensor 542 to the control unit 6.
[0034]
Note that a prism 551 is disposed on the optical axis OA between the tube lens 525 and the plate 532 so that a part of the light from the wafer W is taken out. Further, the extracted light is condensed at a predetermined position via the lens 552. An image pickup element 553 is disposed at this condensing position, and an image signal corresponding to an image of a partial region (film thickness measurement region) on the surface of the wafer W is given to the control unit 6. As described above, in this embodiment, an image of the measurement region can be captured by the imaging unit 55, but the arrangement position of the imaging unit 55 is not limited between the tube lens 525 and the plate 532. In other words, it is optional as long as it is on the optical axis OA between the objective lens 521 and the spectroscopic unit 54.
[0035]
As shown in FIG. 7, the control unit 6 includes a well-known CPU 611 that executes logical operations, a ROM 612 that stores various programs for controlling the CPU 611 in advance, and temporarily stores various data during operation of the apparatus. The control part 61 provided with RAM613 to perform is provided. The control unit 61 includes the following components via the I / O unit 62:
Operation unit 31,
-Monitor 32,
Data processing unit 631: Performs predetermined processing on the signal from the line sensor 542,
Shutter controller 632: Controls opening / closing of the shutter 533,
Image processing unit 633: performs predetermined processing on the image signal from the image sensor 553,
Filter switching controller 634: Rotation control of the filter switching motor 514b is performed to switch the filter.
Lighting circuit 635: Controls lighting / extinguishing of the halogen lamp 512,
Lighting circuit 636: Controls lighting / extinguishing of the deuterium lamp 513,
Shutter controller 637: Controls opening / closing of the shutter 517e,
Lens turret controller 638: The objective lens switching motor 523 is rotationally controlled to switch the objective lens.
Table controller 639: Drives and controls the six-axis table 41.
And are electrically connected.
[0036]
B. Spectroscopic Measurement Method Next, a spectroscopic measurement method in the film thickness measuring apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS. In this film thickness measuring apparatus, as in the conventional case, after assembling the apparatus and adjusting the optical axis, absolute wavelength calibration is performed (step S1). In this absolute wavelength calibration, a low-pressure mercury lamp having a known emission line spectrum is arranged in advance at the illumination position IL, and light from the low-pressure mercury lamp is guided to the spectroscopic unit 54 via the imaging optical unit 52 to obtain an absolute wavelength. Calibration is performed to associate each pixel of the line sensor 542 with a spectrum wavelength by spectroscopy. As a result, the correspondence shown in Table 1 is obtained and stored in the control unit 6.
[0037]
[Table 1]
Figure 0003718584
[0038]
Note that “N1” in the column of “pixel number” in the table and the table described later indicates the number of the pixel that receives the spectrum of the shortest wavelength λ1, and is on the long wavelength (λ2 <λ3 <...) Side. As you go to “N2”, “N3”, and so on.
[0039]
Thus, when the absolute wavelength calibration is completed, the low-pressure mercury lamp is removed, the halogen lamp 512 is turned on (step S2), and after a while, the light emission amount from the halogen lamp 512 is stabilized, the six steps are performed according to a command from the table controller 639. The axis table 41 is moved to position the chip holder 413 at the illumination position IL (step S3). Thereby, the illumination light irradiated from the illumination optical unit 51 passes through the holmium glass 72 through the protective glass 73 and is reflected by the reference chip 71, and then passes through the holmium glass 72 and the protective glass 73 again to form an image. The light is guided to the optical unit 52. Further, the reflected light enters the spectroscopic unit 54 via the imaging optical unit 52 and is split.
[0040]
Therefore, in the next step S4, the spectral characteristic is obtained by obtaining the luminance of the spectrum received by each pixel based on the electrical signal output from the line sensor 542. For example, as shown in FIG. 10, the spectral characteristics measured in this way are directly affected by the absorption characteristics of the holmium glass 72, and the luminance level of the spectrum is greatly reduced at a plurality of specific wavelengths.
[0041]
In the next step S5, the entire visible range is divided into three wavelength bands Ra, Rb, and Rc, and the most prominent change in luminance level occurs in each wavelength band Ra, Rb, and Rc (shaded area in the figure). Centroid wavelengths λa, λb, and λc are obtained (step S5). Specifically, the threshold level corresponding to each wavelength band Ra, Rb, and Rc is set to 40%, 80%, and 82% of the maximum luminance, respectively, and the portion where the luminance level is greatly changed is obtained. . Then, after obtaining the center-of-gravity pixel numbers Na, Nb, and Nc corresponding to the respective portions, the wavelengths λa, λb, and λc corresponding to the pixel numbers Na, Nb, and Nc are obtained based on the correspondence shown in Table 1. These are defined as centroid wavelengths λa, λb, and λc.
[0042]
The center-of-gravity wavelengths λa, λb, and λc thus obtained directly reflect the absorption characteristics of the holmium glass 72 as described above. In this embodiment, these are given to the control unit 6 as specific wavelengths λa, λb, and λc. Store (step S6). By these series of processes (steps S1 to S6), the preparation process for measuring the spectral characteristics of the wafer as the sample to be measured is completed.
[0043]
In the above embodiment, the centroid wavelengths are obtained and set as specific wavelengths. Instead of obtaining the centroid wavelengths (step S5), the wavelength with the lowest luminance level in each wavelength band Ra, Rb, Rc is used. You may make it be a specific wavelength. In this embodiment, the specific wavelengths λa, λb, and λc are measured using the film thickness measurement device prior to the measurement of the actual spectral characteristics of the wafer, but the holmium glass 72 is previously measured by another spectral measurement device. A specific wavelength based on the absorption characteristic may be measured and stored in the control unit 6.
[0044]
When the preparation process for spectroscopic measurement is completed as described above, according to the flowchart shown in FIG. 11, the spectral characteristics of the wafer to be measured and the film thickness measurement based on the spectral characteristics are performed.
[0045]
First, in step S11, a wafer to be measured is set. That is, in this film thickness measurement apparatus, the wafer is taken out from the wafer cassette 11 or 12 by the indexer robot 21, centered by the center adjustment apparatus 22, and then placed on the supply side stage 481. Then, after the wafer is delivered from the supply side stage 481 to the holding plate 411 of the six-axis table 41 and detected by the pre-alignment sensor 47 (pre-alignment), the chip holder 413 is subjected to a predetermined measurement directly below the measuring head 5. It arrange | positions in a position (illumination position IL).
[0046]
And the spectral characteristic of the holmium glass 72 currently hold | maintained at the chip | tip holder 413 is measured similarly to step S2-S4 in a preparatory process. That is, the halogen lamp 512 is turned on (step S12), and after a while, the light emission amount from the halogen lamp 512 is stabilized, the six-axis table 41 is moved in accordance with a command from the table controller 639, and the chip holder 413 is moved to the illumination position. After positioning to IL (step S13), the structure body is irradiated with illumination light in the visible range. Then, the reflected light from the structure is incident on the spectroscopic unit 54 via the imaging optical unit 52 to be spectrally separated, and the luminance of the spectrum received by each pixel based on the electric signal output from the line sensor 542 is obtained. The spectral characteristics are obtained (step S14).
[0047]
Then, the numbers Na, Nb, and Nc of the center-of-gravity pixels of the portions where the luminance level changes most significantly in each wavelength band Ra, Rb, and Rc are obtained (step S15), and then the control unit 6 performs a preparation process. The obtained specific wavelengths λa, λb, and λc are read out, and interpolation coefficients α1 and α2 between specific wavelengths adjacent to each other, that is, between the specific wavelengths λa and λb and between the specific wavelengths λb and λc, are obtained based on the following equation: (Step S16). That is, between the specific wavelengths λa and λb,
α1 = (Nb−Na) / (λb−λa)
And between the specific wavelengths λb and λc
α2 = (Nc−Nb) / (λc−λb)
Based on the above, interpolation coefficients α 1 and α 2 are obtained and stored in the control unit 6.
[0048]
By obtaining the interpolation coefficients α1 and α2 in this way, the optical characteristics of the imaging optical unit 52 and the spectroscopic unit 54 change due to the influence of changes over time and temperature, and as a result, each of the line sensors 542 is changed. Even if the correspondence between the pixel and the spectral wavelength is changed, the correspondence between each pixel and the wavelength can be calibrated by the following wavelength calibration formula. That is, the wavelength λk ′ of the spectrum received by the pixel having the pixel number Nk is
When Nk ≦ Nb,
λk ′ = λa + (Nk−Na) / α1
When Nb <Nk
λk ′ = λb + (Nk−Nb) / α2
It is obtained by.
[0049]
When the interpolation coefficients α1 and α2 are obtained as described above, the six-axis table 41 is moved in accordance with a command from the table controller 639 to position the wafer to be measured at the illumination position IL (step S17). As a result, the illumination light emitted from the illumination optical unit 51 is reflected by the wafer, and the reflected light enters the spectroscopic unit 54 via the imaging optical unit 52 and is split. Then, based on the electric signal output from the line sensor 542 of the spectroscopic unit 54, the luminance of the spectrum received by each pixel is obtained to obtain the spectral characteristics (step S18). The data indicating the spectral characteristics thus obtained is a combination data of the pixel number and the spectral luminance as shown in Table 2.
[0050]
[Table 2]
Figure 0003718584
[0051]
Next, the wavelength corresponding to each pixel number is calculated according to the wavelength calibration equation using the interpolation coefficient obtained in step S16, and wavelength calibration is performed (step S19). That is, for the wavelength λ1 corresponding to the pixel with the pixel number N1,
λ1 '= λa + (N1-Na) / α1
Is calibrated to the wavelength λ1 ′ obtained by the above, and the subsequent pixel numbers are similarly calibrated, and the spectral characteristics shown in Table 3 are obtained.
[0052]
[Table 3]
Figure 0003718584
[0053]
As described above, in this embodiment, since the wavelength calibration is performed for each measurement of the sample to be measured using the absorption characteristic of the holmium glass 72, the imaging optical unit 52 and the spectral component are affected by the influence of the change over time and the temperature change. Even if the optical characteristics of the unit 54 and the like change, and as a result, the correspondence between each pixel of the line sensor 542 and the spectrum wavelength by spectrum changes, the correspondence is calibrated for each measurement, and the spectral characteristics with good reproducibility are obtained. Measurement of characteristics can be performed. Moreover, since the holmium glass 72 is configured to be movable in accordance with the movement of the six-axis table 41, when performing wavelength calibration, it is only necessary to position the holmium glass 72 at the illumination position IL. Compared to the conventional example in which a low-pressure mercury lamp needs to be arranged at the illumination position IL each time calibration is performed, wavelength calibration can be performed easily and efficiently.
[0054]
Further, in this film thickness measurement apparatus, when the measurement of the spectral characteristics is completed as described above (step S19), the film thickness of the thin film formed on the surface of the wafer is measured based on the spectral characteristics whose wavelength has been calibrated. (Step S20). Since the spectral characteristics are measured with good reproducibility in this way, the film thickness is measured based on the spectral characteristics, so that the film thickness can be measured with high reproducibility. While it is determined in step S21 that the film thickness measurement is to be continued, the above series of processing (steps S11 to S20) is repeated.
[0055]
C. In the above embodiment, the specific wavelength is set by using the absorption characteristics of the holmium glass 72. Instead of the holmium glass 72, a substance (for example, didymium) whose transmittance changes maximally at the specific wavelength. A filter) or a multilayer film may be used. Further, instead of the holmium glass 72, a reflective film whose reflectance changes at a specific wavelength may be used. In this case, the reference chip 71 is not necessary.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c (provided that λ a b c ) exist in the wavelength range of the illumination light and are different from each other. Preparing a reference optical member having a maximum change in transmittance or reflectance, and positioning the reference optical member at the illumination position prior to measuring the spectral characteristics of the sample to be measured. the spectral characteristics of the member were measured, said specific wavelength lambda a of the plurality of pixels, lambda b, pixel N a which receives the spectrum of lambda c, N b, identifies the N c, wherein said at least three specific wavelengths lambda Among the a , λ b , λ c , predetermined interpolation coefficients α 1 , α 2 between specific wavelengths λ a , λ b adjacent to each other and between the specific wavelengths λ b , λ c are obtained , and the interpolation coefficients alpha 1, wherein either of the alpha 2 pixels N a, N b, use and either N c Te After calculating the wavelength of the spectrum of light received by each pixel of the line sensor, with positioning the DUT to the lighting position, and dispersing the light reflected from the DUT to the measured spectral characteristics, Since the wavelength characteristics of the spectral characteristics are calibrated based on the calculation result, it is possible to efficiently measure the spectral characteristics with good reproducibility.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a film thickness measuring apparatus to which a spectroscopic measuring method according to the present invention can be applied.
FIG. 2 is a perspective view of a chip holder.
FIG. 3 is a view taken along the line BB in FIG. 2;
FIG. 4 is a graph showing transmittance characteristics of holmium glass.
FIG. 5 is a diagram showing a measurement head 5;
6 is a view taken along line AA in FIG.
7 is a schematic diagram showing an optical and electrical configuration of the measurement head of FIG. 5. FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing a shutter mechanism.
FIG. 9 is a flowchart showing a preparation process in spectroscopic measurement by a film thickness measuring apparatus.
10 is a graph showing spectral characteristics of holmium glass actually measured by the film thickness measuring apparatus shown in FIG.
FIG. 11 is a flowchart showing a spectroscopic measurement method and a film thickness measurement method by a film thickness measurement apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 6 ... Control unit 41 ... Six axis table 51 ... Illumination optical unit 52 ... Imaging optical unit 54 ... Spectral unit 72 ... Holmium glass 512 ... Halogen lamp 513 ... Deuterium lamp 542 ... Line sensor 611 ... CPU
612 ... ROM
613 ... RAM
639 ... Table controller IL ... Illumination position W ... Wafer (sample to be measured)
α1, α2: Interpolation coefficients λa to λc: Specific wavelength

Claims (2)

被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において
(a) 前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c (ただし、λ a <λ b <λ c において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材を準備する工程と、
(b) 前記参照光学部材の少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ cを記憶する工程と、
(c) 被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λ a 、λ b 、λ cのスペクトルを受光する画素 a 、N b 、N cを特定する工程と、
(d) 前記工程 (b) で記憶された少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c のうち、互いに隣り合う特定波長λ a 、λ b の間、および特定波長λ b 、λ c の間における所定の補間係数α 1 、α 2 を求めると共に、該補間係数α 1 、α 2 のいずれかと前記工程(c)において特定された画素 a 、N b 、N c のいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する工程と、
(e) 前記工程(d)を行った後、被測定試料を前記照明位置に位置決めし、当該被測定試料から反射される光を分光し、分光特性を実測した後、当該分光特性を前記工程(d)の演算結果に基づき波長較正する工程と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定方法
A film thickness measuring method for measuring a film thickness of a thin film formed on a surface of a sample to be measured, wherein the surface of the sample to be measured is positioned when the sample to be measured is positioned at an illumination position irradiated with illumination light in a predetermined wavelength range. in the film thickness measuring method of light spectrally, measures the thickness of the thin film by measuring the spectral characteristics is received by the line sensor comprising a respective spectra from the plurality of pixels reflected from,
(a) In at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c (provided that λ a b c ) that exist in the wavelength range and are different from each other, the transmittance or reflectance is maximized. Providing a changing reference optical member;
(b) storing at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c of the reference optical member;
(c) measuring the spectral characteristics of the reference optical member by positioning the reference optical member at the illumination position prior to measuring the spectral characteristics of the sample to be measured; Identifying pixels N a , N b , N c that receive the spectra of wavelengths λ a , λ b , λ c ;
; (d) step (b) at least three specific wavelengths lambda a stored in, lambda b, lambda of c, the particular wavelength lambda a mutually adjacent, during the lambda b, and the specific wavelength lambda b, the lambda c predetermined interpolation coefficients alpha 1 between, the seek alpha 2, utilizing and either interpolation coefficients alpha 1, alpha pixel N a identified in 2 either said step (c), N b, N c Calculating a wavelength of a spectrum received by each of the pixels of the line sensor ;
(e) After performing the step (d), the sample to be measured is positioned at the illumination position, the light reflected from the sample to be measured is dispersed, the spectral characteristics are measured, and then the spectral characteristics are measured in the step a step of wavelength calibration based on the calculation result of (d),
A film thickness measuring method comprising:
被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
所定の波長域の照明光を照明位置に照射する照明光学ユニットと、
前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c (ただし、λ a <λ b <λ c において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材と、
被測定試料および前記参照光学部材を選択的に前記照明位置に移動させる移動手段と、
前記照明位置に位置決めされた前記被測定試料または前記参照光学部材から射出される光を所定位置に集光する結像光学ユニットと、
前記結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを受光するラインセンサとを有する分光ユニットと、
装置各部を制御しながら、前記ラインセンサの各画素から出力される電気信号に基づき前記被測定試料および前記参照光学部材の分光特性を求める制御ユニットとを備える膜厚測定装置であって、
前記制御ユニットは、前記参照光学部材の少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ cを記憶するメモリと、
被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λ a 、λ b 、λ cのスペクトルを受光する画素 a 、N b 、N cを特定する画素特定手段と、
前記メモリに記憶された少なくとも3つの特定波長λ a 、λ b 、λ c のうち、互いに隣り合う特定波長λ a 、λ b の間、および特定波長λ b 、λ c の間における所定の補間係数α 1 α 2 を求めると共に、該補間係数α 1 、α 2 のいずれかと前記特定された画素 a 、N b 、N c のいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する演算手段と、
被測定試料を前記照明位置に位置決めし、実測される分光特性を波長較正する波長較正手段とを有し、
前記移動手段は、被測定試料を保持するテーブルと、前記参照光学部材を保持しながら、前記テーブルに固定されたホルダと、前記テーブルを駆動して前記被測定試料および前記参照光学部材を一体的に移動させるテーブル駆動手段とを備えている
ことを特徴とする膜厚測定装置。
A film thickness measuring device for measuring a film thickness of a thin film formed on a surface of a sample to be measured, wherein the surface of the sample to be measured is positioned when the sample to be measured is positioned at an illumination position irradiated with illumination light in a predetermined wavelength range In a film thickness measuring apparatus for measuring the film thickness of the thin film by dispersing light reflected from the light, receiving each spectrum with a line sensor composed of a plurality of pixels, and measuring spectral characteristics,
An illumination optical unit that illuminates an illumination position with illumination light in a predetermined wavelength range;
Reference in which the transmittance or reflectance changes maximally in at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c (where λ a b c ) that exist in the wavelength range and are different from each other An optical member;
Moving means for selectively moving the sample to be measured and the reference optical member to the illumination position;
An imaging optical unit that collects light emitted from the sample to be measured or the reference optical member positioned at the illumination position at a predetermined position;
A spectroscopic unit that splits light from the imaging optical unit, and a line sensor that includes a plurality of pixels and that receives a spectrum separated by the spectroscope;
A film thickness measuring apparatus comprising a control unit that obtains spectral characteristics of the sample to be measured and the reference optical member based on an electric signal output from each pixel of the line sensor while controlling each part of the apparatus,
The control unit includes a memory for storing at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c of the reference optical member;
Prior to measuring the spectral characteristic of the sample to be measured, the spectral characteristic of the reference optical member is measured by positioning the reference optical member at the illumination position, and the specific wavelength λ a of the plurality of pixels is determined . pixel specifying means for specifying the pixels N a , N b , and N c that receive the spectra of λ b and λ c ;
Among the at least three specific wavelengths λ a , λ b , λ c stored in the memory, predetermined interpolation coefficients between the specific wavelengths λ a , λ b adjacent to each other and between the specific wavelengths λ b , λ c α 1 and α 2 are obtained, and light is received by each of the pixels of the line sensor using one of the interpolation coefficients α 1 and α 2 and one of the specified pixels N a , N b , and N c. Computing means for computing the wavelength of the spectrum;
A wavelength calibration means for positioning the sample to be measured at the illumination position and wavelength-calibrating the actually measured spectral characteristics ;
The moving means integrally holds the sample to be measured and the reference optical member by driving the table while holding the reference optical member, a table that holds the sample to be measured, and the table fixed to the table. A film thickness measuring apparatus comprising: a table driving means for moving the table to the position .
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