JP4888765B2 - 膜厚計及び膜厚の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属薄膜等の導電性の被膜の厚さを非接触で測定する渦電流式膜厚計に関し、詳しくは位相検波する膜厚計及びその膜厚の測定方法に関する。

半導体基板上、又は液晶ディスプレイ用のガラス基板上に形成された導電性薄膜の成膜状態を非破壊で検査する導電膜検査装置として渦電流式膜厚計が用いられている。

渦電流式膜厚計は、導体を交番磁界中に置くと、その導体内に磁界を打ち消す方向に渦電流が流れ、この渦電流の大きさや分布が、導体の形状、導電率、内部欠陥などにより変化することを利用して被膜の電気抵抗値を測定するという原理に基いた計測装置である。これは、渦電流により発生する磁界が相互誘導作用により検出コイルのインピ−ダンスを変化させるので、このインピ−ダンスの変化を電圧値や位相の変化として検出することにより、被検査物である導体の状態を知る方法である（特許文献1参照）。

ここで、膜厚測定装置について、図１０〜１２を使用して説明する。図１０に膜厚測定装置９１の概略全体構成を示す。図１０に示すように、膜厚測定装置９１は、例えば、駆動系（移動機構）９３によって駆動される基板ステ−ジ９３ａ上に支持されたシリコンウエハ等の基板の上方に配置される測定部９２を有している。

この駆動系９３は、コンピュ−タ９４からの命令によって動作するように構成され、基板ステ−ジ９３ａを上下及び水平方向に移動させることにより、測定部９２と基板５０との相対的な位置を変えるようになっている。

測定部９２は、例えば、プラスチック等の絶縁材料からなる支持部９２ａが設けられ、この支持部９２ａに、渦電流コイルセンサ（以下「渦電流センサ」という）２０と，レ−ザ変位センサ（以下「レ−ザセンサ」という）３０が取り付けられている。

ここで、渦電流センサ２０は、基板５０の近傍に配置され、基板５０上に形成された導電膜（測定対象膜）５１に近接するようになっている。

この渦電流センサ２０は絶縁材料からなる本体２内に、後述する検出コイル３と基準コイル４が埋め込まれて構成されている（図１２）。更に、検出コイル３と基準コイル４はインダクタンスメ−タ９５に接続されている。

また、レ−ザセンサ３０は、渦電流センサの上方の所定の位置に取り付けられている。

このレ−ザセンサ３０は、レ−ザセンサコントロ−ラ９６によって制御されるもので、基板５０上の導電膜５１上の所定の位置を照射することにより導電膜５１表面までの距離を高精度に測定するものである。

さらに、これらインダクタンスメ−タ９５とレ−ザセンサコントロ−ラ９６はコンピュ−タ９４に接続され、コンピュ−タ９４においてデ−タ解析を行なうようになっている。

図１１は、渦電流センサ２０の構成を示す回路図、図１２は、渦電流センサ２０の検出コイル３と基準コイル４の相対的な位置関係を説明する図である。検出コイル３が基板５０上の導電膜５１に近接している。

図１１に示すように、渦電流センサ２０はＭａｘｗｅｌｌブリッジと呼ばれるブリッジ回路１０を持っている。渦電流センサ２０の検出コイル３と参照コイル４が直列に接続されている様子を示している。検出コイル３のみ、基板５０と相互に影響することを太い矢印で示している。

渦電流センサ２０は、ブリッジ回路１０に印加した交流電圧によって発生するコイルの両端の電圧において、検出コイル３の両端には基板５０と相互の影響により発生する電圧が含まれることから、検出コイル３と参照コイル４の端子間電圧の差分をブリッジ回路１０によって得て、予め記憶しておいたデ−タと照合することにより、膜厚を得るというものである。

膜厚を得る為の具体的な方法を図１〜３を用いて詳細に説明する。

渦電流式膜厚計２０の構成例を図１に示す。検出コイル（ピックアップコイル）３が測定対象の薄膜導電膜５１に０．３ｍｍ程度に近接して配置され、参照コイル４は検出コイル３から数ｍｍ程度の所に配置される。図２のような交流ブリッジ型回路を形成し、交流電圧が印加されて発生する電圧を測定し、予め求めておいた電圧と膜厚の関係から膜厚を知ることができる。

図３に計算モデルを示す。R1、L1が検出及び参照コイルの抵抗、自己インダクタンスで、導電膜５１に誘起された渦電流による検出コイル３のインピーダンスの変化をR_e、L_eとおくと下記となる。

これからV_xの振幅│V_x│は下記となる。

│V_x│は通常、導電膜５１のシート抵抗に依存するので、│V_x│を測定すれば導電膜５１の膜厚が求まる。
導電膜５１での渦電流による検出コイル３のインピーダンスの変化は、図３のように導電膜５１の薄膜を一つのループと見なして考えると分かりやすい。相互インダクタンスをM_CL、仮想ループの抵抗、自己インダクタンスをR_L, L_Lとすると検出コイル３のインピーダンスZ_Cは下記となる。

R_Lが導電膜５１のシート抵抗に比例して変化すると、R_e, L_eが変化し、（１）式の出力電圧V_x及びその振幅│V_x│が変化する。よって、シート抵抗とV_x或いは│V_x│との関係が存在し、導電膜５１の材料に応じた「膜厚とシート抵抗の関係」を用いれば、V_x或いは│V_x│の測定結果から導電膜５１の膜厚が求まる。

図３にR_e, L_e,│V_x│の計算例を示す。検出コイル３はソレノイドで長さ１．７１ ｍｍ、外径２．４ ｍｍ、内径０．４ ｍｍ、１層につき１０巻き、６層、合計６０巻き、コイル下端から導電膜５１までの距離h＝０．３ ｍｍ、コイルの自己インダクタンスL_C ＝ １．７５ x10 ^-6 H、コイルの抵抗R_C ＝ ０．６６Ωとし、仮想ループの半径１．５ｍｍ、幅０．５ｍｍとした例で、ループの自己インダクタンスL_Lとコイルとの相互インダクタンスM_CLは図中に示した。(2), (3)式及び│V_x│をループの抵抗R_Lの逆数に対してプロットしたものである。

励起周波数１MHzと１０MHzでの結果を示した。│V_x│の計算ではブリッジへの印加電圧振幅E₀を1Vとした。R_Lはシート抵抗に比例する。これから、シート抵抗が大きい領域では、│V_x│への寄与はR_eが支配的で、│V_x│は「シート抵抗の逆数」に比例することが分かる。

また、位相検波を用いて膜厚の測定を行なうセンサがあった（特許文献２参照）。しかしながら、研磨装置での膜を除去する場合の研磨終了を検知する装置への応用を考慮して、膜厚がオングストロ−ムオ−ダの極めてシ−ト抵抗が高い場合のものであった。

さらに、検出コイル３と参照コイル４に平面コイルを用いるセンサが開発された（特許文献３参照）。検出コイル３と参照コイル４の巻き方を互いに逆相にして渦電流膜厚計の感度を落とすことなく、空間分解能を向上させる。また、薄膜を半径の異なる５つのル−プとみなして、インピ−ダンスの変化分を求める方法を開示した。
しかしながら、インダクタンス成分の変化量より、膜厚を求めるものであった。

特開平５−１４９９２７号公報（第３頁、図１） 特開２００５−１２１６１６号公報（第１２頁、図９） 特開２００５−２２７２５６号公報（第６頁、図１０）

上記の理想的な計算ではシート抵抗が大きくなると│V_x│はシート抵抗の逆数に比例して小さくなるはずだが、実際に測定すると、あるシート抵抗値以上ではほとんど変化しなくなる。そのために、│V_x│の測定値からシート抵抗及び膜厚を算出することができなくなる。

また、成膜した膜の特性の利用を考慮した場合、良く利用されるマイクロメ−トルオ−ダの膜の膜厚測定により適したものが望ましい。

上記課題は「参照コイルと検出コイルが直列に接続された回路と、２個の基準抵抗が直列に接続されたインダクタンスブリッジを用い、測定対象物の表面に形成された導電膜の近傍の所定の位置に配置可能に構成され、前記参照コイルよりも前記検出コイルを前記導電膜に近接した位置に配置可能であり、前記導電膜に対して所定の渦電流を発生させ且つ当該渦電流による磁界を検出する渦電流コイルセンサであって、前記前記導電膜からの前記磁界を検出するとき前記所定の渦電流を発生させるための前記直列回路に印加された印加電圧に対して参照信号の位相合わせをする手段を有し、前記導電膜のシ−ト抵抗値がマイクロメ−トルオ−ダの膜厚に対応する高抵抗値であるものを測定できるように、前記インダクタンスブリッジの出力の抵抗成分のみを測定するようにしたことを特徴とする渦電流式膜厚計」によって解決される。

また、以上の課題は「参照コイルと検出コイルが直列に接続された回路と、２個の基準抵抗が直列に接続されたインダクタンスブリッジを用い、測定対象物の表面に形成された導電膜の近傍の所定の位置に配置可能に構成され、前記参照コイルよりも前記検出コイルを前記導電膜に近接した位置に配置可能であり、前記導電膜に対して所定の渦電流を発生させ且つ当該渦電流による磁界を検出する渦電流コイルセンサであって、前記前記導電膜からの前記磁界を検出するとき前記所定の渦電流を発生させるための前記直列回路に印加された印加電圧に対して参照信号の位相合わせをする手段を有し、前記導電膜のシ−ト抵抗値がマイクロメ−トルオ−ダの膜厚に対応する高抵抗値であるものを測定できるように、前記インダクタンスブリッジの出力の抵抗成分のみを測定するようにしたことを特徴とする膜厚の測定方法」によって解決される。

具体的には、検出コイル３の抵抗成分の変化Reを測定する。Reは導電膜５１の「シート抵抗の逆数」に比例する、即ち、シート抵抗に対して変化するので、Reを測定すれば導電膜５１の膜厚を求められる。

上記のReとシート抵抗の関係は実験で確かめた。シート抵抗が大きくなると、検出コイル３の自己インダクタンス成分の変化分Leが大きいままの一定値となり、│V_x│の主要部分をなすために│V_x│が一定になることを実験的に確かめた。

具体的には、交流ブリッジ１０出力信号の測定において、位相検波時の参照信号と励起信号の位相差を、下記（４）式とすることで、抵抗成分の変化Reのみを測定する。ここでL₁、R₁は検出コイル３の自己インダクタンスと抵抗である。

φ= tan^-1(ω L₁/R₁) （４）

導電膜５１の「シート抵抗の逆数」に比例する「検出コイルの抵抗成分の変化分Re」を出力信号として測定することにより、従来の「シート抵抗の増大につれて信号が一定値になること」がなくなるので、シート抵抗が大きい導電膜５１でも信号測定結果から膜厚を求めることが可能になる。

上記「検出コイルの抵抗成分の変化分Re」は、位相検波時の参照信号と励起信号の位相差を式（４） とすることで得られることが分かったので、既知のL₁、R₁から設定すべき位相差・・を算出でき、面倒な位相調整は不要で所望の信号が得られる。ここでL₁、R₁は検出コイルの自己インダクタンスと抵抗である。

以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施の形態で使用する渦電流式センサは、先に詳述した図１〜３と同じ構成である。

本発明の実施の形態の交流ブリッジ１０出力信号の測定においては、位相検波時の参照信号と励起信号の位相差を式（４） とすることで、抵抗成分の変化Reのみを測定する。

以上の効果を具体的に示すため、図４にしめす計算モデルにより見積もりを行なった。
導電膜５１は、５つの同心円のループ（半径1.5、3, 4.5、6、7.5mm）と見なし計算している。

Re, Le, │Vx│の計算結果と測定結果の比較を以下に示す。コイルは、空間分解能よりも感度を優先させた平面コイルで、0.23mmピッチ、19巻き、外径9mmである。図７のRe, Leは計算値で、導電膜５１を５つの同心円のループ（半径1.5、3, 4.5、6、7.5mm）と見なしてコイルのインピーダンスの変化を計算して求めた。

導電膜５１とコイル間の距離は0.3mm、コイルの自己インダクタンスは1.4e−6H、抵抗は2Ωとした。図６にはブリッジ出力電圧への寄与に相当するI₀ R_e /2、I₀・ L_e/2と│V_x│｛（５）式｝をプロットした。

│V_x│ = [(I₀ R_e /2)² +( I₀ωL_e/2)²] ^0.5 （５）

ブリッジへの印加電圧振幅は1Vで、周波数は10MHzである。シート抵抗Rsが大きくなるとReの寄与分は1/Rsに比例し、Leの寄与分は(1/Rs) ²に比例する。従って、図６から分かるようにRsが大きい領域ではReの寄与が支配的で│V_x│も1/Rsに比例することが計算からは予想される。

しかしながら、良く利用されるマイクロメ−トルオ−ダの領域で、実際にReとLeを測ってみると図７に示す結果となった（ブリッジに1V印加時のI₀を掛けてプロットしている）。導電膜５１にはCu、Ta、TiNを用いた。図７中の直線は、図６に示した計算結果である。│V_x│はRe、Leの測定値を用いての計算値は（５）式である。

図７から分かるように、Reの成分は計算結果とよく合うのに対し、Leの成分は計算値よりはるかに大きく、シート抵抗Rsに対して一定である。そして、Rsが50Ω以上では│V_x│においてLeの成分が支配的になり、│V_x│もRsに対して変化しなくなる。

（５）式に従い、Reの寄与分だけは│V_x│も変化するが、「大きい値における小さい変化」を読むことになり、測定精度の問題からも計測器としてはよくない。

以上から、Leの上記振舞いの理由は現時点では不明であるが、従来の│V_x│を測定していては膜厚の測定精度が低いのに対し、Reの成分を測定すれば、それがシート抵抗Rsに対して敏感に変化するので、高精度の膜厚測定が可能な渦電流膜厚計になると言える。

次に、Reを選択的に測定する方法を述べる。式(1)からは、Re成分とLe成分が直交しており、ブリッジ出力の交流電圧信号V_xの測定において位相検波時の参照信号の位相設定によって、R_e, L_eが独立に測定できることが分かる。

図６は前述のソレノイド、1MHzでの下記（６）式の計算例である。

V_x = I₀ [ R_e cos(ωt−φ) + ωL_e sin(ωt−φ) ] / 2 （６）

印加電圧振幅は1Vとし、図８では1/1000倍にしてプロットした。印加電圧、Re、Leの成分、V_xの位相の関係を示している。位相差φ、αは（1）式の下に示したとおりである。Re成分は印加電圧に対してφだけ位相が遅れており、参照信号の位相もφだけ遅らせればRe成分のみが検出される。

導電膜５１のシート抵抗が大きい場合、Re, LeはR1, L1に比べ十分小さいので、表１のφは（４）式で近似でき、既知の検出コイルのR1, L1の値からφを設定できる。

従って、図９に示すように、ブリッジ出力の交流電圧信号の測定において、位相検波時の参照信号の位相を励起信号より、このφだけ遅らせれば、「シート抵抗の逆数」に比例して変化する「Reの成分」のみが検出されて、シート抵抗が大きい導電膜５１の膜厚が高精度に測定できる測定方法となる。

尚、前記参照信号は、インダクタンスメ−タ９５内の特に図示しない発振回路により、交流電圧源２６の出力に同期して発生し、特に図示しない位相シフト回路によって前記Ｒｅ成分との位相合わせが可能になっている。

前記位相シフト回路は、デジタル回路によるシフトレジスタ、アナログ回路の遅延線、抵抗やコンデンサなどの組合わせによる時定数回路が使用できる。

また、本発明は、一般に良く利用されるマイクロメ−トルオ−ダの領域での膜厚測定において特に好適である。すなわち、図７に示すように、望ましくはＲｓが２０〜１１０Ωの範囲、ついで１Ω〜１ＫΩの範囲で良好な測定が可能である。LeがＲｓに対して一定になる範囲であり、Reのみ測定すれば膜厚が高精度に測定できる範囲である。

以上、発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変形が可能である。

渦電流式センサ２０の斜視図である。 計算モデルの基となる渦電流式センサ２０の構成品の配置を示す図である。測定対象である導電膜５１、検出コイル３、参照コイル４の配置の概略位置を示す。 渦電流式センサの回路図である。 参照コイル４にＬ₁、Ｒ₁が対応する。検出コイル３に、Ｌ₂、Ｒ₂が対応する。 渦電流式センサ1の計算モデルである。 検出コイル３と導電膜５１の関係を計算モデル化した。導電膜５１に相当するのがル−プである。検出コイル３と導電膜５１が互いに受ける影響が相互インダクタンスＭ_CLである。 導電膜５１を５つのル−プとみなした計算モデルである。 │V_x│とRe, Leの関係を示すグラフである。 Re, Leの計算結果のグラフである。 Re, Leの実測値を示すグラフである。 実測値Le成分が、変化していないのが分る。その一方、Re成分は変化している。 ブリッジ出力成分の位相の例を示す。 Ｒｅ成分が印加電圧より、φ遅れていることが分る。 本発明の実施の形態の位相である。 参照信号をφ遅らせてＲｅ成分のみ取り出せるようにした。 渦電流式膜厚測定装置９１の概略全体構成図である。 駆動系（移動機構）９３によって駆動される基板ステ−ジ９３ａ上に支持されたシリコンウエハ等の基板５０の上方に配置される測定部９２を有している。駆動系９３は、コンピュ−タ９４からの命令によって動作するように構成され、基板ステ−ジ９３ａを上下及び水平方向に移動させることにより、測定部９２と基板５０との相対的な位置を変えるようになっている。 渦電流式膜厚計（渦電流センサ）２０の回路図である。 ブリッジ１０によって、参照コイル４と検出コイル３の出力の差分を得て測定回路２７で受けるように構成されている。 渦電流センサ２０の検出コイル３と参照コイル４の相対的な位置関係を説明する図である。検出コイル３は、基板５０の導電膜５１に近い本体部２の下端にある。一方、参照コイル、基板５０の導電膜５１から離れている。

符号の説明

２・・・本体部、３・・・検出コイル、４・・・参照コイル、５・・・熱シ−ルド、
１０・・・インダクタンスブリッジ、１４・・・基準抵抗、１５・・・基準抵抗、
２０・・・渦電流センサ−（渦電流式膜厚計）、２１・・・並列接続点、２２・・・並列接続点、２３・・・接続中点、２４・・・接続中点、
３０・・・レ−ザ変位センサ−、
５０・・・基板、５１・・・導電膜、
９１・・・膜厚測定装置、９２・・・測定部、９２ａ・・・支持部、９３・・・駆動系（移動機構）、９３ａ・・・基板ステ−ジ、９４・・・コンピュ−タ、９５・・・インダクタンスメ−タ、９６・・・レ−ザセンサコントロ−ラ、

Claims (6)

1. 参照コイルと検出コイルが直列に接続された回路と、２個の基準抵抗が直列に接続されたインダクタンスブリッジを用い、測定対象物の表面に形成された導電膜の近傍の所定の位置に配置可能に構成され、前記参照コイルよりも前記検出コイルを前記導電膜に近接した位置に配置可能であり、前記導電膜に対して所定の渦電流を発生させ且つ当該渦電流による磁界を検出する渦電流式膜厚計であって、
   前記導電膜からの前記磁界を検出するとき前記所定の渦電流を発生させるための前記直列回路に印加された印加電圧に対して参照信号の位相合わせをする手段を有し、
   前記位相合わせをする手段が、前記検出コイルの自己インダクタンス値及び抵抗値から近似演算することにより前記印加電圧と前記参照信号との位相差を求める演算手段と、参照信号を該位相差分だけ進め又は遅らせる位相合わせ手段とにより構成され、
   前記インダクタンスブリッジの出力の抵抗成分のみを測定するようにしたことを特徴とする渦電流式膜厚計。
2. 前記導電膜の前記シ−ト抵抗値が、１Ω〜１KΩであることを特徴とする請求項１に記載の渦電流式膜厚計。
3. 前記導電膜の前記シ−ト抵抗値が、２０〜１１０Ωであることを特徴とする請求項２に記載の渦電流式膜厚計。
4. 参照コイルと検出コイルが直列に接続された回路と、２個の基準抵抗が直列に接続されたインダクタンスブリッジを用い、測定対象物の表面に形成された導電膜の近傍の所定の位置に配置可能に構成され、前記参照コイルよりも前記検出コイルを前記導電膜に近接した位置に配置可能であり、前記導電膜に対して所定の渦電流を発生させ且つ当該渦電流による磁界を検出する膜厚の測定方法であって、
   前記導電膜からの前記磁界を検出するとき前記所定の渦電流を発生させるための前記直列回路に印加された印加電圧に対して参照信号の位相合わせをする手段を有し、
   前記位相合わせをするのに、前記印加電圧と前記参照信号の位相差を前記検出コイルの自己インダクタンス値及び抵抗値から近似して求め、
   前記インダクタンスブリッジの出力の抵抗成分のみを測定するようにしたことを特徴とする膜厚の測定方法。
5. 前記導電膜の前記シ−ト抵抗値が、１Ω〜１KΩであることを特徴とする請求項４に記載の膜厚の測定方法。
6. 前記導電膜の前記シ−ト抵抗値が、２０〜１１０Ωであることを特徴とする請求項５に記載の膜厚の測定方法。

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