JP3632832B2 - Sheet resistance measurement method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、スパッタリング法や蒸着法により形成された金属膜や合金膜などの薄膜状被測定体のシート抵抗を測定する、非接触型のシート抵抗測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のシート抵抗測定器として、4探針法を採用したものが知られている。以下、4探針法の原理について図面に基づいて説明する。図21に示すように、該方法では、探針として4本の針状の電極が使用される。これら4本の針状の電極は、該先端部全てを同時に薄膜状被測定体に圧接させることができるように構成されている。
【0003】
例えば基板101上に形成された金属薄膜102のシート抵抗を測定する場合には、該金属薄膜102上面に圧接されるように4本の電極を所定の間隔をおいて直線上に配置する。尚、図21において、外側に配された一対の電極を探針(電流探針)103・103、内側に配された一対の電極を探針(電圧探針)104・104と称する。
【0004】
続いて、電源(図示せず)に接続された探針103・103間に一定の電流Iを流し、これにより探針104・104間に生じる電位差を電位差計(図示せず)にて測定し、抵抗(R=V/I)が求められる。金属薄膜102のシート抵抗は、抵抗率(比抵抗:ρ)=F×R×Tとして得られる。なお、Tとは金属膜102の厚さを、Fとは該金属薄膜102の形状・寸法、並びに探針間の距離より求められる無次元の数値である補正係数を表す。
【0005】
しかしながら、上記説明の4探針法では、被測定体に対し針状の電極(金属針)が圧接されるため、例えば、1)金属薄膜102の損傷や粉塵の発生を招来する虞があり、加えて、2)針状の電極の磨耗が発生し、定期的な交換作業を要する、等の問題がある。さらに、3)被測定体が振動している状態ではシート抵抗の測定が不可能であるため、被測定体を固定する専用の吸着ステージを設ける等の制約を有する。この場合、スペース上の制約が厳しければ、既存工程への導入(設置)やインライン化が困難となる等の問題を招来する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで上記問題を回避するため、4探針法のように電極を圧接することなく、薄膜状の半導体材料(薄膜状被測定体)のシート抵抗(抵抗率)を測定する方法、すなわち非接触測定法が提案された。
【0007】
上記方法は、例えば、高周波電力が印加されたコイルからの磁界内に、例えば、ガラス基板やウエハ等の半導体基板に形成された金属薄膜を位置させて、上記磁界と金属薄膜とを電磁誘導結合させることにより該金属薄膜内に渦電流を発生させる点に特徴を有する両側式渦電流法である。発生した渦電流はジュール熱となって消費され、また、高周波電力の上記金属薄膜内での吸収と導電率(抵抗率の逆数)とは正の相関を有することを利用して、非接触で金属薄膜の抵抗率が算出される。
【0008】
すなわち、4探針法とは異なり、両側式渦電流法は金属薄膜に接触することなく得た検出結果より、該金属薄膜の抵抗率を算出可能な点に特徴を有し、これにより、IC等の半導体製品や液晶パネル等の最終加工処理工程においても、金属薄膜やこれが形成される半導体基板に対し汚染や力が加えられることを回避可能となる。
【0009】
このような両側式渦電流法の具体例は以下の通りである。まず、例えば、図22に示すように、1〜4mmのギャップ(ギャップ幅)201を有するように対向させた2個の各対向面である両側部202a・202aを備えた、略コの字状のフェライト(磁性材料)コア202のコイル202bに高周波電力を印加する。
【0010】
続いて、上記ギャップ201に金属薄膜を有するウエハ203を挿入すると、該金属薄膜内に高周波誘導結合により渦電流が発生し、発生した渦電流はジュール熱となって消費されるため、高周波電力の金属薄膜内での吸収が生じる。この吸収と、上記金属薄膜の導電率とが互いに正の相関を有するので、上記吸収の割合からウエハ203における金属薄膜の抵抗率が非接触にて測定される。
【0011】
近年、半導体基板の製造工程における品質制御の目的で、上記両側式渦電流法などを用いた小型のシート抵抗モニタ用の抵抗測定器が開発されている。例えば、特開平6−69310号公報には、抵抗測定器をローダ部の搬送ロボット移動方向に並列に設け、搬送中に上記抵抗測定器により抵抗率を測定する、ウエハ測定システムが開示されている。上記公報に記載の抵抗測定器については、非接触で抵抗率を測定する両側式渦電流法を用いるとの記載はないが、添付図面から判断すると、4探針法などを採用した接触式の抵抗測定器、または上記両側式渦電流法を採用した非接触式の抵抗測定器が用いられているものと推察される。
【0012】
上記測定システムには、ウエハの金属薄膜の抵抗率を測定するために、上記搬送ロボットを一時停止、もしくは、抵抗測定器内にウエハを挿入する、または、搬送する動作フローを設け、ウエハの搬送途中でその抵抗率を測定する方式が採用されている。すなわち、上記両側式渦電流法や4探針法などの場合には、1)装置を停止する、2)搬送ロボットに搬送以外の動作フローを追加する、などの追加仕様が必要となるので、タクトの増加や、搬送以外の動作フローを追加するためのソフトの追加などを伴い、コスト面でのマイナスが生じる。
【0013】
加えて、既存の半導体基板製造工程への上記測定システムの導入は、1)その抵抗測定器が感度不足である、2)取付けスペースの確保が困難となる、3)1軸以上のウエハ搬送手段(搬送ロボット)が必要となる等の、問題点を有し困難を極める。
【0014】
そこで上記問題を解決するべく、非接触測定法を採用した他のシート抵抗測定器として、片側式渦電流方式(以下、片側式と称する)の測定器が提案された。該測定器は、導電性を有する薄膜状被測定体の片面側のみに対し、高周波電力が印加されたコイルからの磁界の磁力線を照射する点に特徴を有し、これにより被測定体に渦電流を発生させて渦電流損失分を検出し、被測定体の材質・膜厚などをシート抵抗値として取得するものである。
【0015】
例えば、特開平5−21382号公報には、スパッタリング法にて形成された金属薄膜(スパッタ膜)に渦電流を発生させ、発生した渦電流に伴う磁力線を検出してシート抵抗を算出する渦電流検出型の測定器が記載されている。
【0016】
より具体的には、上記公報には、空間的に連結・遮断が可能なように、ゲートバルブを介してスパッタリング装置とロードロック室とが隣接配置されたシステムが開示されており、該システムにおいては、ロードロック室内に、金属薄膜が形成された基板を搬送する搬送手段、並びに上記シート抵抗測定器が設けられ、スパッタリング装置内に、スパッタ条件を変更して金属薄膜のシート抵抗を制御する制御手段が設けられている。すなわち、シート抵抗の測定結果をフィードバックしてスパッタ条件を適宜変更することにより、均一な金属薄膜を形成することを目的としたシステムである。
【0017】
しかしながら、上記システムでは成膜直後の金属薄膜のシート抵抗を測定する方式が採用されており、この時点での基板温度は高いので、測定されるシート抵抗値に大きなばらつきが発生する。すなわち、高温下では、渦電流式の上記シート抵抗測定器のコイルの膨張や、シート抵抗値の温度依存性等の影響を受け、良好な測定結果を得ることが困難となる。また、シート抵抗測定器をロードロック室内に設置すれば、そのメンテナンス性も悪く、作業の効率が悪いという問題も発生する。これら各問題から、成膜した金属薄膜のシート抵抗値を測定して、次の成膜にフィードバックすることは困難であると考えられる。
【0018】
USP−5,660,672にも片側式のシート抵抗測定器が提案されており、該測定器には、カップリングタイプのフェライト等に巻き付けられたコイルにより、効率的に磁束を収束させる構造が採用されている。しかしながら、数百MHz領域にてフェライト等を使用することは、温度ドリフトするため、安定した出力電圧を検出することは困難であり、安定した高精度な測定が要求される場合に使用することは困難である。
【0019】
本願発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、例えば、液晶パネル基板や半導体基板の製造工程において、これら基板に形成された薄膜のシート抵抗の測定を、該薄膜に被接触で、かつ高精度で実行可能な、片側式のシート抵抗測定方法に関するものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるシート抵抗測定方法は、磁界を発生するコイル部を備えてなるセンサヘッドを用い、薄膜状被測定体のシート抵抗を測定する方法であって、上記薄膜状被測定体を薄膜状被測定体の形成部に後続されたロードロック室から搬出された金属薄膜とし、かつ、上記センサヘッドおよび上記金属薄膜を、温度が一定な気流を一定量流す気流下に設置する工程と、上記金属薄膜の片面側に対し、上記コイル部から磁界の磁力線を照射して、該金属薄膜に上記磁界による渦電流を形成する第一の工程と、上記渦電流の形成により生じた渦電流損に応じた上記磁界の変化量を、上記金属薄膜のシート抵抗として検出する第二の工程とを含んでなることを特徴としている。
【0021】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はまた、上記方法を前提として、上記第二の工程において、上記渦電流損に相当する抵抗が、上記コイル部を含んでなる直列共振回路に直列的に付加されるとみなし、上記磁界の変化量を取得することを特徴としている。
【0022】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記第二の工程において、上記渦電流損に相当する抵抗が、上記コイル部を含んでなる直列共振回路に並列的に付加されるとみなし、上記磁界の変化量を取得することを特徴としている。
【0023】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路におけるインピーダンスの変化量として取得することを特徴としている。
【0024】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路におけるインダクタンスの変化量として取得することを特徴としている。
【0025】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路における静電容量の変化量として取得することを特徴としている。
【0026】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路における共振周波数の変化量として取得することを特徴としている。
【0027】
上記いずれかの方法によれば、薄膜状被測定体の形成部に後続されたロードロック室から搬出された金属薄膜のシート抵抗を、電磁誘導作用により発生した渦電流の大きさに基づき、上記金属薄膜に非接触でシート抵抗を測定できるので、該金属薄膜に損傷を与える虞がない。また、該金属薄膜の片面側のみに対し磁界の磁力線が照射されるように上記コイル部を配すればよいので、従来の両側式渦電流法と比較して簡素な構成で、該金属薄膜のシート抵抗を測定可能となる。また、シート抵抗の測定対象である該金属薄膜は、上記形成部内やロードロック室内にある時と比較して比較的低温の状態にあるため、渦電流損に応じた微量な磁界の変化量を安定かつ高精度に検出することができる。すなわち、該金属薄膜のシート抵抗を、安定かつ高精度に測定することが可能となる。
特に、ITO等の高抵抗な金属薄膜のシート抵抗を測定する場合には、発生する渦電流損は極めて微細なものとなるため、上記の方法を用いる利点は極めて大きい。
【0028】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記渦電流損に相当する抵抗の抵抗値を、リアクタンス変化法にてもとめることを特徴としている。
【0029】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記渦電流損に相当する抵抗の抵抗値を、周波数変化法にてもとめることを特徴としている。
【0030】
上記いずれかの方法によれば、例えば、オフラインなど迅速性がさほど要求されないシート抵抗測定において、特に高精度な測定を実現可能となる。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。尚、これによって、本発明が限定されるものではない。
【0035】
本発明にかかるシート抵抗の測定方法は、1)磁界を発生するコイル部から、薄膜状被測定体の片面側のみに対し磁界の磁力線を照射して、該薄膜状被測定体に上記磁界による渦電流を形成する第一の工程と、2)上記渦電流の形成により生じた渦電流損に応じた上記磁界の変化量を、薄膜状被測定体のシート抵抗として検出する第二の工程とを含んでなる方法である。
【0036】
その原理は以下に示す通りである。まず、図19に示すように、交流発生器301からの交流電流を印加したコイル302をコイル303に近づけると、電磁誘導現象によりコイル303に電圧が発生し、このコイル303を含む回路、つまり電流計304および負荷抵抗305に交流の電流(誘導電流)が流れることが知られている。
【0037】
これと同様に、コイル303に代えて、図20に示すように、導電性の被測定体としての金属薄膜(薄膜状被測定体)306に対し、交流電圧を印加したコイル(コイル部)302を近づけると、金属薄膜306に渦電流307が発生する。そして、渦電流307の発生により、閉路回路(閉回路)の共振状態が崩されて、該閉路回路内のコイル302が発生する磁界に変化が生じ、該コイル302のインピーダンス(直流回路の抵抗に相当)などが上記磁界の変化量に応じて変化する。本願発明は、この原理を利用して、薄膜状被測定体のシート抵抗を測定するものである。なお、発生する渦電流307の大きさは、測定対象としての金属薄膜306までの距離や、金属薄膜306の材質や大きさによって決まる。
【0038】
上記の方法によれば、従来の4探針法とは異なり、電磁誘導作用により発生した渦電流の大きさに基づき、薄膜状被測定体に非接触でシート抵抗を測定できるので、該薄膜状被測定体に損傷を与える虞がない。また、薄膜状被測定体の片面側のみに対し磁界の磁力線が照射されるように上記コイル部を配すればよいので、従来の両側式渦電流法と比較して簡素な構成で実施可能となる。よって、例えば、液晶パネル基板や半導体基板に薄膜を形成する工程や、さらに下流の製造工程において、既存の製造フローの変更、並びに、装置・搬送ロボットなどの製造ラインの(一時)停止などを伴わず、かつ、装置スループットを落とさずに、インラインで薄膜状被測定体の膜質全数検査を実施できる。
【0039】
また、本願発明の方法は、上記第二の工程において、上記渦電流損に相当する抵抗が、上記コイル部を含んでなる直列共振回路に直列的、または並列的に付加されるとみなし、上記磁界の変化量を取得する方法である。
【0040】
なお、上記磁界の変化量は、以下にも例示するが、上記直列共振回路における、1)インピーダンスの変化量、2)インダクタンスの変化量、3)静電容量の変化量、4)共振周波数の変化量、ととらえて取得することが可能である。すなわち、コイル部の磁界の変化により、直列共振回路の共振状態が崩されて、出力に信号があらわれる。これを薄膜状被測定体のシート抵抗を表すものとして読み取り、4探針値との相関からシート抵抗値を算出する。
【0041】
また、本願発明にかかるシート抵抗測定方法は、薄膜状被測定体の形成部に後続されたロードロック室から搬出された薄膜状被測定体を対象に行われることがより好ましい。例えば、本願発明の方法を製造ライン上で実行する場合には、薄膜状被測定体の成膜室(形成部:スパッタリング装置室など)に後続されたロードロック室より下流にてインライン化されることがより好ましい。さらに、本発明にかかるシート抵抗測定方法はオフラインで適用されてもよく、この場合にも、インラインの場合と同様に、薄膜状被測定体の成膜室に後続されたロードロック室から搬出された薄膜状被測定体を製造ラインから取り出して測定が行われることがより好ましい。
【0042】
これは、成膜室内や、これに後続されたロードロック室内では、薄膜状被測定体は形成直後の非常に高温な状態にあるので、磁力線を照射するコイル部の膨張を誘引したり、シート抵抗の温度依存性等の影響を受けて、良好な測定結果を得ることが困難となる虞があるためである。上記説明のように、シート抵抗の測定を、ロードロック室から搬出された薄膜状被測定体(一般に基板上に形成されたもの)を対象に行えば、該薄膜状被測定体は、成膜室内やロードロック室内にある時と比較して比較的低温の状態であり、渦電流損により生じる微量な磁界の変化量を安定かつ高精度に検出することが可能となる。特に、ITO等の高抵抗な金属薄膜のシート抵抗を測定する場合には、発生する渦電流損は極めて微細なものとなるため利点は極めて大きい。
【0043】
なお、いうまでもないが、上記「成膜室に後続されたロードロック室」とは、成膜室の下流側に直結されたロードロック室を指す。また、例えば、成膜室内や、該成膜室に後続されたロードロック室内においても、例えば、±1℃内の温度変動幅で温度を一定に保つことが可能であれば、本願発明の方法により、薄膜状被測定体のシート抵抗を測定することが可能である。
【0044】
以下、図1および図2を参照して、上記の測定方法が採用されるシート抵抗測定器の構成について説明を行い、本願発明にかかる測定方法についてさらに詳細に記載する。
【0045】
上記のシート抵抗測定器は、図1に示すように、ガラス基板(基板)11の表面に形成された金属薄膜(薄膜状被測定体)11aのシート抵抗を測定する装置であって、磁界を発生するためのコイル(コイル部)12aを内蔵したセンサヘッド12を備えている。上記コイル12aは、コアレス式の円筒状のものである。また、上記コイル12aに高周波電力を供給する高周波交流発振回路(図2参照)13aを備えるとともに、センサヘッド12が得た検出信号(信号電圧)を直流電圧値に変換して出力するアンプ(シート抵抗検出手段)13、並びに、アンプ13に電力を供給する交流電源14を備えている。
【0046】
シート抵抗測定時には、図示しない支持・搬送手段により、ガラス基板11は、金属薄膜11aの形成面を上面とし、所定の測定高をおいてセンサヘッド12の真上に水平に位置するように支持・搬入される。上記センサヘッド12は、磁界12bをガラス基板11に向かって、つまり、磁界12bの磁力線の中心線が、金属薄膜11aに対して直交するように発生させており、この磁界12bと金属薄膜11aとの関係により金属薄膜11a内に渦電流(図2参照)11bが生じる。発生した渦電流11bはジュール熱となって消費されるため電力の損失(渦電流損:eddy current loss)が生じるが、該渦電流損に応じたコイル12aの磁界の変化量は、コイル12aに供給された高周波電力と、該コイル12aから戻った高周波電力との差としてセンサヘッド12が取得し、検出信号(信号電圧)としてアンプ13に出力される。
【0047】
より具体的には、図2に示すようにアンプ13は、コイル12aに接続された高周波交流発振回路13aと、該高周波交流発振回路13aからの変調波より必要な信号波(電圧値)を分離する検波回路13bとで構成されている。
【0048】
上記コイル12aは、高周波交流発振回路13aから高周波電力が供給されると、金属薄膜11aに向かって磁界12bを生じさせ、該金属薄膜11a内に渦電流11bを生じさせる。このとき、金属薄膜11a内に発生した渦電流11bがジュール熱となって失われ、コイル12aを介して高周波交流発振回路13aに入力される高周波電力が変化する。
【0049】
つまり、高周波交流発振回路13aでは、渦電流11bの発生により、コイル12aに出力した高周波電力と該コイル12aから戻った高周波電力とが変化する。この渦電流11bの大きさは、シート抵抗値の測定の対象となる金属薄膜11aとセンサヘッド12との距離、センサヘッド12の大きさ、金属薄膜11aの材質や厚さ等により決定されるので、この渦電流11bの大きさに相関して検出される高周波電力の検出値が変化する。
【0050】
そして、上記高周波電力の変化は、高周波交流発振回路13aから変調波として検波回路13bに入力され、該検波回路13bにて上記変調波から信号波を分離する。この信号波は直流電圧値に変換され、図1に示すように電圧信号としてA/D変換器15に出力される。
【0051】
なお、金属薄膜11aに渦電流を形成する方法は特に限定されるものではなく、金属薄膜11aと、それに鎖交する磁束(すなわち磁界)との関係を変化させて、電磁誘導作用を導けばよい。例えば、1)金属薄膜11aを動かさずに、それに鎖交する磁束の強度を変化させるか、または、2)金属薄膜11aと鎖交している磁束の強度を一定にしておいて金属薄膜11aを移動させればよい。例えば、コイル12aから一定の磁束を発生させながら、金属薄膜11aが形成されたガラス基板11を、コイル12aの真下に搬入し、そこから搬出すればよい。
【0052】
上記のセンサヘッド12は、ガラス基板11(すなわち金属薄膜11a)の一方の面にのみ、つまり片面に対向するように設けられている。このとき、ガラス基板11の金属薄膜11a形成面は、センサヘッド12の対向面であってもよいし、また、図1のように背向面であってもよい。
【0053】
なお、図示しないが、上記センサヘッド12に近接して増幅回路を設け、これにより、アンプ13の高周波交流発振回路13aから出力される高周波電力を増幅してコイル12aに入力すると共に、コイル12a(センサヘッド12)からの信号電圧(検出信号)を増幅してアンプ13に出力することがより好ましい。
【0054】
アンプ13は、例えば、センサヘッド12からの検出信号をオペアンプにより1対1の増幅信号とし、この増幅信号を検出結果として直流電圧実効値に換算し、この換算された直流電圧値をA/D変換器15に出力する。
【0055】
上記A/D変換器15は、アンプ13からの電圧値(アナログ信号)をデジタル信号に変換し、このデジタル信号(A/D変換値)を、マイクロコンピュータ等の制御装置16に出力する。上記制御装置16は、A/D変換器15からのデジタル信号に基づいて金属薄膜11aのシート抵抗値を算出すると共に、このシート抵抗値をメモリに保存する。制御装置16には、金属薄膜11aのシート抵抗値を表示するモニタ16aが設けられている。すなわち、制御装置16のモニタ16aをモニタリングするだけで、監視者は金属薄膜11aのシート抵抗値の異常を見いだすことができる。また、言うまでもないが、基準値の範囲外のシート抵抗値が検出された場合には、監視者の有無に関わらずエラー信号を発するように制御装置16を構成することがより好ましい。
【0056】
上記制御装置16において、A/D変換器15からのデジタル信号に基づいてシート抵抗値を算出する際には、例えば、金属薄膜11aの成膜条件に応じて算出している4探針値との相関から求めたシート抵抗相関線に基づき、検出された電圧変化をシート抵抗値に変換すればよい。
【0057】
なお、シート抵抗値が異常な金属薄膜11aが形成されたガラス基板11は、製造ラインから取り除けばよい。また、複数の金属薄膜11a…のシート抵抗値に連続して異常が見いだされた場合には、金属薄膜11aの成膜条件に異常をきたしていると考えられる。そこで、得られた異常値のデータに基づき、シート抵抗測定工程の上流側に位置する成膜工程を制御すればよい。
【0058】
以下、本願発明にかかるシート抵抗測定方法に採用される個々の測定原理につき、詳細に説明を行う。
【0059】
本願発明にかかるシート抵抗測定方法の一つは、より具体的には、金属薄膜11aに渦電流11bが形成されることで生じる渦電流損に相当する抵抗が、上記コイル12aを含んでなるシート抵抗測定器の等価回路である直列共振回路に直列的、または並列的に付加されるとみなし、コイル12aにおける磁界の変化量を取得する方法である。すなわち、渦電流損失分を付加抵抗に置き換えて、閉路回路である上記直列共振回路に流れる電流または電圧を検出する抵抗置換法である。
【0060】
渦電流損に相当する抵抗が、直列共振回路に並列的に付加(接続)されたとみなすとは、例えば、図3に示すように、自己インダクタンスL1で内部抵抗r1のコイル22a、直列共振用のコンデンサC11、並びに、交流電源51が直列に接続された構成の直列共振回路(L,C,R直列共振回路)に、渦電流損に相当する抵抗Ruが並列に接続される状態を指す。より具体的には、抵抗Ruがコイル22aに並列に接続される状態を指す。以下、図1に示したシート抵抗測定器の等価回路として図4に示す共振回路を用い、電流または電圧の検出法などにつき、さらに詳細に説明を行う。
【0061】
上記の共振回路は、図4に示すように、コイル12a、直列共振用のコンデンサC11、抵抗R1 (便宜上、この抵抗値もR1 で表す)、並びに、交流電源14が直列に接続された構成の直列共振回路である。また、コイル12aは、自己インダクタンスLと内部抵抗rとが直列に接続され、これにコイル浮遊容量C10が並列に接続されるとみなされる。さらに上記共振回路には、抵抗R1 に流れる電流の変化量ΔIを直接検出するOPアンプ検流計(電流計)23が直列に接続されている。また、金属薄膜11aがコイル12aに近づいたときには、直列の共振回路、より具体的にはコイル12aに並列に渦電流損に相当する抵抗Ruが接続されると考える。また、以下に数式を用いて説明するが、図4に示す共振回路は、コイル12aの磁界の変化量を、共振回路全体のインピーダンスの変化量としてとらえた抵抗変換法を説明する等価回路である。
【0062】
すなわち、交流の角周波数をω、コンデンサC11の静電容量をC、OPアンプ検流計23の内部抵抗を0、上記抵抗Ruの抵抗値をR2 として、図4に示す回路全体のインピーダンスZを求めると、
【0063】
【数1】
【0064】
とみなすことができ、上記共振回路の共振条件は、式(1)において虚部=0だから、上記インピーダンスZは、
【0065】
【数2】
【0066】
となる。
【0067】
上記式(2)で表されるインピーダンスZは、R2 ≠0、すなわち、金属薄膜11aをコイル12aに近づけた状態での共振回路のインピーダンス(以下、Z1 と称する)である。また、金属薄膜11aをコイル12aに近づけない状態での共振回路のインピーダンス(以下、Z0 と称する)は、式(2)においてR2 =0を代入すればよく、
Z0 =R1
となる。
【0068】
そして、図4に示す共振回路を定電圧回路とみなせば、
Z・I=E(一定)・・・・・・(3)
の関係を満足するからすなわち、上記の方法は共振回路全体のインピーダンスZの変化を直列回路の抵抗値の変化(抵抗Ruが並列に付加された)としてとらえる方法である。
【0069】
上記共振回路内では、式(3)に示すように、回路を流れる電流Iと、回路全体のインピーダンスZとは反比例の関係にあるので、金属薄膜11aが近づくことにより生じたインピーダンスの変化量(ΔZ=Z0 −Z1 )と上記電流の変化量(ΔI=ΔI0 −ΔI1 )とは反比例の関係にあることが判る。すなわち、共振回路を流れる電流の変化量ΔIは、該共振回路のインピーダンスの変化量ΔZとしてとらえることができる。
【0070】
より具体的に説明すると、金属薄膜11aのシート抵抗測定時には、まず、金属薄膜11aをコイル12aに近づけない状態で、抵抗R1 に流れる電流I0 を測定し、続いて、金属薄膜11aをコイル12aに一定の測定高をおいて近づけた状態で、抵抗R1 に流れる電流I1 を測定する。これにより、金属薄膜11aが近づくことにより生じた電流の変化量ΔIを、インピーダンスの変化量ΔZとみなして取得することができる。なお、図4に示すOPアンプ検流計23は、金属薄膜11aを近づける前後の電流の変化量(ΔI=I0 −I1 )を直接的に検出する。
【0071】
図4に示すように、金属薄膜11aを近づけることにより生じる磁界の変化量は、上記共振回路(より具体的には、抵抗R1 )に流れる電流の変化量を生の渦電流損失分の高周波交流電流ととらえて、直接測定されることがより好ましい。しかしながら、該電流の変化が微弱な場合には、OPアンプ検流計23に代えて、抵抗R1 に並列に電圧計を設けてもよい。
【0072】
例えば、ITO等の高抵抗の金属薄膜のシート抵抗を測定する場合には、抵抗R1 に流れる電流の変化量が極めて微弱となり、一般的な電流計では正確な測定が不可能な場合がある。この場合、共振している閉路回路(上記共振回路)に流れる電流の変化量ΔIを検出用の上記抵抗R1 (本実施の形態では1kΩ)により増幅し、電圧の変化量ΔVとして電圧計により取得すればよい。なお、ΔVからΔIを取得する必要がある場合には、ΔV=R1 ・ΔIの関係を利用して算出すればよい。
【0073】
金属薄膜11aのシート抵抗値は、取得された上記ΔVまたはΔIと、該シート抵抗値との相関関係を利用して算出される。例えば、図2に示した高周波発振回路13aと、検波回路13bとを備えてなるアンプ13により、図2中(A)にて示す同一発振周波数f11での電圧の変化量ΔVを取得し、図1に示す制御装置16において該ΔVに基づき金属薄膜11aのシート抵抗値を算出した実例を以下に示す。
【0074】
図5に示すグラフは、金属薄膜11aとして複数のゲート膜(TiN/Al/Tiの積層膜:各層の基準層厚は、順に、1500Å、3000Å、300Å)のシート抵抗値を測定した結果を示すものである。より具体的には、4探針シート抵抗測定方法で測定して得られたシート抵抗値(グラフのx軸に示す4探針値)と、同じゲート膜を本発明の方法により測定して得られた上記電圧の変化量ΔV(同一のゲート膜に対し複数回測定を行った平均値:グラフのy軸に示す検出電圧ΔVに相当)との関係から、該ゲート膜のシート抵抗値を算出した結果を示すものである。
【0075】
制御手段16(図1参照)は、電圧の変化量ΔVと4探針法によるシート抵抗値との相関を、曲線近似、より具体的には対数近似して算出する。グラフ中、黒塗りの四角形で示されるのは、各4探針値に対応したゲート膜のΔVの値であり、実線で示されるのは、両者の相関を表す対数近似曲線である。該グラフから明らかなように、各4探針値に対応したゲート膜のΔVの値は、一つの対数近似曲線、
y=−0.5271Ln(x)−0.2917
上にほぼのっていることがわかる。すなわち、本発明の方法にてΔVを測定すれば、上記対数近似曲線のyにこの値を代入し、シート抵抗値(4探針値)xを算出することができる。
【0076】
図5に示すグラフには、本発明にかかる方法により測定されたシート抵抗値の測定誤差、すなわち、4探針値xを示すゲート膜に対し取得される、上記ΔVと上記対数近似曲線上のy値との誤差、
〔ΔV−(y値)〕/(y値)×100(%)
も白抜き四角形で示している。本願発明の方法によれば、測定誤差を±2.3%以内に抑えることができ、ゲート膜のシート抵抗の全数検査管理が可能となった。
【0077】
一方、渦電流損に相当する抵抗が、直列共振回路に直列的に付加(接続)されたとみなすとは、図6に示すように、自己インダクタンスL1で内部抵抗r1のコイル22a、直列共振用のコンデンサC11、並びに、交流電源51が直列に接続された構成の直列共振回路(L,C,R直列回路)に、渦電流損に相当する抵抗Ruが直列に接続される状態を指す。より具体的には、抵抗Ruがコイル22aに直列に接続される状態を指す。以下、図1に示したシート抵抗測定器の等価回路として図7に示す共振回路を用い、電流または電圧の検出法などにつき、さらに詳細に説明を行う。
【0078】
上記の共振回路は、図7に示すように、コイル12a、直列共振用のコンデンサC11、抵抗R1 (便宜上、この抵抗値もR1 で表す)、並びに、交流電源14が直列に接続された構成の直列共振回路である。また、コイル12aは、自己インダクタンスLと内部抵抗rとが直列に接続され、これにコイル浮遊容量C10が並列に接続されるとみなされる。さらに上記共振回路には、抵抗R1 に流れる電流の変化量ΔIを直接検出するOPアンプ検流計(電流計)23が直列に接続されている。また、金属薄膜11aがコイル12aに近づいたときには、直列の共振回路、より具体的にはコイル12aに直列に渦電流損に相当する抵抗Ruが接続されると考える。また、以下に数式を用いて説明するが、図7に示す共振回路は、コイル12aの磁界の変化量を、共振回路全体のインピーダンスの変化量としてとらえた抵抗変換法を説明する等価回路であり、上記共振回路に並列的に抵抗Ruが付加されると考える(図4参照)より、単純化される。
【0079】
すなわち、交流の角周波数をω、コンデンサC11の静電容量をC、OPアンプ検流計23の内部抵抗を0、上記抵抗Ruの抵抗値をR2 として、図7に示す回路全体のインピーダンスZを求めると、
【0080】
【数3】
【0081】
となり、上記共振回路の共振条件は、式(4)において虚部=0だから、共振回路のインピーダンスZは、
Z=R1 +R2 ・・・・・・(5)
となる。
【0082】
上記式(5)で表されるインピーダンスZは、R2 ≠0、すなわち、金属薄膜11aをコイル12aに近づけた状態でのインピーダンス(以下、Z1 と称する)である。また、金属薄膜11aをコイル12aに近づけない状態でのインピーダンス(以下、Z0 と称する)は、式(5)においてR2 =0を代入すればよく、
Z0 =R1
となる。
【0083】
そして、図7に示す共振回路を定電圧回路とみなせば、
Z・I=E(一定)・・・・・・(6)
の関係を満足するからすなわち、上記の方法は、共振回路全体のインピーダンスの変化を直列回路の抵抗値の変化(抵抗Ruが直列に付加された)としてとらえる方法である。
【0084】
上記共振回路内では、式(6)に示すように回路を流れる電流Iと、回路全体のインピーダンスZとは反比例の関係にあるので、金属薄膜11aが近づくことにより生じたインピーダンスの変化量(ΔZ=Z0 −Z1 )と上記電流の変化量(ΔI=ΔI0 −ΔI1 )とは反比例の関係にあることが判る。すなわち、共振回路を流れる電流の変化量ΔIは、該共振回路のインピーダンスの変化量ΔZとしてとらえることができる。なお、上記共振回路を流れる電流の変化量ΔIや、電圧の変化量ΔVを取得する方法、並びに、4探針値との相関方法などに関しては、上記抵抗Ruが共振回路に並列に接続されるとみなす場合と同様であり、説明を省略する。
【0085】
(インダクタンス変換法)
また、本願発明にかかるシート抵抗測定方法の他の例として、渦電流損に相当する抵抗が、コイル部を含んでなる等価回路である直列共振回路に直列的、または並列的に付加されるとみなし、該コイル部における磁界の変化量をインダクタンスの変化量とみなして取得する方法(インダクタンス変換法)が挙げられる。
【0086】
一般に、上記インダクタンス変換法とは、変位、振動、圧力などの変化量をインダクタンスの変化量に変換する方法を指す。はじめに、図8を用いて、上記インダクタンス変換法の原理について説明を行う。
【0087】
略U字状のフェライトコア32bにコイル32aを巻き回してなるコイル部32のコイル端子A・B間に電圧を印加すると、該コイル部32が磁束を発生する。このとき、金属薄膜11aを用いて、コイル端子A・B間のインダクタンスを変化させるには、一般には、金属薄膜11a、または、磁束を発生しているコイル部32を移動させて、両者の相対位置を変位させる方法が用いられる。相対位置を変位させることにより金属薄膜11aを貫く磁束の時間変化が生じ、電磁誘導現象による渦電流が発生する。すなわち、両者の相対位置を変位させることでコイル部32の磁界が変化し、この変化量をコイル端子A・B間のインダクタンスの変化量に変換して取得する方法である。
【0088】
図9に示すのは、上記インダクタンス変換法が適用されたシート抵抗測定器の概略回路構成を示す説明図であり、可変式の抵抗R11・R12、インダクタンス可変式のコイルL11、センサヘッド12(図1参照)に内蔵されたコイル12a、並びに交流電源52からなる典型的な高周波ブリッジ33;高周波ブリッジ33に接続された整流回路34;整流回路34に接続され、コイル12aの磁界の変化により高周波ブリッジ33の平衡が崩されて発生する信号(電流)を、直流電流として読むマイクロアンペア計35;より構成されている。
【0089】
上記のシート抵抗測定器では、金属薄膜11aがコイル12aに近づくことにより、該コイル12aのインダクタンスが変化する。すなわち、コイル12aの真下に金属薄膜11aが位置するときと、真下に何も存在しないときとでの磁界の変化量を、コイル12aのインダクタンスの変化量としてとらえる。
【0090】
そして、上記インダクタンスの変化量を、コイル12aのコイル端子A・B間の電流(または電圧)の変化量ΔI(またはΔV)として、マイクロアンペア計35(または、コイル12aに並列に接続された電圧計)で読み取る。そして、読み取られたΔIまたはΔVと、4探針値との相関関係から、金属薄膜11aのシート抵抗を算出する。
【0091】
図9に示すシート抵抗測定器では、インダクタンス可変式のコイルL11を設け、これにより高周波ブリッジ33の平衡を維持する(すなわち、測定前に平衡状態をつくる)べく微調整が必要だが、該高周波ブリッジ33を使用することで、コイル12aをなす材料(銅など)の温度ドリフトの影響を解消することができ、安定したシート抵抗算出が可能となる。
【0092】
また、図10に示すのは、インダクタンス変換法が適用された他のシート抵抗測定器の概略回路構成を示す説明図であり、抵抗R21・R22、コイルL12、センサヘッド12(図1参照)に内蔵されたコイル12a、並びに交流電源52とからなる典型的な高周波ブリッジ33a;高周波ブリッジ33aに接続された整流回路34;整流回路34に接続され、コイル12aの磁界の変化により高周波ブリッジ33aの平衡が崩されて発生する信号(電流)を、直流電流として読むマイクロアンペア計35;より構成されている。
【0093】
上記コイルL12は、常時、基準サンプルとしての金属標準薄膜21aと一定の測定高を持って配されており、この状態で、シート抵抗の測定対象である金属薄膜11aをコイル12aに近づける。これにより、金属薄膜11aのシート抵抗値を算出することなくNG判定を可能とする。すなわち、設定値どおりのインダクタンスの変化をコイル12aに生じさせる金属薄膜11aが測定に供された場合のみに高周波ブリッジ33aが平衡となるように、該高周波ブリッジ33aを駆動すれば、測定に供される各金属薄膜11aが所望のシート抵抗値を示すか否かを容易に判別することができる。
【0094】
また、図10に示すシート抵抗測定器においても、図9に示したものと同様に、コイル12aのコイル端子A・B間の電流(または電圧)の変化量ΔI(またはΔV)をマイクロアンペア計35(または、コイル12aに並列に接続された電圧計)で読み取り、4探針値との相関から金属薄膜11aのシート抵抗を算出してもよい。
【0095】
図9や図10に示した、インダクタンス変換法が適用されてなるシート抵抗測定器では、コイル12aの巻き数により、そのインダクタンスを大きくすることができる。そのため、シート抵抗の測定において、例えば、以下に例示する静電容量変換法ほどの高周波電力を必要とせず、数百kHz使用程度の周波数の電力を使用可能である。
【0096】
また、磁束を発生するコイル12aに金属薄膜11aが近づくことで生じる該磁束の微小変化が、高周波ブリッジ33・33aの平衡状態を崩し出力に信号が現れる現象を利用することで、金属薄膜11aのシート抵抗の高精度な測定が可能となる。なお、この原理を応用したものは、例えば、ロックイン・アンプとして知られている。
【0097】
(静電容量変換法)
また、本願発明にかかるシート抵抗測定方法のさらに他の例として、渦電流損に相当する抵抗が、コイル部を含んでなる等価回路である直列共振回路に直列的、または並列的に付加されるとみなし、該コイル部における磁界の変化量を上記直列共振回路の静電容量の変化量とみなして取得する方法(静電容量変換法)が挙げられる。
【0098】
一般に、上記静電容量変換法とは、長さの変化や変位などの変化量を静電容量の変化量に変換して取得する方法を指し、該変化量の測定にはメガサイクル程度の高周波電力が用いられる。このような高周波電力では、上記説明の高周波ブリッジを用いる方法以外に、共振曲線上の変化を利用する静電容量変換法も用いられる。以下、図11、図12(a)・(b)を用いて、上記静電容量変換法の基本原理などにつき説明を行う。
【0099】
図11に示すL,C,R直列共振回路はシート抵抗測定器の等価回路であり、交流電源53、コイル12a、並びに。コンデンサC12が直列に接続されてなる。コイル12aは、自己インダクタンスLと内部抵抗rとが直列に接続されたコイルであり、また、コンデンサC12はその静電容量が可変式である。はじめに、コンデンサC12の静電容量を種々に変化させて該直列共振回路の共振特性を求め、印加される電圧(V)とコンデンサC12の静電容量との関係を示す共振曲線(図12(a)参照)を作成する。
【0100】
そして、上記共振曲線上で、接線の傾き(すなわち、共振曲線の変化量)が最大となる点を算出し、この点における静電容量C0 をコンデンサC12の静電容量の初期値として、図11に示す直列共振回路を一定の共振周波数で共振させる。この直列共振回路において、図12(a)に示すΔC相当の静電容量の増減があれば、共振回路の電圧(V)あるいは電流は大きな変化(電圧の変化量ΔV)を示すので、これらを静電容量の変化量として取得することが可能となる。
【0101】
図12(a)に示すΔC相当の静電容量の増加は、例えば、図11に示す直列共振回路では、金属薄膜11aがコイル12aに近づくことで、コンデンサC’相当の容量が付加されるとみなされて発生する。そして、直列共振回路全体の静電容量の値の増減分を読み取り、該容量値に損失がある場合には、図12(b)に示す等価直列回路に変換して、その抵抗分(渦電流損相当の抵抗Ru)が等価回路全体の抵抗の一部として直列的に付加されたとみなし、磁界の変化量を算出する。なお、取得された磁界の変化量(容量損失相当のΔC)と4探針値との相関から、金属薄膜11aのシート抵抗が算出される点は、上記説明と同様であり記載を省略する。
【0102】
(周波数変換法)
また、本願発明にかかるシート抵抗測定方法のさらに他の例として、渦電流損に相当する抵抗が、コイル部を含んでなる等価回路である直列共振回路に直列的、または並列的に付加されるとみなし、該コイル部における磁界の変化量を上記直列共振回路の共振周波数の変化量とみなして取得する方法(周波数変換法)が挙げられる。以下、図13(a)・(b)を用いて、上記周波数変換法の基本原理などにつき説明を行う。
【0103】
図13(b)に示すように、自己インダクタンスLのコイル(コイル部)12a’に交流電圧を出力する駆動周波数可変式の自励式発振器(self−excited oscillater)36を用いる。なお、自励式発振器36に接続される直流電源は図示しない。自励式発振器36を使用することで、金属薄膜11aがコイル12a’に近づいた場合と、近づかない場合とでの共振周波数に変化が生じ、この差から金属薄膜11aのシート抵抗値を算出する。
【0104】
具体的には、図13(a)に示すように、金属薄膜11aがコイル12a’の磁束の影響下にないときの共振周波数をf0 、金属薄膜11aがコイル12a’の磁束の影響下にあるとき(近づいたとき)の共振周波数f1 とし、共振周波数の変化量(Δf=f0 −f1 )をコイル12a’における磁界の変化量として取得する。なお、図13(b)では、シート抵抗測定器の等価回路である直列共振回路に、渦電流損相当の抵抗Ruが直列的に付加されたとみなしている。また、取得された磁界の変化量(Δf)と4探針値との相関から、金属薄膜11aのシート抵抗が算出される点は、上記説明と同様であり記載を省略する。
【0105】
ところで、高周波における抵抗の測定は、同調回路の直列実効抵抗および並列同調回路の共振インピーダンスの測定として行われることが多い。一般に、図14や図15に示すように、交流電源(発振器)54と、L(コイルのインダクタンス),C(コンデンサC13),R(コイルの内部抵抗)直列共振回路とを疎結合にして、例えば、可変容量(コンデンサC13)、あるいは交流電源54の周波数を変化して、直列共振回路の電流または電圧を電流計41または電圧計42で読むことにより、高周波における直列共振回路の実効抵抗や、並列共振インピーダンスなどを測定することができる。そして、可変容量を変化させる方法はリアクタンス変化法、また、周波数を変化させる方法は周波数変化法と一般に称されており、オフラインなど迅速性がさほど要求されないシート抵抗測定において、特に高精度な測定を実現可能とする方法である。
【0106】
(リアクタンス変化法)
図14を用いてリアクタンス変化法の原理について詳細に説明する。図14(b)に示す高周波抵抗測定回路にて、容量可変式のコンデンサC13の容量を変化させて同調したときのコンデンサC13、電流計41(または電圧計42)の読みをそれぞれC0 ,Ir(Er)、また、離調した時のコンデンサC13、電流計41(または電圧計42)の読みをそれぞれC1 ・C2 ,I(E)とし、電流計の内部抵抗をRA 、交流電源54の周波数をf(一定)とすれば、L,C,R直列共振回路の直列実効抵抗RX は、
【0107】
【数4】
【0108】
となり、直列実効抵抗RX を求めることができる。そして、直列実効抵抗RX を渦電流損に相当する抵抗Ru とみなして、シート抵抗算出に応用する。なお、上記直列実効抵抗RX を求める式は、以下に示す過程により導かれる式(13)から容易にもとめることができる。また、この場合の並列共振インピーダンスZrは、
【0109】
【数5】
【0110】
となる。以下、上記直列実効抵抗RX の算出方法に関し、シート抵抗測定器の等価回路を示す図16を参照しながらさらに詳細に説明を行う。
【0111】
リアクタンス変化法が適用されるシート抵抗測定器の等価回路は、例えば、図16(b)に示すように、交流電源54、インダクタンスLのコイル12a’、内部抵抗RA の電流計41、並びに、容量可変式のコンデンサC13が直列に接続されてなる。また、シート抵抗測定の間じゅう、金属薄膜11aとコイル12a’とは一定の測定高を維持した状態に保たれる。すなわち、該金属薄膜11aがコイル12a’に近づいたときに発生する渦電流損に相当する抵抗Ruが、上記等価回路に直列的に付加されたとみなすことにより、シート抵抗測定時のシート抵抗測定器の等価回路を得る。なお、コイル12a’の内部抵抗は0と仮定して以下の説明を行う。
【0112】
上記金属薄膜11aをコイル12a’に近づけた状態のシート抵抗測定器において、コイル12a’を発振させ、コンデンサC13の静電容量を調整して該コイル12a’の共振特性をとると、図16(a)に示すような特性グラフが得られるが、この等価回路において、電流計41を流れる電流をIs、交流電源54の電圧をVosc、コンデンサC13の静電容量をC、該電圧の角振動数をωとすると、電流Isは、
【0113】
【数6】
【0114】
となる。
【0115】
そして、図16(a)の特性グラフに示すように、コイル12a’が共振するときのコンデンサC13の静電容量がC0 、電流計41を流れる電流の値(Is)がIrであるとし、続いて、金属薄膜11aとコイル12a’とを近づけたままで静電容量を変化させて、静電容量C0 の上下C1 ,C2 でのIsが共にI=Ir/√2 (実効電流値)になったとすると、C1 ,C2 でのIsが等しいので、
【0116】
【数7】
【0117】
の関係が成立する。また、コイル12a’の共振が得られるC0 ではリアクタンス=0とみなされる。したがって、上記式(7)から、交流電源54の電圧Voscは、
【0118】
【数8】
【0119】
と導かれる。ここで、上記式(9)から、渦電流損に相当する抵抗Ruをもとめるには、該式(9)において、
【0120】
【数9】
【0121】
と置換することにより、
【0122】
【数10】
【0123】
続いて、式(10)において、右辺の1を左辺に移項し、両辺の平方根をとることにより、
【0124】
【数11】
【0125】
この結果、
【0126】
【数12】
【0127】
の関係が導かれる。さらに、式(8)より、
【0128】
【数13】
【0129】
このωLを式(12)に代入し、RA を右辺に移項することで、
【0130】
【数14】
【0131】
が得られる。
【0132】
【数15】
【0133】
となる。すなわち、金属薄膜11aとコイル12a’とを一定距離に近づけた状態で、コイル12a’が共振する静電容量C0 、並びに電流Iが流れる静電容量C1 ,C2 をもとめることにより上記抵抗Ruの抵抗値を算出し、該抵抗値とシート抵抗値との相関より、金属薄膜11aのより精密なシート抵抗値をもとめることが実現可能となる。
【0134】
(周波数変化法)
次に、図15を用いて周波数変化法の原理について詳細に説明する。図15(b)に示す高周波抵抗測定回路にて、交流電源54を含む回路に流れる一次電流(電圧)を一定としてその周波数を変化させ、同調、すなわち共振したときの周波数(共振周波数f0)における、電流計41(または電圧計42)の読み(2次電流(2次電圧)の大きさ)をIr(Er)、離調した時の周波数(離調周波数f1,f2)における、電流計41(または電圧計42)の読みをI(E)とすれば、L,C,R直列共振回路の直列実効抵抗RX は、
【0135】
【数16】
【0136】
となり、直列実効抵抗RX を求めることができる。そして、直列実効抵抗RX を渦電流損に相当する抵抗Ru とみなして、シート抵抗算出に応用する。なお、上記直列実効抵抗RX を求める式(14)は、上記説明の式(13)から容易に導かれるので詳細な説明は省略する。以下、シート抵抗測定器の等価回路を示す図17を参照しながら、本測定方法に付きさらに詳細に説明を行う。
【0137】
周波数変化法が適用されるシート抵抗測定器の等価回路は、例えば、図17(b)に示すように、周波数可変式の交流電源54、インダクタンスLのコイル12a’、内部抵抗RA の電流計41、並びに、コンデンサC13が直列に接続されてなる。また、交流電源54と並列に電圧計55が接続されている。
【0138】
金属薄膜11aとコイル12a’とは、シート抵抗測定の間じゅう、一定の測定高を維持した状態に保たれる。すなわち、該金属薄膜11aがコイル12a’に近づいたときに発生する渦電流損に相当する抵抗Ruが、上記等価回路に直列的に付加されたとみなすことにより、シート抵抗測定時のシート抵抗測定器の等価回路を得る。なお、コイル12a’の内部抵抗は0と仮定している。
【0139】
上記金属薄膜11aをコイル12a’に近づけた状態のシート抵抗測定器において、コイル12a’を発振させ、交流電源54の駆動周波数を調整して該コイル12a’の共振特性をとると、図17(a)に示すような特性グラフが得られる。そして、該特性グラフに示すように、コイル12a’が共振するときの駆動周波数がf0、電流計41を流れる電流の値(Is)がIrであるとし、続いて、金属薄膜11aとコイル12a’とを近づけたままで駆動周波数を変化させて、駆動周波数f0の上下f1,f2でのIsが共にIになったとすると、上記式(14)の関係が成立する。すなわち、金属薄膜11aとコイル12a’とを一定距離に近づけた状態で、コイル12a’が共振する駆動周波数f0、並びに電流Iが流れる駆動周波数f1,f2をもとめることにより上記抵抗Ruの抵抗値を算出し、該抵抗値とシート抵抗値との相関より、金属薄膜11aのより精密なシート抵抗値をもとめることが実現可能となる。
【0140】
なお、本発明にかかるシート抵抗測定方法は、図18に示すように、金属薄膜が形成されたガラス基板11をロボットハンド58により製造ラインから取り出し、オフライン検査装置(シート抵抗測定器)57内に導入して行われてもよい。オフライン検査装置57はクリーンルーム57a内を一定の温度に管理するためのHEPA(温度が一定な気流を一定量流す温度管理装置)56が温度制御手段として設けられており、そのHEPA56による一定気流下に、センサヘッド12…を設置することで測定結果の安定性を高めることができる。さらに、HEPA56を用いることにより、ガラス基板11上の金属薄膜やセンサヘッド12への塵埃の付着を防止できて、より安定したシート抵抗の測定が可能となる。
【0141】
また、本発明にかかるコイル部としては、上記説明のもの以外にも、フェライトコアなどを軸心として採用したものや、コイルを構成する金属線としてリッツ線を採用したものを用いてもよい。これらの構成によれば、測定対象である金属薄膜に対し、より強い磁力線を照射することができるので、該金属薄膜内に、そのシート抵抗値とより確実に相関がとれる大きさの渦電流を発生させることができる。すなわち、より安定したシート抵抗の測定が可能となる。なお、フェライトコアを使用する場合には、一般に温度ドリフトの影響が懸念されるが、本願発明のように、金属薄膜の形成部に後続されたロードロック室から搬出された比較的低温の金属薄膜を対象とすることで、この問題は生じない。
【0142】
【発明の効果】
本発明にかかるシート抵抗測定方法は、以上のように、シート抵抗の測定対象である薄膜状被測定体の形成部に後続されたロードロック室から搬出された金属薄膜の片面側に対してコイル部から磁界の磁力線を照射し、生じる渦電流損に応じた上記磁界の変化量を、該金属薄膜のシート抵抗として検出する方法である。
上記の方法によれば、渦電流損に応じた微量な磁界の変化量を安定かつ高精度に検出することができる。すなわち、該金属薄膜のシート抵抗を、安定かつ高精度に測定することが可能となるという効果を加えて奏する。
【0143】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はまた、上記方法を前提として、上記第二の工程において、上記渦電流損に相当する抵抗が、上記コイル部を含んでなる直列共振回路に直列的に付加されるとみなす方法である。
【0144】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記第二の工程において、上記渦電流損に相当する抵抗が、上記コイル部を含んでなる直列共振回路に並列的に付加されるとみなす方法である。
【0145】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路におけるインピーダンスの変化量として取得する方法である。
【0146】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路におけるインダクタンスの変化量として取得する方法である。
【0147】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路における静電容量の変化量として取得する方法である。
【0148】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記磁界の変化量を、上記直列共振回路における共振周波数の変化量として取得する方法である。
【0149】
上記いずれかの方法によれば、該金属薄膜に非接触でシート抵抗を測定できるので、該金属薄膜に損傷を与える虞がない。また、従来の両側式渦電流法と比較して簡素な構成で、シート抵抗を測定可能となるという効果を奏する。
【0150】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記渦電流損に相当する抵抗の抵抗値を、リアクタンス変化法にてもとめる方法である。
【0151】
本発明にかかるシート抵抗測定方法はさらに、上記の方法を前提として、上記渦電流損に相当する抵抗の抵抗値を、周波数変化法にてもとめる方法である。
【0152】
上記いずれかの方法によれば、例えば、オフラインなど迅速性がさほど要求されないシート抵抗測定において、特に高精度な測定を実現可能となるという効果を加えて奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる測定方法が適用されるシート抵抗測定器の概略構成を示す説明図である。
【図2】図1に示すシート抵抗測定器の要部構成を示す説明図である。
【図3】本発明にかかる測定方法の原理の一例を説明するための説明図である。
【図4】本発明にかかる測定方法が適用されるシート抵抗測定器の等価回路の一例を示す説明図である。
【図5】本発明のシート抵抗測定方法を用い、4探針値との相関からゲート膜のシート抵抗値を算出した結果を示すグラフである。
【図6】本発明にかかる測定方法の原理の他の例を説明するための説明図である。
【図7】本発明にかかる測定方法が適用されるシート抵抗測定器の等価回路の他の例を示す説明図である。
【図8】本発明にかかる測定方法の原理のさらに他の例を説明するための説明図である。
【図9】本発明にかかる測定方法が適用されるシート抵抗測定器の等価回路のさらに他の例を示す説明図である。
【図10】本発明にかかる測定方法が適用されるシート抵抗測定器の等価回路のさらに他の例を示す説明図である。
【図11】本発明にかかる測定方法が適用されるシート抵抗測定器のコイル部に金属薄膜が近づいて、静電容量が付加された状態を説明する説明図である。
【図12】(a)は、本発明にかかる測定方法の原理のさらに他の例を示す説明図であり、(b)は、該原理が適用されるシート抵抗測定器の等価回路のー例を説明するための説明図である。
【図13】(a)は、本発明にかかる測定方法の原理のさらに他の例を示す説明図であり、(b)は、該原理が適用されるシート抵抗測定器の等価回路のー例を説明するための説明図である。
【図14】(a)・(b)は、本発明にかかる測定方法の原理のさらに他の例を示す説明図である。
【図15】(a)・(b)は、本発明にかかる測定方法の原理のさらに他の例を示す説明図である。
【図16】(a)・(b)は、図14にて説明する原理が適用されたシート抵抗測定器の説明図であり、(a)は該原理を、(b)は、該原理が適用されるシート抵抗測定器の等価回路のー例を示す。
【図17】(a)・(b)は、図15にて説明する原理が適用されたシート抵抗測定器の説明図であり、(a)は該原理を、(b)は、該原理が適用されるシート抵抗測定器の等価回路のー例を示す。
【図18】本発明にかかる測定方法が適用されたシート抵抗測定器としてのオフライン検査装置の概略構成を示す斜視図である。
【図19】電磁誘導現象を説明する説明図である。
【図20】図21で説明する電磁誘導現象を、本発明にかかるシート抵抗測定方法に応用した例を示す説明図である。
【図21】従来の4探針法によるシート抵抗測定方法を示す概略斜視図である。
【図22】従来の両側式渦電流法によるシート抵抗測定方法を示す概略構成図である。
【符号の説明】
11a 金属薄膜(薄膜状被測定体)
11b 渦電流
12 センサヘッド
12a コイル(コイル部)
12a’ コイル(コイル部)
12b 磁界
302 コイル(コイル部)
306 金属薄膜(薄膜状被測定体)
307 渦電流
Ru 抵抗(渦電流損に相当する抵抗)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-contact type sheet resistance measuring method for measuring the sheet resistance of a thin film-like object to be measured such as a metal film or an alloy film formed by, for example, a sputtering method or a vapor deposition method.
[0002]
[Prior art]
As a conventional sheet resistance measuring device, one using a four-probe method is known. Hereinafter, the principle of the four-probe method will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 21, in this method, four needle-like electrodes are used as the probe. These four needle-like electrodes are configured such that all of the tip portions can be simultaneously pressed into contact with the thin film-like object to be measured.
[0003]
For example, when the sheet resistance of the metal
[0004]
Subsequently, a constant current I is passed between the
[0005]
However, in the four-probe method described above, since a needle-shaped electrode (metal needle) is pressed against the object to be measured, for example, 1) there is a risk of causing damage to the metal
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in order to avoid the above problem, a method of measuring the sheet resistance (resistivity) of a thin film semiconductor material (thin film object to be measured) without pressing the electrodes as in the 4-probe method, that is, non-contact measurement. A law was proposed.
[0007]
In the above method, for example, a metal thin film formed on a semiconductor substrate such as a glass substrate or a wafer is positioned in a magnetic field from a coil to which high frequency power is applied, and the magnetic field and the metal thin film are electromagnetically coupled. This is a double-sided eddy current method characterized in that an eddy current is generated in the metal thin film. The generated eddy current is consumed as Joule heat, and it is non-contact by utilizing the positive correlation between the absorption of the high frequency power in the metal thin film and the conductivity (reciprocal of resistivity). The resistivity of the metal thin film is calculated.
[0008]
That is, unlike the four-probe method, the double-sided eddy current method is characterized in that the resistivity of the metal thin film can be calculated from the detection result obtained without contacting the metal thin film. Also in the final processing steps of semiconductor products such as semiconductor products and liquid crystal panels, it is possible to avoid applying contamination and force to the metal thin film and the semiconductor substrate on which the metal thin film is formed.
[0009]
A specific example of such a double-sided eddy current method is as follows. First, for example, as shown in FIG. 22, a substantially U-shape having two
[0010]
Subsequently, when a
[0011]
In recent years, for the purpose of quality control in the manufacturing process of a semiconductor substrate, a small-sized resistance measuring instrument for sheet resistance monitoring using the double-sided eddy current method or the like has been developed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-69310 discloses a wafer measurement system in which a resistance measuring device is provided in parallel with the moving direction of the transfer robot of the loader unit, and the resistivity is measured by the resistance measuring device during transfer. . Regarding the resistance measuring instrument described in the above publication, there is no description that the double-sided eddy current method is used to measure the resistivity in a non-contact manner. It is presumed that a resistance measuring instrument or a non-contact type resistance measuring instrument employing the double-sided eddy current method is used.
[0012]
In the measurement system, in order to measure the resistivity of the metal thin film on the wafer, an operation flow for temporarily stopping the transfer robot or inserting or transferring the wafer into the resistance measuring instrument is provided. A method of measuring the resistivity in the middle is adopted. In other words, in the case of the double-sided eddy current method or the four-probe method, additional specifications such as 1) stopping the apparatus and 2) adding an operation flow other than transfer to the transfer robot are required. There is a negative cost with the increase of tact and the addition of software for adding operation flow other than transport.
[0013]
In addition, the introduction of the above measurement system into the existing semiconductor substrate manufacturing process is as follows: 1) the resistance measuring instrument is insufficient in sensitivity; 2) it is difficult to secure a mounting space; There are problems such as the need for a (conveying robot) and it is extremely difficult.
[0014]
Therefore, in order to solve the above problem, a single-sided eddy current type (hereinafter referred to as single-sided) measuring instrument has been proposed as another sheet resistance measuring instrument employing a non-contact measuring method. The measuring instrument is characterized in that only one side of a conductive thin film-like object to be measured is irradiated with a magnetic field line of a magnetic field from a coil to which high-frequency power is applied. An eddy current loss is detected by generating an electric current, and the material, film thickness, etc. of the object to be measured are acquired as a sheet resistance value.
[0015]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-21382 discloses an eddy current that generates eddy current in a metal thin film (sputtered film) formed by a sputtering method, detects a magnetic field line accompanying the generated eddy current, and calculates sheet resistance. A detection type measuring instrument is described.
[0016]
More specifically, the above publication discloses a system in which a sputtering apparatus and a load lock chamber are disposed adjacent to each other via a gate valve so that connection and blocking can be performed spatially. Is provided with a transport means for transporting a substrate on which a metal thin film is formed in the load lock chamber, and the sheet resistance measuring instrument, and controls the sheet resistance of the metal thin film by changing the sputtering conditions in the sputtering apparatus. Means are provided. That is, the system aims to form a uniform metal thin film by feeding back the measurement result of the sheet resistance and changing the sputtering conditions as appropriate.
[0017]
However, the above system employs a method of measuring the sheet resistance of the metal thin film immediately after film formation. Since the substrate temperature at this point is high, a large variation occurs in the measured sheet resistance value. That is, at high temperatures, it is difficult to obtain good measurement results due to the influence of expansion of the coil of the eddy current type sheet resistance measuring instrument, temperature dependence of the sheet resistance value, and the like. In addition, if the sheet resistance measuring device is installed in the load lock chamber, there is a problem that its maintainability is poor and work efficiency is low. From these problems, it is considered difficult to measure the sheet resistance value of the formed metal thin film and feed it back to the next film formation.
[0018]
USP-5,660,672 also proposes a one-side type sheet resistance measuring device, and the measuring device has a structure for efficiently converging magnetic flux by a coil wound around a coupling type ferrite or the like. It has been adopted. However, it is difficult to detect stable output voltage due to temperature drift when using ferrite etc. in the several hundred MHz region, and it should not be used when stable and highly accurate measurement is required. Have difficulty.
[0019]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is, for example, in the manufacturing process of a liquid crystal panel substrate or a semiconductor substrate, to measure the sheet resistance of a thin film formed on these substrates, The present invention relates to a one-side type sheet resistance measuring method that is in contact with the thin film and can be executed with high accuracy.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
A sheet resistance measuring method according to the present invention is a method of measuring a sheet resistance of a thin film-like object to be measured using a sensor head including a coil unit that generates a magnetic field,The thin film-like object to be measured is a metal thin film carried out from a load-lock chamber following the formation part of the thin-film-like object to be measured, and a constant amount of air current is passed through the sensor head and the metal thin film. A process of installing under an air current;the aboveMetal thin filmThe magnetic field lines of the magnetic field are irradiated from one side of the coil to the coil side,Metal thin filmThe first step of forming an eddy current due to the magnetic field and the amount of change in the magnetic field according to the eddy current loss caused by the formation of the eddy current,Metal thin filmAnd a second step of detecting the sheet resistance.
[0021]
In the sheet resistance measuring method according to the present invention, on the premise of the above method, in the second step, a resistance corresponding to the eddy current loss is added in series to a series resonance circuit including the coil section. The amount of change in the magnetic field is acquired.
[0022]
In the sheet resistance measuring method according to the present invention, on the premise of the above method, in the second step, a resistance corresponding to the eddy current loss is added in parallel to the series resonance circuit including the coil section. The amount of change in the magnetic field is acquired.
[0023]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is further characterized in that the amount of change in the magnetic field is acquired as the amount of change in impedance in the series resonance circuit on the premise of the method described above.
[0024]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is further characterized in that the change amount of the magnetic field is acquired as the change amount of inductance in the series resonance circuit on the premise of the above method.
[0025]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is further characterized in that the amount of change in the magnetic field is acquired as the amount of change in capacitance in the series resonant circuit on the premise of the method described above.
[0026]
The sheet resistance measurement method according to the present invention is further characterized in that the change amount of the magnetic field is acquired as a change amount of the resonance frequency in the series resonance circuit on the premise of the above method.
[0027]
According to any of the above methods, the thin film-like object to be measuredMetal film unloaded from the load lock chamber following the formation sectionBased on the magnitude of eddy current generated by electromagnetic induction,Metal thin filmSince the sheet resistance can be measured in a non-contact manner,Metal thin filmThere is no risk of damage. Also,The metal thin filmSince it is only necessary to arrange the coil part so that the magnetic field lines of the magnetic field are irradiated only to one side of the, in a simple configuration compared with the conventional double-sided eddy current method,The metal thin filmThe sheet resistance can be measured.In addition, since the metal thin film, which is the object of sheet resistance measurement, is at a relatively low temperature compared to when it is in the formation section or load lock chamber, a small amount of magnetic field change corresponding to eddy current loss can be obtained. It can be detected stably and with high accuracy. That is, the sheet resistance of the metal thin film can be measured stably and with high accuracy.
In particular, when the sheet resistance of a high-resistance metal thin film such as ITO is measured, the generated eddy current loss becomes extremely fine, so that the advantage of using the above method is extremely great.
[0028]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is further characterized in that the resistance value corresponding to the eddy current loss is determined by the reactance change method based on the above method.
[0029]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is further characterized in that the resistance value corresponding to the eddy current loss is determined by the frequency change method on the premise of the above method.
[0030]
According to any one of the above methods, it is possible to realize particularly high-precision measurement in sheet resistance measurement that does not require much quickness such as offline.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.
[0035]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is as follows: 1) A magnetic field line is applied to only one side of a thin film-like object to be measured from the coil portion that generates a magnetic field, and the thin film-like object to be measured is subjected to the magnetic field. A first step of forming an eddy current; and 2) a second step of detecting the amount of change in the magnetic field according to the eddy current loss caused by the formation of the eddy current as a sheet resistance of the thin film-like object to be measured; Is a method comprising.
[0036]
The principle is as follows. First, as shown in FIG. 19, when a
[0037]
In the same manner, instead of the
[0038]
According to the above method, unlike the conventional four-probe method, the sheet resistance can be measured in a non-contact manner on the thin film-like object to be measured based on the magnitude of the eddy current generated by the electromagnetic induction action. There is no risk of damaging the measured object. In addition, the coil portion only needs to be arranged so that only one side of the thin film-like object to be measured is irradiated with the magnetic field lines, so that it can be implemented with a simpler configuration than the conventional double-sided eddy current method. Become. Therefore, for example, in the process of forming a thin film on a liquid crystal panel substrate or a semiconductor substrate, or in a downstream manufacturing process, it involves changing the existing manufacturing flow, and (temporarily) stopping the manufacturing line of the apparatus / transport robot, etc. In addition, it is possible to carry out in-line film quality inspection of a thin film-like object to be measured without reducing the apparatus throughput.
[0039]
In the method of the present invention, in the second step, the resistance corresponding to the eddy current loss is considered to be added in series or in parallel to the series resonance circuit including the coil portion. This is a method for acquiring the amount of change in the magnetic field.
[0040]
The amount of change in the magnetic field is exemplified below, but in the series resonant circuit, 1) the amount of change in impedance, 2) the amount of change in inductance, 3) the amount of change in capacitance, and 4) the amount of resonance frequency. It is possible to obtain the change amount. That is, due to the change in the magnetic field of the coil portion, the resonance state of the series resonance circuit is destroyed and a signal appears at the output. This is read as representing the sheet resistance of the thin film object to be measured, and the sheet resistance value is calculated from the correlation with the 4-probe value.
[0041]
Moreover, it is more preferable that the sheet resistance measuring method according to the present invention is performed on a thin film-like object to be measured carried out from a load-lock chamber following the formation part of the thin-film-like object. For example, when the method of the present invention is executed on the production line, the thin film-like object to be measured is inlined downstream from the load lock chamber following the film formation chamber (formation section: sputtering apparatus chamber, etc.). It is more preferable. Further, the sheet resistance measuring method according to the present invention may be applied off-line, and in this case as well, in the same way as in-line, the sheet resistance measuring method is carried out from the load lock chamber following the film forming chamber of the thin film object to be measured. More preferably, the thin film-like object to be measured is taken out of the production line and measured.
[0042]
This is because the thin film-like object to be measured is in a very high temperature state immediately after formation in the film forming chamber or the load lock chamber following the film forming chamber. This is because it may be difficult to obtain a good measurement result under the influence of the temperature dependency of the resistance and the like. As described above, when the sheet resistance measurement is performed on a thin film-like object to be measured (generally formed on a substrate) carried out of the load lock chamber, the thin film-like object to be measured is formed into a film. It is in a relatively low temperature state compared to when it is in a room or a load lock room, and it is possible to detect a small amount of magnetic field change caused by eddy current loss stably and with high accuracy. In particular, when the sheet resistance of a high-resistance metal thin film such as ITO is measured, the generated eddy current loss becomes extremely fine, so the advantage is extremely great.
[0043]
Needless to say, the “load lock chamber following the film formation chamber” refers to a load lock chamber directly connected to the downstream side of the film formation chamber. Further, for example, in the film forming chamber or the load lock chamber following the film forming chamber, for example, if the temperature can be kept constant with a temperature fluctuation range within ± 1 ° C., the method of the present invention is applied. Thus, it is possible to measure the sheet resistance of the thin film-like object to be measured.
[0044]
Hereinafter, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the structure of the sheet resistance measuring instrument in which the above-described measuring method is adopted will be described, and the measuring method according to the present invention will be described in more detail.
[0045]
As shown in FIG. 1, the sheet resistance measuring device is a device for measuring the sheet resistance of a metal thin film (thin film-like object) 11 a formed on the surface of a glass substrate (substrate) 11. A
[0046]
At the time of sheet resistance measurement, the
[0047]
More specifically, as shown in FIG. 2, the
[0048]
When high frequency power is supplied from the high frequency
[0049]
That is, in the high-frequency
[0050]
The change in the high frequency power is input from the high frequency
[0051]
The method for forming the eddy current in the metal
[0052]
The
[0053]
Although not shown, an amplifier circuit is provided in the vicinity of the
[0054]
For example, the
[0055]
The A /
[0056]
When the sheet resistance value is calculated based on the digital signal from the A /
[0057]
Note that the
[0058]
Hereinafter, each measurement principle employed in the sheet resistance measurement method according to the present invention will be described in detail.
[0059]
More specifically, one of the sheet resistance measuring methods according to the present invention is a sheet in which the resistance corresponding to the eddy current loss caused by the formation of the eddy current 11b in the metal
[0060]
Assuming that the resistance corresponding to the eddy current loss is added (connected) in parallel to the series resonance circuit, for example, as shown in FIG. 3, the coil 22a having the self-inductance L1 and the internal resistance r1 is connected to the series resonance circuit. Capacitor C11In addition, a resistance Ru corresponding to eddy current loss is connected in parallel to a series resonance circuit (L, C, R series resonance circuit) having a configuration in which an
[0061]
As shown in FIG. 4, the resonance circuit includes a
[0062]
That is, the angular frequency of AC is ω and the capacitor C11Is the capacitance of C, the internal resistance of the
[0063]
[Expression 1]
[0064]
Since the resonance condition of the resonance circuit is imaginary part = 0 in the equation (1), the impedance Z is
[0065]
[Expression 2]
[0066]
It becomes.
[0067]
The impedance Z represented by the above formula (2) is R2≠ 0, that is, the impedance of the resonant circuit in a state where the metal
Z0= R1
It becomes.
[0068]
And if the resonant circuit shown in FIG. 4 is regarded as a constant voltage circuit,
Z · I = E (constant) · · · (3)
That is, the above method is a method of capturing the change in the impedance Z of the entire resonance circuit as a change in the resistance value of the series circuit (a resistance Ru is added in parallel).
[0069]
In the resonance circuit, as shown in the equation (3), since the current I flowing through the circuit and the impedance Z of the entire circuit are in an inversely proportional relationship, the amount of impedance change caused by the approach of the metal
[0070]
More specifically, when measuring the sheet resistance of the metal
[0071]
As shown in FIG. 4, the amount of change in the magnetic field generated by bringing the metal
[0072]
For example, when measuring the sheet resistance of a high-resistance metal thin film such as ITO, the resistance R1The amount of change in the current flowing through the circuit becomes extremely weak, and accurate measurement may not be possible with a general ammeter. In this case, the amount of change ΔI of the current flowing through the resonant closed circuit (the resonance circuit) is determined as the resistance R for detection.1(1 kΩ in this embodiment) is amplified and obtained as a voltage change ΔV by a voltmeter. If ΔI needs to be obtained from ΔV, ΔV = R1-What is necessary is just to calculate using the relationship of (DELTA) I.
[0073]
The sheet resistance value of the metal
[0074]
The graph shown in FIG. 5 shows the results of measuring the sheet resistance values of a plurality of gate films (TiN / Al / Ti laminated film: the standard layer thickness of each layer is 1500 mm, 3000 mm, 300 mm) as the metal
[0075]
The control means 16 (see FIG. 1) calculates the correlation between the voltage change amount ΔV and the sheet resistance value by the four-probe method by curve approximation, more specifically logarithmic approximation. In the graph, black squares indicate the values of ΔV of the gate film corresponding to the four probe values, and solid lines indicate logarithmic approximation curves representing the correlation between the two. As is apparent from the graph, the value of ΔV of the gate film corresponding to each of the four probe values is one logarithmic approximate curve,
y = −0.5271Ln (x) −0.2917
You can see that it is almost on the top. That is, if ΔV is measured by the method of the present invention, this value can be substituted for y of the logarithmic approximation curve to calculate the sheet resistance value (4 probe value) x.
[0076]
The graph shown in FIG. 5 shows the measurement error of the sheet resistance value measured by the method according to the present invention, that is, the ΔV and the logarithmic approximation curve obtained for the gate film indicating the 4-probe value x. error from y value,
[ΔV− (y value)] / (y value) × 100 (%)
Is also indicated by a white square. According to the method of the present invention, the measurement error can be suppressed within ± 2.3%, and the total inspection management of the sheet resistance of the gate film becomes possible.
[0077]
On the other hand, assuming that the resistance corresponding to the eddy current loss is added (connected) in series to the series resonance circuit, as shown in FIG. 6, the coil 22a having the internal resistance r1 with the self-inductance L1 is connected to the series resonance circuit. Capacitor C11In addition, a resistance Ru corresponding to eddy current loss is connected in series to a series resonance circuit (L, C, R series circuit) having a configuration in which an
[0078]
As shown in FIG. 7, the resonance circuit includes a
[0079]
That is, the angular frequency of AC is ω and the capacitor C11Is the capacitance of C, the internal resistance of the
[0080]
[Equation 3]
[0081]
Since the resonance condition of the resonance circuit is imaginary part = 0 in the equation (4), the impedance Z of the resonance circuit is
Z = R1+ R2(5)
It becomes.
[0082]
The impedance Z represented by the above formula (5) is R2≠ 0, that is, the impedance (hereinafter referred to as Z) when the metal
Z0= R1
It becomes.
[0083]
If the resonant circuit shown in FIG. 7 is regarded as a constant voltage circuit,
Z · I = E (constant) · · · (6)
That is, the above method is a method of capturing the change in the impedance of the entire resonance circuit as a change in the resistance value of the series circuit (a resistance Ru is added in series).
[0084]
In the resonance circuit, since the current I flowing through the circuit and the impedance Z of the entire circuit are in inverse proportion as shown in the equation (6), the amount of impedance change (ΔZ generated by the approach of the metal
[0085]
(Inductance conversion method)
As another example of the sheet resistance measuring method according to the present invention, when a resistance corresponding to eddy current loss is added in series or in parallel to a series resonance circuit that is an equivalent circuit including a coil portion. There is a method (inductance conversion method) in which the amount of change in the magnetic field in the coil portion is regarded as the amount of change in inductance (inductance conversion method).
[0086]
In general, the inductance conversion method refers to a method of converting a change amount such as displacement, vibration, and pressure into an inductance change amount. First, the principle of the inductance conversion method will be described with reference to FIG.
[0087]
When a voltage is applied between coil terminals A and B of a
[0088]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a schematic circuit configuration of a sheet resistance measuring device to which the inductance conversion method is applied, and a variable resistance R11・ R12, Inductance variable coil L11The
[0089]
In the sheet resistance measuring instrument described above, the inductance of the
[0090]
Then, the amount of change in the inductance is defined as the amount of change ΔI (or ΔV) in the current (or voltage) between the coil terminals A and B of the
[0091]
In the sheet resistance measuring instrument shown in FIG. 9, a variable inductance type coil L11Thus, fine adjustment is necessary to maintain the balance of the high-frequency bridge 33 (that is, to create an equilibrium state before measurement). However, by using the high-
[0092]
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a schematic circuit configuration of another sheet resistance measuring device to which the inductance conversion method is applied, and a resistance R21・ R22, Coil L12A typical high-frequency bridge 33a composed of a
[0093]
Coil L12Is always arranged with a certain measurement height with the metal standard
[0094]
Further, in the sheet resistance measuring instrument shown in FIG. 10 as well, as shown in FIG. 9, the change amount ΔI (or ΔV) of the current (or voltage) between the coil terminals A and B of the
[0095]
In the sheet resistance measuring instrument to which the inductance conversion method shown in FIGS. 9 and 10 is applied, the inductance can be increased by the number of turns of the
[0096]
Further, by utilizing a phenomenon in which a minute change in the magnetic flux generated when the metal
[0097]
(Capacitance conversion method)
As still another example of the sheet resistance measuring method according to the present invention, a resistance corresponding to eddy current loss is added in series or in parallel to a series resonance circuit which is an equivalent circuit including a coil section. And a method (capacitance conversion method) in which the amount of change in the magnetic field in the coil portion is regarded as the amount of change in the capacitance of the series resonance circuit (capacitance conversion method).
[0098]
In general, the capacitance conversion method refers to a method of obtaining by converting a change amount such as a change in length or displacement into a change amount of capacitance, and the change amount is measured by a high frequency of about megacycle. Electric power is used. For such high-frequency power, in addition to the above-described method using the high-frequency bridge, a capacitance conversion method using a change on the resonance curve is also used. Hereinafter, the basic principle of the capacitance conversion method will be described with reference to FIGS. 11 and 12A and 12B.
[0099]
The L, C, R series resonance circuit shown in FIG. 11 is an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device, and includes an
[0100]
A point at which the slope of the tangent line (that is, the amount of change in the resonance curve) is maximum is calculated on the resonance curve, and the capacitance C at this point is calculated.0Capacitor C12As an initial value of the electrostatic capacity, the series resonance circuit shown in FIG. 11 is resonated at a constant resonance frequency. In this series resonant circuit, if the capacitance corresponding to ΔC shown in FIG. 12A increases or decreases, the voltage (V) or current of the resonant circuit shows a large change (voltage change ΔV). It can be acquired as the amount of change in capacitance.
[0101]
The increase in capacitance equivalent to ΔC shown in FIG. 12A is, for example, in the series resonance circuit shown in FIG. 11 when the metal
[0102]
(Frequency conversion method)
As still another example of the sheet resistance measuring method according to the present invention, a resistance corresponding to eddy current loss is added in series or in parallel to a series resonance circuit which is an equivalent circuit including a coil section. The amount of change in the magnetic field in the coil section is regarded as the amount of change in the resonance frequency of the series resonance circuit (frequency conversion method). Hereinafter, the basic principle of the frequency conversion method will be described with reference to FIGS. 13 (a) and 13 (b).
[0103]
As shown in FIG. 13B, a variable drive frequency self-excited oscillator (self-excited oscillator) 36 that outputs an AC voltage is used for a coil (coil portion) 12 a ′ having a self-inductance L. Note that a DC power source connected to the self-
[0104]
Specifically, as shown in FIG. 13A, the resonance frequency when the metal
[0105]
By the way, the measurement of resistance at high frequency is often performed as measurement of the series effective resistance of the tuning circuit and the resonance impedance of the parallel tuning circuit. In general, as shown in FIGS. 14 and 15, an AC power supply (oscillator) 54, L (coil inductance), C (capacitor C)13), R (internal resistance of the coil) series resonance circuit and loosely coupled, for example, variable capacitance (capacitor C13), Or by changing the frequency of the
[0106]
(Reactance change method)
The principle of the reactance changing method will be described in detail with reference to FIG. In the high frequency resistance measurement circuit shown in FIG.13Capacitor C when tuning by changing the capacitance of13, Read the ammeter 41 (or voltmeter 42)0, Ir (Er), and capacitor C when detuned13, Read the ammeter 41 (or voltmeter 42)1・ C2, I (E), and the internal resistance of the ammeter is RAIf the frequency of the
[0107]
[Expression 4]
[0108]
And series effective resistance RXCan be requested. And series effective resistance RXResistance R corresponding to eddy current lossuThis is applied to the sheet resistance calculation. The series effective resistance RXCan be easily obtained from the equation (13) derived by the following process. In this case, the parallel resonance impedance Zr is
[0109]
[Equation 5]
[0110]
It becomes. Hereinafter, the series effective resistance RXThe calculation method will be described in more detail with reference to FIG. 16 showing an equivalent circuit of the sheet resistance measuring device.
[0111]
An equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the reactance change method is applied is, for example, as shown in FIG. 16B, an
[0112]
In the sheet resistance measuring instrument in a state where the metal
[0113]
[Formula 6]
[0114]
It becomes.
[0115]
Then, as shown in the characteristic graph of FIG. 16A, the capacitor C when the
[0116]
[Expression 7]
[0117]
The relationship is established. Further, the resonance of the
[0118]
[Equation 8]
[0119]
It is guided. Here, in order to obtain the resistance Ru corresponding to the eddy current loss from the above equation (9), in the equation (9),
[0120]
[Equation 9]
[0121]
By replacing
[0122]
[Expression 10]
[0123]
Subsequently, in equation (10), by shifting 1 on the right side to the left side and taking the square root of both sides,
[0124]
## EQU11 ##
[0125]
As a result,
[0126]
[Expression 12]
[0127]
The relationship is guided. Furthermore, from equation (8):
[0128]
[Formula 13]
[0129]
Substituting this ωL into equation (12), RAIs transferred to the right side,
[0130]
[Expression 14]
[0131]
Is obtained.
[0132]
[Expression 15]
[0133]
It becomes. That is, the electrostatic capacitance C at which the
[0134]
(Frequency change method)
Next, the principle of the frequency change method will be described in detail with reference to FIG. In the high-frequency resistance measurement circuit shown in FIG. 15B, the frequency is changed by keeping the primary current (voltage) flowing in the circuit including the
[0135]
[Expression 16]
[0136]
And series effective resistance RXCan be requested. And series effective resistance RXResistance R corresponding to eddy current lossuThis is applied to the sheet resistance calculation. The series effective resistance RXSince the equation (14) for obtaining is easily derived from the equation (13) described above, a detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, this measurement method will be described in more detail with reference to FIG. 17 showing an equivalent circuit of the sheet resistance measuring instrument.
[0137]
An equivalent circuit of the sheet resistance measuring device to which the frequency change method is applied is, for example, as shown in FIG. 17B, a frequency variable
[0138]
The metal
[0139]
In the sheet resistance measuring instrument in a state where the metal
[0140]
In the sheet resistance measuring method according to the present invention, as shown in FIG. 18, the
[0141]
Moreover, as a coil part concerning this invention, you may use what employ | adopted the ferrite core etc. as an axial center other than the thing of the said description, and what employ | adopted the litz wire as a metal wire which comprises a coil. According to these configurations, the metal thin film to be measured can be irradiated with stronger lines of magnetic force, and therefore, an eddy current having a magnitude that can be more reliably correlated with the sheet resistance value in the metal thin film. Can be generated. That is, it is possible to measure the sheet resistance more stably. When using a ferrite core, there is a general concern about the effect of temperature drift, but as in the present invention, a relatively low-temperature metal thin film carried out from a load lock chamber following the metal thin film formation portion. By targeting, this problem does not occur.
[0142]
【The invention's effect】
As described above, the sheet resistance measuring method according to the present invention is a thin film-shaped object to be measured for sheet resistance.Metal film unloaded from the load lock chamber following the formation sectionIrradiate the magnetic field lines of magnetic field from the coil part to one side of the above, the amount of change in the magnetic field according to the eddy current loss that occurs,The metal thin filmThis is a method of detecting the sheet resistance.
According to the above method, it is possible to detect a minute change amount of the magnetic field according to the eddy current loss stably and with high accuracy. That is, the sheet resistance of the metal thin film can be measured stably and with high accuracy.
[0143]
In the sheet resistance measuring method according to the present invention, on the premise of the above method, in the second step, a resistance corresponding to the eddy current loss is added in series to a series resonance circuit including the coil section. It is a method to consider that.
[0144]
In the sheet resistance measuring method according to the present invention, on the premise of the above method, in the second step, a resistance corresponding to the eddy current loss is added in parallel to the series resonance circuit including the coil section. It is a method that is considered to be done.
[0145]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is a method for acquiring the amount of change in the magnetic field as the amount of change in impedance in the series resonant circuit, based on the above method.
[0146]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is a method for obtaining the amount of change in the magnetic field as the amount of change in inductance in the series resonant circuit, based on the above method.
[0147]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is a method for acquiring the amount of change in the magnetic field as the amount of change in capacitance in the series resonant circuit, based on the above method.
[0148]
The sheet resistance measurement method according to the present invention is a method for obtaining the change amount of the magnetic field as the change amount of the resonance frequency in the series resonance circuit on the premise of the above method.
[0149]
According to one of the above methods,The metal thin filmSince the sheet resistance can be measured in a non-contact manner,Metal thin filmThere is no risk of damage. In addition, the sheet resistance can be measured with a simple configuration as compared with the conventional double-sided eddy current method.
[0150]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is further a method for obtaining the resistance value of the resistance corresponding to the eddy current loss by the reactance change method on the premise of the above method.
[0151]
The sheet resistance measuring method according to the present invention is a method for determining the resistance value of the resistance corresponding to the eddy current loss by the frequency change method on the premise of the above method.
[0152]
According to any of the above methods, for example, in sheet resistance measurement that does not require much quickness such as offline, an effect that it is possible to realize particularly high-precision measurement is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a sheet resistance measuring device to which a measuring method according to the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a main configuration of the sheet resistance measuring device shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining an example of the principle of a measurement method according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the measuring method according to the present invention is applied.
FIG. 5 is a graph showing the result of calculating the sheet resistance value of the gate film from the correlation with the four probe values using the sheet resistance measuring method of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining another example of the principle of the measuring method according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing another example of an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the measuring method according to the present invention is applied.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining still another example of the principle of the measurement method according to the present invention.
FIG. 9 is an explanatory view showing still another example of an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the measuring method according to the present invention is applied.
FIG. 10 is an explanatory view showing still another example of an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the measuring method according to the present invention is applied.
FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a state in which a metal thin film approaches a coil portion of a sheet resistance measuring device to which the measurement method according to the present invention is applied and a capacitance is added.
12A is an explanatory view showing still another example of the principle of the measurement method according to the present invention, and FIG. 12B is an example of an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the principle is applied. It is explanatory drawing for demonstrating.
13A is an explanatory view showing still another example of the principle of the measuring method according to the present invention, and FIG. 13B is an example of an equivalent circuit of a sheet resistance measuring device to which the principle is applied. It is explanatory drawing for demonstrating.
14A and 14B are explanatory views showing still another example of the principle of the measuring method according to the present invention.
FIGS. 15A and 15B are explanatory views showing still another example of the principle of the measuring method according to the present invention. FIGS.
FIGS. 16A and 16B are explanatory views of a sheet resistance measuring device to which the principle described in FIG. 14 is applied, in which FIG. 16A shows the principle and FIG. 16B shows the principle; An example of the equivalent circuit of the applied sheet resistance measuring device is shown.
FIGS. 17A and 17B are explanatory views of a sheet resistance measuring device to which the principle described in FIG. 15 is applied. FIG. 17A shows the principle, and FIG. 17B shows the principle. An example of an equivalent circuit of the applied sheet resistance measuring device is shown.
FIG. 18 is a perspective view showing a schematic configuration of an off-line inspection apparatus as a sheet resistance measuring device to which the measuring method according to the present invention is applied.
FIG. 19 is an explanatory diagram illustrating an electromagnetic induction phenomenon.
20 is an explanatory view showing an example in which the electromagnetic induction phenomenon described in FIG. 21 is applied to the sheet resistance measuring method according to the present invention.
FIG. 21 is a schematic perspective view showing a sheet resistance measuring method by a conventional four-probe method.
FIG. 22 is a schematic configuration diagram showing a sheet resistance measuring method by a conventional double-sided eddy current method.
[Explanation of symbols]
11a Metal thin film (Thin film object)
11b Eddy current
12 Sensor head
12a Coil (Coil part)
12a 'coil (coil part)
12b magnetic field
302 Coil (Coil part)
306 Metal thin film (Thin film object)
307 Eddy current
Ru resistance (resistance equivalent to eddy current loss)
Claims (9)
上記薄膜状被測定体を、該薄膜状被測定体の形成部に後続されたロードロック室から搬出された金属薄膜とし、かつ、
上記センサヘッドおよび上記金属薄膜を、温度が一定な気流を一定量流す気流下に設置する工程と、
上記金属薄膜の片面側に対し、上記コイル部から磁界の磁力線を照射して、該金属薄膜に上記磁界による渦電流を形成する第一の工程と、
上記渦電流の形成により生じた渦電流損に応じた上記磁界の変化量を、上記金属薄膜のシート抵抗として検出する第二の工程とを含んでなることを特徴とするシート抵抗測定方法。Using a sensor head comprising a coil section that generates a magnetic field, a method for measuring the sheet resistance of a thin film-like object to be measured,
The thin film-like object to be measured is a metal thin film carried out from the load lock chamber following the formation part of the thin film-like object to be measured, and
A step of installing the sensor head and the metal thin film under an airflow in which an airflow having a constant temperature flows in a certain amount;
To one side of the metal thin film is irradiated with magnetic field lines of the magnetic field from the coil portion, a first step of forming an eddy current due to the magnetic field to the metal thin film,
And a second step of detecting, as a sheet resistance of the metal thin film , a change amount of the magnetic field according to an eddy current loss caused by the formation of the eddy current.
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