CN102341670B - 膜厚测量装置以及测量方法 - Google Patents

Abstract

膜厚测量装置(1A)被构成为具有：测量光源(28)，其将包含第1波长(λ₁)的测量光成分及第2波长(λ₂)的测量光成分的测量光供给至测量对象物(15)；分光光学系统(30)，其将来自测量对象物(15)的上面的反射光与来自下面的反射光的干涉光，分解成第1波长(λ₁)的干涉光成分、及第2波长(λ₂)的干涉光成分；光检测器(31、32)，其检测第1、第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及膜厚解析部(40)。膜厚解析部(40)基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物(15)的膜厚的时间变化。由此，实现了能够高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的膜厚测量装置及膜厚测量方法。

Description

膜厚测量装置以及测量方法

技术领域

本发明涉及测量形成于基板上的半导体膜等的膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的膜厚测量装置以及膜厚测量方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，例如，在蚀刻处理的执行中，基板上的半导体膜的膜厚随着时间变化减少。另外，在薄膜形成处理的执行中，半导体膜的膜厚随着时间变化增加。在这样的半导体工艺中，为了处理的终点检测等的工艺控制，需要进行半导体膜的膜厚的时间变化的在原位(In-Situ)的测量。

作为这样的半导体膜的膜厚的测量方法，已知有对半导体膜照射规定波长的测量光，并检测来自半导体膜的上面的反射光与来自下面的反射光相干涉的干涉光的方法。在该方法中，若半导体膜的膜厚发生变化，则来自上面的反射光与来自下面的反射光之间的光路长差发生变化。因此，利用伴随着该光路长差的变化的干涉光的检测强度(干涉强度)的时间变化，可测量在各时点的半导体膜的膜厚(例如参照专利文献1～4)。

专利文献1：日本特许第2612089号公报

专利文献2：日本特许第2656869号公报

专利文献3：日本特许第3491337号公报

专利文献4：日本特开昭63-50703号公报

发明内容

发明所要解决的问题

上述的半导体膜的膜厚的时间变化的测量中，为了提高半导体制造工艺的控制精度等，要求能进一步提高膜厚的测量精度，尤其要求提高膜厚的绝对值的测量精度。然而，现有的测量方法有时会无法获得充分的膜厚的测量精度。

例如，专利文献1所记载的方法中，如上所述检测来自上面的反射光与来自下面的反射光的干涉光，并从该检测的干涉强度的时间变化算出膜厚。然而，该方法以能正确地检测干涉强度的周期性变化为前提，例如在光强度的周期性变化最初成为最大的时点不明确的情况下，基准时的膜厚值会成为不正确，从而对于膜厚的绝对值存在难以正确地测量其时间变化的问题。

另外，专利文献2中，公开了使用将来自半导体膜的反射光中的在2个波长的光强度的时间微分的绝对值进行加法运算后的信号，进行蚀刻的终点检测的方法。另外，专利文献3中，公开了照射来自波长可变激光的光束而检测来自半导体膜的反射光或透射光，并且由使波长变化所获得的相对于波长的光强度变化的波形求得膜厚的方法。另外，专利文献4中，公开了将来自半导体膜的反射光或透射光进行分光并检测，使用关于各波长的输出中的极大值与极小值求得膜厚的方法。然而，在这些方法中，也难以正确地测量膜厚的绝对值的时间变化。这样的问题在半导体膜以外的膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的测量中也同样存在。

本发明是为了解决上述的问题而完成的发明，其目的在于提供一种可高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的膜厚测量装置以及膜厚测量方法。

解决问题的技术手段

为了达成这样的目的，本发明的膜厚测量装置的特征在于，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量装置，具备：(1)测量光源，其将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，供给至测量对象物；(2)分光单元，其对于测量光的来自测量对象物的第1面的反射光与来自第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成可分别检测的第1波长的第1干涉光成分及第2波长的第2干涉光成分；(3)检测单元，其检测第1干涉光成分及第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及(4)膜厚解析单元，其基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物的膜厚随时间的变化。

同样地，本发明的膜厚测量方法的特征在于，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量方法，包含：(1)测量光供给步骤，将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，从测量光源供给至测量对象物；(2)分光步骤，对于测量光的来自测量对象物的第1面的反射光与来自第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成可分别检测的第1波长的第1干涉光成分及第2波长的第2干涉光成分；(3)检测步骤，检测第1干涉光成分及第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及(4)膜厚解析步骤，基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物的膜厚随时间的变化。

上述的膜厚测量装置及测量方法中，对膜状的测量对象物供给包含第1波长及第2波长的光成分的测量光，并检测来自该第1面及第2面(上面及下面)的反射光的干涉光。其后，获取第1波长的第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位与第2波长的第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位之间的相位差，由该相位差求得测量对象物的膜厚随时间的变化。根据这样的构成，可通过在2个波长间的检测强度的时间波形的相位差，高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的绝对值及其时间变化。

发明的效果

根据本发明的膜厚测量装置及膜厚测量方法，对测量对象物供给包含第1波长及第2波长的光成分的测量光，检测来自该第1面及第2面的反射光的干涉光，并获取第1波长的第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位与第2波长的第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位之间的相位差，由该相位差求得测量对象物的膜厚的时间变化，从而可高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的绝对值及其时间变化。

附图说明

图1是模式性地显示测量对象物的膜厚的测量方法的图。

图2是概略性地显示测量对象物的膜厚的时间变化的测量原理的图。

图3是显示膜厚测量装置的一个实施方式的构成的方块图。

图4是显示测量光学系统的构成的一例的图。

图5是显示测量光学系统的构成的一例的图。

图6是显示分光光学系统的构成的一例的图。

图7是显示膜厚解析部的构成的一例的方块图。

图8是显示测量位置设定部的构成的一例的方块图。

图9是显示膜厚测量的第1测量例的图。

图10是显示膜厚测量的第2测量例的图。

图11是显示膜厚测量的第3测量例的图。

图12是显示伴随着波长切换的膜厚测量方法的一例的图。

图13是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。

图14是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。

图15是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。

图16是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。

图17是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。

图18是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。

符号的说明

1A…膜厚测量装置、10…试料、12…基板、15…半导体膜(测量对象物)、16…上面(第1面)、17…下面(第2面)、20…处理装置、21…测量光学系统、22…XYθ平台、23…平台控制部、24…摄像装置、25…测量位置设定部、28…测量光源、30…分光光学系统、31…第1光检测器、32…第2光检测器、33…多通道光检测器、35…分光测量装置、40…膜厚解析部、41…相位解析部、42…测量相位差取得部、43…基准膜厚存储部、44…基准相位差取得部、45…相位差信息处理部、46…膜厚信息输出部、47…终点信息输出部、50…测量控制部、51…输入装置、52…显示装置。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明本发明的膜厚测量装置以及膜厚测量方法的优选的实施方式。还有，在附图的说明中，对相同的要素附以相同的符号，并省略重复的说明。另外，附图的尺寸比率未必与说明的一致。

首先，使用图1及图2，说明本发明的膜厚测量装置及其测量原理。图1是模式性地显示测量对象物的膜厚的测量方法的图。另外，图2是概略性地显示测量对象物的膜厚的时间变化的测量原理的图。本膜厚测量方法对具有第1面及第2面的膜状的测量对象物，测量其膜厚的绝对值的时间变化。此处，以下，将测量对象物的第1面作为测量光入射的上面，将第2面作为其相反侧的下面而进行说明。

在图1所示的例中，作为膜状的测量对象物的一例，显示形成于基板12上的半导体膜15。考虑了对这样的半导体膜15执行蚀刻处理作为膜厚随时间变化的半导体制造工艺的一例。蚀刻处理中，随着处理的进行，半导体膜15的膜厚d随时间减少。

关于这样的膜厚d的时间变化，从与基板12成相反侧的半导体膜15的上面(第1面)16侧，对由基板12及半导体膜15构成的试料10供给膜厚测量用的测量光L0。其后，检测来自其上面16的反射光L1、与来自下面(第2面，基板12与半导体膜15的交界面)17的反射光L2相干涉所生成的干涉光，从而测量半导体膜15的膜厚d。还有，在图1中，为了便于看图，将照射至半导体膜15的测量光L0的光路及来自半导体膜15的上面16、下面17的反射光L1、L2的光路分别移动位置来进行显示。

本测量方法中，具体而言，对包含半导体膜15的试料10，照射至少包含第1波长λ₁的第1测量光成分、及与第1波长不同的第2波长λ₂的第2测量光成分的测量光L0(测量光供给步骤)。其次，根据波长分解测量光L0的来自上面16、下面17的反射光L1、L2的干涉光，使波长λ₁的第1干涉光成分与波长λ₂的第2干涉光成分成为可分别检测的状态(分光步骤)，检测第1、第2干涉光成分的各自的在各时点的强度，获取干涉强度的随时间的变化(检测步骤)。其后，参照这些第1、第2干涉光成分的检测强度的时间变化，求得半导体膜15的膜厚d随时间的变化(膜厚解析步骤)。

此处，若将测量对象的半导体膜15的折射率设为n，将时间变化的膜厚设为d，将测量光L0的波长设为λ，则反射光L1、L2相干涉所产生的干涉光的强度I(t)根据反射光L1、L2之间所产生的光路长差2nd，显示根据下述的式(1)的时间变化。

[数1]

$I=A\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}\right)+B\·\·\·\left(1\right)$

即，在使用波长λ的测量光L0的情况下，所获得的反射光的干涉强度I(t)伴随着因蚀刻处理等产生的膜厚d的时间变化而发生余弦波变化。此处，A为干涉强度的变动的振幅，B为补偿值(offset)。

在图2中显示这样的干涉光的强度I(t)的时间变化的一例。图2的图(a)显示第1波长λ₁的第1干涉光成分的检测强度I(t)的时间变化。该干涉强度I的在各时点的相位φ₁将在该时点的膜厚设为d而成为：

[数2]

${\mathrm{\φ}}_1=2\mathrm{\π}\frac{{2n}_{1}d}{{\mathrm{\λ}}_1}\·\·\·\left(2\right)$

。此处，n₁是波长λ₁下的半导体膜15的折射率。在该时间变化中，其1周期Δt₁相当于膜厚d仅变化Δd＝λ₁/2n₁的时间。

同样地，图2的图(b)显示第2波长λ₂的第2干涉光成分的检测强度I(t)的时间变化。该干涉强度I的在各时点的相位φ₂同样成为：

[数3]

${\mathrm{\φ}}_2=2\mathrm{\π}\frac{2n_{2}d}{{\mathrm{\λ}}_2}\·\·\·\left(3\right)$

。此处，n₂是波长λ₂下的半导体膜15的折射率。在该时间变化中，其1周期Δt₂相当于膜厚d仅变化Δd＝λ₂/2n₂的时间。

如上述的式(2)、(3)、以及图2的图(a)、(b)所示，相对于包含波长λ₁、λ₂的光成分的测量光L0的供给的来自半导体膜15的反射干涉光中，第1、第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位φ₁、φ₂、及其周期Δt₁、Δt₂，因其波长λ₁、λ₂不同而成为相对于膜厚d的变化不同的相位、及周期。还有，这些干涉强度的时间变化的相位φ₁、φ₂，例如，可通过对干涉强度I的规定范围(优选为2周期以上的范围)的数据，进行FFT(快速傅立叶变换)解析而求得。

另外，若对于波长λ₁、λ₂的第1、第2干涉光成分的各自中的相位φ₁、φ₂求取在2个波长间的相位差，则该相位差Δφ₁₂为下述的式(4)：

[数4]

${\mathrm{\Δ\φ}}_{12}=2\mathrm{\π}\frac{{2n}_{1}d}{{\mathrm{\λ}}_1}-2\mathrm{\π}\frac{2n_{2}d}{{\mathrm{\λ}}_2}=4\mathrm{\π}(\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2})d\·\·\·\left(4\right)$

。即，第1相位φ₁与第2相位φ₂的相位差Δφ₁₂与测量对象物的膜厚d成比例地变化。因此，如图2的图(c)所示，由伴随着第1、第2干涉光成分的检测强度的时间变化的相位差Δφ₁₂的变化，可高精度地求得半导体膜15的膜厚d的绝对值、及其时间变化。

另外，通过测量这样的膜厚d的绝对值的时间变化，可在例如半导体膜15的蚀刻处理中，以高精度执行其终点检测及基于其的工艺控制。具体而言，在蚀刻处理中若将作为目标的半导体膜15的最终膜厚设定为D，则该目标膜厚D及与此对应的目标相位差Δφ的关系可通过下述的式(5.1)、(5.2)表示。

[数5]

$\mathrm{\Δ\Φ}=2\mathrm{\π}\frac{{2n}_{1}D}{{\mathrm{\λ}}_1}-2\mathrm{\π}\frac{{2n}_{2}D}{{\mathrm{\λ}}_2}=4\mathrm{\π}(\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2})D\·\·\·\left(5.1\right)$

$D=\mathrm{\Δ\Φ}/4\mathrm{\π}(\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2})\·\·\·\left(5.2\right)$

因此，通过利用这样的关系而例如将自所测量的相位差Δφ判断出半导体膜15的膜厚d减少至期望的膜厚D的时点设为蚀刻处理的终点等的方法，从而如图2的图(c)所示，可进行蚀刻处理的终点检测。这样的工艺控制，在例如半导体膜15的膜厚d随时间增加的薄膜形成处理的控制等中，也可同样地执行。

此处，从图2的图(c)可知，通过上述方法可测量膜厚d的绝对值的是相位差Δφ₁₂在0～2π的范围内变化的区间(图表(c)中的区间Δt₁₂)。因此，在上述方法中，可测量绝对值的膜厚的最大值d_max为下述的式(6)：

[数6]

$d_{\max }=1/2(\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2})\·\·\·\left(6\right)$

因此，优选，在测量开始时膜厚d位于上述范围外时，最初以其它的方法进行膜厚测量，在膜厚d成为可测量绝对值的范围内的时点，切换成利用上述方法的膜厚测量。作为这样的其它的膜厚测量的方法，例如可以列举测量自作为初始值被赋予的膜厚的相对的膜厚变化的方法。在该情况下，可使用下述方法：对于1个波长的测量光检测反射干涉光，并由其强度的时间变化求得膜厚的变化率(例如蚀刻率)，从膜厚的初始值减去膜厚变化量，从而获得膜厚。

图3是显示膜厚测量装置的一个实施方式的构成的方块图。本实施方式中，显示将设置于半导体处理装置(例如蚀刻装置)20的处理室内的试料10的半导体膜15(参照图1)作为测量对象物的例。本膜厚测量装置1A被构成为具备测量光学系统21、测量光源28、分光光学系统30、光检测器31、32、及膜厚解析部40。

相对于处理装置20内的试料10的半导体膜15，设置有经由测量光学系统21而供给测量光L0的测量光源28。如关于图1、图2的上面所述，该测量光源28将至少包含第1波长λ₁的测量光成分及第2波长λ₂的测量光成分的测量光L0，供给至测量对象物的半导体膜15。作为这样的测量光源28，可适宜地使用将包含第1波长λ₁及第2波长λ₂的波段的白色光作为测量光L0供给的白色光源。

另外，相对于测量光L0由试料10反射了的反射光L1、L2，经由测量光学系统21而设置有分光光学系统30及光检测器31、32。此处，图4及图5是显示膜厚测量装置1A的测量光学系统21的构成的一例的图。本构成例中，对于包含与试料10相对配置的物镜211的测量光学系统21，连接有对来自测量光源28的测量光进行引导的测量光输入光纤281、引导用于试料10的图像获取时等的照明光的照明光输入光纤282、及将来自试料10的反射光引导至分光光学系统30的反射光输出光纤308。

在这样的构成中，如图4所示，来自测量光源28的测量光L0，通过输入光纤281而输入至测量光学系统21，通过半反射镜212，经反射镜213反射，经由物镜211供给至试料10的半导体膜15。另外，如图5所示，来自半导体膜15的上面、下面的反射光L1、L2经反射镜213、半反射镜212、及反射镜214反射，经由输出光纤308而输出至分光光学系统30。

分光光学系统30是将从试料10经由测量光学系统21而输入的反射光进行分光的分光单元。具体而言，分光光学系统30对于测量光L0的来自半导体膜15的上面的反射光L1与来自下面的反射光L2相干涉而生成的干涉光，分解成可分别检测的干涉光中的起因于第1测量光成分的波长λ₁的第1干涉光成分与起因于第2测量光成分的波长λ₂的第2干涉光成分。

图6是显示分光光学系统30的构成的一例的图。该分光光学系统30被构成为具有入射狭缝301、准直光学系统302、作为分散元件的衍射光栅303、及聚焦光学系统304。在这样的构成中，由衍射光栅303分解成各波长的干涉光成分的干涉光，经由聚焦光学系统304而在波长光谱输出面305成像，通过配置于输出面305的光检测器而在每个波长成分进行检测。

相对于通过分光光学系统30而分解成各个波长成分的干涉光，作为检测波长λ₁的第1干涉光成分、及波长λ₂的第2干涉光成分的各自的在各时点t的强度(干涉强度)的检测单元，设置有光检测器31、32。第1光检测器31检测波长λ₁的第1干涉光成分，并将显示其强度的检测信号输出。另外，第2光检测器32检测波长λ₂的第2干涉光成分，并将显示其强度的检测信号输出。

这样的检测单元可由例如相对于图6所示的分光光学系统30而配置于其输出面305，且排列有检测由分光光学系统30分解的各干涉光成分的强度的多个光检测元件的多通道光检测器构成。在该情况下，在光检测器的多个光检测元件中，检测波长λ₁的第1干涉光成分的1个或多个光检测元件作为第1光检测器31而发挥功能。同样地，检测波长λ₂的第2干涉光成分的1个或多个光检测元件作为第2光检测器32而发挥功能。

来自光检测器31、32的检测信号输入至膜厚解析部40。如与图2相关的上面所述，膜厚解析部40是求得第1干涉光成分的检测强度的时间变化的第1相位φ₁与第2干涉光成分的检测强度的时间变化的第2相位φ₂的相位差Δφ₁₂，并基于该相位差，求得作为测量对象物的半导体膜15的膜厚d的时间变化的膜厚解析单元。

图7是显示膜厚解析部40的构成的一例的方块图。本构成例的膜厚解析部40被构成为具有相位解析部41、测量相位差取得部42、相位差信息处理部45、及膜厚信息输出部46。另外，在图7中，分光单元及检测单元被构成为具有分光光学系统30以及包含第1、第2光检测器31、32的多通道光检测器33的分光测量装置35。相位解析部41输入来自分光测量装置35的检测信号，并算出由光检测器31检测的干涉光成分中的第1相位φ₁、与由光检测器32检测的干涉光成分中的第2相位φ₂。

测量相位差取得部42对于相位解析部41中所算出的第1、第2干涉光成分的相位φ₁、φ₂，算出其相位差Δφ₁₂。相位差信息处理部45对测量相位差取得部42所获取的相位差Δφ₁₂进行规定的数据处理，并基于相位差Δφ₁₂，导出关于测量对象的半导体膜15的膜厚d的绝对值、及其时间变化的必要的信息。

具体而言，相位差信息处理部45基于式(4)所示的关系式，由测量相位差Δφ₁₂将膜厚d的绝对值作为膜厚信息算出。或者，处理部45也可将未换算成膜厚d的相位差Δφ₁₂的信息本身作为显示膜厚d的膜厚信息。另外，膜厚信息输出部46输出相位差信息处理部45所求得的关于半导体膜15的膜厚d的信息。

另外，图7所示的膜厚解析部40中，显示下述构成：假定因蚀刻处理而减少半导体膜15的膜厚d的时间变化，并进行蚀刻处理的终点检测。为了进行这样的终点检测，本构成例的膜厚解析部40还包含基准膜厚存储部43、基准相位差取得部44、及终点信息输出部47。

基准膜厚存储部43中预先存储有显示应设为蚀刻处理的终点的半导体膜15的膜厚d的值的基准膜厚(目标膜厚)D。如式(5.1)所示，基准相位差取得部44对于由存储部43读取的基准膜厚D，算出对应于其的基准相位差(目标相位差)Δφ。另外，相位差信息处理部45进行测量相位差取得部42中所获取的测量相位差Δφ₁₂与基准相位差取得部44中所获取的基准相位差Δφ的比较。

而且，处理部45例如通过测量相位差Δφ₁₂与基准相位差Δφ是否一致而判定蚀刻处理是否到达终点，若判定为到达终点，则经由终点信息输出部47输出用于停止蚀刻处理的终点检测信号。还有，这样的膜厚解析部40例如可由执行规定的解析程序的计算机构成。

另外，图3所示的膜厚测量装置1A中，除上述的膜厚解析部40之外，设置有测量控制部50。测量控制部50参照来自膜厚解析部40的膜厚信息输出部46的膜厚信息或进而参照来自终点信息输出部47的终点信息，控制测量装置1A及处理装置20的装置各部，从而对测量装置1A的膜厚测量动作、及处理装置20的蚀刻处理等的动作进行必要的控制。

另外，该测量控制部50上连接有输入装置51以及显示装置52。输入装置51用于测量装置1A的测量动作及处理装置20的处理动作中所必要的信息、条件、指示等的由操作者进行的输入。该输入装置51可用于输入例如膜厚解析部40所使用的测量波长λ₁、λ₂、各波长下的测量对象物的折射率n₁、n₂、及蚀刻处理的目标膜厚D等。另外，也可进而输入工艺开始时的膜厚值。其中，对于这些条件、数值，也可为预先在膜厚解析部40中准备的构成。另外，显示装置52用于对操作者显示关于上述的测量动作及处理动作的必要的信息。

另外，本实施方式的膜厚测量装置1A中，相对于测量光学系统21，设置有XYθ平台22。该XYθ平台22用于通过将测量光学系统21的位置、角度等调整成X方向、Y方向、θ方向，从而调整本膜厚测量装置1A的半导体膜15上的膜厚d的测量位置、测量条件。另外，XYθ平台22通过平台控制部23而进行驱动控制。

另外，相对于处理装置20内的试料10及测量光学系统21，进而设置有摄像装置24及测量位置设定部25。摄像装置24是用于确认测量装置1A的半导体膜15上的膜厚d的测量位置的位置确认用摄像装置。另外，测量位置设定部25参照由摄像装置24经由测量光学系统21而获取的包含半导体膜15的试料10的图像，设定相对于试料10的膜厚测量位置。

图8是显示测量位置设定部25的构成的一例的方块图。本构成例的测量位置设定部25被构成为具有测量图像识别部251、基准图像存储部252、图像比较部253、及控制条件算出部254。测量图像识别部251输入由摄像装置24所获取的试料10的图像数据，并进行在该图像中的测量图案的图案识别。另外，基准图像存储部252中，预先存储有用于特定作为在半导体膜15上的膜厚d的测量位置而应设定的位置的基准图像。

图像比较部253通过算出差分图像等的方法，比较由识别部251识别的测量图像中的测量图案与由存储部252存储的基准图像中的基准图案。另外，控制条件算出部254基于在图像比较部253中的测量图像与基准图像的比较结果，算出测量位置是否需要调整、及需要调整时的控制条件。其后，基于由该算出部254所求得的控制条件，经由平台控制部23驱动控制XYθ平台22、测量光学系统21，从而可设定、控制相对于试料10的半导体膜15的膜厚d的测量位置、测量条件。

还有，优选为使相对于这样的试料10的半导体膜15的膜厚d的测量位置为半导体晶圆上的测试元件群的位置。其原因在于，若使半导体芯片上的位置为测量位置，则存在因掩膜等的阶差等的影响，而无法正确地测量膜厚d的可能性。

说明上述实施方式的膜厚测量装置及膜厚测量方法的效果。

图1～图3所示的膜厚测量装置1A及膜厚测量方法中，对作为膜状的测量对象物的基板12上的半导体膜15，供给包含第1、第2波长λ₁、λ₂的光成分的测量光L0，并通过分光光学系统30及光检测器31、32，将来自上面16及下面17的反射光L1、L2的干涉光进行分光并检测。而且，获取由光检测器31检测的波长λ₁的干涉光成分的相位φ₁、与由光检测器32检测的波长λ₂的干涉光成分的相位φ₂的相位差Δφ₁₂，从而求得半导体膜15的膜厚d的时间变化。根据这样的构成，通过在2个波长间的检测强度的时间波形的相位差，可高精度地测量测量对象物的膜厚d的绝对值、及其时间变化。

如上所述，关于膜厚测量的具体的测量对象，测量对象物优选为基板12上的半导体膜15，且对执行规定的处理过程中的半导体膜15的膜厚d随时间的变化进行测量。这样的构成中，在减少或增加半导体膜15的膜厚d的蚀刻处理、薄膜形成处理等的半导体工艺的执行中，可高精度地进行处理的终点检测等的工艺控制。另外，上述方法除半导体膜15以外，通常也可适用于膜状的测量对象物的膜厚d的测量。

另外，有关膜厚测量装置1A的具体的构成，测量光源28可使用作为供给包含第1、第2波长λ₁、λ₂的波段的白色光作为测量光L0的白色光源的构成。由此，可适宜地供给至少包含第1、第2波长λ₁、λ₂的测量光成分的测量光L0。另外，关于将来自试料10的反射光L1、L2的干涉光进行分光的分光单元、及检测干涉光的检测单元的构成，如上所述，分光单元可具有将干涉光分解成各波长的干涉光成分的分光光学系统30，检测单元可使用具有排列有检测通过分光光学系统30分解的各干涉光成分的强度的多个光检测元件的多通道光检测器的构成。

另外，关于用于膜厚测量的测量光源、分光单元、及检测单元，除上述以外，也可使用其它各种构成。例如，关于测量光源，只要为可供给至少包含第1、第2波长λ₁、λ₂的测量光成分的测量光L0的构成即可。作为这样的测量光源，例如可列举组合多个半导体激光或LED的构成等的可同时供给多个单色光的光源。

另外，作为分光单元，除分光光学系统以外，也可使用例如带通滤波器等的波长选择滤波器。另外，作为检测单元，可使用例如与波长选择滤波器组合设置的光电二极管等的光检测器。在该情况下，例如可通过对应于第1波长λ₁的第1波长选择滤波器及第1光检测器、与对应于第2波长λ₂的第2波长选择滤波器及第2光检测器，构成分光单元及检测单元。

与具体的测量例一起进一步说明由上述实施方式的膜厚测量装置1A及膜厚测量方法进行的测量对象物的膜厚d的测量处理、及测量条件等。

图9是显示由上述测量方法进行的膜厚测量的第1测量例的图。本测量例中，使第1波长为λ₁＝335nm、第2波长为λ₂＝405nm。此时的波长间隔为λ₁-λ₂＝70nm。另外，图9中，图(a)显示第1波长λ₁的干涉光成分的检测强度I的时间变化，图(b)显示第2波长λ₂的干涉光成分的检测强度I的时间变化，图(c)显示对应于相位差Δφ₁₂的测量对象物的膜厚d的时间变化。如这些图所示，根据第1、第2干涉光成分的检测强度的时间变化的相位差，可高精度地求得作为测量对象物的半导体膜15的膜厚d的绝对值、及其时间变化。

另外，上述的测量例中，使波长λ₁＝335nm下的半导体膜15的折射率为n₁＝2.7，使波长λ₂＝405nm下的折射率为n₂＝2.5，使蚀刻处理的目标膜厚为D＝100nm。此时，如图9的图(d)所示，相对于所测量的膜厚d的绝对值的时间变化，而设定目标膜厚D作为阈值，从而可检测蚀刻处理的终点。

另外，可测量测量对象物的膜厚d的绝对值的范围是相位差在0～2π的范围内变化的区间。本测量例中，可测量绝对值的膜厚的最大值d_max求得为：

[数7]

$2\mathrm{\π}\frac{{2n}_{335\mathrm{nm}}{d}_{\max }}{{\mathrm{\λ}}_1=335\mathrm{nm}}-2\mathrm{\π}\frac{{2n}_{405\mathrm{nm}}{d}_{\max }}{{\mathrm{\λ}}_2=405\mathrm{nm}}=2\mathrm{\π}$

$\frac{2\×2.7\×d_{\max }}{335\mathrm{nm}}-\frac{2\×2.5\×d_{\max }}{405\mathrm{nm}}=1$

d_max＝264.99nm

。即，本测量例中，只要测量对象物的膜厚d为264.99nm以下，则可利用上述方法测量膜厚d的绝对值。

另外，上述构成的测量对象物的膜厚d的测量中，可测量的膜厚d的范围、及其测量精度(分辨率)依赖于用于测量的光的波长λ₁、λ₂的设定。此处，图10是显示利用上述方法的膜厚测量的第2测量例的图，图(a)显示第1干涉光成分的检测强度I的时间变化，图(b)显示第2干涉光成分的检测强度I的时间变化、图(c)显示测量对象物的膜厚d的时间变化。本测量例中，使第1波长为λ₁＝600nm，第2波长为λ₂＝790nm，其波长间隔为190nm。

另外，图11是显示利用上述方法的膜厚测量的第3测量例的图，图(a)显示第1干涉光成分的检测强度I的时间变化，图(b)显示第2干涉光成分的检测强度I的时间变化，图(c)显示测量对象物的膜厚d的时间变化。本测量例中，使第1波长为λ₁＝405nm，第2波长为λ₂＝600nm，其波长间隔为195nm。

如这些图9～图11的图所示，测量装置1A中所测量的相位差Δφ₁₂与膜厚d的对应关系、及可测量的膜厚范围、测量精度依赖于波长λ₁、λ₂的设定而变化。因此，通过设定、变更用于膜厚测量的波长λ₁、λ₂，可设定或变更膜厚d的测量条件。

在该情况下，测量光源28优选为被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为测量光L0的成分。另外，利用分光光学系统30及光检测器31、32等的分光单元及检测单元优选为被构成为可变更用于测量的波长λ₁、λ₂。这样的构成中，可根据测量对象物的膜厚d的时间变化的状态，而适宜地设定、变更其测量条件。作为该情况下的测量光源28，可使用白色光源、或组合3种以上的单色光源的光源等。另外，作为分光单元及检测单元，可使用组合分光光学系统

(分光器)与多通道光检测器的构成。

另外，关于利用波长λ₁、λ₂的变更的膜厚测量条件的调整，例如如图9～图11所示，有通过变更(移动)波长λ₁、λ₂的波段来调整测量条件的方法。或者，也有通过维持波段而变更(扩大或缩小)波长间隔Δλ＝λ₂-λ₁，来调整测量条件的方法。另外，在变更波长λ₁、λ₂的构成中，在对于测量对象物测量膜厚d减少的时间变化的情况下，优选为以使2波长的波长间隔Δλ随时间阶段性地扩大的方式，变更第1、第2波长λ₁、λ₂。作为这样的测量例，可列举蚀刻处理的执行中的基板12上的半导体膜15的膜厚d的时间变化的测量。

具体而言，在例如图9所示的波长λ₁＝335nm、λ₂＝405nm的例中，可测量的膜厚d的最大值如上所述为d_max＝264.99nm。相对于此，在相同的波段中，考虑缩小波长间隔Δλ而使λ₁＝400nm、λ₂＝402nm的情况。此时，若将波长λ₁、λ₂下的半导体膜15的折射率均设为n₁＝n₂＝2.5，则可测量绝对值的膜厚的最大值d_max求得为：

[数8]

$\frac{2\×2.5\×d_{\max }}{400\mathrm{nm}}-\frac{2\×2.5\×d_{\max }}{402\mathrm{nm}}=1$

d_max＝16080nm。

即，在相同的波段中缩小波长λ₁、λ₂的波长间隔Δλ时，可测量的膜厚范围扩大。但是，在如上所述缩小波长间隔的情况下，膜厚测量的分辨率及测量精度会降低。另一方面，在扩大波长λ₁、λ₂的波长间隔Δλ的情况下，虽然可测量的膜厚范围缩小，但其膜厚测量的分辨率、及测量精度提高。因此，在膜厚d的测量中，优选为考虑这样的波长间隔Δλ与测量范围及测量精度的关系，而根据需要切换波长λ₁、λ₂。

图12是显示伴随着波长切换的膜厚测量方法的一例的图。在该例中，使用3种不同的测量条件而进行膜厚测量。另外，此处，使各波长下的半导体膜15的折射率为2.5而一定。在第1测量条件下，将第1波长设定为λ₁＝600nm、第2波长设定为λ₂＝638.3nm、波长间隔设定为Δλ＝38.3nm。图12(a)显示此时的相位差Δφ₁₂的时间变化的图C1，其可测量的膜厚范围为2000nm。

另外，在第2测量条件下，将第1波长设定为λ₁＝600nm、第2波长设定为λ₂＝681.8nm、波长间隔设为Δλ＝81.8nm。图12(b)显示此时的相位差的时间变化的图C2，其可测量的膜厚范围为1000nm。另外，在第3测量条件下，将第1波长设定为λ₁＝600nm、第2波长设定为λ₂＝789.5nm、波长间隔设为Δλ＝189.5nm。图12(c)显示此时的相位差的时间变化的图C3，其可测量的膜厚范围为500nm。

图12(d)显示使用这些第1～第3测量条件时的伴随着波长切换的膜厚测量方法的例。在该例中，构成为相对于利用蚀刻处理的半导体膜15的膜厚d的减少，设定测量条件的切换阈值Δφ_T，在相位差Δφ₁₂减少至该阈值的时点切换测量条件。即，在包含膜厚d的测量开始时的测量区间T1中，适用测量范围最广的第1测量条件(C1)。

而且，在相位差达到阈值Δφ_T的时点，切换成分辨率高于第1测量条件的第2测量条件(C2)，并在测量区间T2适用第2测量条件。再者，在相位差再次达到阈值Δφ_T的时点，切换成第3测量条件(C3)，并在测量区间T3适用第3测量条件。这样，伴随着蚀刻处理的进行所导致的膜厚减少，以阶段性地扩大2个波长的波长间隔Δλ的方式进行切换，从而可特别高精度地测量半导体膜15的膜厚d。还有，上述的例中，固定波长λ₁而变更波长λ₂来变更波长间隔，但是，也可固定波长λ₂而变更波长λ₁。或者，也可一起变更波长λ₁、λ₂。

其次，说明图3所示的膜厚测量装置1A中由膜厚解析部40进行的解析处理的具体的一例。图13～图18是说明用于测量对象物的膜厚测量的解析处理的具体例的图。还有，此处，对1个波长λ的测量光、及其反射干涉光的检测强度的时间变化的相位的算出方法进行说明，但在使用2个波长λ₁、λ₂的测量中也可由同样的方法进行解析。

首先，如图13的图(a)所示，关于对波长λ的光所获取的反射干涉光的检测强度的时间变化的数据，设定用于相位解析的解析区间T(例如用于相位解析的数据数)。另外，如图13的图(b)及图14的图(a)所示，关于该取出的区间T的测量数据，考虑与将当前的时点作为始点的时间轴方向相反的方向上行进的波，并进行其轴变换。

其次，如图14的图(b)所示，调整补偿值以使平均强度为0，并去除检测强度数据中信号强度较大的0次成分，作为以0为中心振动的时间变化。再者，如图15的图(a)所示，为了提高FFT解析中的频率分辨率，而将解析区间延长。此时，在检测强度的解析数据中，优选为使数据延长部份的检测强度为0。接着，如图15的图(b)所示，对于检测强度的解析数据，适用窗函数。其用于去除因数据长度为有限长度而产生的疑似的频率信号。另外，作为该情况下的窗函数，具体而言，例如可使用汉明窗。或者，也可使用高斯窗等的其它的窗函数。

如上所述对所准备的检测强度的解析数据，使用FFT解析等的规定的解析方法并执行傅立叶变换，并根据其结果求得检测强度的时间变化的相位φ。在图16的图中显示进行傅立叶变换所得到的结果。另外，此处的相位为φ＝0。还有，此处的相位是指，如上所述在考虑了与时间轴方向相反的方向上行进的波时，相对于将当前的时点作为原点的余弦波的滞后相位量。另外，其相位值可根据由傅立叶变换所得到的强度的实部及虚部，通过反正切(虚部/实部)而求得。

另外，相对于图13～图16所示的解析例，在图17、图18中显示检测强度的时间变化经过1/4周期时的解析例。图17的图中，与图13的图(a)相同，关于反射干涉光的检测强度的时间变化的数据，设定用于相位解析的解析区间T。另外，在图18的图中显示最终进行傅立叶变换所得到的结果。另外，求得此处的相位为φ＝π/2，可知检测强度的时间变化如上所述经过1/4周期。

利用上述方法的膜厚测量中，对于第1、第2波长λ₁、λ₂的干涉光成分的各自进行这样的相位解析，基于其相位差，求得测量对象物的膜厚d的绝对值的时间变化。关于膜厚d的时间变化，例如也可求得蚀刻率等的膜厚变化率。另外，在进行蚀刻处理的终点检测等的工艺控制的情况下，可通过比较预先设定的基准膜厚D与所测量的膜厚d或与其对应的基准相位差Δφ与所测量的相位差Δφ₁₂，在两者的值一致时，输出工艺的结束信号等的方法，进行工艺控制。

本发明的膜厚测量装置及膜厚测量方法并不限于上述实施方式及构成例，也可进行各种变形。例如，图3为显示用于膜厚测量的测量光源、分光单元、及检测单元的构成的一例的图，具体而言，除上述以外，也可使用各种构成。另外，用于由所测量的反射干涉光的检测强度求得膜厚d的具体的相位算出方法、及膜厚解析方法等，也不限于上述的解析例，具体而言，可使用各种方法。

上述实施方式的膜厚测量装置，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量装置，使用具备下述构件的构成：(1)测量光源，其将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，供给至测量对象物；(2)分光单元，其对于测量光的来自测量对象物的第1面的反射光与来自第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成可分别检测的第1波长的第1干涉光成分及第2波长的第2干涉光成分；(3)检测单元，其检测第1干涉光成分及第2干涉光成分的各自的在各时点的强度；以及(4)膜厚解析单元，其基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位、与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物的膜厚随时间的变化。

同样地，上述实施方式的膜厚测量方法中，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量方法，使用包括下述步骤的构成：(1)测量光供给步骤，将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，从测量光源供给至测量对象物；(2)分光步骤，对于测量光的来自测量对象物的第1面的反射光、与来自第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成可分别检测的第1波长的第1干涉光成分及第2波长的第2干涉光成分；(3)检测步骤，检测第1干涉光成分及第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及(4)膜厚解析步骤，基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位、与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物的膜厚随时间的变化。

此处，关于上述的膜厚的时间变化的测量中的具体的测量对象，测量对象物优选为基板上的半导体膜，且对执行规定的处理过程中的半导体膜的膜厚随时间的变化进行测量。这样的构成中，如上所述，例如在蚀刻处理或薄膜形成处理等的半导体工艺的执行中，可测量其膜厚的绝对值的时间变化，从而可高精度地进行处理的终点检测等的工艺控制。

另外，测量装置也可为，测量光源被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为测量光的成分，分光单元及检测单元被构成为可变更用于测量膜厚的时间变化的第1波长及第2波长。同样地，测量方法也可为，测量光源被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为测量光的成分，在分光步骤及检测步骤中，可变更用于测量膜厚的时间变化的第1波长及第2波长。由此，对应于膜厚的时间变化的状态，可适宜地设定、变更其测量条件。

另外，如上所述变更第1波长及第2波长的构成中，在对于测量对象物测量膜厚减少的时间变化的情况下，优选为以使2个波长的波长间隔阶段性地扩大的方式变更第1波长及第2波长。作为这样的测量例，可列举蚀刻处理的执行中的基板上的半导体膜的膜厚的时间变化的测量。

对于测量装置的具体的构成，测量光源可使用作为将包含第1波长及第2波长的波段的白色光作为测量光供给的白色光源的构成。另外，分光单元可具有将干涉光分解成各波长的干涉光成分的分光光学系统，检测单元可使用具有排列有检测由分光光学系统分解的各干涉光成分的强度的多个光检测元件的多通道光检测器的构成。另外，测量光源、分光单元及检测单元除上述以外，也可使用各种构成。

产业上的可利用性

本发明可用作能够高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量装置及膜厚测量方法。

Claims (9)

1.一种膜厚测量装置，其特征在于，

是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量装置，

具备：

测量光源，其将至少包含具有第1波长的第1测量光成分及具有与所述第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，供给至所述测量对象物；

分光单元，其对于所述测量光的来自所述测量对象物的所述第1面的反射光、及来自所述第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成所述第1波长的第1干涉光成分及所述第2波长的第2干涉光成分；

检测单元，其检测所述第1干涉光成分及所述第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及

膜厚解析单元，其基于所述第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与所述第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得所述测量对象物的膜厚随时间的变化，

所述测量光源被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为所述测量光的成分，所述分光单元及所述检测单元被构成为可变更用于测量膜厚随时间的变化的所述第1波长及所述第2波长。

2.如权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，

所述测量对象物为基板上的半导体膜，对执行规定的处理过程中的所述半导体膜的膜厚随时间的变化进行测量。

3.如权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，

在对于所述测量对象物测量膜厚减少的时间变化的情况下，以阶段性地扩大2个波长的波长间隔的方式，变更所述第1波长及所述第2波长。

4.如权利要求2所述的膜厚测量装置，其特征在于，

在对于所述测量对象物测量膜厚减少的时间变化的情况下，以阶段性地扩大2个波长的波长间隔的方式，变更所述第1波长及所述第2波长。

5.如权利要求1～4中的任意一项所述的膜厚测量装置，其特征在于，

所述测量光源为将包含所述第1波长及所述第2波长的波段的白色光作为所述测量光供给的白色光源。

6.如权利要求1～4中的任意一项所述的膜厚测量装置，其特征在于，

所述分光单元具有将所述干涉光分解成各波长的干涉光成分的分光光学系统，

所述检测单元具有排列有检测通过所述分光光学系统分解的各干涉光成分的强度的多个光检测元件的多通道光检测器。

7.一种膜厚测量方法，其特征在于，

是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量方法，

包含：

测量光供给步骤，将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与所述第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，从测量光源供给至所述测量对象物；

分光步骤，对于所述测量光的来自所述测量对象物的所述第1面的反射光、与来自所述第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成所述第1波长的第1干涉光成分、及所述第2波长的第2干涉光成分；

检测步骤，检测所述第1干涉光成分、及所述第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及

膜厚解析步骤，基于所述第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位、与所述第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得所述测量对象物的膜厚随时间的变化，

所述测量光源被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为所述测量光的成分，在所述分光步骤及所述检测步骤中，变更用于测量膜厚随时间的变化的所述第1波长及所述第2波长。

8.如权利要求7所述的膜厚测量方法，其特征在于，

所述测量对象物为基板上的半导体膜，对执行规定的处理过程中的所述半导体膜的膜厚随时间的变化进行测量。

9.如权利要求7或8所述的膜厚测量方法，其特征在于，

在对于所述测量对象物测量膜厚减少的时间变化的情况下，以阶段性地扩大2个波长的波长间隔的方式，变更所述第1波长及所述第2波长。

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