CN102445284A - 温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温度测量方法。该温度测量方法即使在测量对象物上形成有薄膜的情况下，也能够比以往准确地对测量对象物的温度进行测量。其包括以下工序：将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点；对由基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由基板与薄膜之间的界面的反射光、在薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量；计算从第1干涉波到第2干涉波的光路长度；根据第2干涉波的强度计算薄膜的膜厚；根据算出的薄膜的膜厚计算基板的光路长度与算出的光路长度之间的光路差；根据算出的光路差校正算出的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度；利用被校正的光路长度计算测量对象物的测量点处的温度。

Description

温度测量方法

技术领域

本发明涉及能够以非接触的方式对测量对象物(例如，半导体晶圆、液晶基板等)的温度进行测量的温度测量方法、存储介质和程序。

背景技术

从利用成膜、蚀刻等多种处理的结果准确地对形成在半导体晶圆上的膜、孔等的形状、物理性质等进行控制这一点考虑，准确地对被基板处理装置处理的被处理基板(例如，半导体晶圆)的温度进行测量也极其重要。因此，以往，以利用电阻温度计、用于对基材背面的温度进行测量的荧光式温度计等的测量法等各种各样的方法对半导体晶圆的温度进行测量。

近年来，公知一种利用了低相干干涉计的温度测量技术，该低相干干涉计能够对以上述那样的以往的温度测量方法难以测量的半导体晶圆的温度进行直接测量。另外，在利用了上述的低相干干涉计的温度测量技术中，还提出了如下述这样的技术：利用第1分束器将来自光源的光分支成温度测量用的测量光和参照光，并且，利用第2分束器将被分支出来的测量光分支成n个测量光而将n个测量光向n个测量点照射，对上述的n个测量光的反射光与参照光的被参照光反射部件反射的反射光之间的干涉进行测量，能够同时对多个测量点的温度进行测量(例如，参照专利文献1)。在该技术中，将来自光源的光照射于测量对象物，利用来自测量对象物的表面的反射光与参照光的反射光之间的干涉波、来自测量对象物的背面的反射光与参照光的反射光之间的干涉波求得测量对象物的从表面到背面的光路长度，利用该求得的光路长度对测量对象物的温度进行计算。

专利文献1：日本特开2006-112826号公报

然而，存在这样的问题：在上述测量对象物上沉积有膜厚与使用光源的相干长度同等程度、或者膜厚小于使用光源的相干长度的薄膜时，由在该薄膜内的测量光的多重反射构成的干涉波重叠，观测到的干涉波的光路长度产生偏差，因此，不能对测量对象物的从表面到背面的准确的光路长度进行计算，不能对测量对象物的准确的温度进行监测。

发明内容

本发明是应对上述以往的情况而做成的，其目的在于提供一种即使在测量对象物上形成有薄膜的情况下也能够准确地对测量对象物的温度进行测量的温度测量方法、程序、存储介质。

本发明的温度测量方法的特征在于，其包括以下工序：将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点；对由基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由基板与薄膜之间的界面的反射光、薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量；对从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行计算；根据第2干涉波的强度对薄膜的膜厚进行计算；根据计算出来的薄膜的膜厚对基板的光路长度与计算出来的光路长度之间的光路差进行计算；根据计算出来的光路差对计算出来的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行校正；利用被校正的光路长度对测量对象物的测量点处的温度进行计算。

本发明的存储介质是用于存储程序的计算机可读取的存储介质，该程序用于在温度测量装置中使计算机执行根据被受光部件接收到的反射光的干涉波对测量对象物的测量点处的温度进行测量的温度测量方法，该温度测量装置包括光源、用于将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点的传送部件、用于对被测量对象物反射的反射光进行接收的受光部件，其特征在于，程序使计算机作为如下述的部件进行动作：对由被受光部件接收到的、基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由基板与形成在基板上的薄膜之间的界面的反射光、薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量的测量部件；对从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行计算的第1计算部件；根据第2干涉波的强度对薄膜的膜厚进行计算的第2计算部件；根据计算出来的薄膜的膜厚对基板的光路长度与计算出来的光路长度之间的光路差进行计算的第3计算部件；根据计算出来的光路差对计算出来的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行校正的校正部件；利用被校正的光路长度对测量对象物的测量点处的温度进行计算的第4计算部件。

本发明的程序是用于在温度测量装置中使计算机执行根据被受光部件接收到的反射光的干涉波对测量对象物的测量点处的温度进行测量的温度测量方法，该温度测量装置包括光源、用于将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点的传送部件、用于对被测量对象物反射的反射光进行接收的受光部件，其特征在于，程序使计算机作为如下述的部件进行动作：由被受光部件接收到的、基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由基板与形成在基板上的薄膜之间的界面的反射光、薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量的测量部件；对从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行计算的第1计算部件；根据第2干涉波的强度对薄膜的膜厚进行计算的第2计算部件；根据计算出来的薄膜的膜厚对基板的光路长度与计算出来的光路长度之间的光路差进行计算的第3计算部件；根据计算出来的光路差对计算出来的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行校正的校正部件；利用被校正的光路长度对测量对象物的测量点处的温度进行计算的第4计算部件。

本发明能够提供一种即使在测量对象物上形成有薄膜的情况下也能够准确地对测量对象物的温度进行测量的温度测量方法、存储介质、程序。

附图说明

图1是实施方式的温度测量装置的构成图。

图2是温度计算部件的功能构成图。

图3的(a)～(b)是干涉波形的具体例(没有薄膜的情况)。

图4的(a)～(b)是干涉波形的具体例(具有薄膜的情况)。

图5是在薄膜上发生的多重反射的示意图。

图6是表示薄膜的膜厚与干涉强度之间的关系的图。

图7是表示干涉强度比与薄膜的利用干涉强度比计算出来的膜厚的蚀刻时间依存的图。

图8是表示利用干涉强度比计算出来的膜厚和乖离值的图。

图9是表示膜厚与干涉波的偏移量之间的关系的图。

图10是表示温度测量装置的动作的流程图。

图11是表示实施例1的光路长度测量结果的图。

图12是表示实施例2的温度测量结果的图(有校正)。

图13是表示比较例1的温度测量结果的图(无校正)。

图14是实施方式的变形例的温度测量装置100A的构成图。

图15是受光部件的构成图。

图16是温度计算部件的功能构成图。

图17是表示DFT处理后的信号的图。

图18是表示校正后的光路长度与温度之间的关系的图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的各实施方式。另外，在本说明书和附图中，对于实质上具有相同的功能结构的构成要素，标注相同的附图标记而省略重复的说明。另外，将来自光源的光的入射侧定义为表面。另外，作为测量对象物，以形成有薄膜的半导体晶圆为例进行了说明，但测量对象物不限于半导体晶圆。另外，在半导体晶圆中，采用了形成有氧化硅膜(SiO₂膜)作为薄膜的半导体晶圆，但薄膜不限于氧化硅膜，也可以是其他的膜(例如，氮化硅膜(Si₃N₄)、抗蚀剂膜、树脂类膜、金属(Cu、Al、W、Ti、Ta)膜等)。

(实施方式)

图1是本实施方式的温度测量装置100的构成图。实施方式的温度测量装置100包括：光源110；分束器120，其将来自光源110的光分支成温度测量用的光(测量光)和参照光；准直光纤F₁，其将测量光向作为测量对象物的形成有薄膜(SiO₂膜)T的半导体晶圆(基板)W的测量点P传送；参照光反射部件130，其用于将来自分束器120的参照光反射；准直光纤F₂，其将被分束器120分支出来的参照光传送到参照光反射部件130；光路长度改变部件140，其用于使从参照光反射部件130反射的参照光的光路长度改变；信号处理装置150，其根据由测量光的反射光和参照光的反射光构成的干涉波形对测量点P的温度进行测量。信号处理装置150包括受光部件151和温度计算部件152。

只要能够对测量光与参照光之间的干涉进行测量，光源110就能够使用任意的光，但在本实施方式中，因为对半导体晶圆W的温度进行测量，所以优选至少来自半导体晶圆W的表面与背面的反射光不产生干涉那样程度的光(半导体晶圆W的表面与背面之间的距离通常为800μm～1500μm左右)。

具体而言，优选使用低相干光。所谓的低相干光是指相干长度较短的光。优选低相干光的中心波长为能透过作为半导体晶圆W的主要成分的硅(Si)的1000nm以上。另外，优选相干长度较短。

分束器120为例如光纤耦合器。但是，不限于光纤耦合器。分束器120只要是能够分束出参照光和测量光的分束器即可，也可以使用例如光波导路型分波器、半透镜等。

参照光反射部件130能够使用例如三面直角棱镜(prism ofcorner cube)、平面镜等。在上述的参照光反射部件中，如果也鉴于反射光的与入射光的平行性这一点，则优选使用三面直角棱镜。但是，只要能够反射参照光，则不限于上述的参照光反射部件，也可以由例如延迟线(delay line)等构成。

光路长度改变部件140由马达等驱动部件构成，该马达等驱动部件用于将参照光反射部件130向与参照光的入射方向平行的单方向驱动。这样，通过将参照光反射部件130向单方向驱动，能够使从参照光反射部件130反射的参照光的光路长度变化。

受光部件151对被半导体晶圆W的测量点P反射的测量光和被参照光反射部件130反射的参照光的反射光进行接收，并转换成电信号。作为受光部件151，能够使用各种传感器，但在以Si为主要成分的半导体晶圆W的情况下，由于使用波长为1000nm以上的光作为测量光，因此，优选由使用了对波长800nm～1700nm的光具有感度的InGaAs元件的传感器构成。

温度计算部件152为例如计算机(computer)等，根据被受光部件151检测到的反射光的干涉波形，具体而言，根据干涉波的波峰间的光路长度对半导体晶圆W的温度进行测量。

图2是表示温度计算部件152的功能的构成图。温度计算部件152包括信号获取部件201、光路长度计算部件202、膜厚计算部件203、偏移量计算部件204、光路长度校正部件205、温度运算部件206。利用温度计算部件152所具有的硬件(例如，HDD、CPU、存储器等)实现图2所示的功能。具体而言，通过CPU执行HDD或者存储器所存储的程序来实现。另外，对于图2所示的各构成的动作，在下述的“温度测量装置100的动作”中进行说明。

(测量光与参照光之间的干涉波形的具体例)

在此，说明利用温度测量装置100的受光部件151得到的干涉波形的具体例和温度测量方法。另外，在说明中，对在半导体晶圆W上未形成薄膜T的情况进行说明之后，对在半导体晶圆W上形成有薄膜T的情况及其问题点进行说明。

(未形成薄膜的情况)

图3表示利用温度测量装置100的受光部件151得到的干涉波形的具体例。图3是表示测量光被照射到半导体晶圆W的情况下的测量光与参照光之间的干涉波形的图。图3的(a)是表示温度变化前的干涉波形的图、图3的(b)是表示温度变化后的干涉波形的图。在图3中，纵轴取为干涉强度、横轴取为参照光反射部件130(例如参照反射镜)的移动距离。

根据图3的(a)、(b)，使参照光反射部件130向单方向扫描时，首先，出现半导体晶圆W的表面与参照光之间的干涉波A，接着，出现半导体晶圆W的背面与参照光之间的干涉波B。

(基于干涉光的温度测量方法)

接着，参照图3说明根据测量光与参照光之间的干涉波对温度进行测量的方法。作为基于干涉波的温度测量方法，有例如使用基于温度变化的光路长度变化的温度换算方法。在此，说明利用了上述干涉波的位置的变化的温度换算方法。

半导体晶圆W被加热器等加热时，半导体晶圆W膨胀并且折射率发生变化，因此，在温度变化前和温度变化后，干涉波B的位置变化到干涉波B’的位置，干涉波的波峰间宽度发生变化。通过对这样的测量点的干涉波的波峰间宽度进行测量，能够对温度变化进行检测。如果是例如图1所示那样的温度测量装置100，干涉波的波峰间宽度与参照光反射部件130的移动距离相对应，因此，通过对参照光反射部件130的与干涉波的波峰间宽度相对应的移动距离进行测量，能够对温度变化进行检测。

将半导体晶圆W的厚度设为d、将折射率设为n时，在干涉波的波峰位置的偏差中，厚度d依存于线膨胀系数α，另外，折射率n的变化主要是依存于折射率变化的温度系数β。另外，折射率变化的温度系数β也依存于波长。

因而，将在测量点P处的温度变化后的晶圆的厚度d′和折射率n′以数学式表示时，为如下述数学式(1)所示那样。另外，在数学式(1)中，ΔT表示测量点的温度变化、α表示线膨胀率、β表示折射率变化的温度系数。另外，d、n分别表示温度变化前的测量点P处的厚度、折射率。

d′＝d·(1+αΔT)、n′＝n·(1+βΔT)...(1)

如上述数学式(1)所示，由于温度变化而透过测量点P的测量光的光路长度发生变化。通常，以厚度d与折射率n的乘积表示光路长度。因而，将温度变化前的透过测量点P处的测量光的光路长度设为L、将测量点处的温度变化了ΔT后的光路长度设为L′时，L、L′分别为如下述的数学式(2)所示那样。

L＝d·n、L′＝d′·n′...(2)

因而，利用上述数学式(1)、(2)对测量点处的测量光的光路长度的温度变化前后的差(L′-L)进行计算而整理时，为如下述数学式(3)所示那样。另外，在下述数学式(3)中，考虑到α·β＜＜α、α·β＜＜β而省略了微小项。

L′-L＝d′·n′-d·n＝d·n·(α+β)·ΔT＝L·(α+β)·ΔT...(3)

在此，测量点处的测量光的光路长度相当于测量光与参照光之间的干涉波的波峰间宽度。因而，如果预先对线膨胀率α、折射率变化的温度系数β进行调查，则通过对测量点处的测量光与参照光之间的干涉波的波峰间宽度进行测量，能够使用上述数学式(3)换算成测量点的温度。

这样，从干涉波换算成温度时，如上述那样以干涉波的波峰间宽度表示的光路长度由于线膨胀率α和折射率变化的温度系数β的不同而变化，因此，需要预先对上述线膨胀率α和折射率变化的温度系数β进行调查。通常，包括半导体晶圆的物质的线膨胀率α和折射率变化的温度系数β由于温度范围的不同，有时依存于温度。例如，通常，因为线膨胀率α在物质的温度为大约0℃～100℃的温度范围内不怎么变化，所以看作恒定也没关系，但在100℃以上的温度范围内，由于物质的不同，有时温度越高变化率越大，因此，在那样的情况下不能无视温度依存性。折射率变化的温度系数β也同样由于温度范围的不同，有时不能无视温度依存性。

例如，公知对于构成半导体晶圆的硅(Si)，能够以例如二次曲线在0℃～500℃的温度范围内对线膨胀率α和折射率变化的温度系数β进行近似。这样，因为线胀率α和折射率变化的温度系数β依存于温度，所以，例如，如果预先对与温度相对应的线膨胀率α和折射率变化的温度系数β进行调查、并参考该值而进行温度换算，则能够换算成更准确的温度。

另外，作为基于测量光与参照光之间的干涉波的温度测量方法，不限于上述那样的方法，例如，也可以是使用基于温度变化的吸收强度变化的方法，也可以是将基于上述温度变化的光路长度变化与基于温度变化的吸收强度变化组合的方法。

(形成有薄膜的情况)

图4是表示测量光被照射到半导体晶圆W的情况下的测量光与参照光之间的干涉波形的图。另外，在图4中，纵轴取为干涉强度、横轴取为参照光反射部件130(例如参照反射镜)的移动距离。

图4的(a)表示薄膜T的膜厚与低相干光的相干长度相比足够厚的情况。在此情况下，被照射到半导体晶圆W的测量光在图1所示的半导体晶圆W的表面S₁、半导体晶圆W与薄膜T之间的界面S₂、薄膜T的背面S₃这三个位置被反射。另外，在上述三个位置被反射的测量光与被参照光反射部件130反射的参照光在光路长度大致相同的位置发生干涉。因此，如图4的(a)所示，观察到三个干涉波C～E。

图4的(b)表示薄膜T的膜厚为低相干光的相干长度以下的情况。在此情况下，被照射到半导体晶圆W的测量光在半导体晶圆W的表面S₁、半导体晶圆W与薄膜T之间的界面S₂、薄膜T的背面S₃这三个位置被反射，这一点与薄膜T的膜厚与低相干光的相干长度相比足够厚的情况相同，但由于薄膜T的膜厚较薄(为低相干光的相干长度以下)，因此，在图4的(a)所示的半导体晶圆W与薄膜T之间的界面S₂、薄膜T的背面S₃之间多重反射而成的多个干涉波叠合(重叠)，成为一个干涉波F。

图5是示意地表示在薄膜T中发生的多重反射的图。如图5所示，被入射到半导体晶圆W的测量光由于在半导体晶圆W与薄膜T的表面之间的界面S₂、薄膜T的背面S₃之间的多重折返反射而分离。该分离了的各反射光分别与参照光干涉，形成了图5所示的多个干涉波(1)、(2)、(3)、(4)、(5)...。上述多个干涉波(1)、(2)、(3)、(4)、(5)...如上述那样不分离而被检测为重叠的干涉波F。

这样，在薄膜T的膜厚为低相干光的相干长度以下的情况下，在半导体晶圆W与薄膜T之间的界面S₂、薄膜T的背面S₃之间产生的多个干涉波重叠而成为一个干涉波F，因此，从干涉波C的波峰到干涉波F的波峰的测量光路长度L₁与作为从半导体晶圆W的表面到半导体晶圆W的背面的光路长度的实际光路长度L₂产生光路长度ΔL的偏差。

(光路长度的校正)

如上述那样，在半导体晶圆W上形成有薄膜T的情况下，如参照图4说明那样，干涉波F的波峰位置偏移ΔL。因此，需要对测量到的光路长度进行偏移量ΔL的校正。

在本实施方式中，实施下面的顺序1～3，校正光路长度而对半导体晶圆W的温度进行测量。

1.利用在图4中说明的干涉波F的干涉强度或者干涉波C与干涉波F的干涉强度比求得薄膜T的膜厚。

2.利用求得的薄膜T的膜厚求得光路长度的偏差量ΔL(下面，称为偏移量ΔL)。

3.根据求得的偏移量ΔL对光路长度L₁进行校正，求得实际光路长度L₂。

下面，详细说明上述顺序1～3。另外，在下面说明对薄膜T进行蚀刻的情况。

(数学式)

首先，说明光路长度的校正所需要的下述数学式。

下述数学式(4)是表示薄膜T的膜厚与干涉强度之间关系的数学式。

$R(k,d)={\left|\mathrm{\ρ}\right|}^2=\frac{{{\mathrm{\ρ}}_2}^2+{{\mathrm{\ρ}}_1}^2+{2\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1\cos 2\mathrm{\δ}}{1+{\left({\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1\right)}^2+{2\mathrm{\ρ}}_2{\mathrm{\ρ}}_1\cos 2\mathrm{\δ}}\·\·\·\left(4\right)$

上述数学式(4)的ρ₁为从薄膜T向空气入射时的反射光的菲涅尔(fresnel)系数(振幅反射系数)，以下述数学式(5)表示。

ρ₁＝(n₁·n₀)/(n₁+n₀)...(5)

上述数学式(4)的ρ₂为从半导体晶圆W向薄膜T入射时的反射光的菲涅尔系数(振幅反射系数)，以下述数学式(6)表示。

ρ₂＝(n₂-n₁)/(n₂+n₁)...(6)

下述数学式(7)是表示晶圆与参照侧的光路长度差为Δl时的、薄膜T的膜厚d与干涉强度之间的关系的数学式。

${\tilde{I}}_l={\∫E}_1{E}_2\sqrt{R(k,d)}\cos \{2\mathrm{k\Δl}+\mathrm{\φ}(k,d)\}\·S\left(k\right)\mathrm{dk}\·\·\·\left(7\right)$

上述数学式(7)的Φ(k，d)是在波数为k时的相位变化，以下述数学式(8)表示。

$\mathrm{\φ}(k,d)={\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1({{\mathrm{\ρ}}_2}^2-1)\sin \left(2\mathrm{\δ}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_2(1+{{\mathrm{\ρ}}_1}^2)+{\mathrm{\ρ}}_1(1+{{\mathrm{\ρ}}_2}^2)\cos \left(2\mathrm{\δ}\right)}\·\·\·\left(8\right)$

另外，上述数学式(7)的S(k)为功率谱密度，假设功率谱的分布为高斯分布时，以下述数学式(9)表示。另外，在如下述那样实际的计算中，为了提高精度，使用了以光谱分析仪实测的波形。

$S\left(k\right)\≈\frac{2\sqrt{1n2}}{\mathrm{\Δk}\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp [-{\left(\frac{k-k_0}{\frac{\mathrm{\Δk}}{2\sqrt{1n2}}}\right)}^2]\·\·\·\left(9\right)$

另外，在数学式(4)～(9)中使用的其他的参数的定义如下所述。

R：反射率

k：测量光的波数

d：薄膜T的膜厚

δ：kn₁d

n₀：空气的折射率

n₁：薄膜T的折射率

n₂；半导体晶圆W的折射率

E₁：参照侧的电场

E₂：半导体晶圆侧的电场

(1：薄膜T的膜厚的计算)

图6是表示在半导体晶圆W上形成有SiO₂膜作为薄膜T的情况下的薄膜T的膜厚与干涉强度的关系的图。在图6中，纵轴取为干涉强度、横轴取为薄膜的膜厚。另外，图6是使用上述数学式(7)计算出来的图。

在0nm～2100nm范围中以1nm的间隔改变氧化膜的厚度，反复利用数学式(7)进行计算，通过计算求得了每一个氧化膜厚度所对应的干涉波形的最大值。详细而言，从-50μm到+50μm的范围内以0.05μm的间隔对半导体晶圆与参照侧的光路长度差(Δ1)进行改变，使用的光源预先用光谱分析仪取得该光源所含有的光的波长和强度之间的关系，在光源的光谱的范围(波长1205nm～1405nm)内以1nm的间隔改变各波长的光强度S(k)。另外，因为实际上SiO₂的折射率n₁(大约1.447)、Si的折射率n₂(大约3.54)两者都存在波长分散，所以为了提高计算精度，一个波长一个波长地代入更准确的值，对于一个光路差，对发光范围的强度进行积分。

一边以0.05μm的间隔改变光路差一边进行上述积分，则能够，对一个氧化膜厚下的、参照镜移动时的干涉波形进行计算。图6是使干涉波形的最大值与氧化膜厚对应、一边使氧化膜厚度变化一边对计算出来的结果进行记录并标绘而成的图。

如上述那样，预先将该图6所示的关系，具体而言，将上述数学式(4)～(9)和实际的发光波形、折射率等各参数存储于非易失性存储器等，将被受光部件151测量到的干涉波F的干涉强度应用于图6，从而能够对薄膜T的膜厚进行计算。

另外，如图6所示那样干涉强度与薄膜T的膜厚相对应地周期性变动。即、薄膜T的膜厚与干涉强度不是一一对应。因此，在本实施方式中，预先获取薄膜T的初期膜厚，根据该初期膜厚、图6所示的关系，利用干涉强度对薄膜T的膜厚进行计算。另外，在蚀刻时，膜厚的计算是沿着膜厚减少的方向(在图6的横轴上从右向左)，在沉积(deposit)时，膜厚的计算是沿着膜厚增加的方向(在图6的横轴上从左向右)。

图7是表示干涉强度比与薄膜的利用干涉强度比计算出来的膜厚的蚀刻时间依存的图。在图7中表示了将实际上对形成在半导体晶圆W上的薄膜T进行蚀刻时的干涉强度比应用于图6、求得的薄膜T的膜厚。在图7中，左纵轴取为干涉强度比、右纵轴取为膜厚、横轴取为蚀刻时间(将蚀刻开始时设为0)。在图7中，以干涉强度比(将图4的(b)的干涉波F的干涉强度除以(除法)干涉波C的干涉强度得到的值)代替干涉波F的干涉强度，利用干涉强度比与薄膜T的膜厚之间的关系对薄膜T的膜厚进行计算。通过使用干涉强度比，能够消除由光源110、用于对来自光源110的光进行传送的准直光纤F₁引起的干涉强度的变化，能够更准确地求得薄膜T的膜厚。

图8是表示薄膜T的利用干涉强度比计算出来的膜厚、假设蚀刻率为恒定(680nm/min)而计算出来的薄膜T的膜厚与薄膜T的利用干涉强度比计算出来的膜厚之间的膜厚差(乖离值)的图。在图8中，左纵轴取为膜厚、右纵轴取为膜厚差(乖离值)、横轴取为蚀刻时间(将蚀刻开始时设为0)。在图8中，分别以直线表示假设蚀刻率为恒定(680nm/min)的薄膜T的膜厚、以单点划线表示薄膜T的利用干涉强度比计算出来的膜厚。另外，由于不能对蚀刻中的薄膜T的膜厚进行直接测量，因此，在图8中，假设薄膜T的蚀刻率为恒定。

如图8所示，利用干涉强度比计算出来的薄膜T的膜厚与假设蚀刻率为恒定而计算出来的薄膜T的膜厚之间的膜厚差(乖离值)收敛在大约±15nm的范围内，可以说能够高精度地对蚀刻中的薄膜T的膜厚进行计算。

(2：偏移量的计算)

图9是表示薄膜T的膜厚与干涉波F的偏移量ΔL之间的关系的图。在图9中，纵轴取为干涉波F的偏移量ΔL、横轴取为薄膜T的膜厚。另外，图9是如上述说明(参照13页第15～25行)那样针对每个氧化膜厚求得了干涉波形，然后对针对每个氧化膜厚求得的干涉波形的重心进行计算、并且将波形的重心作为光路差方向的偏移量进行标绘而成的。具体而言，使用大于干涉波形的DC(Direct Current)强度的值求得重心。在求得重心时使用大于干涉波形的DC强度的值，但既可以使用将小于干涉波形的DC强度的波形以DC强度为轴线而线对称移动成大于DC强度的波形而形成的波形来求得重心，也可以从大于DC强度的波形与将小于DC强度的波形以DC强度为轴线而线对称地移动成大于DC强度的波形而形成的波形之和来求得重心。除了重心之外也可以用多项式、高斯分布进行近似而求得用多项式、高斯分布近似干涉波形时的最大值等。

如上述那样，预先将该图9所示的关系，具体而言，将数学式(7)～(9)和各参数存储于非易失性存储器等，就能够利用计算出来的薄膜T的膜厚和图9对干涉波F的偏移量ΔL进行计算。

(3：光路长度的校正)

最后，根据求得的偏移量ΔL对被受光部件151观察到的干涉波的波峰间的光路长度进行校正(具体而言，以计算出来的偏移量ΔL对计算出来的光路长度进行校正，计算出实际光路长度)。

(温度测量装置100的动作)

图10是表示温度测量装置100的动作的流程图。

下面，参照图1、图8、图9说明温度测量装置100的动作。

(步骤S101)

首先，信号获取部件201从上位控制器(例如，与温度测量装置100连接的主机、IM(集成测量：IntegratedMetrology))模块获取半导体晶圆W的线膨胀率α、折射率变化的温度系数β、数学式(3)～(9)、各种参数、薄膜T的膜厚、在任意的温度下的半导体晶圆W的光路长度等半导体晶圆W的温度的计算所需要的数据。

另外，对于上述的半导体晶圆W的温度的计算所需要的数据，也可以预先将事前获取的数据存储于温度计算部件152所具有的HDD、非易失性存储器等。

(步骤S102)

来自光源110的光被入射到分束器120中，被分束器120分支成两个分支。该两个分支中，一个分支(测量光)经由准直光纤F₁被照射到半导体晶圆W。

(步骤S103)

被照射到半导体晶圆W的测量光在半导体晶圆W的表面S₁、晶圆W与薄膜T之间的界面S₂等位置被反射。另外，被分束器120分支出来的另一个分支(参照光)从准直光纤F₂出射，被参照光反射部件130反射。然后，反射光向分束器120入射，再度与测量光的反射光合波而被受光部件151接收，作为波形信号被信号获取部件201获取。

(步骤S104)

光路长度计算部件202根据被信号获取部件201获取的波形信号和驱动距离信号对在图4的(b)中说明的干涉波C、F的波峰间的光路长度L₁进行计算。

(步骤S105)

膜厚计算部件203利用参照图6说明的薄膜T的膜厚与干涉强度之间的关系(具体而言，数学式(7))对薄膜T的膜厚进行计算。

(步骤S106)

偏移量计算部件204根据参照图9说明的薄膜T的膜厚与干涉波F的偏移量ΔL之间的关系(具体而言，数学式(7))对与被膜厚计算部件203计算出来的薄膜T的膜厚相对应的偏移量ΔL进行计算。

另外，步骤S104～S106的处理顺序不一定需要按照图10所示的顺序，也可以将步骤S104～S106的处理顺序适当地改换，还可以将步骤S104～步骤S106并行处理。

(步骤S107)

光路长度校正部件205利用偏移量计算部件204所计算出来的偏移量ΔL对光路长度计算部件202所计算出来的光路长度L₁进行光路长度的校正，对实际光路长度L₂进行计算。

(步骤S108)

温度运算部件206根据被光路长度校正部件205校正了的光路长度对半导体晶圆W的温度进行计算。具体而言，将预先存储的半导体晶圆W的线膨胀率α、折射率变化的温度系数β、校正后的光路长度(实际光路长度L₂)代入上述的数学式(3)而对半导体晶圆W的温度进行计算。

直到温度计算部件152的动作结束，温度计算部件152以规定的时间间隔对来自受光部件151的波形信号和来自光路长度改变部件140的参照光反射部件130的驱动距离信号进行获取而对半导体晶圆W的温度进行计算。

(实施例1)

图11是表示实施例1的光路长度的测量结果的图。在图11中，纵轴取为计算出来的光路长度、横轴取为蚀刻时间(将蚀刻开始时设为0)。图11表示一边对形成有膜厚约2μm(准确地说，为1993nm)的薄膜(SiO₂膜)的直径300mm的半导体晶圆进行蚀刻一边测量的光路长度。测量点设为半导体晶圆的中心(center)。另外，在图11中，表示了对光路长度进行校正的情况(有校正)、不对光路长度进行校正的情况(无校正)。

如图11所示，可知：在不进行光路长度的校正的情况下，光路长度随着蚀刻的进行而周期性地大幅变动。其原因在于，如上述那样，对应于薄膜的膜厚，由在薄膜上的反射决定的干涉强度周期性地变化。另一方面，在进行光路长度的校正的情况下，光路长度几乎不变动。

在无校正的情况下，蚀刻中的光路长度的变动的范围为2.6μm左右(换算成温度为-10℃～+3℃的范围)，但在有校正的情况下，能够将蚀刻中的光路长度的变动的范围抑制在0.5μm左右(换算成温度为-0.3℃～+0.3℃的范围)(参照图11的A)。由上述可知，在对光路长度进行校正的情况下，能够高精度地对半导体晶圆的光路长度、即温度进行测量。另外，对于蚀刻前的光路长度也能够得到比以往准确的值，因此，在半导体晶圆W的处理中成为大的优点(参照图11的B)。

图12、图13是表示实施例2(有光路长度校正)和比较例1(无光路长度校正)的温度测量结果的图。在图12、图13中，纵轴取为计算出来的温度、横轴取为蚀刻时间(将蚀刻开始时设为0)。图12表示一边对形成有膜厚约2μm(准确地说，为1993nm)的薄膜(SiO₂膜)的直径300mm的半导体晶圆进行蚀刻一边测量温度的结果，并且，为了进行比较，将对未形成薄膜的裸Si晶圆进行蚀刻时的温度测量结果一起表示。温度的测量点为半导体晶圆的中心(Center)。

(实施例2)

图12表示进行了光路长度的校正时的温度测量结果。如图12所示，在进行了光路长度的校正的情况下，蚀刻中的半导体晶圆的测量温度的变动较小。另外，在与对裸Si晶圆进行蚀刻时的温度测量的结果相比的情况下，形成有薄膜的晶圆的温度变化也与裸Si晶圆的温度变化大致相同，因此，可以理解为能够高精度地对半导体晶圆的温度进行测量。

(比较例1)

图13表示不进行光路长度的校正时的温度测量结果。如图13所示，在不进行光路长度的校正的情况下，蚀刻中的半导体晶圆的测量温度周期性地大幅变动。其原因在于，如上述那样，对应于薄膜的膜厚，由在薄膜上的反射决定的干涉强度周期性地变化。另外，在与对裸Si晶圆进行蚀刻时的温度测量的结果相比的情况下，形成有薄膜的晶圆的温度变化的差异较大，可以理解为不能准确地对半导体晶圆的温度进行测量。

如上述那样，实施方式的温度测量装置100利用干涉波的干涉强度求得薄膜的膜厚，利用该求得的薄膜的膜厚对光路长度的偏移量进行计算，并且，根据求得的偏移量对干涉波的波峰间距离(光路长度)进行校正，因此，即使在半导体晶圆W上形成有薄膜T的情况下，也能够高精度地对半导体晶圆W的温度进行测量。

(实施方式的变形例)

在上述实施方式中，说明了以时域法(time domain)测量到的光路长度的校正，该时域法使在作为测量对象物的半导体晶圆W的测量点P处被反射的测量光与被参照光反射部件130反射的参照光干涉，但只要是利用半导体晶圆W的表面和背面的光路长度对温度进行计算的方法就能够应用在上述实施方式中说明的校正方法。在本实施方式的变形例中，说明不使用参照光的实施方式。

图14是实施方式的变形例的温度测量装置100A的构成图。温度测量装置100A包括光源110、光循环器160、将测量光向作为测量对象物的形成有薄膜(SiO₂膜)T的半导体晶圆(基板)W的测量点P传送的准直光纤F₁、根据由测量光的反射光构成的干涉波形对测量点P的温度进行测量的信号处理装置150A。信号处理装置150A包括受光部件151A和温度计算部件152A。下面，参照图14说明实施方式的变形例的温度测量装置100A的各构成，但对于与在图1中说明的构成实质上具有相同的功能构成的构成要素，标注相同的附图标记而省略重复的说明。

光循环器160具有三个端口A～C，具有如下述的特性：输入到端口A中的光从端口B输出，从端口B输入的光从端口C输出，输入到端口C中的光从端口A输出。即、从光循环器160的A端口输入的来自光源110的测量光从光循环器160的B端口经由准直光纤F₁向半导体晶圆W照射，从光循环器160的B端口输入的反射光从光循环器160的C端口向受光部件151A输入。

图15是受光部件151A的构成图。受光部件151A包括用于对来自光循环器160的反射光进行波长分解的衍射光栅151a、用于将进行了波长分解的反射光变换成电信号的传感器151b，受光部件151A将来自光循环器160的反射光生成为离散化成多种波长的离散化信号而输出。另外，传感器151b由使用例如Si光电二极管、InGaAs光电二极管、Ge光电二极管等的传感器构成，对半导体晶圆W的温度进行测量时，优选使用InGaAs光电二极管。

温度计算部件152A是例如计算机(computer)等，根据从受光部件151A输入的离散化信号对半导体晶圆W的温度进行计算。图16是表示温度计算部件152A的功能的构成图。温度计算部件152A包括信号获取部件201、光路长度计算部件202、膜厚计算部件203、偏移量计算部件204、光路长度校正部件205、温度运算部件206、离散傅立叶变换部件207。

另外，利用温度计算部件152A所具有的硬件(例如，HDD、CPU、存储器等)实现图16所示的功能。具体而言，通过CPU执行HDD或者存储器所存储的程序来实现。

信号获取部件201对来自受光部件151A的离散化信号进行获取。另外，信号获取部件201从上位控制器(例如，与温度测量装置100A连接的主机、IM(集成测量：IntegratedMetrology))模块获取在实施方式中说明的数学式(3)～(9)、各种参数、薄膜T的膜厚、在任意的温度下的半导体晶圆W的光路长度等半导体晶圆W的温度的计算所需要的数据。

离散傅立叶变换部件207对信号获取部件201所获取的离散化信号进行DFT(离散傅立叶变换：discrete fouriertransform)处理。利用该DFT处理将来自受光部件151A的离散化信号变换成振幅和距离的信息。图17是表示DFT处理后的信号的图。图17的纵轴为振幅、横轴为距离。

光路长度计算部件202根据被离散傅立叶变换成的振幅和距离的信息对光路长度进行计算。具体而言，对图17所示的干涉波G与干涉波H之间的波峰间的距离进行计算。图17所示的干涉波G和干涉波H分别如下所述：干涉波G为在半导体晶圆W的表面S₁的干涉波，干涉波H为在半导体晶圆W与薄膜T之间的界面S₂、薄膜T的背面S₃之间多重反射的多个干涉波重叠而成的干涉波。

膜厚计算部件203利用参照图6说明的薄膜T的膜厚与干涉强度之间的关系(具体而言，数学式(7))对薄膜T的膜厚进行计算。

偏移量计算部件204根据参照图9说明的薄膜T的膜厚与干涉波F的偏移量ΔL之间的关系(具体而言，数学式(7))对与被膜厚计算部件203计算出来的薄膜T的膜厚相对应的偏移量ΔL进行计算。

光路长度校正部件205利用偏移量计算部件204所计算出来的偏移量ΔL对光路长度计算部件202所计算出来的光路长度进行光路长度的校正，对实际光路长度进行计算。

温度运算部件206利用被光路长度校正部件205校正了的光路长度对作为测量对象物的半导体晶圆W的温度进行计算。图18是表示校正后的光路长度与温度之间的关系的图。温度运算部件206根据该图18所示的校正后的光路长度与温度之间的关系、被光路长度校正部件205计算出来的校正后的光路长度对半导体晶圆W的温度进行计算。

另外，实际上，可以预先将用实验等测量到的图18所示的光路长度与温度之间的关系存储于温度计算部件152A所具有的HDD、存储器等，也可以从上述的上位控制器获取图18所示的光路长度与温度之间的关系。

如上述那样，本实施方式的变形例的温度测量装置100A利用受光部件151A将来自半导体晶圆W的反射光变换成离散化信号，对该离散化信号进行DFT处理而对光路长度进行计算，因此，不需要利用光路长度改变部件140使参照光反射部件130机械动作。因此，能够更快速地进行半导体晶圆W的温度测量。其他的效果与实施方式的温度测量装置100相同。

(其他的实施方式)

另外，本发明并不原样地限定于上述实施方式，能够在实施阶段中在不脱离本发明的主旨的范围内对构成要素进行变形而具体化。例如，在上述实施方式中，说明了对形成在作为测量对象物的半导体晶圆W上的薄膜进行蚀刻时的光路长度的校正，但也能够应用于在半导体晶圆W上形成(沉积)膜的情况。在此情况下，预先获取要沉积的膜的折射率，利用图6所示的薄膜T的膜厚与干涉强度的关系对膜厚进行计算。另外，与蚀刻的情况不同，注意对膜厚进行换算的方向相反、即换算成膜厚增加的方向这一点。

Claims (5)

1.一种温度测量方法，其特征在于，

该温度测量方法包括以下工序：

将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点；

对由上述基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由上述基板与上述薄膜之间的界面的反射光、上述薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量；

对从上述第1干涉波到上述第2干涉波的光路长度进行计算；

根据上述第2干涉波的强度对上述薄膜的膜厚进行计算；

根据上述计算出来的上述薄膜的膜厚对上述基板的光路长度与上述计算出来的光路长度之间的光路差进行计算；

根据上述计算出来的光路差对上述计算出来的从上述第1干涉波到上述第2干涉波的光路长度进行校正；

利用上述被校正的光路长度对上述测量对象物的上述测量点处的温度进行计算。

2.根据权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于，

根据上述薄膜的膜厚与上述第2干涉波的强度之间的关系对上述薄膜的膜厚进行计算。

3.根据权利要求1或2所述的温度测量方法，其特征在于，

根据上述第1干涉波的强度与上述第2干涉波的强度之比对上述薄膜的膜厚进行计算。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的温度测量方法，其特征在于，

上述光源产生波长为1000nm以上的光；

上述基板是硅基板。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的温度测量方法，其特征在于，

上述薄膜是氧化硅膜即SiO₂膜、氮化硅膜即Si₃N₄膜、抗蚀剂膜、树脂类膜或者金属膜中的任一种。

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