CN102483320A - 膜厚测定装置及膜厚测定方法 - Google Patents

Abstract

膜厚测定装置(1A)包括：测定光源(28)，其将包含遍及规定波段的波长成分的测定光供给至半导体膜(15)；分光光学系统(30)及光检测器(31)，其针对每个波长检测来自半导体膜(15)的上表面及下表面的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及膜厚解析部(40)，其求出半导体膜(15)的膜厚(d)的时间变化。膜厚解析部(40)根据在彼此不同的时刻(T₁、T₂)所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自上表面的反射光与来自下表面的反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据该数值的时间变化求出半导体膜(15)的膜厚(d)的时间变化。由此，实现一种膜厚测定装置及膜厚测定方法，其即使是如不满干涉光强度的峰值的1个周期那样的微小的膜厚的相对变化量，也可高精度地测定该膜厚变化量。

Description

膜厚测定装置及膜厚测定方法

技术领域

本发明涉及一种测定形成于基板上的半导体膜等膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定装置、以及膜厚测定方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，例如在蚀刻处理的执行过程中，基板上的半导体膜的膜厚以减少的方式进行时间变化。另外，在薄膜形成处理的执行过程中，半导体膜的膜厚以增加的方式进行时间变化。在这样的半导体工艺中，为了进行处理的终点检测等的工艺控制，必需进行半导体膜的膜厚的时间变化的在现场(In-Situ)的测定。

作为这样的半导体膜的膜厚的测定方法，利用如下方法，即对半导体膜照射规定波长的测定光，检测来自半导体膜的上表面的反射光与来自下表面的反射光相干涉而生成的干涉光。在该方法中，若半导体膜的膜厚发生变化，则来自上表面的反射光与来自下表面的反射光之间的光程长度差会发生变化。因此，可利用伴随该光程长度差的变化的干涉光的检测强度(干涉光强度)的时间变化，测定在各时间点的半导体膜的膜厚。

例如，专利文献1中所记载的膜厚测定装置是利用分光单元对来自被测定对象的透过光或反射光进行分光并检测干涉条纹，根据针对各波长的检测输出中关于最大值与最小值的差为规定值时的极值的输出，运算被测定对象的膜厚。另外，在专利文献2中记载有如下技术：在对测定部分照射来自波长可变激光的光束，检测由自该测定部分所获得的反射光或透过光所产生的信号光的半导体厚度非接触测定装置中，一边检测信号光的强度，一边使波长可变激光的波长发生变化，根据所获得的光强度变化的波形，求出相位变化量，并以该相位变化量为基础，根据半导体厚度的绝对值与信号光强度的相位变化量的关系式求出半导体厚度。

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭63-50703号公报

专利文献2：日本专利第3491337号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在对膜厚d、折射率n的薄膜照射波长λ的光的情况下，干涉光强度I由以下的式(1)表示。再者，式中的A、B是根据在薄膜的上下界面的反射率而确定的常数。

[数1]

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

由式(1)可知，若膜厚d发生变化，则干涉光强度I呈余弦波状地重复强弱。在半导体工艺中的膜厚测定中，随着时间的经过，膜厚d单调地递增(或递减)，因此干涉光强度I成为将时间作为变量的余弦波函数。因此，在现有的膜厚测定中，反复检测随着时间的经过而变化的干涉光强度I的峰值，由此求出膜厚d的相对变化量。

然而，这样的方式在求出足够大至干涉光强度I的峰值多次产生的程度的膜厚d的相对变化量时是有效的，但在测定如不满干涉光强度I的峰值的1个周期那样的微小的膜厚d的相对变化量时，难以确保足够的测定精度。

此处，作为测定膜厚d的其它方式，可考虑如下方式：对薄膜照射例如白色光之类的宽波段光，观察在所获得的干涉光的光谱中成为极大或极小的波长(峰值波长)，并根据该峰值波长的变化求出膜厚d。但是，该方式存在以下问题：宽波段光中所含的明线光谱等与干涉光一起，被包含于对薄膜照射宽波段光所获得的反射光中，从而难以自该反射光准确地仅求出干涉光的峰值波长。

作为用以解决这样的问题的方式，可考虑如下方式：与薄膜并列地设置参照样品，自来自薄膜的反射光的光谱中去除来自该参照样品的反射光的光谱。但是，在半导体工艺中的薄膜测定中，需要在温度或压力大幅变动的成膜腔室内设置参照样品，从而其操作变得困难。

再者，在专利文献1中所记载的装置中，未考虑明线光谱之类的光源的光谱特性，从而有可能无法准确地求出膜厚。另外，在专利文献2中所记载的装置中，存在如下问题，即由于使用参照光学系统(参照用样品)进行测定，因此如上所述在半导体工艺中其操作变得困难。

本发明是有鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于，提供一种膜厚测定装置及膜厚测定方法，其即使是如不满干涉光强度的峰值的1个周期那样的微小的膜厚的相对变化量，也可高精度地测定该膜厚的变化量。

解决问题的技术手段

为了解决上述课题，本发明的膜厚测定装置的特征在于：其是测定具有第1面及第2面的膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定装置，其包括：测定光源，其将包含遍及规定波段的波长成分的测定光供给至测定对象物；检测单元，其针对每个波长检测来自测定对象物的第1面的测定光的反射光、及来自第2面的测定光的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及膜厚解析单元，其求出测定对象物的膜厚的时间变化；膜厚解析单元根据在检测单元中在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自第1面的反射光与来自第2面的反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据峰值波长或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

同样地，本发明的膜厚测定方法的特征在于：其是测定具有第1面及第2面的膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定方法，其包括：测定光供给步骤，将包含遍及规定波段的波长成分的测定光自测定光源供给至测定对象物；检测步骤，针对每个波长检测来自测定对象物的第1面的测定光的反射光、及来自第2面的测定光的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及膜厚解析步骤，求出测定对象物的膜厚的时间变化；在膜厚解析步骤时，根据在检测步骤中在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自第1面的反射光与来自第2面的反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据峰值波长或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

在对膜状的测定对象物照射包含遍及规定波段的波长成分的测定光的情况下，在其反射光(输出光)的光谱中，如上所述包含明线光谱等的不需要的峰值。但是，不论测定对象物的膜厚的变化如何，因光源所产生的这样的不需要的峰值的中心波长均不变。因此，本发明者发现了，通过利用在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，可排除明线光谱等的影响而准确地求出干涉光的峰值波长或相当于该波长间隔的数值。

即，在上述膜厚测定装置及膜厚测定方法中，膜厚解析单元(膜厚解析步骤)根据在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自第1面及第2面的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于该波长间隔的数值，并根据峰值波长或相当于该波长间隔的数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。因此，根据上述膜厚测定装置及膜厚测定方法，可准确地自包含明线光谱等的反射光(输出光)仅求出干涉光的峰值波长(或者相当于该波长间隔的数值)，即使是如不满干涉光强度的峰值的1个周期那样的微小的膜厚的相对变化量，也可高精度地测定该膜厚的变化量。

发明的效果

根据本发明的膜厚测定装置及膜厚测定方法，即使是如不满干涉光强度的峰值的1个周期那样的微小的膜厚的相对变化量，也可高精度地测定该膜厚的变化量。

附图说明

图1是模式性地表示测定对象物的膜厚的测定方法的图。

图2是表示这样的干涉光的强度I的时间变化的一例的图表。

图3是表示对半导体膜15照射至少包含遍及规定波段的波长成分的测定光L0时的输出光光谱的一例的图表。

图4是表示设为t＝171[秒]、Δt＝5[秒]的情况下的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)的一例的图表。

图5是将图4所示的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)标准化后的图表。

图6是表示测定波长300～900[nm]下的标准化后的差分光谱波形S1及S2的图表。

图7是表示成膜工艺中的半导体膜15的膜厚d与成膜时间的关系的图表。

图8是表示将测定波长设为400[nm]的情况下的以一定速度增加的膜厚的测定结果的图表。

图9是表示将测定波长设为600[nm]的情况下的以一定速度增加的膜厚的测定结果的图表。

图10是表示将测定波长设为800[nm]的情况下的以一定速度增加的膜厚的测定结果的图表。

图11是表示膜厚测定装置的一个实施方式的构成的方块图。

图12是表示膜厚测定装置1A中的测定光学系统21的构成的一例的图。

图13是表示膜厚测定装置1A中的测定光学系统21的构成的一例的图。

图14是表示分光光学系统30的构成的一例的图。

图15是表示测定位置设定部25的构成的一例的方块图。

图16是表示设为t＝171[秒]、Δt＝5[秒]的情况下的比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)的一例的图表。

图17是表示傅里叶变换波形的一例的图表，图G1是表示第1傅里叶变换波形F{I(t，λ)}，图G2是表示第2傅里叶变换波形F{I(t+Δt，λ)}。

图18是将各傅里叶变换波形的横轴换算成相位的图，图G3表示第1傅里叶变换波形φ{F(t，λ)}，图G4表示第2傅里叶变换波形φ{F(t+Δt，λ)}。

符号的说明

1A…膜厚测定装置、10…试样、12…基板、15…半导体膜、16…上表面、17…下表面、20…处理装置、21…测定光学系统、22…平台、23…平台控制部、24…摄像装置、25…测定位置设定部、28…测定光源、30…分光光学系统、31…光检测器、40…膜厚解析部、50…测定控制部、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定装置及膜厚测定方法的实施方式。再者，在附图的说明中对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。

(第1实施方式)

首先，对本发明的膜厚测定方法及其测定原理进行说明。图1是模式性地表示测定对象物的膜厚的测定方法的图。本膜厚测定方法是针对具有第1面及第2面的膜状的测定对象物测定其膜厚的时间变化量的膜厚测定方法。以下，将测定对象物的第1面作为入射测定光的上表面，将第2面作为其相反侧的下表面进行说明。

在图1所示的例中，作为膜状的测定对象物的一例，显示有形成于基板12上的半导体膜15。对于这样的半导体膜15，作为膜厚随着时间而变化的半导体制造工艺的一例，考虑执行成膜处理或蚀刻处理。在成膜处理中，伴随着处理的行进，半导体膜15的膜厚d随着时间经过而增加。另外，在蚀刻处理中，伴随着处理的行进，半导体膜15的膜厚d随着时间经过而减少。

关于这样的膜厚d的时间变化，自成为基板12的相反侧的半导体膜15的上表面(第1面)16侧，对由基板12及半导体膜15构成的试样10供给膜厚测定用的测定光L0。然后，检测来自该上表面16的反射光L1与来自下表面(第2面，基板12与半导体膜15的边界面)17的反射光L2～LM相干涉而生成的干涉光，由此测定半导体膜15的膜厚d。

在本测定方法中，具体而言，对包含半导体膜15的试样10照射至少包含遍及规定波段的波长成分的测定光L0(测定光供给步骤)。其次，形成为可针对每个波长检测出测定光L0的来自上表面16、下表面17的反射光L1～LM所重叠而成的输出光的强度的状态，并检测出输出光中所含的各波长成分的在各时间点的强度，从而获得输出光的光谱的随时间而产生的变化(检测步骤)。然后，参照该输出光光谱的时间变化，求出半导体膜15的膜厚d的时间变化(膜厚解析步骤)。

此处，若将测定对象的半导体膜15的折射率设为n，将进行时间变化的膜厚设为d，将测定光L0所包含的某波长设为λ，则反射光L1～LM相干涉而生成的干涉光的强度I由下述的式(2)表示。但是，由于反射光L3～LM在测定对象的半导体膜15中衰减，因此，成为非常弱的强度。因此，强度I也可近似为反射光L1与反射光L2相干涉而生成的光谱。

[数2]

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

即，在使用波长λ的测定光L0的情况下，所获得的干涉光的强度I伴随着由蚀刻处理等所引起的膜厚d的时间变化而呈余弦波状地变化。此处，A、B是根据在薄膜的上下界面的反射率而确定的常数。

图2是表示这样的干涉光的强度I的时间变化的一例的图表。在图2中，可通过对干涉光强度I的峰值(波峰或波谷)进行计数，求出膜厚d的时间变化量。另外，如果测量此时的时间，则可求出膜厚d的变化率(例如蚀刻速率)。再者，在图2所示的干涉光强度I的变化中，其1个周期Δt₁相当于膜厚d仅变化Δd＝λ/2n的时间。

但是，这样的方法在半导体膜15的膜厚d的变化量足够大至可对干涉光强度I的峰值(波峰或波谷)进行多次计数的程度的情况下是有效的，但在半导体膜15的膜厚d的变化量小至不满干涉光强度I的峰值的重复周期(图中的周期Δt₁)的程度的情况下，则难以根据干涉光强度I的时间变化求出膜厚d的变化量，从而难以确保足够的测定精度。

因此，在本测定方法的膜厚解析步骤中，首先，在彼此不同的两个以上的时刻检测输出光，根据这些输出光的各光谱波形，求出干涉光强度I成为极大或极小的峰值波长。然后，根据所求出的峰值波长的时间变化，求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。以下，对这样的测定方法进行具体的说明。

图3是表示对半导体膜15照射至少包含遍及规定波段的波长成分的测定光L0时的输出光光谱的一例的图表。通常，在输出光光谱中，不仅包含干涉光的光谱，也包含测定光L0中所包含的明线光谱等。因此，即使仅运算输出光光谱的波长微分，光源的明线光谱等也会产生影响而无法准确地检测出干涉光的峰值。

此处，若利用成膜速度(或者蚀刻速度)r与时间t，设在半导体工艺中经处理的膜厚d＝rt，则干涉光强度I可根据上式(2)表示如下。

[数3]

$I\≈A\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{nrt}}{\mathrm{\λ}}\right)+B\·\·\·\left(3\right)$

然后，若对式(3)进行时间微分，则成为以下的式。

[数4]

$\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=-A\left(2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{nr}}{\mathrm{\λ}}\right)\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{nrt}}{\mathrm{\λ}}\right)\·\·\·\left(4\right)$

由此，成为(dI/dt)＝0的波长λ表示为如下。

[数5]

$\mathrm{\λ}=\frac{4\mathrm{nrt}}{m}(m=\mathrm{1,2,3}\·\·\·)\·\·\·\left(5\right)$

在上式(5)中，当m为奇数时，反射光L1～LM(特别是L1～L2)相互减弱，当m为偶数时，反射光L1～LM(特别是L1～L2)相互增强。即，当m为奇数时，成为表示干涉光强度I的峰值(波谷)波长的条件式，当m为偶数时，成为表示干涉光强度I的峰值(波峰)波长的条件式。即，干涉光强度I的时间微分(dI/dt)成为零的波长λ表示干涉光光谱的峰值波长。

由此可认为，通过求出在第1时刻T₁＝t所检测出的输出光的第1光谱波形I(t，λ)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂＝t+Δt所检测出的输出光的第2光谱波形I(t+Δt，λ)的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)成为零的波长λ(以下，称为零交叉(zero cross)波长)，可获得干涉光光谱的峰值波长。

图4是表示设为t＝171[秒]、Δt＝5[秒]的情况下的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)的一例的图。如图4所示，在第2时刻T₂的输出光光谱中所存在的峰值显现为正的峰值，在第1时刻T₁的输出光光谱中所存在的峰值显现为负的峰值。于是，测定光L0中所包含的明线光谱等的干涉光以外的光谱成分无论膜厚d的时间变化如何均为一定，因此在差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)中被去除。在该图4中，由于Δt小至5[秒]，因此可将差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)成为零的波长(图中的零交叉波长λ_A)视为干涉光光谱的峰值波长。再者，若Δt为10[秒]以下，则可如上所述将差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)成为零的波长(图中的零交叉波长λ_A)视为干涉光光谱的峰值波长。

另外，在图4所示的例中，由于光强度因波长而差异较大，因此差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)的大小因波长而差异较大。在这样的情况下，可使用将第1光谱波形I(t，λ)与第2光谱波形I(t+Δt，λ)重叠而成的波形I(t，λ)+I(t+Δt，λ)，使差分标准化后，求出峰值波长。即，将通过以下的式(6)而标准化了的差分成为零的波长作为干涉光强度I的峰值波长而求出。

[数6]

$\frac{I(t+\mathrm{\Δt},\mathrm{\λ})-I(t,\mathrm{\λ})}{I(t+\mathrm{\Δt},\mathrm{\λ})+I(t,\mathrm{\λ})}\·\·\·\left(6\right)$

再者，图5是通过上式(6)将图4所示的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)标准化的图表。在该图5中，可将经标准化的差分成为零的波长(图中的零交叉波长λ_A)视为干涉光光谱的峰值波长。

此处，根据式(2)，若半导体膜15的膜厚d发生变化，则干涉光光谱的峰值波长发生变化。例如，若膜厚d通过蚀刻处理而变薄，则干涉光光谱的峰值波长会朝短波长方向移动。相反的，若膜厚d通过成膜处理而变厚，则干涉光光谱的峰值波长会朝长波长方向移动。因此，通过测定峰值波长(零交叉波长)的移动量，可知膜厚d的变化量。

图1所示的反射光L1～LM(特别是L1～L2)彼此增强的条件由以下的式(7)表示。

[数7]

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{m\λ}=2\mathrm{nd}\\ d=\frac{\mathrm{m\λ}}{2n}\end{array}\right.\begin{array}{cc},m=\mathrm{1,2,3}\·\·\·& \·\·\·\left(7\right)\end{array}$

在上式(7)中，若考虑峰值波长λ变化1[nm]的时候，则成为如下的式(8)。

[数8]

$\left\{\begin{array}{c}m(\mathrm{\λ}-1)=2\mathrm{nd}\\ d=\frac{\mathrm{m\λ}}{2n}-\frac{m}{2n}\end{array}\right.\begin{array}{cc},m=\mathrm{1,2,3}\·\·\·& \·\·\·\left(8\right)\end{array}$

因此，可知当峰值波长λ变化1[nm]时，膜厚d仅变化(m/2n)。

再者，关于具体的m值，可用如下方式求出。在式(7)中，若考虑相邻的峰值波长λ₁、λ₂(λ₁＞λ₂)，则可表示为如下的式。

[数9]

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{m\λ}}_1={2n}_{1}d\\ (m+1){\mathrm{\λ}}_2={2n}_{2}d\end{array}\right.\·\·\·\left(9\right)$

若考虑在峰值波长λ₁、λ₂下折射率的波长分散的影响较小而视为n₁＝n₂，则可根据上式(9)，通过以下的式(10)求出m。

[数10]

$m=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}\·\·\·\left(10\right)$

若将干涉光强度I的峰值波长(零交叉波长)的移动量设为X，则膜厚d的变化量Δd可通过以下的式(11)而求出。

[数11]

$\mathrm{\Δd}=\frac{{\mathrm{X\λ}}_2}{2n({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2)}\·\·\·\left(11\right)$

根据以上所述，通过预先设定测定波长λ、在波长λ下的半导体膜15的折射率n、作为工艺结束条件的膜厚变化量Δd_f并监视零交叉波长的时间变化，可利用作为目标的膜厚变化量Δd_f使工艺(成膜处理或蚀刻处理)结束。再者，式(11)中的峰值波长λ₁、λ₂作为与所设定的测定波长λ最接近的零交叉波长而检测。

此处，显示根据经标准化的差分光谱求出膜厚d的方法的一例。在图6中，表示有在测定波长300～900[nm]下的经标准化的差分光谱波形S1及S2。差分光谱波形S1是时刻T₁＝171[秒]时的差分光谱波形。差分光谱波形S2是时刻T₁＝201[秒]时的差分光谱波形。再者，求出差分光谱波形S1及S2时的Δt(＝T₂-T₁)均为5[秒]。

图中的零交叉波长λ_A11是差分光谱波形S1中的多个零交叉波长中的1个。在本例中，零交叉波长λ_A11＝525.02[nm]。另外，图中的零交叉波长λ_A12是差分光谱波形S1中的多个零交叉波长中，与零交叉波长λ_A11相邻的零交叉波长。在本例中，零交叉波长λ_A12＝452.96[nm]。再者，所谓「相邻的零交叉波长」，严格而言是指如这些波长下的差分光谱波形S1的倾斜成为彼此相同符号那样的零交叉波长。其原因在于，差分光谱波形S1以相同的倾斜而与零轴交叉的波长均为干涉光相互增强(或相互减弱)的波长。

若将在波长500[nm]附近的半导体膜15的折射率设为n＝2.5，则根据上式(10)求出m。

[数12]

$m=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{452.96}{525.02-452.96}=6.28\≅6\·\·\·\left(12\right)$

另外，在30秒后的差分光谱波形S2中，与差分光谱波形S1的零交叉波长λ_A11相对应的零交叉波长λ_A21朝短波长侧变化至475.52[nm]为止。由此，可求出膜厚d的变化量Δd。

[数13]

$\mathrm{\Δd}=X\×\frac{m}{2n}=(525.02-475.52)\×\frac{6}{2\×2.5}59.4\left[\mathrm{nm}\right]\·\·\·\left(13\right)$

在工艺(成膜处理或蚀刻处理)开始前的半导体膜15的初始膜厚为事先明确的情况下，通过实时测定以上述方式所求出的膜厚d的变化量Δd，可在半导体膜15成为规定的膜厚的时间点适当地停止该工艺。再者，图7是表示成膜工艺中的半导体膜15的膜厚d与成膜时间的关系的图。如该图所示，可在到达规定的膜厚d＝100[nm]的时间点，使成膜工艺结束。

再者，在上述例中，已说明将测定波长设为500[nm]附近的情况下的测定方法，但可根据需要使用各种波长的测定光。此处，图8、图9及图10是表示将测定波长分别设为400[nm]、600[nm]及800[nm]的情况下的以一定速度增加的膜厚的测定结果的图表。若参照图8，则在测定波长为400[nm]的情况下，膜厚的变化率产生有偏差。与此相对，在800[nm]的情况下，可知膜厚的变化率成为大致一定，能够高精度地测定膜厚。如此，在上述成膜方法中，存在测定波长越长，膜厚测定精度越高的趋势。可认为其原因在于，测定波长越长，相对于膜厚变化的干涉峰值(零交叉波长)的变化量越大。

其次，说明可适当地实现上述测定方法的膜厚测定装置的构成。图11是表示膜厚测定装置的一个实施方式的构成的方块图。在本实施方式中，表示有将设置于半导体处理装置(例如蚀刻装置)20的处理腔室内的试样10的半导体膜15(参照图1)作为测定对象物的例。膜厚测定装置1A包括测定光学系统21、测定光源28、分光光学系统30、光检测器31、以及膜厚解析部40。

针对处理装置20内的试样10的半导体膜15，设置有经由测定光学系统21供给测定光L0的测定光源28。该测定光源28将至少包含遍及规定波段的波长成分的测定光L0供给至测定对象物的半导体膜15。作为这样的测定光源28，例如可适当地使用将上述规定波段的白色光作为测定光L0而供给的白色光源。或者，也可为能够遍及上述规定波段使输出波长变化的波长可变激光、或组合上述规定波段中所包含的多个单色光源而成的光源。再者，在利用上述方法的膜厚测定中，膜厚的变化量越大，干涉光强度的峰值波长(零交叉波长)越变化，因此上述规定波段的宽度优选根据要测定的膜厚变化量而设定，例如优选为20[nm]以上。

另外，针对测定光L0经试样10所反射的反射光L1～LM重叠而成的输出光，经由测定光学系统21，设置有分光光学系统30及光检测器31。此处，图12及图13是表示膜厚测定装置1A中的测定光学系统21的构成的一例的图。在本构成例中，对于包含与试样10对向配置的物镜211的测定光学系统21，连接有对来自测定光源28的测定光进行引导的测定光输入光纤281、对获得试样10的图像时等所使用的照明光进行引导的照明光输入光纤282、以及使来自试样10的反射光(输出光)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12所示，来自测定光源28的测定光L0通过输入光纤281而输入至测定光学系统21，并通过半透半反镜(halfmirror)212，被反射镜213反射，经由物镜211被供给至试样10的半导体膜15。另外，如图13所示，来自半导体膜15的上表面、下表面的反射光L1～LM所重叠而成的输出光经反射镜213、半透半反镜212以及反射镜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是对自试样10经由测定光学系统21而输入的反射光进行分光的分光单元，构成本实施方式中的检测单元的一部分。具体而言，分光光学系统30将测定光L0的来自半导体膜15的输出光分解成可在每个波长下检测。

图14是表示分光光学系统30的构成的一例的图。该分光光学系统30包括：入射狭缝301、准直光学系统302、作为分散元件的衍射光栅303、以及聚焦光学系统304。在这样的构成中，通过衍射光栅303而分解成各波长成分的输出光经由聚焦光学系统304在波长光谱输出面305上在各波长成分下成像，并通过配置于输出面305的光检测器而在各波长成分下进行检测。再者，除本例以外，也可适当地构成例如通过使用波段滤波器，使来自半导体膜15的输出光分解成可在每个波长下检测的分光光学系统。

作为针对通过分光光学系统30而分解成每个波长成分的输出光，检测各波长成分的在各时间点t的强度的检测单元，设置有图11所示的光检测器31。光检测器31由例如相对于图14所示的分光光学系统30配置于其输出面305，且排列有检测通过分光光学系统30分解了的各波长成分的强度的多个光检测元件的多通道光检测器构成。

自光检测器31所输出的检测信号被提供至膜厚解析部40。膜厚解析部40是求出作为测定对象物的半导体膜15的膜厚d的时间变化的膜厚解析单元，根据在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自半导体膜15的反射光L1～LM(特别是L1～L2)相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长，并根据该峰值波长的时间变化求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。

具体而言，如上所述，求出在第1时刻T₁＝t所检测出的输出光的第1光谱波形I(t，λ)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂＝t+Δt所检测出的输出光的第2光谱波形I(t+Δt，λ)的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)，优选为将该差分标准化，求出其零交叉波长，由此求出干涉光光谱的峰值波长。然后，通过上述式(11)，求出膜厚d的时间变化。膜厚解析部40预先存储关于膜厚d的终点信息，当所计算出的膜厚d达到规定的厚度时，输出表示处理已到达终点的信号(终点检测信号)。再者，这样的膜厚解析部40可由例如执行规定的解析程序的计算机构成。

另外，在图11所示的膜厚测定装置1A中，除上述膜厚解析部40以外，设置有测定控制部50。测定控制部50参照自膜厚解析部40所输出的膜厚信息或终点信息，控制测定装置1A及处理装置20的装置各部分，由此对测定装置1A中的膜厚测定动作、以及处理装置20中的蚀刻处理等的动作进行必要的控制。

另外，在该测定控制部50，连接有输入装置51及显示装置52。输入装置51用于测定装置1A中的测定动作及处理装置20中的处理动作所需的信息、条件、指示等的由操作者所进行的输入。该输入装置51例如可用于膜厚解析部40中所使用的测定波长、半导体膜15的折射率、工艺的目标膜厚等的输入。另外，也可进一步输入工艺开始时的膜厚值。但是，也可形成为在膜厚解析部40中预先准备这些条件、数值的构成。另外，显示装置52用于向操作者显示关于上述测定动作及处理动作的所需信息。

另外，在本实施方式的膜厚测定装置1A中，对于测定光学系统21，设置有XYθ平台22。该XYθ平台22用以通过在X方向、Y方向、θ方向上调整测定光学系统21的位置、角度等，而调整利用膜厚测定装置1A的在半导体膜15上的膜厚d的测定位置、测定条件。另外，XYθ平台22通过平台控制部23而驱动控制。

另外，针对处理装置20内的试样10以及测定光学系统21，进一步设置有摄像装置24及测定位置设定部25。摄像装置24是用以确认利用膜厚测定装置1A的在半导体膜15上的膜厚d的测定位置的位置确认用摄像装置。另外，测定位置设定部25参照通过摄像装置24并经由测定光学系统21而获得的包含半导体膜15的试样10的图像，设定针对试样10的膜厚测定位置。

图15是表示测定位置设定部25的构成的一例的方块图。本构成例的测定位置设定部25包括测定图像识别部251、基准图像存储部252、图像比较部253以及控制条件计算部254。测定图像识别部251输入通过摄像装置24而获得的试样10的图像数据，并进行该图像中的测定图案的图案识别。另外，在基准图像存储部252中，预先存储有用以特定应设定为在半导体膜15上的膜厚d的测定位置的位置的基准图像。

图像比较部253通过计算差分图像等的方法，对由识别部251所识别的测定图像中的测定图案与由存储部252所存储的基准图像中的基准图案进行比较。另外，控制条件计算部254根据图像比较部253中的测定图像与基准图像的比较结果，算出是否需要调整测定位置，以及在需要进行调整的情况下算出其控制条件。然后，根据通过该计算部254所求出的控制条件，经由平台控制部23驱动控制XYθ平台22、测定光学系统21，由此设定、控制针对试样10的半导体膜15的膜厚d的测定位置、测定条件。

再者，关于这样的针对试样10的半导体膜15的膜厚d的测定位置，优选设为半导体晶圆上的测试元件组(test element group)的位置。其原因在于，若将半导体芯片上的位置设为测定位置，则掩膜等的阶差等会产生影响，而有可能无法准确地测定膜厚d。

对本实施方式的膜厚测定装置及膜厚测定方法的效果进行说明。

在膜厚测定装置1A及膜厚测定方法中，对膜状的测定对象物即基板12上的半导体膜15供给包含遍及规定波段的波长成分的测定光L0，通过分光光学系统30及光检测器31对包含来自上表面16及下表面17的反射光L1～LM的输出光进行分光并进行检测。然后，根据在彼此不同的时刻T₁＝t、T₂＝t+Δt所检测出的输出光的各光谱波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)，求出反射光L1～LM(特别是L1～L2)相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长，并根据峰值波长的时间变化求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。

如上所述，若对半导体膜15照射包含遍及宽波段的波长成分的测定光，则测定光中所包含的明线光谱等的不需要的峰值与干涉光一起被包含于其反射光(输出光)的光谱中。但是，不论半导体膜15的膜厚d的变化如何，因测定光源所产生的这样的不需要的峰值的中心波长均不变，因此在不同时刻的输出光的各光谱波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)中，该不需要的峰值的中心波长也不变。

因此，通过使用这些光谱波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)，可消除明线光谱等的影响而准确地求出干涉光的峰值波长。即，根据本实施方式的膜厚测定装置1A及膜厚测定方法，即使是如不满干涉光强度I的峰值的重复周期Δt₁(参照图2)那样的微小的膜厚d的变化量，也可不使用参照样品而高精度地测定该膜厚d的变化量。

另外，如本实施方式所述，膜厚测定装置1A及膜厚测定方法优选在膜厚解析部40(膜厚解析步骤)中，运算第1光谱波形I(t，λ)与第2光谱波形I(t+Δt，λ)的差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)，并将该差分成为零的波长λ_A作为峰值波长。

由于不论半导体膜15的膜厚d的变化如何，因测定光源28所产生的明线光谱等的不需要的峰值的中心波长均不变，因此第1及第2光谱波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)中所包含的明线光谱等的中心波长在两波形中相同，通过运算差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)，可有效地排除其影响。另外，上述差分成为零的零交叉波长λ_A位于波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)中相互对应的峰值波长之间，在Δt不长的情况下，可将该零交叉波长λ_A视为干涉光的峰值波长。因此，可根据该零交叉波长λ_A的变化量(例如图6所示的λ_A21-λ_A11)，高精度地求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。

另外，在将差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)成为零的波长视为峰值波长而求出半导体膜15的膜厚d的时间变化时，优选如本实施方式所述，在膜厚解析部40(膜厚解析步骤)中，使用将第1光谱波形I(t，λ)与第2光谱波形I(t+Δt，λ)重叠而成的波形I(t，λ)+I(t+Δt，λ)，使差分标准化(参照上式(6))后，求出峰值波长。由此，即使在由于如图4所示测定光L0的强度因波长而不同，而使得差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)的大小因波长而差异较大的情况下，也可如图5所示，获得关于差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)的良好的光谱波形。

另外，关于膜厚测定的具体的测定对象，优选如上所述，测定对象物为基板12上的半导体膜15，测定规定的处理的执行过程中的半导体膜15的膜厚d的时间变化。在这样的构成中，在半导体膜15的膜厚d减少或增加的蚀刻处理、薄膜形成处理等的半导体工艺的执行过程中，可高精度地进行处理的终点检测等的工艺控制。再者，本实施方式的膜厚测定方法除半导体膜15以外，通常也可适用于膜状的测定对象物的膜厚d的变化量的测定。

(第2实施方式)

接着，说明本发明的膜厚测定装置及膜厚测定方法的第2实施方式。上述第1实施方式与本实施方式的不同点在于膜厚解析单元(膜厚解析步骤)中的处理内容。即，在本实施方式中，如下方面与第1实施方式相同，即在膜厚解析单元(膜厚解析步骤)中，在彼此不同的两个以上的时刻检测输出光，并根据这些输出光的各光谱波形求出干涉光强度I成为极大或极小的峰值波长，但其具体方法不同。再者，膜厚解析单元(膜厚解析步骤)以外的装置构成及步骤与第1实施方式相同。

在本实施方式中，通过求出在第1时刻T₁＝t所检测出的输出光的第1光谱波形I(t，λ)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂＝t+Δt所检测出的输出光的第2光谱波形I(t+Δt，λ)的比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)成为1的波长λ，而获得干涉光光谱的峰值波长。所谓第1及第2光谱波形的比成为1的情况，即指第1及第2光谱波形变得相等的情况，由于与第1实施方式中差分I(t+Δt，λ)-I(t，λ)成为零的情况等效，因此即使通过这样的运算，也可适当地获得干涉光光谱的峰值波长。

图16是表示设为t＝171[秒]、Δt＝5[秒]的情况下的比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)的一例的图。在图16中，测定光L0中所包含的明线光谱等的干涉光以外的光谱成分，无论膜厚d的时间变化如何均为一定，因此被去除。在该图16中，由于Δt小至5[秒]，因此可将比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)成为1的波长(图中的波长λ_C)视为干涉光光谱的峰值波长。再者，若Δt为10[秒]以下，则可如上所述将比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)成为1的波长λ_C视为干涉光光谱的峰值波长。

根据式(2)，若半导体膜15的膜厚d发生变化，则干涉光光谱的峰值波长会发生变化。因此，通过测定峰值波长的移动量，可利用式(11)而获知膜厚d的变化量。

在本实施方式中，也根据在彼此不同的时刻T₁＝t、T₂＝t+Δt所检测出的输出光的各光谱波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)，求出反射光L1～LM(特别是L1～L2)相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长，并根据峰值波长的时间变化求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。因此，可消除明线光谱等的影响而准确地求出干涉光的峰值波长，因此即使是如不满干涉光强度I的峰值的重复周期Δt₁(参照图2)那样的微小的膜厚d的变化量，也可不使用参照样品而高精度地测定该膜厚d的变化量。

另外，如本实施方式所述，膜厚测定装置1A及膜厚测定方法也可在膜厚解析单元(膜厚解析步骤)中，运算第1光谱波形I(t，λ)与第2光谱波形I(t+Δt，λ)的比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)，并将该比成为1的波长λc视为峰值波长。不论半导体膜15的膜厚d的变化如何，因测定光源所产生的明线光谱等的不需要的峰值的中心波长均不变，因此通过运算比I(t+Δt，λ)/I(t，λ)，可有效地排除其影响。另外，上述比成为1的波长λc位于波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)中相互对应的峰值波长之间，在Δt不长的情况下，可将该波长λc视为干涉光的峰值波长。因此，可根据该波长λc的变化量，高精度地求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。

(第3实施方式)

接着，说明本发明的膜厚测定装置及膜厚测定方法的第3实施方式。上述第1实施方式与本实施方式的不同点在于膜厚解析单元(膜厚解析步骤)中的处理内容。再者，在本实施方式中，膜厚解析单元(膜厚解析步骤)以外的装置构成及步骤也与第1实施方式相同。

在上述的式(2)中，当假定为折射率n相对于波长λ为一定时，来自半导体膜15的干涉光的光谱波形成为与半导体膜15的膜厚d对应的周期性波形。于是，半导体膜15的膜厚d越薄，则该周期(相邻的峰值波长的间隔)越大，相反的，半导体膜15的膜厚d越厚，则该周期越小。换言之，半导体膜15的膜厚d越薄，则每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数越小，相反的，半导体膜15的膜厚d越厚，则每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数越大。

这样的每单位波长的重复数可通过关于波长对输出光光谱进行傅里叶变换(优选为高速傅里叶变换(FFT：Fast Fourier Transform))而求出。于是，如上所述，通过FFT所获得的干涉光的光谱波形的重复数会对应于膜厚d而变化，因此根据该重复数的变化，可求出膜厚d的变化量。

在本实施方式中，在膜厚解析单元(膜厚解析步骤)中，在彼此不同的两个以上的时刻检测输出光。然后，根据这些输出光的各光谱波形，将每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数作为相当于干涉光强度I成为极大或极小的峰值波长的波长间隔的数值而求出，并根据该重复数的时间变化求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。

具体而言，对在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(t，λ)进行将波长作为独立变量的傅里叶变换(优选为高速傅里叶变换)，从而获得第1傅里叶变换波形F{I(t，λ)}。同样地，也对在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(t+Δt，λ)进行将波长作为变量的傅里叶变换，从而获得第2傅里叶变换波形F{I(t+Δt，λ)}。

图17是表示各傅里叶变换波形的一例的图表，图G1是表示第1傅里叶变换波形F{I(t，λ)}，图G2是表示第2傅里叶变换波形F{I(t+Δt，λ)}。另外，图17所示的峰值P1的中心F0相当于第1光谱波形I(t，λ)中所包含的干涉光的每单位波长的重复数，峰值P2的中心F相当于第2光谱波形I(t+Δt，λ)中所包含的干涉光的每单位波长的重复数。再者，图17中的峰值P1、P2以外的峰值(例如，位于图中的D区域的峰值)是由明线等所产生的峰值，且是与干涉光无关的成分。

在图17所示的例中，峰值P1的中心F0与峰值P2的中心F的差即为每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数的变化量，因此根据其差(F0-F)，可用如下方式求出半导体膜15的膜厚d的变化量。

即，FFT为离散傅里叶变换，傅里叶变换前的干涉光光谱的1个周期成为基本波，因此若将基本波的波长范围设为λ₁～λ₂，将相当于FFT的基本波的膜厚设为D₀，则存在以下的式(14)的关系。

[数14]

$\frac{{2\mathrm{nD}}_0}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{{2\mathrm{nD}}_0}{{\mathrm{\λ}}_2}=1\·\·\·\left(14\right)$

若针对D₀解上式(14)，则成为如下的式。

[数15]

$D_0=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{2n|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2|}\·\·\·\left(15\right)$

此处，若将与图17的峰值P1对应的干涉光的每单位波长的重复数设为F0，将与峰值P2对应的干涉光的每单位波长的重复数设为F，则膜厚变化量Δd可通过以下的式(16)求出。

[数16]

$\mathrm{\Δd}=D_0|F-F0|=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{2n|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2|}|F-F0|\·\·\·\left(16\right)$

再者，在膜厚变化量Δd微小的情况下，相较于重复数F的时间变化，相位的时间变化更加高精度地表示膜厚变化量Δd，因此根据相位的时间变化计算出膜厚变化量Δd，由此能够更高精度地计算出膜厚变化量Δd。图18是将各傅里叶变换波形的横轴换算成相位的图表，图G3是表示第1傅里叶变换波形φ{F(t，λ)}，图G4是表示第2傅里叶变换波形φ{F(t+Δt，λ)}。另外，图18所示的峰值P3的中心φ₀是与第1光谱波形I(t，λ)中所包含的干涉光的每单位波长的重复数相对应的相位，峰值P4的中心φ是与第2光谱波形I(t+Δt，λ)中所包含的干涉光的每单位波长的重复数相对应的相位。

再者，在图18中，峰值P3、P4以外的峰值(位于图中的D区域的峰值)是由明线等所产生的峰值，且是与干涉光无关的成分。相位φ₀及φ可通过以下的式(17)及式(18)求出。

[数17]

[数18]

因此，膜厚变化量Δd可通过以下的式(19)求出。

[数19]

$\mathrm{\Δd}=D_0\frac{|\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0|}{2\mathrm{\π}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{4\mathrm{\πn}|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2|}|\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0|\·\·\·\left(19\right)$

在本实施方式中，根据在彼此不同的时刻T₁＝t、T₂＝t+Δt所检测出的输出光的各光谱波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)，求出反射光L1～LM(特别是L1～L2)相互干涉而生成的干涉光的光谱波形的每单位波长的重复数，并根据上述重复数的时间变化(F0-F)求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。另外，根据重复数求出其相位，并根据上述相位的时间变化(φ₀-φ)求出半导体膜15的膜厚d的时间变化。因此，可消除例如图17、图18的区域D中所存在的明线光谱等的影响，准确地求出相当于干涉光光谱的峰值波长的间隔的数值，因此即使是如不满干涉光强度I的峰值的重复周期Δt₁(参照图2)那样的微小的膜厚的变化，也可不使用参照样品而高精度地测定该膜厚d的变化量。

另外，第1光谱波形I(t，λ)及第2光谱波形I(t+Δt，λ)中所包含的明线光谱等的波形在两波形I(t，λ)、I(t+Δt，λ)中相同。因此，在傅里叶变换后的波形F{I(t，λ)}、F{I(t+Δt，λ)}或其相位φ{F(t，λ)}、φ{F(t+Δt，λ)}中，明线光谱等的波形也相同，根据本实施方式的膜厚测定装置及膜厚测定方法，可适当地排除其影响。

另外，根据膜厚测定装置及膜厚测定方法，即使在自测定光源28所输出的测定光的光谱不平坦的情况下，可以仅计算出与半导体膜15的膜厚d相对应的重复数，因而可几乎忽视测定光的光谱的影响。

本发明的膜厚测定装置及膜厚测定方法并不限定于上述实施方式，此外也可进行各种变形。例如，在上述各实施方式中，为了求出测定对象物(半导体膜15)的膜厚d，求出干涉光光谱的峰值波长、或每单位波长的干涉光光谱波形的重复数，但为了获得膜厚d而有用的数值并不限定于上述数值，如果是相当于峰值波长的数值、或者相邻的峰值波长的间隔或相当于该间隔的数值，也可适当地求出膜厚d。

上述实施方式的膜厚测定装置是测定具有第1面及第2面的膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定装置，其采用如下构成，即包括：测定光源，其将包含遍及规定波段的波长成分的测定光供给至测定对象物；检测单元，其针对每个波长检测来自测定对象物的第1面的测定光的反射光、及来自第2面的测定光的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及膜厚解析单元，其求出测定对象物的膜厚的时间变化；膜厚解析单元根据在检测单元中在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自第1面的反射光与来自第2面的反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据峰值波长或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

另外，上述实施方式的膜厚测定方法是测定具有第1面及第2面的膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定方法，其采用如下构成，即包括：测定光供给步骤，将包含遍及规定波段的波长成分的测定光自测定光源供给至测定对象物；检测步骤，针对每个波长检测来自测定对象物的第1面的测定光的反射光、及来自第2面的测定光的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及膜厚解析步骤，求出测定对象物的膜厚的时间变化；在膜厚解析步骤时，根据在检测步骤中在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的输出光的各光谱波形，求出来自第1面的反射光与来自第2面的反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据峰值波长或相当于相邻的峰值波长的间隔的数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

另外，膜厚测定装置也可设为，膜厚解析单元运算在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的差分I(T₂)-I(T₁)，并将该差分成为零的波长作为峰值波长。

同样地，在膜厚测定方法中，在膜厚解析步骤时，也可运算在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的差分I(T₂)-I(T₁)，并将该差分成为零的波长作为峰值波长。

如上所述，不论测定对象物的膜厚的变化如何，因光源所引起的明线光谱等的不需要的峰值的中心波长均不变。因此，第1光谱波形I(T₁)及第2光谱波形I(T₂)中所包含的明线光谱等的中心波长在两波形I(T₁)、I(T₂)中相同，因此，通过运算差分I(T₂)-I(T₁)，可排除其影响。另外，上述差分成为零的波长(以下，称为零交叉波长)位于波形I(T₁)中所包含的干涉光的峰值波长与波形I(T₂)中所包含的干涉光的峰值波长之间，在第1及第2时刻T₁、T₂的间隔不长的情况下，可将零交叉波长视为干涉光的峰值波长。因此，可根据该零交叉波长的变化量，高精度地求出测定对象物的膜厚的时间变化。

另外，在将差分I(T₂)-I(T₁)成为零的波长作为峰值波长而求出测定对象物的膜厚的时间变化的情况下，优选为膜厚解析单元使用将第1光谱波形I(T₁)与第2光谱波形I(T₂)重叠而成的波形I(T₁)+I(T₂)，使差分标准化后，求出峰值波长。

同样地，在膜厚测定方法中，优选在膜厚解析步骤时，使用将第1光谱波形I(T₁)与第2光谱波形I(T₂)重叠而成的波形I(T₁)+I(T₂)，使差分标准化后，求出峰值波长。

由此，即使在由于测定光的强度因波长而不同，而使得差分I(T₁)-I(T₂)的大小因波长而差异较大的情况下，也可获得关于差分I(T₂)-I(T₁)的良好的光谱波形。

另外，膜厚测定装置也可设为，膜厚解析单元运算在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的比I(T₂)/I(T₁)，并将该比成为1的波长作为峰值波长。

同样地，膜厚测定方法也可设为，在膜厚解析步骤时，运算在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的比I(T₂)/I(T₁)，并将该比成为1的波长作为峰值波长。

如上所述，第1光谱波形I(T₁)及第2光谱波形I(T₂)中所包含的明线光谱等的中心波长在两波形I(T₁)、I(T₂)中相同。因此，通过运算比I(T₂)/I(T₁)，可排除其影响。另外，该比成为1的波长位于波形I(T₁)中所包含的干涉光的峰值波长与波形I(T₂)中所包含的干涉光的峰值波长之间，在第1及第2时刻T₁、T₂的间隔不长的情况下，可将该波长视为干涉光的峰值波长。因此，可根据该波长的变化量，高精度地求出测定对象物的膜厚的时间变化。

另外，膜厚测定装置也可设为，膜厚解析单元根据对在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(T₂)分别进行傅里叶变换而获得的第1傅里叶变换波形F{I(T₁)}及第2傅里叶变换波形F{I(T₂)}，求出相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据该数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

同样地，膜厚测定方法也可设为，在膜厚解析步骤时，根据对在第1时刻T₁所检测出的输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的输出光相关的第2光谱波形I(T₂)分别进行傅里叶变换而获得的第1傅里叶变换波形F{I(T₁)}及第2傅里叶变换波形F{I(T₂)}，求出相当于相邻的峰值波长的间隔的数值，并根据该数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

当假设在以上所示的式(1)中，折射率n相对于波长λ为一定时，干涉光强度I相对于波数(1/λ)成为一定周期的余弦波形。因此，可根据相当于该余弦波形中相邻的峰值波长的间隔的数值，例如每单位波长的干涉光强度I的光谱波形的重复数，求出测定对象物的膜厚。即，在上述膜厚测定装置及膜厚测定方法中，根据针对波长对光谱波形I(T₁)、I(T₂)进行傅里叶变换所获得的波形F{I(T₁)}、F{I(T₂)}，求出相当于相邻的峰值波长的间隔的数值。然后，根据该数值的时间变化求出测定对象物的膜厚的时间变化。

由此，可高精度地求出测定对象物的膜厚的时间变化。再者，如上所述，第1光谱波形I(T₁)及第2光谱波形I(T₂)中所包含的明线光谱等的波形在两波形I(T₁)、I(T₂)中相同，因此在傅里叶变换后的波形F{I(T₁)}、F{I(T₂)}中，明线光谱等的波形也相同，根据上述膜厚测定装置及膜厚测定方法，可适当地排除其影响。

另外，膜厚测定装置优选为，相当于相邻的上述峰值波长的间隔的上述数值为每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数。或者，膜厚测定装置优选为，相当于相邻的上述峰值波长的间隔的上述数值为自每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数换算而成的相位。

同样地，膜厚测定方法优选为，相当于相邻的上述峰值波长的间隔的上述数值为每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数。或者，膜厚测定方法优选为，相当于相邻的上述峰值波长的间隔的上述数值为自每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数换算而成的相位。

关于上述膜厚的时间变化的测定中的具体的测定对象，优选为测定对象物为基板上的半导体膜，且测定规定的处理的执行过程中的半导体膜的膜厚的时间变化。在这样的构成中，如上所述，在例如蚀刻处理或薄膜形成处理等的半导体工艺的执行过程中，可测定该膜厚的时间变化量，并高精度地进行处理的终点检测等的工艺控制。

在上述膜厚测定装置及膜厚测定方法中，作为测定光源，可使用将遍及规定波段的白色光作为测定光而供给的白色光源。再者，关于测定光源，除此以外也可使用各种光源。

产业上的可利用性

本发明可用作如下的膜厚测定装置及膜厚测定方法，即，即使是如不满干涉光强度的峰值的1个周期那样的微小的膜厚的相对变化量，也可高精度地测定该膜厚的变化量。

Claims (18)

1.一种膜厚测定装置，其特征在于，

是测定具有第1面及第2面的膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定装置，

包括：

测定光源，其将包含遍及规定波段的波长成分的测定光供给至所述测定对象物；

检测单元，其针对每个波长检测来自所述测定对象物的所述第1面的所述测定光的反射光、及来自所述第2面的所述测定光的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及

膜厚解析单元，其求出所述测定对象物的膜厚的时间变化，

所述膜厚解析单元根据在所述检测单元中在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的所述输出光的各光谱波形，求出来自所述第1面的所述反射光与来自所述第2面的所述反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的所述峰值波长的间隔的数值，并根据所述峰值波长或相当于相邻的所述峰值波长的间隔的数值的时间变化求出所述测定对象物的膜厚的时间变化。

2.如权利要求1所述的膜厚测定装置，其特征在于，

所述膜厚解析单元运算在第1时刻T₁所检测出的所述输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于所述第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的所述输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的差分I(T₂)-I(T₁)，并将该差分成为零的波长作为所述峰值波长。

3.如权利要求2所述的膜厚测定装置，其特征在于，

所述膜厚解析单元使用将所述第1光谱波形I(T₁)与所述第2光谱波形I(T₂)重叠而成的波形I(T₁)+I(T₂)而使所述差分标准化后，求出所述峰值波长。

4.如权利要求1所述的膜厚测定装置，其特征在于，

所述膜厚解析单元运算在第1时刻T₁所检测出的所述输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于所述第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的所述输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的比I(T₂)/I(T₁)，并将该比成为1的波长作为所述峰值波长。

5.如权利要求1所述的膜厚测定装置，其特征在于，

所述膜厚解析单元根据对在第1时刻T₁所检测出的所述输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于所述第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的所述输出光相关的第2光谱波形I(T₂)分别进行傅里叶变换而获得的第1傅里叶变换波形F{I(T₁)}及第2傅里叶变换波形F{I(T₂)}，求出相当于相邻的所述峰值波长的间隔的数值，并根据该数值的时间变化求出所述测定对象物的膜厚的时间变化。

6.如权利要求5所述的膜厚测定装置，其特征在于，

相当于相邻的所述峰值波长的间隔的所述数值为每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数。

7.如权利要求5所述的膜厚测定装置，其特征在于，

相当于相邻的所述峰值波长的间隔的所述数值为自每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数换算而成的相位。

8.如权利要求1～7中任一项所述的膜厚测定装置，其特征在于，

所述测定对象物为基板上的半导体膜，所述膜厚测定装置测定在规定的处理的执行过程中的所述半导体膜的膜厚的时间变化。

9.如权利要求1～8中任一项所述的膜厚测定装置，其特征在于，

所述测定光源是将遍及所述规定波段的白色光作为所述测定光而供给的白色光源。

10.一种膜厚测定方法，其特征在于，

是测定具有第1面及第2面的膜状的测定对象物的膜厚的时间变化的膜厚测定方法，

包括：

测定光供给步骤，将包含遍及规定波段的波长成分的测定光自测定光源供给至所述测定对象物；

检测步骤，针对每个波长检测来自所述测定对象物的所述第1面的所述测定光的反射光、及来自所述第2面的所述测定光的反射光所重叠而成的输出光的在各时间点的强度；以及

膜厚解析步骤，求出所述测定对象物的膜厚的时间变化，

在所述膜厚解析步骤时，根据在所述检测步骤中在彼此不同的两个以上的时刻所检测出的所述输出光的各光谱波形，求出来自所述第1面的所述反射光与来自所述第2面的所述反射光相互干涉而生成的干涉光的强度成为极大或极小的峰值波长、或相当于相邻的所述峰值波长的间隔的数值，并根据所述峰值波长或相当于相邻的所述峰值波长的间隔的数值的时间变化求出所述测定对象物的膜厚的时间变化。

11.如权利要求10所述的膜厚测定方法，其特征在于，

在所述膜厚解析步骤时，运算在第1时刻T₁所检测出的所述输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于所述第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的所述输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的差分I(T₂)-I(T₁)，并将该差分成为零的波长作为所述峰值波长。

12.如权利要求11所述的膜厚测定方法，其特征在于，

在所述膜厚解析步骤时，使用将所述第1光谱波形I(T₁)与所述第2光谱波形I(T₂)重叠而成的波形I(T₁)+I(T₂)而使所述差分标准化后，求出所述峰值波长。

13.如权利要求10所述的膜厚测定方法，其特征在于，

在所述膜厚解析步骤时，运算在第1时刻T₁所检测出的所述输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于所述第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的所述输出光相关的第2光谱波形I(T₂)的比I(T₂)/I(T₁)，并将该比成为1的波长作为所述峰值波长。

14.如权利要求10所述的膜厚测定方法，其特征在于，

在所述膜厚解析步骤时，根据对在第1时刻T₁所检测出的所述输出光相关的第1光谱波形I(T₁)与在不同于所述第1时刻T₁的第2时刻T₂所检测出的所述输出光相关的第2光谱波形I(T₂)分别进行傅里叶变换而获得的第1傅里叶变换波形F{I(T₁)}及第2傅里叶变换波形F{I(T₂)}，求出相当于相邻的所述峰值波长的间隔的数值，并根据该数值的时间变化求出所述测定对象物的膜厚的时间变化。

15.如权利要求14所述的膜厚测定方法，其特征在于，

相当于相邻的所述峰值波长的间隔的所述数值为每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数。

16.如权利要求14所述的膜厚测定方法，其特征在于，

相当于相邻的所述峰值波长的间隔的所述数值为自每单位波长的干涉光的光谱波形的重复数换算而成的相位。

17.如权利要求10～16中任一项所述的膜厚测定方法，其特征在于，

所述测定对象物为基板上的半导体膜，所述膜厚测定方法测定在规定的处理的执行过程中的所述半导体膜的膜厚的时间变化。

18.如权利要求10～17中任一项所述的膜厚测定方法，其特征在于，

所述测定光源是将遍及所述规定波段的白色光作为所述测定光而供给的白色光源。

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