CN113494889A - 光学测定系统和光学测定方法 - Google Patents

光学测定系统和光学测定方法 Download PDF

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Abstract

一种光学测定系统和光学测定方法。光学测定系统包括：光源，其用于产生测定光；受光部，其接收对试样照射测定光而产生的反射光或透射光来作为观测光；获取单元，其获取观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的观测光光谱；初始值决定单元，其基于在对观测光光谱进行傅立叶变换而得到的功率谱中出现的峰的位置，来决定试样的膜厚的初始值；拟合单元，其以使根据包含膜厚作为参数的试样的模型计算出的干涉光谱与观测光光谱一致的方式对模型的参数进行更新，来决定试样的膜厚；以及判断单元，其判断所决定的该膜厚是否满足基于先前获取到的膜厚的条件。

Description

光学测定系统和光学测定方法
技术领域
本发明涉及一种利用在测定对象中产生的光干涉的光学测定系统和光学测定方法。
背景技术
近年来，半导体晶圆的薄片化工艺的进步显著。通过使晶圆薄片化，能够实现各种设备的高功能化。例如，能够实现IC芯片的薄型化、移动设备中使用的SiP(System inPackage：系统级封装)的多层集成化、CMOS图像传感器等摄像元件的高灵敏度化、功率设备的高效化等。
在量产化工艺中，需要确立50μm～数百μm的薄片化工艺，将来需要确立亚μm的薄片化工艺。为了实现该工艺，在薄片化加工中能够高精度且高速地测定晶圆的膜厚的测定装置是不可或缺的。
作为测定晶圆的膜厚的背景技术，已知(1)接触式、(2)静电电容式、(3)OCT(Optical Coherence Tomography：光学相干断层成像术)方式等。
(1)作为接触式的现有技术文献，日本特开2018-179672号公报公开了一种使用具有测头的接触式膜厚测定仪来测定膜厚的方法。
(2)作为静电电容式的现有技术文献，日本特开2009-109208号公报公开了一种具有多台静电电容式位移计的测定装置，该静电电容式位移计用于求出测定对象物与测定头之间的静电电容。
(3)作为OCT方式的现有技术文献，日本特开2013-205252号公报公开了如下方法：对涂膜照射来自光源的光，通过检测包含来自该涂膜的反射光的干涉光的强度，来测定该涂膜的膜厚。
在一般的薄片化工艺中，晶圆在暴露于磨削加工水的同时被磨石磨削。因此，不得不以非接触且非侵入的方式测定晶圆的膜厚，应用使用了光的测定法。即，在薄片化工艺中的晶圆的膜厚测定中无法采用(1)接触式和(2)静电电容式等。另外，(3)OCT方式难以充分地确保膜厚方向上的分辨率，另外，存在系统结构复杂化和大型化这样的问题。
以硅为代表的晶圆对于能量比晶圆(半导体)本身的能带隙低的光而言是透明的，因此能够利用在晶圆内部产生的光干涉来测定膜厚。特别是，作为测定对象的晶圆由于在薄片化加工中被磨削而不断地移动，对于这种测定对象的移动，要求强有力的测定法。关于这一点，由于晶圆内部的光干涉仅依赖于该晶圆的膜厚和折射率，因此测定对象的移动不会受到扰动而能够实现高精度的测定。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种利用在测定对象中产生的光干涉来更高精度地测定膜厚的方法。
本发明的某个方面所涉及的光学测定系统包括：光源，其用于产生测定光；受光部，其接收对试样照射测定光而产生的反射光或透射光来作为观测光；获取单元，其获取观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的观测光光谱；初始值决定单元，其基于在对观测光光谱进行傅立叶变换而得到的功率谱中出现的峰的位置，来决定试样的膜厚的初始值；拟合单元，其以使根据包含膜厚作为参数的试样的模型计算出的干涉光谱与观测光光谱一致的方式对模型的参数进行更新，来决定试样的膜厚；以及判断单元，其判断所决定的该膜厚是否满足基于先前获取到的膜厚的条件。
也可以是，受光部包括针对规定的波长范围输出观测光的每个波长下的强度的分光检测器。也可以是，获取单元基于受光部的检测结果来搜索示出相同相位的两个波长位置，并且从处于在检测结果中搜索到的两个波长位置之间的信息中提取观测光光谱。
也可以是，受光部包括受光元件和衍射光栅，其中，衍射光栅被配置为能够变更观测光所包含的波长成分中的向受光元件入射的波长成分。也可以是，获取单元使向受光部的受光元件入射的波长成分依次不同，搜索示出相同相位的两个波长位置，并使处于所搜索到的这两个波长位置之间的波长成分依次入射到受光部的受光元件，由此获取观测光光谱。
也可以是，条件包括以下条件：本次决定的膜厚相对于先前从同一试样或其它试样获取到的膜厚的误差在预先决定的范围内。
也可以是，试样的模型是模拟了在试样的内部产生的光干涉的、包含膜厚和光学常数的数式。
也可以是，光学测定系统还具备校正单元，当判断为所决定的膜厚不满足条件时，该校正单元对所决定的该膜厚进行校正。
也可以是，光学测定系统还具备通知单元，当判断为所决定的膜厚不满足条件时，该通知单元通知未满足该条件。
本发明的另一方面所涉及的光学测定方法包括对试样照射来自光源的测定光并获取作为从试样产生的反射光或透射光的观测光的光谱的步骤。观测光的光谱是观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的光谱。光学测定方法还包括以下步骤：基于在对观测光的光谱进行傅立叶变换而得到的功率谱中出现的峰的位置，来决定试样的膜厚的初始值；以使根据包含膜厚作为参数的试样的模型计算出的干涉光谱与观测光光谱一致的方式对模型的参数进行更新，来决定试样的膜厚；以及判断所决定的该膜厚是否满足基于先前获取到的膜厚的条件。
根据与附图相关联地理解的关于本发明的以下详细的说明，想必可以明确本发明的上述及其它目的、特征、方面以及优点。
附图说明
图1是示出本实施方式所涉及的光学测定系统的结构例的示意图。
图2是示出在本实施方式所涉及的光学测定系统中使用的分光检测器的概要结构的示意图。
图3是示出本实施方式所涉及的光学测定系统中包括的处理装置的结构例的示意图。
图4是示出本发明的实施方式所涉及的光学测定系统中的与膜厚测定有关的处理过程的概要的流程图。
图5是用于说明在离散傅立叶变换中产生的波形的不连续的图。
图6是用于说明本实施方式所涉及的光学测定系统中的观测光光谱的修整方法的图。
图7是示出图4所示的对观测光光谱进行修整的处理(步骤S4)的更详细的过程的流程图。
图8是示出在本实施方式所涉及的光学测定系统的变形例中使用的分光检测器的概要结构的示意图。
图9是示出在本实施方式所涉及的光学测定系统的变形例中的用于获取观测光光谱的更详细的过程的流程图。
图10是示出根据在本实施方式所涉及的光学测定系统中测定出的观测光光谱计算出的功率谱的一例的图。
图11是将图10所示的关注区域进行放大的图。
图12是示出不进行预处理的情况下的测定结果的一例的图。
图13是示出进行了预处理的情况下的测定结果的一例的图。
图14是用于说明由本实施方式所涉及的光学测定系统进行的与正常测定条件有关的处理的图。
图15是示出用于在本实施方式所涉及的光学测定系统中设定正常测定条件的接口画面的一例的示意图。
图16是示出图4所示的与正常测定条件有关的处理(步骤S22和S24)的更详细的过程的流程图。
图17是示出本实施方式所涉及的光学测定系统提供的功能结构的一例的示意图。
附图标记说明
1：光学测定系统；2：试样；4：Y型光纤；10：光源；20、20A：分光检测器；22：衍射光栅；24、28：受光元件；26：接口电路；50：伪试样；51、52：玻璃板；53：空隙；100：处理装置；102：处理器；104：主存储器；106：输入部；108：显示部；110：存储设备；112：操作系统；114：测定程序；116：检测结果；118：测定结果；120：通信接口；122：网络接口；124：媒体驱动器；126：记录介质；150：光谱获取模块；152：缓冲器；154：预处理模块；156：分光检测器控制模块；160：傅立叶变换模块；162：初始值决定模块；164：拟合模块；166：判断模块；168：校正模块；170：通知模块；202、208：光学狭缝；204、206：凹面镜；300：接口画面；302：有效化开关；304：校正量设定栏；306：判定变化量设定栏；308：判定上下限量设定栏。
具体实施方式
参照附图来详细说明本发明的实施方式。此外，对于图中的相同或相当的部分，标注相同的附图标记，不重复对其说明。
<A.光学测定系统>
首先，对本实施方式所涉及的光学测定系统1的结构例进行说明。光学测定系统1是分光干涉式的膜厚测定装置。以下，主要说明对试样照射光并观测其反射光的光学系统(反射光观测系统)，但当然还能够应用于对试样照射光并观测其透射光的光学系统(透射光观测系统)。
在本说明书中，“膜厚”是指任意的试样中包括的特定层的厚度。但是，在试样由如晶圆那样的均匀的材质构成的情况下，与仅具有单个层的情况是等效的，要测定的膜厚是指试样的厚度。即，在本说明书中，“膜厚”并非仅指具有层叠构造的试样中包括的各层的厚度，还指试样本身的厚度。
图1是示出本实施方式所涉及的光学测定系统1的结构例的示意图。光学测定系统1包括：光源10，其产生用于对试样2照射的测定光；分光检测器20，其接收对试样2照射测定光而产生的观测光(反射光或透射光)；以及处理装置100，其被输入分光检测器20的检测结果。处理装置100基于分光检测器20的检测结果来计算与试样2有关的测定结果(典型的是膜厚)。光源10与分光检测器20经由具有朝向试样2的照射口的Y型光纤4来以光学方式连接。
在光学测定系统1中，对试样2照射来自光源10的测定光，通过观测由于在试样2内部产生的光干涉而出现的光，来测定试样2的膜厚等。
光源10产生具有规定的波长范围的测定光。测定光的波长范围根据应从试样2测定的波长信息的范围等来决定。光源10例如使用卤素灯、白色LED等。
光源10也可以产生含有近红外区域的成分的测定光。在该情况下，作为光源10，也可以采用ASE(Amplified Spontaneous Emission：放大自发辐射)光源。
图2是示出在本实施方式所涉及的光学测定系统1中使用的分光检测器20的概要结构的示意图。参照图2，分光检测器20针对规定的波长范围输出观测光的每个波长下的强度。
更具体地说，分光检测器20包括：衍射光栅22，其用于衍射经由Y型光纤4入射的光；受光元件24，其具有与衍射光栅22相对应地配置的多个通道；以及接口电路26，其与受光元件24电连接，用于向处理装置100输出检测结果。受光元件24由线传感器或二维传感器等构成，能够将每个频率成分下的强度作为检测结果输出。
图3是示出本实施方式所涉及的光学测定系统1中包括的处理装置100的结构例的示意图。参照图3，处理装置100包括处理器102、主存储器104、输入部106、显示部108、存储设备110、通信接口120、网络接口122以及媒体驱动器124。
处理器102典型的是CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、GPU(Graphics Processing Unit：图形处理单元)等运算处理部，将保存在存储设备110中的一个或多个程序读出到主存储器104中并执行该程序。主存储器104是DRAM(Dynamic RandomAccess Memory：动态随机存取存储器)或SRAM(Static Random Access Memory：静态随机存取存储器)之类的易失性存储器，作为用于处理器102执行程序的工作存储器而发挥功能。
输入部106包括键盘、鼠标等，用于受理来自用户的操作。显示部108向用户输出由处理器102执行的程序的执行结果等。
存储设备110由硬盘、闪存等非易失性存储器构成，用于存储各种程序、数据。更具体地说，存储设备110用于保持操作系统112(OS：operating system)、测定程序114、检测结果116以及测定结果118。
操作系统112提供处理器102执行程序的环境。测定程序114通过被处理器102执行，来实现本实施方式所涉及的光学测定方法等。检测结果116包含从分光检测器20输出的数据。测定结果118包含通过执行测定程序114而获得的测定结果。
通信接口120用于中继处理装置100与分光检测器20之间的数据传输。网络接口122用于中继处理装置100与外部的服务器装置之间的数据传输。
媒体驱动器124从保存有由处理器102执行的程序等的记录介质126(例如，光盘等)读出必要的数据，并保存在存储设备110中。此外，在处理装置100中执行的测定程序114等既可以经由记录介质126等安装，也可以经由网络接口122等从服务器装置下载。
测定程序114也可以是以规定的排列在规定的定时调用作为操作系统112的一部分而提供的程序模块中的必要的模块来执行处理的程序。在这种情况下，不包括该模块的测定程序114也包含在本发明的技术范围内。测定程序114也可以被编入其它程序的一部分来提供。
此外，也可以通过硬连线逻辑电路(例如FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)、ASIC(application specific integrated circuit：专用集成电路)等)来实现通过由处理装置100的处理器102执行程序而提供的功能的全部或一部分。
<B.概要>
本实施方式所涉及的光学测定系统1是分光干涉式的光学测定装置。光学测定系统1对试样2照射具有规定的波长范围的测定光，利用分光检测器20测定来自试样2的反射光(反射干涉光)或透射光(透射干涉光)的光谱，通过分析该光谱来计算试样2的膜厚。作为分析光谱的方法，典型地能够列举通过拟合进行分析的方法以及基于频率分析的方法。
例如，光学测定系统1在晶圆的制造工序中被用于膜厚的In-Situ(原位)测定等。为了一边磨削作为试样的晶圆一边实时地测定膜厚，需要利用高速的分光检测器(图3所示的分光检测器20)测定在试样内部产生的光干涉。分光检测器20的受光元件24例如采用将256～2048通道的Si基底的光电器件(CCD、NMOS、CMOS等)配置成阵列状的结构。
如果试样的膜厚变大，则在试样内部产生的干涉光谱变密，形成一个干涉波形的数据点变少，因此希望尽可能地增加通道数，但通道数的增加存在限制。因而，进行如下设计：使测定波长范围变窄来使每单位波长的通道数更多，由此使形成一个干涉波形的数据点增加。但是，如果测定波长范围过窄，则膜厚的可测定范围受到限制，因此使测定波长范围变窄也有限制。
在如上所述的通道数和测定波长范围的制约下，本申请发明人想到了如以下所说明那样的用于提高测定精度的各种改良。
图4是示出本发明的实施方式所涉及的光学测定系统1中的与膜厚测定有关的处理过程的概要的流程图。关于图4所示的处理过程，假定了以下情况：对同一试样2进行多次测定和/或对多个试样2连续地进行测定。
参照图4，处理装置100获取通过对配置在测定位置的试样2照射测定光而产生的观测光光谱(步骤S2)。即，执行以下处理：对试样2照射来自光源10的测定光，并获取作为从试样2产生的反射光或透射光的观测光的光谱。
处理装置100对获取到的观测光光谱执行如后述那样的预处理，来对观测光光谱进行修整(步骤S4)。然后，处理装置100对被修整后的观测光光谱进行傅立叶变换来计算功率谱(实测值)(步骤S6)，基于计算出的功率谱中出现的拐点(峰)的位置，来决定在后述的拟合中使用的膜厚的初始值(步骤S8)。这样，执行以下处理：基于在对观测光光谱进行傅立叶变换而获得的功率谱中出现的峰的位置，来决定试样2的膜厚的初始值。
接着，在假定了具有试样2的构造的模型的基础上，通过拟合来决定与测定出的观测光光谱相符合的模型的参数。
更具体地说，处理装置100定义试样2的包含膜厚作为参数的模型(步骤S10)。处理装置100基于当前设定的膜厚来计算所定义的模型的干涉光谱(步骤S12)。
处理装置100基于在步骤S2中获取到的观测光光谱与在步骤S12中计算出的干涉光谱之间的误差来判断拟合是否有所收敛(步骤S14)。
在拟合没有收敛的情况下(在步骤S14中为“否”)，则处理装置100根据观测光光谱与干涉光谱之间的误差来更新模型的参数(步骤S16)，重复进行步骤S12以后的处理。
另一方面，在拟合有所收敛的情况下(在步骤S14中为“是”)，处理装置100决定与当前的模型的参数对应的膜厚来作为测定结果(步骤S18)。
接着，处理装置100判断是否存在与同一试样2或相同种类的试样2有关的上次的测定结果(步骤S20)。如果不存在与同一试样2或相同种类的试样2有关的上次的测定结果(在步骤S20中为“否”)，则处理装置100跳过步骤S22和S24的处理。
如果存在与同一试样2或相同种类的试样2有关的上次的测定结果(在步骤S20中为“是”)，则处理装置100判断本次的测定结果是否满足预先决定的正常测定条件(步骤S22)。
如果本次的测定结果不满足正常测定条件(在步骤S22中为“否”)，则处理装置100执行与测定异常有关的处理(步骤S24)。另一方面，如果本次的测定结果满足正常测定条件(在步骤S22中为“是”)，则处理装置100跳过步骤S24的处理。
处理装置100判断是否指示了结束测定处理(步骤S26)。如果没有指示结束测定处理(在步骤S26中为“否”)，则处理装置100重复进行步骤S2以后的处理。
如果指示了结束测定处理(在步骤S26中为“是”)，则处理装置100结束测定处理。
通过如上所述的处理过程，依次测定试样2的膜厚。以下，对图4所示的处理过程中包括的几个处理的详情进行说明。
<C.预处理>
接着，说明图4所示的处理过程中的对观测光光谱进行修整的处理(步骤S4)。
光学测定系统1是利用在试样2内部产生的光干涉的光学测定系统，因此观测光光谱包含周期成分。大多使用离散傅立叶变换(DFT)来实现用于计算功率谱的傅立叶变换。数学傅立叶变换以无限长的波形为前提，与此相对地，离散傅立叶变换以无限重复规定长度的波长(有限波长)为前提。
因此，在作为处理对象的有限波长为本来的波长所具有的周期的整数倍(即，有限波长的起点的相位与终点的相位相同的情况)下，重复有限波长所得到的波长与本来的波长实质上相同。另一方面，在有限波长的起点的相位与终点的相位不同的情况下，先前的有限波长与后续的有限波长之间的连续性不被维持。
图5是用于说明在离散傅立叶变换中产生的波形的不连续的图。图5的(A)中示出作为计算对象的波形的一例。假定提取图5的(A)所示的波形中的任意的区间。
图5的(B)中示出所提取出的有限波形的起点的相位与终点的相位相同的情况。在该情况下，通过重复配置所提取出的有限波形，能够再现与本来的波形实质上相同的波形。
与此相对地，图5的(C)中示出所提取出的有限波形的起点的相位与终点的相位不相同的情况。在该情况下，通过重复配置所提取出的有限波形，会再现与本来的波形不同的波形。即，如果提取如图5的(C)所示的有限波形，则与对如图5的(C)的点划线所示的波形进行傅立叶变换得到的结果相同的结果被作为离散傅立叶变换的结果输出。即，离散傅立叶变换的计算结果包含误差。
因此，本实施方式所涉及的光学测定系统1获取观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的观测光光谱。典型地说，将由分光检测器20检测到的光谱修整为使起点的相位与终点的相位一致的观测光光谱。像这样获取到的观测光的光谱相当于观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的光谱。
下面，对用于获取使起点的相位与终点的相位一致的观测光光谱的几种方法进行说明。
(c1：观测光光谱的修整方法)
图6是用于说明本实施方式所涉及的光学测定系统1中的观测光光谱的修整方法的图。图6的(A)中示出作为分光检测器20的检测结果的、从试样2观测到的观测光光谱的一例。此外，从分光检测器20按每个通道(即，每个波长)输出观测光的强度。图6的(A)中示出对每个通道的强度进行插值所得到的连续波形。
为了使起点的相位与终点的相位一致，处理装置100从作为检测结果的观测光光谱的两侧起搜索特定相位的位置。使起点与终点一致的相位的值可以是任意值，但例如也可以基于观测光光谱中出现的拐点来决定相位一致的位置。
图6的(B)中示出基于观测光光谱中出现的谷(波形向下凸的顶点)来决定要作为观测光光谱提取的区间的一例。但是，也可以使用观测光光谱中出现的峰(波形向上凸的顶点)，还可以使用峰与谷之间的中间强度。
通常，分光检测器20构成为将1024个通道等适于离散傅立叶变换的通道数的强度作为检测结果来输出。但是，如图6的(B)所示，在提取出观测光光谱的一部分作为被进行修整的观测光光谱的情况下，成为通道数少于本来的通道数的光谱。因此，如图6的(C)所示，优选以适于离散傅立叶变换的通道数对所提取出的观测光光谱进行重新采样。
如图6所示，作为修整处理，处理装置100基于分光检测器20的检测结果来搜索示出相同相位的两个波长位置，并且从处于在检测结果中搜索到的两个波长位置之间的信息中提取观测光光谱。通过进行这样的修整处理，能够减少测定误差。
图7是示出图4所示的对观测光光谱进行修整的处理(步骤S4)的更详细的过程的流程图。参照图7，处理装置100对作为分光检测器20的检测结果的每个通道的强度进行插值，来生成观测光光谱(步骤S41)。然后，处理装置100从所生成的观测光光谱中的最小的通道编号侧起搜索第一拐点(步骤S42)，另外，从所生成的观测光光谱中的最大的通道编号侧起搜索第二拐点(步骤S43)。
此外，步骤S42和步骤S43的执行顺序不受限制。另外，设为第一拐点和第二拐点是相同种类的拐点(峰或谷)。
处理装置100提取从第一拐点到第二拐点的区间的光谱(步骤S44)。并且，处理装置100以规定的通道数对提取出的光谱进行重新采样，来生成修整后的观测光光谱(步骤S45)。
(c2：获取观测光光谱的其它结构)
在图6和图7中说明了根据输出预先决定的波长范围的光谱的分光检测器20的检测结果来对观测光光谱进行修整的例子，但也可以使用其它光学系统来获取使起点的相位与终点的相位一致的观测光光谱。
图8是示出在本实施方式所涉及的光学测定系统1的变形例中使用的分光检测器20A的概要结构的示意图。参照图8，分光检测器20A包括两个凹面镜204和206、构成为能够旋转的衍射光栅22以及具有单个通道的受光元件28。
来自试样2的光在穿过了分光检测器20A的光学狭缝202之后，按凹面镜204、衍射光栅22以及凹面镜206的顺序传播，穿过光学狭缝208而入射到受光元件28。
衍射光栅22使入射的光向与波长相应的方向反射。例如，如果入射到衍射光栅22的光包含波长f1、f2、f3的成分，则波长f1、f2、f3的各个波长的成分向与各波长相应的方向反射。最终，只有形成穿过光学狭缝208的光学路径的成分(波长)被受光元件28检测到。
在分光检测器20A中，衍射光栅22构成为能够旋转，向受光元件28入射的波长成分依赖于衍射光栅22的旋转角度。即，通过适当地控制衍射光栅22的旋转角度，能够依次变更向受光元件28入射的波长成分，也就是能够实现沿着波长的扫描。这样，衍射光栅22被配置为能够变更观测光所包含的波长成分中的向受光元件28入射的波长成分。
例如，扫描观测光光谱以找到示出特定相位的位置(例如，某一拐点)，通过将这些位置中的任意的2个点设定为起点和终点，能够决定作为离散傅立叶变换的对象的观测光光谱。
图9是示出本实施方式所涉及的光学测定系统1的变形例中的用于获取观测光光谱的更详细的过程的流程图。此外，代替图4所示的获取观测光光谱的处理(步骤S2)和对观测光光谱进行修整的处理(步骤S4)而执行图9所示的处理。
参照图9，处理装置100指示分光检测器20A从任意的下限波长起进行扫描(步骤S21)，在从分光检测器20A输出的检测结果中搜索产生拐点的波长(步骤S22)。处理装置100将通过搜索得到的波长决定为测定开始波长(步骤S23)。
另外，处理装置100指示分光检测器20A从任意的上限波长起进行扫描(步骤S24)，在从分光检测器20A输出的检测结果中搜索产生拐点的波长(步骤S25)。处理装置100将通过搜索得到的波长决定为测定结束波长(步骤S26)。
然后，处理装置100指示分光检测器20A进行从步骤S23中决定的测定开始波长到步骤S26中决定的测定结束波长为止的扫描(步骤S27)，将依次输出的检测结果与波长建立关联并作为观测光光谱进行保存(步骤S28)。
这样，在采用了如图8所示的分光检测器20A的情况下，处理装置100使向分光检测器20A的受光元件28入射的波长成分依次不同，搜索示出相同相位的两个波长位置，并使处于搜索到的这两个波长位置之间的波长成分依次入射到分光检测器20A的受光元件28，由此获取观测光光谱。通过使用这样的观测光光谱，能够减少测定误差。
(c3：测定结果例)
说明使用了如上所述的使起点的相位与终点的相位相同的观测光光谱的情况下的测定结果的一例。
图10是示出根据在本实施方式所涉及的光学测定系统1中测定出的观测光光谱计算出的功率谱的一例的图。图11是将图10所示的关注区域进行放大的图。
参照图10，功率谱的横轴表示试样2的膜厚，纵轴表示功率。在功率谱中，在与作为测定对象的试样2的膜厚相当的位置处产生峰(拐点)。通过搜索功率谱或者进行与根据模型计算出的功率谱(理论值)的拟合，来决定峰的位置，由此能够计算试样2的膜厚。
通过傅立叶变换计算出的功率谱的横轴的分辨率(膜厚的间距)取决于向分光检测器20的受光元件24入射的波长范围和分光检测器20的通道数(波长分辨率)。通常，功率谱的分辨率对于所要求的测定精度而言不足，因此如图11所示那样进行利用多项式等对功率谱的峰附近的数据点进行插值(内插)的处理。
参照图11，在不进行预处理的情况下，构成功率谱的数据点(□点)未必存在于本来的峰的位置，还有时位于该峰的位置的附近。即使对这样的数据点的分布进行了插值，也残留关于峰的位置的不确定性。
与此相对地，通过进行预处理，使得构成功率谱的数据点(◇点)存在于本来的峰的位置。通过得到这样的数据点的分布，能够通过插值处理来提高功率谱的分辨率。
<D.拟合>
接着，对图4所示的处理过程中的拟合(步骤S10～S18)进行说明。在拟合中，以使根据包含膜厚作为参数的试样2的模型计算出的干涉光谱与观测光光谱一致的方式对模型的参数进行更新，来决定试样2的膜厚。
更具体地说，假定具有膜厚d1和已知的光学常数(折射率n1和消光系数k1)的模型，来计算干涉光谱。以下，对由反射光观测系统得到的反射率干涉光谱进行说明，但对于由透射光观测系统得到的透射率干涉光谱，也能够通过同样的过程来计算。
首先，假定在空气(复折射率N0)中配置有试样(复折射率N1)的状态。复折射率N0和复折射率N1能够表示为以下的(1-1)式和(1-2)式。
N0＝n0 …(1-1)
N1＝n1-jk1 …(1-2)
其中，n0(＝1)是空气的折射率，n1是试样的折射率，k1是试样的消光系数，j是虚数单位。
考虑到试样内部的多重反射而导入在试样中产生的反射光(空气→试样→空气)的振幅反射率r01和相位因子β1。
关于振幅反射率r01，根据菲涅尔系数计算s偏振光的振幅反射率和p偏振光的振幅反射率。在测定光相对于试样垂直地入射的情况下，由于s偏振光与p偏振光的差异消失，因此s偏振光和p偏振光均能够设为相同的振幅反射率r01来处理。
在此，若假定试样的光学常数，消光系数k1相比于折射率n1而言足够小(n1>>k1：作为一例，n1≈3～4，k1≈10-5～10-4)。因此，如果与消光系数k1≈0进行近似，则能够得到如以下的(2)式那样的近似式。此时，振幅反射率r01和相位因子β1均为实数。(2)式中的强度反射率R成为反射率干涉光谱。
Figure BDA0003012063670000151
Figure BDA0003012063670000152
Figure BDA0003012063670000153
这样，试样的模型采用模拟了在试样的内部产生的光干涉的、包含膜厚和光学常数的数式。
关于强度反射率R，引发试样表面的反射光与试样背面的反射光相互减弱的干涉的条件能够如以下的(3)式那样表示。
Figure BDA0003012063670000161
其中，2m+1是干涉次数，m是干涉次数指数(m＝1，2，3...)，n1(λ)表示试样的折射率n1具有针对波长λ的波长依赖性。
相位因子β1包含试样的膜厚d1作为变量，在拟合中，在将试样的膜厚d1设定为初始值(在图4的步骤S8中决定)之后，使膜厚d1依次变化，使得计算出的强度反射率R(反射率干涉光谱)与测定出的观测光光谱一致。例如，在采用最小二乘法作为拟合的方法的情况下，使膜厚d1依次变化，使得强度反射率R与观测光光谱之间的误差(例如，残差平方和)最小化。
但是，在拟合中，干涉次数指数m也能够成为变动参数。
<E.测定结果例>
接着，对由本实施方式所涉及的光学测定系统1得到的测定结果的一例进行说明。作为试样的一例，将两张玻璃板以不平行的方式进行配置，针对使玻璃板间的空隙倾斜地变化的伪试样进行了测定。
图12是示出不进行预处理的情况下的测定结果的一例的图。图13是示出进行了预处理的情况下的测定结果的一例的图。
图12的(A)和图13的(A)中示出伪试样50的截面构造的一例。伪试样50包括配置在上侧的玻璃板51和配置在下侧的玻璃板52。在玻璃板51与玻璃板52之间存在空隙53，光学测定系统1测定空隙53的膜厚。在图12的(B)和图13的(B)所示的测定结果的例子中示出沿着图纸横向测定200个点的膜厚而得到的面内分布(膜厚分布)。
在图12的(B)所示的测定结果中可知在原本应线性地变化的膜厚分布中产生了波动。在该膜厚分布中产生的波动是由于功率谱的分辨率对于所要求的测定精度而言不足引起的。如上述的图11所示，在不进行预处理的情况下，未必在功率谱的峰位置存在数据点(□点)。在峰位置不存在数据点的情况下，无法准确地再现功率谱的波形，从而从功率谱读取的峰的位置的精度降低。另外，所读取的峰的位置发生偏离。
与此相对地，在图13的(B)所示的测定结果中呈现出线性地变化的膜厚分布。这是由于，通过预处理对观测光光谱进行修整，由此在功率谱的峰的位置存在数据点(◇点)。由此，就峰的位置而言，能够更准确地再现功率谱的波形，能够提高从功率谱读取的峰的位置的读取精度。
并且，本实施方式所涉及的光学测定系统1并非将基于从功率谱读取的峰的位置决定的膜厚直接作为测定值，而是进一步应用拟合，由此能够进一步提高测定精度。此外，由于从功率谱读取的峰的位置的偏离而有可能在拟合中决定错误的干涉次数。通过进行如上所述的预处理，能够降低这种错误地决定干涉次数的可能性。
<F.正常测定条件>
接着，对图4所示的处理过程中的正常测定条件的监视(步骤S22～S24)进行说明。在正常测定条件的监视中执行以下处理：判断通过拟合决定的膜厚是否满足基于先前获取到的膜厚的正常测定条件。
如上所述，在通过拟合决定试样2的膜厚的处理中有可能决定错误的干涉次数。在该情况下，可能将相对于本来的膜厚偏离了预先决定的大小的误差的值决定为测定结果。因此，在连续的测定中，能够基于先前的测定结果判断是否正常地进行了测定。
因此，通过采用基于先前获取到的测定结果的正常测定条件，还能够进行误测定(误判断为拟合有所收敛)的检测及其校正。
图14是用于说明由本实施方式所涉及的光学测定系统1进行的与正常测定条件有关的处理的图。假定对同一试样2进行多次测定，或者对同一种类的试样2进行连续的测定。在这样的测定中，预定输出大致相同的测定结果。
然而，还有可能如图14所示那样发生误测定。在本实施方式所涉及的光学测定系统1所采用的光学测定方法中，具有因干涉次数的偏差而产生离散的误差这样的特征，因此能够基于先前的测定结果检测该离散的误差。因此，作为正常测定条件，也可以包括以下条件：本次决定的膜厚相对于先前从同一试样或其它试样获取到的膜厚的误差在预先决定的范围内。
并且，在发生了误测定的情况下，也可以再次执行拟合，但由于能够预先计算出所发生的误差的大小，因此也可以在事后进行校正。
图15是示出用于在本实施方式所涉及的光学测定系统1中设定正常测定条件的接口画面300的一例的示意图。参照图15，接口画面300包括有效化开关302、校正量设定栏304、判定变化量设定栏306以及判定上下限量设定栏308。
有效化开关302用于受理使基于正常测定条件的判断有效化/无效化的设定。校正量设定栏304用于受理判断为发生了误测定时的校正量的设定。判定变化量设定栏306用于受理用于判断为发生了误测定的第一阈值的设定。判定上下限量设定栏308用于受理第二阈值的设定，该第二阈值用于判断为不是误测定而是测定本身存在某种问题。
图16是示出图4所示的与正常测定条件有关的处理(步骤S22和S24)的更详细的过程的流程图。
参照图16，处理装置100计算本次的测定结果与预先设定的基准值的误差(步骤S221)。处理装置100判断所计算出的误差的绝对值是否超过了在判定上下限量设定栏308(参照图15)中设定的第二阈值(步骤S222)。如果计算出的误差的绝对值超过了第二阈值(在步骤S222中为“是”)，则处理装置100判断为是测定本身的异常(步骤S223)。然后，处理装置100对本次的测定结果附加测定异常的信息(步骤S241)。
另一方面，如果计算出的误差的绝对值没有超过第二阈值(在步骤S222中为“否”)，则处理装置100判断所计算出的误差的绝对值是否超过了在判定变化量设定栏306(参照图15)中设定的第一阈值(步骤S224)。如果计算出的误差的绝对值超过了第一阈值(在步骤S224中为“是”)，则处理装置100判断为发生了误测定(步骤S225)。然后，处理装置100根据计算出的误差的方向(正方向或负方向)，对测定结果减去或加上在校正量设定栏304(参照图15)中设定的校正量，来计算校正后的测定结果(步骤S242)。这样，也可以执行以下处理：在判断为通过拟合决定的膜厚不满足正常测定条件时，对所决定的该膜厚进行校正。
如果计算出的误差的绝对值没有超过第一阈值(在步骤S224中为“否”)，则处理装置100判断为没有发生误测定(步骤S226)。在该情况下，可以不进行任何处理。但是，也可以对本次的测定结果附加测定正常的信息。
此外，关于预先设定的基准值，既可以直接利用上次的测定结果，也可以利用根据正常地测定出的过去的多个测定结果而计算出的平均值。或者，也可以采用试样的事先的设计值。
另外，也可以根据被决定为在拟合中使用的初始值的膜厚来预先设定在校正量设定栏304中设定的校正量。或者，也可以将在发生了误测定时产生的误差的平均值设定为校正量。
另外，如果考虑干涉次数不是仅发生1个偏差而是发生2个以上偏差的可能性，则也可以根据计算出的误差的大小，对测定结果减去或加上在校正量设定栏304中设定的校正量的整数倍，来计算校正后的测定结果。
此外，在上述的处理过程中，作为与测定异常有关的处理(步骤S24)，例示了对测定结果进行校正的处理，但不限于此，也可以包括通知或记录发生了误测定的处理。即，也可以执行以下处理：当判断为通过拟合决定的膜厚不满足正常测定条件时，通知未满足正常测定条件。
并且，作为与测定异常有关的处理(步骤S24)，也可以不是对测定结果进行校正，而是再次执行拟合。
通过如以上那样的处理，即使在发生了误测定的情况下，也能够适当地发现并进行校正。
<G.功能结构>
图17是示出本实施方式所涉及的光学测定系统1提供的功能结构的一例的示意图。典型地说，图17所示的各功能可以通过由光学测定系统1的处理装置100的处理器102执行测定程序114来实现。此外，关于实现图17所示的功能结构的硬件，根据各时代选择适当的硬件。
参照图17，处理装置100包括光谱获取模块150、傅立叶变换模块160、初始值决定模块162、拟合模块164、判断模块166、校正模块168以及通知模块170作为功能结构。
光谱获取模块150获取对试样照射测定光而产生的观测光(反射光或透射光)的光谱。光谱获取模块150将观测光所包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的光谱作为观测光光谱来输出。
更具体地说，光谱获取模块150包括缓冲器152、预处理模块154以及分光检测器控制模块156。缓冲器152用于保存分光检测器20的检测结果。预处理模块154基于保存在缓冲器152中的分光检测器20的检测结果(分光检测器20的波长范围的光谱)，来搜索示出相同相位的两个波长位置，并且从处于在检测结果中搜索到的两个波长位置之间的信息中提取观测光光谱。
分光检测器控制模块156根据需要对分光检测器20给出指示。例如，在采用了如图8所示的分光检测器20A的情况下，为了获取修整后的观测光光谱，分光检测器控制模块156对分光检测器20A给出与作为检测对象的波长有关的指示等。更具体地说，分光检测器控制模块156使向分光检测器20A的受光元件28入射的波长成分依次不同，搜索示出相同相位的两个波长位置，并使处于搜索到的这两个波长位置之间的波长成分依次入射到分光检测器20A的受光元件28，由此获取观测光光谱。
傅立叶变换模块160对由光谱获取模块150获取到的观测光光谱进行傅立叶变换来计算功率谱。初始值决定模块162基于由傅立叶变换模块160计算出的功率谱中出现的峰的位置来决定试样的膜厚的初始值。
拟合模块164通过针对由光谱获取模块150获取到的观测光光谱的拟合来决定试样的膜厚。更具体地说，拟合模块164以使根据包含膜厚作为参数的试样的模型计算出的干涉光谱与观测光光谱一致的方式对模型的参数进行更新，来决定试样的膜厚。
判断模块166判断由拟合模块164决定的膜厚是否满足基于先前获取到的测定结果的正常测定条件。
当判断为由拟合模块164决定的膜厚不满足正常测定条件时，校正模块168对所决定的该膜厚进行校正。
当判断为由拟合模块164决定的膜厚不满足正常测定条件时，通知模块170通知未满足正常测定条件。
<H.变形例>
在上述的说明中，示出了对修整后的观测光光谱进行傅立叶变换而计算出的功率谱(实测值)用于决定在后续的拟合中使用的膜厚的初始值的例子，但也可以将根据功率谱(实测值)决定的膜厚直接作为测定结果来输出。在该情况下也是，为了提高测定精度，修整为使起点的相位与终点的相位一致的观测光光谱的处理是有效的。
另外，在上述的说明中，对光学测定系统1的处理装置100执行必要的处理的结构例进行了说明，但不限于此，例如既可以在多个处理装置中分担处理，也可以由分光检测器20负责一部分处理。并且，未图示的网络上的计算资源(所谓的云)也可以负责必要的处理的全部或一部分。
<I.总结>
在本实施方式所涉及的光学测定装置中，基于对从试样获取到的观测光光谱进行傅立叶变换而计算出的功率谱来决定膜厚的初始值，并且使用所决定的该膜厚的初始值将观测光光谱与根据试样的模型计算出的干涉光谱进行拟合，由此决定试样的膜厚。通过采用这种将使用傅立叶变换的方法和使用拟合的方法进行整合而得到的测定方法，能够利用各个方法的优点来提高膜厚的测定精度。
在本实施方式所涉及的光学测定装置中，使用被设定为两端的相位相同的波长区间的观测光光谱(修整后的观测光光谱)来执行用于计算膜厚的处理，由此能够提高膜厚的测定精度。此外，还假定使用窗函数等将分析范围的两端的振幅设为零的方法，但通过使用窗函数等反而有可能产生误差。与此相对地，在本实施方式中，通过采用以两端的相位相同的方式提取特定的波长区间的方法，能够防止由于利用窗函数而产生的误差。
在本实施方式所涉及的光学测定装置中，通过将观测光光谱与根据试样的模型计算出的干涉光谱进行拟合来决定试样的膜厚，但如果干涉次数变大，则有可能以错误的干涉次数判断为拟合有所收敛。在本实施方式所涉及的光学测定装置中，通过使用修整后的观测光光谱，能够提高在拟合中使用的膜厚的初始值的决定精度，因此能够降低以错误的干涉次数判断为拟合有所收敛的可能性。
在本实施方式所涉及的光学测定装置中，判断所计算出的膜厚是否满足正常测定条件，如果判断为不满足正常测定条件，则根据需要对测定出的膜厚进行校正。通过采用这样的针对正常测定条件的判断处理以及针对膜厚的校正处理，即使在万一以错误的干涉次数判断为拟合有所收敛的情况下，也能够对其进行探测和校正。
对本发明的实施方式进行了说明，但应认为此次公开的实施方式在所有方面均为例示性的而非限制性的。本发明的范围通过权利要求书表示，意图包括与权利要求等同的含义和范围内的所有变更。

Claims (8)

1.一种光学测定系统，具备：
光源，其用于产生测定光；
受光部，其接收对试样照射所述测定光而产生的反射光或透射光来作为观测光；
获取单元，其获取所述观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的观测光光谱；
初始值决定单元，其基于在对所述观测光光谱进行傅立叶变换而得到的功率谱中出现的峰的位置，来决定所述试样的膜厚的初始值；
拟合单元，其以使根据包含膜厚作为参数的所述试样的模型计算出的干涉光谱与所述观测光光谱一致的方式对所述模型的参数进行更新，来决定所述试样的膜厚；以及
判断单元，其判断所决定的该膜厚是否满足基于先前获取到的膜厚的条件。
2.根据权利要求1所述的光学测定系统，其特征在于，
所述受光部包括针对规定的波长范围输出所述观测光的每个波长下的强度的分光检测器，
所述获取单元基于所述受光部的检测结果来搜索示出相同相位的两个波长位置，并且从处于在所述检测结果中搜索到的两个波长位置之间的信息中提取所述观测光光谱。
3.根据权利要求1所述的光学测定系统，其特征在于，
所述受光部包括受光元件和衍射光栅，其中，所述衍射光栅被配置为能够变更所述观测光所包含的波长成分中的向所述受光元件入射的波长成分，
所述获取单元使向所述受光部的受光元件入射的波长成分依次不同，搜索示出相同相位的两个波长位置，并使处于所搜索到的这两个波长位置之间的波长成分依次入射到所述受光部的受光元件，由此获取所述观测光光谱。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的光学测定系统，其特征在于，
所述条件包括以下条件：本次决定的膜厚相对于先前从同一试样或其它试样获取到的膜厚的误差在预先决定的范围内。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的光学测定系统，其特征在于，
所述试样的模型是模拟了在所述试样的内部产生的光干涉的、包含膜厚和光学常数的数式。
6.根据权利要求1～3中的任一项所述的光学测定系统，其特征在于，
还具备校正单元，当判断为所决定的所述膜厚不满足所述条件时，所述校正单元对所决定的该膜厚进行校正。
7.根据权利要求1～3中的任一项所述的光学测定系统，其特征在于，
还具备通知单元，当判断为所决定的所述膜厚不满足所述条件时，所述通知单元通知未满足该条件。
8.一种光学测定方法，包括对试样照射来自光源的测定光并获取作为从所述试样产生的反射光或透射光的观测光的光谱的步骤，所述观测光的光谱是所述观测光中包含的波长范围内的、被设定为两端的相位相同的波长区间的光谱，
所述光学测定方法还包括以下步骤：
基于在对所述观测光的光谱进行傅立叶变换而得到的功率谱中出现的峰的位置，来决定所述试样的膜厚的初始值；
以使根据包含膜厚作为参数的所述试样的模型计算出的干涉光谱与所述观测光光谱一致的方式对所述模型的参数进行更新，来决定所述试样的膜厚；以及
判断所决定的该膜厚是否满足基于先前获取到的膜厚的条件。
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