JP2010002327A - 膜厚測定装置および膜厚測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モデル化部721Aは、フィッティング部722Aからのパラメータ更新指令に従って第1層の膜厚d1を順次更新し、この更新後の第1層の膜厚d1に従って理論反射率を示す関数を更新する。さらに、モデル化部721Aは、更新後の関数に従って、各波長における理論反射率(スペクトル)を繰返し算出する。このような手順によって、第1層の膜厚d1がフィッティングによって決定される。フィッティングが規定回数以内に収束しなかった場合には、フーリエ変換を用いて、第1層の膜厚d1が決定される。
【選択図】図21
Description
好ましくは、所定の波長範囲は、赤外帯域の波長を含む。
好ましくは、解析手段は、最適化法を用いて波数分布特性に含まれる各波数成分の振幅値を取得する。
図1は、この発明の実施の形態に従う膜厚測定装置100の概略構成図である。
まず、被測定物に測定光を照射した場合に観測される反射光について、数学的および物理的に検討を行う。
光が干渉可能な膜厚をもつ層内では、上式で表される反射率で反射する光が層内を何度も往復する。そのため、隣接する層との界面で直接反射した光と層内を多重反射した後の光との間ではその光路長が異なるため、位相が互いに異なったものとなり、Si層1の表面において光の干渉が生じる。このような、各層内における光の干渉効果を示すために、i層の層内における光の位相角βiを導入すると、以下のように表わすことができる。
より単純化するために、被測定物OBJに対して垂直に光が照射される場合、すなわち入射角φi=0とすると、P偏光とS偏光との区別はなくなり、各層間の界面における振幅反射率および薄膜の位相角β1は以下のようになる。
図3は、本実施の形態に従う膜厚測定装置100を用いてSOI基板を測定した場合の測定結果を示す図である。なお、図3には、測定光として、波長範囲が900〜1600nmであるものを用いた場合(図3(a))、および波長範囲が1340〜1600nmであるものを用いた場合(図3(b))の測定例を示す。なお、測定波長に応じて回折格子62を適切な特性を有するものを選択し、反射光が入射する検出部64(図1)での検出ポイント数(検出チャンネル数)はいずれも同一(たとえば、512チャンネル)であるとした。言い換えれば、波長範囲が狭いほど、検出ポイントあたりの波長間隔(すなわち、波長分解能)は小さくなる。
図4は、本実施の形態に従う膜厚測定装置100を用いてSOI基板を測定した別の測定結果を示す図である。図4には、Si層1の膜厚が10.0μm(設計値)であり、SiO2層2の膜厚が0.3μm(設計値)である場合の測定例を示す。また、図4(a)には、可視帯域(330〜1100nm)の波長成分をもつ測定光を用いた場合を示し、図4(b)には、赤外帯域(900〜1600nm)の波長成分をもつ測定光を用いた場合を示す。なお、上述したように、検出部64(図1)での検出ポイント数(検出チャンネル数)はいずれも同一である。
上述した膜厚の測定方法によれば、対象の被測定物内で光干渉を生じる波長を見つける必要があるので、検出部64が光干渉を生じ得る波長範囲をもつ必要がある。すなわち、図6(a)に示すように、被測定物に対して測定される反射率波形が検出部64の検出波長範囲において1周期以上変化する必要がある。
図6(b)に示すように、測定光の波長が長くなるほど、被測定物に対して測定される反射率波形の周期は長くなる。図6(c)に示す反射率波形は、図6(b)に示す反射率波形を波数(1/f)の座標に変換したものである。このとき、InGaAsなどの各アレイ素子が波長について等間隔に配置されているとすると、波数に対する各アレイ素子の配置間隔は波数が小さくなるほど広がることがわかる。
図2に示すようなSOI基板のSi層1の膜厚を測定する場合に必要とされる条件について計算した一例を以下に示す。
上述したように、被測定物の膜厚は、反射率スペクトルの周期性に基づいて算出することができる。すなわち、検出された反射率スペクトルを周波数変換してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルに現れるピークから膜厚を算出できる。このようなパワースペクトルは、現実的にはFFTなどの離散的なフーリエ変換法によって算出される。しかしながら、FFTでは周期性を十分に反映したパワースペクトルを得られない場合もある。そのため、本実施の形態に従う膜厚測定装置100は、パワースペクトルの算出方法として、FFTなどの離散的なフーリエ変換に加えて、MEMなどの最適化法を実行可能に構成される。すなわち、本実施の形態に従う膜厚測定装置100は、検出された反射率スペクトルに応じて、フーリエ変換および最適化法を選択的または併合的に実行する。なお、MEMの処理の詳細については、「科学計測のための波形データ処理 計測システムにおけるマイコン/パソコン活用技術」、南茂夫編著、CQ出版社、1992年8月1日第10版発行などに詳しいので、そちらを参照されたい。
図10は、この発明の実施の形態に従うデータ処理部70の概略のハードウェア構成を示す模式図である。
本実施の形態に従うデータ処理部70は、被測定物の各層のパラメータ(材質、膜厚、膜厚範囲、屈折率、消衰係数など)のうち未知の値の種類や数、および解析精度などに応じて、以下に示す処理パターン1〜6のいずれかを選択して実行することが可能である。なお、以下の説明では、図2に示すSOI基板のように、積層された2層(それぞれ「第1層」および「第2層」とも称す。)の膜厚をそれぞれ独立に算出する場合について例示するが、同様の手順によって、より多くの積層された膜厚をそれぞれ独立に算出することが可能である。
処理パターン1は、第1層および第2層の屈折率および消衰係数が既知である場合に実行可能な膜厚算出処理である。この処理パターン1では、各層の膜厚はいずれもフィッティング法によって決定される。なお、フィッティング法として、代表的に、最小二乗法を用いる場合について例示する。
処理パターン2は、第1層および第2層の屈折率および消衰係数が既知である場合に実行可能な膜厚算出処理である。この処理パターン2では、膜厚の大きい第1層を離散的なフーリエ変換を用いた周波数変換によって求め、この第1層の膜厚を固定値として、第2層の膜厚をフィッティング法によって決定する。なお、フィッティング法として、代表的に、最小二乗法を用いる場合について例示する。
処理パターン3は、第1層および第2層の屈折率および消衰係数が既知である場合に実行可能な膜厚算出処理である。この処理パターン3は、上述の処理パターン2に比較して、第1層の膜厚の算出に際して、フーリエ変換ではなく最適化法を用いる点が異なる。その他の処理については、上述の処理パターン2と同様である。
処理パターン4は、処理パターン1を改良した方法であり、フィッティングによる収束をより確実にする。すなわち、SOI基板のように、第1層と第2層との膜厚が大きく異なっているような被測定物では、各層の膜厚をフィッティングするための初期値が重要である。そこで、処理パターン4では、まず最適化法を用いて各層の膜厚の初期値を決定し、これらの初期値を用いてフィッティング法によって、第1層および第2層の膜厚を決定する。
処理パターン5は、一方の層の膜厚が既知であって、他方の層の膜厚のみを解析する場合に適用される方法であり、上述の処理パターン1を変形したものである。以下の説明では、被測定物の第2層の膜厚が既知であり、第1層の膜厚をフィッティングによって決定する方法を例示する。
図20は、この発明の実施の形態に従う処理パターン5に係る膜厚算出処理の手順を示すフローチャートである。図20に示すフローチャートは、図12に示すフローチャートにおいてステップS110,S118,S120に代えて、それぞれステップS110A,S118A,S120Aの処理を設けたものであり、その他の処理については同一符号を付した各ステップと同様であるので、詳細な説明は繰返さない。以下、図12と異なる処理について説明する。
なお、上述の処理パターン1と同様に、波長分散を考慮した屈折率および消衰係数を用いてもよい。その詳細な関数については、上述したので、詳細な説明は繰返さない。
処理パターン6は、一方の層の膜厚が既知であって、他方の層の膜厚のみを解析する場合に適用される方法であり、上述の処理パターン5を変形したものである。以下の説明では、被測定物の第2層の膜厚が既知であり、第1層の膜厚をフィッティングまたはフーリエ変換によって決定する方法を例示する。
図23は、この発明の実施の形態に従う膜厚測定装置を用いてSOI基板の膜厚を測定した結果例を示す。なお、図23には、反射率スペクトルを周波数変換(FFT変換)して得られたパワースペクトルを示す。
<遮蔽部材の介在>
上述したように、本実施の形態に従う膜厚測定装置100は、主として赤外帯域における反射率スペクトルに基づいて被測定物OBJの膜厚を測定するので、測定用光源10(図1)から被測定物OBJまでの経路上に高分子樹脂のような遮蔽部材が存在していても測定が可能である。すなわち、高分子樹脂のような部材は、可視帯域の光を透過させないが、赤外帯域の光を透過させることができる。
被測定物OBJに対する測定光の照射および反射光の受光を行うための光学系として、Y型ファイバを用いてもよい。
本発明に係るプログラムは、コンピュータのオペレーティングシステム(OS)の一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定の配列で所定のタイミングで呼出して処理を実行させるものであってもよい。その場合、プログラム自体には上記モジュールが含まれずOSと協働して処理が実行される。このようなモジュールを含まないプログラムも、本発明に係るプログラムに含まれ得る。
Claims (8)
- 基板上に複数の層が形成された被測定物に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射する光源を備え、前記被測定物は、前記光源に最も近い第1層と前記第1層に隣接する第2層とを含み、さらに
前記被測定物で反射された光または前記被測定物を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得する分光測定部と、
前記被測定物に含まれる各層の膜厚を含むモデル式を用いて、前記波長分布特性に対してフィッティングを行うことにより、少なくとも前記第1層の膜厚を決定する第1決定手段と、
前記波長分布特性における各波長とその波長における反射率または透過率の値との対応関係を、各波長についての波数と所定の関係式に従って算出される変換値との対応関係に変換することで、波数分布特性を生成する変換手段と、
前記波数分布特性に含まれる各波数成分の振幅値を取得する解析手段と、
前記波数分布特性に含まれる振幅値の大きな波数成分に基づいて、少なくとも前記第1層の膜厚を決定する第2決定手段とを備え、
前記第1決定手段および前記第2決定手段は、選択的に有効化される、膜厚測定装置。 - 前記被測定物に含まれる各層の膜厚を含むモデル式に、前記第2決定手段により決定された前記第1層の膜厚の値を設定した上で、前記波長分布特性に対してフィッティングを行うことにより、前記第2層の膜厚を決定する第3決定手段をさらに備える、膜厚測定装置。
- 前記第2決定手段は、前記第1決定手段によるフィッティングが規定回数以内に収束しない場合に有効化される、請求項1または2に記載の膜厚測定装置。
- 前記モデル式は、屈折率を示す波長についての関数を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
- 前記所定の波長範囲は、赤外帯域の波長を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
- 前記解析手段は、前記波数分布特性を離散的にフーリエ変換する手段を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
- 前記解析手段は、最適化法を用いて前記波数分布特性に含まれる各波数成分の振幅値を取得する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
- 基板上に複数の層が形成された被測定物に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射するステップを備え、前記被測定物は、前記測定光が最初に入射する第1層と前記第1層に隣接する第2層とを含み、さらに
前記被測定物で反射された光または前記被測定物を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得するステップと、
前記被測定物に含まれる各層の膜厚を含むモデル式を用いて、前記波長分布特性に対してフィッティングを行うことにより、少なくとも前記第1層の膜厚を決定する第1決定ステップと、
前記波長分布特性における各波長とその波長における反射率または透過率の値との対応関係を、各波長についての波数と所定の関係式に従って算出される変換値との対応関係に変換することで、波数分布特性を生成するステップと、
前記波数分布特性に含まれる各波数成分の振幅値を取得するステップと、
前記波数分布特性に含まれる振幅値の大きな波数成分に基づいて、少なくとも前記第1層の膜厚を決定する第2決定ステップと、
前記第1決定ステップおよび前記第2決定ステップを選択的に有効化するステップとを備える、膜厚測定方法。
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