JP2013120063A - 表面処理状況モニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングや研磨などの表面処理加工実行中に、高い精度で孔深さや基板厚さを算出する。
【解決手段】差分スペクトル算出部４２は、或る時点で取得したスペクトルとそれから所定時間（測定対象構造に対する光学距離変化が測定光の１波長を超えない程度の時間以内）だけ遡った時点で取得したスペクトルとの差分を計算する。観測スペクトルに含まれる干渉に起因しないベーススペクトルは共通であるとみなせるので、差分スペクトルはベーススペクトルを含まない実質的に正規化された干渉スペクトルである。フーリエ変換演算部４３が差分スペクトルに対しフーリエ変換等による周波数解析を実行すると、得られる信号には干渉に起因する光路長に対応した明瞭なピークが現れる。光学距離算出部４４はこのピーク位置から光路長を求め、孔深さを算出して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種のエッチング加工によって半導体基板などに形成される微細な孔、例えばＴＳＶ（＝Through Silicon Via：シリコン貫通ビア）、の深さや段差、或いは、各種の研磨加工によって表面が削られる基板や結晶体などの厚さなどを、加工中に略リアルタイムで測定するための表面処理状況モニタリング装置に関する。

半導体集積回路の製造プロセスでは、シリコンウエハ等の半導体基板にごく微細な孔や溝を形成するために低圧プラズマ等を用いたエッチング加工が行われている。通常、エッチング工程では、まず、基板上で孔や溝を形成しない部分にレジスト膜によるマスキングを行った上でエッチング加工を実行する。これにより、マスキングされていない部分のみが選択的に削られるから、加工後にレジスト膜を除去することで任意の形状の孔や溝を形成することが可能となる。このときに形成される孔や溝の深さはエッチングの時間、ガス種類、ガス圧などの様々な条件に依存するから、孔や溝の深さを目標深さにするために、加工中に実際の深さをモニタリングしながらエッチングの終了点を決めたり条件を調整したりする制御がなされる。

エッチングによって形成される微細孔の深さや段差、又は削られる膜層の膜厚、さらには、研磨等によって表面が徐々に削られる基板や結晶体の厚さなどを光学的に測定する技術として、以下に述べるように、従来から様々な提案がなされている。

特許文献１〜３には、計測対象である孔や溝の低部からの反射光とその孔周囲や溝上縁の部位からの反射光との干渉により生じる干渉光、或いは計測対象である基板表面からの反射光と基板底面からの反射光との干渉により生じる干渉光を分光測定することで干渉スペクトルデータを取得し、そのスペクトルに対するフィッティングによって干渉縞を解析し、その干渉縞に基づいて孔や溝深さ、或いは基板や膜層の厚さを算出する装置が開示されている。

また特許文献４には、計測対象である膜層の両面からの反射光の干渉により生じる干渉光を分光測定することで干渉スペクトルデータを取得し、そのスペクトルに対するフーリエ変換を実行することにより膜厚を求めることが開示されている。

また特許文献５、６には、分光測定により取得した干渉スペクトルに対し時間微分を適用し、計算した時間微分スペクトルと予め求めておいた所望のプロセス条件を満たした際の過去の参照スペクトルとの比較を行うことにより、プロセスの進行をチェックすることが開示されている。

上述した従来手法はいずれも、測定対象からの干渉光を分光測定することで干渉スペクトルを求め、そのスペクトルに対して何らかのデータ処理や演算を実行して目的とする結果を得るものである。一般に、分光測定によって取得されたスペクトルには、測定対象である構造に起因するスペクトル干渉縞以外に、様々な要因による波長特性が含まれる。そのため、上記手法の中で干渉スペクトルを元にフィッティング又は周波数解析を用いる手法では、フィッティングや周波数解析を行う前に、取得されたスペクトルから測定対象である構造に起因するスペクトル干渉縞のみを抽出する必要がある。

例えばいま、測定対象構造である膜層の厚さ（或いはエッチング孔の深さなど）ｄに起因する２つの面Ａ、Ｂの反射光をそれぞれＦ_A、Ｆ_Bとする。干渉に寄与しないスペクトル強度分布をRef(λ)、Ａ面反射光及びＢ面反射光の振幅をそれぞれＡ_A、Ａ_Bとすると、Ｆ_A、Ｆ_Bのスペクトルはそれぞれ次の(1)、(2)式で与えられる。
Ｆ_A(λ)＝Ａ_A・√｛Ref(λ)・exp（kx−ωｔ＋２ｄ／λ・２π）｝ …(1)
Ｆ_B(λ)＝Ａ_B・√｛Ref(λ)・exp（kx−ωｔ＋０）｝ …(2)
分光測定により得られる干渉縞は上の２つの反射光Ｆ_A、Ｆ_Bが合波されたものであり、そのスペクトルＦ(λ)は(3)式で表される。
Ｆ(λ)＝｜Ｆ_A(λ)＋Ｆ_B(λ)｜²＝Ref(λ)｛Ａ_A ²＋Ａ_B ²＋２Ａ_AＡ_Bcos(２ｄ／λ・２π)｝ …(3)

一般にフーリエ変換によって周波数解析を行う場合には、分光測定で得られる干渉縞（(3)式）からcos波成分を抽出する必要があり、そのためにはＦ(λ)−(Ａ_A ²＋Ａ_B ²)Ref(λ)で示される正規化処理が必要となる。通常、正規化処理のための干渉に寄与しないスペクトル分布Ref(λ)としては既知である光源の発光スペクトルが用いられるが、実際に観測されるスペクトルにおけるRef(λ)の形状や大きさは光学系の様々な収差や歪みの影響を受け、光源の発光スペクトル分布とは異なったものとなるため一意に設定することが難しい。また、基板上のそのほかの多層膜構造や既作製パターンなど、被エッチング（被研磨）対象ではない構造による干渉、散乱、吸収等の影響を受けるため、測定系で受光したスペクトル中における、対象とする干渉を含まないベーススペクトルRef(λ)を推定することは非常に困難である。

即ち、スペクトル干渉縞を基にして解析を行う手法は、フィッティング、極大小波長検出、或いは周波数解析のいずれを用いる場合であっても、その精度は正規化処理の影響を大きく受ける。そのため、高い測定精度を確保するには、そうした測定系において干渉縞スペクトルの影響が現れていないベーススペクトルRef(λ)を正確に求めることが不可欠である。ところが、実際には正確なベーススペクトルRef(λ)を求めることは難しく、それ故に、測定対象である孔や段差の深さ、膜層や基板の厚さなどを精度良く算出するには限界があった。

特開平１１−２７４２５９号公報 特開２００４−５０７０７０号公報 特開２００４−２５３５１６号公報 特開２００５−１８４０１３号公報 特開２００２−８１９１７号公報 特開２００８−２１８８９８号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、正確な設定が困難であるベーススペクトルRef(λ)を使用することなく、分光測定により得られたスペクトルに基づいてエッチング孔の深さや段差、或いは膜層や基板の厚さなどを高い精度で且つ短時間で測定することができる表面処理状況モニタリング装置を提供することである。

基板表面に形成された孔や段差、薄膜、或いは基板そのものなどの測定対象構造を含む測定光学系では、エッチングや研磨などの表面処理加工によってその光路長は変化するものの、その他の構造に起因するスペクトル歪みや干渉の状態などは短い時間の間には変化しない。即ち、或る時刻において取得された干渉スペクトルと、該時刻から十分に短い時間だけ遡った時点で取得された干渉スペクトルとは、同じ測定光学系において取得時刻が僅かに異なる（ずれた）スペクトル同士であるため、それらのベーススペクトルRef(λ)は対象とする干渉に関与せず等しいものとみなせる。したがって、取得時間間隔が十分に短い２つの異なる時刻における干渉スペクトルの差を求めることにより、正規化処理を行うことなく、干渉縞を表すcos波成分を抽出することが可能となる。

本願発明者は上記知見に基づいて、ベーススペクトルRef(λ)を用いる代わりに、一定時間だけ遡った時点の干渉波形を参照波形として用いることで実質的な干渉縞スペクトルを求め、これを周波数解析することによって孔深さや膜厚などを算出することに想到した。

即ち、上記課題を解決するためになされた第１発明は、表面処理加工によって基板上に形成される孔若しくは溝の深さや段差、又は増加若しくは減少する膜層や基板の厚さといった測定対象構造のサイズを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a)微小な時間だけ隔てた２つの時点で前記検出手段によりそれぞれ所定波長範囲のスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)前記スペクトル取得手段による２つのスペクトルの差分スペクトルを求める差分スペクトル算出手段と、
c)前記差分スペクトルに対し周波数解析を行って目的とする干渉距離を算出し、該干渉距離から測定対象構造のサイズを求める周波数解析手段と、
を備えることを特徴としている。

第１発明（及び後述の第２発明）における表面処理加工とは典型的には、エッチング（ドライエッチング、ウェットエッチングとも含む）による孔や溝などの形成、研磨（化学研磨、機械研磨とも含む）による表面除去、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等による膜層の形成、などである。

測定対象構造が基板である場合には、上記第１部位と第２部位とは基板の表面と裏面である。測定対象構造が基板上に形成されている膜層である場合には、上記第１部位と第２部位とは膜層の上面と下面である。測定対象構造が基板表面に形成されている孔や溝である場合には、上記第１部位と第２部位とは孔や溝の底面と孔周囲や溝上縁の面である。

第１発明に係る表面処理状況モニタリング装置において、或る時刻ｔ₀において取得したスペクトルをＦ₀(λ)、それよりΔｔだけ遡った時刻（測定対象構造に対する光学距離変化Δｄが測定光の１波長を超えない程度の時間以内の時刻）ｔ₁において取得したスペクトルをＦ₁(λ)とすると、それぞれの取得スペクトルは(4)、(5)式を用いて表される。
Ｆ₀(λ)＝Ref(λ)｛Ａ_A ²＋Ａ_B ²＋２Ａ_AＡ_Bcos(２ｄ／λ・２π)｝ …(4)
Ｆ₁(λ)＝Ref(λ)｛Ａ_A ²＋Ａ_B ²＋２Ａ_AＡ_Bcos(２[ｄ−Δｄ]／λ・２π)｝ …(5)
上記２つのスペクトルの差分スペクトルは(6)式で表される。
Ｆ_0-1(λ)＝４Ref(λ)Ａ_AＡ_B sin(２πΔｄ／λ)cos｛(４πｄ／λ)−(２πΔｄ／λ)＋(π／２)｝ …(6)
Δｄは十分に小さく、また測定波長幅が十分に狭帯域であるとすれば、Δｄ／λは測定波長領域全体に亘って一定であるとみなすことができる。つまり、(6)式においてΔｄ／λ＝Δｄ1／λ_cとして、次の(7)式が導出される。
Ｆ_0-1(λ)＝４Ref(λ)Ａ_AＡ_B sin(２πΔｄ／λ_c)cos｛(４πｄ／λ)−(２πΔｄ／λ_c)＋(π／２)｝ …(7)
(7)式と(4)式とを比較すれば、差分スペクトルＦ_0-1(λ)とｔ₀において取得されたスペクトルＦ₀(λ)とは、周波数がいずれも４πd／λであって等しいことが分かる。即ち、(7)式は(4)式と同じ周波数の干渉縞を含む。したがって、この(7)式を周波数解析することによってエッチング孔深さ（又は膜厚など）ｄを求めることが可能となる。

なお、上記の(7)式により検出される振幅は４Ref(λ)Ａ_AＡ_B sin(２πΔｄ／λ_c)となり、光路長の変化Δｄが測定波長λ_cの１／４となるような時間差でデータ取得を行うと、４Ref(λ)Ａ_AＡ_Bと、本来の干渉縞の２倍（(4)式との比較）の高い感度が得られる。

第１発明に係る表面処理状況モニタリング装置では、差分スペクトルに対する周波数解析の手法として周知の各種手法を用いることができるが、具体的には例えば、フーリエ変換演算や最大エントロピー法による解析を用いることができる。

また、一般に周波数解析は観測スペクトル上のピーク幅の逆数から決まるあいまいさが残り、干渉縞周波数の推定精度が十分に高くない。そこで、(7)式に示す差分スペクトルにおける干渉縞の位相４πｄ１／λ−２πΔｄ／λ_cを用いて、例えばゼロクロス点（干渉振幅がゼロとなる波長）を検出すると、sin（４πｄ／４−２πΔｄ／λ_c）＝０より、(8)式を用いてより高い精度で光路長ｄの推定が可能となる。
ｄ＝λ／４（２Δｄ／λ_c＋ｋ) | …(8)
ただし、ｋは整数の定数である。

即ち、第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置は、表面処理加工によって基板上に形成される孔若しくは溝の深さや段差、又は増加若しくは減少する膜層や基板の厚さといった測定対象構造のサイズを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a)微小な時間だけ隔てた２つの時点で前記検出手段によりそれぞれ所定波長範囲のスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)前記スペクトル取得手段による２つのスペクトルの差分スペクトルを求める差分スペクトル算出手段と、
c)前記差分スペクトルに基づいて干渉縞の位相を検出し、該位相から目的とする干渉距離を算出し、該干渉距離から測定対象構造のサイズを求める周波数解析手段と、
を備えることを特徴としている。

なお、上述したように、２つのスペクトルを取得する時間差は測定対象構造に対する光学距離変化Δｄが測定光の１波長を超えない程度の時間以内に抑える必要があるが、時間差が短すぎると光学距離変化Δｄが小さすぎて測定の意味がない。そこで、この時間差を自動的に適切な値に設定できるように、第１発明及び第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置の一態様では、前記差分スペクトルの振幅の大きさに基づいて前記微小な時間の最適値を判別して設定する取得条件決定手段をさらに備える構成とするとよい。また、別の態様として、前記差分スペクトルのカーブで囲まれる面積の大きさ又はその変化振幅に基づいて前記微小な時間の最適値を判別して設定する取得条件決定手段をさらに備える構成としてもよい。

第１発明及び第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置によれば、光源の経時変化によるスペクトル歪みの影響、測定光学系の経時変化によるスペクトル歪みの影響、測定対象である基板上に存在するエッチングや研磨等の処理加工に関係しない各構造に起因する干渉や散乱によるスペクトル歪みの影響などに一切左右されることなく、干渉を含んだ観測スペクトルから測定対象構造であるエッチング孔の深さや膜層或いは基板の厚みなどを示す干渉縞を正確に抽出することができる。それによって、エッチングにより形成される目的の孔の深さや段差、或いは研磨によって変化する基板や薄膜の厚さなどを正確に且つ高い分解能でもって計測することができる。また、孔深さ等の測定対象構造のサイズを計算するための演算処理が簡単であって時間を要しないので、そうした計測を高いリアルタイム性を以て行うことができ、例えばエッチングや研磨の終点検知や条件変更などの制御にも好適である。

本発明の一実施例である表面処理状況モニタリング装置の概略構成図。 本実施例の表面処理状況モニタリング装置における孔深さ測定時と基板厚さ測定時の反射光の状態の模式図。 本実施例の表面処理状況モニタリング装置における計測動作を示すフローチャート。 図３に示した計測動作における各動作のタイミングを示す概略タイミング図。 本実施例の表面処理状況モニタリング装置におけるスペクトル取得及びその処理の一例を示す図。 本実施例の表面処理状況モニタリング装置におけるスペクトル取得及び処理によって非研磨構造に起因する干渉縞をキャンセルした結果の一例を示す図。

本発明の一実施例である表面処理状況モニタリング装置について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例の表面処理状況モニタリング装置の概略構成、図２は孔深さ測定時（ａ）と基板厚さ測定時（ｂ）の反射光の状態の模式図である。

この表面処理状況モニタリング装置は、例えばプラズマエッチング装置や基板研磨装置などにより加工処理される試料５の基板厚みや形成されるトレンチ深さなど、時々刻々と変化する試料５との間の距離をモニタリングする装置である。該装置は、光源１と、計測光学系２と、分光部３と、データ処理部４とを備える。光源１と計測光学系２、また計測光学系２と分光部３とは光ファイバを介して接続されている。

計測用の光源１としては、例えば中心波長が８３０nm、半値全幅が１５nmであるスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や、同程度の波長幅を有するその他の光源を用いることができる。この光源１から発せられた測定光は入射側光ファイバ２１に取り込まれ、ファイバカプラ２２を介して光ファイバ２３中を進行し、光ファイバ２３先端より空間に射出される。光ファイバ２３端部から出射された測定光はコリメートレンズ２４を介して試料５上に照射される。

試料５の測定対象構造における干渉の状態を図２を用いて説明する。例えば研磨中の基板５Ｂの厚みを計測する場合には、図２（ｂ）に示すように、基板５Ｂ表面からの反射光６４、及び基板５Ｂ中に進入した光による裏面からの反射光６５の２つの反射光による干渉が生ずる。またエッチング中のトレンチ深さを計測する場合には、図２（ａ）に示すように基板５１表面のレジスト層５３表面からの反射光６２と、レジスト層５３中に入り込んだ光に対する基板５１表面からの反射光６３と、被エッチング部であるトレンチ孔５２の底面からの反射光６１と、が主として干渉する。これら反射光６１〜６３又は６４〜６５はコリメートレンズ２４を光照射時とは逆に辿って光ファイバ２３に入射する。そして、ファイバカプラ２２を経て分光部３に達する。光ファイバ２３中を通って分光部３に達するまでに、複数の反射光は十分に干渉し干渉光となる。

分光部３において干渉光は回折格子３１等の分光手段により波長分散され、ＣＣＤラインセンサ等のアレイ検出器３２により複数波長の光が同時に検出される。アレイ検出器３２による各波長に対応した検出信号はデータ処理部４に入力される。データ処理部４は機能ブロックとして、スペクトル記憶部４１、差分スペクトル算出部４２、フーリエ変換演算部４３、光学距離算出部４４を含み、後述する処理を実行することで被研磨基板５Ｂの板厚や被エッチング部であるトレンチ孔５２の深さなどが算出される。その算出結果は表示部４５により観測者に提示される。

なお、データ処理部４の実体はパーソナルコンピュータであり、該コンピュータに予めインストールされたデータ処理用ソフトウエアを実行することにより、データ処理部４としての機能を発揮させるようにすることができる。

次に、図３〜図５を用いて、本実施例の表面処理状況モニタリング装置に特徴的なデータ処理部４において実行されるデータ処理を中心に説明する。図３は本実施例の表面処理状況モニタリング装置における計測動作を示すフローチャート、図４は各動作のタイミングを示す概略タイミング図、図５はスペクトル取得及びその処理の一例を示す図である。なお、図５の例は、中心波長が８００nm、半値全幅（ＦＷＨＭ）が１５nmである光源１を用いてトレンチ孔深さを計測したものである。したがって、以下の説明では、エッチングにより形成されるトレンチ孔深さを計測する場合を例示するが、基板や膜層の厚さを計測する場合にもそのまま適用可能である。

例えばエッチングの開始とともに孔深さの計測が開始されると、データ処理部４は所定時点で分光部３のアレイ検出器３２で得られる所定の波長範囲に亘るスペクトルデータを取り込んでスペクトル記憶部４１に格納する（ステップＳ１）。その後、ステップＳ６において測定終了であると判定されるまで、ステップＳ１及びＳ７の処理により、所定時間Δｐ間隔で繰り返しスペクトルデータを取得する。ここではΔｐは後述するΔｔの１／３に設定されているが、これに限定されるものではない。

ステップＳ１でスペクトルデータを取得した後、差分スペクトル算出部４２はΔｔだけ遡った時点のスペクトルデータがスペクトル記憶部４１に保存されているか否かを判定し（ステップＳ２）、保存されていなければ後述する光学距離算出処理を実行できないので上述したステップＳ７へと進む。図４に示したようにΔｐ間隔でスペクトルデータの取得・保存を繰り返してゆくと、ある時点においてステップＳ２の判定はＹｅｓとなる。いま、時刻ｔ0においてスペクトルデータＰ１が取得され、時刻ｔ0からΔｔ経過後の時刻ｔ1においてスペクトルデータＰ４が取得されたものとする。時刻ｔ1において得られる観測スペクトル（図５（ｃ））は、干渉を含まない反射光スペクトル（ベーススペクトル）（図５（ａ））に、測定対象であるトレンチ孔５２に起因して生じた干渉によるスペクトル干渉縞（図５（ｂ））が重畳されたものである。

従来一般的には、この観測スペクトルを例えばフーリエ変換（ＦＴ）演算で周波数解析することによってフーリエ変換後信号（図５（ｄ））を求め、その信号上のピーク位置を求めることによって干渉を引き起こした光路長を推定する。図５（ｃ）はｄ＝２０．３μmの光路長を計測して得られるスペクトルであるが、これに対するフーリエ変換後信号である図５（ｄ）が示すとおり、ｄ＝２０．３μmの位置に信号は存在するものの、距離０μmの側に現れるバイアス信号に解析対象とする信号が隠れてしまい、ピーク位置（矢印箇所）の推定が困難となっている。本来は図５（ｃ）に示した観測スペクトルから干渉に寄与しないスペクトルであるベーススペクトル（図５（ａ））を予め差し引いてフーリエ変換を行うことが望ましい。しかしながら、前述したとおりベーススペクトルの形状は測定光学系の様々な歪みや試料の反射率などの影響を受けるため、測定毎にベーススペクトルの適切な形状・大きさを推定することは非常に困難である。その結果、観測スペクトルから適切にペーススペクトルを差し引くことができず、フーリエ変換後信号から十分な精度でピーク位置を見つけるのが難しくなる。

これに対し、本実施例で採用している手法では、ベーススペクトルではなく一定時間だけ遡った時点の干渉波形を参照波形として用いる。ここでは、時刻ｔ1からΔｔだけ遡った時刻ｔ0において取得された観測スペクトルＰ１がスペクトル記憶部４１に格納されているから、それを参照波形として利用する。このΔｔは測定対象構造の光学距離変化Δｄが測定光の波長を超えない程度の時間以内に定められている。いま、時刻ｔ0において取得された観測スペクトルは図５（ｇ）（図５（ｇ）はエッチングが２００nm進行する前の孔深さｄ＝２０．１μmの例）である。この観測スペクトルも、図５（ｅ）に示した干渉を含まない反射光スペクトル（ベーススペクトル）に、測定対象であるトレンチ孔５２に起因して生じた干渉によるスペクトル干渉縞（図５（ｆ））が重畳されたものである。

時刻ｔ1と時刻ｔ0との時間差Δｔが十分に短い場合には、ベーススペクトルの変動は無視できる程度である。そこで、差分スペクトル算出部４２は時刻ｔ1におけるスペクトルデータＰ４から時刻ｔ0におけるスペクトルデータＰ１を差し引く演算を行う（ステップＳ３）。この演算により、ほぼ同じであるベーススペクトルはキャンセルされ、実効的に同じ周波数で位相が異なる２つの干渉縞（図５（ｂ）、（ｆ））のみの除算と等価となり、やはり同じ周波数である干渉縞（図５（ｉ））を差分スペクトルとして得ることができる。この差分スペクトルはベーススペクトルを含まない実質的に正規化された干渉スペクトルである。そこで、フーリエ変換演算部４３は上記差分スペクトルに対しフーリエ変換による周波数解析を行うことによって図５（ｊ）に示すようなフーリエ変換後信号を求める（ステップＳ４）。

このフーリエ変換後信号は図５（ｄ）に示した信号とは異なりバイアス信号を含まないため、ピークが明瞭に現れ、ピーク位置の推定が容易となる。光学距離算出部４４は差分スペクトルから得られたフーリエ変換後信号上でピーク位置を確定させることにより、干渉を引き起こした光路長を求める。そして、その光路長から測定対象であるトレンチ孔深さや基板厚さを求めて表示部４５から出力する（ステップＳ５）。図５（ｊ）の例では、ピーク位置から光路長差が２０μmであると求まる。

そうして孔深さが求まったならば、ステップＳ６へと進み、上述したように測定終了でなければステップＳ７へと進んで、エッチングの進行に伴って変化する新たなスペクトルの取得を実行する。新たなスペクトルを取得する毎にΔｔだけ遡った時点のスペクトルとの差分スペクトルを求め（図４参照）、この差分スペクトルからトレンチ孔深さに対応した光路長が算出される。したがって、新たなスペクトルを取得する毎に、その時点で最新のトレンチ孔深さを計算して表示部４５から出力することができる。

上述したように差分スペクトルを計算する２つのスペクトルの時間差Δｔは、測定対象構造に対する光学距離変化Δｄが測定光の１波長を超えない程度の時間以内に定める必要がある。これは予め定めておいてもよいが、エッチング（又は研磨等）速度が不明である場合などには適切な値を決めるのが難しいし、またその値が適切でないと、干渉縞を示す差分スペクトルの波形が小さくなるおそれもある。そこで、Δｔを予め決めておくのではなく、取得した差分スペクトルから適応的にΔｔを決めるようにしてもよい。

例えば上記例の場合、観測スペクトルＰ６に対し参照波形としてＰ３以外にＰ４、Ｐ５（さらに場合によってはＰ２以前のスペクトル）を選択し得るが、例えばＰ６−Ｐ５、Ｐ６−Ｐ４、Ｐ６−Ｐ３の３つの組み合わせについてそれぞれ差分スペクトルを計算し、得られた差分スペクトルの振幅の大きさを比較して最も適切な組み合わせを選択して、その差分スペクトルを周波数解析するとよい。また、単に差分スペクトルに現れる波形（干渉縞）の振幅の大きさを判断するのではなく、差分スペクトルに現れる波形のカーブで囲まれる面積の大きさ又はその変化振幅に基づいて最適な組み合わせを選択するようにしてもよい。なお、エッチング（又は研磨等）速度が一定である場合には、そのプロセスの途中で最適なΔｔが変わることはないため、上記のような処理によって一旦適切なΔｔを定めたならばそのプロセス実行中は同じΔｔを用いて差分スペクトルを計算するようにすればよい。

また上記実施例では、差分スペクトルに対してフーリエ変換による周波数解析を実施することで求めたフーリエ変換後信号から干渉により生じる光路長を算出していたが、近年、周波数解析を行うためにフーリエ変換に代わる方法としてよく用いられる最大エントロピー法（ＭＥＭ）による周波数解析を実施してもよい。

また、周波数解析ではなく、上記(8)式に基づいた位相検出を行う手法について説明する。図５（ｊ）に示したようなフーリエ変換後信号では、光路長ｄに対応する信号の拡がりが光源１のスペクトル幅１５nmの逆数である２０μm程度の幅をもつ。フーリエ変換の代わりに最大エントロピー法による周波数解析を行うことで、より幅の狭い周波数信号を推定することも可能であるが、いずれにせよ周波数解析では０．１μm以下の精度で周波数推定を行うことは困難である。そこで、図５（ｉ）の差分スペクトルの位相に着目すると、そのゼロクロス点（干渉振幅がゼロとなる波長）はλ＝８００nmであることから、(8)式においておおよそｄ＝２０．３μmとなるよう定数ｋ＝１０１±１と設定すると、Δｄ＝０．２μm、ゼロクロスλ＝０．８μm、λ_c＝０．８μmであるから、測定光路長ｄはｄ＝２０．１０μm（ｋ＝１００）、ｄ＝２０．３０μ（ｋ＝１０１）、ｄ＝２０.５０μm（ｋ＝１０２）のいずれかであり、決してｄ＝２０．２５μmやｄ＝２０．３５μmではないことが判明する。このようにして、差分スペクトル（干渉縞）の位相検出を行うことにより、周波数解析を行うよりも高い分解能で以て光学距離を算出することができる。

続いて、基板研磨中の基板厚みのモニタリングにおいて、上記説明した本発明による手法を用いることで、測定対象以外の構造による干渉縞をキャンセルした結果の一例を図６により説明する。図６は、測定経路内に１８μm厚のＳｉＯ₂層を含む１０μmの厚さのＳｉを計測した場合のシミュレーション結果である。Ｓｉの厚みを測定するため、Ｓｉの吸収のない波長帯である１３００nmの光源を用いた。図６（ａ）は研磨が１０μmまで進行した際に取得されるスペクトルであるが、１０μmのＳｉによる光路長３５μmに対して１８μmのＳｉＯ₂層の光路長は２７μmであり、非常に近接している。そのため、フーリエ変換後の信号位置が近く分離が困難であり、図６（ｂ）に示すとおり、一般的なフーリエ解析ではＳｉの板厚を示すピーク位置の推定が非常に困難である。

このような場合でも、一定時間だけ遡った時点における研磨状態である１０．０２μm厚Ｓｉの際に取得された図６（ｃ）に示すスペクトルを用いて差分処理を行いさえすれば、ＳｉＯ₂層による干渉縞が存在しない図６（ｅ）に示す正規化スペクトルを生成することができる。その後は上記例と同様にこのスペクトルをフーリエ変換することにより、図６（ｆ）に示すようなＳｉ層のみに由来するフーリエ変換後信号が得られるから、容易にピーク位置を求め、これからＳｉ板厚を算出することができる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、追加、変更を加えても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

１…光源
２…計測光学系
２１…入射側光ファイバ
２２…ファイバカプラ
２３…光ファイバ
２４…コリメートレンズ
３…分光部
３１…回折格子
３２…アレイ検出器
４…データ処理部
４１…スペクトル記憶部
４２…差分スペクトル算出部
４３…フーリエ変換演算部
４４…光学距離算出部
５…ステップＳ
５…試料
５Ａ、５Ｂ、５１…基板
５２…トレンチ孔
５３…レジスト層
６１〜６５…反射光

Claims (6)

1. 表面処理加工によって基板上に形成される孔若しくは溝の深さや段差、又は増加若しくは減少する膜層や基板の厚さといった測定対象構造のサイズを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
   a)微小な時間だけ隔てた２つの時点で前記検出手段によりそれぞれ所定波長範囲のスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
   b)前記スペクトル取得手段による２つのスペクトルの差分スペクトルを求める差分スペクトル算出手段と、
   c)前記差分スペクトルに対し周波数解析を行って目的とする干渉距離を算出し、該干渉距離から測定対象構造のサイズを求める周波数解析手段と、
   を備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
2. 請求項１に記載の表面処理状況モニタリング装置であって、
   前記周波数解析手段による周波数解析はフーリエ変換演算であることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
3. 請求項１に記載の表面処理状況モニタリング装置であって、
   前記周波数解析手段による周波数解析は最大エントロピー法による解析であることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
4. 表面処理加工によって基板上に形成される孔若しくは溝の深さや段差、又は増加若しくは減少する膜層や基板の厚さといった測定対象構造のサイズを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、測定対象構造の第１部位と第２部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
   a)微小な時間だけ隔てた２つの時点で前記検出手段によりそれぞれ所定波長範囲のスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
   b)前記スペクトル取得手段による２つのスペクトルの差分スペクトルを求める差分スペクトル算出手段と、
   c)前記差分スペクトルに基づいて位相を検出し、該位相から目的とする干渉距離を算出し、該干渉距離から測定対象構造のサイズを求める周波数解析手段と、
   を備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の表面処理状況モニタリング装置であって、
   前記差分スペクトルの振幅の大きさに基づいて前記微小な時間の最適値を判別して設定する取得条件決定手段をさらに備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の表面処理状況モニタリング装置であって、
   前記差分スペクトルのカーブで囲まれる面積の大きさ又はその変化振幅に基づいて前記微小な時間の最適値を判別して設定する取得条件決定手段をさらに備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。

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