JP2013120063A5

JP2013120063A5 -

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Publication number: JP2013120063A5
Application number: JP2011266613A
Authority: JP
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2014-05-08

Description

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_Bsin(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＝Δｄ／λ_cとして、次の(7)式が導出される。
Ｆ_0-1(λ)＝４Ref(λ)Ａ_AＡ_Bsin(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。

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４πｄ／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／λ−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位相解析手段と、
を備えることを特徴としている。

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ベ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。

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））のみの減算と等価となり、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）。

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…試料
５Ｂ、５１…基板
５２…トレンチ孔
５３…レジスト層
６１〜６５…反射光

Claims

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。
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。
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。
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位相解析手段と、
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。
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。
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。