JP2014002068A - 厚みモニタリング装置、エッチング深さモニタリング装置および厚みモニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的狭帯域の光源を用いた場合にも、測定対象物の厚み計測をリアルタイムで行うことが可能な厚みモニタリング装置を提供する。
【解決手段】このエッチングモニタリング装置１００（厚みモニタリング装置）は、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源１と、時間により厚みが変化するマスクから反射された測定光の干渉光を波長ごとに検出するアレイ検出器３２と、アレイ検出器３２により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、マスクの厚みを算出するデータ処理部４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚みモニタリング装置、エッチング深さモニタリング装置および厚みモニタリング方法に関し、特に、干渉光を用いる厚みモニタリング装置、エッチング深さモニタリング装置および厚みモニタリング方法に関する。

従来、干渉光を用いてエッチングマスク（測定対象物）の厚みを測定するマスク厚モニタリング装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、シリコンウエハ上にエッチングマスクが形成された試料に対して測定光を照射するタングステンランプと、エッチングマスクから反射された光の干渉光を検出して分光スペクトルを出力する分光器と、分光器から得られた干渉光強度−波長のスペクトル波形と、理論波形とのカーブフィッティングにより、マスクの厚みを算出するマスク厚算出部とを備えたマスク厚モニタリング装置が開示されている。なお、タングステンランプは、白色光を発生させる広帯域光源である。

特開２０００−２９２１２９号公報

しかしながら、上記特許文献１では、広帯域のタングステンランプに対応させた広帯域の分光器を用いることが必要となるので、光学系の色収差による影響が大きく光学系の設計が困難となるという不都合がある。また、タングステンランプのような広帯域光源では、たとえばレーザーなどの単波長光源と比較して輝度が小さく、計測時のセンサの露光時間を長くする必要がある。このため、厚み計測に時間がかかりリアルタイムの厚みモニタリングを行うのは困難であるという不都合もある。

そこで、上記した不都合を解消するために、比較的狭帯域の計測によって測定対象物の厚みを計測することにより、広帯域光源の使用に起因する光学系の色収差の影響や、計測の長時間化の不都合を解消することが考えられる。

しかしながら、一般に、スペクトル干渉縞による解析の不確定性は光源の周波数帯域の逆数で決定されることが知られており、比較的狭帯域の光源から得られる干渉スペクトルには、エッチングマスクなどの数μｍ程度の厚みを識別可能な差異がほとんど現れない。このような干渉スペクトルから厚みの変化を識別するためには、理論波形に近似した理想的な干渉スペクトルを精度良く観測する必要がある。しかしながら、実際に取得される観測スペクトルには、光源自体の発光スペクトルや光学系に起因するバイアススペクトルや他の干渉光成分の影響によって歪みやノイズが含まれる。このため、観測された干渉スペクトルに対してカーブフィッティングを行っても、スペクトルの歪みによって厚みの測定値がばらつき、測定対象物の真の厚みを高精度に測定することは困難である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、比較的狭帯域の光源を用いた場合にも、測定対象物の厚みの計測をリアルタイムで行うことが可能な厚みモニタリング装置、エッチング深さモニタリング装置および厚みモニタリング方法を提供することである。

上記目的を達成するために本願発明者が鋭意検討した結果、比較的狭帯域の光源を用いた場合にも、観測される干渉スペクトルに含まれる複数の単一波長成分の時間変化に着目すれば、観測スペクトルから測定対象物の厚みに起因するスペクトルのみを精度よく抽出することが可能であることを見出した。すなわち、この発明の第１の局面における厚みモニタリング装置は、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、時間により厚みが変化する測定対象物から反射された測定光の干渉光を波長ごとに検出する検出手段と、検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、測定対象物の厚みを算出する厚み算出手段とを備える。

この発明の第１の局面による厚みモニタリング装置では、上記のように、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、測定対象物の厚みを算出する厚み算出手段とを設けることによって、干渉光に含まれる単一波長成分の時間変化から、測定対象物の厚みに起因する干渉成分の時間変化を抽出することができる。そして、観測スペクトルに含まれる複数の単一波長成分の各々において、測定対象物の厚みに起因する干渉成分の時間変化を抽出することにより、測定対象物の厚みに起因する干渉スペクトルのみを観測スペクトルから精度よく取り出すことができる。これにより、比較的狭帯域の所定の波長幅を有する光源を用いた場合でも、観測スペクトルの歪みやノイズの影響を除去して、高精度な厚み測定を行うことができるとともに、輝度が大きく露光時間を長くする必要がない比較的狭帯域の光源を用いることにより、測定対象物の厚み計測をリアルタイムで行うことができる。

上記第１の局面による厚みモニタリング装置において、好ましくは、測定対象物は、エッチング時に厚みが変化するエッチングマスクであり、検出手段は、エッチングマスクの表面からの反射光と、エッチングマスクの反対側の境界面で反射した反射光との干渉光を波長ごとに検出するように構成されている。このように構成すれば、厚みが数μｍ程度のエッチングマスクに対して、比較的狭帯域の計測による高精度なマスク厚計測を実現することができる。

上記第１の局面による厚みモニタリング装置において、好ましくは、厚み算出手段は、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、所定の時刻における各波長成分の位相を検出するとともに、検出した所定の時刻における各波長成分の位相に基づいて、所定の時刻における測定対象物の厚みを算出するように構成されている。このように構成すれば、所定の時刻における各波長成分の位相を用いることにより、観測スペクトルに含まれる各波長成分の振幅（信号強度）を考慮する必要がないため、バイアススペクトルなどの影響による波長ごとの信号強度の相違（スペクトルの歪み）を除去することができる。この結果、測定対象物の厚みに起因する干渉スペクトルのみを精度良く抽出することができる。

この場合、好ましくは、厚み算出手段は、複数の単一波長成分の時間変化に対して、フィッティングによる波形解析を行うことにより、所定の時刻における各波長成分の位相を検出するように構成されている。このように構成すれば、ノイズや測定対象物以外の他の干渉光成分をフィッティングにより除去した上で、単一波長成分の時間変化から測定対象物の厚みに起因する干渉成分の位相を精度良く検出することができる。

上記所定の時刻における各波長成分の位相に基づいて測定対象物の厚みを算出する構成において、好ましくは、厚み算出手段は、検出した所定の時刻における各波長成分の位相を波長ごとにプロットした波形を解析することによって、所定の時刻における測定対象物の厚みを算出するように構成されている。このように構成すれば、所定の時刻における各波長成分の位相を波長ごとにプロットすることにより、測定対象物の厚みに起因する干渉スペクトルを、バイアススペクトルなどの影響を除去した位相分布として得ることができる。この結果、理論波形に近似する干渉スペクトルを得ることができるので、容易かつ高精度に、所定の時刻における測定対象物の厚みを算出することができる。

この場合、好ましくは、厚み算出手段は、検出した所定の時刻における各波長成分の位相を波長ごとにプロットした波形をフィッティングにより解析することによって、所定の時刻における測定対象物の厚みを算出するように構成されている。このように構成すれば、得られた干渉スペクトル（位相分布）が理論波形と精度良く一致するので、フィッティングにより、所定の時刻における測定対象物の厚みを高精度に算出することができる。また、ＦＦＴなどの周波数解析とは異なり、帯域幅が狭い場合でも精度良く解析することができる。

上記第１の局面による厚みモニタリング装置において、好ましくは、厚み算出手段は、所定の時刻における測定対象物の厚みの算出結果を起点として、エッチング中にリアルタイムで測定対象物の厚みを順次算出するように構成されている。このように構成すれば、一度所定の時刻における厚みを高精度に測定すれば、時間の経過に伴う厚みの変化を検出するだけで、リアルタイムでの測定対象物の厚みの管理を容易に行うことができる。

この場合、好ましくは、厚み算出手段は、干渉光に含まれる所定の単一波長成分の所定の時刻以降における極大値または極小値と、測定対象物の厚みとの関係に基づいて、測定対象物の厚みの変動範囲を推定し、推定結果に基づいて測定対象物の厚みを算出するように構成されている。ここで、測定対象物の表面での反射光と、表面を透過して反対側の境界面で反射した反射光とが干渉するとき、単一波長の時間変化において極大値または極小値が出現する度に、その波長の４分の１波長分に相当する厚み変化が生じる。この関係に基づくことにより、測定対象物の厚みの時間的な変化を４分の１波長分の変動範囲内で推定することができる。この結果、推定した変動範囲内のみに着目すればよいので、測定対象物の所定の時刻以降の厚みの変化を容易に検出することができる。

上記第１の局面による厚みモニタリング装置において、好ましくは、光源は、スーパールミネッセントダイオードである。このように光源にスーパールミネッセントダイオードを用いることにより、比較的狭帯域の波長幅を有し、かつ、高輝度な測定光を発生可能な光源を得ることができる。

この発明の第２の局面におけるエッチング深さモニタリング装置は、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、エッチングマスクから反射された測定光の干渉光を波長ごとに検出する検出手段と、検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、エッチングマスクの膜厚を算出するマスク膜厚算出手段と、マスク膜厚算出手段によるエッチングマスクの膜厚の算出結果と、検出手段により検出された干渉光とに基づいて、測定対象物のエッチング深さを計測するエッチング深さ算出手段とを備える。

この発明の第２の局面によるエッチング深さモニタリング装置では、上記のように、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、エッチングマスクの膜厚を算出するマスク膜厚算出手段とを設けることによって、干渉光に含まれる単一波長成分の時間変化から、マスク厚に起因する干渉成分の時間変化を抽出することができる。そして、観測スペクトルに含まれる複数の単一波長成分の各々において、マスク厚に起因する干渉成分の時間変化を抽出することにより、マスク厚に起因する干渉スペクトルのみを観測スペクトルから精度よく取り出すことができる。これにより、比較的狭帯域の所定の波長幅を有する光源を用いた場合でも、観測スペクトルの歪みやノイズの影響を除去して、高精度なマスク厚測定を行うことができるとともに、輝度が大きく露光時間を長くする必要がない比較的狭帯域の光源を用いることにより、マスク厚計測をリアルタイムで行うことができる。また、マスク厚の計測に広帯域光源を用いた場合には、長時間の計測が必要になるため、エッチング深さの計測には単波長レーザーなどの高輝度光源および専用の測定光学系を別途設けることが必要となる。これに対し、本発明では、広帯域光源を用いる必要がないため、マスク厚の計測とエッチング深さの計測との両方を共通の光源および計測光学系で行うことができる。これにより、装置構成の簡素化および装置の小型化を図ることができる。

この発明の第３の局面における厚みモニタリング方法は、所定の波長幅を有する測定光を発生するステップと、時間により厚みが変化する測定対象物から反射された測定光の干渉光を波長ごとに検出するステップと、検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、測定対象物の厚みを算出するステップとを備える。

この発明の第３の局面による厚みモニタリング方法では、上記のように、所定の波長幅を有する測定光を発生するステップと、検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、測定対象物の厚みを算出するステップとを設けることによって、干渉光に含まれる単一波長成分の時間変化から測定対象物の厚みに起因する干渉成分の時間変化を抽出することができる。そして、観測スペクトルに含まれる複数の単一波長成分の各々において、測定対象物の厚みに起因する干渉成分の時間変化を抽出することにより、測定対象物の厚みに起因する干渉スペクトルのみを観測スペクトルから精度よく取り出すことができる。これにより、比較的狭帯域の所定の波長幅を有する光源を用いた場合でも、観測スペクトルの歪みやノイズの影響を除去して、高精度な厚み測定を行うことができるとともに、輝度が大きく露光時間を長くする必要がない比較的狭帯域の光源を用いることにより、測定対象物の厚み計測をリアルタイムで行うことができる。

本発明によれば、上記のように、比較的狭帯域の光源を用いた場合にも、測定対象物の厚み計測をリアルタイムで行うことができる。

本発明の一実施形態によるエッチングモニタリング装置の全体構成を示した模式図である。 図１に示したエッチングモニタリング装置における測定光の照射部位を模式的に示した拡大断面図である。 Ａ−Ｂ干渉成分の理論的なスペクトル波形を示した図である。 図３に示した干渉スペクトルに対するカーブフィッティング結果の例を示す図である。 図１に示したエッチングモニタリング装置における観測スペクトルの一例を模式的に示した図である。 図５に示した観測スペクトルに含まれる単一波長成分の時間変化を示した図である。 図６に示した単一波長成分（８５０ｎｍ）の時間変化波形に対するフィッティングの例を示した図である。 フィッティングされた各単一波長成分の時刻Ｔ０における振幅値の分布を規格化して示した図である。 フィッティングされた各単一波長成分の時刻Ｔ０における位相値の分布を示した図である。 本発明の一実施形態によるエッチングモニタリング装置のモニタリング処理を説明するためのフローチャートである。 図１に示したエッチングモニタリング装置における観測スペクトルの一例を模式的に示した図である。 図１１に示した観測スペクトルに対する高速フーリエ変換によるエッチング深さの測定結果の一例を示した図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態によるエッチングモニタリング装置１００の全体構成について説明する。本実施形態では、厚みモニタリング装置およびエッチング深さモニタリング装置の一例であるエッチングモニタリング装置１００に本発明を適用した例について説明する。

本実施形態によるエッチングモニタリング装置１００は、たとえばプラズマエッチング装置によりエッチング加工処理される試料９に形成されるトレンチ深さなど、時々刻々と変化する距離（深さ、厚み）をリアルタイムで測定する装置である。図２に示すように、試料９は、たとえばシリコンからなる基板９１と、基板９１の表面に所定パターンで形成されたエッチングマスク（以下、「マスク」とする）９２とを含む。図１に示すように、エッチングモニタリング装置１００は、光源１と、計測光学系２と、分光部３と、データ処理部４とを備えている。光源１と計測光学系２とは光ファイバ２１を介して接続されている。同様に、計測光学系２と分光部３とは光ファイバ２３を介して接続されている。なお、データ処理部４は、本発明の「厚み算出手段」、「マスク膜厚算出手段」および「エッチング深さ算出手段」の一例である。マスク９２は、本発明の「測定対象物」の一例である。

光源１は、所定の波長幅を有する。波長幅としては、数十ｎｍ程度である。具体的な光源１としては、たとえば中心波長が８５０ｎｍ、半値全幅が３０ｎｍの波長幅を有するスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることが好ましい。また、光源１は、これと同程度の波長幅を有するその他の光源を用いてもよい。

計測光学系２は、光ファイバ２１、２２、２３、ファイバカプラ２４およびコリメートレンズ２５などから主として構成される。光源１で発生した測定光は、光源１側の光ファイバ２１に取り込まれ、ファイバカプラ２４を介して進み、試料９側の光ファイバ２２の先端から空間に射出される。光ファイバ２２の先端から出射された測定光は、コリメートレンズ２５を介してエッチングチャンバ８内の試料９の上面に対して垂直に照射される。

図２に示すように、エッチング中には、試料９に照射された測定光は、マスク９２の表面９３と、マスク９２と基板９１との境界面９４と、被エッチング部であるトレンチ孔の底面９５とで反射される。この結果、測定光は、主として表面９３からの反射光Ａと、マスク９２を透過した測定光の境界面９４からの反射光Ｂと、底面９５からの反射光Ｃとになって互いに干渉し合う。図１に示すように、これらの反射光Ａ〜Ｃは、コリメートレンズ２５を測定光の照射時とは逆に辿って光ファイバ２２に入射する。

光ファイバ２２に入射した反射光Ａ〜Ｃは、ファイバカプラ２４を介して分光部３側の光ファイバ２３を進み、分光部３に到達する。光ファイバ２２および２３を通って分光部３に達するまでに、各反射光Ａ〜Ｃは十分に干渉した干渉光となる。

分光部３は、回折格子３１などの分光手段、および、ＣＣＤラインセンサなどのアレイ検出器３２を主として含む。分光部３において干渉光は、回折格子３１により波長ごとに分散され、アレイ検出器３２によって複数波長の光が同時に検出される。アレイ検出器３２は、分光された干渉光の各波長に対応した検出信号をデータ処理部４に入力する。これにより、データ処理部４で干渉光の分光スペクトル波形（観測スペクトル）が取得される。なお、アレイ検出器３２は、本発明の「検出手段」の一例である。

データ処理部４は、たとえばパーソナルコンピュータからなる。パーソナルコンピュータは、予めインストールされたデータ処理用ソフトウェアを実行することによって、データ処理部４として機能する。データ処理部４は、アレイ検出器３２から入力される観測スペクトルを順次取得し、取得した観測スペクトル波形に基づいて試料９のマスク厚ｔ（図２参照）を算出する。また、データ処理部４は、取得した観測スペクトル波形と、算出したマスク厚ｔとを用いてトレンチ孔のエッチング深さｄ（図２参照）を算出する。マスク厚ｔの算出と、エッチング深さｄの算出とは、継続的な観測スペクトルの取得に伴って順次実施される。これにより、エッチングモニタリング装置１００は、エッチングプロセスの進行に伴って変化するマスク厚ｔおよびエッチング深さｄのリアルタイムモニタリングを行う。

次に、図２〜図９を参照して、本実施形態によるマスク厚ｔの測定方法について説明する。

図２に示した通り、エッチング時に検出される干渉光の観測スペクトルには、Ａ−Ｂ干渉（反射光ＡとＢとの干渉）、Ｂ−Ｃ干渉（反射光ＢとＣとの干渉）、および、Ａ−Ｃ干渉（反射光ＡとＣとの干渉）の３つの干渉縞が混在する。このとき得られるスペクトルは、下式（１）で表される。

ここで、Ａ、ＢおよびＣは、それぞれ反射光Ａ、反射光Ｂ、反射光Ｃの振幅である。ｎはマスクの屈折率、ｔはマスク厚であり、ｄはエッチング深さ、ｋは波数、ｘは空間位置、ωは周波数、Ｔは時間である。ここで、マスク厚ｔに起因するＡ−Ｂ干渉成分は、式（１）の最右辺の［ｃｏｓ（（２ｎｔ／λ）×２π）］の項で表され、Ａ−Ｂ干渉成分のスペクトルは、理論的にはコサイン波となる。

ここで、Ａ−Ｂ干渉成分のスペクトルの一例として、屈折率ｎ＝１．５のマスク厚ｔ＝２．７２μｍおよびｔ＝３．００μｍにおける理論的な干渉スペクトルを図３に示す。図３に示したマスク厚ｔ＝３．００μｍの干渉スペクトルに対してカーブフィッティングを行った際の評価関数（二乗誤差）の波長分布を図４に示す。図４に示すように、ｔ＝３．００μｍの理論的な干渉スペクトルにフィッティングを行えば、当然、ｔ＝３μｍで二乗誤差が最小値Ｐとなる。図３のようにスペクトル帯域が狭い場合に２つの干渉スペクトルを区別するためには、二乗誤差に明確な差が生じるように理論波形に近似した理想的な干渉スペクトルを観測する必要がある。

しかしながら、図５に示すように、実際に検出される観測スペクトルには、干渉に寄与しないバイアススペクトル（光源１および計測光学系２などに起因するスペクトル）に３つの干渉縞が重畳されている。このため、実際の観測スペクトルに対するフィッティングでは図４に示すような結果は得られず、通常、スペクトルの歪みやノイズによって評価関数には複数点で略等しいピーク（最小値）が現れる。たとえば、真のマスク厚を示すピークＰに隣接するピークＰａおよびＰｂが、ピークＰと略等しくなるかまたはＰよりも小さくなる。このように、数十ｎｍ程度の波長幅の光源を用いた実際の計測では、通常、複数の最小値が現れるため、真のマスク厚ｔを決定することは困難である。

そこで、本実施形態では、検出される観測スペクトルの時間変化を用いることによって、所定時刻におけるマスク厚ｔを推定する。

まず、所定時間にわたって干渉光の検出を行い、継続的な観測スペクトル（図５参照）を所定時間分取得する。

次に、図６に示すように、得られた所定時間分の観測スペクトルから、複数の単一波長の時間変化を抽出する。図６では、波長８３０ｎｍ、８５０ｎｍおよび８７０ｎｍの３波長成分の例のみを示している。各波長成分の時間変化波形には、上記のＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ａ−Ｃ干渉の各干渉成分が重畳している。マスク９２とシリコンの基板９１とのエッチング速度比（選択比）は一般的に２０以上であるため、長周期で振幅の大きいコサイン波状の波形がマスク厚ｔに起因するＡ−Ｂ干渉成分である。一方、Ｂ−Ｃ干渉およびＡ−Ｃ干渉の加算成分が短周期で振幅の小さい波形として現れる。

ここで、図６から分かるように、各波長成分におけるバイアススペクトルの強度は、時間の経過に伴って変化せず、時間的に略一定である。このため、バイアススペクトルを含む観測スペクトルであっても、抽出した単一波長の時間変化波形は、振幅が略一定となる。そこで、図７に示すように、抽出した単一波長における時間変化波形それぞれに対して、コサイン波によるフィッティングを行う。図７では、波長８５０ｎｍの成分に対するフィッティング例を示している。この結果、単一波長におけるＡ−Ｂ干渉成分の時間変化のみが、コサイン波として取り出される。単一波長の時間変化波形に対するコサイン波フィッティングは、一定波長間隔（たとえば、２ｎｍ間隔）で複数の単一波長成分を抽出して、観測スペクトルの帯域幅全体に対して実施する。これにより、各波長におけるＡ−Ｂ干渉成分に対応するコサイン波（時間変化波形）が得られる。

そして、図８に示すように、得られた各波長のコサイン波（時間変化波形）の振幅を規格化し、時刻Ｔ０における各波長成分の値を強度（振幅）−波長軸にプロットする。コサイン波フィッティングによって、Ａ−Ｂ干渉成分の干渉スペクトルを、上式（１）の[ｃｏｓ（（２ｎｔ／λ）×２π）］の項で表される理論波形に近似した略完全なコサイン波として得ることができる。

図８に示したグラフの振幅値をアークコサイン関数を用いて位相値に変換し、位相−波長軸にプロットすることにより、図９の位相分布が得られる。得られた時刻Ｔ０における位相分布に、マスク厚ｔを変化させた場合のＡ−Ｂ干渉成分［ｃｏｓ（（２ｎｔ／λ）×２π）］（式（１）参照）の位相値（２ｎｔ／λ）×２πの分布をフィッティングさせ、評価関数が最小となるマスク厚ｔ０を取得する。この際、フィッティングの対象となるスペクトル波形が略完全なコサイン波となっているため、得られたスペクトルとＡ−Ｂ干渉成分の理論波形との一致度が極めて高くなり、図４と同じように、評価関数（二乗誤差）が単一の明確なピーク（最小値）を示す。これにより、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を高精度に測定することが可能となる。

以降のマスク厚ｔは、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を基点とすることで、容易に高精度な測定を実施することができる。具体的には、観測スペクトルのうち、任意の単一波長λ（たとえば、図７の８５０ｎｍ）の時間変化に着目する。マスク厚ｔの変化によって光路長２ｎｔ（図２参照）が半波長（λ／２）分だけ変化したときに、反射光ＡとＢとの位相が一致または半波長分ずれるため、その波長λの時間変化は極大値または極小値をとる。つまり、波長λにおける時間変化波形が極大または極小のピークを示す毎（図７の時刻Ｔａ〜Ｔｄ）に、マスク厚ｔが光路長でλ／４分だけ変化する。したがって、時刻Ｔ０（マスク厚ｔ０）以降の単一波長λの時間変化をモニタリングすることで、現在のマスク厚ｔの変化を±λ／４の変動範囲で推定することができる。

このため、スペクトルの歪みなどによって評価関数に略等しい複数の最小値（たとえば、図４のピークＰ、ＰａおよびＰｂ）が現れたとしても、現在のマスク厚ｔの変化をλ／４の変動範囲に絞り込むことができる。このように、λ／４の変動範囲にマスク厚ｔを限定することで、時刻Ｔ０以降のマスク厚ｔは、カーブフィッティングや、周波数解析（ＦＦＴや最大エントロピー法など）等の従来の方法でも高精度に測定することができる。

次に、図１０〜図１２を参照して、本実施形態のエッチングモニタリング装置１００によるエッチングプロセスにおけるマスク厚ｔおよびエッチング深さｄのモニタリング処理動作を説明する。以下の各処理は、アレイ検出器３２からの観測スペクトルデータを取得したデータ処理部４によって実行される。

エッチングプロセスが開始されると、まず、ステップＳ１およびＳ２において、アレイ検出器３２による観測スペクトルを取得して、一定時間分保存する。

ステップＳ３において、保存された一定時間分の観測スペクトルから、複数（たとえば、波長２ｎｍ間隔）の単一波長成分を抽出して時間変化をプロット（図６参照）する。ステップＳ４において、それぞれの単一波長成分の時間変化に対して、コサイン波によるカーブフィッティング（図７参照）を行う。次に、ステップＳ５において、エッチング開始時、または、開始後の所定の時刻Ｔ０における、規格化された振幅値（図８参照）を波長ごとに算出する。そして、ステップＳ６において、アークコサイン関数により時刻Ｔ０における各波長成分の位相値を算出する。この結果、Ａ−Ｂ干渉成分の時刻Ｔ０における位相−波長の分布波形（図９参照）が得られる。ステップＳ７において、得られた分布波形に対して、Ａ−Ｂ干渉の理論波形における位相値の変化（（２ｎｔ／λ）×２π）によるカーブフィッティングを行う（図４参照）。これにより、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０として算出する。

マスク厚ｔ０が算出されると、以降の処理では、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０に基づきマスク厚ｔ（ステップＳ９〜Ｓ１１）およびエッチング深さｄ（ステップＳ１２〜Ｓ１５）のリアルタイムモニタリングを並行して行う。まず、ステップＳ８において、図１１に示すように、アレイ検出器３２からの最新の観測スペクトルを取得する。

ステップＳ９では、単一波長λの振幅の時間変化が極値（極大値または極小値）であるかを判定する。極値である場合には、ステップＳ１０において、マスク厚ｔの変動範囲にλ／４分を加算する。この結果、時刻Ｔ０以降の極値（時刻Ｔａ〜Ｔｄ）の数（図７参照）に応じて、現在のマスク厚ｔの変動範囲が決定される。ステップＳ１１において、このマスク厚ｔの推移の推定結果と、順次得られる観測スペクトルに対するカーブフィッティング結果とに基づき、現在のマスク厚ｔが測定される。

一方、ステップＳ１２では、光源１の既知の発光スペクトルを用いて観測スペクトルを正規化する。ステップＳ１３において、正規化されたスペクトルを波長軸（横軸）から波数軸にプロットし直し、得られたスペクトルに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数解析を行う。この結果、図１２に示すように、高速フーリエ変換で得られるピーク位置が、エッチング深さとスペクトルの波数との関係式に基づき、直接エッチング深さｄと対応付けられる。これにより、ステップＳ１４において、Ａ−Ｃ干渉が示すピーク位置に対応する深さαを得る。このＡ−Ｃ干渉に起因する深さαは、エッチング深さｄ＋マスク厚ｔとなるため、ステップＳ１５において、現在のマスク厚ｔ分を補正することで、現在のエッチング深さｄが得られる。以上のステップＳ８〜Ｓ１５を観測スペクトルの取得に伴って順次実行することにより、マスク厚ｔおよびエッチング深さｄのリアルタイムモニタリングが行われる。

本実施形態では、上記のように、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源１と、アレイ検出器３２により検出された観測スペクトルのうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、マスク厚ｔを算出するデータ処理部４とを設けることによって、観測スペクトルに含まれる単一波長成分の時間変化からマスク厚に起因するＡ−Ｂ干渉成分の時間変化（図７参照）を抽出することができる。そして、観測スペクトルに含まれる複数の単一波長成分の各々において、Ａ−Ｂ干渉成分の時間変化を抽出することにより、マスク厚に起因するＡ−Ｂ干渉スペクトルのみ（図８および図９参照）を観測スペクトルから精度よく取り出すことができる。これにより、所定の波長幅を有する光源１を用いた場合でも、観測スペクトルの歪みやノイズの影響を除去して、高精度なマスク厚測定を行うことができるとともに、輝度が大きく露光時間を長くする必要がない比較的狭帯域の光源１を用いることにより、マスク厚ｔの計測をリアルタイムで行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、広帯域光源を用いる必要がないため、マスク厚ｔの計測とエッチング深さｄの計測との両方を共通の光源１および計測光学系２で行うことができる。これにより、エッチングモニタリング装置１００の装置構成の簡素化および小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、上記のように、データ処理部４は、所定の時刻Ｔ０における各波長成分の位相に基づいて、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を算出するように構成されている。これにより、時刻Ｔ０における各波長成分の位相（図９参照）を用いることにより、観測スペクトルからバイアススペクトルなどの影響による波長ごとの信号強度の相違（スペクトルの歪み）を除去することができる、Ａ−Ｂ干渉スペクトルのみを精度良く抽出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、データ処理部４は、複数の単一波長成分の時間変化に対して、コサイン波フィッティングを行うことにより、各波長成分の位相を検出するように構成されている。これにより、ノイズや他の干渉光成分（Ｂ−Ｃ干渉、Ａ−Ｃ干渉）をコサイン波フィッティングにより除去した上で、単一波長成分の時間変化波形（図７参照）からＡ−Ｂ干渉成分の位相値を精度良く検出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、データ処理部４は、時刻Ｔ０における各波長成分の位相を位相−波長軸にプロットした位相分布波形（図９参照）を解析することによって、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を算出するように構成されている。これにより、Ａ−Ｂ干渉スペクトルを、バイアススペクトルなどの影響を除去した位相分布として得ることができる。この結果、理論波形に近似するＡ−Ｂ干渉スペクトルを得ることができるので、容易かつ高精度に、時刻ｔ０におけるマスク厚ｔ０を算出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、データ処理部４は、時刻Ｔ０における位相分布波形（図９参照）をフィッティングにより解析することによって、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を算出するように構成されている。得られた干渉スペクトル（位相分布）が理論波形と精度良く一致するので、フィッティングにより、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を高精度に算出することができる。また、ＦＦＴなどの周波数解析とは異なり、帯域幅が狭い場合でも精度良く解析することができる。

また、本実施形態では、上記のように、データ処理部４は、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０の算出結果を起点として、エッチング中にリアルタイムでマスク厚ｔを順次算出するように構成されている。これにより、一度時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を高精度に測定すれば、時間の経過に伴うマスク厚ｔの変化を検出するだけで、リアルタイムでのマスク厚ｔの管理を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、データ処理部４は、単一波長λの時間変化において極小値または極大値が出現する度に、λ／４分のマスク厚変化が生じるという関係に基づいてマスク厚ｔの変動範囲を推定し、推定結果に基づいてマスク厚ｔを算出するように構成されている。これにより、マスク厚ｔの時間的な変化をλ／４分の変動範囲内で推定することができる。この結果、推定した変動範囲（±λ／４）内にのみに着目すればよいので、時刻Ｔ０以降のマスク厚ｔの変化を容易に検出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、光源１は、スーパールミネッセントダイオードである。このように光源１にスーパールミネッセントダイオードを用いることにより、比較的狭帯域の波長幅を有し、かつ、高輝度な測定光を発生可能な光源を得ることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、エッチングマスクのマスク厚モニタリングを行うエッチングモニタリング装置に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、エッチングマスク以外の薄膜や、シリコン基板の厚みモニタリングに本発明を適用してもよい。この場合、各種薄膜の成膜工程における膜厚のモニタリングや、シリコン基板の薄化工程における基板厚みのモニタリングなどに本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、マスク厚のモニタリングに加えて、エッチング深さのモニタリングを行う構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、マスク厚のモニタリングのみを行うように構成してもよい。

また、上記実施形態では、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０の計測を、フィッティングにより行う例について説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０を、フィッティング以外のＦＦＴや、最大エントロピー法などを用いて算出してもよい。

また、上記実施形態では、時刻Ｔ０以降のマスク厚ｔの変化の計測を、フィッティングにより行う例について説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、時刻Ｔ０以降のマスク厚計測は、フィッティング以外のＦＦＴや、最大エントロピー法などを用いてもよい。この場合でも、マスク厚ｔの変化を、観測スペクトルに含まれる任意の波長λの４分の１の変動範囲に絞り込めるため、高精度な計測が可能である。

また、上記実施形態では、エッチング深さのモニタリングをＦＦＴにより行う例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、エッチング深さのモニタリングをＦＦＴ以外の最大エントロピー法による周波数解析や、フィッティングなどの他の手法によって実施してもよい。この場合でも、高精度に計測されたマスク厚の計測結果を用いてエッチング深さの測定結果を補正することで、高精度な深さ測定を行うことが可能である。

また、上記実施形態では、時刻Ｔ０におけるマスク厚ｔ０の測定において、観測スペクトルから２ｎｍごとに単一波長成分を抽出する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、単一波長成分を１ｎｍごとに抽出してもよいし、３ｎｍ以上の間隔で抽出してもよい。フィッティングにおける評価関数が複数の最小値を含まない程度に、位相分布波形がＡ−Ｂ干渉の理論波形（コサイン波）と近似していればよい。つまり、単一波長成分の抽出波長間隔は、マスク厚を一意に特定しうる範囲で任意の波長間隔とすることができる。このため、観測スペクトルの全体に渡って単一波長成分を抽出する必要もなく、必要十分な波長範囲で単一波長成分を抽出すればよい。

また、上記実施形態では、マスク厚ｔ０の測定において、時刻Ｔ０における位相分布（図９参照）に、マスク厚ｔを変化させた場合のＡ−Ｂ干渉成分の位相値の分布をフィッティングさせた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、時刻Ｔ０における各波長成分の振幅−波長分布（図８参照）に対して、Ａ−Ｂ干渉成分の振幅分布［ｃｏｓ（（２ｎｔ／λ）×２π）］をフィッティングさせてもよい。この場合でも、観測スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分を略完全なコサイン波として抽出できているので、同様の測定結果を得ることができる。

１ 光源
４ データ処理部（厚み算出手段、マスク膜厚算出手段、エッチング深さ算出手段）
３２ アレイ検出器（検出手段）
９２ マスク（測定対象物、エッチングマスク）
１００ エッチングモニタリング装置（厚みモニタリング装置、エッチング深さモニタリング装置）

Claims (11)

1. 所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、
   時間により厚みが変化する測定対象物から反射された前記測定光の干渉光を波長ごとに検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、前記測定対象物の厚みを算出する厚み算出手段とを備える、厚みモニタリング装置。
2. 前記測定対象物は、エッチング時に厚みが変化するエッチングマスクであり、
   前記検出手段は、前記エッチングマスクの表面からの反射光と、前記エッチングマスクの反対側の境界面で反射した反射光との干渉光を波長ごとに検出するように構成されている、請求項１に記載の厚みモニタリング装置。
3. 前記厚み算出手段は、前記複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、所定の時刻における各波長成分の位相を検出するとともに、検出した前記所定の時刻における各波長成分の位相に基づいて、前記所定の時刻における前記測定対象物の厚みを算出するように構成されている、請求項１または２に記載の厚みモニタリング装置。
4. 前記厚み算出手段は、前記複数の単一波長成分の時間変化に対して、フィッティングによる波形解析を行うことにより、前記所定の時刻における各波長成分の位相を検出するように構成されている、請求項３に記載の厚みモニタリング装置。
5. 前記厚み算出手段は、検出した前記所定の時刻における各波長成分の位相を波長ごとにプロットした波形を解析することによって、前記所定の時刻における前記測定対象物の厚みを算出するように構成されている、請求項３または４に記載の厚みモニタリング装置。
6. 前記厚み算出手段は、検出した前記所定の時刻における各波長成分の位相を波長ごとにプロットした波形をフィッティングにより解析することによって、所定の時刻における前記測定対象物の厚みを算出するように構成されている、請求項５に記載の厚みモニタリング装置。
7. 前記厚み算出手段は、所定の時刻における前記測定対象物の厚みの算出結果を起点として、エッチング中にリアルタイムで前記測定対象物の厚みを順次算出するように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の厚みモニタリング装置。
8. 前記厚み算出手段は、干渉光に含まれる所定の単一波長成分の前記所定の時刻以降における極大値または極小値と、前記測定対象物の厚みとの関係に基づいて、前記測定対象物の厚みの変動範囲を推定し、推定結果に基づいて前記測定対象物の厚みを算出するように構成されている、請求項７に記載の厚みモニタリング装置。
9. 前記光源は、スーパールミネッセントダイオードである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の厚みモニタリング装置。
10. 所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、
    エッチングマスクから反射された前記測定光の干渉光を波長ごとに検出する検出手段と、
    前記検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、前記エッチングマスクの膜厚を算出するマスク膜厚算出手段と、
    前記マスク膜厚算出手段による前記エッチングマスクの膜厚の算出結果と、前記検出手段により検出された干渉光とに基づいて、前記測定対象物のエッチング深さを計測するエッチング深さ算出手段とを備える、エッチング深さモニタリング装置。
11. 所定の波長幅を有する測定光を発生するステップと、
    時間により厚みが変化する測定対象物から反射された前記測定光の干渉光を波長ごとに検出するステップと、
    前記検出手段により検出された干渉光のうち、複数の単一波長成分の時間変化に基づいて、前記測定対象物の厚みを算出するステップとを備える、厚みモニタリング方法。

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