JP2015087197A - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部の底部に設けられた膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置、及び膜厚測定方法を提供する。
【解決手段】膜厚測定装置は、光源部１０と、試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器１９と、共焦点光学系１０１と、ＳｉＯ_２膜の膜厚を算出するために、第１波長の光による第１画像と、第２波長の光による第２画像とに基づいて、第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理装置２０と、を備え、処理装置２０は波長と反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから膜厚ｔを近似して算出し、膜厚ｔの近似において、トレンチの形状に応じたトレンチ係数Ｔｒが導入されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。

特許文献１には、光干渉を使い非接触でＳｉＯ_２膜の厚さを測定する測定方法が開示されている。特許文献１の測定方法では、共焦点光学系を用いて、複数の波長の光を切り替えることで、測定を行っている。具体的には、第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから膜厚を近似して算出している。

特開２００９−２０４３１３号公報

ところで、パワーデバイス、バイポーラデバイス、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デバイス、センサ等の作製過程において、各種デバイス間を完全分離するために、狭い溝（トレンチ）を形成する工程がある。このトレンチの底部にＳｉＯ_２を形成する場合がある。さらには、積層型３次元デバイスに設けられた貫通電極の作製過程において、貫通穴底にＳｉＯ_２膜を形成することもある。このような、ＳｉＯ_２膜の厚さや残渣を測定することが望まれている。

エッチング技術で形成されるトレンチのアスペクト比（トレンチの深さｄ／幅Ｗ）が大きくなるにつれて、トレンチ底部の残渣や酸化膜厚を測定し、トレンチ構造が正しく形成されているかを評価する技術が望まれる。

一般的には、試料の切断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察することで、底部の評価を行っている。しかしながら、ＳＥＭでは、試料を切断する必要があるため、非破壊での測定が望まれる。

また、従来の光学式膜厚測定法（白色分光法、反射分光法、偏光解析法等）では、トレンチに適用することが困難である。特にアスペクト比が大きいトレンチの測定では、正確に測定することが困難になってしまう。

例えば、反射分光による法では、試料を白色光で照明し、その反射光を分光することで分光スペクトルを測定する。また、分光スペクトルは光の波長と膜厚、膜と基板の屈折率（ｎ）と減衰係数（ｋ）で決定される条件により、絶対反射率の波長依存性という形で、理論的に計算することができる。測定データを理論値に対して、膜厚をパラメータとしてフィッティングすることにより膜厚を決定する。

通常の平面試料の場合、反射基準試料を使うことにおって、試料の反射率を絶対反射率に換算することができる。しかしながら、トレンチ底部の反射光は、トレンチ形状の影響を受けるため、絶対反射率を測定することが困難となってします。また、一般には、膜厚の空間分布を高分解に測定することが困難であり、光が照明するエリアの平均値となる。トレンチ底部からの反射光とトレンチ上面からの反射光を分離するのは困難であるため、絶対反射率を正確に測定することが困難である。

偏光解析による方法（エリプソメトリー）では、反射光を計算することで、膜厚を求めることができる。しかしながら、試料に対して照明光を斜入射させる必要があるので、トレンチ底部を照明して、反射光を受光することが難しい。また、一般的には、膜厚の空間分布を高分解に測定することは困難であり、光が照明するエリアの平均値となってしまう。

白色干渉縞走査による方法では、試料あるいは対物レンズをＺスキャンしている。そして、Ｚスキャンしたときの白色光の干渉縞の最大強度位置を計算することで、高さを求めることができる。膜厚を測定するには、下地基板と膜表面からの干渉強度信号をそれぞれ分離して測定することが必要となる、しかしながら、膜厚が１μｍ以下の場合、それらの強度信号を分離することが困難となる。さらに、反射率の高い基板上に、反射率の低い透明膜が存在する場合には、透明膜からの干渉強度を精密に測定することはできず、膜厚測定は一層困難なものとなる。

共焦点顕微鏡による方法では、対物レンズと試料間の距離をＺスキャンにより変えて、合焦位置を検出することで、高さ測定や膜厚測定が可能になる。膜厚数μｍ以下の場合、下地基板と膜表面の反射信号を分離することができないため、膜厚を正確に測定することが困難となるさらに、数合焦点位置を精密に測定するには、対物レンズの開口数を大きくする必要がある。しかしながら、開口数が大きいほど、対物レンズの光軸に対して傾斜した照明光成分が多くなる。したがって、トレンチ底まで届く光量が減少してしまい、合焦点位置の検出が困難となる。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、凹部の底部に設けられた薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置、及び膜厚測定方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様に係る膜厚測定装置は、試料上に設けられている凹部の底部に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、少なくとも第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１波長の照明光による第１画像と、前記第２波長の照明光による第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部と、を備え、前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、前記膜厚の近似において、前記凹部の形状に応じた補正係数が導入されているものである。これにより、凹部の底部に設けられた薄膜の膜厚を正確に測定することができる。

上記の膜厚測定装置において、前記補正係数が、平面からの受光強度と前記凹部の底部からの受光強度との比の計算値となっていてもよい。これにより、補正係数を算出することができる。

上記の膜厚測定装置において、前記平面から受光強度と、前記凹部の底部からの受光強度とが、反射率の入射角依存性を示す近似式関数又は参照テーブルを用いて算出されていてもよい。これにより、補正係数を簡便に算出することができる。

上記の膜厚測定装置において、照明光の波長に応じて前記補正係数が設定されていてもよい。これにより、より適切に補正を行うことができるため、正確な膜厚測定が可能となる。

上記の膜厚測定装置において、前記処理部は、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出するようにしてもよい。これにより、膜厚を簡便に近似して、算出することができる。

試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、前記膜厚の近似において、前記凹部の形状に応じた補正係数が導入されているものである。

上記の膜厚測定方法において、前記補正係数が、平面からの受光強度と前記凹部の底部からの受光強度との比の計算値となっていてもよい。これにより、補正係数を算出することができる。

上記の膜厚測定方法において、前記平面から受光強度と、前記凹部の底部からの受光強度とが、反射率の入射角依存性を示す近似式関数又は参照テーブルを用いて算出されていてもよい。これにより、補正係数を簡便に算出することができる。

上記の膜厚測定方法において、照明光の波長に応じて前記補正係数が設定されていてもよい。これにより、より適切に補正を行うことができるため、正確な膜厚測定が可能となる。

上記の膜厚測定方法において、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出するようにしてもよい。これにより、膜厚を簡便に近似して、算出することができる。

本発明によれば、凹部の底部に設けられた膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置、及び膜厚測定方法を提供することができる。

トレンチを有する試料の構成を示す断面図である。 膜付きトレンチの構成を示す断面図である。 空気／ＳｉＯ_２／Ｓｉの光学モデルを説明する図である。 反射光の屈折率による光路差を説明する図である。 反射スペクトルの膜厚依存性を示すグラフである。 本実施形態に係る測定装置を示す図である。 膜厚パラメータによる反射率フィッティングを示す図である。 膜厚パラメータと残差変化の関係を示すグラフである。 対物レンズのＮＡと膜厚解析結果の関係を示す図である。 トレンチ構造による反射光の制限を説明する図である。 トレンチの反射強度と絶対反射率の関係を示す図である。 入射光と反射光の３次元座標を説明する図である。 平面の場合の角度範囲を説明する図である。 トレンチの場合の角度範囲を説明する図である。 ＶＩＡの場合の角度範囲を説明する図である。 反射率の入射角依存を説明する図である。 照明波長５４６ｎｍの時のＳｉ反射率の入射角依存性を示すグラフである。 Ｓｉ平均反射率の入射角依存性を示すグラフである トレンチ係数の計算結果を示す表である。 照明波長を変えた時の、アスペクト比とトレンチ係数の関係を示すグラフである。 ＮＡを変えた時の、アスペクト比とトレンチ係数の関係を示すグラフである。 トレンチ補正なしでの膜厚解析結果を示すグラフである。 トレンチ補正なしでの膜厚解析結果を示すグラフである。 トレンチ補正有りでの膜厚解析結果を示すグラフである。 トレンチ補正有りでの膜厚解析結果を示すグラフである。 トレンチ係数により補正を行う場合の膜厚解析の計算モデルを概念的に示す図である。 トレンチ係数を算出する計算モデルを概念的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。本実施の形態では、測定の基本的な原理として、反射分光式の膜厚測定法を利用する。本実施の形態に係る測定装置は、光源、光学系、検出器等を有しており、光学的に膜厚を測定する。例えば、測定装置の光学系は、特許文献１と同様の構成を有している。

[絶対反射率の理論計算]
まず、試料の構造について、図１、及び図２を用いて説明する。図１は、トレンチを有する試料の構造を示す断面図である。図２は、トレンチ部分を拡大して示す断面図である。図１に示すように、試料３０は、Ｓｉ基板３１と、ＳｉＯ_２膜３２とを備えている。

Ｓｉ基板３１は、例えば、シリコン等の半導体基板である。Ｓｉ基板３１には、複数のトレンチ３４が形成されている。例えば、Ｓｉ基板３１であるシリコンウェハをエッチングすることで、トレンチ３４が形成される。トレンチ３４は、Ｓｉ基板３１の表面に対して垂直に形成されている。そして、トレンチ３４の底部には、透明なＳｉＯ_２膜３２が形成されている。

ここで、トレンチ３４の幅（開口幅）をＷ、深さをｄとする。さらに、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚をｔとする。したがって、トレンチ３４の底部の構造は、上から順に空気（Ａｉｒ）／ＳｉＯ_２／Ｓｉとなる。

ここで、空気／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造の光学モデルを図３に示す。空気／ＳｉＯ_２／Ｓｉの複素屈折率をそれぞれ、Ｎ_０、Ｎ_１，Ｎ_２とする。同様に、空気／ＳｉＯ_２／Ｓｉの屈折率をｎ_０、ｎ_１、ｎ_２とし、消衰係数をｋ_０、ｋ_１、ｋ_２とする。なお、上記の複素屈折率、屈折率、消衰係数は、照明光の波長λに対する値である。なお、空気では、ｎ_０＝１、ｋ_０＝０となる。複素屈折率Ｎ_０、Ｎ_１，Ｎ_２は、それぞれ以下の式（１）〜式（３）で表される。

次に、Ｓｉ基板３１上のＳｉＯ_２膜３２による薄膜干渉強度について考える。波長λの光がＳｉＯ_２膜３２に対して垂直に入射するものとして説明する。なお、図３では、対物レンズのＮＡ（開口数）を考慮して、照明光が斜めに入射する様子を示している。また、図３では、空気とＳｉＯ_２との界面を界面Ａとし、ＳｉＯ_２膜３２とＳｉ基板３１との界面を界面Ｂとしている。

試料３０に入射した光の一部は、界面Ａで反射する。また、試料３０に入射した光の一部は、ＳｉＯ_２膜３２を透過して、界面Ｂで反射する。界面Ｂで反射した反射光の一部は、ＳｉＯ_２膜３２を透過して、界面Ａを透過する。また、界面Ｂで反射した反射光の一部は、界面Ｂで反射され、再度、界面ＡでＳｉ基板３１側に反射する。一般に、薄膜では、図３の点線に示すような多重反射が起きる。

ここで、界面Ａの振幅反射率ｒ_０と界面Ｂの振幅反射率ｒ_１をそれぞれ式（４）、（５）で示す（垂直入射とみなす）。

このとき、厚さｔのＳｉＯ_２膜３２を１回透過する光の位相変化δと振幅変化γは、それぞれ、式（６）、（７）のようになる。

多重反射を考慮した膜構造全体の振幅反射率ｒは、式（８）となる。

反射率Ｒは振幅反射率ｒの絶対値の自乗となるので、式（９）となる。

従って、複素屈折率Ｎ_１，Ｎ_２が既知であれば、垂直入射の反射率Ｒは波長λと膜厚ｔから計算することができる。ここで、対物レンズのＮＡによる斜入射効果の補正を考える。図４に示すように、光軸に対して、角度θ_０で入射する入射光について説明する。入射光の一部は、界面Ａで反射する（反射光Ｅ_０）。また、入射光の一部は、式（１０）で示されるスネルの法則に従って、界面Ａで角度θ_１だけ屈折する。

さらに、界面Ａで角度θ１だけ屈折した入射光は、界面Ｂで反射して、再び界面Ａで屈折する（反射光Ｅ_１）。したがって、界面Ａで反射した反射光Ｅ_０と、界面Ｂで反射した反射光Ｅ_１との間で、多重反射による干渉が起こる。

垂直入射の場合と異なり、反射光Ｅ_０と反射光Ｅ_１との光路差が式（１１）のようになる。

入射光の入射角θ０が大きくなるに従い、見かけ上の膜厚ｔは小さくなる。照明光には、対物レンズのＮＡによる角度θ_ＮＡ〜０度までの様々な入射角の光が含まれている。このため、厳密には、反射光の干渉を全ての角度で計算する必要がある。しかしながら、振幅反射率ｒと光路差の角度依存性を全て扱うとすると、計算負荷が大きくなってしまう。そこで、垂直入射の振幅反射率ｒと平均光路差を使って近似を行う。

入射光は無偏光なので、反射率Ｒの角度依存よりも光路差の角度依存が支配的と考える。すると、ＮＡと屈折角の関係は式（１２）のようになる。

したがって、式（１１）の位相変化δについて、０〜＋θ_ｍａｘの範囲における角度分布の平均を求めることで、平均光路差を算出することができる。平均光路差δは、以下の式（１３）によって算出することができる。

よって、光路差δを式（６）から式（１３）に置き換えて、式（９）の反射率Ｒを計算すれば、任意のＮＡに対する反射率Ｒを簡便に算出することができる。ＮＡ＝０．３の場合について、可視光領域（４００〜７００ｎｍ）における反射率Ｒの膜厚依存性を計算した例を図５に示す。図５では、横軸が照明光の波長λを示し、縦軸が反射率Ｒを示している。さらに、図５では、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚ｔを０ｎｍ、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、１０００ｎｍと変化させた場合のそれぞれの反射率Ｒの波長依存性について図示している。

[平面の膜厚解析のＮＡ依存の検証]
まず、トレンチ３４ではない平面の膜厚解析のＮＡ依存性について説明する。ここでは、照明光の波長λとして、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５１４ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、６３３ｎｍを選択した場合について説明する。もちろん、選択する波長λについては、上記の値に限られるものではない。

反射率Ｒは、キャプチャーした画像の輝度値Ｉ^{ｓａｍｐｌｅ}からを求めることができる。そして、各波長の反射率Ｒの測定値から、膜厚ｔを求める。具体的には、式（９）の反射率Ｒに各波長λでの測定値を用いて、膜厚ｔをパラメータとする最小二乗法でフィッティングさせることで、膜厚ｔを求めることができる。

試料３０の反射率Ｒを測定する場合、反射率が既知である基準試料の反射率を測定することができる。基準試料を用いることで、測定に使用している光学系の特性や光源の特性を補正することができる。例えば、Ｓｉや、石英ガラスを基準試料とすることができる。Ｓｉを基準試料とする場合、測定装置で、各波長でのＳｉの反射画像を撮像する。ここで、カラーバランス、ゲインコントロールなどの撮像条件は一定とする。このＳｉの輝度値Ｉ^Ｓｉに対する相対値として、試料３０の反射率Ｒを計算する。さらに、Ｓｉの反射率の波長依存データＲ^Ｓｉ（λ）は既知となっている。そして、反射率を波長依存データＲ^Ｓｉ（λ）で補正する。したがって、試料３０の反射率Ｒ^{ｓａｍｐｌｅ}（λ）は式（１４）で求めることができる。なお、Ｉ^０は、照明光のシャッタを閉じた場合に受光される暗輝度値である。

ここで、本実施の形態にかかる膜厚測定装置について、図６を用いて説明する。測定装置１００は、共焦点光学系１０１を有する共焦点顕微鏡である。測定装置１００は、波長選択が可能な光源部１０を備えている。光源部１０は、光源１１と干渉フィルター１２とを備えている。光源１１としては、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源が用いられる。なお、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源１１としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。後述するように、波長が選択できればどのような光源を用いてもよい。

光源１１からの光によって、試料３０を観察するための光学系について説明する。光源１１から出射した光は、干渉フィルター１２を通過し、特定の波長の光に変換される。干渉フィルター１２としては、例えば、特定波長の光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタを用いることができる。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させる。例えば、照明光の波長として、４３６ｎｍ、４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、６３３ｎｍを選択することができる。水銀キセノンランプを用いる場合、輝線に対応する波長の光を選択することが可能である。また、輝線に対応する波長以外の波長の光をフィルターで選択することも可能である。輝線の波長以外の光は強度が小さいため、干渉フィルターの半値幅を広くすることによりバランスを取ることができる。なお、波長の切替は連続的でもよいし、断続的でもよく、例えば、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの間で５〜７波長を選択してもよい。

なお、光源１１として単波長のレーザ光を出射するレーザ光源を用い、波長変換素子を設けてもよい。例えば、第二高調波発生により、波長変換素子に入射する単波長の光の波長変換を行うことができる。また、光源１１として、可変波長レーザを用いることも可能である。さらに、異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、複数のレーザ光源のうちの所望の波長の光を選択するようにしてもよい。

そして、干渉フィルター１２を透過した単一波長の照明光はレンズ１３ａを透過して、スリット１４に入射する。照明光は、スリット１４を通してＸ方向のライン状に整形される。そして、ライン状の照明光は、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５は、偏光状態によらずに、反射光と透過光の光量が略１：１になるように、光を分岐する。従って、照明光の略半分がビームスプリッタ１５を透過する。

その後、図１中右方向に進む光は、振動ミラー１６に入射する。振動ミラー１６により、Ｘ方向のライン状の照明光で試料３０上をＹ方向に走査する。これにより、試料３０面上をＸＹに走査することができる。振動ミラー１６としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。

振動ミラー１６により、下方に反射された照明光は、レンズ１３ｂを介して、対物レンズ１７に入射する。対物レンズ１７は、照明光を集光して、試料３０に照射する。試料３０は、ステージ１８上に載置されている。そして、試料３０からの反射光は、再度、対物レンズ１７、及びレンズ１３ｂを通過し、振動ミラー１６により再び反射され、ビームスプリッタ１５へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ１５で反射され、レンズ１３ｃに入射する。レンズ１３ｃは、光検出器１９の受光面に合成光を結像させる。レンズ１３ｃを透過した光は、光検出器１９で受光される。

本実施の形態では、光検出器１９は、試料３０のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤラインセンサである。光源１１からスリット１４を透過した照明光が、試料３０で反射して、ＣＣＤラインセンサにより検出される。振動ミラー１６により、試料３０上を走査することにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。なお、共焦点光学系１０１の方式が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリットや光検出器は方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、Ｘ方向とＹ方向にスキャンするための振動ミラーを用いてもよく、Ｘ方向に音響光学素子であるＡＯＤを用いることも可能である。

ステージ１８は、図示しないＺ軸駆動モータを有しており、試料３０を図１の上下方向に移動させることができる。このステージ１８は、Ｚ軸方向（光軸方向）に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ１８がＺ方向に移動するかわりに、対物レンズ１７を移動させて焦点位置調整を行うこともできる。すなわち、試料３０と対物レンズ１７との距離が変わるように、Ｚスキャンする。もちろん、基準試料の測定を行う場合、試料３０の代わりにＳｉ等の基準試料がステージ１８に載置される。

共焦点光学系１０１において、観察波長を変えると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる輝度の変化が予想される。これは、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定してＰＣに記憶しておき、波長切り替えの際に、ズレ分だけ自動的に試料３０あるいは対物レンズ１７のＺ位置を微調整することでキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をＺスキャンにより作製してもよい。なお、観察光学系自身の波長依存性は、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、計算により補正できる。

処理装置２０は、反射率測定部２１と、膜厚計算部２２とを備えている。反射率測定部２１は複数の異なる波長の照明光を照射したときのそれぞれの光検出器１９で得られた画像から反射率を測定する。反射率測定部２２は、反射率の測定データを用いて、トレンチ３４の底部に形成されたＳｉＯ_２膜３２の膜厚を算出する。すなわち、処理装置２０は、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚を算出するために、ある波長の照明光による画像と、それと異なる波長の照明光による画像とに基づいて、それぞれの波長に対する反射率の測定データを求める。そして、処理装置２０は、波長と反射率との関係がＳｉＯ_２膜３２の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データからＳｉＯ_２膜３２の膜厚を近似して算出する。この膜厚の測定方法については、後に詳述する。

本発明では、共焦点光学系１０１を用いて、照明波長を切り替えながら、反射率を測定する。これにより、トレンチ３４のエッジからの散乱光やＳｉ基板３１上面からの反射光を除去し、トレンチ３４の底部に設けられたＳｉＯ_２膜３２の膜厚ｔを測定することができる。このように、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚を非接触・非破壊で短時間に測定することができる。なお、高アスペクト比のトレンチ３４底の膜厚測定が可能となる。波長による反射強度の相対変化による計測であるため、反射光焦点位置の検出による膜厚測定では問題となっていた擬似焦点にも影響されない。また、光学顕微鏡の焦点深度より大きな段差のある表面の膜厚測定にも対応できる。ＳｉＯ_２膜３２がないトレンチ３４の底部の絶対反射率を測定することで、反射率の減衰からトレンチ底部の表面粗さを判定することも可能である。

光検出器１９等のゲイン調整を固定した状態で、基準試料であるＳｉと試料とについて、同一視野の画像を取得する。ここでは、測定装置１００が、上記のように波長を変えて画像を撮像する。すなわち、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５１４ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、６３３ｎｍのそれぞれの照明波長について、基準試料と試料の画像を取得する。そして、画像上で指定したエリアに関する輝度値の平均値をＩ^Ｓｉ、Ｉ^{ｓａｍｐｌｅ}とする。そして、平均の輝度値Ｉ^Ｓｉ、Ｉ^{ｓａｍｐｌｅ}を式（１４）に代入することで、試料３０の絶対反射率Ｒ^{ｓａｍｐｌｅ}を求める。絶対反射率Ｒ^{ｓａｍｐｌｅ}は、照明波長毎に求める。

なお、ＮＡ補正の計算方法の検証として、トレンチではなく、通常のシリコンウェハ上のＳｉＯ_２膜３２を用いて、測定を行う。すなわち、平坦な表面全体にＳｉＯ_２膜３２が形成された基板３１を用いる。なお、分光エリプソメータで測定したＳｉＯ_２膜３２の膜厚は、約５０５ｎｍである。光学モデルは、図３と同様になる。また、対物レンズ１７のＮＡは０．３としている。

式（１４）から求めた反射率を測定反射率Ｒｍとする。また、式（９）から求めた反射率を計算反射率Ｒｃとする。図７に測定反射率Ｒｍと計算反射率Ｒｃをプロットしたグラフを示す。図７において、横軸が照明光の波長λ、縦軸が反射率Ｒとなっている。また、図７では、測定反射率Ｒｍを黒塗りの四角でプロットしている。さらに、図７では、膜厚ｔが４９０ｎｍ、５０４ｎｍ、５１５ｎｍの場合の計算反射率Ｒｃをそれぞれ点線、実線、一点鎖線で示している。

測定反射率Ｒｍと計算反射率Ｒｃの残差Σを式（１５）のように定義する。

膜厚ｔに応じて計算した残差Σを図８に示す。図８において、横軸が膜厚、縦軸が残差Σである。図８に示すグラフからｔ＝５０４ｎｍで残差Σが最小となるため、膜厚ｔを５０４ｎｍと決定することができる。このように、残差Σが最小となる膜厚をＳｉＯ_２膜３２の膜厚（解析膜厚）と推定することができる。６波長で照明した場合、誤差±２ｎｍ程度で膜厚測定できると推定される。このように、式(１３)を用いて、対物レンズ１７のＮＡによる照明光の角度分布を補正することで、正確に膜厚を測定することができる。

ＮＡの異なる対物レンズ１７を使った場合の膜厚解析結果を図９に示す。図９のグラフでは横軸が対物レンズ１７のＮＡ、縦軸が解析膜厚を示している。また、図９のグラフでは、ＮＡ補正前のデータを白抜きでプロットし、ＮＡ補正後のデータを黒塗りでプロットしている。レンズの倍率に関わらず、補正前の解析膜厚は、ＮＡが大きくなるにつれて減少している。すなわち、ＮＡが大きくになるにつれて、照明光の角度分布の影響が大きくなるため、実際の膜厚（５０５ｎｍ）から解析膜厚が小さくなってしまう。それに対して、ＮＡ補正後の解析膜厚は、約５０５ｎｍ付近で一定となっている。よって、ＮＡ補正は有効に作用することを確認することができる。

なお、上記と同様の方法で、画像の各画素に対して膜厚を求めることができるので、膜厚分布を表示することも可能である。

[トレンチ形状の絶対反射率の測定]
次に、トレンチ３４の底部に設けられたＳｉＯ_２膜３２の絶対反射率の測定について説明する。トレンチ底のＳｉＯ_２膜３２の絶対反射率を測定する場合、トレンチ３４のアスペクト比によって入射光量が制限される。したがって、平面試料の場合の式（１４）では、反射画像の輝度値を反射率に換算することができない。

図１０を用いて、トレンチ構造による反射光の制限について説明する。図１０は、試料に入射する入射光と、試料で反射する反射光を簡略化して示す図である。図１０では、左側に平面構造での反射を示し、右側にトレンチ構造での反射を示している。平面構造の場合、入射光の全てが反射光として、光検出器１９に受光される。

一方、トレンチ構造の場合、入射光の一部だけが反射光として、光検出器１９に受光されることになる。すなわち、入射光がトレンチの底部まで到達しなくなるため、光検出器１９での輝度値が低下する。したがって、トレンチ構造の表面が平面構造と同じ反射率を有していたとしても、反射強度（輝度値）は小さくなる。従って、式（１４）をそのまま使用すると、絶対反射率が小さくなってしまう。すなわち、実際の反射率よりも低く見積もってしまう。

そこで、トレンチ構造での反射強度を絶対反射率に換算する係数を導入する。この係数をトレンチ係数Ｔｒとする。トレンチ係数Ｔｒは、トレンチの形状に応じた値を取る補正係数となる。例えば、トレンチ係数Ｔｒは、主にトレンチ３４のアスペクト比βと、対物レンズ１７のＮＡに依存する。トレンチ係数Ｔｒ、及びアスペクト比βはそれぞれ、以下の式（１６）、式（１７）で表すことができる。

図１１(ａ)に示すように、フラットな基準試料４０の絶対反射率をＲ^ｒｅｆとし、反射強度をＩ^ｒｅｆとする。図１１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２膜３２がないトレンチ３４の底部の絶対反射率をＲ^Ｔｒ_0とし、反射強度をＩ^Ｔｒ_0とする。図１１（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２膜３２が設けられたトレンチ３４の絶対反射率をＲ^Ｔｒ_ｔとし、反射強度をＩ^Ｔｒ_ｔとする。

底部にＳｉＯ_２膜３２がないトレンチ３４の絶対反射率Ｒ^Ｔｒ_0と、ＳｉＯ_２膜３２があるトレンチ３４の絶対反射率Ｒ^Ｔｒ_ｔは、それぞれ、式（１８）、式（１９）のように書けるとする。

膜無のトレンチ３４の反射強度を実測することができれば、絶対反射率の理論値を使い、トレンチ係数Ｔｒを式（１８）から逆算することができる。しかしながら、膜無のトレンチ３４が常に用意されているわけではない。

式（１８）は、トレンチ３４の底部がＳｉの場合の反射でもある。よって、式（２０）のように、トレンチ３４の反射強度と平面の反射強度の比をモデルから計算することで、トレンチ係数Ｔｒを求めることができる。

[トレンチ係数の計算]
図１０では、トレンチ３４の断面の入射と反射の関係を示していたが、入射と反射の関係を定量的に計算するには、３次元的に取り扱う必要がある。そこで、入射と反射の座標系を図１２に示すような球座標として、原点に関する反射を考える。

入射光は一様な角度分布を持っているとし、微小立体角ｄΩに関する反射強度を立体角範囲内で積分する。すなわち、以下の式（２１）を用いて、受光強度（受光量）Ｐ_ｔｏｔを求めることができる。

(平面の場合)
試料３０が平面の場合の反射、すなわち、基準試料４０での反射について、図１３を用いて説明する。図１３は、平面試料（基準試料４０）の場合を説明するためのＸＹ平面図、ＸＺ断面図、ＹＺ断面図を示している。なお、Ｚ方向は光軸方向であり、Ｘ方向、及びＹ方向は、Ｚ方向に垂直な方向である。図１３に示すように、半径Ｌで高さｄの円錐の範囲で角度分布を計算する。ここで、式（２２）に示すように、対物レンズ１７のＮＡが与える最大入射角をθｍとする。

すると、±θｍの範囲で反射を受光することができる。このとき、Φは、０〜２πの範囲になる。受光強度Ｐ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔは、式（２３）で表すことができる。

（トレンチの場合）
幅Ｗで深さｄのトレンチ３４の場合について，図１４を参照して説明する。図１４は、トレンチ場合を説明するための、ＸＹ平面図、ＸＺ断面図、ＹＺ断面図を示している。また、図１４では、Ｙ方向をトレンチの長手方向とする。そして、Ｙ方向におけるトレンチ３４の大きさは、円錐の半径Ｌに比べて十分に長いものとなっているとする。Ｘ方向におけるトレンチの大きさが幅Ｗとなる。

半径Ｌで高さｄの円錐の分布のうち、トレンチ３４の底部で反射できる角度範囲を考える。図１４のＸＹ平面図のように、入射角θｍは、方位角Φに依存して変化する。０＜Φ＜９０°の範囲に着目すると、円錐とトレンチ３４のエッジが接する限界がΦｃとなる。したがって、０＜Φ＜Φｃ°までは、入射角はトレンチ開口に制約されるため、θｍは式（２４）のようになる。一方、Φｃ＜Φ＜９０°では入射角の開口の制約を受けないので、θｍは式（２５）のようになる。但し、Φｃは、円錐とトレンチ３４の大きさによって、以下の式（２６ａ）、（２６ｂ）のように示される。

トレンチ３４での受光強度Ｐ^Ｔｒ _ｔｏｔは、式（２７）で表すことができる。

（ＶＩＡの場合）
次に、試料３０に形成されている凹部がトレンチ３４ではなく、円形のＶＩＡ３５の場合について、図１５を用いて説明する。入射角は、ＶＩＡ３５の開口によって決まる。ここで、ＶＩＡ３５の開口は、半径Ｗの円形であり、深さｄとなっているとする。入射角θｍを式（２８）のように定義すると、ＶＩＡ３５での受光強度Ｐ^ＶＩＡ _ｔｏｔは、式（２９）で表すことができる。

[反射率の角度依存性Ｒ（θ）の見積もり]
トレンチ３４の底部のＳｉの反射率の入射角依存性について説明する。反射率Ｒの入射角依存性は、斜入射の場合の振幅反射率ｒの公式から計算することができる。斜入射の場合、図１６に示すように、紙面と平行な振動方向のｓ偏光と、垂直な振動方向のｐ偏光に分けて計算される。無偏光の反射率として、ｓ偏光とｐ偏光の反射率の平均を求める。すなわち、ｓ偏光の反射率をＲｓ、ｐ偏光の反射率をＲｐとすると、無偏光の場合の反射率Ｒａｖ＝（Ｒｓ＋Ｒｐ）／２となる。

一例として、波長５４６ｎｍの場合における、Ｓｉの反射率の入射角依存性を計算した結果を図１７に示す。図１７において、横軸は、入射角、縦軸は反射率を示している。また、図１７では、Ｒｓ，Ｒｐ，Ｒａｖをそれぞれ示している。ＲｓとＲｐとの平均値である反射率Ｒａｖは、緩やかに変化している。

反射率の平均値Ｒａｖを波長毎に計算した結果を図１８に示す。図１８では、波長４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、６３３ｎｍについて計算した反射率Ｒａｖを示している。図１８では、横軸が入射角、縦軸が反射率Ｒａｖを示している。このように、波長に応じて反射率Ｒａｖが変化する。よって、測定波長に対して、それぞれ反射率Ｒの入射角依存性を計算したデータを参照テーブルとして使用する。すなわち、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５１４ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、６３３ｎｍの各々について、入射角と反射率Ｒａｖの関係を示す参照テーブルを用意する。

このように、図１８の反射率Ｒａｖの入射角依存性は、解析的に扱うのが困難である。このため、式(３０)を数値計算して、参照テーブルを作成することができる。あるいは、反射率Ｒａｖの入射角依存性を多項式近似関数で表してもよい。

[トレンチ係数の計算]
式（３０）の数値計算結果を使って、式（２３）のＰ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔ、及び式（２７）のＰ^Ｔｒ _ｔｏｔをそれぞれ計算する。そして、式（３１）のように、受光強度の比Ｐ^Ｔｒ _ｔｏｔ／Ｐ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔを求める。受光強度の比Ｐ^Ｔｒ _ｔｏｔ／Ｐ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔがトレンチ係数Ｔｒとなる。

式（３１）において、角度刻みを１°に設定した数値計算を行った計算例を図１９の表に示す。ここでは、トレンチ３４の幅Ｗを５μｍ、対物レンズ１７のＮＡを０．８としている。さらに、深さｄを１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍと変えたときのトレンチ係数Ｔｒを示している。トレンチ係数Ｔｒは照明波長毎に計算している。

対物レンズ１７のＮＡを０．８とすると、アスペクト比が１以上のトレンチ３４では、トレンチ係数Ｔｒが無視できなくなる。すなわち、Ｓｉの反射では、アスペクト比が１以上となると、トレンチ係数Ｔｒが１よりもかなり大きくなる。従って、平面反射での受光強度Ｐ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔに比べて、トレンチ構造での受光強度Ｐ^Ｔｒ _ｔｏｔが大きく低下してしまう。よって、トレンチ係数Ｔｒでの補正が必要となることが分かる。

式（３１）の計算結果をより詳細に確認するために、アスペクト比とトレンチ係数Ｔｒの関係を図２０に示す。図２０では、横軸がトレンチ３４のアスペクト比、縦軸がトレンチ係数Ｔｒとなっている。ここでは、ＮＡ＝０．８で計算している。なお、照明波長４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５１４ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、６３３ｎｍのそれぞれについて、アスペクト比とトレンチ係数を計算している。だだし、照明波長による差が小さいため、図２０ではグラフが重なっている。

Ｓｉの場合、波長による差は小さいが、いずれの照明波長でもアスペクト比１程度から、トレンチ係数Ｔｒが急激に大きくなり、無視できなくなる。トレンチ係数Ｔｒが１よりも大きいということは、光検出器１９で検出した反射強度をそのまま絶対反射率に換算しても、見かけ上小さくなることを意味する。したがって、トレンチ係数Ｔｒでの補正が必要となる。

次に、照明波長５４６ｎｍの場合について、対物レンズ１７のＮＡを変えた場合のトレンチ係数Ｔｒの変化を図２１に示す。図２１では横軸がトレンチ３４のアスペクト比、縦軸がトレンチ係数Ｔｒとなっている。また、図２１では、ＮＡが０．１３、０．３、０．４６、０．５５、０．８、０．９５の場合に計算結果を示している。このように、対物レンズ１７のＮＡが大きくなるほど、トレンチ係数Ｔｒが大きくなる。さらに、ＮＡが大きくなるほど、アスペクト比が小さい場合でも、トレンチ係数Ｔｒによる補正が無視できなくなることが分かる。

アスペクト比５のトレンチ３４の底部に厚さ５００ｎｍのＳｉＯ_２膜３２を設けた場合の膜厚の解析例について、説明する。まず、測定装置１００で取得した画像の指定エリアの輝度値から、式（１４）を用いて算出した絶対反射率の膜厚測定結果を図２２、図２３に示す。図２２、図２３は、トレンチ係数Ｔｒでの補正を行わずに、平面反射として反射率Ｒを換算した場合の解析結果を示す図である。なお、ここでは、対物レンズ１７のＮＡ＝０．３での計算結果である。

図２２において、横軸が照明波長、縦軸が反射率を示している。図２２では、測定値を黒塗りの四角でプロットしており、計算値を実線で示している。図２３において、横軸が膜厚ｔ、縦軸が残差Σを示している。図２３に示すように、残差Σが最小となるときの膜厚ｔは、８７ｎｍとなる。図２２は、膜厚ｔ＝８７ｎｍの時の計算値が示されている。

次に、同じ条件(アスペクト比５、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚５００ｎｍ、ＮＡ＝０．３)について、トレンチ係数Ｔｒでの補正を行った場合の膜厚解析結果を図２４、図２５に示す。図２４では、測定値をトレンチ係数Ｔｒ（＝２．５３）で補正したグラフを示している。すなわち、図２４では、トレンチ係数Ｔｒで補正された測定値を示すグラフである。なお、光検出器１９で検出された実際の受光強度にトレンチ係数Ｔｒを乗じることで、トレンチ係数Ｔｒで補正された測定値を求めることができる。このようにトレンチ係数Ｔｒを導入することで、トレンチ３４によって光検出器１９が受光できなくなる受光強度を補正することができる。よって、光検出器１９の輝度値から反射率Ｒを正確に推定することができる。

図２５に示すように、残差Σが最小となる膜厚は５０２ｎｍとなる。実際のＳｉＯ_２膜３２の膜厚は５００ｎｍであるので、膜厚の測定誤差は２ｎｍ程度となる。さらに、残差Σの最小値がほぼ０となり、フィッティングの誤差を抑制することができる。このように、アスペクト比が大きいトレンチ３４であっても、底部のＳｉＯ_２膜３２の膜厚を精度よく測定することができる。

このように、トレンチ係数Ｔｒを用いた補正によって、フィッティングの当てはまりが桁違いに良くなる。すなわち、トレンチ係数Ｔｒを用いることで、残差Σが小さくなる。よって、想定される膜厚を解析結果として正確に算出することができる。なお、上記では、トレンチ３４の底部のＳｉＯ_２膜３２の膜厚を測定したが、図１５に示すようにＶＩＡ３５の底部のＳｉＯ_２膜３２の膜厚を測定することも可能である。この場合、上記したトレンチ係数Ｔｒではなく、ＶＩＡ形状に応じた係数を用いる。この場合、式（３１）のＰ^Ｔｒ _ｔｏｔの代わりに、式（２８）のＰ^ＶＩＡ _ｔｏｔを用いて、係数を算出する。このように、トレンチ３４やＶＩＡ３５等の凹部に応じた補正係数を用いて補正することで、正確に膜厚を測定することができる。補正係数はトレンチ３４やＶＩＡ３５などの凹部の形状に基づいて設定することができる。
さらには、複数のピラーが設けられた試料上において、ピラー間の隙間についても、補正係数を設定することができる。すなわち、ピラーを凸部とし、ピラー間の隙間を凹部とする。このように、ピラーで囲まれた領域を凹部として、ピラーの高さや間隔や形状に応じた幾何学的な配置を用いて、補正係数を設定することができる。これにより、ピラーで囲まれた領域に設けられた薄膜の膜厚を測定することができる。

図２６に、トレンチ係数Ｔｒによる補正を行う場合の、膜厚解析の計算モデルを概念的に示す。トレンチ係数Ｔｒによる補正を行う場合、絶対反射率の測定値、及び絶対反射率の理論値を用いる。

絶対反射率の測定値は、基準試料の反射強度Ｉ^Ｓｉ、トレンチ底部（酸化膜）の反射強度Ｉ^sample、及びバックグラウンドの反射強度Ｉ^０から求めることができる。すなわち、式（１４）のように、基準試料４０での輝度値Ｉ^Ｓｉ、トレンチ底部での輝度値Ｉ^{Ｓａｍｐｌｅ}、バックグラウンドでの輝度値Ｉ^０に基づいて、反射率測定部２１が絶対反射率Ｒ^{Ｓａｍｐｌｅ}を算出する。さらに、反射率測定部２１は、基準試料４０の反射率の波長依存性Ｒ^Ｓｉ（λ）を参照して、絶対反射率Ｒ^{Ｓａｍｐｌｅ}を算出する。なお、基準試料４０は、絶対反射率の波長依存性が既知のものを用いる。これらの照明波長を変えて輝度値を測定することで、照明波長毎に絶対反射率Ｒ^{Ｓａｍｐｌｅ}が算出される。

さらに、反射率測定部２１は、絶対反射率Ｒ^{Ｓａｍｐｌｅ}の測定値をトレンチ係数Ｔｒで補正する。トレンチ係数Ｔｒは、トレンチ３４の形状に応じて、反射率測定部２１に予め記憶させておくことができる。トレンチ係数Ｔｒで補正することが、トレンチの形状によらない絶対反射率を求めることができる。換言すると、トレンチ底部での絶対反射率が、トレンチ係数Ｔｒによって、平面での絶対反射率に置き換えられる。このようにして、絶対反射率Ｒ^{Ｓａｍｐｌｅ}の測定値Ｒｍが求められる。

また、絶対反射率の理論値Ｒｃは、平面での光学モデル、既知の光学定数、酸化膜厚を決定することで求めることができる。ここで、光学モデルは、図３に示すように、空気／ＳｉＯ_２／Ｓｉが形成されている光学モデルを用いている。光学モデルの材質における光学定数を用いる。光学定数としては、複素屈折率、屈折率、消衰係数が用いられる。したがって、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚ｔを決定すれば、絶対反射率Ｒ^{Ｓａｍｐｌｅ}の理論値Ｒｃが決定する。

そして、膜厚ｔをパラメータとして、絶対反射率の測定値と絶対反射率の理論値とのパラメータフィッティングを行う。すなわち、残差Σが収束するように、膜厚ｔを変えていく。例えば、最小二乗法により、絶対反射率の測定値Ｒｍと理論値Ｒｃとの残差Σが最小となる膜厚ｔを求める。膜厚測定部２２は、残差Σが最小となる膜厚ｔをＳｉＯ_２膜３２の解析膜厚と決定する。このように、絶対反射率の測定値と理論値とから、膜厚を推定することができる。もちろん、最小二乗法以外の回帰分析を行ってもよい。このように、残差Σが最小となるように曲線あてはめを行う。

次に、トレンチ係数Ｔｒの計算モデルについて、図２７を用いて説明する。トレンチ係数Ｔｒは、理論値と、入射角の積分範囲の設定により求めることができる。例えば、入射強度を一定として、反射率の入射角依存性Ｒ（θ）を求める。ここでは、Ｓｉの光学定数を用いている。例えば、反射率の入射角依存性Ｒ（θ）は、式（３０）に基づく参照テーブルを用いてもよく、多項式近似式を用いてもよい。そして、反射強度の角度分布を計算する。立体角範囲内で反射強度の角度分布を積分することで、反射強度の積算値を求めることができる（式（２１）参照）。

さらに、入射角の積分範囲を設定することで、平面の受光強度Ｐ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔとトレンチでの受光強度Ｐ^Ｔｒ _ｔｏｔを求める。積分範囲は、式（２３）〜式（２７）により設定される。平面とトレンチの受光強度の比（Ｐ^Ｔｒ _ｔｏｔ／Ｐ^Ｆｌａｔ _ｔｏｔ）から、トレンチ係数Ｔｒを決定することができる。

トレンチＴｒを計算する場合、トレンチ３４のアスペクト比が既知であることが必要となる。予めアスペクト比が既知の場合は、その数値を用いることができる。しかし、アスペクト比が未知の場合、共焦点光学系１０１を用いた共焦点顕微鏡で３次元計測を行う。これにより、トレンチ３４の幅Ｗ、及び深さｄを求めることができる。

なお、トレンチ３４の幅Ｗと深さｄが精密に測定できない場合、トレンチ係数Ｔｒを膜厚解析のパラメータとして取り込むことができる。すなわち、図２６のパラメータフィッティングにおいて、膜厚ｔだけでなくトレンチ係数Ｔｒをパラメータとする。こうすることで、トレンチ係数Ｔｒを最適化することができる。トレンチ３４の幅Ｗを測定すれば、トレンチ深さｄを決定することができる。

図１５に示すようなＶＩＡ３５の場合、同様の計算処理を行い、ＶＩＡ係数を求めることができる。ＶＩＡ開口を半径とした円錐範囲の角度分布を計算すればよいので、平面の場合の計算でのＮＡをＶＩＡ３５の見かけのＮＡに置き換えるだけで計算することができる。もちろん、円形のＶＩＡ３４やトレンチ３４に限らず、様々な形状の凹部の底部に設けられたＳｉＯ_２膜３２の膜厚を算出することができる。開口が矩形の場合や、ハニカム形状の場合でも、膜厚ｔを求めることができる。もちろん、Ｓｉ基板３１やＳｉＯ_２膜３２に限らず、その他の材料の構造についても膜厚を算出することができる。例えば、透明な薄膜がトレンチ３４の底部に形成されている構成において、透明な薄膜の厚さを測定することができる。

補正係数は、平面からの受光強度と凹部の底部からの受光強度との比の計算値となっている。このため、凹部の底部の絶対反射率の測定データを平面の絶対反射率の測定データに変換することができる。反射率の入射角依存性を示す近似式関数又は参照テーブルを用いて、補正係数を算出することが好ましい。こうすることで簡便に、補正係数を求めることができる。さらに、照明波長毎に補正係数を算出することで、より正確に膜厚を測定することができる。この場合、反射率の入射角依存性を示す近似式関数又は参照テーブルを照明波長毎に用意する。

このように、共焦点光学系１０１を用いることにより、トレンチ３４の開口のエッジからの散乱光やＳｉ基板３１上面からの反射光を除去することができる。これにより、トレンチ３４の底部の正味の反射光を正確に測定することができる。さらに、トレンチ底部の薄膜の膜厚を非接触・非破壊で短時間に測定できる。また、波長による反射強度の相対変化による計測であるため、反射光焦点位置の検出による膜厚測定では問題となっていた擬似焦点にも影響されない。

波長と反射率との関係がＳｉＯ_２膜３２の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データからＳｉＯ_２膜３２の膜厚を近似して算出する。そして、ＳｉＯ_２膜３２の膜厚を求めるための、近似において、トレンチ３４の形状に応じた補正係数が導入される。よって、正確に膜厚を測定することができる。

また、本実施の形態では、分光膜厚計のように反射光を分光する代わりに、照明光を単色光として試料の反射強度を測定している。そして、照明波長を変えるごとに、反射強度を同一視野に対して測定する。したがって、反射率の波長依存性、すなわち、反射スペクトルを得ることができる。さらに、照明波長によって焦点位置がずれる光学系でも、いずれの照明波長でも合焦点位置での測定を行うことができる。よって、正確に膜厚を測定することができる。

共焦点光学系１０１を用いることで、トレンチ等の凹部の形状を３次元計測することができる。底部の薄膜の膜厚は凹部の深さに対して、十分に小さいとすると、おおよそのアスペクト比を見積もることができる。反射率測定に使用した対物レンズ１７のＮＡとトレンチ３４のアスペクト比とから、絶対反射率に換算する係数を各波長に対して算出することができる。

観察画像の各画素に対して、分光スペクトルを得ることができる。光検出器１９が検出した輝度値を絶対反射率に換算する。検出した輝度値に基づく絶対反射率の測定値Ｒｍと、絶対反射率の計算値Ｒｃとを用いて、膜厚をパラメータとするフィッティングを行う。こうすることで、１μｍ以下の膜厚を精度よく求めることができる。また、アスペクト比をパラメータとするフィッティングを行うことも可能である。

なお、照明波長の切替は、連続的ではなくてもよい。例えば、４００〜７００ｎｍの間に数波長でもよい。１００ｎｍのエッチング残渣の有無の判定であれば、１波長も測定可能である。この場合、例えば、パラメータフィッティングにおける残差Σの最小値が閾値より大きいか否かを判定すればよい。

共焦点光学系１０１において、照明波長を切り替えると、合焦点位置が変化することが考えられるので、これにより輝度値の変化が予想される。各波長による合焦点位置のずれ分を予め処理装置２０に記憶させておく。そして、波長切替の際に、ずれ分だけ自動で試料３０あるいは対物レンズ１７のｚ位置を調整する。こうすることで、合焦点位置のずれをキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの照明波長において、ｚスキャンにより、全焦点画像を形成してもよい。

絶対反射率の基準試料４０としては、シリコンや石英ガラスなどを用いることができる。すなわち、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定装置１００で測定しておくことで、測定装置１００の光学系自身の波長依存性は計算により補正される。

なお、共焦点光学系１０１を用いている。従って、試料３０の表面で反射し、内部への透過率の低い照明波長を選択することにより、表面形状も独立に測定することができる。膜厚分布と表面形状分布を独立に測定することにより、基板表面形状（基板と膜の界面）を求めることができる。

また、膜厚が数μｍ以上あるような場合は、共焦点顕微鏡で合焦点位置の違いを検出できるので、焦点位置の読みとりにより従来どおり膜厚測定ができる。すなわち、本発明によれば、膜厚が１μｍ以下の場合には上述のように照明光の波長を切替えながら反射強度を測定することができ、膜厚が厚い場合には従来どおりの膜厚測定を切替えて行うことができる。さらに、表面に焦点深度を超える起伏がある場合でも、共焦点顕微鏡により全焦点画像を作成することにより、全表面の反射率を測定することができる。

なお、上述の例では、断続的に複数の波長について反射率を測定したが、連続的に波長を切替えるようにしてもよい。連続波長の光源を用いることにより、測定する波長を多数選択することができる。この場合、計算した反射データと測定データを完全に一致させる近似を使わずとも、連続したカーブが得られる場合は、反射率の極大や極小の位置を合わせる近似を行う一般的な方法で膜厚を算出できる。すなわち、連続波長による方法を使う場合は、ピーク波長だけを使って膜厚計算できるので、反射率既知の基準試料で正確に補正する必要がない。

１０ 光源部
１１ 光源
１２ 干渉フィルター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レンズ
１４ スリット
１５ ビームスプリッタ
１６ 振動ミラー
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 光検出器
２０ 処理装置
３０ 試料
３１ 基板
３２ ＳｉＯ_２膜
３４ トレンチ

Claims (10)

1. 試料上に設けられている凹部の底部に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
   少なくとも第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、
   前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、
   前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、
   前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１波長の照明光による第１画像と、前記第２波長の照明光による第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部と、を備え、
   前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、
   前記膜厚の近似において、前記凹部の形状に応じた補正係数が導入されている膜厚測定装置。
2. 前記補正係数が、平面からの受光強度と前記凹部の底部からの受光強度との比の計算値となっている請求項１に記載の膜厚測定装置。
3. 前記平面から受光強度と、前記凹部の底部からの受光強度とが、反射率の入射角依存性を示す近似式関数又は参照テーブルを用いて算出されている請求項２に記載の膜厚測定装置。
4. 照明光の波長に応じて前記補正係数が設定されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
5. 前記処理部は、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
6. 試料上に設けられている凹部の底部に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
   共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、
   前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、
   前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、
   波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、
   前記膜厚の近似において、前記凹部の形状に応じた補正係数が導入されている膜厚測定方法。
7. 前記補正係数が、平面からの受光強度と前記凹部の底部からの受光強度との比の計算値となっている請求項６に記載の膜厚測定方法。
8. 前記平面から受光強度と、前記凹部の底部からの受光強度とが、反射率の入射角依存性を示す近似式関数又は参照テーブルを用いて算出されている請求項７に記載の膜厚測定方法。
9. 照明光の波長に応じて前記補正係数が設定されている請求項６〜８のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。
10. 前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する請求項６〜９のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。

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