JP2015137909A - エッチングモニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉を生じさせるマスク領域が存在する場合にも高精度で計測できるエッチングモニタ装置を提供する。
【解決手段】検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、Ａ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を反射干渉スペクトルから除き、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出し、光路差解析データのピーク位置の光路差を簡易Ｂ−Ｃ干渉距離として算出し、簡易Ｂ−Ｃ干渉距離と、パラメータの１つのマスクの厚さｔ_１とに基づいて、エッチング深さｄを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エッチングプロセス中に被エッチング面と基板表面との段差であるエッチング深さをリアルタイムでモニタリングするエッチングモニタ装置に関する。

半導体ウェハ等に所望の溝や孔をパターン加工する際に、被エッチング面（溝や孔となる部分）を残して基板表面（エッチング処理が行われない表面）をマスク（フォトレジスト層）で覆ってマスク面とし、エッチングガスを用いてプラズマを発生させ、被エッチング面をエッチングするエッチングプロセスが用いられている。エッチングプロセスでは、被エッチング面を所望の深さまで加工するために、時間とともに変化するエッチング深さをリアルタイムでモニタリングすることが必要になる。

エッチング深さのモニタリングには、マスクで覆われた領域と、被エッチング面の領域との深さの差に伴う光の干渉を利用する方法が利用されている。
このような光干渉を利用したモニタリング方法の中で最も利用されている方法は、単波長の光（単長光）を照射してエッチング深さの変化に伴う干渉強度の時間変化のモニタリングを行い、干渉強度の極大極小の波をカウントすることによりエッチング深さを計測する方法である（特許文献１〜４参照）。以下、単長光が示すエッチング深さ変化に伴う干渉強度の時間変化を利用したモニタリング方法を「時間変化モニタリング法」と称する。

また、光干渉を利用したもう１つのモニタリング方法として、ある程度の波長幅（波長帯域）を持つ光を照射し、その反射干渉スペクトルを利用する方法も開示されている。例えばウェハ表面膜の反射モデルから予測されるモデル予測スペクトル（理論値）を算出しておき、反射干渉光スペクトルの実測結果とのスペクトルフィッティング（カーブフィッティング）によりモニタリングを行う方法が開示されている（特許文献５）。以下、ある程度の波長幅を持つスペクトルが示すスペクトル干渉を利用する方法を「スペクトル干渉法」と称する。

特開２００９−１６４４４５号公報 特開２００９−１５６８７６号公報 特開２０００−２９２１２９号公報 特開平１０−３２５７０８号公報 特開２００４−２５３５１６号公報

図３は、被エッチング面を残してＳｉ基板表面をフォトレジストでマスクし、エッチング加工した状態で干渉計測した際の光の反射の様子を示す断面図である。この基板加工領域には、基板表面ｂと、基板表面ｂをマスクで覆ったマスク面ａと、マスクで覆われていない被エッチング面ｃとが存在する。
エッチング深さのモニタリングを行うため、この領域に測定光を照射すると、エッチング深さｄ［μｍ］、マスク厚さｔ［μｍ］の試料の表面からの反射光はマスク表面反射Ａ（反射Ａという）、基板表面反射（正確にはマスク／基板界面）Ｂ（反射Ｂという）、被エッチング面反射Ｃ（反射Ｃという）の３つの反射光が観測されることになる。

したがって、光の干渉の時間変化やスペクトル干渉縞は、これら３つの反射光によって出現することになるので、干渉を厳密に解析するにはこれら３つの反射を扱うことが必要になる。

以下に、３つの反射Ａ，Ｂ，Ｃによる反射光について検討する。
反射Ａを基準としたそれぞれの反射光の光学的な光路長（光路差）は、マスク材料の屈折率をｎとすると、反射Ａでは０、反射Ｂでは２ｎｔ、反射Ｃでは２（ｄ＋ｔ）となる。それぞれの反射光は、その振幅をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとして次式(1)〜(3)で表される。
Ａ: Aexp(kX+ωT+0/λ*2π) …(1)
Ｂ: Bexp(kX+ωT+2nt/λ*2π) …(2)
Ｃ: Cexp(kX+ωT+2(d+t)/λ*2π) …(3)
ここで、ｋは波数、Ｘは位置、ωは周波数、Ｔは時間である。

反射光の強度はそれぞれを位相も含めて合算し、次式(4)で表される。
|A+B+C|²
=|Aexp(kx+ωt+0/λ*2π)+Bexp(kx+ωt+2nt/λ*2π)+Cexp(kx+ωt+(d+t)/λ*2π)|²
=A²+B²+C²+2ABcos(2nt/λ*2π)+2BCcos(2(d+t-nt)/λ*2π)+2CAcos(2(d+t)/λ*2π)
…(4)

式(4)より、スペクトルにはＡ−Ｂ干渉（ａ面とｂ面による干渉）、Ｂ−Ｃ干渉（ｂ面とｃ面による干渉）、Ｃ−Ａ干渉（ｃ面とａ面による干渉）の３つのｃｏｓ関数（余弦関数）の干渉成分および直流成分（A²+B²+C²）が現れることが分かる。

図３で示した基板加工領域からの反射光を分光測定すると、式(4)に対応したスペクトルが観測されることになる。そしてこの観測スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉の成分が、エッチング深さｄおよびレジスト膜厚ｔに依存して複雑に変動することになる。

ここで、図４（ａ）に、基板加工領域のエッチング深さｄが１７μｍ、レジスト膜厚ｔが３．３μｍであるとしたときに観測される分光スペクトルを示す（観測スペクトル）。この観測スペクトルは式(4)に対応しており、横軸は波長軸としている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したスペクトルデータから、直流成分（式(4)のA²+B²+C²）を除く「正規化」を行った後のスペクトルデータ（干渉縞）を示す図である（正規化スペクトル）。すなわち、図はＡ−Ｂ干渉（ａ面とｂ面による干渉）、Ｂ−Ｃ干渉（ｂ面とｃ面による干渉）、Ｃ−Ａ干渉（ｃ面とａ面による干渉）の３つのｃｏｓ関数（余弦関数）の干渉成分が重ね合わされたスペクトルの波長分布を示している。

上記の観測スペクトルあるいは正規化スペクトルを一見しただけでは、有用な情報は得られない。
しかしながら発明者らは、図４（ｂ）のような正規化スペクトルデータを、横軸を波長軸から周波数軸としたスペクトルデータに変換し、さらに長さ次元の単位であるスペクトルデータに逆フーリエ変換を行うことによって、横軸を光路差（長さ単位）として表現するスペクトルデータ（光路差解析データという）を得ることにより、Ａ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉に対応する各干渉信号が、光路差解析データ上で対応する光路差の位置に出現し、これらが複素数の信号として合算されて干渉ピークが変動することを見出した。そしてこの光路差解析データに基づいたエッチング深さのモニタリングについて先に出願している（特願２０１２−１１４５７７号）。

すなわち、エッチング深さｄが十分に深く形成されて（ｄ＞＞２ｎｔ）、Ａ−Ｂ干渉の影響がＢ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉から完全に分離されるようになった後（例えばエッチング深さｄが３０μｍ以上、好ましくは４０μｍ以上）は、この光路差解析データを元にして、Ｂ−Ｃ干渉に融合しているＣ−Ａ干渉の影響を、補正テーブルを利用して除去する補正を行うことで、真のエッチング深さｄを計算できることを開示している。

図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示した正規化スペクトルデータを、横軸を周波数軸としたスペクトルデータに変換し、さらに逆フーリエ変換（ＲＦＴ）を行うことにより、横軸を光路差（長さ単位）としてスペクトル分布を示した光路差解析用スペクトルデータである。なお、便宜上、長さの単位の次元を有する横軸を、「光路差」と同じ次元の「エッチング深さ（Ｄｅｐｔｈと記載）」として表現している。図中には、Ａ−Ｂ干渉「１」、Ｂ−Ｃ干渉「２」、Ｃ−Ａ干渉「３」が現れている。ただし、この図４（ｃ）はエッチング深さｄが十分に深く形成されていない状態（ｄ＝１７μｍ）のときの光路差解析データであり、Ａ−Ｂ干渉の影響がＢ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉からは完全に分離されていない。
そのため、図４（ｃ）には、３つの干渉ピーク、Ａ−Ｂ干渉「１」、Ｂ−Ｃ干渉「２」、Ｃ−Ａ干渉「３」が完全に分離されずに互いに融合している。ここでの干渉ピークの融合は、単純な干渉信号どうしの足し合わせではなく、位相変化も含めた複素振幅としての融合が行われている。なお、副次的に形成されるサイドローブ等に起因する多数の局所ピークも現れているが、これらは干渉ピークに比べて十分に小さいので区別できる。

図５は、式(4)の第二項（2BCcos(2(d+t-nt)/λ*2π)）に対応するＢ−Ｃ干渉「２」のピーク位置の時間変化をモニタリングした図である。Ｂ−Ｃ干渉「２」の位置は一定のエッチング速度でエッチングを行っているにもかかわらず、時間の進行に伴って揺らいでいる。しかも揺らぎには、周期が大きい揺らぎ（振幅も大きい）と、周期が小さい揺らぎ（振幅も小さい）とが存在する。これら二種類の揺らぎが影響することによって、光路差解析データに基づいたエッチング深さ（すなわち光路差）の計測精度を悪化させることになる。

周期が異なる二種類の揺らぎのうち、周期が大きい揺らぎは、Ｂ−Ｃ干渉「２」にＣ−Ａ干渉「３」が複素振幅として融合したことの影響によるものである。これについては、本発明の発明者らが先行出願（特願２０１２−１１４５７７号）において揺らぎの原因を説明するとともに、その影響を除去するための解決方法を示している。
すなわち、Ｂ−Ｃ干渉「２」にＣ−Ａ干渉「３」が融合することによって受けるピーク位置のずれ量（光路差の変化）は、エッチング深さｄに依存せずにマスク厚さｔの変化のみに依存するので、マスク厚さｔと光路差のずれ量との関係を、予め「補正テーブル」として記憶しておくことで、反射干渉スペクトルをモニタリングするととともに、マスク厚さｔを別途にモニタリングすることにより、周期が大きい揺らぎの影響を除いたエッチング深さｄを求めることが可能であることが開示されている。

これに対し、周期が小さい揺らぎについては、これまで除去する対策が何もなされていなかった。そこで、本発明は周期が小さい揺らぎを除去することで、計測精度を高めたエッチング深さｄのモニタリングを行えるエッチングモニタ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発明者らは、図５に示した周期の異なる二種類の揺らぎのうち、周期が小さい揺らぎの発生原因について検討した。
周期が小さい揺らぎはエッチング深さｄが比較的小さいときに現れ、エッチング深さｄがマスク厚さｔに比べて十分に大きくなる（ｄ＞＞２ｎｔ）と消える。このことから、Ａ−Ｂ干渉のピーク信号のテール部分がＢ−Ｃ干渉（およびＣ−Ａ干渉）のピーク位置に影響を及ぼすことが原因であることを見出した。
そのため、位相も考慮してＡ−Ｂ干渉の影響をＢ−Ｃ干渉から除去するようにした。

すなわち、上記課題を解決するためになされた本発明の第一のエッチングモニタ装置は、基板表面をマスクで覆ったマスク面と、マスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と、前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面の間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号および直流成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部とを備えるようにする。
そして、検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、前記マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、前記Ａ−Ｂ干渉成分信号および前記直流成分信号を前記反射干渉スペクトルから除いて、残りの干渉成分信号からなる「正規化残存干渉スペクトルデータ」を算出するフィッティング処理部と、前記「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる「光路差解析データ」を算出する光路差解析部と、前記「光路差解析データ」から、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを抽出し、当該ピークのピーク位置の光路差を「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する簡易Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、前記「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」と、前記近似式のパラメータの１つとして決定したマスクの厚さｔ_１とに基づいて、エッチング深さｄを算出するエッチング深さ算出部とを備えるようにしている。

ここで、マスクの厚さｔ_１をパラメータとして含めたフィッティングに用いる近似式については、次式を用いるのが好ましい（後述する第二、第三のエッチングモニタ装置でも同様である）。
X+Ycos(2nt₁/λ*2π) …(F1)
ただし、Ｘ，Ｙ，ｔ_１の３つのパラメータは、
Ｘ: 直流成分信号の係数パラメータ
Ｙ: Ａ−Ｂ干渉成分信号の係数パラメータ
ｔ_１： マスク厚さのパラメータ
である。

本発明によれば、分光部によって検出された反射干渉スペクトル（横軸が波長軸）に対し、マスク厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いて、Ａ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、フィッティングにより推測する。
フィッティングには、反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分と直流成分を除去するのに適した近似式を用いればよい。例えば上述した式(F1)を用いることができる。この場合、Ｘは式(4)の直流成分「A²+B²+C²」に相当するパラメータであり、Ｙは式(4)の第二項の「２ＢＣ」に相当する係数パラメータであり、ｔ_１は式(4)のマスク厚さ「ｔ」に相当するパラメータとなる。

フィッティング処理は、具体的には、フィッティングの対象の観測スペクトルと(F1)等のフィッティングのための近似式との平均二乗誤差が最小となるように、近似式に含まれる「Ｘ，Ｙ，ｔ_１」等のパラメータの値を求める処理を行う。なお、フィッティングの対象にしていないＢ−Ｃ干渉成分、Ｃ−Ａ干渉成分は、Ａ−Ｂ干渉に比べて振幅が小さくしかも周期が小さいため、式(F1)でフィッティングしたときにキャンセルされ、うまくフィッティングされるようになる。
そしてフィッティングで求めたＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、観測スペクトルから除いて、残りの干渉信号、すなわちＢ−Ｃ干渉成分信号とＣ−Ａ干渉成分信号とからなる「正規化残存干渉スペクトルデータ」を算出する。
続いて、「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ａ−Ｂ干渉が除かれた残りのＢ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とが複素数として合算された１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる「光路差解析データ」を算出する。この複合干渉ピークでは、Ａ−Ｂ干渉のテール部分の信号が除去されている。
続いて、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピーク（２つピークの場合は低周波側に存在しかつ信号が大きいピーク）を抽出し、当該ピークのピーク位置の光路差を「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する。ここでの光路差を「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」と呼ぶのは、複合干渉ピークは、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉とが融合されており、単独のＢ−Ｃ干渉距離とは、厳密には異なるためこのように呼ぶ。
続いて、「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」と、フィッティング式のパラメータの１つとして決定したマスク厚さｔ_１とに基づいて、エッチング深さｄを算出する。すなわちエッチング深さｄは簡易Ｂ−Ｃ干渉距離と図３に示した光学的関係によって関係付けられているので、マスク厚さｔ_１を用いた計算により（マスクの屈折率ｎは既知として）エッチング深さｄが求められる。

本発明によれば、エッチング深さｄをモニタリングする際に、周期が異なる二種類の揺らぎの影響を受けるが、これらのうち、周期が小さい側の揺らぎ、すなわちＡ−Ｂ干渉のテール部分がＢ−Ｃ干渉に含まれることによる揺らぎを除去した上でエッチング深さｄを算出することができるので、計測精度を高めたエッチングモニタ計測装置を提供することができるようになる。

また、上記課題を解決するためになされた本発明の第二のエッチングモニタ装置は、基板表面をマスクで覆ったマスク面と、マスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と、前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面の間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、前記マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、前記Ａ−Ｂ干渉成分信号および前記直流成分信号を前記反射干渉スペクトルから除いて、残りの干渉成分信号からなる「正規化残存干渉スペクトルデータ」を算出するフィッティング処理部と、前記「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる「光路差解析データ」を算出する光路差解析部と、前記「光路差解析データ」から、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを「補正前ピーク」として抽出し、当該「補正前ピーク」のピーク位置の光路差を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、前記Ｃ−Ａ干渉成分が前記「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に与えた光路差のずれ量と前記マスクのマスク厚さとの関係を算出して「補正テーブル」として記憶させる補正テーブル部と、前記マスク厚さｔ_１と前記補正テーブルとから前記「光路差のずれ量」を算出し、前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離を当該「光路差のずれ量」で補正した「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を算出するＢ−Ｃ干渉距離真値算出部と、前記「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」と前記マスク厚さｔ_１とからエッチング深さｄを算出するエッチング深さ算出部とを備えるようにしている。

第二のエッチングモニタ装置によれば、第一のエッチングモニタ装置の発明と同様の手法による演算によって「光路差解析データ」が算出される。
続いて、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピーク（２つピークの場合は低周波側に存在しかつ信号が大きいピーク）を抽出し、当該ピークのピーク位置の光路差を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する。これは上記発明（第一のエッチングモニタ装置）における「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」言い換えただけで実質的に同じ距離を示すものである。

「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」の光路差（横軸の値）は、Ｃ−Ａ干渉が融合していないＢ−Ｃ干渉成分だけの単独ピークを仮定した場合の光路差（真のＢ−Ｃ干渉距離の光路差）を基準にして、Ｃ−Ａ干渉の影響を「光路差のずれ量」（解析誤差）として加減された値である。

後述する式(16)によって詳述するが、マスク面ａと基板表面ｂとの光路差ｎｔに起因する光路差の解析誤差を求めた結果、マスク面ａの反射光の強度Ａと基板表面ｂの反射光の強度Ｂとの比（式(1)(2)における振幅Ａ，Ｂの比Ａ／Ｂ）が一定で、マスク材料の屈折率ｎが一定であれば、「光路差のずれ量」は理論計算で求めることができ、しかもこの値は、マスク材料（屈折率ｎ）、マスク厚さｔに依存するが、エッチング深さｄや被エッチング面からの反射光の強度Ｃ（式(3)の振幅Ｃ）には依存しない。
そこで、「補正テーブル」として、マスク厚さｔに対する「光路差のずれ量」を算出して記憶しておき、エッチング中にマスク厚さｔだけを別の手段で独立にモニタリングすることで、補正テーブルから「光路差のずれ量」を算出することができるようになる。

本発明では、マスク厚さｔ_１をフィッティング式のパラメータの１つとして求めているので、このｔ_１を利用して「補正テーブル」を参照することで、「光路差のずれ量」を算出することができる。そして「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に対し「光路差のずれ量」を補正することにより、真のＢ−Ｃ干渉距離である「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」が求められる。この「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」は、Ａ−Ｂ干渉のテール部分の影響に起因する周期の小さい揺らぎだけでなく、Ｃ−Ａ干渉の影響による周期の大きい揺らぎも除かれた干渉距離である。
このようにして算出された「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」と、図３に示した光学的関係とに基づいて、（マスクの屈折率ｎは既知として）正確なエッチング深さｄを求めることができる。

また、上記課題を解決するためになされた本発明の第三のエッチングモニタ装置は、基板表面をマスクで覆ったマスク面と、マスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と、前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面の間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、前記マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、前記Ａ−Ｂ干渉成分信号および前記直流成分信号を前記反射干渉スペクトルから除いて、残りの干渉成分信号からなる「正規化残存干渉スペクトルデータ」を算出するフィッティング処理部と、前記「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる「光路差解析データ」を算出する光路差解析部と、前記「光路差解析データ」から、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを「補正前ピーク」として抽出し、当該「補正前ピーク」のピーク位置の光路差を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、前記Ｃ−Ａ干渉成分が前記「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に与えた「光路差のずれ量」と前記マスクのマスク厚さとの関係を算出して「補正テーブル」として記憶させる補正テーブル部と、前記３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系とは独立に基板表面のマスクの厚さを第二マスク厚さｔ_２として算出するマスク厚さ計測部と、前記第二マスク厚さｔ_２と前記「補正テーブル」とから前記「光路差のずれ量」を算出し、前記「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」を当該「光路差のずれ量」で補正した補正後Ｂ−Ｃ干渉距離を算出するＢ−Ｃ干渉距離真値算出部と、前記補正後Ｂ−Ｃ干渉距離と前記第二マスク厚さｔ_２とからエッチング深さｄを算出するエッチング深さ算出部とを備えるようにしている。

第二のエッチングモニタ装置では、「補正テーブル」を参照する際に、マスク厚さｔとして、フィッティング式のパラメータの１つであるマスク厚さｔ_１を利用した。そして、第三のエッチングモニタ装置では、独立に第二マスク厚さｔ_２を測定し、補正テーブルを参照するようにしている。

第二マスク厚さｔ_２モニタリング方法としては、基板表面ｂにマスクが塗布されたマスク面ａに対し、基板加工領域に照射する測定光とは別のマスク厚用測定光を照射して周知の光学的な干渉計測法を採用することができる。この測定は基板表面ｂとマスク面ａとの２つの面だけによる単純な干渉であるので、例えば従来技術として説明した時間変化モニタリング法等で簡単に測定できる。

本発明の第一実施形態であるエッチングモニタ装置の構成を示す図。 図１の装置によるモニタリング動作を説明するフローチャート。 基板加工領域の断面および干渉光の反射状態を示す図。 基板加工領域に波長８１０ｎｍ〜８９０ｎｍの波長帯域の測定光を照射して計測した際の反射干渉スペクトル（ａ）と、フィッティング処理を行わない場合の正規化スペクトル（ｂ）、光路差解析用スペクトル（ｃ）の図（エッチング深さ１７μｍ、マスク厚さ３．３μｍ）。 Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置の時間変化をモニタリングした図。 基板加工領域に波長８００ｎｍ〜９００ｎｍの波長帯域の測定光を照射して計測した際の反射干渉スペクトル（ａ）と、フィッティング処理を行った場合の正規化スペクトル（ｂ）、光路差解析用スペクトル（ｃ）の図（エッチング深さ１７μｍ、マスク厚さ３．３μｍ）。 フィッティング処理した後のＢ−Ｃ干渉のピーク位置の時間変化をモニタリングした図。 ２つのガウシアンを複素振幅の重ね合わせにより融合した模式図。 検出最大ピーク位置ｘを、真値とｘのずれ量X=x-2(t+d-nt)に座標変換したときの強度分布ｆ（Ｘ）を示す図。 マスク厚さｔに対する補正値Ｘ_１の補正テーブルの一例を示す図。 本発明の第二実施形態であるエッチングモニタ装置の構成を示す図。 図１１の装置によるモニタリング動作を説明するフローチャート。 本発明の第三の実施形態であるエッチングモニタ装置の構成を示す図。 図１３の装置によるモニタリング動作を説明するフローチャート。

以下、本発明の実施形態について説明する。まず、最初に本発明で採用するフィッティングを行った光路差解析（図６参照）を、フィッティングを行わない光路差解析（図４参照）と比較することにより説明を行う。

（光路差解析データの具体例）
図６（ａ）は、基板加工領域のエッチング深さｄが１７μｍ、マスク厚さｔが３．３μｍであるときに観測される分光スペクトル（観測スペクトル）である。これは図４（ａ）と同じスペクトルであり、ここでの横軸は波長軸である。

図６（ｂ）は、図６（ａ）に示したスペクトルデータに対し、これに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、マスク厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた式(F1)を用いてフィッティングにより推測し、当該スペクトルデータからＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を除去することにより求めた「正規化残存干渉スペクトルデータ」である。なお、フィッティングは、既述のように、平均二乗誤差が最少になるように式(F1)のパラメータを決定することにより行われる。したがって図６（ｂ）のスペクトルデータには、残存するＢ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉による干渉スペクトルが含まれている。
これに対し、直流成分を除去する正規化だけが行われ、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉とともに、Ａ−Ｂ干渉成分信号が含まれている図４（ｂ）の「正規化スペクトルデータ」に比べて、ピーク波形が小さくなっている。

図６（ｃ）は、図６（ｂ）の「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換（ＲＦＴ）による光路差解析を行ったときの光路差ごとのスペクトル強度分布である「光路差解析データ」を示している。横軸は長さの単位の次元を有する光路差であるが、図４（ｃ）と同様に、便宜上、エッチング深さ（Ｄｅｐｔｈと記載）として表現している。ここには、残存するＢ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉とが複素数として合算されたピークであるＢ−Ｃ干渉ピーク「２」とＣ−Ａ干渉ピーク「３」が現れているが、除去されたＡ−Ｂ干渉の干渉ピークは出現していない。図６（ｃ）では、Ａ−Ｂ干渉が除去されたため、Ｂ−Ｃ干渉ピーク「２」とＣ−Ａ干渉ピーク「３」へのＡ−Ｂ干渉のテール部分の影響が除去できている。
一方、フィッティングを行わっていない図４（ｃ）ではＡ−Ｂ干渉の干渉ピーク「１」が出現し、そのテール部分がＢ−Ｃ干渉ピーク「２」とＣ−Ａ干渉ピーク「３」の位置まで広がっている。

図７は、フィッティングによりＡ−Ｂ干渉を除去したときの式(4)の第二項（2BCcos(2(d+t-nt)/λ*2π)）に対応するＢ−Ｃ干渉「２」のピーク位置の時間変化をモニタリングした図である。フィッティングを行わずに式(4)の第二項に対応するＢ−Ｃ干渉「２」のピーク位置の時間変化をモニタリングした図５と比較すると、Ａ−Ｂ干渉のテール部分が除去されたことによって、エッチング深さが浅い部分（エッチング深さ２０〜２５μｍの範囲）に出現していた周期が小さい揺らぎが消失している。

以上のことから、Ａ−Ｂ干渉を除去することにより、周期の小さい揺らぎが除去できている。なお、図７にも見られるように周期が大きい揺らぎは残る。
周期が大きい揺らぎについては、本発明の発明者らが先行出願（特願２０１２−１１４５７７号）で示した処理方法を利用すれば除去することができる。

そこで、以下に説明する実施形態のうち、第一の実施形態では、周期が小さい揺らぎのみを除去してモニタリングするエッチングモニタ装置を説明し、第二、第三の実施形態では、さらに周期が大きい揺らぎも除去してモニタリングするエッチングモニタ装置について説明する。

＜第一の実施形態＞
（装置構成）
ここでは、Ａ−Ｂ干渉に起因する周期が小さい揺らぎを除去した上でモニタリングを行うエッチングモニタ装置について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態であるエッチングモニタ装置１０ａの概略構成図である。このエッチングモニタ装置１０ａは、例えばプラズマエッチング装置により試料１２に形成されるトレンチ溝など、時々刻々と変化するエッチング深さをモニタリングする装置である。エッチングモニタ装置１０ａは、光源１１と、計測光学系１３と、分光部１４と、データ処理部１５ａとを備える。光源１１と計測光学系１３、計測光学系１３と分光部１４とは、光ファイバ１６を介して接続されている。

光源１１としては、反射干渉スペクトルが測定できる帯域を有すればよく、例えば８１０ｎｍ〜８９０ｎｍの波長帯域の測定光を照射できるスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や、同程度の波長帯域を有するその他の光源が用いられる。この光源１１から発せられた測定光は入射側光ファイバ１６に取り込まれ、ファイバカプラ１７を介して光ファイバ１８中を進行し、光ファイバ１８先端より空間に射出される。光ファイバ１８端部から出射された測定光は、コリメートレンズ１９を介して試料１２の基板加工領域の上に照射される。

試料１２の基板加工領域からは、図３で説明したように、マスク表面反射Ａ、基板表面反射Ｂ、被エッチング面反射Ｃの３つの反射光が観測され、これらがＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉を生じさせる。これら３つの反射光は、コリメートレンズ１９を光照射時とは逆に辿って光ファイバ１８に入射する。そして、ファイバカプラ１７を経て分光部１４に達する。光ファイバ１８を通って分光部１４に達するまでに、反射光は十分に干渉し干渉光となる。
分光部１４において干渉光は回折格子２９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３０により所定の波長帯域の光が同時に検出される。アレイ検出器３０による各波長に対応した検出信号（すなわち反射干渉スペクトル）はデータ処理部１５ａに入力される。

データ処理部１５ａはパーソナルコンピュータからなり、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１５ａとしての演算処理を実行するようにしてある。

データ処理部１５ａが実行する演算処理を機能ごとにブロック化して説明すると、フィッティング処理部５０と、光路差解析部５１と、簡易Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２ａと、エッチング深さ算出部５５ａとを備えている。

フィッティング処理部５０は、分光部１４によって検出された信号である反射干渉スペクトルデータ（横軸が波長軸）を用いて、これに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、マスク（レジスト層２４）の厚さｔ_１、および、直流成分信号の係数パラメータＸ、Ａ−Ｂ干渉成分信号の係数パラメータＹの３つのパラメータを含めた近似式(F1)を用いてフィッティングを行い、このフィッティングにより求められたパラメータ値と式(F1)とにより、Ａ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を反射干渉スペクトルデータから除去する演算を行うようにして、残りの干渉成分信号（Ｂ−Ｃ干渉成分信号およびＣ−Ａ干渉成分信号）からなる「正規化残存干渉スペクトルデータ」を算出する演算を行う。

光路差解析部５１は、「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換を行うことにより、光路差ごとのスペクトル強度分布を示した「光路差解析データ」を算出する演算を行う。算出された「光路差解析データ」には、Ｂ−Ｃ干渉成分による干渉ピークと、Ｃ−Ａ干渉成分による干渉ピークとが複素数として合算されて融合し、１つに統合された複合干渉ピーク、または２つに分離された複合干渉ピークが現れる。

簡易Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２ａは、「光路差解析データ」に含まれる複合干渉ピークから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを抽出し、当該ピークのピーク位置の光路差を「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する演算を行う。複合干渉ピークが１つに統合されているときは当該ピークが「主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピーク」として選択され、２つに分離されているときは、光路差が小さい側に現れるピークが「主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピーク」であるとして選択される（Ｂ−Ｃ干渉は本質的にＣ−Ａ干渉よりマスク分の光路差だけ短いため必ず光路差が小さい側に現れる）。
本実施形態では、選択された複合干渉ピークのピーク位置の光路差を「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」と呼び、Ｃ−Ａ干渉がＢ−Ｃ干渉に与える影響を補正することなく、そのまま次のエッチング深さｄの演算に用いるようにしている。

エッチング深さ算出部５５ａは、上記演算で求めた「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離」と、近似式(F1)のパラメータの１つとして決定したマスク厚さｔ_１とに基づいて、エッチング深さｄを算出する演算を行う。
すなわち、算出された簡易Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’は、図３に示される光学的関係から、エッチング深さｄ、マスク厚さｔ、マスク屈折率ｎを用いた、
d'=2(d+t-nt) …(5)
となる関係を有するので、エッチング深さｄは、簡易Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’とマスク厚さｔとから、
d=（d'/2)-t+nt …(6)
を計算することにより求められる。

次に、エッチングモニタ装置１０ａによる計測動作手順について、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
エッチングが開始されて同時にトレンチ深さの計測が開始されると、データ処理部１５は観測信号をモニタリングする（Ｓ１０１）。具体的には分光部１４のアレイ検出器３０で８１０ｎｍ〜８９０ｎｍの波長範囲にわたって分光された観測信号を採取し、これにより所定時間間隔ごとに観測スペクトルデータを取り込む処理を行う。
取り込まれた観測スペクトルデータは、例えば図６（ａ）のように横軸が波長軸のデータとして蓄積される。

続いて、観測スペクトルデータに対し、近似式である式(F1)を用いてフィッティングを行い、近似式(F1)の３つのパラメータｔ_１，Ｘ，Ｙを決定し、当該近似式を用いてＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を観測スペクトルデータから除去する演算を行う（Ｓ１０２）。これにより「正規化残存干渉スペクトルデータ」が算出される。例えば図６（ｂ）のような横軸が波長軸のデータとして蓄積される。

続いて、「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行い、さらに逆フーリエ変換を行うことにより、横軸を光路差（長さ）とした「光路差解析データ」を算出する（Ｓ１０３）。この「光路差解析データ」には、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉との干渉ピークとが複素数として重ね合わされて融合し、１つに統合された複合干渉ピーク、または２つに分離された複合干渉ピークが現れる。

続いて、「光路差解析データ」に現れる複合干渉ピークから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号を含んだ複合干渉ピークを抽出し、そのピーク位置の横軸（光路差）の値から「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」を算出する（Ｓ１０４）。

続いて、「簡易Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」と、近似式(F1)で求めた「パラメータｔ_１」とに基づいて、式(6)によりエッチング深さｄを算出する（Ｓ１０５）。
以上の処理を実行することによりエッチングモニタ装置１０ａは、リアルタイムでエッチング深さｄをモニタリングすることができる。

このようにしていられたエッチング深さｄは、図５に見られたＡ−Ｂ干渉に起因する周期の小さい揺らぎの影響が除去されているので計測精度が向上する。

＜第二の実施形態＞
ところで、エッチングモニタ装置１０ａでのデータ処理では、図７に見られるような周期の大きな揺らぎの影響は除去されていない。
そこで、以下に説明する第二の実施形態では、本発明の発明者らが先行出願（特願２０１２−１１４５７７号）で示した解決方法も利用して、周期が大きい揺らぎを除去した上でエッチング深さｄをモニタするエッチングモニタ装置を実現するようにしている。

（Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉による揺らぎ）
再び、図６（ｃ）の「光路差解析データ」を参照すると、データ中のＢ−Ｃ干渉ピーク「２」とＣ−Ａ干渉ピーク「３」は、単純なガウス型ではなく、２つのガウス型が融合した複合干渉ピークの形状をしている。これは、図３においてエッチング深さｄ、マスク厚さｔ、マスク屈折率ｎとして、光路差のピーク位置が2(d+t-nt)［μｍ］であるＢ−Ｃ干渉と、ピーク位置が2(d+t)［μｍ］のＣ−Ａ干渉とが複素振幅の重ね合わせにより融合したものである。融合後のピーク位置（信号の最大値を示す位置）は、2(d+t-nt)［μｍ］または2(d+t)［μｍ］のどちらも示さない。

図８に、２つのガウシアンを複素振幅の重ね合わせにより融合した模式図を示す。図３から明らかなように、Ｂ−Ｃ干渉はＣ−Ａ干渉と比較すると、マスク分だけ干渉距離が短く、またマスク面ａよりも基板表面ｂ（マスク／基板界面）の反射率が高いため、逆フーリエ変換（ＲＦＴ）による光路差解析後の図６（ｃ）の「光路差解析データ」では、Ｂ−Ｃ干渉は光路差が小さい側（左側）に、Ｃ−Ａ干渉よりも大きい強度で出現し、光路差が大きい側（右側）にＣ−Ａ干渉が出現する。したがってピークが２つ存在する場合に、いずれのピークが主にＢ−Ｃ干渉成分によるものであるかは容易に決定できる。なお、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉の成分は複素振幅の重ね合わせとなるため、図８（ａ）に示すように弱めあい、Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置が本来の位置よりも短距離側に検出される場合と、図８（ｂ）に示すように互いに強めあい、Ｂ−Ｃ干渉のピーク位置が本来の位置よりも長距離側に検出される場合があり、マスク厚さｔの厚みが測定波長の半分（光路長が往復となるため）の周期で２つの状態間を繰り返す。その際に、融合されたピークが１つになったり２つに分離したりする。このように複素数として重ね合わされている複合干渉ピークに対し、通常の単純なピーク分離法を用いて分離することは不可能である。そしてこの融合するピークの影響がＢ−Ｃ干渉をモニタする際に、大きい周期の揺らぎとして現れる。

この周期の大きい揺らぎの変動量は、Ｂ−Ｃ干渉にＣ−Ａ干渉が融合したときに、Ｃ−Ａ干渉の影響でＢ−Ｃ干渉のピーク位置がずれた量であると見ることができる。
そこで、Ｃ−Ａ干渉によるＢ−Ｃ干渉のずれ量について解析する。

（光路差のずれの定量的解析）
そこで、測定されたピーク位置の、真のピーク位置に対するずれの量を定量的に見積もることを検討する。Ａ，Ｂ，Ｃの３つの光波が足し合わされた信号強度Ｉは、光源のスペクトル形状を幅σのガウシアンと仮定する。
すると、式(4)を用いて、次式(11a)で表される。

ここで、ｃｏｓ波のｘ軸を線形にプロットするために、波長λ軸を波数ω（＝１／λ軸）に変換し、式(11b)を得る。

直流成分を除き、干渉成分のみを考える（正規化）と、取得スペクトルｓ（ω）は、式(12)となる。

式(12)の逆フーリエ変換Ｓ（ｘ）を考える。まず、Pcos(Lω2π)exp{-a(ω-ω_c)²}の逆フーリエ変換は、式(13)となる。

帯域σのガウシアンは式(13)で、a=1/σ²なので、干渉信号ｓ（ω）の逆フーリエ変換Ｓ（ｘ）は、式(14)となる。

ここで、エッチングが十分に進行し、エッチング深さｄがマスク厚さｔよりも十分に大きくなったとき、つまり２ｎｔ＜＜ｄのとき、図９に示すように検出最大ピーク位置ｘを、真値とｘのずれ量X=x-2(t+d-nt)に座標変換すると、Ｘ＝０付近では第一項はゼロと考えられるために省略し、式(3)の第二項、第三項のみを考えると、その強度分布ｆ（Ｘ）は、式(15)で与えられる。

式(16)よりＸ_１、つまり真値とのずれ量はマスク厚さｔ、マスク材料（屈折率ｎおよび反射率Ａ，Ｂ）、光源の帯域σ（または光源のスペクトル形状）にのみ依存し、エッチング深さｄや被エッチング材料からの反射光量Ｃには依存しないことが分かる。

したがって、式(16)の解を補正値として用いることにより、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉が混在したスペクトルデータ（干渉縞）を、逆フーリエ変換（ＲＦＴ）による光路差解析結果のピーク位置を元にして上記補正値で補正することで、真の解（補正後Ｂ−Ｃ干渉距離）を得ることができる。

ただし、式(16)は解析的に解くことは困難であるので、補正式を記憶させて用いるのではなく、図１０に示すような実測スペクトルを基に数値解を計算した結果である「マスク厚さｔに対する位置ずれ量（補正値Ｘ_１）の補正テーブル」を記憶しておき、光路差解析結果に適用することによって、真の解を求めることになる。

算出された真の解である補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’は、図３に示される光学的関係から、
d'=2(d+t-nt) …(17)
となるので、エッチング深さｄは、補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’とマスク厚さｔとから、
d=（d'/2)-t+nt …(18)
を計算することにより求められる。

したがって、エッチングモニタ装置に「マスク厚さｔに対する位置ずれ量（補正値Ｘ_１）の補正テーブル」を記憶させておき、マスク厚さｔをリアルタイムでモニタリングすれば、補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’がリアルタイムで算出され、ひいてはエッチング深さｄがリアルタイムでモニタリングできるようになる。

（装置構成）
そこで、Ａ−Ｂ干渉に起因する周期が小さい揺らぎとともに、「補正テーブル」を利用してＣ−Ａ干渉に起因する周期が大きい揺らぎを除去した上でモニタリングを行うエッチングモニタ装置について説明する。図１１は本発明の第二の実施形態であるエッチングモニタ装置１０ｂの概略構成図である。エッチングモニタ装置１０ｂは、図１で説明したエッチングモニタ装置１０ａと比較すると、データ処理部１５ａをデータ処理部１５ｂに代えた点以外については同じ構成であるので、同一部分については同符号を付すことにより説明の一部を省略する。

データ処理部１５ｂはパーソナルコンピュータからなり、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演算処理を実行するようにしてある。
そしてデータ処理部１５ｂが実行する演算処理を機能ごとにブロック化して説明すると、フィッティング処理部５０と、光路差解析部５１と、補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２ｂと、Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部５４ｂと、エッチング深さ算出部５５ｂと、補正テーブル部５６とを備えている。

フィッティング処理部５０は、分光部１４によって検出された信号である反射干渉スペクトルデータ（横軸が波長軸）を用いて、これに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、マスク（レジスト層２４）の厚さｔ_１、および、直流成分信号の係数パラメータＸ、Ａ−Ｂ干渉成分信号の係数パラメータＹの３つのパラメータを含めた近似式(F1)を用いてフィッティングを行い、フィッティングにより求められたパラメータ値と式(F1)とにより、Ａ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を反射干渉スペクトルデータから除去する演算を行うようにして、残りの干渉成分信号（Ｂ−Ｃ干渉成分信号およびＣ−Ａ干渉成分信号）からなる「正規化残存干渉スペクトルデータ」を算出する演算を行う。

光路差解析部５１は、「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換を行うことにより、光路差ごとのスペクトル強度分布を示した「光路差解析データ」を算出する演算を行う。算出された「光路差解析データ」には、Ｂ−Ｃ干渉成分による干渉ピークと、Ｃ−Ａ干渉成分による干渉ピークとが複素数として合算されて融合し、１つに統合された複合干渉ピーク、または２つに分離された複合干渉ピークが現れる。

補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２ｂは、「光路差解析データ」に含まれる複合干渉ピークから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピーク（「補正前ピーク」とも称する）を抽出し、当該ピークのピーク位置の光路差を「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する演算を行う。具体的には、複合干渉ピークが１つに統合されているとき（図８（ｂ）参照）は当該ピークが「補正前ピーク」として選択され、２つに分離されているとき（図８（ａ）参照）は、光路差が小さい側に現れるピークが「補正前ピーク」として選択され（Ｂ−Ｃ干渉は本質的にＣ−Ａ干渉よりマスク分の光路差だけ短いため光路差が小さい側に現れる）、そのピーク位置の光路差（横軸）を、「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」として算出する。

補正テーブル部５６は、予め、Ｃ−Ａ干渉成分が「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」に与えた「光路差のずれ量」とマスク厚さｔとの関係を式(16)により数値解で算出し、「補正テーブル」としてデータ処理部１５ｂのメモリに記憶する。なお、マスク材料を変更した場合のために、式(16)を記憶させて、必要なときにマスクの屈折率ｎ、反射率Ａ，Ｂ、光源の波長帯域σを入力すれば数値解を算出できるようにしておき、補正テーブルを更新するようにしてもよい。

Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部５４ｂは、フィッティング処理部５０でフィッティングの際に算出されたマスク厚さｔ_１と「補正テーブル」とから、「光路差のずれ量」を算出し、「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」を「光路差のずれ量」で補正した「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を算出する演算を行う。

エッチング深さ算出部５５は、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」とマスク厚さｔ_１とから、式(18)によりエッチング深さｄを算出する演算を行う。

次に、エッチングモニタ装置１０ｂによる計測動作手順について、図１２のフローチャートを参照しつつ説明する。
エッチングが開始されてトレンチ溝の深さの計測が開始されると、データ処理部１５ｂは観測信号をモニタリングする（Ｓ２０１）。具体的には分光部１４のアレイ検出器３０で８１０ｎｍ〜８９０ｎｍの波長範囲にわたって分光された観測信号を採取し、これにより所定時間間隔ごとに観測スペクトルデータを取り込む処理を行う。

続いて、観測スペクトルデータに対し、近似式である式(F1)を用いてフィッティングを行い、近似式(F1)の３つのパラメータｔ_１，Ｘ，Ｙを決定し、当該近似式を用いてＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を観測スペクトルデータから除去する演算を行う（Ｓ２０２）。これにより「正規化残存干渉スペクトルデータ」が算出される。また、近似式(F1)のパラメータの１つであるマスク厚さｔ_１も算出される。

続いて、「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行い、さらに逆フーリエ変換を行うことにより、横軸を光路差（長さ）とした「光路差解析データ」を算出する（Ｓ２０３）。この「光路差解析データ」には、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉との干渉ピークとが複素数として重ね合わされて融合し、１つに統合された複合干渉ピーク、または２つに分離された複合干渉ピークが現れる。

続いて、「光路差解析データ」に現れる複合干渉ピークから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号を含んだ複合干渉ピーク（「補正前ピーク」）を抽出し、そのピーク位置の横軸（光路差）の値から「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」を算出する（Ｓ２０４）。

続いて、「補正テーブル」とマスク厚さｔ_１とにより「光路差のずれ量」を求め、「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」に対し、「光路差のずれ量」を補正することにより、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を算出する（Ｓ２０５）。
この補正によりＣ−Ａ干渉の影響が除去されたＢ−Ｃ干渉距離の真値が求められる。

続いて、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」と、近似式(F1)のパラメータであるマスク厚さｔ_１とに基づいて、式(18)によりエッチング深さｄを算出する（Ｓ２０６）。
以上の処理を実行することによりエッチングモニタ装置１０ｂは、リアルタイムでエッチング深さｄをモニタリングすることができる。

このようにしていられたエッチング深さｄは、図５に見られるＡ−Ｂ干渉に起因する周期の小さい揺らぎの影響が除去されているだけでなく、図７に見られる大きい揺らぎの影響も除去された上で計測されることになり、計測精度が向上する。

＜第三の実施形態＞
第二の実施形態のエッチングモニタ装置１０ｂでは、「補正テーブル」を参照するときのマスク厚さｔとして、フィッティング式(F1)のパラメータのマスク厚さｔ_１を利用した。
これに対し、「補正テーブル」を参照するときのマスク厚さｔとして、独立して測定した第二マスク厚さｔ_２を用いるようにしてもよい。以下、第三の実施形態について説明する。

（装置構成）
図１３は本発明の第三の実施形態であるエッチングモニタ装置１０ｃの概略構成図である。なお、図１，１１で説明したエッチングモニタ装置１０ａ，１０ｂと同一部分については同符号を付すことにより説明の一部を省略する。

エッチングモニタ装置１０ｃでは、計測光学系１３とは別に、マスクの厚さを光学的に計測するためのマスク計測部４０が設けられている。このマスク計測部４０は、例えば、光源４１、光ファイバ４２、ファイバカプラ４３、コリメートレンズ４４、分光器４５、検出器４６からなり、時間変化モニタリング法による干渉測定が行われる。すなわち、光源４１から単波長の測定光が照射され、基板２３、レジスト層２４（マスク面）で反射された測定光が検出器４６で検出され、データ処理部１５ｃに入力される。

なお、マスク計測部４０によるマスク厚さの光学的な計測についてはこれに限られず、スペクトル反射法による計測であってもよい。具体的には、例えば前記特許文献３に記載されているスペクトル反射法でのマスク厚さの測定手法を用いてもよい。

データ処理部１５ｃはパーソナルコンピュータからなり、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演算処理を実行するようにしてある。
そしてデータ処理部１５ｃが実行する演算処理を機能ごとにブロック化して説明すると、フィッティング処理部５０と、光路差解析部５１と、補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２ｂと、マスク厚さ計測部５３と、Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部５４ｃと、エッチング深さ算出部５５ｃと、補正テーブル部５６とを備えている。

フィッティング処理部５０と、光路差解析部５１と、補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部５２ｂと補正テーブル部５６とは、エッチングモニタ装置１０ｂで説明したデータ処理部１５ｂと同じである。

マスク厚さ計測部５３は、マスク計測部４０からの反射干渉光に基づいて第二マスク厚さｔ_２を算出する処理を行う。得られた第二マスク厚さｔ_２は、「補正テーブル」を参照するときに用いられる。

Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部５４ｃは、第二マスク厚さｔ_２と「補正テーブル」とから、「光路差のずれ量」を算出し、「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離」を「光路差のずれ量」で補正した「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を算出する演算を行う。

エッチング深さ算出部５５ｃは、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」と第二マスク厚さｔ_２とから、式(18)によりエッチング深さｄを算出する演算を行う。

次に、エッチングモニタ装置１０ｃによる計測動作手順について、図１４のフローチャートを参照しつつ説明する。
エッチングが開始されて同時にトレンチ深さの計測が開始されると、データ処理部１５ｂは観測信号をモニタリングする（Ｓ３０１）。具体的には分光部１４のアレイ検出器３０で８１０ｎｍ〜８９０ｎｍの波長範囲にわたって分光された観測信号を採取し、これにより所定時間間隔ごとに観測スペクトルデータを取り込む処理を行う。

続いて、観測スペクトルデータに対し、近似式である式(F1)を用いてフィッティングを行い、近似式(F1)の３つのパラメータｔ_１，Ｘ，Ｙを決定し、当該近似式を用いてＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を観測スペクトルデータから除去する演算を行う（Ｓ３０２）。これにより「正規化残存干渉スペクトルデータ」が算出される。

続いて、「正規化残存干渉スペクトルデータ」に対し、波長−波数変換を行い、さらに逆フーリエ変換を行うことにより、横軸を光路差（長さ）とした「光路差解析データ」を算出する（Ｓ３０３）。この「光路差解析データ」には、Ｂ−Ｃ干渉とＣ−Ａ干渉との干渉ピークとが複素数として重ね合わされて融合し、１つに統合された複合干渉ピーク、または２つに分離された複合干渉ピークが現れる。

続いて、「光路差解析データ」に現れる複合干渉ピークから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号を含んだ複合干渉ピーク（「補正前ピーク」）を抽出し、そのピーク位置の横軸（光路差）の値から「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」を算出する（Ｓ３０４）。

一方、マスク計測部４０により、独立して第二マスク厚さｔ_２を計測するための反射干渉信号を取得する（Ｓ３０５）。

そして計測された反射干渉信号に基づいて、時間変化モニタリング法、あるいはスペクトル干渉法により第二マスク厚さｔ_２を求める（Ｓ３０６）。

さらに「補正テーブル」と第二マスク厚さｔ_２とにより「光路差のずれ量」を算出する（Ｓ３０７）。なお、Ｓ３０５〜Ｓ３０は、Ｓ３０１〜Ｓ３０４の処理と並行して行われる。

続いて、「補正前Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」に対し、「光路差のずれ量」を補正することにより、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離」を算出する（Ｓ３０８）。
この補正によりＣ−Ａ干渉の影響が除去されたＢ−Ｃ干渉距離の真値が求められる。

続いて、「補正後Ｂ−Ｃ干渉距離ｄ’」と、第二マスク厚さｔ_２とに基づいて、式(18)によりエッチング深さｄを算出する（Ｓ３０９）。
以上の処理を実行することによりエッチングモニタ装置１０ｃは、リアルタイムでエッチング深さｄをモニタリングすることができる。

このようにして得られたエッチング深さｄは、第二の実施形態と同様に、図５に見られたＡ−Ｂ干渉に起因する周期の小さい揺らぎの影響が除去されているだけでなく、図７に見られる大きい揺らぎの影響も除去された上で計測されることになり計測精度が向上する。

本発明は、エッチングモニタ装置に適用することができる。

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ エッチングモニタ装置
１１ スーパールミネセントダイオード（光源）
１３ 計測光学系
１４ 分光部
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ データ処理部
４０ マスク計測部
５０ フィッティング処理部
５１ 光路差解析部
５２ａ 簡易Ｂ−Ｃ干渉距離算出部
５２ｂ 補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部
５３ マスク厚さ計測部
５４ｂ，５４ｃ Ｂ−Ｃ干渉距離真値算出部
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ エッチング深さ算出部
５６ 補正テーブル部

Claims (5)

1. 基板表面をマスクで覆ったマスク面と、マスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と、前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、
   所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、
   前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号および直流成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、
   前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、
   検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、前記マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、前記Ａ−Ｂ干渉成分信号および前記直流成分信号を前記反射干渉スペクトルから除いて、残りの干渉成分信号からなる正規化残存干渉スペクトルデータを算出するフィッティング処理部と、
   前記正規化残存干渉スペクトルデータに対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出する光路差解析部と、
   前記光路差解析データから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを抽出し、当該ピークのピーク位置の光路差を簡易Ｂ−Ｃ干渉距離として算出する簡易Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、
   前記簡易Ｂ−Ｃ干渉距離と、前記近似式のパラメータの１つとして決定したマスクの厚さｔ_１とに基づいて、エッチング深さｄを算出するエッチング深さ算出部とを備えたことを特徴とするエッチングモニタ装置。
2. 基板表面をマスクで覆ったマスク面と、マスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と、前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、
   所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、
   前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、
   前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、
   検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、前記マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、前記Ａ−Ｂ干渉成分信号および前記直流成分信号を前記反射干渉スペクトルから除いて、残りの干渉成分信号からなる正規化残存干渉スペクトルデータを算出するフィッティング処理部と、
   前記正規化残存干渉スペクトルデータに対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出する光路差解析部と、
   前記光路差解析データから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを補正前ピークとして抽出し、当該補正前ピークのピーク位置の光路差を補正前Ｂ−Ｃ干渉距離として算出する補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、
   前記Ｃ−Ａ干渉成分が前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離に与えた光路差のずれ量と前記マスクのマスク厚さとの関係を算出して補正テーブルとして記憶させる補正テーブル部と、
   前記マスク厚さｔ_１と前記補正テーブルとから前記光路差のずれ量を算出し、前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離を当該光路差のずれ量で補正した補正後Ｂ−Ｃ干渉距離を算出するＢ−Ｃ干渉距離真値算出部と、
   前記補正後Ｂ−Ｃ干渉距離と前記マスク厚さｔ_１とからエッチング深さｄを算出するエッチング深さ算出部とを備えたことを特徴とするエッチングモニタ装置。
3. 基板表面をマスクで覆ったマスク面と、マスクで覆っていない被エッチング面とが含まれる基板加工領域での前記被エッチング面と、前記基板表面との段差であるエッチング深さをモニタリングするエッチングモニタ装置であって、
   所定の波長帯域を有する測定光を発生する光源と、
   前記測定光を前記基板加工領域に照射し、前記マスク面と前記基板表面、前記基板表面と前記被エッチング面、前記被エッチング面と前記マスク面の３組の面間での反射光の光路差による３種の干渉をそれぞれＡ−Ｂ干渉、Ｂ−Ｃ干渉、Ｃ−Ａ干渉としたときのこれら３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系と、
   前記反射干渉光を波長分散させて反射干渉スペクトルを検出する分光部と、
   検出された反射干渉スペクトルに含まれるＡ−Ｂ干渉成分信号および直流成分信号を、前記マスクの厚さｔ_１をパラメータの１つに含めた近似式を用いてフィッティングにより推測し、前記Ａ−Ｂ干渉成分信号および前記直流成分信号を前記反射干渉スペクトルから除いて、残りの干渉成分信号からなる正規化残存干渉スペクトルデータを算出するフィッティング処理部と、
   前記正規化残存干渉スペクトルデータに対し、波長−波数変換を行った上で逆フーリエ変換による光路差解析を行って光路差ごとの強度分布を求め、Ｂ−Ｃ干渉成分とＣ−Ａ干渉成分とによる１つまたは２つの複合干渉ピークが含まれる光路差解析データを算出する光路差解析部と、
   前記光路差解析データから、主にＢ−Ｃ干渉成分信号が含まれた複合干渉ピークを補正前ピークとして抽出し、当該補正前ピークのピーク位置の光路差を補正前Ｂ−Ｃ干渉距離として算出する補正前Ｂ−Ｃ干渉距離算出部と、
   前記Ｃ−Ａ干渉成分が前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離に与えた光路差のずれ量と前記マスクのマスク厚さとの関係を算出して補正テーブルとして記憶させる補正テーブル部と、
   前記３種の干渉成分信号を含んだ反射干渉光を取得する計測光学系とは独立に基板表面のマスクの厚さを第二マスク厚さｔ_２として算出するマスク厚さ計測部と、
   前記第二マスク厚さｔ_２と前記補正テーブルとから前記光路差のずれ量を算出し、前記補正前Ｂ−Ｃ干渉距離を当該光路差のずれ量で補正した補正後Ｂ−Ｃ干渉距離を算出するＢ−Ｃ干渉距離真値算出部と、
   前記補正後Ｂ−Ｃ干渉距離と前記第二マスク厚さｔ_２とからエッチング深さｄを算出するエッチング深さ算出部とを備えたことを特徴とするエッチングモニタ装置。
4. 前記フィッティングに用いる近似式が次式(F1)である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のエッチングモニタ装置。
   X+Ycos(2nt₁/λ*2π) …(F1)
   ただし、Ｘ，Ｙ，ｔの３つのパラメータは、
   Ｘ: 直流成分信号の係数パラメータ
   Ｙ: Ａ−Ｂ干渉成分信号の係数パラメータ
   ｔ_１： マスク厚さのパラメータ
5. 前記マスク厚さ計測部は、マスク面ａと基板表面ｂとの２つの反射面だけの領域に測定光を照射して干渉測定を行うことにより第二マスク厚さｔ_２を測定する請求項３または請求項４のいずれかに記載のエッチングモニタ装置。

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