JP2016080668A - Device and method for monitoring surface treatment state - Google Patents

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塁 加藤
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洋臣 後藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface treatment state monitoring device capable of measuring the thickness of a measured layer changing by the minute in real time.SOLUTION: The device comprises: a light source emitting measurement light having wavelength width; an interference optical system having light, which is reflected by upper and lower faces of a measured layer, interfered; a spectroscopic part for performing wavelength dispersion of interference light; and a detection part for detecting light on which the wavelength dispersion is performed for each wavelength. The device further comprises: a storage unit in which a theoretical formula is stored, the formula including the first term which changes depending on a value of ratio between the product of the thickness of the measured layer by a refraction index and the wavelength and which corresponds to the intensity of interference light of light reflected by the upper face of the measured layer and light entering the measured layer and then reflected by the lower face, and a second term which corresponds to the intensity of interference light of the upper face reflected light and light entering the measured layer, reflected again thereinside and then emitted; and a thickness determination unit which determines a thickness of the measured layer so that a plurality of intensity values detected and a theoretical value of the intensity of the interference light match.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、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:シリコン貫通孔)の深さや段差、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、或いはCVDなどにより基板表面に成膜を行う際の膜厚などを、加工中に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、及び表面処理状況モニタリング方法に関する。   The present invention relates to the depth and level difference of fine holes formed in a semiconductor substrate or the like by etching processing, such as TSV (= Through Silicon Via: silicon through-hole), substrates or crystals whose surfaces are scraped by various polishing processes, etc. The present invention relates to a surface treatment status monitoring apparatus and a surface treatment status monitoring method for measuring in real time during processing a thickness or a film thickness when a film is formed on a substrate surface by CVD or the like.

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微細な孔や溝を形成するためにエッチング加工が行われている。通常、エッチング加工では、基板上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を行い、マスキングされていない部分を選択的に削る。これにより、基板に孔や溝が形成される。そして、加工後にレジスト膜を除去する。   In a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, an etching process is performed to form fine holes and grooves in a semiconductor substrate such as a silicon wafer. Usually, in the etching process, etching is performed after masking with a resist film on the substrate, and the unmasked portion is selectively etched. Thereby, holes and grooves are formed in the substrate. Then, the resist film is removed after processing.

エッチング等の表面処理の進行状況を確認するために、被処理層(エッチング層やレジスト膜など)の厚さの時間的な変化をモニタリングする方法として、従来、以下のものが提案されている。   In order to confirm the progress of surface treatment such as etching, the following has been proposed as a method for monitoring temporal changes in the thickness of a layer to be treated (such as an etching layer or a resist film).

特許文献1には、支持基板上に酸化膜と活性層が積層されたSOI基板において、その表層である活性層を研磨して膜厚調整する際に、活性層の厚さの時間的な変化をモニタリングする方法が記載されている。この方法では、SOI基板に対して白色光(波長帯域の広い光源)を照射し、活性層の表面で反射した光と、活性層を通過して酸化膜の表面で反射した光と、活性層及び酸化膜を通過して支持基板の表面で反射した光とを干渉光学系により干渉させ、干渉光を分光素子により波長分散し、CCDラインセンサなどで検出して波長−強度特性を取得する。そして、活性層の厚さと干渉光の波長とが所定の関係を満たすときに干渉光の強度に極大値あるいは極小値が現れることを利用し、その周期を抽出することによって活性層の厚さの時間的な変化をモニタリングする。   In Patent Document 1, in an SOI substrate in which an oxide film and an active layer are stacked on a supporting substrate, when the thickness of the active layer as a surface layer is polished to adjust the thickness, the change in the thickness of the active layer over time is disclosed. A method for monitoring is described. In this method, the SOI substrate is irradiated with white light (light source having a wide wavelength band), reflected from the surface of the active layer, reflected from the surface of the oxide film through the active layer, and the active layer. Then, the interference light passes through the oxide film and is reflected on the surface of the support substrate by the interference optical system, the interference light is wavelength-dispersed by the spectroscopic element, and detected by a CCD line sensor or the like to obtain the wavelength-intensity characteristics. Then, by utilizing the fact that the maximum value or the minimum value appears in the intensity of the interference light when the thickness of the active layer and the wavelength of the interference light satisfy a predetermined relationship, the period of the active layer is extracted by extracting the period. Monitor changes over time.

特許文献2には、表面がレジスト膜によりマスキングされた基板をエッチング加工する際に、エッチングにより形成される溝の深さの時間的な変化をモニタリングする方法が記載されている。この方法では、被処理基板に対してレーザ光を照射し、レジスト膜の表面で反射した光と、レジスト膜を通過して基板の表面で反射した光と、エッチングにより形成されるトレンチの底面で反射した光とを干渉させて得た干渉光を検出する。そして、照射されるレーザ光の波長の4分の1ずつトレンチ深さが変化する毎に干渉光の強度に極大値と極小値が現れることを利用し、トレンチの深さの時間的な変化をモニタリングする。   Patent Document 2 describes a method of monitoring a temporal change in the depth of a groove formed by etching when etching a substrate whose surface is masked with a resist film. In this method, laser light is irradiated on the substrate to be processed and reflected by the surface of the resist film, light reflected by the surface of the substrate through the resist film, and the bottom surface of the trench formed by etching. Interference light obtained by interfering with reflected light is detected. Then, every time the trench depth changes by a quarter of the wavelength of the irradiated laser beam, the maximum value and the minimum value appear in the intensity of the interference light, and the temporal change in the trench depth is obtained. Monitor.

特開2005-184013号公報JP 2005-184013 A 特開平10-325708号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-325708

特許文献1に記載の方法では、白色光源から発せられた光を照射して干渉光を得るため、干渉光を波長分散した後に検出される光の強度が弱い。そのため、波長に対する干渉光強度の周期的な変化を抽出するために十分な強度を得るためには、検出器において信号を蓄積しなければならず、測定に時間がかかる。従って、リアルタイムで測定することができない。
特許文献2に記載の方法では、干渉光の強度を連続的に観察し、その変化の傾向が逆になったことを確認した後でなければ極大値や極小値(以下、これらをまとめて「極値」とする)を決定することができない。そのため、実際に極値が現れるタイミングと極値を決定するタイミングの間にはタイムラグが生じる。また、極値を決定した後、次の極値を決定するまでの間は、被測定層の厚さを決めることができない。
In the method described in Patent Document 1, since interference light is obtained by irradiating light emitted from a white light source, the intensity of light detected after wavelength dispersion of the interference light is weak. Therefore, in order to obtain a sufficient intensity for extracting a periodic change of the interference light intensity with respect to the wavelength, a signal must be accumulated in the detector, which takes time for measurement. Therefore, it cannot be measured in real time.
In the method described in Patent Document 2, the intensity of interference light is continuously observed, and after confirming that the tendency of the change is reversed, the maximum value and the minimum value (hereinafter, these are collectively referred to as “ Cannot be determined. Therefore, a time lag occurs between the timing at which the extreme value actually appears and the timing at which the extreme value is determined. Further, after the extreme value is determined, the thickness of the layer to be measured cannot be determined until the next extreme value is determined.

このように、従来提案されている方法では、時々刻々と変化する被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができないという問題があった。   Thus, the conventionally proposed method has a problem that the thickness of the layer to be measured, which changes every moment, cannot be measured in real time.

本発明が解決しようとする課題は、表面処理加工中に時々刻々と変化する被測定層の厚さをリアルタイム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、及び表面処理状況モニタリング方法を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a surface treatment status monitoring apparatus and a surface treatment status monitoring method capable of measuring in real time the thickness of a layer to be measured that changes every moment during surface treatment processing. It is.

上記課題を解決するために成された第1発明は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第1反射光との干渉光である第1干渉光の強度に対応する第1項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第2反射光との干渉光である第2干渉光の強度に対応する第2項とを含む理論式が保存された記憶部と、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記理論式により前記波長毎に算出される干渉光の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する厚さ決定部と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a first invention is a surface treatment status monitoring apparatus for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, On the other hand, a light source that irradiates measurement light having a predetermined wavelength width, an interference optical system that interferes with light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured, and a spectrum that disperses the interference light by the interference optical system. A surface treatment status monitoring apparatus comprising: a detection unit that detects, for each wavelength, the light wavelength-dispersed by the spectroscopic unit;
a) Upper surface reflected light that is light reflected from the upper surface of the measured layer, and first reflected light that is light emitted from the upper surface of the measured layer after entering the measured layer and reflected by the lower surface thereof The first term corresponding to the intensity of the first interference light that is interference light with the light, the upper surface reflected light, and the light entering the measured layer and reflected on the lower surface thereof, and then reflected on the upper surface of the measured layer A storage unit storing a theoretical expression including a second term corresponding to the intensity of the second interference light that is interference light with the second reflected light that is emitted after being reflected by the lower surface;
b) The thickness of the layer to be measured is adjusted so that the plurality of intensity values detected for each wavelength by the detection unit and the theoretical value of the interference light calculated for each wavelength by the theoretical formula are matched. A thickness determining unit to be determined;
It is characterized by providing.

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用いる理論式は、前記第1干渉光の強度に対応する第1項と、前記第2干渉光の強度に対応する第2項とを含む式であり、例えば、以下の式(1)を用いることができる。この式(1)では、被測定層の上面と下面とからそれぞれ反射した光を干渉させて得られる光の波長毎の強度が、被測定層の厚さT(t)と波長λにおける被測定層の屈折率n(λ)の積と、波長λの比の値に応じて周期的に変化する項で表される。

Figure 2016080668
The theoretical formula used in the surface treatment status monitoring apparatus according to the first invention is a formula including a first term corresponding to the intensity of the first interference light and a second term corresponding to the intensity of the second interference light. For example, the following formula (1) can be used. In this equation (1), the intensity for each wavelength of the light obtained by causing the light reflected from the upper and lower surfaces of the measured layer to interfere with each other at the thickness T (t) and the wavelength λ of the measured layer. It is expressed by a term that periodically changes in accordance with the ratio of the product of the refractive index n (λ) of the layer and the wavelength λ.
Figure 2016080668

式(1)において、tは時間、Rr(λ)は事前に測定される、被測定層の下層(例えば基板)の表面からの反射光の強度、α1は被測定層の上面や被測定層の下層の表面で反射する光の強度に関する係数、α2及びα3は干渉光の強度に関する係数である。係数α1、α2及びα3は、被測定層の状態や厚さT(t)の変化に応じて時間的に変化する。 In equation (1), t is time, Rr (λ) is measured in advance, the intensity of reflected light from the surface of the layer under measurement (for example, the substrate), α 1 is the top surface of the layer under measurement or the measurement Coefficients relating to the intensity of light reflected from the lower surface of the layer, α 2 and α 3 are coefficients relating to the intensity of interference light. The coefficients α 1 , α 2, and α 3 change with time in accordance with the state of the layer to be measured and the change in the thickness T (t).

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用いる理論式に、第1干渉光だけでなく、第2干渉光の強度に対応する項も含める理由を説明する。   The reason why not only the first interference light but also the term corresponding to the intensity of the second interference light is included in the theoretical formula used in the surface treatment status monitoring apparatus according to the first invention will be described.

上述したように、白色光源を用いると波長分離後の干渉光等の強度が小さくなってしまうため、白色光源よりも高強度の光源を用いる必要がある。また、波長に対する干渉光の強度の周期的な変化を捉えるためには、複数の波長における強度値Sig(λ)を検出しなければならない。そこで、上記光源として、白色光源よりも高強度であり波長幅を有する光を発することができる光源、例えば、半値全幅が15nm程度であるSLD(=Super Luminescent Diode:スーパールミネッセントダイオード)光源が用いられる。   As described above, when a white light source is used, the intensity of interference light or the like after wavelength separation is reduced, and therefore it is necessary to use a light source having a higher intensity than the white light source. Further, in order to capture a periodic change in the intensity of the interference light with respect to the wavelength, it is necessary to detect intensity values Sig (λ) at a plurality of wavelengths. Therefore, as the light source, there is a light source capable of emitting light having a higher intensity and a wavelength width than a white light source, for example, an SLD (= Super Luminescent Diode) light source having a full width at half maximum of about 15 nm. Used.

ところが、被測定層がレジスト膜のように薄い層である場合、波長に対する干渉光の強度の変化の周期は長くなる。そのため、SLD光源を用いて15nm程度の波長幅の範囲内で干渉光を波長毎に検出しても、その強度値に大きな差がなく干渉光の強度の変化を捉えることができず、被測定層の厚さを正確に決定することが難しい場合がある。   However, when the layer to be measured is a thin layer such as a resist film, the period of change in the intensity of the interference light with respect to the wavelength becomes long. For this reason, even if interference light is detected for each wavelength within the wavelength range of about 15 nm using an SLD light source, the intensity value is not significantly different and the change in the intensity of the interference light cannot be captured. It may be difficult to accurately determine the thickness of the layer.

上式(1)は、2T(t)/λで変化するcos関数だけでなく、4T(t)/λで変化するcos関数も含んでいる。従って、厚さ決定部が波長毎の強度の検出値Sig(λ)と理論値Rm(λ,t)とを合致させるように膜層の厚さT(t)を決定する際の実質的な波長帯域が2倍になる。本発明に係る表面処理状況モニタリング装置では、第2干渉光の強度に対応する項を含む理論式を用いることで、被測定層が薄く、波長に対する干渉光の強度の変化の周期が長い場合でも、その強度変化を捉えて被測定層の厚さT(t)を正確に決定することができるように構成している。   The above equation (1) includes not only a cos function that changes at 2T (t) / λ, but also a cos function that changes at 4T (t) / λ. Therefore, the thickness determining unit substantially determines the thickness T (t) of the film layer so that the detected value Sig (λ) of the intensity for each wavelength matches the theoretical value Rm (λ, t). The wavelength band is doubled. In the surface treatment status monitoring apparatus according to the present invention, by using a theoretical formula including a term corresponding to the intensity of the second interference light, even when the layer to be measured is thin and the period of change in the intensity of the interference light with respect to the wavelength is long, The thickness T (t) of the layer to be measured can be accurately determined by capturing the intensity change.

干渉光を波長分離し、複数の検出素子を備えたアレイ検出器によって波長分離後の光を検出すると、検出する毎に、検出素子の数と同数の強度値Sig(λ)が得られる。そして、式(1)により検出した複数の波長のそれぞれにおける強度の理論値Rm(λ,t)を算出し、各波長において強度値Sig(λ)と理論値Rm(λ,t)が等しくなるように、式(1)のパラメータである被測定層の厚さT(t)と、係数α1、α2及びα3を決定する。これにより、被測定層の厚さT(t)をリアルタイムで決定することができる。理論値Rm(λ,t)と検出された強度値Sig(λ)の合致度の判定においては、例えば、T(t)の値ごとに次式(2)に示す残差平方和σを計算し、その値σが最小になるパラメータの組み合わせを最も合致度が高いと判定する方法を用いることができる。強度値Sig(λ)と理論値Rm(λ,t)を合致させる波長の数は、理論式に含まれるパラメータの数(式(1)を用いる場合は、T(t)、係数α1、α2及びα3の4個)以上であればよい。

Figure 2016080668
When the interference light is wavelength-separated and the light after wavelength separation is detected by an array detector including a plurality of detection elements, the same intensity value Sig (λ) as the number of detection elements is obtained each time detection is performed. Then, the theoretical value Rm (λ, t) of the intensity at each of the plurality of wavelengths detected by the equation (1) is calculated, and the intensity value Sig (λ) and the theoretical value Rm (λ, t) are equal at each wavelength. As described above, the thickness T (t) of the layer to be measured and the coefficients α 1 , α 2, and α 3 are determined as parameters of the equation (1). Thereby, the thickness T (t) of the layer to be measured can be determined in real time. In determining the degree of coincidence between the theoretical value Rm (λ, t) and the detected intensity value Sig (λ), for example, the residual sum of squares σ shown in the following equation (2) is calculated for each value of T (t). Then, it is possible to use a method for determining that a combination of parameters having the smallest value σ has the highest degree of matching. The number of wavelengths that match the intensity value Sig (λ) and the theoretical value Rm (λ, t) is the number of parameters included in the theoretical formula (T (t), coefficient α 1 , 4 or more of α 2 and α 3 suffice.
Figure 2016080668

厚さ決定部は、波長毎の強度の検出値と理論値とを比較し、理論式に含まれる厚さT(t)の値を変化させて、検出値と理論値が合致するように厚さT(t)の値を決定するが、厚さT(t)の値を決定するまでの間に要する時間が長くなると、測定のリアルタイム性が失われてしまう。そこで、厚さ決定部が被測定層の厚さを決定する際の絞込み条件を予め設定しておき、その条件の範囲内で被測定層の厚さT(t)を決定することが好ましい。このように絞込み条件を設定しておくことにより、厚さ決定部による被測定層の厚さの決定を高速化し、測定のリアルタイム性を確保することができる。なお、この場合には、初回の厚さ決定精度が必ずしも高くない場合があるため、2回目以降の厚さ決定時には前回の決定値を初期値としてその値を更新することにより、回数を重ねる毎に決定の精度が高くなるように構成する。   The thickness determination unit compares the detected value of the intensity for each wavelength with the theoretical value, changes the value of the thickness T (t) included in the theoretical formula, and sets the thickness so that the detected value matches the theoretical value. Although the value of the thickness T (t) is determined, if the time required until the value of the thickness T (t) is determined becomes long, the real-time property of the measurement is lost. Therefore, it is preferable that a narrowing condition when the thickness determining unit determines the thickness of the layer to be measured is set in advance, and the thickness T (t) of the layer to be measured is determined within the range of the condition. By setting the narrowing conditions in this manner, the thickness determination unit can speed up determination of the thickness of the layer to be measured, and real-time measurement can be ensured. In this case, the initial thickness determination accuracy may not always be high, so when the thickness is determined for the second and subsequent times, the previous determination value is used as an initial value, and the value is updated. It is configured so that the accuracy of determination is high.

即ち、
前記記憶部に、前記被測定層の厚さの初期値と、前記厚さ決定部により前記被測定層の厚さを決定する際の絞込条件とを保存しておき、
前記厚さ決定部が、初回の厚さ決定時には前記初期値及び前記絞込条件に基づいて前記被測定層の厚さを決定し、2回目以降の厚さ決定時には前回の決定値及び前記絞込条件に基づく推定を行う
ことが望ましい。
That is,
In the storage unit, an initial value of the thickness of the layer to be measured and a narrowing condition when determining the thickness of the layer to be measured by the thickness determination unit are stored,
The thickness determining unit determines the thickness of the measured layer based on the initial value and the narrowing condition when determining the initial thickness, and determines the previous determined value and the narrowing when determining the thickness after the second time. It is desirable to make an estimation based on the inclusion conditions.

上記第1発明の別の態様は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング方法であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法において、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第1反射光との干渉光である第1干渉光の強度に対応する第1項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第2反射光との干渉光である第2干渉光の強度に対応する第2項とを含む理論式により干渉光の強度の理論値を計算し、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記強度の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する、
ことを特徴とする。
Another aspect of the first invention is a surface treatment status monitoring method for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, and has a predetermined wavelength with respect to the sample. A light source that emits measurement light having a width; an interference optical system that interferes with light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured; a spectroscopic unit that wavelength-disperses interference light from the interference optical system; In the surface treatment status monitoring method using the apparatus comprising: a detection unit that detects, for each wavelength, the light wavelength-dispersed by the unit,
a) Upper surface reflected light that is light reflected from the upper surface of the measured layer, and first reflected light that is light emitted from the upper surface of the measured layer after entering the measured layer and reflected by the lower surface thereof The first term corresponding to the intensity of the first interference light that is interference light with the light, the upper surface reflected light, and the light entering the measured layer and reflected on the lower surface thereof, and then reflected on the upper surface of the measured layer Further, the theoretical value of the intensity of the interference light is calculated by a theoretical formula including a second term corresponding to the intensity of the second interference light that is the interference light with the second reflected light that is emitted after being reflected from the lower surface. And
b) determining the thickness of the layer to be measured so that a plurality of intensity values detected for each wavelength by the detection unit and the theoretical value of the intensity respectively match.
It is characterized by that.

また、課題を解決するために成された第2発明は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換し、その周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記周波数成分抽出部により抽出された周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する周波数成分決定部と、
を備えることを特徴とする。
The second invention made to solve the problem is a surface treatment status monitoring device for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases by surface treatment on a sample having a layer structure, the sample being A light source that emits measurement light having a predetermined wavelength width, an interference optical system that interferes with light reflected from the upper surface and the lower surface of the measured layer, and wavelength dispersion of the interference light by the interference optical system In a surface treatment status monitoring apparatus comprising: a spectroscopic unit; and a detection unit that detects light wavelength-dispersed by the spectroscopic unit for each wavelength.
a) a spectrum acquisition unit that acquires an interference light spectrum based on the intensity of each wavelength detected by the detection unit at a plurality of time points;
b) a frequency component extraction unit for converting the interference light spectrum from a wavelength axis to a wave number axis and extracting the frequency component;
c) The change condition of the thickness of the measured layer set in advance is compared with the change of the frequency component extracted by the frequency component extraction unit, and the frequency component that matches the change condition is compared with the thickness of the measured layer. A frequency component determination unit to determine as
It is characterized by providing.

この第2の発明では、干渉光の強度Rm(λ,t)の大きさが、被測定層の厚さT(t)を変数として周期的に変化する、例えばcos関数によって表されることを利用する。即ち、干渉光を波長分離して検出することにより得られる干渉光スペクトルをフーリエ変換して、当該干渉光に関係する反射光の光路差を求め、該光路差から被測定層の厚さT(t)をリアルタイムで測定する。   In the second aspect of the invention, the intensity Rm (λ, t) of the interference light changes periodically with the thickness T (t) of the measured layer as a variable, for example, expressed by a cos function. Use. That is, the interference light spectrum obtained by wavelength-separating and detecting the interference light is Fourier-transformed to obtain the optical path difference of the reflected light related to the interference light, and the thickness T ( t) is measured in real time.

実際に得られる干渉光のスペクトルには、層構造を有する試料の各界面における反射光の任意の組み合わせで生じる干渉光の強度が重畳している。そのため、例えば、このスペクトルをフーリエ変換すると、該複数の干渉光にそれぞれ対応する光路長差の値が得られる。表面処理加工中にこれら複数の光路長差の変化を追跡すると、該光路長差を生じさせる反射光の組み合わせを反映して、それぞれ異なる変化を示す。そこで、上記第2発明に係る表面処理状況モニタリング装置では、例えば、被エッチング層の残厚を測定する場合に、上記周波数成分決定部が、エッチング装置に設定されたエッチング速度に対応する速度で変化する周波数成分を抽出するように構成することによって、被測定層の厚さをリアルタイムで測定する。つまり、被エッチング層の残厚を測定する場合には、エッチング装置に設定されたエッチング速度と同程度の速度で周波数成分が変化していること、が上記の前記被測定層の厚さの変化条件となる。なお、周波数成分を抽出する方法としては、フーリエ変換以外に、確率論的手法である最大エントロピー法を用いることもできる。   The intensity of interference light generated by an arbitrary combination of reflected light at each interface of a sample having a layer structure is superimposed on the spectrum of interference light actually obtained. Therefore, for example, when this spectrum is subjected to Fourier transform, values of optical path length differences respectively corresponding to the plurality of interference lights are obtained. When the change in the plurality of optical path length differences is traced during the surface treatment, the change is reflected by reflecting the combination of reflected light that causes the optical path length difference. Therefore, in the surface treatment status monitoring apparatus according to the second aspect of the invention, for example, when measuring the remaining thickness of the layer to be etched, the frequency component determination unit changes at a speed corresponding to the etching speed set in the etching apparatus. By measuring the frequency component to be extracted, the thickness of the measured layer is measured in real time. That is, when measuring the remaining thickness of the layer to be etched, the change in the thickness of the layer to be measured described above is that the frequency component changes at a rate similar to the etching rate set in the etching apparatus. It becomes a condition. As a method for extracting frequency components, a maximum entropy method which is a stochastic method can be used in addition to the Fourier transform.

被測定層がエッチング加工中に厚さが変化する被エッチング層である場合、エッチング開始直後は、エッチングにより形成される孔等の底面からの反射光の光路長と、被エッチング層の非エッチング部の上面からの反射光の光路長がほぼ同じであるため、それらに関係する干渉光の周波数成分を分離することが難しい。また、エッチング加工終了直前は、エッチングにより形成される孔等の底面からの反射光の光路長と、被エッチング層の下面からの反射光の光路長がほぼ同じになるため、同様に干渉光の周波数成分を分離することが難しい。   When the measured layer is an etched layer whose thickness changes during the etching process, immediately after the start of etching, the optical path length of the reflected light from the bottom surface of the hole or the like formed by etching and the non-etched part of the etched layer Since the optical path lengths of the reflected light from the upper surface of the light are substantially the same, it is difficult to separate the frequency components of the interference light related to them. Also, just before the etching process is completed, the optical path length of the reflected light from the bottom surface of the hole or the like formed by etching is almost the same as the optical path length of the reflected light from the lower surface of the etched layer. It is difficult to separate frequency components.

そこで、第2発明に係る表面処理状況モニタリング装置において、
前記表面処理加工がエッチング加工、被測定層が被エッチング層であり、
d) 前記周波数成分抽出部により得られた複数の周波数成分の分離度を判定する分離度判定部と、
e) 前記複数の時点で、前記被エッチング層に形成された孔の深さを測定するエッチング深さ測定部と、
f) 前記分離度判定部により周波数成分が分離していると判定された複数の時点において前記周波数成分決定部により決定された周波数成分の値と前記孔の深さの値に基づいて、前記被測定層の厚さを決定する厚さ決定部と、
を備えることが望ましい。
Therefore, in the surface treatment status monitoring apparatus according to the second invention,
The surface treatment is an etching process, the measured layer is an etched layer,
d) a degree-of-separation determination unit that determines the degree of separation of a plurality of frequency components obtained by the frequency component extraction unit;
e) an etching depth measuring unit that measures the depth of the hole formed in the etched layer at the plurality of points;
f) Based on the value of the frequency component determined by the frequency component determination unit and the value of the depth of the hole at a plurality of time points when it is determined that the frequency component is separated by the separation degree determination unit. A thickness determining unit for determining the thickness of the measurement layer;
It is desirable to provide.

分離度判定部及び厚さ決定部を備えた態様では、目的とする周波数成分が他の周波数成分から分離した状態で得た複数の時点での、周波数成分の値とエッチング孔の深さの値に基づき、被測定層の厚さを決定する。これにより、例えばエッチング加工終了直前のように干渉光の周波数成分を分離することが難しい場合でも、被エッチング層の残厚を正確に決定することができる。また、被エッチング層のエッチングが完了するタイミングを予測することもできる。   In the aspect including the separation degree determination unit and the thickness determination unit, the value of the frequency component and the value of the depth of the etching hole at a plurality of time points obtained in a state where the target frequency component is separated from other frequency components. Based on the above, the thickness of the layer to be measured is determined. Thereby, even when it is difficult to separate the frequency component of the interference light, for example, just before the end of the etching process, the remaining thickness of the etching target layer can be accurately determined. In addition, the completion timing of etching of the etching target layer can be predicted.

上記第2発明の別の態様は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法であって、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得し、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換し、その周波数成分を抽出し、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記抽出した周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する、
ことを特徴とする。
Another aspect of the second invention is a surface treatment status monitoring device for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, and has a predetermined wavelength with respect to the sample. A light source that emits measurement light having a width; an interference optical system that interferes with light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured; a spectroscopic unit that wavelength-disperses interference light from the interference optical system; A detection unit that detects, for each wavelength, the light wavelength-dispersed by the unit, and a surface treatment status monitoring method using an apparatus comprising:
a) At a plurality of times, an interference light spectrum is obtained based on the intensity for each wavelength detected by the detection unit,
b) converting the interference light spectrum from the wavelength axis to the wave number axis, and extracting the frequency component;
c) The change condition of the thickness of the measured layer set in advance is compared with the change of the extracted frequency component, and the frequency component that matches the change condition is determined as the thickness of the measured layer.
It is characterized by that.

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及び方法はいずれも、干渉光の波長毎の強度を被測定層の厚さの関数として表す理論式と、干渉光の波長毎の強度の検出値に基づいて、測定対象構造の寸法の時間変化をリアルタイムで測定する、という技術的思想に基づく。
第1発明に係る表面処理状況モニタリング装置又は方法を用いると、干渉光の波長毎の強度の理論値と検出値とを比較してそれらを合致させるように被測定層の厚さを決定することによって、被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができる。
第2発明に係る表面処理状況モニタリング装置又は方法を用いると、干渉光の強度の検出値から作成される干渉光スペクトルをフーリエ変換して該干渉光に関係する光の光路長差を求め、それらの中から被測定層の変化条件に合致するものを抽出することによって、被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができる。
Each of the surface treatment status monitoring apparatus and method according to the first and second aspects of the present invention includes a theoretical formula that expresses the intensity for each wavelength of the interference light as a function of the thickness of the layer to be measured, and the intensity for each wavelength of the interference light. Based on the technical idea of measuring in real time the change in dimension of the structure to be measured based on the detected value.
Using the surface treatment status monitoring apparatus or method according to the first invention, comparing the theoretical value of the intensity for each wavelength of the interference light and the detected value, and determining the thickness of the measured layer so as to match them Thus, the thickness of the layer to be measured can be measured in real time.
When using the surface treatment status monitoring apparatus or method according to the second invention, the interference light spectrum created from the detected value of the intensity of the interference light is Fourier-transformed to obtain the optical path length difference of the light related to the interference light. By extracting the one that matches the change condition of the layer to be measured, the thickness of the layer to be measured can be measured in real time.

実施例1に係る表面処理状況モニタリング装置の要部構成図。1 is a main part configuration diagram of a surface treatment status monitoring apparatus according to Embodiment 1. FIG. 試料50からの反射光を説明する図。The figure explaining the reflected light from the sample 50. FIG. 実施例1に係る表面処理状況モニタリング方法を説明するフローチャート。5 is a flowchart for explaining a surface treatment status monitoring method according to the first embodiment. 実施例2に係る表面処理状況モニタリング装置の要部構成図。FIG. 6 is a configuration diagram of a main part of a surface treatment status monitoring apparatus according to a second embodiment. 試料150からの反射光を説明する図。FIG. 6 illustrates reflected light from a sample. 実施例2に係る表面処理状況モニタリング方法を説明するフローチャート。9 is a flowchart for explaining a surface treatment status monitoring method according to a second embodiment. 実施例2における干渉光スペクトルの例。7 shows an example of an interference light spectrum in the second embodiment. 干渉光スペクトルから周波数成分を抽出した例。The example which extracted the frequency component from the interference light spectrum. 周波数成分とエッチング深さの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between a frequency component and etching depth. エッチング開始直後の周波数成分の分離状態を説明する図。The figure explaining the isolation | separation state of the frequency component immediately after an etching start. エッチング終了直前の周波数成分の分離状態を説明する図。The figure explaining the isolation | separation state of the frequency component just before completion | finish of an etching.

本発明に係る表面処理状況モニタリング装置及び方法の実施例について、以下、図面を参照して説明する。   Embodiments of a surface treatment status monitoring apparatus and method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は実施例1の表面処理状況モニタリング装置の概略構成図である。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おいて加工処理されることにより時々刻々と変化する、試料50のレジスト厚みや基板厚みなどをモニタリングする装置である。本実施例の表面処理状況モニタリング装置は、光源10と、測定光学系20と、分光部30と、データ処理部40とを備える。光源10と測定光学系20、また測定光学系20と分光部30とは光ファイバを介して接続されている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a surface treatment status monitoring apparatus according to a first embodiment. This surface treatment status monitoring device is a device for monitoring the resist thickness of the sample 50, the substrate thickness, and the like that change from moment to moment by processing in, for example, a plasma etching device or a substrate polishing device. The surface treatment status monitoring apparatus of this embodiment includes a light source 10, a measurement optical system 20, a spectroscopic unit 30, and a data processing unit 40. The light source 10 and the measurement optical system 20, and the measurement optical system 20 and the spectroscopic unit 30 are connected via an optical fiber.

本実施例の光源10は、中心波長が830nm、半値全幅が15nmのSLD光源である。光源10から発せられた測定光は、測定光学系20の入射側光ファイバ21に導入され、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先端から出射する。光ファイバ23端部から出射した測定光はコリメートレンズ24を介して試料50上に照射される。   The light source 10 of this embodiment is an SLD light source having a center wavelength of 830 nm and a full width at half maximum of 15 nm. Measurement light emitted from the light source 10 is introduced into the incident side optical fiber 21 of the measurement optical system 20, travels through the optical fiber 23 via the fiber coupler 22, and exits from the tip of the optical fiber 23. The measurement light emitted from the end of the optical fiber 23 is irradiated onto the sample 50 through the collimator lens 24.

本実施例の試料50は、基板51の表面にレジスト膜52が塗布されたものであり(図2参照)、レジスト膜52の厚さはエッチングの進行に伴って時々刻々と減少する。試料50はこれに限らず、基板等の表面に形成される膜の厚さが時々刻々と変化するものであればよい。例えば基板51の表面に膜を堆積させるもの、つまり膜厚が時々刻々と増加するものでもよい。   The sample 50 of this example is obtained by applying a resist film 52 to the surface of a substrate 51 (see FIG. 2), and the thickness of the resist film 52 decreases with time as etching progresses. The sample 50 is not limited to this, as long as the thickness of the film formed on the surface of the substrate or the like changes every moment. For example, a film may be deposited on the surface of the substrate 51, that is, a film thickness may increase every moment.

レジスト膜52の表面からの反射光62と、レジスト膜52を通過して基板51の表面で反射した反射光61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30に達する。光ファイバ23中を通って分光部30に達するまでに、反射光61、62は干渉して干渉光となる。なお、反射光61には、レジスト膜52に進入し、基板51との界面で反射したあとレジスト膜52の上面から出射した光61aと、レジスト膜52に進入し、レジスト膜52内部で厚さ方向に二往復したあとレジスト膜52の上面から出射した光61bとが含まれる(図2参照)。   The reflected light 62 from the surface of the resist film 52 and the reflected light 61 that has passed through the resist film 52 and reflected by the surface of the substrate 51 follow the collimator lens 24 in the opposite direction to the time of light irradiation and enter the optical fiber 23. . Then, the light reaches the spectroscopic unit 30 via the fiber coupler 22. By passing through the optical fiber 23 and reaching the spectroscopic unit 30, the reflected light 61 and 62 interfere to become interference light. The reflected light 61 enters the resist film 52, is reflected at the interface with the substrate 51, and then enters the resist film 52 with the light 61 a emitted from the upper surface of the resist film 52, and has a thickness inside the resist film 52. And light 61b emitted from the upper surface of the resist film 52 after two reciprocations in the direction (see FIG. 2).

分光部30において、干渉光は回折格子31により波長分散され、CCDラインセンサ32により複数波長の光が同時に検出される。CCDラインセンサ32により検出された各波長に対応する信号は、ノイズフィルタ(図示なし)によりノイズ除去されてデータ処理部40に入力される。本実施例においてノイズフィルタを用いているのは、検出信号に含まれるノイズの大きさを後述する残差平方和の計算における残差よりも小さい値に抑えるためである。   In the spectroscopic unit 30, the interference light is wavelength-dispersed by the diffraction grating 31, and light having a plurality of wavelengths is simultaneously detected by the CCD line sensor 32. The signal corresponding to each wavelength detected by the CCD line sensor 32 is subjected to noise removal by a noise filter (not shown) and input to the data processing unit 40. The reason why the noise filter is used in this embodiment is to suppress the magnitude of noise included in the detection signal to a value smaller than the residual in the calculation of the residual sum of squares described later.

データ処理部40は、記憶部41のほかに、機能ブロックとしてスペクトル取得部42、及び厚さ決定部43を備えている。データ処理部40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ェアを実行することにより、データ処理部40としての機能を発揮させるようにすることができる。また、コンピュータには、入力部48、表示部49が接続されている。   In addition to the storage unit 41, the data processing unit 40 includes a spectrum acquisition unit 42 and a thickness determination unit 43 as functional blocks. The entity of the data processing unit 40 is a personal computer, and the function of the data processing unit 40 can be exhibited by executing data processing software installed in the computer in advance. An input unit 48 and a display unit 49 are connected to the computer.

以下、本実施例の表面処理状況モニタリング装置の動作について、図1及び図3を参照して説明する。図3は本実施例の表面処理状況モニタリング装置の動作のフローチャートである。   Hereinafter, the operation of the surface treatment status monitoring apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 3 is a flowchart of the operation of the surface treatment status monitoring apparatus of this embodiment.

記憶部41には、予め取得された、レジスト膜52が塗布されていない基板表面からの反射光のスペクトルデータRr(λ)が読み込まれて保存される(ステップS1)。この反射光のスペクトルデータRr(λ)は、反射光の実測データから予めCCDラインセンサ32の暗信号を差し引いたものである。また、記憶部41には、上述した理論式(1)と、該式(1)を用いて干渉光強度を計算する際の各パラメータ(レジスト膜の厚さT(t)と、係数α1、α2、及びα3)の初期値、及び絞込条件が保存される(ステップS2)。絞込条件の詳細については後述する。なお、エッチング加工開始時に形成されているレジスト膜の厚さを正確に把握することは困難であるため、レジスト膜の厚さT(t)の初期厚さT0は、エッチング加工開始時点での推測値が設定される。

Figure 2016080668
さらに、記憶部41には、膜厚モニタリングの継続または終了を決定するための終了条件が設定されている。本実施例の終了条件は、エッチング時間終了あるいはエッチング膜厚が所定値を下回ること、のいずれかであり、後者の場合には、図示しないエッチング装置に対してエッチング加工を終了させるための制御信号を出力するようになっている。 The storage unit 41 reads and stores the spectrum data R r (λ) of the reflected light obtained in advance from the substrate surface not coated with the resist film 52 (step S1). The spectrum data R r (λ) of the reflected light is obtained by subtracting the dark signal of the CCD line sensor 32 from the actually measured data of the reflected light. The storage unit 41 also includes the above-described theoretical formula (1) and parameters for calculating the interference light intensity using the formula (1) (the resist film thickness T (t) and the coefficient α 1. , Α 2 , and α 3 ) and the narrowing-down conditions are stored (step S2). Details of the narrowing conditions will be described later. Since it is difficult to grasp the thickness of the resist film formed during the etching process starts correctly, the initial thickness T 0 of the thickness T (t) of the resist film, in the etching process beginning Estimated value is set.
Figure 2016080668
Furthermore, the storage unit 41 is set with an end condition for determining whether to continue or end the film thickness monitoring. The end condition of this embodiment is either the end of the etching time or the etching film thickness being less than a predetermined value. In the latter case, the control signal for ending the etching process to an etching apparatus (not shown). Is output.

エッチング加工開始後、スペクトル取得部42の制御の下で複数の波長における干渉光の強度Sig(λ)を取得する(ステップS3)と、厚さ決定部43は以下のようにレジスト膜の膜厚T(t)を決定する。   After the etching process is started, when the intensity Sig (λ) of the interference light at a plurality of wavelengths is acquired under the control of the spectrum acquisition unit 42 (step S3), the thickness determination unit 43 determines the film thickness of the resist film as follows. Determine T (t).

初回の膜厚T(t)決定時には、理論式(1)に含まれる全パラメータについて、初期値(T0, α10, α20, α30)から所定値(ΔT, Δα1, Δα2, Δα3)ずつ離れた所定個(2nT+1, 2n1+1, 2n2+1, 2n3+1)の値を準備する。即ち、上述した絞込条件は、この所定値及び所定個であり、各パラメータについて以下の値を準備する。なお、各パラメータについて値を準備する数や上記所定値の大きさは、コンピュータの計算時間等を考慮して適宜に設定する。
レジスト膜の膜厚T(t)=T0±ΔT×nT
係数α110±Δα1×n1
係数α220±Δα2×n2
係数α330±Δα3×n3
When determining the initial film thickness T (t), all parameters included in the theoretical formula (1) are determined from initial values (T 0 , α 10 , α 20 , α 30 ) to predetermined values (ΔT, Δα 1 , Δα 2 , A predetermined number (2n T +1, 2n 1 +1, 2n 2 +1, 2n 3 +1) values separated by Δα 3 ) are prepared. That is, the above-described narrowing conditions are the predetermined value and the predetermined number, and the following values are prepared for each parameter. Note that the number of values to be prepared for each parameter and the magnitude of the predetermined value are appropriately set in consideration of computer calculation time and the like.
Resist film thickness T (t) = T 0 ± ΔT × n T
Coefficient α 1 = α 10 ± Δα 1 × n 1
Coefficient α 2 = α 20 ± Δα 2 × n 2
Coefficient α 3 = α 30 ± Δα 3 × n 3

そして、各パラメータについて準備された値を1つずつ抽出して理論式(1)に代入し、検出波長毎に干渉光強度の理論値Rm(λ, t)を計算する(ステップS4)。そして、準備したパラメータの値の全ての組み合わせとなる(2nT+1)×(2n1+1)×(2n2+1)×(2n3+1)通りのパラメータセットについてそれぞれ理論値Rm(λ, t)の計算を完了すると(ステップS5でYES)、各パラメータセットに対して、各波長における理論値と検出値の差の二乗の和である残差平方和σを計算する。残差平方和は、以下の式(2)により計算される。

Figure 2016080668
そして、残差平方和が最小となるパラメータセットを抽出し、その中に含まれるパラメータT(t)の値をレジスト膜の膜厚に決定する(ステップS6)。 Then, the values prepared for each parameter are extracted one by one and substituted into the theoretical formula (1), and the theoretical value Rm (λ, t) of the interference light intensity is calculated for each detection wavelength (step S4). Then, the theoretical value Rm () for each of the parameter sets of (2n T +1) × (2n 1 +1) × (2n 2 +1) × (2n 3 +1) which are all combinations of the prepared parameter values, respectively. When the calculation of λ, t) is completed (YES in step S5), a residual sum of squares σ, which is the sum of squares of the difference between the theoretical value and the detected value at each wavelength, is calculated for each parameter set. The residual sum of squares is calculated by the following equation (2).
Figure 2016080668
A parameter set that minimizes the residual sum of squares is extracted, and the value of the parameter T (t) included therein is determined as the film thickness of the resist film (step S6).

レジスト膜の膜厚T(t)を決定すると、前述の終了条件を満たすか否かを確認する。そして、終了条件を満たさない場合(ステップS7でNO)には、上述したステップS3〜ステップS6を繰り返す。ただし、2回目以降の理論値計算時には、各パラメータの初期値ではなく、直近に決定したパラメータの値を中心値として所定値ずつ離れた所定個の値を用意し、それらの全通りの組み合わせを用いて理論値を計算する。そして、終了条件を満たした時点(ステップS7でYES)でレジスト膜の膜厚モニタリングを終了する。   When the film thickness T (t) of the resist film is determined, it is confirmed whether or not the above-mentioned end condition is satisfied. And when not satisfy | filling completion | finish conditions (it is NO at step S7), step S3-step S6 mentioned above are repeated. However, when calculating the theoretical values for the second and subsequent times, not the initial values of each parameter, but a predetermined number of values separated from each other by a predetermined value with the most recently determined parameter value as the central value are prepared, and all combinations of these values are prepared. Use to calculate the theoretical value. Then, when the end condition is satisfied (YES in step S7), the resist film thickness monitoring is ended.

このように、実施例1に係る表面処理状況モニタリング装置では、複数の波長における干渉光の強度の検出値Sig(λ)と、該複数の波長における干渉光の強度の理論値Rm(λ)を比較し、それらの残差平方和が最小になるパラメータセットに含まれる膜厚T(t)を、その時点での膜厚として決定する。従って、被測定層の膜厚をリアルタイムで測定することができる。   Thus, in the surface treatment status monitoring apparatus according to the first embodiment, the detected value Sig (λ) of the intensity of interference light at a plurality of wavelengths and the theoretical value Rm (λ) of the intensity of interference light at the plurality of wavelengths are obtained. The film thickness T (t) included in the parameter set that minimizes the residual sum of squares is determined as the film thickness at that time. Therefore, the film thickness of the layer to be measured can be measured in real time.

次に、実施例2に係る表面処理状況モニタリング装置について説明する。
図4は実施例2の表面処理状況モニタリング装置の概略構成図である。実施例2の表面処理状況モニタリング装置のうち、光源10、測定光学系20、及び分光部30は実施例1と同じであるため、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
Next, a surface treatment status monitoring apparatus according to the second embodiment will be described.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the surface treatment status monitoring apparatus according to the second embodiment. Of the surface treatment status monitoring apparatus of the second embodiment, the light source 10, the measurement optical system 20, and the spectroscopic unit 30 are the same as those of the first embodiment.

実施例2の表面処理状況モニタリング装置は、被エッチング層152とその下層151を有する基板上にレジスト膜153が形成された試料150(図5参照)の、被エッチング層152の残厚をモニタリングする装置である。   The surface treatment status monitoring apparatus according to the second embodiment monitors the remaining thickness of the etching target layer 152 of the sample 150 (see FIG. 5) in which the resist film 153 is formed on the substrate having the etching target layer 152 and the lower layer 151. Device.

データ処理部140は、記憶部141のほかに、機能ブロックとしてスペクトル取得部142、周波数成分抽出部143、周波数成分決定部144、分離度判定部145、初期厚さ決定部146、及び残厚決定部147を備えている。実施例1と同様に、データ処理部140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ェアを実行することにより、データ処理部140としての機能を発揮させるようにすることができる。また、コンピュータには、入力部148、表示部149が接続されている。   In addition to the storage unit 141, the data processing unit 140 includes a spectrum acquisition unit 142, a frequency component extraction unit 143, a frequency component determination unit 144, a separation degree determination unit 145, an initial thickness determination unit 146, and a remaining thickness determination as functional blocks. Part 147 is provided. As in the first embodiment, the data processing unit 140 is a personal computer, and functions as the data processing unit 140 are exhibited by executing data processing software installed in the computer in advance. Can do. An input unit 148 and a display unit 149 are connected to the computer.

以下、実施例2の表面処理状況モニタリング装置の動作について、図4及び図6を参照して説明する。図6は本実施例の表面処理状況モニタリング装置の動作のフローチャートである。   Hereinafter, the operation of the surface treatment status monitoring apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 6. FIG. 6 is a flowchart of the operation of the surface treatment status monitoring apparatus of this embodiment.

エッチング加工開始後、まず、スペクトル取得部142の制御の下で複数の波長における干渉光の強度Sig(λ)を取得し、干渉光スペクトルを得る(ステップS11)。図7(a)にエッチング開始と同時に得られる干渉光スペクトル、及び図7(b)にエッチング開始後300秒の時点で得られた干渉光スペクトルの例を示す。   After starting the etching process, first, interference light intensities Sig (λ) at a plurality of wavelengths are acquired under the control of the spectrum acquisition unit 142 to obtain an interference light spectrum (step S11). FIG. 7A shows an example of an interference light spectrum obtained simultaneously with the start of etching, and FIG. 7B shows an example of an interference light spectrum obtained at 300 seconds after the start of etching.

干渉光スペクトルが得られると、周波数成分抽出部143は、干渉光スペクトルを波数軸に変換し、続いてフーリエ変換して周波数成分を抽出する(ステップS12)。   When the interference light spectrum is obtained, the frequency component extraction unit 143 converts the interference light spectrum to the wavenumber axis, and then performs Fourier transform to extract the frequency component (step S12).

上述した式(1)で示されるように、干渉光の強度は、干渉光を構成する2つの反射光の光路差に応じて周期的に変化する波長−強度特性を有している。従って、得られた干渉光スペクトルを波数軸に変換し、これをフーリエ変換すると干渉光を構成する2つの反射光の光路差に相当する周波数成分を抽出することができる。なお、周波数成分の抽出は、フーリエ変換だけでなく、確率論的手法である最大エントロピー法等によって行うこともできる。   As indicated by the above-described equation (1), the intensity of the interference light has a wavelength-intensity characteristic that periodically changes in accordance with the optical path difference between the two reflected lights constituting the interference light. Therefore, when the obtained interference light spectrum is converted into the wave number axis and Fourier-transformed, a frequency component corresponding to the optical path difference between the two reflected lights constituting the interference light can be extracted. The frequency component can be extracted not only by Fourier transform but also by a maximum entropy method that is a stochastic method.

ここで、試料150から得られる干渉光について、図5を用いて説明する。本実施例の試料150は上述の層構造を有しているため、試料150からは以下の反射光1〜5が得られ、それらのうちの任意の組み合わせによって、それらの光路差に応じた波長−強度特性を有する干渉光が生じる。
反射光1:レジスト膜153表面からの反射光161
反射光2:レジスト膜153と被エッチング層152の界面からの反射光162
反射光3:エッチング部底面からの反射光163
反射光4:非エッチング部における被エッチング層152と下層151の界面からの反射光165
反射光5:エッチング部における被エッチング層152と下層151の界面からの反射光164
Here, the interference light obtained from the sample 150 will be described with reference to FIG. Since the sample 150 of the present example has the above-described layer structure, the following reflected lights 1 to 5 are obtained from the sample 150, and the wavelength corresponding to the optical path difference by any combination thereof. -Interference light having intensity characteristics is generated.
Reflected light 1: reflected light 161 from the surface of the resist film 153
Reflected light 2: Reflected light 162 from the interface between the resist film 153 and the layer to be etched 152
Reflected light 3: Reflected light 163 from the bottom of the etched portion
Reflected light 4: Reflected light 165 from the interface between the etched layer 152 and the lower layer 151 in the non-etched portion.
Reflected light 5: Reflected light 164 from the interface between the etched layer 152 and the lower layer 151 in the etched portion

以降の説明では、上記反射光1〜5の組み合わせで形成される干渉光を以下のように記述する。
干渉光A:反射光1と反射光2の干渉光
干渉光B:反射光1と反射光3の干渉光
干渉光C:反射光1と反射光4の干渉光
干渉光D:反射光2と反射光3の干渉光
干渉光E:反射光2と反射光4の干渉光
干渉光F:反射光3と反射光4の干渉光
干渉光G:反射光3と反射光5の干渉光
In the following description, the interference light formed by the combination of the reflected lights 1 to 5 will be described as follows.
Interference light A: Interference light between reflected light 1 and reflected light 2 Interference light B: Interference light between reflected light 1 and reflected light 3 Interference light C: Interference light between reflected light 1 and reflected light 4 Interference light D: Reflected light 2 Interference light E of reflected light 3 Interference light E: Interference light of reflected light 2 and reflected light 4 Interference light F: Interference light of reflected light 3 and reflected light 4 Interference light G: Interference light of reflected light 3 and reflected light 5

本実施例においてモニタリングする被エッチング層152の残厚Tleftは以下の式(3)で表される。

Figure 2016080668
ここで、Tetchは非エッチング部における被エッチング層152の厚さ(エッチング部における被エッチング層152の初期厚さ)、Detchはエッチング深さである。 The remaining thickness T left of the etching target layer 152 monitored in this embodiment is expressed by the following formula (3).
Figure 2016080668
Here, T etch is the thickness of the layer to be etched 152 in the non-etched part (the initial thickness of the layer to be etched 152 in the etched part), and D etch is the etching depth.

また、Tleftに対応する干渉光Gの強度LGは以下の式(4)で表すことができる。

Figure 2016080668
ここで、Liは波長λiにおける測定光の強度、R35は測定光に対する反射光3及び反射光5の強度の割合の積、Netchは被エッチング層152の屈折率である。 The intensity L G of the interference light G corresponding to T left can be expressed by the following equation (4).
Figure 2016080668
Here, L i is the intensity of the measurement light at the wavelength λ i , R 35 is the product of the ratio of the intensity of the reflected light 3 and the reflected light 5 to the measurement light, and N etch is the refractive index of the etched layer 152.

実際の測定では、干渉光G以外に、複数の反射光の組み合わせにそれぞれ対応する干渉光を含む光が検出され、これをフーリエ変換すると、該複数の反射光の組み合わせにそれぞれ対応する周波数成分が得られる。一例として、図7(a)、(b)の干渉光スペクトルからそれぞれ抽出された干渉光A〜Gの周波数成分を図8(a)、(b)にそれぞれ示す。   In actual measurement, in addition to the interference light G, light including interference light corresponding to a combination of a plurality of reflected lights is detected, and when this is Fourier-transformed, frequency components respectively corresponding to the combinations of the plurality of reflected lights are obtained. can get. As an example, the frequency components of the interference lights A to G extracted from the interference light spectrums of FIGS. 7A and 7B are shown in FIGS. 8A and 8B, respectively.

周波数成分抽出部143による周波数成分の抽出が初回である場合(ステップS13でYES)には、ステップS11に戻って干渉光スペクトルを取得し、上記同様の手順で再度、周波数成分を抽出する。   If frequency component extraction by the frequency component extraction unit 143 is the first time (YES in step S13), the process returns to step S11 to acquire the interference light spectrum, and the frequency component is extracted again in the same procedure as described above.

エッチング開始後、周波数成分抽出部143が複数回、周波数成分を抽出すると(ステップS13でNO)、各周波数成分の変化を抽出することができる。本実施例の場合、干渉光Gの周波数成分Gfreqはエッチング加工の進行に応じた変化を示すため、周波数成分決定部144は、その条件に合致する周波数成分を抽出し、その成分を周波数成分Gfreqに決定する(ステップS14)。つまり、本発明における被測定層の厚さの変化条件は、本実施例ではエッチング装置に設定されたエッチング速度と同程度の速度で周波数成分が変化していること、となる。図8に記載した干渉光A〜Gの周波数成分は周波数成分決定部144により決定した結果に基づく。 When the frequency component extraction unit 143 extracts the frequency component a plurality of times after the start of etching (NO in step S13), the change of each frequency component can be extracted. In the case of the present embodiment, the frequency component G freq of the interference light G indicates a change according to the progress of the etching process, so the frequency component determination unit 144 extracts a frequency component that matches the condition, and the component is the frequency component. G freq is determined (step S14). That is, the condition for changing the thickness of the layer to be measured in the present invention is that the frequency component is changed at a rate similar to the etching rate set in the etching apparatus in this embodiment. The frequency components of the interference lights A to G described in FIG. 8 are based on the result determined by the frequency component determination unit 144.

周波数成分決定部144が周波数成分Gfreqを決定すると、分離度判定部145が、該周波数成分Gfreqの分離度を判定する。分離度の判定は種々の方法により行うことができるが、例えば、抽出された周波数成分Gfreqが、他の周波数成分から所定値以上離れているか否か、により判定する。そして、周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離していると判定されると(ステップS15でYES)、残厚決定部147は、周波数成分Gfreqから被エッチング層152の残厚Tleftを求める(ステップS16)。また、エッチング深さ(エッチング部における孔の深さ)Detchを決定する(ステップS17)。エッチング深さDetchは、例えば他の干渉光の周波数成分から求めることができる。 When the frequency component determination unit 144 determines the frequency component G freq , the separation degree determination unit 145 determines the separation degree of the frequency component G freq . The degree of separation can be determined by various methods. For example, the degree of separation is determined based on whether or not the extracted frequency component G freq is a predetermined value or more away from other frequency components. If it is determined that the frequency component G freq is separated from the other frequency components (YES in step S15), the remaining thickness determining unit 147 determines the remaining thickness T left of the etching target layer 152 from the frequency component G freq. Obtained (step S16). Further, the etching depth (depth of the hole in the etched portion) D etch is determined (step S17). The etching depth D etch can be obtained from frequency components of other interference light, for example.

上記のように、周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離していれば、周波数成分Gfreqから被エッチング層152の残厚を求めることができる。しかし、エッチング終了直前には、干渉光Gの周波数成分Gfreqが、他の干渉光の周波数成分や直流成分と混ざり合うため、干渉光Gの周波数成分Gfreqのみ分離することが難しい。そこで、以下のようにして、干渉光Gの周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離された時間帯において、エッチング部のエッチング深さDetchと干渉光Gの周波数成分Gfreqを関係づける係数KetchとOetchを求めておく。 As described above, if the frequency component G freq is separated from other frequency components, the remaining thickness of the etched layer 152 can be obtained from the frequency component G freq . However, immediately before the end of etching, the frequency component G freq of the interference light G is mixed with the frequency components and DC components of other interference light, so that it is difficult to separate only the frequency component G freq of the interference light G. Therefore, in the time period when the frequency component G freq of the interference light G is separated from the other frequency components, the coefficient relating the etching depth D etch of the etching portion and the frequency component G freq of the interference light G as follows. Ask for K etch and O etch .

また、分離度判定部145は、他の周波数成分から分離した周波数成分Gfreqが複数の時点で取得されているか否かを判定し、複数取得済みである場合(ステップS18でYES)は、次のステップに進む。ステップS15あるいはステップS18においてNOの場合には、ステップS11に戻り、上述した各ステップを再度実行する。 The degree-of-separation determination unit 145 determines whether or not the frequency component G freq separated from other frequency components has been acquired at a plurality of points in time, and if a plurality of frequency components have been acquired (YES in step S18), Go to step. If NO in step S15 or step S18, the process returns to step S11, and the above steps are executed again.

分離度判定部145が分離していると判定した周波数成分Gfreqが複数存在する場合(ステップS16でYES)には、それら複数の周波数成分Gfreqの値に基づき、残厚決定部147が周波数成分Gfreqとエッチング深さDetchとを関連付ける。この点について、以下、説明する。 If there are a plurality of frequency components G freq determined to be separated by the separation degree determination unit 145 (YES in step S16), the remaining thickness determination unit 147 determines the frequency based on the values of the plurality of frequency components G freq. The component G freq is related to the etching depth D etch . This point will be described below.

縦軸を周波数成分Gfreq、横軸をエッチング深さDetchとするグラフに、周波数成分Gfreqとエッチング深さDetchの値の組を2点プロットすると図9(a)に示すグラフが得られ、周波数成分Gfreqとエッチング深さDetchの関係は、一定の傾きKetch(正確には被エッチング層152の屈折率や入射光の波長に依存する値)と切片Oetchを持つ、以下の式(5)で表される。

Figure 2016080668
When the vertical axis represents the frequency component G freq and the horizontal axis represents the etching depth D etch, and two sets of values of the frequency component G freq and the etching depth D etch are plotted, the graph shown in FIG. 9A is obtained. The relationship between the frequency component G freq and the etching depth D etch has a certain slope K etch (exactly depending on the refractive index of the etched layer 152 and the wavelength of the incident light) and the intercept O etch , This is expressed by equation (5).
Figure 2016080668

初期厚さ決定部146は、複数の時点(t1, t2)でGfreq、Detchが取得されると、以下の式(6), (7)から式(5)の傾きKetchと切片Oetchを求める(ステップS19)。

Figure 2016080668
Figure 2016080668
When G freq and D etch are acquired at a plurality of time points (t1, t2), the initial thickness determining unit 146 obtains the slope K etch and the intercept O from the following equations (6), (7) to (5). Etch is obtained (step S19).
Figure 2016080668
Figure 2016080668

式(5)は一次多項式であるため、複数時点において得たGfreq、Detchより最小二乗法による一次多項式近似を用いてKetch、Oetch を求めても良い。 Since Equation (5) is a first order polynomial, K etch and O etch may be obtained by using a first order polynomial approximation by a least square method from G freq and D etch obtained at a plurality of time points.

干渉光Gの周波数成分Gfreqは、被エッチング部152の残厚Tleftと被エッチング部152の屈折率Netchの積に比例する。そこで、周波数成分Gfreqを定数αにより以下の式(8)で表す。

Figure 2016080668
The frequency component G freq of the interference light G is proportional to the product of the remaining thickness T left of the etched portion 152 and the refractive index N etch of the etched portion 152. Therefore, the frequency component G freq is expressed by the following equation (8) with a constant α.
Figure 2016080668

式(5)と式(8)から、以下の式(9), (10)が導出される。

Figure 2016080668
Figure 2016080668
From the equations (5) and (8), the following equations (9) and (10) are derived.
Figure 2016080668
Figure 2016080668

さらに、式(9), (10)から、被エッチング部152の初期厚さTetchを以下の式(11)で求める(ステップS20)。

Figure 2016080668
Further, from the equations (9) and (10), the initial thickness T etch of the etched portion 152 is obtained by the following equation (11) (step S20).
Figure 2016080668

被エッチング部152の残厚Tleftは、その初期厚さTetchからエッチング深さDetchを引いた値であり、式(12)で示される。これにより、干渉光Gの周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離していない場合であっても、正確に被エッチング層152の残厚Tleftを求めることができる。

Figure 2016080668
The remaining thickness T left of the etched portion 152 is a value obtained by subtracting the etching depth D etch from the initial thickness T etch , and is represented by the equation (12). Thereby, even if the frequency component G freq of the interference light G is not separated from other frequency components, the remaining thickness T left of the etching target layer 152 can be accurately obtained.
Figure 2016080668

式(11)から被エッチング層152の初期厚さTetchを決定すると、再びスペクトル取得部142が干渉光スペクトルを取得する(ステップS21)。そして、ステップS17と同様にしてエッチング深さDetchを求める(ステップS22)。そして、式(12)とエッチング深さDetchから被エッチング層152の残厚Tleftを決定する(ステップ23)。なお、ステップS20において取得した干渉光スペクトルデータから得られた干渉光Gの周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離している場合には、(エッチング深さDetch, 周波数成分Gfreqq)を用い、最小二乗法等によりKetchとOetchの値を順次更新する(図9(b))。これにより、Detchの計測のノイズ等を除去して、KetchとOetchの値(つまり、これらの値から得られる被エッチング層152の初期厚さTetchの値)の精度を高めることができる。干渉光スペクトルの取得(ステップS20)から被エッチング層152の残厚Tleftの決定までの各ステップは所定時間毎に行われ、残厚Tleftが所定値になった時点で(ステップS24でYES)、被エッチング層152に対するエッチング加工を終了する。 When the initial thickness T etch of the etching target layer 152 is determined from the equation (11), the spectrum acquisition unit 142 acquires the interference light spectrum again (step S21). Then, the etching depth D etch is obtained in the same manner as in step S17 (step S22). Then, the remaining thickness T left of the etched layer 152 is determined from the equation (12) and the etching depth D etch (step 23). When the frequency component G freq of the interference light G obtained from the interference light spectrum data acquired in step S20 is separated from other frequency components, (etching depth D etch , frequency component G freqq ) is The values of K etch and O etch are sequentially updated by using the least square method or the like (FIG. 9B). As a result, noise of measurement of D etch can be removed, and the accuracy of the values of K etch and O etch (that is, the value of the initial thickness T etch of the etching target layer 152 obtained from these values) can be improved. it can. Each step in the acquisition of the interference light spectrum from (step S20) to determine the residual thickness T left of the layer to be etched 152 is performed at predetermined time intervals, YES when the residual thickness T left becomes a predetermined value (at step S24 ), The etching process for the etching target layer 152 is completed.

KetchとOetchの値(つまり、これらの値から得られる被エッチング層152の初期厚さTetchの値)は、周波数成分Gfreqqが他の周波数成分から分離されている任意のタイミングで求めることができる。しかし、干渉光Gが、エッチングにより被エッチング層152に形成された孔の底面における反射光と、その下層の界面における反射光であり、干渉光Gに寄与する反射光が生じる領域が狭い。従って、干渉光Gの強度が他の干渉光の強度よりも小さい。そこで、エッチング深さDetchが浅い時点でKetchとOetchの値(つまり、これらの値から得られる被エッチング層152の初期厚さTetchの値)の精度を高めておくことがn望ましい。 The values of K etch and O etch (that is, the value of the initial thickness T etch of the etched layer 152 obtained from these values) are obtained at an arbitrary timing when the frequency component G freqq is separated from other frequency components. be able to. However, the interference light G is reflected light at the bottom surface of the hole formed in the etched layer 152 by etching and reflected light at the lower layer interface, and the region where the reflected light contributing to the interference light G is generated is narrow. Therefore, the intensity of the interference light G is smaller than the intensity of the other interference light. Therefore, it is desirable to increase the accuracy of the values of K etch and O etch (that is, the value of the initial thickness T etch of the etched layer 152 obtained from these values) when the etching depth D etch is shallow. .

図10に、エッチング開始直後の各周波数成分の状態の例を示す。図10(a)〜(d)は、それぞれエッチング開始後20秒、200秒、470秒、及び500秒経過時点のものである。図10から分かるように、エッチング開始直後は周波数成分Gfreqを他の周波数成分から分離することができないため、周波数成分Gfreqの値(即ち被エッチング層の厚さ)を正確に求めることが難しい。
また、図11には、エッチング終了直前の各周波数成分の状態の例を示す。図11(a)〜(d)は、それぞれ被エッチング層の残厚が8.3μm、5.0μm、1.7μm、0.17μmとなった時点のものである。図11から分かるように、エッチング終了直前にも、周波数成分Gfreqを他の成分から分離することが難しくなる。
エッチング開始直後や終了直前以外の時点でも、被エッチング層の厚さが別の層の厚さと同程度になる時間帯では、周波数成分Gfreqを分離することができなくなる。
本実施例では、周波数成分Gfreqが他の成分から分離した複数の時点で該成分Gfreqとエッチング深さDetchの値を求め、これに基づいて被エッチング層152の正確な初期厚さTetchを決定する。そのため、周波数成分周波数成分Gfreqが他の成分から分離していない、エッチング終了直前の時間帯においても、被エッチング層152の残厚Tleftをリアルタイムで正確に決定することができる。また、被エッチング層のエッチングが完了するタイミングを正確に予測することができる。
FIG. 10 shows an example of the state of each frequency component immediately after the start of etching. FIGS. 10A to 10D are obtained when 20 seconds, 200 seconds, 470 seconds, and 500 seconds have elapsed from the start of etching, respectively. As can be seen from FIG. 10, since the frequency component G freq cannot be separated from other frequency components immediately after the etching is started, it is difficult to accurately determine the value of the frequency component G freq (that is, the thickness of the layer to be etched). .
FIG. 11 shows an example of the state of each frequency component immediately before the end of etching. FIGS. 11A to 11D are obtained when the remaining thickness of the layer to be etched becomes 8.3 μm, 5.0 μm, 1.7 μm, and 0.17 μm, respectively. As can be seen from FIG. 11, it is difficult to separate the frequency component G freq from other components immediately before the end of etching.
Even at a time other than immediately after the start of etching or immediately before the end, the frequency component G freq cannot be separated in a time zone in which the thickness of the etched layer is approximately the same as the thickness of another layer.
In this embodiment, the values of the component G freq and the etching depth D etch are obtained at a plurality of times when the frequency component G freq is separated from the other components, and based on this, the accurate initial thickness T of the etching target layer 152 is obtained. Determine etch . Therefore, the remaining thickness T left of the layer to be etched 152 can be accurately determined in real time even in a time zone immediately before the end of etching in which the frequency component G freq is not separated from the other components. In addition, it is possible to accurately predict the timing at which the etching of the etching target layer is completed.

上記の実施例1及び2は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。例えば、実施例1及び2の構成を兼ね備えた表面処理状況モニタリング装置を構成し、上述した各ステップを並行して行うようにしてもよい。
また、上記実施例1ではレジスト膜の膜厚を、実施例2では被エッチング層の厚さを、それぞれモニタリングする例を挙げて説明したが、被測定層が別の層である場合にも同様の手順で該層の厚さをモニタリングすることができる。
Examples 1 and 2 described above are merely examples, and can be appropriately changed in accordance with the spirit of the present invention. For example, a surface treatment status monitoring apparatus having the configurations of the first and second embodiments may be configured and the above steps may be performed in parallel.
Further, in the first embodiment, the film thickness of the resist film and the thickness of the etching target layer in Example 2 have been described as examples. However, the same applies to the case where the measurement target layer is another layer. The thickness of the layer can be monitored by the following procedure.

その他、一例として挙げたSLD光源、回折格子、CCDラインセンサ、等の構成は、同等の機能を有するものであれば代替可能であり、当然、これらに限定されない。また、上記実施例では、種々の具体的な数式に基づいて膜層の厚さをモニタリングしたが、上述の通り、本発明の技術思想は、予め取得可能である基板表面からの反射光と、実測により得られる干渉光スペクトルとの関係を示す理論式に基づいて、表面処理加工中に膜層の厚さをリアルタイムで測定する点にある。従って、この技術思想の範囲内であれば上記実施例に示した式以外の理論式等を用いることもできる。   In addition, the configurations of an SLD light source, a diffraction grating, a CCD line sensor, and the like given as an example can be replaced as long as they have equivalent functions, and are not limited to these. Further, in the above embodiment, the thickness of the film layer was monitored based on various specific mathematical formulas, but as described above, the technical idea of the present invention is the reflected light from the substrate surface that can be acquired in advance, The thickness of the film layer is measured in real time during the surface treatment based on the theoretical formula showing the relationship with the interference light spectrum obtained by actual measurement. Accordingly, theoretical formulas other than the formulas shown in the above embodiments can be used within the scope of this technical idea.

10…光源
20…測定光学系
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
30…分光部
31…回折格子
32…CCDラインセンサ
40、140…データ処理部
41、141…記憶部
42、142…スペクトル取得部
43…厚さ決定部
140…データ処理部
141…記憶部
142…スペクトル取得部
143…周波数成分抽出部
144…周波数成分決定部
145…分離度判定部
146…初期厚さ決定部
147…残厚決定部
48、148…入力部
49、149…表示部
50、150…試料
51…基板
52、153…レジスト膜
151…下層
152…被エッチング層
152…被エッチング部
61、61a、61b、62、161〜165…反射光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light source 20 ... Measurement optical system 21 ... Incident side optical fiber 22 ... Fiber coupler 23 ... Optical fiber 24 ... Collimating lens 30 ... Spectrometer 31 ... Diffraction grating 32 ... CCD line sensor 40, 140 ... Data processing part 41, 141 ... Storage unit 42, 142 ... Spectrum acquisition unit 43 ... Thickness determination unit 140 ... Data processing unit 141 ... Storage unit 142 ... Spectrum acquisition unit 143 ... Frequency component extraction unit 144 ... Frequency component determination unit 145 ... Separation degree determination unit 146 ... Initial stage Thickness determining unit 147 ... Remaining thickness determining unit 48, 148 ... Input unit 49, 149 ... Display unit 50, 150 ... Sample 51 ... Substrate 52, 153 ... Resist film 151 ... Lower layer 152 ... Etched layer 152 ... Etched part 61 , 61a, 61b, 62, 161-165 ... reflected light

Claims (9)

層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第1反射光との干渉光である第1干渉光の強度に対応する第1項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第2反射光との干渉光である第2干渉光の強度に対応する第2項とを含む理論式が保存された記憶部と、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記理論式により前記波長毎に算出される干渉光の強度の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する厚さ決定部と、
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。
A surface treatment status monitoring apparatus for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, the light source irradiating measurement light having a predetermined wavelength width to the sample; An interference optical system for interfering light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured, a spectroscopic unit for wavelength-dispersing interference light from the interference optical system, and the wavelength-dispersed light by the spectroscopic unit for each wavelength In the surface treatment status monitoring device comprising:
a) Upper surface reflected light that is light reflected from the upper surface of the measured layer, and first reflected light that is light emitted from the upper surface of the measured layer after entering the measured layer and reflected by the lower surface thereof The first term corresponding to the intensity of the first interference light that is interference light with the light, the upper surface reflected light, and the light entering the measured layer and reflected on the lower surface thereof, and then reflected on the upper surface of the measured layer A storage unit storing a theoretical expression including a second term corresponding to the intensity of the second interference light that is interference light with the second reflected light that is emitted after being reflected by the lower surface;
b) The thickness of the layer to be measured so that the plurality of intensity values detected for each wavelength by the detection unit and the theoretical value of the intensity of interference light calculated for each wavelength by the theoretical formula are matched. A thickness determining unit for determining the thickness;
A surface treatment status monitoring device comprising:
前記干渉光の強度の理論値をRm(λ,t)、λを前記測定光の波長、tを時間、Rr(λ)を前記被測定層の下層の上面からの反射光の強度、α1を前記下層の上面と前記被測定層の上面で反射する光の強度に関係する係数、α2を前記第1干渉光に関係する係数、α3を前記第2干渉光に関係する係数、T(t)を時間tにおける被測定層の厚さとしたときに、前記理論式が、
Figure 2016080668
であることを特徴とする請求項1に記載の表面処理状況モニタリング装置。
The theoretical value of the intensity of the interference light is Rm (λ, t), λ is the wavelength of the measurement light, t is time, Rr (λ) is the intensity of reflected light from the upper surface of the lower layer of the measured layer, α 1 Is a coefficient related to the intensity of light reflected from the upper surface of the lower layer and the upper surface of the measured layer, α 2 is a coefficient related to the first interference light, α 3 is a coefficient related to the second interference light, T When (t) is the thickness of the measured layer at time t, the theoretical formula is
Figure 2016080668
The surface treatment status monitoring apparatus according to claim 1, wherein:
前記記憶部に、前記被測定層の厚さの初期値と、前記厚さ決定部により前記被測定層の厚さを決定する際の絞込条件とが保存され、
前記厚さ決定部が、初回の厚さ決定時には前記初期値及び前記絞込条件に基づいて前記被測定層の厚さを決定し、2回目以降の厚さ決定時には前回の決定値及び前記絞込条件に基づく推定を行う
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の表面処理状況モニタリング装置。
In the storage unit, an initial value of the thickness of the measured layer and a narrowing condition when determining the thickness of the measured layer by the thickness determining unit are stored,
The thickness determining unit determines the thickness of the measured layer based on the initial value and the narrowing condition when determining the initial thickness, and determines the previous determined value and the narrowing when determining the thickness after the second time. The surface treatment status monitoring apparatus according to claim 1, wherein the estimation is performed based on an insertion condition.
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法であって、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第1反射光との干渉光である第1干渉光の強度に対応する第1項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第2反射光との干渉光である第2干渉光の強度に対応する第2項とを含む理論式により干渉光の強度の理論値を計算し、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記強度の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する、
ことを特徴とする表面処理状況モニタリング方法。
A surface treatment status monitoring apparatus for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, the light source irradiating measurement light having a predetermined wavelength width to the sample; An interference optical system for interfering light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured, a spectroscopic unit for wavelength-dispersing interference light from the interference optical system, and the wavelength-dispersed light by the spectroscopic unit for each wavelength A surface treatment status monitoring method using an apparatus comprising:
a) Upper surface reflected light that is light reflected from the upper surface of the measured layer, and first reflected light that is light emitted from the upper surface of the measured layer after entering the measured layer and reflected by the lower surface thereof The first term corresponding to the intensity of the first interference light that is interference light with the light, the upper surface reflected light, and the light entering the measured layer and reflected on the lower surface thereof, and then reflected on the upper surface of the measured layer Further, the theoretical value of the intensity of the interference light is calculated by a theoretical formula including a second term corresponding to the intensity of the second interference light that is the interference light with the second reflected light that is emitted after being reflected from the lower surface. And
b) determining the thickness of the layer to be measured so that a plurality of intensity values detected for each wavelength by the detection unit and the theoretical value of the intensity respectively match.
Surface treatment status monitoring method characterized by the above.
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換し、その周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記周波数成分抽出部により抽出された周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する周波数成分決定部と、
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。
A surface treatment status monitoring apparatus for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, the light source irradiating measurement light having a predetermined wavelength width to the sample; An interference optical system for interfering light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured, a spectroscopic unit for wavelength-dispersing interference light from the interference optical system, and the wavelength-dispersed light by the spectroscopic unit for each wavelength In the surface treatment status monitoring device comprising:
a) a spectrum acquisition unit that acquires an interference light spectrum based on the intensity of each wavelength detected by the detection unit at a plurality of time points;
b) a frequency component extraction unit for converting the interference light spectrum from a wavelength axis to a wave number axis and extracting the frequency component;
c) The change condition of the thickness of the measured layer set in advance is compared with the change of the frequency component extracted by the frequency component extraction unit, and the frequency component that matches the change condition is compared with the thickness of the measured layer. A frequency component determination unit to determine as
A surface treatment status monitoring device comprising:
前記周波数成分抽出部が、フーリエ変換によって前記周波数成分を抽出することを特徴とする請求項5に記載の表面処理状況モニタリング装置。   The surface treatment status monitoring apparatus according to claim 5, wherein the frequency component extraction unit extracts the frequency component by Fourier transform. 前記周波数成分抽出部が、最大エントロピー法によって前記周波数成分を抽出することを特徴とする請求項5に記載の表面処理状況モニタリング装置。   The surface treatment status monitoring apparatus according to claim 5, wherein the frequency component extraction unit extracts the frequency component by a maximum entropy method. 前記表面処理加工がエッチング加工、被測定層が被エッチング層であり、
d) 前記周波数成分抽出部により得られた複数の周波数成分の分離度を判定する分離度判定部と、
e) 前記複数の時点で、前記被エッチング層に形成された孔の深さを測定するエッチング深さ測定部と、
e) 前記分離度判定部により周波数成分が分離していると判定された複数の時点において、前記周波数成分決定部により決定された周波数成分の値と前記孔の深さの値に基づいて、前記被測定層の初期厚さを決定する初期厚さ決定部と、
を備えることを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の表面処理状況モニタリング装置。
The surface treatment is an etching process, the measured layer is an etched layer,
d) a degree-of-separation determination unit that determines the degree of separation of a plurality of frequency components obtained by the frequency component extraction unit;
e) an etching depth measuring unit that measures the depth of the hole formed in the etched layer at the plurality of points;
e) Based on the value of the frequency component determined by the frequency component determination unit and the value of the depth of the hole at a plurality of time points when it is determined that the frequency component is separated by the separation degree determination unit. An initial thickness determining unit for determining an initial thickness of the layer to be measured;
The surface treatment status monitoring device according to any one of claims 5 to 7, further comprising:
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法であって、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得し、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換して、その周波数成分を抽出し、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記抽出された周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する、
ことを特徴とする表面処理状況モニタリング方法。
A surface treatment status monitoring apparatus for measuring a thickness of a layer to be measured that increases or decreases due to surface treatment on a sample having a layer structure, the light source irradiating measurement light having a predetermined wavelength width to the sample; An interference optical system for interfering light reflected from the upper surface and the lower surface of the layer to be measured, a spectroscopic unit for wavelength-dispersing interference light from the interference optical system, and the wavelength-dispersed light by the spectroscopic unit for each wavelength A surface treatment status monitoring method using an apparatus comprising:
a) At a plurality of times, an interference light spectrum is obtained based on the intensity for each wavelength detected by the detection unit,
b) converting the interference light spectrum from the wavelength axis to the wavenumber axis, and extracting the frequency component;
c) The change condition of the thickness of the measured layer set in advance is compared with the change of the extracted frequency component, and the frequency component that matches the change condition is determined as the thickness of the measured layer.
Surface treatment status monitoring method characterized by the above.
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