JP2023056573A - 測定方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】試料の状態を検出すること。【解決手段】第１の測定工程は、プリズムに赤外光を照射し、プリズムで全反射した反射光を測定する。第２の測定工程は、プリズムを基板に配置した状態でプリズムに赤外光を照射し、プリズムの基板側の面で全反射した反射光を測定する。算出工程は、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。【選択図】図７

Description

本開示は、測定方法及び基板処理装置に関するものである。
特許文献１は、基板の表面にプリズムを接触させ、プリズムの基板と接する側の面で光を全反射させた、プリズムから基板側に滲み出た光によって、基板の表層または表面の評価を行なう技術を開示する。
特開平７－２９７２４７号公報
本開示は、試料の状態を検出する技術を提供する。
本開示の一態様による測定方法は、第１の測定工程と、第２の測定工程と、算出工程とを有する。第１の測定工程は、プリズムに赤外光を照射し、プリズムで全反射した反射光を測定する。第２の測定工程は、プリズムを基板に配置した状態でプリズムに赤外光を照射し、プリズムの基板側の面で全反射した反射光を測定する。算出工程は、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の吸光度を示す強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の吸光度を示す強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。
本開示によれば、試料の状態を検出できる。
図１は、実施形態に係る成膜装置の一例を示す概略断面図である。 図２は、実施形態に係る成膜装置において基板を載置台から上昇させた状態を示す図である。 図３は、実形態に係るプリズム部分を拡大した拡大図である。 図４は、実施形態に係る成膜装置の他の一例を示す概略構成図である。 図５は、実施形態に係るプラズマによる成膜を説明する図である。 図６は、実施形態に係る膜を成膜した基板の一例を示す図である。 図７は、実施形態に係る吸光度データの一例を説明する図である。 図８は、実施形態に係る吸光度データの他の一例を説明する図である。 図９は、全反射が起こる条件を説明する図である。 図１０は、凹部を含むパターンでの全反射が起こる条件を説明する図である。 図１１は、プリズムのみを参照物質とした場合について、全反射した場合と全反射していない場合の吸光度スペクトルの形状の一例を概略的に示した図である。 図１２は、成膜前試料を参照物質とした場合について、全反射した場合と全反射していない場合の吸光度スペクトルの形状の一例を概略的に示した図である。 図１３は、実施形態に係る測定方法を含む基板処理方法の流れの一例を示すフローチャートである。 図１４は、実施形態に係るスペクトルの一例を示す図である。 図１５は、スペクトルの一部部分を拡大した図である。 図１６は、実施形態に係るエバネッセント波の染み込む深さの変化を説明する図である。 図１７は、実施形態に係る深さ依存性の分析を説明する図である。 図１８は、ラインとスペース（Ｌ／Ｓ）の割合に応じたパターンの屈折率と染み込み深さの一例を示す図である。 図１９は、トレンチの幅、深さを同じとしたパターンの一例を示す図である。 図２０は、トレンチの幅、深さを同じとしたパターンの一例を示す図である。 図２１は、赤外光に対するパターンの設置角度の一例を示す図である。 図２２は、赤外光に対するパターンの設置角度の一例を示す図である。 図２３は、赤外光に対するパターンの設置角度によるスペクトルの変化の一例を示す図である。 図２４は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する一例を説明する図である。 図２５は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する一例を説明する図である。 図２６は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する図である。 図２７は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する図である。 図２８は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する図である。 図２９は、パターンを倒壊させてＡＴＲ法の測定を実施した一例を示す図である。 図３０は、基板の裏面をＡＴＲ法で測定する一例を示す図である。 図３１は、基板の裏面側からパターンの状態を検出する一例を示す図である。 図３２は、赤外光を基板Ｗ内で全反射させてＡＴＲ法の測定を実施する一例を示す図である。 図３３は、実施形態に係る成膜装置の他の一例を示す概略構成図である。 図３４は、実施形態に係る基板処理工程の一例を示す図である。 図３５は、実施形態に係る吸光度スペクトルの一例を示す図である。 図３６は、実施形態に係る基板処理工程の一例を示す図である。 図３７は、実施形態に係る吸光度スペクトルの一例を示す図である。
以下、図面を参照して本願の開示する測定方法及び基板処理装置の実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態により、開示する測定方法及び基板処理装置が限定されるものではない。
基板の表層を分析する手法として、ＡＴＲ（Attenuated Total Reflection）法が知られている。ＡＴＲ法では、基板の表面にプリズムを接触させ、プリズムの基板と接する側の面で全反射させた光を測定して試料の状態を検出する。
しかし、測定される光に、プリズム等によるノイズが含まれる場合、試料の状態を精度良く検出できない。
そこで、試料の状態を検出する技術が期待されている。
［実施形態］
［成膜装置の構成］
次に、実施形態について説明する。最初に、本開示の基板処理装置の一例について説明する。以下では、本開示の基板処理装置を成膜装置１００とし、成膜装置１００により、基板処理として成膜を行う場合を主な例として説明する。図１は、実施形態に係る成膜装置１００の概略構成の一例を示す概略断面図である。本実施形態では、成膜装置１００が本開示の基板処理装置に対応する。成膜装置１００は、１つの実施形態において、基板Ｗに対して成膜を行う装置である。図１に示す成膜装置１００は、気密に構成され、電気的に接地電位とされたチャンバ１を有している。このチャンバ１は、円筒状とされ、例えば表面に陽極酸化被膜を形成されたアルミニウム、ニッケル等から構成されている。チャンバ１内には、載置台２が設けられている。
載置台２は、例えばアルミニウム、ニッケル等の金属により形成されている。載置台２の上面には、半導体ウエハ等の基板Ｗが載置される。載置台２は、載置された基板Ｗを水平に支持する。載置台２の下面は、導電性材料により形成された支持部材４に電気的に接続されている。載置台２は、支持部材４によって支持されている。支持部材４は、チャンバ１の底面で支持されている。支持部材４の下端は、チャンバ１の底面に電気的に接続されており、チャンバ１を介して接地されている。支持部材４の下端は、載置台２とグランド電位との間のインピーダンスを下げるように調整された回路を介してチャンバ１の底面に電気的に接続されていてもよい。
載置台２には、ヒータ５が内蔵されており、載置台２に載置される基板Ｗをヒータ５によって所定の温度に加熱することができる。載置台２は、冷媒を流通させるための流路（図示せず）が内部に形成され、チャンバ１の外部に設けられたチラーユニットによって温度制御された冷媒が流路内に循環供給されてもよい。ヒータ５による加熱と、チラーユニットから供給された冷媒による冷却とにより、載置台２は、基板Ｗを所定の温度に制御してもよい。なお、載置台２は、ヒータ５を搭載せず、チラーユニットから供給される冷媒のみで基板Ｗの温度制御を行ってもよい。
なお、載置台２には、電極が埋め込まれていてもよい。この電極に供給された直流電圧によって発生した静電気力により、載置台２は、上面に載置された基板Ｗを吸着させることができる。
載置台２は、基板Ｗを昇降するためのリフターピン６が設けられている。成膜装置１００では、基板Ｗを搬送する場合や、基板Ｗに対して赤外分光法による測定を行う場合、載置台２からリフターピン６を突出させ、リフターピン６で基板Ｗを裏面から支持して基板Ｗを載置台２から上昇させる。図２は、実施形態に係る成膜装置１００において基板Ｗを載置台２から上昇させた状態を示す図である。成膜装置１００には、基板Ｗが搬送される。例えば、チャンバ１の側壁には、基板Ｗを搬入出するための不図示の搬入出口が設けられている。この搬入出口には、当該搬入出口を開閉するゲートバルブが設けられている。基板Ｗを搬入出する際、ゲートバルブは、開状態とされる。基板Ｗは、搬送室内の搬送機構（図示せず）により搬入出口からチャンバ１内に搬入される。成膜装置１００は、チャンバ１外に設けられた昇降機構（図示せず）を制御してリフターピン６を上昇させて搬送機構から基板Ｗを受け取る。成膜装置１００は、搬送機構の退出後、昇降機構を制御してリフターピン６を下降させて基板Ｗを載置台２に載置する。
載置台２の上方であってチャンバ１の内側面には、略円盤状に形成されたシャワーヘッド１６が設けられている。シャワーヘッド１６は、セラミックス等の絶縁部材４５を介して、載置台２の上部に支持されている。これにより、チャンバ１とシャワーヘッド１６とは、電気的に絶縁されている。シャワーヘッド１６は、例えばニッケル等の導電性の金属により形成されている。
シャワーヘッド１６は、天板部材１６ａと、シャワープレート１６ｂとを有する。天板部材１６ａは、チャンバ１内を上側から塞ぐように設けられている。シャワープレート１６ｂは、天板部材１６ａの下方に、載置台２に対向するように設けられている。天板部材１６ａには、ガス拡散空間１６ｃが形成されている。天板部材１６ａとシャワープレート１６ｂは、ガス拡散空間１６ｃに向けて開口する多数のガス吐出孔１６ｄが分散して形成されている。
天板部材１６ａには、ガス拡散空間１６ｃへ各種のガスを導入するためのガス導入口１６ｅが形成されている。ガス導入口１６ｅには、ガス供給路１５ａが接続されている。ガス供給路１５ａには、ガス供給部１５が接続されている。
ガス供給部１５は、成膜に用いる各種のガスのガス供給源にそれぞれ接続されたガス供給ラインを有している。各ガス供給ラインは、成膜のプロセスに対応して適宜分岐し、開閉バルブなどのバルブや、マスフローコントローラなどの流量制御器など、ガスの流量を制御する制御機器が設けられている。ガス供給部１５は、各ガス供給ラインに設けられた開閉バルブや流量制御器などの制御機器を制御することにより、各種のガスの流量の制御が可能とされている。
ガス供給部１５は、ガス供給路１５ａに成膜に用いる各種のガスを供給する。例えば、ガス供給部１５は、成膜の原料ガスをガス供給路１５ａに供給する。また、ガス供給部１５は、パージガスや原料ガスと反応する反応ガスをガス供給路１５ａに供給する。ガス供給路１５ａに供給されたガスは、ガス拡散空間１６ｃで拡散されて各ガス吐出孔１６ｄから吐出される。
シャワープレート１６ｂの下面と載置台２の上面とによって囲まれた空間は、成膜処理が行われる処理空間をなす。また、シャワープレート１６ｂは、載置台２と対になり、処理空間に容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を形成するための電極板として構成されている。シャワーヘッド１６には、整合器１１を介して高周波電源１０が接続されている。高周波電源１０からシャワーヘッド１６を介して処理空間４０に供給されたガスに高周波電力（ＲＦ電力）が印加されると共にシャワーヘッド１６からガスが供給されることで、処理空間にプラズマが形成される。なお、高周波電源１０は、シャワーヘッド１６に接続される代わりに載置台２に接続され、シャワーヘッド１６が接地されるようにしてもよい。本実施形態では、シャワーヘッド１６、ガス供給部１５、高周波電源１０などの成膜を実施する部分が本開示の基板処理部に対応する。本実施形態では、基板処理部により、基板Ｗに対して、基板処理として、成膜処理を行う。
チャンバ１の底部には、排気口７１が形成されている。排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプや圧力調整バルブを有する。排気装置７３は、真空ポンプや圧力調整バルブを作動させることにより、チャンバ１内を所定の真空度まで減圧、調整できる。
本実形態に係る成膜装置１００は、チャンバ１内の基板Ｗに対して赤外分光法（IR：infrared spectroscopy）の測定を行い、基板Ｗに成膜した膜の状態など試料の状態の検出が可能とされている。本実形態に係る成膜装置１００では、赤外分光法の一手法であるＡＴＲ法により試料の状態を検出する。
チャンバ１は、載置台２を介して相対する側壁に、窓８０ａ、窓８０ｂが設けられている。窓８０ａ、窓８０ｂは、例えば石英などの赤外光に対して透過性を有する部材がはめ込まれ、封止されている。窓８０ａの外側には、赤外光を照射する照射部８１が設けられている。窓８０ｂの外側には、赤外光を検出可能な検出部８２が設けられている。
ＡＴＲ法での測定を行う場合、成膜装置１００は、図２に示したように、載置台２からリフターピン６を突出させ、基板Ｗを載置台２から上昇させる。基板Ｗの表面には、プリズムユニット５０が配置される。プリズムユニット５０は、不図示の搬送機構により搬送されて基板Ｗの表面に配置される。プリズムユニット５０は、成膜装置１００内に格納されていてもよく、成膜装置１００外に格納されていてもよい。
プリズムユニット５０は、プリズム５１と、ミラー５２ａ、５２ｂとを含んで構成されている。
プリズム５１は、赤外光を透過する高屈折な材料により形成されている。例えば、プリズム５１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）により形成されている。プリズム５１は、断面形状が半円形に形成されている。プリズム５１の形状を半円形にすることで、基板Ｗに対して様々な角度から赤外光を入射させることができる。なお、プリズム５１は、入射した赤外光を基板Ｗ側の面で全反射可能であれば、材料、形状はこれに限定されるものではない。
ミラー５２ａは、プリズム５１に対して赤外光の入射側に設けられている。ミラー５２ａは、プリズム５１に入射する光の入射角を調整するため、回転および移動可能とされている。ミラー５２ａは、プリズム５１に入射した光が全反射するように角度と位置が調整されている。
ミラー５２ｂは、プリズム５１に対して赤外光の出射側に設けられている。ミラー５２ｂは、プリズム５１から出射する光を、検出部８２に導くため、回転および移動可能とされている。ミラー５２ｂは、プリズム５１内で全反射した光が検出部８２に入射するように角度と位置が調整されている。
図３は、実形態に係るプリズム５１部分を拡大した拡大図である。プリズムユニット５０を基板Ｗの表面に配置することで、プリズム５１は、基板Ｗの表面に密着する。基板Ｗには、測定のために入射する赤外光の波長（２．５μｍ～１００μｍ）よりも小さい、ナノメートルからマイクロメートルスケールの凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている。例えば、基板Ｗは、複数の凹部９０ａを含むパターン９０としてトレンチ９２が形成されている。トレンチ９２の幅は、赤外光の波長よりも小さいことが好ましい。測定結果の均質性から、トレンチ９２の幅は、より小さい方が好ましい。例えば、トレンチ９２の幅は、１００μｍ以下である必要があり、好ましくは２．５μｍよりも小さい１μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ（１００ｎｍ）以下であることが好ましい。プリズム５１に入射した赤外光は、プリズム５１の基板Ｗと接する側の面で全反射する。赤外光が全反射する際に基板Ｗ側に光が染み込む。この染み込み光は、エバネッセント波と呼ばれる。エバネッセント波が染み込む深さは、試料の屈折率に依存する。例えば、エバネッセント波が染み込む深さは、シリコンウエハの場合、全反射した面から１μｍ程度の範囲である。ＡＴＲ法は、エバネッセント波の染み込み領域において生じる光の吸収を利用して測定を行う。
図２に戻る。窓８０ａ及び照射部８１は、照射部８１から照射された赤外光が窓８０ａを介して、上昇させた基板Ｗの上面に配置されたプリズムユニット５０に入射されるように位置が調整されている。プリズムユニット５０に入射した赤外光は、ミラー５２ａで反射してプリズム５１に入射し、プリズム５１の基板Ｗ側の面で全反射する。全反射した赤外光は、ミラー５２ｂで水平方向に反射する。窓８０ｂ及び検出部８２は、プリズムユニット５０のミラー５２ｂで水平方向に反射した赤外光が窓８０ｂを介して検出部８２に入射するように位置が調整されている。
本実形態に係る成膜装置１００は、赤外分光法により、基板Ｗに成膜した膜の状態など試料の状態を検出する。例えば、成膜装置１００は、ＡＴＲ法による測定により、基板Ｗに成膜した膜や基板Ｗに含まれる物質を検出する。
照射部８１は、赤外光を発する光源や、ミラー、レンズ等の光学素子を内蔵し、干渉させた赤外光を照射可能とされている。例えば、照射部８１は、光源で発生した赤外光が外部へ出射されるまでの光路の中間部分を、ハーフミラー等で２つの光路に分光し、一方の光路長を、他方の光路長に対して変動させて光路差を変えて干渉させて、光路差の異なる様々な干渉波の赤外光を照射する。なお、照射部８１は、光源を複数設け、それぞれの光源の赤外光を光学素子で制御して、光路差の異なる様々な干渉波の赤外光を照射可能としてもよい。
検出部８２は、入射する赤外光の信号強度を検出する。本実施形態では、照射部８１、検出部８２などのＡＴＲ法の測定を実施する部分が本開示の計測部に対応する。
上記のように構成された成膜装置１００は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。制御部６０には、ユーザインターフェース６１と、記憶部６２とが接続されている。
ユーザインターフェース６１は、工程管理者が成膜装置１００を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボード等の操作部や、成膜装置１００の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等の表示部から構成されている。ユーザインターフェース６１は、各種の動作を受け付ける。例えば、ユーザインターフェース６１は、プラズマ処理の開始を指示する所定操作を受け付ける。
記憶部６２には、成膜装置１００で実行される各種処理を制御部６０の制御にて実現するためのプログラム（ソフトウエア）や、処理条件、プロセスパラメータ等のデータが格納されている。なお、プログラムやデータは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用してもよい。或いは、プログラムやデータは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
制御部６０は、例えば、プロセッサ、メモリ等を備えるコンピュータである。制御部６０は、ユーザインターフェース６１からの指示等に基づいてプログラムやデータを記憶部６２から読み出して成膜装置１００の各部を制御することで、後述する基板処理方法の処理を実行する。
制御部６０は、データの入出力を行う不図示のインタフェースを介して、照射部８１及び検出部８２と接続され、各種の情報を入出力する。制御部６０は、照射部８１及び検出部８２を制御する。例えば、照射部８１は、制御部６０からの制御情報に基づいて、光路差の異なる様々な干渉波を照射する。また、制御部６０は、検出部８２により検出された赤外光の信号強度の情報が入力する。
ここで、図１及び図２では、基板Ｗに対してＡＴＲ法の測定を行う場合、載置台２からリフターピン６を突出させ、リフターピン６で基板Ｗを裏面から支持して基板Ｗを載置台２から上昇させる構成とした場合の例を説明した。しかし、成膜装置１００は、載置台２に配置した基板Ｗに対してＡＴＲ法の測定を行う構成してもよい。図４は、実施形態に係る成膜装置１００の他の一例を示す概略構成図である。図４に示した成膜装置１００は、基板Ｗを載置台２に配置した状態で基板Ｗに対してＡＴＲ法の測定を可能とした場合の例を示している。
図４に示す成膜装置１００では、載置台２が支持部材４によって照射部８１及び検出部８２と同程度の高さに支持されている。試料の状態を検出する場合、基板Ｗを載置台２に配置した状態で基板Ｗの表面にプリズムユニット５０が配置される。このように、図４に示す成膜装置１００は、基板Ｗを載置台２に配置した状態で基板ＷにＡＴＲ法での測定が可能とされている。
ところで、半導体デバイスは、微細化が進み、基板Ｗに形成されるパターンもナノスケールの複雑な形状を有する。プラズマを用いた成膜では、微細なパターンに含まれる凹部の側壁・底部の膜質が悪くなりやすい。図５は、実施形態に係るプラズマによる成膜を説明する図である。図５には、基板Ｗが示されている。基板Ｗには、ナノスケールの凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている。例えば、基板Ｗは、複数の凹部９０ａを含むパターン９０としてトレンチ９２が形成されている。プラズマを用いた成膜では、イオンやラジカルが凹部９０ａの側壁や底部に届きづらく、凹部９０ａの側壁・底部の膜質が悪くなりやすい。膜質改善するために、凹部９０ａの側壁・底部の膜の組成を分析する必要がある。図６は、実施形態に係る膜を成膜した基板Ｗの一例を示す図である。図６は、凹部９０ａを有するパターン９０にプラズマＡＬＤにより膜９１を成膜した状態を模式的に示している。例えば、図６では、基板Ｗに形成されたトレンチ９２に膜９１が成膜されている。
成膜した膜を分析する技術としては、例えば、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ－ＩＲ：Fourier transform Infrared spectroscopy）が知られている。ＦＴ－ＩＲ分析は、基板Ｗに赤外光を照射し、基板Ｗを透過又は反射した光を検出することで、基板Ｗの状態を検出する。しかし、半導体デバイスの製造に使用されている基板Ｗは、例えば、低抵抗シリコン基板などが使用されて赤外光を吸収する場合があり、ＦＴ－ＩＲ分析を適用できない場合がある。
一方、ＡＴＲ法は、プリズム５１と基板Ｗの界面で全反射した光を検出するため、赤外光を吸収する基板Ｗが使用された場合でも、基板Ｗの状態を検出できる。しかし、ＡＴＲ法は、測定される光にプリズム等によるノイズが含まれ、試料の状態を精度良く検出できない場合がある。
そこで、本実施形態に係る測定方法では、以下のような処理を実施して、試料の状態を検出する。例えば、プリズム５１に対してＡＴＲ法により第１の測定工程を実施する。また、成膜後の基板Ｗに対してＡＴＲ法により第２の測定工程を実施する。そして、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。例えば、第１の測定工程により測定した反射光の強度の常用対数のスペクトルから第２の測定工程により測定した反射光の強度の常用対数のスペクトルを減算して、波数毎の赤外光の吸光度スペクトルを算出する。
第１の測定工程は、基板Ｗにプリズム５１を配置せずに、プリズム５１のみに赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光の強度の測定を実施するものであってもよい。また、第１の測定工程は、成膜前の基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に対してＡＴＲ法により測定を実施するものであってもよい。
例えば、第１の測定工程では、プリズム５１のみに赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する。第１の測定工程の後、基板Ｗに対して成膜処理を行う。第２の測定工程では、成膜処理された基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する。そして、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから以下の式（１）により吸光度スペクトルを算出する。
Ａ ＝ ｌｏｇ10Ｉ1 － ｌｏｇ10Ｉ2 ・・・ （１）
ここで、Ａは、吸光度である。
log10は、常用対数である。
Ｉ1は、参照光強度である。
Ｉ2は、試料の光強度である。
図７は、実施形態に係る吸光度データの一例を説明する図である。基板Ｗには、複数の凹部９０ａを含むパターン９０としてトレンチ９２が形成されている。図７は、第１の測定工程として、プリズム５１のみを測定し、第２の測定工程として、成膜後の基板Ｗにプリズム５１を密着させて全反射した反射光を測定した場合を模式的に示している。成膜後のパターン９０には、プラズマＡＬＤにより膜９１が成膜されている。例えば、基板Ｗは、トレンチ９２に膜９１が成膜されている。第１の測定工程の測定結果には、プリズム５１、及び光源のスペクトル情報が含まれる。第２の測定工程の測定結果には、プリズム５１、成膜後の基板Ｗ、及び光源のスペクトル情報が含まれる。第１の測定工程の光強度を参照光強度とし、第２の測定工程の光強度を試料の光強度として、波数毎に、上述の式（１）の演算を行って、第２の測定工程のスペクトルに対してプリズム５１のみを参照物質とした吸光度スペクトルを算出することで、プリズム５１や光源の信号をキャンセルすることができ、成膜後の基板Ｗのスペクトルの信号を算出できる。
また、例えば、第１の測定工程では、成膜前の基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する。第１の測定工程の後、基板Ｗに対して成膜処理を行う。第２の測定工程では、成膜処理された基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する。そして、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の反射光強度を参照光とし、第２の測定工程により測定した反射光の吸光度スペクトルを算出する。図８は、実施形態に係る吸光度データの他の一例を説明する図である。基板Ｗには、複数の凹部９０ａを含むパターン９０としてトレンチ９２が形成されている。図８は、第１の測定工程として、成膜前の基板Ｗにプリズム５１を密着させて全反射した反射光を測定し、第２の測定工程として、成膜後の基板Ｗにプリズム５１を密着させて全反射した反射光を測定した場合を模式的に示している。成膜後のパターン９０には、プラズマＡＬＤにより膜９１が成膜されている。例えば、基板Ｗは、トレンチ９２に膜９１が成膜されている。第１の測定工程の測定結果には、プリズム５１、成膜前の基板Ｗ、及び光源のスペクトル情報が含まれる。第２の測定工程の測定結果には、プリズム５１、成膜後の基板Ｗ、及び光源のスペクトル情報が含まれる。第１の測定工程の光強度を参照光強度とし、第２の測定工程の光強度を試料の光強度として、波数毎に、上述の式（１）の演算を行って、吸光度スペクトルを算出することで、プリズム５１、基板Ｗ、及び光源のスペクトル信号をキャンセルすることができ、成膜された膜９１の信号を算出できる。
以下では、第１の測定工程において、成膜前の基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する場合を主な例として説明する。
ここで、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射が起こる条件について説明する。図９は、全反射が起こる条件を説明する図である。図９には、２つの層９３ａと、層９３ｂが接している。層９３ｂは、例えば、プリズム５１とする。層９３ａは、例えば、基板Ｗとする。層９３ａと、層９３ｂの界面で全反射する角度θの条件は、以下の式（２）から求めることができる。
θ ≧ θm ＝ Ａｒｃｓｉｎ（ｎa／ｎb） ・・・ （２）
ここで、
ｎaは、層９３ａの屈折率である。
ｎbは、層９３ｂの屈折率である。
θmは、全反射となる臨界角である。
基板Ｗに凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている場合、全反射が起こる条件は、以下のようになる。図１０は、凹部９０ａを含むパターン９０での全反射が起こる条件を説明する図である。図１０では、層９３ａとして、凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている。パターン９０には、膜９１が成膜されている。
このようなパターン９０部分の屈折率は、以下の式（３）から求めることができる。
ｎtrench＝（ｎfin・Ｖfin＋ｎair・Ｖair＋ｎfilm・Ｖfilm）／（Ｖfin＋Ｖair＋Ｖfilm）・・（３）
ここで、
ｎtrenchは、パターン９０部分の屈折率である。
ｎfinは、凹部９０ａ間の凸部（Ｆｉｎ）の屈折率である。
Ｖfinは、凹部９０ａ間の凸部の体積である。
ｎairは、凹部９０ａ、つまり大気（Ａｉｒ）の屈折率である。
Ｖairは、凹部９０ａ、つまり大気部分の体積である。
ｎfilmは、膜９１の屈折率である。
Ｖfilmは、膜９１の体積である。
凹部９０ａを含むパターン９０が形成された層９３ａと、層９３ｂの界面で全反射する角度θの条件は、上述の式（２）の層９３ａの屈折率ｎaを、パターン９０部分の屈折率ｎtrenchに代えることで、求めることができる。例えば、パターン９０には、赤外光の波長よりも小さいナノメートルからマイクロメートルスケールの凹部９０ａが形成されている。このように測定のために入射する赤外光の波長よりも小さいスケールの凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている場合、パターン９０の形状を考慮して屈折率ｎtrenchを求めることで測定部位の屈折率を求めることができる。求めた屈折率ｎtrenchから界面で全反射する角度を求めることができる。
実施形態に係る成膜装置１００では、プリズムユニット５０を基板Ｗに配置した際に、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射が起こるように、ミラー５２ａ、５２ｂの回転角度と位置が調整されている。
なお、実施形態に係る成膜装置１００は、プリズムユニット５０にミラー５２ａ、５２ｂの回転角度と位置を変更する駆動機構を設けて、動的にミラー５２ａ、５２ｂの回転角度と位置を調整可能としてもよい。例えば、基板Ｗとプリズム５１の界面での反射が全反射である場合と全反射ではない場合では、吸光度スペクトルのスペクトル形状が変化する。図１１は、プリズムのみを参照物質とした場合について、全反射した場合と全反射していない場合の吸光度スペクトルの形状の一例を示した図である。図１２は、成膜前試料を参照物質とした場合について、全反射した場合と全反射していない場合の吸光度スペクトルの形状の一例を示した図である。図１１、１２ともに、入射角４５度では全反射せず、入射角６５度では全反射している。全反射している場合は、ベースラインの歪みが小さく、振動共鳴が起こる波数で光吸収に起因したピークが出現する。一方、全反射していない場合は、ベースラインの歪みが大きく、ベースラインに対して正負のピークが混在し、また信号強度が非常に大きくなっている。成膜装置１００は、吸光度スペクトルの形状から、全反射が起きているかを判定し、全反射となるように動的にミラー５２ａ、５２ｂの回転角度と位置を調整してもよい。例えば、制御部６０は、吸光度スペクトルの形状から、全反射が起きているかを判定する。制御部６０は、全反射が起きていない場合は、入射角が大きくなるようにミラー５２ａ、５２ｂの回転角度と位置を調整して吸光度スペクトルを測定することを繰り返して、全反射条件を探索してもよい。制御部６０は、全反射条件が見つかれば、その入射角で第１の測定工程、第２の測定工程を実施する。第１の測定工程、第２の測定工程の入射角は、同じ角度であることが好ましいが、異なる角度であってもよい。
次に、実施形態に係る成膜装置１００が実施する基板処理方法の流れを説明する。図１３は、実施形態に係る測定方法を含む基板処理方法の流れの一例を示すフローチャートである。本実施形態では、基板処理を成膜処理とし、基板処理方法により、基板に成膜を行う場合を例に説明する。
最初に、成膜前の基板Ｗにプリズムユニット５０を配置し、プリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する（ステップＳ１０）。例えば、凹部９０ａを含むパターン９０が表面に形成された基板Ｗが載置台２に載置される。また、不図示の搬送機構によりプリズムユニット５０が搬送され、基板Ｗ上にプリズムユニット５０が配置される。成膜装置１００では、制御部６０が、照射部８１を制御し、成膜前に、照射部８１からプリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１の基板Ｗ側の面で全反射した反射光を検出部８２で検出する。
次に、ＣＶＤ、ＡＬＤなどを用いて基板に膜を成膜する（ステップＳ１１）。例えば、不図示の搬送機構によりプリズムユニット５０が搬送され、基板Ｗ上からプリズムユニット５０が取り除かれる。制御部６０は、ガス供給部１５、高周波電源１０を制御し、プラズマＡＬＤにより基板Ｗの表面に膜９１を成膜する。
次に、成膜後の基板にプリズムユニット５０を配置し、プリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する（ステップＳ１２）。例えば、不図示の搬送機構によりプリズムユニット５０が搬送され、基板Ｗ上にプリズムユニット５０が配置される。成膜装置１００では、制御部６０が、照射部８１を制御し、成膜前に、照射部８１からプリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１の基板Ｗ側の面で全反射した反射光を検出部８２で検出する。
次に、ステップＳ１０で測定した成膜前の反射光のスペクトルと、ステップＳ１２で測定した成膜後の反射光のスペクトルから吸光度スペクトルを算出する（ステップＳ１３）。例えば、制御部６０は、ステップＳ１０で検出部８２により検出したデータから、成膜前の反射光のスペクトルを求める。また、制御部６０は、ステップＳ１２で検出部８２により検出したデータから、成膜後の反射光のスペクトルを求める。制御部６０は、成膜前の反射光を参照光として、成膜後の試料の吸光度スペクトルを算出する。例えば、制御部６０は、波数毎に、成膜前の反射光強度の常用対数のスペクトルから成膜後の反射光強度の常用対数のスペクトルを減算して、膜９１による波数毎の吸光度スペクトルを算出する。これにより、上述した図８に示したように、吸光度スペクトルとして膜９１のスペクトルの信号を算出できる。
次に、算出された吸光度スペクトルに基づき、基板Ｗに成膜した膜の状態を表示する（ステップＳ１４）。例えば、制御部６０は、吸光度スペクトルに基づき、膜９１に含まれる化学結合を検出し、検出した化学結合をユーザインターフェース６１に表示する。
また、算出された吸光度スペクトルに基づき、成膜のプロセスパラメータを制御する（ステップＳ１５）。例えば、制御部６０は、吸光度スペクトルに基づき、膜９１に含まれる化学結合を検出し、検出した化学結合に応じてプロセスパラメータを制御する。
図１４は、実施形態に係るスペクトルの一例を示す図である。図１４の横軸は、赤外光の波数である。縦軸は、赤外光の吸光度である。図１４には、プリズムのみを参照光として算出した成膜前の吸光度スペクトルを示す線Ｌ１と、プリズムのみを参照光として算出した成膜後の吸光度スペクトルを示す線Ｌ２と、成膜前を参照光として算出した成膜後の吸光度スペクトルを示す線Ｌ３が示されている。Ｌ３は、以下の式（４）の通り、Ｌ２－Ｌ１とすることでも算出できる。
Ｌ２－Ｌ１ ＝ （ｌｏｇ10Ｉprism － ｌｏｇ10Ｉafter depo）
－（ｌｏｇ10Ｉprism － ｌｏｇ10Ｉbefore depo）
＝ ｌｏｇ10Ｉbefore depo － ｌｏｇ10Ｉafter depo ・・・ （４）
ここで、
Ｉprismは、プリズムのみの反射光強度である。
Ｉbefore depoは、成膜前の反射光強度である。
Ｉafter depoは、成膜後の反射光強度である。
図１５は、スペクトルの一部部分を拡大した図である。図１５には、プリズムのみを参照光として算出した成膜前の吸光度スペクトルを示す線Ｌ１と、プリズムのみを参照光として算出した成膜後の吸光度スペクトルを示す線Ｌ２とが示されている。図１５では、線Ｌ１と線Ｌ２は、左側の縦軸の赤外光の吸光度と、横軸の赤外光の波数を用いて示している。また、図１５には、成膜前を参照光として算出した成膜後の吸光度スペクトルを示す線Ｌ３が示されている。図１５では、線Ｌ３は、右側の縦軸の赤外光の吸光度と、横軸の赤外光の波数を用いて示している。
プリズムのみを参照物質とする場合、吸光度スペクトルには、基板Ｗ由来の大きな信号が含まれ、試料の状態を精度良く検出できない。例えば、図１４及び図１５の線Ｌ１、線Ｌ２には、基板Ｗによる大きな信号が含まれ、成膜した膜９１の微弱な信号が埋もれてしまう。また、線Ｌ１、線Ｌ２は、ベースラインが平らにならず、ピーク検出や定量などのスペクトル解析の妨げとなる。
そこで、実施形態に係る測定方法では、成膜前を参照光として成膜後の吸光度スペクトルを算出する。このように算出された吸光度スペクトルでは、基板Ｗの信号が相殺され、成膜した膜９１に含まれる組成の成分に対応した波数の位置で吸光度が変化する。これにより、試料の状態を精度良く検出できる。例えば、図１４及び図１５は、ＮＨ２を含んだ膜９１を成膜した基板Ｗの分析結果である。吸光度スペクトルを示す線Ｌ３は、ＮＨ２に応じた波数の位置で吸光度が変化している。このことから、成膜した膜９１は、ＮＨ２を含むことを精度良く検出できる。また、成膜した膜９１の膜質によって吸光度スペクトルの形状が変化する。例えば、膜に含まれる化学結合が強いほどスペクトルのピーク波数が高くなる。また、膜の構造乱れが小さい程、スペクトル幅は小さくなる。このことから、吸光度スペクトルの形状から成膜した膜９１の膜質を推測できる。
制御部６０は、吸光度スペクトルに基づき、基板Ｗに成膜された膜９１の状態を表示する。例えば、制御部６０は、成膜された膜９１のスペクトルをユーザインターフェース６１に表示する。また、例えば、制御部６０は、成膜された膜９１のスペクトルにおける、物質や化学結合の振動に共鳴する波数の位置での吸光度から、膜９１に含まれる物質や化学結合を特定し、特定した物質や化学結合をユーザインターフェース６１に表示する。なお、制御部６０は、波数ごとの吸光度から、膜９１の膜厚を推定し、推定した膜厚をユーザインターフェース６１に表示してもよい。
また、制御部６０は、吸光度スペクトルに基づき、成膜された膜９１の状態を検出し、検出した膜９１の状態に応じてプロセスパラメータを制御する。例えば、制御部６０は、膜９１が酸化や窒化不足である場合、反応を促進するように成膜のプロセスパラメータを制御する。これにより、成膜装置１００は、以降の成膜においてパターン９０上に成膜される膜９１の膜質を改善できる。
ところで、上述したように、エバネッセント波の染み込む深さは、試料の屈折率に依存する。ＡＴＲ法は、エバネッセント波の染み込み領域において生じる光の吸収を利用して測定を行う。このため、ＡＴＲ法は、試料の屈折率によって検出領域が変化する。例えば、凹部９０ａを含むパターン９０としてトレンチ９２が形成された基板Ｗでは、トレンチ９２の密度によってパターン９０部分の屈折率が変化し、エバネッセント波の染み込み領域が変化する。例えば、トレンチ９２の密度が高くなると、パターン９０は、凹部９０ａ（大気部分）の割合が多くなり上記の式（３）で示した、パターン９０部分の屈折率ｎtrenchが低下する。パターン９０部分の屈折率ｎtrenchが低下すると、エバネッセント波の染み込む深さが深くなる。
図１６は、実施形態に係るエバネッセント波の染み込む深さの変化を説明する図である。図１６には、２つの基板Ｗ１、Ｗ２が示されている。基板Ｗ１、Ｗ２は、同様の形状の凹部９０ａを含むパターン９０としてトレンチ９２が形成されている。また、図１６には、基板Ｗ１、Ｗ２に染み込むエバネッセント波の強度と染み込む深さとの関係が示されている。エバネッセント波は、表面から染み込む深さが深くなるほど指数関数的に減衰する。エバネッセント波の染み込む深さは、表面での強度に対して１／ｅの強度となった深さとしている。基板Ｗ１、Ｗ２は、トレンチ９２の密度が異なっている。基板Ｗ１は、基板Ｗ２よりも、トレンチ９２の密度が高くなっており、パターン９０部分の屈折率ｎtrenchが低下している。これにより、基板Ｗ１は、基板Ｗ２よりも、エバネッセント波の染み込む深さが深くなる。
このように染み込み深さがトレンチ９２の密度に依存することを用いて深さ依存性調査できる。例えば、凹部９０ａの形状（トレンチ９２の幅、深さ）を同じとして、パターン９０のトレンチ９２の粗密を制御することで、深さ依存性を分析することが可能である。実施形態に係る測定方法は、算出工程により算出された基板Ｗごとの吸光度スペクトルから深さ依存性を分析する分析工程をさらに有してもよい。本実施形態に係る測定方法では、以下のような処理を実施して、深さ依存性の分析を行ってもよい。上述した第１の測定工程及び第２の測定工程では、同様の形状の凹部９０ａが異なる密度で形成された複数の基板Ｗをそれぞれ測定する。算出工程では、基板Ｗごとに、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の吸光度を示すスペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の吸光度を示すスペクトルから吸光度スペクトルを算出する。分析工程では、算出工程により算出された基板Ｗごとの吸光度スペクトルから深さ依存性を分析する。
図１７は、実施形態に係る深さ依存性の分析を説明する図である。図１７には、凹部９０ａの形状（トレンチ９２の幅、深さ）を同じとして、密度の異なる３つのパターン９０が示されている。また、図１７には、トレンチ９２が形成されていないフラットなパターン９０が示されている。
上述したように、エバネッセント波の染み込む深さは、試料の屈折率に依存する。エバネッセント波の染み込む深さは、以下の式（５）から求めることができる。
Figure 2023056573000002
ここで、
ｄｐは、エバネッセント波の染み込む深さである。
ｎ1は、プリズム５１の屈折率である。
ｎ2は、試料の屈折率である。
λは、赤外光の波長である。
θは、全反射させた赤外光の入射角である。
試料の屈折率ｎ2は、試料がパターン９０である場合、パターン９０部分の屈折率ｎtrenchであり、上記の式（３）から求まる。
例えば、ラインとスペースの割合が１：１であり、シリコンで形成された未成膜のパターン９０の場合は、Ｖfin＝１、Ｖair＝１、Ｖfilm＝０となり、屈折率ｎtrenchが以下の式（６－１）のように求まる。
ｎtrench＝ｎfin／２＋ｎair／２＝２．２ ・・・（６－１）
また、例えば、ラインとスペースの割合が１：１００であり、シリコンで形成された未成膜のパターン９０の場合は、Ｖfin＝１、Ｖair＝１００、Ｖfilm＝０となり、屈折率ｎtrenchが以下の式（６－２））のように求まる。
ｎtrench＝（ｎfin×１００／１０１）＋ｎair／１０１＝３．４ ・・・（６－２）
このように、パターン９０は、トレンチ９２の粗密によって、屈折率ｎtrenchが変化し、染み込み深さが変わる。また、トレンチ９２の粗密によって信号強度も変わり、染み込み深さが深い程、信号強度も強くなる。また、トレンチ９２の密度が高いほどトレンチ９２が多くなるため、トレンチ９２部分の信号強度が大きくなる。膜９１が存在する場合、トレンチ９２の密度が高い程膜９１部分の信号強度が大きくなる。
通常、シリコンウエハのＡＴＲ法での測定は、赤外光の入射角θが６５度付近とされる。赤外光の波長を１μｍとし、全反射させた赤外光の入射角θを６５度とし、パターン９０がシリコンで形成されているものとする。ラインとスペース（Ｌ／Ｓ）の割合が１：１、１：１０、１：１００としたパターン９０の屈折率と染み込み深さは、図１８のようになる。図１８は、ラインとスペース（Ｌ／Ｓ）の割合に応じたパターン９０の屈折率と染み込み深さの一例を示す図である。
成膜処理では、パターン９０のトレンチ９２の粗密によってトレンチ９２の上面（トップ）、側面（サイド）、底面（ボトム）への成膜量が変化する。測定されるスペクトルの信号強度と成膜量には、比例関係がある。このため、トレンチ９２の粗密によって、吸光度スペクトルの信号に占める上面部分の信号、側面部分の信号、底面部分の信号の割合が変化する。このため、トレンチ９２の密度が異なる基板Ｗを測定して得られた吸光度スペクトルのデータをそのまま比較できない。
そこで、本実施形態に係る測定方法では、以下のような処理を実施することで、トレンチ９２の密度が異なる基板Ｗを測定して得られた吸光度スペクトルのデータを比較する。
図１９及び図２０は、トレンチ９２の幅、深さを同じとしたパターンの一例を示す図である。図１９及び図２０には、トレンチ９２の幅、深さ（凹部９０ａの形状）を同じとした２つのパターン９０（９０－１、９０－２）が示されている。パターン９０－１、９０－２は、トレンチ９２の密度に依らず、トレンチ９２の側面（サイド）と底面（ボトム）の比率が１：Ｙで同じとなる。一方、パターン９０－１、９０－２は、トレンチ９２の密度に応じて、トレンチ９２の側面（サイド）と上面（トップ）の比率が変化する。
そこで、トレンチ９２の側面（サイド）と上面（トップ）の比率が同じになるように解析する。上面部分の信号は、フラットなパターン９０（べた膜）を測定して得られた吸光度スペクトルの信号と同じと仮定する。
パターン９０－２は、トレンチ９２の上面（トップ）と底面（ボトム）の比率が１：Ｘである場合、以下の式（７）の演算を行うことで、上面部分の信号を除去して、側面部分と底面部分の吸光度スペクトルの信号を算出できる。
Trench信号－｛Flat信号×Ｘ／（１＋Ｘ）｝ ・・・（７）
ここで、
Trench信号は、パターン９０－２の基板Ｗを測定して得られた吸光度スペクトルの信号である。
Flat信号は、フラットなパターン９０の基板Ｗを測定して得られた吸光度スペクトルの信号である。
実施形態に係る測定方法は、フラットなパターン９０を測定して得られた吸光度スペクトルを用いて、凹部９０ａを含むパターン９０の上面部分の信号を除去することで、凹部９０ａを含むパターン９０の側面部分と底面部分の吸光度スペクトルの信号を算出できる。また、実施形態に係る測定方法は、算出したパターン９０－２の側面部分と底面部分の吸光度スペクトルの信号を、トレンチ９２の疎密に応じて、膜９１の成膜量で規格化すれば、膜９１の深さ依存性を分析できる。例えば、トレンチ９２の密度が異なるパターン９０にそれぞれ膜９１を成膜し、それぞれ上述した手法でパターン９０の側面部分と底面部分の吸光度スペクトルの信号を算出する。エバネッセント波が染み込む深さは、パターン９０の屈折率に依存する。このため、密度が異なるパターン９０からそれぞれ算出した吸光度スペクトルの信号を比較することで、トレンチ９２の深さに応じた膜９１の状態を検出できる。例えば、トレンチ９２の密度が異なるパターン９０からそれぞれ算出された吸光度スペクトルの差分を求めることで、特定の深さの膜９１の状態を検出できる。ここでは、上面部分の信号強度を除去する例を示したが、密度の異なるパターン試料でデータを比較できるように、上面部分の強度が統一出来ていれば、完全に除去しなくてもよい。例えばＦｌａｔ試料の信号を適切に規格化して差し引くことで、上面：側面：底面＝１：Ｙ：１になるようにして、トレンチの粗密依存性を比較してもよい。
ところで、ラインとスペースで形成されたパターンのように、面内等方性がないパターン９０が形成された基板Ｗは、フラットなパターン９０が形成された基板Ｗと異なり、ＡＴＲで測定されるスペクトルに面内の異方性が発現する場合がある。ラインとスペースで形成されたパターンのように、面内等方性がないパターン９０が形成された基板Ｗは、ＡＴＲ法の測定を行う際、表面垂直方向の軸回りの回転角（基板Ｗの方位角）を変えることで、スペクトル形状が変化しうる。図２１及び図２２は、試料の設置角度の一例を示す図である。図２１は、光の入射面に対して、ラインとスペースを垂直に設置した９０度配置の場合を示している。図２２は、光の入射面に対して、ラインとスペースを平行に設置した０度配置の場合を示している。図２３は、赤外光に対するパターン９０の設置角度によるスペクトルの変化の一例を示す図である。図２３には、トレンチ９２が形成されたパターン９０を赤外光に対して０度、４５度、９０度でそれぞれ設置した場合のＡＴＲで測定されるスペクトルが示されている。図２３に示すように、面内の回転角を変えることで、スペクトルが変化する。
実施形態に係る測定方法は、赤外光に対して試料の設置角度を適切に選択することで、注目するピークの信号強度を相対的に高めたり、余計な信号の強度を相対的に弱めたりすることができる。なお、吸光度スペクトルを算出する場合は、赤外光に対する試料の設置角度を統一する必要がある。例えば、第１の測定工程、及び第２の測定工程は、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの回転角を同じにして、反射光を測定する。これにより、試料の面内異方性起因の信号を相殺できる。このような設置角度によるスペクトルの変化は、ＡＴＲ法以外の各種分光法でも発生する。このため、ＡＴＲ以外の赤外光分析の測定でも、赤外光に対して試料の設置角度度を適切に選択することで、注目する信号の強度を相対的に高めたり、余計な信号を相対的に弱めたりすることができる。また、試料設置角ではなくて、赤外光の偏光を変えることでも、スペクトルの信号強度が変化する。このため、赤外光の偏光を適切に選択することで、注目する信号の強度を相対的に高めたり、余計な信号を相対的に弱めたりすることができる。また、試料の設置角度依存性を調査することで、試料の異方性を評価することができる。また、参照物質測定時と試料測定時で試料設置角度を変えると、異方性に起因した信号が相殺されず、基板Ｗや膜９１の信号にノイズが重畳する。そのため、異方性のある試料を測定する場合は、参照物質測定時と試料測定時とで試料設置角度を同じにすることが望ましい。
実施形態に係る測定方法は、基板Ｗに形成されたパターン９０に面内等方性がない場合、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの回転角を変えることで、吸光度スペクトルのスペクトル形状が変化することを利用して、試料の設置角度依存性を調査してもよい。例えば、第１の測定工程、及び第２の測定工程は、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの回転角を同じにして、反射光を測定する。算出工程は、同じ回転角として第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。そして、測定方法では、算出工程により算出した吸光度スペクトルの表面垂直方向の軸回りの回転角依存性から、試料の面内異方性を評価する評価工程をさらに実施してもよい。
試料の設置角度依存性を調査する一例を説明する。面内異方性を有する試料について、表面垂直方向の軸回りの角度と吸光度スペクトルの関係を予め測定し、測定した角度と吸光度スペクトルの関係を関係データとして記憶部６２に記憶する。例えば、ラインとスペースが同一方向に並んだパターン９０について、回転角と吸光度スペクトルの形状の関係を関係データとして記憶部６２に記憶する。実施形態に係る測定方法は、基板Ｗの同一箇所に対して、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの様々な回転角でパターン９０を測定して吸光度スペクトルを算出する。そして、実施形態に係る測定方法は、記憶部６２に記憶された関係データに基づき、算出された回転角ごとの吸光度スペクトルから面内異方性を評価する。例えば、記憶部６２に記憶された関係データに基づき、算出された回転角ごとの吸光度スペクトルからパターン９０の方向を特定する。これにより、パターン９０の方向を評価できる。
試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する。実施形態に係る測定方法は、基板Ｗの同一箇所に対して、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの様々な回転角でパターン９０を測定して吸光度スペクトルを算出する。そして、実施形態に係る測定方法は、算出された回転角ごとの吸光度スペクトルに基づき、パターン９０の面内等方性を評価する。例えば、第１の測定工程、及び第２の測定工程は、基板Ｗの同一箇所に対して、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの回転角を変えつつ、同じ回転角でそれぞれ反射光を測定する。算出工程は、回転角ごとに、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。評価工程は、算出された回転角ごとの吸光度スペクトルに基づき、パターン９０の面内等方性を評価する。図２４及び図２５は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する一例を説明する図である。図２４及び図２５には、基板Ｗに形成されたパターン９０の上面図が概略的に示されている。基板Ｗには、ホール状のパターン９０が形成されている。図２４に示したパターン９０は、ホール９０ｂが円形とされており、面内等方性を有する。このため、図２４に示したパターン９０では、回転角ごとの吸光度スペクトルが同様の形状となる。図２５に示したパターン９０は、ホール９０ｂが楕円形とされており、面内等方性を有しない。このため、図２５に示したパターン９０では、回転角ごとの吸光度スペクトルが回転角に応じて変化する。評価工程は、算出された回転角ごとの吸光度スペクトルを比較し、回転角ごとの吸光度スペクトルの変化を求めることで、パターン９０の面内等方性（形状が真円か楕円のように歪んでいるか）を評価できる。
試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する。実施形態に係る測定方法は、基板Ｗの複数箇所に対して、それぞれの箇所で基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの様々な回転角でパターン９０を測定して吸光度スペクトルを算出する。そして、実施形態に係る測定方法は、複数箇所でそれぞれ算出された回転角ごとの吸光度スペクトルに基づき、パターン９０の面内等方性を評価する。例えば、第１の測定工程、及び第２の測定工程は、基板Ｗの複数箇所に対して、それぞれの箇所で基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの回転角を変えつつ、同じ回転角でそれぞれ反射光を測定する。算出工程は、複数箇所について、回転角ごとに、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。評価工程は、複数箇所でそれぞれ算出された回転角ごとの吸光度スペクトルに基づき、パターン９０の面内等方性を評価する。図２６及び図２７は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する図である。図２６及び図２７には、基板Ｗに形成されたパターン９０の上面図が概略的に示されている。基板Ｗには、ライン９０ｃとスペース９０ｄによるパターン９０が形成されている。図２６に示したパターン９０は、ライン９０ｃとスペース９０ｄが同一方向に並んでいる。このため、図２６に示したパターン９０では、箇所９５ａと箇所９５ｂで同じ回転角の吸光度スペクトルが同様の形状となる。図２７に示したパターン９０は、ライン９０ｃとスペース９０ｄが共に湾曲して並んでいる。このため、図２７に示したパターン９０では、箇所９５ｃと箇所９５ｄで同じ回転角の吸光度スペクトルが異なる形状となる。評価工程は、複数箇所でそれぞれ算出された回転角ごとの吸光度スペクトルを箇所ごとに比較し、回転角ごとの吸光度スペクトルの変化を求めることで、パターン９０の直線性（ライン９０ｃが湾曲しているか否か）を評価できる。また、回転角ごとの吸光度スペクトルを箇所ごとに比較することで、パターン９０がどのように湾曲しているかを評価できる。例えば、箇所９５ｄでパターン９０が４５度湾曲している場合は、箇所９５ｃの０度のデータと箇所９５ｄの４５度のデータが一致する。このことから、湾曲している角度や、右に湾曲しているか、左に湾曲しているかを評価できる。また、例えば、何れかの箇所での回転角ごとの吸光度スペクトルの特徴量の角度依存性をプロットし、他の箇所の吸光度スペクトルの特徴量と比較することでも、試料の異方性を評価できる。図２８は、実施形態に係る試料の設置角度依存性を調査する他の一例を説明する図である。図２８には、箇所９５ｃでの回転角と吸光度スペクトルの特徴量の関係を示している。図２８に対して、箇所９５ｄの吸光度スペクトルの特徴量を比較することで、湾曲している角度や、右に湾曲しているか、左に湾曲しているかを評価できる。スペクトルの特徴量としては、スペクトルのピーク強度、ピーク面積、ピーク波数、スペクトル幅、ピーク強度比、面積強度比が挙げられる。例えば、図２３のようにスペクトルの変化する場合、８００ｃｍ-１付近のピーク強度、ピーク面積、ピーク波数、スペクトル幅、８３０ｃｍ-１のピーク強度と１０５０ｃｍ-１のピーク強度比、８３０ｃｍ-１のピークと１０５０ｃｍ-１のピークの面積強度比を、スペクトルの特徴量することができる。
また、本実施形態では、第１の測定工程において、成膜前の基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する場合を主な例に説明したが、これに限定されるものではない。第１の測定工程では、プリズム５１のみに赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定してもよい。この場合、第１の測定工程により測定したスペクトルと第２の測定工程により測定したスペクトルから吸光度スペクトルを算出することで、図７を用いて説明したように、プリズム５１と入射光のスペクトル情報をキャンセルできる。また、吸光度スペクトルとして基板Ｗ全体のスペクトルの信号を算出でき、基板Ｗの状態を検出できる。
また、本実施形態では、成膜装置１００においてＡＴＲ法の測定を実施する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。成膜装置１００以外の装置でＡＴＲ法の測定を実施してもよい。例えば、成膜装置１００に基板Ｗを搬送するトランスファーモジュールなどの搬送系の装置や他のモジュールにおいてＡＴＲ法の測定を実施してもよい。ＡＴＲ法の測定は、基板Ｗとプリズム５１の間にごみが挟まって隙間ができると、信号強度が低下する。このため、ＡＴＲ法の測定は、パーティクルが少ない場所や、タイミングで実施することが好ましい。また、ＡＴＲ法の測定は、プリズム５１を基板Ｗに押し付けて行うことで、プリズム５１と試料の間にごみが入りにくくすることが好ましい。また、プリズム５１は、基板Ｗとの密着性を高めるため、例えば、高い圧力に耐えられるプリズム材質を用いたり、プリズムと試料の接触面積を小さくすることが好ましい。基板Ｗでは、プリズム５１が強く押し付けられた場合や、パターン９０の構造がもろい場合、パターン９０が倒壊する恐れがある。試料を破壊せずにＡＴＲ法の測定を実施するため、成膜装置１００あるいはプリズムユニット５０は、プリズム５１を基板Ｗに押し付ける圧力を変更可能な機構が設けられ、プリズム５１を基板Ｗに押し付ける圧力を調整可能としてもよい。また、プリズム５１や他の加圧機、洗浄工程で表面張力などを活用して、パターン９０を意図的に倒壊させてＡＴＲ法の測定を実施してもよい。図２９は、パターン９０を倒壊させてＡＴＲ法の測定を実施した一例を示す図である。このようにパターン９０を倒壊させることで、パターンを倒壊させない場合に比べて、トレンチ９２のより深い部分の測定が可能となる。
また、本実施形態では、プリズム５１を断面が半円形の形状とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。プリズム５１は、入射した赤外光を基板Ｗ側の面で全反射可能であれば、形状はこれに限定されるものではない。例えば、プリズム５１は、断面が三角形の形状であってもよく、断面が台形状の形状であってもよい。
また、本実施形態では、入射した赤外光をプリズム５１の基板Ｗ側の面で１回全反射させる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。プリズム５１は、入射した赤外光を基板Ｗ側の面で複数回全反射可能な形状としてもよい。例えば、特許文献１に記載のように、プリズム５１を断面が台形状の形状とすることで、入射した赤外光を基板Ｗ側の面で複数回全反射させることができる。
また、本実施形態では、プリズム５１を基板Ｗのパターン９０側の面に配置してＡＴＲ法の測定を実施する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。プリズム５１を基板Ｗのパターン９０側の面とは反対側の裏面に配置してＡＴＲ法の測定を実施してもよい。図３０は、基板Ｗの裏面をＡＴＲ法で測定する一例を示す図である。このように基板Ｗの裏面をＡＴＲ法で測定することで、基板Ｗの裏面側から試料の状態を検出できる。また、基板Ｗの裏面側からパターン９０の状態を検出してもよい。図３１は、基板Ｗの裏面側からパターン９０の状態を検出する一例を示す図である。図３１では、プリズム５１の代わりに、赤外光を透過するシリコン製の治具５５を基板Ｗの裏面に配置してＡＴＲ法の測定を実施している。治具５５は、断面が台形状の形状とされ、入射した赤外光を基板Ｗ側の面で複数回全反射する。このような測定を実施することで、パターン９０に形成された凹部９０ａの底部付近の状態を検出できる。また、赤外光を基板Ｗ内で全反射させてＡＴＲ法の測定を実施してもよい。図３２は、赤外光を基板Ｗ内で全反射させてＡＴＲ法の測定を実施する一例を示す図である。図３２では、基板Ｗは赤外光を透過する例えばシリコンウエハとしており、基板Ｗの側面を斜めにカットしている。基板Ｗは、側面から入射した赤外光を複数回全反射する。このようなＡＴＲ法の測定を実施することで、パターン９０に形成された凹部９０ａの底部付近の状態を検出できる。
また、本実施形態では、膜９１の成膜前と成膜後にＡＴＲ法の測定を行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。成膜装置１００は、成膜中の特定の工程の前後でＡＴＲ法の測定を行い、特定の工程での吸光度スペクトルを算出してもよい。例えば、成膜装置１００は、膜９１をプラズマＡＬＤで成膜するものとする。プラズマＡＬＤでは、プリカーサの吸着工程、改質工程、反応工程、排気工程となどの各種の工程を順に実施する。成膜装置１００は、プラズマＡＬＤの特定の工程の前後でＡＴＲ法の測定を行い、特定の工程での吸光度スペクトルを算出してもよい。これにより、成膜装置１００は、プラズマＡＬＤの特定の工程の状態を検出できる。また、プラズマＡＬＤでプリカーサの吸着工程、改質工程、反応工程、排気工程となどの各種の工程を複数回繰り返す際に、所定の回数を繰り返した時点で測定してもよい。これにより、成膜装置１００は、プラズマＡＬＤの各種の工程を所定の回数を繰り返した時点での膜９１の状態を検出できる。また、成膜装置１００は、各工程中に常時、ＡＴＲ法の測定を行い、各工程前のスペクトルと、リアルタイムに測定されるスペクトルから吸光度スペクトルを求めて、リアルタイムモニターしてもよい。これにより、成膜装置１００は、プラズマＡＬＤの各工程の状態をリアルタイムに検出できる。制御部６０は、吸光度スペクトルに基づき、プロセスパラメータを制御する。例えば、制御部６０は、吸着工程、改質工程、反応工程において、吸光度スペクトルから吸着や、改質、反応の状態を検出した結果、吸着や、改質、反応が不足している場合、不足した工程を実施するようにプロセスパラメータを制御する。これにより、吸着や、改質、反応の不足を抑制でき、成膜される膜９１の膜質を改善できる。また、不必要に長時間処理を行っている場合は、プロセス時間を短くし、生産性を高めることができる。また、例えば、成膜装置１００は、プラズマＡＬＤの各工程の前又は後でＡＴＲ法の測定を行い、それぞれ工程で前の工程のスペクトルを参照光として吸光度スペクトルを算出することで、各工程のスペクトル情報を取得してもよい。これにより、成膜装置１００は、各工程の吸光度スペクトルから各工程の状態をリアルタイムで検出できる。
このように、実施形態に係る測定方法は、第１の測定工程（ステップＳ１０）と、第２の測定工程（ステップＳ１２）と、算出工程（ステップＳ１３）とを有する。第１の測定工程は、プリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する。第２の測定工程は、プリズム５１を基板Ｗに配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１の基板Ｗ側の面で全反射した反射光を測定する。算出工程は、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。これにより、実施形態に係る測定方法は、プリズム５１や光源等によるノイズやスペクトルをキャンセルすることができ、算出された吸光度スペクトルから、試料の状態を検出できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、基板Ｗに成膜した膜９１や基板Ｗの状態を検出できる。
また、実施形態に係る測定方法は、基板処理工程（ステップＳ１１）をさらに有する。第１の測定工程は、基板処理前の基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１の基板Ｗ側の面で全反射した反射光強度を測定する。基板処理工程は、第１の測定工程の後、基板Ｗに対して基板処理を行う。第２の測定工程は、基板処理工程で基板処理された基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する。これにより、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、基板処理による試料の状態を検出できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、基板Ｗに成膜した膜９１の状態を検出できる。
また、実施形態に係る測定方法は、基板処理工程（ステップＳ１１）をさらに有する。第１の測定工程は、プリズム５１のみに赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光強度を測定する。基板処理工程は、基板Ｗに対して基板処理を行う。第２の測定工程は、基板処理後の基板Ｗにプリズム５１を配置した状態でプリズム５１に赤外光を照射し、基板Ｗとプリズム５１の界面で全反射した反射光を測定する。これにより、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、基板処理による試料の状態を検出できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、基板処理された基板Ｗの状態を検出できる。
また、記第１の測定工程と第２の測定工程は、プリズム５１に同じ入射角で赤外光を照射し、全反射した反射光を測定する。このように、同じ入射角で測定されたスペクトルから吸光度スペクトルを算出することで、プリズム５１や光源等によって生じるノイズやスペクトルを精度良くキャンセルできる。
また、基板Ｗは、凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている。これにより、算出された吸光度スペクトルから、試料の状態を検出できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、パターン９０の凹部９０ａ部分の状態を検出できる。
また、実施形態に係る測定方法は、分析工程をさらに有する。第１の測定工程及び第２の測定工程は、同様の形状の凹部９０ａが異なる密度で形成された複数の基板Ｗをそれぞれ測定する。算出工程は、基板Ｗごとに、第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の吸光度を示すスペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の吸光度を示すスペクトルから吸光度スペクトルを算出する。分析工程は、算出工程により算出された基板Ｗごとの吸光度スペクトルから深さ依存性を分析する。これにより、実施形態に係る測定方法は、試料の状態の深さ依存性を分析できる。
分析工程は、フラットなパターン９０を測定して得られた吸光度スペクトルを用いて、基板Ｗごとに、算出工程により算出された吸光度スペクトルから当該基板Ｗに形成されたパターン９０の上面部分の信号を除去して、パターン９０の側面部分と底面部分の吸光度スペクトルを算出する。分析工程は、算出したパターン９０の側面部分と底面部分の吸光度スペクトルの信号を比較することで、パターン９０の深さに応じた試料の状態を検出する。これにより、実施形態に係る測定方法は、パターン９０の深さに応じた試料の状態を検出できる。例えば、特定の深さの膜９１の状態を検出できる。
第１の測定工程、及び第２の測定工程は、基板Ｗの表面垂直方向の軸回りの回転角を同じにして、反射光を測定する。算出工程は、同じ回転角として第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。評価工程は、算出した吸光度スペクトルの表面垂直方向の軸回りの回転角依存性から、試料の面内異方性を評価する。これにより、実施形態に係る測定方法は、試料の異方性を評価することができる。
算出工程は、第１の測定工程により測定した反射光の強度の常用対数のスペクトルから第２の測定工程により測定した反射光の強度の常用対数のスペクトルから、波数毎の赤外光の吸光度スペクトルを算出する。これにより、実施形態に係る測定方法は、プリズム５１や光源等によるノイズやスペクトルをキャンセルすることができ、算出された吸光度スペクトルから、試料の状態を検出できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、算出された吸光度スペクトルから、基板Ｗに成膜した膜９１や基板Ｗの状態を検出できる。
また、実施形態に係る測定方法は、表示工程（ステップＳ１４）をさらに有する。表示工程は、算出工程により算出された吸光度スペクトルに基づき、基板処理工程により基板処理された基板Ｗの状態を表示する。これにより、実施形態に係る測定方法は、試料の状態を提示できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、基板Ｗに実際に成膜した膜９１の状態を工程管理者に提示できる。
また、実施形態に係る測定方法は、制御工程（ステップＳ１５）をさらに有する。制御工程は、算出工程により算出された吸光度スペクトルに基づき、基板処理工程のプロセスパラメータを制御する制御工程をさらに有する。これにより、実施形態に係る測定方法は、基板処理による試料の状態に応じてプロセスパラメータを調整でき、以降の基板処理において試料の状態を改善できる。例えば、実施形態に係る測定方法は、基板Ｗに実際に成膜した膜９１の状態に応じてプロセスパラメータを調整でき、以降の成膜において基板Ｗに成膜される膜９１の膜質を改善できる。
以上、実施形態について説明してきたが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上述した実施形態は、多様な形態で具現され得る。また、上述した実施形態は、請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
また、上記の実施形態では、基板Ｗの中央付近にプリズムユニット５０を配置してＡＴＲ法の測定を行い、基板Ｗの中央付近の膜の状態を検出する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、成膜装置１００は、ＡＴＲ法の測定箇所を光学的または物理的に変更可能な機構を設ける。基板Ｗに対してＡＴＲ法の測定を行う場合、基板Ｗの中央付近、周辺付近など複数の個所にプリズムユニット５０を順に、または、同時に配置する。成膜装置１００は、チャンバ１内に設けた光学素子を介して、複数の個所に配置したプリズムユニット５０に赤外光を照射し、それぞれの個所でＡＴＲ法の測定を実施して基板Ｗの複数の個所それぞれの基板処理された基板Ｗの状態を検出してもよい。例えば、成膜前と成膜後に、基板Ｗの面内の複数個所でＡＴＲ法の測定を行って光のスペクトルを取得する。制御部６０は、複数個所のそれぞれについて、成膜前の基板Ｗで検出した光のスペクトルと成膜後の基板Ｗで検出した光のスペクトルから吸光度スペクトルを算出する。制御部６０は、算出した複数個所の吸光度スペクトルに基づいて基板処理工程のプロセスパラメータを制御する。例えば、制御部６０は、何れかの個所で膜９１が反応不足である場合、反応を促進するように成膜のプロセスパラメータを制御する。制御部６０は、複数個所の吸光度スペクトルに基づいて、基板Ｗの複数の個所で膜厚を推定して、膜厚の分布を検出してもよい。そして、制御部６０は、膜厚の分布を均一化しつつ所定の膜質となるようにプロセスパラメータを制御してもよい。例えば、制御部６０は、膜９１の膜厚の分布が不均一であり、何れかの個所で膜９１が反応不足である場合、膜９１を均一化しつつ反応を促進するように成膜のプロセスパラメータを制御する。
また、上記の実施形態では、１つの基板Ｗの吸光度スペクトルから基板処理工程のプロセスパラメータを制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。複数の基板Ｗの吸光度スペクトルから基板Ｗ間の吸光度スペクトルの比較に基づいて基板処理工程のプロセスパラメータを制御してもよい。例えば、成膜装置１００は、複数の基板Ｗに成膜を行うと経時的な変化等に伴い、成膜される膜の状態が変化する場合がある。制御部６０は、基板Ｗ間の吸光度スペクトルの比較に基づいて、膜の状態の変化を抑制するように基板処理工程のプロセスパラメータを変更する。例えば、制御部６０は、膜９１が反応不足する場合、反応を促進するよういに成膜のプロセスパラメータを制御する。これにより、複数の基板Ｗに成膜される膜の状態の変化を抑制できる。
また、上記の実施形態では、１つの基板Ｗの吸光度スペクトルから基板処理工程のプロセスパラメータを制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。成膜装置１００は経時的にコンディションが変化し、同じ成膜条件（レシピ）で成膜を実施しても成膜される膜の状態が変化する場合がある。そこで、成膜装置１００は、数日毎や所定のタイミング毎など定期的に同じ成膜条件で成膜し、成膜前後でＡＴＲ法の測定を行い、測定の結果から成膜装置１００のコンディション診断を行ってもよい。例えば、成膜装置１００は、定期的に同じ成膜条件で基板Ｗに膜を成膜する。制御部６０は、同じ成膜条件で成膜された複数の基板Ｗの吸光度スペクトルから基板Ｗ間の吸光度スペクトルの比較に基づいて成膜装置１００のコンディションを診断する。これにより、成膜装置１００は、同じ成膜条件で成膜された膜の状態の変化からコンディションの変化を検出できる。
また、上記の実施形態では、本開示の基板処理装置を、チャンバを１つ有するシングルチャンバータイプの成膜装置１００とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。本開示の基板処理装置は、チャンバを複数有するマルチチャンバタイプの成膜装置であってもよい。
図３３は、実施形態に係る成膜装置２００の他の一例を示す概略構成図である。図３３に示すように、成膜装置２００は、４つのチャンバ２０１～２０４を有するマルチチャンバタイプの成膜装置である。成膜装置２００では、４つのチャンバ２０１～２０４においてそれぞれプラズマＡＬＤを実施する。
チャンバ２０１～チャンバ２０４は、平面形状が七角形をなす真空搬送室３０１の４つの壁部にそれぞれゲートバルブＧを介して接続されている。真空搬送室３０１内は、真空ポンプにより排気されて所定の真空度に保持される。真空搬送室３０１の他の３つの壁部には３つのロードロック室３０２がゲートバルブＧ１を介して接続されている。ロードロック室３０２を挟んで真空搬送室３０１の反対側には大気搬送室３０３が設けられている。３つのロードロック室３０２は、ゲートバルブＧ２を介して大気搬送室３０３に接続されている。ロードロック室３０２は、大気搬送室３０３と真空搬送室３０１との間で基板Ｗを搬送する際に、大気圧と真空との間で圧力を制御するものである。
大気搬送室３０３のロードロック室３０２が取り付けられた壁部とは反対側の壁部には基板Ｗを収容するキャリア（ＦＯＵＰ等）Ｃを取り付ける３つのキャリア取り付けポート３０５が設けられている。また、大気搬送室３０３の側壁には、基板Ｗのアライメントを行うアライメントチャンバ３０４が設けられている。大気搬送室３０３内には清浄空気のダウンフローが形成されるようになっている。
真空搬送室３０１内には、搬送機構３０６が設けられている。搬送機構３０６は、チャンバ２０１～チャンバ２０４、ロードロック室３０２に対して基板Ｗを搬送する。搬送機構３０６は、独立に移動可能な２つの搬送アーム３０７ａ，３０７ｂを有している。
大気搬送室３０３内には、搬送機構３０８が設けられている。搬送機構３０８は、キャリアＣ、ロードロック室３０２、アライメントチャンバ３０４に対して基板Ｗを搬送するようになっている。
成膜装置２００は、制御部３１０を有している。成膜装置２００は、制御部３１０によって、その動作が統括的に制御される。
このように構成された成膜装置２００では、基板ＷをＡＴＲ法により測定する測定部をチャンバ２０１～チャンバ２０４以外に設けてもよい。例えば、成膜装置２００は、基板ＷをＡＴＲ法により測定する測定部を、真空搬送室３０１、ロードロック室３０２、大気搬送室３０３、及びアライメントチャンバ３０４の何れかに設ける。測定部は、赤外光を照射する照射部と、赤外光を検出する検出部を配置する。
成膜装置２００は、ＡＴＲ法の測定を行う場合、搬送機構３０６により基板Ｗを測定部に配置し、基板Ｗの表面にプリズム５１を配置する。測定部は、照射部から基板Ｗに配置されたプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１の基板Ｗ側の面で全反射した反射光を検出部で検出する。
制御部３１０は、成膜前の基板Ｗを測定部により測定する。制御部３１０は、チャンバ２０１～チャンバ２０４の何れかにより基板Ｗに膜を成膜する。制御部３１０は、成膜後の基板Ｗを測定部により測定する。
制御部３１０は、成膜前の反射光のスペクトルと成膜後の反射光のスペクトルから吸光度スペクトルを算出する。これにより成膜装置２００においても、凹部９０ａを含むパターン９０が形成された基板Ｗに成膜した膜の状態を検出できる。
また、上記の実施形態では、基板処理工程を基板Ｗに成膜する成膜工程とし、本開示の技術を適用して基板処理による基板Ｗの状態として、基板Ｗに成膜した膜の状態を検出する例を説明してきたが、これに限定されるものではない。基板Ｗの状態を検出する基板処理工程は、例えば、成膜工程、エッチング工程、改質工程、レジスト塗布工程、洗浄工程、リソグラフィ工程、化学機械研磨工程、検査工程など半導体デバイスを製造する半導体製造工程に係る任意の工程であってもよいし、任意の工程の組合せを含む複数工程であってもよい。また、半導体製造工程に係る任意の工程及び／又はその組合せを含む複数工程の観点から、任意の工程や複数工程の前後に本開示の技術を適用することで、本開示の技術を工程内、工程間の診断、監視として適用してもよい。例えば、半導体製造の生産性（稼働率や歩留まりなど）に関わる各種トリガー（パーティクルや面内／面間分布など）に適用してもよい。
ここで、基板処理工程を成膜工程以外とした例を説明する。図３４は、実施形態に係る基板処理工程の一例を示す図である。図３４は、基板処理工程をドライエッチング工程とした場合を示している。図３４では、左側に、ドライエッチング前の基板Ｗが示されており、右側に、ドライエッチング後の基板Ｗが示されている。基板Ｗには、ナノスケールの凹部９０ａを含むパターン９０が形成されている。パターン９０には、ＳｉＮ膜１１０が成膜されている。図３４は、基板Ｗに対して、ＮＦ３ガスを用いたドライエッチングを実施した場合を示している。基板処理装置は、ドライエッチングを行うエッチング装置とする。本実施形態に係る基板処理方法は、エッチング前の基板Ｗにプリズムユニット５０を配置し、プリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する。基板処理方法は、測定後、基板Ｗに対して、基板処理としてドライエッチングを行う。基板処理方法は、ドライエッチングの後、ドライエッチング後の基板Ｗにプリズムユニット５０を配置し、プリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する。基板処理方法は、エッチング前の反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと、エッチング後の反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。図３５は、実施形態に係る吸光度スペクトルの一例を示す図である。図３５の横軸は、赤外光の波数である。縦軸は、赤外光の吸光度である。図３５には、吸光度スペクトルを示す線Ｌ１０が示されている。また、図３５には、ＮＨ、ＳｉＮに対応する波数の位置が示されている。本実施形態に係る基板処理方法は、吸光度スペクトルから、基板処理による基板Ｗの状態を検出できる。例えば、ドライエッチングなどのエッチングでは、スペクトルでエッチングされた成分の信号が減少する。このため、吸光度スペクトルでは、エッチングされた成分に対応した波数の信号が負の値となる。よって、信号が負の値となる波数に対応する成分がエッチングされた成分であると検出できる。例えば、図３５では、ＳｉＮやＮＨの位置で線Ｌ１０の信号が減少していていることから膜中にＮＨを含むＳｉＮ膜１１０がエッチングされたことを検出できる。
図３６は、実施形態に係る基板処理工程の一例を示す図である。図３６は、成膜工程やエッチング工程などの基板処理工程により、基板Ｗに副生成物（byproduct）１２０が付着した場合を示している。基板Ｗは、凹部を含むパターンとしてトレンチ１２１が形成されている。本実施形態に係る基板処理方法は、基板処理前の基板Ｗにプリズムユニット５０を配置し、プリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する。基板処理方法は、測定後、基板Ｗに対して、基板処理を行う。基板処理方法は、基板処理の後、基板処理後の基板Ｗにプリズムユニット５０を配置し、プリズムユニット５０のプリズム５１に赤外光を照射し、プリズム５１で全反射した反射光を測定する。基板処理方法は、基板処理前の反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと、基板処理後の反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する。図３７は、実施形態に係る吸光度スペクトルの一例を示す図である。図３７の横軸は、赤外光の波数である。縦軸は、赤外光の吸光度である。図３７には、吸光度スペクトルを示す線Ｌ２０が示されている。また、図３７には、ＮＨ４Ｃｌに対応する波数の位置が示されている。本実施形態に係る基板処理方法は、吸光度スペクトルから、基板処理による基板Ｗの状態を検出できる。例えば、基板処理の結果で意図しない成分の信号に変化が吸光度スペクトルに生じているかから、基板Ｗの状態を検出できる。例えば、図３６に示したように、基板Ｗに副生成物１２０が付着した場合、吸光度スペクトルでは、副生成物１２０の成分に対応する波数の信号に変化が生じる。例えば、図３７では、副生成物１２０の成分であるＮＨ４Ｃｌに対応する波数の信号に変化が生じている。このことから、本実施形態に係る基板処理方法は、基板処理により、基板Ｗに副生成物１２０が付着したことを検出できる。
また、上述の通り、本開示の基板処理装置は、シングルチャンバやチャンバを複数有するマルチチャンバタイプの基板処理装置を例に開示してきたが、このかぎりではない。例えば、複数枚の基板を一括で処理可能なバッチタイプの基板処理装置であってもよいし、カルーセル式のセミバッチタイプの基板処理装置であってもよい。
なお、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
Ｗ 基板
１ チャンバ
２ 載置台
６ リフターピン
１０ 高周波電源
１５ ガス供給部
１６ シャワーヘッド
５０ プリズムユニット
５１ プリズム
５２ａ、５２ｂ ミラー
６０ 制御部
６１ ユーザインターフェース
６２ 記憶部
８０ａ 窓
８０ｂ 窓
８１ 照射部
８２ 検出部
９０ パターン
９０ａ 凹部
９１ 膜
１００ 成膜装置
２００ 成膜装置
２０１～２０４ チャンバ

Claims (17)

  1. プリズムに赤外光を照射し、前記プリズムで全反射した反射光を測定する第１の測定工程と、
    前記プリズムを基板に配置した状態で前記プリズムに赤外光を照射し、前記プリズムの前記基板側の面で全反射した反射光を測定する第２の測定工程と、
    前記第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと前記第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する算出工程と、
    を有する測定方法。
  2. 前記第１の測定工程は、基板処理前の前記基板に前記プリズムを配置した状態で前記プリズムに赤外光を照射し、前記プリズムの前記基板側の面で全反射した反射光強度を測定し、
    前記第１の測定工程の後、前記基板に対して基板処理を行う基板処理工程をさらに有し、
    前記第２の測定工程は、前記基板処理工程で基板処理された前記基板に前記プリズムを配置した状態で前記プリズムに赤外光を照射し、前記基板と前記プリズムの界面で全反射した反射光強度を測定する、
    請求項１に記載の測定方法。
  3. 前記第１の測定工程は、プリズムのみに赤外光を照射し、前記プリズムで全反射した反射光強度を測定し、
    前記基板に対して基板処理を行う基板処理工程をさらに有し、
    前記第２の測定工程は、基板処理後の前記基板に前記プリズムを配置した状態で前記プリズムに赤外光を照射し、前記基板と前記プリズムの界面で全反射した反射光強度を測定する、
    請求項１に記載の測定方法。
  4. 前記第１の測定工程と前記第２の測定工程は、前記プリズムに同じ入射角で赤外光を照射し、全反射した反射光を測定する
    請求項１～３の何れか１つに記載の測定方法。
  5. 前記基板は、凹部を含むパターンが形成された
    請求項１～４の何れか１つに記載の測定方法。
  6. 前記第１の測定工程及び前記第２の測定工程は、同様の形状の凹部が異なる密度で形成された複数の基板をそれぞれ測定し、
    前記算出工程は、前記基板ごとに、前記第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと前記第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出し、
    前記算出工程により算出された前記基板ごとの吸光度スペクトルから深さ依存性を分析する分析工程をさらに有する
    請求項１～５の何れか１つに記載の測定方法。
  7. 前記分析工程は、フラットなパターンを測定して得られた吸光度スペクトルを用いて、前記基板ごとに、前記算出工程により算出された吸光度スペクトルから当該基板に形成されたパターンの上面部分の信号を除去して、前記パターンの側面部分と底面部分の吸光度スペクトルを算出し、算出した前記パターンの側面部分と底面部分の吸光度スペクトルの信号を比較することで、前記パターンの深さに応じた試料の状態を検出する
    請求項６に記載の測定方法。
  8. 前記第１の測定工程、及び前記第２の測定工程は、前記基板の表面垂直方向の軸回りの回転角を同じにして、反射光を測定する
    請求項１～５の何れか１つに記載の測定方法。
  9. 前記算出工程は、同じ回転角として前記第１の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと前記第２の測定工程により測定した反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出し、
    算出した吸光度スペクトルの表面垂直方向の軸回りの回転角依存性から、試料の面内異方性を評価する評価工程をさらに有する
    請求項８に記載の測定方法。
  10. 前記算出工程は、前記第１の測定工程により測定した反射光の強度の常用対数のスペクトルから前記第２の測定工程により測定した反射光の強度の常用対数のスペクトルを減算して、波数毎の赤外光の吸光度スペクトルを算出する
    請求項１～９の何れか１つに記載の測定方法。
  11. 前記算出工程により算出された吸光度スペクトルに基づき、前記基板処理工程により基板処理された前記基板の状態を表示する表示工程をさらに有する
    請求項２又は３に記載の測定方法。
  12. 前記算出工程により算出された吸光度スペクトルに基づき、前記基板処理工程のプロセスパラメータを制御する制御工程をさらに有する
    請求項２、３又は１１に記載の測定方法。
  13. 前記制御工程は、複数の基板の前記吸光度スペクトルから基板間の吸光度スペクトルの比較に基づいて前記基板処理工程のプロセスパラメータを制御する
    請求項１２に記載の測定方法。
  14. 前記第１の測定工程及び前記第２の測定工程は、前記基板の面内の複数個所でそれぞれ測定し、
    前記制御工程は、前記複数個所のそれぞれで、前記第１の測定工程により測定した反射光の強度スペクトルと前記第２の測定工程により測定した反射光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出し、算出した前記複数個所の吸光度スペクトルに基づいてプロセスパラメータを制御する
    請求項１２に記載の測定方法。
  15. 前記基板処理工程は、前記基板に成膜する工程であり、
    前記制御工程は、前記複数個所の吸光度スペクトルから前記基板に成膜された膜の膜厚の分布と膜質を求め、膜厚の分布を均一化しつつ所定の膜質となるようにプロセスパラメータを制御する
    請求項１４に記載の測定方法。
  16. 前記基板処理工程は、定期的に同じ処理条件で基板に基板処理を行い、
    同じ処理条件で基板処理された複数の基板の前記吸光度スペクトルから基板間の吸光度スペクトルの比較に基づいて前記基板処理工程を実施する装置のコンディションを診断する診断工程
    をさらに有する請求項２又は３に記載の測定方法。
  17. 基板を載置する載置台と、
    前記基板に基板処理を行う基板処理部と、
    前記基板に配置されたプリズムに赤外光を照射し、前記プリズムの前記基板側の面で全反射した反射光強度を測定する測定部と、
    前記測定部により、基板処理前の前記基板に対して赤外光を照射して前記プリズムの前記基板側の面で全反射した反射光を測定し、前記基板処理部により前記基板に基板処理を行い、前記測定部により、基板処理後の前記基板に対して赤外光を照射して前記プリズムの前記基板側の面で全反射した反射光を測定し、測定した基板処理前の反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルと基板処理後の反射光の波数毎の赤外光の強度スペクトルから吸光度スペクトルを算出する制御を行う制御部と、
    を有する基板処理装置。
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