JP4046117B2 - 半導体層の膜厚測定方法及び半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化膜を２枚のシリコン基板で挟み込んだようなＳＯＩ基板における活性層（半導体層）の膜厚計測方法及びＳＯＩ基板のような半導体基板の製造方法に関する。

シリコンウェハは、スライス処理後、ラップ処理、エッチング処理を経たのち、ポリッシュ工程が施され、ミラー研磨される。この研磨は、具体的には、複数の回転研磨ブロックに複数枚のウェハをワックス等で貼り付けたのち、研磨布を接着した回転研磨定盤を接着した回転研磨定盤の表面にウェハを押し付けることで行われている。

近年では、シリコンウェハの平坦度、平行度に対する要求が厳しくなり、この要求を満たすために、シリコンウェハの厚さの制御を正確に行うことが必要とされている。特に、ＳＯＩ基板を２枚のシリコン基板の貼り合せによって形成する場合、所定厚さの活性層を得るために、研磨時の膜厚制御が重要となる。

しかしながら、従来のＳＯＩ基板の研磨においては、研削・粗研磨の各工程を所定時間行ったのち、ＳＯＩ基板を研磨装置から取り出してから活性層の膜厚測定を行い、さらに、活性層が所望膜厚となるまで調整研磨及び膜厚測定を繰り返し行っていた。すなわち、過度の研磨を行った場合に、そのＳＯＩ基板が使用不能になることから、調整研磨や膜厚測定を繰り返し行わなければならず、その都度、研磨装置から取り出して膜厚測定を行わなければならなかった。このため、ＳＯＩ基板の研磨に対する作業工程数の増大、作業時間の増大といった問題が生じていた。

これに対し、研磨中に膜厚測定が行え、モニタリングする技術が種々検討されている。そして、その最も有望な方法として、光の干渉を利用した膜厚測定方法が挙げられる（特許文献１：特開平８−２１６０１６号公報参照）。

しかしながら、本発明者らが調査、検討を重ねた結果、光の干渉を利用した膜厚測定においても、各波長毎の干渉情報を取得する間にタイムラグが発生することから、その間に膜厚が変化してしまい、正確な膜厚計測が行えなくなるという問題が発生することが判明した。

また、酸化膜を２枚のシリコン基板で挟み込んだＳＯＩ基板の構成においては、酸化膜が同じ光学特性を有する材料で挟まれていることから、酸化膜の両面での反射光によって干渉による光がキャンセルされてしまい、酸化膜厚に応じて光の干渉（光の反射率）が弱まる「節」の部分が発生する。このため、この「節」の付近における波長域で測定が困難になるという問題が発生することが判明した。

例えば、活性層の厚さを５μｍとし、酸化膜の膜厚を１μｍと２μｍとした場合において膜厚シミュレーションを行った場合の波長と反射率との関係を図２３（ａ）、（ｂ）に示す。図２３（ａ）に示されるように、光の干渉波形は、波長が８３０ｎｍとなる付近において極大値となるが、その波長の付近に「節」があると、図２３（ｂ）に示すようにその位置が極小値となる。また、ピークとならなかったりする場合もあれば、極大値となる場合もある。このように、本来のピークとなるべき位置で、正確なピークが取れなくなると、正確な膜厚測定が行えなくなる。

本発明は上記点に鑑みて、干渉情報を取得するタイムラグを考慮して正確に膜厚計測が行えるようにすることを目的とする。また、光の干渉が弱まる節を考慮して正確に膜厚計測が行えるようにすることを目的とする。
特開平８−２１６０１６号公報

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体層で構成された活性層（６ａ）と支持基板（６ｂ）とによって酸化膜（６ｃ）を挟み込んで構成されたＳＯＩ基板（６）に対して光を照射し、ＳＯＩ基板からの反射光に基づいて活性層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、酸化膜の両面での反射光により、光の干渉が弱められた波長を除くように解析波長領域を設定する工程と、活性層に対して光を照射したことによる反射光を各波長別に分光する工程と、該分光された各波長別の光の干渉情報を一括して取得する工程と、解析波長領域における干渉情報を用いて、活性層の膜厚を算出する工程とを有している。

このように、タイムラグが無いように干渉情報を一括して取得すると共に、光の干渉が弱められた波長、つまり「節」を除くように解析波長領域を設定しているため、正確な波数やピーク値に基づいて活性層の膜厚測定を行うことが可能となる。このため、正確に活性層の膜厚測定を行うことができる。たとえば請求項３に示すように、解析波長領域を設定する工程において、酸化膜の屈折率をｎｏｘ、膜厚をｄｏｘとし、ｍを任意の正数であるとすると、上記数２を満たす範囲を解析波長領域を示すλとして設定する。

また、活性層の膜厚を算出する工程では、干渉情報から求めた波長と反射強度との関係を示す波形の極大値もしくは極小値となる波長から活性層の膜厚を算出することが可能である。請求項４に示すように、極大値もしくは極小値となる波長のうち、極小値となる波長から活性層の膜厚を算出するようにすれば、ノイズの影響を受け難く、ピーク値となる波長の検出をより正確に行うことができる。

請求項１においては、任意の極大値もしくは極小値における波長をλ₁、λ₂、波長λでの膜の屈折率をｎ（λ）、両波長間の周波数もしくは波数をＸ、単層膜構造と２層膜構造における極大値もしくは極小値となる波長での位相シフト量をｓ₁、ｓ₂として、活性層の膜厚ｄを、上記数１にて算出することを特徴としている。

このような算出式によって活性層の膜厚を算出することで、活性層と酸化膜との膜厚の関係によって発生し得る測定膜厚の誤差を補正することができ、より高精度な膜厚測定を可能にできる。

なお、位相シフト量ｓ₁、ｓ₂は、請求項２に示すように、酸化膜の膜厚と該酸化膜内を通過する光の波長とから求められる酸化膜の位相値に基づいて求められる。

請求項５に記載の発明においては、解析波長領域を設定する工程では、解析波長領域として、活性層での光の透過率が所定値以上となる波長を設定することを特徴としている。例えば、請求項６に示すように、活性層での光の透過率が１０％以上となる波長を解析波長領域として設定する。このようにすれば、光の干渉が明確に確認できる領域で解析波長領域を設定することができる。

請求項７に記載の発明においては、反射光を分光する工程および干渉情報を一括して取得する工程では、反射光を分光する回折格子（４ａ）と該回折格子によって分光された光の各波長別の干渉情報を一括して取得するＣＣＤアレイ（４ｂ）とを備えた分光器（４）を用いることを特徴としている。このような構成により、反射光の分光と干渉情報の一括取得を行うことが可能である。

なお、ＣＣＤアレイを用いる場合、請求項８に示すように、解析波長領域として、１０００ｎｍ以下の波長を設定するのが好ましい。すなわち、１０００ｎｍ以上の波長であると、ＣＣＤアレイの感度低下から波長と反射強度との関係を正確に求められなくなる可能性がある。このため、本請求項のようにすることで、正確にピーク値となる波長を求めることができる。

請求項９に記載の発明では、ＳＯＩ基板に対して活性層を研磨する研磨工程を有し、当該研磨中における活性層の膜厚を請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体層の膜厚測定方法により測定し、活性層が所望の膜厚になったことが検出されると研磨を終了させることを特徴としている。

このように、研磨により活性層の膜厚調整を行うようなＳＯＩ基板に対して、請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体層の膜厚測定方法を用いることで、研磨装置からＳＯＩ基板を取り出さなくても正確に活性層の膜厚測定を行うことができる。

このような膜厚測定は、請求項１０に示すように、研磨するためにＳＯＩ基板を回転させたままの状態で行われても良い。

請求項１１に記載の発明は、第１の層（６ａ）及び該第１の層とは屈折率が異なる第２の層（６ｃ）とを有する基板（６）における第１の層の膜厚を測定する膜厚測定方法に関して、請求項１に記載の発明を適用したものである。このように、屈折率が異なる２層膜構造について、請求項１に記載の発明を適用することができ、高精度な膜厚測定を行なうことができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における半導体層の膜厚測定方法について説明する。図１に、本実施形態における膜厚測定方法を実現する膜厚測定装置の概略構成を示す。以下、図１に基づいて膜厚測定装置の構成についての説明を行う。

図１に示すように、膜厚測定装置には、光源１、光ファイバー２、計測ヘッド３、分光器４および解析装置５が備えられている。光源１には、例えば白色光を発生するタングステンハロゲンランプが用いられている。この光源１としては、タングステンハロゲンランプが発生する白色光の一部をフィルター等で分光した光を用いても良く、白熱球やキセノンランプ等を用いることも可能である。光ファイバー２は、例えば複数本のファイバーからなる光の伝達を行うものであり、光源１からの光を計測ヘッドに伝達する役割と、計測ヘッド３からの光を分光器４に伝達する役割とを果たしている。

計測ヘッド３は、光ファイバー２から伝達された光をＳＯＩ基板６の活性層６ａの表面に向けて照射する役割を果たすと共にＳＯＩ基板６からの反射光を受け取る役割を果たす。そして、このように計測ヘッド３から受け取られたＳＯＩ基板６からの反射光が光ファイバー２を通じて分光器４に送られるようになっている。

分光器４は、送られてきた光を成分別に分光するものであり、この分光器４によって光の干渉情報が一括して受け取れるようになっている。図２に分光器４の具体的構成の一例を示す。この図に示されるように、分光器４には回折格子４ａとＣＣＤアレイ４ｂとが備えられており、光ファイバー２を介して送られてきたＳＯＩ基板６からの反射光を検出光とすると、回折格子４ａによって検出光を各波長別に分光し、この分光した各波長別の光を干渉情報としてＣＣＤアレイ４ｂにて一括して受け入れるような構成となっている。このため、各波長別の光の干渉情報をタイムラグなしで取得することができる。なお、本実施形態においては、これらの構成のうちのＣＣＤアレイ４ｂが光の干渉情報を一括して受け取る手段に相当する。

解析装置５は、分光器４によって分光された光、具体的にはＣＣＤアレイ４ｂに取り込まれた干渉情報に基づいて、ＳＯＩ基板６の表面における活性層６ａの膜厚解析を行うと共に、この膜厚解析結果に応じた出力を発生させる。この出力により、例えば、表示装置による膜厚解析結果のモニタリングが行われたり、膜厚解析結果に基づく更なる膜厚調整や活性層６ａの研磨の停止点の検出が行われる。

続いて、図１に示す膜厚測定装置を用いた膜厚測定のフローチャートを図３に示し、この図に基づいて膜厚測定の詳細についての説明を行う。まず、解析波長領域を設定する（ステップＳ１０１）。この解析波長領域とは、ＣＣＤアレイ４ｂで受け取られた干渉情報のうち、膜厚測定の解析に用いる波長領域ということを意味している。この解析波長領域の設定方法についての詳細は後述する。

次に、光源１を発光させ、光ファイバー２および測定ヘッド３を介してＳＯＩ基板６における活性層６ａの表面に光を照射したのち（ステップＳ１０２）、測定ヘッド３及び光ファイバー２を介してＳＯＩ基板６からの反射光を分光器４に送り、分光器４で各波長別の干渉情報を受け取る（ステップＳ１０３）。これにより、タイムラグを発生させることなく、各波長別の干渉情報が取得される。そして、解析装置５において、各波長別の干渉情報から反射光の波形、すなわち波長と反射強度との関係を求める。この関係を図示すると、波長に対して反射強度が周期的に変化する。このため、この波長と反射強度との関係に基づいて、反射光の波形におけるピーク値（極大値および極小値）と上記で設定した解析波長領域における波数を求める（ステップＳ１０４）。この後、求めたピーク値と波数に基づいて解析装置５により膜厚算出を行い（ステップＳ１０５）、さらにこの膜厚解析結果に応じた出力を行う（ステップＳ１０６）。

ここで、膜厚解析の方法と解析波長領域の設定方法について説明する。まず、膜厚解析方法について、図４に示す参考図を用いて説明する。

図４は、ＳＯＩ基板６に対して光を照射した際における入射光と反射光との関係を図示したものである。この図に示されるように、ＳＯＩ基板６の構成が光活性層６ａと支持基板６ｂとの間に酸化膜６ｃを挟み込んだものであるため、光を照射すると活性層６ａと酸化膜６ｃとの界面や酸化膜６ｃと支持基板６ｂとの界面で反射が起こり、これらの反射光が互いに干渉する。この光の干渉は、活性層６ａの膜厚ｄと屈折率ｎと波長λとによって変化する。

そして、外気の屈折率をｎｏ、酸化膜６ｃの膜厚をｄｏｘ、屈折率をｎｏｘ、支持基板６ｂの屈折率をｎｓとすると、反射率のピーク値が次式となることから、各膜６ａ〜６ｃの屈折率ｎ、ｎｏｘ、ｎｓの関係に応じて反射率のピーク値を示す式のいずれの式が極大値と極小値を示しているかが分かる。ただし、次式においてｍは自然数とする。

すなわち、ｎｏ＞ｎの時にｎ＞ｎｓであれば数４の第２式が極大値、第１式が極小値となり、ｎ＜ｎｓであれば数４の第１式が極大値、第２式が極小値となる。また、ｎｏ＜ｎの時にｎ＞ｎｓであれば数４の第１式が極大値、第２式が極小値となり、ｎ＜ｎｓであれば数４の第２式が極大値、第１式が極小値となる。

そして、反射率のピーク値となる位置と上述したステップＳ１０４における反射光の波形がピーク値となる位置とが一致するため、上記数４の第１、第２式の関係から活性層６ａの膜厚ｄが次式のように求められる。

ただし、λ₁、λ₂は任意のピーク値における波長、ｎ（λ）は波長λでの膜の屈折率、Ｘは両波長間の周波数（波数）を示している。なお、ここでいうピーク値における波長とは、極大値、極小値いずれのピーク値における波長であっても良い。つまり、極大値同士、極小値同士、または極大値と極小値との組み合わせにおける波長いずれを用いても良い。ただし、極大値と極小値との組み合わせにおける波長を用いる場合、Ｘが自然数ではなく自然数に対して±０．５を加算した値となる。

参考として、図５に、活性層６ａの厚みを１４μｍ、酸化膜６ｃの厚みを１．３μｍとした場合における波長と反射強度との関係を調べた結果を示す。この図に示されるように、波長が最も低い位置におけるピーク値での波長をλ₁とすると、そこからＸ＝６とした場合におけるピーク値での波長がλ₂となる。

続いて、解析波長領域についての説明を行う。解析波長領域の設定では、上述した「節」を除去した波長領域を解析に用いる波長として設定する。まず、解析波長領域の設定方法に先立ち、「節」が発生する原理および「節」が膜厚測定にどのように影響するかについて説明する。

図６に光の干渉現象を模式的に示し、この図に基づいて「節」の発生原理について説明する。まず、活性層６ａ、酸化膜６ｃ、支持基板６ｂをそれぞれ媒質Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩと見立て、これら各媒質における屈折率をｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とし、入射光の振幅を１とすると、反射光の振幅（振幅反射率）ｒ₁と透過光の振幅（振幅反射率）ｔ₁は、フレネルの法則から次式となる。

また、媒質ＩＩ、ＩＩＩの界面での振幅反射率ｒ₂および振幅透過率ｔ₂も同様に次式のように示される。

そして、媒質ＩＩの上下の界面で多重反射するため、媒質Ｉへ出てくる光の振幅反射率ｒ、エネルギー反射率Ｒは次式のように示される。

ただし、δ＝４πｎ₂ｄ／λである。そして、媒質Ｉを活性層６ａ（Ｓｉ）、媒質ＩＩを酸化膜６ｃ（ＳｉＯ₂）、媒質ＩＩＩを支持基板６ｂ（Ｓｉ）とした場合、つまり媒質Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩの各材質をＳｉ、ＳｉＯ₂、Ｓｉとした場合で考えると、ｎ₁＝ｎ₃であるため、数１０が求められ、この数１０と上記数８とにより、数１１が求められる。

そして、ｃｏｓδは−１〜１の間で変化するため、ｃｏｓδ＝１となるとき、Ｒは極小値０をとる。すなわち、酸化膜６ｃの界面での反射が実質的に起こらなくなる。従って、４πｎ₂ｄ／λ＝２ｈπ（ｈは自然数）の条件を満たす時に「節」が現われる。このため、この「節」を避けるように、解析波長領域の設定を行う。図７を用いて、この解析波長領域の設定方法を説明する。

図７は、活性層６ａの厚みが１４μｍ、酸化膜６ｃの厚みが１．３μｍである場合における波長と反射強度との関係を調べた結果である。この図において、波長が９５７ｎｍとなる付近で「節」が発生しており、本来、この波長付近に発生するべき極大値、極小値が鮮明に現われなくなっている。

従って、もし、計測範囲にこの「節」の部分が含まれると、ピーク値の検出が困難になって正しい膜厚測定が行えなくなる。また、極大値と極小値の検出を確実に行うためには、±１０％程度以上の変化量があることが望ましく、図７の計測結果を用いて言えば「節」の中心波長から±５ｎｍ程度を除いた範囲の波長を解析波長領域として使用するのが好ましい。そして、活性層６ａの厚さに起因する振幅量（反射率の変化量）の波長依存性は、波長と酸化膜６ｃの厚さによって変化するため、図７の計測結果で示される「節」の波長±５ｎｍを一般的に表現すると、次式で示される。

なお、本実施形態のようにＳＯＩ基板６を用いる場合には、屈折率ｎｏｘや膜厚ｄｏｘが予め分かっていることから、これらの値を予め入力しておくことによって、数１２から「節」を求めることができる。図７の解析結果においては、数１２における酸化膜６ｃの屈折率ｎｏｘが１．４５、膜厚ｄｏｘが１．３２μｍ、自然数ｍが４となる。従って、解析波長領域として好ましい範囲は、次式のように示される。

参考として、活性層６ａの膜厚を９μｍ、酸化膜６ｃの膜厚を３．５４μｍとした場合における解析結果を図８に示す。この図に示されるように、「節」の中心波長から離れると急激に振幅が大きくなっている。この場合、±１０％程度以上の変化量を見込むと、「節」から約±２ｎｍほど外側の波長を解析波長領域とするのが好ましいと言える。このように、酸化膜６ｃの膜厚が厚くなるほど、解析波長領域から除去するべき範囲が狭くなり、上記数１３で示される範囲が妥当であることが分かる。

次に、以上説明した方法により、ＣＣＤアレイ４ｂでの露光時間１０ｍ秒、計測波長間隔０．３ｎｍ、分光器４の分光分解能（半値幅）１ｎｍとし、ＳＯＩ基板６の活性層６ａの厚さ３μｍ、酸化膜６ｃの厚さ１．１μｍとした試料を用いて膜厚測定を行った。

このような試料の場合、上記数１３から求められる解析波長領域が６４７〜８０２ｎｍ、もしくは８１０〜１０６８ｎｍとなる。上記試料を用いた場合における反射光の波長と反射強度との関係を図示すると、解析波長領域との関係が図９、図１０のように示される。ただし、ここでは図９が極小値同士を膜厚測定用のピーク値として用いた場合、図１０が極大値同士を膜厚測定用ピーク値として用いた場合として示してある。

これらの図から分かるように、「節」を避けるようにして解析波長領域が設定されているため、この領域内においては波数や極大値および極小値となるピーク値を正確に測定することができる。このため、正確な波数やピーク値に基づいて正確に活性層６ａの膜厚測定を行うことが可能となる。具体的には、図中右上に示されるように、活性層６ａの膜厚測定結果は図９の場合では膜厚ｄ＝３．１７μｍ、図１０の場合では膜厚ｄ＝３．２０μｍとなり、共に正確な膜厚測定が行えていることが分かる。

このように、本実施形態においては、各波長別の光の干渉情報を一括して取得できるようにすると共に、「節」を避けるように解析波長領域を設定しているため、正確な波数やピーク値に基づいて活性層６ａの膜厚測定を行うことが可能となる。このため、正確に活性層６ａの膜厚測定を行うことができる。

なお、ここでは、膜厚測定に用いるピーク値として、極小値同士を用いた場合（図９）と極大値同士を用いた場合（図１０）として示してあるが、極大値と極小値との組み合わせの場合、図１１のようになる。この図からも分かるように、極大値と極小値との組み合わせであっても、正確に波数やピーク値を求めることができ、正確に活性層６ａを求めることが可能となる。この場合の膜厚測定結果は、膜厚ｄ＝３．１８μｍとなり、この場合にも正確な膜厚測定が行えていることが分かる。

このように、膜厚測定に用いるピーク値は、極大値、極小値いずれであっても構わないが、極大値よりも極小値の方の波形がシャープになりやすいため、好ましくは極小値を用いた方が良い。このことは、極大値又は極小値となる位置を正確に検出する際に関連してくる。すなわち、活性層６ａの膜厚が薄くなってくると、極大値付近での反射率の波長による変化が緩やかになるため、ノイズの影響を受けてピーク値となる波長の検出が難しくなる。これに対しては、データ処理時に平均化を行うことで理想線を推定する等の対処が考えられるが、処理が複雑になるため好ましくない。その反面、極小値付近での反射率の波長による変化は急激であるため、ノイズの影響を受け難く、ピーク値となる波長の検出をより正確に行うことができる。このため、膜厚測定に用いるピーク値としては極小値を用いると良い。

また、参考として、活性層６ａおよび酸化膜６ｃの膜厚を適宜変化させて活性層６ａの膜厚測定を行った場合における反射光の波長と反射強度との関係を図１２〜図１４に示す。

図１２は、活性層６ａの膜厚を２５μｍと厚めに設定し、酸化膜６ｃの膜厚を１．１μｍとした場合を示している。このような場合においても、解析波長領域を設定することで、正確に波数やピーク値を求めることができ、正確に活性層６ａを求めることが可能となる。ただし、このように活性層６ａを厚めに設定した場合、８００ｎｍよりも短波長となる領域では活性層６ａでの光の吸収によりピーク値が現われなくなる。このため、光の吸収を考慮して解析波長領域を設定する必要がある。例えば、図１３は、図１２よりもさらに活性層６ａを厚く（４５μｍ）した場合を示したものであるが、この図からも活性層６ａによる光の吸収が厚みに応じて大きくなることが分かる。

図１５に、活性層６ａ、つまりＳｉによる光の吸収係数αに対する波長の依存性を示す。この図に示されるように、波長が大きくなるほど吸収係数αが小さくなり、光の透過性が良くなる。そして、活性層６ａでの透過率と図１２、図１３の各結果とから、光の干渉と透過率の関係を調べたところ、透過率が１０％になると光の干渉が明確に確認できることが分かった。図１６に、透過率が１０％となる活性層６ａの厚みと波長との関係を示す。この図の斜線領域において光の干渉が明確に確認でき、膜厚測定が可能となる。すなわち、活性層６ａの厚さを２５μｍとした場合（つまり図１２）では、波長が８２０ｎｍ付近から光の干渉が明確に認められ、活性層６ａの厚さを４５μｍとした場合（つまり図１３）では、波長が８８０ｎｍ付近から光の干渉が明確に認められていることから、図１に示す結果と一致する。このため、活性層６ａでの光の透過率が１０％以上となるように解析波長領域を設定することで、正確に光の干渉を得ることができ、正確な膜厚測定を行うことが可能となる。

一方、図１４は、活性層６ａを１４μｍ、酸化膜６ｃを１．３μｍとした場合を示している。この場合においても、図中に示されるように「節」が明確に現われているが、この「節」を避けるように解析波長領域が設定されるため、正確に波数やピーク値を求めることができ、正確に活性層６ａを求めることが可能となる。

また、上記方法を用いた場合における計測データ等と標準計測器を用いた膜厚測定データとを比較したところ、図１７のように表された。ただし、計測データを得た時の計測条件を、ＣＣＤアレイ４ｂでの露光時間６ｍ秒、計測ヘッド３からＳＯＩ基板６までの計測距離２０ｍｍとし、極大値の波長を検出することで計測データを得ている。そして、酸化膜６ｃの厚さが１．１μｍの時には８５０〜９６０ｎｍ（ただし活性層６ａの厚さが４６μｍの場合のみ９２０〜１０００ｎｍ）、１．３μｍの時には８２０〜９２０ｎｍ、３．５μｍの時には８６０〜９２０ｎｍの解析波長領域を設定している。また、標準計測器には、活性層６ａの膜厚が７μｍ以下の場合にはナノメトリクス社のナノスペックを用い、膜厚が７μｍ以上の場合にはＦＴ−ＩＲを用いている。

この計測データから分かるように、各計測データが実線で示される標準計測器の膜厚測定データとほとんど一致しており、非常に良い相関が得られていることが分かる。

また、上記方法を用い、ＳＯＩ基板６を回転させた場合の計測も行った。この結果を図１８に示す。この計測では、計測条件を、ＣＣＤアレイ４ｂでの露光時間１０ｍ秒、解析波長領域が８５０〜９６０ｎｍ、ＳＯＩ基板６の回転速度が７５回転／分となるように設定している。そして、活性層６ａの厚さが９．３μｍ、酸化膜９ｃの厚さが１．１μｍ、径が６インチを成すＳＯＩ基板６を用い、ＳＯＩ基板６の最外周から測定間隔を１０ｍｍとして、測定時間間隔１秒毎に測定を行っている。なお、図中破線は、ＦＴ−ＩＲ装置を用いて、ＳＯＩ基板６が静止した状態において４箇所で活性層６の膜厚を計測したときの最大値と最小値を示している。

この結果からも分かるように、ＳＯＩ基板６を回転させた場合においても、標準計測器として使用されるＦＴ−ＩＲ装置での計測結果と一致し、正確に活性層６ａの膜厚測定を行うことができると言える。

さらに、上記方法を用い、ＳＯＩ基板６（活性層６ａ）の表面に水を介在させた場合についての計測も行った。この結果を図１９に示す。この計測では、水の厚さを１ｍｍ、活性層６ａの厚さを１４μｍ、酸化膜６ｃの厚さを１．３μｍとしている。このように水が介在している場合においても「節」を避けるように解析波形領域を選択することで、正確に波数やピーク値を求めることができ、正確に活性層６ａを求めることが可能となる。

なお、上記した解析波長領域の設定においては、解析波長領域の上限について説明していないが、反射光の干渉情報を一括して受け取る手段として用いるものに依存して解析波長領域の上限を設定することもできる。例えば、ここでの説明に用いたように、反射光の干渉情報を一括して受け取る手段としてＣＣＤアレイ４ｂを用いる場合、波長と反射強度との実測波形が図２０（ａ）のようになり、波長が長い領域において、図２０（ｂ）で示される理論波形と相違する。これは、ＣＣＤアレイ４ｂの感度不足のために生じており、ＣＣＤアレイ４ｂを用いた場合には、波長が約１０００ｎｍとなる付近から感度不足が発生する。このため、ＣＣＤアレイ４ｂを用いる場合には、解析波長領域の上限を約１０００ｎｍに設定するのが好ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、図１に示した膜厚測定装置を用いて、研磨装置によるＳＯＩ基板６の研磨中に活性層６ａの膜厚測定を行うものである。図２１に、本実施形態における膜厚測定の様子を表した模式図を示す。

図２１に示す研磨装置は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈ）装置である。この研磨装置は、研磨パッド１１と、研磨パッド１１が貼られている定盤１２と、ＳＯＩ基板６を取り付けるヘッド１３と、砥粒を含むスラリ１４ａを滴下するスラリ供給部１４とを備えている。

そして、ＳＯＩ基板６のうち平坦化する表面（つまり活性層６ａ側）が研磨パッド１１側に位置するようにＳＯＩ基板６をヘッド１３に固定したのち、スラリ供給部１４からスラリ１４ａを供給しつつ、ヘッド１３によってＳＯＩ基板６を定盤１２に押圧させた状態で定盤１２及びヘッド１３を回転させることで、研磨パッド１１によってＳＯＩ基板６の表面を平坦化できるようになっている。

このように構成された研磨装置において、定盤１２及び研磨パッド１２に窓部１２ａが設けられており、この窓部１２ａを通じて膜厚測定が行われるようになっている。なお、膜厚測定に用いる膜厚測定装置は、図１と同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。

このような研磨中における膜厚測定は図２２に示すフローチャートに従って行われる。すなわち、まず、解析波長領域の設定、ＳＯＩ基板６への光の照射、分光器４による反射光信号測定、ピーク位置および波数の検出、膜厚算出、膜厚出力（ステップＳ２０１〜２０６）を行う。これら各処理は、図３におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０６と同様に行う。続いて、測定膜厚が所望の設定膜厚以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。これにより、活性層６ａが所望の膜厚となったか否かが判定される。そして、ここでの処理が否定判定されれば今までの処理を繰り返し行い、肯定判定されれば解析装置５から研磨終了を示す終点信号が出力され（ステップＳ２０８）、この信号を受けて研磨装置での研磨が停止される。

このように、研磨装置での研磨工程中にも活性層６ａの膜厚測定を行うことができ、より正確に活性層６ａを所望の膜厚にすることができる。

なお、ここでは定盤１２に窓部１２ａを設けることによって研磨中における膜厚測定を行っているが、定盤１２に窓部１２を設けなくても、ＳＯＩ基板６の一部が定盤１２の外周端よりも外側にはみ出るようにし、そのはみ出た部分に対して光を照射することで活性層６ａの膜厚測定を行うようにしてもよい。また、このようにＳＯＩ基板６の一部を定盤１２の外周端からはみ出させる際には、研磨を行ったままの状態としてもよいし、一旦、研磨を停止させた状態としてもよい。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で示した活性層６ａの膜厚のズレ量の補正を行なう場合について説明する。

上記各実施形態において、ＳＯＩ基板６は２層構造の膜構造を持つため、活性層６ａの直下にある酸化膜６ｃの影響を受け、ピーク値となる波長での位相が単層膜の時に対して若干シフトすることになる。このため、計測膜厚値にズレ、具体的には実際の膜厚よりも厚く検出されるという誤差が生じ、より高精度な膜厚測定が要求される場合には、膜厚計測値の誤差が許容できなく場合が生じる。この問題に対し、多くの測定実測値から対応表を作成し、補正を行なうという方法も可能であるが、汎用性に乏しく、また計測原理に基づいていないため、補正精度のバラツキが大きくなるという問題が発生することが予測される。特に、活性層６ａが薄いほど、また酸化膜６ｃの膜厚が厚いほど、その影響が大きくなり、膜厚の計測誤差が大きくなるという問題が発生する。

このため、本実施形態では、数１４に示す式を用いて、ピーク値となる波長での位相のシフト量ｓに起因した活性層６ａの膜厚のズレ量の補正を行なう。この数１４で示される補正用の算出式は、第１実施形態で示した数５におけるＸから各ピーク値となる波長での位相シフト量ｓ分を補正したものである。

以下、この活性層６ａの膜厚のズレ量の補正に用いる位相シフト量ｓについて説明するが、それに先立ち、このズレ量の補正の概念に関して分光法の原理を基に説明する。ただし、分光法の原理のうち第１実施形態と同様の部分については、第１実施形態を参照する。

まず、第１実施形態で示した図６において、媒質ＩＩが単層膜構造である場合を想定し、図中に示した光の干渉現象に基づいて、媒質ＩＩから媒質Ｉへ出てくる光のエネルギー反射率Ｒを求める。すると、エネルギー反射率Ｒは、上述した数９のように表され、この式は数１５のように変換される。

そして、δ＝４πｎ₂ｄ／λであり、ｃｏｓδが−１〜１の間で変化することから、ｃｏｓδ＝±１となるときにエネルギー反射率Ｒが極大値もしくは極小値をとる。すなわち、４πｎ₂ｄ／λ＝２ｍπ、及び４πｎ₂ｄ／λ＝（２ｍ−１）π（ｍは自然数）の条件を満たす時に、極大値もしくは極小値をとる。従って、２ｎｄ＝ｍλ、２ｎｄ＝（ｍ−１／２）λの２式が導き出され、いずれの式が極大値、極小値になるかは、各媒質Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩの屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃の大小関係、つまりこれらの大小関係に基づき上記数６、数７から求まるｒ₁、ｒ₂によって決まる。

次に、図２４に、２層膜構造の場合における光の干渉現象の模式図を示し、２層構造の場合における多重反射について考える。

図２４に示されるように、媒質Ｉ〜媒質ＩＶを想定し、これら各媒質Ｉ〜ＩＶの屈折率をｎ₁〜ｎ₄、媒質ＩＩの膜厚をｄ₁、媒質ＩＩＩの膜厚をｄ₂、入射光の振幅を１、反射光の振幅をｒ₁〜ｒ₃、透過光の振幅をｔ₁〜ｔ₃とすると、単層膜構造の場合と同様の方法により、エネルギー反射率Ｒが数１６のように求まる。ただし、数１６中におけるｒ₂’は数１７で示されるものであり、媒質ＩＩＩ及び媒質ＩＶでの反射光の振幅の合成反射率に相当するものである。また、δ₁＝４πｎ₂ｄ₁／λ、δ₂＝４πｎ₃ｄ₂／λである。

従って、数１６は、単層膜構造の下側の界面での反射率を媒質ＩＩＩの上下界面での合成反射率ｒ₂’で置き換えたもので表され、ｃｏｓδ₁が−１〜１で変化する間にｒ₂’が一定ならば、単層膜モデルと等価になる。しかしながら、実際には、δ₁だけでなくδ₂も同時に変化するため、ｒ₂’も変化し、極大値もしくは極小値をとるときのδ₁の値にズレが発生する。数１７から明らかなように、ｒ₂’はδ₂に依存するため、δ₁のズレ量はδ₂に依存する。

つまり、波長λの変化に対するδ₂の変化量がδ₁の変化量に比べて十分小さい時には、数１５を単層膜の式に置き換えても実質上問題ないが、δ₂とδ₁との変化量の差が小さくなると、単層膜での近似では精度良く媒質ＩＩの膜厚ｄ₁を求めることができなくなる。なお、ここでいうδ₂とδ₁との変化量の差が小さくなるときとは、具体的にはδ₁／δ₂＝ｎ₂ｄ₁／ｎ₃ｄ₂の値が小さくなるとき、すなわち、媒質ＩＩの膜厚が比較的薄いとき又は媒質ＩＩＩの膜厚が比較的厚いときを示している。

以上の原理に基づけば、δ₂とδ₁との変化量の差が小さくなるときには、活性層６ａの膜厚ｄを精度良く検出することができず、膜厚ｄのズレ量分を補正する必要がある。

従って、上述した数５で示した活性層６ａの膜厚ｄからδ₁のズレ量分を補正するにあたり、δ₂のズレ量を求めることでδ₁のズレ量を推定することが必要となる。そして、δ₁がピーク値となる波長での位相のシフト量ｓと、ｒ₂’が周期関数であるｃｏｓδ₂に依存することから、δ₂／２π、すなわちδ₂の影響が酸化膜６ｃの厚さと波長から求まる酸化膜６ｃの位相値（＝２ｎｄｏｘ／λ）の小数部で代表できることから、これらの関係を予め求めておくことにより、位相値の小数部分をパラメータとして位相シフト量ｓを一義的に求めることが可能である。

すなわち、位相値の小数部分とシフト量ｓとの関係をシミュレーションによって求めると、図２５に示される結果が得られることから、この関係図に基づいて位相値の小数部分に対応する位相シフトｓを求めることができる。

このように、位相シフト量ｓを考慮して、活性層６ａの膜厚のズレ量分を補正することで、より高精度に活性層６ａの膜厚を検出することが可能となる。参考として、図２６に、本実施形態に示した補正を行なった場合と行なっていない場合とについて、計測誤差を調べた実測結果を示す。なお、この実験では酸化膜６ｃの膜厚を３．５７μｍとしている。この図からも明らかなように、本実施形態で示した補正を行なうことにより、より高精度に活性層６ａの膜厚を検出することが可能になるといえる。

（他の実施形態）
上記各実施形態においける膜厚解析の原理として、必ずしも第１実施形態で示した方法を使用しなければならないわけではなく、他の膜厚解析の原理を使用してもよい。例えば、以下の方法を使用してもよい。この方法を上記図４を用いて説明する。

図４に示すように、ＳＯＩ基板６に光を照射すると、活性層６ａと酸化膜６ｃとの界面や酸化膜６ｃと支持基板６ｂとの界面で反射が起こり、これらの反射光が互いに干渉する。この光の干渉は、活性層６ａの膜厚ｄと屈折率ｎと波長λとによって変化する。

そして、波長がλ₁からλ₂まで変化したとき、反射光は互いに強め合ったり弱め合ったりを繰り返し、位相がψ［ｒａｄ］変化したとすると、活性層６ａの厚さｄは干渉の関係から次式で表される。

このψがちょうど２πの整数倍になるとき、上記第１実施形態で説明した膜厚解析方法における数５の式となる。上記第１実施形態で説明した膜厚解析方法ではψが整数倍変化する波長λ₁、λ₂を求めたが、λ₁、λ₂を任意に設定し、λ₁からλ₂の間の干渉光強度の波長変化（波形）から膜厚ｄを算出することも可能である。例えば、周波数解析を行うことにより、膜厚ｄを求める方法が採用できる。

具体的には、波長を横軸とした干渉信号は、中心周波数に微妙な周波数変調がかかった波形となる。このため、数１８のψ／２πは（λ₁−λ₂）を基本周期とする中心周波数ｆと置き換えることができ、数１９のように示すことができる。ただし、次式においてｆは（λ₁−λ₂）を基本周期（ｆ＝１）としている。

従って、この式からフーリエ変換を行うことで周波数ｆを算出し、この周波数ｆに基づいて膜厚ｄを算出することが可能となる。

さらに、上記第１実施形態では、解析波長領域の設定方法として、予め分かっている数値（屈折率ｎｏｘや膜厚ｄｏｘ）を予め解析装置５に入力しておき、この数値を用いて「節」を求めるようにしているが以下のようにしてもよい。

すなわち、分光器４からの干渉情報から得られる波長と反射強度との関係の波形から極大値を自動検出し、極大値を結ぶ曲線の極大値付近を中心とした波長領域を解析波長領域として設定するようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、光の干渉情報を一括して取得する手段としてＣＣＤアレイ４ｂを用いているが、この他の手段、例えばフォトダイオードアレイを用いても良い。

なお、上記各実施形態において、ＣＣＤアレイ等の一括して干渉情報を得る手段を用いないで、「節」だけを除去するようにしても、「節」を除去することによる効果を十分に得ることができる。

また、上記第３実施形態では、ＳＯＩ基板６における活性層６ａの膜厚測定を行なう場合について説明したが、第３実施形態に示す補正を屈折率の異なる２層膜構造の膜厚測定に用いることも可能である。

本発明の第１実施形態における膜厚測定方法を実現する膜厚測定装置の概略構成を示す図である。 分光器４の具体的構成の一例を示す図である。 図１に示す膜厚測定装置を用いた膜厚測定のフローチャートである。 膜厚解析方法を説明するための参考図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 光の干渉現象を模式的に示した図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 波長と反射強度との関係を示す波形図である。 Ｓｉの吸収係数の波長依存性を示す図である。 透過率が１０％となる活性層６ａの厚さを示した波長と活性層６ａの膜厚との関係を示した図である。 標準計測器の計測値と第１実施形態の計測値との相関関係を示す図である。 ＳＯＩ基板６を回転させた場合の計測結果を示した図である。 水を介在させた場合における波長と反射強度との関係を示す波形図である。 （ａ）は、波長１０００ｎｍまで実測したときの波長と反射強度との関係を示す波形図であり、（ｂ）は、理論値における波長と反射強度との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態における膜厚測定装置の概略構成を示した図である。 図２１に示す膜厚測定装置を用いた膜厚測定のフローチャートである。 「節」の影響を説明するための図である。 ２層膜構造の場合における光の干渉現象の模式図である。 位相値の小数部分とシフト量ｓとの関係をシミュレーションによって求めた図である。 本発明の第３実施形態における補正を行なった場合と行なっていない場合とについて、計測誤差を調べた実測結果を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 光ファイバ
３ 計測ヘッド
４ 分光器
５ 解析装置
６ ＳＯＩ基板
６ａ 活性層
６ｂ 支持基板
６ｃ 酸化膜

Claims (12)

1. 半導体層で構成された活性層（６ａ）と支持基板（６ｂ）とによって酸化膜（６ｃ）を挟み込んで構成されたＳＯＩ基板（６）に対して光を照射し、前記ＳＯＩ基板からの反射光に基づいて前記活性層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
   前記酸化膜の両面での反射光により、光の干渉が弱められた波長を除くように解析波長領域を設定する工程と、
   前記活性層に対して光を照射したことによる反射光を各波長別に分光する工程と、
   前記分光された各波長別の光の干渉情報を一括して取得する工程と、
   前記解析波長領域における前記干渉情報から波長と反射強度との関係を求めると共に、この関係を示した波形の極大値もしくは極小値となる波長を求め、該極大値もしくは極小値となる波長から前記活性層の膜厚を算出する工程とを有し、
   前記活性層の膜厚を算出する工程では、任意の極大値もしくは極小値における波長をλ₁、λ₂、波長λでの膜の屈折率をｎ（λ）、両波長間の周波数もしくは波数をＸ、単層膜構造と２層膜構造における前記極大値もしくは前記極小値となる波長での位相シフト量をｓ₁、ｓ₂とすると、前記活性層の膜厚ｄを、
   

   

   にて算出することを特徴とする半導体層の膜厚測定方法。
2. 前記位相シフト量ｓ₁、ｓ₂を、前記酸化膜の膜厚と該酸化膜内を通過する光の波長とから求められる該酸化膜の位相値に基づいて求めることを特徴とする請求項１に記載の半導体層の膜厚測定方法。
3. 前記解析波長領域を設定する工程では、
   前記酸化膜の屈折率をｎｏｘ、膜厚をｄｏｘとし、ｍを任意の正数であるとすると、前記解析波長領域を示すλとして、
   

   

   を満たす範囲に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体層の膜厚測定方法。
4. 前記活性層の膜厚を算出する工程では、前記極大値もしくは前記極小値となる波長のうち、前記極小値となる波長から前記活性層の膜厚を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体層の膜厚測定方法。
5. 前記解析波長領域を設定する工程では、前記解析波長領域として、前記活性層での光の透過率が所定値以上となる波長を設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体層の膜厚測定方法。
6. 前記解析波長領域を設定する工程では、前記解析波長領域として、前記活性層での光の透過率が１０％以上となる波長を設定することを特徴とする請求項５に記載の半導体層の膜厚測定方法。
7. 前記反射光を分光する工程および前記干渉情報を一括して取得する工程では、前記反射光を分光する回折格子（４ａ）と該回折格子によって分光された光の各波長別の干渉情報を一括して取得するＣＣＤアレイ（４ｂ）とを備えた分光器（４）を用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体層の膜厚測定方法。
8. 前記解析波長領域を設定する工程では、前記解析波長領域として、１０００ｎｍ以下の波長を設定することを特徴とする請求項７に記載の半導体層の計測方法。
9. 前記ＳＯＩ基板に対して前記活性層を研磨する研磨工程を有し、前記研磨中における前記活性層の膜厚を請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体層の膜厚測定方法により測定し、前記活性層が所望の膜厚になったことが検出されると前記研磨を終了させることを特徴とする半導体基板の製造方法。
10. 前記研磨工程では、前記ＳＯＩ基板を回転させることで前記活性層の研磨を行っており、前記ＳＯＩ基板を回転させたままの状態で前記活性層の膜厚の測定を行うことを特徴とする請求項９に記載の半導体基板の製造方法。
11. 第１の層（６ａ）及び該第１の層とは屈折率が異なる第２の層（６ｃ）とを有する基板（６）に対して光を照射し、前記基板からの反射光に基づいて前記第１の層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
    前記第１の層に対して光を照射したことによる反射光を各波長別に分光する工程と、
    前記分光された各波長別の光の干渉情報を取得し、この取得した干渉情報を用いて、前記第１の層の膜厚を算出する工程とを有していることを有し、
    前記第１の層の膜厚を算出する工程では、任意の極大値もしくは極小値における波長をλ₁、λ₂、波長λでの膜の屈折率をｎ（λ）、両波長間の周波数もしくは波数をＸ、単層膜構造と２層膜構造における前記極大値もしくは前記極小値となる波長での位相シフト量をｓ₁、ｓ₂とすると、前記第１の層の膜厚ｄを、
    

    

    にて算出することを特徴とする半導体層の膜厚測定方法。
12. 前記位相シフト量ｓ₁、ｓ₂を、前記第２の層の膜厚と該第２の層内を通過する光の波長とから求められる該第２の層の位相値に基づいて求めることを特徴とする請求項１１に記載の半導体層の膜厚測定方法。

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