JP4379870B2

JP4379870B2 - 膜厚測定方法および膜厚測定装置

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Publication number: JP4379870B2
Application number: JP2004073689A
Authority: JP
Inventors: 元宏河野; 喜之中澤; 敏和北嶋
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: EP1577636B1; US20050206911A1; DE602005017960D1; JP2005265418A; US7427520B2; EP1577636A1

Description

本発明は、基板上に形成された薄膜の厚さを測定する技術に関する。

近年、半導体製品の回路パターンのスケーリング則に基づく微細化に伴い半導体製造工程において半導体基板（以下、「基板」という。）上に形成される膜の厚さが非常に薄くなってきており、将来的には、例えば６５ｎｍのテクノロジノードの長さ（いわゆる、ノード長）に対してゲート絶縁膜の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）換算膜厚は１ｎｍ以下となることが予想されている。

一方、基板のクリーンルーム内における大気暴露や基板ケース内での保管により、膜厚の光学的な測定値が増加する現象が知られている。この現象は、プラスチック材料等からの放出ガスに起因する有機物が基板の表面に付着するために生じると考えられており、例えば、膜厚９．２ｎｍのシリコン酸化膜が形成された基板（ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板）を基板ケース内で１０日間保管すると、膜厚の測定値が約０．２ｎｍ増加することが確認されている。したがって、更なる薄膜化が進められた場合には、有機物による測定値の増加が半導体製造工程におけるプロセス管理に大きな影響を与えてしまう。なお、基板を保管するケースに放出ガスの少ない材料を用いたり、ケミカルフィルタを設けることにより有機物の付着を抑制することも考えられるが、放出ガスを完全に無くすことは困難である。

そこで、基板上の膜の厚さを精度よく測定するために、膜厚測定の前に基板を加熱して付着した有機物を除去する手法が提案されている。例えば、特許文献１では、加熱用チャンバにて加熱することにより有機物が除去された基板を、加熱用チャンバとは熱的に分離された冷却用チャンバにて冷却し、その後、基板上の膜の厚さを測定する手法が開示されている。また、特許文献２では基板の加熱前後における膜厚の測定値の差を補正値として求めておき、他の基板の測定の際に、加熱処理を行うことなく測定値から補正値を減算した値を真の膜の厚さとみなす手法が開示されている。しかしながら、非特許文献１に示されるように、基板を加熱する処理では有機物を完全に除去することができないことも確認されている。なお、紫外線やオゾンを利用して有機物を除去する手法も知られているが、基板に形成された膜を劣化させる恐れがある。
米国特許第６，２６１，８５３号明細書米国特許第６，５１９，０４５号明細書Ａ・ダネル（A.Danel），外４名，「急速光表面処理を用いたシリコン基板上の有機汚染物のドライ・クリーニング（Dry Cleaning of Organic Contamination on Silicon Wafers Using Rapid Optical Surface Treatment）」，（スイス），サイテック・パブリケーションズ（Scitec Publications），ソリッド・ステート・フィノメナ（Solid State Phenomena），第７６−７７巻（Vols.76-77），２００１年，ｐ．５９−６２

非特許文献１に記載された事実から、特許文献１の手法のように加熱後の基板上の膜の厚さを測定するのみでは、残存する有機物の影響により膜の厚さを精度よく測定することができないといえる。特許文献２の手法においても、加熱後に残存する有機物の影響が補正値に加味されておらず、さらに、基板内の位置によって有機物の付着量が異なることや、同一の基板ケース内に保管される基板間でも有機物の付着量が異なることも確認されているため、基板上の膜の厚さを正確に求めることはできない。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板上に形成された膜の厚さを精度よく測定することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板上に形成された薄膜の厚さを測定する膜厚測定方法であって、基板上に薄膜を形成した直後に取得される膜厚を真の膜厚として、前記基板に付着した有機物の除去処理による膜厚の測定値の減少量と、前記除去処理の前または後に付着している有機物に起因する前記真の膜厚と測定値との差である有機物付着量との関係を示す補正用データを準備する工程と、有機物の除去処理前の基板の膜厚の第１測定値を取得する第１膜厚測定工程と、前記基板に前記除去処理を施す工程と、前記除去処理後の前記基板の膜厚の第２測定値を取得する第２膜厚測定工程と、前記第１測定値と前記第２測定値との差および前記補正用データに基づいて、前記除去処理の前または後の有機物付着量を求める工程と、前記第１測定値および前記除去処理の前の有機物付着量、または、前記第２測定値および前記除去処理の後の有機物付着量に基づいて前記基板上に形成された薄膜の厚さを求める工程とを備え、前記補正用データを準備する工程、および、前記除去処理を施す工程における前記除去処理が、一定の温度にて一定の時間だけ基板を加熱するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定方法であって、前記補正用データにおいて、前記減少量と前記有機物付着量との関係が線形である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の膜厚測定方法であって、前記除去処理を施す工程と前記第２膜厚測定工程との間に、前記基板を冷却する工程をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の膜厚測定方法であって、前記除去処理を施す工程の後、一定時間経過時に前記第２膜厚測定工程が行われる。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の膜厚測定方法であって、前記第１膜厚測定工程および前記第２膜厚測定工程において、前記基板からの光を用いて前記薄膜の厚さが測定される。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の膜厚測定方法であって、前記第１膜厚測定工程および前記第２膜厚測定工程において、エリプソメータを用いて前記薄膜の厚さが測定される。

請求項７に記載の発明は、基板上に形成された薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、一定の温度にて一定の時間だけ基板を加熱することにより、前記基板に付着した有機物の除去を行う有機物除去部と、前記有機物除去部による除去処理前の基板の膜厚の第１測定値を取得するとともに、前記除去処理後の前記基板の膜厚の第２測定値を取得する膜厚測定部と、基板上に薄膜を形成した直後に取得される膜厚を真の膜厚として、前記基板に付着した有機物の除去処理による膜厚の測定値の減少量と、前記除去処理の前または後に付着している有機物に起因する前記真の膜厚と測定値との差である有機物付着量との関係を示す補正用データを記憶する記憶部と、前記第１測定値、前記第２測定値および前記補正用データを用いて基板上に形成された薄膜の厚さを求める膜厚算出部とを備える。

請求項１ないし７の発明では、基板上に形成された薄膜の厚さを精度よく求めることができる。

また、請求項２の発明では、有機物付着量を容易に求めることができる。

また、請求項３の発明では、薄膜の厚さを速やかに求めることができる。

また、請求項４の発明では、薄膜の厚さをさらに精度よく求めることができる。

図１は本発明の一の実施の形態に係る膜厚測定装置１を示す正面図である。図１に示すように膜厚測定装置１の本体部２には基板に付着した有機物を除去する有機物除去部３が取り付けられ、本体部２の下部には膜厚測定装置１の全体制御を担う制御ユニット４が設けられる。膜厚測定装置１では、有機物除去部３により基板に付着した有機物が除去された後、本体部２の構成により基板上に形成された薄膜（例えば、酸化膜）の厚さが測定される。以下、本体部２および有機物除去部３について詳述する。

図２は膜厚測定装置１の内部構成を示す図である。なお、図２では有機物除去部３の後述するチャンバ本体３１の断面の平行斜線の図示を省略している。

本体部２に設けられた定盤２０１上には、基板９を保持するステージ部２１、および、ステージ部２１を図２中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２２が設けられる。また、定盤２０１上にはステージ移動機構２２を跨ぐようにしてフレーム２０２が固定され、フレーム２０２には基板９上に偏光した光（以下、「偏光光」という。）を照射して基板９からの反射光の偏光状態を取得するエリプソメータ２３、および、基板９に照明光を照射して基板９からの反射光の分光強度を取得する光干渉ユニット２４が取り付けられる。

ステージ部２１は、基板９を保持する円板状の基板保持部２１１、および、基板保持部２１１を回動するステージ回動機構（図示省略）を有し、基板保持部２１１の表面には基板９の吸引吸着に利用される溝２１２が形成される。ステージ部２１において基板保持部２１１の外側には基板９を図２中のＺ方向に移動する複数のリフトピン２１３が設けられる。ステージ移動機構２２はそれぞれがモータを有するＸ方向移動機構２２１およびＹ方向移動機構２２２を有し、ステージ移動機構２２によりステージ部２１上の基板９がエリプソメータ２３および光干渉ユニット２４に対して移動する。

エリプソメータ２３は、偏光光を基板９に向けて出射する光源ユニット２３１、および、基板９からの反射光を受光して反射光の偏光状態を取得する受光ユニット２３２を有する。光源ユニット２３１は光ビームを出射する半導体レーザ（ＬＤ）、および、偏光素子であるポーラライザを有し、半導体レーザからの光ビームはポーラライザにより偏光されて偏光光が基板９上に照射される。受光ユニット２３２は偏光素子であるアナライザを有し、アナライザは光軸に平行な軸を中心として回転する。偏光光の基板９からの反射光は回転するアナライザへと導かれ、透過した光がフォトダイオードにて受光される。エリプソメータ２３ではフォトダイオードの出力がアナライザの回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得され、制御ユニット４へと出力される。なお、エリプソメータ２３の構成は上記のものに限定されず、例えば、ポーラライザが回転してもよい。

光干渉ユニット２４は、白色光を出射する光源を有し、光源からの光は光学系を介して基板９の表面に照射される。基板９からの反射光は光学系により分光器へと導かれて反射光の分光強度が取得され、制御ユニット４へと出力される。

制御ユニット４は、本体部２や有機物除去部３を制御する回路以外に、エリプソメータ２３から入力される反射光の偏光状態、または、光干渉ユニット２４から入力される反射光の分光強度に基づいて基板９の膜厚の（補正前の）測定値を取得する測定演算部４１、測定演算部４１からの測定値を補正して基板９の薄膜の真の厚さを求める膜厚算出部４２、並びに、膜厚算出部４２による膜厚の測定値の補正に利用される補正用データ８１を記憶する記憶部４３を有する。以下の説明では、より薄い膜厚の測定が可能なエリプソメータ２３を用いて測定演算部４１において膜厚の測定値が取得されるものとするが、もちろん、必要に応じて光干渉ユニット２４を用いて膜厚の測定値が取得されてもよい。

本体部２においてステージ部２１と有機物除去部３との間には、搬送ロボット２５が設けられ、搬送ロボット２５の（−Ｙ）側には基板９が収納されたポッド９１（例えば、ＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod））の開閉を行うポッドオープナ２６が取り付けられる。搬送ロボット２５は、伸縮するアーム２５２の先端に基板９が載置される載置部２５１が取り付けられ、アーム２５２は回動機構２５３に固定される。回動機構２５３は移動機構２５４によりＹ方向に移動する。搬送ロボット２５はステージ部２１、有機物除去部３およびポッドオープナ２６にアクセス可能とされ、ポッドオープナ２６により開放されたポッド９１内の基板９は搬送ロボット２５により取り出されて膜厚測定装置１にロードされる。また、膜厚測定後の基板９は搬送ロボット２５によりポッド９１内へと戻されて基板９が膜厚測定装置１からアンロードされる。

図３は有機物除去部３を拡大して示す図である。図３に示すように有機物除去部３は基板９の処理空間を形成するチャンバ本体３１を有し、チャンバ本体３１内には、内部に設けられたヒータにより基板９を加熱（例えば、２００〜４２０℃に加熱）する円板状のホットプレート３２、および、アルミニウムにて形成されるとともに基板９を冷却（例えば、１０〜４０℃に冷却）する円形の薄板状のクーリングプレート３３がＹ方向に並んで配置される。また、ホットプレート３２とクーリングプレート３３との間には、ホットプレート３２からクーリングプレート３３へと基板９を移動する搬送アーム３４が設けられ、搬送アーム３４の先端は基板９を吸引吸着にて保持するチャック部３４１とされる。なお、本実施の形態では、熱伝導率の高いアルミニウムにて形成されるクーリングプレート３３上に基板９が載置されることにより基板９の冷却が行われるが、クーリングプレート３３には必要に応じて水冷機構や空冷機構が設けられてもよい。また、クーリングプレート３３はアルミニウム以外の材料にて形成されてもよい。

ホットプレート３２の表面には複数のセラミックボール３２３が基板９の外周よりも僅かに小さい直径の円周上に等間隔にて配置される。ホットプレート３２では、複数のセラミックボール３２３により載置される基板９とホットプレート３２の表面との間に微小な間隙（いわゆる、プロキシミティギャップ）が形成され、基板９を均一に加熱することが実現されるとともに、基板９の裏面（ホットプレート３２側の主面）にパーティクル等の不要物が付着することが抑制される。クーリングプレート３３にも同様に複数のセラミックボール３３３が設けられ、基板９を均一に冷却することが実現されるとともに、基板９の裏面へのパーティクル等の付着が抑制される。また、ホットプレート３２およびクーリングプレート３３のそれぞれには基板９の位置ずれを防止する複数のガイド部３２４，３３４が立設される。

図４は有機物除去部３の内部構成を示す図であり、（＋Ｘ）側から（−Ｘ）方向を向いて見た様子を示している。なお、図４ではチャンバ本体３１の本体部２側の部位を取り外した状態を示している。

図４に示すようにホットプレート３２およびクーリングプレート３３は水平姿勢にてほぼ同じ高さに配置されている。ホットプレート３２の近傍には、複数のリフトピン３２１が接続されるとともにシリンダを有するピン移動機構３２２が設けられ、ピン移動機構３２２により複数のリフトピン３２１がＺ方向に移動する。ホットプレート３２には複数のリフトピン３２１にそれぞれ対向する位置に複数の貫通孔が形成され、ホットプレート３２上の基板９は複数のリフトピン３２１によりＺ方向に移動する。クーリングプレート３３の近傍にも、ホットプレート３２と同様に、複数のリフトピン３３１をＺ方向に移動するとともにシリンダを有するピン移動機構３３２が設けられ、クーリングプレート３３には複数のリフトピン３３１にそれぞれ対向する複数の貫通孔が形成されてクーリングプレート３３上の基板９が複数のリフトピン３３１により突き上げられる。

クーリングプレート３３にはさらに、基板９の位置を調整するセンタリングユニット３５が設けられ、センタリングユニット３５は、基板９のエッジの位置を検出するエッジ検出センサ３５１、基板９を真空吸着により保持するチャック部３５２、チャック部３５２を回動する回動機構３５３、チャック部３５２を昇降する昇降機構３５４、並びに、チャック部３５２をＸ方向およびＹ方向に微小に移動する微小移動機構３５５を有する。クーリングプレート３３では、チャック部３５２が基板９を保持しつつ回動することにより、エッジ検出センサ３５１により基板９のエッジおよびノッチ（または、オリエンテーションフラット）が検出される。これにより、基板９の中心の位置およびノッチの向きが特定され、微小移動機構３５５および回動機構３５３が制御されて基板９がセンタリングされつつノッチが所定の方向に向く。

図３のチャンバ本体３１の（＋Ｘ）側（本体部２側）の部位には、Ｙ方向に並ぶ２つの開口３１１，３１２が設けられる（図４では、二点鎖線にて示している。）。（−Ｙ）側の開口３１１はホットプレート３２の近傍に形成され、搬送ロボット２５（図２参照）によりホットプレート３２へと搬入される基板９が開口３１１を通過する。（＋Ｙ）側の開口３１２はクーリングプレート３３の近傍に形成され、クーリングプレート３３から搬出される基板９が開口３１２を通過する。

また、チャンバ本体３１には開口３１１，３１２をそれぞれ開閉する２つのシャッタ部（図示省略）が設けられる。２つのシャッタ部はそれぞれピン移動機構３２２，３３２の動作に同期しており、ピン移動機構３２２がリフトピン３２１を上昇すると開口３１１が開放され、ピン移動機構３３２がリフトピン３３１を上昇すると開口３１２が開放される。なお、シャッタ部の動作は必ずしも同期させる必要はなく、必要なタイミングで開口３１１，３１２を開放すればよい。

チャンバ本体３１には、さらに、開口３１１，３１２の上方（（＋Ｚ）側）において、下方に向けて所定のガス（例えば、窒素ガスや清浄な空気）を噴出するスリットノズルを有するノズル部３１５，３１６がそれぞれ設けられる。各ノズル部３１５，３１６は、チャンバ本体３１の内部を所定のガスでパージして清浄な状態を保つ。また、ノズル部３１５，３１６はそれぞれ開口３１１，３１２の周囲において、開口３１１，３１２が形成される面に沿ってガスを噴出するため、開口３１１，３１２が開放した状態において外部の空気がチャンバ本体３１の内部へと流入することを防止するエアカーテンのとしての役割も果たす。これにより、基板９の搬入または搬出時においてチャンバ本体３１内に外部の有機物等が進入して清浄度が低下することが抑制される。なお、開口３１１，３１２の下方に、上方に向かってガスを噴出するノズル部がさらに取り付けられてもよい。また、有機物除去部３では、チャンバ本体３１の内部をパージするガス供給部が別途設けられてもよい。この場合、クーリングプレート３３側からホットプレート３２側に向かってガスが流れるようにガス供給部が取り付けられることが好ましく、これにより、ホットプレート３２の熱によりクーリングプレート３３における基板９の冷却効率が低下することが防止される。

図４に示すようにチャンバ本体３１の上部にはメッシュ状の通気孔を有する上部カバー３１７が設けられ、上部カバー３１７の上側においてチャンバ本体３１との間に形成される空間へと流入するガスは図示省略のポンプおよびこのポンプに接続された排気管３１８を有する排気機構により排気される。これにより、ホットプレート３２により熱せられたチャンバ本体３１内のガスが排気機構により効率よく排気されてチャンバ本体３１内の雰囲気の温度上昇が防止される。また、排気管３１８をチャンバ本体３１の上部に設けることにより、有機物除去部３の設置面積を小さくすることができる。

図５は膜厚測定装置１が基板９に付着した有機物を除去し、有機物除去後の基板９上の薄膜の厚さを測定する動作の流れを示す図である。膜厚測定装置１では、まず、測定対象の基板９に形成された膜の構成に応じて補正用データ８１が準備される（ステップＳ１１）。

図６は補正用データ８１の内容を示す図である。ここで、補正用データ８１とは後述する有機物の除去処理による基板の膜厚の測定値の減少量と、除去処理前の有機物付着量の基板上の膜の構成に合わせた換算値（以下、「有機物付着量の換算値」という。）との関係を示すものである。図６に示すように、測定値の減少量と有機物付着量の換算値との関係は線形であり、測定値の減少量をｘ、有機物付着量の換算値をｙとすると補正用データ８１は、例えば、（ｙ＝１．１５４ｘ＋０．００３２）と表すことができる。なお、補正用データ８１を取得する処理については、全体動作の説明後に詳述する。

補正用データ８１が準備されると、図２のポッドオープナ２６にセットされたポッド９１が開放されて搬送ロボット２５によりそれぞれが同一の膜の構成を有する複数の測定対象の基板９のうち一の基板９が膜厚測定装置１にロードされる（ステップＳ１２）。ロードされた基板９は搬送ロボット２５により図３のチャンバ本体３１の開口３１２に対向する位置へと移動する。続いて、複数のリフトピン３３１の上昇に同期してシャッタ部が開放されるとともにアーム２５２が（−Ｘ）方向へと伸びることにより、載置部２５１上の基板９がチャンバ本体３１の内部へと搬入される。基板９がクーリングプレート３３の上方に位置すると、複数のリフトピン３３１がさらに上昇することにより基板９がリフトピン３３１上に移載される。載置部２５１が退避した後、リフトピン３３１が下降して基板９がチャック部３５２に保持されると、基板９が回動して基板９のエッジがエッジ検出センサ３５１により検出されることにより基板９のセンタリングおよびノッチの向きの調整が行われる。そして、基板９はリフトピン３３１により再度突き上げられて搬送ロボット２５によりチャンバ本体３１内から搬出され、図２のステージ部２１の複数のリフトピン２１３上に移載された後、リフトピン２１３の下降により基板保持部２１１にて保持される。

基板９はステージ移動機構２２により移動して、エリプソメータ２３による偏光光の照射位置に基板９上の所定の測定点が合わせられる。このとき、基板９の位置および向きがセンタリングユニット３５により予め調整されているため、基板９はエリプソメータ２３に対して精度よく位置決めされる。そして、エリプソメータ２３により偏光光が基板９に照射されるとともに基板９からの反射光が受光され、反射光の偏光状態が取得される。反射光の偏光状態は測定演算部４１に出力され、基板９の測定点における膜厚の測定値（以下、「第１測定値」という。）が取得される（ステップＳ１３）。このように、膜厚測定装置１ではエリプソメータ２３および測定演算部４１により基板９の膜厚を測定する膜厚測定部が構成される。

実際には、基板９上には複数の測定点が設定されており、一の測定点の第１測定値が取得されると、次の測定点が位置決めされて第１測定値が取得される。上記処理が繰り返されることにより、ステップＳ１３では複数の測定点のそれぞれにおける第１測定値が取得される。なお、光干渉ユニット２４に撮像部が設けられ、撮像部により取得される画像に基づいてより精度よく基板９が位置決めされてもよい。

基板９の膜厚の第１測定値が取得されると、基板９が搬送ロボット２５によりステージ部２１から取り出され、チャンバ本体３１の（−Ｙ）側の開口３１１に対向する位置へと移動する。そして、シャッタ部を開いた後、基板９が開口３１１を通過してホットプレート３２の上方へと移動し、複数のリフトピン３２１により基板９がホットプレート３２上に載置される。ホットプレート３２上の基板９は裏面が一定の温度にて一定の時間（例えば、３４０℃にて３分間）だけ加熱され、基板９に付着した有機物が除去される（ステップＳ１４）。基板９から除去された有機物は、周囲のガスと共に排気管３１８から排出されてチャンバ本体３１内の清浄度が維持され、基板９への有機物の再付着が抑制される。

基板９の加熱が終了すると、複数のリフトピン３２１により基板９が上昇し、搬送アーム３４のチャック部３４１が基板９の下方に移動する。続いて、リフトピン３２１が下降して基板９がチャック部３４１に保持され、搬送アーム３４が基板９をクーリングプレート３３の上方に移動する。クーリングプレート３３では、複数のリフトピン３３１により基板９が突き上げられ、チャック部３４１が退避した後、リフトピン３３１が下降することにより基板９がクーリングプレート３３に移載される（ステップＳ１５）。このように、有機物除去部３では、ホットプレート３２からクーリングプレート３３に至る基板９の移動経路がチャンバ本体３１の内部に含まれるため、移動途上において基板９に有機物が再付着することが抑制される。また、基板９を移動する搬送アーム３４がチャンバ本体３１の内部に配置されているため、チャンバ本体３１内の清浄度が一定に保たれる。さらに、ホットプレート３２およびクーリングプレート３３が水平姿勢にて水平方向に並んで配置されるため、リフトピン３２１またはリフトピン３３１により基板９を不必要に上下移動させることなく搬送アーム３４によりホットプレート３２からクーリングプレート３３へと基板９を容易に移動することができる。

クーリングプレート３３では、基板９の裏面、すなわち、ホットプレート３２により加熱された側の主面が一定の時間だけ冷却される（ステップＳ１６）。基板９が高温のままで膜厚が測定されると薄膜の光学定数が常温の場合と異なるため正確に膜厚を測定することができないが、クーリングプレート３３により基板９を冷却することにより、後述の処理において薄膜の厚さを正確にかつ速やかに求めることができる。

続いて、チャック部３５２が上昇して基板９が保持され、さらに回動して基板９のエッジが検出されることにより、基板９のセンタリングおよびノッチの向きの調整が行われる。このとき、基板９を自然冷却しつつセンタリングユニット３５により基板９の位置の調整が行われるため、膜厚測定に係る動作を効率よく行うことができる。位置が調整された基板９はリフトピン３３１により突き上げられ、搬送ロボット２５によりチャンバ本体３１の（＋Ｙ）側の開口３１２を通過してクーリングプレート３３から搬出される。その際、開口３１２を通過する基板９に向けてノズル部３１６から基板９よりも低い温度のガスが噴出されることにより基板９がさらに冷却される。

基板９の加熱後、一定時間冷却された基板９はステージ部２１に移動し、基板９上の複数の測定点のうち一の測定点がエリプソメータ２３の偏光光の照射位置に移動する。そして、偏光光の基板９からの反射光の偏光状態が取得され、測定演算部４１により有機物の除去処理後の基板９の一の測定点における膜厚の測定値（以下、「第２測定値」という。）が取得される（ステップＳ１７）。すなわち、有機物除去部３による除去処理後、一定時間経過時の基板９の膜厚がエリプソメータ２３および測定演算部４１により測定される。

続いて、他の測定点の第２測定値が同様に取得され、複数の測定点のそれぞれについて第２測定値が取得される。このとき、前述のように基板９がセンタリングされ、かつ、ノッチの向きが調整された状態でステージ部２１に載置されるため、ステージ部２１において測定点の位置決めに要する時間が短縮されることにより、チャンバ本体３１から搬出後、各測定点における第２測定値が取得されるまでにおける基板９への有機物の再付着が抑制される。

全ての測定点における第２測定値が取得されると、基板９は搬送ロボット２５によりステージ部２１から取り出されてポッド９１内へと戻され、基板９が膜厚測定装置１からアンロードされる（ステップＳ１８）。

膜厚算出部４２では、各測定点について第１測定値と第２測定値との差、および、補正用データ８１に基づいて有機物の除去処理前の有機物付着量の換算値が求められる（ステップＳ１９）。すなわち、第１測定値と第２測定値との差により測定値の減少量ｘを算出し、測定値の減少量ｘと有機物付着量の換算値ｙとの関係を示す補正用データ８１である線形式（ｙ＝１．１５４ｘ＋０．００３２）に代入することにより、有機物付着量の換算値ｙが容易に求められる。そして、第１測定値から求められた有機物付着量の換算値を減ずることにより、基板９上に形成された薄膜の厚さ（すなわち、補正後の膜厚）が求められる（ステップＳ２０）。

図７はステップＳ２０にて求められた薄膜の厚さの精度の高さを証明する実験結果を示す図であり、縦軸は薄膜の厚さを示し、横軸は基板９上の各測定点の中心からの距離を示している。図７において白い三角形は各測定点における第１測定値を示し、黒い三角形は第２測定値を示している。また、円は基板９上に薄膜を形成した（酸化した）直後に実験用に取得した各測定点における膜厚の測定値を示し、四角形が各測定点に対して求められた補正後の膜厚を示している。ここで、円にて示す膜厚の測定値は、有機物がほとんど付着していないと考えられる状態で取得されたものであるため、基板９上に形成された薄膜の真の膜厚といえる。四角形が示す補正後の膜厚と真の膜厚との誤差は０．０１ｎｍ以下であり、双方はほぼ一致しているといえる。よって、上記手法により基板９上に形成された薄膜の厚さが精度よく求められることが判る。

一の基板９について補正後の膜厚が求められると、膜の構成が同一である次の測定対象の基板９に対してステップＳ１２〜ステップＳ２０が繰り返される（ステップＳ２１）。このとき、測定対象である複数の基板９のそれぞれに対するステップＳ１４では、一定の温度にて一定の時間だけ基板９が加熱されるため、複数の基板９のそれぞれに対して、同一の補正用データ８１を用いて薄膜の厚さを精度よく求めることができる。そして、全ての測定対象の基板９に対して補正後の膜厚が求められることにより、膜厚測定装置１による処理が終了する（ステップＳ２１）。なお、実際には、ステップＳ１４およびステップＳ１６がそれぞれ異なる基板に対して並行して行われるため、有機物除去部３では基板が効率よく処理される。

次に、ステップＳ１１において準備される補正用データ８１を取得する処理について説明する。補正用データ８１を取得する際には、薄膜を形成した直後に膜厚（真の膜厚）が取得され、さらに、様々な長さの期間の間放置された複数の基板（以下、「参照基板」という。）が準備され、複数の参照基板のそれぞれに対して上述のステップＳ１２〜ステップＳ１８が繰り返されることにより、各参照基板の第１測定値および第２測定値が取得される。もちろん、各参照基板における測定点の数は複数であってもよい。

そして、各参照基板において第２測定値から第１測定値を減ずることにより参照基板に付着した有機物の除去処理による膜厚の測定値の減少量が求められ、第１測定値から真の膜厚を減ずることにより除去処理の前に付着している有機物に起因する真の膜厚と測定値との差である有機物付着量（すなわち、有機物付着量の換算値）が求められる。そして、各測定値の減少量と対応する有機物付着量の換算値との間の関係を示す線形近似式を求めることにより、補正用データ８１が取得される。なお、一般的には、測定値の減少量ｘと有機物付着量の換算値ｙとの関係を示す線形式の傾きおよび切片は基板９を加熱する際の温度および時間に依存する。

以上のように、図１の膜厚測定装置１における有機物除去部３ではチャンバ本体３１の内部にホットプレート３２、クーリングプレート３３、および、搬送アーム３４が設けられ、搬送アーム３４によりチャンバ本体３１内においてホットプレート３２からクーリングプレート３３に基板９が搬送される。これにより、一の基板を加熱しつつ他の基板を冷却することが可能な有機物除去部３において、基板９に付着した有機物を除去した後、冷却が完了するまでの間、基板９への有機物の再付着を抑制することができる。また、基板９を加熱することにより有機物を除去するため、基板９の品質を低下することなく有機物を除去することができる。

ところで、図８は有機物の除去処理前後における有機物付着量の換算値を示す図であり、四角形の点が除去処理前の有機物付着量の換算値を示し、三角形の点が除去処理後の有機物付着量の換算値を示している。なお、横軸は基板上の中心からの距離である。図８に示すように一般的な加熱処理（例えば、３４０℃にて３分間加熱）では、除去処理後の有機物付着量の換算値は０とならないことが実験により確認されている。この現象は上記非特許文献１にも記載されている通りである。

また、図９はポリプロピレン製の１つの基板ケース内に保管された複数の基板（正確には、同時に酸化膜が形成された複数の基板）における膜厚の測定値の経時変化を示す図であり、線７１，７２，７３はそれぞれ基板ケース内の異なる位置の基板の膜厚の測定値の変化を示している。酸化直後に比べて３２８時間経過時の測定値が、線７１，７２では０．０９ｎｍ増加するのに対して、線７３では０．２３ｎｍ増加する。よって、図９より同じ基板ケースに保管された場合であっても基板間で膜厚の測定値の増加量（すなわち、有機物付着量の換算値）が異なることが判る。さらに、図８に示されるように１つの基板内においても有機物の付着量が異なる。したがって、例えば、測定値から一定の値を減算することにより薄膜の厚さを精度よく測定することはできないといえる。

これに対して、膜厚測定装置１では有機物除去部３による除去処理前の基板９の膜厚の第１測定値、除去処理後の基板９の膜厚の第２測定値、および、除去処理による有機物の減少量の換算値と除去処理前の有機物付着量の換算値との関係を示す補正用データ８１を用いて基板９上に形成された薄膜の厚さが求められる。これにより、除去処理後に残存する（一定の量ではない）有機物による影響を受けることなく基板９上の薄膜の厚さを精度よく求めることが実現される。また、膜厚測定装置１では有機物の除去処理後、一定時間経過時に第２測定値を取得することにより、同一の補正用データ８１を用いて薄膜の厚さをさらに精度よく求めることができる。

なお、ステップＳ２０では第１測定値および有機物の除去処理前の有機物付着量に基づいて基板９上に形成された薄膜の厚さが求められるが、第２測定値および除去処理後の有機物付着量に基づいて補正後の膜厚が求められてもよい。この場合、ステップＳ１１では、除去処理による膜厚の測定値の減少量と、除去処理後に付着している有機物に起因する真の膜厚と測定値との差である有機物付着量の換算値との関係を示す補正用データが準備され、ステップＳ１９では除去処理後の有機物付着量の換算値が求められる。これにより、薄膜の厚さが精度よく求められる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

上記実施の形態において基板９に付着した有機物の除去処理は、ホットプレート３２が基板９を加熱することにより実現されるが、例えば、赤外線を基板に照射することにより、あるいは、基板の表面を高温のガスに晒すことにより基板が加熱されて有機物が除去されてもよい。この場合でも、基板の有機物を完全に除去することは困難であり、除去処理前後の膜厚の測定値および補正用データに基づく演算により基板の薄膜の厚さが精度よく測定される。

また、補正用データ８１は必ずしも式として準備される必要はなく、例えば、ルックアップテーブルとして準備されてもよい。

基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。また、基板上に形成される薄膜は酸化膜以外の他の絶縁膜等であってもよい。

膜厚測定装置を示す正面図である。膜厚測定装置の内部構成を示す図である。有機物除去部の内部構成を示す図である。有機物除去部の内部構成を示す図である。有機物を除去して基板上の薄膜の厚さを測定する動作の流れを示す図である。補正用データの内容を示す図である。基板上の各測定点における薄膜の厚さを示す図である有機物の除去処理前後における有機物付着量の換算値を示す図である。ケース内に保管された基板の膜厚の測定値の経時変化を示す図である。

符号の説明

１膜厚測定装置
３有機物除去部
９基板
２３エリプソメータ
４１測定演算部
４２膜厚算出部
４３記憶部
８１補正用データ
Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１９，Ｓ２０ステップ

Claims

基板上に形成された薄膜の厚さを測定する膜厚測定方法であって、
基板上に薄膜を形成した直後に取得される膜厚を真の膜厚として、前記基板に付着した有機物の除去処理による膜厚の測定値の減少量と、前記除去処理の前または後に付着している有機物に起因する前記真の膜厚と測定値との差である有機物付着量との関係を示す補正用データを準備する工程と、
有機物の除去処理前の基板の膜厚の第１測定値を取得する第１膜厚測定工程と、
前記基板に前記除去処理を施す工程と、
前記除去処理後の前記基板の膜厚の第２測定値を取得する第２膜厚測定工程と、
前記第１測定値と前記第２測定値との差および前記補正用データに基づいて、前記除去処理の前または後の有機物付着量を求める工程と、
前記第１測定値および前記除去処理の前の有機物付着量、または、前記第２測定値および前記除去処理の後の有機物付着量に基づいて前記基板上に形成された薄膜の厚さを求める工程と、
を備え、
前記補正用データを準備する工程、および、前記除去処理を施す工程における前記除去処理が、一定の温度にて一定の時間だけ基板を加熱するものであることを特徴とする膜厚測定方法。
請求項１に記載の膜厚測定方法であって、
前記補正用データにおいて、前記減少量と前記有機物付着量との関係が線形であることを特徴とする膜厚測定方法。
請求項１または２に記載の膜厚測定方法であって、
前記除去処理を施す工程と前記第２膜厚測定工程との間に、前記基板を冷却する工程をさらに備えることを特徴とする膜厚測定方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の膜厚測定方法であって、
前記除去処理を施す工程の後、一定時間経過時に前記第２膜厚測定工程が行われることを特徴とする膜厚測定方法。
請求項１ないし４のいずれかに記載の膜厚測定方法であって、
前記第１膜厚測定工程および前記第２膜厚測定工程において、前記基板からの光を用いて前記薄膜の厚さが測定されることを特徴とする膜厚測定方法。
請求項５に記載の膜厚測定方法であって、
前記第１膜厚測定工程および前記第２膜厚測定工程において、エリプソメータを用いて前記薄膜の厚さが測定されることを特徴とする膜厚測定方法。
基板上に形成された薄膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
一定の温度にて一定の時間だけ基板を加熱することにより、前記基板に付着した有機物の除去を行う有機物除去部と、
前記有機物除去部による除去処理前の基板の膜厚の第１測定値を取得するとともに、前記除去処理後の前記基板の膜厚の第２測定値を取得する膜厚測定部と、
基板上に薄膜を形成した直後に取得される膜厚を真の膜厚として、前記基板に付着した有機物の除去処理による膜厚の測定値の減少量と、前記除去処理の前または後に付着している有機物に起因する前記真の膜厚と測定値との差である有機物付着量との関係を示す補正用データを記憶する記憶部と、
前記第１測定値、前記第２測定値および前記補正用データを用いて基板上に形成された薄膜の厚さを求める膜厚算出部と、
を備えることを特徴とする膜厚測定装置。