JPH06249620A - 膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 開口数の大きな対物レンズを用いた膜厚測定
についても、正確に膜厚を測定することができる膜厚測
定方法を提供する。 【構成】 対物レンズの開口数が比較的大きい場合に
は、実測データの測定に先立って、第１検量線データが
求められる。すなわち、角度ゼロから対物レンズの開口
数に対応する最外角までの角度範囲内で、複数の入射角
度が選択される。そして、設定膜厚および設定波長ごと
に、その角度で入射する照明光成分に対する試料の反射
率がそれぞれ求められ、さらに積分されて、その設定膜
厚および設定波長での反射率が求められる。こうして、
対物レンズの開口数に対応して、各設定膜厚での波長に
対する試料の反射率を示す第１検量線データが求められ
る。その後、実測された実測データがその第１検量線デ
ータと比較されて、透明薄膜の膜厚が求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体集積回路作成
用のフォトマスク基板，半導体ウエハや液晶表示装置用
のガラス基板などの基板上に形成された透明薄膜の膜厚
を求める膜厚測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような基板上に形成されるフォト
レジスト膜やシリコン酸化膜などは、一般に極めて薄い
透明な膜であり、その膜厚は数ｎｍないし数μｍ程度で
ある。また、例えば半導体集積回路装置を製造する工程
では、この薄膜に露光，現像，エッチングなどの処理を
施すことによって、微小幅の細線パターンを形成してお
り、薄膜の膜厚およびパターンの線幅が所望のサイズと
なっているかどうかは、その製品の良否に大きな影響を
与える。そのため、製品の製造管理上、この膜厚を高い
再現精度を持って測定することができる膜厚測定装置お
よび膜厚測定方法が要請されている。

【０００３】そこで、このような要請に応えるべく、従
来より、以下のような膜厚測定方法が提案されている。

【０００４】まず、膜厚測定に先立って、試料に光が垂
直入射されるという条件下で、薄膜の膜厚が値ｄである
ときの分光反射率Ｒ’(d) を計算によって求め、さらに
薄膜が形成されていない（膜厚がゼロ）場合の分光反射
率Ｒ0 ’との比をとって、分光反射比率を求め、検量線
データとして膜厚測定装置の制御ユニットに設けられた
メモリに記憶しておく。例えば、シリコン基板上に膜厚
ｄが１２２０ｎｍのシリコン酸化膜が形成されていると
いう設定で検量線データを計算すると、図１６に示す検
量線データが得られる。このような処理を一定膜厚範囲
（例えば、ゼロから１３００ｎｍ間での範囲）において
等ピッチ（例えば、１０ｎｍピッチ）で行い、検量線デ
ータとしてメモリに記憶しておく。

【０００５】そして、膜厚測定対象の試料に光を照射
し、その試料により反射された光を分光し、分光反射率
を実測し、上記と同様にして、薄膜が形成されていない
（膜厚がゼロ）場合の分光反射率との比をとって、分光
反射比率を求め、これを実測データとしてメモリに一時
的に記憶する。その後、その実測データと上記のように
して求めた検量線データとに基づき、従来より周知のカ
ーブフィット法によって、その薄膜の膜厚を求める。な
お、こうして求められた膜厚値はＣＲＴに表示され、ま
たプリントアウトされる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記カーブ
フィット法では、実測データが示す波形と検量線データ
のそれとの類似性に基づき膜厚を決定するため、両波形
が大きく相違すると、求められた膜厚値が真の値から大
きく外れてしまうことがある。ここで、波形が異なって
しまう主たる原因は、対物レンズの開口数ＮＡである。
一般に低倍率の対物レンズは開口数ＮＡが小さいため照
明光の成分はほぼ垂直入射すると見なしてもよく、その
場合、実測データと検量線データとの誤差は無視できる
程度である。一方、高倍率の対物レンズは開口数ＮＡが
大きく、照明光は垂直入射以外の成分も多いため両デー
タの誤差が大きくなる。したがって、倍率の異なる対物
レンズを用いて同一試料（例えば、シリコン基板上に膜
厚ｄが不明のシリコン酸化膜が形成されている試料）の
シリコン酸化膜の膜厚を測定したとしても、その測定値
が大きく相違する場合がある。例えば、倍率が５倍の対
物レンズ（ＮＡ＝０．１）を用いた場合には、図１７に
示すような波形が得られ、カーブフィット法によってシ
リコン酸化膜の膜厚を求めると、「１２１９．６ｎｍ」
という結果が得られるのに対し、倍率が５０倍の対物レ
ンズ（ＮＡ＝０．７）を用いた場合には、図１８に示す
ような波形が得られ、カーブフィット法によってシリコ
ン酸化膜の膜厚を求めると、「１２０３．５ｎｍ」とい
う結果が得られる。

【０００７】ここで、図１６および図１７の比較からわ
かるように、低倍率の対物レンズを用いて得られる波形
は検量線データ（設定膜厚１２２０ｎｍ）の波形とほぼ
一致しており、真の値と考えられる。これに対し、高倍
率の対物レンズを用いて得られる波形（図１８）は設定
膜厚１２２０ｎｍの検量線データの波形（図１６）と大
きく異なっており、真の値と考えられる値（１２１９．
６ｎｍ）から大きくずれている。このように、対物レン
ズの開口数ＮＡが大きい場合には、従来の膜厚測定方法
をそのまま適用したのでは、正確な膜厚測定ができない
という問題があった。

【０００８】この発明は、上記課題を解決するためにな
されたもので、開口数の大きな対物レンズを用いた膜厚
測定についても、正確に膜厚を測定することができる膜
厚測定方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、基板上に透
明薄膜が形成された試料の表面に対物レンズを介して照
明光を照射し、さらにその試料により反射された光を分
光し、分光反射率を実測した後、その実測分光反射率を
あらかじめ求めておいた検量線データと比較して前記透
明薄膜の膜厚を求める膜厚測定方法であって、上記目的
を達成するため、前記検量線データは、前記透明薄膜が
それぞれ異なる設定膜厚を有すると仮定したときの、各
設定膜厚での波長に対する前記試料の反射率であり、設
定膜厚および設定波長ごとに、以下の工程(a) ，(b) 、
すなわち(a) 初期角度から前記対物レンズの開口数に対
応する最外角までの角度範囲内で、複数の角度を選択
し、その選択された角度で入射する照明光成分に対する
前記試料の反射率をそれぞれ求める工程と、(b) 工程
(a) で求めた前記複数の反射率を積分して、前記設定膜
厚および前記設定波長での反射率とする工程と、実行す
ることによって、前記検量線データを求めるようにして
いる。

【００１０】

【作用】この発明では、対物レンズの開口数に応じて、
以下のようにして検量線データが求められる。すなわ
ち、初期角度から前記対物レンズの開口数に対応する最
外角までの角度範囲内で、複数の入射角度が選択され
る。そして、設定膜厚および設定波長ごとに、その角度
で入射する照明光成分に対する試料の反射率がそれぞれ
求められ、さらに積分されて、その設定膜厚および設定
波長での反射率が求められる。こうして、対物レンズの
開口数を考慮しながら、各設定膜厚での波長に対する前
記試料の反射率を示す検量線データが求められる。した
がって、対物レンズの開口数が大きい場合であっても、
検量線データと実測分光反射率との誤差が小さくなり、
透明薄膜の膜厚を正確に求めることができる。

【００１１】

【実施例】

Ａ．膜厚測定装置の構成

【００１２】図１はこの発明にかかる膜厚測定方法を適
用可能な膜厚測定装置を示す図である。この膜厚測定装
置は、照明光学系１０と結像光学系２０を備えている。
この照明光学系１０には、白色光を出射するハロゲンラ
ンプ１１が設けられており、このハロゲンランプ１１か
らの光は２枚の単レンズ１２ａ，１２ｂからなるコンデ
ンサーレンズ１２，視野絞り１３およびコンデンサーレ
ンズ１４を介して結像光学系２０に入射される。

【００１３】結像光学系２０は対物レンズ２１，ビーム
スプリッタ２２およびチューブレンズ２３からなり、照
明光学系１０からの照明光はビームスプリッタ２２によ
って反射させ、対物レンズ２１を介して所定の照明位置
ＩＬに照射される。

【００１４】その照明位置ＩＬの近傍には、ＸＹステー
ジ３０が配置されている。このＸＹステージ３０は、基
板上に透明薄膜が形成された試料１を搭載しながら、Ｘ
Ｙステージ駆動回路３１からの制御信号に応じてＸ，Ｙ
方向に移動し、試料１表面の任意の領域を照明位置ＩＬ
に位置させる。なお、図面への図示を省略するが、この
ＸＹステージ３０には、その位置（Ｘ，Ｙ座標）を検出
して、その位置情報を装置全体を制御する制御ユニット
６０に与えられるようになっている。

【００１５】この照明位置ＩＬに位置する試料１の領域
（膜厚測定領域）で反射された光は、対物レンズ２１，
ビームスプリッタ２２およびチューブレンズ２３を介し
て光軸上の所定位置に集光される。この集光位置の近傍
には、中心部にピンホール４１を有するプレート４２が
配置されている。また、そのプレート４２の近傍にシャ
ッター４３が配置されており、制御ユニット６０からの
信号に基づきシャッター４３を駆動して、反射光のうち
ピンホール４１を通過した光が分光ユニット５０に入射
されるかどうかを制御するようになっている。

【００１６】分光ユニット５０は、反射光を分光する凹
面回折格子５１と、凹面回折格子５１により回折された
回折光の分光スペクトルを検出する光検出器５２とで構
成されている。光検出器５２は、例えばフォトダイオー
ドアレイやＣＣＤなどにより構成されており、ピンホー
ル４１と共役な関係に配置されている。このため、分光
ユニット５０に取り込まれた光は凹面回折格子５１に分
光され、その光の分光スペクトルに対応した信号が光検
出器５２から制御ユニット６０に与えられる。この制御
ユニット６０では、その信号に基づき後述する方法によ
り試料１に形成された薄膜（図３の１ｂ）の膜厚を求
め、その結果をＣＲＴ６１およびプリンター６２に出力
する。

【００１７】なお、チューブレンズ２３とプレート４２
との間の光軸上には、プリズム７１が配置されており、
試料１からの光の一部を取り出すようになっている。取
り出された光は、接眼ミクロメータ７２および接眼鏡７
３を介して所定位置に集光される。したがって、接眼鏡
７３より試料１表面の一部領域（膜厚測定領域）の像を
観察することができる。

【００１８】制御ユニット６０は、図１に示すように、
論理演算を実行する周知のＣＰＵ６３と、そのＣＰＵ６
３を制御する種々のプログラムなどを予め記憶するＲＯ
Ｍ６４と、後述する演算によって得られた検量線データ
などを膜厚測定に先立って記憶するとともに、装置動作
中に種々のデータを一時的に記憶するＲＡＭ６５とを備
えている。そして、図示を省略する入出力ポートを介し
てＣＰＵ６３はＣＲＴ６１，プリンター６２，キーボー
ド６６，ＸＹステージ駆動回路３１およびシャッター４
３との間で信号の授受を行う。

【００１９】Ｂ．膜厚測定装置の動作（膜厚測定処理）

【００２０】図２はこの発明にかかる膜厚測定方法の一
実施例を示すフローチャートである。以下、図２を参照
しつつ、その膜厚測定方法について説明する。

【００２１】まず、ステップＳ１で、図１の膜厚測定装
置の初期設定を行う。そして、それが完了すると、ＣＲ
Ｔ６１上に測定対象メニューを表示する。この測定対象
メニューには、図１の装置によって測定可能な膜種（基
板および薄膜の組み合わせ）が複数個表示されており、
そのメニューからオペレータがキーボード６６を操作し
て所望の膜種を選択するようになっている（ステップＳ
２）。なお、ここでは、説明の便宜のため、例えば図３
に示すように、シリコン基板１ａにシリコン酸化膜１ｂ
が形成された試料１が指定されたものと仮定する。

【００２２】ステップＳ３では、ステップＳ２で指定さ
れた膜種に応じた、つまりシリコン基板１ａおよびシリ
コン酸化膜１ｂについての屈折率や吸収係数などの光学
定数をそれぞれＲＯＭ６４から読み出す。

【００２３】そして、ステップＳ４で対物レンズ２１の
倍率が選択されると、次いでステップＳ５でその選択さ
れた対物レンズ２１の倍率が２０倍以上かどうかを判別
する。ここで、対物レンズ２１の倍率の大小を判別する
意図は、比較的高倍率の対物レンズ２１では一般に開口
数ＮＡが大きく、上述した問題が生じるため、開口数Ｎ
Ａを考慮した検量線データ（以下「第１検量線データ」
という）を実測データの測定に先立って計算しておく
（ステップＳ６）ことにより、上述問題の解消を図るた
めである。一方、低倍率の対物レンズ２１では、開口数
ＮＡは比較的小さく、上述問題は発生しにくいので、従
来と同様に開口数ＮＡを考慮することなく、照明光学系
１０からの照明光が試料１に垂直入射されるとの条件下
で計算した検量線データ（以下「第２検量線データ」と
いう）を用いて試料１の膜厚を求める。なお、第１検量
線データを用いることによる効果については、後で詳説
する。

【００２４】ステップＳ５で、選択された対物レンズ２
１の倍率が２０倍以上であると判別すると、図４および
図５に示す一連の処理（ステップＳ２１ないしステップ
Ｓ４３）を実行することにより、第１検量線データを計
算し、ＲＡＭ６５に記憶する。ここでは、膜厚測定処理
の説明の途中であるが、第１検量線データの作成処理に
ついて図３ないし図５に基づき詳細に説明するととも
に、第２検量線データの作成処理を図１３を参照しつつ
説明した後、膜厚測定処理の説明に戻る。

【００２５】＜第１検量線データの作成処理＞

【００２６】図３は測定対象となる試料を示す図であ
る。また、図４および図５は第１検量線データの作成工
程を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２１
では、波長ループカウンタのカウント値Ｌをクリアす
る。そして、ステップＳ２２でカウント値Ｌに応じた波
長λ(L) を設定する。例えば、カウント値Ｌがゼロのと
きには、初期波長がセットされる。

【００２７】次いで、ステップＳ２２で設定された波長
λ(L) に基づき、各種の光学定数のうち波長依存性を有
する光学定数（例えば、基板１ａの屈折率や基板吸収係
数など）を計算し、ＲＡＭ６５に記憶する（ステップＳ
２３）。

【００２８】次のステップＳ２４で、角度ループカウン
タのカウント値Ｉをクリアする。その後、ステップＳ２
５で、カウント値Ｉに応じた入射角度θ(I) を設定す
る。ここで、入射角度θ(I) は、ガウス積分において、
積分範囲及び分割ポイントによって決まる角度である。

【００２９】それに続いて、次の式

【００３０】

【数１】

【００３１】

【数２】

【００３２】

【数３】

【００３３】

【数４】

【００３４】

【数５】

【００３５】に基づき、Ｐ，Ｓ偏光に対するフレネル反
射係数ｒ0P（λ(L) ，θ(I) ），ｒ0S（λ(L) ，θ(I)
），ｒ1P（λ(L) ，θ(I) ），ｒ1S（λ(L) ，θ(I)
）をそれぞれ計算し、ＲＡＭ６５に記憶する（ステッ
プＳ２６）。

【００３６】そして、ステップＳ２７で、数５および次
式

【００３７】

【数６】

【００３８】

【数７】

【００３９】に基づき、Ｐ，Ｓ偏光に対する基板１ａ
（図３）の反射率Ｒ0P（λ(L) ，θ(I)），Ｒ0S（λ(L)
，θ(I) ）を計算し、ＲＡＭ６５に記憶する。例え
ば、カウント値Ｌ＝０，カウント値Ｉ＝０のとき、ステ
ップＳ２６，Ｓ２７が実行されたことにより、図６に示
すように、各データ（フレネル反射係数，基板１ａの反
射率）がＲＡＭ６５の一部に記憶されることとなる。

【００４０】次に、ステップＳ２８で角度ループカウン
タのカウント値Ｉをインクリメントした後、ステップＳ
２９でカウント値Ｉが値ＩMAX より小さいかどうか、つ
まり角度ループを続行するかどうかの判別を行う。ここ
で、値ＩMAX はガウス積分の分割ポイント数を示すもの
であり、対物レンズ２１の開口数ＮＡによって異なる。
例えば、開口数ＮＡが０．４のとき、表１からわかるよ
うに、値ＩMAX は「５」である。

【００４１】

【表１】

【００４２】ステップＳ２９でカウント値Ｉが値ＩMAX
よりの小さいと判別されている間は、上記ステップＳ２
５ないしＳ２９を繰り返して、カウント値Ｌ，カウント
値Ｉに応じたデータ（フレネル反射係数，基板１ａの反
射率）をＲＡＭ６５に順次記憶していく。こうして、種
々の角度θ(I) 、つまり角度θ(0) ，θ(1) ，…，θ(I
MAX-1)でのデータが順次求められる。

【００４３】一方、ステップＳ２９で「ＮＯ」と判別さ
れる、つまりカウント値Ｉが値ＩMAX 以上であると判別
されると、次のステップＳ３０に進む。なお、ステップ
Ｓ２９で「ＮＯ」と判別された時点では、ＲＡＭ６５に
は、図７に示すような状態で、フレネル反射係数および
基板１ａの反射率が記憶されている。

【００４４】ステップＳ３０ではガウス積分を用い、Ｒ
ＡＭ６５からＰ偏光に対する基板の反射率Ｒ0P（λ(L)
，θ(0) ）〜Ｒ0P（λ(L) ，θ(IMAX-1)）を読み出
し、

【００４５】

【数８】

【００４６】に基づき、反射率Ｒ0P（λ(L) ）を求める
とともに、同様にして、Ｓ偏光に対する基板の反射率Ｒ
0S（λ(L) ，θ(0) ）〜Ｒ0S（λ(L) ，θ(IMAX-1)）を
読み出し、

【００４７】

【数９】

【００４８】に基づき、反射率Ｒ0S（λ(L) ）を求め
る。ここで、Ｇ(I) はガウス積分の分割ポイントに対す
るウエイトパラメータであり、ＷP(I)及びＷS(I)は、後
述する光量比を示すパラメータである。そして、

【００４９】

【数１０】

【００５０】にしたがって、それらの平均値を求め、そ
れを波長λ(L) での基板の反射率Ｒ0（λ(L) ）とし
て、ＲＡＭ６５に記憶する。ここで、ＷP(I)及びＷS(I)
は、それぞれＰ偏光及びＳ偏光の光に関し、対物レンズ
の瞳上の照度に対する入射角度θ(I) の光の強度比を示
す。

【００５１】今、焦点距離ｆの対物レンズに平行光が入
射し、焦点面上の試料に入射角θで光線が入射する場合
を考える。対物レンズの瞳上において、光線が通過する
位置は、光軸を中心とする半径ｈ（＝ｆｓｉｎθ）の円
周上であり、換言すれば、その円周上の微小面から出射
された光が試料に照射される。従って、対物レンズの瞳
上の照度分布が一様であるとすれば、入射角θで試料に
入射する光の強度は、半径ｈの円の面積を入射角θで微
分した値（ｄＳ／＝ｄθ＝２πｆ² ｓｉｎ２θ）に比例
することになる。

【００５２】入射角θの光の強度比は、上記の関係に基
づいて求められるが、実際の膜厚測定装置においては、
対物レンズの瞳上の照度分布が一様でない等、理想状態
とは異なるため、上記の関係から得られる値を若干補正
するのが好ましい。なお、本実施例において、Ｐ偏光と
Ｓ偏光に対してパラメータを設定しているのは、理想状
態とは異なる要素の一つとして偏光を考慮したためであ
る。

【００５３】ステップＳ３１で膜厚ループカウンタのカ
ウント値Ｄをクリアした後、ステップＳ３２でカウント
値Ｄに応じた膜厚値ｄ(D) を設定する。

【００５４】また、ステップＳ３３で角度ループカウン
タのカウント値Ｉをクリアした後、ステップＳ３４でカ
ウント値Ｉに応じた入射角度θ(I) を設定する。それに
続いて、波長λ(L) および入射角度θ(I) に対応したフ
レネル反射係数ｒ0P（λ(L)，θ(I) ），ｒ0S（λ(L)
，θ(I) ），ｒ1P（λ(L) ，θ(I) ），ｒ1S（λ(L)，
θ(I) ）をＲＡＭ６５からそれぞれ読み出し、次式

【００５５】

【数１１】

【００５６】

【数１２】

【００５７】

【数１３】

【００５８】に基づき、膜厚値ｄ(D) でのＰ，Ｓ偏光に
対する測定対象試料１の反射率Ｒ1P（λ(L) ，θ(I) ，
ｄ(D) ），Ｒ1S（λ(L) ，θ(I) ，ｄ(D) ）を計算し、
ＲＡＭ６５に記憶する（ステップＳ３５）。例えば、Ｌ
＝０，Ｉ＝０，Ｄ＝０のとき、図８に示すように、各デ
ータ（膜厚値ｄ(D) でのＰ，Ｓ偏光に対する測定対象試
料１の反射率）がＲＡＭ６５の一部に記憶される。

【００５９】次に、ステップＳ３６で角度ループカウン
タのカウント値Ｉをインクリメントした後、ステップＳ
２９と同様に、カウント値Ｉが値ＩMAX よりの小さいか
どうか、つまり角度ループを続行するかどうかの判別を
行う（ステップＳ３７）。そして、ステップＳ３７でカ
ウント値Ｉが値ＩMAX よりの小さいと判別されている間
は、上記ステップＳ３４ないしＳ３６を繰り返し実行し
て、カウント値Ｌ，カウント値Ｉ，カウント値Ｄに応じ
たデータ、つまり膜厚値ｄ(D) でのＰ，Ｓ偏光に対する
測定対象試料１の反射率Ｒ1P（λ(L) ，θ(I) ，ｄ(D)
），Ｒ1S（λ(L) ，θ(I) ，ｄ(D) ）をＲＡＭ６５に
順次記憶していく。一方、ステップＳ３７で「ＮＯ」と
判別される、つまりカウント値Ｉが値ＩMAX 以上である
と判別されると、次のステップＳ３８に進む。なお、ス
テップＳ３７で「ＮＯ」と判別された時点では、ＲＡＭ
６５には、図９に示すような状態で、反射率Ｒ1P（λ
(L) ，θ(I) ，ｄ(D) ），Ｒ1S（λ(L) ，θ(I) ，ｄ
(D) ）が記憶されている。

【００６０】次に、ステップＳ３８で、ＲＡＭ６５から
Ｐ偏光に対する測定対象試料１の反射率Ｒ1P（λ(L) ，
θ(0) ，ｄ(D) ）〜Ｒ1P （λ(L) ，θ(IMAX-1)，ｄ
(D) ）を読みだし、

【００６１】

【数１４】

【００６２】に基づき、反射率Ｒ1P（λ(L) ，ｄ(D) ）
を求め、また同様にして、Ｓ偏光に対する測定対象試料
１の反射率Ｒ1S（λ(L) ，θ(0) ，ｄ(D) ）〜Ｒ1S
（λ(L)，θ(IMAX-1)，ｄ(D) ）を読みだして、

【００６３】

【数１５】

【００６４】に基づき、反射率Ｒ1S（λ(L) ，ｄ(D) ）
を求める。そして、

【００６５】

【数１６】

【００６６】によって、それらの平均値を求め、それを
波長λ(L) ，膜厚ｄ(D) での測定対象試料の反射率Ｒ1
（λ(L) ，ｄ(D) ）として、ＲＡＭ６５に記憶する。

【００６７】その後、ステップＳ３９で、

【００６８】

【数１７】

【００６９】に基づき、波長λ(L) ，膜厚ｄ(D) での測
定対象試料１の反射比率ＳＴＤ（λ(L) ，ｄ(D) ）を計
算し、ＲＡＭ６５に記憶する。

【００７０】それに続いて、ステップＳ４０で膜厚ルー
プカウンタのカウント値Ｄをインクリメントした後、ス
テップＳ４１でカウント値Ｄが所定の値ＤMAX よりも小
さいかどうか、つまり膜厚ループを続行するかどうかの
判別を行う。そして、このステップＳ４０で「ＹＥＳ」
と判別した場合（つまり、膜厚ループを続行すると判別
した場合）、ステップＳ３２に戻り、上記一連の処理を
繰り返して、種々の膜厚ｄ(D) での測定対象試料１の反
射比率ＳＴＤ（λ(L) ，ｄ(D) ）を計算し、ＲＡＭ６５
に順次記憶していく（図１０）。

【００７１】一方、ステップＳ４１で「ＮＯ」と判別し
た場合には、次のステップＳ４２に進み、波長ループカ
ウンタのカウント値Ｌをインクリメントした後、ステッ
プＳ４３でカウント値Ｌが所定値ＬMAX より小さいかど
うか、つまり波長ループを続行するかどうかの判別を行
う。

【００７２】ステップＳ４３で、「ＹＥＳ」と判別す
る、つまり波長ループを続行すると判別した場合には、
ステップＳ２２に戻って上記一連の処理を繰り返して、
最終的に図１１に示すように、種々の膜厚ｄ(D) ，波長
λ(L) での測定対象試料１の反射比率ＳＴＤ（λ(L) ，
ｄ(D) ）を計算し、ＲＡＭ６５に順次記憶していく。一
方、ステップＳ４３で「ＮＯ」と判別すると、第１検量
線データの作成を終了する。

【００７３】このように、表１に示すように対物レンズ
２１が開口数ＮＡが大きい場合（対物レンズ２１が比較
的高倍率の場合）には照明光の最外角は大きくなり、垂
直入射（入射角度がゼロ）のみ考慮して反射比率を計算
したのでは、実際の測定結果から大きくずれてしまう
（図１７と図１８を参照）。そこで、この実施例では、
対物レンズ２１の開口数ＮＡに対応した反射比率ＳＴＤ
を求めている。すなわち、垂直入射から最外角までの範
囲で、種々の角度θ(I) で入射する照明光成分のＰ偏光
およびＳ偏光に対する測定対象試料１の反射率Ｒ1P（λ
(L) ，θ(0) ，ｄ(D) ）〜Ｒ1P（λ(L) ，θ(IMAX-1)，
ｄ(D) ），Ｒ1S（λ(L) ，θ(0) ，ｄ(D)）〜Ｒ1S（λ
(L) ，θ(IMAX-1)，ｄ(D) ）をそれぞれ求め、それらを
ガウス積分することによって波長λ(L) および膜厚ｄ
(D) での試料１の反射率Ｒ1 （λ(L)，ｄ(D) ）を計算
し、さらにその値から対物レンズ２１の開口数ＮＡに対
応した反射比率ＳＴＤを求めるようにしている。

【００７４】例えば、図４および図５のフローチャート
にしたがって５０倍の対物レンズ２１（開口数ＮＡ＝
０．７）で、しかも設定膜厚ｄ(D) が１２２０ｎｍであ
るという条件下で、反射比率ＳＴＤを求め、グラフにプ
ロットすると、図１２に示す波形が得られる。図１２と
図１８との比較からわかるように、５０倍の対物レンズ
２１による実測データの波形（図１８）は第１検量線デ
ータの波形（図１２）と類似している。したがって、上
記のようにして開口数ＮＡに対応した検量線データ（第
１検量線データ）を用いて膜厚測定を行うと正確な測定
が可能となる。

【００７５】＜第２検量線データの作成処理＞

【００７６】図１３は第２検量線データの作成工程を示
すフローチャートである。この第２検量線データの作成
処理は、従来の検量線データの作成処理と同一であり、
照明光は常に試料１表面に対し垂直に入射されるものと
仮定して計算している点で、入射角度の幅（ゼロから最
外角の範囲）を考慮している第１検量線データと異な
る。なお、その他の点については、第１検量線データと
ほぼ同様であり、以下のようにして第２検量線データを
求めている。

【００７７】まず、ステップＳ５１で波長ループカウン
タのカウント値Ｌをクリアした後、ステップＳ５２でカ
ウント値Ｌに応じた波長λ(L) を設定する。それに続い
て、ステップＳ５２で設定された波長λ(L) に基づき、
各種の光学定数のうち波長依存性を有する光学定数（例
えば、基板１ａの屈折率や吸収係数など）を計算し（ス
テップＳ５３）、さらにその波長λ(L) での基板１ａの
反射率Ｒ0 （λ(L) ）を計算し、ＲＡＭ６５に記憶する
（ステップＳ５４）。

【００７８】ステップＳ５５で膜厚ループカウンタのカ
ウント値Ｄをクリアした後、ステップＳ５６でカウント
値Ｄに応じた膜厚値ｄ(D) を設定する。そして、波長λ
(L)および膜厚値ｄ(D) での試料１の反射率Ｒ1 （λ(L)
，ｄ(D) ）を計算し（ステップＳ５７）、さらに基板
１ａの反射率Ｒ0 （λ(L) ）との比を求め、その値を反
射比率ＳＴＤ（λ(L) ，ｄ(D) ）としてＲＡＭ６５に記
憶する（ステップＳ５８）。

【００７９】次に、ステップＳ５９で膜厚ループカウン
タのカウント値Ｄをインクリメントした後、ステップＳ
６０でカウント値Ｄが所定の値ＤMAX よりも小さいかど
うか、つまり膜厚ループを続行するかどうかの判別を行
う。そして、このステップＳ６０で「ＹＥＳ」と判別し
た場合（つまり、膜厚ループを続行すると判別した場
合）、ステップＳ５６に戻り、上記一連の処理を繰り返
して、種々の膜厚ｄ(D)での測定対象試料１の反射比率
ＳＴＤ（λ(L) ，ｄ(D) ）を計算し、ＲＡＭ６５に順次
記憶していく。

【００８０】それに続いて、ステップＳ６１で波長ルー
プカウンタのカウント値Ｌをインクリメントした後、ス
テップＳ６２でカウント値Ｌが所定値ＬMAX より小さい
かどうか、つまり波長ループを続行するかどうかの判別
を行う。ここで、「ＹＥＳ」と判別する、つまり波長ル
ープを続行すると判別した場合には、ステップＳ５２に
戻って上記一連の処理（ステップＳ５２ないしＳ６１）
を繰り返して、種々の膜厚ｄ(D) ，波長λ(L) での測定
対象試料１の反射比率ＳＴＤ（λ(L) ，ｄ(D)）を計算
し、ＲＡＭ６５に順次記憶していく。一方、ステップＳ
５２で「ＮＯ」と判別すると、第２検量線データの作成
を終了する。

【００８１】次に、図２に戻って、膜厚測定処理の説明
を続ける。以上のようにして、対物レンズ２１の開口数
ＮＡ（倍率）に対応して、検量線データ（第１あるいは
第２検量線データ）の作成処理が完了すると、ステップ
Ｓ８において、測定対象試料１の実測データを求める。

【００８２】図１４は測定対象試料１の実測データを求
めるステップＳ８の詳細な工程を示すフローチャートで
ある。同図に示すように、まず、標準試料（シリコンベ
アウエハ）をＸＹステージ３０上に載置する（ステップ
Ｓ７１）。そして、オペレータがキーボード６６の「Ｃ
ＡＬＩＢキー」を押動すると、制御ユニット６０では、
制御信号を装置各部に送り、その標準試料の分光反射光
量を計測し、さらに適当な補正を加えて、キャリブレー
ションデータＣＡＬ（λ）を求め、ＲＡＭ６５に記憶す
る（ステップＳ７２）。

【００８３】その後、標準試料をＸＹステージ３０から
取り除き、測定対象試料１をＸＹステージ３０にセット
する（ステップＳ７３）。そして、ステップＳ７２と同
様にして、測定対象試料１の反射光量データＳＡＭ
（λ）を求め、ＲＡＭ６５に記憶する（ステップＳ７
４）。それに続いて、両者の比（＝ＳＡＭ（λ）／ＣＡ
Ｌ（λ））を求めることによって、試料１に対する分光
反射比率ＳＡＭREF （λ）を求め（ステップＳ７５）、
さらにスムージング処理を施す（ステップＳ７６）。

【００８４】上記のようにして実測データが求まると、
ピーク検出法を用いて、試料１の透明薄膜１ｂの膜厚の
概算値ｄ’を求める（ステップＳ９）。なお、ピーク検
出法は従来より周知の膜厚測定法であることから、ここ
ではその説明を省略する。

【００８５】次に、ステップＳ９で求められた膜厚概算
値ｄ’からカーブフィット法によって膜厚の検査を行う
範囲（膜厚検査範囲）を設定する（ステップＳ１０）。
すなわち、図１５に示すように、膜厚（ｄ’−α）から
膜厚（ｄ’＋α）の範囲を膜厚検査範囲として確定す
る。

【００８６】そして、カーブフィット法によって、試料
１の透明薄膜１ｂの膜厚を決定する（ステップＳ１
１）。ここでは、上記膜厚検査範囲内で、しかも一定膜
厚ピッチで、実測データと検量線データとの誤差平方和
を求め、グラフ上にプロットすると、例えば、図１５に
示す結果が得られる。このグラフからわかるように、誤
差平方和は膜厚値に応じて変化し、膜厚ｄT で最小とな
る。つまり、膜厚ｄT で、実測データの波形と検量線デ
ータのそれとがほぼ一致し、その値ｄT が真の膜厚値を
示している。なお、その膜厚ｄT とその前後のデータに
基づき、二次関数補間した場合、膜厚測定積度はさらに
向上する。

【００８７】最後に、ステップＳ１１で求められた膜厚
値ｄT をＣＲＴ６１およびプリンター６２に出力する。

【００８８】以上のように、この実施例によれば、対物
レンズ２１の開口数ＮＡが大きい場合には、実測データ
の測定に先立って対物レンズ２１の開口数ＮＡを考慮し
ながら検量線データ（第１検量線データ）を求めてお
き、実測された実測データをあらかじめ求めておいた検
量線データ（第１検量線データ）と比較して透明薄膜１
ｂの膜厚を求めるようにしているので、開口数の大きな
対物レンズ２１を用いた膜厚測定についても、正確に膜
厚を測定することができる。

【００８９】なお、上記実施例では、対物レンズ２１の
開口数ＮＡが小さい、低倍率である場合には、従来と同
様にして検量線データ（第２検量線データ）を求め、こ
れに基づき膜厚を求めるようにしているが、この場合に
も対物レンズ２１の開口数ＮＡを考慮した第１検量線デ
ータを求め、これに基づき膜厚を求めるようにしてもよ
い。

【００９０】また、上記実施例では、シリコン基板１ａ
にシリコン酸化膜１ｂが形成された一層膜の試料１を測
定対象としたが、これ以外の種類の膜種についても同様
にして測定することができることはいうまでもない。し
かも、多層膜の試料についても同様にしても測定するこ
とができる。例えば、二層膜の場合、次式

【００９１】

【数１８】

【００９２】

【数１９】

【００９３】

【数２０】

【００９４】に基づき、最上膜の反射率Ｒ2 を求めるよ
うにすればよく、またｎ層膜の場合、次式

【００９５】

【数２１】

【００９６】

【数２２】

【００９７】

【数２３】

【００９８】に基づき、最上膜の反射率Ｒ2 を求めるよ
うにすればよい。

【００９９】さらに、上記実施例では、試料の分光反射
率と、膜厚が形成されていない基板の分光反射率との
比、つまり分光反射比率を求めているが、分光反射率を
そのまま用いてもよい。また、上記実施例では、屈折系
の対物レンズを採用しているため、初期角度を垂直入射
（すなわち入射角度ゼロ）とし、そこから対物レンズの
開口数に対応する最外角までを対象として試料の反射率
を求めたが、反射対物レンズを採用する場合は、試料に
垂直入射する光束は反射素子によってけられてしまうた
め、初期角度はゼロではなく、けられの分だけずれる。

【０１００】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、実測
分光反射率の測定に先立って対物レンズの開口数を考慮
しながら検量線データを求めておき、実測された実測分
光反射率をその検量線データと比較して透明薄膜の膜厚
を求めるようにしているので、開口数の大きな対物レン
ズを用いた膜厚測定についても、正確に膜厚を測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる膜厚測定方法を適用可能な膜
厚測定装置を示す図である。

【図２】この発明にかかる膜厚測定方法の一実施例を示
すフローチャートである。

【図３】測定対象となる試料を示す図である。

【図４】第１検量線データの作成工程を示すフローチャ
ートである。

【図５】第１検量線データの作成工程を示すフローチャ
ートである。

【図６】第１検量線データの作成工程を説明するための
図であり、ＲＡＭの一部にデータがストアされた状態を
模式的に示した図である。

【図７】第１検量線データの作成工程を説明するための
図であり、ＲＡＭの一部にデータがストアされた状態を
模式的に示した図である。

【図８】第１検量線データの作成工程を説明するための
図であり、ＲＡＭの一部にデータがストアされた状態を
模式的に示した図である。

【図９】第１検量線データの作成工程を説明するための
図であり、ＲＡＭの一部にデータがストアされた状態を
模式的に示した図である。

【図１０】第１検量線データの作成工程を説明するため
の図であり、ＲＡＭの一部にデータがストアされた状態
を模式的に示した図である。

【図１１】第１検量線データの作成工程を説明するため
の図であり、ＲＡＭの一部にデータがストアされた状態
を模式的に示した図である。

【図１２】第１検量線データをプロットしたグラフであ
る。

【図１３】第２検量線データの作成工程を示すフローチ
ャートである。

【図１４】測定対象試料の実測データを求める工程を示
すフローチャートである。

【図１５】膜厚に対して、実測データと検量線データと
の誤差平方和をプロットしたグラフである。

【図１６】従来の手法によって求めた検量線データの一
例を示すグラフである。

【図１７】開口数の比較的小さな対物レンズ（低倍率の
対物レンズ）を用いて得られた実測データを示すグラフ
である。

【図１８】開口数の比較的大きな対物レンズ（高倍率の
対物レンズ）を用いて得られた実測データを示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ 試料 １ａ 基板 １ｂ 透明薄膜 ２１ 対物レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に透明薄膜が形成された試料の表
   面に対物レンズを介して照明光を照射し、さらにその試
   料により反射された光を分光し、分光反射率を実測した
   後、その実測分光反射率をあらかじめ求めておいた検量
   線データと比較して前記透明薄膜の膜厚を求める膜厚測
   定方法において、 前記検量線データは、前記透明薄膜がそれぞれ異なる設
   定膜厚を有すると仮定したときの、各設定膜厚での波長
   に対する前記試料の反射率であり、 設定膜厚および設定波長ごとに、以下の工程(a) ，(b)
   、すなわち (a) 初期角度から前記対物レンズの開口数に対応する最
   外角までの角度範囲内で、複数の角度を選択し、その選
   択された角度で入射する照明光成分に対する前記試料の
   反射率をそれぞれ求める工程と、 (b) 工程(a) で求めた前記複数の反射率を積分して、前
   記設定膜厚および前記設定波長での反射率とする工程
   と、を実行することによって、前記検量線データを求め
   ることを特徴とする膜厚測定方法。