JPH11160028A

JPH11160028A - 膜厚測定装置および膜厚測定方法

Info

Publication number: JPH11160028A
Application number: JP32609597A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Horie; 正浩堀江
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】膜構造を特定できない場合であっても膜厚を
正確に測定をすることができる膜厚測定装置を提供す
る。【解決手段】試料上の膜の膜厚を測定する膜厚測定装
置において、試料の分光反射率である測定反射率を求め
る測定反射率算出部１４１と、想定される複数の膜構造
を記憶する膜構造記憶部１４３と、膜構造記憶部１４３
からの仮の膜構造と測定反射率とに基づいて仮の膜厚を
求める仮膜厚算出部１４２と、仮膜厚から理論的に求め
られる分光反射率である理論反射率を求める理論反射率
算出部１４４と、測定反射率と理論反射率との類似度を
求める類似度算出部１４５とを設ける。そして、想定さ
れる全ての膜構造について類似度を求め、類似度が最も
大きい膜構造の場合の仮膜厚を測定結果として出力す
る。これにより、膜構造が特定できない場合であっても
正確な膜厚の測定が実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、透明な薄膜（以
下、「膜」という。）が形成された試料（例えば、酸化
膜等が形成された半導体装置製造用のシリコン基板、透
明電極が形成されたガラス基板等）に対して光干渉法に
より、試料上の膜の厚さである膜厚を求める膜厚測定装
置および膜厚測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料上の膜の膜厚を測定する方法とし
て、従来より試料に照明光を照射して試料からの反射光
を解析し、求められた分光反射率から膜厚を求める方法
が用いられている。このような解析では測定に際して試
料上の膜構造や膜構造中の各層の光学定数が予め設定さ
れる。

【０００３】例えば、試料であるシリコン基板上の酸化
膜の膜厚を測定する場合では、Ｓi上にＳiＯ₂があると
いう基板を含めた膜構造（ＳiＯ₂／Ｓi）（以下、膜構
造を上層から「／」を用いてこのように表現する。）、
屈折率および吸収係数が予め入力される。そして、これ
らの情報に基づいて膜厚を求める演算処理が行われる。
なお、以下の説明において「膜」は単層膜および多層膜
の総称として用い、「膜構造中の各膜」は単層膜や多層
膜中の各層を指すものとして用いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、膜厚測定に際
しては試料上に形成されている膜構造が不明な場合もあ
る。例えば、半導体装置製造用のシリコン基板について
は基板上に形成されている多層膜の最上層を削る処理が
しばしば行われる。この場合、削られた最上層が残存し
ている場合と残存していない場合とでは膜構造が異なる
ものとなってしまう。したがって、測定者が正しいと信
じて入力した膜構造が誤っていることもあり、この場合
には不正確なあるいは予期せぬ膜厚が測定結果として取
得されることとなる。

【０００５】そこで、この発明は上記課題に鑑みなされ
たものであり、膜構造が不明な場合であっても膜構造を
特定して正確に膜厚を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を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、試料
上に形成された膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であっ
て、前記試料に照明光を照射する手段と、前記試料から
の分光された反射光を受光して受光信号を生成する受光
手段と、前記受光信号に基づいて測定反射率を求める手
段と、複数の膜構造に相当する情報を記憶する膜構造記
憶手段と、前記測定反射率に基づいて前記複数の膜構造
のそれぞれについての仮膜厚を求める手段と、前記複数
の膜構造のそれぞれについて、前記仮膜厚に関する理論
反射率を取得する手段と、前記複数の膜構造のそれぞれ
について前記理論反射率と前記測定反射率との類似度を
求めることにより前記膜の膜構造および前記膜の膜厚を
特定する類似度算出手段とを備える。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１記載の膜厚測
定装置であって、前記受光手段が、前記試料上の所定の
測定領域からの前記分光された反射光を受光する複数の
受光素子を有し、前記複数の受光素子が前記測定領域の
複数の位置に対応するように２次元的に配列されてお
り、前記類似度算出手段において前記測定領域の前記膜
の膜構造の分布および前記膜の膜厚の分布が特定され
る。

【０００８】請求項３の発明は、請求項２記載の膜厚測
定装置であって、前記類似度算出手段において特定され
る前記膜の膜構造の分布および前記膜の膜厚の分布を鳥
瞰的に表示する手段をさらに備える。

【０００９】請求項４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装置であって、前記膜構造記憶
手段が、１つの膜構造を記憶する手段と、前記１つの膜
構造から順次上層を取り除いた膜構造を取得する手段と
を有する。

【００１０】請求項５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装置であって、前記類似度算出
手段が、特定された前記膜の膜構造に対応する類似度が
所定のしきい値以下の場合に測定不能と判断する手段を
有する。

【００１１】請求項６の発明は、試料上に形成された膜
の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、(a)前記試料
に照明光を照射する工程と、(b)前記試料からの分光さ
れた反射光を受光して受光信号を生成する工程と、(c)
前記受光信号に基づいて測定反射率を求める工程と、
(d)前記測定反射率に基づいて仮の膜構造についての仮
膜厚を求める工程と、(e)前記仮膜厚から前記仮の膜構
造に対する理論反射率を求める工程と、(f)前記理論反
射率と前記測定反射率との類似度を求める工程と、(g)
前記工程(d)ないし(f)を複数の仮の膜構造について実行
する工程と、(h)前記複数の仮の膜構造のうち、最も類
似度の高いものを前記膜の膜構造として特定する工程
と、(i)特定された前記膜の膜構造に対応する前記仮膜
厚を測定された膜厚として出力する工程とを有する。

【００１２】

【発明の実施の形態】＜１．第１の実施の形態＞図１
はこの発明に係る第１の実施の形態である膜厚測定装置
１００の構成を示す図である。

【００１３】膜厚測定装置１００は、ステージ１５１上
に載置された試料９への照明光を出射するランプ１１
１、ランプ１１１からの照明光を試料９へと導く照明光
学系１２０ａ、試料９からの反射光を受光部１３１に導
く結像光学系１２０ｂ、試料９からの分光された反射光
を受光する受光部１３１、受光部１３１からのアナログ
信号である受光信号１３１ｓをデジタル信号の受光信号
１３２ｓに変換するＡ／Ｄ変換部１３２、および受光信
号１３２ｓに基づいて膜厚を算出する演算部１４０を有
している。

【００１４】また、演算部１４０は図２に示すように、
受光信号１３２ｓに基づいて試料９の分光反射率（以
下、「測定反射率」という。）を算出する測定反射率算
出部１４１、測定反射率に基づいて仮の膜厚である仮膜
厚を算出する仮膜厚算出部１４２、仮膜厚の算出に用い
られる膜構造を記憶する膜構造記憶部１４３、仮膜厚に
基づいて理論的に分光反射率（以下、「理論反射率」と
いう。）を算出する理論反射率算出部１４４、および測
定反射率と理論反射率との後述する類似度を算出して膜
構造を特定するとともに膜厚を測定結果信号１４０ｓと
して出力する類似度算出部１４５を有している。

【００１５】図３ないし図６は膜厚測定装置１００の測
定動作を示す流れ図である。以下、膜厚測定装置１００
の各構成の機能の説明とともに膜厚測定装置１００の動
作について図１ないし図６を参照しながら説明する。

【００１６】ランプ１１１は白色光を照明光学系１２０
ａに向けて出射する光源であり、この膜厚測定装置１０
０ではハロゲンランプが用いられている。

【００１７】照明光学系１２０ａは、レンズ１２１、視
野絞り１２２、レンズ１２３、ハーフミラー１２４およ
び対物レンズ１２５を有しており、ランプ１１１からの
照明光はレンズ１２１、視野絞り１２２およびレンズ１
２３を順に介してハーフミラー１２４にて反射し、対物
レンズ１２５を介して試料９上に集光されて照射され
る。したがって、ランプ１１１および照明光学系１２０
ａがこの膜厚測定装置１００における照明の手段となっ
ている。

【００１８】ステージ１５１は任意方向に移動可能とさ
れており、ステージ１５１上の試料９の位置を調整する
ことにより所望の位置を照明することができるようにさ
れている。

【００１９】結像光学系１２０ｂは、対物レンズ１２
５、ハーフミラー１２４、レンズ１２６、ピンホール板
１２７および凹面回折格子１２８を有しており、ハーフ
ミラー１２４および対物レンズ１２５は照明光学系１２
０ａと共有されている。試料９からの反射光は対物レン
ズ１２５を経由してハーフミラー１２４を透過し、レン
ズ１２６を介してピンホール板１２７に形成されている
ピンホールの位置に集光される。そして、ピンホールを
透過した反射光は凹面回折格子１２８にて分光されると
ともに波長ごとに受光部１３１上の異なった位置に集光
される。

【００２０】受光部１３１は複数の受光素子を１列に配
列して有しており、これらの受光素子は凹面回折格子１
２８にて分光された反射光を波長ごとに受光するように
なっている。また、各受光素子の受光量はアナログ信号
の受光信号１３１ｓとなって受光部１３１から出力され
る。

【００２１】Ａ／Ｄ変換部１３２はアナログ信号の受光
信号１３１ｓをデジタル化するものであり、演算部１４
０にて演算処理できるデジタル化された受光信号１３２
ｓを出力する。

【００２２】以上のような構成により、この膜厚測定装
置１００では膜厚測定に際して、まずランプ１１１から
の白色光である照明光を試料９に照射し（図３：ステッ
プＳ１１）、試料９からの反射光を凹面回折格子１２８
にて分光し、分光された反射光を受光して波長ごとの光
量すなわち分光強度を示す受光信号１３１ｓを生成する
（ステップＳ１２）。

【００２３】次に、反射光の分光強度を示すデジタル信
号である受光信号１３２ｓを演算処理することにより、
試料９上に形成された膜の膜厚を算出する演算部１４０
の動作について説明する。なお、演算部１４０はコンピ
ュータ・システムを利用してソフトウェア的に構築され
ていてもよく、また専用の電気的回路として構成されて
いてもよい。

【００２４】図２に示すように受光信号１３２ｓはまず
測定反射率算出部１４１に入力される。測定反射率算出
部１４１には予め膜が形成されていない試料である基準
試料からの反射光の分光強度である基準分光強度ＳＳ
(λ)が記憶されている。なお、λは波長を示す。この基
準分光強度ＳＳ(λ)の取得は基準試料をステージ１５１
に載置して受光信号１３２ｓを取得することにより行わ
れる。測定反射率算出部１４１は膜が形成されている試
料９からの反射光の分光強度である測定分光強度ＳＭ
(λ)と基準分光強度ＳＳ(λ)とから数１にて示す演算を
行って測定による分光反射率である測定反射率ＲＭ(λ)
を算出する（ステップＳ１３）。

【００２５】

【数１】

【００２６】求められた測定反射率ＲＭ(λ)は仮膜厚算
出部１４２に入力される。仮膜厚算出部１４２は測定反
射率ＲＭ(λ)、膜構造、および膜構造中の各膜の光学定
数に基づいて従来より周知の方法により仮の膜厚を算出
するものである。膜構造や膜構造中の各膜の光学定数は
膜構造記憶部１４３から入力されるようになっている。

【００２７】図７は膜構造記憶部１４３に記憶されてい
る情報の構造の一例を示す図である。膜構造記憶部１４
３では試料９上に形成されている膜の膜構造として想定
される複数の膜構造が膜構造格納部１４３ａに記憶され
ており、膜構造中の各膜の光学定数もこれらの膜構造に
関連づけられるようにして光学定数格納部１４３ｂに記
憶されている。例えば、シリコン基板上に下層から窒化
膜、酸化膜の順で膜が形成されている場合とシリコン基
板上に窒化膜が形成されている場合とが考えられる場合
には、第１の膜構造としてＳiＯ₂／ＳiＮ／Ｓiが記憶さ
れており、第２の膜構造としてＳiＮ／Ｓiが記憶されて
いる。また、光学定数として酸化膜、窒化膜の屈折率や
吸収係数が記憶されている。以下の動作説明ではこれら
の膜構造を例にして具体的に説明する。

【００２８】仮膜厚算出部１４２にはまず、仮の膜構造
としての第１の膜構造（ＳiＯ₂／ＳiＮ／Ｓi）および第
１の膜構造中の各膜の光学定数が膜構造記憶部１４３か
ら入力され、試料９上には第１の膜構造の膜が形成され
ているものと仮定して各膜（すなわち、酸化膜および窒
化膜）の第１の仮膜厚が算出される（図４：ステップＳ
２１）。例えば、図８に示す測定反射率ＲＭ(λ)に対し
てＳiＯ₂の膜厚が５０．９ｎｍ、ＳiＮの膜厚が９９．
１ｎｍと算出されるものとする。

【００２９】第１の仮膜厚は理論反射率算出部１４４に
送られ、理論反射率算出部１４４では第１の仮膜厚の第
１の膜構造を有する膜が試料９上に形成されている場合
に理論的に求められる分光反射率である第１の理論反射
率ＲＴ１(λ)が算出される。すなわち、従来より周知の
理論計算により第１の仮膜厚および第１の膜構造に基づ
いて波長ごとの反射率が算出される（ステップＳ２
２）。図９に測定反射率ＲＭ(λ)と第１の理論反射率Ｒ
Ｔ１(λ)との様子の例を示す。

【００３０】次に、求められた第１の理論反射率ＲＴ１
(λ)は類似度算出部１４５に入力される。類似度算出部
１４５には測定反射率算出部１４１から測定反射率ＲＭ
(λ)も入力されるようになっており、類似度算出部１４
５は数２および数３にて示す演算を行って第１の類似度
Ｇ１を算出する（ステップＳ２３）。ここで、例えば類
似度Ｇ１が９９１と求められる。

【００３１】

【数２】

【００３２】

【数３】

【００３３】なお、数２中のσ１が０のときは測定反射
率ＲＭ(λ)と第１の理論反射率ＲＴ１(λ)とが完全に一
致する場合であり、このとき類似度Ｇ１が１０００とな
るように規格化されている。

【００３４】上記ステップＳ２１ないしＳ２３と同様の
演算が第２の膜構造（ＳiＮ／Ｓi）についても行われ
る。すなわち、仮膜厚算出部１４２が仮の膜構造である
第２の膜構造に基づいて各膜（この例では窒化膜）の第
２の仮膜厚を算出する（図５：ステップＳ３１）。ここ
ではＳiＮの膜厚が１１１．６ｎｍであると求められる
ものとする。理論反射率算出部１４４が第２の仮膜厚に
基づいて第２の理論反射率ＲＴ２(λ)を算出する（ステ
ップＳ３２）。図１０は測定反射率ＲＭ(λ)と第２の理
論反射率ＲＴ２(λ)との関係を示す図である。類似度算
出部１４５は測定反射率ＲＭ(λ)および第２の理論反射
率ＲＴ２(λ)から数４および数５にて示す演算を行って
第２の類似度Ｇ２を算出する（ステップＳ３３）。そし
て、類似度Ｇ２が８１９と求められる。

【００３５】

【数４】

【００３６】

【数５】

【００３７】類似度算出部１４５では類似度を求めると
ともに、さらに試料９上の膜構造を特定して膜構造中の
各膜の膜厚を出力する（図６：ステップＳ４１〜Ｓ４
６）。

【００３８】類似度算出部１４５ではまず、第１の類似
度Ｇ１と第２の類似度Ｇ２との大小の比較が行われる
（ステップＳ４１）。測定反射率と理論反射率とが一致
する場合には類似度は最大値の１０００となることか
ら、類似度が大きいほど正しい膜構造に基づいて類似度
が算出されていると判断することができる。

【００３９】したがって、類似度Ｇ１が類似度Ｇ２より
も大きい場合には原則として第１の膜構造について求め
られた第１の仮膜厚が測定結果として出力される。類似
度Ｇ１が類似度Ｇ２よりも大きい場合であっても信頼す
るに足りる値でない場合も考えられることから、類似度
算出部１４５には予めしきい値Ｔｈが記憶されており、
類似度Ｇ１とこのしきい値Ｔｈとをしきい値比較部１４
５ａが比較を行って、類似度Ｇ１がしきい値Ｔｈよりも
大きい場合にのみ第１の仮膜厚が測定結果信号１４０ｓ
として出力されるようになっている（ステップＳ４２、
Ｓ４３）。なお、類似度Ｇ１がしきい値Ｔｈよりも小さ
い場合には測定不能であった旨が測定結果信号１４０ｓ
として出力される（ステップＳ４４）。

【００４０】類似度Ｇ２が類似度Ｇ１よりも大きい場合
（等しい場合も含む）は、同様にしきい値比較部１４５
ａが類似度Ｇ２としきい値Ｔｈとを比較し（ステップＳ
４５）、類似度Ｇ２がしきい値Ｔｈよりも大きい場合に
は第２の仮膜厚が測定結果信号１４０ｓとして出力され
（ステップＳ４６）、その他の場合には測定不能が測定
結果信号１４０ｓとして出力される（ステップＳ４
４）。

【００４１】なお、上記例では類似度Ｇ１（＝９９１）
が類似度Ｇ２（＝８１９）よりも大きく、しきい値Ｔｈ
が９００に設定されているものとすると、膜構造がＳi
Ｏ₂／ＳiＮ／Ｓiであると特定されて、ＳiＯ₂の膜厚が
５０．９ｎｍ、ＳiＮの膜厚が９９．１ｎｍである旨が
出力される。

【００４２】以上、演算部１４０の動作について具体例
に沿って説明してきたが、膜構造記憶部１４３に記憶さ
れている膜構造の種類は３つ以上であってもよい。上記
例では仮の膜構造が２つであるため類似度の算出工程が
２回繰り返されているが（ステップＳ２１〜Ｓ２３およ
びステップＳ３１〜Ｓ３３）、３つ以上の膜構造の場合
には膜構造の種類の数だけ類似度を算出する工程（ステ
ップＳ２１〜Ｓ２３）が繰り返されることとなる。ま
た、仮膜厚算出部１４２、理論反射率算出部１４４、類
似度算出部１４５の動作は各膜構造についてまとめて行
うようにしてもよい。上記例では、ステップＳ２１およ
びステップＳ３１を仮膜厚算出部１４２で行い、ステッ
プＳ２２およびステップＳ３２を理論反射率算出部１４
４で行い、その後ステップＳ２３およびステップＳ３３
を類似度算出部１４５でまとめて行うようにしてもよ
い。

【００４３】また、図７では膜構造記憶部１４３の膜構
造格納部１４３ａに複数の膜構造が記憶されるように記
載しているが、複数の膜構造が導き出せる情報を記憶す
るのであればどのような記憶形態であってもよい。例え
ば、シリコン基板上に下層から順に窒化膜および酸化膜
を形成して上層を削る処理を施したものが試料９である
場合には、膜の構造がＳiＯ₂／ＳiＮ／Ｓiであるか、Ｓ
iＮ／Ｓiであるかが不明となってしまう。このような残
膜測定の場合には図１１に示すように膜構造格納部１４
３ａに１つの膜構造であるＳiＯ₂／ＳiＮ／Ｓiのみを記
憶しておき、別途設けられた膜構造決定部１４３ｃが最
上層を削除した膜構造であるＳiＮ／Ｓiを派生すように
してもよい。これにより、１つの膜構造から複数の膜構
造を導き出すことができ、残膜の有無を判定しながら効
率的な残膜測定を行うことができる。

【００４４】以上、この発明に係る第１の実施の形態で
ある膜厚測定装置１００の構成および動作について説明
してきたが、この膜厚測定装置１００では複数の膜構造
について仮膜厚を算出し、これらの仮膜厚のうち最も適
切なものを測定された膜厚とするので、残膜測定の場合
等のように試料９上の膜構造を１つに特定できない場合
であっても正確な膜厚の測定を行うことができる。

【００４５】また、測定結果の出力の際に類似度としき
い値とを比較しているので、適切な測定結果のみを取得
することができるようになっている。

【００４６】＜２．第２の実施の形態＞図１２はこの
発明に係る第２の実施の形態である膜厚測定装置２００
の構成を示す図である。

【００４７】膜厚測定装置２００は、ステージ２５１上
に載置された試料９への照明光を出射する光源部２１
０、光源部２１０の点灯を制御する点灯制御部２１４、
光源部２１０からの照明光を試料９に導く照明光学系２
２０ａ、試料９からの反射光を受光部２３１に導く結像
光学系２２０ｂ、２次元的に配列された複数の受光素子
２３１ａを有する受光部２３１、受光部２３１からのア
ナログ画像信号である受光信号１３１ｓをデジタル化す
る画像入力部２３２、デジタル化された受光信号１３２
ｓから膜厚を算出する演算部１４０、および測定結果を
表示する表示部２６１を有している。

【００４８】なお、演算部１４０の構成は第１の実施の
形態と同様の構成となっており、以下の説明では、演算
部１４０の各構成要素、並びに、受光信号１３１ｓ、受
光信号１３２ｓおよび測定結果信号１４０ｓについては
第１の実施の形態と同様の符号を付す。

【００４９】膜厚測定装置２００は第１の実施の形態と
ほぼ同様の構成および動作を行う装置であるが、光源部
２１０からは分光された照明光が出射される点と、試料
９の一定の測定領域についての２次元的な膜厚分布が測
定されるという点とにおいて第１の実施の形態と相違し
ている。以下、この相違点を中心に説明する。

【００５０】光源部２１０は３つのＬＥＤを有してお
り、これらのＬＥＤは赤色ＬＥＤ２１１、緑色ＬＥＤ２
１２および青色ＬＥＤ２１３となっている。したがっ
て、これらのＬＥＤからはそれぞれ波長帯域の狭い赤色
光２１１Ｌ、緑色光２１２Ｌ、青色光２１３Ｌが出射さ
れるようになっている。すなわち、この膜厚測定装置２
００では照明光が分光された状態の光となっている。

【００５１】３つのＬＥＤは点灯制御部２１４により点
灯制御されるようになっており、順番に一時的に点灯さ
れる。

【００５２】照明光学系２２０ａは、レンズ２２１、ロ
ッドレンズ２２２、ハーフミラー２２３および対物レン
ズ２２４を有しており、光源部２１０から出射された照
明光がレンズ２２１、ロッドレンズ２２２を透過した
後、ハーフミラー２２３にて反射されて対物レンズ２２
４を介して試料９上の測定領域を照明するようになって
いる。なお、３つのＬＥＤの発光位置は異なるが、ロッ
ドレンズ２２２により均一化された照明光がむらなく試
料９を照明するようにされている。

【００５３】結像光学系２２０ｂは対物レンズ２２４、
ハーフミラー２２３、レンズ２２５を有しており、対物
レンズ２２４およびハーフミラー２２３は照明光学系２
２０ａと共有されている。

【００５４】試料９からの反射光は対物レンズ２２４、
ハーフミラー２２３およびレンズ２２５を順に透過して
受光部２３１に導かれるが、試料９の表面と受光部２３
１とは光学的に共役な配置関係となっており、試料９の
像が受光部２３１の複数の受光素子２３１ａ上に結像さ
れるようになっている。したがって、複数の受光素子２
３１ａのそれぞれには試料９の測定領域の対応位置から
の反射光のみが入射することとなる。これにより、それ
ぞれの受光素子は第１の実施の形態における受光部１３
１に相当することとなる。

【００５５】この膜厚測定装置２００では第１の実施の
形態と異なり、凹面回折格子１２８のような分光する手
段を有していない。しかし、光源部２１０において各Ｌ
ＥＤが順番に一時的に点灯されることで光源部２１０か
ら出射される照明光が時系列的に波長帯の異なる光とな
るため、反射光も時系列的に波長帯の異なる分光された
光となる。したがって、それぞれのＬＥＤが点灯してい
る間に受光素子を能動化することで各受光素子において
赤色光、緑色光、青色光のそれぞれに対する反射光の強
度が取得されることとなる。その結果、第１の実施の形
態における測定分光強度に相当する３つの波長帯に関す
る測定分光強度が受光信号１３１ｓとなって出力され
る。また、この膜厚測定装置２００では試料９上の測定
領域についての測定分光強度の２次元的分布が複数の受
光素子１３１ａにて一括して取得される。

【００５６】測定された分光強度はアナログ画像信号で
ある受光信号１３１ｓとなって画像入力部２３２に入力
されてデジタル化され、デジタル化された受光信号１３
２ｓは演算部１４０に入力される。

【００５７】演算部１４０は第１の実施の形態における
ものと同様の構成となっており、演算処理の内容も第１
の実施の形態と同様となっている。ただし、この膜厚測
定装置２００では、試料９上の測定領域における測定分
光強度を２次元的な分布として取得しているので、各構
成要素の動作は各受光素子に対応するように２次元的に
行われる。したがって、測定反射率算出部１４１では測
定領域上の測定反射率の分布が求められ、仮膜厚算出部
１４２では測定領域上の仮膜厚の分布が求められ、理論
反射率算出部１４４は仮膜厚の分布に対応するようにし
て理論反射率の分布が求められる。また、類似度算出部
１４５においても各受光素子に対応する測定領域内の複
数の位置について類似度が求められ、測定領域における
複数の位置で膜構造や膜厚が特定される。その結果、測
定結果信号１４０ｓとしては測定領域における膜構造の
分布および膜厚の分布が出力される。

【００５８】このようにこの膜厚測定装置２００では、
１つの測定点において膜厚を測定する第１の実施の形態
の膜厚測定装置１００を２次元的に拡張した機能を有す
るものであり、このような機能を２次元的に配列された
複数の受光素子１３１ａを用いることにより実現してい
る。

【００５９】測定結果信号１４０ｓは表示部２６１に入
力され、測定結果が３次元的に表示される。図１３は測
定結果の表示の様子を示す図である。なお、測定結果は
膜種により色分け表示されるようになっており、図１３
では適宜ハッチングにて色分けの様子を表現している。

【００６０】図１３では膜厚を立体的に表示しており、
測定領域をある位置から見下ろすように鳥瞰的に表示し
ている。符号Ａ１にて示す部分はシリコン基板上に酸化
膜（ＳiＯ₂）のみが存在する領域を示しており、符号Ａ
２にて示す部分は酸化膜上にさらにレジスト膜が存在し
ている領域を示している。また、符号Ａ３にて示す部分
は測定不能であった領域を示している。すなわち、求め
られた類似度が所定のしきい値以下であったことを示し
ている。

【００６１】以上、この発明に係る第２の実施の形態で
ある膜厚測定装置２００の構成および動作について説明
してきたが、この膜厚測定装置２００では試料９上の測
定領域の各位置について膜構造を特定しながら膜厚を算
出するので、測定領域に複数の膜構造が存在する場合で
あっても正確な膜厚を算出することができる。その結
果、従来のように測定する位置ごとに膜構造を指定した
り、測定する位置を厳密に特定しなければならないとい
う煩雑な作業が不要となり、迅速で正確な膜厚測定が可
能となる。また、測定結果を３次元的に表示することに
より、試料の表面状態を容易に把握することも可能とさ
れている。

【００６２】＜３．変形例＞以上、この発明に係る膜
厚測定装置および膜厚測定動作について説明してきた
が、この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。

【００６３】例えば、反射光から分光反射率を取得する
方法はどのようなものであってもよいし、仮膜厚を算出
する手法は周知の様々な計算方法のいずれを用いてもよ
い。

【００６４】また、上記実施の形態においては、１の膜
構造に対する仮膜厚を求めた後に、その膜構造・仮膜厚
に対応する理論反射率を算出しているが、１の膜構造に
対する理論反射率を所定の膜厚毎に予め算出しておき、
測定反射率に最もフィッティングする理論反射率に対応
するものをその膜構造の膜厚として特定するタイプの膜
厚測定にも本発明は適用可能である。この場合には、１
の膜構造に対する仮膜厚を求めるのと同時に、その膜構
造・仮膜厚に対応する理論反射率を特定することができ
る。

【００６５】また、類似度を求める手法においても、測
定反射率と理論反射率との類似の程度の指標となるもの
が取得できるのであればどのよなものであってもよい。

【００６６】

【発明の効果】請求項１ないし５記載の発明は、複数の
膜構造のそれぞれから求められる理論反射率と測定反射
率とから類似度を求めるので、複数の膜構造のうちいず
れの膜構造が適切な膜構造であるかを特定した上での膜
厚を測定結果とすることができる。これにより、膜構造
を１つに特定できない場合であっても正確な膜厚測定を
行うことができる。

【００６７】また、請求項２記載の発明では、２次元的
に配列された複数の受光素子を有するので、測定領域内
に複数の膜構造が存在する場合であっても、膜構造の分
布を特定しながら正確な膜厚測定を行うことができる。

【００６８】また、請求項３記載の発明では、膜構造の
分布や膜厚の分布を鳥瞰的に表示するので、測定領域の
表面状態を容易に把握することができる。

【００６９】また、請求項４記載の発明では、１つの膜
構造から上層を順に取り除いた複数の膜構造を取得する
ので、１つの膜構造から効率よく残膜測定を行うことが
できる。

【００７０】また、請求項５記載の発明では、類似度と
しきい値とを比較して測定不能か否かの判断を行うこと
ができるので、より正確な膜厚測定を行うことができ
る。

【００７１】請求項６記載の発明では、複数の仮の膜構
造に基づいて求められる理論反射率と測定反射率とから
類似度を求め、適切な膜構造を特定した上での膜厚を測
定結果とするので、膜構造を１つに特定できない場合で
あっても正確な膜厚測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る第１の実施の形態である膜厚測
定装置の構成を示す図である。

【図２】図１に示す膜厚測定装置の演算部の構成を示す
ブロック図である。

【図３】図１に示す膜厚測定装置の動作を示す流れ図で
ある。

【図４】図１に示す膜厚測定装置の動作を示す流れ図で
ある。

【図５】図１に示す膜厚測定装置の動作を示す流れ図で
ある。

【図６】図１に示す膜厚測定装置の動作を示す流れ図で
ある。

【図７】膜構造記憶部内の情報の記憶形態の一例を示す
図である。

【図８】波長と測定反射率ＲＭとの関係を示す図であ
る。

【図９】測定反射率ＲＭと第１の理論反射率ＲＴ１との
関係を示す図である。

【図１０】測定反射率ＲＭと第２の理論反射率ＲＴ２と
の関係を示す図である。

【図１１】膜構造記憶部内の情報の記憶形態の他の例を
示す図である。

【図１２】この発明に係る第２の実施の形態である膜厚
測定装置の構成を示す図である。

【図１３】図１２に示す膜厚測定装置の測定結果を３次
元的に表示したときの様子を示す図である。

【符号の説明】

９試料１００、２００膜厚測定装置１１１ランプ１３１、２３１受光部１３１ｓ受光信号１４１測定反射率算出部１４２仮膜厚算出部１４３膜構造記憶部１４３ａ膜構造格納部１４３ｃ膜構造決定部１４４理論反射率算出部１４５類似度算出部１４５ａしきい値比較部２１０光源部２３１ａ複数の受光素子２６１表示部ＲＭ測定反射率ＲＴ１第１の理論反射率ＲＴ２第２の理論反射率Ｓ１１〜Ｓ１３、Ｓ２１〜Ｓ２３、Ｓ３１〜Ｓ３３、Ｓ
４１、Ｓ４３、Ｓ４４ステップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料上に形成された膜の膜厚を測定する
膜厚測定装置であって、前記試料に照明光を照射する手段と、前記試料からの分光された反射光を受光して受光信号を
生成する受光手段と、前記受光信号に基づいて測定反射率を求める手段と、複数の膜構造に相当する情報を記憶する膜構造記憶手段
と、前記測定反射率に基づいて前記複数の膜構造のそれぞれ
についての仮膜厚を求める手段と、前記複数の膜構造のそれぞれについて、前記仮膜厚に関
する理論反射率を取得する手段と、前記複数の膜構造のそれぞれについて前記理論反射率と
前記測定反射率との類似度を求めることにより前記膜の
膜構造および前記膜の膜厚を特定する類似度算出手段
と、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】請求項１記載の膜厚測定装置であって、前記受光手段が、前記試料上の所定の測定領域からの前記分光された反射
光を受光する複数の受光素子、を有し、前記複数の受光素子が前記測定領域の複数の位置に対応
するように２次元的に配列されており、前記類似度算出手段において前記測定領域の前記膜の膜
構造の分布および前記膜の膜厚の分布が特定されること
を特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】請求項２記載の膜厚測定装置であって、前記類似度算出手段において特定される前記膜の膜構造
の分布および前記膜の膜厚の分布を鳥瞰的に表示する手
段、をさらに備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の膜
厚測定装置であって、前記膜構造記憶手段が、１つの膜構造を記憶する手段と、前記１つの膜構造から順次上層を取り除いた膜構造を取
得する手段と、を有することを特徴とする膜厚測定装
置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の膜
厚測定装置であって、前記類似度算出手段が、特定された前記膜の膜構造に対応する類似度が所定のし
きい値以下の場合に測定不能と判断する手段、を有する
ことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項６】試料上に形成された膜の膜厚を測定する
膜厚測定方法であって、 (a) 前記試料に照明光を照射する工程と、 (b) 前記試料からの分光された反射光を受光して受光信
号を生成する工程と、 (c) 前記受光信号に基づいて測定反射率を求める工程
と、 (d) 前記測定反射率に基づいて仮の膜構造についての仮
膜厚を求める工程と、 (e) 前記仮膜厚から前記仮の膜構造に対する理論反射率
を求める工程と、 (f) 前記理論反射率と前記測定反射率との類似度を求め
る工程と、 (g) 前記工程(d)ないし(f)を複数の仮の膜構造について
実行する工程と、 (h) 前記複数の仮の膜構造のうち、最も類似度の高いも
のを前記膜の膜構造として特定する工程と、 (i) 特定された前記膜の膜構造に対応する前記仮膜厚を
測定された膜厚として出力する工程と、を有することを
特徴とする膜厚測定方法。