JPH11160030A - 分光測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 再現性の良い分光特性の測定を、効率良く行
うことができる分光測定方法および装置を提供する。 【解決手段】 被測定試料の分光特性を測定する準備処
理として、ホルミウムガラスの特定波長を制御ユニット
に記憶する。そして、ホルミウムガラスを照明位置に位
置決めし、ホルミウムガラスの分光特性を測定する。各
波長帯において最も顕著に輝度レベルの変化が生じてい
る部分の重心画素の番号をそれぞれ求めた後、制御ユニ
ットから準備処理で求めた特定波長を読み出し、補間係
数を求める。それに続いて、被測定試料を照明位置に位
置決めし、分光特性を測定する。そして、上記補間係数
を用い、所定の波長較正式にしたがって各画素番号に対
応する波長を演算し、波長較正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の波長域の照
明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした
時に前記被測定試料から射出される光を分光し、各スペ
クトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分
光特性を測定する分光測定方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の分光測定装置では、基板表面に
透明薄膜が形成された半導体ウエハなどの被測定試料が
ステージ上に保持されており、この被測定試料に向けて
所定の波長域（例えば、可視域）の照明光を照射すると
ともに、この試料によって反射された光を結像光学ユニ
ットを介して分光ユニットに導光している。この分光ユ
ニットは、結像光学ユニットからの光を分光する分光器
と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光され
たスペクトルを受光するラインセンサとで構成されてお
り、各スペクトルが対応する画素に入射し、各画素から
スペクトルの強度に応じた電気信号が出力されて試料の
分光特性が測定されている。

【０００３】このように構成された分光測定装置では、
ラインセンサの各画素によって受光されるスペクトルの
波長を予め求めておくために、分光測定装置の組立およ
び光軸調整などを行った後で、絶対波長較正を行ってい
る。この絶対波長較正は、予め公知の輝線スペクトルを
有する低圧水銀ランプを照明位置に配置して該低圧水銀
ランプからの光を結像光学ユニットを介して分光ユニッ
トに導光して絶対波長較正を行い、ラインセンサの各画
素と分光によるスペクトルの波長とを対応付けるもので
ある。そして、かかる絶対波長較正を終えた後で、低圧
水銀ランプを取外し、照明光を被測定試料に照射して分
光特性を測定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にして絶対波長較正を行った後であっても、経時変化や
温度変化などの影響によって結像光学ユニットや分光ユ
ニットなどの光学特性が変化し、その結果、ラインセン
サの各画素と分光によるスペクトルの波長との対応付け
が変化することがある。このような変化があると、再現
性の良い測定を行うことができなくなる。

【０００５】一方、このような問題は絶対波長較正を定
期的に行うことで解消されるが、絶対波長較正を行うた
めには、分光測定装置のカバーを取外して照明位置に低
圧水銀ランプを配置する必要があり、波長較正に多大な
労力がかかってしまう。特に、このような分光測定装置
は、半導体ウエハなどの表面に形成された薄膜の連続膜
厚測定によく利用されており、波長較正の度に低圧水銀
ランプを配置し、取除いていたのでは測定効率が低く、
スループット（単位時間当たりの処理可能枚数）の低下
を招いてしまう。

【０００６】この発明は、上記のような問題に鑑みてな
されたものであり、再現性の良い分光特性の測定を、効
率良く行うことができる分光測定方法および装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、所定
の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を
位置決めした時に前記被測定試料から射出される光を分
光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサ
で受光して分光特性を測定する分光測定方法であって、
上記目的を達成するため、(a) 前記波長域に存在し、
しかも互いに異なる少なくとも２つ以上の特定波長にお
いて、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光
学部材を準備する工程と、(b) 前記参照光学部材の特
定波長を記憶する工程と、(c) 被測定試料の分光特性
を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明
位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特
性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長のスペ
クトルを受光する画素を特定する工程と、(d) 前記工
程(c)において特定された画素に基づき、前記画素の各
々で受光されるスペクトルの波長を演算する工程と、
(e) 前記工程(d)を行った後、被測定試料を前記照明位
置に位置決めし、当該被測定試料から射出される光を分
光し、分光特性を実測した後、当該分光特性を前記工程
(d)の演算結果に基づき波長較正する工程と、を備えて
いる。

【０００８】請求項２の発明は、前記参照光学部材とし
て、ホルミウムガラスを準備している。

【０００９】請求項３の発明は、前記工程(b)で記憶さ
れた２つ以上の特定波長のうち、互いに隣り合う特定波
長をそれぞれ第１および第２特定波長λa、λb（ただ
し、λa＜λb）と定義するとともに、前記工程(c)で求
められた前記第１および第２特定波長λa、λbのスペク
トルを受光する画素番号をそれぞれＮa、Ｎb（ただし、
Ｎa＜Ｎb）と定義した場合、前記工程(d)では、第１お
よび第２特定波長λa、λbと、前記画素番号Ｎa、Ｎbと
に基づき、前記画素の各々で受光されるスペクトルの波
長を演算している。

【００１０】請求項４の発明は、前記工程(d)が、 (d-1) 次式により補間係数αを求めるサブ工程と、 α＝（Ｎb−Ｎa）／（λb−λa） (d-2) 次式により画素番号Ｎkを有する画素によって受
光されるスペクトルの波長λk′を求めるサブ工程と、 λk′＝λa＋（Ｎk−Ｎa）／α を備えるように構成している。

【００１１】請求項５の発明は、上記目的を達成するた
め、所定の波長域の照明光を照明位置に照射する照明光
学ユニットと、前記波長域に存在し、しかも互いに異な
る少なくとも２つ以上の特定波長において、透過率ある
いは反射率が極大的に変化する参照光学部材と、被測定
試料および前記参照光学部材を選択的に前記照明位置に
移動させる移動手段と、前記照明位置に位置決めされた
前記被測定試料または前記参照光学部材から射出される
光を所定位置に集光する結像光学ユニットと、前記結像
光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素
からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを
受光するラインセンサとを有する分光ユニットと、装置
各部を制御しながら、前記ラインセンサの各画素から出
力される電気信号に基づき前記被測定試料および前記参
照光学部材の分光特性を求める制御ユニットとを備えて
おり、そして、前記制御ユニットが、前記参照光学部材
の特定波長を記憶するメモリと、被測定試料の分光特性
を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明
位置に位置決めすることで前記参照光学部材の分光特性
を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長のスペク
トルを受光する画素を特定する画素特定手段と、特定さ
れた画素に基づき、前記画素の各々で受光されるスペク
トルの波長を演算する演算手段と、被測定試料を前記照
明位置に位置決めし、実測される分光特性を波長較正す
る波長較正手段と、を備えるようにしている。

【００１２】請求項６の発明は、前記参照光学部材とし
て、ホルミウムガラスを用いている。

【００１３】請求項７の発明は、前記移動手段が、被測
定試料を保持するテーブルと、前記参照光学部材を保持
しながら、前記テーブルに固定されたホルダと、前記テ
ーブルを駆動して前記被測定試料および前記参照光学部
材を一体的に移動させるテーブル駆動手段と、を備える
ようにしている。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明にかかる分光測定
方法を適用可能な膜厚測定装置を示す斜視図である。以
下、この膜厚測定装置の概要を説明した後で、分光測定
方法について詳述する。

【００１５】Ａ．膜厚測定装置 この図に示す膜厚測定装置は、半導体ウエハの分光特性
を測定し、その分光特性から半導体ウエハに形成された
薄膜の膜厚を測定する装置であり、ウエハカセットを載
置する載置ステージ１と、ウエハカセットに対して半導
体ウエハ（以下、ウエハと略す）を出し入れするインデ
クサ部２と、半導体ウエハの分光特性を測定し、さらに
該分光特性に基づき半導体ウエハの表面に形成された薄
膜の膜厚を測定する測定部３とを備えている。この実施
の形態にかかる膜厚測定装置では、上記インデクサ部２
を中心として、その周囲に上記載置ステージ１及び測定
部３が配置されたレイアウト構成となっている。

【００１６】Ａ−１．載置ステージ１ 上記載置ステージ１は、図示の例では二つ設けられてお
り、各ステージ１には、複数枚のウエハを多段に収納し
たウエハカセット１１，１２が、それぞれ収納口をイン
デクサ部２に臨ませた状態で載置されている。なお、本
実施形態の装置では、直径２００mm及び３００mmの２種
類のウエハが測定対象となる。

【００１７】Ａ−２．インデクサ部 上記インデクサ部２には、ウエハの搬送手段であるイン
デクサロボット２１と、該インデクサロボット２１によ
り上記ウエハカセット１１，１２から取り出されたウエ
ハの中心位置修正（センタリング）を行う中心調整装置
２２とが設けられている。

【００１８】インデクサロボット２１は、上下動可能な
水平多関節型のロボットからなり、そのアーム先端には
ウエハを保持するための薄板状のハンド２１１が装着さ
れている。ハンド２１１の表面には、吸引孔２１２が開
口しており、該吸引孔２１２を介して負圧が供給される
ことにより、ハンド２１１によってウエハを吸着、保持
するようになっている。

【００１９】中心調整装置２２は、上記ハンド２１１に
対するウエハ位置を修正するもので、接離可能な一対の
チャック２２１を備えており、上記ウエハカセット１
１，１２から取り出されたウエハを、上記チャック２２
１により径方向に挾持することによってウエハ位置を機
械的に修正するように構成されている。

【００２０】Ａ−３．測定ステージ４ 上記測定部３は、被測定ウエハの保持部分となる測定ス
テージ４と、この測定ステージ４の上部に配置される膜
厚測定のための測定ヘッド５とを有している。

【００２１】測定ステージ４には、ウエハを移動可能に
保持する六軸テーブル４１と、プリアライメント用セン
サ４７と、ウエハを待機させるための補助ステージ４８
とが設けられている。

【００２２】上記六軸テーブル４１は、ウエハを吸着保
持するための円盤状の保持プレート４１１と、これを六
軸方向、すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及びこれら各軸回
り（θＹ方向、θＸ方向，θ方向）に変位可能に支持す
る支持機構４１２から構成されており、保持プレート４
１１を上記各方向に移動させながら補助ステージ４８と
の間でウエハの受渡しを行うとともに、上記測定ヘッド
５及びプリアライメント用センサ４７の所定の測定位置
にウエハを配置するように構成されている。

【００２３】また、この保持プレート４１１の側面部に
は、チップホルダ４１３（後で説明する図８）が取り付
けられている。このチップホルダ４１３の上面部には、
図２および図３に示すように、凹部４１３ａが形成され
ており、この凹部４１３ａの内部には、シリコンなどの
リファレンスチップ７１、参照光学部材としてのホルミ
ウムガラス７２および表面に反射防止膜をコーティング
した保護ガラス７３がこの順で底面から積層配置されて
いる。したがって、保持プレート４１１を上記各方向に
移動させると、該保持プレート４１１とともに、ホルミ
ウムガラス７２が任意の位置に移動可能となっている。
このように、この実施形態では、六軸テーブル４１と、
チップホルダ４１３と、六軸テーブル４１の駆動機構
（図示省略）とで、ウエハおよびホルミウムガラス７２
を選択的に測定位置に移動させる移動手段が構成されて
いる。

【００２４】なお、ホルミウムガラス７２は、例えば図
４に示すような透過率特性を有しており、同図から明ら
かなように、特定波長で透過率が極大的に減少してい
る。したがって、六軸テーブル４１を移動させてホルミ
ウムガラス７２を照明位置ＩＬに位置決めすると、測定
ヘッド５からの照明光が保護ガラス７３を介してホルミ
ウムガラス７２を通過してリファレンスチップ７１で反
射された後、再度ホルミウムガラス７２および保護ガラ
ス７３を通過して測定ヘッド５側に導光される。この
際、反射光の各波長成分のうち特定波長成分について
は、ホルミウムガラス７２で吸収されて輝度レベルの低
下が認められる。この実施形態では、この吸収特性を利
用して波長較正が行われる。この点に関しては、後で詳
述する。

【００２５】図１に戻って測定ステージ４の構成につい
ての説明を続ける。プリアライメント用センサ４７は、
光の照射部４７１と受光部４７２とを所定の検査空間を
挟んで上下に配置したもので、上記検査空間にウエハ端
縁部を介在させた状態でウエハを回転させることによ
り、プリアライメント、すなわち上記保持プレート４１
１の中心に対するウエハ中心の偏心を検出するようにな
っている。

【００２６】補助ステージ４８は、インデクサ部２と六
軸テーブル４１との間に配設されており、図示の例で
は、測定前のウエハを待機させるための供給側ステージ
４８１と、測定後のウエハを待機させるための排出側ス
テージ４８２とが並べて設けられている。各ステージ４
８１，４８２は、上記保持プレート４１１を介在させる
ための切欠部分を有した略Ｕ字型に形成されており、例
えば、供給側ステージ４８１から六軸テーブル４１への
ウエハの受渡しは、供給側ステージ４８１の切欠下部分
の下方に上記保持プレート４１１が配置された状態で、
供給側ステージ４８１と保持プレート４１１とが相対的
に上下動されることにより行われるようになっている。
一方、六軸テーブル４１から排出側ステージ４８２への
ウエハの受渡しは、これと逆の動作に基づいて行われる
ようになっている。

【００２７】Ａ−５．測定ヘッド５ 図５は測定ヘッド５を示す図であり、図６は図５のＡ−
Ａ線矢視図であり、図７は測定ヘッド５の光学的および
電気的構成を示す模式図である。この測定ヘッド５は、
上記したように、本発明にかかる照明光学装置としての
照明光学ユニット５１を有している。この照明光学ユニ
ット５１では、所定の光源配置領域（図６の右下隅領
域）５１１に、ハロゲンランプ５１２と重水素ランプ５
１３とが配置されている。そして、各ランプ５１２，５
１３から射出された光Ｌ1，Ｌ2が照明光学ユニット５１
を介して結像光学ユニット５２に入射される。また、こ
の実施形態では、このように光源配置領域５１１には、
ハロゲンランプ５１２および重水素ランプ５１３を覆う
ように保護カバー５１５が設けられるとともに、この保
護カバー５１５に排気ダクト５１６を介して図示を省略
する排気ファンが接続されている。

【００２８】両ランプ５１２、５１３から射出される光
Ｌ1，Ｌ2が入射する照明光学系５１４は、複数のフィル
ターを同心円状に配置してなるフィルターターレット５
１４ａと、このフィルターターレット５１４ａを回転さ
せて任意のフィルターを光軸ＯＡ上に位置決めするフィ
ルター切換用モータ５１４ｂと、レンズ５１４ｃと、全
反射ミラー５１４ｄと、視野絞り５１４ｅと、ハーフミ
ラー５１４ｆとを備えており、ハロゲンランプ５１２か
ら射出された白色光Ｌ1が光軸ＯＡ上に位置決めされた
フィルターを通過して当該フィルターに対応する可視域
の光（以下「可視光」という）がレンズ５１４ｃ、全反
射ミラー５１４ｄ、視野絞り５１４ｅおよびハーフミラ
ー５１４ｆを介して結像光学ユニット５２に入射する。

【００２９】また、照明光学系５１４は、全反射ミラー
５１４ｇと、レンズ５１４ｈとをさらに備えており、重
水素ランプ５１３から射出した紫外光Ｌ2が全反射ミラ
ー５１４ｇで反射された後、レンズ５１４ｈおよびハー
フミラー５１４ｆを介して結像光学ユニット５２に入射
する。

【００３０】なお、重水素ランプ５１３から射出される
高エネルギーの紫外光Ｌ2が常時全反射ミラー５１４ｇ
に入射し、全反射ミラー５１４ｇの表面が長時間紫外光
に曝されると、その表面が曇るという問題が生じる。そ
こで、この実施形態では、重水素ランプ５１３と全反射
ミラー５１４ｇとの間にシャッター機構５１７を設け
て、被測定試料に紫外光Ｌ2を照射する場合のみ、シャ
ッター機構５１７を開いて重水素ランプ５１３からの紫
外光Ｌ2を全反射ミラー５１４ｇに導光するように構成
している。

【００３１】図８はシャッター機構を示す斜視図であ
り、同図(a)はシャッターを開いた状態を示す一方、同
図(b)はシャッターを閉じた状態を示している。同図に
示すように、このシャッター機構５１７は、断面が略Ｌ
字状の基台５１７ａの前端面に支持板５１７ｂが取り付
けられている。この支持板５１７ｂの左下部には、貫通
孔５１７ｃが設けられており、この貫通孔５１７ｃを介
して基台５１７ａの前端面に固着された全反射ミラー５
１４ｇに紫外光Ｌ2が入射可能となっている。

【００３２】また、支持板５１７ｂには、中央上部に設
けられた回動軸５１７ｄ回りにシャッター５１７ｅが回
動自在に軸支されている。さらに、この回動軸５１７ｄ
にはシャッター駆動用モータ５１７ｆが連結されてお
り、モータ５１７ｆの作動に応じてシャッター５１７ｅ
が回動軸５１７ｄを回動中心として回動し、貫通孔５１
７ｃを開放したり、塞ぐことができるように構成されて
いる。

【００３３】したがって、紫外光Ｌ2を被測定試料に照
射する際には、同図(a)に示すように、シャッター５１
７ｅを貫通孔５１７ｃから退避させて紫外光Ｌ2を全反
射ミラー５１４ｇで反射させて被測定試料に導光する一
方、被測定試料への紫外光Ｌ2の照射が必要ない場合に
は、同図(b)に示すように、シャッター５１７ｅを貫通
孔５１７ｃに位置決めして紫外光Ｌ2の全反射ミラー５
１４ｇへの入射を禁止することができる。その結果、全
反射ミラー５１４ｇの表面に紫外光Ｌ2が長時間照射さ
れるのを防止することができ、全反射ミラー５１４ｇの
表面の曇りを効果的に防止することができる。

【００３４】次に、図５および７に戻り、上記のように
構成された照明光学ユニット５１から射出された可視光
および紫外光が入射される結像光学ユニット５２、また
ウエハによって反射された光を分光する分光ユニット５
４の構成についての説明を続ける。

【００３５】結像光学ユニット５２は、複数の対物レン
ズ５２１ａ，５２１ｂが同心円状に配置されて回転軸５
２２ａ回りに回転自在なレンズターレット５２２と、こ
のレンズターレット５２２を回転軸５２２ａ回りに回転
駆動して任意の対物レンズを光軸ＯＡ上に位置決めする
対物レンズ切換用モータ５２３と、ビームスプリッタ５
２４と、チューブレンズ５２５とからなり、照明光学ユ
ニット５１からの照明光（可視光あるいは紫外光）がビ
ームスプリッタ５２４によって反射させ、対物レンズ切
換用モータ５２３によって光軸ＯＡ上に位置決めされた
対物レンズを介して所定の照明位置ＩＬに照射される。

【００３６】この照明位置ＩＬを含む比較的広い範囲に
わたって六軸テーブル４１（図１）は移動可能に構成さ
れており、この六軸テーブル４１の保持プレート４１１
に被測定試料たるウエハＷが載置され、この六軸テーブ
ル４１によってウエハＷの表面の任意の微小領域を照明
位置ＩＬに位置させることができるように構成されてい
る。なお、図面への図示を省略するが、この六軸テーブ
ル４１には、その位置（Ｘ，Ｙ座標など）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６に与
えられるようになっている。

【００３７】この照明位置ＩＬに位置するウエハＷの微
小領域で反射された光は、対物レンズ５２１，ビームス
プリッタ５２４およびチューブレンズ５２５を介して光
軸ＯＡ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５３１を有するプレート５３
２が配置されている。また、そのプレート５３２の近傍
にシャッター５３３が配置されており、制御ユニット６
からの信号に基づきシャッター５３３を開閉駆動して、
反射光のうちピンホール５３１を通過した光が分光ユニ
ット５４に入射されるかどうかを制御するようになって
いる。

【００３８】この分光ユニット５４は、反射光を分光す
る凹面回折格子５４１と、凹面回折格子５４１により回
折された回折光の分光光強度を検出するラインセンサ５
４２とで構成されている。ラインセンサ５４２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５３１と共役な関係に配置されてい
る。このため、分光ユニット５４に取り込まれた光は凹
面回折格子５４１に分光され、その光の分光光強度に対
応した信号がラインセンサ５４２から制御ユニット６に
与えられる。

【００３９】なお、チューブレンズ５２５とプレート５
３２との間の光軸ＯＡ上には、プリズム５５１が配置さ
れており、ウエハＷからの光の一部を取り出すようにな
っている。また、取り出された光は、レンズ５５２を介
して所定位置に集光される。この集光位置には、撮像素
子５５３が配置されており、ウエハＷ表面の一部領域
（膜厚測定領域）の像に対応した画像信号が制御ユニッ
ト６に与えられる。このように、この実施形態では、撮
像ユニット５５によって測定領域の画像を撮像可能とな
っているが、この撮像ユニット５５の配設位置はチュー
ブレンズ５２５とプレート５３２との間に限定されるも
のではなく、対物レンズ５２１と分光ユニット５４との
間の光軸ＯＡ上であれば任意である。

【００４０】制御ユニット６は、図７に示すように、論
理演算を実行する周知のＣＰＵ６１１と、そのＣＰＵ６
１１を制御する種々のプログラムなどを予め記憶するＲ
ＯＭ６１２と、装置動作中に種々のデータを一時的に記
憶するＲＡＭ６１３とを備えた制御部６１を備えてい
る。また、この制御部６１は、Ｉ／Ｏ部６２を介して以
下の構成要素、 ・操作部３１、 ・モニタ３２、 ・データ処理部６３１：ラインセンサ５４２からの信号
に対して所定の処理を施す、 ・シャッターコントローラ６３２：シャッター５３３を
開閉制御する、 ・画像処理部６３３：撮像素子５５３からの画像信号に
対して所定の処理を施す、 ・フィルター切換コントローラ６３４：フィルター切換
用モータ５１４ｂを回転制御してフィルターを切換る、 ・点灯回路６３５：ハロゲンランプ５１２を点灯／消灯
制御する、 ・点灯回路６３６：重水素ランプ５１３を点灯／消灯制
御する、 ・シャッターコントローラ６３７：シャッター５１７ｅ
を開閉制御する、 ・レンズターレットコントローラ６３８：対物レンズ切
換用モータ５２３を回転制御して対物レンズを切換る、 ・テーブルコントローラ６３９：六軸テーブル４１を駆
動制御する、と電気的に接続されている。

【００４１】Ｂ．分光測定方法 次に、上記ように構成された膜厚測定装置における分光
測定方法について図９ないし図１１を参照しつつ説明す
る。この膜厚測定装置では、従来と同様に、装置の組立
および光軸調整などを行った後で、絶対波長較正が行わ
れる（ステップＳ１）。この絶対波長較正は、予め公知
の輝線スペクトルを有する低圧水銀ランプを照明位置Ｉ
Ｌに配置して該低圧水銀ランプからの光を結像光学ユニ
ット５２を介して分光ユニット５４に導光して絶対波長
較正を行い、ラインセンサ５４２の各画素と分光による
スペクトルの波長とを対応付けるものである。これによ
って、表１に示す対応関係が得られ、制御ユニット６に
記憶される。

【００４２】

【表１】

【００４３】なお、同表および後で説明する表における
「画素番号」の欄の「Ｎ1」は、最も短波長λ1のスペク
トルを受光する画素の番号を示しており、長波長（λ2
＜λ3＜…）側に行くに従って「Ｎ2」、「Ｎ3」、…と
している。

【００４４】こうして、絶対波長較正が完了すると、低
圧水銀ランプを取外し、ハロゲンランプ５１２を点灯し
（ステップＳ２）、しばらくしてハロゲンランプ５１２
からの発光量が安定化すると、テーブルコントローラ６
３９からの指令にしたがって六軸テーブル４１を移動さ
せてチップホルダ４１３を照明位置ＩＬに位置決めする
（ステップＳ３）。これによって、照明光学ユニット５
１から照射される照明光が保護ガラス７３を介してホル
ミウムガラス７２を通過してリファレンスチップ７１で
反射された後、再度ホルミウムガラス７２および保護ガ
ラス７３を通過して結像光学ユニット５２に導光され
る。さらに、反射光は結像光学ユニット５２を介して分
光ユニット５４に入射して分光される。

【００４５】そこで、次のステップＳ４では、ラインセ
ンサ５４２から出力される電気信号に基づき各画素で受
光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める。
こうして測定された分光特性は、例えば図１０に示すよ
うに、ホルミウムガラス７２の吸収特性の影響を直接的
に受けて複数の特定波長でスペクトルの輝度レベルが大
きく低下している。

【００４６】次のステップＳ５では、可視域全体を３つ
の波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcに分け、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒc
において最も顕著に輝度レベルの変化が生じている部分
（同図の斜線部分）の重心波長λa、λb、λcを求めて
いる（ステップＳ５）。ここで、具体的には、各波長帯
Ｒa、Ｒb、Ｒcに応じたしきい値として最大輝度の４０
％、８０％および８２％にそれぞれ設定して輝度レベル
が大きく変化している部分を求める。そして、各部分に
対応する重心画素の番号Ｎa、Ｎb、Ｎcをそれぞれ求め
た後、表１に示す対応関係に基づき各画素番号Ｎa、Ｎ
b、Ｎcに対応する波長λa、λb、λcを求め、これらを
重心波長λa、λb、λcとする。

【００４７】こうして求めた重心波長λa、λb、λcは
上記したようにホルミウムガラス７２の吸収特性を直接
的に反映したものであり、この実施形態では、これらを
特定波長λa、λb、λcとして制御ユニット６に記憶す
る（ステップＳ６）。これらの一連の処理（ステップＳ
１〜Ｓ６）によって、被測定試料であるウエハの分光特
性を測定するための準備処理が完了する。

【００４８】なお、上記実施形態では、重心波長を求
め、それらを特定波長としているが、重心波長を求める
（ステップＳ５）代わりに、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcに
おいて最も輝度レベルが低下している波長を特定波長と
するようにしてもよい。また、この実施形態では、膜厚
測定装置を用いて特定波長λa、λb、λcを実際のウエ
ハの分光特性の測定に先立って測定しているが、予め別
の分光測定装置によってホルミウムガラス７２の吸収特
性に基づく特定波長を測定し、制御ユニット６に記憶さ
せるようにしてもよい。

【００４９】上記のようにして、分光測定の準備処理が
完了すると、図１１に示すフローチャートにしたがっ
て、被測定試料たるウエハの分光特性、さらに該分光特
性に基づく膜厚測定を行う。

【００５０】まず、ステップＳ１１で、被測定試料たる
ウエハをセットする。すなわち、この膜厚測定装置で
は、インデクサロボット２１によりウエハカセット１１
又は１２からウエハを取り出し、中心調整装置２２によ
りセンタリングを行った後、供給側ステージ４８１に載
置する。そして、該供給側ステージ４８１から六軸テー
ブル４１の保持プレート４１１にウエハを受渡し、プリ
アライメント用センサ４７による検出（プリアライメン
ト）が行われた後、チップホルダ４１３を測定ヘッド５
直下の所定の測定位置（照明位置ＩＬ）に配置する。

【００５１】そして、準備処理におけるステップＳ２〜
Ｓ４と同様にして、チップホルダ４１３に保持されてい
るホルミウムガラス７２の分光特性を測定する。すなわ
ち、ハロゲンランプ５１２を点灯し（ステップＳ１
２）、しばらくしてハロゲンランプ５１２からの発光量
が安定化すると、テーブルコントローラ６３９からの指
令にしたがって六軸テーブル４１を移動させてチップホ
ルダ４１３を照明位置ＩＬに位置決めして（ステップＳ
１３）、可視域の照明光を上記構造体に照射する。そし
て、該構造体からの反射光を結像光学ユニット５２を介
して分光ユニット５４に入射して分光させ、さらにライ
ンセンサ５４２から出力される電気信号に基づき各画素
で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求め
る（ステップＳ１４）。

【００５２】そして、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcにおいて
最も顕著に輝度レベルの変化が生じている部分の重心画
素の番号Ｎa、Ｎb、Ｎcをそれぞれ求めた（ステップＳ
１５）後、制御ユニット６から準備処理で求めた特定波
長λa、λb、λcを読み出し、次式に基づき互いに隣り
合った特定波長間、つまり特定波長λa、λbの間、およ
び特定波長λb、λcの間での補間係数α1、α2を求める
（ステップＳ１６）。すなわち、特定波長λa、λbの間
について、 α1＝（Ｎb−Ｎa）／（λb−λa） に基づき、また特定波長λb、λcの間について、 α2＝（Ｎc−Ｎb）／（λc−λb） に基づき、補間係数α1、α2を求め、制御ユニット６に
記憶する。

【００５３】このように補間係数α1、α2を求めておく
ことで、仮に経時変化や温度変化などの影響によって結
像光学ユニット５２や分光ユニット５４などの光学特性
が変化し、その結果、ラインセンサ５４２の各画素と分
光によるスペクトルの波長との対応付けが変化したとし
ても、次の波長較正式によって各画素と波長との対応関
係を較正することができる。すなわち、画素番号Ｎkを
有する画素によって受光されるスペクトルの波長λk′
は、 Ｎk≦Ｎbのとき、 λk′＝λa＋（Ｎk−Ｎa）／α1 Ｎb＜Ｎkのとき、 λk′＝λb＋（Ｎk−Ｎb）／α2 によって求まる。

【００５４】上記のようにして補間係数α1、α2が求ま
ると、テーブルコントローラ６３９からの指令にしたが
って六軸テーブル４１を移動させて被測定試料たるウエ
ハを照明位置ＩＬに位置決めする（ステップＳ１７）。
これによって、照明光学ユニット５１から照射される照
明光がウエハで反射され、この反射光が結像光学ユニッ
ト５２を介して分光ユニット５４に入射して分光され
る。そして、分光ユニット５４のラインセンサ５４２か
ら出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペ
クトルの輝度を求めて分光特性を求める（ステップＳ１
８）。なお、こうして求められた分光特性を示すデータ
は、表２に示すように、画素番号とスペクトル輝度との
組み合わせデータである。

【００５５】

【表２】

【００５６】次に、ステップＳ１６で求められた補間係
数を用い、上記波長較正式にしたがって各画素番号に対
応する波長を演算し、波長較正を行う（ステップＳ１
９）。すなわち、画素番号Ｎ1の画素に対応する波長λ1
については、 λ1′＝λa＋（Ｎ1−Ｎa）／α1 によって求められた波長λ1′に較正され、後の画素番
号についても同様にして較正され、表３に示す分光特性
が得られる。

【００５７】

【表３】

【００５８】このように、この実施形態では、ホルミウ
ムガラス７２の吸収特性を利用して被測定試料の測定ご
とに波長較正を行っているため、経時変化や温度変化な
どの影響によって結像光学ユニット５２や分光ユニット
５４などの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサ
５４２の各画素と分光によるスペクトルの波長との対応
関係が変化したとしても、測定ごとにその対応関係が較
正され、再現性のよい分光特性の測定を行うことができ
る。しかも、該ホルミウムガラス７２を六軸テーブル４
１の移動に応じて移動自在に構成しているため、波長較
正を行う際には、単にホルミウムガラス７２を照明位置
ＩＬに位置決めするのみで済むので、波長較正の度に低
圧水銀ランプを照明位置ＩＬに配置する必要があった従
来例に比べて、波長較正を簡単に、効率よく行うことが
できる。

【００５９】また、この膜厚測定装置では、上記のよう
にして分光特性の測定が完了する（ステップＳ１９）
と、その波長較正された分光特性に基づきウエハの表面
に形成された薄膜の膜厚測定を行う（ステップＳ２
０）。このように分光特性を再現性よく測定することか
ら、その分光特性に基づく膜厚測定を行っているため、
必然的に膜厚測定も再現性よく行うことができる。な
お、ステップＳ２１で膜厚測定を継続すると判断される
間、上記一連の処理（ステップＳ１１〜Ｓ２０）を繰り
返して行う。

【００６０】Ｃ．変形例 なお、上記実施形態では、この発明にかかる分光測定方
法を膜厚測定装置に適用した場合について説明したが、
この分光測定方法の適用対象は、膜厚測定装置に限定さ
れるものではなく、単に分光特性を求める、あるいは分
光特性の測定を行い、得られた分光特性から特有の物性
値などを求める技術にも適用することができる。

【００６１】また、上記実施形態では、補間係数α1、
α2を求め、直線補間によって波長較正を行っている
が、補間方法はこれに限定されるものではなく、任意の
補間方法を用いることができる。

【００６２】また、上記実施形態では、ホルミウムガラ
ス７２の吸収特性を利用して特定波長を設定している
が、ホルミウムガラス７２の代わりに、透過率が特定波
長で極大的に変化する物質（例えばジジムフィルタ）や
多層膜などを用いてもよい。また、ホルミウムガラス７
２の代わりに、特定波長で反射率が変化する反射膜を用
いてもよく、この場合、リファレンスチップ７１が不要
となる。

【００６３】さらに、上記実施形態では、３つの特定波
長を設定して波長較正を行っているが、特定波長の設定
数は「３」に限定されるものではなく任意であるが、照
明光の波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも
２つ以上の特定波長を設定することで、上記実施形態で
説明したような補間法を利用することができ、より精度
の高い波長較正を行うことができる。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、照明
光の波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも２
つ以上の特定波長において、透過率あるいは反射率が極
大的に変化する参照光学部材を準備し、被測定試料の分
光特性を測定するのに先立って、参照光学部材を照明位
置に位置決めして参照光学部材の分光特性を測定し、複
数の画素のうち特定波長のスペクトルを受光する画素を
特定し、さらに該特定画素に基づき、各画素で受光され
るスペクトルの波長を演算した後、被測定試料を照明位
置に位置決めし、当該被測定試料から射出される光を分
光し、分光特性を実測するとともに、当該分光特性を上
記演算結果に基づき波長較正するようにしているので、
再現性の良い分光特性の測定を、効率良く行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる分光測定方法を適用可能な膜厚
測定装置を示す斜視図である。

【図２】チップホルダの斜視図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ線矢視図である。

【図４】ホルミウムガラスの透過率特性を示すグラフで
ある。

【図５】測定ヘッド５を示す図である。

【図６】図５のＡ−Ａ線矢視図である。

【図７】図５の測定ヘッドの光学的および電気的構成を
示す模式図である。

【図８】シャッター機構を示す斜視図である。

【図９】膜厚測定装置による分光測定における準備処理
を示すフローチャートである。

【図１０】図１の膜厚測定装置によって実測されるホル
ミウムガラスの分光特性を示すグラフである。

【図１１】膜厚測定装置による分光測定方法および膜厚
測定方法を示すフローチャートである。

【符号の説明】

６…制御ユニット ４１…六軸テーブル ５１…照明光学ユニット ５２…結像光学ユニット ５４…分光ユニット ７２…ホルミウムガラス ５１２…ハロゲンランプ ５１３…重水素ランプ ５４２…ラインセンサ ６１１…ＣＰＵ ６１２…ＲＯＭ ６１３…ＲＡＭ ６３９…テーブルコントローラ ＩＬ…照明位置 Ｗ…ウエハ（被測定試料） α1、α2…補間係数 λa〜λc…特定波長

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の波長域の照明光が照射される照明
   位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料か
   ら射出される光を分光し、各スペクトルを複数の画素か
   らなるラインセンサで受光して分光特性を測定する分光
   測定方法であって、 (a) 前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なく
   とも２つ以上の特定波長において、透過率あるいは反射
   率が極大的に変化する参照光学部材を準備する工程と、 (b) 前記参照光学部材の特定波長を記憶する工程と、 (c) 被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、
   前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすること
   で、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の
   画素のうち前記特定波長のスペクトルを受光する画素を
   特定する工程と、 (d) 前記工程(c)において特定された画素に基づき、前
   記画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する
   工程と、 (e) 前記工程(d)を行った後、被測定試料を前記照明位
   置に位置決めし、当該被測定試料から射出される光を分
   光し、分光特性を実測した後、当該分光特性を前記工程
   (d)の演算結果に基づき波長較正する工程と、を備えた
   ことを特徴とする分光測定方法。
2. 【請求項２】 前記参照光学部材として、ホルミウムガ
   ラスを準備する請求項１記載の分光測定方法。
3. 【請求項３】 前記工程(b)で記憶された２つ以上の特
   定波長のうち、互いに隣り合う特定波長をそれぞれ第１
   および第２特定波長λa、λb（ただし、λa＜λb）と定
   義するとともに、前記工程(c)で求められた前記第１お
   よび第２特定波長λa、λbのスペクトルを受光する画素
   番号をそれぞれＮa、Ｎb（ただし、Ｎa＜Ｎb）と定義し
   た場合、 前記工程(d)は、第１および第２特定波長λa、λbと、
   前記画素番号Ｎa、Ｎbとに基づき、前記画素の各々で受
   光されるスペクトルの波長を演算する請求項１または２
   記載の分光測定方法。
4. 【請求項４】 前記工程(d)は、 (d-1) 次式により補間係数αを求めるサブ工程と、 α＝（Ｎb−Ｎa）／（λb−λa） (d-2) 次式により画素番号Ｎkを有する画素によって受
   光されるスペクトルの波長λk′を求めるサブ工程と、 λk′＝λa＋（Ｎk−Ｎa）／α を備えた請求項３記載の分光測定方法。
5. 【請求項５】 所定の波長域の照明光を照明位置に照射
   する照明光学ユニットと、 前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも２
   つ以上の特定波長において、透過率あるいは反射率が極
   大的に変化する参照光学部材と、 被測定試料および前記参照光学部材を選択的に前記照明
   位置に移動させる移動手段と、 前記照明位置に位置決めされた前記被測定試料または前
   記参照光学部材から射出される光を所定位置に集光する
   結像光学ユニットと、 前記結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複
   数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペ
   クトルを受光するラインセンサとを有する分光ユニット
   と、 装置各部を制御しながら、前記ラインセンサの各画素か
   ら出力される電気信号に基づき前記被測定試料および前
   記参照光学部材の分光特性を求める制御ユニットとを備
   える分光測定装置であって、 前記制御ユニットは、前記参照光学部材の特定波長を記
   憶するメモリと、 被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参
   照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで前記参
   照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち
   前記特定波長のスペクトルを受光する画素を特定する画
   素特定手段と、 特定された画素に基づき、前記画素の各々で受光される
   スペクトルの波長を演算する演算手段と、 被測定試料を前記照明位置に位置決めし、実測される分
   光特性を波長較正する波長較正手段と、を有しているこ
   とを特徴とする分光測定装置。
6. 【請求項６】 前記参照光学部材として、ホルミウムガ
   ラスが用いられた請求項５記載の分光測定装置。
7. 【請求項７】 前記移動手段は、被測定試料を保持する
   テーブルと、前記参照光学部材を保持しながら、前記テ
   ーブルに固定されたホルダと、前記テーブルを駆動して
   前記被測定試料および前記参照光学部材を一体的に移動
   させるテーブル駆動手段と、を備えている請求項５また
   は６記載の分光測定装置。