JPWO2020161887A1 - エッチング処理装置、エッチング処理方法および検出器 - Google Patents

エッチング処理装置、エッチング処理方法および検出器 Download PDF

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Abstract

エッチングにおける処理中のウェハの膜厚・深さ測定では光源の光量揺らぎ、光が通過する領域の空気の揺らぎなどによって検出光量に変動が発生し、膜厚・深さの測定精度が低下するため、エッチング処理中の各時刻にて測定する分光スペクトルから任意の波長の総光量又は平均光量を算出し、現時刻より過去に測定した総光量又は平均光量を用いて推定される現時刻の推定総光量又は推定平均光量を算出し、現時刻の総光量と推定総光量の比、又は平均光量と推定平均光量の比である変化率を算出し、算出した変化率を用いて現時刻の各波長の光量を補正し、補正した各波長の光量を用いて膜厚・深さ測定を実施する。

Description

本発明は、エッチング処理装置、エッチング処理方法および検出器に関する。
半導体デバイスの製造において、ウェハの表面上に様々なコンポーネントやそれらを相互接続する配線などが形成される。これらは、導体・半導体・絶縁体など種々の材料の成膜と、不要な部分の除去を繰り返すことで形成することができる。不要な部分の除去プロセスとして、プラズマを用いたドライエッチング（プラズマエッチング）が広く使用されている。
プラズマエッチングでは、エッチング処理装置の処理室内に導入したガスを高周波電源などでプラズマ化し、ウェハをプラズマ化したガスに暴露することでエッチング処理を行う。この時、プラズマ中のイオンによるスパッタリングやラジカルによる化学反応などによって異方性や等方性のエッチングが行われ、これらを使い分けることでウェハ表面上には種々の構造のコンポーネントや配線などが形成される。
プラズマエッチングによる加工形状が設計形状と異なる場合、形成される各種コンポーネントはその機能を発揮できない虞れがある。そこで、加工形状を検出するために、エッチング処理を監視・安定化するプロセスモニタ技術が多数提案されてきた。例えば、膜厚・深さモニタと呼ばれるプロセスモニタが知られている。このプロセスモニタは、処理中のウェハからの反射光を計測することにより、ウェハ上に成膜された膜の膜厚やウェハ上に形成された溝や穴の深さを測定するものであり、エッチング処理の終点判定などに利用されてきた。
特許文献１には、この膜厚・深さモニタを用いた加工精度高精度化技術が記載されている。特許文献１の技術によれば、プラズマ光を光源とした膜厚・深さモニタを用いて処理対象の膜が完全に除去される直前を検知し、当該エッチング処理を終了する。その後、処理対象部分と処理非対象部分を高い精度で選択的にエッチングする条件に切り替えてエッチング処理を行うことで、全体の処理時間を短く抑えつつ、ウェハ面内での処理ばらつきを抑制し、処理対象膜の完全な除去を実現することができる。
特許文献２には、膜厚・深さモニタの膜厚や深さの測定精度の高精度化技術が記載されている。特許文献２の技術によれば、ウェハに照射する光源としてプラズマ光の代わりに外部光源を使用する。これにより、光源の光量変動が小さくなり高精度な膜厚・深さの測定を実現することができる。
ところで、半導体デバイスの高機能化に伴い、構造の微細化やレイアウトの複雑化が推進され、特に先端デバイスのエッチングプロセスには更なる高精度な加工が要求されている。先端デバイスのエッチングでは、エッチング処理される領域が少ない（低開口率）場合や、エッチング速度が低い（低エッチングレート）場合がある。これら処理工程の終点判定では、終点判定に用いる指標である各波長の光量時間変化（干渉信号）が小さくなる。そこで、高精度な終点判定を実現するには、時間方向の光量揺らぎであるノイズを低減する必要がある。
光量揺らぎノイズの一つとして認識される現象として、エッチング中に測定光量がステップ状に変化する場合がある。かかる現象は、光源であるプラズマ光や外部光の光量が変化することによって発生する。
特許文献３、４には、このステップ状のノイズを除去する手法が記載されている。例えば特許文献３の手法では、エッチング中の各時刻に測定される分光スペクトルを１時刻前と比較し、全波長で光量変化が同一方向で、且つその変化量が閾値を超えた場合に光量変動のノイズが発生したと判断し、光量補正を実施する。
光量の補正は、ノイズ発生検出時にその変化倍率を算出し、現時刻以降の測定データにはその変化倍率を除算することで実施する。これらにより終点判定の高精度化が実現されている。
特開平１１−２６０７９９号公報 特表２００４−５０７０７０号公報 特開２００７−２３４６６６号公報 特開２００８−２１８８９８号公報 特開平５−２５５８５０号公報 特開平８−２３６５９２号公報
一方、膜厚・深さ測定における干渉信号のノイズは、ステップ状の光量変化（ステップ状のノイズという）だけでなく、パルス状の光量変化（パルス状のノイズという）である場合もある。パルス状のノイズの発生原因の一つとして、測定するウェハ反射光が通過する領域の空気の揺らぎがある。特にウェハの処理を行う真空チャンバが高温に加熱されている場合、チャンバ付近と光検出器の間の空気に温度勾配が生じ、その高・低温の空気が対流することによって検出される光量に変動が生じる。
このパルス状のノイズは、特許文献５、６に開示されているように既に知られている。パルス状ノイズが発生した場合の干渉信号の例を、図１に示す。図には、エッチング中に測定する分光スペクトルデータにおける３波長（λ１、λ２、λ３）に関して、それら光量の時間変化（干渉信号）を示す。かかる干渉信号において、時刻２０ｓｅｃ付近にパルス状の光量変動ノイズが発生しており、この光量変動ノイズは膜厚・深さ測定の精度を低下させる。
特許文献３の手法を用いてこの光量変動ノイズを除去した干渉信号を、図２に示す。この図２からは、時刻２０ｓｅｃの光量変動ノイズは低減されているが、完全に除去できていないことがわかる。このようにノイズが完全に除去できていない干渉信号を用いた場合、正確な膜厚・深さ測定を実現することはできない。
また、ステップ状の光量変動ノイズにおいても、その変化量が小さい場合には、従来技術では光量変動ノイズの除去が不可能である。図３に、小さい変動のステップ状ノイズが発生した干渉信号の例を示す。図３において、時刻１５ｓｅｃから２０ｓｅｃ付近に小さなステップ状ノイズが発生しており、波長λ２およびλ３では、ウェハエッチングに伴う光量変化と区別が付きにくい状態である。
この光量変動ノイズに対して、特許文献３の手法を用いて光量変動ノイズの除去を行った干渉信号を、図４に示す。光量変動量ノイズが明確に観測される波長λ１の干渉信号ではノイズが除去されているが、ノイズ除去の副作用として波長λ２の干渉信号では光量が右肩上がり、波長λ３の干渉信号では光量が右肩下りに変化する補正歪みが生じている。
これは、ウェハエッチングに伴う光量変化と、ステップ状の光量変動ノイズとが切り分けられず、これらを合わせた光量変化をノイズと検出して補正を行ってしまったためである。従って、ステップ状のノイズにおいても、従来の光量変動ノイズの補正技術では正確な光量変動ノイズの補正を実現することが困難である。
以上述べてきたように、高精度な膜厚・深さ測定を実現するためには干渉信号から光量変動ノイズを正確に除去することが必須である。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、干渉信号から光量変動ノイズを除去することにより、高精度な膜厚・深さのモニタリングを実施することができるエッチング処理装置、エッチング処理及び検出器を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、代表的な本発明のエッチング処理装置は、
エッチング処理中に、処理対象から出射された複数の波長の光を受光し、受光した光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する受光器と、
前記受光器から出力された信号に基づいて、前記処理対象の膜厚を決定する膜厚決定部と、
前記膜厚決定部が決定した前記処理対象の膜厚と、閾値とを比較することにより、前記エッチング処理の終点を判定する判定器とを備え、
前記膜厚決定部は、所定のサンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの波長毎の信号を平滑化演算して得られる算出光量値と、前記サンプリング時間より以前の参照時間における前記算出光量値から決定される参照光量値とに基づいて、変化率を求め、
前記サンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの信号と、前記変化率とに基づいて、波長毎に補正光量値を求め、
更に前記補正光量値に基づいて、前記サンプリング時間における前記処理対象の膜厚を決定することにより達成される。
代表的な本発明のエッチング処理方法は、
エッチング処理中に、処理対象から出射された複数の波長の光を受光し、受光した光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する第１工程と、
出力された前記信号に基づいて、前記処理対象の膜厚を決定する第２工程と、
決定された前記処理対象の膜厚と、閾値とを比較することにより、前記エッチング処理の終点を判定する第３工程とを備え、
前記第２工程において、所定のサンプリング時間の各時刻毎における波長毎の前記信号を平滑化演算して得られる算出光量値と、前記サンプリング時間より以前の参照時間における前記算出光量値から決定される参照光量値とに基づいて、変化率を求め、
前記サンプリング時間の各時刻毎における前記信号と、前記変化率とに基づいて、波長毎に補正光量値を求め、
更に前記補正光量値に基づいて、前記サンプリング時間における前記処理対象の膜厚を決定することにより達成される。
代表的な本発明の膜厚を検出する検出器は、
エッチング処理中に、処理対象から出射された複数の波長の光を受光し、受光した光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する受光器と、
前記受光器から出力された信号に基づいて、前記処理対象の膜厚を決定する膜厚決定部と、を備え、
前記膜厚決定部は、所定のサンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの波長毎の信号を平滑化演算して得られる算出光量値と、前記サンプリング時間より以前の参照時間における前記算出光量値から決定される参照光量値とに基づいて、変化率を求め、
前記サンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの信号と、前記変化率とに基づいて、波長毎に補正光量値を求め、
更に前記補正光量値に基づいて、前記サンプリング時間における前記処理対象の膜厚を決定することにより達成される。
本発明によれば、干渉信号から光量変動ノイズを除去することにより、高精度な膜厚・深さのモニタリングを実施することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、パルス状光量変動ノイズを含む干渉信号の一例を示す図である。 図２は、パルス状光量変動ノイズを含む干渉信号に対して、従来技術を用いて光量変動ノイズの除去を行った結果の一例を示す図である。 図３は、ステップ状光量変動ノイズを含む干渉信号の一例を示す図である。 図４は、ステップ状光量変動ノイズを含む干渉信号に対して、従来技術を用いて光量変動ノイズの除去を行った結果の一例を示す図である。 図５は、本実施形態にかかるプラズマを用いたエッチング処理装置の一例を示す概略図である。 図６Ａは、膜厚・深さ測定の処理方法を実行する装置の一例を示すブロック図である。 図６Ｂは、干渉信号の光量変動補正の処理方法を実行する装置の一例を示すブロック図である。 図７Ａは、短時間幅のパルス状光量変動ノイズを含む干渉信号の経時変化を示すグラフである。 図７Ｂは、当該干渉信号を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の計算結果の経時変化を示すグラフである。 図７Ｃは、光量変動補正を実施した場合の、当該変化率を用いた各波長の補正光量の計算結果示す図である。 図７Ｄは、予め取得した各波長の光量１次微分値と膜厚・深さの関係を用いた膜厚深さ測定を示す図である。 図７Ｅは、光量変動補正を実施しない場合の、各波長の光量１次微分値と膜厚・深さの関係を用いた膜厚深さ測定を示す図である。 図８Ａは、光量変動補正を実施した場合の、予め取得した各波長の光量と膜厚・深さの関係を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図８Ｂは、光量変動補正を実施しない場合の、予め取得した各波長の光量と膜厚・深さの関係を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図９Ａは、長時間幅のパルス状光量変動ノイズを含む干渉信号の経時変化を示すグラフである。 図９Ｂは、当該干渉信号を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の経時変化を示すグラフである。 図９Ｃは、当該変化率を用いた各波長の補正光量の経時変化を示すグラフである。 図９Ｄは、各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１０Ａは、ウェハエッチングに伴う全波長の光量変化があり、且つ短時間幅のパルス状光量変動ノイズを含む干渉信号を含む場合の光量の経時変化を示すグラフである。 図１０Ｂは、当該干渉信号を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の計算結果の経時変化を示すグラフである。 図１０Ｃは、当該変化率を用いた各波長の補正光量の経時変化を示すグラフである。 図１０Ｄは、各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１１Ａは、ステップ状光量変動ノイズを含む干渉信号の経時変化を示すグラフである。 図１１Ｂは、当該干渉信号を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の計算結果の経時変化を示すグラフである。 図１１Ｃは、当該変化率を用いた各波長の補正光量の経時変化を示すグラフである。 図１１Ｄは、各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１２Ａは、各波長の光量の平均により計算した算出光量及び推定算出光量、変化率の経時変化を示すグラフである。 図１２Ｂは、各波長の光量の加重積算又は加重平均により算出光量を計算する場合に用いる各波長の重み付け値（重み付け係数）と、使用する波長の数との関係を示すグラフである。 図１２Ｃは、各波長の光量の加重積算により計算した算出光量及び推定算出光量、変化率の経時変化を示す図である。 図１２Ｄは、各波長の光量の加重平均により計算した算出光量及び推定算出光量、変化率の計算結果を示す図である。 図１３Ａは、所定の波長範囲を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の経時変化を示すグラフである。 図１３Ｂは、当該変化率により計算した各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１３Ｃは、選択した少数個の波長を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の経時変化を示す図である。 図１３Ｄは、当該変化率により計算した各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１３Ｅは、選択した単一波長を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の経時変化を示すグラフである。 図１３Ｆは、当該変化率により計算した各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１４Ａは、暗電流レベルの除去を行わない各波長の光量を用いた算出光量、推定算出光量、変化率の経時変化を示す図である。 図１４Ｂは、当該変化率により計算した各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１５Ａは、１次直線近似を用いて過去の算出光量から推定算出光量、変化率の経時変化を示す図である。 図１５Ｂは、当該変化率により計算した各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。 図１６Ａは、推定算出光量の計算に用いる算出光量の時間を現時点の１時刻前から１５ｓｅｃ前までとした場合における膜厚・深さの測定結果を示す図である。 図１６Ｂは、推定算出光量の計算に用いる算出光量の時間を現時点の１時刻前から１０ｓｅｃ前までとした場合における膜厚・深さの測定結果を示す図である。 図１６Ｃは、推定算出光量の計算に用いる算出光量の時間を現時点の１時刻前から５ｓｅｃ前までとした場合における膜厚・深さの測定結果を示す図である。 図１６Ｄは、推定算出光量の計算に用いる算出光量の時間を現時点の１時刻前から３ｓｅｃ前までと変更した場合における膜厚・深さの測定結果を示す図である。 図１７Ａは、ウェハエッチングに伴う全波長の光量変化があり、且つ短時間幅のパルス状光量変動ノイズを含む干渉信号の経時変化を示すグラフである。 図１７Ｂは、当該干渉信号から計算した算出光量、及び過去特定時刻の算出光量から計算した推定算出光量、及び変化率の経時変化を示すグラフである。 図１７Ｃは、当該変化率を用いた各波長の補正光量の経時変化を示すグラフである。 図１７Ｄは、各波長の補正光量を用いた膜厚・深さ測定結果を示す図である。
本発明の実施形態として膜厚・深さ測定方法を実施できるエッチング処理装置を、図面を参照しながら説明する。以下では、エッチング処理を行う膜厚・深さ測定装置を備えた半導体製造装置としてのエッチング処理装置の構成を説明したうえで、かかるエッチング処理装置におけるエッチング処理中の膜厚・深さ測定方法を説明する。
なお、図面中のグラフに数値を示す光量の単位は、例えば分光器のカウント値である。
［実施形態］
本実施形態で使用するエッチング処理装置の概略断面図を、図５に示す。エッチング処理装置１は真空処理室（単に処理室ともいう）１０を備えている。真空処理室１０の内部において、図示を省略したガス導入装置から導入されたエッチングガスが、処理部１１（簡略図示）を用いて発生させた高周波電力やマイクロ波によって励起・分解しプラズマ１２となり、このプラズマ１２により、試料台１４に設置された半導体ウェハ等の処理対象１６がエッチング処理（プラズマ処理）される。
真空処理室１０内へのガスの導入、プラズマ１２の生成及び制御、図示しない高周波電源等によって行われる処理対象への電圧印加などは、制御部４０の制御により行われ、所望のエッチング処理が実現されるように、各機器間での同期・タイミング調整が実施される。
プラズマ１２をパルス化する場合、パルス化の制御も制御部４０によって行われる。具体的には、プラズマ１２は、制御部４０の制御による高周波電源等による電圧印加、マイクロ波照射などの変調によってパルス化される。また、エッチングガスの導入を時間変調することによっても、プラズマのパルス化は実施される。
エッチング処理装置１は、処理対象１６の表面に形成された膜の厚さ（膜厚という）・微細構造の深さ（深さという）を測定する測定装置を備えている。この測定装置は、光源部１８と、検出器ＤＥＴとを有する。検出器ＤＥＴは、検出部（受光器）２８と、膜厚・深さ算出部（膜厚決定部）３０とを有する。
光源部１８から射出された光は、光ファイバ等及び導入レンズ２０を介して処理室１０内に導入され、導入レンズ２０を通過した照射光２２が処理対象１６に照射され、その表面で反射する。
なお、光源部１８は、紫外から赤外までの広帯域波長の連続光（連続スペクトル光）を用いるが、特定波長の光を用いて膜厚・深さ測定を実施する場合には、特定波長の光源を用いれば良い。
処理対象１６から反射した反射光２４は、検出レンズ２６で集光され、光ファイバなどを介して検出部２８に導入される。検出部２８は分光器で構成され、導入された光を分光し、波長毎の光量を検出する。特定波長を用いて膜厚・深さ測定を行う場合、検出部２８は、分光器に限らずフォトディテクタ等を用いてもよい。
このとき、検出部２８に導入される光が所望の特定波長のみであれば、直接フォトディテクタを用いればよく、広帯域波長の連続光が導入される場合には、フォトディテクタ前段にモノクロメータなどで特定波長のみを選択する機構を設ければよい。
図５では処理室１０に光を導入する導入レンズ２０と、反射光を検出する検出レンズ２６は、異なる位置に設置している。この構成の場合、反射光２４を最も効率よく検出するためには、導入レンズ２０の光軸と検出レンズ２６の主光線軸が処理対象１６を反射面として一致するように、互いに傾斜させて設置することが望ましい。
導入レンズ２０と検出レンズ２６の構成は図５に限ったものではなく、完全同軸構成として、導入レンズ２０と検出レンズ２６を１つで共用してもよい。この場合、共用レンズの光軸は処理対象１６に垂直な方向とし、垂直照射光による垂直反射光を検出できる構成にすることが望ましい。
また、図５では一組の測定系として、光源部１８の導入系と反射光２４の検出系を記載しているが、処理対象１６の複数の位置で膜厚・深さを測定する場合には、複数組の測定系を設ければよい。
さらに図５では、光源として外部の光源部１８から光を入射した場合について説明したが、光源としてプラズマ１２の光を用いることもできる。その場合には、光源部１８は使用しなくてもよい。プラズマ１２を光源として用いる場合も、プラズマ１２から放出された光は処理対象１６より反射し、反射光２４が光源部１８を用いた場合と同様に分光器で検出される。
検出部２８のデータは、膜厚・深さ算出部３０に入力され膜厚・深さが決定される。膜厚・深さ算出部３０の機能ブロックの構成を、図６Ａに示す。所定のサンプリング時間の間に、検出部２８から膜厚・深さ算出部３０に入力された各波長の光量の時系列データＤ０は、後述する光量変動補正器１１０で処理される。
その処理結果として出力される信号Ｄ１は、第１デジタルフィルタ１００によって平滑化処理され、第１平滑化時系列データＤ２として微分器１０２に供給される。微分器１０２では、例えばＳ−Ｇ法（Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて微分係数値（１次微分値または２次微分値）である微分時系列データＤ３を算出する。微分時系列データＤ３は、第２デジタルフィルタ１０４に供給される。第２デジタルフィルタ１０４では、微分時系列データＤ３を平滑化処理し、第２平滑化時系列データＤ４を求める。第２平滑化時系列データＤ４は微分比較器１０６に供給される。
次に、各データＤ２、Ｄ３、Ｄ４の算出について説明する。第１デジタルフィルタ１００としては、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用いる。２次バタワース型のローパスフィルタにより第１平滑化時系列データＤ２は、次式により求められる。
D2(i) = b1・D1(i) + b2・D1(i-1) + b3・D1(i-2) - [ a2・D2(i-1) + a3・D2(i-2)]
ここで、Ｄｋ（ｉ）は各データＤｋの時刻ｉのデータを示し、係数ｂ、ａはサンプリング周波数およびカットオフ周波数により数値が異なる。またデジタルフィルタの係数値は例えば、ａ２＝−１．１４３、ａ３＝０．４１２８、ｂ１＝０．０６７４５５、ｂ２＝−０．０１３４９１、ｂ３＝０．０６７４５５（サンプリング周波数１０Ｈｚ、カットオフ周波数１Ｈｚ）である。
微分係数値の時系列データＤ３は微分器１０２により、例えば５点の時系列データＤ２の多項式適合平滑化微分法を用いて以下のように算出される。
Figure 2020161887
ここで重み係数ｗに関して、１次微分計算では、例えばｗ−２＝−２、ｗ−１＝−１、ｗ０＝０、ｗ１＝１、ｗ２＝２が用いられる。また、２次微分計算では、例えばｗ−２＝２、ｗ−１＝−１、ｗ０＝−２、ｗ１＝−１、ｗ２＝２が用いられる。
前記微係数値の時系列データＤ３を用いた第２平滑化時系列データＤ４の算出における第２デジタルフィルタ１０４としては、例えば２次バタワース型ローパスフィルタにより以下のように算出される。
D4(i) = b1・D3(i) + b2・D3(i-1) + b3・D3(i-2) - [ a2・D4(i-1) + a3・D4(i-2)]
微分比較器１０６に入力された第２平滑化時系列データＤ４は、各波長毎に異なる周期と振幅の成分を含む微分波形パターンを持つ。そこで、この導出した微分波形パターンを、予め取得済みである膜厚・深さと微分波形パターンとを関連付けた微分波形パターンデータベース１０８と比較（照合）する。
より具体的には、微分比較器１０６は、算出された第２平滑化時系列データＤ４の微分波形パターンと最も近い微分波形パターンを、微分波形パターンデータベース１０８の中から特定し、その最も近い微分波形パターンに対応付けて記憶された膜厚・深さを、処理対象の膜厚・深さとして決定する。決定された膜厚・深さは、膜厚・深さ算出部３０の外部へ供給され、例えば不図示のモニタに表示され、或いはメモリに記憶される。
また、決定された膜厚・深さは、制御部４０（図５）へと送られる。判定器としての制御部４０は、決定された膜厚・深さを、記憶された閾値と比較して、エッチング処理の終点に到達したと判断したときは、エッチング処理装置１のエッチング処理を停止させる。
図６Ａの膜厚・深さ算出部３０では、処理対象の膜厚に対する各波長の光量変化の１次微分値又は２次微分値を予め取得している場合である。つまり、各検出結果の時刻に対する波長毎に光量の１次微分値又は２次微分値を取得し、それと予め取得しているデータを比較することで当該時刻の膜厚を特定している。しかし、膜厚・深さ特定の方法はこれに限ったものではない。
例えば、処理対象の膜厚・深さと波長毎の反射率のデータを予め取得しておき、検出結果と照射した外部光の波長毎の光量と用いて波長毎の反射率を算出し、算出した波長毎の反射率と予め取得している反射率のデータとを比較することで、当該測定における膜厚・深さを特定するようにしてもよい。
また、処理対象の膜厚・深さと波長毎の光量データを予め取得しておき、検出結果から波長毎の光量を取得し、それと予め取得している光量データとを比較することで、当該時刻の膜厚を特定するようにしてもよい。
さらに、処理対象の膜厚と各波長の光量変化の１次微分値又２次微分値を光量で規格化した１次微分規格化値又は２次微分規格化値のデータを予め取得しておき、検出結果から波長毎の光量変化の１次微分規格化値又は２次微分規格化値を取得し、それと予め取得しているデータを比較することで当該時刻の膜厚を特定するようにしてもよい。
ここで、検出部２８から膜厚・深さ算出部３０に入力された各波長の光量の時系列データＤ０に、光量変動ノイズが含まれていた場合の補正について、以下に説明する。
光量変動ノイズを除去する原理は、以下の通りである。複数の波長の光量には、処理対象からの反射による干渉成分と、全波長で共通の光量変動ノイズ成分が含まれる。干渉成分は、波長間で非同期（位相、周波数、振幅が異なる）であるため、例えば総光量算出により相殺できる。
その結果、総光量の時系列データから、全波長に共通の光量変動ノイズが観測される。そこで、過去総光量データから算出される現時点での推定総光量（推定算出光量という）と測定総光量（算出光量という）の比を、変化率として計算する。この変化率を用いて光量変動の補正を行うことができる。以下、具体的に光量変動ノイズの除去について説明する。
まず、光量変動補正器１１０の機能ブロックの構成を、図６Ｂに示す。上述したように、所定のサンプリング時間の間に、検出部２８から入力される各波長の光量の時系列データＤ０により、算出光量計算部２０２において当該時刻の算出光量が計算される。
算出光量の計算手法には、特定波長の光量の積算（総和）、平均、各波長に設定した重み付け係数を用いた加重積算、加重平均などが用いられる。これらの計算手法により光量を処理することを平滑化演算という。特定波長としては、観測される全波長、指定した波長範囲の全波長、任意に選択した複数又は１つの波長が用いられる。計算に用いる各波長の光量は、測定光量そのものを用いても良い。
ただし、光量変動ノイズによって分光器の暗電流レベル（光入力が無い状態で分光器から出力される信号レベル、暗電流ノイズともいう）を除く測定光量が倍率変動することを考慮すると、測定光量から暗電流レベルを減算した光量値を用いる方が高精度な光量補正が実現できるので好ましい。
これらに限らず、各波長の光量時系列データを用いてＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を付加した光量値、当該時刻と１時刻前の光量差や光量変化率、直前数時刻を用いて算出される平均光量変化（微分値）やその当該時刻の光量での規格化値を用いることもできる。
これら手法で算出される算出光量Ｄ０−１は、推定算出光量計算部２０４に供給され推定算出光量が算出される。この推定算出光量を参照光量値とする。推定算出光量計算部２０４には、図示しない記憶部によって現在及び過去の算出光量が記憶されており、推定算出光量計算部２０４では過去の算出光量を用いて推定算出光量が計算される。
推定算出光量の計算方法には、過去算出光量の平均値や、多項式近似で算出される現時刻（サンプリング時間）の算出光量値や、ＬＰＦを付加した（高周波成分を除去した）算出光量値が用いられる。これらの計算に用いられる算出光量の過去時間（サンプリング時間以前の参照時間とする）は、サンプリング時間直前の特定時間（過去数秒等）、特定時刻から直前時刻の全時刻（エッチング開始直後から直前時刻等）、特定時刻又は特定時間（エッチング開始５秒後やエッチング開始直後から１０秒まで等）が用いられる。参照時間は、サンプリング時間と連続していてもよいし、サンプリング時間と不連続でもよく、光量変動補正器１１０において任意に選択できる。
過去算出光量の平均値を例にとると、平均化に用いる時間を長くすることは移動平均範囲を伸ばすことに相当するため、平均化時間を伸ばすに従い算出光量の時系列データから除去される変動のカットオフ周波数が下がっていくことに相当する。つまり平均化時間を調整することで、それによって計算される推定算出光量の時間変化をどこまで抑制するかを調整可能である。
過去特定時刻から直前時刻までの平均を用いる場合は、強くＬＰＦを掛けることに相当する。また、過去特定時刻又は特定時間を用いる場合は、その時間が短くなるにつれて高周波変動成分を残すことに相当する。一方、平均値ではなく多項式近似を用いる場合、多項式の次数が上がるにつれてＬＰＦのカットオフ周波数は高くなる。これらは除去したい光量変動ノイズの周波数に応じて使い分ければよい。
これら手法によって算出された推定算出光量Ｄ０−２及び現時刻の算出光量Ｄ０−１は、変化率計算部２０６に供給され、変化率Ｄ０−３が計算される。変化率の計算方法には、算出光量を推定算出光量で除算する方法が用いられる［時刻毎に（Ｄ０−３）＝（Ｄ０−１）／（Ｄ０−２）］。
但し、各波長の光量として上述の光量変化率や平均光量変化の規格化値を用いる場合には、算出光量から推定算出光量を減算する方法が用いられる。
算出された変化率Ｄ０−３は、各波長補正光量計算部２０８に供給され、現時刻の各波長の測定光量又は暗電流レベルを除去した測定光量を変化率Ｄ０−３で除算し、各波長の補正光量（補正光量値）が計算される。計算された各波長の補正光量Ｄ１は、光量変動補正器１１０から出力され、更に第１デジタルフィルタ１００に供給され、膜厚・深さデータの算出に使用される。
（実施例１）
かかるプラズマ処理装置を用いた膜厚・深さの測定動作及びその結果を、図７Ａ〜７Ｅを用いて説明する。図７Ａには、エッチング中の分光計測によって取得される各波長の光量変化の一例が示してあり、本例では時刻２０ｓｅｃ近傍に半値幅０．２ｓｅｃ程度の光量変動ノイズ発生している。
このような観測光量に光量変動がある場合に対しても、本実施例では光量変動の影響を受けることなく、高精度な膜厚・深さ測定を実施することができる。ウェハ反射光の分光計測、測定信号の信号処理及びそれらの動作制御は、全て図５における制御部４０及び膜厚・深さ算出部３０によって行われる。
本実施例ではウェハ照射を行う光源として白色ＬＥＤを用い、ウェハ反射光は波長２５０ｎｍ〜９５０ｎｍを２０００波長に分割して計測する構成とした。測定のサンプリング速度は０．１ｓｅｃであり、エッチング時間３０ｓｅｃにおいて膜厚推定を行った。ウェハの初期膜厚は１００ｎｍであり、３０ｓｅｃエッチング後の膜厚は０ｎｍである。
図７Ａには、各時刻に計測される各波長の光量を波長λ１、λ２、λ３に関して示している。観測される各波長の光量を用いて、図６Ｂの算出光量計算部２０２にて計算される各時刻の算出光量を、図７Ｂの実線に示す。
ここで、算出光量の算出は、観測される全波長の合計によって計算した。また、各波長の光量は、測定光量から分光器の暗電流レベルを除去した結果を用いた。算出光量の時間変化には光量変動ノイズが観測されており、各波長のウェハエッチングに伴う光量変化は、ほぼ観測されていないことが確認できる。
この算出光量を用いて、図６Ｂの推定算出光量計算部２０４にて計算される各時刻の推定算出光量を図７Ｂの短破線で示す。ここで、推定算出光量の算出は、時刻０ｓｅｃから直前時刻までの平均値を計算することで行った。推定算出光量には算出光量で観測される光量変動ノイズがほぼ観測されず、算出光量がほぼ一定という光量変動ノイズが無い状態の算出光量が推定されている。
図６Ｂの変化率計算部２０６にて変化率を計算した結果を、図７Ｂの長破線で示す。ここで、変化率は各時刻の算出光量を推定算出光量で除算することで算出した。変化率は光量変動が発生していない部分ではほぼ１であるが、光量変動が発生している時刻では１以外となる。
図６Ｂの各波長補正光量計算部２０８にて各波長の補正光量を計算した結果を、図７Ｃに示す。図中には波長λ１、λ２、λ３に関してのみ示している。各波長の光量変動から光量変動ノイズが除去され、ウェハエッチングに伴う各波長固有の光量変動のみが観測されることが分かる。
図７Ａと図７Ｃを比較して明らかであるが、波長毎の信号波形における周期及び振幅が補正前と補正後とでほぼ変わらないことであり、この特性により膜厚・深さを精度よく測定できる。ここから、本実施形態によって光量変動ノイズを除去できることが確認できる。
上記手法で算出した各波長の補正光量を用いて膜厚・深さの測定を行った結果を、図７Ｄに示す。図中の実線は各時刻において特定して測定膜厚であり、短破線は真の膜厚、長破線は測定膜厚と真の膜厚との誤差である。
ここで、膜厚・深さの特定は、予め取得した補正光量の１次微分値と膜厚・深さが相関付けられたデータベースを用い、算出した補正光量の１次微分値とデータベースを比較することで行った。各時刻の測定膜厚と真の膜厚は一致しており、その誤差は各時刻でゼロである。
ここから、本実施形態を用いることで、光量変動ノイズを除去した場合でも、エッチング中の全ての時刻において正確な膜厚推定が実現できることが確認できる。
（比較例）
参考として、図６Ａの光量変動補正器１１０を通さずに膜厚測定を実施した結果を、図７Ｅに示す。図７Ｅによれば、光量変動ノイズが発生している時刻２０ｓｅｃ付近において測定膜厚と真の膜厚に乖離が発生しており、正確な膜厚測定が実現できていないことが分かる。
この結果から、図７Ｅと図７Ｄとを比較すると明らかであるが、本実施例を用いることで、従来方法では正確な膜厚測定ができない光量変動ノイズが発生した場合においても、正確な膜厚測定が実現できることが確認できる。
（変形例）
ここで、本実施形態では膜厚・深さの特定手法として補正光量の１次微分値を用いた。しかし、それ以外にも、補正光量そのものを用いる手法や、補正光量を光源光量で規格化して算出する反射率を用いる手法や、補正光量の１次微分値又は２次微分値を当該時刻の補正光量で規格化する規格化１次微分値又は規格化２次微分値を用いる手法を用いることができる。
本実施形態では、図７Ｃに示すように光量変動ノイズを除去し、各波長のウェハエッチングに伴う光量変動のみを残すことができるため、以上の膜厚・深さの特定手法のいずれを用いた場合においても、正確な膜厚測定を実現することが可能である。
例として補正光量そのものを用いた場合の膜厚推定結果を、図８Ａに示す。図８Ｂには図６Ａの光量変動補正器１１０を通さずに膜厚測定を実施した結果を示す。
図８Ｂによれば、光量変動ノイズが発生している時刻２０ｓｅｃ付近において測定膜厚誤差が生じ、正確な膜厚測定が実現できていないことが分かる。一方、図８Ａによれば、測定膜厚誤差が生じていない。
これらの結果から、本実施例の光量変動ノイズの補正を用いることで、補正光量そのものを用いた方法による膜厚・深さ測定においても、正確な膜厚測定が実現できることが確認できる。
なお、本実施例で用いた光源、分光測定、測定条件、ウェハ条件は一例であり、これら以外の構成・条件に対しても本発明は適用可能であることは明らかである。
（実施例２）
本実施例では、光量変動ノイズの時間幅が図７Ａよりも長い場合において、本実施形態を用いて膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
本実施例に用いるエッチング中の各波長の光量変化を図９Ａに示す。本実施例の観測光量には時刻２０ｓｅｃ付近に半値幅５ｓｅｃ程度の光量変動ノイズがある。かかる信号を用いて算出光量、推定算出光量、変化率を計算した結果を、図９Ｂに示す。
実施例１と同様に、本実施形態の計算処理により光量変動ノイズの変化率が算出できることが確認できる。算出した変化率を用いて各波長の補正光量を計算した結果を図９Ｃに示す。推定算出光量は、なだらかに変化しているが、本実施例の光量補正により各波長の測定光量から光量変動ノイズが除去されているこが確認できる。
この補正光量を用いて膜厚測定を実施した結果を、図９Ｄに示す。推定算出光量が、なだらかに変化しているので、各波長の光量は若干右肩上がりとなっているが、波長毎の信号波形の周期及び振幅が、補正前と補正後とでほぼ変わらない。したがって、本実施例でも実施例１と同様に正確な膜厚測定ができており、光量変動の時刻幅が広い場合においても本実施形態を用いることで光量変動ノイズは補正可能であり、正確な膜厚推定を実現できることが確認できる。
（実施例３）
本実施例ではウェハエッチングに伴い全光量が変化するプロセスにおいて、図７Ａの光量変動ノイズが発生した場合に対して、本実施形態を用いて膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
本実施例に用いるエッチング中の各波長の光量変化を、図１０Ａに示す。本実施例の観測光量はエッチングが進行するにつれて全波長で光量が低下し、時刻２０ｓｅｃ付近には半値幅０．２ｓｅｃ程度の光量変動ノイズがある。
かかる信号を用いて算出光量、推定算出光量、変化率を計算した結果を、図１０Ｂに示す。実施例１と同様に本実施形態の計算処理により光量変動ノイズの変化率が算出できることが確認できる。
ここで、推定算出光量において過去全時刻の平均値を用いているため、ウェハエッチングに伴う全波長の光量変動も光量変動の一部として捉えることにより、算出した変化率にはエッチングに伴う光量変化も若干観測されることとなる。
算出した変化率を用いて各波長の補正光量を計算した結果を、図１０Ｃに示す。変化率が、なだらかに減少しているので、各波長の光量は若干右肩下がりとなっているが、波長毎の信号波形の周期及び振幅が、補正前と補正後とでほぼ変わらない。したがって、本実施例の光量補正により各波長の測定光量から光量変動ノイズが除去されていることが確認できる。
この補正光量を用いて膜厚測定を実施した結果を、図１０Ｄに示す。他の実施例と同様に正確な膜厚測定ができており、本実施例を用いることでエッチングに伴う全波長の光量変動があった場合においても、その光量変動は残しつつ、光量変動ノイズは補正可能であり、正確な膜厚推定を実現できることが確認できる。
（実施例４）
本実施例ではステップ状の光量変動ノイズが発生した場合に対して、本実施形態を用いて膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては、実施例１と同じとした。
本実施例に用いるエッチング中の各波長の光量変化を、図１１Ａに示す。本実施例の観測光量には時刻１５ｓｅｃから２０ｓｅｃの間にステップ状の光量変動ノイズがある。かかる信号を用いて算出光量、推定算出光量、変化率を計算した結果を、図１１Ｂに示す。本実施形態の計算により光量変動ノイズの変化率が算出できることが確認できる。
算出した変化率を用いて各波長の補正光量を計算した結果を、図１１Ｃに示す。変化率が１５ｓｅｃ以降で、なだらかに増大しているので、各波長の光量は１５ｓｅｃ以降、若干上がり気味となっているが、波長毎の信号波形の周期及び振幅が、補正前と補正後とでほぼ変わらない。したがって、本実施例の光量補正により各波長の測定光量から光量変動ノイズが除去されていることが確認できる。
この補正光量を用いて膜厚測定を実施した結果を、図１１Ｄに示す。他の実施例と同様に正確な膜厚測定ができており、本実施例を用いることでステップ状の光量変動があった場合においても、光量変動ノイズを補正可能であり、正確な膜厚推定を実現できることが確認できる。
（実施例５）
本実施例では算出光量の算出において各波長光量の平均、加重積算、加重平均を用いた場合に対して、本実施形態を用いて膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
実施例１の図７Ａの測定光量データを用い、全波長の光量平均値を算出光量として計算し、推定算出光量、変化率を算出した結果を、図１２Ａに示す。算出光量の計算に平均値を用いた場合も変化率には光量変動ノイズが観測されており、その値は実施例１の図７Ｂと同じであることが確認できる。したがって、本手法を用いた場合においても、正確な膜厚測定が実施できることは明らかである。
また、算出光量の算出に加重積算を用いた場合の算出光量、推定算出光量、変化率を、図１２Ｃに示す。ここで、各波長の重み付けには、図１２Ｂに示すような波長番号に対応づけた重み付け係数を使用した。
本実施例では、この重み付け値は測定開始時の各波長の光量の逆数とした。算出光量の計算に加重積算を用いた場合も、変化率には光量変動ノイズが観測されており、その値は実施例１の図７Ｂに示すものと同じであることが確認できる。したがって、本手法を用いた場合においても、正確な膜厚測定が実施できることは明らかである。
さらに、算出光量の算出に加重平均を用いた場合の算出光量、推定算出光量、変化率を、図１２Ｄに示す。ここで、各波長の重み付けには、図１２Ｂに示す関係を使用した。算出光量の計算に加重積算を用いた場合も、変化率には光量変動ノイズが観測されており、その値は実施例１の図７Ｂに示すものと同じであることが確認できる。したがって、本手法を用いた場合においても、正確な膜厚測定が実施できることは明らかである。
以上の結果から、算出光量の計算に平均、加重積算、加重平均を用いた本実施例によっても光量変動ノイズを補正することが可能であり、正確な膜厚推定が実現できることが確認できる。
本実施例にかかる算出光量の計算手法は実施例１への適用に限らず、本明細書に記載される他の実施例及び記載していない類似の実施形態に適用した場合においても同様な効果を得ることが可能である。
（実施例６）
本実施例では算出光量の算出において使用する波長を特性波長範囲、選択少数波長、単一波長とした場合において、本実施形態を用いて膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
実施例１の図７Ａの測定光量データを用い、波長範囲２５０ｎｍから５００ｎｍの光を使用して算出光量、推定算出光量、変化率を算出した結果を、図１３Ａに示す。算出光量の計算に特定波長範囲を用いた場合も変化率には光量変動ノイズが観測されており、その値は実施例１の図７Ｂに示すものとほぼ同じであることが確認できる。
この変化率を用いて各波長の補正光量を算出し、膜厚測定を実施した結果を、図１３Ｂに示す。膜厚推定誤差は全時刻でゼロであり、本手法を用いることによっても正確な膜厚推定ができていることが確認できる。上記の波長範囲以外にも、任意の波長範囲を選択できる。
波長２５０ｎｍ、４５０ｎｍ、６５０ｎｍ、８５０ｎｍの４波長を使用して算出光量、推定算出光量、変化率を計算した結果を、図１３Ｃに示す。算出光量の計算に選択少数波長を用いた場合には波長数が少ないために、計算に用いた波長のエッチングに起因する光量変化が変化率には若干観測されることになるが、光量変動ノイズは実施例１の図７Ｂとほぼ同様に観測されている。上記の波長以外にも、任意の波長及び／又は波長の数を選択できる。
この変化率を用いて各波長の補正光量を算出し、膜厚測定を実施した結果を、図１３Ｄに示す。膜厚推定誤差は全時刻でゼロであり、本手法を用いることによっても正確な膜厚推定ができていることが確認できる。
エッチングに起因する光量変化が小さい波長９５０ｎｍのみ（単一波長）を使用して算出光量、推定算出光量、変化率を計算した結果を、図１３Ｅに示す。計算に用いた波長のエッチングに起因する光量変化が変化率には観測されることになるが、光量変動ノイズは実施例１の図７Ｂに示すものとほぼ同様に観測されている。
この変化率を用いて各波長の補正光量を算出し、膜厚測定を実施した結果を、図１３Ｆに示す。光量変動発生時刻２０ｓｅｃにおいて膜厚推定誤差はゼロであり、本手法によって光量変動ノイズが除去され、正確な膜厚測定が実現できていることが分かる。
一方、他の時刻では、最大０．６ｎｍ以下の膜厚測定誤差が生じており、これは変化率に選択した波長のエッチング起因の光量変動が観測され、その変化率で補正光量を算出したことによる補正光量歪みが発生した影響である。
このように、算出光量の計算に用いる波長数を減少することによって膜厚測定誤差が生じるため、使用する波長数は多い方が望ましいが、生じる膜厚測定誤差は本実施形態を用いない実施例１の図７Ｄに比べ十分小さい。
従って、使用する波長数が少ない場合においても本実施形態を用いることは膜厚測定の高精度化に有効であり、要求される膜厚測定精度に応じて使用する波長数は減少させて使用すればよい。
本実施例にかかる算出光量の計算手法は実施例１への適用に限らず、本明細書に記載される他の実施例及び記載していない類似の実施形態に適用した場合においても同様な効果を得ることが可能である。
（実施例７）
本実施例では算出光量の算出に用いる各波長の光量として測定光量そのもの、１時刻前との変化率（又は１次微分値の当該測定光量での規格化値）を使用した場合において、本実施形態を用いて膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
実施例１の図７Ａの測定光量データを用い、各波長の測定光量そのもの（暗電流レベルを除去しない光量）から算出光量、推定算出光量、変化率を算出した結果を、図１４Ａに示す。本手法においても変化率には光量変動ノイズが観測されており、その値は実施例１の図７Ｂに示すものと同じであることが確認できる。
この変化率を用いて各波長の補正光量を算出し、膜厚測定を実施した結果を、図１４Ｂに示す。光量変動の発生時刻２０ｓｅｃにおいて若干の膜厚測定誤差が発生しているが、凡そ正確に膜厚測定が実現できていることが確認できる。
この膜厚測定誤差は、各波長の光量から暗電流レベルは光量変動ノイズによって変動しない成分であるため、正確に変化率を算出できなかったことによる誤差である。しかし、実施例１の図７Ｄに比べ膜厚測定誤差は大幅に低減しており、膜厚測定に十分な精度を必要とせず、簡易なデータ処理構成で本実施形態を実現する場合に本実施例は適している。
本実施例にかかる算出光量の計算手法は実施例１への適用に限らず、本明細書に記載される他の実施例及び記載していない類似の実施形態に適用した場合においても同様な効果を得ることが可能である。
（実施例８）
本実施例では推定算出光量の算出において多項式近似を用いて本実施形態の膜厚・深さ測定を行った結果について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
実施例１の図７Ａの測定光量データを用い、算出光量を１次直線近似することで推定算出光量、変化率を算出した結果を、図１５Ａに示す。具体的な計算方法として、例えば本実施例では時刻０ｓｅｃから直前時刻までの全算出光量の時間変化を１次関数でフィッティングし、そのフィッティング関数を用いて現時刻の算出光量を推定する方法で推定算出光量を計算した。
本計算方法を用いた場合においても実施例１の図７Ｄと同等な光量変動が算出した変化率には観測されている。本変化率を用いて各波長の補正光量を計算し、膜厚測定を行った結果を図１５Ｂに示す。全ての時刻において測定膜厚誤差はゼロであり、本計算方法を用いることによっても光量変動ノイズを補正でき、正確な膜厚測定が実現可能であることが確認できる。
本実施例にかかる算出光量の計算手法は実施例１への適用に限らず、本明細書に記載される他の実施例及び記載していない類似の実施形態に適用した場合においても同様な効果を得ることが可能である。
（実施例９）
本実施例では、推定算出光量の算出に用いる算出光量の時間（参照時間）を直前から特定範囲の時刻に変更した場合について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとした。
実施例１の図７Ａの測定光量データを用い、推定算出光量の計算に用いる算出光量の時間を直前から１５ｓｅｃ間、１０ｓｅｃ間、５ｓｅｃ間、３ｓｅｃ間と変更した場合における、膜厚測定結果を図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄにそれぞれ示す。
過去１５ｓｅｃ間を使用した場合には、実施例１の図７Ｄに示すものと同様に正確な膜厚測定が実現できていることが確認できており、使用する過去時間範囲を短くした場合にも本実施形態によって正確な膜厚測定が実現可能である。
一方、過去時間範囲を１０ｓｅｃ間、５ｓｅｃ間、３ｓｅｃ間と短くしていくことに応じて、膜厚測定誤差が大きくなることが分かる。これは、使用する過去時間範囲を短くすることによって、算出光量から推定算出光量を計算する際の高周波変動除去（ＬＰＦと同様）効果が低下していることを示している。
従って、本実施形態の計算手法における使用する過去時間範囲は長い方が良いが、十分な過去時間範囲を確保できない場合においても、本実施形態を使用しない実施例１の図７Ｅの膜厚測定結果に比べ大幅に精度を改善することが可能である。
本実施例にかかる算出光量の計算手法は実施例１への適用に限らず、本明細書に記載される他の実施例及び記載していない類似の実施形態に適用した場合においても同様な効果を得ることが可能である。
（実施例１０）
本実施例では、推定算出光量の算出に用いる算出光量の時間を特定の時間に固定した場合について述べる。これら以外の条件に関しては実施例１と同じとし、測定信号に関しては実施例２のエッチングに起因して全波長の光量が減少する例を用いた。
図１７Ａは実施例２と同様な全波長の光量が減少する信号を示し、この信号を用いて、推定算出光量の計算に用いる算出光量を時刻０ｓｅｃから５ｓｅｃまでに固定した場合において計算される推定算出光量および変化率を、図１７Ｂに示す。
本手法では推定光量は常に一定値となるため、変化率には光量変動ノイズ以外にエッチングに起因する全波長の光量変化が観測されることとなる。本変化率を用いて各波長の補正光量を計算した結果を、図１７Ｃに示す。
変化率にエッチング起因の光量変化も含まれることから、光量変動ノイズ以外に補正光量からは全波長で共通のエッチング起因の光量変化も除去されていることが分かる。この補正光量を用いた膜厚測定結果を図１７Ｄに示す。全ての時刻において測定膜厚誤差はゼロであり、正確な膜厚測定が実現できていることが分かる。
本実施例の場合、エッチング起因の光量変化を除去しても正確な膜厚測定が実現できているが、このエッチング起因の光量変化に基づいて膜厚測定を実施している場合においては、この光量変化は除去するべきではなく、実施例３の計算手法を用いることでエッチング起因の光量変化を残すように光量変動ノイズの補正を実施するほうが望ましい。
一方、エッチング起因の光量変化を除去しても良い場合においては、本手法は過去短い時刻を参照することで光量変動ノイズを正確に除去することが可能な点で非常に有用である。算出光量の時間は、任意に選択可能である。
本実施例にかかる算出光量の計算手法は実施例１への適用に限らず、本明細書に記載される他の実施例及び記載していない類似の実施形態に適用した場合においても同様な効果を得ることが可能である。
各波長の光量を用いた算出光量の計算は、処理対象のエッチング進行に起因する各波長の光量の変化が算出光量において観測され難くなっているものであれば好ましく、例えば複数の波長の光量を合計することができる。また、複数の波長の光量を平均してもよく、予め設定した各波長の重み付け係数を用いた加重積算又は加重平均を行ってもよい。
算出光量の計算に用いる特定波長として、測定される全波長を用いてもよく、また特定波長範囲の全波長や、特定波長範囲内で選択した複数波長を用いてもよい。計算に用いる波長数が低下するに従い、算出光量には計算に用いた各波長のウェハエッチング進行に起因する光量変化が観測され、上記光量変動補正によって各波長の光量変化に歪みが生じる。
しかし、この光量変化は各波長の光量変化（信号強度）よりも小さいため、上記光量変動補正によってウェハエッチング進行に起因する各波長の光量変化が完全に除去されてしまうことはない。したがって、上記光量変動補正によって生じる光量変化の歪みが許容できる範囲であれば、計算に用いる波長数は少なくてもよい。また、特定波長においてウェハエッチング進行に起因する光量変化が略ゼロである場合には、その特定波長内の１波長または少数の波長を用いてもよい。
算出光量の計算に用いる各波長の光量は、検出器への入射光量に比例する観測値であることが望ましく、例えば測定光量から分光器の暗電流レベルを差し引いた光量値を用いてもよい。測定光量に比べ暗電流レベルが十分小さい場合には、測定光量そのものを用いてもよい。
現時刻より過去の算出光量からの推定算出光量の計算は、例えば過去算出光量の平均でもよく、多項式近似により推定される現時刻の算出光量でもよい。
平均や多項式近似に用いる過去算出光量の範囲は、現時刻から特定範囲の過去時間でもよく、例えば、任意に決定した過去特定時刻から現時刻より１時刻前の全ての過去時間を用いてもよい。また、上記のように経時につれて推定算出光量の計算に用いる過去時間を必ずしも変更する必要は無く、常に過去特定時間（参照時間）を固定して用いてもよい。過去特定時間を固定すると、推定算出光量は常に一定となる。
推定算出光量の算出には上述の様々な方法があるが、いずれの方法でも過去算出光量の時間変化から高周波成分（高速な算出光量変化）を除去し、算出光量が無かった場合の現時刻の算出光量を推定算出光量として計算している。従って、計算に用いる過去時間による光量変動補正への影響は、光量変動のカットオフ周波数が変化することに相当する。
算出光量と推定算出光量を用いた変化率の計算は、算出光量を推定算出光量で除算することで実施される。
変化率を用いた各波長の補正光量の計算は、各波長の光量を変化率で除算することで実施する。
これら方法によって取得される各波長の補正光量を用いた処理対象ウェハの膜厚・深さの特定方法は、各波長の補正光量を予め取得してある各波長の光量と膜厚・深さが関連付けられたデータと比較することで行えばよい。
処理対象の膜厚・深さと各波長の光量が関連付けられたデータベースを予め取得している場合、各波長の補正光量と予め取得しているデータベースを比較することで、当該時刻の膜厚・深さを特定すればよい。
処理対象の膜厚・深さと各波長の反射率が関連付けられたデータベースを予め取得している場合、各波長の補正光量と照射した外部光の各波長の光量を用いて各波長の反射率を算出し、算出した各波長の反射率と予め取得しているデータベースを比較することで、当該測定における膜厚・深さを特定すればよい。
処理対象の膜厚・深さと各波長の光量変化の１次微分値又は２次微分値が関連付けられたデータベースを予め取得している場合、各波長の補正光量の１次微分値又は２次微分値を取得し、それと予め取得しているデータベースを比較することで当該時刻の膜厚・深さを特定すればよい。
処理対象の膜厚・深さと各波長の光量変化の１次微分値又は２次微分値の光量での規格化値が関連付けられたデータベースを予め取得している場合、各波長の補正光量の１次微分値又は２次微分値を取得し、それと予め取得しているデータベースを比較することで、当該時刻の膜厚・深さを特定すればよい。
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
１：エッチング処理装置、１０：処理室、１２：プラズマ、１４：試料台、１６：処理対象、１８：光源部、２０：導入レンズ、２２：照射光、２４：反射光、２６：検出レンズ、２８：検出部、３０：膜厚・深さ算出部、４０：制御部、１００：第１デジタルフィルタ、１０２：微分器、１０４：第２デジタルフィルタ、１０６：微分比較器、１０８：微分波形パターンデータベース、１１０：光量変動補正器、２０２：算出光量計算部、２０４：推定算出光量計算部、２０６：変化率計算部、２０８：各波長補正光量計算部

Claims (15)

  1. エッチング処理中に、処理対象から出射された複数の波長の光を受光し、受光した光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する受光器と、
    前記受光器から出力された信号に基づいて、前記処理対象の膜厚を決定する膜厚決定部と、
    前記膜厚決定部が決定した前記処理対象の膜厚と、閾値とを比較することにより、前記エッチング処理の終点を判定する判定器とを備え、
    前記膜厚決定部は、所定のサンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの波長毎の信号を平滑化演算して得られる算出光量値と、前記サンプリング時間より以前の参照時間における前記算出光量値から決定される参照光量値とに基づいて、変化率を求め、
    前記サンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの信号と、前記変化率とに基づいて、波長毎に補正光量値を求め、
    更に前記補正光量値に基づいて、前記サンプリング時間における前記処理対象の膜厚を決定する、
    エッチング処理装置。
  2. 請求項１に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記受光器からの波長毎の信号を、総和、平均、加重積算、又は加重平均することにより前記平滑化演算を行って、前記算出光量値を求める、
    エッチング処理装置。
  3. 請求項１又は２に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記算出光量値を平均化した光量値、前記算出光量値を多項式近似することにより得られた前記サンプリング時間における光量値、又は前記算出光量値から高周波成分を除去して得られた光量値を、前記参照光量値として決定する、
    エッチング処理装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記補正光量値の微分波形パターンを求め、前記補正光量値の微分波形パターンを、光量値の微分波形パターンと膜厚とが予め対応付けられたデータベースに照らし合わせることにより、前記処理対象の膜厚を決定する、
    エッチング処理装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記算出光量値を求めるために使用する光の波長の数を変更可能である、
    エッチング処理装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記受光器の出力において暗電流ノイズを除去する、
    エッチング処理装置。
  7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記受光器の出力において暗電流ノイズを除去しない、
    エッチング処理装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記算出光量値は、一定であるか、もしくは漸次減少する、
    エッチング処理装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記受光器からの信号に含まれるパルス状のノイズ成分又はステップ状のノイズ成分を除去する、
    エッチング処理装置。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記参照時間のタイミングと長さの少なくとも一方を変更可能である、
    エッチング処理装置。
  11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記膜厚決定部は、前記参照時間を固定する、
    エッチング処理装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    前記受光器は、光源部から出射され前記処理対象で反射した光を受光する、
    エッチング処理装置。
  13. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエッチング処理装置であって、
    真空容器内部でプラズマを発生させて、前記処理対象をエッチング処理する処理部を有し、
    前記受光器は、前記プラズマから出射され前記処理対象で反射した光を受光する、
    エッチング処理装置。
  14. エッチング処理中に、処理対象から出射された複数の波長の光を受光し、受光した光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する第１工程と、
    出力された前記信号に基づいて、前記処理対象の膜厚を決定する第２工程と、
    決定された前記処理対象の膜厚と、閾値とを比較することにより、前記エッチング処理の終点を判定する第３工程とを備え、
    前記第２工程において、所定のサンプリング時間の各時刻毎における波長毎の前記信号を平滑化演算して得られる算出光量値と、前記サンプリング時間より以前の参照時間における前記算出光量値から決定される参照光量値とに基づいて、変化率を求め、
    前記サンプリング時間の各時刻毎における前記信号と、前記変化率とに基づいて、波長毎に補正光量値を求め、
    更に前記補正光量値に基づいて、前記サンプリング時間における前記処理対象の膜厚を決定する、
    エッチング処理方法。
  15. エッチング処理中に、処理対象から出射された複数の波長の光を受光し、受光した光の強度に応じた信号をそれぞれ出力する受光器と、
    前記受光器から出力された信号に基づいて、前記処理対象の膜厚を決定する膜厚決定部と、を備え、
    前記膜厚決定部は、所定のサンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの波長毎の信号を平滑化演算して得られる算出光量値と、前記サンプリング時間より以前の参照時間における前記算出光量値から決定される参照光量値とに基づいて、変化率を求め、
    前記サンプリング時間の各時刻毎における前記受光器からの信号と、前記変化率とに基づいて、波長毎に補正光量値を求め、
    更に前記補正光量値に基づいて、前記サンプリング時間における前記処理対象の膜厚を決定する、
    検出器。
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