KR101812541B1 - 온도 측정 방법 및 기억 매체 - Google Patents

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Abstract

(과제) 측정 대상물 상에 박막이 형성되어 있는 경우라도, 측정 대상물의 온도를 종래에 비해 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정 방법을 제공한다.
(해결 수단) 광원으로부터의 빛을, 기판 상에 박막이 형성된 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 공정과, 기판의 표면에서의 반사광에 의한 제1 간섭파와, 기판과 박막과의 계면 및 박막의 이면(裏面)에서의 반사광에 의한 제2 간섭파를 측정하는 공정과, 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 산출하는 공정과, 제2 간섭파의 강도에 기초하여, 박막의 막두께를 산출하는 공정과, 산출한 박막의 막두께에 기초하여, 기판의 광로 길이와 산출한 광로 길이와의 광로차를 산출하는 공정과, 산출한 광로차에 기초하여 산출한 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 보정하는 공정과, 보정된 광로 길이로부터 측정 포인트에 있어서의 측정 대상물의 온도를 산출하는 공정을 구비한다.

Description

온도 측정 방법 및 기억 매체{TEMPERATURE MEASURING METHOD AND STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 측정 대상물(예를 들면, 반도체 웨이퍼나 액정 기판 등)의 온도를 비접촉으로 측정 가능한 온도 측정 방법, 기억 매체 및 프로그램에 관한 것이다.
기판 처리 장치에 의해 처리되는 피(被)처리 기판(예를 들면, 반도체 웨이퍼)의 온도를 정확하게 측정하는 것은, 성막이나 에칭 등 여러 가지의 처리의 결과에 따라 반도체 웨이퍼 상에 형성되는 막이나 홀 등의 형상, 물성 등을 정확하게 컨트롤하는 점에서도 매우 중요하다. 이 때문에, 저항 온도계나, 기재(基材) 이면(裏面)의 온도를 측정하는 형광식 온도계 등을 이용한 계측법 등 여러 가지 방법에 의해 반도체 웨이퍼의 온도를 계측하는 것이 종래부터 행해지고 있다.
최근에는, 전술한 바와 같은 종래의 온도 계측 방법으로는 곤란했던 반도체 웨이퍼의 온도를 직접 계측할 수 있는 저코히어런스(low-coherence) 간섭계를 이용한 온도 계측 기술이 알려져 있다. 또한, 상기의 저코히어런스 간섭계를 이용한 온도 계측 기술에 있어서, 제1 스플리터에 의해 광원으로부터의 빛을 온도 측정용의 측정광과 참조광으로 분기하고, 또한, 분기된 측정광을 제2 스플리터에 의해 n개의 측정광으로 분기하여 n개의 측정광을 n개의 측정 포인트로 조사하며, 이들 n개의 측정광의 반사광과, 참조광 반사 수단에서 반사된 참조광의 반사광과의 간섭을 측정하여, 복수의 측정 포인트의 온도를 동시에 측정할 수 있도록 한 기술도 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 당해 기술에서는, 광원으로부터의 빛을 측정 대상물에 조사하고, 측정 대상물의 표면으로부터의 반사광 및 참조광의 반사광과의 간섭파 및, 측정 대상물의 이면으로부터의 반사광 및 참조광의 반사광과의 간섭파로부터 측정 대상물의 표면에서 이면까지의 광로 길이를 구하고, 이 구한 광로 길이로부터 측정 대상물의 온도를 산출하고 있다.
일본공개특허공보 2006-112826호
그러나, 상기 측정 대상물 상에, 막두께가 사용 광원의 코히어런스 길이와 동일한 정도, 또는 얇은 박막이 퇴적되어 있는 경우, 이 박막 내에서의 측정광의 다중 반사에 의한 간섭파가 서로 겹쳐 관측되는 간섭파의 광로 길이에 차이가 발생하기 때문에, 측정 대상물의 표면에서 이면까지의 정확한 광로 길이를 산출할 수 없고, 측정 대상물의 정확한 온도를 모니터할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이러한 종래의 사정에 대처하여 이루어진 것으로, 측정 대상물에 박막이 형성되어 있는 경우라도, 측정 대상물의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정 방법, 프로그램 및 기억 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 온도 측정 방법은, 광원으로부터의 빛을, 기판 상에 박막이 형성된 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 공정과, 기판의 표면에서의 반사광에 의한 제1 간섭파와, 기판과 박막과의 계면 및 박막의 이면에서의 반사광에 의한 제2 간섭파를 측정하는 공정과, 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 산출하는 공정과, 제2 간섭파의 강도에 기초하여, 박막의 막두께를 산출하는 공정과, 산출한 박막의 막두께에 기초하여, 기판의 광로 길이와 산출한 광로 길이와의 광로차를 산출하는 공정과, 산출한 광로차에 기초하여 산출한 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 보정하는 공정과, 보정된 광로 길이로부터 측정 포인트에 있어서의 측정 대상물의 온도를 산출하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기억 매체는, 광원과, 광원으로부터의 빛을 기판 상에 박막이 형성된 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 전송 수단과, 측정 대상물에서 반사한 반사광을 수광(受光)하는 수광 수단을 구비하는 온도 측정 장치에 있어서, 수광 수단에서 수광된 반사광의 간섭파에 기초하여, 측정 포인트에 있어서의 측정 대상물의 온도를 측정하는 온도 측정 방법을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램을 격납하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체로서, 프로그램은, 컴퓨터를, 수광 수단에서 수광된 기판의 표면에서의 반사광에 의한 제1 간섭파와, 기판과 기판 상에 형성된 박막과의 계면 및 박막의 이면에서의 반사광에 의한 제2 간섭파를 측정하는 측정 수단, 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 산출하는 제1 산출 수단, 제2 간섭파의 강도에 기초하여, 박막의 막두께를 산출하는 제2 산출 수단, 산출한 박막의 막두께에 기초하여, 기판의 광로 길이와 산출한 광로 길이와의 광로차를 산출하는 제3 산출 수단, 산출한 광로차에 기초하여 산출한 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 보정하는 보정 수단, 보정된 광로 길이로부터 측정 포인트에 있어서의 측정 대상물의 온도를 산출하는 제4 산출 수단으로서 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 프로그램은, 광원과, 광원으로부터의 빛을 기판 상에 박막이 형성된 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 전송 수단과, 측정 대상물에서 반사한 반사광을 수광하는 수광 수단을 구비하는 온도 측정 장치에 있어서, 수광 수단에서 수광된 반사광의 간섭파에 기초하여, 측정 포인트에 있어서의 측정 대상물의 온도를 측정하는 온도 측정 방법을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램으로서, 프로그램은, 컴퓨터를, 수광 수단에서 수광된 기판의 표면에서의 반사광에 의한 제1 간섭파와, 기판과 기판 상에 형성된 박막과의 계면 및 박막의 이면에서의 반사광에 의한 제2 간섭파를 측정하는 측정 수단, 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 산출하는 제1 산출 수단, 제2 간섭파의 강도에 기초하여, 박막의 막두께를 산출하는 제2 산출 수단, 산출한 박막의 막두께에 기초하여, 기판의 광로 길이와 산출한 광로 길이와의 광로차를 산출하는 제3 산출 수단, 산출한 광로차에 기초하여 산출한 제1 간섭파에서 제2 간섭파까지의 광로 길이를 보정하는 보정 수단, 보정된 광로 길이로부터 측정 포인트에 있어서의 측정 대상물의 온도를 산출하는 제4 산출 수단으로서 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 측정 대상물에 박막이 형성되어 있는 경우라도, 측정 대상물의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 온도 측정 방법, 기억 매체 및 프로그램을 제공할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 따른 온도 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 온도 산출 수단의 기능 구성도이다.
도 3은 간섭 파형의 구체예(박막이 없는 경우)이다.
도 4는 간섭 파형의 구체예(박막이 있는 경우)이다.
도 5는 박막에 있어서의 다중 반사의 모식도(schematic diagram)이다.
도 6은 박막의 막두께와 간섭 강도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 간섭 강도비(比)와 간섭 강도비로부터 산출된 박막의 막두께의 에칭 시간 의존을 나타내는 도면이다.
도 8은 간섭 강도비로부터 산출한 막두께 및 괴리값을 나타내는 도면이다.
도 9는 막두께와 간섭파의 시프트량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 온도 측정 장치의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 11은 실시예 1에 따른 광로 길이 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 실시예 2에 따른 온도 측정 결과를 나타내는 도면이다(보정 있음).
도 13은 비교예 1에 따른 온도 측정 결과를 나타내는 도면이다(보정 없음).
도 14는 실시 형태의 변형예에 따른 온도 측정 장치(100A)의 구성도이다.
도 15는 수광 수단의 구성도이다.
도 16은 온도 산출 수단의 기능 구성도이다.
도 17은 DFT 처리 후의 신호를 나타내는 도면이다.
도 18은 보정 후의 광로 길이와 온도와의 관계를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 각 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다. 또한, 광원으로부터의 빛의 입사측을 표면이라고 정의한다. 또한, 측정 대상물로서 박막이 형성된 반도체 웨이퍼를 예로 설명하지만, 측정 대상물은, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않는다. 또한, 반도체 웨이퍼에는, 박막으로서 실리콘 산화막(SiO2막)이 형성되어 있는 것으로 하지만, 박막은, 실리콘 산화막에 한하지 않고, 다른 막(예를 들면, 실리콘 질화막(Si3N4), 레지스트막, 수지계막, 금속(Cu, Al, W, Ti, Ta)막 등)이라도 좋다.
(실시 형태)
도 1은, 본 실시 형태에 따른 온도 측정 장치(100)의 구성도이다. 실시 형태에 따른 온도 측정 장치(100)는, 광원(110)과, 광원(110)으로부터의 빛을 온도 측정용의 빛(측정광)과 참조광으로 분기하는 스플리터(splitter;120)와, 측정광을 측정 대상물인 박막(SiO2막)(T)이 형성된 반도체 웨이퍼(기판)(W)의 측정 포인트(P)로 전송하는 콜리메이트(collimate) 파이버(F1)와, 스플리터(120)로부터의 참조광을 반사하기 위한 참조광 반사 수단(130)과, 스플리터(120)에서 분기된 참조광을, 참조광 반사 수단(130)까지 전송하는 콜리메이트 파이버(F2)와, 참조광 반사 수단(130)으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시키기 위한 광로 길이 변화 수단(140)과, 측정광 및 참조광의 반사광에 의한 간섭 파형에 기초하여, 측정 포인트(P)의 온도를 측정하는 신호 처리 장치(150)를 구비한다. 신호 처리 장치(150)는, 수광 수단(151) 및 온도 산출 수단(152)을 구비한다.
광원(110)은, 측정광과 참조광과의 간섭을 측정할 수 있으면, 임의의 빛을 사용하는 것이 가능하지만, 이 실시 형태에서는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정하기 때문에, 적어도 반도체 웨이퍼(W)의 표면과 이면과의 사이의 거리(통상은 800∼1500㎛ 정도)로부터의 반사광이 간섭을 발생시키지 않는 정도의 빛이 바람직하다.
구체적으로는, 저코히어런스광을 이용하는 것이 바람직하다. 저코히어런스광이란, 코히어런스 길이가 짧은 빛을 말한다. 저코히어런스광의 중심 파장은, 반도체 웨이퍼(W)의 주성분인 실리콘(Si)을 투과하는 1000㎚ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 코히어런스 길이는, 짧은 것이 바람직하다.
스플리터(120)는, 예를 들면 광파이버 커플러(optical fiber coupler)이다. 단, 이에 한정되는 것은 아니다. 스플리터(120)는, 참조광과 측정광으로 스플릿하는 것이 가능한 것이면 좋으며, 예를 들면 광도파로(optical waveguide)형 분파기, 반투경 등을 이용해도 좋다.
참조광 반사 수단(130)에는, 예를 들면, 코너 큐브 프리즘, 평면 미러 등등을 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 반사광의 입사광과의 평행성의 점을 감안하면, 코너 큐브 프리즘을 이용하는 것이 바람직하다. 단, 참조광을 반사할 수 있으면, 상기의 것에 한하지 않으며, 예를 들면 딜레이 라인 등으로 구성해도 좋다.
광로 길이 변화 수단(140)은, 참조광 반사 수단(130)을 참조광의 입사 방향으로 평행한 일 방향으로 구동하는 모터 등의 구동 수단에 의해 구성된다. 이와 같이, 참조광 반사 수단(130)을 일 방향으로 구동시킴으로써, 참조광 반사 수단(130)으로부터 반사하는 참조광의 광로 길이를 변화시킬 수 있다.
수광 수단(151)은, 반도체 웨이퍼(W)의 측정 포인트(P)에서 반사된 측정광 및 참조광 반사 수단(130)에서 반사된 참조광의 반사광을 수광하여, 전기 신호로 변환한다. 수광 수단(151)으로서는, 여러 가지의 센서를 사용할 수 있지만, Si를 주성분으로 하는 반도체 웨이퍼(W)의 경우, 측정광으로서 파장이 1000㎚ 이상의 빛을 사용하는 점에서, 파장이 800∼1700㎚의 빛에 감도를 갖는 InGaAs 소자를 이용한 센서로 구성하는 것이 바람직하다.
온도 산출 수단(152)은, 예를 들면, 컴퓨터(전산기(電算機)) 등이며, 수광 수단(151)에서 검출되는 반사광의 간섭 파형, 구체적으로는, 간섭파의 피크간의 광로 길이에 기초하여 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다.
도 2는, 온도 산출 수단(152)의 기능을 나타내는 구성도이다. 온도 산출 수단(152)은, 신호 취득 수단(201), 광로 길이 산출 수단(202), 막두께 산출 수단(203), 시프트량 산출 수단(204), 광로 길이 보정 수단(205), 온도 연산 수단(206)을 구비한다. 도 2에 나타내는 기능은, 온도 산출 수단(152)이 구비하는 하드웨어(예를 들면, HDD, CPU, 메모리 등)에 의해 실현된다. 구체적으로는, CPU가, HDD 또는 메모리에 기록되어 있는 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 또한, 도 2에 나타내는 각 구성의 동작에 대해서는, 후술하는 「온도 측정 장치(100)의 동작」에 있어서 설명한다.
(측정광과 참조광과의 간섭 파형의 구체예)
여기에서는, 온도 측정 장치(100)의 수광 수단(151)에 의해 얻어지는 간섭 파형의 구체예 및 온도 측정 방법에 대해서 설명한다. 또한, 설명은, 반도체 웨이퍼(W)에 박막(T)이 형성되어 있지 않은 경우에 대해서 설명한 후, 반도체 웨이퍼(W)에 박막(T)이 형성되어 있는 경우와 그 문제점에 대해서 설명한다.
(박막이 형성되어 있지 않은 경우)
도 3은, 온도 측정 장치(100)의 수광 수단(151)에 의해 얻어지는 간섭 파형의 구체예를 나타낸다. 도 3은, 측정광이, 반도체 웨이퍼(W)에 조사되도록 한 경우에 있어서의 측정광과 참조광과의 간섭 파형을 나타낸 것이다. 도 3(a)는 온도 변화 전의 간섭 파형을 나타낸 것이고, 도 3(b)는 온도 변화 후의 간섭 파형을 나타낸 것이다. 도 3에 있어서 종축은 간섭 강도, 횡축은 참조광 반사 수단(130)(예를 들면 참조 미러)의 이동 거리를 취하고 있다.
도 3(a), (b)에 의하면, 참조광 반사 수단(130)을 일 방향으로 주사(走査)해 가면, 우선 반도체 웨이퍼(W)의 표면과 참조광과의 간섭파(A)가 나타나고, 이어서 반도체 웨이퍼(W)의 이면과 참조광과의 간섭파(B)가 나타난다.
(간섭광에 기초하는 온도 측정 방법)
다음으로, 도 3을 참조하여, 측정광과 참조광과의 간섭파에 기초하여 온도를 측정하는 방법에 대해서 설명한다. 간섭파에 기초하는 온도 측정 방법으로서는, 예를 들면 온도 변화에 기초하는 광로 길이 변화를 이용하는 온도 환산 방법이 있다. 여기에서는, 상기 간섭파의 위치의 변화를 이용한 온도 환산 방법에 대해서 설명한다.
반도체 웨이퍼(W)가 히터 등에 의해 따뜻해지면, 반도체 웨이퍼(W)는 팽창함과 함께 굴절률이 변화하기 때문에, 온도 변화 전과 온도 변화 후에는, 간섭파(B)의 위치가 간섭파(B')의 위치로 변하여, 간섭파의 피크간 폭이 변화한다. 이러한 측정 포인트의 간섭파의 피크간 폭을 측정함으로써 온도 변화를 검출할 수 있다. 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같은 온도 측정 장치(100)이면, 간섭파의 피크간 폭은, 참조광 반사 수단(130)의 이동 거리에 대응하고 있기 때문에, 간섭 파형의 피크간 폭에 있어서의 참조광 반사 수단(130)의 이동 거리를 측정함으로써, 온도 변화를 검출할 수 있다.
반도체 웨이퍼(W)의 두께를 d로 하고, 굴절률을 n으로 한 경우, 간섭파의 피크 위치의 어긋남은, 두께(d)에 대해서는 선팽창 계수(α)에 의존하고, 또한 굴절률(n)의 변화에 대해서는 주로 굴절률 변화의 온도 계수(β)에 의존한다. 또한, 굴절률 변화의 온도 계수(β)에 대해서는 파장에도 의존한다.
따라서, 측정 포인트(P)에 있어서의 온도 변화 후의 웨이퍼의 두께 d'와 굴절률 n'를 수학식으로 나타내면 하기 수학식 (1)에 나타내는 바와 같이 된다. 또한, 수학식 (1)에 있어서, ΔT는 측정 포인트의 온도 변화를 나타내고, α는 선팽창률, β는 굴절률 변화의 온도 계수를 나타내고 있다. 또한, d, n은, 각각 온도 변화 전의 측정 포인트(P)에 있어서의 두께, 굴절률을 나타내고 있다.
d'＝d·(1＋αΔT), n'＝n·(1＋βΔT) …(1)
상기 수학식 (1)에 나타내는 바와 같이, 온도 변화에 의해 측정 포인트(P)를 투과하는 측정광의 광로 길이가 변화한다. 광로 길이는 일반적으로, 두께(d)와 굴절률(n)과의 곱으로 나타난다. 따라서, 온도 변화 전의 측정 포인트(P)를 투과하는 측정광의 광로 길이를 L로 하고, 측정 포인트에 있어서의 온도가 ΔT만큼 변화한 후의 광로 길이를 L'로 하면, L, L'는 각각 하기의 수학식 (2)에 나타내는 바와 같이 된다.
L＝d·n, L'＝d'·n' …(2)
따라서, 측정 포인트에 있어서의 측정광의 광로 길이의 온도 변화 전후의 차(L'－L)는, 상기 수학식 (1), (2)에 따라 계산하여 정리하면, 하기 수학식 (3)에 나타내는 바와 같이 된다. 또한, 하기 수학식 (3)에서는,α·β≪α, α·β≪β를 고려하여 미소항(微小項)을 생략하고 있다.
L'－L＝d'·n'－d·n＝d·n·(α＋β)·△T
＝L·(α＋β)·ΔT　…(3)
여기에서, 측정 포인트에 있어서의 측정광의 광로 길이는, 참조광과의 간섭파의 피크간 폭에 상당한다. 따라서, 선팽창률(α), 굴절률 변화의 온도 계수(β)를 미리 조사해 두면, 측정 포인트에 있어서의 참조광과의 간섭파의 피크간 폭을 계측함으로써, 상기 수학식 (3)을 이용하여, 측정 포인트의 온도로 환산할 수 있다.
이와 같이, 간섭파로부터 온도로 환산하는 경우, 전술한 바와 같이 간섭파의 피크간에서 나타나는 광로 길이가 선팽창률(α) 및 굴절률 변화의 온도 계수(β)에 따라 변하기 때문에, 이들 선팽창률(α) 및 굴절률 변화의 온도 계수(β)를 미리 조사해 둘 필요가 있다. 반도체 웨이퍼를 포함한 물질의 선팽창률(α) 및 굴절률 변화의 온도 계수(β)는 일반적으로, 온도대에 따라서는, 온도에 의존하는 경우도 있다. 예를 들면 선팽창률(α)에 대해서는 일반적으로, 물질의 온도가 0∼100℃ 정도의 온도 범위에서는 그다지 변화하지 않기 때문에, 일정하다고 간주해도 지장없지만, 100℃ 이상의 온도 범위에서는 물질에 따라서는 온도가 높아질수록 변화율이 커지는 경우도 있기 때문에, 그러한 경우에는 온도 의존성을 무시할 수 없게 된다. 굴절률 변화의 온도 계수(β)에 대해서도 동일하게 온도 범위에 따라서는, 온도 의존성을 무시할 수 없게 되는 경우가 있다.
예를 들면 반도체 웨이퍼를 구성하는 실리콘(Si)의 경우는, 0∼500℃의 온도 범위에 있어서 선팽창률(α) 및 굴절률 변화의 온도 계수(β)는 예를 들면 2차 곡선으로 근사할 수 있는 것이 알려져 있다. 이와 같이, 선팽창률(α) 및 굴절률 변화의 온도 계수(β)는 온도에 의존하기 때문에, 예를 들면 온도에 따른 선팽창률(α) 및 굴절률 변화의 온도 계수(β)를 미리 조사해 두고, 그 값을 고려하여 온도 환산하면, 보다 정확한 온도로 환산할 수 있다.
또한, 측정광과 참조광과의 간섭파에 기초하는 온도 측정 방법으로서는 전술한 바와 같은 방법에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 온도 변화에 기초하는 흡수 강도 변화를 이용하는 방법이라도 좋고, 상기 온도 변화에 기초하는 광로 길이 변화와 온도 변화에 기초하는 흡수 강도 변화를 조합한 방법이라도 좋다.
(박막이 형성되어 있는 경우)
도 4는, 측정광이, 반도체 웨이퍼(W)에 조사되도록 한 경우에 있어서의 측정광과 참조광과의 간섭 파형을 나타낸 것이다. 또한, 도 4에 있어서 종축은 간섭 강도, 횡축은 참조광 반사 수단(130)(예를 들면 참조 미러)의 이동 거리를 취하고 있다.
도 4(a)는, 박막(T)의 막두께가 저코히어런스광의 코히어런스 길이보다도 충분히 두꺼운 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(W)에 조사된 측정광은, 도 1에 나타내는 반도체 웨이퍼(W)의 표면(S1), 반도체 웨이퍼(W)와 박막(T)과의 계면(S2) 및, 박막(T)의 이면(S3)의 3개소에서 반사된다. 그리고, 상기 3개소에서 반사된 측정광은, 참조광 반사 수단(130)에서 반사된 참조광과 광로 길이가 대략 동일해진 위치에서 간섭한다. 이 때문에, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 3개의 간섭파(C∼E)가 관찰된다.
도 4(b)는, 박막(T)의 막두께가 저코히어런스광의 코히어런스 길이 이하의 경우를 나타내고 있다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(W)에 조사된 측정광이 반도체 웨이퍼(W)의 표면(S1), 반도체 웨이퍼(W)와 박막(T)과의 계면(S2) 및, 박막(T)의 이면(S3)의 3개소에서 반사되는 점은 동일하지만, 박막(T)의 막두께가 얇기(저코히어런스광의 코히어런스 길이 이하임) 때문에, 도 4(a)에 나타낸 반도체 웨이퍼(W)와 박막(T)과의 계면(S2)과 박막(T)의 이면(S3)과의 사이에서 다중 반사한 다수의 간섭파가 서로 겹쳐(중첩하여) 1개의 간섭파(F)가 되어 버린다.
도 5는, 박막(T)에 있어서의 다중 반사를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)에 입사된 측정광은, 반도체 웨이퍼(W)와 박막(T)의 표면과의 계면(S2)과 박막(T)의 이면(S3)과의 사이의 다중 회귀 반사로 분리한다. 이 분리한 각 반사광은, 각각 참조광과 간섭하여, 도 5에 나타내는 다수의 간섭파 (1), (2), (3), (4), (5)…를 형성한다. 이들 다수의 간섭파 (1), (2), (3), (4), (5)…는, 전술한 바와 같이 분리되지 않고 서로 겹쳐 간섭파(F)로서 검출된다.
이와 같이, 박막(T)의 막두께가 저코히어런스광의 코히어런스 길이 이하의 경우, 반도체 웨이퍼(W)와 박막(T)과의 계면(S2)과 박막(T)의 이면(S3)과의 사이에서 발생한 다수의 간섭파가 중첩하여 1개의 간섭파 F가 되어 버리기 때문에, 간섭파 C의 피크에서 간섭파 F의 피크까지의 측정 광로 길이(L1)와, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에서 반도체 웨이퍼(W)의 이면까지의 광로 길이인 실광로 길이(L2)에는 광로 길이 ΔL의 어긋남이 발생한다.
(광로 길이의 보정)
이상과 같이, 반도체 웨이퍼(W)에 박막(T)이 형성되어 있는 경우, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 간섭파 F의 피크 위치가 ΔL만큼 시프트한다. 이 때문에, 측정된 광로 길이로부터 시프트량(ΔL)의 보정을 행할 필요가 있다.
이 실시 형태에서는, 이하의 순서 1∼3을 실시하여, 광로 길이를 보정하여 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다.
1. 도 4에서 설명한 간섭파 F의 간섭 강도 또는 간섭파 C와 간섭파 F의 간섭 강도비로부터 박막(T)의 막두께를 구한다.
2. 구한 박막(T)의 막두께로부터 광로 길이의 어긋남량(ΔL)(이하, 시프트량(ΔL)이라고 칭함)을 구한다.
3. 구한 시프트량(ΔL)에 기초하여 광로 길이(L1)를 보정하여, 실광로 길이(L2)를 구한다.
이하, 상기 순서 1∼3에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이하에서는, 박막(T)을 에칭하는 경우에 대해서 설명한다.
(수학식)
우선, 광로 길이의 보정에 필요한 하기 수학식에 대해서 설명한다.
하기 수학식 (4)는, 박막(T)의 막두께와 간섭 강도와의 관계를 나타내는 수학식이다.
Figure 112011076053502-pat00001
상기 수학식 (4)의 ρ1은, 박막(T)으로부터 공기에 입사했을 때의 반사광의 프레넬 계수(진폭 반사 계수)이며 하기 수학식 (5)로 나타난다.
ρ1＝(n1－n0)/(n1＋n0) …(5)
상기 수학식 (4)의 ρ2는, 반도체 웨이퍼(W)로부터 박막(T)에 입사했을 때의 반사광의 프레넬 계수(진폭 반사 계수)이며 하기 수학식 (6)으로 나타난다.
ρ2＝(n2－n1)/(n2＋n1) …(6)
하기 수학식 (7)은, 웨이퍼와 참조측의 광로 길이 차가 Δl일 때의 박막(T)의 막두께(d)와 간섭 강도와의 관계를 나타내는 수학식이다.
Figure 112011076053502-pat00002
상기 수학식 (7)의 φ(k, d)는, 파수 k에 있어서의 위상 변화이며 하기 수학식 (8)로 나타난다.
Figure 112011076053502-pat00003
또한, 상기 수학식 (7)의 S(k)는, 파워 스펙트럼 밀도이며, 파워 스펙트럼의 분포가 가우스 분포라고 가정한 경우, 하기 수학식 (9)로 나타난다. 또한, 후술 하는 바와 같이 실제의 계산에서는, 정밀도를 향상시키기 위해 스펙트럼 애널라이저(spectrum analyzer)로 실측한 파형을 이용하고 있다.
Figure 112011076053502-pat00004
또한, 수학식 (4)∼(9)에서 사용되는 그 외의 파라미터의 정의는, 이하와 같다.
R : 반사율
k : 측정광의 파수
d : 박막(T)의 막두께
δ : kn1d
n0 : 공기의 굴절률
n1 : 박막(T)의 굴절률
n2 : 반도체 웨이퍼(W)의 굴절률
E1 : 참조측의 전계
E2 : 반도체 웨이퍼측의 전계
(1 : 박막(T)의 막두께의 산출)
도 6은, 반도체 웨이퍼(W)에 박막(T)으로서 SiO2막이 형성되어 있는 경우에 있어서의 박막(T)의 막두께와 간섭 강도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6에 있어서 종축은 간섭 강도, 횡축은 박막의 막두께를 취하고 있다. 또한, 도 6은, 상기 수학식 (7)을 이용하여 계산한 것이다.
수학식 (7)에서는, 산화막의 두께를 0∼2100㎚에서 1㎚ 마다 계산을 반복하여, 막두께에 대한 간섭 파형의 최대값을 계산으로부터 구했다. 상세하게는 반도체 웨이퍼와 참조측의 광로 길이 차이(Δl)를 －50㎛에서 ＋50㎛까지 0.05㎛ 간격으로 바꾸면서, 미리 스펙트럼 애널라이저로 계측해 둔 광원의 실제의 파형을, 광원의 스펙트럼의 범위(파장 1205∼1405)에 대하여 1㎚ 간격으로 파장마다 광강도(S(k))를 바꾼다. 또한 SiO2의 굴절률(n1)(대략 1.447)이나 Si의 굴절률(n2)(대략 3.54)은, 실제는 모두 파장 분산을 갖기 때문에, 계산 정밀도를 향상시키기 위해 파장마다 보다 정확한 값을 대입하여, 1개의 광로차에 대하여 발광 범위의 강도를 적분 한다.
이를, 광로차를 0.05㎛ 간격으로 바꾸면서 행하면 1개의 산화 막두께에 대하여 참조 미러가 움직였을 때의 간섭 파형을 계산할 수 있다. 도 6은, 그 최대값을 산화 막두께와 대응시켜, 산화 막두께를 매기면서 계산한 결과를 기억하여 플롯한 것이다.
이상과 같이, 이 도 6에 나타내는 관계, 구체적으로는, 상기 수학식 (4)∼(9) 및 실제의 발광 파형이나 굴절률 등의 각 파라미터를 미리 불휘발성 메모리등에 기억해 두고, 수광 수단(151)에서 측정되는 간섭파(F)의 간섭 강도를 도 6에 적용하여 박막(T)의 막두께를 산출할 수 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이 간섭 강도는 박막(T)의 막두께에 따라서 주기적으로 변동한다. 즉, 박막(T)의 막두께와 간섭 강도란, 1대 1로는 대응하고 있지 않다. 이 때문에, 이 실시 형태에서는, 미리 박막(T)의 초기 막두께를 취득해, 이 초기 막두께와 도 6에 나타내는 관계에 기초하여, 간섭 강도로부터 박막(T)의 막두께를 산출하고 있다. 또한, 막두께의 산출은, 에칭의 경우, 막두께가 감소하는 방향(도 6의 횡축의 오른쪽으로부터 왼쪽)이 되고, 퇴적(데포지션)의 경우, 막두께가 증가하는 방향(도 6의 횡축의 왼쪽으로부터 오른쪽)이 된다.
도 7은, 간섭 강도비와 간섭 강도비로부터 산출된 박막의 막두께의 에칭 시간 의존을 나타내는 도면이다. 도 7에는, 반도체 웨이퍼(W)에 형성된 박막(T)을 실제로 에칭했을 때의 간섭 강도비를 도 6에 적용하여 구한 박막(T)의 막두께를 나타냈다. 도 7에 있어서, 왼쪽 종축은 간섭 강도비, 오른쪽 종축은 막두께, 횡축은 에칭 시간(에칭 개시시(開始時)를 0으로 하고 있음)을 취하고 있다. 도 7에서는, 간섭파 F의 간섭 강도를 대신하여, 간섭 강도비(도 4(b)의 간섭파 F의 간섭 강도를 간섭파 C의 간섭 강도로 제산(나눗셈)한 값)와 박막(T)의 막두께와의 관계로부터, 박막(T)의 막두께를 산출하고 있다. 간섭 강도비를 사용함으로써, 광원(110)이나, 광원(110)으로부터의 빛을 전송하는 콜리메이트 파이버(F1)에 기인하는 간섭 강도의 변화를 캔슬할 수 있어, 보다 정확하게 박막(T)의 막두께를 구할 수 있다.
도 8은, 간섭 강도비로부터 산출되는 박막(T)의 막두께와, 에칭 레이트가 일정(680㎚/분)하다고 가정하여 산출한 박막(T)의 막두께와 간섭 강도비로부터 산출되는 박막(T)의 막두께와의 막두께 차(괴리값)를 나타낸 도면이다. 도 8에 있어서, 왼쪽 종축은 막두께, 오른쪽 종축은 막두께 차(괴리값), 횡축은 에칭 시간(에칭 개시시를 0으로 하고 있음)을 취하고 있다. 도 8에서는, 에칭 레이트가 일정(680㎚/분)하다고 가정한 박막(T)의 막두께를 직선으로, 간섭 강도비로부터 산출한 박막(T)의 막두께를 일점 쇄선으로 각각 나타냈다. 또한, 에칭 중의 박막(T)의 막두께를 직접 측정할 수는 없기 때문에, 도 8에서는, 박막(T)의 에칭 레이트가 일정하다고 가정하고 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 간섭 강도비로부터 산출되는 박막(T)의 막두께와, 에칭 레이트가 일정하다고 가정하여 산출한 박막(T)의 막두께와의 막두께 차(괴리값)는, 대략 ±15㎚의 범위에 들어가 있어, 정밀도 좋게 에칭 중의 박막(T)의 막두께를 산출할 수 있다고 말할 수 있다.
(2 : 시프트량의 산출)
도 9는, 박막(T)의 막두께와 간섭파(F)의 시프트량(ΔL)과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서 종축은 간섭파(F)의 시프트량(ΔL), 횡축은 박막(T)의 막두께를 취하고 있다. 또한, 도 9는, 상기 설명(단락 0051 참조)에서는, 산화 막두께마다 간섭 파형을 구하고 있지만, 산화 막두께마다 구한 간섭 파형의 중심을 산출하여, 파형의 중심을 광로차 방향의 시프트량으로서 플롯했다. 구체적으로는, 간섭 파형의 DC 강도보다 큰 값을 사용하여 중심을 구한다. 또한 간섭 파형의 DC 성분보다 작은 측은 DC 강도로 회귀한 파형을 사용하여, 또는 정측(正側)의 파형도 더하고 나서 중심을 구해도 좋다. 중심 이외에는 다항식이나 가우스 분포로 근사하여 그 최대값 등을 구해도 좋다.
이상과 같이, 이 도 9에 나타내는 관계, 구체적으로는, 수학식 (7)∼(9) 및 각 파라미터를 미리 불휘발성 메모리 등에 기억해 두어, 산출된 박막(T)의 막두께와 도 9로부터 간섭파(F)의 시프트량(ΔL)을 산출할 수 있다.
(3 : 광로 길이의 보정)
마지막으로, 구한 시프트량(ΔL)에 기초하여, 수광 수단(151)에서 관찰된 간섭파의 피크간의 광로 길이를 보정한다(구체적으로는, 산출한 광로 길이로부터 시프트량(ΔL)을 보정한다).
(온도 측정 장치(100)의 동작)
도 10은, 온도 측정 장치(100)의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
이하, 도 1, 8 및 9를 참조하여, 온도 측정 장치(100)의 동작에 대해서 설명한다.
(스텝 S101)
우선, 신호 취득 수단(201)은, 반도체 웨이퍼(W)의 선팽창률(α)이나 굴절률 변화의 온도 계수(β), 수학식 (3)∼(9)나 각종 파라미터, 박막(T)의 막두께, 임의의 온도에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 광로 길이 등, 반도체 웨이퍼(W)의 온도의 산출에 필요한 데이터를 상위 컨트롤러(예를 들면, 온도 측정 장치(100)에 접속된 호스트나 IM(Integrated Metrology))로부터 취득한다.
또한, 전술한 반도체 웨이퍼(W)의 온도의 산출에 필요한 데이터는, 사전에 취득한 것을 온도 산출 수단(152)이 구비하는 HDD나 불휘발성 메모리 등에 미리 기억해 두어도 좋다.
(스텝 S102)
광원(110)으로부터의 빛은, 스플리터(120)에 입사되어, 스플리터(120)에 의해 2분기된다. 이 중, 한쪽(측정광)은, 콜리메이트 파이버(F1)를 통하여 반도체 웨이퍼(W)에 조사된다.
(스텝 S103)
반도체 웨이퍼(W)에 조사된 측정광은, 반도체 웨이퍼(W)의 표면(S1)이나 박막(T)과의 계면(S2) 등에서 반사된다. 또한, 스플리터(120)에서 분기된 다른 한쪽(참조광)은, 콜리메이트 파이버(F2)로부터 출사되고, 참조광 반사 수단(130)에 의해 반사된다. 그리고, 반사광은 스플리터(120)에 입사하고, 측정광의 반사광과 다시 합파(合波)되어 수광 수단(151)에서 수광되어, 파형 신호로서 신호 취득 수단(201)에 취입된다.
(스텝 S104)
광로 길이 산출 수단(202)은, 신호 취득 수단(201)에서 취입된 파형 신호 및 구동 거리 신호에 기초하여, 도 4(b)에서 설명한 간섭파(C, F)의 피크간의 광로 길이(L1)를 산출한다.
(스텝 S105)
막두께 산출 수단(203)은, 도 6을 참조하여 설명한 박막(T)의 막두께와 피크 간섭비와의 관계(구체적으로는, 수학식 (7))로부터 박막(T)의 막두께를 산출한다.
(스텝 S106)
시프트량 산출 수단(204)은, 도 9를 참조하여 설명한 박막(T)의 막두께와 간섭파(F)의 시프트량(ΔL)과의 관계(구체적으로는, 수학식 (7))에 기초하여, 막두께 산출 수단(203)에서 산출되는 박막(T)의 막두께에 대응하는 시프트량(ΔL)을 산출한다.
또한, 스텝 S104∼S106의 처리 순서는, 반드시 도 10에 나타낸 순서에 따를 필요는 없으며, 스텝 S104∼S106의 처리 순서를 적절히 바꿔도 좋고, 스텝 S104∼스텝 S106을 병렬 처리로 해도 상관없다.
(스텝 S107)
광로 길이 보정 수단(205)은, 광로 길이 산출 수단(202)이 산출한 광로 길이 (L1)로부터 시프트량 산출 수단(204)이 산출한 시프트량(ΔL)만큼 광로 길이를 보정하여, 실광로 길이(L2)를 산출한다.
(스텝 S108)
온도 연산 수단(206)은, 광로 길이 보정 수단(205)에 의해 보정된 광로 길이에 기초하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다. 구체적으로는, 미리 기억해 둔 반도체 웨이퍼(W)의 선팽창률(α), 굴절률 변화의 온도 계수(β) 및 보정 후의 광로 길이(실광로 길이(L2))를 전술한 수학식 (3)에 대입하여 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다.
온도 산출 수단(152)은, 그 동작을 종료할 때까지, 수광 수단(151)으로부터의 파형 신호 및 광로 길이 변화 수단(140)으로부터의 참조광 반사 수단(130)의 구동 거리 신호를 소정의 시간 간격으로 취입하여 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다.
(실시예)
(실시예 1)
도 11은, 실시예 1에 따른 광로 길이의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 종축은 산출된 광로 길이, 횡축은 에칭 시간(에칭 개시시를 0으로 하고 있음)을 취하고 있다. 도 11에는, 막두께 약 2㎛(정확하게는, 1993㎚)의 박막(SiO2막)이 형성된 직경 300㎜의 반도체 웨이퍼를 에칭하면서 측정한 광로 길이를 나타냈다. 측정 포인트는, 반도체 웨이퍼의 중심(센터)으로 했다. 또한, 도 11에는, 광로 길이를 보정한 경우(보정 있음)와, 보정하지 않았던 경우(보정 없음)를 나타냈다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 광로 길이의 보정을 행하지 않았던 경우, 광로 길이가 에칭의 진행에 수반하여 주기적으로 크게 변동하는 것을 알 수 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, 박막의 막두께에 따라서, 박막에서의 반사에 의한 간섭 강도가 주기적으로 변화하기 때문이다. 한편, 광로 길이의 보정을 행한 경우, 광로 길이가 거의 변동하지 않는 것을 알 수 있다.
보정이 없는 경우, 에칭 중의 광로 길이의 변동이 레인지(range)에서 2.6㎛ 정도(온도로 환산하여 －10∼＋3℃의 범위)였지만, 보정이 있는 경우, 에칭 중의 광로 길이의 변동을 레인지에서 0.5㎛ 정도(온도로 환산하여 －0.3∼＋0.3℃의 범위)로 억제할 수 있었다(도 11의 A참조). 이상의 점에서, 광로 길이를 보정한 경우, 반도체 웨이퍼의 광로 길이, 즉 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 에칭 전의 광로 길이에 대해서도 종래와 비교하여 정확한 값을 얻을 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 처리에 있어서 큰 메리트(merit)가 된다(도 11의 B참조).
도 12, 13은, 실시예 2(광로 길이 보정 있음) 및 비교예 1(광로 길이 보정 없음)에 따른 온도 측정 결과를 나타내는 도면이다. 도 12, 13에 있어서 종축은 산출된 온도, 횡축은 에칭 시간(에칭 개시시를 0으로 하고 있음)을 취하고 있다. 도 12에는, 막두께 약 2㎛(정확하게는, 1993㎚)의 박막(SiO2막)이 형성된 직경 300 ㎜의 반도체 웨이퍼를 에칭하면서 온도를 측정한 결과를 나타냄과 함께, 비교를 위해 박막이 형성되어 있지 않은 베어(bare) Si 웨이퍼를 에칭한 경우의 온도 측정 결과를 함께 나타냈다. 온도의 측정 포인트는, 반도체 웨이퍼의 중심(Center)이다.
(실시예 2)
도 12는, 광로 길이의 보정을 행한 경우의 온도 측정 결과를 나타내고 있다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 광로 길이의 보정을 행한 경우, 에칭 중의 반도체 웨이퍼의 측정 온도의 변동이 작은 것을 알 수 있다. 또한, 베어 Si 웨이퍼를 에칭한 경우의 온도 측정의 결과와 비교한 경우라도, 그 온도 변화가 베어 Si 웨이퍼의 온도 변화와 대략 동일한 점에서 반도체 웨이퍼의 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있는 것을 이해할 수 있다.
(비교예 1)
도 13에는, 광로 길이의 보정을 행하지 않았던 경우의 온도 측정 결과를 나타내고 있다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 광로 길이의 보정을 행하지 않았던 경우, 에칭 중의 반도체 웨이퍼의 측정 온도가 주기적으로 크게 변동하는 것을 알 수 있다. 이것은, 전술한 바와 같이, 박막의 막두께에 따라서, 박막에서의 반사에 의한 간섭 강도가 주기적으로 변화하기 때문이다. 또한, 베어 Si 웨이퍼를 에칭한 경우의 온도 측정의 결과와 비교한 경우, 그 온도 변화가 크게 상이한 점에서, 반도체 웨이퍼의 온도를 정확하게 측정되어 있지 않은 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 실시 형태에 따른 온도 측정 장치(100)는, 간섭파의 간섭 강도로부터 박막의 막두께를 구하고, 이 구한 박막의 막두께로부터 광로 길이의 시프트량을 산출하고, 또한, 구한 시프트량에 기초하여 간섭파의 피크간 거리(광로 길이)를 보정하고 있기 때문에, 반도체 웨이퍼(W) 상에 박막(T)이 형성되어 있는 경우라도, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 정밀도 좋게 측정할 수 있다.
(실시 형태의 변형예)
상기 실시 형태에서는, 측정 대상물인 반도체 웨이퍼(W)의 측정 포인트(P)에서 반사된 측정광과 참조광 반사 수단(130)에서 반사된 참조광을 간섭시키는 시간 도메인법으로 측정한 광로 길이의 보정에 대해서 설명했지만, 상기 실시 형태에서 설명한 보정 방법은, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 및 이면의 광로 길이로부터 온도를 산출하는 방법이면 적용 가능하다. 이 실시 형태의 변형예에서는, 참조광을 사용하지 않는 형태에 대해서 설명한다.
도 14는, 실시 형태의 변형예에 따른 온도 측정 장치(100A)의 구성도이다. 온도 측정 장치(100A)는, 광원(110)과, 광서큘레이터(optical circulator;160)와, 측정광을 측정 대상물인 박막(SiO2막)(T)이 형성된 반도체 웨이퍼(기판)(W)의 측정 포인트(P)로 전송하는 콜리메이트 파이버(F1)와, 측정광의 반사광에 의한 간섭 파형에 기초하여, 측정 포인트(P)의 온도를 측정하는 신호 처리 장치(150A)를 구비한다. 신호 처리 장치(150A)는, 수광 수단(151A) 및 온도 산출 수단(152A)을 구비한다. 이하, 도 14를 참조하여, 실시 형태의 변형예에 따른 온도 측정 장치(100A)의 각 구성에 대해서 설명하지만, 도 1에서 설명한 구성과 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.
광서큘레이터(160)는, 3개의 포트 A∼C를 구비하여, 포트 A에 입력한 빛은 포트 B로부터 출력되고, 포트 B로부터 입력한 빛은 포트 C로부터 출력되고, 포트 C에 입력한 빛은 포트 A로부터 출력되는 특성을 갖는다. 즉, 광서큘레이터(160)의 A포트로부터 입력되는 광원(110)으로부터의 측정광은, 광서큘레이터(160)의 B포트로부터 콜리메이트 파이버(F1)를 통하여 반도체 웨이퍼(W)에 조사되고, 광서큘레이터(160)의 B포트로부터 입력되는 반사광은, 광서큘레이터(160)의 C포트로부터 수광 수단(151A)에 입력된다.
도 15는, 수광 수단(151A)의 구성도이다. 수광 수단(151A)은, 광서큘레이터(160)로부터의 반사광을 파장 분해하는 회절 격자(151a)와, 파장 분해된 반사광을 전기 신호로 변환하는 센서(151b)를 구비하고, 광서큘레이터(160)로부터의 반사광을 복수의 파장으로 이산화한 이산화 신호(discrete signal)를 생성하여 출력한다. 또한 센서(151b)는, 예를 들면 Si 포토 다이오드, InGaAs 포토 다이오드, Ge 포토 다이오드 등을 이용한 센서로 구성하지만, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 측정하는 경우, InGaAs 포토 다이오드를 이용하는 것이 바람직하다.
온도 산출 수단(152A)은, 예를 들면, 컴퓨터(전산기) 등이며, 수광 수단(151A)으로부터 입력되는 이산화 신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다. 도 16은, 온도 산출 수단(152A)의 기능을 나타내는 구성도이다. 온도 산출 수단(152A)은, 신호 취득 수단(201), 광로 길이 산출 수단(202), 막두께 산출 수단(203), 시프트량 산출 수단(204), 광로 길이 보정 수단(205), 온도 연산 수단(206), 이산 푸리에 변환 수단(207)을 구비한다.
또한, 도 16에 나타내는 기능은, 온도 산출 수단(152A)이 구비하는 하드웨어(예를 들면, HDD, CPU, 메모리 등)에 의해 실현된다. 구체적으로는, CPU가, HDD 또는 메모리에 기록되어 있는 프로그램을 실행함으로써 실현된다.
신호 취득 수단(201)은, 수광 수단(151A)으로부터의 이산화 신호를 취입한다. 또한, 실시 형태에서 설명한 수학식 (3)∼(9)나 각종 파라미터, 박막(T)의 막두께, 임의의 온도에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 광로 길이 등, 반도체 웨이퍼(W)의 온도의 산출에 필요한 데이터를 상위 컨트롤러(예를 들면, 온도 측정 장치(100A)에 접속된 호스트나 IM(Integrated Metrology))로부터 취득한다.
이산 푸리에 변환 수단(207)은, 신호 취득 수단(201)이 취득한 이산화 신호에 대하여 DFT(discrete fourier transform) 처리를 행한다. 이 DFT 처리에 의해, 수광 수단(151A)으로부터의 이산화 신호를 진폭과 거리와의 정보로 변환한다. 도 17은, DFT 처리 후의 신호를 나타내는 도면이다. 도 17의 종축은 진폭, 횡축은 거리이다.
광로 길이 산출 수단(202)은, 이산 푸리에 변환된 진폭과 거리와의 정보에 기초하여 광로 길이를 산출한다. 구체적으로는, 도 17에 나타내는 간섭파 G와 간섭파 H와의 피크간의 거리를 산출한다. 도 17에 나타내는 간섭파 G 및 간섭파 H는, 각각 반도체 웨이퍼(W)의 표면(S1)에서의 간섭파 및 반도체 웨이퍼(W)와 박막(T)과의 계면(S2)과 박막(T)의 이면(S3)과의 사이에서 다중 반사한 다수의 간섭파가 서로 겹친 간섭파이다.
막두께 산출 수단(203)은, 도 6을 참조하여 설명한 박막(T)의 막두께와 피크 간섭비와의 관계(구체적으로는, 수학식 (7))로부터 박막(T)의 막두께를 산출한다.
시프트량 산출 수단(204)은, 도 9를 참조하여 설명한 박막(T)의 막두께와 간섭파(F)의 시프트량(ΔL)과의 관계(구체적으로는, 수학식 (7))에 기초하여, 막두께 산출 수단(203)에서 산출되는 박막(T)의 막두께에 대응하는 시프트량(ΔL)을 산출한다.
광로 길이 보정 수단(205)은, 광로 길이 산출 수단(202)이 산출한 광로 길이로부터 시프트량 산출 수단(204)이 산출한 시프트량(ΔL)에 의해 광로 길이를 보정하여, 실광로 길이를 산출한다.
온도 연산 수단(206)은, 광로 길이 보정 수단(205)에서 보정된 광로 길이로부터 측정 대상물인 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다. 도 18은, 보정 후의 광로 길이와 온도와의 관계를 나타낸 도면이다. 온도 연산 수단(206)은, 이 도 18에 나타내는 보정 후의 광로 길이와 온도와의 관계 및, 광로 길이 보정 수단(205)으로부터 산출된 보정 후의 광로 길이에 기초하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 산출한다.
또한, 도 18에 나타내는 광로 길이와 온도와의 관계는, 실제로 실험 등에서 측정한 것을 미리 온도 산출 수단(152A)이 구비하는 HDD나 메모리 등에 기억해 두어도 좋고, 전술한 상위 컨트롤러로부터 취득해도 좋다.
이상과 같이, 이 실시 형태의 변형예에 따른 온도 측정 장치(100A)는, 반도체 웨이퍼(W)로부터의 반사광을, 수광 수단(151A)에 의해 이산화 신호로 변환하고, 이 이산화 신호를 DFT 처리하여 광로 길이를 산출하고 있기 때문에, 광로 길이 변화 수단(140)에 의해 참조광 반사 수단(130)을 기계적으로 동작시킬 필요가 없다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 온도 측정을 보다 빨리 행할 수 있다. 그 외의 효과는, 실시 형태에 따른 온도 측정 장치(100)와 동일하다.
(그 외의 실시 형태)
또한, 본 발명은 상기 실시 형태 그대로 한정되는 것이 아니라, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 측정 대상물인 반도체 웨이퍼(W)에 형성된 박막을 에칭하는 경우의 광로 길이의 보정에 대해서 설명했지만 반도체 웨이퍼(W)에 막을 형성(퇴적)하는 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우는, 퇴적하는 막의 굴절률을 미리 취득해 두어, 도 6에 나타낸 박막(T)의 막두께와 간섭 강도의 관계로부터 막두께를 산출한다. 또한, 에칭의 경우와 달리, 막두께를 환산하는 방향이 반대, 즉 막두께가 증가하는 방향으로 환산하는 점에 유의한다.
100 : 온도 측정 장치
110 : 광원
120 : 스플리터
130 : 참조광 반사 수단
140 : 광로 길이 변화 수단
150, 150A : 신호 처리 장치
151, 151A : 수광 수단
152, 152A : 온도 산출 수단
201 : 신호 취득 수단
202 : 광로 길이 산출 수단
203 : 막두께 산출 수단
204 : 시프트량 산출 수단
205 : 광로 길이 보정 수단
206 : 온도 연산 수단
207 : 이산 푸리에 변환 수단
F1, F2 : 콜리메이트 파이버
P : 측정 포인트

Claims (8)

  1. 광원으로부터의 빛을, 기판 상에 박막이 형성된 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 공정과,
    상기 기판의 표면에서의 반사광에 의한 제1 간섭파와, 상기 기판과 상기 박막과의 계면 및 상기 박막의 이면(裏面)에서의 반사광에 의한 제2 간섭파를 측정하는 공정과,
    상기 제1 간섭파에서 상기 제2 간섭파까지의 광로 길이를 산출하는 공정과,
    상기 제2 간섭파의 강도에 기초하여, 상기 박막의 막두께를 산출하는 공정과,
    상기 산출한 상기 박막의 막두께에 기초하여, 상기 기판의 광로 길이와 상기 산출한 광로 길이와의 광로차를 산출하는 공정과,
    상기 산출한 광로차에 기초하여 상기 산출한 상기 제1 간섭파에서 상기 제2 간섭파까지의 광로 길이를 보정하는 공정과,
    상기 보정된 광로 길이로부터 상기 측정 포인트에 있어서의 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막의 막두께와 상기 제2 간섭파의 강도와의 관계에 기초하여 상기 박막의 막두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 간섭파의 강도와 상기 제2 간섭파의 강도와의 비(比)에 기초하여 상기 박막의 막두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광원은, 파장이 1000㎚ 이상의 빛을 발생하고,
    상기 기판은, 실리콘(Si) 기판인 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 박막은, 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), 레지스트막, 수지계막 또는 금속막 중 어느 것임을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  6. 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 기판 상에 박막이 형성된 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 전송 수단과, 상기 측정 대상물에서 반사한 반사광을 수광(受光)하는 수광 수단을 구비하는 온도 측정 장치에 있어서, 상기 수광 수단에서 수광된 상기 반사광의 간섭파에 기초하여, 상기 측정 포인트에 있어서의 상기 측정 대상물의 온도를 측정하는 온도 측정 방법을 컴퓨터에 실행시키는 프로그램을 격납하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체로서,
    상기 프로그램은, 상기 컴퓨터를,
    상기 수광 수단에서 수광된 기판의 표면에서의 반사광에 의한 제1 간섭파와, 상기 기판과 상기 기판 상에 형성된 박막과의 계면 및 상기 박막의 이면에서의 반사광에 의한 제2 간섭파를 측정하는 측정 수단,
    상기 제1 간섭파에서 상기 제2 간섭파까지의 광로 길이를 산출하는 제1 산출 수단,
    상기 제2 간섭파의 강도에 기초하여, 상기 박막의 막두께를 산출하는 제2 산출 수단,
    상기 산출한 상기 박막의 막두께에 기초하여, 상기 기판의 광로 길이와 상기 산출한 광로 길이와의 광로차를 산출하는 제3 산출 수단,
    상기 산출한 광로차에 기초하여 상기 산출한 상기 제1 간섭파에서 상기 제2 간섭파까지의 광로 길이를 보정하는 보정 수단,
    상기 보정된 광로 길이로부터 상기 측정 포인트에 있어서의 상기 측정 대상물의 온도를 산출하는 제4 산출 수단으로서 동작시키는 것을 특징으로 하는 기억 매체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판은 Si를 포함하며,
    상기 빛을 상기 측정 대상물의 측정 포인트까지 전송하는 공정에서, 상기 빛은 Si를 투과할 수 있는 파장을 가지며, 상기 빛의 전송 방향은 상기 기판의 면 중에서 상기 박막이 형성되어 있지 않은 면에 먼저 도달하고, 그 후에 상기 박막이 형성되어 있는 면에 도달하도록 정해지는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기판은 Si를 포함하며,
    상기 온도 측정 장치에 있어서, 상기 광은 Si를 투과할 수 있는 파장을 가지며, 상기 전송 수단은 상기 기판의 면 중에서 상기 박막이 형성되어 있는 면보다 상기 박막이 형성되어 있지 않은 면에 더 가깝게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기억 매체.
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