KR20230138464A - 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
막 두께 측정 장치는, 제조 공정 중의 샘플의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 장치로서, 제조 공정에 있어서 발생하여, 샘플의 일면을 반사한 광(플라즈마광)을 집광하는 렌즈와, 소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 렌즈에 의해서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 경사 다이크로익 미러와, 경사 다이크로익 미러에 의해서 분리된 광을 촬상하는 에어리어 센서와, 광을 촬상한 에어리어 센서로부터의 신호에 기초하여 샘플의 막 두께를 추정하여, 샘플의 일면의 막 두께 분포를 구하는 제어 장치를 구비하고, 샘플을 반사한 광은, 경사 다이크로익 미러의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 포함한다.
Description
본 발명의 일 양태는, 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 성막이나 에칭 등, 웨이퍼 상에 소정의 막 두께의 박막을 형성하는 공정이 있다. 반도체 디바이스의 막 두께를 측정하는 장치로서, 광원으로부터 반도체 디바이스에 대해서 광을 조사하고, 반도체 디바이스로부터의 광을 검출함으로써, 막 두께를 측정하는 장치가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1~3 참조).
또한, 반도체 디바이스의 막 두께를 측정하는 장치로서, 반도체 디바이스의 제조 장치 내에서 발생하는 발광(예를 들면 플라즈마광)을 조명광으로서 이용하여, 제조 중의 반도체 디바이스에 있어서 반사된 광을 검출함으로써, 성막 중 또는 에칭 중의 박막의 막 두께를 측정하는 장치가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 4 및 5, 그리고, 비특허문헌 1 참조).
Vladimir Samara, Jean-Francois de Marneffe, Ziad el Otell, Demetre J. Economou. In-situ monitoring of etch uniformity using plasma emission interferometry. Article in Jounal of Vacuum Science & Technology B Microelectronics and Nanometer Structures April 2015.
상술한 바와 같은 플라즈마광을 이용하여 막 두께를 측정하는 장치에 있어서는, 예를 들면 필터 워크에 의해 단일 또는 복수의 파장을 선택하여, 광의 강도 정보를 취득함으로써 막 두께를 측정하고 있다. 이와 같은 장치에 있어서는, 플라즈마광의 강도가 변동됨으로써 측정 정밀도가 변동되어 버리는(측정 정밀도가 일정하지 않은) 것이 문제가 된다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 고정밀도로 측정할 수 있는 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 막 두께 측정 장치는, 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 장치로서, 제조 공정에 있어서 발생하여, 대상물의 일면 중 적어도 일부를 반사한 광을 집광하는 집광 소자와, 소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 집광 소자에 의해서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 광학 소자와, 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 촬상부와, 광을 촬상한 촬상부로부터의 신호에 기초하여 대상물의 막 두께를 추정하여, 대상물의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포를 구하는 해석부를 구비하고, 대상물을 반사한 광은, 광학 소자의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 막 두께 측정 장치에서는, 제조 공정에 있어서 발생하여 대상물의 일면 중 적어도 일부를 반사한 광이, 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하는 광학 소자에 의해서 분리되고, 분리된 광이 촬상부에 의해서 촬상되고, 해당 촬상부로부터의 신호에 기초하여 대상물의 막 두께가 추정되어, 대상물의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포가 구해진다. 이와 같은 막 두께 측정 장치에서는, 먼저, 제조 공정에 있어서 발생한 광이 이용되어 막 두께가 추정되므로, 막 두께 측정을 위한 광원을 마련할 필요가 없어, 구성을 간이화할 수 있다. 또한, 본 막 두께 측정 장치에서는, 광학 소자에 있어서 분리되는 광에 있어서의 투과광의 비율과 반사광의 비율이 파장에 따라 변화하기 때문에, 촬상부에 있어서의 촬상 결과에 기초하여, 투과광의 비율과 반사광의 비율이 특정되고, 그 결과, 파장이 특정 가능하게 된다. 또한, 해석부에 있어서, 촬상부로부터의 신호에 기초하여 대상물의 막 두께가 추정되어, 막 두께 분포를 구할 수 있다. 파장을 나타내는 정보에 기초하여 막 두께가 추정 가능한 바, 상술한 바와 같이, 촬상부에 있어서의 촬상 결과로부터 파장이 특정되기 때문에, 해당 파장의 정보를 포함하는 신호(촬상부로부터의 신호)가 고려됨으로써, 대상물의 막 두께를 고정밀도로 추정할 수 있다. 이와 같은 막 두께 측정 수법은, 예를 들면 필터 워크 등에 의해 단일 또는 복수의 파장을 선택하여 광의 강도 정보를 취득하는 방법과는 달리, 막 두께의 측정 정밀도가 광의 강도의 변동의 영향을 잘 받지 않기 때문에, 제조 공정에 있어서 발생하는 광의 강도의 변동에 관계없이, 막 두께의 측정 정밀도를 항상 일정 이상으로 유지할 수 있다. 이상과 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 막 두께 측정 장치에 의하면, 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 고정밀도로 측정할 수 있다.
촬상부는 복수의 화소를 가지는 2차원 촬상 소자이며, 해석부는 2차원 촬상 소자에 있어서의 복수의 화소마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 대상물의 조사면에 있어서의 막 두께 분포를 보다 상세하게 (화소마다) 추정할 수 있다.
해석부는, 대상물을 반사한 광의 집광 소자에 있어서의 집광각을 더 고려하여, 막 두께를 추정해도 된다. 집광 소자에 있어서의 집광각이 바뀌면 광로가 바뀌기 때문에, 파장의 정보만으로부터는 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 없는 경우가 있다. 이 점, 집광 소자에 있어서의 집광각이 추가로 고려됨으로써, 실제 광로에 따라서, 보다 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치는 광학 소자 및 촬상부 사이에 배치된 밴드 패스 필터를 더 구비하고 있어도 된다. 이것에 의해, 원하는 파장 범위 외의 광을 제거할 수 있어, 막 두께 추정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
막 두께 분포는 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 상대적인 막 두께의 분포여도 된다. 또한, 막 두께 분포는 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 시간적인 막 두께의 변화율의 분포여도 된다. 또한, 막 두께 분포는 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 절대적인 막 두께의 분포여도 된다. 어느 막 두께 분포에 있어서도, 제조 공정 중의 대상물의 막 두께에 관한 정보를 분포로서 구할 수 있으므로, 막 두께의 형성 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 측정 장치는, 집광 소자에 의해서 집광된 광 중, 대상물의 일면의 임의의 일점을 반사한 광의 분광 스펙트럼을 측정하는 분광기를 더 구비하고, 해석부는 분광 스펙트럼에 기초하여 일점의 막 두께의 절대값을 특정하고, 촬상부로부터의 신호와 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 막 두께 분포로서, 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 절대적인 막 두께의 분포를 구해도 된다. 이와 같이, 일점의 광의 분광 스펙트럼이 측정되어 해당 일점의 막 두께의 절대값이 특정됨으로써, 촬상부로부터의 신호와 해당 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 대상물에 있어서의 해당 일점 이외의 각 영역의 막 두께에 대해서도 고정밀도로 절대값을 추정하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 상대적인 막 두께의 변화량뿐만 아니라 대상물의 각 영역의 막 두께의 절대값을 고정밀도로 추정할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 반도체 디바이스 제조 장치는, 대상물의 일면에 막을 형성하기 위한 막 형성 장치와, 상술한 막 두께 측정 장치를 구비하고 있다. 이와 같은 반도체 디바이스 제조 장치에 의하면, 대상물에 막을 형성하면서 막 두께를 측정하는 것이 가능하게 되고, 막 두께 측정 결과를 막 두께 형성에 반영시켜, 막 두께 형성의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
막 두께 측정 장치의 집광 소자는, 막 형성 장치 내의 대상물의 일면에 대향하도록 배치되어 있어도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 대상물에 막을 형성하면서 막 두께를 측정하는 처리를 적합하게 실시할 수 있다.
막 형성 장치는 대상물의 일면의 막을 에칭해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 대상물의 일면의 막을 에칭하면서 막 두께를 측정하는 것이 가능하게 되고, 막 두께 측정 결과를 에칭 처리에 반영시켜 에칭의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
막 형성 장치는 대상물의 일면에 막을 성막해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 대상물의 일면의 막을 성막하면서 막 두께를 측정하는 것이 가능하게 되고, 막 두께 측정 결과를 성막 처리에 반영시켜 성막의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 막 두께 측정 방법은, 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 방법으로서, 제조 공정에 있어서 발생하여, 대상물의 일면 중 적어도 일부를 반사한 광을 집광하는 제1 공정과, 소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 제1 공정에서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과, 제2 공정에 있어서의 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 해당 파장에 기초하여 대상물의 막 두께를 추정하여, 대상물의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포를 구하는 제3 공정을 포함한다. 본 발명의 일 양태에 따른 막 두께 측정 방법에 의하면, 제조 공정에 있어서 발생하는 광의 강도의 변동에 관계없이, 막 두께의 측정 정밀도를 항상 일정 이상으로 유지할 수 있어, 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 고정밀도로 측정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 방법은, 제1 공정에서 집광된 광 중, 대상물의 일면의 임의의 일점을 반사한 광의 분광 스펙트럼을 측정하는 제4 공정을 더 포함하고, 제3 공정에서는, 분광 스펙트럼에 기초하여 일점의 막 두께의 절대값을 특정하고, 촬상 결과와 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 막 두께 분포로서, 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 절대적인 막 두께의 분포를 구해도 된다. 이와 같은 막 두께 측정 방법에 의하면, 촬상부로부터의 신호와 해당 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 대상물에 있어서의 해당 일점 이외의 각 영역의 막 두께에 대해서도 고정밀도로 절대값을 추정하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 상대적인 막 두께의 변화량뿐만 아니라 대상물의 각 영역의 막 두께의 절대값을 고정밀도로 추정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 막 두께를 고정밀도로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 디바이스 제조 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 광의 스펙트럼 및 경사 다이크로익 미러의 특성을 설명하는 도면이다.
도 3은 투과 광량 및 반사 광량에 따른 파장 시프트를 설명하는 도면이다.
도 4는 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 카메라 시스템에 대한 광의 입사각의 차이를 설명하는 도면이다.
도 7은 막 두께 측정값의 보정을 설명하는 도면이다.
도 8은 변형예에 따른 반도체 디바이스 제조 장치를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 광의 스펙트럼 및 경사 다이크로익 미러의 특성을 설명하는 도면이다.
도 3은 투과 광량 및 반사 광량에 따른 파장 시프트를 설명하는 도면이다.
도 4는 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 카메라 시스템에 대한 광의 입사각의 차이를 설명하는 도면이다.
도 7은 막 두께 측정값의 보정을 설명하는 도면이다.
도 8은 변형예에 따른 반도체 디바이스 제조 장치를 모식적으로 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 반도체 디바이스 제조 장치(1)를 모식적으로 나타낸 도면이다. 반도체 디바이스의 제조 공정은, 이하의 전(前)공정과 후(後)공정(조립 공정)을 포함한다. 전공정에서는, 웨이퍼 상에 트랜지스터층이 형성된 후에, 트랜지스터층 상에 복수의 배선 회로층이 중첩해서 형성되어 반도체가 제조된다. 트랜지스터층 및 배선 회로층의 형성에 있어서는, 각각, 대상물의 일면에 막을 성막하는 성막 처리, 패턴 전사 처리, 대상물의 일면의 막을 에칭하는 에칭 처리의 각 처리가 실시된다. 후공정에서는, 웨이퍼로부터 잘라내져 패키징된 칩에 대해서 각종 제품 검사가 실시되어, 최종 제품이 완성된다. 본 실시 형태에 있어서 설명하는 반도체 디바이스 제조 장치(1)는, 상술한 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 성막 처리 및 에칭 처리 중 적어도 어느 일방에 관한 장치이다. 이하에서는, 반도체 디바이스 제조 장치(1)가 에칭 처리에 관한 장치인 것으로 하여 설명한다. 반도체 디바이스 제조 장치(1)는 막 형성 장치(2)와, 막 두께 측정 장치(10)를 구비하고 있다.
막 형성 장치(2)는 대상물인 샘플(100)의 일면에 막을 형성하는 장치이다. 즉, 대상물인 샘플(100)의 일면은, 반도체 웨이퍼 중, 성막 혹은 에칭 등에 의해 막이 형성되는 면을 가리킨다. 본 실시 형태에 있어서는, 막 형성 장치(2)는 샘플(100)의 일면의 박막 형상을 가공하는 에칭 장치이다. 구체적으로는, 막 형성 장치(2)는 샘플(100)인 반도체 웨이퍼의 일면에 드라이 에칭 등의 에칭을 행하는 장치이다. 드라이 에칭은, 고진공 플라즈마를 이용하는 에칭 방법으로서, 미세 가공 및 이방성에 뛰어나다. 드라이 에칭에서는, 진공 용기 내에 있어서 가스가 플라즈마화되고, 화학 반응과 가속된 이온에 의해서 샘플(100)의 일면의 막이 깎여서, 제거된다. 막 형성 장치(2)는, 예를 들면, 마이크로파 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 방식, 용량 결합형 플라즈마 방식(CCP: Capacitively Coupled Plasma), 또는, 유도 결합형 플라즈마 방식(ICP: Inductively Coupled Plasma) 등의 플라즈마 방식에 의해 드라이 에칭을 행한다. 또한, 도 1에 있어서는, 막 형성 장치(2)의 드라이 에칭에 관한 각종 구성(고주파 전원, 코일 등)의 도시를 생략하고 있다.
막 형성 장치(2)는 진공 용기인 챔버(70)를 가지고 있고, 챔버(70) 내에 재치된 샘플(100)에 대해서, 플라즈마 방식에 의해 드라이 에칭을 행한다. 이와 같은 드라이 에칭을 실시했을 경우, 챔버(70) 내에 있어서는 프로세스 가스(PG)가 플라즈마화되어, 플라즈마광(PL)이 발생한다. 본 실시 형태에 따른 반도체 디바이스 제조 장치(1)에서는, 이와 같은 플라즈마광(PL)의 샘플(100)의 일면(막이 형성된 면)에 있어서의 반사광이 막 두께 측정 장치(10)에 의해서 검출되고, 해당 반사광에 기초하여 막 두께가 측정된다(상세는 후술). 또한, 샘플(100)은 예를 들면 LED, 미니 LED, μLED, SLD 소자, 레이저 소자, 수직형 레이저 소자(VCSEL), OLED 등의 발광 소자, 혹은 수광 소자, 메모리 소자, 집적 회로 등의 다양한 종류의 반도체 디바이스이다.
막 두께 측정 장치(10)는 제조 공정 중(여기에서는 드라이 에칭 중)의 샘플(100)의 일면의 막 두께를 측정하는 장치이다. 즉, 막 두께 측정 장치(10)는 성막 공정 혹은 에칭 공정 등에 의해 막이 형성되어 있는 샘플(100)의 일면의 막 두께를 측정하는 장치이다. 막 두께 측정 장치(10)에 의한 막 두께 측정 결과는, 막 형성 장치(2)에 의한 에칭 처리에 반영된다. 막 두께 측정 장치(10)는, 도 1에 나타내지는 바와 같이, 카메라 시스템(20)과, 제어 장치(30)(해석부)를 구비하고 있다.
카메라 시스템(20)은 렌즈(21)(집광 소자)와, 경사 다이크로익 미러(22)(광학 소자)와, 에어리어 센서(23, 24)(촬상부)와, 밴드 패스 필터(25, 26)를 포함하여 구성되어 있다.
렌즈(21)는 제조 공정에 있어서 발생하여 샘플(100)의 일면을 반사한 광을 집광하는 집광 소자이다. 렌즈(21)는 경사 다이크로익 미러(22)의 전단(前段)(상류)에 배치되어 있다. 렌즈(21)는 샘플(100)의 일면에 대향하도록 배치되어 있다. 렌즈(21)는 유한 초점 렌즈여도 되고, 무한 초점 렌즈여도 된다. 렌즈(21)가 유한 초점 렌즈인 경우에는, 렌즈(21)로부터 에어리어 센서(23, 24)까지의 거리는 소정값으로 된다. 렌즈(21)가 무한 초점 렌즈인 경우에는, 렌즈(21)는, 샘플(100)로부터의 광을 평행 광으로 변환하는 콜리메이터 렌즈이며, 평행 광이 얻어지도록 수차 보정되어 있다. 렌즈(21)로부터 출력된 광은, 경사 다이크로익 미러(22)에 입사한다. 렌즈(21)에 의해, 샘플(100)의 일면의 전면 또는 일부를 반사한 광을 경사 다이크로익 미러(22)로 도광할 수 있다.
경사 다이크로익 미러(22)는, 특수한 광학 소재를 이용하여 작성된 미러로서, 렌즈(21)에 의해서 집광된 샘플(100)로부터의 광을 파장에 따라 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 광학 소자이다. 경사 다이크로익 미러(22)는 소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 광의 투과율 및 반사율이 변화하도록 구성되어 있다.
도 2는 광의 스펙트럼 및 경사 다이크로익 미러(22)의 특성을 설명하는 도면이다. 도 2에 있어서 가로축은 파장을 나타내고 있고, 세로축은 스펙트럼 강도(광의 스펙트럼의 경우) 및 투과율(경사 다이크로익 미러(22)의 경우)을 나타내고 있다. 도 2의 경사 다이크로익 미러(22)의 특성 X4에 나타내지는 바와 같이, 경사 다이크로익 미러(22)에 있어서는, 소정의 파장역(파장 λ1~λ2의 파장역)에서는 파장의 변화에 따라 광의 투과율(및 반사율)이 완만하게 변화하고, 해당 소정의 파장역 이외의 파장역(즉, 파장 λ1보다도 저파장측 및 파장 λ2보다도 고파장측)에서는 파장의 변화에 관계없이 광의 투과율(및 반사율)이 일정하게 되어 있다. 바꿔 말하면, 특정 파장대(파장 λ1~λ2의 파장대)에서는 파장의 변화에 따라 광의 투과율이 단조 증가(반사율이 단조 감소)로 변화하고 있다. 투과율과 반사율은, 일방이 커지는 방향으로 변화하면 타방이 작아지는 방향으로 변화하는, 음의 상관 관계에 있기 때문에, 이하에서는 「투과율(및 반사율)」이라고 기재하지 않고 간단히 「투과율」로 기재하는 경우가 있다. 또한, 「파장의 변화에 관계없이 광의 투과율이 일정」하다는 것은, 완전하게 일정한 경우뿐만 아니라, 예를 들면 파장 1nm의 변화에 대한 투과율의 변화가 0.1% 이하인 것과 같은 경우도 포함하는 것이다. 파장 λ1보다도 저파장측에서는 파장의 변화에 관계없이 광의 투과율이 대체로 0%이며, 파장 λ2보다도 고파장측에서는 파장의 변화에 관계없이 광의 투과율이 대체로 100%이다. 또한, 「광의 투과율이 대체로 0%이다」라는 것은, 0%+10% 정도의 투과율을 포함하는 것이고, 「광의 투과율이 대체로 100%이다」라는 것은, 100%-10% 정도의 투과율을 포함하는 것이다. 도 2에 있어서, 파형 X1은, 샘플(100)을 반사한 광의 파형을 나타내고 있다. 도 2의 파형 X1에 나타내지는 바와 같이, 샘플(100)을 반사한 광은, 경사 다이크로익 미러(22)의 소정의 파장역(파장 λ1~λ2의 파장역)에 포함되는 파장의 광을 포함하고 있다.
도 1로 되돌아가, 에어리어 센서(23, 24)는 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 2차원 촬상 소자이다. 구체적으로는, 에어리어 센서(23)는 경사 다이크로익 미러(22)에 있어서 투과된 광을 촬상한다. 에어리어 센서(24)는 경사 다이크로익 미러(22)에 있어서 반사된 광을 촬상한다. 에어리어 센서(23, 24)가 감도를 가지는 파장의 범위는, 경사 다이크로익 미러(22)에 있어서 파장의 변화에 따라 광의 투과율(및 반사율)이 변화하는 소정의 파장역에 대응한다. 에어리어 센서(23, 24)는, 예를 들면, 흑백 또는 컬러의 CCD 이미지 센서 혹은 CMOS 이미지 센서이다. 에어리어 센서(23, 24)에 의한 촬상 결과(화상)는, 제어 장치(30)에 출력된다.
밴드 패스 필터(25)는 경사 다이크로익 미러(22) 및 에어리어 센서(23)의 사이에 배치되어 있다. 밴드 패스 필터(26)는 경사 다이크로익 미러(22) 및 에어리어 센서(24)의 사이에 배치되어 있다. 밴드 패스 필터(25, 26)는, 예를 들면, 상술한 소정의 파장역(경사 다이크로익 미러(22)에 있어서, 파장에 따라 광의 투과율 및 반사율이 변화하는 파장역) 이외의 파장역의 광을 제거하는 필터여도 된다.
제어 장치(30)는, 컴퓨터로서, 물리적으로는, RAM, ROM 등의 메모리, CPU 등의 프로세서(연산 회로), 통신 인터페이스, 하드 디스크 등의 격납부를 구비하여 구성되어 있다. 제어 장치(30)는 메모리에 격납되는 프로그램을 컴퓨터 시스템의 CPU로 실행함으로써 기능한다. 제어 장치(30)는 마이크로 컴퓨터나 FPGA로 구성되어 있어도 된다.
제어 장치(30)는 광을 촬상한 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정한다. 제어 장치(30)는 에어리어 센서(23, 24)에 있어서의 화소마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 지점의 막 두께를 추정한다. 보다 상세하게는, 제어 장치(30)는 에어리어 센서(23)에 있어서의 촬상 결과(에어리어 센서(23)로부터의 신호)에 기초하여 특정되는 투과 광량과, 에어리어 센서(24)에 있어서의 촬상 결과(에어리어 센서(24)로부터의 신호)에 기초하여 특정되는 반사 광량과, 경사 다이크로익 미러(22)의 중심 파장(소정의 파장역의 중심 파장)과, 경사 다이크로익 미러(22)의 폭에 기초하여, 화소마다의 광의 파장 중심을 도출하고, 해당 파장 중심에 기초하여 각 화소에 대응하는 지점의 막 두께의 변화량인 상대 막 두께를 추정한다. 경사 다이크로익 미러(22)의 폭이란, 예를 들면 경사 다이크로익 미러(22)에 있어서 투과율이 0%가 되는 파장부터 투과율이 100%가 되는 파장까지의 파장폭이다. 따라서, 샘플(100)의 일면의 전면 또는 일부분을 반사한 광을 렌즈(21)에 의해 집광하고, 경사 다이크로익 미러(22)를 통해서 에어리어 센서(23, 24)로 촬상함으로써, 샘플(100)의 일면의 전면 또는 일부분의 상대 막 두께의 분포를 막 두께 분포로서 구할 수 있다. 또한, 이 상대 막 두께는, 화소마다 구하는 것이 가능하기 때문에, 소정 시간에 있어서의 상대 막 두께의 변화량을 구함으로써, 화소마다의 에칭 레이트를 구할 수 있다. 즉, 제어 장치(30)는, 소정 시간에 있어서의 각 화소에 대응하는 지점의 상대 막 두께의 변화량을 도출함으로써, 에칭에 있어서의 각 화소에 대응하는 지점의 에칭 레이트를 구할 수 있고, 샘플(100)의 일면의 전면 또는 일부의 에칭 레이트의 분포를 막 두께 분포로서 구할 수 있다. 또한, 어느 시점에서의 막 두께의 절대값(절대 막 두께)을 알고 있는 경우, 그 시점으로부터의 상대 막 두께를 화소마다 구함으로써, 샘플(100)의 일면의 전면 또는 일부의 절대 막 두께의 분포를 막 두께 분포로서 구할 수 있다. 이와 같이 하여 도출되는 상대 막 두께, 에칭 레이트, 혹은 상대 막 두께의 분포인 막 두께 분포가 막 형성 장치(2)에 의한 에칭 처리에 반영됨으로써, 에칭의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로는, 제어 장치(30)는 이하의 (1)식에 기초하여 각 화소의 파장 중심을 도출한다. 이하의 (1)식에 있어서, λ는 파장 중심, λ0은 경사 다이크로익 미러(22)의 중심 파장, A는 경사 다이크로익 미러(22)의 폭, R은 반사 광량, T는 투과 광량을 나타내고 있다.
λ = λ0+A(T-R)/2(T+R)
(1)
도 3은 투과 광량 및 반사 광량에 따른 파장 시프트를 설명하는 도면이다. 상술한 (1)식에 의해서 λ(파장 중심)를 도출하는 경우, 도 3에 나타내지는 바와 같이, T(투과 광량)=R(반사 광량)인 화소에 대해서는, λ=λ0(경사 다이크로익 미러(22)의 중심 파장)가 된다. 또한, T＜R인 화소, 즉 투과 광량보다도 반사 광량이 많은 화소에 대해서는, λ=λ1(λ0보다도 단파장측의 파장)이 된다. 또한, T＞R인 화소, 즉 투과 광량이 반사 광량보다도 많은 화소에 대해서는, λ=λ2(λ0보다도 장파장측의 파장)가 된다. 이와 같이, λ(파장 중심)는, 투과 광량 및 반사 광량에 기초하여 값이 시프트(파장 시프트)한다.
또한, 파장 중심의 도출 방법은, 상기로 한정되지 않는다. 예를 들면, λ(파장 중심)는 이하의 x와 비례 관계에 있기 때문에, 이하의 (2)식 및 (3)식으로부터 파장 중심을 도출해도 된다. 이하의 (3)식에 있어서, IT는 투과 광량, IR은 반사 광량을 나타내고 있다. 또한, 측정 대상의 스펙트럼 형상이나 경사 다이크로익 미러(22)의 선형성이 이상적인 형상인 경우에는, (2)식에 있어서의 파라미터인 a, b는 경사 다이크로익 미러(22)의 광학 특성에 의해서 결정할 수 있다.
λ = ax+b
(2)
x = IT-IR/2(IT+IR)
(3)
또한, 실제로는 광학계나 카메라 사이의 스펙트럼 특성에 차이(개체차)가 있기 때문에, 그것들을 보정할 목적으로, 예를 들면, 반사 특성이 기지(旣知)인 기판의 신호 강도(예를 들면 초기(Time=0)의 강도 정보)를 레퍼런스로 하여, x를 이하의 (4)식에 의해 도출해도 된다. 이하의 (4)식에 있어서, ITr은 레퍼런스에 있어서의 투과 광량, IRr은 레퍼런스에 있어서의 반사 광량을 나타내고 있다.
x = (IT/ITr-IR/IRr)/2(IT/ITr+IR/IRr)
(4)
또한, 플라즈마로부터의 직접 광의 영향을 제거할 목적으로 무반사 상태의 신호량을 이용하여 x를 이하의 (5)식에 의해 도출해도 된다. 이하의 (5)식에 있어서, ITb는 무반사 상태의 투과 광량, IRb는 무반사 상태의 반사 광량을 나타내고 있다.
x = {(IT-ITb)/(ITr-ITb)-(IR-IRb)/(IRr-IRb)} / 2{(IT-ITb)/(ITr-ITb)+(IR-IRb)/(IRr-IRb)}
(5)
또한, 막 특성, 플라즈마 스펙트럼, 경사 다이크로익 미러(22)의 비선형성 등의, 다양한 보정을 포괄적으로 실시하기 위해서, 파장 중심(λ)은 이하의 (6)식과 같은 다항식으로 근사시켜도 된다. 또한, 이하의 (6)식에 있어서의 각 파라미터(a, b, c, d, e)는, 예를 들면, 파장 중심(막 두께)이 다른 샘플을 복수 측정함으로써 결정된다.
λ = ax4+bx3+cx2+dx+e
(6)
도 4는 막 두께 측정의 원리를 설명하는 도면이다. 도 4에서는, 가로축이 파장, 세로축이 반사율로 되어 있다. 도 4에 나타내지는 예에서는, 막 두께가 αnm인 예, α+10nm인 예, α+20nm인 예의 각각에 대해서 파장과 반사율의 관계가 나타내져 있다. 도 4에 나타내지는 바와 같이, 막 두께의 차이에 따라서, 파장 중심이 달라지게 된다. 이 때문에, 파장 중심이 특정됨으로써, 막 두께를 추정하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 소정 시간에 있어서의 막 두께의 변화량이 도출됨으로써, 예를 들면 에칭 처리에 있어서의 에칭 레이트를 도출할 수 있다. 또한, 도 4에 나타내지는 바와 같이, 에칭이 진행될수록 막 두께가 얇아지기 때문에, 에칭이 진행됨에 따라 도면 중의 우측의 그래프로부터 도면 중의 좌측의 그래프로 변화하게 된다.
파장과 막 두께의 관계는, 도 5에 나타내지는 바와 같이, 이하의 (7)식에 의해 설명할 수 있다. 이하의 (7)식에 있어서, n은 막의 굴절률, d는 막 두께, m은 양의 정수(1, 2, 3, …), λ는 파장 중심을 나타내고 있다. 2nd는, 광로차(막이 배치되어 있음으로써 발생하는 광로차)를 나타내고 있다. 제어 장치(30)는, 이하의 (7)식에 기초하여, 각 화소의 파장 중심으로부터 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정한다.
2nd = mλ (m = 1, 2, 3, …)
(보강 조건)
2nd = (m-1/2)λ (m = 1, 2, 3, …)
(상쇄 조건)
…(7)
여기서, 상술한 파장과 막 두께의 관계를 나타내는 (7)식은, 샘플(100)에 대해서 광이 수직으로 입사하는 경우에 성립한다. 한편으로, 샘플(100)에 대해서, 광이 수직으로 입사하지 않는 경우에는, 상기 (7)식은 성립하지 않는다. 즉, 도 6에 나타내지는 바와 같이, 기재(基材)(102)의 표면에 막(101)이 배치된 샘플(100)에 대해서 광이 입사하는 경우, 측정점에 따라서 광의 입사각이 달라서 광로차가 다르기 때문에, 일률적으로 상기 (7)식에 의해서 막 두께를 고정밀도로 추정할 수 없다. 이 때문에, 어느 측정점(입사각)에서도 고정밀도로 막 두께를 추정하기 위해서는, 측정점(입사각)에 따른 계산(보정 처리)이 필요하게 된다.
도 7은 막 두께 측정값의 보정을 설명하는 도면이다. 도 7의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 광의 입사각이 θ인 경우, 광로차는, 2ndcosθ로 나타내진다. 이것에 의해, 입사각 θ를 고려한 파장과 막 두께의 관계는, 도 7의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 이하의 (8)식에 의해 설명할 수 있다. 제어 장치(30)는, 이하의 (8)식에 기초하여, 측정점(입사각)에 따른 막 두께 추정을 행한다. 즉, 제어 장치(30)는, 샘플(100)을 반사한 광의 렌즈(21)에 있어서의 집광각을 더 고려하여, 막 두께를 추정한다.
2ndcosθ = mλ
(보강 조건)
2ndcosθ = (m-1/2)λ
(상쇄 조건)
…(8)
상술한 바와 같이, 막 두께 측정 장치(10)는 제조 공정 중(여기에서는 드라이 에칭 중)의 샘플(100)의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 방법을 실시한다. 막 두께 측정 방법은, 예를 들면, 에칭 처리 중에 있어서 발생하여, 샘플(100)의 일면을 반사한 광(플라즈마광(PL))을 집광하는 제1 공정과, 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과, 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 해당 파장에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정하여, 샘플(100)의 일면의 막 두께 분포를 구하는 제3 공정을 포함하고 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 작용 효과에 대해 설명한다.
본 실시 형태에 따른 막 두께 측정 장치(10)는, 제조 공정 중(여기에서는 드라이 에칭 중)의 샘플(100)의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 장치로서, 제조 공정에 있어서 발생하여, 샘플(100)의 일면을 반사한 광(플라즈마광(PL))을 집광하는 렌즈(21)와, 소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 렌즈(21)에 의해서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 경사 다이크로익 미러(22)와, 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 에어리어 센서(23, 24)와, 광을 촬상한 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정하여, 샘플(100)의 일면의 막 두께 분포를 구하는 제어 장치(30)를 구비하고, 샘플(100)을 반사한 광은, 경사 다이크로익 미러(22)의 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 포함한다.
본 실시 형태에 따른 막 두께 측정 장치(10)에서는, 제조 공정에 있어서 발생하여 샘플(100)의 일면의 전면 혹은 일부를 반사한 광이, 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하는 경사 다이크로익 미러(22)에 의해서 분리되고, 분리된 광이 에어리어 센서(23, 24)에 의해서 촬상되고, 해당 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께가 추정되어, 샘플(100)의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포가 구해진다. 이와 같은 막 두께 측정 장치(10)에서는, 먼저, 제조 공정에 있어서 발생한 광이 이용되어 막 두께가 추정되므로, 막 두께 측정을 위한 광원을 마련할 필요가 없어, 구성을 간이화할 수 있다. 또한, 본 막 두께 측정 장치(10)에서는, 경사 다이크로익 미러(22)에 있어서 분리되는 광에 있어서의 투과광의 비율과 반사광의 비율이 파장에 따라 변화하기 때문에, 에어리어 센서(23, 24)에 있어서의 촬상 결과에 기초하여, 투과광의 비율과 반사광의 비율을 특정할 수 있고, 그 결과, 파장이 특정 가능하게 된다. 또한, 제어 장치(30)에 있어서, 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호에 기초하여 샘플(100)의 막 두께가 추정된다. 파장을 나타내는 정보에 기초하여 막 두께가 추정 가능한 바, 상술한 바와 같이, 에어리어 센서(23, 24)에 있어서의 촬상 결과로부터 파장이 특정되기 때문에, 해당 파장의 정보를 포함하는 신호(에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호)가 고려됨으로써, 샘플(100)의 막 두께를 고정밀도로 추정할 수 있다. 샘플(100)의 막 두께는 에어리어 센서(23, 24)의 복수의 화소 각각에 대해 추정되므로, 샘플(100)의 일면에 대해서, 상대 막 두께, 시간적인 막 두께의 변화율(예를 들면, 에칭 레이트), 혹은 절대 막 두께의 분포를 막 두께 분포로서 구할 수 있다. 이와 같은 막 두께 측정 수법은, 예를 들면 필터 워크 등에 의해 단일 또는 복수의 파장을 선택하여 광의 강도 정보를 취득하는 방법과는 달리, 막 두께의 측정 정밀도가 광의 강도의 변동의 영향을 잘 받지 않기 때문에, 제조 공정에 있어서 발생하는 광의 강도의 변동에 관계없이, 막 두께의 측정 정밀도를 항상 일정 이상으로 유지할 수 있다. 이상과 같이, 본 실시 형태에 따른 막 두께 측정 장치(10)에 의하면, 제조 공정 중의 샘플(100)의 막 두께를 고정밀도로 측정할 수 있다.
제어 장치(30)는 에어리어 센서(23, 24)에 있어서의 화소마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 샘플(100)의 조사면에 있어서의 막 두께 분포를 보다 상세하게(화소마다) 추정할 수 있다.
제어 장치(30)는, 샘플(100)을 반사한 광의 렌즈(21)에 있어서의 집광각을 더 고려하여, 막 두께를 추정해도 된다. 렌즈(21)에 있어서의 집광각이 바뀌면 광로가 바뀌기 때문에, 파장의 정보만으로부터는 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 없는 경우가 있다. 이 점, 렌즈(21)에 있어서의 집광각이 추가로 고려됨으로써, 실제 광로에 따라서, 보다 고정밀도로 막 두께를 추정할 수 있다.
상기 막 두께 측정 장치(10)는 렌즈(21) 및 에어리어 센서(23, 24)의 사이에 배치된 밴드 패스 필터(25, 26)를 더 구비하고 있어도 된다. 이것에 의해, 원하는 파장 범위 외의 광을 제거할 수 있어, 막 두께 추정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에 따른 반도체 디바이스 제조 장치(1)는, 샘플(100)의 일면에 막을 형성하기 위한 막 형성 장치(2)와, 상술한 막 두께 측정 장치(10)를 구비하고 있다. 이와 같은 반도체 디바이스 제조 장치(1)에 의하면, 샘플(100)에 막을 형성하면서 막 두께를 측정하는 것이 가능하게 되고, 막 두께 측정 결과를 막 두께 형성에 반영시켜, 막 두께 형성의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
막 두께 측정 장치(10)의 렌즈(21)는, 막 형성 장치(2) 내의 샘플(100)의 일면에 대향하도록 배치되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 샘플(100)에 막을 형성하면서 막 두께를 측정하는 처리를 적합하게 실시할 수 있다.
막 형성 장치(2)는 샘플(100)의 일면의 막을 에칭한다. 이와 같은 구성에 의하면, 샘플(100)의 일면의 막을 에칭하면서 막 두께를 측정하는 것이 가능하게 되고, 막 두께 측정 결과를 에칭 처리에 반영시켜 에칭의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태에 따른 막 두께 측정 방법은, 제조 공정 중(여기에서는 드라이 에칭 중)의 샘플(100)의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 방법으로서, 제조 공정에 있어서 발생하여, 샘플(100)의 일면 중 적어도 일부를 반사한 광을 집광하는 제1 공정과, 소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 제1 공정에서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 렌즈(21)에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과, 제2 공정에 있어서의 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 해당 파장에 기초하여 샘플(100)의 막 두께를 추정하여, 샘플(100)의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포를 구하는 제3 공정을 포함한다. 본 실시 형태에 따른 막 두께 측정 방법에 의하면, 제조 공정에 있어서 발생하는 광의 강도의 변동에 관계없이, 막 두께의 측정 정밀도를 항상 일정 이상으로 유지할 수 있어, 제조 공정 중의 샘플(100)의 막 두께를 고정밀도로 측정할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 상술한 막 두께 측정 장치(10)에서는, 각 화소에 대응하는 지점의 상대 막 두께의 분포 및 에칭 레이트가 도출되지만, 절대적인 막 두께의 분포를 구하기 위해서는, 에칭이나 성막 개시시의 샘플(100)의 일면에 있어서의 막 두께를 파악해 둘 필요가 있다. 한편으로, 상술한 막 두께 측정 장치(10)에서는, 어느 시점에서의 공간적인 상대 막 두께 분포를 구할 수 있다. 그래서, 샘플(100)의 일면의 어느 일점(1지점)의 스펙트럼 정보(기준 스펙트럼 정보)를 검출함으로써, 상대적인 막 두께 분포 및 기준 스펙트럼 정보에 기초하여, 해당 일점의 절대 막 두께에 대한 다른 부분의 상대 막 두께로부터 샘플(100)의 일면의 절대 막 두께의 분포를 막 두께 분포로서 구할 수 있다.
도 8은 변형예에 따른 반도체 디바이스 제조 장치(1A)를 모식적으로 나타낸 도면이다. 또한, 도 8에 있어서는, 반도체 디바이스 제조 장치(1A)에 있어서의 제어 장치의 도시를 생략하고 있다. 도 8에 나타내지는 바와 같이, 반도체 디바이스 제조 장치(1A)의 막 두께 측정 장치는, 하프 미러(29)와, 분광기(50)를 더 구비하고 있다. 이러한 구성은, 기준 스펙트럼 검출용의 계측 패스(path)이다. 하프 미러(29)는 예를 들면 샘플(100)의 일면의 임의의 일점(예를 들면 샘플(100)의 일면의 중앙 부근의 일점)을 반사한 광(플라즈마광(PL))으로서 렌즈(21)에 의해서 집광된 광을, 분광기(50) 방향으로 반사한다. 분광기(50)는, 렌즈(21)에 의해서 집광된 광 중, 샘플(100)의 임의의 일점(예를 들면 샘플(100)의 일면의 중앙 부근의 일점)을 반사한 광(플라즈마광(PL)), 즉 하프 미러(29)를 반사한 광의 분광 스펙트럼을 측정한다. 분광기(50)는 해당 일점의 광의 분광 스펙트럼 데이터인 기준 스펙트럼 정보를 취득한다. 그리고, 제어 장치(30)는, 기준 스펙트럼 정보(분광 스펙트럼)에 기초하여, 해당 일점의 막 두께의 절대값을 특정하고, 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호(즉, 상대적인 막 두께 분포의 도출에 관한 정보)와 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 샘플(100)의 각 영역의 막 두께의 절대값을 추정한다. 이와 같은 추정은, (7)식 및 (8)식에 있어서의 m의 값을 결정하고, 촬상 에어리어 전체의 정확한 간섭을 추측함으로써, 상대적인 막 두께의 변화량뿐만 아니라, 각 에어리어의 막 두께의 절대값을 도출하는 것이다.
이와 같이, 일점의 광의 분광 스펙트럼이 측정되어 해당 일점의 막 두께의 절대값이 특정됨으로써, 에어리어 센서(23, 24)로부터의 신호로부터 해당 일점을 포함하는 샘플(100)의 일면의 막 두께의 상대값의 분포와 해당 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 샘플(100)에 있어서의 해당 일점 이외의 각 영역의 막 두께에 대해서도 고정밀도로 절대값을 추정하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 상대적인 막 두께의 변화량뿐만 아니라 샘플(100)의 각 영역의 막 두께의 절대값을 고정밀도로 추정할 수 있다. 또한, 막 두께의 절대값 계측의 수법은 상기로 한정되지 않으며, 종래부터 주지인 각 수법에 따라 막 두께의 일점의 절대값이 특정되어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 막 두께 측정 장치(10)가 에칭 중의 샘플(100)의 막 두께를 측정하는 장치인 것으로 하여 설명했지만 이것으로 한정되지 않으며, 막 두께 측정 장치는 성막 중의 샘플(100)의 막 두께를 측정하는 장치여도 된다. 이 경우, 막 형성 장치는 샘플(100)인 반도체 웨이퍼의 일면에 막을 성막하는 성막 장치이다. 이와 같은 구성에 의하면, 샘플(100)의 일면의 막을 성막하면서 막 두께를 측정하는 것이 가능하게 되고, 막 두께 측정 결과를 성막 처리에 반영시켜 성막의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제어 장치(30)는 에어리어 센서(23, 24)에 있어서의 화소마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정해도 된다고 하고 있었지만, 에어리어 센서(23, 24)에 있어서의 복수의 화소를 산출 단위로 하여, 샘플(100)의 일면에 대해서 산출 단위마다 막 두께를 추정하여, 막 두께 분포를 구해도 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 공간적인 분해능은 떨어지지만, 샘플(100)의 조사면에 있어서의 막 두께 분포를 보다 상세하고 정확하게 구할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 촬상부로서 복수의 에어리어 센서(23, 24)를 이용했지만, 단일의 에어리어 센서의 수광면 상에 제1 에어리어와 제2 에어리어를 마련하고, 제1 에어리어에서 경사 다이크로익 미러(22)를 투과한 광을 촬상하고, 제2 에어리어에서 경사 다이크로익 미러(22)를 반사한 광을 촬상해도 된다. 또한, 촬상부로서는, 2차원 촬상 소자로 한정되지 않고, 리니어 센서 등의 일차원 촬상 소자나 포토다이오드 등의 포인트 촬상 소자여도 된다.
1, 1A…반도체 디바이스 제조 장치
2…막 형성 장치
10…막 두께 측정 장치 21…렌즈(집광 소자)
22…경사 다이크로익 미러(광학 소자)
23, 24…에어리어 센서(촬상부) 25, 26…밴드 패스 필터
30…제어 장치 50…분광기
100…샘플(대상물)
10…막 두께 측정 장치 21…렌즈(집광 소자)
22…경사 다이크로익 미러(광학 소자)
23, 24…에어리어 센서(촬상부) 25, 26…밴드 패스 필터
30…제어 장치 50…분광기
100…샘플(대상물)
Claims (14)
- 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 장치로서,
제조 공정에 있어서 발생하여, 대상물의 일면 중 적어도 일부를 반사한 광을 집광하는 집광 소자와,
소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 상기 집광 소자에 의해서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 광학 소자와,
상기 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 촬상부와,
광을 촬상한 상기 촬상부로부터의 신호에 기초하여 상기 대상물의 막 두께를 추정하여, 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포를 구하는 해석부를 구비하고,
상기 대상물을 반사한 광은, 상기 광학 소자의 상기 소정의 파장역에 포함되는 파장의 광을 포함하는 막 두께 측정 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 촬상부는 복수의 화소를 가지는 2차원 촬상 소자이며,
상기 해석부는 상기 2차원 촬상 소자에 있어서의 상기 복수의 화소마다의 파장 정보에 기초하여 각 화소에 대응하는 막 두께를 추정하는 막 두께 측정 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 해석부는, 상기 대상물을 반사한 광의 상기 집광 소자에 있어서의 집광각을 더 고려하여, 막 두께를 추정하는 막 두께 측정 장치. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 소자 및 상기 촬상부의 사이에 배치된 밴드 패스 필터를 더 구비하는 막 두께 측정 장치. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막 두께 분포는 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 상대적인 막 두께의 분포인 막 두께 측정 장치. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막 두께 분포는 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 시간적인 막 두께의 변화율의 분포인 막 두께 측정 장치. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막 두께 분포는 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 절대적인 막 두께의 분포인 막 두께 측정 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 집광 소자에 의해서 집광된 광 중, 상기 대상물의 일면의 임의의 일점을 반사한 광의 분광 스펙트럼을 측정하는 분광기를 더 구비하고,
상기 해석부는 상기 분광 스펙트럼에 기초하여 상기 일점의 막 두께의 절대값을 특정하고, 상기 촬상부로부터의 신호와 상기 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 상기 막 두께 분포로서, 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 절대적인 막 두께의 분포를 구하는 막 두께 측정 장치. - 대상물의 일면에 막을 형성하기 위한 막 형성 장치와,
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 막 두께 측정 장치를 구비하는 반도체 디바이스 제조 장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 막 두께 측정 장치의 상기 집광 소자는, 상기 막 형성 장치 내의 상기 대상물의 일면에 대향하도록 배치되어 있는 반도체 디바이스 제조 장치. - 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 막 형성 장치는 상기 대상물의 일면의 막을 에칭하는 반도체 디바이스 제조 장치. - 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 막 형성 장치는 상기 대상물의 일면에 막을 성막하는 반도체 디바이스 제조 장치. - 제조 공정 중의 대상물의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 방법으로서,
제조 공정에 있어서 발생하여, 대상물의 일면 중 적어도 일부를 반사한 광을 집광하는 제1 공정과,
소정의 파장역에 있어서 파장에 따라 투과율 및 반사율이 변화하고, 상기 제1 공정에서 집광된 광을 투과 및 반사시킴으로써 분리하는 광학 소자에 의해서 분리된 광을 촬상하는 제2 공정과,
상기 제2 공정에 있어서의 촬상 결과에 기초하여 파장을 도출하고, 상기 파장에 기초하여 상기 대상물의 막 두께를 추정하여, 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부의 막 두께 분포를 구하는 제3 공정을 포함하는 막 두께 측정 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 제1 공정에서 집광된 광 중, 상기 대상물의 일면의 임의의 일점을 반사한 광의 분광 스펙트럼을 측정하는 제4 공정을 더 포함하고,
상기 제3 공정에서는, 상기 분광 스펙트럼에 기초하여 상기 일점의 막 두께의 절대값을 특정하고, 상기 촬상 결과와 상기 일점의 막 두께의 절대값에 기초하여, 상기 막 두께 분포로서, 상기 대상물의 일면 중 적어도 일부에 있어서의 절대적인 막 두께의 분포를 구하는 막 두께 측정 방법.
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5450205A (en) | 1993-05-28 | 1995-09-12 | Massachusetts Institute Of Technology | Apparatus and method for real-time measurement of thin film layer thickness and changes thereof |
| WO2011045967A1 (ja) | 2009-10-13 | 2011-04-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | 膜厚測定装置および膜厚測定方法 |
| US8872059B2 (en) | 2010-09-06 | 2014-10-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Etching system and method of controlling etching process condition |
| US9847262B2 (en) | 2014-12-22 | 2017-12-19 | Imec Vzw | Method and apparatus for real-time monitoring of plasma etch uniformity |
| JP2019120607A (ja) | 2018-01-09 | 2019-07-22 | 浜松ホトニクス株式会社 | 膜厚計測装置、膜厚計測方法、膜厚計測プログラム、及び膜厚計測プログラムを記録する記録媒体 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3327175B2 (ja) * | 1997-07-18 | 2002-09-24 | 株式会社ニコン | 検知部及びこの検知部を具えたウェハ研磨装置 |
| JP3694662B2 (ja) * | 2001-09-17 | 2005-09-14 | 株式会社日立製作所 | 半導体素子製造プロセスにおける膜の処理量測定方法と装置、及びそれを用いた被処理材の処理方法と装置、及びそれを用いたプロセスの終点判定方法と装置 |
| JP3907518B2 (ja) * | 2002-05-13 | 2007-04-18 | 株式会社神戸製鋼所 | 形状測定装置 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5450205A (en) | 1993-05-28 | 1995-09-12 | Massachusetts Institute Of Technology | Apparatus and method for real-time measurement of thin film layer thickness and changes thereof |
| WO2011045967A1 (ja) | 2009-10-13 | 2011-04-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | 膜厚測定装置および膜厚測定方法 |
| US8872059B2 (en) | 2010-09-06 | 2014-10-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Etching system and method of controlling etching process condition |
| US9847262B2 (en) | 2014-12-22 | 2017-12-19 | Imec Vzw | Method and apparatus for real-time monitoring of plasma etch uniformity |
| JP2019120607A (ja) | 2018-01-09 | 2019-07-22 | 浜松ホトニクス株式会社 | 膜厚計測装置、膜厚計測方法、膜厚計測プログラム、及び膜厚計測プログラムを記録する記録媒体 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| Vladimir Samara, Jean-Francois de Marneffe, Ziad el Otell, Demetre J. Economou. In-situ monitoring of etch uniformity using plasma emission interferometry. Article in Jounal of Vacuum Science & Technology B Microelectronics and Nanometer Structures April 2015. |
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