TW201118334A - Film thickness measurement device and film thickness measurement method - Google Patents

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201118334 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種測定形成於基板上之半導體膜等膜狀 之測定對象物的膜厚之時間變化 ' 厚測定方法。 膜“疋裝置、以及臈 【先前技術】 於牛導體製造製程中，例如於钱刻處理之執行過程令， 基板上之半導體膜之膜厚以減少之方式進行時間變化。 又’於薄膜形成處理之執行過程中，半導體膜之膜厚以增 加之方式進行時間變化。於此種半導體製財，為進行處 u終點檢測等之製程控制’必需進行半導體膜之膜厚之 k間變化的現場（In_Situ)測定。 作為此種半導體膜之膜厚之測定方法，係利用如下方 法，即對半導體膜照射特定波長之測定光，檢測來自半導 體膜之上表面之反射光與來自下表面之反射光相互干涉而 生成之干涉光。於該方法中’若半導體膜之膜厚發生變 化，則來自上表面之反射光與來自下表面之反射光之間的 先程長度差會發生變化。因& ’可利用伴隨該光程長度差 之變化之干涉光之檢測強度（干涉光強度）的時間變化，測 定於各時間點之半導體膜之膜厚。 例如，專利文獻1中所記載之膜厚測定裝置係利用分光 機構對來自被測定對象之透射光或反射光進行分解並檢測 干涉條紋，根據針對各波長之檢測輸出中關於最大值與最 小值之差為特定值時之極值的輸出，運算被測定對象之膜 149981.doc 201118334 厚。又，於專利文獻2中記載有如下技術：於對測定部分 照射來自波長可變雷射之光束，檢測由自該測定部分所獲 得之反射光或透射光所產生之信號光的半導體厚度非接觸 測定裝置中，一面檢測信號光之強度，一面使波長可變雷 射之波長發生變化，根據所獲得之光強度變化之波形求出 相位變化量’並以該相位變化量為基礎，根據半導體厚度 之絕對值與信號光強度之相位變化量之關係式求出半導體 厚度。 先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1:曰本專利特開昭63_50703號公報 專利文獻2:日本專利第3491337號公報 【發明内容】 發明所欲解決之問題 於對膜厚d、折射率η之薄膜照射波長為χ之光之情形 時’干涉光強度I係由以下之式（丨）表示。再者，式中之 A B係根據於薄膜之上下界面之反射率而確定之常數。 [數1] I«Acosi2K—1 + Β (Λ Κ λ ) …U) 如由式（1)所表明’若膜厚d發生變化，則干涉光強度1呈餘 弦波狀地重複強弱。於半導體製程中之膜厚測定中，隨著 時間之經過’膜厚d單調地遞增（或遞減），因此干涉光強度 I成為將時間作為變數之餘弦波函數。因此，於先前之膜 14998l.doc 201118334 厚測定中，反覆檢測隨著時間之經過而變化之干涉光強度 I的峰值，藉此求出膜厚d之相對變化量。 然而，此種方式於求出足夠大至干涉光強度I之峰值多 次產生之程度的膜厚d之相對變化量時有效，但於測定如 不滿干涉光強度I之峰值之1個週期般的微小之膜厚d之相 對變化量時，則難以確保足夠之測定精度。 此-處-1—作-為-測足膜一厚-d-之一其— 他—方—式—匕义考一慮—如_^方一式—二 對薄膜照射例如白色光之類的寬頻光，觀察於所獲得之干 涉光之光譜中成為極大或極小之波長（峰值波長），並根據 該峰值波長之變化求出膜厚d。但是，該方式存在以下問 題：於對薄膜照射寬頻光所獲得之反射光中，一併包含有 寬頻光中所含之明線光譜等以及干涉光’ &而難以自該反 射光準確地僅求出干涉光之峰值波長。 作為用以解決此種問題之方式，可考慮如下方式：與薄 膜並列地設置參照樣品，自來自薄膜之反射光之光譜中去 除來自該參照樣品之反射光之光譜。但是，於半導體製程 中之薄膜&需於溫度或壓力大幅變動之成膜腔室 内6又置參照樣品，從而其操作變得困難。 者，於專利文獻i中所記載之裝置中，未考慮明線光 …光源之光譜特性’從而有可能無法準確地求出膜 厚。又，於專利文獻2中所記載之裝置中存在如下問題，、 即由於㈣參照光學“（參照用樣品）進行敎，因此如 上所述般於半導體製程中其操作變得困難。 本發明係馨於上述問題開發而成者，其目的在於提供一 149981.doc 201118334 種膜厚測定裝置及膜厚測定方法，其即便為如不滿干涉光 強度之峰值之1個週期般的微小之膜厚的相對變化量，亦 可高精度地測定該膜厚之變化量。 解決問題之技術手段 為解決上述課題，本發明之膜厚測定裝置之特徵在於： 其係測定含有第1面及第2面之膜狀測定對象物的膜厚之時 間變化者，其包括：測定光源，其將包含遍及特定頻帶之 波長成分之測定光供給至測定對象物；檢測機構，其針對 每個波長檢測來自測定對象物之第丨面之測定光之反射 光、及來自第2面之測定光之反射光所重疊而成的輸出光 於各時間點之強度；以及膜厚分析機構，其求出測定對象 物之膜厚之時間變化；且膜厚分析機構係根據於檢測機構 中在彼此不同之兩個以上之時刻所檢測出之輸出光的各光 譜波形，求出來自第1面之反射光與來自第2面之反射光相 互干涉而生成之干涉光的強度成為極大或極小之峰值波 長、或相當於相鄰之峰值波長之間隔的數值，並根據峰值 波長或相當於相鄰之峰值波長之間隔之數值的時間變化求 出測定對象物之膜厚之時間變化。 同樣地，本發明之膜厚測定方法之特徵在於：其係測定 含有第1面及第2面之膜狀測定對象物的膜厚之時間變化 者’其包括：測定光供給步驟’將包含遍及特定頻帶之波 長成分之測定光自測定光源供給至測定對象物；檢測步 驟’針對每個波長檢測來自測定對象物之第1面之測定光 之反射光、及來自第2面之測定光之反射光所重疊而成的 149981.doc 201118334 輸出光於各時間點之強度；以及膜厚分析步驟，求出測定 對象物之膜厚之時間變化；且於膜厚分析步驟時，根據= 檢測步驟中在彼此不同之兩個以上之時刻所檢測出之輸出 光的各光譜波形，求出來自第1面之反射光與來自第2面之 反射光相互干涉而生成之干涉光的強度成為極大或極小之 峰值波長、或相當於相鄰之峰值波長之間隔的數值，並根 據峰值波長或相當於相鄰之峰值波長之間隔之數值的時間 變化求出測定對象物之膜厚之時間變化。 於對膜狀之測定對象物照射包含遍及特定頻帶之波長成 分的測定光之情形時，於其反射光（輸出光）之光譜中，如 上所述包含明線光譜等的不需要之峰值。但是，不論半導 體膜之膜厚之變化如何，由光源所產生之此種不需要的峰 值之中心波長均不變。因此，本發明者發現，藉由利用於 彼此不同之兩個以上之時刻所檢測出的輸出光之各光譜波 形’可排除明線光譜等之影響而準確地求出干涉光之峰值 波長或相當於該波長間隔之數值。 即，於上述膜厚測定裝置及膜厚測定方法中，膜厚分析 機構（膜厚分析步驟）根據於彼此不同之兩個以上之時刻所 檢測出之輸出光的各光譜波形，求出來自第丨面及來自第2 面之干涉光之強度成為極大或極小的峰值波長、或相當於 該波長間隔之數值，並根據峰值波長或相當於該波長間隔 之數值之時間變化求出測定對象物之膜厚的時間變化。因 此’根據上述膜厚測定裝置及膜厚測定方法，可準確地自 包含明線光譜等之反射光（輸出光）僅求出干涉光之峰值波 149981.doc 201118334 長（或者相當於該波長間隔之數值），即便為如π ν τ · a + ί兩干涉光 強度之峰值之1個週期般的微小之膜厚之相對變化量， 可高精度地測定該膜厚之變化量。 發明之效果 根據本發明之膜厚測定裝置及膜厚測定方法，即便為如 不滿干涉光強度之峰值之1個週期般的微小之膜厚之 * ^對 變化量，亦可高精度地測定該膜厚之變化量。 【實施方式】 以下，一面參照隨附圖式，一面詳細地說明本發明之膜 厚測定裝置及膜厚測定方法之實施形態。再者，於圖式之 δ兒明中對相同要素標註相同符號，並省略重複之說明。 (第1實施形態） 首先，對本發明之膜厚测定方法及其測定原理進行說 明。圖1係模式性地表示測定對象物之膜厚之測定方法的 圖。本膜厚測定方法係針對含有第丨面及第2面之膜狀測定 對象物測定其膜厚之時間變化量者。以下，將測定對象物 之第1面作為測定光所入射之上表面，將第2面作為其相反 側之下表面進行說明。 於圖1所示之例中，作為膜狀之測定對象物之一例，揭 不有形成於基板12上之半導體膜15。對於此種半導體膜 15，作為膜厚隨著時間經過而變化之半導體製造製程之一 例，係考慮執行成膜處理或姓刻處理。於成膜處理中，伴 隨著處理之行進，半導體膜丨5之膜厚d係隨著時間經過而 增加。又，於蝕刻處理中，伴隨著處理之行進，半導體膜 149981.doc 201118334 15之膜厚d隨著時間經過而減少。 關於此種膜厚d之時間變化，自成為與基板12相反之側 的半導體膜15之上表面（第ls)_ ’對包含基板12及半導 體膜15之試樣10供給膜厚測定用之測定光L〇。繼而，檢測 • 來自該上表面16之反射光L1與來自下表面（第2面，基板12 .與半導體膜is之邊界面）丨7之反射光L2〜LM相互干涉而生 成之干涉光，藉此測定半導體膜丨5之膜厚d。 於本測定方法中，具體而言.，係對包含半導體膜15之試 樣10照射至少包含遍及特定頻帶之波長成分的測定光 L0(測定光供給步驟）。其次，形成為可針對每個波長檢測 出測定光L0之來自上表面16、下表面17之反射光 重疊而成之輸出光之強度的狀態，並檢測出輸出光中所含 之各波長成分於各時間點之強度，從而獲得輸出光之光譜 之隨時間而產生之變化（檢測步驟繼而，參照該輸出光 光譜之時間變化，求出半導體膜15之膜厚d之時間變化（膜 厚分析步驟）。 此處，若將測定對象之半導體膜15之折射率設為n，將 進行時間變化之膜厚設為d，將測定光L〇所包含之某波長 設為λ，則反射光1^1〜1^1相互干涉而生成之干涉光之強度工 可由下述之式（2)表示。但是，由於反射光L3〜LM會於測 定對象之半導體膜15中衰減’故會成為非常弱之強度。因 此，強度I亦可近似為反射光L1與反射光。相互干涉而生 成之光譜。 [數2] 149981.doc 201118334 . A (^ 2nd) / x · I « A cos 2π—— +B ---(2) V入/ 即，於使用波長為λ之測定光L0之情形時，所獲得之干涉 光之強度I伴隨著由蝕刻處理等所引起的膜厚d之時間變化 而呈餘弦波狀地變化。此處，A、B係根據於薄膜之上下 界面之反射率而確定之常數。 圖2係表示此種干涉光之強度！之時間變化之一例的圖 表。於圖2中’可藉由對干涉光強度〗之峰值（波峰或波谷） 進行计數’求出膜厚d之時間變化量。又，只要測定此時 之時間，便可求出膜厚d之變化率（例如蝕刻速率）。再者， 於圖2所示之干涉光強度I之變化中，其1個週期相當於 膜厚d變化僅Δ(^=λ/2η之時間。 但是’此種方法雖於半導體膜15之膜厚d之變化量足夠 大至可對干涉光強度I之峰值（波峰或波谷）進行複數次計數 的程度之情形時有效，但於半導體膜15之膜厚4之變化量 小至不滿干涉光強度I之峰值的重複週期（圖中之週期Δίι) 之程度之情形時，則難以根據干涉光強度I之時間變化求 出膜厚d之變化量’從而難以確保足夠之測定精度。 因此，於本測定方法之膜厚分析步驟中，首先，於彼此 不同之兩個以上之時刻檢測輸出光，根據該等輸出光之各 光谱波形’求出干涉光強度I成為極大或極小之峰值波 長。繼而，根據所求出之峰值波長之時間變化，求出半導 體膜15之膜厚d之時間變化。以下對此種測定方法進行 具體說明。 149981.doc 201118334 圖3係表示對半導體膜15照射至少包含遍及特定頻帶之 波長成分之測定光L0時之輸出光光譜之一例的圖表。通 常，於輸出光光譜中，不僅包含干涉光之光譜亦包含測 疋光L0 t所包含之明線光譜等^因此，即使僅運算輸出光 光譜之波長微分，光源之明線光譜等亦會產生影響而無法 準確地檢測出干涉光之峰值。 此處，若利用成膜速度（或者姓刻速度^與時間t，設在 半導體製程中經處理之臈厚d=rt，則干涉光強度〗可根據上 式（2)表示如下。 [數3] A cos 2π 2nrt ~λ~

+ B (3) 則成為以下之式。 繼而，若對式（3)進行時間微分 [數4] dl —=-A dt 2π 2nr Τ' sin 2π 2nrt ~ •⑷ 藉此成為（dI/dt)=〇之波長λ可表示如下 [數5] (5) 备m馬奇| 口主

Ll~L2)ii ^ ^ 數夺，反射光L1〜LM(特別是 L2)相互減弱，當〇為 —增強。即，當㈣奇f光Ll〜_特別是 度！之峰值（波谷）波長之停件;核時，成為表示干涉光強 八’备m為偶數時，成為表示 14998l.doc -II- 201118334 干涉先強度i之峰值（波峰）波 度1之時間微分（dl/dt)成為零 峰值波長。 長之條件式。亦即，干涉光強 之波長λ係表示干涉光光譜之 由此可5«忍為，猎由求•屮於_楚f。古*丨π 凡出於第1時刻τ丨=t所檢測出之輸出 光之第！光譜波形I(t，λ)與於不同於第】時刻Τι之第2時刻

Wt所檢測出之輸出光之第2光譜波形W的差分

Ut+M，λ)-1(ί，λ)成為零之波長λ(以下，稱為零交又波長）， 可獲得干涉光光譜之峰值波長。 圖4係表示設t=17l[秒]、一[秒]之情形時之差㈣地， Wl(t，λ)之一例的圖。如圖4所示，於第2時刻I之輸出光 光々中所存在之峰值係顯現為正的峰值於第1時刻τ】之 輸出光光譜中所存在之峰值係顯現為負的峰值。而且，測 光中所包3之明線光譜等的干涉光以外之光譜成分無 論膜厚d之時間變化如何均為固定，因此於差分料t，… 叩，λ)中被去除。於該圖4中，由於^小至5[秒]，因此可將 刀（t At, λ)-I(t, λ)成為零之波長（圖中之零交又波長入八） 視為干涉光光譜之峰值波長。再者，若仏為1〇[秒]以 則可如上所述將差分I(t+At，λ)_Ι(ί，λ)成為零之波長（圖中之 零交又波長λΑ)視為干涉光光譜之峰值波長。 又，於圖4所示之例中，由於光強度因波長而差異較 大因此差分Rt+M，λ)-Ι(ί，λ)之大小因波長而差異較大。 於此種情形時，可使用將第〗光譜波形I(t，λ)與第2光譜波 形I(t+At，λ)重疊而成之波形I(t，λ)+Ι(ί+Δί，λ)使差分正規化 後，求出峰值波長。亦即，將已藉由以下之式（6)而正規化 149981.doc 201118334 之差分成為零的波長作為干涉光強度峰值波長而求 出。 [數6] ΐ(ΐ + Δΐ,λ)-ΐ(ΐ,λ) (. ϊ(ΐ + Δί,λ)+ϊ(ΐΛ)…⑹ 再者，圖5係藉由上式（6)將圖4所示之差分I(t+/\t，λ)-Ι(ί，χ) 正規化之圖表^該圖5中，可將經正規化之差分成為零 之波長（圖中之零交又波長λΑ)視為干涉光光譜之峰值波 長。 此處，根據式（2) ’若半導體膜15之膜厚d發生變化，則 干/v光光^之犖值波長發生變化。例如，若膜厚d藉由蝕 刻處理而變薄’則干涉光光譜之峰值波長會朝短波長方向 移動。反之，若膜厚d藉由成膜處理而變厚，則干涉光光 譜之峰值波長會朝長波長方向移動。因此，藉由測定峰值 波長（零父叉波長）之移動量，可知膜厚d之變化量。 圖1所示之反射光Li〜LM(特別是L丨义”彼此增強之條件 可由以下之式（7)表示。 [數7] ιηλ = 2nd < d _ in = 1,2,3 · · · ·.. (7) 2n 於上式（7)中，若考慮峰值波長λ變化1[nm]之時，則成為如 下之式（8)。 [數8]

S 149981.doc 201118334 ιη(λ -1) = 2nd ^ d_ mX m m = 1,2,3......(8) 、 2n 2n 因此可知，當峰值波長λ變化1[ηη1]時，膜厚d變化僅 (m/2n) ° 再者’關於具體之m值，可用如下方式求出。於式（7) 中’若考慮相鄰之峰值波長λ!、λΑλρλ〗），則可表示為如 下之式。 [數9] ιηλ, = 2n,d ,. (πι + 1)λ2 = 2n2d 若考慮於峰值波長λ,、λ2下折射率之波長分散之影響較小 而視為ηι=η2,則可根據上式（9)，藉由以下之式（1〇)求出 m。 [數 10] λ, m -1__ 入1 - λ2 —λ» 父叉波長）之移動量設為 下之式（11)而求出。 若將干涉光強度I之峰值波長（零 χ ’則膜厚d之變化量Ad可藉由以 [數 11] △d XL· 2nh _λ2) (Π) 根據以上所述，藉 導^ ㈣^設^測定波長λ、於波長λ下之半 導體膜15之折射率η、作為製程結* 粟條件之膜厚變化量△ 149981.doc 201118334 並監視令父又波長之時間變化，可利用作為目標之膜厚變 化1 Adf使製程（成膜處理或姓刻處理）結束。再者，式（11) 中之峰值波長λ,、λ2係作為與所設定之測定波長人最接近之 零交叉波長而檢測。 此處，揭示根據經正規化之差分光譜求出膜厚d之方法 之一例。於圖6中，表示有於測定波長3〇〇〜9〇〇[nm]下之經 正規化之差分光譜波形81及82。差分光譜波形“係時刻 Τι 171 [#]時之差分光譜波形。差分光譜波形S2係時刻 T丨=20U秒]時之差分光譜波形。再者，求出差分光譜波形 S1及S2時之Δίρτντ!)均為5[秒]。 圖中之零父叉波長λΑη係差分光譜波形S丨中之複數個零 交叉波長中之1個。於本例中，零交又波長 Un = 525.02[nm]。又，圖中之零交叉波長“η係差分光譜 波形S1中之複數個零交叉波長中，與零交又波長人^相鄰 之零交又波長。於本例中，零交又波長、i2=452 96[nm]。 再者，所謂「相鄰之零交叉波長」，嚴格而言係指如該等 波長下之差分光譜波形S1之傾向成為彼此相同符號般之零 父又波長。其原因在於，以差分光譜波形s丨相同之傾向而 與零軸交又之波長均為干涉光相互増強（或相互減弱）之波 長。 若將於波長500[nm]附近之半導體膜15之折射率設為 n=2 ·5，則根據上式（1 〇)求出m。 [數 12] 149981.doc 15 201118334 m = λ2

452.96 ~ 525.02-452.96 =6.28 = 6 …(12) 又，於30秒後之差分光譜波形82中，與差分光譜波形81之 零交又波長λΑ11相對應之零交又波長朝短波長側變化 至475.52[11111]為止。藉此’可求出膜厚（1之變化量^(1。 [數 13] △d = χ χ 盖=(525.02 - 475·52)χ 6 2x2.5 59_4[nm] (13) 於製程（成膜處理或蝕刻處理）開始前之半導體膜15之初 始膜厚為事先明確之情形時，藉由即時測定以上述方式所 求出之膜厚d之變化量Δ(1，可於半導體膜15成為特定膜厚 之時間點it當地停止該製程。#|，圖7係表示成膜製程 中之半導體膜15之膜厚d與成膜時間之關係的圖。如該圖 所不，可於到達特定之膜厚d=1〇〇[nm]之時間點，使成膜 製程結束。 ' 、再者，於上述例中，已說明將測定波長設為5〇〇_]附 ，之情形時之測定方法，但可根據需要使用各種波長之測 定光。此處，圖8、圖9及圖10係表示將測定波長分別設為 4〇〇[nm]、600[nm]&8〇〇[nm]之情形時以固定速度增=的 膜厚之測定結果之圖表。若參照圖8 ,則於測定波長為 4〇〇[nm]之情形時，膜厚之變化率產生有偏差。盥此相 =，於刚之情形時，可知膜厚之變化率成為錢固 定’能夠高精度地測定膜厚。如此，於上述成膜方法中， 存在測定波長越長，膜厚測定精度越高之傾向。可認為其 14998 丨.doc • ] 6 · 201118334 原因在於，測定波長越長， (零交又波長）之變化量越大。 相對於膜厚變化之干涉峰值 =欠，說明可適當地實現上述測定方法之膜厚測定裝置 方=。圖11係表示膜厚測定裝置之-實施形態之構成的 &本實施形㊣中’表示有將設置於半導體處理裝 置（例如钱刻裝置）2〇之處理腔室内之試樣1〇的半導體膜 ⑽照圖υ作為敎對象物之例。膜厚敎裝置1A包括 敎光學“21、測定光源28、分光光學㈣3q、光檢測 器3 1、以及膜厚分析部4〇。 針對處理褒置20内之試樣10之半導體膜15，設置有經由 測疋光學系統21供給測$光1〇之測定光源28。該測定光源 28將至少包含遍及特定頻帶之波長成分之測定光l〇供給至 測定對象物之半導體膜！ 5 Η乍為此種測定光源28，例如可 適當地使用將上述特定頻帶之白色光作為測定光L〇而供給 之白色光源或者，亦可為能夠遍及上述特定頻帶使輸出 波長變化之波長可變雷射、或使上述特定頻帶中所包含之 複數個單色光源組合而成者。再者，於利用上述方法之膜 厚測定中’膜厚之變化量越大，干涉光強度之峰值波長 (零父又波長）越變化，因此上述特定頻帶之寬度宜根據欲 測定之膜厚變化量而設定’例如宜為2〇[nm]以上。 又’針對測定光L0經試樣1〇所反射之反射光L1〜LM重疊 而成之輸出光’經由測定光學系統2丨設置有分光光學系統 30及光檢測器31。此處，圖12及圖13係表示膜厚測定裝置 1A中之測定光學系統21之構成之一例的圖。於本構成例 149981.doc 17 201118334 中’對於包含與試樣10對向配置之物鏡2丨丨之測定光學系 統21 ’連接有對來自測定光源28之測定光進行引導之測定 光輸入光纖281、對獲得試樣1〇之圖像時等所使用之照明 光進行引導之照明光輸入光纖282、以及使來自試樣1〇之 反射光（輸出光）引導至分光光學系統3〇之反射光輸出光纖 308 ° 於此種構成中’如圖12所示’來自測定光源28之測定光 L0藉由輸入光纖281而輸入至測定光學系統21，並通過半 反射鏡212後，被反射鏡213反射，然後經由物鏡211被供 給至试樣10之半導體膜15。又’如圖13所示，來自半導體 膜15之上表面、下表面之反射光L1〜LM所重疊而成之輸出 光經反射鏡213、半反射鏡212以及反射鏡214反射，然後 經由輸出光纖308而輸出至分光光學系統30。 分光光學系統3 0係對自試樣1 〇經由測定光學系統21而輸 入之反射光進行分解之分光機構，其構成本實施形態中之 檢測機構之一部分。具體而言，分光光學系統3〇係將測定 光L0之自半導體膜15之輸出光分解成可於每個波長下檢 測。 圖14係表示分光光學系統30之構成之一例的圖。該分光 光學系統30包括：入射狹縫301、準直光學系統302、作為 分散元件之繞射光栅303、以及聚焦光學系統304。於此種 構成中，藉由繞射光柵3 03而分解成各波長成分之輸出光 係經由聚焦光學系統304於波長光譜輸出面305上在各波長 成分下成像，並且藉由配置於輸出面305之光檢測器而於 18 14998 丨.doc

201118334 各波長成分下進行檢測。再者，除本例以外，亦可適當地 構成例如藉由使用頻帶濾波器，使來自半導體膜丨5之輸出 光分解成可於每個波長下檢測之分光光學系統。 作為針對藉由分光光學系統30而分解成每個波長成分之 輸出光’檢測各波長成分於各時間點t之強度之檢測機 構’設置有圖11所示之光檢測器31。光檢測器31包含例如 相對於圖14所示之分光光學系統3〇配置於其輸出面305， 且排列有檢測藉由分光光學系統3〇分解而成之各波長成分 之強度的複數個光檢測元件之多通道光檢測器。 自光檢測器3 1所輸出之檢測信號被提供至膜厚分析部 4〇。膜厚分析部40係求出作為測定對象物之半導體膜15之 膜厚d之時間變化的膜厚分析機構，其根據於彼此不同之 兩個以上之時刻所檢測出之輸出光的各光譜波形，求出來 自半導體膜15之反射光L1〜LM(特別是L1〜L2)相互干涉而 生成之干涉光之強度成為極大或極小的峰值波長，並根據 該峰值波長之時間變化求出半導體膜15之膜厚d之時間變 化。 具體而言，如上所述’求出於第！時刻Μ所檢測出之 輸出光之第!光譜波轉，λ)與於不同於第】時刻τ丨之第㈣ 刻T2=t+At所檢測出之輸出光之第2光譜波形叩墙，咖差 分1(賦λΗ(ί，λ)，更佳為將該差分正規化，求出盆零交 又波長，藉此求出干涉光光譜之峰值波長。繼而，藉由上 述式（11)，求出膜厚d之時間轡仆 描；5、 ㈣^化。膜厚分析部4G係預先儲 存關於膜厚d之終點資訊，當所計算出之膜厚d達到特定厚 149981.doc •19- 201118334 度時，輸出表示處理已到達終點之信號(終點檢測信號)。 再者，此種膜厚分析部4G可包含例如執行有特定之分析程 式之電腦。

又，於圖U所示之膜厚測定裝置1A中，除上述膜厚 部4〇以外’設置有測定控制部5。。測定控制部50參照J 厚分析部⑽所輸出之膜厚資訊或終點資訊，控制測定裝置 1A及處理裝置20之装罟久刘八 奸， <裒置各部分，錯此對測定裝置以中 膜厚測定動作、以及處理裝置2〇中之姓刻處理等之動作進 行必要之控制。 進 又，於該測定控制部5〇連接有輸入裝置51及顯示裝置 52。輸入裝置51係用於敎裝置⑽之測定動作及處理裝 置20中之處理動作所需之資訊、條件、指示等的由操作者 所進订之輸人。該輸人袭置51例如可用於膜厚分析部辦 所使用之敎波長、半導體膜15之折射率、製程之目_ 厚：的輸入：X，亦可使其能夠進一步輸入製程開始時之 膜厚值°但是’亦可形成為於膜厚分析部4G中預先準備該 等條件、數值之構成。χ，顯示裝置52係用於向操作者顯 不關於上述測定動作及處理動作之所需資訊。 /又，於本實施形態之膜厚测定裝置中，對於測定光學 系統21 ’言史置有ΧΥΘ平台22。該χγθ平台22係用以藉由在 X方向、Υ方向、θ方向上調整測定光學系統21之位置角 度等，而調整利用膜厚測定裝置1Α之於半導體膜Μ上之膜 居"d之測定位置、測定/lit 利疋條件。又，ΧΥΘ平台22係藉由平台 控制部23而驅動控制。 149981.doc -20· 201118334 又’針對處理裝置20内之試樣1 〇以及測定光學系統2 j， 進一步設置有攝像裝置24及測定位置設定部25。攝像裝置 24係用以確認利用膜厚測定裝置1A之於半導體膜15上之膜 厚d之測定位置的位置確認用攝像裝置。又，測定位置設 定部25係參照藉由攝像裝置24並經由測定光學系統21而獲 得之包含半導體膜15之試樣1〇的圖像，設定針對試樣1〇之 膜厚測定位置。 圖15係表示測定位置設定部25之構成之一例的方塊圖。 本構成例之測疋位置設定部25包括測定圖像識別部五、 基準圖像儲存部252、圖像崎部253以及控制條件計算部 254。測定圖像識別部251係輸入藉由攝像裝置“而獲得之 減樣10之圖像資料，並進行該圖像巾之測定圖案之圖案識 於基準圖像儲存部252中，預先儲存有用以特定 應設定為於半導體瞑15上之膜厚d之測定位置的位置之其 準圖像。 Α 立圖像比較。ρ 253係'藉由計算差分圖像等方法，對由識別 4 251所識別之測定圖像中之測定圖案與由儲存部a;〗所儲 存之基準圖像中之基準圖案進行比較。又，控制條件計算 。^士54係根據圖像比較部⑸中之測定圖像與基準圖像之比 η #出疋否需要調整測定位置，以及於需要進行調 正之情形時算出其控制條件、繼而，根據藉由該計算部 所；戈出之一控制條件，經由平台控制部η驅動控制ΧΥΘ “辦、測定光學系、統21，藉此Μ、控制針對試樣1〇之 +導體膜15之膜厚d的測定位置、測定條件。 149981.doc 201118334 再者，關於此種針對試樣10之半導體膜15之膜厚d的測 疋位置，宜設為半導體晶圓上之測試元件組（test element group)之位置。其原因在於，若將半導體晶片上之位置設 為測定位置，則有可能遮罩等之階差等會產生影響，而無 法準確地測定膜厚d。 對本實施形態之膜厚測定裝置及膜厚測定方法之效果進 行說明。 於膜厚測定裝置1A及膜厚測定方法中，對膜狀之測定對 象物即基板12上的半導體膜15供給包含遍及特定頻帶之波 長成分之測定光L0，藉由分光光學系統3〇及光檢測器^對 包含來自上表面16及下表面17之反射光£1〜[河之輸出光進 行分解、檢測。繼而，根據於彼此不同之時刻凡勺、 T2=t+At所檢測出之輸出光的各光譜波形I(t，λ) ' I(t+At λ)，求出反射光L1〜LM(特別是U〜L2)相互干涉而生成之 干涉光之強度成為極大或極小的峰值波長，並根據峰值波 長之時間變化求出半導體膜15之膜厚d之時間變化。 如上所述，若對半導體膜15照射包含遍及寬頻帶之波長 成分之測定光，則於其反射光（輸出光）之光譜中，一併包 含測定光中所包含之明線光譜等的不需要之岭值以及干= 光。但是，不論半導體膜15之膜厚d之變化如何，由測定 光源所產生之此種不需要之峰值之中心波長均不變，因= 於不同時刻之輸出光之各光譜波形I(t，λ)、1(奸心，人）中， 該不需要之峰值之中心波長亦不變。 因此’藉由使用該等光譜波形I(t，λ)、Ι(_，λ)，可消 149981.doc -22- 201118334 除明線光譜等之影響而準確地求出干涉光之峰值波長。 即，根據本實施形態之膜厚測定裝置丨A及膜厚測定方法， 即便為如不滿干涉光強度Ϊ之峰值之重複週期Μι(參照圖q 般的微小之膜厚d之變化量，亦可不使用參照樣品而高精 • 度地測定該膜厚d之變化量。 又，如本實施形態般，膜厚測定裝置丨八及膜厚測定方法 宜於膜厚分析部40(膜厚分析步驟）中，運算第i光譜波形 I(t，λ)與第2光譜波形I(t+M，λ)之差分I(t+M，λ)_Ι(ί，人），並 將該差分成為零之波長1八作為峰值波長。 由於不論半導體膜15之膜厚d之變化如何，由測定光源 2 8所產生之明線光譜等的不需要之峰值之中心波長均不 l，因此第1及弟2光譜波形i(t，入）、I(t+At，λ)中所包含之 明線光譜等之中心波長於兩波形中相同，藉由運算差分 I(t+At，λ)-Ι(ί，λ)，可有效地排除其影響。又，上述差分成 為零之零交叉波長λΑ係位於波形i(t, λ)、][(t+At，λ)中相互 對應之峰值波長之間，於不長之情形時，可將該零交又 波長λΑ視為干涉光之峰值波長。因此，可根據該零交又波 長λΑ之變化量（例如圖6所示之，高精度地求出半 . 導體膜15之膜厚d之時間變化。 又’於將差分I(t+At, λ)-Ι〇，λ)成為零之波長視為峰值波 長而求出半導體膜15之膜厚d之時間變化時，宜如本實施 形態般’於膜厚分析部40(膜厚分析步驟）中，使用將第i光 譜波形I(t，λ)與第2光譜波形I(t+At，λ)重疊而成之波形I(t， λ)+Ι(ί+Δί，λ)使差分正規化（參照上式後，求出峰值波 149981.doc -23· 201118334 長。藉此’即使在由於如圖4所示測定光L 0之強度因波長 而不同’而使得差分I(t+At，λ)-Ι(ί，λ)之大小因波長而差異 較大之情形時’亦可如圖5所示’獲得關於差分入)· I(t，λ)之良好之光譜波形。 又’關於膜厚測定之具體之測定對象，宜如上所述，測 定對象物為基板12上之半導體膜15，測定特定處理之執行 過程中半導體膜15之膜厚d的時間變化。於此種構成中， 在半導體膜15之膜厚d減少或增加之蝕刻處理、薄膜形成 處理等的半導體製程的執行過程中，可高精度地進行處理 之終點檢測等之製程控制。再者，本實施形態之膜厚測定 方法除半導體膜15以外，通常亦可適用於膜狀測定對象物 之膜厚d之變化量的測定。 (第2實施形態） 繼而，說明本發明之膜厚測定裝置及膜厚測定方法之第 2實她形態。上述第1實施形態與本實施形態之不同點在於 膜厚分析機構（膜厚分析步驟）中之處理内容。即，於本實 施形態中，雖於如下方面與第丨實施形態相同 ，即於膜厚

及步驟與第1實施形態相同。 於本實施形態中，

149981.doc •24· 201118334 時刻T2-t+At所檢測出之輸出光之第2光譜波形j(t+At，人）的 比I(t+At, λ)/Ι(ί, λ)成為1之波長χ’而獲得干涉光光譜之峰 值波長。所謂第1及第2光譜波形之比成為丨之情形時，即 才曰第1及第2光諸波形變得相同之情形時，由於與第1實施 形態中差分I(t+At，λ)-Ι(ί，λ)成為零之情形時等效，因此即 使藉由如上所述之運算，亦可適當地獲得干涉光光譜之峰 值波長。 圖16係表示設t=171[秒]、At=5[秒]之情形時之比I(t+At, λ)/Ι(ί，λ)之一例的圖。於圖i 6中，測定光L()中所包含之明 線光譜等的干涉光以外之光譜成分’無論膜厚d之時間變 化如何均為固定’因此被去除。於該圖16中，亦由於射小 至5[秒]，因此可將比i(t+At，λ)/Ι(ί，λ)成為1之波長（圖中之 波長λ。）視為干涉光光譜之峰值波長。再者，若^為⑺[秒] 以下，則可如上所述將比I(t+M，λ)/Ι(ί，λ)成為丄之波長u 視為干涉光光譜之峰值波長。 根據式（2)，若半導體膜15之膜厚d發生變化，則干涉光 光譜之峰值波長會發生變化。因此，藉由測定峰值波長之 移動量’可利用式（11)而獲知膜厚d之變化量。 於本貫施形態中，亦根據在彼此不同之時刻Ti=t、 Tft+At所檢測出之輸出光的各光譜波形I(t，λ)、…+心， λ) ’求出反射光L1〜LM(特別是L1〜L2)相互干涉而生成之 干涉光之強度成為極大或極小的峰值波長，並根據峰值波 長之時間變化求出半導體膜15之膜厚d之時間變化。因 此’可消除明線光譜等之影響而準確地求出干涉光之峰值 149981.doc -25- 201118334 波長，故即便為如不滿干涉光強度i之峰值之重複週期 △t!(參照圖2)般的微小之膜厚d之變化量，亦可不使用參照 樣品而高精度地測定該膜厚d之變化量。 又’如本實施形態’膜厚測定裝置1A及膜厚測定方法亦 可於膜厚分析機構（膜厚分析步驟）中，運算第丨光譜波形 I(t，λ)與第 2光譜波形 I(t+At，λ)之比 I(t+At，λ)/Ι(ί；, λ)，並將 該比成為1之波長Xc視為峰值波長。不論半導體膜15之膜 厚d之變化如何’由測定光源所產生之明線光譜等的不需 要之峰值之中心波長均不變，因此藉由運算比I(t+At， λ)/Ι(ΐ，λ) ’可有效地排除其景多響。又，上述比成為1之波長 λο位於波形i(t，λ)、I(t+At，χ)中相互對應之峰值波長之 間，於At不長之情形時，可將該波長視為干涉光之峰值 波長。因此，可根據該波長^之變化量，高精度地求出半 導體膜1 5之膜厚d之時間變化。 (第3貫施形態） 繼而’說明本發明之膜厚測定裝置及膜厚測定方法之第 3實細形態》上述第丨實施形態與本實施形態之不同點在於 膜厚分析機構（膜厚分析步驟）中之處理内容。再者，於本 實施形態中，膜厚分析機構（膜厚分析步驟）以外之裝置構 成及步驟亦與第1實施形態相同。 於上述之式（2)中，當假定為折射率n相對於波長λ為固定 Β夺，來自半導體膜15之干涉光之光譜波形成為與半導體膜 15之膜厚d對應的週期性波形。而且，半導體膜15之膜厚d 越薄則該週期（相鄰之峰值波長之間隔）越大，反之，半 149981.doc

-26 - 201118334 導體膜1 5之膜厚d越厚，則該週期越小。換言之，半導體 膜15之膜厚d越薄，則每單位波長之干涉光之光譜波形的 重複數越小，反之，半導體膜15之膜厚d越厚，則每單位 波長之干涉光之光譜波形的重複數越大。 此種每單位波長之重複數可藉由關於波長對輸出光光譜 進行傅裏葉變換（較佳為高速傅裏葉變換（FFT : Fast Fourier Transform))而求出。而且，如上所述，藉由FFT所 獲得之干涉光之光譜波形的重複數會對應於膜厚d而變 化，因此根據该重複數之變化，可求出膜厚d之變化量。 於本實施形態中，在膜厚分析機構（膜厚分析步驟）中， 於彼此不同之兩個以上之時刻檢測輸出光。繼而，根據該 等輸出光之各光譜波形，將每單位波長之干涉光之光譜波 形的重複數作為相當於干涉光強度〗成為極大或極小之峰 值波長之波長間隔的數值而求出，並根據該重複數之時間 變化求出半導體膜15之膜厚d的時間變化。 具體而言，對在時刻Tl所檢測出之關於輸出光之第ι 光譜波形I(t, λ)進行將波長作為獨立變數的傅裏葉變換（較 人同樣地，亦對在不同於第i時刻Τι之第2時刻Τ2所檢測 出之關於輸出光之第2来铋油似丄h 1 1 佳為高速傅裏葉變換）’從而獲得第丨傅裏葉變換波肌 入）}。同樣地，亦對A X囬热埜 1 P^. -ir.f ΠΡ Ατβτ ^

:一例之圖表，圖G1係表 圖G2係表示第2傅裏葉變 圖17係表示各傅裏葉變換波形之 示第1傅裏葉變換波形F{i(t，人）}，g 149981.doc -27· 201118334 換波形F{I(t+At, λ)}。又，圖17所示之峰值ρι之中心別相 當於第1光譜波形I(t，λ)中所包含的干涉光之每單位波長之 重複數，峰值Ρ2之中心F相當於第2光譜波形叩边，心中所 包含之干涉光的每單位波長之重複數。再者，圖17中之峰 值PI、P2以外之峰值（例如，位於圖中之D區域之峰值）係 由明線等所產生之峰值，且係與干涉光無關之成分。

於圖17所示之例中，峰值P1之中心F0與峰值p2之中心F 的差即為每單位波長之干涉光之光譜波形之重複數的變化 1 ’因此根據該等之差（F〇_F)，可用如下方式求出半導體 膜15之膜厚d之變化量。 即，FFT為離散傅裏葉變換，傅裏葉變換前之干涉光光 譜之1個週期成為基本波，因此若將基本波之波長範圍設 為λ〗〜λ2,將相當於FFT之基本波之膜厚設為％，則存在^ 下之式（14)之關係。 [數 14] λ' λ2 =1 …(14) 若針對DQ解上式（14)，則成為如下之式。 [數 15]

Df λ!λ2 2η|λ! -λ2| (15) 此處右將與圖17之峰值^對應之干涉光之每單位波長的 重複數設為FG，將與峰值叫應之干涉光之每單位波長的 重複數設為F，則膜厚變化量^可藉由以下之式〇幻求 149981.doc -28· 201118334 出。 [數 16] (16)

Ad=D〇|F-FOI=4^|F-F〇i 再者’於膜厚變化量Ad微小之# 微』I匱形時，相較於重複數1? 之時間變化m時間變化更加高精度地表示膜厚變化 量^’目此根據相位之時間變化計算出膜厚變化量藉 此能夠更高精度地計算出膜厚變化量Δ(1。圖18係將各傅^ 葉變換波形之橫軸換算成相位之圖表，圖G3係表示第丨傅 裏葉變換波形#{F(t, λ)}，圖G4係表示第2傅裏葉變換波形 #{F(t+At，λ)}。又，圖18所示之峰值約之中心“係與第工 光譜波形I(t, λ)中所包含的干涉光之每單位波長之重複數 相對應的相位’峰值ρ4之中心彡係與第2光譜波形以卜心，入） 中所包含之干涉光之每單位波長的重複數相對應之相位。 再者’於圖18中’峰值Ρ3、Ρ4以外之峰值（位於圖中之d 區域之峰值）係由明線等所產生之峰值，且係與干涉光無 關之成分。相位心及#可藉由以下之式（17)及式（18)求出。 [數 17] F = 部)2 …(17) [數 18] arctan '虛部' 、實部 (18) 因 此，膜厚變化量△<!可藉由以下之式（19)求出 149981.doc

S -29- 201118334 [數 19]

Ad=D〇M^= λ,λ2 _ 2π 4πη|λ广 λ2| Φ~Φ〇| …(19) 於本實施形態中，根據在彼此不同之時刻T!=t、T2=t+At 所檢測出之輸出光的各光譜波形I(t，λ)、I(t+At, λ)，求出 反射光L1〜LM(特別疋L1~L2)相互干涉而生成之干涉光之 光譜波形之每單位波長的重複數，並根據上述重複數之時 間變化（FO-F)求出半導體膜15之膜厚d的時間變化。又，根 據重複數求出其相位’並根據上述相位之時間變化幻 求出半導體膜15之膜厚d的時間變化。因此，可消除例如 圖17、圖18之區域D中所存在之明線光譜等的影響，準確 地求出相當於干涉光光譜之峰值波長之間隔的數值，因此 即便為如不滿干涉光強度丨之峰值之重複週期參照圖2) 般的微小之膜厚d之變化，亦可不使用參照樣品而高精度 地測定該膜厚d之變化量。 又，第1光譜波形I(t，λ)及第2光譜波形i(t+At，λ)中所包 含之明線光譜等之波形於兩波形I(t，λ)、I(t+M，λ)中為相 同。因此，於傅裏葉變換後之波形F{I(t，λ)}、F{i(t+M， λ)}或其相位〇F(t，λ)}、〇F(t+M，λ)}中明線光譜等之 波形亦相同’根據本實施形態之膜厚測定裝置及膜厚測定 方法’可適當地排除其影響。 又’根據膜厚測定裝置及膜厚測定方法，即便於自測定 光：28所輸出之測定光之光譜並不平坦的情形時只要僅 計算出與半導體膜15之膜厚d相對應之重複數即可，故可 I49981.doc 201118334 幾乎忽視測定光之光譜之影響。 本發明之膜厚測定裝置及膜厚測定方法並不限定於上述 實施形態，此外亦可進行各種變形。例如，於上述各實施 形態中，為求出測定對象物（半導體膜15)之膜厚d，係求出 干涉光光譜之峰值波長、或每單位波長之干涉光光譜波形 之重複數，但為獲得膜厚d而有用之數值並不限定於該 等，只要係相當於峰值波長之數值、或者相鄰之峰值波長 之間隔或相當於該間隔之數值，便可適當地求出膜厚d。 上述實施形態之膜厚測定裝置係測定含有第丨面及第2面 之膜狀測定對象物的膜厚之時間變化之膜厚測定裝置，其 採用如下構成，即包括：測定光源，其將包含遍及特定頻 帶之，長成分之敎光供給至载對象物；檢測機構，其 針對每個波長檢測來自測定對象物之第丨面之測定光之反 射光、及來自第2面之測定光之反射光所重疊而成的輸出 光於各時間點之強度；以及膜厚分析機構，其求出測定對 象物之膜厚之時間變化；且膜厚分析機構係根據於檢測機 構中在彼此不同之兩個以上之時刻所檢測出之輸出光的各 光譜波形，求出來自第i面之反射光與來自第2面之反射光 相互干涉而生成之干涉光的強度成為極大或極小之峰值波 長、或相當於相鄰之♦值波長之間隔的數值，並根據聲值 波長_於相鄰之蜂值波長之間隔之數值的時間變化求 出測疋對象物之膜厚之時間變化。 又，上述實施形態之膜厚測定方 ^ Λ 疋万去係測定含有第1面及 第2面之膜狀測定對象物的膜厚 子足矸間變化之膜厚測定方 149981.doc 201118334 法’其採用如下構成’即包括：測定光供給步驟，將包含 遍及特定頻帶之波長成分之測定光自測定光源供給至測定 對象物；檢測步驟’針對每個波長檢測來自測定對象物之 第1面之測定光之反射光、及來自第2面之測定光之反射光 所重疊而成的輸出光於各時間點之強度；以及膜厚分析步 驟’求出測定對象物之膜厚之時間變化；且於膜厚分析步 驟時’根據於檢測步驟中在彼此不同之兩個以上之時刻所 檢測出之輸出光的各光譜波形，求出來自第1面之反射光 與來自第2面之反射光相互干涉而生成之干涉光的強度成 為極大或極小之峰值波長、或相當於相鄰之峰值波長之間 隔的數值’並根據峰值波長或相當於相鄰之峰值波長之間 隔之數值的時間變化求出測定對象物之膜厚之時間變化。 又，膜厚測定裝置亦可設為，膜厚分析機構運算在第i 時刻I所檢測出之關於輸出光之第丨光譜波形Ι(Τι)與在不 同於第1時刻Τ丨之第2時刻丁2所檢測出之關於輸出光之第2 光譜波形id)的差分ι(Τ2)_ι(ίί)，並將該差分成為零之波 長作為峰值波長。 同樣地，於膜厚測定方法中，在膜厚分析步驟時，亦可 運算在第1時刻Τ〗所檢測出之關於輸出光之第丨光譜波形 Ι(τ,)與在不同於第1時刻Τι之第2時刻L所檢測出之關於輪 出光之第2光譜波形1(丁2)的差分i(T2H(Ti) ’並將該差分成 為零之波長作為峰值波長。 如上所述，不論半導體膜之膜厚之變化如何，由光源所 引起之明線光譜等的不需要之峰值的中心波長均不變。因 149981.doc -32- 201118334 此’第1光譜波形I(T!)及第2光譜波形Ι(Τ2)中所包含之明線 光譜等之中心波長於兩波形Ι(Τ〇、Ι(Τ2)中為相同，故藉由 運算差分UTO-uto，可排除其影響。又，上述差分成為 零之波長（以下，稱為零交又波長）位於波形i(Tl)中所包含 之干涉光之峰值波長與波形Ι(Τ2)中所包含之干涉光之峰值 波長之間，於第1及第2時刻Ti、Τ2之間隔不長之情形時， 可將零交叉波長視為干涉光之峰值波長。因此，可根據該 零交叉波長之變化量，而高精度地求出測定對象物之膜厚 之時間變化。 又，於將差分Ι(Τ2)-Ι(Τι)成為零之波長作為峰值波長而 求出測疋對象物之膜厚之時間變化的情形時，較佳為膜厚 分析機構使用將第1光譜波形1(11)與第2光譜波形Ι(τ^重疊 而成之波形1(1^)+1(丁2)使差分正規化後，求出峰值波長。 同樣地，於膜厚測定方法中，宜在膜厚分析步驟時，使 用將第1光譜波形1(几）與第2光譜波形1(丁2)重疊而成之波形 1(1)+1(12)使差分正規化後，求出峰值波長。 藉此，即使在由於測定光之強度因波長而不同，而使得 差分I(T〗）-I(T2)之大小因波長而差異較大的情形時，亦可 獲得關於差分I(T2)-I(Tl)之良好之光譜波形。 又，膜厚測定裝置亦可設為，膜厚分析機構運算在第1 時刻丁丨所檢測出之關於輸出光之第丨光譜波形Ι(τ丨）與在不 同於第1時刻L之第2時刻丁2所檢測出之關於輸出光之第2 光譜波形ι(τ2)的比I(T2)/I(Tl)，絲該比成為1之波長作為 峰值波長。 149981.doc •33· 201118334 同樣地，膜厚測定方法亦可設為，在膜厚分析步驟時， 運算在第1時刻凡所檢測出之關於輸出光之第i光譜波形 Ι(Τι)與在不同於第丨時刻Tl之第2時刻丁2所檢測出之關於輸 出光之第2光譜波形1(丁2)的比1(丁2)/1(丁1)，並將該比成為丄 之波長作為峰值波長。 如上所述，第1光譜波形1(丁〗）及第2光譜波形I(T2)中所包 含之明線光譜等之中心波長於兩波形中為相 同。因此，藉由運舁比RD/Id)，可排除其影響。又， 該比成為1之波長位於波形Ι(Τι)中所包含之干涉光之峰值 波長與波形1(丁2)中所包含之干涉光之峰值波長之間，於第 1及第2時刻、Τ'2之間隔並不長之情形時，可將該波長視 為干涉光之峰值波長。因此，可根據該波長之變化量，高 精度地求出測定對象物之膜厚之時間變化。 又，膜厚測定裝置亦可設為，膜厚分析機構根據對在第 1時刻Ti所檢測出之關於輸出光之第丨光譜波形與在不 同於第1時刻L之第2時刻丁2所檢測出之關於輸出光之第2 光譜波形1(丁2)分別進行傅裏葉變換而獲得之第丨傅裏葉變 換波形Ρ{Ι(Τ!)}及第2傅裏葉變換波形F{J(T2)}，求出相當 於相鄰之峰值波長之間隔的數值，並根據該數值之時間變 化求出測定對象物之膜厚的時間變化。 同樣地，膜厚測定方法亦可設為，在膜厚分析步驟時， 根據對在第1時刻T丨所檢測出之關於輸出光之第丨光譜波形 1(1)與在不同於第1時刻T,之第2時刻丁2所檢測出之關於輸 出光之第2光譜波形Id)分別進行傅裏葉變換而獲得之第丄 149981.doc -34- 201118334 傅裏葉變換波形F{I(Tl)}及第2傅裏葉變換波形F{I(T2)}， 求出相當於相鄰之峰值波長之間隔的數值，並根據該數值 之時間變化求出測定對象物之膜厚的時間變化。 當假設於以上所示之式（1)中，折射率11相對於波長λ為固 定時，干涉光強度I相對於波數（1/λ)成為固定週期之餘弦 波形。因此，可根據相當於該餘弦波形中相鄰之峰值波長 之間隔的數值，例如每單位波長之干涉光強度〗之光譜波 形的重複數，求出測定對象物之膜厚。即，於上述膜厚測 疋裝置及膜厚測定方法中，根據針對波長對光譜波形 ϊ(Τι)、Id)進行傅裏葉變換所獲得之波形、 F{I(T2)}，求出相當於相鄰之峰值波長之間隔的數值β繼 而，根據該數值之時間變化求出測定對象物之膜厚的時間 變化。 藉此，可高精度地求出測定對象物之膜厚之時間變化。 再者，如上所述，第1光譜波ΒΙ(Τι)及第2光譜波形Ι(Τ2)中 所包含之明線光譜等之波形於兩波' I(Tj中相同， 因此於傅裏葉變換後之波形F{I(T〗）}、F{I(T2)}t，明線光 譜等之波形亦相同，根據上述膜厚測定裝置及膜厚測定方 法’可適當地排除其影響。 又’膜厚測定裝置較佳為，相當於相鄰之上述峰值波長 之間隔的上述數值為每單位波長之干涉光之光譜波形的重 複數。或者，膜厚測定裝置較佳為，相當於相鄰之上述峰 值波長之間隔的上述數值為自每單位波長之干涉光之光譜 波形的重複數換算而成之相位。 149981.doc •35- 201118334 同樣地，膜厚測定方法較佳為，相當於相鄰之上述峰值 波長之間隔的上述數值為每旱位波長之干涉光之光譜波形 的重複數。或者’膜厚敎方法較佳為，相當於相鄰之上 述峰值波長t間隔的上述錢為自#單位&長之干涉光之 光谱波形的重複數換算而成之相位。 關於上述膜厚之日$間變化之測定丨具體之測定對象，較 佳為測定料物為絲上之半導體膜，且敎特定處理之 執行過程中半導體膜之膜厚的時間變彳卜於此種構成中， 如上所述’在例如_處理或薄膜形成處理等半導體製程 之執仃過釭中’可測定該膜厚之時間變化量，並高精度地 進行處理之終點檢測等之製程控制。 於上述膜厚敎裝置及膜厚測定方法令，作為測定光 二:使用將遍及料頻帶之白色光作為㈣光而供給之 光：原。再者’關於測定光源，除此以外亦可使用各種 產業上之可利用性 即本作如下之膜厚測定裝置及膜厚測定方法，亦 之膜厚之相對:::涉:強度之峰值之1個週期般的微小 量。 里，亦可高精度地測定該膜厚之變化 Γ圖式簡單說明】 圖1係模式性地I __ 之測定方法的 圖 。 地表不測定對象物之膜厚 例的圖 圖2係表示此種干涉光之 強度I之時間變化之一 149981.doc

• 36 - 201118334 表。 圖3係表示對半導體膜15照射至少包含遍及特定頻帶之 波長成分之測定光L0時之輸出光光譜之一例的圖表。 圖4係表示設t=171[秒]、At=5[秒]之情形時之差分I(t+At， - λ)之一例的圖表。 圖5係將圖4所示之差分I(t+At, λ)-Ι(ί，λ)加以正規化之圖 表。 圖6係表示測定波長300〜900[nm]下之經正規化之差分光 譜波形S1及S2的圖表。 圖7係表示成膜製程中之半導體膜15之膜厚^與成膜時間 之關係的圖表。 圖8係表示將測定波長設為400[nm]之情形時以固定速度 增加的膜厚之測定結果之圖表。 圖9係表示將測定波長設為600[nm]之情形時以固定速度 增加的膜厚之測定結果之圖表。 圖10係表示將測定波長設為800[nm]之情形時以固定速 度增加的膜厚之測定結果之圖表。 圖11係表示膜厚測定裝置之一實施形態之構成的方塊 . 圖。 圖12係表示膜厚測定裝置1A中之測定光學系統21之構成 之一例的圖。 圖13係表示瞑厚測定裝置iA中之測定光學系統21之構成 之一例的圖。 圖14係表示分光光學系統3 〇之構成之一例的圖。 149981.doc -37- 201118334 圖15係表示測定位置設定部25之構成之一例的方塊圖。 圖16係表示設t=m[秒]' Δί=5[秒]之情形時之比I(t+At， λ)/Ι(ί，λ)之一例的圖表。 圖17係表示傅裏葉變換波形之一例的圖表，圖G1係表示 第1傅裏葉變換波形F{I(t，λ)}，圖G2係表示第2傅裏葉變換 波形 F{I(t+At，λ)}。 圖18係將各傅裏葉變換波形之橫轴換算成相位之圖，圖 G3係表示第1傅裏葉變換波形#{F(t，λ)}，圖〇4係表示第2 傅裏葉變換波形〇F(t+M，λ)丨。 【主要元件符號說明】 1Α 膜厚測定裝置 10 試樣 12 基板 15 半導體膜 16 上表面 17 下表面 20 處理裝置 21 測定光學系統 22 平台 23 平台控制部 24 攝像裝置 25 測定位置設定部 28 測定光源 30 分光光學系統 149981.doc •38- 201118334 31 40 50 51 ' 52 211 212 213 、 214 251 252 253 254 281 282 301 302 303 304 . 305

308 d D F'FO' φ ^ φ〇 G1 光檢測器 膜厚分析部 測定控制部 輸入裝置 顯示裝置 物鏡 半反射鏡 反射鏡 測定圖像識別部 基準圖像儲存部 圖像比較部 控制條件計算部 測定光輸入光纖 照明光輸入光纖 入射狹缝 準直光學系統 繞射光柵 聚焦光學系統 輸出面 反射光輸出光纖 膜厚 區域 值之中心 第1傅裏葉變換波形F{I(t，λ)} -39- 149981.doc 201118334 G2 第2傅裏葉變換波形F{I(t+At, λ)} G3 第1傅裏葉變換波形#{F(t, λ)} G4 第2傅裏葉變換波形#{F(t+At, λ)} η 折射率 L0 測定光 L1 〜LM 反射光 Ρ1 〜Ρ4 峰值 t 時間 Δΐ, 週期 149981.doc -40·

Claims (1)

1. 201118334 七、申請專利範園： h 一種膜厚測定裝置，其特徵在於： 其係測定含有第1面及第2面之膜狀測定對象物的膜厚 之時間變化者，其包括： . 測定光源，其將包含遍及特定頻帶之波長成分之測定 光供給至上述測定對象物； 檢測機構，其針對每個波長檢測來自上述測定對象物 之上述第1面的上述測定光之反射光、及來自上述第2面 的上述測定光之反射光所重疊而成的輸出光於各時間點 之強度；以及 膜厚刀析機構，其求出上述測定對象物之膜厚之時間 變化；且 上述膜厚分析機構係根據於上述檢測機構中在彼此不 同之兩個以上之時刻所檢測出之上述輸出光的各光譜波 形，求出來自上述第1面之上述反射光與來自上述第2面 之上述反射光相互干涉而生成之干涉光的強度成為極大 或極小之峰值波長、或相當於相鄰之上述峰值波長之間 S的數值，並根據上述峰值波長或相當於相鄰之上述峰 • 值波長之間隔之數值的時間變化求出上述測定對象物之 膜厚之時間變化。 2· 2請求項1之膜厚測定裝置，其中上述膜厚分析機構運 算在第1時刻T丨所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波 形ΚΤι)與在不同於上述第丨時刻几之第2時刻丁2時所檢測 出之關於上述輸出光之第2光譜波形I(T2)的差分1(丁2)_ 149981.doc 201118334 Ι(ΤΊ)，並將該差分成為零之波長作為上述峰值波長。 3. 如請求項2之膜厚測定裝置，其中上述膜厚分析機構使 用將上述第1光譜波形Ι(Τ〗）與上述第2光譜波形重疊 而成之波形KTd+Id)使上述差分正規化後，求出上述 峰值波長。 4. 如請求項1之膜厚測定裝置，其中上述膜厚分析機構運 算在第1時刻几所檢測出之關於上述輸出光之第i光譜波 形ι(τ〇與在不同於上述第丨時刻几之第2時刻L所檢測出 之關於上述輸出光之第2光譜波形Ι(τ2)的比Ι(Τ2)/Ι(Τι)， 並將該比成為1之波長作為上述峰值波長。 5. 如凊求項1之膜厚測定裝置，其中上述膜厚分析機構係 根據對在第1時刻Tl所檢測出之關於上述輸出光之第i光 4波形I(T!)與在不同於上述第丨時刻Τι之第2時刻丁2所檢 測出之關於上述輸出光之第2光譜波形Ι(τ2)分別進行傅 裏葉變換而獲得之第丨傅裏葉變換波形F{Ι(Τι)}及第2傅 裏葉變換波形F{I(T2)}，求出相當於相鄰之上述峰值波 長之間隔的數值，並根據該數值之時間變化求出上述測 定對象物之膜厚的時間變化。 6. 如請求項5之膜厚測定裝置’其中相當於相鄰之上述峰 值波長之間隔的上述數值為每單位波長之干涉光之光譜 波形的重複數。 7. 如請求項5之膜厚測定裝置，其中相當於相鄰之上述峰 值波長之間隔的上述數值為自每單位波長之干涉光之光 譜波形的重複數所換算而成之相位。 149981.doc 201118334 8. 如請求項⑴中任一項之膜厚測定裝置，其中上述測定 對象物為基板上之半導體膜，測定於特定處理之執行過 程中上述半導體膜之臈厚的時間變化。 9. 如請求項⑴中任—項之膜厚敎裝置，其中上述測定 光源係將遍及上述特定頻帶之白色光作為上述測定光而 供給之白色光源。 10. 一種膜厚測定方法，其特徵在於·· 其係測疋含有第i面及第2面之膜狀測定對象物之膜厚 的時間變化者，其包括： 測定光供給步驟，將包含遍及特定頻帶之波長成分之 測定光自測定光源供給至上述測定對象物； 檢/則步驟，針對每個波長檢測來自上述測定對象物之 上述第1面之上述測定光之反射《、及來自第2面之 上述測定光之反射光所重疊而成的輸出光於各時間點之 強度；以及 膜厚分析步驟，求出上述測定對象物之膜厚之時間變 化；且 於上述膜厚分析步驟時，根據於上述檢測步驟中在彼 此不同之兩個以上之時刻所檢測出之上述輸出光的各光 譜波形，求出來自上述第丨面之上述反射光與來自上述 第2面之上述反射光相互干涉而生成之干涉光的強度成 為極大或極小之峰值波長、或相當於相鄰之上述峰值波 長之間隔的數值，並根據上述峰值波長或相當於相鄰之 上述峰值波長之間隔之數值的時間變化求出上述測定對 149981.doc 201118334 象物之膜厚之時間變化。 11. 如請求項10之膜厚測定方法，其t於上述膜厚分析步驟 時’運算在第1時刻T丨所檢測出之關於上述輸出光之^ 光譜波形Ι(Τ,)與在不同於上述第丨時刻τ〗之第2時刻丁2所 檢測出之關於上述輸出光之第2光譜波形Ι(τ2)的差分 ，並將該差分成為零之波長作為上述峰值波 長。 12. 如請求項丨丨之膜厚測定方法，其十於上述膜厚分析步驟 時，使用將上述第1光譜波形1(丁1}與上述第2光譜波形 I(T2)重疊而成之波形I(Tl)+I(T2)使上述差分正規化後， 求出上述峰值波長。 !3·如請求項10之膜厚測定方法，其中於上述膜厚分析步驟 時，運算在第1時刻丁丨所檢測出之關於上述輸出光之第J 光譜波形1(1)與在不同於上述第i時刻Τι之第2時刻丁2所 檢測出之關於上述輸出光之第2光譜波形Ι(τ2)的比 IdWTJ，並將該比成為i之波長作為上述峰值波長。 14.如請求項1〇之膜厚測定方法，其中於上述膜厚分析步驟 時，根據對在第1時刻τ丨所檢測出之關於上述輸出光之 第1光譜波形1(乃）與在不同於上述第i時刻Τι之第2時刻τ2 所檢測出之關於上述輸出光之第2光譜波形Ι(Τ2)分別進 行傅裏葉變換而獲得之第1傅裏葉變換波形F{I(Ti)}及第 2傅裏葉變換波形F{I(T2)}，求出相當於相鄰之上述峰值 波長之間隔的數值，並根據該數值之時間變化求出上述 測定對象物之膜厚的時間變化。 149981.doc 201118334 15.如請求項14之膜厚測^方法，其中相當於相鄰之上述峰 值波長之間隔的上述數值為每單位波長之干涉光之光譜 波形的重複數。 月求項14之媒厚測定方法’其中相當於相鄰之上述峰 值波長之間隔的上述數值為自每單位波長之干涉光之光 譜波形的重複數所換算而成之相位。 17. 如請求項1〇至16中任一 ^ 、 項之膜厚測定方法，其中上述測 疋對象物為基板上之半導體胺 千导體膜”則定於特定處理之執行 過程中上述半導體膜之膜厚的時間變化。 18. 如清求項1〇至17中任一項之膜厘、 膜厚測定方法，其中上述測 定光源係將遍及上述特定頻帶之 色光作為上述測定. 而供給之白色光源。 〜九 149981.doc S