TW202142840A - 光學測定系統及光學測定方法 - Google Patents

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Abstract

光學測定系統，包括：光源，產生測量光；受光部，接收對樣品照射測量光產生的反射光或透射光作為觀測光；取得手段，在觀測光內包含的波長範圍中，取得為了使兩端相位相同設定的波長區間的觀測光譜；初始值決定手段，根據傅利葉轉換觀測光譜得到的功率譜中出現的峰值位置，決定樣品的膜厚初始值；干擾光譜，係根據包含膜厚作為參數的樣品模型算出；擬合手段，為了與觀測光譜一致，藉由更新模型的參數，決定樣品的膜厚；以及判斷手段，判斷上述決定的膜厚是否滿足根據先取得的膜厚的條件。

Description

光學測定系統及光學測定方法
本發明，係有關於利用測量對象中產生的光干擾之光學測定系統及光學測定方法。
近年來，半導體晶圓的薄片化製程的進步顯著。藉由薄片化晶圓，可以實現各種元件的高機能化。例如，可以實現IC晶片的薄型化、行動裝置中使用的SiP(System in Package(套裝系統))多層積體化、CMOS影像感應器等拍攝元件的高感度化、功率元件的高效率化等。
量產化製程中，需要確立50μm(微米)~數百μm、未來次微米(sub-micron)的薄片化製程。為了實現此，薄片化加工中可以高精度且高速測量晶圓膜厚的測量裝置是不可缺少的。
作為測量晶圓膜厚的背景技術，(1)接觸式、(2)電容式、(3)OCT(Optical Coherence Tomography(光學同調斷層掃描))方式等是眾所周知的。
(1) 作為接觸式的先行技術文獻，日本專利公開第2018－179672號公報，揭露使用有探針的接觸式膜厚測量機測量膜厚之方法。
(2) 作為電容式的先行技術文獻，日本專利公開第2009－109208號公報，揭露測定裝置，具有求出測量對象與測量頭之間的電容之複數台電容式位移計。
(3) 作為OCT方式的先行技術文獻，日本專利公開第2013－205252號公報揭露的方法，係對塗膜照射來自光源的光，透過檢出包含來自上述塗膜的反射光之干擾光強度，測量上述塗膜的膜厚。
一般薄片化製程中，晶圓，係一邊暴露於研磨加工水，一邊以磨石研磨。因此，晶圓的膜厚，不得不以非接觸或非侵入式測量，應用利用光的測量法。即，(1)接觸式及(2)電容式等，在薄片化製程的晶圓膜厚測量中不能採用。又，(3)OCT方式，很難充分確保膜厚方向的解析度，又，具有系統構成複雜化及大型化的課題。
以矽為首的晶圓，因為對於能量比晶圓(半導體)本身的能帶隙低的光是透明的，利用晶圓內部產生的光干擾，可以測量膜厚。尤其，測量對象的晶圓，因為薄片化加工中研磨不斷移動，對於這樣的測量對象移動要求強力的測量法。關於這點，因為晶圓內部的光干擾只依存於其晶圓膜厚及折射率，測量對象動態不受干擾，也可以實現高精度的測量。
本發明的一目的，係利用測量對象中產生的光干擾，提供更高精度測量膜厚的手法。
根據本發明形態的光學測定系統，包括：光源，產生測量光；受光部，接收對樣品照射測量光產生的反射光或透射光作為觀測光；取得手段，在觀測光內包含的波長範圍中，取得為了使兩端相位相同設定的波長區間的觀測光譜；初始值決定手段，根據傅利葉轉換觀測光譜得到的功率譜中出現的峰值位置，決定樣品的膜厚初始值；擬合手段，為了使根據包含膜厚作為參數的樣品模型算出的干擾光譜與觀測光譜一致，藉由更新模型的參數，決定樣品的膜厚；以及判斷手段，判斷上述決定的膜厚是否滿足根據先取得的膜厚的條件。
受光部，也可以包含分光檢出器，關於既定波長範圍，輸出每觀測光波長的強度。取得手段，根據受光部的檢出結果，搜尋顯示相同相位的2個波長位置的同時，根據檢出結果中搜尋的2個波長位置之間的資訊抽出觀測光譜也可以。
受光部，可以包含：受光元件；以及繞射光柵，配置可變更觀測光內包含的波長成分中入射受光元件的波長成分。取得手段，使受光部的受光元件內入射的波長成分依序不同，搜尋顯示相同相位的2個波長位置，藉由依序入射上述搜尋的2個波長位置之間的波長成分至受光部的受光元件，取得觀測光譜也可以。
條件，可以包含對於從相同或其它樣品先取得的膜厚這次決定的膜厚誤差在預定範圍內。
樣品的模型，可以是模擬樣品內部產生的光干擾之包含膜厚及光學常數的數式。
光學測定系統，可以更包含補正手段，判斷決定的膜厚未滿足條件時，補正上述決定的膜厚。
光學測定系統，可以更包含通知手段，判斷決定的膜厚未滿足條件時，通知未滿足上述條件。
根據本發明其它形態的光學測定方法，包含：對樣品照射來自光源的測量光，取得樣品產生的反射光或透射光之觀測光的光譜之步驟。觀測光的光譜，係在觀測光內包含的波長範圍中，為了使兩端相位相同設定的波長區間的光譜。光學測定方法，包含：根據傅利葉轉換觀測光譜得到的功率譜中出現的峰值位置，決定樣品的膜厚初始值之步驟；為了使根據包含膜厚作為參數的樣品模型算出的干擾光譜與觀測光譜一致，藉由更新模型的參數，決定樣品的膜厚之步驟；以及判斷上述決定的膜厚是否滿足根據先取得的膜厚的條件之步驟。 此發明的上述及其它目的、特徵、形態及優點，根據與附加圖面連結理解有關此發明的以下詳細說明會很清楚。
關於本發明的實施形態，參照圖面的同時詳細說明。又，關於圖中的相同或相當部分，附上相同符號不重複其說明。
＜A 光學測定系統＞ 首先，說明關於本實施形態的光學測定系統1的構成例。光學測定系統1，係分光干擾式的膜厚測量裝置。以下，主要說明關於對試料照射光觀測其反射光的光學系統(反射光觀測系統)，但當然也可應用於對試料照射光觀測其透射光的光學系統(透射光觀測系統)。
本說明書中，「膜厚」，意味任意樣品內包含的特定層厚度。但是，樣品以像晶圓的均勻材質構成時，等同只有單一層，測量的膜厚將意味樣品厚度。即，本說明書中，「膜厚」，不只意味具有積層構造的樣品內包含的各層厚度，也可能意味樣品本身的厚度。
圖1，係顯示本實施形態的光學測定系統1的構成例之模式圖。光學測定系統1，包含：光源10，產生用以照射樣品2的測量光；分光檢出器20，接收對樣品2照射測量光產生的觀測光(反射光或透射光)；以及處理裝置100，被輸入分光檢出器20的檢出結果。處理裝置100，根據分光檢出器20的檢出結果，算出關於樣品2的測量結果(典型地，膜厚)。光源10與分光檢出器20，經由具有朝向樣品2的照射口之Y型光纖4，光學連接。
光學測定系統1中，對樣品2照射來自光源10的測量光，藉由觀測由於樣品2內部產生的光干擾出現的光，測量樣品2的膜厚等。
光源10，產生具有既定波長範圍的測量光。測量光的波長範圍，根據應從樣品2測量的波長資訊範圍等決定。光源10，例如，使用鹵素燈或白色LED(發光二極體)等。
光源10，產生包含近紅外線區成分的測量光也可以。在此情況下，作為光源10，採用ASE(Amplified Spontaneous Emission(放大自發放射))光源也可以。
圖2，係顯示本實施形態的光學測定系統1中使用的分光檢出器20的概略構成之模式圖。參照圖2，分光檢出器20，關於既定波長範圍，輸出每觀測光波長的強度。
更具體地，分光檢出器20，包含：繞射光柵22，繞射經由Y型光纖4入射的光；受光元件24，具有對應繞射光柵22配置的複數通道；以及界面電路26，與受光元件24電氣連接，用以輸出檢出結果至處理裝置100。受光元件24，以線感應器或2次元感應器等構成，可以輸出每頻率成分的強度作為檢出結果。
圖3，係顯示本實施形態的光學測定系統1內包含的處理裝置100的構成例之模式圖。參照圖3，處理裝置100，包含處理器102、主記憶體104、輸入部106、顯示部108、儲存器110、通訊界面120、網路界面122以及媒體驅動器124。
處理器102，典型地，係CPU(中央處理單元)、GPC(圖形處理單元)等的運算處理部，讀出儲存器110內收納的1或複數程式至主記憶體104實行。主記憶體104，係DRAM(動態隨機存取記憶體)或SRAM(靜態隨機存取記憶體)等的揮發性記憶體，作用為處理器102用以實行程式的工作記憶體。
輸入部106，包含鍵盤、滑鼠等，接受來自使用者的操作。顯示部108，對使用者輸出處理器102的程式實行結果等
儲存器110，以硬碟、快閃記憶體等非揮發性記憶體構成，收納各種程式、資料。更具體地，儲存器110，保持作業系統112(OS：作業系統)、測量程式114、檢出結果116以及測量結果118。
作業系統112，提供處理器102實行程式的環境。測量程式114，藉由以處理器102實行，實現本實施形態的光學測定方法等。檢出結果116，包含從分光檢出器20輸出的資料。測量結果118，包含根據測量程式114的實行得到的測量結果。
通訊界面120，居間處理裝置100與分光檢出器20之間的資料傳送。網路界面122，居間處理裝置100與外部伺服裝置之間的資料傳送。
媒體驅動器124，從收納處理器102實行的程式等的記錄媒體126(例如，光碟等)讀出需要的資料，收納在儲存器110內。又，處理裝置100中實行的測量程式114等，經由記錄媒體126安裝也可以，經由網路界面122從伺服裝置下載也可以。
測量程式114，在提供作為一部分作業系統112的程式模組中，以既定排列以及既定定時叫出需要的模組實行處理也可以。這樣的情況下，關於不包含上述模組的測量程式114也包含在本發明的技術範圍內。測量程式114，編入其它程式的一部分提供也可以。
又，藉由處理裝置100的處理器102實行程式提供的全部或一部分機能以固線式邏輯電路(例如，FPGA(現場可程式化閘陣列)、ASIC(特殊應用積體電路)等實現也可以。
＜B. 概要＞ 本實施形態的光學測定系統1，係分光干擾式的光學測量裝置。光學測定系統1，對樣品2照射具有既定波長範圍的測量光，以分光檢出器20測量來自樣品2的反射光(反射干擾光)或透射光(透射干擾光)的光譜，透過解析上述光譜算出樣品2的膜厚。作為解析光譜的方法，典型地，例如根據擬合(fitting)解析的手法以及根據頻率解析的手法。
例如，光學測定系統1，在晶圓的製造步驟中，利用於膜厚的In-Situ(原位)測量等。研磨作為樣品的晶圓的同時，為了即時測量膜厚，必須以高速分光檢出器(圖3所示的分光檢出器20)測量樣品內部產生的光干擾。分光檢出器20的受光元件24中，例如採用256~2048通道的Si基光電元件(CCD、NMOS、 CMOS等)陣列狀配置的構成。
樣品膜厚變大時，樣品內部產生的干擾光譜成為秘密，因為形成1個干擾波形的資料點變少，想儘量增加通道數，但通道數增大有限制。因此，藉由縮小測量波長範圍增多每單位波長的通道數，實行設計以增加形成1個干擾波形的資料點。但是，測量波長範圍過窄時，因為限制膜厚的可測量範圍，所以縮小測量波長範圍也有限制。
上述通道數及測量波長範圍的限制下，本申請發明者們，想到用以提高以下說明的測量精度之各種改良。
圖4，係顯示本發明實施形態的光學測定系統1中膜厚測量的處理程序概要之流程圖。圖4所示的處理程序，假設對於同一樣品2實行複數次測量及/或對複數樣品2連續實行測量的情況。
參照圖4，處理裝置100，透過對於配置在測量位置的樣品2照射測量光取得產生的觀測光譜(步驟S2)。即，對樣品2照射來自光源10的測量光，實行取得從樣品2產生的反射光或透射光之觀測光譜的處理。
處理裝置100，對於取得的觀測光譜，實行如之後敘述的前處理，修整觀測光譜(步驟S4)。於是，處理裝置100，傅利葉轉換修整的觀測光譜算出功率譜(實測值)(步驟S6)，根據算出的功率譜中出現的轉折點(峰值)位置，決定之後敘述的擬合中使用的膜厚初始值(步驟S8)。這樣，根據傅利葉轉換觀測光譜得到的功率譜中出現的峰值位置，實行決定樣品2的膜厚初始值之處理。
接著，假設具有樣品2的構造之模型之後，利用擬合決定與測量的觀測光譜適合的模型參數。
更具體地，處理裝置100，定義包含樣品2的膜厚作為參數的模型(步驟S10)。處理裝置100，根據現在設定的膜厚，算出定義的模型之干擾光譜(步驟S12)。
處理裝置100，根據步驟S2中取得的觀測光譜與步驟S12中算出的干擾光譜之誤差，判斷擬合是否收斂(步驟S14)。
擬合未收斂時(步驟S14中NO)，處理裝置100，根據觀測光譜與干擾光譜的誤差，更新模型的參數(步驟S16)，重複步驟S12以下的處理。
另一方面，擬合收斂時(步驟S14中YES)，處理裝置100，決定對應現在模型參數的膜厚作為測量結果(步驟S18)。
接著，處理裝置100，判斷關於同一或同種類的樣品2的前次測量結果是否存在(步驟S20)。關於同一或同種類的樣品2的前次測量結果不存在的話(步驟S20中NO)，處理裝置100，跳過步驟S22及步驟S24的處理。
關於同一或同種類的樣品2的前次測量結果存在的話(步驟S20中YES)，處理裝置100，判斷這次測量結果是否滿足預定的正常測量條件(步驟S22)。
這次測量結果未滿足正常測量條件的話(步驟S22中NO)，處理裝置100實行有關測量異常的處理(步驟S24)。另一方面，這次測量結果滿足正常測量條件的話(步驟S22中YES)，處理裝置100跳過步驟S24的處理。
處理裝置100，判斷是否指示測量處理結束(步驟S26)。未指示測量處理結束的話(步驟S26中NO)，處理裝置100重複步驟S2以下的處理。
指示測量處理結束的話(步驟S26中YES)，處理裝置100結束測量處理。
根據如上述的處理程序，依序測量樣品2的膜厚。以下，說明有關圖4所示的處理程序內包含的幾個處理細節。
＜C. 前處理＞ 其次，說明關於修整圖4所示的處理程序中的觀測光譜之處理(步驟S4)。
因為光學測定系統1利用樣品2內部產生的光干擾，觀測光譜將包含周期成分。用以算出功率譜的傅利葉轉換，常利用離散傅利葉轉換(DFT)實施。數學傅利葉轉換，對於以無限長的波形為前提，離散傅利葉轉換中，以無限重複既定長度的波長(有限波長)為前提。
因此，處理對象的有限波長要成為本來波長具有的周期之整數倍(即，有限波長的起點與終點的相位相同時)，重複有限波長的波長，成為與本來波長實質上相同。另一方面，有限波長的起點與終點的相位不同時，不維持先行的有限波長與後續的有限波長之間的連續性。
圖5，係用以說明離散傅立葉轉換中產生的波形不連續圖。圖5(A)中，顯示算出對象的一波形例。圖5(A)所示的波形中，假設抽出任意區間。
圖5(B)中，顯示抽出的有限波形之起點與終點的相位相同的情況。在此情況下，藉由重複配置抽出的有限波形，可以再現與本來波形實質上相同的波形。
相對於此，圖5(C)中，顯示抽出的有限波形之起點與終點的相位不同的情況。在此情況下，藉由重複配置抽出的有限波形，再現與本來波形不同的波形。即，抽出圖5(C)所示的有限波形時，與對圖5(C)的一點鎖線所示的波形實行傅立葉轉換同樣的結果，輸出作為離散傅立葉轉換的結果。即，離散傅立葉轉換的算出結果將包含誤差。
於是，根據本實施形態的光學測定系統1，在觀測光內包含的波長範圍中，取得為了使兩端相位相同設定的波長區間之觀測光譜。典型地，修整分光檢出器20檢出的光譜成為使起點與終點的相位一致的觀測光譜。這樣取得的觀測光譜，在觀測光內包含的波長範圍中，相當於為了使兩端相位相同設定的波長區間之觀測光譜。
以下，說明關於用以取得使起點與終端的相位一致的觀測光譜的幾個方法。
(c1：觀測光譜的修整方法) 圖6，係用以說明本實施形態的光學測定系統1中觀測光譜的修整方法圖。圖6(A)中，顯示作為分光檢出器20的檢出結果之根據樣品2觀測的觀測光譜的一例。又，從分光檢出器20，每通道(即，每波長)將輸出觀測光強度。圖6(A)中，顯示內插每通道的強度之連續波形。
處理裝置100，為了使起點與終端的相位一致，從檢出結果的觀測光譜兩側搜尋特定的相位位置。使起點與終端一致的相位值哪個都可以，例如，根據觀測光譜中出現的轉折點，決定相位一致的位置也可以。
圖6(B)中顯示，根據觀測光譜中出現的谷值(波形往下凸的頂點)，決定抽出作為觀測光譜的區間之例。但是，使用觀測光譜中出現的峰值(波形往上凸的頂點)也可以，使用峰值與谷值的中間強度也可以。
通常，分光檢出器20，構成為輸出1024通道等適於離散傅利葉轉換之通道數強度作為檢出結果。但是，如圖6(B)所示，抽出一部分觀測光譜作為修整的觀測光譜時，成為比本來的通道數少通道數之光譜。於是，如圖6(C)所示，理想是以適於傅利葉轉換的通道數重新取樣抽出的觀測光譜。
如圖6所示，處理裝置100，作為修整處理，根據分光檢出器20的檢出結果，搜尋顯示相同相位的2個波長位置的同時，根據檢出結果中搜尋的2個波長位置間的資訊抽出觀測光譜。藉由實行這樣的修整處理，可以降低測量誤差。
圖7，係顯示修整圖4所示的觀測光譜的處理(步驟S4)中更詳細程序之流程圖。參照圖7，處理裝置100，內插分光檢出器20的檢出結果之每通道強度產生觀測光譜(步驟S41)。於是，處理裝置100，從產生的觀測光譜中最小的通道號碼側開始搜尋第1轉折點(步驟S42)，還有從產生的觀測光譜中最大的通道號碼側開始搜尋第2轉折點(步驟S43)。
又，步驟S42及步驟S43的實行順序不拘。還有，第1轉折點與第2轉折點，假設是相同種類的轉折點(峰值或谷值)。
處理裝置100，抽出第1轉折點到第2轉折點的區間的光譜(步驟S44)。還有，處理裝置100，以既定的通道數再取樣抽出的光譜，產生修整的觀測光譜(步驟S45)。
(c2：取得觀測光譜的其它構成) 圖6及圖7中，根據輸出預定波長範圍的光譜之分光檢出器20的檢出結果說明關於修整觀測光譜的例，但使用其它的光學系統，取得使起點與終端的相位一致的觀測光譜也可以。
圖8，係顯示本實施形態的光學測定系統1的變形例中使用的分光檢出器20A的概略構成之模式圖。參照圖8，分光檢出器20A，包含2個凹面鏡204及206、可旋轉構成的繞射光柵22、以及具有單一通道的受光元件28。
來自樣品2的光，通過分光檢出器20A的光學狹縫202後，依凹面鏡204、繞射光柵22以及凹面鏡206的順序傳播，通過光學狹縫208入射至受光元件28。
繞射光柵22，往按照波長的方向反射入射光。例如，對繞射光柵22入射的光包含波長f1、f2、f3的成分的話，波長f1、f2、f3分別的成分，往按照各波長的方向反射。最後，將由受光元件28只檢出形成通過光學狹縫208的光學路徑之成分(波長)。
分光檢出器20A中，繞射光柵22係可旋轉構成，對受光元件28入射的波長成分將依存於繞射光柵22的旋轉角度。即，藉由適當控制繞射光柵22的旋轉角度，依序變更對受光元件28入射的波長成分，即可以實現沿著波長的掃描。這樣，繞射光柵22，配置為可變更觀測光內包含的波長成分中入射受光元件28的波長成分。
例如，掃描觀測光譜過去，找到顯示特定相位的位置(例如，任何轉折點)，藉由設定這些位置中任意2點為起點及終點，可以決定成為離散傅利葉轉換對象的觀測光譜。
圖9，係本實施形態的光學測定系統1的變形例中用以取得觀測光譜的更詳細程序之流程圖。又，圖9所示的處理，代替取得圖4所示的觀測光譜的處理(步驟S2)以及修整觀測光譜的處理(步驟S4)實行。
參照圖9，處理裝置100，對分光檢出器20A，指示根據任意下限波長的掃描(步驟S21)，搜尋從分光檢出器20A輸出的檢出結果中轉折點產生的波長(步驟S22)。處理裝置100，決定搜尋得到的波長作為測量開始波長(步驟S23)。
又，處理裝置100，對分光檢出器20A，指示根據任意上限波長的掃描(步驟S24)，搜尋從分光檢出器20A輸出的檢出結果中轉折點產生的波長(步驟S25)。處理裝置100，決定搜尋得到的波長作為測量結束波長(步驟S26)。
於是，處理裝置100，對分光檢出器20A，指示從步驟S23中決定的測量開始波長到步驟S26中決定的測量結束波長為止的掃描(步驟S27)，對應依序輸出的檢出結果與波長，收納作為觀測光譜(步驟S28)。
這樣，採用圖8所示的分光檢出器20A時，處理裝置100，使入射分光檢出器20A的受光元件28之波長成分依序不同，搜尋顯示相同相位的2個波長位置，藉由入射上述搜尋的2個波長位置之間的波長成分至分光檢出器20A的受光元件28，取得觀測光譜。藉由利用這樣的觀測光譜，可以降低測量誤差。
(c3：測量結果例) 利用使上述起點與終點的相位相同的觀測光譜的情況下，說明關於一測量結果例。
圖10，係顯示本實施形態的光學測定系統1中根據測量的觀測光譜算出的一功率譜例之圖。圖11，係放大圖10所示的注目區域之圖。
參照圖10，功率譜中，橫軸表示樣品2的膜厚，縱軸表示功率。功率譜中，相當於測量對象的樣品2之膜厚的位置產生峰值(轉折點)。透過功率譜的搜尋或者與根據模型算出的功率譜(理論值)的擬合，藉由決定峰值位置，可以算出樣品2的膜厚。
根據傅利葉轉換算出的功率譜在橫軸的解析度(膜厚間距)，依存於分光檢出器20的受光元件24內入射的波長範圍以及分光檢出器20的通道數(波長解析度)決定。通常，功率譜的解析度，因為對於要求的測量精度不夠，如圖11所示，實行以多項式等內插(interposition)功率譜在峰值近旁的資料點之處理。
參照圖11，不實行前處理時，構成功率譜的資料點(□點)不限於存在於本來的峰值位置，也可能位於其近旁。即使內插這樣的資料點分布，也留下關於峰值位置的不確定性。
相對於此，藉由實行前處理，構成功率譜的資料點(◊點)，將存在於本來峰值位置。藉由得到這樣的資料點分布，透過內插處理，可以提高功率譜的解析度。
＜D. 擬合＞ 其次，說明圖4所示的處理程序中的擬合(步驟S10~S18)。擬合中，為了使根據包含膜厚作為參數的樣品2的模型算出的干擾光譜與觀測光譜一致，藉由更新模型的參數，決定樣品2的膜厚。
更具體地，假設具有膜厚d1 以及已知的光學常數(折射率n1 與消耗係數k1 )之模型，算出干擾光譜。以下，說明關於反射光觀測系統得到的反射率干擾譜，但關於透射光觀測系統得到的透射率干擾譜也可以以同樣的程序算出。
首先，假設空氣(複數折射率N0 )中配置樣品(複數折射率N1 )的狀態。複數折射率N0 以及複數折射率N1 ，可以如以下(1－1)以及(1－2)所示。
Figure 02_image001
在此，N0 (＝1)是空氣的折射率，N1 是樣品的折射率，k1 是樣品的消耗係數，j是虛數單位。
考慮樣品內部的多重反射，導入樣品中產生的反射光(空氣→樣品→空氣)的振幅反射率r01 與相位因子β1 。
關於振幅反射率r01 ，從Fresnel(菲涅耳)係數，算出s偏光的振幅反射率及p偏光的振幅反射率。測量光對樣品垂直入射時，因為s偏光與p偏光的差異消失，都可以處理作為相同的振幅反射率r01 。
在此，假設樣品的光學常數時，與折射率n1 比較，消耗係數k1 夠小(n1 ＞＞k1 ：例如，n1 ≒3~4、k1 ≒10-5 ～10-4 )。因此，近似消耗係數k1 ≒0時，可以得到以下(2)式的近似式。此時，振幅反射率r01 以及相位因子β1 都為實數。(2)式中的強度反射率R成為反射率干擾光譜。
Figure 02_image003
這樣，樣品的模型，採用包含膜厚以及光學常數的數式，模擬樣品內部產生的光干擾。
關於強度反射率R，引起樣品表面上的反射光與樣品內面中的反射光互相弱化的干擾之條件，可以如以下(3)式所示。
Figure 02_image005
在此，2m＋1是干擾次數，m是干擾指數(m＝1、2、3…)，n1 (λ)顯示樣品的折射率n1 具有關於波長λ的波長依存性。
相位因子β1 ，包含樣品膜厚d1 作為變數，擬合中，設定樣品膜厚d1 為初始值(在圖4的步驟S8中決定)後，為了使算出的強度反射率R(反射率干擾光譜)與測量的觀測光譜一致，依序改變膜厚d1 。例如，作為擬合的手法，採用最小平方法時，為了最小化強度反射率R與觀測光譜之間的誤差(例如，殘餘平方法)，依序改變膜厚d1 。
但是，擬合中，干擾次數指數m也能成為變動參數。
＜E. 測量結果例＞ 其次，說明關於根據本實施形態的光學測定系統1的一測量結果例。作為一樣品例，非平行配置2片玻璃，關於傾斜改變玻璃板間空隙的虛擬樣品實行測量。
圖12，係顯示不實行前處理時的一測量結果例之圖。圖13，係顯示實行前處理時的一測量結果例之圖。
圖12(A)以及圖13(A)中，顯示虛擬樣品50的一剖面構造例。虛擬樣品50，包含配置在上側的玻璃板51以及配置在下側的玻璃板52。玻璃板51與玻璃板52之間，將存在空隙53，光學測定系統1將測量空隙53的膜厚。圖12(B)及圖13(B)所示的測量結果例中，顯示沿著紙面橫方向測量200點膜厚得到的面內分布(膜厚輪廓)。
圖12(B)所示的測量結果中，看出本來應直線變化的膜厚輪廓產生起伏。此膜厚輪廓中產生的起伏，起因於對於要求功率譜解析度的測量精度不足。如上述圖11所示，不實行前處理的情況下，資料點不限於存在於功率譜的峰值位置上(□點)。峰值位置不存在資料點的情況下，不能正確再現功率譜波形，從功率譜讀取峰值位置的精度下降。又，讀取的峰值位置將偏移。
相對於此，圖13(B)所示的測量結果中，出現直線變化的膜厚輪廓。藉由利用前處理修整觀測光譜，資料點(◊點)會存在於功率譜的峰值位置上。藉此，關於峰值位置，可以更正確再現功率譜波形，可以提高從功率譜讀取的峰值位置的讀取精度。
又，本實施形態的光學測定系統1，不是原封不動地以根據從功率譜讀取的峰值位置決定的膜厚作為測量值，藉由進一步應用擬合，可以更提高測量精度。又，由於從功率譜讀取的峰值位置偏移，擬合中有可能決定錯誤的干擾次數。藉由實行如上述的前處理，可以降低錯誤決定如此的干擾次數的可能性。
＜F. 正常測量條件＞ 其次，說明關於圖4所示的處理程序中正常測量條件的監視(步驟S22~S24)。關於正常測量條件的監視，實行判斷擬合決定的膜厚是否滿足根據先取得的膜厚之正常測量條件的處理。
如上述，決定擬合的樣品2膜厚的處理中，有可能決定錯誤的干擾次數。在此情況下，對於本來的膜厚，能夠決定脫離預定大小的誤差之值作為測量結果。於是，連續的測量中，根據先前的測量結果，可以判斷是否正常測量。
於是，藉由採用根據先取得的測量結果之正常測量條件，錯誤測量(錯誤判斷為擬合收斂)的檢出以及其補正也成為可能。
圖14，係用以說明關於本實施形態的光學測定系統1之正常測量條件的處理圖。假設對於同一樣品2的複數次測量，或者，同一種類的樣品2的連續測量。這樣的測量中，預定輸出大致相同的測量結果。
但是，如圖14所示，也有可能發生錯誤測量。採用本實施形態的光學測定系統1的光學測量方法中，因為具有產生干擾次數偏離引起的離散誤差之特徵，關於此離散誤差，根據先前的測量結果，可以檢出。於是，作為正常測量條件，對於從同一或其它樣品先取得的膜厚，包含這次決定的膜厚誤差在預定範圍內也可以。
又，錯誤測量發生時，再次實行擬合也可以，但因為發生的誤差大小可以預先算出，事後補正也可以。
圖15，係顯示本實施形態的光學測定系統1中用以設定正常測量條件的一界面畫面300例之模式圖。參照圖15，界面畫面300，包含有效化開關302、補正量設定欄304、判定變化量設定欄306、判定上下限量設定欄308。
有效化開關302，接受根據正常測量條件的判斷有效化/無效化設定。補正量設定欄304，接受判斷錯誤測量發生時的補正量設定。判定變化量設定欄306，接受用以判斷錯誤測量發生的第1臨界值設定。判定上下限量設定欄308，接受用以判斷不是錯誤測量而是測量本身有一些問題的第2臨界值設定。
圖16，係顯示關於圖4所示的正常測量條件之處理(步驟S22及S24)中更詳細程序之流程圖。
參照圖16，處理裝置100，算出這次測量結果與預先設定的基準值的誤差(步驟S221)。處理裝置100，判斷算出的誤差絕對值是否超過判定上下限量設定欄308(參照圖15)設定的第2臨界值(步驟S222)。算出的誤差絕對值超過第2臨界值的話(步驟S222中YES)，處理裝置100，判斷測量本身異常(步驟S223)。於是，處理裝置100，對這次測量結果附加與測量異常的資訊(步驟S241)。
另一方面，算出的誤差絕對值未超過第2臨界值的話(步驟S222中NO)，處理裝置100，判斷算出的誤差絕對值是否超過判定變化量設定欄306(參照圖15)設定的第1臨界值(步驟S224)。算出的誤差絕對值超過第1臨界值的話(步驟S224中YES)，處理裝置100，判斷發生錯誤測量(步驟S225)。於是，處理裝置100，根據算出的誤差方向(正方向或負方向)，將測量結果減去或加上補正量設定欄304(參照圖15)設定的補正量，算出補正後的測量結果(步驟S242)。這樣，判斷根據擬合決定的膜厚未滿足正常條件時，實行補正上述決定的膜厚之處理也可以。
算出的誤差絕對值未超過第1臨界值的話(步驟S224中NO)，處理裝置100，判斷未發生錯誤測量(步驟S226)。在此情況下，不實行任何處理也可以。但是，對這次測量結果附加與測量正常的資訊也可以。
又，預先設定的基準值，原封不動利用前次測量結果也可以，利用根據正常測量的過去複數測量結果算出的平均值也可以。或者，採用樣品的事前設計值也可以。
又，補正量設定欄304設定的補正量，根據作為擬合中使用的初始值決定的膜厚預先設定也可以。或者，設定錯誤測量發生之際發生的誤差平均值為補正量也可以。
又，考慮干擾次數不是只偏離1次，而是偏離2以上的可能性時，根據算出的誤差大小，將測量結果減去或加上補正量設定欄304設定的補正量整數倍，算出補正後的測量結果也可以。
又，上述處理程序中，作為關於測量異常的處理(步驟S24)，例示補正測量結果的處理，但不限於此，包含通知或記錄發生錯誤測量的處理也可以。即，判斷擬合決定的膜厚未滿足正常測量條件時，實行通知未滿足正常測量條件的處理也可以。
又，作為關於測量異常的處理(步驟S24)，不是補正測量結果，而是再次實行擬合也可以。
根據以上的處理，即使發生錯誤測量的情況下，也可以適當發現及補正。
＜G. 機能構成＞ 圖17，係顯示本實施形態的光學測定系統1提供的一機能構成例之模式圖。圖17所示的各機能，典型地，以光學測定系統1中處理裝置100的處理器102實行測量程式114實現也可以。又，實現圖17所示的機能構成之硬體根據各時代選擇適當的硬體。
參照圖17，處理裝置100，作為機能構成，包含光譜取得模組150、傅利葉轉換模組160、初始值決定模組162、擬合模組164、判斷模組166、補正模組168以及通知模組170。
光譜取得模組150，取得對樣品照射測量光產生的觀測光(反射光或透射光)的光譜。光譜取得模組150，在觀測光內包含的波長範圍中，輸出為了使兩端相位相同設定的波長區間作為觀測光譜。
更具體地，光譜取得模組150，包含緩衝器152、前處理模組154、分光檢出器控制模組156。緩衝器152，收納分光檢出器20的檢出結果。前處理模組154，根據緩衝器152內收納的分光檢出器20的檢出結果(分光檢出器20中波長範圍的光譜)，搜尋顯示相同相位的2個波長位置的同時，根據檢出結果中搜尋的2個波長位置間的資訊抽出觀測光譜。
分光檢出器控制模組156，根據需要，對分光檢出器20發出指示。例如，採用圖8所示的分光檢出器20A時，為了取得修整的觀測光譜，分光檢出器控制模組156對分光檢出器20A發出關於作為檢出對象的波長的指示等。更具體地，分光檢出器控制模組156，使分光檢出器20A的受光元件28內入射的波長成分依序不同，搜尋顯示相同相位的2個波長位置，藉由使上述搜尋的2個波長位置間的波長成分依序入射至分光檢出器20A的受光元件28，取得觀測光譜。
傅利葉轉換模組160，傅利葉轉換光譜取得模組150取得的觀測光譜算出觀測光譜。初始值決定模組162，根據傅利葉轉換模組160算出的功率譜中出現的峰值位置決定樣品的膜厚初始值。
擬合模組164，根據對於光譜取得模組150取得的觀測光譜的擬合，決定樣品膜厚。更具體地，擬合模組164，為了使根據包含膜厚作為參數的樣品模型算出的干擾光譜以及觀測光譜一致，藉由更新模型的參數，決定樣品的膜厚。
判斷模組166，判斷擬合模組164決定的膜厚是否滿足根據先取得的測量結果的正常測量條件。
補正模組168，判斷擬合模組164決定的膜厚未滿足正常測量條件時，補正上述決定的膜厚。
通知模組170，判斷擬合模組164決定的膜厚未滿足正常測量條件時，通知未滿足正常測量條件。
＜H. 變形例＞ 上述說明中，傅利葉轉換修整的觀測光譜算出的功率譜(實測值)，係顯示用於決定後續的擬合中使用的膜厚初期值之例，但原封不動輸出根據功率譜(實測值)決定的膜厚作為測量結果也可以。在此情況下，修整成使起點與終點的相位一致的觀測光譜的處理，也對提高測量精度有效。
又，上述說明中，說明關於光學測定系統1的處理裝置100實行必要處理之構成例，但不限於此，例如，以複數處理裝置分擔處理也可以，分光檢出器20擔當一部分處理也可以。還有，未圖示的網路上的計算資源(所謂的雲端)擔當全部或一部分必要處理也可以。
＜I. 歸納＞ 本實施形態的光學測量裝置中，根據傅利葉轉換從樣品取得的觀測光譜算出的功率譜決定膜厚初始值的同時，使用上述決定的膜厚初始值，藉由擬合觀測光譜與根據樣品模型算出的干擾光譜，決定樣品的膜厚。藉由採用統合使用這樣的傅利葉轉換的方法與使用擬合的方法之測量方法，利用各個方法的優點，可以提高膜厚的測量精度。
根據本實施形態的光學測量裝置中，使用為了使兩端相位相同設定的波長區間的觀測光譜(修整的觀測光譜)，藉由實行用以算出膜厚的處理，可以提高膜厚的測量精度。又，也假設使用窗函數等使解析範圍兩端的振幅成為零的方法，但由於使用窗函數等反而有可能發生誤差。相對於此，本實施形態中為了使兩端相位相同藉由採用抽出特定波長區間的方法，可以防止由於利用窗涵數發生的誤差。
根據本實施形態的光學測量裝置中，藉由擬合觀測光譜與根據樣品模型算出的干擾光譜，決定樣品的膜厚，但干擾次數變大時，可能以錯誤干擾次數判斷擬合收斂。根據本實施形態的光學測量裝置中，由於使用修整的觀測光譜，因為可以提高擬合中使用的膜厚初始值決定值，可以降低以錯誤干擾次數判斷擬合收斂的可能性。
根據本實施形態的光學測量裝置中，判斷算出的膜厚是否滿足正常測量條件，判斷未滿足正常測量條件時，根據需要，補正測量的膜厚。由於採用關於這樣的正常測量條件的判斷處理以及關於膜厚的補正處理，萬一，即使以錯誤的干擾次數判斷擬合收斂的情況，其檢測及補正也是可能的。
雖然說明關於本發明實施形態，但應認為這次揭露的實施形態以全部的點例示並非限制。本發明範圍以申請範圍表示，打算包含與請求範圍均等的意義及範圍內的全部變更。
1:光學測定系統 2:樣品 4:Y型光纖 10:光源 20,20A:分光檢出器 22:繞射光柵 24:受光元件 26:界面電路 28:受光元件 50:虛擬樣品 51,52:玻璃板 53:空隙 100:處理裝置 102:處理器 104:主記憶體 106:輸入部 108:顯示部 110:儲存器 112:作業系統 114:測量程式 116:檢出結果 118:測量結果 120:通訊界面 122:網路界面 124:媒體驅動器 126:記錄媒體 150:光譜取得模組 152:緩衝器 154:前處理模組 156:分光檢出器控制模組 160:傅利葉轉換模組 162:初始值決定模組 164:擬合模組 166:判斷模組 168:補正模組 170:通知模組 202:光學狹縫 204,206:凹面鏡 208:光學狹縫 300:界面畫面 302:有效化開關 304:補正量設定欄 306:判定變化量設定欄 308:判定上下限量設定欄
[圖1] 係顯示本實施形態的光學測定系統構成例之模式圖； [圖2] 係顯示本實施形態的光學測定系統中使用的分光檢出器概略構成之模式圖； [圖3] 係顯示本實施形態的光學測定系統內包含的處理裝置構成例之模式圖； [圖4] 係顯示本發明實施形態的光學測定系統中膜厚測量的處理程序概要之流程圖； [圖5] 係用以說明離散傅立葉轉換中產生的波形不連續圖； [圖6] 係用以說明本實施形態的光學測定系統中觀測光譜的修整方法圖； [圖7] 係顯示修整圖4所示的觀測光譜的處理(步驟S4)中更詳細程序之流程圖； [圖8] 係顯示本實施形態的光學測定系統變形例中使用的分光檢出器概略構成之模式圖； [圖9] 係本實施形態的光學測定系統變形例中用以取得觀測光譜的更詳細程序之流程圖； [圖10] 係顯示本實施形態的光學測定系統中根據測量的觀測光譜算出的一功率譜例之圖； [圖11] 係放大圖10所示的注目區域之圖； [圖12] 係顯示不實行前處理時的一測量結果例之圖； [圖13] 係顯示實行前處理時的一測量結果例之圖； [圖14] 係用以說明關於本實施形態的光學測定系統之正常測量條件的處理圖； [圖15] 係顯示本實施形態的光學測定系統中用以設定正常測量條件的一界面畫面例之模式圖； [圖16] 係顯示關於圖4所示的正常測量條件之處理(步驟S22及S24)中更詳細程序之流程圖；以及 [圖17] 係顯示本實施形態的光學測定系統提供的一機能構成例之模式圖。
S2~S26:步驟

Claims (8)

  1. 一種光學測定系統，包括： 光源，產生測量光； 受光部，接收對樣品照射上述測量光產生的反射光或透射光作為觀測光； 取得手段，在上述觀測光內包含的波長範圍中，取得為了使兩端相位相同設定的波長區間的觀測光譜； 初始值決定手段，根據傅利葉轉換上述觀測光譜得到的功率譜中出現的峰值位置，決定上述樣品的膜厚初始值； 擬合手段，為了使根據包含膜厚作為參數的上述樣品模型算出的干擾光譜與上述觀測光譜一致，藉由更新上述模型的參數，決定上述樣品的膜厚；以及 判斷手段，判斷上述決定的膜厚是否滿足根據先取得的膜厚的條件。
  2. 如請求項1所述之光學測定系統，其中， 上述受光部，包含分光檢出器，關於既定波長範圍，輸出每上述觀測光波長強度； 上述取得手段，根據上述受光部的檢出結果，搜尋顯示相同相位的2個波長位置的同時，根據上述檢出結果中搜尋的2個波長位置之間的資訊抽出上述觀測光譜。
  3. 如請求項1所述之光學測定系統，其中， 上述受光部，包含：受光元件；以及繞射光柵，配置可變更上述觀測光內包含的波長成分中入射上述受光元件的波長成分； 上述取得手段，使上述受光部的受光元件內入射的波長成分依序不同，搜尋顯示相同相位的2個波長位置，藉由依序入射上述搜尋的2個波長位置之間的波長成分至上述受光部的受光元件，取得上述觀測光譜。
  4. 如請求項1～3中任一項所述之光學測定系統，其中， 上述條件，包含對於從相同或其它樣品先取得的膜厚這次決定的膜厚誤差在預定範圍內。
  5. 如請求項1～3中任一項所述之光學測定系統，其中， 上述樣品的模型，係模擬上述樣品內部產生的光干擾之包含膜厚及光學常數的數式。
  6. 如請求項1～3中任一項所述之光學測定系統，更包括： 補正手段，判斷上述決定的膜厚未滿足上述條件時，補正上述決定的膜厚。
  7. 如請求項1～3中任一項所述之光學測定系統，更包括： 通知手段，判斷上述決定的膜厚未滿足上述條件時，通知未滿足上述條件。
  8. 一種光學測定方法，包括： 對樣品照射來自光源的測量光，取得上述樣品產生的反射光或透射光之觀測光的光譜之步驟，上述觀測光的光譜，係在上述觀測光內包含的波長範圍中，為了使兩端相位相同設定的波長區間的光譜； 根據傅利葉轉換上述觀測光的光譜得到的功率譜中出現的峰值位置，決定上述樣品的膜厚初始值之步驟； 為了使根據包含膜厚作為參數的上述樣品模型算出的干擾光譜與上述觀測光譜一致，藉由更新模型的參數，決定上述樣品的膜厚之步驟；以及 判斷上述決定的膜厚是否滿足根據先取得的膜厚的條件之步驟。
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