TWI486548B - Film thickness measuring device and method for measuring film thickness - Google Patents

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TWI486548B
TWI486548B TW099125510A TW99125510A TWI486548B TW I486548 B TWI486548 B TW I486548B TW 099125510 A TW099125510 A TW 099125510A TW 99125510 A TW99125510 A TW 99125510A TW I486548 B TWI486548 B TW I486548B
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Kenichi Ohtsuka
Tetsuhisa Nakano
Motoyuki Watanabe
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

膜厚測定裝置及膜厚測定方法
本發明係關於一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之膜厚測定裝置、以及膜厚測定方法。
於半導體製造製程中，例如於蝕刻處理之執行過程中，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。於此種半導體製程中，為進行處理之終點檢測等之製程控制，必需進行半導體膜之膜厚之時間變化的現場(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光程長度差會發生變化。因此，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：日本專利特開昭63-50703號公報
專利文獻2：日本專利第3491337號公報
於對膜厚d、折射率n之薄膜照射波長為λ之光之情形時，干涉光強度I係由以下之式(1)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]
如由式(1)所表明，若膜厚d發生變化，則干涉光強度I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，作為測定膜厚d之其他方式，可考慮如下方式：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，從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測定中，必需於溫度或壓力大幅變動之成膜腔室內設置參照樣品，從而其操作變得困難。
再者，於專利文獻1中所記載之裝置中，未考慮明線光譜這一光源之光譜特性，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，即由於使用參照光學系統(參照用樣品)進行測定，因此如上所述般於半導體製程中其操作變得困難。
本發明係鑒於上述問題開發而成者，其目的在於提供一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。
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。
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1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長(或者相當於該波長間隔之數值)，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相對變化量，亦可高精度地測定該膜厚之變化量。
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相對變化量，亦可高精度地測定該膜厚之變化量。
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，於圖式之說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，對本發明之膜厚測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1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，揭示有形成於基板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蝕刻處理。於成膜處理中，伴隨著處理之行進，半導體膜15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1面)16側，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L0。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15之邊界面)17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15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L1~LM所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L0所包含之某波長設為λ，則反射光L1~LM相互干涉而生成之干涉光之強度I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L2相互干涉而生成之光譜。
[數2]
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I之時間變化之一例的圖表。於圖2中，可藉由對干涉光強度I之峰值(波峰或波谷)進行計數，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Δt1 相當於膜厚d變化僅Δd=λ/2n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d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Δt1 )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譜波形，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。
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，亦包含測定光L0中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(或者蝕刻速度)r與時間t，設在半導體製程中經處理之膜厚d=rt，則干涉光強度I可根據上式(2)表示如下。
[數3]
繼而，若對式(3)進行時間微分，則成為以下之式。
[數4]
藉此成為(dI/dt)=0之波長λ可表示如下。
[數5]
於上式(5)中，當m為奇數時，反射光L1~LM(特別是L1~L2)相互減弱，當m為偶數時，反射光L1~LM(特別是L1~L2)相互增強。即，當m為奇數時，成為表示干涉光強度I之峰值(波谷)波長之條件式，當m為偶數時，成為表示干涉光強度I之峰值(波峰)波長之條件式。亦即，干涉光強度I之時間微分(dI/dt)成為零之波長λ係表示干涉光光譜之峰值波長。
由此可認為，藉由求出於第1時刻T1 =t所檢測出之輸出光之第1光譜波形I(t,λ)與於不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 =t+Δt所檢測出之輸出光之第2光譜波形I(t+Δt,λ)的差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)成為零之波長λ(以下，稱為零交叉波長)，可獲得干涉光光譜之峰值波長。
圖4係表示設t=171[秒]、Δt=5[秒]之情形時之差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)之一例的圖。如圖4所示，於第2時刻T2 之輸出光光譜中所存在之峰值係顯現為正的峰值，於第1時刻T1 之輸出光光譜中所存在之峰值係顯現為負的峰值。而且，測定光L0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，因此於差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)中被去除。於該圖4中，由於Δt小至5[秒]，因此可將差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)成為零之波長(圖中之零交叉波長λA )視為干涉光光譜之峰值波長。再者，若Δt為10[秒]以下，則可如上所述將差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)成為零之波長(圖中之零交叉波長λA )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I(t+Δt,λ)-I(t,λ)之大小因波長而差異較大。於此種情形時，可使用將第1光譜波形I(t,λ)與第2光譜波形I(t+Δt,λ)重疊而成之波形I(t,λ)+I(t+Δt,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)而正規化之差分成為零的波長作為干涉光強度I之峰值波長而求出。
[數6]
再者，圖5係藉由上式(6)將圖4所示之差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)正規化之圖表。於該圖5中，可將經正規化之差分成為零之波長(圖中之零交叉波長λA )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，則干涉光光譜之峰值波長發生變化。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(零交叉波長)之移動量，可知膜厚d之變化量。
圖1所示之反射光L1~LM(特別是L1~L2)彼此增強之條件可由以下之式(7)表示。
[數7]
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]
因此可知，當峰值波長λ變化1[nm]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λ1 、λ2 (λ1 >λ2 )，則可表示為如下之式。
[數9]
若考慮於峰值波長λ1 、λ2 下折射率之波長分散之影響較小而視為n1 =n2 ，則可根據上式(9)，藉由以下之式(10)求出m。
[數10]
若將干涉光強度I之峰值波長(零交叉波長)之移動量設為X，則膜厚d之變化量Δd可藉由以下之式(11)而求出。
[數11]
根據以上所述，藉由預先設定測定波長λ、於波長λ下之半導體膜15之折射率n、作為製程結束條件之膜厚變化量Δdf 並監視零交叉波長之時間變化，可利用作為目標之膜厚變化量Δdf 使製程(成膜處理或蝕刻處理)結束。再者，式(11)中之峰值波長λ1 、λ2 係作為與所設定之測定波長λ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300~900[nm]下之經正規化之差分光譜波形S1及S2。差分光譜波形S1係時刻T1 =171[秒]時之差分光譜波形。差分光譜波形S2係時刻T1 =201[秒]時之差分光譜波形。再者，求出差分光譜波形S1及S2時之Δt(=T2 -T1 )均為5[秒]。
圖中之零交叉波長λA11 係差分光譜波形S1中之複數個零交叉波長中之1個。於本例中，零交叉波長λA11 =525.02[nm]。又，圖中之零交叉波長λA12 係差分光譜波形S1中之複數個零交叉波長中，與零交叉波長λA11 相鄰之零交叉波長。於本例中，零交叉波長λA12 =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交叉波長。其原因在於，以差分光譜波形S1相同之傾向而與零軸交叉之波長均為干涉光相互增強(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(10)求出m。
[數12]
又，於30秒後之差分光譜波形S2中，與差分光譜波形S1之零交叉波長λA11 相對應之零交叉波長λA21 朝短波長側變化至475.52[nm]為止。藉此，可求出膜厚d之變化量Δd。
[數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Δd，可於半導體膜15成為特定膜厚之時間點適當地停止該製程。再者，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。如該圖所示，可於到達特定之膜厚d=100[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500[nm]附近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400[nm]、600[nm]及800[nm]之情形時以固定速度增加的膜厚之測定結果之圖表。若參照圖8，則於測定波長為400[nm]之情形時，膜厚之變化率產生有偏差。與此相對，於800[nm]之情形時，可知膜厚之變化率成為大致固定，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。可認為其原因在於，測定波長越長，相對於膜厚變化之干涉峰值(零交叉波長)之變化量越大。
其次，說明可適當地實現上述測定方法之膜厚測定裝置之構成。圖11係表示膜厚測定裝置之一實施形態之構成的方塊圖。於本實施形態中，表示有將設置於半導體處理裝置(例如蝕刻裝置)20之處理腔室內之試樣10的半導體膜15(參照圖1)作為測定對象物之例。膜厚測定裝置1A包括測定光學系統21、測定光源28、分光光學系統30、光檢測器31、以及膜厚分析部40。
針對處理裝置20內之試樣10之半導體膜15，設置有經由測定光學系統21供給測定光L0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L0供給至測定對象物之半導體膜15。作為此種測定光源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L0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(零交叉波長)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20[nm]以上。
又，針對測定光L0經試樣10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21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。於本構成例中，對於包含與試樣10對向配置之物鏡211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10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10之反射光(輸出光)引導至分光光學系統30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被供給至試樣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30係對自試樣10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30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柵303、以及聚焦光學系統304。於此種構成中，藉由繞射光柵303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15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30配置於其輸出面305，且排列有檢測藉由分光光學系統30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31所輸出之檢測信號被提供至膜厚分析部40。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1時刻T1 =t所檢測出之輸出光之第1光譜波形I(t,λ)與於不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 =t+Δt所檢測出之輸出光之第2光譜波形I(t+Δt,λ)的差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)，更佳為將該差分正規化，求出其零交叉波長，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之時間變化。膜厚分析部40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40可包含例如執行有特定之分析程式之電腦。
又，於圖11所示之膜厚測定裝置1A中，除上述膜厚分析部40以外，設置有測定控制部50。測定控制部50參照自膜厚分析部40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之裝置各部分，藉此對測定裝置1A中之膜厚測定動作、以及處理裝置20中之蝕刻處理等之動作進行必要之控制。
又，於該測定控制部50連接有輸入裝置51及顯示裝置52。輸入裝置51係用於測定裝置1A中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行之輸入。該輸入裝置51例如可用於膜厚分析部40中所使用之測定波長、半導體膜15之折射率、製程之目標膜厚等的輸入。又，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40中預先準備該等條件、數值之構成。又，顯示裝置52係用於向操作者顯示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測定裝置1A中，對於測定光學系統21，設置有XYθ平台22。該XYθ平台22係用以藉由在X方向、Y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1A之於半導體膜15上之膜厚d之測定位置、測定條件。又，XYθ平台22係藉由平台控制部23而驅動控制。
又，針對處理裝置20內之試樣10以及測定光學系統21，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10的圖像，設定針對試樣10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。本構成例之測定位置設定部25包括測定圖像識別部251、基準圖像儲存部252、圖像比較部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24而獲得之試樣10之圖像資料，並進行該圖像中之測定圖案之圖案識別。又，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膜15上之膜厚d之測定位置的位置之基準圖像。
圖像比較部253係藉由計算差分圖像等方法，對由識別部251所識別之測定圖像中之測定圖案與由儲存部252所儲存之基準圖像中之基準圖案進行比較。又，控制條件計算部254係根據圖像比較部253中之測定圖像與基準圖像之比較結果，算出是否需要調整測定位置，以及於需要進行調整之情形時算出其控制條件。繼而，根據藉由該計算部254所求出之控制條件，經由平台控制部23驅動控制XYθ平台22、測定光學系統21，藉此設定、控制針對試樣10之半導體膜15之膜厚d的測定位置、測定條件。
再者，關於此種針對試樣10之半導體膜15之膜厚d的測定位置，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30及光檢測器31對包含來自上表面16及下表面17之反射光L1~LM之輸出光進行分解、檢測。繼而，根據於彼此不同之時刻T1 =t、T2 =t+Δt所檢測出之輸出光的各光譜波形I(t,λ)、I(t+Δt,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。
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峰值以及干涉光。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，因此於不同時刻之輸出光之各光譜波形I(t,λ)、I(t+Δt,λ)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)、I(t+Δt,λ)，可消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1A及膜厚測定方法，即便為如不滿干涉光強度I之峰值之重複週期Δt1 (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，如本實施形態般，膜厚測定裝置1A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1光譜波形I(t,λ)與第2光譜波形I(t+Δt,λ)之差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)，並將該差分成為零之波長λA 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28所產生之明線光譜等的不需要之峰值之中心波長均不變，因此第1及第2光譜波形I(t,λ)、I(t+Δt,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+Δt,λ)-I(t,λ)，可有效地排除其影響。又，上述差分成為零之零交叉波長λA 係位於波形I(t,λ)、I(t+Δt,λ)中相互對應之峰值波長之間，於Δt不長之情形時，可將該零交叉波長λA 視為干涉光之峰值波長。因此，可根據該零交叉波長λA 之變化量(例如圖6所示之λA21 -λA11 )，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+Δt,λ)-I(t,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1光譜波形I(t,λ)與第2光譜波形I(t+Δt,λ)重疊而成之波形I(t,λ)+I(t+Δt,λ)使差分正規化(參照上式(6))後，求出峰值波長。藉此，即使在由於如圖4所示測定光L0之強度因波長而不同，而使得差分I(t+Δt,λ)-I(t,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I(t+Δt,λ)-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實施形態。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)中之處理內容。即，於本實施形態中，雖於如下方面與第1實施形態相同，即於膜厚分析機構(膜厚分析步驟)中，在彼此不同之兩個以上之時刻檢測輸出光，並根據該等輸出光之各光譜波形求出干涉光強度I成為極大或極小之峰值波長，但其具體方法不同。再者，膜厚分析機構(膜厚分析步驟)以外之裝置構成及步驟與第1實施形態相同。
於本實施形態中，係藉由求出於第1時刻T1 =t所檢測出之輸出光之第1光譜波形I(t,λ)與於不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 =t+Δt所檢測出之輸出光之第2光譜波形I(t+Δt,λ)的比I(t+Δt,λ)/I(t,λ)成為1之波長λ，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1之情形時，即指第1及第2光譜波形變得相同之情形時，由於與第1實施形態中差分I(t+Δt,λ)-I(t,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]、Δt=5[秒]之情形時之比I(t+Δt,λ)/I(t,λ)之一例的圖。於圖16中，測定光L0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Δt小至5[秒]，因此可將比I(t+Δt,λ)/I(t,λ)成為1之波長(圖中之波長λC )視為干涉光光譜之峰值波長。再者，若Δt為10[秒]以下，則可如上所述將比I(t+Δt,λ)/I(t,λ)成為1之波長λC 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。
於本實施形態中，亦根據在彼此不同之時刻T1 =t、T2 =t+Δt所檢測出之輸出光的各光譜波形I(t,λ)、I(t+Δt,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波長，故即便為如不滿干涉光強度I之峰值之重複週期Δt1 (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1光譜波形I(t,λ)與第2光譜波形I(t+Δt,λ)之比I(t+Δt,λ)/I(t,λ)，並將該比成為1之波長λc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+Δt,λ)/I(t,λ)，可有效地排除其影響。又，上述比成為1之波長λc位於波形I(t,λ)、I(t+Δt,λ)中相互對應之峰值波長之間，於Δt不長之情形時，可將該波長λc視為干涉光之峰值波長。因此，可根據該波長λc之變化量，高精度地求出半導體膜15之膜厚d之時間變化。
(第3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3實施形態。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)中之處理內容。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為固定時，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，半導體膜15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，因此根據該重複數之變化，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I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，對在第1時刻T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(t,λ)進行將波長作為獨立變數的傅裏葉變換(較佳為高速傅裏葉變換)，從而獲得第1傅裏葉變換波形F{I(t,λ)}。同樣地，亦對在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(t+Δt,λ)進行將波長作為變數的傅裏葉變換，從而獲得第2傅裏葉變換波形F{I(t+Δt,λ)}。
圖17係表示各傅裏葉變換波形之一例之圖表，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+Δt,λ)}。又，圖17所示之峰值P1之中心F0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P2之中心F相當於第2光譜波形I(t+Δt,λ)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P1、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量，因此根據該等之差(F0-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λ1 ~λ2 ，將相當於FFT之基本波之膜厚設為D0 ，則存在以下之式(14)之關係。
[數14]
若針對D0 解上式(14)，則成為如下之式。
[數15]
此處，若將與圖17之峰值P1對應之干涉光之每單位波長的重複數設為F0，將與峰值P2對應之干涉光之每單位波長的重複數設為F，則膜厚變化量Δd可藉由以下之式(16)求出。
[數16]
再者，於膜厚變化量Δd微小之情形時，相較於重複數F之時間變化，相位之時間變化更加高精度地表示膜厚變化量Δd，因此根據相位之時間變化計算出膜厚變化量Δd，藉此能夠更高精度地計算出膜厚變化量Δd。圖18係將各傅裏葉變換波形之橫軸換算成相位之圖表，圖G3係表示第1傅裏葉變換波形Φ {F(t,λ)}，圖G4係表示第2傅裏葉變換波形Φ {F(t+Δt,λ)}。又，圖18所示之峰值P3之中心Φ 0 係與第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相對應的相位，峰值P4之中心Φ 係與第2光譜波形I(t+Δt,λ)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P3、P4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Φ 0 及Φ 可藉由以下之式(17)及式(18)求出。
[數17]
[數18]
因此，膜厚變化量Δd可藉由以下之式(19)求出。
[數19]
於本實施形態中，根據在彼此不同之時刻T1 =t、T2 =t+Δt所檢測出之輸出光的各光譜波形I(t,λ)、I(t+Δt,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(F0-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(Φ 0 -Φ )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I之峰值之重複週期Δt1 (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+Δt,λ)中所包含之明線光譜等之波形於兩波形I(t,λ)、I(t+Δt,λ)中為相同。因此，於傅裏葉變換後之波形F{I(t,λ)}、F{I(t+Δt,λ)}或其相位Φ {F(t,λ)}、Φ {F(t+Δt,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，即便於自測定光源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1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。
又，上述實施形態之膜厚測定方法係測定含有第1面及第2面之膜狀測定對象物的膜厚之時間變化之膜厚測定方法，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1時刻T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(T2 )的差分I(T2 )-I(T1 )，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T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(T2 )的差分I(T2 )-I(T1 )，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。因此，第1光譜波形I(T1 )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I(T1 )、I(T2 )中為相同，故藉由運算差分I(T2 )-I(T1 )，可排除其影響。又，上述差分成為零之波長(以下，稱為零交叉波長)位於波形I(T1 )中所包含之干涉光之峰值波長與波形I(T2 )中所包含之干涉光之峰值波長之間，於第1及第2時刻T1 、T2 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I(T2 )-I(T1 )成為零之波長作為峰值波長而求出測定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I(T1 )與第2光譜波形I(T2 )重疊而成之波形I(T1 )+I(T2 )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I(T1 )與第2光譜波形I(T2 )重疊而成之波形I(T1 )+I(T2 )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(T1 )-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(T1 )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T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(T2 )的比I(T2 )/I(T1 )，並將該比成為1之波長作為峰值波長。
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T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(T2 )的比I(T2 )/I(T1 )，並將該比成為1之波長作為峰值波長。
如上所述，第1光譜波形I(T1 )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I(T1 )、I(T2 )中為相同。因此，藉由運算比I(T2 )/I(T1 )，可排除其影響。又，該比成為1之波長位於波形I(T1 )中所包含之干涉光之峰值波長與波形I(T2 )中所包含之干涉光之峰值波長之間，於第1及第2時刻T1 、T2 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T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(T2 )分別進行傅裏葉變換而獲得之第1傅裏葉變換波形F{I(T1 )}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。
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T1 所檢測出之關於輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於輸出光之第2光譜波形I(T2 )分別進行傅裏葉變換而獲得之第1傅裏葉變換波形F{I(T1 )}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n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I之光譜波形的重複數，求出測定對象物之膜厚。即，於上述膜厚測定裝置及膜厚測定方法中，根據針對波長對光譜波形I(T1 )、I(T2 )進行傅裏葉變換所獲得之波形F{I(T1 )}、F{I(T2 )}，求出相當於相鄰之峰值波長之間隔的數值。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光譜波形I(T1 )及第2光譜波形I(T2 )中所包含之明線光譜等之波形於兩波形I(T1 )、I(T2 )中相同，因此於傅裏葉變換後之波形F{I(T1 )}、F{I(T2 )}中，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。
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單位波長之干涉光之光譜波形的重複數。或者，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。
關於上述膜厚之時間變化之測定中具體之測定對象，較佳為測定對象物為基板上之半導體膜，且測定特定處理之執行過程中半導體膜之膜厚的時間變化。於此種構成中，如上所述，在例如蝕刻處理或薄膜形成處理等半導體製程之執行過程中，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。
於上述膜厚測定裝置及膜厚測定方法中，作為測定光源，可使用將遍及特定頻帶之白色光作為測定光而供給之白色光源。再者，關於測定光源，除此以外亦可使用各種光源。
產業上之可利用性
本發明可用作如下之膜厚測定裝置及膜厚測定方法，亦即，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相對變化量，亦可高精度地測定該膜厚之變化量。
1A．．．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
31．．．光檢測器
40．．．膜厚分析部
50．．．測定控制部
51．．．輸入裝置
52．．．顯示裝置
211．．．物鏡
212．．．半反射鏡
213、214．．．反射鏡
251．．．測定圖像識別部
252．．．基準圖像儲存部
253．．．圖像比較部
254．．．控制條件計算部
281．．．測定光輸入光纖
282．．．照明光輸入光纖
301．．．入射狹縫
302．．．準直光學系統
303．．．繞射光柵
304．．．聚焦光學系統
305．．．輸出面
308．．．反射光輸出光纖
d．．．膜厚
D．．．區域
F、F0、Φ 、Φ 0 ．．．值之中心
G1．．．第1傅裏葉變換波形F{I(t,λ)}
G2．．．第2傅裏葉變換波形F{I(t+Δt,λ)}
G3．．．第1傅裏葉變換波形Φ {F(t,λ)}
G4．．．第2傅裏葉變換波形Φ {F(t+Δt,λ)}
n．．．折射率
L0．．．測定光
L1~LM．．．反射光
P1~P4．．．峰值
t．．．時間
Δt1 ．．．週期
圖1係模式性地表示測定對象物之膜厚之測定方法的圖。
圖2係表示此種干涉光之強度I之時間變化之一例的圖表。
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]、Δt=5[秒]之情形時之差分I(t+Δt,λ)-I(t,λ)之一例的圖表。
圖5係將圖4所示之差分I(t+Δt,λ)-I(t,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d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14係表示分光光學系統30之構成之一例的圖。
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=171[秒]、Δt=5[秒]之情形時之比I(t+Δt,λ)/I(t,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+Δt,λ)}。
圖18係將各傅裏葉變換波形之橫軸換算成相位之圖，圖G3係表示第1傅裏葉變換波形Φ {F(t,λ)}，圖G4係表示第2傅裏葉變換波形Φ {F(t+Δt,λ)}。
1A．．．膜厚測定裝置
10．．．試樣
15．．．半導體膜
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
31．．．光檢測器
40．．．膜厚分析部
50．．．測定控制部
51．．．輸入裝置
52．．．顯示裝置

Claims (18)

  1. 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；及膜厚分析機構，其求出上述測定對象物之膜厚之時間變化；其中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產生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象物之膜厚之時間變化；且上述膜厚分析機構運算在第1時刻T1 所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於上述第1時刻T1 之第2時刻T2 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I(T2 )-I(T1 )，並將該差分成為零之零交 叉波長作為上述峰值波長。
  2. 如請求項1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I(T1 )與上述第2光譜波形I(T2 )重疊而成之波形I(T1 )+I(T2 )使上述差分正規化後，求出上述峰值波長。
  3. 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；及膜厚分析機構，其求出上述測定對象物之膜厚之時間變化；其中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產生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象物之膜厚之時間變化；且 上述膜厚分析機構運算在第1時刻T1 所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於上述第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於上述輸出光之第2光譜波形I(T2 )的比I(T2 )/I(T1 )，並將該比成為1之波長作為上述峰值波長。
  4. 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；及膜厚分析機構，其求出上述測定對象物之膜厚之時間變化；其中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產生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象物之膜厚之時間變化；且 上述膜厚分析機構係根據對在第1時刻T1 所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於上述第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於上述輸出光之第2光譜波形I(T2 )分別進行傅立葉變換而獲得之第1傅立葉變換波形F{I(T1 )}及第2傅立葉變換波形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。
  5. 如請求項4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。
  6. 如請求項4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。
  7. 如請求項1至6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膜厚的時間變化。
  8. 如請求項1至6中任一項之膜厚測定裝置，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。
  9. 如請求項7之膜厚測定裝置，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：其係測定含有第1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；檢測步驟，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光、及來自上述第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；及膜厚分析步驟，求出上述測定對象物之膜厚之時間變化；其中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產生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象物之膜厚之時間變化；且於上述膜厚分析步驟時，運算在第1時刻T1 所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於上述第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於上述輸出光之第2光譜波形I(T2 )的差分I(T2 )-I(T1 )，並將該差分成為零之零交叉波長作為上述峰值波長。
  11. 如請求項10之膜厚測定方法，其中於上述膜厚分析步驟時，使用將上述第1光譜波形I(T1 )與上述第2光譜波形 I(T2 )重疊而成之波形I(T1 )+I(T2 )使上述差分正規化後，求出上述峰值波長。
  12. 一種膜厚測定方法，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；檢測步驟，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光、及來自上述第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；及膜厚分析步驟，求出上述測定對象物之膜厚之時間變化；其中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產生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象物之膜厚之時間變化；且於上述膜厚分析步驟時，運算在第1時刻T1 所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於上述第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於上述輸出光之第2 光譜波形I(T2 )的比I(T2 )/I(T1 )，並將該比成為1之波長作為上述峰值波長。
  13. 一種膜厚測定方法，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；檢測步驟，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光、及來自上述第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；及膜厚分析步驟，求出上述測定對象物之膜厚之時間變化；其中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產生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象物之膜厚之時間變化；且於上述膜厚分析步驟時，根據對在第1時刻T1 所檢測出之關於上述輸出光之第1光譜波形I(T1 )與在不同於上述第1時刻T1 之第2時刻T2 所檢測出之關於上述輸出光之 第2光譜波形I(T2 )分別進行傅立葉變換而獲得之第1傅立葉變換波形F{I(T1 )}及第2傅立葉變換波形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。
  14. 如請求項13之膜厚測定方法，其中相當於相鄰之上述峰值波長之間隔的上述數值為每單位波長之干涉光之光譜波形的重複數。
  15. 如請求項13之膜厚測定方法，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。
  16. 如請求項10至15中任一項之膜厚測定方法，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膜厚的時間變化。
  17. 如請求項10至15中任一項之膜厚測定方法，其中上述測定光源係將遍及上述特定頻帶之白色光作為上述測定光而供給之白色光源。
  18. 如請求項16之膜厚測定方法，其中上述測定光源係將遍及上述特定頻帶之白色光作為上述測定光而供給之白色光源。
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