TWI497044B - 溫度測定方法及記憶媒體 - Google Patents

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Jun Yamawaku
Tatsuo Matsudo
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Description

溫度測定方法及記憶媒體
本發明係關於不接觸而能對於測定對象物(例如半導體晶圓或液晶基板等)之溫度進行測定的溫度測定方法、記憶媒體及程式。
就對於利用成膜或蝕刻等各種處理之結果而形成於半導體晶圓上的薄膜或電洞等之形狀、物理性質等精確地進行控制而言，精確地測定出以基板處理裝置來處理之待處理基板(例如半導體晶圓)之溫度的技術同樣極為重要。因此，自以往，有人以利用電阻溫度計或、測定基材背面溫度之螢光溫度計等的量測法等各種方法，測量半導體晶圓的溫度。
近幾年，已知有利用低同調性干涉儀的溫度量測技術，其能夠對於用如上述習知溫度量測方法難以測量的半導體晶圓溫度直接進行測量。而且，上述利用低同調性干涉儀的溫度量測技術中，也有人提出如下之技術：利用第1分光器，把來自光源的光分成溫度測定用的測定光與參照光，進一步利用第2分光器，把所分出的測定光分成n個測定光，而將n個測定光照射到n個測定點，並對於該等n個測定光之反射光、與由參照光反射機構所反射之參照光反射光二者的干涉進行測定，使得複數之測定點的溫度可同時作測定(例如參照專利文獻1)。該技術中，把來自光源的光照射到測定對象物，並依據：來自測定對象物表面之反射光與參照光反射光的干涉波、以及來自測定對象物背面之反射光與參照光反射光的干涉波，求出測定對象物從表面到背面的光路長度，再依據該求出的光路長度，計算出測定對象物的溫度。
【專利文獻1】日本特開2006-112826號公報
然而，於上述測定對象物上，膜厚與使用光源的同調長度為相同程度，或者沈積有較薄的薄膜時，存在如下之問題：由於該薄膜內之測定光因多重反射所產生的干涉波相重疊，使得所觀測之干涉波的光路長度產生偏離，因此無法精確地計算出測定對象物從表面到背面的光路長度，而無法對測定對象物的精確溫度進行監控。
本發明係因應此種習知情況所設計，其目的在於：提供一種溫度測定方法、程式及記憶媒體，即便是測定對象物上形成有薄膜的情形，也能精確地測定出測定對象物的溫度。
本發明之溫度測定方法，其特徵係包含：光傳送步驟，把來自光源的光，傳送至基板上形成有薄膜之測定對象物的測定點；干涉波測定步驟，對於基板表面上之反射光所產生的第1干涉波、以及基板與薄膜之介面及薄膜背面上之反射光所產生的第2干涉波進行測定；光路長度計算步驟，計算出從第1干涉波到第2干涉波的光路長度；膜厚計算步驟，依據第2干涉波的強度，計算出薄膜的膜厚；光路差計算步驟，依據所計算出之薄膜的膜厚，計算出基板之光路長度與所計算出之光路長度二者的光路差；光路長度修正步驟，依據所計算出之光路差，對於所計算出之從第1干涉波到第2干涉波的光路長度進行修正；及溫度計算步驟，從修正後的光路長度，計算出測定對象物在測定點上的溫度。
本發明之記憶媒體，為儲存有程式之電腦可讀取記憶媒體，該程式係使得電腦在溫度測定裝置上實行溫度測定方法；該溫度測定裝置包含：光源、把來自光源之光加以傳送至基板上形成有薄膜之測定對象物之測定點的傳送機構、以及將測定對象物上所反射之反射光加以接收的受光機構，而該溫度測定方法係依據受光機構所接收之反射光的干涉波，測定出測定對象物在測定點上的溫度。該記憶媒體的特徵在於程式係使得電腦作為下述機構來進行動作：測定機構，對於受光機構所接收之基板表面上之反射光所產生的第1干涉波、以及基板與基板上所形成薄膜二者之介面及薄膜背面上之反射光所產生的第2干涉波進行測定；第1計算機構，計算出從第1干涉波到第2干涉波的光路長度；第2計算機構，依據第2干涉波的強度，計算出薄膜的膜厚；第3計算機構，依據所計算出之薄膜的膜厚，計算出基板之光路長度與所計算出之光路長度二者的光路差；修正機構，依據所計算出之光路差，對於所計算出之從第1干涉波到第2干涉波的光路長度進行修正；及第4計算機構，從修正後的光路長度，計算出測定對象物在測定點上的溫度。
本發明之程式，係使得電腦在溫度測定裝置上實行溫度測定方法；該溫度測定裝置包含：光源、把來自光源之光加以傳送至基板上形成有薄膜之測定對象物之測定點的傳送機構、以及將測定對象物上所反射之反射光加以接收的受光機構，而該溫度測定方法係依據受光機構所接收之反射光的干涉波，測定出測定對象物在測定點上的溫度。該程式的特徵係使得電腦作為下述機構來進行動作：測定機構，對於受光機構所接收之基板表面上之反射光所產生的第1干涉波、以及基板與基板上所形成薄膜二者之介面及薄膜背面上之反射光所產生的第2干涉波進行測定；第1計算機構，計算出從第1干涉波到第2干涉波的光路長度；第2計算機構，依據第2干涉波的強度，計算出薄膜的膜厚；第3計算機構，依據所計算出之薄膜的膜厚，計算出基板之光路長度與所計算出之光路長度二者的光路差；修正機構，依據所計算出之光路差，對於所計算出之從第1干涉波到第2干涉波的光路長度進行修正；及第4計算機構，從修正後的光路長度，計算出測定對象物在測定點上的溫度。
依本發明，可提供一種溫度測定方法、記憶媒體及程式，即便是測定對象物上形成有薄膜的情形，也能精確地測定出測定對象物的溫度。
 <實施發明之最佳形態>
以下參照圖式，詳細說明本發明之各實施形態。又，本說明書及圖式中，對於具有實質相同之功能構成的構成要素標註相同符號，而省略重複的說明。又，把來自光源之光的入射面定義為表面。而且，作為測定對象物，以形成有薄膜的半導體晶圓為例來進行說明，但是測定對象物並不限於半導體晶圓。又，半導體晶圓係採用形成有氧化矽薄膜(SiO2 膜)作為薄膜者，但是薄膜並不限於氧化矽薄膜，也可以是其他薄膜(例如氮化矽薄膜(Si3 N4 )、光阻薄膜、樹脂系薄膜、金屬(Cu、Al、W、Ti、Ta)薄膜等)。
(實施形態)
圖1係依本實施形態之溫度測定裝置100的構成圖。依實施形態之溫度測定裝置100包含：光源110；分光器120，把來自光源110的光分成溫度測定用的光(測定光)與參照光；準直光纖F1 ，將測定光傳送往測定對象物即形成有薄膜(SiO2 膜)T之半導體晶圓(基板)W的測定點P；參照光反射機構130，用來反射來自分光器120的參照光；準直光纖F2 ，將分光器120所分出的參照光傳送到參照光反射機構130；光路長度變換機構140，用來變換從參照光反射機構130反射之參照光的光路長度；及信號處理裝置150，依據測定光及參照光之反射光所產生的干涉波形，測定出測定點P的溫度。又，信號處理裝置150包含受光機構151及溫度計算機構152。
光源110係只要能測定出測定光與參照光的干涉，可使用任意的光，但是本實施形態中，由於要測定出半導體晶圓W的溫度，因此較佳為至少來自半導體晶圓W表面與背面間之距離(通常為800～1500μm左右)的反射光不會產生干涉之程度的光。
具體而言，較佳係使用低同調光。所謂低同調光，係同調長度較短的光。低同調光的中心波長較佳係在可透射過半導體晶圓W之主成分即矽(Si)的1000 nm以上。又，同調長度較佳為較短者。
分光器120例如為光纖耦合器，但是並不限於此。分光器120係只要能加以分光成參照光與測定光即可，例如也可使用光波導型分光器、半透鏡等。
參照光反射機構130可使用例如直角棱鏡、平面鏡等。其中，若考慮到反射光與入射光之間的平行性，較佳係使用直角棱鏡。但是，只要能將參照光加以反射，則不限於上述各者，例如也可利用延遲線等來構成。
光路長度變換機構140係利用馬達等之驅動機構來構成，該驅動機構將參照光反射機構130往與參照光入射方向平行之一方向進行驅動。藉由如此將參照光反射機構130往一方向驅動，可將從參照光反射機構130反射之參照光的光路長度進行變換。
受光機構151係接收：於半導體晶圓W之測定點P所反射的測定光、及參照光反射機構130所反射的參照光之反射光，並加以轉換成電信號。作為受光機構151，可使用各種感測器，但若是以Si為主成分的半導體晶圓W，由於測定光使用波長在1000 nm以上的光，因此較佳係由使用對於波長在800～1700 nm之光具有敏感度的InGaAs元件的感測器來構成。
溫度計算機構152例如為電腦(電子計算機)等，係依據受光機構151所檢測出之反射光的干涉波形，具體而言為干涉波之波峰間的光路長度，來測定出半導體晶圓W的溫度。
圖2係顯示溫度計算機構152之功能的構成圖。溫度計算機構152包含：信號取得機構201、光路長度計算機構202、膜厚計算機構203、偏移量計算機構204、光路長度修正機構205、及溫度運算機構206。圖2所示之功能係由溫度計算機構152所具備的硬體(例如HDD(硬式磁碟機)、CPU(中央處理單元)與記憶體等)來實現。具體而言，係藉由以CPU實行HDD或記憶體所記錄的程式來加以實現。至於圖2所示之各構成的動作，將於後述「溫度測定裝置100的動作」中進行說明。
(測定光與參照光之干涉波形的具體例)
在此，針對利用溫度測定裝置100之受光機構151所取得之干涉波形的具體例、及溫度測定方法進行說明。又，此說明係針對半導體晶圓W上未形成有薄膜T的情形作說明後，再針對半導體晶圓W上形成有薄膜T的情形以及其問題點作說明。
(未形成有薄膜的情形)
圖3係顯示利用溫度測定裝置100之受光機構151所取得之干涉波形的具體例，具體而言，顯示出已將測定光照射在半導體晶圓W時之測定光與參照光二者的干涉波形。其中，圖3(a)顯示溫度變化前的干涉波形，而圖3(b)顯示溫度變化後的干涉波形。圖3中，縱軸表示干涉強度，橫軸表示參照光反射機構130(例如參照鏡)的移動距離。
依圖3(a)、3(b)可知，當將參照光反射機構130往一方向進行掃描時，首先出現半導體晶圓W之表面與參照光二者的干涉波A，接著出現半導體晶圓W之背面與參照光二者的干涉波B。
(依據干涉光的溫度測定方法)
接下來，參照圖3，針對依據測定光與參照光之干涉波來測定溫度的方法進行說明。就依據干涉波的溫度測定方法而言，例如有利用基於溫度變化之光路長度變化的溫度換算方法。在此，針對利用上述干涉波之位置變化的溫度換算方法作說明。
當利用加熱器等來將半導體晶圓W加熱時，由於半導體晶圓W會膨脹，並且折射率產生變化，因此於溫度變化前與溫度變化後之間，干涉波的位置將從B之位置改變到B' 之位置，使得干涉波的波峰間寬度產生變化。藉由對於此種測定點之干涉波的波峰間寬度進行測定，可檢測出溫度變化。例如若是如圖1所示之溫度測定裝置100，由於干涉波的波峰間寬度對應於參照光反射機構130的移動距離，因此藉由對於參照光反射機構130在干涉波形之波峰間寬度上的移動距離進行測定，可檢測出溫度變化。
將半導體晶圓W的厚度設為d，並將折射率設為n時，干涉波之波峰位置的偏離中，關於厚度d係取決於線膨脹係數α，關於折射率n的變化則主要取決於折射率變化的溫度係數β。又，折射率變化的溫度係數β還取決於波長。
因此，若以數學式表示出溫度變化後之晶圓在測定點P上的厚度d' 與折射率n' ，將表示為下述數學式(1)。又，於數學式(1)中，△T表示測定點的溫度變化，α表示線膨脹係數，而β表示折 射率變化的溫度係數。又，d、n係分別表示出在溫度變化前之測定點P上的厚度、折射率。
d' =d‧(1+α△T)、n' =n‧(1+β△T)...(1)
如上述數學式(1)所示，透射過測定點P之測定光的光路長度係依溫度變化而產生變化。光路長度一般以厚度d與折射率n的乘積來表示。因此，若將透射過溫度變化前之測定點P之測定光的光路長度設為L，並將測定點P之溫度變化△T後的光路長度設為L' ，L、L' 將分別表示為下述數學式(2)。
L=d‧n、L' =d' ‧n' ...(2)
因此，若以上述數學式(1)、(2)進行計算並加以整理，測定光在測定點上的光路長度於溫度變化前後之差(L' -L)將表示為下述數學式(3)。又，下述數學式(3)中，考慮到α‧β≪α，且α‧β≪β，而省略掉微小項。
L' -L=d' ‧n' -d‧n=d‧n‧(α+β)‧△T=L‧(α+β)‧△T...(3)
在此，在測定點的測定光光路長度，相當於與參照光之干涉波的波峰間寬度。因此，只要事先將線膨脹係數α、折射率變化的溫度係數β調查好，即可藉由測量出在測定點上與參照光所產生之干涉波的波峰間寬度，而使用上述數學式(3)來換算成測定點的溫度。
如此從干涉波換算成溫度的情形，如上所述，表現於干涉波之波峰間的光路長度依線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β而變化，因此必須事先將該等線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β調查好。一般而言，含有半導體晶圓之物質的線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β依溫度帶的不同，也有取決於溫度的情形。例如線膨脹係數α，若物質的溫度在0~100℃左右的溫度範圍內，一般並無太大的變化，因此即使視為一定也無妨；但是若在100℃以上的溫度範圍，則依物質的不同，也有溫度越高變化率越大的情形，因此於此種情形下，則不可忽略溫度相依性。至於折射率變化的溫度係數β，同樣依溫度範圍的不同，有不可忽略溫度相依性的情形。
例如，若是構成半導體晶圓之矽(Si)的情形，於0～500℃的溫度範圍內，線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β可以例如二次曲線近似係屬已知。如上述，由於線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β取決於溫度，因此只要事先將例如對應於溫度的線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β調查好，並考量該值來進行溫度換算，即可換算成更精確的溫度。
又，就依據測定光與參照光二者之干涉波的溫度測定方法而言，並不限於如上述的方法，例如也可以是利用基於溫度變化之吸收強度變化的方法，還可以是組合有上述基於溫度變化之光路長度變化與基於溫度變化之吸收強度變化的方法。
(形成有薄膜的情形)
圖4係顯示已將測定光照射在半導體晶圓W時之測定光與參照光二者的干涉波形。又，於圖4中，縱軸表示干涉強度，橫軸表示參照光反射機構130(例如參照鏡)的移動距離。
圖4(a)係顯示薄膜T之膜厚遠較低同調光之同調長度為厚的情形。於此情形，所照射至半導體晶圓W的測定光會在圖1所示之半導體晶圓W的表面S1 、半導體晶圓W與薄膜T的介面S2 、及薄膜T的背面S3 共3處被反射。然後，於上述3處所反射的測定光，會與參照光反射機構130所反射的參照光在光路長度變成大致相同的位置產生干涉。因此，如圖4(a)所示，可觀察到3個干涉波C～E。
圖4(b)係顯示薄膜T之膜厚在低同調光之同調長度以下的情形。於此情形，所照射至半導體晶圓W的測定光會在半導體晶圓W的表面S1 、半導體晶圓W與薄膜T的介面S2 、及薄膜T的背面S3 共3處被反射，此點係相同。但是，由於薄膜T之膜厚較薄(在低同調光之同調長度以下)，因此於圖4(a)所示之半導體晶圓W與薄膜T的介面S2 、和薄膜T的背面S3 之間，多重反射的許多干涉波互相重疊以致成為一個干涉波F。
圖5係示意地顯示薄膜T上的多重反射。如圖5所示，入射至半導體晶圓W的測定光係因半導體晶圓W與薄膜T之表面的介面S2 、和薄膜T的背面S3 之間的多重折回反射而分離。該分離的各反射光分別與參照光產生干涉，而形成圖5所示之許多干涉波(1)、(2)、(3)、(4)、(5)...。該等許多的干涉波(1)、(2)、(3)、(4)、(5)...並不如上所述般分離，而是互相重疊，且檢測出為干涉波F。
如上述，於薄膜T之膜厚在低同調光之同調長度以下的情形，半導體晶圓W與薄膜T的介面S2 、和薄膜T的背面S3 之間所產生的許多干涉波會互相重疊，而成為一個干涉波F，因此從干涉波C之波峰到干涉波F之波峰的測定光路長度L1 、與從半導體晶圓W之表面到半導體晶圓W之背面的光路長度即實際光路長度L2 之間，光路長度會產生ΔL的偏離。
(光路長度的修正)
如以上所述，半導體晶圓W上形成有薄膜T時，如參照圖4所說明般，干涉波F之波峰位置偏移ΔL。因此，必須從所測定到之光路長度進行偏移量ΔL的修正。
本實施形態中，實施以下的順序1～3以修正光路長度，來對於半導體晶圓W的溫度進行測定。
1.　從圖4所說明之干涉波F的干涉強度、或干涉波C與干涉波F的干涉強度比，求出薄膜T的膜厚。
2.　從所求出之薄膜T的膜厚，求出光路長度的偏離量ΔL(以下稱偏移量ΔL)。
3.　依據所求出之偏移量ΔL來對光路長度L1 作修正，而求出實際光路長度L2 。
以下詳細說明上述順序1～3，而且係針對將薄膜T加以蝕刻的情形進行說明。
(數學式)
首先，針對修正光路長度時所需的下述數學式作說明。
下述數學式(4)顯示出薄膜T之膜厚與干涉強度的關係。
上述數學式(4)中的ρ1 係已從薄膜T往空氣入射時之反射光的菲涅耳係數(振幅反射係數)，且以下述數學式(5)來表示。
ρ1 =(n1-n0)/(n1+n0)　...(5)
上述數學式(4)中的ρ2 係已從半導體晶圓W往薄膜T入射時之反射光的菲涅耳係數(振幅反射係數)，且以下述數學式(6)來表示。
ρ2 =(n2-n1)/(n2+n1)　...(6)
下述數學式(7)顯示出晶圓與參照側之光路長度差為Δ1時的薄膜T之膜厚d與干涉強度二者的關係。
上述數學式(7)中的Φ (k、d)係波數k的相位變化，且以下述數學式(8)來表示。
又，上述數學式(7)中的S(k)係功率頻譜密度，且於將功率頻譜之分佈假定為高斯分佈時，可以下述數學式(9)來表示。又，如後述般，於實際的計算中，為了提高精度，而使用以頻譜分析儀所實測到的波形。
又，數學式(4)～(9)中所使用之其他參數的定義如下。
R：反射率
k：測定光之波數
d：薄膜T之膜厚
δ：kn1d
n0：空氣之折射率
n1：薄膜T之折射率
n2：半導體晶圓W之折射率
E1：參照側之電場
E2：半導體晶圓側之電場
(1：薄膜T之膜厚的計算)
圖6係顯示半導體晶圓W上形成有SiO2 膜作為薄膜T時的薄膜T之膜厚與干涉強度的關係。圖6中，縱軸表示干涉強度，橫軸表示薄膜之膜厚。又，圖6係使用上述數學式(7)所計算者。
數學式(7)中，關於氧化膜的厚度，於0～2100 nm之間每隔1 nm逐一進行計算，而從計算中求出干涉波長對膜厚的最大值。詳言之，係一面將半導體晶圓與參照側之光路長度差(Δl)，從-50μm到+50μm為止，以0.05μm之間隔加以改變，一面將事先以頻譜分析儀所測量到之光源的實際波形，對於光源的頻譜範圍(波長1205～1405)，以1 nm之間隔來對於各個波長逐一改變光強度S(k)。而且，由於SiO2 之折射率n 1(大約1.447)或Si之折射率n 2(大約3.54)實際上均具有波長分散，因此為了提高計算精度，而將更精確的值逐一代入各個波長，對於一個光路差進行發光範圍之強度的積分。
當一面以0.05μm為間隔來改變光路差，一面進行上述計算時，可計算出相對於一氧化膜厚之參照鏡移動時的干涉波形。圖6係使得其最大值與氧化膜厚對應並將一面變換氧化膜厚度一面進行計算所得的結果加以儲存並製圖而成。
如上述，可事先將該圖6所示之關係，具體而言為上述數學式(4)～(9)及實際的發光波形或折射率等各參數加以儲存於非揮發性記憶體等，並將受光機構151所測定到之干涉波F的干涉強度適用於圖6，來計算出薄膜T的膜厚。
又，如圖6所示般，干涉強度依薄膜T的膜厚，而周期性地產生變動。亦即，薄膜T的膜厚與干涉強度並非形成一對一的對應關係。因此，本實施形態中，事先取得薄膜T的初期膜厚，再依據該初期膜厚及圖6所示之關係，從干涉強度計算出薄膜T的膜厚。至於膜厚的計算，於進行蝕刻的情況形成膜厚減少的方向(在圖6之橫軸上從右到左)，於進行沈積(deposit)的情況則形成膜厚增加的方向(在圖6之橫軸上從左到右)。
圖7係顯示干涉強度比、與從干涉強度比所計算出之薄膜膜厚的蝕刻時間依存性，且顯示出薄膜T的膜厚，該膜厚係將已實際對於半導體晶圓W上所形成薄膜T進行蝕刻時之干涉強度比適用於圖6所求出。圖7中，左縱軸表示干涉強度比，右縱軸表示膜厚，橫軸表示蝕刻時間(以蝕刻開始時為0)。而且，於圖7中，不依據干涉波F的干涉強度，而依據干涉強度比(將圖4(b)的干涉波F之干涉強度除以干涉波C之干涉強度所得的值)與薄膜T之膜厚二者的關係，計算出薄膜T的膜厚。藉由使用干涉強度比，可以消除干涉強度起因於光源110、或從光源110傳送光之準直光纖F1 的變化，而更精確地求出薄膜T的膜厚。
圖8係顯示從干涉強度比所計算出之薄膜T的膜厚、與假定蝕刻率一定(680nm/min)時所計算出薄膜T之膜厚與從干涉強度比所計算出薄膜T之膜厚二者的膜厚差(偏離值)。圖8中，左縱軸表示膜厚，右縱軸表示膜厚差(偏離值)，橫軸表示蝕刻時間(以蝕刻開始時為0)。而且，於圖8中，以直線顯示出假定蝕刻率一定(680nm/min)之薄膜T的膜厚，並以短劃線顯示出從干涉強度比所計算出之薄膜T的膜厚。又，由於無法直接對於蝕刻中之薄膜T的膜厚進行測量，因此圖8中假定薄膜T的蝕刻率一定。
如圖8所示，從干涉強度比所計算出薄膜T之膜厚與假定蝕刻率一定時所計算出薄膜T之膜厚二者的膜厚差(偏離值)，收斂於大致±15 nm的範圍內，可謂能夠精度良好地計算出蝕刻中之薄膜T的膜厚。
(2：偏移量的計算)
圖9係顯示薄膜T之膜厚與干涉波F之偏移量ΔL二者的關係。圖9中，縱軸表示干涉波F的偏移量ΔL，橫軸表示薄膜T的膜厚。又，於上述說明(參照本說明書p.14第10~19行)中，對於各氧化膜厚逐一求出干涉波形，圖9則係計算出對於各氧化膜厚所逐一求出之干涉波形的重心，並以波形的重心為光路差方向的偏移量來製圖而成。具體而言，使用較干涉波形之DC(直流脈衝)強度為大的值來求出重心。另外，亦可於較干涉波形之DC成分為小的一側，使用在DC強度折回後之波形，並加入正側波形後再求出重心。又，除重心之外，還可以多項式或高斯分佈進行估算，來求出其最大值等。
如上述，可事先將該圖9所示之關係，具體而言為數學式(7)～(9)及各參數加以儲存於非揮發性記憶體等，並依據所計算出之薄膜T的膜厚與圖9，計算出干涉波F的偏移量ΔL。
(3：光路長度的修正)
最後，依據所求出之偏移量ΔL，對於受光機構151所觀察到的干涉波之波峰間的光路長度進行修正(具體而言係從所計算出的光路長度加以修正偏移量ΔL)。
(溫度測定裝置100的動作)
圖10係顯示溫度測定裝置100之動作的流程圖。
以下參照圖1、8及9，說明溫度測定裝置100的動作。
(步驟S101)
首先，信號取得機構201從上位控制器(例如連接於溫度測定裝置100之主機或集成測量儀(IM,Integrated Metrology))取得：半導體晶圓W的線膨脹係數α及折射率變化的溫度係數β、數學式(3)～(9)及各種參數、薄膜T的膜厚、任意溫度之半導體晶圓W的光路長度等，亦即計算半導體晶圓W之溫度時所需的資料。
又，上述計算半導體晶圓W之溫度時所需的資料，也可事先將先前取得者儲存於溫度計算機構152所包含的HDD或非揮發性記憶體等。
(步驟S102)
把來自光源110的光入射至分光器120，並利用分光器120加以分為二。又，將其中一者(測定光)透過準直光纖F1 照射至半導體晶圓W。
(步驟S103)
所照射至半導體晶圓W的測定光會在半導體晶圓W之表面S1 以及與薄膜T的介面S2 等處被反射。又，將分光器120所分出的另一者(參照光)從準直光纖F2 出射，並利用參照光反射機構130加以反射。其後，反射光會往分光器120入射，並與測定光之反射光再次合波，然後被受光機構151接收，並作為波形信號被引入到信號取得機構201。
(步驟S104)
光路長度計算機構202依據信號取得機構201所引入的波形信號及驅動距離信號，計算出圖4(b)所說明的干涉波C、F之波峰間的光路長度L1 。
(步驟S105)
膜厚計算機構203依據已參照圖6所說明的薄膜T之膜厚與波峰干涉比的關係(具體而言為數學式(7))，計算出薄膜T的膜厚。
(步驟S106)
偏移量計算機構204依據已參照圖9所說明的薄膜T之膜厚與干涉波F之偏移量ΔL二者的關係(具體而言為數學式(7))來計算出：與膜厚計算機構203所計算出薄膜T之膜厚對應的偏移量ΔL。
又，步驟S104～S106的處理順序並非必要依照圖10所示之順序，可適當更換步驟S104～S106的處理順序，也可將步驟S104～步驟S106以並行處理方式進行。
(步驟S107)
光路長度修正機構205從光路長度計算機構202所計算出的光路長度L1 ，依據偏移量計算機構204所計算出的偏移量ΔL來修正光路長度，而計算出實際光路長度L2 。
(步驟S108)
溫度運算機構206依據光路長度修正機構205所修正後的光路長度，計算出半導體晶圓W的溫度。具體而言，係將事先所儲存之半導體晶圓W的線膨脹係數α、折射率變化的溫度係數β、及修正後的光路長度(實際光路長度L2 )代入上述數學式(3)，而計算出半導體晶圓W的溫度。
溫度計算機構152係以既定時間為間隔，引入來自受光機構151的波形信號、及來自光路長度變換機構140之參照光反射機構130的驅動距離信號，來計算出半導體晶圓W的溫度，直到其動作結束為止。
[實施例] (實施例1)
圖11係顯示依實施例1之光路長度的測定結果。圖11中，縱軸表示所計算出之光路長度，橫軸表示蝕刻時間(以蝕刻開始時為0)。圖11顯示有光路長度，該光路長度係一面對於形成有膜厚約2μm(精確為1993 nm)之薄膜(SiO2 膜)的直徑300mm之半導體晶圓進行蝕刻，一面進行測定而得。又，測定點採用半導體晶圓的中心點(Center)。而且，圖11顯示有已修正光路長度的情形(有修正)、及未修正光路長度的情形(無修正)。
由圖11所示可知，於未進行光路長度修正的情形，光路長度隨著蝕刻的進行，而周期性地產生大幅變動。其原因如上所述，依薄膜的厚度，薄膜上之反射所產生的干涉強度會周期性地產生變化。另一方面，由圖11還可知，已進行光路長度修正的情形，光路長度幾乎不會變動。
於無修正的情形，蝕刻中之光路長度的變動在2.6μm左右的範圍內(換算成溫度為-10～+3℃的範圍)，但是於有修正的情形，可將蝕刻中之光路長度的變動抑制在0.5μm左右的範圍內(換算成溫度為-0.3～+0.3℃的範圍)(參照圖11的A)。由以上結果可知，於已修正光路長度的情形，可精度良好地測定出半導體晶圓的光路長度亦即溫度。至於蝕刻前的光路長度，同樣相較於習知技術可得到精確的值，因此在半導體晶圓W的處理上係屬一大優點(參照圖11的B)。
圖12、13係分別顯示依實施例2(有光路長度修正)及比較例1(無光路長度修正)的溫度測定結果。圖12、13中，縱軸表示所計算出之溫度，橫軸表示蝕刻時間(以蝕刻開始時為0)。圖12顯示出下述溫度測定結果，該測定結果係一面對於形成有膜厚約2μm(精確為1993nm)之薄膜(SiO2 膜)的直徑300mm之半導體晶圓進行蝕刻，一面進行溫度測定而得。並且為進行比較，圖12還一併顯示出對於未形成薄膜之裸矽晶圓進行蝕刻時的溫度測定結果。又，溫度的測定點為半導體晶圓的中心點(Center)。
(實施例2)
圖12係顯示已進行光路長度修正時的溫度測定結果。由圖12所示可知，已進行光路長度修正時，蝕刻中之半導體晶圓之測定溫度的變動較小。又，即使與對於裸矽晶圓進行蝕刻時之溫度測定結果相較，其溫度變化也與裸矽晶圓的溫度變化大致相同，由此可理解到能夠精度良好地測定出半導體晶圓的溫度。
(比較例1)
圖13係顯示未進行光路長度修正時的溫度測定結果。由圖13所示可知，未進行光路長度修正時，蝕刻中之半導體晶圓的測定溫度會周期性地產生大幅變動。其原因如上所述，依薄膜的厚度，薄膜上之反射所產生的干涉強度會周期性地產生變化。又，與對於裸矽晶圓進行蝕刻時之溫度測定結果相較，其溫度變化大不相同，由此可知未能精確地測定出半導體晶圓的溫度。
如以上所述，依實施形態的溫度測定裝置100係從干涉波的干涉強度求出薄膜的膜厚，而從該求出之薄膜的膜厚計算出光路長度的偏移量，進而依據所求出的偏移量，對於干涉波之波峰間的距離(光路長度)進行修正。因此，即便是半導體晶圓W上形成有薄膜T的情形，也能夠精度良好地測定出半導體晶圓W的溫度。
(實施形態的變形例)
上述實施形態中，已針對光路長度的修正方法進行說明，該光路長度係以時域法，亦即使得在測定對象物即半導體晶圓W之測定點P反射的測定光、與參照光反射機構130反射之參照光互相干涉的方法所測定而得。但是，只要是依據半導體晶圓W之表面到背面之光路長度計算出溫度的方法，即可適用上述實施形態所說明的修正方法。本實施形態的變形例中，針對不使用參照光 的形態進行說明。
圖14係依實施形態之變形例的溫度測定裝置100A的構成圖。溫度測定裝置100A包含：光源110；光循環器160；準直光纖F1 ，將測定光傳送往測定對象物即形成有薄膜(SiO2 膜)T之半導體晶圓(基板)W的測定點P；及信號處理裝置150A，依據測定光之反射光所產生的干涉波形，測定出測定點P的溫度。又，信號處理裝置150A包含受光機構151A及溫度計算機構152A。以下，參照圖14來說明依實施形態之變形例的溫度測定裝置100A的各構成，但對於具有與圖1所說明之構成實質上相同之功能構成的構成要素，則標註相同符號，而省略重複的說明。
光循環器160包含3個連接埠α、β、γ，其特性為：輸入至連接埠α的光會從連接埠β輸出，從連接埠β所輸入的光會從連接埠γ輸出，而輸入至連接埠γ的光會從連接埠α輸出。亦即，從光循環器160之α連接埠輸入之來自光源110的測定光，係從光循環器160之β連接埠透過準直光纖F1 照射往半導體晶圓W；從光循環器160之β連接埠輸入的反射光，係從光循環器160之γ連接埠輸往受光機構151A。
圖15係受光機構151A的構成圖。受光機構151A包含：繞射光柵151a，把來自光循環器160的反射光依波長進行分解；及感測器151b，將依波長進行分解後的反射光轉換成電信號，且受光機構151A可產生把來自光循環器160之反射光離散成複數之波長而成的離散信號，並加以輸出。又，感測器151b以利用例如Si光二極體、InGaAs光二極體、Ge光二極體等的感測器來構成，但是於測定半導體晶圓W之溫度的情形，較佳係使用InGaAs光二極體。
溫度計算機構152A例如為電腦(電子計算機)等，係依據從受光機構151A輸入的離散信號來計算出半導體晶圓W的溫度。圖16係顯示溫度計算機構152A之功能的構成圖。溫度計算機構152A包含：信號取得機構201、光路長度計算機構202、膜厚計算機構203、偏移量計算機構204、光路長度修正機構205、溫度運算機構206、及離散傅立葉轉換機構207。
又，圖16所示之功能係由溫度計算機構152A所具備的硬體(例如HDD、CPU與記憶體等)來實現。具體而言，係藉由以CPU實行HDD或記憶體所記錄的程式來加以實現。
信號取得機構201引入來自受光機構151A的離散信號，並且從上位控制器(例如連接於溫度測定裝置100A之主機或集成測量儀(IM,Integrated Metrology))取得：實施形態中所說明的數學式(3)～(9)及各種參數、薄膜T的膜厚、任意溫度之半導體晶圓W的光路長度等，亦即計算半導體晶圓W之溫度時所需的資料。
離散傅立葉轉換機構207對於信號取得機構201所取得之離散信號，進行離散傅立葉轉換(DFT,discrete fourier transform)處理。藉由該DFT處理，把來自受光機構151A的離散信號轉換為振幅與距離的資訊。圖17係顯示進行DFT處理後的信號，其縱軸為振幅，橫軸為距離。
光路長度計算機構202依據離散傅立葉轉換後之振幅與距離的資訊，計算出光路長度。具體而言，係計算出圖17所示之干涉波G與干涉波H之波峰間的距離。圖17所示之干涉波G與干涉波H分別為半導體晶圓W之表面S1 上的干涉波、及在半導體晶圓W與薄膜T的介面S2 、和薄膜T的背面S3 之間多重反射的許多干涉波所互相重疊而成的干涉波。
膜厚計算機構203依據已參照圖6所說明的薄膜T之膜厚與波峰干涉比二者的關係(具體而言為數學式(7))，計算出薄膜T的膜厚。
偏移量計算機構204依據已參照圖9所說明的薄膜T之膜厚與干涉波F之偏移量ΔL二者的關係(具體而言為數學式(7))來計算出：與膜厚計算機構203所計算出薄膜T之膜厚對應的偏移量ΔL。
光路長度修正機構205從光路長度計算機構202所計算出的光路長度，依據偏移量計算機構204所計算出的偏移量ΔL來修正光路長度，而計算出實際光路長度。
溫度運算機構206從光路長度修正機構205所修正後的光路長度，計算出測定對象物即半導體晶圓W的溫度。圖18係顯示修正後之光路長度與溫度的關係。溫度運算機構206依據該圖18所示的修正後之光路長度與溫度的關係、及光路長度修正機構205所計算出之修正後的光路長度，計算出半導體晶圓W的溫度。
又，圖18所示之光路長度與溫度的關係，可事先將實際進行實驗等所測定出者儲存於溫度計算機構152A包含的HDD或記憶體等，也可從上述的上位控制器取得。
如以上所述，依本實施形態之變形例的溫度測定裝置100A係利用受光機構151A把來自半導體晶圓W的反射光轉換成離散信號，並對於該離散信號進行DFT處理，而計算出光路長度，因此無須利用光路長度變換機構140令參照光反射機構130機械性地進行動作。於是，能夠更快速地進行半導體晶圓W的溫度測定。至於其他的效果，則與依實施形態的溫度測定裝置100相同。
(其他實施形態)
又，本發明並不限於上述實施形態本身，於實施階段可在不脫離其要旨的範圍內將構成要素變形來加以具體化。例如，上述實施形態中，已針對將測定對象物即半導體晶圓W上所形成薄膜進行蝕刻時之光路長度的修正作說明，但是也可適用於在半導體晶圓W上形成(沈積)薄膜的情形。於此情形，係事先取得要沈積之薄膜的折射率，再依據圖6所示的薄膜T之膜厚與干涉強度的關係來計算出膜厚，而且不同於蝕刻的情形，此時須留意於膜厚的換算方向相反，亦即沿著膜厚增加的方向進行換算。
100、100A．．．溫度測定裝置
110．．．光源
120．．．分光器
130．．．參照光反射機構
140．．．光路長度變換機構
150、150A．．．信號處理裝置
151、151A．．．受光機構
151a．．．繞射光柵
151b．．．感測器
152、152A．．．溫度計算機構
160．．．光循環器
201．．．信號取得機構
202．．．光路長度計算機構
203．．．膜厚計算機構
204．．．偏移量計算機構
205．．．光路長度修正機構
206．．．溫度運算機構
207．．．離散傅立葉轉換機構
A、B、B' 、C、D、E、F、G、H、(1)-(5)．．．干涉波
α、β、γ．．．連接埠
F．．．干涉波
F1 、F2 ．．．準直光纖
L、L' ．．．光路長度
L1 ．．．測定光路長度
L2 ．．．實際光路長度
ΔL．．．光路長度的偏移量
P．．．測定點
S1 ．．．半導體晶圓的表面
S2 ．．．半導體晶圓與薄膜的介面
S3 ．．．薄膜的背面
S101．．．取得資料
S102．．．照射出測定光
S103．．．取得干涉波形
S104．．．計算出光路長度
S105．．．計算出膜厚
S106．．．計算出偏移量
S107．．．修正光路長度
S108．．．依據修正後的光路長度來計算出溫度
T．．．薄膜
W．．．半導體晶圓
圖1係依實施形態之溫度測定裝置的構成圖。
圖2係溫度計算機構的功能構成圖。
圖3(a)、3(b)係干涉波形的具體例(未形成薄膜的情形)。
圖4(a)、4(b)係干涉波形的具體例(形成有薄膜的情形)。
圖5係薄膜上之多重反射的示意圖。
圖6係顯示薄膜之膜厚與干涉強度的關係。
圖7係顯示干涉強度比、與從干涉強度比所計算出之薄膜膜厚的蝕刻時間依存性。
圖8係顯示從干涉強度比所計算出之膜厚及偏離值。
圖9係顯示膜厚與干涉波之偏移量的關係。
圖10係顯示溫度測定裝置之動作的流程圖。
圖11係顯示依實施例1的光路長度測定結果。
圖12係顯示依實施例2的溫度測定結果(有修正)。
圖13係顯示依比較例1的溫度測定結果(無修正)。
圖14係依實施形態之變形例的溫度測定裝置100A的構成圖。
圖15係受光機構的構成圖。
圖16係溫度計算機構的功能構成圖。
圖17係顯示進行DFT處理後的信號。
圖18係顯示修正後之光路長度與溫度的關係。
100．．．溫度測定裝置
110．．．光源
120．．．分光器
130．．．參照光反射機構
140．．．光路長度變換機構
150．．．信號處理裝置
151．．．受光機構
152．．．溫度計算機構
F1 、F2 ．．．準直光纖
P．．．測定點
S1 ．．．半導體晶圓的表面
S2 ．．．半導體晶圓與薄膜的介面
S3 ．．．薄膜的背面
T．．．薄膜
W．．．半導體晶圓

Claims (6)

  1. 一種溫度測定方法，其特徵係包含：光傳送步驟，把來自光源的光，傳送至基板上形成有薄膜之測定對象物的測定點；干涉波測定步驟，對於該基板之表面上之反射光所產生的第1干涉波、以及該基板與該薄膜之介面及該薄膜之背面上之反射光所產生的第2干涉波進行測定；光路長度計算步驟，計算出從該第1干涉波到該第2干涉波的光路長度；膜厚計算步驟，依據該第2干涉波的強度，計算出該薄膜的膜厚；光路差計算步驟，依據該計算出之該薄膜的膜厚，計算出該基板之光路長度與該計算出之光路長度二者的光路差；光路長度修正步驟，依據該計算出之光路差，對於該計算出之從該第1干涉波到該第2干涉波的光路長度進行修正；及溫度計算步驟，從該修正後的光路長度，計算出該測定對象物在該測定點上的溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項之溫度測定方法，其中，依據該薄膜之膜厚與該第2干涉波之強度二者的關係，計算出該薄膜的膜厚。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之溫度測定方法，其中，依據該第1干涉波的強度與該第2干涉波的強度二者之比，計算出該薄膜的膜厚。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之溫度測定方法，其中，該光源產生出波長在1000nm以上的光，且該基板為矽(Si)基板。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之溫度測定方法，其中，該薄膜為氧化矽薄膜(SiO2 )、氮化矽薄膜(Si3 N4 )、光阻薄膜、樹脂系薄膜或金 屬薄膜中之任一者。
  6. 一種記憶媒體，為儲存有程式之電腦可讀取記憶媒體，該程式係使得電腦在溫度測定裝置上實行溫度測定方法；該溫度測定裝置包含：光源、把來自該光源之光加以傳送至基板上形成有薄膜之測定對象物之測定點的傳送機構、以及將該測定對象物上所反射之反射光加以接收的受光機構；而該溫度測定方法係依據該受光機構所接收之該反射光的干涉波，測定出該測定對象物在該測定點上的溫度；其特徵在於該程式係使得該電腦作為下述機構來進行動作：測定機構，對於該受光機構所接收之基板表面上之反射光所產生的第1干涉波、以及該基板與該基板上所形成薄膜二者之介面及該薄膜之背面上之反射光所產生的第2干涉波進行測定；第1計算機構，計算出從該第1干涉波到該第2干涉波的光路長度；第2計算機構，依據該第2干涉波的強度，計算出該薄膜的膜厚；第3計算機構，依據該計算出之該薄膜的膜厚，計算出該基板之光路長度與該計算出之光路長度二者的光路差；修正機構，依據該計算出之光路差，對於該計算出之從該第1干涉波到該第2干涉波的光路長度進行修正；及第4計算機構，從該修正後的光路長度，計算出該測定對象物在該測定點上的溫度。
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