WO2010109933A1 - 膜厚測定装置及び測定方法 - Google Patents

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measurement
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light
interference light
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賢一 大塚
哲寿 中野
元之 渡邉
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Definitions

  • the present invention relates to a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method for measuring a time change of a film thickness of a film-like measurement object such as a semiconductor film formed on a substrate.
  • the time changes so that the thickness of the semiconductor film on the substrate decreases. Further, during execution of the thin film forming process, the time changes so that the film thickness of the semiconductor film increases. In such a semiconductor process, in-situ measurement of the time change of the film thickness of the semiconductor film is required for process control such as detection of the processing end point.
  • a method for measuring the film thickness of such a semiconductor film there is a method in which a semiconductor film is irradiated with measurement light having a predetermined wavelength, and reflected light from the upper surface of the semiconductor film and interference light that is reflected by reflected light from the lower surface are detected. It is used.
  • the film thickness of the semiconductor film changes, the optical path length difference between the reflected light from the upper surface and the reflected light from the lower surface changes. Therefore, it is possible to measure the film thickness of the semiconductor film at each time point using the temporal change in the detection intensity (interference intensity) of the interference light accompanying the change in the optical path length difference (for example, Patent Documents 1 to 4). reference).
  • the conventional measurement method may not provide sufficient film thickness measurement accuracy.
  • the interference light between the reflected light from the upper surface and the reflected light from the lower surface is detected, and the film thickness is calculated from the time variation of the detected interference intensity.
  • this method is based on the assumption that the periodic change in the interference intensity is accurately detected. For example, when the time point at which the periodic change in the light intensity is first maximized is not clear, the value of the reference film thickness is There is a problem that it becomes inaccurate and it is difficult to accurately measure the time change of the absolute value of the film thickness.
  • Patent Document 2 discloses a method for detecting an end point of etching using a signal obtained by adding absolute values of time derivatives of light intensity at two wavelengths among reflected light from a semiconductor film.
  • the light beam from the wavelength tunable laser is irradiated to detect reflected light or transmitted light from the semiconductor film, and the film thickness is determined from the waveform of the light intensity change with respect to the wavelength obtained by changing the wavelength.
  • Patent Document 4 discloses a method of spectrally detecting reflected light or transmitted light from a semiconductor film and obtaining a film thickness using a maximum value and a minimum value among outputs for each wavelength.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method capable of accurately measuring a time change in the film thickness of a film-like measurement object.
  • the purpose is to provide.
  • a film thickness measuring apparatus is a film thickness measuring apparatus that measures a time change in film thickness of a film-like measurement object having a first surface and a second surface.
  • a measurement light source that supplies measurement light including at least a first measurement light component having a first wavelength and a second measurement light component having a second wavelength different from the first wavelength to the measurement object; 2) About the interference light which the reflected light from the 1st surface of the measuring object of measurement light interfered with the reflected light from the 2nd surface, the 1st interference light component of the 1st wavelength, and the 2nd interference of the 2nd wavelength
  • Spectroscopic means for separately decomposing the light components so as to be separately detectable, (3) detection means for detecting the intensity of each of the first interference light component and the second interference light component at each time point, and (4) first interference.
  • the first phase in the time change of the detection intensity of the light component and the time change of the detection intensity of the second interference light component Based on the phase difference between the definitive second phase, characterized in that it comprises a film thickness analyzer means for determining the temporal change in the film thickness of the measuring object.
  • a film thickness measuring method is a film thickness measuring method for measuring a time change in film thickness of a film-like measurement object having a first surface and a second surface, and (1) a first wavelength.
  • the detection intensity of the first interference phase and the second interference light component is detected with time Based on the phase difference between the second phase of the change, characterized in that it comprises a film thickness analysis step of obtaining a time change in
  • the measurement light including the light components of the first wavelength and the second wavelength is supplied to the film-shaped measurement object, and the first surface and the second surface (the upper surface and the second surface).
  • the interference light of the reflected light from the lower surface is detected.
  • a phase difference between the phase in the time change of the detection intensity of the first interference light component of the first wavelength and the phase in the time change of the detection intensity of the second interference light component of the second wavelength is obtained.
  • the time change of the film thickness of the object to be measured is obtained from the phase difference. According to such a configuration, it is possible to accurately measure the absolute value of the film thickness of the film-like measurement object and its time change by the phase difference of the time waveform of the detected intensity between the two wavelengths. .
  • the measurement light including the light components of the first wavelength and the second wavelength is supplied to the measurement object, and the first surface and the second surface are used. Between the phase in the time change of the detection intensity of the first interference light component of the first wavelength and the phase in the time change of the detection intensity of the second interference light component of the second wavelength.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for measuring a film thickness of a measurement object.
  • FIG. 2 is a graph schematically showing the measurement principle of the change over time of the film thickness of the measurement object.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the film thickness measuring apparatus.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the configuration of the measurement optical system.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of the measurement optical system.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the spectroscopic optical system.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the film thickness analysis unit.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the measurement position setting unit.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for measuring a film thickness of a measurement object.
  • FIG. 2 is a graph schematically showing the measurement principle of the change over time of the film thickness of the measurement object.
  • FIG. 9 is a graph showing a first measurement example of film thickness measurement.
  • FIG. 10 is a graph showing a second measurement example of film thickness measurement.
  • FIG. 11 is a graph showing a third measurement example of film thickness measurement.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of a film thickness measuring method with wavelength switching.
  • FIG. 13 is a graph illustrating a specific example of analysis processing for film thickness measurement.
  • FIG. 14 is a graph illustrating a specific example of analysis processing for film thickness measurement.
  • FIG. 15 is a graph illustrating a specific example of analysis processing for film thickness measurement.
  • FIG. 16 is a graph illustrating a specific example of analysis processing for film thickness measurement.
  • FIG. 17 is a graph illustrating a specific example of analysis processing for film thickness measurement.
  • FIG. 18 is a graph illustrating a specific example of analysis processing for film thickness measurement.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for measuring a film thickness of a measurement object.
  • FIG. 2 is a graph schematically showing the measurement principle of the time change of the film thickness of the measurement object.
  • This film thickness measurement method measures the time change of the absolute value of the film thickness for a film-like measurement object having a first surface and a second surface.
  • the first surface of the measurement object will be described as the upper surface on which the measurement light is incident, and the second surface will be described as the lower surface on the opposite side.
  • a semiconductor film 15 formed on the substrate 12 is shown as an example of a film-like measurement object.
  • an etching process is considered for such a semiconductor film 15. In the etching process, the film thickness d of the semiconductor film 15 decreases with time as the process proceeds.
  • the film thickness measurement d is measured from the upper surface (first surface) 16 side of the semiconductor film 15 opposite to the substrate 12 with respect to the sample 10 including the substrate 12 and the semiconductor film 15.
  • Measuring light L0 is supplied.
  • interference light generated by interference between the reflected light L1 from the upper surface 16 and the reflected light L2 from the lower surface (second surface, the boundary surface between the substrate 12 and the semiconductor film 15) 17 is detected.
  • the film thickness d of the semiconductor film 15 is measured.
  • FIG. 1 for easy viewing, the optical path of the measurement light L0 irradiated on the semiconductor film 15 and the optical paths of the reflected lights L1 and L2 from the upper surface 16 and the lower surface 17 of the semiconductor film 15 are respectively shown. The position is shifted.
  • the first measurement light component having the first wavelength ⁇ 1 and the second measurement light component having the second wavelength ⁇ 2 different from the first wavelength are applied to the sample 10 including the semiconductor film 15.
  • the interference light of the reflected light L1 and L2 from the upper surface 16 and the lower surface 17 of the measurement light L0 is decomposed according to the wavelength, and the first interference light component having the wavelength ⁇ 1 and the second interference light component having the wavelength ⁇ 2 are obtained.
  • the detection is performed separately (spectral step), the intensity of each of the first and second interference light components at each time point is detected, and the change of the interference intensity with time is acquired (detection step).
  • the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 is obtained with reference to the time change of the detected intensity of the first and second interference light components (film thickness analysis step).
  • the intensity I (t of the interference light generated by the interference of the reflected lights L1 and L2 ) Is expressed by the following formula (1) by the optical path length difference 2nd generated between the reflected lights L1 and L2. Shows the change over time. That is, when the measurement light L0 having the wavelength ⁇ is used, the interference intensity I (t) of the obtained reflected light changes in a cosine wave with the time change of the film thickness d due to the etching process or the like.
  • A is the amplitude of fluctuation of the interference intensity
  • B is an offset.
  • FIG. Graph of FIG. 2 (a) shows temporal change in detected intensity I (t) of the first first interference light component of the wavelength lambda 1.
  • the phase ⁇ 1 at each time point of the interference intensity I is expressed as follows. It becomes.
  • n 1 is the refractive index of the semiconductor film 15 at the wavelength ⁇ 1 .
  • the graph of FIG. 2 (b) shows the detection time change in the intensity I (t) of the second interference light component of the second wavelength lambda 2.
  • the phase ⁇ 2 at each time point of this interference intensity I is similarly It becomes.
  • n 2 is the refractive index of the semiconductor film 15 at the wavelength ⁇ 2 .
  • the semiconductor film 15 supplies the measurement light L0 including the light components of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the phases ⁇ 1 and ⁇ 2 and the periods ⁇ t 1 and ⁇ t 2 in the time change of the detection intensity of the first and second interference light components are different from each other in the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the phase and period differ with respect to the change in the film thickness d.
  • these time-varying phases ⁇ 1 and ⁇ 2 of the interference intensity perform, for example, FFT (Fast Fourier Transform) analysis on data in a predetermined range (preferably a range of two cycles or more) of the interference intensity I. Can be obtained.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the wavelength lambda 1, the first lambda 2, the phase phi 1 of each of the second interference light component, for phi 2, when obtaining the phase difference between the two wavelengths, the phase difference [Delta] [phi 12 is the following formula (4) It becomes. That is, the phase difference ⁇ 12 between the first phase ⁇ 1 and the second phase ⁇ 2 changes in proportion to the film thickness d of the measurement object. Accordingly, as shown in the graph of FIG. 2 (c), the first, the change in the phase difference [Delta] [phi 12 with time variation of the detected intensity of the second interference light component, the absolute value of the film thickness d of the semiconductor layer 15, and The time change can be obtained with high accuracy.
  • the end point detection and process control based on the end point detection can be performed with high accuracy.
  • the relationship between the target film thickness D and the corresponding target phase difference ⁇ is expressed by the following equation: (5.1), (5.2) Represented by Therefore, using such a relationship, for example, a method in which the time when it is determined that the film thickness d of the semiconductor film 15 has decreased to the desired film thickness D from the measured phase difference ⁇ is set as the end point of the etching process.
  • the end point of the etching process can be detected.
  • Such process control can be similarly executed in, for example, control of thin film formation processing in which the film thickness d of the semiconductor film 15 increases with time.
  • the absolute value of the film thickness d can be measured by the above-described method because the phase difference ⁇ 12 varies within the range of 0 to 2 ⁇ . (Interval ⁇ t 12 in graph (c)). For this reason, the maximum value d max of the film thickness at which the absolute value can be measured in the above method is expressed by the following formula (6). It becomes.
  • the film thickness d is first measured by another method, and when the film thickness d falls within a range in which the absolute value can be measured. Therefore, it is preferable to switch to the film thickness measurement by the above method.
  • Examples of such other film thickness measurement methods include a method of measuring a relative film thickness change from a film thickness given as an initial value. In this case, the reflected interference light is detected for the measurement light of one wavelength, the change rate of the film thickness (for example, the etching rate) is obtained from the time change of the intensity, and the film thickness change amount is subtracted from the initial value of the film thickness.
  • a method for obtaining the film thickness can be used.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the film thickness measuring apparatus.
  • the semiconductor film 15 (see FIG. 1) of the sample 10 installed in the processing chamber of the semiconductor processing apparatus (for example, etching apparatus) 20 is the measurement object.
  • the film thickness measurement apparatus 1A includes a measurement optical system 21, a measurement light source 28, a spectroscopic optical system 30, photodetectors 31 and 32, and a film thickness analysis unit 40.
  • a measurement light source 28 that supplies measurement light L0 to the semiconductor film 15 of the sample 10 in the processing apparatus 20 via the measurement optical system 21 is provided.
  • the measurement light source 28 uses the measurement light L0 including at least the measurement light component of the first wavelength ⁇ 1 and the measurement light component of the second wavelength ⁇ 2 as the semiconductor film of the measurement object. 15 is supplied.
  • a white light source that supplies white light in a wavelength region including the first wavelength ⁇ 1 and the second wavelength ⁇ 2 as the measurement light L 0 can be suitably used.
  • FIG.4 and FIG.5 is a figure which shows an example of a structure of the measurement optical system 21 in 1 A of film thickness measuring apparatuses.
  • the measurement light input fiber 281 that guides the measurement light from the measurement light source 28 to the measurement optical system 21 including the objective lens 211 disposed to face the sample 10, the time of acquiring the image of the sample 10, etc.
  • An illumination light input fiber 282 that guides the illumination light used for and a reflected light output fiber 308 that guides the reflected light from the sample 10 to the spectroscopic optical system 30 are connected.
  • the measurement light L 0 from the measurement light source 28 is input to the measurement optical system 21 by the input fiber 281, passes through the half mirror 212, and is reflected by the reflection mirror 213. And supplied to the semiconductor film 15 of the sample 10 through the objective lens 211.
  • the reflected lights L 1 and L 2 from the upper and lower surfaces of the semiconductor film 15 are reflected by the reflecting mirror 213, the half mirror 212, and the reflecting mirror 214, and the spectroscopic optics through the output fiber 308. It is output to the system 30.
  • the spectroscopic optical system 30 is spectroscopic means for spectroscopically reflecting reflected light input from the sample 10 via the measurement optical system 21.
  • the spectroscopic optical system 30 is the first of the interference lights of the interference light generated by interference between the reflected light L1 from the upper surface of the semiconductor film 15 and the reflected light L2 from the lower surface of the semiconductor film 15.
  • the first interference light component having the wavelength ⁇ 1 caused by the one measurement light component and the second interference light component having the wavelength ⁇ 2 caused by the second measurement light component are separately decomposed so as to be detected.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of the spectroscopic optical system 30.
  • the spectroscopic optical system 30 includes an incident slit 301, a collimating optical system 302, a diffraction grating 303 as a dispersive element, and a focusing optical system 304.
  • the interference light decomposed into the interference light components of each wavelength by the diffraction grating 303 forms an image on the wavelength spectrum output surface 305 via the focusing optical system 304 and is disposed on the output surface 305.
  • Each wavelength component is detected by a detector.
  • Photodetectors 31 and 32 are provided as detection means for detecting.
  • the first photodetector 31 detects the first interference light component having the wavelength ⁇ 1 and outputs a detection signal indicating the intensity thereof.
  • the second photodetector 32 detects the second interference light component having the wavelength ⁇ 2 and outputs a detection signal indicating the intensity thereof.
  • Such a detecting means is arranged on the output surface 305 of the spectroscopic optical system 30 shown in FIG. 6, for example, and detects a plurality of light detection components that detect the intensity of each interference light component decomposed by the spectroscopic optical system 30. It can be constituted by a multi-channel photodetector in which elements are arranged. In this case, among the plurality of light detection elements of the light detector, one or a plurality of light detection elements that detect the first interference light component having the wavelength ⁇ 1 function as the first light detector 31. Similarly, one or more photodetectors that detect the second interference light component having the wavelength ⁇ 2 function as the second photodetector 32.
  • the film thickness analysis unit 40 includes the first phase ⁇ 1 in the temporal change in the detection intensity of the first interference light component and the second phase ⁇ in the temporal change in the detection intensity of the second interference light component.
  • 2 is a film thickness analysis means for obtaining a phase difference ⁇ 12 with respect to 2 and obtaining a time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 as a measurement object based on the phase difference.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the film thickness analysis unit 40.
  • the film thickness analysis unit 40 includes a phase analysis unit 41, a measurement phase difference acquisition unit 42, a phase difference information processing unit 45, and a film thickness information output unit 46.
  • the spectroscopic means and the detection means are configured as a spectroscopic measurement device 35 having a spectroscopic optical system 30 and a multichannel photodetector 33 including first and second photodetectors 31 and 32.
  • the phase analysis unit 41 receives the detection signal from the spectroscopic measurement device 35, and uses the first phase ⁇ 1 in the interference light component detected by the photodetector 31 and the interference light component detected by the photodetector 32.
  • the second phase ⁇ 2 is calculated.
  • the measurement phase difference acquisition unit 42 calculates the phase difference ⁇ 12 for the phases ⁇ 1 and ⁇ 2 of the first and second interference light components calculated by the phase analysis unit 41.
  • the phase difference information processing unit 45 performs predetermined data processing on the phase difference ⁇ 12 acquired by the measurement phase difference acquisition unit 42, and based on the phase difference ⁇ 12 , the film thickness d of the semiconductor film 15 to be measured. Necessary information on the absolute value of, and its time change is derived.
  • the phase difference information processing unit 45 calculates the absolute value of the film thickness d as the film thickness information from the measured phase difference ⁇ 12 based on the relational expression shown in Expression (4).
  • processor 45 may information itself of the phase difference [Delta] [phi 12 that is not converted into a film thickness of d as the thickness information indicating a thickness d.
  • the film thickness information output unit 46 outputs information about the film thickness d of the semiconductor film 15 obtained by the phase difference information processing unit 45.
  • the film thickness analysis unit 40 shown in FIG. 7 shows a configuration in which the end point of the etching process is detected by assuming a time change in which the film thickness d of the semiconductor film 15 decreases due to the etching process.
  • the film thickness analysis unit 40 of the present configuration example further includes a reference film thickness storage unit 43, a reference phase difference acquisition unit 44, and an end point information output unit 47.
  • the reference film thickness storage unit 43 stores in advance a reference film thickness (target film thickness) D indicating the value of the film thickness d of the semiconductor film 15 to be the end point of the etching process.
  • the reference phase difference acquisition unit 44 calculates a reference phase difference (target phase difference) ⁇ corresponding to the reference film thickness D read from the storage unit 43 as shown in the equation (5.1).
  • the phase difference information processing unit 45 compares the measurement phase difference ⁇ 12 acquired by the measurement phase difference acquisition unit 42 with the reference phase difference ⁇ acquired by the reference phase difference acquisition unit 44.
  • the processing unit 45 determines whether or not the etching process has reached the end point, for example, based on whether or not the measurement phase difference ⁇ 12 and the reference phase difference ⁇ match, and is determined to have reached the end point. Then, an end point detection signal for stopping the etching process is output via the end point information output unit 47.
  • a film thickness analysis part 40 can be comprised by the computer with which the predetermined
  • a measurement control unit 50 refers to the film thickness information from the film thickness information output unit 46 of the film thickness analysis unit 40 or the end point information from the end point information output unit 47, and sets each unit of the measuring apparatus 1A and the processing apparatus 20 as follows. By controlling, the film thickness measurement operation in the measurement apparatus 1A and the operation such as the etching process in the processing apparatus 20 are performed.
  • an input device 51 and a display device 52 are connected to the measurement control unit 50.
  • the input device 51 is used to input information, conditions, instructions, and the like necessary for the measurement operation in the measurement device 1 ⁇ / b> A and the processing operation in the processing device 20.
  • the input device 51 is used to input, for example, measurement wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 used in the film thickness analysis unit 40, refractive indexes n 1 and n 2 of the measurement object at each wavelength, a target film thickness D for the etching process, and the like. Can be used. Further, the film thickness value at the start of the process may be further input. However, these conditions and numerical values may be prepared in advance in the film thickness analysis unit 40.
  • the display device 52 is used to display necessary information about the above-described measurement operation and processing operation to the operator.
  • an XY ⁇ stage 22 is provided for the measurement optical system 21.
  • the XY ⁇ stage 22 adjusts the position, angle, etc. of the measurement optical system 21 in the X direction, Y direction, and ⁇ direction, so that the measurement position and measurement of the film thickness d in the semiconductor film 15 by the film thickness measuring apparatus 1A. Used to adjust conditions.
  • the XY ⁇ stage 22 is driven and controlled by a stage control unit 23.
  • an imaging device 24 and a measurement position setting unit 25 are further provided for the sample 10 and the measurement optical system 21 in the processing device 20.
  • the imaging device 24 is a position confirmation imaging device for confirming the measurement position of the film thickness d on the semiconductor film 15 by the measuring device 1A.
  • the measurement position setting unit 25 refers to the image of the sample 10 including the semiconductor film 15 acquired by the imaging device 24 via the measurement optical system 21 and sets the film thickness measurement position for the sample 10.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the measurement position setting unit 25.
  • the measurement position setting unit 25 includes a measurement image recognition unit 251, a reference image storage unit 252, an image comparison unit 253, and a control condition calculation unit 254.
  • the measurement image recognition unit 251 receives the image data of the sample 10 acquired by the imaging device 24, and performs pattern recognition of the measurement pattern in the image.
  • the reference image storage unit 252 stores in advance a reference image for specifying a position to be set as a measurement position of the film thickness d in the semiconductor film 15.
  • the image comparison unit 253 compares the measurement pattern in the measurement image recognized by the recognition unit 251 with the reference pattern in the reference image stored in the storage unit 252 by a method such as calculation of a difference image. Further, the control condition calculation unit 254 calculates the necessity of adjustment of the measurement position and the control condition when adjustment is necessary based on the comparison result between the measurement image and the reference image in the image comparison unit 253. . Then, the XY ⁇ stage 22 and the measurement optical system 21 are driven and controlled via the stage control unit 23 based on the control condition obtained by the calculation unit 254, so that the film thickness d of the sample 10 with respect to the semiconductor film 15 is increased. Measurement position and measurement conditions are set and controlled.
  • the measurement position of the film thickness d of the sample 10 with respect to the semiconductor film 15 is the position of the teg on the semiconductor wafer. This is because if the position on the semiconductor chip is set as the measurement position, the film thickness d may not be accurately measured due to a step difference such as a mask.
  • the first and second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 are applied to the semiconductor film 15 on the substrate 12 which is a film-like measurement object.
  • the measurement light L0 including the light component is supplied, and the interference light of the reflected light L1 and L2 from the upper surface 16 and the lower surface 17 is spectrally detected by the spectroscopic optical system 30 and the photodetectors 31 and 32.
  • the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 is obtained. According to such a configuration, it is possible to accurately measure the absolute value of the film thickness d of the measurement object and its temporal change by the phase difference of the time waveform of the detected intensity between the two wavelengths.
  • the measurement target is the semiconductor film 15 on the substrate 12, and the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 during the execution of a predetermined process is measured. It is preferable to do. With such a configuration, process control such as processing end point detection can be accurately performed during execution of a semiconductor process such as an etching process or a thin film forming process in which the film thickness d of the semiconductor film 15 decreases or increases.
  • the above method is generally applicable to the measurement of the film thickness d of a film-like measurement object.
  • the measurement light source 28 is a white light source that supplies white light in a wavelength region including the first and second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 as the measurement light L0.
  • the measurement light L0 including at least the measurement light components of the first and second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 can be suitably supplied.
  • the spectroscopic unit divides the interference light into the interference light of each wavelength with respect to the configuration of the spectroscopic unit that splits the interference light of the reflected light L1 and L2 from the sample 10 and the detection unit that detects the interference light.
  • the detection means has a multi-channel photodetector in which a plurality of photodetectors for detecting the intensity of each interference light component decomposed by the spectroscopy optical system 30 are arranged. A configuration can be used.
  • the measurement light source may have a configuration capable of supplying the measurement light L0 including at least the measurement light components of the first and second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • Examples of such a measurement light source include a light source capable of supplying a plurality of monochromatic lights simultaneously, such as a configuration in which a plurality of semiconductor lasers or LEDs are combined.
  • a wavelength selection filter such as a band pass filter can be used as the spectroscopic means.
  • a detection means photodetectors, such as a photodiode installed in combination with the wavelength selection filter, can be used, for example.
  • the first wavelength selection filter and the first photodetector corresponding to the first wavelength ⁇ 1 , and the second wavelength selection filter and the second photodetector corresponding to the second wavelength ⁇ 2 , the spectroscopic means and Detection means can be configured.
  • FIG. 9 is a graph showing a first measurement example of film thickness measurement by the measurement method described above.
  • a graph (a) shows a temporal change in the detection intensity I of the interference light component of the first wavelength ⁇ 1
  • time indicates a change
  • the graph (c) shows a temporal change in the film thickness d of the measuring object corresponding to the phase difference [Delta] [phi 12.
  • the absolute value of the film thickness d of the semiconductor film 15 as the measurement object and the time change thereof are accurately determined by the phase difference of the time change of the detection intensity of the first and second interference light components. Can be sought.
  • the end point of the etching process is detected by setting the target film thickness D as a threshold value with respect to the time change of the absolute value of the measured film thickness d. be able to.
  • the range in which the absolute value of the film thickness d of the measurement object can be measured is during the phase difference is changing within the range of 0 to 2 ⁇ .
  • the maximum value d max of the film thickness whose absolute value can be measured is Is required. That is, in this measurement example, if the film thickness d of the measurement object is 264.99 nm or less, the absolute value of the film thickness d can be measured by the above method.
  • FIG. 10 is a graph showing a second measurement example of film thickness measurement by the above-described method, where graph (a) shows the change over time of detection intensity I of the first interference light component, and graph (b) The time change of the detection intensity I of the second interference light component is shown, and the graph (c) shows the time change of the film thickness d of the measurement object.
  • the wavelength interval is 190 nm.
  • FIG. 11 is a graph showing a third measurement example of film thickness measurement by the above method, where graph (a) shows the change over time of detection intensity I of the first interference light component, and graph (b) The time change of the detection intensity I of the second interference light component is shown, and the graph (c) shows the time change of the film thickness d of the measurement object.
  • the wavelength interval is 195 nm.
  • the correspondence between the phase difference ⁇ 12 measured by the measuring apparatus 1A and the film thickness d, the measurable film thickness range, and the measurement accuracy are the wavelength ⁇ 1 , changes depending on the ⁇ 2 of the set. Therefore, it is possible to set or change the measurement conditions of the film thickness d by setting and changing the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 used for film thickness measurement.
  • the measurement light source 28 is configured to be able to supply three or more measurement light components having different wavelengths as components of the measurement light L0.
  • the spectroscopic means and the detection means using the spectroscopic optical system 30 and the photodetectors 31 and 32 are configured so that the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 used for measurement can be changed.
  • the measurement conditions can be suitably set and changed in accordance with the time change state of the film thickness d of the measurement object.
  • a white light source or a light source combining three or more types of monochromatic light sources can be used.
  • a configuration in which a spectroscopic optical system (spectrometer) and a multichannel photodetector are combined can be used as the spectroscopic unit and the detection unit.
  • the first and second wavelength intervals ⁇ are gradually increased with time. It is preferable to change the second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the maximum value d max of the film thickness at which the absolute value can be measured is Is required.
  • the measurable film thickness range is widened.
  • the resolution of film thickness measurement and the measurement accuracy decrease.
  • the wavelength interval ⁇ between the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 is widened, the measurable film thickness range becomes narrow, but the resolution and measurement accuracy of the film thickness measurement are improved. Therefore, in measuring the film thickness d, it is preferable to switch the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 as necessary in consideration of the relationship between the wavelength interval ⁇ , the measurement range, and the measurement accuracy.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of a film thickness measuring method with wavelength switching.
  • Figure 12 (a) shows the time variation of the graph C1 retardation [Delta] [phi 12 in this case, the measurable thickness range is 2000 nm.
  • FIG. 12B shows a graph C2 of the time change of the phase difference at this time, and the measurable film thickness range is 1000 nm.
  • FIG. 12C shows a graph C3 of the time change of the phase difference at this time, and the measurable film thickness range is 500 nm.
  • FIG. 12 (d) shows an example of a film thickness measurement method with wavelength switching when using these first to third measurement conditions.
  • the measurement condition switching threshold value ⁇ T is set with respect to the decrease in the film thickness d of the semiconductor film 15 by the etching process, and the measurement condition is switched when the phase difference ⁇ 12 decreases to this threshold value. That is, the first measurement condition (C1) having the widest measurement range is applied in the measurement section T1 including the time when the measurement of the film thickness d is started.
  • the film thickness d of the semiconductor film 15 can be measured with particularly high accuracy by switching the wavelength interval ⁇ of the two wavelengths so as to gradually increase as the film thickness decreases as the etching process proceeds. It becomes. In the example described above, but by changing the wavelength interval by changing the wavelength lambda 2 by fixing the wavelength lambda 1, it may be changed wavelength lambda 1 by fixing the wavelength lambda 2. Alternatively, both the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 may be changed.
  • 13 to 18 are graphs for explaining specific examples of analysis processing for measuring the film thickness of the measurement object. Note that, here, a method for calculating a phase in the time change of the detection intensity of the reflected interference light is described for the measurement light of one wavelength ⁇ , but the same applies to the measurement using the two wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 . It is possible to analyze by the method.
  • the analysis interval T used for the phase analysis (for example, the number of data used for the phase analysis) is obtained with respect to the temporal change data of the detection intensity of the reflected interference light acquired for the light of the wavelength ⁇ . ) Is set. Further, as shown in the graph (b) of FIG. 13 and the graph (a) of FIG. 14, the measurement data of the segment T thus cut out is in a direction opposite to the time axis direction starting from the current time point. Consider the traveling wave and change its axis.
  • the offset is adjusted so that the average intensity becomes 0, the 0th-order component having a large signal intensity is removed from the detected intensity data, and the oscillation is centered on 0. Change with time. Furthermore, as shown in the graph (a) of FIG. 15, the analysis interval is extended in order to increase the frequency resolution in the FFT analysis. At this time, it is preferable to set the detection intensity to 0 for the data extension portion in the analysis data of the detection intensity. Subsequently, as shown in the graph (b) of FIG. 15, a window function is applied to the analysis data of the detected intensity. This is for removing a pseudo frequency signal generated due to a finite data length. As the window function in this case, specifically, for example, a Hamming window can be used. Alternatively, other window functions such as a Gaussian window may be used.
  • phase ⁇ 0.
  • the phase here refers to the amount of delayed phase with respect to a cosine wave with the current time as the origin when considering a wave traveling in a direction opposite to the time axis direction as described above.
  • the value of the phase can be obtained from the real part and the imaginary part of the intensity obtained by the Fourier transform by using antan (imaginary part / real part).
  • FIGS. 17 and 18 show analysis examples when the time change of the detection intensity has passed a quarter cycle.
  • the analysis interval T used for the phase analysis is set for the data of the temporal change in the detection intensity of the reflected interference light.
  • the result obtained by finally performing Fourier transform is shown in the graph of FIG.
  • phase analysis is performed for each of the interference light components of the first and second wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 , and the absolute value of the film thickness d of the measurement object is determined based on the phase difference.
  • find the time change of the value for example, a film thickness change rate such as an etching rate can be obtained.
  • process control such as detection of the end point of the etching process, the reference film thickness D set in advance and the film thickness d measured, or the corresponding reference phase difference ⁇ and the measured phase difference ⁇ 12
  • the process control can be performed by a method such as outputting a process end signal when both values match.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of the measurement light source, the spectroscopic unit, and the detection unit used for film thickness measurement. Specifically, various configurations other than the above can be used. It is. Further, the specific phase calculation method and the film thickness analysis method for obtaining the film thickness d from the detected detection intensity of the reflected interference light are not limited to the above-described analysis examples. Various methods may be used.
  • the film thickness measurement apparatus is a film thickness measurement apparatus that measures the change over time of the film thickness of a film-like measurement object having a first surface and a second surface, and (1) has a first wavelength.
  • the interference light in which the reflected light from the first surface and the reflected light from the second surface interfere, the first interference light component of the first wavelength and the second interference light component of the second wavelength are decomposed so that they can be detected separately.
  • Spectroscopic means for performing (3) detection means for detecting the intensity of each of the first interference light component and the second interference light component at each time point, and (4) in the time change of the detection intensity of the first interference light component.
  • Phase between the first phase and the second phase in the temporal change in the detection intensity of the second interference light component Based on uses a configuration and a film thickness analyzer means for determining the temporal change in the film thickness of the measuring object.
  • the film thickness measurement method is a film thickness measurement method for measuring a time change of the film thickness of a film-like measurement object having a first surface and a second surface, and (1) First A measurement light supply step for supplying measurement light including at least a first measurement light component having a wavelength and a second measurement light component having a second wavelength different from the first wavelength from the measurement light source to the measurement object; ) About the interference light which the reflected light from the 1st surface of the measuring object of measurement light interfered with the reflected light from the 2nd surface, the 1st interference light component of the 1st wavelength, and the 2nd interference light of the 2nd wavelength A spectroscopic step for separately detecting components separately, (3) a detecting step for detecting the intensity of each of the first interference light component and the second interference light component at each time point, and (4) first interference light. Detection of first phase and second interference light component in time variation of component detection intensity Based on the phase difference between the second phase in the time variation of the degree, and using the configuration and
  • the measurement object is a semiconductor film on a substrate, and the change in the film thickness over time during execution of a predetermined process is measured. It is preferable to do.
  • the time change of the absolute value of the film thickness is measured to perform process control such as detection of the end point of the process. It can be performed with high accuracy.
  • the measuring device is configured such that the measurement light source can supply three or more measurement light components having different wavelengths as the measurement light component, and the spectroscopic means and the detection means are used for measuring the temporal change of the film thickness.
  • the first wavelength and the second wavelength may be configured to be changeable.
  • the measurement method is configured such that the measurement light source can supply three or more measurement light components having different wavelengths as the measurement light component, and is used for measuring the temporal change in film thickness in the spectroscopic step and the detection step. It is good also as changing the 1st wavelength and 2nd wavelength to be performed. Thereby, according to the state of the time change of a film thickness, the measurement conditions can be set and changed suitably.
  • the wavelength interval of 2 wavelengths may be expanded in steps. It is preferable to change the wavelength and the second wavelength. As an example of such a measurement, there is a measurement of a time change of the film thickness of the semiconductor film on the substrate during the execution of the etching process.
  • the measurement light source is a white light source that supplies white light in a wavelength region including the first wavelength and the second wavelength as measurement light
  • the spectroscopic means has a spectroscopic optical system that decomposes the interference light into interference light components of each wavelength
  • the detection means detects a plurality of light that detects the intensity of each interference light component decomposed by the spectroscopic optical system.
  • a configuration having a multi-channel photodetector in which elements are arranged can be used.
  • various configurations can be used for the measurement light source, the spectroscopic unit, and the detection unit.
  • the present invention can be used as a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method capable of accurately measuring a temporal change in the film thickness of a film-like measurement object.
  • SYMBOLS 1A Film thickness measuring apparatus, 10 ... Sample, 12 ... Substrate, 15 ... Semiconductor film (measuring object), 16 ... Upper surface (first surface), 17 ... Lower surface (second surface), 20 ... Processing device, 21 ... Measurement optical system, 22 ... XY ⁇ stage, 23 ... Stage controller, 24 ... Imaging device, 25 ... Measurement position setting unit, 28 ... Measurement light source, 30 ... Spectroscopic optical system, 31 ... First photodetector, 32 ... Second Photo detector 33 ... Multi-channel photodetector 35 ... Spectral measurement device 40 ... Film thickness analysis unit 41 ... Phase analysis unit 42 ... Measurement phase difference acquisition unit 43 ...
  • Reference film thickness storage unit 44 ... Reference A phase difference acquisition unit, 45 ... a phase difference information processing unit, 46 ... a film thickness information output unit, 47 ... an end point information output unit, 50 ... a measurement control unit, 51 ... an input device, 52 ... a display device.

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Abstract

　第１波長λ１の測定光成分、及び第２波長λ２の測定光成分を含む測定光を測定対象物１５へと供給する測定光源２８と、測定対象物１５の上面からの反射光及び下面からの反射光の干渉光について、第１波長λ１の干渉光成分、及び第２波長λ２の干渉光成分に分解する分光光学系３０と、第１、第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する光検出器３１、３２と、膜厚解析部４０とを有して膜厚測定装置１Ａを構成する。膜厚解析部４０は、第１干渉光成分の検出強度の時間変化での第１位相と、第２干渉光成分の検出強度の時間変化での第２位相との位相差に基づいて、測定対象物１５の膜厚の時間変化を求める。これにより、膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を精度良く測定することが可能な膜厚測定装置、及び膜厚測定方法が実現される。

Description

膜厚測定装置及び測定方法
　本発明は、基板上に形成された半導体膜などの膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定装置、及び膜厚測定方法に関するものである。
　半導体製造プロセスにおいて、例えば、エッチング処理の実行中では、基板上の半導体膜の膜厚が減少するように時間変化する。また、薄膜形成処理の実行中では、半導体膜の膜厚が増加するように時間変化する。このような半導体プロセスでは、処理の終点検出などのプロセス制御のために、半導体膜の膜厚の時間変化のイン・サイチュ（In-Situ）での測定が必要となる。
　そのような半導体膜の膜厚の測定方法として、半導体膜に所定波長の測定光を照射し、半導体膜の上面からの反射光、及び下面からの反射光が干渉した干渉光を検出する方法が用いられている。この方法では、半導体膜の膜厚が変化すると、上面からの反射光と下面からの反射光との間の光路長差が変化する。したがって、この光路長差の変化に伴う干渉光の検出強度（干渉強度）の時間変化を利用して、各時点での半導体膜の膜厚を測定することができる（例えば、特許文献１～４参照）。
特許第２６１２０８９号公報 特許第２６５６８６９号公報 特許第３４９１３３７号公報 特開昭６３－５０７０３号公報
　上記した半導体膜の膜厚の時間変化の測定において、半導体製造プロセスの制御精度の向上等のため、さらなる膜厚の測定精度の向上、特に膜厚の絶対値の測定精度の向上が求められている。しかしながら、従来の測定方法では、充分な膜厚の測定精度が得られない場合がある。
　例えば、特許文献１に記載された方法では、上記したように上面からの反射光と下面からの反射光との干渉光を検出し、その検出された干渉強度の時間変化から膜厚を算出している。しかしながら、この方法は干渉強度の周期的変化が正確に検出されることを前提としており、例えば光強度の周期的変化が最初に最大となる時点がはっきりしない場合、基準時の膜厚の値が不正確となり、膜厚の絶対値について、その時間変化を正確に測定することが難しいという問題がある。
　また、特許文献２では、半導体膜からの反射光のうちで２波長での光強度の時間微分の絶対値を加算した信号を用いて、エッチングの終点検出を行う方法が開示されている。また、特許文献３では、波長可変レーザからの光ビームを照射して半導体膜からの反射光または透過光を検出するとともに、波長を変化させて得られた波長に対する光強度変化の波形から膜厚を求める方法が開示されている。また、特許文献４では、半導体膜からの反射光または透過光を分光して検出し、各波長についての出力のうち極大値と極小値とを用いて膜厚を求める方法が開示されている。しかしながら、これらの方法においても、膜厚の絶対値の時間変化を正確に測定することは難しい。このような問題は、半導体膜以外の膜状の測定対象物の膜厚の時間変化の測定においても、同様に生じるものである。
　本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を精度良く測定することが可能な膜厚測定装置、及び膜厚測定方法を提供することを目的とする。
　このような目的を達成するために、本発明による膜厚測定装置は、第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定装置であって、（１）第１波長を有する第１測定光成分、及び第１波長とは異なる第２波長を有する第２測定光成分を少なくとも含む測定光を測定対象物へと供給する測定光源と、（２）測定光の測定対象物の第１面からの反射光、及び第２面からの反射光が干渉した干渉光について、第１波長の第１干渉光成分、及び第２波長の第２干渉光成分を別々に検出可能に分解する分光手段と、（３）第１干渉光成分、及び第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する検出手段と、（４）第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相と、第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相との位相差に基づいて、測定対象物の膜厚の時間変化を求める膜厚解析手段とを備えることを特徴とする。
　同様に、本発明による膜厚測定方法は、第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定方法であって、（１）第１波長を有する第１測定光成分、及び第１波長とは異なる第２波長を有する第２測定光成分を少なくとも含む測定光を測定光源から測定対象物へと供給する測定光供給ステップと、（２）測定光の測定対象物の第１面からの反射光、及び第２面からの反射光が干渉した干渉光について、第１波長の第１干渉光成分、及び第２波長の第２干渉光成分を別々に検出可能に分解する分光ステップと、（３）第１干渉光成分、及び第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する検出ステップと、（４）第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相と、第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相との位相差に基づいて、測定対象物の膜厚の時間変化を求める膜厚解析ステップとを備えることを特徴とする。
　上記した膜厚測定装置及び測定方法においては、膜状の測定対象物に対し、第１波長及び第２波長の光成分を含む測定光を供給し、その第１面及び第２面（上面及び下面）からの反射光の干渉光を検出する。そして、第１波長の第１干渉光成分の検出強度の時間変化における位相と、第２波長の第２干渉光成分の検出強度の時間変化における位相との間の位相差を取得し、この位相差から測定対象物の膜厚の時間変化を求めている。このような構成によれば、２波長間での検出強度の時間波形の位相差により、膜状の測定対象物の膜厚の絶対値、及びその時間変化を精度良く測定することが可能となる。
　本発明の膜厚測定装置及び膜厚測定方法によれば、測定対象物に対し、第１波長及び第２波長の光成分を含む測定光を供給して、その第１面及び第２面からの反射光の干渉光を検出し、第１波長の第１干渉光成分の検出強度の時間変化における位相と、第２波長の第２干渉光成分の検出強度の時間変化における位相との間の位相差を取得し、この位相差から測定対象物の膜厚の時間変化を求めることにより、膜状の測定対象物の膜厚の絶対値、及びその時間変化を精度良く測定することが可能となる。
図１は、測定対象物の膜厚の測定方法について模式的に示す図である。 図２は、測定対象物の膜厚の時間変化の測定原理を概略的に示すグラフである。 図３は、膜厚測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図４は、測定光学系の構成の一例を示す図である。 図５は、測定光学系の構成の一例を示す図である。 図６は、分光光学系の構成の一例を示す図である。 図７は、膜厚解析部の構成の一例を示すブロック図である。 図８は、測定位置設定部の構成の一例を示すブロック図である。 図９は、膜厚測定の第１の測定例について示すグラフである。 図１０は、膜厚測定の第２の測定例について示すグラフである。 図１１は、膜厚測定の第３の測定例について示すグラフである。 図１２は、波長切換えを伴う膜厚測定方法の一例について示すグラフである。 図１３は、膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。 図１４は、膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。 図１５は、膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。 図１６は、膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。 図１７は、膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。 図１８は、膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。
　以下、図面とともに本発明による膜厚測定装置、及び膜厚測定方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
　最初に、本発明による膜厚測定方法、及びその測定原理について、図１、及び図２を用いて説明する。図１は、測定対象物の膜厚の測定方法について模式的に示す図である。また、図２は、測定対象物の膜厚の時間変化の測定原理を概略的に示すグラフである。本膜厚測定方法は、第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物に対し、その膜厚の絶対値の時間変化を測定するものである。ここで、以下においては、測定対象物の第１面を測定光が入射される上面とし、第２面をその反対側の下面として説明する。
　図１に示す例では、膜状の測定対象物の一例として、基板１２上に形成された半導体膜１５を示している。このような半導体膜１５に対し、膜厚が時間とともに変化する半導体製造プロセスの一例として、エッチング処理を実行することを考える。エッチング処理では、処理の進行にしたがって半導体膜１５の膜厚ｄは時間とともに減少する。
　このような膜厚ｄの時間変化について、基板１２及び半導体膜１５からなる試料１０に対し、基板１２とは反対側となる半導体膜１５の上面（第１面）１６側から膜厚測定用の測定光Ｌ０を供給する。そして、その上面１６からの反射光Ｌ１と、下面（第２面、基板１２と半導体膜１５との境界面）１７からの反射光Ｌ２とが干渉して生成される干渉光を検出することで、半導体膜１５の膜厚ｄを測定する。なお、図１においては、図の見易さのため、半導体膜１５に照射される測定光Ｌ０の光路、及び半導体膜１５の上面１６、下面１７からの反射光Ｌ１、Ｌ２の光路を、それぞれ位置をずらして示している。
　本測定方法では、具体的には、半導体膜１５を含む試料１０に対し、第１波長λ１の第１測定光成分、及び第１波長とは異なる第２波長λ２の第２測定光成分を少なくとも含む測定光Ｌ０を照射する（測定光供給ステップ）。次に、測定光Ｌ０の上面１６、下面１７からの反射光Ｌ１、Ｌ２の干渉光を波長によって分解して、波長λ１の第１干渉光成分と波長λ２の第２干渉光成分とを別々に検出可能な状態とし（分光ステップ）、第１、第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出して、干渉強度の時間による変化を取得する（検出ステップ）。そして、これらの第１、第２干渉光成分の検出強度の時間変化を参照して、半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める（膜厚解析ステップ）。
　ここで、測定対象の半導体膜１５の屈折率をｎ、時間変化する膜厚をｄ、測定光Ｌ０の波長をλとすると、反射光Ｌ１、Ｌ２が干渉して生じる干渉光の強度Ｉ（ｔ）は、反射光Ｌ１、Ｌ２の間で生じる光路長差２ｎｄにより、下記の式（１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 による時間変化を示す。すなわち、波長λの測定光Ｌ０を用いた場合、得られる反射光の干渉強度Ｉ（ｔ）は、エッチング処理等による膜厚ｄの時間変化に伴って余弦波的に変化する。ここで、Ａは干渉強度の変動の振幅、Ｂはオフセットである。
　このような干渉光の強度Ｉ（ｔ）の時間変化の一例を図２に示す。図２のグラフ（ａ）は、第１波長λ１の第１干渉光成分の検出強度Ｉ（ｔ）の時間変化を示している。この干渉強度Ｉの各時点での位相φ１は、その時点での膜厚をｄとして
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 となる。ここで、ｎ１は波長λ１での半導体膜１５の屈折率である。この時間変化において、その１周期Δｔ１は、膜厚ｄがΔｄ＝λ１／２ｎ１だけ変化する時間に相当する。
　同様に、図２のグラフ（ｂ）は、第２波長λ２の第２干渉光成分の検出強度Ｉ（ｔ）の時間変化を示している。この干渉強度Ｉの各時点での位相φ２は、同様に
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 となる。ここで、ｎ２は波長λ２での半導体膜１５の屈折率である。この時間変化において、その１周期Δｔ２は、膜厚ｄがΔｄ＝λ２／２ｎ２だけ変化する時間に相当する。
　上記の式（２）、（３）、及び図２のグラフ（ａ）、（ｂ）に示すように、波長λ１、λ２の光成分を含む測定光Ｌ０の供給に対する半導体膜１５からの反射干渉光において、第１、第２干渉光成分の検出強度の時間変化での位相φ１、φ２、及びその周期Δｔ１、Δｔ２は、その波長λ１、λ２が異なることにより、膜厚ｄの変化に対して異なる位相、及び周期となる。なお、これらの干渉強度の時間変化の位相φ１、φ２は、例えば、干渉強度Ｉの所定範囲（好ましくは２周期以上の範囲）のデータに対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析を行うことで求めることができる。
　また、波長λ１、λ２の第１、第２干渉光成分のそれぞれでの位相φ１、φ２について、２波長間での位相差を求めると、その位相差Δφ１２は、下記の式（４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 となる。すなわち、第１位相φ１と第２位相φ２との位相差Δφ１２は、測定対象物の膜厚ｄに比例して変化する。したがって、図２のグラフ（ｃ）に示すように、第１、第２干渉光成分の検出強度の時間変化に伴う位相差Δφ１２の変化により、半導体層１５の膜厚ｄの絶対値、及びその時間変化を精度良く求めることが可能である。
　また、このような膜厚ｄの絶対値の時間変化の測定により、例えば半導体膜１５のエッチング処理において、その終点検出、及びそれに基づくプロセス制御を高精度で実行することが可能である。具体的には、エッチング処理において目標とする半導体膜１５の最終膜厚がＤに設定されているとすると、この目標膜厚Ｄと、それに対応する目標位相差ΔΦとの関係は、下記の式（５．１）、（５．２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 によって表される。したがって、このような関係を利用し、例えば測定された位相差Δφから半導体膜１５の膜厚ｄが所望の膜厚Ｄまで減少したと判断された時点をエッチング処理の終点とするなどの方法によって、図２のグラフ（ｃ）に示すように、エッチング処理の終点検出を行うことができる。このようなプロセス制御は、例えば半導体膜１５の膜厚ｄが時間とともに増加する薄膜形成処理の制御等においても同様に実行可能である。
　ここで、図２のグラフ（ｃ）から理解されるように、上記方法によって膜厚ｄの絶対値を測定することが可能となるのは、位相差Δφ１２が０～２πの範囲内で変化している間（グラフ（ｃ）中の区間Δｔ１２）である。このため、上記方法において絶対値の測定が可能な膜厚の最大値ｄｍａｘは、下記の式（６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 となる。
　したがって、測定の開始時において膜厚ｄが上記の範囲外にある場合には、最初は他の方法で膜厚測定を行い、膜厚ｄが絶対値の測定が可能な範囲内になった時点で、上記方法による膜厚測定に切り換えることが好ましい。そのような他の膜厚測定の方法としては、例えば、初期値として与えられた膜厚からの相対的な膜厚変化を測定する方法が挙げられる。この場合、１波長の測定光について反射干渉光を検出し、その強度の時間変化から膜厚の変化率（例えばエッチングレート）を求めて、膜厚の初期値から膜厚変化量を差し引くことで膜厚を取得する方法を用いることができる。
　図３は、膜厚測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態では、半導体処理装置（例えばエッチング装置）２０の処理チャンバ内に設置された試料１０の半導体膜１５（図１参照）を測定対象物とした例を示している。本膜厚測定装置１Ａは、測定光学系２１と、測定光源２８と、分光光学系３０と、光検出器３１、３２と、膜厚解析部４０とを備えて構成されている。
　処理装置２０内の試料１０の半導体膜１５に対し、測定光学系２１を介して測定光Ｌ０を供給する測定光源２８が設けられている。この測定光源２８は、図１、図２に関して上述したように、第１波長λ１の測定光成分、及び第２波長λ２の測定光成分を少なくとも含む測定光Ｌ０を測定対象物の半導体膜１５へと供給する。このような測定光源２８としては、例えば、第１波長λ１及び第２波長λ２を含む波長域の白色光を測定光Ｌ０として供給する白色光源を好適に用いることができる。
　また、測定光Ｌ０が試料１０で反射された反射光Ｌ１、Ｌ２に対し、測定光学系２１を介して、分光光学系３０、及び光検出器３１、３２が設けられている。ここで、図４及び図５は、膜厚測定装置１Ａにおける測定光学系２１の構成の一例を示す図である。本構成例では、試料１０に対向して配置される対物レンズ２１１を含む測定光学系２１に対し、測定光源２８からの測定光を導光する測定光入力ファイバ２８１、試料１０の画像取得時等に用いられる照明光を導光する照明光入力ファイバ２８２、及び試料１０からの反射光を分光光学系３０へと導光する反射光出力ファイバ３０８が接続されている。
　このような構成において、図４に示すように、測定光源２８からの測定光Ｌ０は、入力ファイバ２８１によって測定光学系２１へと入力され、ハーフミラー２１２を通過し、反射ミラー２１３で反射されて、対物レンズ２１１を介して試料１０の半導体膜１５へと供給される。また、図５に示すように、半導体膜１５の上面、下面からの反射光Ｌ１、Ｌ２は、反射ミラー２１３、ハーフミラー２１２、及び反射ミラー２１４で反射されて、出力ファイバ３０８を介して分光光学系３０へと出力される。
　分光光学系３０は、試料１０から測定光学系２１を介して入力される反射光を分光する分光手段である。具体的には、分光光学系３０は、測定光Ｌ０の半導体膜１５の上面からの反射光Ｌ１、及び下面からの反射光Ｌ２が干渉して生成される干渉光について、干渉光のうちで第１測定光成分に起因する波長λ１の第１干渉光成分と、第２測定光成分に起因する波長λ２の第２干渉光成分とを別々に検出可能に分解する。
　図６は、分光光学系３０の構成の一例を示す図である。この分光光学系３０は、入射スリット３０１、コリメーティング光学系３０２、分散素子である回折格子３０３、及びフォーカシング光学系３０４を有して構成されている。このような構成において、回折格子３０３で各波長の干渉光成分へと分解された干渉光は、フォーカシング光学系３０４を介して波長スペクトル出力面３０５に結像され、出力面３０５に配置された光検出器によって波長成分毎に検出される。
　分光光学系３０によって波長成分毎に分解された干渉光に対し、波長λ１の第１干渉光成分、及び波長λ２の第２干渉光成分のそれぞれの各時点ｔでの強度（干渉強度）を検出する検出手段として、光検出器３１、３２が設けられている。第１光検出器３１は、波長λ１の第１干渉光成分を検出し、その強度を示す検出信号を出力する。また、第２光検出器３２は、波長λ２の第２干渉光成分を検出し、その強度を示す検出信号を出力する。
　このような検出手段は、例えば図６に示した分光光学系３０に対し、その出力面３０５に配置されて、分光光学系３０によって分解された各干渉光成分の強度を検出する複数の光検出素子が配列されたマルチチャンネル光検出器によって構成することができる。この場合、光検出器の複数の光検出素子のうちで、波長λ１の第１干渉光成分を検出する１または複数の光検出素子が第１光検出器３１として機能する。同様に、波長λ２の第２干渉光成分を検出する１または複数の光検出素子が第２光検出器３２として機能する。
　光検出器３１、３２からの検出信号は、膜厚解析部４０へと入力されている。膜厚解析部４０は、図２に関して上述したように、第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相φ１と、第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相φ２との位相差Δφ１２を求め、この位相差に基づいて、測定対象物である半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める膜厚解析手段である。
　図７は、膜厚解析部４０の構成の一例を示すブロック図である。本構成例による膜厚解析部４０は、位相解析部４１と、測定位相差取得部４２と、位相差情報処理部４５と、膜厚情報出力部４６とを有して構成されている。また、図７においては、分光手段及び検出手段は、分光光学系３０と、第１、第２光検出器３１、３２を含むマルチチャンネル光検出器３３とを有する分光測定装置３５として構成されている。位相解析部４１は、分光測定装置３５からの検出信号を入力し、光検出器３１で検出された干渉光成分での第１位相φ１と、光検出器３２で検出された干渉光成分での第２位相φ２とを算出する。
　測定位相差取得部４２は、位相解析部４１において算出された第１、第２干渉光成分の位相φ１、φ２について、その位相差Δφ１２を算出する。位相差情報処理部４５は、測定位相差取得部４２において取得された位相差Δφ１２に対して所定のデータ処理を行い、位相差Δφ１２に基づいて、測定対象の半導体膜１５の膜厚ｄの絶対値、及びその時間変化に関して必要な情報を導出する。
　具体的には、位相差情報処理部４５は、式（４）に示した関係式に基づいて、測定位相差Δφ１２から膜厚ｄの絶対値を膜厚情報として算出する。あるいは、処理部４５は、膜厚ｄに換算していない位相差Δφ１２の情報自体を膜厚ｄを示す膜厚情報としても良い。また、膜厚情報出力部４６は、位相差情報処理部４５において求められた半導体膜１５の膜厚ｄについての情報を出力する。
　また、図７に示す膜厚解析部４０では、エッチング処理によって半導体膜１５の膜厚ｄが減少する時間変化を想定し、エッチング処理の終点検出を行う構成を示している。このような終点検出のため、本構成例の膜厚解析部４０は、基準膜厚記憶部４３と、基準位相差取得部４４と、終点情報出力部４７とをさらに有している。
　基準膜厚記憶部４３には、エッチング処理の終点とすべき半導体膜１５の膜厚ｄの値を示す基準膜厚（目標膜厚）Ｄがあらかじめ記憶されている。基準位相差取得部４４は、式（５．１）に示したように、記憶部４３から読み出した基準膜厚Ｄについて、それに対応する基準位相差（目標位相差）ΔΦを算出する。また、位相差情報処理部４５は、測定位相差取得部４２において取得された測定位相差Δφ１２と、基準位相差取得部４４において取得された基準位相差ΔΦとの比較を行う。
　そして、処理部４５は、エッチング処理が終点に到達しているかどうかを、例えば測定位相差Δφ１２と基準位相差ΔΦとが一致しているかどうかによって判定し、終点に到達していると判定されれば、終点情報出力部４７を介してエッチング処理を停止するための終点検出信号を出力する。なお、このような膜厚解析部４０は、例えば所定の解析プログラムが実行されているコンピュータによって構成することができる。
　また、図３に示す膜厚測定装置１Ａでは、上記の膜厚解析部４０に加えて、測定制御部５０が設けられている。測定制御部５０は、膜厚解析部４０の膜厚情報出力部４６からの膜厚情報、あるいはさらに終点情報出力部４７からの終点情報を参照し、測定装置１Ａ及び処理装置２０の装置各部を制御することで、測定装置１Ａにおける膜厚測定動作、及び処理装置２０におけるエッチング処理等の動作について必要な制御を行う。
　また、この測定制御部５０には、入力装置５１と、表示装置５２とが接続されている。入力装置５１は、測定装置１Ａにおける測定動作、及び処理装置２０における処理動作に必要な情報、条件、指示等の操作者による入力に用いられる。この入力装置５１は、例えば膜厚解析部４０において用いられる測定波長λ１、λ２、各波長での測定対象物の屈折率ｎ１、ｎ２、エッチング処理の目標膜厚Ｄ等の入力に用いることができる。また、プロセス開始時の膜厚値をさらに入力しても良い。ただし、これらの条件、数値については、膜厚解析部４０にあらかじめ用意する構成としても良い。また、表示装置５２は、上記した測定動作及び処理動作についての必要な情報の操作者への表示に用いられる。
　また、本実施形態の膜厚測定装置１Ａでは、測定光学系２１に対し、ＸＹθステージ２２が設けられている。このＸＹθステージ２２は、測定光学系２１の位置、角度等をＸ方向、Ｙ方向、θ方向に調整することで、本膜厚測定装置１Ａによる半導体膜１５での膜厚ｄの測定位置、測定条件を調整するために用いられる。また、ＸＹθステージ２２は、ステージ制御部２３によって駆動制御されている。
　また、処理装置２０内の試料１０、及び測定光学系２１に対し、さらに撮像装置２４、及び測定位置設定部２５が設けられている。撮像装置２４は、測定装置１Ａによる半導体膜１５での膜厚ｄの測定位置を確認するための位置確認用撮像装置である。また、測定位置設定部２５は、撮像装置２４によって測定光学系２１を介して取得された半導体膜１５を含む試料１０の画像を参照して、試料１０に対する膜厚測定位置を設定する。
　図８は、測定位置設定部２５の構成の一例を示すブロック図である。本構成例による測定位置設定部２５は、測定画像認識部２５１と、基準画像記憶部２５２と、画像比較部２５３と、制御条件算出部２５４とを有して構成されている。測定画像認識部２５１は、撮像装置２４で取得された試料１０の画像データを入力し、その画像での測定パターンのパターン認識を行う。また、基準画像記憶部２５２には、半導体膜１５での膜厚ｄの測定位置として設定すべき位置を特定するための基準画像があらかじめ記憶されている。
　画像比較部２５３は、認識部２５１で認識された測定画像での測定パターンと、記憶部２５２で記憶された基準画像での基準パターンとを、差分画像の算出などの方法によって比較する。また、制御条件算出部２５４は、画像比較部２５３での測定画像と基準画像との比較結果に基づいて、測定位置の調整の要否、及び調整が必要な場合にはその制御条件を算出する。そして、この算出部２５４で求められた制御条件に基づいて、ステージ制御部２３を介してＸＹθステージ２２、測定光学系２１が駆動制御されることにより、試料１０の半導体膜１５に対する膜厚ｄの測定位置、測定条件が設定、制御される。
　なお、このような試料１０の半導体膜１５に対する膜厚ｄの測定位置については、半導体ウエハ上のテグの位置とすることが好ましい。これは、半導体チップ上の位置を測定位置とすると、マスクなどの段差等が影響して、膜厚ｄを正確に測定できない可能性があるためである。
　上記実施形態による膜厚測定装置、及び膜厚測定方法の効果について説明する。
　図１～図３に示した膜厚測定装置１Ａ及び膜厚測定方法においては、膜状の測定対象物である基板１２上の半導体膜１５に対し、第１、第２波長λ１、λ２の光成分を含む測定光Ｌ０を供給し、上面１６及び下面１７からの反射光Ｌ１、Ｌ２の干渉光を分光光学系３０及び光検出器３１、３２によって分光して検出する。そして、光検出器３１で検出される波長λ１の干渉光成分の位相φ１と、光検出器３２で検出される波長λ２の干渉光成分の位相φ２との位相差Δφ１２を取得することで、半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求めている。このような構成によれば、２波長間での検出強度の時間波形の位相差により、測定対象物の膜厚ｄの絶対値、及びその時間変化を精度良く測定することが可能となる。
　膜厚測定の具体的な測定対象については、上述したように、測定対象物は基板１２上の半導体膜１５であり、所定の処理の実行中における半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を測定することが好ましい。このような構成では、半導体膜１５の膜厚ｄが減少または増加するエッチング処理、薄膜形成処理などの半導体プロセスの実行中において、処理の終点検出などのプロセス制御を精度良く行うことができる。また、上記方法は、半導体膜１５以外にも、膜状の測定対象物の膜厚ｄの測定に対して一般に適用可能である。
　また、膜厚測定装置１Ａの具体的な構成については、測定光源２８は、第１、第２波長λ１、λ２を含む波長域の白色光を測定光Ｌ０として供給する白色光源である構成を用いることができる。これにより、第１、第２波長λ１、λ２の測定光成分を少なくとも含む測定光Ｌ０を好適に供給することができる。また、試料１０からの反射光Ｌ１、Ｌ２の干渉光を分光する分光手段、及び干渉光を検出する検出手段の構成については、上述したように、分光手段は、干渉光を各波長の干渉光成分へと分解する分光光学系３０を有し、検出手段は、分光光学系３０によって分解された各干渉光成分の強度を検出する複数の光検出素子が配列されたマルチチャンネル光検出器を有する構成を用いることができる。
　また、膜厚測定に用いられる測定光源、分光手段、及び検出手段については、上記以外にも様々な構成を用いることが可能である。例えば、測定光源については、第１、第２波長λ１、λ２の測定光成分を少なくとも含む測定光Ｌ０を供給可能な構成であれば良い。そのような測定光源としては、例えば複数の半導体レーザまたはＬＥＤを組み合わせた構成など、複数の単色光を同時に供給可能な光源が挙げられる。
　また、分光手段としては、分光光学系以外にも、例えばバンドパスフィルタなどの波長選択フィルタを用いることができる。また、検出手段としては、例えば波長選択フィルタと組み合わせて設置されたフォトダイオードなどの光検出器を用いることができる。この場合、例えば第１波長λ１に対応する第１波長選択フィルタ及び第１光検出器と、第２波長λ２に対応する第２波長選択フィルタ及び第２光検出器とによって、分光手段及び検出手段を構成することができる。
　上記実施形態の膜厚測定装置１Ａ及び膜厚測定方法による測定対象物の膜厚ｄの測定処理、及び測定条件等について、具体的な測定例とともにさらに説明する。
　図９は、上記した測定方法による膜厚測定の第１の測定例について示すグラフである。本測定例では、第１波長をλ１＝３３５ｎｍ、第２波長をλ２＝４０５ｎｍとしている。このときの波長間隔はλ２－λ１＝７０ｎｍである。また、図９において、グラフ（ａ）は第１波長λ１の干渉光成分の検出強度Ｉの時間変化を示し、グラフ（ｂ）は、第２波長λ２の干渉光成分の検出強度Ｉの時間変化を示し、グラフ（ｃ）は、位相差Δφ１２に対応する測定対象物の膜厚ｄの時間変化を示している。これらのグラフに示すように、第１、第２干渉光成分の検出強度の時間変化の位相差により、測定対象物である半導体膜１５の膜厚ｄの絶対値、及びその時間変化を精度良く求めることができる。
　また、上記の測定例において、波長λ１＝３３５ｎｍでの半導体膜１５の屈折率をｎ１＝２．７とし、波長λ２＝４０５ｎｍでの屈折率をｎ２＝２．５とし、エッチング処理における目標膜厚をＤ＝１００ｎｍとする。このとき、図９のグラフ（ｄ）に示すように、測定された膜厚ｄの絶対値の時間変化に対して、目標膜厚Ｄを閾値として設定することにより、エッチング処理の終点を検出することができる。
　また、測定対象物の膜厚ｄの絶対値が測定可能な範囲は、位相差が０～２πの範囲内で変化している間である。本測定例では、絶対値が測定可能な膜厚の最大値ｄｍａｘは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 と求められる。すなわち、本測定例では、測定対象物の膜厚ｄが２６４．９９ｎｍ以下であれば、上記方法によって膜厚ｄの絶対値を測定することが可能である。
　また、上記構成による測定対象物の膜厚ｄの測定では、測定可能な膜厚ｄの範囲、及びその測定精度（分解能）は、測定に用いられる光の波長λ１、λ２の設定に依存する。ここで、図１０は、上記方法による膜厚測定の第２の測定例について示すグラフであり、グラフ（ａ）は第１干渉光成分の検出強度Ｉの時間変化を示し、グラフ（ｂ）は、第２干渉光成分の検出強度Ｉの時間変化を示し、グラフ（ｃ）は、測定対象物の膜厚ｄの時間変化を示している。本測定例では、第１波長をλ１＝６００ｎｍ、第２波長をλ２＝７９０ｎｍ、その波長間隔を１９０ｎｍとしている。
　また、図１１は、上記方法による膜厚測定の第３の測定例について示すグラフであり、グラフ（ａ）は第１干渉光成分の検出強度Ｉの時間変化を示し、グラフ（ｂ）は、第２干渉光成分の検出強度Ｉの時間変化を示し、グラフ（ｃ）は、測定対象物の膜厚ｄの時間変化を示している。本測定例では、第１波長をλ１＝４０５ｎｍ、第２波長をλ２＝６００ｎｍ、その波長間隔を１９５ｎｍとしている。
　これらの図９～図１１のグラフに示すように、測定装置１Ａにおいて測定される位相差Δφ１２と膜厚ｄとの対応関係、及び測定可能な膜厚範囲、測定精度は、波長λ１、λ２の設定に依存して変化する。したがって、膜厚測定に用いる波長λ１、λ２を設定、変更することにより、膜厚ｄの測定条件を設定、あるいは変更することが可能である。
　この場合、測定光源２８は、測定光Ｌ０の成分として互いに波長が異なる３成分以上の測定光成分を供給可能に構成されていることが好ましい。また、分光光学系３０及び光検出器３１、３２などによる分光手段及び検出手段は、測定に用いられる波長λ１、λ２を変更可能に構成されていることが好ましい。このような構成では、測定対象物の膜厚ｄの時間変化の状態に応じて、その測定条件を好適に設定、変更することができる。この場合の測定光源２８としては、白色光源、あるいは３種類以上の単色光源を組み合わせた光源等を用いることができる。また、分光手段及び検出手段としては、分光光学系（分光器）とマルチチャンネル光検出器とを組み合わせた構成を用いることができる。
　また、波長λ１、λ２の変更による膜厚測定条件の調整については、例えば図９～図１１に示したように、波長λ１、λ２の波長域を変更する（ずらす）ことで、測定条件を調整する方法がある。あるいは、波長域はそのままで波長間隔Δλ＝λ２－λ１を変更する（広げるまたは狭める）ことで、測定条件を調整する方法がある。また、波長λ１、λ２を変更する構成では、測定対象物について膜厚ｄが減少する時間変化を測定する場合に、２波長の波長間隔Δλを時間とともに段階的に広げるように第１、第２波長λ１、λ２を変更することが好ましい。このような測定の例としては、エッチング処理の実行中における基板１２上の半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化の測定が挙げられる。
　具体的に、例えば図９に示した波長λ１＝３３５ｎｍ、λ２＝４０５ｎｍの例では、測定可能な膜厚ｄの最大値は、上述したようにｄｍａｘ＝２６４．９９ｎｍである。これに対して、同じ波長域において、波長間隔Δλを狭めてλ１＝４００ｎｍ、λ２＝４０２ｎｍとした場合を考える。このとき、波長λ１、λ２での半導体膜１５の屈折率を、いずれもｎ１＝ｎ２＝２．５とすると、絶対値が測定可能な膜厚の最大値ｄｍａｘは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 と求められる。
　すなわち、同じ波長域において波長λ１、λ２の波長間隔Δλを狭めた場合、測定可能な膜厚範囲は広くなる。ただし、このように波長間隔を狭めた場合、膜厚測定の分解能、及び測定精度は低下する。一方、波長λ１、λ２の波長間隔Δλを広げた場合、測定可能な膜厚範囲は狭くなるものの、その膜厚測定の分解能、及び測定精度は向上する。したがって、膜厚ｄの測定においては、このような波長間隔Δλと、測定範囲及び測定精度との関係を考慮し、必要に応じて波長λ１、λ２を切り換えることが好ましい。
　図１２は、波長切換えを伴う膜厚測定方法の一例について示すグラフである。この例では、３種類の異なる測定条件を用いて膜厚測定を行っている。また、ここでは、各波長での半導体膜１５の屈折率を２．５で一定とする。第１の測定条件では、第１波長をλ１＝６００ｎｍ、第２波長をλ２＝６３８．３ｎｍ、波長間隔をΔλ＝３８．３ｎｍに設定している。図１２（ａ）は、このときの位相差Δφ１２の時間変化のグラフＣ１を示し、その測定可能な膜厚範囲は２０００ｎｍである。
　また、第２の測定条件では、第１波長をλ１＝６００ｎｍ、第２波長をλ２＝６８１．８ｎｍ、波長間隔をΔλ＝８１．８ｎｍに設定している。図１２（ｂ）は、このときの位相差の時間変化のグラフＣ２を示し、その測定可能な膜厚範囲は１０００ｎｍである。また、第３の測定条件では、第１波長をλ１＝６００ｎｍ、第２波長をλ２＝７８９．５ｎｍ、波長間隔をΔλ＝１８９．５ｎｍに設定している。図１２（ｃ）は、このときの位相差の時間変化のグラフＣ３を示し、その測定可能な膜厚範囲は５００ｎｍである。
　図１２（ｄ）は、これらの第１～第３の測定条件を用いたときの、波長切換えを伴う膜厚測定方法の例を示している。この例では、エッチング処理による半導体膜１５の膜厚ｄの減少に対し、測定条件の切換え閾値ΔφＴを設定し、位相差Δφ１２がこの閾値まで減少した時点で測定条件を切り換える構成としている。すなわち、膜厚ｄの測定開始時を含む測定区間Ｔ１においては、最も測定範囲が広い第１の測定条件（Ｃ１）を適用する。
　そして、位相差が閾値ΔφＴに到達した時点で、第１の測定条件よりも分解能が高い第２の測定条件（Ｃ２）に切り換え、測定区間Ｔ２で第２の測定条件を適用する。さらに、位相差が再び閾値ΔφＴに到達した時点で、第３の測定条件（Ｃ３）に切り換え、測定区間Ｔ３で第３の測定条件を適用する。このように、エッチング処理の進行による膜厚減少に伴って、２波長の波長間隔Δλを段階的に広げるように切り換えることにより、半導体膜１５の膜厚ｄを特に高精度で測定することが可能となる。なお、上記した例では、波長λ１を固定して波長λ２を変更することで波長間隔を変更しているが、波長λ２を固定して波長λ１を変更しても良い。あるいは、波長λ１、λ２をともに変更しても良い。
　次に、図３に示した膜厚測定装置１Ａにおいて、膜厚解析部４０で行われる解析処理の具体的な一例を説明する。図１３～図１８は、測定対象物の膜厚測定のための解析処理の具体例について説明するグラフである。なお、ここでは、１波長λの測定光について、その反射干渉光の検出強度の時間変化における位相の算出方法等について説明するが、２波長λ１、λ２を用いた測定においても、同様の方法で解析を行うことが可能である。
　まず、図１３のグラフ（ａ）に示すように、波長λの光について取得された反射干渉光の検出強度の時間変化のデータについて、位相解析に用いる解析区間Ｔ（例えば位相解析に用いるデータ数）を設定する。また、この切り出された区間Ｔの測定データについて、図１３のグラフ（ｂ）、及び図１４のグラフ（ａ）に示すように、現在の時点を始点とした時間軸方向とは逆の方向に進む波を考えて、その軸変換を行う。
　次に、図１４のグラフ（ｂ）に示すように、平均強度が０になるようにオフセットを調整し、検出強度データにおいて信号強度が大きい０次成分を除去して、０を中心に振動する時間変化とする。さらに、図１５のグラフ（ａ）に示すように、ＦＦＴ解析での周波数分解能を上げるため、解析区間を延長する。このとき、検出強度の解析データのうちで、データ延長部分については、その検出強度を０とすることが好ましい。続いて、図１５のグラフ（ｂ）に示すように、検出強度の解析データに対し、窓関数を適用する。これは、データ長さが有限長であることに起因して発生する擬似的な周波数信号を除去するためのものである。また、この場合の窓関数としては、具体的には例えばハミング窓を用いることができる。あるいは、例えばガウス窓などの他の窓関数を用いても良い。
　以上のようにして準備された検出強度の解析データに対し、ＦＦＴ解析などの所定の解析方法を用いてフーリエ変換を実行し、その結果から検出強度の時間変化における位相φを求める。フーリエ変換を行って得られた結果を図１６のグラフに示す。また、ここでの位相はφ＝０である。なお、ここでいう位相とは、上記したように時間軸方向とは逆の方向に進む波を考えたときに、現在の時点を原点とする余弦波に対する遅れ位相量をいう。また、その位相の値は、フーリエ変換で得られた強度の実部及び虚部から、ａｔａｎ（虚部／実部）によって求めることができる。
　また、図１３～図１６において示した解析例に対し、検出強度の時間変化が１／４周期経過したときの解析例を、図１７、図１８に示す。図１７のグラフでは、図１３のグラフ（ａ）と同様に、反射干渉光の検出強度の時間変化のデータについて、位相解析に用いる解析区間Ｔを設定している。また、最終的にフーリエ変換を行って得られた結果を図１８のグラフに示す。また、ここでの位相はφ＝π／２と求められ、検出強度の時間変化が上記したように１／４周期経過していることがわかる。
　上記方法による膜厚測定では、第１、第２波長λ１、λ２の干渉光成分のそれぞれについてこのような位相解析を行い、その位相差に基づいて、測定対象物の膜厚ｄの絶対値の時間変化を求める。膜厚ｄの時間変化について、例えばエッチングレートなどの膜厚変化率を求めることも可能である。また、エッチング処理の終点検出などのプロセス制御を行う場合には、あらかじめ設定された基準膜厚Ｄと測定された膜厚ｄ、またはそれらに対応する基準位相差ΔΦと測定された位相差Δφ１２とを比較し、両者の値が一致した場合にプロセスの終了信号を出力する等の方法によって、プロセス制御を行うことができる。
　本発明による膜厚測定装置、及び膜厚測定方法は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、膜厚測定に用いられる測定光源、分光手段、及び検出手段については、図３はその構成の一例を示すものであり、具体的には、上記以外にも様々な構成を用いることが可能である。また、測定された反射干渉光の検出強度から膜厚ｄを求めるための具体的な位相算出方法、及び膜厚解析方法等についても、上記した解析例に限られるものではなく、具体的には様々な方法を用いて良い。
　上記実施形態による膜厚測定装置では、第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定装置であって、（１）第１波長を有する第１測定光成分、及び第１波長とは異なる第２波長を有する第２測定光成分を少なくとも含む測定光を測定対象物へと供給する測定光源と、（２）測定光の測定対象物の第１面からの反射光、及び第２面からの反射光が干渉した干渉光について、第１波長の第１干渉光成分、及び第２波長の第２干渉光成分を別々に検出可能に分解する分光手段と、（３）第１干渉光成分、及び第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する検出手段と、（４）第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相と、第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相との位相差に基づいて、測定対象物の膜厚の時間変化を求める膜厚解析手段とを備える構成を用いている。
　同様に、上記実施形態による膜厚測定方法では、第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定方法であって、（１）第１波長を有する第１測定光成分、及び第１波長とは異なる第２波長を有する第２測定光成分を少なくとも含む測定光を測定光源から測定対象物へと供給する測定光供給ステップと、（２）測定光の測定対象物の第１面からの反射光、及び第２面からの反射光が干渉した干渉光について、第１波長の第１干渉光成分、及び第２波長の第２干渉光成分を別々に検出可能に分解する分光ステップと、（３）第１干渉光成分、及び第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する検出ステップと、（４）第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相と、第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相との位相差に基づいて、測定対象物の膜厚の時間変化を求める膜厚解析ステップとを備える構成を用いている。
　ここで、上記した膜厚の時間変化の測定における具体的な測定対象については、測定対象物は基板上の半導体膜であり、所定の処理の実行中における半導体膜の膜厚の時間変化を測定することが好ましい。このような構成では、上述したように、例えばエッチング処理や薄膜形成処理などの半導体プロセスの実行中において、その膜厚の絶対値の時間変化を測定して、処理の終点検出などのプロセス制御を精度良く行うことができる。
　また、測定装置は、測定光源が、測定光の成分として互いに波長が異なる３成分以上の測定光成分を供給可能に構成され、分光手段及び検出手段は、膜厚の時間変化の測定に用いられる第１波長及び第２波長を変更可能に構成されていることとしても良い。同様に、測定方法は、測定光源が、測定光の成分として互いに波長が異なる３成分以上の測定光成分を供給可能に構成され、分光ステップ及び検出ステップにおいて、膜厚の時間変化の測定に用いられる第１波長及び第２波長を変更することとしても良い。これにより、膜厚の時間変化の状態に応じて、その測定条件を好適に設定、変更することができる。
　また、上記のように第１波長及び第２波長を変更する構成では、測定対象物について膜厚が減少する時間変化を測定する場合に、２波長の波長間隔を段階的に広げるように第１波長及び第２波長を変更することが好ましい。このような測定の例としては、エッチング処理の実行中における基板上の半導体膜の膜厚の時間変化の測定が挙げられる。
　測定装置の具体的な構成については、測定光源は、第１波長及び第２波長を含む波長域の白色光を測定光として供給する白色光源である構成を用いることができる。また、分光手段は、干渉光を各波長の干渉光成分へと分解する分光光学系を有し、検出手段は、分光光学系によって分解された各干渉光成分の強度を検出する複数の光検出素子が配列されたマルチチャンネル光検出器を有する構成を用いることができる。また、測定光源、分光手段、及び検出手段については、上記以外にも様々な構成を用いることが可能である。
　本発明は、膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を精度良く測定することが可能な膜厚測定装置、及び膜厚測定方法として利用可能である。
　１Ａ…膜厚測定装置、１０…試料、１２…基板、１５…半導体膜（測定対象物）、１６…上面（第１面）、１７…下面（第２面）、２０…処理装置、２１…測定光学系、２２…ＸＹθステージ、２３…ステージ制御部、２４…撮像装置、２５…測定位置設定部、２８…測定光源、３０…分光光学系、３１…第１光検出器、３２…第２光検出器、３３…マルチチャンネル光検出器、３５…分光測定装置、４０…膜厚解析部、４１…位相解析部、４２…測定位相差取得部、４３…基準膜厚記憶部、４４…基準位相差取得部、４５…位相差情報処理部、４６…膜厚情報出力部、４７…終点情報出力部、５０…測定制御部、５１…入力装置、５２…表示装置。

Claims (10)

  1. 　第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定装置であって、
    　第１波長を有する第１測定光成分、及び前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２測定光成分を少なくとも含む測定光を前記測定対象物へと供給する測定光源と、
    　前記測定光の前記測定対象物の前記第１面からの反射光、及び前記第２面からの反射光が干渉した干渉光について、前記第１波長の第１干渉光成分、及び前記第２波長の第２干渉光成分に分解する分光手段と、
    　前記第１干渉光成分、及び前記第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する検出手段と、
    　前記第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相と、前記第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相との位相差に基づいて、前記測定対象物の膜厚の時間変化を求める膜厚解析手段と
    を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
  2. 　前記測定対象物は基板上の半導体膜であり、所定の処理の実行中における前記半導体膜の膜厚の時間変化を測定することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
  3. 　前記測定光源は、前記測定光の成分として互いに波長が異なる３成分以上の測定光成分を供給可能に構成され、前記分光手段及び前記検出手段は、膜厚の時間変化の測定に用いられる前記第１波長及び前記第２波長を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の膜厚測定装置。
  4. 　前記測定対象物について膜厚が減少する時間変化を測定する場合に、２波長の波長間隔を段階的に広げるように前記第１波長及び前記第２波長を変更することを特徴とする請求項３記載の膜厚測定装置。
  5. 　前記測定光源は、前記第１波長及び前記第２波長を含む波長域の白色光を前記測定光として供給する白色光源であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項記載の膜厚測定装置。
  6. 　前記分光手段は、前記干渉光を各波長の干渉光成分へと分解する分光光学系を有し、
    　前記検出手段は、前記分光光学系によって分解された各干渉光成分の強度を検出する複数の光検出素子が配列されたマルチチャンネル光検出器を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか一項記載の膜厚測定装置。
  7. 　第１面及び第２面を有する膜状の測定対象物の膜厚の時間変化を測定する膜厚測定方法であって、
    　第１波長を有する第１測定光成分、及び前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２測定光成分を少なくとも含む測定光を測定光源から前記測定対象物へと供給する測定光供給ステップと、
    　前記測定光の前記測定対象物の前記第１面からの反射光、及び前記第２面からの反射光が干渉した干渉光について、前記第１波長の第１干渉光成分、及び前記第２波長の第２干渉光成分に分解する分光ステップと、
    　前記第１干渉光成分、及び前記第２干渉光成分のそれぞれの各時点での強度を検出する検出ステップと、
    　前記第１干渉光成分の検出強度の時間変化における第１位相と、前記第２干渉光成分の検出強度の時間変化における第２位相との位相差に基づいて、前記測定対象物の膜厚の時間変化を求める膜厚解析ステップと
    を備えることを特徴とする膜厚測定方法。
  8. 　前記測定対象物は基板上の半導体膜であり、所定の処理の実行中における前記半導体膜の膜厚の時間変化を測定することを特徴とする請求項７記載の膜厚測定方法。
  9. 　前記測定光源は、前記測定光の成分として互いに波長が異なる３成分以上の測定光成分を供給可能に構成され、前記分光ステップ及び前記検出ステップにおいて、膜厚の時間変化の測定に用いられる前記第１波長及び前記第２波長を変更することを特徴とする請求項７または８記載の膜厚測定方法。
  10. 　前記測定対象物について膜厚が減少する時間変化を測定する場合に、２波長の波長間隔を段階的に広げるように前記第１波長及び前記第２波長を変更することを特徴とする請求項９記載の膜厚測定方法。
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