WO2011045967A1 - 膜厚測定装置および膜厚測定方法 - Google Patents

膜厚測定装置および膜厚測定方法 Download PDF

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wavelength
light
measurement
time
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賢一 大塚
中野　哲寿
元之 渡邉
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the thin film is irradiated with broadband light such as white light, and the wavelength (peak wavelength) that is maximized or minimized in the spectrum of the obtained interference light is observed.
  • broadband light such as white light
  • the wavelength (peak wavelength) that is maximized or minimized in the spectrum of the obtained interference light is observed.
  • a method for obtaining the film thickness d from the change of the above is conceivable.
  • the reflected light obtained by irradiating the thin film with the broadband light includes the bright line spectrum and the like included in the broadband light together with the interference light, and only the peak wavelength of the interference light is accurately obtained from the reflected light. There is a problem that it is difficult.
  • 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 wavelength components over a predetermined band to a measurement object, reflected light of measurement light from the first surface of the measurement object, and reflected light of measurement light from the second surface are superimposed. Detection means for detecting the intensity of each output light at each time point for each wavelength, and a film thickness analysis means for obtaining a temporal change in the film thickness of the object to be measured.
  • the spectrum of the reflected light includes an unnecessary peak such as an emission line spectrum as described above.
  • the center wavelength of such an unnecessary peak caused by the light source is unchanged regardless of the change in the film thickness of the measurement object. Therefore, the present inventor uses the spectrum waveforms of the output light detected at two or more different times to eliminate the influence of the bright line spectrum and the like, and corresponds to the peak wavelength of the interference light and its wavelength interval. It was found that the numerical value can be obtained accurately.
  • the change amount of the film thickness can be accurately measured. it can.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for measuring a film thickness of a measurement object.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of such a temporal change in the intensity I of the interference light.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of an output light spectrum when the semiconductor film 15 is irradiated with the measurement light L0 including at least a wavelength component over a predetermined band.
  • FIG. 5 is a graph obtained by normalizing the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for measuring a film thickness of a measurement object.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of such a temporal change in the intensity I of the interference light.
  • FIG. 6 is a graph showing normalized difference spectrum waveforms S1 and S2 at measurement wavelengths of 300 to 900 [nm].
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the film thickness d of the semiconductor film 15 and the film formation time in the film formation process.
  • FIG. 8 is a graph showing the measurement result of the film thickness that increases at a constant speed when the measurement wavelength is 400 [nm].
  • FIG. 9 is a graph showing the measurement results of the film thickness that increases at a constant speed when the measurement wavelength is 600 [nm].
  • FIG. 10 is a graph showing the measurement results of the film thickness increasing at a constant speed when the measurement wavelength is 800 [nm].
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a film thickness measuring apparatus.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a film thickness measuring apparatus.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method for measuring a film thickness of a measurement object.
  • This film thickness measurement method measures a temporal change amount of the film thickness of 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.
  • a film forming process or an etching process is considered for such a semiconductor film 15.
  • the film thickness d of the semiconductor film 15 increases with time as the process proceeds.
  • 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. Then, the reflected light L 1 from the upper surface 16 and the reflected light L 2 to LM from the lower surface (second surface, boundary surface between the substrate 12 and the semiconductor film 15) 17 interfere with each other and are detected. Thus, the film thickness d of the semiconductor film 15 is measured.
  • the sample 10 including the semiconductor film 15 is irradiated with the measurement light L0 including at least a wavelength component over a predetermined band (measurement light supply step).
  • the intensity of the output light formed by superimposing the reflected lights L1 to LM from the upper surface 16 and the lower surface 17 of the measurement light L0 is made detectable for each wavelength, and at each time point of each wavelength component included in the output light. Is detected, and a change with time of the spectrum of the output light is obtained (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 output light spectrum (film thickness analysis step).
  • the intensity I is expressed by the following formula (2).
  • the reflected lights L3 to LM are attenuated in the semiconductor film 15 to be measured, the reflected lights L3 to LM have very weak intensity. Therefore, the intensity I may be approximated as a spectrum generated by interference between the reflected light L1 and the reflected light L2.
  • the intensity I of the obtained interference light changes in a cosine wave with the time change of the film thickness d due to the etching process or the like.
  • a and B are constants determined by the reflectance at the upper and lower interfaces of the thin film.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of such a temporal change in the intensity I of the interference light.
  • the amount of time change of the film thickness d can be obtained. If the time at that time is measured, the rate of change of the film thickness d (for example, the etching rate) can be obtained.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of an output light spectrum when the semiconductor film 15 is irradiated with the measurement light L0 including at least a wavelength component over a predetermined band.
  • the output light spectrum includes not only the spectrum due to the interference light but also the bright line spectrum included in the measurement light L0. Therefore, even if the wavelength derivative of the output light spectrum is simply calculated, the bright line spectrum of the light source influences and the peak of the interference light cannot be accurately detected.
  • the conditional expression represents the peak (valley) wavelength of the interference light intensity I
  • the conditional expression represents the peak (peak) wavelength of the interference light intensity I. That is, the wavelength ⁇ at which the time differentiation (dI / dt) of the interference light intensity I is zero indicates that it is the peak wavelength of the interference light spectrum.
  • a wavelength ⁇ hereinafter referred to as a zero-crossing wavelength
  • I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) with respect to the second spectrum waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ) of the detected output light zero. It is considered that the peak wavelength of the interference light spectrum can be obtained.
  • peaks in the output light spectrum at the second time T 2 is manifested as a positive peak, peaks were present in the output light spectrum at a first time T 1 appears as a negative peak ing. Since spectral components other than the interference light, such as the bright line spectrum, included in the measurement light L0 are constant regardless of the time change of the film thickness d, the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) is canceled. Has been. In FIG.
  • the wavelength at which the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) becomes zero (zero cross wavelength ⁇ A in the figure) It can be regarded as a peak wavelength. If ⁇ t is 10 [seconds] or less, the wavelength at which the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) becomes zero (the zero-crossing wavelength ⁇ A in the figure) is thus determined in the interference light spectrum. It can be regarded as a peak wavelength.
  • the magnitude of the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) varies greatly depending on the wavelength.
  • the difference is calculated using a waveform I (t, ⁇ ) + I (t + ⁇ t, ⁇ ) obtained by superimposing the first spectral waveform I (t, ⁇ ) and the second spectral waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ).
  • the peak wavelength may be obtained after normalization. That is, the following formula (6) Is obtained as the peak wavelength of the interference light intensity I.
  • FIG. 5 is a graph obtained by normalizing the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ) shown in FIG. 4 by the above equation (6).
  • the wavelength at which the normalized difference becomes zero can be regarded as the peak wavelength of the interference light spectrum.
  • the peak wavelength of the interference light spectrum changes.
  • the peak wavelength of the interference light spectrum moves in the short wavelength direction.
  • the peak wavelength of the interference light spectrum moves in the long wavelength direction. Therefore, the amount of change in the film thickness d can be known by measuring the amount of movement of the peak wavelength (zero cross wavelength).
  • the time change of the set the film thickness variation [Delta] d f is the process termination condition beforehand zero crossing wavelength of the semiconductor film 15 at the wavelength lambda above, film of interest can terminate the process with a thickness variation [Delta] d f (film forming process or an etching process).
  • the peak wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 in Equation (11) are detected as the zero-crossing wavelength closest to the set measurement wavelength ⁇ .
  • FIG. 6 shows normalized difference spectrum waveforms S1 and S2 at the measurement wavelengths of 300 to 900 [nm].
  • a zero cross wavelength ⁇ A11 in the figure is one of a plurality of zero cross wavelengths in the differential spectrum waveform S1.
  • the zero cross wavelength ⁇ A11 525.02 [nm].
  • the zero cross wavelength ⁇ A12 in the figure is a zero cross wavelength adjacent to the zero cross wavelength ⁇ A11 among the plurality of zero cross wavelengths in the differential spectrum waveform S1.
  • the zero cross wavelength ⁇ A12 452.96 [nm].
  • adjacent zero-crossing wavelengths refers to zero-crossing wavelengths such that the slopes of the difference spectrum waveforms S1 at those wavelengths have the same sign. This is because the wavelength at which the differential spectrum waveform S1 crosses the zero axis with the same inclination is a wavelength at which interference light strengthens (or weakens) together.
  • FIG. 8, FIG. 9 and FIG. 10 are graphs showing the measurement results of the film thickness increasing at a constant speed when the measurement wavelengths are 400 [nm], 600 [nm] and 800 [nm], respectively. is there.
  • the measurement wavelength is 400 [nm]
  • the variation rate of the film thickness varies.
  • the change rate of the film thickness is almost constant, and the film thickness can be measured with high accuracy.
  • the measurement accuracy tends to increase as the measurement wavelength increases. This is presumably because the amount of change in the interference peak (zero cross wavelength) with respect to the change in film thickness increases as the measurement wavelength increases.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a 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 measuring apparatus 1 ⁇ / b> A includes a measurement optical system 21, a measurement light source 28, a spectroscopic optical system 30, a photodetector 31, 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 supplies measurement light L0 including at least a wavelength component over a predetermined band to the semiconductor film 15 as a measurement object.
  • a white light source that supplies white light in the predetermined band as the measurement light L0 can be preferably used.
  • a tunable laser capable of changing the output wavelength over the predetermined band or a combination of a plurality of monochromatic light sources included in the predetermined band may be used.
  • the peak wavelength (zero cross wavelength) of the interference light intensity changes as the change amount of the film thickness increases. Therefore, the width of the predetermined band depends on the change amount of the film thickness to be measured. For example, it is preferably 20 [nm] or more.
  • FIG.12 and FIG.13 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.
  • the illumination light input fiber 282 that guides the illumination light used in the above and the reflected light output fiber 308 that guides the reflected light (output 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 output light formed by superimposing the reflected lights L1 to LM from the upper and lower surfaces of the semiconductor film 15 is reflected by the reflecting mirror 213, the half mirror 212, and the reflecting mirror 214 to be output.
  • the light is output to the spectroscopic optical system 30 via the fiber 308.
  • the spectroscopic optical system 30 is a spectroscopic unit that splits reflected light input from the sample 10 via the measurement optical system 21, and constitutes a part of the detection unit in the present embodiment. Specifically, the spectroscopic optical system 30 decomposes the output light of the measurement light L0 from the semiconductor film 15 so that it can be detected for each wavelength.
  • FIG. 14 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 that is a dispersion element, and a focusing optical system 304.
  • the output light decomposed into each wavelength component by the diffraction grating 303 is imaged for each wavelength component on the wavelength spectrum output surface 305 via the focusing optical system 304 and arranged on the output surface 305.
  • Each wavelength component is detected by a photodetector.
  • a spectral optical system that decomposes the output light from the semiconductor film 15 so that it can be detected for each wavelength can be suitably configured by using, for example, a bandpass filter.
  • a photodetector 31 shown in FIG. 11 is provided as detection means for detecting the intensity of each wavelength component at each time point t with respect to the output light decomposed for each wavelength component by the spectroscopic optical system 30.
  • the photodetector 31 is arranged on the output surface 305 of the spectroscopic optical system 30 shown in FIG. 14 and includes a plurality of photodetecting elements that detect the intensity of each wavelength component decomposed by the spectroscopic optical system 30. It is constituted by an arrayed multi-channel photodetector.
  • the detection signal output from the photodetector 31 is provided to the film thickness analysis unit 40.
  • the film thickness analyzing unit 40 is a film thickness analyzing means for obtaining a time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 as a measurement object, and reflected lights L1 to LM (particularly L1 to L2) from the semiconductor film 15 are mutually transmitted.
  • a peak wavelength at which the intensity of the interference light generated by the interference is maximized or minimized is obtained based on each spectrum waveform of the output light detected at two or more different times, and from the time change of the peak wavelength, the semiconductor film 15 The time change of the film thickness d is obtained.
  • the peak wavelength of the interference light spectrum is obtained by obtaining the zero cross wavelength.
  • the time change of the film thickness d is calculated
  • the film thickness analysis unit 40 stores in advance end point information regarding the film thickness d, and when the calculated film thickness d reaches a predetermined thickness, a signal indicating that the process has reached the end point (end point detection signal) Is output.
  • 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 and the end point information output from the film thickness analysis unit 40 and controls each unit of the measurement apparatus 1A and the processing apparatus 20 to thereby perform a film thickness measurement operation in the measurement apparatus 1A. Further, necessary control is performed for the operation such as the etching process in the processing apparatus 20.
  • 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 can be used to input, for example, a measurement wavelength used in the film thickness analysis unit 40, a refractive index of the semiconductor film 15, a target film thickness of the process, and the like. 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, and the like of the measurement optical system 21 in the X direction, Y direction, and ⁇ direction, so that the measurement position and measurement conditions of the film thickness d in the semiconductor film 15 by the film thickness measuring device 1A. Used to adjust.
  • the XY ⁇ stage 22 is driven and controlled by the 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 in the semiconductor film 15 by the film thickness measurement 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. 15 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 measurement light L0 including a wavelength component over a predetermined band is supplied to the semiconductor film 15 on the substrate 12, which is a film-shaped measurement object, and the upper surface 16 and the lower surface
  • the output light including the reflected lights L1 to LM from the light 17 is spectrally detected by the spectroscopic optical system 30 and the photodetector 31.
  • the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 is obtained from the time change of the peak wavelength, based on the spectrum waveforms I (t, ⁇ ) and I (t + ⁇ t, ⁇ ) of the output light.
  • the spectrum of the reflected light (output light) has an unnecessary peak such as an emission line spectrum included in the measurement light. Included with interference light.
  • each spectrum waveform I (t, ⁇ ) of the output light at different times. , I (t + ⁇ t, ⁇ ), the center wavelength of the unnecessary peak is unchanged.
  • the change amount of the film thickness d is so small that it does not reach the peak repetition period ⁇ t 1 (see FIG. 2) of the interference light intensity I. Even if it exists, the variation
  • the film thickness measuring apparatus 1A and the film thickness measuring method include the first spectrum waveform I (t, ⁇ ) and the second spectrum in the film thickness analyzing unit 40 (film thickness analyzing step).
  • spectral waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ) and the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) -I (t, ⁇ ) is calculated, and it is preferable that the peak wavelength of the wavelength lambda a that said difference becomes zero.
  • the first and second spectrum waveforms I (t, ⁇ ), I The center wavelength of the bright line spectrum or the like included in (t + ⁇ t, ⁇ ) is the same in both waveforms, and its influence can be effectively eliminated by calculating the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t, ⁇ ).
  • the zero-crossing wavelength ⁇ A at which the difference becomes zero is located between the peak wavelengths corresponding to each other in the waveforms I (t, ⁇ ) and I (t + ⁇ t, ⁇ ), and when ⁇ t is not long.
  • This zero-crossing wavelength ⁇ A can be regarded as the peak wavelength of the interference light. Therefore, the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 can be accurately obtained from the change amount of the zero cross wavelength ⁇ A (for example, ⁇ A21 - ⁇ A11 shown in FIG. 6).
  • the film thickness is as in this embodiment.
  • 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 execution of a predetermined process. Is preferably measured.
  • 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 film thickness measurement method according to the present embodiment is generally applicable to the measurement of the amount of change in the film thickness d of the film-like measurement object other than the semiconductor film 15.
  • the film thickness analysis means detects output light at two or more different times, and the interference light intensity I is maximized based on each spectrum waveform of the output light. Or the point which calculates
  • the apparatus configuration and steps other than the film thickness analysis means (film thickness analysis step) are the same as those in the first embodiment.
  • the peak of the interference light spectrum is obtained by obtaining the wavelength ⁇ at which the ratio I (t + ⁇ t, ⁇ ) / I (t, ⁇ ) to the second spectrum waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ) of the output light detected at 1 is 1 Get the wavelength.
  • the case where the ratio of the first and second spectral waveforms is 1 is the case where the first and second spectral waveforms are equal.
  • the difference I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ I (t , ⁇ ) is equivalent to zero, and thus the peak wavelength of the interference light spectrum can be suitably obtained by such calculation.
  • the spectral components other than the interference light, such as the bright line spectrum, included in the measurement light L0 are canceled because they are constant regardless of the temporal change in the film thickness d.
  • the wavelength at which the ratio I (t + ⁇ t, ⁇ ) / I (t, ⁇ ) is 1 (wavelength ⁇ C in the figure) is the peak of the interference light spectrum. It can be regarded as a wavelength. If ⁇ t is 10 [seconds] or less, the wavelength ⁇ C at which the ratio I (t + ⁇ t, ⁇ ) / I (t, ⁇ ) is 1 can be regarded as the peak wavelength of the interference light spectrum in this way. .
  • Equation (2) when the film thickness d of the semiconductor film 15 changes, the peak wavelength of the interference light spectrum changes. Therefore, by measuring the amount of movement of the peak wavelength, the amount of change in the film thickness d can be known from equation (11).
  • the film thickness measuring apparatus 1A and the film thickness measuring method are configured such that the film thickness analyzing means (film thickness analyzing step) uses the first spectrum waveform I (t, ⁇ ) and the second spectrum.
  • the ratio I (t + ⁇ t, ⁇ ) / I (t, ⁇ ) with the waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ) may be calculated, and the wavelength ⁇ c at which the ratio is 1 may be set as the peak wavelength. Since the center wavelength of an unnecessary peak such as an emission line spectrum caused by the measurement light source does not change regardless of the change in the film thickness d of the semiconductor film 15, the ratio I (t + ⁇ t, ⁇ ) / I (t, ⁇ ) is calculated. This can effectively eliminate the influence.
  • the wavelength ⁇ c at which the ratio is 1 is located between the peak wavelengths corresponding to each other in the waveforms I (t, ⁇ ) and I (t + ⁇ t, ⁇ ), and this wavelength is used when ⁇ t is not long.
  • ⁇ c can be regarded as the peak wavelength of the interference light. Therefore, the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 can be accurately obtained from the change amount of the wavelength ⁇ c.
  • the film thickness measuring apparatus and film thickness measuring method according to the present invention will be described.
  • the difference between the first embodiment and the present embodiment is the processing content in the film thickness analyzing means (film thickness analyzing step).
  • the apparatus configuration and steps other than the film thickness analysis means (film thickness analysis step) are the same as those in the first embodiment.
  • the spectrum waveform of the interference light from the semiconductor film 15 has a period corresponding to the film thickness d of the semiconductor film 15.
  • the cycle (interval between adjacent peak wavelengths) increases as the film thickness d of the semiconductor film 15 decreases.
  • the cycle decreases as the film thickness d of the semiconductor film 15 increases.
  • the thinner the film thickness d of the semiconductor film 15 is, the smaller the number of repetitions of the spectrum waveform of the interference light per unit wavelength is.
  • the interference light per unit wavelength is reduced. This means that the number of repetitions of the spectrum waveform is increased.
  • the number of repetitions per unit wavelength is obtained by subjecting the output light spectrum to Fourier transform with respect to the wavelength (preferably, Fast Fourier Transform (FFT)).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the film thickness analysis means detects output light at two or more different times. Then, based on each spectrum waveform of the output light, as a numerical value corresponding to the wavelength interval of the peak wavelength where the interference light intensity I is maximized or minimized, obtain the number of repetitions of the spectrum waveform of the interference light per unit wavelength, The time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 is obtained from the time change of the number of repetitions.
  • Fourier transform (preferably fast Fourier transform) with the wavelength as an independent variable is performed on the first spectral waveform I (t, ⁇ ) related to the output light detected at the first time T 1 .
  • a first Fourier transform waveform F ⁇ I (t, ⁇ ) ⁇ is obtained.
  • the second spectral waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ) related to the output light detected at the second time T 2 different from the first time T 1 is also subjected to Fourier transform using the wavelength as a variable.
  • Fourier transform waveform F ⁇ I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ is obtained.
  • FIG. 17 is a graph showing an example of each Fourier transform waveform, where the graph G1 shows the first Fourier transform waveform F ⁇ I (t, ⁇ ) ⁇ , and the graph G2 shows the second Fourier transform waveform F ⁇ I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ .
  • the center F0 of the peak P1 shown in FIG. 17 corresponds to the number of repetitions per unit wavelength of the interference light included in the first spectrum waveform I (t, ⁇ ), and the center F of the peak P2 is This corresponds to the number of repetitions per unit wavelength of the interference light included in the second spectrum waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ).
  • peaks other than the peaks P1 and P2 in FIG. 17 are peaks due to bright lines and the like, and are components not related to interference light.
  • the difference between the center F0 of the peak P1 and the center F of the peak P2 is an amount of change in the number of repetitions of the spectrum waveform of the interference light per unit wavelength, it is based on this difference (F0 ⁇ F).
  • the amount of change in the film thickness d of the semiconductor film 15 can be obtained as follows.
  • FFT is a discrete Fourier transform
  • one period of the interference light spectrum before the Fourier transform becomes a fundamental wave. Therefore, the wavelength range of the fundamental wave is ⁇ 1 to ⁇ 2 , and the film thickness corresponding to the fundamental wave of the FFT is D If it is 0 , there is a relationship of the following formula (14).
  • equation (14) for D 0 It becomes.
  • the film thickness change amount ⁇ d is It can be obtained by equation (16).
  • FIG. 18 is a graph in which the horizontal axis of each Fourier transform waveform is converted into a phase.
  • Graph G3 shows the first Fourier transform waveform ⁇ ⁇ F (t, ⁇ ) ⁇
  • graph G4 shows the second Fourier transform waveform.
  • the converted waveform ⁇ ⁇ F (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ is shown. Further, the center ⁇ 0 of the peak P3 shown in FIG.
  • the center ⁇ is a phase corresponding to the number of repetitions per unit wavelength of the interference light included in the second spectral waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ).
  • peaks other than the peaks P3 and P4 are peaks due to bright lines and the like, and are components unrelated to the interference light.
  • the phase phi 0 and phi can be obtained by the following equation (17) and (18). Therefore, the film thickness change amount ⁇ d can be obtained by the following equation (19).
  • the phase is obtained from the number of repetitions, and the time change of the film thickness d of the semiconductor film 15 is obtained from the time change ( ⁇ 0 ⁇ ) of the phase.
  • the influence of the bright line spectrum and the like existing in the region D of FIGS. 17 and 18 can be canceled and a numerical value corresponding to the interval between the peak wavelengths of the interference light spectrum can be accurately obtained. Even if the change in the film thickness is so small that it does not reach the peak repetition period ⁇ t 1 (see FIG. 2), the amount of change in the film thickness d can be accurately measured without using a reference sample.
  • the waveforms such as the bright line spectrum included in the first spectrum waveform I (t, ⁇ ) and the second spectrum waveform I (t + ⁇ t, ⁇ ) are both waveforms I (t, ⁇ ) and I (t + ⁇ t, ⁇ ). Are the same. Therefore, also in the waveforms F ⁇ I (t, ⁇ ) ⁇ , F ⁇ I (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ and the phases ⁇ ⁇ F (t, ⁇ ) ⁇ , ⁇ ⁇ F (t + ⁇ t, ⁇ ) ⁇ after Fourier transform. Waveforms such as bright line spectra are the same, and according to the film thickness measuring apparatus and film thickness measuring method of this embodiment, the influence can be suitably eliminated.
  • the film thickness measurement apparatus and the film thickness measurement method only the number of repetitions corresponding to the film thickness d of the semiconductor film 15 is calculated even when the spectrum of the measurement light output from the measurement light source 28 is not flat. The influence of the spectrum of the measuring light can be almost ignored.
  • the film thickness measuring apparatus and the film thickness measuring method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible.
  • the peak wavelength of the interference light spectrum or the number of repetitions of the interference light spectrum waveform per unit wavelength is obtained in order to obtain the film thickness d of the measurement object (semiconductor film 15).
  • the numerical values useful for obtaining d are not limited to these, and if the numerical value corresponds to the peak wavelength, the interval between adjacent peak wavelengths, or the numerical value corresponding to the interval, the film thickness d is preferably obtained. Can do.
  • the film thickness measurement apparatus is a film thickness measurement apparatus that measures a change over time of the film thickness of a film-like measurement object having a first surface and a second surface, and includes a wavelength component over a predetermined band.
  • Measurement light source for supplying measurement light to the measurement object, and each point of time of the output light formed by superimposing the reflection light of the measurement light from the first surface of the measurement object and the reflection light of the measurement light from the second surface
  • Detecting means for detecting the intensity at each wavelength, and a film thickness analyzing means for obtaining a change in the film thickness of the measurement object over time.
  • the film thickness analyzing means includes the reflected light from the first surface and the second surface.
  • 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 a wavelength component over a predetermined band.
  • the measurement light supply step for supplying the measurement light including the measurement light from the measurement light source to the measurement object, the reflected light of the measurement light from the first surface of the measurement object, and the reflected light of the measurement light from the second surface are superimposed.
  • a detection step for detecting the intensity of each output light at each time point for each wavelength, and a film thickness analysis step for obtaining a temporal change in the film thickness of the object to be measured.
  • the numerical values corresponding to the peak wavelength at which the intensity of the interference light generated by the interference between the reflected light from the second surface and the reflected light from the second surface is maximized or minimized, or the interval between adjacent peak wavelengths are different from each other.
  • Output detected at two or more times Calculated based on the spectrum waveform of light, it is used a structure for determining the temporal change in the film thickness of the measuring object from the time variation of the value corresponding to the interval of peak wavelengths or adjacent peak wavelengths.
  • the thickness measuring device thickness analyzing means, a first spectrum waveform I for the output light detected in the first time T 1 (T 1), second different from the first time T 1
  • a difference I (T 2 ) ⁇ I (T 1 ) with respect to the second spectrum waveform I (T 2 ) related to the output light detected at time T 2 is calculated, and a wavelength at which the difference becomes zero is defined as a peak wavelength. It is good to do.
  • the film thickness measuring method when the film thickness analysis step, the first of the first about the detected output light at time T 1 of the spectral waveform I (T 1), the first time T 1 A difference I (T 2 ) ⁇ I (T 1 ) from the second spectrum waveform I (T 2 ) related to the output light detected at a different second time T 2 is calculated, and a wavelength at which the difference becomes zero is calculated.
  • the peak wavelength may be set.
  • the center wavelength of an unnecessary peak such as the bright line spectrum caused by the light source is unchanged regardless of the change in the film thickness of the measurement object. Therefore, the center wavelengths of the bright line spectrum and the like included in the first spectrum waveform I (T 1 ) and the second spectrum waveform I (T 2 ) are the same in both waveforms I (T 1 ) and I (T 2 ). Therefore, the influence is eliminated by calculating the difference I (T 2 ) ⁇ I (T 1 ).
  • the wavelength at which the difference becomes zero (hereinafter referred to as zero cross wavelength) is between the peak wavelength of the interference light included in the waveform I (T 1 ) and the peak wavelength of the interference light included in the waveform I (T 2 ).
  • the zero cross wavelength can be regarded as the peak wavelength of the interference light. Therefore, it is possible to accurately obtain the time change of the film thickness of the measurement object from the change amount of the zero cross wavelength.
  • the film thickness analyzing means uses the first spectral waveform I (T It is preferable to obtain a peak wavelength after normalizing the difference using a waveform I (T 1 ) + I (T 2 ) obtained by superimposing 1 ) and the second spectral waveform I (T 2 ).
  • the thickness measuring device thickness analyzing means, a first spectrum waveform I for the output light detected in the first time T 1 (T 1), second different from the first time T 1
  • the ratio I (T 2 ) / I (T 1 ) of the output light detected at time T 2 with respect to the second spectral waveform I (T 2 ) is calculated, and the wavelength at which the ratio is 1 is defined as the peak wavelength. It is good to do.
  • the film thickness measuring method when the film thickness analysis step, the first of the first about the detected output light at time T 1 of the spectral waveform I (T 1), the first time T 1 A ratio I (T 2 ) / I (T 1 ) with the second spectral waveform I (T 2 ) related to the output light detected at a different second time T 2 is calculated, and a wavelength at which the ratio becomes 1 is calculated.
  • the peak wavelength may be set.
  • the film thickness of the measurement object can be obtained from a numerical value corresponding to the interval between adjacent peak wavelengths in the cosine waveform, for example, the number of repetitions of the spectrum waveform of the interference light intensity I per unit wavelength. That is, in the film thickness measuring apparatus and the film thickness measuring method described above, the waveforms F ⁇ I (T 1 ) ⁇ , F ⁇ obtained by Fourier transforming the spectral waveforms I (T 1 ), I (T 2 ) with respect to the wavelength. I (T 2 ) ⁇ , a numerical value corresponding to the interval between adjacent peak wavelengths is obtained. And the time change of the film thickness of a measurement object is calculated
  • the measurement target is a semiconductor film on the substrate, and the change in the film thickness over time during execution of a predetermined process can be measured.
  • the measurement target is a semiconductor film on the substrate, and the change in the film thickness over time during execution of a predetermined process can be measured.
  • the amount of change in the film thickness over time is measured, and process control such as detection of the end point of the process is performed. It can be performed with high accuracy.
  • a white light source that supplies white light over a predetermined band as measurement light can be used as the measurement light source.
  • Various other measurement light sources can be used.
  • the present invention provides a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method capable of accurately measuring the amount of change in film thickness even if the relative amount of change in film thickness is less than one cycle of the peak of interference light intensity. Is available as
  • SYMBOLS 1A Film thickness measuring apparatus, 10 ... Sample, 12 ... Substrate, 15 ... Semiconductor film, 16 ... Upper surface, 17 ... Lower surface, 20 ... Processing device, 21 ... Measurement optical system, 22 ... Stage, 23 ... Stage control part, 24 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Imaging device, 25 ... Measurement position setting part, 28 ... Measurement light source, 30 ... Spectroscopic optical system, 31 ... Photodetector, 40 ... Film thickness analysis part, 50 ... Measurement control part, 51 ... Input device, 52 ... Display apparatus .

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Abstract

　膜厚測定装置１Ａは、所定帯域に亘る波長成分を含む測定光を半導体膜１５へと供給する測定光源２８と、半導体膜１５の上面及び下面からの反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する分光光学系３０及び光検出器３１と、半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める膜厚解析部４０とを備える。膜厚解析部４０は、上面からの反射光と下面からの反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を、互いに異なる時刻Ｔ１，Ｔ２において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、当該数値の時間変化から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める。これにより、干渉光強度のピークの一周期に満たないような微小な膜厚の相対変化量であっても、その膜厚変化量を精度良く測定できる膜厚測定装置および膜厚測定方法が実現される。

Description

膜厚測定装置および膜厚測定方法
　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（干渉光強度）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に記載された膜厚測定装置は、被測定対象からの透過光または反射光を分光手段で分光して干渉縞を検出し、各波長についての検出出力のうち最大値と最小値との差が所定の値のときの極値についての出力から被測定対象の膜厚を演算している。また、特許文献２には、波長可変レーザからの光ビームを測定部分に照射し、該測定部分から得られる反射光もしくは透過光による信号光を検出する半導体厚非接触測定装置において、信号光の強度を検出しながら波長可変レーザの波長を変化させ、得られた光強度変化の波形から位相変化量を求め、この位相変化量をもとに、半導体厚の絶対値と信号光強度の位相変化量との関係式から半導体厚を求める技術が記載されている。
特開昭６３－５０７０３号公報 特許第３４９１３３７号公報
　波長λの光を膜厚ｄ、屈折率ｎの薄膜に照射した場合、干渉光強度Ｉは次の式（１）によって表される。なお、式中のＡ，Ｂは薄膜の上下界面における反射率によって定まる定数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式（１）から明らかなように、膜厚ｄが変化すると干渉光強度Ｉは余弦波状に強弱を繰り返す。半導体プロセスにおける膜厚測定では、時間の経過に従って膜厚ｄが単調に増加（または減少）するため、干渉光強度Ｉは時間を変数とする余弦波関数となる。したがって、従来の膜厚測定においては、時間の経過と共に変化する干渉光強度Ｉのピークを繰り返し検出することによって、膜厚ｄの相対変化量を求める。
　しかしながら、このような方式は、干渉光強度Ｉのピークが幾度も生じる程度に十分大きな膜厚ｄの相対変化量を求める場合には有効であるが、干渉光強度Ｉのピークの一周期に満たないような微小な膜厚ｄの相対変化量を測定する場合には、十分な測定精度を確保することが困難となる。
　ここで、膜厚ｄを測定する別の方式として、例えば白色光といった広帯域光を薄膜に照射し、得られる干渉光のスペクトルにおいて極大もしくは極小となる波長（ピーク波長）を観察し、該ピーク波長の変化から膜厚ｄを求める方式が考えられる。しかし、広帯域光を薄膜に照射して得られる反射光には、広帯域光に含まれていた輝線スペクトル等が干渉光と共に含まれており、この反射光から干渉光のピーク波長のみを正確に求めることが難しいという問題がある。
　このような問題点を解決するための方式として、薄膜と並べてリファレンスサンプルを置き、このリファレンスサンプルからの反射光のスペクトルを、薄膜からの反射光のスペクトルからキャンセルする方式が考えられる。しかし、半導体プロセスにおける薄膜測定では、温度や圧力が大きく変動する成膜チャンバ内にリファレンスサンプルを置く必要があり、その取り扱いが困難となる。
　なお、特許文献１に記載された装置では、輝線スペクトルといった光源のスペクトル特性が考慮されておらず、膜厚を正確に求めることができないおそれがある。また、特許文献２に記載された装置では、参照光学系（参照用サンプル）を用いて測定を行うため、上述したように半導体プロセスではその取り扱いが困難となるという問題がある。
　本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、干渉光強度のピークの一周期に満たないような微小な膜厚の相対変化量であっても、その膜厚の変化量を精度良く測定できる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することを目的とする。
　上記した課題を解決するために、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、所定帯域に亘る波長成分を含む測定光を測定対象物へと供給する測定光源と、測定対象物の第１面からの測定光の反射光、及び第２面からの測定光の反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する検出手段と、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、膜厚解析手段は、第１面からの反射光と第２面からの反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を、検出手段において互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、ピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求め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、所定帯域に亘る波長成分を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、測定対象物の第１面からの測定光の反射光、及び第２面からの測定光の反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する検出ステップと、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、膜厚解析ステップの際に、第１面からの反射光と第２面からの反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を、検出ステップにおいて互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、ピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求めることを特徴とする。
　所定帯域に亘る波長成分を含む測定光を膜状の測定対象物に照射した場合、その反射光（出力光）のスペクトルには、前述したように輝線スペクトルといった不要なピークが含まれる。しかし、光源に起因するこのような不要なピークの中心波長は、測定対象物の膜厚の変化にかかわらず不変である。そこで、本発明者は、互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形を利用することにより、輝線スペクトル等の影響を排除して干渉光のピーク波長やその波長間隔に相当する数値を正確に求め得ることを見出した。
　すなわち、上記した膜厚測定装置および膜厚測定方法においては、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）が、第１面及び第２面からの干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又はその波長間隔に相当する数値を、互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、ピーク波長又はその波長間隔に相当する数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求める。したがって、上記した膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、輝線スペクトル等が含まれる反射光（出力光）から干渉光のピーク波長（或いはその波長間隔に相当する数値）のみを正確に求めることが可能となり、干渉光強度のピークの一周期に満たないような微小な膜厚の相対変化量であっても、その膜厚の変化量を精度良く測定することができる。
　本発明による膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、干渉光強度のピークの周期に満たないような微小な膜厚の相対変化量であっても、その膜厚変化量を精度良く測定できる。
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、このような干渉光の強度Ｉの時間変化の一例を示すグラフである。 図３は、所定帯域に亘る波長成分を少なくとも含む測定光Ｌ０を半導体膜１５に照射したときの、出力光スペクトルの一例を示すグラフである。 図４は、ｔ＝１７１［秒］、Δｔ＝５［秒］とした場合の差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）の一例を示すグラフである。 図５は、図４に示した差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）を正規化したグラフである。 図６は、測定波長３００～９００［ｎｍ］における、正規化された差分スペクトル波形Ｓ１及びＳ２を示すグラフである。 図７は、成膜プロセスにおける半導体膜１５の膜厚ｄと成膜時間との関係を示したグラフである。 図８は、測定波長を４００［ｎｍ］とした場合における、一定速度で増加する膜厚の測定結果について示すグラフである。 図９は、測定波長を６００［ｎｍ］とした場合における、一定速度で増加する膜厚の測定結果について示すグラフである。 図１０は、測定波長を８００［ｎｍ］とした場合における、一定速度で増加する膜厚の測定結果について示すグラフである。 図１１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１２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。 図１３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。 図１４は、分光光学系３０の構成の一例を示す図である。 図１５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。 図１６は、ｔ＝１７１［秒］、Δｔ＝５［秒］とした場合の比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）の一例を示すグラフである。 図１７は、フーリエ変換波形の一例を示すグラフであり、グラフＧ１は第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（ｔ，λ）｝を示しており、グラフＧ２は第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）｝を示している。 図１８は、各フーリエ変換波形の横軸を位相に換算したグラフであり、グラフＧ３は第１のフーリエ変換波形φ｛Ｆ（ｔ，λ）｝を示しており、グラフＧ４は第２のフーリエ変換波形φ｛Ｆ（ｔ＋Δｔ，λ）｝を示している。
　以下、添付図面を参照しながら本発明による膜厚測定装置および膜厚測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　（第１の実施の形態）
　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。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、その膜厚の時間的な変化量を測定するものである。以下、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、成膜処理もしくはエッチング処理を実行することを考える。成膜処理では、処理の進行にしたがって半導体膜１５の膜厚ｄは時間とともに増加する。また、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～ＬＭ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。
　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、所定帯域に亘る波長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～ＬＭが重畳して成る出力光の強度を波長毎に検出可能な状態とし、出力光に含まれる各波長成分の各時点での強度を検出して、出力光のスペクトルの時間による変化を取得する（検出ステップ）。そして、この出力光スペクトル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が含む、或る波長をλとすると、反射光Ｌ１～ＬＭが干渉して生じる干渉光の強度Ｉは、下記の式（２）によって表される。ただし、反射光Ｌ３～ＬＭは、測定対象の半導体膜１５中で減衰するため、非常に弱い強度となる。そのため、強度Ｉは、反射光Ｌ１と反射光Ｌ２とが干渉して生じるスペクトルとして近似してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 すなわち、波長λの測定光Ｌ０を用いた場合、得られる干渉光の強度Ｉ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，Ｂは薄膜の上下界面における反射率によって定まる定数である。
　図２は、このような干渉光の強度Ｉの時間変化の一例を示すグラフである。図２において、干渉光強度Ｉのピーク（山または谷）をカウントすることにより、膜厚ｄの時間変化量を求めることができる。また、その際の時間を計測すれば膜厚ｄの変化率（例えばエッチングレート）を求めることができる。なお、図２に示す干渉光強度Ｉの変化において、その１周期Δｔ１は、膜厚ｄがΔｄ＝λ／２ｎだけ変化する時間に相当する。
　しかし、干渉光強度Ｉのピーク（山または谷）を複数回カウントできる程度に半導体膜１５の膜厚ｄの変化量が十分に大きい場合にはこのような方法は有効であるが、干渉光強度Ｉのピークの繰り返し周期（図中の周期Δｔ１）に満たない程度に半導体膜１５の膜厚ｄの変化量が小さい場合、干渉光強度Ｉの時間変化から膜厚ｄの変化量を求めることは難しく、十分な測定精度を確保することが困難となる。
　そこで、本測定方法の膜厚解析ステップでは、まず、互いに異なる二以上の時刻において出力光を検出し、それらの出力光の各スペクトル波形に基づいて、干渉光強度Ｉが極大もしくは極小となるピーク波長を求める。そして、求めたピーク波長の時間変化から、半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める。以下、このような測定方法について具体的に説明する。
　図３は、所定帯域に亘る波長成分を少なくとも含む測定光Ｌ０を半導体膜１５に照射したときの、出力光スペクトルの一例を示すグラフである。通常、出力光スペクトルには、干渉光によるスペクトルだけでなく、測定光Ｌ０に含まれていた輝線スペクトル等が含まれている。したがって、出力光スペクトルの波長微分を単に演算しても、光源の輝線スペクトル等が影響し、干渉光のピークを正確に検出することはできない。
　ここで、成膜速度（またはエッチング速度）ｒと時間ｔとを用いて、半導体プロセスにおいて処理された膜厚ｄ＝ｒｔとすれば、干渉光強度Ｉは上式（２）から次のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 そして、式（３）を時間微分すると以下となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 これより（ｄＩ／ｄｔ）＝０となる波長λは次のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上式（５）において、ｍが奇数のときには、反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）は互いに弱め合い、ｍが偶数のときには、反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）は互いに強め合う。すなわち、ｍが奇数のときには干渉光強度Ｉのピーク（谷）波長を表す条件式となり、ｍが偶数のときには干渉光強度Ｉのピーク（山）波長を表す条件式となる。つまり、干渉光強度Ｉの時間微分（ｄＩ／ｄｔ）がゼロとなる波長λは、干渉光スペクトルのピーク波長であることを示している。
　このことから、第１の時刻Ｔ１＝ｔにおいて検出された出力光の第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２＝ｔ＋Δｔにおいて検出された出力光の第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）との差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）がゼロとなる波長λ（以下、ゼロクロス波長という）を求めることにより、干渉光スペクトルのピーク波長を得ることができると考えられる。
　図４は、ｔ＝１７１［秒］、Δｔ＝５［秒］とした場合の差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）の一例を示すグラフである。図４に示すように、第２の時刻Ｔ２における出力光スペクトルに存在したピークは正のピークとして現れており、第１の時刻Ｔ１における出力光スペクトルに存在したピークは負のピークとして現れている。そして、測定光Ｌ０に含まれていた輝線スペクトルといった干渉光以外のスペクトル成分は、膜厚ｄの時間変化によらず一定であるため差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）ではキャンセルされている。この図４においては、Δｔが５［秒］と小さいため、差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）がゼロとなる波長（図中のゼロクロス波長λＡ）を、干渉光スペクトルのピーク波長とみなすことができる。なお、Δｔが１０［秒］以下であれば、差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）がゼロとなる波長（図中のゼロクロス波長λＡ）を、このように干渉光スペクトルのピーク波長とみなすことができる。
　また、図４に示した例では、波長によって光強度が大きく異なるため、差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）の大きさが波長によって大きく異なる。このような場合、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）とを重畳した波形Ｉ（ｔ，λ）＋Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）を用いて差分を正規化した後に、ピーク波長を求めるとよい。すなわち、以下の式（６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 によって正規化された差分がゼロとなる波長を、干渉光強度Ｉのピーク波長として求める。なお、図５は、図４に示した差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）を上式（６）により正規化したグラフである。この図５においては、正規化された差分がゼロとなる波長（図中のゼロクロス波長λＡ）を、干渉光スペクトルのピーク波長とみなすことができる。
　ここで、式（２）より、半導体膜１５の膜厚ｄが変化すると、干渉光スペクトルのピーク波長が変化する。例えば、膜厚ｄがエッチング処理によって薄くなると、干渉光スペクトルのピーク波長は短波長方向へ移動する。逆に、膜厚ｄが成膜処理によって厚くなると、干渉光スペクトルのピーク波長は長波長方向へ移動する。したがって、ピーク波長（ゼロクロス波長）の移動量を測定することによって、膜厚ｄの変化量を知ることができる。
　図１に示した反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）が互いに強め合う条件は、次の式（７）によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 上式（７）において、ピーク波長λが１［ｎｍ］変化するときを考えると、次の式（８）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 したがって、ピーク波長λが１［ｎｍ］変化するとき、膜厚ｄは（ｍ／２ｎ）だけ変化することがわかる。
　なお、具体的なｍの値については以下のようにして求めることができる。式（７）において、隣り合うピーク波長λ１，λ２（λ１＞λ２）を考えると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 と表すことができる。ピーク波長λ１，λ２において屈折率の波長分散の影響が小さいと考えｎ１＝ｎ２とみなすと、上式（９）よりｍは以下の式（１０）によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 干渉光強度Ｉのピーク波長（ゼロクロス波長）の移動量をＸとすると、膜厚ｄの変化量Δｄは以下の式（１１）によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 以上より、測定波長λ、波長λでの半導体膜１５の屈折率ｎ、プロセス終了条件である膜厚変化量Δｄｆを予め設定してゼロクロス波長の時間変化を監視することにより、目的とする膜厚変化量Δｄｆでプロセス（成膜処理またはエッチング処理）を終了させることができる。なお、式（１１）におけるピーク波長λ１，λ２は、設定した測定波長λに最も近いゼロクロス波長として検出される。
　ここで、正規化された差分スペクトルから膜厚ｄを求める方法の一例を示す。図６には、測定波長３００～９００［ｎｍ］における、正規化された差分スペクトル波形Ｓ１及びＳ２が示されている。差分スペクトル波形Ｓ１は、時刻Ｔ１＝１７１［秒］における差分スペクトル波形である。差分スペクトル波形Ｓ２は、時刻Ｔ１＝２０１［秒］における差分スペクトル波形である。なお、差分スペクトル波形Ｓ１及びＳ２を求めた際のΔｔ（＝Ｔ２－Ｔ１）は共に５［秒］である。
　図中のゼロクロス波長λＡ１１は、差分スペクトル波形Ｓ１における複数のゼロクロス波長のうちの一つである。本例では、ゼロクロス波長λＡ１１＝５２５．０２［ｎｍ］である。また、図中のゼロクロス波長λＡ１２は、差分スペクトル波形Ｓ１における複数のゼロクロス波長のうち、ゼロクロス波長λＡ１１と隣り合うゼロクロス波長である。本例では、ゼロクロス波長λＡ１２＝４５２．９６［ｎｍ］である。なお、「隣り合うゼロクロス波長」とは、厳密には、それらの波長における差分スペクトル波形Ｓ１の傾きが互いに同符号となるようなゼロクロス波長をいう。差分スペクトル波形Ｓ１が同じ傾きでもってゼロ軸と交差する波長は、共に干渉光が強め合う（又は弱め合う）波長だからである。
　波長５００［ｎｍ］付近における半導体膜１５の屈折率をｎ＝２．５とすると、上式（１０）よりｍが求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 また、３０秒後の差分スペクトル波形Ｓ２では、差分スペクトル波形Ｓ１のゼロクロス波長λＡ１１に対応するゼロクロス波長λＡ２１が、４７５．５２［ｎｍ］まで短波長側へ変化している。このことから、膜厚ｄの変化量Δｄを求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　プロセス（成膜処理またはエッチング処理）開始前の半導体膜１５の初期膜厚があらかじめ明らかである場合には、こうして求められる膜厚ｄの変化量Δｄをリアルタイムで測定することにより、半導体膜１５が所定の膜厚となった時点で当該プロセスを好適に停止することができる。なお、図７は、成膜プロセスにおける半導体膜１５の膜厚ｄと成膜時間との関係を示したグラフである。同図に示すように、所定の膜厚ｄ＝１００［ｎｍ］に達した時点で、成膜プロセスを終了させることができる。
　なお、上述の例では測定波長を５００［ｎｍ］付近とした場合の測定方法について説明したが、必要に応じて様々な波長の測定光を用いることができる。ここで、図８、図９および図１０は、測定波長をそれぞれ４００［ｎｍ］、６００［ｎｍ］および８００［ｎｍ］とした場合における、一定速度で増加する膜厚の測定結果について示すグラフである。図８を参照すると、測定波長が４００［ｎｍ］の場合には膜厚の変化率にばらつきが生じている。これに対し、８００［ｎｍ］の場合には、膜厚の変化率がほぼ一定となっており、高い精度で膜厚を測定できていることがわかる。このように、上記成膜方法では、測定波長が長いほど、膜厚測定精度が高くなる傾向がある。これは、測定波長が長くなるほど、膜厚変化に対する干渉ピーク（ゼロクロス波長）の変化量が大きくなるためと考えられる。
　次に、上記測定方法を好適に実現できる膜厚測定装置の構成について説明する。図１１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。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、所定帯域に亘る波長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、上記所定帯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。或いは、上記所定帯域に亘って出力波長を変化させることが可能な波長可変レーザや、上記所定帯域に含まれる複数の単色光源を組み合わせたものでもよい。なお、前述した方法による膜厚測定では膜厚の変化量が大きいほど干渉光強度のピーク波長（ゼロクロス波長）が変化するので、上記所定帯域の幅は、測定しようとする膜厚変化量に応じて設定されることが好ましく、例えば２０［ｎｍ］以上であることが好ましい。
　また、測定光Ｌ０が試料１０で反射された反射光Ｌ１～ＬＭが重畳されて成る出力光に対し、測定光学系２１を介して、分光光学系３０及び光検出器３１が設けられている。ここで、図１２及び図１３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（出力光）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１２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１３に示すように、半導体膜１５の上面、下面からの反射光Ｌ１～ＬＭが重畳されて成る出力光は、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り、本実施形態における検出手段の一部を構成する。具体的には、分光光学系３０は、測定光Ｌ０の半導体膜１５からの出力光を、波長毎に検出可能なように分解する。
　図１４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で各波長成分へと分解された出力光は、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において波長成分毎に結像され、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。なお、本例以外にも、例えば帯域フィルタを用いることによって、半導体膜１５からの出力光を波長毎に検出可能なように分解する分光光学系を好適に構成できる。
　分光光学系３０によって波長成分毎に分解された出力光に対し、各波長成分の各時点ｔでの強度を検出する検出手段として、図１１に示す光検出器３１が設けられている。光検出器３１は、例えば図１４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波長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される。
　光検出器３１から出力された検出信号は、膜厚解析部４０へ提供される。膜厚解析部４０は、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り、半導体膜１５からの反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）が相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長を、互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、該ピーク波長の時間変化から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める。
　具体的には、前述したように、第１の時刻Ｔ１＝ｔにおいて検出された出力光の第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２＝ｔ＋Δｔにおいて検出された出力光の第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）との差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）を求め、より好ましくは該差分を正規化し、そのゼロクロス波長を求めることにより、干渉光スペクトルのピーク波長を求める。そして、前述した式（１１）により、膜厚ｄの時間変化を求める。膜厚解析部４０は、膜厚ｄに関する終点情報を予め記憶しており、算出された膜厚ｄが所定の厚さに達すると、処理が終点に到達したことを示す信号（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１１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から出力される膜厚情報や終点情報を参照し、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、半導体膜１５の屈折率、プロセスの目標膜厚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できるようにしても良い。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、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、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１５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。
　本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。
　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、所定帯域に亘る波長成分を含む測定光Ｌ０を供給し、上面１６及び下面１７からの反射光Ｌ１～ＬＭを含む出力光を分光光学系３０及び光検出器３１によって分光して検出する。そして、反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）が相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長を、互いに異なる時刻Ｔ１＝ｔ，Ｔ２＝ｔ＋Δｔにおいて検出された出力光の各スペクトル波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に基づいて求め、ピーク波長の時間変化から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求めている。
　先に述べたように、広帯域に亘る波長成分を含む測定光を半導体膜１５に照射すると、その反射光（出力光）のスペクトルには、測定光に含まれていた輝線スペクトルといった不要なピークが干渉光と共に含まれる。しかし、測定光源に起因するこのような不要なピークの中心波長は、半導体膜１５の膜厚ｄの変化にかかわらず不変であるから、異なる時刻における出力光の各スペクトル波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）において該不要ピークの中心波長も不変である。
　したがって、これらのスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）を用いることによって、輝線スペクトル等の影響をキャンセルして干渉光のピーク波長を正確に求めることが可能となる。すなわち、本実施形態による膜厚測定装置１Ａ及び膜厚測定方法によれば、干渉光強度Ｉのピークの繰り返し周期Δｔ１（図２参照）に満たないような微小な膜厚ｄの変化量であっても、リファレンスサンプルを用いることなく、その膜厚ｄの変化量を精度良く測定できる。
　また、本実施形態のように、膜厚測定装置１Ａ及び膜厚測定方法は、膜厚解析部４０（膜厚解析ステップ）において、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と、第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）との差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）を演算し、該差分がゼロとなる波長λＡをピーク波長とすることが好ましい。
　測定光源２８に起因する輝線スペクトルといった不要なピークの中心波長は、半導体膜１５の膜厚ｄの変化にかかわらず不変であるから、第１及び第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に含まれる輝線スペクトル等の中心波長は両波形で同一であり、差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）を演算することによってその影響を効果的に排除できる。また、上記差分がゼロとなるゼロクロス波長λＡは、波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）において相互に対応するピーク波長の間に位置しており、Δｔが長くない場合にはこのゼロクロス波長λＡを干渉光のピーク波長と見なすことができる。したがって、このゼロクロス波長λＡの変化量（例えば図６に示したλＡ２１－λＡ１１）から、半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を精度良く求めることができる。
　また、差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）がゼロとなる波長をピーク波長と見なして半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める場合、本実施形態のように、膜厚解析部４０（膜厚解析ステップ）において、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）とを重畳した波形Ｉ（ｔ，λ）＋Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）を用いて差分を正規化（上式（６）参照）した後に、ピーク波長を求めることが好ましい。これにより、図４に示したように測定光Ｌ０の強度が波長により異なるため差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）の大きさが波長により大きく異なる場合であっても、図５に示したように、差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）に関する良好なスペクトル波形を得ることができる。
　また、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。なお、本実施形態による膜厚測定方法は、半導体膜１５以外にも、膜状の測定対象物の膜厚ｄの変化量の測定に対して一般に適用可能である。
　（第２の実施の形態）
　続いて、本発明に係る膜厚測定装置および膜厚測定方法の第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態と本実施形態とで異なる点は、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）における処理内容である。すなわち、本実施形態では、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）において、互いに異なる二以上の時刻において出力光を検出し、それらの出力光の各スペクトル波形に基づいて、干渉光強度Ｉが極大もしくは極小となるピーク波長を求める点は第１実施形態と同様であるが、その具体的な手法が異なっている。なお、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）以外の装置構成およびステップについては、第１実施形態と同様である。
　本実施形態では、第１の時刻Ｔ１＝ｔにおいて検出された出力光の第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２＝ｔ＋Δｔにおいて検出された出力光の第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）との比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）が１となる波長λを求めることにより、干渉光スペクトルのピーク波長を得る。第１及び第２のスペクトル波形の比が１になる場合とは、すなわち第１及び第２のスペクトル波形が等しくなる場合であり、第１実施形態において差分Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）－Ｉ（ｔ，λ）がゼロとなる場合と等価であるから、このような演算によっても干渉光スペクトルのピーク波長を好適に得ることができる。
　図１６は、ｔ＝１７１［秒］、Δｔ＝５［秒］とした場合の比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）の一例を示すグラフである。図１６において、測定光Ｌ０に含まれていた輝線スペクトルといった干渉光以外のスペクトル成分は、膜厚ｄの時間変化によらず一定であるためキャンセルされている。この図１６においても、Δｔが５［秒］と小さいため、比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）が１となる波長（図中の波長λＣ）を、干渉光スペクトルのピーク波長とみなすことができる。なお、Δｔが１０［秒］以下であれば、比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）が１となる波長λＣを、このように干渉光スペクトルのピーク波長とみなすことができる。
　式（２）より、半導体膜１５の膜厚ｄが変化すると、干渉光スペクトルのピーク波長が変化する。したがって、ピーク波長の移動量を測定することによって、式（１１）により膜厚ｄの変化量を知ることができる。
　本実施形態においても、反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）が相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長を、互いに異なる時刻Ｔ１＝ｔ，Ｔ２＝ｔ＋Δｔにおいて検出された出力光の各スペクトル波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に基づいて求め、ピーク波長の時間変化から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求めている。したがって、輝線スペクトル等の影響をキャンセルして干渉光のピーク波長を正確に求めることができるので、干渉光強度Ｉのピークの繰り返し周期Δｔ１（図２参照）に満たないような微小な膜厚ｄの変化量であっても、リファレンスサンプルを用いることなく、その膜厚ｄの変化量を精度良く測定できる。
　また、本実施形態のように、膜厚測定装置１Ａ及び膜厚測定方法は、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）において、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）と、第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）との比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）を演算し、該比が１となる波長λｃをピーク波長としてもよい。測定光源に起因する輝線スペクトルといった不要なピークの中心波長は、半導体膜１５の膜厚ｄの変化にかかわらず不変であるから、比Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）／Ｉ（ｔ，λ）を演算することによってその影響を効果的に排除できる。また、上記比が１となる波長λｃは、波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）において相互に対応するピーク波長の間に位置しており、Δｔが長くない場合にはこの波長λｃを干渉光のピーク波長と見なすことができる。したがって、この波長λｃの変化量から、半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を精度良く求めることができる。
　（第３の実施の形態）
　続いて、本発明に係る膜厚測定装置および膜厚測定方法の第３実施形態について説明する。上述した第１実施形態と本実施形態とで異なる点は、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）における処理内容である。なお、本実施形態においても、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）以外の装置構成およびステップについては、第１実施形態と同様である。
　先に述べた式（２）において、屈折率ｎが波長λに対して一定であると仮定した場合、半導体膜１５からの干渉光のスペクトル波形は、半導体膜１５の膜厚ｄに応じた周期的な波形となる。そして、半導体膜１５の膜厚ｄが薄くなるほどその周期（隣り合うピーク波長の間隔）は大きくなり、逆に半導体膜１５の膜厚ｄが厚くなるほどその周期は小さくなる。言い換えると、半導体膜１５の膜厚ｄが薄くなるほど、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数が小さくなり、逆に半導体膜１５の膜厚ｄが厚くなるほど、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数が大きくなるということである。
　このような単位波長当たりの繰り返し数は、出力光スペクトルを波長に関してフーリエ変換（好ましくは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform））することによって求められる。そして、上述したように、ＦＦＴによって得られる干渉光のスペクトル波形の繰り返し数が膜厚ｄに応じて変化することから、当該繰り返し数の変化に基づいて、膜厚ｄの変化量を求めることができる。
　本実施形態では、膜厚解析手段（膜厚解析ステップ）において、互いに異なる二以上の時刻において出力光を検出する。そして、それらの出力光の各スペクトル波形に基づいて、干渉光強度Ｉが極大もしくは極小となるピーク波長の波長間隔に相当する数値として、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数を求め、該繰り返し数の時間変化から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求める。
　具体的には、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）に対し、波長を独立変数とするフーリエ変換（好ましくは高速フーリエ変換）を行い、第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（ｔ，λ）｝を得る。同様に、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）についても波長を変数とするフーリエ変換を行い、第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）｝を得る。
　図１７は、各フーリエ変換波形の一例を示すグラフであり、グラフＧ１は第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（ｔ，λ）｝を示しており、グラフＧ２は第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）｝を示している。また、図１７に示されているピークＰ１の中心Ｆ０は、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）に含まれる干渉光の単位波長当たりの繰り返し数に相当し、ピークＰ２の中心Ｆは、第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に含まれる干渉光の単位波長当たりの繰り返し数に相当する。なお、図１７におけるピークＰ１，Ｐ２以外のピーク（例えば、図中のＤ領域にあるピーク）は、輝線等によるピークであり、干渉光とは関係のない成分である。
　図１７に示す例では、ピークＰ１の中心Ｆ０とピークＰ２の中心Ｆとの差が、すなわち単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数の変化量なので、この差（Ｆ０－Ｆ）に基づいて、半導体膜１５の膜厚ｄの変化量を以下のようにして求めることができる。
　すなわち、ＦＦＴは離散フーリエ変換であり、フーリエ変換前の干渉光スペクトルの一周期が基本波となるので、基本波の波長範囲をλ１～λ２、ＦＦＴの基本波に相当する膜厚をＤ０とすると、次の式（１４）の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 上式（１４）をＤ０について解くと
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 となる。ここで、図１７のピークＰ１に対応する干渉光の単位波長当たりの繰り返し数をＦ０、ピークＰ２に対応する干渉光の単位波長当たりの繰り返し数をＦとすると、膜厚変化量Δｄは次の式（１６）によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　なお、膜厚変化量Δｄが微小である場合、繰り返し数Ｆの時間変化よりも位相の時間変化の方が膜厚変化量Δｄをより高精度に表すため、位相の時間変化に基づいて膜厚変化量Δｄを算出することにより、更に高い精度で膜厚変化量Δｄを算出できる。図１８は、各フーリエ変換波形の横軸を位相に換算したグラフであり、グラフＧ３は第１のフーリエ変換波形φ｛Ｆ（ｔ，λ）｝を示しており、グラフＧ４は第２のフーリエ変換波形φ｛Ｆ（ｔ＋Δｔ，λ）｝を示している。また、図１８に示されているピークＰ３の中心φ０は、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）に含まれる干渉光の単位波長当たりの繰り返し数に対応する位相であり、ピークＰ４の中心φは、第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に含まれる干渉光の単位波長当たりの繰り返し数に対応する位相である。
　なお、図１８においても、ピークＰ３，Ｐ４以外のピーク（図中のＤ領域にあるピーク）は、輝線等によるピークであり、干渉光とは関係のない成分である。位相φ０およびφは、次の式（１７）および式（１８）によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 ゆえに、膜厚変化量Δｄは次の式（１９）によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　本実施形態においては、反射光Ｌ１～ＬＭ（特にＬ１～Ｌ２）が相互に干渉して生じる干渉光のスペクトル波形の単位波長当たりの繰り返し数を、互いに異なる時刻Ｔ１＝ｔ，Ｔ２＝ｔ＋Δｔにおいて検出された出力光の各スペクトル波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に基づいて求め、上記繰り返し数の時間変化（Ｆ０－Ｆ）から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求めている。また、繰り返し数からその位相を求め、上記位相の時間変化（φ０－φ）から半導体膜１５の膜厚ｄの時間変化を求めている。したがって、例えば図１７、図１８の領域Ｄに存在する輝線スペクトル等の影響をキャンセルして、干渉光スペクトルのピーク波長の間隔に相当する数値を正確に求めることができるので、干渉光強度Ｉのピークの繰り返し周期Δｔ１（図２参照）に満たないような微小な膜厚の変化であっても、リファレンスサンプルを用いることなく、その膜厚ｄの変化量を精度良く測定できる。
　また、第１のスペクトル波形Ｉ（ｔ，λ）及び第２のスペクトル波形Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）に含まれる輝線スペクトル等の波形は、両波形Ｉ（ｔ，λ），Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）で同一である。したがって、フーリエ変換後の波形Ｆ｛Ｉ（ｔ，λ）｝，Ｆ｛Ｉ（ｔ＋Δｔ，λ）｝やその位相φ｛Ｆ（ｔ，λ）｝,φ｛Ｆ（ｔ＋Δｔ，λ）｝においても輝線スペクトル等の波形は同一であり、本実施形態の膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、その影響を好適に排除することができる。
　また、膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、測定光源２８から出力される測定光のスペクトルが平坦でない場合であっても、半導体膜１５の膜厚ｄに対応する繰り返し数のみ算出すればよく、測定光のスペクトルの影響を殆ど無視することができる。
　本発明による膜厚測定装置および膜厚測定方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では測定対象物（半導体膜１５）の膜厚ｄを求める為に干渉光スペクトルのピーク波長、又は単位波長当たりの干渉光スペクトル波形の繰り返し数を求めているが、膜厚ｄを得るために有用な数値はこれらに限られるものではなく、ピーク波長に相当する数値や、隣り合うピーク波長の間隔又は該間隔に相当する数値であれば、膜厚ｄを好適に求めることができる。
　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、所定帯域に亘る波長成分を含む測定光を測定対象物へと供給する測定光源と、測定対象物の第１面からの測定光の反射光、及び第２面からの測定光の反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する検出手段と、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、膜厚解析手段は、第１面からの反射光と第２面からの反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を、検出手段において互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、ピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求める構成を用いている。
　また、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、所定帯域に亘る波長成分を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、測定対象物の第１面からの測定光の反射光、及び第２面からの測定光の反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する検出ステップと、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、膜厚解析ステップの際に、第１面からの反射光と第２面からの反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を、検出ステップにおいて互いに異なる二以上の時刻において検出された出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、ピーク波長又は隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求める構成を用いている。
　また、膜厚測定装置は、膜厚解析手段が、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）を演算し、該差分がゼロとなる波長をピーク波長とすることとしてもよい。
　同様に、膜厚測定方法は、膜厚解析ステップの際に、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）を演算し、該差分がゼロとなる波長をピーク波長とすることとしてもよい。
　上述したように、光源に起因する輝線スペクトルといった不要なピークの中心波長は、測定対象物の膜厚の変化にかかわらず不変である。したがって、第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）及び第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）に含まれる輝線スペクトル等の中心波長は両波形Ｉ（Ｔ１），Ｉ（Ｔ２）で同一であるため、差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）を演算することによりその影響が排除される。また、上記差分がゼロとなる波長（以下、ゼロクロス波長という）は、波形Ｉ（Ｔ１）に含まれる干渉光のピーク波長と波形Ｉ（Ｔ２）に含まれる干渉光のピーク波長との間に位置しており、第１及び第２の時刻Ｔ１，Ｔ２の間隔が長くない場合には、ゼロクロス波長を干渉光のピーク波長と見なすことができる。したがって、このゼロクロス波長の変化量から、測定対象物の膜厚の時間変化を精度良く求めることができる。
　また、差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）がゼロとなる波長をピーク波長として測定対象物の膜厚の時間変化を求める場合、膜厚解析手段は、第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ１）＋Ｉ（Ｔ２）を用いて差分を正規化した後に、ピーク波長を求めることが好ましい。
　同様に、膜厚測定方法においては、膜厚解析ステップの際に、第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ１）＋Ｉ（Ｔ２）を用いて差分を正規化した後に、ピーク波長を求めることが好ましい。
　これにより、測定光の強度が波長により異なるため差分Ｉ（Ｔ１）－Ｉ（Ｔ２）の大きさが波長により大きく異なる場合であっても、差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）についての良好なスペクトル波形を得ることができる。
　また、膜厚測定装置は、膜厚解析手段が、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との比Ｉ（Ｔ２）／Ｉ（Ｔ１）を演算し、該比が１となる波長をピーク波長とすることとしてもよい。
　同様に、膜厚測定方法は、膜厚解析ステップの際に、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との比Ｉ（Ｔ２）／Ｉ（Ｔ１）を演算し、該比が１となる波長をピーク波長とすることとしてもよい。
　前述したように、第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）及び第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）に含まれる輝線スペクトル等の中心波長は両波形Ｉ（Ｔ１），Ｉ（Ｔ２）で同一である。したがって、比Ｉ（Ｔ２）／Ｉ（Ｔ１）を演算することによりその影響が排除される。また、この比が１となる波長は、波形Ｉ（Ｔ１）に含まれる干渉光のピーク波長と波形Ｉ（Ｔ２）に含まれる干渉光のピーク波長との間に位置しており、第１及び第２の時刻Ｔ１，Ｔ２の間隔が長くない場合には、この波長を干渉光のピーク波長と見なすことができる。したがって、この波長の変化量から、測定対象物の膜厚の時間変化を精度良く求めることができる。
　また、膜厚測定装置は、膜厚解析手段が、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とをそれぞれフーリエ変換して得られる第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ２）｝に基づいて、隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を求め、該数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求めることとしてもよい。
　同様に、膜厚測定方法は、膜厚解析ステップの際に、第１の時刻Ｔ１において検出された出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とをそれぞれフーリエ変換して得られる第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ２）｝に基づいて、隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を求め、該数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求めることとしてもよい。
　先に示した式（１）において、屈折率ｎが波長λに対して一定であると仮定した場合、干渉光強度Ｉは波数（１／λ）に対して一定周期の余弦波形となる。したがって、該余弦波形において隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値、例えば単位波長当たりの干渉光強度Ｉのスペクトル波形の繰り返し数から、測定対象物の膜厚を求めることができる。すなわち、上記した膜厚測定装置および膜厚測定方法においては、スペクトル波形Ｉ（Ｔ１），Ｉ（Ｔ２）を波長についてフーリエ変換して得られる波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ１）｝，Ｆ｛Ｉ（Ｔ２）｝から、隣り合うピーク波長の間隔に相当する数値を求めている。そして、その数値の時間変化から測定対象物の膜厚の時間変化を求めている。
　これにより、測定対象物の膜厚の時間変化を精度良く求めることができる。なお、前述したように、第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）及び第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）に含まれる輝線スペクトル等の波形は両波形Ｉ（Ｔ１），Ｉ（Ｔ２）で同一なので、フーリエ変換後の波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ１）｝，Ｆ｛Ｉ（Ｔ２）｝においても輝線スペクトル等の波形は同一であり、上記した膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、その影響を好適に排除することができる。
　また、膜厚測定装置は、隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値が、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数であることが好ましい。或いは、膜厚測定装置は、隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値が、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数から換算された位相であることが好ましい。
　同様に、膜厚測定方法は、隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値が、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数であることが好ましい。或いは、膜厚測定方法は、隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値が、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数から換算された位相であることが好ましい。
　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、その膜厚の時間的な変化量を測定して、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。
　上記した膜厚測定装置及び膜厚測定方法において、測定光源としては、所定帯域に亘る白色光を測定光として供給する白色光源を用いることができる。なお、測定光源については、これ以外にも様々なものを用いることが可能である。
　本発明は、干渉光強度のピークの一周期に満たないような微小な膜厚の相対変化量であっても、その膜厚の変化量を精度良く測定できる膜厚測定装置およ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、１６…上面、１７…下面、２０…処理装置、２１…測定光学系、２２…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…光検出器、４０…膜厚解析部、５０…測定制御部、５１…入力装置、５２…表示装置。

Claims (18)

  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、
    　所定帯域に亘る波長成分を含む測定光を前記測定対象物へと供給する測定光源と、
    　前記測定対象物の前記第１面からの前記測定光の反射光、及び前記第２面からの前記測定光の反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する検出手段と、
    　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、
    　前記膜厚解析手段は、前記第１面からの前記反射光と前記第２面からの前記反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する数値を、前記検出手段において互いに異なる二以上の時刻において検出された前記出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、前記ピーク波長又は隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する数値の時間変化から前記測定対象物の膜厚の時間変化を求めることを特徴とする、膜厚測定装置。
  2. 　前記膜厚解析手段は、第１の時刻Ｔ１において検出された前記出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、前記第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された前記出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）を演算し、該差分がゼロとなる波長を前記ピーク波長とすることを特徴とする、請求項１に記載の膜厚測定装置。
  3. 　前記膜厚解析手段は、前記第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と前記第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ１）＋Ｉ（Ｔ２）を用いて前記差分を正規化した後に、前記ピーク波長を求めることを特徴とする、請求項２に記載の膜厚測定装置。
  4. 　前記膜厚解析手段は、第１の時刻Ｔ１において検出された前記出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、前記第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された前記出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との比Ｉ（Ｔ２）／Ｉ（Ｔ１）を演算し、該比が１となる波長を前記ピーク波長とすることを特徴とする、請求項１に記載の膜厚測定装置。
  5. 　前記膜厚解析手段は、第１の時刻Ｔ１において検出された前記出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、前記第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された前記出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とをそれぞれフーリエ変換して得られる第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ２）｝に基づいて、隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する数値を求め、該数値の時間変化から前記測定対象物の膜厚の時間変化を求めることを特徴とする、請求項１に記載の膜厚測定装置。
  6. 　隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値は、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数であることを特徴とする、請求項５に記載の膜厚測定装置。
  7. 　隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値は、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数から換算された位相であることを特徴とする、請求項５に記載の膜厚測定装置。
  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１～７のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
  9. 　前記測定光源は、前記所定帯域に亘る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１～８のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
  10. 　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、
    　所定帯域に亘る波長成分を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、
    　前記測定対象物の前記第１面からの前記測定光の反射光、及び前記第２面からの前記測定光の反射光が重畳して成る出力光の各時点での強度を波長毎に検出する検出ステップと、
    　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、
    　前記膜厚解析ステップの際に、前記第１面からの前記反射光と前記第２面からの前記反射光とが相互に干渉して生じる干渉光の強度が極大もしくは極小となるピーク波長又は隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する数値を、前記検出ステップにおいて互いに異なる二以上の時刻において検出された前記出力光の各スペクトル波形に基づいて求め、前記ピーク波長又は隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する数値の時間変化から前記測定対象物の膜厚の時間変化を求めることを特徴とする、膜厚測定方法。
  11. 　前記膜厚解析ステップの際に、第１の時刻Ｔ１において検出された前記出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、前記第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された前記出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との差分Ｉ（Ｔ２）－Ｉ（Ｔ１）を演算し、該差分がゼロとなる波長を前記ピーク波長とすることを特徴とする、請求項１０に記載の膜厚測定方法。
  12. 　前記膜厚解析ステップの際に、前記第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と前記第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ１）＋Ｉ（Ｔ２）を用いて前記差分を正規化した後に、前記ピーク波長を求めることを特徴とする、請求項１１に記載の膜厚測定方法。
  13. 　前記膜厚解析ステップの際に、第１の時刻Ｔ１において検出された前記出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、前記第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された前記出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）との比Ｉ（Ｔ２）／Ｉ（Ｔ１）を演算し、該比が１となる波長を前記ピーク波長とすることを特徴とする、請求項１０に記載の膜厚測定方法。
  14. 　前記膜厚解析ステップの際に、第１の時刻Ｔ１において検出された前記出力光に関する第１のスペクトル波形Ｉ（Ｔ１）と、前記第１の時刻Ｔ１とは異なる第２の時刻Ｔ２において検出された前記出力光に関する第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ２）とをそれぞれフーリエ変換して得られる第１のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ２）｝に基づいて、隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する数値を求め、該数値の時間変化から前記測定対象物の膜厚の時間変化を求めることを特徴とする、請求項１０に記載の膜厚測定方法。
  15. 　隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値は、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数であることを特徴とする、請求項１４に記載の膜厚測定方法。
  16. 　隣り合う前記ピーク波長の間隔に相当する前記数値は、単位波長当たりの干渉光のスペクトル波形の繰り返し数から換算された位相であることを特徴とする、請求項１４に記載の膜厚測定方法。
  17. 　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１０～１６のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
  18. 　前記測定光源は、前記所定帯域に亘る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１０～１７のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
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