JP5519688B2 - 膜厚測定装置および膜厚測定方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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Δｔ_１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Δｔ_１）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。

そして、式（３）を時間微分すると以下となる。

これより（ｄＩ／ｄｔ）＝０となる波長λは次のように表される。

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Ｔ_１＝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Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２＝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Ｔ_２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Ｔ_１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λ_Ａ）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λ_Ａ）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）

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λ_Ａ）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。

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。

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λ_１，λ_２（λ_１＞λ_２）を考えると、

と表すことができる。ピーク波長λ_１，λ_２において屈折率の波長分散の影響が小さいと考えｎ_１＝ｎ_２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。

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。

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Δｄ_ｆ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Δｄ_ｆ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λ_１，λ_２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Ｔ_１＝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Ｔ_１＝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（＝Ｔ_２−Ｔ_１）は共に５［秒］である。

図中のゼロクロス波長λ_Ａ１１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λ_Ａ１１＝５２５．０２［ｎｍ］である。また、図中のゼロクロス波長λ_Ａ１２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λ_Ａ１１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λ_Ａ１２＝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。

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λ_Ａ１１に対応するゼロクロス波長λ_Ａ２１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。

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Ｔ_１＝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Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２＝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Ｔ_１＝ｔ，Ｔ_２＝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Δｔ_１（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λ_Ａ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λ_Ａ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λ_Ａ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λ_Ａの変化量（例えば図６に示したλ_Ａ２１−λ_Ａ１１）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Ｔ_１＝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Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２＝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λ_Ｃ）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λ_Ｃ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Ｔ_１＝ｔ，Ｔ_２＝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Δｔ_１（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Ｔ_１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Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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λ_１〜λ_２、ＦＦＴの基本波に相当する膜厚をＤ_０とすると、次の式（１４）の関係がある。

上式（１４）をＤ_０について解くと

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。

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φ_０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φ_０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。

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。

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Ｔ_１＝ｔ，Ｔ_２＝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（φ_０−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Δｔ_１（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Ｔ_１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_１）と、第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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_２）との差分Ｉ（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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Ｔ_１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_１）と、第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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_２）との差分Ｉ（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）及び第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）に含まれる輝線スペクトル等の中心波長は両波形Ｉ（Ｔ_１），Ｉ（Ｔ_２）で同一であるため、差分Ｉ（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）に含まれる干渉光のピーク波長と波形Ｉ（Ｔ_２）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Ｔ_１，Ｔ_２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（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）と第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ_１）＋Ｉ（Ｔ_２）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（Ｔ_１）と第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ_１）＋Ｉ（Ｔ_２）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（Ｔ_１）−Ｉ（Ｔ_２）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（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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Ｔ_１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_１）と、第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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_２）との比Ｉ（Ｔ_２）／Ｉ（Ｔ_１）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Ｔ_１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_１）と、第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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_２）との比Ｉ（Ｔ_２）／Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）及び第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）に含まれる輝線スペクトル等の中心波長は両波形Ｉ（Ｔ_１），Ｉ（Ｔ_２）で同一である。したがって、比Ｉ（Ｔ_２）／Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）に含まれる干渉光のピーク波長と波形Ｉ（Ｔ_２）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Ｔ_１，Ｔ_２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Ｔ_１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_１）と、第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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_２）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（Ｔ_１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ_２）｝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Ｔ_１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_１）と、第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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_２）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（Ｔ_１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ_２）｝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（Ｔ_１），Ｉ（Ｔ_２）を波長についてフーリエ変換して得られる波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ_１）｝，Ｆ｛Ｉ（Ｔ_２）｝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（Ｔ_１）及び第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）に含まれる輝線スペクトル等の波形は両波形Ｉ（Ｔ_１），Ｉ（Ｔ_２）で同一なので、フーリエ変換後の波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ_１）｝，Ｆ｛Ｉ（Ｔ_２）｝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Ｔ_１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（Ｔ_１）と、前記第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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（Ｔ_２）との差分Ｉ（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）と前記第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ_１）＋Ｉ（Ｔ_２）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Ｔ_１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（Ｔ_１）と、前記第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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（Ｔ_２）との比Ｉ（Ｔ_２）／Ｉ（Ｔ_１）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Ｔ_１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（Ｔ_１）と、前記第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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（Ｔ_２）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（Ｔ_１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ_２）｝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Ｔ_１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（Ｔ_１）と、前記第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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（Ｔ_２）との差分Ｉ（Ｔ_２）−Ｉ（Ｔ_１）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（Ｔ_１）と前記第２のスペクトル波形Ｉ（Ｔ_２）とを重畳した波形Ｉ（Ｔ_１）＋Ｉ（Ｔ_２）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Ｔ_１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（Ｔ_１）と、前記第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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（Ｔ_２）との比Ｉ（Ｔ_２）／Ｉ（Ｔ_１）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Ｔ_１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（Ｔ_１）と、前記第１の時刻Ｔ_１とは異なる第２の時刻Ｔ_２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（Ｔ_２）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（Ｔ_１）｝及び第２のフーリエ変換波形Ｆ｛Ｉ（Ｔ_２）｝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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