(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、
(a)  前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも３つの特定波長λa、λb、λc（ただし、λa＜λb＜λc）において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材を準備する工程と、
(b)  前記参照光学部材の少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcを記憶する工程と、
(c)  被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λa、λb、λcのスペクトルを受光する画素Ｎa、Ｎb、Ｎcを特定する工程と、
(d)   前記工程(b)で記憶された少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcのうち、互いに隣り合う特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間における所定の補間係数α1、α2を求めると共に、該補間係数α1、α2のいずれかと前記工程(c)において特定された画素Ｎa、Ｎb、Ｎcのいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する工程と、
(e)  前記工程(d)を行った後、被測定試料を前記照明位置に位置決めし、当該被測定試料から反射される光を分光し、分光特性を実測した後、当該分光特性を前記工程(d)の演算結果に基づき波長較正する工程と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
所定の波長域の照明光を照明位置に照射する照明光学ユニットと、
前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも３つの特定波長λa、λb、λc（ただし、λa＜λb＜λc）において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材と、
被測定試料および前記参照光学部材を選択的に前記照明位置に移動させる移動手段と、
前記照明位置に位置決めされた前記被測定試料または前記参照光学部材から射出される光を所定位置に集光する結像光学ユニットと、
前記結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを受光するラインセンサとを有する分光ユニットと、
装置各部を制御しながら、前記ラインセンサの各画素から出力される電気信号に基づき前記被測定試料および前記参照光学部材の分光特性を求める制御ユニットとを備える膜厚測定装置であって、
前記制御ユニットは、前記参照光学部材の少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcを記憶するメモリと、
被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λa、λb、λcのスペクトルを受光する画素Ｎa、Ｎb、Ｎcを特定する画素特定手段と、
前記メモリに記憶された少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcのうち、互いに隣り合う特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間における所定の補間係数α1、α2を求めると共に、該補間係数α1、α2のいずれかと前記特定された画素Ｎa、Ｎb、Ｎcのいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する演算手段と、
被測定試料を前記照明位置に位置決めし、実測される分光特性を波長較正する波長較正手段とを有し、
前記移動手段は、被測定試料を保持するテーブルと、前記参照光学部材を保持しながら、前記テーブルに固定されたホルダと、前記テーブルを駆動して前記被測定試料および前記参照光学部材を一体的に移動させるテーブル駆動手段とを備えている
ことを特徴とする膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料から射出される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで、被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膜厚測定用の分光測定装置では、基板表面に透明薄膜が形成された半導体ウエハなどの被測定試料がステージ上に保持されており、この被測定試料に向けて所定の波長域（例えば、可視域）の照明光を照射するとともに、この試料によって反射された光を結像光学ユニットを介して分光ユニットに導光している。この分光ユニットは、結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを受光するラインセンサとで構成されており、各スペクトルが対応する画素に入射し、各画素からスペクトルの強度に応じた電気信号が出力されて試料の分光特性が測定されている。
【０００３】
このように構成された分光測定装置では、ラインセンサの各画素によって受光されるスペクトルの波長を予め求めておくために、分光測定装置の組立および光軸調整などを行った後で、絶対波長較正を行っている。この絶対波長較正は、予め公知の輝線スペクトルを有する低圧水銀ランプを照明位置に配置して該低圧水銀ランプからの光を結像光学ユニットを介して分光ユニットに導光して絶対波長較正を行い、ラインセンサの各画素と分光によるスペクトルの波長とを対応付けるものである。そして、かかる絶対波長較正を終えた後で、低圧水銀ランプを取外し、照明光を被測定試料に照射して分光特性を測定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようにして絶対波長較正を行った後であっても、経時変化や温度変化などの影響によって結像光学ユニットや分光ユニットなどの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサの各画素と分光によるスペクトルの波長との対応付けが変化することがある。このような変化があると、再現性の良い測定を行うことができなくなる。
【０００５】
一方、このような問題は絶対波長較正を定期的に行うことで解消されるが、絶対波長較正を行うためには、分光測定装置のカバーを取外して照明位置に低圧水銀ランプを配置する必要があり、波長較正に多大な労力がかかってしまう。特に、このような分光測定装置は、半導体ウエハなどの表面に形成された薄膜の連続膜厚測定によく利用されており、波長較正の度に低圧水銀ランプを配置し、取除いていたのでは測定効率が低く、スループット（単位時間当たりの処理可能枚数）の低下を招いてしまう。
【０００６】
この発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、再現性の良い分光特性の測定を、効率良く行うことができる膜厚測定方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、(a)前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも３つの特定波長λa、λb、λc（ただし、λa＜λb＜λc）において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材を準備する工程と、(b)前記参照光学部材の少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcを記憶する工程と、(c)被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λa、λb、λcのスペクトルを受光する画素Ｎa、Ｎb、Ｎcを特定する工程と、(d) 前記工程(b)で記憶された少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcのうち、互いに隣り合う特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間における所定の補間係数α1、α2を求めると共に、該補間係数α1、α2のいずれかと前記工程(c)において特定された画素Ｎa、Ｎb、Ｎcのいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する工程と、(e)前記工程(d)を行った後、被測定試料を前記照明位置に位置決めし、当該被測定試料から反射される光を分光し、分光特性を実測した後、当該分光特性を前記工程(d)の演算結果に基づき波長較正する工程と、を備えている。
【０００８】
請求項２の発明は、被測定試料の表面に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、所定の波長域の照明光が照射される照明位置に被測定試料を位置決めした時に前記被測定試料表面から反射される光を分光し、各スペクトルを複数の画素からなるラインセンサで受光して分光特性を測定することで前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、所定の波長域の照明光を照明位置に照射する照明光学ユニットと、前記波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも３つの特定波長λa、λb、λc（ただし、λa＜λb＜λc）において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材と、被測定試料および前記参照光学部材を選択的に前記照明位置に移動させる移動手段と、前記照明位置に位置決めされた前記被測定試料または前記参照光学部材から射出される光を所定位置に集光する結像光学ユニットと、前記結像光学ユニットからの光を分光する分光器と、複数の画素からなり、当該分光器によって分光されたスペクトルを受光するラインセンサとを有する分光ユニットと、装置各部を制御しながら、前記ラインセンサの各画素から出力される電気信号に基づき前記被測定試料および前記参照光学部材の分光特性を求める制御ユニットとを備える膜厚測定装置であって、前記制御ユニットは、前記参照光学部材の少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcを記憶するメモリと、被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λa、λb、λcのスペクトルを受光する画素Ｎa、Ｎb、Ｎcを特定する画素特定手段と、前記メモリに記憶された少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcのうち、互いに隣り合う特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間における所定の補間係数α1、α2を求めると共に、該補間係数α1、α2のいずれかと前記特定された画素Ｎa、Ｎb、Ｎcのいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算する演算手段と、被測定試料を前記照明位置に位置決めし、実測される分光特性を波長較正する波長較正手段とを有し、前記移動手段は、被測定試料を保持するテーブルと、前記参照光学部材を保持しながら、前記テーブルに固定されたホルダと、前記テーブルを駆動して前記被測定試料および前記参照光学部材を一体的に移動させるテーブル駆動手段とを備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にかかる膜厚測定装置を示す斜視図である。以下、この膜厚測定装置の概要を説明した後で、該膜厚測定装置にて行われる分光測定方法について詳述する。
【００１０】
Ａ．膜厚測定装置
この図に示す膜厚測定装置は、半導体ウエハの分光特性を測定し、その分光特性から半導体ウエハに形成された薄膜の膜厚を測定する装置であり、ウエハカセットを載置する載置ステージ１と、ウエハカセットに対して半導体ウエハ（以下、ウエハと略す）を出し入れするインデクサ部２と、半導体ウエハの分光特性を測定し、さらに該分光特性に基づき半導体ウエハの表面に形成された薄膜の膜厚を測定する測定部３とを備えている。この実施の形態にかかる膜厚測定装置では、上記インデクサ部２を中心として、その周囲に上記載置ステージ１及び測定部３が配置されたレイアウト構成となっている。
【００１１】
Ａ−１．載置ステージ１
上記載置ステージ１は、図示の例では二つ設けられており、各ステージ１には、複数枚のウエハを多段に収納したウエハカセット１１，１２が、それぞれ収納口をインデクサ部２に臨ませた状態で載置されている。なお、本実施形態の装置では、直径２００mm及び３００mmの２種類のウエハが測定対象となる。
【００１２】
Ａ−２．インデクサ部
上記インデクサ部２には、ウエハの搬送手段であるインデクサロボット２１と、該インデクサロボット２１により上記ウエハカセット１１，１２から取り出されたウエハの中心位置修正（センタリング）を行う中心調整装置２２とが設けられている。
【００１３】
インデクサロボット２１は、上下動可能な水平多関節型のロボットからなり、そのアーム先端にはウエハを保持するための薄板状のハンド２１１が装着されている。ハンド２１１の表面には、吸引孔２１２が開口しており、該吸引孔２１２を介して負圧が供給されることにより、ハンド２１１によってウエハを吸着、保持するようになっている。
【００１４】
中心調整装置２２は、上記ハンド２１１に対するウエハ位置を修正するもので、接離可能な一対のチャック２２１を備えており、上記ウエハカセット１１，１２から取り出されたウエハを、上記チャック２２１により径方向に挾持することによってウエハ位置を機械的に修正するように構成されている。
【００１５】
Ａ−３．測定ステージ４
上記測定部３は、被測定ウエハの保持部分となる測定ステージ４と、この測定ステージ４の上部に配置される膜厚測定のための測定ヘッド５とを有している。
【００１６】
測定ステージ４には、ウエハを移動可能に保持する六軸テーブル４１と、プリアライメント用センサ４７と、ウエハを待機させるための補助ステージ４８とが設けられている。
【００１７】
上記六軸テーブル４１は、ウエハを吸着保持するための円盤状の保持プレート４１１と、これを六軸方向、すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及びこれら各軸回り（θＹ方向、θＸ方向，θ方向）に変位可能に支持する支持機構４１２から構成されており、保持プレート４１１を上記各方向に移動させながら補助ステージ４８との間でウエハの受渡しを行うとともに、上記測定ヘッド５及びプリアライメント用センサ４７の所定の測定位置にウエハを配置するように構成されている。
【００１８】
また、この保持プレート４１１の側面部には、チップホルダ４１３（後で説明する図８）が取り付けられている。このチップホルダ４１３の上面部には、図２および図３に示すように、凹部４１３ａが形成されており、この凹部４１３ａの内部には、シリコンなどのリファレンスチップ７１、参照光学部材としてのホルミウムガラス７２および表面に反射防止膜をコーティングした保護ガラス７３がこの順で底面から積層配置されている。したがって、保持プレート４１１を上記各方向に移動させると、該保持プレート４１１とともに、ホルミウムガラス７２が任意の位置に移動可能となっている。このように、この実施形態では、六軸テーブル４１と、チップホルダ４１３と、六軸テーブル４１の駆動機構（図示省略）とで、ウエハおよびホルミウムガラス７２を選択的に測定位置に移動させる移動手段が構成されている。
【００１９】
なお、ホルミウムガラス７２は、例えば図４に示すような透過率特性を有しており、同図から明らかなように、特定波長で透過率が極大的に減少している。したがって、六軸テーブル４１を移動させてホルミウムガラス７２を照明位置ＩＬに位置決めすると、測定ヘッド５からの照明光が保護ガラス７３を介してホルミウムガラス７２を通過してリファレンスチップ７１で反射された後、再度ホルミウムガラス７２および保護ガラス７３を通過して測定ヘッド５側に導光される。この際、反射光の各波長成分のうち特定波長成分については、ホルミウムガラス７２で吸収されて輝度レベルの低下が認められる。この実施形態では、この吸収特性を利用して波長較正が行われる。この点に関しては、後で詳述する。
【００２０】
図１に戻って測定ステージ４の構成についての説明を続ける。プリアライメント用センサ４７は、光の照射部４７１と受光部４７２とを所定の検査空間を挟んで上下に配置したもので、上記検査空間にウエハ端縁部を介在させた状態でウエハを回転させることにより、プリアライメント、すなわち上記保持プレート４１１の中心に対するウエハ中心の偏心を検出するようになっている。
【００２１】
補助ステージ４８は、インデクサ部２と六軸テーブル４１との間に配設されており、図示の例では、測定前のウエハを待機させるための供給側ステージ４８１と、測定後のウエハを待機させるための排出側ステージ４８２とが並べて設けられている。各ステージ４８１，４８２は、上記保持プレート４１１を介在させるための切欠部分を有した略Ｕ字型に形成されており、例えば、供給側ステージ４８１から六軸テーブル４１へのウエハの受渡しは、供給側ステージ４８１の切欠下部分の下方に上記保持プレート４１１が配置された状態で、供給側ステージ４８１と保持プレート４１１とが相対的に上下動されることにより行われるようになっている。一方、六軸テーブル４１から排出側ステージ４８２へのウエハの受渡しは、これと逆の動作に基づいて行われるようになっている。
【００２２】
Ａ−５．測定ヘッド５
図５は測定ヘッド５を示す図であり、図６は図５のＡ−Ａ線矢視図であり、図７は測定ヘッド５の光学的および電気的構成を示す模式図である。この測定ヘッド５は、上記したように、本発明にかかる照明光学装置としての照明光学ユニット５１を有している。この照明光学ユニット５１では、所定の光源配置領域（図６の右下隅領域）５１１に、ハロゲンランプ５１２と重水素ランプ５１３とが配置されている。そして、各ランプ５１２，５１３から射出された光Ｌ1，Ｌ2が照明光学ユニット５１を介して結像光学ユニット５２に入射される。また、この実施形態では、このように光源配置領域５１１には、ハロゲンランプ５１２および重水素ランプ５１３を覆うように保護カバー５１５が設けられるとともに、この保護カバー５１５に排気ダクト５１６を介して図示を省略する排気ファンが接続されている。
【００２３】
両ランプ５１２、５１３から射出される光Ｌ1，Ｌ2が入射する照明光学系５１４は、複数のフィルターを同心円状に配置してなるフィルターターレット５１４ａと、このフィルターターレット５１４ａを回転させて任意のフィルターを光軸ＯＡ上に位置決めするフィルター切換用モータ５１４ｂと、レンズ５１４ｃと、全反射ミラー５１４ｄと、視野絞り５１４ｅと、ハーフミラー５１４ｆとを備えており、ハロゲンランプ５１２から射出された白色光Ｌ1が光軸ＯＡ上に位置決めされたフィルターを通過して当該フィルターに対応する可視域の光（以下「可視光」という）がレンズ５１４ｃ、全反射ミラー５１４ｄ、視野絞り５１４ｅおよびハーフミラー５１４ｆを介して結像光学ユニット５２に入射する。
【００２４】
また、照明光学系５１４は、全反射ミラー５１４ｇと、レンズ５１４ｈとをさらに備えており、重水素ランプ５１３から射出した紫外光Ｌ2が全反射ミラー５１４ｇで反射された後、レンズ５１４ｈおよびハーフミラー５１４ｆを介して結像光学ユニット５２に入射する。
【００２５】
なお、重水素ランプ５１３から射出される高エネルギーの紫外光Ｌ2が常時全反射ミラー５１４ｇに入射し、全反射ミラー５１４ｇの表面が長時間紫外光に曝されると、その表面が曇るという問題が生じる。そこで、この実施形態では、重水素ランプ５１３と全反射ミラー５１４ｇとの間にシャッター機構５１７を設けて、被測定試料に紫外光Ｌ2を照射する場合のみ、シャッター機構５１７を開いて重水素ランプ５１３からの紫外光Ｌ2を全反射ミラー５１４ｇに導光するように構成している。
【００２６】
図８はシャッター機構を示す斜視図であり、同図(a)はシャッターを開いた状態を示す一方、同図(b)はシャッターを閉じた状態を示している。同図に示すように、このシャッター機構５１７は、断面が略Ｌ字状の基台５１７ａの前端面に支持板５１７ｂが取り付けられている。この支持板５１７ｂの左下部には、貫通孔５１７ｃが設けられており、この貫通孔５１７ｃを介して基台５１７ａの前端面に固着された全反射ミラー５１４ｇに紫外光Ｌ2が入射可能となっている。
【００２７】
また、支持板５１７ｂには、中央上部に設けられた回動軸５１７ｄ回りにシャッター５１７ｅが回動自在に軸支されている。さらに、この回動軸５１７ｄにはシャッター駆動用モータ５１７ｆが連結されており、モータ５１７ｆの作動に応じてシャッター５１７ｅが回動軸５１７ｄを回動中心として回動し、貫通孔５１７ｃを開放したり、塞ぐことができるように構成されている。
【００２８】
したがって、紫外光Ｌ2を被測定試料に照射する際には、同図(a)に示すように、シャッター５１７ｅを貫通孔５１７ｃから退避させて紫外光Ｌ2を全反射ミラー５１４ｇで反射させて被測定試料に導光する一方、被測定試料への紫外光Ｌ2の照射が必要ない場合には、同図(b)に示すように、シャッター５１７ｅを貫通孔５１７ｃに位置決めして紫外光Ｌ2の全反射ミラー５１４ｇへの入射を禁止することができる。その結果、全反射ミラー５１４ｇの表面に紫外光Ｌ2が長時間照射されるのを防止することができ、全反射ミラー５１４ｇの表面の曇りを効果的に防止することができる。
【００２９】
次に、図５および７に戻り、上記のように構成された照明光学ユニット５１から射出された可視光および紫外光が入射される結像光学ユニット５２、またウエハによって反射された光を分光する分光ユニット５４の構成についての説明を続ける。
【００３０】
結像光学ユニット５２は、複数の対物レンズ５２１ａ，５２１ｂが同心円状に配置されて回転軸５２２ａ回りに回転自在なレンズターレット５２２と、このレンズターレット５２２を回転軸５２２ａ回りに回転駆動して任意の対物レンズを光軸ＯＡ上に位置決めする対物レンズ切換用モータ５２３と、ビームスプリッタ５２４と、チューブレンズ５２５とからなり、照明光学ユニット５１からの照明光（可視光あるいは紫外光）がビームスプリッタ５２４によって反射させ、対物レンズ切換用モータ５２３によって光軸ＯＡ上に位置決めされた対物レンズを介して所定の照明位置ＩＬに照射される。
【００３１】
この照明位置ＩＬを含む比較的広い範囲にわたって六軸テーブル４１（図１）は移動可能に構成されており、この六軸テーブル４１の保持プレート４１１に被測定試料たるウエハＷが載置され、この六軸テーブル４１によってウエハＷの表面の任意の微小領域を照明位置ＩＬに位置させることができるように構成されている。なお、図面への図示を省略するが、この六軸テーブル４１には、その位置（Ｘ，Ｙ座標など）を検出して、その位置情報を装置全体を制御する制御ユニット６に与えられるようになっている。
【００３２】
この照明位置ＩＬに位置するウエハＷの微小領域で反射された光は、対物レンズ５２１，ビームスプリッタ５２４およびチューブレンズ５２５を介して光軸ＯＡ上の所定位置に集光される。この集光位置の近傍には、中心部にピンホール５３１を有するプレート５３２が配置されている。また、そのプレート５３２の近傍にシャッター５３３が配置されており、制御ユニット６からの信号に基づきシャッター５３３を開閉駆動して、反射光のうちピンホール５３１を通過した光が分光ユニット５４に入射されるかどうかを制御するようになっている。
【００３３】
この分光ユニット５４は、反射光を分光する凹面回折格子５４１と、凹面回折格子５４１により回折された回折光の分光光強度を検出するラインセンサ５４２とで構成されている。ラインセンサ５４２は、例えばフォトダイオードアレイやＣＣＤなどにより構成されており、ピンホール５３１と共役な関係に配置されている。このため、分光ユニット５４に取り込まれた光は凹面回折格子５４１に分光され、その光の分光光強度に対応した信号がラインセンサ５４２から制御ユニット６に与えられる。
【００３４】
なお、チューブレンズ５２５とプレート５３２との間の光軸ＯＡ上には、プリズム５５１が配置されており、ウエハＷからの光の一部を取り出すようになっている。また、取り出された光は、レンズ５５２を介して所定位置に集光される。この集光位置には、撮像素子５５３が配置されており、ウエハＷ表面の一部領域（膜厚測定領域）の像に対応した画像信号が制御ユニット６に与えられる。このように、この実施形態では、撮像ユニット５５によって測定領域の画像を撮像可能となっているが、この撮像ユニット５５の配設位置はチューブレンズ５２５とプレート５３２との間に限定されるものではなく、対物レンズ５２１と分光ユニット５４との間の光軸ＯＡ上であれば任意である。
【００３５】
制御ユニット６は、図７に示すように、論理演算を実行する周知のＣＰＵ６１１と、そのＣＰＵ６１１を制御する種々のプログラムなどを予め記憶するＲＯＭ６１２と、装置動作中に種々のデータを一時的に記憶するＲＡＭ６１３とを備えた制御部６１を備えている。また、この制御部６１は、Ｉ／Ｏ部６２を介して以下の構成要素、
・操作部３１、
・モニタ３２、
・データ処理部６３１：ラインセンサ５４２からの信号に対して所定の処理を施す、
・シャッターコントローラ６３２：シャッター５３３を開閉制御する、
・画像処理部６３３：撮像素子５５３からの画像信号に対して所定の処理を施す、
・フィルター切換コントローラ６３４：フィルター切換用モータ５１４ｂを回転制御してフィルターを切換る、
・点灯回路６３５：ハロゲンランプ５１２を点灯／消灯制御する、
・点灯回路６３６：重水素ランプ５１３を点灯／消灯制御する、
・シャッターコントローラ６３７：シャッター５１７ｅを開閉制御する、
・レンズターレットコントローラ６３８：対物レンズ切換用モータ５２３を回転制御して対物レンズを切換る、
・テーブルコントローラ６３９：六軸テーブル４１を駆動制御する、
と電気的に接続されている。
【００３６】
Ｂ．分光測定方法
次に、上記ように構成された膜厚測定装置における分光測定方法について図９ないし図１１を参照しつつ説明する。この膜厚測定装置では、従来と同様に、装置の組立および光軸調整などを行った後で、絶対波長較正が行われる（ステップＳ１）。この絶対波長較正は、予め公知の輝線スペクトルを有する低圧水銀ランプを照明位置ＩＬに配置して該低圧水銀ランプからの光を結像光学ユニット５２を介して分光ユニット５４に導光して絶対波長較正を行い、ラインセンサ５４２の各画素と分光によるスペクトルの波長とを対応付けるものである。これによって、表１に示す対応関係が得られ、制御ユニット６に記憶される。
【００３７】
【表１】
0003718584.tif 000002
【００３８】
なお、同表および後で説明する表における「画素番号」の欄の「Ｎ1」は、最も短波長λ1のスペクトルを受光する画素の番号を示しており、長波長（λ2＜λ3＜…）側に行くに従って「Ｎ2」、「Ｎ3」、…としている。
【００３９】
こうして、絶対波長較正が完了すると、低圧水銀ランプを取外し、ハロゲンランプ５１２を点灯し（ステップＳ２）、しばらくしてハロゲンランプ５１２からの発光量が安定化すると、テーブルコントローラ６３９からの指令にしたがって六軸テーブル４１を移動させてチップホルダ４１３を照明位置ＩＬに位置決めする（ステップＳ３）。これによって、照明光学ユニット５１から照射される照明光が保護ガラス７３を介してホルミウムガラス７２を通過してリファレンスチップ７１で反射された後、再度ホルミウムガラス７２および保護ガラス７３を通過して結像光学ユニット５２に導光される。さらに、反射光は結像光学ユニット５２を介して分光ユニット５４に入射して分光される。
【００４０】
そこで、次のステップＳ４では、ラインセンサ５４２から出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める。こうして測定された分光特性は、例えば図１０に示すように、ホルミウムガラス７２の吸収特性の影響を直接的に受けて複数の特定波長でスペクトルの輝度レベルが大きく低下している。
【００４１】
次のステップＳ５では、可視域全体を３つの波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcに分け、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcにおいて最も顕著に輝度レベルの変化が生じている部分（同図の斜線部分）の重心波長λa、λb、λcを求めている（ステップＳ５）。ここで、具体的には、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcに応じたしきい値として最大輝度の４０％、８０％および８２％にそれぞれ設定して輝度レベルが大きく変化している部分を求める。そして、各部分に対応する重心画素の番号Ｎa、Ｎb、Ｎcをそれぞれ求めた後、表１に示す対応関係に基づき各画素番号Ｎa、Ｎb、Ｎcに対応する波長λa、λb、λcを求め、これらを重心波長λa、λb、λcとする。
【００４２】
こうして求めた重心波長λa、λb、λcは上記したようにホルミウムガラス７２の吸収特性を直接的に反映したものであり、この実施形態では、これらを特定波長λa、λb、λcとして制御ユニット６に記憶する（ステップＳ６）。これらの一連の処理（ステップＳ１〜Ｓ６）によって、被測定試料であるウエハの分光特性を測定するための準備処理が完了する。
【００４３】
なお、上記実施形態では、重心波長を求め、それらを特定波長としているが、重心波長を求める（ステップＳ５）代わりに、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcにおいて最も輝度レベルが低下している波長を特定波長とするようにしてもよい。また、この実施形態では、膜厚測定装置を用いて特定波長λa、λb、λcを実際のウエハの分光特性の測定に先立って測定しているが、予め別の分光測定装置によってホルミウムガラス７２の吸収特性に基づく特定波長を測定し、制御ユニット６に記憶させるようにしてもよい。
【００４４】
上記のようにして、分光測定の準備処理が完了すると、図１１に示すフローチャートにしたがって、被測定試料たるウエハの分光特性、さらに該分光特性に基づく膜厚測定を行う。
【００４５】
まず、ステップＳ１１で、被測定試料たるウエハをセットする。すなわち、この膜厚測定装置では、インデクサロボット２１によりウエハカセット１１又は１２からウエハを取り出し、中心調整装置２２によりセンタリングを行った後、供給側ステージ４８１に載置する。そして、該供給側ステージ４８１から六軸テーブル４１の保持プレート４１１にウエハを受渡し、プリアライメント用センサ４７による検出（プリアライメント）が行われた後、チップホルダ４１３を測定ヘッド５直下の所定の測定位置（照明位置ＩＬ）に配置する。
【００４６】
そして、準備処理におけるステップＳ２〜Ｓ４と同様にして、チップホルダ４１３に保持されているホルミウムガラス７２の分光特性を測定する。すなわち、ハロゲンランプ５１２を点灯し（ステップＳ１２）、しばらくしてハロゲンランプ５１２からの発光量が安定化すると、テーブルコントローラ６３９からの指令にしたがって六軸テーブル４１を移動させてチップホルダ４１３を照明位置ＩＬに位置決めして（ステップＳ１３）、可視域の照明光を上記構造体に照射する。そして、該構造体からの反射光を結像光学ユニット５２を介して分光ユニット５４に入射して分光させ、さらにラインセンサ５４２から出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める（ステップＳ１４）。
【００４７】
そして、各波長帯Ｒa、Ｒb、Ｒcにおいて最も顕著に輝度レベルの変化が生じている部分の重心画素の番号Ｎa、Ｎb、Ｎcをそれぞれ求めた（ステップＳ１５）後、制御ユニット６から準備処理で求めた特定波長λa、λb、λcを読み出し、次式に基づき互いに隣り合った特定波長間、つまり特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間での補間係数α1、α2を求める（ステップＳ１６）。すなわち、特定波長λa、λbの間について、
α1＝（Ｎb−Ｎa）／（λb−λa）
に基づき、また特定波長λb、λcの間について、
α2＝（Ｎc−Ｎb）／（λc−λb）
に基づき、補間係数α1、α2を求め、制御ユニット６に記憶する。
【００４８】
このように補間係数α1、α2を求めておくことで、仮に経時変化や温度変化などの影響によって結像光学ユニット５２や分光ユニット５４などの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサ５４２の各画素と分光によるスペクトルの波長との対応付けが変化したとしても、次の波長較正式によって各画素と波長との対応関係を較正することができる。すなわち、画素番号Ｎkを有する画素によって受光されるスペクトルの波長λk′は、
Ｎk≦Ｎbのとき、
λk′＝λa＋（Ｎk−Ｎa）／α1
Ｎb＜Ｎkのとき、
λk′＝λb＋（Ｎk−Ｎb）／α2
によって求まる。
【００４９】
上記のようにして補間係数α1、α2が求まると、テーブルコントローラ６３９からの指令にしたがって六軸テーブル４１を移動させて被測定試料たるウエハを照明位置ＩＬに位置決めする（ステップＳ１７）。これによって、照明光学ユニット５１から照射される照明光がウエハで反射され、この反射光が結像光学ユニット５２を介して分光ユニット５４に入射して分光される。そして、分光ユニット５４のラインセンサ５４２から出力される電気信号に基づき各画素で受光されるスペクトルの輝度を求めて分光特性を求める（ステップＳ１８）。なお、こうして求められた分光特性を示すデータは、表２に示すように、画素番号とスペクトル輝度との組み合わせデータである。
【００５０】
【表２】
0003718584.tif 000003
【００５１】
次に、ステップＳ１６で求められた補間係数を用い、上記波長較正式にしたがって各画素番号に対応する波長を演算し、波長較正を行う（ステップＳ１９）。すなわち、画素番号Ｎ1の画素に対応する波長λ1については、
λ1′＝λa＋（Ｎ1−Ｎa）／α1
によって求められた波長λ1′に較正され、後の画素番号についても同様にして較正され、表３に示す分光特性が得られる。
【００５２】
【表３】
0003718584.tif 000004
【００５３】
このように、この実施形態では、ホルミウムガラス７２の吸収特性を利用して被測定試料の測定ごとに波長較正を行っているため、経時変化や温度変化などの影響によって結像光学ユニット５２や分光ユニット５４などの光学特性が変化し、その結果、ラインセンサ５４２の各画素と分光によるスペクトルの波長との対応関係が変化したとしても、測定ごとにその対応関係が較正され、再現性のよい分光特性の測定を行うことができる。しかも、該ホルミウムガラス７２を六軸テーブル４１の移動に応じて移動自在に構成しているため、波長較正を行う際には、単にホルミウムガラス７２を照明位置ＩＬに位置決めするのみで済むので、波長較正の度に低圧水銀ランプを照明位置ＩＬに配置する必要があった従来例に比べて、波長較正を簡単に、効率よく行うことができる。
【００５４】
また、この膜厚測定装置では、上記のようにして分光特性の測定が完了する（ステップＳ１９）と、その波長較正された分光特性に基づきウエハの表面に形成された薄膜の膜厚測定を行う（ステップＳ２０）。このように分光特性を再現性よく測定することから、その分光特性に基づく膜厚測定を行っているため、必然的に膜厚測定も再現性よく行うことができる。なお、ステップＳ２１で膜厚測定を継続すると判断される間、上記一連の処理（ステップＳ１１〜Ｓ２０）を繰り返して行う。
【００５５】
Ｃ．変形例
なお、上記実施形態では、ホルミウムガラス７２の吸収特性を利用して特定波長を設定しているが、ホルミウムガラス７２の代わりに、透過率が特定波長で極大的に変化する物質（例えばジジムフィルタ）や多層膜などを用いてもよい。また、ホルミウムガラス７２の代わりに、特定波長で反射率が変化する反射膜を用いてもよく、この場合、リファレンスチップ７１が不要となる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、照明光の波長域に存在し、しかも互いに異なる少なくとも３つの特定波長λa、λb、λc（ただし、λa＜λb＜λc）において、透過率あるいは反射率が極大的に変化する参照光学部材を準備し、被測定試料の分光特性を測定するのに先立って、前記参照光学部材を前記照明位置に位置決めすることで、前記参照光学部材の分光特性を測定し、前記複数の画素のうち前記特定波長λa、λb、λcのスペクトルを受光する画素Ｎa、Ｎb、Ｎcを特定し、前記少なくとも３つの特定波長λa、λb、λcのうち、互いに隣り合う特定波長λa、λbの間、および特定波長λb、λcの間における所定の補間係数α1、α2を求めると共に、該補間係数α1、α2のいずれかと前記画素Ｎa、Ｎb、Ｎcのいずれかとを利用して、ラインセンサの画素の各々で受光されるスペクトルの波長を演算した後、被測定試料を照明位置に位置決めし、当該被測定試料から反射される光を分光し、分光特性を実測するとともに、当該分光特性を上記演算結果に基づき波長較正するようにしているので、再現性の良い分光特性の測定を、効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる分光測定方法を適用可能な膜厚測定装置を示す斜視図である。
【図２】  チップホルダの斜視図である。
【図３】  図２のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図４】  ホルミウムガラスの透過率特性を示すグラフである。
【図５】  測定ヘッド５を示す図である。
【図６】  図５のＡ−Ａ線矢視図である。
【図７】  図５の測定ヘッドの光学的および電気的構成を示す模式図である。
【図８】  シャッター機構を示す斜視図である。
【図９】  膜厚測定装置による分光測定における準備処理を示すフローチャートである。
【図１０】  図１の膜厚測定装置によって実測されるホルミウムガラスの分光特性を示すグラフである。
【図１１】  膜厚測定装置による分光測定方法および膜厚測定方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
６…制御ユニット
４１…六軸テーブル
５１…照明光学ユニット
５２…結像光学ユニット
５４…分光ユニット
７２…ホルミウムガラス
５１２…ハロゲンランプ
５１３…重水素ランプ
５４２…ラインセンサ
６１１…ＣＰＵ
６１２…ＲＯＭ
６１３…ＲＡＭ
６３９…テーブルコントローラ
ＩＬ…照明位置
Ｗ…ウエハ（被測定試料）
α1、α2…補間係数
λa〜λc…特定波長
【図１】
0003718584.tif 000005
【図２】
0003718584.tif 000006
【図３】
0003718584.tif 000007
【図４】
0003718584.tif 000008
【図５】
0003718584.tif 000009
【図６】
0003718584.tif 000010
【図７】
0003718584.tif 000011
【図８】
0003718584.tif 000012
【図９】
0003718584.tif 000013
【図１０】
0003718584.tif 000014
【図１１】
0003718584.tif 000015