【手続補正書】
【提出日】平成16年1月21日(2004.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】膜厚測定方法及び膜厚測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】被測定膜に光を照射し、該被測定膜の上下の境界面で反射する反射光を受光し、該被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
複数の波長λ（λ１≦λ≦λ２；測定波長範囲）の光で被測定膜のある部分の分光反射率比Ｓ（λ）を実測すると共に、該複数の波長の光で被測定膜のない部分の分光反射率比Ｒ（λ）を実測し、分光反射率比Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を求め、ある仮定された膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）を求め、分光反射率比の実測値Ｒmeas（λ）の値と前記膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）との差の２乗和の評価値Ｅｄを下式により求め、
【数１】
2001165627.tif 000001
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅｄを求めることにより、膜厚ｄに対する評価関数Ｅ（ｄ）を得、又膜そのものの分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１とし、ある膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と該分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを下式より求め、
【数２】
2001165627.tif 000002
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅnewｄを求めることにより、評価関数Ｅnew（ｄ）を得、前記評価関数Ｅ（ｄ）と評価関数Ｅnew（ｄ）の比ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を求め、該評価関数比率ＰＥ（ｄ）のうち最小値を与える膜厚ｄを計測された膜厚値Ｄとすることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】被測定膜に光を照射し、該被測定膜の上下の境界面で反射する反射光を受光し、分光する光学系を具備し、該光学系で受光した反射強度から前記被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定手段を具備する膜厚測定装置であって、
前記膜厚測定手段は、複数の波長λ（λ１≦λ≦λ２；測定波長範囲）の光で被測定膜のある部分の分光反射率比Ｓ（λ）を実測すると共に、該複数の波長の光で被測定膜のない部分の分光反射率比Ｒ（λ）を実測し、分光反射率比Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を求め、ある仮定された膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）を求め、分光反射率比の実測値Ｒmeas（λ）の値と前記膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）との差の２乗和の評価値Ｅｄを下式より求め、
【数３】
2001165627.tif 000003
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅｄを求めることにより、膜厚ｄに対する評価関数Ｅ（ｄ）を得、又膜そのものの分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１とし、ある膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と該分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを下式より求め、
【数４】
2001165627.tif 000004
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅnewｄを求めることにより、評価関数Ｅnew（ｄ）を得、前記評価関数Ｅ（ｄ）と評価関数Ｅnew（ｄ）の比ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を求め、該評価関数比率ＰＥ（ｄ）のうち最小値を与える膜厚ｄを計測された膜厚値Ｄとする演算手段を具備することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】被測定膜の膜厚測定方法であって、
前記被測定膜に複数波長を有する光を照射し、該照射した光の反射光を受光し、
前記反射光から分光比反射率の実測値を求め、
前記被測定膜の膜厚の変数ｄを含む、分光比反射率の理論値を求め、
前記分光比反射率の実測値と前記分光比反射率の理論値との差の２乗を、評価関数として求め、
前記評価関数を、前記分光比反射率と１との差の２乗で除することにより求めた前記評価関数の比率を基に、前記被測定膜の膜厚を求めることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項４】請求項３に記載の膜厚測定方法において、
前記分光比反射率の実測値は、前記被測定膜に光を照射した際の反射光の分光比反射率と、前記被測定膜がついていない部分に光を照射した際の反射光の分光比反射率の比であることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】請求項４に記載の膜厚測定方法において、
前記膜厚の変数ｄを変化させ、前記評価関数の比率の最小値を与えるｄを膜厚値とすることを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は膜厚を測定する膜厚測定装置に関し、測定膜に光を投光し、反射される反射光の反射光強度から膜厚を測定する膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関するものである。なお、本明細書で膜厚測定とは、単に膜厚の測定のみではなく、例えば金属膜の有無等の基板状態の検出或いは基板状態の観測も含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被測定膜に光を照射し、該被測定膜の上下の境界面で反射する反射光を受光し、該被測定膜の上下の境界面で反射した光が干渉を起こし、膜の厚みに応じて反射光強度が変化する現象を利用して被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置がある。
【０００３】
図１及び図２は従来のこの種の膜厚測定装置で受光された反射光強度から膜厚を演算する場合の処理フローを示す図である。従来、膜厚を演算する場合、図１に示すように、被測定点（被測定膜の付いた部分）の分光反射強度から分光反射率比Ｓ（λ）を求める（図３の曲線ａ参照）（ステップＳＴ１）と共に、被測定膜の付いていない部分の分光反射強度から分光反射率比Ｒ（λ）を求め（図３の曲線ｂ参照）（ステップＳＴ２）、除算して膜の分光反射率比（＝測定プロファイル）Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を得る（図３の曲線ｃ参照）（ステップＳＴ３）。なお、図３の曲線ａ、ｂは例えば入射光源にハロゲンランプを用いた時に反射光の波長λのスペクトルが連続である場合を示している。
【０００４】
膜厚値Ｄを求めるために、膜厚の変数をｄとおき膜厚値が存在すると思われる範囲（ｄ１〜ｄ２）でｄを変化させる。先ずｄを初期化し（ｄ＝ｄ１）（ステップＳＴ４）、該当膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和の評価値Ｅｄを求め、評価関数Ｅ（ｄ）を得る（ステップＳＴ５）。最小計測単位Δｄを足し（ｄ＝ｄ＋Δｄ）（ステップＳＴ６）、続いてｄ≦ｄ２か否かを判断し（ステップＳＴ７）、ｄ≦ｄ２であったら前記ステップＳＴ５に戻って処理を繰返し、ｄ≦ｄ２でなかったら評価関数Ｅ（ｄ）の最小値を与える膜厚ｄを測定膜厚値Ｄとする（ステップＳＴ８）。
【０００５】
図２は前記ステップＳＴ５の該当膜厚ｄにおける測定波長領域内（λ１〜λ２）での分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和から評価値Ｅｄを求め、評価関数Ｅ（ｄ）を得る処理フローを示す図である。先ず、波長λを測定波長域λ１〜λ２の範囲内で変化させる初期化（λ＝λ１、Ｅｄ＝０）を行う（ステップＳＴ１１）。
【０００６】
次に、以下の計算により評価値Ｅｄを求める（ステップＳＴ１２）。当該膜厚ｄにおける理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和を求める。
Ｅλ＝（Ｒmeas（λ）−Ｒcalc（λ））2
Ｅｄ＝Ｅｄ＋Ｅλ
【０００７】
理論値Ｒcalc（λ）は吸収係数を零とした場合、以下の式で計算できる。
Ｒcalc（λ）＝ｒ１2＋ｒ２2＋２×ｒ１×ｒ２×cosδ
但し、ｒ１＝（１−ｎ１）／（１＋ｎ１）、ｒ２＝（１−ｎｂ）／（１＋ｎｂ）、δ＝４πｎ１ｄ／λ、ｎ１：膜の屈折率、ｎｂ：基板の屈折率、ｄ：膜厚、λ：測定波長領域（λ１〜λ２）
【０００８】
次に、測定波長域方向の分解能Δλを足し（λ＝λ＋Δλ）（ステップＳＴ１３）、続いてλ≦λ２か否かを判断し（ステップＳＴ１４）、λ≦λ２であったら前記ステップＳＴ１２に戻り処理を繰返し、λ≦λ２でなかったら評価関数Ｅ（ｄ）に評価値Ｅｄを代入し（Ｅ（ｄ）＝Ｅｄ）（ステップＳＴ１５）、図１のステップＳＴ６に移行する。
【０００９】
上記のように、従来、膜厚を演算する場合、被測定膜の分光反射率比（＝測定プロファイル）を得るために被測定点の分光反射強度を測定すると共に、キャリブレーション（被測定膜の付いていない部分）の分光反射強度を測定し、除算して膜の分光反射率比を得る。そして得られた測定プロファイルと膜厚を仮定し理論的に計算された分光反射率比を比較し、その差が最小となる仮定された膜厚を測定膜厚としている。
【００１０】
また、従来のこの種の膜厚測定装置は高精度を要求された光学的手法等で測定プロファイルをいかに正確に、Ｓ／Ｎ比をよく得るかに重点が置かれ、機械的・光学的工夫がなされてきた。そのため被測定膜から得られた分光反射強度は、結果を求めるのに十分な分光反射強度をもつことができ、上記のように測定プロファイルと理論的に計算された分光反射率比を直接比較するアルゴリズムで十分に膜厚を測定することができた。
【００１１】
しかしながら、近年、半導体ウエハ等との基板を機械化学的に研磨する機械化学的ポリッシング装置（ＣＭＰ）等の薄膜加工装置においては、薄膜加工装置の内部での測定や加工最中での計測の要求が増している。この場合、膜厚測定装置は加工装置本来の目的である、研磨加工等を妨害することなく取り付けられることが要求され、且つ付随機能であるからコストの削減による簡素な構成が求められている。つまり上記のような、薄膜加工装置の内部での膜厚測定や加工最中での膜厚測定においては、従来問題なく得られてきた結果を求めるのに十分な強さの分光反射強度を検出することが難しい状況である。
【００１２】
図３乃至図６はＳｉ基板上の厚さ約４６０ｎｍのＳｉＯ2膜の測定データを示す図である。図３及び図４は膜厚値を求めるのに十分な強度をもつ分光反射強度の場合を示す図である。図３の曲線ａ、ｂ、ｃはそれぞれ図１のステップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３で求めた分光反射率比Ｓ（λ）、Ｒ（λ）、測定プロファイルＲmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）である。図４の曲線ｅは図１のステップＳＴ５で求めた評価関数Ｅ（ｄ）である。
【００１３】
また、図５及び図６は結果を求めるのに十分な強度を持たない分光反射強度の場合を示す図である。図５の曲線ａ、ｂ、ｃはそれぞれ図１のステップＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３で求めた分光反射率比Ｓ（λ）、Ｒ（λ）、測定プロファイルＲmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）である。図６の曲線ｅは図１のステップＳＴ５で求めた評価関数Ｅ（ｄ）である。
【００１４】
図３、図４では評価関数Ｅ（ｄ）の最小値を与えるｄが正しい膜厚値（４６０ｎｍ）を示しているが、図５、図６では評価関数Ｅ（ｄ）の最小値を与えるｄが正しい膜厚値を示していない。
【００１５】
また、研磨等の加工状態の膜厚の測定・終点検出として用いられる膜厚測定装置においては、高速・リアルタイムで測定結果を得ることが要求されており、従来の膜厚測定装置ではこの要望に十分答えることができなかった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、精度の良い膜厚を測定するのに十分でなく、且つＳ／Ｎ比の悪い分光反射強度であっても精度の良い膜厚測定ができる膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、被測定膜に光を照射し、該被測定膜の上下の境界面で反射する反射光を受光し、該被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、複数の波長λ（λ１≦λ≦λ２；測定波長範囲）の光で被測定膜のある部分の分光反射率比Ｓ（λ）を実測すると共に、該複数の波長の光で被測定膜のない部分の分光反射率比Ｒ（λ）を実測し、分光反射率比Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を求め、ある仮定された膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）を求め、分光反射率比の実測値Ｒmeas（λ）の値と前記膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）との差の２乗和の評価値Ｅｄを下式により求め、
【数５】
2001165627.tif 000005
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅｄを求めることにより、膜厚ｄに対する評価関数Ｅ（ｄ）を得、又膜そのものの分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１とし、ある膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と該分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを下式より求め、
【数６】
2001165627.tif 000006
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅnewｄを求めることにより、評価関数Ｅnew（ｄ）を得、評価関数Ｅ（ｄ）と評価関数Ｅnew（ｄ）の比ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を求め、該評価関数比率ＰＥ（ｄ）のうち最小値を与える膜厚ｄを計測された膜厚値Ｄとすることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項２に記載の発明は、被測定膜に光を照射し、該被測定膜の上下の境界面で反射する反射光を受光し、分光する光学系を具備し、該光学系で受光した反射強度から被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定手段を具備する膜厚測定装置であって、前記膜厚測定手段は、複数の波長λ（λ１≦λ≦λ２；測定波長範囲）の光で被測定膜のある部分の分光反射率比Ｓ（λ）を実測すると共に、該複数の波長の光で被測定膜のない部分の分光反射率比Ｒ（λ）を実測し、分光反射率比Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を求め、ある仮定された膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）を求め、分光反射率比の実測値Ｒmeas（λ）の値と膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）との差の２乗和の評価値Ｅｄを下式より求め、
【数７】
2001165627.tif 000007
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅｄを求めることにより、膜厚ｄに対する評価関数Ｅ（ｄ）を得、又膜そのものの分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１とし、ある膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と該分光反射率比Ｒmeas（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを下式より求め、
【数８】
2001165627.tif 000008
前記膜厚ｄを測定検索範囲ｄ１からｄ２の間で、ステップ刻みΔｄで変化（増加又は減少）させ各該当膜厚における評価値Ｅnewｄを求めることにより、評価関数Ｅnew（ｄ）を得、評価関数Ｅ（ｄ）と評価関数Ｅnew（ｄ）の比ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を求め、該評価関数比率ＰＥ（ｄ）のうち最小値を与える膜厚ｄを計測された膜厚値Ｄとする演算手段を具備することを特徴とする。
【００１９】
上記のように、膜厚ｄの測定範囲内において各波長λにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と被測定膜の分光反射率比Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１とした時の評価関数Ｅｎew（ｄ）を求め、評価関数Ｅ（ｄ）を評価関数Ｅｎew（ｄ）で除してＥ（ｄ）／Ｅｎew（ｄ）、本来の膜厚に起因する信号分である評価関数の比率ＰＥ（ｄ）を求め、該比率ＰＥ（ｄ）が最小値となる膜厚ｄを膜厚値Ｄとするので、後に詳述するように、精度良く膜厚を測定するのに十分でなく、且つＳ／Ｎ比の悪い分光反射強度であっても、精度の良い膜厚測定ができる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、被測定膜の膜厚測定方法であって、被測定膜に複数波長を有する光を照射し、該照射した光の反射光を受光し、反射光から分光比反射率の実測値を求め、被測定膜の膜厚の変数ｄを含む、分光比反射率の理論値を求め、分光比反射率の実測値と分光比反射率の理論値との差の２乗を、評価関数として求め、評価関数を、分光比反射率と１との差の２乗で除することにより求めた評価関数の比率を基に、被測定膜の膜厚を求めることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の膜厚測定方法において、分光比反射率の実測値は、被測定膜に光を照射した際の反射光の分光比反射率と、被測定膜がついていない部分に光を照射した際の反射光の分光比反射率の比であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の膜厚測定方法において、膜厚の変数ｄを変化させ、評価関数の比率の最小値を与えるｄを膜厚値とすることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図７は本発明に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図である。図７において、１は表面に膜厚を測定する薄膜２が形成された基板であり、５は該基板１の薄膜２の測定スポット３に円柱状の水流４を噴出し当接させる水噴出用ノズルである。該水噴出用ノズル５内には照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の先端部が挿入配置されている。
【００２４】
加圧水流６を水噴出用ノズル５に供給しその先端から細い円柱状の水流４を噴出し、基板１の薄膜２の測定面２ａに当接させ、測定スポット３を形成する。この状態で、測定演算部９から照射用ファイバ７を通して、水流４内に光を送り、該光を該水流４を通して基板１の測定スポット３内の測定面に照射する。このときの水流４中の光軸と該測定面は略垂直であることが装置構成上好ましい。但し、場合によっては照射用ファイバ７からの光の該測定面からの反射光を受光用ファイバ８が受光可能な位置関係ならば水流４中に光軸を該測定面に対して斜めとする構成も可能である。
【００２５】
該測定面２ａで反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。該測定演算部９では反射光から薄膜２の膜厚を測定する。このとき、水噴出用ノズル５の内面は、鏡面加工を施し、効率よく照射／反射光を照射用／受光用ファイバ７、８に導く工夫がなされている。時として、薄膜２と水流４が接する部分に水滴がたまる場合があり、測定スポット３が乱れてしまう。そこで、水噴出用ノズル５から薄膜２の測定スポット３に延びる螺旋状に巻回した排水用部材３８を設け、水滴を除去する工夫もなされている。
【００２６】
上記構成の膜厚測定装置において、水噴出用ノズル５の先端から薄膜２の測定面２ａまでの距離が短ければ（即ち、水流４の長さが短ければ、実際には水噴出用ノズル５の内径の約１．５倍以内）、水流４の直径は略一定であるから、測定面２ａ上の測定スポット３の大きさは、水噴出用ノズル５の先端及び照射用ファイバ７の先端と測定面２ａとの距離に依存せず決定される。そこで厳密な間隔制御が不要となる。
【００２７】
図８は測定演算部９の構成を示す図である。図８において、ハロゲン光源１０から発した光は、第１のレンズ１１を通って照射用ファイバ７に導かれ、該照射用ファイバ７の先端から水流４内（図７参照）を通って基板１の測定面２ａに照射される。該測定面２ａで反射された反射光は受光用ファイバ８を通って第２のレンズ１２に導かれ、該第２のレンズ１２から回折格子１３に導かれ分光される。分光された光は、ＣＣＤラインセンサ１４によって、光の波長に対する分光反射強度として検出され、Ａ／Ｄ変換器１５でデジタル信号に変換され、演算器１６に送られる。
【００２８】
図９乃至図１２は本発明の膜厚測定装置でＳ／Ｎ比が悪い時の受光された反射光強度から膜厚測定演算する場合の処理フローを示す図である。図９において、ステップＳＴ２１〜ステップＳＴ２７までの処理は図１のステップＳＴ１〜ステップＳＴ７までの処理と同じであるからその説明は省略する。ステップＳＴ２８において、分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と、測定プロファイルを１とした場合（Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１）との差の２乗和の評価関数Ｅnew（ｄ）を求めておく。
【００２９】
ステップＳＴ２５で求めた分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と実測値Ｒmeas（λｅ）の評価関数Ｅ（ｄ）とステップＳＴ２８で予め求めておいた評価関数Ｅnew（ｄ）より本来の膜厚に起因する信号分ＰＥ（ｄ）を抽出するため、
ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）
を算出（ステップＳＴ２９）し、評価関数の比率ＰＥ（ｄ）の最小値を与えるｄを測定膜厚値Ｄとする（ステップＳＴ３０）。
【００３０】
図１０のステップＳＴ３１〜ステップＳＴ３５の処理は図２のステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１５と同じであるからその説明を省略する。図１１は、図９のステップＳＴ２８において、膜厚検索範囲内（ｄ１≦ｄ≦ｄ２）における分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価関数Ｅnew（ｄ）を求める処理フローを示す図である。図１１において、ステップＳＴ４１〜ＳＴ４３では、被測定膜の付いている部分の分光反射率比Ｓ（λｅ）と、被測定膜の付いていない部分の分光反射率比Ｒ（λｅ）が等しいものとし、測定プロファイルを１（Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１）としている。膜厚の変数ｄを膜厚の存在すると思われる範囲（ｄ１〜ｄ２）でｄを変化させる。
【００３１】
先ずｄを初期化する（ｄ＝ｄ１）（ステップＳＴ４４）。該当膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcal（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewdを求め、評価関数Ｅnew（ｄ）を得る（ステップＳＴ４５）。最小計測単位Δｄを足し（ｄ＝ｄ＋Δｄ）（ステップＳＴ４６）、続いてｄ≦ｄ２か否かを判断し（ステップＳＴ４７）、ｄ≦ｄ２ならば前記ステップＳＴ４５に戻って処理を繰返し、ｄ≦ｄ２でない場合、図９のステップＳＴ２９に移行する。図１２は前記ステップＳＴ４５において、当該膜厚ｄにおける測定波長領域（λ１〜λ２）内での分光反射率の理論値と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewdを求め、評価関数Ｅnew（ｄ）を得る処理フローを示す図である。先ず波長λｅを測定波長領域λ１〜λ２の範囲内で変化させる初期化（λｅ＝λ１、Ｅｎewd＝０）を行う（ステップＳＴ５１）。
【００３２】
該当膜厚ｄにおける理論値Ｒcalcと測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和を求める（ステップＳＴ５２）。
Ｅλｅ＝（Ｒcalc（λｅ）−１）2
Ｅnewｄ＝Ｅnewｄ＋Ｅλｅ
【００３３】
理論値Ｒcalc（λｅ）は吸収係数を零とした場合以下の式で計算する
Ｒcalc（λｅ）＝ｒ１2＋ｒ２2＋２×ｒ１×ｒ２×cosδ
但し、ｒ１＝（１−ｎ１）／（１＋ｎ１）、ｒ２＝（１−ｎｂ）／（１＋ｎｂ）、δ＝４πｎ１ｄ／λｅ、ｎ１：膜の屈折率、ｎｂ：基板の屈折率、ｄ：膜厚、λｅ：測定波長領域（λ１〜λ２）
【００３４】
測定波長域方向の分解能Δλを足し（λｅ＝λｅ＋Δλ）（ステップＳＴ５３）、λｅ≦λ２か否かを判断し（ステップＳＴ５４）、λｅ≦λ２の場合はステップＳＴ５２に戻り処理を繰返し、λｅ≦λ２でない場合、評価関数Ｅnew（ｄ）に、評価値Ｅnewｄを代入し（Ｅnew（ｄ）＝Ｅnewｄ）（ステップＳＴ５５）、図１１のステップＳＴ４６に移行する。
【００３５】
上記処理フローにより、図５、図６に示す膜厚値を求めるのに十分な強度をもたない分光反射強度の場合の処理を行うと、本来の膜厚に起因する信号分である評価関数の比率ＰＥ（ｄ）は、図１３に示すようになり、評価関数の比率ＰＥ（ｄ）の最小値を与えるｄが正しい膜厚値（４６０ｎｍ）を示す。なお、評価関数Ｅ（ｄ）、Ｅnew（ｄ）を求める際の評価値Ｅｄ、Ｅnewｄの個数は、実用上（リアルタイムでの膜厚検出を可能とする演算スピードを考慮して）、可視光線の波長（λ１〜λ２内）から最低１０数点のポイントを拾って評価関数を導く。
【００３６】
図１４は機械化学的ポリッシング装置（ＣＭＰ）に本発明に係る膜厚測定装置設け、研磨中の被研磨基板の研磨面の膜厚を測定できるようにした例を示す図である。図１４において、３０はターンテーブルであり、該ターンテーブル３０の上面には研磨布３１が貼り付けられている。３２はトップリングであり、研磨される被研磨基板３３は該トップリング３２の下面に装着され、トップリング３２と研磨布３１の間に所定の圧力で挟まれている。なお、３４はトップリング３２の下面外周部に装着され、被研磨基板３３の飛び出しを防止するためのガイドリングである。
【００３７】
トップリング３２とターンテーブル３０はそれぞれ独立して回転しており、図示は省略するが、研磨布３１の上面には砥液供給ノズルから砥液が供給される。被研磨基板３３と研磨布３１の相対運動により、被研磨基板３３の研磨面（研磨布３１との当接面）は研磨される。５は図７と同様の水噴出用ノズルであり、該水噴出用ノズル５には加圧水流パイプ３６が接続され、水噴出用ノズル５から噴出された水流４の水は水受皿３５で受けられ、排水パイプ３７で排出される。該水受皿３５の上端は研磨布３１の上面に開口しており、水噴出用ノズル５から噴出される水流４は被研磨基板３３の研磨面に図７と同じように測定スポット３を形成する。なお、図１４では、水噴出用ノズル５を分り易くするため、大きく描いているが、実際には微小なスポットを構築するために水噴出用ノズル５の径は小さい（０．４ｍｍ〜０．７ｍｍ）。
【００３８】
水噴出用ノズル５内には図７の場合と同様、照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の先端部が挿入されており、測定演算部９からの照射用ファイバ７を通って水噴出用ノズル５内に導かれ、該水噴出用ノズル５から噴出される水流４を通って該水流４が当接する研磨面のスポット３内に投光される。そして該研磨面で反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って該測定演算部９に導かれる。
【００３９】
測定演算部９は図８に示すように構成されており、図９乃至図１２に示す処理フローを実行して研磨中の被研磨基板３３の研磨面の膜厚を測定する。該測定演算部９へ供給する電源、該測定演算部９からの出力信号はターンテーブル３０の回転駆動軸下端に設けた図示しない回転接続部を介して供給、伝送される。また、加圧水は回転駆動軸下端に取り付けられた図示しない回転接続機構を介して加圧水流パイプ３６に供給されるようになっている。
【００４０】
上記のように機械化学的ポリッシング装置（ＣＭＰ）に本発明に係る膜厚測定装置を設けることにより、このようなポリッシング装置においては、精度良く膜厚を測定するのに十分である研磨面からの分光反射強度を得ることが難しい場合が多いが、このような場合でも精度の良い膜厚測定ができる。
【００４１】
なお、上記実施形態例では、基板に形成された薄膜の厚さを測定する例を示したが、本願は発明はこれに限定されるものではなく、例えば基板に形成される金属膜の有無等、基板状態の検出或いは基板状態の観測にも当然利用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、評価関数Ｅ（ｄ）と評価関数Ｅnew（ｄ）の比ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を求め、該評価関数比率ＰＥ（ｄ）のうち最小値を与える膜厚ｄを計測された膜厚値Ｄとするので、精度良く膜厚を測定するのに十分でなく、且つＳ／Ｎ比の悪い分光反射強度であっても、精度の良い膜厚測定ができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図２】従来の膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図３】分光反射強度の強い場合の光波長に対する被測定膜がある部分とない部分の分光反射率比と被測定膜の分光反射率比を示す図である。
【図４】分光反射強度の強い場合の膜厚に対する分光反射率比の理論値と実測値の評価関数を示す図である。
【図５】分光反射強度の弱い場合の光波長に対する被測定膜がある部分とない部分の分光反射率比と被測定膜の分光反射率比を示す図である。
【図６】分光反射強度の弱い場合の膜厚に対する分光反射率比の理論値と実測値の評価関数を示す図である。
【図７】本発明に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明に係る膜厚測定装置の測定演算部の構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図１０】本発明に係る膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図１１】本発明に係る膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図１２】本発明に係る膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図１３】本発明に係る膜厚測定装置で測定した分光反射強度の弱い場合の膜厚に対する分光反射率比の理論値と実測値の評価関数を示す図である。
【図１４】本発明に係る膜厚測定装置を装備した機械化学的ポリッシング装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１            基板
２            薄膜
３            測定スポット
４            水流
５            水噴出用ノズル
６            加圧水流
７            照射用ファイバ
８            受光用ファイバ
９            測定演算部
１０          ハロゲン光源
１１          第１のレンズ
１２          第２のレンズ
１３          回折格子
１４          ＣＣＤラインセンサ
１５          Ａ／Ｄ変換器
１６          演算器
３０          ターンテーブル
３１          研磨布
３２          トップリング
３３          被研磨基板
３４          ガイドリング
３５          水受皿
３６          加圧水流パイプ
３７          排水パイプ
３８          排水用部材