(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光源から被測定膜に対して照射する測定光を、その被測定膜の透過光波長領域で波長を変化させるようにし、その反射光もしくは透過光を検出してその強度の変化状態から前記被測定膜の膜厚を検出するようにした膜厚測定方法において、
前記被測定膜が、屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合に、
前記測定光源から照射する測定光の波長を、前記透過光波長領域の波長のうちの前記異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲で変化させることにより前記被測定膜の膜厚を検出するようにしたことを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定方法において、
前記測定光が前記被測定膜に照射されたときの反射光を測定して前記被測定膜の膜厚を検出する場合に、
前記異質層の屈折率をｎ０、膜厚をｄとすると、前記互いに弱め合う範囲として、
２・ｎ０・ｄ＝ｍ・λ                                        …（ａ）
（ただし、ｍは自然数）
を満たす波長λを中心とした波長範囲で波長を変化させて照射することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の膜厚測定方法において、
前記被測定膜は、前記異質層として絶縁膜が内部に介在されたシリコン層であり、
前記測定波長範囲として下記条件式（ｂ）を満たす範囲とすることを特徴とする膜厚測定方法。
２・ｎ０・ｄ／（ｍ＋0.2 ）≦λ≦２・ｎ０・ｄ／（ｍ−0.2 ） …（ｂ）
（ただし、ｎ０は絶縁膜の屈折率、ｄは絶縁膜の膜厚、ｍは自然数）
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の膜厚測定方法において、
前記測定光源の測定光は、連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いていることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の膜厚測定方法において、
前記測定光源の測定光を前記被測定膜と同じ構造で膜厚が既知の参照用測定膜に照射し、その反射光もしくは透過光の強度を測定してその波長依存性と前記被測定膜の反射光もしくは透過光の強度の波長依存性とからその被測定膜の膜厚を検出することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項６】
被測定膜に対して測定光を照射してその反射光もしくは透過光の強度を検出して前記被測定膜の膜厚を検出するようにした膜厚測定装置において、
前記測定光として前記被測定膜の透過光波長領域内で波長を変化させて照射することができる測定光源と、
この測定光源からの前記測定光を前記被測定膜の測定部位に導く光学手段と、
前記被測定膜に照射された測定光の反射光もしくは透過光の強度を測定する測定手段と、
この測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度を結果に基づいて前記被測定膜の膜厚を演算により検出する演算手段と、
前記被測定膜として対象となる膜の材質とは屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に介在されるものを対象とする場合に前記測定光源に対して前記異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲の波長領域内で前記測定光の波長を変化させるようにして測定を行わせる制御手段とを設けたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の膜厚測定装置において、
前記測定手段は、前記測定光の反射光を検出するように設けられ、
前記制御手段は、前記異質層の屈折率をｎ０、膜厚をｄとすると、前記互いに弱め合う範囲として、
２・ｎ０・ｄ＝ｍ・λ …（ａ）
（ただし、ｍは自然数）
を満たす波長λを中心とした波長範囲で波長を変化させて測定光を照射させるように前記測定光源を制御することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の膜厚測定装置において、
前記被測定膜が前記異質層として絶縁膜が内部に介在されたシリコン層である場合に、
前記制御手段は、前記測定光源に対して下記条件式（ｂ）を満たす範囲の測定波長範囲に設定して測定光の波長を変化させて出力させるように制御することを特徴とする膜厚測定装置。
２・ｎ０・ｄ／（ｍ＋0.2 ）≦λ≦２・ｎ０・ｄ／（ｍ−0.2 ） …（ｂ）
（ただし、ｎ０は絶縁膜の屈折率、ｄは絶縁膜の膜厚、ｍは自然数）
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の膜厚測定装置において、
前記測定光源は、前記測定光を連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いた構成とされていることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１０】
請求項６ないし９のいずれかに記載の膜厚測定装置において、
前記被測定膜と同じ構造で且つ膜厚が既知の参照用測定膜と、
前記測定光源を前記参照用測定膜に導く参照用光学系と、
前記参照用測定膜に照射された測定光の反射光もしくは透過光の強度を測定する参照用測定手段とを設け、
前記演算手段は、前記測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果に加えて、前記参照用測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果も参照して前記被測定膜の膜厚を演算により検出するように構成したことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１１】
測定光源から半導体装置の被測定膜に対して照射する測定光を、その被測定膜の透過光波長領域で波長を変化させるようにし、その反射光もしくは透過光を検出してその強度の変化状態から前記被測定膜の膜厚を検出するようにした半導体装置の製造方法において、
前記被測定膜が、屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合に、
前記測定光源から照射する測定光の波長を、前記透過光波長領域の波長のうちの前記異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲で変化させることにより前記被測定膜の膜厚を検出するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定膜の測定部位に光ビームを照射してその膜厚を測定するようにした膜厚測定方法、膜厚測定装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体素子の表面部分に機械的構造を一体に形成した構成の半導体装置が開発されつつある。そして、このような半導体装置は、半導体集積技術を転用することで集積度の高い半導体機構素子として提案されているが、これらの半導体素子は、微細な構造を形成する必要があることから、半導体材料に対する加工精度をさらに高めて制御することができるようにすることが要求されている。
【０００３】
例えば、シリコンダイヤフラムをエッチングにより形成する場合に、通常はエッチング時間を管理することでダイヤフラム厚の制御を行っているが、これはエッチング条件を支配する温度や濃度などの種々のパラメータのばらつきなどによって影響を受けてしまうことがあり、結果としてダイヤフラム厚がばらついてしまうことがあり、加工精度の点で再現性の良好なプロセス技術として確立するためには課題が残っていた。このような点から、エッチング中にリアルタイムでシリコン厚をモニタできるようにして、エッチング量の制御性を向上できるようにすることが望まれていた。
【０００４】
このような要望に対して、最近では、例えば特開平２−３０７００３号公報に示されるように、レーザ光を半導体に照射して半導体層から得られる反射光あるいは透過光などの干渉光の強度変化を観測することにより、半導体層の厚さを非接触状態でしかもリアルタイムで検出してエッチング厚さをモニタする技術が提案されている。
【０００５】
また、別の方法としては、ハロゲン光をシリコンに照射してこれを分光分析することによりシリコン厚を計測する方法も提案されている（MEMS/94 Proceedings pp.217-pp.222 ）。さらには、特開平７−３０６０１８号公報に示されるようにレーザ光の波長を変化させ、その反射波の波形から膜厚を計測するという方法も検討されつつある。
【０００６】
ところで、上述の特開平７−３０６０１８号公報に開示された方法では、測定対象としてシリコン層のみである場合の膜厚を計測するときには有効な方法であるが、積層構造となる場合例えば絶縁膜をシリコンで挟んだ構造のいわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を有するシリコンウエハなどのシリコン層の厚さを測定する場合においては、内部に埋め込まれている絶縁膜の影響を受けるので、この方法をそのまま適用して測定することができない場合がある。
【０００７】
したがって、例えば、ＳＯＩ基板のシリコン層をエッチング加工して所望の膜厚を残して圧力センサなどのダイヤフラムなどを形成したり、あるいは特開平２０００−３１５０２に示されるような加速度センサの構造体を形成する場合の途中工程などにおいてには、依然として正確な膜厚を測定することができないことがあり、技術的課題として解決すべきものであった。これは、シリコン膜厚の測定時に、照射した測定用の光ビームがＳＯＩ基板中に埋め込まれた絶縁膜（一般的にはＳｉＯ２）の界面で反射することによる影響で、これが絶縁膜上のシリコン膜厚（ＳＯＩ厚）に依存して干渉強度が変化して高くなる場合には、シリコンダイヤフラム全体の膜厚の検出感度が鈍くなるからである。
【０００８】
この場合、ダイヤフラム厚さがＳＯＩ膜の厚さに比べ、十分に厚い場合には、計測される複数の膜厚のピークからＳＯＩ厚さ付近の膜厚のピークを除外することで、ダイヤフラム厚さに相当するピークを特定してその厚さ寸法を測定することができるようになる。しかしながら、エッチングが進行してダイヤフラム厚さがＳＯＩ層の厚さに近付いてくると、ピークが重なってくるため、この方法で判定することができなくなり、結果として、正確にエッチング終点を検出できなくなってしまうというものであった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、測定対象となる膜の内部に異なる材質の層が積層されている場合でも、対象とする層の膜厚を正確に検出することができるようにした膜厚測定方法、膜厚測定装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、測定光源から被測定膜に対して照射する測定光を、その被測定膜の透過光波長領域で波長を変化させるようにし、その反射光もしくは透過光を検出してその強度の変化状態から前記被測定膜の膜厚を検出するようにした膜厚測定方法において、被測定膜が屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合には、その被測定膜の膜厚を測定する際に、測定光源から照射する測定光の波長を、透過光波長領域の波長のうちの異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲で変化させるので、異質層による反射成分を抑制することで、被測定膜の異質層で分けられた部分の各膜の膜厚に起因した反射光もしくは透過光の干渉成分も抑制することができるようになり、結果として被測定膜の上面と下面との両者で反射もしくは透過する光の成分に基づいて膜厚測定を行うことができるようになり、全体の膜厚を非接触で且つリアルタイムで正確に測定することができるようになる。これにより、例えば、エッチング処理などを実施している状態で直接エッチング量をモニタすることができるようになり、エッチングの制御を高精度で行うことができるようになる。
また、測定光の波長範囲を、計測波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と異質層で分けられた被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲に設定しているので、測定に十分使用可能な測定光の波長範囲を具体的に設定することができ、また、その場合に、被測定膜のピーク値の強度が他の部分膜のピーク値に対して１以上の比率で出現させることができるので、他のピーク値に埋没することなく確実に被測定膜の膜厚を測定することができるようになる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、上記発明において、測定光が被測定膜に照射されたときの反射光を測定してその膜厚を検出する場合に、異質層の屈折率をｎ０、膜厚をｄとすると、互いに弱め合う範囲として、
２・ｎ０・ｄ＝ｍ・λ                                        …（ａ）
（ただし、ｍは自然数）
を満たす波長λを中心とした波長領域で波長を変化させて照射することで、被測定膜中において異質層の上面と下面とで反射する成分が双方で干渉し合う条件となり、この反射光成分による影響を低減できる。このことは、異質層の上面（一方側）と下面（他方側）の双方に位置している被測定膜の分割された部分層についての膜厚に依存した干渉の成分を抑制することができることを意味し、これによって、相対的に被測定膜の全体の膜厚に関する反射光の成分を大きくした状態で測定することができるようになり、被測定膜の正確な膜厚を測定することができるようになる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、被測定膜として絶縁膜が異質層として内部に介在されたシリコン層である場合に、前述した測定波長範囲として、
２・ｎ０・ｄ／（ｍ＋0.2 ）≦λ≦２・ｎ０・ｄ／（ｍ−0.2 ）  …（ｂ）
（ただし、ｎ０は絶縁膜の屈折率、ｄは絶縁膜の膜厚、ｍは自然数）
という条件式（ｂ）を満たす範囲に設定するので、シリコン層の内部に介在されている異質層としての絶縁膜の屈折率ｎ及び膜厚ｄの値からこの条件式（ｂ）を満たす波長範囲λを設定することができる。
【００１４】
なお、この場合において、条件式の上限値及び下限値を設定する左辺及び右辺の分数の分母に設定している「0.2 」という数値は、計測波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と異質膜で分けられた被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲と略一致するような波長範囲λの条件を満たす値である。
【００１５】
請求項４の発明によれば、上記各発明において、測定光源の測定光として、連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いているので、測定光を適当な光学手段により案内することで、被測定膜の表面の限られた領域のみに照射することができ、これによって被測定膜の局所的な膜厚を測定する用途においても正確な膜厚測定を行うことができる。例えば、部分的なエッチング加工をおこなって膜厚を測定するような場合に有効な手段となる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、上記各発明において、測定光源の測定光を被測定膜と同じ構造で膜厚が既知の参照用測定膜に照射し、その反射光もしくは透過光の強度を測定してその波長依存性と被測定膜の反射光もしくは透過光の強度の波長依存性とからその被測定膜の膜厚を検出するので、測定光源の測定光の波長を正確に測定しなくとも既知の膜厚の参照用測定膜との対比により被測定膜の膜厚を精度良く測定することができる。
【００１７】
請求項６の発明によれば、被測定膜に対して測定光を照射してその反射光もしくは透過光の強度を検出して被測定膜の膜厚を検出する構成において、測定光源から被測定膜の透過光波長領域内で波長を変化させて測定光を照射させ、この測定光を光学手段により被測定膜の測定部位に導き、測定手段により被測定膜に照射された測定光の反射光もしくは透過光の強度を測定し、演算手段により測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果に基づいて被測定膜の膜厚を演算により検出する構成を前提としており、この場合において、被測定膜として対象となる膜の材質とは屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に介在されるものを対象とする場合には、制御手段により、測定光源に対して異質層で反射する光成分に起因して発生する干渉の条件を満たす範囲の波長領域内で測定光の波長を変化させるようにして測定を行わせる。これにより、被測定膜に照射された測定光が内部に介在している異質層の表裏面で反射する成分が互いに干渉し合い、被測定膜の異質層により分けられた部分層の膜厚に起因した成分の強度を抑制することができるようになり、結果的に被測定膜の膜厚に関する光の成分が主体となり、被測定膜の膜厚を正確に測定することができるようになる。
また、制御手段により、測定光源に対して、測定光の波長範囲を、計測波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と異質層で分けられた被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲に設定するようにして制御する構成としたので、異質層の表裏面による反射光の成分を干渉させる条件として、他の部分層の膜厚に起因したピーク値が抑制されるようになり、相対的に被測定膜の膜厚に起因した光の情報が他のピーク値に対して区別可能な範囲の条件とすることができ、測定光の波長変化範囲を最大限に広げて測定精度の向上を図ることができるようになる。
【００１８】
請求項７の発明によれば、上記発明において、測定手段を、測定光の反射光を検出するように設け、制御手段により、異質層の屈折率をｎ０、膜厚をｄとしたときの測定光が互いに弱め合う範囲として、
２・ｎ０・ｄ＝ｍ・λ                                        …（ａ）
（ただし、ｍは自然数）
を満たす波長λを中心とした波長領域で波長を変化させて測定光を照射させるように測定光源を制御するように構成したので、異質層の表裏面による反射光の成分を干渉させることができ、これによって、被測定膜の膜厚に関する光の強度を相対的に高めることができるようになる。
【００２０】
請求項８の発明によれば、請求項６または７の発明において、被測定膜が異質層として絶縁膜が内部に介在されたシリコン層である場合に、制御手段により、測定光源に対して条件式（ｂ）を満たす範囲の測定波長範囲に設定して測定光の波長を変化させて出力させるように制御するように構成したので、シリコン層の内部に介在されている異質層としての絶縁膜の屈折率ｎ及び膜厚ｄの値からこの条件式（ｂ）を満たす波長範囲λを設定することができる。
【００２１】
請求項９の発明によれば、請求項６ないし９の発明において、測定光源を、測定光を連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いて構成しているので、測定光を光学系により案内することで、被測定膜の表面の限られた領域のみに照射することができ、これによって被測定膜の局所的な膜厚を測定する用途においても正確な膜厚測定を行うことができる。例えば、部分的なエッチング加工をおこなって膜厚を測定するような場合に有効な手段となる。
【００２２】
請求項１０の発明によれば、請求項６ないし９の各発明において、被測定膜と同じ構造で且つ膜厚が既知の参照用測定膜を備え、参照用光学系により測定光源からの測定光を参照用測定膜に導いて照射し、その反射光もしくは透過光の強度を参照用測定手段により測定し、演算手段により、前記測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果に加えて、参照用測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果も参照して被測定膜の膜厚を演算により検出するので、測定光源の測定光の波長を正確に測定しなくとも既知の膜厚の参照用測定膜との対比により被測定膜の膜厚を精度良く測定することができる。
【００２３】
請求項１１の発明によれば、エッチング処理などで形成するダイヤフラム等の被測定膜を有する半導体装置に対して、測定光源から半導体装置の被測定膜に対して照射する測定光を、その被測定膜の透過光波長領域で波長を変化させるようにし、その反射光もしくは透過光を検出してその強度の変化状態から前記被測定膜の膜厚を検出するようにした半導体装置の製造方法において、被測定膜が屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合には、その被測定膜の膜厚を測定する際に、測定光源から照射する測定光の波長を、透過光波長領域の波長のうちの異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が１以上となる波長の範囲で変化させるので、異質層による反射成分を抑制することで、被測定膜の異質層で分けられた部分の各膜の膜厚に起因した反射光もしくは透過光の干渉成分も抑制することができるようになり、結果として被測定膜の上面と下面との両者で反射もしくは透過する光の成分に基づいて膜厚測定を行うことができるようになり、全体の膜厚を非接触で且つリアルタイムで正確に測定することができるようになる。
【００２４】
これにより、例えば、半導体装置に形成するダイヤフラムなどの被測定膜の膜厚を精度良く形成する必要がある場合において、ダイヤフラム形成のためのエッチング処理を実施している状態で非接触且つリアルタイムで、しかも精度良く被測定膜の膜厚を検出することができる。したがって、ダイヤフラムなどを用いて圧力や加速度などを検出するセンサとしての半導体装置を製造する場合の品質の向上を図り、しかも製造工程においても時間短縮を図りコストの低減を図ることができるようになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図１１を参照しながら説明する。
この実施形態においては、測定対象物はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１を用いている。例えば、ＳＯＩ基板１を利用して形成する半導体装置である圧力センサや加速度センサなどの半導体力学量センサのダイヤフラム部分を加工する場合のエッチング処理過程でエッチング量を測定する場合に適用したものである。図２は、ＳＯＩ基板１をエッチング加工してダイヤフラム２を形成している状態を断面で示した模式図である。
【００２６】
ＳＯＩ基板１は、単結晶シリコン（Ｓｉ）基板１ａ上に異質膜としての絶縁膜である二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる埋込酸化膜１ｂが積層され、その上に単結晶シリコン（Ｓｉ）からなるＳＯＩ層１ｃが積層された３層（ＳＯＩ／ＳｉＯ２／Ｓｉ）の構成である。この場合、埋込酸化膜１ｂは膜厚ｄ（μｍ）が例えば２μｍに形成されたものであり、ＳＯＩ層１ｃの膜厚Ｄ１が１５μｍ程度に形成されている。また、埋込酸化膜１ｂの屈折率ｎ０は１．４５（二酸化シリコンの屈折率）であり、ＳＯＩ層１ｃ及び単結晶シリコン基板１ａを形成しているシリコンの屈折率ｎ１は３．４４である。
【００２７】
このＳＯＩ基板１にダイヤフラム２を形成するために、単結晶シリコン基板１ａ側からパターニングで開口した部分をウェットエッチング処理を行って凹部２ａを形成し、単結晶シリコン基板１ａの厚さ寸法Ｄ２を調整する。エッチング処理を適切な時点で停止させることにより、所望厚さ寸法Ｄ（μｍ）のダイヤフラム２を形成する。ここで、本発明でいうところの被測定膜はダイヤフラム２の部分に相当しており、このダイヤフラム２の厚さ寸法Ｄは、上記した各膜の厚さ寸法の和すなわちＤ＝Ｄ１＋ｄ＋Ｄ２となる。
【００２８】
次に、図１を参照して測定系の概略的な構成について説明する。測定光源としてのレーザ光源３は、シリコンを透過する近赤外の波長領域のレーザ光Ｌ０を測定光として出射するもので、そのレーザ光Ｌ０の発振中心波長λを連続的にもしくは一定間隔毎に変化可能に構成されている。レーザ光源３から出射されるレーザ光Ｌ０は、光学系として設けられた反射鏡４、ハーフミラー５及びレンズ６によりＳＯＩ基板１に導かれる。
【００２９】
すなわち、レーザ光Ｌ０は、反射鏡４で直角方向に曲げられた後、ハーフミラー５を透過し、レンズ６により絞られた状態でＳＯＩ基板１の被測定膜であるダイヤフラム２部分に照射される。このとき、ＳＯＩ基板１は、上述したようにエッチング処理を実施している状態であり、図示しないエッチング処理装置のエッチング槽に浸漬されている状態のダイヤフラム２部分にレーザ光Ｌ０を照射するように設定されている。
【００３０】
ＳＯＩ基板１に照射されたレーザ光Ｌ０は、上述した積層構造の各膜の表裏面部で反射し、各層及び全体の膜厚に依存した干渉光となってレンズ６側に戻るようになる。この反射光の光成分が検出すべき光としてレンズ６を透過した後ハーフミラー５を通じて直交する方向に偏向され、測定手段としての光検出器７に入射するように構成されている。光検出器７は、受光した反射光の強度を示す電気的な検出信号に変換して受光回路８に出力する。受光回路８は、光検出器７から与えられた検出信号に対してノイズ処理などの各種処理を行うと共にデジタル変換処理を行って制御回路９に出力する。
【００３１】
演算手段及び制御手段としての制御回路９は、マイクロコンピュータなどを主体として構成されるもので、レーザ光源３から出射するレーザ光Ｌ０の波長λを設定して制御すると共に、その波長λの情報と受光回路８からの検出信号とから後述するようにして演算処理を行ってＳＯＩ基板１のダイヤフラム２の厚さ寸法を求めるようにプログラムがあらかじめ記憶されている。
【００３２】
次に、本実施形態の作用について説明する。まず、測定原理について概略的に説明し、続いて、具体的な測定動作についても説明する。制御回路９は、レーザ光源３に対してレーザ光Ｌ０を出射するように駆動制御する。この場合、レーザ光源３は、測定光としてのレーザ光Ｌ０の波長λを後述する波長範囲で変化させる。この波長λの変化の速さは、ＳＯＩ基板１のエッチング速度よりも十分に速いものとし、１回の掃引中にはダイヤフラム２の膜厚Ｄはごく僅かのエッチング量であるとする。
【００３３】
次に、レーザ光Ｌ０の波長λの変化範囲である波長範囲について説明する。ＳＯＩ基板１は、内部に埋込酸化膜１ｂが積層されているので、この上下の各面で反射する光の成分が大きくなると他の反射光に対する干渉作用が発生するので測定に影響することになる。そこで、この影響を抑制するために、二酸化シリコン膜の反射光の強度をシミュレーションにより求めると、図５に示すような結果が得られた。前述のように二酸化シリコン膜の屈折率ｎ０を１．４５とし、膜厚ｄを埋込酸化膜１ｂと同じ膜厚である２μｍとしている。表面と裏面とで反射する光の干渉条件は、下記の式（ａ）のようになる。
２・ｎ０・ｄ＝ｍ・λ                                        …（ａ）
【００３４】
つまり、波長λが１４５０ｎｍで干渉条件が成立し反射率はゼロとなり、この波長から外れるにしたがって反射率は大きい値になっていく。このことは、干渉条件を外れた波長のレーザ光Ｌ０が照射された場合に、この埋込酸化膜１ｂの表裏面で反射した光の成分が相対的に大きくなり、ＳＯＩ層１ｃの表面や単結晶シリコン基板１ａの表面部分で反射した光に対して干渉を起こす成分となることを意味している。
【００３５】
例えば、ＳＯＩ層１ｃについて考えると、埋込酸化膜に相当する二酸化シリコン膜を伴った複合膜構造（ＳＯＩ／ＳｉＯ２）では、図６にシミュレーション結果を示すように、ＳＯＩ層の膜厚である１５μｍのピーク値を示す値の繰り返しが二酸化シリコンの膜厚である２μｍの条件で示した反射光の影響を受けて反射率が大きく変動していることがわかる。そして、このＳＯＩ層に相当する部分の反射光強度の変化が被測定膜であるダイヤフラム２部分の全体の膜厚に相当するピーク値の値に大きく影響を及ぼすことになる。
【００３６】
図７は、被測定膜の構造と同じ構成を想定したシミュレーション結果を示すもので、ＳＯＩ層と埋込酸化膜とシリコン基板とを１５μｍ、２μｍ、２０μｍとした場合の結果を示している。全体の膜厚Ｄつまり３７μｍに相当するピークの分布が、ＳＯＩ層の膜厚のピークと、シリコン基板の膜厚のピークとが混在した状態となり、複雑なピーク値が繰り返し出現している。
【００３７】
この場合、図６の波長１４５０ｎｍを中心とした近傍のピーク値の変動が小さい波長領域では、図７におけるピーク値の変化が全体の膜厚である３７μｍの膜厚に起因したピーク値となっており、これよりも外れた波長範囲では、複合的な波形が観測される。この結果、埋込酸化膜１ｂの干渉条件である、波長λが１４５０ｎｍの近傍でレーザ光Ｌ０の波長を変化させることで、ＳＯＩ膜１ｃの膜厚に起因したピークの発生を抑制することができ、このときのピーク強度の繰り返し周期を測定すれば全体の膜厚の検出を精度良く行えることがわかる。
【００３８】
上述の点は、図２に示した構造では、レーザ光Ｌ０がダイヤフラム２のＳＯＩ層１ｃ側から入射すると、ＳＯＩ層１ｃの表面での反射光成分Ｌ１と、埋込酸化膜１ｂの表面（上面）での反射光成分Ｌ２と、裏面（下面）での反射光成分Ｌ３と、単結晶シリコン基板１ａの下面での反射光成分Ｌ４と、透過光成分とに分かれる。この測定においては反射光成分を検出するので、各反射光成分Ｌ１〜Ｌ４が光検出器７に入射することになるが、上述した条件式を満たす波長範囲のレーザ光Ｌ０を照射することで、反射光成分Ｌ２とＬ３とが互いに干渉し合うことになり、光検出器７においては反射光成分Ｌ１及びＬ４が主として入射することになる。
【００３９】
また、前述の検出原理に従って、実際に膜厚Ｄを検出する際には、レーザ光Ｌ０の波長λを上述した条件式（ａ）を満たす波長範囲で変化させたときに得られる反射光の強度を示す信号を周波数解析を行うことにより求める。レーザ光Ｌ０の波長λを上述の波長範囲で一定量Δλ（ここでは５０ｎｍとする）変化させると、その反射光成分は、ダイヤフラム２の膜厚Ｄに依存した反射光成分Ｌ１，Ｌ４が波長の変化に伴い干渉し合うことで変化する。
【００４０】
したがって、波長λを横軸にとると、中心周波数ｆに微小な周波数変調がかかった波形となる。その中心周波数ｆと被測定膜２の膜厚Ｄとの関係は、特開平７−３０６０１８号公報に示されているように、
Ｄ＝（λ０２／２・ｎ１・Δλ）・ｆ                          …（ｃ）
（ここで、λ０はレーザ光Ｌ０の中心波長、ｎ１は被測定膜つまりシリコンの屈折率、ｆはΔλを基本周期（ｆ＝１の周期）とした周波数を示す）
なる関係を満たす。この式（ｃ）中で、右辺の中心周波数ｆの値を除いた他の値については既知であるから、この中心周波数ｆを検出することにより被測定膜２の膜厚Ｄを求めることができる。
【００４１】
さて、上記のようにして膜厚Ｄを検出する場合の具体的な検出動作について説明する。レーザ光源３に、レーザ光Ｌ０を、中心波長λ０を１４５０ｎｍとしてその前後２５ｎｍの範囲（Δλ＝５０ｎｍ）を波長範囲（１４２５ｎｍ〜１４７５ｎｍ）として変化させながら出射させる。この波長範囲は、埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄが２μｍの場合に前述の式（ａ）の干渉条件を満たす波長λを中心とした近傍の範囲となっている。
【００４２】
エッチング処理が進行中であるＳＯＩ基板１のダイヤフラム２の部分にレーザ光Ｌ０を照射し、その反射光を光検出器７により受ける。受光回路８においては、光検出器７から出力される反射光の強度を示す検出信号を、あらかじめ測定しておいた検出感度の波長特性の特性値で干渉信号を除算することで感度変化の影響を除去すると共に、ダイヤフラム２の膜厚の検出しようとする範囲の上限値と下限値を式（ｃ）に代入して求めた干渉信号周波数ｆ範囲に対して、これを外れる周波数成分をバンドパスフィルタにより除去し、これによりダイヤフラム２の膜厚に関する情報以外の不要な情報を除去することができる。
【００４３】
次に、制御回路９においては、受光回路８から入力されるデジタル処理された信号から、周波数解析を行って干渉信号のスペクトラムを求める。この場合、前述したように、ダイヤフラム２の膜厚Ｄは３７μｍとなる場合を例にとっており、その内訳はＳＯＩ層１ｃの膜厚Ｄ１が１５μｍ、埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄが２μｍ、単結晶シリコン基板１ａの膜厚Ｄ２が２０μｍである。
【００４４】
図３はこの結果を示すもので、ダイヤフラム２の膜厚Ｄに対応するピーク値が最大のパワーを示す周波数成分ｆ（図３中のピーク値では周波数ｆの値はほぼ６である）となって現れている。したがって、この周波数ｆの値を前述の式（ｃ）に代入するとダイヤフラム２の膜厚Ｄに相当する膜厚の値を得ることができるようになる。
【００４５】
なお、この図３では、レーザ光Ｌ０の波長範囲を１４２５ｎｍから１４７５ｎｍの範囲で変化させることから、埋込酸化膜１ｂの表裏の各面での反射光成分Ｌ２，Ｌ３が若干現れるので、この反射光成分Ｌ２，Ｌ３に起因してＳＯＩ層１ｃ及び単結晶シリコン層１ａの各膜厚Ｄ１，Ｄ２に依存したピークが現れている。しかし、反射光成分Ｌ２，Ｌ３が干渉により抑制されたレベルであるから、これらのピークについてもダイヤフラム２の膜厚Ｄに対するピークと比べて抑制されたレベルとなっている。
【００４６】
なお、発明者らは、このようにダイヤフラム２の膜厚Ｄに対するピークが他のピークに対して１以上となる条件を満足すれば、ダイヤフラム２の膜厚Ｄを実質的に支障なく検出することができるとして、この条件を満たすレーザ光Ｌ０の波長範囲を求めた。
【００４７】
図４はその結果を示すもので、上記した構造のダイヤフラム２の測定に際して、レーザ光Ｌ０の掃引範囲の幅Δλを５０ｎｍで一定とし、その中心波長λ０を１３７５ｎｍから１６２５ｎｍの範囲で２５ｎｍ間隔で変化させたときに、ダイヤフラム２の膜厚Ｄに起因したピークの強度がＳＯＩ層１ｃの膜厚Ｄ１のに起因したピークの強度に対する比の値をプロットしている。
【００４８】
上述の場合、図３に対応して、中心波長λ０が１４７５ｎｍ（掃引範囲は１４５０ｎｍ〜１５００ｎｍ）の場合には、図８に示すような結果となる。同様に、中心波長λ０が１５２５ｎｍの場合及び１６２５ｎｍの場合には、それぞれ図９及び図１０に示すような結果となる。中心波長λ０が１４７５ｎｍの場合では、ＳＯＩ層１ｃの膜厚Ｄ１に起因したピークが出ているもののあまり測定に悪影響を及ぼしていない。中心波長λ０が１５００ｎｍを超えると、図９や図１０に示すように、ＳＯＩ層１ｃの膜厚Ｄ１に起因したピークがダイヤフラム２の膜厚Ｄに起因したピークよりも大きくなる。
【００４９】
これらの結果から、図４に示すようにピーク強度比が１以上となる範囲すなわち計測を行うのに適した波長範囲を求めると、１４００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲であることがわかる。したがって、この波長範囲の中心波長λ０を選んで計測を行えば、ダイヤフラム２に起因した膜厚Ｄのピークが最大値として得られるようになる。
【００５０】
また、この結果から、ピーク強度比が１以上を含んで、１３７５ｎｍ〜１５２５ｎｍの波長範囲で計測を行えば、ダイヤフラム２に起因した膜厚Ｄのピークを確実に捉えることができるので、正確な膜厚測定を行うことができるようになる。そして、このような波長λの範囲を示す条件は、
２・ｎ０・ｄ／（ｍ＋0.2 ）≦λ≦２・ｎ０・ｄ／（ｍ−0.2 ）  …（ｂ）
（ここで、ｎ０は埋込酸化膜１ｂの屈折率、ｄは埋込酸化膜１ｂの膜厚、ｍは自然数）
という関係式（ｂ）を満たすことと略等価であり、この条件式（ｂ）を満たすように波長範囲を選べば良いことになる。
【００５１】
また、計測に適した波長範囲は、埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄに依存しているので、この膜厚ｄが変化すればその範囲も変化することになる。例えば、図９に示した場合では、埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄが２μｍであったから、その掃引範囲においてＳＯＩ層１ｃのピークが大きく出てしまっているが、埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄが２．１μｍになると、図１１に示すようにＳＯＩ層１ｂの膜厚Ｄ１に起因したピークはかなり抑制されるようになる。
【００５２】
換言すれば、計測に用いる波長範囲を大きく変化させることができない場合でも、埋込酸化膜１ｂの膜厚を少し変えることによりダイヤフラム２の膜厚Ｄに起因したピークを最大となるように調整することができるのである。埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄを変えても素子特性に影響を及ぼさない場合には、この点を利用して測定に適した条件の埋込酸化膜１ｂの膜厚ｄを選ぶようにすることもできる。
【００５３】
このような第１の実施形態によれば、ＳＯＩ基板１のように内部に埋込酸化膜１ｂを介在した構造のダイヤフラム２の膜厚Ｄを計測する場合には、この埋込酸化膜１ｂの屈折率ｎ０と膜厚ｄとからその干渉条件となる式（ａ）の、
２・ｎ０・ｄ＝ｍ・λ                                        …（ａ）
を満たす波長λを中心としてその近傍の波長範囲で計測することにより、埋込酸化膜１ｂの表裏面での反射光成分Ｌ２，Ｌ３を互いに干渉させた状態とすることができるようになり、ダイヤフラム２の膜厚Ｄに起因したピーク値を精度良く検出することができるようになる。また、上記干渉条件を満たす波長範囲として、式（ｂ）に示す範囲を選ぶことにより、ダイヤフラム２の膜厚Ｄに起因したピーク値を他のピーク値に対して１以上の比となるようにして計測することができるようになる。
【００５４】
この結果、ＳＯＩ基板１にダイヤフラム２を形成するためのエッチング処理を実施中にリアルタイムで且つ非接触状態でダイヤフラム２の膜厚Ｄすなわちエッチング量を精度良く検出することができるようになり、エッチング処理の停止タイミングを正確に検出でき、エッチング処理の加工精度を向上させることができるようになる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図１２は本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と異なるところは、参照用のサンプルの測定信号を利用してダイヤフラム２の膜厚Ｄを精度良く検出する構成としたところである。すなわち、第１の実施形態においては、レーザ光源３から出射するレーザ光Ｌ０の波長λを変化させて測定することから、波長λやその変化量の絶対値を精度良く測定する構成が必要となる。これに対して、この実施形態においては、測定精度の向上を図るための構成として、被測定膜であるダイヤフラム２と同じ構成でその膜厚Ｄref があらかじめ正確に測定された参照用サンプル１０を利用する構成を採用している。
【００５６】
図１２において、参照用測定膜としての参照用サンプル１０は、図２に示したＳＯＩ基板１のダイヤフラム２部分と同じ材質及び構成で、各膜厚Ｄ１，Ｄ２，ｄ及び全体の膜厚Ｄをあらかじめ正確に測定したものである。この参照用サンプル１０に対して、レーザ光源３から出射されるレーザ光Ｌ０を同時に照射する構成としている。参照用光学手段としては、反射鏡４に代えてハーフミラー１１を設けると共に、このハーフミラーを透過するレーザ光Ｌ０を、反射鏡１２で直交方向に偏向させ、ハーフミラー１３及びレンズ１４を介して参照用サンプル１０に照射させるように構成している。
【００５７】
参照用サンプル１０に照射されたレーザ光Ｌ０の反射光をレンズ１４及びハーフミラー１３を介して参照用測定手段である光検出器１５で受け、受光回路１６で信号処理を行う構成である。光検出器１５及び受光回路１６は、光検出器７及び受光回路８と同等のものにより構成されている。
【００５８】
制御回路９は、ＳＯＩ基板１のダイヤフラム２の膜厚Ｄを測定する際に、レーザ光源３から出射するレーザ光Ｌ０を同時に参照用サンプル１０にも照射してそのときの反射光を光検出器１５で受光し、受光回路１６により信号処理を行わせる。受光回路１６における信号処理は受光回路８における信号処理と同じ処理を行うように設定されている。このとき、レーザ光Ｌ０の波長範囲は、第１の実施形態において述べた波長範囲と同じであり、埋込酸化膜１ｂの表裏面での反射光成分が互いに干渉し合う条件である。
【００５９】
そして、前述同様にして、受光信号を周波数解析することにより、参照用サンプル１０からの検出結果と対比することでダイヤフラム２の膜厚Ｄを求める。受光回路１６の出力信号から得た周波数をｆref とし、前述のようにして受光回路８の出力信号から得た周波数をｆとすると、両者の膜厚ＤとＤref との間には、次の関係が成り立つ。
【００６０】
Ｄ＝（ｆ／ｆref ）・Ｄref                                   …（ｄ）
したがって、レーザ光源３のレーザ光Ｌ０の波長を正確に測定することなくダイヤフラム２の膜厚Ｄを正確に測定することができるようになる。
【００６１】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。
上記各実施形態においては、反射光を測定してダイヤフラム２の膜厚を検出する方法及び構成を採用しているが、これに限らず、ダイヤフラム２に照射されたレーザ光Ｌ０の透過光を測定して検出する方法あるいは構成を採用することもできる。この場合には、埋込酸化膜１ｂの干渉条件が異なるので、レーザ光Ｌ０の適切な波長範囲も異なる条件となるが、干渉条件が成立すれば原理的に全く同様にしてダイヤフラム２の膜厚を精度良く検出することができるものである。
【００６２】
上記各実施形態においては、異質膜としてシリコン中に介在させた二酸化シリコン膜を例として述べたが、これに限らず、測定対象となる膜に対して異なる材質、屈折率の層が介在する構成のものに適用することができる。また、被測定膜としては、複数種類の膜が複合的に積層された構成のものにも適用することができる。
【００６３】
この点は、換言すれば、複数種類の膜が複合的に積層された構成の被測定膜に対して、特定の層の膜厚を選択的に測定することにも応用できることを意味している。すなわち、積層膜のうちの該当する膜の膜厚を測定するのに必要な反射光や透過光の条件を設定するために、不要となる反射光の干渉条件を膜厚及び屈折率から式（ａ）の条件となるように設定してその条件が成立する範囲の波長領域を求め、その範囲で波長を掃引して測定を行うことにより測定することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す測定系の概略的な構成図
【図２】測定対象となる膜の模式的断面図
【図３】ダイヤフラム部分を最適な波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図
【図４】ダイヤフラムの膜厚とＳＯＩ層の膜厚の各ピークレベルの比の値を中心周波数に対してプロットした特性図
【図５】酸化膜にレーザ光の波長を変化させて照射したときの反射率をシミュレーションにより計算した特性図
【図６】酸化膜とＳＯＩ層との構造をモデルとしてレーザ光の波長を変化させて照射したときの反射率をシミュレーションにより計算した特性図
【図７】被測定膜の構造をモデルとしてレーザ光の波長を変化させて照射したときの反射率をシミュレーションにより計算した特性図
【図８】ダイヤフラム部分を異なる波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図（その１）
【図９】ダイヤフラム部分を異なる波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図（その２）
【図１０】ダイヤフラム部分を異なる波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図（その３）
【図１１】被測定膜の構造中酸化膜の膜厚を変えた場合の図９相当図
【図１２】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【符号の説明】
１はＳＯＩ基板、１ａは単結晶シリコン基板、１ｂは埋込酸化膜（異質膜）、１ｃはＳＯＩ層、２はダイヤフラム（被測定膜）、３はレーザ光源（測定光源）、４は反射鏡、５はハーフミラー、６はレンズ（光学手段）、７は光検出器（測定手段）、８は受光回路、９は制御回路（演算手段、制御手段）、１０は参照用サンプル（参照用測定膜）、１１はハーフミラー、１２は反射鏡、１３はハーフミラー、１４はレンズ、１５は光検出器（参照用測定手段）、１６は受光回路である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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