(57)【要約】【課題】基板表面に薄膜を形成する基板処理で、処理の進行具合をリアルタイムで把握して処理の終了時点を精度よく検出できる方法を提供すること。【解決手段】基板１上に絶縁膜２を形成する基板処理装置１０であって、絶縁膜２を波長可変単色光ｓで照射し、絶縁膜２および基板１からの各反射光を干渉させる干渉光発生手段１２と、所望膜厚での干渉光強度Ｉが極小になるように単色光ｓの基準波長λ０を設定する基準波長設定部２８と、基準波長を挟む２波長（λ１、λ２）間で単色光ｓを波長変調する変調部２６と、これに応じた干渉光強度Ｉを検出する干渉光検出器１８と、絶縁膜２が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの干渉光強度Ｉの変化に基づいて、最大波長（λ２）時と最小波長（λ１）時の干渉光強度の差分ΔＩが零または所定値になる時点を基板処理の終了時点として検出する終了時点検出手段２０とを備える。【選択図】      図５
2012156456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に透光材料膜を所望膜厚となるまで形成する、または基板表面に形成された透光材料膜を所望膜厚となるまで除去する基板処理を行う装置であって、
前記透光材料膜を波長可変単色光で照射し、前記透光材料膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光を干渉させて干渉光を発生させる干渉光発生手段と、
前記透光材料膜が所望膜厚になった時の前記干渉光の強度（Ｉ）が極小または極大になるように、前記単色光の基準波長（λ０）を予め設定する基準波長設定手段と、
前記基準波長を挟む２波長（λ１、λ２）間で前記透光材料膜を照射する単色光の波長を変調する変調手段と、
該波長変調に応じた干渉光の強度を検出する干渉光検出手段と、
前記透光材料膜が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの波長変調に対する前記干渉光強度の変化に基づいて、前記波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）が零または所定値になる時点を前記基板処理の終了時点として検出する終了時点検出手段と、
を備えることを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
請求項１記載の基板処理装置において、
前記終了時点検出手段は、
前記変調手段の変調周期に同期する信号を用いて、前記干渉光検出手段で検出された干渉光の強度変化から、前記最大波長（λ２）時と最小波長（λ１）時の各干渉光強度を検波し、検波された干渉光強度の差分（ΔＩ）を取得する交流成分検波部と、
前記干渉光検出手段で検出された干渉光強度の時間平均（ＩAVE）を取得する直流成分検出部と、
前記干渉光強度の差分を前記干渉光強度の時間平均で除した値が零または前記所定値になる時点を前記基板処理の終了時点として判定する終了時点判定部と、
を有することを特徴とする基板処理装置。
【請求項３】
請求項２記載の基板処理装置において、さらに
前記透光材料膜を照射する前の前記単色光の一部を取り出して該単色光の強度を検出する測定光検出手段を有し、
前記終了時点検出手段は、さらに、前記干渉光検出手段で検出される干渉光強度から、前記測定光検出手段で同時に検出される単色光強度を差し引くことにより、前記変調手段にて波長変調された前記単色光のベースラインを補正するベースライン補正部を有し、
前記交流成分検波部は、前記ベースライン補正部からの干渉光強度に基づいて前記最大波長時と最小波長時の各干渉光強度を検波し、また、前記直流成分検出部は、前記ベースライン補正部からの干渉光強度に基づいて前記時間平均を取得することを特徴とする基板処理装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の基板処理装置において、
前記干渉光発生手段は、可視光を発生する光源と分光器とを有し、
前記分光器は、前記可視光から予め設定された前記基準波長（λ０）の単色光を取り出すための回折格子と、前記変調手段とを内蔵し、
前記変調手段は、前記基準波長を挟む２波長（λ１、λ２）間で前記単色光の波長を変調させるために前記回折格子の姿勢を周期的に変化させる駆動部からなることを特徴とする基板処理装置。
【請求項５】
基板の表面に透光材料膜を所望膜厚となるまで形成する、または基板表面に形成された透光材料膜を所望膜厚となるまで除去する基板処理において、該基板処理の終了時点を検出する方法であって、
所望膜厚の前記透光材料膜を波長可変単色光で照射した場合に、該透光材料膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光の干渉による干渉光強度（Ｉ）が極小または極大になるように、前記単色光の基準波長（λ０）を予め設定する基準波長設定工程と、
基板表面に形成された前記所望膜厚に等しい膜厚の基準膜を用いて、該基準膜を前記波長可変単色光で照射するとともに、前記基準波長（λ０）を中心に任意の波長範囲で該単色光の波長を変調し、該基準膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光を干渉させ、前記波長範囲に応じた干渉光強度の変化を取得し、該干渉光強度の変化に基づき、前記基準波長よりも小さい波長範囲および前記基準波長よりも大きい波長範囲から前記干渉光強度が等しくなる波長をそれぞれ取得し、これらの波長を予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）とする予備測定工程と、
前記基板処理中に、前記透光材料膜を照射する前記単色光の波長を前記予備測定に基づく前記最小波長（λ１）および最大波長（λ２）の波長範囲で変調し、該波長範囲に応じた干渉光強度の変化を取得する基板処理中の干渉光強度取得工程と、
前記透光材料膜が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの前記干渉光強度の変化に基づいて、前記波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）が零になる時点を前記基板処理の終了時点として判定する終了時点判定工程と、を有することを特徴とする基板処理の終了時点の検出方法。
【請求項６】
基板の表面に透光材料膜を所望膜厚となるまで形成する、または基板表面に形成された透光材料膜を所望膜厚となるまで除去する基板処理において、該基板処理の終了時点を検出する方法であって、
所望膜厚の前記透光材料膜を波長可変単色光で照射した場合に、該透光材料膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光の干渉による干渉光強度（Ｉ）が極小または極大になるように、前記単色光の基準波長（λ０）を予め設定する基準波長設定工程と、
基板表面に形成された前記所望膜厚に等しい膜厚の基準膜を用いて、該基準膜を前記波長可変単色光で照射するとともに、前記基準波長（λ０）を中心に最小波長（λ１）と最大波長（λ２）との間で該単色光の波長を変調し、該基準膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光を干渉させ、前記波長幅に応じた干渉光強度の変化を取得し、該干渉光強度の変化に基づき、最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）を予備測定に基づく所定値として取得する予備測定工程と、
前記基板処理中に、前記基準波長（λ０）を中心に最小波長（λ１）と最大波長（λ２）との間で前記透光材料膜を照射する前記単色光の波長を変調し、該所定の波長幅に応じた干渉光強度の変化を取得する基板処理中の干渉光強度取得工程と、
前記透光材料膜が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの前記干渉光強度の変化に基づいて、前記波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）が前記予備測定に基づく所定値になる時点を前記基板処理の終了時点として判定する終了時点判定工程と、を有することを特徴とする基板処理の終了時点の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体ウエハー、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板表面に、所望膜厚の薄膜を形成する基板処理装置および基板処理の終了時点を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置や液晶表示装置などの製造プロセスにおいては、基板表面に薄膜を蒸着により形成する基板処理や、基板表面に形成された膜をエッチング処理して所定パターンに加工する基板処理が多用されている。
このような基板処理では、形成される薄膜の膜厚を精度良く管理する必要がある。そのため、薄膜の蒸着量やエッチング量を正確に検出して、所望膜厚に達した時点で、蒸着処理やエッチング処理を終了させなければならない。
【０００３】
従来の基板処理装置において、処理中の薄膜の厚みを管理するモニタリング装置を備えたものがある（特許文献１、２参照）。
特許文献１には、エッチング速度を正確に検出して、薄膜の厚みをリアルタイムで取得するモニタリング装置が記載されている。この装置は、薄膜にレーザ光を照射した時の反射光が干渉光になることを利用している。エッチング処理が進行して膜厚が徐々に薄くなっていく間に、干渉光強度の極大値と極小値とが繰り返して生じるため、これらの極値が生じる時間幅に基づいてエッチング速度を取得する。取得したエッチング速度を使えば、薄膜の膜厚をリアルタイムで知ることができ、薄膜が所望膜厚に達したかどうかを判定する。
【０００４】
また、特許文献２には、干渉光強度の時間微分値をモニターすることによって、薄膜が所望膜厚に達したかどうかを判定する方法が記載されている。この方法では、干渉光強度が所望膜厚において極小値となるような特定波長を選択し、その特定波長における干渉光強度の時間微分値をモニターする。そして、干渉光強度の時間微分値がちょうど零になるタイミングが基板処理の完了時点であるという基準で、薄膜が所望膜厚に達したかどうかを判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−０１２５２２号公報
【特許文献２】特開２００２−０８１９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、これら特許文献１、２に記載の装置や方法で、基板処理の終了時点を検出する場合、次のような課題があった。
特許文献１では、常にエッチング速度を取得して、所望膜厚に達するまでの処理時間を推定し、その処理時間でエッチングを停止させることになる。そうすると、最後にエッチング速度を取得したタイミングから所望膜厚に達するタイミングまでの間で、推定した処理時間と実際に必要な処理時間とが一致しない可能性があり、処理停止時の膜厚が所望膜厚から外れる可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２では、干渉光強度の時間微分値が零になるタイミングを正確に検出する必要がある。図１(Ａ)のように、エッチングにより膜厚ｔが徐々に薄くなって所望膜厚ｔ０に達するタイミングを処理の終了時点とすると、特定波長の干渉光強度Ｉは同図(Ｂ)のように終了時点で極小値となり、また干渉光強度Ｉの時間微分値は同図(Ｃ)のように終了時点で零になるはずである。しかし、干渉光強度Ｉがちょうど零になる付近（図中のＤで示す範囲）では、同図(Ｄ)の拡大図のように、干渉光強度Ｉの波形がほぼフラットになっていて、このフラット領域において、干渉光強度Ｉの時間微分値がちょうど零になるタイミングを正確に検出することは困難である。
このように従来の装置や方法でも、基板処理の終了時点を正しく検出することができず、エッチング不足や過剰エッチングを生じてしまうという問題点があった。
【０００８】
この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、基板表面に薄膜を形成する基板処理において、処理の進行具合をリアルタイムで把握して処理の終了時点を従来よりも精度よく検出することができる方法を提供すること、および、その検出方法を好適に実施することができる基板処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る基板処理装置は、基板の表面に透光材料膜を所望膜厚となるまで形成する、または基板表面に形成された透光材料膜を所望膜厚となるまで除去する基板処理を行う装置であって、干渉光発生手段と、基準波長設定手段と、変調手段と、干渉光検出手段と、終了時点検出手段と、を備えることを特徴とする。ここで、干渉光発生手段は、前記透光材料膜を波長可変単色光で照射し、前記透光材料膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光を干渉させて干渉光を発生させる。基準波長設定手段は、前記透光材料膜が所望膜厚になった時の前記干渉光の強度（Ｉ）が極小または極大になるように、前記単色光の基準波長（λ０）を予め設定する。変調手段は、前記基準波長を挟む２波長（λ１、λ２）間で前記透光材料膜を照射する単色光の波長を変調する。干渉光検出手段は、該波長変調に応じた干渉光の強度を検出する。終了時点検出手段は、前記透光材料膜が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの波長変調に対する前記干渉光強度の変化に基づいて、前記波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分が零または所定値になる時点を前記基板処理の終了時点として検出する。
【００１０】
本発明の基板処理には、基板表面に対する透光材料膜の蒸着形成や、基板表面の透光材料膜をエッチング加工などが含まれる。また、透光材料膜に波長可変単色光を照射する手段としては、分光器や波長可変レーザ光源などを採用できる。分光器として例えばモノクロメータを用いれば、モノクロメータに内蔵される回折格子とこの回折格子の姿勢を周期的に変化させる駆動部とにより単色光の波長変調を行えるので、干渉光発生手段および変調手段として分光器を用いてもよい。
【００１１】
ここで、所望膜厚になった時の干渉光強度が極小または極大になるように、予め単色光の基準波長を設定することについて説明する。例えば、透光材料膜の屈折率ｎが波長λの変化に対して一定であると考えることができれば、次の式（１）を満たす波長λを基準波長として設定すればよい。
ｍλ＝２ ｎ ｔ０      …（１）
ここで、ｍは整数、ｔ０は所望膜厚とする。
【００１２】
基準波長を所望膜厚の２倍に屈折率を掛けた値に設定すると、透光材料膜の表面の反射光と基板表面の反射光との光路差がちょうど単色光の１波長分になり、両反射光が強め合って干渉光の強度が極大になる。また、４倍に屈折率を掛けた値に設定すると、光路差が半波長分になり、両反射光が弱め合って干渉光の強度が極小になる。しかし、実際には透光材料膜の屈折率ｎが波長λの変化が波長の変化に対して一定ではなく、波長に応じて変化する。屈折率を ｎ(λ) として表す。このため、予め屈折率 ｎ(λ) の値を調べておき、次の式（２）を満たす波長λを基準波長として設定するとよい。
ｍλ＝２ ｎ(λ) ｔ０      …（２）
【００１３】
なお、基準波長の設定において、膜に対する単色光の入射角を考慮する必要もある。従って、膜厚既知の基準膜試料を用いて予め最適の基準波長を決定しておくとよい。
【００１４】
また、本発明に係る基板処理装置では、前記終了時点検出手段は、交流成分検波部と、直流成分検出部と、終了時点判定部とを有することが好ましい。ここで、交流成分検波部は、前記変調手段の変調周期に同期する信号を用いて、前記干渉光検出手段で検出された干渉光の強度変化から、前記最大波長（λ２）時と最小波長（λ１）時の各干渉光強度を検波し、検波された干渉光強度の差分（ΔＩ）を取得する。直流成分検出部は、前記干渉光検出手段で検出された干渉光強度の時間平均（ＩAVE）を取得する。終了時点判定部は、前記干渉光強度の差分を前記干渉光強度の時間平均で除した値が零または前記所定値になる時点を前記基板処理の終了時点として判定する。
【００１５】
さらに、本発明に係る基板処理装置は、前記透光材料膜を照射する前の前記単色光の一部を取り出して該単色光の強度を検出する測定光検出手段を有し、前記終了時点検出手段および前記交流成分検波部が以下のように構成されていることが好ましい。すなわち、前記終了時点検出手段は、さらに、前記干渉光検出手段で検出される干渉光強度から、前記測定光検出手段で同時に検出される単色光強度を差し引くことにより、前記変調手段にて波長変調された前記単色光のベースラインを補正するベースライン補正部を有する。前記交流成分検波部は、前記ベースライン補正部からの干渉光強度に基づいて前記最大波長時と最小波長時の各干渉光強度を検波し、また、前記直流成分検出部は、前記ベースライン補正部からの干渉光強度に基づいて前記時間平均を取得する。
【００１６】
また、本発明に係る基板処理装置では、前記干渉光発生手段は、可視光を発生する光源と分光器とを有し、前記分光器は、前記可視光から予め設定された前記基準波長（λ０）の単色光を取り出すための回折格子と、前記変調手段とを内蔵する。前記変調手段は、前記基準波長を挟む２波長（λ１、λ２）間で前記単色光の波長を変調させるために前記回折格子の姿勢を周期的に変化させる駆動部からなることが好ましい。
【００１７】
一方、基板の表面に透光材料膜を所望膜厚となるまで形成する、または基板表面に形成された透光材料膜を所望膜厚となるまで除去する基板処理において、本発明に係る基板処理の終了時点を検出する方法は、基準波長設定工程と、予備測定工程と、基板処理中の干渉光強度取得工程と、終了時点判定工程と、を有することを特徴とする。基準波長設定工程は、所望膜厚の前記透光材料膜を波長可変単色光で照射した場合に、該透光材料膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光の干渉による干渉光強度（Ｉ）が極小または極大になるように、前記単色光の基準波長（λ０）を予め設定する。予備測定工程は、基板表面に形成された前記所望膜厚に等しい膜厚の基準膜を用いて、該基準膜を前記波長可変単色光で照射するとともに、前記基準波長（λ０）を中心に任意の波長範囲で該単色光の波長を変調し、該基準膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光を干渉させ、前記波長範囲に応じた干渉光強度の変化を取得し、該干渉光強度の変化に基づき、前記基準波長よりも小さい波長範囲および前記基準波長よりも大きい波長範囲から前記干渉光強度が等しくなる波長をそれぞれ取得し、これらの波長を予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）とする。基板処理中の干渉光強度取得工程は、前記基板処理中に、前記透光材料膜を照射する前記単色光の波長を前記予備測定に基づく前記最小波長（λ１）および最大波長（λ２）の波長範囲で変調し、該波長範囲に応じた干渉光強度の変化を取得する。終了時点判定工程は、前記透光材料膜が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの前記干渉光強度の変化に基づいて、前記波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）が零になる時点を前記基板処理の終了時点として判定する。
【００１８】
なお、前記基板処理の終了時点を検出する方法において、前記予備測定工程は、基板表面に形成された前記所望膜厚に等しい膜厚の基準膜を用いて、該基準膜を前記波長可変単色光で照射するとともに、前記基準波長（λ０）を中心に最小波長（λ１）と最大波長（λ２）との間で該単色光の波長を変調し、該基準膜の表面および前記基板表面で反射した各単色光を干渉させ、前記波長幅に応じた干渉光強度の変化を取得し、該干渉光強度の変化に基づき、最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）を予備測定に基づく所定値として取得してもよい。この場合、前記基板処理中の干渉光強度取得工程は、前記基板処理中に、前記基準波長（λ０）を中心に最小波長（λ１）と最大波長（λ２）との間で前記透光材料膜を照射する前記単色光の波長を変調し、該所定の波長幅に応じた干渉光強度の変化を取得する。また、前記終了時点判定工程は、前記透光材料膜が所望膜厚に達する直前から所望膜厚に達するまでの前記干渉光強度の変化に基づいて、前記波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）が前記予備測定に基づく所定値になる時点を前記基板処理の終了時点として判定する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明において、基準波長λ０を挟む２波長（λ１、λ２）間で透光材料膜を照射する単色光の波長を変調することで、最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分が零または予備測定などで設定された所定値になる時点を検出することができ、この時点を基板処理の終了時点として用いることができる。
【００２０】
本発明の検出原理を図２、図３を例に説明する。図２のように例えばエッチング処理が進行して膜厚がｔ２→ｔ１→ｔ０（所望膜厚）と変化する場合、各膜厚に達した時点で検出される干渉光強度Ｉは図３のようになる。すなわち所望膜厚ｔ０に達する直前の膜厚ｔ２、ｔ１では、まだ膜厚が大きいので、変調波長が基準波長λ０よりも大きいときに干渉光強度Ｉが極小になる。本発明では所望膜厚ｔ０の時の干渉光強度が極小になるように基準波長λ０を設定しているからである。膜厚がｔ１、ｔ２では、図３のように最大波長（λ２）時の干渉光強度Ｉλ２と最小波長（λ１）時の干渉光強度Ｉλ１との差分（ΔＩ＝Ｉλ２−Ｉλ１）が負の値になる。エッチング処理が進んで所望膜厚ｔ０に近づくと、差分ΔＩの絶対量は徐々に小さくなり、所望膜厚ｔ０に到達した時点で干渉光強度Ｉλ２と干渉光強度Ｉλ１とが一致して差分ΔＩが零になる。
【００２１】
また、蒸着処理などで膜厚を所望膜圧まで形成する場合の前記干渉光強度Ｉの変化を図４に示す。蒸着などの場合、膜厚が所望膜圧に達する前で干渉光強度の差分ΔＩが正の値となり、所望膜厚ｔ０に到達した時点で差分ΔＩが零になる時点を判定すればよい。従って、干渉光強度の差分ΔＩをリアルタイムで監視すれば、差分ΔＩが零になる時点を判定して、その時点を基板処理の終了時点として検出できる。この際、干渉光強度の差分ΔＩの信号の符号の変化を監視して、符号が負から正、または正から負に変わる時点を検出することで、差分が零になる時点を取得すればよい。
【００２２】
なお、干渉光強度自身を判定基準にすると、同じ所望膜厚の条件下でも膜の種類により干渉光の強度変化が異なり、判定基準がばらばらになってしまう。これに対して、本発明では、膜の種類が異なっていても、同じ所望膜厚に達すれば必ず干渉光強度の差分の符号が変化するので、所望膜厚に対する判定基準を一定にすることができる。なお、干渉光強度が極小となる時点でも、ある程度の信号強度を持つとしても、極大になる時点での信号強度に比べれば、小さい信号強度になる。従って、干渉光強度が極大になる時点での差分を監視するよりも、干渉光強度が極小になる時点での差分を監視する方が、検出器の感度を上げて変調成分を大きくとることができるため、終了時点の検出精度が良い。
【００２３】
また、干渉光発生手段および変調手段として分光器などを用いる際、本発明における波長変調によって得られる干渉光強度Ｉの変化が、基準波長λ０を中心に対称的に変化せず、所望膜厚ｔ０に到達した時点で干渉光強度Ｉλ１と干渉光強度Ｉλ２とが一致しない場合もある。そのような場合には、膜厚既知の基準膜試料を用いて予備測定を行い、干渉光強度の差分ΔＩが零になる２つの波長、すなわち最小波長（λ１）と最大波長（λ２）とを予備測定において決定しておけばよい。実際の基板処理における本測定では、予備測定に基づく最小波長（λ１）と最大波長（λ２）の波長範囲で単色光の波長を変調させることで、干渉光強度の差分が零になる時点を、基板処理の終了時点として検出できる。または、膜厚既知の基準膜における干渉光強度の差分を予備測定に基づく所定値として取得しておき、実際の基板処理における本測定では、差分が予備測定に基づく所定値になった時点を、基板処理の終了時点として検出してもよい。
【００２４】
また、従来の検出方法に優る点として、本発明では、図１(Ｄ)に示したように干渉光強度がフラットになる波長領域が存在していても、処理の終了時点を高精度に検出できる。基準波長λ０を挟む２つの波長（λ１、λ２）間の幅を大きくして、波長変調における最大波長（λ２）と最小波長（λ１）がフラットになる波長領域の外側に達するようにできるからである。
【００２５】
このように、本発明によれば、基板表面に薄膜を形成する基板処理において、所望膜厚に到達する直前から到達するまでの間の処理の進行具合をリアルタイムで把握できる。そして基板処理の終了時点を従来よりも精度よく検出することができる。よって、基板処理におけるエッチング不足や過剰エッチングの発生を防止して、極薄の透光材料膜の膜厚を精度良く管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の基板処理の終了時点を検出する方法について説明するグラフ。
【図２】基板処理中に斜入射方式で干渉光を取得する方法を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る基板処理の終了時点を検出する方法を説明するグラフである。
【図４】前記実施形態の基板処理の終了時点を検出する別の方法を説明するグラフ。
【図５】前記実施形態の基板処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】予備測定を行って前記基板処理の終了時点を検出する方法を説明するグラフである。
【図７】前記基板処理装置の詳細構成を示すブロック図である。
【図８】前記実施形態での干渉光強度の差分を取得する方法を示すグラフである。
【図９】前記干渉光強度の差分が零になる時点を検出する方法を説明するグラフ。
【図１０】前記実施形態の干渉光発生装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態に係る基板処理装置について説明する。基板処理装置は、本発明に係る基板処理の終了時点の検出方法を実施するための装置でもある。図５は、基板１に対してエッチング処理を施す基板処理装置１０の概略構成図である。表面に絶縁膜２が形成された基板１は、基板保持台上に載置されている。エッチング処理手段として例えばドライエッチング装置を用いる場合、基板１は密閉処理容器内に収容されて、基板表面の絶縁膜２がプラズマ雰囲気中においてドライエッチングされる。なお、絶縁膜２は、ポリシリコン膜などの透光材料膜である。
【００２８】
基板処理装置１０は、干渉光発生手段１２と、波長変調制御手段１４と、測定光検出器１６と、干渉光検出器１８と、終了時点検出手段２０とを備え、エッチング処理中に絶縁膜２の膜厚ｔをリアルタイムで取得する機能および、絶縁膜２が所望膜厚ｔ０に達した時点でエッチング処理を終了する機能を有している。なお、エッチング処理手段については公知の手段を用いることができる。
【００２９】
干渉光発生手段１２は、可視光を出射するランプ等の光源２２と、この光源２２からの可視光を回折格子および固定スリット板で所定波長の単色光に分光する分光器２４とを有して、分光器２４から出射される単色光ｓが基板表面の絶縁膜２に対して斜め方向に入射するように配置されている。
【００３０】
干渉光発生手段１２の分光器２４が内蔵する回折格子は、図示しない駆動装置により、その姿勢が周期的に変化するように設けられている。また、分光器２４内には、回折格子により分散された光の一部を通すスリット板が固定されている。分光器２４では、回折格子とスリット板によって回折格子の姿勢の変化に応じた波長の単色光が生成される。例えば、回折格子を振動可能な駆動装置でもよく、または回折格子の回転角を基準角度中心に所定の振幅で周期的に変化可能な駆動装置でもよい。駆動装置としてはこれに限られず、単色光の波長を変調できる装置であれば、他の方式の装置でもよい。回折格子、スリット板および回折格子の駆動装置が、単色光の変調部２６を構成している。
【００３１】
干渉光発生手段１２の分光器２４と基板１との間には、ビームスプリッター（ＢＳ）が配置されている。ビームスプリッターＢＳは、単色光の一部を測定光検出器１６に向けて反射し、残りの単色光を透過して基板１に向けて出射する。
【００３２】
波長変調制御手段１４は、基準波長設定部２８と変調幅設定部３０とを有し、分光器２４が生成する単色光ｓの波長変調を制御する。すなわち、基準波長設定部２８からは基準波長λ０の情報が、また、変調幅設定部３０からは所定の波長幅（±λ１）の情報をそれぞれ分光器の変調部２６に送られる。すると、変調部２６が波長変調制御手段１４からの情報に基づいて回折格子の姿勢制御を行い、単色光の波長を基準波長λ０を挟む２波長（λ１、λ２）間で波長変調する。
【００３３】
波長変調制御手段１４の基準波長設定部２８において、所望膜厚ｔ０に応じて定まる干渉光の光路差ΔＬに屈折率を掛けた値が、基準波長の半波長（λ０／２）の１倍または２倍に等しい長さになるように、単色光の基準波長λ０が予め設定される。さらに、薄膜の特性が既知のものであれば、干渉光強度の信号の挙動を十分に予測することができるので、上述のような半波長（λ０／２）の１倍または２倍に限られず、光路差ΔＬに屈折率を掛けた値が、半波長（λ０／２）の３倍、４倍、…ｎ倍（ｎは自然数）に等しい長さになるように、基準波長λ０を設定して、処理の終了時点を検出することもできる。なお、干渉光強度の極大を監視する場合には、基準波長の半波長（λ０／２）の偶数倍に等しい長さになるようにし、干渉光強度の極小を監視する場合には、基準波長の半波長（λ０／２）の奇数倍に等しい長さになるようにする。
【００３４】
実際の基板処理においては、透光材料膜の屈折率ｎが波長λの変化が波長の変化に対して一定ではなく、波長に応じて変化する。屈折率を ｎ(λ) で表すと、予め屈折率 ｎ(λ) の値を調べておき、次の式（３）を満たす波長λを基準波長として設定するとよい。
ｍλ＝２ ｎ(λ) ｔ０      …（３）
ここで、ｍは整数、ｔ０は所望膜厚とする。
【００３５】
なお、基準波長λ０の最終決定には単色光の入射角も考慮する。本実施形態では、膜厚既知の基準膜試料を用いて予め最適の基準波長を決定する。また、波長変調制御手段１４には図示しない変調周波数設定部３１が設けられ、ここで設定された変調周波数ｆで単色光が波長変調する。
【００３６】
測定光検出器１６は、ビームスプリッターＢＳを反射した単色光の光量を検出する。また、干渉光検出器１８は、基板表面の反射光ｓ’と絶縁膜表面の反射光ｓ’’との干渉光の光量を検出する。このように本実施形態では絶縁膜２表面に対して単色光を斜め方向から照射して干渉光を発生させる斜入射干渉計の構造を用いている。この構成では、分光器２４や検出器１６、１８を絶縁膜２の真上に配置しなくてもよいので、エッチング処理に何ら支障を与えない。
【００３７】
終了時点検出手段２０は、ベースライン補正器３２と、干渉光強度の差分取得部３４と、エッチング処理の終了時点判定部３６とを有する。
【００３８】
分光器２４で生成される単色光の光量は、その波長に応じて変化してしまう。そこで、本実施形態では、終了時点検出手段２０にベースライン補正器３２を設けて、波長変調された単色光のベースラインを補正している。このベースラインの補正は、測定光検出器１６からの光強度が所定値になるように、該光強度信号をＡＧＣ（ゲインコントロール）することによって行っている。
【００３９】
終了時点検出手段２０の差分取得部３４は、ベースライン補正器３２から、最大波長時の干渉光強度情報（Ｉλ２）と最小波長時の干渉光強度情報（Ｉλ１）とを得て、その差分ΔＩを取得する。
【００４０】
終了時点判定部３６は、波長変調に応じた光干渉強度の差分（ΔＩ＝Ｉλ２−Ｉλ１）を監視し、光干渉強度の差分ΔＩが零になる時点、正確には差分の符号が変わる時点を検出し、この時点を基板処理の終了時点として外部に処理終了信号を発信する。干渉光強度の差分ΔＩの監視は、少なくとも絶縁膜２が所望膜厚ｔ０に達する直前から所望膜厚ｔ０に達するまでの間、連続して実行されればよい。
【００４１】
基板処理装置１０は、終了時点検出手段２０からの処理終了信号を用いて、エッチング処理装置に処理終了の指令を送る。これによりエッチング処理が停止し、所望の膜厚の絶縁膜が得られる。
【００４２】
本実施形態では、絶縁膜を照射する単色光ｓの波長を、基準波長λ０を挟む２波長（λ１、λ２）間の波長範囲で変調することで、最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分ΔＩが零になる時点を検出することができ、この時点を基板処理の終了時点として用いることに特徴がある。
【００４３】
ここで、処理終了時点の検出方法を詳しく説明する。図２のようにエッチング処理が進行して膜厚がｔ２→ｔ１→ｔ０（所望膜厚）と変化する場合、各膜厚に達した時点で検出される干渉光強度Ｉは図３のようになる。すなわち所望膜厚ｔ０に達する直前の膜厚ｔ２、ｔ１では、まだ膜厚が大きいので、変調波長が基準波長λ０よりも大きいときに干渉光強度Ｉが極小になる。これは所望膜厚ｔ０の時の干渉光強度が極小になるように基準波長λ０を設定しているからである。膜厚がｔ１、ｔ２では、図３のように最大波長時の干渉光強度Ｉλ２と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１との差分（ΔＩ＝Ｉλ２−Ｉλ１）が負の値になる。そしてエッチング処理が進んで所望膜厚ｔ０に近づくと、差分ΔＩの絶対量は徐々に小さくなり、所望膜厚ｔ０に到達した時点で干渉光強度Ｉλ２と干渉光強度Ｉλ１とが一致して差分ΔＩが零になる。従って、干渉光強度の差分ΔＩをリアルタイムで監視すれば、差分ΔＩが零になる時点、すなわち差分ΔＩの符号が逆転する時点を判定して、その時点を基板処理の終了時点として検出できる。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、基板表面に薄い膜を形成する基板処理において、所望膜厚に到達する直前から到達するまでの間の処理の進行具合をリアルタイムで把握できる。そして基板処理の終了時点を従来よりも精度よく検出することができる。よって、基板処理におけるエッチング不足や過剰エッチングの発生を防止して、極薄の透光材料膜の膜厚を精度良く管理することができる。
【００４５】
また、波長変調制御手段１４の変調幅設定部３０では、図１(Ｄ)に示すような干渉光強度がフラットになる波長領域（フラット領域）を考慮して、基準波長λ０を挟む２波長（λ１、λ２）間の波長範囲が予め設定される。この波長幅（λ１〜λ２）の設定値を大きくすることによって、最大波長（λ２）と最小波長（λ１）がフラット領域の外側に達するようにできるため、フラット領域が存在していても、処理の終了時点を高精度に検出できる。
【００４６】
また、本実施形態の基板処理装置を用いて基板上に絶縁膜を蒸着処理によって形成する場合での処理終了時点を検知する方法を図４に基づいて説明する。蒸着処理では膜厚がｔ２→ｔ１→ｔ０と徐々に厚くなっていく。図４には各膜厚での干渉光強度Ｉの波形を示す。所望膜厚ｔ０に達する直前のまだ厚い膜厚ｔ２、ｔ１では、基準波長λ０よりも小さい波長において干渉光強度Ｉの極小が現れる。膜厚がｔ１、ｔ２では、最大波長時の干渉光強度Ｉλ２と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１との差分（ΔＩ＝Ｉλ２−Ｉλ１）が正の値になる。エッチング処理が進んで所望膜厚ｔ０に近づくと、差分ΔＩの絶対量は徐々に小さくなり、所望膜厚ｔ０に到達した時点で干渉光強度Ｉλ２と干渉光強度Ｉλ１とが一致して差分ΔＩが零になる。従って、干渉光強度の差分ΔＩをリアルタイムで監視すれば、差分ΔＩが零になる時点、すなわち差分ΔＩの符号が逆転する時点を判定して、その時点を基板処理の終了時点として検出できる。
【００４７】
以下に本実施形態に係る基板処理の終了時点の検出方法について、図６に基づいて詳細に説明する。干渉光強度Ｉの波形を測定する際、図３、４のように、基準波長λ０が最小波長（λ１’）および最大波長（λ２’）のちょうど真ん中の値である場合、干渉光強度Ｉが基準波長λ０に対して必ずしも対称的に変化するとは限らない。一例を図６(Ａ)に示す。同図では、膜厚に応じて定まる基準波長λ０での干渉光強度Ｉは極小を示すが、最大波長時の干渉光強度Ｉλ２’と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１’とが一致していない。
【００４８】
このような場合、膜厚（ｔ０）が既知である基準膜を用いて予備測定を行う。予備測定では、既知の膜厚で定まる基準波長λ０を用いて、この基準波長を中心に所定の波長幅（λ１’〜λ２’）で波長変調を行う。そして最大波長時の干渉光強度Ｉλ２’と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１’とを取得する。このようにして既知の膜厚（ｔ０）における、単色光の波長λと干渉光強度Ｉとの関係を把握しておく。
【００４９】
次に、予備測定に基づく中心波長λ０’を算出する。図６(Ｂ)に示すように、中心波長λ０’の算出では、予備測定の結果に基づき、基準波長λ０よりも小さい波長範囲と大きい波長範囲において、干渉光強度Ｉが等しくなる波長をそれぞれ取得する。これらの波長を予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）とする。また、最小波長（λ１）と最大波長（λ２）の平均値を予備測定に基づく中心波長λ０’とする。
【００５０】
次に、予備測定に基づく中心波長λ０’、最小波長（λ１）および最大波長（λ２）を用いて本測定を行う。図６(Ｃ)に示すように、本測定では、基板処理を実行しながら、中心波長λ０’を中心に２波長（λ１、λ２）間の波長範囲で単色光の波長変調を行う。そして最大波長時の干渉光強度Ｉλ２と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１とを取得し、これらの差分（ΔＩ＝Ｉλ２−Ｉλ１）が零、すなわち差分ΔＩの符号が逆転する時点を判定して、その時点を基板処理の終了時点として検出する。
【００５１】
本実施形態での予備測定は、図５で示した前記実施形態の基板処理装置を用いて実行することができる。予備測定に必要な構成として、図５に示す波長変調制御手段１４に、予備測定に基づく中心波長λ０’の取得部と、予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）の取得部を設ければよい。なお、予備測定に基づく中心波長λ０’の取得は必ずしも要さず、予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）の取得部だけでもよい。また、本測定では、基準波長設定部２８および変調幅設定部３０が、前記各取得部からの中心波長λ０’、最小波長（λ１）および最大波長（λ２）に基づいて単色光の波長変調を制御すればよい。
【００５２】
本実施形態によれば、波長変調による単色光の強度変化に伴って、干渉光強度が変化する場合であっても、絶縁膜が所望膜厚に達する時の干渉光強度の極小または極大点を高精度に検出することができる。従って、高い信頼性を備えた基板処理の終了時点の検出方法を提供できる。
【００５３】
次に、本実施形態に係る基板処理装置の詳しい構成および基板処理の終了時点の検出方法について、図７〜図９に基づいて説明する。図７に示すように基板処理装置１０の終了時点検出手段２０は、交流成分検波部１３４と、直流成分検出部としての低域ろ過フィルタ２３４と、ゲインコントロール用のアンプ３３４を有する。
アンプ３３４には、干渉光検出器１８からの干渉光強度Ｉの信号が入力される。なお、必要に応じて、図５のベースライン補正器３２を設けて、同図の測定光検出器１６からの検出信号に基づくＡＧＣを行ってもよい。
【００５４】
交流成分検波部１３４は、通常、ロックインアンプと呼ばれ、波長変調制御手段１４に設けられた変調周波数設定部３１からの参照信号を用いて、アンプ３３４からの干渉光強度の波形から、波長変調の最大波長（λ２）時と最小波長（λ１）時の各干渉光強度を検波し、その差分（ΔＩ）を取得する。
【００５５】
参照信号は、単色光の変調周期に同期する信号である。ここで、同期するとは、単色光の変調周波数がｆである場合に、参照信号の周波数がｆと同じか、ｆの整数倍であることを示す。
【００５６】
図８に、エッチング処理により絶縁膜が任意の膜厚ｔに達した状態における、差分ΔＩの取得方法を説明する。図中の左上のグラフは、変調波長λと干渉光強度Ｉの特性図を示す。この特性図に示す最大波長（λ２）と最小波長（λ１）は上述の予備測定に基づく波長である。基板処理装置１０を用いて干渉光強度Ｉの波形を測定すると、基準波長λ０での干渉光強度Ｉは極小を示す。膜厚が所定膜厚ｔ０に達する前であるので、干渉光強度Ｉが基準波長λ０に対して対称的に変化せず、最大波長時の干渉光強度Ｉλ２と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１とが一致していない。
【００５７】
図８の右上には、単色光の波長を基準波長（λ０）中心に２波長（λ１、λ２）間の波長範囲で正弦波状に変調させた場合の、干渉光強度の時間変化のグラフを合わせて示した。縦軸を干渉光強度Ｉとし、横軸を処理時間とする。このグラフのように、波長変調の一周期内に、最大波長時の干渉光強度Ｉλ２と最小波長時の干渉光強度Ｉλ１とが順番に現れる。本実施形態では、ロックインアンプを用いて、これらの干渉光強度を検波し、その差分ΔＩを取得する。
【００５８】
一方、低域ろ過フィルタ２３４は、アンプ３３４から出力される干渉光信号にフィルタをかけ、干渉光強度信号の直流成分、すなわち時間平均（ＩAVE ）に相当する値を取得する。低域ろ過フィルタ２３４からの直流成分の信号は、干渉光強度が一定になるようにＡＧＣ（ゲインコントロール）回路でアンプ３３４にフィードバックされる。
【００５９】
ロックインアンプを用いて干渉光強度を検波する方法の一例を説明する。例えば、波長変調と同周期の参照信号を用いて、その参照信号が、一周期の前半分で１を示し、後半分で零を示すような矩形信号とする。そうすると、ロックインアンプが、波長変調の最大波長時の干渉光強度（Ｉλ２）を検波する。また、参照信号として、一周期の前半分で零を示し、後半分で１を示すような矩形信号を用いれば、ロックインアンプが、波長変調の最小波長時の干渉光強度（Ｉλ１）を検波する。これらの干渉光強度から、差分（ΔＩ＝Ｉλ２−Ｉλ１）を取得できる。
【００６０】
図９は、エッチング処理が進行して膜厚がｔ２→ｔ１→ｔ０（所望膜厚）と変化する場合の干渉光強度の変化を示し、具体的に基板処理の終了時点を検出する方法を説明する図である。すなわち、各膜厚（ｔ２、ｔ１、ｔ０）に達した状態で、波長変調による干渉光強度Ｉの変化が同図の左上のグラフに示されている。図９によると、膜厚がｔ２に達した状態では、干渉光強度の差分（ΔＩ）が負の値を示し、その絶対量が大きい。膜厚がｔ１に達した状態でのΔＩは、まだ負の値ではあるが、その絶対量が小さくなっている。そして、所望膜厚ｔ０に達した状態では、ΔＩが零になる。
【００６１】
本実施形態では、図７に示すように、終了時点判定部１３６が、交流成分検波部１３４が取得した干渉光強度の差分（ΔＩ）を、直流成分検出部である低域ろ過フィルタ２３４が取得した干渉光強度の時間平均（ＩAVE ）で除した値（ΔＩ／ＩAVE ）を監視している。既知の膜厚の試料での予備測定で、この値（ΔＩ／ＩAVE ）が零になる２波長（λ１、λ２）を求めておく。すなわち、この値（ΔＩ／ＩAVE ）が零になるように、分光器２４により単色光の波長変調の範囲を調整し、予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）を取得しておく。そして、本測定において、予備測定に基づく最小波長（λ１）および最大波長（λ２）の範囲で波長を変調させて、上記の値（ΔＩ／ＩAVE ）が零になった時点をエッチング処理の終了時点として判定する。
【００６２】
本実施形態によれば、波長変調による単色光の強度変化に伴って、干渉光強度が変化する場合であっても、前述の実施形態と同様に、絶縁膜が所望膜厚に達する時の干渉光強度の極小点を高精度に検出することができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、光源２２および分光器２４を有する干渉光発生手段１２を用いるが、これに限らず、干渉光発生手段１２としては、波長可変レーザ光源を用いてもよい。あるいは、レーザ光源と変調器とを組み合わせて単色光の波長変調を行ってもよい。
【００６４】
また、本実施形態では図５のように斜入射干渉計型の構成を用いるが、これに限らず、例えば図１０のように、垂直入射干渉計型の構成を用いた基板処理装置１１０でもよい。同図のようにエッチング処理で用いるマスク材３の間隔が狭く、この間隔に対してエッチング深さが比較的深い場合であっても、絶縁膜２の表面に対して単色光を直角に入射して干渉光を発生させるので、干渉光がマスク材３で遮られることなく膜厚を容易に管理することができる。
【００６５】
また、本実施形態では図３、図４のように所望膜厚ｔ０において干渉光強度が極小となるように、単色光の基準波長λ０を設定する場合を説明した。干渉光強度が極大になる波長を基準波長として用いることも可能であるが、極大点では信号強度に対して変調成分が小さくなるため検出器のダイナミックレンジが不足する場合がある。そのため、本実施形態では、干渉光強度が極小となるように基準波長λ０を設定している。
【００６６】
本実施形態では波長変調における最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）が零になる時点を用いたが、これに限られず差分（ΔＩ）が予備測定に基づく所定値になる時点を基板処理の終了時点として検出してもよい。予備測定では、所望膜厚（ｔ０）に等しい既知膜厚の基準膜を用いる。この基準膜に対して、基準波長（λ０）を中心に任意の最小波長（λ１）と最大波長（λ２）との間で該単色光の波長を変調し、干渉光強度の変化を取得する。干渉光強度の変化に基づき、最大波長（λ２）時の干渉光強度と最小波長（λ１）時の干渉光強度との差分（ΔＩ）または前述の値（ΔＩ／ＩAVE ）を予備測定に基づく所定値として取得する。本測定では、差分（ΔＩ）または前述の値（ΔＩ／ＩAVE ）が予備測定に基づく所定値に一致する時点を基板処理の終了時点として判定すればよい。
【００６７】
なお、本実施形態では透光材料膜として絶縁膜の場合を例示したが、本発明の処理終了時点検出方法は、絶縁膜に限られず、基材表面に透光材料からなる薄膜を形成する処理に幅広く適用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１            基板
２            絶縁膜（透光材料膜）
１０、１１０  基板処理装置
１２          干渉光発生手段
１６          測定光検出器（測定光検出手段）
１８          干渉光検出器（干渉光検出手段）
２０          終了時点検出手段
２２          光源
２４          分光器
２６          変調部（変調手段）
２８          基準波長設定部（基準波長設定手段）
３２          ベースライン補正器（ベースライン補正部）
３４          差分取得部
１３４        ロックインアンプ（交流成分検波部）
２３４        低域ろ過フィルタ（直流成分検出部）
３６、１３６  終了時点判定部
【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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