(57)【要約】【課題】エッチング実行中にレジスト膜厚の影響を除去し、高い精度で孔深さや段差を算出する。【解決手段】所定波長幅の光を試料５０に照射して、孔５２の底面や基板５１上面等で反射する光の干渉を含む光を分光ユニット２５により分光検出する。データ処理部３０では分光スペクトルから光源２１の発光スペクトルの影響等を除去した干渉スペクトルを求め、これをフーリエ変換して得られるピークの間隔から孔深さや膜厚等を算出する。チョッパ１０３は外部参照面１０４で反射した外部参照光を周期的に遮断・通過させるため、データ処理部３０では外部参照光ありのデータとなしのデータとが得られる。例えば、レジスト層５３が厚い間は、より高分解能である外部参照光なしのデータに基づいて孔深さ等を算出し、エッチングが進行してレジスト層５３が薄くなると、外乱の影響を受けにくい外部参照光ありのデータに基づいて孔深さ等を算出する。【選択図】図１
2013048183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料面上でマスキングが施されていない被エッチング部位がエッチングされる際に、少なくともそのエッチングの孔深さ又は段差を測定するエッチングモニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、該光源からの測定光を試料まで導き、その試料面上に形成される光スポットが被エッチング部位とその周囲のマスキング部位とに跨るように測定光を試料面上に照射する導入光学系と、該導入光学系による測定光の照射に対して前記試料面上の被エッチング部位とマスキング部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備するエッチングモニタリング装置において、
a)前記導入光学系の光路の途中で光の一部を取り出し外部参照面で反射させた後に外部参照光として前記干渉光学系の光路に導入して干渉光に混入させる外部参照光生成手段と、
b)前記試料から反射してきた干渉光に前記外部参照光を混入させた光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて、干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求める外部参照光ありスペクトル取得手段と、
c)前記試料から反射してきて前記外部参照光が混入されない干渉光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて干渉スペクトルを求める外部参照光なしスペクトル取得手段と、
d)前記外部参照光ありスペクトル取得手段による干渉スペクトル又は前記外部参照光なしスペクトル取得手段による干渉スペクトルの一方を選択的に利用した解析処理によってエッチング深さ又は段差を算出するエッチング量算出手段と、
を備えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記エッチング量算出手段は、エッチングの進行中に前記検出手段により得られる検出信号又は該検出信号に対する解析処理により得られる処理結果に基づいて、外部参照光ありの干渉スペクトルと外部参照光なしの干渉スペクトルとのいずれを利用するかを判定する判定手段を含み、その判定に基づいて選択された方の干渉スペクトルを利用した解析によってエッチング孔深さ又は段差を算出することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
【請求項３】
請求項２に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記判定手段は、エッチングの進行に伴い、外部参照なしの干渉スペクトルに基づいて算出されたマスキング層の膜厚が所定値未満になったか否かを判定し、該膜厚が所定値以上であるときには、外部参照光なしの干渉スペクトルを利用したエッチング孔深さ又は段差の算出を行い、該膜厚が所定値未満になったならば外部参照光ありの干渉スペクトルを利用した解析によるエッチング孔深さ又は段差の算出に切り替えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、該切替手段により外部参照光の混入の有無を交互に切り替えることで、外部参照光ありの干渉スペクトル及び外部参照光なしの干渉スペクトルを常に取得することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
【請求項５】
請求項３に記載のエッチングモニタリング装置であって、
前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、マスキング層の膜厚が所定値以上である間は前記切替手段により外部参照光を混入させず、マスキング層の膜厚が所定値未満になったならば前記切替手段により外部参照光を混入させるように外部参照光の混入の有無を切り替えることを特徴とするエッチングモニタリング装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のエッチングモニタリング装置であって、
外部参照光の混入の有無に応じて、前記光源の発光光量、前記検出手段に入射する光の光量、前記試料に照射される測定光の光量、前記試料からの反射光の光量、又は前記検出手段における検出感度の少なくともいずれか一つを調節することを特徴とするエッチングモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチング加工により半導体基板などに形成される微細な孔、例えばＴＳＶ（＝Through Silicon Via：シリコン貫通ビア）の深さや段差などを、加工中に略リアルタイムで測定するためのエッチングモニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の製造プロセスでは、シリコンウエハ等の半導体基板にごく微細な孔や溝を形成するために低圧プラズマ等を用いたエッチング加工が行われている。通常、エッチング工程では、まず、基板上で孔や溝を形成しない部分にレジスト膜によるマスキングを行った上でエッチング加工を実行する。これにより、マスキングされていない部分のみが選択的に削られるから、加工後にレジスト膜を除去することで任意の形状の孔や溝を形成することが可能となる。このときに形成される孔や溝の深さはエッチングの時間、ガス種類、ガス圧などの様々な条件に依存するから、孔や溝の深さを目標深さにするために、加工中に実際の深さをモニタリングしながらエッチングの終了点を決めたり条件を調整したりする制御がなされる。
【０００３】
従来、エッチングにより形成される微細孔の深さを光学的に測定する技術として特許文献１〜３に記載のものが知られている。これら文献に記載の装置は、エッチングにより基板上に形成される微細な孔の深さを測定するために、単色光源、該単色光源からの光を計測対象の孔に照射する光学系、その孔からの反射光の強度を測定する検出器、などを備える。エッチングの進行に伴って被エッチング部である微細孔が深くなってゆくとき、孔の底面からの反射光とその孔の開口周囲の面からの反射光との干渉により、検出器に入射する光強度は繰り返し変化する。即ち、図９（ａ）に示すように、エッチング深さがλ／２（λ：単色光の波長）ずつ進行するに伴い検出器による信号強度は強弱の周期を繰り返す。そこで、従来は、この信号強度の時間的変化のピーク（極大又は極小）を計数することにより孔深さを計測している。
【０００４】
なお、上記特許文献１〜３に記載の装置では、孔深さ計測用とは別に、分光測定用光源、該分光測定用光源からの光を計測対象のマスク層に照射する光学系、マスク層からの反射光を分光して検出する分光検出器、などを備えるが、これは被エッチング部以外の基板表面をマスキングするマスク層の膜厚を測定するためのものであり、孔深さの計測には関係しない。
【０００５】
上述した光強度の時間変化に対し単純なピーク（又はボトム）の計数で孔深さを求めるという従来のエッチング深さ（段差）計測方法は、光を反射する面が２つである場合には特に問題が生じない。しかしながら、レジスト膜や他の層構造のために光を反射する面が３面以上になる等、反射面の状態が変化すると、干渉光の振幅の時間的変動が図９（ｂ）に示すように複雑になる。そのため、正確なピークの計数が困難になる。特に、エッチングにより形成される孔がごく微細な径であったり深かったりする場合には、孔底面からの反射光が弱くなるのでレジスト層等の孔周囲の面からの反射光が支配的となり、被エッチング部の深さを反映した干渉の振幅が小さくなるために計数ミスを引き起こす可能性が高くなる。そのため、被エッチング部である孔の深さや段差の計測の精度が低下し、エッチング不良の大きな原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２８５９１５９号公報
【特許文献２】特開平１０−３２５７０８号公報
【特許文献３】特開２００１−２８４３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、レジスト層の膜厚やそのほかの膜構造の影響、被エッチング部である孔の小ささや深さ、或いは、不均等なエッチングなどの様々な要因による干渉光の振幅の変動や振幅の縮小が生じた場合であっても、孔深さや段差、或いはレジスト膜厚などの計測の精度の低下がない又は少ないエッチングモニタリング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明は、試料面上でマスキングが施されていない被エッチング部位がエッチングされる際に、少なくともそのエッチングの孔深さ又は段差を測定するエッチングモニタリング装置であって、所定の波長幅を有する測定光を発生する光源と、該光源からの測定光を試料まで導き、その試料面上に形成される光スポットが被エッチング部位とその周囲のマスキング部位とに跨るように測定光を試料面上に照射する導入光学系と、該導入光学系による測定光の照射に対して前記試料面上の被エッチング部位とマスキング部位とからそれぞれ反射した光を干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系による干渉光を波長分散させる分光手段と、該分光手段により波長分散された光を波長毎に検出する検出手段と、を具備するエッチングモニタリング装置において、
a)前記導入光学系の光路の途中で光の一部を取り出し外部参照面で反射させた後に外部参照光として前記干渉光学系の光路に導入して干渉光に混入させる外部参照光生成手段と、
b)前記試料から反射してきた干渉光に前記外部参照光を混入させた光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて、干渉光の所定波長範囲の強度分布である干渉スペクトルを求める外部参照光ありスペクトル取得手段と、
c)前記試料から反射してきて前記外部参照光が混入されない干渉光に対し前記検出手段により得られる検出信号に基づいて干渉スペクトルを求める外部参照光なしスペクトル取得手段と、
d)前記外部参照光ありスペクトル取得手段による干渉スペクトル又は前記外部参照光なしスペクトル取得手段による干渉スペクトルの一方を選択的に利用した解析処理によってエッチング深さ又は段差を算出するエッチング量算出手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係るエッチングモニタリング装置において、エッチング孔深さや段差を計測するために或る程度の波長幅を有する光源を用い、エッチングにより形成された孔や段差から戻ってきた干渉光を分光測定する。外部参照光ありスペクトル取得手段及び外部参照光なしスペクトル取得手段は、検出手段により得られる検出信号に基づいて、干渉スペクトルを作成する。エッチング量算出手段は、干渉スペクトルに現れるスペクトル干渉波形を抽出し、フーリエ変換による周波数解析を実行し、干渉スペクトルの波長（又は波数）を参照面と反射面との間の距離に変換したグラフを求め、該グラフに現れるピークから参照面（例えば基板表面）からの孔深さや溝段差、或いはマスキング層厚さなどを算出する。この際、被エッチング基板上部のマスキング層（通常、レジスト層）がエッチングにより薄くなりすぎ、干渉距離測定のためのレジスト層上面等の参照面の位置があいまいになることを避けるため、参照面とは別に外部参照面を設ける。ただし、外部参照面で反射させた外部参照光を用いた場合と用いない場合とでは、いずれにも利点・欠点がある。
【００１０】
即ち、外部参照光を利用しない場合には、一つの光路上で計測対象の孔底部などと極めて近い距離にある基板上面やレジスト層上面といった参照面が用いられることになるため、振動などの外乱の影響を受けることがなく、エッチング孔深さ（被エッチング構造底面との距離）等を高い精度で安定して計測することができる。その反面、エッチングによってレジスト層が削られ、その膜厚が計測可能距離（使用波長帯域に依存する）以下になると、参照面位置があいまいになるためにエッチング孔深さの計測精度が低下してしまう。一方、外部参照光を利用する場合、外部参照面は被エッチング物ではないためその構造や距離は変化せず、エッチング状況によらず安定して比較的高い精度で計測ができるという利点がある。その反面、外部参照光を生成する光路は少なくともその一部が被測定物計測用の光路とは異なるため、振動などの外乱の影響を受け易く、一般に外部参照光非利用時ほどの高い精度や安定性は得られない。また外部参照光という余計な光を混入させることになるため、ノイズの影響が大きくなる。
【００１１】
本発明に係るエッチングモニタリング装置では、上述した外部参照光あり／なしの欠点を補いつつ利点を活かすため、エッチング実行中に、検出される信号の状態や計測結果の信頼性を推測可能な情報などに基づいて、孔深さや溝段差、或いはマスキング層厚さなどを算出する元となる干渉スペクトルとして、外部参照光ありの干渉スペクトルと外部参照光なしの干渉スペクトルとのいずれを用いるのかを切り替える。
【００１２】
即ち、本発明に係るエッチングモニタリング装置において、前記エッチング量算出手段は、エッチングの進行中に前記検出手段により得られる検出信号又は該検出信号に対する解析処理により得られる処理結果に基づいて、外部参照光ありの干渉スペクトルと外部参照光なしの干渉スペクトルとのいずれを利用するかを判定する判定手段を含み、その判定に基づいて選択された方の干渉スペクトルを利用した解析によってエッチング孔深さ又は段差を算出する構成とするとよい。
【００１３】
具体的には、孔深さの変化に伴って現れる周期的な信号強度変化の乱れ（周期的な乱れや振幅の大きな変動など）があった場合、或いは、フーリエ変換後のグラフに現れる筈の複数のピークが重なって分離できなくなった場合、さらには、計測により求まるマスキング層の膜厚が所定閾値より薄くなった場合などの状況においては、外部参照光なしの干渉スペクトルからは十分な精度で孔深さ等を算出することができないから、外部参照光ありの干渉スペクトルを用いるように切り替えるとよい。
【００１４】
また、外部参照光なしの干渉スペクトルと外部参照光ありの干渉スペクトルとは、要不要に拘わらず常に両方取得するようにしてもよいし、逆に、孔深さ等の算出に必要な方のみを選択的に取得するようにしてもよい。即ち、本発明の一実施態様において、前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、該切替手段により外部参照光の混入の有無を交互に切り替えることで、外部参照光ありの干渉スペクトル及び外部参照光なしの干渉スペクトルを常に取得する構成とすることができる。
【００１５】
また、上述のようにマスキング層の膜厚に応じて外部参照光ありの干渉スペクトルを用いるように処理を切り替える構成においては、前記外部参照光生成手段は外部参照光の混入の有無を切り替える切替手段を含み、マスキング層の膜厚が所定値以上である間は前記切替手段により外部参照光を混入させず、マスキング層の膜厚が所定値未満になったならば前記切替手段により外部参照光を混入させるように外部参照光の混入の有無を切り替える構成としてもよい。
【００１６】
なお、一般に外部参照面の反射率は試料面のそれに比べて高いため、外部参照光の混入の有無によって検出手段に到達する光の量には差が生じ、検出手段で受光可能な光量の上限（検出手段のダイナミックレンジの上限）をオーバーしてしまったり、逆に、そうしたオーバーが生じないようにしておくと感度が低くなってしまったりする場合がある。そこで、本発明に係るエッチングモニタリング装置において、好ましくは、外部参照光の混入の有無に応じて、前記光源の発光光量、前記検出手段に入射する光の光量、前記試料面上に照射する測定光の光量、前記試料面から反射した光の光量、又は前記検出手段における検出感度の少なくともいずれか一つを調節する構成とするとよい。この構成によれば、外部参照光の混入の有無によって検出手段に到達する光の量に差が生じ得る場合でも、外部参照光の混入の有無に応じて光量を適宜調整したり検出手段のゲインを調整したりして該検出手段のダイナミックレンジを有効に利用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るエッチングモニタリング装置によれば、レジスト等のマスキング層の膜厚やその変化の影響などを受けることなく、エッチングにより形成される目的の孔の深さや段差などを正確に且つ高い分解能でもって計測することができる。また、そうした計測を高いリアルタイム性をもって行うことができるため、エッチングの終点検知や条件変更などの制御に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例であるエッチングモニタリング装置の概略構成図。
【図２】本実施例のエッチングモニタリング装置において得られる干渉スペクトルの概略図。
【図３】外部参照光を用いない場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。
【図４】外部参照光を用いない場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。
【図５】外部参照光を用いない場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。
【図６】外部参照光を用いた場合における、観測された分光スペクトル、該分光スペクトルから求めた規格化後の干渉スペクトル、及び、該干渉スペクトルをフーリエ変換した後の信号波形、の一例を示す図。
【図７】本実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理のフローチャートを示す図。
【図８】他の実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理のフローチャートを示す図。
【図９】単色光が被エッチング部に照射されたときの反射光強度の時間的変化の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施例であるエッチングモニタリング装置について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例のエッチングモニタリング装置の概略構成図である。
【００２０】
このエッチングモニタリング装置は、エッチング装置の真空チャンバ１内に載置された処理対象である試料５０に形成される微小孔の深さや溝の段差などをモニタリングする装置であり、大別して、計測部１０と、光源・分光検出部２０と、データ処理部３０と、制御部３１と、を備える。計測部１０と光源・分光検出部２０とは光ファイバ２４を介して接続されている。
【００２１】
光源・分光検出部２０は、低コヒーレンス性を持ちながら発光強度が高く、目的とする孔深さの計測に必要な波長幅を有する光を放射する計測用光源２１を備える。計測用光源２１としては、例えば中心波長が８３５nm、半値全幅が４０nmであるスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることができる。この計測用光源２１から発せられた測定光は、入射側光ファイバ２２に取り込まれ、ファイバカプラ２３を介して光ファイバ２４中を進行して計測部１０に進む。計測部１０において光ファイバ２４の端部から出射された測定光はコリメートレンズ１８及びビームスプリッタ１００を介し、次のビームスプリッタ１３によって試料５０側に折り曲げられる。そして、この測定光は対物レンズ１２及び真空チャンバ１に設けられた計測窓１１を介して試料５０上に照射される。
【００２２】
図１中の拡大図に示すように、この試料５０は、被エッチング体である基板５１と、その上面に薄く塗布されたエッチング保護用レジストであるレジスト層５３と、レジストが塗布されずに基板５１が露出した被エッチング部５２と、を含む。この図は、被エッチング部５２に対するエッチングが進行し、被エッチング部５２に微細な孔が形成された状態を示している。上述のように、試料５０上に照射される光ビーム４０のスポット径は、試料５０上の被エッチング部５２とその周囲のレジスト層５３とに跨るようなサイズに調整されている。このため、試料５０上では、レジスト層５３表面からの反射光４３と、レジスト層５３中に入り込んだ光に対する基板５１表面からの反射光４２と、被エッチング部５２（図１では孔の底面）からの反射光４１と、が主として生じる。
【００２３】
これら反射光４１〜４３は様々な方向に向かうが、そのうち、再び計測窓１１の方向に進んだ光は、対物レンズ１２、ビームスプリッタ１３、ビームスプリッタ１００、コリメートレンズ１８を上記光照射時とは逆に辿って光ファイバ２４に入射する。そして、光ファイバ２４中を通って光源・分光検出部２０に戻り、ファイバカプラ２３を経て分光ユニット２５に達する。前述したように、試料５０上からは互いに光路差を有する複数の反射光４１〜４３が生じるが、これら反射光４１〜４３は主として光ファイバ２４を通過する過程で波長毎に干渉して干渉光となる。
【００２４】
分光ユニット２５において干渉光は回折格子等の分光器２６により波長分散され、ＣＣＤラインセンサ等のアレイ検出器２７により複数波長の光が同時に検出される。アレイ検出器２７による各波長に対応した検出信号はデータ処理部３０に入力され、データ処理部３０において後述する処理が実行されることで被エッチング部５２である孔の深さやレジスト層５３の膜厚などが算出される。
【００２５】
計測部１０に含まれる観測用カメラ１７は、試料５０上面の全体又は特定の一部を観察するためのものである。即ち、観測用補助光源１６から出射される補助光はコリメートレンズ１５、ビームスプリッタ１４、１３を介して、計測用光源２１から来る主光ビームと略同一の光軸に沿って試料５０を照らす。この補助光に対する反射光を観測用カメラ１７により撮影することにより得られた画像は、試料５０上の被エッチング部５２の位置の確認などに利用される。
【００２６】
さらに本実施例のエッチングモニタリング装置では、試料５０上面の近傍位置に仮想的な外部参照面１０４’を形成するために、上記ビームスプリッタ１００のほか、反射鏡１０１、モータ１０２により回転駆動されるチョッパ１０３、反射鏡である外部参照面１０４、外部参照面１０４を光軸に平行な方向に微動させる圧電素子１０５、を備える。
【００２７】
ビームスプリッタ１００は光ファイバ２４の端部から出射してビームスプリッタ１３に向かう測定光の一部を分岐させ、反射鏡１０１を経た外部参照面１０４に至る光路を往復させるものであり、このビームスプリッタ１００と外部参照面１０４との間の往復距離（外部参照面往復距離）は、ビームスプリッタ１００と試料５０表面との間の往復距離（試料面往復距離）と僅かに異なるように設定される。これにより、試料５０上面から僅かに離れた位置に仮想的な外部参照面１０４’を設定することができる。
【００２８】
なお、外部参照光を生じる光路は、ビームスプリッタ１００を用いて分岐させたものでなくても、ビームスプリッタ１３を直線的に通過した光を利用してもよいし、また、ファイバカプラ２３から分岐された、光ファイバ２４以外の図示しない他のアームから出射させた光を用いてもよい。
【００２９】
また、データ処理部３０や制御部３１の実体はパーソナルコンピュータであり、該コンピュータに予めインストールされた制御・処理用ソフトウエアを実行することにより、データ処理部３０及び制御部３１としての機能を発揮させるようにすることができる。
【００３０】
本実施例のエッチングモニタリング装置では、真空チャンバ１内における試料５０に対するエッチング処理実行中に、試料５０上の被エッチング部５２付近の反射光に由来する干渉光の強度分布を、所定の時間間隔で繰り返し取得する。したがって、図２に示すように、波長と信号強度との関係を示す干渉スペクトルが所定の時間間隔で得られる。計測対象である被エッチング部５２の孔深さやその孔の周囲のレジスト層５３の膜厚などを反映した情報は、１つの干渉スペクトルの中に含まれる。データ処理部３０では得られたデータからこうした情報を抽出し、エッチングの進行に伴って時々刻々と変化する孔深さなどをリアルタイムで算出し出力する。
【００３１】
次に、本実施例のエッチングモニタリング装置において、データ処理部３０で実行される干渉スペクトルを利用した孔深さ算出の基本的な手法を説明する。
【００３２】
図３（ａ）に示した分光スペクトルは、エッチング孔深さ、つまり被エッチング部５２である孔底面５２ａと基板５１の上面（基板５１とレジスト層５３との界面）５１ａとの距離（ｈ1）が５０μm、レジスト層５３の屈折率がｎ＝２．０、その膜厚が１０μmであるときに、アレイ検出器２７で取得される分光スペクトルである。この分光スペクトルには、計測用光源２１の発光スペクトルなどの反射光の干渉以外の波長依存要因を含む。そこで、干渉のない状態で基準光に対し予め求めておいた強度分布を用いることで上記分光スペクトルを規格化し、本来の干渉スペクトルを求める。図３（ｂ）が図３（ａ）の分光スペクトルから計算により求めた規格化後の干渉スペクトルである。さらに、横軸を波長から波数に変換した干渉スペクトルをフーリエ変換することにより、図３（ｃ）に示すような、横軸が参照面と反射面との間の距離を表すグラフを求める。
【００３３】
この場合、つまり仮想的な外部参照面１０４’を用いない場合には、干渉スペクトルには次の３種類の反射面の組み合わせに由来する干渉光が含まれる。
［ｉ］レジスト層５３上面５３ａ−基板５１の上面５１ａ
［ii］基板５１の上面５１ａ−被エッチング部５２の孔底面５２ａ（距離ｈ1）
［iii］被エッチング部５２の孔底面５２ａ−レジスト層５３の上面５３ａ（距離ｈ2）
【００３４】
図３（ｃ）に示すフーリエ変換後の信号波形には、上記［ｉ］、［ii］及び［iii］のそれぞれの光学距離に対応した３つの位置にピークが出現する。この場合、通常、一般的に知られているガウス関数を適合させる方法によって、最も長い距離を示したピークの位置を、上記［iii］に相当するレジスト層５３上面５３ａから孔底面５２ａまでの距離として即座に求めることができる。ここで、上記の［ii］及び［iii］に対応するピーク間の距離はレジスト層５３の膜厚に相当する。図３（ｃ）においては、［ii］及び［iii］に対応するピークの間隔は、レジスト層５３の光学距離約２０μm分の間隔となっていることが分かる。
【００３５】
エッチングが進行するに伴って被エッチング部（孔）５２は深くなるが、レジスト層５３も徐々にではあるがエッチングにより削られるため、その膜厚は徐々に減少していく。そのため、フーリエ変換後の信号波形上において［ii］及び［iii］に対応するピークの間隔は徐々に狭まり、いずれは重なってしまうことになる。
【００３６】
図４は、図３に示した状態からレジスト層５３の膜厚のみを３．０５μmに変更した場合のシミュレーション結果である。基板５１の上面５１ａとレジスト層５３の上面５３ａとの距離が小さくなったために、フーリエ変換後の信号波形（図４（ｃ）参照）において［ii］及び［iii］に対応するピークが重なってしまい、それぞれのピークトップの位置が不明瞭になっていることが分かる。
【００３７】
図５は、レジスト層５３の膜厚をさらに薄く、３．００μmとした場合のシミュレーション結果である。図５では、フーリエ変換後の信号波形（図５（ｃ）参照）において［ii］及び［iii］に対応するピークが分離されていることが分かる。このように、試料５０上で２つの反射面が近い位置に存在する場合、その距離を少しずつ変化させていくと該距離がナノオーダー変わるだけで、フーリエ変換後の信号波形上でピークが重なったり分離したりすることを繰り返す。これは、図９（ｂ）に示したように、信号強度の振幅が縮小し、その周期的変化の周期も乱れることの影響である。こうなると、フーリエ変換後の信号波形上でピークトップの位置を特定することは非常に困難であるし、仮にピークトップの位置を特定できても孔深さ等の算出精度はかなり低いものとなってしまう。
【００３８】
そこで本実施例のエッチングモニタリング装置では、上記のようなフーリエ変換後の信号波形におけるピーク位置の不明瞭さを回避するために外部参照面１０４を利用する。図１に示したように実際の装置では外部参照面１０４を用いるが、計算の原理の上では、外部参照面１０４に対応して仮想的な外部参照面１０４’を考える。この仮想的な外部参照面１０４’、レジスト層５３の上面５３ａ、被エッチング部５２の孔底面５２ａ、という３つの面での反射光の干渉を考えると干渉面の関係が理解し易くなる。
【００３９】
図１中の拡大図に示すように、仮想的な外部参照面１０４’を基準面として考え、レジスト層５３上面５３ａと被エッチング部５２である孔底面５２ａとの距離をｈ2、基板５１上面５１ａと被エッチング部５２である孔底面５２ａとの距離をｈ1とする。なお、ここではレジスト層５３は単層膜でなく多層構造であってもよいから、例えば、基板５１上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）もレジスト層５３に含めて考えることができる。ｈ1とｈ2の差は僅かであって、レジスト層５３の上面５３ａが関与する干渉波形のフーリエ変換では通常分離できず、フーリエ変換後の信号波形上では上述したようにピークが重なってしまう。したがって、エッチングに影響されない仮想的な外部参照面１０４’と被エッチング部５２の孔底面５２ａとの干渉が良好に得られれば、被エッチング部５２の穴深さを精度よく算出する上で有利である。
【００４０】
仮想的な外部参照面１０４’の位置は圧電素子１０５による外部参照面１０４の位置の微調節によって調整可能であるから、仮想的な外部参照面１０４’の位置は該外部参照面１０４’と被エッチング部５２の孔底面５２ａとの干渉が強調される距離に予め設定すればよい。一方、チョッパ１０３は制御部３１の制御の下で外部参照面１０４に至る光線の遮断・通過をコントロールするためのものであって、モータ１０２の回転駆動により例えば６０回／秒の遮断・通過を交互に行うようにしておけば、外部参照面１０４あり（つまり外部参照光の混入あり）及び外部参照面１０４なし（つまり外部参照光の混入なし）の干渉分光波形をそれぞれ６０回／秒ずつ交互に得ることができる。
【００４１】
図６は、ビームスプリッタ１００からの距離が、基板５１の上面５１ａと比較してマイナス１００μmの位置となるように仮想的な外部参照面１０４’を設置した場合における、実測の分光スペクトル、及びそれに対する干渉スペクトル及びフーリエ変換後の信号波形の計算結果である。この場合、干渉スペクトルには次の６種類の反射面の組み合わせに由来する干渉光が含まれる。
［ｉ］レジスト層５３の上面５３ａ−基板５１の上面５１ａ
［ii］基板５１の上面５１ａ−被エッチング部５２の孔底面５２ａ（距離ｈ1）
［iii］被エッチング部５２の孔底面５２ａ−レジスト層５３の上面５３ａ（距離ｈ2）
［iv］仮想的な外部参照面１０４’−レジスト層５３の上面５３ａ（距離ｄ2）
［ｖ］仮想的な外部参照面１０４’−基板５１の上面５１ａ（距離ｄ1）
［vi］仮想的な外部参照面１０４’−被エッチング部５２の孔底面５２ａ（距離ｄ3）
【００４２】
このうち、［vi］による干渉は、外部参照面１０４（及び仮想的な外部参照面１０４’）が単一面であることから、レジスト層５３が非常に薄くなった場合であっても不確定性はなく、図６中に［vi］で示されるように明瞭な孤立ピークとなって現れる。そのため、上述のように、ガウス関数を適合させる方法によって、最も長い距離を示したピークの位置を、上記［vi］に相当する仮想的な外部参照面１０４’から孔底面５２ａまでの距離として即座に求めることができる。
【００４３】
一方、図５と図６の信号ピーク部以外のノイズの大きさを比較すれば分かるように、外部参照面１０４を用いる場合に不利である点として外部参照光の強度に応じた光ショットノイズの増加がある。また、外部参照面１０４の固定位置の機械的精度の制約のため、外部参照面１０４を用いない場合とは異なり、エッチング孔深さの計測精度にナノオーダーの揺らぎが生じることが避けがたい。そこで、こうした欠点を克服するために、本実施例のエッチングモニタリング装置では、外部参照面１０４ありの状態で取得したデータと外部参照面１０４なしの状態で取得したデータとを使い分ける。これにより、上述したような外部参照面１０４あり、なし両方の利点を同時に享受することができる。
【００４４】
図７に示すフローチャートに従って、本実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理の具体例を説明する。
【００４５】
即ち、エッチングの開始に伴いエッチングモニタリングを開始すると、上述したように、モータ１０２によりチョッパ１０３を回転駆動させることにより、外部参照面１０４あり及び外部参照面１０４なしのデータを所定周期で交互に取得する（ステップＳ１）。データ処理部３０では、例えば外部参照面１０４なしのデータに基づき、取得した所定波長幅中の中心波長等の適当な一波長の信号強度の時間的変化をモニタし（ステップＳ２）、その強度変化が予め定めた閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。強度変化が閾値以上である場合には、外部参照面１０４を利用しなくてもフーリエ変換後の信号波形として図３（ｃ）に示したようなピークの位置が明確なグラフが得られる。そこで、外部参照面１０４なしのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層５３の膜厚などを算出する（ステップＳ４）。
【００４６】
これに対し、ステップＳ３において強度変化が閾値未満であると判定される場合には、外部参照面１０４を利用しない場合にフーリエ変換後の信号波形として図４（ｃ）に示したようなピークが重なる可能性がある。そこで、外部参照面１０４ありのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層５３の膜厚などを算出する（ステップＳ５）。ステップＳ４、Ｓ５いずれの場合でも、孔深さ等の情報が得られたならばその結果を出力し（ステップＳ６）、測定終了でなければ（ステップＳ７でＮｏ）ステップＳ１へと戻る。
【００４７】
エッチング実行中にステップＳ１〜Ｓ７の処理を繰り返すことにより、略リアルタイムで以て、エッチングにより削られる孔の深さや段差、或いはレジスト層５３の膜厚などの計測値を出力することができる。図７に示した制御・処理では、レジスト層５３の膜厚が薄くなることで孔深さ等の算出精度が低下する場合のみならず、外乱等の別の要因で信号強度が落ちたような場合でも外部参照面１０４が利用され、算出精度の大幅な低下を回避することができる。具体的には、レジスト層５３の膜厚がちょうど無反射コーティングに相当するような膜厚になったときに信号強度が極端に下がるが、そうした場合に外部参照面１０４を利用することで孔深さ等を求めることができる。
【００４８】
なお、信号強度変化をモニタする際には特定の一波長の光量に基づく信号強度ではなく、所定波長幅全体の光量に基づく信号強度を利用してもよい。また、信号強度変化をモニタするのではなく、外部参照面なしデータに基づくフーリエ変換後の信号波形上で［ii］と［iii］のピークが分離可能か否かを判定し、その判定結果に基づいてステップＳ４又はＳ５の処理を選択するようにしてもよい。
【００４９】
図８は、別の実施例のエッチングモニタリング装置におけるエッチング実行中の孔深さ測定制御・処理のフローチャートである。この場合には、周期的に光を通過・遮断するチョッパ１０３に代えて、制御部３１からの指示に基づいて光の通過・遮断を切り替えるシャッタを設置する。
【００５０】
エッチングの開始に伴いエッチングモニタリングを開始すると、上述したようにシャッタを光遮断状態とし、外部参照面１０４なしのデータを取得する（ステップＳ１１）。データ処理部３０では、外部参照面１０４なしのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層５３の膜厚などを算出する（ステップＳ１２）。孔深さ等の情報が得られたならばその結果を出力する（ステップＳ１３）。次いで、算出されたレジスト層５３の膜厚が所定値未満であるか否かを判定し（ステップＳ１４）、該膜厚が所定値以上であって測定終了の指示がなければ（ステップＳ１５でＮｏ）ステップＳ１１へ戻る。したがって、エッチング開始時点からレジスト層５３の膜厚が所定値以上である間は、外部参照面１０４なしのデータに基づいて孔深さ、段差等が算出される。
【００５１】
エッチングが進行してレジスト層５３の膜厚が所定値未満になると、ステップＳ１４からＳ１６へと進み、シャッタを光通過状態とし、外部参照面１０４ありのデータを取得する（ステップＳ１６）。データ処理部３０では、外部参照面１０４ありのデータに基づいて上述のように干渉スペクトルを求め、フーリエ変換を行うことにより孔深さや段差、或いはレジスト層５３の膜厚などを算出する（ステップＳ１７）。そして、孔深さ等の情報が得られたならばその結果を出力し（ステップＳ１８）、測定終了の指示がなければ（ステップＳ１９でＮｏ）ステップＳ１６へ戻る。したがって、エッチングが進行してレジスト層５３の膜厚が所定値未満になった以降は測定終了まで、外部参照面１０４ありのデータに基づいて孔深さ、段差等が算出される。
【００５２】
なお、チョッパ１０３又はシャッタにより外部参照光を遮断した場合には分光ユニット２５に導入される光には外部参照光が混入しておらず、チョッパ１０３又はシャッタにより外部参照光を通過させた場合には分光ユニット２５に導入される光は外部参照光が混入したものとなる。一般的には、外部参照光を混入させた場合にはその分だけアレイ検出器２７に入射する光の光量が大きくなり、外部参照光なしの状態で入射光量がアレイ検出器２７のダイナミックレンジに収まるように光量調整が行われると、外部参照光ありの状態で入射光量がアレイ検出器２７のダイナミックレンジを超えてしまうおそれがある。一方、外部参照光ありの状態で入射光量がアレイ検出器２７のダイナミックレンジに収まるように光量調整が行われると、外部参照光なしの状態では入射光量が小さくなりすぎ、測定感度が低下するおそれがある。
【００５３】
そこで、こうした問題を回避するために、例えば外部参照光の有無に応じて計測用光源２１の発光光量を変化させ、外部参照光あり／なしいずれの場合でも、アレイ検出器２７のダイナミックレンジを十分に利用できるようにするとよい。計測用光源２１の発光光量を変化させる代わりに、外部参照光の有無に応じて、アレイ検出器２７の手前や計測用光源２１と入射側光ファイバ２２の入射端との間、或いは、入射側光ファイバ２２や光ファイバ２４の途中などの光路にＮＤフィルタやアッテネータ等の減光素子を入れたり取り出したりしてもよい。また、アレイ検出器２７自体のゲインを外部参照光の有無に応じて切り替えるようにしてもよい。また、試料５０上に照射される測定光４０の光量、或いは試料５０からの反射光４１、４２、４３の光量を、外部参照光の有無に応じて減光フィルタ等を用いて調節してもよい。さらには、試料５０の表面状態が荒れたり上述のように無反射コーティングに相当する状態になったりして試料５０から得られる信号強度が極端に小さくなった場合に外部参照光量を調節する手段も有効である。
【００５４】
また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、追加、変更を加えても本願請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００５５】
１…真空チャンバ
１０…計測部
１１…計測窓
１２…対物レンズ
１３、１４、１００…ビームスプリッタ
１５、１８…コリメートレンズ
１６…観測用補助光源
１７…観測用カメラ
１８…コリメートレンズ
２０…光源・分光検出部
２１…計測用光源
２２…入射側光ファイバ
２３…ファイバカプラ
２４…光ファイバ
２５…分光ユニット
２６…分光器
２７…アレイ検出器
３０…データ処理部
３１…制御部
４０…光ビーム
４１、４２、４３…反射光
５０…試料
５１…基板
５１ａ…基板上面
５２…被エッチング部
５２ａ…孔底面
５３…レジスト層
５３ａ…レジスト層上面
１０１…反射鏡
１０２…モータ
１０３…チョッパ
１０４…外部参照面
１０５…圧電素子
【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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