(57)【要約】【課題】時々刻々と変化する被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができる表面処理状況モニタリング装置を提供する。【解決手段】波長幅を有する測定光を照射する光源と、被測定層の上下面から反射した光を干渉させる干渉光学系と、干渉光を波長分散させる分光部と、波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置において、被測定層の厚さと屈折率の積と波長の比の値に応じて変化する項であって、被測定層の上面から反射した光と、被測定層に進入して下面で反射した光の干渉光の強度に対応する第１項と、上面反射光と、被測定層に進入して内部で再反射してから出射した光との干渉光の強度に対応する第２項とを含む理論式が保存された記憶部と、検出された複数の強度値と干渉光の強度の理論値とがそれぞれ合致するように被測定層の厚さを決定する厚さ決定部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第１反射光との干渉光である第１干渉光の強度に対応する第１項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第２反射光との干渉光である第２干渉光の強度に対応する第２項とを含む理論式が保存された記憶部と、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記理論式により前記波長毎に算出される干渉光の強度の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する厚さ決定部と、
を備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
【請求項２】
前記干渉光の強度の理論値をRm(λ,t)、λを前記測定光の波長、tを時間、Rr(λ)を前記被測定層の下層の上面からの反射光の強度、α1を前記下層の上面と前記被測定層の上面で反射する光の強度に関係する係数、α2を前記第１干渉光に関係する係数、α3を前記第２干渉光に関係する係数、T(t)を時間tにおける被測定層の厚さとしたときに、前記理論式が、
【数１】
2016080668.tif 000017
であることを特徴とする請求項１に記載の表面処理状況モニタリング装置。
【請求項３】
前記記憶部に、前記被測定層の厚さの初期値と、前記厚さ決定部により前記被測定層の厚さを決定する際の絞込条件とが保存され、
前記厚さ決定部が、初回の厚さ決定時には前記初期値及び前記絞込条件に基づいて前記被測定層の厚さを決定し、２回目以降の厚さ決定時には前回の決定値及び前記絞込条件に基づく推定を行う
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面処理状況モニタリング装置。
【請求項４】
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法であって、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第１反射光との干渉光である第１干渉光の強度に対応する第１項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第２反射光との干渉光である第２干渉光の強度に対応する第２項とを含む理論式により干渉光の強度の理論値を計算し、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記強度の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する、
ことを特徴とする表面処理状況モニタリング方法。
【請求項５】
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換し、その周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記周波数成分抽出部により抽出された周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する周波数成分決定部と、
を備えることを特徴とする表面処理状況モニタリング装置。
【請求項６】
前記周波数成分抽出部が、フーリエ変換によって前記周波数成分を抽出することを特徴とする請求項５に記載の表面処理状況モニタリング装置。
【請求項７】
前記周波数成分抽出部が、最大エントロピー法によって前記周波数成分を抽出することを特徴とする請求項５に記載の表面処理状況モニタリング装置。
【請求項８】
前記表面処理加工がエッチング加工、被測定層が被エッチング層であり、
d) 前記周波数成分抽出部により得られた複数の周波数成分の分離度を判定する分離度判定部と、
e) 前記複数の時点で、前記被エッチング層に形成された孔の深さを測定するエッチング深さ測定部と、
e) 前記分離度判定部により周波数成分が分離していると判定された複数の時点において、前記周波数成分決定部により決定された周波数成分の値と前記孔の深さの値に基づいて、前記被測定層の初期厚さを決定する初期厚さ決定部と、
を備えることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の表面処理状況モニタリング装置。
【請求項９】
層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法であって、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得し、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換して、その周波数成分を抽出し、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記抽出された周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する、
ことを特徴とする表面処理状況モニタリング方法。
【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って半導体基板などに形成される微細な孔、例えばＴＳＶ（＝Through Silicon Via：シリコン貫通孔）の深さや段差、各種の研磨加工によって表面が削られる基板や結晶体などの厚さ、或いはＣＶＤなどにより基板表面に成膜を行う際の膜厚などを、加工中にリアルタイムで測定するための表面処理状況モニタリング装置、及び表面処理状況モニタリング方法に関する。
【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微細な孔や溝を形成するためにエッチング加工が行われている。通常、エッチング加工では、基板上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を行い、マスキングされていない部分を選択的に削る。これにより、基板に孔や溝が形成される。そして、加工後にレジスト膜を除去する。
【０００３】
エッチング等の表面処理の進行状況を確認するために、被処理層（エッチング層やレジスト膜など）の厚さの時間的な変化をモニタリングする方法として、従来、以下のものが提案されている。
【０００４】
特許文献１には、支持基板上に酸化膜と活性層が積層されたＳＯＩ基板において、その表層である活性層を研磨して膜厚調整する際に、活性層の厚さの時間的な変化をモニタリングする方法が記載されている。この方法では、ＳＯＩ基板に対して白色光（波長帯域の広い光源）を照射し、活性層の表面で反射した光と、活性層を通過して酸化膜の表面で反射した光と、活性層及び酸化膜を通過して支持基板の表面で反射した光とを干渉光学系により干渉させ、干渉光を分光素子により波長分散し、ＣＣＤラインセンサなどで検出して波長−強度特性を取得する。そして、活性層の厚さと干渉光の波長とが所定の関係を満たすときに干渉光の強度に極大値あるいは極小値が現れることを利用し、その周期を抽出することによって活性層の厚さの時間的な変化をモニタリングする。
【０００５】
特許文献２には、表面がレジスト膜によりマスキングされた基板をエッチング加工する際に、エッチングにより形成される溝の深さの時間的な変化をモニタリングする方法が記載されている。この方法では、被処理基板に対してレーザ光を照射し、レジスト膜の表面で反射した光と、レジスト膜を通過して基板の表面で反射した光と、エッチングにより形成されるトレンチの底面で反射した光とを干渉させて得た干渉光を検出する。そして、照射されるレーザ光の波長の４分の１ずつトレンチ深さが変化する毎に干渉光の強度に極大値と極小値が現れることを利用し、トレンチの深さの時間的な変化をモニタリングする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2005-184013号公報
【特許文献２】特開平10-325708号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の方法では、白色光源から発せられた光を照射して干渉光を得るため、干渉光を波長分散した後に検出される光の強度が弱い。そのため、波長に対する干渉光強度の周期的な変化を抽出するために十分な強度を得るためには、検出器において信号を蓄積しなければならず、測定に時間がかかる。従って、リアルタイムで測定することができない。
特許文献２に記載の方法では、干渉光の強度を連続的に観察し、その変化の傾向が逆になったことを確認した後でなければ極大値や極小値（以下、これらをまとめて「極値」とする）を決定することができない。そのため、実際に極値が現れるタイミングと極値を決定するタイミングの間にはタイムラグが生じる。また、極値を決定した後、次の極値を決定するまでの間は、被測定層の厚さを決めることができない。
【０００８】
このように、従来提案されている方法では、時々刻々と変化する被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができないという問題があった。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、表面処理加工中に時々刻々と変化する被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができる表面処理状況モニタリング装置、及び表面処理状況モニタリング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された第１発明は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第１反射光との干渉光である第１干渉光の強度に対応する第１項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第２反射光との干渉光である第２干渉光の強度に対応する第２項とを含む理論式が保存された記憶部と、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記理論式により前記波長毎に算出される干渉光の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する厚さ決定部と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１発明に係る表面処理状況モニタリング装置において用いる理論式は、前記第１干渉光の強度に対応する第１項と、前記第２干渉光の強度に対応する第２項とを含む式であり、例えば、以下の式(1)を用いることができる。この式(1)では、被測定層の上面と下面とからそれぞれ反射した光を干渉させて得られる光の波長毎の強度が、被測定層の厚さT(t)と波長λにおける被測定層の屈折率n(λ)の積と、波長λの比の値に応じて周期的に変化する項で表される。
【数１】
2016080668.tif 000003
【００１２】
式(1)において、tは時間、Rr(λ)は事前に測定される、被測定層の下層（例えば基板）の表面からの反射光の強度、α1は被測定層の上面や被測定層の下層の表面で反射する光の強度に関する係数、α2及びα3は干渉光の強度に関する係数である。係数α1、α2及びα3は、被測定層の状態や厚さT(t)の変化に応じて時間的に変化する。
【００１３】
第１発明に係る表面処理状況モニタリング装置において用いる理論式に、第１干渉光だけでなく、第２干渉光の強度に対応する項も含める理由を説明する。
【００１４】
上述したように、白色光源を用いると波長分離後の干渉光等の強度が小さくなってしまうため、白色光源よりも高強度の光源を用いる必要がある。また、波長に対する干渉光の強度の周期的な変化を捉えるためには、複数の波長における強度値Sig(λ)を検出しなければならない。そこで、上記光源として、白色光源よりも高強度であり波長幅を有する光を発することができる光源、例えば、半値全幅が15nm程度であるＳＬＤ（＝Super Luminescent Diode：スーパールミネッセントダイオード）光源が用いられる。
【００１５】
ところが、被測定層がレジスト膜のように薄い層である場合、波長に対する干渉光の強度の変化の周期は長くなる。そのため、ＳＬＤ光源を用いて15nm程度の波長幅の範囲内で干渉光を波長毎に検出しても、その強度値に大きな差がなく干渉光の強度の変化を捉えることができず、被測定層の厚さを正確に決定することが難しい場合がある。
【００１６】
上式(1)は、2T(t)／λで変化するcos関数だけでなく、4T(t)／λで変化するcos関数も含んでいる。従って、厚さ決定部が波長毎の強度の検出値Sig(λ)と理論値Rm(λ,t)とを合致させるように膜層の厚さT(t)を決定する際の実質的な波長帯域が２倍になる。本発明に係る表面処理状況モニタリング装置では、第２干渉光の強度に対応する項を含む理論式を用いることで、被測定層が薄く、波長に対する干渉光の強度の変化の周期が長い場合でも、その強度変化を捉えて被測定層の厚さT(t)を正確に決定することができるように構成している。
【００１７】
干渉光を波長分離し、複数の検出素子を備えたアレイ検出器によって波長分離後の光を検出すると、検出する毎に、検出素子の数と同数の強度値Sig(λ)が得られる。そして、式(1)により検出した複数の波長のそれぞれにおける強度の理論値Rm(λ,t)を算出し、各波長において強度値Sig(λ)と理論値Rm(λ,t)が等しくなるように、式(1)のパラメータである被測定層の厚さT(t)と、係数α1、α2及びα3を決定する。これにより、被測定層の厚さT(t)をリアルタイムで決定することができる。理論値Rm(λ,t)と検出された強度値Sig(λ)の合致度の判定においては、例えば、T(t)の値ごとに次式(2)に示す残差平方和σを計算し、その値σが最小になるパラメータの組み合わせを最も合致度が高いと判定する方法を用いることができる。強度値Sig(λ)と理論値Rm(λ,t)を合致させる波長の数は、理論式に含まれるパラメータの数（式(1)を用いる場合は、T(t)、係数α1、α2及びα3の４個）以上であればよい。
【数２】
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【００１８】
厚さ決定部は、波長毎の強度の検出値と理論値とを比較し、理論式に含まれる厚さT(t)の値を変化させて、検出値と理論値が合致するように厚さT(t)の値を決定するが、厚さT(t)の値を決定するまでの間に要する時間が長くなると、測定のリアルタイム性が失われてしまう。そこで、厚さ決定部が被測定層の厚さを決定する際の絞込み条件を予め設定しておき、その条件の範囲内で被測定層の厚さT(t)を決定することが好ましい。このように絞込み条件を設定しておくことにより、厚さ決定部による被測定層の厚さの決定を高速化し、測定のリアルタイム性を確保することができる。なお、この場合には、初回の厚さ決定精度が必ずしも高くない場合があるため、２回目以降の厚さ決定時には前回の決定値を初期値としてその値を更新することにより、回数を重ねる毎に決定の精度が高くなるように構成する。
【００１９】
即ち、
前記記憶部に、前記被測定層の厚さの初期値と、前記厚さ決定部により前記被測定層の厚さを決定する際の絞込条件とを保存しておき、
前記厚さ決定部が、初回の厚さ決定時には前記初期値及び前記絞込条件に基づいて前記被測定層の厚さを決定し、２回目以降の厚さ決定時には前回の決定値及び前記絞込条件に基づく推定を行う
ことが望ましい。
【００２０】
上記第１発明の別の態様は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング方法であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法において、
a) 前記被測定層の上面から反射した光である上面反射光と、該被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面から出射した光である第１反射光との干渉光である第１干渉光の強度に対応する第１項と、前記上面反射光と、前記被測定層に進入してその下面で反射した後、該被測定層の上面で反射し、さらに下面で反射してから出射した光である第２反射光との干渉光である第２干渉光の強度に対応する第２項とを含む理論式により干渉光の強度の理論値を計算し、
b) 前記検出部により波長毎に検出された複数の強度値と、前記強度の理論値とがそれぞれ合致するように、前記被測定層の厚さを決定する、
ことを特徴とする。
【００２１】
また、課題を解決するために成された第２発明は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する表面処理状況モニタリング装置において、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換し、その周波数成分を抽出する周波数成分抽出部と、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記周波数成分抽出部により抽出された周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する周波数成分決定部と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
この第２の発明では、干渉光の強度Rm(λ,t)の大きさが、被測定層の厚さT(t)を変数として周期的に変化する、例えばcos関数によって表されることを利用する。即ち、干渉光を波長分離して検出することにより得られる干渉光スペクトルをフーリエ変換して、当該干渉光に関係する反射光の光路差を求め、該光路差から被測定層の厚さT(t)をリアルタイムで測定する。
【００２３】
実際に得られる干渉光のスペクトルには、層構造を有する試料の各界面における反射光の任意の組み合わせで生じる干渉光の強度が重畳している。そのため、例えば、このスペクトルをフーリエ変換すると、該複数の干渉光にそれぞれ対応する光路長差の値が得られる。表面処理加工中にこれら複数の光路長差の変化を追跡すると、該光路長差を生じさせる反射光の組み合わせを反映して、それぞれ異なる変化を示す。そこで、上記第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置では、例えば、被エッチング層の残厚を測定する場合に、上記周波数成分決定部が、エッチング装置に設定されたエッチング速度に対応する速度で変化する周波数成分を抽出するように構成することによって、被測定層の厚さをリアルタイムで測定する。つまり、被エッチング層の残厚を測定する場合には、エッチング装置に設定されたエッチング速度と同程度の速度で周波数成分が変化していること、が上記の前記被測定層の厚さの変化条件となる。なお、周波数成分を抽出する方法としては、フーリエ変換以外に、確率論的手法である最大エントロピー法を用いることもできる。
【００２４】
被測定層がエッチング加工中に厚さが変化する被エッチング層である場合、エッチング開始直後は、エッチングにより形成される孔等の底面からの反射光の光路長と、被エッチング層の非エッチング部の上面からの反射光の光路長がほぼ同じであるため、それらに関係する干渉光の周波数成分を分離することが難しい。また、エッチング加工終了直前は、エッチングにより形成される孔等の底面からの反射光の光路長と、被エッチング層の下面からの反射光の光路長がほぼ同じになるため、同様に干渉光の周波数成分を分離することが難しい。
【００２５】
そこで、第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置において、
前記表面処理加工がエッチング加工、被測定層が被エッチング層であり、
d) 前記周波数成分抽出部により得られた複数の周波数成分の分離度を判定する分離度判定部と、
e) 前記複数の時点で、前記被エッチング層に形成された孔の深さを測定するエッチング深さ測定部と、
f) 前記分離度判定部により周波数成分が分離していると判定された複数の時点において前記周波数成分決定部により決定された周波数成分の値と前記孔の深さの値に基づいて、前記被測定層の厚さを決定する厚さ決定部と、
を備えることが望ましい。
【００２６】
分離度判定部及び厚さ決定部を備えた態様では、目的とする周波数成分が他の周波数成分から分離した状態で得た複数の時点での、周波数成分の値とエッチング孔の深さの値に基づき、被測定層の厚さを決定する。これにより、例えばエッチング加工終了直前のように干渉光の周波数成分を分離することが難しい場合でも、被エッチング層の残厚を正確に決定することができる。また、被エッチング層のエッチングが完了するタイミングを予測することもできる。
【００２７】
上記第２発明の別の態様は、層構造を有する試料に対する表面処理加工によって増加若しくは減少する被測定層の厚さを測定する表面処理状況モニタリング装置であって、前記試料に対して所定の波長幅を有する測定光を照射する光源と、前記被測定層の上面と下面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部と、該分光部により波長分散された光を波長毎に検出する検出部と、を具備する装置を用いた表面処理状況モニタリング方法であって、
a) 複数の時点で、前記検出部により検出された波長毎の強度に基づいて干渉光スペクトルを取得し、
b) 前記干渉光スペクトルを波長軸から波数軸へ変換し、その周波数成分を抽出し、
c) 予め設定された前記被測定層の厚さの変化条件と、前記抽出した周波数成分の変化を比較し、前記変化条件に合致する周波数成分を前記被測定層の厚さとして決定する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
第１発明及び第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置及び方法はいずれも、干渉光の波長毎の強度を被測定層の厚さの関数として表す理論式と、干渉光の波長毎の強度の検出値に基づいて、測定対象構造の寸法の時間変化をリアルタイムで測定する、という技術的思想に基づく。
第１発明に係る表面処理状況モニタリング装置又は方法を用いると、干渉光の波長毎の強度の理論値と検出値とを比較してそれらを合致させるように被測定層の厚さを決定することによって、被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができる。
第２発明に係る表面処理状況モニタリング装置又は方法を用いると、干渉光の強度の検出値から作成される干渉光スペクトルをフーリエ変換して該干渉光に関係する光の光路長差を求め、それらの中から被測定層の変化条件に合致するものを抽出することによって、被測定層の厚さをリアルタイムで測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例１に係る表面処理状況モニタリング装置の要部構成図。
【図２】試料５０からの反射光を説明する図。
【図３】実施例１に係る表面処理状況モニタリング方法を説明するフローチャート。
【図４】実施例２に係る表面処理状況モニタリング装置の要部構成図。
【図５】試料１５０からの反射光を説明する図。
【図６】実施例２に係る表面処理状況モニタリング方法を説明するフローチャート。
【図７】実施例２における干渉光スペクトルの例。
【図８】干渉光スペクトルから周波数成分を抽出した例。
【図９】周波数成分とエッチング深さの関係を示すグラフ。
【図１０】エッチング開始直後の周波数成分の分離状態を説明する図。
【図１１】エッチング終了直前の周波数成分の分離状態を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明に係る表面処理状況モニタリング装置及び方法の実施例について、以下、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００３１】
図１は実施例１の表面処理状況モニタリング装置の概略構成図である。この表面処理状況モニタリング装置は、例えばプラズマエッチング装置や基板研磨装置などにおいて加工処理されることにより時々刻々と変化する、試料５０のレジスト厚みや基板厚みなどをモニタリングする装置である。本実施例の表面処理状況モニタリング装置は、光源１０と、測定光学系２０と、分光部３０と、データ処理部４０とを備える。光源１０と測定光学系２０、また測定光学系２０と分光部３０とは光ファイバを介して接続されている。
【００３２】
本実施例の光源１０は、中心波長が830nm、半値全幅が15nmのＳＬＤ光源である。光源１０から発せられた測定光は、測定光学系２０の入射側光ファイバ２１に導入され、ファイバカプラ２２を介して光ファイバ２３中を進行し、光ファイバ２３先端から出射する。光ファイバ２３端部から出射した測定光はコリメートレンズ２４を介して試料５０上に照射される。
【００３３】
本実施例の試料５０は、基板５１の表面にレジスト膜５２が塗布されたものであり（図２参照）、レジスト膜５２の厚さはエッチングの進行に伴って時々刻々と減少する。試料５０はこれに限らず、基板等の表面に形成される膜の厚さが時々刻々と変化するものであればよい。例えば基板５１の表面に膜を堆積させるもの、つまり膜厚が時々刻々と増加するものでもよい。
【００３４】
レジスト膜５２の表面からの反射光６２と、レジスト膜５２を通過して基板５１の表面で反射した反射光６１は、コリメートレンズ２４を光照射時とは逆に辿って光ファイバ２３に入射する。そして、ファイバカプラ２２を経て分光部３０に達する。光ファイバ２３中を通って分光部３０に達するまでに、反射光６１、６２は干渉して干渉光となる。なお、反射光６１には、レジスト膜５２に進入し、基板５１との界面で反射したあとレジスト膜５２の上面から出射した光６１aと、レジスト膜５２に進入し、レジスト膜５２内部で厚さ方向に二往復したあとレジスト膜５２の上面から出射した光６１bとが含まれる（図２参照）。
【００３５】
分光部３０において、干渉光は回折格子３１により波長分散され、ＣＣＤラインセンサ３２により複数波長の光が同時に検出される。ＣＣＤラインセンサ３２により検出された各波長に対応する信号は、ノイズフィルタ（図示なし）によりノイズ除去されてデータ処理部４０に入力される。本実施例においてノイズフィルタを用いているのは、検出信号に含まれるノイズの大きさを後述する残差平方和の計算における残差よりも小さい値に抑えるためである。
【００３６】
データ処理部４０は、記憶部４１のほかに、機能ブロックとしてスペクトル取得部４２、及び厚さ決定部４３を備えている。データ処理部４０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データ処理用ソフトウェアを実行することにより、データ処理部４０としての機能を発揮させるようにすることができる。また、コンピュータには、入力部４８、表示部４９が接続されている。
【００３７】
以下、本実施例の表面処理状況モニタリング装置の動作について、図１及び図３を参照して説明する。図３は本実施例の表面処理状況モニタリング装置の動作のフローチャートである。
【００３８】
記憶部４１には、予め取得された、レジスト膜５２が塗布されていない基板表面からの反射光のスペクトルデータRr(λ)が読み込まれて保存される（ステップＳ１）。この反射光のスペクトルデータRr(λ)は、反射光の実測データから予めＣＣＤラインセンサ３２の暗信号を差し引いたものである。また、記憶部４１には、上述した理論式(1)と、該式(1)を用いて干渉光強度を計算する際の各パラメータ（レジスト膜の厚さT(t)と、係数α1、α2、及びα3）の初期値、及び絞込条件が保存される（ステップＳ２）。絞込条件の詳細については後述する。なお、エッチング加工開始時に形成されているレジスト膜の厚さを正確に把握することは困難であるため、レジスト膜の厚さT(t)の初期厚さT0は、エッチング加工開始時点での推測値が設定される。
【数１】
2016080668.tif 000005
さらに、記憶部４１には、膜厚モニタリングの継続または終了を決定するための終了条件が設定されている。本実施例の終了条件は、エッチング時間終了あるいはエッチング膜厚が所定値を下回ること、のいずれかであり、後者の場合には、図示しないエッチング装置に対してエッチング加工を終了させるための制御信号を出力するようになっている。
【００３９】
エッチング加工開始後、スペクトル取得部４２の制御の下で複数の波長における干渉光の強度Sig(λ)を取得する（ステップＳ３）と、厚さ決定部４３は以下のようにレジスト膜の膜厚T(t)を決定する。
【００４０】
初回の膜厚T(t)決定時には、理論式(1)に含まれる全パラメータについて、初期値（T0, α10, α20, α30）から所定値（ΔT, Δα1, Δα2, Δα3）ずつ離れた所定個（2nT+1, 2n1+1, 2n2+1, 2n3+1）の値を準備する。即ち、上述した絞込条件は、この所定値及び所定個であり、各パラメータについて以下の値を準備する。なお、各パラメータについて値を準備する数や上記所定値の大きさは、コンピュータの計算時間等を考慮して適宜に設定する。
レジスト膜の膜厚T(t)=T0±ΔT×nT
係数α1=α10±Δα1×n1
係数α2=α20±Δα2×n2
係数α3=α30±Δα3×n3
【００４１】
そして、各パラメータについて準備された値を１つずつ抽出して理論式(1)に代入し、検出波長毎に干渉光強度の理論値Rm(λ, t)を計算する（ステップＳ４）。そして、準備したパラメータの値の全ての組み合わせとなる(2nT+1)×(2n1+1)×(2n2+1)×(2n3+1)通りのパラメータセットについてそれぞれ理論値Rm(λ, t)の計算を完了すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、各パラメータセットに対して、各波長における理論値と検出値の差の二乗の和である残差平方和σを計算する。残差平方和は、以下の式(2)により計算される。
【数２】
2016080668.tif 000006
そして、残差平方和が最小となるパラメータセットを抽出し、その中に含まれるパラメータT(t)の値をレジスト膜の膜厚に決定する（ステップＳ６）。
【００４２】
レジスト膜の膜厚T(t)を決定すると、前述の終了条件を満たすか否かを確認する。そして、終了条件を満たさない場合（ステップＳ７でＮＯ）には、上述したステップＳ３〜ステップＳ６を繰り返す。ただし、２回目以降の理論値計算時には、各パラメータの初期値ではなく、直近に決定したパラメータの値を中心値として所定値ずつ離れた所定個の値を用意し、それらの全通りの組み合わせを用いて理論値を計算する。そして、終了条件を満たした時点（ステップＳ７でＹＥＳ）でレジスト膜の膜厚モニタリングを終了する。
【００４３】
このように、実施例１に係る表面処理状況モニタリング装置では、複数の波長における干渉光の強度の検出値Sig(λ)と、該複数の波長における干渉光の強度の理論値Rm(λ)を比較し、それらの残差平方和が最小になるパラメータセットに含まれる膜厚T(t)を、その時点での膜厚として決定する。従って、被測定層の膜厚をリアルタイムで測定することができる。
【実施例２】
【００４４】
次に、実施例２に係る表面処理状況モニタリング装置について説明する。
図４は実施例２の表面処理状況モニタリング装置の概略構成図である。実施例２の表面処理状況モニタリング装置のうち、光源１０、測定光学系２０、及び分光部３０は実施例１と同じであるため、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４５】
実施例２の表面処理状況モニタリング装置は、被エッチング層１５２とその下層１５１を有する基板上にレジスト膜１５３が形成された試料１５０（図５参照）の、被エッチング層１５２の残厚をモニタリングする装置である。
【００４６】
データ処理部１４０は、記憶部１４１のほかに、機能ブロックとしてスペクトル取得部１４２、周波数成分抽出部１４３、周波数成分決定部１４４、分離度判定部１４５、初期厚さ決定部１４６、及び残厚決定部１４７を備えている。実施例１と同様に、データ処理部１４０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データ処理用ソフトウェアを実行することにより、データ処理部１４０としての機能を発揮させるようにすることができる。また、コンピュータには、入力部１４８、表示部１４９が接続されている。
【００４７】
以下、実施例２の表面処理状況モニタリング装置の動作について、図４及び図６を参照して説明する。図６は本実施例の表面処理状況モニタリング装置の動作のフローチャートである。
【００４８】
エッチング加工開始後、まず、スペクトル取得部１４２の制御の下で複数の波長における干渉光の強度Sig(λ)を取得し、干渉光スペクトルを得る（ステップＳ１１）。図７(a)にエッチング開始と同時に得られる干渉光スペクトル、及び図７(b)にエッチング開始後３００秒の時点で得られた干渉光スペクトルの例を示す。
【００４９】
干渉光スペクトルが得られると、周波数成分抽出部１４３は、干渉光スペクトルを波数軸に変換し、続いてフーリエ変換して周波数成分を抽出する（ステップＳ１２）。
【００５０】
上述した式(1)で示されるように、干渉光の強度は、干渉光を構成する２つの反射光の光路差に応じて周期的に変化する波長−強度特性を有している。従って、得られた干渉光スペクトルを波数軸に変換し、これをフーリエ変換すると干渉光を構成する２つの反射光の光路差に相当する周波数成分を抽出することができる。なお、周波数成分の抽出は、フーリエ変換だけでなく、確率論的手法である最大エントロピー法等によって行うこともできる。
【００５１】
ここで、試料１５０から得られる干渉光について、図５を用いて説明する。本実施例の試料１５０は上述の層構造を有しているため、試料１５０からは以下の反射光１〜５が得られ、それらのうちの任意の組み合わせによって、それらの光路差に応じた波長−強度特性を有する干渉光が生じる。
反射光１：レジスト膜１５３表面からの反射光１６１
反射光２：レジスト膜１５３と被エッチング層１５２の界面からの反射光１６２
反射光３：エッチング部底面からの反射光１６３
反射光４：非エッチング部における被エッチング層１５２と下層１５１の界面からの反射光１６５
反射光５：エッチング部における被エッチング層１５２と下層１５１の界面からの反射光１６４
【００５２】
以降の説明では、上記反射光１〜５の組み合わせで形成される干渉光を以下のように記述する。
干渉光Ａ：反射光１と反射光２の干渉光
干渉光Ｂ：反射光１と反射光３の干渉光
干渉光Ｃ：反射光１と反射光４の干渉光
干渉光Ｄ：反射光２と反射光３の干渉光
干渉光Ｅ：反射光２と反射光４の干渉光
干渉光Ｆ：反射光３と反射光４の干渉光
干渉光Ｇ：反射光３と反射光５の干渉光
【００５３】
本実施例においてモニタリングする被エッチング層１５２の残厚Tleftは以下の式(3)で表される。
【数３】
2016080668.tif 000007
ここで、Tetchは非エッチング部における被エッチング層１５２の厚さ（エッチング部における被エッチング層１５２の初期厚さ）、Detchはエッチング深さである。
【００５４】
また、Tleftに対応する干渉光Ｇの強度LGは以下の式(4)で表すことができる。
【数４】
2016080668.tif 000008
ここで、Liは波長λiにおける測定光の強度、R35は測定光に対する反射光３及び反射光５の強度の割合の積、Netchは被エッチング層１５２の屈折率である。
【００５５】
実際の測定では、干渉光Ｇ以外に、複数の反射光の組み合わせにそれぞれ対応する干渉光を含む光が検出され、これをフーリエ変換すると、該複数の反射光の組み合わせにそれぞれ対応する周波数成分が得られる。一例として、図７(a)、(b)の干渉光スペクトルからそれぞれ抽出された干渉光Ａ〜Ｇの周波数成分を図８(a)、(b)にそれぞれ示す。
【００５６】
周波数成分抽出部１４３による周波数成分の抽出が初回である場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）には、ステップＳ１１に戻って干渉光スペクトルを取得し、上記同様の手順で再度、周波数成分を抽出する。
【００５７】
エッチング開始後、周波数成分抽出部１４３が複数回、周波数成分を抽出すると（ステップＳ１３でＮＯ）、各周波数成分の変化を抽出することができる。本実施例の場合、干渉光Ｇの周波数成分Gfreqはエッチング加工の進行に応じた変化を示すため、周波数成分決定部１４４は、その条件に合致する周波数成分を抽出し、その成分を周波数成分Gfreqに決定する（ステップＳ１４）。つまり、本発明における被測定層の厚さの変化条件は、本実施例ではエッチング装置に設定されたエッチング速度と同程度の速度で周波数成分が変化していること、となる。図８に記載した干渉光Ａ〜Ｇの周波数成分は周波数成分決定部１４４により決定した結果に基づく。
【００５８】
周波数成分決定部１４４が周波数成分Gfreqを決定すると、分離度判定部１４５が、該周波数成分Gfreqの分離度を判定する。分離度の判定は種々の方法により行うことができるが、例えば、抽出された周波数成分Gfreqが、他の周波数成分から所定値以上離れているか否か、により判定する。そして、周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離していると判定されると（ステップＳ１５でＹＥＳ）、残厚決定部１４７は、周波数成分Gfreqから被エッチング層１５２の残厚Tleftを求める（ステップＳ１６）。また、エッチング深さ（エッチング部における孔の深さ）Detchを決定する（ステップＳ１７）。エッチング深さDetchは、例えば他の干渉光の周波数成分から求めることができる。
【００５９】
上記のように、周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離していれば、周波数成分Gfreqから被エッチング層１５２の残厚を求めることができる。しかし、エッチング終了直前には、干渉光Ｇの周波数成分Gfreqが、他の干渉光の周波数成分や直流成分と混ざり合うため、干渉光Ｇの周波数成分Gfreqのみ分離することが難しい。そこで、以下のようにして、干渉光Ｇの周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離された時間帯において、エッチング部のエッチング深さDetchと干渉光Ｇの周波数成分Gfreqを関係づける係数KetchとOetchを求めておく。
【００６０】
また、分離度判定部１４５は、他の周波数成分から分離した周波数成分Gfreqが複数の時点で取得されているか否かを判定し、複数取得済みである場合（ステップＳ１８でＹＥＳ）は、次のステップに進む。ステップＳ１５あるいはステップＳ１８においてＮＯの場合には、ステップＳ１１に戻り、上述した各ステップを再度実行する。
【００６１】
分離度判定部１４５が分離していると判定した周波数成分Gfreqが複数存在する場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）には、それら複数の周波数成分Gfreqの値に基づき、残厚決定部１４７が周波数成分Gfreqとエッチング深さDetchとを関連付ける。この点について、以下、説明する。
【００６２】
縦軸を周波数成分Gfreq、横軸をエッチング深さDetchとするグラフに、周波数成分Gfreqとエッチング深さDetchの値の組を２点プロットすると図９(a)に示すグラフが得られ、周波数成分Gfreqとエッチング深さDetchの関係は、一定の傾きKetch（正確には被エッチング層１５２の屈折率や入射光の波長に依存する値）と切片Oetchを持つ、以下の式(5)で表される。
【数５】
2016080668.tif 000009
【００６３】
初期厚さ決定部１４６は、複数の時点（t1, t2）でGfreq、Detchが取得されると、以下の式(6), (7）から式(5)の傾きKetchと切片Oetchを求める（ステップＳ１９）。
【数６】
2016080668.tif 000010
【数７】
2016080668.tif 000011
【００６４】
式(5)は一次多項式であるため、複数時点において得たGfreq、Detchより最小二乗法による一次多項式近似を用いてKetch、Oetch を求めても良い。
【００６５】
干渉光Ｇの周波数成分Gfreqは、被エッチング部１５２の残厚Tleftと被エッチング部１５２の屈折率Netchの積に比例する。そこで、周波数成分Gfreqを定数αにより以下の式(8)で表す。
【数８】
2016080668.tif 000012
【００６６】
式(5)と式(8)から、以下の式(9), (10)が導出される。
【数９】
2016080668.tif 000013
【数１０】
2016080668.tif 000014
【００６７】
さらに、式(9), (10)から、被エッチング部１５２の初期厚さTetchを以下の式(11)で求める（ステップＳ２０）。
【数１１】
2016080668.tif 000015
【００６８】
被エッチング部１５２の残厚Tleftは、その初期厚さTetchからエッチング深さDetchを引いた値であり、式(12)で示される。これにより、干渉光Ｇの周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離していない場合であっても、正確に被エッチング層１５２の残厚Tleftを求めることができる。
【数１２】
2016080668.tif 000016
【００６９】
式(11)から被エッチング層１５２の初期厚さTetchを決定すると、再びスペクトル取得部１４２が干渉光スペクトルを取得する（ステップＳ２１）。そして、ステップＳ１７と同様にしてエッチング深さDetchを求める（ステップＳ２２）。そして、式(12)とエッチング深さDetchから被エッチング層１５２の残厚Tleftを決定する（ステップ２３）。なお、ステップＳ２０において取得した干渉光スペクトルデータから得られた干渉光Ｇの周波数成分Gfreqが他の周波数成分から分離している場合には、（エッチング深さDetch, 周波数成分Gfreqq）を用い、最小二乗法等によりKetchとOetchの値を順次更新する（図９(b)）。これにより、Detchの計測のノイズ等を除去して、KetchとOetchの値（つまり、これらの値から得られる被エッチング層１５２の初期厚さTetchの値）の精度を高めることができる。干渉光スペクトルの取得（ステップＳ２０）から被エッチング層１５２の残厚Tleftの決定までの各ステップは所定時間毎に行われ、残厚Tleftが所定値になった時点で（ステップＳ２４でＹＥＳ）、被エッチング層１５２に対するエッチング加工を終了する。
【００７０】
KetchとOetchの値（つまり、これらの値から得られる被エッチング層１５２の初期厚さTetchの値）は、周波数成分Gfreqqが他の周波数成分から分離されている任意のタイミングで求めることができる。しかし、干渉光Ｇが、エッチングにより被エッチング層１５２に形成された孔の底面における反射光と、その下層の界面における反射光であり、干渉光Ｇに寄与する反射光が生じる領域が狭い。従って、干渉光Ｇの強度が他の干渉光の強度よりも小さい。そこで、エッチング深さDetchが浅い時点でKetchとOetchの値（つまり、これらの値から得られる被エッチング層１５２の初期厚さTetchの値）の精度を高めておくことがn望ましい。
【００７１】
図１０に、エッチング開始直後の各周波数成分の状態の例を示す。図１０(a)〜(d)は、それぞれエッチング開始後20秒、200秒、470秒、及び500秒経過時点のものである。図１０から分かるように、エッチング開始直後は周波数成分Gfreqを他の周波数成分から分離することができないため、周波数成分Gfreqの値（即ち被エッチング層の厚さ）を正確に求めることが難しい。
また、図１１には、エッチング終了直前の各周波数成分の状態の例を示す。図１１(a)〜(d)は、それぞれ被エッチング層の残厚が8.3μm、5.0μm、1.7μm、0.17μmとなった時点のものである。図１１から分かるように、エッチング終了直前にも、周波数成分Gfreqを他の成分から分離することが難しくなる。
エッチング開始直後や終了直前以外の時点でも、被エッチング層の厚さが別の層の厚さと同程度になる時間帯では、周波数成分Gfreqを分離することができなくなる。
本実施例では、周波数成分Gfreqが他の成分から分離した複数の時点で該成分Gfreqとエッチング深さDetchの値を求め、これに基づいて被エッチング層１５２の正確な初期厚さTetchを決定する。そのため、周波数成分周波数成分Gfreqが他の成分から分離していない、エッチング終了直前の時間帯においても、被エッチング層１５２の残厚Tleftをリアルタイムで正確に決定することができる。また、被エッチング層のエッチングが完了するタイミングを正確に予測することができる。
【００７２】
上記の実施例１及び２は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。例えば、実施例１及び２の構成を兼ね備えた表面処理状況モニタリング装置を構成し、上述した各ステップを並行して行うようにしてもよい。
また、上記実施例１ではレジスト膜の膜厚を、実施例２では被エッチング層の厚さを、それぞれモニタリングする例を挙げて説明したが、被測定層が別の層である場合にも同様の手順で該層の厚さをモニタリングすることができる。
【００７３】
その他、一例として挙げたＳＬＤ光源、回折格子、ＣＣＤラインセンサ、等の構成は、同等の機能を有するものであれば代替可能であり、当然、これらに限定されない。また、上記実施例では、種々の具体的な数式に基づいて膜層の厚さをモニタリングしたが、上述の通り、本発明の技術思想は、予め取得可能である基板表面からの反射光と、実測により得られる干渉光スペクトルとの関係を示す理論式に基づいて、表面処理加工中に膜層の厚さをリアルタイムで測定する点にある。従って、この技術思想の範囲内であれば上記実施例に示した式以外の理論式等を用いることもできる。
【符号の説明】
【００７４】
１０…光源
２０…測定光学系
２１…入射側光ファイバ
２２…ファイバカプラ
２３…光ファイバ
２４…コリメートレンズ
３０…分光部
３１…回折格子
３２…ＣＣＤラインセンサ
４０、１４０…データ処理部
４１、１４１…記憶部
４２、１４２…スペクトル取得部
４３…厚さ決定部
１４０…データ処理部
１４１…記憶部
１４２…スペクトル取得部
１４３…周波数成分抽出部
１４４…周波数成分決定部
１４５…分離度判定部
１４６…初期厚さ決定部
１４７…残厚決定部
４８、１４８…入力部
４９、１４９…表示部
５０、１５０…試料
５１…基板
５２、１５３…レジスト膜
１５１…下層
１５２…被エッチング層
１５２…被エッチング部
６１、６１a、６１b、６２、１６１〜１６５…反射光
【図１】
2016080668.tif 000018
【図２】
2016080668.tif 000019
【図３】
2016080668.tif 000020
【図４】
2016080668.tif 000021
【図５】
2016080668.tif 000022
【図６】
2016080668.tif 000023
【図７】
2016080668.tif 000024
【図８】
2016080668.tif 000025
【図９】
2016080668.tif 000026
【図１０】
2016080668.tif 000027
【図１１】
2016080668.tif 000028