(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に形成された膜の膜厚又は基板表面に加工された加工面の深さを光学的干渉手段により測定する膜厚、加工深さ測定装置において、
基板表面に形成された膜又は加工面の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射する手段と、
基板表面からの反射光と、上記膜の表面又は上記加工面からの反射光とを干渉させて膜厚又は加工深さを測定する手段と、
を備えることを特徴とする膜厚、加工深さ測定装置。
【請求項２】
請求項１の記載の膜厚、加工深さ測定装置において、上記測定光は、複数の波長を有し、波長ごとの干渉結果から、膜厚又は加工深さを測定する手段を備えることを特徴とする膜厚、加工深さ測定装置。
【請求項３】
基板表面に形成された膜の膜厚又は基板表面に加工された加工面の深さを光学的干渉手段により測定する膜厚、加工深さ測定装置において、
基板表面に形成された膜又は加工面の界面で全反射する条件で測定光を基板裏面から照射する手段と、
照射する手段からの上記測定光に対して、基板の裏面に入射する入射角の差による基板中を通過する光路の差が、入射光の波長以上となる範囲で入射角が異なる測定光を照射する手段と、
基板表面からの反射光と、上記膜の表面又は上記加工面からの反射光とを干渉させて膜厚又は加工深さを測定する手段と、
を備えることを特徴とする膜厚、加工深さ測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の膜厚、加工深さ測定装置において、上記測定光は、複数の波長を有し、波長ごとの干渉結果から、膜厚又は加工深さを測定する手段を備えることを特徴とする膜厚、加工深さ測定装置。
【請求項５】
基板表面に形成された膜の膜厚を光学的干渉手段により測定する膜厚測定装置において、
単一の光源からの光を反射手段により反射させて、基板表面に形成された膜の表面で全反射する条件の測定光と、膜と基板との界面で全反射する条件の測定光として、基板裏面から照射する手段と、
膜の表面からの反射光と、膜と基板との界面からの反射光とを干渉させて、膜厚を測定する手段と、
を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の膜厚測定装置において、上記測定光は、複数の波長を有し、波長ごとの干渉結果から、膜厚を測定する手段を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項７】
基板上に薄膜を形成する成膜装置において、
基板表面に形成された膜の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射する手段と、
基板表面からの反射光と、上記膜の表面からの反射光とを干渉させて膜厚深さを測定する手段と、
上記膜厚深さを測定する手段により測定される膜厚に基づいて、上記基板上に薄膜を形成する手段と、
を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項８】
基板表面の加工装置において、
基板表面の加工面の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射する手段と、
基板表面からの反射光と、上記加工面からの反射光とを干渉させて加工深さを測定する手段と、
上記加工深さを測定する手段により測定される加工深さに基づいて、上記基板表面を加工する手段と、
を備えることを特徴とする基板表面の加工装置。
【請求項９】
基板表面に薄膜を形成する薄膜形成方法において、
基板表面に形成された膜の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射し、
基板表面からの反射光と、上記膜の表面からの反射光とを干渉させて膜厚深さを測定し、
上記膜厚深さの測定結果から処理の状況と、設定された膜厚の目標値との差を算出し、その結果に基づいて、薄膜形成処理条件を制御することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項１０】
基板表面に加工する基板表面加工方法において、
基板表面の加工面の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射し、
基板表面からの反射光と、上記加工面からの反射光とを干渉させて加工深さを測定し、  上記加工深さの測定結果から処理の状況と、設定された加工深さの目標値との差を算出し、その結果に基づいて、表面加工処理条件を制御することを特徴とする基板表面加工方法。
【請求項１１】
請求項７記載の薄膜形成装置において、基板の温度を放射赤外線強度により測定する温度測定手段を有し、放射赤外線強度測定領域が、測定する基板以外の放射赤外線発生領域からの放射赤外線が通過しない光路領域に設定されることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１２】
請求項８記載の基板表面の加工装置において、基板の温度を放射赤外線強度により測定する温度測定手段を有し、放射赤外線強度測定領域が、測定する基板以外の放射赤外線発生領域からの放射赤外線が通過しない光路領域に設定されることを特徴とする基板表面の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造、液晶表示素子製造等の微細薄膜パターンを組み合わせた素子の製造において、薄膜を形成する成膜処理、形成した薄膜の平坦化処理、薄膜に微細パターンを形成するエッチング処理、などの成膜、加工処理状況を測定し、モニタする装置、測定及びモニタ装置を組み込んだ膜厚、加工深さ測定装置、これら装置による測定及びモニタ方法および成膜、加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造、液晶表示素子製造に用いられる成膜処理、平坦化処理、微細パターン形成処理では、膜厚の変化、微細パターンの処理進行状況を正確に求め、設定通りの処理を実現することが重要である。これらの処理における膜厚、微細パターンの処理進行状況の測定には光を用いた干渉方法が広く用いられている。
【０００３】
これらの従来技術としては、干渉により微細パターン形成の終了を検出するエッチング終点検出装置が特開平８−２９２０１２号公報に示されている。
【０００４】
また、基板上に形成された膜厚を干渉により測定する方法が特開平１１−１５３４１６号公報に示されている。また、基板表面の平坦化処理における膜厚測定方法が特開平７−４９２１号公報に示されている。つまり、この特開平７−４９２１号公報に記載の技術は、半導体ウエハのポリシング中に膜厚を測定可能な膜厚測定に関して記載されており、膜厚い測定中に、基板を透過する波長の測定光を基板に照射し、この測定光が基板を透過してから反射する反射光に基づいて薄膜の厚さを測定するものである。
【０００５】
また、処理基板の温度測定については、特開平１０−１１１１８６号公報にフィルタを用いた放射赤外線による温度測定の高精度化が示めされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術である特開平８−２９２０１２号公報に示されたエッチング終点検出装置では、処理室内を通して処理基板の表面状況を測定するために、処理室内の状況、観測する測定窓の内壁面の状況が処理を重なるに従い変化し、その変化が測定結果に影響するため高精度な測定及びモニタリングが難しいという問題があった。
【０００７】
また、特開平１１−１５３４１６号公報や特開平７−４９２１号公報に示されているような、処理基板の裏面から表面の処理状況を測定する従来技術では、基板裏面からの反射光の影響が大きく、基板表面の状況を測定する基板表面からの反射光を精度良く検出することが難しいという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、処理の進行状況を処理室内の状況による影響を受けずに膜厚、加工深さを測定するとともに、基板表面の状況を測定する基板表面からの反射光を選択的に検出し、基板表面の高精度な測定を可能にする膜厚又は加工深さ測定及びモニタ装置を実現することである。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、基板表面の高精度な測定及びモニタ装置を組み込んだ成膜、加工測定装置を実現すること、これらのモニタ装置を用いた高精度な成膜加工方法を実現することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）基板表面に形成された膜の膜厚又は基板表面に加工された加工面の深さを光学的干渉手段により測定する膜厚、加工深さ測定装置において、基板表面に形成された膜又は加工面の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射する手段と、基板表面からの反射光と、上記膜の表面又は上記加工面からの反射光とを干渉させて膜厚又は加工深さを測定する手段と、を備える。
【００１１】
（２）好ましくは、上記膜厚、加工深さ測定装置において、上記測定光は、複数の波長を有し、波長ごとの干渉結果から、膜厚又は加工深さを測定する手段を備える。
【００１２】
（３）基板表面に形成された膜の膜厚又は基板表面に加工された加工面の深さを光学的干渉手段により測定する膜厚、加工深さ測定装置において、基板表面に形成された膜又は加工面の界面で全反射する条件で測定光を基板裏面から照射する手段と、照射する手段からの上記測定光に対して、基板の裏面に入射する入射角の差による基板中を通過する光路の差が、入射光の波長以上となる範囲で入射角が異なる測定光を照射する手段と、基板表面からの反射光と、上記膜の表面又は上記加工面からの反射光とを干渉させて膜厚又は加工深さを測定する手段とを備える。
【００１３】
（４）好ましくは、上記（３）において、上記測定光は、複数の波長を有し、波長ごとの干渉結果から、膜厚又は加工深さを測定する手段を備える。
【００１４】
（５）基板表面に形成された膜の膜厚を光学的干渉手段により測定する膜厚測定装置において、単一の光源からの光を反射手段により反射させて、基板表面に形成された膜の表面で全反射する条件の測定光と、膜と基板との界面で全反射する条件の測定光として、基板裏面から照射する手段と、膜の表面からの反射光と、膜と基板との界面からの反射光とを干渉させて、膜厚を測定する手段とを備える。
【００１５】
（６）好ましくは、上記（５）において、上記測定光は、複数の波長を有し、波長ごとの干渉結果から、膜厚を測定する手段を備える。
【００１６】
（７）基板上に薄膜を形成する成膜装置において、基板表面に形成された膜の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射する手段と、基板表面からの反射光と、上記膜の表面からの反射光とを干渉させて膜厚深さを測定する手段と、上記膜厚深さを測定する手段により測定される膜厚に基づいて、上記基板上に薄膜を形成する手段と、を備える。
【００１７】
（８）基板表面の加工装置において、基板表面の加工面の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射する手段と、基板表面からの反射光と、上記加工面からの反射光とを干渉させて加工深さを測定する手段と、上記加工深さを測定する手段により測定される加工深さに基づいて、上記基板表面を加工する手段と、を備える。
【００１８】
（９）基板表面に薄膜を形成する薄膜形成方法において、基板表面に形成された膜の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射し、基板表面からの反射光と、上記膜の表面からの反射光とを干渉させて膜厚深さを測定し、上記膜厚深さの測定結果から処理の状況と、設定された膜厚の目標値との差を算出し、その結果に基づいて、薄膜形成処理条件を制御する。
【００１９】
（１０）基板表面に加工する基板表面加工方法において、基板表面の加工面の界面で全反射する条件で測定光を、基板裏面より照射し、基板表面からの反射光と、上記加工面からの反射光とを干渉させて加工深さを測定し、上記加工深さの測定結果から処理の状況と、設定された加工深さの目標値との差を算出し、その結果に基づいて、表面加工処理条件を制御する。
【００２０】
（１１）好ましくは、上記（７）において、基板の温度を放射赤外線強度により測定する温度測定手段を有し、放射赤外線強度測定領域が、測定する基板以外の放射赤外線発生領域からの放射赤外線が通過しない光路領域に設定される。
（１２）好ましくは、上記（８）において、基板の温度を放射赤外線強度により測定する温度測定手段を有し、放射赤外線強度測定領域が、測定する基板以外の放射赤外線発生領域からの放射赤外線が通過しない光路領域に設定される。
【００２１】
本発明によれば、処理室内の状況、観測する測定窓の内壁面の状況が変化し、測定結果に影響する問題に対しては、基板を載置するステージに基板の処理状況の測定機構を組み込み、基板の裏面から測定するようにした。これにより、処理を重ねることで付着量が増加する反応生成物等を、測定領域から排除することが可能となり、再現性の良い測定及びモニタリングができるようになった。
【００２２】
また、基板の裏面からの測定に対しては、裏面に照射する測定光が基板表面で全反射する入射角条件で測定をするようにした。これにより、基板表面からの反射光強度を高め、高精度な測定及びモニタリングができるようにした。さらに、基板裏面に照射する測定光の入射角度に広がりを与え、基板裏面からの反射光と基板表面からの反射光の干渉を低減した。これにより、基板表面からの反射光干渉強度変化を精度良く測定及びモニタリングできるようにした。
【００２３】
膜厚の測定においては入射角の広がりを制御して、膜の表面からの反射光と、膜と基板の界面からの反射光の割合を制御して反射光干渉強度を適正化し、精度良く測定及びモニタリングできるようにした。
【００２４】
処理基板の温度測定においてはプラズマや処理室内壁面からの放射赤外線が光学的に通過しない領域に処理基板からの放射赤外線検出機構を設けることにより、精度良く測定及びモニタリングできるようにした。
【００２５】
また、、測定及びモニタ装置を組み込んだ成膜、加工、エッチング装置については、基板を載置するステージに基板裏面から測定する測定及びモニタ装置を埋め込んだ構成とした。また、これらの装置をステージに複数埋め込み、基板の処理分布、処理状況を測定及びモニタできるようにした。さらに、これらの結果に基づき、処理条件を制御して最適な処理ができるようにした。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１、図２は、本発明の基本原理を説明する図であり、図３は、本発明の第１の実施形態の概略構成図である。
【００２７】
図１において、シリコン基板１の表面には、レジストマスク２がある部分があり、このレジストマスク２が無いシリコン基板表面３ではエッチング処理が進行している。
【００２８】
測定光４は、シリコン基板１とレジストマスク２との界面で全反射する条件で照射する。測定光５は測定光４と同じ入射角で照射し、シリコン基板表面３で全反射するように入射させる。
【００２９】
また、シリコン基板表面３の界面はシリコン基板１と真空との界面であり、シリコン基板１とレジストマスク２との界面に比べ屈折率が大きくなる。従って、シリコン基板１側から照射した測定光は、シリコン基板１とレジストマスク２との界面で全反射する条件であれば、シリコン基板表面３で必ず全反射する。
【００３０】
ここで、エッチング処理が進行しているシリコン基板表面３の深さ（レジスト膜２と基板１との界面から表面３までの基板１の厚み）を「ｄ」とし、シリコン基板１の屈折率を「ｎ」とし、シリコン基板１とレジスト膜２（真空）との界面に垂直な線と測定光４（５）とのなす角度を「α」とすると、測定光４の光路と測定光５の光路との光学的長さの差は、「２ｄｎ／ｃｏｓα」になる。
【００３１】
図２は、エッチングが進行したときの処理時間と、反射した測定光４、５の干渉による反射光強度の変化を示す図である。
測定光４、５の波長を「λ」とすると、測定光４の光路と測定光５の光路との光学的長さの差が「λ」の整数倍の条件では、検出する反射光の強度は、図２のピーク１０、ピーク１１に示す極大値となる。
【００３２】
また、測定光４の光路と測定光５の光路との光学的長さの差が「λ」の整数倍より「λ／２」大きいか小さい場合、検出する反射光の強度は、図２のピーク１２に示す極小値となる。
【００３３】
従って、隣り合う極小値と極大値の間でエッチングの進行した深さｄは「λｃｏｓα／ｎ」となり、エッチングを開始した点１３からの反射光強度変化のピークを識別することでエッチングされた深さｄを求めることができる。
【００３４】
測定光に波長１．４ミクロンの赤外光を用いた場合、極大、極小ピーク間のエッチング量は３７０ｎｍ程であり、検出の再現性が良ければ、反射光強度の初期値からの変化量により、ピーク間をさらに分割して識別し、１００ｎｍ以下の精度でエッチング深さｄを求めることができる。
【００３５】
シリコン基板１の裏面に照射した測定光の反射光には、先に説明したシリコン基板表面３からの反射光だけでなく、シリコン基板１の裏面からの反射光もあり、これも検出する反射光の強度変化に影響する。
【００３６】
シリコン基板１の場合、シリコン基板１の裏面からの反射光量は、照射した測定光の光量の３０％にも達し、これがエッチング面からの反射光と干渉して、先に説明したエッチングの進行に伴う反射光の強度変化と位相がずれて変化するため、高精度なエッチング深さｄの検出が難しくなる。
【００３７】
そこで、本発明では、このシリコン基板１の裏面からの反射光の影響を低減するため、測定光に、図１に示す測定光６、測定光７の入射角を、それぞれ異なる角度θ１、θ２として、ばらつきを持たせるようにした。
【００３８】
測定光６、測定光７の各入射角での全反射する反射角を「θ１Ｒ、θ２Ｒ」とし、シリコン基板１の厚さを「ｄ０」とすると、測定光６と測定光７との光学的長さの差は「２ｄ０・ｎ（１/ｃｏｓθ１Ｒ−１/ｃｏｓθ２Ｒ）」で表される。
【００３９】
シリコン基板１の厚さは、通常５００ミクロン以上あり、エッチング深さ１ミクロンでのエッチング深さ測定への影響が０．０１ミクロン以内になる入射角ばらつきの条件で光学的長さの差は約５ミクロンである。
【００４０】
これは、先に一例で示した波長１．４ミクロンの赤外光を測定光として用いた場合、波長の約３倍になる。この事はシリコン基板１の裏面での反射光６ａ、７ａに対し、エッチング面（レジストマスク２とシリコン基板１との境界面）からの反射光６ｂ、７ｂは、位相が６πの範囲でランダムにずれていることを意味し、これらの反射光６ｂ、７ｂの干渉による強度変化を大幅に低減できる。
【００４１】
これにより、検出される反射光の強度変化は、シリコン基板１の表面とレジストマスク２との界面からの反射光と、エッチングが進行するシリコン基板１の表面３からの反射光との干渉が主になり、高精度な検出が可能になる。
【００４２】
次に、図３を用いて、以上説明した本発明の原理に基づき構成した測定及びモニタ装置について説明する。
図３において、光源１５は、１ミクロンから３ミクロンの波長の赤外光を発生する光源である。光源１５からの光（測定光）は、レンズ１６により、ほぼ平行なビームとなった後に、絞り１７及びレンズ１８を通過し、ミラー１９で反射されてシリコン基板１の裏面近くに焦点を結ぶように照射される。
【００４３】
シリコン基板１に照射された測定光のシリコン基板１からの反射光は、図１で説明した原理により反射される。そして、シリコン基板１からの反射光は、ミラー２０により反射され、レンズ２１により分光器２２に入射し、この分光器２２は入射した測定光の波長毎の反射光強度を検出する。分光器２２の検出結果は、エッチング深さ算出装置２３に送られ、エッチング深さを算出してエッチングの終点等を求める。
【００４４】
次に、図３に示した各部分の動作について説明する。
シリコン基板１に照射する測定光の入射角θｉｎは、ミラー１９の角度を調整し、シリコン基板１の表面とレジストマスクとの界面で、入射光の広がり角を含めて、全反射する条件に合わせる。入射角を中心にした入射光の広がり角調整は、絞り１７により照射光のビーム径を変えて調整する。
【００４５】
シリコン基板１からの反射光はミラー２０でレンズ２１を通るように反射され、分光器２２に集められる。分光器２２では図４に示すように波長ごとの反射光強度変化が測定される。
【００４６】
図１による原理説明では単一波長による干渉を説明したが、複数の波長の光を用いた場合、各波長の光に対して同じ干渉現象が起きている。光に関しては重ね合わせの原理が成り立つため、分光器で波長毎に分けることにより、各波長の干渉状況を測定する事ができる。
【００４７】
エッチング深さ算出装置２３では、まず、図４に示す分光器の測定結果から反射光強度のピーク位置と波長の関係を求める。つまり、図４を参照して説明すると、１つのピークの波長をλ１、その隣の波長が長い側のピークの波長をλ２とすると、この各ピークでは干渉する光路の差は同じであるため、「ｉ」を整数とすると「ｉ＊λ１＝（ｉ−１）＊λ２」なる関係が成り立つ。
【００４８】
これにより、「ｉは、λ２/（λ２−λ１）に最も近い整数」で表すことができる。そして、測定光がシリコン基板１の表面で全反射する角度を図１と同じ「α」とすると、エッチング深さ「ｄ」は、「ｄ＝ｉ＊λ１＊ｃｏｓα/（２＊ｎ）」で求めることができる。したがって、エッチング深さ算出装置２３では、この式「ｄ＝ｉ＊λ１＊ｃｏｓα/（２＊ｎ）」に基づき、エッチング深さｄを算出する。
【００４９】
本発明の第１の実施形態のように、複数の波長の光を用いる場合、エッチングが進行せず、停止している状態でもエッチング深さｄの絶対値を求めることができる。従って、設定されたエッチング深さｄをが単一波長を用いた方式より高精度に測定できる。
【００５０】
つまり、本発明の第１の実施形態によれば、処理の進行状況を処理室内の状況による影響を受けずに膜厚、加工深さを測定するとともに、基板表面の状況を測定する基板表面からの反射光を選択的に検出し、基板表面の高精度な測定を可能にする膜厚又は加工深さの測定及びモニタ装置を実現することができる。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態の構成を、図５を参照して、以下に説明する。
図５において、円筒状のホルダ２５にはレンズ２６、遮光板２７ａ、遮光板２７ｂ、絞り２８、反射ブロック２９、投光受光部３０が組み込まれている。また、反射ブロック２９は、光学用ガラスで作られており、面２９ａには反射膜がコーティングされており、反射ブロック２９の内部から、この面２９ａに入射した光は反射される構成となっている。
【００５２】
レンズ２６、遮光板２７ａ、２７ｂ、絞り２８、反射ブロック２９、投光受光部３０は、ホルダ２５と同軸に構成されている。投光受光部３０は、光源３１、分光器３３と、ライトガイド３２、３３で接続されており、光源３１からの測定光を、投光受光部３０から円筒状ホルダ２５内に照射できるとともに、円筒状ホルダ２５から投光受光部３０に戻ってきた反射光を、分光器３３に送る構造になっている。
【００５３】
光源３１は、図３に示した実施形態と同じく１ミクロンから３ミクロンの波長の赤外光を放射する特性の光源を用いている。
【００５４】
投光受光部３０から照射された測定光は、レンズ２６により平行ビームより僅かに集光する角度に調整される。次に、遮光板２７ａ、２７ｂ及び絞り２８により、リング状で光の幅が次第に薄くなる光路３５に示すリング状のビーム光を作る。このリング状のビーム光３５は反射ブロック２９に入り、反射面２９ａで反射されてシリコン基板１に入射する。
【００５５】
このシリコン基板１への入射角度の設定は、反射面２９ａの角度で設定できる。本発明の第２の実施形態では、測定対象の基板をシリコン基板１に限定し、シリコン基板１への測定光の入射角は固定としている。この測定光の入射角の広がりは、リング状ビームを作るレンズ２６の位置、遮光板２７ａ、２７ｂ及び絞り２８の寸法により、リング状の光の幅の変化割合を調整することにより、調整することができる。
【００５６】
このように、入射角と、入射角の広がりとを調整した測定光を、シリコン基板１に照射する。反射光は、照射光とは逆の経路を通り、投光受光部３０に入射し、分光器３３に送られる。これ以後のエッチング深さｄの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００５７】
なお、測定系と処理室内の真空シールは、反射ブロック２９とホルダ２５との間に設けたＯリング３６およびホルダ２５の外周に設けた図示しないＯリングにより行っている。
【００５８】
次に、第２の実施形態を用いたエッチング装置、およびエッチング処理方法について図６を参照して説明する。
図６において、処理室４０には、ステージ電極４１、対向電極４２が設けられており、ステージ電極４１上にシリコン基板１を配置してエッチング処理が行われる。
【００５９】
ステージ電極４１は、絶縁板４４により処理室４０の底面や側壁と絶縁され、８００ｋＨｚの高周波バイアス電源４５が接続されている。ステージ電極４１の内には冷却用の冷媒を流す流路４６が形成されており、サーキュレータ４７により温度制御した冷媒を流す構成となっている。
【００６０】
また、ステージ電極４１内には第２の実施形態で説明した図５に示す構成のモニタ装置４８ａ、４８ｂ、４８ｃの他、図示しない２個を含め、外周４ヶ所、中心１ヶ所の計５個のモニタ装置が組み込まれている。組み込んだモニタ装置は第２の実施形態で説明したように、Ｏリングでシールし、冷媒の流路４６や処理室外からのリークが無いようにしている。
【００６１】
ステージ電極４１の表面には図示しない静電吸着機構が設けてあり、シリコン基板１を吸着し、シリコン基板１とステージ電極４１との間にヘリウムガスを入れ、シリコン基板１を精度良く温度制御するようになっている。
【００６２】
対向電極４２は、絶縁板４９により、処理室４０の上面や側壁と絶縁されており、対向電極４２の中心部分４２ａは、この対向電極４２の外周部分と絶縁板４９ａで相互に絶縁されている。そして、対向電極４２の外周部分には６８ＭＨｚの高周波電源５０ｂが接続されており、中心部分４２ａには４０ＭＨｚの高周波電源５０ｂが接続されている。
【００６３】
また、対向電極４２には、図示しないエッチングガスの供給部があり、設定量のエッチングガスを流しながら、排気口４３より排気して処理室４０内を設定圧力に保つようになっている。
【００６４】
処理室４０内に設定流量のエッチングガスを流し、設定圧力にし、シリコン基板１の温度を設定温度にして高周波電源５０ａ、５０ｂより設定された高周波電力を供給して、ステージ電極４１と対向電極４２との間にプラズマを発生させ、高周波バイアス電源４５より設定された高周波バイアス電力を供給してエッチングを開始させる。
【００６５】
モニタ装置４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、他の２個のモニタ装置でシリコン基板１の５点のエッチング深さｄを測定し、エッチングの分布とエッチング深さｄの時間変化からエッチン速度を算出する。そして、エッチングの分布、エッチング速度が設定よりずれた場合には、高周波電源５０ａ、５０ｂの電力比、電力レベルを制御して、エッチングの分布、エッチング速度が設定範囲に入るように制御する。
【００６６】
以上のように、処理基板１を配置するステージ電極４１に複数の測定及びモニタ装置を組み込むことでエッチングの分布、エッチング速度をモニタでき、その結果に基づき、目的の設定範囲で処理が完了するように制御できるとともに、エッチングの完了点を高精度に検出し、再現性の良いエッチング処理を行うことができる。
【００６７】
本発明の第２の実施形態による測定及びモニタ装置は、ステージ電極４１の内部に組み込まれ、エッチング処理中は、その測定表面は、処理基板１でカバーされるとともに、清浄な冷却用ヘリウムガスが処理基板１とステージ電極４１との間に充填される。
【００６８】
これにより、処理中のプラズマで発生した反応生成物が、測定及びモニタ装置の測定表面に付着することがなく、長期間安定したモニタが可能である。また、対向電極４２に測定用の開口部分を設ける必要が無く、開口部分での塵埃の発生、放電の異常等が起こることもなく安定な処理ができる。
【００６９】
そのほか、本発明の第２の実施形態による測定及びモニタ装置では、全反射光を測定しているため、プラズマ、対向電極４２からの赤外光は、全反射する光路には入らず、これら外部からの外乱光の影響も少なく、高精度な測定ができる。さらに、本発明の第２の実施形態では、ステージ電極４１に組み込む部分は光学系のみであり、高周波バイアス等の影響を受けない。
【００７０】
次に、成膜処理における膜厚測定原理を図７を参照して説明し、その原理に基づく本発明の第３の実施形態による測定及びモニタ装置の構成を図８に示し、このモニタ装置を組み込んだＣＶＤ装置の実施形態の構成を図９に示す。
【００７１】
図７は、シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜６１が形成された状態を示している。図７において、シリコン基板１の下には測定用の光学ガラスブロック６２が密着している。膜厚の測定ではシリコン基板１とシリコン酸化膜６１との界面で反射した測定光と、シリコン酸化膜６１と成膜が進行する処理室内との間の界面で反射した測定光とを干渉させる必要がある。
【００７２】
シリコン基板１の屈折率を３．５、シリコン酸化膜６１の屈折率を１．５、光学ガラスブロック６２の屈折率を１．７とすると、測定光６３のように、シリコン基板１とシリコン酸化膜６１との界面で全反射がおきはじめる角度θ３Ｒは約２５度であり、光学ガラスブロック６２からシリコン基板１への入射角度θ３は約６２度となる。
【００７３】
測定光６４のように、シリコン酸化膜６１まで進入し、全反射するようになる条件は、シリコン酸化膜６１と処理室内との界面への入射角度θ４Ｒが約４２度であり、光学ガラスブロック６２からシリコン基板１への入射角度θ４は約３６度となる。
【００７４】
したがって、入射角が３６度より大きく、６２度より小さい入射角の測定光はシリコン酸化膜６１まで進行して全反射し、入射角が６２度より大きい条件ではシリコン基板１とシリコン酸化膜６１との間で全反射する。
【００７５】
本発明の例では、シリコン基板１とシリコン酸化膜６１との界面で全反射が始まる角度θ３Ｒを得るシリコン基板１への入射角θ３を境界として、これより大きい角度と小さい角度の入射角で測定光を照射するようにしている。
【００７６】
角度θ３より入射角が小さい入射光は、酸化シリコン膜６１にまで入射して反射され、θ３より入射角が大きい入射光はシリコン基板１とシリコン酸化膜６１との界面で反射される。
【００７７】
このように、シリコン基板１とシリコン酸化膜６１との界面、シリコン酸化膜６１と処理室との界面の、両界面からの反射光を得るために、本発明の第３の実施形態では、測定光の入射角に広がりを持たせ、角度θ３より入射角が大きい測定光の光量と、角度θ３より入射角が小さい測定光の光量との割合を制御することで、反射光の干渉による強度変化を最適化し、高精度な膜厚測定ができるようにした。
【００７８】
膜厚の算出の基本原理は、上述したエッチング深さｄの算出と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７９】
ここで、シリコン酸化膜６１の厚さをｔ、シリコン酸化膜６１と処理室内の界面での反射角をβ、測定光の波長をλ、シリコン酸化膜６１の屈折率をｎｓｉｏとする干渉により生じる反射強度の隣り合う極大値、極小値間で、シリコン酸化膜６１の厚くなった量は、「λｃｏｓβ／ｎｓｉｏ」となり、成膜を開始した点からの反射光強度変化のピークを識別することで成膜したシリコン酸化膜６１の厚さｔを求めることができる。
【００８０】
複数波長の測定光を照射し、波長ごとの干渉強度変化から膜厚を算出する方法も第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８１】
シリコン基板１と光学ガラスブロック６２との界面で反射する反射光の影響の低減は、図１で説明した入射角に広がりを持たせることによる影響低減と同じ原理による。また、膜厚測定では入射光の広がりに、シリコン酸化膜６１の両面から反射する光量制御という機能と、表面反射光の影響低減という機能を合わせて持たせている。
【００８２】
図８は、本発明の第３の実施形態による実用的な膜厚測定及びモニタ装置の構成を示す図である。
図８において、円筒状のホルダ６８には、円筒の内部にレンズ６９、遮光板７０、絞り７１、吸収ブロック７２、レンズブロック７３、投光受光部７４が組み込まれている。
【００８３】
また、投光受光部７４には、ライトガイド７７ａ、７７ｂを通して、１ミクロンから３ミクロンの波長の赤外光を放射する特性の光源７５と、赤外光検出センサを組み込んだ分光検出器７６とが接続されている。
【００８４】
光源７５から照射され、ライトガイド７７ａを通り、投光受光部７４から照射された測定光は、レンズ６９により平行なビームとなり、遮光板７０、絞り７１により円筒状のビーム７８を形成する。この円筒状のビーム７８はレンズブロック７３により集光され、シリコン基板１の表面に焦点を結ぶようにシリコン基板１に入射される。
【００８５】
シリコン基板１への測定光の入射角は、円筒状ビーム７８の平均径「（外径＋内径）／２」を遮光板７０と、絞り７１とにより調整する。また、入射する測定光の広がりは、同じく遮光板７０と、絞り７１とにより、円筒状ビーム７８の内径と外径との寸法差により調整する。
【００８６】
シリコン基板１に照射された測定光は、入射したのと逆の経路で投光受光部７４に入り、ライトガイド７７ｂを通って分光器７６に入る。検出結果からの膜厚算出は、図７で説明した通りである。
【００８７】
本発明の第３の実施形態では、膜厚測定のほかにシリコン基板１からの放射赤外線を測定し、基板１の温度を測定する機能も設けている。プラズマ、対向電極から放射される赤外線は、シリコン基板１を通過するが、図７に示す全反射条件から、入射角θ４より小さな角度範囲の入射角の赤外線がシリコン基板１を通過するだけである。
【００８８】
全反射させる測定光の入射角は、角度θ４より大きな角度に設定されており、測定光の光路と、プラズマ、対向電極から放射される赤外線とは完全に分離される。そして、プラズマ、対向電極から放射される赤外線は、吸収ブロック７２により吸収される。
【００８９】
ところで、シリコン基板１は、その温度に応じた赤外線量を放射する。シリコン基板１の温度測定の課題は、シリコン基板１が赤外線を透過するためプラズマ、対応電極等からの放射赤外線も合わせて測定してしまうために高精度な温度測定ができない点にある。
【００９０】
本発明の第３の実施形態では、測定光の反射光を検出する領域が、プラズマ、対応電極等からの放射赤外線が通らない領域に設けてあるために、測定光の光源をオフとすることにより、測定される赤外線は、シリコン基板１から放射される赤外線だけとなり、高精度な温度測定が可能となる。
【００９１】
また、円筒状のホルダ６８には冷却用冷媒の流路７９があり、円筒状のホルダ６８からの赤外線を低レベルに安定化できるようになっている。
【００９２】
図９は、上述した本発明の第３の実施形態による測定及びモニタ装置を組み込んだプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。このプラズマＣＶＤ装置について、以下に説明する。
【００９３】
図９において、処理室８０にはステージ電極８１と、対向電極８２とが設けられている。そして、ステージ電極８１は絶縁板８３により処理室８０の底面等と絶縁され、このステージ電極８１の内部には、基板加熱用ヒータ８４、および図８で説明した膜厚測定装置８５が組み込まれている。
【００９４】
また、ステージ電極８１には高周波バイアス電源８６から高周波電圧が印加される構成になっており、プラズマ発生時に処理基板１に入射するイオンのエネルギーを制御する。
【００９５】
また、ヒータ８４には電源８７から電力が供給され、ステージ電極８１の温度を常温から４００℃まで制御できる。そして、膜厚測定装置８５には光源８８と検出器８９とが接続され、さらにホルダ６８の冷媒流路７９に冷媒を流すサーキュレータ９０が接続されている。
【００９６】
対向電極８２は、絶縁板９１により処理室８０の上面等と絶縁され、この対向電極８２の内部には処理ガス供給部９２が設けられている。また、対向電極８２には高周波電源９３が接続されており、高周波電力の供給によりステージ電極８１と対向電極８２との間にプラズマを発生させることができるように構成されている。
【００９７】
処理ガス供給部９２より設定流量の処理ガスを処理室８０内に供給して、排気口９４から排気し、処理室８０内の圧力を設定圧力に制御できるようになっている。
【００９８】
次に、この図９に示した実施形態における動作を説明する。
処理室８０内に処理ガス供給部９２から、有機シランと、酸素と、アルゴンガスとを混合した処理ガスを流し、圧力を設定圧力に制御して、対向電極８２に高周波電源９３から高周波電力を供給することで、プラズマを発生させ、処理ガスを分解してシリコン基板１上に酸化シリコン膜を形成する。
【００９９】
そして、膜厚測定装置８５により、成膜された酸化シリコン膜の膜厚を測定し、膜厚が設定厚さに達した時点で高周波電源９３の出力を停止し、放電を停止させる。
【０１００】
さらに、成膜処理中に膜厚測定装置８５でシリコン基板１からの放射赤外線を測定してシリコン基板１の温度を求め、電源８７の出力を制御して設定温度になるように制御する。
【０１０１】
また、膜厚測定装置８５では、反射した赤外光の吸光特性から成膜中の酸化シリコン膜の膜質を評価し、目的の膜質に合っていない場合には、ステージ電極８１に印加する高周波バイアス電力を制御して膜質が設定された範囲に入るように制御する。
【０１０２】
なお、成膜処理においても、エッチング処理と同様に、膜厚測定及びモニタ装置を複数組み込み、成膜中の膜厚分布を測定し、その結果に基づき、処理ガスの流量を制御して、膜厚分布を設定された条件に入るように、制御することができる。
【０１０３】
以上のように、本発明の第３の実施形態によるＣＶＤ装置では、成膜中の膜厚を処理中に測定できるとともに、測定面がシリコン基板１の裏面であるため、測定面に膜が付着することもなく、安定して精度良く膜厚を測定できる。さらに、成膜中のシリコン基板１の温度、成膜中の膜の膜質も測定でき、膜質、膜厚共に設定された条件の膜を再現性良く成膜できる。
【０１０４】
次に、シリコン基板１の表面に形成した酸化シリコン膜の表面を平坦に処理する研磨加工処理を実行する平坦化研磨装置に、本発明の第３の実施形態である測定及びモニタ装置を適用した場合の例を図１０に示す。
【０１０５】
なお、膜厚測定の原理、測定及びモニタ装置の構成は、図８に示した第３の実施形態と同様である。
図１０において、平坦化研磨装置は、下回転テーブル１００と、上回転テーブル１０１とからなり、下回転テーブル１００の上面にはクロス１０２が貼り付けてある。下回転テーブル１００、上回転テーブル１０１は、図示しない駆動機構により図中の矢印方向に回転するようになっている。
【０１０６】
また、上部回転テーブル１０１のシャフトには軸制御部１０３が有り、シリコン基板１の研磨分布を制御できるようになっている。
【０１０７】
上回転テーブル１０１にはシリコン基板１の裏面を真空吸着する手段と、膜厚測定装置８５とが組み込まれている。
【０１０８】
上回転テーブル１０１にシリコン基板１の裏面を吸着させると、シリコン基板１の裏面は膜厚測定装置８５の測定面に密着するように調整されている。膜厚測定装置８５は、中央部分の一箇所と、円周上の４ヶ所との計５個が上回転テーブル１０１に組み込まれている。
【０１０９】
シリコン酸化膜が表面に形成されたシリコン基板１を上回転テーブル１０１に吸着させ、膜厚測定装置８５でシリコン基板１に形成されたシリコン酸化膜厚を測定する。そして、クロス１０２に、図示しない研磨剤供給手段から研磨剤を供給して、下回転テーブル１００と、上回転テーブル１０１とを回転させながらシリコン基板１の加工面をクロス１０２に押し付けることによって、シリコン基板１を研磨する。
【０１１０】
膜厚測定装置８５では、膜厚を連続して測定し、シリコン基板１上の各位置での膜の削れ速さ、残膜厚を算出し、シリコン酸化膜厚が均等に、かつ設定された膜厚に加工できるように、軸制御部１０３で上回転テーブル１０１をクロス３に押し付ける力、シャフトの傾き等を制御する。
【０１１１】
以上説明したように、本発明を適用した膜厚、エッチングによる加工深さ測定及びモニタ装置は、測定時に成膜、加工処理の影響を受け難く、高精度で再現性の良い膜厚又は加工深さ測定及びモニタリングが可能である。
【０１１２】
なお、上述した実施形態では、シリコン基板１を中心に説明したが、これに限定されるものではなく、液晶表示素子等のディスプレイ用ガラス基板での成膜、加工や磁気ヘッドの成膜、加工等、薄膜を用いたものであれば本発明は適応可能である。その場合、測定対象の基板、膜の物性により、用いる光の波長を選択する必要があることは言うまでもない。
【０１１３】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜、平坦化処理における膜厚、エッチング処理における加工深さ、およびこれら処理中の基板温度等を、良好な再現性で高精度に測定することができる。
【０１１４】
これにより、薄膜微細パターンを設定通りの仕様に高精度に制作できるため、薄膜微細パターンを用いた半導体素子、液晶表示素子等の性能、信頼性を向上できるという効果がある。
【０１１５】
つまり、処理の進行状況を処理室内の状況による影響を受けずに膜厚、加工深さを測定するとともに、基板表面の状況を測定する基板表面からの反射光を選択的に検出し、基板表面の高精度な測定を可能にする、膜厚又は加工深さの測定及びモニタ装置を実現することができる。
【０１１６】
また、基板表面の高精度な測定及びモニタ装置を組み込んだ成膜、加工装置を実現すること、これらの測定及びモニタ装置を用いた高精度な成膜加工方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるエッチング加工深さを測定する原理を説明する図である。
【図２】図１の原理で測定した検出信号波形モデルを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるエッチング加工深さ測定装置の光学系の概略構成図である。
【図４】図３に示す実施形態における検出信号波形モデルを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるエッチング加工深さ測定装置の概略構成図である。
【図６】図５で示したエッチング加工深さ測定装置を組み込んだエッチング装置の断面構造を示す図である。
【図７】本発明における成膜加工膜厚を測定する原理を説明する図である。
【図８】本発明の第３の実施形態である成膜加工膜厚測定装置および基板温度測定装置の概略構成図である。
【図９】図８で示した成膜加工膜厚測定装置を組み込んだＣＶＤ装置の断面構造を示す図である。
【図１０】図８で示した成膜加工膜厚測定装置を組み込んだ平坦化研磨装置の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１              シリコン基板
２              レジストマスク
３              シリコン基板表面
４、５          測定光
６、７          測定光
１５            光源
１６            レンズ
１７            絞り
１８            レンズ
１９            ミラー
２０            ミラー
２１            レンズ
２２            分光器
２３            エッチング深さ算出装置
２５            円筒状ホルダ
２６            レンズ
２７ａ、２７ｂ  遮光板
２８            絞り
２９            反射ブロック
２９ａ          面
３０            投受光部
３１            光源
３２、３４      ライトガイド
３３            分光器
３６            Ｏリング
４０            処理室
４１            ステージ電極
４２            対向電極
４２ａ          中心部分
４３            排気口
４４            絶縁板
４５            高周波バイアス電源
４６            流路
４７            サーキュレータ
４８ａ〜４８ｃ  モニタ装置
５０ａ、５０ｂ  高周波電源
６１            シリコン酸化膜
６２            光学ガラスブロック
６３、６４      測定光
６９            レンズ
７０            遮光板
７１            絞り
７２            吸収ブロック
７３            レンズブロック
７４            投光受光部
７５            光源
７６            分光検出器
７７ａ、７７ｂ  ライトガイド
７９            冷媒流路
８０            処理室
８１            ステージ電極
８２            対向電極
８３            絶縁板
８４            ヒータ
８５            膜厚測定装置
８６            高周波バイアス電源
８７            電源
８８            光源
８９            検出器
９０            サーキュレータ
９１            絶縁板
９２            処理ガス供給部
９３            高周波電源
９４            排気口
１００          下回転テーブル
１０１          上回転テーブル
１０３          軸制御部
【図１】
0003774094.tif 000002
【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】
0003774094.tif 000007
【図７】
0003774094.tif 000008
【図８】
0003774094.tif 000009
【図９】
0003774094.tif 000010
【図１０】
0003774094.tif 000011