专利名称：温度测量方法
技术领域：
本发明涉及能够以非接触的方式对测量对象物(例如，半导体晶圆、液晶基板等) 的温度进行测量的温度测量方法、存储介质和程序。
背景技术：
从利用成膜、蚀刻等多种处理的结果准确地对形成在半导体晶圆上的膜、孔等的形状、物理性质等进行控制这一点考虑，准确地对被基板处理装置处理的被处理基板(例如，半导体晶圆)的温度进行测量也极其重要。因此，以往，以利用电阻温度计、用于对基材背面的温度进行测量的荧光式温度计等的测量法等各种各样的方法对半导体晶圆的温度进行测量。近年来，公知一种利用了低相干干涉计的温度测量技术，该低相干干涉计能够对以上述那样的以往的温度测量方法难以测量的半导体晶圆的温度进行直接测量。另外，在利用了上述的低相干干涉计的温度测量技术中，还提出了如下述这样的技术利用第1分束器将来自光源的光分支成温度测量用的测量光和参照光，并且，利用第2分束器将被分支出来的测量光分支成η个测量光而将η个测量光向η个测量点照射，对上述的η个测量光的反射光与参照光的被参照光反射部件反射的反射光之间的干涉进行测量，能够同时对多个测量点的温度进行测量(例如，参照专利文献1)。在该技术中，将来自光源的光照射于测量对象物，利用来自测量对象物的表面的反射光与参照光的反射光之间的干涉波、来自测量对象物的背面的反射光与参照光的反射光之间的干涉波求得测量对象物的从表面到背面的光路长度，利用该求得的光路长度对测量对象物的温度进行计算。专利文献1 日本特开2006-112826号公报然而，存在这样的问题在上述测量对象物上沉积有膜厚与使用光源的相干长度同等程度、或者膜厚小于使用光源的相干长度的薄膜时，由在该薄膜内的测量光的多重反射构成的干涉波重叠，观测到的干涉波的光路长度产生偏差，因此，不能对测量对象物的从表面到背面的准确的光路长度进行计算，不能对测量对象物的准确的温度进行监测。
发明内容
本发明是应对上述以往的情况而做成的，其目的在于提供一种即使在测量对象物上形成有薄膜的情况下也能够准确地对测量对象物的温度进行测量的温度测量方法、程序、存储介质。本发明的温度测量方法的特征在于，其包括以下工序将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点；对由基板的表面的反射光构成的第1干涉波、 由基板与薄膜之间的界面的反射光、薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量；对从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行计算；根据第2干涉波的强度对薄膜的膜厚进行计算；根据计算出来的薄膜的膜厚对基板的光路长度与计算出来的光路长度之间的光路差进行计算；根据计算出来的光路差对计算出来的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行校正；利用被校正的光路长度对测量对象物的测量点处的温度进行计算。本发明的存储介质是用于存储程序的计算机可读取的存储介质，该程序用于在温度测量装置中使计算机执行根据被受光部件接收到的反射光的干涉波对测量对象物的测量点处的温度进行测量的温度测量方法，该温度测量装置包括光源、用于将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点的传送部件、用于对被测量对象物反射的反射光进行接收的受光部件，其特征在于，程序使计算机作为如下述的部件进行动作对由被受光部件接收到的、基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由基板与形成在基板上的薄膜之间的界面的反射光、薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量的测量部件；对从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行计算的第1计算部件；根据第2干涉波的强度对薄膜的膜厚进行计算的第2计算部件；根据计算出来的薄膜的膜厚对基板的光路长度与计算出来的光路长度之间的光路差进行计算的第3计算部件；根据计算出来的光路差对计算出来的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行校正的校正部件；利用被校正的光路长度对测量对象物的测量点处的温度进行计算的第4计算部件。本发明的程序是用于在温度测量装置中使计算机执行根据被受光部件接收到的反射光的干涉波对测量对象物的测量点处的温度进行测量的温度测量方法，该温度测量装置包括光源、用于将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点的传送部件、用于对被测量对象物反射的反射光进行接收的受光部件，其特征在于，程序使计算机作为如下述的部件进行动作由被受光部件接收到的、基板的表面的反射光构成的第1 干涉波、由基板与形成在基板上的薄膜之间的界面的反射光、薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量的测量部件；对从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行计算的第 1计算部件；根据第2干涉波的强度对薄膜的膜厚进行计算的第2计算部件；根据计算出来的薄膜的膜厚对基板的光路长度与计算出来的光路长度之间的光路差进行计算的第3计算部件；根据计算出来的光路差对计算出来的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度进行校正的校正部件；利用被校正的光路长度对测量对象物的测量点处的温度进行计算的第4 计算部件。本发明能够提供一种即使在测量对象物上形成有薄膜的情况下也能够准确地对测量对象物的温度进行测量的温度测量方法、存储介质、程序。
图1是实施方式的温度测量装置的构成图。图2是温度计算部件的功能构成图。图3的(a) (b)是干涉波形的具体例(没有薄膜的情况)。图4的(a) (b)是干涉波形的具体例(具有薄膜的情况)。图5是在薄膜上发生的多重反射的示意图。图6是表示薄膜的膜厚与干涉强度之间的关系的图。图7是表示干涉强度比与薄膜的利用干涉强度比计算出来的膜厚的蚀刻时间依存的图。图8是表示利用干涉强度比计算出来的膜厚和乖离值的图。图9是表示膜厚与干涉波的偏移量之间的关系的图。
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图10是表示温度测量装置的动作的流程图。图11是表示实施例1的光路长度测量结果的图。图12是表示实施例2的温度测量结果的图(有校正)。图13是表示比较例1的温度测量结果的图(无校正)。图14是实施方式的变形例的温度测量装置100A的构成图。图15是受光部件的构成图。图16是温度计算部件的功能构成图。图17是表示DFT处理后的信号的图。图18是表示校正后的光路长度与温度之间的关系的图。
具体实施例方式下面，参照附图详细说明本发明的各实施方式。另外，在本说明书和附图中，对于实质上具有相同的功能结构的构成要素，标注相同的附图标记而省略重复的说明。另外，将来自光源的光的入射侧定义为表面。另外，作为测量对象物，以形成有薄膜的半导体晶圆为例进行了说明，但测量对象物不限于半导体晶圆。另外，在半导体晶圆中，采用了形成有氧化硅膜(3102膜)作为薄膜的半导体晶圆，但薄膜不限于氧化硅膜，也可以是其他的膜(例如，氮化硅膜(Si3N4)、抗蚀剂膜、树脂类膜、金属(Cu、Al、W、Ti、Ta)膜等)。(实施方式)图1是本实施方式的温度测量装置100的构成图。实施方式的温度测量装置100 包括光源Iio ；分束器120，其将来自光源110的光分支成温度测量用的光(测量光)和参照光；准直光纤F1，其将测量光向作为测量对象物的形成有薄膜(S^2膜)T的半导体晶圆(基板)w的测量点P传送；参照光反射部件130，其用于将来自分束器120的参照光反射；准直光纤F2,其将被分束器120分支出来的参照光传送到参照光反射部件130 ；光路长度改变部件140，其用于使从参照光反射部件130反射的参照光的光路长度改变；信号处理装置150，其根据由测量光的反射光和参照光的反射光构成的干涉波形对测量点P的温度进行测量。信号处理装置150包括受光部件151和温度计算部件152。只要能够对测量光与参照光之间的干涉进行测量，光源110就能够使用任意的光，但在本实施方式中，因为对半导体晶圆W的温度进行测量，所以优选至少来自半导体晶圆W的表面与背面的反射光不产生干涉那样程度的光(半导体晶圆W的表面与背面之间的距离通常为800 μ m 1500 μ m左右)。具体而言，优选使用低相干光。所谓的低相干光是指相干长度较短的光。优选低相干光的中心波长为能透过作为半导体晶圆W的主要成分的硅(Si)的IOOOnm以上。另外， 优选相干长度较短。分束器120为例如光纤耦合器。但是，不限于光纤耦合器。分束器120只要是能够分束出参照光和测量光的分束器即可，也可以使用例如光波导路型分波器、半透镜等。参照光反射部件130能够使用例如三面直角棱镜(prism of corner cube)、平面镜等。在上述的参照光反射部件中，如果也鉴于反射光的与入射光的平行性这一点，则优选使用三面直角棱镜。但是，只要能够反射参照光，则不限于上述的参照光反射部件，也可以由例如延迟线(delay line)等构成。
光路长度改变部件140由马达等驱动部件构成，该马达等驱动部件用于将参照光反射部件130向与参照光的入射方向平行的单方向驱动。这样，通过将参照光反射部件130 向单方向驱动，能够使从参照光反射部件130反射的参照光的光路长度变化。受光部件151对被半导体晶圆W的测量点P反射的测量光和被参照光反射部件 130反射的参照光的反射光进行接收，并转换成电信号。作为受光部件151，能够使用各种传感器，但在以Si为主要成分的半导体晶圆W的情况下，由于使用波长为IOOOnm以上的光作为测量光，因此，优选由使用了对波长800nm 1700nm的光具有感度的InGaAs元件的传感器构成。温度计算部件152为例如计算机(computer)等，根据被受光部件151检测到的反射光的干涉波形，具体而言，根据干涉波的波峰间的光路长度对半导体晶圆W的温度进行测量。图2是表示温度计算部件152的功能的构成图。温度计算部件152包括信号获取部件201、光路长度计算部件202、膜厚计算部件203、偏移量计算部件204、光路长度校正部件205、温度运算部件206。利用温度计算部件152所具有的硬件(例如，HDD、CPU、存储器等)实现图2所示的功能。具体而言，通过CPU执行HDD或者存储器所存储的程序来实现。 另外，对于图2所示的各构成的动作，在下述的“温度测量装置100的动作”中进行说明。(测量光与参照光之间的干涉波形的具体例)在此，说明利用温度测量装置100的受光部件151得到的干涉波形的具体例和温度测量方法。另外，在说明中，对在半导体晶圆W上未形成薄膜T的情况进行说明之后，对在半导体晶圆W上形成有薄膜T的情况及其问题点进行说明。(未形成薄膜的情况)图3表示利用温度测量装置100的受光部件151得到的干涉波形的具体例。图3 是表示测量光被照射到半导体晶圆W的情况下的测量光与参照光之间的干涉波形的图。图 3的(a)是表示温度变化前的干涉波形的图、图3的(b)是表示温度变化后的干涉波形的图。在图3中，纵轴取为干涉强度、横轴取为参照光反射部件130(例如参照反射镜)的移
动距离。根据图3的(a)、(b)，使参照光反射部件130向单方向扫描时，首先，出现半导体晶圆W的表面与参照光之间的干涉波A，接着，出现半导体晶圆W的背面与参照光之间的干涉波B。(基于干涉光的温度测量方法)接着，参照图3说明根据测量光与参照光之间的干涉波对温度进行测量的方法。 作为基于干涉波的温度测量方法，有例如使用基于温度变化的光路长度变化的温度换算方法。在此，说明利用了上述干涉波的位置的变化的温度换算方法。半导体晶圆W被加热器等加热时，半导体晶圆W膨胀并且折射率发生变化，因此， 在温度变化前和温度变化后，干涉波B的位置变化到干涉波B’的位置，干涉波的波峰间宽度发生变化。通过对这样的测量点的干涉波的波峰间宽度进行测量，能够对温度变化进行检测。如果是例如图1所示那样的温度测量装置100，干涉波的波峰间宽度与参照光反射部件130的移动距离相对应，因此，通过对参照光反射部件130的与干涉波的波峰间宽度相对应的移动距离进行测量，能够对温度变化进行检测。
将半导体晶圆W的厚度设为d、将折射率设为η时，在干涉波的波峰位置的偏差中， 厚度d依存于线膨胀系数α，另外，折射率η的变化主要是依存于折射率变化的温度系数 β。另外，折射率变化的温度系数β也依存于波长。因而，将在测量点P处的温度变化后的晶圆的厚度d'和折射率η'以数学式表示时，为如下述数学式(1)所示那样。另外，在数学式(1)中，△ T表示测量点的温度变化、α 表示线膨胀率、β表示折射率变化的温度系数。另外，d、n分别表示温度变化前的测量点P 处的厚度、折射率。d' = d · (1+α ΔΤ)、η' = η · (1+β Δ Τ) · · . (1)如上述数学式(1)所示，由于温度变化而透过测量点P的测量光的光路长度发生变化。通常，以厚度d与折射率η的乘积表示光路长度。因而，将温度变化前的透过测量点 P处的测量光的光路长度设为L、将测量点处的温度变化了 ΔΤ后的光路长度设为L'时， L、L'分别为如下述的数学式(2)所示那样。L = d · n、L' = d' · η' . . . (2)因而，利用上述数学式(1)、(2)对测量点处的测量光的光路长度的温度变化前后的差(L' -L)进行计算而整理时，为如下述数学式C3)所示那样。另外，在下述数学式(3) 中，考虑到α · β << α、α · β << β而省略了微小项。L' -L = d' ·η' _d · η = d · η · ( α + β ) · Δ T = L · ( α + β ) · Δ Τ· · · (3)在此，测量点处的测量光的光路长度相当于测量光与参照光之间的干涉波的波峰间宽度。因而，如果预先对线膨胀率α、折射率变化的温度系数β进行调查，则通过对测量点处的测量光与参照光之间的干涉波的波峰间宽度进行测量，能够使用上述数学式(3)换算成测量点的温度。这样，从干涉波换算成温度时，如上述那样以干涉波的波峰间宽度表示的光路长度由于线膨胀率α和折射率变化的温度系数β的不同而变化，因此，需要预先对上述线膨胀率α和折射率变化的温度系数β进行调查。通常，包括半导体晶圆的物质的线膨胀率 α和折射率变化的温度系数β由于温度范围的不同，有时依存于温度。例如，通常，因为线膨胀率α在物质的温度为大约0°C 100°C的温度范围内不怎么变化，所以看作恒定也没关系，但在100°C以上的温度范围内，由于物质的不同，有时温度越高变化率越大，因此，在那样的情况下不能无视温度依存性。折射率变化的温度系数β也同样由于温度范围的不同，有时不能无视温度依存性。例如，公知对于构成半导体晶圆的硅(Si)，能够以例如二次曲线在0°C 500°C的温度范围内对线膨胀率α和折射率变化的温度系数β进行近似。这样，因为线胀率α和折射率变化的温度系数β依存于温度，所以，例如，如果预先对与温度相对应的线膨胀率 α和折射率变化的温度系数β进行调查、并参考该值而进行温度换算，则能够换算成更准确的温度。另外，作为基于测量光与参照光之间的干涉波的温度测量方法，不限于上述那样的方法，例如，也可以是使用基于温度变化的吸收强度变化的方法，也可以是将基于上述温度变化的光路长度变化与基于温度变化的吸收强度变化组合的方法。(形成有薄膜的情况)图4是表示测量光被照射到半导体晶圆W的情况下的测量光与参照光之间的干涉
7波形的图。另外，在图4中，纵轴取为干涉强度、横轴取为参照光反射部件130(例如参照反射镜)的移动距离。图4的(a)表示薄膜T的膜厚与低相干光的相干长度相比足够厚的情况。在此情况下，被照射到半导体晶圆W的测量光在图1所示的半导体晶圆W的表面S1、半导体晶圆W 与薄膜T之间的界面&、薄膜T的背面&这三个位置被反射。另外，在上述三个位置被反射的测量光与被参照光反射部件130反射的参照光在光路长度大致相同的位置发生干涉。 因此，如图4的(a)所示，观察到三个干涉波C E。图4的(b)表示薄膜T的膜厚为低相干光的相干长度以下的情况。在此情况下， 被照射到半导体晶圆W的测量光在半导体晶圆W的表面S1、半导体晶圆W与薄膜T之间的界面&、薄膜T的背面&这三个位置被反射，这一点与薄膜T的膜厚与低相干光的相干长度相比足够厚的情况相同，但由于薄膜T的膜厚较薄(为低相干光的相干长度以下)，因此， 在图4的(a)所示的半导体晶圆W与薄膜T之间的界面&、薄膜T的背面&之间多重反射而成的多个干涉波叠合(重叠)，成为一个干涉波F。图5是示意地表示在薄膜T中发生的多重反射的图。如图5所示，被入射到半导体晶圆W的测量光由于在半导体晶圆W与薄膜T的表面之间的界面&、薄膜T的背面&之间的多重折返反射而分离。该分离了的各反射光分别与参照光干涉，形成了图5所示的多个干涉波(1)、(2)、(3)、⑷、⑶· · ·。上述多个干涉波(1)、(2)、(3)、(4)、⑶…如上述那样不分离而被检测为重叠的干涉波F。这样，在薄膜T的膜厚为低相干光的相干长度以下的情况下，在半导体晶圆W与薄膜T之间的界面&、薄膜T的背面&之间产生的多个干涉波重叠而成为一个干涉波F，因此，从干涉波C的波峰到干涉波F的波峰的测量光路长度L1与作为从半导体晶圆W的表面到半导体晶圆W的背面的光路长度的实际光路长度L2产生光路长度AL的偏差。(光路长度的校正)如上述那样，在半导体晶圆W上形成有薄膜T的情况下，如参照图4说明那样，干涉波F的波峰位置偏移AL。因此，需要对测量到的光路长度进行偏移量AL的校正。在本实施方式中，实施下面的顺序1 3，校正光路长度而对半导体晶圆W的温度进行测量。1.利用在图4中说明的干涉波F的干涉强度或者干涉波C与干涉波F的干涉强度比求得薄膜T的膜厚。2.利用求得的薄膜T的膜厚求得光路长度的偏差量Δ L (下面，称为偏移量AL)。3.根据求得的偏移量Δ L对光路长度L1进行校正，求得实际光路长度L2。下面，详细说明上述顺序1 3。另外，在下面说明对薄膜T进行蚀刻的情况。(数学式)首先，说明光路长度的校正所需要的下述数学式。下述数学式(4)是表示薄膜T的膜厚与干涉强度之间关系的数学式。
权利要求
1.一种温度测量方法，其特征在于， 该温度测量方法包括以下工序将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点； 对由上述基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由上述基板与上述薄膜之间的界面的反射光、上述薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量； 对从上述第1干涉波到上述第2干涉波的光路长度进行计算； 根据上述第2干涉波的强度对上述薄膜的膜厚进行计算；根据上述计算出来的上述薄膜的膜厚对上述基板的光路长度与上述计算出来的光路长度之间的光路差进行计算；根据上述计算出来的光路差对上述计算出来的从上述第1干涉波到上述第2干涉波的光路长度进行校正；利用上述被校正的光路长度对上述测量对象物的上述测量点处的温度进行计算。
2.根据权利要求1所述的温度测量方法，其特征在于，根据上述薄膜的膜厚与上述第2干涉波的强度之间的关系对上述薄膜的膜厚进行计笪弁。
3.根据权利要求1或2所述的温度测量方法，其特征在于，根据上述第1干涉波的强度与上述第2干涉波的强度之比对上述薄膜的膜厚进行计笪弁。
4.根据权利要求1 3中的任一项所述的温度测量方法，其特征在于， 上述光源产生波长为IOOOnm以上的光；上述基板是硅基板。
5.根据权利要求1 4中的任一项所述的温度测量方法，其特征在于，上述薄膜是氧化硅膜即SiO2膜、氮化硅膜即Si3N4膜、抗蚀剂膜、树脂类膜或者金属膜中的任一种。
全文摘要
本发明提供一种温度测量方法。该温度测量方法即使在测量对象物上形成有薄膜的情况下，也能够比以往准确地对测量对象物的温度进行测量。其包括以下工序将来自光源的光传送到在基板上形成有薄膜的测量对象物的测量点；对由基板的表面的反射光构成的第1干涉波、由基板与薄膜之间的界面的反射光、在薄膜的背面的反射光构成的第2干涉波进行测量；计算从第1干涉波到第2干涉波的光路长度；根据第2干涉波的强度计算薄膜的膜厚；根据算出的薄膜的膜厚计算基板的光路长度与算出的光路长度之间的光路差；根据算出的光路差校正算出的从第1干涉波到第2干涉波的光路长度；利用被校正的光路长度计算测量对象物的测量点处的温度。
文档编号G01K11/00GK102445284SQ20111030307
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月29日 优先权日2010年9月30日
发明者山涌纯, 松土龙夫, 舆水地盐 申请人:东京毅力科创株式会社