专利名称：膜厚测量装置以及测量方法
技术领域：
本发明涉及测量形成于基板上的半导体膜等的膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的膜厚测量装置以及膜厚测量方法。
背景技术：
在半导体制造工艺中，例如，在蚀刻处理的执行中，基板上的半导体膜的膜厚随着时间变化减少。另外，在薄膜形成处理的执行中，半导体膜的膜厚随着时间变化增加。在这样的半导体工艺中，为了处理的终点检测等的工艺控制，需要进行半导体膜的膜厚的时间变化的在原位αη-Situ)的测量。作为这样的半导体膜的膜厚的测量方法，已知有对半导体膜照射规定波长的测量光，并检测来自半导体膜的上面的反射光与来自下面的反射光相干涉的干涉光的方法。在该方法中，若半导体膜的膜厚发生变化，则来自上面的反射光与来自下面的反射光之间的光路长差发生变化。因此，利用伴随着该光路长差的变化的干涉光的检测强度(干涉强度) 的时间变化，可测量在各时点的半导体膜的膜厚(例如参照专利文献1 4)。专利文献1 日本特许第沈12089号公报专利文献2 日本特许第沈56869号公报专利文献3 日本特许第3491337号公报专利文献4 日本特开昭63-50703号公报
发明内容
发明所要解决的问题上述的半导体膜的膜厚的时间变化的测量中，为了提高半导体制造工艺的控制精度等，要求能进一步提高膜厚的测量精度，尤其要求提高膜厚的绝对值的测量精度。然而， 现有的测量方法有时会无法获得充分的膜厚的测量精度。例如，专利文献1所记载的方法中，如上所述检测来自上面的反射光与来自下面的反射光的干涉光，并从该检测的干涉强度的时间变化算出膜厚。然而，该方法以能正确地检测干涉强度的周期性变化为前提，例如在光强度的周期性变化最初成为最大的时点不明确的情况下，基准时的膜厚值会成为不正确，从而对于膜厚的绝对值存在难以正确地测量其时间变化的问题。另外，专利文献2中，公开了使用将来自半导体膜的反射光中的在2个波长的光强度的时间微分的绝对值进行加法运算后的信号，进行蚀刻的终点检测的方法。另外，专利文献3中，公开了照射来自波长可变激光的光束而检测来自半导体膜的反射光或透射光，并且由使波长变化所获得的相对于波长的光强度变化的波形求得膜厚的方法。另外，专利文献4中，公开了将来自半导体膜的反射光或透射光进行分光并检测，使用关于各波长的输出中的极大值与极小值求得膜厚的方法。然而，在这些方法中，也难以正确地测量膜厚的绝对值的时间变化。这样的问题在半导体膜以外的膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的测量中也同样存在。本发明是为了解决上述的问题而完成的发明，其目的在于提供一种可高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的膜厚测量装置以及膜厚测量方法。解决问题的技术手段为了达成这样的目的，本发明的膜厚测量装置的特征在于，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量装置，具备(1)测量光源，其将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，供给至测量对象物；( 分光单元，其对于测量光的来自测量对象物的第1面的反射光与来自第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成可分别检测的第1 波长的第1干涉光成分及第2波长的第2干涉光成分；C3)检测单元，其检测第1干涉光成分及第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及(4)膜厚解析单元，其基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物的膜厚随时间的变化。同样地，本发明的膜厚测量方法的特征在于，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量方法，包含(1)测量光供给步骤，将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，从测量光源供给至测量对象物；( 分光步骤，对于测量光的来自测量对象物的第 1面的反射光与来自第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成可分别检测的第1波长的第1干涉光成分及第2波长的第2干涉光成分；C3)检测步骤，检测第1干涉光成分及第 2干涉光成分各自在各时点的强度；以及(4)膜厚解析步骤，基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物的膜厚随时间的变化。上述的膜厚测量装置及测量方法中，对膜状的测量对象物供给包含第1波长及第 2波长的光成分的测量光，并检测来自该第1面及第2面(上面及下面)的反射光的干涉光。其后，获取第1波长的第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位与第2波长的第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位之间的相位差，由该相位差求得测量对象物的膜厚随时间的变化。根据这样的构成，可通过在2个波长间的检测强度的时间波形的相位差，高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的绝对值及其时间变化。发明的效果根据本发明的膜厚测量装置及膜厚测量方法，对测量对象物供给包含第1波长及第2波长的光成分的测量光，检测来自该第1面及第2面的反射光的干涉光，并获取第1波长的第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位与第2波长的第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的相位之间的相位差，由该相位差求得测量对象物的膜厚的时间变化， 从而可高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的绝对值及其时间变化。
图1是模式性地显示测量对象物的膜厚的测量方法的图。图2是概略性地显示测量对象物的膜厚的时间变化的测量原理的图。图3是显示膜厚测量装置的一个实施方式的构成的方块图。
图4是显示测量光学系统的构成的一例的图。图5是显示测量光学系统的构成的一例的图。图6是显示分光光学系统的构成的一例的图。图7是显示膜厚解析部的构成的一例的方块图。图8是显示测量位置设定部的构成的一例的方块图。图9是显示膜厚测量的第1测量例的图。图10是显示膜厚测量的第2测量例的图。图11是显示膜厚测量的第3测量例的图。图12是显示伴随着波长切换的膜厚测量方法的一例的图。图13是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。图14是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。图15是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。图16是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。图17是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。图18是说明用于膜厚测量的解析处理的具体例的图。符号的说明IA…膜厚测量装置、10···试料、12…基板、15…半导体膜(测量对象物)、16…上面 (第1面)、17…下面(第2面)、20…处理装置、21···测量光学系统、22…XY θ平台、23··· 平台控制部、24···摄像装置、25···测量位置设定部、28···测量光源、30···分光光学系统、31··· 第1光检测器、32···第2光检测器、33···多通道光检测器、35···分光测量装置、40···膜厚解析部、41···相位解析部、42···测量相位差取得部、43···基准膜厚存储部、44···基准相位差取得部、45···相位差信息处理部、46···膜厚信息输出部、47…终点信息输出部、50···测量控制部、 51…输入装置、52···显示装置。
具体实施例方式以下，参照附图，详细地说明本发明的膜厚测量装置以及膜厚测量方法的优选的实施方式。还有，在附图的说明中，对相同的要素附以相同的符号，并省略重复的说明。另外，附图的尺寸比率未必与说明的一致。首先，使用图1及图2，说明本发明的膜厚测量装置及其测量原理。图1是模式性地显示测量对象物的膜厚的测量方法的图。另外，图2是概略性地显示测量对象物的膜厚的时间变化的测量原理的图。本膜厚测量方法对具有第1面及第2面的膜状的测量对象物， 测量其膜厚的绝对值的时间变化。此处，以下，将测量对象物的第1面作为测量光入射的上面，将第2面作为其相反侧的下面而进行说明。在图1所示的例中，作为膜状的测量对象物的一例，显示形成于基板12上的半导体膜15。考虑了对这样的半导体膜15执行蚀刻处理作为膜厚随时间变化的半导体制造工艺的一例。蚀刻处理中，随着处理的进行，半导体膜15的膜厚d随时间减少。关于这样的膜厚d的时间变化，从与基板12成相反侧的半导体膜15的上面(第1 面)16侧，对由基板12及半导体膜15构成的试料10供给膜厚测量用的测量光L0。其后， 检测来自其上面16的反射光Ll、与来自下面(第2面，基板12与半导体膜15的交界面)17的反射光L2相干涉所生成的干涉光，从而测量半导体膜15的膜厚d。还有，在图1中，为了便于看图，将照射至半导体膜15的测量光LO的光路及来自半导体膜15的上面16、下面17 的反射光L1、L2的光路分别移动位置来进行显示。本测量方法中，具体而言，对包含半导体膜15的试料10，照射至少包含第1波长 λ i的第1测量光成分、及与第1波长不同的第2波长λ 2的第2测量光成分的测量光LO (测量光供给步骤)。其次，根据波长分解测量光LO的来自上面16、下面17的反射光L1、L2的干涉光，使波长X1的第1干涉光成分与波长λ 2的第2干涉光成分成为可分别检测的状态 (分光步骤)，检测第1、第2干涉光成分的各自的在各时点的强度，获取干涉强度的随时间的变化(检测步骤)。其后，参照这些第1、第2干涉光成分的检测强度的时间变化，求得半导体膜15的膜厚d随时间的变化(膜厚解析步骤)。此处，若将测量对象的半导体膜15的折射率设为n，将时间变化的膜厚设为d，将测量光LO的波长设为λ，则反射光L1、L2相干涉所产生的干涉光的强度I(t)根据反射光 Li、L2之间所产生的光路长差2nd，显示根据下述的式(1)的时间变化。[数1]
权利要求
1.一种膜厚测量装置，其特征在于，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量装置，具备测量光源，其将至少包含具有第1波长的第1测量光成分及具有与所述第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，供给至所述测量对象物；分光单元，其对于所述测量光的来自所述测量对象物的所述第1面的反射光、及来自所述第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成所述第1波长的第1干涉光成分及所述第2波长的第2干涉光成分；检测单元，其检测所述第1干涉光成分及所述第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及膜厚解析单元，其基于所述第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与所述第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得所述测量对象物的膜厚随时间的变化。
2.如权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述测量对象物为基板上的半导体膜，对执行规定的处理过程中的所述半导体膜的膜厚随时间的变化进行测量。
3.如权利要求1或2所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述测量光源被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为所述测量光的成分，所述分光单元及所述检测单元被构成为可变更用于测量膜厚随时间的变化的所述第1波长及所述第2波长。
4.如权利要求3所述的膜厚测量装置，其特征在于，在对于所述测量对象物测量膜厚减少的时间变化的情况下，以阶段性地扩大2个波长的波长间隔的方式，变更所述第1波长及所述第2波长。
5.如权利要求1 4中的任意一项所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述测量光源为将包含所述第1波长及所述第2波长的波段的白色光作为所述测量光供给的白色光源。
6.如权利要求1 5中的任意一项所述的膜厚测量装置，其特征在于，所述分光单元具有将所述干涉光分解成各波长的干涉光成分的分光光学系统， 所述检测单元具有排列有检测通过所述分光光学系统分解的各干涉光成分的强度的多个光检测元件的多通道光检测器。
7.一种膜厚测量方法，其特征在于，是测量具有第1面及第2面的膜状的测量对象物的膜厚随时间的变化的膜厚测量方法，包含测量光供给步骤，将至少包含具有第1波长的第1测量光成分、及具有与所述第1波长不同的第2波长的第2测量光成分的测量光，从测量光源供给至所述测量对象物；分光步骤，对于所述测量光的来自所述测量对象物的所述第1面的反射光、与来自所述第2面的反射光相干涉所形成的干涉光，分解成所述第1波长的第1干涉光成分、及所述第2波长的第2干涉光成分；检测步骤，检测所述第1干涉光成分、及所述第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及膜厚解析步骤，基于所述第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位、与所述第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得所述测量对象物的膜厚随时间的变化。
8.如权利要求7所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述测量对象物为基板上的半导体膜，对执行规定的处理过程中的所述半导体膜的膜厚随时间的变化进行测量。
9.如权利要求7或8所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述测量光源被构成为可供给波长相互不同的3成分以上的测量光成分作为所述测量光的成分，在所述分光步骤及所述检测步骤中，变更用于测量膜厚随时间的变化的所述第1波长及所述第2波长。
10.如权利要求9所述的膜厚测量方法，其特征在于，在对于所述测量对象物测量膜厚减少的时间变化的情况下，以阶段性地扩大2个波长的波长间隔的方式，变更所述第1波长及所述第2波长。
全文摘要
膜厚测量装置(1A)被构成为具有测量光源(28)，其将包含第1波长(λ1)的测量光成分及第2波长(λ2)的测量光成分的测量光供给至测量对象物(15)；分光光学系统(30)，其将来自测量对象物(15)的上面的反射光与来自下面的反射光的干涉光，分解成第1波长(λ1)的干涉光成分、及第2波长(λ2)的干涉光成分；光检测器(31、32)，其检测第1、第2干涉光成分各自在各时点的强度；以及膜厚解析部(40)。膜厚解析部(40)基于第1干涉光成分的检测强度的时间变化中的第1相位与第2干涉光成分的检测强度的时间变化中的第2相位的相位差，求得测量对象物(15)的膜厚的时间变化。由此，实现了能够高精度地测量膜状的测量对象物的膜厚的时间变化的膜厚测量装置及膜厚测量方法。
文档编号G01B11/06GK102341670SQ201080010049
公开日2012年2月1日 申请日期2010年1月20日 优先权日2009年3月27日
发明者中野哲寿, 大塚贤一, 渡边元之 申请人:浜松光子学株式会社