WO2024122133A1 - 膜厚計測装置及び膜厚計測方法 - Google Patents

膜厚計測装置及び膜厚計測方法 Download PDF

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WO2024122133A1
WO2024122133A1 PCT/JP2023/032089 JP2023032089W WO2024122133A1 WO 2024122133 A1 WO2024122133 A1 WO 2024122133A1 JP 2023032089 W JP2023032089 W JP 2023032089W WO 2024122133 A1 WO2024122133 A1 WO 2024122133A1
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pixel region
data
measurement
film thickness
spectrum data
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PCT/JP2023/032089
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賢一 大塚
英樹 増岡
和也 井口
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浜松ホトニクス株式会社
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  • This disclosure relates to a film thickness measurement device and a film thickness measurement method.
  • the film thickness measurement device described in Patent Document 1 is equipped with an optical unit that has an input section to which light with wavelengths ranging from the ultraviolet range to the visible range is input, an optical system that focuses the light while causing chromatic aberration, and an aperture where, of the light with chromatic aberration, light with wavelengths in the visible range does not form an image, but light with wavelengths in the ultraviolet range forms an image.
  • this optical unit it is possible to increase the spectral intensity of the ultraviolet range of the light output from the aperture relative to the spectral intensity of the visible range.
  • the film thickness measurement device described in Patent Document 1 mentioned above is advantageous in that it is easy to obtain the sensitivity to ultraviolet light required in the detection system, and an optimal spectrum can be constructed for film thickness measurement.
  • the accuracy of the film thickness calculation can be improved by performing fitting that takes into account the spectral intensity not only in the ultraviolet range but also in the long wavelength range including the visible range.
  • a technology is required that can arbitrarily adjust the wavelength range that relatively increases the spectral intensity and the balance of the detection intensity of the measurement light in each wavelength range.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a film thickness measurement device and a film thickness measurement method that can increase the versatility of in-line film thickness measurement.
  • a film thickness measurement device includes a spectroscopic section that spectroscopically separates measurement light output from a light source and reflected by a sample, a detection section that detects a spectral image of the measurement light dispersed by the spectroscopic section, a generation section that generates spectral data for analysis using spectral data obtained from the detection result of the spectral image of the measurement light, and an analysis section that analyzes the film thickness of the sample based on the spectral data for analysis.
  • the spectroscopic section wavelength-resolves the measurement light in a first direction and forms a spectral image for each wavelength in a second direction intersecting the first direction.
  • the detection section has a first pixel region and a second pixel region that are divided in the second direction.
  • the first pixel region receives the spectral image of the measurement light for a first exposure time and the second pixel region receives the spectral image of the measurement light for a second exposure time longer than the first exposure time.
  • the generation section combines data in the long wavelength region of the first measurement spectral data obtained from the first pixel region and data in the short wavelength region of the second measurement spectral data obtained from the second pixel region to generate spectral data for analysis.
  • data in the long wavelength region of the first measurement spectrum data acquired in the first pixel region with a first exposure time is combined with data in the short wavelength region of the second measurement spectrum data acquired in the second pixel region with a second exposure time longer than the first exposure time, to generate analysis spectrum data used for analyzing the film thickness of the sample.
  • the generated analysis spectrum data includes data in the short wavelength region with the sensitivity of the measurement light in the short wavelength region sufficiently increased.
  • the boundary wavelength for combining the first and second measurement spectrum data can be set arbitrarily when generating the analysis spectrum data, and as a result, the intensity balance between the data in the long wavelength region and the data in the short wavelength region can also be adjusted arbitrarily. Therefore, even if the reflection intensity (reflectance) of the measurement light varies depending on the sample, it is possible to optimize the conditions for acquiring the spectral data of the sample, thereby increasing the versatility of in-line film thickness measurement.
  • the detection unit may be a CCD photodetector having a first horizontal shift register to which the charge generated in each column of the first pixel region is transferred, and a second horizontal shift register to which the charge generated in each column of the second pixel region is transferred.
  • the detection unit may be a CCD photodetector having a first storage unit that stores the charge generated in each column of the first pixel region, a second storage unit that stores the charge generated in each column of the second pixel region, a first readout unit that outputs an electrical signal for each column according to the magnitude of the charge stored in the first storage unit, and a second readout unit that outputs an electrical signal for each column according to the magnitude of the charge stored in the second storage unit.
  • the readout of the charge of each pixel corresponding to the spectral image of the measurement light received in the first pixel region and the readout of the charge of each pixel corresponding to the spectral image of the measurement light received in the second pixel region can be performed in parallel.
  • an increase in readout noise when reading out the charge generated in the pixels of each column can be avoided.
  • the detection unit may be a CMOS photodetector having a first readout unit that outputs the charge generated in each column of the first pixel region, and a second readout unit that outputs the charge generated in each column of the second pixel region. Even in this configuration, it is possible to read out the charge of each pixel corresponding to the spectral image of the measurement light received in the first pixel region and to read out the charge of each pixel corresponding to the spectral image of the measurement light received in the second pixel region in parallel.
  • the generation unit may set a boundary wavelength between the data in the long wavelength region of the first measured spectrum data and the data in the short wavelength region of the second measured spectrum data when generating the analytical spectrum data, based on the exposure time ratio between the first pixel region and the second pixel region and the estimated value of the reflected spectrum data in the sample.
  • the data in the long wavelength region of the first measured spectrum data and the data in the short wavelength region of the second measured spectrum data can be combined while optimizing the intensity balance between the first measured spectrum data and the second measured spectrum data.
  • the film thickness measurement accuracy can be further improved.
  • the generating unit may set the boundary wavelength from a wavelength at which the peak intensity of the measurement light contained in the short wavelength region data is 80% or more and less than 100% of the saturation intensity. This allows for further optimization of the intensity balance between the first measurement spectrum data and the second measurement spectrum data.
  • the film thickness measurement method includes a spectroscopic step of spectroscopically analyzing the measurement light output from the light source and reflected by the sample, a detection step of detecting a spectral image of the measurement light spectroscopically obtained by the spectroscopic step, a generation step of generating spectral data for analysis using spectral data obtained from the detection result of the spectral image of the measurement light, and an analysis step of analyzing the film thickness of the sample based on the spectral data for analysis.
  • the measurement light is wavelength-resolved in a first direction, and a spectral image for each wavelength is formed in a second direction intersecting the first direction.
  • a first pixel region and a second pixel region divided in the second direction are used, the first pixel region receives the spectral image of the measurement light with a first exposure time, and the second pixel region receives the spectral image of the measurement light with a second exposure time longer than the first exposure time.
  • the generation step data in the long wavelength region of the first measurement spectral data obtained from the first pixel region and data in the short wavelength region of the second measurement spectral data obtained from the second pixel region are combined to generate spectral data for analysis.
  • data in the long wavelength region of the first measurement spectrum data acquired in the first pixel region with a first exposure time is combined with data in the short wavelength region of the second measurement spectrum data acquired in the second pixel region with a second exposure time longer than the first exposure time, to generate analytical spectrum data used for analyzing the film thickness of the sample.
  • the generated analytical spectrum data includes data in the short wavelength region with the sensitivity of the measurement light in the short wavelength region sufficiently increased.
  • the boundary wavelength for combining the first and second measurement spectrum data can be set arbitrarily when generating the analytical spectrum data, and as a result, the intensity balance between the data in the long wavelength region and the data in the short wavelength region can also be adjusted arbitrarily. Therefore, even if the reflection intensity (reflectance) of the measurement light varies depending on the sample, it is possible to optimize the conditions for acquiring the spectral data of the sample, thereby increasing the versatility of in-line film thickness measurement.
  • This disclosure makes it possible to increase the versatility of in-line film thickness measurement.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a film thickness measurement apparatus according to an embodiment of the present disclosure.
  • 4 is a schematic diagram showing how a spectral image of measurement light is formed in a detection unit.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing an example of a CCD photodetector constituting a detection unit.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of a CCD photodetector constituting the detection unit.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of a CCD photodetector constituting the detection unit.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a CMOS photodetector constituting a detection unit.
  • 1 is a flowchart illustrating a film thickness measurement method according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of first measured spectrum data
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of second measured spectrum data
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of first reference spectrum data
  • FIG. 2B is a diagram showing an example of second reference spectrum data
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of analytical spectral data
  • FIG. 2B is a diagram showing an example of analytical reference spectral data
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of reflectance spectrum data obtained by a method according to a comparative example
  • FIG. 2B is a diagram showing an example of reflectance spectrum data obtained by a method according to an embodiment.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing reflectance spectrum data for a reference sample;
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing reflectance spectrum data for a reference sample;
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing reflectance spectrum data for a reference sample;
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing reflectance spectrum data for a reference sample
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of setting a boundary wavelength.
  • FIG. 13 is a diagram showing an evaluation result of the reproducibility of film thickness measurement in a comparative example.
  • FIG. 13 is a diagram showing the evaluation results of the reproducibility of film thickness measurement in the examples.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a film thickness measurement device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the film thickness measurement device 1 shown in FIG. 1 is configured as a device for performing in-line measurement of the film thickness of a sample M, for example, during a film formation process of the sample M using a film formation chamber.
  • Examples of the sample M include optical films, thin films for display panels, and thin films for semiconductor wafers.
  • the film thickness measurement device 1 includes a light source 2, an optical system 3, a measurement head 4, a spectroscopic unit 5, a detection unit 6, a generation unit 7, and an analysis unit 8.
  • the light source 2 is a device that outputs measurement light L toward the sample M.
  • a white light source that outputs light including a wavelength range of 185 nm or more and 2000 nm or less is used.
  • a light source that outputs pulsed light with a repetition rate of 1 kHz or more for example, a xenon flash lamp is used.
  • the optical system 3 is a system that guides the measurement light L between the light source 2, the measurement head 4, and the spectroscopic section 5.
  • the optical system 3 has a first optical fiber 9A and a second optical fiber 9B.
  • the first optical fiber 9A is an optical fiber that guides the measurement light L from the light source 2 to the measurement head 4.
  • the second optical fiber 9B is an optical fiber that guides the measurement light L from the measurement head 4 to the spectroscopic section 5.
  • the measurement head 4 is a part that irradiates the sample M with the measurement light L.
  • the measurement head 4 is configured to include, for example, a half mirror and a condenser lens.
  • the measurement light L input from the light source 2 to the input end of the measurement head 4 via the first optical fiber 9A is irradiated onto the sample M via the half mirror and condenser lens.
  • the measurement light L reflected by the sample M is output from the output end of the measurement head 4 via the condenser lens and half mirror, and is input into the spectroscopic section 5 via the second optical fiber 9B.
  • the spectroscopic unit 5 is a part that disperses the measurement light L that is output from the light source 2 and reflected by the sample M.
  • a spectrometer with good imaging performance is used as the spectroscopic unit 5.
  • Examples of spectrometers that make up the spectroscopic unit 5 include a Czerny-Turner spectrometer, a Dyson spectrometer, and an Offner spectrometer that are capable of astigmatism correction.
  • the spectroscopic unit 5 decomposes the measurement light L into wavelengths in a first direction D1 and forms a spectroscopic image P for each wavelength in a second direction D2 intersecting the first direction D1.
  • the first direction D1 and the second direction D2 are perpendicular to each other.
  • the first direction D1 is aligned along the row direction of the pixel region 21 that constitutes the detection unit 6, and the second direction D2 is aligned along the column direction of the pixel region 21.
  • the detection unit 6 is a part that detects the spectral image P of the measurement light L dispersed by the spectroscopic unit 5. As shown in FIG. 2, the detection unit 6 has a pixel area 21 that captures the spectral image P. In the pixel area 21, a plurality of pixels 22 are arranged in row and column directions. In the example of FIG. 2, the row direction corresponding to the first direction D1 is along the wavelength resolution direction of the spectral image P by the spectroscopic unit 5, and the column direction corresponding to the second direction D2 is along the charge transfer direction of each pixel 22. Each pixel 22 receives the wavelength-resolved spectral image P and generates and accumulates charge according to the intensity of the light.
  • pixel region 21 is a horizontally long rectangular region in which the number of pixels in the row direction is greater than the number of pixels in the column direction.
  • Pixel region 21 has a first pixel region 21A and a second pixel region 21B that are divided in second direction D2.
  • first pixel region 21A and second pixel region 21B are separated at the center in the column direction. That is, in pixel region 21, pixels 22 on one side of the center in the column direction belong to first pixel region 21A, and pixels 22 on the other side of the center in the column direction belong to second pixel region 21B.
  • the spectral images P extend linearly in the column direction of the pixels 22 and are formed in the first pixel region 21A and the second pixel region 21B, respectively, with the pixels 22 spaced apart from each other in the row direction.
  • one half of the second direction D2 of each of the five spectral images P of the measurement light L wavelength-resolved by the spectroscopic unit 5 is formed in the first pixel region 21A.
  • the other half of the second direction D2 of each of the five spectral images P of the measurement light L wavelength-resolved by the spectroscopic unit 5 is formed in the second pixel region 21B at the same timing as the spectral image P is formed in the first pixel region 21A.
  • the detection unit 6 outputs data based on the detection result in the first pixel region 21A (first measurement spectral data S1) and data based on the detection result in the second pixel region 21B (second measurement spectral data S2) to the analysis unit 8.
  • the first exposure time T1 of each pixel 22 in the first pixel region 21A and the second exposure time T2 of each pixel 22 in the second pixel region 21B can be set independently of each other.
  • the exposure time ratio T2/T1 between the first pixel region 21A and the second pixel region 21B is set according to the type of film in the sample M, etc.
  • the first exposure time T1 of the first pixel region 21A may be kept constant, and the second exposure time T2 of the second pixel region 21B may be adjusted according to the type of film in the sample M, etc.
  • the detection unit 6 can be configured, for example, by a CCD photodetector or a CMOS photodetector.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a CCD photodetector that configures the detection unit.
  • the CCD photodetector V1 shown in FIG. 3 is configured to include a pixel area 21 including the first pixel area 21A and the second pixel area 21B described above, a first horizontal shift register 32A corresponding to the first pixel area 21A, a second horizontal shift register 32B corresponding to the second pixel area 21B, and a plurality of dummy pixels 33.
  • the electric charge generated and accumulated in each pixel 22 in the first pixel region 21A is transferred to the first horizontal shift register 32A.
  • the electric charges of the pixels 22 in each column are added together for each column in the first horizontal shift register 32A (vertical transfer), and the added electric charges for each column are sequentially read out from the first horizontal shift register 32A (horizontal transfer).
  • a voltage value corresponding to the amount of electric charge read out from the first horizontal shift register 32A is output from the amplifier 34A.
  • the voltage value output from the amplifier 34A is converted into a digital value by an AD converter.
  • the electric charges generated and accumulated in each pixel 22 in the second pixel region 21B are transferred to the second horizontal shift register 32B.
  • the electric charges of the pixels 22 in each column are added together for each column in the second horizontal shift register 32B (vertical transfer), and the added electric charges for each column are sequentially read out from the second horizontal shift register 32B (horizontal transfer).
  • a voltage value corresponding to the amount of electric charge read out from the second horizontal shift register 32B is output from the amplifier 34B.
  • the voltage value output from the amplifier 34B is converted into a digital value by an AD converter.
  • the first exposure time T1 of the first pixel region 21A and the second exposure time T2 of the second pixel region 21B can be set, for example, by an electronic shutter.
  • the electronic shutter can be realized, for example, by using an anti-blooming gate.
  • the signal output operation from the first pixel region 21A and the signal output operation from the second pixel region 21B are controlled independently, but it is preferable that they are synchronized with each other. In this case, it is possible to prevent a signal instructing one output operation from overlapping the other output operation as noise in the output signal.
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams showing another example of a CCD photodetector constituting the detection unit.
  • the CCD photodetector V2 shown in FIG. 4 and FIG. 5 has a conversion board 40, a first storage unit 41A that stores the charges generated in each column of the first pixel region 21A, a second storage unit 41B that stores the charges generated in each column of the second pixel region 21B, a first readout unit 42A that outputs an electrical signal for each column according to the magnitude of the charges stored in the first storage unit 41A, and a second readout unit 42B that outputs an electrical signal for each column according to the magnitude of the charges stored in the second storage unit 41B.
  • the conversion board 40 is arranged in the column direction beside the pixel region 21.
  • a voltage signal (drive signal) for controlling the transfer of charge of the pixels 22 is supplied to the conversion board 40.
  • the charge of the pixels 22 in each column belonging to the first pixel region 21A is transferred to the first accumulation section 41A of each column based on the voltage signal supplied to the conversion board 40.
  • the charge of the pixels 22 in each column belonging to the second pixel region 21B is transferred to the second accumulation section 41B of each column based on the voltage signal supplied to the conversion board 40.
  • the first storage units 41A are arranged in columns at the ends of the first pixel regions 21A in the column direction, and store the charges generated in the pixels 22 in each column of the first pixel regions 21A.
  • the second storage units 41B are arranged in columns at the ends of the second pixel regions 21B in the column direction, and store the charges generated in the pixels 22 in each column of the second pixel regions 21B.
  • the first readout units 42A are arranged at the end of the first pixel regions 21A in the column direction, subsequent to the first storage units 41A, and the second readout units 42B are arranged at the end of the second pixel regions 21B in the column direction, subsequent to the second storage units 41B.
  • the first readout section 42A has, for example, a transistor 43A and a bonding pad 44A for signal output.
  • the control terminal (gate) of the transistor 43A is electrically connected to the first storage section 41A.
  • One current terminal (drain) of the transistor 43A is electrically connected to a bonding pad 46A via a wiring 45A that is provided in common across each column of the first pixel region 21A.
  • a voltage of a predetermined magnitude is constantly applied to the bonding pad 46A.
  • the other current terminal (source) of transistor 43A is electrically connected to signal output bonding pad 44A.
  • a voltage corresponding to the first electrical signal output from first storage unit 41A is applied to the control terminal of transistor 43A.
  • a current corresponding to the applied voltage is output from the other current terminal of transistor 43A and taken out to the outside via signal output bonding pad 44A.
  • the second readout section 42B has, for example, a transistor 43B and a bonding pad 44B for signal output.
  • the control terminal (gate) of the transistor 43B is electrically connected to the second storage section 41B.
  • One current terminal (drain) of the transistor 43B is electrically connected to a bonding pad 46B via wiring 45B that is provided in common across each column of the second pixel region 21B.
  • a voltage of a predetermined magnitude is constantly applied to the bonding pad 46B.
  • the other current terminal (source) of transistor 43B is electrically connected to signal output bonding pad 44B.
  • a voltage corresponding to the second electrical signal output from second storage unit 41B is applied to the control terminal of transistor 43B.
  • a current corresponding to the applied voltage is output from the other current terminal of transistor 43B and taken out to the outside via signal output bonding pad 44B.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a CMOS photodetector constituting the detection unit.
  • each pixel 22 constituting the pixel region 21 has a photodiode 51 and an amplifier 52.
  • the photodiode 51 accumulates electrons (photoelectrons) generated by the input of light as electric charge.
  • the amplifier 52 converts the electric charge accumulated in the photodiode 51 into an electrical signal and amplifies the converted signal.
  • the electrical signal amplified by the amplifier 52 is transferred to a vertical signal line 54 that connects the pixels 22 in the row direction by switching the selection switch 53 of each pixel 22.
  • a CDS (correlated double sampling) circuit 55 is arranged on each vertical signal line 54.
  • the CDS circuit 55 reduces readout noise between each pixel 22 and temporarily stores the electrical signal transferred to the vertical signal line 54.
  • the CDS circuit 55 is electrically connected to a conversion unit 56.
  • the conversion unit 56 converts the voltage value output from each amplifier 52 of each pixel 22 into a digital value.
  • the conversion unit 56 is composed of an A/D converter.
  • the A/D converter converts the voltage value stored in the CDS circuit 55 into a digital value (pixel value).
  • the CMOS photodetector V3 has a first readout unit 57A that outputs the charge generated in each column of the first pixel region 21A, and a second readout unit 57B that outputs the charge generated in each column of the second pixel region 21B.
  • the first readout unit 57A is connected to an A/D converter corresponding to the vertical signal line 54 of each pixel 22 belonging to the first pixel region 21A.
  • the first readout unit 57A outputs the pixel value of each pixel 22 belonging to the first pixel region 21A.
  • the second readout unit 57B is connected to an A/D converter corresponding to the vertical signal line 54 of each pixel 22 belonging to the second pixel region 21B.
  • the second readout unit 57B outputs the pixel value of each pixel 22 belonging to the second pixel region 21B.
  • the generation unit 7 and analysis unit 8 are physically configured by a computer 9 equipped with a processor such as a CPU, and storage media such as a RAM and a ROM.
  • the computer 9 may be a smartphone or tablet terminal equipped with an integrated display unit and input unit.
  • the computer 9 may be configured by a microcomputer or an FPGA (Field-Programmable Gate Array).
  • the generation unit 7 is a part that generates analytical spectral data using the spectral data obtained from the detection results of the spectral image P of the measurement light L.
  • the generation unit 7 combines the long wavelength region data S1L in the first measurement spectral data S1 obtained from the first pixel region 21A and the short wavelength region data S2S in the second measurement spectral data S2 obtained from the second pixel region 21B to generate analytical spectral data Ds (see FIG. 10(a)).
  • the generation unit 7 outputs the generated analytical spectral data Ds to the analysis unit 8.
  • the generation unit 7 also holds in advance spectral data (reference spectral data) of the measurement light L for a reference sample (not shown) whose spectral reflectance data is known, for example.
  • the generation unit 7 combines the long wavelength region data R1L of the first reference spectral data R1 obtained from the first pixel region 21A with the short wavelength region data R2S of the second reference spectral data R2 obtained from the second pixel region 21B to generate the analysis reference spectral data Dr (see FIG. 10(b)).
  • the generation unit 7 outputs the generated analysis reference spectral data Dr to the analysis unit 8.
  • the analysis unit 8 is a part that analyzes the film thickness of the sample M based on the analysis spectrum data Ds.
  • the analysis unit 8 holds in advance spectrum data relating to the reflectance of a reference sample (reference reflectance spectrum data Hr).
  • the analysis unit 8 calculates spectrum data relating to the reflectance of the sample M to be measured (analysis reflectance spectrum data Hs) based on the analysis spectrum data Ds and analysis reference spectrum data Dr received from the generation unit 7, and the reference reflectance spectrum data Hr.
  • the analysis unit 8 analyzes the film thickness of the sample M by curve fitting the calculated analysis reflectance spectrum data Hs to the theoretical reflectance spectrum data.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a film thickness measurement method according to an embodiment of the present disclosure.
  • this film thickness measurement method includes a spectroscopic step S01, a detection step S02, a generation step S03, and an analysis step S04.
  • the film thickness measurement method including steps S01 to S04 is carried out using the film thickness measurement device 1 described above.
  • the spectroscopic step S01 is a step of spectroscopically separating the measurement light L output from the light source 2 and reflected by the sample M.
  • the measurement head 4 is set on the sample M whose film thickness is to be measured.
  • the first exposure time T1 of the first pixel region 21A and the second exposure time T2 of the second pixel region 21B are set.
  • the light source 2 is turned ON and the measurement light L is output from the light source 2.
  • the measurement light L reflected by the sample M is decomposed into wavelengths by the spectroscopic unit 5.
  • the detection step S02 is a step of detecting the spectral image P of the measurement light L dispersed in the spectroscopic step S01.
  • the spectral image P of the measurement light L which has been wavelength-resolved in the wavelength resolution direction (first direction D1), is detected by the first pixel area 21A and the second pixel area 21B of the detection unit 6.
  • the first pixel area 21A receives the spectral image P of the measurement light L for a first exposure time T1
  • the second pixel area 21B receives the spectral image P of the measurement light L for a second exposure time T2 that is longer than the first exposure time T1. This allows the first measurement spectrum data S1 from the first pixel area 21A and the second measurement spectrum data S2 from the second pixel area 21B to be obtained.
  • the generating step S03 is a step of generating analytical spectral data Ds using the spectral data obtained from the detection result of the spectral image P of the measurement light L. More specifically, in the generating step S03, the long wavelength region data S1L in the first measured spectral data S1 obtained from the first pixel region 21A and the short wavelength region data S2S in the second measured spectral data S2 obtained from the second pixel region 21B are combined (spliced together) to generate analytical spectral data Ds.
  • the long wavelength region data R1L in the first reference spectral data R1 and the short wavelength region data R2S in the second reference spectral data R2 are combined (spliced together) to generate analytical reference spectral data Dr.
  • Fig. 8(a) is a diagram showing an example of the first measurement spectrum data S1.
  • Fig. 8(b) is a diagram showing an example of the second measurement spectrum data S2.
  • Fig. 8(a) and Fig. 8(b) are examples of the first measurement spectrum data S1 and the second measurement spectrum data S2 when a silicon wafer on which a SiO2 film is formed is used as the measurement target sample M.
  • the measurement light L reflected by the sample M has a certain intensity on the longer wavelength side than the ultraviolet range, but tends to be weaker in the ultraviolet range than on the longer wavelength side.
  • the first measurement spectrum data S1 is data obtained by receiving a spectral image P of the measurement light L in the first pixel region 21A with a relatively short first exposure time T1.
  • the intensity of the measurement light L is detected with a certain sensitivity on the long wavelength side (e.g., 300 nm or more), but a weaker intensity is detected on the short wavelength side (e.g., less than 300 nm) compared to the long wavelength side.
  • the second measurement spectrum data S2 is data obtained by receiving the spectral image P of the measurement light L in the second pixel region 21B at a relatively long second exposure time T2. Therefore, in the example of the second measurement spectrum data S2 shown in FIG. 8(b), the intensity of the measurement light L is saturated in most of the long wavelength side (e.g., 300 nm or more), and a sufficient intensity is detected on the short wavelength side (e.g., less than 300 nm) compared to the intensity on the short wavelength side of the first measurement spectrum data S1.
  • the long wavelength side e.g. 300 nm or more
  • a sufficient intensity is detected on the short wavelength side (e.g., less than 300 nm) compared to the intensity on the short wavelength side of the first measurement spectrum data S1.
  • the reference spectrum data is spectrum data of the measurement light L for a reference sample (not shown) whose spectral reflectance data is known.
  • the reference sample is a bare silicon wafer on which no SiO2 film is formed.
  • the measurement light L reflected by the reference sample is spectroscopically separated by the spectroscopic unit 5, and the spectral images are detected by the first pixel region 21A and the second pixel region 21B of the detection unit 6, respectively, to obtain the first reference spectrum data R1 and the second reference spectrum data R2 in advance.
  • the waveforms of the first reference spectral data R1 and the second reference spectral data R2 are similar to those of the first measured spectral data S1 and the second measured spectral data S2. That is, in the example of the first reference spectral data R1 shown in FIG. 9(a), the intensity of the measurement light L is detected with a certain sensitivity on the long wavelength side (e.g., 300 nm or more), but a weaker intensity is detected on the short wavelength side (e.g., less than 300 nm) compared to the long wavelength side. In the example of the second reference spectral data R2 shown in FIG.
  • the intensity of the measurement light L is saturated over most of the long wavelength side (e.g., 300 nm or more), and a sufficient intensity is detected on the short wavelength side (e.g., less than 300 nm) compared to the intensity on the short wavelength side of the first reference spectral data R1.
  • FIG. 10(a) is a diagram showing an example of analytical spectral data
  • FIG. 10(b) is a diagram showing an example of analytical reference spectral data.
  • the boundary wavelength ⁇ r is set to 280 nm
  • the analytical spectral data Ds is generated by combining the long wavelength region data S1L in the first measured spectral data S1 and the short wavelength region data S2S in the second measured spectral data S2.
  • the intensity of the measurement light L on the long wavelength side is not saturated, and sufficient intensity of the measurement light L is obtained even on the short wavelength side.
  • the same boundary wavelength ⁇ r is used in the analytical reference spectral data Dr.
  • the boundary wavelength ⁇ r is set to 280 nm, and the analytical reference spectral data Dr is generated by combining the long wavelength region data R1L in the first reference spectral data R1 and the short wavelength region data R2S in the second reference spectral data R2.
  • the intensity of the measurement light L on the long wavelength side is not saturated, and sufficient intensity of the measurement light L is obtained even on the short wavelength side.
  • the boundary wavelength ⁇ r can be arbitrarily set by the user of the film thickness measurement apparatus 1 depending on the type of sample M, the reflection intensity (reflectance) with respect to the measurement light L, etc.
  • the boundary wavelength ⁇ r is selected, for example, from the range of 200 nm to 500 nm, particularly 300 nm or a wavelength in the vicinity thereof.
  • the analysis step S04 is a step of analyzing the film thickness of the sample M based on the analytical spectrum data Ds.
  • the reflectance spectrum data of the sample M is calculated by the following formula (1).
  • the film thickness of the sample M is analyzed by curve fitting the calculated spectrum data related to the reflectance of the sample M to the theoretical reflectance spectrum data.
  • Spectral data regarding reflectance of sample (Spectral data regarding reflectance of sample/Spectral data regarding reflectance of reference sample) ⁇ Spectral data regarding reflectance of reference sample (1)
  • the calculation of spectral data relating to the reflectance of a typical sample using the above formula (1) corresponds to dividing the first measured spectral data S1 shown in FIG. 8(a) by the first reference spectral data R1 shown in FIG. 9(a) and multiplying this by the reference reflectance spectral data Hr.
  • the reflectance spectral data Hs' obtained by this method has a low S/N ratio over the entire measured wavelength range, as shown in FIG. 11(a), and tends to be difficult to obtain a good S/N ratio especially on the short wavelength side.
  • analytical reflectance spectrum data Hs of the sample M is calculated by the following formula (2): Then, the film thickness of the sample M is analyzed by curve fitting the calculated analytical reflectance spectrum data and the theoretical reflectance spectrum data.
  • Reflectance spectrum data for analysis (spectrum data for analysis / reference spectrum data for analysis) x spectrum data regarding reflectance of reference sample ... (2)
  • Calculation of the analytical reflectance spectrum data in this embodiment using the above formula (2) corresponds to dividing the analytical spectrum data Ds shown in FIG. 10(a) (i.e., data generated by combining the long wavelength region data S1L in the first measured spectrum data S1 and the short wavelength region data S2S in the second measured spectrum data S2) by the analytical reference spectrum data Dr shown in FIG. 10(b) (i.e., data generated by combining the long wavelength region data R1L in the first reference spectrum data R1 and the short wavelength region data R2S in the second reference spectrum data R2), and multiplying this by the reference reflectance spectrum data Hr.
  • Ds shown in FIG. 10(a) i.e., data generated by combining the long wavelength region data S1L in the first measured spectrum data S1 and the short wavelength region data S2S in the second measured spectrum data S2
  • Dr shown in FIG. 10(b) i.e., data generated by combining the long wavelength region data R1L in the first reference spectrum data R1 and the short wavelength region data
  • the analytical reflectance spectrum data Hs obtained by this method has a better S/N ratio over the entire measured wavelength range than the reflectance spectrum data Hs' shown in FIG. 11(a), as shown in FIG. 11(b), and the S/N ratio on the short wavelength side is also improved.
  • the boundary wavelength ⁇ r used to combine the long wavelength region data S1L in the first measured spectrum data S1 and the short wavelength region data S2S in the second measured spectrum data S2 may be set based on the exposure time ratio T2/T1 between the first pixel region 21A and the second pixel region 21B and the estimated value F of the reflection spectrum data in the sample M.
  • the approximate reflectance spectrum data can be calculated. Therefore, by multiplying the reflectance spectrum data P1 (see FIG. 12(a)) for the reference sample by the approximate reflectance spectrum data Q1 (see FIG. 12(b)) for sample M, the estimated value F of the reflectance spectrum data for sample M can be calculated (see FIG. 12(c)). Furthermore, by multiplying the calculated estimated value of the reflectance spectrum data for sample M by the exposure time ratio T2/T1, the relationship between the saturation intensity and the estimated value F of the reflectance spectrum data for sample M can be obtained (see FIG. 12(d)).
  • a wavelength range ⁇ w in which the peak intensity of the measurement light L contained in the short wavelength region data is 80% or more and less than 100% of the saturation intensity is calculated, and a boundary wavelength ⁇ r is set from the range of ⁇ w.
  • the wavelength in which the peak intensity of the measurement light L contained in the short wavelength region data is 80% of the saturation intensity is set as the boundary wavelength ⁇ r.
  • the setting of the boundary wavelength ⁇ r is not limited to the above-mentioned method, and the user of the film thickness measurement device 1 may set it to any value.
  • the second measurement spectrum data S2 may be displayed on a monitor, and the user of the film thickness measurement device 1 may set the boundary wavelength ⁇ r in the wavelength range of the displayed second measurement spectrum data S2 where the intensity of the measurement light L is not saturated.
  • data S1L in the long wavelength region of the first measurement spectrum data S1 acquired in the first pixel region 21A with the first exposure time T1 and data S2S in the short wavelength region of the second measurement spectrum data S2 acquired in the second pixel region 21B with the second exposure time T2 longer than the first exposure time T1 are combined to generate analytical spectrum data Ds used to analyze the film thickness of the sample M.
  • the generated analytical spectrum data Ds includes data in the short wavelength region with the sensitivity of the measurement light in the short wavelength region sufficiently increased.
  • the first pixel region 21A and the second pixel region 21B acquire the first measurement spectrum data S1 and the second measurement spectrum data S2 independently, so that when generating the analysis spectrum data Ds, the boundary wavelength ⁇ r for combining the first measurement spectrum data S1 and the second measurement spectrum data S2 can be set arbitrarily, and as a result, the intensity balance between the long wavelength region data S1L and the short wavelength region data S2S can also be adjusted arbitrarily. Therefore, even if the reflection intensity (reflectance) for the measurement light L differs depending on the sample M, it is possible to optimize the acquisition conditions for the spectrum data of the sample M, and the versatility of in-line film thickness measurement can be improved.
  • the detection unit 6 may be configured with a CCD photodetector V1 having a first horizontal shift register 32A to which the charges generated in each column of the first pixel region 21A are transferred, and a second horizontal shift register 32B to which the charges generated in each column of the second pixel region 21B are transferred.
  • a CCD photodetector V1 having a first horizontal shift register 32A to which the charges generated in each column of the first pixel region 21A are transferred, and a second horizontal shift register 32B to which the charges generated in each column of the second pixel region 21B are transferred.
  • the detection unit 6 may be configured by a CCD photodetector V2 having a first storage unit 41A that stores the charge generated in each column of the first pixel region 21A, a second storage unit 41B that stores the charge generated in each column of the second pixel region 21B, a first readout unit 42A that outputs an electrical signal for each column according to the magnitude of the charge stored in the first storage unit 41A, and a second readout unit 42B that outputs an electrical signal for each column according to the magnitude of the charge stored in the second storage unit 41B.
  • the readout of the charge of each pixel 22 corresponding to the spectral image P of the measurement light L received in the first pixel region 21A and the readout of the charge of each pixel 22 corresponding to the spectral image P of the measurement light L received in the second pixel region 21B can be performed in parallel.
  • the CCD photodetector V2 an increase in readout noise when reading out the charge generated in the pixels of each column can be avoided.
  • the detection unit 6 can be configured with a CMOS photodetector V3 having a first readout unit 57A that outputs the charge generated in each column of the first pixel region 21A, and a second readout unit 57B that outputs the charge generated in each column of the second pixel region 21B. Even with this configuration, it is possible to read out the charge of each pixel 22 corresponding to the spectral image P of the measurement light L received in the first pixel region 21A and to read out the charge of each pixel 22 corresponding to the spectral image P of the measurement light L received in the second pixel region 21B in parallel.
  • the generation unit 7 sets the boundary wavelength ⁇ r between the data S1L in the long wavelength region in the first measured spectrum data S1 and the data S2S in the short wavelength region in the second measured spectrum data S2 when generating the analytical spectrum data Ds, based on the exposure time ratio T2/T1 between the first pixel region 21A and the second pixel region 21B and the estimated value F of the reflection spectrum data in the sample M.
  • the data S1L in the long wavelength region of the first measured spectrum data S1 and the data S2S in the short wavelength region of the second measured spectrum data S2 can be combined in a state where the intensity balance between the first measured spectrum data S1 and the second measured spectrum data S2 is optimized.
  • the measurement accuracy of the film thickness can be further improved.
  • the generation unit 7 sets the boundary wavelength ⁇ r from a wavelength at which the peak intensity of the measurement light L included in the short wavelength region data is 80% or more and less than 100% of the saturation intensity. This allows for further optimization of the intensity balance between the first measurement spectrum data S1 and the second measurement spectrum data S2.
  • FIG. 14 is a diagram showing the evaluation results of the reproducibility of film thickness measurement in the comparative example.
  • FIG. 15 is a diagram showing the evaluation results of the reproducibility of film thickness measurement in the example.
  • a silicon wafer on which a SiO 2 film is formed is used as a sample, and the film thickness of the SiO 2 film is measured 10 times, and then the average value and standard deviation of the measurement results are calculated.
  • the film thickness of the SiO 2 film in the sample is three types: 1 nm, 5 nm, and 10 nm.
  • the reflectance spectrum data of the sample was curve-fitted to the theoretical reflectance spectrum data using the reflectance spectrum data obtained by a general calculation method (see FIG. 11(a)).
  • the reflectance spectrum data of the sample was curve-fitted to the theoretical reflectance spectrum data using the reflectance spectrum data obtained by the calculation method of this embodiment (see FIG. 11(b)).
  • the average measurement result for the sample with a film thickness of 1 nm was 0.57, and the standard deviation was 0.25.
  • the average measurement result for the sample with a film thickness of 5 nm was 2.33, and the standard deviation was 0.21.
  • the average measurement result for the sample with a film thickness of 10 nm was 4.9, and the standard deviation was 0.2.
  • the average measurement results for samples with a film thickness of 1 nm were 1.29 and the standard deviation was 0.09.
  • the average measurement results for samples with a film thickness of 5 nm were 4.95 and the standard deviation was 0.10.
  • the average measurement results for samples with a film thickness of 10 nm were 9.85 and the standard deviation was 0.05. From these results, it was confirmed that the method according to this embodiment improves the film thickness measurement accuracy and also contributes to improved reproducibility.
  • 1...film thickness measuring device 2...light source, 5...spectroscopic section, 6...detection section, 7...generation section, 8...analysis section, 21A...first pixel region, 21B...second pixel region, 32A...first horizontal shift register, 32B...second horizontal shift register, 41A...first storage section, 41B...second storage section, 42A...first readout section, 42B...second readout section, 57A...first readout section, 57B...second readout section, L...measurement light, D1...first direction, D2...second direction, M...sample, P...spectral image, V1, V2...CCD photodetector, V3...CMOS photodetector, ⁇ r...border wavelength.

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

膜厚計測装置１では、第１の画素領域２１Ａによって計測光Ｌの分光像Ｐを第１の露光時間Ｔ１で受光し、第２の画素領域２１Ｂによって計測光Ｌの分光像Ｐを第１の露光時間Ｔ１よりも長い第２の露光時間Ｔ２で受光し、第１の画素領域２１Ａから得られた第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータと、第２の画素領域２１Ｂから得られた第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータとを結合し、解析用スペクトルデータＤｓを生成する。

Description

膜厚計測装置及び膜厚計測方法
　本開示は、膜厚計測装置及び膜厚計測方法に関する。
　インライン膜厚モニタなどへの適用を鑑み、分光を利用した膜厚計測装置の開発が進められている。多層膜の膜厚に対する反射率スペクトルの変化量は、可視域に比べて紫外域のほうが大きくなる傾向を有している。このため、デバイスの多層化及び薄膜化が進んでいる現状では、測定精度の向上の観点から、紫外域の光を用いた分光を行うことが有効であると考えられる。しかしながら、紫外域の光を扱う場合、迷光、分散、散乱、輝度、耐久性、コストといった様々な技術的課題が存在する。特に、紫外域の光に対して可視域の光の強度が大幅に上回る場合、検出系において可視域の光の感度が飽和しない範囲に露光時間が制限され、必要とする紫外域の光の感度が得られ難くなるおそれがある。
　このような課題に対し、例えば特許文献１に記載の膜厚測定装置は、紫外域から可視域にわたる波長の光が入力される入力部と、色収差を生じさせた状態で光を集光する光学系と、色収差が生じた光のうち、可視域の波長の光が結像せず、紫外域の波長の光が結像する開口部とを有する光学ユニットを備えている。この光学ユニットでは、開口部から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることが可能となっている。
国際特開第２０２１／１０６２９９号公報
　上述した特許文献１のような膜厚計測装置では、検出系において必要とされる紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる点で有意である。一方、このような装置をインライン膜厚測定に適用する際には、計測光に対する反射強度（反射率）が計測対象となる試料によって様々であることを考慮する必要がある。例えば計測した試料の反射率データにカーブフィッティング法を適用して膜厚を算出する場合、紫外域だけでなく、可視域を含む長波長域のスペクトル強度を加味したフィッティングを行うことで、膜厚算出の精度が高まると考えられる。これを前提とし、膜厚のインライン測定の汎用性を高める観点からは、相対的にスペクトル強度を増大させる波長域や、各波長域での計測光の検出強度のバランスなどを任意に調整できる技術が必要となる。
　本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、膜厚のインライン測定の汎用性を高めることができる膜厚計測装置及び膜厚計測方法を提供することを目的とする。
　本開示の一側面に係る膜厚計測装置は、光源から出力して試料で反射した計測光を分光する分光部と、分光部によって分光された計測光の分光像を検出する検出する検出部と、計測光の分光像の検出結果から得られたスペクトルデータを用いて解析用スペクトルデータを生成する生成部と、解析用スペクトルデータに基づいて試料の膜厚を解析する解析部と、を備え、分光部は、計測光を第１の方向に波長分解すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、検出部は、第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有し、第１の画素領域によって計測光の分光像を第１の露光時間で受光し、第２の画素領域によって計測光の分光像を第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で受光し、生成部は、第１の画素領域から得られた第１の計測スペクトルデータにおける長波長領域のデータと、第２の画素領域から得られた第２の計測スペクトルデータにおける短波長領域のデータとを結合し、解析用スペクトルデータを生成する。
　この膜厚計測装置では、第１の画素領域において第１の露光時間で取得した第１の計測スペクトルデータの長波長領域のデータと、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で取得した第２の計測スペクトルデータの短波長領域のデータと結合し、試料の膜厚の解析に用いる解析用スペクトルデータを生成する。生成された解析用スペクトルデータには、短波長領域における計測光の感度を十分に高めた状態で短波長領域のデータが含まれる。このような解析用スペクトルデータを用い、紫外域及び可視域を含むスペクトルデータに対してカーブフィッティングを行うことで、膜厚の計測精度を高めることができる。また、この膜厚計測装置では、第１の画素領域及び第２の画素領域によって第１の計測スペクトルデータと第２の計測スペクトルデータとを独立して取得するため、解析用スペクトルデータの生成にあたって、第１の計測スペクトルデータと第２の計測スペクトルデータとの結合の境界波長を任意に設定でき、その結果、長波長領域のデータと短波長領域のデータとの間の強度バランスも任意に調整できる。したがって、計測光に対する反射強度（反射率）が試料によって異なる場合でも、試料のスペクトルデータの取得条件の最適化が可能となり、膜厚のインライン測定の汎用性を高めることができる。
　検出部は、第１の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタと、第２の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤ光検出器であってもよい。このような構成により、第１の画素領域で受光した計測光の分光像に対応する各画素の電荷の読み出しと、第２の画素領域で受光した計測光の分光像に対応する各画素の電荷の読み出しとを並行して実施できる。また、ＣＣＤ光検出器を用いることで、各列の画素で生じた電荷を読み出す際の読出ノイズの増加を回避できる。
　検出部は、第１の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部と、第２の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部と、第１の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部と、第２の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＣＤ光検出器であってもよい。このような構成においても、第１の画素領域で受光した計測光の分光像に対応する各画素の電荷の読み出しと、第２の画素領域で受光した計測光の分光像に対応する各画素の電荷の読み出しとを並行して実施できる。また、ＣＣＤ光検出器を用いることで、各列の画素で生じた電荷を読み出す際の読出ノイズの増加を回避できる。
　検出部は、第１の画素領域の各列で生成された電荷を出力する第１の読出部と、第２の画素領域の各列で生成された電荷を出力する第２の読出部と、を有するＣＭＯＳ光検出器であってもよい。このような構成においても、第１の画素領域で受光した計測光の分光像に対応する各画素の電荷の読み出しと、第２の画素領域で受光した計測光の分光像に対応する各画素の電荷の読み出しとを並行して実施できる。
　生成部は、第１の画素領域と第２の画素領域との間の露光時間比と、試料における反射スペクトルデータの見積もり値とに基づいて、解析用スペクトルデータを生成する際の第１の計測スペクトルデータにおける長波長領域のデータと第２の計測スペクトルデータにおける短波長領域のデータとの境界波長を設定してもよい。第１の画素領域と第２の画素領域との間の露光時間比と、試料における反射スペクトルデータの見積もり値とを指標とすることで、第１の計測スペクトルデータと第２の計測スペクトルデータとの間の強度バランスを最適化した状態で、第１の計測スペクトルデータの長波長領域のデータと、第２の計測スペクトルデータの短波長領域のデータとを結合できる。このような解析用スペクトルデータに対してカーブフィッティングを行うことで、膜厚の計測精度を一層高めることができる。
　生成部は、短波長領域のデータに含まれる計測光のピーク強度が飽和強度の８０％以上１００％未満となる波長から境界波長を設定してもよい。これにより、第１の計測スペクトルデータと第２の計測スペクトルデータとの間の強度バランスの一層の最適化が図られる。
　本開示の一実施形態に係る膜厚計測方法は、光源から出力して試料で反射した計測光を分光する分光ステップと、分光ステップによって分光された計測光の分光像を検出する検出する検出ステップと、計測光の分光像の検出結果から得られたスペクトルデータを用いて解析用スペクトルデータを生成する生成ステップと、解析用スペクトルデータに基づいて試料の膜厚を解析する解析ステップと、を備え、分光ステップでは、計測光を第１の方向に波長分解すると共に、第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、検出ステップでは、第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を用い、第１の画素領域によって計測光の分光像を第１の露光時間で受光し、第２の画素領域によって計測光の分光像第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で受光し、生成ステップでは、第１の画素領域から得られた第１の計測スペクトルデータにおける長波長領域のデータと、第２の画素領域から得られた第２の計測スペクトルデータにおける短波長領域のデータとを結合し、解析用スペクトルデータを生成する。
　この膜厚計測方法では、第１の画素領域において第１の露光時間で取得した第１の計測スペクトルデータの長波長領域のデータと、第２の画素領域において第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で取得した第２の計測スペクトルデータの短波長領域のデータと結合し、試料の膜厚の解析に用いる解析用スペクトルデータを生成する。生成された解析用スペクトルデータには、短波長領域における計測光の感度を十分に高めた状態で短波長領域のデータが含まれる。このような解析用スペクトルデータを用い、紫外域及び可視域を含むスペクトルデータに対してカーブフィッティングを行うことで、膜厚の計測精度を高めることができる。また、この膜厚計測方法では、第１の画素領域及び第２の画素領域によって第１の計測スペクトルデータと第２の計測スペクトルデータとを独立して取得するため、解析用スペクトルデータの生成にあたって、第１の計測スペクトルデータと第２の計測スペクトルデータとの結合の境界波長を任意に設定でき、その結果、長波長領域のデータと短波長領域のデータとの間の強度バランスも任意に調整できる。。したがって、計測光に対する反射強度（反射率）が試料によって異なる場合でも、試料のスペクトルデータの取得条件の最適化が可能となり、膜厚のインライン測定の汎用性を高めることができる。
　本開示によれば、膜厚のインライン測定の汎用性を高めることができる。
本開示の一実施形態に係る膜厚計測装置を示す概略図である。 検出部における計測光の分光像の結像の様子を示す模式的な図である。 検出部を構成するＣＣＤ光検出器の一例を示す図である。 検出部を構成するＣＣＤ光検出器の別例を示す図である。 検出部を構成するＣＣＤ光検出器の別例を示す図である。 検出部を構成するＣＭＯＳ光検出器の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る膜厚測定方法を示すフローチャートである。 （ａ）は、第１の計測スペクトルデータの一例を示す図であり、（ｂ）は、第２の計測スペクトルデータの一例を示す図である。 （ａ）は、第１の基準スペクトルデータの一例を示す図であり、（ｂ）は、第２の基準スペクトルデータの一例を示す図である。 （ａ）は、解析用スペクトルデータの一例を示す図であり、（ｂ）は、解析用基準スペクトルデータの一例を示す図である。 （ａ）は、比較例に係る手法で得られた反射率スペクトルデータの一例を示す図であり、（ｂ）は、実施例に係る手法で得られた反射率スペクトルデータの一例を示す図である。 （ａ）は、基準試料に対する反射スペクトルデータを示す模式的な図であり、（ｂ）は、試料の大まかな反射率スペクトルデータを示す模式的な図であり、（ｃ）は、試料の反射スペクトルデータの見積もり値を示す模式的な図であり、（ｄ）は、試料の反射スペクトルデータの見積もり値に対する飽和強度の関係を示す模式的な図である。 境界波長の設定の一例を示す模式的な図である。 比較例における膜厚計測の再現性の評価結果を示す図である。 実施例における膜厚計測の再現性の評価結果を示す図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る膜厚計測装置及び膜厚計測方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
　図１は、本開示の一実施形態に係る膜厚計測装置を示す概略図である。図１に示す膜厚計測装置１は、例えば成膜チャンバを用いた試料Ｍの成膜工程において、当該試料Ｍの膜厚のインライン測定を行う装置として構成されている。試料Ｍとしては、例えば光学フィルム、ディプレイパネル向け薄膜、半導体ウェハ向け薄膜などが挙げられる。膜厚計測装置１は、光源２と、光学系３と、計測ヘッド４と、分光部５と、検出部６と、生成部７と、解析部８とを備えている。
　光源２は、試料Ｍに向けて計測光Ｌを出力する装置である。光源２としては、例えば１８５ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の波長域を含む光を出力する白色光源が用いられる。光源２としては、例えば繰返周波数が１ｋＨｚ以上のパルス光を出力する光源（例えばキセノンフラッシュランプ）が用いられる。
　光学系３は、光源２と計測ヘッド４と分光部５との間で計測光Ｌを導光する系である。本実施形態では、光学系３は、第１の光ファイバ９Ａと、第２の光ファイバ９Ｂとを有している。第１の光ファイバ９Ａは、計測光Ｌを光源２から計測ヘッド４に導光する光ファイバである。第２の光ファイバ９Ｂは、計測光Ｌを計測ヘッド４から分光部５に導光する光ファイバである。
　計測ヘッド４は、試料Ｍへの計測光Ｌの照射を行う部分である。計測ヘッド４は、例えばハーフミラー及び集光レンズを含んで構成されている。第１の光ファイバ９Ａを介して光源２から計測ヘッド４の入力端に入力された計測光Ｌは、ハーフミラー及び集光レンズを経て試料Ｍに照射される。試料Ｍで反射した計測光Ｌは、集光レンズ及びハーフミラーを経て計測ヘッド４の出力端から出力し、第２の光ファイバ９Ｂを介して分光部５に入力される。
　分光部５は、光源２から出力して試料Ｍで反射した計測光Ｌを分光する部分である。分光部５としては、結像性の良好な分光器が用いられる。分光部５を構成する分光器としては、例えば非点収差補正が可能なツェルニターナ型分光器、ダイソン型分光器、オフナー型分光器などが挙げられる。
　分光部５は、例えば図２に示すように、計測光Ｌを第１の方向Ｄ１に波長分解すると共に、第１の方向Ｄ１に交差する第２の方向Ｄ２に波長毎の分光像Ｐを結像させる。ここでは、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とは、互いに直交する方向となっている。図２の例では、第１の方向Ｄ１は、検出部６を構成する画素領域２１の行方向に沿っており、第２の方向Ｄ２は、当該画素領域２１の列方向に沿っている。
　検出部６は、分光部５によって分光された計測光Ｌの分光像Ｐを検出する部分である。検出部６は、図２に示すように、分光像Ｐを撮像する画素領域２１を有している。画素領域２１では、複数の画素２２が行方向及び列方向に配列されている。図２の例では、第１の方向Ｄ１に対応する行方向は、分光部５による分光像Ｐの波長分解方向に沿っており、第２の方向Ｄ２に対応する列方向は、各画素２２の電荷転送方向に沿っている。各画素２２は、波長分解された分光像Ｐを受光し、光の強度に応じた電荷を発生及び蓄積する。
　図２の例では、画素領域２１は、行方向の画素数が列方向の画素数よりも多い横長の長方形状の領域をなしている。画素領域２１は、第２の方向Ｄ２に分割された第１の画素領域２１Ａ及び第２の画素領域２１Ｂを有している。ここでは、第１の画素領域２１Ａと第２の画素領域２１Ｂとは、列方向の中央にて区分されている。すなわち、画素領域２１において、列方向の中央よりも一方側の画素２２は、第１の画素領域２１Ａに属し、列方向の中央よりも他方側の画素２２は、第２の画素領域２１Ｂに属している。
　分光像Ｐは、画素２２の列方向に直線状に延在し、行方向に互いに離間した状態で第１の画素領域２１Ａ及び第２の画素領域２１Ｂにそれぞれ結像する。図２の例では、分光部５で波長分解された計測光Ｌの５つの分光像Ｐのそれぞれにおける第２の方向Ｄ２の一方の半分部分は、第１の画素領域２１Ａに結像する。また、分光部５で波長分解された計測光Ｌの５つの分光像Ｐのそれぞれにおける第２の方向Ｄ２の他方の半分部分は、第１の画素領域２１Ａにおける分光像Ｐの結像と同じタイミングで第２の画素領域２１Ｂに結像する。検出部６は、第１の画素領域２１Ａでの検出結果に基づくデータ（第１の計測スペクトルデータＳ１）と、第２の画素領域２１Ｂでの検出結果に基づくデータ（第２の計測スペクトルデータＳ２）とを解析部８に出力する。
　第１の画素領域２１Ａにおける各画素２２の第１の露光時間Ｔ１と、第２の画素領域２１Ｂにおける各画素２２の第２の露光時間Ｔ２とは、互いに独立して設定可能となっている。第１の画素領域２１Ａと第２の画素領域２１Ｂとの間の露光時間比Ｔ２／Ｔ１は、試料Ｍにおける膜の種類などに応じて設定される。第１の画素領域２１Ａの第１の露光時間Ｔ１を一定とし、試料Ｍにおける膜の種類などに応じて、第２の画素領域２１Ｂの第２の露光時間Ｔ２を調整してもよい。
　検出部６は、例えばＣＣＤ光検出或いはＣＭＯＳ光検出器によって構成することができる。図３は、検出部を構成するＣＣＤ光検出器の一例を示す図である。図３に示すＣＣＤ光検出器Ｖ１は、上述した第１の画素領域２１Ａ及び第２の画素領域２１Ｂを含む画素領域２１と、第１の画素領域２１Ａに対応する第１の水平シフトレジスタ３２Ａと、第２の画素領域２１Ｂに対応する第２の水平シフトレジスタ３２Ｂと、複数のダミー画素３３とを含んで構成されている。
　第１の画素領域２１Ａの各画素２２で生成及び蓄積される電荷は、第１の水平シフトレジスタ３２Ａに転送される。転送にあたって、各列の画素２２の電荷が第１の水平シフトレジスタ３２Ａにおいて列毎に足し合わされ（縦転送）、列毎に足し合わされた電荷が第１の水平シフトレジスタ３２Ａから順次読み出される（横転送）。第１の水平シフトレジスタ３２Ａから読み出された電荷の量に応じた電圧値は、アンプ３４Ａから出力される。アンプ３４Ａから出力された電圧値は、ＡＤ変換器によってデジタル値に変換される。
　第２の画素領域２１Ｂの各画素２２で生成及び蓄積される電荷は、第２の水平シフトレジスタ３２Ｂに転送される。転送にあたって、各列の画素２２の電荷が第２の水平シフトレジスタ３２Ｂにおいて列毎に足し合わされ（縦転送）、列毎に足し合わされた電荷が第２の水平シフトレジスタ３２Ｂから順次読み出される（横転送）。第２の水平シフトレジスタ３２Ｂから読み出された電荷の量に応じた電圧値は、アンプ３４Ｂから出力される。アンプ３４Ｂから出力された電圧値は、ＡＤ変換器によってデジタル値に変換される。
　ＣＣＤ光検出器Ｖ１では、第１の画素領域２１Ａの第１の露光時間Ｔ１及び第２の画素領域２１Ｂの第２の露光時間Ｔ２は、例えば電子シャッタによって設定することができる。電子シャッタは、例えばアンチブルーミングゲートを利用することで実現できる。第１の画素領域２１Ａからの信号の出力動作と第２の画素領域２１Ｂからの信号の出力動作とは、独立して制御されるが、互いに同期していることが好ましい。この場合、一方の出力動作を指示する信号が他方の出力動作を出力信号に対してノイズとして重複してしまうことを防止できる。
　図４及び図５は、検出部を構成するＣＣＤ光検出器の別例を示す図である。図４及び図５に示すＣＣＤ光検出器Ｖ２は、変換基板４０と、第１の画素領域２１Ａの各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部４１Ａと、第２の画素領域２１Ｂの各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部４１Ｂと、第１の蓄積部４１Ａで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部４２Ａと、第２の蓄積部４１Ｂで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部４２Ｂとを有している。
　変換基板４０は、画素領域２１の脇に列方向に沿って配置されている。変換基板４０には、画素２２の電荷の転送を制御するための電圧信号（ドライブ信号）が供給される。第１の画素領域２１Ａに属する各列の画素２２の電荷は、変換基板４０に供給される電圧信号に基づいて、各列の第１の蓄積部４１Ａに転送される。第２の画素領域２１Ｂに属する各列の画素２２の電荷は、変換基板４０に供給される電圧信号に基づいて、各列の第２の蓄積部４１Ｂに転送される。
　第１の蓄積部４１Ａは、第１の画素領域２１Ａの列方向の端部に列毎に配置され、第１の画素領域２１Ａの各列の画素２２で生じた電荷を蓄積する。第２の蓄積部４１Ｂは、第２の画素領域２１Ｂの列方向の端部に列毎に配置され、第２の画素領域２１Ｂの各列の画素２２で生じた電荷を蓄積する。第１の読出部４２Ａは、第１の画素領域２１Ａの列方向の端部において、第１の蓄積部４１Ａの後段に配置され、第２の読出部４２Ｂは、第２の画素領域２１Ｂの列方向の端部において、第２の蓄積部４１Ｂの後段に配置されている。
　第１の読出部４２Ａは、図４に示すように、例えばトランジスタ４３Ａと、信号出力用のボンディングパッド４４Ａとを有している。トランジスタ４３Ａの制御端子（ゲート）は、第１の蓄積部４１Ａに電気的に接続されている。トランジスタ４３Ａの一方の電流端子（ドレイン）は、第１の画素領域２１Ａの各列にわたって共通に設けられた配線４５Ａを介してボンディングパッド４６Ａに電気的に接続されている。ボンディングパッド４６Ａには、所定の大きさの電圧が常に印加される。
　トランジスタ４３Ａの他方の電流端子（ソース）は、信号出力用のボンディングパッド４４Ａに電気的に接続されている。トランジスタ４３Ａの制御端子には、第１の蓄積部４１Ａから出力される第１の電気信号に応じた電圧が印加される。トランジスタ４３Ａの他方の電流端子からは、印加電圧に応じた電流が出力され、信号出力用のボンディングパッド４４Ａを介して外部に取り出される。
　第２の読出部４２Ｂは、図５に示すように、例えばトランジスタ４３Ｂと、信号出力用のボンディングパッド４４Ｂとを有している。トランジスタ４３Ｂの制御端子（ゲート）は、第２の蓄積部４１Ｂに電気的に接続されている。トランジスタ４３Ｂの一方の電流端子（ドレイン）は、第２の画素領域２１Ｂの各列にわたって共通に設けられた配線４５Ｂを介してボンディングパッド４６Ｂに電気的に接続されている。ボンディングパッド４６Ｂには、所定の大きさの電圧が常に印加される。
　トランジスタ４３Ｂの他方の電流端子（ソース）は、信号出力用のボンディングパッド４４Ｂに電気的に接続されている。トランジスタ４３Ｂの制御端子には、第２の蓄積部４１Ｂから出力される第２の電気信号に応じた電圧が印加される。トランジスタ４３Ｂの他方の電流端子からは、印加電圧に応じた電流が出力され、信号出力用のボンディングパッド４４Ｂを介して外部に取り出される。
　図６は、検出部を構成するＣＭＯＳ光検出器の一例を示す図である。同図に示すＣＭＯＳ光検出器Ｖ３では、画素領域２１を構成する各画素２２は、フォトダイオード５１と、アンプ５２とを有している。フォトダイオード５１は、光の入力によって生成された電子（光電子）を電荷として蓄積する。アンプ５２は、フォトダイオード５１に蓄積された電荷を電気信号に変換し、変換後の信号を増幅する。
　アンプ５２によって増幅された電気信号は、各画素２２の選択スイッチ５３の切り替えによって、行方向の画素２２同士を接続する垂直信号線５４に転送される。垂直信号線５４のそれぞれには、ＣＤＳ（correlated double sampling）回路５５が配置されている。ＣＤＳ回路５５は、各画素２２間の読み出しノイズを軽減すると共に、垂直信号線５４に転送された電気信号を一時的に保管する。ＣＤＳ回路５５は、変換部５６に電気的に接続されている。変換部５６は、各画素２２のそれぞれのアンプ５２から出力される電圧値をデジタル値に変換する。本実施形態では、変換部５６は、Ａ／Ｄコンバータによって構成されている。Ａ／Ｄコンバータは、ＣＤＳ回路５５に保管された電圧値をデジタル値（画素値）に変換する。
　ＣＭＯＳ光検出器Ｖ３は、第１の画素領域２１Ａの各列で生成された電荷を出力する第１の読出部５７Ａと、第２の画素領域２１Ｂの各列で生成された電荷を出力する第２の読出部５７Ｂとを有している。第１の読出部５７Ａは、第１の画素領域２１Ａに属する各画素２２の垂直信号線５４に対応するＡ／Ｄコンバータに接続されている。第１の読出部５７Ａは、第１の画素領域２１Ａに属する各画素２２の画素値を出力する。第２の読出部５７Ｂは、第２の画素領域２１Ｂに属する各画素２２の垂直信号線５４に対応するＡ／Ｄコンバータに接続されている。第２の読出部５７Ｂは、第２の画素領域２１Ｂに属する各画素２２の画素値を出力する。
　図１に戻り、生成部７及び解析部８について説明する。生成部７及び解析部８は、物理的には、例えばＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶媒体を備えるコンピュータ９によって構成されている。コンピュータ９は、表示部や入力部を一体に備えたスマートフォン或いはタブレット端末であってもよい。コンピュータ９は、マイコンやＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で構成されていてもよい。
　生成部７は、計測光Ｌの分光像Ｐの検出結果から得られたスペクトルデータを用いて解析用スペクトルデータを生成する部分である。生成部７は、第１の画素領域２１Ａから得られた第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の画素領域２１Ｂから得られた第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータＳ２Ｓとを結合し、解析用スペクトルデータＤｓを生成する（図１０（ａ）参照）。生成部７は、生成した解析用スペクトルデータＤｓを解析部８に出力する。
　また、生成部７は、例えば分光反射率データが既知である基準試料（不図示）に対する計測光Ｌのスペクトルデータ（基準スペクトルデータ）を予め保有している。生成部７は、第１の画素領域２１Ａから得られた第１の基準スペクトルデータＲ１における長波長領域のデータＲ１Ｌと、第２の画素領域２１Ｂから得られた第２の基準スペクトルデータＲ２における短波長領域のデータＲ２Ｓとを結合し、解析用基準スペクトルデータＤｒを生成する（図１０（ｂ）参照）。生成部７は、生成した解析用基準スペクトルデータＤｒを解析部８に出力する。
　解析部８は、解析用スペクトルデータＤｓに基づいて試料Ｍの膜厚を解析する部分である。解析部８は、基準試料の反射率に関するスペクトルデータ（基準用反射率スペクトルデータＨｒ）を予め保有している。解析部８は、生成部７から受け取った解析用スペクトルデータＤｓ及び解析用基準スペクトルデータＤｒと、基準用反射率スペクトルデータＨｒとに基づいて、計測対象である試料Ｍの反射率に関するスペクトルデータ（解析用反射率スペクトルデータＨｓ）を算出する。解析部８は、算出した解析用反射率スペクトルデータＨｓと理論反射率スペクトルデータとのカーブフィッティングにより、試料Ｍの膜厚を解析する。
　次に、本開示の一実施形態に係る膜厚計測方法について説明する。図７は、本開示の一実施形態に係る膜厚測定方法を示すフローチャートである。図７に示すように、この膜厚測定方法は、分光ステップＳ０１と、検出ステップＳ０２と、生成ステップＳ０３と、解析ステップＳ０４とを含んで構成されている。上述した膜厚計測装置１を用いてステップＳ０１～ステップＳ０４を含む膜厚測定方法を実施する。
　分光ステップＳ０１は、光源２から出力して試料Ｍで反射した計測光Ｌを分光するステップである。分光ステップＳ０１では、まず、膜厚の計測対象となる試料Ｍに対して計測ヘッド４をセットする。計測ヘッド４のセットの後、第１の画素領域２１Ａの第１の露光時間Ｔ１、及び第２の画素領域２１Ｂの第２の露光時間Ｔ２をそれぞれ設定する。露光時間の設定の後、光源２をＯＮとし、光源２から計測光Ｌを出力する。試料Ｍで反射した計測光Ｌを分光部５によって波長分解する。
　検出ステップＳ０２は、分光ステップＳ０１によって分光された計測光Ｌの分光像Ｐを検出する検出するステップである。検出ステップＳ０２では、波長分解方向（第１の方向Ｄ１）に波長分解された計測光Ｌの分光像Ｐを検出部６の第１の画素領域２１Ａ及び第２の画素領域２１Ｂでそれぞれ検出する。検出ステップＳ０２では、第１の画素領域２１Ａによって計測光Ｌの分光像Ｐを第１の露光時間Ｔ１で受光し、第２の画素領域２１Ｂによって計測光Ｌの分光像Ｐを第１の露光時間Ｔ１よりも長い第２の露光時間Ｔ２で受光する。これにより、第１の画素領域２１Ａからの第１の計測スペクトルデータＳ１と、第２の画素領域２１Ｂからの第２の計測スペクトルデータＳ２とをそれぞれ取得する。
　生成ステップＳ０３は、計測光Ｌの分光像Ｐの検出結果から得られたスペクトルデータを用いて解析用スペクトルデータＤｓを生成するステップである。より具体的には、生成ステップＳ０３では、第１の画素領域２１Ａから得られた第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の画素領域２１Ｂから得られた第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータＳ２Ｓとを結合（繋ぎ合わせ）し、解析用スペクトルデータＤｓを生成する。また、生成ステップＳ０３では、第１の基準スペクトルデータＲ１における長波長領域のデータＲ１Ｌと、第２の基準スペクトルデータＲ２における短波長領域のデータＲ２Ｓとを結合（繋ぎ合わせ）し、解析用基準スペクトルデータＤｒを生成する。
　図８（ａ）は、第１の計測スペクトルデータＳ１の一例を示す図である。図８（ｂ）は、第２の計測スペクトルデータＳ２の一例を示す図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、ＳｉＯ２膜が形成されたシリコンウェハを計測対象の試料Ｍとした場合の第１の計測スペクトルデータＳ１及び第２の計測スペクトルデータＳ２の一例である。この場合、試料Ｍを反射した計測光Ｌは、紫外域よりも長波長側では一定の強度を有するが、紫外域では長波長側に比べて強度が弱くなる傾向がある。
　第１の計測スペクトルデータＳ１は、第１の画素領域２１Ａにおいて、相対的に短い第１の露光時間Ｔ１で計測光Ｌの分光像Ｐを受光することによって得られるデータである。図８（ａ）に示す第１の計測スペクトルデータＳ１の例においては、長波長側（例えば３００ｎｍ以上）では一定の感度で計測光Ｌの強度が検出されているが、短波長側（例えば３００ｎｍ未満）では、長波長側に比べて微弱な強度が検出されている。
　第２の計測スペクトルデータＳ２は、第２の画素領域２１Ｂにおいて、相対的に長い第２の露光時間Ｔ２で計測光Ｌの分光像Ｐを受光することによって得られるデータである。このため、図８（ｂ）に示す第２の計測スペクトルデータＳ２の例においては、長波長側（例えば３００ｎｍ以上）では、その大部分で計測光Ｌの強度が飽和しており、短波長側（例えば３００ｎｍ未満）では、第１の計測スペクトルデータＳ１の短波長側の強度と比べて十分な強度が検出されている。
　図９（ａ）は、第１の基準スペクトルデータＲ１の一例を示す図である。図９（ｂ）は、第２の基準スペクトルデータＲ２の一例を示す図である。基準スペクトルデータは、上述したように、分光反射率データが既知である基準試料（不図示）に対する計測光Ｌのスペクトルデータである。ここでは、基準試料は、ＳｉＯ２膜が形成されていないベアシリコンウェハである。本実施形態では、基準試料で反射した計測光Ｌを分光部５で分光し、その分光像を検出部６の第１の画素領域２１Ａ及び第２の画素領域２１Ｂでそれぞれ検出することで、第１の基準スペクトルデータＲ１及び第２の基準スペクトルデータＲ２が予め取得されている。
　第１の基準スペクトルデータＲ１の波形及び第２の基準スペクトルデータＲ２の波形は、第１の計測スペクトルデータＳ１及び第２の計測スペクトルデータＳ２の波形に準じている。すなわち、図９（ａ）に示す第１の基準スペクトルデータＲ１の例においては、長波長側（例えば３００ｎｍ以上）では一定の感度で計測光Ｌの強度が検出されているが、短波長側（例えば３００ｎｍ未満）では、長波長側に比べて微弱な強度が検出されている。図９（ｂ）に示す第２の基準スペクトルデータＲ２の例においては、長波長側（例えば３００ｎｍ以上）では、その大部分で計測光Ｌの強度が飽和しており、短波長側（例えば３００ｎｍ未満）では、第１の基準スペクトルデータＲ１の短波長側の強度と比べて十分な強度が検出されている。
　図１０（ａ）は、解析用スペクトルデータの一例を示す図であり、図１０（ｂ）は、解析用基準スペクトルデータの一例を示す図である。図１０（ａ）の例では、境界波長λｒを２８０ｎｍとして、第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータＳ２Ｓとが結合されることにより、解析用スペクトルデータＤｓが生成されている。解析用スペクトルデータＤｓでは、長波長側の計測光Ｌの強度が飽和せず、短波長側でも計測光Ｌの強度が十分に得られた状態となっている。
　解析用基準スペクトルデータＤｒにおいても、同一の境界波長λｒが用いられる。図１０（ｂ）の例では、境界波長λｒを２８０ｎｍとして、第１の基準スペクトルデータＲ１における長波長領域のデータＲ１Ｌと、第２の基準スペクトルデータＲ２における短波長領域のデータＲ２Ｓとが結合されることにより、解析用基準スペクトルデータＤｒが生成されている。解析用基準スペクトルデータＤｒにおいても、長波長側の計測光Ｌの強度が飽和せず、短波長側でも計測光Ｌの強度が十分に得られた状態となっている。
　境界波長λｒは、試料Ｍの種類、計測光Ｌに対する反射強度（反射率）などに応じて、膜厚計測装置１のユーザが任意に設定できる。境界波長λｒは、試料ＭとしてＳｉＯ２膜が形成されたシリコンウェハを想定する場合には、例えば２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲、特に３００ｎｍ及びその近傍の波長から選択される。
　解析ステップＳ０４は、解析用スペクトルデータＤｓに基づいて試料Ｍの膜厚を解析するステップである。一般的な膜厚の算出手法では、まず、下記の式（１）によって試料Ｍの反射率スペクトルデータを算出する。そして、算出した試料Ｍの反射率に関するスペクトルデータと理論反射率スペクトルデータとのカーブフィッティングにより、試料Ｍの膜厚を解析する。
試料の反射率に関するスペクトルデータ＝（試料の反射スペクトルデータ／基準試料の反射スペクトルデータ）×基準試料の反射率に関するスペクトルデータ…（１）
　上記式（１）を用いた一般的な試料の反射率に関するスペクトルデータの算出は、本実施形態では、例えば図８（ａ）に示した第１の計測スペクトルデータＳ１を図９（ａ）に示した第１の基準スペクトルデータＲ１で除算し、これに基準用反射率スペクトルデータＨｒを乗算したものに相当する。このような手法で得られた反射率スペクトルデータＨｓ’は、図１１（ａ）に示すように、計測波長域の全体にわたってＳ／Ｎ比が低く、特に短波長側でのＳ／Ｎ比が得られにくい傾向がある。
　これに対し、本実施形態では、下記の式（２）によって試料Ｍの解析用反射率スペクトルデータＨｓを算出する。そして、算出した解析用反射率スペクトルデータと理論反射率スペクトルデータとのカーブフィッティングにより、試料Ｍの膜厚を解析する。
解析用反射率スペクトルデータ＝（解析用スペクトルデータ／解析用基準スペクトルデータ）×基準試料の反射率に関するスペクトルデータ…（２）
　上記式（２）を用いた本実施形態の解析用反射率スペクトルデータの算出は、図１０（ａ）に示した解析用スペクトルデータＤｓ（すなわち、第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータＳ２Ｓとを結合して生成したデータ）を、図１０（ｂ）に示した解析用基準スペクトルデータＤｒ（すなわち、第１の基準スペクトルデータＲ１における長波長領域のデータＲ１Ｌと、第２の基準スペクトルデータＲ２における短波長領域のデータＲ２Ｓとを結合して生成したデータ）で除算し、これに基準用反射率スペクトルデータＨｒを乗算したものに相当する。このような手法で得られた解析用反射率スペクトルデータＨｓは、図１１（ｂ）に示すように、計測波長域の全体にわたって図１１（ａ）に示した反射率スペクトルデータＨｓ’よりもＳ／Ｎ比が良好となり、短波長側でのＳ／Ｎ比も向上する。
　上述した生成ステップＳ０３において、第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータＳ２Ｓとの結合に用いる境界波長λｒは、第１の画素領域２１Ａと第２の画素領域２１Ｂとの間の露光時間比Ｔ２／Ｔ１と、試料Ｍにおける反射スペクトルデータの見積もり値Ｆとに基づいて設定してもよい。
　試料Ｍにおいては、層構造、各層の光学特性、各層の大まかな厚さが分かれば、その大まかな反射率スペクトルデータを算出できる。このため、基準試料に対する反射スペクトルデータＰ１（図１２（ａ）参照）に、試料Ｍの大まかな反射率スペクトルデータＱ１（図１２（ｂ）参照）を乗算することにより、試料Ｍの反射スペクトルデータの見積もり値Ｆを算出できる（図１２（ｃ）参照）。さらに、算出した試料Ｍの反射スペクトルデータの見積もり値に露光時間比Ｔ２／Ｔ１を乗算することにより、試料Ｍの反射スペクトルデータの見積もり値Ｆに対する飽和強度の関係を取得できる（図１２（ｄ）参照）。
　次に、図１３に示すように、試料Ｍの反射スペクトルデータの見積もり値Ｆに対する飽和強度の関係に基づいて、短波長領域のデータに含まれる計測光Ｌのピーク強度が飽和強度の８０％以上１００％未満となる波長範囲λｗを算出し、λｗの範囲から境界波長λｒを設定する。図１３の例では、短波長領域のデータに含まれる計測光Ｌのピーク強度が飽和強度の８０％となる波長が境界波長λｒとして設定されている。
　境界波長λｒの設定は、上述の方法に限られず、膜厚計測装置１のユーザが任意の値に設定してもよい。この場合、例えば第２の計測スペクトルデータＳ２をモニタに表示し、表示された第２の計測スペクトルデータＳ２のうち、計測光Ｌの強度が飽和していない波長範囲において、膜厚計測装置１のユーザが境界波長λｒを設定してもよい。
　以上説明したように、本実施形態に係る膜厚計測装置１及び膜厚計測方法では、第１の画素領域２１Ａにおいて第１の露光時間Ｔ１で取得した第１の計測スペクトルデータＳ１の長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の画素領域２１Ｂにおいて第１の露光時間Ｔ１よりも長い第２の露光時間Ｔ２で取得した第２の計測スペクトルデータＳ２の短波長領域のデータＳ２Ｓとを結合し、試料Ｍの膜厚の解析に用いる解析用スペクトルデータＤｓを生成する。生成された解析用スペクトルデータＤｓには、短波長領域における計測光の感度を十分に高めた状態で短波長領域のデータが含まれる。このような解析用スペクトルデータＤｓを用い、紫外域及び可視域を含むスペクトルデータに対してカーブフィッティングを行うことで、膜厚の計測精度を高めることができる。
　また、本実施形態に係る膜厚計測装置１及び膜発計測方法では、第１の画素領域２１Ａ及び第２の画素領域２１Ｂによって第１の計測スペクトルデータＳ１と第２の計測スペクトルデータＳ２とを独立して取得するため、解析用スペクトルデータＤｓの生成にあたって、第１の計測スペクトルデータＳ１と第２の計測スペクトルデータＳ２との結合の境界波長λｒを任意に設定でき、その結果、長波長領域のデータＳ１Ｌと短波長領域のデータＳ２Ｓとの間の強度バランスも任意に調整できる。したがって、計測光Ｌに対する反射強度（反射率）が試料Ｍによって異なる場合でも、試料Ｍのスペクトルデータの取得条件の最適化が可能となり、膜厚のインライン測定の汎用性を高めることができる。
　本実施形態では、検出部６は、第１の画素領域２１Ａの各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタ３２Ａと、第２の画素領域２１Ｂの各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタ３２Ｂと、を有するＣＣＤ光検出器Ｖ１によって構成され得る。このような構成により、第１の画素領域２１Ａで受光した計測光Ｌの分光像Ｐに対応する各画素２２の電荷の読み出しと、第２の画素領域２１Ｂで受光した計測光Ｌの分光像Ｐに対応する各画素２２の電荷の読み出しとを並行して実施できる。また、ＣＣＤ光検出器Ｖ１を用いることで、各列の画素２２で生じた電荷を読み出す際の読出ノイズの増加を回避できる。
　本実施形態では、検出部６は、第１の画素領域２１Ａの各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部４１Ａと、第２の画素領域２１Ｂの各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部４１Ｂと、第１の蓄積部４１Ａで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部４２Ａと、第２の蓄積部４１Ｂで蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部４２Ｂと、を有するＣＣＤ光検出器Ｖ２によって構成され得る。このような構成においても、第１の画素領域２１Ａで受光した計測光Ｌの分光像Ｐに対応する各画素２２の電荷の読み出しと、第２の画素領域２１Ｂで受光した計測光Ｌの分光像Ｐに対応する各画素２２の電荷の読み出しとを並行して実施できる。また、ＣＣＤ光検出器Ｖ２を用いることで、各列の画素で生じた電荷を読み出す際の読出ノイズの増加を回避できる。
　本実施形態では、検出部６は、第１の画素領域２１Ａの各列で生成された電荷を出力する第１の読出部５７Ａと、第２の画素領域２１Ｂの各列で生成された電荷を出力する第２の読出部５７Ｂと、を有するＣＭＯＳ光検出器Ｖ３によって構成され得る。このような構成においても、第１の画素領域２１Ａで受光した計測光Ｌの分光像Ｐに対応する各画素２２の電荷の読み出しと、第２の画素領域２１Ｂで受光した計測光Ｌの分光像Ｐに対応する各画素２２の電荷の読み出しとを並行して実施できる。
　本実施形態では、生成部７は、第１の画素領域２１Ａと第２の画素領域２１Ｂとの間の露光時間比Ｔ２／Ｔ１と、試料Ｍにおける反射スペクトルデータの見積もり値Ｆとに基づいて、解析用スペクトルデータＤｓを生成する際の第１の計測スペクトルデータＳ１における長波長領域のデータＳ１Ｌと第２の計測スペクトルデータＳ２における短波長領域のデータＳ２Ｓとの境界波長λｒを設定する。第１の画素領域２１Ａと第２の画素領域２１Ｂとの間の露光時間比Ｔ２／Ｔ１と、試料Ｍにおける反射スペクトルデータの見積もり値Ｆとを指標とすることで、第１の計測スペクトルデータＳ１と第２の計測スペクトルデータＳ２との間の強度バランスを最適化した状態で、第１の計測スペクトルデータＳ１の長波長領域のデータＳ１Ｌと、第２の計測スペクトルデータＳ２の短波長領域のデータＳ２Ｓとを結合できる。このような解析用スペクトルデータＤｓに対してカーブフィッティングを行うことで、膜厚の計測精度を一層高めることができる。
　本実施形態では、生成部７は、短波長領域のデータに含まれる計測光Ｌのピーク強度が飽和強度の８０％以上１００％未満となる波長から境界波長λｒを設定する。これにより、第１の計測スペクトルデータＳ１と第２の計測スペクトルデータＳ２との間の強度バランスの一層の最適化が図られる。
　本開示に係る膜厚計測装置及び膜厚計測方法の評価試験結果について説明する。図１４は、比較例における膜厚計測の再現性の評価結果を示す図である。また、図１５は、実施例における膜厚計測の再現性の評価結果を示す図である。この評価試験では、ＳｉＯ２膜が形成されたシリコンウェハをサンプルとし、ＳｉＯ２膜の膜厚の計測を１０回にわたって実施した後、計測結果の平均値及び標準偏差を算出した。サンプルにおけるＳｉＯ２膜の膜厚は、１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍの３種類とした。
　比較例では、一般的な算出手法で得られた反射率スペクトルデータ（図１１（ａ）参照）を用いて、サンプルの反射率スペクトルデータと理論反射率スペクトルデータとのカーブフィッティングを行った。実施例では、本実施形態の算出手法（図１１（ｂ）参照）で得られた反射率スペクトルデータを用いて、サンプルの反射率スペクトルデータと理論反射率スペクトルデータとのカーブフィッティングを行った。
　図１４に示すように、比較例では、膜厚が１ｎｍのサンプルに対する計測結果の平均値は０．５７、標準偏差は０．２５であった。膜厚が５ｎｍのサンプルに対する計測結果の平均値は２．３３、標準偏差は０．２１であった。膜厚が１０ｎｍのサンプルに対する計測結果の平均値は４．９、標準偏差は０．２であった。
　これに対し、図１５に示すように、実施例では、膜厚が１ｎｍのサンプルに対する計測結果の平均値は１．２９、標準偏差は０．０９であった。膜厚が５ｎｍのサンプルに対する計測結果の平均値は４．９５、標準偏差は０．１０であった。膜厚が１０ｎｍのサンプルに対する計測結果の平均値は９．８５、標準偏差は０．０５であった。この結果から、本実施形態に係る手法が膜厚の計測精度を高め、更に再現性の向上にも寄与することが確認できた。
１…膜厚計測装置、２…光源、５…分光部、６…検出部、７…生成部、８…解析部、２１Ａ…第１の画素領域、２１Ｂ…第２の画素領域、３２Ａ…第１の水平シフトレジスタ、３２Ｂ…第２の水平シフトレジスタ、４１Ａ…第１の蓄積部、４１Ｂ…第２の蓄積部、４２Ａ…第１の読出部、４２Ｂ…第２の読出部、５７Ａ…第１の読出部、５７Ｂ…第２の読出部、Ｌ…計測光、Ｄ１…第１の方向、Ｄ２…第２の方向、Ｍ…試料、Ｐ…分光像、Ｖ１，Ｖ２…ＣＣＤ光検出器、Ｖ３…ＣＭＯＳ光検出器、λｒ…境界波長。

Claims (7)

  1. 　光源から出力して試料で反射した計測光を分光する分光部と、
    　前記分光部によって分光された前記計測光の分光像を検出する検出する検出部と、
    　前記計測光の分光像の検出結果から得られたスペクトルデータを用いて解析用スペクトルデータを生成する生成部と、
    　前記解析用スペクトルデータに基づいて前記試料の膜厚を解析する解析部と、を備え、
    　前記分光部は、前記計測光を第１の方向に波長分解すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、
    　前記検出部は、前記第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を有し、前記第１の画素領域によって前記計測光の分光像を第１の露光時間で受光し、前記第２の画素領域によって前記計測光の分光像を第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で受光し、
    　前記生成部は、前記第１の画素領域から得られた第１の計測スペクトルデータにおける長波長領域のデータと、前記第２の画素領域から得られた第２の計測スペクトルデータにおける短波長領域のデータとを結合し、前記解析用スペクトルデータを生成する膜厚計測装置。
  2. 　前記検出部は、
    　前記第１の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第１の水平シフトレジスタと、
    　前記第２の画素領域の各列で生成された電荷が転送される第２の水平シフトレジスタと、を有するＣＣＤ光検出器である請求項１記載の膜厚計測装置。
  3. 　前記検出部は、
    　前記第１の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第１の蓄積部と、
    　前記第２の画素領域の各列で生成された電荷が蓄積される第２の蓄積部と、
    　前記第１の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第１の読出部と、
    　前記第２の蓄積部で蓄積された電荷の大きさに応じた各列の電気信号を出力する第２の読出部と、を有するＣＣＤ光検出器である請求項１記載の膜厚計測装置。
  4. 　前記検出部は、
    　前記第１の画素領域の各列で生成された電荷を出力する第１の読出部と、
    　前記第２の画素領域の各列で生成された電荷を出力する第２の読出部と、を有するＣＭＯＳ光検出器である請求項１記載の膜厚計測装置。
  5. 　前記生成部は、前記第１の画素領域と前記第２の画素領域との間の露光時間比と、前記試料における反射スペクトルデータの見積もり値とに基づいて、前記解析用スペクトルデータを生成する際の第１の計測スペクトルデータにおける長波長領域のデータと前記第２の計測スペクトルデータにおける前記短波長領域のデータとの境界波長を設定する請求項１～４のいずれか一項記載の膜厚計測装置。
  6. 　前記生成部は、前記短波長領域のデータに含まれる前記計測光のピーク強度が飽和強度の８０％以上１００％未満となる波長から前記境界波長を設定する請求項５記載の膜厚計測装置。
  7. 　光源から出力して試料で反射した計測光を分光する分光ステップと、
    　前記分光ステップによって分光された前記計測光の分光像を検出する検出する検出ステップと、
    　前記計測光の分光像の検出結果から得られたスペクトルデータを用いて解析用スペクトルデータを生成する生成ステップと、
    　前記解析用スペクトルデータに基づいて前記試料の膜厚を解析する解析ステップと、を備え、
    　前記分光ステップでは、前記計測光を第１の方向に波長分解すると共に、前記第１の方向に交差する第２の方向に波長毎の分光像を結像させ、
    　前記検出ステップでは、前記第２の方向に分割された第１の画素領域及び第２の画素領域を用い、前記第１の画素領域によって前記計測光の分光像を第１の露光時間で受光し、前記第２の画素領域によって前記計測光の分光像を第１の露光時間よりも長い第２の露光時間で受光し、
    　前記生成ステップでは、前記第１の画素領域から得られた第１の計測スペクトルデータにおける長波長領域のデータと、前記第２の画素領域から得られた第２の計測スペクトルデータにおける短波長領域のデータとを結合し、前記解析用スペクトルデータを生成する膜厚計測方法。
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