WO2020004142A1 - 膜厚測定装置及び補正方法 - Google Patents

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials

Definitions

  • the present disclosure relates to a film thickness measurement device and a correction method.
  • film thickness measuring devices for measuring the film thickness of a wafer.
  • the following patent document discloses a film thickness measurement device that irradiates a wafer surface with visible light and measures the film thickness using a reflection spectrum signal of reflected light detected by a light-collecting probe.
  • the film thickness is compared with a reference reflection spectrum signal obtained from a reference wafer having a known film thickness (for example, a BareSi wafer), so that the measurement target is measured.
  • the thickness of the wafer is calculated.
  • the present disclosure provides a film thickness measurement apparatus and a correction method capable of calculating a film thickness even when a wafer to be measured is deformed.
  • the film thickness measuring apparatus has, for example, the following configuration. That is, A reference reflection spectrum signal of the reflected light detected by the condensing probe at the reference position of the first wafer having a known film thickness, and a reflection of the reflected light detected by the condensing probe at each position other than the reference position.
  • the present disclosure it is possible to provide a film thickness measurement apparatus and a correction method capable of calculating a film thickness even when a measurement target wafer is deformed.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a control unit of the film thickness measurement device.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of a reflection spectrum correction unit.
  • 9 is a flowchart illustrating a flow of a reflection spectrum correction process performed by a reflection spectrum correction unit.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a specific example of a process performed by a spectrum distribution acquisition unit in a calibration phase. It is a figure showing the example of the processing of the distance distribution acquisition part in the calibration phase. It is a figure showing the example of the processing of the relation calculation part in the calibration phase. It is a figure showing the example of processing of each part in a measurement phase. It is a figure which shows that measurement accuracy of the film thickness improved.
  • a “wafer to be measured” (second wafer) refers to a wafer whose film thickness is unknown
  • a “reference wafer” (first wafer) refers to a wafer whose film thickness is known.
  • each “distance data” indicating the distance between the light-collecting probe that detects reflected light and each position of the wafer to be measured is constant, and It is assumed that it matches the "distance data” indicating the distance from the reference wafer.
  • the difference in the reflection spectrum signal between the wafer to be measured and the reference wafer depends on the difference in the film thickness.
  • a reflection spectrum signal at each position of the wafer to be measured (“target reflection spectrum signal”);
  • the film thickness at each position is calculated by comparing with the reflection spectrum signal of the reference wafer (“reference reflection spectrum signal”).
  • the difference in the reflection spectrum signal between the wafer to be measured and the reference wafer includes not only the difference in the film thickness but also the difference in the distance data.
  • the reflection spectrum caused by the variation of the distance data is calculated in order to properly calculate the film thickness. It is configured to eliminate the influence on the signal.
  • a deformed reference wafer is used (preferably, a reference wafer having a uniform film thickness is used). Then, the relationship in which the reflection spectrum signal fluctuates as the distance data fluctuates between a specific position on the reference wafer (“reference position”) and each position other than the reference position is approximated using a linear expression. I do.
  • the value indicating the variation of the reflection spectrum signal is the “relative reflectance” between the reference reflection spectrum signal at the reference position and the reflection spectrum signal at each position other than the reference position. Is used.
  • each relative reflectance corresponding to the distance data at each position of the wafer to be measured is calculated based on the approximate linear expression, and used for calculating the film thickness.
  • the reference reflection spectrum signal is corrected using the calculated relative reflectance. Thereby, the corrected reference reflection spectrum signal (“corrected reference reflection spectrum signal”) is calculated.
  • a reflection spectrum signal at each position of the wafer to be measured (“target reflection spectrum signal”); Calculate the film thickness at each position by comparing each corrected reference reflection spectrum signal corresponding to the distance data at each position on the wafer to be measured.
  • the film thickness measuring apparatus According to the film thickness measuring apparatus according to each of the following embodiments, even when the wafer to be measured is deformed, it is possible to appropriately calculate the film thickness, and to improve the measurement accuracy of the film thickness measurement. Drops can be avoided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the film thickness measuring device, and shows a part of the components of the film thickness measuring device.
  • the film thickness measuring apparatus 100 includes at least a light source unit 110, a light collecting probe 120, a distance sensor 130, a control unit 140, and a wafer chuck head 170.
  • the light source unit 110 irradiates the wafer W mounted on the wafer chuck head 170 with visible light via the focusing probe 120.
  • the light collecting probe 120 has an emission unit that emits visible light, and an incidence unit that receives light reflected by the surface of the wafer W.
  • the reflected light that has entered the incident unit is transmitted to the control unit 140 as a reflected light signal.
  • the wafer chuck head 170 is controlled to reciprocate in the direction of arrow 171 while rotating in any direction of arrow 172. Thereby, the light-collecting probe 120 can detect the reflected light at each position of the wafer W.
  • the distance sensor 130 measures the distance between the light-collecting probe 120 (for example, the tip position of the light-collecting probe 120) and a desired point (position) on the wafer W, and outputs information on the measured distance (distance data). Output.
  • the distance data measured at each position on the wafer W is transmitted to the control unit 140.
  • the distance sensor 130 can measure the distance from the light-collecting probe 120 at every position on the wafer W where the reflected light is detected by the light-collecting probe 120.
  • the control unit 140 has a reflection spectrum correction program and a film thickness calculation program installed therein, and by executing the programs, the control unit 140 includes the reflection spectrum correction unit 150 and the film thickness calculation unit 160. Function as
  • the reflection spectrum correction unit 150 performs different processing in the calibration phase and the measurement phase.
  • the relationship between the reflection spectrum signal and the film thickness is affected by the variation of the distance data. This is the phase of approximation.
  • the distance data at each position on the wafer W fluctuates due to the deformation of the wafer W. Specifically, when the wafer W has been formed, the thickness fluctuates due to “warpage” of the wafer caused by the film stress.
  • the distance data at each position of the wafer W indicates that, when the diameter of the wafer W is larger than the diameter of the wafer chuck head 170, as shown in FIG. ).
  • the reflection spectrum signal is affected, which causes an error in calculating the film thickness on the surface of the wafer W. Therefore, in the calibration phase, using a reference wafer having a known film thickness and having a warp or sag, the relationship in which the reflection spectrum signal fluctuates with the fluctuation of the distance data is determined using a linear expression in advance. Approximate.
  • a mirror plate for high reflection made of mirror quartz glass can be given.
  • BareSi wafer a film in which a natural oxide film (about 10 nm in thickness) is formed on BareSi
  • a film in which an Al 2 O 3 film (about 30 nm in thickness) is formed on BareSi (hereinafter, referred to as BareSi wafer), and the like can be given.
  • the measurement phase is to input the distance data at each position of the wafer W (measurement target wafer) into the above-described linear expression and calculate each relative reflectance according to the distance data at each position of the measurement target wafer.
  • the reflection spectrum correction unit 150 notifies the film thickness calculation unit 160 of the calculated corrected reference reflection spectrum signal or the comparison result between the target reflection spectrum signal and the corrected reference reflection spectrum signal.
  • the corrected reference reflection spectrum signal used in the present embodiment fluctuates with respect to the distance data of the reference position in view of the fact that the distance data of the current position on the reference wafer fluctuates with respect to the reference position.
  • a reference reflectance spectrum signal in which the change in reflectance of the minute is corrected.
  • the target reflection spectrum signal refers to a reflection spectrum signal at the current position on the wafer to be measured.
  • the film thickness calculation unit 160 uses the corrected reference reflection spectrum signal corresponding to the distance data at each position of the wafer W (wafer to be measured) notified from the reflection spectrum correction unit 150, and calculates the wafer W (to be measured). The film thickness at each position of the (wafer) is calculated. Alternatively, the film thickness calculation unit 160 uses the comparison result at each position of the wafer W (measurement target wafer) notified from the reflection spectrum correction unit 150 to calculate the film thickness at each position of the wafer W (measurement target wafer). Calculate the thickness.
  • the reference reflection spectrum signal is corrected in accordance with the change in the distance data at each position on the wafer W.
  • the reflection spectrum correction unit 150 can calculate a corrected reference reflection spectrum signal excluding the influence of the fluctuation of the distance data.
  • the film thickness measuring apparatus 100 even when the wafer to be measured is deformed, the film thickness can be appropriately calculated using the corrected reference reflection spectrum signal. This makes it possible to avoid a decrease in the measurement accuracy of the film thickness measurement.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the control unit.
  • the control unit 140 includes a CPU (Central Processing Unit) 201, a ROM (Read Only Memory) 202, and a RAM (Random Access Memory) 203.
  • the CPU 201, the ROM 202, and the RAM 203 form a so-called computer.
  • the control unit 140 includes an auxiliary storage device 204, a display device 205, an operation device 206, and an I / F (Interface) device 207.
  • the hardware of the control unit 140 is mutually connected via the bus 210.
  • the CPU 201 is an arithmetic device that executes various programs (for example, a reflection spectrum correction program, a film thickness calculation program, and the like) installed in the auxiliary storage device 204.
  • the ROM 202 is a nonvolatile memory.
  • the ROM 202 functions as a main storage device that stores various programs, data, and the like necessary for the CPU 201 to execute various programs installed in the auxiliary storage device 204.
  • the ROM 202 functions as a main storage device that stores a boot program such as a BIOS (Basic Input / Output System) and an EFI (Extensible Firmware Interface).
  • BIOS Basic Input / Output System
  • EFI Extensible Firmware Interface
  • the RAM 203 is a volatile memory such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory) or an SRAM (Static Random Access Memory).
  • the RAM 203 functions as a main storage device that provides a work area developed when the CPU 201 executes various programs installed in the auxiliary storage device 204.
  • the auxiliary storage device 204 is an auxiliary storage device that stores various programs and information generated by executing the various programs.
  • the display device 205 is a display device that displays the internal state of the control unit 140.
  • the operation device 206 is an input device for an operator of the film thickness measurement device 100 to input various instructions to the film thickness measurement device 100.
  • the I / F device 207 is a connection device that is connected to each device in the film thickness measuring device 100 and communicates with each device.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a functional configuration of the reflection spectrum correction unit.
  • the reflection spectrum correction unit 150 includes a spectrum distribution acquisition unit 301, a distance distribution acquisition unit 302, a relationship calculation unit 303, a parameter calculation unit 304, and a correction unit 305.
  • solid arrows indicate data flows in the calibration phase
  • dotted arrows indicate data flows in the measurement phase.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 is an example of a first calculation unit.
  • the spectrum distribution acquiring unit 301 acquires reflected light signals at respective positions of the wafer W (a reference wafer (BareSi wafer in the case of the calibration phase)) detected by the light-collecting probe 120 in the calibration phase.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 generates each reflected spectrum signal based on the reflected light signal at each position.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 stores the reflection spectrum signal at the reference position (the center position of the wafer W) in the reference reflection spectrum signal storage unit 310 as the reference reflection spectrum signal.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 extracts a peak value from the reflection spectrum signal at each position and calculates a relative value (relative reflectance (K)) with respect to the peak value extracted from the reference reflection spectrum signal. Further, the spectrum distribution acquisition unit 301 notifies the relative calculation unit 303 of the relative reflectance (K) at each position as “data D1”.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 acquires the reflected light signal at each position of the wafer W (the measurement target wafer in the case of the measurement phase) detected by the light-collecting probe 120. Further, the spectrum distribution acquisition unit 301 generates each target reflection spectrum signal based on the reflected light signal at each position, and notifies the correction unit 305 of the signal.
  • the distance distribution acquisition unit 302 is a distance indicating the distance between each position of the wafer W (reference wafer (BareSi wafer)) and the light-collecting probe 120 at the time of detecting the reflected light, transmitted from the distance sensor 130 in the calibration phase. Obtain data (G). Further, the distance distribution acquisition unit 302 notifies the relationship calculation unit 303 of the distance data (G) at each position of the wafer W (reference wafer (BareSi wafer)) as “data D2”.
  • the distance distribution acquisition unit 302 indicates the distance between each position of the wafer W (wafer to be measured) and the light-condensing probe 120 when the reflected light is detected, which is transmitted from the distance sensor 130. Obtain data (G). Further, the distance distribution acquisition unit 302 notifies the parameter calculation unit 304 of distance data (G) at each position of the wafer W (measurement target wafer).
  • Relationship calculation unit 303 is an example of a specification unit. In the calibration phase, the relation calculation unit 303 calculates a relational expression indicating the relation between the distance data (G) of the reference wafer (BareSi wafer) and the relative reflectance (K) based on the data D1 and the data D2. The relation calculation unit 303 notifies the parameter calculation unit 304 of a relational expression indicating the relation between the calculated distance data (G) and the relative reflectance (K) as “data D3”.
  • the parameter calculator 304 is an example of a second calculator.
  • the parameter calculation unit 304 holds the data D3 notified from the relation calculation unit 303 in the calibration phase.
  • the parameter calculation unit 304 corresponds to the distance data (G) of each position of the wafer W (measurement target wafer) notified from the distance distribution acquisition unit 302 using the held data D3 in the measurement phase.
  • Each relative reflectance (K) is calculated.
  • the parameter calculation unit 304 notifies the correction unit 305 of the calculated relative reflectances (K).
  • the correction unit 305 reads out the reference reflection spectrum signal from the reference reflection spectrum signal storage unit 310, and uses the relative reflectance (K) corresponding to the distance data at each position of the wafer W (the wafer to be measured). Then, the read reference reflection spectrum signal is corrected. Thereby, a corrected reference reflection spectrum signal is generated at each position of the wafer (wafer to be measured). Further, the correction unit 305 notifies the film thickness calculation unit 160 of the corrected reference reflection spectrum signal.
  • the correction unit 305 may include a target reflection spectrum signal at each position of the wafer W (measurement target wafer), and a corrected reference reflection spectrum signal corresponding to the distance data at each position of the wafer W (measurement target wafer). And notifies the film thickness calculation unit 160 of the comparison result.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating the flow of the reflection spectrum correction process performed by the reflection spectrum correction unit.
  • the correction coefficient (Rk) of the absolute reflectance is calculated based on absolute spectrum data issued by NIST (National Institute of Standards and Technology) using a standard sample such as quartz glass, for example.
  • step S401 the operator of the film thickness measuring apparatus 100 sets the wafer W (reference wafer (BareSi wafer)) on the wafer chuck head 170.
  • wafer W reference wafer (BareSi wafer)
  • step S402 the film thickness measuring apparatus 100 reciprocates in the direction of arrow 171 while rotating the wafer chuck head 170 in any direction of arrow 172.
  • the focusing probe 120 detects reflected light at each position of the reference wafer (BareSi wafer).
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 calculates the relative reflectance (K) based on the peak value of the reflection spectrum signal at each position of the reference wafer (BareSi wafer), and outputs it as data D1.
  • the distance sensor 130 measures the distance between each position of the reference wafer (BareSi wafer) and the light-collecting probe 120, and outputs the distance data to the control unit 140 (reflection spectrum correction unit 150). Further, the distance distribution acquisition unit 302 of the reflection spectrum correction unit 150 outputs the distance data (G) of each position as data D2.
  • step S403 the relation calculation unit 303 calculates a relational expression indicating the relation between the distance data (G) and the relative reflectance (K), and notifies the parameter calculation unit 304 of the calculated relational expression as data D3.
  • steps S401 to S403 are executed in the calibration phase.
  • step S404 the operator of the film thickness measuring apparatus 100 sets the wafer to be measured on the wafer chuck head 170.
  • step S405 the film thickness measuring apparatus 100 reciprocates in the direction of arrow 171 while rotating the wafer chuck head 170 in any direction of arrow 172.
  • the light-collecting probe 120 detects reflected light at each position of the wafer to be measured.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 notifies the correction unit 305 of the target reflection spectrum signal at each position of the wafer to be measured.
  • the distance sensor 130 measures the distance between the respective positions of the wafer to be measured and the light-collecting probe 120, and outputs distance data to the control unit 140 (reflection spectrum correction unit 150). Further, the distance distribution acquiring section 302 of the reflection spectrum correcting section 150 notifies the parameter calculating section 304 of the distance data (G) of each position.
  • step S ⁇ b> 406 the parameter calculation unit 304 uses the data D ⁇ b> 3 notified from the relationship calculation unit 303 in the calibration phase to correspond to the distance data at each position of the measurement target wafer notified from the distance distribution acquisition unit 302. Each relative reflectance (K) is calculated. Further, the parameter calculation unit 304 notifies the correction unit 305 of the relative reflectance (K) at each position.
  • step S407 the correction unit 305 corrects the reference reflection spectrum signal using the relative reflectance (K) notified from the spectrum distribution acquisition unit 301 and corresponding to the distance data at each position of the measurement target wafer. Further, the correction unit 305 notifies the film thickness calculation unit 160 of the corrected reference reflection spectrum signal. As described above, steps S404 to S407 are executed in the measurement phase.
  • the detection of the reflected light by the light-collecting probe 120 and the measurement of the distance by the distance sensor 130 are performed in parallel. Specifically, when the light collecting probe 120 detects reflected light reflected from a certain point (position) on the wafer, at the same time, the distance sensor 130 detects the distance between the point (position) and the light collecting probe 120. Is measured, and distance data of the measured distance is output. However, the detection of the reflected light by the light collecting probe 120 and the measurement of the distance by the distance sensor 130 do not always need to be performed completely simultaneously.
  • the light-collecting probe 120 detects reflected light reflected from a first point (position) on a wafer and then detects reflected light reflected from a second point (position) on the wafer.
  • the distance sensor 130 may measure a distance between the first point and the light collecting probe 120.
  • the detection of the reflected light by the light collecting probe 120 and the measurement of the distance by the distance sensor 130 may be performed in different periods. For example, after the light-collecting probe 120 performs a process of detecting reflected light reflected from these positions at a plurality of points (positions) on the wafer, the distance sensor 130 collects light at these points (positions). The distance from the probe 120 may be measured. However, it is preferable that the distance measurement by the distance sensor 130 and the detection of the reflected light by the light-collecting probe 120 be performed in parallel because the processing time of the reflection spectrum correction processing can be shortened.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a specific example of the processing of the reflection spectrum distribution acquisition unit in the calibration phase.
  • reference numeral 510 denotes a state in which a reference wafer (BareSi wafer) mounted on the wafer chuck head 170 is viewed from the front (from directly above).
  • the concentrically arranged points indicate respective positions on the BareSi wafer at which reflected light is detected by the light-collecting probe 120.
  • the center position of the BareSi wafer among the positions of the BareSi wafer is a reference position.
  • the light-collecting probe 120 detects reflected light at each of the 49 positions.
  • the 49 positions are referred to as measurement points P1 to P49.
  • the number of positions where the light-collecting probe 120 detects reflected light is not limited to 49 positions.
  • the arrangement of the positions where the light collecting probe 120 detects the reflected light is not limited to the concentric shape.
  • the light-collecting probe 120 detects the reflected light, so that the spectrum distribution acquisition unit 301 acquires BareSi reflection spectrum signals 520_1 to 520_49 at the positions of the measurement points P1 to P49.
  • the spectrum distribution acquiring unit 301 extracts peak values from the BareSi reflection spectrum signals 520_1 to 520_49 at the respective positions of the measurement points P1 to P49. Further, the spectrum distribution acquisition unit 301 calculates a relative reflectance, which is a relative value to a peak value extracted from the BareSi reflection spectrum signal 520_1 at the reference position (measurement point P1), and generates data D1.
  • the data D1 includes “measurement points”, “BareSi reflection spectrum peak values”, and “BareSi relative reflectance (K)” as information items.
  • the “measurement point” stores information indicating each position where the reflected light is detected.
  • the “BareSi reflection spectrum peak value” stores the peak value extracted from the BareSi reflection spectrum signal of the reflected light detected at the corresponding measurement point.
  • “BareSi relative reflectance (K)” includes the relative reflectance of the peak value extracted from the BareSi reflection spectrum signal of the reflected light detected at the corresponding measurement point with respect to the peak value extracted from the BareSi reflection spectrum signal 520_1. Is stored.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of the processing of the distance distribution acquisition unit in the calibration phase.
  • reference numeral 510 denotes a state where the reference wafer (BareSi wafer) placed on the wafer chuck head 170 is viewed from the front (directly above). Points arranged concentrically indicate each position of the BareSi wafer at which distance data indicating the distance to the light-collecting probe 120 is measured by the distance sensor 130.
  • the distance sensor 130 measures distance data indicating the distance from the light-collecting probe 120 at each of the 49 positions.
  • the number of each position where the distance sensor 130 measures the distance data is not limited to 49 places.
  • the arrangement of each position where the distance sensor 130 measures the distance data is not limited to the concentric shape.
  • the number of the positions and the arrangement of the positions are the same as the number of the positions where the light-collecting probe 120 detects the reflected light and the arrangement of the positions.
  • the distance distribution acquisition unit 302 acquires distance data between the light-collecting probe 120 and each position of the measurement points P1 to P49. Generate D2. As shown in FIG. 6, the data D2 includes “measurement points” and “BareSi distance data (G)” as information items. The “measurement point” stores information indicating each position at which distance data is measured. The “BareSi distance data (G)” stores the distance data measured at the corresponding measurement point.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a specific example of the processing of the relation calculation unit in the calibration phase.
  • the horizontal axis represents BareSi distance data (G) acquired by the distance distribution acquisition unit 302, and the vertical axis represents BareSi relative reflectance (K) acquired by the spectrum distribution acquisition unit 301. ).
  • the relation calculation unit 303 acquires data D1 and data D2, and sets a pair of BareSi distance data (G) and BareSi relative reflectance (K) measured at each of the measurement points P1 to P49. Are plotted at the positions corresponding to. Thereby, the graph 700 is generated.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a specific example of the processing of each unit in the measurement phase.
  • the spectrum distribution acquisition unit 301 acquires target reflection spectrum signals 810_1 to 810_49 of the reflected light detected by the light-collecting probe 120 at the measurement points P1 to P49 of the wafer to be measured. . Further, the spectrum distribution acquisition unit 301 notifies the correction unit 305 of the acquired target reflection spectrum signals 810_1 to 810_49.
  • the distance distribution acquisition unit 302 outputs the target distance data (the distance between the light-collecting probes 120 measured by the distance sensor 130 at the measurement points P1 to P49 on the measurement target wafer, respectively). G) is notified to the parameter calculation unit 304 as distance data 820.
  • the correction unit 305 subtracts the dark signal component from the target reflection spectrum signals 810_1 to 810_49 at each position of the measurement target wafer detected at each of the measurement points P1 to P49 notified from the spectrum distribution acquisition unit 301.
  • the first calculation result is obtained by multiplying the subtraction result by the absolute reflectance correction coefficient Rk.
  • the intensity of the target reflection spectrum signal is “Spectrum_sample” and the intensity of the dark signal is “Spectrum_dark”.
  • the dark signal is a signal detected by the light collecting probe 120 in a state where the light source unit 110 does not emit visible light.
  • the correction unit 305 multiplies the reference reflection spectrum signal 830 at the reference position of the reference wafer (BareSi wafer) by the corresponding relative reflectance (K), and then subtracts the dark signal component to obtain a second signal.
  • a calculation result (corrected reference reflection spectrum signal) is obtained.
  • the intensity of the reference reflection spectrum signal is “Spectrum_BareSi” and the intensity of the dark signal is “Spectrum_dark”.
  • the correction unit 305 divides the first calculation result by the second calculation result, thereby obtaining the intensities of the target reflection spectrum signals 810_1 to 810_49 measured at the respective measurement points P1 to P49 and the corresponding corrected reference values.
  • the result of comparison with the intensity of the reflection spectrum signal is obtained.
  • the comparison result is “Spectrum_Cal”.
  • the correction unit 305 notifies the film thickness calculation unit 160 of the intensity of the corrected reference reflection spectrum signal (“K * Spectrum_BareSi”) or the comparison result (“Spectrum_Cal”).
  • FIG. 9 is a diagram showing that the measurement accuracy of the film thickness has been improved, and shows the result of measurement using general ellipsometry.
  • a film thickness measurement result 901 is obtained by detecting reflected light in a state where the outer peripheral portion of the wafer to be measured is hung, and comparing the target reflected spectrum signal of the detected reflected light with the reference reflected spectrum signal. The result of calculating the film thickness is shown.
  • the film thickness measurement result 902 indicates that the reflected light is detected in a state where the outer peripheral portion of the wafer to be measured does not hang down, and the target reflected spectrum signal of the detected reflected light is compared with the reference reflected spectrum signal. Shows the result of calculating the film thickness. By keeping the wafer to be measured in a state where there is no warpage or sagging, a film thickness measurement result 902 is obtained.
  • a difference distribution 903 indicates a difference value (error in film thickness measurement) between the film thickness measurement result 901 and the film thickness measurement result 902. Specifically, FIG. 9 shows that the darker the color, the smaller the difference value, and the lighter the color, the larger the difference value. In the case of the difference distribution 903, the influence of the drooping of the outer peripheral portion of the wafer to be measured appears as an error in the film thickness measurement (the difference value is large).
  • the film thickness measurement result 911 detects the reflected light in a state where the outer peripheral portion of the wafer to be measured hangs down, and compares the target reflection spectrum signal of the detected reflected light with the corrected reference reflection spectrum signal. This shows the result of calculating the film thickness.
  • the film thickness measurement result 912 indicates that the reflected light is detected in a state where the outer peripheral portion of the measurement target wafer does not hang down, and the target reflection spectrum signal of the detected reflected light is compared with the reference reflection spectrum signal. This shows the result of calculating the film thickness.
  • a difference distribution 913 indicates a difference value (error of the film thickness measurement) between the film thickness measurement result 911 and the film thickness measurement result 912.
  • FIG. 9 shows that the darker the color, the smaller the difference value, and the lighter the color, the larger the difference value.
  • the difference distribution 913 the effect of the outer peripheral portion of the wafer to be measured being drooped is eliminated, and the difference value is smaller as a whole compared with the difference distribution 903 (the error in the film thickness measurement is smaller. There).
  • the corrected reference reflection spectrum signal when calculating the film thickness, it is possible to appropriately calculate the film thickness even when the outer peripheral portion of the wafer to be measured is sagging. In addition, a decrease in the measurement accuracy of the film thickness measurement can be avoided.
  • the film thickness measuring apparatus has a reflection spectrum correction unit, and the reflection spectrum correction unit A reference reflection spectrum signal of the reflected light detected by the condensing probe at the reference position of the reference wafer whose thickness is known, and each reflection of the reflected light detected by the condensing probe at each position other than the reference position
  • the relative reflectance of each of the spectral signals is calculated.
  • a relationship between each relative reflectance and each distance data indicating a distance between each position of the reference wafer and the light-collecting probe is specified, and a linear expression is calculated.
  • each relative reflectance corresponding to each distance data indicating the distance between each position of the wafer to be measured and the light-collecting probe calculates each relative reflectance corresponding to each distance data indicating the distance between each position of the wafer to be measured and the light-collecting probe.
  • the reference reflection spectrum signal is corrected based on each relative reflectance calculated based on a linear expression.
  • the film thickness measurement apparatus According to the film thickness measurement apparatus according to the first embodiment, even when the wafer to be measured is deformed, it is possible to appropriately calculate the film thickness, and to improve the measurement accuracy of the film thickness measurement. Drops can be avoided.
  • each relative reflectance is calculated based on the peak value of the reflection spectrum signal obtained from the fluctuation range of the 49-point distance data due to the warpage or sagging of the reference wafer, and each calculated relative reflectance is calculated.
  • the description has been made assuming that the relational expression is calculated using the relative reflectance.
  • the method of calculating the relational expression is not limited to this.
  • the peak value of the reflection spectrum signal is predicted, and the relational expression is calculated including the relative reflectance calculated based on the predicted peak value. It may be configured as follows.
  • the reflected light is detected by using the deformed reference wafer.
  • the method of detecting the reflected light is not limited to this.
  • the reflected light may be detected while changing the distance between the focusing probe 120 and the reference wafer.
  • the range of variation of the distance data can be expanded as compared with the case where a deformed reference wafer is used.
  • a reference reflection spectrum signal is prepared in advance, and in the measurement phase, each time the distance data of each position of the measurement target wafer is measured, the corresponding relative reflectance is calculated. Calculated and multiplied by the reference reflection spectrum signal.
  • a plurality of corrected reference reflection spectrum signals obtained by previously multiplying the reference reflection spectrum signal by the relative reflectance corresponding to each distance data may be prepared in the calibration phase. Then, in the measurement phase, every time the distance data is measured, the corresponding corrected reference reflection spectrum signal may be read.
  • FIG. 8 shows the case where the correction unit 305 notifies the film thickness calculation unit 160 of the comparison result between the target reflection spectrum signal and the corrected reference reflection spectrum signal.
  • the correction unit 305 may be configured to notify the corrected reference reflection spectrum signal to the film thickness calculation unit 160 and to compare the corrected reference reflection spectrum signal with the target reflection spectrum signal.
  • the present invention is not limited to the configuration shown here, such as a combination of the configuration described in the above embodiment with other elements. These points can be changed without departing from the spirit of the present invention, and can be appropriately determined according to the application form.
  • film thickness measuring device 110 light source unit 120: focusing probe 130: distance sensor 140: control unit 150: reflection spectrum correction unit 160: film thickness calculation unit 170: wafer chuck head 301: spectrum distribution acquisition unit 302: distance distribution Acquisition unit 303: Relation calculation unit 304: Parameter calculation unit 305: Correction unit

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Abstract

本開示の一態様による膜厚測定装置は、膜厚が既知の第１ウェハの基準位置における基準反射スペクトル信号と、基準位置以外の各位置における反射スペクトル信号と、の各相対反射率を算出する第１算出部と、前記第１算出部により算出された各相対反射率と、前記第１ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の各距離データと、の関係を特定する特定部と、前記特定部により特定された関係に基づき、測定対象の第２ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の各距離データに対応する各相対反射率を算出する第２算出部と、前記第２ウェハの各位置における膜厚を算出する際に、前記第２算出部により算出された各相対反射率に基づき、前記基準反射スペクトル信号を補正する補正部とを有する。

Description

膜厚測定装置及び補正方法
　本開示は、膜厚測定装置及び補正方法に関する。
　従来より、ウェハの膜厚測定を行う膜厚測定装置として種々の装置が提案されている。例えば、下記特許文献には、ウェハ表面に可視光を照射し、集光プローブにて検出した反射光の反射スペクトル信号を用いて膜厚測定を行う膜厚測定装置が開示されている。
　かかる膜厚測定装置では、測定対象のウェハが変形していないことを前提として、膜厚が既知の基準ウェハ（例えば、ＢａｒｅＳｉウェハ）から取得した基準反射スペクトル信号と対比することで、測定対象のウェハについて膜厚の算出を行う。
特開２００３－４２７２２号公報 特開２００９－１９２３３１号公報
　本開示は、測定対象のウェハが変形している場合でも、膜厚の算出が可能な膜厚測定装置及び補正方法を提供する。
　本開示の一態様による膜厚測定装置は、例えば、以下のような構成を有する。即ち、
　膜厚が既知の第１ウェハの基準位置において、集光プローブにより検出された反射光の基準反射スペクトル信号と、基準位置以外の各位置において、該集光プローブにより検出された反射光の各反射スペクトル信号と、の各相対反射率を算出する第１算出部と、
　前記第１算出部により算出された各相対反射率と、前記第１ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データと、の関係を特定する特定部と、
　前記特定部により特定された関係に基づき、測定対象の第２ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データに対応する各相対反射率を算出する第２算出部と、
　前記第２ウェハの各位置における膜厚を算出する際に、前記第２算出部により算出された各相対反射率に基づき、前記基準反射スペクトル信号を補正する補正部とを有する。
　本開示によれば、測定対象のウェハが変形している場合でも、膜厚の算出が可能な膜厚測定装置及び補正方法を提供することができる。
膜厚測定装置の構成を示す模式図である。 膜厚測定装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。 反射スペクトル補正部の機能構成の一例を示す図である。 反射スペクトル補正部による反射スペクトル補正処理の流れを示すフローチャートである。 校正フェーズにおけるスペクトル分布取得部の処理の具体例を示す図である。 校正フェーズにおける距離分布取得部の処理の具体例を示す図である。 校正フェーズにおける関係算出部の処理の具体例を示す図である。 測定フェーズにおける各部の処理の具体例を示す図である。 膜厚の測定精度が向上したことを示す図である。
　はじめに、以下の各実施形態において用いられる用語の定義について説明するとともに、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置の概要について、一般的な膜厚測定装置と比較しながら説明する。
　以下の各実施形態において、「測定対象のウェハ」（第２ウェハ）とは、膜厚が未知のウェハを指し、「基準ウェハ」（第１ウェハ）とは、膜厚が既知のウェハを指す。
　ここで、一般的な膜厚測定装置では、測定対象のウェハが変形していないことを前提としており、校正の際、変形していない基準ウェハを用いる。つまり、一般的な膜厚測定装置では、反射光を検出する集光プローブと測定対象のウェハの各位置との間の距離を示す各「距離データ」が一定であり、かつ、集光プローブと基準ウェハとの間の距離を示す「距離データ」と一致していることが前提となっている。
　かかる前提のもとでは、測定対象のウェハと基準ウェハとの反射スペクトル信号の違いは、膜厚の違いに依存する。このため、一般的な膜厚測定装置では、
・測定対象のウェハの各位置における反射スペクトル信号（「対象反射スペクトル信号」）と、
・基準ウェハの反射スペクトル信号（「基準反射スペクトル信号」）と
を対比することで、各位置における膜厚を算出している。ここで、一般的な膜厚測定装置の場合、例えば、基準ウェハの中央の１点を代表値として取得し、当該点の膜厚が既知であることが前提となる。
　しかしながら、実際のところ、測定対象のウェハには種々の要因により変形が生じており、測定対象の各位置によって距離データは変動する。このため、測定対象のウェハと基準ウェハとの反射スペクトル信号の違いには、膜厚の違いだけでなく、距離データの違いも含まれる。この結果、一般的な膜厚測定装置では、測定対象のウェハが変形していた場合に、膜厚測定の測定精度が低下することになる。
　このようなことから、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置では、測定対象のウェハが変形していた場合でも、膜厚の算出を適切に行うべく、距離データの変動に起因する反射スペクトル信号への影響を排除するよう構成する。
　具体的には、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置では、まず、校正の際に、変形している基準ウェハを用いる（なお、好ましくは膜厚が均一の基準ウェハを用いる）。そして、基準ウェハの特定の位置（「基準位置」）と、基準位置以外の各位置とで、距離データが変動することに伴って、反射スペクトル信号が変動する関係を、一次式を用いて近似する。なお、反射スペクトル信号の変動を示す値として、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置では、基準位置における基準反射スペクトル信号と、基準位置以外の各位置における反射スペクトル信号との「相対反射率」を用いる。
　更に、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置では、近似した一次式に基づいて、測定対象のウェハの各位置の距離データに対応する各相対反射率を算出し、膜厚の算出に用いる基準反射スペクトル信号を、算出した各相対反射率を用いて補正する。これにより、補正後の基準反射スペクトル信号（「補正済み基準反射スペクトル信号」）が算出される。
　そして、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置では、
・測定対象のウェハの各位置における反射スペクトル信号（「対象反射スペクトル信号」）と、
・測定対象のウェハの各位置の距離データに対応する各補正済み基準反射スペクトル信号と
を対比することで、各位置における膜厚を算出する。
　これにより、以下の各実施形態に係る膜厚測定装置によれば、測定対象のウェハが変形していた場合でも、膜厚の算出を適切に行うことが可能となり、膜厚測定の測定精度の低下を回避することができる。
　以下、各実施形態の詳細について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。
　［第１の実施形態］
　＜膜厚測定装置の構成＞
　図１は、膜厚測定装置の構成を示す模式図であり、膜厚測定装置が有する各構成のうちの一部の構成を抜粋して示している。図１に示すように、膜厚測定装置１００は、少なくとも、光源部１１０と、集光プローブ１２０と、距離センサ１３０と、制御部１４０と、ウェハチャックヘッド１７０とを有する。
　光源部１１０は、ウェハチャックヘッド１７０に載置されたウェハＷに対して、集光プローブ１２０を介して、可視光を照射する。
　集光プローブ１２０は、可視光を出射する出射部と、ウェハＷ表面で反射した反射光が入射する入射部とを有する。入射部に入射した反射光は、反射光信号として、制御部１４０に伝送される。
　なお、ウェハチャックヘッド１７０は、矢印１７２のいずれかの方向に回転しながら、矢印１７１の方向に往復動作するよう制御される。これにより、集光プローブ１２０は、ウェハＷの各位置において、反射光を検出することができる。
　距離センサ１３０は、集光プローブ１２０（たとえば集光プローブ１２０の先端位置）とウェハＷ上の所望の点（位置）との間の距離を測定し、測定された距離の情報（距離データ）を出力する。ウェハＷの各位置において測定された距離データは、制御部１４０に送信される。距離センサ１３０は、集光プローブ１２０によって反射光の検出が行われる、ウェハＷ上の全ての位置について、集光プローブ１２０との間の距離を測定可能である。
　制御部１４０には、反射スペクトル補正プログラムと、膜厚算出プログラムとがインストールされており、当該プログラムが実行されることで、制御部１４０は、反射スペクトル補正部１５０、及び、膜厚算出部１６０として機能する。
　反射スペクトル補正部１５０は、校正フェーズと測定フェーズとで異なる処理を実行する。校正フェーズとは、反射スペクトル信号と膜厚との関係が、距離データの変動の影響を受けることに鑑みて、距離データの変動に伴って、反射スペクトル信号が変動する関係を、一次式を用いて近似するフェーズである。
　なお、ウェハＷの各位置の距離データは、ウェハＷの変形に起因して変動する。具体的には、ウェハＷが成膜されていた場合にあっては、膜ストレスによって生じるウェハの“反り”に起因して変動する。
　また、ウェハＷの各位置の距離データは、図１のように、ウェハＷの径が、ウェハチャックヘッド１７０の径よりも大きい場合に、ウェハＷの外周部分が自重によって垂れること（“垂れ”）に起因して変動する。
　このように、ウェハＷの反りや垂れによって距離データが変動すると、反射スペクトル信号が影響を受けるため、ウェハＷ表面の膜厚を算出した際に誤差の原因となる。そこで、校正フェーズでは、膜厚が既知の基準ウェハであって、反りや垂れを有する基準ウェハを用いて、距離データの変動に伴って反射スペクトル信号が変動する関係を、予め一次式を用いて近似しておく。なお、本実施形態において用いる基準ウェハの具体例としては、ミラー石英ガラス製の高反射用鏡面板が挙げられる。あるいは、ＢａｒｅＳｉ上に自然酸化膜（厚み１０ｎｍ程度）が形成されたものや、ＢａｒｅＳｉ上にＡｌ２Ｏ３膜（厚み３０ｎｍ程度）が形成されたもの（以下、ＢａｒｅＳｉウェハと称す）等が挙げられる。
　一方、測定フェーズとは、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置の距離データを上記一次式に入力し、測定対象のウェハの各位置の距離データに応じた各相対反射率を算出することで、補正済み基準反射スペクトル信号を算出するフェーズである。反射スペクトル補正部１５０では、算出した補正済み基準反射スペクトル信号、または、対象反射スペクトル信号と補正済み基準反射スペクトル信号との対比結果を、膜厚算出部１６０に通知する。
　つまり、本実施形態で用いる補正済み基準反射スペクトル信号とは、基準ウェハにおける現在の位置の距離データが基準位置に対して変動していることに鑑みて、基準位置の距離データに対して変動した分の反射率変化分を補正した、基準反射スペクトル信号を指す。
　また、対象反射スペクトル信号とは、測定対象のウェハにおける現在の位置の反射スペクトル信号を指す。
　膜厚算出部１６０は、反射スペクトル補正部１５０より通知された、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置の距離データに対応する補正済み基準反射スペクトル信号を用いて、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置における膜厚を算出する。あるいは、膜厚算出部１６０は、反射スペクトル補正部１５０より通知された、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置における対比結果を用いて、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置における膜厚を算出する。
　このように、第１の実施形態に係る膜厚測定装置１００によれば、ウェハＷの各位置の距離データが変動することに応じて、基準反射スペクトル信号を補正する。これにより、反射スペクトル補正部１５０では、距離データの変動による影響を排除した補正済み基準反射スペクトル信号を算出することが可能となる。
　この結果、第１の実施形態に係る膜厚測定装置１００によれば、測定対象のウェハが変形していた場合でも、補正済み基準反射スペクトル信号を用いて膜厚の算出を適切に行うことが可能となり、膜厚測定の測定精度の低下を回避することができる。
　＜制御部のハードウェア構成＞
　次に、制御部１４０のハードウェア構成について説明する。図２は、制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。図２に示すように、制御部１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０３を有する。ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３は、いわゆるコンピュータを形成する。
　また、制御部１４０は、補助記憶装置２０４、表示装置２０５、操作装置２０６、Ｉ／Ｆ（Interface）装置２０７を有する。なお、制御部１４０の各ハードウェアは、バス２１０を介して相互に接続されている。
　ＣＰＵ２０１は、補助記憶装置２０４にインストールされている各種プログラム（例えば、反射スペクトル補正プログラム、膜厚算出プログラム等）を実行する演算デバイスである。
　ＲＯＭ２０２は、不揮発性メモリである。ＲＯＭ２０２は、補助記憶装置２０４にインストールされている各種プログラムをＣＰＵ２０１が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する、主記憶デバイスとして機能する。具体的には、ＲＯＭ２０２はＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラム等を格納する、主記憶デバイスとして機能する。
　ＲＡＭ２０３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性メモリである。ＲＡＭ２０３は、補助記憶装置２０４にインストールされている各種プログラムがＣＰＵ２０１によって実行される際に展開される作業領域を提供する、主記憶デバイスとして機能する。
　補助記憶装置２０４は、各種プログラムや、各種プログラムが実行されることで生成される情報を格納する補助記憶デバイスである。
　表示装置２０５は制御部１４０の内部状態を表示する表示デバイスである。操作装置２０６は、膜厚測定装置１００のオペレータが膜厚測定装置１００に対して各種指示を入力するための入力デバイスである。
　Ｉ／Ｆ装置２０７は、膜厚測定装置１００内の各装置と接続し、各装置との間で通信を行うための接続デバイスである。
　＜反射スペクトル補正部の機能構成＞
　次に、反射スペクトル補正プログラムが実行されることで実現される、反射スペクトル補正部１５０の機能構成の詳細について説明する。
　図３は、反射スペクトル補正部の機能構成の一例を示す図である。図３に示すように、反射スペクトル補正部１５０は、スペクトル分布取得部３０１、距離分布取得部３０２、関係算出部３０３、パラメータ算出部３０４、補正部３０５を有する。なお、図３において実線矢印は、校正フェーズにおけるデータの流れを示しており、点線矢印は、測定フェーズにおけるデータの流れを示している。
　スペクトル分布取得部３０１は第１算出部の一例である。スペクトル分布取得部３０１は、校正フェーズにおいて、集光プローブ１２０によって検出された、ウェハＷ（校正フェーズの場合は基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ））の各位置での反射光信号を取得する。
　また、スペクトル分布取得部３０１は、各位置での反射光信号に基づいて各反射スペクトル信号を生成する。スペクトル分布取得部３０１では、このうち、基準位置（ウェハＷの中心位置）での反射スペクトル信号を、基準反射スペクトル信号として、基準反射スペクトル信号格納部３１０に格納する。
　また、スペクトル分布取得部３０１は、各位置における反射スペクトル信号からピーク値を抽出し、基準反射スペクトル信号から抽出したピーク値に対する相対値（相対反射率（Ｋ））を算出する。更に、スペクトル分布取得部３０１は、各位置における相対反射率（Ｋ）を、“データＤ１”として、関係算出部３０３に通知する。
　また、スペクトル分布取得部３０１は、測定フェーズにおいて、集光プローブ１２０によって検出された、ウェハＷ（測定フェーズの場合は測定対象のウェハ）の各位置での反射光信号を取得する。また、スペクトル分布取得部３０１は、各位置での反射光信号に基づいて各対象反射スペクトル信号を生成し、補正部３０５に通知する。
　距離分布取得部３０２は、校正フェーズにおいて、距離センサ１３０より送信された、反射光検出時のウェハＷ（基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ））の各位置と集光プローブ１２０との間の距離を示す距離データ（Ｇ）を取得する。また、距離分布取得部３０２は、ウェハＷ（基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ））の各位置の距離データ（Ｇ）を、“データＤ２”として、関係算出部３０３に通知する。
　また、距離分布取得部３０２は、測定フェーズにおいて、距離センサ１３０より送信された、反射光検出時のウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置と集光プローブ１２０との間の距離を示す距離データ（Ｇ）を取得する。また、距離分布取得部３０２は、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置の距離データ（Ｇ）を、パラメータ算出部３０４に通知する。
　関係算出部３０３は特定部の一例である。関係算出部３０３は、校正フェーズにおいて、データＤ１とデータＤ２とに基づいて、基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）の距離データ（Ｇ）と相対反射率（Ｋ）との関係を示す関係式を算出する。関係算出部３０３は、算出した距離データ（Ｇ）と相対反射率（Ｋ）との関係を示す関係式を、“データＤ３”として、パラメータ算出部３０４に通知する。
　パラメータ算出部３０４は第２算出部の一例である。パラメータ算出部３０４は、校正フェーズにおいて、関係算出部３０３より通知されたデータＤ３を保持する。また、パラメータ算出部３０４は、測定フェーズにおいて、保持したデータＤ３を用いて、距離分布取得部３０２より通知された、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置の距離データ（Ｇ）に対応する各相対反射率（Ｋ）を算出する。
　また、パラメータ算出部３０４は、算出した各相対反射率（Ｋ）を、補正部３０５に通知する。
　補正部３０５は、測定フェーズにおいて、基準反射スペクトル信号格納部３１０より基準反射スペクトル信号を読み出し、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置の距離データに対応する相対反射率（Ｋ）を用いて、読み出した基準反射スペクトル信号を補正する。これにより、ウェハ（測定対象のウェハ）の各位置での補正済み基準反射スペクトル信号が生成される。また、補正部３０５は、補正済み基準反射スペクトル信号を、膜厚算出部１６０に通知する。あるいは、補正部３０５は、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置における対象反射スペクトル信号と、ウェハＷ（測定対象のウェハ）の各位置の距離データに対応する各補正済み基準反射スペクトル信号とを対比し、対比結果を膜厚算出部１６０に通知する。
　＜反射スペクトル補正処理の流れ＞
　次に、反射スペクトル補正部１５０による反射スペクトル補正処理の流れについて説明する。図４は、反射スペクトル補正部による反射スペクトル補正処理の流れを示すフローチャートである。なお、図４に示す反射スペクトル補正処理を開始するにあたり、反射スペクトル補正部１５０では、絶対反射率の補正係数（Ｒｋ）の算出が完了しているものとする。絶対反射率の補正係数（Ｒｋ）は、例えば、石英ガラスなどの標準サンプルを用いて、ＮＩＳＴ（アメリカ国立標準技術研究所）等で発行された絶対スペクトルのデータをもとに行われる。
　ステップＳ４０１において、膜厚測定装置１００のオペレータは、ウェハＷ（基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ））を、ウェハチャックヘッド１７０にセットする。
　ステップＳ４０２において、膜厚測定装置１００は、ウェハチャックヘッド１７０を矢印１７２のいずれかの方向に回転させながら、矢印１７１の方向に往復動作させる。このとき、集光プローブ１２０は、基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）の各位置において、反射光を検出する。更に、スペクトル分布取得部３０１は、基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）の各位置での反射スペクトル信号のピーク値に基づき相対反射率（Ｋ）を算出し、データＤ１として出力する。
　また、距離センサ１３０は、基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）の前記各位置について、集光プローブ１２０との間の距離を測定し、距離データを制御部１４０（反射スペクトル補正部１５０）に出力する。更に、反射スペクトル補正部１５０の距離分布取得部３０２は、各位置の距離データ（Ｇ）を、データＤ２として出力する。
　ステップＳ４０３において、関係算出部３０３は、距離データ（Ｇ）と相対反射率（Ｋ）との関係を示す関係式を算出し、算出した関係式を、データＤ３としてパラメータ算出部３０４に通知する。以上、ステップＳ４０１からステップＳ４０３は、校正フェーズにおいて実行される。
　続いて、ステップＳ４０４において、膜厚測定装置１００のオペレータは、測定対象のウェハを、ウェハチャックヘッド１７０にセットする。
　ステップＳ４０５において、膜厚測定装置１００は、ウェハチャックヘッド１７０を矢印１７２のいずれかの方向に回転させながら、矢印１７１の方向に往復動作させる。このとき、集光プローブ１２０は、測定対象のウェハの各位置において、反射光を検出する。更に、スペクトル分布取得部３０１は、測定対象のウェハの各位置での対象反射スペクトル信号を、補正部３０５に通知する。
　また、距離センサ１３０は、測定対象のウェハの前記各位置について、集光プローブ１２０との間の距離を測定し、距離データを制御部１４０（反射スペクトル補正部１５０）に出力する。更に、反射スペクトル補正部１５０の距離分布取得部３０２は、各位置の距離データ（Ｇ）を、パラメータ算出部３０４に通知する。
　ステップＳ４０６において、パラメータ算出部３０４は、校正フェーズにおいて関係算出部３０３より通知されたデータＤ３を用いて、距離分布取得部３０２より通知された、測定対象のウェハの各位置の距離データに対応する各相対反射率（Ｋ）を算出する。更に、パラメータ算出部３０４は、各位置での相対反射率（Ｋ）を補正部３０５に通知する。
　ステップＳ４０７において、補正部３０５は、スペクトル分布取得部３０１より通知された、測定対象のウェハの各位置の距離データに対応する相対反射率（Ｋ）を用いて、基準反射スペクトル信号を補正する。また、補正部３０５は、補正済み基準反射スペクトル信号を膜厚算出部１６０に通知する。以上、ステップＳ４０４からステップＳ４０７は、測定フェーズにおいて実行される。
　なお、ステップＳ４０２やステップＳ４０５で行われる、集光プローブ１２０による反射光の検出と距離センサ１３０による距離の測定とは、並行して行われる。具体的には、集光プローブ１２０が、ウェハ上のある点（位置）から反射される反射光を検出するとき、同時に距離センサ１３０はその点（位置）と集光プローブ１２０との間の距離を測定し、測定された距離の距離データを出力する。ただし、集光プローブ１２０による反射光の検出と距離センサ１３０による距離の測定とは、必ずしも完全に同時に行われる必要はない。たとえば集光プローブ１２０がウェハ上の第１の点（位置）から反射される反射光を検出した後、ウェハ上の第２の点（位置）から反射される反射光を検出しているときに、距離センサ１３０は第１の点と集光プローブ１２０との間の距離を測定してもよい。
　あるいは、集光プローブ１２０による反射光の検出と距離センサ１３０による距離の測定とは、互いに異なる期間に実施されてもよい。たとえば集光プローブ１２０がウェハ上の複数の点（位置）について、これらの位置から反射される反射光を検出する処理を行った後に、距離センサ１３０はこれら複数の点（位置）について、集光プローブ１２０との間の距離を測定してもよい。ただし、距離センサ１３０による距離の測定と集光プローブ１２０による反射光の検出が並行して実行されるほうが、反射スペクトル補正処理の処理時間を短くすることができるため、好ましい。
　また、スペクトル分布取得部３０１により行われる処理と、距離分布取得部３０２により行われる処理も、並行して行われるが、この２つの処理もそれぞれ異なる時間帯に実行されてもよい。
　＜反射スペクトル補正部の各部の校正フェーズでの処理の具体例＞
　次に、反射スペクトル補正部１５０の各部（スペクトル分布取得部３０１、距離分布取得部３０２、関係算出部３０３）の校正フェーズでの処理の具体例について説明する。
　（１）スペクトル分布取得部の校正フェーズでの処理の具体例
　はじめに、スペクトル分布取得部３０１の校正フェーズでの処理の具体例について説明する。図５は、校正フェーズにおける反射スペクトル分布取得部の処理の具体例を示す図である。
　図５において、符号５１０は、ウェハチャックヘッド１７０に載置された基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）を正面から（真上から）見た様子を示している。符号５１０において、同心円状に配置された点は、集光プローブ１２０により反射光が検出される、ＢａｒｅＳｉウェハの各位置を示している。なお、ＢａｒｅＳｉウェハの各位置のうち、ＢａｒｅＳｉウェハの中心位置は、基準位置である。
　図５の例の場合、集光プローブ１２０は、４９箇所の各位置において、反射光を検出する。ここでは、４９箇所の各位置を、測定点Ｐ１～Ｐ４９と称す。なお、集光プローブ１２０が反射光を検出する各位置の数は、４９箇所に限定されない。また、集光プローブ１２０が反射光を検出する各位置の配置は、同心円状に限定されない。
　図５に示すように、集光プローブ１２０が反射光を検出することで、スペクトル分布取得部３０１では、測定点Ｐ１～Ｐ４９の各位置でのＢａｒｅＳｉ反射スペクトル信号５２０＿１～５２０＿４９を取得する。
　また、図５に示すように、スペクトル分布取得部３０１では、測定点Ｐ１～Ｐ４９の各位置でのＢａｒｅＳｉ反射スペクトル信号５２０＿１～５２０＿４９それぞれからピーク値を抽出する。更に、スペクトル分布取得部３０１では、基準位置（測定点Ｐ１）でのＢａｒｅＳｉ反射スペクトル信号５２０＿１から抽出したピーク値に対する相対値である、相対反射率をそれぞれ算出し、データＤ１を生成する。
　図５に示すように、データＤ１は、情報の項目として、“測定点”と“ＢａｒｅＳｉ反射スペクトルピーク値”と、“ＢａｒｅＳｉ相対反射率（Ｋ）”とを含む。“測定点”には、反射光を検出する各位置を示す情報が格納される。また、“ＢａｒｅＳｉ反射スペクトルピーク値”には、対応する測定点で検出された反射光のＢａｒｅＳｉ反射スペクトル信号から抽出したピーク値が格納される。更に、“ＢａｒｅＳｉ相対反射率（Ｋ）”には、対応する測定点で検出された反射光のＢａｒｅＳｉ反射スペクトル信号から抽出したピーク値の、ＢａｒｅＳｉ反射スペクトル信号５２０＿１から抽出したピーク値に対する相対反射率が格納される。
　（２）距離分布取得部の校正フェーズでの処理の具体例
　次に、距離分布取得部３０２の校正フェーズでの処理の具体例について説明する。図６は、校正フェーズにおける距離分布取得部の処理の具体例を示す図である。
　図６において、符号５１０は、ウェハチャックヘッド１７０に載置された基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）を正面から（真上から）見た様子を示している。同心円状に配置された点は、距離センサ１３０により集光プローブ１２０との間の距離を示す距離データが測定される、ＢａｒｅＳｉウェハの各位置を示している。
　図６の例の場合、距離センサ１３０は、４９箇所の各位置において、集光プローブ１２０との間の距離を示す距離データを測定する。なお、距離センサ１３０が距離データを測定する各位置の数は、４９箇所に限定されない。また、距離センサ１３０が距離データを測定する各位置の配置は、同心円状に限定されない。
　ただし、各位置の数及び各位置の配置は、集光プローブ１２０が反射光を検出する各位置の数、各位置の配置と同じであるとする。
　図６に示すように、距離センサ１３０が距離データを測定することで、距離分布取得部３０２では、集光プローブ１２０と測定点Ｐ１～Ｐ４９の各位置との間の距離データを取得し、データＤ２を生成する。図６に示すように、データＤ２は、情報の項目として、“測定点”と“ＢａｒｅＳｉ距離データ（Ｇ）”とを含む。“測定点”には、距離データを測定する各位置を示す情報が格納される。また、“ＢａｒｅＳｉ距離データ（Ｇ）”には、対応する測定点で測定された距離データが格納される。
　（３）関係算出部の校正フェーズでの処理の具体例
　次に、関係算出部３０３の校正フェーズでの処理の具体例について説明する。図７は、校正フェーズにおける関係算出部の処理の具体例を示す図である。
　図７のグラフ７００において、横軸は、距離分布取得部３０２により取得されるＢａｒｅＳｉ距離データ（Ｇ）を示しており、縦軸は、スペクトル分布取得部３０１により取得されるＢａｒｅＳｉ相対反射率（Ｋ）を示している。
　図７に示すように、関係算出部３０３では、データＤ１とデータＤ２とを取得し、測定点Ｐ１～Ｐ４９それぞれにおいて測定されたＢａｒｅＳｉ距離データ（Ｇ）とＢａｒｅＳｉ相対反射率（Ｋ）との組に応じた位置に、マーカをプロットしていく。これにより、グラフ７００が生成される。
　また、図７に示すように、関係算出部３０３では、生成したグラフ７００に基づいて、ＢａｒｅＳｉ距離データ（Ｇ）とＢａｒｅＳｉ相対反射率（Ｋ）との関係を示す一次式を算出する。図７に示すように、ＢａｒｅＳｉ距離データ（Ｇ）とＢａｒｅＳｉ相対反射率（Ｋ）との関係は、一次式：Ｋ＝ａ×Ｇ＋ｂ（ただし、ａ、ｂは係数）で近似することができる。なお、関係算出部３０３は、近似した一次式を、データＤ３として、パラメータ算出部３０４に通知する。
　＜反射スペクトル補正部の各部の測定フェーズでの処理の具体例＞
　次に、反射スペクトル補正部１５０の各部の測定フェーズでの処理の具体例について説明する。図８は、測定フェーズにおける各部の処理の具体例を示す図である。
　図８に示すように、測定フェーズにおいて、スペクトル分布取得部３０１は、集光プローブ１２０が測定対象のウェハの測定点Ｐ１～Ｐ４９それぞれにおいて検出した反射光の対象反射スペクトル信号８１０＿１～８１０＿４９を取得する。また、スペクトル分布取得部３０１は、取得した対象反射スペクトル信号８１０＿１～８１０＿４９を、補正部３０５に通知する。
　また、図８に示すように、測定フェーズにおいて、距離分布取得部３０２は、距離センサ１３０が測定対象のウェハの測定点Ｐ１～Ｐ４９それぞれにおいて測定した集光プローブ１２０との間の対象距離データ（Ｇ）を、距離データ８２０として、パラメータ算出部３０４に通知する。
　また、図８に示すように、測定フェーズにおいて、パラメータ算出部３０４は、データＤ３に示す一次式：Ｋ＝ａ×Ｇ＋ｂに、距離データ８２０の測定点Ｐ１～Ｐ４９それぞれの対象距離データ（Ｇ）を入力する。これにより、パラメータ算出部３０４は、入力した対象距離データ（Ｇ）ごとに、相対反射率（Ｋ１）～相対反射率（Ｋ４９）を出力することができる。
　補正部３０５では、スペクトル分布取得部３０１より通知された測定点Ｐ１～Ｐ４９それぞれにおいて検出した、測定対象のウェハの各位置における対象反射スペクトル信号８１０＿１～８１０＿４９について、ダーク信号分を減算する。また、減算結果に、絶対反射率補正係数Ｒｋを乗算することで、第１の算出結果を得る。なお、図８の例では、対象反射スペクトル信号の強度を“Spectrum_sample”、ダーク信号の強度を“Spectrum_dark”としている。ダーク信号とは、光源部１１０が可視光を照射していない状態で、集光プローブ１２０により検出される信号である。
　また、補正部３０５では、基準ウェハ（ＢａｒｅＳｉウェハ）の基準位置における基準反射スペクトル信号８３０に対して、対応する相対反射率（Ｋ）を乗算したうえで、ダーク信号分を減算し、第２の算出結果（補正済み基準反射スペクトル信号）を得る。なお、図８の例では、基準反射スペクトル信号の強度を“Spectrum_BareSi”、ダーク信号の強度を“Spectrum_dark”としている。
　更に、補正部３０５では、第１の算出結果を第２の算出結果で除算することで、それぞれの測定点Ｐ１～Ｐ４９において測定した対象反射スペクトル信号８１０＿１～８１０＿４９の強度と、対応する補正済み基準反射スペクトル信号の強度との対比結果を得る。なお、図８の例では、対比結果を“Spectrum_Cal”としている。
　なお、補正部３０５では、補正済み基準反射スペクトル信号の強度（“K*Spectrum_BareSi”）または対比結果（“Spectrum_Cal”）を膜厚算出部１６０に通知する。
　＜膜厚の算出結果＞
　次に、補正済み基準反射スペクトル信号を用いて膜厚を算出した場合の効果について、図９を用いて説明する。図９は、膜厚の測定精度が向上したことを示す図であり、一般的なエリプソメトリを使用して計測した結果を示している。
　図９において、膜厚測定結果９０１は、測定対象のウェハの外周部分が垂れた状態で、反射光を検出し、検出した反射光の対象反射スペクトル信号を基準反射スペクトル信号と対比することで、膜厚を算出した結果を示している。
　一方、図９において、膜厚測定結果９０２は、測定対象のウェハの外周部分が垂れていない状態で反射光を検出し、検出した反射光の対象反射スペクトル信号を基準反射スペクトル信号と対比することで、膜厚を算出した結果を示している。測定対象のウェハに反りや垂れがない状態に保持することで膜厚測定結果９０２が得られる。
　更に、図９において、差分分布９０３は、膜厚測定結果９０１と膜厚測定結果９０２との差分値（膜厚測定の誤差）を示している。具体的には、図９において、濃い色ほど差分値が小さく、薄い色ほど差分値が大きいことを示している。差分分布９０３の場合、測定対象のウェハの外周部分が垂れている影響が膜厚測定の誤差として表われている（差分値が大きい）。
　一方、図９において、膜厚測定結果９１１は、測定対象のウェハの外周部分が垂れた状態で反射光を検出し、検出した反射光の対象反射スペクトル信号を補正済み基準反射スペクトル信号と対比することで、膜厚を算出した結果を示している。
　また、図９において、膜厚測定結果９１２は、測定対象のウェハの外周部分が垂れていない状態で、反射光を検出し、検出した反射光の対象反射スペクトル信号を基準反射スペクトル信号と対比することで、膜厚を算出した結果を示している。
　更に、図９において、差分分布９１３は、膜厚測定結果９１１と膜厚測定結果９１２との差分値（膜厚測定の誤差）を示している。具体的には、図９において、濃い色ほど差分値が小さく、薄い色ほど差分値が大きいことを示している。差分分布９１３の場合、測定対象のウェハの外周部分が垂れている影響が排除され、差分分布９０３と比較して、全体的に差分値が小さくなっている（膜厚測定の誤差が小さくなっている）。
　このように、膜厚を算出する際、補正済み基準反射スペクトル信号を用いることにより、測定対象のウェハの外周部分に垂れが生じている場合でも、膜厚の算出を適切に行うことが可能となり、膜厚測定の測定精度の低下を回避することができる。
　＜まとめ＞
　以上の説明から明らかなように、第１の実施形態に係る膜厚測定装置は、反射スペクトル補正部を有しており、当該反射スペクトル補正部は、
・膜厚が既知の基準ウェハの基準位置において、集光プローブにより検出された反射光の基準反射スペクトル信号と、基準位置以外の各位置において、該集光プローブにより検出された反射光の各反射スペクトル信号と、の各相対反射率を算出する。
・各相対反射率と、基準ウェハの各位置と集光プローブとの間の距離を示す各距離データとの関係を特定し、一次式を算出する。
・一次式に基づき、測定対象のウェハの各位置と集光プローブとの間の距離を示す各距離データに対応する各相対反射率を算出する。
・測定対象のウェハの各位置における膜厚を算出する際に、一次式に基づいて算出された各相対反射率に基づき、基準反射スペクトル信号を補正する。
　これにより、第１の実施形態に係る膜厚測定装置によれば、測定対象のウェハが変形していた場合でも、膜厚の算出を適切に行うことが可能となり、膜厚測定の測定精度の低下を回避することができる。
　［第２の実施形態］
　上記第１の実施形態では、基準ウェハの反りや垂れに伴う４９点分の距離データの変動範囲から得られた、反射スペクトル信号のピーク値に基づいて各相対反射率を算出し、算出した各相対反射率を用いて、関係式を算出するものとして説明した。
　しかしながら、関係式の算出方法はこれに限定されない。例えば、基準ウェハの反りや垂れに伴う距離データの変動範囲外において、反射スペクトル信号のピーク値を予測し、当該予測したピーク値に基づいて算出した相対反射率も含めて、関係式を算出するように構成してもよい。
　また、上記第１の実施形態では、変形している基準ウェハを用いて、反射光を検出する構成とした。しかしながら、反射光の検出方法はこれに限定されず、例えば、集光プローブ１２０と基準ウェハとの間の距離を変えながら、反射光を検出する構成としてもよい。これにより、変形している基準ウェハを用いる場合と比較して、距離データの変動範囲を拡げることができる。
　また、上記第１の実施形態では、校正フェーズにおいて、基準反射スペクトル信号を予め用意し、測定フェーズにおいて、測定対象のウェハの各位置の距離データが測定されるごとに、対応する相対反射率を算出し、基準反射スペクトル信号に乗算する構成とした。しかしながら、各距離データに対応する相対反射率を基準反射スペクトル信号に予め乗算した複数の補正済み基準反射スペクトル信号を、校正フェーズにおいて用意してもよい。そして、測定フェーズにおいて、距離データが測定されるごとに、対応する補正済み基準反射スペクトル信号を読み出す構成としてもよい。
　また、上記第１の実施形態において、図８では、補正部３０５が、対象反射スペクトル信号と補正済み基準反射スペクトル信号との対比結果を膜厚算出部１６０に通知する場合について示した。しかしながら、補正部３０５は、補正済み基準反射スペクトル信号を膜厚算出部１６０に通知し、膜厚算出部１６０において対象反射スペクトル信号と対比するように構成してもよい。
　なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせ等、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
　本願は、日本特許庁に２０１８年６月２７日に出願された特願２０１８－１２２１４８号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
１００　　　：膜厚測定装置
１１０　　　：光源部
１２０　　　：集光プローブ
１３０　　　：距離センサ
１４０　　　：制御部
１５０　　　：反射スペクトル補正部
１６０　　　：膜厚算出部
１７０　　　：ウェハチャックヘッド
３０１　　　：スペクトル分布取得部
３０２　　　：距離分布取得部
３０３　　　：関係算出部
３０４　　　：パラメータ算出部
３０５　　　：補正部

Claims (7)

  1. 　膜厚が既知の第１ウェハの基準位置において、集光プローブにより検出された反射光の基準反射スペクトル信号と、基準位置以外の各位置において、該集光プローブにより検出された反射光の各反射スペクトル信号と、の各相対反射率を算出する第１算出部と、
    　前記第１算出部により算出された各相対反射率と、前記第１ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データと、の関係を特定する特定部と、
    　前記特定部により特定された関係に基づき、測定対象の第２ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データに対応する各相対反射率を算出する第２算出部と、
    　前記第２ウェハの各位置における膜厚を算出する際に、前記第２算出部により算出された各相対反射率に基づき、前記基準反射スペクトル信号を補正する補正部と
    　を有する膜厚測定装置。
  2. 　前記第１算出部は、
    　前記第１ウェハの基準位置において、集光プローブにより検出された反射光の基準反射スペクトル信号から抽出したピーク値と、前記基準位置以外の各位置において、前記集光プローブにより検出された反射光の反射スペクトル信号から抽出したピーク値と、を用いて前記各相対反射率を算出する、請求項１に記載の膜厚測定装置。
  3. 　前記特定部は、
    　前記第１算出部により算出された各相対反射率と、前記第１ウェハの各位置の前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データとの関係を、一次式で近似する、請求項２に記載の膜厚測定装置。
  4. 　前記補正部は、
    　前記基準反射スペクトル信号に、算出した前記各相対反射率を乗算することで、各補正済み基準反射スペクトル信号を算出し、
    　前記第２ウェハの各位置において、前記集光プローブにより検出された反射光の各対象反射スペクトル信号と、前記各補正済み基準反射スペクトル信号とを対比することで対比結果を算出し、前記第２ウェハの各位置における膜厚を算出する際に用いる、請求項１に記載の膜厚測定装置。
  5. 　さらに、ウェハ上の所望の点と前記集光プローブとの間の距離を測定するための距離センサを有し、
    　前記第１ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データと、前記第２ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データは、前記距離センサによって取得される、
    請求項１ないし４のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
  6. 　前記集光プローブによる反射光の検出と前記距離センサによる距離の測定は並行して実行される、
    請求項５に記載の膜厚測定装置。
  7. 　膜厚が既知の第１ウェハの基準位置において、集光プローブにより検出された反射光の基準反射スペクトル信号と、基準位置以外の各位置において、該集光プローブにより検出された反射光の各反射スペクトル信号と、の各相対反射率を算出する第１算出工程と、
    　前記第１算出工程において算出された各相対反射率と、前記第１ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データと、の関係を特定する特定工程と、
    　前記特定工程において特定された関係に基づき、測定対象の第２ウェハの各位置と前記集光プローブとの間の距離を示す各距離データに対応する各相対反射率を算出する第２算出工程と、
    　前記第２ウェハの各位置における膜厚を算出する際に、前記第２算出工程において算出された各相対反射率に基づき、前記基準反射スペクトル信号を補正する補正工程と
    　を有する補正方法。
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