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JP7562277B2 - 分光分析システム及び分光分析方法 - Google Patents

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Description

本開示は、分光分析システム及び分光分析方法に関する。
特許文献１に、外部への光取り出しの向上を図り、ＬＥＤチップと色変換部材とを有する発光装置が記載されている。この発光装置は照明器具等に用いられる。
特開２００９－１０５３７９号公報
本開示は、長寿命で広範囲の膜厚測定に用いることができる分光分析システム及び分光分析方法を提供する。
本開示の一態様による分光分析システムは、対象物に光を照射するように構成される光源と、前記光源から照射され、前記対象物から反射された光を分光して分光データを取得するように構成される分光測定部と、を有し、前記光源は、複数の発光素子と、前記複数の発光素子から出力された光を混合するように構成される混合部と、前記複数の発光素子と前記混合部とを接続する光ファイバと、を有し、前記複数の発光素子の各々は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードから出力された光の波長を変換するように構成される波長変換部と、前記波長変換部から出力された光を平行光に集光する第１のレンズと、前記第１のレンズの透過光を集光する第２のレンズとで構成される集光部と、を含み、前記複数の発光素子の間で、当該発光素子に含まれる発光ダイオードから出力される光の波長が相違し、前記複数の発光素子のうちの少なくとも一つの発光素子は、波長が３５０ｎｍ以下の光を出力する発光ダイオードを含み、前記複数の発光素子のうちの少なくとも一つの発光素子は、白色光を出力する。
本開示によれば、長寿命で広範囲の膜厚測定に用いることができる。
図１は、分光分析システムの一例を示す模式図である。 図２は、光源の一例を示す模式図である。 図３は、発光素子の一例を示す模式図である。 図４は、パターンが形成されていないベアシリコンウェハからの反射光のスペクトル及び校正用のスペクトルを示す図である。 図５は、ベアシリコンウェハからの反射光の校正後のスペクトルを示す図である。 図６は、制御装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図７は、制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図８は、制御装置による制御（ウェハの検査）の一例を示すフロー図である。 図９は、分光スペクトルデータの取得位置の一例を示す図である。 図１０は、制御装置による制御（色の変化からの膜厚の推定）の一例を示すフロー図である。 図１１は、制御装置による制御（分光スペクトルデータからの膜厚の推定）の一例を示すフロー図である。 図１２は、反射光のスペクトルを示す図（その１）である。 図１３は、反射光のスペクトルを示す図（その２）である。 図１４は、膜厚測定の結果の例を示す図である。 図１５は、１個の発光素子から出力される光のスペクトルの一例を示す図である。
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。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くことがある。
まず、実施形態に係る光源を備えた分光分析システムについて説明する。図１は、分光分析システムの一例を示す模式図である。この分光分析システム１は、制御装置１００及び検査ユニットＵ３を含む。
［検査ユニット］
検査ユニットＵ３は、処理対象の基板、例えば半導体のウェハＷに形成された膜の表面に係る情報、及び、膜厚に係る情報を取得する。
図１に示すように、検査ユニットＵ３は、筐体３０と、保持部３１と、駆動部３２と、撮像部３３と、投光・反射部３４と、分光測定部４０と、を含む。保持部３１は、ウェハＷを水平に保持する。駆動部３２は、例えば電動モータなどを動力源とし、水平な直線状の経路に沿って保持部３１を移動させる。駆動部３２は、保持部３１を水平面内で回転させることもできる。撮像部３３は、例えばＣＣＤカメラ等のカメラ３５を有する。カメラ３５は、保持部３１の移動方向において検査ユニットＵ３内の一端側に設けられており、当該移動方向の他端側に向けられている。投光・反射部３４は、撮像範囲に投光し、当該撮像範囲からの反射光をカメラ３５側に導く。例えば投光・反射部３４は、ハーフミラー３６及び光源３７を有する。ハーフミラー３６は、保持部３１よりも高い位置において、駆動部３２の移動範囲の中間部に設けられており、下方からの光をカメラ３５側に反射する。光源３７は、ハーフミラー３６の上に設けられており、ハーフミラー３６を通して下方に照明光を照射する。
分光測定部４０は、ウェハＷからの光を入射して分光し、分光スペクトルを取得する機能を有する。分光測定部４０は、ウェハＷからの光を入射する入射部４１と、入射部４１に入射した光を導波する導波部４２と、導波部４２により導波された光を分光して分光スペクトルを取得する分光器４３と、光源４４と、を有する。入射部４１は、保持部３１に保持されたウェハＷが駆動部３２による駆動に伴って移動する際に、ウェハＷの中央部からの光を入射可能な構成とされる。すなわち、駆動部３２の駆動によって移動する保持部３１の中心の移動経路に対応する位置に設けられる。そして、保持部３１の移動によってウェハＷが移動した際に、ウェハＷの径方向に沿ってウェハＷの表面に対して入射部４１が相対的に移動するように、入射部４１が取り付けられる。これにより、分光測定部４０は、ウェハＷの中心部を含むウェハＷの径方向に沿った複数箇所での分光スペクトルを取得することができる。また、駆動部３２が保持部３１を回転させることにより、分光測定部４０は、ウェハＷの周方向に沿った複数箇所での分光スペクトルを取得することができる。導波部４２は、例えば光ファイバ等によって構成される。分光器４３は、入射した光を分光して各波長に対応する強度情報を含む分光スペクトル取得する。光源４４は、下方に照明光を照射する。これにより、ウェハＷでの反射光が入射部４１、導波部４２を経て分光器４３に入射する。
なお、分光器４３で取得する分光スペクトルの波長範囲は、例えば、深紫外光の波長範囲と可視光の波長範囲とを含む、２５０ｎｍ～１２００ｎｍ程度の範囲とすることができる。深紫外光及び可視光の波長範囲を含む光を出射する光源を光源４４として用いて、光源４４からの光に対するウェハＷの表面での反射光を分光器４３で分光することで、深紫外光及び可視光の波長範囲を含む分光スペクトルデータを得ることができる。分光器４３で取得する分光スペクトルの波長範囲が、例えば、赤外線を含んでもよい。取得する分光スペクトルデータの波長範囲に応じて、分光器４３及び光源４４として適切なものを選択することができる。例えば、光源４４は、発光素子及びレンズを備えた照射ユニットであってもよく、発光素子と、導波部４２と同軸の光ファイバ等の導波路とを備えていてもよい。
検査ユニットＵ３は、次のように動作してウェハＷの表面の画像データを取得する。まず、駆動部３２が保持部３１を移動させる。これにより、ウェハＷがハーフミラー３６の下を通過する。この通過過程において、ウェハＷの表面からの反射光がカメラ３５に順次送られる。カメラ３５は、ウェハＷの表面からの反射光を結像させ、ウェハＷの表面の画像データを取得する。ウェハＷの表面に形成される膜の膜厚が変化すると、例えば、膜厚に応じて色がウェハＷの表面の色が変化する等、カメラ３５で撮像されるウェハＷの表面の画像データが変化する。すなわち、ウェハＷの表面の画像データを取得することは、ウェハＷの表面に形成された膜の膜厚に係る情報を取得することに相当する。この点については後述する。
カメラ３５で取得された画像データは、制御装置１００に対して送られる。制御装置１００において、画像データに基づいてウェハＷの表面の膜の膜厚を推定することができ、推定結果が制御装置１００において検査結果として保持されることになる。
また、検査ユニットＵ３による画像データの取得と同時に、分光測定部４０においてウェハＷの表面からの光を入射して分光測定が行われる。駆動部３２が保持部３１を移動させる際に、ウェハＷは入射部４１の下を通過する。この通過過程において、ウェハＷの表面の複数箇所からの反射光が入射部４１に入射し、導波部４２を経て分光器４３に入射する。分光器４３において入射した光を分光し、分光スペクトルデータを取得する。ウェハＷの表面に形成される膜の膜厚が変化すると、例えば、膜厚に応じて分光スペクトルが変化する。すなわち、ウェハＷの表面の分光スペクトルデータを取得することは、ウェハＷの表面に形成された膜の膜厚に係る情報を取得することに相当する。この点については後述する。検査ユニットＵ３では、画像データの取得と分光測定とを並行して実施することができる。そのため、これらを個別に行う場合と比較して短時間での計測を行うことができる。
分光器４３で取得された分光スペクトルデータは、制御装置１００に対して送られる。制御装置１００において、分光スペクトルデータに基づいてウェハＷの表面の膜の膜厚を推定することができ、推定結果が制御装置１００において検査結果として保持されることになる。
［光源］
光源４４について説明する。図２は、光源の一例を示す模式図である。
図２に示すように、光源４４は、例えば４個の発光素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５９と、発光素子５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５９から出力された光を混合するミキサー６０とを有する。発光素子５０Ａ～５０Ｃは、紫外光を出力する発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）を含み、発光素子５９は白色光を出力する。ミキサー６０は、ミラーフィルタ６１を含む。発光素子５０Ａ～５０Ｃは光ファイババンドル６２の一端に接続されており、光ファイババンドル６２の他端はＳＭＡコネクタ６５を介してミキサー６０に接続されている。発光素子５９は光ファイバ６３の一端に接続されており、光ファイバ６３の他端はコネクタ６６を介してミキサー６０に接続されている。ミラーフィルタ６１は、光ファイババンドル６２から入力された光と、光ファイバ６３から入力された光とを混色するように配置されている。ミキサー６０には、ＳＭＡコネクタ６７を介して光ファイバ６４が接続されている。ミラーフィルタ６１から出力された光が光ファイバ６４を伝播する。ミキサー６０は混合部の一例である。
［発光素子］
発光素子５０Ａ～５０Ｃについて説明する。以下、発光素子５０Ａ～５０Ｃを総称して発光素子５０Ｘということがある。図３は、発光素子の一例を示す模式図である。
図３に示すように、発光素子５０Ｘは、ＬＥＤ５１Ｘと、蛍光フィルタ５２Ｘと、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）レンズ５３Ｘと、集光レンズ５４Ｘと、ヒートシンク５５Ｘと、筐体５６Ｘとを有する。筐体５６Ｘは、蛍光フィルタ５２Ｘ、ＴＩＲレンズ５３Ｘ及び集光レンズ５４Ｘを収容する。発光素子５０Ｘの出力端に、光ファイババンドル６２に含まれる光ファイバ６２Ｘが接続されている。蛍光フィルタ５２Ｘは、ＬＥＤ５１Ｘから出力された光の波長を変換する。ＴＩＲレンズ５３Ｘは、蛍光フィルタ５２Ｘから出力された光を平行光にする。集光レンズ５４Ｘは、ＴＩＲレンズ５３Ｘを透過した光を集光する。集光レンズ５４Ｘにより集光された光は光ファイバ６２Ｘに入力される。ヒートシンク５５ＸはＬＥＤ５１Ｘに取り付けられており、ＬＥＤ５１Ｘにて発生した熱を外部に放出する。蛍光フィルタ５２Ｘは波長変換部の一例であり、集光レンズ５４Ｘは集光部の一例である。
ＬＥＤ５１Ｘから出力される光の波長は、発光素子５０Ａ～５０Ｃの間で相違している。ＬＥＤ５１Ｘから出力される光の波長は、例えば２５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内にある。例えば、発光素子５０Ａ～５０Ｃのうちの少なくとも一つの発光素子は、波長が３５０ｎｍ以下の光を出力するＬＥＤ５１Ｘを含む。つまり、発光素子５０Ａ～５０Ｃのうちの少なくとも一つの発光素子は、紫外光を出力するＬＥＤ５１Ｘを含む。
蛍光フィルタ５２Ｘは、例えば、蛍光体のペレットを含む。蛍光フィルタ５２Ｘが、蛍光体のナノ粒子が付着したガラス粉末が集合して形成された膜を含んでもよい。蛍光フィルタ５２Ｘが、蛍光体のナノ粒子が分散したシリコーン樹脂の膜を含んでもよい。蛍光体は、例えばＬａＰＯ４：Ｃｅ３＋又はＬａＭｇＡｌ１１Ｏ１９：Ｃｅ３＋）である。蛍光フィルタ５２Ｘは、複数種類の蛍光体を含むことが好ましい。複数種類の蛍光体を含むことで、蛍光フィルタ５２Ｘを通じて出力される光のスペクトルを平滑化することができる。蛍光フィルタ５２Ｘに含まれる蛍光体が１種類であってもよい。また、蛍光フィルタ５２Ｘは、蛍光体の粒子を保持するガラスを含むことが好ましい。シリコーン樹脂等の樹脂よりもガラスの方が劣化しにくく、特にＬＥＤ５１Ｘが出力する光の波長が短い場合、ガラスの耐性が顕著となる。蛍光フィルタ５２ＸはＬＥＤ５１Ｘの発光面を封止するように形成されていてもよい。蛍光フィルタ５２Ｘの形状は、例えば板状であってもよい。
なお、光ファイババンドル６２に接続される発光素子５０Ｘの数は限定されない。例えば、４個の発光素子５０Ｘが光ファイババンドル６２に接続されてもよい。
４個の発光素子５０Ｘと１個の発光素子５９とがミキサー６０に接続された場合の合成スペクトルの例を示す。図４は、パターンが形成されていないベアシリコンウェハからの反射光のスペクトル及び校正用のスペクトルを示す図である。図５は、ベアシリコンウェハからの反射光の校正後のスペクトルを示す図である。図４（ａ）は、ベアシリコンウェハからの反射光のスペクトルを示し、図４（ｂ）は、校正用のスペクトルを示す。ここでは、４個の発光素子に含まれるＬＥＤ５１Ｘの波長は、それぞれ２８５ｎｍ、３４０ｎｍ、３６５ｎｍ、３８５ｎｍである。２８５ｎｍの光を出力するＬＥＤ５１Ｘの出力は４００μＷ程度である。３４０ｎｍの光を出力するＬＥＤ５１Ｘの出力は０．７ｍＷ程度である。３６５ｎｍの光を出力するＬＥＤ５１Ｘの出力は４ｍＷ程度である。３８５ｎｍの光を出力するＬＥＤ５１Ｘの出力は６ｍＷ程度である。白色光を出力する発光素子５９に含まれるＬＥＤの出力は３ｍＷ程度である。
図４（ａ）に示すように、４個の発光素子５０Ｘと１個の発光素子５９とがミキサー６０に接続された光源は広い波長帯域を備える。このため、図５に示すように、ベアシリコンウェハからの反射光の校正後のスペクトルとして、波長帯域が広い絶対反射スペクトルが得られる。
光源４４が出力する光の波長は特に限定されず、光源４４は、例えば波長が２５０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の光を出力してもよい。光源４４が出力する光の波長帯域に２５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長帯域が含まれることが好ましい。
［制御装置］
制御装置１００の一例について詳細に説明する。図６は、制御装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。制御装置１００は、検査ユニットＵ３に含まれる各要素を制御する。
図６に示されるように、制御装置１００は、機能上の構成として、検査実施部１０１、画像情報保持部１０２、分光測定結果保持部１０３、膜厚算出部１０４、モデル保持部１０８、及び、分光情報保持部１０９を有する。
検査実施部１０１は、検査ユニットＵ３でのウェハＷの検査に係る動作を制御する機能を有する。検査ユニットＵ３での検査の結果、画像データ及び分光スペクトルデータが取得される。
画像情報保持部１０２は、検査ユニットＵ３の撮像部３３からウェハＷの表面を撮像した画像データを取得し、保持する機能を有する。画像情報保持部１０２において保持される画像データは、ウェハＷに形成された膜の膜厚の推定に利用される。
分光測定結果保持部１０３は、検査ユニットＵ３の分光器４３からウェハＷの表面に係る分光スペクトルデータを取得し、保持する機能を有する。分光測定結果保持部１０３において保持される分光スペクトルデータは、ウェハＷに形成された膜の膜厚の推定に利用される。
膜厚算出部１０４は、画像情報保持部１０２において保持される画像データ、及び、分光測定結果保持部１０３において保持される分光スペクトルデータに基づいて、ウェハＷに形成された膜の膜厚を算出する機能を有する。膜厚の算出に係る手順の詳細は後述する。
分光情報保持部１０９は、分光スペクトルデータから膜厚を算出する際に使用する分光情報を保持する機能を有する。検査ユニットＵ３で取得される分光スペクトルデータは、ウェハＷの表面に形成される膜の種類及び膜厚によって変化する。そこで、分光情報保持部１０９において膜厚と分光スペクトルとの対応関係に係る情報を保持する。例えば、ベアシリコンウェハ等の下層膜の表面に係る分光スペクトルデータを予め取得しておき、分光情報保持部１０９は、この分光スペクトルデータをリファレンスデータとして保持する。膜厚算出部１０４では、分光情報保持部１０９において保持される情報に基づいて検査対象のウェハＷ（対象基板）について膜厚を推定する。
制御装置１００は、一つ又は複数の制御用コンピュータにより構成される。図７は、制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。例えば制御装置１００は、図７に示される回路１２０を有する。回路１２０は、一つ又は複数のプロセッサ１２１と、メモリ１２２と、ストレージ１２３と、入出力ポート１２４とを有する。ストレージ１２３は、例えばハードディスク等、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を有する。記憶媒体は、後述のプロセス処理手順を制御装置１００に実行させるためのプログラムを記憶している。記憶媒体は、不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク及び光ディスク等の取り出し可能な媒体であってもよい。メモリ１２２は、ストレージ１２３の記憶媒体からロードしたプログラム及びプロセッサ１２１による演算結果を一時的に記憶する。プロセッサ１２１は、メモリ１２２と協働して上記プログラムを実行することで、上述した各機能モジュールを構成する。入出力ポート１２４は、プロセッサ１２１からの指令に従って、制御対象の部材との間で電気信号の入出力を行う。
なお、制御装置１００のハードウェア構成は、必ずしもプログラムにより各機能モジュールを構成するものに限られない。例えば制御装置１００の各機能モジュールは、専用の論理回路又はこれを集積したＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）により構成されていてもよい。
なお、図６に示す機能の一部が、検査ユニットＵ３を制御する制御装置１００とは異なる装置に設けられていてもよい。一部の機能が制御装置１００とは異なる外部装置に設けられている場合、外部装置と制御装置１００とが連携して以下の実施形態で説明する機能を発揮する。また、このような場合、本実施形態で説明する制御装置１００に対応する機能が搭載された外部装置と、本実施形態で説明する分光分析システム１の残部と、が一体的に分光分析システムとして機能し得る。
［基板検査方法］
次に、図８～図１１を参照しながら、制御装置１００による基板検査方法について説明する。図８は、制御装置による制御（ウェハの検査）の一例を示すフロー図である。図９は、分光スペクトルデータの取得位置の一例を示す図である。基板検査方法は、検査ユニットＵ３において行われる成膜後のウェハＷの検査に係る方法である。検査ユニットＵ３では、成膜後のウェハＷにおいて所望の成膜が実施されたかを検査する。具体的には、ウェハＷ上に形成された膜の表面の状態及び膜厚の評価を行う。検査ユニットＵ３は、上述の通り例えば撮像部３３及び分光測定部４０を有しているので、撮像部３３によりウェハＷの表面を撮像した画像データと、分光測定部４０によりウェハＷの表面の分光スペクトルデータとを取得することができる。制御装置１００では、これらのデータに基づいて成膜状況を評価する。
まず、制御装置１００は、ステップＳ０１を実行する。ステップＳ０１では、成膜が行われたウェハＷを検査ユニットＵ３に搬入する。ウェハＷは保持部３１において保持される。
次に、制御装置１００の検査実施部１０１は、ステップＳ０２（画像取得ステップ）を実行する。ステップＳ０２では、撮像部３３によりウェハＷの表面を撮像する。具体的には、駆動部３２の駆動により保持部３１を所定の方向に移動させながら撮像部３３によりウェハＷの表面の撮像を行う。これにより、撮像部３３においてウェハＷの表面に係る画像データが取得される。画像データは、制御装置１００の画像情報保持部１０２において保持される。
なお、ステップＳ０２の実施と同時に、制御装置１００の検査実施部１０１は、ステップＳ０３（分光測定ステップ）を実行する。ステップＳ０３では、分光測定部４０によりウェハＷの表面の複数箇所にて分光測定を行う。上述のように、分光測定部４０の入射部４１は、保持部３１が移動する際に保持部３１に保持されたウェハＷの中心が通過する経路上に設けられるので、中心部を含むウェハＷの径方向に沿った複数箇所での分光スペクトルを取得することができる。また、駆動部３２が保持部３１を回転させることにより、分光測定部４０は、ウェハＷの周方向に沿った複数箇所での分光スペクトルを取得することもできる。従って、図９に示すように、入射部４１には、例えば、ウェハＷの中心を通る複数の線分と、複数の同心円とが交わる複数箇所からの反射光が入射する。分光器４３は、入射部４１に入射した光の分光スペクトルに係る測定を行う。その結果、分光器４３では、複数箇所として、例えば、図９に示す複数の測定位置Ｐに対応したＰ個、例えば４９個の分光スペクトルデータを取得する。このように、分光器４３を用いることで複数箇所でのウェハＷの表面に係る分光スペクトルデータが取得される。なお、測定位置Ｐの場所及び数は、分光器４３による分光測定の間隔と、保持部３１によるウェハＷの移動速度とによって適宜変更することができる。分光器４３で取得された分光スペクトルデータは、制御装置１００の分光測定結果保持部１０３において保持される。
制御装置１００の膜厚算出部１０４は、ステップＳ０４を実行する。ステップＳ０４では、ウェハＷの表面に係る画像データまたは分光測定による分光スペクトルデータに基づいて、ウェハＷの表面の膜の膜厚を算出する。
画像データを用いて膜厚を算出する場合の手順について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、制御装置による制御（色の変化からの膜厚の推定）の一例を示すフロー図である。画像データを用いた膜厚の算出では、モデル保持部１０８において保持される膜厚モデルが使用される。膜厚モデルとは、所定の膜を形成した際のウェハＷの表面を撮像した画像データにおける各画素の色の変化に係る情報（所定の膜を形成する前と後の色の変化）から膜厚を算出するためのモデルであり、色の変化に係る情報と膜厚との対応関係を示したモデルである。このようなモデルを予めモデル保持部１０８で保持することにより、画像データの複数箇所における色の変化に係る情報を取得することで、当該色の変化から膜厚を推定することができる。前段までの各処理を行ったウェハＷと、その後の所定の膜を形成したウェハＷと、の両方について、その表面の撮像を行って画像データを取得し、色がどのように変化したかを特定する。また、同一条件で成膜したウェハにおける膜厚の計測を行う。これにより膜厚と色の変化との対応関係を特定することができる。膜厚を変更しながらこの計測を繰り返すことで、色の変化に係る情報と膜厚との対応関係を得ることができる。
画像データからの膜厚の算出方法は、具体的には、図１０に示す通りである。まず、撮像した画像データを取得（ステップＳ１１）した後、当該画像データから画素毎の色の変化に係る情報を取得する（ステップＳ１２）。色の変化に係る情報を取得するためには、成膜前の画像データとの差分を算出する処理を行うことができる。その後、モデル保持部１０８で保持される膜厚モデルとの比較を行う（ステップＳ１３）。これにより、画素毎に当該画素が撮像した領域の膜厚を推定することができる（ステップＳ１４）。これにより、画素毎、すなわち、ウェハＷの表面の複数箇所での膜厚を推定することが可能となる。
なお、上記の画像データに基づく膜厚の算出（推定）は、ウェハＷ上に形成する膜が比較的薄い場合（例えば、５００ｎｍ以下程度）は可能であるが、膜厚が大きくなると難しい。これは、膜厚が大きくなると、膜厚の変化に対する色の変化が少なくなるため、色の変化に係る情報から膜厚を精度よく推定することが困難となるためである。従って、膜厚が大きな膜を形成した場合には、膜厚の推定は分光スペクトルデータに基づいて行われる。
分光スペクトルデータを用いて膜厚を算出する場合の手順について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、制御装置による制御（分光スペクトルデータからの膜厚の推定）の一例を示すフロー図である。分光スペクトルデータを用いた膜厚の算出とは、表面の膜の膜厚に応じた反射率の変化を利用するものである。表面に膜が形成されたウェハに対して光を照射すると、光が最上位の膜の表面で反射するか、または最上位の膜とその下層（の膜またはウェハ）との界面で反射する。そして、これらの光が反射光として出射される。すなわち、反射光には、位相が異なる２つの成分の光が含まれる。また、表面の膜厚が大きくなると、その位相差が大きくなる。従って、膜厚が変化すると、上記の膜表面で反射された光と、下層との界面で反射された光との干渉の度合いが変化する。すなわち、反射光の分光スペクトルの形状に変化が生じる。膜厚に応じての分光スペクトルの変化は、理論上算出することができる。従って制御装置１００では、表面に形成される膜の膜厚に応じた分光スペクトルの形状に係る情報を予め保持しておく。そして、実際のウェハＷに対して光を照射して得られる反射光の分光スペクトルと、予め保持している情報とを比較する。これにより、ウェハＷの表面の膜の膜厚を推定することが可能となる。膜厚の推定に用いられる膜厚と分光スペクトルの形状との関係に係る情報は、制御装置１００の分光情報保持部１０９に保持される。
分光スペクトルデータからの膜厚の算出方法は、具体的には、図１１に示す通りである。まず、分光測定の結果、すなわち、分光スペクトルデータを取得する（ステップＳ２１）。次いで、分光情報保持部１０９で保持する情報を参照して、分光スペクトルデータから測定対象の膜の絶対分光スペクトルデータを算出する（ステップＳ２２）。次いで、絶対分光スペクトルデータに含まれるノイズを除去し、平滑化処理を行う（ステップＳ２３）。ノイズの除去及び平滑化処理には、例えば、Savitzky-Golayフィルタ、移動平均フィルタ又はSpline平滑化フィルタを用いることができる。ノイズの除去及び平滑化処理に、分光スペクトルの波長領域を指定しての重み付け係数最適化を用いてもよい。次いで、ステップＳ２３により得られた絶対スペクトルデータのうちの所定の波長領域、例えば２７０ｎｍ～７００ｎｍの波長領域を抽出し、この抽出した波長領域のデータから膜厚を推定することができる（ステップＳ２４）。これにより、分光スペクトルデータ毎、すなわち、ウェハＷの表面の複数箇所での膜厚を推定することが可能となる。各分光スペクトルデータに基づいて膜厚を算出することで、ウェハＷの表面での膜厚の分布に係る情報を得ることができる。
ここで、ステップＳ２１～Ｓ２４の処理について、例を参照しながら説明する。この例では、ベアシリコンウェハの上に形成された窒化シリコン膜の厚さの測定を行うこととする。図１２及び図１３は、反射光のスペクトルを示す図である。図１２（ａ）は、ベアシリコンウェハからの反射光のスペクトルを示し、図１２（ｂ）は、ベアシリコンウェハの上に形成された窒化シリコン膜からの反射光のスペクトルを示す。図１３（ａ）は、絶対分光スペクトルを示し、図１３（ｂ）は、平滑化処理後の絶対分光スペクトルを示す。
この例では、分光情報保持部１０９は、予め図１２（ａ）に示す分光スペクトルデータを保持している。ステップＳ２１では、図１２（ｂ）に示す分光スペクトルデータを取得する。ステップＳ２２では、図１２（ａ）に示す分光スペクトルデータを参照して、図１２（ｂ）に示す分光スペクトルデータから、図１３（ａ）に示す窒化シリコン膜の絶対分光スペクトルデータを算出する。ステップＳ２３では、絶対分光スペクトルデータに含まれるノイズを除去し、平滑化処理を行う。この結果、図１３（ｂ）に示すような絶対分光スペクトルデータが得られる。そして、ステップＳ２４では、図１３（ｂ）中の２７０ｎｍ～７００ｎｍの波長領域Ｒの絶対分光スペクトルデータから膜厚を推定する。
なお、膜厚の推定を分光スペクトルデータに基づいて行う場合には、画像データの取得（ステップＳ０２）を省略してもよい。この場合、撮像部３３による画像データの取得を行わず、分光スペクトルデータのみに基づいて、膜厚の推定及び成膜状況の評価を行う構成としてもよい。
図８に戻り、膜厚の算出（ステップＳ０４）の後、制御装置１００の検査実施部１０１は、ステップＳ０５を実行する。ステップＳ０５では、ウェハＷを検査ユニットＵ３から搬出する。搬出されたウェハＷは、例えば、後段の処理モジュールに送られる。
このようにして、ウェハＷに形成された測定対象の膜の膜厚が測定される。
［作用］
分光分析システム１では、光源４４が複数の発光素子５０Ｘ（５０Ａ～５０Ｃ）を有する。また、複数の発光素子５０Ｘの間で、当該発光素子５０Ｘに含まれるＬＥＤ５１Ｘから出力される光の波長が相違する。このため、光源４４は広帯域の光を発することができる。従って、広範囲の膜厚測定に用いることができる。また、ＬＥＤ５１Ｘとして、波長が３５０ｎｍ以下の紫外光又は深紫外光を発するものを用いることで、光源４４が発する光に紫外光や深紫外光を含めることも可能である。波長が短い光を発することで、より薄い膜の厚さを高精度で測定することが可能になる。更に、ＬＥＤの寿命は、例えば１００００時間以上であり、重水素（Ｄ２）／ハロゲン光源やＸｅ光源の寿命より著しく長く、長期間にわたって連続稼働することが可能である。また、ＬＥＤの波長スペクトル再現性はＸｅランプ光源の波長スペクトル安定性よりも優れている。更に、Ｘｅランプ光源はパルス駆動が困難であるが、ＬＥＤはパルス駆動が容易である。
光源４４を含む分光分析システム１は、例えば成膜及び膜厚測定が行われる成膜装置に内蔵させて用いることができる。成膜装置としては、例えば、塗布・現像装置、化学気相成長装置（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）装置、スパッタリング装置、蒸着装置及び原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）装置が挙げられる。光源４４を含む分光分析システム１は、例えばエッチング及び膜厚測定が行われるエッチング装置に内蔵させて用いることができる。エッチング装置としては、例えば、プラズマエッチング装置及び原子層エッチング（atomic layer etching：ＡＬＥ）装置が挙げられる。また、分光分析システムが成膜装置又はエッチング装置から独立して配置され、成膜装置又はエッチング装置に対して測定結果を通信してもよい。
分光分析システム１が成膜装置又はエッチング装置に内蔵された場合、光源４４の交換の際には、成膜装置の動作を停止させることとなるが、光源４４が長寿命であるため、交換頻度を下げることができる。
また、光源４４が白色光を出力する発光素子５９を含むため、比較的厚い膜の厚さを測定することも可能である。
ここで、測定例について説明する。図１４は、膜厚測定の結果の例を示す図である。この例では、ベアシリコンウェハ上に厚さが３０ｎｍの窒化シリコン膜を形成し、エリプソメータを用いた膜厚測定と、光源４４を含む検査ユニットＵ３を用いた膜厚測定とを行った。図１４（ａ）は、エリプソメータを用いた膜厚測定の結果を示すコンター図であり、図１４（ｂ）は、光源４４を含む検査ユニットＵ３を用いた膜厚測定の結果を示すコンター図である。図１４中の数値は、膜厚（Å）である。
図１４に示すように、光源４４を含む検査ユニットＵ３を用いた膜厚測定によっても、エリプソメータを用いた膜厚測定と同程度の精度を得ることができた。これらの間の相違は二乗平均平方根（Root Mean Square：ＲＭＳ）で０．３ｎｍであった。また、エリプソメータを用いた膜厚測定では１箇所の測定に要する時間が２０ｍ秒程度であるのに対し、光源４４を含む検査ユニットＵ３を用いた膜厚測定では５ｍ秒程度ですむ。つまり、光源４４を含む検査ユニットＵ３を用いた膜厚測定によれば測定時間を短縮することが可能である。
なお、光源４４に含まれる発光素子５０Ｘの数は複数である必要はなく、光源４４に含まれる発光素子５０Ｘの数が１であっても、発光素子５０Ｘが、ＬＥＤ５１Ｘと、蛍光フィルタ５２Ｘと、集光レンズ５４Ｘとを含むため、広範囲の膜厚測定に用いることが可能である。また、光源４４と入射部４１とが一体として構成されていてもよい。図１５は、１個の発光素子５０Ｘから出力される光のスペクトルの一例を示す図である。
光源は分光分析システム以外の用途に用いることができる。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 分光分析システム
４０ 分光測定部
４１ 入射部
４２ 導波部
４３ 分光器
４４ 光源
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｘ、５９ 発光素子
５１Ｘ 発光ダイオード
５２Ｘ 蛍光フィルタ
５３Ｘ ＴＩＲレンズ
５４Ｘ 集光レンズ
５５Ｘ ヒートシンク
６０ ミキサー
６１ ミラーフィルタ
６２ 光ファイババンドル
１００ 制御装置
１０３ 分光測定結果保持部
１０４ 膜厚算出部
１０９ 分光情報保持部

Claims (8)

  1. 対象物に光を照射するように構成される光源と、
    前記光源から照射され、前記対象物から反射された光を分光して分光データを取得するように構成される分光測定部と、
    を有し、
    前記光源は、
    複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子から出力された光を混合するように構成される混合部と、
    前記複数の発光素子と前記混合部とを接続する光ファイバと、
    を有し、
    前記複数の発光素子の各々は、
    発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードから出力された光の波長を変換するように構成される波長変換部と、
    前記波長変換部から出力された光を平行光に集光する第１のレンズと、前記第１のレンズの透過光を集光する第２のレンズとで構成される集光部と、
    を含み、
    前記複数の発光素子の間で、当該発光素子に含まれる発光ダイオードから出力される光の波長が相違し、
    前記複数の発光素子のうちの少なくとも一つの発光素子は、波長が３５０ｎｍ以下の光を出力する発光ダイオードを含み、
    前記複数の発光素子のうちの少なくとも一つの発光素子は、白色光を出力する分光分析システム。
  2. 前記分光測定部は、前記対象物の表面に含まれる互いに異なる複数の領域からの光をそれぞれ分光して分光データを取得するように構成される、請求項１に記載の分光分析システム。
  3. 前記分光測定部は、前記分光データとして光の合成スペクトルデータを取得し、前記合成スペクトルデータのノイズ除去及び平滑化を行うように構成される、請求項１又は２に記載の分光分析システム。
  4. 前記対象物は、膜が形成されたウェハであり、
    前記分光データから前記膜の厚さを算出する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分光分析システム。
  5. 光源から対象物に光を照射する工程と、
    前記光源から照射され、前記対象物から反射された光を分光して分光データを取得する工程と、
    を有し、
    前記光源は、
    複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子から出力された光を混合するように構成される混合部と、
    前記複数の発光素子と前記混合部とを接続する光ファイバと、
    を有し、
    前記複数の発光素子の各々は、
    発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードから出力された光の波長を変換するように構成される波長変換部と、
    前記波長変換部から出力された光を平行光に集光する第１のレンズと、前記第１のレンズの透過光を集光する第２のレンズとで構成される集光部と、
    を含み、
    前記複数の発光素子の間で、当該発光素子に含まれる発光ダイオードから出力される光の波長が相違し、
    前記複数の発光素子のうちの少なくとも一つの発光素子は、波長が３５０ｎｍ以下の光を出力する発光ダイオードを含み、
    前記複数の発光素子のうちの少なくとも一つの発光素子は、白色光を出力する分光分析方法。
  6. 前記分光データを取得する工程において、前記対象物の表面に含まれる互いに異なる複数の領域からの光をそれぞれ分光して分光データを取得する、請求項５に記載の分光分析方法。
  7. 前記分光データを取得する工程は、前記分光データとして光の合成スペクトルデータを取得し、前記合成スペクトルデータのノイズ除去及び平滑化を行う工程を有する、請求項５又は６に記載の分光分析方法。
  8. 前記対象物は、膜が形成されたウェハであり、
    前記分光データから前記膜の厚さを算出する、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の分光分析方法。
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