JP2005032740A - 膜形成装置および膜形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で基板上の所定の領域に光を照射して局所的な膜形成を行うとともに、その膜厚を測定する技術を提供する。
【解決手段】膜形成装置１は、基板９を支持するステージ２、光エネルギーにより基板９上に酸化膜を形成する偏光光を基板９上の所定の照射領域へと導く照射部３、照射領域からの偏光光の反射光を受光する受光部４、受光部４からの出力に基づいて照射領域における膜の厚さを求める演算部６１を備える。膜形成装置１では、照射部３および受光部４がエリプソメータの一部を構成しており、照射部３からの光ビームにより基板９上の照射領域に膜を形成するとともに、受光部４にて取得した基板９からの反射光の偏光状態を演算部６１にて解析することにより、その膜厚を測定する。これにより、膜厚の精度を向上することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】膜形成装置１は、基板９を支持するステージ２、光エネルギーにより基板９上に酸化膜を形成する偏光光を基板９上の所定の照射領域へと導く照射部３、照射領域からの偏光光の反射光を受光する受光部４、受光部４からの出力に基づいて照射領域における膜の厚さを求める演算部６１を備える。膜形成装置１では、照射部３および受光部４がエリプソメータの一部を構成しており、照射部３からの光ビームにより基板９上の照射領域に膜を形成するとともに、受光部４にて取得した基板９からの反射光の偏光状態を演算部６１にて解析することにより、その膜厚を測定する。これにより、膜厚の精度を向上することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物上に光を照射して膜を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体基板やガラス基板等（以下、「基板」という。）の表面上に膜を形成する技術として、基板の加熱による膜形成やＣＶＤ法（化学気相成長法）等が利用されている。例えば、加熱により酸化膜を形成する際には、高温の熱酸化炉中で基板と酸素とを化学反応させて基板全面に酸化膜が形成される。
【０００３】
一方、基板表面上の原料気体に化学反応に必要なエネルギーを与え、化学反応を促進して膜を形成するＣＶＤ法は、与えられるエネルギーの種類により、熱エネルギーによる熱ＣＶＤ法、プラズマによるプラズマＣＶＤ法、および、光エネルギーによる光ＣＶＤ法に大きく分類される。
【０００４】
基板表面上の原料気体に光を照射することにより、気体原子の外殻電子を励起して化学反応を促進する光ＣＶＤ法は、熱ＣＶＤ法と比べて低温プロセスで膜を形成することができ、また、プラズマＣＶＤ法と異なりイオン等による基板の損傷の恐れがないため、近年、基板上への膜形成によく利用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、酸素を含む処理ガスに紫外線を照射して半導体基板全面に酸化膜を形成する技術が開示されている。また、非特許文献１では、レーザ光を用いて基板上に局所的に膜を形成する技術が示唆されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１３３３０１号公報
【非特許文献１】
応用物理学会・光学懇話会編、「オプトエレクトロニクス−材料と加工技術」、朝倉書店、１９８６年９月２０日、ｐ．２５０−２５１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体基板表面上にゲート酸化膜を形成する場合、従来は熱酸化膜形成法により約１０００℃の高温下で１００オングストローム程度の厚さの酸化膜を基板全面に形成していたが、近年、ゲート酸化膜の薄膜化および膜厚均一化の要求が高まっており、膜厚の精度管理等の観点から熱酸化膜形成法での対応が困難になっている。
【０００８】
光ＣＶＤ法は、薄膜の形成に適しているが、基板全面に対する照度分布の均一化が困難であるため、膜厚を均一にすることが難しい。特許文献１に記載された半導体製造酸化膜生成装置では、基板を点状光源に対して回転させることによりこの問題の解決を図っている。
【０００９】
しかしながら、一般的に光ＣＶＤ法では膜の形成が比較的低速で行われるため、膜形成の効率が良いとは言い難い面がある。また、特許文献１の場合、熱酸化膜形成法と同様に基板全面に膜が形成されるため、基板上で部分的に膜を形成する際には、一旦基板全面に膜を形成した後、マスクを用いるエッチング処理等により不要部分を除去処理する必要があり、膜形成の効率がさらに低下してしまう。
【００１０】
非特許文献１の場合、レーザ光によって局所的に膜を形成して膜形成の効率を向上することができるが、この場合、基板上のレーザ光の照射領域が順次間欠移動するため、移動途上の各照射領域に形成される膜の厚さを一定とするには、温度、照射光量、照射時間、ガスの流れ等を正確に制御する必要が生じ、装置が複雑化し、高価になってしまう。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板上の所定の領域に光を照射することにより局所的な膜形成を行う装置において、簡単な構成で膜厚を測定し、これにより、膜厚の精度を向上することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、対象物上に光を照射して膜を形成する膜形成装置であって、対象物を支持する支持部と、前記対象物上に膜を形成する光を前記対象物上の所定の照射領域へと導く照射部と、前記照射領域からの前記光の反射光を受光する受光部と、前記受光部からの出力に基づいて前記照射領域における膜の厚さを求める演算部とを備える。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜形成装置であって、前記照射部および前記受光部がエリプソメータの一部であり、前記照射部から前記対象物へと偏光した光が傾斜して入射する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の膜形成装置であって、前記照射部および前記受光部が干渉式膜厚計の一部であり、前記照射部から前記対象物へと光が垂直に入射する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の膜形成装置であって、前記演算部により求められた前記照射領域の膜の厚さに基づいて前記照射部からの光の出射を制御する制御部をさらに備える。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の膜形成装置であって、前記照射部からの光の波長が、２００ナノメートル以上４５０ナノメートル以下である。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の膜形成装置であって、前記照射部が、青紫色半導体レーザを有する。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の膜形成装置であって、前記対象物が半導体基板であり、前記膜が酸化膜である。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、対象物上に光を照射して膜を形成する膜形成方法であって、対象物上に膜を形成する光を前記対象物上の所定の照射領域へと照射する照射工程と、前記照射領域からの前記光の反射光を受光部にて受光する受光工程と、前記受光部からの出力に基づいて前記照射領域における膜の厚さを求める演算工程と、前記照射領域における前記膜の厚さに基づいて前記照射領域への前記光の照射を制御する制御工程とを有する。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の膜形成方法であって、前記照射工程において偏光した光が前記対象物に対して傾斜して入射し、前記演算工程において偏光解析法により前記照射領域における前記膜の厚さが求められる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の膜形成方法であって、前記照射工程において前記光が前記対象物に垂直に入射し、前記演算工程において光干渉法により前記照射領域における前記膜の厚さが求められる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る膜形成装置１の構成を示す図であり、膜形成装置１は、半導体基板９（以下、「基板９」という。）上に光ビームを照射して照射領域の膜厚を測定しつつ、光ビームの照射領域に酸化膜を形成する装置である。
【００２３】
膜形成装置１は、基板９を支持するステージ２、ステージ２を図１中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、ステージ２を図１中のＺ方向に昇降するステージ昇降機構２４、光エネルギーにより基板９上に酸化膜を形成する偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９上の所定の照射領域へと導く照射部３、照射領域からの偏光光の反射光を受光する受光部４、偏光光が照射される照射領域を観察する観察光学系５、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部６を備える。
【００２４】
ステージ移動機構２１は、ステージ２をＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、Ｘ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有する。Ｙ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。
【００２５】
照射部３は、基板９に向けて光ビームを出射する光源部３１、光源部３１から基板９への光の照射のＯＮ／ＯＦＦを制御する電磁シャッタ３２、および、光源部３１からの光ビームを円偏光の状態として基板９上へと導く照射光学系３３を有する。光源部３１は、出力５ｍＷで波長３７５ｎｍ（ナノメートル）または４０５ｎｍの光ビームを出射する青紫色半導体レーザ（以下、「ＬＤ」という。）３１１、および、ＬＤ３１１からの光ビームを電磁シャッタ３２へと導くレンズ３１２を有し、ＬＤ３１１にはＬＤ安定化電源３１３が接続される。照射部３では、光源をＬＤ３１１とすることにより光源部３１が小型化される。
【００２６】
受光部４は、基板９からの反射光の偏光状態を取得するフォトダイオード４１、基板９からの反射光をフォトダイオード４１へと導く受光光学系４２を有する。
【００２７】
観察光学系５は、ハロゲンランプ５１、レンズ５２および５５、対物レンズ５４、ハーフミラー５３、並びに、ＣＣＤ５６を有する。
【００２８】
制御部６には、ステージ移動機構２１、ステージ昇降機構２４、照射部３、受光部４および観察光学系５が接続され、これらの構成が制御部６に制御されて基板９上の照射領域に酸化膜が形成される。また、制御部６は、各種演算を行う演算部６１を有し、受光部４からの出力に基づいて照射領域における酸化膜の厚さを求める。
【００２９】
図２は、基板９上の照射領域に酸化膜を形成する際の膜形成装置１の動作の流れを示す図である。以下、図１および図２を参照しながら、膜形成装置１による酸化膜の形成について説明する。
【００３０】
基板９上に酸化膜が形成される際には、まず、観察光学系５による基板９のアライメント（位置合わせ）が行われる。具体的には、ハロゲンランプ５１からの照明光がレンズ５２を介してハーフミラー５３へと導かれて反射され、対物レンズ５４を介して基板９へと入射し、基板９により反射された照明光が対物レンズ５４、ハーフミラー５３およびレンズ５５を順に介してＣＣＤ５６により受光される。このようにして、ハロゲンランプ５１により照明される基板９上のアライメントマークがＣＣＤ５６にて撮像され、撮像により取得された画像データに基づいて制御部６がステージ移動機構２１およびステージ昇降機構２４を制御してステージ２が移動し、基板９が所定の位置に配置される（ステップＳ１１）。
【００３１】
次に、照射部３において、ＬＤ安定化電源３１３によりＬＤ３１１の発光が安定化された後に電磁シャッタ３２が開かれ、ＬＤ３１１からの光ビームがレンズ３１２および電磁シャッタ３２を順に介して照射光学系３３に入射する。照射光学系３３は偏光子３３１、水晶波長板（以下、「λ／４板」という。）３３２およびコリメータレンズ３３３を電磁シャッタ３２側から基板９に向かって順に有し、照射光学系３３に入射した光ビームは偏光子３３１により直線偏光とされ、λ／４板３３２により円偏光とされる。λ／４板３３２からの光は、開口数（ＮＡ）０．１のコリメータレンズ３３３により収束されつつ基板９へと導かれる。以上のように、照射部３では電磁シャッタ３２の開放により、偏光光の基板９上の照射領域への照射が開始される（ステップＳ１２）。
【００３２】
このとき、図１に示すように照射部３から基板９へと偏光光が入射角７２°にて傾斜して入射し、直径約１０μｍ（マイクロメートル）の円形の照射領域を輝度約５Ｗ／ｍｍ２にて照射し、そのエネルギーによって基板９上の照射領域に酸化膜が形成される。具体的には、基板９の表面上で酸素分子が光エネルギーを吸収して励起により光分解を起こし、生成された酸素ラジカルにより基板９が酸化されて酸化膜が形成される。なお、コリメータレンズ３３３の開口数をもう少し大きくして照射領域をさらに縮小することも可能である。
【００３３】
基板９により反射された偏光光は、コリメータレンズ４２１および回転検光子４２２を有する受光光学系４２に入射する。回転検光子４２２は中空のステッピングモータの回転軸内に取り付けられ、ステッピングモータにはモータドライバ４２３が接続される。制御部６によるステッピングモータの制御により回転検光子４２２が光軸に平行な軸を中心として回転しつつ、基板９からの反射光が回転検光子４２２を透過してフォトダイオード４１へと導かれる。フォトダイオード４１からは受光された光の強度を示す信号がＡＤコンバータ４１１を介して制御部６へと送り出される。このとき、コリメータレンズ４２１により、基板９上の測定エリアが大きく設定され、さらに、フォトダイオード４１へ入射する反射光の基板９上での反射角の範囲を制限するために、基板９に対する受光光学系４２の開口数が０．０５とされる。
【００３４】
そして、制御部６の演算部６１によりフォトダイオード４１からの出力が回転検光子４２２の回転角に対応付けられることにより（いわゆる、回転検光子法）、反射光の偏光状態、すなわち、反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が取得される（ステップＳ１３）。さらに、演算部６１では、取得された反射光の偏光状態に基づいて偏光解析が行われ、基板９上の照射領域に形成される酸化膜の厚さや光学定数等が求められる（ステップＳ１４）。
【００３５】
図３および図４は、常温大気圧の開放された雰囲気下において膜形成装置１により基板９上に酸化膜が形成される場合の、波長４０５ｎｍの光ビームの照射時間と酸化膜の厚さとの関係を示す図であり、横軸は測定時刻を示し、縦軸は演算部６１により求められた基板９上の１つの照射領域の酸化膜の厚さを示す。図３に示すように、基板９上に形成された膜の厚さが数ｎｍ程度の状態では、膜形成時の膜厚増加の速度は約０．１８ｎｍ／時間となる。また、図４に示すように、基板９上に形成された膜の厚さが６０ｎｍ程度の状態における膜形成時の膜厚増加の速度は約０．０６ｎｍ／時間となり、基板９上に形成された膜が比較的薄い状態に比べて膜厚増加の速度は小さくなる。このように、膜形成装置１では、基板９上に形成される酸化膜の厚さを０．１ｎｍ（１オングストローム）以下の精度で測定することができる。
【００３６】
測定された酸化膜の厚さ（以下、「測定膜厚」という。）は、予め制御部６に記憶される所定の膜厚（以下、「設定膜厚」という。）と比較されて、測定膜厚が設定膜厚以上であるか否かが判断される（ステップＳ１５）。測定膜厚が設定膜厚よりも小さい場合にはステップＳ１３に戻って酸化膜の形成が続行され、基板９からの反射光の偏光状態を取得して酸化膜の厚さを求める動作（ステップＳ１３〜Ｓ１４）が、測定膜厚が設定膜厚以上になるまで繰り返される（ステップＳ１５）。測定膜厚が設定膜厚以上になると、制御部６により電磁シャッタ３２が閉じられて、照射部３からの偏光光の基板９への照射が停止される（ステップＳ１６）。
【００３７】
以上のように、膜形成装置１では、照射部３から基板９へと光ビームを照射することにより局所的に高分解能にて酸化膜を形成できる。また、照射部３および受光部４がエリプソメータの一部を構成し、膜形成に用いられる光ビームが膜厚測定に共用されるため、酸化膜の形成位置と膜厚の測定位置とがずれることがなく、簡単な構成で基板９上の照射領域に酸化膜を形成するとともにその膜厚を精度良く測定できる。特に、膜厚を測定する構成を膜を形成する構成と別個に設ける場合に比べて装置の構造を大幅に簡素化することができる。さらに、基板９上の照射領域における測定膜厚に基づいて照射部３からの光の出射のＯＮ／ＯＦＦを制御して、照射領域への光の照射を制御することにより、高精度な膜厚制御を実現して所定の厚さの酸化膜を形成することができる。
【００３８】
また、膜形成装置１では、偏光光が基板９に対して傾斜して入射し、その反射光を用いて偏光解析法により照射領域における酸化膜の厚さを求めることができるため、基板９上に比較的薄い膜を形成しつつその厚さを精度良く測定する場合に適している。特に、膜形成装置１では、高精度の膜厚制御を行いつつ薄膜を形成できるため、半導体基板上へのゲート等に利用される酸化膜の形成に適しているといえる。
【００３９】
なお、膜形成装置１では、照射部３からの光ビームの波長は３７５ｎｍまたは４０５ｎｍに限定されるわけではなく、基板９上に形成される膜の種類に応じて適宜変更されてよい。気体分子を光分解して効率的良く膜を形成し、かつ、実用上膜厚測定に利用可能であるという観点からは、照射部３からの光ビームの波長は２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下とされることが好ましい。
【００４０】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る膜形成装置１ａの構成を示す図である。膜形成装置１ａは、第１の実施の形態に係る膜形成装置１と同様に、基板９上の照射領域に光ビームを照射し、その反射光を受光することにより照射領域の膜厚を測定しつつ、光ビームの照射領域に酸化膜を形成する装置である。
【００４１】
膜形成装置１ａは、光エネルギーにより基板９上に酸化膜を形成する光を基板９上の照射領域へと導く照射部３ａ、照射領域からの光の反射光を受光する受光部４ａ、照射領域を観察する観察光学系５ａ、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部６ａ、および、観察光学系５ａと一部を共有する主光学系７を備える。
【００４２】
また、膜形成装置１ａは、図１に示す膜形成装置１と同様に、基板９を支持するステージ２、ステージ２を図５中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、および、ステージ２を図５中のＺ方向に昇降するステージ昇降機構２４を備える。以下の説明においては、膜形成装置１と同様のこれらの構成については同符号を付す。
【００４３】
照射部３ａは、青紫色半導体レーザ（ＬＤ）３１１ａおよびレンズ３１２ａを有する光源部３１ａ、電磁シャッタ３２ａ、ハーフミラー３３ａ、並びに、対物レンズ３４ａを有し、ＬＤ３１１ａにはＬＤ安定化電源３１３ａが接続される。また、受光部４ａは、基板９からの反射光の強度を取得するフォトダイオード４１ａを有する。
【００４４】
観察光学系５ａは、ハロゲンランプ５１ａ、レンズ５２ａおよび５５ａ、並びに、ＣＣＤ５６ａを有し、主光学系７は、ハーフミラー７１、レンズ７２およびピンホールミラー７３を有する。なお、観察光学系５ａと主光学系７との区別は説明の都合上のものであり、実際には、ハロゲンランプ５１ａ、レンズ５２ａ、ハーフミラー７１および対物レンズ３４ａにより観察用の照明光を基板９へと導く光学系が構成され、対物レンズ３４ａ、レンズ７２、ピンホールミラー７３、レンズ５５ａおよびＣＣＤ５６ａにより、基板９を観察するための光学系が構成される。
【００４５】
制御部６ａには、ステージ移動機構２１、ステージ昇降機構２４、照射部３ａ受光部４ａおよび観察光学系５ａが接続され、これらの構成が制御部６ａに制御されて基板９上の照射領域に酸化膜が形成される。また、制御部６ａは、各種演算を行う演算部６１ａを有し、演算部６１ａは受光部４ａからの出力に基づいて所定の照射領域における酸化膜の厚さを実質的に求める。
【００４６】
図６は、基板９上の照射領域に酸化膜を形成する際の膜形成装置１ａの動作の流れを示す図である。以下、図５および図６を参照しながら、膜形成装置１ａによる酸化膜の形成について説明する。
【００４７】
基板９上に酸化膜が形成される際には、まず、観察光学系５ａ等による基板９のアライメントが行われる。具体的には、ハロゲンランプ５１ａからの照明光がレンズ５２ａを介してハーフミラー７１へと導かれて反射され、ハーフミラー３３ａおよび対物レンズ３４ａを順に介して基板９へと入射する。そして、基板９により反射された照明光は対物レンズ３４ａ、ハーフミラー３３ａおよび７１、並びに、レンズ７２を順に介してピンホールミラー７３へと導かれて反射され、レンズ５５ａを介してＣＣＤ５６ａにより受光される。以上のようにして、ハロゲンランプ５１ａにより照明される基板９上のアライメントマークがＣＣＤ５６ａにて撮像され、撮像された画像データに基づいて制御部６ａがステージ移動機構２１およびステージ昇降機構２４を制御することによりステージ２が移動され、基板９が所定の位置に配置される（ステップＳ２１）。
【００４８】
次に、照射部３ａにおいて、ＬＤ安定化電源３１３ａによりＬＤ３１１ａが安定化された後に電磁シャッタ３２ａが開かれ、ＬＤ３１１ａからの光ビームがレンズ３１２ａおよび電磁シャッタ３２ａを順に介してハーフミラー３３ａへと導かれる。ハーフミラー３３ａにより反射された光ビームは対物レンズ３４ａを介して基板９へと導かれ、これにより、基板９上の照射領域への光ビームの照射が開始される（ステップＳ２２）。
【００４９】
このとき、図５に示すように照射部３ａから基板９へと光ビームが垂直に入射して照射領域を照射することにより基板９上に酸化膜が形成される。この場合、照射部３の光学系（例えば、レンズ３１２ａや対物レンズ３４ａ）の設定により、基板９上の照射領域の大きさ（幅や直径等）を１μｍ未満とすることも可能である。
【００５０】
基板９により反射された光ビームは、対物レンズ３４ａ、ハーフミラー３３ａおよび７１、並びに、レンズ７２を順に介してピンホールミラー７３へと導かれ、基板９上の照射領域と光学的に共役に配置されるピンホールミラー７３のピンホール７３１を透過してフォトダイオード４１ａにより受光される。フォトダイオード４１ａからの信号はＡＤコンバータ４１１ａを介して制御部６ａへと送り出され、基板９からの反射光の強度が取得される（ステップＳ２３）。なお、ピンホール７３１とフォトダイオード４１ａとの間に、ＬＤ３１１ａから出射される光ビームの波長（以下、「ＬＤ波長」という。）の光のみを透過するバンドパスフィルタが設けられてもよい。
【００５１】
制御部６ａの演算部６１ａでは、取得された反射光の強度、および、予め準備されている参照される対象物（例えば、表面に膜が形成されていない半導体基板であり、以下、「参照基板」という。）の反射光の強度を示すデータから、ＬＤ波長の光に対する基板９の照射領域の相対反射率（すなわち、参照基板に対する相対的な反射率）が求められる（ステップＳ２４）。
【００５２】
図７は、表面上に酸化膜が形成された基板９について、基板９に照射される光の波長と、基板９の相対反射率（膜を有さない基板に対する相対反射率）との関係を、酸化膜の厚さ毎に示す図である。図７中の線１１、１２、１３および１４は、それぞれ、酸化膜の厚さが２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍおよび２０ｎｍの場合の相対反射率を示す。
【００５３】
図７に示すように、基板９上に酸化膜が形成される場合、酸化膜の厚さの増加に伴って基板９の相対反射率は漸次低下する。従って、相対反射率を測定し、測定結果に基づいて光ビームの照射を制御することにより、基板９上の酸化膜の厚さを所定の値とすることができる。すなわち、相対反射率を求めるということは実質的に膜厚を求めることと等価であるといえる。
【００５４】
具体的動作としては、基板９上に形成しようとする所定の膜厚におけるＬＤ波長の光に対する相対反射率（以下、「設定反射率」という。）が予め制御部６ａに記憶されており、演算部６１ａにより求められた相対反射率（以下、「測定反射率」という。）と比較されて、測定反射率が設定反射率以下であるか否かが判断される（ステップＳ２５）。測定反射率が設定反射率よりも大きい場合にはステップＳ２３に戻って酸化膜の形成が続行され、基板９からの反射光の強度を取得して相対反射率を求める動作（ステップＳ２３〜Ｓ２４）が、測定反射率が設定反射率以下になるまで繰り返される（ステップＳ２５）。測定反射率が設定反射率以下になると、制御部６ａにより電磁シャッタ３２ａが閉じられて、照射部３ａからの光ビームの基板９への照射が停止される（ステップＳ２６）。
【００５５】
以上のように、膜形成装置１ａでは、照射部３ａおよび受光部４ａが干渉式膜厚計の一部を構成し、簡単な構成で基板９上の照射領域に高分解能にて酸化膜を形成するとともにその膜厚を精度良く測定できる。特に、膜厚を測定する構成を膜を形成する構成と別個に設ける場合に比べて装置の構造を大幅に簡素化することができる。さらに、測定結果に基づいて高精度な膜厚制御を実現して所定の厚さの酸化膜を形成することができる。
【００５６】
また、膜形成装置１ａでは、光ビームが基板９に垂直に入射し、その反射光を用いて光干渉法により照射領域における酸化膜の厚さを容易に求めることができるため、基板９上に比較的厚い膜を形成したり、既に形成されている膜上に他の膜（いわゆる、多層膜）を形成しつつ、その厚さを精度良く測定する場合に適している。
【００５７】
なお、第１の実施の形態と同様に、膜形成装置１ａにおいても他の波長の光が膜形成に利用されてもよく、膜形成用の光の波長は２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下とされることが好ましい。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００５９】
例えば、照射部には複数の青紫色半導体レーザが設けられてもよい。この場合、複数の光ビームにより１つの照射領域を照射して、照射領域の面積や照度を増加させてもよい。また、青紫色半導体レーザに代えて他のレーザや発光ダイオード等の他の光源が用いられてもよい。
【００６０】
また、光源を直接制御して基板９への光の照射のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより電磁シャッタを省略することも可能である。さらには、膜厚測定の結果を制御部にフィードバックして、光の照射のＯＮ／ＯＦＦのみでなく、光源から出射される光の強度が制御されてもよい。
【００６１】
膜厚を測定する構成に関しても様々な変更が可能である。例えば、第１の実施の形態に係る膜形成装置１では、偏光の向きが回転する（すなわち、偏光の向きが時間とともに変更される）直線偏光の光が、照射部３により基板９上の照射領域へと導かれてもよい。この場合、照射光学系３３には偏光子３３１およびλ／４板３３２の代わりに回転偏光子が、受光光学系４２には回転検光子４２２の代わりに固定の検光子が設けられ、フォトダイオード４１により反射光の強度が測定される。そして、反射光の強度が回転偏光子の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得され、照射領域に形成される膜の厚さが求められる。
【００６２】
第２の実施の形態に係る膜形成装置１ａでは、フォトダイオード４１ａの代わりに分光器が設けられてもよい。この場合、光源部にはＬＤ３１１の代わりに白色光を出射する光源（例えば、キセノン（Ｘｅ）ランプ等）が設けられ、分光器により取得された反射光の分光強度を用いて一般的な光干渉法による膜厚測定が可能となる。
【００６３】
上記実施の形態に係る膜形成装置による酸化膜の形成は、閉塞された空間内において酸素（Ｏ２）ガスを含む所定のプロセスガス雰囲気下にて行われてもよい。例えば、照射部からの光や基板９からの反射光等を透過する窓が設けられたチャンバ内に基板９、ステージ２、ステージ移動機構２１およびステージ昇降機構２４が配置されてもよく、この場合、演算部において膜厚または相対反射率を求める際にはチャンバの窓の影響が補正される。また、酸化膜の形成効率を向上するためにチャンバ内の圧力が適宜変更されてもよい。さらには、プロセスガスを変更することにより酸化膜以外の膜（例えば、窒化膜等）が形成されてもよい。
【００６４】
膜形成装置では、基板９上の酸素分子が光分解されることにより高分解能にて酸化膜が形成されるが、要求される分解能が比較的低い場合には、基板９上の照射領域が照射される光により加熱されることにより酸化膜が形成されてもよい。すなわち、光のエネルギーは膜形成に間接的に利用されてもよい。
【００６５】
膜形成装置における基板９上の照射領域の形状や大きさ、あるいは照度等は、基板９上に形成される膜の特性や、要求される分解能等に合わせて好適な形状や値とされてよい。
【００６６】
なお、上記実施の形態では膜形成用の光の照射制御による膜厚制御が、膜厚や相対反射率の測定結果に基づいて自動的に行われるが、測定結果を確認しつつ光照射が手動で制御されてもよい。すなわち、膜形成用の光を利用して膜厚が実質的に測定されることにより、形成される膜の厚さの精度を向上することが実現される。
【００６７】
膜形成装置により膜が形成される基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明では、簡単な構成で基板上の照射領域に膜を形成するとともにその膜厚を測定することができ、これにより、膜厚の精度を向上することができる。
【００６９】
請求項２および９の発明では、比較的薄い膜の厚さを精度良く測定できる。
【００７０】
請求項３および１０の発明では、比較的厚い膜の厚さを精度良く測定できる。
【００７１】
請求項４の発明では、高精度な自動膜厚制御が実現される。
【００７２】
請求項５の発明では、効率良く膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る膜形成装置の構成を示す図である。
【図２】膜形成装置による酸化膜形成の動作の流れを示す図である。
【図３】光ビームの照射時間と形成される酸化膜の厚さとの関係を示す図である。
【図４】光ビームの照射時間と形成される酸化膜の厚さとの関係を示す他の図である。
【図５】第２の実施の形態に係る膜形成装置の構成を示す図である。
【図６】膜形成装置による酸化膜形成の動作の流れを示す図である。
【図７】基板に照射される光の波長と基板の相対反射率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１ａ 膜形成装置
２ ステージ
３，３ａ 照射部
４，４ａ 受光部
６，６ａ 制御部
９ 基板
６１，６１ａ 演算部
３１１，３１１ａ ＬＤ
Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６ ステップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物上に光を照射して膜を形成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体基板やガラス基板等（以下、「基板」という。）の表面上に膜を形成する技術として、基板の加熱による膜形成やＣＶＤ法（化学気相成長法）等が利用されている。例えば、加熱により酸化膜を形成する際には、高温の熱酸化炉中で基板と酸素とを化学反応させて基板全面に酸化膜が形成される。
【０００３】
一方、基板表面上の原料気体に化学反応に必要なエネルギーを与え、化学反応を促進して膜を形成するＣＶＤ法は、与えられるエネルギーの種類により、熱エネルギーによる熱ＣＶＤ法、プラズマによるプラズマＣＶＤ法、および、光エネルギーによる光ＣＶＤ法に大きく分類される。
【０００４】
基板表面上の原料気体に光を照射することにより、気体原子の外殻電子を励起して化学反応を促進する光ＣＶＤ法は、熱ＣＶＤ法と比べて低温プロセスで膜を形成することができ、また、プラズマＣＶＤ法と異なりイオン等による基板の損傷の恐れがないため、近年、基板上への膜形成によく利用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、酸素を含む処理ガスに紫外線を照射して半導体基板全面に酸化膜を形成する技術が開示されている。また、非特許文献１では、レーザ光を用いて基板上に局所的に膜を形成する技術が示唆されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１３３３０１号公報
【非特許文献１】
応用物理学会・光学懇話会編、「オプトエレクトロニクス−材料と加工技術」、朝倉書店、１９８６年９月２０日、ｐ．２５０−２５１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体基板表面上にゲート酸化膜を形成する場合、従来は熱酸化膜形成法により約１０００℃の高温下で１００オングストローム程度の厚さの酸化膜を基板全面に形成していたが、近年、ゲート酸化膜の薄膜化および膜厚均一化の要求が高まっており、膜厚の精度管理等の観点から熱酸化膜形成法での対応が困難になっている。
【０００８】
光ＣＶＤ法は、薄膜の形成に適しているが、基板全面に対する照度分布の均一化が困難であるため、膜厚を均一にすることが難しい。特許文献１に記載された半導体製造酸化膜生成装置では、基板を点状光源に対して回転させることによりこの問題の解決を図っている。
【０００９】
しかしながら、一般的に光ＣＶＤ法では膜の形成が比較的低速で行われるため、膜形成の効率が良いとは言い難い面がある。また、特許文献１の場合、熱酸化膜形成法と同様に基板全面に膜が形成されるため、基板上で部分的に膜を形成する際には、一旦基板全面に膜を形成した後、マスクを用いるエッチング処理等により不要部分を除去処理する必要があり、膜形成の効率がさらに低下してしまう。
【００１０】
非特許文献１の場合、レーザ光によって局所的に膜を形成して膜形成の効率を向上することができるが、この場合、基板上のレーザ光の照射領域が順次間欠移動するため、移動途上の各照射領域に形成される膜の厚さを一定とするには、温度、照射光量、照射時間、ガスの流れ等を正確に制御する必要が生じ、装置が複雑化し、高価になってしまう。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板上の所定の領域に光を照射することにより局所的な膜形成を行う装置において、簡単な構成で膜厚を測定し、これにより、膜厚の精度を向上することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、対象物上に光を照射して膜を形成する膜形成装置であって、対象物を支持する支持部と、前記対象物上に膜を形成する光を前記対象物上の所定の照射領域へと導く照射部と、前記照射領域からの前記光の反射光を受光する受光部と、前記受光部からの出力に基づいて前記照射領域における膜の厚さを求める演算部とを備える。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜形成装置であって、前記照射部および前記受光部がエリプソメータの一部であり、前記照射部から前記対象物へと偏光した光が傾斜して入射する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の膜形成装置であって、前記照射部および前記受光部が干渉式膜厚計の一部であり、前記照射部から前記対象物へと光が垂直に入射する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の膜形成装置であって、前記演算部により求められた前記照射領域の膜の厚さに基づいて前記照射部からの光の出射を制御する制御部をさらに備える。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の膜形成装置であって、前記照射部からの光の波長が、２００ナノメートル以上４５０ナノメートル以下である。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の膜形成装置であって、前記照射部が、青紫色半導体レーザを有する。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の膜形成装置であって、前記対象物が半導体基板であり、前記膜が酸化膜である。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、対象物上に光を照射して膜を形成する膜形成方法であって、対象物上に膜を形成する光を前記対象物上の所定の照射領域へと照射する照射工程と、前記照射領域からの前記光の反射光を受光部にて受光する受光工程と、前記受光部からの出力に基づいて前記照射領域における膜の厚さを求める演算工程と、前記照射領域における前記膜の厚さに基づいて前記照射領域への前記光の照射を制御する制御工程とを有する。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の膜形成方法であって、前記照射工程において偏光した光が前記対象物に対して傾斜して入射し、前記演算工程において偏光解析法により前記照射領域における前記膜の厚さが求められる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の膜形成方法であって、前記照射工程において前記光が前記対象物に垂直に入射し、前記演算工程において光干渉法により前記照射領域における前記膜の厚さが求められる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る膜形成装置１の構成を示す図であり、膜形成装置１は、半導体基板９（以下、「基板９」という。）上に光ビームを照射して照射領域の膜厚を測定しつつ、光ビームの照射領域に酸化膜を形成する装置である。
【００２３】
膜形成装置１は、基板９を支持するステージ２、ステージ２を図１中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、ステージ２を図１中のＺ方向に昇降するステージ昇降機構２４、光エネルギーにより基板９上に酸化膜を形成する偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９上の所定の照射領域へと導く照射部３、照射領域からの偏光光の反射光を受光する受光部４、偏光光が照射される照射領域を観察する観察光学系５、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部６を備える。
【００２４】
ステージ移動機構２１は、ステージ２をＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、Ｘ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有する。Ｙ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。
【００２５】
照射部３は、基板９に向けて光ビームを出射する光源部３１、光源部３１から基板９への光の照射のＯＮ／ＯＦＦを制御する電磁シャッタ３２、および、光源部３１からの光ビームを円偏光の状態として基板９上へと導く照射光学系３３を有する。光源部３１は、出力５ｍＷで波長３７５ｎｍ（ナノメートル）または４０５ｎｍの光ビームを出射する青紫色半導体レーザ（以下、「ＬＤ」という。）３１１、および、ＬＤ３１１からの光ビームを電磁シャッタ３２へと導くレンズ３１２を有し、ＬＤ３１１にはＬＤ安定化電源３１３が接続される。照射部３では、光源をＬＤ３１１とすることにより光源部３１が小型化される。
【００２６】
受光部４は、基板９からの反射光の偏光状態を取得するフォトダイオード４１、基板９からの反射光をフォトダイオード４１へと導く受光光学系４２を有する。
【００２７】
観察光学系５は、ハロゲンランプ５１、レンズ５２および５５、対物レンズ５４、ハーフミラー５３、並びに、ＣＣＤ５６を有する。
【００２８】
制御部６には、ステージ移動機構２１、ステージ昇降機構２４、照射部３、受光部４および観察光学系５が接続され、これらの構成が制御部６に制御されて基板９上の照射領域に酸化膜が形成される。また、制御部６は、各種演算を行う演算部６１を有し、受光部４からの出力に基づいて照射領域における酸化膜の厚さを求める。
【００２９】
図２は、基板９上の照射領域に酸化膜を形成する際の膜形成装置１の動作の流れを示す図である。以下、図１および図２を参照しながら、膜形成装置１による酸化膜の形成について説明する。
【００３０】
基板９上に酸化膜が形成される際には、まず、観察光学系５による基板９のアライメント（位置合わせ）が行われる。具体的には、ハロゲンランプ５１からの照明光がレンズ５２を介してハーフミラー５３へと導かれて反射され、対物レンズ５４を介して基板９へと入射し、基板９により反射された照明光が対物レンズ５４、ハーフミラー５３およびレンズ５５を順に介してＣＣＤ５６により受光される。このようにして、ハロゲンランプ５１により照明される基板９上のアライメントマークがＣＣＤ５６にて撮像され、撮像により取得された画像データに基づいて制御部６がステージ移動機構２１およびステージ昇降機構２４を制御してステージ２が移動し、基板９が所定の位置に配置される（ステップＳ１１）。
【００３１】
次に、照射部３において、ＬＤ安定化電源３１３によりＬＤ３１１の発光が安定化された後に電磁シャッタ３２が開かれ、ＬＤ３１１からの光ビームがレンズ３１２および電磁シャッタ３２を順に介して照射光学系３３に入射する。照射光学系３３は偏光子３３１、水晶波長板（以下、「λ／４板」という。）３３２およびコリメータレンズ３３３を電磁シャッタ３２側から基板９に向かって順に有し、照射光学系３３に入射した光ビームは偏光子３３１により直線偏光とされ、λ／４板３３２により円偏光とされる。λ／４板３３２からの光は、開口数（ＮＡ）０．１のコリメータレンズ３３３により収束されつつ基板９へと導かれる。以上のように、照射部３では電磁シャッタ３２の開放により、偏光光の基板９上の照射領域への照射が開始される（ステップＳ１２）。
【００３２】
このとき、図１に示すように照射部３から基板９へと偏光光が入射角７２°にて傾斜して入射し、直径約１０μｍ（マイクロメートル）の円形の照射領域を輝度約５Ｗ／ｍｍ２にて照射し、そのエネルギーによって基板９上の照射領域に酸化膜が形成される。具体的には、基板９の表面上で酸素分子が光エネルギーを吸収して励起により光分解を起こし、生成された酸素ラジカルにより基板９が酸化されて酸化膜が形成される。なお、コリメータレンズ３３３の開口数をもう少し大きくして照射領域をさらに縮小することも可能である。
【００３３】
基板９により反射された偏光光は、コリメータレンズ４２１および回転検光子４２２を有する受光光学系４２に入射する。回転検光子４２２は中空のステッピングモータの回転軸内に取り付けられ、ステッピングモータにはモータドライバ４２３が接続される。制御部６によるステッピングモータの制御により回転検光子４２２が光軸に平行な軸を中心として回転しつつ、基板９からの反射光が回転検光子４２２を透過してフォトダイオード４１へと導かれる。フォトダイオード４１からは受光された光の強度を示す信号がＡＤコンバータ４１１を介して制御部６へと送り出される。このとき、コリメータレンズ４２１により、基板９上の測定エリアが大きく設定され、さらに、フォトダイオード４１へ入射する反射光の基板９上での反射角の範囲を制限するために、基板９に対する受光光学系４２の開口数が０．０５とされる。
【００３４】
そして、制御部６の演算部６１によりフォトダイオード４１からの出力が回転検光子４２２の回転角に対応付けられることにより（いわゆる、回転検光子法）、反射光の偏光状態、すなわち、反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が取得される（ステップＳ１３）。さらに、演算部６１では、取得された反射光の偏光状態に基づいて偏光解析が行われ、基板９上の照射領域に形成される酸化膜の厚さや光学定数等が求められる（ステップＳ１４）。
【００３５】
図３および図４は、常温大気圧の開放された雰囲気下において膜形成装置１により基板９上に酸化膜が形成される場合の、波長４０５ｎｍの光ビームの照射時間と酸化膜の厚さとの関係を示す図であり、横軸は測定時刻を示し、縦軸は演算部６１により求められた基板９上の１つの照射領域の酸化膜の厚さを示す。図３に示すように、基板９上に形成された膜の厚さが数ｎｍ程度の状態では、膜形成時の膜厚増加の速度は約０．１８ｎｍ／時間となる。また、図４に示すように、基板９上に形成された膜の厚さが６０ｎｍ程度の状態における膜形成時の膜厚増加の速度は約０．０６ｎｍ／時間となり、基板９上に形成された膜が比較的薄い状態に比べて膜厚増加の速度は小さくなる。このように、膜形成装置１では、基板９上に形成される酸化膜の厚さを０．１ｎｍ（１オングストローム）以下の精度で測定することができる。
【００３６】
測定された酸化膜の厚さ（以下、「測定膜厚」という。）は、予め制御部６に記憶される所定の膜厚（以下、「設定膜厚」という。）と比較されて、測定膜厚が設定膜厚以上であるか否かが判断される（ステップＳ１５）。測定膜厚が設定膜厚よりも小さい場合にはステップＳ１３に戻って酸化膜の形成が続行され、基板９からの反射光の偏光状態を取得して酸化膜の厚さを求める動作（ステップＳ１３〜Ｓ１４）が、測定膜厚が設定膜厚以上になるまで繰り返される（ステップＳ１５）。測定膜厚が設定膜厚以上になると、制御部６により電磁シャッタ３２が閉じられて、照射部３からの偏光光の基板９への照射が停止される（ステップＳ１６）。
【００３７】
以上のように、膜形成装置１では、照射部３から基板９へと光ビームを照射することにより局所的に高分解能にて酸化膜を形成できる。また、照射部３および受光部４がエリプソメータの一部を構成し、膜形成に用いられる光ビームが膜厚測定に共用されるため、酸化膜の形成位置と膜厚の測定位置とがずれることがなく、簡単な構成で基板９上の照射領域に酸化膜を形成するとともにその膜厚を精度良く測定できる。特に、膜厚を測定する構成を膜を形成する構成と別個に設ける場合に比べて装置の構造を大幅に簡素化することができる。さらに、基板９上の照射領域における測定膜厚に基づいて照射部３からの光の出射のＯＮ／ＯＦＦを制御して、照射領域への光の照射を制御することにより、高精度な膜厚制御を実現して所定の厚さの酸化膜を形成することができる。
【００３８】
また、膜形成装置１では、偏光光が基板９に対して傾斜して入射し、その反射光を用いて偏光解析法により照射領域における酸化膜の厚さを求めることができるため、基板９上に比較的薄い膜を形成しつつその厚さを精度良く測定する場合に適している。特に、膜形成装置１では、高精度の膜厚制御を行いつつ薄膜を形成できるため、半導体基板上へのゲート等に利用される酸化膜の形成に適しているといえる。
【００３９】
なお、膜形成装置１では、照射部３からの光ビームの波長は３７５ｎｍまたは４０５ｎｍに限定されるわけではなく、基板９上に形成される膜の種類に応じて適宜変更されてよい。気体分子を光分解して効率的良く膜を形成し、かつ、実用上膜厚測定に利用可能であるという観点からは、照射部３からの光ビームの波長は２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下とされることが好ましい。
【００４０】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る膜形成装置１ａの構成を示す図である。膜形成装置１ａは、第１の実施の形態に係る膜形成装置１と同様に、基板９上の照射領域に光ビームを照射し、その反射光を受光することにより照射領域の膜厚を測定しつつ、光ビームの照射領域に酸化膜を形成する装置である。
【００４１】
膜形成装置１ａは、光エネルギーにより基板９上に酸化膜を形成する光を基板９上の照射領域へと導く照射部３ａ、照射領域からの光の反射光を受光する受光部４ａ、照射領域を観察する観察光学系５ａ、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部６ａ、および、観察光学系５ａと一部を共有する主光学系７を備える。
【００４２】
また、膜形成装置１ａは、図１に示す膜形成装置１と同様に、基板９を支持するステージ２、ステージ２を図５中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、および、ステージ２を図５中のＺ方向に昇降するステージ昇降機構２４を備える。以下の説明においては、膜形成装置１と同様のこれらの構成については同符号を付す。
【００４３】
照射部３ａは、青紫色半導体レーザ（ＬＤ）３１１ａおよびレンズ３１２ａを有する光源部３１ａ、電磁シャッタ３２ａ、ハーフミラー３３ａ、並びに、対物レンズ３４ａを有し、ＬＤ３１１ａにはＬＤ安定化電源３１３ａが接続される。また、受光部４ａは、基板９からの反射光の強度を取得するフォトダイオード４１ａを有する。
【００４４】
観察光学系５ａは、ハロゲンランプ５１ａ、レンズ５２ａおよび５５ａ、並びに、ＣＣＤ５６ａを有し、主光学系７は、ハーフミラー７１、レンズ７２およびピンホールミラー７３を有する。なお、観察光学系５ａと主光学系７との区別は説明の都合上のものであり、実際には、ハロゲンランプ５１ａ、レンズ５２ａ、ハーフミラー７１および対物レンズ３４ａにより観察用の照明光を基板９へと導く光学系が構成され、対物レンズ３４ａ、レンズ７２、ピンホールミラー７３、レンズ５５ａおよびＣＣＤ５６ａにより、基板９を観察するための光学系が構成される。
【００４５】
制御部６ａには、ステージ移動機構２１、ステージ昇降機構２４、照射部３ａ受光部４ａおよび観察光学系５ａが接続され、これらの構成が制御部６ａに制御されて基板９上の照射領域に酸化膜が形成される。また、制御部６ａは、各種演算を行う演算部６１ａを有し、演算部６１ａは受光部４ａからの出力に基づいて所定の照射領域における酸化膜の厚さを実質的に求める。
【００４６】
図６は、基板９上の照射領域に酸化膜を形成する際の膜形成装置１ａの動作の流れを示す図である。以下、図５および図６を参照しながら、膜形成装置１ａによる酸化膜の形成について説明する。
【００４７】
基板９上に酸化膜が形成される際には、まず、観察光学系５ａ等による基板９のアライメントが行われる。具体的には、ハロゲンランプ５１ａからの照明光がレンズ５２ａを介してハーフミラー７１へと導かれて反射され、ハーフミラー３３ａおよび対物レンズ３４ａを順に介して基板９へと入射する。そして、基板９により反射された照明光は対物レンズ３４ａ、ハーフミラー３３ａおよび７１、並びに、レンズ７２を順に介してピンホールミラー７３へと導かれて反射され、レンズ５５ａを介してＣＣＤ５６ａにより受光される。以上のようにして、ハロゲンランプ５１ａにより照明される基板９上のアライメントマークがＣＣＤ５６ａにて撮像され、撮像された画像データに基づいて制御部６ａがステージ移動機構２１およびステージ昇降機構２４を制御することによりステージ２が移動され、基板９が所定の位置に配置される（ステップＳ２１）。
【００４８】
次に、照射部３ａにおいて、ＬＤ安定化電源３１３ａによりＬＤ３１１ａが安定化された後に電磁シャッタ３２ａが開かれ、ＬＤ３１１ａからの光ビームがレンズ３１２ａおよび電磁シャッタ３２ａを順に介してハーフミラー３３ａへと導かれる。ハーフミラー３３ａにより反射された光ビームは対物レンズ３４ａを介して基板９へと導かれ、これにより、基板９上の照射領域への光ビームの照射が開始される（ステップＳ２２）。
【００４９】
このとき、図５に示すように照射部３ａから基板９へと光ビームが垂直に入射して照射領域を照射することにより基板９上に酸化膜が形成される。この場合、照射部３の光学系（例えば、レンズ３１２ａや対物レンズ３４ａ）の設定により、基板９上の照射領域の大きさ（幅や直径等）を１μｍ未満とすることも可能である。
【００５０】
基板９により反射された光ビームは、対物レンズ３４ａ、ハーフミラー３３ａおよび７１、並びに、レンズ７２を順に介してピンホールミラー７３へと導かれ、基板９上の照射領域と光学的に共役に配置されるピンホールミラー７３のピンホール７３１を透過してフォトダイオード４１ａにより受光される。フォトダイオード４１ａからの信号はＡＤコンバータ４１１ａを介して制御部６ａへと送り出され、基板９からの反射光の強度が取得される（ステップＳ２３）。なお、ピンホール７３１とフォトダイオード４１ａとの間に、ＬＤ３１１ａから出射される光ビームの波長（以下、「ＬＤ波長」という。）の光のみを透過するバンドパスフィルタが設けられてもよい。
【００５１】
制御部６ａの演算部６１ａでは、取得された反射光の強度、および、予め準備されている参照される対象物（例えば、表面に膜が形成されていない半導体基板であり、以下、「参照基板」という。）の反射光の強度を示すデータから、ＬＤ波長の光に対する基板９の照射領域の相対反射率（すなわち、参照基板に対する相対的な反射率）が求められる（ステップＳ２４）。
【００５２】
図７は、表面上に酸化膜が形成された基板９について、基板９に照射される光の波長と、基板９の相対反射率（膜を有さない基板に対する相対反射率）との関係を、酸化膜の厚さ毎に示す図である。図７中の線１１、１２、１３および１４は、それぞれ、酸化膜の厚さが２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍおよび２０ｎｍの場合の相対反射率を示す。
【００５３】
図７に示すように、基板９上に酸化膜が形成される場合、酸化膜の厚さの増加に伴って基板９の相対反射率は漸次低下する。従って、相対反射率を測定し、測定結果に基づいて光ビームの照射を制御することにより、基板９上の酸化膜の厚さを所定の値とすることができる。すなわち、相対反射率を求めるということは実質的に膜厚を求めることと等価であるといえる。
【００５４】
具体的動作としては、基板９上に形成しようとする所定の膜厚におけるＬＤ波長の光に対する相対反射率（以下、「設定反射率」という。）が予め制御部６ａに記憶されており、演算部６１ａにより求められた相対反射率（以下、「測定反射率」という。）と比較されて、測定反射率が設定反射率以下であるか否かが判断される（ステップＳ２５）。測定反射率が設定反射率よりも大きい場合にはステップＳ２３に戻って酸化膜の形成が続行され、基板９からの反射光の強度を取得して相対反射率を求める動作（ステップＳ２３〜Ｓ２４）が、測定反射率が設定反射率以下になるまで繰り返される（ステップＳ２５）。測定反射率が設定反射率以下になると、制御部６ａにより電磁シャッタ３２ａが閉じられて、照射部３ａからの光ビームの基板９への照射が停止される（ステップＳ２６）。
【００５５】
以上のように、膜形成装置１ａでは、照射部３ａおよび受光部４ａが干渉式膜厚計の一部を構成し、簡単な構成で基板９上の照射領域に高分解能にて酸化膜を形成するとともにその膜厚を精度良く測定できる。特に、膜厚を測定する構成を膜を形成する構成と別個に設ける場合に比べて装置の構造を大幅に簡素化することができる。さらに、測定結果に基づいて高精度な膜厚制御を実現して所定の厚さの酸化膜を形成することができる。
【００５６】
また、膜形成装置１ａでは、光ビームが基板９に垂直に入射し、その反射光を用いて光干渉法により照射領域における酸化膜の厚さを容易に求めることができるため、基板９上に比較的厚い膜を形成したり、既に形成されている膜上に他の膜（いわゆる、多層膜）を形成しつつ、その厚さを精度良く測定する場合に適している。
【００５７】
なお、第１の実施の形態と同様に、膜形成装置１ａにおいても他の波長の光が膜形成に利用されてもよく、膜形成用の光の波長は２００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下とされることが好ましい。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００５９】
例えば、照射部には複数の青紫色半導体レーザが設けられてもよい。この場合、複数の光ビームにより１つの照射領域を照射して、照射領域の面積や照度を増加させてもよい。また、青紫色半導体レーザに代えて他のレーザや発光ダイオード等の他の光源が用いられてもよい。
【００６０】
また、光源を直接制御して基板９への光の照射のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより電磁シャッタを省略することも可能である。さらには、膜厚測定の結果を制御部にフィードバックして、光の照射のＯＮ／ＯＦＦのみでなく、光源から出射される光の強度が制御されてもよい。
【００６１】
膜厚を測定する構成に関しても様々な変更が可能である。例えば、第１の実施の形態に係る膜形成装置１では、偏光の向きが回転する（すなわち、偏光の向きが時間とともに変更される）直線偏光の光が、照射部３により基板９上の照射領域へと導かれてもよい。この場合、照射光学系３３には偏光子３３１およびλ／４板３３２の代わりに回転偏光子が、受光光学系４２には回転検光子４２２の代わりに固定の検光子が設けられ、フォトダイオード４１により反射光の強度が測定される。そして、反射光の強度が回転偏光子の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得され、照射領域に形成される膜の厚さが求められる。
【００６２】
第２の実施の形態に係る膜形成装置１ａでは、フォトダイオード４１ａの代わりに分光器が設けられてもよい。この場合、光源部にはＬＤ３１１の代わりに白色光を出射する光源（例えば、キセノン（Ｘｅ）ランプ等）が設けられ、分光器により取得された反射光の分光強度を用いて一般的な光干渉法による膜厚測定が可能となる。
【００６３】
上記実施の形態に係る膜形成装置による酸化膜の形成は、閉塞された空間内において酸素（Ｏ２）ガスを含む所定のプロセスガス雰囲気下にて行われてもよい。例えば、照射部からの光や基板９からの反射光等を透過する窓が設けられたチャンバ内に基板９、ステージ２、ステージ移動機構２１およびステージ昇降機構２４が配置されてもよく、この場合、演算部において膜厚または相対反射率を求める際にはチャンバの窓の影響が補正される。また、酸化膜の形成効率を向上するためにチャンバ内の圧力が適宜変更されてもよい。さらには、プロセスガスを変更することにより酸化膜以外の膜（例えば、窒化膜等）が形成されてもよい。
【００６４】
膜形成装置では、基板９上の酸素分子が光分解されることにより高分解能にて酸化膜が形成されるが、要求される分解能が比較的低い場合には、基板９上の照射領域が照射される光により加熱されることにより酸化膜が形成されてもよい。すなわち、光のエネルギーは膜形成に間接的に利用されてもよい。
【００６５】
膜形成装置における基板９上の照射領域の形状や大きさ、あるいは照度等は、基板９上に形成される膜の特性や、要求される分解能等に合わせて好適な形状や値とされてよい。
【００６６】
なお、上記実施の形態では膜形成用の光の照射制御による膜厚制御が、膜厚や相対反射率の測定結果に基づいて自動的に行われるが、測定結果を確認しつつ光照射が手動で制御されてもよい。すなわち、膜形成用の光を利用して膜厚が実質的に測定されることにより、形成される膜の厚さの精度を向上することが実現される。
【００６７】
膜形成装置により膜が形成される基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明では、簡単な構成で基板上の照射領域に膜を形成するとともにその膜厚を測定することができ、これにより、膜厚の精度を向上することができる。
【００６９】
請求項２および９の発明では、比較的薄い膜の厚さを精度良く測定できる。
【００７０】
請求項３および１０の発明では、比較的厚い膜の厚さを精度良く測定できる。
【００７１】
請求項４の発明では、高精度な自動膜厚制御が実現される。
【００７２】
請求項５の発明では、効率良く膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る膜形成装置の構成を示す図である。
【図２】膜形成装置による酸化膜形成の動作の流れを示す図である。
【図３】光ビームの照射時間と形成される酸化膜の厚さとの関係を示す図である。
【図４】光ビームの照射時間と形成される酸化膜の厚さとの関係を示す他の図である。
【図５】第２の実施の形態に係る膜形成装置の構成を示す図である。
【図６】膜形成装置による酸化膜形成の動作の流れを示す図である。
【図７】基板に照射される光の波長と基板の相対反射率との関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１ａ 膜形成装置
２ ステージ
３，３ａ 照射部
４，４ａ 受光部
６，６ａ 制御部
９ 基板
６１，６１ａ 演算部
３１１，３１１ａ ＬＤ
Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６ ステップ
Claims (10)
- 対象物上に光を照射して膜を形成する膜形成装置であって、
対象物を支持する支持部と、
前記対象物上に膜を形成する光を前記対象物上の所定の照射領域へと導く照射部と、
前記照射領域からの前記光の反射光を受光する受光部と、
前記受光部からの出力に基づいて前記照射領域における膜の厚さを求める演算部と、
を備えることを特徴とする膜形成装置。 - 請求項１に記載の膜形成装置であって、
前記照射部および前記受光部がエリプソメータの一部であり、前記照射部から前記対象物へと偏光した光が傾斜して入射することを特徴とする膜形成装置。 - 請求項１に記載の膜形成装置であって、
前記照射部および前記受光部が干渉式膜厚計の一部であり、前記照射部から前記対象物へと光が垂直に入射することを特徴とする膜形成装置。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の膜形成装置であって、
前記演算部により求められた前記照射領域の膜の厚さに基づいて前記照射部からの光の出射を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする膜形成装置。 - 請求項１ないし４のいずれかに記載の膜形成装置であって、
前記照射部からの光の波長が、２００ナノメートル以上４５０ナノメートル以下であることを特徴とする膜形成装置。 - 請求項５に記載の膜形成装置であって、
前記照射部が、青紫色半導体レーザを有することを特徴とする膜形成装置。 - 請求項１ないし６のいずれかに記載の膜形成装置であって、
前記対象物が半導体基板であり、前記膜が酸化膜であることを特徴とする膜形成装置。 - 対象物上に光を照射して膜を形成する膜形成方法であって、
対象物上に膜を形成する光を前記対象物上の所定の照射領域へと照射する照射工程と、
前記照射領域からの前記光の反射光を受光部にて受光する受光工程と、
前記受光部からの出力に基づいて前記照射領域における膜の厚さを求める演算工程と、
前記照射領域における前記膜の厚さに基づいて前記照射領域への前記光の照射を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする膜形成方法。 - 請求項８に記載の膜形成方法であって、
前記照射工程において偏光した光が前記対象物に対して傾斜して入射し、
前記演算工程において偏光解析法により前記照射領域における前記膜の厚さが求められることを特徴とする膜形成方法。 - 請求項８に記載の膜形成方法であって、
前記照射工程において前記光が前記対象物に垂直に入射し、
前記演算工程において光干渉法により前記照射領域における前記膜の厚さが求められることを特徴とする膜形成方法。
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