特開 2022-146515 膜厚推定方法、膜厚推定装置およびエッチング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022146515

(43)【公開日】2022-10-05

(54)【発明の名称】膜厚推定方法、膜厚推定装置およびエッチング方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/306 20060101AFI20220928BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20220928BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20220928BHJP

【ＦＩ】

H01L21/306 U

H01L21/66 P

G01B11/06 H

G01B11/06 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021047513

(22)【出願日】2021-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100105935

【弁理士】

【氏名又は名称】振角 正一

(74)【代理人】

【識別番号】100136836

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 一正

(72)【発明者】

【氏名】山口 貴大

【テーマコード（参考）】

2F065

4M106

5F043

【Ｆターム（参考）】

2F065AA30

2F065BB03

2F065BB22

2F065BB23

2F065CC19

2F065CC32

2F065DD06

2F065FF04

2F065FF41

2F065GG22

2F065GG23

2F065GG25

2F065HH12

2F065JJ03

2F065JJ08

2F065JJ26

2F065PP01

2F065PP13

2F065PP22

2F065QQ24

2F065QQ28

2F065QQ31

4M106AA01

4M106BA04

4M106CA48

4M106DH03

4M106DH31

4M106DH44

4M106DH55

5F043AA31

5F043DD07

5F043DD13

5F043DD25

5F043EE07

5F043EE08

(57)【要約】

【課題】多層構造を有する基板の最上層の膜厚を低コストかつリアルタイムで求める。
【解決手段】波長λにおける多層構造を構成する各層の屈折率および消光係数と、多層構造のうち最上層を除く各層の膜厚とが予め記憶されている。処理が施された基板の最上層の膜厚を求める際には、当該基板に波長λの観察光が照射されるとともに、当該基板の最上層の像が撮像部により取得される。そして、予め記憶された屈折率、消光係数および膜厚と、波長λにおける基板の反射率Ｒ（λ）と最上層の膜厚ｄ１との関係を示す関数（Ｒ（λ）＝ｆ（ｄ１））の逆関数とに基づいて、最上層の像を構成する画素の輝度値から最上層の膜厚が推定される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理を施した後の前記基板の最上層の膜厚を推定する膜厚推定方法であって
（ａ）前記処理が施された前記基板に波長λの観察光を照射して前記基板の最上層の像を撮像部で取得する工程と
（ｂ）前記波長λにおける前記多層構造を構成する各層の屈折率および消光係数と、前記多層構造のうち前記最上層を除く各層の膜厚とを記憶する工程と
（ｃ）前記工程（ｂ）で記憶された前記屈折率、前記消光係数および前記膜厚と、前記波長λにおける前記基板の反射率Ｒ（λ）と前記最上層の膜厚ｄ１との関係を示す関数（Ｒ（λ）＝ｆ（ｄ１））の逆関数とに基づいて、前記最上層の像を構成する画素の輝度値から前記最上層の膜厚を推定する工程と、
を備えることを特徴とする膜厚推定方法。

【請求項2】

請求項１に記載の膜厚推定方法であって
（ｄ）前記工程（ｃ）を実行するための校正値を求める工程を備え、
前記工程（ｄ）は
（ｄ－１）前記観察光を射出しない暗環境で前記撮像部により撮像する工程と
（ｄ－２）前記工程（ｄ－１）により取得された像を構成する画素の輝度値を輝度値オフセットＩoffとして記憶する工程と
（ｄ－３）最上層が前記多層構造において上から２番目の第２層を構成する材料で構成される校正用基板に前記観察光を照射して前記校正用基板の像を前記撮像部で取得する工程と
（ｄ－４）前記工程（ｄ－３）で取得された像を構成する画素の輝度値と前記校正用基板の反射率とに基づいてゲインＡを求める工程と
を有し、
前記逆関数は、ｄ１＝ｆ^－１（（Ｉ（λ）－Ｉoff）／Ａ）、
ただし、Ｉ（λ）は、前記工程（ａ）で取得された像を構成する画素の輝度値、
である膜厚推定方法。

【請求項3】

請求項２に記載の膜厚推定方法であって、
前記ゲインＡは、次式
Ａ＝（Ｉ（λ，d-3）－Ioff）／Ｒ(λ，d-3)）
ただし、Ｉ（λ，d-3）は前記工程（ｄ－３）で取得された像を構成する画素の輝度値であり、
Ｒ(λ，d-3)は波長λにおける前記校正用基板の反射率である、
により求められる膜厚推定方法。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか一項に記載の膜厚推定方法であって
（ｅ）処理前の前記最上層の膜厚を直前膜厚として取得する工程を備え、
前記工程（ｃ）は
（ｃ－１）前記最上層の像を構成する画素毎に、前記工程（ｂ）で記憶された前記屈折率、前記消光係数および前記膜厚と、前記逆関数とに基づいて前記画素の輝度値から前記最上層の膜厚候補値を取得した後で、前記直前膜厚に基づいて前記膜厚候補値から膜厚を求める工程と、
（ｃ－２）前記画素毎の膜厚推定値から前記最上層の膜厚を決定する工程と、
を有する膜厚推定方法。

【請求項5】

請求項４に記載の膜厚推定方法であって、
前記工程（ｅ）は
（ｅ－１）処理前の前記基板の最上層の設計値を取得する工程と
（ｅ－２）処理前の前記基板に観察光を照射して前記基板の最上層の像を取得する工程と
（ｅ－３）前記工程（ｂ）で記憶された前記屈折率、前記消光係数および前記膜厚と、前記逆関数とに基づいて前記直前膜厚を求める工程と、
を有する膜厚推定方法。

【請求項6】

請求項１に記載の膜厚推定方法であって
前記工程（ａ）は、互いに異なる波長の光成分を有する光を前記観察光として照射するとともに前記撮像部により前記波長毎の像を取得する工程であり、
前記波長毎に、前記工程（ｂ）および前記工程（ｃ）が実行される膜厚推定方法。

【請求項7】

基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理を施した後の前記基板の最上層の膜厚を推定する膜厚推定装置であって、
前記処理が施された前記基板に波長λの観察光を照射する照明部と、
前記観察光が照射された前記基板を撮像して前記基板の最上層の像を取得する撮像部と、
前記波長λにおける前記多層構造を構成する各層の屈折率および消光係数と、前記多層構造のうち前記最上層を除く各層の膜厚とを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記屈折率、前記消光係数および前記膜厚と、前記基板の反射率Ｒ（λ）と前記最上層の膜厚ｄ１との関係を示す関数（Ｒ（λ）＝ｆ（ｄ１））の逆関数とに基づいて、前記最上層の像を構成する画素の輝度値から前記最上層の膜厚を推定する膜厚推定部と、
を備えることを特徴とする膜厚推定装置。

【請求項8】

基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理液を供給して前記基板の最上層をエッチングするエッチング方法であって、
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の膜厚推定方法を用いて前記処理液による処理を受けている前記基板の最上層について膜厚を求め、前記膜厚に応じて前記処理液の供給を制御することを特徴とするエッチング方法。

【請求項9】

請求項８に記載のエッチング方法であって、
前記処理液を前記基板の周縁部に供給することで前記最上層の周縁部を選択的にエッチングし、
前記膜厚推定値がゼロとなった時点で、前記基板の周縁部への前記処理液の供給を停止するエッチング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理を施した後の当該基板の最上層の膜厚を推定する膜厚推定技術および当該膜厚推定技術を用いるエッチング方法に関するものである。ここで、基板としては、半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディスプレイ用ガラス基板、光ディスク用基板、磁気ディスク用基板、光磁気ディスク用基板、フォトマスク用ガラス基板、太陽電池用基板、等（以下、単に「基板」という）が含まれる。

【背景技術】

【0002】

半導体ウエハなどの基板に形成された最上層の膜厚を測定する技術として、触針式表面形状測定による方法、テラヘルツ波を利用する方法（特許文献１参照）や分光エリプソメーターや干渉膜厚計を使用する方法（特許文献２参照）などが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６５８９２３９号

【特許文献2】特開２００１－４１７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような従来の膜厚測定技術を基板に対して処理を施す基板処理装置、例えばエッチング装置に適用しようとすると、次のような問題が生じる。触針式表面形状測定では、基板に対して汚染や損傷などの不都合を加えてしまう。また、テラヘルツ波を利用する方法では、高価な膜厚測定装置をエッチング装置に組み込む必要があり、エッチング装置のコスト増大を招く。さらに、分光エリプソメーターや干渉膜厚計を膜厚測定装置として用いる場合、音響光学分光フィルターなど分光光学部品を装備する必要がある。そのため、装置が高価となるという問題とともに、一定の帯域内で観察光の波長を走査させなければならず、リアルタイムでの膜厚測定が困難となる。

【0005】

この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、多層構造を有する基板の最上層の膜厚を低コストかつリアルタイムで求めることができる膜厚推定技術および当該膜厚推定技術を用いたエッチング方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明の第１態様は、基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理を施した後の基板の最上層の膜厚を推定する膜厚推定方法であって、（ａ）処理が施された基板に波長λの観察光を照射して基板の最上層の像を撮像部で取得する工程と、（ｂ）波長λにおける多層構造を構成する各層の屈折率および消光係数と、多層構造のうち最上層を除く各層の膜厚とを記憶する工程と、（ｃ）工程（ｂ）で記憶された屈折率、消光係数および膜厚と、波長λにおける基板の反射率Ｒ（λ）と最上層の膜厚ｄ１との関係を示す関数（Ｒ（λ）＝ｆ（ｄ１））の逆関数と、に基づいて、最上層の像を構成する画素の輝度値から最上層の膜厚を推定する工程と、を備えることを特徴としている。

【0007】

この発明の第２態様は、基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理を施した後の基板の最上層の膜厚を推定する膜厚推定装置であって、処理が施された基板に波長λの観察光を照射する照明部と、観察光が照射された基板を撮像して基板の最上層の像を取得する撮像部と、波長λにおける多層構造を構成する各層の屈折率および消光係数と、多層構造のうち最上層を除く各層の膜厚とを記憶する記憶部と、記憶部に記憶された屈折率、消光係数および膜厚と、基板の反射率Ｒ（λ）と最上層の膜厚ｄ１との関係を示す関数（Ｒ（λ）＝ｆ（ｄ１））の逆関数と、に基づいて、最上層の像を構成する画素の輝度値から最上層の膜厚を推定する膜厚推定部と、を備えることを特徴としている。

【0008】

この発明の第３態様は、基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理液を供給して基板の最上層をエッチングするエッチング方法であって、上記膜厚推定方法を用いて処理液による処理を受けている基板の最上層について膜厚を求め、推定値に応じて処理液の供給を制御することを特徴としている。

【0009】

このように構成された発明では、波長λにおける多層構造を構成する各層の屈折率および消光係数と、多層構造のうち最上層を除く各層の膜厚とが予め記憶されている。処理が施された基板の最上層の膜厚を推定する際には、当該基板に波長λの観察光が照射されるとともに、当該基板の最上層の像が撮像部により取得される。そして、予め記憶された屈折率、消光係数および膜厚と、波長λにおける基板の反射率Ｒ（λ）と最上層の膜厚ｄ１との関係を示す関数（Ｒ（λ）＝ｆ（ｄ１））の逆関数とに基づいて、最上層の像を構成する画素の輝度値から最上層の膜厚が求められる。

【発明の効果】

【0010】

このように構成された発明によれば、特定の波長λの観察光で照明された基板を撮像して取得される基板の最上層の像から当該最上層の膜厚を求めることができる。このように従来技術のように観察光の波長走査を必要とせず、特定の波長λの観察光を用いて最上層の膜厚を推定することが可能となっている。その結果、多層構造を有する基板の最上層の膜厚を低コストかつリアルタイムで求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係る膜厚推定装置の一実施形態である膜厚推定機構を装備する基板処理装置の一例を示す図である。

【図2】図１に示す基板処理装置を上方から見た平面図である。

【図3】図１および図２に示す基板処理装置に装備された膜厚推定機構の構成を示す図である。

【図4】図１および図２に示す基板処理装置によるベベルエッチング動作の一例を示すフローチャートである。

【図5】ベルエッチング処理前に実行される校正値の取得動作の一例を示すフローチャートである。

【図6】最上層の膜厚推定動作を示すフローチャートである。

【図7】最上層の膜厚推定動作を説明するための図である。

【図8】最上層の膜厚推定動作を説明するための図である。

【図9】膜厚候補値の決定処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は本発明に係る膜厚推定装置の一実施形態である膜厚推定機構を装備する基板処理装置の一例を示す図である。図２は図１に示す基板処理装置を上方から見た平面図である。図３は図１および図２に示す基板処理装置に装備された膜厚推定機構の構成を示す図である。なお、以下に参照する各図では、理解容易のため、各部の寸法や数が誇張または簡略化して図示されている場合がある。上下方向は鉛直方向であり、スピンチャックに対して基板側が上である。

【0013】

基板処理装置１は、回転保持機構２、飛散防止部３、表面保護部４、処理部５、ノズル移動機構６、加熱機構７、本発明に係る膜厚推定装置の一実施形態に相当する膜厚推定機構８および制御部１０を備えている。これら各部２～８は、制御部１０と電気的に接続されており、制御部１０からの指示に応じて動作する。制御部１０としては、例えば、一般的なコンピュータと同様のものを採用できる。すなわち、制御部１０は、例えば、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ、制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスク、等を備えている。制御部１０においては、プログラムに記述された手順に従って主制御部としてのＣＰＵが演算処理を行うことにより、基板処理装置１の各部を制御する。

【0014】

この基板処理装置１は、例えば図３に示すように基材層Ｌｑ上に少なくとも１層以上の薄膜が積層されたｑ層構造を有する基板Ｗの周縁部に対してエッチング処理を施す、いわゆるベベルエッチング装置である。基板処理装置１では、膜厚推定機構８が所定のサンプリング周期で基板Ｗの周縁部の最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を求める。そして、制御部１０は、エッチング処理中に、膜厚推定機構８により求められた膜厚ｄ１がゼロとなった時点をエンドポイントとして検出し、その検出時点でエッチング処理を停止する。なお、基板処理装置１における膜厚のサンプリングおよびベベルエッチング動作については、後で詳述する。

【0015】

回転保持機構２は、基板Ｗを、その表面を上方に向けた状態で、略水平姿勢に保持しつつ回転可能な機構である。回転保持機構２は、基板Ｗを、主面の中心ｃ１を通る鉛直な回転軸ａ１のまわりに回転させる。回転保持機構２は、基板Ｗより小さい円板状の部材であるスピンチャック（「基板保持部」）２１を備えている。スピンチャック２１は、その上面が略水平となり、その中心軸が回転軸ａ１に一致するように設けられている。スピンチャック２１の下面には、円筒状の回転軸部２２が連結されている。回転軸部２２は、その軸線を回転軸ａ１と一致させた状態で、鉛直方向に延設されている。また、回転軸部２２には、回転駆動部（例えば、モータ）２３が接続されている。回転駆動部２３は、制御部１０からの回転指令に応じて回転軸部２２をその軸線まわりに回転駆動する。従って、スピンチャック２１は、回転軸部２２とともに回転軸ａ１周りに回転可能である。回転駆動部２３と回転軸部２２とは、スピンチャック２１を、回転軸ａ１を中心に回転させる回転機構２３１である。回転軸部２２および回転駆動部２３は、筒状のケーシング２４内に収容されている。

【0016】

スピンチャック２１の中央部には、図示省略の貫通孔が設けられており、回転軸部２２の内部空間と連通している。内部空間には、図示省略の配管、開閉弁を介して図示省略のポンプが接続されている。当該ポンプ、開閉弁は、制御部１０に電気的に接続される。制御部１０は、当該ポンプ、開閉弁の動作を制御する。当該ポンプは、制御部１０の制御に従って、負圧と正圧とを選択的に供給可能である。基板Ｗがスピンチャック２１の上面に略水平姿勢で置かれた状態でポンプが負圧を供給すると、スピンチャック２１は、基板Ｗを下方から吸着保持する。ポンプが正圧を供給すると、基板Ｗは、スピンチャック２１の上面から取り外し可能となる。

【0017】

この構成において、スピンチャック２１が基板Ｗを吸着保持した状態で、回転駆動部２３が回転軸部２２を回転すると、スピンチャック２１が鉛直方向に沿った軸線周りで回転される。これによって、スピンチャック２１上に保持された基板Ｗが、その面内の中心ｃ１を通る鉛直な回転軸ａ１を中心に矢印ＡＲ１方向に回転される。

【0018】

なお、基板Ｗの保持方式は、これに限定されるものではなく、複数個（例えば６個）のチャックピンにより保持する、いわゆるメカチャック方式であってもよい。

【0019】

飛散防止部３は、スピンチャック２１とともに回転される基板Ｗから飛散する処理液等を受け止める。飛散防止部３は、スプラッシュガード３１を備える。スプラッシュガード３１は、上端が開放された筒形状の部材であり、回転保持機構２を取り囲むように設けられる。スプラッシュガード３１には、これを昇降移動させるガード駆動機構（図示省略）が接続されており、制御部１０からの昇降指令に応じて駆動される。

【0020】

表面保護部４は、スピンチャック２１上に保持されて回転している基板Ｗの上面（後の図４中の符号Ｗｕ）の周縁部に当たるように不活性ガスのガス流を吐出するガス吐出機構を備えている。「不活性ガス」は、基板Ｗの材質およびその表面に形成された薄膜との反応性に乏しいガスであり、例えば、窒素（Ｎ２）ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどである。本実施形態では、ガス吐出機構４１、４２が備えられている。ガス吐出機構４１、４２は、不活性ガスを、例えば、ガス柱状のガス流として吐出する。ガス吐出機構４２は、ガス吐出機構４１が吐出するガス流が基板Ｗの周縁部に当たる位置よりも基板Ｗの回転方向の上流側の位置に当たるように不活性ガスのガス流を吐出する。

【0021】

表面保護部４は、スピンチャック２１上に保持されて回転している基板Ｗの上面の中央付近に対して不活性ガスのガス流を吐出するガス吐出機構４３をさらに備える。表面保護部４は、ガス吐出機構４１～４３から基板Ｗの上面に不活性ガスのガス流を吐出することによって、基板Ｗの上面の周縁部に規定される環状の処理領域に当たるように吐出された処理液等から基板Ｗの上面の非処理領域を保護する。

【0022】

ガス吐出機構４１、４２は、ノズルヘッド４４を備える。ガス吐出機構４３は、ノズルヘッド４５を備える。ノズルヘッド４４、４５は、それぞれ後述するノズル移動機構６のアーム６１、６２の先端に取り付けられている。アーム６１、６２は水平面に沿って延在する。ノズル移動機構６は、アーム６１、６２を移動させることによって、ノズルヘッド４４、４５をそれぞれの処理位置（図２中の実線位置）と退避位置（図２中の２点鎖線位置）との間で移動させる。

【0023】

ノズルヘッド４４は、２つのノズル４６、４７を有し、アーム６１の先端に取り付けられている。ノズル４６、４７は、その先端部（下端部）をノズルヘッド４４の下面から下方に突出させ、その上端部を上面から上方に突出させている。一方のノズル４６の上端には、配管４１１の一端が接続されている。配管４１１の他端は、ガス供給源４１２に接続している。また、配管４１１の経路途中には、ガス供給源４１２側から順に流量制御器４１３、開閉弁４１４が設けられている。もう一方のノズル４７にも、配管４２１の一端が接続されている。配管４２１の他端は、ガス供給源４２２に接続している。また、配管４２１の経路途中には、ガス供給源４２２側から順に流量制御器４２３、開閉弁４２４が設けられている。

【0024】

ここで、ノズル移動機構６がノズルヘッド４４を、その処理位置に配置すると、ノズル４６の吐出口は、回転保持機構２が回転させる基板Ｗの周縁部の回転軌跡の一部に対向し、ノズル４７の吐出口は、当該回転軌跡の他の一部に対向する。

【0025】

ノズルヘッド４４が処理位置に配置された状態で、ノズル４６、４７は、ガス供給源４１２、４２２から不活性ガス（図示の例では、窒素（Ｎ２）ガス）を供給される。ノズル４６は、供給された不活性ガスのガス流を基板Ｗの周縁部の回転軌跡に規定される位置に当たるように上方から吐出する。ノズル４６は、吐出したガス流が位置に達した後、位置から基板Ｗの周縁に向かって流れるように、ガス流を吐出口から定められた方向に吐出する。ノズル４７は、供給された不活性ガスのガス流が当該回転軌跡上に規定される位置に当たるように、ガス流を上方から吐出する。ノズル４７は、吐出したガス流が位置に達した後、位置から基板Ｗの周縁に向かって流れるように、ガス流を吐出口から定められた方向に吐出する。

【0026】

ガス吐出機構４３のノズルヘッド４５は、アーム６２の先端部の下面に取り付けられた円柱部材９３と、円柱部材９３の下面に取り付けられた円板状の遮断板９０と、円筒状のノズル４８とを備えている。円柱部材９３の軸線と遮断板９０の軸線とは、一致しており、それぞれ鉛直方向に沿う。遮断板９０の下面は、水平面に沿う。ノズル４８は、その軸線が遮断板９０、円柱部材９３の軸線と一致するように、円柱部材９３、遮断板９０を鉛直方向に貫通している。ノズル４８の上端部は、さらにアーム６２の先端部も貫通して、アーム６２の上面に開口する。ノズル４８の上側の開口には、配管４３１の一端が接続されている。配管４３１の他端は、ガス供給源４３２に接続している。配管４３１の経路途中には、ガス供給源４３２側から順に流量制御器４３３、開閉弁４３４が設けられている。ノズル４８の下端は、遮断板９０の下面に開口している。当該開口は、ノズル４８の吐出口である。

【0027】

ノズル移動機構６がノズルヘッド４５をその処理位置に配置すると、ノズル４８の吐出口は、基板Ｗの上面の中心付近に対向する。この状態において、ノズル４８は、配管４３１を介してガス供給源４３２から不活性ガス（図示の例では、窒素（Ｎ２）ガス）を供給される。ノズル４８は、供給された不活性ガスを基板Ｗの上面の中心付近に向けて不活性ガスのガス流として吐出する。ガス流は、基板Ｗの中央部分の上方から基板Ｗの周縁に向かって放射状に広がる。すなわち、ガス吐出機構４３は、基板Ｗの上面の中央部分の上方から不活性ガスを吐出して、当該中央部分の上方から基板Ｗの周縁に向かって広がるガス流を生成させる。

【0028】

処理部５は、スピンチャック２１上に保持された基板Ｗの上面周縁部における処理領域に対する処理を行う。具体的には、処理部５は、スピンチャック２１上に保持された基板Ｗの処理領域に処理液を供給する。処理部５は、処理液吐出機構５１Ａを備える。処理液吐出機構５１Ａは、スピンチャック２１上に保持されて回転している基板Ｗの上面（処理面）の周縁部の一部に当たるように処理液の液流を吐出する。液流は、液柱状である。処理液吐出機構５１Ａは、ノズルヘッド５０を備える。ノズルヘッド５０は、ノズル移動機構６が備える長尺のアーム６３の先端に取り付けられている。アーム６３は、水平面に沿って延在する。ノズル移動機構６は、アーム６３を移動させることによって、ノズルヘッド５０をその処理位置（図２中の実線位置）と退避位置（図２中の２点鎖線位置）との間で移動させる。

【0029】

ノズルヘッド５０は、４本のノズル５ａ～５ｄを有し、アーム６３の先端に取り付けられている。ノズル５ａ～５ｄはアーム６３の延在方向に沿って一列に並んで配置されている。ノズルヘッド５０では、ノズル５ａ～５ｄの先端部（下端部）が下方に突出し、その基端部（上端部）が上方に突出している。ノズル５ａ～５ｄには、これらに処理液を供給する配管系である処理液供給部５１が接続されている。具体的には、ノズル５ａ～５ｄの上端には、処理液供給部５１の配管５３ａ～５３ｄの一端が接続している。ノズル５ａ～５ｄは、処理液供給部５１から処理液をそれぞれ供給され、供給された処理液を先端の吐出口からそれぞれ吐出する。処理液吐出機構５１Ａは、ノズル５ａ～５ｄのうち制御部１０に設定された制御情報によって定まる１つのノズルから、制御部１０の制御に従って処理液の液流を吐出する。

【0030】

処理液供給部５１は、具体的には、ＳＣ－１供給源５２ａ、ＤＨＦ供給源５２ｂ、ＳＣ－２供給源５２ｃ、リンス液供給源５２ｄ、複数の配管５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ、および、複数の開閉弁５４ａ～５４ｄを、組み合わせて構成されている。ＳＣ－１、ＤＨＦ、ＳＣ－２は、薬液である。従って、処理液吐出機構５１Ａは、基板Ｗの周縁部に薬液を吐出する薬液吐出部である。

【0031】

ＳＣ－１供給源５２ａは、ＳＣ－１を供給する供給源である。ＳＣ－１供給源５２ａは、開閉弁５４ａが介挿された配管５３ａを介して、ノズル５ａに接続されている。したがって、開閉弁５４ａが開放されると、ＳＣ－１供給源５２ａから供給されるＳＣ－１が、ノズル５ａから吐出される。

【0032】

ＤＨＦ供給源５２ｂは、ＤＨＦを供給する供給源である。ＤＨＦ供給源５２ｂは、開閉弁５４ｂが介挿された配管５３ｂを介して、ノズル５ｂに接続されている。したがって、開閉弁５４ｂが開放されると、ＤＨＦ供給源５２ｂから供給されるＤＨＦが、ノズル５ｂから吐出される。

【0033】

ＳＣ－２供給源５２ｃは、ＳＣ－２を供給する供給源である。ＳＣ－２供給源５２ｃは、開閉弁５４ｃが介挿された配管５３ｃを介して、ノズル５ｃに接続されている。したがって、開閉弁５４ｃが開放されると、ＳＣ－２供給源５２ｃから供給されるＳＣ－２が、ノズル５ｃから吐出される。

【0034】

リンス液供給源５２ｄは、リンス液を供給する供給源である。ここでは、リンス液供給源５２ｄは、例えば、純水やＤＩＷ（脱イオン水）を、リンス液として供給する。リンス液供給源５２ｄは、開閉弁５４ｄが介挿された配管５３ｄを介して、ノズル５６に接続されている。したがって、開閉弁５４ｄが開放されると、リンス液供給源５２ｄから供給されるリンス液が、ノズル５６から吐出される。なお、リンス液として、純水、温水、オゾン水、磁気水、還元水（水素水）、各種の有機溶剤（イオン水、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、機能水（ＣＯ２水など）、などが用いられてもよい。

【0035】

処理液供給部５１は、ＳＣ－１、ＤＨＦ、ＳＣ－２、および、リンス液を選択的に供給する。処理液供給部５１から処理液（ＳＣ－１、ＤＨＦ、ＳＣ－２、あるいは、リンス液）がノズル５ａ～５ｄのうち対応するノズルに供給されると、回転している基板Ｗの上面周縁部の処理領域に当たるように、当該ノズルは当該処理液の液流を吐出する。ただし、処理液供給部５１が備える開閉弁５４ａ～５４ｄの各々は、制御部１０と電気的に接続されている図示省略のバルブ開閉機構によって、制御部１０の制御下で開閉される。つまり、ノズルヘッド５０のノズルからの処理液の吐出態様（具体的には、吐出される処理液の種類、吐出開始タイミング、吐出終了タイミング、吐出流量、等）は、制御部１０によって制御される。すなわち、処理液吐出機構５１Ａは、制御部１０の制御によって、回転軸ａ１を中心に回転している基板Ｗの上面周縁部の回転軌跡のうち位置に当たるように処理液の液流を吐出する。

【0036】

ノズル移動機構６は、ノズルヘッド４４、４５、５０をそれぞれの処理位置と退避位置との間で独立して移動させる機構である。ノズル移動機構６は、水平に延在するアーム６１～６３、ノズル基台６４～６６、駆動部６７～６９を備える。ノズルヘッド４４、４５、５０は、それぞれアーム６１～６３の先端部分に取り付けられている。

【0037】

アーム６１～６３の基端部は、それぞれノズル基台６４～６６の上端部分に連結されている。ノズル基台６４～６６は、その軸線を鉛直方向に沿わすような姿勢でケーシング２４の周りに分散して配置されている。ノズル基台６４～６６は、その軸線に沿って鉛直方向に延在し、軸線周りに回転可能な回転軸をそれぞれ備えている。ノズル基台６４～６６の軸線と各回転軸の軸線とは一致する。各回転軸の上端には、ノズル基台６４～６６の上端部分がそれぞれ取り付けられている。各回転軸が回転することにより、ノズル基台６４～６６の各上端部分は各回転軸の軸線、すなわちノズル基台６４～６６の軸線を中心に回転する。ノズル基台６４～６６には、それぞれの回転軸を軸線周りに回転させる駆動部６７～６９が設けられている。駆動部６７～６９は、例えば、ステッピングモータなどをそれぞれ備えて構成される。

【0038】

駆動部６７～６９は、ノズル基台６４～６６の回転軸を介してノズル基台６４～６６の上端部分をそれぞれ回転させる。各上端部分の回転に伴って、ノズルヘッド４４、４５、５０もノズル基台６４～６６の軸線周りに回転する。これにより、駆動部６７～６９は、ノズルヘッド４４、４５、５０をそれぞれの処理位置と、退避位置との間で水平に移動させる。

【0039】

ノズルヘッド４４が処理位置に配置されると、ノズル４６の吐出口は、回転保持機構２が回転させる基板Ｗの周縁部の回転軌跡の一部に対向し、ノズル４７の吐出口は、当該回転軌跡の他の一部に対向する。

【0040】

ノズルヘッド４５が処理位置に配置されると、ノズル４８は、基板Ｗの中心ｃ１の上方に位置し、ノズル４８の軸線は、スピンチャック２１の回転軸ａ１に一致する。ノズル４８の吐出口（下側の開口）は、基板Ｗの中心部に対向する。また、遮断板９０の下面は、基板Ｗの上面と平行に対向する。遮断板９０は、基板Ｗの上面と非接触状態で近接する。

【0041】

ノズルヘッド５０が処理位置に配置されると、ノズル５ａ～５ｄが処理位置に配置される。ノズルヘッド４４、４５、５０の各待避位置は、これらが基板Ｗの搬送経路と干渉せず、かつ、これらが相互に干渉しない各位置である。各退避位置は、例えば、スプラッシュガード３１の外側、かつ、上方の位置である。

【0042】

基板Ｗの下面周縁部の下方には、加熱機構７が設けられている。加熱機構７は、基板Ｗの下面周縁部に沿って基板Ｗの周方向に延在する環状のヒーター（図示省略）と、ヒーターへの電力の供給を制御部１０の制御に従って行う図示省略の電気回路を備えている。ヒーターが基板Ｗの下面周縁部の直下位置に配置された状態でヒーターに電力が供給されると、ヒーターは発熱して基板Ｗの周縁部を加熱する。

【0043】

膜厚推定機構８は撮像ヘッド８１を備えている。撮像ヘッド８１には、図３に示すように、基板Ｗに対して所定の入射角θ（例えば３０゜）で波長λの観察光Ｌ（λ）を照射して照明する照明部８２と、基板Ｗにより反射された反射光ＲＬを受光して基板Ｗの最上層Ｌ１を撮像して最上層Ｌ１の像（図７中の符号ＩＭ）を取得する撮像部８３とが設けられている。本実施形態では、撮像部８３はモノクロの２次元カメラで構成されている。この撮像ヘッド８１は、図２に示すように、アーム８４の先端に取り付けられている。アーム８４は水平面に沿って延在する。アーム８４の基端部はヘッド基台８５の上端部分に連結されている。ヘッド基台８５は、その軸線を鉛直方向に沿わすような姿勢でケーシング２４の周りに配置されている。ヘッド基台８５は、その軸線に沿って鉛直方向に延在し、軸線周りに回転可能な回転軸を備えている。ヘッド基台８５の軸線と回転軸の軸線とは一致する。各回転軸の上端には、ヘッド基台８５の上端部分が取り付けられている。各回転軸が回転することにより、ヘッド基台８５の上端部分は回転軸の軸線、すなわちヘッド基台８５の軸線を中心に回転する。ヘッド基台８５には、それぞれの回転軸を軸線周りに回転させる駆動部８６が設けられている。駆動部８６は、例えば、ステッピングモータなどを備えて構成される。

【0044】

膜厚推定機構８は、制御部１０からの膜厚推定指令に応じて、照明部８２、撮像部８３および駆動部８６を制御して基板Ｗの最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を求め、膜厚ｄ１に関する情報を制御部１０に出力する膜厚推定制御部８７を有している。膜厚推定制御部８７は、制御部１０と同様に、各種演算処理を行うＣＰＵ８７１と、膜厚推定プログラムや各種情報を記憶する記憶部８７２と、を備えている。そして、ＣＰＵ８７１は、膜厚推定プログラムにしたがって制御部１０と協働しながら、ベベルエッチング処理前の膜厚推定に必要な関連情報、校正値および最上層Ｌ１の直前膜厚の取得、およびベベルエッチング処理中での最上層Ｌ１の膜厚ｄ１の推定などを行う。つまり、ＣＰＵ８７１および記憶部８７２がそれぞれ本発明の「膜厚推定部」および「記憶部」として機能する。なお、本実施形態では、制御部１０から独立して膜厚推定制御部８７を設けているが、膜厚推定制御部８７の機能を制御部１０に組み込み、制御部１０のＣＰＵおよび磁気ディスクをそれぞれ本発明の「膜厚推定部」および「記憶部」として機能させてもよい。

【0045】

次に、上記のように構成された基板処理装置１によるベベルエッチング動作について図４ないし図９を参照しつつ説明する。図４は図１および図２に示す基板処理装置によるベベルエッチング動作の一例を示すフローチャートである。

【0046】

基板処理装置１では、ベベルエッチング処理を実行する前に、ベベルエッチング処理の対象となる被処理基板Ｗの関連情報が取得され、記憶部８７２に記憶される（ステップＳ１）。ここで、関連情報とは、波長λにおける基板Ｗの各層Ｌ１～Ｌｑの屈折率ｎ（λ，１）、ｎ（λ，２）、…、ｎ（λ，ｑ）および消光係数ｋ（λ，１）、ｋ（λ，２）、…、ｋ（λ，ｑ）と、多層構造のうち最上層Ｌ１を除く各層の膜厚ｄ２～ｄｑと、入射角θと、波長λとである。このような関連情報を予め取得し、記憶部８７２に記憶しておく主たる目的は、本実施形態における膜厚推定原理と密接に関連している。

【0047】

本実施形態における膜厚推定は、「光学薄膜の分光特性シミュレーション」、栗山桂司、表面技術 vol. 48, No. 9, 1997（以下、「非特許文献」と称する）に記載された反射率の算出方法をベースとしている。つまり、非特許文献では、ある波長λにおける任意の多層膜の反射率Ｒ（λ）は、例えば図３に示すように、多層構造の層数ｑ、各層Ｌ１～Ｌｑの屈折率ｎ（λ,1）,ｎ（λ,2），…，ｎ（λ,ｑ）、各層Ｌ１～Ｌｑの消光係数ｋ（λ,1）,ｋ（λ,2 )，…，ｋ（λ,ｑ）、膜厚ｄ１，ｄ２，…，ｄｑおよび観察光Ｌの基板Ｗに対する入射角θにより決定される。このとき、反射率Ｒ（λ）と最上層Ｌ１の膜厚ｄ１の関係をＲ（λ）＝f（ｄ1）と関数で定義すると、最上層Ｌ１の膜厚ｄ１は、撮像部８３により取得された最上層Ｌ１の像を構成する画素の輝度値Ｉ（λ）から、上記関数の逆関数、より詳しくは、次式
ｄ１＝ｆ^－１（Ｉ（λ)－Ｉoff）／Ａ） … （１）式
ただし、Ａは、撮像部８３のゲイン、
Ｉoffは、輝度値オフセット、
により求めることができる。ここで、輝度値オフセットIoffは、照明部８２による照明を行わない環境、つまり暗環境における撮像部８３で取得した像を構成する画素の輝度値に相当する。また、例えばシリコンウエハ上にシリコン酸化膜が形成された２層構造の基板Ｗについては、ゲインＡを以下のようにして求めることができる。ベアシリコン基板を基準サンプル（本発明の「校正用基板」に相当）とし、これを観察光Ｌ（λ）で照明しつつ撮像部８３で取得したベアシリコン基板の表面像の輝度値Ｉ（λ，Bare-Si）およびベアシリコン基板の反射率Ｒ（λ，Bare-Si）から次式、
Ａ＝（Ｉ（λ，Bare-Si）－Ｉoff）／Ｒ（λ，Bare-Si） … （２）式
として求めることができる。

【0048】

そこで、本実施形態では、ステップＳ２において、校正値が既に取得されているか否かが判定される。ここで、既にベベルエッチング処理の対象となる被処理基板Ｗの校正値が取得されている場合には、校正値の取得処理（ステップＳ３）を実行することなく、ステップＳ４に進む。一方、校正値を未取得である（ステップＳ２で「ＮＯ」）とき、校正値の取得処理が実行された後で、ステップＳ４に進む。

【0049】

図５はベルエッチング処理前に実行される校正値の取得動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、校正値の取得動作の理解を容易とするために、上記したように被処理基板Ｗがシリコンウエハ上にシリコン酸化膜を積層した２層構造基板を例示して説明する。校正値の取得動作（ステップＳ３）では、照明部８２を消灯した状態で撮像部８３が撮像する。これにより、暗環境下での画像の取得が実行される（ステップＳ３１）。そして、膜厚推定制御部８７のＣＰＵ８７１が上記画像を構成する画素の輝度値の平均値を算出し、これを輝度値オフセットＩoffとして記憶部８７２に記憶する（ステップＳ３２）。

【0050】

それに続いて、基板Ｗのうち最上層Ｌ１のみが形成されていない基準サンプルがスピンチャック２１に載置される。ここでは、２層構造基板のうち最上層（ＳｉＯ2）Ｌ１が形成されていない基板、つまりベアシリコン基板が基準サンプルとして用いられる。また、基準サンプルの載置は基板処理装置１の外部からアクセスする搬送ロボット（図示省略）で行ってもよいし、作業者のマニュアル操作により行ってもよい。そして、スピンチャック２１上に基準サンプルが載置されると、ポンプがスピンチャック２１上に負圧を供給する。これにより、基準サンプルがスピンチャック２１に吸着保持される。こうして、基準サンプルのローディングが完了する（ステップＳ３３）。

【0051】

次に、照明部８２が点灯して波長λの観察光Ｌ（λ）が基準サンプルの表面に照射されるとともに撮像部８３が基準サンプルの表面で反射された反射光を受光し、基準サンプルの像（例えば、後で説明する図７の左下図面中の符号ＩＭ）を取得する（ステップＳ３４）。そして、ＣＰＵ８７１は基準サンプルの像を構成する画素の輝度値の平均値を輝度値Ｉ（λ，Bare-Si）として取得する（ステップＳ３５）。これと並行して、ＣＰＵ８７１は、記憶部８７２から波長λでのシリコンの屈折率ｎ（λ，２）、波長λでの消光係数ｋ（λ，２）、基準サンプルの層数＝１および第２層Ｌ２の厚みｄ２（ここでは、ベアシリコン基板の厚み）を読み出す。また、ＣＰＵ８７１は、これらの値と、観察光Ｌ（λ）の基準サンプルに対する入射角θ（例えば３０゜）とに基づいて、基準サンプルの反射率Ｒ（λ，Bare-Si）を算出する（ステップＳ３６）そして、これらを上記（１）式に代入し、ＣＰＵ８７１はゲインＡを算出する（ステップＳ３７）。

【0052】

こうして求められた輝度値オフセットＩoffおよびゲインＡを校正値として記憶部８７２に記憶した後で、スピンチャック２１による吸着保持が解除される。そして、基準サンプル（ベアシリコン基板）は搬送ロボットや作業者などによりスピンチャック２１からアンローディングされる（ステップＳ３８）。これにより校正値の取得処理が完了する。

【0053】

図４に戻って説明を続ける。最上層Ｌ１の膜厚を推定するにあたって使用される校正値が準備された段階では、スピンチャック２１は空の状態であり、そこに被処理基板Ｗが搬送ロボットなどの搬送手段により搬入され、載置される。そして、ポンプがスピンチャック２１上に負圧を供給し、これにより基準サンプルがスピンチャック２１に吸着保持される。こうして、基準サンプルのローディングが完了する（ステップＳ４）。一方、搬送ロボットは基板処理装置１から退避する。

【0054】

スピンチャック２１に保持された基板Ｗは基本的には各層とも予め設計された値で製造されており、ローディング直後の基板Ｗにおいても最上層Ｌ１の膜厚は設計値ｄ１ｄあるいはそれに近似した値であると可能性が高い。しかしながら、基板処理装置１としては、最上層Ｌ１が形成されてからの時間経過や処理工程などの基板履歴に関する情報を有していない。したがって、この時点で本発明の特徴部分である「最上膜の膜厚推定」により最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を求めておくのが望ましい。そこで、本実施形態では、後で説明するようにベベルエッチング処理中に一定の時間間隔（サンプリング周期）で行われる最上層Ｌ１の膜厚推定と同じシーケンスで、ローディング直後の最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を求めている。より詳しくは、膜厚推定直前の最上層Ｌ１の膜厚（以下「直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅ」という）として上記設計値ｄ１ｄを設定し（ステップＳ５）、これを用いてＣＰＵ８７１は図６に示す膜厚推定処理を実行して最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を推定する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ６で得られた膜厚ｄ１をベベルエッチング処理の開始直前の直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅとして設定する（ステップＳ７）。

【0055】

図６は最上層の膜厚推定動作を示すフローチャートである。図７および図８は最上層の膜厚推定動作を説明するための図である。基板処理装置１はベベルエッチング処理を行う装置であり、最上層Ｌ１の周縁部が選択的にエッチング除去される。したがって、最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を正確に求めるべき部位も周縁部およびその周囲である。そこで、最上層Ｌ１の膜厚推定動作時においては、撮像ヘッド８１は図２に示すようにスピンチャック２１に保持されている基板Ｗの周縁部上方に配置される。その後で、照明部８２が点灯して波長λの観察光Ｌ（λ）が射出される。観察光Ｌ（λ）は、入射角θ（図３）で、図７に示すように基板Ｗの周縁部およびその周囲に照射され、これにより最上層Ｌ１の一部が照明される。

【0056】

撮像部８３は最上層Ｌ１ないし基板層Ｌｑで多重反射された光を受光する。これにより、例えば図７の左下拡大図面に示すような２次元画像ＩＭが取得される（ステップＳ６１）。なお、同図中の右下拡大図は後で説明するベベルエッチング処理中において取得される２次元画像ＩＭの一例を示している。また、同図において、ハッチングを付している領域はエッチング処理を行わない領域を示し、ドットを付している領域はエッチング処理を受けている領域を示している。さらに、同図において、２次元画像を構成する画素ＰＸをそれぞれ特定するために、ｘ座標およびｙ座標を付している。つまり、２次元画像は、画素ＰＸ（０，０）から画素ＰＸ（ｍ，ｎ）までの画素群によって構成されている。そして、画素毎にステップＳ６２～Ｓ６６を実行して膜厚推定値ｄ１（ｘ，ｙ）を求める。

【0057】

ステップＳ６２では、ＣＰＵ８７１は、上記（１）式に基づいて画素ＰＸ（ｘ，ｙ）での最上層Ｌ１の膜厚ｄ１（ｘ，ｙ）を導出する。しかしながら、（１）式における逆関数は複数の解を持ち得る。すなわち、反射率Ｒ（λ）と膜厚ｄ１とは、図８中の曲線で示す関係を有しており、当該曲線と測定された反射率Ｒ（λ）との交点が上記した複数の解に相当し、膜厚の候補（以下「膜厚候補値」という）として取得される。

【0058】

ここで、安定して確からしい膜厚ｄ１を得るためには、複数の膜厚候補値から効率的な解の絞り込みが必要である。例えばエリプソメーターでは、複数の波長で輝度値の測定と反射率の予測・フィッティングを行って解の絞り込みを行っている。しかしながら、本実施形態では、観察光Ｌの波長λを変化させる機構を有していない。したがって、本実施形態では、そのようなアルゴリズムが適用できない。

【0059】

そこで、本実施形態では、ＣＰＵ８７１は直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅを利用することで解の絞り込みを実行する。より詳しくは、最上層Ｌ１での干渉縞の位相差φ（＝４・π・ｎ（λ，１）・ｄ１・ｃｏｓθ/λ)が半周期πをとるとき、ｄ１＝λ／（４・ｎ（λ，１）・ｃｏｓθ)となることを用いて、図８に示すように、

【数1】

の範囲に含まれる膜厚候補値を抽出し、これを解とすることができる（ステップＳ６３）。ただし、上記範囲に膜厚候補値が１個のみ含まれる場合と、２個含まれる場合とが存在する。そこで、ＣＰＵ８７１は、上記範囲に含まれる膜厚候補値が１個であるか、２個であるかを判定する。そして、膜厚候補値が１個である場合（ステップＳ６４で「１個（ｄ１ａ）」）、ＣＰＵ８７１は当該膜厚候補値を膜厚推定値ｄ１（ｘ，ｙ）と認定する（ステップＳ６５）。一方、膜厚候補値が２個である場合（ステップＳ６４で「２個（ｄ１ａ、ｄ１ｂ）」）、ＣＰＵ８７１は膜厚候補値の決定処理を実行する（ステップＳ６６）。

【0060】

図９は膜厚候補値の決定処理を示すフローチャートである。この決定処理（ステップＳ６６）では、２個の膜厚候補値の一方を膜厚候補値ｄ１ａとし、他方を膜厚候補値ｄ１ｂとしている。また、推定ループにおける１ループ前の膜厚推定値ｄ１を直前推定値ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）としている。なお、推定ループにおける直前推定値ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）の初期値として、設計値ｄ１ｄが設定されている。

【0061】

ステップＳ６６１では、次式、
ｄ１ａ’＝ｄ１ａ－ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）
ｄ１ｂ’＝ｄ１ｂ－ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）
に基づいて膜厚候補値の微分量ｄ１ａ'、ｄ１ｂ'が算出される（ステップＳ６６１）。そして、微分量の変化量Ｃａ、Ｃｂがそれぞれ次式、
Ｃａ＝ｄ１ａ’－ｄ１’（ｘ，ｙ）
Ｃｂ＝ｄ１ｂ’－ｄ１’（ｘ，ｙ）
に基づいて算出される（ステップＳ６６２）。ここで、ｄ１’（ｘ，ｙ）は推定ループにおける１ループ前の膜厚推定値ｄ１の微分量（以下「直前微分量」という）であり、推定ループにおける直前微分量ｄ１’（ｘ，ｙ）の初期値として、ゼロが設定されている。

【0062】

次のステップＳ６６３で変化量Ｃａ、Ｃｂが比較される。変化量Ｃａの方が小さい場合（ステップＳ６６３で「ＮＯ」）、膜厚推定値ｄ１（ｘ，ｙ）は膜厚候補値ｄ１ａに決定される（ステップＳ６６４）。また、次ループのため、直前推定値ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）および直前微分量ｄ１’（ｘ，ｙ）は、それぞれ
ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）＝ｄ１ａ
ｄ１’（ｘ，ｙ）＝ｄ１ａ’
に書き換えられ、記憶部８７２に記憶される（ステップＳ６６５）。

【0063】

一方、変化量Ｃｂの方が小さい場合（ステップＳ６６３で「ＹＥＳ」）、膜厚推定値ｄ１（ｘ，ｙ）は膜厚候補値ｄ１ｂに決定される（ステップＳ６６６）。また、次ループのため、直前推定値ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）および直前微分量ｄ１’（ｘ，ｙ）は、それぞれ
ｄ１＿ｐｒｅ（ｘ，ｙ）＝ｄ１ｂ
ｄ１’（ｘ，ｙ）＝ｄ１ｂ’
に書き換えられ、記憶部８７２に記憶される（ステップＳ６６７）。

【0064】

上記した膜厚候補値の決定処理（ステップＳ６６）の実行により、膜厚候補値が２個である場合であっても、安定して確からしい膜厚推定値ｄ１を取得することができる。

【0065】

図６に戻って説明を続ける。膜厚の推定ループは全画素ＰＸについて実行される。その結果、以下の示すデータが得られ、記憶部８７２に記憶されている。
―――――――――――――――――――――――――――
画素PX（0,0） 輝度値Ｉ（0,0） 膜厚推定値ｄ１(0,0)
画素PX（1,0） 輝度値Ｉ（1,0） 膜厚推定値ｄ１(1,0)
…
画素PX（m,p） 輝度値Ｉ（m,p） 膜厚推定値ｄ１(m,p)
…
画素PX（m,n） 輝度値Ｉ（m,n） 膜厚推定値ｄ１(m,n)
―――――――――――――――――――――――――――

【0066】

ＣＰＵ８７１はそれらのデータのうちベベルエッチング領域に相当する画素ＰＸ（０，０）から画素ＰＸ（ｍ，ｐ）に関する膜厚推定値ｄ１（０，０）～ｄ１（ｍ、ｐ）を抽出する。そして、ＣＰＵ８７１は、それらの膜厚推定値ｄ１（０，０）～ｄ１（ｍ、ｐ）から膜厚ｄ１を決定する（ステップＳ６７）。例えば膜厚推定値ｄ１（０，０）～ｄ１（ｍ、ｐ）の平均値を膜厚ｄ１としてもよいし、画素毎に重み付け係数を付与した上で膜厚推定値ｄ１（０，０）～ｄ１（ｍ、ｐ）の重み付け平均値を膜厚ｄ１としてもよい。また、現時点では、ベベルエッチング処理が開始されていないため、全画素の膜厚推定値ｄ１（０，０）～ｄ１（ｍ、ｎ）から膜厚ｄ１を決定してもよい。

【0067】

さらに、図４に戻って説明を続ける。上記のようにしてベベルエッチング処理の直前において最上層Ｌ１の膜厚ｄ１が求められると、ＣＰＵ８７１は当該膜厚推定値ｄ１を最上層Ｌ１の直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅとして設定し、記憶部８７２に記憶する（ステップＳ７）。

【0068】

直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅの設定に続いて、ベベルエッチング処理が開始される（ステップＳ８）。つまり、ノズルヘッド４４、４５、５０が、ノズル移動機構６によって処理位置に配置され、スプラッシュガード３１がガード駆動機構によって上方位置に配置される。こうして、基板処理の準備が完了すると、基板処理装置１の回転機構２３１が、基板Ｗを保持するスピンチャック２１の回転を開始する。また、適当なタイミングで加熱機構７のヒーターに電力が供給され、基板Ｗの周縁部の加熱が開始される。また、ガス吐出機構４１、４２がノズルヘッド４４のノズル４６、４７から不活性ガスのガス流の吐出を開始するとともに、ガス吐出機構４３が、ノズルヘッド４５のノズル４８から不活性ガスのガス流の吐出を開始する。そして、時間の経過によって基板Ｗの周縁部の温度が上昇した後、処理液吐出機構５１Ａは、基板Ｗの上面周縁部に当たるように処理液（薬液）の液流を吐出して上面周縁部の処理を開始する。

【0069】

ベベルエッチング処理の開始後においては、ステップＳ９で一定時間が経過したことが確認される毎に、ステップＳ６と同様の処理により、最上層Ｌ１の膜厚ｄ１が求められる（ステップＳ１０）。つまり、ベベルエッチング処理の進行により最上層Ｌ１の厚みは時々刻々と減少し、一定時間経過毎に膜厚推定機構８により最上層Ｌ１の膜厚ｄ１がサンプリングされる。そこで、本実施形態では、サンプリングされた膜厚ｄ１がゼロに到達したかについて判定される（ステップＳ１１）。この判定は制御部１０で行われ、膜厚ｄ１がゼロに達していない、つまりベベルエッチング処理が完了していない（ステップＳ１１で「ＮＯ」）間、直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅをステップＳ１０で求められた膜厚ｄ１に書き換えた（ステップＳ１２）後で、ステップＳ９に戻る。このように最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を一定間隔で求めながら、ベベルエッチング処理が継続される。

【0070】

一方、ステップＳ１１で膜厚ｄ１がゼロに達して最上層Ｌ１の周縁部が全てエッチング除去されたことを確認すると、制御部１０は装置各部を制御してベベルエッチング処理を終了する（ステップＳ１３）。すなわち、ヒーターへの電力供給の停止により基板Ｗの加熱が停止されるとともに、ガス流の吐出も停止される。さらに、スピンチャック２１の回転が停止される。その後で、図示を省略する搬送ロボットのハンドが基板処理装置１に進入し、処理済の基板Ｗを受け取ると、スピンチャック２１による基板Ｗの保持が解除される。そして、搬送ロボットは受け取った基板Ｗを次の基板処理装置に搬出する（ステップＳ１４：アンローディング）。

【0071】

以上のように、本実施形態では、特定の波長λの観察光Ｌ（λ）で照明された基板Ｗを撮像して取得される基板Ｗの最上層Ｌ１の像（例えば図７中の符号ＩＭ）から当該最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を推定している。このように従来技術のように観察光の波長走査を必要とせず、特定の波長λの観察光Ｌ（λ）のみを用いて最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を求めている。このように、本実施形態によれば、多層構造を有する基板Ｗの最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を低コストかつリアルタイムで求めることができる。

【0072】

また、上記実施形態では、ベベルエッチング処理の開始直前に最上層Ｌ１の薄膜推定処理（ステップＳ６）を実行して直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅの設定を行っている（ステップＳ７）。したがって、ベベルエッチング処理の直前における最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を高い精度で求めることができ、ベベルエッチング処理中においても最上層Ｌ１の膜厚ｄ１を安定して求めることができる。その結果、ベベルエッチング処理の終了タイミングを正確に検出することができ、ベベルエッチングの過不足が発生するのを効果的に防止することができる。

【0073】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば実施形態では、本発明に係る膜厚推定方法および膜厚推定装置がベベルエッチング処理を施す基板処理装置１に適用されているが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、基板Ｗの最上層Ｌ１全体あるいは一部をエッチングするエッチング装置に対しても本発明を適用可能である。また、エッチングエンドを検出する以外に、膜厚ｄ１の変化量をサンプリング周期で割ることで最上層Ｌ１のエッチングレートを算出してもよい。また、エッチングレートからエッチングレートの維持やエッチングエンドポイントの予測や推定に用いることも可能である。さらに、最上層Ｌ１を成長させて膜厚ｄ１を増加させる基板処理装置に対しても本発明を適用可能である。

【0074】

また、上記実施形態では、シリコンウエハ上にシリコン酸化膜が形成された２層構造の基板Ｗを例示したことに対応し、ベアシリコン基板を基準サンプル（本発明の「校正用基板」に相当）として用いている。ただし、多層構造は（ＳｉＯ２／Ｓｉ）構造に限定されるものではなく、任意である。例えばシリコン以外の酸化膜、窒化膜、金属膜、有機膜などが最上層Ｌ１として設けられた基板を処理する基板処理装置にも本発明を適用可能である。

【0075】

また、多層構造に応じた校正用基板を用いることができる。例えば上記実施形態と同様に第２層Ｌ２を構成する材料のみで構成された基準サンプルを本発明の「校正用基板」として用いてもよい。また、多層構造を有する基板から最上層のみを除去した基準サンプルを本発明の「校正用基板」として用いてもよい。

【0076】

また、上記実施形態では、ベベルエッチング処理の開始直前に最上層Ｌ１の薄膜推定処理（ステップＳ６）を実行して直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅの設定を行っている（ステップＳ７）が、これらを省略してもよい。この場合、最上層Ｌ１の設計値ｄ１ｄがベベルエッチング処理の直前における直前膜厚ｄ１＿ｐｒｅとなる。

【0077】

また、上記実施形態では、撮像部８３をモノクロの２次元カメラで構成しているが、その他のカメラを用いることができる。例えばモノクロのラインカメラを用いて回転する基板Ｗを撮像して２次元画像を取得してもよい。また、カラーの２次元カメラで構成してもよい。この場合、複数の波長の光成分を有する観察光を射出する光源、例えば白色光源などで照明部８２を構成すると、撮像部８３により波長毎の像を取得することができる。そして、波長毎に上記処理を実行することで互いに異なる波長で膜厚を求めることができる。したがって、これら複数の膜厚推定結果を比較・補正することで簡易的な分光計測が可能となり、測定精度および信頼性を向上させることができる。

【産業上の利用可能性】

【0078】

この発明は、基材層上に少なくとも１層以上の薄膜が積層された多層構造を有する基板に対して処理を施した後の当該基板の最上層の膜厚を推定する膜厚推定技術全般および当該膜厚推定技術を用いるエッチング方法全般に適用することができる。

【符号の説明】

【0079】

１…基板処理装置
８…膜厚推定機構（膜厚推定装置）
８２…照明部
８３…撮像部
８７…膜厚推定制御部
８７１…ＣＰＵ
８７２…記憶部
Ａ…ゲイン
ｄ１…（最上層の）膜厚
ｄ１ａ，ｄ１ｂ…膜厚候補値
ｄ１ｄ…設計膜厚
ＩＭ…（最上層の）像
ｋ…消光係数
Ｌ…観察光
Ｌ１…（基板の）最上層
Ｌ２…（基板の）第２層
Ｌｑ…基材層
ｎ…屈折率
ＰＸ…画素
ｑ…層数
Ｒ…反射率
ＲＬ…反射光
Ｗ…基板
λ…波長
θ…入射角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】