特開 2023-9410 膜厚測定方法、膜厚測定装置、および成膜システム

(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】P2023009410

(43)【公開日】2023-01-20

(54)【発明の名称】膜厚測定方法、膜厚測定装置、および成膜システム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20230113BHJP

【ＦＩ】

G01B11/06 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021112655

(22)【出願日】2021-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099944

【弁理士】

【氏名又は名称】高山 宏志

(72)【発明者】

【氏名】小野 一修

(72)【発明者】

【氏名】中村 貫人

(72)【発明者】

【氏名】北田 亨

(72)【発明者】

【氏名】五味 淳

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA30

2F065BB01

2F065BB22

2F065CC19

2F065DD03

2F065DD06

2F065FF52

2F065GG04

2F065GG23

2F065HH03

2F065HH12

2F065PP12

(57)【要約】

【課題】多層膜を成膜する成膜システムにおいて多層膜中の特定の膜の膜厚を、ｉｎ－ｓｉｔｕで、短時間および高精度で測定することができる膜厚測定方法、膜厚測定装置、および成膜システムを提供する。
【解決手段】基板に多層膜を形成する成膜システムにおいて、ｉｎ－ｓｉｔｕで多層膜のうち特定の測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定方法は、測定対象膜よりも下層に位置する複数の膜を、一層の下層膜とみなして、下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により下層膜の光学定数を導出することと、測定対象膜を成膜後、下層膜の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により測定対象膜の膜厚を導出することとを有する。
【選択図】図１２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に多層膜を形成する成膜システムにおいて、ｉｎ－ｓｉｔｕで前記多層膜のうち特定の測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記測定対象膜よりも下層に位置する複数の膜を、一層の下層膜とみなして、前記下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により前記下層膜の光学定数を導出することと、
前記測定対象膜を成膜後、前記下層膜の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により前記測定対象膜の膜厚を導出することと、
を有する、膜厚測定方法。

【請求項2】

前記分光干渉法に用いる測定光は、波長が２００～８００ｎｍの可視光域のブロード光である、請求項１に記載の膜厚測定方法。

【請求項3】

前記多層膜は金属膜を含む、請求項２に記載の膜厚測定方法。

【請求項4】

前記多層膜の各膜の膜厚は０．１～１０ｎｍである、請求項３に記載の膜厚測定方法。

【請求項5】

前記下層膜の膜厚は、分光干渉法により前記下層膜の光学定数を導出する際に併せて導出される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。

【請求項6】

前記下層膜の膜厚として、前記下層膜を構成する膜を成膜する際の成膜レートから得られた値、または予め測定しておいた固定値を用いる、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。

【請求項7】

基板に膜を形成する処理モジュールと、前記処理モジュールに基板を搬送する搬送モジュールとを有し、多層膜を成膜する成膜システムにおいて、前記多層膜のうち特定の測定対象膜の膜厚をｉｎ－ｓｉｔｕで測定する膜厚測定装置であって、
前記基板を載置するステージと、
前記ステージ上の前記基板に向けて膜厚測定用の測定光を射出する光射出部および前記測定光が前記基板で反射した反射光を受光する受光センサとを有する測定光射出／検出ユニットと、
前記測定光の前記基板上での照射点を移動させる移動機構と、
制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記測定対象膜よりも下層に位置する複数の膜が成膜された後の前記基板を前記ステージ上に載置し、前記複数の膜を一層の下層膜とみなして、前記下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により前記下層膜の光学定数を導出することと、
前記測定対象膜が成膜された後の前記基板を前記ステージ上に載置し、前記下層膜の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により前記測定対象膜の膜厚を導出することと、
を実行させる、膜厚測定装置。

【請求項8】

前記分光干渉法に用いる測定光は、波長が２００～８００ｎｍの可視光域のブロード光である、請求項７に記載の膜厚測定装置。

【請求項9】

前記多層膜は金属膜を含む、請求項８に記載の膜厚測定装置。

【請求項10】

前記多層膜の各膜の膜厚は０．１～１０ｎｍである、請求項９に記載の膜厚測定装置。

【請求項11】

前記制御部は、分光干渉法により前記下層膜の光学定数を導出する際に併せて前記下層膜の膜厚を導出する、請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。

【請求項12】

前記制御部は、前記下層膜の膜厚として、前記下層膜を構成する膜を成膜する際の成膜レートから得られた値、または予め測定しておいた固定値を用いる、請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。

【請求項13】

基板に多層膜を形成する複数の処理モジュールと、
前記処理モジュールに基板を搬送する搬送モジュールと、
前記多層膜のうち特定の測定対象膜の膜厚をｉｎ－ｓｉｔｕで測定する膜厚測定装置と、
制御部と、
を有し、
前記膜厚測定装置は、
前記基板を載置するステージと、
前記ステージ上の前記基板に向けて膜厚測定用の測定光を射出する光射出部および前記測定光が前記基板で反射した反射光を受光する受光センサとを有する測定光射出／検出ユニットと、
前記測定光の前記基板上での照射点を移動させる移動機構と、
を有し、
前記制御部は、
前記処理モジュールで前記測定対象膜よりも下層に位置する、金属膜を含む複数の膜を成膜することと、
前記複数の膜が成膜された後の前記基板を、前記膜厚測定装置の前記ステージ上に載置することと、
前記複数の膜を一層の下層膜とみなして、前記下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により前記下層膜の光学定数を導出することと、
前記基板に前記処理モジュールにより前記測定対象膜を成膜させることと、
測定対象膜が成膜された後の前記基板を前記膜厚測定装置の前記ステージ上に載置し、前記下層膜の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により前記測定対象膜の膜厚を導出することと、
を実行させる、成膜システム。

【請求項14】

前記分光干渉法に用いる測定光は、波長が２００～８００ｎｍの可視光域のブロード光である、請求項１３に記載の成膜システム。

【請求項15】

前記多層膜は金属膜を含む、請求項１４に記載の成膜システム。

【請求項16】

前記多層膜の各膜の膜厚は０．１～１０ｎｍである、請求項１５に記載の成膜システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、膜厚測定方法、膜厚測定装置、および成膜システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のようなデバイスは、極めて薄い膜を多数積層して製造される。このような積層膜を成膜するシステムとしては、複数の処理モジュールを真空搬送室に接続して各膜を順次成膜するものが知られている（例えば特許文献１）。

【0003】

一方、成膜した膜が所望の膜厚を有しているか否かを確認することが求められており、特許文献２、３には、成膜した膜をｉｎ－ｓｉｔｕで測定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６１６０６１４号公報

【特許文献2】特開平５－１４９７２０号公報

【特許文献3】特開平１１－３３０１８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、多層膜を成膜する成膜システムにおいて多層膜中の特定の膜の膜厚を、ｉｎ－ｓｉｔｕで、短時間および高精度で測定することができる膜厚測定方法、膜厚測定装置、および成膜システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る膜厚測定装置は、基板に多層膜を形成する成膜システムにおいて、ｉｎ－ｓｉｔｕで前記多層膜のうち特定の測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、前記測定対象膜よりも下層に位置する複数の膜を、一層の下層膜とみなして、前記下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により前記下層膜の光学定数を導出することと、前記測定対象膜を成膜後、前記下層膜の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により前記測定対象膜の膜厚を導出することと、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、多層膜を成膜する成膜システムにおいて多層膜中の特定の膜の膜厚を、ｉｎ－ｓｉｔｕで、短時間および高精度で測定することができる膜厚測定方法、膜厚測定装置、および成膜システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】膜厚測定装置を備えた成膜システムの一例を模式的に示す平面図である。

【図2】膜厚測定装置の一例を示す断面図である。

【図3】膜厚測定位置において実際に膜厚測定を行う手順を説明する図である。

【図4】多層膜として用いられるＭＴＪ素子の具体的な構成例を示す断面図である。

【図5】試料に光が入射したときの電磁波の状態を説明する図である。

【図6】薄膜における光学干渉を説明するための図である。

【図7】薄膜における多重反射干渉を説明するための図である。

【図8】多層膜における光学干渉を示す図である。

【図9】トランスファー・マトリクスのモデルを説明するための薄膜に入射する光の透過と反射の状態を示す図である。

【図10】Johnsonらにより測定されたＦｅの光学定数の波長依存性を示す図である。

【図11】多層膜が図４のＭＴＪ素子の場合の計算モデルの一例を示す断面図である。

【図12】膜厚測定方法の一例を説明するフローチャートである。

【図13】成膜システムにおける成膜および膜厚測定の具体的フローを示すフローチャートである。

【図14】下層膜を構成する複数の金属膜を成膜した後の基板を示す断面図である。

【図15】下層膜の上に誘電体膜および測定対象膜である磁性膜を成膜した後の３枚のウェーハ試料において分光干渉法によるフィッティングによりｉｎ－ｓｉｔｕで膜厚を導出した際の膜厚分布形状（マップ）と、平均膜厚および変動係数（ＣＶ）を示す図である。

【図16】下層膜の上に誘電体膜および測定対象膜である磁性膜を成膜した後の３枚のウェーハ試料において、ＸＲＦによりｅｘ－ｓｉｔｕで膜厚を測定した際のＸＲＦ強度分布形状（マップ）と、ＸＲＦ強度の平均値および変動係数（ＣＶ）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。

【0010】

＜成膜システム＞
図１は膜厚測定装置を備えた成膜システムの一例を模式的に示す平面図である。

【0011】

成膜システム１は、磁性膜の成膜を含む複数の処理を施す処理部２と、複数の基板を保持し、処理部２に対し基板を搬出入する搬出入部３と、制御部４とを有する。基板は特に限定されないが、例えば半導体ウェーハ（以下単にウェーハと記す）である。

【0012】

処理部２は、基板Ｗに対して成膜処理等を行う複数（本例では８個）の処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８と、これら複数の処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８に対して基板Ｗを順次搬送する複数の搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４を有する搬送部１２と、成膜した膜の膜厚を測定する膜厚測定装置３５とを有する。

【0013】

処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８は、主に基板Ｗに対してスパッタリング等の成膜処理を行うモジュールであり、各処理モジュールで成膜処理を行って基板Ｗ上に多層膜を形成する。一つの処理モジュールで複数の膜を成膜してもよい。例えば、スパッタリングで成膜する場合には、処理モジュールに複数のターゲットを設けることにより複数の膜を成膜することができる。処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８のいくつかは、成膜以外の処理、例えば洗浄処理や前処理、冷却処理等を行うものであってもよい。処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８においては、真空中での処理が行われる。なお、ここでは処理モジュールが８個の例を示すが、これに限らず多層膜の積層数に応じて必要な数に設定すればよい。

【0014】

搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４は、それぞれ真空に保持される平面形状が六角状の容器３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、各容器内に設けられた搬送機構３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとを有する。搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４の搬送機構の間には、それぞれ搬送バッファとしての受け渡し部４１、４２、４３が設けられている。搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４の容器３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは連通している。

【0015】

搬送部１２は、複数の搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４が図中Ｙ方向に一列に配列されてなり、８つの処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８は、開閉可能なゲートバルブＧを介して搬送部１２の両側に４個ずつ接続されている。処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８のゲートバルブＧは、処理モジュールに搬送モジュールの搬送機構がアクセスする際には開かれ、処理を行っている際には閉じられる。また、搬送部１２の容器３０ｄの先端部には、膜厚測定装置３５がゲートバルブＧ３を介して接続されている。

【0016】

搬出入部３は、処理部２の一端側に接続されている。搬出入部３は、大気搬送室（ＥＦＥＭ）２１と、大気搬送室２１に接続された、３つのロードポート２２、アライナーモジュール２３、ならびに２つのロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２と、大気搬送室２１内に設けられた搬送装置２４とを有する。

【0017】

大気搬送室２１は、図中Ｘ方向を長手方向とする直方体状をなしている。３つのロードポート２２は、大気搬送室２１の処理部２とは反対側の長辺壁部に設けられている。各ロードポート２２は載置台２５と搬送口２６とを有し、載置台２５に複数の基板を収容する容器であるＦＯＵＰ２０が載置され、載置台２５上のＦＯＵＰ２０は、搬送口２６を介して大気搬送室２１に密閉した状態で接続される。

【0018】

アライナーモジュール２３は、大気搬送室２１の一方の短辺壁部に接続されている。アライナーモジュール２３において、基板Ｗのアライメントが行われる。

【0019】

２つのロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２は、大気圧である大気搬送室２１と真空雰囲気である搬送部１２との間で基板Ｗの搬送を可能にするためのものであり、大気圧と搬送部１２と同程度の真空との間で圧力可変となっている。２つのロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２は、それぞれ２つの搬送口を有しており、一方の搬送口が大気搬送室２１の処理部２側の長辺壁部にゲートバルブＧ２を介して接続され、他方の搬送口がゲートバルブＧ１を介して処理部２における搬送部１２の容器３０ａに接続されている。

【0020】

ロードロックモジュールＬＬＭ１は基板Ｗを搬出入部３から処理部２に搬送する際に用いられ、ロードロックモジュールＬＬＭ２は基板Ｗを処理部２から搬出入部３に搬送する際に用いられる。なお、ロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２で、デガス処理等の処理を行うようにしてもよい。

【0021】

大気搬送室２１内の搬送装置２４は、多関節構造を有しており、ロードポート２２上のＦＯＵＰ２０、ロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２に対する基板Ｗの搬送を行う。具体的には、搬送装置２４は、ロードポート２２のＦＯＵＰ２０から未処理の基板Ｗを取り出し、ロードロックモジュールＬＬＭ１へ基板Ｗを搬送する。また、搬送装置２４は、処理部２からロードロックモジュールＬＬＭ２に搬送された処理後の基板Ｗを受け取り、ロードポート２２のＦＯＵＰ２０へ基板Ｗを搬送する。なお、図１では、搬送装置２４の基板Ｗを受け取るピックが１本の例を示しているが、ピックが２本であってもよい。

【0022】

上記処理部２においては、搬送部１２の一方側に、ロードロックモジュールＬＬＭ１側から順に、処理モジュールＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５、ＰＭ７が配置され、搬送部１２の他方側に、ロードロックモジュールＬＬＭ２側から順に、処理モジュールＰＭ２、ＰＭ４、ＰＭ６、ＰＭ８が配置されている。また、搬送部１２においては、ロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２側から順に搬送モジュールＴＭ１、ＴＭ２、ＴＭ３、ＴＭ４が配置されている。

【0023】

搬送モジュールＴＭ１の搬送機構３１ａは、ロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２、処理モジュールＰＭ１およびＰＭ２、受け渡し部４１にアクセス可能である。搬送モジュールＴＭ２の搬送機構３１ｂは、処理モジュールＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３、およびＰＭ４、ならびに受け渡し部４１および４２にアクセス可能である。搬送モジュールＴＭ３の搬送機構３１ｃは、処理モジュールＰＭ３、ＰＭ４、ＰＭ５、およびＰＭ６、ならびに受け渡し部４２および４３にアクセス可能である。搬送モジュールＴＭ４の搬送機構３１ｄは、処理モジュールＰＭ５、ＰＭ６、ＰＭ７、およびＰＭ８、受け渡し部４３、ならびに膜厚測定装置３５にアクセス可能である。

【0024】

膜厚測定装置３５は、ある処理モジュールで成膜された膜の膜厚をｉｎ－ｓｉｔｕで測定するものである。なお、膜厚測定装置３５の位置は本例の位置に限らない。また、膜厚測定装置３５の数は複数であってもよい。膜厚測定装置３５の詳細については後述する。

【0025】

搬送装置２４、および搬送部１２の搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４がこのように構成されていることにより、ＦＯＵＰ２０から取り出された基板Ｗは、処理部２において、処理モジュールＰＭ１、ＰＭ３、ＰＭ５、ＰＭ７、ＰＭ８、ＰＭ６、ＰＭ４、ＰＭ２の順に略Ｕ字状の経路に沿って一方向にシリアルに搬送されて各処理モジュールで処理され、ＦＯＵＰ２０に戻される。

【0026】

制御部４は、成膜システム１の各構成部、例えば、搬送モジュールＴＭ１～ＴＭ４（搬送機構３１ａ～３１ｄ）、および搬送装置２４、処理モジュールＰＭ１～ＰＭ８、ロードロックモジュールＬＬＭ１およびＬＬＭ２、搬送部１２、ゲートバルブＧ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、膜厚測定装置３５等を制御する。制御部４は、コンピュータからなっており、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置と、出力装置と、表示装置と、記憶装置とを備えている。記憶装置には、処理レシピが記憶された記憶媒体が設けられている。主制御部は、記憶媒体から呼び出された処理レシピに基づいて成膜システム１に所定の動作を実行させる。主制御部は、また、後述するように、膜厚を測定する測定対象膜の下層に存在する、金属膜を含む複数の膜を１層の下層膜とみなした計算モデルを用い、下層膜の光学定数を算出し、その光学定数を用いた計算モデルにて測定対象膜の膜厚を算出する。

【0027】

このように構成される成膜システム１においては、まず、搬送装置２４によりロードポート２２上のＦＯＵＰ２０から基板Ｗが取り出され、アライナーモジュール２３に搬送される。アライナーモジュール２３で基板Ｗがアライメントされた後、基板Ｗは搬送装置２４により取り出され、ロードロックモジュールＬＬＭ１に搬送される。このときロードロックモジュールＬＬＭ１は大気圧であり、基板Ｗを受け取った後、真空排気される。

【0028】

その後、搬送部１２における搬送モジュールＴＭ１の搬送機構３１ａにより、基板ＷがロードロックモジュールＬＬＭ１内から取り出される。取り出された基板Ｗは、搬送機構３１ａにより処理モジュールＰＭ１に搬送され、処理モジュールＰＭ１で予め定められた処理が施される。

【0029】

処理モジュールＰＭ１での処理が終了後、処理モジュールＰＭ１の搬出側のゲートバルブＧを開き、搬送モジュールＴＭ２の搬送機構３１ｂにより基板Ｗを搬出する。搬出された基板Ｗは、搬送機構３１ｂにより処理モジュールＰＭ３に搬送され、処理モジュールＰＭ３で予め定められた処理が施される。

【0030】

処理モジュールＰＭ３での処理が終了後、処理モジュールＰＭ３の搬出側のゲートバルブＧを開き、搬送モジュールＴＭ３の搬送機構３１ｃにより基板Ｗを搬出する。搬出された基板Ｗは、搬送機構３１ｃにより処理モジュールＰＭ５に搬送され、処理モジュールＰＭ５で予め定められた処理が施される。

【0031】

処理モジュールＰＭ５での処理が終了後、処理モジュールＰＭ５の搬出側のゲートバルブＧを開き、搬送モジュールＴＭ４の搬送機構３１ｄにより基板Ｗを搬出する。搬出された基板Ｗは、搬送機構３１ｄにより処理モジュールＰＭ７に搬送され、処理モジュールＰＭ７で予め定められた処理が施される。

【0032】

処理モジュールＰＭ７での処理が終了後、処理モジュールＰＭ７のゲートバルブＧを開き、搬送モジュールＴＭ４の搬送機構３１ｄにより基板Ｗを搬出する。搬出された基板Ｗは、搬送機構３１ｄにより処理モジュールＰＭ８に搬送され、処理モジュールＰＭ８で予め定められた処理が施される。

【0033】

その後、基板Ｗは、搬送モジュールＴＭ３、ＴＭ２、ＴＭ１の搬送機構３１ｃ、３１ｂ、３１ａにより、順次、処理モジュールＰＭ６、ＰＭ４、ＰＭ２に搬送され、これらにおいて予め定められた処理が行われる。

【0034】

処理モジュールＰＭ２での処理が終了した後、基板Ｗは、搬送機構３１ａによりロードロックモジュールＬＬＭ２に搬送される。このときロードロックモジュールＬＬＭ２は真空であり、基板Ｗを受け取った後、大気開放される。その後、ロードロックモジュールＬＬＭ２内の基板Ｗは、搬送装置２４によりロードポート２２のＦＯＵＰ２０内に搬送される。

【0035】

以上により、基板Ｗを複数の処理モジュールに対し順次シリアルにＵ字状に搬送して一連の成膜処理を行い、多層膜を形成することができる。

【0036】

このような多層膜の成膜処理の過程で、膜厚測定装置３５により、後述するように、ｉｎ－ｓｉｔｕで特定の測定対象膜の膜厚測定を行う。

【0037】

＜膜厚測定装置＞
次に、膜厚測定装置について詳細に説明する。
図２は、膜厚測定装置の一例を示す断面図である。図２に示すように、本例の膜厚測定装置３５は、チャンバー１０１を有している。チャンバー１０１内には、基板Ｗが載置され回転および昇降可能なステージ１０２が設けられている。ステージ１０２の底面の中央には軸１０３が接続されている。軸１０３はチャンバー１０１の底壁１０１ｃに形成された貫通孔１０８を通ってチャンバー１０１の下方に延びており、回転機構１０４に接続されている。回転機構１０４により軸１０３を介してステージ１０２が回転されるようになっている。回転機構１０４は、モータとモータに接続されたアブソリュートエンコーダを有する。アブソリュートエンコーダはステージ１０２の向きを検出する向き検出部として機能し、アブソリュートエンコーダの検出結果に基づいて、制御部４によりステージ１０２の向きが制御される。また、回転機構１０４は昇降板１０５に取り付けられており、昇降板１０５には昇降機構１０６が接続されている。昇降機構１０６は、例えば圧電アクチュエータで構成され、昇降板１０５および軸１０３を介してステージ１０２の高さ位置を微調整可能となっている。底壁１０１ｃと昇降板１０５の間には、軸１０３を取り囲むように伸縮可能なベローズ１０７が気密に設けられている。

【0038】

チャンバー１０１の底壁１０１ｃには、排気口１１０が形成されており、排気口１１０には排気管１１１が接続されており、排気管１１１には、圧力制御バルブや真空ポンプを有する排気機構１１２が接続されている。排気機構１１２を作動させることにより、チャンバー１０１内が所望の真空状態にされる。

【0039】

チャンバー１０１の側壁１０１ａには基板搬入出口１１３が設けられており基板搬入出口１１３は、上述したゲートバルブＧ３により開閉可能となっている。

【0040】

チャンバー１０１の天壁（リッド）１０１ｂには、基板Ｗの径方向に延びる細長い透孔１１４が形成されている。透孔１１４は後述する膜厚測定用の光および距離測定用のレーザーが透過する例えば石英製の透光部材１３０により覆われている。透光部材１３０と天壁１０１ｂとの間は、シールリング１３１で密閉されている。

【0041】

ステージ１０２の上面には凹部１２１が形成されており、凹部１２１内にはリファレンス部材１２０が配置されている。リファレンス部材１２０は、基板Ｗのベース部（基体）と同じ材料、例えば基板Ｗがシリコンウェーハの場合はシリコンで構成されており、光源の出力光量の測定に用いられる。また、膜厚測定の基準としても用いられる。また、ステージ１０２には、基板搬送用の昇降ピン（図示せず）がステージ１０２の表面に対して突没可能に設けられている。なお、ステージ１０２には、基板Ｗに対して加熱処理を行うヒーターが設けられていてもよい。

【0042】

チャンバー１０１の透孔１１４に対応する位置の上方の大気雰囲気領域には、光射出・受光アッセンブリ１４０が設けられている。光射出・受光アッセンブリ１４０は、本体部１４１と、測定光射出／検出ユニット１４２と、距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３とを有する。測定光射出／検出ユニット１４２と距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３は隣接した状態で、本体部１４１に取り付けられている。チャンバー１０１の上方には、本体部１４１をガイドするリニアガイド１３３が支持部材１３４でチャンバー１０１の天壁１０１ｂに支持された状態で水平に配置されている。

【0043】

本体部１４１は、リニアガイド１３３にガイドされるスライダーとして構成され、本体部１４１は駆動モータ１４４により駆動される。これにより、測定光射出／検出ユニット１４２および距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３を有する光射出・受光アッセンブリ１４０全体がリニアガイド１３３に沿って水平に走査されるように構成されている。そして、測定光射出／検出ユニット１４２から射出される光および距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３から射出されるレーザー光は、透光部材１３０および透孔１１４を介して基板Ｗ上に照射され、照射点は径方向（Ｒ方向）に走査可能となっている。また、回転機構１０４によりステージ１０２上の基板Ｗが回転することにより、測定光射出／検出ユニット１４２から射出される光および距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３から射出されるレーザー光の照射点は、基板Ｗ上で周方向（Θ方向）に走査可能となっている。すなわち、駆動モータ１４４および回転機構１０４は、測定光射出／検出ユニット１４２から射出される光および距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３から射出されるレーザー光の基板上での照射点を移動させる移動機構として機能する。

【0044】

測定光射出／検出ユニット１４２は、膜厚測定用の光Ｌ１を基板Ｗに向けて射出する光射出部と、射出された光の反射光を検出する受光センサとを有する。光射出部には、光源部１４５から光ファイバー１４６を介して光が導かれる。光源部１４５は、光源、光源からの光を増幅するアンプ、光学系、センサ等を有する。光源としては、波長が２００～８００ｎｍの可視光域の短波長ブロード光を発光するランプ光源を用いることができる。このような光源を用いて基板Ｗの反射光スペクトルを測定する。このような短波長ブロード光を用いることにより、分光干渉法により０．１～１０ｎｍ、さらには０．３～３ｎｍという極薄膜の膜厚測定を行うことができる。

【0045】

受光センサは、光射出部から射出されて基板Ｗで反射した反射光を受光する。受光センサで検出された検出信号は膜厚計測部１４７に送られ、基板Ｗ上の膜の膜厚が計測される。測定光射出／検出ユニット１４２、光源部１４５、光ファイバー１４６、および、膜厚計測部１４７により、膜厚測定部が構成される。

【0046】

距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３は、距離測定用のレーザーＬ２を下方（ステージ１０２）に向けて射出するレーザー射出部と、レーザーの反射光を受光する距離測定用受光センサとを有する。レーザー射出部には、レーザー光源部１４８から光ファイバー１４９を介してレーザー光が導かれる。距離測定用受光センサで検出された検出信号は距離計測部１５０に送られ、測定光射出／検出ユニット１４２の受光センサと基板Ｗとの距離ｄが計測される。距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３、レーザー光源部１４８、光ファイバー１４９、および、距離計測部１５０により、レーザー距離計が構成される。

【0047】

チャンバー１０１の上方には、光射出・受光アッセンブリ１４０を冷却するための冷却ファン１６０が設けられている。冷却ファン１６０は、特にステージ１０２がヒーターにより加熱される場合に有効である。

【0048】

なお、測定光射出／検出ユニット１４２および距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３の光路にはカバーを設けてもよい。カバーを設けることにより光漏れによるセンサ等への悪影響を防止することができる。

【0049】

次に、このように構成される膜厚測定装置３５における測定動作について説明する。
最初に、チャンバー１０１内を排気機構１１２により搬送部１２と同程度の真空圧力に保持し、膜厚測定部（測定光射出／検出ユニット１４２）およびレーザー距離計（距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３）をオン状態とする。次いで、ステージ１０２を上昇させてリファレンス部材１２０の表面を測定面に一致させて、光源部１４５の光源から測定光射出／検出ユニット１４２を介して、膜厚測定用の光をリファレンス部材１２０に照射してリファレンス測定を行う。すなわち、リファレンス部材１２０に光源部１４５の光源からの光を照射することにより、光源の出力光量を測定し、光源出力が基準内か否かを確認する。

【0050】

次いで、基板Ｗの測定点のＺ方向の距離を測定する。このとき、まず、基板Ｗの基準位置を測定する。例えば、基板Ｗがウェーハである場合に、ノッチ位置合わせを行う。次いで、基板Ｗの表面の高さ位置を測定面に移動させる。次いで、距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３により、基板Ｗ上の複数の膜厚測定位置について基板Ｗまでの距離、すなわち測定光射出／検出ユニット１４２の受光センサと基板Ｗ上の照射点との距離（Ｚ方向距離）を測定する。このとき、駆動モータ１４４により距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３のＲ方向位置（Ｒ座標）および回転機構１０４により基板ＷのΘ方向位置（Θ座標）を調整して、複数の膜厚測定位置に順次距離測定用レーザーが照射されるようにする。

【0051】

次いで、Ｚ方向距離を測定した膜厚測定位置において実際に膜厚測定を行う。図３はＺ方向距離を測定した膜厚測定位置において実際に膜厚測定を行う動作を説明する図である。
まず、（ａ）に示すように、駆動モータ１４４により測定光射出／検出ユニット１４２の位置を調整し、回転機構１０４により基板Ｗの角度を調整する。これにより、測定光射出／検出ユニット１４２から基板Ｗへ光が照射される照射点のＲ－Θ座標が複数の膜厚測定位置のうちいずれかになるように調整する。次いで、（ｂ）に示すように、レーザー距離計（距離測定用レーザー射出／検出ユニット１４３）による受光センサと照射点（膜厚測定位置）との間の距離（Ｚ方向距離）の測定結果に基づいて、Ｚ方向距離を昇降機構１０６（図２参照）によって補正する。次いで、（ｃ）に示すように、膜厚測定部（測定光射出／検出ユニット１４２）の光射出部から光を基板上に照射し、照射点（膜厚測定位置）からの反射光を受光センサにより検出して反射光スペクトルを測定し、当該位置の膜厚を測定する。次いで、（ｄ）に示すように、同様にして、測定光射出／検出ユニット１４２から基板Ｗへの光の照射点のＲ－Θ座標を他の複数の膜厚測定位置に順次調整するとともに、膜厚測定位置のＺ方向距離を順次補正して、他の複数の膜厚測定位置の膜厚測定を行う。全ての測定点の膜厚測定が終了したら、（ｅ）に示すように、基板Ｗを搬出する。

【0052】

＜膜厚測定方法＞
次に、本実施形態における膜厚測定方法の一例について説明する。
本例では、基板Ｗに対して多層膜を成膜する成膜システム１において、膜厚測定装置３５により、多層膜のうち特定の測定対象膜の膜厚を分光干渉法によりｉｎ－ｓｉｔｕで測定する。

【0053】

本例では、膜厚が０．１～１０ｎｍ、さらには、０．３～３ｎｍの極薄膜の膜厚測定に適合するように、測定光として、波長が２００～８００ｎｍの可視光域の短波長ブロード光を用いることが好ましい。

【0054】

本例の多層膜は、膜厚が０．１～１０ｎｍ、さらには、０．３～３ｎｍ程度の極薄膜を積層したものが好ましく、多層膜として、例えばＭＲＡＭの磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）素子を挙げることができる。ＭＴＪ素子は、複数の磁性膜を含み、障壁層（トンネルバリア層）となる誘電体膜を介して、フリー層（上部電極層）となる磁性膜、およびリファレンス層（下部電極層）となる磁性膜が積層されている。リファレンス層の下には、スペーサ層やピン層（磁性膜）等の複数の金属膜が形成されている。

【0055】

具体的な構成例としては、図４に示すように、例えばＳｉ基体３０１上にＳｉＯ_２膜３０２が形成された基板Ｗ上に、複数の金属膜（積層数は限定されない）３０３～３１１と、障壁層（トンネルバリア層）となる誘電体膜３１２と、フリー層となる磁性膜３１３とが積層された構造を有する。金属膜３０３～３１１は、ピン層、リファレンス層、およびスペーサ層となる金属膜を含む。そして、最上部のフリー層となる磁性膜３１３が、ｉｎ－ｓｉｔｕで膜厚測定を行う測定対象膜である。

【0056】

分光干渉法による膜厚測定は、測定対象膜を含む試料に光を入射した際の多重反射による干渉を利用したものである。測定した多層膜試料の反射率から分光干渉法で膜厚を見積もるためには、以下に説明するような反射率を計算する式に基づいて、フィッティングを行う。

【0057】

以下、詳細に説明する。
はじめに、図５のような屈折率Ｎ_ｔの試料に屈折率Ｎ_ｉの媒質から光が入射する場合を考える。図５において、Ｅ、Ｂ、θは、それぞれ電場、磁場、角度であり、Ｅ_ｉ、Ｂ_ｉ、θ_ｉは入射光、Ｅ_ｔ、Ｂ_ｔ、θ_ｔは透過光、Ｅ_ｒ、Ｂ_ｒ、θ_ｒは反射光の電場、磁場、角度である。

【0058】

電場Ｅおよび磁場Ｂは、媒質の境界に平行な成分が入射側と透過側で等しくなるため、以下の（１）式および（２）式が成り立つ。
Ｅ_ｉｃｏｓθ_ｉ－Ｅ_ｒｃｏｓθ_ｒ＝Ｅ_ｔｃｏｓθ_ｔ ・・・（１）
Ｂ_ｉ＋Ｂ_ｒ＝Ｂ_ｔ ・・・（２）
また、ｃ：光速、Ｎ：媒質の複素屈折率とするとＥ＝ｃ／ＮＢであるので、上記（２）式は、以下の（２）´式となる。
Ｎ_ｉ（Ｅ_ｉ＋Ｅ_ｒ）＝Ｎ_ｔＥ_ｔ ・・・（２）´
ここで、θｉ＝θｒとすると、（１）式、（２）´式から、振幅反射係数ｒおよび振幅透過係数ｔは、以下の（３）式のようになり（フレネル方程式）、測定される反射率Ｒは振幅反射係数ｒを用いて（４）式で表すことができる。

【数1】

【0059】

次に、薄膜における光学反射干渉を考える。図６のように試料に光が入射すると、薄膜表面Ａで反射した１次光と薄膜／基板界面Ｂで反射した２次光が重なり合い、光学干渉が生じる。光学干渉は、１次光と２次光の位相差２βに依存し、媒質、薄膜、および基板の屈折率をそれぞれＮ_０、Ｎ_１、およびＮ_２、薄膜の膜厚をｄ、波長をλとすると、βは以下の（５）式のようになる。実際には図７のように多重反射による干渉が生じるので、媒質、薄膜、および基板における振幅反射係数ｒ_０１２、振幅透過係数ｔ_０１２は、以下の（６）式のように求められる。

【数2】

【0060】

次に、多層膜試料における光学反射干渉を考える。ここではフレネル係数を用いている。図８は、基板上に２層構造の多層膜を形成した場合の光学干渉を示すものである。フレネル係数を用いる場合は、基板から１層ずつ上層に向かって計算する。はじめに、図８の基板側の第２層と基板の振幅係数を求める。上記（６）式から、振幅反射係数ｒ_１２３および振幅透過係数ｔ_１２３は、以下の（７）式のようになる。そして、（７）式の振幅反射係数ｒ_１２３および振幅透過係数ｔ_１２３を用いると、全体の振幅反射係数ｒ_０１２３および振幅透過係数ｔ_０１２３は、以下の（８）式に示すようになる。

【数3】

多層膜の層数が多い場合はこの手順を繰り返すことで反射率を計算することができる。

【0061】

以上のような式に基づく計算により、測定した多層膜試料の反射率から分光干渉法で膜厚を見積もることができる。反射率から膜厚を見積もる計算は各測定波長において行われる。測定波長が複数点あれば、その各点で反射率の計算を行い、フィッティングの最適化を行う。

【0062】

以上の計算はフレネル係数を用いた方法について説明したが、以下のような薄膜トランスファー・マトリクスを用いる方法でもよい。図９のように、屈折率ｎ_１、厚さｌ_１の薄膜が、屈折率ｎ_０、ｎ_２の媒質の間に置かれている場合、振幅反射係数ｒ、振幅透過係数ｔには、以下の（９）式に示す関係がある。（９）式のマトリクス部分は、薄膜のトランスファー・マトリクス（以下、単にトランスファー・マトリクスと記す）と呼ばれ、（１０）式に示すようにＭ_ｉで表される。Ｘ層からなる多層膜の振幅反射係数と振幅透過係数は、各層のトランスファー・マトリクスをＭ_ｉとすると、以下の（１１）式で表すことができる。

【数4】

ここで、（１１）式中のＭ_１Ｍ_２…Ｍ_ｘを（１２）式のように表すと、振幅反射係数ｒおよび振幅透過係数ｔは、以下の（１３）式のように求められる。

【数5】

【0063】

多層膜の反射光スペクトルから得られる各測定波長の反射率から分光干渉法を用いて膜厚を導出する場合は、試料の構造をそのまま計算モデルに適用して、計算を行うのが一般的である。しかし、ＭＴＪ素子のように膜厚が０．１～１０ｎｍ程度と極薄く、かつ主に金属膜からなる膜を多数（例えば１０層程度）積層した多層膜の場合、その構造をそのまま計算モデルに当てはめて計算すると、以下のような問題点が生じる。

【0064】

金属膜の場合、光学定数は複素屈折率であり、複素屈折率Ｎは、屈折率ｎ、減衰係数ｋとすると、Ｎ＝ｎ－ｉｋと表される。図１０は、Johnsonらにより測定されたＦｅの光学定数の波長依存性を示す図であるが、この図に示すように、Ｆｅは可視光域においてそれぞれ異なる値を持つｎおよびｋを有していることがわかる。金属の種類によりｎおよびｋの波長依存性は異なるが、金属膜であればｎおよびｋを有する。このため、金属膜を含む多層膜は、ｋ＝０であり屈折率ｎのみを考慮すればよい誘電体膜の多層膜と比較すると、反射率から分光干渉法で膜厚を見積もる際の計算が複雑となる。しかも、ＭＴＪ素子のように層数が多い場合にはこのような複雑な計算を層数分繰り返す必要があり、計算が一層複雑になる。

【0065】

また、０．１～１０ｎｍ程度の極薄い膜を積層した多層膜の場合、各層の膜厚が測定光の波長である２００～８００ｎｍよりも非常に小さく、反射光スペクトルの変化も非常に小さいため、各層の膜厚差を把握して膜厚測定することは基本的に難しい。しかも、このように各層の膜厚が測定波長よりも非常に小さい場合、計算にはバルクの光学定数を使用することができず、各々の膜の光学定数を見積もる必要がある。このことも解析が複雑となる要因となる。

【0066】

本例のように成膜プロセスの過程でｉｎ－ｓｉｔｕで膜厚測定を行う場合、成膜プロセスのスループットの観点から膜厚測定のために許容されている時間は有限である。このため、実際の多層膜の構造を計算モデルに使用すると、計算の実行等に、より時間がかかり、許容時間内で膜厚を計算できない場合が生じる。

【0067】

そこで、本例では、多層膜のうち膜厚を測定する測定対象膜よりも下層に位置する複数の膜を１層の下層膜とみなす計算モデルを用いて測定対象膜の膜厚を測定する。例えば、多層膜が図４のＭＴＪ素子の場合、特に膜厚管理が重要な膜である、フリー層を構成する磁性膜３１３が測定対象膜とされ、図１１に示すような、金属膜３０３～３１１を１層の下層膜３１４とみなす計算モデルを用いる。

【0068】

図１２はこの場合の膜厚測定フローを示すフローチャートである。
まず、多層膜のうち膜厚を測定する測定対象膜よりも下層に位置する複数の膜を１層の下層膜とみなし、下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により下層膜の有効的な光学定数を導出する（ステップＳＴ１）。

【0069】

次いで、下層膜の上に測定対象膜を成膜後、下層膜の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により測定対象膜の膜厚を測定する（ステップＳＴ２）。

【0070】

分光干渉法に用いる測定光としては、波長が２００～８００ｎｍの可視光域のブロード光が好適であり、多層膜の材料としては、この波長域で大きな複素屈折率を有する金属や半導体を含むものが高い効果を得ることができるため好適である。これにより、膜厚が０．１～１０ｎｍと極薄い膜であっても膜厚測定が可能となる。また、例えばＭＴＪ素子のように多層膜を構成する各膜の膜厚が０．１～１０ｎｍと薄い場合、測定光の波長である２００～８００ｎｍと比較して極めて小さい。このため、測定対象膜の下層にある複数の膜を有効媒体近似理論に基づき光学的に均質な１層とみなして問題はない。

【0071】

ステップＳＴ１において、下層膜の膜厚は、分光干渉法を用いたフィッティングにより光学定数とともに算出したものを用いることができる。また、下層膜の膜厚として、成膜の際の成膜レートから得られた値を用いてもよい。成膜プロセスが安定していて下層膜の膜厚を一定とみなすことができれば、膜厚として予め測定しておいた固定値を使用してもよい。

【0072】

多層膜が図４のＭＴＪ素子の場合を例にとると、測定対象膜が、特に膜厚管理が重要な膜である、フリー層を構成する磁性膜３１３とされ、図１１に示すような、金属膜３０３～３１１を１層の下層膜３１４とみなす計算モデルが用いられる。なお、図４の例において、磁性膜３１３の膜厚測定において、誘電体膜３１２の膜厚および光学定数が必要であるが、これらの値は、予め測定しておいた光学定数や膜厚を固定値として用いることができる。

【0073】

このように、測定対象膜よりも下層にある複数の膜を１層の下層膜とみなす計算モデルを用いて測定対象膜の膜厚を導出することにより、光学的な問題を生じることなく、以下のような効果を得ることができる。

【0074】

すなわち、複数の膜を１層の下層膜とみなすことにより、計算する層数が少なく（図１１の例では４層）、計算時間も短くなる。特に下層膜が金属膜を含む場合、複素屈折率を有し計算が複雑になるため、計算時間を短縮する効果がより高いものとなる。また、下層膜は膜厚測定対象膜よりも十分に厚く、膜厚測定対象膜の反射光スペクトルと下層膜の反射光スペクトルの相対的な差分が大きくなるため、通常では難しい膜厚差を測定することができ、測定対象膜の膜厚を高精度で測定することができる。このため、膜厚測定対象膜の膜厚を、ｉｎ－ｓｉｔｕで、短時間および高精度で測定することができる。

【0075】

＜成膜システムにおける成膜および膜厚測定の具体的フロー＞
次に、成膜システムにおける成膜および膜厚測定の具体的フローについて説明する。図１３はこの際のフローを示すフローチャートである。以下のフローは、制御部４による制御の下で行われる。

【0076】

最初に、成膜システム１の複数の処理モジュールにより、基板ＷのＳｉＯ_２膜３０２の上に金属膜３０３～３１１を成膜する（ステップＳＴ１１）。

【0077】

次いで、複数の金属膜３０３～３１１が形成された基板Ｗを膜厚測定装置３５に搬送する（ステップＳＴ１２）。

【0078】

次いで、膜厚測定装置３５において、複数の金属膜３０３～３１１を１層の下層膜３１４とみなし、下層膜の膜厚を測定するとともに、分光干渉法により下層膜３１４の有効的な光学定数を導出する（ステップＳＴ１３）。このステップは、図１４に示す、下層膜３１４を構成する金属膜３０３～３１１を成膜した後の基板Ｗに、光源部１４５の光源から波長が可視光域である２００～８００ｎｍのブロード光を照射することにより行うことができる。この際に、分光干渉法によるフィッティングにより下層膜３１４の膜厚と光学定数の両方を導出することができる。また、下層膜３１４を成膜する際の成膜レートから下層膜３１４の膜厚を求めてもよい。成膜プロセスが安定していて下層膜３１４の膜厚が一定とみなすことができれば、膜厚として予め測定しておいた固定値を使用してもよい。ここで得られた下層膜３１４の膜厚および光学定数は制御部４に記憶させ保存する。

【0079】

次いで、基板Ｗを処理モジュールに搬送し、誘電体膜３１２と、測定対象膜である磁性膜３１３を順次成膜する（ステップＳＴ１４）。

【0080】

その後、測定対象膜である磁性膜３１３が形成された基板Ｗを膜厚測定装置３５へ搬送する（ステップＳＴ１５）。このとき、回転機構１０４のアブソリュートエンコーダの検出値に基づいて、基板Ｗの角度（ノッチ角度）を一定に保つように制御することが好ましい。これにより、１０ｎｍ以下、さらには１ｎｍ以下といった極めて薄い膜の膜厚測定において、ステージ１０２が傾いていることにより膜厚の測定結果が基板ごとにばらつくことを抑制することができる。

【0081】

次いで、膜厚測定装置３５において、下層膜３１４の膜厚および光学定数を用いて分光干渉法により測定対象膜である磁性膜３１３の膜厚を測定する（ステップＳＴ１６）。このステップは、光源部１４５の光源から波長が２００～８００ｎｍの可視光域の短波長ブロード光を測定対象膜（磁性膜３１３）が成膜された基板Ｗに照射することにより行うことができる。具体的には、測定光を照射した際の反射率と下層膜３１４の膜厚および光学定数とを用いて、分光干渉法によるフィッティングにより測定対象膜の光学定数および膜厚を導出することができる。

【0082】

以上のフローにより、成膜システム１により基板Ｗに多層膜であるＭＴＪ素子を成膜するプロセスにおいて、ｉｎ－ｓｉｔｕにより短時間および高精度で測定対象膜である磁性膜３１３の膜厚測定を行うことができる。

【0083】

＜実験例＞
次に、実験例について説明する。
ここでは、多層膜として図４のＭＴＪ素子が形成された３００ｍｍウェーハ（基板）において、測定対象膜である最上部の磁性膜３１３の膜厚を測定する場合について説明する。なお、測定対象膜である磁性膜３１３としてはＣｏＦｅＢ合金を用いた。

【0084】

まず、図１４に示す金属膜３１１まで成膜した後のウェーハ試料について、金属膜３０３～３１１を１層の下層膜３１４とみなし、分光干渉法を用いて下層膜３１４の膜厚および膜厚分布（測定点数：１３点）ならびに光学定数を導出した。光源としては波長が可視光域である２００～８００ｎｍの短波長ブロード光を発光するもの用いた。金属膜３０３～３１１の成膜は図１に示すような成膜システムにより真空中で行い、膜厚測定等は、成膜システムに設けられた膜厚測定装置により真空中でｉｎ－ｓｉｔｕで行った。下層膜３１４の膜厚測定および光学定数の算出は同じ構造のＡ～Ｃの３枚の試料について行った。その結果、試料Ａでは平均膜厚：９０．９８オングストローム（Ａ）（９．０９８ｎｍ）、変動係数ＣＶ：０．４２％、試料Ｂでは平均膜厚：９０．９７Ａ（９．０９７ｎｍ）、変動係数ＣＶ：０．３３％、試料Ｃでは平均膜厚：９０．９３Ａ（９．０９３ｎｍ）、変動係数ＣＶ：０．３５％となった。このように、３枚の試料について、膜厚平均値も分布もほぼ同じ値が得られることが確認された。光学定数についても３枚の試料についてほぼ同じ値が得られた。各測定位置での膜厚、および光学定数は、次に説明する測定対象膜である磁性膜３１３の膜厚計算の際に用いる。

【0085】

次に、図４に示す、下層膜３１４の上に誘電体膜３１２および測定対象膜である磁性膜３１３を成膜した後のウェーハ試料について、分光干渉法を用いて測定対象膜である磁性膜３１３の膜厚および膜厚分布（測定点数：１３点）を導出した。光源としては可視光域である波長２００～８００ｎｍのブロード光を用いた。誘電体膜３１２および磁性膜３１３の成膜は図１のような成膜システムにより真空中で行い、磁性膜３１３の膜厚測定は、成膜システムに設けられた膜厚測定装置により真空中でｉｎ－ｓｉｔｕで行った。膜厚測定および光学定数の算出は同じ構造のＤ～Ｆの３枚の試料について行った。磁性膜３１３の膜厚は、先に求めた下層膜３１４の光学定数および膜厚を用い、分光干渉法によるフィッティングにより導出した。

【0086】

図１５はその際の膜厚分布形状（マップ）と、平均膜厚および変動係数（ＣＶ）を示す図である。この図に示すように、試料Ｄでは平均膜厚：１０．６Ａ（１．０６ｎｍ）、変動係数ＣＶ：２．６６％、試料Ｅでは平均膜厚：１０．６Ａ（１．０６ｎｍ）、変動係数ＣＶ：２．５３％、試料Ｆでは平均膜厚：１０．６Ａ（１．０６ｎｍ）、変動係数ＣＶ：２．７１％と３つの試料ともほぼ同じであった。また、試料Ｄ～Ｆの膜厚分布形状もほぼ同じであった。このように、測定対象膜である磁性膜３１３の膜厚および膜厚分布形状の再現性が極めて高いことが確認された。

【0087】

次に、上述した図４の構造を有する試料Ｄ～Ｆについて、従来から行われているＸＲＦ（蛍光Ｘ線分析）によりｅｘ－ｓｉｔｕで磁性膜３１３の膜厚を測定した。ここでは、磁性膜３１３を構成するＣｏＦｅＢのＦｅ元素のＸＲＦ強度を測定した。ＸＲＦ強度は原子数に比例し、原子数は膜厚に比例するため、ＸＲＦ強度から膜厚を導出することができ、ＸＲＦ強度分布は膜厚分布とほぼ等しいとみなすことができる。

【0088】

図１６はその際のＸＲＦ強度分布形状（マップ）と、ＸＲＦ強度の平均値および変動係数（ＣＶ）を示す図である。この図に示すように、試料ＤではＸＲＦ強度平均値：２５８０、変動係数ＣＶ：１．８５％、試料ＥではＸＲＦ強度平均値：２５７６、変動係数ＣＶ：１．６５％、試料ＦではＸＲＦ強度平均値：２５８５、変動係数ＣＶ：１．７５％と３つの試料ともほぼ同じであった。また、換算膜厚については分光干渉法を用いた場合とほぼ同じであることが確認された。また、試料Ｄ～ＦのＸＲＦ強度分布形状は分光干渉法を用いた場合の膜厚分布形状とほぼ同じであった。

【0089】

このことから、金属膜３０３～３１１を１層の下層膜３１４とみなして分光干渉法を用いたｉｎ－ｓｉｔｕの膜厚測定を行うことにより、従来のＸＲＦを用いた膜厚測定と同等の精度で測定対象膜である磁性膜３１３の膜厚を測定できることが確認された。

【0090】

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

【0091】

例えば、上記実施形態では、測定対象膜をひとつにした場合について示したが、測定対象膜が２つ以上であってもよい。また、多層膜として、ＭＲＡＭに用いるＭＴＪ素子を例示し、測定対象膜として最上層のフリー層となる磁性膜を用いた場合を示したが、これに限るものではない。

【0092】

さらに、上記実施形態では、成膜システムとして、複数の処理モジュールに対して基板を順次シリアルに搬送して処理するものについて説明したが、これに限るものではなく、複数の処理モジュールにランダムに基板を搬送するものであってもよい。

【0093】

さらにまた、膜厚測定装置の設置位置は実施形態の位置に限るものではなく、搬送モジュールに設けてもよいし、隣接する搬送モジュールの間の受け渡し部に設けてもよい。さらに、基板に対して膜厚測定用の光を照射する位置を移動させる移動機構についても、上記実施形態のものに限るものではない。

【符号の説明】

【0094】

１；処理システム
２；処理部
３；搬出入部
４；制御部
１２；搬送部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ；容器
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ；搬送機構
３５；膜厚測定装置
１０１；チャンバー
１０２；ステージ
１０４；回転機構
１０６；昇降機構
１１２；排気機構
１２０；リファレンス部材
１４０；光射出・受光アッセンブリ
１４２；測定光射出／検出ユニット
１４３；距離測定用レーザー射出／検出ユニット
１４４；駆動モータ
３０３～３１１；金属膜
３１２；誘電体膜
３１３；磁性膜（測定対象膜）
３１４；下層膜
ＰＭ１～ＰＭ８；処理モジュール
ＴＭ１～ＴＭ４；搬送モジュール
Ｗ；基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】