JP2001227916A - 膜厚測定方法および干渉膜厚測定装置 - Google Patents

膜厚測定方法および干渉膜厚測定装置

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JP2001227916A
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film thickness
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refractive index
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Shinichiro Chiku
真一郎 知久
Takashi Fujii
高志 藤井
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 膜の屈折率に分散性がある場合に、膜厚を正
確に測定することができる膜厚測定方法、および膜厚を
正確に測定することができる干渉膜厚測定装置を得る。 【解決手段】 干渉膜厚測定装置10は白色光源12を
含み、白色光源12から試料膜16に光を照射する。試
料膜16で反射した光をビームスプリッタ14で分光器
18に導き、単色化するとともに、受光器20で電気信
号に変換する。分光器18および受光器20の出力をデ
ータ処理用コンピュータ22で処理し、試料膜の膜厚を
算出する。膜厚の算出は、膜の屈折率の分散性を考慮し
た所定の算出式を用いることにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は膜厚測定方法およ
び干渉膜厚測定装置に関し、特にたとえば、膜の屈折率
に分散性がある場合における膜厚測定方法、および膜厚
を測定するための干渉膜厚測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、薄膜の膜厚を測定するため
に、さまざまな方法が提案されてきた。なかでも、干渉
膜厚測定装置は、簡単な装置により膜厚を測定すること
が可能であり、広く用いられているものの一つである。
この方法では、測定試料に白色のプローブ光を照射し、
反射光の波長の逆数に比例する波数に対する分光曲線を
フーリエ変換することにより、膜厚を求めている。
【0003】この場合、たとえばハロゲンランプなどの
白色光源を用いて、試料膜に光が照射される。そして、
試料膜で反射した光が分光器で単色化され、受光器で検
出されて電気信号に変換される。分光器および受光器は
データ処理用コンピュータに接続され、ある波長λにお
ける反射率Rが測定される。波長λを変化させることに
より、たとえば図3に示すように、反射光の分光特性が
わかる。図3において、横軸は波数k=2π/λであ
り、縦軸は反射率Rである。膜による等厚反射が生じる
結果、図3に示すように、反射率は波数に対して振動す
る。膜による屈折率に分散性(屈折率が波長あるいは波
数によって異なること)がない場合、この振動は完全に
周期的になり、反射率が極大になる条件または極小にな
る条件を考慮することで、数式9となる。
【0004】
【数9】
【0005】数式9において、nf は膜の屈折率、dは
膜厚、fは振動する反射光の分光曲線の周波数である。
したがって、図3に示す反射率の分光曲線をフーリエ変
換すると、図4のようになる。ただし、図4において、
横軸はfではなく、定数倍してfπとした。これは、数
式9によれば、光学膜厚(屈折率と膜厚とをかけたも
の)の次元を持つ。したがって、図4は光学膜厚スペク
トルと呼べるものであり、縦軸の振幅強度がピークとな
る横軸の位置が、膜の光学膜厚を与える。ピーク位置
は、コンピュータのピークサーチにより容易に検出する
ことができる。このようにして得られた光学膜厚を既知
の膜の屈折率nf で割れば、膜厚を知ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、膜の屈
折率に分散性がある場合、数式9は成り立たないことが
わかった。そのため、膜の屈折率に分散性がある場合、
従来の干渉膜厚測定装置では、膜厚を正確に測定するこ
とができない。
【0007】それゆえに、この発明の主たる目的は、膜
の屈折率に分散性がある場合に、膜厚を正確に測定する
ことができる膜厚測定方法、および膜厚を正確に測定す
ることができる干渉膜厚測定装置を提供することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、屈折率の分
散性を有する膜の膜厚測定方法であって、膜に光を照射
する工程と、膜で反射した光から分光特性を測定する工
程と、分光特性から膜の膜厚を算出する工程とを含み、
膜の膜厚をd、膜の屈折率をnf 、膜へ光が入射する側
の媒質の屈折率をn0 、膜から透過光が出射する側の媒
質の屈折率をn 2 、振動する反射光の分光曲線の周波数
をf、光の波長がλであるときに2π/λで表される波
数をkとしたとき、次の数式10(数式10において、
dθ/dkは数式11で表され、数式11において、α
は数式12、βは数式13で表される)から膜厚dを求
めることを特徴とする、膜厚測定方法である。
【数10】
【数11】
【数12】
【数13】 また、この発明は、屈折率の分散性を有する膜の膜厚を
測定するための干渉膜厚測定装置であって、膜に光を照
射するための光源と、光源から照射された光が膜で反射
することにより得られた反射光を単色化するための分光
器と、分光器によって単色化された光を電気信号に変換
するための受光器と、分光器および受光器の出力から膜
の膜厚を算出するための処理装置とを含み、膜の膜厚を
d、膜の屈折率をnf 、膜へ光が入射する側の媒質の屈
折率をn0 、膜から透過光が出射する側の媒質の屈折率
をn2 、振動する反射光の分光曲線の周波数をf、光の
波長がλであるときに2π/λで表される波数をkとし
たとき、処理装置によって、次の数式14(数式14に
おいて、dθ/dkは数式15で表され、数式15にお
いて、αは数式16、βは数式17で表される)から膜
厚dが求められることを特徴とする、干渉膜厚測定装置
である。
【数14】
【数15】
【数16】
【数17】
【0009】膜の屈折率に分散性がある場合、反射光か
ら得られる分光曲線は完全に周期的とはならず、概周期
的となる。このとき、従来の方法では正確な膜厚を得る
ことができず、補正を行う必要がある。このような補正
の方法として、数式10あるいは数式14を用いること
により、正確な膜厚を得ることができる。
【0010】この発明の上述の目的,その他の目的,特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、この発明の方法を用いて
膜厚を測定するための干渉膜厚測定装置の一例を示す図
解図である。干渉膜厚測定装置10は、白色光源12を
含む。白色光源12としては、通常ハロゲンランプなど
が用いられるが、必ずしもこれに限られるものではな
い。白色光源12から発射された光は、ビームスプリッ
タ14を透過して、試料膜16に垂直入射し、試料膜1
6で反射した光は、ビームスプリッタ14で反射され
る。そして、分光器18で単色化され、受光器20で電
気信号に変換される。分光器18および受光器20は、
処理装置としてのデータ処理用コンピュータ22に接続
され、ある波長λにおける反射率Rが測定される。そし
て、波長λを変化させることによって、反射光の分光特
性がわかり、データ処理用コンピュータ22で数学的に
処理することにより、試料膜16の膜厚を求めることが
できる。
【0012】なお、分光器18は、試料膜16への入射
光の光路中である白色光源12とビームスプリッタ14
との間におき、ビームスプリッタ14を透過してきた反
射光を測定してもよい。また、図1では、光は自由区間
中を伝播するように描いたが、測定試料膜の直近まで光
ファイバなどの導波路中を導波するようにしてもよい。
現実には、測定試料膜上で光プローブが広がりすぎない
ように、レンズなどで集光することが多いが、光プロー
ブのビーム径に比べて極端に焦点距離の短いレンズを用
いると、垂直入射とはみなせなくなり、測定結果に大き
い誤差を含むことになるので注意を要する。
【0013】図1に示す干渉膜厚測定装置10により試
料膜16からの反射光を測定することにより、分光特性
を得ることができる。試料膜16の屈折率に分散性がな
い場合、図3に示すように、分光特性の振動は完全に周
期的となり、フーリエ変換することにより、数式9と図
4に示すような光学膜厚スペクトルとから、正確な膜厚
を測定することができる。しかしながら、試料膜16の
屈折率に分散性がある場合、正確な膜厚を得ることはで
きず、鋭意検討した結果、数式9は次のような数式18
に示すように書き直されるべきであることがわかった。
【0014】
【数18】
【0015】数式18において、nf は試料膜16の屈
折率、dは試料膜16の膜厚、fは振動する反射光の分
光曲線の周波数である。なお、反射光の分光曲線をフー
リエ変換できるためには、少なくとも分光曲線はその概
周期性が明らかな程度に振動していなければならない。
そのため、極端に薄い膜厚をフーリエ変換による方法で
求めることは、従来の技術および本願発明の方法のいず
れによってもできないことは、あらかじめ知っておく必
要がある。
【0016】数式18はdについての2次方程式であ
り、これを解いてnf を乗じると、光学膜厚スペクトル
のピーク位置fπを用いて、光学膜厚nf dを次の数式
19で表すことができる。
【0017】
【数19】
【0018】なお、数式19において、dθ/dkは数
式20で表される。また、数式20において、αは数式
21で表され、βは数式22で表される。
【0019】
【数20】
【0020】
【数21】
【0021】
【数22】
【0022】ここで、図2に示すように、n0 は試料膜
16へ光が入射する側の媒質の屈折率、n2 は試料膜1
6から透過光が出射する側の媒質の屈折率である。した
がって、数式19から、試料膜16の膜厚dを得ること
ができる。
【0023】
【実施例】(実施例1)まず、理論的な数値計算を行っ
た。ここでは、可視域〜近赤外域にかけて屈折率の分散
性の大きい材料であるYIG(イットリウム・鉄・ガー
ネット)膜の膜厚について計算した。なお、YIG膜
は、GGG(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット)基
板上に形成されている。屈折率の波数分散性をあらわす
のに、セルマイヤーの式がよく用いられる。セルマイヤ
ーの式は、数式23で表され、数式23において、q1
=3.739、λ1 =0.28μm、q2 =0.79、
λ2=10.0μmである(Huber: Landort-Bernstein
4 p.345)。以下の数値計算において、YIG膜の屈折
率の値としてこれを用いる。また、n0 =1(空気)、
2 =1.93(GGG基板)で、波長によらず一定と
した。
【0024】
【数23】
【0025】数式23によれば、波長800nmにおい
て、YIG膜の屈折率は2.293である。膜厚が1μ
mと仮定すると、波長800nmにおけるYIG膜の屈
折率nf やdnf /dk、d2 f /dk2 を用いて数
式18により、fπ=2.577μmが得られる。すな
わち、図4に示す光学膜厚スペクトルのfπ=2.57
7μmの位置にピークが生じる。そして、数式19〜数
式22により膜厚dを計算すると、仮定どおり1μmの
膜厚が得られる。それに対して、従来の技術のように、
fπ=2.577μmを波長800nmにおけるYIG
膜の屈折率2.293で割ると、膜厚dは1.124μ
mとなり、仮定した膜厚よりも10%以上も厚く見積も
られてしまう。
【0026】(実施例2)次に、実際に干渉膜厚装置を
用いて測定を行った。使用したのは、ドイツのカール・
ツァイス・イエナ社のTP−SDMシリーズである。測
定したのは、GGG基板上に形成された膜厚10.6μ
mのYIG膜である。なお、この膜厚は断面をSEMで
観察することにより求めた。干渉膜厚装置による測定時
の波長範囲は、700〜900nmとした。
【0027】従来の技術による測定では、膜の屈折率と
して800nmにおけるセルマイヤーの式による値2.
293を採用したところ、膜厚は11.68μmとな
り、SEMによる実測値より約11%大きい結果となっ
た。それに対して、波長800nmにおけるセルマイヤ
ーの式に基づいたYIG膜の屈折率nf やdnf /d
k、d2 f /dk2 を用いて数式19〜数式22によ
り膜厚を求めたところ、10.46μmとなり、SEM
による実測値より約1.3%小さい結果が得られた。こ
れは、この発明による測定値は従来技術による測定値よ
りも、得られる膜厚の誤差が小さく、より正確な測定が
行えることを示している。
【0028】
【発明の効果】この発明によれば、屈折率の分散性を有
する膜について、正確に膜厚を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の干渉膜厚測定装置の一例を示す図解
図である。
【図2】試料膜とその周囲の屈折率および光との関係を
示す図解図である。
【図3】膜で反射した光から得られる分光特性を示す特
性図である。
【図4】図3に示す分光特性から得られる光学膜厚スペ
クトルを示す特性図である。
【符号の説明】
10 干渉膜厚測定装置 12 白色光源 14 ビームスプリッタ 16 試料膜 18 分光器 20 受光器 22 データ処理用コンピュータ
フロントページの続き Fターム(参考) 2F064 AA00 CC10 EE08 FF03 FF07 GG00 HH01 HH05 JJ04 JJ15 KK04 2F065 AA30 BB00 CC31 DD00 FF51 GG02 GG24 JJ01 LL00 LL46 NN06 UU05

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 屈折率の分散性を有する膜の膜厚測定方
    法であって、 前記膜に光を照射する工程、 前記膜で反射した光から分光特性を測定する工程、およ
    び前記分光特性から前記膜の膜厚を算出する工程を含
    み、 前記膜の膜厚をd、前記膜の屈折率をnf 、前記膜へ光
    が入射する側の媒質の屈折率をn0 、前記膜から透過光
    が出射する側の媒質の屈折率をn2 、振動する反射光の
    分光曲線の周波数をf、光の波長がλであるときに2π
    /λで表される波数をkとしたとき、次の数式1(数式
    1において、dθ/dkは数式2で表され、数式2にお
    いて、αは数式3、βは数式4で表される)から膜厚d
    を求めることを特徴とする、膜厚測定方法。 【数1】 【数2】 【数3】 【数4】
  2. 【請求項2】 屈折率の分散性を有する膜の膜厚を測定
    するための干渉膜厚測定装置であって、 前記膜に光を照射するための光源、 前記光源から照射された光が前記膜で反射することによ
    り得られた反射光を単色化するための分光器、 前記分光器によって単色化された光を電気信号に変換す
    るための受光器、および前記分光器および前記受光器の
    出力から前記膜の膜厚を算出するための処理装置を含
    み、 前記膜の膜厚をd、前記膜の屈折率をnf 、前記膜へ光
    が入射する側の媒質の屈折率をn0 、前記膜から透過光
    が出射する側の媒質の屈折率をn2 、振動する反射光の
    分光曲線の周波数をf、光の波長がλであるときに2π
    /λで表される波数をkとしたとき、前記処理装置によ
    って、次の数式5(数式5において、dθ/dkは数式
    6で表され、数式6において、αは数式7、βは数式8
    で表される)から膜厚dが求められることを特徴とす
    る、干渉膜厚測定装置。 【数5】 【数6】 【数7】 【数8】
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008039789A (ja) * 2003-06-20 2008-02-21 Lg Electron Inc 光ディスクの厚さ測定方法
JP2010002328A (ja) * 2008-06-20 2010-01-07 Otsuka Denshi Co Ltd 膜厚測定装置
KR100983288B1 (ko) 2009-07-28 2010-09-24 엘지전자 주식회사 광디스크의 두께 측정 방법

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