JP2002022416A - 屈折率考慮型膜厚測定法 - Google Patents

屈折率考慮型膜厚測定法

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JP2002022416A
JP2002022416A JP2000211962A JP2000211962A JP2002022416A JP 2002022416 A JP2002022416 A JP 2002022416A JP 2000211962 A JP2000211962 A JP 2000211962A JP 2000211962 A JP2000211962 A JP 2000211962A JP 2002022416 A JP2002022416 A JP 2002022416A
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film
light
refractive index
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Chihiro Hirooka
千裕 廣岡
Ryuichi Nakazono
隆一 中園
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Abstract

(57)【要約】 【課題】膜厚測定と同時に反射率のスペクトルから屈折
率を測定してフィードバックをかけ、膜厚の測定精度を
大幅に向上した屈折率考慮型膜厚測定法を提供するこ
と。 【解決手段】フーリエ変換赤外分光法を用いてサイドバ
ースト間距離から被測定薄膜の膜厚を測定する際に、前
記被測定薄膜の屈折率をKramers-Kroning 解析法を用い
て求めたことにある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の上に
結晶成長したエピタキシャル膜の膜厚測定法に関し、特
に被測定薄膜であるエピタキシャル膜の屈折率を考慮に
入れた、屈折率考慮型膜厚測定法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体基板の上に結晶成長したエ
ピタキシャル膜(簡単に、エピ膜或いは薄膜と称する場
合もある)の膜厚測定に関しては、フーリエ変換赤外分
光法(FT−IR法)が用いられている。この膜厚測定
法は、FT−IR法と名前が付いているものの赤外吸収
とは全く関係が無く、FT−IR法独特の機構である移
動鏡を使用して、基板表面(エピ膜表面)での反射光
と、界面(エピ膜と半導体基板との界面)での反射光の
光路差を光の干渉現象を利用して検出し、その光路差か
らエピ膜の膜厚を導き出すという方法である。
【0003】以下に簡単な原理説明図と測定データ模式
図により膜厚測定法を説明する。
【0004】図2は、FT−IR法による膜厚測定法の
原理説明図である。光源からの光は半透鏡により2つに
分けられ、一つの光は固定鏡で反射されて被測定薄膜に
照射される。もう一つの光は、移動可能な移動鏡で反射
されて被測定薄膜に照射される。ここで、lは半透鏡と
固定鏡との距離、l+aは半透鏡と移動鏡との距離、L
は2つの光の光路差である。
【0005】被測定薄膜、つまりエピ膜に照射されたこ
れらの光は、基板表面(エピ膜表面)での反射光(図2
ではAで示す)と、界面(エピ膜とGaAs基板との界
面)での反射光(図2ではBで示す)となり、光路差に
よってお互いに強め合ったり弱め合ったりする。
【0006】図3は、FT−IR法による測定データ模
式図である。横軸は、半透鏡と移動鏡との距離、縦軸は
干渉強度を表しており、サイドバースト(+)とサイド
バースト(−)とセンターバーストと記した場所で干渉
強度が強くなっている。干渉強度が強くなるパターンは
このように3通りあり、図2に沿って説明する。
【0007】固定鏡を通り界面を反射して来た光Bと、
移動鏡を通り表面を反射して来た光Aの二種類の光は、
その光路長(光の走行距離×屈折率)が同じ時に干渉が
起こり強め合う。この現象をサイドバースト(+)と呼
ぶ。
【0008】同様に、固定鏡を通り表面を反射して来た
光Aと、移動鏡を通り界面を反射して来た光Bの二種類
の光は、その光路長が同じ時に干渉が起こり強め合う。
この現象をサイドバースト(−)と呼ぶ。
【0009】また、固定鏡を通り表面を反射して来た光
Aと移動鏡を通り表面を反射して来た光A、若しくは固
定鏡を通り界面を反射して来た光Bと移動鏡を通り界面
を反射して来た光Bの光路長が同じ時、すなわちaが零
の時にも干渉が起こり強め合う。この現象をセンターバ
ーストと呼ぶ。
【0010】表1は光路とバーストの組み合せを示した
ものである。
【0011】
【表1】
【0012】ここで、固定鏡の表面反射と移動鏡の表面
反射の組み合せがセンターバーストとなっているが、こ
れは固定鏡を通り表面を反射して来た光と、移動鏡を通
り表面を反射して来た光の光路長が等しいならセンター
バースト現象が起きると言う意味である。他の組み合せ
も同様である。
【0013】図4は、実際のエピ膜内での光路を示した
説明図である。この図から光路差Lと導き出される膜厚
dは以下のようになる。
【0014】まず、膜厚dと光路差Lとには
【0015】
【数6】
【0016】の関係がある。三角関数の平行関係sin
2 θ+cos2 θ=1からcosθ=(1−sin
2 θ)1/2 。従って、これを数式6に代入すると
【0017】
【数7】
【0018】また、スネルの法則(sinθ1=n・s
inθ2)からsin2 θ2=1/n2 ・sin2 θ
1、従って
【0019】
【数8】
【0020】となる。これを整理して
【0021】
【数9】
【0022】実際には光路差Lとサイドバースト間距離
Lsとの間にはL=Ls/nの関係があることから、膜
厚dは
【0023】
【数10】
【0024】となる。つまり、サイドバースト間距離L
sと被測定薄膜の屈折率nが分かれば膜厚dを求めるこ
とが出来る。
【0025】従来、被測定薄膜の屈折率nは別の手段で
予め求めていた。FT−IR法でサイドバースト間距離
Lsが求まると、nとLsを数式10に代入して被測定
薄膜の膜厚dを求めていた。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】従来の膜厚測定法に
は、以下に示す問題点があった。
【0027】測定に先立って被測定薄膜の屈折率nを測
定しておかねばならず、しかも測定試料毎に屈折率がば
らついていても全く考慮されなかった。従って膜厚の測
定精度が悪いという問題があった。
【0028】従って本発明の目的は、前記した従来技術
の欠点を解消し、膜厚測定と同時に反射率のスペクトル
から屈折率を測定してフィードバックをかけ、膜厚の測
定精度を大幅に向上した屈折率考慮型膜厚測定法を提供
することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を実
現するため、フーリエ変換赤外分光法を用いてサイドバ
ースト間距離から被測定薄膜の膜厚を測定する際に、前
記被測定薄膜の屈折率を求めてフィードバックした。
【0030】屈折率は前記被測定薄膜の反射率のスペク
トルからKramers-Kroning 解析法を用いて求めた。
【0031】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を以下、図面に
基づいて詳述する。
【0032】本発明は、FT−IR法による膜厚の測定
と同時に反射率のスペクトルを測定し、Kramers −Kron
ing 解析法により被測定薄膜の屈折率を求める方法を用
いたことに特徴がある。以下に、そのKramers −Kronin
g 解析法について説明する。垂直入射による振幅反射率
は次式のようになる。
【0033】
【数1】
【0034】ここで、Rはエネルギー振幅反射率(反射
率)、φは位相変化、nは屈折率、kは消衰係数であ
る。この数式1の第3項、第4項からn、kは次のよう
に書くことが出来る。
【0035】
【数2】
【0036】ここで、Rは測定可能な量であり、もし位
相を求めることが可能であれば数式2からn、kを求め
ることが出来る。
【0037】そこで、Cauchyの積分公式から
【0038】
【数3】
【0039】が得られ、数式1を次式のように変形す
る。
【0040】
【数4】
【0041】これを数式3に代入してφ(∞)=0とし
て実数、虚数に分けて計算すると、
【0042】
【数5】
【0043】の関係式が得られる。
【0044】すなわち、反射率のスペクトルから位相が
求められるので、その位相を数式2に代入して屈折率を
求めることが出来る。
【0045】また、先に説明したFT−IR法は斜め入
射であり、反射Kramers-Kroning 解析法は垂直入射であ
るが、FT−IR法も理論的には垂直入射であっても問
題はない。装置上では、発光部と受光部を光ファイバに
置き換えて同じ位置に置くことにより近似的に垂直入射
を実現できる。
【0046】図1は、本発明の屈折率考慮型膜厚測定法
の一実施例を示した説明図である。1はFT−IR光学
系、2は入射側光ファイバ、3は光学ヘッド、4は出射
側光ファイバ、5は受光器、6は被測定薄膜である。
【0047】FT−IR光学系1は光源をも含んでい
る。このFT−IR光学系1からの光を入射側光ファイ
バ2にて光学ヘッド3へ導く。光学ヘッド3は、導いた
光を被測定薄膜6へ垂直に照射する。被測定薄膜6から
の反射光は光学ヘッド3にて採り入れ出射側光ファイバ
4にて受光器5へと導く。
【0048】被測定薄膜6として、半絶縁性GaAs基
板上にn型AlGaAsエピ膜を成長させたものを用い
た。混晶比は0.2であり、膜厚の設計値は1μmであ
る。まず、エピ膜からの反射率を各波長に対して測定し
た。つまり反射率のスペクトルを求めた。そして、Kram
ers-Kroning 解析法により、エピ膜の屈折率nを求め
た。次に、FT−IR法にてサイドバースト間距離Ls
を求め、先に求めた屈折率nを用いて膜厚dを求めた。
求めた結果は、1.09μmであった。
【0049】測定終了後、この半絶縁性GaAs基板上
にn型AlGaAsエピ膜を成長させたものを壁開し、
SEMによる断面測定を行なった。SEMによる測定膜
厚は1.08μmであり、本屈折率考慮型膜厚測定法に
より求めた1.09μmと非常に近い値であった。両者
の測定値のずれは1%未満である。従って、膜厚測定と
同時に反射率のスペクトルから屈折率を測定してフィー
ドバックをかけることにより、膜厚の測定精度を大幅に
向上することが出来た。
【0050】
【発明の効果】本発明の屈折率考慮型膜厚測定法は、フ
ーリエ変換赤外分光法を用いてサイドバースト間距離か
ら被測定薄膜の膜厚を測定する際に、前記被測定薄膜の
屈折率をKramers-Kroning 解析法を用いて求めたので、
膜厚の測定精度を大幅に向上することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の屈折率考慮型膜厚測定法の一実施例を
示した説明図である。
【図2】従来の膜厚測定法に関わり、FT−IR法の原
理説明図である。
【図3】図2のFT−IR法による測定データ模式図で
ある。
【図4】図2のFT−IR法に関わり、エピ膜内での光
路を示した説明図である。
【符号の説明】
1 FT−IR光学系 2 入射側光ファイバ 3 光学ヘッド 4 出射側光ファイバ 5 受光器 6 被測定薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA30 CC31 FF52 GG21 HH12 HH13 JJ15 LL00 LL02 LL67 2G020 AA03 BA20 CA12 CB42 CC21 CD03 CD12 CD33 2G059 AA03 BB10 BB16 CC20 EE02 EE09 EE12 FF06 GG00 HH01 JJ15 JJ17 JJ22 KK01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フーリエ変換赤外分光法を用いてサイドバ
    ースト間距離から被測定薄膜の膜厚を測定する際に、前
    記被測定薄膜の屈折率を求めてフィードバックすること
    を特徴とする屈折率考慮型膜厚測定法。
  2. 【請求項2】屈折率は前記被測定薄膜の反射率のスペク
    トルからKramers-Kroning 解析法を用いて求めることを
    特徴とする請求項1記載の屈折率考慮型膜厚測定法。
JP2000211962A 2000-07-07 2000-07-07 屈折率考慮型膜厚測定法 Withdrawn JP2002022416A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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