JP2003075127A - Measuring method of ultrathin film and thin film - Google Patents

Measuring method of ultrathin film and thin film

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JP2003075127A
JP2003075127A JP2001270668A JP2001270668A JP2003075127A JP 2003075127 A JP2003075127 A JP 2003075127A JP 2001270668 A JP2001270668 A JP 2001270668A JP 2001270668 A JP2001270668 A JP 2001270668A JP 2003075127 A JP2003075127 A JP 2003075127A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring method using a spectral ellipsometer by a minimal value calculation method (BLMC), for determining precisely and accurately wavelength dependency of an ultrathin film, a thin film structure and a permittivity. SOLUTION: This measuring method using the spectral ellipsometer by the minimal value calculation method (BLMC) includes following steps. Concerning the thin film on the substrate surface which is a measuring object, measuring spectrums ΨE (λi ) and ΔE (λi ) which are the change of polarization of incident light and reflected light relative to each wavelength λi are acquired by changing the wavelength of incident light. (N0 , (n0 , k0 )) of the substrate and (d, N(n, k)) of the thin film on the substrate are assumed by using a dispersion formula, and plural film thicknesses (d±mΔd) in the anticipated range and plural incident angles (ϕ±mΔϕ) in the anticipated range are set, and each ΨM, ΔM are acquired therefrom. The ΨE, ΔE spectrums are compared with each ΨM, ΔM modeling spectrum, and fitting is performed by using the minimal value calculation method (BLMC), and a structure reaching a standard is determined as a measuring result.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、分光エリプソメー
タを用いて得たデータを、極小値計算法(BestLocal Mi
nimum Caluculation 以下BLMC)を用いて処理し、
超薄膜や、薄膜の膜厚や光学定数などを精度よく測定す
る基板表面の超薄膜および薄膜計測方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention uses data obtained by using a spectroscopic ellipsometer to calculate a minimum value (Best Local Mi
nimum Caluculation (BLMC)
The present invention relates to an ultrathin film, an ultrathin film on a substrate surface for accurately measuring the film thickness and optical constants of the thin film, and a thin film measuring method.

【0002】[0002]

【従来の技術】分光エリプソメータを用いて入射光と反
射光の偏光変化量を測定し、その結果から膜厚(d)、
複素屈折率N(N=n−ik)を算出することができ
る。偏光変化量(ρ)はρ=tanψexp(iΔ)で
表され、波長(λ)、入射角度(φ)、膜厚、複素屈折
率等のパラメータに依存するので、その関係は次のよう
になる。 (d,n,k)=f(Ψ,Δ,λ,φ)
2. Description of the Related Art A polarization change amount of incident light and reflected light is measured by using a spectroscopic ellipsometer, and from the result, the film thickness (d),
The complex refractive index N (N = n-ik) can be calculated. The polarization change amount (ρ) is represented by ρ = tan ψ exp (iΔ) and depends on parameters such as wavelength (λ), incident angle (φ), film thickness, and complex refractive index. Therefore, the relationship is as follows. . (D, n, k) = f (Ψ, Δ, λ, φ)

【0003】入射角度を固定した場合、単一波長エリプ
ソメータでは、(d,n,k)の3つの未知数に対し、
2つの独立変数しか測定できないので、d,n,kの内
のいずれか一つを既知として固定する必要がある。単一
波長でも入射角度を変えると測定変数は増加する。しか
しながら、入射角度(φ)の違いによる(Ψφ1 ,Δφ
1 )と(Ψφ2 ,Δφ2 )に強い相関関係があるため、
d,n,kを精度良く求めることは難しい。
When the incident angle is fixed, in the single wavelength ellipsometer, for three unknowns of (d, n, k),
Since only two independent variables can be measured, it is necessary to fix any one of d, n, and k as known. The measurement variable increases when the incident angle is changed even at a single wavelength. However, due to the difference in the incident angle (φ) (Ψφ 1 , Δφ
1 ) and (Ψφ 2 , Δφ 2 ) have a strong correlation,
It is difficult to accurately obtain d, n, k.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】分光エリプソメータを
用いて測定された基板上に形成された多層薄膜の偏光変
化量の情報(ΨE ,ΔE )スペクトルは、前記基板の
n,k情報、各層のn,k,dの情報の全てを含んでい
る。しかしながら、薄膜解析は次の理由により、不可能
である。
The information (Ψ E , Δ E ) spectrum of the polarization change amount of the multilayer thin film formed on the substrate, which is measured by using a spectroscopic ellipsometer, is the n, k information of each substrate and each layer. It includes all the information of n, k, and d. However, thin film analysis is impossible for the following reasons.

【0005】偏光変化量は、光が通る体積、(位相角
(β)×ビーム径の面積)で表すことができる。位相角
(β)は次の式で表される。 ビーム径が一定とすると偏光変化量は次のようになる。 偏光変化量∝膜厚(d)×複素屈折率N×φ ここにおいて、φは入射角である。したがって、入射角
の正しさによって、偏光変化量の値も変わる。入射角を
正しく求めることにより偏光変化量の値も正しく求める
ことが可能となる。
The polarization change amount can be expressed by the volume through which light passes (phase angle (β) × area of beam diameter). The phase angle (β) is expressed by the following equation. When the beam diameter is constant, the polarization change amount is as follows. Polarization change amount ∝ Thickness (d) × complex refractive index N × φ Here, φ is the incident angle. Therefore, the value of the polarization change amount also changes depending on the correctness of the incident angle. By correctly obtaining the incident angle, the value of the polarization change amount can also be correctly obtained.

【0006】前述したように、測定された多層薄膜の偏
光変化量の情報(ΨE ,ΔE )スペクトルは、前記基板
のn,k情報、各層のn,k,dの情報の全てを含んで
いるが、これから、前記基板のn,k情報、各層のn,
k,dの情報の唯一の組み合わせを算出することはでき
ない。そこで、分散式を用いてパラメータのフィッティ
ングを行い、最適なモデルを決定する。分散式とは、物
質の誘電率の波長依存性を示す式であり、近赤外から紫
外線領域では、この誘電率ε(λ)は材料の構成原子の
結合様式から決定される。分散式として、調和振動子を
もとにした計算式、量子力学をもとにした計算式、経験
式等が知られており、通常2つ以上のパラメータを含ん
でいる。このパラメータを計算(フィッティング)する
ことにより、材料の誘電率ε(λ)を求めることができ
る。本発明の目的は、膜厚や複素屈折率などの組み合わ
せモデルを設定し、そのシミュレーションスペクトルを
算出して、そのシミュレーションスペクトルと測定スペ
クトルとのフィッティングを極小値計算法(BLMC)
を使用して行うことにより超薄膜および薄膜の構造を決
定する極小値計算法(BLMC)による分光エリプソメ
ータを用いた超薄膜および薄膜計測方法を提供すること
にある。
As described above, the information (Ψ E , Δ E ) spectrum of the measured polarization change amount of the multilayer thin film includes all the n, k information of the substrate and the n, k, d information of each layer. However, from now on, n, k information of the substrate, n, k of each layer,
It is not possible to calculate the only combination of k and d information. Therefore, the optimum model is determined by fitting parameters using a dispersion formula. The dispersion formula is a formula showing the wavelength dependence of the dielectric constant of a substance, and in the near infrared to ultraviolet region, this dielectric constant ε (λ) is determined from the bonding mode of the constituent atoms of the material. As a dispersion formula, a calculation formula based on a harmonic oscillator, a calculation formula based on quantum mechanics, an empirical formula, and the like are known, and usually include two or more parameters. By calculating (fitting) this parameter, the dielectric constant ε (λ) of the material can be obtained. An object of the present invention is to set a combination model such as a film thickness and a complex refractive index, calculate a simulation spectrum of the combination model, and perform fitting of the simulation spectrum and the measurement spectrum with a minimum value calculation method (BLMC).
An object of the present invention is to provide an ultrathin film and a thin film measuring method using a spectroscopic ellipsometer by a minimum value calculation method (BLMC) for determining the structure of the ultrathin film and the thin film by using the method.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明による請求項1記載の方法は、極小値計算法
(BLMC)による分光エリプソメータを用いた計測対
象の基板表面の超薄膜および薄膜計測方法において、計
測対象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各波
長λi ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定ス
ペクトルΨEi ) とΔE ( λi ) を得るΨE ,ΔE
スペクトル測定ステップと、前記基板の(N0,(n0,k
0 )),基板上の薄膜の(d,N(n, k))を分散式
を用いて仮定し、さらに予想される範囲内にある複数の
膜厚(d±mΔd)および予想される範囲内にある複数
の入射角(φ±mΔφ)を設定するステップと、前記入
射角と膜厚の組み合わせにもとづいて、分散式(DS
P)のパラメータ(εs,ωt)のフィッティングを行う
ステップと、前記フィッティングにより得られた各Ψ M
( λi ) とΔM ( λi ) の中から前記ΨE ( λi ) とΔ
E ( λi ) との差の最も少なくなる膜厚(dbest)と入
射角(φbest)の組み合わせを設定したモデルのフィッ
ティング結果(DSPbest)を選択する第1ステップ
と、前記第1ステップで選択された入射角度(φbest
を確定値として、膜厚(dbest)と分散式(DS
best)のフィッティングを行う第2ステップで構成さ
れている。請求項2記載の方法は、前記第1および第2
ステップにおいて、前記差の最も少ないものを選択する
ステップは、フィッティングしたものと測定値の平均二
乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものに決定す
ることとすることができる。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object
The method according to claim 1 of the present invention is a method for calculating a minimum value.
Measurement pair using spectroscopic ellipsometer by (BLMC)
Ultra thin film on elephant substrate surface and thin film measuring method,
The thin film on the substrate surface to be measured is changed by changing the wavelength of the incident light.
Long λi Is the change in polarization of the incident and reflected light for each
Vector ΨE (λi ) And ΔE (λi ) ΨE , ΔE 
Spectrum measurement step, and (N of the substrate0, (N0, k
0 )), The dispersion formula of (d, N (n, k)) of the thin film on the substrate
Multiples that are hypothesized by using
Film thickness (d ± mΔd) and multiple within expected range
Setting the incident angle (φ ± mΔφ) of
Based on the combination of elevation angle and film thickness, the dispersion formula (DS
P) parameter (εs,ωt) Fitting
Step and each Ψ obtained by the fitting M 
i ) And ΔM (λi ) From the above ΨE (λi ) And Δ
E (λi Film thickness (dbest) And enter
Angle of incidence (φbest) Of the model for which a combination of
Results (DSPbest) The first step to select
And the incident angle (φbest)
Is a definite value, and the film thickness (dbest) And dispersion formula (DS
Pbest) Consists of the second step of fitting
Has been. The method according to claim 2, wherein the first and second
In step, select the one with the smallest difference
The step is the average of the fitted and measured values.
Calculate the squared error and determine the one with the smallest mean square error
It can be decided.

【0008】請求項3記載の方法は、極小値計算法(B
LMC)による分光エリプソメータを用いた計測対象の
基板表面の超薄膜および薄膜計測方法において、計測対
象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長λ
i ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペク
トルΨE ( λi ) とΔE ( λi ) を得るΨE ,ΔE スペ
クトル測定ステップと、基板上の薄膜が微視的に不均一
またはいくつかの材料が混ざり合っている場合、前記基
板の(N0,(n0,k0 )),基板上の薄膜の(d,N
(n, k))を有効媒質近似(Effective Medium Appro
ximation 以下EMA)を利用するため、いくつかの分
散式またはリファレンスデータを用いて仮定してモデル
をたてるステップと、予想される範囲内にある複数の膜
厚(d±mΔd)および、前記モデルで利用した分散式
などの予想される範囲内にある複数の混合比(Vf ±m
ΔVf )、予想される範囲内にある複数の入射角度(φ
±mΔφ)を設定するステップと、前記入射角と膜厚と
混合比の組み合わせにもとづいて分散式のパラメータ
(εs,ωt )のフィッティングを行うステップと、前記
フィッティングにより得られた各ΨM ( λi ) とΔM (
λi ) の中から、前記ΨE ( λi ) とΔE ( λi ) との
差の最も少なくなる膜厚(dbest)と入射角
(φbest)、混合比(Vfbest )の組み合わせを設定し
たモデルのフィッティング結果(DSPbest)を選択す
る第1ステップと、前記第1ステップで選択された入射
角度(φbest)を確定値として、膜厚(d best)と混合
比(Vfbest )、分散式(DSPbest)のフィッティン
グを行う第2ステップで構成されている。
A method according to claim 3 is a minimum value calculation method (B
LMC) of the measurement target using the spectroscopic ellipsometer
In the ultra-thin film on the substrate surface and the thin film measurement method,
Change the wavelength of the incident light on the thin film on the elephant substrate surface
i Measurement spectrum, which is the change in polarization of incident and reflected light for each
Tor ΨE (λi ) And ΔE (λi ) ΨE , ΔE Space
Microscopically non-uniform thin film on the substrate and the step of measuring
Or if some materials are mixed together,
Of board (N0, (N0, k0 )), (D, N of the thin film on the substrate
(N, k)) is an effective medium approximation
ximation EMA) is used for some
Assumed model using scatter or reference data
Step and multiple membranes within expected range
Thickness (d ± mΔd) and dispersion formula used in the model
Multiple mixing ratios (Vf ± m
ΔVf ), Multiple incident angles (φ
± mΔφ) and the incident angle and film thickness
Parameters of dispersion formula based on combination of mixing ratios
s,ωt ) Fitting step, and
Each Ψ obtained by fittingM (λi ) And ΔM (
λi ) From the above ΨE (λi ) And ΔE (λi ) With
The film thickness (dbest) And angle of incidence
best), Mixing ratio (Vfbest ) Combination
Model fitting results (DSPbest) Is selected
The first step and the incident selected in the first step
Angle (φbest) As a definite value, the film thickness (d best) Mixed with
Ratio (Vfbest ), Distributed type (DSPbest) Fitting
It consists of a second step of

【0009】極小値計算法(BLMC)による分光エリ
プソメータを用いた計測対象の基板表面の超薄膜および
薄膜計測方法において、計測対象の基板表面の薄膜を、
入射光の波長を変えて各波長λi ごとの入射光と反射光
の偏光の変化である測定スペクトルΨE ( λi ) とΔE
( λi ) を得るΨE ,ΔE スペクトル測定ステップと、
予想される範囲内にある複数の測定条件(Zj )ごと
に、請求項1または請求項3の第2ステップまでを行
い、各測定条件ごとに得られた結果の中から、分散式の
パラメータや混合比Vf が、設定した最大・最小値の間
に入っている組み合わせの中で、χ2 の最も良いものを
選択する第3ステップから構成されている。
In the ultra-thin film and the thin film measuring method on the surface of the substrate to be measured using the spectroscopic ellipsometer by the minimum value calculation method (BLMC), the thin film on the surface of the substrate to be measured is
Measurement spectra Ψ Ei ) and Δ E, which are changes in the polarization of incident light and reflected light for each wavelength λ i by changing the wavelength of the incident light
Ψ E , Δ E spectrum measurement step for obtaining (λ i ),
The parameters of the dispersion formula are selected from the results obtained under each measurement condition by performing the steps up to the second step of claim 1 or claim 3 for each of the plurality of measurement conditions (Z j ) within the expected range. And the mixing ratio V f is comprised of the third step of selecting the best χ 2 among the combinations having the set maximum and minimum values.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下図面等を参照して本発明によ
る方法の実施の形態を説明する。図1は、本発明方法で
使用するエリプソメータの構成を示すブロック図であ
る。このブロック図に示されている分光エリプソメータ
により、後述する方法の分光測定データの獲得ステップ
10が実行される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the method according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ellipsometer used in the method of the present invention. The spectroscopic ellipsometer shown in this block diagram performs the spectroscopic measurement data acquisition step 10 of the method described below.

【0011】Xeランプ1は、多数の波長成分を含む、
いわゆる白色光源である。このXeランプ1の発光は光
ファイバ2を介して偏光子3に導かれる。偏光子3によ
り偏光された光は、測定対象であるサンプル4の表面に
特定の入射角(例えばφ=75.00°)で入射させら
れる。サンプル4からの反射は、光弾性変調器(PE
M)5を介して検光子6に導かれる。光弾性変調器(P
EM)5により50kHzの周波数に位相変調されて、
直線から楕円偏光までが作られる。そのため、数m秒の
分解能でΨ,Δを決定することができる。検光子6の出
力は光ファイバ7を介して分光器8に接続される。分光
器8の出力データがデータ取込部9に取り込まれ、分光
測定データの獲得ステップ10を終了する。なお、PE
M5の位置は偏光子3の後か検光子6の前どちらでも可
能とする。
The Xe lamp 1 contains a large number of wavelength components,
It is a so-called white light source. The light emitted from the Xe lamp 1 is guided to the polarizer 3 via the optical fiber 2. The light polarized by the polarizer 3 is incident on the surface of the sample 4 to be measured at a specific incident angle (for example, φ = 75.00 °). The reflection from the sample 4 is caused by the photoelastic modulator (PE
M) 5 to the analyzer 6. Photoelastic modulator (P
EM) 5 phase-modulates to a frequency of 50 kHz,
From linear to elliptically polarized light is created. Therefore, Ψ and Δ can be determined with a resolution of several milliseconds. The output of the analyzer 6 is connected to the spectroscope 8 via the optical fiber 7. The output data of the spectroscope 8 is fetched by the data fetching section 9, and the step 10 of obtaining the spectroscopic measurement data is completed. PE
The position of M5 can be either after the polarizer 3 or before the analyzer 6.

【0012】次に、公称入射角φ0 の近傍の入射角をパ
ラメータとして測定する場合について説明する。前述し
たように偏光変化量(ρ)は、ρ=tanψexp(i
Δ)で表され、波長(λ)、入射角度(φ)、膜厚、複
素屈折率等のパラメータに依存し、その関係は次のよう
になる。(d,n,k)=f(Ψ,Δ,λ,φ)
Next, the case of measuring the incident angle near the nominal incident angle φ 0 as a parameter will be described. As described above, the polarization change amount (ρ) is ρ = tan ψ exp (i
Δ), which depends on parameters such as wavelength (λ), incident angle (φ), film thickness, and complex refractive index, and the relationship is as follows. (D, n, k) = f (Ψ, Δ, λ, φ)

【0013】図1に示す公称入射角φ0 により、モデル
を設定しても、サンプルの表面の微妙な形状等により、
入射角φ0 を僅かに増減した方が良いことが予想され、
前述したΨE ,ΔE も、φ0 を修正した角度による測定
データであったとする方が妥当だと考える方が良い。
Even if the model is set with the nominal incident angle φ 0 shown in FIG. 1, due to the delicate shape of the surface of the sample, etc.
It is expected that it is better to increase or decrease the incident angle φ 0 slightly,
It is better to consider that the above-mentioned Ψ E and Δ E are also measured data obtained by correcting φ 0 .

【0014】すなわち、前記分光エリプソメータを用い
た薄膜計測方法において、前記ΨE,ΔE スペクトル測
定ステップの公称入射角をφ0 とし、前記ΨM,ΔM モデ
ルシュミレーションスペクトル算出ステップでは、前記
φ0 を関数とするシュミレーションスペクトルΨM0
i ) 、ΔM0i ) とさらに前記公称入射角をφ0 の近
傍のφk を関数とするシュミレーションスペクトルΨMk
i ) とΔMki) を得る。このモデルシュミレー
ションスペクトルをステップと21で算出してΨE ( λ
i ) 、ΔE ( λi ) と比較する。
That is, in the thin film measuring method using the spectroscopic ellipsometer, the nominal incident angle in the Ψ E , Δ E spectrum measuring step is φ 0, and in the Ψ M, Δ M model simulation spectrum calculating step, the φ 0 Simulation spectrum Ψ M0
i ), Δ M0i ) and a simulation spectrum Ψ Mk in which the nominal incident angle is a function of φ k in the vicinity of φ 0.
Obtain (λ i ) and Δ Mki ). This model simulation spectrum is calculated in step and 21, and Ψ E
i ), Δ Ei ).

【0015】図2は、本発明による薄膜計測方法の第1
の実施例を示す流れ図である。 (ステップ10)図1に示す装置で測定を行う。 (ステップ20)このステップとは分光測定データを比
較データ化するステップである。前述した分光測定デー
タの獲得ステップ10で獲得した分光測定データをΨE
( λ) とΔE ( λ) の形で比較データ化する。
FIG. 2 shows a first thin film measuring method according to the present invention.
3 is a flowchart showing an example of the above. (Step 10) Measurement is performed with the apparatus shown in FIG. (Step 20) This step is a step of converting spectroscopic measurement data into comparative data. The spectroscopic measurement data obtained in step 10 of obtaining the spectroscopic measurement data described above is divided into Ψ E
Data is compared in the form of (λ) and Δ E (λ).

【0016】(ステップ21)このステップ21は分光
測定対象のモデル化ステップである。前記ステップ20
で比較データ化された測定対象の製造プロセス等を考慮
してモデルを作るステップである。予想される範囲内に
ある複数の膜厚(d±mΔd)、基板上に作製した材料
にあわせた分散式および予想される範囲内にある複数の
入射角(φ±mΔφ)を設定する。この実施例では、基
板はSi、基板上に第1層SiONを20Å,25Åお
よび30Åの3つを想定し、測定のための入射角を7
5.00°から0.01°あて、75.05°まで多数
のモデルを準備する。 (ステップ22)このステップ22では前記モデルから
計算されたΨM ,ΔM と測定データΨE ,ΔE を合わせ
て表示する。
(Step 21) This step 21 is a step of modeling a spectroscopic measurement target. Step 20
This is a step of making a model in consideration of the manufacturing process of the measurement target which is made into the comparative data. A plurality of film thicknesses (d ± mΔd) within the expected range, a dispersion formula according to the material formed on the substrate, and a plurality of incident angles (φ ± mΔφ) within the expected range are set. In this embodiment, it is assumed that the substrate is Si and the first layer SiON is 20 Å, 25 Å and 30 Å on the substrate, and the incident angle for measurement is 7
Prepare a large number of models from 5.00 ° to 0.01 ° to 75.05 °. (Step 22) In this step 22, Ψ M , Δ M calculated from the model and measurement data Ψ E , Δ E are displayed together.

【0017】(ステップ23)各モデルごとにフィッテ
ィングを行う。 (ステップ24)各モデルごとに分散値のフィッティン
グを行った結果を示す。24a,24b,24cの示す
欄は、SiONを20Å,25Åおよび30Åについて
入射角に対応して分散式(DSP)のパラメータ(ε
s ,ωt )のフィッティングを行った結果を示す。ここ
で、N個の測定データ対Exp(i=1,2...,
N)と前記モデルの対応するN個のモデルの計算データ
対Mod(i=1,2...,N)とし、測定誤差は正
規分布をするとし、標準偏差をσi とすると、平均二乗
誤差(χ2 )は、次のようにして与えられる。 ここで、Pはパラメータの数である。
(Step 23) Fitting is performed for each model. (Step 24) The result of fitting the variance value for each model is shown. The columns indicated by 24a, 24b, and 24c are the parameters (ε) of the dispersion formula (DSP) corresponding to the incident angle for SiON of 20Å, 25Å, and 30Å.
s , ω t ) fitting results. Here, N measurement data pairs Exp (i = 1, 2 ...
N) and the corresponding N model calculation data pairs Mod (i = 1, 2, ..., N), the measurement error has a normal distribution, and the standard deviation is σ i , the mean square The error (χ 2 ) is given as follows. Here, P is the number of parameters.

【0018】(ステップ25)このステップで、一つの
入射角と膜厚の第1選択をする。24aの欄の示す膜厚
20Åの場合はフィッティングの結果、入射角が75.
02°のときがもっとも小さいχ2 値0.0315を示
している(24dの欄参照)。24bの欄の示す膜厚2
5Åの場合はフィッティングの結果、入射角が75.0
3°のときがもっとも小さいχ2 値0.0242を示し
ている(24eの欄参照)。24cの欄の示す膜厚30
Åの場合はフィッティングの結果、入射角が75.04
°のときがもっとも小さいχ2 値0.0297を示して
いる(24fの欄参照)。これらの内からもっとも小さ
いχ2 値0.0242を示している24eのモデル(φ
best=75.03°,dbest=25Å)が選択される。 (ステップ26)前記第1ステップで選択された入射角
度(φbest)を確定値として、前記膜厚(dbest)およ
び分散式のパラメータ(εs ,ωt )のフィッティング
を行う。例では入射角度(φbest)=75.03°を確
定値とし、膜厚(dbest)=25Åと分散式パラメータ
(εs ,ωt )=(2.00,12.58)のフィッテ
ィングを行う。これが第2段階となる。 (ステップ27)前記第2段階のフィッティング結果を
示している。例では膜厚d(最終結果)=24.24
Å,分散式のパラメータ(εs ,ωt )=(2.09,
13.24)が最終結果となる。 (ステップ28)前記ステップで計算されたデータを保
存する。 (ステップ29)前記保存されたデータで物理的に不自
然でないかを確認する。
(Step 25) In this step, one incident angle and film thickness are first selected. When the film thickness is 20 Å shown in the column 24a, the result of fitting is that the incident angle is 75.
The smallest χ 2 value of 0.0315 is shown at 02 ° (see the column of 24d). Film thickness 2 shown in column 24b
In case of 5Å, as a result of fitting, the incident angle is 75.0
The smallest χ 2 value of 0.0242 is shown at 3 ° (see column 24e). Film thickness 30 shown in column 24c
In case of Å, as a result of fitting, the incident angle is 75.04.
The smallest χ 2 value is 0.0297 at the time of ° (see the column 24f). The model of 24e showing the smallest χ 2 value of 0.0242 among these (φ
best = 75.03 °, d best = 25Å) is selected. (Step 26) With the incident angle (φ best ) selected in the first step as a definite value, the fitting of the film thickness (d best ) and the dispersion equation parameters (ε s , ω t ) is performed. In the example, the incident angle (φ best ) = 75.03 ° is set as a definite value, and the fitting of the film thickness (d best ) = 25Å and the dispersion equation parameter (ε s , ω t ) = (2.00, 12.58) is performed. To do. This is the second stage. (Step 27) The fitting result of the second stage is shown. In the example, film thickness d (final result) = 24.24
Å, the parameters of the dispersion formula (ε s , ω t ) = (2.09,
13.24) is the final result. (Step 28) Save the data calculated in the above step. (Step 29) It is confirmed whether the stored data is physically unnatural.

【0019】(フィッティングにより得られたデータが
妥当でないときのステップ)前記第1および第2のいず
れかのステップとで得られた結果が、物理的にまたは経
験的に妥当でないことが起こり得る。その場合は、モデ
ルの設定が良くなかったと判断して、さらに、モデルの
構成物質の追加とか変更をおこない異なるモデルを設定
して再度フィッティングを行う。図2のステップ22→
21,ステップ25→21,ステップ27→21がこれ
に対応する。
(Step when Data Obtained by Fitting is Not Valid) It is possible that the results obtained in the first and second steps are not physically or empirically valid. In that case, it is determined that the model settings are not good, and the constituent substances of the model are added or changed to set a different model and the fitting is performed again. Step 22 of FIG. 2 →
21, step 25 → 21, step 27 → 21 correspond to this.

【0020】次に極小値計算法(BLMC)による分光
エリプソメータを用いた計測対象の基板表面の超薄膜お
よび薄膜計測方法において、基板表面の膜が、不均一ま
たは不連続や、いくつかの材料が混ざり合っている場合
の実施例について説明する。波長オーダーより、十分に
小さく、物理的に混合している複数の物質からなる媒質
については、有効媒質近似(EMA)を利用してモデル
を推定する。物質Aと物質Bが混合しているときの有効
媒質近似(EMA)は、物質Aの体積分率、物質Bの体
積分率、A+B混合層の膜厚、誘電率には分散式やリフ
ァレンスデータなどを推定してフィッティングを行い、
評価する。
Next, in the ultra-thin film and the thin film measuring method of the substrate surface of the measurement object using the spectroscopic ellipsometer by the minimum value calculation method (BLMC), the film on the substrate surface is uneven or discontinuous, and some materials are An example in the case where the two are mixed will be described. For a medium composed of a plurality of substances that are sufficiently smaller than the wavelength order and are physically mixed, the model is estimated using the effective medium approximation (EMA). The effective medium approximation (EMA) when the substance A and the substance B are mixed is a dispersion formula or reference data for the volume fraction of the substance A, the volume fraction of the substance B, the film thickness of the A + B mixed layer, and the dielectric constant. Estimate and fit
evaluate.

【0021】この実施例は、Si基板の上にSiO2
SiNの混合層を形成したものを測定するものである。 (測定ステップ)前記計測対象の基板表面の薄膜(Si
2 とSiNの混合層)を、入射光の波長を変えて各波
長λi ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定ス
ペクトルΨE ( λi ) とΔE ( λi ) を得る。測定装置
は前述したものと変わらない。
In this embodiment, a mixed layer of SiO 2 and SiN is formed on a Si substrate to be measured. (Measurement step) The thin film (Si
O 2 and SiN mixed layer), the measurement spectra Ψ Ei ) and Δ Ei ) which are changes in the polarization of the incident light and the reflected light for each wavelength λ i are changed by changing the wavelength of the incident light. obtain. The measuring device is the same as that described above.

【0022】(対象のモデル形成ステップ)このステッ
プでは、基板上の薄膜がSiO2 とSiNの混合層にな
っている場合のモデルを形成する。前記基板Siの(N
0,(n0,k0 ))は、基板がバルクであることから容易
に決められる。基板上の薄膜の(d,N(n, k))を
有効媒質近似(EMA)を利用するため、いくつかの分
散式またはリファレンスデータを用いて仮定してモデル
をたてる。薄膜のモデルの初期値を 混合比(Vf ): SiO2 (30%)+SiN(70
%) 厚さ(d) : 20Åとする。ここからさらに、予想
される範囲内にある複数の膜厚(d±mΔd)および、
前記モデルで利用した分散式などの予想される範囲内に
ある複数の混合比(Vf ±mΔVf )、予想される範囲
内にある複数の入射角度(φ±mΔφ)を設定する。
(Target Model Forming Step) In this step, a model in which the thin film on the substrate is a mixed layer of SiO 2 and SiN is formed. (N of the substrate Si
0 , (n 0 , k 0 )) is easily determined because the substrate is a bulk. In order to use the effective medium approximation (EMA), (d, N (n, k)) of the thin film on the substrate is modeled by using some dispersion formula or reference data. The initial value of the model of the thin film is the mixing ratio (V f ): SiO 2 (30%) + SiN (70
%) Thickness (d): 20Å. From here, a plurality of film thicknesses (d ± mΔd) within the expected range and
A plurality of mixing ratios (V f ± mΔV f ) within an expected range such as the dispersion formula used in the model and a plurality of incident angles (φ ± mΔφ) within the expected range are set.

【0023】(分散式のパラメータのフィッティングス
テップ)前記入射角、膜厚、および混合比の組み合わせ
にもとづいて分散式のパラメータ(εs,ωt )のフィッ
ティングを行う。 (第1選択ステップ)前記フィッティングにより得られ
た各ΨM ( λi ) とΔM ( λi ) の中から、前記ΨE (
λi ) とΔE ( λi ) との差の最も少なくなる膜厚(d
best)と入射角(φbest)、混合比(Vfbest )の組み
合わせを設定したモデルのフィッティング結果(DSP
best)を選択する。
(Dispersion Equation Parameter Fitting Step) The dispersion equation parameters (ε s, ω t ) are fitted based on the combination of the incident angle, the film thickness, and the mixing ratio. (First Selection Step) From the respective Ψ Mi ) and Δ Mi ) obtained by the fitting, the Ψ E (
The film thickness (d that minimizes the difference between λ i ) and Δ Ei )
best ), incident angle (φ best ) and mixture ratio (V fbest ), the fitting result of the model (DSP)
best ).

【0024】(第2選択ステップ)前記第1ステップで
選択された入射角度(φbest)を確定値として、膜厚
(d best)と混合比(Vfbest )、分散式(DS
best)のフィッティングを行う。その結果、例では、
SiO2 (57.1%)+SiN(42.9%) 厚さ(d) : 32.5Åが結果として得られる。
(Second selection step) In the first step
Selected incident angle (φbest) As a definite value
(D best) And mixing ratio (Vfbest ), Distributed (DS
Pbest) Fitting. As a result, in the example,
SiO2 (57.1%) + SiN (42.9%) Thickness (d): 32.5Å results.

【0025】(フィッティングにより得られたデータが
妥当でないときのステップ)前記第1および第2のいず
れかのステップとで得られた結果が、物理的にまたは経
験的に妥当でないことが起こり得る。それは、モデルの
設定が良くなかったと判断して、さらに、モデルの構成
物質の追加や変更をおこない、異なるモデルを設定して
再度フィッティングを行い、正しい結果が得られるまで
繰り返す。なおこのステップは、現実には不可欠である
が人為的な判断であり発明を構成する部分ではない。
(Step when Data Obtained by Fitting is Not Valid) It is possible that the results obtained in the first and second steps are physically or empirically invalid. It is judged that the setting of the model is not good, further, addition or change of the constituent material of the model is performed, a different model is set and fitting is performed again, and the process is repeated until a correct result is obtained. Although this step is indispensable in reality, it is an artificial judgment and is not a part of the invention.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上詳しく説明したように本発明によれ
ば、以前は困難であった超薄膜および薄膜構造を、モデ
ルを使用し、さらに極小値計算法(BLMC)を用いて
フィッティングすることにより精度よく正確に測定する
ことができる。
As described above in detail, according to the present invention, the previously difficult ultra-thin film and thin film structure are fitted by using the model and the minimum value calculation method (BLMC). It can measure accurately and accurately.

【0027】以上詳しく説明した実施例について、本発
明の範囲内で種々の変形を施すことができる。理解を容
易にするために、データの取得、モデルの設定に関連し
て一貫してΨ,Δを用いて説明した。当業者には良く知
られている以下のデータ対を用いても同様な、測定およ
びフィッティングが可能であり、本発明の技術的範囲に
含まれるものである。 (n,k)、(εi ,εr )、( tan Ψ,cos Δ) 、
(Is,c ) また基板上にSiON層を1層形成する例を示したが、
異なる多層構造の測定や広い範囲の膜厚の測定にも同様
に利用できる。基板もSiの例を示したが、他の材料
(ガラスや石英、化合物半導体など)も同様に利用でき
る。
Various modifications can be made to the embodiment described above in detail within the scope of the present invention. For ease of understanding, we have used Ψ, Δ consistently in connection with data acquisition and model setup. Similar measurements and fittings are possible using the following data pairs, which are well known to those skilled in the art, and are within the scope of the present invention. (N, k), (ε i , ε r ), (tan Ψ, cos Δ),
(I s, I c ) Also, an example of forming one SiON layer on the substrate has been shown.
It can also be used to measure different multilayer structures and a wide range of film thicknesses. Although the substrate is made of Si as an example, other materials (glass, quartz, compound semiconductor, etc.) can be used as well.

【0028】例では、フィッティングはあらゆる全ての
パラメータを同時にフィッティングすると説明したが、
別々にフィッティングする場合もあり、これも本発明の
技術的範囲に含まれるものとする。
In the example, the fitting was described as fitting all all parameters simultaneously,
The fitting may be performed separately, and this is also included in the technical scope of the present invention.

【0029】例では、フィッティングは入射角と膜厚の
組み合わせで書いたが、ソフトによっては入射角を分散
式と同時にフィッティングすることもあり、これも本発
明の技術的範囲に含まれるものとする。
In the example, the fitting is described by the combination of the incident angle and the film thickness, but depending on the software, the incident angle may be fitted simultaneously with the dispersion formula, which is also included in the technical scope of the present invention. .

【0030】入射角をフィッティングせず、固定とした
時にも同様に、技術的範囲に含まれるものとする。
Even when the incident angle is fixed without fitting, it is also included in the technical range.

【0031】前述した実施例では分散式としてクラシカ
ル(古典力学)の式を用いたが、その他の式やパラメー
タについても同様に使用可能であり、それらは本発明の
技術的範囲に含まれるものとする。
Although the classical formula is used as the dispersion formula in the above-described embodiments, other formulas and parameters can be used in the same manner, and these are included in the technical scope of the present invention. To do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明方法の分光測定データの取得のステップ
10で使用する分光エリプソメータの構成を示すブロッ
ク図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a spectroscopic ellipsometer used in step 10 of acquiring spectroscopic measurement data according to the method of the present invention.

【図2】本発明による薄膜計測方法を説明するための流
れ図である。
FIG. 2 is a flow chart for explaining a thin film measuring method according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Xeランプ 2 光ファイバ 3 偏光子 4 サンプル 5 光弾性変調器(PEM) 6 検光子 7 光ファイバ 8 分光器 9 データ取込部 10 分光測定ステップ 20 分光測定比較データ化ステップ 21 モデル比較データ化ステップ 22 シミュレーションステップ 23 フィッティングステップ 24 フィッティング過程を示すステップ 25 一つの入射角と膜厚の組み合わせを選択する第1
ステップ 26 フィッティングステップ(第2ステップ) 27 結果獲得ステップ 28 データ保存ステップ 29 確認ステップ
1 Xe Lamp 2 Optical Fiber 3 Polarizer 4 Sample 5 Photoelastic Modulator (PEM) 6 Analyzer 7 Optical Fiber 8 Spectrometer 9 Data Acquisition Unit 10 Spectroscopic Measurement Step 20 Spectroscopic Measurement Comparison Data Conversion Step 21 Model Comparison Data Conversion Step 22 Simulation step 23 Fitting step 24 Step 25 showing fitting process First selecting a combination of one incident angle and film thickness
Step 26 Fitting step (second step) 27 Result acquisition step 28 Data storage step 29 Confirmation step

フロントページの続き (72)発明者 和才 容子 東京都江戸川区北葛西4丁目13番4号 愛 宕物産株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA30 BB22 CC31 DD00 FF50 GG03 GG24 HH09 HH12 HH17 HH18 JJ01 JJ08 LL02 LL33 LL34 LL57 NN08 QQ17 QQ42 SS03 UU05 UU07 2G059 AA02 AA10 BB16 BB20 EE02 EE05 EE12 GG10 JJ17 JJ19 MM20 Continued front page    (72) Inventor Yoko Kazui             Ai, 4-13-4 Kitakasai, Edogawa-ku, Tokyo             Atago Bussan Co., Ltd. F term (reference) 2F065 AA30 BB22 CC31 DD00 FF50                       GG03 GG24 HH09 HH12 HH17                       HH18 JJ01 JJ08 LL02 LL33                       LL34 LL57 NN08 QQ17 QQ42                       SS03 UU05 UU07                 2G059 AA02 AA10 BB16 BB20 EE02                       EE05 EE12 GG10 JJ17 JJ19                       MM20

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 極小値計算法(BLMC)による分光エ
リプソメータを用いた計測対象の基板表面の超薄膜およ
び薄膜計測方法において、 計測対象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各
波長λi ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定
スペクトルΨE ( λi ) とΔE ( λi ) を得るΨE ,Δ
E スペクトル測定ステップと、 前記基板の(N0,(n0,k0 )),基板上の薄膜の
(d,N(n, k))を分散式を用いて仮定し、さらに
予想される範囲内にある複数の膜厚(d±mΔd)およ
び予想される範囲内にある複数の入射角(φ±mΔφ)
を設定するステップと、 前記入射角と膜厚の組み合わせにもとづいて、分散式
(DSP)のパラメータ(εs,ωt )のフィッティング
を行うステップと、 前記フィッティングにより得られた各ΨM ( λi ) とΔ
M ( λi ) の中から前記ΨE ( λi ) とΔE ( λi ) と
の差の最も少なくなる膜厚(dbest)と入射角
(φbest)の組み合わせを設定したモデルのフィッティ
ング結果(DSPbest)を選択する第1ステップと、 前記第1ステップで選択された入射角度(φbest)を確
定値として、膜厚(d best)と分散式(DSPbest)の
フィッティングを行う第2ステップで構成された、 極小値計算法(BLMC)による分光エリプソメータを
用いた計測対象の基板表面の超薄膜および薄膜計測方
法。
1. A spectroscopic image by a minimum value calculation method (BLMC).
An ultra-thin film on the surface of the substrate to be measured using a lipometer and
And thin film measurement method, The thin film on the surface of the substrate to be measured is changed by changing the wavelength of the incident light.
Wavelength λi Is the change in polarization of incident light and reflected light for each
Spectrum ΨE (λi ) And ΔE (λi ) ΨE , Δ
E Spectrum measurement step, (N of the substrate0, (N0, k0 )), Of the thin film on the substrate
(D, N (n, k)) is assumed using the dispersion formula, and
Multiple film thicknesses within the expected range (d ± mΔd) and
And multiple incident angles within the expected range (φ ± mΔφ)
And the step of setting Based on the combination of the incident angle and the film thickness, the dispersion formula
(DSP) parameter (εs,ωt ) Fitting
The steps to do Each Ψ obtained by the fittingM (λi ) And Δ
M (λi ) From the above ΨE (λi ) And ΔE (λi ) When
The film thickness (dbest) And angle of incidence
best) Model fitty
Results (DSPbest) The first step of selecting The incident angle selected in the first step (φbest)
As a constant value, the film thickness (d best) And dispersion formula (DSPbest)of
Consisting of the second step of fitting, A spectroscopic ellipsometer using the minimum value calculation method (BLMC)
Ultra thin film and thin film measuring method on the substrate surface used for measurement
Law.
【請求項2】 前記第1および第2ステップにおいて、
前記差の最も少ないものを選択するステップは、フィッ
ティングしたものと測定値の平均二乗誤差を求め、最も
小さい平均二乗誤差のものに決定することである極小値
計算法(BLMC)による分光エリプソメータを用いた
超薄膜および薄膜計測方法。
2. In the first and second steps,
The step of selecting the one having the smallest difference is to obtain the mean square error between the fitted value and the measured value, and determine the one having the smallest mean square error by using the spectroscopic ellipsometer by the minimum value calculation method (BLMC). Ultra thin film and thin film measuring method.
【請求項3】 極小値計算法(BLMC)による分光エ
リプソメータを用いた計測対象の基板表面の超薄膜およ
び薄膜計測方法において、 計測対象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各
波長λi ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定
スペクトルΨE ( λi ) とΔE ( λi ) を得るΨE ,Δ
E スペクトル測定ステップと、 基板上の薄膜が微視的に不均一、またはいくつかの材料
が混ざり合っている場合、前記基板の(N0,(n0,k
0 )),基板上の薄膜の(d,N(n, k))を有効媒
質近似(EMA)を利用するため、いくつかの分散式ま
たはリファレンスデータを用いて仮定してモデルをたて
るステップと、 予想される範囲内にある複数の膜厚(d±mΔd)およ
び、前記モデルで利用した分散式などの予想される範囲
内にある複数の混合比(Vf ±mΔVf )、予想される
範囲内にある複数の入射角度(φ±mΔφ)を設定する
ステップと、 前記入射角と膜厚と混合比の組み合わせにもとづいて分
散式のパラメータ(εs,ωt )のフィッティングを行う
ステップと、 前記フィッティングにより得られた各ΨM ( λi ) とΔ
M ( λi ) の中から、前記ΨE ( λi ) とΔE ( λi )
との差の最も少なくなる膜厚(dbest)と入射角(φ
best)、混合比(Vfbest )の組み合わせを設定したモ
デルのフィッティング結果(DSPbest)を選択する第
1ステップと、 前記第1ステップで選択された入射角度(φbest)を確
定値として、膜厚(d best)と混合比(Vfbest )、分
散式(DSPbest)のフィッティングを行う第2ステッ
プで構成された、極小値計算法(BLMC)による分光
エリプソメータを用いた計測対象の基板表面の超薄膜お
よび薄膜計測方法。
3. A spectroscopic image by a minimum value calculation method (BLMC)
An ultra-thin film on the surface of the substrate to be measured using a lipometer and
And thin film measurement method, The thin film on the surface of the substrate to be measured is changed by changing the wavelength of the incident light.
Wavelength λi Is the change in polarization of incident light and reflected light for each
Spectrum ΨE (λi ) And ΔE (λi ) ΨE , Δ
E Spectrum measurement step, The thin film on the substrate is microscopically non-uniform or some material
If they are mixed, the (N0, (N0, k
0 )), (D, N (n, k)) of the thin film on the substrate
In order to use quality approximation (EMA)
Or make a model by using the reference data.
Step, Multiple film thicknesses within the expected range (d ± mΔd) and
And expected range such as the dispersion formula used in the above model
A plurality of mixing ratios (Vf ± mΔVf ),is expected
Set multiple incident angles (φ ± mΔφ) within the range
Steps, Based on the combination of the incident angle, film thickness and mixing ratio
Dispersion parameter (εs,ωt ) Fitting
Steps, Each Ψ obtained by the fittingM (λi ) And Δ
M (λi ) From the above ΨE (λi ) And ΔE (λi )
The film thickness (dbest) And incident angle (φ
best), Mixing ratio (Vfbest ) Combination
Dell Fitting Results (DSPbest) Choose
1 step, The incident angle selected in the first step (φbest)
As a constant value, the film thickness (d best) And mixing ratio (Vfbest ), Minutes
Dispersal (DSPbest) The second step for fitting
Spectroscopy based on minimum value calculation method (BLMC)
Ultra thin film on the surface of the substrate to be measured using an ellipsometer
And thin film measurement method.
【請求項4】 極小値計算法(BLMC)による分光エ
リプソメータを用いた計測対象の基板表面の超薄膜およ
び薄膜計測方法において、 計測対象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各
波長λi ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定
スペクトルΨE ( λi ) とΔE ( λi ) を得るΨE ,Δ
E スペクトル測定ステップと、 予想される範囲内にある複数の測定条件(Zj )ごと
に、請求項1または請求項3の第2ステップまでを行
い、各測定条件ごとに得られた結果の中から、分散式の
パラメータや混合比Vf が、設定した最大・最小値の間
に入っている組み合わせの中で、χ2 の最も良いものを
選択する第3ステップから構成された、極小値計算法
(BLMC)による分光エリプソメータを用いた計測対
象の基板表面の超薄膜および薄膜計測方法。
4. An ultrathin film and a thin film measuring method of a substrate surface of a measurement target using a spectroscopic ellipsometer according to a minimum value calculation method (BLMC), wherein the thin film of the substrate surface of the measurement target is changed by changing the wavelength of incident light to each wavelength. Ψ E , Δ for obtaining measured spectra Ψ Ei ) and Δ Ei ) which are changes in polarization of incident light and reflected light for each λ i
Among the results obtained under each measurement condition, perform the E spectrum measurement step and the second step of claim 1 or claim 3 for each of the plurality of measurement conditions (Z j ) within the expected range. From the above, the minimum value calculation including the third step of selecting the best χ 2 among the combinations in which the parameters of the dispersion formula and the mixing ratio V f fall between the set maximum and minimum values Method for measuring ultra-thin film on substrate surface using spectroscopic ellipsometer by method (BLMC) and thin film measuring method.
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