JP2008275552A - 金属膜の埋設深さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透光性材料の表面からその透光性材料に埋設された金属膜までの深さを非破壊で精度良く簡便に測定するための金属膜の埋設深さ測定方法を提供する。
【解決手段】赤外光を用いて、金属膜が埋設された透光性材料の反射スペクトルの測定を一定の入射角θで行うことによって反射スペクトルを求め、得られた反射スペクトルの２５００ｃｍ^−１以上の波数域における周期的な干渉縞の周期Ｐ（ｃｍ^−１）を求め、透光性材料の屈折率をｎとして、透光性材料の表面から金属膜までの深さｄ（ｃｍ）を、ｄ＝１／（２Ｐ（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^０．５）により求める。
【選択図】図１

Description

本発明は透光性材料に埋設された金属膜の埋設深さ測定方法に関し、特に、波数が２５００ｃｍ^−１以上の一定領域の赤外光透過性が良好な石英ガラス等に埋設された金属膜の当該石英ガラスの表面からの埋設深さ測定方法に関する。

静電チャックは、半導体装置や液晶ディスプレイ等の製造工程において、半導体ウエハやガラス基板等を保持，搬送する手段として用いられており、半導体ウエハやガラス基板を接触保持するための誘電体層と、この誘電体層の表面に静電気力を発生させる電極を備えている。

静電チャックにおいて、誘電体層の厚さ（誘電体層の表面（吸着面）から電極表面までの深さ（距離））は必要な静電気力を発生させるために電極に印加すべき電圧値に影響を与え、また電極の平坦度は発生する静電気力の分布に影響を与えるために、電極性状の評価は静電チャックの構造評価上、極めて重要である。

さて、静電チャックとして、近時、誘電体層として石英ガラスを、電極として櫛形電極をそれぞれ備えたものが用いられるようになってきている。このような静電チャックにおける誘電体層の厚さの評価は、一般的に、非破壊測定では光学顕微鏡や超音波変位計が用いられ、一方、破壊測定では光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡による断面観察が用いられる（例えば、非特許文献１参照）。

破壊測定により得られる結果は信頼性に優れるが、試料作製処理が必要であり、また定期的に製品を破壊することは、歩留まり低下につながる。そこで、非破壊測定による評価を行うことが好ましいが、例えば、超音波変位計を用いた測定では、誘電体層の表面から電極までの距離が３００μｍ以下の場合には、測定誤差が大きくなるという問題がある。静電チャックではこの距離は１００μｍ以下となるために、超音波変位計による測定方法は適切とは言えない。また、光学顕微鏡を用いた測定では、測定者間で焦点合わせ等にばらつきが生じやすいために、ミクロンオーダーの誤差が入りやすいという問題がある。
"超音波厚さ計"、ダコタ・ジャパン、［２００７年３月２０日検索］、インターネット、＜URL：http://www.dakotajapan.com/product.htm#b＞

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、透光性材料の表面からその透光性材料に埋設された金属膜までの深さを非破壊で精度良く簡便に測定するための金属膜の埋設深さ測定方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、透光性材料にその表面から一定の深さに金属膜が埋設されてなる部材における当該金属膜の埋設深さを測定する方法であって、
前記部材へ、所定波数領域の赤外光を一定の入射角θで入射させ、そのときの波数νごとに入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）に対する反射光エネルギー強度Ｉ（ν）の比たる反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）を測定し、この反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）と波数νとの関係を示す反射スペクトルを求め、
前記反射スペクトルの周期的な干渉縞の周期Ｐ（ｃｍ^−１）を求め、
前記透光性材料の屈折率をｎとして、前記透光性材料の表面から前記金属膜までの深さｄ（ｃｍ）を、ｄ＝１／（２Ｐ（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^０．５）により求めることを特徴とする金属膜の埋設深さ測定方法が提供される。

この測定方法は、透光性材料が石英ガラスを主成分としている場合に好適に用いられる。好ましくは入射角θを３０°以下とする。反射率を求めるために、少なくとも波数νが２５００ｃｍ^−１以上の領域の赤外光を用いることが好ましく、この場合、干渉縞の周期Ｐもこの波数領域で求める。

本発明によれば、例えば、石英ガラスを誘電体層として用いた静電チャックにおいて、吸着面から電極膜までの深さを、非破壊で容易かつ高い精度で行うことができ、電極膜の平坦度に関する知見をも得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に静電チャック１０の概略構断面図を示す。この静電チャック１０は、石英ガラス１２の内部に、金属膜１４が埋設された構造を有している。半導体ウエハ等の基板は、石英ガラス１２の表面（上面）１２ａに吸着保持される。

周知の通り、石英ガラス１２は誘電性材料であり、かつ、透光性材料である。本発明の“透光性材料”とは、波数が２５００ｃｍ^−１以上の一定領域の赤外光を透過する性質を有するものをいう。また、ここで“一定領域”とは、後述する干渉縞を約１０周期分取ることができる波数領域をいう。このような性質を備えている限りにおいて、石英ガラス１２は不純物を含んでいてもよい。

金属膜１４は、この表面１２ａから金属膜１４の表面までの深さが一定となるように（但し、一定のばらつきは許容される）、つまり表面１２ａと金属膜１４が平行となるように、石英ガラス１２に埋設されている。金属膜１４は、例えば、Ｎｉ箔等である。

このような構造を有する静電チャック１０における，石英ガラス１２の表面１２ａから金属膜１４の表面までの深さ“ｄ”（以下「金属膜１４の深さｄ」と記す）を求める方法について、次に説明する。

図１に併記するように、石英ガラス１２の表面１２ａ側から一定の入射角θで波数νの赤外光を入射させ、入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）に対する反射光エネルギー強度Ｉ（ν）の比である反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）を測定し、この反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）と波数νとの関係を示す反射スペクトルを得る。

空気／石英ガラス１２界面での屈折率の違いに基づいて石英ガラス１２の表面１２ａで反射された反射光と、石英ガラス１２を透過して金属膜１４の表面で反射した反射光とが、平行となって干渉を起こすため、反射スペクトル上で反射光どうしが互いに強めあう波数と弱めあう波数とが周期的に現れる。こうして反射スペクトルには、周期的な反射率の強弱変化、すなわち干渉縞が現れる。

反射光エネルギー強度Ｉ（ν）ではなく、反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）を用いる理由は以下の通りである。例えば、フーリエ変換型赤外分光光度計 （Fourier transform infrared spectrophotometer（FTIR））を用いて測定する場合には、入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）は、その測定に用いる光源の輝度分布Ｓ（ν）に、検出器の感度特性や光学系の鏡の反射率、干渉計内のビームスプリッターの干渉縞等の測定系の装置関数Ｆ（ν）が掛かった形［Ｉ_０（ν）＝Ｓ（ν）×Ｆ（ν）］で表される。また、反射光エネルギー強度Ｉ（ν）は、入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）に測定試料の反射特性を表す反射率Ｒ（ν）が更に掛かった形［Ｉ（ν）＝Ｓ（ν）×Ｆ（ν）×Ｒ（ν）］で表される。ここで、この反射率Ｒ（ν）は、測定光学系とは無関係の量で、入射光に対する測定試料の応答を表す。

これら２つの式から、Ｉ_０（ν）とＩ（ν）との比を取って、Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）＝Ｒ（ν）とすることにより、Ｉ（ν）を規格化し、輝度分布Ｓ（ν）と装置関数Ｆ（ν）の影響を排除することができる。

反射スペクトルの測定には、具体的には、ＦＴＩＲ等を用いることができる。反射光エネルギー強度Ｉ（ν）は、図１に示されるように、測定試料たる静電チャック１０を用いて測定される。入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）は、この測定試料に代えて反射鏡を用い、この反射鏡の反射率が１００％であるとして、得られた反射光エネルギー強度を入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）とみなし、これにより、反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）を求める。したがって、例えば、Ｉ（ν）＝０．５Ｉ_０（ν）であれば反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）は５０％であり、Ｉ（ν）＝０．８Ｉ_０（ν）であれば反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）は８０％である。

反射鏡には金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属蒸着鏡が用いられる。厳密にはこのような金属蒸着鏡の反射率は１００％ではないため、実測されるＩ（ν）／Ｉ_０（ν）は、測定試料である静電チャック１０の固有の反射率Ｒ（ν）と正確には一致しないが、近似的にＩ（ν）／Ｉ_０（ν）＝Ｒ（ν）として、差し支えない。

このようにして得られた反射スペクトルから、干渉縞の周期Ｐ（ｃｍ^−１）を読み取る。空気の屈折率を１、石英ガラス１２の屈折率をｎとすると、この干渉縞の周期Ｐは、Ｐ＝１／（２ｄ（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^０．５）で表されるので、この式を変形し、ｄ＝１／（２Ｐ（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^０．５）により、金属膜１４の深さｄ（ｃｍ）を求めることができる。

このような金属膜１４の深さｄを求めるために用いる赤外光の波数νは、２５００ｃｍ^−１以上の領域に設定することが好ましい。石英ガラスの場合、２５００ｃｍ^−１以上の波数域においては、反射帯等の構造が反射スペクトル上に現れず、干渉縞を観測しやすい。

赤外光の入射角θは好ましくは３０°以下とする。これは、多くの反射装置で入射角が３０°以下に設定されていることによる。

なお、垂直入射（θ＝０°）の場合には、上記式は、ｄ＝１／２Ｐｎで表される。入射角θを上記範囲内の一定の値で定めて、反射光強度スペクトルを測定した場合であっても、この式を近似式として用いて、金属膜１４の深さｄを求めてもよい。その場合でも、金属膜１４の深さｄの測定誤差は、１μｍ程度に抑えられる。

金属膜１４の深さｄが実際に数ミクロンと浅い場合には、超音波変位計や光学顕微鏡を用いた測定では測定誤差が大きくなるが、赤外反射光の干渉を利用した上記方法では、反射スペクトルには長い周期の干渉縞が現れるだけであるので、十分に対応することができる。

ところで、静電チャック１０において、金属膜１４に撓みや波打ち等の凹凸があって、金属膜１４全体で平坦度が悪い場合には、石英ガラス１２の表面１２ａでの反射光と金属膜１４表面での反射光とが平行にならないために、これらの反射光の干渉がうまくいかず、その結果、反射スペクトルに干渉縞が現れ難くなる。この現象を利用すれば、上述した金属膜１４の深さｄの測定方法は、反射スペクトルに現れる干渉縞の有無を判断することよって、金属膜１４の平坦度を定性的に知る方法としても用いることができるということがわかる。

［試料と測定方法］
図１に示した構造に準じた，縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ約６．５ｍｍの形状を有する石英ガラスの内部に、金属膜としてＮｉ膜が埋設された２つの試料（以下「試料Ａ」，「試料Ｂ」とする）を準備し、その中心部の反射スペクトルの測定を、フーリエ変換型赤外分光光度計（Ｂｒｕｋｅｒ ＩＦＳ１１３Ｖ）を用い、分解能：２ｃｍ^−１，アパーチャー：１０ｍｍ，入射角θ：１５°とし、波数：３５００〜２５００ｃｍ^−１の領域で行った。得られた反射スペクトルに現れた９周期または１０周期分の干渉縞から周期Ｐを算出し、石英ガラスの屈折率を１．４１として、ｄ＝１／（２Ｐ（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^０．５）、により金属膜１４の深さｄを求めた。

なお、今回の測定では迅速な測定を行うべく、試料室を大気圧と同じとなるように窒素ガスでパージして、測定を行った。大気中の水蒸気と二酸化炭素を完全に除去しきれておらず、これらのガス種の吸収が反射スペクトルに現れた。

この赤外光を用いた測定の後に、試料Ａ，Ｂをそれぞれ測定点において切断し、光学顕微鏡を用いてその断面観察を行うことにより、金属膜の深さを求めた。

また、図１に示した静電チャック１０の構造に準じて、図２Ａ，図２Ｂの平面図にそれぞれ示すように、石英ガラス２２の内部に、金属膜としてＮｉ膜２４が埋設された構造を有する２個の試料（以下「試料Ｃ」，「試料Ｄ」とする）を準備した。これらの試料Ｃ，Ｄは、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ約６．５ｍｍの形状を有し、Ｎｉ膜２４が石英ガラス２２の一方の主面（表面）から約８０μｍの深さに埋設されるように作製されている。Ｎｉ膜２４は、図２Ａ，２Ｂに示される通りの櫛形形状を有している。

試料Ｃにおける測定点は、図２Ａに‘Ｃ−１’〜‘Ｃ−７’で示される７点とし、試料Ｄにおける測定位置は、図２Ｂに‘Ｄ−１’〜‘Ｄ−４’で示される４点とした。測定条件とＮｉ膜２４の深さｄの算出方法は試料Ａ，Ｂの場合と同じである。

［測定結果］
試料Ａ，Ｂでの測定結果を表１に示す。また、試料Ａ，Ｂの反射スペクトルを図３に示す。測定された反射スペクトルには、干渉縞を特定できる波数領域とできない波数領域とがあり、干渉縞を特定できる波数領域内で、さらにはっきりと干渉縞を観察することができる範囲において、干渉縞の周期を求め、深さの値を求めた。このことは、後述する試料Ｃ，Ｄについても同様である。

試料Ａでは、干渉縞の周期は４４．５ｃｍ^−１と求められ、これにより金属膜の深さは８１．１μｍと算出された。一方、断面観察によれば、金属膜の深さは、８０．６μｍであり、これらの測定結果はよく一致することが確認された。同様に試料Ｂでは、干渉縞の周期は４５．５５ｃｍ^−１と求められ、これにより金属膜の深さは７９．２μｍと算出され、断面観察による金属膜の深さは７８．３μｍであったことから、これらの測定結果もよい一致を示した。

これらの結果から、赤外光の反射スペクトルに現れる干渉縞の周期から金属膜の深さを求めた場合の測定誤差は、高々、１μｍ程度に押さえられているものと判断できる。

試料Ｃ，Ｄでの測定結果を表２に示す。また、試料Ｃの反射スペクトルを図４Ａ，４Ｂに、試料Ｄの反射スペクトルを図５Ａ，５Ｂにそれぞれ示す。試料Ｃでは、測定点Ｃ−１で干渉縞が確認できなかったが、その他の測定点では干渉縞が確認された。但し、測定点Ｃ−４，Ｃ−６の２点では、干渉縞がその周期を確定できるほどに明確に現れていないために、Ｎｉ膜２４の深さは算出していない。

表２に示される通り、試料Ｃでの金属膜の深さは平均で８４．８μｍであると求められ、設計値である８０μｍとよく一致している。

また、試料Ｃの目視観察でも、Ｎｉ膜２４に波打ち等は少なく、平坦度が良好であると判断された。

これに対して試料Ｄでは、図４Ａ，４Ｂに示した試料Ｃの反射スペクトルと図５Ａ，５Ｂに示した試料Ｄの反射スペクトルとの対比から明らかなように、全ての測定点において、干渉縞の周期を特定できる程度のはっきりした干渉縞は現れなかった。また、試料Ｄの目視観察では、試料ＤのＮｉ膜に波打ち模様を確認することができた。したがって、試料Ｄでは、石英ガラス表面の反射光とＮｉ膜金属膜での反射光とが、図１に示したように平行にならず、反射光どうしの干渉がうまくいかず、その結果、反射スペクトルに干渉縞が現れなかったものと考えられる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は静電チャックにおける金属膜の深さの測定に限られるものでなく、透光性材料に金属が埋設されている構造物に対して有用である。

静電チャックの構造と光の入射・反射状態を示す断面図。 試料Ｃの静電チャックの平面図。 試料Ｄの静電チャックの平面図。 試料Ａ，Ｂの反射スペクトル。 試料Ｃの反射スペクトルの第１図。 試料Ｃの反射スペクトルの第２図。 試料Ｄの反射スペクトルの第１図。 試料Ｄの反射スペクトルの第２図。

符号の説明

１０…静電チャック、１２…石英ガラス、１２ａ…表面（上面）、１４…金属膜、２２…石英ガラス、２４…Ｎｉ膜。

Claims (4)

1. 透光性材料にその表面から一定の深さに金属膜が埋設されてなる部材における当該金属膜の埋設深さを測定する方法であって、
   前記部材へ、所定波数領域の赤外光を一定の入射角θで入射させ、そのときの波数νごとに入射光エネルギー強度Ｉ_０（ν）に対する反射光エネルギー強度Ｉ（ν）の比たる反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）を測定し、この反射率Ｉ（ν）／Ｉ_０（ν）と波数νとの関係を示す反射スペクトルを求め、
   前記反射スペクトルの周期的な干渉縞の周期Ｐ（ｃｍ^−１）を求め、
   前記透光性材料の屈折率をｎとして、前記透光性材料の表面から前記金属膜までの深さｄ（ｃｍ）を、ｄ＝１／（２Ｐ（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^０．５）により求めることを特徴とする金属膜の埋設深さ測定方法。
2. 前記透光性材料は、石英ガラスを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の金属膜の埋設深さ測定方法。
3. 前記入射角θを３０°以下の一定角度とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属膜の埋設深さ測定方法。
4. 前記反射率を求めるために、少なくとも波数νが２５００ｃｍ^−１以上の領域の赤外光を用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属膜の埋設深さ測定方法。

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