JP2013507635A - 原位置における極薄の光学膜の厚さデータ決定のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

薄膜の厚さに関するデータ（例えば、厚さ変化）は、以下の通りに本願明細書において決定される。前記膜および基板が、全体において、干渉計構造を形成するように、前記膜は基板上に配置される。その光放射線が膜および基板によって形成される干渉計構造の方へ発されて、前記干渉計構造から光学的に反射された後、放射線は測定される。前記薄膜の厚さ関連のデータ（例えば、厚さ変化）は、その後、スペクトル関連の情報の中で、例えば、前記光学的に反射された放射線によって決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜厚さデータ決定のための方法およびシステムに関し、特に、原位置における厚さ変化のような極薄の光学膜の厚さデータ決定に関する。

特性に関する厚さおよび厚さ変化のような、膜の特性が、通常、スペクトル反射率計によると同様に偏光解析装置による従来技術で測定される。さらに、研究は、目標として成長することが可能である同じ膜測定において用いられる光ファイバの端部に存在する。そして、反射光は膜構造の明確化のために分析される。また、温度の関数としての薄膜厚変化の測定のための解決法は、先行技術から周知である。いくつかの膜測定のための先行技術から周知の解決法が、例えば、国際公開第２００９／０７９８０３号、国際公開第２００７／０１９７１４号、および米国特許第６２７８８０９号の刊行物に開示されている。

しかしながら、周知の解決には、ある欠点がある。典型的なこれらの方法で、形成した薄膜は直接測定され、それは精度への関連した制限を引き起こす。さらに、薄膜堆積の最中に、形成した膜、例えば原位置における厚さを測定することは困難である。多くの場合、方法は、方法そのものの後だけ膜をテストし、測定することによって調整され、それは、順番に、時間のかかる解決である。さらに、例えば、スペクトル反射率計および偏光解析装置のような光学的膜測定手段によって、１０ナノメートル以下で非常に薄い膜を例えば、厚さ解像度を測定することは、通常極めて困難である。

従来技術の以前に言及された欠点を減らすことができるだろうということは、このような解決を実行する本発明の目標である。特に、本発明は、膜堆積の最中における特に極薄の膜の厚さデータおよび厚さ発達を、原位置においてどのように測定できるかを解決することを含蓄されている。

本発明の目的は、独立特許請求項の請求項において開示される特徴によって対処される。

本発明に係る測定方法は、測定方法を記載している独立請求項１の特徴部分において開示される特徴によって特徴づけられる。

本発明に係るシステムは、システムを記載している独立請求項８の特徴部分において開示される特徴によって特徴づけられる。

本発明に係る安定性測定、任意の校正、方法は、対応する独立請求項の特徴部分において開示される特徴によって特徴づけられる。

本発明に係るコンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラム製品を記載している独立請求項の特徴部分において開示される特徴によって特徴づけられる。

本発明の一実施形態によれば、データに関連する薄膜厚（例えば、厚さ変化）は、以下の方法で決定される。本発明によれば、前記膜および全体に干渉計構造を形成するような基板上に前記膜が配置される。当該基板は、その頂部に前記薄膜が先行技術において知られている任意の堆積法によって堆積される基部であることが好ましい。本発明によれば、光放射は、基板および膜によって形成された干渉計構造の方へ発せられ、前記干渉計構造から光学的に反射された放射線が測定された。本発明の実施形態によれば、前記膜厚関連データは、光学的に反射された放射線によってその時決定される。

本発明の一実施形態によれば、成長した膜および基板によって形成された干渉計構造は、実質的に光学ファブリ・ペロー−干渉計構造である。

本発明の一実施形態によれば、膜厚関連データは、前記光学的に反射された放射線スペクトル関連の情報によって決定される。さらに、接触なしで、膜厚関連データが光学的に決定されることは、本発明の判定方法にとって典型的である。

さらに、本発明の一実施形態によれば、スペクトルが、前記光学的に反射した放射線から規定され、前記スペクトルに理論的なスペクトルがその時相関され、前記理論的スペクトルが例えばインターフェログラムを得るために、事前に光学的干渉計構造の少なくとも一つの厚さ値を算出する。測定された構造およびその時また堆積した膜厚関連データは、インターフェログラムの最大点によって好ましく決定される。最大点は、好ましく測定空腔閾値を上回る。

特に、例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）法または化学気相堆積（ＣＶＤ）法のように、いくつかの堆積法によって前記膜が成長する時、例えば、決定された関連した厚さデータは、膜厚変化に関連する。

本発明の一実施形態によれば、厚さ関連データの決定は、相関方法によって達成される。この種類の適切な相関方法は、例えば、軽い機能である、しかしながら、また、他の周期関数、例えば、三角関数または箱機能が用いられる場合がある。さらに、本発明は、本明細書で表された相関方法だけに限定されるものではなく、他の方法もまた用いることができる。

例えば、単純な相関計算を用いることにより、測定ノイズを著しく減らすことができ、本発明に従う安定なシステムは１０ｐｍの光路解像度にさえ達しうることに留意されたい。基板膜が相関計算と組み合わせて用いられる時、本発明の着想に従って、また従来技術の反射率計によって、スペクトル測定それ自体を実行することができる。

さらに、例えば、バイオ膜の厚さを測定するために、本発明を非常に広範に適用することができることに留意されたい。例えば、水系においては、本発明の一実施形態によれば、流通管内の薄い窓の厚さ変化を測定することによって、例えば、蓄積されたバイオ膜の厚さを測定することが可能である。

なおさらに、本発明の一実施形態によれば、ファブリ・ペローに基づく分光計の実施形態のために、オンライン分光計校正を実行することも可能である。

本発明は、従来技術からの解決と比較して、重要な効果を提供する。例えば、発明は、原位置における厚さモニタリングおよび制御のためのＡＬＤおよびＣＶＤ方法と結合して利用されうる。さらに、方法は、例えば誘電膜のような厚さが１ナノメートル以下である膜厚測定を可能にし、それは明らかに、従来技術から周知の方法で示されるレベル以下にある。本発明によって可能にされる測定値は、例えばシステムを制御している薄膜装置のためと同様に薄膜プロセスの開発者のために、明白な利点を提供する。さらに、ハードウェアは特に高価な構成要素を必要としないので、非常に費用が効果的であり、その測定精度は優れる。

本発明のいくつかの好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

次に、本発明の好ましい実施形態は、以下の図面を参照してさらに詳細に記載されている。
本発明の実施形態に係る典型的な測定装置を例示する。 ２つの異なる調製方法によって最初の測定空洞部（空洞部構造）周辺で、薄膜形成の２つの異なるケースを例示する。 本発明の実施形態に係るシミュレーションされたスペクトルの実施形態を例示する。 本発明の実施形態に係る典型的な相関を例示する。 本発明の実施形態に係る空洞部測定の間、典型的なシミュレーションされたノイズを例示する。 本発明のいくつかの実施形態に係る典型的な測定空洞部調製を例示する。 本発明の実施形態に係る測定値において使われる、典型的な分光計を例示する。 本発明の実施形態に係る薄膜厚データの決定のための典型的な相関方法を例示する。 本発明の実施形態に係る薄膜厚データの決定のための典型的な相関方法を例示する。 本発明の実施形態に係る薄膜厚データの決定のための典型的な相関方法を例示する。

図１は、本発明の実施形態に係る典型的な測定装置１００を例示し、膜１０１は、例えば、選択された基板１０２上に堆積される。本発明によれば、膜および基板を備える本体は、光学的ファブリ・ペロー干渉計構造を形成する。この基板および膜の組合せは、その時接触なしで光学的に測定され（例えば、窓１０３による）、その場合には、薄膜装置に余分の器材を供給することは必要でない。厚さの決定はスペクトルデータに基づいて相関方法によって達成され、その場合は、Å範囲解像度は成し遂げられうる。これによって、例えば一つの単分子層構造をもとの位置で測定することが可能である。

図１に描写されているように、例示システム（例えば、白色光）の光放射は繊維１０５を経て、そして、室１０７にある測定空洞部に対するレンズ１０６を介して光学放射線源１０４からあて、ここで、光は干渉して、繊維へ反射する。光はさらに分光計１０８へと延び、そこから読み込まれたデータは、例えば、余弦および直方体関数としてのエアリー関数または他の周期関数によって相関方法によって分析される。

光学放射線源１０４は、当業者が認識可能な、例えば、ハロゲンまたは白いＬＥＤまたは他の対応する光学放射線源のような、例えば白光か他の連続スペクトル放射線の源を発生させてもよい。使用される光ファイバ１０５は、例えば、光学多モードファイバでもよい。

本発明の例示的な一実施形態によれば、堆積される膜が測定空洞部と同じ材料である時、最善の結果が成し遂げられることが観察された。この種の装置が決して義務的でないが、他の種類の具体的な組合せが使われうることを注意しなければならない。本発明の実施形態によれば、異なる測定空洞部は異なる方法で調製されうる。その場合には、測定空洞部材料は、例えば、以下のうちの１つでもよい：ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５であるが、本発明はこれらに限定されない。薄膜および測定空洞部の反射係数が極めて互いにどこで異ならなくても、このように、形成されたジョイント厚さはスペクトルデータから容易に算出されうる。本発明によれば、方法は確かである。例えば、材料の屈折インデックスが正確に周知である場合、例えば、形成されるＡＬＤ堆積の最中に、本発明によれば、分子層を直接オンラインで見ることができる。

図２は、２つの異なる調製方法によって最初の測定空洞部（空洞部構造）２０１周辺で、薄膜形成の２つの異なるケースを例示する。上図に、ＣＶＤ―計測器（例えば、誘電材料）１０１ａから得られる膜は試験空洞部の他の側の上に形成される。その時、再度、ＡＬＤ方法（下図）で測定される薄膜（例えば、誘電材料）１０１ｂは全部の測定空洞部構造２０１をカバーする。

図３は本発明の実施形態に係るシミュレーションされたスペクトル３００の実施形態を例示する。その時、測定空洞部は（光学的に）２０μｍ厚さであり、また、２μｍ厚さの外乱空洞部は存在する。それは、例えば、窓の上に形成される膜によって生じうる。

図４は、本発明の実施形態に係る典型的な相関を例示する。少なくとも１つ、しかし好ましくはいくつかの空洞部厚さ評価を算出された理論的なスペクトルが、測定されたスペクトルと相関され、図４にて描写されているインターフェログラム４０１が得られる。

薄膜が堆積されている測定空洞部の光学的厚さは、例えば、図４の場合、５μｍだけ出発点上に最大点を見つけることにより、周知の空洞部出発点上にパターンの最大点を見つけることによって解決される。この場合、約２０μｍ厚さデータに対応する、最大点が位置４０１ｂで見つけられる。従来のエアリー関数に加えて、余弦または直方体関数のような他の周期関数によっても、相関を実施することができる。インターフェログラム４０１ａの始まりにおいて、極めて大きい信号変化が常にあり、さらに、外乱空洞部ピークはそこに形成される。この理由から、図４に描写されている例示的な算出方法は、５μｍ超過の光学的厚さのみによく適合するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。

図５は、本発明のいくつかの実施形態に係る空洞部測定の間、典型的なシミュレーションされたノイズ５００を例示する。そのとき、ノイズ比に対するスペクトル信号は１０００である。測定標準偏差は、この場合０，１ｎｍの下にある。

図６は、本発明のいくつかの実施形態に係る測定空洞部６００調製のための典型的な方法を例示する。調製の間、例えばシリコンからの支持構造６０１が、コーティング（中間の図）によって調製されうる膜６０１ｂの上に再び、用いられうる（上図）。膜は、例えば、約２０μｍ厚さ誘電層６０１ｂ、それは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）でありうる。

前述した膜の調製後、測定空洞部の別の半分は、例えば、エッチング（最下図）によって開かれうる。しかしながら、注意しなければならない。例えば、エッチングのような最終工程（最下図）が義務的な動作でないが、測定空洞部６００がまた直接シリコン基板に敷設しうる。

図７は、本発明のいくつかの実施形態に係る測定値に用いるために、典型的な分光計７００のうちの１つを例示する。例えば、ＨＯＲＩＢＡによって製造される小型格子分光計は、問題の目的のために利用される場合がある。分光計の解像度は、本発明に関する方法にとって十分な、例えば、５ｎｍでもよい。しかしながら、他の分光計がそれを変えることのない本発明の基本的な着想を実行するために用いうることは、当業者にとって明白である。

図８ａ−ｃは、本発明のいくつかの実施形態に係る薄膜厚データの決定のための典型的な相関方法を例示する。そこでは、小型の周知スペクトル８０１（図８ａ）は測定スペクトル８０２（図８ｂ）を調節するために適用される。このように、小さい調製でさえ、相関８０３（図８ｃ）によって算出されうる。図８において描写されている相関から、空洞部が約３３であると明確に観察することができる。インターフェログラム８０３を改良するために、測定スペクトルは、実施形態によって、例えばブラックマン―ハリス・窓関数によって処理されうる。

本発明の一実施形態によれば、ファブリ・ペローに基づく分光計の安定性制御および厚さ測定は、好ましくは結合され、例えばかなり厚く、低反射率の膜がファブリ・ペロー干渉計（分光計の光路に）の前で配置される時、ほとんど検出可能でない周期的可変性はスペクトルに得られると観察される（例えば、図８ａ）。空洞値（干渉計構造および一方では膜厚直説法の値も光学的厚さを表す値）は相関算出によって再度分離されうる、そして、分光計装置が好ましく、空洞部材料は適切に選択され、それから、この空洞値が、校正のために分光計の安定性を、任意に、測定するために本発明の実施形態に従って使われうる。いわゆる調整空洞部は、その最も単純なものにおいて、例えば使用される室の窓上の単一のコーティング層でもよい。例えば、いくらかの例えば窒素雰囲気のようなガス雰囲気中で、使用される室は例えば金属ケースまたは別の室でもよい。さらに、インターフェログラム８０３の左右対称を分析することによって、おそらく分光計線形の変化を補償することもできる。

可能性のある実施シナリオは、言及されうる。その中で、この基準厚さがインターフェログラムから決定されることができるように、単に付加的に封入された光路、このような基板（それの厚さは測定基板より好ましくは小さい）が配置されている。この基準基板が不変のままであるので、測定された基準基板からのすべての厚さバリエーションは分光計の「生命」（このように、また、（非）安定性を記載する）に起因する。そこにおいて、これらのデータを有するケースは実際の測定値を好ましくは補償することができる。実際には、これはまた、付加的なファイバ分岐によって、且つ、基準基板反射測定によって実行されうる。

本発明の一実施形態において、好ましくは、基板が用いられ、十分に厚い（例えば２０μｍ）ように選択され、その結果、例えば、その室の窓に積層した膜の外乱効果が結果から除去されうる。

上記に表されているのは、本発明による解決法のいくつかの実施形態のみである。本発明の原則は、実施の詳細および動作範囲のために特許請求の範囲によって規定された保護範囲で、例えば、実施の詳細及び作用の範囲を自然に修正してもよい。特に、例えば、薄膜堆積プロセスと組み合わせて、本発明が物質的伝搬の全体にわたって空洞部厚さ変化の決定のために有効に利用されうる点に留意しなければならない。本発明およびその着想が、バイオおよびポリマー技術で、例えばバイオ膜の形成が本発明の原則に従って少し先に述べた方法で測定されるなど、また有効に利用されうることに、さらに留意されたい。

Claims (10)

1. 薄膜の厚さに関するデータの決定のための方法であって、前記膜および基板が全体として干渉計構造を形成するように、前記膜が前記基板上に配置されることと、前記方法において、光学放射線が前記膜と前記基板によって形成された前記干渉計構造の方に発せられ、前記干渉計構造から光学的に反射される放射線が測定され、前記薄膜の厚さ関連データが前記光学的に反射された放射線によって決定されることと、を特徴とする、方法。
2. 前記干渉計構造が、実質的に光学的ファブリ・ペロー干渉計構造である、請求項１に記載の方法。
3. 前記膜の厚さ関連データが、前記光学的に反射される放射線スペクトル関連情報によって決定される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
4. 前記膜の厚さ関連データが接触なしで光学的に決定される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
5. スペクトルが前記光学的に反射された放射線から決定され、前記スペクトルが、理論的なスペクトルと相関し、インターフェログラムを得るために、干渉計構造の少なくとも１つの厚さ値について算出され、厚さ関連データは、インターフェログラムの最大点によって決定され、そこで最大点が特定の閾値を越える、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
6. ＡＬＤ（原子層堆積）またはＣＶＤ法によって任意に前記膜を沈着させる時、厚さ関連データが特に前記膜厚の変化に関する、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
7. 前記厚さ関連データの決定が、エアリー関数、余弦関数または直方体関数等の周期関数による等の、相関方法によって実行される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
8. 薄膜の厚さ関連データの決定のためのシステムであって、前記システムにおいて、前記膜および基板が全体として干渉計構造を形成するように、前記膜が前記基板上に配置され、前記システムは、前記膜および前記基板によって形成される前記干渉計構造の方への光学放射線の放射のための手段を備え、前記システムは、前記干渉計構造から光学的に反射される放射線を測定すること、及び光学的に反射される放射線による前記膜の厚さ関連データの決定のための手段を備えることを特徴とする、システム。
9. 分光計安定性の決定のための方法であって、前記方法において、厚めで低反射のフィルムがファブリ・ペロー干渉計の前に配置され、測定されたスペクトルへの検出可能な実質的に周期的な変動を獲得するために、形成された干渉計構造の厚さ記述値は任意に相関算出によって分離され、前記値は分光計の安定性決定に使われることを特徴とする、方法。
10. 薄膜の厚さに関するデータの決定のためのコンピュータプログラム製品であって、前記膜および基板が全体として干渉計構造を形成するように、前記膜が前記基板上に配置され、光学放射線は膜および基板によって形成される干渉計構造の方へ発され、前記干渉計構造から光学的に反射される放射線が測定されることと、前記コンピュータプログラム製品が、前記コンピュータプログラム製品がデータ処理装置において実行される時、光学的に反射された放射線によって前記膜の厚さに関するデータを決定するように構成されることと、を特徴とする、コンピュータプログラム製品。

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