JP2514099B2 - 薄膜の厚さを測定する方法および装置 - Google Patents
薄膜の厚さを測定する方法および装置Info
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- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
- G01N21/211—Ellipsometry
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は薄膜の厚さの測定に関する。特に、測定す
る装置は非常に局部的な領域における薄膜の厚さを正確
に測定するようになっている。
る装置は非常に局部的な領域における薄膜の厚さを正確
に測定するようになっている。
従来の技術 従来、基板上の薄膜の厚さを測定する方法および装置
を発展させるのに多大の関心が持たれている。かかる要
請は極めて薄い膜をシリコン基板上に取付ける半導体製
造工業において特に重要である。
を発展させるのに多大の関心が持たれている。かかる要
請は極めて薄い膜をシリコン基板上に取付ける半導体製
造工業において特に重要である。
発展した一つの技術は楕円偏光法として分類される。
楕円偏光計において、周知の偏光を有するプローブビー
ムが試料面に送られて傾斜角で反射される。基板上の膜
層の厚さは反射ビームの偏光状態を発生させる。反射ビ
ームの偏光状態を測定することによって、膜層の厚さに
関する情報が得られる。
楕円偏光計において、周知の偏光を有するプローブビー
ムが試料面に送られて傾斜角で反射される。基板上の膜
層の厚さは反射ビームの偏光状態を発生させる。反射ビ
ームの偏光状態を測定することによって、膜層の厚さに
関する情報が得られる。
楕円偏光計は極めて薄い膜の厚さを精確に測定するの
に非常に有用である。しかしながら、楕円偏光計の空間
的分解能は直径が20乃至30ミクロン程度の領域に限定さ
れる。半導体の製造においては、非常に小さい領域、す
なわち直径が１ミクロン程度における厚さを限定するこ
とがしばしば必要となる。楕円偏光計はかかる要求を達
成し得ない。楕円偏光計の別の欠点は、測定範囲が非常
に狭いことである。楕円偏光計は極端に薄い層について
は全く良好に作用するが、約1000オングストローム以上
の厚さに対しては非効率的である。
に非常に有用である。しかしながら、楕円偏光計の空間
的分解能は直径が20乃至30ミクロン程度の領域に限定さ
れる。半導体の製造においては、非常に小さい領域、す
なわち直径が１ミクロン程度における厚さを限定するこ
とがしばしば必要となる。楕円偏光計はかかる要求を達
成し得ない。楕円偏光計の別の欠点は、測定範囲が非常
に狭いことである。楕円偏光計は極端に薄い層について
は全く良好に作用するが、約1000オングストローム以上
の厚さに対しては非効率的である。
前述したように、楕円偏光計は反射プローブビームの
偏光状態を測定する。従来の全く別種の層厚さ測定装置
は、プローブビームが試料面から反射された時に生じる
表面反射率の変化に見られる干渉効果を測定する。薄膜
層から少なくとも部分的に送られるプローブビームの波
長が選定される場合は、該薄膜層の上面および基板の上
面から反射が生じる。これらの二つの反射光線の干渉が
層厚さに従って変化する干渉効果を発生させる。これら
の干渉効果すなわち表面の反射率変化を反射ビームの強
さを光検出器を使用して測定することによって検出す
る。
偏光状態を測定する。従来の全く別種の層厚さ測定装置
は、プローブビームが試料面から反射された時に生じる
表面反射率の変化に見られる干渉効果を測定する。薄膜
層から少なくとも部分的に送られるプローブビームの波
長が選定される場合は、該薄膜層の上面および基板の上
面から反射が生じる。これらの二つの反射光線の干渉が
層厚さに従って変化する干渉効果を発生させる。これら
の干渉効果すなわち表面の反射率変化を反射ビームの強
さを光検出器を使用して測定することによって検出す
る。
この種の検出器内部に一つの装置として分光光度計が
ある。分光光度計の測定において、試料を種々の光波長
で走査する。膜を通る位相のずれは各波長ごとに異なる
ので、各波長は異なる干渉効果を受ける。異なる波長に
よって生じる異なる干渉効果を調べることによって、薄
膜層の厚さに関する情報が得られる。多くの分光光度計
において、プローブビームの波長はかなりの範囲に亘っ
て変化して測定における不明確さを減少させる。かかる
装置の諸例が1974年７月16日発行の米国特許第3,824,01
7号、1981年10月６日発行の米国特許第4,293,224号、お
よび1985年11月26日発行の米国特許第4,555,766号に開
示されている。
ある。分光光度計の測定において、試料を種々の光波長
で走査する。膜を通る位相のずれは各波長ごとに異なる
ので、各波長は異なる干渉効果を受ける。異なる波長に
よって生じる異なる干渉効果を調べることによって、薄
膜層の厚さに関する情報が得られる。多くの分光光度計
において、プローブビームの波長はかなりの範囲に亘っ
て変化して測定における不明確さを減少させる。かかる
装置の諸例が1974年７月16日発行の米国特許第3,824,01
7号、1981年10月６日発行の米国特許第4,293,224号、お
よび1985年11月26日発行の米国特許第4,555,766号に開
示されている。
前記米国特許第4,293,224号に記載されるように、干
渉計装置を所定位置に使用して処理中に変化する層厚さ
を監視する。明らかなように、層の厚さが被覆操作中に
変化するので、反射したプローブビームの干渉縞が変化
する。この干渉縞の変化を監視することによって、変化
する層の厚さに関する情報が得られる。
渉計装置を所定位置に使用して処理中に変化する層厚さ
を監視する。明らかなように、層の厚さが被覆操作中に
変化するので、反射したプローブビームの干渉縞が変化
する。この干渉縞の変化を監視することによって、変化
する層の厚さに関する情報が得られる。
前記分光光度計の技術において、プローブビームの波
長変化すなわち層の厚さ変化のような既知の変数が導入
されて層厚さに関する情報を得る。導入できる別の形式
の既知変数はプローブビームの入射角の変化である。干
渉効果はプローブビームの入射角の変化につれて変化す
る。入射ビームの入射角が変化する装置の一例が1984年
６月12日発行の米国特許第4,453,828号に見られる。
長変化すなわち層の厚さ変化のような既知の変数が導入
されて層厚さに関する情報を得る。導入できる別の形式
の既知変数はプローブビームの入射角の変化である。干
渉効果はプローブビームの入射角の変化につれて変化す
る。入射ビームの入射角が変化する装置の一例が1984年
６月12日発行の米国特許第4,453,828号に見られる。
干渉効果を検出する該米国特許第4,453,828号の技術
は前述した楕円偏光技術よりも良好な空間分解能を有す
る。しかしながら、最良の干渉計技術でさえも直径が約
２内３ミクロンの分解能に限定される。さらに重要なこ
とに、従来の干渉計技術は200オングストローム以下の
厚さの薄膜を測定することができない。いずれにせよ、
干渉計技術は前述した楕円偏光技術ほど精確ではない。
は前述した楕円偏光技術よりも良好な空間分解能を有す
る。しかしながら、最良の干渉計技術でさえも直径が約
２内３ミクロンの分解能に限定される。さらに重要なこ
とに、従来の干渉計技術は200オングストローム以下の
厚さの薄膜を測定することができない。いずれにせよ、
干渉計技術は前述した楕円偏光技術ほど精確ではない。
別種の干渉計技術が1987年４月28日発行の米国特許第
4,660,980号に記載されている。この装置においては、
主としてＳ偏光を有する光線から成るレーザビームがブ
リュースタ角近くで試料面から反射される。層が比較的
厚く、すなわち50ミクロン程度とすると、複数の反復す
る極微小の干渉縞が反射プローブビームを横切って発生
する。前記米国特許第4,660,980号の装置においては、
干渉縞の数を計算して層の厚さに関する情報を得るのに
使用する。従って、この装置は多数干渉縞を発生させる
比較的厚い薄膜層を測定することに限定される。そのう
え、この装置は入射ビームをブリュースタ角の近くの入
射角を有する必要があるために、明確な焦点が形成され
ず、空間分解能が犠牲になる。
4,660,980号に記載されている。この装置においては、
主としてＳ偏光を有する光線から成るレーザビームがブ
リュースタ角近くで試料面から反射される。層が比較的
厚く、すなわち50ミクロン程度とすると、複数の反復す
る極微小の干渉縞が反射プローブビームを横切って発生
する。前記米国特許第4,660,980号の装置においては、
干渉縞の数を計算して層の厚さに関する情報を得るのに
使用する。従って、この装置は多数干渉縞を発生させる
比較的厚い薄膜層を測定することに限定される。そのう
え、この装置は入射ビームをブリュースタ角の近くの入
射角を有する必要があるために、明確な焦点が形成され
ず、空間分解能が犠牲になる。
発明が解決しようとする問題点 本発明は、広い範囲の薄膜厚に亘って精確な厚さを測
定する新規にして改良された装置を提供するものであ
る。
定する新規にして改良された装置を提供するものであ
る。
また、直径が１ミクロンまたはそれ以下の程度の領域
内で薄膜厚さを測定する装置を提供することが本発明の
目的である。
内で薄膜厚さを測定する装置を提供することが本発明の
目的である。
また、本発明の目的は50乃至50,000オングストローム
の薄膜の厚さを測定する新規にして改良された装置を提
供することである。
の薄膜の厚さを測定する新規にして改良された装置を提
供することである。
また、ただ１個のプローブビームの波長を使用して薄
膜の厚さを測定する新規にして改良された装置を提供す
ることが本発明の目的である。
膜の厚さを測定する新規にして改良された装置を提供す
ることが本発明の目的である。
また、プローブビームの入射角を積極的に変化させる
装置を必要とせずに薄膜層の厚さを精確に測定する新規
にして改良された装置を提供することが本発明の目的で
ある。
装置を必要とせずに薄膜層の厚さを精確に測定する新規
にして改良された装置を提供することが本発明の目的で
ある。
また、薄膜の厚さが変化している場合には、変化前に
行うことなく薄膜層の厚さを測定する新規にして改良さ
れた装置を提供することが本発明の目的である。
行うことなく薄膜層の厚さを測定する新規にして改良さ
れた装置を提供することが本発明の目的である。
また、薄膜の屈折率および薄膜層の厚さを測定できる
新規にして改良された装置を提供することが本発明の目
的である。
新規にして改良された装置を提供することが本発明の目
的である。
また、反射されたプローブビームの全量を記録するた
めの付加的検出器を使用して薄膜厚さの精確度を向上さ
せる方向を提供することも本発明の目的である。
めの付加的検出器を使用して薄膜厚さの精確度を向上さ
せる方向を提供することも本発明の目的である。
問題点を解決するための手段 以上およびその他の目的に従って、本発明は基板上に
形成された薄膜層の厚さを測定するための新規にして改
良された方法および装置を与える。特に、本発明の装置
は半導体産業に見られるシリコン基板上に形成された層
厚さを測定するのに適する。
形成された薄膜層の厚さを測定するための新規にして改
良された方法および装置を与える。特に、本発明の装置
は半導体産業に見られるシリコン基板上に形成された層
厚さを測定するのに適する。
本発明の装置は単一波長を有する光線の１本のプロー
ブビームを発生させる装置を含有する。好ましい実施例
においては、レーザが使用される。その理由はレーザが
精確な波長情報を提供して焦点を正しく合わせるビーム
を発生させ、かつ反射率を精確に測定するのに充分な性
能を有するからである。高い開口数のレンズを使用して
レーザビームを試料面にほぼ直角に焦点を合わせる。高
開口数レンズを使用すると約１ミクロンの点状の微小直
径に焦点を合わせることができる。また、本発明によれ
ば、高開口数レンズの使用によって試料面に関して広い
範囲の入射角を有する前記焦点合わせされた入射ビーム
の範囲内で光線パターンが形成される。焦点合わせされ
たプローブビームの範囲内で種々の入射角を有する種々
の光線から得られる情報を使用して層の厚さに関する情
報を入手することができる。
ブビームを発生させる装置を含有する。好ましい実施例
においては、レーザが使用される。その理由はレーザが
精確な波長情報を提供して焦点を正しく合わせるビーム
を発生させ、かつ反射率を精確に測定するのに充分な性
能を有するからである。高い開口数のレンズを使用して
レーザビームを試料面にほぼ直角に焦点を合わせる。高
開口数レンズを使用すると約１ミクロンの点状の微小直
径に焦点を合わせることができる。また、本発明によれ
ば、高開口数レンズの使用によって試料面に関して広い
範囲の入射角を有する前記焦点合わせされた入射ビーム
の範囲内で光線パターンが形成される。焦点合わせされ
たプローブビームの範囲内で種々の入射角を有する種々
の光線から得られる情報を使用して層の厚さに関する情
報を入手することができる。
かかる情報の入手は、反射プローブビームの各強度変
化を焦点合わせされた入射プローブビームの範囲内の種
々の入射光線の入射角の関数として測定することによっ
て達成される。試料面に関する焦点合わせされたプロー
ブビームの範囲内の入射光線の入射角は反射プローブビ
ームにおける光線位置に関係する。詳述すると、反射プ
ローブビームの中心光線は入射ビームの中心光線に対応
する。プローブビームが試料面に垂直に焦点が合わされ
るとすると、中心光線の入射角は０゜である。これに反
し、外縁の反射プローブビームの部分は最大入射角に対
応する。最大の入射角はレンズの焦点合わせ力すなわち
開口数に依存する。最大入射角θｍは次の方程式によっ
て与えられる。
化を焦点合わせされた入射プローブビームの範囲内の種
々の入射光線の入射角の関数として測定することによっ
て達成される。試料面に関する焦点合わせされたプロー
ブビームの範囲内の入射光線の入射角は反射プローブビ
ームにおける光線位置に関係する。詳述すると、反射プ
ローブビームの中心光線は入射ビームの中心光線に対応
する。プローブビームが試料面に垂直に焦点が合わされ
るとすると、中心光線の入射角は０゜である。これに反
し、外縁の反射プローブビームの部分は最大入射角に対
応する。最大の入射角はレンズの焦点合わせ力すなわち
開口数に依存する。最大入射角θｍは次の方程式によっ
て与えられる。
sinθｍ＝開口数 ‥‥（１） 反射プローブビーム中の光線の位置は焦点合わせされ
た入射プローブビーム中の関係光線の入射角の正弦であ
る。
た入射プローブビーム中の関係光線の入射角の正弦であ
る。
前述した従来特許から知られるように、種々の入射角
について測定できるならば、層の厚さに関する情報が得
られる。これは干渉効果が種々の入射角に対して変化す
るからである。干渉効果（すなわち面反射率の変化）は
反射プローブビームに関する強度変化として見られる。
ある厚さの薄膜基板からの直線偏光の予想反射率をフレ
ネルの方程式の使用により計算することができる。角度
に依存する強度の測定地をフレネルの方程式から得られ
た予想値と比較すると薄膜層の厚さに関する情報が得ら
れる。
について測定できるならば、層の厚さに関する情報が得
られる。これは干渉効果が種々の入射角に対して変化す
るからである。干渉効果（すなわち面反射率の変化）は
反射プローブビームに関する強度変化として見られる。
ある厚さの薄膜基板からの直線偏光の予想反射率をフレ
ネルの方程式の使用により計算することができる。角度
に依存する強度の測定地をフレネルの方程式から得られ
た予想値と比較すると薄膜層の厚さに関する情報が得ら
れる。
好ましい実施例においては、プローブビーム中の光線
は最初は直線偏光であり、試料面に直角に精確に焦点合
わせされる時に、この入射光線は試料面に関して大部分
がＳ偏光およびＰ偏光を有する。検出装置は、入射ビー
ムのＳおよびＰの偏光成分から干渉効果を分離しかつ検
出するような方向に二つの直交配列を含有する。各偏光
状態に対する角度依存分布を測定することによって、測
定値の不明確さが減少して精度が向上する。
は最初は直線偏光であり、試料面に直角に精確に焦点合
わせされる時に、この入射光線は試料面に関して大部分
がＳ偏光およびＰ偏光を有する。検出装置は、入射ビー
ムのＳおよびＰの偏光成分から干渉効果を分離しかつ検
出するような方向に二つの直交配列を含有する。各偏光
状態に対する角度依存分布を測定することによって、測
定値の不明確さが減少して精度が向上する。
精度の向上に加えて、ブリュースタ角に近い分離され
たＰ偏光の反射率に関する情報を使用して、薄膜層また
は基板の屈折率に関する情報が得られる。前述したよう
に、高開口度レンズを使用すると比較的大きい広がりの
入射角を焦点合わせされた入射プローブビームの光線中
に発生させる。好ましい実施例においては、入射角は常
光線だけでなくブリュースタ角の光線を含む。ブリュー
スタ角においては、Ｐ偏光反射光線の強度は層の厚さの
変化とともに著るしくは変化しない。従って、ブリュー
スタ角近くの入射光線の反射率を測定すると、基板また
は薄膜層の屈折率に関する情報が得られる。
たＰ偏光の反射率に関する情報を使用して、薄膜層また
は基板の屈折率に関する情報が得られる。前述したよう
に、高開口度レンズを使用すると比較的大きい広がりの
入射角を焦点合わせされた入射プローブビームの光線中
に発生させる。好ましい実施例においては、入射角は常
光線だけでなくブリュースタ角の光線を含む。ブリュー
スタ角においては、Ｐ偏光反射光線の強度は層の厚さの
変化とともに著るしくは変化しない。従って、ブリュー
スタ角近くの入射光線の反射率を測定すると、基板また
は薄膜層の屈折率に関する情報が得られる。
本発明の位置は広範囲の薄膜厚さを測定することがで
きる。この装置は50乃至50,000オングストロームの層に
対して情報を提供する。また、直径１ミクロン程度の立
体的分解能が得られることも重要である。このように、
広範囲の層厚さについて局部的厚さを精確に測定するこ
とができる。
きる。この装置は50乃至50,000オングストロームの層に
対して情報を提供する。また、直径１ミクロン程度の立
体的分解能が得られることも重要である。このように、
広範囲の層厚さについて局部的厚さを精確に測定するこ
とができる。
層厚さの測定精度は、プローブビーム全体の反射量を
測定することによって向上させることができる。特に、
試料面の反射率は薄膜層の厚さに関係してほぼ正弦曲線
的に変化することが知られている。しかしながら、層の
厚さに関する情報は、いずれの固有の反射率の測定値も
多数の異なる層厚さに直結するので、前述した測定のみ
からは得られない。これらの不明確さは、本発明の前述
した装置を使用して層厚さの近似値を測定することによ
って除去することができる。かかる測定を行なうことに
より、反射ビームの全量に基づく反射率測定から得られ
たデータを使用して層厚さの不確定さを減少させること
ができる。この付加的な感度は、前記反射ビームの全量
の測定量の信号対ノイズ比が特定入射角に対応する個々
の点におけるビーム部分だけを測定する初期検出器測定
値よりも遥かに良好であることによる。
測定することによって向上させることができる。特に、
試料面の反射率は薄膜層の厚さに関係してほぼ正弦曲線
的に変化することが知られている。しかしながら、層の
厚さに関する情報は、いずれの固有の反射率の測定値も
多数の異なる層厚さに直結するので、前述した測定のみ
からは得られない。これらの不明確さは、本発明の前述
した装置を使用して層厚さの近似値を測定することによ
って除去することができる。かかる測定を行なうことに
より、反射ビームの全量に基づく反射率測定から得られ
たデータを使用して層厚さの不確定さを減少させること
ができる。この付加的な感度は、前記反射ビームの全量
の測定量の信号対ノイズ比が特定入射角に対応する個々
の点におけるビーム部分だけを測定する初期検出器測定
値よりも遥かに良好であることによる。
実施例 本発明の別の目的および利点は図面を参照して次に記
載するところにより明白となろう。
載するところにより明白となろう。
第１図は、本発明の方法を実施する基本的な装置（2
0）の概略図である。装置（20）はプローブビーム（2
4）を発生させるレーザ（22）を含有する。プローブビ
ーム（24）は薄膜層（32）を取付けた試料（28）に向う
ビームスプリッタ（26）によって下方へ反射される。本
発明によれば、ビーム（24）は高開口数レンズ（30）に
よって試料（28）の面に焦点を結ぶ。ビーム（24）は試
料面にほぼ垂直に焦点を合わされて入射面寸法を最小に
して解像力を最大にさせることが好ましい。
0）の概略図である。装置（20）はプローブビーム（2
4）を発生させるレーザ（22）を含有する。プローブビ
ーム（24）は薄膜層（32）を取付けた試料（28）に向う
ビームスプリッタ（26）によって下方へ反射される。本
発明によれば、ビーム（24）は高開口数レンズ（30）に
よって試料（28）の面に焦点を結ぶ。ビーム（24）は試
料面にほぼ垂直に焦点を合わされて入射面寸法を最小に
して解像力を最大にさせることが好ましい。
第２図はレンズ（30）によって試料（28）上に焦点を
結んだプローブビーム（24）の拡大図であって、焦点合
わせされた入射プローブビーム内にある若干の個別光線
を示す。図示されるように、ビーム（24）が試料面に垂
直に指向する場合には、該ビームは試料面にほぼ垂直な
中央光線（36）を含む。また、このビームは試料面に関
して最大の入射角（ａ）を有する外側光線（38A,38B）
を含む。前述した方程式（１）に示されるように、外側
光線（38A,38B）の入射角はレンズ（30）の開口数によ
って決まる。中間の諸光線はそれぞれに比例した入射角
を有する。例えば、対称光線（40A,40B）は入射角30゜
を示し、対称光線（42A,42B）は入射角15゜を示す。
結んだプローブビーム（24）の拡大図であって、焦点合
わせされた入射プローブビーム内にある若干の個別光線
を示す。図示されるように、ビーム（24）が試料面に垂
直に指向する場合には、該ビームは試料面にほぼ垂直な
中央光線（36）を含む。また、このビームは試料面に関
して最大の入射角（ａ）を有する外側光線（38A,38B）
を含む。前述した方程式（１）に示されるように、外側
光線（38A,38B）の入射角はレンズ（30）の開口数によ
って決まる。中間の諸光線はそれぞれに比例した入射角
を有する。例えば、対称光線（40A,40B）は入射角30゜
を示し、対称光線（42A,42B）は入射角15゜を示す。
レンズ（30）は高開口数を有して入射をできるだけ大
きくするように選定される。実際に、中央光線から外側
光線までの角度が少なくとも30゜となるレンズが望まし
い。かかる角度を与えるレンズの開口数は0.5である。
好ましい実施例においては、かかる角度が70゜以上とな
る開口数が0.95のレンズが使用される。
きくするように選定される。実際に、中央光線から外側
光線までの角度が少なくとも30゜となるレンズが望まし
い。かかる角度を与えるレンズの開口数は0.5である。
好ましい実施例においては、かかる角度が70゜以上とな
る開口数が0.95のレンズが使用される。
試料（28）に到達した後のビーム（24）は上方へ反射
されてレンズ（30）およびスプリッタ（26）を通って光
検出器（50）に至る。第３図は光検出器（50）の面を示
す。光検出器（50）は複数個の離散した個々の検出要素
を有し、該検出要素の出力はプロセッサ（52）に送られ
る。
されてレンズ（30）およびスプリッタ（26）を通って光
検出器（50）に至る。第３図は光検出器（50）の面を示
す。光検出器（50）は複数個の離散した個々の検出要素
を有し、該検出要素の出力はプロセッサ（52）に送られ
る。
本発明によれば、検出器（50）およびプロセッサ（5
2）は、反射したプローブビームの強度を焦点合わせさ
れた入射プローブビーム内の種々の光線の入射角の関数
として測定するように作用する。この結果は第２図およ
び第３図に示す光路解析によって理解できよう。図示さ
れるように、検出器（50）の中心要素（54）はレンズ
（30）の中心を通る光線（36）の光度を測定する。従っ
て、検出器要素（54）の出力は零度の入射角を有する光
線に対応しよう。同様に、検出器（50）上の半径方向外
方の要素（56A−Ｄ）は最大入射角を有する光線（38A,3
8B）の光度を測定する。前述したように、この入射角は
レンズ（30）の開口数に関して周知である。離散要素
（58A−D,60A−Ｄ）は零度と最大角との間の入射角に対
応する。図示の実施例においては、要素（58A−Ｄ）は3
0度の入射角を有する光線（38A−Ｄ）を測定するように
配置され、離散要素（60A−Ｄ）は15度の入射角を有す
る光線（42A−Ｄ）を測定するように配置される。
2）は、反射したプローブビームの強度を焦点合わせさ
れた入射プローブビーム内の種々の光線の入射角の関数
として測定するように作用する。この結果は第２図およ
び第３図に示す光路解析によって理解できよう。図示さ
れるように、検出器（50）の中心要素（54）はレンズ
（30）の中心を通る光線（36）の光度を測定する。従っ
て、検出器要素（54）の出力は零度の入射角を有する光
線に対応しよう。同様に、検出器（50）上の半径方向外
方の要素（56A−Ｄ）は最大入射角を有する光線（38A,3
8B）の光度を測定する。前述したように、この入射角は
レンズ（30）の開口数に関して周知である。離散要素
（58A−D,60A−Ｄ）は零度と最大角との間の入射角に対
応する。図示の実施例においては、要素（58A−Ｄ）は3
0度の入射角を有する光線（38A−Ｄ）を測定するように
配置され、離散要素（60A−Ｄ）は15度の入射角を有す
る光線（42A−Ｄ）を測定するように配置される。
第３図の検出器の面は若干の離散検出器要素だけを図
示する。焦点合わせされたプローブビームのさらに多く
の離散入射角に関する情報を得るように検出器要素を増
加させることによって更に情報を増大させうることが理
解できよう。例えば、別の入射角を測定するのに別の検
出器要素を使用することもできよう。
示する。焦点合わせされたプローブビームのさらに多く
の離散入射角に関する情報を得るように検出器要素を増
加させることによって更に情報を増大させうることが理
解できよう。例えば、別の入射角を測定するのに別の検
出器要素を使用することもできよう。
第２図および第３図の実施例においては、互いに直角
な２列の検出器要素が配設される。かかる直交配設検出
器要素は、以下に説明するように、Ｓ偏光とＰ偏光とに
関する情報を分離するために望ましい。
な２列の検出器要素が配設される。かかる直交配設検出
器要素は、以下に説明するように、Ｓ偏光とＰ偏光とに
関する情報を分離するために望ましい。
好ましい実施例においては、プローブビーム（24）は
試料面に垂直に入射する直線偏光から成る。この垂直に
入射した直線偏光がレンズ（30）によって正確に焦点を
結ぶとき、この試料面に入射した光線は試料面に関して
大部分がＳ偏光成分およびＰ偏光成分を有する。ほぼす
べてのＳ偏光が一つの軸線に沿っているのに対して、ほ
ぼすべてのＰ偏光は前記軸線と直交する別の軸線に沿っ
ている。直交するこれらの２直交軸線間の軸線は両方の
成分の混合体を有する。
試料面に垂直に入射する直線偏光から成る。この垂直に
入射した直線偏光がレンズ（30）によって正確に焦点を
結ぶとき、この試料面に入射した光線は試料面に関して
大部分がＳ偏光成分およびＰ偏光成分を有する。ほぼす
べてのＳ偏光が一つの軸線に沿っているのに対して、ほ
ぼすべてのＰ偏光は前記軸線と直交する別の軸線に沿っ
ている。直交するこれらの２直交軸線間の軸線は両方の
成分の混合体を有する。
２つの直交する検出器の配列が第３図に示すように正
しく配列しているならば、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分
がプローブビームから分離される。これらの分離された
Ｓ偏光およびＰ偏光の強度情報を使用して試料上の薄膜
層の厚さを計算するとともに、以下に詳述するように、
試料の屈折率に関する情報を得ることができる。
しく配列しているならば、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分
がプローブビームから分離される。これらの分離された
Ｓ偏光およびＰ偏光の強度情報を使用して試料上の薄膜
層の厚さを計算するとともに、以下に詳述するように、
試料の屈折率に関する情報を得ることができる。
第4A、4B、および4C図は本発明の装置（20）により発
生する種々の測定値を示す。各図面のグラフはＳおよび
Ｐの偏光に対する試料面の反射率を入射角度の関数とし
て示す。試料の反射率は光検出器（50）の離散要素によ
って直接に測定された反射プローブビームの強度に比例
する。試料面の反射率の測定は光検出器の出力を較正す
ることによって得られる。第4A、4B、および第4C図はシ
リコン半導体基板上におけるそれぞれ5000オングストロ
ーム、1000オングストローム、および100オングストロ
ームの薄膜酸化層に対する反射率曲線を示す。図面から
分かるように、反射曲線は種々の層の厚さの各々に対し
て可成り異なる。従って、この情報は層厚さに関する情
報を得るのに使用することができる。
生する種々の測定値を示す。各図面のグラフはＳおよび
Ｐの偏光に対する試料面の反射率を入射角度の関数とし
て示す。試料の反射率は光検出器（50）の離散要素によ
って直接に測定された反射プローブビームの強度に比例
する。試料面の反射率の測定は光検出器の出力を較正す
ることによって得られる。第4A、4B、および第4C図はシ
リコン半導体基板上におけるそれぞれ5000オングストロ
ーム、1000オングストローム、および100オングストロ
ームの薄膜酸化層に対する反射率曲線を示す。図面から
分かるように、反射曲線は種々の層の厚さの各々に対し
て可成り異なる。従って、この情報は層厚さに関する情
報を得るのに使用することができる。
層厚さに関する情報は、数学モデルすなわち反射率、
入射角、および層厚さに関する方程式の組に測定反射情
報を使用して得られる。その用いられる方程式は公知の
フレネル方程式に基づく。Ｓ偏光に関する試料の反射率
の基本的な方程式は次の通りである。
入射角、および層厚さに関する方程式の組に測定反射情
報を使用して得られる。その用いられる方程式は公知の
フレネル方程式に基づく。Ｓ偏光に関する試料の反射率
の基本的な方程式は次の通りである。
ここで、Ｒは分離された強度測定値から得られた光線
の反射率で空気の屈折率を１とし、ｔは層の厚さであ
る。式（２）中の定数k1は次式により与えられる。
の反射率で空気の屈折率を１とし、ｔは層の厚さであ
る。式（２）中の定数k1は次式により与えられる。
ここで、λはプローブビームの波長である。すべての
γは偏光の反射率に関し、γＬは薄膜層の面からの反射
率であり、γＳは基板の面からの反射率である。
γは偏光の反射率に関し、γＬは薄膜層の面からの反射
率であり、γＳは基板の面からの反射率である。
Ｓ偏光に対し、薄膜層の面からの反射率γＬおよび基
板面からの反射率γＳは次の方程式で与えられる。
板面からの反射率γＳは次の方程式で与えられる。
ここで、nLは薄膜層の屈折率、nSは基板の屈折率、θ
Ｏは空気と薄膜層の表面との境界における入射角、θＬ
は薄膜層への入射角、θＳは基板への入射角である。
Ｏは空気と薄膜層の表面との境界における入射角、θＬ
は薄膜層への入射角、θＳは基板への入射角である。
Ｐ偏光に対しては、薄膜層の表面からの反射率γＬお
よび基板面からの反射率γＳは次の方程式で与えられ
る。
よび基板面からの反射率γＳは次の方程式で与えられ
る。
第５図および第６図は前述の方程式を使用して得られ
たＳ偏光およびＰ偏光に対する反射曲線のコンピュータ
グラフである。各グラフの多数の曲線は０゜から60゜ま
で５゜ごとの入射角について示す。このグラフは反射率
が酸化物の厚さに対してどのように変化するかを示す。
たＳ偏光およびＰ偏光に対する反射曲線のコンピュータ
グラフである。各グラフの多数の曲線は０゜から60゜ま
で５゜ごとの入射角について示す。このグラフは反射率
が酸化物の厚さに対してどのように変化するかを示す。
第７図は、プロセッサが入射角の関数である反射光線
の測定値に基づいて薄膜層の厚さを得るのに使用する計
算法の流れ図である。前述したように、本発明の装置
（20）によって段階（100）において反射値が測定され
る。段階（102）において、プロセッサが前記測定され
た反射値を使用し方程式（４）乃至（７）の置換によっ
て方程式（２）を解く。第５図および第６図から明らか
なように、特定の反射測定が種々の異なる層厚さに対応
する。このように段階（102）の結果は薄膜の厚さに対
し若干の可能な解を持つ。段階（104）においては、該
段階で得られた一群の解から層厚さに対して最も適当な
一つの解を選定するために統計解析を行なう。この解は
典型的に20オングストローム以内まで正確である。
の測定値に基づいて薄膜層の厚さを得るのに使用する計
算法の流れ図である。前述したように、本発明の装置
（20）によって段階（100）において反射値が測定され
る。段階（102）において、プロセッサが前記測定され
た反射値を使用し方程式（４）乃至（７）の置換によっ
て方程式（２）を解く。第５図および第６図から明らか
なように、特定の反射測定が種々の異なる層厚さに対応
する。このように段階（102）の結果は薄膜の厚さに対
し若干の可能な解を持つ。段階（104）においては、該
段階で得られた一群の解から層厚さに対して最も適当な
一つの解を選定するために統計解析を行なう。この解は
典型的に20オングストローム以内まで正確である。
この結果の精度は、試料の光吸収および有限の検出器
寸法のような因子を考慮に入れた解析を行なうならばさ
らに改良されよう。この光吸収の量は材料によって異な
る。もし材料が知られているならば、種々の補正因子を
方程式（２）に組み入れて測定をさらに向上させること
ができる。しかしながら、かかる補正因子は方程式の解
析法を難かしくする。かくして、段階（106）において
最小２乗法を使用して数値解法を求める必要がある。か
かる数値解析は層厚さに対する近似法が既に知られてい
るので非常に容易である。かくして、段階（106）にお
いては、特定試料の吸収特性を段階（104）において得
られた層厚さの適切な解によって解析しかつ制限するこ
とにより補正された一組のフレネル方程式を解くために
最小２乗法を使用する。このようにして解を向上させる
ならば、測定の精度は大巾に向上する。この測定は１ミ
クロン程度の立体的解像度で50オングストローム乃至50
000オングストロームの厚さの膜範囲について行なうこ
とができる。
寸法のような因子を考慮に入れた解析を行なうならばさ
らに改良されよう。この光吸収の量は材料によって異な
る。もし材料が知られているならば、種々の補正因子を
方程式（２）に組み入れて測定をさらに向上させること
ができる。しかしながら、かかる補正因子は方程式の解
析法を難かしくする。かくして、段階（106）において
最小２乗法を使用して数値解法を求める必要がある。か
かる数値解析は層厚さに対する近似法が既に知られてい
るので非常に容易である。かくして、段階（106）にお
いては、特定試料の吸収特性を段階（104）において得
られた層厚さの適切な解によって解析しかつ制限するこ
とにより補正された一組のフレネル方程式を解くために
最小２乗法を使用する。このようにして解を向上させる
ならば、測定の精度は大巾に向上する。この測定は１ミ
クロン程度の立体的解像度で50オングストローム乃至50
000オングストロームの厚さの膜範囲について行なうこ
とができる。
多くの状況において、1000オングストローム以下の厚
さの特定の薄膜においては、さらに大きい精度で厚さを
知りたい要求がある。本発明によれば、段階（108）に
示すように反射プローブビームの全量を付加測定するこ
とによって精度を向上させることができる。第９図に関
して以下に説明するように、この測定は別の光検出器を
使用して行なうことが好ましい。しかしながら、第３図
に示す検出器のすべての離散要素の出力を加えることに
よって測定の近似値が得られる。前記光検出器の面を超
えてビームが入射しない（すなわち反射ビームの全量が
該検出器の所要素の範囲内に送られる）とすると、ビー
ムの全量に比例する測定をすることができる。
さの特定の薄膜においては、さらに大きい精度で厚さを
知りたい要求がある。本発明によれば、段階（108）に
示すように反射プローブビームの全量を付加測定するこ
とによって精度を向上させることができる。第９図に関
して以下に説明するように、この測定は別の光検出器を
使用して行なうことが好ましい。しかしながら、第３図
に示す検出器のすべての離散要素の出力を加えることに
よって測定の近似値が得られる。前記光検出器の面を超
えてビームが入射しない（すなわち反射ビームの全量が
該検出器の所要素の範囲内に送られる）とすると、ビー
ムの全量に比例する測定をすることができる。
かかる付加的情報に基づく層厚さの解析は前述した解
析と似ている。すなわち、層の厚さを薄膜層（Ｌ）及び
基板（Ｓ）からのビーム全体の反射率と関係させるため
に以下に記載の置換によって方程式（２）が修正され
る。
析と似ている。すなわち、層の厚さを薄膜層（Ｌ）及び
基板（Ｓ）からのビーム全体の反射率と関係させるため
に以下に記載の置換によって方程式（２）が修正され
る。
ここで、＜λ＞はλよりもやや大きい有効波長であっ
て、層の内部に焦点を結んだビームの３次元的広がりを
説明するためのものである。
て、層の内部に焦点を結んだビームの３次元的広がりを
説明するためのものである。
層の厚さを方程式（８）、（９）、（10）から得られ
る反射率と比較すると、反射光線全体の測定に対して多
数の可能性のある厚さの解を与える高次正弦曲線が得ら
れることがわかる。この問題は、薄膜層の厚さを先ず段
階（106）の狭い範囲内に設定するならば解決される。
この情報は修正されたフレネルの方程式の可能性を持っ
た解を狭め、段階（108）で得られたビームの反射量全
体の測定値を使用して層厚さの計算を段階（110）にお
いて精度を遥かに向上させることができる。
る反射率と比較すると、反射光線全体の測定に対して多
数の可能性のある厚さの解を与える高次正弦曲線が得ら
れることがわかる。この問題は、薄膜層の厚さを先ず段
階（106）の狭い範囲内に設定するならば解決される。
この情報は修正されたフレネルの方程式の可能性を持っ
た解を狭め、段階（108）で得られたビームの反射量全
体の測定値を使用して層厚さの計算を段階（110）にお
いて精度を遥かに向上させることができる。
全量の測定によって高精度が得られる理由は、測定の
信号対ノイズ比が検出器（50）上の離散要素の測定値の
10乃至100倍程度であるからである。反射ビームが検出
器の全面に拡がり、従って各前記離散要素がビームの全
量のわずか一部を受け取り、ビームの形状および位置変
動に敏感となることは明らかであろう。反対に、全量の
測定はレーザの全量の利点を有し、ビームの小さな形状
および位置変動に影響されることが極めて少ない。
信号対ノイズ比が検出器（50）上の離散要素の測定値の
10乃至100倍程度であるからである。反射ビームが検出
器の全面に拡がり、従って各前記離散要素がビームの全
量のわずか一部を受け取り、ビームの形状および位置変
動に敏感となることは明らかであろう。反対に、全量の
測定はレーザの全量の利点を有し、ビームの小さな形状
および位置変動に影響されることが極めて少ない。
本発明の別の取り上げ方においては、薄膜の層厚さと
ともに薄膜層または基板の屈折率を計算することができ
る。これが可能であることは、高開口数レンズがブリュ
ースタ角付近の入射角を有する光線を発生させるのに使
用できるからである。第６図において、Ｐ偏光に関する
試料の反射率はほぼすべての入射角に対して酸化物の厚
さの変化とともに著るしく変化する。しかしながら、入
射角がブリュースタ角（二酸化珪素に対してθは約55.9
6度）に近づくと、反射率曲線はほとんど水平となる。
このように、ブリュースタ角におけるＰ偏光の反射率測
定は層厚さにほぼ無関係である。しかしながら、この反
射率は層または基板の屈折率の変化につれて変化する。
ともに薄膜層または基板の屈折率を計算することができ
る。これが可能であることは、高開口数レンズがブリュ
ースタ角付近の入射角を有する光線を発生させるのに使
用できるからである。第６図において、Ｐ偏光に関する
試料の反射率はほぼすべての入射角に対して酸化物の厚
さの変化とともに著るしく変化する。しかしながら、入
射角がブリュースタ角（二酸化珪素に対してθは約55.9
6度）に近づくと、反射率曲線はほとんど水平となる。
このように、ブリュースタ角におけるＰ偏光の反射率測
定は層厚さにほぼ無関係である。しかしながら、この反
射率は層または基板の屈折率の変化につれて変化する。
層の厚さおよび基板または薄膜層の屈折率を得る計算
法が第８図に示される。この方法は、層の厚さが或る範
囲内で既知であり、かつ基板または薄膜層の屈折率が既
知であるものと仮定する。
法が第８図に示される。この方法は、層の厚さが或る範
囲内で既知であり、かつ基板または薄膜層の屈折率が既
知であるものと仮定する。
段階（200）に示すように、ブリュースタ角における
Ｐ偏光の測定を含む反射率測定を行なう。段階（202）
において、基板または薄膜層の未知の屈折率に対する近
似解を、方程式（２）、（６）、（７）および推定の層
厚さを使用して計算することができる。この屈折率の近
似解を使用して薄膜層の実際の厚さの一組の解を、方程
式（２）および第７図の段階（102）と同じ方法を使用
して段階（204）において計算する。これらの可能な一
組の解から、従来の厚さ範囲の知識に基づいて一つの解
を選定する。計算した近似厚さおよび計算した近似屈折
率を使用して、吸収および検出器の寸法に対して補正し
たフレネルの方程式について最小２乗法を使用して、第
７図の段階（106）と同様に、段階（206）で層の厚さお
よび屈折率の最良の解を得る。
Ｐ偏光の測定を含む反射率測定を行なう。段階（202）
において、基板または薄膜層の未知の屈折率に対する近
似解を、方程式（２）、（６）、（７）および推定の層
厚さを使用して計算することができる。この屈折率の近
似解を使用して薄膜層の実際の厚さの一組の解を、方程
式（２）および第７図の段階（102）と同じ方法を使用
して段階（204）において計算する。これらの可能な一
組の解から、従来の厚さ範囲の知識に基づいて一つの解
を選定する。計算した近似厚さおよび計算した近似屈折
率を使用して、吸収および検出器の寸法に対して補正し
たフレネルの方程式について最小２乗法を使用して、第
７図の段階（106）と同様に、段階（206）で層の厚さお
よび屈折率の最良の解を得る。
前述したように、薄膜の厚さ測定の精度は段階（20
8）において反射プローブビームの全量を測定すること
によって高められる。この測定値は、方程式（８）、
（９）、（10）によって修正された方程式（２）を使用
して段階（208）において層厚さを計算するのに使用さ
れるとともに段階（206）で計算された層厚さの解によ
って制約される。
8）において反射プローブビームの全量を測定すること
によって高められる。この測定値は、方程式（８）、
（９）、（10）によって修正された方程式（２）を使用
して段階（208）において層厚さを計算するのに使用さ
れるとともに段階（206）で計算された層厚さの解によ
って制約される。
本発明の基本的理論と演算とを説明したが、測定用の
一つの好ましい装置（300）を第９図について説明す
る。第９図において、第１図の構造と同じ部材は同じ番
号を付してある。
一つの好ましい装置（300）を第９図について説明す
る。第９図において、第１図の構造と同じ部材は同じ番
号を付してある。
前述したように、レーザ（22）はビーム（24）を発生
させる。レーザ（22）は５ミリワット出力を有するとと
もに45度の偏光を有するヘリウム・ネオンレーザであ
る。ビーム（24）は45度に配向した偏光フィルタ（30
2）を通過して45度偏光だけを透す。次に、この光線は
偏光をさらに45度回転させるファラデー回転子（304）
を通過し、もって見かけ上の反射ヘリウム・ネオン光線
がヘリウム・ネオンレーザに反射して戻るのを防止す
る。かかる構成によって見かけ上の反射ヘリウム・ネオ
ン光線によって生ずるレーザの出力の不安定性が減少す
る。次に、ビーム（24）は90度に配向した偏光フィルタ
（306）を通過して見かけ上の反射光線がレーザへ戻る
のをさらに減少させる。
させる。レーザ（22）は５ミリワット出力を有するとと
もに45度の偏光を有するヘリウム・ネオンレーザであ
る。ビーム（24）は45度に配向した偏光フィルタ（30
2）を通過して45度偏光だけを透す。次に、この光線は
偏光をさらに45度回転させるファラデー回転子（304）
を通過し、もって見かけ上の反射ヘリウム・ネオン光線
がヘリウム・ネオンレーザに反射して戻るのを防止す
る。かかる構成によって見かけ上の反射ヘリウム・ネオ
ン光線によって生ずるレーザの出力の不安定性が減少す
る。次に、ビーム（24）は90度に配向した偏光フィルタ
（306）を通過して見かけ上の反射光線がレーザへ戻る
のをさらに減少させる。
次に、ビーム（24）は金属被覆されたガラス回転鏡
（308）によって下方へ反射されてビーム拡大立体的フ
ィルタ装置に入る。この装置は入口レンズ（310）およ
び出口レンズ（312）を含有する。ピンホールフィルタ
（314）がビームの形状および均一性を改良するために
設けられる。レンズ（312）から出たビームはレンズ（3
10）およびレンズ（312）の焦点距離の比によって拡大
される。
（308）によって下方へ反射されてビーム拡大立体的フ
ィルタ装置に入る。この装置は入口レンズ（310）およ
び出口レンズ（312）を含有する。ピンホールフィルタ
（314）がビームの形状および均一性を改良するために
設けられる。レンズ（312）から出たビームはレンズ（3
10）およびレンズ（312）の焦点距離の比によって拡大
される。
次に、このビームは、20％を透過させ80％を反射させ
る金属被覆のガラス製ビームスプリッタ（316）によっ
て方向を転換される。このビームスプリッタはヘリウム
・ネオンビームと光源（318）からの白色光とを結合さ
せるのに使用される。この白色光は以下に詳述する視覚
装置を使用して試料の像を写すのに使用される。
る金属被覆のガラス製ビームスプリッタ（316）によっ
て方向を転換される。このビームスプリッタはヘリウム
・ネオンビームと光源（318）からの白色光とを結合さ
せるのに使用される。この白色光は以下に詳述する視覚
装置を使用して試料の像を写すのに使用される。
次に、このプローブビームは、60％を透過させ40％を
反射させる金属被覆のガラス製ビームスプリッタ（32
0）によって試料に向って下方へ送られる。このビーム
スプリッタもまた白色光を試料に向わせるように下方に
転換させる作用を有する。試料から反射された時のプロ
ーブビームの一部スプリッタ（320）を通過して検出器
（50）によって集光させる。光源（318）からの白色光
の一部は後述する視覚装置に向って反射される。
反射させる金属被覆のガラス製ビームスプリッタ（32
0）によって試料に向って下方へ送られる。このビーム
スプリッタもまた白色光を試料に向わせるように下方に
転換させる作用を有する。試料から反射された時のプロ
ーブビームの一部スプリッタ（320）を通過して検出器
（50）によって集光させる。光源（318）からの白色光
の一部は後述する視覚装置に向って反射される。
このプローブビームは対物レンズ（30）を通って試料
上に焦点を結ぶ。レンズ（30）は高開口数を有し、集束
ビーム中の種々の光線は広い拡がりの入射角を有する。
レンズ（30）の位置はオートフォーカス機構（322）に
よって制御される。前述したように、ビーム（24）は試
料（28）の表面上で直径約１ミクロンのスポット領域に
焦点を結ぶ。薄膜の酸化物層を有するシリコン半導体の
ような試料（28）はＸ軸方向、Ｙ軸方向および回転方向
の位置運動をさせる台上に取付けられる。頂部台（32
4）は回転運動させるとともにウェーハを押える真空チ
ャックの作用を有する。台（326）および台（328）はＸ
軸およびＹ軸の方向の運動をさせる。
上に焦点を結ぶ。レンズ（30）は高開口数を有し、集束
ビーム中の種々の光線は広い拡がりの入射角を有する。
レンズ（30）の位置はオートフォーカス機構（322）に
よって制御される。前述したように、ビーム（24）は試
料（28）の表面上で直径約１ミクロンのスポット領域に
焦点を結ぶ。薄膜の酸化物層を有するシリコン半導体の
ような試料（28）はＸ軸方向、Ｙ軸方向および回転方向
の位置運動をさせる台上に取付けられる。頂部台（32
4）は回転運動させるとともにウェーハを押える真空チ
ャックの作用を有する。台（326）および台（328）はＸ
軸およびＹ軸の方向の運動をさせる。
ヘリウム・ネオンプローブビームからの光線および試
料から反射される白色光はビームスプリッタ（320）を
通過する。白色光の透過はヘリウム・ネオン633ナノメ
ータ波長光線だけを透過させる帯域フィルタ（332）に
よって制限される。次に、ヘリウム・イオンプローブビ
ームの一部は金層被覆ガラス製ビームスプリッタ（33
4）によって検出器（50）に向けられる。ビームスプリ
ッタ（334）は20％を透過させ80％を反射させる。ビー
ムスプリッタ（334）からの反射光線はレンズ（336）に
よって拡大され、第１図に関して説明した検出器（50）
上に像を結ぶ。検出器（50）はダイオード配列、CCDカ
メラ、走査ピンホール、またはファイバオプティクセン
サ配列によって形成される。検出器（50）は試料面に入
射するＳ偏光およびＰ偏光の反射率から情報を分離させ
るように配列された検出器要素を有することが好まし
い。検出器（50）の出力はプロセッサ（52）に供給され
る。
料から反射される白色光はビームスプリッタ（320）を
通過する。白色光の透過はヘリウム・ネオン633ナノメ
ータ波長光線だけを透過させる帯域フィルタ（332）に
よって制限される。次に、ヘリウム・イオンプローブビ
ームの一部は金層被覆ガラス製ビームスプリッタ（33
4）によって検出器（50）に向けられる。ビームスプリ
ッタ（334）は20％を透過させ80％を反射させる。ビー
ムスプリッタ（334）からの反射光線はレンズ（336）に
よって拡大され、第１図に関して説明した検出器（50）
上に像を結ぶ。検出器（50）はダイオード配列、CCDカ
メラ、走査ピンホール、またはファイバオプティクセン
サ配列によって形成される。検出器（50）は試料面に入
射するＳ偏光およびＰ偏光の反射率から情報を分離させ
るように配列された検出器要素を有することが好まし
い。検出器（50）の出力はプロセッサ（52）に供給され
る。
前述したように、厚さ測定の精度は反射プローブビー
ムの全量を測定することによって増大させることができ
る。第９図に示す実施例において、かかる目的のために
別の検出器（340）が設けられる。プローブビームの一
部は金属被覆のガラス製ビームスプリッタ（342）によ
って検出器（340）に向けられる。検出器（340）の唯一
の要件は、プローブビームの全量を測定できるようにプ
ローブビームが検出器の面の範囲以上に入射しないよう
にすることである。
ムの全量を測定することによって増大させることができ
る。第９図に示す実施例において、かかる目的のために
別の検出器（340）が設けられる。プローブビームの一
部は金属被覆のガラス製ビームスプリッタ（342）によ
って検出器（340）に向けられる。検出器（340）の唯一
の要件は、プローブビームの全量を測定できるようにプ
ローブビームが検出器の面の範囲以上に入射しないよう
にすることである。
この実施例においては、オートフォーカス機構が設置
される。このオートフォーカス機構は２セル光検出器
（344）、レンズ（346）およびチョッパ輪（348）を含
有する。これらの形式の部材を使用するオートフォーカ
ス操作は従来技術で周知である。
される。このオートフォーカス機構は２セル光検出器
（344）、レンズ（346）およびチョッパ輪（348）を含
有する。これらの形式の部材を使用するオートフォーカ
ス操作は従来技術で周知である。
確実に正しく較正するために、レーザ（22）の出力を
モニタする必要がある。これはプローブレーザビーム
（24）の一部を受取る検出器（360）を使用して行なわ
れる。偏光フィルタ（362）および帯域フィルタ（364）
はヘリウム・ネオンプローブビームから白色光を除去す
る。レンズ（366）はこのビームを検出器（360）上に像
を結ばせるのに使用される。
モニタする必要がある。これはプローブレーザビーム
（24）の一部を受取る検出器（360）を使用して行なわ
れる。偏光フィルタ（362）および帯域フィルタ（364）
はヘリウム・ネオンプローブビームから白色光を除去す
る。レンズ（366）はこのビームを検出器（360）上に像
を結ばせるのに使用される。
図示の実施例においては、この装置（300）は視覚装
置を備えて作業員が試料上の各点の位置を定めることが
できる。この視覚装置は白色光源（318）、コリメーテ
ィング・レンズ（370）および偏光フィルタ（372）を含
有する。偏光フィルタ（372）はプローブビームの偏光
状態に直角な白色光を偏光させて白色光とヘリウム・ネ
オンビームとを下流の光学装置によって分離することが
できるようになっている。
置を備えて作業員が試料上の各点の位置を定めることが
できる。この視覚装置は白色光源（318）、コリメーテ
ィング・レンズ（370）および偏光フィルタ（372）を含
有する。偏光フィルタ（372）はプローブビームの偏光
状態に直角な白色光を偏光させて白色光とヘリウム・ネ
オンビームとを下流の光学装置によって分離することが
できるようになっている。
試料からの白色光部分は50/50ビームスプリッタ（37
6）によってビデオカメラ（374）に向って送られる。回
転偏光フィルタ（378）はビデオカメラ（374）に入るプ
ローブビーム光線の量を制御する。レンズ（380）は前
記カメラ上に結像させる。
6）によってビデオカメラ（374）に向って送られる。回
転偏光フィルタ（378）はビデオカメラ（374）に入るプ
ローブビーム光線の量を制御する。レンズ（380）は前
記カメラ上に結像させる。
装置（300）の基本操作は第１図乃至第３図について
記載したものと同じである。検出器（50）およびプロセ
ッサ（52）は反射プローブビームの強度を焦点合わせさ
れた入射プローブビーム中の光線の入射角の関数として
測定する機能を有する。層厚さの計算は前述した方程式
および計算法を使用して行なわれる。
記載したものと同じである。検出器（50）およびプロセ
ッサ（52）は反射プローブビームの強度を焦点合わせさ
れた入射プローブビーム中の光線の入射角の関数として
測定する機能を有する。層厚さの計算は前述した方程式
および計算法を使用して行なわれる。
要約するに、本発明の新規にして改良された方法およ
び装置は基板上の薄膜層の厚さを測定するものであり、
好ましい実施例においては、プローブビーム光線を高開
口数レンズを使用して試料面にほぼ直角に焦点を結ばせ
る。高開口数レンズは入射集束ビーム内の光線に広い拡
がりの入射角を供する。反射プローブビームの強度を集
束入射プローブビーム内の種々の光線の基板面に関する
入射角の関数として測定するための検出器が備えられて
いる。プロセッサは前記角度依存強度測定値に基づいて
薄膜層の厚さを算出する作用を果す。これは前記角度依
存強度測定値を使用してフレネル方程式の変形を使用し
て層厚さを解くことによってなされる。
び装置は基板上の薄膜層の厚さを測定するものであり、
好ましい実施例においては、プローブビーム光線を高開
口数レンズを使用して試料面にほぼ直角に焦点を結ばせ
る。高開口数レンズは入射集束ビーム内の光線に広い拡
がりの入射角を供する。反射プローブビームの強度を集
束入射プローブビーム内の種々の光線の基板面に関する
入射角の関数として測定するための検出器が備えられて
いる。プロセッサは前記角度依存強度測定値に基づいて
薄膜層の厚さを算出する作用を果す。これは前記角度依
存強度測定値を使用してフレネル方程式の変形を使用し
て層厚さを解くことによってなされる。
一つの実施例においては、焦点合わせされたプローブ
ビームは大部分がＳ偏光成分およびＰ偏光成分を含む。
さらに、検出器はＳ偏光成分とＰ偏光成分とを分離して
層の厚さの測定を容易にするようになっている。反射プ
ローブビームの全量を測定するための検出器を別に設け
ることが好ましい。この別の検出器からの信号情報が厚
さ測定値の精度向上に使用される。
ビームは大部分がＳ偏光成分およびＰ偏光成分を含む。
さらに、検出器はＳ偏光成分とＰ偏光成分とを分離して
層の厚さの測定を容易にするようになっている。反射プ
ローブビームの全量を測定するための検出器を別に設け
ることが好ましい。この別の検出器からの信号情報が厚
さ測定値の精度向上に使用される。
本発明を好ましい実施例に関して説明したが、本発明
の範囲内で種々の変更および修正が可能である。
の範囲内で種々の変更および修正が可能である。
第１図は本発明の装置の概略構成図、第２図は第１図の
プローブビームの焦点結びの拡大図、第３図は本発明の
方法を実施するのに使用できる光検出器の面の平面図、
第4A図、第4B図、および第4C図は、シリコンウェーハ上
の３つの異なる厚さの酸化物に入射するプローブビーム
の入射角に関するＳ偏光およびＰ偏光の反射率の３つの
グラフ、第５図は種々の入射角においてシリコン上の異
なる酸化物の厚さに関する集束入射プローブビーム中の
Ｓ偏光の反射率の変化を示すグラフ、第６図は種々の入
射角においてシリコン上の異なる酸化物の厚さに関する
集束入射プローブビーム中のＰ偏光の反射率の変化を示
すグラフ、第７図は本発明に従って層の厚さを得るため
のプロセッサ操作段階を示す流れ図、第８図は本発明に
従って層の厚さおよび屈折率を得るためのプロセッサ操
作段階を示す流れ図、第９図は本発明の好ましい実施例
の概略構成図である。 22……レーザ 24……プローブビーム 26,316,320,334,342,376……スプリッタ 28……試料 30,310,312,336,346,366,370,380……レンズ 32……薄膜層 50,340,344,360……検出器 52……プロセッサ 54……検出器要素 306,314,332,362,364,372,378……フィルタ
プローブビームの焦点結びの拡大図、第３図は本発明の
方法を実施するのに使用できる光検出器の面の平面図、
第4A図、第4B図、および第4C図は、シリコンウェーハ上
の３つの異なる厚さの酸化物に入射するプローブビーム
の入射角に関するＳ偏光およびＰ偏光の反射率の３つの
グラフ、第５図は種々の入射角においてシリコン上の異
なる酸化物の厚さに関する集束入射プローブビーム中の
Ｓ偏光の反射率の変化を示すグラフ、第６図は種々の入
射角においてシリコン上の異なる酸化物の厚さに関する
集束入射プローブビーム中のＰ偏光の反射率の変化を示
すグラフ、第７図は本発明に従って層の厚さを得るため
のプロセッサ操作段階を示す流れ図、第８図は本発明に
従って層の厚さおよび屈折率を得るためのプロセッサ操
作段階を示す流れ図、第９図は本発明の好ましい実施例
の概略構成図である。 22……レーザ 24……プローブビーム 26,316,320,334,342,376……スプリッタ 28……試料 30,310,312,336,346,366,370,380……レンズ 32……薄膜層 50,340,344,360……検出器 52……プロセッサ 54……検出器要素 306,314,332,362,364,372,378……フィルタ
フロントページの続き (72)発明者 ジョン・オプサル アメリカ合衆国カリフォルニア州リバー モア、ノアウッド・ロード 2295 (72)発明者 アラン・ロゥゼンクウェイグ アメリカ合衆国カリフォルニア州ダンビ ル、ティンバリン・コート 134 (56)参考文献 特開 昭63−186130（ＪＰ，Ａ) ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓ ｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｖ ｏｌ．31，ｎｏ８，Ｊａｎｎａｒｙ 1989，ＰＰ363−368
Claims (31)
- 【請求項１】基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装
置であって、 放射プローブビームを発生する装置と、 前記基板の表面に対してほぼ垂直な前記放射プローブビ
ームを正確に収束する球面レンズであって、前記基板の
表面に関して入射角度の広がりを持つ光線を形成するよ
うに少なくとも0.5の開口数を有し、前記広がりが、垂
直光線から、２本の直交軸線の中央光線から外方へ少な
くとも30度までの光線のすべてを含む球面レンズと、 前記プローブビームが前記基板表面から反射された後
に、該プローブビームを受け取る検出器であって、２本
の直交軸線に沿って前記反射されたビームを横切って種
々の光線の強度を測定し、該検出器上の光線の位置が前
記基板表面に関するその光線の入射角の関数となる検出
器と、 該検出器によってつくられた角度依存強度測定値に基づ
いて前記薄膜層の厚さを決定するプロセッサ装置とを備
える、基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装置。 - 【請求項２】前記収束された入射プローブビームが、薄
膜層又は基板のいずれかに関するブリュースタ角近くに
傾いた少なくとも１本の光線を含む請求項１記載の装
置。 - 【請求項３】前記レンズが少なくとも0.5の開口数を有
する請求項１記載の装置。 - 【請求項４】前記収束された入射プローブビームの光線
の入射角の中心から外縁までの変位が少なくとも30度で
ある請求項１記載の装置。 - 【請求項５】入射プローブビームが前記基板の表面上に
約１ミクロン又はそれ以下の直径に収束される請求項１
記載の装置。 - 【請求項６】前記検出器が、反射されたプローブビーム
の中心から外縁までの複数の別々の点における該反射さ
れたプローブビームを横切る強度を測定する請求項１記
載の装置。 - 【請求項７】前記プローブビーム中の光線が前記レンズ
により収束される前に直線偏光され、前記２軸検出器
が、前記収束された入射プローブビームのＳ及びＰ偏光
成分の角度依存強度を分離しかつ測定するように機能
し、さらに、前記プロセッサー装置が前記Ｓ及びＰ偏光
光の角度依存強度測定値を利用して前記薄膜層の厚さを
測定する請求項１記載の装置。 - 【請求項８】前記プロセッサー装置が、前記検出器によ
り検出された角度依存強度測定値と、入射角と、前記収
束された入射プローブビームの光線の偏光と、層の厚さ
とに関連する数学モデルを使用して前記薄膜層の厚さを
決定する請求項１記載の装置。 - 【請求項９】前記検出器がさらに前記反射されたプロー
ブビームの全量を測定するように機能し、前記プロセッ
サー装置が、前記検出器により検出された角度依存強度
測定値及び全体の反射量の測定値に基づいて前記薄膜層
の厚さを決定する請求項１記載の装置。 - 【請求項１０】前記プロセッサー装置が前記角度依存強
度測定値を使用して前記薄膜層の厚さの近似値を得、さ
らに前記反射量全体の測定値を使用して該近似値の不確
定さを減少させる請求項９記載の装置。 - 【請求項１１】基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する
装置であって、 直線偏光放射プローブビームを発生する装置と、 前記基板の表面に対してほぼ垂直な前記放射プローブビ
ームを正確に収束する球面レンズであって、前記基板の
面に関して入射角度の広がりを持つ光線を形成するよう
に少なくとも0.5の開口数を有し、前記広がりが、垂直
光線から、２本の直交軸線の中央光線から外方へ少なく
とも30度までの光線のすべてを含み、さらに、該光線が
前記基板表面における入射面に関してＳ及びＰ偏光光線
の実質的成分を有する球面レンズと、 前記基板表面から反射した後の前記プローブビームを受
取る検出器であって、Ｓ及びＰ成分を分離するように２
直交軸に沿って前記反射したビームを横切って種々の光
線の強度を測定し、該検出器上の光線の位置が試料表面
に関してその光線の入射角の関数となる検出器と、 該検出器によるＳ及びＰ偏光光線の角度依存強度測定値
に基づいて薄膜層の厚さを決定するプロセッサー装置と
を備える薄膜層の厚さ測定装置。 - 【請求項１２】前記収束された入射プローブビームが、
薄膜層に関するブリュースタ角近くに傾いてＰ偏光光線
の実質的な成分を有する少なくとも１本の光線を有し、
前記プロセッサー装置がさらに前記基板にブリュースタ
角近くで入射する反射Ｐ偏光光線の強度の測定値に基づ
いて前記薄膜層の屈折率についての情報を決定するよう
に機能する請求項11記載の装置。 - 【請求項１３】前記入射プローブビームが前記基板の表
面上に約１ミクロンまたはそれ以下の直径に収束される
請求項11記載の装置。 - 【請求項１４】基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する
装置であって、 放射プローブビームを発生する装置と、 前記基板の表面に対してほぼ垂直な前記放射プローブビ
ームを正確に収束する球面レンズであって、該収束され
たプローブビームの種々の光線が前記基板の表面に対し
て入射角度の広がりを形成する球面レンズと、 前記基板表面から反射した後に前記プローブビームを受
取る第１検出器であって、前記反射したビームを横切っ
て種々の光線の強度を測定し、該検出器上の光線の位置
が試料表面に関してその光線の入射角の関数となる第１
検出器と、 前記基板表面から反射した後に前記プローブビームを受
取る第２検出器であって、前記反射したプローブビーム
の全量を測定する第２検出器と、 前記第１検出器による角度依存強度測定値と、前記第２
検出器による反射したプローブビームの全量とに基づい
て薄膜層の厚さを決定するプロセッサー装置とを備える
薄膜層の厚さ測定装置。 - 【請求項１５】前記プロセッサー装置が前記角度依存強
度測定値を使用して前記薄膜層の厚さの近似値を得、さ
らに前記反射量全体の測定値を利用して該近似値の不確
定さを減少させる請求項14記載の装置。 - 【請求項１６】前記レンズが少なくとも0.5の開口数を
有する請求項14記載の装置。 - 【請求項１７】前記入射プローブビームが前記基板の表
面上の約１ミクロン又はそれ以下の直径に収束される請
求項14記載の装置。 - 【請求項１８】前記レンズが球面レンズであり、前記検
出器が２本の直交軸に沿って種々の光線の強度を測定す
る請求項14記載の装置。 - 【請求項１９】基板の表面上の薄膜層を含む試料のパラ
メータを求める装置であって、 放射プローブビームを発生する装置と、 前記基板の表面に対してほぼ垂直な前記放射プローブビ
ームを正確に収束する球面レンズであって、前記基板の
表面に関して入射角度の広がりを持つ光線を形成するよ
うに少なくとも0.5の開口数を有し、前記広がりが、垂
直光線から、２本の直交軸線の中央光線から外方へ少な
くとも30度までの光線のすべてを含む球面レンズと、 前記基板の表面から反射された後に前記プローブビーム
を受取る検出器であって、２本の直交軸に沿って該反射
されたビームを横切って強度を測定し、該検出器上の光
線の位置が前記試料表面に関するその光線の入射角の関
数となる検出器と、 該検出器によって測定された角度依存強度測定値に基づ
いて薄膜層の厚さ及び薄膜層又は基板の屈折率を含む試
料のパラメータを決定するプロセッサー装置とを備える
パラメータ測定装置。 - 【請求項２０】前記試料表面上の入射光線が該試料表面
における入射面に関してＳ及びＰ偏光光線の実質的成分
を有するように前記プローブビーム中の光線が前記レン
ズによる収束の前に直線偏光され、前記検出器の２軸が
前記収束された入射プローブビームの反射されたＳ及び
Ｐ偏光成分の角度依存強度を分離しかつ測定するよう機
能し、さらに、前記プロセッサー装置が該Ｓ及びＰ偏光
光線の角度依存強度を使用して前記試料のパラメータを
決定する請求項19記載の装置。 - 【請求項２１】前記収束された入射プローブビームが、
薄膜層に関するブリュースタ角近くに傾いてＰ偏光光線
の実質的成分を有する少なくとも１本の光線を有し、前
記プロセッサー装置がさらに前記試料にブリュースタ角
近くで入射する反射Ｐ偏光光線の強度の測定値に基づい
て前記薄膜層の屈折率についての情報を決定するように
機能する請求項20記載の装置。 - 【請求項２２】前記入射プローブビームが前記基板の表
面上に約１ミクロンまたはそれ以下の直径に収束される
請求項21記載の装置。 - 【請求項２３】基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する
方法であって、 放射プローブビームを発生する段階と、 前記基板の表面に対してほぼ垂直な前記放射プローブビ
ームを正確に収束する球面レンズであって、前記基板の
表面に関して入射角度の広がりを持つ光線を形成するよ
うに少なくとも0.5の開口数を有し、前記広がりが、垂
直光線から、２本の直交軸線の中央光線から外方へ少な
くとも30度までの光線のすべてを含む球面レンズと、 ２本の直交軸に沿って反射したプローブビームを横切っ
て種々の光線の強さを測定する段階であって、検出器上
の光線の位置が試料表面に関するその光線の入射角の関
数となる段階と、 角度的に依存した強度測定値に基づいて前記薄膜層の厚
さを決定する段階とからなる薄膜層の厚さ測定方法。 - 【請求項２４】前記入射プローブビームが、薄膜層又は
基板のいずれかに関するブリュースタ角近くに傾いた１
本の光線を少なくとも含むように収束される請求項23記
載の方法。 - 【請求項２５】前記入射プローブビームが、前記基板に
関する光線の入射角の変位が少なくとも30度であるよう
に収束される請求項23記載の方法。 - 【請求項２６】入射プローブビームが前記基板の表面上
に約１ミクロンまたはそれ以下の直径に収束される請求
項23記載の方法。 - 【請求項２７】前記基板表面上の入射光線が前記試料表
面における入射面に関してＳ及びＰ偏光光線の実質的成
分を有するように、前記プローブビーム中の光線が収束
される前に直線偏光され、さらに、前記収束された入射
プローブビームのＳ及びＰ偏光成分の角度依存強度変位
が分離できるように前記２本の直交測定軸が指向され、
これにより、前記薄膜層の厚さが該Ｓ及びＰ偏光光線の
角度依存強度測定値を使用して決定される請求項23記載
の方法。 - 【請求項２８】前記入射プローブビームが、薄膜層に関
するブリュースタ角近くに傾いてＰ偏光光線の実質的成
分を有する少なくとも１本の光線を有し、さらに、前記
試料上にブリュースタ角近くで入射する反射Ｐ偏光光線
の強度の測定値に基づいて前記薄膜層の屈折率を決定す
る段階を有する請求項27記載の方法。 - 【請求項２９】角度依存強度測定値と、入射角と、前記
収束された入射プローブビームの光線の偏光と、層の厚
さとに関連する数学モデルを使用して前記薄膜層の厚さ
を算出する請求項23記載の方法。 - 【請求項３０】反射プローブビームの全量を測定する段
階と、角度依存強調測定値及び反射量全体の測定値に基
づいて前記薄膜層の厚さを決定する段階とをさらに有す
る請求項23記載の方法。 - 【請求項３１】前記角度依存強度測定値が薄膜層の厚さ
の近似値を求めるために使用され、さらに前記反射量全
体の測定値が該近似値の不確定さを減少させるために使
用される請求項30記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US347.812 | 1989-05-04 | ||
| US07/347,812 US4999014A (en) | 1989-05-04 | 1989-05-04 | Method and apparatus for measuring thickness of thin films |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0317505A JPH0317505A (ja) | 1991-01-25 |
| JP2514099B2 true JP2514099B2 (ja) | 1996-07-10 |
Family
ID=23365380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2116410A Expired - Lifetime JP2514099B2 (ja) | 1989-05-04 | 1990-05-02 | 薄膜の厚さを測定する方法および装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4999014A (ja) |
| EP (1) | EP0397388B1 (ja) |
| JP (1) | JP2514099B2 (ja) |
| DE (1) | DE69017947T2 (ja) |
Families Citing this family (199)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0518858A (ja) * | 1991-07-12 | 1993-01-26 | Casio Comput Co Ltd | 薄膜の光学特性測定方法 |
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