JP2790410B2

JP2790410B2 - 膜厚・屈折率の高感度色差観察法

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Publication number: JP2790410B2
Application number: JP5152247A
Authority: JP
Inventors: 栄希足立; 国昭永山
Original assignee: Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Current assignee: Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH0712523A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、膜厚・屈折率の高感
度色差観察法に関するものである。さらに詳しくは、こ
の発明は、新材料の開発と評価、エレクトロニクス等の
諸分野における固体または液体表面の屈折率や、固体ま
た液体表面上の薄膜の屈折率および膜厚の変化、並びに
その二次元分布を高感度で観察するのに有用な、膜厚・
屈折率の色差観察方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来より、新材料の開発と評
価、エレクトロニクス等の諸分野においては、物体表面
の状況を把握することが非常に重要な課題となってお
り、たとえばシリコンウエア基板上の酸化シリコン膜等
の作成においては、ナノメートルオーダーの精度での表
面解折によって、酸化シリコン膜についての二次元的な
膜厚分布の確認が必要とされている。

【０００３】このような膜厚、さらには固体や液体の屈
折率をその二次元分布として、あるいは動的変化として
観察することは現在欠くことのできない要件になってい
る。従来の方法としては、走査型顕微鏡の派生技術とし
て種々の表面分析法、たとえばオージェ、ＥＳＣＡ、Ｅ
ＰＭＡ等により、物質の局在、物質分析を行ってきた。

【０００４】また、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）に
よる深さ方向の物質分布も測定されてきた。しかし、物
質の種類を問わずに膜厚や光学的性質を高精度で評価す
るためには、光学的方法が唯一の可能性のある方法と言
ってよい。このような光学的方法としては、透過光強
度、蛍光強度の測定法も知られているが、膜厚を測定す
るには、エリプソメータがもっとも信頼性が高い。

【０００５】そこで、近年になって、物質表面上の薄膜
の膜厚や屈折率の二次元分布を動的に測定するための手
段として数種類のエリプソメーターが開発され、これを
用いた方法が採用されてきている。その方法は、大別す
ると、次の二通りのものに区別される。（１）入射光を数十μｍの直径のスポットに絞り、試料
を平面で移動させてその試料の膜厚、屈折率を測定する
二次元分布測定法（M.Erman and J.B.Theeten,.J.Appl.
Phys，６０，８５９（１９８６）．）（２）検出器にＣＣＤカメラを用いて反射光強度の画像
を複数記録し、それらから、その下地上の薄膜の膜厚、
屈折率の二次元分布を計算する測定法（D.Beaglehole,
Rev.Sci.Instrum., ５９，２５５７（１９８８）．）しかしながら、上記（１）の方法の場合には、試料を移
動して測定するために、試料移動の際に機械的な振動が
発生し、液体表面の測定ができないという欠点がある。
また、試料の移動が、機械的に行われるため、試料を走
査するのに時間がかかる。

【０００６】他方、上記（２）の方法の場合には、デジ
タル化した複数の反射光強度の画像を必要とするため、
一つの測定に時間がかかることや、実用的な屈折率の測
定精度を得るために、数十の画像が必要となるので、膨
大なメモリ容量、または外部記憶装置が必要である。ま
た、特定の屈折率の二次元分布だけを得たい場合でも、
同様の測定手順が必要なので、同様の時間がかかる等の
問題があった。

【０００７】そこで、この発明は、以上の通りの事情に
鑑みてなされたものであり、従来の技術における問題点
を解消し、屈折率や膜厚の二次元分布、その動的変化等
を視覚的に容易に確認でき、なおかつ表面現象をリアル
タイムで観察でき、また液体表面でも測定可能な、新し
い膜厚・屈折率の観察方法を提供することを目的として
いる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、白色光源からの光を固体または
液体表面に照射し、反射光を再入射させることを複数回
繰り返し、反射光の部分消光から、膜厚および／または
屈折率の差を色差として観察することを特徴とする高感
度な膜厚・屈折率の色差観察法を提供する。

【０００９】

【作用】この発明においては、上記の通り、部分消光と
反射光の着色を原理的な特徴とし、この特徴によって、
膜厚および／または屈折率の差を色差として高感度観察
することを可能としている。そして、この特徴によっ
て、〔１〕膜厚、屈折率分布を色の差によって観察する〔２〕表面現象を実時間で観察する〔３〕測定時に試料を動かさなくてもいいため、液体表
面でも観察することが可能になる。

【００１０】そこで、この発明の作用について、まず消
光法（消光型エリプソンメーターの原理）に関して説明
し、次に部分消光について説明する。消光法消光法について詳しく説明すると、光の偏光状態ｐは、
通常、Δ、Ψを用いて次のように表される。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここで、Ｅｐ、Ｅｓは、それぞれ光の電場
ベクトルのｐ成分、ｓ成分である。つぎに、ある膜で覆
われている基板表面を考える。ある単色光が斜めに入射
したときの反射光の偏光状態は、次式

【００１３】

【数２】

【００１４】と表わすことができる。ここで、

【００１５】

【数３】

【００１６】とおけば、

【００１７】

【数４】

【００１８】を導くことができる。ここで、Ｒｐ、Ｒｓ
は、その表面の複素反射率で、その膜の膜厚、屈折率、
基板の屈折率、光の入射角は、その波長に依存する。い
ま、基板の屈折率、光の入射角、その波長は既知である
とする。Ｅｐ、Ｅｓはそれぞれ入射光の電場ベクトルの
ｐ成分、ｓ成分で、既知であるとすると、次の関係

【００１９】

【数５】

【００２０】が成り立つとき、その光は、直線偏光とし
て扱うことができる。この式（１）からΔ₀を調整する
と、いつでも反射光を直線偏光にできることがわかる。
直線偏光の光は、偏光子によって、消光することができ
る。そのときの電場ベクトルの方向から、ｔａｎΨ＝ｔ
ａｎΨｓ・ｔａｎΨ₀を満たすΨを知ることができる。
Δ₀、Ψ₀は、既知であるから、ただちにΔｓ、Ψｓが
わかる。未知数は、膜厚、膜の屈折率だけであるから、
Δｓ、Ψｓからそれらがわかる。これが、エリプソンメ
ーターにおける消光法である。部分消光次に、部分消光について説明する。

【００２１】入射光源として、白色光を仮定する。ここ
で白色光とは、全ての波長の光を等しい強度で含む光を
さしている。このとき、一般に、Δｓ、Ψｓは、波長の
関数になる。入射光のある波長、入射角、膜厚、その波
長での屈折率、基板のその波長での屈折率に対して、式
１の関係がその波長で成り立つとき、一般に、他の波長
では、上記の式（１）は成り立たず、反射光はその一つ
の波長でのみ直線偏光となる。従って、偏光子を用いて
消光する場合、消光できるのはその一つの波長だけであ
る。これを部分消光と呼ぶ。部分消光した光は、その消
光した波長の色に対する補色を帯びることになる。

【００２２】図１は、この部分消光についてのシステム
構成を例示したものである。観察対象の基板の表面は、
ある特定の屈折率分布をもつ薄膜フィルムで覆われてい
るとする。通常の消光型エリプソメーターにおいては、
光源を白色光にし、反射光を検光子（つまり偏光子）を
通過させ、この検光子と、入射側の偏光子の角度を調整
すると、基板の表面で、特定の薄膜、屈折率に応じたあ
る波長で、部分消光を起こさせることができる。波長板
のfirst axis（光学的高速軸）は４５度、または１３５
度方向に固定する。

【００２３】そのとき反射光は、その膜厚や屈折率に応
じてある色を帯びる。この屈折率と同じ値を持つ場所
は、同じように部分消光が生じるので、同じ色を帯び
る。この時の反射光のスペクトル強度は、たとえば図２
で示すように部分消光した波長（λ０）で最小値を持
つ。他の場所では、屈折率が違うので、そこからの反射
光は、どんな波長でも直線偏向にならず、従って部分消
光されないが、そのスペクトル強度は別の波長（λ１）
で最小となる。最小波長が異なれば、異なる色を持つの
で、場所によって異なる色が観察される。その反射光を
カメラによって撮影することができる。

【００２４】高感度化上記の方法において、一度、試料表面で反射した光をミ
ラーで反射し、同じ表面に再び入射させると、式（１）
の△_Sは２倍になる。このことは、２度同じ表面で反射
した光は、１度反射した光に比べ偏光状態が２倍異なる
と言うことである。従って、試料の異なる膜厚、屈折率
の場所からの反射光の偏光状態の差も、また２倍にな
る。結果として、色の差も大きくなる。このことは極く
小さな、膜厚、屈折率の差も色の差として観察できる可
能性を示すものである。

【００２５】そこで、この反射光の同一表面への再入射
を２度以上複数回繰り返すと、さらに高感度での観察が
可能になる。もちろん、当然にも反射光の減衰を考慮す
べきではある。以上の作用原理に基づくこの発明の具体
化に際しては様々な態様が可能であることは言うまでも
ない。たとえば、この発明においては、検出装置とし
て、分光器を用いることで、定量化も可能となる。カメ
ラ、カラーＣＣＤカメラ、分光器などを用いることがで
きるが、ある試料についての色と膜厚の対応を決定して
おくと、カメラ、カラーＣＣＤカメラを使い、膜厚を色
から決定することが出来る。もちろん、この場合、膜厚
の差による色の差がある程度大きくないと識別が不可能
となる。この場合、分光器を用いて精密に膜厚を色から
決定できる。

【００２６】以下実施例を示す、さらにこの発明につい
て詳しく説明する。

【００２７】

【実施例】実施例１図３は、この発明のためのシステム構成を例示したもの
である。たとえばこの図３に示したように、この発明の
方法においては、白色光源を出た光は、偏光子と波長板
によって、ある特定の偏光状態になった後、ハーフミラ
ーを通り試料表面に入射する。光は偏光状態が変化し、
反射され、反射鏡に到達する。その反射鏡によって反射
された光は、再び、試料表面に入斜し、更に偏光状態が
変化する。その光はハーフミラーによって９０度反射さ
れ、検光子通過し、カメラに到達する。

【００２８】この際、ハーフミラーの反射率の偏光依存
性に注意しなければならない。できるだけ、その依存性
が小さく、またそれが波長に大きく依存しないものを使
うことが重要である。実施例２実施例１で構成したシステムを用い、実際にシリコンウ
エア基板上の表面膜厚の差を観察した。

【００２９】試料は、厚さ約２ｎｍの酸化膜を持つシリ
コンウエア上に、レジストフィルムを張り付け、１０％
ＨＦ溶液に約３０秒間浸した後、純水で洗い、その後レ
ジストフィルムをアセトンを使って取り除いて作成し
た。レジストフィルムを張り付けた場所だけ、もとの厚
さの酸化膜が残り、凸凹が形成された。次に、白色光源
として、ハロゲンランプを用い、偏光子、検光子にグラ
ントムソンプリズムを用いて、図３のシステムによっ
て、５５０ｎｍの波長が部分消光するように検光子、偏
光子の角度を選び、カメラで撮影した。図４は、その例
を示したものであり、「ＥＲＡＴＯ」の文字が読み取れ
る。

【００３０】残存酸化膜部分は、白色であるが、その周
囲は、青色であった。酸化膜のΔは１６８度、Ψは１
１．８度、その周りでは、Δは１７２度、Ψは１１．８
度であり、その差は、約１ｎｍに相当する。

【００３１】

【発明の効果】以上詳しく説明した通りこの発明によっ
て、膜厚や屈折率分布を色の違いによって見分けること
が可能となり、表面現象を実時間で高感度観察すること
が可能となる。また、測定時に試料を移動する必要がな
いため、液体表面においても観察が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法の部分消光のためのシステム例
を示した概略構成図である。

【図２】部分消光した反射光スペクトル強度と屈折率が
異なる場所からの反射光スペクトル強度の関係を示した
関係図である。

【図３】実施例としてのシステム構成図である。

【図４】実施例としての写真像図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01N 21/21 G01N 21/41

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光源からの光を固体または液体表面
に照射し、反射光を再入射させることを複数回繰り返
し、反射光の部分消光から、膜厚および／または屈折率
の差を色差として観察することを特徴とする膜厚・屈折
率の高感度色差観察法。
【請求項２】消光型エリプソメーターを使用する請求
項１の観察法。