JP2851987B2

JP2851987B2 - 膜厚・屈折率の色差観察法

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Publication number: JP2851987B2
Application number: JP5097794A
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: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1999-01-27
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JPH06308021A

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。すな
わち、膜厚、屈折率の差が偏光の差に変換され、その差
が光の波長の強度分布の差として変換されて色差として
観察されるのである。換言すれば、色を特徴づける波長
（λ _１）が膜厚、屈折率の変化に比例して変化すること
に基づいて、この発明においては、白色光源からの光を
固体または液体表面に照射し、部分消光した反射光の膜
厚・屈折率差に比例する極小強度を与える波長λ _１に特
徴づけられる色により膜厚および／屈折率の差を色差と
して観察するのである。

【００２２】もちろん、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。

【００２３】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。

【００２４】

【実施例】実施例１この発明の方法を実施するためのシステムを構成した。
その一例を示したものが図１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。

【００２５】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。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
エア基板上の表面に膜厚の差として作られた文字の観察
を行った。

【００２６】試料は、厚さ約２ｎｍの酸化膜を持つシリ
コンウエア上に、レタリング用の文字（約１ｍｍ²）を
張り付け、１０％ＨＦ溶液に約３０秒間浸した後、純水
で洗い、その後レタリングをアセトンを使って取り除い
て作成した。レタリングを張り付けた場所だけ、もとの
厚さの酸化膜が残り、凸凹として文字ができる。その文
字は、“ＥＲＡＴＯ”である。

【００２７】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、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。得られた写真像
を示したものが図３である。“ＥＲＡＴＯ”部分は、白
色であるが、その周囲は、青色であった。“ＥＲＡＴ
Ｏ”部分の酸化膜のΔは１６８度、Ψは１１．８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。

【００２８】

【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】この発明の方法を実施する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】実施例としての観察像図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】消光型エリプソメトリにおいて、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・屈折率の色差観察
法。