JP3219223B2 - 特性値測定方法及び装置 - Google Patents
特性値測定方法及び装置Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜や鏡面の特性値、
即ち、薄膜の膜厚や屈折率,吸収係数などを測定する方
法及び装置に係り、特に、LSI製造工程中のレジスト
膜の状態計測などに用いて好適な特性値測定方法及び装
置に関する。
即ち、薄膜の膜厚や屈折率,吸収係数などを測定する方
法及び装置に係り、特に、LSI製造工程中のレジスト
膜の状態計測などに用いて好適な特性値測定方法及び装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】薄膜の特性値を測定する方法には、ま
ず、田幸敏治他編「光学的測定ハンドブック」朝倉書店
(1981)発行 pp.256−265などに開示さ
れる偏光解析法がある。これは、一般に、測定対象とな
る薄膜に斜方から光を照射し、主に反射光のP偏光とS
偏光の位相変化の差に注目する方法である。
ず、田幸敏治他編「光学的測定ハンドブック」朝倉書店
(1981)発行 pp.256−265などに開示さ
れる偏光解析法がある。これは、一般に、測定対象とな
る薄膜に斜方から光を照射し、主に反射光のP偏光とS
偏光の位相変化の差に注目する方法である。
【0003】また、反射率を用いて薄膜の膜厚や屈折
率,吸収係数を測定する反射率解析法もあり、特開昭6
4−75902号公報や特開昭63−128210号公
報,特開平3−17505号公報などに開示されてい
る。特開昭64ー75902号公報や特開昭63ー12
8210号公報に開示されている反射率解析法は、測定
光の入射角変化に伴う反射光強度変化、即ち、反射光強
度の入射角依存特性を測定し、その3つの極値の入射角
を用いて薄膜の特性値を求める方法である。特開平3ー
17505号公報に開示されている反射率解析法は、検
出レンズの後側で光強度を検出することで求めた反射光
強度の入射角依存特性より、薄膜の特性値を求める方法
である。
率,吸収係数を測定する反射率解析法もあり、特開昭6
4−75902号公報や特開昭63−128210号公
報,特開平3−17505号公報などに開示されてい
る。特開昭64ー75902号公報や特開昭63ー12
8210号公報に開示されている反射率解析法は、測定
光の入射角変化に伴う反射光強度変化、即ち、反射光強
度の入射角依存特性を測定し、その3つの極値の入射角
を用いて薄膜の特性値を求める方法である。特開平3ー
17505号公報に開示されている反射率解析法は、検
出レンズの後側で光強度を検出することで求めた反射光
強度の入射角依存特性より、薄膜の特性値を求める方法
である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記の偏光解析法によ
り薄膜の特性値を高精度に測定するためには、偏光子や
検光子を精度良く回転させる必要があるため、装置が大
掛かりとなり、かつ高価になるという問題があった。
り薄膜の特性値を高精度に測定するためには、偏光子や
検光子を精度良く回転させる必要があるため、装置が大
掛かりとなり、かつ高価になるという問題があった。
【0005】また、特開昭64ー75902号公報や特
開昭63ー128210号公報,特開平3−17505
号公報に開示されている反射率解析法により薄膜の特性
値を高精度に測定するためには、まず、反射光強度の入
射角依存特性を高精度に測定する必要がある。
開昭63ー128210号公報,特開平3−17505
号公報に開示されている反射率解析法により薄膜の特性
値を高精度に測定するためには、まず、反射光強度の入
射角依存特性を高精度に測定する必要がある。
【0006】しかし、特開昭64ー75902号公報や
特開昭63ー128210号公報に開示されている反射
率解析法のような測定光の入射角を機械的に走査する方
法では、可動部を有するために、高速かつ高精度な測定
が非常に困難であるし、反射光強度の入射角依存特性の
中の極値を示す3点の情報のみしか用いないため、反射
光強度の入射角依存特性の測定誤差の影響を大きく受け
るという問題がある。
特開昭63ー128210号公報に開示されている反射
率解析法のような測定光の入射角を機械的に走査する方
法では、可動部を有するために、高速かつ高精度な測定
が非常に困難であるし、反射光強度の入射角依存特性の
中の極値を示す3点の情報のみしか用いないため、反射
光強度の入射角依存特性の測定誤差の影響を大きく受け
るという問題がある。
【0007】これに対し、特開平3ー17505号公報
に開示されている反射率解析法は、反射光強度の入射角
依存特性測定の光学系に可動部が含まれず、また、特開
昭64ー75902号公報や特開昭63ー128210
号公報に開示されている反射率解析法よりも、一般に、
反射光強度の入射角依存特性の多くの測定点を用いるた
め、高速かつ高精度な測定に向いている。
に開示されている反射率解析法は、反射光強度の入射角
依存特性測定の光学系に可動部が含まれず、また、特開
昭64ー75902号公報や特開昭63ー128210
号公報に開示されている反射率解析法よりも、一般に、
反射光強度の入射角依存特性の多くの測定点を用いるた
め、高速かつ高精度な測定に向いている。
【0008】しかし、特開平3ー17505号公報に記
載されるように光源としてレーザを用いる場合には、次
のような問題が生じる。即ち、レジスト膜を測定する場
合には、露光波長での測定値が重要な意味を持つのであ
るが、露光波長、即ち、i線やg線などの水銀の輝線ス
ペクトルと同一波長を持つレーザが存在せず、また、そ
れに近い波長のガスレーザを用いるにしても、装置が大
掛かりとなるという問題がある。さらに、測定可能な波
長がレーザ光源の存在する波長に限られるという問題点
もある。
載されるように光源としてレーザを用いる場合には、次
のような問題が生じる。即ち、レジスト膜を測定する場
合には、露光波長での測定値が重要な意味を持つのであ
るが、露光波長、即ち、i線やg線などの水銀の輝線ス
ペクトルと同一波長を持つレーザが存在せず、また、そ
れに近い波長のガスレーザを用いるにしても、装置が大
掛かりとなるという問題がある。さらに、測定可能な波
長がレーザ光源の存在する波長に限られるという問題点
もある。
【0009】そこで、レジスト膜を測定する際には、水
銀ランプなどの光源から干渉フィルタなどによってi線
やg線などの波長の光を抽出して用いる必要があるが、
これには以下の問題を生ずる。また、測定対象をレジス
ト膜に限定しない場合でも、任意波長での測定値が必要
である場合には、キセノンランプなどの白色光源から必
要な波長の光を取り出して用いなければならないため、
やはり以下の問題を生ずる。
銀ランプなどの光源から干渉フィルタなどによってi線
やg線などの波長の光を抽出して用いる必要があるが、
これには以下の問題を生ずる。また、測定対象をレジス
ト膜に限定しない場合でも、任意波長での測定値が必要
である場合には、キセノンランプなどの白色光源から必
要な波長の光を取り出して用いなければならないため、
やはり以下の問題を生ずる。
【0010】特開平3ー17505号公報などに開示さ
れる反射率解析法にみられる収束光照明を用いた光学系
で反射率の入射角依存特性を測定する方法では、まず、
強度分布一定の平面波を作って反射光強度の入射角依存
特性を測定し、これに一定係数を乗ずることによって反
射光強度を反射率に変換する必要がある。この場合、光
源として水銀ランプなどを用いると、照度むらがあり、
その影響を避けるために、照明光集光位置にピンホール
を置かなくてはならない。しかし、ピンホールを用いる
と、光量を制限されてしまい、充分なS/N比で反射光
強度の入射角依存特性を測定するということができな
い。このため、ピンホールを用いないようにすることが
考えられるが、この場合、光源の照度むらの分布形状を
予め知られていないと、精度良く反射光強度の入射角依
存特性を測定することができず、従って、薄膜の特性値
を正確に求めることができない。
れる反射率解析法にみられる収束光照明を用いた光学系
で反射率の入射角依存特性を測定する方法では、まず、
強度分布一定の平面波を作って反射光強度の入射角依存
特性を測定し、これに一定係数を乗ずることによって反
射光強度を反射率に変換する必要がある。この場合、光
源として水銀ランプなどを用いると、照度むらがあり、
その影響を避けるために、照明光集光位置にピンホール
を置かなくてはならない。しかし、ピンホールを用いる
と、光量を制限されてしまい、充分なS/N比で反射光
強度の入射角依存特性を測定するということができな
い。このため、ピンホールを用いないようにすることが
考えられるが、この場合、光源の照度むらの分布形状を
予め知られていないと、精度良く反射光強度の入射角依
存特性を測定することができず、従って、薄膜の特性値
を正確に求めることができない。
【0011】即ち、レジスト膜の測定に際し、露光波長
として照明光の波長を利用する場合などでは、レーザ以
外の光源を用いた場合、反射光強度の入射角依存特性か
ら反射率の入射角依存特性への変換が大きな課題とな
る。
として照明光の波長を利用する場合などでは、レーザ以
外の光源を用いた場合、反射光強度の入射角依存特性か
ら反射率の入射角依存特性への変換が大きな課題とな
る。
【0012】本発明の目的は、かかる問題を解消し、可
動部を有さない光学系とレーザ以外の照明光を用いて薄
膜の特性値を決定する場合に、光源の照度むらを取り除
き、測定に必要な反射率の入射角依存特性を精度良く求
めることができるようにした方法及び装置を提供するこ
とにある。
動部を有さない光学系とレーザ以外の照明光を用いて薄
膜の特性値を決定する場合に、光源の照度むらを取り除
き、測定に必要な反射率の入射角依存特性を精度良く求
めることができるようにした方法及び装置を提供するこ
とにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、屈折率及び吸収係数が既知である参照試
料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ)の測定、及
び前記参照試料の反射率の入射角依存特性Rref(θ)の
計算を予め行なっておく。測定対象である薄膜の反射光
強度の入射角依存特性I(θ)を測定し、これを、前記I
ref(θ)で割った後で前記Rref(θ)を乗ずる。
に、本発明は、屈折率及び吸収係数が既知である参照試
料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ)の測定、及
び前記参照試料の反射率の入射角依存特性Rref(θ)の
計算を予め行なっておく。測定対象である薄膜の反射光
強度の入射角依存特性I(θ)を測定し、これを、前記I
ref(θ)で割った後で前記Rref(θ)を乗ずる。
【0014】薄膜の膜厚値、屈折率値、吸収係数値を種
々に変化させて反射率の入射角依存特性理論値を計算
し、以上の手順で求めた反射率の入射角依存特性測定値
と重なる理論値を探索することにより、測定対象薄膜の
膜厚、屈折率、吸収係数を決定する。
々に変化させて反射率の入射角依存特性理論値を計算
し、以上の手順で求めた反射率の入射角依存特性測定値
と重なる理論値を探索することにより、測定対象薄膜の
膜厚、屈折率、吸収係数を決定する。
【0015】
【作用】測定対象の薄膜の反射光強度の入射角依存特性
I(θ)は、その反射率の入射角依存特性R(θ)と照明光
の照度むらS(θ)との積で表わされる。同様に、参照試
料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ)も、その反
射率の入射角依存特性Rref(θ)と照明光の照度むらS
(θ)との積で表わされる。そこで、測定対象の薄膜の反
射光強度の入射角依存特性I(θ)を参照試料の反射光強
度の入射角依存特性Iref(θ)で除算すると、これらに
共通するS(θ)の項が消去され、測定対象の薄膜の反射
率の入射角依存特性R(θ)と参照試料の反射率の入射角
依存特性Rref(θ)との比が求まる。参照試料の反射率
の入射角依存特性Rref(θ)は、参照試料の屈折率及び
吸収係数が既知であるため、理論計算で求めることがで
き、これを上記の比に乗算することにより、測定対象の
薄膜の反射率の入射角依存特性R(θ)を求めることがで
きる。
I(θ)は、その反射率の入射角依存特性R(θ)と照明光
の照度むらS(θ)との積で表わされる。同様に、参照試
料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ)も、その反
射率の入射角依存特性Rref(θ)と照明光の照度むらS
(θ)との積で表わされる。そこで、測定対象の薄膜の反
射光強度の入射角依存特性I(θ)を参照試料の反射光強
度の入射角依存特性Iref(θ)で除算すると、これらに
共通するS(θ)の項が消去され、測定対象の薄膜の反射
率の入射角依存特性R(θ)と参照試料の反射率の入射角
依存特性Rref(θ)との比が求まる。参照試料の反射率
の入射角依存特性Rref(θ)は、参照試料の屈折率及び
吸収係数が既知であるため、理論計算で求めることがで
き、これを上記の比に乗算することにより、測定対象の
薄膜の反射率の入射角依存特性R(θ)を求めることがで
きる。
【0016】即ち、本発明によれば、水銀ランプなど照
度むらを有する光源を用いても、その照度むらを測定す
ることなく、測定対象の薄膜の各入射角に対応した絶対
反射率を容易に算出することができる。
度むらを有する光源を用いても、その照度むらを測定す
ることなく、測定対象の薄膜の各入射角に対応した絶対
反射率を容易に算出することができる。
【0017】薄膜の膜厚値や屈折率値,吸収係数値を種
々に変化させて反射率の入射角依存特性理論値を計算
し、上記手順により求まった反射率の入射角依存特性測
定値と重なる理論値を探索することにより、その理論値
の計算に用いた膜厚値,屈折率値,吸収係数値を測定対
象薄膜の特性値とすることができる。
々に変化させて反射率の入射角依存特性理論値を計算
し、上記手順により求まった反射率の入射角依存特性測
定値と重なる理論値を探索することにより、その理論値
の計算に用いた膜厚値,屈折率値,吸収係数値を測定対
象薄膜の特性値とすることができる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図1は本発明による特性値測定方法及び装置の一実
施例を示す図であって、1は光源、2はコリメート用レ
ンズ、3は偏光板、4は波長限定用光学素子、5は照明
側レンズ、6は検出側レンズ、7は検出器、8,9は記
憶装置、10,11は演算部、12は測定対象薄膜、1
2aはベアシリコンウエハ、13は参照試料、14は照
度分布、15は照明光線、16は平行反射光束、17は
検出側レンズ6の後焦点面、18は反射強度検出軸(X
軸)である。
る。図1は本発明による特性値測定方法及び装置の一実
施例を示す図であって、1は光源、2はコリメート用レ
ンズ、3は偏光板、4は波長限定用光学素子、5は照明
側レンズ、6は検出側レンズ、7は検出器、8,9は記
憶装置、10,11は演算部、12は測定対象薄膜、1
2aはベアシリコンウエハ、13は参照試料、14は照
度分布、15は照明光線、16は平行反射光束、17は
検出側レンズ6の後焦点面、18は反射強度検出軸(X
軸)である。
【0019】この実施例は、薄膜の反射強度の入射角依
存特性を測定することにより、薄膜の特性値を測定する
ものである。ここでは、可動部を用いずに薄膜の膜厚や
屈折率,吸収係数の測定を行なうので、高速かつ高精度
な測定が可能となる。以下、この実施例について説明す
る。
存特性を測定することにより、薄膜の特性値を測定する
ものである。ここでは、可動部を用いずに薄膜の膜厚や
屈折率,吸収係数の測定を行なうので、高速かつ高精度
な測定が可能となる。以下、この実施例について説明す
る。
【0020】図1において、光源1からの照明光線15
はコリメート用レンズ2で平行光線とされ、偏光板3及
び波長限定用光学素子4を通り、集光用の照明側レンズ
5によって所定位置に設置されたベアシリコンウエハ1
2a上の測定対象薄膜12または参照試料13に集光さ
れる。この照明光線15の測定対象薄膜12または参照
試料13への入射角をθとする。測定対象薄膜12また
は参照試料13からの反射光線16は、検出側レンズ6
により、この検出側レンズ6の後焦点面17上に収束さ
れる。この後焦点面17上に反射光強度の検出器7が設
けられている。照明光線15が照射されるのが測定対象
薄膜12であるときの検出器7の検出結果は記憶装置8
に記憶され、照明光線15が照射されるのが参照試料1
3であるときの検出器7の検出結果は記憶装置9に記憶
される。記憶装置8,9のデータが演算部10で演算さ
れて測定対象薄膜12の反射率が求められ、この反射率
が演算部11で演算されて測定対象薄膜12の膜厚や屈
折率,吸収係数などの特性値が求められる。
はコリメート用レンズ2で平行光線とされ、偏光板3及
び波長限定用光学素子4を通り、集光用の照明側レンズ
5によって所定位置に設置されたベアシリコンウエハ1
2a上の測定対象薄膜12または参照試料13に集光さ
れる。この照明光線15の測定対象薄膜12または参照
試料13への入射角をθとする。測定対象薄膜12また
は参照試料13からの反射光線16は、検出側レンズ6
により、この検出側レンズ6の後焦点面17上に収束さ
れる。この後焦点面17上に反射光強度の検出器7が設
けられている。照明光線15が照射されるのが測定対象
薄膜12であるときの検出器7の検出結果は記憶装置8
に記憶され、照明光線15が照射されるのが参照試料1
3であるときの検出器7の検出結果は記憶装置9に記憶
される。記憶装置8,9のデータが演算部10で演算さ
れて測定対象薄膜12の反射率が求められ、この反射率
が演算部11で演算されて測定対象薄膜12の膜厚や屈
折率,吸収係数などの特性値が求められる。
【0021】このように収束光線を用いることにより、
広い範囲の入射角に対応する反射光強度を同時に測定
し、測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性を高速
に測定することができる。
広い範囲の入射角に対応する反射光強度を同時に測定
し、測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性を高速
に測定することができる。
【0022】まず、測定対象薄膜12が設置された場
合、入射角θの照明光線15は、測定対象薄膜12に入
射すると、この薄膜12内で多重反射して反射角θの平
行光束16が反射される。ここでは、図面を簡略化する
ために、平行反射光束16は2本しか図示していない。
この平行反射光束16は、検出側レンズ6により、検出
側レンズ6の後焦点面17上に集光する。
合、入射角θの照明光線15は、測定対象薄膜12に入
射すると、この薄膜12内で多重反射して反射角θの平
行光束16が反射される。ここでは、図面を簡略化する
ために、平行反射光束16は2本しか図示していない。
この平行反射光束16は、検出側レンズ6により、検出
側レンズ6の後焦点面17上に集光する。
【0023】ここで、図2に示すように、検出側レンズ
6の後焦点面17上の中心から集光位置までの反射強度
検出軸(X軸)に沿う距離をxとし、検出側レンズ6の
光軸に対して平行反射光束16のなす角度をaとする
と、検出側レンズ6が良く収差補正されているときには
正弦条件が成立しているため、距離xと角度aの間に次
の数1に示す関係が成立する。
6の後焦点面17上の中心から集光位置までの反射強度
検出軸(X軸)に沿う距離をxとし、検出側レンズ6の
光軸に対して平行反射光束16のなす角度をaとする
と、検出側レンズ6が良く収差補正されているときには
正弦条件が成立しているため、距離xと角度aの間に次
の数1に示す関係が成立する。
【0024】
【数1】
【0025】f:検出側レンズ6の焦点距離 即ち、検出側レンズ6の後焦点面17上にとったX軸1
8上の反射光強度を測定し、上記数1を用いることによ
り、測定対象薄膜12の反射光強度の入射角依存特性I
(θ)を得ることができる。
8上の反射光強度を測定し、上記数1を用いることによ
り、測定対象薄膜12の反射光強度の入射角依存特性I
(θ)を得ることができる。
【0026】ところで、レーザ光のように照明光線の照
度分布が均一の場合には、得られた測定対象薄膜12の
反射光強度の入射角依存特性I(θ)に反射光強度から反
射率への変換のための定数を乗算するだけで測定対象薄
膜12の反射率の入射角依存特性R(θ)を求めることが
できるのであるが、光源1として水銀ランプなどを用い
る場合には、レーザと異なって照明光線15の照度分布
14は均一にできないため、得られた測定対象薄膜12
の反射光強度の入射角依存特性I(θ)から上記のように
単純には測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性R
(θ)を求めることができない。
度分布が均一の場合には、得られた測定対象薄膜12の
反射光強度の入射角依存特性I(θ)に反射光強度から反
射率への変換のための定数を乗算するだけで測定対象薄
膜12の反射率の入射角依存特性R(θ)を求めることが
できるのであるが、光源1として水銀ランプなどを用い
る場合には、レーザと異なって照明光線15の照度分布
14は均一にできないため、得られた測定対象薄膜12
の反射光強度の入射角依存特性I(θ)から上記のように
単純には測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性R
(θ)を求めることができない。
【0027】そこで、この実施例では、検出器7で測定
された測定対象薄膜12の反射光強度の入射角依存特性
I(θ)を記憶装置8に格納して保持し、次に、参照試料
13について同様の測定を行なう。そして、検出器7の
測定結果を参照試料13の反射光強度の入射角依存特性
Iref(θ)として記憶装置9に格納する。参照試料13
としては、屈折率及び吸収係数が既知の鏡面試料であれ
ば何であってもよく、例えば、ベアシリコンウェハなど
を用いることができる。
された測定対象薄膜12の反射光強度の入射角依存特性
I(θ)を記憶装置8に格納して保持し、次に、参照試料
13について同様の測定を行なう。そして、検出器7の
測定結果を参照試料13の反射光強度の入射角依存特性
Iref(θ)として記憶装置9に格納する。参照試料13
としては、屈折率及び吸収係数が既知の鏡面試料であれ
ば何であってもよく、例えば、ベアシリコンウェハなど
を用いることができる。
【0028】いま、参照試料13の反射率の入射角依存
特性をRref(θ)とし、照明光線15の照度分布14を
入射角θの関数S(θ)とすると、参照試料13の反射光
強度の入射角依存特性Iref(θ)は次の数2で表わすこ
とができる。
特性をRref(θ)とし、照明光線15の照度分布14を
入射角θの関数S(θ)とすると、参照試料13の反射光
強度の入射角依存特性Iref(θ)は次の数2で表わすこ
とができる。
【0029】
【数2】
【0030】また、測定対象薄膜12の反射光強度の入
射角依存特性I(θ)は、その反射率の入射角依存特性を
R(θ)とすると、
射角依存特性I(θ)は、その反射率の入射角依存特性を
R(θ)とすると、
【0031】
【数3】
【0032】と表わされるので、この数3を上記数2で
辺々割算することにより、次の数4に示すように、測定
結果である反射光強度の入射角依存特性I(θ),Iref
(θ)の比が求められて未知の値S(θ)を消去することが
できる。
辺々割算することにより、次の数4に示すように、測定
結果である反射光強度の入射角依存特性I(θ),Iref
(θ)の比が求められて未知の値S(θ)を消去することが
できる。
【0033】
【数4】
【0034】ここで、参照試料13の反射率の入射角依
存特性Rref(θ)は参照試料13の既知の屈折率及び吸
収係数を用いて、後述する数8〜数13などにより、理
論計算で求まるので、この既知の反射率の入射角依存特
性Rref(θ)を上記数4の両辺に乗ずることにより、次
の数5が得られて測定対象薄膜12の反射率の入射角依
存特性Rref(θ) が得られる。
存特性Rref(θ)は参照試料13の既知の屈折率及び吸
収係数を用いて、後述する数8〜数13などにより、理
論計算で求まるので、この既知の反射率の入射角依存特
性Rref(θ)を上記数4の両辺に乗ずることにより、次
の数5が得られて測定対象薄膜12の反射率の入射角依
存特性Rref(θ) が得られる。
【0035】
【数5】
【0036】即ち、測定結果である反射光強度の入射角
依存特性I(θ),Iref(θ)と、理論計算結果である参
照試料13の反射率の入射角依存特性Rref(θ)を用い
た数5の左辺の計算により、測定対象薄膜12の膜厚や
屈折率,吸収係数の決定に必要な測定対象薄膜12の反
射率の入射角依存特性R(θ)を求めることができる。か
かる演算が演算部10によって行なわれる。
依存特性I(θ),Iref(θ)と、理論計算結果である参
照試料13の反射率の入射角依存特性Rref(θ)を用い
た数5の左辺の計算により、測定対象薄膜12の膜厚や
屈折率,吸収係数の決定に必要な測定対象薄膜12の反
射率の入射角依存特性R(θ)を求めることができる。か
かる演算が演算部10によって行なわれる。
【0037】なお、かかる反射率入射角依存特性R(θ)
の算出方式によると、照明光線15の照度分布14だけ
でなく、各光学素子の透過位置の違いによる透過率の不
均一性の補正もなされる。即ち、光学系中の全光学素子
の不均一性を1つにまとめ、これを入射角θの関数 T
(θ)とすると、上記数2,数3はこれを含めて次の数
6,数7のように表わされる。
の算出方式によると、照明光線15の照度分布14だけ
でなく、各光学素子の透過位置の違いによる透過率の不
均一性の補正もなされる。即ち、光学系中の全光学素子
の不均一性を1つにまとめ、これを入射角θの関数 T
(θ)とすると、上記数2,数3はこれを含めて次の数
6,数7のように表わされる。
【0038】
【数6】
【0039】
【数7】
【0040】そこで、数7を数6で辺辺割算し、その結
果の両辺に既知の参照試料13の反射率の入射角依存特
性Rref(θ)を乗ずると、上記数5が得られて、S(θ)
と同様に、T(θ)もやはり消去される。従って、各光学
素子の透過位置の違いによる透過率の不均一性の影響も
除かれる。
果の両辺に既知の参照試料13の反射率の入射角依存特
性Rref(θ)を乗ずると、上記数5が得られて、S(θ)
と同様に、T(θ)もやはり消去される。従って、各光学
素子の透過位置の違いによる透過率の不均一性の影響も
除かれる。
【0041】演算部11は、以上のようにして求められ
た測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性R(θ)か
ら、測定対象薄膜12の膜厚や屈折率,吸収係数を求め
るものである。次に、この点について説明する。
た測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性R(θ)か
ら、測定対象薄膜12の膜厚や屈折率,吸収係数を求め
るものである。次に、この点について説明する。
【0042】理論計算による薄膜の反射率の入射角依存
特性Rth(θ)は、薄膜の膜厚や屈折率,吸収係数を定め
れば、境界面での振幅反射率を示すフレネル係数及び多
重干渉理論式を用いて求まる。いま、図3に示すような
モデルを考えた場合、入射光線15の強度を1としたと
きの検出側レンズ6の後焦点面17上の収束点Pにおけ
る反射光強度は、次の数8のRで表わされる。これは強
度の反射率を表わす。なお、数8〜数13までは入射光
線15をP偏光としたときの式である。
特性Rth(θ)は、薄膜の膜厚や屈折率,吸収係数を定め
れば、境界面での振幅反射率を示すフレネル係数及び多
重干渉理論式を用いて求まる。いま、図3に示すような
モデルを考えた場合、入射光線15の強度を1としたと
きの検出側レンズ6の後焦点面17上の収束点Pにおけ
る反射光強度は、次の数8のRで表わされる。これは強
度の反射率を表わす。なお、数8〜数13までは入射光
線15をP偏光としたときの式である。
【0043】
【数8】
【0044】但し、rpは振幅反射率で複素数、〔rp〕
はrpの共役な複素数であって、
はrpの共役な複素数であって、
【0045】
【数9】
【0046】但し、測定対象薄膜12はベアシリコンウ
エハ12a上に形成されているものとし、 δ :測定対象薄膜12内での一往復で生じる光路差 r01p:空気と測定対象薄膜12の境界面でのP偏光光
の振幅反射率 r12p:測定対象薄膜12とベアシリコンウエハ12a
との境界面でのP偏光光の振幅反射率 であり、
エハ12a上に形成されているものとし、 δ :測定対象薄膜12内での一往復で生じる光路差 r01p:空気と測定対象薄膜12の境界面でのP偏光光
の振幅反射率 r12p:測定対象薄膜12とベアシリコンウエハ12a
との境界面でのP偏光光の振幅反射率 であり、
【0047】
【数10】
【0048】λ :照明光の波長 d :薄膜の膜厚 θ1 :空気から薄膜への入射角θの光線の薄膜内での
屈折角
屈折角
【0049】
【数11】
【0050】
【数12】
【0051】θ2 :空気から薄膜への入射角θの光線
のベアシリコンウェハ内での屈折角 と表わされる。但し、n0は空気の屈折率であって1と
みなせる。n1c,n2cは夫々測定対象薄膜12と参照試
料13としてのベアシリコンウェハとの複素屈折率、即
ち、屈折率を実部,吸収係数を虚部に持つ複素数であ
る。また、θ1,θ2とθとは、スネルの法則により、
次の数13で示す関係がある。
のベアシリコンウェハ内での屈折角 と表わされる。但し、n0は空気の屈折率であって1と
みなせる。n1c,n2cは夫々測定対象薄膜12と参照試
料13としてのベアシリコンウェハとの複素屈折率、即
ち、屈折率を実部,吸収係数を虚部に持つ複素数であ
る。また、θ1,θ2とθとは、スネルの法則により、
次の数13で示す関係がある。
【0052】
【数13】
【0053】入射光線である照明光線15としてS偏光
を用いる場合には、数9において、r01pとr12pと
を次の数14,数15で夫々示すr01s,r12sに置換す
ることにより、振幅反射率rs が求まる。
を用いる場合には、数9において、r01pとr12pと
を次の数14,数15で夫々示すr01s,r12sに置換す
ることにより、振幅反射率rs が求まる。
【0054】
【数14】
【0055】
【数15】
【0056】但し、r01s:空気と薄膜の境界面でのS
偏光光の振幅反射率 r12s:薄膜とベアシリコンウエハとの境界面でのS偏
光光の振幅反射率 従って、入射光線である照明光線15の偏光状態が既知
であれば、測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性
の理論値Rth(θ)を理論計算によって求めることができ
る。
偏光光の振幅反射率 r12s:薄膜とベアシリコンウエハとの境界面でのS偏
光光の振幅反射率 従って、入射光線である照明光線15の偏光状態が既知
であれば、測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性
の理論値Rth(θ)を理論計算によって求めることができ
る。
【0057】薄膜の膜厚や屈折率,吸収係数の3つの特
性値の取り方により、反射率の入射角依存特性の理論値
Rth(θ)は様々な形状をとる。そこで、これら3つの特
性値を割り振り、実測による測定対象薄膜12の反射率
の入射角依存特性R(θ)に最もよく重なる理論値Rth
(θ)を探索し、それを生成する3つの特性値の組を測定
対象薄膜12の膜厚,屈折率,吸収係数の測定結果とし
て出力する。
性値の取り方により、反射率の入射角依存特性の理論値
Rth(θ)は様々な形状をとる。そこで、これら3つの特
性値を割り振り、実測による測定対象薄膜12の反射率
の入射角依存特性R(θ)に最もよく重なる理論値Rth
(θ)を探索し、それを生成する3つの特性値の組を測定
対象薄膜12の膜厚,屈折率,吸収係数の測定結果とし
て出力する。
【0058】3次元空間の各座標軸に夫々3つの特性値
を割り振り、空間内の各点に相当する3つの特性値を用
いて反射率の入射角依存特性の理論値Rth(θ)を計算
し、実測値から求めた反射率の入射角依存特性R(θ)と
の重なり具合いを算出する。これらR(θ)とRth(θ)の
重なり具合いの評価関数としては、例えば、次の数16
あるいは数17に示すものを用いる。
を割り振り、空間内の各点に相当する3つの特性値を用
いて反射率の入射角依存特性の理論値Rth(θ)を計算
し、実測値から求めた反射率の入射角依存特性R(θ)と
の重なり具合いを算出する。これらR(θ)とRth(θ)の
重なり具合いの評価関数としては、例えば、次の数16
あるいは数17に示すものを用いる。
【0059】
【数16】
【0060】
【数17】
【0061】数16はMがある複数の入射角における反
射率の入射角依存特性の理論値Rth(θ)と反射率の入射
角依存特性の実測値R(θ)との差の絶対値の総和を表わ
し、数17はかかる差の2乗の総和を表わしている。か
かるMを最小とする反射率の入射角依存特性の理論値R
th(θ) を探索し、その理論値Rth(θ)を生成する3つ
の特性値を結果として出力する。
射率の入射角依存特性の理論値Rth(θ)と反射率の入射
角依存特性の実測値R(θ)との差の絶対値の総和を表わ
し、数17はかかる差の2乗の総和を表わしている。か
かるMを最小とする反射率の入射角依存特性の理論値R
th(θ) を探索し、その理論値Rth(θ)を生成する3つ
の特性値を結果として出力する。
【0062】測定結果の高分解能化と計算時間の短縮化
とを両立させるために、反射率の入射角依存特性の理論
値Rth(θ)を計算する3つの特性値の組に相当する3次
元空間内の各点の間隔を順次狭くするようにしていって
もよい。第1段階では、3次元空間内に設定する反射率
の入射角依存特性の理論値Rth(θ)を計算する格子点を
粗く取る。その中で最もよく反射率の入射角依存特性の
実測値R(θ)と反射率の入射角依存特性の理論値Rth
(θ)とを一致させる特性値の値の組である格子点を探索
する。第2段階では、その格子点の周辺の3次元空間を
第1段階より細かく分割し、最もよく反射率の入射角依
存特性の実測値R(θ)と反射率の入射角依存特性の理論
値Rth(θ)とを一致させる特性値の組である格子点を探
索する。以下同様にして、格子点の間隔が目標の測定分
解能に達するまでかかる操作を繰り返す。
とを両立させるために、反射率の入射角依存特性の理論
値Rth(θ)を計算する3つの特性値の組に相当する3次
元空間内の各点の間隔を順次狭くするようにしていって
もよい。第1段階では、3次元空間内に設定する反射率
の入射角依存特性の理論値Rth(θ)を計算する格子点を
粗く取る。その中で最もよく反射率の入射角依存特性の
実測値R(θ)と反射率の入射角依存特性の理論値Rth
(θ)とを一致させる特性値の値の組である格子点を探索
する。第2段階では、その格子点の周辺の3次元空間を
第1段階より細かく分割し、最もよく反射率の入射角依
存特性の実測値R(θ)と反射率の入射角依存特性の理論
値Rth(θ)とを一致させる特性値の組である格子点を探
索する。以下同様にして、格子点の間隔が目標の測定分
解能に達するまでかかる操作を繰り返す。
【0063】第1段階でより大きな格子点間隔から探索
を開始するために、上記Mを小さくする格子点であれ
ば、このMを最小とする格子点以外の点をも第2段階以
降まで残すようにしてもよい。複数の格子点の周辺で前
記の通り順次格子点間隔を狭めて探索を進めた後に、M
を最小とする格子点の選択を行なう。この操作により、
格子点を粗くした場合でも、Mを最小とする格子点の誤
検出を防止できる。
を開始するために、上記Mを小さくする格子点であれ
ば、このMを最小とする格子点以外の点をも第2段階以
降まで残すようにしてもよい。複数の格子点の周辺で前
記の通り順次格子点間隔を狭めて探索を進めた後に、M
を最小とする格子点の選択を行なう。この操作により、
格子点を粗くした場合でも、Mを最小とする格子点の誤
検出を防止できる。
【0064】測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特
性R(θ)をさらに精度良く求めるためには、測定対象薄
膜12の測定結果である反射光強度の入射角依存特性I
(θ)と参照資料13の反射光強度の入射角依存特性Ire
f(θ)に対して暗レベル補正を行なう必要がある。測定
対象薄膜12を検出側レンズ6の前から取り除いた状態
で検出器7により光強度を検出し、この検出した光強度
を、便宜上、入射角θの関数Ib(θ)として、次の数1
8から測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性R
(θ) を求める。
性R(θ)をさらに精度良く求めるためには、測定対象薄
膜12の測定結果である反射光強度の入射角依存特性I
(θ)と参照資料13の反射光強度の入射角依存特性Ire
f(θ)に対して暗レベル補正を行なう必要がある。測定
対象薄膜12を検出側レンズ6の前から取り除いた状態
で検出器7により光強度を検出し、この検出した光強度
を、便宜上、入射角θの関数Ib(θ)として、次の数1
8から測定対象薄膜12の反射率の入射角依存特性R
(θ) を求める。
【0065】
【数18】
【0066】これにより、検出器7の出力の暗レベル補
正(0レベル補正)と迷光の影響の除去とを同時に行な
うことができ、測定対象薄膜12の反射率の入射角依存
特性R(θ)が高精度に得られる。
正(0レベル補正)と迷光の影響の除去とを同時に行な
うことができ、測定対象薄膜12の反射率の入射角依存
特性R(θ)が高精度に得られる。
【0067】参照試料13と測定対象薄膜12の反射光
強度の入射角依存特性Iref(θ),I(θ)は同じ光量で
測定されなければならない。このため、光源1に光量変
動がある場合には、参照試料13の反射光強度の入射角
依存特性Iref(θ)を測定対象薄膜12の反射光強度の
入射角依存特性I(θ)の測定を行なう度に測り直すこと
により、光量変動による誤差を小さくできる。この場
合、測定対象薄膜12のウェハと参照試料13のウェハ
との交換を人手によって行なうようにしてもよいが、図
4に示すように、ウェハチャック19上の中央部に測定
対象薄膜のウェハ21を、端部に参照試料片20を取り
付けて、図5(a),(b),(c)の順序で参照試料
片20と測定対象薄膜のウェハ21との反射光強度の入
射角依存特性を測定するようにしてもよい。かかる構成
とすることにより、作業者は測定対象薄膜のウェハ21
と参照試料片20と移し替えが不要となり、効率的な測
定が可能となる。
強度の入射角依存特性Iref(θ),I(θ)は同じ光量で
測定されなければならない。このため、光源1に光量変
動がある場合には、参照試料13の反射光強度の入射角
依存特性Iref(θ)を測定対象薄膜12の反射光強度の
入射角依存特性I(θ)の測定を行なう度に測り直すこと
により、光量変動による誤差を小さくできる。この場
合、測定対象薄膜12のウェハと参照試料13のウェハ
との交換を人手によって行なうようにしてもよいが、図
4に示すように、ウェハチャック19上の中央部に測定
対象薄膜のウェハ21を、端部に参照試料片20を取り
付けて、図5(a),(b),(c)の順序で参照試料
片20と測定対象薄膜のウェハ21との反射光強度の入
射角依存特性を測定するようにしてもよい。かかる構成
とすることにより、作業者は測定対象薄膜のウェハ21
と参照試料片20と移し替えが不要となり、効率的な測
定が可能となる。
【0068】光量が安定している光源1を使用する場合
には、参照試料13の反射光強度の入射角依存特性Ire
f(θ)は一度測定しておけばよく、その測定結果を記憶
装置9に格納しておき、測定対象薄膜12の反射光強度
の入射角依存特性I(θ)の測定を行なう毎に読み出すよ
うにすることにより、やはり効率的な測定が可能とな
る。
には、参照試料13の反射光強度の入射角依存特性Ire
f(θ)は一度測定しておけばよく、その測定結果を記憶
装置9に格納しておき、測定対象薄膜12の反射光強度
の入射角依存特性I(θ)の測定を行なう毎に読み出すよ
うにすることにより、やはり効率的な測定が可能とな
る。
【0069】図6は光源の光量変動をさらに厳密に補正
することができるようにした本発明による特性値測定方
法及び装置の他の実施例を示す図であって、22〜25
は記憶装置、26は演算部、27は光量センサ、28は
モニタ用レンズ、29はハーフミラーであり、図1に対
応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略す
る。
することができるようにした本発明による特性値測定方
法及び装置の他の実施例を示す図であって、22〜25
は記憶装置、26は演算部、27は光量センサ、28は
モニタ用レンズ、29はハーフミラーであり、図1に対
応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略す
る。
【0070】同図において、まず、上記のようにして参
照試料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ)と暗レ
ベルIb(θ)を測定し、夫々記憶装置22,23とに格
納しておく。また、夫々の測定時での光源(図示せず)
の光量値も、ハーフミラー29からモニタ用レンズ28
を通る光源からの光を光量センサ27が検出することに
より、測定し、夫々記憶装置24,25に格納してお
く。
照試料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ)と暗レ
ベルIb(θ)を測定し、夫々記憶装置22,23とに格
納しておく。また、夫々の測定時での光源(図示せず)
の光量値も、ハーフミラー29からモニタ用レンズ28
を通る光源からの光を光量センサ27が検出することに
より、測定し、夫々記憶装置24,25に格納してお
く。
【0071】次に、測定対象薄膜12の反射光強度の入
射角依存特性I(θ)を測定し、演算部26において、記
憶装置22に格納された参照試料の反射光強度の入射角
依存特性Iref(θ)と測定対象薄膜12の反射光強度の
入射角依存特性I(θ)とを記憶装置24に格納された光
源の光量値でもって補正するとともに、記憶装置23に
格納された暗レベルIb(θ)を記憶装置24に格納され
た光源の光量値でもって補正し、このように補正された
参照試料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ),測
定対象薄膜12の反射光強度の入射角依存特性I(θ)及
び暗レベルIb(θ)を用いて上記数18に演算を行な
う。
射角依存特性I(θ)を測定し、演算部26において、記
憶装置22に格納された参照試料の反射光強度の入射角
依存特性Iref(θ)と測定対象薄膜12の反射光強度の
入射角依存特性I(θ)とを記憶装置24に格納された光
源の光量値でもって補正するとともに、記憶装置23に
格納された暗レベルIb(θ)を記憶装置24に格納され
た光源の光量値でもって補正し、このように補正された
参照試料の反射光強度の入射角依存特性Iref(θ),測
定対象薄膜12の反射光強度の入射角依存特性I(θ)及
び暗レベルIb(θ)を用いて上記数18に演算を行な
う。
【0072】これにより、光源の光量変動による影響が
非常に高い精度で除かれることになる。
非常に高い精度で除かれることになる。
【0073】図7は本発明による特性値測定方法及び装
置のさらに他の実施例を示す図であって、30は平均演
算部、31,32は記憶装置であり、図1に対応する部
分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
置のさらに他の実施例を示す図であって、30は平均演
算部、31,32は記憶装置であり、図1に対応する部
分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
【0074】検出器7の検出信号には、通常、検出器7
自身のS/N比などに起因する白色ノイズが混入してい
るため、測定した測定対象薄膜の反射率の入射角依存特
性R(θ)から上記のようにして求める測定対象薄膜の膜
厚や屈折率,吸収係数の検出精度が低下する。この実施
例は、かかる検出精度の低下を防止するものである。
自身のS/N比などに起因する白色ノイズが混入してい
るため、測定した測定対象薄膜の反射率の入射角依存特
性R(θ)から上記のようにして求める測定対象薄膜の膜
厚や屈折率,吸収係数の検出精度が低下する。この実施
例は、かかる検出精度の低下を防止するものである。
【0075】図7において、参照試料(図示せず)の反
射光強度の入射角依存特性Iref(θ),測定対象薄膜1
2の反射光強度の入射角依存特性I(θ)及び暗レベルI
b(θ)の測定は夫々複数回ずつ行なわれ、夫々の測定で
の検出器7の複数の検出信号の平均値を平均演算部30
で求められる。このように求められた参照試料の反射光
強度の入射角依存特性Iref(θ)と暗レベルIb(θ)とは
夫々記憶装置31,32に格納される。そして、同様に
複数回の測定の平均として求められた測定対象薄膜12
の反射光強度の入射角依存特性I(θ)が演算部10に供
給され、記憶装置31,32に格納された参照試料の反
射光強度の入射角依存特性Iref(θ)と暗レベルIb
(θ)とを用いて上記数18の演算が行なわれる。
射光強度の入射角依存特性Iref(θ),測定対象薄膜1
2の反射光強度の入射角依存特性I(θ)及び暗レベルI
b(θ)の測定は夫々複数回ずつ行なわれ、夫々の測定で
の検出器7の複数の検出信号の平均値を平均演算部30
で求められる。このように求められた参照試料の反射光
強度の入射角依存特性Iref(θ)と暗レベルIb(θ)とは
夫々記憶装置31,32に格納される。そして、同様に
複数回の測定の平均として求められた測定対象薄膜12
の反射光強度の入射角依存特性I(θ)が演算部10に供
給され、記憶装置31,32に格納された参照試料の反
射光強度の入射角依存特性Iref(θ)と暗レベルIb
(θ)とを用いて上記数18の演算が行なわれる。
【0076】このように平均演算部30によって検出器
7の複数回の検出信号を平均化することにより、検出器
7に発生する白色ノイズが平均化されて低減し、かかる
白色ノイズに影響されない参照試料の反射光強度の入射
角依存特性Iref(θ),測定対象薄膜12の反射光強度
の入射角依存特性I(θ)及び暗レベルIb(θ) が得られ
る。従って、測定対象薄膜12の膜厚や屈折率,吸収係
数の検出精度が向上する。
7の複数回の検出信号を平均化することにより、検出器
7に発生する白色ノイズが平均化されて低減し、かかる
白色ノイズに影響されない参照試料の反射光強度の入射
角依存特性Iref(θ),測定対象薄膜12の反射光強度
の入射角依存特性I(θ)及び暗レベルIb(θ) が得られ
る。従って、測定対象薄膜12の膜厚や屈折率,吸収係
数の検出精度が向上する。
【0077】以上の実施例では、照明光線15の照明方
向や検出器7の検出方向は斜方としたが、照明側レンズ
5と検出側レンズ6とを1つのレンズで共用し、垂直照
明・垂直検出としてもよい。但し、かかる垂直検出方式
では、光学系の調整が簡単である反面、図8に示すよう
に、共用レンズ6’と試料との間での表面反射によって
反射光強度の入射角依存特性I(θ)に誤差が生じる。ま
た、かかる共用レンズ6’として顕微鏡用の対物レンズ
を用いる場合には、対物レンズは複数個のレンズからな
っているため、図9に示すように、光軸付近を通る光線
の各レンズの表面での反射により、反射光強度の入射角
依存特性I(θ)に誤差が生じる。
向や検出器7の検出方向は斜方としたが、照明側レンズ
5と検出側レンズ6とを1つのレンズで共用し、垂直照
明・垂直検出としてもよい。但し、かかる垂直検出方式
では、光学系の調整が簡単である反面、図8に示すよう
に、共用レンズ6’と試料との間での表面反射によって
反射光強度の入射角依存特性I(θ)に誤差が生じる。ま
た、かかる共用レンズ6’として顕微鏡用の対物レンズ
を用いる場合には、対物レンズは複数個のレンズからな
っているため、図9に示すように、光軸付近を通る光線
の各レンズの表面での反射により、反射光強度の入射角
依存特性I(θ)に誤差が生じる。
【0078】図10はかかる問題を解消することができ
るようにした本発明による特性値測定方法及び装置のさ
らに他の実施例の要部を示す図であって、33は遮光
板、34はミラー、35はハーフミラーであり、前出図
面に対応する部部には同一符号をつけて重複する説明を
省略する。
るようにした本発明による特性値測定方法及び装置のさ
らに他の実施例の要部を示す図であって、33は遮光
板、34はミラー、35はハーフミラーであり、前出図
面に対応する部部には同一符号をつけて重複する説明を
省略する。
【0079】同図において、図示しない光源からの照明
光線15は、その光軸付近の部分が遮光板33で遮光さ
れ、ミラー34,ハーフミラー35を通り、共用レンズ
6’を介して測定対象薄膜12などに照射される。これ
により、照明光線15の光軸部分で共用レンズ6’によ
って反射される光や、共用レンズ6’と測定対象薄膜1
2との間で反射が繰り返される光がなくなる。
光線15は、その光軸付近の部分が遮光板33で遮光さ
れ、ミラー34,ハーフミラー35を通り、共用レンズ
6’を介して測定対象薄膜12などに照射される。これ
により、照明光線15の光軸部分で共用レンズ6’によ
って反射される光や、共用レンズ6’と測定対象薄膜1
2との間で反射が繰り返される光がなくなる。
【0080】測定対象薄膜をレジスト膜とし、露光波長
の照明光を用いて測定を行なう場合には、レジスト膜は
照明光により露光されて変質する。レジスト膜の露光を
抑制し、かつレジスト膜の反射光強度の入射角依存特性
I(θ)の測定S/N比を向上させるためには、図11に
示すように、ミラー36,37でもって照明光15が共
用レンズ6’の一部を通過するようにし、平行反射光束
16は共用レンズ6’の他の部分を通過するようにす
る。この場合、図10に示した実施例と同じ照明光量と
しても、図10の実施例とは異なってハーフミラを使用
しないので、大きな反射光量が得られ、レジスト膜をあ
まり感光せずにその反射光強度の入射角依存特性をS/
N比良く測定することができる。
の照明光を用いて測定を行なう場合には、レジスト膜は
照明光により露光されて変質する。レジスト膜の露光を
抑制し、かつレジスト膜の反射光強度の入射角依存特性
I(θ)の測定S/N比を向上させるためには、図11に
示すように、ミラー36,37でもって照明光15が共
用レンズ6’の一部を通過するようにし、平行反射光束
16は共用レンズ6’の他の部分を通過するようにす
る。この場合、図10に示した実施例と同じ照明光量と
しても、図10の実施例とは異なってハーフミラを使用
しないので、大きな反射光量が得られ、レジスト膜をあ
まり感光せずにその反射光強度の入射角依存特性をS/
N比良く測定することができる。
【0081】以上の実施例で使用される検出器7として
は1次元センサでも、また、2次元センサでもよい。1
次元センサを用いれば、検出信号の読出しに要する時間
が短くなるから、上記の検出信号の複数回読出しを行な
って平均化する場合、その読出し回数を多くすることが
でき、従って、センサに生ずる白色ノイズの影響を充分
に抑圧することができる。2次元センサを用いれば、検
出信号の読出しに要する時間、即ち、複数回読出しによ
る平均を求めるために要する時間が増すが、その代わ
り、後焦点面17の2次元画像を見ることができるの
で、光学系の調整が容易になるという利点がある。
は1次元センサでも、また、2次元センサでもよい。1
次元センサを用いれば、検出信号の読出しに要する時間
が短くなるから、上記の検出信号の複数回読出しを行な
って平均化する場合、その読出し回数を多くすることが
でき、従って、センサに生ずる白色ノイズの影響を充分
に抑圧することができる。2次元センサを用いれば、検
出信号の読出しに要する時間、即ち、複数回読出しによ
る平均を求めるために要する時間が増すが、その代わ
り、後焦点面17の2次元画像を見ることができるの
で、光学系の調整が容易になるという利点がある。
【0082】また、照明方法としては、光源像を測定対
象薄膜や参照試料の面に結像させるクリティカル照明、
照明側レンズの後焦点面上に結像させるケーラー照明の
いずれでもよい。以上の実施例では、参照試料との比較
によって照度むらの影響を除去するので、後焦点面に光
源像が結像するケーラー照明を用いても、問題なく測定
対象薄膜の反射率の入射角依存特性R(θ)を検出でき
る。
象薄膜や参照試料の面に結像させるクリティカル照明、
照明側レンズの後焦点面上に結像させるケーラー照明の
いずれでもよい。以上の実施例では、参照試料との比較
によって照度むらの影響を除去するので、後焦点面に光
源像が結像するケーラー照明を用いても、問題なく測定
対象薄膜の反射率の入射角依存特性R(θ)を検出でき
る。
【0083】さらに、照明光線はP偏光としてもよい
し、S偏光としてもよく、また、振幅比が既知であれ
ば、P偏光とS偏光とを含んでいてもよい。P偏光の光
線の薄膜内多重干渉を考慮した反射率の入射角依存特性
は上記数8〜数13を用いて求めることができ、S偏光
の光線についても同様の理論式で計算でき、両方の偏光
を含む場合でも、やはりこれらの式を用いて計算した偏
光毎の反射率と振幅比とから反射率の入射角依存特性を
計算することができる。
し、S偏光としてもよく、また、振幅比が既知であれ
ば、P偏光とS偏光とを含んでいてもよい。P偏光の光
線の薄膜内多重干渉を考慮した反射率の入射角依存特性
は上記数8〜数13を用いて求めることができ、S偏光
の光線についても同様の理論式で計算でき、両方の偏光
を含む場合でも、やはりこれらの式を用いて計算した偏
光毎の反射率と振幅比とから反射率の入射角依存特性を
計算することができる。
【0084】図12は本発明による特性値測定方法及び
装置のさらに他の実施例を示す図であって、38〜41
は記憶装置であり、図1に対応する部分には同一符号を
つけて重複する説明を省略する。
装置のさらに他の実施例を示す図であって、38〜41
は記憶装置であり、図1に対応する部分には同一符号を
つけて重複する説明を省略する。
【0085】この実施例は、測定対象薄膜の吸収係数が
大きい場合でも、その特性値を精度良く求めることがで
きるようにしたものである。測定対象薄膜の吸収係数が
大きいと、この測定対象薄膜内に入射し、さらに下地で
反射されて測定対象薄膜から射出される光線がほとんど
なくなるため、測定対象薄膜の表面で反射した光線との
干渉することによって生じる反射光強度の入射角依存特
性I(θ)の振動の振幅が小さくなる。このため、波形照
合時にパラメータの違いによる反射率の入射角依存特性
の違いが小さくなり、測定対象薄膜の膜厚や屈折率,吸
収係数の3つの特性値を同時に決定しようとすると、そ
の決定精度が低下する。
大きい場合でも、その特性値を精度良く求めることがで
きるようにしたものである。測定対象薄膜の吸収係数が
大きいと、この測定対象薄膜内に入射し、さらに下地で
反射されて測定対象薄膜から射出される光線がほとんど
なくなるため、測定対象薄膜の表面で反射した光線との
干渉することによって生じる反射光強度の入射角依存特
性I(θ)の振動の振幅が小さくなる。このため、波形照
合時にパラメータの違いによる反射率の入射角依存特性
の違いが小さくなり、測定対象薄膜の膜厚や屈折率,吸
収係数の3つの特性値を同時に決定しようとすると、そ
の決定精度が低下する。
【0086】これを防ぐためには、長波長の測定光を1
種類以上用いればよい。吸収係数は分光特性を有し、長
波長になる程小さくなるため、まず、長波長の測定光を
用いて測定対象薄膜の膜厚、屈折率及び吸収係数を測定
する。膜厚には分光特性はないため、ここで求められた
膜厚値と露光波長の測定光による反射光強度の入射角依
存特性I(θ)とから、露光波長における屈折率及び吸収
係数の2つの特性値を求めればよい。
種類以上用いればよい。吸収係数は分光特性を有し、長
波長になる程小さくなるため、まず、長波長の測定光を
用いて測定対象薄膜の膜厚、屈折率及び吸収係数を測定
する。膜厚には分光特性はないため、ここで求められた
膜厚値と露光波長の測定光による反射光強度の入射角依
存特性I(θ)とから、露光波長における屈折率及び吸収
係数の2つの特性値を求めればよい。
【0087】これを実現するために、図12に示す実施
例では、測定光である照明光線15の波長限定用光学素
子4が複数の波長分だけ用いられ、これらが容易に交換
できるようにしておく。また、予め長波長測定光を用い
たときの参照試料と暗レベルとの反射率の入射角依存特
性を検出し、夫々を記憶装置38,40に格納し、ま
た、本来の測定光波長における参照試料と暗レベルの反
射率の入射角依存特性を検出し、夫々を記憶装置39,
41に格納しておく。長波長測定光を用いる際には記憶
装置38,40に格納されたデータを使用し、本来の波
長の測定光を用いる際には記憶装置39,41に格納さ
れたデータを使用する。
例では、測定光である照明光線15の波長限定用光学素
子4が複数の波長分だけ用いられ、これらが容易に交換
できるようにしておく。また、予め長波長測定光を用い
たときの参照試料と暗レベルとの反射率の入射角依存特
性を検出し、夫々を記憶装置38,40に格納し、ま
た、本来の測定光波長における参照試料と暗レベルの反
射率の入射角依存特性を検出し、夫々を記憶装置39,
41に格納しておく。長波長測定光を用いる際には記憶
装置38,40に格納されたデータを使用し、本来の波
長の測定光を用いる際には記憶装置39,41に格納さ
れたデータを使用する。
【0088】以上のように、この実施例では、測定対象
薄膜の任意の波長、特に、短波長における特性値を測定
することができる。
薄膜の任意の波長、特に、短波長における特性値を測定
することができる。
【0089】図13は本発明による特性値測定方法及び
装置のさらに他の実施例を示す図であって、42〜44
は記憶装置であり、図1に対応する部分には同一符号を
つけて重複する説明を省略する。
装置のさらに他の実施例を示す図であって、42〜44
は記憶装置であり、図1に対応する部分には同一符号を
つけて重複する説明を省略する。
【0090】レジスト膜を測定対象薄膜とする場合、レ
ジスト膜の吸収係数が大きく、図12に示した実施例と
同様、露光波長において3つの特性値を同時に精度良く
決めることができない場合には、この実施例が適してい
る。
ジスト膜の吸収係数が大きく、図12に示した実施例と
同様、露光波長において3つの特性値を同時に精度良く
決めることができない場合には、この実施例が適してい
る。
【0091】レジスト膜の吸収係数が大きい場合には、
レジスト膜内に入射し、その下地で反射してレジスト膜
から射出する光がほとんどなくなるため、レジスト膜の
反射光強度の入射角依存特性I(θ)の振動の振幅が小
さくなる。このため、波長照合時にパラメータの違いに
よる反射率の入射角依存特性の違いが小さくなり、レジ
スト膜の膜厚や屈折率,吸収係数の3つの特性値を同時
に決定する場合、その決定精度が低下する。
レジスト膜内に入射し、その下地で反射してレジスト膜
から射出する光がほとんどなくなるため、レジスト膜の
反射光強度の入射角依存特性I(θ)の振動の振幅が小
さくなる。このため、波長照合時にパラメータの違いに
よる反射率の入射角依存特性の違いが小さくなり、レジ
スト膜の膜厚や屈折率,吸収係数の3つの特性値を同時
に決定する場合、その決定精度が低下する。
【0092】そこで、図13に示す実施例では、レジス
ト膜の吸収係数が大きい場合には、レジスト膜を、ま
ず、露光して吸収係数を小さくしてしまい、そのときの
反射光強度の入射角依存特性から膜厚を求め、その膜厚
値を測定、即ち露光開始時の反射光強度の入射角依存特
性から露光開始時のレジスト膜の屈折率と吸収係数とを
求める。
ト膜の吸収係数が大きい場合には、レジスト膜を、ま
ず、露光して吸収係数を小さくしてしまい、そのときの
反射光強度の入射角依存特性から膜厚を求め、その膜厚
値を測定、即ち露光開始時の反射光強度の入射角依存特
性から露光開始時のレジスト膜の屈折率と吸収係数とを
求める。
【0093】以下、図13により、この実施例をさらに
具体的に説明する。
具体的に説明する。
【0094】同図において、レジスト膜の露光後及び露
光開始時、即ち測定開始時での検出器7の検出信号を、
夫々反射光強度の入射角依存特性Ie(θ),Is
(θ)として記憶装置42に夫々格納する。また、参考
試料及び検出時の暗レベルの反射率の入射角依存特性
も、夫々記憶装置43,44に格納しておく。そして、
露光により吸収係数が小さくなったときの反射光強度の
入射角依存特性Ie(θ)を用いて、まず、レジスト膜
の膜厚を求め、この膜厚値と露光開始時の反射光強度の
入射角依存特性Is(θ)を用いて露光開始時の屈折率
と吸収係数を求める。
光開始時、即ち測定開始時での検出器7の検出信号を、
夫々反射光強度の入射角依存特性Ie(θ),Is
(θ)として記憶装置42に夫々格納する。また、参考
試料及び検出時の暗レベルの反射率の入射角依存特性
も、夫々記憶装置43,44に格納しておく。そして、
露光により吸収係数が小さくなったときの反射光強度の
入射角依存特性Ie(θ)を用いて、まず、レジスト膜
の膜厚を求め、この膜厚値と露光開始時の反射光強度の
入射角依存特性Is(θ)を用いて露光開始時の屈折率
と吸収係数を求める。
【0095】反射光強度の入射角依存特性Ie(θ)と
しては、充分長い時間測定光を照射した後の、あるいは
吸収係数が充分小さくなって反射光が充分増加した後の
反射光強度の入射角依存特性を用いればよい。
しては、充分長い時間測定光を照射した後の、あるいは
吸収係数が充分小さくなって反射光が充分増加した後の
反射光強度の入射角依存特性を用いればよい。
【0096】この実施例においては、図14に示すよう
に、測定用の光源(図示せず)の他に、レジスト膜を露
光することを目的とする光源46と露光用レンズ47と
からなる露光光照明系45を用い、レジスト膜12の測
定部分に露光用の光線48を照射するようにしてもよ
い。このように露光用光源と測定用光源とを別々にする
ことにより、露光波長と測定波長を任意、かつ独立に設
定することができる。
に、測定用の光源(図示せず)の他に、レジスト膜を露
光することを目的とする光源46と露光用レンズ47と
からなる露光光照明系45を用い、レジスト膜12の測
定部分に露光用の光線48を照射するようにしてもよ
い。このように露光用光源と測定用光源とを別々にする
ことにより、露光波長と測定波長を任意、かつ独立に設
定することができる。
【0097】
【発明の効果】以上の説明のように、本発明によれば、
薄膜、特に、LSI製造工程中のレジスト膜の膜厚や屈
折率,吸収係数を高精度に測定することができるため、
露光・現像後のレジストパターン線幅寸法の精度を悪化
させるレジスト膜の膜厚や屈折率,吸収係数の変動を容
易に検出することが可能となり、LSIの歩留まり向上
に大きく寄与できる。
薄膜、特に、LSI製造工程中のレジスト膜の膜厚や屈
折率,吸収係数を高精度に測定することができるため、
露光・現像後のレジストパターン線幅寸法の精度を悪化
させるレジスト膜の膜厚や屈折率,吸収係数の変動を容
易に検出することが可能となり、LSIの歩留まり向上
に大きく寄与できる。
【図1】本発明による特性値測定方法及び装置の一実施
例を示す図である。
例を示す図である。
【図2】図1における検出側レンズの集光作用を示す図
である。
である。
【図3】図1での薄膜内の多重干渉を説明するための図
である。
である。
【図4】図1に示した実施例において、測定対象薄膜と
参照試料との交換手段の一具体例を示す斜視図である。
参照試料との交換手段の一具体例を示す斜視図である。
【図5】図4に示した交換手段による交換手順の一例を
説明する図である。
説明する図である。
【図6】本発明による特性値測定方法及び装置の他の実
施例を示す図である。
施例を示す図である。
【図7】本発明による特性値測定方法及び装置のさらに
他の実施例を示す図である。
他の実施例を示す図である。
【図8】レンズ表面での多重反射を説明する図である。
【図9】レンズ表面での多重反射を説明する図である。
【図10】本発明による特性値測定方法及び装置のさら
に他の実施例の要部を示す図である。
に他の実施例の要部を示す図である。
【図11】本発明による特性値測定方法及び装置のさら
に他の実施例の要部を示す図である。
に他の実施例の要部を示す図である。
【図12】本発明による特性値測定方法及び装置のさら
に他の実施例を示す図である。
に他の実施例を示す図である。
【図13】本発明による特性値測定方法及び装置のさら
に他の実施例を示す図である。
に他の実施例を示す図である。
【図14】本発明による特性値測定方法及び装置のさら
に他の実施例の要部を示す図である。
に他の実施例の要部を示す図である。
1 光源 2 コリメート用レンズ 3 偏光板 4 波長限定用光学素子 5 照明側レンズ 6 検出側レンズ 7 検出器 8,9 記憶装置 10,11 演算部 12 測定対象薄膜 12a ベアシリコンウエハ 13 参照試料 15 照明光線 16 反射平行光束 17 検出側レンズ6の後焦点面 19 ウエハチャック 20 参照試料片 21 測定対象薄膜付きウェハ 22〜25 記憶装置 26 演算部 27 光量センサ 28 モニタ用レンズ 29 ハーフミラー 30 平均演算装置 31,32 記憶装置 33 遮光板 34 ミラー 35 ハーフミラー 36,37 ミラー 38〜44 記憶装置 45 露光光照明系 46 露光用光源 47 露光用レンズ 48 露光光線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相場 良彦 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (72)発明者 窪田 仁志 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (56)参考文献 特開 平3−272407(JP,A) 特開 平3−17505(JP,A) 特開 昭64−75902(JP,A) 特開 昭63−128210(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 9/00 - 11/30 102 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 H01L 21/64 - 21/66
Claims (16)
- 【請求項1】 薄膜試料を収束光で照明し、試料から反
射する発散光を検出するレンズの後焦点面強度分布から
薄膜の特性値を測定する方法において、 屈折率と吸収係数が既知の参照試料の後焦点面強度分布
と、該参照試料の反射率の入射角依存特性の理論計算値
を用い、薄膜試料の後焦点面強度分布を反射率の入射角
依存特性に変換した後、薄膜の膜厚、屈折率、吸収係数
のどれか1つ以上を算出することを特徴とする特性値測
定方法。 - 【請求項2】 請求項1において、 試料を退避して検出した後焦点面強度分布を用いて、薄
膜試料の反射率の入射角依存特性を算出することを特徴
とする特性値測定方法。 - 【請求項3】 請求項1において、 照明光強度検出値を用いて、薄膜試料の反射率の入射角
依存特性を算出することを特徴とする特性値測定方法。 - 【請求項4】 請求項1において、 後焦点面強度が複数回の測定結果の平均値であることを
特徴とする特性値測定方法。 - 【請求項5】 請求項1において、 薄膜試料の後焦点面強度分布を変換して求めた反射率の
入射角依存特性と、任意の膜厚、屈折率、吸収係数の組
を代入して理論計算した反射率の入射角依存特性を比較
し、両者が最も一致する場合の、膜厚、屈折率、吸収係
数の組を算出することを特徴とする特性値測定方法。 - 【請求項6】 請求項1において、 薄膜の吸収係数の小さい波長で膜厚を求め、該膜厚値を
用いて薄膜の吸収係数が大きい波長での屈折率、吸収係
数のどれか1つ以上を算出することを特徴とする特性値
測定方法。 - 【請求項7】 請求項1において、 感光性の薄膜を感光する前後の後焦点面強度分布を検
出,記憶し、記憶した感光後の後焦点面強度分布から膜
厚を求め、該膜厚値を用いて感光前の後焦点面強度分布
から、薄膜の感光前の屈折率,吸収係数のどれか1つ以
上を算出することを特徴とする特性値測定方法。 - 【請求項8】 薄膜の吸収係数の小さい波長で膜厚を求
め、該膜厚値を用いて薄膜の吸収係数が大きい波長での
屈折率,吸収係数のどれか1つ以上を算出することを特
徴とする特性値測定方法。 - 【請求項9】 感光性の薄膜を感光して吸収係数を小さ
くした後で膜厚を求め、該膜厚値を用いて感光開始時の
薄膜の吸収係数が大きいときの屈折率,吸収係数のどれ
か1つ以上算出することを特徴とする特性値測定方法。 - 【請求項10】 薄膜の特性値を測定する装置であっ
て、 光源と、 試料を収束光で照明するレンズと、 試料から反射する発散光を検出するレンズと、 該レンズの後焦点面強度分布を検出する装置と、 屈折率と吸収係数が既知の参照試料と、 薄膜試料と参照試料の後焦点面強度分布と参照試料の反
射率の入射角依存特性の理論計算値から薄膜試料の反射
率の入射角依存特性を算出し、さらに薄膜試料の反射率
の入射角依存特性から薄膜の膜厚、屈折率、吸収係数の
どれか1つ以上を算出する演算装置とからなる薄膜特性
値測定装置。 - 【請求項11】 請求項10において、 薄膜試料と参照試料を同時に載置台に搭載することを特
徴とする薄膜特性値測定装置。 - 【請求項12】 請求項10において、 試料を収束光で照明するレンズが、光軸が試料に対し垂
直で、反射光を検出するレンズと兼用し、光軸付近には
照明光を通過させないことを特徴とする薄膜特性値測定
装置。 - 【請求項13】 請求項10において、 試料を収束光で照明するレンズが、光軸が試料に対し垂
直で、反射光を検出するレンズと兼用し、光軸付近には
照明光を通過させず、また照明光と反射光のレンズ透過
位置が異なることを特徴とする薄膜特性値測定装置。 - 【請求項14】 請求項10において、 光源から異なる波長光を取り出す装置と、 各波長での後焦点面強度分布の検出値を記憶する装置
と、 試料の吸収係数が小さい波長での後焦点面強度分布から
膜厚を求め、その膜厚値とその他の各波長での後焦点面
強度分布から屈折率、吸収係数のどれか1つ以上を算出
する演算装置とを有することを特徴とする薄膜特性値測
定装置。 - 【請求項15】 請求項10において、 測定対象を感光性薄膜として、感光前と感光後に検出し
た後焦点面強度分布の検出値を記憶する装置と、 感光後の後焦点面強度分布から膜厚を求め、その膜厚値
と感光前の後焦点面強度分布から薄膜の感光前の屈折
率,吸収係数のどれか1つ以上を算出する演算装置とを
有することを特徴とする薄膜特性値測定装置。 - 【請求項16】 鏡面試料を収束光で照明し、該鏡面試
料から反射する発散光を検出するレンズの後焦点面強度
分布から、該鏡面の特性値を測定する方法において、 屈折率と吸収係数が既知の参照試料の後焦点面強度分布
と、該参照試料の反射率の入射角依存特性の理論計算値
とを用い、 該鏡面試料の後焦点面強度分布を反射率の入射角依存特
性に変換した後、鏡面の屈折率、吸収係数のどれか1つ
以上を算出することを特徴とする特性値測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20071993A JP3219223B2 (ja) | 1993-08-12 | 1993-08-12 | 特性値測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20071993A JP3219223B2 (ja) | 1993-08-12 | 1993-08-12 | 特性値測定方法及び装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0791926A JPH0791926A (ja) | 1995-04-07 |
JP3219223B2 true JP3219223B2 (ja) | 2001-10-15 |
Family
ID=16429071
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20071993A Expired - Fee Related JP3219223B2 (ja) | 1993-08-12 | 1993-08-12 | 特性値測定方法及び装置 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3219223B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
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---|---|---|---|---|
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JP4759772B2 (ja) * | 2005-07-29 | 2011-08-31 | 国立大学法人 熊本大学 | 薄膜膜厚計測方法及び薄膜膜厚計測装置 |
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JP2012063321A (ja) | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Hamamatsu Photonics Kk | 反射率測定装置、反射率測定方法、膜厚測定装置及び膜厚測定方法 |
-
1993
- 1993-08-12 JP JP20071993A patent/JP3219223B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0791926A (ja) | 1995-04-07 |
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