JP3219223B2 - 特性値測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００４３】

【数８】

【００４４】但し、ｒ_pは振幅反射率で複素数、〔ｒ_p〕
はｒ_p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 ｒ_01p：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 ｒ_12p：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

【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。ｎ_1c，ｎ_2c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，θ_２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、ｒ_０１ｐとｒ_12pと
を次の数１４，数１５で夫々示すｒ_01s，ｒ_12sに置換す
ることにより、振幅反射率ｒ_s が求まる。

【００５４】

【数１４】

【００５５】

【数１５】

【００５６】但し、ｒ_01s：空気と薄膜の境界面でのＳ
偏光光の振幅反射率 ｒ_12s：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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。
8. 【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。
9. 【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。
10. 【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。
11. 【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。
12. 【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。
13. 【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。
14. 【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。
15. 【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。
16. 【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。