JP3219462B2 - 薄膜測定器 - Google Patents

薄膜測定器

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学薄膜や半導体等の
薄膜の膜厚や複素屈折率を求めるために用いられる薄膜
測定器に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、光学薄膜や半導体産業その他薄
膜の応用分野では基本的な薄膜の特性として屈折率実部
nと屈折率虚部kを測定する必要がある。ここで、複素
屈折率Nは、N=n−ikで表される。従来このような
測定には、別のサンプルを用意してこれらの特性を測定
していた。
【0003】一般に、パラメータ測定の基本的な原理と
しては、屈折率実部n、屈折率虚部kおよび膜厚dを測
定するためには、波長数をa とすると(2a+1)個の独立し
た測定データが必要となる。このような測定値として、
p偏光の振幅反射率をrs 、s偏光の振幅反射率をrs
とした場合、反射光のrp /rs 比と位相差を測定した
り、反射率、透過率を測定するなど色々な方法がある。
何等かの方法で十分なデータが得られれば方程式を解く
か、あるいは、最小自乗法等を用いて薄膜のパラメータ
n,k,dを求めることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】不透明な基板上の薄膜
の反射率を測定することは一般に行われており、この方
法でnとdを測定することができる。しかし、高い精度
でkを測定するには、反射率の他に透過率を測定する必
要が生じてきて、どうしても透明基板を用いる必要があ
る。薄い透明板では、表面反射と裏面反射の分離が難し
いので、反射率の測定が困難となるからである。従来、
光学硝子上の薄膜の反射率測定の場合では、試料を十分
厚くし、裏面を粗面にした上、黒色塗料等を塗っていた
が、半導体産業で用いられる基板は、厚さが薄いため、
この様な処理は出来ない。
【0005】微小部分での測定をしようとすると、正確
に同一の場所での反射率、透過率を測定する必要がある
が、従来の分光器では、反射、透過を同一の場所につい
て測定することは難しい。
【0006】反射率実部nと透過率虚部k、あるいは反
射率実部nと膜厚dを求めるための方法としては、円偏
光解析法とも呼ばれるエリプソメトリー法が知られてい
る。これは、偏光した斜入射光を試料に当て、反射され
る円偏光を解析することにより光のrp とrs の強度比
および位相差を測定してnとd等を求める。平行光束を
投影しており、光量を確保するために光束径がある程度
大きい必要がある。光束径が大きいことと、光束が当た
っている部分の確認が正確にできないために、微小部分
の測定は困難である。
【0007】また、メイル(Male) の方法では、薄膜の
表面からの反射率、裏面からの反射率、透過率を予め測
定しておき、これらのデータから計算し、描いておいた
チャートを用いるグラフ法でn,k,dを求める方法で
ある。この場合も、上述のエリプソメトリー方法と同様
に、薄い試料については反射率の測定が困難である。表
面からの反射率、裏面からの反射率を同一場所で測定す
る必要があるが、特に、微小部分を測る場合、試料を付
け換えるのに位置合わせが困難になる。
【0008】本発明は、薄膜や微小部分の反射率、透過
率の測定を可能にして、n,k,dが容易に測定できる
手段を提供することを目的とする。
【0009】
【問題を解決する手段】本発明は、照明用の光源と、輪
帯開口を有する絞りとピンホールとを有する照明光学系
と、上記照明光学系からの光束を測定試料に投影する対
物光学系と、上記測定試料に投影された光束の反射光を
受光する受光面を有する分光装置とから構成され、上記
輪帯開口の大きさを任意に変化させることによって、異
なる複数の入射角度に対する分光反射率並びに分光透過
率を測定することを特徴とするものである。
【0010】猶、本発明に用いられる輪帯開口の大きさ
を切換られることの出来る絞りは、液晶絞りのような電
気的手段や、シャッター絞りのようなメカ的手段を用い
たものでも良いし、また、開口の大きさの異なった絞り
を複数設けて挿脱機構とすることによって絞りを選択す
るようにして用いても良い。
【0011】
【作用】本発明は、以上の構成であるから、落射照明の
顕微鏡光学系に簡単な付加装置を加えた単一の光学系
で、反射率及び透過率を測定でき、その結果をデータ処
理することでn,k,dを求めることができ、顕微鏡光
学系を基本としているので微小部分の測定が可能とな
る。また、照明光学系のピンホールは光軸方向に沿って
移動できるものであり、基本的には対物レンズの試料側
焦点位置と共役に位置されるものであり、前記輪帯開口
絞りは対物レンズの瞳と共役な位置に配置されており、
輪帯状にされたことで測定試料の裏面からの反射と表面
からの反射の分離が可能となる。
【0012】
【実施例】まず、本発明の1実施例を図1に基づいて説
明する。図において、光源1からの光束は輪帯絞り2に
より輪帯光束となり、レンズで結像され焦点位置に配置
されたピンホール3を経て再び輪帯光束となり、ハーフ
ミラー4によって対物レンズ5の方向に導かれ測定試料
表面6aにピンホール3の像が形成される。
【0013】測定試料表面6aからの反射光は再びハー
フミラー4を通り、結像レンズ7により像面絞り9上に
結像する。像面絞り9を通過した光は分光装置10によ
り分光される。測定データはデータ処理装置11により
処理され、n,k,dの値が演算される。結像レンズ7
からの光束は、また観察光学系8に導かれ測定箇所の確
認ができる。
【0014】次に反射率測定の方法を説明する。前述の
ように、従来の測定方法では、測定しようとする薄膜の
反射光に、別の面の反射光がノイズとして重なり合って
しまうため、薄い試料の反射率を正確に測定することが
困難であったが、本発明では次のようにこれを正確に測
定することが出来る。
【0015】図2(a),(b)に基づき、本発明の第
1の実施例による反射光の測定概念を説明する。対物レ
ンズ5によって測定試料表面6aにピンホール3の像が
形成され、反射光は再び対物レンズ5を通って像面絞り
9の位置に結像する。今、図2(b)においてBを測定
点とすると、本来の測定光は、A→B→Cなる経路を辿
って像面絞り9に到達する。B点と像面絞り9は共役の
関係にあるので、像面絞り9上で小さなピンホール3の
像を作り、像面絞り9を通過できる。
【0016】これに対し、測定試料6の裏面(鏡面)1
2で反射する光は、A→D→Eなる経路を辿り、結局B
の鏡像B’からの光束と同じ様な経路を辿る。従って、
この光束については像面絞り9の位置では結像せずリン
グ状にぼけた像が広がる。リング状にぼけた像は、全て
像面絞り9でカットされてしまうので分光装置10には
到達できない。
【0017】このように、本発明による構成によれば、
例え試料6が薄い場合であっても、試料6の裏面12か
らの反射光は全く除去された状態で、表面反射光のみを
分光装置10へ導くようになっているので、正確な反射
率を測定することが出来る。
【0018】以下、本発明の構成要素よりなる測定器を
用いて、n,k,dの測定手順を説明する。 先ず、基板表面の薄膜のついていない部分の反射率
を測定する。入射角をθ1,θ2 、波長をλ、第1の測定
値をM1 、基板表面の反射率をRsubとすると、 M1(θ1,λ) =Rsub(θ1,λ) M1(θ2,λ) =Rsub(θ2,λ)
【0019】 次に試料6の裏面に着けられた鏡面1
2の反射率を測定し、の結果と合わせ、鏡面反射率R
mir を求める。第2の測定値M2(θ1,λ) 、M2(θ2,
λ) は、 M2(θ1,λ) ={1−Rsub(θ1,λ) }2 Rmir(θ1,λ) ∴ Rmir(θ1,λ) =M2(θ1,λ) /{1−M1(θ1,λ) }2 同様に M2(θ2,λ) ={1−Rsub(θ2,λ) }2 Rmir(θ2,λ) ∴ Rmir(θ2,λ) =M2(θ2,λ) /{1−M1(θ2,λ) }2 以上の測定で輪帯開口を切替え、各々の入射角について
反射率を求めておく。
【0020】 測定試料表面6aについて、図3
(a)に示す如く、異なる入射角の光R1,R2 について
の反射率Rfilm( θ1,λ) およびRfilm( θ2,λ) を測
定する。
【0021】 次に、ピンホール3を光軸方向に移動
して、鏡面12からの反射光が薄膜上にピンホール像を
作るように調整し、薄膜透過率Tfilmを求める。第3の
測定値M3(θ1,λ) 、M3(θ2,λ) は、 M3(θ1,λ) ={Tfilm( θ1,λ) }2 Rmir(θ1,λ) ∴ Tfilm (θ1,λ) ={M3(θ1,λ) /Rmir(θ1,λ) }1/2 同様に M3(θ2,λ) ={Tfilm( θ2,λ) }2 Rmir(θ2,λ) ∴ Tfilm (θ2,λ) ={M3(θ2,λ) /Rmir(θ2,λ) }1/2
【0022】以上のように単純に試料6を光軸方向に移
動し、鏡面12にピンホール像を合わせるだけでも透過
率を測定可能であるが、鏡面12上に焦点が合うため測
定値が鏡面の均一性に左右され易い。以上により反射率
のデータ、透過率のデータが測定される。
【0023】このようにして測定された反射率のデータ
Rfilm( θ1,λ) 、Rfilm( θ2,λ) 、透過率のデータ
Tfilm (θ1,λ) 、Tfilm (θ2,λ) を用い、データ処
理装置11により薄膜の複素屈折率Nに必要なn、kや
膜厚dを求める。
【0024】以上の説明では、2個のデータTfilm (θ
1,λ) 及びTfilm (θ2,λ) を測定したが、Tfilm (θ
1,λ) とTfilm (θ2,λ) のうちのどちらか一方のみで
もn,k,dを求めることができるが、ここで特に複数
の入射角θ1,θ2 についての測定をしたのは、測定値の
数が多い程、データ処理に時間を要するが、得られた結
果の信頼性が高くなるからである。
【0025】以上の算出には、例えば、大域最適化手法
を用いても良い。またMaleの方法のようにデータから算
出しても良いが、具体的にはd,n, kの(2a+1)個の未
知数を4a個の測定値から決定するものである。
【0026】猶、本実施例は、データ処理装置11を用
いて分光装置10で得られた分光反射率や分光透過率の
値から膜厚や複素屈折率を算出しているが、分光装置1
0で得られた値を表示する表示装置を設け、その値を人
間が読取り計算して算出しても良い。
【0027】
【発明の効果】上述のように、本発明は、極めて簡単な
構成の測定装置であって、反射率、及び透過率の測定が
でき、データ処理によりn,k,dを求めることがで
き、微小部分の測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の全体構成図である。
【図2】(a)は、輪帯開口による反射光測定概念の説
明図である。(b)は、反射の状態を示す説明図であ
る。
【図3】(a)は、反射率の測定原理説明図である。
(b)は、透過率の測定原理説明図である。
【符号の説明】
1 光源 2 輪帯絞り 3 ピンホール 4 ハーフミラー 5 対物レンズ 6 測定試料 6a 測定試料表面 7 結像レンズ 8 観察光学系 9 像面絞り 10 分光装置 11 データ処理装置 12 鏡面
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−33644(JP,A) 特開 平3−183903(JP,A) 特開 平3−176605(JP,A) 特開 平3−17505(JP,A) 特開 昭53−3363(JP,A) 特開 平4−348254(JP,A) 特開 平6−175031(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01J 3/00 - 3/52

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 照明用の光源と、輪帯開口を有する絞り
    とピンホールとを有する照明光学系と、上記照明光学系
    からの光束を測定試料に投影する対物光学系と、上記測
    定試料に投影された光束の反射光を受光する受光面を有
    する分光装置とから構成され、上記輪帯開口の大きさを
    任意に変化させることによって、異なる複数の入射角度
    に対する分光反射率並びに分光透過率を測定することを
    特徴とする薄膜測定器。
  2. 【請求項2】 上記測定試料からの反射光を複数に分割
    し、上記分割光の1つの光路に上記分光装置の受光面が
    来るように設けられた光束分割手段と、上記分割光の他
    の1つの光路上に設けられた観察光学系と、上記分光装
    置によって測定された分光反射率並びに分光透過率の値
    より薄膜の膜厚及び複素屈折率を算出する演算処理手段
    とを有することを特徴とする請求項1記載の薄膜測定
    器。
  3. 【請求項3】 上記ピンホールが光軸方向に移動自在に
    設けられたことを特徴とする請求項1または2記載の薄
    膜測定器。
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