JP3282236B2 - シリコン薄膜の膜厚または屈折率測定方法およびその装置 - Google Patents
シリコン薄膜の膜厚または屈折率測定方法およびその装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はシリコン薄膜の膜厚ま
たは屈折率測定方法およびその装置に関する。
たは屈折率測定方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜半導体
装置を製造する場合、ガラス等からなる透明基板上に堆
積した非晶質シリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコ
ン薄膜とし、あるいはガラス等からなる透明基板上に多
結晶シリコン薄膜を直接堆積することがある。ところ
で、このような非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄
膜からなるシリコン薄膜の膜厚および屈折率が設計値通
りでない場合には、薄膜トランジスタ等の薄膜半導体素
子を設計値通りに作成することができないばかりか、そ
れ以後の製造工程が無駄となってしまうことがある。
装置を製造する場合、ガラス等からなる透明基板上に堆
積した非晶質シリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコ
ン薄膜とし、あるいはガラス等からなる透明基板上に多
結晶シリコン薄膜を直接堆積することがある。ところ
で、このような非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄
膜からなるシリコン薄膜の膜厚および屈折率が設計値通
りでない場合には、薄膜トランジスタ等の薄膜半導体素
子を設計値通りに作成することができないばかりか、そ
れ以後の製造工程が無駄となってしまうことがある。
【０００３】そこで、従来では、堆積後の非晶質シリコ
ン薄膜を評価したり、多結晶化後あるいは堆積後の多結
晶シリコン薄膜を評価したりしている。従来のこのよう
な評価方法としては、偏光解析法によってシリコン薄膜
の膜厚および屈折率を測定する方法、Ｘ線回折法によっ
てシリコン薄膜の膜厚および屈折率を測定する方法等が
知られている。
ン薄膜を評価したり、多結晶化後あるいは堆積後の多結
晶シリコン薄膜を評価したりしている。従来のこのよう
な評価方法としては、偏光解析法によってシリコン薄膜
の膜厚および屈折率を測定する方法、Ｘ線回折法によっ
てシリコン薄膜の膜厚および屈折率を測定する方法等が
知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、偏光解
析法による測定方法では、反射による光の偏光の変化を
利用する方法であるので、一般に装置が複雑である上、
微妙な軸合わせ等が必要であり、また透明基板上のシリ
コン薄膜の場合実際の反射光が著しく弱く、透明基板裏
面からの反射を誤って取り込むことがあり、信頼性に乏
しく、さらに計測結果からシリコン薄膜の屈折率を求め
るには面倒なデータ処理が必要であるという問題があっ
た。一方、Ｘ線回折法による測定方法では、結晶による
ブラッグ反射を利用する方法であるので、この場合も装
置が複雑であり、特に反射角の走査において大がかりな
機構を必要とし、また非晶質シリコン薄膜の評価にはほ
とんど無効であるので、透明基板上に形成した非晶質シ
リコン薄膜とこの非晶質シリコン薄膜を多結晶してなる
多結晶シリコン薄膜とを連続して評価する場合には非晶
質シリコン薄膜の評価を偏光解析法等の別の測定方法で
行なう必要があり、測定工程が煩雑になるという問題が
あった。この発明の目的は、簡単で信頼性の高い測定を
行なうことのできるシリコン薄膜の膜厚または屈折率測
定方法およびその装置を提供することにある。
析法による測定方法では、反射による光の偏光の変化を
利用する方法であるので、一般に装置が複雑である上、
微妙な軸合わせ等が必要であり、また透明基板上のシリ
コン薄膜の場合実際の反射光が著しく弱く、透明基板裏
面からの反射を誤って取り込むことがあり、信頼性に乏
しく、さらに計測結果からシリコン薄膜の屈折率を求め
るには面倒なデータ処理が必要であるという問題があっ
た。一方、Ｘ線回折法による測定方法では、結晶による
ブラッグ反射を利用する方法であるので、この場合も装
置が複雑であり、特に反射角の走査において大がかりな
機構を必要とし、また非晶質シリコン薄膜の評価にはほ
とんど無効であるので、透明基板上に形成した非晶質シ
リコン薄膜とこの非晶質シリコン薄膜を多結晶してなる
多結晶シリコン薄膜とを連続して評価する場合には非晶
質シリコン薄膜の評価を偏光解析法等の別の測定方法で
行なう必要があり、測定工程が煩雑になるという問題が
あった。この発明の目的は、簡単で信頼性の高い測定を
行なうことのできるシリコン薄膜の膜厚または屈折率測
定方法およびその装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の測定方法
は、透明基板上にシリコン薄膜が形成されたシリコン薄
膜試料に所定波長のコヒーレント光を照射してその透過
光の光強度を計測し、この計測結果と予め設定した光強
度の標準値との差分に基づいて前記シリコン薄膜の膜厚
または屈折率の標準値に対する変動分を評価するように
したものである。請求項４記載の測定方法は、透明基板
上にシリコン薄膜が形成されたシリコン薄膜試料に相異
なる波長のコヒーレント光を照射してその各透過光の光
強度を計測し、この各計測結果と予め設定した光強度の
標準値との差分に基づいて前記シリコン薄膜の膜厚また
は屈折率の標準値に対する変動分を評価するようにした
ものである。請求項７記載の測定装置は、透明基板上に
シリコン薄膜が形成されたシリコン薄膜試料を支持する
支持手段と、この支持手段の一方側に設けられ、前記シ
リコン薄膜試料に向けてコヒーレント光を出射するコヒ
ーレント光発生手段と、前記支持手段の他方側に設けら
れ、前記コヒーレント光発生手段から出射されて前記シ
リコン薄膜試料を透過したコヒーレント光の光強度を感
知する光強度感知手段と、この光強度感知手段の感知結
果と光強度の標準値との差分に基づいて前記シリコン薄
膜の膜厚または屈折率の標準値に対する変動分を評価す
る評価手段とを具備したものである。
は、透明基板上にシリコン薄膜が形成されたシリコン薄
膜試料に所定波長のコヒーレント光を照射してその透過
光の光強度を計測し、この計測結果と予め設定した光強
度の標準値との差分に基づいて前記シリコン薄膜の膜厚
または屈折率の標準値に対する変動分を評価するように
したものである。請求項４記載の測定方法は、透明基板
上にシリコン薄膜が形成されたシリコン薄膜試料に相異
なる波長のコヒーレント光を照射してその各透過光の光
強度を計測し、この各計測結果と予め設定した光強度の
標準値との差分に基づいて前記シリコン薄膜の膜厚また
は屈折率の標準値に対する変動分を評価するようにした
ものである。請求項７記載の測定装置は、透明基板上に
シリコン薄膜が形成されたシリコン薄膜試料を支持する
支持手段と、この支持手段の一方側に設けられ、前記シ
リコン薄膜試料に向けてコヒーレント光を出射するコヒ
ーレント光発生手段と、前記支持手段の他方側に設けら
れ、前記コヒーレント光発生手段から出射されて前記シ
リコン薄膜試料を透過したコヒーレント光の光強度を感
知する光強度感知手段と、この光強度感知手段の感知結
果と光強度の標準値との差分に基づいて前記シリコン薄
膜の膜厚または屈折率の標準値に対する変動分を評価す
る評価手段とを具備したものである。
【０００６】
【作用】この発明によれば、コヒーレント光によりシリ
コン薄膜および透明基板を透過した透過光の光強度を計
測し、この計測結果に基づいてシリコン薄膜の膜厚また
は屈折率を求めることになるので、簡単で信頼性の高い
測定を行なうことができる。
コン薄膜および透明基板を透過した透過光の光強度を計
測し、この計測結果に基づいてシリコン薄膜の膜厚また
は屈折率を求めることになるので、簡単で信頼性の高い
測定を行なうことができる。
【０００７】
【実施例】図１はこの発明の一実施例における測定装置
の概略構成を示したものである。この測定装置は、ガラ
ス等からなる透明基板上にシリコン薄膜が形成されたシ
リコン薄膜試料１を支持するための支持手段（図示せ
ず）を備えている。支持手段の一方側にはコヒーレント
光発生源２が設けられ、他方側には光強度感知センサ３
が設けられている。コヒーレント光発生源２は、ＣＰＵ
４から制御信号の供給を受けて、コヒーレント光をシリ
コン薄膜試料１に向けて出射する。光強度感知センサ３
は、コヒーレント光発生源２から出射されてシリコン薄
膜試料１を透過したコヒーレント光の光強度を感知し、
この感知した光強度に応じた光強度アナログ信号を送出
する。光強度感知センサ３から送出された光強度アナロ
グ信号はＡＤ変換器５によって光強度デジタル信号に変
換される。ＣＰＵ４はコヒーレント光発生源２のほかに
ＡＤ変換器５等を制御し、さらに後述するデータ処理を
行なう。ＲＯＭ６はＣＰＵ４によるデータ処理のための
プログラムおよびそのために必要な基礎データを書き込
んだものである。ＲＡＭ７はデータ処理の各過程でデー
タを一時的に記憶するためのものである。入力部８は測
定およびデータ処理に必要なパラメータを入力するため
のものである。表示部９は測定およびデータ処理の操作
上のプロンプトやデータ処理結果等を表示するためのも
のである。
の概略構成を示したものである。この測定装置は、ガラ
ス等からなる透明基板上にシリコン薄膜が形成されたシ
リコン薄膜試料１を支持するための支持手段（図示せ
ず）を備えている。支持手段の一方側にはコヒーレント
光発生源２が設けられ、他方側には光強度感知センサ３
が設けられている。コヒーレント光発生源２は、ＣＰＵ
４から制御信号の供給を受けて、コヒーレント光をシリ
コン薄膜試料１に向けて出射する。光強度感知センサ３
は、コヒーレント光発生源２から出射されてシリコン薄
膜試料１を透過したコヒーレント光の光強度を感知し、
この感知した光強度に応じた光強度アナログ信号を送出
する。光強度感知センサ３から送出された光強度アナロ
グ信号はＡＤ変換器５によって光強度デジタル信号に変
換される。ＣＰＵ４はコヒーレント光発生源２のほかに
ＡＤ変換器５等を制御し、さらに後述するデータ処理を
行なう。ＲＯＭ６はＣＰＵ４によるデータ処理のための
プログラムおよびそのために必要な基礎データを書き込
んだものである。ＲＡＭ７はデータ処理の各過程でデー
タを一時的に記憶するためのものである。入力部８は測
定およびデータ処理に必要なパラメータを入力するため
のものである。表示部９は測定およびデータ処理の操作
上のプロンプトやデータ処理結果等を表示するためのも
のである。
【０００８】次に、この測定装置でシリコン薄膜試料１
のシリコン薄膜の膜厚および屈折率を測定する場合につ
いて説明する。コヒーレント光発生源２は、ＣＰＵ４か
ら制御信号の供給を受けて、１．２〜２．６μｍの範囲
内のある１つの波長または相異なる２つ以上の波長の近
赤外光をビーム状に出射する。近赤外光を用いるのは、
その波長範囲における標準的なシリコン（非晶質シリコ
ンあるいは多結晶シリコン）の光吸収がほとんど無く、
したがってシリコン薄膜の膜厚や屈折率がわずかに変動
するとそれが干渉効果の変化としてシリコン薄膜の透過
率に大きく反映され、光強度感知センサ３による変動の
検出感度を大きくすることができるからである。この詳
細は特願平３−１８３６０４号に記載されているので参
照されたい。
のシリコン薄膜の膜厚および屈折率を測定する場合につ
いて説明する。コヒーレント光発生源２は、ＣＰＵ４か
ら制御信号の供給を受けて、１．２〜２．６μｍの範囲
内のある１つの波長または相異なる２つ以上の波長の近
赤外光をビーム状に出射する。近赤外光を用いるのは、
その波長範囲における標準的なシリコン（非晶質シリコ
ンあるいは多結晶シリコン）の光吸収がほとんど無く、
したがってシリコン薄膜の膜厚や屈折率がわずかに変動
するとそれが干渉効果の変化としてシリコン薄膜の透過
率に大きく反映され、光強度感知センサ３による変動の
検出感度を大きくすることができるからである。この詳
細は特願平３−１８３６０４号に記載されているので参
照されたい。
【０００９】ところで、吸収係数を０としたときのシリ
コン薄膜の透過率Ｔは次の式（１）で表される。
コン薄膜の透過率Ｔは次の式（１）で表される。
【式１】 ただし、ｎはシリコン薄膜の屈折率、ｎ0は空気の屈折
率、ｎ1は透明基板の屈折率、ｒ0は光が空気中からシリ
コン薄膜に入射する際の振幅反射率、ｒ1は光がシリコ
ン薄膜から透明基板に入射する際の振幅反射率、δは光
がシリコン薄膜中を進行する際の位相のずれ、δ0は光
が空気中からシリコン薄膜に入射する際の位相のずれ、
δ1は光がシリコン薄膜から透明基板に入射する際の位
相のずれである。
率、ｎ1は透明基板の屈折率、ｒ0は光が空気中からシリ
コン薄膜に入射する際の振幅反射率、ｒ1は光がシリコ
ン薄膜から透明基板に入射する際の振幅反射率、δは光
がシリコン薄膜中を進行する際の位相のずれ、δ0は光
が空気中からシリコン薄膜に入射する際の位相のずれ、
δ1は光がシリコン薄膜から透明基板に入射する際の位
相のずれである。
【００１０】このうち振幅反射率ｒ0、ｒ1および位相の
ずれδ、δ0、δ1は、シリコン薄膜、空気、透明基板の
各屈折率ｎ、ｎ0、ｎ1、シリコン薄膜の膜厚ｄおよび光
の波長λを用いて、次の式（２）〜式（４）のように表
すことができる。
ずれδ、δ0、δ1は、シリコン薄膜、空気、透明基板の
各屈折率ｎ、ｎ0、ｎ1、シリコン薄膜の膜厚ｄおよび光
の波長λを用いて、次の式（２）〜式（４）のように表
すことができる。
【式２】
【式３】
【式４】
【００１１】ここで、ある近赤外光の波長λに対する空
気および透明基板の各屈折率ｎ0、ｎ1の値は、事前測定
により一義的に決まるので、その波長分散とともにＲＯ
Ｍ６に書き込まれている。したがって、式（２）〜式
（４）で計算した値を式（１）に代入すると、シリコン
薄膜の透過率Ｔは、シリコン薄膜の屈折率ｎ、膜厚ｄお
よび近赤外光の波長λの関数Ｔ（ｎ，ｄ，λ）として表
すことができる。そして、ある製造工程において、シリ
コン薄膜の標準屈折率、標準膜厚をｎ0、ｄ0とすると、
測定すべきシリコン薄膜の屈折率ｎ、膜厚ｄはこの標準
値ｎ0、ｄ0を中心にして変動する。そこで、あるシリコ
ン薄膜においてこの変動がΔｎ、Δｄであったとする
と、これに伴うＴの変化ΔＴはおよそ次の式（５）で表
される。
気および透明基板の各屈折率ｎ0、ｎ1の値は、事前測定
により一義的に決まるので、その波長分散とともにＲＯ
Ｍ６に書き込まれている。したがって、式（２）〜式
（４）で計算した値を式（１）に代入すると、シリコン
薄膜の透過率Ｔは、シリコン薄膜の屈折率ｎ、膜厚ｄお
よび近赤外光の波長λの関数Ｔ（ｎ，ｄ，λ）として表
すことができる。そして、ある製造工程において、シリ
コン薄膜の標準屈折率、標準膜厚をｎ0、ｄ0とすると、
測定すべきシリコン薄膜の屈折率ｎ、膜厚ｄはこの標準
値ｎ0、ｄ0を中心にして変動する。そこで、あるシリコ
ン薄膜においてこの変動がΔｎ、Δｄであったとする
と、これに伴うＴの変化ΔＴはおよそ次の式（５）で表
される。
【式５】
【００１２】次に、具体的な例について説明する。シリ
コン薄膜試料１として、Ｓｉ2Ｈ6とＨ2との混合ガスを
用いたプラズマＣＶＤ法により透明基板上に多結晶シリ
コン薄膜を直接堆積してなるものを用意する。この場合
の多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄと屈折率ｎの成膜条件依
存性は図２〜図６に示すようになる。すなわち、まず図
２（Ａ）、（Ｂ）はＳｉ2Ｈ6流量依存性を示したもので
あり、膜厚ｄはＳｉ2Ｈ6流量が増大するに従って厚くな
り、屈折率ｎはＳｉ2Ｈ6流量３ＣＣＭを境にしてそれぞ
れの領域でほぼ一定である。この場合、Ｘ線回折法によ
りＳｉ2Ｈ6流量が３ＣＣＭ以下であると結晶化すること
が確認されているので、Ｓｉ2Ｈ6流量を３ＣＣＭ以下と
すると屈折率ｎがほぼ３．４となる。次に、図３
（Ａ）、（Ｂ）は成膜温度依存性を示したものである。
この場合、使用ガス流量をＳｉ2Ｈ6／Ｈ2＝３ＣＣＭ／
４９５ＣＣＭとした。この図３（Ａ）、（Ｂ）から明ら
かなように、膜厚ｄはほとんど変化せず、屈折率ｎも
３．４近傍においてほとんど変化しない。次に、図４
（Ａ）、（Ｂ）は成膜ＲＦパワー（プラズマパワー）依
存性を示したものであり、膜厚ｄはＲＦパワーが増大す
るに従って厚くなり、屈折率ｎは３．４近傍においてほ
とんど変化しない。次に、図５（Ａ）、（Ｂ）はＨ2流
量依存性を示したものであり、２００ＣＣＭ以上である
と、膜厚ｄはほとんど変化せず、屈折率ｎはほぼ３．４
となる。次に、図６（Ａ）、（Ｂ）は圧力依存性を示し
たものであり、膜厚ｄはほとんど変化せず、屈折率ｎは
０．７Ｔｏｒｒ以下であるとほぼ３．４となる。
コン薄膜試料１として、Ｓｉ2Ｈ6とＨ2との混合ガスを
用いたプラズマＣＶＤ法により透明基板上に多結晶シリ
コン薄膜を直接堆積してなるものを用意する。この場合
の多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄと屈折率ｎの成膜条件依
存性は図２〜図６に示すようになる。すなわち、まず図
２（Ａ）、（Ｂ）はＳｉ2Ｈ6流量依存性を示したもので
あり、膜厚ｄはＳｉ2Ｈ6流量が増大するに従って厚くな
り、屈折率ｎはＳｉ2Ｈ6流量３ＣＣＭを境にしてそれぞ
れの領域でほぼ一定である。この場合、Ｘ線回折法によ
りＳｉ2Ｈ6流量が３ＣＣＭ以下であると結晶化すること
が確認されているので、Ｓｉ2Ｈ6流量を３ＣＣＭ以下と
すると屈折率ｎがほぼ３．４となる。次に、図３
（Ａ）、（Ｂ）は成膜温度依存性を示したものである。
この場合、使用ガス流量をＳｉ2Ｈ6／Ｈ2＝３ＣＣＭ／
４９５ＣＣＭとした。この図３（Ａ）、（Ｂ）から明ら
かなように、膜厚ｄはほとんど変化せず、屈折率ｎも
３．４近傍においてほとんど変化しない。次に、図４
（Ａ）、（Ｂ）は成膜ＲＦパワー（プラズマパワー）依
存性を示したものであり、膜厚ｄはＲＦパワーが増大す
るに従って厚くなり、屈折率ｎは３．４近傍においてほ
とんど変化しない。次に、図５（Ａ）、（Ｂ）はＨ2流
量依存性を示したものであり、２００ＣＣＭ以上である
と、膜厚ｄはほとんど変化せず、屈折率ｎはほぼ３．４
となる。次に、図６（Ａ）、（Ｂ）は圧力依存性を示し
たものであり、膜厚ｄはほとんど変化せず、屈折率ｎは
０．７Ｔｏｒｒ以下であるとほぼ３．４となる。
【００１３】以上のことから、シリコン薄膜試料１とし
て、例えば使用ガス流量をＳｉ2Ｈ6／Ｈ2＝３ＣＣＭ／
４９５ＣＣＭとし、圧力を０．５Ｔｏｒｒとしたプラズ
マＣＶＤ法により透明基板上に多結晶シリコン薄膜を直
接堆積してなるものを用いる場合には、多結晶シリコン
薄膜の屈折率ｎがほぼ３．４と安定性が良く、したがっ
てこの屈折率ｎを定数と見做すことができる。そこで、
この場合の測定すべき多結晶シリコン薄膜の屈折率ｎを
定数とすると、式（５）から、透過率の変動ΔＴは膜厚
の変動Δｄを直接反映することとなり、したがって透過
率の変動ΔＴが分かると膜厚の変動Δｄを察知すること
ができることになる。
て、例えば使用ガス流量をＳｉ2Ｈ6／Ｈ2＝３ＣＣＭ／
４９５ＣＣＭとし、圧力を０．５Ｔｏｒｒとしたプラズ
マＣＶＤ法により透明基板上に多結晶シリコン薄膜を直
接堆積してなるものを用いる場合には、多結晶シリコン
薄膜の屈折率ｎがほぼ３．４と安定性が良く、したがっ
てこの屈折率ｎを定数と見做すことができる。そこで、
この場合の測定すべき多結晶シリコン薄膜の屈折率ｎを
定数とすると、式（５）から、透過率の変動ΔＴは膜厚
の変動Δｄを直接反映することとなり、したがって透過
率の変動ΔＴが分かると膜厚の変動Δｄを察知すること
ができることになる。
【００１４】そして、この場合には、入力部８を操作し
て、この測定装置を、透明基板上に直接堆積した多結晶
シリコン薄膜の屈折率ｎを定数と見做すことのできるモ
ード（１点測定モード）とする。すると、ＣＰＵ４は、
コヒーレント光発生源２を制御して、コヒーレント光発
生源２からある１つの波長（例えば２．０μｍ）の近赤
外光を出射させる。この出射された近赤外光はシリコン
薄膜試料１を透過し、この透過光の光強度が光強度感知
センサ３によって感知される。光強度感知センサ３はこ
の感知した光強度に応じた光強度アナログ信号を送出
し、この光強度アナログ信号はＡＤ変換器５によってシ
リコン薄膜試料１中の多結晶シリコン薄膜の透過率に応
じた光強度デジタル信号に変換される。ＣＰＵ４は、こ
の光強度デジタル信号を取り込んで、この取り込んだ光
強度デジタル信号を予めＲＯＭ６に書き込まれた標準透
過率に対応した標準光強度デジタル信号と比較し、その
差すなわち透過率の変動ΔＴを算出する。そして、この
透過率の変動ΔＴが入力部８を操作してＲＡＭ７に予め
記憶しておいた許容範囲内であれば、表示部９に膜厚の
変動Δｄが許容範囲内であることを示す例えば〇印が表
示され、許容範囲外であれば、許容範囲外であることを
示す例えば×印が表示される。
て、この測定装置を、透明基板上に直接堆積した多結晶
シリコン薄膜の屈折率ｎを定数と見做すことのできるモ
ード（１点測定モード）とする。すると、ＣＰＵ４は、
コヒーレント光発生源２を制御して、コヒーレント光発
生源２からある１つの波長（例えば２．０μｍ）の近赤
外光を出射させる。この出射された近赤外光はシリコン
薄膜試料１を透過し、この透過光の光強度が光強度感知
センサ３によって感知される。光強度感知センサ３はこ
の感知した光強度に応じた光強度アナログ信号を送出
し、この光強度アナログ信号はＡＤ変換器５によってシ
リコン薄膜試料１中の多結晶シリコン薄膜の透過率に応
じた光強度デジタル信号に変換される。ＣＰＵ４は、こ
の光強度デジタル信号を取り込んで、この取り込んだ光
強度デジタル信号を予めＲＯＭ６に書き込まれた標準透
過率に対応した標準光強度デジタル信号と比較し、その
差すなわち透過率の変動ΔＴを算出する。そして、この
透過率の変動ΔＴが入力部８を操作してＲＡＭ７に予め
記憶しておいた許容範囲内であれば、表示部９に膜厚の
変動Δｄが許容範囲内であることを示す例えば〇印が表
示され、許容範囲外であれば、許容範囲外であることを
示す例えば×印が表示される。
【００１５】ところで、プラズマＣＶＤ法により透明基
板上に多結晶シリコン薄膜を直接堆積する場合には、Ｓ
ｉ2Ｈ6とＨ2のガスのほかにＣＦ4、Ｆ2、ＳｉＦ4等の添
加ガスを混合して結晶性の良い多結晶シリコン薄膜を得
ることもある。このような場合には、混合ガスの流量比
により多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄだけでなく、屈折率
ｎも大きく変動する。例えば、図７（Ａ）、（Ｂ）はそ
れぞれ添加ガスにＣＦ4を選んだ場合の多結晶シリコン
薄膜の膜厚ｄと屈折率ｎのＣＦ4流量依存性を示したも
のであり、膜厚ｄだけでなく、屈折率ｎも大きく変化す
る。また、図８（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ添加ガスにＦ
2を選んだ場合の多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄと屈折率
ｎのＦ2流量依存性を示したものであり、この場合も膜
厚ｄだけでなく、屈折率ｎも大きく変化する。
板上に多結晶シリコン薄膜を直接堆積する場合には、Ｓ
ｉ2Ｈ6とＨ2のガスのほかにＣＦ4、Ｆ2、ＳｉＦ4等の添
加ガスを混合して結晶性の良い多結晶シリコン薄膜を得
ることもある。このような場合には、混合ガスの流量比
により多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄだけでなく、屈折率
ｎも大きく変動する。例えば、図７（Ａ）、（Ｂ）はそ
れぞれ添加ガスにＣＦ4を選んだ場合の多結晶シリコン
薄膜の膜厚ｄと屈折率ｎのＣＦ4流量依存性を示したも
のであり、膜厚ｄだけでなく、屈折率ｎも大きく変化す
る。また、図８（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ添加ガスにＦ
2を選んだ場合の多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄと屈折率
ｎのＦ2流量依存性を示したものであり、この場合も膜
厚ｄだけでなく、屈折率ｎも大きく変化する。
【００１６】このように、混合ガスの流量比により多結
晶シリコン薄膜の膜厚ｄだけでなく、屈折率ｎも大きく
変動する場合には、透過率の変動ΔＴが分かっても膜厚
の変動Δｄを察知することができない。すなわち、未知
数が膜厚の変動Δｄと屈折率の変動Δｎの２つとなるの
で、式（５）では解を求めることができない。そこで、
このような場合には、次の式（６）で解を求めることに
なる。
晶シリコン薄膜の膜厚ｄだけでなく、屈折率ｎも大きく
変動する場合には、透過率の変動ΔＴが分かっても膜厚
の変動Δｄを察知することができない。すなわち、未知
数が膜厚の変動Δｄと屈折率の変動Δｎの２つとなるの
で、式（５）では解を求めることができない。そこで、
このような場合には、次の式（６）で解を求めることに
なる。
【式６】 ただし、ΔＴ1はコヒーレント光発生源２から出射され
た近赤外光の波長がλ1の場合の透過率の変動、ΔＴ2は
コヒーレント光発生源２から出射された近赤外光の波長
がλ2の場合の透過率の変動である。
た近赤外光の波長がλ1の場合の透過率の変動、ΔＴ2は
コヒーレント光発生源２から出射された近赤外光の波長
がλ2の場合の透過率の変動である。
【００１７】以上のことから、シリコン薄膜試料１とし
て、Ｓｉ2Ｈ6とＨ2のガスのほかにＣＦ4、Ｆ2、ＳｉＦ4
等の添加ガスを混合してなる混合ガスを用いたプラズマ
ＣＶＤ法により透明基板上に多結晶シリコン薄膜を直接
堆積してなるものを用いる場合には、入力部８を操作し
て、この測定装置をそれに対応するモード（２点測定モ
ード）とする。すると、ＣＰＵ４は、コヒーレント光発
生源２を制御して、コヒーレント光発生源２から相異な
る２つの波長λ1、λ2の近赤外光をある時間差をおいて
順次出射させる。この出射された２つの近赤外光はシリ
コン薄膜試料１を透過し、これら透過光の光強度が光強
度感知センサ３によってある時間差をおいて順次感知さ
れる。光強度感知センサ３はこの感知した２つの光強度
にそれぞれ応じた光強度アナログ信号をある時間差をお
いて順次送出し、これら光強度アナログ信号はＡＤ変換
器５によってシリコン薄膜試料１中の多結晶シリコン薄
膜の各透過率にそれぞれ応じた光強度デジタル信号に変
換される。ＣＰＵ４は、これら光強度デジタル信号をあ
る時間差をおいて順次取り込み、この取り込んだ２つの
光強度デジタル信号を予めＲＯＭ６に書き込まれた各標
準透過率にそれぞれ対応した標準光強度デジタル信号と
比較し、その各差すなわち２つの透過率の変動ΔＴ1、
ΔＴ2をそれぞれ算出し、次いで式（６）から、膜厚の
変動Δｄおよび屈折率の変動Δｎを算出する。そして、
膜厚の変動Δｄの許容範囲を例えば±２０ｎｍとすると
ともに、屈折率の変動Δｎの許容範囲を例えば±０．２
とし、これらの数値を入力部８を操作してＲＡＭ７に記
憶させておくと、共に許容範囲内であれば、表示部９に
は両者の値と共に許容範囲内であることを示す例えば〇
印が表示され、少なくとも一方が許容範囲外であれば、
表示部９には両者の値と少なくとも一方が許容範囲外で
あることを示す例えば×印が表示される。また、少なく
とも一方が許容範囲外である場合には、表示部９に表示
された両者の値から、何が許容範囲外であるかを知るこ
ともできる。
て、Ｓｉ2Ｈ6とＨ2のガスのほかにＣＦ4、Ｆ2、ＳｉＦ4
等の添加ガスを混合してなる混合ガスを用いたプラズマ
ＣＶＤ法により透明基板上に多結晶シリコン薄膜を直接
堆積してなるものを用いる場合には、入力部８を操作し
て、この測定装置をそれに対応するモード（２点測定モ
ード）とする。すると、ＣＰＵ４は、コヒーレント光発
生源２を制御して、コヒーレント光発生源２から相異な
る２つの波長λ1、λ2の近赤外光をある時間差をおいて
順次出射させる。この出射された２つの近赤外光はシリ
コン薄膜試料１を透過し、これら透過光の光強度が光強
度感知センサ３によってある時間差をおいて順次感知さ
れる。光強度感知センサ３はこの感知した２つの光強度
にそれぞれ応じた光強度アナログ信号をある時間差をお
いて順次送出し、これら光強度アナログ信号はＡＤ変換
器５によってシリコン薄膜試料１中の多結晶シリコン薄
膜の各透過率にそれぞれ応じた光強度デジタル信号に変
換される。ＣＰＵ４は、これら光強度デジタル信号をあ
る時間差をおいて順次取り込み、この取り込んだ２つの
光強度デジタル信号を予めＲＯＭ６に書き込まれた各標
準透過率にそれぞれ対応した標準光強度デジタル信号と
比較し、その各差すなわち２つの透過率の変動ΔＴ1、
ΔＴ2をそれぞれ算出し、次いで式（６）から、膜厚の
変動Δｄおよび屈折率の変動Δｎを算出する。そして、
膜厚の変動Δｄの許容範囲を例えば±２０ｎｍとすると
ともに、屈折率の変動Δｎの許容範囲を例えば±０．２
とし、これらの数値を入力部８を操作してＲＡＭ７に記
憶させておくと、共に許容範囲内であれば、表示部９に
は両者の値と共に許容範囲内であることを示す例えば〇
印が表示され、少なくとも一方が許容範囲外であれば、
表示部９には両者の値と少なくとも一方が許容範囲外で
あることを示す例えば×印が表示される。また、少なく
とも一方が許容範囲外である場合には、表示部９に表示
された両者の値から、何が許容範囲外であるかを知るこ
ともできる。
【００１８】次に、シリコン薄膜試料１として、プラズ
マＣＶＤ法により透明基板上に非晶質シリコン薄膜を堆
積してなるものを用いる場合について説明する。図９は
非晶質シリコン薄膜の屈折率ｎのＨ2流量依存性を示し
たものであり、基板温度が例えば２００℃あるいは３０
０℃というように一定の場合には、Ｈ2流量が２００Ｃ
ＣＭ以上であると屈折率ｎはほぼ一定である。したがっ
て、この場合には式（５）を用いた１点測定も可能であ
り、正確を期するなら式（６）を用いた２点測定を行な
ってもよい。図１０は非晶質シリコン薄膜の屈折率ｎの
基板温度依存性を示したものであり、基板温度が変われ
ば屈折率ｎが変わる。したがって、この場合には式
（６）を用いた２点測定を行なうことになる。
マＣＶＤ法により透明基板上に非晶質シリコン薄膜を堆
積してなるものを用いる場合について説明する。図９は
非晶質シリコン薄膜の屈折率ｎのＨ2流量依存性を示し
たものであり、基板温度が例えば２００℃あるいは３０
０℃というように一定の場合には、Ｈ2流量が２００Ｃ
ＣＭ以上であると屈折率ｎはほぼ一定である。したがっ
て、この場合には式（５）を用いた１点測定も可能であ
り、正確を期するなら式（６）を用いた２点測定を行な
ってもよい。図１０は非晶質シリコン薄膜の屈折率ｎの
基板温度依存性を示したものであり、基板温度が変われ
ば屈折率ｎが変わる。したがって、この場合には式
（６）を用いた２点測定を行なうことになる。
【００１９】次に、シリコン薄膜試料１として、プラズ
マＣＶＤ法により透明基板上に堆積した非晶質シリコン
薄膜を炉アニールによる固相成長法で多結晶化して多結
晶シリコン薄膜としてなるものを用いる場合について説
明する。この場合には、多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄお
よび屈折率ｎが共に変動するので、式（６）を用いた２
点測定を行なうことになる。
マＣＶＤ法により透明基板上に堆積した非晶質シリコン
薄膜を炉アニールによる固相成長法で多結晶化して多結
晶シリコン薄膜としてなるものを用いる場合について説
明する。この場合には、多結晶シリコン薄膜の膜厚ｄお
よび屈折率ｎが共に変動するので、式（６）を用いた２
点測定を行なうことになる。
【００２０】ところで、図１１は多結晶シリコン薄膜の
屈折率ｎのアニール時間依存性を示し、図１２はアニー
ル後の結晶性（Ｘ線回折強度）を非晶質シリコン薄膜堆
積時の基板温度についてプロットしたものである。図１
２から、アニール後の結晶性を良くするには非晶質シリ
コン薄膜堆積時の基板温度を１００℃に設定すればよい
ことが分かる。また、図１１から、アニール時間０つま
りアニール前の時点では、非晶質シリコン薄膜堆積時の
基板温度が１００℃の場合屈折率ｎが３．１程度とな
り、非晶質シリコン薄膜堆積時の基板温度が２００〜３
００℃の場合の屈折率ｎ＝３．５程度よりも小さいこと
が分かる。このことは、アニール後の結晶性を良くする
ために非晶質シリコン薄膜堆積時の基板温度を１００℃
に設定したにも拘らず、アニール前つまり非晶質シリコ
ン薄膜堆積後に、この発明の測定方法により測定してみ
て屈折率ｎが３．１から大きくずれている場合には、基
板温度が何らかの理由により上昇したことを意味する。
したがって、この場合の非晶質シリコン薄膜をアニール
しても良い結晶性を期待することはできないことにな
る。この結果、アニールする前に非晶質シリコン薄膜の
屈折率ｎを評価し、それが許容範囲外である場合には、
ここで製造工程を終了すると、それ以後の製造工程例え
ば３０時間程度要するアニール工程等の無駄な製造工程
を省略することができる。
屈折率ｎのアニール時間依存性を示し、図１２はアニー
ル後の結晶性（Ｘ線回折強度）を非晶質シリコン薄膜堆
積時の基板温度についてプロットしたものである。図１
２から、アニール後の結晶性を良くするには非晶質シリ
コン薄膜堆積時の基板温度を１００℃に設定すればよい
ことが分かる。また、図１１から、アニール時間０つま
りアニール前の時点では、非晶質シリコン薄膜堆積時の
基板温度が１００℃の場合屈折率ｎが３．１程度とな
り、非晶質シリコン薄膜堆積時の基板温度が２００〜３
００℃の場合の屈折率ｎ＝３．５程度よりも小さいこと
が分かる。このことは、アニール後の結晶性を良くする
ために非晶質シリコン薄膜堆積時の基板温度を１００℃
に設定したにも拘らず、アニール前つまり非晶質シリコ
ン薄膜堆積後に、この発明の測定方法により測定してみ
て屈折率ｎが３．１から大きくずれている場合には、基
板温度が何らかの理由により上昇したことを意味する。
したがって、この場合の非晶質シリコン薄膜をアニール
しても良い結晶性を期待することはできないことにな
る。この結果、アニールする前に非晶質シリコン薄膜の
屈折率ｎを評価し、それが許容範囲外である場合には、
ここで製造工程を終了すると、それ以後の製造工程例え
ば３０時間程度要するアニール工程等の無駄な製造工程
を省略することができる。
【００２１】また、図１３は非晶質シリコン薄膜堆積時
の基板温度が１００℃と５０℃の場合の多結晶シリコン
薄膜のアニール時間依存性を示したものである。この図
から明らかなように、基板温度が１００℃程度で数十時
間アニールすると、屈折率ｎは３．４程度に落ち着く
が、基板温度が５０℃程度だったものはアニール後の屈
折率ｎが３．６程度の異常値となる。このことは、間接
的ながら、透過光の光強度の変動の測定により結晶化の
状態も判定できることを意味する。
の基板温度が１００℃と５０℃の場合の多結晶シリコン
薄膜のアニール時間依存性を示したものである。この図
から明らかなように、基板温度が１００℃程度で数十時
間アニールすると、屈折率ｎは３．４程度に落ち着く
が、基板温度が５０℃程度だったものはアニール後の屈
折率ｎが３．６程度の異常値となる。このことは、間接
的ながら、透過光の光強度の変動の測定により結晶化の
状態も判定できることを意味する。
【００２２】なお、上記実施例では、式（５）を用いた
１点測定の場合、シリコン薄膜の屈折率を定数と見做し
ているが、屈折率ではなく膜厚の安定性が十分に保証さ
れている場合には、膜厚を定数と見做し、式（５）を用
いた１点測定により屈折率を評価するようにすることも
できる。また、上記実施例では、透過率の測定を１つま
たは２つの波長で行なっているが、より多くの波長で多
点測定を行ない、これにより得られた透過率データと理
論式Ｔ（ｄ，ｎ，λ）を次の式（７）による最小２乗法
で適合することにより、測定すべきシリコン薄膜の膜厚
と屈折率を求めるようにしてもよい。
１点測定の場合、シリコン薄膜の屈折率を定数と見做し
ているが、屈折率ではなく膜厚の安定性が十分に保証さ
れている場合には、膜厚を定数と見做し、式（５）を用
いた１点測定により屈折率を評価するようにすることも
できる。また、上記実施例では、透過率の測定を１つま
たは２つの波長で行なっているが、より多くの波長で多
点測定を行ない、これにより得られた透過率データと理
論式Ｔ（ｄ，ｎ，λ）を次の式（７）による最小２乗法
で適合することにより、測定すべきシリコン薄膜の膜厚
と屈折率を求めるようにしてもよい。
【式７】 ただし、Ｔkはコヒーレント光発生源２から出射された
近赤外光の波長がλkの場合のシリコン薄膜の透過率で
ある。この場合、測定ノイズ等の影響による評価誤差を
軽減することができるので、より信頼性の高い測定を行
なうことができる。また、上記実施例では、シリコン薄
膜と透明基板を透過したコヒーレント光の光強度を測定
し、これを標準値と比較して透過率を求めた上、膜厚と
屈折率を求めているが、測定した光強度を直接標準値と
比較してその評価を行なうようにしてもよい。この場合
には、膜厚または屈折率の許容差を対応する光強度に換
算してＲＡＭ７に記憶させておき、測定された試料の光
強度がこの許容範囲内か否かを評価すればよい。
近赤外光の波長がλkの場合のシリコン薄膜の透過率で
ある。この場合、測定ノイズ等の影響による評価誤差を
軽減することができるので、より信頼性の高い測定を行
なうことができる。また、上記実施例では、シリコン薄
膜と透明基板を透過したコヒーレント光の光強度を測定
し、これを標準値と比較して透過率を求めた上、膜厚と
屈折率を求めているが、測定した光強度を直接標準値と
比較してその評価を行なうようにしてもよい。この場合
には、膜厚または屈折率の許容差を対応する光強度に換
算してＲＡＭ７に記憶させておき、測定された試料の光
強度がこの許容範囲内か否かを評価すればよい。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、コヒーレント光によりシリコン薄膜及び透明基板を
透過した透過光の光強度を計測し、この計測結果と予め
設定した光強度の標準値との差分に基づいてシリコン薄
膜の膜厚または屈折率の標準値に対する変動分を求めて
いるので、簡単で信頼性の高い測定を行うことができ
る。
ば、コヒーレント光によりシリコン薄膜及び透明基板を
透過した透過光の光強度を計測し、この計測結果と予め
設定した光強度の標準値との差分に基づいてシリコン薄
膜の膜厚または屈折率の標準値に対する変動分を求めて
いるので、簡単で信頼性の高い測定を行うことができ
る。
【図１】この発明の一実施例における測定装置の概略構
成図。
成図。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ多結晶シリコン薄膜
の膜厚と屈折率のＳｉ2Ｈ6流量依存性を示す図。
の膜厚と屈折率のＳｉ2Ｈ6流量依存性を示す図。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ多結晶シリコン薄膜
の膜厚と屈折率の成膜温度依存性を示す図。
の膜厚と屈折率の成膜温度依存性を示す図。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ多結晶シリコン薄膜
の膜厚と屈折率の成膜ＲＦパワー（プラズマパワー）依
存性を示す図。
の膜厚と屈折率の成膜ＲＦパワー（プラズマパワー）依
存性を示す図。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ多結晶シリコン薄膜
の膜厚と屈折率のＨ2流量依存性を示す図。
の膜厚と屈折率のＨ2流量依存性を示す図。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ多結晶シリコン薄膜
の膜厚と屈折率の圧力依存性を示す図。
の膜厚と屈折率の圧力依存性を示す図。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ添加ガスにＣＦ4を
選んだ場合の多結晶シリコン薄膜の膜厚と屈折率のＣＦ
4流量依存性を示す図。
選んだ場合の多結晶シリコン薄膜の膜厚と屈折率のＣＦ
4流量依存性を示す図。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ添加ガスにＦ2を選
んだ場合の多結晶シリコン薄膜の膜厚と屈折率のＦ2流
量依存性を示す図。
んだ場合の多結晶シリコン薄膜の膜厚と屈折率のＦ2流
量依存性を示す図。
【図９】非晶質シリコン薄膜の屈折率のＨ2流量依存性
を示す図。
を示す図。
【図１０】非晶質シリコン薄膜の屈折率の基板温度依存
性を示す図。
性を示す図。
【図１１】多結晶シリコン薄膜の屈折率のアニール時間
依存性を示す図。
依存性を示す図。
【図１２】アニール後の結晶性（Ｘ線回折強度）をアニ
ール前の基板温度についてプロットした図。
ール前の基板温度についてプロットした図。
【図１３】多結晶シリコン薄膜の屈折率のアニール時間
依存性を示す図。
依存性を示す図。
１ シリコン薄膜試料 ２ コヒーレント光発生源 ３ 光強度感知センサ ４ ＣＰＵ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01N 21/17 - 21/61 H01L 21/64 - 21/66
Claims (7)
- 【請求項１】 透明基板上にシリコン薄膜が形成された
シリコン薄膜試料に所定波長のコヒーレント光を照射し
てその透過光の光強度を計測し、この計測結果と予め設
定した光強度の標準値との差分に基づいて前記シリコン
薄膜の膜厚または屈折率の標準値に対する変動分を評価
することを特徴とするシリコン薄膜の膜厚または屈折率
測定方法。 - 【請求項２】 前記コヒーレント光は、１．２〜２．６
μｍの範囲内のある１つの波長の近赤外光であることを
特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の膜厚または屈
折率測定方法。 - 【請求項３】 前記シリコン薄膜はＳｉ２Ｈ６とＨ２と
の混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により前記透明基
板上に直接堆積した多結晶シリコン薄膜からなることを
特徴とする請求項１記載のシリコン薄膜の膜厚または屈
折率測定方法。 - 【請求項４】 透明基板上にシリコン薄膜が形成された
シリコン薄膜試料に相異なる波長のコヒーレント光を照
射してその各透過光の光強度を計測し、この各計測結果
と予め設定した光強度の標準値との差分に基づいて前記
シリコン薄膜の膜厚または屈折率の標準値に対する変動
分を評価することを特徴とするシリコン薄膜の膜厚また
は屈折率測定方法。 - 【請求項５】 前記コヒーレント光は、１．２〜２．６
μｍの範囲内の相異なる２つの波長の近赤外光であるこ
とを特徴とする請求項４記載のシリコン薄膜の膜厚また
は屈折率測定方法。 - 【請求項６】 前記シリコン薄膜はＳｉ２Ｈ６とＨ２の
ほかにＦ２、ＳｉＦ４、ＣＦ４等のガスを混合してなる
混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により前記透明基板
上に直接堆積した多結晶シリコン薄膜からなることを特
徴とする請求項４記載のシリコン薄膜の膜厚または屈折
率測定方法。 - 【請求項７】 透明基板上にシリコン薄膜が形成された
シリコン薄膜試料を支持する支持手段と、この支持手段
の一方側に設けられ、前記シリコン薄膜試料に向けてコ
ヒーレント光を出射するコヒーレント光発生手段と、前
記支持手段の他方側に設けられ、前記コヒーレント光発
生手段から出射されて前記シリコン薄膜試料を透過した
コヒーレント光の光強度を感知する光強度感知手段と、
この光強度感知手段の感知結果と光強度の標準値との差
分に基づいて前記シリコン薄膜の膜厚または屈折率の標
準値に対する変動分を評価する評価手段とを具備するこ
とを特徴とするシリコン薄膜の膜厚または屈折率測定装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27352992A JP3282236B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | シリコン薄膜の膜厚または屈折率測定方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27352992A JP3282236B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | シリコン薄膜の膜厚または屈折率測定方法およびその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06102019A JPH06102019A (ja) | 1994-04-12 |
| JP3282236B2 true JP3282236B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=17529121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27352992A Expired - Fee Related JP3282236B2 (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | シリコン薄膜の膜厚または屈折率測定方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3282236B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116295051B (zh) * | 2023-03-20 | 2024-01-05 | 河北日泰新型管材有限公司 | 一种基于特频光照识别技术的交联聚乙烯管壁厚测量方法 |
-
1992
- 1992-09-18 JP JP27352992A patent/JP3282236B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06102019A (ja) | 1994-04-12 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |