JP4032511B2 - 薄膜の光学定数測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に真空蒸着法、スパッタリング法等で薄膜層を形成させた薄膜の屈折率n、消衰係数k等の光学定数を決定する方法に関する。特に、薄膜が金属性である場合に有効な方法である。
【0002】
【従来の技術】
従来、薄膜の屈折率、消衰係数の算出は透過率T,反射率R,及び薄膜の実際に測定した膜厚dを用いて算出している。すなわち、透過率T、反射率Rは薄膜の屈折率n,消衰係数k及び膜厚dの関数f1 、f2 として表される。
T=f1 (n,k,d)……(4)
R=f2 (n,k,d)……(5)
ここで透過率T,反射率R,膜厚dが測定され既知となるので、関数式(4)、(5)から残りの屈折率n,消衰係数kを求めている。
【0003】
しかし、通常膜厚測定は触針式で行われており、膜厚の測定誤差がそのまま反映されデータにかなりのバラツキが生じてくると言う問題があった。更に、金属性薄膜を測定する場合には、図2(a)に示す如く、表面が空気酸化され表面層(2b)と定常層(2a)の光学定数が異なるために、図2(b)の様に縦軸に消衰係数k,横軸に屈折率nをとり透過率曲線及び反射率曲線をプロットした場合に交点が出来ず屈折率n、消衰係数kが特定できない場合がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄膜の厚さ方向に異なる物性を有する金属性薄膜であっても屈折率、消衰係数を精度良く測定できる方法、及びこの装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、屈折率が既知の基板上に形成されている薄膜の屈折率、消衰係数、及び膜厚を求める薄膜の光学定数測定方法であって、
透過率T、反射率R、及び、薄膜の形成されていない空気透過部と薄膜が形成されている薄膜透過部との位相差δを光学的に測定し、
該透過率T、反射率R、位相差δの3者の値から次式(1)、(2)、(3)の連立方程式を計算手段(コンピュータ)で算出することにより該薄膜全体の等価的な屈折率n、消衰係数k、及び膜厚dを求めることを特徴とする薄膜の光学定数測定方法。
T=t・t*・ns×100/n0 ・・・・・・・・・(1)
R=r・r*×100・・・・・・・・・・・・・・・(2)
δ=2π(n−n0)d/λ・・・・・・・・・・・・(3)
ここでt=2n0/(m1+m2+m3+m4)
r=(m1+m2−m3−m4)/(m1+m2+m3+m4)
t*はtの共役複素数、r*はrの共役複素数
m1=n0cosδ
m2=n0・ns sinδ/(n−k・i)・i
m3=sinδ・(n−k・i)・i
m4=nscosδ
Tは透過率、Rは反射率、iは虚数単位、δは位相差、
dは薄膜の厚さ、nは薄膜の屈折率、kは薄膜の消衰係数、
nsは基板の屈折率、n0は空気の屈折率(=1)、λは波長をそれぞれ表す。
【0007】
XYステージ上に置かれた測定試料は、ステージを2次元方向に移動させ測定する場所を決定する。次に反射率R,位相差φ、透過率Tを測定するのに最適な条件になるように入射光源系の全反射ミラーを回転させて調整する。
すなわち、反射率Rを測定する時は反射受光が妨げられない様に少しに角度を持たせて入射させ、位相差φ、透過率Tを測定す時は測定試料に対して直角に入射させる。屈折率や消衰係数は波長によって異なるため、光線は分光器(モノクロメータ)で単波長化させておく必要がある。
【0008】
【発明の実施の形態】
屈折率ns が既知の基材に薄膜が形成された、一部分に薄膜が無い図3(a)に示すような測定試料を用いて薄膜が形成されている位相差発生層透過部φ1と空気透過部φ2との位相差δは次の様な式で表される。
δ=2π(n−n0 )d/λ・・・・・・・・・・(3)
ここで、nは薄膜全体の等価的な屈折率、n0 は空気の屈折率であるのでn0 =1、dは薄膜の厚さ、λは入射する光の波長を表す。
位相差は光学干渉計を用いて測定することが可能である。
【0009】
これから、前記の式(1),(2)と(3)を連立させれば薄膜の屈折率n,消衰係数k、厚さdを求めることが出来る。すなわち、この場合の等透過率曲線、等反射率曲線は(3)より位相差一定の条件下で変化するので、図3(b)に示すように交点ができ、この交点から屈折率n,消衰係数kを特定できる。
【0010】
従来、膜厚測定はdek−takなどの触針式で行われており誤差が50Å前後であるのに対して、本発明のように直接位相差を光学的に測定する測定精度は±3度以内であり、反射率R、透過率Tを精度よく測定すれば触針式以上の精度で厚さd、屈折率n、消衰係数kを求めることができる。
【0011】
この光学定数測定装置の概略図は、図1に示すように反射率計と透過率を計測できる干渉計を設けて、測定試料の反射率R、透過率T、位相差δを測定し、それぞれの測定数値と前記の数式(1),(2),(3)より屈折率n、膜の厚さd、消衰係数kを算出するプログラムを内蔵するコンピュータに入力させ演算算出する。
【0012】
光源(21)からの光線を分光器(モノクロメータ)(22)で特定波長を取り出しスリット(23)を通して、測定試料(10)にほぼ垂直に入射させ反射光をフォトマル(31)で検出測定し反射率測定ユニット(30)で反射率Rを測定して演算手段であるコンピュータ(60)に反射率Rを入力する。
次に、入射系光路の全反射ミラー(24)、(25)を回転させて測定試料(10)に対して垂直に入射させ位相差干渉計(40)に導く。
位相差干渉計(40)は、ハーフミラー(41a,42b)、全反射ミラー(42a,41b)、ウエッジプリズム(43a,43b),ピンホールミラー(44)及びフォトマル(45)で構成されており、薄膜が形成されている位相差発生層透過部φ1と空気透過部φ2との位相差φを算出する。
また、干渉光の強度振幅から透過率Tも計測できるようになっている。
【0013】
【実施例】
[実施例1]
石英基板(屈折率=1.475 at波長λ=365nm)に2珪素ジルコニウム(ZrSi2 )をターゲットとしてAr=29sccm(standardcubic centimeter minutes),O2 =1sccm、400wの条件でスパッタリングによって成膜した測定試料をもちいて反射率R、透過率T及び位相差φを測定したところ、反射率R=30.32%、透過率T=3.34%及び位相差φ=71degであり、これに基づきコンピュータで演算したところ成膜層全体の等価屈折率=2.17、消衰係数=1.54、膜厚=615Åと算出された。
反射率R=30.32%、透過率T=3.34%及び位相差φ=71degの時の消衰係数k、屈折率nの関係を表したものが図4(a)であり、交点が求める屈折率及び消衰係数である。
【0014】
[比較例1]
実施例1に成膜した測定試料を従来行われていた触針膜厚計で膜厚dを測定し、d=585Åを得、反射率R=30.32%、透過率T=3.34%及び膜厚d=585Åの時の消衰係数k、屈折率nの関係を表したものが図4(b)であり、交点がなく屈折率及び消衰係数が算出されなかった。
【0015】
[実施例2]
石英基板(屈折率=1.508 at波長λ=248nm)に2珪素ジルコニウム(ZrSi2 )をターゲットとしてAr=28sccm(standardcubic centimeter minutes),O2 =2sccm、400wの条件でスパッタリングによって成膜した測定試料をもちいて反射率R、透過率T及び位相差φを測定したところ、反射率R=31.32%、透過率T=2.1%及び位相差φ=58.45degであり、これに基づきコンピュータで演算したところ成膜層全体の等価屈折率=1.86、消衰係数=1.62、膜厚=470Åと算出された。
反射率R=31.32%、透過率T=2.1%及び位相差φ=58.45degの時の消衰係数k、屈折率nの関係を表したものが図5(a)であり、交点が求める屈折率及び消衰係数である。
【0016】
[比較例2]
実施例2に成膜した測定試料を従来行われていた触針膜厚計で膜厚dを測定し、d=415Åを得、反射率R=31.32%、透過率T=2.1%及び膜厚d=415Åの時の消衰係数k、屈折率nの関係を表したものが図5(b)であり、交点がなく屈折率及び消衰係数が算出されなかった。
【0017】
【発明の効果】
従来、光学定数が測定出来なかった薄膜のように表面が酸化されて、光学物性が変化していても、表面層を含めた薄膜全体の等価的な屈折率、消衰係数及び厚さを精度良く測定できる。また、薄膜の光学的厚さを触針式に比較して精度よく算出できる。
また、このような等価的な屈折率、消衰係数を知ることにより多層膜構成の光学設計において重要な情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜の光学定数測定装置の概略構成図である。
【図2】(a)は基板上の薄膜に表面層と定常層が形成されている状態を示す断面図であり、(b)は屈折率nと消衰係数kが特定出来ないことを説明する図である。
【図3】(a)は位相差を測定する為に基板上に薄膜が形成されている状態を示す断面図であり、(b)は屈折率nと消衰係数kが特定出来ることを説明する図である。
【図4】(a)は実施例1における屈折率と消衰係数の関係を表したグラフ、(b)は比較例1における屈折率と消衰係数の関係を表したグラフである。
【図5】(a)は実施例2における屈折率と消衰係数の関係を表したグラフ、(b)は比較例2における屈折率と消衰係数の関係を表したグラフである。
【符号の説明】
1…基板
2…薄膜
2a…定常層
2b…表面層
10…試料
21…光源
22…分光器(モノクロメータ)
23…スリット
24、25…全反射ミラー
26…XYステージ
30…反射率測定ユニット
31…フォトマル
40…位相差干渉計
41a、42b…ハーフミラー
42a、41b…ハーフミラー
43a、43b…ウェッジプリズム
44…ピンホールミラー
45…フォトマル
50…位相差・透過率測定ユニット
60…演算手段(コンピュータ)
Claims (1)
- 屈折率が既知の基板上に形成されている薄膜の屈折率、消衰係数、及び膜厚を求める薄膜の光学定数測定方法であって、
透過率T、反射率R、及び、薄膜の形成されていない空気透過部と薄膜が形成されている薄膜透過部との位相差δを光学的に測定し、
該透過率T、反射率R、位相差δの3者の値から次式(1)、(2)、(3)の連立方程式を計算手段(コンピュータ)で算出することにより該薄膜全体の等価的な屈折率n、消衰係数k、及び膜厚dを求めることを特徴とする薄膜の光学定数測定方法。
T=t・t*・ns×100/n0 ・・・・・・・・・(1)
R=r・r*×100・・・・・・・・・・・・・・・(2)
δ=2π(n−n0)d/λ・・・・・・・・・・・・(3)
ここでt=2n0/(m1+m2+m3+m4)
r=(m1+m2−m3−m4)/(m1+m2+m3+m4)
t*はtの共役複素数、r*はrの共役複素数
m1=n0cosδ
m2=n0・ns sinδ/(n−k・i)・i
m3=sinδ・(n−k・i)・i
m4=nscosδ
Tは透過率、Rは反射率、iは虚数単位、δは位相差、
dは薄膜の厚さ、nは薄膜の屈折率、kは薄膜の消衰係数、
nsは基板の屈折率、n0は空気の屈折率(=1)、λは波長をそれぞれ表す。
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JP19278898A JP4032511B2 (ja) | 1998-07-08 | 1998-07-08 | 薄膜の光学定数測定方法 |
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