JP4520846B2 - 近接場膜厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、膜厚測定装置、特にその空間分解能の改良に関する。

従来、薄膜試料の膜厚を非破壊、非接触で行う方法として光干渉を利用したものがある。これは、顕微分光装置等を用いて、膜の表面および裏面からの反射光による干渉スペクトルを測定することで膜厚を求めている（例えば、特許文献１、２参照）。例えば、図６に模式的に示したような干渉スペクトル波形から、下記数式に基いて膜厚dを算出する。

ただしここで、Δν（＝ν_２−ν_１）は干渉スペクトルのあるピーク（極大）における波数ν_１と、それと異なるピーク（極大）の波数ν_２との差、Ｎは上記波数ν_１とν_２との間に含まれる谷（極小）の個数、ｎは膜試料の屈折率、θは光の入射角、を示している。
上記の膜厚測定装置は、通常の光学測定装置と同じく、測定に用いる光の波長より小さいスケールでの測定を行うことはできない。つまり、他の光学測定装置と同じく、光の回折限界による空間分解能の限界があった。そのため、特許文献３に示すような近接場光技術を利用した膜厚測定装置が提案されている。
特許文献３に記された装置は、開口型の近接場プローブを用い、いわゆるイルミネーション−コレクションモードの測定を行っている。つまり、プローブの微小開口から近接場光を発生させて試料に照射し、近接場光と試料との相互作用による散乱光を再び上記開口を通して集光している。
特開平５−３０２８１６号公報 特開平７−４９２２号公報 特開２００４−２６４１１８号公報

しかしながら、特許文献３に記載されたような開口型のプローブを用いた装置で干渉測定を行う場合、プローブの開口部分や、プローブと光ファイバの接続部分からの単純な反射光、測定対象となる薄膜の上面および下面からの単純な反射光も検出器に入射する。一般に、これらの単純な反射光、特にプローブ開口や光ファイバの接続部分からの単純な反射光の方が、測定対象の薄膜による干渉光よりも数桁強度が強く、干渉光の検出感度は極端に低下してしまう。また、膜に対して角度を持って発生した干渉光も検出するため、膜厚の測定精度が低下してしまう。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は光の波長以下の空間分解能で、十分な膜厚測定精度を有する近接場膜厚測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の近接場膜厚測定装置は、散乱型の近接場プローブと、前記近接場プローブ先端および/または膜試料面に近接場光を発生させるための励起光を出射する光照射手段と、前記プローブ先端と前記膜試料面とが前記近接場領域内に近接することで発生する散乱光を測定光として集光し、検出する検出手段と、前記光照射手段と検出手段との間の光路上に設置され、所定波数領域での分光測定を行うための分光手段と、前記検出手段にて検出された測定光から得られるスペクトル情報に基いて、前記膜試料の膜厚を演算する膜厚演算手段と、を備えたことを特徴とする。
上記の近接場膜厚測定装置において、前記近接場プローブ先端位置を前記膜試料の測定面上を移動させて測定位置を変更する移動手段を備え、前記膜試料の膜分布を測定することが好適である。
上記の近接場膜厚測定装置において、前記検出手段は、光照射手段および近接場プローブ先端の位置関係に対し、暗視野の位置に配置されることが好適である。

本発明の近接場膜厚測定装置によれば、近接場光を利用して膜厚測定を行うように構成されているため、回折限界を超えた空間分解能で膜厚の測定を行うことができる。
また、散乱型プローブを用いた測定を行っているため、バックグラウンドノイズの少ない、精度の高い膜厚測定が可能となった。

以下に図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本発明にかかる実施形態の膜厚測定装置の概略構成図である。図１の膜厚測定装置１０は、散乱型の近接場プローブ１２と、近接場を発生させるための励起光を出射する光照射手段１４と、波長走査のための分光手段１６と、近接場プローブ先端で散乱された光を測定光として検出する検出手段１８と、測定光のスペクトルから膜試料の膜厚を演算する膜厚演算手段２０とを備える。光照射手段１４から照射される励起光は、波長走査のための分光手段１６を通り、近接場プローブ１２先端、および／または膜試料面上に照射される。照射された励起光によって近接場プローブ１２先端部近傍、および／または膜試料面上に局在した近接場光が発生する。近接場プローブ１２先端部近傍に発生した近接場領域内に膜試料面が位置、もしくは膜試料面近傍に発生した近接場領域内に近接場プローブ先端部が位置するように、近接場プローブ先端を膜試料面に近接させ、近接場光の散乱によって生じた測定光を検出手段１８によって検出する。検出手段１８からの信号は、コンピュータ２２に送られ、コンピュータ２２内の膜厚演算手段２０によって、測定光のスペクトル情報から膜試料の膜厚が求められる。

散乱型近接場プローブ１２はその先端部の曲率半径が光の波長以下になるよう、先端部が先鋭化されたものであり、誘電体もしくは金属プローブ、光ファイバ等を加工してその表面に金などの金属膜でコートしたもの等、が一般に用いられる。近接場プローブ１２は、プローブ制御手段２４によって、試料面との距離の制御等が行われる。距離の制御としてはシアフォース制御等により行う。
光照射手段１４は本実施形態では光照射手段１４として赤外光源を用い、分光手段１６としては干渉計からなるフーリエ変換型分光器を用いた。しかし、これに限定されず他の分光器を用いてもよい。また、本実施形態では分光手段１６が光照射手段１４と膜試料との間の光路上に設置された構成をとっているが、膜試料と検出手段１８との間の光路上に設置された構成としてもよい。また、光源としては、インコヒーレント光源（熱型光源、ハロゲン光源）を用いるのが好適である。他のコヒーレント光源、例えばパルスレーザでは、パルスの光強度が非常に大きいため、一般の有機試料では試料が焼ける、などの問題が発生してしまう。しかし、インコレーレント光源ではそのような問題がなく、試料の種類によらず、非接触、非破壊の測定が可能となる。

近接場プローブ先端近傍からの測定光は検出手段１８にて検出され、検出信号はコンピュータ２２へと送られる。コンピュータ２２では、測定された検出信号（インターフェログラムデータ）をフーリエ変換して測定光のスペクトルデータを得る。このスペクトルデータを基に、コンピュータ２２内の膜厚演算手段２０にて試料の膜厚を求める。
膜試料は試料ステージ２６上に載置される。試料ステージ２６は、膜試料面上で近接場プローブ１２先端位置を移動させるためのＸＹＺステージ２８（移動手段）に載置される。近接場プローブ１２の先端位置を移動して、膜試料面上での測定位置を変更することで膜厚の分布を測定する。
また、上記実施形態では近接場プローブ側から励起光を近接場プローブ先端および／または試料面上へ照射する反射配置での実施形態を示したが、これに限定されす、例えば、試料裏面から近接場プローブ先端を照明する透過配置、試料裏面からの全反射により照明する全反射透過配置、でもよい。

以上が本実施形態の概略構成であり、以下にその作用を説明する。
近接場プローブ１２は先端が光の波長以下の大きさに鋭化されており、光が照射されると、該先端部分に局在化した近接場光が発生する。図２に示すように、近接場プローブ１２を膜試料面に近づけ、先端部分の近接場領域内に膜試料面が近接した状態にすると、プローブ先端近傍で近接場光が散乱され、伝搬可能な光に変換される。この伝搬光は、あらゆる方向に向うが、そのうち近接場プローブ１２の真下方向（膜試料に対して垂直に入射する方向）に向った伝搬光のみが、図中、両矢印で示したように膜試料の中（膜試料の上面と下面）で多重反射し、その結果膜表面から染み出した光（近接場光）が、再度近接場プローブ１２先端にて散乱され、検出手段の方向へ向う。この光を測定光として検出手段にて検出する。この測定光には、膜内で垂直方向に多重反射を繰り返す光の情報が含まれているため、このスペクトルを解析することにより、膜厚の情報を得ることができる。また、上記の伝搬光のうち、膜試料に対して垂直でない光は、膜試料内で反射を繰り返すが検出手段には到達しない。

上記の測定光は検出手段１８にて検出され、検出信号はコンピュータ２２へと送られる。コンピュータ２２では、上述したように検出信号に対し所定のデータ処理を行い測定光のスペクトルを得る。そして、該スペクトル情報からコンピュータ２２内の膜厚演算手段２０により膜試料の膜厚が求められる。つまり、測定光のスペクトルに所定のフィルタリング処理を行い、干渉波成分を抽出し、この干渉波の周期から膜厚を求める。以上の膜厚の演算は従来公知の技術によって行えばよい（特許文献１、２参照）。例えば、図６に模式的に示したような干渉スペクトルから、上述した数１に示した式により求める。ただし、上で説明したように入射角θは０とすればよく、下記の数２より膜厚ｄを求めればよい。

ただしここで、Δν（＝ν_２−ν_１）は干渉スペクトルのあるピーク（極大値）における波数ν_１と、それと異なるピーク（極大値）の波数ν_２との差、Ｎは上記波数ν_１とν_２との間に含まれる谷（極小値）の個数、ｎは膜試料の屈折率である。
また、特許文献３に記載されたような開口型のプローブを用いた装置では、バックグラウンド（例えば、プローブ開口等からの単純な反射光、プローブとそれに光を導光するための光ファイバとの接続部分からの単純な反射光、膜試料からの単純な反射光等）による干渉光の検出感度の極端な低下、膜に対して角度を持って入射した光（垂直入射以外の光）による干渉光を検出することで生じる膜厚の測定精度の低下、が生じる。

このような開口型プローブを使用した装置の欠点を克服するため、本実施形態では散乱型プローブを用いており、さらにその光学配置を工夫することで、上記のようなバックグラウンドを大きく低下させている。図３は、本実施形態の近接場膜厚測定装置の光学配置の説明図である。同図はプローブ軸方向から見た、光照射手段１４（および分光手段１６）、近接場プローブ１２、検出手段１８の光学配置を示した図である。上記のような問題は、光源、プローブ先端、検出器が一直線上に並ぶこと（特許文献３では、プローブの開口部が照射部と集光部（検出部）を兼ねており、プローブ開口（照射部）−膜試料−プローブ開口（集光部）というように一直線上に並ぶこととなる）によって生じている。そこで、図３に示すように、本実施形態では光照射手段１４および近接場プローブ１２先端の位置関係に対して、暗視野の位置に検出手段１８を配置している。つまり、光照射手段１４と検出手段１８とが膜試料（もしくは近接場プローブ１２先端）に対し正反射の位置関係にならないように、検出手段１８を配置している。また、試料裏面から励起光を照射する透過型の配置のときは、膜試料を透過する光が直接検出手段へ入射してこない位置に、検出手段を配置すればよい。本実施形態では、図３に示すように、プローブ軸方向から見て、検出手段１８と近接場プローブ１２先端とを結ぶ直線が、光照射手段１４と近接場プローブ１２先端とを結ぶ直線と直交するように、検出手段１８を配置している。このような光学配置にすることで、バックグラウンドは検出手段１８に入ることなく、近接場プローブ１２先端近傍で生じた、干渉情報を含む測定光のみを感度良く検出することができる。またこの際、膜に対して正確に垂直な方向からはずれた干渉光は、検出手段１８には入らず、（プローブ先端の曲率半径程度の大きさを見込む角度程度の誤差で）正確に垂直入射した方向の干渉光のみを検出するため、膜厚を精度良く測定することができる。

さらに、本実施形態では開口型プローブにありがちな光ファイバによる透過可能波数領域の制限にとらわれることなく、広い波数範囲のスペクトルを得ることができる。つまり、薄い膜厚等の場合、干渉スペクトルの干渉周期が長くなり、開口型プローブの測定波数範囲には納まらず測定できない可能性がある。しかしながら、本実施形態のように散乱型プローブでは広い波長範囲で干渉スペクトルが測定できるため、そのような制限はなく、高い精度で膜厚を測定できる。

図４は上記の近接場膜厚測定装置によって膜厚分布を測定した結果を示すマッピング図である。膜厚の分布は色分けによって示されている。また、図５は、図４のＡ、Ｂ、Ｃの地点における測定光スペクトルを示している。図４のマッピング図は、有機溶媒にマイカ粒子を分散した膜試料面の１０×１０μｍの領域における膜厚分布を示している。各点のスペクトル（図５参照）から干渉スペクトルを抽出し、膜試料の平均屈折率ｎを１．５として膜厚を算出した。このマッピング図から分かるように、空間分解能はプローブ先端径程度であり、使用する光の波長より小さい数μｍ以下の高い空間分解能で、膜厚分布の測定ができた。
以上のように、本実施形態の装置によれば、近接場光技術を用いることで、光の回折限界を超えた空間分解能での膜厚分布の測定が可能となった。また、本実施形態では、散乱型の近接場プローブを採用しているため、精度良く膜厚測定を行うことが可能となった。

本発明の実施形態にかかる近接場膜厚測定装置の概略構成図 近接場光による膜厚測定の説明図 本実施形態にかかる近接場膜厚測定装置の光学配置の説明図 本実施形態の近接場膜厚測定装置によって膜厚分布を測定した結果を示すグラフ 膜試料の異なる位置でのスペクトルを示すグラフ 干渉スペクトルの模式図

符号の説明

１０ 近接場膜厚測定装置
１２ 近接場プローブ
１４ 光照射手段
１６ 分光手段
１８ 検出手段
２０ 膜厚演算手段

Claims (2)

1. 散乱型の近接場プローブと、
   前記近接場プローブ先端および/または膜試料面に近接場光を発生させるための励起光を出射する光照射手段と、
   光照射手段および近接場プローブ先端の位置関係に対し、暗視野の位置に配置され、前記プローブ先端と前記膜試料面とが前記近接場領域内に近接することで発生する散乱光を測定光として集光し、検出する検出手段と、
   前記光照射手段と検出手段との間の光路上に設置され、所定波数領域での分光測定を行うための分光手段と、
   前記検出手段にて検出された測定光から得られるスペクトル情報に基づいて、前記膜試料の膜厚を演算する膜厚演算手段と、を備えたことを特徴とする近接場膜厚測定装置。
2. 請求項１の近接場膜厚測定装置において、
   前記近接場プローブ先端位置を前記膜試料の測定面上を移動させて測定位置を変更する移動手段を備え、前記膜試料の膜分布を測定することを特徴とする近接場膜厚測定装置。

Images