JP4882067B2 - 絶対反射率の測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、物質の電磁波に対する絶対反射率の測定方法と測定装置に関するものである。

物質の電磁波に対する絶対反射率の測定は、物質の特性を知る上で極めて重要である。例えば、多結晶シリコンの反射率を測定することにより、結晶化の程度を知ることができる。

ある物質の反射率を求める場合、物質に入射する光の強度に対する物質が反射した光の強度の比を求めることにより求まる。

しかしながら、被測定体に入射する光の強度を測定することは非常に困難である。そこで通常の反射率の測定では、広い波長域で反射率の高いアルミニウム製ミラーなどを参照体として使用し、被測定対象である物質の反射率の測定を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２８６９５８号公報

ところが反射率の測定時に参照体として一般的に使用されているアルミニウム製ミラーなどの絶対反射率は100%ではないので、測定された物質の反射率は物質そのものの絶対反射率とはならず、被測定物質の絶対反射率を正確に求めることができない問題があった。

このため、例えば多結晶シリコンの結晶度をその絶対反射率を利用して測定する場合、絶対反射率のわずかの誤差が結晶度の大きな誤差となることから、従来の反射率測定方法は使用できないといった問題があった。

本発明の目的は、かかる問題を解決し、精度良く物質の絶対反射率を測定する方法及び装置を提供することである。

請求項１に係る発明では、屈折率および消光係数が既知の参照物質と絶対反射率を測定すべき被測定物質の反射率をそれぞれ測定するステップと、それら測定された反射率の比を計算するステップと、前記屈折率と消光係数とから計算により求めた上記参照物質の反射率と上記反射率の比とを乗じて上記被測定物質の絶対反射率を測定することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、屈折率および消光係数が既知の参照物質と絶対反射率を測定すべき被測定物質の反射率をそれぞれ測定する手段と、それら測定された反射率の比を計算する手段と、前記屈折率と消光係数とから計算により求めた上記参照物質の反射率と上記反射率の比とを乗じて上記被測定物質の絶対反射率を測定する手段とからなることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、屈折率と消光係数とから参照物質の絶対反射率を算出する方法または手段として、フレネル係数法を用いることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、屈折率と消光係数が既知の参照物質は、測定波長域において透過率がゼロの不透明体の単結晶であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、不透明体の単結晶は、シリコン、ガリウム砒素またはゲルマニウムであることを特徴とする。

この発明によれば、被測定物質の絶対反射率を精度良く求めることができる。

次に図面を用いて本発明による被測定物質の絶対反射率の測定方法及び測定装置について説明する。図１に示すのは本発明に係る絶対反射率測定装置１である。絶対反射率測定装置１は、光源２、光源２から射出された光を反射するミラー５、ミラー５から照射された光を反射する試料４、試料４から反射された光を反射するミラー６、ミラー６から反射された光を受光する検出器７及び検出器７の検出出力が入力されるコンピュータ８とから構成されている。

光源２から射出された所定の波長領域を有する光はミラー５によって反射され、試料４に照射される。試料４によって反射された光はミラー６に射出され、ミラー６によって反射されて検出器７に入力される。検出器７によって検出された光の検出結果はコンピュータ８に入力され、コンピュータ８では所定の計算が行われて、最終的には反射率の計算を行う。尚この装置１では試料４及びミラー５，６は試料測定室３の内部に構成されている。

この絶対反射率測定装置１に、絶対反射率を測定する物質すなわち被測定物質として、多結晶シリコン薄膜を試料４として試料測定室３に設置する。そして光源２から所定の波長領域、例えば２００ナノメータ（ｎｍ）から１１００ナノメータ（nm）の波長領域を有する光をミラー５を介して多結晶シリコン薄膜４に照射する。そして多結晶シリコン薄膜４によって反射された光をミラー６によって検出器７に導き、検出器７によって波長領域内の多結晶シリコン薄膜４の反射強度を測定する。

次に、この絶対反射率測定装置１に、屈折率と消光係数が既知の参照物質を試料４として試料測定室３に設置する。そして多結晶シリコンの場合と同様に、光源２からの光をミラー５を介して参照物質に照射し、反射された光をミラー６によって検出器７に導き、検出器７によって、参照物質の反射強度を測定する。この測定結果を波長を横軸とした反射強度スペクトルとして図２に示す。参照物質としては例えば単結晶シリコンを挙げることができる。
なお、必要があればこれらの測定に先立って、装置１を較正するためベースラインの補正を行なうことは適切なことである。またベースラインの補正に使用する反射率の参照物質として、屈折率と消光係数が明らかである単結晶シリコンを用いることが適切である。

ここで、
ミラー５の反射率をｒ_１（λ）、
ミラー６の反射率をｒ_２（λ）、
被測定物質（多結晶シリコン薄膜）の反射率をＲ_ｓ（λ）、
屈折率と消光係数が既知の参照物質の反射率をＲ_ｒ（λ）、
検出器７の感度をｓ（λ）、とすれば
被測定物質である多結晶シリコン薄膜の反射強度スペクトル（Ｉ_ｓ（λ））、及び参照物質である単結晶シリコンの反射強度スペクトル（Ｉ_ｒ（λ））はそれぞれ次のように表わされる。ここでλは波長、Aは定数である。

検出器７で検出された多結晶シリコン薄膜４の反射強度及び参照物質の反射強度に対応する情報、すなわち波長領域内における各波長毎（この場合では２００nmから１１００nmの間で例えば２nm間隔で反射強度を測定すれば４５１個ある）の反射強度がそれぞれコンピュータ８に入力されて、以降の計算のためにメモリに格納される。

次に、多結晶シリコン薄膜の反射強度スペクトルＩ_ｓ（λ）と単結晶シリコンの反射強度スペクトルＩ_ｒ（λ）の比Ｉ_ｓ（λ）／Ｉ_ｒ（λ）をコンピュータ８によって算出する。すなわち、各波長毎に得られた多結晶シリコン薄膜と単結晶シリコンの反射強度の比を各波長ごとに算出する。このようにして波長２５０nmから波長８００nmまでについて計算した結果を図3に示す。この計算結果はは被測定物質の参照物質に対する相対反射率を示すことになる。

次に、参照物質である単結晶シリコンの各波長に置ける反射率Ｒ_cal（λ）を既知の屈折率と消光係数を用いてコンピュータ８によって計算する。この具体的な求め方は、公知であり、例えばテレビジョン学会教科書シリーズ６「応用電子物性工学」（コロナ社、１９９２年４月初版第3刷発行 著者：佐藤勝昭、越田信義）の９０ページにフレネル係数を用いて算出することが記載されているのでそれを参照することができる。ここで、屈折率をn、消光係数をкとすると、参照物質の計算上の反射率Ｒ_cal（λ）は以下のようになり、その反射強度スペクトラムは図４に示すようになる。

次に、コンピュータ８では被測定物質である多結晶シリコン薄膜の反射率R_ｓ(λ)をＩ_ｓ（λ）／Ｉ_ｒ（λ）とＲ_cal（λ）とから算出する。すなわち、多結晶シリコン薄膜の反射率R_ｓ(λ)は以下のように示される。

コンピュータ８によって、反射率R_ｓ(λ)を求める計算が行われて、被測定物質である多結晶シリコン薄膜の反射率が求められる。すなわち、図３と図４の値を各波長ごとに掛け合わせることにより、被測定物質の絶対反射率R_ｓ(λ)が求まる。例として挙げた多結晶シリコンの絶対反射率を上記の方法で求めたものを図示すると図５のようになる。図５には、このようにして得られた被測定物質の反射率、すなわち絶対反射率を測定波長領域に渡ってスペクトラムとして示されている。

以上説明した本発明にかかる絶対反射率測定方法及び測定装置を用いて測定した例について、従来方法との違いおよび利点について測定例を参考にして以下に示す。

＜測定例１＞
図６において示される特性曲線１は、一般に使われているアルミニウム製ミラーを参照体として従来方法で単結晶シリコンの反射率を測定した場合の反射スペクトラム特性であり、特性曲線２は本発明に係る装置または方法で測定した場合の単結晶シリコンの反射スペクトラム特性である。また特性曲線３は、屈折率と消光計数から計算によって求めた単結晶シリコンの反射スペクトラム特性である。この結果から明らかなように、単結晶シリコンを参照体として用いて本発明により測定された単結晶シリコンの反射率は、屈折率と消光係数から計算で求めた単結晶シリコンの反射率と一致する。したがって、本発明による絶対反射率の測定方法は物質の絶対反射率を測定する方法として好適なものであるといえる。

一方特性曲線１は、アルミニウムの絶対反射率が１００％でないために、屈折率と消光係数から計算で求めた単結晶シリコンの反射率の計算値に比べて数〜十数ポイント大きな値になっている。この結果から、本発明による測定結果が、従来のアルミニウムミラーを用いた測定に比べ測定精度が改善されていることがわかる。

＜測定例２＞
サファイアは光をほとんど吸収しないため、サファイアの透過率と反射率の和は100%になる。そこで単結晶シリコンを参照体に用いたときのサファイアの反射率R_ss、アルミニウムを参照体に用いたときのサファイアの反射率R_sa、サファイアの透過率T_sの測定を行い、反射率と透過率の和の比較を行った。図７に置ける特性曲線１がサファイアの透過率T_sとアルミニウムを参照体に用いたときのサファイアの反射率R_saの和を示し、特性曲線２が本発明に係る方法、装置を用いて測定したときのサファイアの反射率R_ssとサファイアの透過率Tsの和を示す。特性曲線１では、サファイアの透過率T_sとアルミニウムを参照体に用いたときのサファイアの反射率R_saとの和は100%を上回る結果となり、従来法のようなアルミニウムを参照体として用いる反射率測定法では、正しい反射率を得るのは難しいことを示す。

一方、図７特性曲線２に示すように、サファイアの透過率T_sと単結晶シリコンを参照体として用いて本発明法により測定を行ったサファイアの反射率の和は測定波長域において100%であった。このことは本発明による反射率の測定方法は、物質の絶対反射率の測定方法として好適なものであることがわかる。

上記の例では、絶対反射率を測定する被測定物質として多結晶シリコン薄膜、屈折率と消光係数が明らかにわかっている参照物質として単結晶シリコンを挙げたが、これらは全て上記の材料に限定されるものではない。絶対反射率を測定する被測定物質としては任意の材料を、参照物質としては屈折率と消光係数が明らかな材料ならばよく、たとえば単結晶ガリウム砒素や単結晶ゲルマニウムなどが挙げられる。

上記の例では、測定装置１として通常使われている分光光度計を本発明に応用する例について述べたが、この手法に限定されるものではない。また本発明においては、測定装置１として、試料測定室３には試料４となる参照物質及び被測定物質を交互に設置して測定する装置、方法について述べたが、図８に示すように、光源から照射する光を２本として、参照物質と被測定物質とをそれぞれ独立して測定するように構成することも可能である。例えば、試料測定室に光の光路上に屈折率と消光係数が明らかな参照物質を予め取り付けておき、この参照物質専用の光照射ルートと測定経路を設けるとともに、被測定物質にもそれ専用の光照射ルートと測定経路を設けて、それぞれ独立して測定する等、必要に応じて変更することができる。

本発明に係る絶対反射率測定装置の構成を示す。 参照物質の反射強度スペクトルを示す。 参照物質に単結晶シリコンを使用したときの被測定物質である多結晶シリコン薄膜の相対反射率を表す図である。 計算で求めた参照物質である単結晶シリコンの絶対反射率を表わす図である。 本発明法で決定された被測定物質である多結晶シリコン薄膜の絶対反射率である 一般的なアルミニウムを参照体として測定した結果と単結晶シリコンを参照体とし本発明法で決定された単結晶シリコンの反射率の比較をした図である。 アルミニウムを参照物質にして測定した反射率と単結晶シリコンを参照物質とし本発明法により測定したサファイアの反射率を示す。 本発明に係る絶対反射率測定装置の別の構成例を示す。

Claims (4)

1. 屈折率および消光係数が既知の参照物質と絶対反射率を測定すべき被測定物質の反射強度をそれぞれ測定するステップと、それら測定された反射強度の比を計算するステップと、前記屈折率と消光係数とから計算により求めた上記参照物質の反射率と上記反射強度の比とを乗じて上記被測定物質の絶対反射率を測定するステップとを含み、
   屈折率と消光係数が既知の上記参照物質は、測定波長域において透過率がゼロの不透明体の単結晶のシリコン、ガリウム砒素またはゲルマニウムであることを特徴とする絶対反射率の測定方法。
2. 屈折率と消光係数とから上記参照物質の絶対反射率の算出は、フレネル係数法を用いることを特徴とする請求項１に記載の絶対反射率の測定方法。
3. 屈折率および消光係数が既知の参照物質と絶対反射率を測定すべき被測定物質の反射強度をそれぞれ測定する手段と、それら測定された反射強度の比を計算する手段と、前記屈折率と消光係数とから計算により求めた上記参照物質の反射率と上記反射強度の比とを乗じて上記被測定物質の絶対反射率を測定する手段とを含み、
   屈折率と消光係数が既知の上記参照物質は、測定波長域において透過率がゼロの不透明体の単結晶のシリコン、ガリウム砒素またはゲルマニウムであることを特徴とする絶対反射率の測定装置。
4. 屈折率と消光係数とから上記参照物質の絶対反射率の算出は、フレネル係数法を用いることを特徴とする請求項３に記載の絶対反射率の測定装置。

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