JP5782353B2 - 膜厚測定装置および膜厚測定方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置10の一例を示す概略的な全体構成図である。なお、以下の説明では、薄膜の法線方向をZ軸、薄膜の法線方向に垂直な方向をX軸およびY軸とする場合の例について示す。
なお、便宜上、図2(a)においては第3の照射ユニット51、第3の受光ユニット52およびシャッタ53の図示を省略し、(b)においてはシャッタ25、26および53の図示を省略し、(c)においては第2の照射ユニット22、シャッタ25、26および第2の受光ユニット42の図示を省略した。
反射率分光法を用いて誘電体薄膜の膜厚や誘電率(屈折率)を高速で計測する場合には、一般に、入射光と反射光の干渉信号が微弱であることが知られている。この理由としては、(1)誘電体薄膜の表面や膜内での散乱により、誘電体薄膜表面からの反射光が弱いこと、(2)誘電体薄膜を塗布する基板の表面やその内部での散乱および干渉により、誘電体薄膜裏面からの反射光が弱いこと、(3)誘電体薄膜や誘電体を塗布する基板の表面およびその内部での散乱および干渉により、基板表面からの反射光が弱いこと、(4)誘電体薄膜の表面や誘電体薄膜を塗布する基板の表面の凸凹により干渉信号が小さくなること、などが考えられる。
誘電体に対し光が進入した場合、誘電体を構成する粒子の粒径によって現象が異なる事が知られている。構成粒子に対して光の波長が十分長い場合はレイリー散乱と呼ばれる散乱現象を起こし、散乱光は波長が短いほど大きな強度を持つ。他方、構成粒径が波長とほぼ等しいオーダーになると、ミー散乱とよばれる状態に移行する。この状態では、前方散乱の強度が非常に大きくなり、反射光(後方散乱光)を使用する反射率分光法にとってエラー光の強度が増すというデメリットがある。
誘電体の塗布してある基板32での干渉は、基板32の厚さや屈折率によって変化する。このため、あらかじめ基板32のみの反射率を測定し、その結果から反射率の大きい測定波長を用いることで、干渉信号を大きくすることができる。
(2−3.照射光エリアと集光エリア)
主制御部64は、CPU、RAMおよびROMをはじめとする記憶媒体などにより構成され、この記憶媒体に記憶されたプログラムに従って、膜厚測定装置10の動作を制御する。
ここで、光路差算出部73による光路長(より具体的には、表面反射光と裏面反射光の光路差Y)の算出方法について詳細に説明する。反射率分光法では、被測定対象の表面と裏面、および多層膜であればその界面各々での反射光の干渉を用いてまずは光路差Yを算出する。従来は1組または多数組の干渉波形ピークの波長を用いての推定が行われることが多かった。しかしこの推定方法では、多層膜の場合にどのピークがどのピークに対応するかが不明である。
次に、膜厚屈折率算出部74による薄膜33の膜厚および屈折率の算出方法について詳細に説明する。
Y=n・2X - f=2X(n - sinθ1・sinθ2) (8)
図5から明らかなように、二点鎖線の長さ2X、膜厚t、膜中の入射角θ2は、X=t/cosθ2の関係を満たす。この関係を用いて式(8)からXおよびθ2を消去してtおよびnで表すと、次の式(9)を得ることができる。
(4.動作)
本実施形態に係る膜厚屈折率算出部74によれば、薄膜33の屈折率を測定することができる。このため、薄膜33の屈折率と、薄膜を構成する誘電体の結晶における屈折率とを比較することにより、この薄膜を構成する誘電体の薄膜33中の充填率(見かけの充填率)を求めることができる。
Na=N2+(N1-N2)*a (10)
a=(Na-N2)/(N1-N2) (11)
(6−1.実施例1)
実施例1として、第1の入射角が0度、第2の入射角が30度である場合において、基板32に誘電体薄膜としての酸化チタン薄膜33を1層塗布した被計測体31の膜厚および屈折率を計測した。レーザ共焦点顕微鏡による測定では、薄膜33の膜厚は12.0μmと測定された。
実施例2として、第1の入射角が20度、第2の入射角が40度である場合において、基板32に誘電体薄膜としての酸化チタン薄膜を2層塗布した被計測体31の膜厚および屈折率を計測した。レーザ共焦点顕微鏡による測定では、2層合計の膜厚は9.6μmと測定された。
実施例3として、第1の入射角が10度、第2の入射角が30度である場合において、基板32に粒径400nmの酸化チタンにより構成された薄膜を2層塗布した被計測体31の膜厚および屈折率を計測した。触針による測定では、膜厚は15.6μmと測定された。
図14は、照射部11および受光部12の変形例を示す構成図である。
薄膜33の屈折率に異方性がある場合は、膜厚屈折率算出部74は薄膜33の膜厚および屈折率を算出する際に、屈折率の異方性に対応して式(9)を変形した式を用いることが好ましい。
11 照射部
12 受光部
20 光源
21 第1の照射ユニット
22 第2の照射ユニット
25、26、53 シャッタ
31 被計測体
32 基板
33 薄膜
41 第1の受光ユニット
42 第2の受光ユニット
51 第3の照射ユニット
52 第3の受光ユニット
71 入射角制御部
72 波長分布生成部
73 光路差算出部
74 膜厚屈折率算出部
80 平凸レンズ
Claims (16)
- 薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる反射干渉光の波長分布にもとづいて前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
基板表面に前記薄膜が形成された被計測体に対し、所定の波長範囲を有する照射光を第1の入射角および前記第1の入射角とは異なる第2の入射角で照射する照射部と、
前記第1の入射角および前記第2の入射角で照射された光の前記薄膜からの第1の反射干渉光および第2の反射干渉光をそれぞれ前記第1の入射角および前記第2の入射角にほぼ等しい第1の反射角および第2の反射角で受光する受光部と、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて第1の波長分布および第2の波長分布を生成する波長分布生成部と、
前記第1の波長分布および前記第2の波長分布にもとづいて、それぞれ前記第1の入射角に対応する第1の光路差および前記第2の入射角に対応する第2の光路差を求める光路差算出部と、
入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記薄膜の膜厚および屈折率を求める膜厚屈折率算出部と、
を備えた膜厚測定装置。 - 前記波長分布生成部は、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて、所定の波長間隔で分光することにより、前記所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な前記第1の波長分布および前記第2の波長分布を生成し、
前記光路差算出部は、
前記離散的な前記第1の波長分布および前記離散的な前記第2の波長分布を、波長の逆数の関数として扱い、前記所定の波長間隔に対応する非等間隔な前記波長の逆数の間隔ごとにサンプリングして離散フーリエ変換を行うことにより、前記第1の光路差および前記第2の光路差を求める、
請求項1記載の膜厚測定装置。 - 前記薄膜は多層膜であり、
前記波長分布生成部により前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれから生成される波長分布は、それぞれ前記多層膜の各層の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる複数のピークを有し、
前記光路差算出部は、
前記各層の光路差に対応する前記ピークごとに前記第1の光路差および前記第2の光路差を求め、
前記膜厚屈折率算出部は、
前記式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記各層のピークごとの前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記多層膜の前記各層の膜厚および屈折率を求める、
請求項2記載の膜厚測定装置。 - 前記薄膜は、
前記薄膜の面方向に第1の屈折率を有するとともに前記薄膜の厚み方向に第2の屈折率を有し、かつ前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との比率である異方性比率が既知であり、
前記膜厚屈折率算出部は、
入射角、膜厚、第1の屈折率および異方性比率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差ならびに前記薄膜の既知の前記異方性比率から、前記薄膜の膜厚、前記第1の屈折率および前記第2の屈折率を求める、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。 - 前記受光部の光学系の前記薄膜上における受光スポットエリアのサイズは、
前記照射部の光学系の前記薄膜上における照射光スポットエリアのサイズよりも大きい、
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記所定の波長範囲の下限波長が前記薄膜を構成する粒子の径に応じて長波長となるよう、前記照射光の前記所定の波長範囲を設定する、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記照射光の光源としての広帯域レーザを有する、
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記被計測体に対して前記第1の入射角で前記照射光を照射するための第1の照射ユニットと、前記被計測体に対して前記第2の入射角で前記照射光を照射するための第2の照射ユニットと、を有し、
前記受光部は、
前記薄膜の表面の法線を介して前記第1の照射ユニットに対向する位置に配置され前記第1の反射干渉光を受光する第1の受光ユニットと、前記法線を介して前記第2の照射ユニットに対向する位置に配置され前記第2の反射干渉光を受光する第2の受光ユニットと、を有する、
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記被計測体に対して第3の入射角で前記照射光を照射するための第3の照射ユニットをさらに有し、
前記受光部は、
前記薄膜の表面の法線を介して前記第3の照射ユニットに対向する位置に配置され、前記第3の入射角で入射された光の前記薄膜からの第3の反射干渉光を前記第3の入射角にほぼ等しい第3の反射角で受光する第3の受光ユニットをさらに有する、
請求項8記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記照射光の光路上に設けられたシャッタを有し、
一の入射角により前記照射光が照射されて前記波長分布生成部によりこの一の照射角に対応する波長分布が生成された後、次の入射角により前記照射光が照射されて前記波長分布生成部によりこの次の照射角に対応する波長分布が生成されるよう前記シャッタを制御する入射角制御部、
をさらに備えた、
請求項8または9に記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記被計測体に対する前記照射光の入射角が可変となるよう前記被計測体に対する位置が可変な照射ユニットを有し、
前記受光部は、
前記照射ユニットの位置に応じて前記薄膜の表面の法線を介して前記照射ユニットに対向する位置に配置される、前記被計測体に対する位置が可変な受光ユニットを有し、
前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの位置を制御する入射角制御部、
をさらに備えた、
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。 - 前記照射部は、
前記薄膜の法線に平行な光軸を有し、前記薄膜に平らな面が対向するよう配置された平凸レンズ、
をさらに有し、
前記照射ユニットおよび前記受光ユニットは、
前記平凸レンズの凸側に配置されるとともに、前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの光軸が前記平凸レンズの光軸と平行となるよう配置され、
前記入射制御部は、
前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの光軸の位置が前記平凸レンズの光軸に対して対称な位置となるよう前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの位置を制御し、前記照射ユニットの光軸から前記平凸レンズの光軸までの距離を変更することにより前記照射光の入射角を変更する、
請求項11記載の膜厚測定装置。 - 薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる反射干渉光の波長分布にもとづいて前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
基板表面に前記薄膜が形成された被計測体に対し、所定の波長範囲を有する照射光を第1の入射角および前記第1の入射角とは異なる第2の入射角で照射するステップと、
前記第1の入射角および前記第2の入射角で照射された光の前記薄膜からの第1の反射干渉光および第2の反射干渉光をそれぞれ前記第1の入射角および前記第2の入射角にほぼ等しい第1の反射角および第2の反射角で受光するステップと、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて第1の波長分布および第2の波長分布を生成するステップと、
前記第1の波長分布および前記第2の波長分布にもとづいて、それぞれ前記第1の入射角に対応する第1の光路差および前記第2の入射角に対応する第2の光路差を求めるステップと、
入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記薄膜の膜厚および屈折率を求めるステップと、
を有する膜厚測定方法。 - 前記第1の波長分布および前記第2の波長分布を生成するステップは、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて、所定の波長間隔で分光することにより、前記所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な前記第1の波長分布および前記第2の波長分布を生成するステップであり、
前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップは、
前記離散的な前記第1の波長分布および前記離散的な前記第2の波長分布を、波長の逆数の関数として扱い、前記所定の波長間隔に対応する非等間隔な前記波長の逆数の間隔ごとにサンプリングして離散フーリエ変換を行うことにより、前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップである、
請求項13記載の膜厚測定方法。 - 前記薄膜は多層膜であり、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれから生成される波長分布は、それぞれ前記多層膜の各層の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる複数のピークを有し、
前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップは、
前記各層の光路差に対応する前記ピークごとに前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップであり、
前記薄膜の膜厚および屈折率を求めるステップは、
前記式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記求められた前記各層のピークごとの前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記多層膜の前記各層の膜厚および屈折率を求めるステップである、
請求項14記載の膜厚測定方法。 - 前記薄膜は、
前記薄膜の面方向に第1の屈折率を有するとともに前記薄膜の厚み方向に第2の屈折率を有し、かつ前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との比率である異方性比率が既知であり、
前記薄膜の膜厚および屈折率を求めるステップは、
入射角、膜厚、第1の屈折率および異方性比率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記求められた前記第1の光路差および前記第2の光路差ならびに前記薄膜の既知の前記異方性比率から、前記薄膜の膜厚、前記第1の屈折率および前記第2の屈折率を求めるステップである、
請求項13ないし15のいずれか1項に記載の膜厚測定方法。
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