JP6750793B2 - Film thickness measuring device and film thickness measuring method - Google Patents

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本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関し、特に、反射光を用いて膜厚を測定する膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。 The present invention relates to a film thickness measuring device and a film thickness measuring method, and more particularly to a film thickness measuring device and a film thickness measuring method for measuring a film thickness using reflected light.

MEMS(メムス、Micro Electro Mechanical Systems)等の凹凸構造へスプレーコートすることにより形成したフォトレジスト、ディスプレイ用フィルムへスクリーン印刷またはスリットコートすることにより形成した透明導電樹脂、セラミックス部品や刃物等の表面に形成した潤滑剤コート等の薄膜には、全域及び局所的に膜厚分布が発生しやすく、均一性改善のための測定技術が必要とされている。 Photoresist formed by spray-coating an uneven structure such as MEMS (MEMS, Micro Electro Mechanical Systems), transparent conductive resin formed by screen-printing or slit-coating a film for display, on the surface of ceramic parts, blades, etc. The formed thin film such as a lubricant coat is likely to have a film thickness distribution locally and locally, and a measurement technique for improving uniformity is required.

一般的には、試料の切断面のSEM(Scanning Electron Microscope)観察により、薄膜の膜厚を測定することができる。また、非破壊法としては、従来の光学式膜厚測定法(白色干渉方法、反射分光法、偏光解析法等)を用いて膜厚を測定することができる。しかし、従来の光学式膜厚測定法では、膜厚分布を測定する上での空間分解能がそれほど高くない。このため、数μm□〜数百μm□の領域内において、膜厚が数nm〜数μmまで連続的に増減する場合には、任意の測定点の平均値だけで薄膜の品質を評価することはできない。このような場合には、図11に示すような膜厚分布に対して、ヒストグラムを作成し、作成したヒストグラムから平均膜厚を解析する等の統計処理が必要となる。 Generally, the film thickness of a thin film can be measured by SEM (Scanning Electron Microscope) observation of a cut surface of a sample. As the nondestructive method, the film thickness can be measured using a conventional optical film thickness measuring method (white interference method, reflection spectroscopy, ellipsometry, etc.). However, in the conventional optical film thickness measuring method, the spatial resolution in measuring the film thickness distribution is not so high. Therefore, when the film thickness continuously increases or decreases from several nm to several μm in the region of several μm□ to several hundred μm□, evaluate the quality of the thin film only by the average value of arbitrary measurement points. I can't. In such a case, statistical processing such as creating a histogram for the film thickness distribution as shown in FIG. 11 and analyzing the average film thickness from the created histogram is necessary.

特開2009−204313号公報JP, 2009-204313, A 特開2007−248312号公報JP, 2007-248312, A

薄膜の膜厚を測定する従来方法としては、(1)反射分光による方法、(2)偏光解析による方法、(3)白色干渉縞走査による方法、(4)共焦点顕微鏡による方法が挙げられる。また、例えば、特許文献1に記載された方法によっても、膜厚を測定することができる。しかしながら、これらの方法にはそれぞれ以下に示すような問題がある。 Examples of conventional methods for measuring the thickness of a thin film include (1) reflection spectroscopy, (2) ellipsometry, (3) white fringe scanning, and (4) confocal microscopy. Further, for example, the film thickness can be measured by the method described in Patent Document 1. However, each of these methods has the following problems.

(1)反射分光による方法は、白色光で照明した試料の反射光を分光することで分光スペクトルを測定する。反射分光による方法のうち、ピークバレー法(PV法)は、分光スペクトルから反射率の極大と極小に対応する波長を求めて膜厚を解析する方法である。この方法では、可視光を使う場合に、波長程度(約0.5μm)以下の膜厚では極大・極小のスペクトルパターンを得ることができない。このため、波長程度以下の膜厚の測定には適用することができない。 (1) The reflection spectroscopy method measures the spectrum by dispersing the reflected light of a sample illuminated with white light. Among the methods using reflection spectroscopy, the peak valley method (PV method) is a method of analyzing the film thickness by obtaining the wavelength corresponding to the maximum and minimum of the reflectance from the spectrum. With this method, when using visible light, it is not possible to obtain the maximum and minimum spectral patterns with a film thickness of about a wavelength (about 0.5 μm) or less. Therefore, it cannot be applied to the measurement of the film thickness below the wavelength.

また、反射分光による方法のうち、カーブフィット法は、分光スペクトルを、光の波長、薄膜の膜厚、薄膜と基板との屈折率(n)及び滅衰係数(k)で決定される条件により、絶対反射率の波長依存性という形で理論的に計算する。そして、測定データに対して、理論的に計算された絶対反射率をパラメータフィッティングすることにより膜厚を決定する。一般に、数nmから数μmの膜厚までカーブフィット法により膜厚を求めることができる。しかし、測定に用いる照明光の各波長に対して十分なサンプリング数を必要とする。 In addition, among the methods by reflection spectroscopy, the curve fit method is based on the condition that the spectral spectrum is determined by the wavelength of light, the film thickness of the thin film, the refractive index (n) between the thin film and the substrate, and the extinction coefficient (k). , Theoretically calculated in the form of wavelength dependence of absolute reflectance. Then, the film thickness is determined by parameter fitting the theoretically calculated absolute reflectance to the measured data. Generally, the film thickness can be obtained by the curve fitting method from the thickness of several nm to several μm. However, a sufficient number of samplings is required for each wavelength of illumination light used for measurement.

一般的な分光計は、膜厚の空間分布を高分解に測定することはできず、光が照明するエリアの平均的な値が得られるにとどまる。照明エリア内で膜厚分布(変化)が存在する場合には、反射率が平均化されてしまうため、正確な絶対反射率を得ることができない。このように、カーブフィット法は、膜厚分布を高分解能で測定することはできない。 A general spectrometer cannot measure the spatial distribution of film thickness with high resolution, and only obtains an average value of the area illuminated by light. If there is a film thickness distribution (change) in the illumination area, the reflectance will be averaged, and an accurate absolute reflectance cannot be obtained. As described above, the curve fit method cannot measure the film thickness distribution with high resolution.

(2)偏光解析による方法(エリプソメトリー)は、反射光を解析することで膜厚を求める。しかし、試料に対して照明光を斜入射させる必要があるので、膜厚の空間分布を高分解能で測定することはできず、光が照明するエリア(1mm□〜100um□程度)の平均的な値が得られるにとどまる。さらに、薄膜自体が偏光特性を持つ場合は、膜厚を高分解能で測定することが困難となる。 (2) In the method using ellipsometry (ellipsometry), the film thickness is obtained by analyzing the reflected light. However, since it is necessary to make the illumination light obliquely incident on the sample, it is not possible to measure the spatial distribution of the film thickness with high resolution, and the average area (1 mm□ to 100 um□) illuminated by the light cannot be measured. Only get the value. Furthermore, when the thin film itself has polarization characteristics, it becomes difficult to measure the film thickness with high resolution.

(3)白色干渉縞走査による方法は、試料あるいは対物レンズをzスキャンすることにより、白色光の干渉縞の最大強度位置を計算する。これにより、干渉縞を発生させた薄膜の膜厚を求めることができる。薄膜の膜厚を測定するためには、下地基板と薄膜表面からの干渉強度信号をそれぞれ分離して測定することが必要である。しかし、膜厚が1μm以下の場合、それらの強度信号を分離することが困難となる。さらに、反射率の高い基板上に、反射率の低い透明な薄膜が存在する場合には、透明な薄膜からの干渉強度を精密に測定することはできず、膜厚の測定はいっそう困難なものとなる。多層膜等の膜厚の測定はさらに困難となる。 (3) In the method of scanning white interference fringes, the maximum intensity position of the interference fringes of white light is calculated by z-scanning the sample or the objective lens. Thereby, the film thickness of the thin film in which the interference fringes are generated can be obtained. In order to measure the film thickness of the thin film, it is necessary to separately measure the interference intensity signals from the base substrate and the thin film surface. However, when the film thickness is 1 μm or less, it becomes difficult to separate those intensity signals. Furthermore, when a transparent thin film with a low reflectance is present on a substrate with a high reflectance, the interference intensity from the transparent thin film cannot be measured accurately, making it even more difficult to measure the film thickness. Becomes It becomes more difficult to measure the film thickness of a multilayer film or the like.

(4)共焦点顕微鏡による方法は、対物レンズと試料との間の距離をzスキャンすることにより変化させ、合焦点位置を検出することで膜厚を測定する。膜厚が数μm以下の場合には、下地基板と膜表面の反射信号を分離することができないため、膜厚を測定することができない。信号の分離限界は対物レンズの開口数に大きく依存するため、膜厚測定限界は高倍では数μm、低倍率広視野では数十μmとなり、膜厚の測定が困難となる。 (4) In the method using a confocal microscope, the distance between the objective lens and the sample is changed by z-scanning, and the film thickness is measured by detecting the in-focus position. When the film thickness is several μm or less, the reflection signals of the base substrate and the film surface cannot be separated, so that the film thickness cannot be measured. Since the signal separation limit largely depends on the numerical aperture of the objective lens, the film thickness measurement limit is several μm at high magnification and tens of μm at low magnification and wide field of view, which makes it difficult to measure the film thickness.

特許文献1の方法は、共焦点光学系を用いて、複数の波長の光を切り替えることで、膜厚を測定する。具体的には、第1波長及び第2波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから膜厚を近似して算出している。複数波長の画像から、各画素に対してカーブフィット法を適用することで膜厚を計算し、膜厚分布を求めることができる。こうすることで、1μm以下の膜厚を精度よく求めることができる。しかしながら、特許文献1の方法では、1μm以上の膜厚に対しては、カーブフィットの精度が低下する。 The method of patent document 1 measures a film thickness by switching the light of a several wavelength using a confocal optical system. Specifically, the measurement data of the reflectance for each of the first wavelength and the second wavelength is obtained, and the calculated data in which the relationship between the wavelength and the reflectance is shown for each film thickness is referred to. The thickness is approximated and calculated. By applying the curve fit method to each pixel from the images of a plurality of wavelengths, the film thickness can be calculated and the film thickness distribution can be obtained. By doing so, a film thickness of 1 μm or less can be accurately obtained. However, in the method of Patent Document 1, the accuracy of curve fitting is reduced for a film thickness of 1 μm or more.

特許文献1の方法において、測定原理上は、薄膜内で光干渉が起こらなければならないが、そのためには少なくとも2つの条件を満たす必要がある。(i)膜面と基板面のそれぞれの焦点位置の距離が焦点深度内以下でなければならない(焦点深度)。(ii)可干渉長に比べて膜厚による行路差が十分小さくなくてはならない(可干渉性)。 In the method of Patent Document 1, optical interference must occur in the thin film due to the measurement principle, but at least two conditions must be satisfied for that purpose. (i) The distance between the focal positions of the film surface and the substrate surface must be within the depth of focus (depth of focus). (ii) The path difference due to the film thickness must be sufficiently smaller than the coherence length (coherence).

焦点深度の問題は、対物レンズの開口数(NA)が大きくなる程、焦点位置の分離が完全に起こらない場合でも、理論計算からのズレの要因となる。 The problem of the depth of focus causes a deviation from theoretical calculation as the numerical aperture (NA) of the objective lens increases, even when the separation of focal positions does not completely occur.

可干渉性の問題は、点光源照明の場合であっても、可干渉距離は帯域幅と中心波長で制限されてしまう。帯域幅が数nmまで狭帯域にするほど可干渉距長は長くなるが、照明強度が弱くなるため、撮像時間を長くする必要があるなどのデメリットが出てくる。画像の明度を確保するために帯域幅を10〜20nm程度確保すると、可干渉距離は10〜20μm程になる。 The problem of coherence is that the coherence length is limited by the bandwidth and center wavelength even in the case of point light source illumination. The narrower the band width is to several nm, the longer the coherence length becomes, but the illumination intensity becomes weaker, so there is a demerit that the imaging time needs to be lengthened. If a bandwidth of about 10 to 20 nm is secured to secure the brightness of an image, the coherence length becomes about 10 to 20 μm.

一般的には、フレネル係数から絶対反射率を理論計算する際には、焦点深度や可干渉性は考慮されていない。分光器の波長分解能が数nmである場合や、レーザ光のような純粋な単色光であれば、測定反射率において可干渉性を考慮する必要がない。しかし、ある程度の帯域幅のある単色光を使う場合は、帯域幅が広がる程、可干渉性が減衰していくことを考慮しなければならない。 Generally, depth of focus and coherence are not taken into consideration when theoretically calculating the absolute reflectance from the Fresnel coefficient. If the wavelength resolution of the spectroscope is several nm or if it is pure monochromatic light such as laser light, it is not necessary to consider coherence in the measurement reflectance. However, when using monochromatic light having a certain bandwidth, it must be taken into consideration that the coherence is attenuated as the bandwidth is expanded.

このように、特許文献1の方法では、高開口数の対物レンズを使用する場合及び膜厚が1μm以上の場合には、反射光の可干渉性が低下するため、測定値と理論計算値との乖離が大きくなり、最適解が得られない場合が生じるようになる。可干渉距離を拡大するためには、照明光の帯域幅を狭める方法があるが、画像が暗くなるため、撮像時間及びS/N維持の点から好ましくない。 As described above, in the method of Patent Document 1, the coherence of reflected light is reduced when an objective lens having a high numerical aperture is used and when the film thickness is 1 μm or more. The divergence becomes large, and the optimal solution may not be obtained. In order to increase the coherence length, there is a method of narrowing the bandwidth of the illumination light, but the image becomes dark, which is not preferable from the viewpoint of image pickup time and S/N maintenance.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高開口数の対物レンズを使用する場合及び膜厚が1μm以上の場合でも、薄膜の膜厚分布を高解像度で解析することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and analyzes the film thickness distribution of a thin film with high resolution even when an objective lens having a high numerical aperture is used and the film thickness is 1 μm or more. An object of the present invention is to provide a film thickness measuring device and a film thickness measuring method capable of performing the same.

本発明に係る膜厚測定装置は、基板と、前記基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、少なくとも第1波長の照明光と第2波長の照明光とを切替可能な光源部と、前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第1波長の照明光による第1画像と、前記第2波長の照明光による第2画像とに基づいて、前記第1波長及び前記第2波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部と、を備え、前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、前記計算データにおける前記反射率は、非干渉成分の項を含んでいる。このような構成により、1μm以上の膜厚の薄膜における膜厚分布を高解像度で解析することができる。 A film thickness measuring device according to the present invention is a film thickness measuring device for measuring a film thickness of a thin film of a sample including a substrate and a thin film provided on the substrate, and is an illumination light of at least a first wavelength. And a second wavelength illumination light, a photodetector for detecting reflected light reflected by the sample to obtain an image in a predetermined region of the sample, and illumination from the light source unit. A confocal optical system that guides light to the sample and guides the reflected light from the sample to the photodetector, and a first image by the illumination light of the first wavelength in order to calculate the film thickness of the thin film. And a processing unit that respectively obtains measurement data of reflectance with respect to the first wavelength and the second wavelength based on the second image by the illumination light of the second wavelength. The relationship with the reflectance is referred to the calculation data respectively shown for each film thickness of the thin film, the film thickness of the thin film is calculated by approximation from the measurement data, the reflectance in the calculation data, The term of the non-interference component is included. With such a configuration, the film thickness distribution in a thin film having a film thickness of 1 μm or more can be analyzed with high resolution.

また、前記非干渉成分の項は、前記基板側の界面による所定の回数までの各反射における反射率の総和を含んでいる。このような構成により、薄膜内での多重反射を反映させることができるので、1μm以上の膜厚の薄膜にたいしても高精度で膜厚を解析することができる。 Further, the term of the non-interference component includes the sum of reflectances in each reflection up to a predetermined number of times due to the interface on the substrate side. With such a configuration, multiple reflection in the thin film can be reflected, so that the film thickness can be analyzed with high accuracy even for a thin film having a film thickness of 1 μm or more.

前記計算データにおける前記反射率は、干渉成分の項と、前記干渉成分の項の割合を示す可干渉因子との積を含んでいる。このような構成により、反射率が非干渉成分と干渉成分とを含む部分可干渉の場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 The reflectance in the calculation data includes the product of the term of the interference component and the coherence factor indicating the ratio of the term of the interference component. With such a configuration, it is possible to analyze the film thickness of the thin film with high accuracy even when the reflectance is partially coherent including the non-interference component and the interference component.

また、前記共焦点光学系は、対物レンズを含み、前記計算データにおける反射率は、前記対物レンズの開口数による補正を含んでいる。このような構成により、高開口数の対物レンズを使用する場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 The confocal optical system includes an objective lens, and the reflectance in the calculation data includes correction based on the numerical aperture of the objective lens. With such a configuration, it is possible to analyze the film thickness of the thin film with high accuracy even when using an objective lens having a high numerical aperture.

さらに、前記薄膜は、複数の膜が積層された多層膜であり、前記処理部は、各複数の前記膜の膜厚毎にそれぞれ示されている反射率を合成して、前記計算データにおける前記反射率とする。このような構成により、多層膜からなる薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 Further, the thin film is a multi-layered film in which a plurality of films are laminated, and the processing unit synthesizes the reflectances shown for each film thickness of each of the plurality of films to obtain the calculated data in the calculation data. The reflectance. With such a configuration, it is possible to analyze the film thickness of a thin film made of a multilayer film with high accuracy.

本発明に係る膜厚測定方法は、基板と、前記基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、共焦点光学系を介して、前記試料に第1波長の照明光と第2波長の照明光とを切替えて照射し、前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第1波長の光による第1画像と、前記第2波長の光による第2画像とを取得し、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第1画像と前記第2画像とに基づいて、前記第1波長及び第2波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、前記計算データにおける前記反射率は、非干渉成分の項を含んでいる。このような構成とすることにより、1μm以上の膜厚の薄膜における膜厚分布を高解像度で解析することができる。 A film thickness measuring method according to the present invention is a film thickness measuring method for measuring a film thickness of the thin film of a sample including a substrate and a thin film provided on the substrate, and a confocal optical system is used. Illuminating the sample with illumination light of the first wavelength and illumination light of the second wavelength by switching, irradiating the sample with reflected light reflected by the sample through the confocal optical system, Based on the first image and the second image, the first image based on the light and the second image based on the light of the second wavelength are acquired, and the first image based on the first image and the second image to calculate the film thickness of the thin film. The measurement data of the reflectance with respect to the wavelength and the second wavelength are respectively obtained, and with reference to the calculation data in which the relationship between the wavelength and the reflectance is shown for each film thickness of the thin film, the film of the thin film is obtained from the measurement data. The thickness is approximated and calculated, and the reflectance in the calculation data includes a term of a non-interference component. With such a configuration, the film thickness distribution in a thin film having a film thickness of 1 μm or more can be analyzed with high resolution.

また、前記非干渉成分の項は、前記基板側の界面による所定の回数までの各反射における反射率の総和を含んでいる。このような構成とすることにより、薄膜内での多重反射を反映させることができるので、1μm以上の膜厚の薄膜にたいしても高精度で膜厚を解析することができる。 Further, the term of the non-interference component includes the sum of reflectances in each reflection up to a predetermined number of times due to the interface on the substrate side. With such a configuration, multiple reflections in the thin film can be reflected, so that the film thickness can be analyzed with high accuracy even for a thin film having a film thickness of 1 μm or more.

さらに、前記計算データにおける前記反射率は、干渉成分の項と、前記干渉成分の項の割合を示す可干渉因子との積を含んでいる。このような構成とすることにより、反射率が非干渉成分と干渉成分とを含む部分可干渉の場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 Further, the reflectance in the calculation data includes a product of an interference component term and a coherence factor indicating a ratio of the interference component term. With such a configuration, it is possible to analyze the film thickness of the thin film with high accuracy even when the reflectance is partially coherent including the non-interference component and the interference component.

前記共焦点光学系は、対物レンズを含み、前記計算データにおける反射率は、前記対物レンズの開口数による補正を含んでいる。このような構成により、高開口数の対物レンズを使用する場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 The confocal optical system includes an objective lens, and the reflectance in the calculation data includes correction based on the numerical aperture of the objective lens. With such a configuration, it is possible to analyze the film thickness of the thin film with high accuracy even when using an objective lens having a high numerical aperture.

前記薄膜は、複数の膜が積層された多層膜であり、各複数の前記膜の膜厚毎にそれぞれ示されている反射率を合成して、前記計算データにおける前記反射率とする。このような構成とすることにより、多層膜からなる薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 The thin film is a multilayer film in which a plurality of films are laminated, and the reflectances shown for the respective film thicknesses of the plurality of films are combined to obtain the reflectance in the calculation data. With such a configuration, it is possible to analyze the film thickness of the thin film including the multilayer film with high accuracy.

本発明によれば、高開口数の対物レンズを使用する場合及び膜厚が1μm以上の場合でも、薄膜の膜厚分布を高解像度で解析することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a film thickness measuring device and a film thickness measuring method capable of analyzing the film thickness distribution of a thin film with high resolution even when an objective lens having a high numerical aperture is used and the film thickness is 1 μm or more. Can be provided.

実施形態に係る膜厚測定装置を例示した構成図である。It is a block diagram which illustrated the film thickness measuring device which concerns on embodiment. 実施形態に係る薄膜が形成された基板を例示した光学モデルである。2 is an optical model illustrating a substrate on which a thin film according to the embodiment is formed. 実施形態に係る薄膜が形成された基板における反射光の屈折による光路差を例示した図である。It is a figure which illustrated the optical path difference by refraction of the reflected light in the board|substrate with which the thin film which concerns on embodiment was formed. 実施形態に係る薄膜内の干渉のない多重反射を例示した図である。It is a figure which illustrated the multiple reflection without interference in the thin film which concerns on embodiment. 実施形態に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。It is a graph which illustrated the relationship between the wavelength and reflectance concerning an embodiment, and a horizontal axis shows wavelength and a vertical axis shows absolute reflectance. 実施形態に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。It is a graph which illustrated the relationship between the wavelength and reflectance concerning an embodiment, and a horizontal axis shows wavelength and a vertical axis shows absolute reflectance. 実施形態に係る膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。It is a flowchart figure which illustrated the film thickness measuring method which concerns on embodiment. 実施形態に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。It is a graph which illustrated the relationship between the wavelength and reflectance concerning an embodiment, and a horizontal axis shows wavelength and a vertical axis shows absolute reflectance. 実施形態に係る薄膜の膜厚と残差との関係を例示したグラフであり、横軸は、薄膜の膜厚を示し、縦軸は残差を示す。6 is a graph illustrating the relationship between the film thickness and the residual error of the thin film according to the embodiment, where the horizontal axis represents the thin film thickness and the vertical axis represents the residual error. 実施形態に係る完全非可干渉の場合の膜厚がゼロの反射率計算の取り扱いを例示した図である。It is a figure which illustrated the handling of the reflectance calculation with a zero film thickness in the case of perfect non-coherent according to the embodiment. 基板上の薄膜の膜厚分布を例示した模式図である。It is a schematic diagram which illustrated the film thickness distribution of the thin film on a board|substrate.

(実施形態)
本発明は、膜厚分布を測定し評価するという目的のために、以下の4点を利用した反射分光膜厚測定を利用する。
(1)共焦点光学系を使うことで、透明基板の裏面反射光を除去することができ、正味の表面反射光を正確に測定することが期待される。
(2)従来の分光膜厚計のように反射光を分光するかわりに、照明を単色光として試料の反射強度を測定する。そして、照明波長を変える度に、反射強度を同一視野に対して測定する。従って、反射率の波長依存性、すなわち、反射スペクトルを得ることができる。この時に各波長に対して撮像することで、反射率を2次元的に画像化できる。
(3)共焦点光学系を使いzスキャンすることで、表面形状を膜厚程度の誤差を含んだ形だが、3次元計測することができる。測定点が照明光軸に対してどの程度傾斜しているのかを見積もることができる。従って、傾斜による反射率変化を補正する場合にも利用できる。
(4)共焦点光学系を使い、微細パターンの膜厚分布を測定するために、開口数NAの大きな対物レンズを使うことで、数μmのパターン幅でも反射像を撮像できる。
(Embodiment)
The present invention utilizes reflection spectral film thickness measurement using the following four points for the purpose of measuring and evaluating the film thickness distribution.
(1) By using a confocal optical system, it is expected that the back surface reflected light of the transparent substrate can be removed and the net front surface reflected light can be accurately measured.
(2) Instead of splitting the reflected light as in the conventional spectroscopic film thickness meter, the reflection intensity of the sample is measured using monochromatic light as the illumination. Then, each time the illumination wavelength is changed, the reflection intensity is measured for the same visual field. Therefore, the wavelength dependence of reflectance, that is, the reflection spectrum can be obtained. At this time, the reflectance can be two-dimensionally imaged by imaging for each wavelength.
(3) By performing z-scanning using a confocal optical system, the surface shape can be measured three-dimensionally even though the surface shape includes an error of about film thickness. It is possible to estimate how much the measurement point is inclined with respect to the illumination optical axis. Therefore, it can be used also when correcting the reflectance change due to the inclination.
(4) By using a confocal optical system and an objective lens having a large numerical aperture NA in order to measure the film thickness distribution of a fine pattern, a reflection image can be captured even with a pattern width of several μm.

以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。 Hereinafter, a specific configuration of this embodiment will be described with reference to the drawings. The following description shows preferred embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following embodiments. In the following description, the same reference numerals indicate substantially the same contents.

本実施形態に係る膜厚測定装置100の構成を説明する。図1は、実施形態に係る膜厚測定装置100の構成を例示した図である。図1に示すように、本実施の形態に係る膜厚測定装置100は、光源11、干渉フィルター12、レンズ13a、13b、13c、スリット14、ビームスプリッタ15、振動ミラー16、対物レンズ17、ステージ18、光検出器19、処理装置20を備えている。光源11及び干渉フィルター12は光源部10を構成している。レンズ13a、13b、13c、スリット14、ビームスプリッタ15、振動ミラー16及び光検出器19は、共焦点光学系101を構成している。ステージ18上には、試料30が載置されている。膜厚測定装置100は、基板と、基板上に設けられた薄膜と、を含む試料30の薄膜の膜厚を測定する。 The configuration of the film thickness measuring device 100 according to this embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a film thickness measuring device 100 according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the film thickness measuring device 100 according to the present embodiment includes a light source 11, an interference filter 12, lenses 13a, 13b, 13c, a slit 14, a beam splitter 15, a vibrating mirror 16, an objective lens 17, and a stage. 18, a photodetector 19, and a processing device 20. The light source 11 and the interference filter 12 form the light source unit 10. The lenses 13a, 13b, 13c, the slit 14, the beam splitter 15, the oscillating mirror 16 and the photodetector 19 form a confocal optical system 101. A sample 30 is placed on the stage 18. The film thickness measuring device 100 measures the film thickness of the thin film of the sample 30 including the substrate and the thin film provided on the substrate.

光源11としては、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源が用いられる。なお、例えば、紫外から赤外域(185nm〜2000nm)に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源11としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。後述するように、波長が選択できればどのような光源を用いてもよい。 As the light source 11, a white light source such as a mercury-xenon lamp containing a plurality of bright lines in a continuous spectrum is used. Note that, for example, a xenon lamp having a wide continuous spectrum from the ultraviolet region to the infrared region (185 nm to 2000 nm) may be used. Of course, the light source 11 is not limited to the xenon lamp, and a white diode, a white laser, or the like may be used. As will be described later, any light source may be used as long as the wavelength can be selected.

光源11からの光によって、試料30を観察するための光学系について説明する。光源11から出射した光は、干渉フィルター12を通過し、特定の波長の光に変換される。干渉フィルター12としては、例えば、特定波長の光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタを用いることができる。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させる。例えば、照明光の波長として、水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の405nm、436nm、488nm、514nm、546nm、578nm、及び水銀キセノンランプの輝線ではない633nmを選択することができる。水銀キセノンランプを用いる場合、輝線に対応する波長以外の波長の光をフィルターで選択することも可能である。輝線の波長以外の光は強度が小さいため、干渉フィルターの半値幅を広くすることによりバランスを取ることができる。なお、波長の切替は連続的でもよいし、断続的でもよく、例えば、400nm〜650nmの間で5〜7波長を選択してもよい。このように、膜厚測定装置100は、少なくとも第1波長の照明光と第2波長の照明光とを切替可能な光源部10を備えている。 An optical system for observing the sample 30 with the light from the light source 11 will be described. The light emitted from the light source 11 passes through the interference filter 12 and is converted into light of a specific wavelength. As the interference filter 12, for example, a plurality of bandpass filters that selectively transmit light having a specific wavelength can be used. As a result, the plurality of single-wavelength illumination lights are selectively transmitted. For example, as the wavelength of the illumination light, it is possible to select wavelengths of 405 nm, 436 nm, 488 nm, 514 nm, 546 nm, 578 nm corresponding to the bright line of the mercury-xenon lamp, and 633 nm which is not the bright line of the mercury-xenon lamp. When using a mercury xenon lamp, it is also possible to select light having a wavelength other than the wavelength corresponding to the bright line with a filter. Since the intensity of light other than the wavelength of the bright line is small, it can be balanced by widening the half-value width of the interference filter. The wavelength switching may be continuous or intermittent, and for example, 5 to 7 wavelengths may be selected from 400 nm to 650 nm. As described above, the film thickness measurement device 100 includes the light source unit 10 that can switch at least the illumination light of the first wavelength and the illumination light of the second wavelength.

なお、光源11として単波長のレーザ光を出射するレーザ光源を用い、波長変換素子を設けてもよい。例えば、第二高調波発生により、波長変換素子に入射する単波長の光の波長変換を行うことができる。また、光源11として、可変波長レーザを用いることも可能である。さらに、異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、複数のレーザ光源のうちの所望の波長の光を選択するようにしてもよい。 A laser light source that emits laser light of a single wavelength may be used as the light source 11, and a wavelength conversion element may be provided. For example, the generation of the second harmonic allows wavelength conversion of single-wavelength light that enters the wavelength conversion element. A variable wavelength laser can also be used as the light source 11. Furthermore, a plurality of laser light sources that emit laser lights of different wavelengths may be provided to select light having a desired wavelength from the plurality of laser light sources.

共焦点光学系101は、光源部10からの照明光を試料30まで導くとともに、試料30からの反射光を光検出器19まで導く。干渉フィルター12を透過した単一波長の照明光はレンズ13aを透過して、スリット14に入射する。照明光は、スリット14を通してX方向のライン状に整形される。そして、ライン状の照明光は、ビームスプリッタ15に入射する。ビームスプリッタ15は、偏光状態によらずに、反射光と透過光の光量が略1:1になるように、光を分岐する。従って、照明光の略半分がビームスプリッタ15を透過する。 The confocal optical system 101 guides the illumination light from the light source unit 10 to the sample 30, and guides the reflected light from the sample 30 to the photodetector 19. The illumination light of a single wavelength that has passed through the interference filter 12 passes through the lens 13a and enters the slit 14. The illumination light is shaped into a line shape in the X direction through the slit 14. Then, the linear illumination light enters the beam splitter 15. The beam splitter 15 splits the light so that the amount of reflected light and the amount of transmitted light are approximately 1:1 regardless of the polarization state. Therefore, almost half of the illumination light passes through the beam splitter 15.

その後、図1中右方向に進む光は、振動ミラー16に入射する。振動ミラー16により、X方向のライン状の照明光で試料30上をY方向に走査する。これにより、試料30面上をXYに走査することができる。振動ミラー16としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。 After that, the light traveling in the right direction in FIG. 1 enters the vibrating mirror 16. The vibrating mirror 16 scans the sample 30 in the Y direction with linear illumination light in the X direction. As a result, the surface of the sample 30 can be scanned in XY. As the vibrating mirror 16, for example, a galvano mirror, a polygon mirror, or the like can be used.

振動ミラー16により、下方に反射された照明光は、対物レンズ17により集光され、試料30に照射される。試料30は、ステージ18上に載置されている。そして、試料30からの反射光は、再度対物レンズ17を通過し、振動ミラー16により再び反射され、ビームスプリッタ15へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ15で反射され、レンズ13cに入射する。レンズ13cは、光検出器19の受光面に合成光を結像させる。レンズ13cを透過した光は、光検出器19で受光される。 The illumination light reflected downward by the vibrating mirror 16 is condensed by the objective lens 17 and irradiated on the sample 30. The sample 30 is placed on the stage 18. Then, the reflected light from the sample 30 passes through the objective lens 17 again, is reflected again by the vibrating mirror 16, and enters the beam splitter 15. Then, about half of the incident light is reflected by the beam splitter 15 and enters the lens 13c. The lens 13c forms an image of the combined light on the light receiving surface of the photodetector 19. The light transmitted through the lens 13c is received by the photodetector 19.

本実施の形態では、光検出器19は、試料30のコンフォーカル画像を撮像するCCDラインセンサである。光源11からスリット14を透過した照明光が、試料30で反射して、CCDラインセンサにより検出される。振動ミラー16により、試料30上を走査することにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。このようにして、光検出器19は、試料30で反射した反射光を検出して、試料30の所定の領域における画像を取得する。なお、共焦点光学系の方式が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリットや光検出器は方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、X方向とY方向にスキャンするための振動ミラーを用いてもよく、X方向に音響光学素子であるAODを用いることも可能である。 In the present embodiment, the photodetector 19 is a CCD line sensor that captures a confocal image of the sample 30. Illumination light transmitted from the light source 11 through the slit 14 is reflected by the sample 30 and detected by the CCD line sensor. By scanning the sample 30 with the vibrating mirror 16, a slit confocal image is captured. In this way, the photodetector 19 detects the reflected light reflected by the sample 30 and acquires an image in a predetermined region of the sample 30. Note that the scanning method and the like may be different as long as the confocal optical system method is used, and slits and photodetectors that are adapted to the method can be appropriately used. For example, a vibrating mirror for scanning in the X and Y directions may be used, and it is also possible to use an AOD which is an acousto-optic device in the X direction.

ステージ18は、図示しないZ軸駆動モータを有しており、試料30を図1の上下方向に移動させることができる。このステージ18は、Z軸方向に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ18がZ方向に移動するかわりに、対物レンズ17を移動させて焦点位置調整を行うこともできる。 The stage 18 has a Z-axis drive motor (not shown), and can move the sample 30 in the vertical direction of FIG. The stage 18 is controlled so that the sample surface comes to the focal position by moving in the Z-axis direction. The focus position can be adjusted by moving the objective lens 17 instead of moving the stage 18 in the Z direction.

共焦点光学系において、観察波長を変えると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる輝度の変化が予想される。これは、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定してPCに記憶しておき、波長切り替えの際に、ズレ分だけ自動的に試料30あるいは対物レンズ17のZ位置を微調整することでキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をZスキャンにより作製してもよい。なお、観察光学系自身の波長依存性は、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、計算により補正できる。 In the confocal optical system, it is considered that the focus position changes when the observation wavelength is changed, and the change in brightness due to this is expected. This is to measure the deviation of the focus position of each wavelength in advance and store it in the PC, and to automatically finely adjust the Z position of the sample 30 or the objective lens 17 by the deviation when switching the wavelength. You can cancel at. Alternatively, an omnifocal image may be produced by Z scanning at each wavelength. The wavelength dependence of the observation optical system itself can be corrected by calculation by previously measuring a sample such as silicon or quartz glass having a known reflection spectrum.

本発明では、共焦点顕微鏡を用いて、照明波長を切り替えながら、反射率を測定する。処理装置20は、複数の異なる波長の照明光を照射したときのそれぞれの光検出器19で得られた画像から反射率を測定する。そして、基板に形成された薄膜の膜厚を算出する。すなわち、処理装置20は、薄膜の膜厚を算出するために、ある波長(第1波長)の照明光による画像(第1画像)と、それと異なる波長(第2波長)の照明光による画像(第2画像)とに基づいて、それぞれの波長に対する反射率の測定データを求める。そして、処理装置20は、波長と反射率との関係が薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。 In the present invention, the confocal microscope is used to measure the reflectance while switching the illumination wavelength. The processing device 20 measures the reflectance from the images obtained by the respective photodetectors 19 when the illumination light having a plurality of different wavelengths is irradiated. Then, the film thickness of the thin film formed on the substrate is calculated. That is, the processing device 20 calculates the film thickness of the thin film by illuminating light of a certain wavelength (first wavelength) (first image) and illuminating light of a different wavelength (second wavelength) from the image (first image). (2nd image) and the measurement data of the reflectance for each wavelength is obtained. Then, the processing device 20 refers to the calculation data in which the relationship between the wavelength and the reflectance is shown for each film thickness of the thin film, and approximates and calculates the film thickness of the thin film from the measured data.

次に、上述した膜厚測定装置100を用いた膜厚測定方法について説明する。上述したように、本実施の形態に係る膜厚測定装置100は、波長を選択することが可能な共焦点顕微鏡を用いたものである。本実施形態では、1μm以上のレジスト膜の膜厚の解析方法を説明する。まず、膜厚の解析で参照する計算データについて説明する。その後、反射率を測定し、測定した反射率の測定データから、計算データを参照して、膜厚を算出する方法を説明する。 Next, a film thickness measuring method using the film thickness measuring device 100 described above will be described. As described above, the film thickness measuring device 100 according to the present embodiment uses the confocal microscope capable of selecting the wavelength. In this embodiment, a method of analyzing the thickness of the resist film having a thickness of 1 μm or more will be described. First, the calculation data referred to in the analysis of the film thickness will be described. Then, the method of measuring the reflectance and calculating the film thickness from the measured reflectance measurement data will be described with reference to the calculation data.

[可干渉性因子の導入]
高開口数の対物レンズを使用する場合及び膜厚が1μm以上の場合のように、反射光の可干渉性が低下した場合でも、反射率を算出することができるように、反射率の計算に可干渉性因子を導入する。試料30における薄膜の干渉による反射率Rは、干渉成分の項と非干渉成分の項とに分けられる。よって、試料30における薄膜の干渉による反射率Rは、非干渉成分の項Ricと干渉成分の項Rifと可干渉性因子Γを使って、式(1)のように書くことができる。
[Introduction of coherence factor]
Even if the coherence of the reflected light is reduced, such as when using a high numerical aperture objective lens or when the film thickness is 1 μm or more, the reflectance can be calculated so that the reflectance can be calculated. Introduce a coherence factor. The reflectance R due to the interference of the thin film in the sample 30 is divided into the term of the interference component and the term of the non-interference component. Therefore, the reflectance R due to the interference of the thin film in the sample 30 can be written as Expression (1) using the term R ic of the non-interference component, the term R if of the interference component, and the coherence factor Γ.

Figure 0006750793
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薄膜内の反射光が完全に干渉する状態を完全可干渉(Γ=1)、全く干渉しない状態を完全非可干渉(Γ=0)とすると、一般の状態はそれらの中間にあると考えることができる。反射率を理論計算する際に、Γ=1の場合(R=Rch)とΓ=0場合(R=Ric)についてそれぞれフレネル係数から計算することができる。従って、それらの差をとることで、干渉成分Rifを式(2)で計算することができる。 If the state in which the reflected light in the thin film completely interferes is completely coherent (Γ=1), and the state in which there is no interference is completely incoherent (Γ=0), the general state is considered to be in the middle of them. You can When theoretically calculating the reflectance, it can be calculated from the Fresnel coefficient for Γ=1 (R=R ch ) and Γ=0 (R=R ic ), respectively. Therefore, by taking the difference between them, the interference component R if can be calculated by the equation (2).

Figure 0006750793
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従って、可干渉性因子Γを入れて式(3)を使い、反射率Rを理論計算することができる。 Therefore, the reflectance R can be theoretically calculated by using the formula (3) with the coherence factor Γ.

Figure 0006750793
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可干渉性には時間的可干渉性と空間的可干渉性が含まれているが、前者に関しては可干渉距離Lcという形で見積ることが出来る。照明光の波長帯域Δλと中心波長λを使って式(4)のように計算できる。例えば、中心波長λ=546nm、波長帯域Δλ=16nmの場合には、可干渉距離Lc=18μm程度になる。 The coherence includes temporal coherence and spatial coherence, but the former can be estimated in the form of coherence distance Lc. The wavelength band Δλ of the illumination light and the central wavelength λ can be used to calculate as in Expression (4). For example, when the central wavelength λ=546 nm and the wavelength band Δλ=16 nm, the coherence length Lc is about 18 μm .

Figure 0006750793
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膜厚tが可干渉距離Lよりも十分小さい範囲では可干渉性因子Γ〜1となり、大きい範囲では可干渉性因子Γ<<1となるので、可干渉性因子Γは、ガウス関数型で変化すると考えるのが一般的である。多重反射の影響でガウス型から歪む可能性があるが、近似とする。補正係数として、βとする。薄膜の屈折率がn1の場合、行路差は2tnとなる。(後で開口数NAの効果の補正によって、tnはΔLに置き換える。) The coherence factor Γ is 1 in the range where the film thickness t is sufficiently smaller than the coherence distance L c , and the coherence factor Γ<<1 in the range where the film thickness t is large. It is generally thought to change. It may be distorted from the Gaussian type due to the influence of multiple reflections, but it is approximate. The correction coefficient is β. When the refractive index of the thin film is n 1 , the path difference is 2tn 1 . (Tn 1 is replaced with ΔL later by correcting the effect of the numerical aperture NA.)

Figure 0006750793
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可干渉距離以外の要因には焦点深度の影響がある。膜面と基板面の焦点位置のズレは可干渉性を低下させる方向に作用する。焦点位置からのズレと受光強度の関係(I−Z曲線)をガウス関数またはローレンツ関数で近似した場合の半値幅が、膜厚tに対して十分小さくなければ、可干渉性への影響が無視できなくなる。この効果の補正は、補正係数βで吸収できると考える。 Factors other than the coherence length have an influence on the depth of focus. The focal point shift between the film surface and the substrate surface acts in the direction of reducing the coherence. The effect on coherence is negligible unless the half-width when the relationship between the shift from the focus position and the received light intensity (I-Z curve) is approximated by a Gaussian function or Lorentz function is sufficiently small with respect to the film thickness t become unable. It is considered that the correction of this effect can be absorbed by the correction coefficient β.

この理論値を実測値に対して、補正係数βをパラメータに含めて、カーブフィット法で膜厚解析することができる。代表点の解析で求めた補正係数βの値を使って、画像全体の膜厚分布解析をすることもできる。 The film thickness can be analyzed by the curve fitting method by including the correction coefficient β in the parameter with respect to the measured value based on the theoretical value. It is also possible to analyze the film thickness distribution of the entire image using the value of the correction coefficient β obtained by the analysis of the representative points.

[絶対反射率の理論計算]
図2は、実施形態に係る薄膜32が形成された基板31を例示した光学モデルである。図2に示すように、光学モデルは、測定対象として考える試料30の構造の断面を示している。試料30は、基板31と、基板31の上に設けられた薄膜32を含んでいる。基板31は、例えばシリコン基板Siであり、薄膜32は、例えば、フォトレジスト膜 (Photo Resist)PRである。
[Theoretical calculation of absolute reflectance]
FIG. 2 is an optical model illustrating the substrate 31 on which the thin film 32 according to the embodiment is formed. As shown in FIG. 2, the optical model shows a cross section of the structure of the sample 30 to be measured. The sample 30 includes a substrate 31 and a thin film 32 provided on the substrate 31. The substrate 31 is, for example, a silicon substrate Si, and the thin film 32 is, for example, a photoresist film (Photo Resist) PR.

試料30の構造は、上から、空気air/フォトレジスト膜PR/シリコン基板Siとなり、波長λに対するそれぞれの複素屈折率をN、N、N、屈折率をn=1、n、n、消衰係数をk=0、k、kとする。複素屈折率は式(7)〜(9)のように定義する。求めたいフォトレジスト膜PRの膜厚を膜厚tとする。 From the top, the structure of the sample 30 is air air/photoresist film PR/silicon substrate Si, and the complex refractive index of each wavelength λ is N 0 , N 1 , N 2 , and the refractive index is n 0 =1 and n 1. , N 2 , and extinction coefficients are k 0 =0, k 1 , k 2 . The complex index of refraction is defined as in equations (7) to (9). The film thickness of the photoresist film PR to be obtained is defined as a film thickness t.

Figure 0006750793
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[1.完全可干渉の場合]
次に、シリコン基板Si上のフォトレジスト膜PRによる薄膜干渉強度について考える。波長λの光が薄膜に対して垂直に入射するものとする(図2では、対物レンズの開口数NAを考えて斜め入射にしている)。入射した光の一部は、空気air/フォトレジスト膜PRの界面0で反射する。また、一部は、透過し、フォトレジスト膜PR/シリコン基板Siの界面1で反射する。界面1からの反射光の一部は、界面0を透過するが、さらに、一部は、界面0で反射され、再び界面1で反射する。一般的に、薄膜では、このような多重反射が起こる。これらの反射光が全て干渉し、合計されたものから、反射率Rが得られる。複素屈折率が既知であるならば、垂直入射の反射率Rは波長λと膜厚tだけで決まる。
[1. In case of complete interference]
Next, the thin film interference strength due to the photoresist film PR on the silicon substrate Si will be considered. It is assumed that light of wavelength λ is incident perpendicularly to the thin film (in FIG. 2, it is obliquely incident considering the numerical aperture NA of the objective lens). Part of the incident light is reflected at the interface 0 of the air air/photoresist film PR. Further, part of the light is transmitted and reflected at the interface 1 of the photoresist film PR/silicon substrate Si. A part of the reflected light from the interface 1 is transmitted through the interface 0, and a part of the light is reflected by the interface 0 and then reflected by the interface 1 again. Generally, in a thin film, such multiple reflection occurs. The reflectance R is obtained from the total of these reflected lights that interfere with each other. If the complex refractive index is known, the reflectance R at normal incidence is determined only by the wavelength λ and the film thickness t.

界面0(空気air/フォトレジスト膜PRの界面)と界面1(フォトレジスト膜PR/シリコン基板Siの界面)での振幅反射率をそれぞれ、式(10)(11)とする。このとき薄膜を1回透過する光の位相変化と振幅変化をそれぞれ、式(12)(13)のようにδとγとする。 The amplitude reflectances at the interface 0 (air air/photoresist film PR interface) and the interface 1 (photoresist film PR/silicon substrate Si interface) are expressed by equations (10) and (11), respectively. At this time, the phase change and the amplitude change of the light transmitted once through the thin film are represented by δ and γ as in equations (12) and (13).

Figure 0006750793
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多重反射を考慮した膜構造全体の振幅反射率は式(14)となる。 The amplitude reflectance of the entire film structure considering multiple reflection is given by the equation (14).

Figure 0006750793
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反射率Rは振幅反射率の絶対値の自乗となるので、式(15)となる。 Since the reflectance R is the square of the absolute value of the amplitude reflectance, the equation (15) is obtained.

Figure 0006750793
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従って、複素屈折率が既知であれば、垂直入射の反射率は波長λと膜厚tのみから計算することができる。 Therefore, if the complex refractive index is known, the reflectance at normal incidence can be calculated from only the wavelength λ and the film thickness t.

ここで、対物レンズの開口数NAによる斜入射効果の補正を考える。図3は、実施形態に係る薄膜が形成された基板における反射光の屈折による光路差を例示した図である。図3に示すように、光軸に対して角度θで入射した光は、界面0で式(16)のスネルの法則に従い、界面0でθだけ屈折し、界面1で反射し、再び界面0で屈折する反射光Eとなる。反射光Eと、界面0で反射した反射光Eとの間で、多重反射による干渉が起こる。垂直入射の場合と異なるのは、反射光Eと反射光Eの光路差が式(17)のようになることである。入射角が大きくなるに従い、見掛け上の膜厚tは小さくなる。 Here, the correction of the oblique incidence effect by the numerical aperture NA of the objective lens will be considered. FIG. 3 is a diagram exemplifying an optical path difference due to refraction of reflected light in a substrate on which the thin film according to the embodiment is formed. As shown in FIG. 3, light incident at an angle θ 0 with respect to the optical axis is refracted at the interface 0 by θ 1 according to Snell's law of the equation (16), is reflected at the interface 1, and is reflected again. The reflected light E 1 is refracted at the interface 0. Interference due to multiple reflection occurs between the reflected light E 1 and the reflected light E 0 reflected at the interface 0. The difference from the case of vertical incidence is that the optical path difference between the reflected light E 0 and the reflected light E 1 is as in Expression (17). The apparent film thickness t decreases as the incident angle increases.

Figure 0006750793
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Figure 0006750793
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入射光には、対物レンズの開口数NAによる角度θNAから0度までの様々な光が含まれているため、厳密には反射光の干渉を全ての角度で計算する必要がある。しかし、振幅反射率と光路差の角度依存性を全て扱うのは計算負荷が大きいので、垂直入射の振幅反射率と平均光路差を使って近似する。入射光は無偏光なので、反射率の角度依存より、光路差の角度依存が支配的だと考える。 Since the incident light includes various lights from the angle θ NA depending on the numerical aperture NA of the objective lens to 0 degrees, strictly speaking, it is necessary to calculate the interference of the reflected light at all angles. However, since it takes a large calculation load to handle all the angle dependences of the amplitude reflectance and the optical path difference, the approximation is performed by using the amplitude reflectance and the average optical path difference of vertical incidence. Since incident light is non-polarized light, it is considered that the angle dependence of the optical path difference is dominant rather than the angle dependence of the reflectance.

開口数NAと屈折角の関係は式(18)のようになるため、平均光路差は式(17)を−θmax〜+θmaxの範囲で、角度分布の平均を式(19)のように求めればよい。よって、式(17)を式(19)に置き換えて、式(15)を計算すれば、任意の開口数NAに対する反射率を簡便に計算することができる。 Since the relationship between the numerical aperture NA and the refraction angle is as shown in Expression (18), the average optical path difference is expressed by Expression (17) in the range of −θ max to +θ max , and the average of the angle distribution is expressed by Expression (19). Just ask. Therefore, by replacing the formula (17) with the formula (19) and calculating the formula (15), the reflectance for an arbitrary numerical aperture NA can be easily calculated.

Figure 0006750793
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ここまで説明した単層の薄膜32の計算は、多層膜の場合でも基板31側から合成フレネル係数の合成則を使って計算することにより実行することができる。 The calculation of the single-layer thin film 32 described so far can be performed by calculating from the substrate 31 side using the synthetic Fresnel coefficient synthesis rule even in the case of a multilayer film.

[2.完全非可干渉の場合]
次に、シリコン基板Si上のフォトレジスト膜PRによる薄膜干渉のない場合の反射率Ricについて検討する。図4は、実施形態に係る薄膜32内の干渉のない多重反射を例示した図である。完全可干渉の場合と同様に、薄膜32内では多重反射が起こるが、界面0及び界面1の反射光は互いに干渉しないため、これらの反射光を単純合計されたものから、反射率Ricが得られる。
[2. In case of complete non-coherence]
Next, the reflectance R ic when there is no thin film interference due to the photoresist film PR on the silicon substrate Si will be examined. FIG. 4 is a diagram exemplifying multiple reflection without interference in the thin film 32 according to the embodiment. As in the case of perfect coherence, multiple reflection occurs in the thin film 32, but the reflected lights of the interface 0 and the interface 1 do not interfere with each other. Therefore, the reflectance R ic is calculated from a simple sum of these reflected lights. can get.

界面0の反射率をR、界面1の反射率をR、薄膜32の内部透過率をTとする。それぞれの界面の反射率はフレネル係数から、式(20)及び式(21)となる。内部透過率Tは、ランベルトの法則から吸収係数αと消衰係数kの関係を使い、式(22)のようになる。基板31によるm回反射の反射率をRとすると、mを0から∞まで足し合わせたものが反射率Ricとなり、式(23)のように書くことができる。 Assume that the reflectance of the interface 0 is R 0 , the reflectance of the interface 1 is R 1 , and the internal transmittance of the thin film 32 is T i . From the Fresnel coefficient, the reflectance of each interface is given by equation (20) and equation (21). The internal transmittance T i is expressed by equation (22) using the relationship between the absorption coefficient α and the extinction coefficient k 1 according to Lambert's law. When the reflectance of m reflections by the substrate 31 is R m , the sum of m from 0 to ∞ is the reflectance R ic , which can be written as equation (23).

Figure 0006750793
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内部透過率Tに対する開口数NAの影響を補正する。角θの場合の内部透過率Tは、式(22)中の膜厚tを角度平均<t>に置き換えればよい。入射角は0〜θmaxとすると、式(24)となり、角度平均<t>は、式(25)のように書くことができる。ここで改めて、内部透過率Tを式(26)のようにする。 The effect of the numerical aperture NA on the internal transmittance T i is corrected. The internal transmittance T i in the case of the angle θ 1 may be obtained by replacing the film thickness t in the formula (22) with the angle average <t>. When the incident angle is 0 to θ max , the formula (24) is obtained, and the average angle <t> can be written as the formula (25). Here, the internal transmittance T i is set again as shown in Expression (26).

Figure 0006750793
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以上の計算は、多層膜の場合でも基板31側から界面反射率を合成計算することで実行できる。 The above calculation can be executed even in the case of a multilayer film by synthetically calculating the interface reflectance from the substrate 31 side.

[3.部分可干渉の場合]
完全可干渉の反射率Rch、完全非可干渉の反射率Ric、可干渉性因子Γを使うことで、それらの中間状態(部分可干渉性)の反射率Rを式(27)として計算することができる。
[3. In case of partial interference]
Using the perfect coherent reflectance R ch , the perfect non-coherent reflectance R ic , and the coherence factor Γ, the intermediate state (partial coherence) reflectance R is calculated as equation (27). can do.

Figure 0006750793
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式(30)の可干渉性因子Γは、式(19)の開口数NAの補正を使って、式(5)の膜厚tnをΔLに置き換えた。多層膜の場合は、各層のΔLの合計を、最終的なΔLとして使う。 In the coherence factor Γ of the equation (30), the film thickness tn 1 of the equation (5) is replaced with ΔL by using the correction of the numerical aperture NA of the equation (19). In the case of a multilayer film, the total ΔL of each layer is used as the final ΔL.

図5及び図6は、実施形態に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。図5に示すように、開口数NA=0.3の場合について、膜厚t=1000nmの条件で、波長400〜700nmにおける反射率Rの補正係数β依存性を計算した。補正係数β=0の場合はΓ=1、補正係数β=1の場合はΓ<0.8、補正係数β=2の場合はΓ<0.65、補正係数β=10の場合はΓ<0.1であり、Γが小さくなると干渉成分が減衰する。さらに、Γは波長依存性があるので、波長が短い側から干渉成分が減衰している。図6に示すように、開口数NA=0.3の場合について、膜厚t=2000nmの場合をみると、膜厚が厚い程、干渉成分が減衰している。 5 and 6 are graphs illustrating the relationship between the wavelength and the reflectance according to the embodiment, where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absolute reflectance. As shown in FIG. 5, in the case of the numerical aperture NA=0.3, the dependency of the reflectance R on the correction coefficient β at the wavelength of 400 to 700 nm was calculated under the condition of the film thickness t=1000 nm. When the correction coefficient β=0, Γ=1, when the correction coefficient β=1, Γ<0.8, when the correction coefficient β=2, Γ<0.65, and when the correction coefficient β=10, Γ< It is 0.1, and the interference component attenuates as Γ decreases. Further, since Γ has wavelength dependence, the interference component is attenuated from the shorter wavelength side. As shown in FIG. 6, when the numerical aperture NA=0.3 and the film thickness t=2000 nm, the interference component is attenuated as the film thickness increases.

[膜厚解析]
次に、反射率を測定して、反射率の測定データを求め、上述した計算データを参照して、膜厚を算出する方法を説明する。
[Film thickness analysis]
Next, a method of measuring the reflectance to obtain the measurement data of the reflectance, and referring to the above-mentioned calculation data, the method of calculating the film thickness will be described.

図7は、実施形態に係る膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。まず、図7のステップS1に示すように、異なる波長の照明光を切替えて薄膜に照明光を照射する。共焦点光学系101を介して、試料30に第1波長の照明光と第2波長の照明光とを切替えて照射する。例えば、照明光の波長として、436nm、486nm、514nm、546nm、578nm、633nmの7つの波長を選択する。 FIG. 7 is a flowchart illustrating the film thickness measuring method according to the embodiment. First, as shown in step S1 of FIG. 7, the illumination light of different wavelengths is switched to illuminate the thin film with the illumination light. The sample 30 is irradiated with the illumination light of the first wavelength and the illumination light of the second wavelength by switching through the confocal optical system 101. For example, seven wavelengths of 436 nm, 486 nm, 514 nm, 546 nm, 578 nm, and 633 nm are selected as the wavelength of the illumination light.

次に、図7のステップS2に示すように、異なる波長の照明光による画像を取得する。試料30で反射した反射光を、共焦点光学系101を介して検出して、第1波長の光による第1画像と、第2波長の光による第2画像とを取得する。 Next, as shown in step S2 of FIG. 7, images by illumination lights of different wavelengths are acquired. The reflected light reflected by the sample 30 is detected via the confocal optical system 101 to acquire a first image of light of the first wavelength and a second image of light of the second wavelength.

次に、図7のステップS3に示すように、反射率を測定し、測定データを求める。すなわち、薄膜32の膜厚を算出するために、第1画像と第2画像とに基づいて、第1波長及び第2波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める。反射率は、キャプチャーした画像の輝度値Isampleから求める。各波長の反射率Rの測定値を式(27)に対して、最小自乗法で膜厚tと、補正係数βをパラメータとしてフィッティングさせることで、膜厚tを求めることができる。 Next, as shown in step S3 of FIG. 7, the reflectance is measured and the measurement data is obtained. That is, in order to calculate the film thickness of the thin film 32, the measurement data of the reflectance with respect to the first wavelength and the second wavelength are obtained based on the first image and the second image, respectively. The reflectance is obtained from the brightness value I sample of the captured image. The film thickness t can be obtained by fitting the measured value of the reflectance R of each wavelength to the equation (27) by the method of least squares using the film thickness t and the correction coefficient β as parameters.

反射率Rを測定する場合は、測定に使用している光学系の特性や光源の特性を補正するために、反射率Rが既知である基準試料の反射率測定を行う。例えば、シリコン(Si)を基準とする場合(石英ガラス等でも構わない)は、各波長でシリコン(Si)の反射画像をキャプチャーする(カラーバランス、ゲインコントロール等は一定にする)。このシリコン(Si)の輝度値ISiに対する相対値として、試料の反射率Rを計算し、さらに、シリコン(Si)の既知の反射率の波長依存性のデータRSiで補正を行う。従って、試料の反射率は式(32)のように求められる。Iは照明光のシャッターを閉じた場合に受光される暗輝度値である。 When measuring the reflectance R, the reflectance of a reference sample whose reflectance R is known is measured in order to correct the characteristics of the optical system and the characteristics of the light source used for the measurement. For example, when silicon (Si) is used as a reference (quartz glass or the like may be used), a reflected image of silicon (Si) is captured at each wavelength (color balance, gain control, etc. are kept constant). The reflectance R of the sample is calculated as a relative value with respect to the luminance value I Si of this silicon (Si), and further correction is performed using the known wavelength dependency data R Si of the reflectance of silicon (Si). Therefore, the reflectance of the sample is obtained by the equation (32). I 0 is a dark luminance value received when the shutter of the illumination light is closed.

Figure 0006750793
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共焦点顕微鏡のゲイン調整を固定した状態で、基準のシリコン(Si)と試料30について、同一の視野の画像を、波長を変えて取得した。画像上で指定したエリアに関する輝度値の平均値あるいは各画素の輝度値に対してIsample、ISiとして使い、式(32)から絶対反射率を求める。 With the gain adjustment of the confocal microscope fixed, images of the same field of view were acquired for the reference silicon (Si) and the sample 30 by changing the wavelength. The absolute reflectance is calculated from the equation (32) by using the average value of the luminance values regarding the area designated on the image or the luminance value of each pixel as I sample and I Si .

可干渉因子補正の計算方法の検証として、シリコンウェハ上のフォトレジスト膜PR(約1586nm:白色干渉法の断面測定)を使った。光学デモルは、図3と同様になる。膜厚測定装置100の対物レンズは、開口数NA=0.3のものを用いた。 A photoresist film PR (about 1586 nm: cross-section measurement by white light interferometry) on a silicon wafer was used to verify the calculation method of the coherence factor correction. The optical demodulation is the same as in FIG. The objective lens of the film thickness measuring device 100 has a numerical aperture NA=0.3.

次に、図7のステップS4に示すように、反射率の計算データを参照し、反射率の測定データから膜厚を算出する。すなわち、波長と反射率との関係が薄膜32の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜32の膜厚を近似して算出する。 Next, as shown in step S4 of FIG. 7, the film thickness is calculated from the reflectance measurement data with reference to the reflectance calculation data. That is, the film thickness of the thin film 32 is approximated and calculated from the measurement data with reference to the calculation data in which the relationship between the wavelength and the reflectance is shown for each film thickness of the thin film 32.

図8は、実施形態に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。図8には、式(32)から求めた測定反射率と、式(27)から求めた計算反射率とをプロットしたものを示した。補正係数βを、0及び0.5として計算したものである。測定値の反射率Rmesと計算値の反射率Rcalの残差Σを式(33)により求める。 FIG. 8 is a graph illustrating the relationship between the wavelength and the reflectance according to the embodiment, where the horizontal axis represents the wavelength and the vertical axis represents the absolute reflectance. FIG. 8 shows a plot of the measured reflectance obtained from the equation (32) and the calculated reflectance obtained from the equation (27). The correction coefficient β is calculated as 0 and 0.5. The residual Σ between the reflectance Rmes of the measured value and the reflectance Rcal of the calculated value is obtained by the equation (33).

図9は、実施形態に係る薄膜の膜厚と残差との関係を例示したグラフであり、横軸は、薄膜の膜厚を示し、縦軸は残差を示す。 FIG. 9 is a graph illustrating the relationship between the film thickness of the thin film and the residual error according to the embodiment, where the horizontal axis represents the thin film thickness and the vertical axis represents the residual error.

Figure 0006750793
Figure 0006750793

残差Σが最小になる場合の膜厚tを、この試料の測定点の膜厚とすることができる。したがって、ここでは、補正係数β=0の場合(完全可干渉)は、膜厚t=44nmと判定され、補正係数β=0.5の場合(部分可干渉)は、膜厚t=1580nmと判定されている。可干渉性因子Γを導入した解析結果は、白色干渉の測定結果と合致している。6つの波長の測定でも、可干渉性因子Γを解析に導入することで、1μm以上の膜厚tを、高精度で測定することができる。 The film thickness t at which the residual Σ is minimized can be taken as the film thickness at the measurement point of this sample. Therefore, here, when the correction coefficient β=0 (complete coherence), the film thickness t=44 nm is determined, and when the correction coefficient β=0.5 (partial coherence), the film thickness t=1580 nm. Has been determined. The analysis result with the coherence factor Γ is consistent with the measurement result of white interference. Even when measuring six wavelengths, the film thickness t of 1 μm or more can be measured with high accuracy by introducing the coherence factor Γ into the analysis.

同様の方法で、画像の各画素に対して膜厚tを求めることができるので、膜厚分布を表示することができる。従って、膜厚分布を、容易にヒストグラム解析することができる。薄膜上に、ゴミや異物が存在することにより測定値の異常点が発生しても、周囲の正常値で補間処理(ノイズリダクション)することも容易である。表示方法として、鳥瞰図にすることもできる。 Since the film thickness t can be obtained for each pixel of the image by the same method, the film thickness distribution can be displayed. Therefore, the film thickness distribution can be easily histogram-analyzed. Even if an abnormal point of the measured value occurs due to the presence of dust or foreign matter on the thin film, it is easy to perform interpolation processing (noise reduction) with a normal value around. A bird's-eye view can also be used as the display method.

[反射率計算の補足]
試料30における薄膜32が多層膜の場合において、多層膜中に、幾つかの厚さゼロの層が存在する場合の反射率計算の取り扱いについて補足する。完全可干渉の場合は、各界面のフレネル係数の合成式は厚さ0の場合でもそのまま適用できるので、問題は生じない。しかし、完全非可干渉の場合には、層の厚さが0のときは、式(20)、式(21)及び式(23)をそのまま適用できないため、以下に説明する特別な計算法則を導入する必要がある。
[Supplement of reflectance calculation]
In the case where the thin film 32 in the sample 30 is a multilayer film, the supplementary description will be made on the handling of the reflectance calculation when there are some zero-thickness layers in the multilayer film. In the case of complete coherence, the formula of the Fresnel coefficient of each interface can be applied as it is even if the thickness is 0, and therefore no problem occurs. However, in the case of completely non-coherent, when the layer thickness is 0, the equations (20), (21), and (23) cannot be applied as they are, and therefore a special calculation law described below is used. Need to be introduced.

図10は、実施形態に係る完全非可干渉の場合の膜厚がゼロの反射率計算の取り扱いを例示した図である。図10に示すように、N層膜の中の連続する(m−1)層、m層、(m+1)層の3つの層の重なりを考える。m層に着目すると、光学定数はn、k及び膜厚tである。(m−1)層とm層との界面を(m−1、m)界面とし、m層と(m+1)層との界面を(m、m+1)界面とする。界面のフレネル係数をそれぞれ、rm−1、m及びrm、m+1とし、式(10)及び式(11)と同様に表現できる。この関係を、(m−1)層と(m+1)層についても考えことができる。 FIG. 10 is a diagram exemplifying how to handle the reflectance calculation when the film thickness is zero in the case of complete non-coherence according to the embodiment. As shown in FIG. 10, consider the overlapping of three consecutive layers (m-1), m, and (m+1) in the N-layer film. Focusing on m layer, the optical constants is n m, k m and thickness t m. The interface between the (m-1) layer and the m layer is a (m-1, m) interface, and the interface between the m layer and the (m+1) layer is a (m, m+1) interface. The Fresnel coefficients of the interface are set to r m-1, m and r m, m+1, respectively, and can be expressed in the same manner as in Expression (10) and Expression (11). This relationship can be considered for the (m-1) layer and the (m+1) layer.

(m+2)層までの合成反射率R’m+2、m+3まで計算できている状況で、(m+1)層の膜厚tm+1>0の場合、(m+1、m+2)界面の合成反射率R’m+1、m+2は、式(23)と同様にして計算できる。ここで、m層の膜厚t=0の場合は、上下の界面のフレネル係数、rm−1、m及びrm、m+1を、式(34)及び式(35)のような特別な規則で置き換え処理を行う。この改訂されたフレネル係数を使い、それぞれの界面の反射率を、式(36)及び式(37)と再定義する。この時の内部透過率Tiは、それぞれ式(38)及び式(39)とおける。 When the composite reflectances R′ m+2 and m+3 up to the (m+2) layer can be calculated and the film thickness t m+1 >0 of the (m+1) layer, the composite reflectance R′ m+1 of the (m+1, m+2) interface , m+2 can be calculated in the same manner as the equation (23). Here, when the thickness m of the m layer is t m =0, the Fresnel coefficients of the upper and lower interfaces, r m−1, m and r m, m+1 , are given by special equations (34) and (35). The replacement process is performed according to the rules. Using this revised Fresnel coefficient, the reflectivity of each interface is redefined as equation (36) and equation (37). The internal transmittance T i at this time can be expressed by Equation (38) and Equation (39), respectively.

Figure 0006750793
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(m、m+1)界面の合成反射率R’m。m+1は、合成規則より式(40)となる。 The combined reflectance R'm of the (m, m+1) interface . m+1 is given by equation (40) according to the composition rule.

Figure 0006750793
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さらに、上のm層の合成反射率R’m−1、mも、合成規則より式(41)となる。 Furthermore, the combined reflectance R′ m−1,m of the upper m layer also becomes the expression (41) according to the combining rule.

Figure 0006750793
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式(41)をよく観ると、まさにm層が存在しない場合の反射率の式になっている。このようなフレネル係数の変換則を適用することで、多層膜中に膜厚が0の層が存在する場合でも、完全非可干渉の反射率を計算することができる。N層膜中にJ個の膜厚0層が分布して存在する場合も同様に計算することができる。 If we look closely at equation (41), it is exactly the equation of the reflectance when there is no m layer. By applying such a Fresnel coefficient conversion rule, it is possible to calculate the reflectance of perfect incoherence even when a layer having a film thickness of 0 exists in the multilayer film. The same calculation can be performed in the case where J number of 0-thickness layers are distributed in the N-layer film.

次に、本実施形態に係る膜厚測定装置100及び膜厚測定方法の効果を説明する。本実施形態の膜厚測定装置100において、波長と反射率との関係が薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データにおける反射率は、非干渉成分の項を含んでいる。よって、可干渉性が減少するような1μm以上の膜厚の薄膜にたいしても高精度で膜厚を解析することができる。これにより、1μm以上の膜厚の薄膜における膜厚分布を高解像度で解析することができる。 Next, effects of the film thickness measuring device 100 and the film thickness measuring method according to the present embodiment will be described. In the film thickness measuring device 100 of the present embodiment, the reflectance in the calculation data in which the relationship between the wavelength and the reflectance is shown for each film thickness of the thin film includes the term of the non-interference component. Therefore, it is possible to analyze the film thickness with high accuracy even for a thin film having a film thickness of 1 μm or more that reduces coherence. Thereby, the film thickness distribution in a thin film having a film thickness of 1 μm or more can be analyzed with high resolution.

また、計算データにおける反射率の非干渉成分Ricの項は、基板31側の界面による所定の回数までの各反射における反射率の総和を含んでいる。これにより、薄膜32内での多重反射を反映させることができるので、1μm以上の膜厚の薄膜にたいしても高精度で膜厚を解析することができる。 In addition, the term of the non-interference component R ic of the reflectance in the calculation data includes the sum of the reflectance in each reflection up to a predetermined number of times due to the interface on the substrate 31 side. Thereby, multiple reflections in the thin film 32 can be reflected, so that the film thickness can be analyzed with high accuracy even for a thin film having a film thickness of 1 μm or more.

計算データにおける反射率は、干渉成分Rifの項と、干渉成分の項の割合を示す可干渉因子Γとの積を含んでいる。これにより、反射率が非干渉成分Ricと干渉成分Rifとを含む部分可干渉の場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。 The reflectance in the calculation data includes the product of the term of the interference component R if and the coherence factor Γ indicating the ratio of the term of the interference component. Thereby, even when the reflectance is a partial coherence including the non-interference component R ic and the interference component R if , the film thickness of the thin film can be analyzed with high accuracy.

さらに、計算データにおける反射率は、対物レンズの開口数NAによる補正を含んでいる。これにより、高開口数の対物レンズを使用する場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。また、膜厚分布を高解像度で解析することができる。 Furthermore, the reflectance in the calculation data includes correction by the numerical aperture NA of the objective lens. As a result, the film thickness of the thin film can be analyzed with high accuracy even when an objective lens having a high numerical aperture is used. Further, the film thickness distribution can be analyzed with high resolution.

膜厚測定装置100は、薄膜が多層膜の場合でも、積層された各複数の膜の膜厚毎にそれぞれ示されている反射率を合成して、計算データにおける反射率としている。よって、多層膜からなる薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。また、多層膜における膜厚分布を高解像度で解析することができる。多層膜におけるいくつかの膜厚が0の場合でも光学モデルの構成を変えずに、フレネル係数の変換則を適用することで、高精度で膜厚を解析することができる。 Even when the thin film is a multilayer film, the film thickness measuring device 100 synthesizes the reflectances shown for the respective film thicknesses of the plurality of laminated films to obtain the reflectance in the calculation data. Therefore, it is possible to analyze the film thickness of a thin film including a multilayer film with high accuracy. Further, the film thickness distribution in the multilayer film can be analyzed with high resolution. Even when some film thicknesses in the multilayer film are 0, the film thickness can be analyzed with high accuracy by applying the Fresnel coefficient conversion rule without changing the configuration of the optical model.

このように、膜厚測定装置100は、観察画像の各画素に対して、分光スペクトルを得ることができる。そして、分光スペクトルを絶対反射率に換算し、可干渉性因子を考慮した膜厚をパラメータとするフィッティングを行っている。これにより、0〜1μmの膜厚だけでなく、1μm以上の膜厚まで精度よく求めることができる。 In this way, the film thickness measuring device 100 can obtain a spectrum for each pixel of the observed image. Then, the spectroscopic spectrum is converted into an absolute reflectance, and fitting is performed using the film thickness in consideration of the coherence factor as a parameter. As a result, not only a film thickness of 0 to 1 μm but also a film thickness of 1 μm or more can be accurately obtained.

また、膜厚測定装置100は、共焦点顕微鏡を用いて、照明波長を切り替えながら、反射強度を測定することで、基材上の膜厚分布の測定をすることができる。よって、膜厚分布のムラの大きい場合でも非接触・非破壊で、短時間に測定することができる。さらに、光学顕微鏡の焦点深度より大きな段差のある表面の膜厚測定にも対応できる。 In addition, the film thickness measuring device 100 can measure the film thickness distribution on the substrate by measuring the reflection intensity while switching the illumination wavelength using a confocal microscope. Therefore, even if the unevenness of the film thickness distribution is large, non-contact, non-destructive measurement can be performed in a short time. Furthermore, it is possible to measure the film thickness of a surface having a step greater than the depth of focus of the optical microscope.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention includes appropriate modifications that do not impair the object and advantages thereof, and is not limited by the above embodiments.

0、1 界面
10 光源部
11 光源
12 干渉フィルター
13a、13b、13c レンズ
14 スリット
15 ビームスプリッタ
16 振動ミラー
17 対物レンズ
18 ステージ
19 光検出器
20 処理装置
30 試料
31 基板
32 薄膜
100 膜厚測定装置
101 共焦点光学系
0, 1 Interface 10 Light source part 11 Light source 12 Interference filter 13a, 13b, 13c Lens 14 Slit 15 Beam splitter 16 Vibrating mirror 17 Objective lens 18 Stage 19 Photodetector 20 Processing device 30 Sample 31 Substrate 32 Thin film 100 Film thickness measuring device 101 Confocal optics

Claims (10)

基板と、前記基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
少なくとも第1波長の照明光と第2波長の照明光とを切替可能な光源部と、
前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、
前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、
前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第1波長の照明光による第1画像と、前記第2波長の照明光による第2画像とに基づいて、前記第1波長及び前記第2波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部と、を備え、
前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する際に、
各波長の反射率の測定データを下記の(A)式に対して、前記膜厚tと、補正係数βとをパラメータとしてフィッティングさせることで前記膜厚tを近似して算出し、
Figure 0006750793

Figure 0006750793

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Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

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ここで、
ch は、完全可干渉の反射率であって、(B)式により求められ、
ic は、完全非可干渉の反射率であって、(C)式により求められ、
Γは、可干渉性因子であって、(D)式により求められ、
ΔLは、(E)式により求められ、
は、(F)式及び(G)式により求められ、
=1であり、n 及びn は、前記薄膜及び前記基板の屈折率であり、
及びk は、前記薄膜及び前記基板の消衰係数であり、
は、空気と前記薄膜との界面の反射率であり、
は、前記薄膜と前記基板との界面の反射率であり、
は、前記薄膜の内部透過率であり、
NAは、前記共焦点光学系の対物レンズの開口数であり、
δ及びγは、それぞれ、前記薄膜を1回透過する光の位相変化及び振幅変化であり、
λ及びΔλは、前記照明光の中心波長及び波長帯域であり、
前記計算データにおける前記反射率は、非干渉成分の項を含んでいる膜厚測定装置。
A film thickness measuring device for measuring the film thickness of the thin film of a sample including a substrate and a thin film provided on the substrate,
A light source unit capable of switching between at least first wavelength illumination light and second wavelength illumination light;
A photodetector that detects reflected light reflected by the sample to obtain an image in a predetermined region of the sample,
A confocal optical system that guides the illumination light from the light source unit to the sample, and guides the reflected light from the sample to the photodetector,
In order to calculate the film thickness of the thin film, based on the first image by the illumination light of the first wavelength and the second image by the illumination light of the second wavelength, for the first wavelength and the second wavelength And a processing unit for respectively obtaining reflectance measurement data,
The processing unit refers to calculation data in which the relationship between the wavelength and the reflectance is shown for each film thickness of the thin film , and when approximating and calculating the film thickness of the thin film from the measurement data ,
The film thickness t is approximated and calculated by fitting the measured data of the reflectance at each wavelength to the following formula (A) using the film thickness t and the correction coefficient β as parameters.
Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793
here,
R ch is the reflectance of perfect coherence and is calculated by the equation (B),
R ic is the reflectance of perfect incoherence, and is calculated by the equation (C),
Γ is a coherence factor, which is obtained by the equation (D),
ΔL is obtained by the equation (E),
a c is obtained by the equations (F) and (G),
n 0 =1 and n 1 and n 2 are the refractive indices of the thin film and the substrate,
k 1 and k 2 are extinction coefficients of the thin film and the substrate,
R 0 is the reflectance of the interface between air and the thin film,
R 1 is the reflectance of the interface between the thin film and the substrate,
T i is the internal transmittance of the thin film,
NA is the numerical aperture of the objective lens of the confocal optical system,
δ and γ are the phase change and the amplitude change of the light transmitted through the thin film once, respectively,
λ and Δλ are the central wavelength and wavelength band of the illumination light,
The film thickness measurement apparatus, wherein the reflectance in the calculation data includes a term of a non-interference component.
前記非干渉成分の項は、前記基板側の界面による所定の回数までの各反射における反射率の総和を含んでいる請求項1に記載の膜厚測定装置。 The film thickness measuring device according to claim 1, wherein the term of the non-interference component includes a sum of reflectances in each reflection up to a predetermined number of times by the interface on the substrate side. 前記計算データにおける前記反射率は、干渉成分の項と、前記干渉成分の項の割合を示す可干渉因子との積を含んでいる請求項1または2に記載の膜厚測定装置。 The film thickness measurement apparatus according to claim 1, wherein the reflectance in the calculation data includes a product of an interference component term and a coherence factor indicating a ratio of the interference component term. 前記共焦点光学系は、対物レンズを含み、
前記計算データにおける反射率は、前記対物レンズの開口数による補正を含んでいる請求項1〜3のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
The confocal optical system includes an objective lens,
The film thickness measuring device according to claim 1, wherein the reflectance in the calculation data includes correction based on the numerical aperture of the objective lens.
前記薄膜は、複数の膜が積層された多層膜であり、
前記処理部は、各複数の前記膜の膜厚毎にそれぞれ示されている反射率を合成して、前記計算データにおける前記反射率とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
The thin film is a multilayer film in which a plurality of films are laminated,
The film according to any one of claims 1 to 4, wherein the processing unit combines the reflectances shown for the respective film thicknesses of the plurality of films to obtain the reflectance in the calculation data. Thickness measuring device.
基板と、前記基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
共焦点光学系を介して、前記試料に第1波長の照明光と第2波長の照明光とを切替えて照射し、
前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第1波長の光による第1画像と、前記第2波長の光による第2画像とを取得し、
前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第1画像と前記第2画像とに基づいて、前記第1波長及び第2波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、
波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する際に、
各波長の反射率の測定データを下記の(A)式に対して、前記膜厚tと、補正係数βとをパラメータとしてフィッティングさせることで前記膜厚tを近似して算出し、
Figure 0006750793

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Figure 0006750793

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Figure 0006750793
ここで、
ch は、完全可干渉の反射率であって、(B)式により求められ、
ic は、完全非可干渉の反射率であって、(C)式により求められ、
Γは、可干渉性因子であって、(D)式により求められ、
ΔLは、(E)式により求められ、
は、(F)式及び(G)式により求められ、
=1であり、n 及びn は、前記薄膜及び前記基板の屈折率であり、
及びk は、前記薄膜及び前記基板の消衰係数であり、
は、空気と前記薄膜との界面の反射率であり、
は、前記薄膜と前記基板との界面の反射率であり、
は、前記薄膜の内部透過率であり、
NAは、前記共焦点光学系の対物レンズの開口数であり、
δ及びγは、それぞれ、前記薄膜を1回透過する光の位相変化及び振幅変化であり、
λ及びΔλは、前記照明光の中心波長及び波長帯域であり、
前記計算データにおける前記反射率は、非干渉成分の項を含んでいる膜厚測定方法。
A film thickness measuring method for measuring a film thickness of a thin film of a sample including a substrate and a thin film provided on the substrate,
Through the confocal optical system, the sample is irradiated by switching between illumination light of the first wavelength and illumination light of the second wavelength,
The reflected light reflected by the sample is detected via the confocal optical system to obtain a first image of the light of the first wavelength and a second image of the light of the second wavelength,
In order to calculate the film thickness of the thin film, the measurement data of the reflectance for the first wavelength and the second wavelength is obtained based on the first image and the second image,
The relationship between the wavelength and the reflectance, with reference to the calculation data respectively shown for each film thickness of the thin film , when approximating the film thickness of the thin film from the measurement data ,
The film thickness t is approximated and calculated by fitting the measured data of the reflectance at each wavelength to the following formula (A) using the film thickness t and the correction coefficient β as parameters.
Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793

Figure 0006750793
here,
R ch is the reflectance of perfect coherence and is calculated by the equation (B),
R ic is the reflectance of perfect incoherence, and is calculated by the equation (C),
Γ is a coherence factor, which is obtained by the equation (D),
ΔL is obtained by the equation (E),
a c is obtained by the equations (F) and (G),
n 0 =1 and n 1 and n 2 are the refractive indices of the thin film and the substrate,
k 1 and k 2 are extinction coefficients of the thin film and the substrate,
R 0 is the reflectance of the interface between air and the thin film,
R 1 is the reflectance of the interface between the thin film and the substrate,
T i is the internal transmittance of the thin film,
NA is the numerical aperture of the objective lens of the confocal optical system,
δ and γ are the phase change and the amplitude change of the light transmitted through the thin film once, respectively,
λ and Δλ are the central wavelength and wavelength band of the illumination light,
The film thickness measuring method, wherein the reflectance in the calculation data includes a term of a non-interference component.
前記非干渉成分の項は、前記基板側の界面による所定の回数までの各反射における反射率の総和を含んでいる請求項6に記載の膜厚測定方法。 The film thickness measuring method according to claim 6, wherein the term of the non-interference component includes a sum of reflectances in each reflection up to a predetermined number of times by the interface on the substrate side. 前記計算データにおける前記反射率は、干渉成分の項と、前記干渉成分の項の割合を示す可干渉因子との積を含んでいる請求項6または7に記載の膜厚測定方法。 8. The film thickness measuring method according to claim 6, wherein the reflectance in the calculation data includes a product of a term of an interference component and a coherence factor indicating a ratio of the term of the interference component. 前記共焦点光学系は、対物レンズを含み、
前記計算データにおける反射率は、前記対物レンズの開口数による補正を含んでいる請求項6〜8のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
The confocal optical system includes an objective lens,
The film thickness measuring method according to claim 6, wherein the reflectance in the calculation data includes correction based on the numerical aperture of the objective lens.
前記薄膜は、複数の膜が積層された多層膜であり、
各複数の前記膜の膜厚毎にそれぞれ示されている反射率を合成して、前記計算データにおける前記反射率とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
The thin film is a multilayer film in which a plurality of films are laminated,
The film thickness measuring method according to any one of claims 6 to 9, wherein the reflectances shown for the respective film thicknesses of each of the plurality of films are combined to obtain the reflectance in the calculation data.
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