JP6912045B2 - 膜厚測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、光透過性を有する薄膜の厚さを測定する方法および装置に関する。

膜厚測定の一例として、干渉法がある（たとえば、特許文献１を参照）。この干渉法においては、所定の波長範囲の光を測定対象の薄膜に照射することにより、前記光の薄膜による干渉光の分光強度を測定し、かつこの測定された光強度スペクトルに現れる干渉光成分の波形に基づいて前記薄膜の厚みを算出する。前記厚みの算出は、具体的には、前記光強度スペクトルをフーリエ変換し、かつこの変換により得られたパワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて行なわれる。

しかしながら、前記したように薄膜の厚さを測定する場合、薄膜またはその基材の種類や色により、光強度スペクトルに平坦ではないトレンド（干渉光成分以外のスペクトルの変動・趨勢）が見られる場合がある。これに対し、このようなトレンドの影響を考慮することなく、測定により得られた光強度スペクトルにフーリエ変換を施して物理膜厚のパワースペクトルを取得する従来の手法によれば、期待される物理膜厚の成分がトレンドに由来するパワースペクトル成分に埋もれる場合がある。これでは、薄膜の厚みを正確に測定することは困難となる。
なお、従来においては、薄膜が形成される基材のサンプルに光を照射し、このサンプルについてのトレンドを予め求めておき、かつこのトレンドを用いて薄膜の光強度スペクトルを補正することも検討されてきた。ただし、このような手段によれば、サンプルを別途準備する必要があるなど、煩雑である。

特開平０７−２９４２２０号公報

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、薄膜またはその基材の種類や色に起因する光強度スペクトルのトレンドによる悪影響をなくし、または少なくし、薄膜の厚みを正確に測定することが可能な膜厚測定方法、およびその装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される膜厚測定方法は、所定の波長範囲の光を薄膜に照射し、前記光の前記薄膜による干渉光の分光強度を測定する分光強度測定ステップと、この分光強度測定ステップにより得られた前記干渉光の分光強度に関するデータをフーリエ変換し、かつこの変換により得られたパワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて前記薄膜の厚さを算出する厚さ算出ステップと、を有する、膜厚測定方法であって、前記干渉光の分光強度のトレンドを求め、かつ前記干渉光の分光強度から前記トレンドの影響を除外または減少させた分光強度補正データを作成するステップを、さらに有しており、前記厚さ算出ステップにおいては、前記干渉光の分光強度に関するデータとして、前記分光強度補正データを用い、前記フーリエ変換の対象とし、前記トレンドを求める手法として、測定された分光強度のデータに平滑化を施すことを特徴としている。

本発明において、好ましくは、前記分光強度補正データは、前記トレンドと測定された分光強度との比または差に基づいて求める。

本発明の第２の側面により提供される膜厚測定装置は、所定の波長範囲の光を薄膜に照射するための光源と、前記光の前記薄膜による干渉光の分光強度を測定するための光検出器と、この光検出器を用いて得られた前記干渉光の分光強度に関するデータをフーリエ変換し、かつこの変換により得られたパワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて前記薄膜の厚さを算出可能なデータ処理手段と、を備えている、膜厚測定装置であって、前記データ処理手段は、測定された分光強度のデータに平滑化を施すことにより前記干渉光の分光強度のトレンドを求め、かつ前記干渉光の分光強度から前記トレンドの影響を除外または減少させた分光強度補正データを作成するとともに、前記干渉光の分光強度に関するデータとして、前記分光強度補正データを用い、前記フーリエ変換の対象とすることが可能な構成とされていることを特徴としている。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る膜厚測定装置の一例を示す概略説明図である。 （ａ）は、図１に示す測定装置で取得される干渉光成分の波形の一例を示し、（ｂ）は、（ａ）の波形に対しフーリエ変換を施すことにより得られるパワースペクトルを示し、（ｃ）は補正が施されたパワースペクトルを示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は従来の測定方法を説明するグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は本発明に係る測定方法を説明するグラフである。 （ａ）〜（ｅ）は本発明と従来技術との比較説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す膜厚測定装置Ａは、干渉法による膜厚測定が可能なものであり、光源１、光検出器２、およびデータ処理手段５を備えている。データ処理手段５は、後述する各種のデータ処理を実行するものであり、たとえばパーソナルコンピュータを用いて構成されている。ただし、これに代えて、膜厚測定専用のデータ処理装置として構成されていてもよい。測定対象の薄膜３は、基材４上に成膜されている。光源１は、所定の波長範囲の光を発することが可能な光源であって、たとえば白色光源である。この膜厚測定装置Ａにおいては、光源１から発せられた光（測定光）の一部が薄膜３の表面３ａで反射される。 前記測定光の一部は薄膜３を透過し、薄膜３と基材４との界面３ｂで反射される。 薄膜３からの戻り光には、表面３ａによる反射光、および界面３ｂによる反射光が含まれる。

図２に、干渉法を用いた膜厚検出のためのデータ処理の基本的な概要を示す。以下、簡単のため図１の照射角度θを９０度とする。

図１に示される膜厚測定装置Ａにおいては、薄膜３からの前記した戻り光を光検出器２によって受けることにより、理想的には、たとえば図２（ａ）に示されるような干渉光成分の波形が取得される（分光強度測定ステップ）。同図の光強度スペクトルは、トレンドがみられない理想に近いものとして示されている。ここで、トレンドとは、干渉光成分以外のスペクトルの変動・趨勢である。

図２（ａ）に示した干渉光成分の波形に対し、フーリエ変換を施すことにより、表面３ａおよび界面３ｂの相互間の物理膜厚（薄膜３の厚み）ｔと薄膜３の屈折率ｎ２の積に応じた光路差２×ｔ×ｎ２に対するパワースペクトルが、図２（ｂ）のように得られる。また、光路差に対するパワースペクトルに屈折率補正を施すことにより、物理膜厚に対するパワースペクトルが図２（ｃ）のように得られる。原理的には、図２（ｃ）において、薄膜３の厚みｔに対応する位置にピークが現れ、このことにより厚みｔを検出することができる（厚さ算出ステップ）。

図３（ａ）〜（ｄ）に、従来の手法を用いた、光強度スペクトルの解析に関する具体例が示されている。まず、図３（ａ）のラインＬ１の波形には、物理膜厚が０．５μｍである薄膜３から得られる干渉光成分が含まれている。干渉法では、図３（ａ）に示されるように、できるだけ平坦なトレンドをもつ波形の方が望ましい。図３（ａ）の波形に膜厚演算を施して得られる物理膜厚に対するパワースペクトルは、図３（ｂ）に示されており、期待される物理膜厚（今回の例では０．５μｍ）の位置に明瞭なピークが現れる。

一方、薄膜３または基材４の種類によっては、図３（ｃ）のラインＬ２の波形のように、平坦でないトレンドをもつ場合が観測され得る。このような波形は、一例として薄膜３または基材４が無色でない場合に観測され易い。
図３（ｄ）には、従来用いられてきたフーリエ変換を利用した演算を施して得られるパワースペクトルが示されている。平坦でないトレンドに由来する０μｍ付近のパワースペクトル成分に、期待される物理膜厚（今回の例では０．５μｍ）の成分が埋もれており、パワースペクトルのピークは、０．５μｍから位置ずれしている。このことから理解されるように、従来の膜厚演算手法は、平坦でないトレンドをもつ波形に対して余り有効ではない。

図４（ａ）〜（ｅ）に、本発明の実施形態による光強度スペクトルの解析の概要が示されている。本実施形態においては、まず図４（ａ）のラインＬ２で示す光強度スペクトル（図３（ｃ）と同一）の波形から、図４（ｂ）のラインＬ３で示すトレンド（干渉光の分光強度のトレンドスペクトル）を求める。このトレンドは、光強度スペクトルの平滑化（スムージング）を施して得られたものであり、前記平滑化は、たとえば移動平均法などを用いて行なわれる。

次いで、前記トレンドに基づき、たとえば図４（ｃ）のラインＬ３’に示すような補正用データを作成する。この補正用データは、たとえばラインＬ３で示すトレンドの逆数に１００を乗じたものである。その後は、ラインＬ３’で示す補正用データを、図４（ａ）のラインＬ２で示す光強度スペクトルのデータに乗じることにより、図４（ｄ）のラインＬ２’で示す分光強度補正データを作成する。この分光強度補正データは、ラインＬ３のトレンドスペクトルと、ラインＬ２の分光強度スペクトルとの比を算出することにより、ラインＬ２の分光強度スペクトルからトレンドの影響を除外または減少させたデータ（補正された分光強度スペクトル）である。この分光強度補正データをフーリエ変換すると、図４（ｅ）に示すようなパワースペクトルが得られる。このパワースペクトルにおいては、期待される物理膜厚（今回の例では０．５μｍ）の位置にピークが得られる。

図５は、前記した説明を理解し易いように纏めたものである。従来においては、図５（ａ）のラインＬ２で示した分光強度スペクトルをそのままフーリエ変換し、同図（ｂ）に示すようなパワースペクトルを得ていた。これに対し、本発明（本実施形態）においては、同図（ｃ），（ｄ）に示すような処理を経て、トレンドを除外または減少させたラインＬ２’で示した分光強度補正データを求め、かつこれをフーリエ変換し、同図（ｅ）に示すようなパワースペクトルを得ている。

以上の説明から理解されるように、本実施形態によれば、ラインＬ２で示す光強度スペクトルに平坦ではないトレンドがみられる場合においても、薄膜３の厚みを正確に測定することが可能となる。
また、本実施形態によれば、基材４のサンプルを別途準備して、そのトレンドを事前に求めておくといった必要もない。さらに、サンプルを別途準備してそのトレンドを事前に求めておく手法によれば、基材４や薄膜３の表面形状などにより、光の反射率・透過率が相違したものとなり、トレンドを適切に除ききれない場合があるが、本実施形態によれば、そのような不具合もない。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る膜厚測定方法の各ステップの具体的な内容は、本発明の意図する範囲内において種々に変更可能である。同様に、本発明に係る膜厚測定装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更可能である。

上述の実施形態においては、ラインＬ２’で示す分光強度補正データを求めるための手法として、ラインＬ３で示すトレンドと、ラインＬ２で示す分光強度スペクトルとの比に基づく手法を用いているが、本発明はこれに限定されず、たとえばそれらの差に基づいて求めてもよい。勿論、これら以外の手法を採用してもよい。
光源は、所望の分光強度スペクトルを得るのに必要な波長範囲をもつ光源であればよく、白色光源以外の光源を用いることもできる。

Ａ 膜厚測定装置
１ 光源
２ 光検出器
３ 薄膜
４ 基材
５ データ処理手段

Claims (3)

1. 所定の波長範囲の光を薄膜に照射し、前記光の前記薄膜による干渉光の分光強度を測定する分光強度測定ステップと、
   この分光強度測定ステップにより得られた前記干渉光の分光強度に関するデータをフーリエ変換し、かつこの変換により得られたパワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて前記薄膜の厚さを算出する厚さ算出ステップと、
   を有する、膜厚測定方法であって、
   前記干渉光の分光強度のトレンドを求め、かつ前記干渉光の分光強度から前記トレンドの影響を除外または減少させた分光強度補正データを作成するステップを、さらに有しており、
   前記厚さ算出ステップにおいては、前記干渉光の分光強度に関するデータとして、前記分光強度補正データを用い、前記フーリエ変換の対象とし、
   前記トレンドを求める手法として、測定された分光強度のデータに平滑化を施すことを特徴とする、膜厚測定方法。
2. 請求項１に記載の膜厚測定方法であって、
   前記分光強度補正データは、前記トレンドと測定された分光強度との比または差に基づいて求める、膜厚測定方法。
3. 所定の波長範囲の光を薄膜に照射するための光源と、
   前記光の前記薄膜による干渉光の分光強度を測定するための光検出器と、
   この光検出器を用いて得られた前記干渉光の分光強度に関するデータをフーリエ変換し、かつこの変換により得られたパワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて前記薄膜の厚さを算出可能なデータ処理手段と、
   を備えている、膜厚測定装置であって、
   前記データ処理手段は、測定された分光強度のデータに平滑化を施すことにより前記干渉光の分光強度のトレンドを求め、かつ前記干渉光の分光強度から前記トレンドの影響を除外または減少させた分光強度補正データを作成するとともに、前記干渉光の分光強度に関するデータとして、前記分光強度補正データを用い、前記フーリエ変換の対象とすることが可能な構成とされていることを特徴とする、膜厚測定装置。

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