JP6953245B2 - 膜厚測定方法及び膜厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関し、特に、フォトルミネッセンスを用いて薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関する。

例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上に形成されたＳｉＣを含むエピタキシャル層は、デバイスが形成されるドリフト層として用いられる。ドリフト層に積層欠陥（Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ：ＳＦ）が形成されると、デバイスの特性を劣化させる。また、基底面内転位はバイポーラ動作を行った際に拡張し、積層欠陥を形成することが知られている。具体的には、ｐｎダイオードなどのバイポーラ素子では、ｎ型エピタキシャル層と、ｐ型エピタキシャル層との界面付近等が、通電時に電子と正孔が再結合するとなるが、基底面内転位は、通電時に発生する電子と正孔の再結合エネルギーによって、積層欠陥へと変換される。

このため、ＳｉＣ基板とドリフト層との間には、バッファ層が設けられている。例えば、積層欠陥発生の原因となる基底面内転位（Ｂａｓａｌ Ｐｌａｎｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＢＰＤ）は、バッファ層のエピタキシャル成長中に、デバイスへの影響が低減された貫通刃状転移（Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ：ＴＥＤ）等の他の欠陥に変換される。このように、ＳｉＣ基板とドリフト層との間にバッファ層を設けることにより、ドリフト層への積層欠陥の形成を抑制することができる。

ドリフト層及びバッファ層等の薄膜の膜厚は、デバイスの性能に大きな影響を及ぼす。特に、ドリフト層を所望の性能とするためには、ドリフト層とバッファ層とを区別し、ドリフト層のみの膜厚を精度よく制御する必要がある。例えば、ドリフト層の膜厚を、サブμｍ程度の精度で制御することが望まれている。

また、デバイスの製造工程における品質保証プロセスとして、ドリフト層及びバッファ層の膜厚を管理することも望まれている。

特開２００８−２２４４７６号公報 特開２０１６−１９７０７９号公報 特開２００４−５２６９６４号公報 特開２０１３−５３６４３６号公報 特開２００２−０２６０９５号公報 特開２００４−０８５４１６号公報 特開２００４−２３３２７９号公報 特開２００８−１９８９１３号公報 特開２００６−３４９４８１号公報

エピタキシャル層を含む薄膜の膜厚を測定する方法としては、例えば、フーリエ変換赤外分光法（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＦＴＩＲ法）が挙げられる。ＦＴＩＲ法は、非破壊・非接触で測定することができる。しかしながら、ＦＴＩＲ法を用いた膜厚測定方法は、薄膜の表面からの深さ方向の分解能が最大でも５μｍ程度と低い。よって、１桁μｍ程度の薄膜の膜厚を、ＦＴＩＲ法により測定することが困難である。また、ドリフト層とバッファ層との分離をすることが困難ば場合が多く、ドリフト層及びバッファ層を含んだ総厚を測定することしかできないこともある。よって、ドリフト層、バッファ層のみの膜厚を測定することが困難である。

特許文献１〜８には、半導体基板の欠陥分布を測定するフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）法が記載されているが、薄膜の膜厚を測定することは記載されていない。

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、非破壊・非接触の手法を用いて高精度で薄膜の膜厚を測定することができる膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る膜厚測定方法は、フォトルミネッセンスによって薄膜から発するＰＬ光の膜厚方向における強度変化を用いて前記薄膜の膜厚を測定する。このような構成により、非破壊・非接触の手法を用いて高精度で薄膜の膜厚を測定することができる。

本発明に係る膜厚測定装置は、基材と、前記基材上に形成された薄膜と、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、前記薄膜を照射する照射光を生成する光源と、フォトルミネッセンスによって前記薄膜から発するＰＬ光を検出する検出器と、生成した前記照射光を前記薄膜まで導くとともに、前記ＰＬ光を前記検出器まで導く共焦点光学系と、前記薄膜における前記照射光の焦点位置を、膜厚方向に走査する走査手段と、検出した前記ＰＬ光の前記膜厚方向における強度変化により、前記薄膜の膜厚を算出する膜厚算出部と、を備える。このような構成とすることにより、非破壊・非接触の手法を用いて高精度で薄膜の膜厚を測定することができる。

本発明によれば、非破壊・非接触の手法を用いて高精度で薄膜の膜厚を測定することができる膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供する。

実施形態に係る膜厚測定装置の構成を例示した図である。 実施形態の変形例に係る膜厚測定装置の構成を例示した図である。 実施形態に係る薄膜を含んだ試料を例示した断面図である。 実施形態に係る薄膜を含んだ試料のドーピング濃度を例示したグラフであり、横軸は、深さ方向を示し、縦軸は、ドーピング濃度を示す。 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。 実施形態に係る正反射光及びＰＬ光の強度変化を例示したグラフであり、横軸は、深さ方向を示し、縦軸は、正反射光及びＰＬ光の強度を示す。

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。

（実施形態）
本実施形態に係る膜厚測定装置及び膜厚測定方法を説明する。まず、膜厚測定装置の構成を説明する。その後、測定対象となる薄膜を含む試料の構成を説明する。そして、膜厚測定装置を用いた膜厚測定方法を説明する。

（膜厚測定装置の構成）
まず、本実施形態の膜厚測定装置を説明する。図１は、実施形態に係る膜厚測定装置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１は、光源１０、共焦点光学系２０、検出器３０、膜厚算出部４０、及び、走査手段を備えている。膜厚測定装置１は、基材５１上に形成された薄膜５２の膜厚を測定する。基材５１及び薄膜５２をまとめて試料５０という。したがって、試料５０は、基材５１と、基材５１上に形成された薄膜５２を含んでいる。

光源１０は、薄膜５２を照射する照射光１１を生成する。光源１０は、照射により薄膜５２からフォトルミネッセンスを発生させるような照射光１１を生成する。フォトルミネッセンスとは、物質に光（フォトン）を照射し、励起された電子が基底状態に遷移する際に光を発生すること、及び、発生された光をいう。フォトルミネッセンスによって薄膜５２から発する光をＰＬ光１２とする。光源１０は、例えば、測定対象の薄膜５２に含まれた半導体のバンド端よりも高エネルギー（短波長）の照射光１１を生成してもよいし、半導体のバンド不純物準位間よりも高エネルギー（短波長）の照射光１１を生成してもよい。例えば、光源１０として、水銀キセノンランプを用いれば、３１３ｎｍまたは３６５ｎｍの波長を含む照射光１１を生成する。

なお、光源１０は、薄膜５２においてフォトルミネッセンスを発生させることができれば、水銀キセノンランプ以外の光源１０を用いてもよい。

共焦点光学系２０は、光源１０から生成された照射光１１を薄膜５２まで導くとともに、薄膜５２からのＰＬ光１２を検出器３０まで導く。共焦点光学系２０は、照射光１１の焦点を試料５０の所定の位置に結ばせる。また、共焦点光学系２０は、薄膜５２からのＰＬ光１２の焦点を検出器３０上に結ばせる。さらに、共焦点光学系２０は、照射光１１が薄膜５２の表面５３によって反射した正反射光１３を検出器３０まで導く。共焦点光学系２０は、照射光１１の焦点を薄膜５２の表面５３上に結ばせ、正反射光１３の焦点を検出器３０上に結ばせる。

共焦点光学系２０は、具体的には、例えば、ピンホール部材２１、ピンホール部材２２、集光レンズ２３、集光レンズ２４、フィルタ２５、フィルタ２６、ビームスプリッタ２７、及び、対物レンズ２８を含んでいる。なお、共焦点光学系２０は、上記以外のレンズ、ミラー等の光学部材を適宜付加してもよい。また、共焦点光学系２０は、照射光１１を薄膜５２まで導くとともに、ＰＬ光１２を検出器３０まで導き、正反射光１３を検出器３０まで導くことができれば、上記で示した部材以外の光学部材を用いてもよい。

ピンホール部材２１及び２２は、例えば、板状の部材に微小なピンホール２１ａ及び２２ａが設けられた光学部材である。ピンホール部材２１は、ピンホール２１ａが光源１０から照射される照射光１１の出射口に対向するように配置されている。したがって、ピンホール２１ａは、生成された照射光１１を通過させる。ピンホール部材２２は、ピンホール２２ａがＰＬ光１２を検出する検出器３０の入射口に対向するように配置されている。したがって、ピンホール２２ａは、薄膜５２からのＰＬ光１２及び正反射光１３を通過させる。このように、共焦点光学系２０は、生成された照射光１１を通過させるピンホール２１ａと、薄膜５２からのＰＬ光１２及び正反射光１２を通過させるピンホール２２ａとを含んでいる。

薄膜５２の所定の位置に焦点がある場合には、薄膜５２の所定の位置からのＰＬ光１２は、検出器３０上に焦点を結ぶ。したがって、薄膜５２の焦点からのほとんど全てのＰＬ光１２がピンホール２２ａを通過する。しかしながら、薄膜５２の非合焦の位置からのＰＬ光１２は、検出器３０で収束せず拡散し、大部分のＰＬ光１２は、ピンホール部材２２で遮断される。よって、共焦点光学系２０では、焦点の合った所定の位置のみのＰＬ光１２を検出する。

集光レンズ２３は、ピンホール２１ａに対向するように配置されている。ピンホール２１ａを通過した照射光１１の光軸に、集光レンズ２３の光軸を一致させてもよい。集光レンズ２３は、ピンホール２１ａを通過した照射光１１を集光する。集光レンズ２３により集光された照射光１１は平行光となってフィルタ２５及びビームスプリッタ２７に到達する。

フィルタ２５は、集光レンズ２３と、ビームスプリッタ２７との間に配置されている。フィルタ２５は、モータ駆動により、ＯＮとＯＦＦが切り替えられる。フィルタ２５がＯＮの場合には、フィルタ２５は、所定の波長の照射光１１を通過させる。フィルタ２５がＯＦＦの場合には、フィルタ２５は、所定の波長の照射光１１を通過させるように機能せず、すべての波長の照射光１１を通過させる。例えば、ＰＬ光１２を測定時には、フィルタ２５をＯＮにして、試料５０に含まれた半導体のバンド端またはバンド不純物準位間（以下、バンド端等という。）よりも高エネルギー（短波長）のＰＬ光１２を透過させる。一方、正反射光１３を測定時には、フィルタ２５をＯＦＦにして、すべての波長の照射光１１を通過させる。

ビームスプリッタ２７は、光源１０から出射された照射光１１の一部を反射して、薄膜５２に対して照射光１１を照射させる。また、ビームスプリッタ２７は、薄膜５２のＰＬ光１２の一部及び正反射光１３の一部を透過させ、ＰＬ光１２及び正反射光１３を検出器３０に到達させる。

対物レンズ２８は、薄膜５２の表面５３に対向するように配置されている、対物レンズ２８の光軸Ｃは、薄膜５２の表面５３に直交してもよい。ここで、薄膜５２の表面５３に直交する方向を膜厚方向という。膜厚方向のうち、薄膜５２の表面５３から基材５１に向かう方向を深さ方向とする。また、膜厚方向をＺ軸方向とし、深さ方向を＋Ｚ軸方向とする。対物レンズ２８の光軸Ｃは、膜厚方向及びＺ軸方向に平行でもよい。

対物レンズ２８は、ビームスプリッタ２７で反射した照射光１１を集光する。対物レンズ２８は、ビームスプリッタ２７で反射した平行光を集光し、試料５０の所定の位置に焦点を結ばせる。また、対物レンズ２８は、ＰＬ光１２を集光する。対物レンズ２８は、集光したＰＬ光１２を平行光にして、ビームスプリッタ２７に到達させる。さらに、対物レンズ２８は、薄膜５２の表面５３で反射した正反射光１３を集光し、ビームスプリッタ２７に到達させる。

対物レンズ２８と薄膜５２との間を高屈折率の液体で満たしてもよい。高屈折率の液体は、例えば、純水である。これにより、照射光１１及びＰＬ光１２の焦点位置のＺ軸方向における分解能を向上させることができる。

フィルタ２６は、ビームスプリッタ２７と検出器３０との間に配置されている。フィルタ２６は、検出器３０の入射口に対向するように配置されている。フィルタ２６は、モータ駆動により、ＯＮとＯＦＦが切り替えられる。フィルタ２６がＯＮの場合には、フィルタ２６は、所定の波長の光を通過させる。フィルタ２６がＯＦＦの場合には、フィルタ２６は、所定の波長の光を通過させるように機能しない。例えば、ＰＬ光１２を測定時には、フィルタ２６をＯＮにして、薄膜５２のＰＬ光１２を透過させる。一方、正反射光１３を測定時には、フィルタ２６をＯＦＦにして、正反射光１３を通過させる。

集光レンズ２４は、フィルタ２６とピンホール２２ａとの間に配置されている。集光レンズ２４は、ピンホール２２ａに対向するように配置されている。フィルタ２６を通過したＰＬ光１２及び正反射光１３の光軸に、集光レンズ２４の光軸を一致させてもよい。集光レンズ２４は、フィルタ２６を通過したＰＬ光１２及び正反射光１３を集光する。集光レンズ２３により集光されたＰＬ光１２及び正反射光１３は検出器３０上に焦点を結ぶ。

検出器３０は、フォトルミネッセンスによって薄膜５２から発するＰＬ光１２を検出する。ＰＬ光１２は、薄膜５２に含まれた不純物準位に起因する発光でもよいし、薄膜５２に含まれた半導体のバンド端発光でもよい。また、検出器３０は、照射光１１が薄膜５２の表面５３で反射された正反射光１３を検出する。検出器３０は、ＰＬ光１２と正反射光１３とをフィルタ２５及び２６のＯＮ・ＯＦＦの切替によって検出する。このように、共焦点光学系２０に含まれた部材の位置を変えずに、フィルタ２５及び２６のＯＮ・ＯＦＦの切替によって、ＰＬ光１２と正反射光１３とを検出することができるので、薄膜５２の界面の位置を精度よく算出し、膜厚の精度を向上させることができる。

検出器３０は、検出したＰＬ光１２の強度及び正反射光１３の強度を、膜厚算出部４０に対して出力する。

膜厚算出部４０は、検出器３０と、信号線または無線等の情報伝達手段で接続されている。膜厚算出部４０は、検出器３０からＰＬ光１２の強度及び正反射光１３の強度を受信する。そして、膜厚算出部４０は、膜厚方向におけるＰＬ光１２及び正反射光１３の強度変化を、表面５３からの深さの関数として算出する。

また、膜厚算出部４０は、検出したＰＬ光１２の膜厚方向における強度変化により、薄膜５２の膜厚を算出する。また、膜厚算出部４０は、ＰＬ光１２の強度を、薄膜５２の表面５３からの深さの関数とした場合に、強度を、深さで微分した強度の変化率から膜厚を算出する。膜厚算出部４０は、正反射光１３の膜厚方向における強度変化により薄膜５２の表面５３の位置を検出する。

走査手段は、薄膜５２における照射光１１の焦点位置を、膜厚方向に走査する。走査手段は、例えば、対物レンズ２８に設けられている。走査手段は、例えば、対物レンズ２８をＺ軸方向に駆動するモータである。モータの駆動により、対物レンズ２８を＋Ｚ軸方向に移動させることにより、照射光１１の焦点位置を膜厚方向に走査することができる。なお、走査手段は、対物レンズ２８に設けられたモータに限らず、ステージ５４に設けられてもよい。ステージ５４上には、薄膜５２を含む試料５０が配置されている。したがって、ステージ５４を膜厚方向に移動させることにより、照射光１１の焦点位置を、膜厚方向に走査することができる。また、ステージ５４は、膜厚方向に直交する平面内で移動させることができるＸＹステージでもよい。これにより、焦点位置を膜厚方向だけでなく、膜厚方向に直交する平面内で走査することもできる。

図２は、実施形態の変形例に係る膜厚測定装置の構成を例示した図である。図２に示すように、本変形例に係る膜厚測定装置１ａは、光源１０ａ、共焦点光学系２０ａ、検出器３０、膜厚算出部４０、及び、走査手段を備えている。実施形態の膜厚測定装置１と比べて、光源１０ａが異なるとともに、共焦点光学系２０ａのフィルタ２５が設けられていない。

膜厚測定装置１ａの光源１０ａは、パルスレーザ光源である。パルスレーザ光源は、例えば、フェムト秒レーザである。

光源１０ａがパルスレーザ光源の場合には、２光子励起を行う照射光１１を生成する。２光子励起とは、物質が２個の光子を同時に吸収して励起状態へと遷移する現象をいう。例えば、半導体のバンド端よりも低エネルギー（長波長）またはバンド端不純物準位間よりも低エネルギー（長波長）の照射光１１を用いた場合には、当該半導体中において、１光子では励起させることは困難である。しかしながら、照射光１１を集光させ、照射光１１の強度が高い焦点付近のみでは、バンド端等よりも長波長の照射光１１でも２光子を同時に用いることによって励起させることができる。したがって、２光子励起により、バンド端等よりも長波長の照射光１１でも、ＰＬ光１２を発生させることができる。

このように、２光子励起では、照射光１１の強度が大きい焦点付近からのみＰＬ光１２が発生するので、焦点付近のみのＰＬ光１２を検出することができる。

ＳｉＣを含む薄膜５２に対する２光子励起では、例えば、７００ｎｍ程度の波長を含むパルス状の照射光１１を照射する。特に、フェムト秒レーザにおける単位時間当たりの光子数は大きい。したがって、ＳｉＣを含む薄膜５２における焦点付近のみＰＬ光１２を発生させることができる。このように、光源１０ａは、薄膜５２に対して、２光子励起を行う照射光１１を生成する。

なお、光源１０ａに用いられるパルスレーザ光源は、２光子励起を行うことができれば、フェムト秒レーザに限らない。

変形例に係る膜厚測定装置１ａの共焦点光学系２０ａは、例えば、ピンホール部材２１、ピンホール部材２２、集光レンズ２３、集光レンズ２４、フィルタ２６、ビームスプリッタ２７、及び、対物レンズ２８を含んでいる。共焦点光学系２０ａは、フィルタ２５が設けられていなくてもよい。なお、共焦点光学系２０ａは、上記以外のレンズ、ミラー等の光学部材を適宜付加してもよい。また、共焦点光学系２０ａは、照射光１１として、パルスレーザ光を薄膜５２まで導くとともに、ＰＬ光１２を検出器３０まで導き、正反射光１３を検出器３０まで導くことができれば、上記で示した部材以外の光学部材を用いてもよい。
なお、２光子励起では、照射光１１の強度が大きい焦点付近からのみＰＬ光１２が発生するので、ピンホール部材２１及び２２を用いなくても、焦点付近のみのＰＬ光１２を検出し、共焦点ＰＬ像を得ることができる。

検出器３０は、２光子励起による薄膜５２からのＰＬ光１２を検出する。変形例の膜厚測定装置１ａにおける上記以外の構成は、実施形態の膜厚測定装置１と同様である。

（試料の構成）
次に、測定対象となる薄膜５２を含む試料５０の構成を説明する。図３は、実施形態に係る薄膜５２を含んだ試料５０を例示した断面図である。図４は、実施形態に係る薄膜５２を含んだ試料のドーピング濃度を例示したグラフであり、横軸は、膜厚方向における深さ方向を示し、縦軸は、ドーピング濃度を示す。図３及び図４に示すように、試料５０は、基材５１と、基材５１上に形成された薄膜５２とを含んでいる。

基材５１は、例えば、半導体基板である。基材５１は、炭化ケイ素を含んでもよい。例えば、基材５１は、ＳｉＣ基板である。なお、基材５１は、ＳｉＣ基板に限らず、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板でもよい。

薄膜５２は、基材５１上に形成されている。薄膜５２は、例えば、エピタキシャル法により形成されたエピタキシャル層を含んでいる。薄膜５２は、炭化ケイ素を含んでもよい。例えば、薄膜５２は、エピタキシャル法により形成されたＳｉＣ層を含んでいる。

試料５０は、含有する不純物濃度が異なる複数の薄膜５２が基材５１上に積層されてもよい。例えば、試料５０は、−Ｚ軸方向側から＋Ｚ軸方向側へ、すなわち、試料５０の表面５３側から基材５１側に順に、薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃが積層されてもよい。薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃは、それぞれ含有する不純物濃度が異なっていることが好ましい。なお、薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃのうちの特定の薄膜５２を示す場合には、薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ、または、薄膜５２ｃといい、薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃを総称して示す場合には、薄膜５２という。

薄膜５２ａは、例えば、ドリフト層である。ドリフト層は、デバイスが形成される層である。したがって、ドリフト層は、デバイスの動作に悪影響を及ぼす欠陥を低減する必要がある。ＳｉＣ基板は、優れた物理的特性及び熱的特性を有している。したがって、高耐圧で低損失の半導体デバイスの製造に有用である。しかしながら、ＳｉＣ基板には、基底面内欠陥（ＢＰＤ）が存在することがある。そして、基底面内欠陥（ＢＰＤ）は、ＳｉＣ基板上に形成された薄膜５２中に積層欠陥（ＳＦ）を発生させる原因となる場合がある。

積層欠陥（ＳＦ）は、デバイスに対して悪影響を及ぼす。そこで、ＳｉＣ基板上にエピタキシャル法で薄膜５２を形成する際に、基底面内欠陥（ＢＰＤ）を貫通刃状転移（ＴＥＤ）に構造転換させている。貫通刃状欠陥（ＴＥＤ）は、デバイスに対する影響を低減させることができる。基底面内欠陥（ＢＰＤ）を貫通刃状転移（ＴＥＤ）に構造転換させるために、基材５１と、ドリフト層との間に複数のバッファ層が設けられている。

薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃは、例えば、バッファ層である。バッファ層において、上述のように、基底面内欠陥（ＢＰＤ）を貫通刃状転移（ＴＥＤ）に構造転換させている。薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃは、例えば、５μｍよりも小さな厚さである。

薄膜５２ａの表面５３が、試料５０の表面５３である。薄膜５２ａと薄膜５２ｂとの間は界面５５ａである。薄膜５２ｂと薄膜５２ｃとの間は界面５５ｂである。薄膜５２ｃと基材５１との間は界面５５ｃである。

図４に示すように、例えば、ドリフト層（薄膜５２ａ）は、ドーピング濃度が小さい。また、ＳｉＣ基板（基材２１）は、ドーピング濃度が大きい。ドリフト層とＳｉＣ基板との間には、２層のバッファ層が形成されている。ドリフト層側のバッファ層（薄膜５２ｂ）のドーピング濃度は、ＳｉＣ基板側のバッファ層（薄膜５２ｃ）のドーピング濃度よりも大きい。ドリフト層側のバッファ層のドーピング濃度は、ドリフト層及びＳｉＣ基板側のバッファ層よりも大きく、ＳｉＣ基板よりも小さい。ＳｉＣ基板側のバッファ層のドーピング濃度は、ドリフト層よりも大きく、ドリフト層側のバッファ層及びＳｉＣ基板よりも小さい。なお、薄膜５２におけるドーピング濃度プロファイルは、図４に示すものに限らない。

（膜厚測定方法）
次に、薄膜５２の膜厚測定方法を説明する。本実施形態の膜厚測定方法は、フォトルミネッセンスによって薄膜５２から発するＰＬ光の膜厚方向における強度変化を用いて薄膜５２の膜厚を測定する。

図５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。図５のステップＳ１１に示すように、まず、測定対象となる薄膜５２を含む試料５０の準備をする。図３に示すように、試料５０は、基材５１と、基材５１上に形成された薄膜５２と、を含んでいる。薄膜５２は、含有する不純物濃度が異なる複数の薄膜５２を含んでもよい。例えば、薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃが積層されたものでもよい。本実施形態では、複数の薄膜５２が積層されていても、各薄膜５２の膜厚を測定することができる。

次に、図５のステップＳ１２に示すように、照射光１１により、薄膜５２を照射する。具体的には、薄膜５２を照射する照射光１１を生成する。例えば、光源１０により、照射光１１を生成する。そして、生成された照射光１１を、共焦点光学系２０を介して、薄膜５２まで導く。例えば、光源１０から出射した照射光１１を、ピンホール２１ａの内部を通過させる。

ピンホール２１ａを通過させた照射光１１を、集光レンズ２３で平行光にし、フィルタ２５を介して、ビームスプリッタ２７に入射させる。ビームスプリッタ２７に入射した照射光１１の一部は、ビームスプリッタ２７で反射し、対物レンズ２８に向かう。そして、対物レンズ２８に入射した照射光１１は、対物レンズ２８で集光される。対物レンズ２８で集光された照射光１１は、薄膜５２を照射する。このようにして、照射光１１により薄膜５２を照射する。ピンホール２１ａを用いた共焦点光学系２０により、対物レンズ２８の焦点位置に照射光１１を集光することができる。

なお、初めに、薄膜５２の表面よりも−Ｚ軸方向側に照射光１１の焦点位置が位置するように照射することが好ましい。そして、＋Ｚ軸方向に焦点位置を走査することが好ましい。このようにすることで、薄膜５２の表面５３を検出することができる。

次に、図５のステップＳ１３に示すように、ＰＬ光１２を検出する。具体的には、照射光１１により照射された薄膜５２のフォトルミネッセンスによって発するＰＬ光１２を、共焦点光学系２０を介して検出器３０まで導く。例えば、照射光１１が照射された薄膜５２からは、ＰＬ光１２が発生する。発生したＰＬ光１２を対物レンズ２８によって集光させる。対物レンズ２８によって集光されたＰＬ光１２は、平行光として、ビームスプリッタ２７に到達する。そして、ビームスプリッタ２７は、到達したＰＬ光１２の一部を透過させる。

ビームスプリッタ２７を透過したＰＬ光１２は、フィルタ２６を介して、集光レンズ２４によって集光される。集光されたＰＬ光１２は、ピンホール２２ａを通過し、検出器３０に入射する。ＰＬ光１２は、検出器３０上で焦点を結ぶ。このようにして、検出器３０により、ＰＬ光１２を検出する。本実施形態では、ピンホール２１ａを通過させた照射光１１を、薄膜５２まで導くとともに、ピンホール２２ａを通過させたＰＬ光１２を検出している。ピンホール２１ａ及び２２ａを用いた共焦点光学系２０により、照射光１１の焦点位置でのＰＬ光１２を検出することができる。

また、ＰＬ光１２を検出する際には、２光子励起によるＰＬ光１２を検出してもよい。これにより、焦点付近のみのＰＬ光１２を検出することができるので、焦点位置の精度を向上させることができる。

ＰＬ光１２を検出する際には、対物レンズ２８で集光した照射光１１を薄膜５２まで導く場合に、対物レンズ２８と薄膜５２との間を高屈折率の液体で満たしてもよい。これにより、照射光１１及びＰＬ光１２の焦点位置の分解能を向上させ、焦点位置の精度を向上させることができる。

次に、図５のステップＳ１４に示すように、正反射光１３を検出する。具体的には、照射光１１が薄膜５２の表面５３によって反射した正反射光１３を、共焦点光学系２０を介して検出器３０まで導く。例えば、照射光１１が薄膜５２の表面５３で反射する。反射した正反射光１３を対物レンズ２８によって集光させる。対物レンズ２８によって集光された正反射光１３は、ビームスプリッタ２７に到達する。そして、ビームスプリッタ２７は、到達した正反射光１３の一部を透過させる。

ビームスプリッタ２７を透過した正反射光１３は、集光レンズ２４を介して、ピンホール２２ａを通過し、検出器３０に入射する。このようにして、検出器３０により、正反射光１３を検出する。

次に、図５のステップＳ１５に示すように、焦点位置が所定の深さに到達したか判断する。所定の深さは、例えば、基材５１の表面以下の深さである。照射光１１の焦点位置が所定の深さに到達していない（Ｎｏの）場合には、ステップＳ１６に示すように、薄膜５２における照射光１１の焦点位置を、膜厚方向に走査する。具体的には、例えば、対物レンズ２８を＋Ｚ軸方向に移動させる。これにより、照射光１１の焦点位置を、薄膜５２の表面５３からの深さ方向に走査する。なお、ステージ５４を−Ｚ軸方向に移動させてもよい。これにより、照射光１１の焦点位置を、薄膜５２の表面５３からの深さ方向に走査することができる。

次に、図５のステップＳ１２に示すように、照射光１１により薄膜５２を照射し、ステップＳ１３〜ステップＳ１４を繰り返す。

一方、図５のステップＳ１５において、焦点位置が所定の深さに到達した（Ｙｅｓの）場合には、ステップＳ１７に進む。そして、ステップＳ１７に示すように、検出した正反射光１３の膜厚方向における強度変化より、薄膜５２の表面５３の位置を検出する。

図６は、実施形態に係る正反射光１３及びＰＬ光１２の膜厚方向における強度変化を例示したグラフであり、横軸は、膜厚方向における深さ方向を示し、縦軸は、正反射光及びＰＬ光１２の強度を示す。

図６に示すように、照射光１１の焦点位置を深さ方向に走査する。そうすると、正反射光１３の強度は、ある位置でピークを示すようになる。正反射光１３の強度のピークの中心位置が、最も外側の薄膜５２の表面５３に対応する。このように、本実施形態の膜厚測定方法は、検出した正反射光１３の膜厚方向における強度変化により、薄膜５２の表面５３の位置を検出する。

次に、図５のステップＳ１８に示すように、ＰＬ光１２の膜厚方向における強度変化により、薄膜５２の膜厚を算出する。図６に示すように、照射光１１の焦点位置を、深さ方向に走査した場合に、ＰＬ光１２の強度は変化する。

ＰＬ光１２の強度は、例えば、薄膜５２に含まれるドーピング材の濃度によって変化する。また、ＰＬ光１２の強度は、薄膜５２に含まれるドーピング材の種類によって変化する。図６に示すように、ＰＬ光１２の強度は、表面５３近傍で低い一定値Ｐ１なっている。そして、焦点位置が深さ方向に進むにつれて、大きくなり、ある位置で極大値Ｐ２になっている。その後、小さくなり、極小値Ｐ３になっている。その後、大きくなり、一定値Ｐ４になっている。

したがって、例えば、ＰＬ光１２の強度プロファイルは、一定値Ｐ１を含む領域Ｒ１、極大値Ｐ２を含む領域Ｒ２、極小値Ｐ３を含む領域Ｒ３、及び、一定値Ｐ４を含む領域Ｒ４を有している。そして、領域Ｒ１は、薄膜５２ａからのＰＬ光１２の強度を示している。領域Ｒ２は、薄膜５２ｂからのＰＬ光１２の強度を示している。領域Ｒ３は、薄膜５２ｃからのＰＬ光１２の強度を示している。領域Ｒ４は、基材５１からのＰＬ光１２の強度を示している。

このように、ＰＬ光１２の強度プロファイルから、試料５０が含む薄膜５２を区別することができる。例えば、試料５０は、含有する不純物濃度が異なる３つの薄膜５２、すなわち、薄膜５２ａ、薄膜５２ｂ及び薄膜５２ｃを含むことを検出することができる。そして、各薄膜５２に対応する領域Ｒ１〜Ｒ３の膜厚方向の長さを算出することにより、薄膜５２の膜厚を算出することができる。

例えば、膜厚方向の分解能を大きくすることにより、各薄膜５２に対応するＰＬ光１２の強度の差異を明確にすることができる。また、各薄膜５２に含まれるドーピング材の濃度または種類の差異を大きくすることにより、ＰＬ光１２の強度の差異を大きくすることができる。これにより、各領域Ｒ１〜Ｒ４の境界を明確にすることができる。

さらに、以下に示す算出方法を用いることにより、膜厚を高精度で算出することができる。すなわち、図６に示すように、ＰＬ光１２の強度を、薄膜５２の表面５３からの深さの関数とした場合に、ＰＬ光１２の強度を、深さで微分した強度の変化率から膜厚を算出してもよい。

具体的には、例えば、図６において、表面５３から極大値Ｐ２までの間に、変化率の絶対値が大きい位置Ｇ１を有している。この位置Ｇ１は、薄膜５２ａと薄膜５２ｂとの界面５５ａに相当する。また、極大値Ｐ２から極小値Ｐ３までの間に、変化率の絶対値が大きい位置Ｇ２を有している。この位置Ｇ２は、薄膜５２ｂと薄膜５２ｃとの界面５５ｂに相当する。さらに、極小値Ｐ３から強度が一定値Ｐ４となるまでの間に、変化率の絶対値が大きい位置Ｇ３を有している。この位置Ｇ３は、薄膜５２ｃと基材５１との界面５５ｃに相当する。変化率の絶対値が大きい位置は、ＰＬ光１２の強度を深さで微分することにより求めることができる。

表面５３と界面５５ａとの間の膜厚方向における長さより、薄膜５２ａの膜厚を算出することができる。界面５５ａと界面５５ｂとの間の膜厚方向における長さより、薄膜５２ｂの膜厚を算出することができる。界面５５ｂと界面５５ｃとの間の膜厚方向における長さより、薄膜５２ｃの膜厚を算出することができる。このようにして、各薄膜５２の膜厚を測定することができる。膜厚の算出を終了した後、膜厚測定フローを終了する。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態は、フォトルミネッセンスによって薄膜５２から発するＰＬ光１２の膜厚方向における強度変化を用いて薄膜５２の膜厚を測定している。これにより、非破壊・非接触の手法を用いて高精度で薄膜５２の膜厚を測定することができる。

また、共焦点光学系２０を用いるとともに、焦点位置を、薄膜５２の深さ方向に走査している。これにより、焦点位置のみのＰＬ光１２を検出することができる。よって、深さ方向の分解能を向上させることができる。

照射光１１及びＰＬ光１２をピンホール２１ａ及び２２ａに通過させることにより、焦点以外のＰＬ光１２を遮断することができる。よって、焦点位置のＰＬ光１２のみを検出し、深さ方向の分解能を向上させることができる。

薄膜５２がＳｉＣのエピタキシャル層を含む場合には、ＳｉＣを用いたデバイスの製造工程における品質保証プロセスとして、ドリフト層及びバッファ層の膜厚を管理することができる。また、ＳｉＣ基板における基底面内欠陥（ＢＰＤ）を貫通刃状転移（ＴＥＤ）に構造転換させる際のバッファ層の膜厚を高精度で測定することができる。

薄膜５２中のドーパント種類やドーピング濃度の違いで、ＰＬ光１２の不純物発光強度が異なることを利用している。したがって、各種の複数の薄膜５２を容易に区別することができる。

２光子励起によるＰＬ光１２により、深さ方向の強度変化を測定することができる。２光子励起の発生確率は、照射光１１の強度の２乗に依存する。このため、焦点位置のＰＬ光１２の強度が大きくなるので、深さ方向の分解能を向上させ、高精度に膜厚を測定することができる。また、１光子では吸収の生じない透明な波長領域の光をフォトルミネッセンスに使用することにより、２光子が集まる焦点位置のみで、フォトルミネッセンスを発生させることができる。これによっても、深さ方向の分解能を向上させ、高精度に膜厚を測定することができる。

対物レンズ２８と薄膜５２との間を高屈折率の液体で満たしてもよい。これにより、膜厚方向における分解能を向上させることができる。高屈折の液体として、純水を用いれば、デバイスへの汚染を抑制することができる。

正反射光１３とＰＬ光１２を同じ光学系を用いて走査することで、薄膜５２の表面５３から界面までの膜厚方向における長さを高精度で算出することができる。よって、膜厚を高精度で算出することができる。

ＰＬ光１２の強度プロフィルを、薄膜５２の表面５３からの深さの関数とした場合に、ＰＬ光１２の強度を、深さで微分した強度の変化率から膜厚を算出する。よって、界面の位置を精度よく特定することができ、膜厚を精度よく算出することができる。

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。

１、１ａ 膜厚測定装置
１０、１０ａ 光源
１１ 照射光
１２ ＰＬ光
１３ 正反射光
２０、２０ａ 共焦点光学系
２１、２２ ピンホール部材
２１ａ、２２ａ ピンホール
２３、２４ 集光レンズ
２５、２６ フィルタ
２７ ビームスプリッタ
２８ 対物レンズ
３０ 検出器
４０ 膜厚算出部
５０ 試料
５１ 基材
５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 薄膜
５３ 表面
５４ ステージ
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ 界面

Claims (16)

1. フォトルミネッセンスによって薄膜から発するＰＬ光の膜厚方向における強度変化を用いて前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
   基材と、前記基材上に形成された前記薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定し、
   前記薄膜を照射する照射光を生成し、生成された前記照射光を、共焦点光学系を介して、前記薄膜まで導き、前記照射光により前記薄膜を照射するステップと、
   前記照射光が照射された前記薄膜の前記ＰＬ光を、前記共焦点光学系を介して検出器まで導き、前記検出器により、前記ＰＬ光を検出するステップと、
   前記照射光の焦点位置を、前記膜厚方向に走査するステップと、
   前記ＰＬ光の強度を、前記薄膜の表面からの深さの関数とした場合に、前記強度を、前記深さで微分した前記強度の変化率から前記膜厚を算出するステップと、
   を備えた膜厚測定方法。
2. 前記基材は、半導体基板であり、
   前記薄膜は、エピタキシャル法により形成されたエピタキシャル層を含む、
   請求項１に記載の膜厚測定方法。
3. 前記基材は、炭化ケイ素を含み、
   前記薄膜は、炭化ケイ素を含む、
   請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
4. 前記試料は、含有する不純物濃度が異なる複数の前記薄膜が前記基材上に積層されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
5. 前記ＰＬ光を検出するステップにおいて、
   第１ピンホールを通過させた前記照射光を、前記薄膜まで導くとともに、第２ピンホールを通過させた前記ＰＬ光を検出する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
6. 前記ＰＬ光を検出するステップにおいて、
   ２光子励起による前記ＰＬ光を検出する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
7. 前記ＰＬ光を検出するステップにおいて、
   前記共焦点光学系は、対物レンズを含み、
   前記対物レンズで集光した前記照射光を前記薄膜まで導き、その際に、前記対物レンズと前記薄膜との間を高屈折率の液体で満たす、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
8. 前記照射光が前記薄膜の表面によって反射した正反射光を、前記共焦点光学系を介して前記検出器まで導き、前記検出器により、前記正反射光を検出するステップと、
   検出した前記正反射光の前記膜厚方向における強度変化により、前記薄膜の表面の位置を検出するステップと、
   をさらに備えた、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
9. 基材と、前記基材上に形成された薄膜と、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、
   前記薄膜を照射する照射光を生成する光源と、
   フォトルミネッセンスによって前記薄膜から発するＰＬ光を検出する検出器と、
   生成された前記照射光を前記薄膜まで導くとともに、前記ＰＬ光を前記検出器まで導く共焦点光学系と、
   前記薄膜における前記照射光の焦点位置を、前記薄膜の膜厚方向に走査する走査手段と、
   前記ＰＬ光の強度を、前記薄膜の表面からの深さの関数とした場合に、前記強度を、前記深さで微分した前記強度の変化率から前記膜厚を算出する膜厚算出部と、
   を備えた膜厚測定装置。
10. 前記基材は、半導体基板であり、
    前記薄膜は、エピタキシャル法により形成されたエピタキシャル層を含む、
    請求項９に記載の膜厚測定装置。
11. 前記基材は、炭化ケイ素を含み、
    前記薄膜は、炭化ケイ素を含む、
    請求項９または１０に記載の膜厚測定装置。
12. 前記試料は、含有する不純物濃度が異なる複数の前記薄膜が前記基材上に積層されている、
    請求項９〜１１のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
13. 前記共焦点光学系は、
    生成された前記照射光を通過させる第１ピンホールと、
    前記薄膜からの前記ＰＬ光を通過させる第２ピンホールと、
    を含む、
    請求項９〜１２のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
14. 前記光源は、前記薄膜に対して、２光子励起を行う照射光を生成し、
    前記検出器は、前記２光子励起による前記ＰＬ光を検出する、
    請求項９〜１３のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
15. 前記共焦点光学系は、生成された前記照射光を集光する対物レンズを含み、
    前記対物レンズと前記薄膜との間を高屈折率の液体で満たす、
    請求項９〜１４のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
16. 前記共焦点光学系は、前記照射光が前記薄膜の表面によって反射した正反射光を前記検出器まで導き、
    前記検出器は、前記正反射光も検出し、
    前記膜厚算出部は、前記正反射光の前記膜厚方向における強度変化により前記薄膜の表面の位置を検出する、
    請求項９〜１５のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。

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