JP7492183B2

JP7492183B2 - 多層膜の非接触測定法

Info

Publication number: JP7492183B2
Application number: JP2023501990A
Authority: JP
Inventors: 雅太田; 慶太山口; 裕士藤原; 賢哉鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: WO2022180830A1; JPWO2022180830A1

Description

本発明は、多層膜の非接触測定法に関し、より詳細には、光デバイスの製造工程において、各工程において形成される膜の膜厚、屈折率を非接触で測定する測定法に関する。

半導体レーザ、フォトダイオード、光波長合分波器、光スイッチなどの光デバイスは、光集積回路を備えて構成される。光ファイバ通信においては、伝送媒体である光ファイバはもとより、光信号処理を行うためのこれら光デバイスにおける光集積回路が重要な役割を果たす（例えば、非特許文献１参照）。半導体レーザは、光の発振器として信号を重畳するための光波を生成し、フォトダイオードは、光信号の強度を電気信号に変換する素子として動作する。また、アレイ導波路格子に代表される光波長合分波器は、異なる光の波長を合波・分波する素子として波長分割多重通信に用いられる（例えば、非特許文献２参照）。光スイッチは、光の経路をルーティングする素子としてＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing）システムにおいて重要な機能を有している。これらの光集積回路は、一般に基板上に形成された光導波路により構成される。光導波路は、光信号が伝搬するコアとそれを取り囲むクラッドからなる。半導体レーザやフォトダイオードは、ＩｎＰなどの半導体材料により構成され、アレイ導波路格子や光スイッチは、主に石英ガラスからなる光導波路材料で構成される。

図１に、従来の光導波路の製造方法を示す。石英系ガラスからなる石英系平面光波回路を例に説明する。最初に、下部クラッド堆積工程１において、シリコン基板（ウエハ）１１上に下部クラッド１２となるガラス膜を堆積する。下部クラッド１２は、火炎堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition）により堆積されたＰ_２Ｏ_５やＢ_２Ｏ_３を添加したＳｉＯ_２からなる。ＦＨＤ法で堆積されたスート状のガラス粒子を１０００℃以上の高温で加熱し透明な下部クラッド１２を得る。次に、コア堆積工程２において、同じくＦＨＤ法を用いて、下部クラッド１２よりも高い屈折率を有するコア１３となる薄膜ガラスを堆積する。コア１３の堆積にあたっては、ＧｅＯ_２をＳｉＯ_２に添加することにより、所望の屈折率値を得ることができる。下部クラッド堆積工程１と同様に１０００℃以上の高温で加熱し、透明なコア１３を形成する。

フォトレジスト成膜工程３において、スピンコートにより基板上にフォトレジスト膜１４を成膜する。次に、回路パターン露光工程４において、フォトマスク１５を介してＵＶ光１６をフォトレジスト膜に照射することにより、マスクパターンに応じた回路パターンを露光する。そして、フォトレジスト現像工程５において、フォトレジスト膜の回路パターンを現像し、フォトレジストパターン１７を得る。

次に、エッチング工程６において、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により、フォトレジストパターン１７をコアに転写し、コアパターン１８を得る。そして、レジスト除去工程７において、コア上に残ったフォトレジストをアッシングにより除去する。最後に、上部クラッド堆積工程８において、下部クラッド堆積工程１における下部クラッド堆積と同様の方法によって、上部クラッド１９を堆積する。

以上の製造工程で得られる光導波路に対して、光学特性など種々の特性の検査が行われる。従来、この検査結果を製造工程に反映するためには、一連の工程が全て終了した後、それぞれの工程において、検査結果を反映した製造条件を設定していた。この方法は、それぞれの工程における製造誤差が蓄積していくので、後工程になるほど、検査結果の精度が低いという問題があった。一方、一工程が終了した時点で得られた検査結果から、当該工程の製造条件を再設定したり、後工程の製造条件を調整することにより、製造誤差の蓄積を抑えることができる。

そこで、ある工程で得られる加工結果の情報、例えば、フォトリソグラフィ現像工程で得られるレジストパターン幅の情報を、現像工程の工程直後に知ることができれば、後工程であるエッチング工程においてパターン幅の情報を反映した工程を実施できる。また、コア堆積工程で得られるコアの膜厚、屈折率を、堆積工程の工程直後に知ることができれば、後のフォトリソグラフィ工程やエッチング工程で形成される光導波路の光学特性を予測することもできる。このように、前の工程で得られる光導波路構成要素の特性値を、前の工程中または工程直後に取得することにより、後工程の加工条件に反映したり、後工程で得られる光学特性の予測に用いることができることは、製造工程のスループットの点でも好都合である。

しかしながら、製造工程を中断することなく、上述したように、前工程で得られた情報を、後工程の加工条件に反映等するためには、前工程での検査は、非接触で行われ、製造工程に影響を与えない検査が必要である。

T. Miya, "Silica-based planar lightwave circuits: passive and thermally active devices," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 6, no. 1, pp. 38-45, Jan.-Feb. 2000, doi: 10.1109/2944.826871. Inoue, Y.; Kaneko, A.; Hanawa, F.; Takahashi, H.; Hattori, K.; Sumida, S.: 'Athermal silica-based arrayed-waveguide grating multiplexer', Electronics Letters, 1997, 33, (23), p. 1945-1947, DOI: 10.1049/el:19971317

本発明の目的は、多層膜を形成する製造工程において、各々の工程における膜厚、屈折率を非接触により測定することができる測定法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、基板上に形成された多層膜の各膜の物性値を測定する多層膜の非接触測定法において、前工程で得られた第１の膜の第１の測定結果を取得するステップであって、前記第１の測定結果は、前記第１の膜の表面に照射したレーザ光の当該表面からの反射光の光強度である、ステップと、現在の工程で形成された第２の膜の第２の測定結果を取得するであって、前記第２の測定結果は、前記第２の膜の表面に照射したレーザ光の当該表面からの反射光の光強度である、ステップと、前記第２の測定結果と前記第１の測定結果の差分であって、前記反射光の光強度から求めた、波長に対する反射率で表された反射スペクトルの差分を算出するステップと、前記差分から前記第２の膜の膜厚および屈折率を算出するステップとを備えたことを特徴とする。

図１は、従来の光導波路の製造方法を示す図、図２は、本発明の一実施形態にかかる光導波路の製造方法を示す図、図３は、本実施形態のフィードフォワードシステムを一般化して示すブロック図、図４は、本発明の一実施形態にかかる測定装置の概略の構成を示す図、図５は、本実施形態の測定装置による下部クラッドの反射スペクトルを示す図、図６は、下部クラッドの膜厚および屈折率の算出方法を説明するための図、図７は、本発明の一実施形態にかかる多層膜の測定方法を示す図、図８は、本実施形態の測定装置によるコアの反射スペクトルを示す図、図９は、コアの膜厚および屈折率の算出方法を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の製造方法は、製造工程における一工程で形成される、その時点での光デバイスの構成要素または特性について計測を行い、その計測したデータを基づいて、後工程の製造条件を調整ないし補正を行う（以下、この方式を「フィードフォワードシステム」とも言う）。フィードフォワードシステムにより、光デバイスの光学特性のばらつきを抑制するなど、最終的に得られる光デバイスについて所望の光学特性を得ることを可能にする。

図２に、本発明の一実施形態にかかる光導波路の製造方法を示す。フィードフォワードシステムは、一工程で形成される光デバイスの構成要素について「計測」を行い、この計測結果に基づいて光学特性推定処理２１によって「光学特性推定」を行う。そして、推定結果に基づきプロセスコントロール処理２２によって後工程のプロセスの「制御」を行う。

例えば、下部クラッド堆積工程１で形成される下部クラッド膜の屈折率と厚み、コア堆積工程２において堆積するコア層の屈折率と厚みを「計測」する。この測定結果に基づいて、標準の（ノミナルの）設計値で作製されたデバイスの最終的な光学特性を推定する。そして、推定された光学特性に基づいて、後工程であるエッチング工程６において、エッチングの強度ないし時間を「制御」する。

具体的には、「計測」したコア層の膜厚および屈折率、下部クラッドの屈折率に基づいて、光デバイスとして要求される性能を満たすためのパターンの理想的なコア幅を推定（予測）する。そして、エッチング工程６では、この予測値に基づいてエッチングを行う。例えば、標準の（ノミナルの）設計値では「コア加工後の導波路幅が太く」、所望の性能を満たすことができないという予測情報の場合、エッチング工程で、形成されるコア幅を細くする補正を行う。この時の調整方法は、エッチング時間を短く／長くする、またはエッチング強度を弱く／強くすることにより、コア幅を太く／細くする方法などが考えられる。さらに、エッチング工程６で形成される導波路のパターンにおけるコアの幅や段差を「計測」し、この計測結果に基づき、上部クラッド堆積工程８で形成する上部クラッド膜の屈折率などを「制御」し、最終的に得られる光導波路の光学特性を調整することもできる。

以上のとおり、本実施形態のフィードフォワードシステムは、光デバイスを製造する複数の工程のうち、前工程の工程中において、形成された光デバイスの構成要素の形状、特性等を測定し、この測定結果に基づいて、最終的に完成したデバイスの性能が所期の条件を満たすように、後工程における製造条件を調整ないし補正を行う。

図３に、本実施形態のフィードフォワードシステムを一般化して示す。フィードフォワードシステムは、Ｍ個の工程からなる光デバイスの製造手順を含み、製造対象物である光デバイスを、工程１、工程２・・・、工程ｉ、・・・工程ｊ、・・・工程Ｍの順序で実施する。ここで、ｉ＜ｊのとき、工程ｊは工程ｉより時間的に後の工程である。フィードフォワードシステムは、計測データ処理部３１および制御データ処理部３２を含む。計測データ処理部３１は、図２を参照して上述した光学特性推定処理２１を実行し、制御データ処理部３２は、プロセスコントロール処理２２を実行する。計測データ処理部３１および制御データ処理部３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを有して構成されるコンピュータの形態とすることができる。

図３において、実線は製造対象物の工程に従った流れを示している。また、破線はそれぞれの工程の「計測」によって得られる計測データを、また、一点鎖線はそれぞれの工程に対する「制御」のための制御データを、それぞれ示している。このように、本実施形態のフィードフォワードシステムは、工程ｉで、その製造に係る製造装置もしくはその計測装置から計測データを取得し、計測データ処理部３１へと転送する。計測データ処理部３１は、計測データに基づいて、工程ｉで形成される光デバイスの構成要素の形状ないし特性を予測する。または、計測データに基づき、工程ｉにおいて最終的に得られる、光デバイスの光学特性を予測してもよい。

計測データ処理部３１で導出された予測値は、制御データ処理部３２に渡される。制御データ処理部３２は、予測値に基づいて、後工程である工程ｊにおける製造条件を求める。制御データ処理部３２は、工程ｊが実行される際に、求めた製造条件に応じて、製造装置に設定する工程ｊ用の制御データを供給する。後工程ｊを実行する際に供給される前工程に基づく制御データは、前工程ｉに基づく制御データのみであってもよく、あるいは、前工程のいくつかに基づく複数種類の制御データであってもよい。その形態は、実際に構成される製造装置および製造対象物などの条件に応じて定められることはもちろんである。

本実施形態のフィードフォワードシステムにおいて、各々の工程における膜厚、屈折率を非接触により測定する方法について、以下に説明する。

［測定装置］
図４に、本発明の一実施形態にかかる測定装置の概略の構成を示す。測定装置は、製造対象物である光デバイスにレーザ光を照射し、対象物からの反射光を解析して、非接触により、光デバイスに形成されている膜の物性値、例えば膜厚、屈折率を測定する。測定原理として、従来の分光反射式膜厚計、分光エリプソメーターなどの測定方式を適用することができる。

測定装置は、光学測定系１０１とテスタ１０２とにより構成されている。測定対象となる光デバイスが形成されたシリコンウエハ１１４は、ウエハチャック１１３に固定され、基台１１１上の駆動機構１１２によって、３軸方向に移動させられる。テスタ１０２に接続されたテストヘッド１２１は、送光光学系１２２、受光光学系１２３および制御回路１２４を備えている。テスタ１は、シリコンウエハ１１４に形成されている光デバイスを構成する膜の所望の位置に、送光光学系１２２からのレーザ光を照射するように、駆動機構１１２を制御し、テストヘッド１２１の制御回路１２４に指令を送出する。対象物からの反射光を受光光学系１２３により受光し、制御回路１２４は、受光光学系１２３からの信号を処理して、測定結果をテスタ１に送り返す。

テスタ１は、後述するように、受光光学系１２３からの信号を解析して、シリコンウエハ１１４に形成されている各膜の物性値を算出する。

［膜厚、屈折率の非接触測定法］
例えば、図１，２の下部クラッド堆積工程１で形成される下部クラッド１２を、分光反射式で測定する場合を説明する。テスタ１は、テストヘッド１２１の送光光学系１２２から、下部クラッド１２の表面に対して、所定の入射角で波長掃引範囲４５０－９００ｎｍのレーザ光を照射する。受光光学系１２３で受光した光の光強度から、テスタ１は、波長に対する反射率で表された反射スペクトルを算出する。

図５に、本実施形態の測定装置による下部クラッドの反射スペクトルを示す。送光光学系１２２から出射されたレーザ光は、下部クラッド１２の表面と、基板１１と下部クラッド１２の界面とにおいて反射し、受光光学系１２３には、両者が干渉した反射光が入射される。この光の干渉が反射スペクトルに反映され、膜が均一に形成されていれば、干渉により波打ったスペクトルが観測される。膜厚が薄い場合は、波の幅は大きくなり（波の数は少なくなり）、膜厚が厚い場合は、波の幅は小さくなる（波の数は多くなる）。テスタ１は、この反射スペクトルの波の振幅、周期から下部クラッド１２の膜厚と屈折率とを算出することができる。

図６を参照して、下部クラッドの膜厚および屈折率の算出方法を説明する。送光光学系１２２からの入射光の強度Ｅ_０、下部クラッド１２の表面から反射された反射光の強度Ｅ_１、基板１１と下部クラッド１２の界面とにおいて反射された反射光の強度Ｅ_２とする。さらに、下部クラッド１２および基板１１と下部クラッド１２の界面の間を往復して、下部クラッド１２の表面から出射される反射光をＥ_３，Ｅ_４，...、受光光学系１２３に入射される反射光全体の光強度Ｅとすると、

（１）

となる。ここで、ｒ_ｉｊは屈折率ｎ_ｉのｉ番目の層（０は空気中）からの入射光が屈折率ｎ_ｊのｊ番目の層との界面で反射したときの反射率であり、ｒ_ｉｊ＝－ｒ_ｊｉである。また、ｔ_ｉｊはｉ層とｊ層の界面をｉ層からｊ層に透過したときの透過率であり、ｔ_ｊｉはその逆であり、ｉ番目の層の膜厚ｄ_ｉ、屈折率ｎ_ｉ、波長λとしたとき、ｉ番目の層を往復したときの位相係数Δ_ｉは、

である。このとき、ＴＥ（Ｐ）波に対する反射率と透過率とは、

であり、ＴＭ（Ｓ）波に対する反射率と透過率とは、

である。上式をマクローリン展開から整理して、１番目の層である下部クラッド１２からの反射光全体の反射率ｒ_１は、

となる。次に、反射率ｒ_１の波長依存性、すなわち反射スペクトルの振幅、周期から、下部クラッド１２の膜厚ｄ_１と屈折率ｎ_１とを算出する。

［多段階測定法］
次に、図１，２のコア堆積工程２で形成されるコア１３を、分光反射式で測定する場合を説明する。上述した送光光学系１２２から出射されたレーザ光は、コア１３の表面、コア１３と下部クラッド１２の界面、および基板１１と下部クラッド１２の界面において反射する。分光反射式で測定する場合、基板１１と下部クラッド１２の界面からの反射光はノイズとなるので、膜厚と屈折率の算出に際しては除去する必要がある。一方、石英系平面光波回路では、コア１３と下部クラッド１２との屈折率差は１％程度と小さいため、コア１３と下部クラッド１２の界面における反射率よりも、基板１１と下部クラッド１２の界面における反射率の方が高い。加えて、コア１３の膜厚は数μｍ程度と薄いため、基板１１と下部クラッド１２の界面からの反射光の成分が大きく、膜厚と屈折率の算出が困難である。

そこで、本実施形態では、多層膜を形成する製造工程において、前工程で測定した結果を、現在の工程の測定結果に反映させる多段階測定法を適用する。

図７に、本発明の一実施形態にかかる多層膜の測定方法を示す。コア堆積工程２で形成されるコア１３を、分光反射式で測定する場合を説明する。前工程の下部クラッド堆積工程１で形成される下部クラッド１２の測定結果を取得する。反射スペクトルは図５に示した通りであり、ここから得られた下部クラッド１２の物性値（ｎ，ｄ）、ここでは屈折率と膜厚を取得する（Ｓ１４１）。次に、コア堆積工程２で形成されるコア１３の測定結果を取得する（Ｓ１４２）。

図８に、本実施形態の測定装置によるコアの反射スペクトルを示す。上述したように、コア１３の測定結果は、コア１３と下部クラッド１２との屈折率差が小さいため、図８に示すように、反射スペクトルの包絡線にゆらぎが生じる。

図９を参照して、コアの膜厚および屈折率の算出方法を説明する。送光光学系１２２からの入射光に対して、受光光学系１２３に入射される反射光全体の光強度Ｅ_{ｔｏｔａｌ}は、
Ｅ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｅ＋Ｅ’
である。（１）式により算出した、コア１３の表面から出射される反射光全体の強度Ｅに加えて、下部クラッド１２から反射された反射光全体の強度Ｅ’が加わる。ここで求めた反射率の反射依存性、すなわち反射スペクトル（図８）から、前工程の測定結果である反射スペクトル（図５）の差分を算出する（Ｓ１４３）。この差分、すなわちゆらぎの振幅、周期からコア１３の膜厚と屈折率とを算出する（Ｓ１４４）。

さらに、上部クラッド１９を形成するなど、３つ以上の層を形成する場合には、前工程の測定結果である膜厚と屈折率とを定数として反射率を求め、反射率の波長依存性を解析し、現在の工程の膜厚と屈折率の解を求める。例えば、基板上に４つの層を積層し、最後の工程で形成した層の膜厚と屈折率を算出する場合を考える。最初の工程で形成した層からの反射光全体の反射率ｒ_４を定数として、２番目の工程で形成した層の反射率ｒ_３＋４を求め、さらに、３番目の工程で形成した層の反射率ｒ_{２＋３＋４}を求める。最後の工程で形成した層の反射率ｒ_{１＋２＋３＋４}から、反射率の波長依存性を解析し、最後の工程で形成した４番目の層の膜厚と屈折率の解を求める。

本実施形態によれば、多層膜を形成する製造工程において、各々の工程における膜厚、屈折率を非接触により測定し、その差分を解析することにより、各工程で形成された膜の物性値を取得することができる。

［温度情報の活用］
屈折率の測定は、測定時の温度によって左右される。例えば、基板材料であるＳｉＯ_２は、線膨張係数が約０．５×１０^－６（室温～１０００℃）、屈折率変化率約１０^－５／Ｋである。一般的に、光信号処理を行う光デバイスでは、屈折率を１０^－５程度の精度で制御する必要があるために、温度情報を活用した測定値の補正は有益である。

本実施形態の測定装置においては、ウエハチャック１１３の上面に、複数のサーミスタを配置して、シリコンウエハ１１４の任意の位置の温度を測定する。下部クラッド１２、コア１３の屈折率を算出する際に、測定された温度から、上記の温度に対する屈折率変化率を加味して算出する。また、膜厚を算出する際に、測定された温度から、上記の線膨張係数を加味して算出する。

ウエハにおける温度の測定点は、所定の間隔で設けてもよいし、ウエハに形成される光回路１チップごとに、所定の測定点を設けてもよい。さらに、１チップの中に形成される機能部品、屈折率変換に影響を受け易い機能部品ごとに測定点を設けることが好適である。この場合、上述した反射率の測定における測定点も、温度測定の測定点と同じとする。

例えば、代表的な光回路であるアレイ導波路格子（ＡＷＧ）について説明する。ＡＷＧは、入力導波路に接続された入力スラブ導波路と出力導波路に接続された出力スラブ導波路との間を、それぞれの物理的な導波路長の差がΔＬの複数のアレイ導波路で接続している。ＡＷＧの光学特性のうち、中心波長λ_０は、

により決定される。ここで、ｎ_ｃはアレイ導波路の実効屈折率、ｍは回折次数である。アレイ導波路の実効屈折率は、クラッドとコアの膜厚によって決定され、その均一性が干渉特性に影響を与える。このため、製造誤差が中心波長の精度に与える影響が大きい。従って、複数のアレイ導波路を精度よく均一に作製するために、例えば、入力スラブ導波路、アレイ導波路の中間地点、出力スラブ導波路の付近において、温度の測定点を設け、温度分布を導出しておく。このように屈折率の測定精度を担保することにより、後工程の製造条件を調整ないし補正を行う精度も向上させることが可能となる。

［機械学習による特性予想］
上述した温度の測定結果は、機械学習による物性値の予想に必要なデータとして格納しておくことが考えられる。取得した温度情報からウエハチャック１１３上に固定されたシリコンウエハ１１４の温度分布を算出することにより、サーミスタが配置されていない光回路の任意の位置の温度も取得することができ、より正確な屈折率、膜厚の補正を行うことができる。

温度分布を算出する上で、フィッティングに必要な関係式が不明であっても、実測データを教師データとして、中心波長に対する導波路幅、高さなど、相関のある特徴量と合わせて学習させることにより、温度分布を算出することができる。

Claims

基板上に形成された多層膜の各膜の物性値を測定する多層膜の非接触測定法において、
前工程で得られた第１の膜の第１の測定結果を取得するステップであって、前記第１の測定結果は、前記第１の膜の表面に照射したレーザ光の当該表面からの反射光の光強度である、ステップと、
現在の工程で形成された第２の膜の第２の測定結果を取得するであって、前記第２の測定結果は、前記第２の膜の表面に照射したレーザ光の当該表面からの反射光の光強度である、ステップと、
前記第２の測定結果と前記第１の測定結果の差分であって、前記反射光の光強度から求めた、波長に対する反射率で表された反射スペクトルの差分を算出するステップと、
前記差分から前記第２の膜の膜厚および屈折率を算出するステップと
を備えたことを特徴とする多層膜の非接触測定法。
前記基板の任意の位置の温度を測定するステップをさらに備え、
前記膜厚および前記屈折率を算出するステップは、温度による補正をさらに行うことを特徴とする請求項１に記載の多層膜の非接触測定法。
前記基板の複数の位置において測定された温度から、機械学習により温度分布を算出するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の多層膜の非接触測定法。