JPH0317505A - 薄膜の厚さを測定する方法および装置 - Google Patents
薄膜の厚さを測定する方法および装置Info
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- G01N21/211—Ellipsometry
Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
装置は非常に局部的な領域における薄膜の厚さを正確に
測定するようになっている。
発展させるのに多大の関心が持たれている。かかる要請
は極めて薄い膜をシリコン基板上lこ取付ける半導体製
造工業において特に重要である。
円偏光計において、周知の偏光を有するプローブビーム
が試料面に送られて傾斜角で反射される。基板上の膜層
の厚さは反射ビームの偏光状態を発生させる。反射ビー
ムの偏光状態を測定することによって、膜層の厚さに関
する情報が得られる。
非常に有用である。しかしながら、楕円偏光計の空間的
分解能は直径が20乃至30ミクロン程度の領域に限定
される。半導体の製造においては、非常に小さい領域、
すなわち直径がlミクロン程度における厚さを測定する
ことがしばしば必要となる。楕円偏光計はかかる要求を
達成し得ない。楕円偏光計の別の欠点は、測定範囲が非
常に狭いことである。楕円偏光計は極端に清い層につい
ては全く良好に作用するが、約1000オングストロー
ム以上の厚さに対しては非効率的である。
光状態を測定する。従来の全く別種の層厚さ測定装置は
、プローブビームが試料面から反射された時に生じる表
面反射率の変化に見られる干渉効果を測定する。薄膜層
から少なくとも部分的に送られるプローブビームの波長
が選定される場合は、該薄膜層の上面および基板の上面
から反射が生じる。これらの二つの反射光線の干渉が層
厚さに従って変化する干渉効果を発生させる。これらの
干渉効果すなわち表面の反射率変化を反射ビームの強さ
を光検出器を使用して測定することによって検出する。
る。分光光度計b測定において、試料を種々の光波長で
走査する。膜を通る位相のずれは各波長ごとに異なるの
で、各波長は異なる干渉効果を受ける。異なる波長によ
って生じる異なる干渉効果を調べることによって、薄膜
層の厚さに関する情報が得られる。多くの分光光度計に
おいて、プローブビームの波長はかなりの範囲に亘って
変化して測定における不明確さを減少させる。かかる装
置の諸例が1974午7月16日発行の米国特許第3,
824.017号、1981年IO月6日発行の米国特
許第4,293.224号、および1985午11月2
6日発行の米国特許!4,555.766号に開示され
ている。
に、干渉計装置を所定位置に使用して処理中に変化する
層厚さを監視する。明らかなように、層の厚さが被覆操
作中に変化するので、反射したプローブビームの干渉縞
が変化する。この干渉縞の変化を監視することによって
、変化する層の厚さに関する情報が得られる。
変化すなわちlの厚さ変化のような既知の変数が導入さ
れて層厚さに関する情報を得る。
角の変化である。干渉効果はプローブビームの入射角の
変化につれて変化する。入射ビームの入射角が変化する
装置の一例が1984年6月I2日発行の米国特許第4
.453.828号に見られる。
の技術は前述した楕円偏光技術よりも良好な空間分解能
を有する。しかしながら、最良の干渉計技術でさえも直
径が約2乃至3ミクロンの分解能に限定される。さらに
重要なことに、従来の干渉計技術は200オングストロ
ーム以下の厚さの薄膜を測定することができない。いず
れにせよ、干渉計技術は前述した楕円偏光技術ほど精確
ではない。
許第4.660.980号に記載されている。この装置
においては、主としてS偏光を有する光線から或るレー
ザビームがブリュースタ角近くで試料面から反射される
。層が比較的厚く、すなわち50ミクロン程度とすると
、複数の反復する極微小の干渉縞が反射プローブビーム
を横切って発生する。前記米国特許第4,660.98
0号の装置においては、干渉縞の数を計算して層の厚さ
に関する情報を得るのに使用する。従って、この装置は
多数干渉縞を発生させる比較的厚い薄膜層を測定するこ
とに限定される。そのうえ、この装置は入射ビームをブ
リュースタ角の近くの入射角を有する必要があるために
、明確な焦点が形戊されず、空間分解能が犠牲になる。
する新規にして改良された装置を提供するものである。
で薄膜厚さを測定する装置を提供することが本発明の目
的である。
ロームの薄膜の厚さを測定する新規にして改良された装
置を提供することである。
の厚さを測定する新規にして改良された装置を提供する
ことが本発明の目的である。
置を必要とせずに薄膜層の厚さを精確に測定する新規に
して改良された装置を提供することが本発明の目的であ
る。
扱かう必要なしに薄膜層の厚さを測定する新規にして改
良された装置を提供することが本発明の目的である。
規にして改良された装置を提供することが本発明の目的
である。
の付加的検出器を使用して薄膜厚さの精確度を向上させ
る方法を提供することも本発明の目的である。
成された薄膜『の厚さを測定するための新規にして改良
された方法および装置を与える。
板上に形戊された層厚さを測定するのに適する。
ビームを発生させる装置を含有する。好ましい実施例に
おいては、レーザが使用される。
しく合わせるビームを発生させ、かつ反射率を精確に測
定するのに充分な性能を有するからである。高い開口数
のレンズを使用してレーザビームを試料面にほぼ直角に
焦点を合わせる。高開口数レンズを使用すると約1ミク
ロンの点状の微小直径に焦点を合わせることができる。
試料面に関して広い範囲の入射角を有する前記焦点合わ
せされた入射ビームの範囲内で光線パターンが形威され
る。焦点合わせされたプローブビームの範囲内で種々の
入射角を有する種々の光線から得られる情報を使用し嬬
層の厚さに関する情報を入手することができる。
を焦点合わせされた入射プローブビームの範囲内の種々
の入射光線の入射角の関数として測定することによって
達成される。試料面に関する焦点合わせされたプローブ
ビームの範囲内の入射光線の入射角は反射プローブビー
ムにおける光線位置に関係する。詳述すると、反射プロ
ーブビームの中心光線は入射ビームの中心光線に対応す
る。プローブビームが試料面に垂直に焦点が合わされる
とすると、中心光線の入射角は0°である。
射角に対応する。最大の入射角はレンズの焦点合わせ力
すなわち開口数に依存する。最大入射角θ.は次の方程
式によって与えられる。
ビーム中の光線の億置は焦点合わせされた入射プローブ
ビーム中の関係光線の入射角の正弦である。
ついて測定できるならば、層の厚さに関する情報が得ら
れる。これは干渉効果が種々の入射角に対して変化する
からである。干渉効果(すなわち面反射率の変化)は反
射プローブビームに関する強度変化として見られる。あ
る厚さの薄膜基板からの直線偏光の予想反射率を7レネ
ルの方程式の使用により計算することができる。角度に
依存する強度の測定値を7レネルの方程式から得られた
予想値と比較すると薄膜層の厚さに関する情報が得られ
る。
最初は直線偏光であり、試料面に直角に精確に焦点合わ
せされる時に、この入射光線は試料面に関して大部分が
S偏光およびP偏光を有する。検出装置は、入射ビーム
のSおよびPの偏光成分から干渉効果を分離しかつ検出
するような方向に二つの直交配列を含有する。各偏光状
態に対する角度依存分布を測定することによって、測定
値の不明確さが減少して精度が向上する。
P偏光の反射率に関する情報を使用して、薄膜層または
基板の屈折率に関する情報が得られる。前述したように
、高開口度レンズを使用すると比較的大きい広がりの入
射角を焦点合わせされた入射プローブビームの光線中に
発生させる。好ましい実施例においては、入射角は常光
線だけでなくブリュースタ角の光線を含む。ブリュース
タ角においては、P偏光反射光線の強度は層の厚さの変
化とともに著るしくは変化しない。従って、ブリュース
タ角近くの入射光線の反射率を測定すると、基板または
薄膜層の屈折率に関する情報が得られる。
る。この装置は50乃至50 . 000オングストロ
ームの層に対して情報を提供する。また、直径1ミクロ
ン程度の立体的分解能が得られることも重要である。こ
のように、広範囲の層厚さについて局部的厚さを精確に
測定することができる。
定することに1って向上させることができる。特に、試
料面の反射能は薄膜層の厚さに関係してほぼ正弦曲線的
に変化することが知られている。しかしながら、層の厚
さに関する情報は、特定の反射能を多数の異なる層厚さ
について同じように測定できる点で前述した測定からは
得られない。これらの不明確さは、本発明の前述した装
置を使用して層厚さの近似値を測定することによって除
去することができる。かかる測定を行なうことにより、
反射ビームの全量に基づく反射率測定から得られたデー
タを使用して層厚さの不確定さを減少させることができ
る。この付加的な感度は、前記反射ビームの全量の測定
量の信号対ノイズ比が特定入射角に対応する離散点に、
おけるビーム部分だけを測定する初期検出器測定.値よ
りも遥かに良好であることによる。
するところにより明白となろう。
0)の概略図である。装置(20)はプローブビーム(
24)を発生させるレーザ(22)を含有する。プロー
ブビーム(24)は薄膜層(32)を取付けた試料(2
8)に向うビームスプリッタ(26)によって下方へ反
射される。本発明によれば、ビーム(24)は高開口数
レンズ(30)によって試料(28)の面に焦点を結ぶ
。
入射面寸法を最小にして解像力を最大にさせることが好
ましい。
を結んだプローブビーム(24)の拡大図であって、千
の個別光線を示す。図示されるように、ビーム(24)
が試料面に垂直に指向する場合には、該ビームは試料面
にほぼ垂直な中央光線(36)を含む。まI;、このビ
ームは試料面に関して最大の入射角(a)を有する外側
光線(38A,38B)を含む。前述した方程式(1)
に示されるように、外側光線(38A.38B)の入射
角はレンズ(30)の開口数によって決まる。
えば、対称光線(4OA,40B)は入射角30°を示
し、対称光線(42A,42B)は入射角15°を示す
。
大きくするように選定される。実際に、中央光線から外
側光線までの角度が少なくとも30″となるレンズが望
ましい。かかる角度を与えるレンズの開口数は0.5で
ある。好ましい実施例においては、かかる角度が70°
以上となる開口数が0,95のレンズが使用される。
射されてレンズ(30)およびスプリツタ(26)を通
って光検出器(50)に至る。第3図は光検出器(50
)の面を示す。光検出器(50)は複数個の離散した個
々の検出要素を有し、該検出要素の出力はプロセッサ(
52)に送られる。
52)は、反射したプローブビームの強度を焦点合わせ
された入射プローブビーム内の種々の光線の入射角の関
数として測定するように作用する。この結果は第2図お
よび第3図に示す光路解析によって理解できよう。『示
されるように、検出器(50)の中心要素(54)はレ
ンズ(30)の中心を通る光線(36)の光度を測定す
る。従って、検出器要素(54)の出力は零度の入射角
を有する光線に対応しよう。同様に、検出器(50)上
の半径方向外方の要素(56A−D)は最大入射角を有
する光線(38A.38B)の光度を測定する。前述し
たように、この入射角はレンズ(30)の開口数に関し
て周知である。離散要素(58A−D,60A−D)は
零度と最大角との間の入射角に対応する。図示の実施例
においては、要素(58A−D)は30度の入射角を有
する光線(38A−D)を測定するように配置され、離
散要素(60A−D)は15度の入射角を有する光線(
42A−D)を測定するように配置される。
する。焦点合わせされたプローブビームのさらに多くの
離散入射角に関する情報を得るように検出器要素を増加
させることによって更に情報を増大させうろことが理解
できよう。例えば、別の入射角を測定するのに別の検出
器要素を使用することもできよう。
2列の検出器要素が配設される。かかる直交配設検出器
要素は、以下に説明するように、S偏光とP偏光とに関
する情報を分離するために望ましい。
試料面に垂直に入射する直線偏光から戊る。
正確に焦点を結ぶとき、この試料面に入射しt;光線は
試料面に関して大部分がS偏光成分およびP偏光成分を
有する。ほぼすべてのS偏光が一つの軸線に沿っている
のに対して、ほぼすべてのP偏光は前記軸線と直交する
別の軸線に沿っている。
合体を有する。
く配列しているならば、sl光成分およびP偏光成分が
グローブピームから分離される。
用して試料上の薄一膜層の厚さを計算するとともに、以
下に詳述するように、試料の屈折率に関する情報を得る
ことができる。
により発生する種々の測定値を示す。各図面のグラフは
SおよびPの偏光に対する試料面の反射率を入射角度の
関数として示す。試料の反射率は光検出器(50)の離
牧要素によって直接に測定された反射プローブビームの
強度に比例する。試料面の反射率の測定は光検出器の出
力を較正することによって得られる。第4A, 4B,
および第4C図はシリコン半導体基板上におけるそれぞ
れ5000オングストローム、1000オングストロー
ム、および100オングストロームの薄膜酸化層に対す
る反射能曲線を示す。図面から分かるように、反射曲線
は種々の層の厚さの各々に対して可戒り異なる。従って
、この情報は層厚さに関する情報を得るのに使用するこ
とができる。
射角、および層厚さに関する方程式の組に測定反射情報
を使用して得られる。S偏光に関する試料の反射率の主
な方程式は次の通りである。
反射率で空気の屈折率をlとし、tは層の厚さである。
反射率に関し、γ,は薄膜層の面からの反射率であり、
γ,は基板の面からの反射率である。
面からの反射率γ,は次の方程式で与えられる。
θ。は空気と薄膜層の表面との境界における入射角、θ
1は薄膜層への入射角、θ,は基板への入射角である。
び基板面からの反射率γ3は次の方程式で与えられる。
S偏光およびP偏光に対する反射曲線のコンピュータグ
ラフである。各グラフの多数の曲線はO″から606ま
での5°ごとの入射角について示す。このグラ7は反射
率が酸化物の厚さに対してどのように変化するかを示す
。
測定値に基づいて薄膜層の厚さを得るのに使用する計算
法の流れ図である。前述したように、本発明の装置(2
0)によって段階(100)において反射値が測定され
る。段階(102)において、プロセッサが前記測定さ
れた反射値を使用し方程式(4)乃至(7)の置換によ
って方程式(2)を解く。第5図および第6図から明ら
かなように、特定の反射測定が種々の異なる層厚さに対
応する。このように段階(102)の結果は薄膜の厚さ
に対し若干の可能な解を持つ。段階(104)において
は、該段階で得られた一群の解から層厚さに対して最も
適当な一つの解を選定するために統計解析を行なう。
ある。
法のような因子を考慮に入れた解析を行なうならばさら
に改良されよう。この光吸収の量は材料によって異なる
。もし材料が知られているならば、種々の補正因子を方
程式(2)に組み入れて測定をさらに向上させることが
できる。しかしながら、かかる補正因子は方程式の解析
法を難かしくする。かくして、段階(106)において
最小2乗法を使用して数値解決を求める必要がある。か
かる数値解析は層厚さに対する近似法が既に知られてい
るので非常1こ容易である。かくして、段階(106)
においては、特定試料の吸収特性を段階(104)にお
いて得られた層厚さの適切な解によって解析しかつ制限
することにより補正された一組のフレネル方程式を解く
ために最小2乗法を使用する。このようにして解を向上
させるならば、測定の精度は大巾に向上する。この測定
は1ミクロン程度の立体的解像度で50オングストロー
ム乃至50000オングストロームの厚さの膜範囲につ
いて行なうことができる。
厚さの特定の薄膜においては、さらに大きい精度で厚さ
を知りたい要求がある。本発明によれば、段階(108
)に示すように反射プローブビームの全量を付加測定す
ることによって精度の向上させることができる。第9図
に関して以下に説明するように、この測定は別の光検出
器を使用して行なうことが好ましい。しかしながら、第
3図に示す検出器のすべての離散要素の出力を加えるこ
とによって測定の近似値が得られる。前記光検出器の面
を超えてビームが入射しない(すなわち反射ビームの全
量が該検出器の諸要素の範囲内に送られる)とすると、
ビームの全量に比例する測定をすることができる。
と似ている。すなわち、層の厚さを薄膜層(L)8よび
基板(S)からのビーム全体の反射率と関係させるため
に以下に記載の置換によって方程式(2)が修正される
。
、層の内部に焦点を結んだビームの3次元的広がりであ
る。
る反射率と比較すると、反射光線全体の測定に対して多
数の可能性のある厚さの解を与えるみごとな正弦曲線が
得られる。この問題は、薄膜層の厚さを先ず段階(10
(i)の狭い範囲内に設定するならば解決される。この
情報は修正されたフレネルの方程式の可能性を持った解
を狭め、段階(108)で得られたビームの反射量全体
の測定値を使用して層厚さの計算を段階(NO)におい
て精度を遥かに向上させることができる。
号対ノイズ比が検出器(50)上の離散要素の測定値の
10乃至100倍程度であるからである。
要素がビームの全量のわずか一部を受け取り、ビームの
形状および位置変動に敏感となることは明らかであろう
。反対に、全量の測定はレーザの全量の利点を有し、ビ
ームの小さな形状および位置変動に影響されることが極
めて少ない。
もに薄膜層または基板の屈折率を計算することができる
。これが可能であることは、高開口数レンズがブリュー
スタ角付近の入射角を有する光線を発生させるのに使用
できるからである。
べての入射角に対して酸化物の厚さの変化とともに著る
しく変化する。しかしながら、入射角がブリュースタ角
(二酸化珪素に対してθは約55.96度)に近づくと
、反射率曲線はほとんど水平とな.る。このように、ブ
リュースタ角におけるP偏光の反射率測定は層厚さにほ
ぼ無関係である。
変化につれて変化する。
が第8図に示される。この方法は、層の厚さが或る範囲
内で既知であり、かつ基板または薄膜層の屈折率が既知
であるものと仮定する。
P偏光の測定を含む反射率測定を行なう。段階(202
)において、基板または薄膜層の未知の屈折率に対する
近似解を、方程式(2)、(6)、(7)および推定の
層厚さを使用して計算することができる。この屈折率の
近似解を使用して薄膜層の実際の厚さの一組の解を、方
程式(2)および第7図の段階(102)と同じ方法を
使用して段階(204)において計算する。これらの可
能な一組の解から、従来の厚さ範囲の知識に基づいて一
つの解を選定する。
、吸収および検出器の寸法に対して補正したフレネルの
方程式について最小2乗法を使用して、第7図の段階(
106)と同様に、段階(206)で層の厚さおよび屈
折率の最良の解を得る。
)において反射プローブビームの全量を測定することに
よって高められる。この測定値は、方程式(8)、(9
)、(10)によって修正された方程式(2)を使用し
て段階(208)において層厚さを計算するのに使用さ
れるとともに段階(206)で計算された層厚さの解に
よって制約される。
つの好ましい装置(300)を第9図について説明する
。第9図において、第1図の構造と同じ部材は同じ番号
を付してある。
生させる。レーザ(22)は5ミリワット出力を有する
とともに45度の偏光を有するヘリウム・ネオンレーザ
である。ビーム(24)は45度に配向した偏光フィル
タ(302)を通過して45度偏光だけを透す。
デー回転子(304)を通過し、もって見かけ上の反射
ヘリウム・ネオン光線がヘリウム・ネオンレーザに反射
して戻るのを防止する。かかる構或によって見かけ上の
反射ヘリウム・ネオン光線によって生ずるレーザの出力
の不安定性が減少する。
(306)を通過して見かけ上の反射光線がレーザへ戻
るのをさらに減少させる。
308)によって下方へ反射されてビーム拡大立体的7
イルタ装直に入る。この装置は入口レンズ(310)お
よび出口レンズ(312)を含有する。ピンホールフィ
ルタ(314)がビームの形状および均一性を改良する
ために設けられる。レンズ(312)から出たビームは
レンズ(310)およびレンズ(312)の焦点距離の
比によって拡大される。
せる金属被覆のガラス製ビームスプリッタ(316)に
よって方向を転換される。このビームスプリツタはヘリ
ウム・ネオンビームと光源(318)からの白色光とを
結合させるのに使用される。この白色光は以下に詳述す
る視覚装置を使用して試料の像を写すのに使用される。
を反射させる金属被覆のガラス製ビームスプリッタ(3
20)によって試料に向って下方へ送られる。このビー
ムスプリツタもまた白色光を試料に向わせるように下方
に転換させる作用を有する。
タ(320)を通過して検出器(50)によって集光さ
れる。光[(318)からの白色光の一部は視覚装置に
向って反射される。
上に焦点を結ぶ。レンズ(30)は高開口数を有し、集
束ビーム中の種々の光線は広い拡がりの入射角を有する
。レンズ(30)の位置はオートフォーカス機構(32
2)によって制御される。前述したように、ビーム(2
4)は試料(28)の表面上で直径約1ミクロンのスポ
ット領域に焦点を結ぶ。薄膜の酸化物層を有するシリコ
ン半導体のような試料(28)はX軸方向、Y軸方向お
よび回転方向の位置運動をさせる台上に取付けられる。
押える真空チャックの作用を有する。台(326)およ
び台(328)はX軸およびY軸の方向の運動をさせる
。
から反射される白色光はビームスプリッタ(320)を
通過する。白色光の透過はヘリウム・ネオンの633ナ
ノメータ波長光線だけを透過させる帯域フィルタ(33
2)によって制限される。次に、ヘリウム・イオンプロ
ーブビームの一部は金層被覆ガラス製ビームスグリッタ
(334)によって検出器(50)に向けられる。ビー
ムスグリッタ(334)は20%を透過させ80%を反
射させる。ビームスグリッタ(334)からの反射光線
はレンズ(336)によって拡大され、第1図に関して
説明した検出器(50)上に像を結ぶ。検出器(50)
はダイオード配列、CODカメラ、走査ピンホール、ま
t;はファイバオプティクセンサ配列によって形威され
る。検出器(50)は試料面に入射するS偏光およびP
偏光の反射率から情報を分離させるように配列された検
出器要素を有することが好ましい。検出器(50)の出
力はプロセッサ(52)に供給される。
の全量を測定することによって増大させることができる
。第9図に示す実施例において、かかる目的のために別
の検出器(340)が設けられる。プローブビームの一
部は金属被覆のガラス製ビームスプリッタ(342)に
よって検出器(340)に向けられる。検出器(340
)の唯一の要件は、プローブビームの全量を測定できる
ようにプローブビームが検出器の面の範囲以上に入射し
ないようにすることである。
れる。この才−トフォーカス機構は2セル光検出器(3
44)、レンズ(34G)およびチョッパ輪(348)
を含有する。これらの形式の部材を使用するオート7オ
ーカス操作は従来技術で周知である。
モニタする必要がある。これはブロープレーザビーム(
24)の一部を受取る検出器(360)を使用して行な
われる.燭光フィルタ(362)および帯域フィルタ(
364)はヘリウム・ネオンプローブビームから白色光
を除去する。レンズ(366)はこのビームを検出器(
360)上に像を結ばせるのに使用される。
置を備えて作業員が試料上の各点の位置を定めることが
できる。この視覚装置は白色光源(318)、コリメー
ティング・レンズ(370)および偏光フィルタ(37
2)を含有する。偏光フィルタ(372)はプローブビ
ームの偏光状態に直角な白色光を偏光させて白色光とヘ
リウム・ネオンビームとを下流の光学装置によって分離
することができるようになっている。
(376)によってビデオカメラ(374)に向って送
られる。回転偏光フィルタ(378)はビデオカメラ(
374)に入るプローブビーム光線の量を制御する。
記載したものと同じである。検出器(50)およびプロ
セッサ(52)は反射プローブビームの強度を焦点合わ
せされl;入射プローブビーム中の光線の入射角の関数
として測定する機能を有する。層厚さの計算は前述した
方程式および計算法を使用して行なわれる。
装置は基板上の薄膜層の厚さを測定するものであり、好
ましい実施例においては、プローブビーム光線を高開口
数レンズを使用して試料面にほぼ直角に焦点を結ばせる
。高開口数レンズは入射集束ビーム内の光線に広い拡が
りの入射角を供する。反射プローブビームの強度を集束
入射プローブビーム内の種々の光線の基板面に関する入
射角の関数として測定するための検出器が備えられる。
の厚さを算出する作用を果す。これは前記角度依存強度
測定値を使用してフレネル方程式の変形を使用して層厚
さを解くことによってなされる。
ームは大部分がS偏光成分およびP偏光成分を含む。さ
らに、検出器はSg4光成分とP偏光成分とを分離して
層の厚さの測定を容易にするようになっている。反射プ
ローブビームの全量を測定するための検出器を別に設け
ることが好ましい。このヌリの検出器からの信号情報が
厚さ測定値の精度向上に使用される。
範囲内で種々の変更および修正が可能である。
プローブビームの焦点結びの拡大図、第3図は本発明の
方法を実施するのに使用できる光検出器の面の平面図、
第4A図、第4B図、および第4C図は、シリコンウエ
ーハ上の3つの異なる厚さの酸化物に入射するプa−ブ
ビームの入射角に関するS偏光およびP偏光の反射率の
3つのグラフ、第5図は種々の入射角においてシリコン
上の異なる酸化物の厚さに関する集束入射プローブビー
ム中のS偏光の反射率の変化を示すグラ7、第6図は種
々の入射角においてシリコン上の異なる酸化物の厚さに
関する集束入射プローブビーム中のP偏光の反射率の変
化を示すグラフ、第7図は本発明に従って層の厚さを得
るためのプロセッサ操作段階を示す流れ図、第8図は本
発明に従って層の厚さおよび屈折率を得るためのプロセ
ッサ操作段階を示す流れ図、第9図は本発明の好ましい
実施例の概略構戊図である。 22・・・レーザ 24・・・プローブビーム 26,316,320,334,342.3713・・
・スプリッタ28・・・試料 30,310,312,336.346,366,37
0,380・・・レンズ32・・・薄膜層 50,340,344,360・・・検出器52・・・
プロセッサ 54・・・検出器要素 306,314,332,362,364,372,3
78・・・フィルタ図面の浄書 特許出願代理人
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (1)基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装置にし
て、 プローブビームを発生させる装置と、 該プローブビームを前記基板の表面上に焦点に合わせる
装置と、 前記基板の表面から反射された後のプローブビームを受
取るとともに該反射ビームを横切る強度を、前記焦点合
わせされた入射プローブビーム内の種々の光線の、前記
基板の表面に関する入射角の関数として測定する検出器
と、 該検出器によって測定された角度依存強度測定値に基づ
いて前記薄膜層の厚さを算定するプロセッサ とを含有する薄膜厚さ測定装置。 (2)前記プローブビームが前記基板の表面にほぼ垂直
に焦点合わせされる請求項1に記載の装置。 (3)前記焦点合わせされた入射プローブビームが前記
基板の表面にほぼ垂直な少なくとも1本の光線を含む請
求項1に記載の装置。 (4)前記焦点合わせされた入射プローブビームが前記
薄膜層または前記基板に関してブリュースタ角の近くに
傾斜した少なくとも1本の光線を含む請求項2に記載の
装置。 (5)前記焦点合わせ装置が少なくとも0.5の開口数
を有するレンズによって形成される請求項1に記載の装
置。 (6)前記焦点合わせされた入射プローブビームの光線
の入射角が中心から外縁まで少なくとも30度を有する
請求項1に記載の装置。 (7)前記入射プローブビームを前記基板の表面上に約
1ミクロンかそれ以下の直径に焦点合わせされる請求項
1に記載の装置。 (8)前記検出器が、前記反射プローブビームの中心か
ら外縁までの複数の離散点において該反射プローブビー
ムを横切る強度を測定する請求項1に記載の装置。 (9)前記プローブビーム中の光線が前記焦点合わせ装
置によって焦点合わせされる前に直線偏光され、該プロ
ーブビームは、前記基板の面に入射する光線が該基板面
における入射面に関して大部分がS偏光成分およびP偏
光成分を有するように、前記基板の表面にほぼ垂直に焦
点合わせされる請求項1に記載の装置。 (10)前記検出器が前記焦点合わせされた入射プロー
ブビームのS偏光成分およびP偏光成分の角度依存強度
を分離しかつ測定し、前記プロセッサが前記S偏光およ
びP偏光の角度依存強度測定値を利用して前記薄膜層の
厚さを測定する請求項9に記載の装置。 (11)前記検出器が前記反射プローブビームの強度を
、前記焦点合わせされた入射プローブビームのS偏光成
分およびP偏光成分の角度依存強度を分離するように配
向された直交する2軸線に沿って測定する装置を含む請
求項10に記載の装置。 (12)前記プロセッサが、前記検出器によってなされ
た角度依存強度測定値、入射角、前記焦点合わせされた
入射プローブビームの光線の偏光、および層の厚さを関
連づける数学モデルを使用して前記薄膜層の厚さを算定
する請求項1に記載の装置。 (13)前記検出器が、さらに前記反射プローブビーム
の全量を測定するように作用し、前記プロセッサが、該
検出器によってなされた角度依存強度測定値および全体
の反射量の測定値に基づく薄膜層の厚さを算定する請求
項1に記載の装置。 (14)前記プロセッサが前記角度依存強度測定値を利
用して前記薄膜層の厚さの近似値を得るとともに前記反
射量全体の測定値を利用して該近似値の不確定さを減少
させる請求項13に記載の装置。 (15)基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装置に
して、 直線偏光光線のプローブビームを発生させる装置と、 前記プローブビームを、前記基板の面に入射する光線が
該基板面における入射面に関して大部分がS偏光成分お
よびP偏光成分を有するように、前記基板の表面にほぼ
垂直に焦点合わせさせるレンズと、 前記基板の表面から反射された後のプローブビームを受
取るとともに該反射ビームを横切る強度を、前記焦点合
わせされた入射プローブビーム内の種々の光線の、前記
基板の表面に関する入射角の関数として、S偏光および
P偏光の成分を分離するように測定する検出器と、 該検出器によって測定されたS偏光およびP偏光の角度
依存強度に基づいて前記薄膜層の厚さを決定するプロセ
ッサ とを含有する薄膜層の厚さ測定装置。 (16)前記検出器が前記反射プローブビームの強度を
、前記焦点合わせされた入射プローブビームのS偏光成
分およびP偏光成分の角度依存強度を分離するように配
向された直交する2軸線に沿って測定する装置を含む請
求項15に記載の装置。 (17)前記焦点合わせされた入射プローブビームが、
前記薄膜層に関してブリュースタ角の近くに傾斜する、
大部分がP偏光成分の少なくとも1本の光線を有し、さ
らに、前記プロセッサが前記基板にブリュースタ角の近
くで入射する反射P偏光の強度の測定値に基づいて該薄
膜層の屈折率についての情報を算定するように機能する
請求項15に記載の装置。 (18)前記入射プローブビームが前記基板の表面上に
約1ミクロンかそれ以下の直径に焦点合わせされる請求
項15に記載の装置。 (19)基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装置に
して、プローブビームを発生させる装置と、該プローブ
ビームを前記基板の表面上に焦点合わせさせるレンズと
、 前記基板の表面から反射された後のプローブビームを受
取るとともに該反射ビームを横切る強度を、前記焦点合
わせされた入射プローブビーム内の種々の光線の、前記
基板の表面に関する入射角の関数として測定する検出器
と、 該検出器によって測定された角度依存強度測定値、入射
角、前記焦点合わせされた入射プローブビームの光線の
偏光、および層の厚さを関連づける数学モデルを使用し
て前記薄膜層の厚さを算定するプロセッサ とを含有する薄膜層の厚さ測定装置。 (20)前記レンズが少なくとも0.5の開口数を有し
、前記プローブビームが前記基板の表面にほぼ垂直に焦
点合わせされる請求項19に記載の装置。 (21)前記入射プローブビームが前記基板の表面上の
約1ミクロンまたはそれ以下の直径に焦点合わせされる
請求項19に記載の装置。 (22)基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装置に
して、 プローブビームを発生させる装置と、 該プローブビームを前記基板の表面上に焦点合わせさせ
るレンズと、 前記基板の表面から反射された後のプローブビームを受
取るとともに該反射ビームを横切る強度を、前記焦点合
わせされた入射プローブビームの種々の光線の、前記基
板の表面に関する入射角の関数として測定する第1の検
出器と、前記基板の表面から反射された後のプローブビ
ームを受取るとともに該反射プローブビームの全量を測
定するための第2の検出器と、 前記第1の検出器によって測定された角度依存強度測定
値および前記第2の検出器によって測定された反射ビー
ム全量に基づく前記薄膜層の厚さを算定するプロセッサ とを含有する薄膜層の厚さ測定装置。 (23)前記プロセッサが前記角度依存強度測定値を利
用して前記薄膜層の厚さの近似値を得るとともに前記反
射ビーム全量を利用して該近似値の不確定さを減少させ
る請求項22に記載の装置。 (24)前記レンズが少なくとも0.5の開口数を有し
、前記プローブビームが前記基板の表面にほぼ垂直に焦
点合わせされる請求項22に記載の装置。 (25)前記入射プローブビームが前記基板の表面上に
約1ミクロンまたはそれ以下の直径に焦点合わせされる
請求項22に記載の装置。 (26)基板の表面上に薄膜層を含む試料のパラメータ
を求める装置にして、 プローブビームを発生させる装置と、 該プローブビームを前記試料の表面上に焦点合わせさせ
るレンズと、 前記基板の表面から反射された後のプローブビームを受
取るとともに該反射ビームを横切る強度を、前記焦点合
わせされた入射プローブビーム内の種々の光線の、前記
基板の表面に関する入射角の関数として測定する検出器
と、 該検出器によつて測定された角度依存強度測定値に基づ
いて前記薄膜層の厚さ、該薄膜層または前記基板の屈折
率を含む前記試料のパラメータを算定するプロセッサ とを含有する試料のパラメータ測定装置。 (27)前記プローブビーム中の光線が前記レンズによ
って焦点合わせされる前に直線偏光され、該プローブビ
ームは、前記試料面に入射する光線が該試料面における
入射面に関して大部分がS偏光成分およびP偏光成分を
有するように、前記基板の表面にほぼ垂直に焦点合わせ
される請求項26に記載の装置。 (28)前記検出器が前記焦点合わせされた入射プロー
ブビームの反射S偏光成分および反射P偏光成分の角度
依存強度を分離しかつ測定し、前記プロセッサが前記S
偏光およびP偏光の角度依存強度測定値を利用して前記
試料のパラメータを算定する請求項27に記載の装置。 (29)前記検出器が前記反射プローブビームの強度を
、前記焦点合わせされた入射プローブビームのS偏光成
分およびP偏光成分の角度依存強度を分離するように配
向された直交する2軸線に沿って測定する装置を含む請
求項28に記載の装置。 (30)前記焦点合わせされた入射プローブビームが、
前記薄膜層に関してブリュースタ角の近くに傾斜すると
ともに大部分がP偏光成分を有する少なくとも1本の光
線を有し、前記プロセッサが、さらに、前記試料にブリ
ュースタ角の近くで試料に入射する反射P偏光の強度の
測定値に基づいて該薄膜層の屈折率についての情報を算
定するように機能する請求項28に記載の装置。 (31)前記入射プローブビームが前記基板の表面上に
約1ミクロンまたはそれ以下の直径に焦点合わせされる
請求項26に記載の装置。 (32)基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する装置に
して、 プローブビームを発生させる装置と、 該プローブビームを前記基板の表面上に焦点合わせさせ
るレンズと、 前記基板の表面から反射された後のプローブビームを受
取るとともに該反射ビームを横切る干渉効果を、前記焦
点合わせされたプローブビーム内の種々の光線の、前記
基板の表面に関する入射角の関数として測定する検出器
と、 該検出器によつて測定された角度依存干渉効果に基づい
て前記薄膜層の厚さを算定するプロセッサ とを含有する薄膜層の厚さ測定装置。 (33)前記反射プローブビームにおける前記干渉効果
が強度変動の形式である請求項32に記載の装置。 (34)前記レンズが少なくとも0.5の開口数を有し
、前記プローブビームが前記基板の表面にほぼ垂直に焦
点合わせされる請求項32に記載の装置。 (35)前記入射プローブビームが前記基板の表面上の
約1ミクロンまたはそれ以下の直径に焦点合わせされる
請求項32に記載の装置。 (36)基板の表面上の薄膜層の厚さを測定する方法に
して、 プローブビームを発生させ、 該プローブビームを前記基板の表面上に焦点を合わせ、 反射プローブビームを横切る強度を、前記焦点合わせさ
れた入射プローブビームの種々の光線の、前記基板の表
面に関する入射角の関数として測定し、 この入射角に依存する強度測定値に基づいて前記薄膜層
の厚さを測定する諸段階を含有する薄膜層の厚さ測定方
法。 (37)前記プローブビームが前記基板の表面にほぼ垂
直に焦点合わせされる請求項36に記載の方法。 (38)前記入射プローブビームが前記基板の表面にほ
ぼ垂直な少なくとも1本の光線を含むように焦点合わせ
される請求項36に記載の方法。 (39)前記入射プローブビームが前記薄膜層または前
記基板に関してブリュースタ角の近くに傾斜した少なく
とも1本の光線を含むように焦点合わせされる請求項3
6に記載の方法。 (40)前記入射プローブビームは、前記基板に関する
入射光線の入射角度の変動を少なくとも30度になるよ
うに焦点合わせされる請求項36に記載の方法。 (41)前記入射プローブビームが前記基板の表面上に
約1ミクロンまたはそれ以下の直径の焦点合わせされる
請求項36に記載の方法。 (42)前記プローブビームが、焦点合わせされる前に
直線偏光されるとともに前記基板に入射する光線が前記
基板面における入射面に関して大部分がS偏光成分およ
びP偏光成分を含むように該基板の表面にほぼ垂直に指
向される請求項36に記載の方法。 (43)さらに、前記焦点合わせされた入射プローブビ
ームのS偏光成分およびP偏光成分の角度依存強度変動
を分離し、 該S偏光およびP偏光の角度依存強度測定値を利用して
前記薄膜層の厚さを算定する 諸段階を含有する請求項42に記載の方法。 (44)前記分離段階が、前記焦点合わせされた入射プ
ローブビームのS偏光成分およびP偏光成分の角度依存
強度変動を分離するように配向された2つの直交軸線に
沿って前記反射プローブビームの強度を測定することに
よって行なわれる請求項43に記載の方法。(45)前
記入射プローブビームが、前記薄膜層に関してブリュー
スタ角の近くに傾斜する、大部分がP偏光成分の少なく
とも1本の光線を有し、さらに、前記薄膜層にブリュー
スタ角の近くで入射する反射P偏光の強度の測定値に基
づいて該薄膜層の屈折率を算定する段階を含有する請求
項43に記載の方法。 (46)前記角度依存強度測定値、入射角、前記焦点合
わせされた入射プローブビームの光線の偏光、および層
の厚さを関係づける数学モデルを使用して前記薄膜層の
厚さを算定する請求項36に記載の方法。 (47)さらに、反射プローブビームの全量を測定し、 前記角度依存強度測定値、および反射量全体の測定値に
基づいて前記薄膜層の厚さを算定する諸段階を含有する
請求項36に記載の方法。 (48)前記角度依存強度測定値を利用して前記薄膜層
の厚さの近似値を得るとともに前記反射された全量の測
定値を利用して該近似値の不確定さを減少させる請求項
47に記載の方法。
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