JPH0495703A - 光学的膜厚測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばノリコン基板上の測定波長に比較して
極めて薄い酸化膜等の厚さを、簡単に、かつ、高精度で
測定可能な膜厚測定方法及び装置に関するものである。

〔従来の技術〕

ＬＳＩ等の半導体デバイスは著しく高集積化されてきて
おり、製造過程の各プロセスにおける膜厚管理か歩留り
向上のため大変重要となっている。

また、ゲート酸化膜は、高集積化に伴いより一層の薄膜
化の方向にある。このような薄膜の膜厚を測定するため
の方法には種々の原理かあるか、吸収の少ない透明な薄
膜の測定法としては、主に干渉法と偏光解析法かある。

まず、干渉法は、第２図に光束の状況を示すように、薄
膜Ｍの上面と下面で反射した光の干渉を利用するもので
ある。波長λの光が薄膜Ｍに入射すると、膜Ｍの上下の
境界面で反射か繰り返され減衰して行く。各境界面での
Ｐ成分（入射面に平行）及びＳ成分（入射面に垂直）の
振幅反射率をｒａｐ、ｒ　１１％　ｒ　２１１、ｒｔ＋
とし、光が薄膜Ｍ内を１往復する時の位相差をδとする
と、公知のように、膜Ｍの反射率Ｒ，、Ｒ，は（１）式
て与えられ、位相差δは（２）式で与えられる。

！　＋ｒ２ｉ”　ｒ＋＋’　＋２ｒｚｇｒ＋＋　　ｃｏ
ｓ２δ・　・　・（１） λ ただし、ｎは薄膜Ｍの屈折率、ｄは薄膜の膜厚、φ′は
屈折角である。

ここで、半導体製造プロセスにおける膜構成、例えば、
Ｓｉ基板上のＳｉＯ□、Ｓｉ基盤上のｓｉ　３Ｎ４　　
・・・等ては、Ｓｉ基板や膜の屈折率、吸収係数は一般
に既知である。したかって、膜構成かわかれば、振幅反
射率は計算可能で一意的に決まり、反射率Ｒ，、Ｒ，を
決めるパラメーターは膜の厚さ、つまり、位相差δであ
る。上記（２）式より明白であるか、δは屈折率ｎと波
長λに依存している。つまり、原理的には、ある特定波
長λの反射率Ｒ２、Ｒ６が測定できれば、その値より（
１）式を使って位相差δか求まり、（２）式より薄膜Ｍ
の厚さｄを決定できる。第３図はこの場合の位相差δと
反射率Ｒ（Ｒ，、Ｒ，）の関係を概念的に示したもので
ある。第３図から明らかなように、膜厚か大きくなるの
にともなってδか増加すると、周期的に山と谷が表れる
。つまり、δか１／４λより大きくなると、特定波長の
反射率だけでは一意的に膜厚を決定できない。その時は
、（２）式より、波長を位相差の変化のパラメーターと
して、波長λを変化させると、波長の変化につれて反射
率Ｒ（Ｒ，、Ｒ３）にピークが生じる。具体的には、膜
Ｍに白色光を照射し、反射光を分光器で分光しながら分
光反射率を測定する。その場合の波長λと反射率Ｒの関
係を第５図に概念的に示しである。この図のように、波
長λ１、λ２て２つのピークか生じた場合は、公知のよ
うに、 ２　（λｚｎ＋　　−λ１　ｎ２） という式を使って計算することもてきる。ここて、Φ５
、Φ２は基板と膜Ｍとの境界面での反射による位相変化
であり、ｎ　＋、ｎ　ｔはそれぞれ波長λ、λ２での膜
Ｍの屈折率である。

また、偏光解析法は、膜試料表面で偏光した光を反射さ
せ、この持越る偏光状態の変化を測定することによって
、試料表面の薄膜の厚さや屈折率を求める方法である。

この方法はすでに公知であるので、簡単に説明すると、
第２図のように入射角φで膜Ｍに光か入射した場合、反
射光の振幅反射率のＰ成分、Ｓ成分は以下のようになる
。

・　・　・　・（４） ここで、Δ２、Δ８は反射による位相の飛び量である。

この試料Ｍ表面にＰ、Ｓ成分かそれぞれＥ、ＥＳ’の複
素振幅の偏光した光が入射すると、反射光のＰＳＳ成分
Ｅ　Ｐ’　、Ｅ　Ｓ゛は、Ｅ、’　＝Ｒ，−Ｅｐ Ｅ、’　＝Ｒ，・Ｅｓ’ となり、入射光と反射光のＰ、Ｓ成分の複素振幅比をそ
れぞれＸｌ、Ｘ、とすると、 Ｘ、＝　ＣＲ，／Ｒｓ）　　・Ｘ となる。偏光解析法は、入射偏光の状態Ｘ１と反射偏光
の状態Ｘ、を知って、振幅反射率比Ｒ，／Ｒ８を求め、
数値解析によって試料Ｍの屈折率ｎや膜厚ｄを求めるも
のである。振幅反射率比は（４）式から、 Ｒｐ　／Ｒ，＝ｒ、　／ｒｓ　　−ｅｘｐ　　（ｉ（Δ
、−Δｓ）］＝　　ｔａｒ＋ＩＦ　−ｅｘｐ（ｉΔ）　
　　　　−・−（５＋（ｔａｎｌＦ＝　ｒ　ｐ　／　ｒ
　ｓ　、Δ＝△、−Δ８とおく）で表わされる。上記Ｗ
とΔを求める方法として最も基本的な公知の方法は、第
６図に装置の構成を示すように、入射側に偏光子Ｐとλ
／４板、反射側に検光子Ａを設けた構成で、偏光子Ｐと
検光子Ａは光軸の周りで回転可能で、λ／４板は光学軸
か入射面に対して４５°に設定されている。この方法は
一般に消光法と言われていて、偏光子Ｐ、検光子Ａを回
転することによって、反射光が検光子Ａによって完全に
遮光される状態の偏光子Ｐ、検光子Ａの入射面よりの方
位角を求め、それより上記の曹とΔを計算するものであ
る。入射角、波長等か与えられた条件で、曹、Δを第７
図の曲線のように計算しておけば、ｎ、ｄの変化に対し
て曹、Δがとのように対応して変化するかを知ることか
できる。なお、第７図は、ジャーナル・オブ・ジ・オプ
ティカル・ソサイエティー・オブ・アメリカ（Ｊ、　Ｏ
，Ｓ、　Ａ、　）第５２巻第９号第９７０〜９７７頁か
ら引用したものであり、シリコン基板上に図に表記され
た屈折率の酸化シリコン膜を形成し、波長５４６．　ｌ
ｎｍを使用し、入射角７００の時に、位相差δを変化さ
せた時の曹とΔの変化を計算により求め曲線として描い
たものである。

なお、偏光子Ｐと検光子への入射面に対する方位°角を
θ、Ｋとすると、Δ、マとの間には次の関係がある。

Δ＝π／２−２０ 曹＝−に ただし、偏光子Ｐ１検光子Ａ　の入射面に対する方位角
は光線の進む方向から見て、反時計方向を正とする。

〔発明か解決しようとする課題〕

以上の干渉法と偏光解析法の２方式について、それらの
特徴を比較する。

干渉法は、反射率を測定すればよいので、装置が非常に
簡単であり、また、解析も比較的楽で安価であり、生産
ライン等の測定機として適している。しかし、第３図の
δの非常に小さい領域を拡大した第４図より明らかであ
るが、膜厚か極端に小さく例えば１００Å以下になると
、厚みの変化による反射率の変化が非常に小さな値とな
り、測定機の感度をいかに向上させても測定か不可能と
なる。

これに対して、偏光解析法は極めて薄い膜に対しても高
感度であるか、偏光子Ｐ、検光子Ａの回転角の高い読み
取り精度か必要なため、装置か大型で複雑となり、かつ
、その解析も大変であるので、計算処理のための計算機
の能力も高いものか要求される。したかって、価格か高
くなるという欠点がある。

なお、干渉法によって極薄膜を測定するために、（２）
式の位相差δを大きくする方法として、紫外光を使用す
るものもあるか、これは紫外光を使用するための専用の
光学系を用いる必要かあり、高価格であるだけでなく、
紫外領域では屈折率等の値の変動か大きく、測定精度の
維持において問題かある。

従来の技術には以上のような問題かあり、本発明はこの
ような問題を解決すべくなされたものであり、その目的
は、簡単な構成で、例えば１００Å以下の測定波長に比
較して極めて薄い膜の厚さの測定が可能で、装置を小型
にし、さらに、従来の干渉法による膜厚測定機に必要に
応じてレトロフィツトで取り付けられるようにして、そ
の測定領域を補ない、装置全体の測定範囲を拡大するこ
とができる光学的膜厚測定方法及び装置を提供すること
である。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明においては、入射側光学系は、所定の波長を放射
する光源１と、この光源から放射した光束を直線偏光と
する偏光子（Ｐ）２と、この偏光子（Ｐ）２と協働し、
測定対象の膜を表面に有する試料４に照射する光束を任
意の偏光状態とするためのλ／４の位相差を持つ補償板
３より構成する。λ／４板３は光学軸か入射面（第１図
の紙面。

２面）に対して４５°になるように固定し、偏光子（Ｐ
）２は回転可能にする。

受光側光学系は、試料４よりの光束の特定の方向の直線
偏光成分を消光するように検光子（Ａ）５を固定する。

偏光解析法の消光法において、特定の入射角、測定波長
、基板の複素屈折率での基板上の膜厚ゼロに対応する理
論的消光条件は、θ。、Ｋｏを偏光子（Ｐ）と検光子（
Ａ）の入射面に対する方位角とすると、次のようになる
。

Δ＝π／２−２０゜ 曹＝−に０ 又は、 △＝３π／２＋２０゜ 曹＝Ｋ。

（Δ＝Δ、−Δ６、　ｔａｎＷ＝ｒｐ　／ｒ、）上記に
おいて、Δ、Ｗはそれぞれ光束か試料４て反射した時の
Ｐ成分、Ｓ成分間の位相変化及び振幅反射率比である。

ここで、検光子（Ａ）５は、その方位角を入射面に対し
て−に０又は十Ｋ。近傍になるように固定する。検光子
（Ａ）５を通過した光束は、受光素子６で光の強度に比
例した電気的出力に変換される。

極薄膜領域（１０人〜数１００人）では、この構成で偏
光子（Ｐ）２のみを回転すると、膜厚に応じて偏光子（
Ｐ）２の異なる方位角の位置で受光素子６の出力にミニ
マムビークか生じる。この偏光子（Ｐ）２の方位角θの
みより、膜厚を求める。

すなわち、本発明の光学的膜厚測定方法は、所定の複素
屈折率を有する基板表面に形成された測定波長に比較し
て薄い膜の膜厚を光学的に測定する方法において、被測
定膜に対して所定の入射角で所定の波長の光束を入射さ
せ、入射光路中に入射光束を直線偏光とする偏光子と、
この偏光子と協働して被測定膜に照射する光束に任意の
偏光状態を与えるためのλ／４の位相差を有するλ／４
板とを配置し、被測定膜からの反射光路中に被測定膜か
らの光束の特定の方向の直線偏光成分を消光するように
配置された検光子と、この検光子を透過した光束を受光
する受光素子とを配置し、前記λ／４板の光学軸を入射
面に対して４５°に固定し、この状態において、偏光解
析法における膜厚ゼロに対応する理論的消光条件を満足
する検光子の方位角近傍に前記検光子の方位角を固定し
、前記偏光子の回転のみによって生しる受光素子の出力
のミニマムビークを求め、そのミニマムビークに対応す
る偏光子の方位角から被測定膜の膜厚を求めることを特
徴とする方法である。

また、上記の光学的膜厚測定方法を実施するたの装置は
、被測定膜に対して入射側光学系として、所定の波長の
光束を放射する光源、この光源から放射した光束を直線
偏光とする回転可能な偏光子、及び、この偏光子と協働
して被測定膜に照射する光束に任意の偏光状態を与える
ためのλ／４の位相差を有するλ／４板であって、光学
軸を入射面に対して４５°に固定されたλ／４板を備え
、被測定膜に対する受光側光学系として、被測定膜から
の光束の特定の方向の直線偏光成分を消光するように配
置された検光子てあって、偏光解析法における膜厚ゼロ
に対応して被測定膜の基板の複素屈折率、測定光の波長
、入射角に応じて決まる理論的消光条件を満足する方位
角近傍に固定された検光子、及び、この検光子を透過し
た光束を受光する受光素子を備えていることを特徴とす
るものである。

その場合、被測定膜の基板の材質に応じてそれ専用に装
置を構成するのが現実的である。

また、干渉法による膜厚測定装置の付属装置として構成
すると、広い範囲の膜厚を簡単に測定できるようにする
ことができる。

〔作用〕 本発明は、第７図のΔ−曹曲線か極薄膜領域（θ人〜数
１００人）て膜厚、つまり、位相差δの変化に対するΔ
の変化か大きく、かつ、■は一定と見なせることを利用
している。この領域では、膜厚はΔの変化に比例してい
ると見なしても問題ないと言え、かつ、曹は検光子（Ａ
）５の方位角のみによって決まり、Δは偏光子（Ｐ）２
の方位角のみによって決まるので、検光子の方位角をこ
の一定のＴに対応する角度近傍に固定して、この状態で
受光素子の出力かミニマムになる偏光子（Ｐ）２の方位
角θのみから、膜厚を求めることができる。

〔実施例〕

本発明は、基本的には従来の偏光解析法の延長に位置す
る。以下、本発明の光学的膜厚測定方法を実施するため
の装置の１実施例の構成を示す図である第１図を主とし
て参照して説明する。

偏光解析では、光源は単色であることか必要で、一般に
はＨｅ　−Ｎｅレーザー（６３２，８ｎｍ）か使われて
いる。本発明では、小型化のために、光源ｌとして例え
ば６７０ｎｍの半導体レーザーを使用する。光源１より
放射された光束は、偏光子（Ｐ）２て直線偏光にされ、
次にλ／４の位相差を有する補償板（λ／４板）３に入
射させられる。λ／４板３は、その光学軸か入射面（図
のＸか含まれる面）対して４５°になるように固定され
、偏光子（Ｐ）２は光軸の周りで回転可能とする。この
偏光子（Ｐ）２とλ／４板３は、セナルモンのコンペン
セーターとしてよく知られている原理で、λ／４板３に
入射する直線偏光の方位角によって任意の位相差を持っ
た偏光に変換できる。表面に極く薄い膜を有する試料４
で光束か反射されると、Ｐ成分と３成分間に位相差△（
△＝△、−Δ１）が生じるか、第６図に示すような従来
の偏光解析法における消光法では、この位相差Δと入射
光束の偏光状態の位相差かちょうど打ち消すような角度
に偏光子（Ｐ）２の方位角をすると、試料４よりの反射
光は直線偏光になり、検光子（Ａ）５の透過軸をこれに
対して直交するような方位角にすれば、光束はここで遮
光されて消光状態となる。現実には、この偏光子（Ｐ）
２と検光子（Ａ）５の方位角は、試行錯誤で適切な値に
持っていく必要かあり、時間を要する。こうして求めた
偏光子（Ｐ）２と検光子（Ａ）５の方位角よりΔ、曹か
求まり、膜厚とΔ−ψの関係を第７図のように詳しく計
算しておいて、その値から内挿してｄ、ｎを求めるか、
数値計算で収斂させて求めるか、この処理は非常に大変
であり、コストを高める大きな要因の１つとなっている
。

ところで、第７図は、前記したように、シリコン基板上
に表記された屈折率の酸化シリコン膜を形成し、波長５
４６．　Ｉｎｍを使用し、入射角７０°の時に、位相差
δを変化させた時のΔ−曹曲線である。ここで、この第
７図に注目すると、δ＝０付近、つまり、膜厚の極めて
薄い領域では、δに対してΔの変化か非常に大きく、反
対に、曹の変化は極めて小さ（なっている。したかって
、δ＝０付近ては曹を略一定とみなし、Δの変化のみに
よってδを求めることか考えられる。△と曹は、前記し
たように、それぞれ偏光子（Ｐ）２の方位角θと検光子
（Ａ）５の方位角Ｋをパラメーターとしている。曹か一
定ということは、検光子（Ａ）５を曹か一定の値に対応
する方位角、ここては膜厚セロ近傍の値に固定すると言
うことを意味する。

Δは偏光子（Ｐ）２の方位角θのみの関数であるので、
その方位角θよりただちにδか求まり膜厚か算定できる
。これか、本発明の光学的膜厚測定方法の基本的原理で
ある。この場合、厳密には１点のみしか消光条件は満た
さないが、所定の膜厚に対して、偏光子（Ｐ）２の方位
角θを変化させた場合に検出される光量の変化をみると
、第８図に示したように、極薄膜の領域では偏光子（Ｐ
）２の回転にともなう受光素子６の出力にミニマムピー
クが生じ、この位置が膜厚と相関を持つことになる。し
たがって、このミニマムピークに対応する偏光子（Ｐ）
２の方位角か分かれば、それより近似的にΔか求まる。

また、測定範囲を近似的にΔより膜厚か求まる領域のみ
に限定しているので、Δを求めるまでもなく、膜厚と相
関のあるミニマムピーク位置より、その時の方位角θと
膜厚の対応を事前にとっておけば、特に計算の必要もな
く、ただちに膜厚が求まる。第９図（ｉ）、（ｉｉ）は
この方式による測定結果を示したものである。この図は
ミニマムピークと膜厚の関係を確認したもので、非常に
薄い膜の領域では一次の強い相関があり、実験的にも前
記方法で測定できることが確認された。測定はＴについ
て少し離れた２つの値で行ったか、どちらも−次の強い
相関がある。つまり、検光子（Ａ）５の方位角は必らず
しも膜厚ゼロの値に正確に合わせる必要はなく、膜厚ゼ
ロに対応する理論値近傍であればよいことがわかる。

従来の消光法では、偏光子（Ｐ）２と検光子（Ａ）５に
ついて消光する方位を試行錯誤で探す必要があったが、
本発明では、偏光子（Ａ）２を１方向に回転させ、必要
な部分について受光素子６より時系列的に出力をとるだ
けでよい。その出力信号よりピーク位置を求める方法は
、ごく−船釣であり、公知の技術が種々存在する。１つ
の方法は、そのアナログ出力をＡ／Ｄ変換し、それを微
分する等してピークを求める。この処理は、従来の干渉
法においてピーク波長を求める方法とほぼ同して、よく
知られた公知の技術であり、干渉法を使用している装置
と組み合わせて使用するとき、うまくマツチングする。

偏光子（Ｐ）２の読み取り精度については、仮りに測定
範囲を０〜２００人とすると、（２）式からδは、 λ となる。ここで、ＳｉＯ□の屈折率ｎ＝１．４６、入射
角φ＝７０°、λ＝　６３２．８ｎｍで与えられること
により、膜厚２００人のδの値はδ＝１２．７゜となる
。したがって、これに対応するΔ、ψは、第７図と同様
な図（後記の表参照）から、△＝１３０．４゜ 曹＝１３５゜ である。厚さゼロのΔに対する変化量を△′とすると、
Δ′は、はぼ Δ′ζ１７９．１’　−１３０，４°＝　４８．７゜と
なる。前記したように、入射側のセナルモンのコンペン
セーターでこの位相変化を打ち消すわけであるが、その
時の偏光子（Ｐ）２の方位角をθとすると、θは次の式
で与えられる。

Δ′＝θ・λ／１８０ Δ’＝４８．７°はλ／７．４に相当するので、上記式
で計算すると、θ＝２４．４°となる。測定分解能を１
人とすると、θの角度読取り分解能は２４．４°の１／
２００程度あればよい。これは、一般の偏光解析装置で
要求されるよりもゆるい。その理由としては、第７図よ
り明白であるが、δに対してΔか大きく変化している領
域のみを使っているためである。

干渉法等反射率による測定では、膜の屈折率か正しくわ
かっていないと、膜厚と反射率の対応がうまくとれない
。非常にわずかの反射率の変化によって、測定する極薄
膜の領域では、この誤差の影響が特に大きくなる。ＬＳ
Ｉの製造過程においては種々の膜か使われ、それらの屈
折率が異なり、さらに、プロセスの条件により同じ物質
でも若干屈折率の値か変動する。

しかしながら、本発明においては、基板の材料か同じで
あれば、測定する膜の材質か異なっていても何ら問題に
はならない。すなわち、第７図に注目すると、δ＃０付
近ではΔ−曹曲線が全ての屈折率について同じとなり、
区別することかできなくなる。このことは、本発明では
膜の種類によらず、全く同じ方法て測定でき、操作、処
理か簡単になり、かつ測定精度か向上するという利点に
なっている。なお、基板の材料か異なると、入射角、測
定波長が同じでも、その複素屈折率が異なるため、第７
図のように描かれるΔ−曹曲線は異なって別のものにな
る。それに伴って、膜厚ゼロに対する曹の値も異なるの
で、基板の材料が異なる毎に、その膜厚ゼロに対する検
光子の理論的方位角近傍に検光子（Ａ）５を固定したも
のを用意しておき、基板材料に応じて装置を使い分ける
ようにするとよい。

次に、シリコン基板を用いて、測定光の波長としてＨｅ
　−Ｎｅレーザー６３２．８ｎｍを用い、入射角を７０
°とした時のΔとＷの関係の具体的数値をあげると、次
のような表になる。

第９図（ｉ）は検光子（Ａ）５の方位角Ｋ。を膜厚６０
人の消光条件：Ｋ。＝−１０，７°に固定した場合であ
り、第９図（ｉｉ）は検光子（Ａ）５の方位角に０を膜
厚２０人の消光条件：に０＝−１０，４°に固定した場
合である。

λ／４板３の光学軸については、ファースト（ｆａｓｔ
）軸を入射軸に対して方位±４５°に設定しても数学的
には同等となる。また、位相条件と振幅条件はもう１つ
解かあり、以下の条件を満たした場合ても全く同等であ
る。

Δ＝３π／２＋２０ 曹二Ｋ （θ、Ｋは消光条件を満たす偏光子（Ｐ）２と検光子（
Ａ）５の方位角） この場合、前記条件を満たす検光子（Ａ）５の方位角は
、 膜厚２０人に対して：に、＝１０．４゜膜厚６０人に対
して：Ｋｅ”１０．７゜となり、それに合わせてミニマ
ムピークを生ずる偏光子（Ｐ）２の方位角θの値の符号
も前記条件とは反対になる。

以上のように、本発明においては、偏光子（Ｐ）２の回
転のみによって膜厚か測定でき、かつ、その読み取り精
度も比較的ゆるいので、装置の構成を単純にすることか
できる。ここて、光源に半導体レーザーを使用すると、
装置の小型化か可能で、第１０図にシステム構成を示す
ように、対物レンズ７を有する顕微鏡８の付属品として
使うことができる。干渉法は、−船釣に顕微鏡を使用し
ているので、本発明の装置により測定領域を補完するこ
とにより、今まで不可能であった１００Å以下の極薄膜
から数μｍの比較的厚い領域まで連続して測定か可能と
なる。

ところで、紫外光を使用した干渉法によって極薄膜の膜
厚を測定することは、前述したように知られているが、
このための装置は、それ自体完結した装置であり、特殊
な光学材料を使うため、高価格である。また、紫外領域
では、製造プロセス等により成膜の屈折率変動か特に大
きく、かつ、その把握が困難で、１００Å以下の極薄膜
の領域では誤差が大きくなってしまう。また、ポリシリ
コン、レジスト等は、紫外光を透過せず、測定対象も限
定されるという欠点を有している。これに対して、本発
明の測定装置を補完装置として用いることにより、この
ような紫外光を用いることなく、１００Å以下の極薄膜
の膜厚を精密に測定することかできる。

〔発明の効果〕

本発明の光学的膜厚測定方法においては、偏光解析法に
おいて、検光子の方位角を偏光解析法における膜厚ゼロ
に対応する理論的消光条件を満足する角度近傍に固定し
、偏光子の回転のみによって生じる受光素子の出力のミ
ニマムピークを求め、そのミニマムピークに対応する偏
光子の方位角から被測定膜の膜厚を求めるようにしてい
るので、従来の偏光解析法に比較して極めて簡単な操作
により、計算処理に高い能力の計算機を必要とせず、極
めて短時間に、かつ、従来の干渉法によっては測定困難
な極薄膜の膜厚を精密に測定することかできる。

また、本発明の光学的膜厚測定装置によると、従来の偏
光解析法による装置に比較して、検光子の方位角を精密
に調節する機構か不必要になり、かつ、偏光子の方位角
調節機構の精度か相対的に高くしなくてもよくなるため
、装置構成か簡、単で安価になり、小型化でき、かつ、
簡単な操作で短時間に、従来の装置では測定か困難であ
った１００λ以下の膜厚の薄膜を精密に測定することか
できる装置が得られる。また、従来の干渉法の装置、顕
微鏡等にアタッチメントとして付属させることもてき、
その場合、従来の装置の測定領域を簡単に拡大すること
かできる。さらに、基板の材料に応じて小型の専用の装
置を用意することかでき、半導体製造プロセス等の現場
て薄膜の膜厚を簡単に測定でき、実用上の効果は著しく
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学的膜厚測定方法を実施するための
装置の１実施例の構成を示す図、第２図は膜に入射した
光束の状況を説明するための図、第３図、第４図は干渉
法における位相変化と反射率の関係を示す図、第５図は
干渉法における波長と反射率の関係を示す図、第６図は
従来の偏光解析法を実施する装置の構成図、第７図は△
−ψ曲線の１例を示す図、第８図は膜厚とミニマムピー
クとの関係を示す図、第９図はミニマムピークを示す検
光子の方位角と膜厚との関係の測定結果を示す図、第１
０図は本発明の装置を顕微鏡に付属品として取り付けた
場合のシステム構成を示す図である。 １・・・光源（半導体レーザー）、２・・・偏光子Ｐ、
３・・・λ／４板、４・・・膜を表面に育する測定試料
、５・・・検光子Ａ、６・・・受光素子、７・・・対物
レンズ、８・・・顕微鏡本体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の複素屈折率を有する基板表面に形成された
   測定波長に比較して薄い膜の膜厚を光学的に測定する方
   法において、被測定膜に対して所定の入射角で所定の波
   長の光束を入射させ、入射光路中に入射光束を直線偏光
   とする偏光子と、この偏光子と協働して被測定膜に照射
   する光束に任意の偏光状態を与えるためのλ／４の位相
   差を有するλ／４板とを配置し、被測定膜からの反射光
   路中に被測定膜からの光束の特定の方向の直線偏光成分
   を消光するように配置された検光子と、この検光子を透
   過した光束を受光する受光素子とを配置し、前記λ／４
   板の光学軸を入射面に対して４５゜に固定し、この状態
   において、偏光解析法における膜厚ゼロに対応する理論
   的消光条件を満足する検光子の方位角近傍に前記検光子
   の方位角を固定し、前記偏光子の回転のみによって生じ
   る受光素子の出力のミニマムピークを求め、そのミニマ
   ムピークに対応する偏光子の方位角から被測定膜の膜厚
   を求めることを特徴とする光学的膜厚測定方法。
2. （２）請求項１記載の光学的膜厚測定方法を実施するた
   の装置において、被測定膜に対して入射側光学系として
   、所定の波長の光束を放射する光源、この光源から放射
   した光束を直線偏光とする回転可能な偏光子、及び、こ
   の偏光子と協働して被測定膜に照射する光束に任意の偏
   光状態を与えるためのλ／４の位相差を有するλ／４板
   であって、光学軸を入射面に対して４５゜に固定された
   λ／４板を備え、被測定膜に対する受光側光学系として
   、被測定膜からの光束の特定の方向の直線偏光成分を消
   光するように配置された検光子であって、偏光解析法に
   おける膜厚ゼロに対応して被測定膜の基板の複素屈折率
   、測定光の波長、入射角に応じて決まる理論的消光条件
   を満足する方位角近傍に固定された検光子、及び、この
   検光子を透過した光束を受光する受光素子を備えている
   ことを特徴とする光学的膜厚測定装置。
3. （３）被測定膜の基板の材質に応じてそれ専用に構成さ
   れていることを特徴とする請求項２記載の光学的膜厚測
   定装置。
4. （４）干渉法による膜厚測定装置の付属装置として構成
   されていることを特徴とする請求項２又は３記載の光学
   的膜厚測定装置。