JPH0690012B2 - 最上層膜厚測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、サンプルに形成された最上層膜の膜厚を光学
的に測定する方法に関する。

＜従来の技術＞ 従来より、ガラスやフィルムに反射防止膜を形成した
り、半導体基板に特性の異なる半導体を形成したり、フ
ォトレジストを塗布したりするときに、膜厚を正確に測
定する必要がある。

ところが上記の膜厚は、μm,nmの領域にわたることが多
いため、光学的な原理で測定するのが通常であり、これ
により、非接触で高精度の膜厚測定が可能となる。特に
最近ではコヒーレントなレーザ光源を使用することによ
り、さらに精度の高い測定ができるようになった。

上記膜厚を求める方法の一つは、光の干渉現象を利用し
た方法である。例えば、第３図に示すように屈折率nsの
基板に屈折率nfの薄膜が形成されている場合、上部から
光を垂直に入射し、薄膜の表面で反射した光と、薄膜内
を繰り返し反射した後に薄膜の表面を透過した光とは干
渉を起こす。すなわち、薄膜の厚さをＤ、薄膜表面での
振幅反射率をr1、薄膜と基板との間での振幅反射率をr2
とすると、強度反射率Ｒは、よく知られているように で表される。ここに、δは、４πnfD/λ‐φ（λは空気
中の波長、φはnf≧nsのときπ、nf＜nsのとき０）で表
される。

なお、振幅反射率r1と屈折率とは、 r1＝（１−nf）／（１＋nf） 振幅反射率r2と屈折率とは、 r2＝（nf−ns）／（nf＋ns） の関係がある（フレネルの式）。

従来の膜厚測定においては、離散的または連続的な波長
値に対して強度反射率Ｒを実測し、薄膜の屈折率nfが既
知であるという前提で、この実測カーブを、薄膜の屈折
率nfと、基板の屈折率ns（nsは既知であってもよくまた
は実測で求めてもよい）とから理論的に予測される強度
反射率Ｒの波長特性にカーブにフィットさせることによ
って求めていた。

＜発明が解決しようとする課題＞ ところが、上記の方法は、基板が単一の光学的性質を持
っている時には適用できるが、基板が多層膜であって、
基板内の各膜からの反射が無視できないときには適用で
きない。基板が多層膜であることは、例え半導体基板の
上にプレーナ技術で複数の膜を順次形成していく時と
は、透明ラミネートフィルムの上にさらに膜を形成する
時等に起こり得ることである。

この場合には、電磁場の境界条件を用いた複雑な理論式
に当てはめて解く必要があり、大きなコンピュータが必
要になり、計算時間がかかるという問題がある。

そこで、本発明は多層膜基板の上に膜を形成した場合で
あっても、簡単な計算法で容易に膜厚を求めることので
きる最上層膜厚測定方法を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 上記の目的を達成するための請求項１記載の最上層膜厚
測定方法は、複数の波長の光に対して、各波長ごとに、
以下の手順にしたがって最上層膜厚を得るものである。

（１）最上層膜のない、光学的構造が不明なサンプルの
反射率特性を測定する。

（２）上記手順により測定した反射率特性を用いて等価
的な屈折率を求める。

（３）当該サンプル上に形成された最上層膜の反射率特
性を測定する。

（４）単一の光学的性質を有する基板に形成された最上
層膜の膜厚を決定する計算式に、（２）の手順で得られ
たサンプルの屈折率特性を当てはめて、各膜厚に対応し
た最上層膜の反射率特性を推定する。

（５）上記（３）の手順で得られた反射率特性が、
（４）の手順で得られたいずれかの反射率特性と最も合
致する場合に、当該合致する反射率特性に対応する膜厚
を最上層の膜厚として決定する。

＜作用＞ 上記の手順によれば、まず、サンプルの反射率特性を測
定することによって、既知の式により基板の等価的な屈
折率を導くことができる。

そして、この等価的な屈折率により最上層膜の膜厚をパ
ラメータとする反射率特性を理論的に導いておく。

当該サンプル上に形成された最上層膜の反射率特性を測
定し、理論的に導かれた上記特性との比較をすることに
より、最上層膜の膜厚を推定することができる。

なお、上記の方法によれば、最上層膜のないサンプルが
光吸収性であるときにも適用できる。この場合、（１）
で得られた最上層膜のないサンプルの反射率特性は、光
吸収性をその中に反映したものとなっている。したがっ
て、こうして得られた反射率特性を用いて最上層の膜厚
を決定すれば、その決定された膜厚は、光吸収性のサン
プルの上に形成された最上層の膜厚を正確に測定したも
のになる。

＜実施例＞ 以下実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図は、本発明の最上層膜厚測定方法を実施する測定
装置のブロック図であり、 ・波長600nm〜1000nmの同時測定が可能な分光光度計
（１）、 ・白色光源（２）とそれに備え付けられるバランシング
フィルタ（21）、 ・表示器（31）を備えたパーソナルコンピュータ
（３）、 ・バランシングフィルタ（21）を通して白色光源（２）
の光を導く光ファイバ（52）（62）（72）、 ・分光光度計（１）に光を導く光ファイバ（51），（6
1），（71）、 ・光ファイバ（51）（52）の先端に取り付けられた投受
光器（５）、 ・光ファイバ（61）（62）の先端に取り付けられた投受
光器（６）、 ・光ファイバ（71）（72）の先端に取り付けられた投受
光器（７）、 等からなる。

投受光器（５）には、シャッタ（８）を介して反射ミラ
ー（９）が対向し、投受光器（６）には、最上層がない
（Ｄ＝０）基板のみのサンプル（10）が対向し、投受光
器（７）には基板上に最上層が形成されたサンプル（1
1）が対向する。

上記装置を用いて最上層の膜厚を測定するには、まず、
バランシングフィルタ（21）、投受光器（５）、光ファ
イバ（51）（52）、反射ミラー（９）を含む光学系の分
光強度補正を行っておく。

次に、光ファイバ（51）を通して得られる反射ミラー
（９）の反射強度を基準として、基板のみのサンプル
（10）の反射強度を測定する。この反射強度は、基板の
みのサンプル（10）が光吸収性をもっていれば、この光
吸収度を反映できるものである。ここで得られた反射率
Ｒを使って、フレネルの式 r1＝（１−ns）／（１＋ns） から、サンプル（10）を単一の基板と考えたときの屈折
率nsを求める。

一方、最上層の屈折率nf（既知）を使って反射率 r2＝（１−nf）／（１＋nf） を求める。

上記手順は、光の波長を変えて行う必要があるが、本実
施例では、白色光を用いて全波長を同時測定し、そのデ
ータを使って上記処理をリアルタイムで行う。

そして、これらの屈折率を前出式に代入して、最
上層膜厚Ｄをパラメータとした反射率Ｒの波長分布理論
曲線をパーソナルコンピュータ（３）で求め、そのデー
タを記憶しておく。このデータは必要により読出して表
示器（31）に表示させることができる。この表示された
理論曲線の例を第２図に示す。

次に、基板のみのサンプル（10）の反射強度をリファレ
ンスとして、最上層が形成されたサンプル（11）の反射
率を幾つかの波長に対して求める。求めた反射率データ
はパーソナルコンピュータ（３）の記録部に記録され、
必要により読出され表示器（31）に点群状に表示され
る。

オペレータは、点群状に表示された反射率を理論曲線に
重ね合わせ、第２図に示すように、最もカーブフィット
する理論曲線を捜し出し、当該理論曲線に対応する膜厚
Ｄを最上層の膜厚とする。

以上のようにして、基板の光学的構造が分からなくと
も、複雑な計算式を使わずに、短時間で最上層の膜厚を
知ることができる。特に、基板のみのサンプル（10）が
光吸収性をもっていても、その吸収性を考慮した上で、
膜厚を正確に測定できる。

上記実施例では、複数波長の光を用いて複数個のデータ
を得、カーブフィットさせることにより膜厚を決定し
た。しかし、測定対象とする膜厚の範囲が初めから限定
できるならば、カーブフィットさせなくとも、理論式に
直接当てはめるだけで膜厚を決定できる。例えば、第４
図に示すように、膜厚をD1からD2に限定するならば、膜
厚D1からD2の間では、式により求める理論的な反射率
Ｒの値は一意的であるから、多数の波長の光を使わなく
とも、単一の波長を用いて基板の等価的な屈折率と最上
層膜の反射率を測定し、理論式に当てはめることにより
膜厚を求めることが可能となる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、第１図の測定装置において、反射ミラー（９）を省
略し、光源（２）から直接分光光度計（１）に光を供給
することも可能であり、投受光器（６）を省略し、基板
のみのサンプル（10）と最上層が形成されたサンプル
（11）とを適宜取り替えることにより測定することも可
能である。その他本発明の要旨を変更しない範囲内にお
いて、種々の変更を施すことが可能である。

＜発明の効果＞ 以上のように、本発明の最上層膜厚測定方法によれば、
基板の光学的構造が未知の場合でも、等価的に単一の光
学的性質を有する基板と見なすことにより、既知の計算
式を用いて短時間で簡単に最上層膜厚を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の最上層膜厚測定方法を実施する測定装
置のブロック図、 第２図は理論曲線と、測定点との一致を示すグラフ、 第３図は基板に形成された最上膜の反射を説明する図、 第４図は波長を一定とした時の、膜厚対反射率の理論カ
ーブを示すグラフである。 （10）……最上層膜を形成していない状態のサンプル、
（11）……最上層膜を形成後のサンプル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の波長の光に対して、最上層膜を形成
   していない状態の、かつ、光学的構造が未知のサンプル
   の反射率特性を測定する第１の手順と、上記手順により
   測定した反射率特性を用いてサンプルの等価的な屈折率
   を求める第２の手順と、当該サンプル上に形成された最
   上層膜の反射率特性を測定する第３の手順と、単一の光
   学的性質を有する基板に形成された最上層膜の膜厚を決
   定する計算式に、第２の手順で得られたサンプルの等価
   的な屈折率を当てはめて、最上層膜の各膜厚に対応した
   最上層膜の反射率特性を推定する第４の手順と、第３の
   手順で得られた反射率特性が、第４の手順で得られたい
   ずれかの反射率特性と最も合致する場合に、当該合致す
   る反射率特性に対応する膜厚を最上層の膜厚として決定
   する第５の手順とを採用することを特徴とする最上層膜
   厚測定方法。
2. 【請求項２】単一の波長の光に対して、最上層膜が未形
   成であって、かつ、光学的構造が未知のサンプルの反射
   率特性を測定する第１の手順と、上記手順により測定し
   た反射率特性を用いて等価的な屈折率を求める第２の手
   順と、当該サンプル上に形成された最上層膜の反射率特
   性を測定する第３の手順と、単一の光学的性質を有する
   基板に形成された最上層膜の膜厚を決定する計算式に、
   第２の手順で得られたサンプルの等価的な屈折率と、第
   ３の手順で得られた最上層膜の反射率特性とを当てはめ
   て、最上層膜の膜厚を決定する第４の手順とを採用する
   ことを特徴とする最上層膜厚測定方法。