JPH10132525A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な操作のみで自動的に最も信頼性の高い
膜厚値を得ることのできる膜厚測定装置を提供する。 【解決手段】 計算範囲設定部が、所定の波長範囲内に
おいて干渉スペクトルのグラフ上に現われたピーク及び
谷を含む様々な計算範囲を設定すると、考えられ得る全
ての計算範囲毎に、膜厚測定部が、該計算範囲に含まれ
るデータに基づいて膜厚を計算し、ピークＳＤ値計算部
が、誤差パラメータであるピークＳＤ値を計算する。最
小のピークＳＤ値に対応する膜厚値が最も信頼性の高い
膜厚値となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜の厚さを測定
するための膜厚測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、シリコンウエハ上に形成された
薄膜のような薄膜試料の厚さを測定するための装置の一
つに、薄膜試料に可視光、紫外光、あるいは近赤外光等
の測定光を照射したときに観察される、薄膜試料からの
反射光の干渉を利用した膜厚測定装置がある。

【０００３】上記膜厚測定装置による膜厚測定の原理に
ついて図４を参照しながら説明する。薄膜状の試料３０
に波長λの測定光Ｌを入射角θで照射すると、測定光Ｌ
の一部は試料３０の上面３１で反射されて反射光Ｌ１と
なる一方、測定光Ｌの別の一部は試料３０内部に屈折角
θ’で入射して試料３０の底面３２により反射され、試
料３０の上面３１から外部へ出て反射光Ｌ２となる。試
料３０を構成する物質の上記測定光に対する屈折率を
ｎ、試料３０の厚さをｄとするとき、反射光Ｌ１の光路
長と反射光Ｌ２の光路長との間には、空気中での光路長
に換算して、 ２ｄ・（ｎ²−ｓｉｎ²θ）^1/2 なる光路差が生じる。この光路差が存在するため、上記
反射光Ｌ１及びＬ２の間には、測定光Ｌの波長λに応じ
た干渉が生じ、その結果反射光の検出強度は波長λの値
に応じて変化する。この波長λと反射光の検出強度との
関係を、本明細書では「反射光の干渉スペクトル」と呼
ぶことにする。図５に反射光の干渉スペクトルを表わす
グラフの一例を示す。この図において、横軸は入射光の
波長、縦軸は反射率（すなわち、入射光強度に対する反
射光強度の比）を示す。また、Ｐｉ（ｉ＝１，２，…）
はグラフのピーク（Peak）を表わし、Ｖｉ（ｉ＝１，
２，…）は谷（Valley）を表わす。いま、２つのピーク
を選んでそれぞれに対応する波長をλ1及びλ2とすると
き、一般に式 Δｍ＝２ｄ・（１／λ2−１／λ1）・（ｎ²−ｓｉｎ²θ）^1/2 …（１） （ただし、λ2＜λ1とする）が成立する。ここで、Δｍ
は、波長λ1のピークを基点として短波長側へピークを
順次数えていったときに、波長λ2のピークが何番目に
現われるかを示す数（以下、「ピーク数」とする）であ
り、例えば、上記２つのピークとして図５のＰ１及びＰ
３を指定したときには、Δｍ＝２となる。こうしてピー
ク数Δｍを定めれば、式（１）を変形して得られる式 ｄ＝ｋ・Δｍ／（１／λ2−１／λ1） …（２） ただし、ｋ＝１／｛２・（ｎ²−ｓｉｎ²θ）^1/2｝ により、膜厚ｄを求めることができる。なお、２つのピ
ークの代わりに２つの谷を用いても同様に膜厚ｄを求め
ることができる。また、ピークと谷を１つずつ指定して
膜厚ｄを求めることもできる。例えば、図５のピークＰ
１及び谷Ｖ３を指定した場合はΔｍ＝１．５と、また、
ピークＰ１及び谷Ｖ４を指定した場合はΔｍ＝２．５と
すれば、式（２）により膜厚ｄを求めることができる。

【０００４】上記原理に基づいて、更に高い精度で膜厚
ｄを求める方法について図６を参照しながら説明する。
まず、膜厚ｄを求めるための基礎データとする波長範囲
（計算範囲）を設定する。例えば、図５では、最大波長
λｓから最小波長λｅまでの区間を計算範囲としてい
る。次に、計算範囲に含まれるピーク又は谷のうち最も
長波長側に位置するもの（図５では谷Ｖ１）をピーク数
算定の基準として、計算範囲中の各々のピーク又は谷の
ピーク数Δｍ及び波長λの関係を、横軸にピーク数Δｍ
を、縦軸に波長の逆数１／λをとった座標上の点で示す
と、全ての点は理論上は図６のような直線上に位置す
る。ただし、実際上はプロットされた点は完全に一直線
上には乗らないため、最小自乗法により直線近似を行な
う。こうして得られた直線の傾きの逆数を求めてその値
を式（２）の右辺の Δｍ／（１／λ2−１／λ1） の代わりに用いることにより、より高い精度で膜厚ｄを
求めることができる。なお、以上の議論は、上記計算範
囲内のいずれの波長においても試料３０の屈折率ｎが一
定であることを前提としている。

【０００５】上記方法により膜厚を測定する手順につい
て図７のフローチャートを参照しながら説明する。ま
ず、計算範囲を設定して膜厚測定を開始したら、試料に
照射する測定光の波長を変化させながら、反射率を測定
する（ステップＳ５２）。反射率の測定が終了したら、
予め設定された計算範囲に含まれるデータを用いて、上
記方法により膜厚を求める（ステップＳ５４）。ここ
で、より高い精度で膜厚を求めるためには、計算範囲内
に、反射率のグラフの、できるだけ理論的な波形に近い
波形（すなわち、ピーク及び谷の波長の逆数が上記直線
上に良好にプロットされるような波形。以下、「整った
波形」とする）を有する部分が、主として含まれるよう
に、該計算範囲を設定することが望ましい。従って、予
め設定しておいた計算範囲内に含まれるグラフが整った
波形を有しておらず、そのため再計算が必要であると判
定された場合（ステップＳ５６）は、計算範囲を再設定
し（ステップＳ５８）、その計算範囲内に、グラフの、
整った波形を有する部分が、主として含まれるようにし
てから膜厚を再計算する。

【０００６】上記のような膜厚測定にはコンピュータを
利用するのが一般的である。コンピュータを用いた膜厚
測定装置で膜厚を再計算する場合、まず使用者は、画面
上に数値あるいは画像（カーソル等）により表示された
計算範囲と、その計算範囲に含まれるグラフの波形を、
目視により確認する。そして、もし使用者が、その計算
範囲に含まれるグラフが整った波形を有していないと判
断した場合、その使用者は、マウスやキーボード等の入
力装置を操作して、計算範囲の設定を変更し、コンピュ
ータに膜厚の再計算を指示する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】グラフの波形が整って
いるかどうかを目視により判定する場合、判定の結果
は、判定する者により異なる可能性がある。従って、上
記のような方法で得られる膜厚の値は、完全に客観的で
信頼できるとは言い切れないという問題がある。そこ
で、後述するピークＳＤ値のような、実際のピーク波長
分布と理論上のピーク波長分布とのずれの度合いを示す
指標となるパラメータを導入し、このパラメータが最適
な値（例えば、ピークＳＤ値の場合は、最小値）をとる
ような計算範囲を見いだす、という方法も従来より行な
われている。しかし、この場合、上記パラメータの値を
確かめながら、何度も試行錯誤的に計算範囲を変更し
て、パラメータの最適値が得られる計算範囲を見い出さ
なければならず、その作業自体が面倒であり、時間がか
かる。特に、膜厚が比較的大きい場合、干渉スペクトル
のグラフには多数のピークや谷が現われるため、試みる
べき計算範囲の数は膨大なものとなり、著しく分析の効
率を損なうことになる。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、簡単な
操作のみで自動的に最も信頼性の高い膜厚値を得ること
のできる膜厚測定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る膜厚測定装置は、薄膜試料に照
射する測定光の波長を変化させながら該薄膜試料からの
反射光の強度を測定して該反射光の干渉スペクトルを生
成し、この干渉スペクトルに基づいて膜厚を計算する膜
厚測定装置において、 a)所定の波長範囲内において干渉スペクトルのグラフ上
に連続して現われる所定の最小指定数以上のピーク及び
谷からそれぞれ成る複数のピーク列を順次指定し、指定
された各ピーク列毎に、該ピーク列を構成する全てのピ
ーク及び谷のみを内包する計算範囲を設定する計算範囲
設定手段と、 b)該計算範囲設定手段により設定される全ての計算範囲
において、その各々の計算範囲に含まれるピーク及び谷
の波長に基づいて膜厚を計算し、得られた膜厚の値を用
いて、ピーク及び谷の理論的な波長分布を求め、該理論
的な波長分布からの実際の波長分布のズレの程度を示す
誤差パラメータを計算する誤差パラメータ計算手段と、 c)該誤差パラメータ計算手段により計算される誤差パラ
メータを上記計算範囲設定手段により設定される全ての
計算範囲の中でモニタしてその最適値を特定し、該誤差
パラメータの最適値に対応する計算範囲を特定する最適
計算範囲特定手段と、を備えることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】上記において、「所定の波長範
囲」は、干渉スペクトルのグラフの整った波形を有する
部分を主として内包するような波長範囲とする。また、
「最小指定数」とは、膜厚を計算するために用いるピー
ク及び谷の数の下限の値に相当する。すなわち、用いる
ピーク及び谷の数が少なすぎると、それだけ膜厚計算の
基礎データが少なくなるため、十分な精度で膜厚を求め
ることができない。そこで、上記のように膜厚計算に用
いるピーク及び谷の数の下限を設けるのである。なお、
「所定の波長範囲」及び「最小指定数」は、膜厚計算の
開始直後では所定のデフォルト値を用いるようにした上
で、その後は使用者が適宜これを変更できるようにする
ことが好ましい。

【００１１】本発明に係る膜厚測定装置の作用について
説明する。まず、所定の波長範囲内において干渉スペク
トルのグラフ上にピーク及び谷が合わせてｎ個現われた
ものとする。このとき、もし上記所定数をｍと設定した
場合、「所定の波長範囲内において干渉スペクトルのグ
ラフ上に連続して現われる所定数以上のピーク及び谷か
ら」成るピーク列に該当するものは、連続するｎ個のピ
ーク及び谷から成るピーク列が１通り、連続する（ｎ−
１）個のピーク及び谷から成るピーク列が２通り、 ・・・・ 連続する（ｍ＋１）個のピーク及び谷から成るピーク列
が（ｎ−ｍ）通り、連続するｍ個のピーク及び谷から成
るピーク列が（ｎ−ｍ＋１）通り、存在し、全部で ｛（ｎ−ｍ＋２）・（ｎ−ｍ＋１）／２｝ 通り存在する。計算範囲設定手段は、これら｛（ｎ−ｍ
＋２）・（ｎ−ｍ＋１）／２｝通りのピーク列の中か
ら、複数のピーク列を順次指定し、指定された各ピーク
列毎に、該ピーク列を構成する全てのピーク及び谷のみ
を内包する計算範囲を設定する。誤差パラメータ計算手
段は、計算範囲設定手段により設定される全ての計算範
囲において、その各々の計算範囲に含まれるピーク及び
谷の波長に基づいて膜厚を計算し、得られた膜厚の値を
用いて、ピーク及び谷の理論的な波長分布を求め、該理
論的な波長分布からの実際の波長分布のズレの程度を示
す誤差パラメータを計算する。最適計算範囲特定手段
は、誤差パラメータ計算手段により計算される誤差パラ
メータを、計算範囲設定手段により設定される全ての計
算範囲の中でモニタして、その最適値を特定し、更にそ
の誤差パラメータの最適値に対応する計算範囲を特定す
る。こうして特定された計算範囲に含まれるデータに基
づいて得られる膜厚値が、最も誤差の少ない膜厚値とし
て採用される。

【００１２】上記「誤差パラメータ」の例としては、先
に言及した「ピークＳＤ値」がある。この場合、「誤差
パラメータの最適値」とは「ピークＳＤ値の最小値」の
ことをいう。なお、ピークＳＤ値については後の実施例
で説明する。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、所定の波長範囲内で設
定可能なあらゆる計算範囲が自動的に順次設定され、各
計算範囲に含まれるデータに基づいて各誤差パラメータ
が計算され、それら誤差パラメータの中での最適値が自
動的に特定され、その最適値に対応する波長範囲に含ま
れるデータに基づいて計算された膜厚を、最も誤差が少
なく、信頼性の高い膜厚値として採用する。従って、従
来のように、使用者が、入力装置を操作して、一つ一つ
計算範囲を設定し直しながら、最も誤差の少ない膜厚値
を試行錯誤的に求める、という面倒な作業は不要とな
り、膜厚測定作業の大幅な省力化が実現する。

【００１４】

【実施例】本発明に係る膜厚測定装置の一実施例を図１
〜図３を参照しながら説明する。

【００１５】図２は本実施例の膜厚測定装置の機能的構
成を示すブロック図である。本実施例の膜厚測定装置
は、入力部１２、中央制御部１４、計算範囲設定部１
６、膜厚計算部１８、ピークＳＤ値計算部２０、最適計
算範囲特定部２２、データ記憶部２４、表示部２６を含
む。このうち、入力部１２にはキーボードやマウス等の
入力装置が、データ記憶部２４にはハードディスク等の
記憶装置が、また表示部２６にはＣＲＴや液晶ディスプ
レイ等の表示装置が、それぞれ利用できる。中央制御部
１４、計算範囲設定部１６、膜厚計算部１８、ピークＳ
Ｄ値計算部２０及び最適計算範囲特定部２２は、コンピ
ュータプログラムにより構成することができる。

【００１６】上記データ記憶部２４には、分光光度計等
を用いて採取された、薄膜試料からの反射光の強度デー
タが、その検出された波長毎に保存されている。

【００１７】図１は本発明に係る膜厚測定装置により膜
厚を計算する手順の一例を示すフローチャートである。
以下、このフローチャートを参照しながら、図２の膜厚
測定装置により膜厚を計算する手順を説明する。

【００１８】使用者が、入力部１２を操作して、膜厚計
算開始を指示すると、中央制御部１４は、データ記憶部
２４からデータを読み出し、その検出された波長ピッチ
の順に整理して、干渉スペクトルのグラフを生成し、表
示部２６にこれを表示する（ステップＳ１２）。表示部
２６に表示された干渉スペクトルのグラフを目視により
確認したら、使用者は、入力部１２を操作し、グラフの
整った波形を有する部分を主として含むような波長範囲
の長波長側の一端λlong及び短波長側の一端λshortを
設定する（ステップＳ１４）。更に使用者は、膜厚の計
算に用いられるピーク又は谷の数の下限である最小指定
数ｍの設定も行なう（ステップＳ１６）。

【００１９】以上のようにλlong、λshort及びｍの設
定が完了したら、中央制御部１４は計算範囲設定部１６
を起動する。これを受けた計算範囲設定部１６は、λlo
ngからλshortまでの波長範囲内で上記干渉スペクトル
のグラフ上に現われた全てのピーク及び谷の個数ｎを求
め、各ピーク又は谷の波長λp1,λp2,…λpnを検出する
（ステップＳ１８）。その次のステップＳ２０におい
て、もしｍ＞ｎである場合、ｍ、λlong又はλshortの
設定をやり直すために、ステップＳ１４へ戻る。

【００２０】一方、ステップＳ２０において、ｍ＝ｎ又
はｍ＜ｎの場合、ステップＳ２２へ進む。ここで、計算
範囲設定部１６は、干渉スペクトルのグラフを、それぞ
れ１つのピーク又は谷のみを含む複数の部分に分割する
ためのピーク境界波長を設定する。ここで、ピーク又は
谷の数がｎである場合、ピーク境界波長はｎ＋１箇所設
定するものとする。すなわち、ピーク境界波長を長波長
側から順にλ0,λ2,…λnとするとき、各ピーク又は谷
の波長λp1,λp2,…λpnから、各ピーク境界波長を、例
えば次の式 λk＝（λpk＋λpk+1）／２ （ただし、k＝1, 2, …,n
-1） λ0＝λlong λn＝λshort により求めるようにする。

【００２１】図３は干渉スペクトルのグラフ上にピーク
境界波長を設定した様子を示す図である。この図では、
λlongからλshortまでの波長範囲において、グラフ上
に５つのピークと４つの谷が現われているため、ｎ＝９
である。

【００２２】上記のようにピーク境界波長が設定された
ら、計算範囲設定部１６は、ステップＳ２４からＳ４０
までの行程を実行し、λlongからλshortまでの波長範
囲内において、異なる計算範囲を順次設定してゆく。以
下、この行程を詳しく説明する。

【００２３】ステップＳ２４からＳ４０までの行程は、
パラメータｉ及びｊを用いた条件付き２重ループ構造を
有している。パラメータｉは０から（ｎ−ｍ）まで１ず
つ増加し（ステップＳ２４、Ｓ３８、Ｓ４０）、パラメ
ータｊは、各パラメータｉの値に応じて、（ｉ＋ｍ）か
らｎまで１ずつ増加する（ステップＳ２６、Ｓ３４、Ｓ
３６）。

【００２４】上記のようにパラメータｉ及びｊを順次変
更する度毎に、計算範囲設定部１６は、ピーク境界波長
λi及びλjの値を、膜厚計算部１８へ送る。これを受け
た膜厚計算部１８は、λiからλjまでの波長範囲を計算
範囲［λi，λj］とし、この計算範囲に含まれるデータ
に基づいて膜厚を計算する。パラメータｉの上限を（ｎ
−ｍ）としたこと、及び、パラメータｊの下限を（ｉ＋
ｍ）としたことにより、上記計算範囲［λi，λj］に
は、必ず、最小指定数ｍ以上のピーク及び谷が含まれる
ようになっている。膜厚計算部１８が計算した膜厚値ｄ
ijは、ピークＳＤ値計算部２０へ送られる。

【００２５】ピークＳＤ値について説明する。先に図６
を参照しながら説明したように、干渉スペクトルのグラ
フ上に現われるピーク及び谷の波長の逆数は、理論的に
は一直線上に乗るはずであるが、実際には誤差があるた
め、一直線上には乗らずにばらつきが生じる。そこで、
理論的に求められるピーク及び谷の波長の逆数と、実際
のピーク及び谷の波長の逆数との差を、各ピーク又は谷
毎に調べ、これらの差の標準偏差をとると、この標準偏
差の値は、測定の精度が高いほど小さくなり、精度が低
いほど大きくなると考えられる。そこで、この標準偏差
を、測定の精度の指標とすることにする。

【００２６】理論的にピーク及び谷の波長を求めるに
は、次のようにすればよい。先に図４を参照して述べた
ように、反射光Ｌ１及びＬ２の光路差は ２ｄ・（ｎ²−ｓｉｎ²θ）^1/2 ただし、ｄは膜厚、ｎは膜の屈折率、θは測定光の入射
角、で与えられる。このとき、ピーク又は谷の波長λpv
は次式 （λpv／２）・ｚ＝｛２ｄ・（ｎ²−ｓｉｎ²θ）^1/2｝ ただし、ｚは正の整数、により求められる。例えば、ｄ
＝１００ｎｍ、ｎ＝２、θ＝５°のとき、光路差は約４
００ｎｍである。従って、λpvは ｚ＝１のとき、λpv＝４００ｎｍ ｚ＝２のとき、λpv＝２００ｎｍ ・・・・ というように、ピーク又は谷の波長を求めることができ
る。

【００２７】上記のような原理に基づいて、ピークＳＤ
値計算部２０は、膜厚計算部１８から送られてきた膜厚
の値ｄijを用いてλpvを理論的に計算し、更に、理論的
に得られた波長の逆数と、実際に検出された波長の逆数
との差の標準偏差を計算して、ピークＳＤ値ｓijを求め
る。ピークＳＤ値計算部２０により計算されたピークＳ
Ｄ値ｓijの値は、最適計算範囲特定部２２に送られる。

【００２８】最適計算範囲特定部２２は、ステップＳ３
０からＳ３２までの行程に従って、ピークＳＤ値の最適
値（すなわち、最小値）ｓxと、それに対応する膜厚ｄx
及び計算範囲［λix，λjx］を求める。ステップＳ３０
において、ｉ＝０且つｊ＝ｍの場合、ステップＳ３２へ
進み、ｓx、ｄx、λix及びλjxの初期化を行なう。一
方、ステップＳ３０において、上記以外の場合、ステッ
プＳ３１へ進み、ステップＳ２８で得られたｓijとｓx
との大小関係を調べる。もしｓijがｓxよりも小さけれ
ば、ステップＳ３２へ進んで、ｓx、ｄx、λix及びλjx
の値が更新される。一方、ｓijがｓxよりも大きけれ
ば、上記各変数は更新されず、ステップＳ３４へ進む。

【００２９】｛（ｎ−ｍ＋２）・（ｎ−ｍ＋１）／２｝
通りの全ての計算範囲（［λ0，λ3］〜［λn-m，λ
n］）について、膜厚及びピークＳＤ値の計算が終了す
ると、ステップＳ４０においてパラメータｉの値が（ｎ
−ｍ）を超え、膜厚の計算が終了する。こうして、最終
的に得られた計算範囲［λix，λjx］及び膜厚ｄxが、
求める計算範囲及び膜厚である。計算範囲［λix，λj
x］、膜厚ｄx及びピークＳＤ値ｓxは表示部２６に表示
される。

【００３０】なお、図１のフローチャートで示した膜厚
測定の手順はあくまで一例に過ぎず、別の手順も可能で
あること、また、誤差パラメータとしてはピークＳＤ値
以外の値を用いてもよいこと等、本発明に係る膜厚計算
装置は、別に記載の特許請求の範囲により特定される発
明の精神及び範囲内で、その他の様々な変形が可能であ
ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る膜厚測定装置により膜厚を計算
する手順の一例を示すフローチャート。

【図２】 本発明に係る膜厚測定装置の一実施例の機能
的構成を示すブロック図。

【図３】 干渉スペクトルのグラフ上にピーク境界波長
を設定した様子を示す図。

【図４】 膜厚測定の原理を説明するための図。

【図５】 反射光の干渉スペクトルを表わすグラフの一
例を示す図。

【図６】 ピーク数と波長の逆数との関係を示す図。

【図７】 従来の方法により膜厚を計算する手順を示す
フローチャート。

【符号の説明】

１２…入力部 １４…中央制御部 １６…計算範囲設定部 １８…膜厚計算部 ２０…ピークＳＤ値計算部 ２２…最適計算範囲特定部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜試料に照射する測定光の波長を変化
   させながら該薄膜試料からの反射光の強度を測定して該
   反射光の干渉スペクトルを生成し、この干渉スペクトル
   に基づいて膜厚を計算する膜厚測定装置において、 a)所定の波長範囲内において干渉スペクトルのグラフ上
   に連続して現われる所定の最小指定数以上のピーク及び
   谷からそれぞれ成る複数のピーク列を順次指定し、指定
   された各ピーク列毎に、該ピーク列を構成する全てのピ
   ーク及び谷のみを内包する計算範囲を設定する計算範囲
   設定手段と、 b)該計算範囲設定手段により設定される全ての計算範囲
   において、その各々の計算範囲に含まれるピーク及び谷
   の波長に基づいて膜厚を計算し、得られた膜厚の値を用
   いて、ピーク及び谷の理論的な波長分布を求め、該理論
   的な波長分布からの実際の波長分布のズレの程度を示す
   誤差パラメータを計算する誤差パラメータ計算手段と、 c)該誤差パラメータ計算手段により計算される誤差パラ
   メータを上記計算範囲設定手段により設定される全ての
   計算範囲の中でモニタしてその最適値を特定し、該誤差
   パラメータの最適値に対応する計算範囲を特定する最適
   計算範囲特定手段と、を備えることを特徴としている。