JPH11162954A

JPH11162954A - 光学的手段による薄膜測定方法及び装置並びに成膜装置

Info

Publication number: JPH11162954A
Application number: JP33030897A
Authority: JP
Inventors: Lippy Barret; リッピーバレット; Koji Kitagawa; 浩司北川; Kazuto Shimoda; 和人下田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】成膜工程時に、成膜される薄膜の屈折率ｎ、消
衰係数ｋ及び物理膜厚ｄを同時に測定する。【解決手段】成膜工程に供された測定用基板２′の表面
に、同一波長で且つ入射角度の異なる３本の光ビームを
入射させ、それらの反射光を夫々検出して、夫々の反射
光における反射率を測定する。得られた３つの反射率の
値を用いて連立方程式を解き、薄膜のｎ、ｋ及びｄを同
時に求める。反射光の光路に偏光ビームスプリッターを
設け、例えば、１つの反射光を２つの偏光成分に分離し
て夫々を検出することにより、検出光の数を増やし、精
度を上げることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、薄膜の成膜
中に、光学的手段により、その薄膜の屈折率、消衰係数
及び物理膜厚を夫々求めることができる薄膜測定方法及
び装置並びに成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】成膜中の薄膜を光学的にモニターする方
法として、従来、例えば、白色光から取り出した所定波
長の光やレーザー光等の単一ビームを薄膜に照射して、
その反射光又は透過光から薄膜の反射率又は透過率を測
定する方法が用いられている。この方法によれば、薄膜
の、例えば、光学膜厚（屈折率ｎ×物理膜厚ｄ）を比較
的簡単に求めることができる。

【０００３】また、偏光解析法も、場合により、用いら
れる。この偏光解析法は、例えば、偏光状態の分かった
完全偏光を薄膜表面に入射させ、その反射光における偏
光状態の変化を測定するもので、例えば、薄膜の屈折率
ｎと物理膜厚ｄを夫々個別に求めることが理論上可能で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】実際の成膜プロセスで
は、成膜中の薄膜の物理膜厚ｄのみならず、薄膜の屈折
率ｎや、更には、例えば、吸収係数μを求めるための消
衰係数ｋを知って、プロセスを制御するのが有利であ
る。

【０００５】しかしながら、単一ビームの反射率又は透
過率を測定する前者の方法では、ｄ、ｎ及びｋを夫々個
別に求めることはできない。即ち、理論上、これら３つ
の変数のうちいずれか２つを固定しないと他の１つを求
めることができない。

【０００６】一方、偏光解析法でも、例えば、ｎとｄを
夫々個別に求めることはできるが、更に、ｋを求めるこ
とはできない。また、この偏光解析法では、一般に、装
置が非常に高価であり、且つ、その調整が難しいという
問題も有る。

【０００７】そこで、本発明の目的は、比較的簡単な構
成の光学的手段により、成膜中の薄膜の屈折率、消衰係
数及び物理膜厚を夫々個別に求めることができる薄膜測
定方法及び装置並びに成膜装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決すべ
く、本発明の薄膜測定方法では、成膜工程中の試料表面
に、互いに入射角度の異なる少なくとも２つの光を入射
させ、それらの反射光及び／又は透過光から、反射若し
くは出射角度の異なる又は偏光状態の異なる少なくとも
３種の光成分における反射率及び／又は透過率を測定
し、その測定結果から、前記試料表面に成膜された薄膜
の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を夫々求める。

【０００９】また、本発明の薄膜測定装置は、成膜室中
に配された試料表面に、互いに入射角度の異なる少なく
とも２つの光を入射させるための光照射手段と、前記光
照射手段から入射させた前記光の反射光及び／又は透過
光から、反射若しくは出射角度の異なる又は偏光状態の
異なる少なくとも３種の光成分を受光するための受光手
段と、前記受光手段により受光した前記少なくとも３種
の光成分の強度を夫々検出する光検出手段と、前記光検
出手段により検出された前記少なくとも３種の光成分の
夫々の強度から、前記少なくとも３種の光成分における
反射率及び／又は透過率を夫々求め、得られた反射率及
び／又は透過率に基づいて、前記試料表面に成膜された
薄膜の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を夫々求める演算
手段と、を有する。

【００１０】更に、本発明の成膜装置は、成膜室と、前
記成膜室中に配された試料表面に、互いに入射角度の異
なる少なくとも２つの光を入射させるための光照射手段
と、前記光照射手段から入射させた光の反射光及び／又
は透過光から、反射若しくは出射角度の異なる又は偏光
状態の異なる少なくとも３種の光成分を受光するための
受光手段と、前記受光手段により受光された前記少なく
とも３種の光成分の強度を夫々検出するための光検出手
段と、前記光検出手段で検出された前記少なくとも３種
の光成分の夫々の強度から、前記少なくとも３種の光成
分における反射率及び／又は透過率を夫々求め、得られ
た反射率及び／又は透過率に基づいて、前記試料表面に
成膜された薄膜の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を夫々
求める演算手段と、を有する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を好ましい実施の形
態に従い説明する。

【００１２】まず、本発明による測定の原理を概略的に
説明する。

【００１３】今、図１０に示すように、基板上にＬ層の
薄膜が形成された試料に入射角度θ₀で光を入射させた
場合を考える。ｊ＝１、２、…、Ｌとして、ｎ_jは、ｊ
番目の層における屈折率、ｄ_jは、その層の物理膜厚で
ある。また、ｎ_mは、入射媒質（通常は空気）の屈折
率、ｎ_sは、基板の屈折率である。

【００１４】この試料における振幅反射率ｒ及び振幅透
過率ｔは、マクスウェル方程式から、夫々、次のように
導かれる。ｒ＝（η_mＥ_m−Ｈ_m）／（η_mＥ_m＋Ｈ_m） …（１）ｔ＝２η_m／（η_mＥ_m＋Ｈ_m） …（２）但し、

【００１５】

【数１】

【００１６】である。

【００１７】ここで、Ｅ_m及びＨ_mは、夫々、入射媒質
中での光の電場のベクトル及び磁場のベクトルである。
また、Ｍは、次式（４）で与えられる行列である。Ｍ＝Ｍ_LＭ_L-1…Ｍ_j…Ｍ₂Ｍ₁ …（４）この式（４）中、Ｍ_jは、ｊ番目の層に関する２行２列
の行列で、

【００１８】

【数２】

【００１９】である（ｉ：虚数単位）。但し、 δ_j＝（２π／λ）（ｎ_jｄ_jcos θ_j） …（６）である（λ：入射光の波長）。

【００２０】また、ηは、各添字の物質における実効屈
折率を表しており、 η＝ｎ／cos θ （ｐ偏光） …（７）＝ｎcos θ （ｓ偏光） …（８）である。

【００２１】また、ｊ番目の層への入射角度θ_jと試料
への入射角度θ₀の間には、スネルの法則から、ｎ_msin θ₀＝ｎ_jsin θ_j …（９）の関係が有る。

【００２２】式（１）、（２）から、反射率Ｒと透過率
Ｔは、夫々、Ｒ＝｜ｒ｜² …（１０）Ｔ＝（η_s／η_m）｜ｔ｜² …（１１）となる。

【００２３】以上は、各層での光の吸収が無い場合であ
るが、各層で光の吸収が有る場合には、上の説明におい
て、各媒質の屈折率ｎの代わりに、次式で定義される複
素屈折率ｎ′を用いれば良い。ｎ′＝ｎ−ｉｋ …（１２）ここで、ｋは消衰係数と呼ばれ、吸収係数μとの間に、 μ＝４πｋ／λ …（１３）の関係が有る。

【００２４】以上の説明から、式（１０）の反射率Ｒ及
び式（１１）の透過率Ｔには、夫々、各層の屈折率
ｎ_j、消衰係数ｋ_j、及び、物理膜厚ｄ_jが変数として
含まれることが分かる。例えば、単層の薄膜の場合、夫
々、薄膜の屈折率ｎ、消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄの３つ
の変数を含む。

【００２５】既述した従来の単一ビームによる反射率又
は透過率を測定する方法では、通常、ｋを無視するか、
或いは、既知として、光学膜厚ｎ×ｄを求める。また、
更に、ｎを既知とすれば、物理膜厚ｄを求めることがで
きる。

【００２６】これに対し、本発明の方法では、ｎ、ｋ及
びｄの全てを未知変数として同時に求めることができ
る。

【００２７】図１に、本発明の第１の実施の形態による
薄膜測定装置を備えた成膜装置の概略構成を示す。

【００２８】なお、成膜装置として、図では、ＤＣリア
クティブスパッタリング装置の例を示すが、他の、例え
ば、ＲＦスパッタリング装置や、更には、ＣＶＤ装置、
真空蒸着装置等にも本発明は適用が可能である。

【００２９】図１に示すように、例えば、真空室である
成膜室１内に、成膜処理される基板２の１つとして測定
用基板２′が配置される。基板２、２′は、例えば、シ
リコン（Ｓｉ）ウェハであり、その上に、例えば、酸化
シリコン（ＳｉＯ₂）膜を成膜する。３は、スパッタリ
ングされる、例えば、Ｓｉターゲット等を含むスパッタ
源である。

【００３０】成膜室１内には、測定用基板２′に対し、
３つの異なる角度で同時に光を入射させることができる
ように、３つの光照射部４ａ、４ｂ、４ｃが夫々設けら
れている。また、それらの光照射部４ａ〜４ｃに夫々対
応した反射位置に、３つの受光部５ａ、５ｂ、５ｃが夫
々設けられている。

【００３１】例えば、図２に示すように、光照射部４ａ
からの光ａが、試料面の法線に対する入射角度θ_a（例
えば、約２０°）で入射して、その反射光ａ′が受光部
５ａで受光され、光照射部４ｂからの光ｂが入射角度θ
_b（例えば、約３０°）で入射して、その反射光ｂ′が
受光部５ｂで受光され、光照射部４ｃからの光ｃが入射
角度θ_c（例えば、約４０°）で入射して、その反射光
ｃ′が受光部５ｃで受光されるようになっている。２
０′は、基板２′表面に成膜された測定対象の薄膜であ
る。

【００３２】図１に示すように、光照射部４ａ〜４ｃ
は、夫々、例えば、光ファイバー６により、成膜室１の
外部の共通光源７に接続されている。光源７としては、
例えば、タングステンランプのような白色光源を用いる
ことができ、この白色光源７から、例えば、波長フィル
ター８により取り出した所定波長（例えば、５５０ｎ
ｍ）の光を、各光照射部４ａ〜４ｃから測定用基板２′
に入射させる。

【００３３】このような白色光源７を用いると、例え
ば、波長フィルター８を交換することで、測定用の光の
波長を比較的簡単に変更することができ、これにより、
測定対象や測定環境に応じた適宜な波長の光を容易に選
択することができる。

【００３４】なお、光源７としては、レーザー光源等を
用いることもできる。９は、光ファイバーを連結するた
めのファイバーカップラーである。

【００３５】一方、受光部５ａ〜５ｃは、夫々、例え
ば、光ファイバー１０により、成膜室１の外部の、例え
ば、ｐｉｎフォトダイオードからなる光検出器１２ａ、
１２ｂ、１２ｃに、適当な、例えば、狭帯域バンドパス
フィルター１１ａ、１１ｂ、１１ｃを介して接続されて
いる。

【００３６】光検出器１２ａ〜１２ｃにおける検出デー
タはコンピュータ１３に送られ、このコンピュータ１３
で、測定用基板２′の表面に成膜された薄膜の屈折率
ｎ、消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄが夫々求められる。

【００３７】図３に、光照射部４ａ〜４ｃ及び受光部５
ａ〜５ｃの各々における集光光学系の構成を示す。

【００３８】なお、この集光光学系の構成は、レンズ２
１、２２間の間隔Ｄが異なる以外は、光照射部４ａ〜４
ｃ及び受光部５ａ〜５ｃで実質的に同じである。

【００３９】例えば、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＩＴＯ等の
光の吸収の少ない非金属製の筒状ハウジング３３内にレ
ンズ２１、２２が配され、そのハウジング３３の後端側
に光ファイバー６又は１０が接続されている。ハウジン
グ３３の前端面には、その蓋材である、例えば、透明ガ
ラス板３４が設けられ、これにより、成膜材料がハウジ
ング３３内に侵入するのが防止されている。なお、ガラ
ス板３４は、汚れたものを直ちに交換できるように、着
脱可能に取り付けられている。更に、そのガラス板３４
の前面側には、そのガラス板３４の前面を、成膜材料の
付着から保護するために、やはり、例えば、ＳｉＯ₂、
ＴｉＯ₂、ＩＴＯ等の光の吸収の少ない非金属材料で構
成された、例えば、口径約１．２ｃｍ、長さ約２ｃｍの
コリメーターマスクと呼ばれる筒状保護部材３５が設け
られている。このようなコリメーターマスク３５を設け
ることで、ガラス板３４の交換周期を大幅に長くするこ
とができる。

【００４０】各集光光学系におけるレンズ２１、２２間
の間隔Ｄは、成膜室１内における光照射部４ａ〜４ｃ及
び受光部５ａ〜５ｃの配置の制約に応じて適宜に設定さ
れるもので、例えば、光照射部４ａで約５ｃｍ、光照射
部４ｂで約７ｃｍ、光照射部４ｃで約８ｃｍ、受光部５
ａ〜５ｃでは、いずれも約１ｃｍとする。即ち、この例
では、例えば、成膜室１内におけるスパッタ源３等との
位置関係の制限から、光照射部４ｃが測定用基板２′に
対し最も遠い位置に配置され、光照射部４ｂ、４ａの順
で測定用基板２′に近く配置される（例えば、光照射部
４ｂで約１８ｃｍの距離。）。

【００４１】このように、光照射部４ａ〜４ｃ及び受光
部５ａ〜５ｃの位置関係に応じて、レンズ２１、２２間
の間隔Ｄを適宜に変更し、これにより、各集光光学系に
おける焦点距離を適宜に調整することで、いずれの光照
射部４ａ〜４ｃからも、測定用基板２′表面の実質的に
同一箇所に、例えば、幅約１ｃｍ、長さ約３ｃｍの比較
的小さなスポット状の光を照射することができ、且つ、
その反射光を、受光部５ａ〜５ｃにより夫々受光するこ
とができるので、測定の精度が向上する。

【００４２】図９に、受光部５ａ〜５ｃにおける集光光
学系の変形例を示す。

【００４３】この例では、図示の如く、ハウジング３３
及びコリメーターマスク３５に多数の微小な開孔３３Ａ
及び３５Ａを夫々設けている。このように構成すると、
成膜室１内における、例えば、プラズマ発光等による光
がこの集光光学系に入射しても、それらの光の殆どは、
開孔３３Ａ、３５Ａから集光光学系の外に逃げるので、
それらの光が測定ノイズになることが防止され、測定の
精度が向上する。

【００４４】なお、このような開孔３３Ａ、３５Ａを設
ける代わりに、或いは、設けると同時に、例えば、コリ
メーターマスク３５やハウジング３３の内周面にＡＲ
（反射防止）膜等を設けることも有効である。

【００４５】次に、以上に説明した薄膜測定装置及び成
膜装置による薄膜測定及び成膜の手順を説明する。

【００４６】なお、薄膜の屈折率ｎ、消衰係数ｋ及び物
理膜厚ｄを夫々求めるための演算には、例えば、米国 S
oftware Spectra 社の光学薄膜計算用ソフトウェア TFC
alcを用いる。

【００４７】まず、実際の成膜時の測定を行うに先立っ
て、校正用データの測定を行う。

【００４８】そこで、まず、図１の成膜室１内の測定位
置に、実際に成膜を行う基板２と実質的に同じ条件の基
板上に予め薄膜を形成してある校正用試料を配置する。

【００４９】次に、成膜室１内を真空に引き、校正用試
料の表面に光照射部４ａ〜４ｃから３本の光を照射し
て、それらの反射光を受光部５ａ〜５ｃにより受光し、
光検出器１２ａ〜１２ｃで検出する。即ち、成膜を行う
以外は、成膜時と同一の条件で測定を行い、校正用デー
タを採取する。

【００５０】この校正用データは、後に得られる実際の
測定データに対し、成膜室１内の環境や測定系の特性等
を補正するために用いられる。

【００５１】次に、実際に成膜を行いながら測定を行
う。

【００５２】まず、成膜室１内に、成膜を行う基板２及
び測定用基板２′を夫々配置する。

【００５３】次に、成膜室１内を真空に引き、測定用基
板２′の表面に光照射部４ａ〜４ｃから３本の光を照射
して、それらの反射光を受光部５ａ〜５ｃにより受光
し、光検出器１２ａ〜１２ｃで検出する。これにより、
成膜前の基板２′におけるデータを採取する。

【００５４】次に、実際の成膜工程を開始し、基板２、
２′上に夫々薄膜を形成しながら、測定用基板２′にお
ける測定を、例えば、所定の時間間隔で繰り返し行う。

【００５５】この成膜工程の終了後は、薄膜が形成され
た基板２及び測定用基板２′を、例えば、ロボットアー
ム等の手段により、新しい基板２及び測定用基板２′に
夫々交換し、次の成膜工程を開始する。

【００５６】光検出器１２ａ〜１２ｃで得られた各反射
光の強度データは、コンピュータ１３に送られ、そこ
で、測定用基板２′表面に形成された薄膜の屈折率ｎ、
消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄが夫々求められる。

【００５７】コンピュータ１３では、予め入力された校
正用データによる計算で、例えば、成膜室１内の環境や
測定系の特性等の補正を行う補正データが予め作成され
ており、その補正データを用いて、入力された各反射光
の強度データから、各反射光における反射率Ｒ（式（１
０）参照）を夫々算出することができる。そして、その
反射率Ｒの式を、３つの反射光について連立させて解く
ことにより、測定用基板２′表面に形成された薄膜の屈
折率ｎ、消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄを夫々個別且つ同時
に求めることができる。

【００５８】このように、複数の基板２に対し成膜工程
を行うと同時に、そのうちの１つの基板２′で測定を行
うことで、例えば、成膜途中のデータをもほぼ実時間で
採取することができる。この結果、例えば、ガス圧力や
ガス組成等の成膜条件を、成膜途中においても、より精
緻に制御することが可能となり、ひいては、成膜条件の
自動制御も可能となる。

【００５９】図４に、シリコン（Ｓｉ）基板の上に形成
した酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の膜厚による反射率の
変化を示す。

【００６０】なお、このグラフは、既述したソフトウェ
ア TFCalc を用いて計算した理論値で、ＳｉＯ₂膜の屈
折率ｎ＝１．４５５、消衰係数ｋ＝０、測定光の波長λ
＝５５０〔ｎｍ〕として、測定光の入射角度を、夫々、
θ_a＝２０〔°〕、θ_b＝３０〔°〕、θ_c＝４０
〔°〕とした場合の結果である。横軸が膜厚〔ｎｍ〕、
縦軸が反射率〔％〕を夫々示す。

【００６１】このグラフから分かるように、反射率は膜
厚の変化に応じて周期的に変化する。これは、主とし
て、薄膜表面での反射光と膜中を透過した光の反射光と
の干渉作用に起因し、従って、この反射率の周期は、測
定光の波長により変化する。

【００６２】図５に、最終的に出力される屈折率ｎ、消
衰係数ｋ及び物理膜厚ｄの各データにおいて、反射率の
測定誤差に起因して見込まれる最大誤差を夫々示す。

【００６３】図中、横軸に反射率〔％〕の誤差を示す。
縦軸は、物理膜厚ｄに関しては百分率〔％〕で、屈折率
ｎ及び消衰係数ｋに関しては夫々無名数でその実際の値
を示す。

【００６４】また、図には、後述する第２の実施の形態
において４つのビームを検出して測定した場合を併せて
示す。３ビームの場合が、上述した第１の実施の形態の
場合である。

【００６５】図では、反射率の誤差を０〜１％の範囲で
示しているが、実際的には、反射率の誤差は±０．１％
程度以内であると見込まれる。一方、通常の光学薄膜に
対して、屈折率ｎ及び消衰係数ｋの誤差は、夫々、±
０．０４程度以内、物理膜厚ｄの誤差は、±４％程度以
内が許容範囲と考えられるが、反射率の誤差が、上述し
た０．１％程度のところでは、いずれも、許容範囲内に
在る。また、反射率の誤差が０．１％以上の部分でも、
この図が、見込まれる最大誤差を示したものであること
を考えると、比較的良く適合していると言える。

【００６６】また、全体的に、４ビームでの測定の方が
３ビームでの測定よりも精度が高いことが分かる。一般
に、検出するビームの数が多ければ多いほど、精度は高
くなる。従って、より精度を高めたければ、検出するビ
ームの数を、４ビームよりも更に多くするのが好まし
い。

【００６７】なお、この図５の反射率の誤差の代わり
に、各測定光の入射角度の誤差によるｎ、ｋ、ｄの最大
誤差も調べたが、この図５の横軸の目盛りを角度に読み
替えると、図５と実質的に同じ結果が得られたので、図
示は省略する。

【００６８】図６に、図５で説明したと同じ屈折率ｎ、
消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄの各データにおいて見込まれ
る最大誤差を膜厚についてプロットした結果を示す。横
軸が膜厚〔ｎｍ〕を示し、縦軸は、図５と同じ最大誤差
である。

【００６９】図４において示したように、膜厚と反射率
との間に周期的な関係が有ることから、この図６の結果
では、夫々の最大誤差も周期的に変化する（但し、図６
には、その周期の一部しか示されていない。）。即ち、
通常、成膜の開始直後は精度が低く、成膜が進んで膜厚
が大きくなるに従い精度が高くなる。そして、膜厚の或
る領域で精度が最大になり、それ以後は、膜厚が大きく
なるに従い精度が低下する。そして、精度が最小の領域
を経て、再び精度が高くなっていく。以降は、この繰り
返しで、精度が周期的に変化する。

【００７０】この図６の結果からも、４ビームでの測定
の方が３ビームでの測定よりも全体的に精度が高いこと
が分かる。

【００７１】図７に、実際に成膜を行いながら測定した
結果を示す。

【００７２】成膜は、図１に示したようなＤＣリアクテ
ィブスパッタリング装置を用い、駆動電圧０．５ｋＷ、
アルゴン（Ａｒ）２ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ₂）２ｓｃｃｍ
の成膜条件で、Ｓｉウェハ上にＳｉＯ₂膜を形成した。

【００７３】測定は、タングステンランプの白色光から
５４０ｎｍの波長フィルターにより取り出した光を用
い、入射角度を、夫々、θ_a＝６８．３０〔°〕、θ_b
＝７２．００〔°〕、θ_c＝７７．５０〔°〕とした３
ビームで行った。

【００７４】また、この実験では、屈折率ｎ、消衰係数
ｋ及び物理膜厚ｄの夫々の実際の値として比較するため
に、信頼できる精度のエリプソメーターによりｎとｋ
を、信頼できる精度の表面プロフィロメーター（surfac
e profilometer) によりｄを夫々測定した。

【００７５】図７には、横軸に成膜時間〔分〕を、縦軸
に、ｄ／１００〔ｎｍ〕、ｎ及びｋの値を夫々示す。

【００７６】この図７の結果では、特に、成膜開始から
１２〜１４分の間で、ｎ、ｋ及びｄの全てにおいて、ほ
ぼ正確な測定を行うことができた。なお、この正確な測
定を行える時間範囲は、成膜時間に従い周期的に現れ
る。また、この正確な測定を行える時間範囲の幅は、例
えば、検出するビームの数を増やすことで広くすること
ができる。更に、この正確な測定を行える時間範囲を、
例えば、測定光の波長を変えること等により、適宜な時
間位置にシフトすることも可能である。

【００７７】図８に、本発明の第２の実施の形態による
測定装置の概略構成を示す。

【００７８】なお、この図８において、成膜室１等の成
膜装置の構成は、その図示を省略している。

【００７９】この第２の実施の形態では、例えば、光照
射部４ａから入射させた光の反射光の光路上に偏光ビー
ムスプリッター１４を設け、その反射光をｓ偏光とｐ偏
光に分離する。そして、その一方の偏光を受光部５ａで
受光し、光検出器１２ａで検出するとともに、他方の偏
光を受光部５ｄで受光し、適当な、例えば、狭帯域バン
ドパスフィルター１１ｄを介して光検出器１２ｄにより
検出する。

【００８０】このように、１つの光照射部から入射させ
た光の反射光を２つの偏光に分離して夫々を検出するこ
とにより、実質的に４つの光成分を検出することができ
る。従って、既述した式（１０）の反射率Ｒに対し、互
いに独立した４つの方程式を立てることができ、それら
４つの方程式を、例えば、３つずつ組み合わせて連立方
程式を解くことにより、解の精度を上げることができ
る。この結果、例えば、図５及び図６に示すように、屈
折率ｎ、消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄの夫々に対する最大
誤差を小さくすることができ、その精度を向上させるこ
とができるとともに、例えば、プロセス中における正確
な測定を行える時間範囲の幅（図７参照）を広げること
ができる。

【００８１】なお、この第２の実施の形態のように偏光
を組み合わせると、試料表面に入射させる光ビームは最
低２本でも、本発明による測定は可能である。即ち、そ
の２本のうちの１本の反射光を２つの偏光成分に分離し
て夫々を検出することにより、３つの光を検出すること
ができる。

【００８２】以上、本発明を好ましい実施の形態に従い
説明したが、本発明は、上述の実施の形態にのみ限定さ
れるものではない。

【００８３】例えば、上述の実施の形態では、試料表面
に入射させた光の反射光を検出して、薄膜の反射率Ｒか
ら、薄膜の屈折率ｎ、消衰係数ｋ及び物理膜厚ｄを夫々
求めたが、例えば、試料を透過した透過光を検出して、
式（１１）の透過率Ｔから、薄膜の屈折率ｎ、消衰係数
ｋ及び物理膜厚ｄの夫々を求めることも可能である。

【００８４】また、実施の形態では、Ｓｉウェハ上にＳ
ｉＯ₂膜を形成する場合を説明したが、本発明は、他の
種々の薄膜を形成する場合にも適用が可能である。

【００８５】

【発明の効果】本発明においては、成膜工程中の試料表
面に、互いに入射角度の異なる少なくとも２つの光を入
射させ、例えば、それらの反射光から、反射角度の異な
る又は偏光状態の異なる少なくとも３種の光成分におけ
る反射率を測定し、その測定結果から、試料表面に成膜
された薄膜の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を夫々求め
る。従って、例えば、実際の製造工程において、成膜途
中の薄膜の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を殆ど実時間
で且つ同時に知ることが可能となり、この結果、例え
ば、ガス圧力やガス組成等の成膜条件を、成膜途中にお
いても、より精緻に制御することが可能となる。また、
その成膜条件の自動制御も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による薄膜測定装置
を備えたＤＣリアクティブスパッタリング装置の構成を
示す概略図である。

【図２】試料表面に３本の光ビームを入射させる様子を
示す模式図である。

【図３】光照射部及び受光部における集光光学系の構成
を示す概略断面図である。

【図４】ＳｉＯ₂膜の膜厚と反射率との関係を示すグラ
フである。

【図５】反射率の誤差に対するｎ、ｋ及びｄの最大誤差
を夫々示すグラフである。

【図６】膜厚に対するｎ、ｋ及びｄの最大誤差を夫々示
すグラフである。

【図７】実際の成膜工程におけるｎ、ｋ及びｄの測定結
果を夫々示すグラフである。

【図８】本発明の第２の実施の形態による薄膜測定装置
の構成を示す概略図である。

【図９】受光部における集光光学系の変形例を示す概略
断面図である。

【図１０】多層膜における反射及び透過の原理を説明す
るための模式図である。

【符号の説明】

１…成膜室、２…基板、２′…測定用基板、３…スパッ
タ源、４ａ〜４ｃ…光照射部、５ａ〜５ｃ…受光部、５
ｄ…受光部、６、１０…光ファイバー、７…光源、８…
波長フィルター、１２ａ〜１２ｃ…光検出器、１２ｄ…
光検出器、１３…コンピュータ、１４…偏光ビームスプ
リッター、２０′…薄膜、３１、３２…レンズ、３３…
ハウジング、３４…ガラス板、３５…コリメーターマス
ク、３３Ａ、３５Ａ…開孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成膜工程中の試料表面に、互いに入射角
度の異なる少なくとも２つの光を入射させ、それらの反
射光及び／又は透過光から、反射若しくは出射角度の異
なる又は偏光状態の異なる少なくとも３種の光成分にお
ける反射率及び／又は透過率を測定し、その測定結果か
ら、前記試料表面に成膜された薄膜の屈折率、消衰係数
及び物理膜厚を夫々求めることを特徴とする、薄膜測定
方法。
【請求項２】前記試料表面に入射させた前記光の反射
光から、反射角度の異なる又は偏光状態の異なる少なく
とも３種の光成分における反射率を測定し、その測定結
果から、前記試料表面に成膜された薄膜の屈折率、消衰
係数及び物理膜厚を実質的に同時に求める、請求項１に
記載の薄膜測定方法。
【請求項３】前記試料表面に入射させる前記光とし
て、実質的に同一波長の光を用いる、請求項１に記載の
薄膜測定方法。
【請求項４】前記試料表面に入射させる前記光の波長
が、測定に応じて可変である、請求項３に記載の薄膜測
定方法。
【請求項５】前記試料での測定に先立ち、予め薄膜を
形成した校正用試料を用いて測定を行い、その測定結果
に基づいて、実際の前記試料での測定結果の校正を行
う、請求項１に記載の薄膜測定方法。
【請求項６】前記試料表面に入射させる前記光とし
て、夫々スポット状に集光させた光を前記試料表面の実
質的に同一箇所に入射させる、請求項１に記載の薄膜測
定方法。
【請求項７】成膜室中に配された試料表面に、互いに
入射角度の異なる少なくとも２つの光を入射させるため
の光照射手段と、前記光照射手段から入射させた前記光の反射光及び／又
は透過光から、反射若しくは出射角度の異なる又は偏光
状態の異なる少なくとも３種の光成分を受光するための
受光手段と、前記受光手段により受光した前記少なくとも３種の光成
分の強度を夫々検出する光検出手段と、前記光検出手段により検出された前記少なくとも３種の
光成分の夫々の強度から、前記少なくとも３種の光成分
における反射率及び／又は透過率を夫々求め、得られた
反射率及び／又は透過率に基づいて、前記試料表面に成
膜された薄膜の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を夫々求
める演算手段と、を有する、薄膜測定装置。
【請求項８】前記光照射手段が、前記試料表面に対す
る入射角度が互いに異なる少なくとも３つの光照射部を
有し、前記受光手段が、前記少なくとも３つの光照射部
に夫々対応した反射位置に、少なくとも３つの受光部を
有する、請求項７に記載の薄膜測定装置。
【請求項９】前記少なくとも３つの受光部のうちの少
なくとも１つの受光部と前記試料表面との間に偏光ビー
ムスプリッターが設けられ、その偏光ビームスプリッタ
ーで分離された一方の偏光が前記少なくとも１つの受光
部により受光されるとともに、前記偏光ビームスプリッ
ターで分離された他方の偏光を受光するための受光部が
更に設けられている、請求項８に記載の薄膜測定装置。
【請求項１０】前記光照射部及び前記受光部の各々が
集光光学系を備えている、請求項８に記載の薄膜測定装
置。
【請求項１１】前記光照射部及び前記受光部の各々
が、光ファイバーを介して前記成膜室内に配されてい
る、請求項１０に記載の薄膜測定装置。
【請求項１２】前記光照射部及び前記受光部の各々の
集光光学系が筒状のハウジング内に配され、そのハウジ
ングの後端側に前記光ファイバーが接続されるととも
に、その前端側に実質的に透明な蓋材が着脱可能に取り
付けられ、更に、その蓋材の前面側が筒状の保護部材に
より成膜材料の付着から保護されている、請求項１１に
記載の薄膜測定装置。
【請求項１３】前記試料表面に入射させる前記光を発
生するための白色光源と、その白色光源の出射光から所
定の波長の光を取り出す波長フィルターとを更に有す
る、請求項７に記載の薄膜測定装置。
【請求項１４】前記波長フィルターが交換可能に構成
されている、請求項１３に記載の薄膜測定装置。
【請求項１５】成膜室と、前記成膜室中に配された試料表面に、互いに入射角度の
異なる少なくとも２つの光を入射させるための光照射手
段と、前記光照射手段から入射させた光の反射光及び／又は透
過光から、反射若しくは出射角度の異なる又は偏光状態
の異なる少なくとも３種の光成分を受光するための受光
手段と、前記受光手段により受光された前記少なくとも３種の光
成分の強度を夫々検出するための光検出手段と、前記光検出手段で検出された前記少なくとも３種の光成
分の夫々の強度から、前記少なくとも３種の光成分にお
ける反射率及び／又は透過率を夫々求め、得られた反射
率及び／又は透過率に基づいて、前記試料表面に成膜さ
れた薄膜の屈折率、消衰係数及び物理膜厚を夫々求める
演算手段と、を有する、成膜装置。
【請求項１６】前記光照射手段が、前記試料表面に対
する入射角度が互いに異なる少なくとも３つの光照射部
を有し、前記受光手段が、前記少なくとも３つの光照射
部に夫々対応した反射位置に、少なくとも３つの受光部
を有する、請求項１５に記載の成膜装置。
【請求項１７】前記少なくとも３つの受光部のうちの
少なくとも１つの受光部と前記試料表面との間に偏光ビ
ームスプリッターが設けられ、その偏光ビームスプリッ
ターで分離された一方の偏光が前記少なくとも１つの受
光部により受光されるとともに、前記偏光ビームスプリ
ッターで分離された他方の偏光を受光するための受光部
が更に設けられている、請求項１６に記載の成膜装置。
【請求項１８】前記光照射部及び前記受光部の各々が
集光光学系を備えている、請求項１６に記載の成膜装
置。
【請求項１９】前記光照射部及び前記受光部の各々
が、光ファイバーを介して前記成膜室内に配されてい
る、請求項１８に記載の成膜装置。
【請求項２０】前記光照射部及び前記受光部の各々の
集光光学系が筒状のハウジング内に配され、そのハウジ
ングの後端側に前記光ファイバーが接続されるととも
に、その前端側に実質的に透明な蓋材が着脱可能に取り
付けられ、更に、その蓋材の前面側が筒状の保護部材に
より成膜材料の付着から保護されている、請求項１９に
記載の成膜装置。
【請求項２１】前記試料表面に入射させる前記光を発
生するための白色光源と、その白色光源の出射光から所
定の波長の光を取り出す波長フィルターとを更に有す
る、請求項１５に記載の成膜装置。
【請求項２２】前記波長フィルターが交換可能に構成
されている、請求項２１に記載の成膜装置。