JPS6259243B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はフーリエ分光法における干渉信号を
利用したエピタキシヤル成長層のような付着層の
厚さ測定法に関する。

フーリエ分光法は、例えばシリコン単結晶基板
上のエピタキシヤル成長層の厚さ測定やシリコン
単結晶基板中の炭素濃度測定などに利用される。
この場合、被測定物からの透過光又は反射光は、
マイケルソン干渉計の固定鏡と駆動鏡とに導びか
れ、干渉光とされる。

エピタキシヤル成長層の厚さは、このエピタキ
シヤル成長層を透過した光とそうでない光とに光
路差ができ、この２つの光の干渉光強度にピーク
を生じる駆動鏡の位置が上記光路差に対応して変
化するので、駆動鏡の位置を変化させたときの干
渉光強度の変化特性に基づいて測定することがで
きる。

上記のような測定において、干渉光強度は光電
変換手段により電気信号として検出される。また
駆動鏡の位置は電気的に検出される。

この場合、干渉光強度を示す電気信号には、
種々の外乱によつて生ずるノイズが加わる。ま
た、温度変動等が起ると、干渉計を構成する材料
の熱膨張等により機械的歪が生じ、駆動鏡の位置
に応じて光電変換手段の受光量が不所望に変化す
る。その結果、干渉光強度を示す電気信号が歪
む。上記のノイズや歪によつて測定誤差が生じる
ことになる。

上記の外乱等によつて生ずるノイズは、干渉光
強度の変化特性に対し相関性が無いので、検出を
複数回繰り返えし、その複数回の信号を加算して
行く積算回路を使用して実質的に除去することが
できる。

しかしながら、上記の歪は、上記のような加算
を行なつても実質的に除去することができない。

また上記のように加算によりノイズを除去する
場合、その回数を多くすると、測定のために長時
間を要することになる。

この発明の目的は、エピタキシヤル成長層のよ
うな付着層の厚さ測定に好適な方法を提供するに
ある。

この発明においては、干渉光の相対強度が最大
となる駆動鏡の位置を規準位置とし、この規準位
置から等距離の前後の位置における電気信号レベ
ルを相互に加算することによつて補正された電気
信号を得る。

光電変換手段によつて電圧信号に変換された干
渉光の相対強度は例えば第１図Ａの実線のように
変化する。なお、同図で横軸はマイケルソン干渉
計の駆動鏡の位置に対応し、縦軸は電圧信号レベ
ルに対応する。干渉計に温度変動等による歪のな
い場合の望ましい信号レベルを破線で示してい
る。上記電圧信号の規準位置は、そのレベルが最
大を示す位置に設定される。この電圧信号の規準
位置は駆動鏡の基準位置と対応する。

マイケルソン干渉計の機械歪によつて生ずる歪
は、規準位置の前方と後方で実質的に逆となる。
例えば第１図Ａにおいて前方の歪S₀と後方の歪
S₀′の相互、歪S₁と歪S₁′の相互等は逆である。そ
のため、第１図Ａにおいて規準位置（ｘ＝０）か
ら互いに等しい距離の前方の信号と後方の信号と
を互いに加算することにより得る信号は、第１図
Ｂに示すように実質的に歪の除去されたものとな
る。

第２図Ａに示すように、信号にノイズが含まれ
ている場合、このノイズが前記のように信号に対
し相関性を示さないので、上記のような加算によ
つて得られる信号におけるノイズの相対レベルは
第２図Ｂに示すように実質的に半減する。

上記のように、加算により補正された電気信号
を得るために、マイケルソン干渉計の駆動鏡のそ
れぞれの位置における干渉光強度を記憶手段に記
憶させ、この記憶手段に記憶された記憶値と新ら
たな測定により得られる測定値とを使用し、例え
ば規準位置より前方の記憶値と規準位置より後方
の測定値とを加算することができる。

また、記憶手段に記憶された１種類の記憶値を
使用し、規準位置の前方と後方の記憶値の相互を
加算することができる。このように１種類の記憶
値を利用する場合は、測定のために要する時間が
短くて良い。

上記の補正された電気信号が上記のように実質
的に歪を含まずしかも小さいノイズしか含まない
ので、この補正された電気信号と他の電気信号と
を使用して特定部分を強調するような演算処理が
充分にできるようになる。このような演算処理
は、例えば次に実施例で示すような薄いエピタキ
シヤル成長層の厚さ測定のために使用される。

第３図は実施例のブロツク図を示している。同
図において、Ｌは400〜4000cm^-1の赤外光を出力
する光源である。光源Ｌからの赤外線は反射鏡Ｍ
１ないしＭ３を介してシリコンウエハ１０に照射
され、このシリコンウエハ１０からの反射光は反
射鏡Ｍ４ないしＭ６を介してマイケルソン干渉計
１に導かれる。

マイケルソン干渉計１は半透鏡HM、固定鏡
FM及び制御装置４によつて駆動される駆動鏡
DMから成る。

上記マイケルソン干渉計１からの干渉光は光電
変換装置DETに導かれ、アナログ量としての電
気信号に変換される。

上記光電変換装置DETのアナログ電気信号
は、後述する演算処理を容易にするためにアナロ
グ・デイジタル変換回路２によつてデイジタル信
号に変換され、インターフエース回路３を介して
計算機５に入力する。

計算機５は、演算及び制御装置５１と記憶装置
５２とを含み、上記インターフエース回路３から
のデイジタル信号を記憶装置５２に記憶させる。
また上記制御装置４を制御し、演算結果を表示装
置６に表示させる。

シリコンウエハ１０の表面には第４図に示すよ
うに厚さｄのエピタキシヤル成長層１１が形成さ
れている。

エピタキシヤル成長層１１に対し、シリコンウ
エハ１０の不純物濃度が高いと、エピタキシヤル
成長層１１を透過した光を、シリコンウエハ１０
の表面で反射させることができる。使用されるシ
リコンウエハ１０は例えばアンチモンを10¹⁸個／
c.c.以上含むＮ型とされる。エピタキシヤル成長層
１１はＮ型でもＰ型でも良いが例えばリンを10¹⁴
〜10¹⁶個／c.c.含むＮ型とされる。

反射鏡Ｍ３（第３図）からの赤外線２０は、第
４図に示すように、一方ではエピタキシヤル成長
層１１の表面で反射した反射光２１となり、他方
ではエピタキシヤル成長層１１とシリコンウエハ
１０との界面で反射した反射光２２となる。

マイケルソン干渉計１において、駆動鏡DMの
位置に応じて反射光２１と２２のそれぞれの干渉
と反射光２１と２２の相互の干渉とによつて決ま
る強度の干渉光が得られる。

光電変換装置DETから得られる電圧信号の相
対レベルは、駆動鏡DMの位置を変化させること
によつて第５図Ａのように変化する。

半透鏡HMから固定鏡までの光路を１２、距離
を_１とし、半透鏡HMから駆動鏡DMまでの光
路を１３、距離_２とした場合、_１＝_２のと
き光路１２と１３を通る反射光２１，２２の干渉
による干渉光の強度は最大となる。

光路１２を往復する距離と光路１３を往復する
距離との差によつて決まる光路差２｜_１−_２
｜が使用する赤外線の半波長に等しくなるように
駆動鏡DMの位置が上記の最大の位置からずれる
と、得られる干渉光の強度は極小となる。光路差
２｜_１−_２｜が使用赤外線の１波長ずれると
干渉光強度は極大となる。

マイケルソン干渉計１における反射光２１と２
２の相互の干渉によつて干渉光強度の極大、極小
レベルは上記光路差２｜_１−_２｜の増加に伴
つて減小し、再び増加する。

シリコンの屈折率をｎ、屈折角をｒ、エピタキ
シヤル成長層１１の厚さをｄとすると、上記反射
光２１と２２との光路差は、2ndcosrとなる。

マイケルソン干渉計１の光路差２｜_１−_２
｜が反射光２１と２２の光路差2ndcosrに等しく
なると干渉光強度の極大もしくは極小レベルは第
２の最大値となる。

すなわち、_２＝_１−ndcosrのとき遅れて
いる反射光２２が光路１３を通り、進んでいる反
射光２１が光路１２を通ることにより、干渉光強
度の極大もしくは極小レベルが再び最大となる。
また_２＝_１＋ndcosrのとき遅れている反射
光２２が光路１２を通り、進んでいる反射光２１
が光路１３を通ることにより同様に極大もしくは
極小レベルが再び最大となる。

エピタキシヤル成長層１１の厚さ測定において
は、先ず、計算機５によつて制御装置４が動作さ
せられ、この制御装置４によつて駆動鏡DMが駆
動される。本質的では無いが、制御装置４は、駆
動鏡DMの位置変位の１ステツプ毎に計算機５に
対しタイミングパルスを出力する構成とされる。

光電変換装置DETからのアナログ信号は、ア
ナログ・デイジタル変換回路２によつてデイジタ
ル信号に変換される。計算機５の演算及び制御回
路５１は、上記タイミングパルスに同期して、こ
のタイミングパルスの順列に対応した記憶装置の
番地を選択し、この選択番地内にインターフエー
ス回路３を介して入力する上記デイジタル信号を
記憶させる。

従つて駆動鏡DMの予め決めた距離の移動によ
つて、記憶装置５２のそれぞれの番地内には駆動
鏡のそれぞれの位置における第５図Ａのようなア
ナログ信号に対応するデイジタル信号が記憶され
る。記憶装置５２の記憶番地間の距離は、駆動鏡
DMの移動距離に対応する。

次に、演算及び制御装置５１によつて上記記憶
装置５２の記憶番地が走査され、デイジタル化さ
れた光電変換信号の最大値を記憶している記憶番
地が検出される。

次に、上記最大値の記憶番地を規準位置として
演算及び制御装置５１により、この規準位置から
等距離にある前後の記憶番地の記憶情報が相互に
加算される。それぞれの加算値は記憶装置５２の
新らたなそれぞれの番地内に記憶させられる。こ
の加算によつて前記のように実質的に歪の除去さ
れた信号を得ることができる。

次に、演算及び制御装置５１により、上記の加
算値を記憶する記憶番地が走査される。この走査
は、例えば、最大値を記憶させた記憶番地から順
次行なわれる。この走査により、極大、極小レベ
ルが減少し、次いで増加したときの極大もしくは
極小レベルが最大値を示す記憶番地、すなわち第
２の最大値を示す記憶番地を検出する。

次に、演算及び制御装置５１により、上記最大
値を記憶させた記憶番地と上記の検出した第２の
最大値を示す記憶番地との距離及び予め記憶装置
５２内に記憶させたシリコンの屈折率と屈接角と
を使用し、エピタキシヤル成長層１１の厚さを演
算させる。

次に演算結果を表示装置６に表示させる。

上記のエピタキシヤル成長層の測定方法は、以
下に述べる様に参照用エピタキシヤル成長層を用
いて更に改良することが可能である。

改良した測定法では、被測定用エピタキシヤル
成長層とは厚さの程度の異なる参照用エピタキシ
ヤル成長層を利用し、被測定用エピタキシヤル成
長層によつて得られた信号から参照用エピタキシ
ヤル成長層によつて得られた信号を減算すること
により、厚さ測定に必要な信号だけを取り出す。

被測定用エピタキシヤル成長層が例えば厚さ20
μｍ以下の範囲にあるなら、参照用エピタキシヤ
ル成長層の厚さは例えば40μｍ以上とされる。

厚さの厚い参照用エピタキシヤル成長層の場
合、干渉光強度が第２の最大値となる駆動鏡DM
の位置は規準位置から大きく離れる。第５図Ｂ
は、参照用として使用される厚さの厚いエピタキ
シヤル成長層における干渉光度特性を示してい
る。規準位置の近傍の変化は、使用する赤外線に
よつて決まり、同図Ａの変化とほゞ同一である。

この改良された測定法では、予め同一の装置を
使用して測定し、前記のような加算により補正し
た参照用エピタキシヤル成長層の測定値を計算機
５の記憶装置５２内に記憶させておく。

測定においては、先ず、前記と同様にして被測
定用エピタキシヤル成長層を測定し、加算により
補正した測定値を記憶装置５２内に記憶させる。

次に、被測定用エピタキシヤル成長層の測定値
を記憶する記憶番地と参照用エピタキシヤル成長
層の測定値を記憶する記憶番地とを一対一で対応
付け、被測定用エピタキシヤル成長層の測定値か
ら参照用エピタキシヤル成長層の測定値を減算
し、その結果を上記被測定用エピタキシヤル成長
層の測定値を記憶する記憶番地内もしくは他に設
定する番地内に記憶させる。

このデイジタル減算によつて得られるデータ
は、第５図Ｃのようなアナログデータに対応す
る。規準位置におけるデータのピークは、減算に
よつて実質的に除去される。

次に、上記減算データを記憶する各記憶番地が
走査され、極大もしくは極小の最大値を示す記憶
番地が検出される。

基準位置の番地と上記検出番地との距離、及び
前記のように、予め設定した屈折率、屈接角デー
タとにより、被測定用エピタキシヤル成長層の厚
さが演算され、次いでこの演算結果が表示装置６
によつて表示される。

被測定用エピタキシヤル成長層の厚さが薄い場
合、基準位置に対し、第２の最大値を生ずる位置
が接近し、基準位置において最大値を形成する信
号が第２の最大値を形成する信号に合成されてし
まう。しかしながら、上記のような加算により信
号歪が除去され、また上記のような減算により、
第２の最大値を形成する信号成分から基準位置に
おいて最大値を形成する信号成分を除去すること
ができる。

その結果、改良された測定法では、特に薄いエ
ピタキシヤル成長層を高精度でしかも再現性良く
測定する。

第６図は、横軸にエピタキシヤル成長層の厚さ
THを示し、縦軸にそれぞれ10回の厚さ測定にお
ける最大測定値と最小測定値との差Ｒを示してい
る。

同図において曲線Ａは加算により補正した被測
定用エピタキシヤル成長層の測定値から参照用エ
ピタキシヤル成長層の測定値を減算する前記の改
良された方法による特性を示し、曲線Ｂは、加算
による補正のない被測定用エピタキシヤル成長層
の測定値から同様な補正のない参照用エピタキシ
ヤル成長層の測定値を減算する方法による特性を
示している。

同図より明らかなように、Ｂの場合、エピタキ
シヤル成長層の厚さがほゞ２μｍ以下では急激に
測定のばらつきが生じ、再現性の良い測定をする
ことができない。また、例え２μｍ以上であつて
も測定のばらつきが大きく、測定誤差も大きい。

これに対し、Ａの改良された方法では厚さが２
μｍ以下であつても測定ばらつきが小さく、充分
な再現性を発揮する。また２μｍ以上であると、
実質的に無視できる程度の測定ばらつきしか示さ
なくなる。

上記の改良された測定法は、被測定用エピタキ
シヤル成長層の厚さが比較的厚い場合にも適用可
能である。この場合、上記と同様に、参照用エピ
タキシヤル成長層の第２の最大値が被測定用エピ
タキシヤル成長層の測定しようとする第２の最大
値に影響を与えないように、参照用と被測定用の
エピタキシヤル成長層の厚さが変えられる。例え
ば、被測定用エピタキシヤル成長層の厚さが20μ
ｍ以上なら、参照用エピタキシヤル成長層の厚さ
は４μｍ以下とされる。

尚上述した改良された実施例では加算により補
正した測定値から参照用エピタキシヤル成長層の
測定値を減算するようにしたが、これに限らず参
照用エピタキシヤル成長層の測定値の減算を先に
行ない、その後加算による補正を行なうようにし
ても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂ及び第２図Ａ，Ｂは干渉光強度特
性を示す曲線図、第３図は実施例の測定装置のブ
ロツク図、第４図はシリコンにおける赤外線反射
を説明するための説明図、第５図ＡないしＣは、
干渉光強度特性を示す曲線図、第６図はエピタキ
シヤル成長層の厚さ測定のばらつきを示す分布図
である。 Ｌ…赤外光源、M₁〜M₆…反射鏡、FM…固定
鏡、HM…半透鏡、DM…駆動鏡、DET…光電変
換装置、１…マイケルソン干渉計、２…アナロ
グ・デイジタル変換回路、３…インターフエース
回路、４…制御装置、５…計算機、６…表示装
置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定用付着層の表面からの反射光と底面か
   らの反射光とを駆動鏡を有する干渉計により干渉
   させ、干渉信号の強度が第１最大値を示す時の上
   記干渉計の駆動鏡の位置と上記駆動鏡が上記第１
   最大値を示す位置から離れるに従つて上記干渉信
   号の極大極小レベルが減小し再び増加したときの
   最大値である第２最大値を示す上記駆動鏡の位置
   との偏位量に基づいて上記被測定用付着層の厚さ
   を測定する方法であつて、上記干渉信号強度の第
   ２最大値は、干渉計からの干渉信号が上記第１最
   大値を示す時の駆動鏡位置を基準位置としてこの
   基準位置をはさんで等しい距離離れた２つの駆動
   鏡位置における干渉信号値又は該干渉信号値を処
   理して得られた信号値を加算することによつて得
   られた信号値から判定されることを特徴とする付
   着層の厚さ測定法。 ２ 上記干渉信号強度の第２最大値は、上記加算
   後の干渉信号から、上記被測定用付着層とは異な
   る厚さの参照用付着層より得られた干渉信号を基
   準位置を合わせて減算することによつて得られた
   干渉信号から判定される特許請求の範囲第１項記
   載の付着層の厚さ測定法。 ３ 上記干渉信号強度の第２最大値は、前記被測
   定用付着層より得られた干渉信号から、上記被測
   定用付着層とは異なる厚さの参照用付着層より得
   られた干渉信号を基準位置を合わせて減算するこ
   とによつて得られた干渉信号に前記加算処理を施
   して得られた干渉信号から判定される特許請求の
   範囲第１項記載の付着層の厚さ測定法。