JP2012122768A - 光学マルチ波長インターフェロメトリーを使用した薄膜素子測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学マルチ波長インターフェロメトリーを使用した薄膜素子測定方法の提供。
【解決手段】光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法が開示される。本発明は異なる波長での薄膜の反射係数を使用して薄膜の厚さと光学定数を測定する。試験表面と参考表面の間の反射位相差由来の位相差は異なる波長での測定を行うことで参考光束と試験光束の間の空間経路差に由来する位相差と区別され、なぜならそれらは測定波長変化に伴い異なった変化を示すためである。反射位相がそれから得られる。薄膜の測定反射率と結合され、薄膜の反射係数が得られる。各点の反射係数が収集され、該薄膜の厚さと２次元の光学定数分布が計算される。表面輪郭が、参考光束と私見光束の間の空間経路差を通して知られる。これらは動的干渉計で測定されて振動影響が回避される。
【選択図】図３

Description

本発明は薄膜測定の方法に係り、特に、光学マルチ波長インターフェロメトリー（Optical Multi-wavelength Interferometry）を使用した薄膜素子測定方法に関する。

今日、非接触測光の透過と反射強度スペクトルは、一般に、薄膜の光学定数と厚さを知るのに用いられる。しかし、測定精度はエリプソメータ測定より低く、それはエリプソメータ測定は、コーティングの反射マグニチュートと位相の両方を同時に測定して答えの精確さを増すためである。しかしながら、エリプソメータは薄膜の２次元厚さと光学定数を測定することはできない。基板表面の輪郭及び残留圧力はエリプソメータでは知ることができない。

最近の研究では、干渉計において反射の大きさ（ｍｇｎｉｔｕｄｅ）を使用して厚さと屈折率を計算し、位相を測定して表面輪郭を得ている。しかしながら、エリプソメータとは異なり、それはスペクトル位相と大きさの両方を同時に使用することで精度を高めることはないため、抗振動能力は有していない。

本発明の目的は、新規な測定方法を提供することにある。薄膜の物理的性質測定により、測定情報は光学インターフェロメトリーを使用して獲得される。

マルチ波長インターフェロメトリーを使用しての薄膜素子光学測定方法が開示される。本発明は、異なる波長での薄膜の反射係数を使用して薄膜の厚さと光学定数を測定する。試験薄膜サンプルは、光学干渉計で測定される。白色光が、狭帯域フィルタ或いは分散素子により測定において異なる波長に分離される。試験及び参考表面の間の反射位相差由来の位相差は、異なる波長での測定を行うことで参考及び試験光束の間の空間経路差由来の位相差と区別され、なぜならそれらは測定波長が変化するにつれて異なる方式で変化するためである。反射位相がそれから得られる。薄膜素子の測定反射率と組み合わされて、薄膜の反射係数が得られる。各点の垂直入射光下での反射係数を集め、二次元の薄膜厚さと光学定数分布が計算される。表面輪郭もまた、参考及び試験光束間の空間経路差を通して知られる。これらは偏光干渉計と画素化位相マスクカメラを包含した動的干渉計で測定されることで、振動影響が回避される。

請求項１の発明は、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、
異なる波長の参考光束と試験光束を使用して、干渉計を用いて薄膜を測定し、該試験光束は試験表面に反射されて、第１反射光束を形成し、該参考光線は参考表面に反射されて、第２反射光束を形成し、
該第１反射光束と該第２反射光束はそれぞれ互いに干渉し、該薄膜は該試験表面上に成長し、
光検出素子を使用して反射参考光束と反射試験光束を受信し、反射光束の光の強度に一致する試験表面の反射率を得て、
該光検出素子が干渉光束を受け取り、該干渉光束に一致する複数の位相を得て、
該薄膜の位相と反射率に一致する該薄膜の各層の厚さと光学定数を得るステップを包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項２の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該試験表面は薄膜表面であることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項３の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、異なる波長の参考光束と試験光束を使用して、干渉計を用いて薄膜を測定するステップでは、該干渉計は、光フィルタ素子或いは光分散素子を通して異なる波長の該第１反射光束と該第２反射光束を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項４の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該干渉計は、各画素上の光強度と位相を測定するための光検出素子を包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項５の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該光検出素子は画素化位相マスクカメラであり、その各画素検出ユニットの位相シフトは周囲の隣接する画素と異なることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項６の発明は、請求後５記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該画素化位相マスクカメラは、偏光板が結合された複屈折結晶アレイアライン画素アレイであることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項７の発明は、請求後５記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該画素化位相マスクカメラは、４分の１波長板が結合された偏光板アレイアライン画素アレイであることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項８の発明は、請求後５記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該画素化位相マスクカメラは、画素を包含し、該画素は４画素ごとに１ユニットとして設定され、各ユニットは位相として記録されることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項９の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該光検出素子が干渉光束を受け取り、該干渉光束に一致する複数の位相を得るステップでは、該光検出素子は全ての反射光を受け取り異なる位相シフトインターフェログラムを生成し、それから該干渉計が該位相シフトインターフェログラムに一致する位相を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項１０の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該光検出素子が干渉光束を受け取り、該干渉光束に一致する複数の位相を得るステップでは、位相シフトアルゴリズムを使用して参考表面と試験表面からの反射光束間の位相差を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項１１の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、反射光束の光の強度に一致する試験表面の反射率を得るステップでは、参考光束と試験光束の強度を比較することにより該反射率を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項１２の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、異なる波長の参考光束と試験光束を使用して、干渉計を用いて薄膜を測定するステップでは、マルチ波長における薄膜の反射率と、異なる波長における参考光束と試験光束の位相差データを使用して、該薄膜の反射係数と、試験光線と参考光線間の空間経路差を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項１３の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該薄膜の位相と反射率に一致する該薄膜の各層の厚さと光学定数を得るステップでは、反射係数を使用して該薄膜の光学定数と厚さを得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項１４の発明は、請求後１３記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、各空間点データを収集して厚さと光学定数の２次元分布を得るステップをさらに包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。
請求項１５の発明は、請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、各空間点の参考光線と試験光線の間の経路差に一致する薄膜の表面輪郭を検出するステップをさらに包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法としている。

本発明は、試験フィルムからの反射大きさと位相の両方を利用し、光学定数と厚さを解き、解答の精度を上げる。該測定システムは非接触及び抗振動のシステムとされ得る。それは表面輪郭を含む薄膜素子測定のグローバルな機能を提供する。

本発明の好ましい実施例による測定装置を示す模式図である。 本発明の好ましい実施例による画素化位相マスクカメラ上の偏光板分布を示す模式図である。 本発明の好ましい実施例によるフローチャートである。 本発明の好ましい実施例によるマルチ波長の測定を示す図である。

本発明は添付の図面に対する詳しい説明により、さらに理解されるが、それは本発明を限定するものではない。

本発明は添付の図面を参照してなされる以下の詳しい説明により、明確となるが、そのうち、同じ参照番号は同じ素子に関係する。

本発明において、薄膜の反射係数の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）と位相のいずれもが周知の白色光干渉計或いは動的白色光干渉計で得られ、それは振動及び乱気流抵抗を有する薄膜の光学定数と厚さを得るため光学偏光干渉計と画素化位相マスクカメラを包含する。

干渉計で測定される位相は参考光束と試験光束の間の位相差である。それは二つの部分で構成されている。すなわち、参考表面と薄膜表面の間の空間経路長差と反射位相差である。位相と強度のマルチ波長測定がこれら二つの部分を分離するのに使用され、なぜなら、それらは全て、測定波長が変化する解き、異なる方式で変化するためである。

図１を参照されたい。マルチ波長光学装置１０は、光源１０１、コリメータ１０２、偏光板１０３、偏光ビームスプリッタ１０４、二つの４分の１波長板１０５、１０６、参考表面１０７、試験表面１０８、４分の１波長板１０９、狭帯域フィルタ１１０、撮像レンズ１１１及び検出素子１１２を包含する。

該試験表面１０８は薄膜表面である。該検出素子１１２は画素化位相マスクカメラであり、それは偏光板に結合され複屈折結晶アレイがアラインされた画素アレイか、４分の１波長板が結合されて偏光板アレイがアラインされた画素マトリクスであり、位相をキャプチャする。

光源１０１はコリメータ１０２の一側に配置される。偏光板１０３はコリメータ１０２の反対側に配置される。偏光板１０３はまた偏光ビームスプリッタ１０４の第１側に配置される。

４分の１波長板１０５の一側は、偏光ビームスプリッタ１０４の第２側に配置され、４分の１波長板１０６の一側は、偏光ビームスプリッタ１０４の第３側に配置される。参考表面１０７が４分の１波長板１０５の別側に配置され、試験表面１０８は該４分の１波長板１０６の別側に配置される。

４分の１波長板１０９の一側は偏光ビームスプリッタ１０４の第４側に配置される。狭帯域フィルタ１１０の一側は４分の１波長板１０９の別側に配置される。

撮像レンズ１１１は狭帯域フィルタ１１０と検出素子１１２の間に配置される。

図１に示されるように、光線は、白色光源１０１から発射された後、コリメータ１０２により平行にされる。平行にされた光は偏光板１０３を通過し、それは二つの直交する偏光間の強度比を調整するのに用いられる。

該偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４は二つの直交する偏光をトワイマン−グリーン干渉計の異なるアームに分離する。

該二つの４分の１波長板１０５、１０６は該偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４の周囲に配置されて、一つの参考表面１０７より反射されたＳ偏光をＰ偏光に変換し、試験表面から反射されたＰ偏光をＳ偏光に、それぞれ変換するように配向される。狭帯域フィルタ１１０の前方の４分の１波長板１０９を通過した後、それらは右旋及び左旋円偏光に、それぞれ変換される。

これらの二つの光束は、線形偏光板を通過した後、互いに干渉する。もし偏光板がｘ軸に対してα角偏向していると、強度は以下のとおりである。

そのうちＩ_T 及びＩ_R はそれぞれ試験表面と参考表面からの強度である。δ_m は二つの光束間の測定位相差である。撮像レンズ１１１を通過した後、光束は検出素子１１２に向かう。該システムの該検出素子は画素化位相マスクカメラであり、隣接する画素は、図２のように異なる配向の偏光板を有する。ユニット２０１、２０２、２０３、２０４中に四つの異なる偏光板があり得て、ユニットはＣＣＤアレイ中に周期的に分配されている。

図３は対応する位相シフトがカメラのＣＣＤアレイ上に引き起こされるのを示す。カメラ上の０°、４５°、−４５°、９０°に異なる偏光板があり、それらは四つの位相シフトインターフェログラムを一度に位相シフトアルゴリズムのために生成する。ゆえにδ_mが、振動影響を回避するため圧電トランスデューサーにより参考アームを移動させることなく獲得される。

位相は先に解かれなければならず、それから傾斜が除去される。複数のフレームで得られたデータは平均されて乱気流影響が除去される。

狭帯域フィルタは測定波長を分離或いは選択するのに使用される。それは分散素子、たとえば回折格子に置き換えられ得て、マルチ波長測定を一度に行うのに供される。

もし、我々が測定波長を変更するなら、反射係数ｒｅｉδｒは等式（２）により変えられる。

ｎは屈折率、δ_T は光学位相厚さである。ｎ_s は基板の屈折率である。それらは全て波長変化に伴い変化する。光線が垂直入射するため、数学的表現はエリプソメータにおける間接入射よりもずっと簡単である。ｒは、反射係数の大きさであり、参考アームがブロックされた時の、試験及び参考サンプルの間の反射率比較により測定される。

空間経路差δは波長因子により簡単に変えられ、すなわち、δ’＝（λ／λ’）δである。δ及びδｒ及びｒは波長が変わると異なる方式で変わるため、マルチ波長測定によりδをδｒより区別することができる。

マルチレイヤー測定については、等式（２）におけるｎ_s は、マルチレイヤー薄膜スタックにおける前層の等価光学アドミタンスでなければならない。ゆえに、光学定数及び厚さが等式（２）により得られる。各ユニットセットのデータを、カメラのＣＣＤアレイより収集し、厚さと光学定数の２次元分布が分かる。δは表面輪郭を検出するのに使用され得る。

図３を参照されたい。光学マルチ波長インターフェロメトリーを使用した薄膜素子測定方法が、薄膜の厚さと屈折率を測定するために提供される。

ステップＳ１００として、動的干渉計１０により、参考光束と試験光束を使用して、薄膜が測定される。該試験光束は試験表面１０８に反射されて、第１反射光束を形成する。参考光線は参考表面１０７に反射されて、第２反射光束を形成する。

第１反射光束と第２反射光束はそれぞれ互いに干渉する。それから、検出素子１１２を使用して反射参考光束と反射試験光束を受信し、反射光束の位相を解いて、反射光束の傾斜と収差を除去し、複数のフレームの位相を平均して乱気流の影響を除去する。

ステップＳ１０２として、連続的に参考アームと試験アームをブロックすることで参考光束と試験光束間の強度を比較し、反射光束の強度による試験表面の反射率を得るため試験表面（薄膜）の反射率を計算する。

ステップＳ１０４として、全ての波長を記録する。

ステップＳ１０６に進み、参考光線と試験光線間の測定位相差と薄膜の反射率を使用し、各層の光学定数と厚さを得て、参考光線と試験光線間の空間経路差を得る。

最後に、ステップＳ１０８として、各ユニットのデータを収集し、薄膜の厚さと光学定数の分布、及び表面輪郭を得る。

表１は本発明の５つの波長測定とエリプソメータの１００個の波長測定の平均実験結果を示す。図４から、屈折率と厚さの測定結果の精度は、５つの波長の反射率のみが提供されるだけならば、低いことが示される。しかし、測定精度は、位相測定が加えられることにより、大きく改善される。

また、本発明は簡易な構造と動作原理を有する振動鈍感システムを提供する。それはエリプソメータの全ての利点を有するのみならず、薄膜の均一性と表面輪郭を測定できる。それはＬＣＤディスプレイ、半導体のような薄膜でコーティングされた大サイズのパターン化されたあらゆる基板の生産の高精度オンライン試験に供され得る。

以上述べたことは、本発明の実施例にすぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。

１０ マルチ波長光学装置
１０１ 光源
１０２ コリメータ
１０３ 偏光板
１０４ 偏光ビームスプリッタ
１０５、１０６ ４分の１波長板
１０７ 参考表面
１０８ 試験表面
１０９ ４分の１波長板
１１０ 狭帯域フィルタ
１１１ 撮像レンズ
１１２ 検出素子

Claims (15)

1. 光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、
   異なる波長の参考光束と試験光束を使用して、干渉計を用いて薄膜を測定し、該試験光束は試験表面に反射されて、第１反射光束を形成し、該参考光線は参考表面に反射されて、第２反射光束を形成し、
   該第１反射光束と該第２反射光束はそれぞれ互いに干渉し、該薄膜は該試験表面上に成長し、
   光検出素子を使用して反射参考光束と反射試験光束を受信し、反射光束の光の強度に一致する試験表面の反射率を得て、
   該光検出素子が干渉光束を受け取り、該干渉光束に一致する複数の位相を得て、
   該薄膜の位相と反射率に一致する該薄膜の各層の厚さと光学定数を得るステップを包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
2. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該試験表面は薄膜表面であることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
3. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、異なる波長の参考光束と試験光束を使用して、干渉計を用いて薄膜を測定するステップでは、該干渉計は、光フィルタ素子或いは光分散素子を通して異なる波長の該第１反射光束と該第２反射光束を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
4. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該干渉計は、各画素上の光強度と位相を測定するための光検出素子を包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
5. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該光検出素子は画素化位相マスクカメラであり、その各画素検出ユニットの位相シフトは周囲の隣接する画素と異なることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
6. 請求後５記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該画素化位相マスクカメラは、偏光板が結合された複屈折結晶アレイアライン画素アレイであることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
7. 請求後５記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該画素化位相マスクカメラは、４分の１波長板が結合された偏光板アレイアライン画素アレイであることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
8. 請求後５記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該画素化位相マスクカメラは、画素を包含し、該画素は４画素ごとに１ユニットとして設定され、各ユニットは位相として記録されることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
9. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該光検出素子が干渉光束を受け取り、該干渉光束に一致する複数の位相を得るステップでは、該光検出素子は全ての反射光を受け取り異なる位相シフトインターフェログラムを生成し、それから該干渉計が該位相シフトインターフェログラムに一致する位相を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
10. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該光検出素子が干渉光束を受け取り、該干渉光束に一致する複数の位相を得るステップでは、位相シフトアルゴリズムを使用して参考表面と試験表面からの反射光束間の位相差を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
11. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、反射光束の光の強度に一致する試験表面の反射率を得るステップでは、参考光束と試験光束の強度を比較することにより該反射率を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
12. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、異なる波長の参考光束と試験光束を使用して、干渉計を用いて薄膜を測定するステップでは、マルチ波長における薄膜の反射率と、異なる波長における参考光束と試験光束の位相差データを使用して、該薄膜の反射係数と、試験光線と参考光線間の空間経路差を得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
13. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、該薄膜の位相と反射率に一致する該薄膜の各層の厚さと光学定数を得るステップでは、反射係数を使用して該薄膜の光学定数と厚さを得ることを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
14. 請求後１３記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、各空間点データを収集して厚さと光学定数の２次元分布を得るステップをさらに包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。
15. 請求後１記載の光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法において、各空間点の参考光線と試験光線の間の経路差に一致する薄膜の表面輪郭を検出するステップをさらに包含することを特徴とする、光学マルチ波長インターフェロメトリー使用の薄膜素子測定方法。

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