JPH06147837A - 光学的膜厚測定方法及び装置 - Google Patents
光学的膜厚測定方法及び装置Info
- Publication number
- JPH06147837A JPH06147837A JP4323801A JP32380192A JPH06147837A JP H06147837 A JPH06147837 A JP H06147837A JP 4323801 A JP4323801 A JP 4323801A JP 32380192 A JP32380192 A JP 32380192A JP H06147837 A JPH06147837 A JP H06147837A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film thickness
- thin film
- component
- phase difference
- light
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 入射角に起因する膜厚測定誤差のない膜厚測
定装置を提供することである。 【構成】 膜厚及び入射角が予め算出された一覧表の
中で、偏光解析方法による偏光子の回転角度と光強度の
測定値に基づき検索して求められるように構成した。
定装置を提供することである。 【構成】 膜厚及び入射角が予め算出された一覧表の
中で、偏光解析方法による偏光子の回転角度と光強度の
測定値に基づき検索して求められるように構成した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は基板表面に形成された薄
膜の膜厚を光学的に測定するための光学的膜厚測定装置
に関するものである。
膜の膜厚を光学的に測定するための光学的膜厚測定装置
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体デバイスは著しく高集
積化されてきており、製造過程の各プロセスにおける膜
厚管理が歩留りの向上のために大変重要となっている。
また、ゲート酸化膜は、高集積化に伴いより一層の薄膜
化の方向にある。そして近時は１〜１００ｎｍ台の波長
に比して極めて薄い膜の膜厚を正確に測定することが求
められている。このような薄膜の膜厚の測定に使用され
る方法に偏光解析法がある。
積化されてきており、製造過程の各プロセスにおける膜
厚管理が歩留りの向上のために大変重要となっている。
また、ゲート酸化膜は、高集積化に伴いより一層の薄膜
化の方向にある。そして近時は１〜１００ｎｍ台の波長
に比して極めて薄い膜の膜厚を正確に測定することが求
められている。このような薄膜の膜厚の測定に使用され
る方法に偏光解析法がある。
【０００３】波長λの光が基板表面に形成された薄膜に
入射すると、薄膜の上下の境界面で反射が繰返される。
図１に示すように、基板３の上に薄膜Ｍが形成されてい
るとき、空気と薄膜の境界面Ｇ１と薄膜と基板の境界面
Ｇ２でのｐ成分（入射面に平行）及びｓ成分（入射面に
垂直）の振幅反射率をそれぞれｒ1p、ｒ1s、ｒ2p、ｒ2s
とし、光が薄膜Ｍ内を１往復する時の位相差をδとする
と、公知のように膜全体のｐ成分及びｓ成分の振幅反射
率Ｒp 、Ｒs は式（１）で与えられ、位相差δは式
（２）で与えられる。なお、入射角と屈折角の関係は式
（３）で与えられる。 但し、ｎ、ｄはそれぞれ薄膜の屈折率及び膜厚、φ、
φ′はそれぞれ入射角及び屈折角である。ここでΔp 、
Δs はそれぞれ反射による位相の飛び量である。
入射すると、薄膜の上下の境界面で反射が繰返される。
図１に示すように、基板３の上に薄膜Ｍが形成されてい
るとき、空気と薄膜の境界面Ｇ１と薄膜と基板の境界面
Ｇ２でのｐ成分（入射面に平行）及びｓ成分（入射面に
垂直）の振幅反射率をそれぞれｒ1p、ｒ1s、ｒ2p、ｒ2s
とし、光が薄膜Ｍ内を１往復する時の位相差をδとする
と、公知のように膜全体のｐ成分及びｓ成分の振幅反射
率Ｒp 、Ｒs は式（１）で与えられ、位相差δは式
（２）で与えられる。なお、入射角と屈折角の関係は式
（３）で与えられる。 但し、ｎ、ｄはそれぞれ薄膜の屈折率及び膜厚、φ、
φ′はそれぞれ入射角及び屈折角である。ここでΔp 、
Δs はそれぞれ反射による位相の飛び量である。
【０００４】この薄膜Ｍ表面にｐ成分及びｓ成分がそれ
ぞれＥp i 、Ｅs i の複素振幅の偏光した光が入射する
と、反射光のｐ成分及びｓ成分Ｅp r 、Ｅs r は、 Ｅp r ＝Ｒp ・Ｅp i Ｅs r ＝Ｒs ・Ｅs i となり、入射光と反射光のｐ成分及びｓ成分の複素振幅
比をそれぞれＸi 、Ｘrとすると、 Ｘr ＝〔Ｒp ／Ｒs 〕・Ｘi となる。
ぞれＥp i 、Ｅs i の複素振幅の偏光した光が入射する
と、反射光のｐ成分及びｓ成分Ｅp r 、Ｅs r は、 Ｅp r ＝Ｒp ・Ｅp i Ｅs r ＝Ｒs ・Ｅs i となり、入射光と反射光のｐ成分及びｓ成分の複素振幅
比をそれぞれＸi 、Ｘrとすると、 Ｘr ＝〔Ｒp ／Ｒs 〕・Ｘi となる。
【０００５】偏光解析法は、入射偏光の状態Ｘi と反射
偏光の状態Ｘr を知って、振幅反射率比Ｒp ／Ｒs を求
め、数値解析によって薄膜Ｍの屈折率ｎや膜厚ｄを求め
る方法である。振幅反射率比は（１）式から Ｒp ／Ｒs ＝ｒp ／ｒs ・exp [i（ Δp − Δs ）] ＝tan Ψ・exp (iΔ） ・・・（４） （ tan Ψ＝ｒp ／ｒs ，Δ＝Δp − Δs とおく）で
表される。従来公知の各種方法により上記ΨとΔとを測
定することにより、薄膜Ｍの屈折率ｎや膜厚ｄを求めて
いた。
偏光の状態Ｘr を知って、振幅反射率比Ｒp ／Ｒs を求
め、数値解析によって薄膜Ｍの屈折率ｎや膜厚ｄを求め
る方法である。振幅反射率比は（１）式から Ｒp ／Ｒs ＝ｒp ／ｒs ・exp [i（ Δp − Δs ）] ＝tan Ψ・exp (iΔ） ・・・（４） （ tan Ψ＝ｒp ／ｒs ，Δ＝Δp − Δs とおく）で
表される。従来公知の各種方法により上記ΨとΔとを測
定することにより、薄膜Ｍの屈折率ｎや膜厚ｄを求めて
いた。
【０００６】（２）式のδが薄膜Ｍの屈折率に依存して
いるのは明らかであるが、（１）式で使用した境界面の
振幅反射率も膜の屈折率と吸収係数に依存している。一
般に膜の屈折率等は膜厚と同様に未知であるために屈折
率も測定しなければならないが、偏光解析ではΨとΔと
の二つの測定値を得られるから膜厚と屈折率を求めるこ
とができる。
いるのは明らかであるが、（１）式で使用した境界面の
振幅反射率も膜の屈折率と吸収係数に依存している。一
般に膜の屈折率等は膜厚と同様に未知であるために屈折
率も測定しなければならないが、偏光解析ではΨとΔと
の二つの測定値を得られるから膜厚と屈折率を求めるこ
とができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ここで、半導体製造プ
ロセスにおける膜構成、例えばＳｉ基板上のＳｉＯ2 、
Ｓｉ基板上のＳｉ3 Ｎ4 ・・・等では、Ｓｉ基板や膜の
屈折率、吸収係数は一般に既知である。したがって所定
の波長では、膜構成がわかれば、振幅反射率は一意的に
決まり、振幅反射率Ｒp 、Ｒs を決めるパラメーターは
膜厚だけである。又（２）式より位相差δは屈折率と入
射角から（３）式により計算される屈折角により決まる
ことが明らかである。
ロセスにおける膜構成、例えばＳｉ基板上のＳｉＯ2 、
Ｓｉ基板上のＳｉ3 Ｎ4 ・・・等では、Ｓｉ基板や膜の
屈折率、吸収係数は一般に既知である。したがって所定
の波長では、膜構成がわかれば、振幅反射率は一意的に
決まり、振幅反射率Ｒp 、Ｒs を決めるパラメーターは
膜厚だけである。又（２）式より位相差δは屈折率と入
射角から（３）式により計算される屈折角により決まる
ことが明らかである。
【０００８】従来の膜厚測定においては、入射角を一定
の角度に設定し、変動しないものとして膜厚及び屈折率
を求めていた。このために入射角の設定の誤差及び測定
中に生ずる変動により測定値が大きく変化してしまうと
いう問題があった。とくに１〜１００ｎｍの波長に比し
て極めて薄い膜の膜厚測定には、この変動が測定の精度
を大きく低下させる原因となっている。
の角度に設定し、変動しないものとして膜厚及び屈折率
を求めていた。このために入射角の設定の誤差及び測定
中に生ずる変動により測定値が大きく変化してしまうと
いう問題があった。とくに１〜１００ｎｍの波長に比し
て極めて薄い膜の膜厚測定には、この変動が測定の精度
を大きく低下させる原因となっている。
【０００９】本発明は上記の課題に鑑み、入射角に起因
する膜厚測定誤差をなくすことを目的とする。
する膜厚測定誤差をなくすことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、薄膜の任意の
膜厚及び任意の入射角の組合せに対して、薄膜及び基板
の複素屈折率を既知のものとして、反射光のｐ成分とｓ
成分の反射による位相差及びｐ成分とｓ成分の振幅反射
率比を算出して一覧表を作成し、これを記憶手段に記憶
する。その後、公知の偏光解析方法により前記位相差及
び振幅反射率比を測定し、この測定値に対応する膜厚及
び入射角を記憶手段に記憶された一覧表の中で検索して
求めるように構成した。所定の複素屈折率を有する基板
表面に形成された薄膜に斜入射し、反射する所定波長の
光に関し、更に、前記位相差及び振幅反射率比を、検光
子の回転角及び光強度の測定により求める膜厚測定装置
を好ましいものとして構成した。更に、前記位相差及び
振幅反射率比を、補償器の回転角及び光強度の測定によ
り求める膜厚測定装置を好ましいものとして構成した。
膜厚及び任意の入射角の組合せに対して、薄膜及び基板
の複素屈折率を既知のものとして、反射光のｐ成分とｓ
成分の反射による位相差及びｐ成分とｓ成分の振幅反射
率比を算出して一覧表を作成し、これを記憶手段に記憶
する。その後、公知の偏光解析方法により前記位相差及
び振幅反射率比を測定し、この測定値に対応する膜厚及
び入射角を記憶手段に記憶された一覧表の中で検索して
求めるように構成した。所定の複素屈折率を有する基板
表面に形成された薄膜に斜入射し、反射する所定波長の
光に関し、更に、前記位相差及び振幅反射率比を、検光
子の回転角及び光強度の測定により求める膜厚測定装置
を好ましいものとして構成した。更に、前記位相差及び
振幅反射率比を、補償器の回転角及び光強度の測定によ
り求める膜厚測定装置を好ましいものとして構成した。
【００１１】
【作用】膜厚及び入射角が予め算出された一覧表の中
で、偏光解析方法による測定値に基づき検索して求めら
れる。好ましい装置によれば、検光子又は補償器の回転
角及び光強度の測定により、前記位相差及び振幅反射率
比を求め、膜厚を求めることができる。
で、偏光解析方法による測定値に基づき検索して求めら
れる。好ましい装置によれば、検光子又は補償器の回転
角及び光強度の測定により、前記位相差及び振幅反射率
比を求め、膜厚を求めることができる。
【００１２】
【実施例】本発明の第１の実施例を図１、図２及び図３
により説明する。図１は基板上の薄膜に入射した光束の
状況を説明する図、図２は本実施例の構成図、図３は本
実施例のブロック図である。波長６７０ｎｍの半導体レ
ーザーの光源１から射出した光は偏光板２を透過して直
線偏光となり、基板３上の薄膜Ｍに入射角φで入射す
る。入射角φは厳密に調整する必要はないく、後述の一
覧表に記載された角度範囲に設定すればよい。反射光は
回転する偏光板４を透過して、受光素子５に入射し、光
の強度は電気信号に変換される。偏光板４の回転角度は
偏光板４の支持環に設けられたエンコーダ４ａにより読
み取られ、電気信号に変換される。偏光板４を単独で回
転して得られる出力波形を、受光素子５からの光強度信
号とエンコーダ４ａからの回転角度信号として信号処理
装置６に入力し、ここでフーリェ変換して位相差及び振
幅反射率比を求める。その後に、記憶装置７に記憶され
ている一覧表より求めた位相差Δ及び振幅反射率比Ψに
対応する膜厚ｄを検索装置８で検索し、表示部９に膜厚
を表示する。
により説明する。図１は基板上の薄膜に入射した光束の
状況を説明する図、図２は本実施例の構成図、図３は本
実施例のブロック図である。波長６７０ｎｍの半導体レ
ーザーの光源１から射出した光は偏光板２を透過して直
線偏光となり、基板３上の薄膜Ｍに入射角φで入射す
る。入射角φは厳密に調整する必要はないく、後述の一
覧表に記載された角度範囲に設定すればよい。反射光は
回転する偏光板４を透過して、受光素子５に入射し、光
の強度は電気信号に変換される。偏光板４の回転角度は
偏光板４の支持環に設けられたエンコーダ４ａにより読
み取られ、電気信号に変換される。偏光板４を単独で回
転して得られる出力波形を、受光素子５からの光強度信
号とエンコーダ４ａからの回転角度信号として信号処理
装置６に入力し、ここでフーリェ変換して位相差及び振
幅反射率比を求める。その後に、記憶装置７に記憶され
ている一覧表より求めた位相差Δ及び振幅反射率比Ψに
対応する膜厚ｄを検索装置８で検索し、表示部９に膜厚
を表示する。
【００１３】一覧表は、基板と薄膜の屈折率及び吸収係
数を所定の数値として与え、膜厚ｄを０〜４００ｎｍの
範囲で、１０ｎｍ刻みとし、入射角φを１０〜４５°の
範囲で、１０″刻みとして上記した式からΨとΔとを計
算して予め作成しておく。Ｓｉ基板上のＳｉＯ2 膜を例
にとると、屈折率及び吸収係数をそれぞれ、 としてΨとΔとを計算すると次にその一部を示すような
表が作成される。
数を所定の数値として与え、膜厚ｄを０〜４００ｎｍの
範囲で、１０ｎｍ刻みとし、入射角φを１０〜４５°の
範囲で、１０″刻みとして上記した式からΨとΔとを計
算して予め作成しておく。Ｓｉ基板上のＳｉＯ2 膜を例
にとると、屈折率及び吸収係数をそれぞれ、 としてΨとΔとを計算すると次にその一部を示すような
表が作成される。
【００１３】
【表１】
【００１４】 ｄ（ｎｍ） θ（度） Ψ（度） Δ（度） ・・・・ ・・・・ ・・・・ ・・・・ ０ １５°３０′００″ １０ １５°３０′００″ ２０ １５°３０′００″ ３０ １５°３０′００″ ・・・・ ・・・・ ・・・・ ・・・・ １００ １５°３０′００″ ・・・・ ・・・・ ・・・・ ・・・・ ０ １５°３０′１０″ １０ １５°３０′１０″ ２０ １５°３０′１０″ ３０ １５°３０′１０″ ・・・・ ・・・・ ・・・・ ・・・・ １００ １５°３０′１０″ ・・・・ ・・・・ ・・・・ ・・・・ 基板と薄膜の他の組合せについても、同様に表を作成す
ることができる。
ることができる。
【００１５】本発明の第２の実施例を図４により説明す
る。図４は第２の実施例の構成図である。光源１から射
出した光は偏光板２を透過して直線偏光となり、その後
補償器として４分の１波長板２ａを透過してから、薄膜
Ｍに入射する。反射光は回転する偏光板４を透過して、
受光素子５に入射し、光の強度は電気信号に変換され
る。４分の１波長板２ａを回転し消光方位を求める。本
実施例は偏光板４を回転する代わりに、４分の１波長板
２ａを回転し位相差及び振幅反射率比を求めるものであ
り、説明の詳述は省略する。
る。図４は第２の実施例の構成図である。光源１から射
出した光は偏光板２を透過して直線偏光となり、その後
補償器として４分の１波長板２ａを透過してから、薄膜
Ｍに入射する。反射光は回転する偏光板４を透過して、
受光素子５に入射し、光の強度は電気信号に変換され
る。４分の１波長板２ａを回転し消光方位を求める。本
実施例は偏光板４を回転する代わりに、４分の１波長板
２ａを回転し位相差及び振幅反射率比を求めるものであ
り、説明の詳述は省略する。
【００１６】実施例によれば、入射角に依存しないで膜
厚を測定できるから、装置の調整が容易にでき、不安定
な試料台を用いることもできるため、廉価に膜厚測定装
置を製作できる。
厚を測定できるから、装置の調整が容易にでき、不安定
な試料台を用いることもできるため、廉価に膜厚測定装
置を製作できる。
【００１７】又、水面上の油のように薄膜の法線方向が
定まらない状況での測定も可能である。
定まらない状況での測定も可能である。
【００１８】実施例においては、薄膜の任意の膜厚及び
任意の入射角の組合せに対して一覧表を作成したが、記
憶手段の容量等の制限で任意の組合せについて記憶でき
ない場合は、基板及び薄膜の組合わせごとに限定した範
囲で記憶し、あるいは薄膜の膜厚及び入射角の組合せの
一部を記憶してもよい。記憶していない部分は補間、若
しくは線型又は非線型計画法により求めてもよい。更に
制約が大きいときは解析的方法によって求めてもよい。
任意の入射角の組合せに対して一覧表を作成したが、記
憶手段の容量等の制限で任意の組合せについて記憶でき
ない場合は、基板及び薄膜の組合わせごとに限定した範
囲で記憶し、あるいは薄膜の膜厚及び入射角の組合せの
一部を記憶してもよい。記憶していない部分は補間、若
しくは線型又は非線型計画法により求めてもよい。更に
制約が大きいときは解析的方法によって求めてもよい。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように本発明により、膜厚
及び入射角が予め算出された一覧表の中で、偏光解析方
法による測定値に基づき検索して求められるから、入射
角による膜厚測定誤差がなくなる。
及び入射角が予め算出された一覧表の中で、偏光解析方
法による測定値に基づき検索して求められるから、入射
角による膜厚測定誤差がなくなる。
【図１】基板上の薄膜に入射した光束の状況を説明する
図である。
図である。
【図２】第１の実施例の構成図である。
【図３】第１の実施例のブロック図である。
【図４】第２の実施例の構成図である。
Ｍ 薄膜 １ 光源 ２ 偏光板 ２ａ ４分の１波長板 ３ 基板 ４ 偏光板 ４ａ エンコーダ ５ 受光素子 ６ 信号処理装置 ７ 記憶装置 ８ 検索装置 ９ 表示部
Claims (3)
- 【請求項１】 所定の複素屈折率を有する基板表面に
形成された薄膜に斜入射し、反射する所定波長の光に基
づいて前記薄膜の膜厚を測定する方法ににおいて、 前記薄膜の任意の膜厚及び任意の入射角の組合せに対し
て、前記薄膜及び前記基板の所定複素屈折率により算出
した、反射光のｐ成分とｓ成分の反射による位相差及び
ｐ成分とｓ成分の振幅反射率比の計算値とからなる一覧
表を記憶し、偏光解析法により得られた情報を用いて演
算された前記位相差及び前記振幅反射率比に対応する膜
厚及び入射角を前記一覧表より検索して前記薄膜の膜厚
を測定することを特徴とする膜厚測定方法。 - 【請求項２】所定の複素屈折率を有する基板表面に形成
された薄膜に斜入射する所定波長の入射光束の光路中に
挿入された偏光子と、前記薄膜からの反射光束の光路中
に挿入された回転可能な検光子と、前記検光子を透過し
た光束を受光し、光強度信号を出力する受光素子とを有
する膜厚測定装置において、 前記薄膜の任意の膜厚及び任意の入射角の組合せに対し
て、前記薄膜及び前記基板の所定複素屈折率により算出
した、反射光のｐ成分とｓ成分の反射による位相差及び
ｐ成分とｓ成分の振幅反射率比の計算値とからなる一覧
表を記憶する記憶手段と、前記検光子の回転角情報及び
前記光強度信号の値を用いて前記位相差及び前記振幅反
射率比を演算する演算手段と、前記演算値に対応する膜
厚及び入射角を前記一覧表より検索する検索手段と、前
記検索値を表示する表示手段とを有することを特徴とす
る膜厚測定装置。 - 【請求項３】所定の複素屈折率を有する基板表面に形成
された薄膜に斜入射する所定波長の入射光束の光路中に
挿入された偏光子と、前記薄膜からの反射光束の光路中
に挿入された回転可能な検光子と、前記検光子を透過し
た光束を受光し、光強度信号を出力する受光素子と、入
射光束又は反射光束の何れかの光路中に挿入された回転
可能な４分の一波長板とを有する膜厚測定装置におい
て、 前記薄膜の任意の膜厚及び任意の入射角の組合せに対し
て、前記薄膜及び前記基板の所定複素屈折率により算出
した、反射光のｐ成分とｓ成分の反射による位相差及び
ｐ成分とｓ成分の振幅反射率比の計算値とからなる一覧
表を記憶する記憶手段と、前記４分の一波長板の回転角
情報及び前記光強度信号の値を用いて前記位相差及び前
記振幅反射率比を演算する演算手段と、前記演算値に対
応する膜厚及び入射角を前記一覧表より検索する検索手
段と、前記検索値を表示する表示手段とを有することを
特徴とする膜厚測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4323801A JPH06147837A (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 光学的膜厚測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4323801A JPH06147837A (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 光学的膜厚測定方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06147837A true JPH06147837A (ja) | 1994-05-27 |
Family
ID=18158766
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4323801A Pending JPH06147837A (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 光学的膜厚測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06147837A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000030206A (ko) * | 2000-02-02 | 2000-06-05 | 문철홍 | 평판 스티로폼의 두께 측정기 |
| CN115218796A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-10-21 | 重庆市计量质量检测研究院 | 基于原位共角spr检测多层薄膜参数的deabc方法 |
-
1992
- 1992-11-10 JP JP4323801A patent/JPH06147837A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000030206A (ko) * | 2000-02-02 | 2000-06-05 | 문철홍 | 평판 스티로폼의 두께 측정기 |
| CN115218796A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-10-21 | 重庆市计量质量检测研究院 | 基于原位共角spr检测多层薄膜参数的deabc方法 |
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