JPS63500332A - 多層薄膜構造の特性を非破壊的に決定する方法及び装置 - Google Patents
多層薄膜構造の特性を非破壊的に決定する方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
多層薄膜構造の特性を非破壊的に決定する方法及び装置及専分国
本発明は一般に多N薄膜構造の特性を非破壊的に決定する方法及び装置に関する
。特に、電子集積回路の製造に使用するような多N薄膜構造の組成と層の厚みを
決定するものである。
見皿至宣員
電子集積回路装置の製造プロセスにおいては、半導体材料のウェハ面に反応体を
付着させてその上にp形およびn形の導電材料層をエピタキシャル成長させ、装
置の電気的特性を確立している。
このエピタキシャル成長層は、通常、0.1〜10μm程度で非常に薄いもので
あり、薄膜としての特性を有している。従って、多くの層をエピタキシャル成長
させた半導体ウェハは多N薄膜構造としての特性を持つことが多い。
この場合、各エピタキシャル成長層はその製造時に厚みと一様性を制御すること
が重要になる。各層の厚みと均一性が変化すると、得られた装置の電気的特性が
望ましくない変動を示すようになる。従って、製造工程を正し〈実施するには各
層の厚みと均一性を正確に知る必要がある。
これまで、集積回路装置の各層の厚みは走査形電子顕微鏡の下で測定した場合、
各層は非常にきれいに観測でき、その厚みを十分正確に決定することができる。
しかし装置を断面で切った場合本来の目的を達成することができなくなる。
Sing)−チングを塗布したシリコンウェハなどの単一薄膜層を有するエネル
ギー吸収性基板を含む構造の層の厚みは非破壊的に測定することができ、その手
法は、我々の報告「薄膜を特徴付ける共鳴漏れ全反射」、「応用光学J 19B
2年6月15日第21巻第12号(Applied 0ptics、Vol、2
1 、 k 12、Junel 5.1982) 、2167〜2173ページ
、エヌ・ジェイ・ハリンク(N、J、Harrick )に説明しである。更に
エヌ・ジェイ・ハリ7りの本で、「内部反射分光法J、インクサイエンス出版(
Interscience Pnblishers) (1971) 、41〜
61ページ、および2つの論文「全内部反射」、「年報J (Annals)
、ニューヨーク科学アカデミ−(New York Academy of 5
cience+ 1963 )929.948〜949ページ、および「フラス
トレイテッド全内部反射からの表面の物理と化学」、「物理研究論集J (Ph
ysicalReview Letters) 、1960年3月、第4巻第5
号(Vol、 4°、隘5、March 1960) 、p、224〜226も
単層構造を非破壊的に特徴づける方法について報告している。
漏れ全反射(FTR)の原理により単層構造を検討するために、薄膜層に接触さ
せて光カップラを設ける。このカップラは実際には、薄膜層に押圧したフラット
なベースを持つ半円筒により構成される0表面が不完全なので、このカップラの
ベースと薄膜層の表面との間には空隙或いは空気層ができるのが普通である。
平行した電磁放射ビームを、これがカップラベースに当り、それから反射される
ような角度でカップラに入射させる。カップラは半円筒状をなしているので、そ
のベースから反射した放射は、カップラの曲面に当ると、この曲面に垂直になり
、直ちにそれを透過する。カップラのベースから放射ビームは反射するにも拘ら
ず、放射ビームのエネルギーの1部は薄膜層からカップラを分離する空気層内に
ある指数関数的に振幅が減衰する産性(エバネッセント波)を介して薄膜層に結
合される。薄膜層内ではこの波は指数関数的な減衰、即ち次第に消失することを
停止する。この場合波は実数量になり、振幅がほぼ一定になる0次にこの薄膜層
を伝搬したビームは薄膜層と基板との界面で反射され、更に空気と薄膜との界面
で反射される。
′gi膜層を通してビームが伝搬するにつれ、このビームは位相がシフトする。
この波動の位相シフトの大きさは式(n、t、cosθ)/Aの大きさに従って
変化する。但し、n、とt、はそれぞれ薄膜層の屈折率と厚みを表わし、θはカ
ップラへのビームの入射角であり、Aはビームの波長を表わす、これかられかる
ように、ビームの位相シフトの大きさは薄膜の厚みに比例している。即ち、薄膜
層の厚みのある値の場合、これに関連するビームは成る量だけ位相シフトを受け
ることになる。ビームが薄膜層を伝搬した時の位相シフトの大きさはこの層の「
位相厚み」と呼ばれている。
Aまたはθ、或いはその両者を変えて光カップラをビームで走査すると、薄膜層
の位相厚みを変化させることができる。薄膜層の位相厚みが、空気層と薄膜層と
の界面でビームが受ける位相シフトと薄膜層と基板との界面で受ける位相シフト
との和に等しくなると、共鳴が生じる。この共鳴状態においては、薄膜層を通し
て伝搬し、薄膜層・空気層界面で反射されたビームエネルギーの殆んどは、干渉
に起因してカップラから反射されたビームとの結合のために空気層を通してカッ
プラに逆に結合されることはなくなる。その結果、共鳴が生じるAとθの値に対
しては、光カップラから反射された放射強度のスペクトル中に鋭い最小が現われ
ることになる。この共振が生じる八とθΦ値から薄膜層の厚みの理論値を計算す
ることができる。層の厚みの理論値と実際の値との誤差は十分小さいことが見出
されている。
ここに記載したFTR法は、上記のように層の厚みの非破壊測定を同能にする他
に、単一薄膜層の、その上の種々の位置における屈折率n、測測定てその均一性
を決定するために用いることもできる。この場合、層の厚みと屈折率が共にわか
らない時は、共鳴が起こる八とθの2つの組の値に対して、これ等の層厚と屈折
率に関する2つの方程式を得ることができる。従って、これ等の方程式から屈折
率と層の厚みを得ることができる。薄膜層の屈折率はその組成を表わすので、層
上の幾つかの位置で屈折率を測定することにより、層の均一性を知ることができ
る。
このように層の特性を調べるFTR層特性決定法は単一層の特性の決定に最も有
効である。しかしながら、集積回路装置のような多層薄膜構造の個々の層の厚み
と屈折率を測定する場合は問題がある。上記の方法がこのような多層薄膜構造の
個々の層の特性の測定に適さない理由は、この方法が各層に関係する個々の位相
厚みを斯酌できない点にある。更に、従来の方法は、多層薄膜構造をビームが伝
搬する時、これが層の各層の間にできる界面で部分的に反射、透過されるという
事実を考慮に入れてないことも理由の1つである。従って、これまでは多層薄膜
構造の層に関する知見は走査形電子顕微鏡により薄膜構造の断面を観測すること
により得ていた。
以上の説明から明らかなように、多層薄膜構造の個々の層を非破壊的に調べるこ
とができる方法が必要になる。
尤里皇!旌
以上に記載した従来の方法における問題点は、多N薄膜構造の各層の特性を非破
壊的に決定する本発明の末法により解決することができる。即ち、本発明によれ
ば、先ず、第1放射ビームを、多層薄膜構造の表面と接触するベースを備えた光
カップラに、上記ビームがカップラから反射され、これに伴ってカップラを通り
、実ビームとして薄膜構造に結合するエバネッセント波を発生する角度で、入射
させる。この実ビームは多層薄膜構造の諸層からカップラ、内に反射され、そこ
で実ビームはベースから反射された放射ビームと結合する。この結合ビームは薄
膜の諸層の特性に関係する強度でカップラを出射する。上記第1ビームがカップ
ラを走査し、・その間に上記カップラを出射した結合ビームの反射強度を測定す
る。次に、この検出反射強度を特性のわかった構造の反射強度と比較して多層薄
膜構造の特性を決定するように構成する。
回里■W車尾脱■
第1図は多層薄膜構造と接触した光カップラの断面図であり、第2図は第1図の
多層薄膜構造に係わる反射スペクトルのグラフであり、
第3図は多層薄膜構造の上面と接触した光力ンプラの断面図であり、
第4図は第3図の多層薄膜構造の諸層を非破壊的に特徴づける本発明による装置
の概略図であり、更に、第5図は第3図の多層Ei膜構造を特徴づける第4図の
装置が実行するプログラムのフローチャートである。
堕胆呈販里
第1図は光カップラlOで、半円筒状をなし、この円筒に沿って軸方向に延在し
その上に形成された平坦なベース11を備えている。この半円筒杖カフブラ10
のベース11はエネルギー吸収性の基板14の上面の厚みto (通常は10〜
10μm)のほぼ透明な薄膜層12と接触して配置しである。これ等の薄膜12
と基板14は共に単層薄膜構造16をなしている。
力7プラ10のベース11と薄膜層12には実際には欠陥があり、従ってこれ等
を互いに接触させると、それ等の間には少なくとも1つの空隙或いは空気層17
が生じる。実際には、層17は、0.1〜0.2μmの厚みt、を持ち、また説
明のため層12の厚みt、と同様に第1図では大きく誇張して書いである。
波長へのレーザ(回路)などの光源からの平行放射ビーム18がベース11に垂
直となるようにカップラを半径方向に通るライン20に対して角度θをなしてカ
ップラ10に入射される。カップラ10に当った入°射ビーム18の1部はベー
ス11で反射され、これはビーム21として示しである。カップラ10の形状は
半円筒状なので、反射ビーム21は、カップラの曲面に入射した後、それに垂直
になる。従って、反射ビーム21はカップラ10から自由空間に放出される。
カップラに入射した入射ビーム18の他の部分はそれにより屈折され、ベース1
1から空気層17に到達する。この屈折ビームを参照番号22と呼ぶことにする
。屈折ビーム22はライン20と角αをなし、この角度はスネルの法則から、n
c sin O= n 婁Nnα (1)で与えられる。但し、ncとnaは
それぞれ力ンブラlOと層17の屈折率である。実際には、n、ば1.Qとする
。また説明のため、カップラ10は透明とする。従って、カップラ10の屈折率
ncは、カップラと通る光の吸収を惹起するカップラに含まれる不純物を考慮し
た場合のように複素値ではなく実数値を取るものと考えられる。
カップラ10の屈折率ncがn、より大きい時は臨界角θ、において角度αは9
0°になる。上記臨界角θゎは数式で示すと、sinθc ”” nm / n
c (21となる。この臨界角θ3はカップラ10の屈折率ncに依存する。
例えば、カップラ10を屈折率nc−4,0のゲルマニウムで形成した時のθ。
ば約15″である。
屈折ビーム22の角度αが90°になる条件θ=θ。の場合、カップラlOに入
射したビーム18は、ベースにyiwJ、層12が接触してなければ、ベース1
1から全反射されると考えられる。しかし、薄膜層12がベース11に接触し、
θ〉θ、の時は屈折ビーム22は実数量とはならない、これは、その場合の屈折
角αは方程式(11を満足するためには実数および虚数成分を共に持たなければ
ならないことによる。このように角度αが虚数成分を含む結果、カップラ10に
より層17に結合された放射はこれを通して実数ビーム22としてではなく、指
数関数的に減衰する(エバネソセント波として動作する)虚数波23として伝搬
する。
このエバネソセント波23は、空気層17と薄膜FF12との界面に入射すると
、虚数量ではないものになる。即ち、薄膜層12に入射すると実数ビーム24に
なる。このようなエバネンセント波23の実ビーム24への変換は、薄膜層12
の屈折率がnlより大きい時放射が薄膜層12を伝搬する角度θ1が虚数成分を
持たないという理由から生じる。従って、薄膜層12を伝搬する放射は虚ビーム
としてではなく実ビームとして与えられる。θ1の値は式!11を用いてθの値
から得られる。
ビーム24は、基板14に当ると、1部は反射し、1部は透過する。但し、基板
14は、通常、エネルギーを吸収するので、この基板を通ったビーム24はそれ
により吸収されることになる。
基板14により反射されたビーム24部分は薄膜層12を逆に伝搬し、そしてθ
〉θゎの時は、ビーム18がカップラ10により反射された場合と同様に、層1
7と薄膜7512の界面で内部反射されることになる。しかし、放射の成るもの
は、エバネッセント波23により薄膜層12に放射が結合された場合と全く同様
にしてエバネフセント波(回路)により空気層17を通してカップラ10に逆に
結合される。
薄膜層12を伝搬したビームは、位相4甲として知られ、この薄膜層に関係する
量に依存する大きさの位相シフトを受ける0式で表わすと、薄膜層12の位相厚
み甲は甲−(2n@tecosθ1)/λ (3)となる、但しn、は薄膜層の
屈折率である。実際には、カップラ10に入射するビーム18の波長は、ビーム
24が伝搬する薄膜層12がこのビームに対し透明になるように選択される。こ
のようにして、薄膜層12の屈折率n、は複素値よりむしろ実数値を取るものと
される。
ビーム18がカップラ10に入射する角度θおよびその波長へを変え、その他の
パラメータは一定にしておくことにより、薄膜層12の位相厚みを変えることが
できる。実際、角度θは八を一定にして変化される。θとへの1つ以上の値に対
しては、薄膜層12の位相厚みに寄与できるビーム24の位相シフト量は層17
とN12との界面および層12と基板14との界面におけるビームの位相シフト
の和に等しくなる。このような条件を弐で表わすと、
2甲−Φlj++! −Φ+t、+a = O(sod 2 π) +41とな
り、ここにΦIff+I!とΦIl+I4はそれぞれ空気層17と薄膜層12と
の界面およびこの薄膜層と基板14との界面におけるビーム24の角位相シフト
を表わすものである。
上記の位相シフトΦI?+1gは式
7式%
また上記位相シフトφ1.14は式
と表わされる。
基板14はエネルギーを吸収するので、その屈折率N、は式n、−1KIlで表
わされる。但しn、は実数成分であり、K、は虚数成分で基板によるエネルギー
の吸収を表わしている。
上記の式(4)を満足する八とθの値に対しては、共鳴条件が成立する。非常に
わずかではあるが、もし共鳴すれば、エネルギーは薄膜層12からエバネッセン
ト波を介して層17に逆結合されるが、これは、ビーム24が薄膜層12と層1
7との界面で反射される毎に破壊的な干渉が生じることによる。従って、共鳴が
あると、実際にはビーム24の極くわずかな量がカップラ10に逆結合されて反
射ビームと結合するので、反射ビーム21の測定強度は鋭く減少することになる
。
薄膜構造16はこれに関係した特定の反射スペクトルを有している。第2図はこ
の反射スペクトルを示したもので、反射ビーム21の強度をθの関数としてプロ
ットしである。このスペクトル中でθ17として示したそれぞれの最小量に関係
するθの値は共鳴の各条件におけるθの値に対応するものである。この第2図の
反射スペクトルから得たθ1oの値から、上記の式(3)と(4)を用いて層1
2の厚みt、の理論値を計算することができる。走査形電子顕微鏡により測定し
た実際の層厚と計算による層厚とは非常によく一致することが実際にわかった。
第3図に示したように、以上に説明したFTR法は、多層薄膜構造であって、そ
の上に、各々の厚みがtl、Lz 、Lz・・・、1゜で屈折率がn+ 、nt
、ni ”’、n、、の複数の薄膜層d+ 、dt、d、・・・Zd7を有し
たものの特性の検討に有用なことがわかる。
上記多N薄膜構造25の特性の検討に既に記載したFTR法を用いようとする場
合に問題が生じる理由は、レーザ(回路)からのス28aを持つ半円筒状光カッ
プラ28に入射させた時に生じる事態の説明により明らかになると思われる。即
ち、カップラ28のベース28aおよび層d、には表面欠陥があるので、空隙或
いは空気層30 (通常0.1〜0.2μm)が存在すると思われる。
ビーム27が臨界角θ。より大きな角度θでカップラ28に入射した時は、この
ビームはベース28aから反射され、その幾何学的形状のためにカップラから放
出されることになる。この反射ビームは参照番号29で示しである。このように
、入射ビーム27はカップラ28のベース28aで反射されるが、この入射ビー
ムの1部はエバネッセント波31により層d1に結合される。
このエバネッセント波31は、第1図のビーム18の1部がエバネ7セント波2
3により第1図の層12に結合されたのと全く同様に、空気層30に結合される
。このエバネ7セント波31は、層d1に入射すると、実ビーム32に変換され
る。このエバネフセント波31の実ビーム32への変換は、Iii a +の屈
折率n、が通常は空気層30の屈折率より大きいことにより行われる。このよう
にして、放射が層d1を伝搬する角度(回路)は虚数成分を含まず、従ってこの
放射はエバネフセント波31としてより実ビームとして伝搬することになる。こ
こで、ビーム32は隣接する各層対の屈折率の関係に依存して1つ以上の層d、
、d、・・・、d、内でエバネ7セント波に変換される点に注目されたい。
このビーム32は層d、−d、の各々を伝搬するにつれ、各層の位相厚に依存し
て位相がシフトする。層の界面では、ビーム32の1部が反射されるが、残部は
次の層に透過される。従来のFTR法では各層を通るビーム32の位相シフトも
、層の間の界面でのビームの部分反射、透過も共に説明できながった。従って、
従来のFTR法は多層薄膜構造25の特性の検討には不適切な手段である。
第4図には、漏れ全反射(FTP)により、第3図の多層薄膜構造25の個々の
層d1〜d0を非破壊的に特徴づけ、特にそれ等の厚みt、%l、を決定する測
定システム33の概略構成図が示しである。この測定システム33は、上部が半
円筒状の直立支承部材35を上に備えた回転自在テーブル34がら構成される。
この支承部材35の半円筒状部分は平坦面36を有し、この面は半円筒状カップ
ラ37を受ける嵌込みを有している。このカップラ37は平坦ベース38を備え
、このベースは通常、多層薄膜構造25の上面に密接するために支承部材35の
表面36がられずかに突出するように構成する。支承部材35の面36の嵌込み
にカップラ37を配置する場合は、カップラの中心Cはテーブルの中心と整合さ
せなければならない。このようにして、レーザ42からの放射ビーム40がカッ
プラ370ベースに垂直なライン43に対して角度θをなしてカップラ37に照
射されると、このビームは、テーブル34の回転につれて、ベースと多層薄膜構
造25との界面に沿い同じスポットで入射するようになる。実際には、ビーム4
0の波長Aは、層d1〜d7の各々がこのビームに透明なように選択される。
第3図の多層薄膜構造25は、矢印44で示した圧縮空気を多N薄膜構造の底面
に密接したブロック45に対して吹き付けることにより、第4図のカップラ37
のベースに平行に、それに接触して保持される。
上記テーブル34は、カップラ37をしてθ。より大きな各種角度でビームによ
り走査せしめる制御ユニット48の制御下でサーボモータ46によりO,OO5
°の精度まで回転自在に駆動される。実際には、このサーボモータ46と制御ユ
ニット48には、マサチューセッツ州すウス ナテインク(South Nat
ick)のイーリング コーポレーション(Ealing Corporati
on)により製造された35−2500形サーボモータと35−2450形制御
ユニツトがそれぞれ用いられる。
上記サーボモータ46は更に歯車箱(回路)を通してテーブル34周りに焦電形
光検出器50を回転自在に駆動し、これによりこの光検出器は2倍の速さで回転
するテーブルと同じ方向に回転する。この場合、テーブルの回転速度の2倍の速
度で光検出器を回転自在に駆動することにより、光検出器とカップラ36に入射
したビーム40とのなす角度が2θに維持される。これにより、カップラ36に
より反射されたビーム40は、テーブル34が回転しても常に検出器50上に中
心を置くように保証されることになる。
実際には、ビーム40には若干の見せかけの電磁放射(ノイズ)が含まれるのが
通常であり、これは光検出器50によるビーム51強度の測定に悪影響を与える
。このビーム51に含まれるノイズの有害な作用はビーム40を変調し、検出器
50の出力信号をこれに同期させることにより低減させることができる。更に、
実際には、検出器50は焦電形なので、これに入射したビーム51は検出器を適
正に動作させるために時間変調する必要がある。
このために、円形のシャンク板52をレーザ42とカップラ37の間に介在させ
る。このシャツタ板52はロックイン増幅器56によりその参照信号出力に発生
された一定周波数の参照信号に応じたモータ54により回転自在に駆動される。
この増幅器56に通常ニューシャーシー州プリンストンのプリンストン・応用研
究会社(Princeton Applied Re5earch Co、)か
ら市販されている124人形増幅器を用いている。
上記ロックイン増幅器56の入力は光検出器50の出力に結合する。モータ54
に供給する参照信号に周波数がほぼ等しいロックイン増幅器56の入力に与えら
れた信号はこの増幅器により増幅され、その出力に送出される。一定周波数の参
照信号の周波数より大きいか或いは小さい周波数を持つ信号はロックイン増幅器
56により阻止される。
モータ54に供給する参照信号に周波数がほぼ等しい光検出器50からの信号だ
けを増幅することにより、このロックイン増幅器56は光検出器50の出力信号
をビーム40の変調に同等なビーム51の変調に有効に同期させることができる
。このように、ビーム40の変調に光検出器50の出力信号を同期させることに
より検出器の出力信号の振幅はビーム中のノイズに対して非常に鈍感になる。
実際には、Z−Y形陰極線管(CRT)表示装置58はロックイン増幅器56の
出力にY出力を結合させである。このCRT表示装置58は更に制御ユニット4
8にX入力を結合させ、これにより、テーブル34の回転速度と同しに変化する
周波数の同期パルスが制御ユニットから供線されることになる。上記CR7表示
装置58はテーブル34の回転の関数として検出器50の出力信号振幅の変化に
対応した波形を表示する。このようにして、CRTの表示装置58に表示された
波形は薄膜構造25に関係する反射スペクトルに対応したものになる。
上記制御ユニット48の出力信号とロックイン増幅器の出力信号は更にコンピュ
ータ60の第1および第2人力に送出される。
上記コンピュータ60は通常、マサチューセッツ州メイナードのディジタル・エ
クィップメント・コーポレーション(DigitalEqnipment Co
rporation )からのMINC−23形コンピユータにより構成される
。上記コンピュータ60は第5図のフローチャートで示したプログラムを内蔵し
、このプログラムは、それが実行されると、第3図の多層薄膜構造24のそれぞ
れ、層d1〜d7の厚み1.−1.、を決定する。
第5回に示したように、プログラムの実行は、第3図の薄膜構造25のそれぞれ
d、 、dt、 d、 、・・・、d7の層の対応するものの公称厚みを各々表
わす1組の値!+ 、’2 、j!3 、・・・、れを入力して開始される(ス
テップ62)。実際には、各層の公称厚みは薄膜構造25の設計に基づいてその
予測される厚みに基づいて近(以的に与えるようにする。上記の層d1〜d7の
各々の公称厚みが近似できない場合は、任意の値をf、 、12、j!、 、・
・・、17に対して入力してもよい。
ステップ62では、上記の層d、〜d、の対応するものの屈折率をそれぞれ表わ
すnl 、nt 、n= 、・・・、nlの値もそれぞれ入力する。通常は、層
d、−d、の各々は透明と仮定し、従ってこれ等のNd+ 〜d、の屈折率値n
、〜nアは複素値としてではなく実数値として入力する。但し、構造25の層数
が非常に少ない場合は、各層による小さいが有限量の放射吸収を実際に考慮する
必要があり、従って”I % nx 、n= 、・・・、n9の各々に対して複
素値を入力しなければならない。
ステップ62に続いて、ベクトル(C,)の成分C+ −Cz、C6、・・・、
C,、の各々をそれぞれ既に入力した公称厚み値11.1..1.、・・・、!
、1の個々のものの値に割当てる(ステップ64)0次に、このベクトル(C,
、)に従って、角度θの関数として構造25の反射スペクトルの理論値を計算す
る(ステップ66)。
ステップ66で構造25に関係する反射スペクトルの理論値を正確に計算するた
めには、第3図の多層薄膜構造25を伝搬したビーム32は、1対の層d i−
+ とd8の間の界面に入射した際、1部は透過し、1部は反射するということ
を考慮する必要がある。
この層d!−1、diの間の界面における第3図の波動32の部分的な反射と透
過はマトリックスl1−1+iを用いて次のように表ゎことかできる。
この式でtrユニー+tとA8−1゜の項はそれぞれ2層間の界面におけるビー
ム32の透過および反射係数を表わしている。この反射係数ri−1=iは、
で与えられる。但し、nl−1とnlはそれぞれ層d3−7とd、の屈折率であ
る。更に、通過係数jri−1,i は、で与えられる。
多層薄膜構造25の反射スペクトルを正確に計算するには、各層d8に関係する
位相厚みが存在するということを考慮する必要もある。
この各層d、の位相厚みをマトリックス!、の形で書くと、となる。但し、jは
複素演算子であり、β五は、βi=2π/cos(C1)dtnt QDで与え
られる。ここに、θ直は層d、を通るビームと、層di−1とd8との界面に垂
直なライン(回路)との間の角度を表わす。
このC1の値はスネルの法則によりθ、−篇 の値から得られる。またC1の値
はスネルの法則によりθから得られる。
上記の多N薄膜構造25は関連する眉間界面を有した層の規則的なシーケンスと
考えてもよい。即ち、構造25を2×2マトリツクスSにより数式で表わすこと
ができる。但しこのマトリックスは、マトリックスI++z 、Iz+i 、・
・・、I n−1o11 とマトリックス!8、′Pt、′Pツ、・・・、′f
′1の順序積である。式で表わすと、36から反射された光の強度Rは[S21
/ 5llF ”から得られる。
θの値を代える毎に、マトリックスSは再計算しなければならない点に注意され
たい。複数のθ値毎に強度Rを計算すれば、構造25の反射スペクトルの理論値
が得られるわけである。
多層薄膜構造に関する理論反射スペクトルを計算した後、これに関係する実際の
反射スペクトルを第5図のステップ68で第4図のコンピュータ60に入力する
。コンピュータ60は、第4図の制御ユニット48の出力にパルスが与えられる
毎に、ロックイン増幅器56の出力信号の大きさを読取って実際の反射スペクト
ルを入力する。
このように実際のスペクトルを入力すると、コンピュータ60は多層薄膜構造2
5の実際の反射スペクトル中の角度最小値(θい、。)の各々を決定する(ステ
ップ70)。次に、コンピュータ60は多層薄膜構造25に関係する理論反射ス
ペクトル中に存在する角度最小値(θ、i、(C,)’Iの各々を決定する(ス
テップ72)。
これ等のC1,7とθ。、、、(C,)の各々を決定したら、次の関係により上
記の量の差Δを計算する(ステップ74)。
Δ−Y[θ□1−θ、i、、(fc、l ) ] ” α■その後、この差の値
Δを所定の測定公差値Δ。と比較する(ステップ76)。Δ。≧Δの時は、ベク
トル(C,、)の成分CI、Cm、・・・、C,、の値はそれぞれ層dl、d2
、d3、・・・、d7の実際の層厚t1、C2、tl、・・・、C7を正しく近
似していると考えられる。従って、ステップ76の実行中に条件Δ。≧Δが満足
された時は、プログラムの実行はステップ78に分岐し、その際コンピュータ6
0は層厚t7、C2、tl、・・・、t、、を正確に近似する成分を持つベクト
ル(C1)を出力する。ステップ7日に従って、プログラムの実行は終了する(
ステップ80)。
ステップ74で計算した差の値Δが所定の公差値Δ。より大きい時は、ステップ
76に従って、プログラムの実行はステップ82に分岐し、その際公称厚み値f
、、/2、j!、 、・・・、らが更新される。即ち、これ等の公称厚み11、
C2,13、・・・、17の各々の現在の値をΔとΔ。の差に従って計算した新
しい値で置き換える。ステップ82に従って、プログラムの実行はステップ64
に分岐し、その間にベクトル(C1)の成分Cr、Ct、C2、・・・、C11
の各々の値がそれぞれ新たに更新された公称厚み値1. 、A2、j!、 、・
・・、Il、、の対応するものに等しくなるようにセントされる。ステップ64
の後、ステップ66〜74を再び実行してθ、!、、とθ、i、 ((C,、l
)との差Δを決定する。
新しいΔ値をステップ74で計算したら、このΔ値をステップ76で得られたΔ
。と比較する。
ステップ76の再実行時にΔがΔ。より大きい場合は、プログラムの実行はステ
ップ82に分岐し、その間に既に更新した公称の層厚みC3、A2、l、を、ス
テ、プロ4にもう一度進む前に、再度更新する。或いは、ステップ76でΔ。が
Δより大きい時はプログラムの実行はステップ78に分岐する。
上記の層厚みC8、C2、C3、・・・、t、、の正確な近似を得るのに必要な
プログラムの反復回数は、ステップ62で入力した公称層厚みj!、、N、 、
f、 、・・・、l、の実際の層厚みに対する近似の度合に依存する。即ち、ス
テップ62で入力された公称層厚みの値が多N薄膜構造24の実際の層厚みとそ
れ程大きく異ならない場合は、プログラムは2〜3回の反復でよい。
以上のプログラムの動作は構造25に関係する実際の反射スペクトルを公知の特
性の多層薄膜構造の反射スペクトルと、これ等のスペクトルがかなり一致するま
で、比較することにより、それぞれNd、〜d7の厚みt、〜t7を決定するた
めに与えられるものである。上記のように異なる多層薄膜構造の反射スペクトル
を計算する代りに、それぞれの実際の反射スペクトルを測定することもできる。
第3図の薄膜構造の、それぞれ、層d、、dア、ll、・・・、d7の厚みtI
% tX、L’、・・・、t、、を決定する代りに、第5図のプログラムは、
それぞれ、各層の屈折率nl s nz 、nz、・・・、n6を決定すること
もできる。即ち、ステップ62の間に、nl % nt −、ns 、・・・、
n7の公称値を公称厚み値りI 、j!2.7!3、・・・、7!、と共に入力
する。次に、ステップ64〜76のプログラムの実行が上記のように進行し、n
、〜n7の公称値を用いて各々のθ、i、、((C,、l )を計算すればよい
。
ステップ76で上記の2つの項を比較した結果、Δ。≦Δの時は、ステップ82
で、p8.12、ll、・・・、1.、が更新されるだけでなく、nt 、nz
、n3も同様に更新される。引続く再実行ステップ76で条件Δ。≧が満足さ
れた時は、ステップ62で入力された(そしてステップ82の1回以上の実行中
に必要であるとして更新された)nl % nts nl、・・・、n、、の各
々が、それぞれ、Nd3、d2、d3、・・・、d、、の対応するものの実際の
屈折率の正確な近似になっているとして、ステップ78で出力される。
特定層の成分はこれに関する特定の屈折率を持っているので、Nd1、d2、d
5、・・・、d7の屈折率nI 、nt 、n3、”’、n7を決定すると各層
の組成から明らかになる。各層の、その上の種々の位置における屈折率を決定す
れば、本発明のFTR法により薄膜構造25の均一性を非破壊的に知ることがで
きる。
以上のように本発明のFTR法について複数のディスクリートな薄膜層を備えた
構造の特性検討のために説明して来たが、多かれ少なかれ連続的な媒体を持つ光
ガイドプレフォーム(1略)などの他の構造の検討にも本方法を用いることがで
きる。このような多かれ少なかれ連続的な媒体を持つ構造は、この構造を、各々
が一様な厚みを持つが組成が未知の複数の虚数層からなる多N薄膜構造として処
理することにより本FTR法により特徴づけることができる。この場合、各虚数
層の屈折率は未知のパラメータとして処理される。
連続媒体構造の特性は、わずかな1つの差を除けば第3図のディスクリートな多
層薄膜構造25に対して与えた上記のものと全く同様にしてめられる。第3図の
ディスクリートな多層薄膜構造25の特性抽出時に行われたように、第5図のス
テップ82において層厚みの公称値1+ 、1.s 、Js・・・が更新された
のとは異り、連続媒体構造の特性決定時には層厚みの公称値は一定のままである
。更新した値nI % nt 、ns 、川、n、、から、各虚数層とその実際
の組成を正確に近似することができる。
以上に記載した実施例は本発明の原理を単に例示したに過ぎない点が理解される
べきである。本発明の原理を具体化しその精神と範囲内にある多くの変形が当業
者により可能である。
30’ 40’ 50’
国際調査報告
1内1@1Inl1番fi拳1^−*ka+mT−・pcτ/US861044
10AN’NEX To TdE INTERNATIONAL 5EARCH
REP○RT ON
Claims (11)
- 1.多層薄膜構造の諸層の特性を非破壊的に決定する方法であって、 (a)多層薄膜構造の表面と接触したベースを備えた光カップラに第1の放射ビ ームを、該ビームが、前記光カップラから生じ且つ実ビームとして前記多層薄膜 構造内に結合するエバネッセント波成分と共に前記光カップラから反射されるよ うな角度で、入射させるステップと、 (b)前記薄膜構造の諸層から前記実ビームをカップラ内に反射されるステップ であって、ここにおいて該実ビームはベースから反射された放射ビームと結合し 且つ構造層の特性に関係する強度でカップラを出射してなるステップと、(c) 前記第1ビームをカップラ内に走査するステップと、(d)前記第1ビームの走 査中にカップラを出射した結合ビームの強度を検出するステップと、更に (e)前記検出反射強度を特性が公知の構造の反射強度と比較して多層薄膜構造 の特性を決定するステップとから構成されたことを特徴とする多層薄膜構造の諸 層の特性を非破壊的に決定する方法。
- 2.前記第1ビームは、該ビームのカップラヘの入射角度を変えることにより、 カップラ内に走査されることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の方法。
- 3.前記検出反射強度を公知の特性を持つ構造の反射強度と比較するステップは 、 検出された反射強度に存在する最小値を決定するステップと、特性が公知の構造 の反射強度に存在する最小値を決定するステップと、更に 前記最小値の間の差を、これ等の最小値の間で十分な一致が得られるまで、比較 するステップとから構成されたことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の方法 。
- 4.多層薄膜構造の各層の個別厚みを非破壊的に決定する方法であって、 (a)前記多層薄膜構造の上部層と接触した平坦ベースを備えた光カップラに第 1放射ビームを、該ビームが前記光カップうから発生し且つ実ビームとして前記 多層薄膜構造に結合するエバネッセント成分と共に前記光カップラから反射され るような角度で、入射させるステップと、 (b)前記薄膜構造の諸層から前記光カップラ内に実ビームを反射させるステッ プであって、ここにおいて該ビームはベースから反射されたビームと結合し且つ 構造層の特性に関係する強度で光カップラを出射するステップと、 (c)前記第1ビームが光カップラに入線する角度を変化させるステップと、 (d)カップラに入射する第1ビームの角度を変化させるにつれ、光カップラを 去る結合ビームの強度を検出して多層薄膜構造に関係する反射スペクトルを得る ステップと、(e)上記構造の各層に対する公称厚み値を確立するステップと、 (f)前記多層薄膜構造に関係する理論反射スペクトルを、前記多層薄膜構造の ために確立された公称の層厚みに従って計算するステップと、 (g)多層薄膜構造に関係する検出反射スペクトルと理論反射スペクトルとの両 者に存在する角度最小値を決定するステップと、(h)多層薄膜構造に関係する 検出反射スペクトルの角度最小値と理論反射スペクトルの角度最小値との差△を 計算するステップと、更に (i)前記の差△を所定の公差値△0と比較し且つ△0≧△の時前記確立された 公称層厚み値から実際の層厚みを近似し、さもなければ、各層に対する新たな公 称厚み値を確立し、次に条件△0≧△が満足されるか否かを再度試験する前にス テップ(e)、(f)および(g)を反復するステップとから構成されたことを 特徴とする多層薄膜構造の各層の個別厚みを非破壊的に決定する方法。
- 5.多層薄膜構造の各層の特性を非破壊的に決定する装置であって、 サンプルとしての多層薄膜構造の表面と接触した平坦ベースを備えた光カップう と、 第1放射ビームを光カップラに、該ビームが、カップラから発生し且つ実ビーム として前記多層薄膜構造に入射するエバネッセント波成分と共にベースから全反 射されるような角度をなして入射させる手段であって、前記実ビームが前記構造 の諸層から光カップラに反射されてベースから反射されたビームと結合し且つ構 造層の特性に関係する強度で光カップラを出射してなる手段と、前記第1ビーム を光カップラ内に走査して薄膜構造の層から反射された放射強度を変化させる手 段と、前記第1ビームによる走査時に光カップラを出射した結合ビームの強度を 検出する手段と、更に 前記検出した反射強度を特性が公知の構造の反射強度と比較して多層薄膜構造の 特性を決定する手段とから構成したことを特徴とする多層薄膜構造の各層の特性 を非破壊的に決定する装置。
- 6.前記第1放射ビームを光カップラに入射させる手段はレーザからなることを 特徴とする請求の範囲第5項に記載の装置。
- 7.前記第1ビームをカップラ内に走査する手段は該カップラを回転させて放射 ビームがカップラに入射する角度を変化させる手段からなることを特徴とする請 求の範囲第5項に記載の装置。
- 8.前記光カップラを出射した結合ビームの強度を検出する手段は焦電形光検出 器からなることを特徴とする請求の範囲第5項に記載の装置。
- 9.前記光カップラを出射する結合ビームの強度を検出する手段は、前記光検出 器が前記光カップラと2倍の速度で同じ方向に回転するように光カップラを回転 させる手段に装着された光検出器からなることを特徴とする請求の範囲第7項に 記載の装置。
- 10.前記比較手段はコンピュータからなることを特徴とする請求の範囲第5項 に記載の装置。
- 11.前記カップラは平坦ベースを備えた半円筒からなることを特徴とする請求 の範囲第5項に記載の装置。
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