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

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)

【特許請求の範囲】
1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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。