JP2000275016A

JP2000275016A - 膜特性値分布の測定方法および測定装置

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Publication number: JP2000275016A
Application number: JP11084827A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yamaguchi; 口一郎山; Katsuichi Kitagawa; 川克一北
Original assignee: Toray Industries Inc; RIKEN
Current assignee: Toray Industries Inc; RIKEN
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜試料の厚み分布を光の走査を行うことな
く、直線状に求めることができる膜特性値分布の測定方
法および測定装置を提供する。【解決手段】円筒レンズ１７を経た収束スリット光が
試料１１に照射され、試料１１からの反射光がCCD カメ
ラ２０に入る。CCD カメラ２０は一方の軸を収束スリッ
ト光の軸方向に一致させ、他方の軸を入射角方向に一致
させてなる二次元イメージセンサからなっている。CCD
カメラ２０からの情報はコンピュータ２１へ入力され
る。このコンピュータ２１において、試料１１の厚み
(d)と入射角(q)とに係る反射率Ｒと、厚み(d1)と入射角
(q1)とに係る反射率Ｒ1とがフィッティングされ、試料
１１の厚み(d)が求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜試料の少なくと
も直線状に沿った膜厚を求める膜特性値分布の測定方法
および測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜の膜厚はその光学的性質を知る上で
重要なパラメータであり、マイクロエレクトロニクス、
オプトエレクトロニクス、光学の分野での薄膜技術の進
展とともに数多くの膜厚測定法が提案されている。その
中で薄膜試料の反射率の入射角依存性R (θ) を測定
し、その結果をフレネル式に基づくアルゴリズムで解析
して膜厚を得るVariable anglereflectometry （VAR )
は、そのときどきの現場の要求に合わせて様々な形に応
用されている。

【０００３】近年要求の高い「高速な」測定に対して
は、VAR から入射角走査のための機械的駆動部分をなく
したBeam profile reflectometry（BPR) が提案されて
いる。これは薄膜に収束光を入射し、反射光を一次元の
イメージセンサでうけることによりR (θ) を一度に測
定するという手法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、最近では測定
の高速化だけでなく、光学素子の反射防止膜など膜厚コ
ーテイングの際の膜厚ムラを調べるために、膜厚分布測
定したいという要求も高まっている。これに対して、BP
Rも含め一般的な膜厚測定法は、ポイント測定方式の手
法をとっている。そのため膜厚を分布で求めるためには
試料もしくは測定模様の位置走査が必要となるが、測定
時間の増大や測定精度の低下につながってしまう。

【０００５】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、機械的走査を行うことなく、少なくとも薄
膜試料の直線状に沿った膜厚を求めることができる膜特
性値分布の測定方法および測定装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、円筒レンズを
経た収束スリット光を薄膜試料に照射する工程と、試料
からの反射光を、一方の軸を収束スリット光の長軸方向
に一致させ、他方の入射角依存特性検出方向に一致させ
てなる二次元イメージセンサにより検出する工程と、二
次元イメージセンサからの情報に基づいて、スリット上
での位置(y) と、試料の厚み(d) と、試料への入射角
(θ)とに係る反射率R(y,θ)と、試料の厚み(d)と、屈折
率(n) と、入射角(θ)とに係る理論上の反射率(RT(θ:
n,d)とをフィッティングして少なくとも試料の収束スリ
ット光の軸方向に沿う厚みd(y)を求める工程と、を備え
たことを特徴とする膜特性値分布の測定方法、および薄
膜試料を保時する薄膜試料保持部と、光源と、光源から
の光を収束させ、薄膜試料保持部上の薄膜試料に対して
収束光を投光する円筒レンズと、試料からの反射光を受
けるとともに、一方の軸を収束光の長軸方向に一致さ
せ、他方の軸を入射角依存特性検出方向に一致させてな
る二次元イメージセンサと、二次元イメージセンサから
の情報に基づいて、スリット上での位置yと、試料への
入射角(θ)とに係る反射率R(y,θ)と、試料の厚み(d)
と、試料の屈折率(n)と、入射角(θ)とに係る理論上の
反射率RT(θ:n,d)とをフィッティングして少なくとも試
料の収束スリット光の長軸方向に沿う厚みd(y)を求める
演算部と、を備えたことを特徴とする膜特性値分布の測
定装置である。

【０００７】本発明によれば、薄膜試料の厚みを直線に
沿って容易に求めることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１乃至図７は、本発明に
よる膜特性値分布の測定方法および測定装置を示す図で
ある。

【０００９】図１に示すように、膜特性値分布の測定装
置１０は薄膜試料１１を保持する薄膜試料保持部１２
と、光源１３と、偏光方向切替部（偏光子）１４と、ス
ペーシャルフィルタ１５と、レンズ１６と、光源１３か
らの光を収束させて薄膜試料１１に対して収束スリット
光を投光する円筒レンズ１７とを備えている。

【００１０】試料１１からの反射光は円筒レンズ１８、
１９を経てCCDカメラからなる二次元イメージセンサ２
０により検出される。この二次元イメージセンサ２０は
一方の軸を、試料１１への収束スリット光の長軸方向y
（図１）に一致させ、他方の軸を入射角依存特性検出方
向θ（図２）に一致させるように構成されている。ここ
で入射角依存特性検出方向θは、試料１１に対する法線
Nと入反射光とのなす角度である。

【００１１】また二次元イメージセンサ２０には、それ
からの情報に基づいて試料１１の厚みおよび屈折率を求
める演算部（コンピュータ）２１が接続されている。

【００１２】次にこのような構成からなる本実施の形態
の作用について説明する。図１において、光源１３には
波長６３２.８nmのHe-Neレーザーが用いられている。光
源１３を出た光は偏光素子１４を用いて直線偏光とな
り、スペーシャルフィルタ１５とレンズ１６（f=２５
０、f=３０mm)によりビーム径が広げられる。ここで偏
光素子１４は時間的に偏光方向をｐ偏光とｓ偏光とに切
換える偏光子または波長板からなっている。

【００１３】光は円筒レンズ１７(f=５０mm、３０x ３
０mm² )を通って、試料１１に例えば角度幅θw=±１４m
で入射する。試料１１上では幅０.７５mm、長さ（y
方向）３０mmの収束スリット光が得られる。試料１１か
らの反射光は、円筒レンズ１８(f=５０mm、３０x ３０m
m2 )で平行光に変換され、対で円筒レンズ１９(f=５０m
m、３０x ３０mm2 )で２次元CCDカメラ２０でとらえた
反射率分布像はy方向４８０画素 x θ 方向５１２画素
の画像データとしてコンピュータ２１に取り込まれる。
このような光学系で、入射収束光の試料１１に対する中
心入射角を５０°に設定し、入射角(θ)３６°から６４
°に対する各試料位置 y の反射率曲線を機械的走査せ
ずに測定する。測定時間は１枚の画像読み取りに要する
時間で決まり１／３０秒となる。

【００１４】得られた反射率分布像はコンピュータ２１
によりスリット像上の各点の反射率角度依存性および膜
厚を求めるための解析処理を行う。解析に要する時間は
実験で用いたy方向４８０画素 x θ 方向４４１画素の
データに対して約４分である。

【００１５】コンピュータ２１における膜厚および屈折
率を求める解析は以下のように行われる。すなわちCCD
カメラ２０からの情報を基づいて、試料１１の各点yに
おいて試料への入射角(θ)に係る反射率R(y,θ)を求
め、同時に試料１１の厚み(d)と、屈折率(n.)と、入射
角(θ)とに係る理論上の反射率RT(θ:n,d)を求める。次
にRとRTとを以下の式を用いてフィッテイングすること
により、試料１１の収束スリット光の長軸方向yに沿う
厚みd(y)と屈折率n(y)とを求めることができる。

【００１６】

【数１】ただし、は単層膜の反射率の理論式で二つの界面での反
射係数ρおよび透過係数τ、さらに膜の往復による位相
シフト2ψに関して次のようになる（図２）。

【００１７】

【数２】ここで右辺の各変数は空気の屈折率を１、基板の屈折率
をn0、膜と基板での屈折角をそれぞれφ, φ0として次
のように与えられる。まず入射角と屈折角の間には屈折
の法則が成り立つ。

【００１８】

【数３】膜の往復による位相シフトは

【００１９】

【数４】そして反射係数はｐ偏光については

【００２０】

【数５】またｓ偏光については

【００２１】

【数６】透過係数はｐ偏光については

【００２２】

【数７】またｓ偏光については

【００２３】

【数８】なお上記において、試料１１の屈折率nが予めわかって
いる場合は、屈折率（n）を求めることなく、試料１１
の厚さ(d)のみを求めてもよい。

【００２４】また偏光子１４を用いて円筒レンズ１７か
ら試料１１に入射する収束光の偏光方向をｓ偏光および
ｐ偏光に切換えることにより、コンピュータ２１におい
て、ｓ偏光の場合のRとRTとのフィッテイングとｐ偏光
の場合のRとRTとのフィッテイングを行うことができ、
これにより、フィッテイング精度をより向上させること
ができる。

【００２５】次にコンピュータ２１内における測定デー
タの校正について説明する。反射率分布像はCCDカメラ
２０で取り込まれた時点では収束スリット光の長軸方向
yの位置の情報と入射角θの情報は画素番号(P,Q)で表さ
れているため、それらをθやyに換算する必要がある。
スリット軸方向yに関しては、円筒レンズ１８、１９は
結像作用を持たないので、y方向の画素数（４８０画
素）と１画素の長さ（１３mm）とから６.２４mmに相当
する直線上の膜厚分布が測定できることがわかり、Ｑと
の絶対的な関係は試料を固定する位置から求められる。

【００２６】入射角θに関しては、得られた反射率曲線
を理論式にフィッテイングして膜厚を求める際の精度お
よび結果に直接関わってくるので、Ｐとの絶対的な関係
を正確に求める必要がある。そこで、試料１１として校
正用に採用したカバーグラス（厚さd=１４９mm、屈折率
n＝１.５２）を用い、同じ試料位置に対して本発明によ
る方法で測定した反射率曲線と、VARで測定した反射率
曲線を対応させて変換式を導出した。得られた変換式は
次のようになる。 θ＝51.122＋（Ｐ-260）×0.035214＋（Ｐ-255）3×6.9
×10^-8 ここで、第３項はレンズの収差の影響を補正するために
つけ加えられている。上式で正しく変換できる範囲はθ
＝４３〜６０°（画素番号４７〜４８８）であり、膜厚
解析には、この角度範囲のデータが用いられる。

【００２７】また、本方法では試料から得られた反射率
データを、予め、基板のみを用いて得られた反射率デー
タで割り算処理する。これにより入射光の強度分布ムラ
や光学系に起因するノイズの影響を抑えることができ
る。

【００２８】次にＲ(θ)の膜厚依存性について説明す
る。ここで試料１１はＳｉＯ^２（n＝1.46）単層膜から
なり、試料１１を支持する基板にはＳｉ（複素屈折率
n＝3.85-i0.024）を仮定し、入射角度は３５°〜６５
°、入射光の波長は６３２.８nmとし、ＳｉＯ_２膜の膜
厚を0〜1000nm の間で変化させたときに得られる反射率
曲線を理論計算した結果を図３に示す。ただし上記の測
定の場合と同様に基板の反射率で割り算している。a)は
s偏光、b)はp偏光の場合を示す。膜厚が薄いときは反射
率曲線の変化の周期が長く変動幅が小さくなり、厚くな
るにつれ変化の周期が短く変動幅が大きくなるという傾
向がわかる。さらに、ｐ偏光とｓ偏光では変化の周期は
変わらないが、ｓ偏光の方が変化量の絶対値が大きいこ
とがわかる。

【００２９】

【実施例】次に本発明の具体的実施例について説明す
る。（実施例１）Ｓｉ上の楔状のＳｉＯ_２膜Ｓｉウエハー上にＳｉＯ_２膜を厚く成膜した後にエッチ
ング液に浸し、そこから一定の速度で引き上げることに
より作製された膜厚０〜１２００nmのほぼリニアな膜厚
分布を持つ楔状のＳｉＯ_２膜１１を用いて膜厚分布測定
を試みた。図４に膜厚６００nm付近に対する反射率分布
像の測定例を示す。ただし、y方向４８０画素×θ方向
４４１画素のデータをy方向に対し１／２に縮小してグ
レイスケール（０（黒）〜２２５（白））表示してあ
る。図４(a)のｓ偏光の場合では、y方向での各位置での
膜厚の違いにより反射率極小点の位置がシフトし、それ
が斜めに走る黒線として現れている。これに対し、図４
(b)のｐ偏光の場合では反射率曲線の変動幅が小さくな
っており、図３の理論計算で示した結果と一致する。

【００３０】反射率分布像から求めた膜厚分布をｓ偏光
の場合を図５に示す。測定ラインをスリット長さ方向y
での範囲を変えずに試料上で0.75mm間隔で平行移動して
得られた３本の膜厚分布を同時に示している。また、比
較のためにBPRを用いて測定した結果を◇で示した。全
ての結果がよく一致している。それに対してｐ偏光の場
合には一致が得られなかった。これは反射率曲線の変動
幅が小さくなったことにより、フィッティング精度が低
下したためと思われる。

【００３１】次に膜厚１１００nm付近でｓ偏光を用いて
前と同様に測定ラインを平行移動して得られた３本の膜
厚分布を図６に示す。測定ラインによって、またはBPR
の結果ともわずかずつ異なる結果が得られた。これは測
定部分が試料の端部であり、そこでは作製された膜厚分
布がリニアではなく場所により差があると予想されるこ
とから説明できる。

【００３２】（実施例２）ＢＫ７上のスピンコートTefl
on 膜ＢＫプリズム（n＝1.52）上にスピンコート法で作製し
た膜厚が不均一なテフロン（Teflon）膜（n＝1.30）か
ら得られた試料１１の膜厚分布を図７に示す。膜厚1290
〜1340nmの傾斜が変化する膜厚分布が得られた。

【００３３】（実施例３）Ｓｉ上の均一ポジレジスト膜
と均一ＳｉＯ_２膜膜厚が均一な試料１１としてSi上のポジレジスト膜（n
＝1.62、d=1000nm）に対してｓ偏光を用いて測定した反
射率分布像を図８に示す。膜厚が一定であるためy方向
の各試料位置における反射率曲線は同じになり、y方向
には反射率が変化していない。得られた膜厚分布は974.
42±0.12nmとなり、結果のばらつきは±0.012%以内であ
った。また、５回測定を繰り返した結果、各点で0.039%
以内の再現性があった。

【００３４】（結論）上記各実施例において機械的走査
なしに1/30 秒のデータ取得時間で、0.039%以内の再現
性で膜厚分布を測定できた。さらなる精度向上や測定範
囲の拡大には、次のような手段が考えられる。（１）入射角度幅を広げて情報量を増やすために、収束
光を形成する円筒レンズ１７を高NAのものに変える。（２）校正用標準サンプルを用いて画素番号から入射角
への校正式の精度を上げる。（３）反射膜防止の付いたレンズを用いて反射率測定の
Ｓ／Ｎを上げる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光の機械
的走査を行うことなく、薄膜試料の厚み分布を直線に沿
って容易に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による膜特性値分布の測定装置を示す概
略図。

【図２】反射率を求めるための諸量。

【図３】ｓ偏光とｐ偏光の場合の反射率を示す図。

【図４】ｓ偏光とｐ偏光の場合の反射率分布像を示す
図。

【図５】ｓ偏光反射率分布像から得たSiO2の膜厚分布
（600nm付近）を示す図。

【図６】ｓ偏光反射率分布像から得たSiO2の膜厚分布
（1100nm付近）を示す図。

【図７】ｓ偏光反射率分布像から得たテフロン膜の膜厚
分布を示す図。

【図８】ｓ偏光を用いて測定したポジレジスト膜の反射
率分布像を示す図。

【符号の説明】

１０膜特性値分布の測定装置１１薄膜試料１２薄膜試料保持部１３光源１４偏光子１７円筒レンズ２０ CCD カメラ２１コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北川克一滋賀県大津市園山１丁目１番１号東レ株式会社滋賀事業場内Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB22 BB25 CC02 CC19 CC31 DD06 FF04 FF50 GG05 HH04 HH05 HH09 JJ03 JJ26 LL08 LL12 LL30 LL33 LL36 QQ00 QQ24 SS02 UU01 UU05 2G059 AA02 AA03 BB10 EE02 EE05 FF01 GG01 HH02 JJ11 JJ19 JJ20 KK04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒レンズを経た収束スリット光を薄膜試
料に照射する工程と、試料からの反射光を、一方の軸を収束スリット光の長軸
方向に一致させ、他方の軸を入射角特性検出方向に一致
させてなる二次元イメージセンサにより検出する工程
と、二次元イメージセンサからの情報に基づいて、スリット
上の位置ｙと、試料への入射角(θ)とに係る反射率R
（ｙ、θ）と、試料の厚み(d)と、試料の屈折率(n)と、
入射角(θ)とに係る理論上の反射率RＴとをフィッティ
ングして少なくとも試料の収束スリット光の長軸方向に
沿う厚みを求める工程と、を備えたことを特徴とする膜
特性値分布の測定方法。
【請求項２】収束スリット光の長軸方向に沿う厚みを求
める際、同時に試料の収束スリット光の長軸方向に沿う
屈折率を求めることを特徴とする請求項１記載の膜特性
値分布の測定方法。
【請求項３】薄膜試料を保時する薄膜試料保持部と、光
源と、光源からの光を収束させ、薄膜試料保持部上の薄
膜試料に対して収束光を投光する円筒レンズと、試料か
らの反射光を受けるとともに、一方の軸を収束光の長軸
方向に一致させ、他方の軸を入射角依存特性検出方向に
一致させてなる二次元イメージセンサと、二次元イメー
ジセンサからの情報に基づいて、スリット上の位置ｙ
と、試料への入射角(θ)とに係る反射率R（ｙ、θ）
と、試料の厚み(d)と、試料の屈折率(n)と、入射角(θ)
とに係る理論上の反射率RＴとをフィッティングして少
なくとも試料の収束スリット光の長軸方向に沿う厚みd
(y)を求める演算部と、を備えたことを特徴とする膜特
性値分布の測定装置。
【請求項４】演算部は試料の収束スリット光の長軸方向
に沿う厚みを求める際、同時に試料の収束スリット光の
長軸方向に沿う屈折率n(y)を求めることを特徴とする請
求項３記載の膜特性値分布の測定装置。
【請求項５】光源は直線偏光レーザとなっており、光源
と円筒レンズとの間に、円筒レンズからの収束スリット
光の偏光方向をP偏光とS偏光とに切換える偏光方向切替
部を設けたことを特徴とする請求項３記載の膜特性値分
布の測定装置。
【請求項６】偏光方向切替部は、偏光子または波長板か
らなっていることを特徴とする請求項５記載の膜特性値
分布の測定装置。