JPH05340869A

JPH05340869A - 薄膜測定器

Info

Publication number: JPH05340869A
Application number: JP14441192A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Hyakumura; 和司百村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-12-24
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JP3219462B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光学薄膜や半導体等の薄膜の膜厚や複素屈折
率を求める手段を提供する。【構成】照明用の光源と、輪帯開口を有する絞りとピ
ンホールとを備えた照明光学系と、この照明光学系から
の光束を測定試料に投影する対物光学系と、測定試料に
投影された光束の反射光を受光する受光面を有する分光
装置とから構成され、輪帯開口の大きさを任意に変化さ
せることにより、異なる複数の入射角度に対する分光反
射率と分光透過率を測定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学薄膜や半導体等の
薄膜の膜厚や複素屈折率を求めるために用いられる薄膜
測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光学薄膜や半導体産業その他薄
膜の応用分野では基本的な薄膜の特性として屈折率実部
ｎと屈折率虚部ｋを測定する必要がある。ここで、複素
屈折率Ｎは、Ｎ＝ｎ−ｉｋで表される。従来このような
測定には、別のサンプルを用意してこれらの特性を測定
していた。

【０００３】一般に、パラメータ測定の基本的な原理と
しては、屈折率実部ｎ、屈折率虚部ｋおよび膜厚ｄを測
定するためには、波長数をa とすると(2a+1)個の独立し
た測定データが必要となる。このような測定値として、
ｐ偏光の振幅反射率をｒ_s、ｓ偏光の振幅反射率をｒ_s
とした場合、反射光のｒ_p／ｒ_s比と位相差を測定した
り、反射率、透過率を測定するなど色々な方法がある。
何等かの方法で十分なデータが得られれば方程式を解く
か、あるいは、最小自乗法等を用いて薄膜のパラメータ
ｎ，ｋ，ｄを求めることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】不透明な基板上の薄膜
の反射率を測定することは一般に行われており、この方
法でｎとｄを測定することができる。しかし、高い精度
でｋを測定するには、反射率の他に透過率を測定する必
要が生じてきて、どうしても透明基板を用いる必要があ
る。薄い透明板では、表面反射と裏面反射の分離が難し
いので、反射率の測定が困難となるからである。従来、
光学硝子上の薄膜の反射率測定の場合では、試料を十分
厚くし、裏面を粗面にした上、黒色塗料等を塗っていた
が、半導体産業で用いられる基板は、厚さが薄いため、
この様な処理は出来ない。

【０００５】微小部分での測定をしようとすると、正確
に同一の場所での反射率、透過率を測定する必要がある
が、従来の分光器では、反射、透過を同一の場所につい
て測定することは難しい。

【０００６】反射率実部ｎと透過率虚部ｋ、あるいは反
射率実部ｎと膜厚ｄを求めるための方法としては、円偏
光解析法とも呼ばれるエリプソメトリー法が知られてい
る。これは、偏光した斜入射光を試料に当て、反射され
る円偏光を解析することにより光のｒ_pとｒ_sの強度比
および位相差を測定してｎとｄ等を求める。平行光束を
投影しており、光量を確保するために光束径がある程度
大きい必要がある。光束径が大きいことと、光束が当た
っている部分の確認が正確にできないために、微小部分
の測定は困難である。

【０００７】また、メイル（Male) の方法では、薄膜の
表面からの反射率、裏面からの反射率、透過率を予め測
定しておき、これらのデータから計算し、描いておいた
チャートを用いるグラフ法でｎ，ｋ，ｄを求める方法で
ある。この場合も、上述のエリプソメトリー方法と同様
に、薄い試料については反射率の測定が困難である。表
面からの反射率、裏面からの反射率を同一場所で測定す
る必要があるが、特に、微小部分を測る場合、試料を付
け換えるのに位置合わせが困難になる。

【０００８】本発明は、薄膜や微小部分の反射率、透過
率の測定を可能にして、ｎ，ｋ，ｄが容易に測定できる
手段を提供することを目的とする。

【０００９】

【問題を解決する手段】本発明は、照明用の光源と、輪
帯開口を有する絞りとピンホールとを有する照明光学系
と、上記照明光学系からの光束を測定試料に投影する対
物光学系と、上記測定試料に投影された光束の反射光を
受光する受光面を有する分光装置とから構成され、上記
輪帯開口の大きさを任意に変化させることによって、異
なる複数の入射角度に対する分光反射率並びに分光透過
率を測定することを特徴とするものである。

【００１０】猶、本発明に用いられる輪帯開口の大きさ
を切換られることの出来る絞りは、液晶絞りのような電
気的手段や、シャッター絞りのようなメカ的手段を用い
たものでも良いし、また、開口の大きさの異なった絞り
を複数設けて挿脱機構とすることによって絞りを選択す
るようにして用いても良い。

【００１１】

【作用】本発明は、以上の構成であるから、落射照明の
顕微鏡光学系に簡単な付加装置を加えた単一の光学系
で、反射率及び透過率を測定でき、その結果をデータ処
理することでｎ，ｋ，ｄを求めることができ、顕微鏡光
学系を基本としているので微小部分の測定が可能とな
る。また、照明光学系のピンホールは光軸方向に沿って
移動できるものであり、基本的には対物レンズの試料側
焦点位置と共役に位置されるものであり、前記輪帯開口
絞りは対物レンズの瞳と共役な位置に配置されており、
輪帯状にされたことで測定試料の裏面からの反射と表面
からの反射の分離が可能となる。

【００１２】

【実施例】まず、本発明の１実施例を図１に基づいて説
明する。図において、光源１からの光束は輪帯絞り２に
より輪帯光束となり、レンズで結像され焦点位置に配置
されたピンホール３を経て再び輪帯光束となり、ハーフ
ミラー４によって対物レンズ５の方向に導かれ測定試料
表面６ａにピンホール３の像が形成される。

【００１３】測定試料表面６ａからの反射光は再びハー
フミラー４を通り、結像レンズ７により像面絞り９上に
結像する。像面絞り９を通過した光は分光装置１０によ
り分光される。測定データはデータ処理装置１１により
処理され、ｎ，ｋ，ｄの値が演算される。結像レンズ７
からの光束は、また観察光学系８に導かれ測定箇所の確
認ができる。

【００１４】次に反射率測定の方法を説明する。前述の
ように、従来の測定方法では、測定しようとする薄膜の
反射光に、別の面の反射光がノイズとして重なり合って
しまうため、薄い試料の反射率を正確に測定することが
困難であったが、本発明では次のようにこれを正確に測
定することが出来る。

【００１５】図２（ａ），（ｂ）に基づき、本発明の第
１の実施例による反射光の測定概念を説明する。対物レ
ンズ５によって測定試料表面６ａにピンホール３の像が
形成され、反射光は再び対物レンズ５を通って像面絞り
９の位置に結像する。今、図２（ｂ）においてＢを測定
点とすると、本来の測定光は、Ａ→Ｂ→Ｃなる経路を辿
って像面絞り９に到達する。Ｂ点と像面絞り９は共役の
関係にあるので、像面絞り９上で小さなピンホール３の
像を作り、像面絞り９を通過できる。

【００１６】これに対し、測定試料６の裏面（鏡面）１
２で反射する光は、Ａ→Ｄ→Ｅなる経路を辿り、結局Ｂ
の鏡像Ｂ’からの光束と同じ様な経路を辿る。従って、
この光束については像面絞り９の位置では結像せずリン
グ状にぼけた像が広がる。リング状にぼけた像は、全て
像面絞り９でカットされてしまうので分光装置１０には
到達できない。

【００１７】このように、本発明による構成によれば、
例え試料６が薄い場合であっても、試料６の裏面１２か
らの反射光は全く除去された状態で、表面反射光のみを
分光装置１０へ導くようになっているので、正確な反射
率を測定することが出来る。

【００１８】以下、本発明の構成要素よりなる測定器を
用いて、ｎ，ｋ，ｄの測定手順を説明する。先ず、基板表面の薄膜のついていない部分の反射率
を測定する。入射角をθ1,θ2 、波長をλ、第１の測定
値をＭ1 、基板表面の反射率をＲsubとすると、Ｍ1(θ1,λ) ＝Ｒsub(θ1,λ) Ｍ1(θ2,λ) ＝Ｒsub(θ2,λ)

【００１９】次に試料６の裏面に着けられた鏡面１
２の反射率を測定し、の結果と合わせ、鏡面反射率Ｒ
mir を求める。第２の測定値Ｍ2(θ1,λ) 、Ｍ2(θ2,
λ) は、Ｍ2(θ1,λ) ＝｛１−Ｒsub(θ1,λ) ｝²Ｒmir(θ1,λ) ∴ Ｒmir(θ1,λ) ＝Ｍ2(θ1,λ) ／｛１−Ｍ1(θ1,λ) ｝² 同様にＭ2(θ2,λ) ＝｛１−Ｒsub(θ2,λ) ｝²Ｒmir(θ2,λ) ∴ Ｒmir(θ2,λ) ＝Ｍ2(θ2,λ) ／｛１−Ｍ1(θ2,λ) ｝² 以上の測定で輪帯開口を切替え、各々の入射角について
反射率を求めておく。

【００２０】測定試料表面６ａについて、図３
（ａ）に示す如く、異なる入射角の光Ｒ1,Ｒ2 について
の反射率Ｒfilm( θ1,λ) およびＲfilm( θ2,λ) を測
定する。

【００２１】次に、ピンホール３を光軸方向に移動
して、鏡面１２からの反射光が薄膜上にピンホール像を
作るように調整し、薄膜透過率Ｔfilmを求める。第３の
測定値Ｍ3(θ1,λ) 、Ｍ3(θ2,λ) は、Ｍ3(θ1,λ) ＝｛Ｔfilm( θ1,λ) ｝²Ｒmir(θ1,λ) ∴ Ｔfilm (θ1,λ) ＝｛Ｍ3(θ1,λ) ／Ｒmir(θ1,λ) ｝^1/2 同様にＭ3(θ2,λ) ＝｛Ｔfilm( θ2,λ) ｝²Ｒmir(θ2,λ) ∴ Ｔfilm (θ2,λ) ＝｛Ｍ3(θ2,λ) ／Ｒmir(θ2,λ) ｝^1/2

【００２２】以上のように単純に試料６を光軸方向に移
動し、鏡面１２にピンホール像を合わせるだけでも透過
率を測定可能であるが、鏡面１２上に焦点が合うため測
定値が鏡面の均一性に左右され易い。以上により反射率
のデータ、透過率のデータが測定される。

【００２３】このようにして測定された反射率のデータ
Ｒfilm( θ1,λ) 、Ｒfilm( θ2,λ) 、透過率のデータ
Ｔfilm (θ1,λ) 、Ｔfilm (θ2,λ) を用い、データ処
理装置１１により薄膜の複素屈折率Ｎに必要なｎ、ｋや
膜厚ｄを求める。

【００２４】以上の説明では、２個のデータＴfilm (θ
1,λ) 及びＴfilm (θ2,λ) を測定したが、Ｔfilm (θ
1,λ) とＴfilm (θ2,λ) のうちのどちらか一方のみで
もｎ，ｋ，ｄを求めることができるが、ここで特に複数
の入射角θ1,θ2 についての測定をしたのは、測定値の
数が多い程、データ処理に時間を要するが、得られた結
果の信頼性が高くなるからである。

【００２５】以上の算出には、例えば、大域最適化手法
を用いても良い。またMaleの方法のようにデータから算
出しても良いが、具体的にはｄ，ｎ, ｋの(2a+1)個の未
知数を4a個の測定値から決定するものである。

【００２６】猶、本実施例は、データ処理装置１１を用
いて分光装置１０で得られた分光反射率や分光透過率の
値から膜厚や複素屈折率を算出しているが、分光装置１
０で得られた値を表示する表示装置を設け、その値を人
間が読取り計算して算出しても良い。

【００２７】

【発明の効果】上述のように、本発明は、極めて簡単な
構成の測定装置であって、反射率、及び透過率の測定が
でき、データ処理によりｎ，ｋ，ｄを求めることがで
き、微小部分の測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成図である。

【図２】（ａ）は、輪帯開口による反射光測定概念の説
明図である。（ｂ）は、反射の状態を示す説明図であ
る。

【図３】（ａ）は、反射率の測定原理説明図である。
（ｂ）は、透過率の測定原理説明図である。

【符号の説明】

１光源２輪帯絞り３ピンホール４ハーフミラー５対物レンズ６測定試料６ａ測定試料表面７結像レンズ８観察光学系９像面絞り１０分光装置１１データ処理装置１２鏡面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明用の光源と、輪帯開口を有する絞り
とピンホールとを有する照明光学系と、上記照明光学系
からの光束を測定試料に投影する対物光学系と、上記測
定試料に投影された光束の反射光を受光する受光面を有
する分光装置とから構成され、上記輪帯開口の大きさを
任意に変化させることによって、異なる複数の入射角度
に対する分光反射率並びに分光透過率を測定することを
特徴とする薄膜測定器。
【請求項２】上記測定試料からの反射光を複数に分割
し、上記分割光の１つの光路に上記分光装置の受光面が
来るように設けられた光束分割手段と、上記分割光の他
の１つの光路上に設けられた観察光学系と、上記分光装
置によって測定された分光反射率並びに分光透過率の値
より薄膜の膜厚及び複素屈折率を算出する演算処理手段
とを有することを特徴とする請求項１記載の薄膜測定
器。
【請求項３】上記ピンホールが光軸方向に移動自在に
設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の薄
膜測定器。