JPH0634523A - 偏光解析方法およびこれによるエリプソメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板の厚みが数ｍｍ程度であり、かつ、透明
な材質であってもこれに対処することのできる偏光解析
方法およびこれによるエリプソメータを実現すること。 【構成】 試料表面に測定用の光を入射させ、その出射
光の光強度値を理論式により得られた光強度値と比較す
ることにより、試料を構成する基板または基板表面に付
着した膜質を解析する偏光解析方法において、前記基板
からの反射光を含めた理論式を、基板を通った後の反射
光については他の反射光と干渉しないものとして考え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板表面および内部か
らの出射光の偏光状態の変化から、基板もしくは基板表
面に付着した膜の光学定数や膜厚および複屈折性等の物
理的な量を測定する偏光解析方法およびこれによるエリ
プソメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】エリプソメータに用いられる偏光解析法
は、基板表面に測定用の光を入射させ、その出射光の偏
光状態の変化から、基板および該基板に付着した膜から
なる試料の物性に起因する位相差を示すΔと振幅反射率
比を示すΨとを求め、これらの値から基板または基板表
面に付着した膜の屈折率、吸収率、複屈折性および膜厚
等を算出するものである。Ｓ波およびＰ波に対する反射
振幅率をそれぞれＲ_S，Ｒ_Pとしたときにそれらの理論値
は以下のパラメータを含む式にて表される。 (1) 各膜の屈折率，吸収率，膜厚； (2) 基板および試料が置かれる雰囲気の屈折率，吸収
率； (3) 入射光の入射角および波長； 検出器１１５にて実際に計測された光強度の実測値Ｉm
（θ）と光強度の理論値Ｉt（θ）とが一致するような
パラメータを求めることにより、各膜の解析がなされ
る。回転検光子法で考えると具体的には、

【０００３】

【外１】

【０００４】から求まる（Δ，Ψ）はパラメータとして
Ｉt（θ）に入っており、理論値Ｉt（θ）と実測値Ｉm
（θ）とが一致するように（Δ，Ψ）のパラメータを求
める。ここで、θは検光子の回転角度である。従来、反
射光による測定を行う場合には、例えば図１１に示され
る光学系のエリプソメータが用いられていた。図示され
る光学系は、回転検光子法による解析を行なうエリプソ
メ−タの光学系を示すもので、光源１１１、偏光子１１
２、検光子１１４および検出器１１５からなり、光源１
１１から出射された光が偏光子１１２を通過し、試料１
１３にて反射された後に検光子１１４を通過して検出器
１１５に入射するように構成されている。

【０００５】図１２は図１１中の試料１１３での反射状
態を詳細に示す拡大断面図である。試料１１３は基板１
２４と、該基板１２４上に形成された薄膜１２３より構
成されている。入射光１２１の薄膜１２３での反射光と
して、薄膜表面で反射した反射光１２２₁と基板１２４
の表面（薄膜１２３の裏面）で反射した反射光１２２₂
および薄膜内を有限回反射を繰り返して反射した光１２
２_n（n＝3,4,・・・・・・）が発生し、これらの合成成分の偏
光状態から位相差を示すΔと振幅反射率比を示すΨとが
求められる。なお、上記の各反射光１２２₁，１２２₂以
外に、図１２中の破線で示される基板１２４表面を透過
する光も生じるが、従来、基板を透過した光による反射
光をどのように扱うかは基板の材質および厚みに応じて
異なる対処がなされていた。

【０００６】例えば、基板１２４が充分に厚いものであ
る場合には、基板１２４による透過光の吸収が充分とし
て、透過光が反射光として寄与しないものとして解析を
行う。また、図１３に示すように、基板１３４の厚みが
数ｍｍ程度であり、かつ、透明な材質であって基板１３
４による透過光の吸収が充分ではないと予想される場合
には、薄膜１３３と同様の薄膜として捉え、薄膜１３３
と基板１３４とを多層膜として考えて入射光１３１の反
射光１３２₁〜１３２₃による多層膜解析を薄膜１３３と
基板１３４とのそれぞれについて行うことが考えられ
る。上記のように基板を薄膜として考えたときの反射振
幅率Ｒ_Ｓ，Ｒ_Ｐの理論値は、基板の裏面による反射光が
存在するためにＳ波およびＰ波に対する基板からみた多
層膜および雰囲気からみた多層膜それぞれの透過振幅率
Ｔ_P，Ｔ_Sと以下のパラメータとをさらに含んだ式によっ
て表される。 (4) 基板の透過率τと厚みｄ； しかしながら、数ｍｍ程度の厚さの基板であると、その
内部に脈理や泡等の不確定な要素が多く存在するため
に、基板表面での反射と基板裏面での反射とが偏光解析
法に規定される干渉光とならない。上記のような基板に
おける裏面反射光成分は、理論式に考慮されていないた
めに実際に測定を行なうと、測定結果の信頼性が極めて
低いものとなり、測定結果を用いた議論に耐えないもの
になるという問題点がある。

【０００７】図１４は厚さ２ｍｍの石英製の基板の屈折
率を偏光解析によって求めたときの計測結果を示す図で
あり、図１５および図１６は厚さ１ｍｍの石英製の基板
および厚さ２ｍｍのＢＫ７製の基板の屈折率を偏光解析
によって求めたときの各計測結果を示す図である。各図
とも、実線は他の計測方法によって予め求められたリフ
ァレンス値を示し、破線は偏光解析によって求められた
計算値を示している。各図に示されるように、数ｍｍ程
度の厚さの基板を裏面反射無しの基板として考えて解析
を行った場合には、リファレンス値と計算値とがかけ離
れたものとなってしまい、該解析結果を用いた基板上に
形成された多層膜等の解析を精度よく行うことができな
くなってしまう。

【０００８】このため、図１７に示されるような基板上
に薄膜が形成された多層膜の解析を行う場合には、測定
光に基板内部からの反射光が含まれることによって測定
結果の信頼性が低下することを防ぐために、図１７や図
１８に示される方法によって測定光から基板内部からの
反射光を除き、理論式を基板内部からの反射光が存在し
ないものとして組み立てることが行われていた。図１７
に示す方法では、入射光束１７１を径を細くして、薄膜
１７３による反射光束１７２₁のみを検出器１７５に入
射させ、基板１７４による反射光束１７２₂は検出器に
入射させない構成がとられている。基板からの反射光を
検出器に入射させない他の構成としては、光路上にアパ
ーチャ等の遮光部材を設けること等があげられる。

【０００９】また、図１８に示す方法では、基板１８４
の裏面を砂面処理を施した砂面１８５とし、入射光束１
８１のうちの基板１８４を進行する光については砂面１
８５によって散乱させて薄膜１８３による反射光束１８
２のみを反射させる構成がとられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、数ｍ
ｍ程度の厚さの基板の内部には脈理や泡等の不確定な要
素が多く存在するために、測定結果の信頼性が極めて低
いものとなるという問題点がある。このような基板を用
いた多層膜の解析を行う場合には、図１７または図１８
に示される方法で測定光から基板の裏面からの反射光を
除くことが行われるが、図１７に示す入射光束の径を細
くする方法においては、測定光の光量が少なくなってし
まい、また、径を細くするための光学系の設計が困難で
あるという問題点がある。図１８に示す基板裏面を砂面
として基板の裏面への入射光を散乱させる方法において
は、反射光が生じないように散乱させる砂面処理が面倒
であり、また、測定対象物である試料を加工する必要が
あるために、例えば製品検査を行う場合等の試料を加工
できない状況では実施できないという問題点がある。

【００１１】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、基板の厚みが
数ｍｍ程度であり、かつ、透明な材質であってもこれに
対処することのできる偏光解析方法およびこれによるエ
リプソメータを実現することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の偏光解析方法
は、試料表面に測定用の光を入射させ、その出射光の光
強度値を理論式により得られた光強度値と比較すること
により試料を構成する基板または基板表面に付着した膜
質を解析する偏光解析方法において、基板からの反射光
を含めた理論式を、基板を通った後の反射光については
他の反射光と干渉しないものとして考える。本発明のエ
リプソメータは、光源にて発生した測定用の光を試料表
面に入射させ、その出射光の光強度値を理論式により得
られた光強度値と比較することにより試料を構成する基
板または基板表面に付着した膜質を解析するエリプソメ
ータであって、試料表面および内部からの反射光の光強
度を検出する検出器と、測定条件を入力するための入力
手段と、入力手段による入力を行うための入力表示およ
び基板または基板表面に付着した膜質の解析結果を表示
する表示部と、入力手段に入力された測定条件の場合に
検出されるべき理論的な光強度を演算し、該演算結果と
検出器によって実際に検出された光強度とを比較するこ
とにより基板または基板表面に付着した膜質を解析し、
該解析結果を表示部に表示させる演算処理部とを有し、
演算処理部は、基板を通った後の反射光については他の
反射光と干渉しないものとして理論的な光強度を演算す
る。

【００１３】

【作用】本発明は、基板については、例え透明な材質で
あってもその内部の材質の脈理や泡等の不均一性および
基板表面の研磨状態等の影響があるために薄膜とは分け
て考える。このため、基板表面による反射を考慮した光
強度の理論式においては、基板からの反射光を薄膜によ
る反射光とは干渉しないものとして取り扱う。このよう
に、基板についての考え方が実際の基板材質に則したも
のとなるので、得られる理論式の値が現実の反射状態に
近付く。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明によるエリプソメータの要部
構成を示すブロック図、図２は本発明の解析方法を説明
するための図である。本実施例のエリプソメータは、図
１１に示した従来のものと同様の光学系を用いるもので
あり、図１にはエリプソメータの演算処理系のみが示さ
れている。本実施例は検出器１１、演算処理部１２、入
力手段１３および表示部１４から構成されている。演算
処理部１２には、検出器１１より出力される実測した光
強度の値と、入力手段１３からの指示内容を示す出力と
が入力されており、予め記憶されている演算プログラム
と入力手段１３からの指示に応じて理論的な光強度を演
算し、該演算結果と検出器１１の出力である実際の光強
度からΔ，Ψを算出し、これらの値やΔ，Ψの値に基づ
く膜質の解析結果を表示部１４に表示させる。表示部１
４は上記の算出結果の他に入力手段１３への指示入力を
行うための入力表示を演算処理部１２の指示により行
う。

【００１５】本発明においては、図２に示されるよう
な、厚みが数ｍｍ程度であり、かつ、透明な材質の基板
２６と、該基板２６上に形成された薄膜２５との計測を
行う際に、反射光を薄膜２５にて反射されたものと、基
板２６にて反射されたものとを分けて考えている。これ
は薄膜２５においては、その厚さが極めて薄い均一な材
質のものであるために、入射光の干渉性(coherence)が
失われずに反射がなされるが、厚みが数ｍｍ程度であ
り、かつ、透明な材質の基板２６では内部の不確定要素
によって干渉性が失われることによる。上記のような考
えに基づいて、本発明のエリプソメータにおいては、入
射光２１の反射光のうち、薄膜２５によって生じる反射
光２２₁，２２₂からなる反射光束Ａ、基板２６によって
生じる反射光２３₁，２３₂および反射光２４₁，２４₂の
それぞれからなる反射光束Ｂおよび反射光束Ｃはそれぞ
れ干渉しないものとして解析を行っている。

【００１６】図３は厚さ２ｍｍの石英製の基板の屈折率
を上記偏光解析法によって求めたときの計測結果を示す
図であり、図４および図５は厚さ１ｍｍの石英製の基板
および厚さ２ｍｍのＢＫ７製の基板の屈折率を偏光解析
によって求めたときの各計測結果を示す図である。各図
とも、実線は他の計測方法によって予め求められたリフ
ァレンス値を示し、破線は偏光解析によって求められた
計算値を示している。各図に示されるように、リファレ
ンス値と計算値とがほぼ同様の値となり、図１４から図
１６に示した従来の解析法と比較すると全く問題が生じ
ない値となっている。以下に、基板と薄膜との様々な関
係についての本発明による解析方法を図６乃至図９に示
す例によってそれぞれ説明する。試料表面に入射する光
は、図２に示した場合と同様に各多層膜および基板内で
反射する。このような光はそれぞれまとめて反射光束と
して扱える。また、各薄膜および基板内での反射は反復
して発生するが、ここでは説明を簡単とするために反射
は１度だけ発生するものとし、各薄膜および基板からの
上記の多重反射光全体を表す反射光束は１つの光軸にて
示す。

【００１７】図６に示す例では、基板６３上に第２の薄
膜６２、第１の薄膜６１が積層されている。図６に示す
ような基板上に多層膜が形成されている場合には、第１
の薄膜６１にて反射した反射光束６Ａおよび該第１の薄
膜６１と第２の薄膜６２を通ることにより発生する反射
光束６Ｂ，６Ｃに関してはこれらの間で干渉性が生じる
ものとして取り扱い、基板６３の裏面（図面下方）にて
反射することにより発生する反射光束６Ｄについては上
記の各反射光束と干渉が生じないものとして取り扱う。
図７に示す例では、基板７１の裏面に第１の薄膜７２と
第２の薄膜７３とが積層されている。この場合には、基
板７１による反射光束７Ａが発生し、該基板７１を通っ
て第１の薄膜７２にて反射した反射光束７Ｂおよび該第
１の薄膜７２と第２の薄膜７３を通ることにより発生す
る反射光束７Ｃ，７Ｄが発生する。反射光束７Ｂ〜７Ｄ
に関してはこれらの間で干渉性が生じ、基板７１による
反射光束７Ａとは干渉性が生じないものとして取り扱
う。

【００１８】図８に示す例では、基板８３の上面には第
２の薄膜８２および第１の薄膜８１が積層された多層膜
が形成され、裏面には第３の薄膜８４および第４の薄膜
が積層された多層膜が形成されている。上記のような場
合には、第１の薄膜８１にて反射した反射光束８Ａおよ
び該第１の薄膜８１と第２の薄膜８２を通ることにより
発生する反射光束８Ｂ，８Ｃに関してはこれらの間で干
渉性が生じるものとして取り扱う。また、基板８３を通
って第３の薄膜８４にて反射した反射光束８Ｄおよび該
第３の薄膜８４と第４の薄膜８５を通ることにより発生
する反射光束８Ｅ，８Ｆに関してはこれらの間で干渉性
が生じるものとして取り扱うが、これらは、基板８３を
通ったものであるために、先に述べた反射光束８Ａ〜８
Ｃとは干渉性を生じないものとして取り扱う。

【００１９】図９に示す例では、第１の基板９１と第２
の基板９４との間に第１の薄膜９２と第２の薄膜９３か
らなる多層膜が形成されている。上記のような場合に
は、第１の基板９１による反射光束９Ａが発生する。ま
た、第１の基板９１を通って第１の薄膜９２にて反射し
た反射光束９Ｂおよび該第１の薄膜９２と第２の薄膜９
３を通ることにより発生する反射光束９Ｃ，９Ｄが発生
し、さらに第１の基板９１および各薄膜を通って第２の
基板９４によって反射した反射光束９Ｅが発生する。上
記の各反射光束のうち、第１の薄膜９２及び第２の薄膜
９３によって発生する反射光束９Ｂ〜９Ｄに関しては、
これらの間で干渉が生じるものとして取り扱うが、反射
光束９Ｂ〜９Ｄは第１の基板９１を通ったものであるた
めに反射光束９Ａとは干渉性を生じないものとして取り
扱う。同様に、各薄膜を通った後に第２の基板９４によ
り発生する反射光束９Ｅについても干渉性を生じないも
のとして取り扱う。

【００２０】図６乃至図９に示したような考え方は、各
図に示した構成に限定されるものではなく、各図に示さ
れた各構成を様々に組み合わせた場合についても応用で
きることは言うまでもない。本発明では上記のような多
層膜および基板に対してＳ波およびＰ波に対する反射振
幅率および透過振幅率を理論の中に入れた考えによる光
強度の理論値Ｉ_t（θ）と、実際に検出器１１にて実際
に計測された実測値Ｉm（θ）とが一致するようなパラ
メータを求めることにより、各膜の解析を行うものであ
る。図１０は、表示部１４に示される入力表示画面を示
す図である。本発明のエリプソメータを構成する光源
は、波長可変に構成され、また、その入射角度も可変設
定可能に構成されている。測定波長設定部１０１は、光
源での発生光（入射光）の波長を設定するための表示部
であり、入射角度設定部１０３は光源もしくは検出器と
試料を回転させて入射角度を設定するための表示部であ
る。パラメータ設定部１０２は、基板および該、基板上
に積層される多層膜のパラメータを入力または表示を行
うために設けられている。図示される例では、厚さ２ｍ
ｍのＳiＯ₂の基板上に、厚さ１４５．２ÅのＴiＯ₂，厚
さ１０ÅのＡｌ，厚さ５Åのダイアモンドからなる多層
膜が形成されたものについて測定を行う状態が示されて
いる。これらの各膜材料および基板のパラメータは、上
述したように入力当初からすべて入力されるものではな
く、演算を行う前には解析を行う部分のパラメータは空
欄とされる。

【００２１】演算処理部１２では、上記の各入力パラメ
ータから求めた理論式と検出器１１の検出結果から空欄
とされている部分のパラメータを推測して、表示させ
る。パラメータ設定部１０２は、演算結果の表示部を兼
ねるもので、上記の入力に基づいた演算結果を未入力の
欄に表示する。理論値表示部１４は演算の規準となる
（Δ，Ψ）の理論値表示が行われ、実測値表示部１０５
には、実際の測定にて求められた実測値が表示される。
本実施例のエリプソメータにおいては、上記のように基
板での反射があり、さらに、基板で反射した光と他の光
については干渉性が生じないものとしているために各薄
膜のパラメータを精度よく測定することができた。本発
明は上記のように基板の有無に関わらずに信頼性の高い
測定を行うことができるので、測定対象が従来のエリプ
ソメータよりも広いものとなる。例えば、、薄膜が付着
されていない透明基板の測定、図７に示したような透明
基板の裏面に薄膜が形成されている場合の測定、図８お
よび図９に示したような透明基板と薄膜とが様々な順番
で形成されている場合の測定および途中に空気等の層が
存在する場合の測定等である。

【００２２】また、本発明は、その理論式の組立方に特
徴があるため、測定自体の物理的な方法、例えば、回転
光学素子方式、消光法、固定光学素子方式、多入射角
法、単波長法等の従来より行われているエリプソ光学系
のいずれでも実施可能であり、本出願人による特願平３
−２１１９９０号に記載されるようなエリプソメータに
も当然応用可能であり、原理自体はエリプソメータ以外
にも干渉光を用いて測定を行う反射率計や膜厚計等にも
応用可能である。本発明での理論式の組立方について詳
述すると、透過率あるいは吸収係数等のパラメータを加
えることによって半透明な基板についてもシミュレート
することが可能であり、当然、多層膜が付着した半透明
な基板についてもシミュレートすることができる。

【００２３】また、裏面反射は繰り返し起こるため、何
回までの裏面反射を対象とするかをもパラメータとする
ことができ、無限回の裏面反射を対象とすることもでき
る。また、膜が厚すぎて干渉が完全ではない場合や透明
基板が極めて薄く、完全に非干渉として取り扱うことが
できない場合もある。このような場合には干渉度をパラ
メータとして加えることもできる。このような干渉度を
考慮する場合の応用としては、干渉度から基板の粗さの
程度を測定することがある。また、測定光の平行性を低
くしたり、測定光の波長分解能を悪くして波長成分を広
げることにより部分干渉の基板を非干渉として取り扱う
ことも考えられ、このように構成してもよい。

【００２４】なお、干渉性が失われることは、基板内部
の不均一性および基板表面の平面度によるものが大部分
となる。また、基板の厚さについては、厚いほど測定光
の干渉による効果は一般に減少する。

【００２５】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。請求項
１に記載の方法においては、数ｍｍの透明基板を含む試
料であっても信頼性の高い測定を行うことができる効果
を奏する。請求項２に記載のものにおいては、上記効果
を備えたエリプソメータを実現することができる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるエリプソメータの要部構成を示す
ブロック図である。

【図２】本発明の解析方法を説明するための図である。

【図３】本発明によって基板の屈折率を求めた結果を示
す図である。

【図４】本発明によって基板の屈折率を求めた結果を示
す図である。

【図５】本発明によって基板の屈折率を求めた結果を示
す図である。

【図６】本発明の解析方法を説明するための図である。

【図７】本発明の解析方法を説明するための図である。

【図８】本発明の解析方法を説明するための図である。

【図９】本発明の解析方法を説明するための図である。

【図１０】図１中の表示部１４の表示例を示す図であ
る。

【図１１】従来より用いられるエリプソメータの光学系
を示す図である。

【図１２】図１１中の試料１１３での反射状態を詳細に
示す拡大断面図である。

【図１３】従来の解析方法を説明するための図である。

【図１４】従来の解析方法によって基板の屈折率を求め
た結果を示す図である。

【図１５】従来の解析方法によって基板の屈折率を求め
た結果を示す図である。

【図１６】従来の解析方法によって基板の屈折率を求め
た結果を示す図である。

【図１７】従来の計測方法を示す図である。

【図１８】従来の計測方法を示す図である。

【符号の説明】

１１ 検出器 １２ 演算処理部 ２１ 入射光 ２２₁，２２₂，２３₁，２３₂，２４₁，２４₂ 反射光 ２５ 薄膜 ２６，６３，７１，８３ 基板 ６１，７２，８１，９２ 第１の薄膜 ６２，７３，８２，９３ 第２の薄膜 ８４ 第３の薄膜 ８５ 第４の薄膜 ９１ 第１の基板 ９４ 第２の基板 １０１ 測定波長設定部 １０２ パラメータ設定部 １０３ 入射角度設定部 １０４ 理論値表示部 １０５ 実測値表示部 Ａ〜Ｃ，６Ａ〜６Ｄ，７Ａ〜７Ｄ，８Ａ〜８Ｆ，９Ａ〜
９Ｅ 反射光束

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富田 千登美 神奈川県川崎市宮前区土橋５丁目４番１ フォトデバイス株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に測定用の光を入射させ、その
   出射光の光強度値を理論式により得られた光強度値と比
   較することにより、試料を構成する基板または基板表面
   に付着した膜質を解析する偏光解析方法において、 前記基板からの反射光を含めた理論式を、基板を通った
   後の反射光については他の反射光と干渉しないものとし
   て考えることを特徴とする偏光解析方法。
2. 【請求項２】 光源にて発生した測定用の光を試料表面
   に入射させ、その出射光の光強度値を理論式により得ら
   れた光強度値と比較することにより試料を構成する基板
   または基板表面に付着した膜質を解析するエリプソメー
   タであって、 前記試料表面および内部からの反射光の光強度を検出す
   る検出器と、 測定条件を入力するための入力手段と、 前記入力手段による入力を行うための入力表示および基
   板または基板表面に付着した膜質の解析結果を表示する
   表示部と、 前記入力手段に入力された測定条件の場合に検出される
   べき理論的な光強度を演算し、該演算結果と前記検出器
   によって実際に検出された光強度とを比較することによ
   り基板または基板表面に付着した膜質を解析し、該解析
   結果を前記表示部に表示させる演算処理部とを有し、 前記演算処理部は、基板を通った後の反射光については
   他の反射光と干渉しないものとして理論的な光強度を演
   算することを特徴とするエリプソメータ。