JPH0674716A - 光学的膜厚測定方法 - Google Patents
光学的膜厚測定方法Info
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- JPH0674716A JPH0674716A JP4254210A JP25421092A JPH0674716A JP H0674716 A JPH0674716 A JP H0674716A JP 4254210 A JP4254210 A JP 4254210A JP 25421092 A JP25421092 A JP 25421092A JP H0674716 A JPH0674716 A JP H0674716A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 薄膜の膜厚を分光反射率により求める際に波
長依存性を除去して精度の良い膜厚測定を行う。 【構成】 分光反射率のデータを取り込み、曲線式を変
形して該分光反射率曲線に外接する包絡線式Rmax 、R
min を算出する。該包絡線Rmax 、Rmin の勾配が水平
となるように包絡線式により前記分光反射率の曲線式の
式変形を行う。あわせて前記分光反射率曲線の振幅が所
定の単位振幅(1)となる規格化曲線を求める。該規格
化曲線と前記包絡線との接点での波長を算出し、該波長
をもとに膜厚を算定する。
長依存性を除去して精度の良い膜厚測定を行う。 【構成】 分光反射率のデータを取り込み、曲線式を変
形して該分光反射率曲線に外接する包絡線式Rmax 、R
min を算出する。該包絡線Rmax 、Rmin の勾配が水平
となるように包絡線式により前記分光反射率の曲線式の
式変形を行う。あわせて前記分光反射率曲線の振幅が所
定の単位振幅(1)となる規格化曲線を求める。該規格
化曲線と前記包絡線との接点での波長を算出し、該波長
をもとに膜厚を算定する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学的膜厚測定方法に係
り、特に半導体等のシリコン基板上に形成される薄層の
酸化膜等の膜厚を光学的に精度良く測定できるようにし
た光学的膜厚測定方法に関する。
り、特に半導体等のシリコン基板上に形成される薄層の
酸化膜等の膜厚を光学的に精度良く測定できるようにし
た光学的膜厚測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、LSI等の半導体デバイスは著し
く高集積化されてきている。この半導体デバイスの集積
度は、各製造工程で形成される酸化膜等の薄膜の膜厚に
依存しており、高集積化を図るためには高い精度で薄膜
の膜厚管理をする必要性が益々高まってきている。従
来、この種の光学的膜厚測定方法としては、分光反射率
の測定装置により測定された分光反射率曲線から極値
(極大値あるいは極小値)を算出し、その極値を得る波
長、屈折率から膜厚値を求める方法がとられている。
く高集積化されてきている。この半導体デバイスの集積
度は、各製造工程で形成される酸化膜等の薄膜の膜厚に
依存しており、高集積化を図るためには高い精度で薄膜
の膜厚管理をする必要性が益々高まってきている。従
来、この種の光学的膜厚測定方法としては、分光反射率
の測定装置により測定された分光反射率曲線から極値
(極大値あるいは極小値)を算出し、その極値を得る波
長、屈折率から膜厚値を求める方法がとられている。
【0003】ここで、膜厚測定の原理及び算定手順の概
略について、算定式を示して説明する。白色光等の分光
測定光を使用して図4に示したような測定対象の試料に
対して分光反射率の測定を行う。測定対象としては気中
(第2物質)でのシリコン基板(Si)(第0物質)上
に形成された透明な酸化シリコン膜層(SiO2 )(第
1物質)を一例として挙げることができる。このときの
分光波長と反射率との関係を示したのが図5である。同
図において、分光反射率曲線としては所定の波長範囲で
2個の極大値を示す2つの波長が検出された例が示され
ている。このとき短波長側の波長をλ1 、長波長側の波
長をλ2 とすると、膜厚値dは以下の算出式で計算でき
ることが知られている。
略について、算定式を示して説明する。白色光等の分光
測定光を使用して図4に示したような測定対象の試料に
対して分光反射率の測定を行う。測定対象としては気中
(第2物質)でのシリコン基板(Si)(第0物質)上
に形成された透明な酸化シリコン膜層(SiO2 )(第
1物質)を一例として挙げることができる。このときの
分光波長と反射率との関係を示したのが図5である。同
図において、分光反射率曲線としては所定の波長範囲で
2個の極大値を示す2つの波長が検出された例が示され
ている。このとき短波長側の波長をλ1 、長波長側の波
長をλ2 とすると、膜厚値dは以下の算出式で計算でき
ることが知られている。
【0004】
【数1】
【0005】ここで、φ01,1:波長λ1 のときの第0物
質と第1物質の境界面で反射による位相変化量 φ01,2:波長λ2 のときの第0物質と第1物質の境界面
で反射による位相変化量 n1,1 :波長λ1 のときの膜の屈折率 n1,2 :波長λ2 のときの膜の屈折率 π:円周率 であり、既知の量である。また、それぞれの物質の境界
面での反射率をρ01(第0物質と第2物質の境界面での
反射率)、ρ12(第1物質と第2物質との境界面での反
射率)とすると、反射率ρと屈折率nとの間には以下の
関係が成り立つ。
質と第1物質の境界面で反射による位相変化量 φ01,2:波長λ2 のときの第0物質と第1物質の境界面
で反射による位相変化量 n1,1 :波長λ1 のときの膜の屈折率 n1,2 :波長λ2 のときの膜の屈折率 π:円周率 であり、既知の量である。また、それぞれの物質の境界
面での反射率をρ01(第0物質と第2物質の境界面での
反射率)、ρ12(第1物質と第2物質との境界面での反
射率)とすると、反射率ρと屈折率nとの間には以下の
関係が成り立つ。
【0006】
【数2】
【0007】ここで、n0 、n1 、n2 :第0、1、2
物質の屈折率 k0 、k1 、k2 :第0、1、2物質の吸収係数 このときに注意すべき点は反射率ρが屈折率n、吸収係
数kと密接に関係していることである。以上に示した関
係を用い、分光干渉の原理から反射率Rは次式で求める
ことができる。
物質の屈折率 k0 、k1 、k2 :第0、1、2物質の吸収係数 このときに注意すべき点は反射率ρが屈折率n、吸収係
数kと密接に関係していることである。以上に示した関
係を用い、分光干渉の原理から反射率Rは次式で求める
ことができる。
【0008】
【数3】
【0009】ここで、d:第1物質の膜厚値 φ01:第0物質と第1物質の境界面で反射したときの光
の位相変化量(単位:ラジアン) 上式から、反射率Rが極値(極大値あるいは極小値)を
取るのは cos(4・π・n1 ・d/λ+φ01)=±1 +1:極大 −1:極小 …(式4) のときであることがわかる。したがって、この関係を用
いて、極値に依存する膜厚値dを求めることができる。
の位相変化量(単位:ラジアン) 上式から、反射率Rが極値(極大値あるいは極小値)を
取るのは cos(4・π・n1 ・d/λ+φ01)=±1 +1:極大 −1:極小 …(式4) のときであることがわかる。したがって、この関係を用
いて、極値に依存する膜厚値dを求めることができる。
【0010】図5に示したように所定の波長範囲に2ヶ
所の極大値(極大あるいは極小をとるかは算定上の取り
決めで設定できるが、本例では極大値をもとに説明す
る)がある場合、短波長側をλ1 、長波長側をλ2 とす
るとλ1 とλ2 との関係は(式3)より次のようにな
る。 4・π・n1,1 ・d/λ1 +φ01,1=2・π・m (m:整数) 4・π・n1,2 ・d/λ2 +φ01,2=2・π・n (n:整数) …(式5) このとき分光干渉の理論から長波長側の極大値は、短波
長側の極大値より次数(m、n値) が1だけ大きいこ
とが知られているので、 n−m=1 …(式6) の関係が成り立つ。したがって、(式4)、(式5)よ
り膜厚値dは以下の式から求めることができる。
所の極大値(極大あるいは極小をとるかは算定上の取り
決めで設定できるが、本例では極大値をもとに説明す
る)がある場合、短波長側をλ1 、長波長側をλ2 とす
るとλ1 とλ2 との関係は(式3)より次のようにな
る。 4・π・n1,1 ・d/λ1 +φ01,1=2・π・m (m:整数) 4・π・n1,2 ・d/λ2 +φ01,2=2・π・n (n:整数) …(式5) このとき分光干渉の理論から長波長側の極大値は、短波
長側の極大値より次数(m、n値) が1だけ大きいこ
とが知られているので、 n−m=1 …(式6) の関係が成り立つ。したがって、(式4)、(式5)よ
り膜厚値dは以下の式から求めることができる。
【0011】
【数1】
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところが、各境界面の
反射率ρと屈折率nとは波長λにより変化することが知
られている。このためこれらの値の波長依存性の影響で
実際の反射率−波長特性曲線は図6に一例として示した
ように分光反射率曲線が右下への片流れ状になり、図5
に示した理論曲線に比べて歪んだ形となる。このため極
大値を得る波長λ1 、λ2 と、(式4)の条件を満たす
位置の波長λ1 ´、λ2 ´とがずれてしまい、単に極大
値位置の波長を求めただけでは正確な膜厚が算定でき
ず、常に誤差を含んだ値しか得られないという問題があ
る。
反射率ρと屈折率nとは波長λにより変化することが知
られている。このためこれらの値の波長依存性の影響で
実際の反射率−波長特性曲線は図6に一例として示した
ように分光反射率曲線が右下への片流れ状になり、図5
に示した理論曲線に比べて歪んだ形となる。このため極
大値を得る波長λ1 、λ2 と、(式4)の条件を満たす
位置の波長λ1 ´、λ2 ´とがずれてしまい、単に極大
値位置の波長を求めただけでは正確な膜厚が算定でき
ず、常に誤差を含んだ値しか得られないという問題があ
る。
【0013】また、従来の技術においては、分光反射率
(ρ<1)を直接求めずに、膜厚算定のための便宜上の
反射係数を適宜設定し、その反射係数を測定して膜厚算
定を行っていた。このためこの種の装置では所定の材質
の物理定数としての分光反射率を求めることができず、
測定値の物理的検証の点で得られるデータが不十分であ
った。
(ρ<1)を直接求めずに、膜厚算定のための便宜上の
反射係数を適宜設定し、その反射係数を測定して膜厚算
定を行っていた。このためこの種の装置では所定の材質
の物理定数としての分光反射率を求めることができず、
測定値の物理的検証の点で得られるデータが不十分であ
った。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記問題点の解決のため
に本発明は、測定対象の薄膜試料に測定光を照射し、該
薄膜試料の反射干渉光を分光測定してその分光反射率を
所定の波長範囲で測定し、該分光反射率の曲線式の極値
をとる波長から前記薄膜試料の膜厚を算定する光学的膜
厚測定方法において、前記分光反射率の曲線式を変形し
て該分光反射率曲線に外接する包絡線式を算出し、該包
絡線の勾配が水平となるように前記包絡線式により前記
分光反射率の曲線式の式変形を行うとともに、前記分光
反射率曲線の振幅が所定の単位振幅となる規格化曲線を
求め、該規格化曲線と前記包絡線との接点での波長を算
出し、該波長をもとに膜厚を算定したことを特徴とする
ものである。
に本発明は、測定対象の薄膜試料に測定光を照射し、該
薄膜試料の反射干渉光を分光測定してその分光反射率を
所定の波長範囲で測定し、該分光反射率の曲線式の極値
をとる波長から前記薄膜試料の膜厚を算定する光学的膜
厚測定方法において、前記分光反射率の曲線式を変形し
て該分光反射率曲線に外接する包絡線式を算出し、該包
絡線の勾配が水平となるように前記包絡線式により前記
分光反射率の曲線式の式変形を行うとともに、前記分光
反射率曲線の振幅が所定の単位振幅となる規格化曲線を
求め、該規格化曲線と前記包絡線との接点での波長を算
出し、該波長をもとに膜厚を算定したことを特徴とする
ものである。
【0015】
【作用】本発明においては、得られた分光反射率と既知
定数をもとに、分光干渉の原理に則って算定式を以下の
ように変形し、所定の膜厚算定を行なうので、理論式に
対する極値を精度良く設定でき、正確な膜厚値を算出で
きる。具体的には、反射率の式
定数をもとに、分光干渉の原理に則って算定式を以下の
ように変形し、所定の膜厚算定を行なうので、理論式に
対する極値を精度良く設定でき、正確な膜厚値を算出で
きる。具体的には、反射率の式
【0016】
【数3】
【0017】を変形し、cos(4・π・n1 ・d/λ
+φ01)の項を取り出す。極大側で外接する包絡線をR
max (以後、単にRmax と書く)、極小側で外接する包
絡線をRmin (以後、単にRmin と書く)とすると(式
3)より
+φ01)の項を取り出す。極大側で外接する包絡線をR
max (以後、単にRmax と書く)、極小側で外接する包
絡線をRmin (以後、単にRmin と書く)とすると(式
3)より
【0018】
【数4】
【0019】(式3)はこの(式7)を用いると、
【0020】
【数5】
【0021】と変形できる。この式により分光反射率曲
線は図2に示したように包絡線Rmax、Rmin の勾配が
ゼロ(水平)となり、曲線振幅が単位振幅(例えば1)
となるように変換を行い(以後、この作業を規格化と記
す)、図形幾何学的に分光反射率曲線と包絡線Rmax と
の接点位置の波長と極大値の波長との誤差を除去する。
すなわち、(式8)の右辺を用いることにより、境界面
反射率の波長依存性を含んだCOS項を除去でき、これ
により算定式全体の波長依存性を排除できる。また、
(式8)を以下のように変形し、測定装置により求めら
れた物理的に正確な分光反射率をそのまま使用して、測
定対象である薄膜の膜厚値を求めることができる。
線は図2に示したように包絡線Rmax、Rmin の勾配が
ゼロ(水平)となり、曲線振幅が単位振幅(例えば1)
となるように変換を行い(以後、この作業を規格化と記
す)、図形幾何学的に分光反射率曲線と包絡線Rmax と
の接点位置の波長と極大値の波長との誤差を除去する。
すなわち、(式8)の右辺を用いることにより、境界面
反射率の波長依存性を含んだCOS項を除去でき、これ
により算定式全体の波長依存性を排除できる。また、
(式8)を以下のように変形し、測定装置により求めら
れた物理的に正確な分光反射率をそのまま使用して、測
定対象である薄膜の膜厚値を求めることができる。
【0022】
【数6】
【0023】この(式9)を用いれば、分光反射率曲線
において極値が明確にあらわれていなくても、分光反射
率を求めることにより測定対象である薄膜の膜厚値を精
度良く求めることができる。
において極値が明確にあらわれていなくても、分光反射
率を求めることにより測定対象である薄膜の膜厚値を精
度良く求めることができる。
【0024】
【実施例】以下、本発明による光学的膜厚測定方法の一
実施例を図1に示した膜厚測定装置に適用した例につい
て説明する。図1は、本発明の膜厚測定方法を適用した
膜厚測定装置のシステム構成図である。本装置で膜厚を
測定するため、まずコンピュータ1により測定対象であ
る基板等の試料4を載置したステージ3を位置制御す
る。このときコンピュータ1からの駆動指令は駆動部2
に出力され、所定のX,Y方向位置決めが行われるよう
になっている。
実施例を図1に示した膜厚測定装置に適用した例につい
て説明する。図1は、本発明の膜厚測定方法を適用した
膜厚測定装置のシステム構成図である。本装置で膜厚を
測定するため、まずコンピュータ1により測定対象であ
る基板等の試料4を載置したステージ3を位置制御す
る。このときコンピュータ1からの駆動指令は駆動部2
に出力され、所定のX,Y方向位置決めが行われるよう
になっている。
【0025】次に標準光源5から放射された光を入射レ
ンズ群L1を介し、光軸上に配置されたハーフミラーM
1で分割してステージ3上に載置された試料4に対物レ
ンズL2を介して照明する。そして試料面から反射した
光を再び対物レンズL2で受け、分光器6の受光部に形
成された入射スリットSを通過させミラーM2で回折格
子に向けて偏角し、この回折光を回折格子7により帯状
の所定波長成分ごとに反射させ、光電変換素子8に出射
する。この光電変換素子8では光電変換が行われ、所定
の光強度分布に対応したアナログ電気信号が得られる。
さらにこのアナログ電気信号はコントローラ9によりデ
ィジタル信号に変換される。
ンズ群L1を介し、光軸上に配置されたハーフミラーM
1で分割してステージ3上に載置された試料4に対物レ
ンズL2を介して照明する。そして試料面から反射した
光を再び対物レンズL2で受け、分光器6の受光部に形
成された入射スリットSを通過させミラーM2で回折格
子に向けて偏角し、この回折光を回折格子7により帯状
の所定波長成分ごとに反射させ、光電変換素子8に出射
する。この光電変換素子8では光電変換が行われ、所定
の光強度分布に対応したアナログ電気信号が得られる。
さらにこのアナログ電気信号はコントローラ9によりデ
ィジタル信号に変換される。
【0026】次いで、コンピュータ1はコントローラ6
から得られるディジタル信号を受け取り、この信号を所
定の分光反射率分布に変換し、波長−反射率特性曲線を
得ることができる。この曲線は、前述のように波長依存
性のある生の曲線であるので、この曲線式を規格化して
規格化曲線(図2参照)に変換する。この規格化曲線を
もとに(式1)、(式9)から膜厚値dを計算する。
から得られるディジタル信号を受け取り、この信号を所
定の分光反射率分布に変換し、波長−反射率特性曲線を
得ることができる。この曲線は、前述のように波長依存
性のある生の曲線であるので、この曲線式を規格化して
規格化曲線(図2参照)に変換する。この規格化曲線を
もとに(式1)、(式9)から膜厚値dを計算する。
【0027】この算定過程と計算結果とは逐次CRT1
0に出力され、リアルタイムで視覚的に膜厚値を認識で
きるようになっている。また、データ保存性を重視する
場合にはフロッピーディスク(F/D)ドライブ11で
所定のフロッピーディスクにデータを書き込んだり、プ
リンター12で所定のフォームにデータ出力することも
可能である。
0に出力され、リアルタイムで視覚的に膜厚値を認識で
きるようになっている。また、データ保存性を重視する
場合にはフロッピーディスク(F/D)ドライブ11で
所定のフロッピーディスクにデータを書き込んだり、プ
リンター12で所定のフォームにデータ出力することも
可能である。
【0028】さらに、コンピュータ1に付属しているフ
ルキーボード13によりコンピュータ1に測定試料の屈
折率等の条件を入力したり、分光器6での設定波長やス
テージの移動量を指示したり、測定開始等の指令を与え
ることができる。
ルキーボード13によりコンピュータ1に測定試料の屈
折率等の条件を入力したり、分光器6での設定波長やス
テージの移動量を指示したり、測定開始等の指令を与え
ることができる。
【0029】次に、本発明による光学的膜厚測定方法の
アルゴリズムを図3に示したフローチャートを参照して
説明する。
アルゴリズムを図3に示したフローチャートを参照して
説明する。
【0030】まず、膜厚測定装置で測定対象試料の分光
反射率Rを測定し、その測定データをコンピュータ1に
取り込む(ステップS1)。次いで、生の分光反射率曲
線のデータをもとに反射率曲線を正規化し、規格化曲線
を求める(ステップS2)。
反射率Rを測定し、その測定データをコンピュータ1に
取り込む(ステップS1)。次いで、生の分光反射率曲
線のデータをもとに反射率曲線を正規化し、規格化曲線
を求める(ステップS2)。
【0031】この規格化曲線において、前後の離散測定
点の大小比較を行なって反射率Rの極大値および極小値
を求める(ステップS3)。一方、この極値算出と平行
して薄膜および基板の屈折率から(式8)を用いて包絡
線Rmax 、Rmin を算出する(ステップS4)。次に、
検出された極値の個数の判定を行なう(ステップS
5)。このとき極値の数が2個以上であれば、これらの
極値をとる波長λの値を使い、(式1)により膜厚値d
を計算すればよい(ステップS6)。一方、極値の数が
1個以下であれば、(式9)を用いて膜厚値dを計算す
る(ステップS7)。
点の大小比較を行なって反射率Rの極大値および極小値
を求める(ステップS3)。一方、この極値算出と平行
して薄膜および基板の屈折率から(式8)を用いて包絡
線Rmax 、Rmin を算出する(ステップS4)。次に、
検出された極値の個数の判定を行なう(ステップS
5)。このとき極値の数が2個以上であれば、これらの
極値をとる波長λの値を使い、(式1)により膜厚値d
を計算すればよい(ステップS6)。一方、極値の数が
1個以下であれば、(式9)を用いて膜厚値dを計算す
る(ステップS7)。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体等に形成される薄膜試料の膜厚を光学的に測定す
る際に、試料の反射率等の波長依存性を除去して精度の
良い膜厚測定を行うことができる。
半導体等に形成される薄膜試料の膜厚を光学的に測定す
る際に、試料の反射率等の波長依存性を除去して精度の
良い膜厚測定を行うことができる。
【図1】本発明の膜厚測定方法を適用した膜厚測定装置
の一実施例を示したシステム構成図。
の一実施例を示したシステム構成図。
【図2】規格化された分光反射率曲線の一例を示した反
射率−波長特性曲線図。
射率−波長特性曲線図。
【図3】本発明による膜厚測定の概略アルゴリズムを示
したフローチャート。
したフローチャート。
【図4】測定対象の薄膜の一例を示した部分断面図。
【図5】従来の技術により膜厚値を算定するのに使用さ
れる分光反射率曲線の一例を示した反射率−波長特性曲
線図。
れる分光反射率曲線の一例を示した反射率−波長特性曲
線図。
【図6】試料の波長依存性を考慮した場合の分光反射率
曲線とその包絡線との関係の一例を示した反射率−波長
特性曲線図。
曲線とその包絡線との関係の一例を示した反射率−波長
特性曲線図。
1 コンピュータ 4 試料 5 光源 6 分光器 7 回折格子 8 光電変換素子
Claims (1)
- 【請求項1】測定対象の薄膜試料に測定光を照射し、該
薄膜試料の反射干渉光を分光測定してその分光反射率を
所定の波長範囲で測定し、該分光反射率の曲線式の極値
をとる波長から前記薄膜試料の膜厚を算定する光学的膜
厚測定方法において、 前記分光反射率の曲線式を変形して該分光反射率曲線に
外接する包絡線式を算出し、該包絡線の勾配が水平とな
るように前記包絡線式により前記分光反射率の曲線式の
式変形を行うとともに、前記分光反射率曲線の振幅が所
定の単位振幅となる規格化曲線を求め、該規格化曲線と
前記包絡線との接点での波長を算出し、該波長をもとに
膜厚を算定したことを特徴とする光学的膜厚測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4254210A JPH0674716A (ja) | 1992-08-28 | 1992-08-28 | 光学的膜厚測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4254210A JPH0674716A (ja) | 1992-08-28 | 1992-08-28 | 光学的膜厚測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0674716A true JPH0674716A (ja) | 1994-03-18 |
Family
ID=17261790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4254210A Pending JPH0674716A (ja) | 1992-08-28 | 1992-08-28 | 光学的膜厚測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0674716A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113138022A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-20 | 清华大学深圳国际研究生院 | 光谱反射率检测方法、系统、设备及计算机可读存储介质 |
-
1992
- 1992-08-28 JP JP4254210A patent/JPH0674716A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113138022A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-20 | 清华大学深圳国际研究生院 | 光谱反射率检测方法、系统、设备及计算机可读存储介质 |
| CN113138022B (zh) * | 2021-03-17 | 2024-01-09 | 清华大学深圳国际研究生院 | 光谱反射率检测方法、系统、设备及计算机可读存储介质 |
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