JPH07208937A - 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 - Google Patents
膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法Info
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- JPH07208937A JPH07208937A JP649494A JP649494A JPH07208937A JP H07208937 A JPH07208937 A JP H07208937A JP 649494 A JP649494 A JP 649494A JP 649494 A JP649494 A JP 649494A JP H07208937 A JPH07208937 A JP H07208937A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明は、単色光を薄膜に照射し、反射光の反
射率をもとに薄膜の膜厚及び誘電率を測定する装置に関
し、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定に適用で
き、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定する。 【構成】光源１と、光源１から出射した光を被測定膜に
対してＰ偏光に直線偏光させる偏光手段２と、被測定膜
の表面への光の入射角度を変化させる入射角度制御手段
３と、所定の入射角度で被測定膜の表面の方に進む光の
光路上に介在し、被測定膜の表面上に媒質５を介して配
置されるプリズム４と、被測定膜からの反射光を検出す
る光検出器７と、反射光をもとに反射率を導出し、かつ
入射角度に対する反射率の対応関係をもとに被測定膜の
膜厚及び誘電率を導出する解析手段８とを含む。
射率をもとに薄膜の膜厚及び誘電率を測定する装置に関
し、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定に適用で
き、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定する。 【構成】光源１と、光源１から出射した光を被測定膜に
対してＰ偏光に直線偏光させる偏光手段２と、被測定膜
の表面への光の入射角度を変化させる入射角度制御手段
３と、所定の入射角度で被測定膜の表面の方に進む光の
光路上に介在し、被測定膜の表面上に媒質５を介して配
置されるプリズム４と、被測定膜からの反射光を検出す
る光検出器７と、反射光をもとに反射率を導出し、かつ
入射角度に対する反射率の対応関係をもとに被測定膜の
膜厚及び誘電率を導出する解析手段８とを含む。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、膜厚及び誘電率の測定
装置及びその測定方法に関し、より詳しくは、単色光を
薄膜に照射し、反射光の反射率をもとに薄膜の膜厚及び
誘電率を測定する装置及びその測定方法に関する。
装置及びその測定方法に関し、より詳しくは、単色光を
薄膜に照射し、反射光の反射率をもとに薄膜の膜厚及び
誘電率を測定する装置及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体プロセスの分野において、形成膜
の膜厚や誘電率の評価は再現性や歩留りの向上を図る上
で必要不可欠であり、形成膜が薄膜化し、パターンが微
細化している今日ではますます重要になりつつある。近
年、薄膜評価の手段として光を用いたものが有力になっ
ている。一般に、光は媒質中を伝播したり、或いは媒質
中で減衰したりする。媒質中の光の伝播や減衰は、その
波長における媒質の誘電応答によって決まる。光のこの
ような性質を利用して薄膜の膜厚や誘電率を測定するこ
とができる。
の膜厚や誘電率の評価は再現性や歩留りの向上を図る上
で必要不可欠であり、形成膜が薄膜化し、パターンが微
細化している今日ではますます重要になりつつある。近
年、薄膜評価の手段として光を用いたものが有力になっ
ている。一般に、光は媒質中を伝播したり、或いは媒質
中で減衰したりする。媒質中の光の伝播や減衰は、その
波長における媒質の誘電応答によって決まる。光のこの
ような性質を利用して薄膜の膜厚や誘電率を測定するこ
とができる。
【０００３】光をプローブとする形成膜の膜厚や誘電率
を測定する方法には、光の透過率を測定する方法、多重
反射干渉法、偏光解析法等がある。
を測定する方法には、光の透過率を測定する方法、多重
反射干渉法、偏光解析法等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、多重反射干渉
法では、反射率の高い銀などの薄膜を被測定体の表面に
蒸着する必要があり、時間と手間がかかる。また、上記
の方法では膜厚測定に重点が置かれ、特に偏光解析法以
外の方法では、膜厚を算出するために、予め別の方法で
誘電率を調べておく必要がある。その誘電率はプローブ
光の波長での値を必要とするため、成膜条件によって薄
膜の誘電率が異なる可能性がある場合には、実際に誘電
率を測定しないかぎり膜厚に誤差が含まれるという問題
が生じる。
法では、反射率の高い銀などの薄膜を被測定体の表面に
蒸着する必要があり、時間と手間がかかる。また、上記
の方法では膜厚測定に重点が置かれ、特に偏光解析法以
外の方法では、膜厚を算出するために、予め別の方法で
誘電率を調べておく必要がある。その誘電率はプローブ
光の波長での値を必要とするため、成膜条件によって薄
膜の誘電率が異なる可能性がある場合には、実際に誘電
率を測定しないかぎり膜厚に誤差が含まれるという問題
が生じる。
【０００５】一方、偏光解析法は、膜厚と誘電率を同時
に求めることができる便利な方法であるが、膜厚と誘電
率を求める際の解析が複雑であるなど、熟練を要する。
また、一般に、光の透過や反射を利用した膜厚測定方法
は被測定膜に照射する光（プローブ光）の波長のオーダ
の膜厚測定には適しているが、数十ｎｍオーダというも
っと薄い膜厚の測定には適したものとはいえない。
に求めることができる便利な方法であるが、膜厚と誘電
率を求める際の解析が複雑であるなど、熟練を要する。
また、一般に、光の透過や反射を利用した膜厚測定方法
は被測定膜に照射する光（プローブ光）の波長のオーダ
の膜厚測定には適しているが、数十ｎｍオーダというも
っと薄い膜厚の測定には適したものとはいえない。
【０００６】本発明は、係る従来例の問題点に鑑みて創
作されたものであり、プローブ光の波長のオーダ以下の
膜厚測定に適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測
定できる膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法を
提供することを目的とするものである。
作されたものであり、プローブ光の波長のオーダ以下の
膜厚測定に適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測
定できる膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法を
提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題は、第１に、光
源と、前記光源から出射した光を被測定膜に対してＰ偏
光に直線偏光させる偏光手段と、前記被測定膜の表面へ
の前記光の入射角度を変化させる入射角度制御手段と、
所定の前記入射角度で前記被測定膜の表面に入射する前
記光の光路上に介在し、前記被測定膜の表面上に媒質を
介して配置されるプリズムと、前記被測定膜の表面から
の反射光を検出する光検出器と、前記反射光をもとに反
射率を導出し、かつ前記入射角度に対する前記反射率の
対応関係をもとに前記被測定膜の膜厚及び誘電率を導出
する解析手段とを有する膜厚及び誘電率の測定装置によ
って達成され、第２に、前記光源はＨｅ−Ｎｅレーザ，
Ａｒイオンレーザ，色素レーザ及び単色光器（モノクロ
メータ）を介在させたハロゲンランプのいずれかである
ことを特徴とする第１の発明に記載の膜厚及び誘電率の
測定装置によって達成され、第３に、前記プリズムは半
球状，半円柱状，三角柱状及び台形柱状の形状のうちい
ずれかの形状を有し、前記プリズムの平坦面が前記被測
定膜の表面に対向するように配置されることを特徴とす
る第１又は第２の発明に記載の膜厚及び誘電率の測定装
置によって達成され、第４に、被測定膜の表面上にプリ
ズムを配置し、かつ前記被測定膜と前記プリズムの間に
前記プリズムの誘電率よりも小さい誘電率を有する媒質
を介在した状態で、前記被測定膜に対してＰ偏光に直線
偏光した光を前記プリズム及び前記媒質を介して前記被
測定膜の表面に照射し、前記被測定膜の表面への入射角
度を変化させて前記入射角度に対応する前記被測定膜か
らの反射光を検出し、前記反射光をもとに前記光の入射
角度に対する反射率の対応関係を導出し、前記対応関係
をもとに前記被測定膜の膜厚及び誘電率を導出する膜厚
及び誘電率の測定方法によって達成され、第５に、前記
反射光の反射率の変化は表面プラズモンの励起を伴うこ
とを特徴とする第４の発明に記載の膜厚及び誘電率の測
定方法によって達成され、第６に、前記プリズムは半球
状，半円柱状，三角柱状及び台形状の形状のうちいずれ
かの形状を有し、前記プリズムの平坦面が前記被測定膜
の表面に対向するように配置されていることを特徴とす
る第４又は第５の発明に記載の膜厚及び誘電率の測定方
法によって達成され、第７に、前記媒質は大気，オイル
又はＭｇＦ2 膜であることを特徴とする第４，第５又は
第６の発明に記載の膜厚及び誘電率の測定方法によって
達成される。
源と、前記光源から出射した光を被測定膜に対してＰ偏
光に直線偏光させる偏光手段と、前記被測定膜の表面へ
の前記光の入射角度を変化させる入射角度制御手段と、
所定の前記入射角度で前記被測定膜の表面に入射する前
記光の光路上に介在し、前記被測定膜の表面上に媒質を
介して配置されるプリズムと、前記被測定膜の表面から
の反射光を検出する光検出器と、前記反射光をもとに反
射率を導出し、かつ前記入射角度に対する前記反射率の
対応関係をもとに前記被測定膜の膜厚及び誘電率を導出
する解析手段とを有する膜厚及び誘電率の測定装置によ
って達成され、第２に、前記光源はＨｅ−Ｎｅレーザ，
Ａｒイオンレーザ，色素レーザ及び単色光器（モノクロ
メータ）を介在させたハロゲンランプのいずれかである
ことを特徴とする第１の発明に記載の膜厚及び誘電率の
測定装置によって達成され、第３に、前記プリズムは半
球状，半円柱状，三角柱状及び台形柱状の形状のうちい
ずれかの形状を有し、前記プリズムの平坦面が前記被測
定膜の表面に対向するように配置されることを特徴とす
る第１又は第２の発明に記載の膜厚及び誘電率の測定装
置によって達成され、第４に、被測定膜の表面上にプリ
ズムを配置し、かつ前記被測定膜と前記プリズムの間に
前記プリズムの誘電率よりも小さい誘電率を有する媒質
を介在した状態で、前記被測定膜に対してＰ偏光に直線
偏光した光を前記プリズム及び前記媒質を介して前記被
測定膜の表面に照射し、前記被測定膜の表面への入射角
度を変化させて前記入射角度に対応する前記被測定膜か
らの反射光を検出し、前記反射光をもとに前記光の入射
角度に対する反射率の対応関係を導出し、前記対応関係
をもとに前記被測定膜の膜厚及び誘電率を導出する膜厚
及び誘電率の測定方法によって達成され、第５に、前記
反射光の反射率の変化は表面プラズモンの励起を伴うこ
とを特徴とする第４の発明に記載の膜厚及び誘電率の測
定方法によって達成され、第６に、前記プリズムは半球
状，半円柱状，三角柱状及び台形状の形状のうちいずれ
かの形状を有し、前記プリズムの平坦面が前記被測定膜
の表面に対向するように配置されていることを特徴とす
る第４又は第５の発明に記載の膜厚及び誘電率の測定方
法によって達成され、第７に、前記媒質は大気，オイル
又はＭｇＦ2 膜であることを特徴とする第４，第５又は
第６の発明に記載の膜厚及び誘電率の測定方法によって
達成される。
【０００８】なお、上記のｐ偏光とは、入射光と反射光
とを含む面内で光の電界振幅が直線偏光していることを
いう。また、入射角度とは、入射光と反射光とを含む面
内で、かつ被測定膜の表面に垂直な方向から測った、被
測定膜の表面に光が入射する角度をいう。
とを含む面内で光の電界振幅が直線偏光していることを
いう。また、入射角度とは、入射光と反射光とを含む面
内で、かつ被測定膜の表面に垂直な方向から測った、被
測定膜の表面に光が入射する角度をいう。
【０００９】
【作用】被測定膜が金属のように電子密度の大きな媒質
からなる薄膜の場合、光等の外部電界によって電子の集
団運動（表面プラズモン）を励起することができる。し
かし、表面プラズモンの分散関係から、ある振動数ωの
真空中の光は同じ振動数の表面プラズモンよりも常に小
さな波数を有し、波数保存則を満足しないため、真空中
の光とは結合できない。
からなる薄膜の場合、光等の外部電界によって電子の集
団運動（表面プラズモン）を励起することができる。し
かし、表面プラズモンの分散関係から、ある振動数ωの
真空中の光は同じ振動数の表面プラズモンよりも常に小
さな波数を有し、波数保存則を満足しないため、真空中
の光とは結合できない。
【００１０】ところが、薄膜上にプリズムを配置し、薄
膜とプリズムの間にプリズムより小さな誘電率を有する
媒質を介在させる配置（オットー配置）とすることによ
り、薄膜表面に励起される表面プラズモンはｐ偏光の光
と結合できる。即ち、プリズム中の光の界面に平行な波
数成分は、 ｋII＝√( εp ) ・ω／ｃ・sin θ と表される。ここで、θは界面に垂直な方向から測った
薄膜の表面への光の入射角度、εp はプリズムの誘電率
である。
膜とプリズムの間にプリズムより小さな誘電率を有する
媒質を介在させる配置（オットー配置）とすることによ
り、薄膜表面に励起される表面プラズモンはｐ偏光の光
と結合できる。即ち、プリズム中の光の界面に平行な波
数成分は、 ｋII＝√( εp ) ・ω／ｃ・sin θ と表される。ここで、θは界面に垂直な方向から測った
薄膜の表面への光の入射角度、εp はプリズムの誘電率
である。
【００１１】上の式に示すように、光の波数ｋIIはプリ
ズムの誘電率εp の分だけ大きくなる。従って、光の振
動数ωを一定とした場合、入射角度θを変化させると、
光の波数と表面プラズモンの波数が一致する入射角度θ
が存在する。このときのみ、波数保存則が成り立つた
め、表面プラズモンが励起され、反射率の急激な減衰が
起こる。
ズムの誘電率εp の分だけ大きくなる。従って、光の振
動数ωを一定とした場合、入射角度θを変化させると、
光の波数と表面プラズモンの波数が一致する入射角度θ
が存在する。このときのみ、波数保存則が成り立つた
め、表面プラズモンが励起され、反射率の急激な減衰が
起こる。
【００１２】薄膜の膜厚の違い、薄膜の種類（複素誘電
率の違い）によって表面プラズモンの分散関係は異な
り、反射率の減衰曲線もこれらに特有な曲線になる。従
って、反射率が急激に減衰する光の入射角度と、そのと
きの反射率と、反射率の減衰曲線おける凹状部の幅（入
射角度の範囲）と、表面プラズモンが励起される前後の
入射角度における反射率とが一致するように理論とのフ
ィッティングを行うことにより、薄膜の膜厚や複素誘電
率を同時に決定できる。
率の違い）によって表面プラズモンの分散関係は異な
り、反射率の減衰曲線もこれらに特有な曲線になる。従
って、反射率が急激に減衰する光の入射角度と、そのと
きの反射率と、反射率の減衰曲線おける凹状部の幅（入
射角度の範囲）と、表面プラズモンが励起される前後の
入射角度における反射率とが一致するように理論とのフ
ィッティングを行うことにより、薄膜の膜厚や複素誘電
率を同時に決定できる。
【００１３】特に、薄膜中に染み出した入射光の電界振
幅は、薄膜の複素誘電率に強く依存して指数関数的に減
衰する。例えばＡｌの場合、He-Ne レーザの波長632.8
ｎｍに対して減衰距離は数十ｎｍと一桁以上小さい。従
って、指数関数的に減衰している入射光の電界強度は膜
厚に対して非常に敏感であり、これを利用した反射率測
定から数十ｎｍオーダでの膜厚測定が可能となる。
幅は、薄膜の複素誘電率に強く依存して指数関数的に減
衰する。例えばＡｌの場合、He-Ne レーザの波長632.8
ｎｍに対して減衰距離は数十ｎｍと一桁以上小さい。従
って、指数関数的に減衰している入射光の電界強度は膜
厚に対して非常に敏感であり、これを利用した反射率測
定から数十ｎｍオーダでの膜厚測定が可能となる。
【００１４】
【実施例】次に、図面を参照しながら本発明の実施例に
係る薄膜の膜厚及び誘電率の測定方法について説明す
る。 （１）第１の実施例 以下、本発明の第１の実施例に係る膜厚及び誘電率の測
定装置及びその測定方法について説明する。
係る薄膜の膜厚及び誘電率の測定方法について説明す
る。 （１）第１の実施例 以下、本発明の第１の実施例に係る膜厚及び誘電率の測
定装置及びその測定方法について説明する。
【００１５】全反射減衰法（Attenuated Total Reflect
ion ; ATR ）を応用することにより、光の波長のオーダ
以下の膜厚特に数十ｎｍオーダの膜厚の測定と、誘電率
特に複素誘電率の測定とを同時に行うことができる。被
測定膜が金属のように電子密度の大きな媒質からなる薄
膜である場合、この被測定膜に光を照射することによっ
て電子の集団運動（表面プラズモン）を励起することが
できる。この表面プラズモンは被測定膜と真空との界面
に局在し、界面に平行な方向に伝播する。しかし、界面
に垂直な方向には、界面から離れるに従って電界振幅が
指数関数的に減少しており、伝播しない。
ion ; ATR ）を応用することにより、光の波長のオーダ
以下の膜厚特に数十ｎｍオーダの膜厚の測定と、誘電率
特に複素誘電率の測定とを同時に行うことができる。被
測定膜が金属のように電子密度の大きな媒質からなる薄
膜である場合、この被測定膜に光を照射することによっ
て電子の集団運動（表面プラズモン）を励起することが
できる。この表面プラズモンは被測定膜と真空との界面
に局在し、界面に平行な方向に伝播する。しかし、界面
に垂直な方向には、界面から離れるに従って電界振幅が
指数関数的に減少しており、伝播しない。
【００１６】このように表面プラズモンは一般に非輻射
性の励起であるが、図１（ａ）に示すように、被測定膜
上にプリズム４を配置し、被測定膜とプリズム４の間に
プリズム４の誘電率よりも小さな誘電率を有する媒質５
を介在させる配置（オットー配置）とすることにより、
被測定膜表面に励起される表面プラズモンはプリズム４
中で輻射性となり、ｐ偏光の光と結合できる。なお、１
はレーザ等の光源、２は光源１から出射した光を被測定
膜に対してｐ偏光に直線偏光させる偏光板（偏光手
段）、３は被測定膜の表面への光の入射角度を変化させ
る入射角度制御手段、例えばステップモータ等と接続し
たミラー、６は基板上に被測定膜が形成されてなる被測
定体、７は被測定膜からの反射光を検出する光検出器、
８は反射光の強度をもとに反射率を導出し、かつ入射角
度に対する反射率の対応関係をもとに被測定膜の膜厚及
び誘電率を導出する解析手段である。９，１０はレンズ
で、入射側のレンズ９は角度制御されたＰ偏光光を集光
し、出射側のレンズ１０は反射光を集光する。
性の励起であるが、図１（ａ）に示すように、被測定膜
上にプリズム４を配置し、被測定膜とプリズム４の間に
プリズム４の誘電率よりも小さな誘電率を有する媒質５
を介在させる配置（オットー配置）とすることにより、
被測定膜表面に励起される表面プラズモンはプリズム４
中で輻射性となり、ｐ偏光の光と結合できる。なお、１
はレーザ等の光源、２は光源１から出射した光を被測定
膜に対してｐ偏光に直線偏光させる偏光板（偏光手
段）、３は被測定膜の表面への光の入射角度を変化させ
る入射角度制御手段、例えばステップモータ等と接続し
たミラー、６は基板上に被測定膜が形成されてなる被測
定体、７は被測定膜からの反射光を検出する光検出器、
８は反射光の強度をもとに反射率を導出し、かつ入射角
度に対する反射率の対応関係をもとに被測定膜の膜厚及
び誘電率を導出する解析手段である。９，１０はレンズ
で、入射側のレンズ９は角度制御されたＰ偏光光を集光
し、出射側のレンズ１０は反射光を集光する。
【００１７】なお、上記のｐ偏光とは、入射光と反射光
とを含む面内で光の電界振幅が直線偏光していることを
いう。また、入射角度とは、入射光と反射光とを含む面
内で、かつ被測定膜の表面に垂直な方向から測った、被
測定膜の表面に光が入射する角度をいう。上記表面プラ
ズモンをｐ偏光の光と結合できる理由は表面プラズモン
の分散関係から次のように説明される。
とを含む面内で光の電界振幅が直線偏光していることを
いう。また、入射角度とは、入射光と反射光とを含む面
内で、かつ被測定膜の表面に垂直な方向から測った、被
測定膜の表面に光が入射する角度をいう。上記表面プラ
ズモンをｐ偏光の光と結合できる理由は表面プラズモン
の分散関係から次のように説明される。
【００１８】即ち、通常、ある振動数ωの真空中の光は
同じ振動数の表面プラズモンよりも常に小さな波数を有
している。従って、波数保存則を満足しないため、真空
中の光とは結合できない。しかし、光の波数が誘電率の
分だけ大きくなることを利用すると、誘電率εpの媒質
中では表面プラズモンは媒質中の光と結合することがで
きる。
同じ振動数の表面プラズモンよりも常に小さな波数を有
している。従って、波数保存則を満足しないため、真空
中の光とは結合できない。しかし、光の波数が誘電率の
分だけ大きくなることを利用すると、誘電率εpの媒質
中では表面プラズモンは媒質中の光と結合することがで
きる。
【００１９】即ち、誘電率εp のプリズム中の光の界面
に平行な波数成分は、 ｋII＝√( εp ) ・ω／ｃ・sin θ と表される。ここで、θは界面に垂直な方向から測った
被測定膜の表面への光の入射角度である。
に平行な波数成分は、 ｋII＝√( εp ) ・ω／ｃ・sin θ と表される。ここで、θは界面に垂直な方向から測った
被測定膜の表面への光の入射角度である。
【００２０】上式に示すように、光の波数ｋIIは入射角
度θの関数で表されるため、光の振動数ωを一定とした
場合、入射角度θを変化させると、図１（ｂ）に示す表
面プラズモンの分散関係により、光の波数と表面プラズ
モンの波数が一致する入射角度θが存在する。このとき
のみ、波数保存則が成り立つため、表面プラズモンを励
起することができる。このとき、入射エネルギの一部は
表面プラズモンの励起に使われるため、反射率の急激な
減衰が起こる。
度θの関数で表されるため、光の振動数ωを一定とした
場合、入射角度θを変化させると、図１（ｂ）に示す表
面プラズモンの分散関係により、光の波数と表面プラズ
モンの波数が一致する入射角度θが存在する。このとき
のみ、波数保存則が成り立つため、表面プラズモンを励
起することができる。このとき、入射エネルギの一部は
表面プラズモンの励起に使われるため、反射率の急激な
減衰が起こる。
【００２１】薄膜の膜厚、薄膜の種類によって表面プラ
ズモンの分散関係は異なるため、反射率の減衰曲線もこ
れらに特有な曲線になる。従って、表面プラズモンが励
起される光の入射角度、即ち反射率が急激に減衰する光
の入射角度と、そのときの反射率と、反射率の減衰曲線
における凹状部の幅（入射角度の範囲を表す。）と、表
面プラズモンが励起される前後の入射角度における反射
率とが一致するように理論とのフィッティングを行うこ
とにより、被測定膜の膜厚や複素誘電率を同時に決定で
きる。
ズモンの分散関係は異なるため、反射率の減衰曲線もこ
れらに特有な曲線になる。従って、表面プラズモンが励
起される光の入射角度、即ち反射率が急激に減衰する光
の入射角度と、そのときの反射率と、反射率の減衰曲線
における凹状部の幅（入射角度の範囲を表す。）と、表
面プラズモンが励起される前後の入射角度における反射
率とが一致するように理論とのフィッティングを行うこ
とにより、被測定膜の膜厚や複素誘電率を同時に決定で
きる。
【００２２】特に、被測定膜中に染み出した入射光の電
界振幅は、被測定膜の複素誘電率に強く依存して指数関
数的に減衰する。例えば被測定膜がＡｌ膜である場合、
He-Ne レーザの波長632.8 ｎｍに対して減衰距離は数十
ｎｍと一桁以上小さい。従って、指数関数的に減衰して
いる入射光の電界強度は膜厚に対して非常に敏感であ
り、これを利用した反射率測定からは数十ｎｍオーダで
の膜厚測定が可能となる。 （２）第２の実施例 図２は、本発明の第２の実施例に係る薄膜の膜厚及び誘
電率の測定装置の構成図を示す側面図である。
界振幅は、被測定膜の複素誘電率に強く依存して指数関
数的に減衰する。例えば被測定膜がＡｌ膜である場合、
He-Ne レーザの波長632.8 ｎｍに対して減衰距離は数十
ｎｍと一桁以上小さい。従って、指数関数的に減衰して
いる入射光の電界強度は膜厚に対して非常に敏感であ
り、これを利用した反射率測定からは数十ｎｍオーダで
の膜厚測定が可能となる。 （２）第２の実施例 図２は、本発明の第２の実施例に係る薄膜の膜厚及び誘
電率の測定装置の構成図を示す側面図である。
【００２３】図２において、１１はレーザ（光源）で、
レーザ１１から出射された光は偏光板（偏光手段）１２
でｐ偏光成分のみが取り出され、ピンホール１３（直径
１ｍｍ、シャッタ付）を通った後、ビームスプリッタ１
４で参照光とプローブ光に分けられる。１５は参照光の
強度を測定する光検出器１５で、光検出器１５で測定さ
れた光強度はコンピュータ（解析手段）２４に取り込ま
れる。
レーザ１１から出射された光は偏光板（偏光手段）１２
でｐ偏光成分のみが取り出され、ピンホール１３（直径
１ｍｍ、シャッタ付）を通った後、ビームスプリッタ１
４で参照光とプローブ光に分けられる。１５は参照光の
強度を測定する光検出器１５で、光検出器１５で測定さ
れた光強度はコンピュータ（解析手段）２４に取り込ま
れる。
【００２４】１６はミラー１８と、ミラー１８が取り付
けられた回転台１７と、回転台１７を回転させる不図示
のステップモータとを有する入射角度制御手段で、ミラ
ー１７の角度を振って、ミラー１７に入射されたプロー
ブ光の被測定体２５への入射角度を制御する。そして、
入射角度が制御されたプローブ光はコリメータ用のレン
ズ１９を通して半球状のプリズム２０に入射する。この
とき、ミラー１７の角度に応じてレーザ光は図２の光路
を通ってプリズム２０に入射することになる。そのうち
ａ，ｂ，ｃはそれぞれ入射角度の最も小さい光路，中間
の光路，最も大きい光路を示す。焦点距離１００ｍｍ、
有効径４０ｍｍのレンズ１９を用いると、Δθ＝２０°
の範囲で入射角度を走査できる。
けられた回転台１７と、回転台１７を回転させる不図示
のステップモータとを有する入射角度制御手段で、ミラ
ー１７の角度を振って、ミラー１７に入射されたプロー
ブ光の被測定体２５への入射角度を制御する。そして、
入射角度が制御されたプローブ光はコリメータ用のレン
ズ１９を通して半球状のプリズム２０に入射する。この
とき、ミラー１７の角度に応じてレーザ光は図２の光路
を通ってプリズム２０に入射することになる。そのうち
ａ，ｂ，ｃはそれぞれ入射角度の最も小さい光路，中間
の光路，最も大きい光路を示す。焦点距離１００ｍｍ、
有効径４０ｍｍのレンズ１９を用いると、Δθ＝２０°
の範囲で入射角度を走査できる。
【００２５】２０は平坦面を被測定体２４表面に対向さ
せて置かれ、かつ被測定体２４上に間隙２１を介して置
かれたプリズムである。入射光はプリズム２０と間隙２
１を介して被測定体２５に所定の入射角度で入射され
る。ここで、間隙２１を満たす媒質は大気である。大気
の誘電率はほぼ１であるため、プリズム２０の誘電率よ
りも小さく、オットー配置が成立する。
せて置かれ、かつ被測定体２４上に間隙２１を介して置
かれたプリズムである。入射光はプリズム２０と間隙２
１を介して被測定体２５に所定の入射角度で入射され
る。ここで、間隙２１を満たす媒質は大気である。大気
の誘電率はほぼ１であるため、プリズム２０の誘電率よ
りも小さく、オットー配置が成立する。
【００２６】２３は被測定体２５からの反射光を検出す
る光検出器で、反射光を集光するレンズ２２が被測定体
２５と光検出器２３の間の光路上に置かれている。２４
は光検出器２３で測定された反射光の強度を取り込み、
これをもとに反射率を導出し、反射率と入射角度との対
応関係から膜厚と複素誘電率を導出するコンピュータで
ある。また、コンピュータ２４からの制御信号（トリ
ガ）により回転台１７は矢印の方向に回転する。また、
レーザ光がｃの経路を通るときに、制御信号をコンピュ
ータ２４に送り、コンピュータ２４からピンホール１３
にシャッタを閉じる信号が送られる。
る光検出器で、反射光を集光するレンズ２２が被測定体
２５と光検出器２３の間の光路上に置かれている。２４
は光検出器２３で測定された反射光の強度を取り込み、
これをもとに反射率を導出し、反射率と入射角度との対
応関係から膜厚と複素誘電率を導出するコンピュータで
ある。また、コンピュータ２４からの制御信号（トリ
ガ）により回転台１７は矢印の方向に回転する。また、
レーザ光がｃの経路を通るときに、制御信号をコンピュ
ータ２４に送り、コンピュータ２４からピンホール１３
にシャッタを閉じる信号が送られる。
【００２７】２５は例えば、シリコン基板上にＡｌ膜
（被測定膜）が形成されている被測定体である。２６は
被測定体２５を保持する載置台で、載置台２６を上下に
微動し、載置台２６とは独立に固定してあるプリズム２
０に被測定体２５を近づけて間隙２１の間隔を変える。
（被測定膜）が形成されている被測定体である。２６は
被測定体２５を保持する載置台で、載置台２６を上下に
微動し、載置台２６とは独立に固定してあるプリズム２
０に被測定体２５を近づけて間隙２１の間隔を変える。
【００２８】次に、上記の装置を用いて薄膜の膜厚及び
複素誘電率を測定する方法について説明する。薄膜とし
てシリコン基板上のＡｌ膜を用いた例について示す。レ
ーザ１１はＨｅ−Ｎｅレーザ（0.5 ｍＷ、λ＝632.8 ｎ
ｍ）を用い、図２のｂで示す入射光の経路が被測定体２
５の法線方向から計って４５°（入射角度θ）になるよ
うに入射光学系及び出射光学系を配置した。
複素誘電率を測定する方法について説明する。薄膜とし
てシリコン基板上のＡｌ膜を用いた例について示す。レ
ーザ１１はＨｅ−Ｎｅレーザ（0.5 ｍＷ、λ＝632.8 ｎ
ｍ）を用い、図２のｂで示す入射光の経路が被測定体２
５の法線方向から計って４５°（入射角度θ）になるよ
うに入射光学系及び出射光学系を配置した。
【００２９】測定及びデータ取得は次のようにして行っ
た。即ち、最初のトリガを受けた後、プリズム２０中で
の光の入射角度θが0.1 °変わる毎に反射光の強度をコ
ンピュータ２４に取り込み、参照光と反射光の強度比か
ら反射率を求めた。Ａｌ膜の膜厚が10.0ｎｍ（試料Ａ）
と10.5ｎｍ（試料Ｂ）の結果を図１２に示す。図１２に
おいて、縦軸は比例目盛で示した反射率を表し、横軸は
比例目盛で示した入射角度θ（°）を表す。
た。即ち、最初のトリガを受けた後、プリズム２０中で
の光の入射角度θが0.1 °変わる毎に反射光の強度をコ
ンピュータ２４に取り込み、参照光と反射光の強度比か
ら反射率を求めた。Ａｌ膜の膜厚が10.0ｎｍ（試料Ａ）
と10.5ｎｍ（試料Ｂ）の結果を図１２に示す。図１２に
おいて、縦軸は比例目盛で示した反射率を表し、横軸は
比例目盛で示した入射角度θ（°）を表す。
【００３０】次いで、反射率の入射角度依存性について
の理論計算と測定結果の最小二乗フィッティングから膜
厚と複素誘電率を求めた。フィッティングにより得られ
たＡｌ膜等の膜厚及び複素誘電率を表１に示す。
の理論計算と測定結果の最小二乗フィッティングから膜
厚と複素誘電率を求めた。フィッティングにより得られ
たＡｌ膜等の膜厚及び複素誘電率を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】この結果より、１０ｎｍのオーダで膜厚測
定が可能であり、0.5 ｎｍ程度の分解能で膜厚を決定で
きることが分かる。以上のように、本発明の第２の実施
例によれば、表面プラズモンの励起による反射率の変動
をもとに膜厚を導出しているので、プローブ光の波長の
オーダ以下の膜厚測定に適している。
定が可能であり、0.5 ｎｍ程度の分解能で膜厚を決定で
きることが分かる。以上のように、本発明の第２の実施
例によれば、表面プラズモンの励起による反射率の変動
をもとに膜厚を導出しているので、プローブ光の波長の
オーダ以下の膜厚測定に適している。
【００３３】また、反射率の入射角度依存性についての
理論計算と測定結果の最小二乗フィッティングをもとに
膜厚と複素誘電率を求めているので、膜厚と同時に複素
誘電率を導出することができる。なお、上述の実施例で
は、光源１１としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いているが、
被測定体２６の種類に応じて波長が異なるＡｒイオンレ
ーザ等を用いても同様な効果が得られる。
理論計算と測定結果の最小二乗フィッティングをもとに
膜厚と複素誘電率を求めているので、膜厚と同時に複素
誘電率を導出することができる。なお、上述の実施例で
は、光源１１としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いているが、
被測定体２６の種類に応じて波長が異なるＡｒイオンレ
ーザ等を用いても同様な効果が得られる。
【００３４】また、色素レーザのような波長可変のレー
ザを用いても同様な効果が得られる。これにより、一光
源で広い波長範囲にわたって誘電率測定が可能となる。
更に、半球状のプリズム２０の代わりに半円柱状のプリ
ズムを用いても同様な効果が得られる。この場合、入射
光と反射光とを含む面（図２の紙面）に垂直な方向に円
柱の中心軸が向くように、かつ平坦面が被測定体２５の
表面に対向するようにプリズムを被測定体２５上に置
く。 （３）第３の実施例 図３は、本発明の第３の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置について示す構成図である。
ザを用いても同様な効果が得られる。これにより、一光
源で広い波長範囲にわたって誘電率測定が可能となる。
更に、半球状のプリズム２０の代わりに半円柱状のプリ
ズムを用いても同様な効果が得られる。この場合、入射
光と反射光とを含む面（図２の紙面）に垂直な方向に円
柱の中心軸が向くように、かつ平坦面が被測定体２５の
表面に対向するようにプリズムを被測定体２５上に置
く。 （３）第３の実施例 図３は、本発明の第３の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置について示す構成図である。
【００３５】図３に示すように、モノクロメータ（単色
光器）３４を介在させたハロゲンランプ３１を光源とし
て用い、単色化した光を出射する。なお、ハロゲンラン
プ３１とモノクロメータ３４の間にチョッパ３２とハロ
ゲンランプ３１からの光を集光するレンズ３３とが配置
される。単色化された光は偏光板１２でｐ偏光成分のみ
が取り出され、レンズ３５、ピンホール１３（直径１ｍ
ｍ、シャッタ付）を通った後、ビームスプリッタ１４で
参照光とプローブ光に分けられる。
光器）３４を介在させたハロゲンランプ３１を光源とし
て用い、単色化した光を出射する。なお、ハロゲンラン
プ３１とモノクロメータ３４の間にチョッパ３２とハロ
ゲンランプ３１からの光を集光するレンズ３３とが配置
される。単色化された光は偏光板１２でｐ偏光成分のみ
が取り出され、レンズ３５、ピンホール１３（直径１ｍ
ｍ、シャッタ付）を通った後、ビームスプリッタ１４で
参照光とプローブ光に分けられる。
【００３６】３６はチョッパ３２と同期する信号をもと
に光検出器１５，２３を介して参照光と反射光の強度を
検出するロックインアンプで、ロックインアンプ３６に
検出されたそれらの光強度はコンピュータ２４に取り込
まれる。なお、他の構成は第１の実施例と同じであり、
図３中他の符号で示すものは図２と同じ符号で示すもの
は図２と同じものを示す。
に光検出器１５，２３を介して参照光と反射光の強度を
検出するロックインアンプで、ロックインアンプ３６に
検出されたそれらの光強度はコンピュータ２４に取り込
まれる。なお、他の構成は第１の実施例と同じであり、
図３中他の符号で示すものは図２と同じ符号で示すもの
は図２と同じものを示す。
【００３７】以上のように、本発明の第３の実施例によ
れば、モノクロメータ３４を介在させたハロゲンランプ
３１を光源として用い、単色光を出射しているので、レ
ーザと同等の光源として膜厚及び誘電率の測定に用いる
ことができる。この場合でも、レーザ光源を用いた第２
の実施例と同様に、プローブ光の波長のオーダ以下の膜
厚測定にも適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測
定できる。 （４）第４の実施例 図４（ａ）は、本発明の第４の実施例に係る膜厚及び誘
電率の測定装置の構成図を示す側面図である。
れば、モノクロメータ３４を介在させたハロゲンランプ
３１を光源として用い、単色光を出射しているので、レ
ーザと同等の光源として膜厚及び誘電率の測定に用いる
ことができる。この場合でも、レーザ光源を用いた第２
の実施例と同様に、プローブ光の波長のオーダ以下の膜
厚測定にも適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測
定できる。 （４）第４の実施例 図４（ａ）は、本発明の第４の実施例に係る膜厚及び誘
電率の測定装置の構成図を示す側面図である。
【００３８】第４の実施例において、第２及び第３の実
施例と異なるところは、半球状又は半円柱状のプリズム
２０の代わりに三角柱状のプリズム（頂角が９０°）３
７を用いていることである。なお、プリズム３７と被測
定体２５の間の媒質は第２の実施例と同じように大気で
ある。この場合、図４（ａ）に示すように、入射光学系
（ミラー１８、レンズ１９）とプリズム３７の配置は、
プリズム３７中での被測定体までの入射光の光路ができ
るだけ短くなるように、プリズム３７の中心からずれた
ところに入射するようにする。これは次のような理由に
よる。
施例と異なるところは、半球状又は半円柱状のプリズム
２０の代わりに三角柱状のプリズム（頂角が９０°）３
７を用いていることである。なお、プリズム３７と被測
定体２５の間の媒質は第２の実施例と同じように大気で
ある。この場合、図４（ａ）に示すように、入射光学系
（ミラー１８、レンズ１９）とプリズム３７の配置は、
プリズム３７中での被測定体までの入射光の光路ができ
るだけ短くなるように、プリズム３７の中心からずれた
ところに入射するようにする。これは次のような理由に
よる。
【００３９】即ち、図２及び図３に示すような半球状又
は半円柱状のプリズム２０を用いた場合には、プローブ
光をプリズム２０の中心に向かって入射させることによ
り、プリズム２０面での光の屈折がなく、被測定体２５
に対する光の入射角制御を正確に行える。しかし、図４
（ａ）に示すように、三角柱状のプリズム３７を用いた
場合には、プリズム３７の斜面に対する入射角度が変化
するので、入射角度に応じて光が屈折し、被測定体２５
の表面上でプローブ光の照射位置が少しずつずれる。従
って、このズレ量をできるだけ小さくするために上述の
配置を取る。なお、プリズム３７の形状及び配置以外は
第１の実施例と同様である。
は半円柱状のプリズム２０を用いた場合には、プローブ
光をプリズム２０の中心に向かって入射させることによ
り、プリズム２０面での光の屈折がなく、被測定体２５
に対する光の入射角制御を正確に行える。しかし、図４
（ａ）に示すように、三角柱状のプリズム３７を用いた
場合には、プリズム３７の斜面に対する入射角度が変化
するので、入射角度に応じて光が屈折し、被測定体２５
の表面上でプローブ光の照射位置が少しずつずれる。従
って、このズレ量をできるだけ小さくするために上述の
配置を取る。なお、プリズム３７の形状及び配置以外は
第１の実施例と同様である。
【００４０】以上のように、本発明の第４の実施例によ
れば、三角柱状のプリズム３７を用いている。これによ
っても、第２の実施例と同様に、オットー配置の条件を
満たすため、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定
にも適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定でき
る。なお、第４の実施例では、三角柱状のプリズム３７
の頂角は９０°であるが、試料に応じて適当な頂角のプ
リズムを用いても同様な効果が得られる。
れば、三角柱状のプリズム３７を用いている。これによ
っても、第２の実施例と同様に、オットー配置の条件を
満たすため、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定
にも適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定でき
る。なお、第４の実施例では、三角柱状のプリズム３７
の頂角は９０°であるが、試料に応じて適当な頂角のプ
リズムを用いても同様な効果が得られる。
【００４１】また、三角柱状のプリズム３７の代わりに
図４（ｂ）に示すような台形状のプリズム３８を用いて
も同様な効果が得られる。但し、入射光はプリズム３８
の斜面から入射し、反射光はプリズム３８の斜面から出
射されるようにする。更に、光源１１としてＨｅ−Ｎｅ
レーザを用いているが、アルゴンイオンレーザや色素レ
ーザを用いてもよい。
図４（ｂ）に示すような台形状のプリズム３８を用いて
も同様な効果が得られる。但し、入射光はプリズム３８
の斜面から入射し、反射光はプリズム３８の斜面から出
射されるようにする。更に、光源１１としてＨｅ−Ｎｅ
レーザを用いているが、アルゴンイオンレーザや色素レ
ーザを用いてもよい。
【００４２】また、第３の実施例のようにモノクロメー
タ３４を介在するハロゲンランプ３１を光源として用
い、単色化した光を出射する場合でも同様な効果が得ら
れる。 （５）第５の実施例 図５は、本発明の第５の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成図である。
タ３４を介在するハロゲンランプ３１を光源として用
い、単色化した光を出射する場合でも同様な効果が得ら
れる。 （５）第５の実施例 図５は、本発明の第５の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成図である。
【００４３】第２の実施例と異なるところは、被測定体
２５の位置合わせを行うための顕微鏡３９を設置し、か
つ載置台４０は三軸方向に微動可能であることである。
なお、他の構成は第１の実施例と同じであり、図５中他
の符号で示すものは図２と同じ符号で示すものは図２と
同じものを示す。これにより、被測定体２５上の薄膜の
測定箇所を特定して測定を行うことができる。また、被
測定体２５上に薄膜が局所的に形成されているときも、
その部分に正確に位置合わせすることができる。微細化
されたデバイスに適用可能である。
２５の位置合わせを行うための顕微鏡３９を設置し、か
つ載置台４０は三軸方向に微動可能であることである。
なお、他の構成は第１の実施例と同じであり、図５中他
の符号で示すものは図２と同じ符号で示すものは図２と
同じものを示す。これにより、被測定体２５上の薄膜の
測定箇所を特定して測定を行うことができる。また、被
測定体２５上に薄膜が局所的に形成されているときも、
その部分に正確に位置合わせすることができる。微細化
されたデバイスに適用可能である。
【００４４】この場合でも、第２の実施例と同様に、プ
ローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定にも適用でき、
かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定できる。第５の実施
例では、半球状のプリズム２０を用いているが、半円柱
状のプリズムや、図４に示すような三角柱状のプリズム
３７，台形状のプリズム３８を用いても同様な効果が得
られる。
ローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定にも適用でき、
かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定できる。第５の実施
例では、半球状のプリズム２０を用いているが、半円柱
状のプリズムや、図４に示すような三角柱状のプリズム
３７，台形状のプリズム３８を用いても同様な効果が得
られる。
【００４５】また、光源１１としてＨｅ−Ｎｅレーザを
用いているが、アルゴンイオンレーザや色素レーザでも
よい。更に、第３の実施例のようにモノクロメータ３４
を介在するハロゲンランプ３１を光源として用い、単色
化した光を出射する場合でも同様な効果が得られる。 （６）第６の実施例 図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
用いているが、アルゴンイオンレーザや色素レーザでも
よい。更に、第３の実施例のようにモノクロメータ３４
を介在するハロゲンランプ３１を光源として用い、単色
化した光を出射する場合でも同様な効果が得られる。 （６）第６の実施例 図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第６の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
【００４６】まず、図６（ａ）に示すように、半球状の
プリズム２０の平坦面に膜厚約５００ｎｍのCaF2膜４１
を蒸着により形成した後、パターニングし、プリズム２
０の平坦面の周辺部にCaF2膜４１を残す。続いて、図６
（ｂ）に示すように、プリズム２０の平坦面と被測定体
２５とを対向してプリズム２０を被測定体２５上に置
く。これにより、プリズム２０と被測定体２５の間に大
気で満たされた間隙２１が形成される。なお、被測定体
２５は基板上に被測定膜が形成されてなる。
プリズム２０の平坦面に膜厚約５００ｎｍのCaF2膜４１
を蒸着により形成した後、パターニングし、プリズム２
０の平坦面の周辺部にCaF2膜４１を残す。続いて、図６
（ｂ）に示すように、プリズム２０の平坦面と被測定体
２５とを対向してプリズム２０を被測定体２５上に置
く。これにより、プリズム２０と被測定体２５の間に大
気で満たされた間隙２１が形成される。なお、被測定体
２５は基板上に被測定膜が形成されてなる。
【００４７】従って、間隙２１の間隔を正確に設定する
ことができる。この場合も、第２の実施例と同様に、プ
ローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定にも適用でき、
かつ被測定膜の膜厚測定と同時に複素誘電率を測定でき
る。なお、半球状のプリズム２０の代わりに半円柱状の
プリズムを使用しても同様な効果が得られる。また、第
３の実施例に示すような三角柱状のプリズム３７及び台
形柱状のプリズム３８を用いても同様な効果が得られ
る。
ことができる。この場合も、第２の実施例と同様に、プ
ローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定にも適用でき、
かつ被測定膜の膜厚測定と同時に複素誘電率を測定でき
る。なお、半球状のプリズム２０の代わりに半円柱状の
プリズムを使用しても同様な効果が得られる。また、第
３の実施例に示すような三角柱状のプリズム３７及び台
形柱状のプリズム３８を用いても同様な効果が得られ
る。
【００４８】また、プリズム２０の平坦面の周辺部に形
成する膜として、ＣａＦ2 膜４１以外の膜を用いてもよ
い。 （７）第７の実施例 図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第７の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
成する膜として、ＣａＦ2 膜４１以外の膜を用いてもよ
い。 （７）第７の実施例 図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第７の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
【００４９】まず、図７（ａ）に示すように、被測定体
２５の被測定膜上に膜厚約５００ｎｍのCaF2膜41ａを蒸
着により形成した後、パターニングし、被測定体２５の
対向面の周辺部にCaF2膜41ａを残す。続いて、図７
（ｂ）に示すように、残ったCaF2膜41ａ上にプリズム２
０を置くことによりプリズム２０と被測定体２５の間に
大気の満たされた間隙２１を形成する。
２５の被測定膜上に膜厚約５００ｎｍのCaF2膜41ａを蒸
着により形成した後、パターニングし、被測定体２５の
対向面の周辺部にCaF2膜41ａを残す。続いて、図７
（ｂ）に示すように、残ったCaF2膜41ａ上にプリズム２
０を置くことによりプリズム２０と被測定体２５の間に
大気の満たされた間隙２１を形成する。
【００５０】上記により間隙２１の間隔を正確に設定す
ることができる。この場合も、第２の実施例と同様に、
プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定にも適用で
き、かつ被測定膜の膜厚と同時に複素誘電率を測定でき
る。また、プリズム２０の平坦面の周辺部に形成する膜
として、CaF2膜41ａ以外の膜を用いてもよい。 （８）第８の実施例 図８（ａ），（ｂ）は、本発明の第８の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
ることができる。この場合も、第２の実施例と同様に、
プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定にも適用で
き、かつ被測定膜の膜厚と同時に複素誘電率を測定でき
る。また、プリズム２０の平坦面の周辺部に形成する膜
として、CaF2膜41ａ以外の膜を用いてもよい。 （８）第８の実施例 図８（ａ），（ｂ）は、本発明の第８の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
【００５１】第７の実施例と異なるところは、誘電率が
2.3 であるプリズム２０と被測定体２５との間の媒質と
して誘電率がほぼ1.91であるMgF2膜４２を用いているこ
とであり、次のようにして作成される。即ち、図８
（ａ）に示すように、半球状のプリズム２０の平坦面の
全面に膜厚５００ｎｍのMgF2膜４２を蒸着により形成し
た後、図８（ｂ）に示すように、MgF2膜４２と被測定体
２５の表面を対向させて被測定体２５の上に置く。これ
により、プリズム２０と媒質４２と被測定膜との間でオ
ットー配置が成立する。なお、被測定体２５はシリコン
基板からなる基板上に被測定膜としてのＡｌ膜が形成さ
れている。
2.3 であるプリズム２０と被測定体２５との間の媒質と
して誘電率がほぼ1.91であるMgF2膜４２を用いているこ
とであり、次のようにして作成される。即ち、図８
（ａ）に示すように、半球状のプリズム２０の平坦面の
全面に膜厚５００ｎｍのMgF2膜４２を蒸着により形成し
た後、図８（ｂ）に示すように、MgF2膜４２と被測定体
２５の表面を対向させて被測定体２５の上に置く。これ
により、プリズム２０と媒質４２と被測定膜との間でオ
ットー配置が成立する。なお、被測定体２５はシリコン
基板からなる基板上に被測定膜としてのＡｌ膜が形成さ
れている。
【００５２】次に、第２の実施例と同様にして導出され
た、Ａｌ膜の反射率の入射角度θ依存性の結果を図１３
に示す。図１３において、縦軸は比例目盛で示した反射
率を表し、横軸は比例目盛で示した入射角度θ（°）を
表す。次いで、第２の実施例と同様にして、反射率の入
射角度依存性についての理論計算と測定結果の最小二乗
フィッティングからＡｌ膜等の膜厚と複素誘電率を求め
た。フィッティングにより得られたＡｌ膜等の膜厚及び
複素誘電率を表２に示す。
た、Ａｌ膜の反射率の入射角度θ依存性の結果を図１３
に示す。図１３において、縦軸は比例目盛で示した反射
率を表し、横軸は比例目盛で示した入射角度θ（°）を
表す。次いで、第２の実施例と同様にして、反射率の入
射角度依存性についての理論計算と測定結果の最小二乗
フィッティングからＡｌ膜等の膜厚と複素誘電率を求め
た。フィッティングにより得られたＡｌ膜等の膜厚及び
複素誘電率を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】以上のように、本発明の第８の実施例によ
れば、プリズム２０と被測定体２５との間の媒質４２の
厚さ寸法を正確に設定することができる。この場合も、
第２の実施例と同様に、プローブ光の波長のオーダ以下
の膜厚測定に適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を
測定できる。なお、半球状のプリズム２０の代わりに半
円柱状のプリズムを使用しても同様な効果が得られる。
また、第３の実施例に示すように、三角柱状のプリズム
３７及び台形柱状のプリズム３８を用いても同様な効果
が得られる。
れば、プリズム２０と被測定体２５との間の媒質４２の
厚さ寸法を正確に設定することができる。この場合も、
第２の実施例と同様に、プローブ光の波長のオーダ以下
の膜厚測定に適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を
測定できる。なお、半球状のプリズム２０の代わりに半
円柱状のプリズムを使用しても同様な効果が得られる。
また、第３の実施例に示すように、三角柱状のプリズム
３７及び台形柱状のプリズム３８を用いても同様な効果
が得られる。
【００５５】更に、媒質４２としてMgF2膜４２を用いて
いるが、オットー配置が成立するような他の媒質を用い
ることも可能である。 （９）第９の実施例 図９（ａ），（ｂ）は、本発明の第９の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
いるが、オットー配置が成立するような他の媒質を用い
ることも可能である。 （９）第９の実施例 図９（ａ），（ｂ）は、本発明の第９の実施例に係る膜
厚及び誘電率の測定装置において、プリズムと媒質と被
測定体からなる構成体の形成方法について示す断面図で
ある。
【００５６】まず、図９（ａ）に示すように、被測定体
２５の全面に膜厚約５００ｎｍのMgF2膜42ａを蒸着によ
り形成した後、図９（ｂ）に示すように、MgF2膜42ａ上
にプリズム２０を置く。これにより、第８の実施例と同
様に、被測定体２５とプリズム２０の間に介在する媒質
の厚さ寸法を正確に設定することができる。この場合
も、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定に適用で
き、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定することができ
る。
２５の全面に膜厚約５００ｎｍのMgF2膜42ａを蒸着によ
り形成した後、図９（ｂ）に示すように、MgF2膜42ａ上
にプリズム２０を置く。これにより、第８の実施例と同
様に、被測定体２５とプリズム２０の間に介在する媒質
の厚さ寸法を正確に設定することができる。この場合
も、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定に適用で
き、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定することができ
る。
【００５７】なお、半球状のプリズム２０の代わりに半
円柱状のプリズムを使用しても同様な効果が得られる。
また、第３の実施例に示すように、三角柱状のプリズム
３７及び台形柱状のプリズム３８を用いても同様な効果
が得られる。更に、媒質42ａとしてMgF2膜を用いている
が、オットー配置が成立するような他の媒質を用いるこ
とも可能である。 （１０）第１０及び第１１の実施例 図１０は、本発明の第１０の実施例に係る膜厚及び誘電
率の測定装置において、プリズムと媒質と被測定体の構
成について示す断面図である。
円柱状のプリズムを使用しても同様な効果が得られる。
また、第３の実施例に示すように、三角柱状のプリズム
３７及び台形柱状のプリズム３８を用いても同様な効果
が得られる。更に、媒質42ａとしてMgF2膜を用いている
が、オットー配置が成立するような他の媒質を用いるこ
とも可能である。 （１０）第１０及び第１１の実施例 図１０は、本発明の第１０の実施例に係る膜厚及び誘電
率の測定装置において、プリズムと媒質と被測定体の構
成について示す断面図である。
【００５８】第１の実施例に示したプリズム２０と被測
定体２５の間に媒質としてプリズム２０より誘電率が小
さいオイル４３を注入する。その他の構成は第１の実施
例と同様である。この場合も、第２の実施例と同様に、
オットー配置が成立するため、プローブ光の波長のオー
ダ以下の膜厚測定に適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘
電率を測定することができる。
定体２５の間に媒質としてプリズム２０より誘電率が小
さいオイル４３を注入する。その他の構成は第１の実施
例と同様である。この場合も、第２の実施例と同様に、
オットー配置が成立するため、プローブ光の波長のオー
ダ以下の膜厚測定に適用でき、かつ膜厚測定と同時に誘
電率を測定することができる。
【００５９】なお、プリズム２０と被測定体２５の間の
媒質４３は、他の液体でも同様な効果が得られる。ま
た、第２〜第６の実施例に示すように気体でも同様な効
果が得られ、第７、第８の実施例に示すように固体でも
同様な効果が得られる。また、図１１に示す第１１の実
施例のように、図６，図７に示すMgF2膜４１又は41ａに
より形成された間隙２１にオイル43ａを注入してもよ
い。この場合も、上記と同様に、オットー配置が成立す
るため、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定に適
用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定することが
できる。
媒質４３は、他の液体でも同様な効果が得られる。ま
た、第２〜第６の実施例に示すように気体でも同様な効
果が得られ、第７、第８の実施例に示すように固体でも
同様な効果が得られる。また、図１１に示す第１１の実
施例のように、図６，図７に示すMgF2膜４１又は41ａに
より形成された間隙２１にオイル43ａを注入してもよ
い。この場合も、上記と同様に、オットー配置が成立す
るため、プローブ光の波長のオーダ以下の膜厚測定に適
用でき、かつ膜厚測定と同時に誘電率を測定することが
できる。
【００６０】
【発明の効果】以上のように、本発明の膜厚及び誘電率
の測定装置及びその測定方法においては、光の波長より
短いオーダでの薄膜の膜厚測定が可能であり、１０ｎｍ
程度の膜厚に対して非常に高感度な膜厚測定が行えると
同時に複素誘電率も決定できる。
の測定装置及びその測定方法においては、光の波長より
短いオーダでの薄膜の膜厚測定が可能であり、１０ｎｍ
程度の膜厚に対して非常に高感度な膜厚測定が行えると
同時に複素誘電率も決定できる。
【００６１】これにより、半導体デバイスの薄膜評価、
特に金属膜やシリサイド膜の物性評価に寄与するところ
が大きい。
特に金属膜やシリサイド膜の物性評価に寄与するところ
が大きい。
【図１】本発明の第１の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成について示す側面図及び測定原理につい
て示す特性図である。
測定装置の構成について示す側面図及び測定原理につい
て示す特性図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成について示す側面図である。
測定装置の構成について示す側面図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成について示す側面図である。
測定装置の構成について示す側面図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成について示す側面図である。
測定装置の構成について示す側面図である。
【図５】本発明の第５の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置の構成について示す側面図である。
測定装置の構成について示す側面図である。
【図６】本発明の第６の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
【図７】本発明の第７の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
【図８】本発明の第８の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
【図９】本発明の第９の実施例に係る膜厚及び誘電率の
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
測定装置において、プリズムと媒質と被測定体からなる
構成体の形成方法について示す断面図である。
【図１０】本発明の第１０の実施例に係る膜厚及び誘電
率の測定装置において、プリズムと媒質と被測定体の構
成について示す断面図である。
率の測定装置において、プリズムと媒質と被測定体の構
成について示す断面図である。
【図１１】本発明の第１１の実施例に係る膜厚及び誘電
率の測定装置において、プリズムと媒質と被測定体の構
成について示す断面図である。
率の測定装置において、プリズムと媒質と被測定体の構
成について示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係る膜厚及び誘電率
の測定装置を用いて測定された反射率の入射角度依存性
について示す特性図である。
の測定装置を用いて測定された反射率の入射角度依存性
について示す特性図である。
【図１３】本発明の第８の実施例に係る膜厚及び誘電率
の測定装置を用いて測定された反射率の入射角度依存性
について示す特性図である。
の測定装置を用いて測定された反射率の入射角度依存性
について示す特性図である。
１ 光源、 ２，１２ 偏光板（偏光手段）、 ３，１６ 入射角度制御手段、 ４，２０，３７，３８ プリズム、 ５ 媒質、 ６，２５ 被測定体、 ７ 光検出器、 ８ 解析手段、 ９，１０，１９，２２，３３，３５ レンズ、 １１ レーザ（光源）、 １３ ピンホール、 １４ ビームスプリッタ、 １５，２３ 光検出器、 １７ 回転台、 １８ ミラー、 ２１ 間隙（媒質）、 ２４ コンピュータ（解析手段）、 ２６，４０ 載置台、 ３１ ハロゲンランプ、 ３２ チョッパ、 ３４ モノクロメータ（単色光器）、 ３６ ロックインアンプ、 ３９ 顕微鏡、 ４１，41ａ CaF2膜、 ４２，42ａ MgF2膜（媒質）、 ４３，43ａ オイル（媒質）。
Claims (7)
- 【請求項１】 光源と、 前記光源から出射した光を被測定膜に対してＰ偏光に直
線偏光させる偏光手段と、 前記被測定膜の表面への前記光の入射角度を変化させる
入射角度制御手段と、 所定の前記入射角度で前記被測定膜の表面に入射する前
記光の光路上に介在し、前記被測定膜の表面上に媒質を
介して配置されるプリズムと、 前記被測定膜からの反射光を検出する光検出器と、 前記反射光をもとに反射率を導出し、かつ前記入射角度
に対する前記反射率の対応関係をもとに前記被測定膜の
膜厚及び誘電率を導出する解析手段とを有する膜厚及び
誘電率の測定装置。 - 【請求項２】 前記光源はＨｅ−Ｎｅレーザ，Ａｒイオ
ンレーザ，色素レーザ及び単色光器（モノクロメータ）
を介在させたハロゲンランプのいずれかであることを特
徴とする請求項１記載の膜厚及び誘電率の測定装置。 - 【請求項３】 前記プリズムは半球状，半円柱状，三角
柱状及び台形柱状の形状のうちいずれかの形状を有し、
前記プリズムの平坦面が前記被測定膜の表面に対向する
ように配置されることを特徴とする請求項１又は請求項
２記載の膜厚及び誘電率の測定装置。 - 【請求項４】 被測定膜の表面上にプリズムを配置し、
かつ前記被測定膜と前記プリズムの間に前記プリズムの
誘電率よりも小さい誘電率を有する媒質を介在した状態
で、前記被測定膜に対してＰ偏光した光を前記プリズム
及び前記媒質を介して前記被測定膜の表面に照射し、 前記被測定膜の表面への入射角度を変化させて前記入射
角度に対応する前記被測定膜からの反射光を検出し、 前記反射光をもとに前記光の入射角度に対する反射率の
対応関係を導出し、 前記対応関係をもとに前記被測定膜の膜厚及び誘電率を
導出する膜厚及び誘電率の測定方法。 - 【請求項５】 前記反射光の反射率の変化は表面プラズ
モンの励起を伴うことを特徴とする請求項４記載の膜厚
及び誘電率の測定方法。 - 【請求項６】 前記プリズムは半球状，半円柱状，三角
柱状及び台形状の形状のうちいずれかの形状を有し、前
記プリズムの平坦面が前記被測定膜の表面に対向するよ
うに配置されていることを特徴とする請求項４又は請求
項５記載の膜厚及び誘電率の測定方法。 - 【請求項７】 前記媒質は大気，オイル又はＭｇＦ2 膜
であることを特徴とする請求項４，請求項５又は請求項
６記載の膜厚及び誘電率の測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP649494A JPH07208937A (ja) | 1994-01-25 | 1994-01-25 | 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP649494A JPH07208937A (ja) | 1994-01-25 | 1994-01-25 | 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07208937A true JPH07208937A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=11640022
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP649494A Withdrawn JPH07208937A (ja) | 1994-01-25 | 1994-01-25 | 膜厚及び誘電率の測定装置及びその測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07208937A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1078390A (ja) * | 1996-09-04 | 1998-03-24 | Fuji Photo Film Co Ltd | 表面プラズモンセンサー |
| JP2009085887A (ja) * | 2007-10-02 | 2009-04-23 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | 測定装置及び方法 |
| JP2010197398A (ja) * | 2002-09-09 | 2010-09-09 | Zygo Corp | 薄膜構造の特性評価を含む、偏光解析、反射光測定および散乱光測定のための干渉計法 |
| WO2015171076A1 (en) * | 2014-05-08 | 2015-11-12 | National University Of Singapore | Device for analysing a specimen and corresponding method |
| CN106091954A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-11-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 利用介质薄膜控制Otto结构中空气隙厚度的方法 |
| RU2694167C1 (ru) * | 2018-06-20 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок |
-
1994
- 1994-01-25 JP JP649494A patent/JPH07208937A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1078390A (ja) * | 1996-09-04 | 1998-03-24 | Fuji Photo Film Co Ltd | 表面プラズモンセンサー |
| JP2010197398A (ja) * | 2002-09-09 | 2010-09-09 | Zygo Corp | 薄膜構造の特性評価を含む、偏光解析、反射光測定および散乱光測定のための干渉計法 |
| JP2009085887A (ja) * | 2007-10-02 | 2009-04-23 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | 測定装置及び方法 |
| WO2015171076A1 (en) * | 2014-05-08 | 2015-11-12 | National University Of Singapore | Device for analysing a specimen and corresponding method |
| CN106091954A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-11-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 利用介质薄膜控制Otto结构中空气隙厚度的方法 |
| RU2694167C1 (ru) * | 2018-06-20 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) | Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010403 |