JPS60256038A - 薄層試料の厚さと組成変数との両方を求める装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は層状または薄膜試料の厚さと組成変数との両方
を評価する新規な改良された方法と装置とに関する。試
料の完全な解析は２つの独立な検出法によって熱波を測
定することにより行なわれる。本発明は一般に集積回路
の製造における解析に特に適している。たとえば１本装
置は薄膜層の厚さと組成との両方に対して解析を行なう
ことができる。

従来の技術 材料を解析する技法を開発するために多くの努力がなさ
れてきた。このことは集積回路産業において特に重要で
ある。集積回路の分野においてはきわめて高精度で薄膜
の厚さと組成変数を非破壊的に評価することができる解
析法を開発する必要がある。膜の電気的または誘電的性
質およびその厚さの知識は高度に込み入った電子部品の
設計と製造の助けになることは理解できるであろう。

材料の組成はそのエネルギ輸送能力に直接影響を与える
。エネルギ輸送には２つのおもな様式がある。すなわち
電気的輸送と熱的輸送とである。

金属においては電気伝導度と熱伝導度とは直接相関する
。それは自由電子が電流と熱エネルギとの両方の輸送の
おもな機構であるからである。この関係はヒーテマン・
フランツ−ローレンツ（Ｗｉｅｄｅｍａｒｌ−Ｆｒａｎ
ｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚ）モデルで定義される。

したがって、少なくとも金属に対しては、一方のエネル
ギ輸送システムの特性が測定されると、他方のエネルギ
輸送システムについての情報は数学的に導出することが
できる。ひとたび電気伝導度または熱伝導度が導出され
ると、材料の組成または化学量論に関するデータを得る
ことができる。

誘電体膜に対してをま電気伝導度と熱伝導度との間に関
係はない。しかし熱伝導度は誘電体材料の組成または化
学量論についての情報を与える。

電気輸送システムによる全域材料の解析はかなり開発さ
れている。典型的には解析装置は電気伝導度に逆数で関
係する抵抗率を測定するように設計されている。第１図
に試料を抵抗率に基づいて評価する通常の解析装置を示
す。もつと詳しくは試料（乃は４点プローブ（４）とし
て知られている装置に接続されている。４点プローブは
試料の薄膜層（３）め表面と接触した２つの電圧プロー
ブ（５，６）を含む。これらの両プローブに電源（７）
から電圧をかける。第２プローブ（８，９）対を電圧プ
ローブ（５１６）の間で層（６）に接触させる。プロー
ブ（８，９）はメータ（１０）に接続してプローブの間
を流れる電流を測定する。

図では層の厚さはかなり誇張しであるが、実際にはプロ
ーブ（８，９）間の間隔より大巾に小さい。

この場合、電流は全表面層（３）を流れるものと仮定す
る。

図示の装置においてはメータ（１０）は抵抗率を測定す
るように設計しである。電流は全項を流れているので、
測定された抵抗は層のシート抵抗Ｒ８に等価である。不
幸にしてシート抵抗は、層の厚さにも関係するので、材
料の特定の特性の明確な情報を与えない。これに対して
、特定の金属薄膜の組成または化学量論についての定量
的情報を得るためにはシート抵抗よりバルク（体積）抵
抗率を知ることが必要である。

バルク抵抗率は次の式によってシート抵抗と関係してい
る： （１）　Ｒｓ＝ρ／ｌ ただしρはバルク抵抗率、ｔは層の厚さである。

式（１）から、シート抵抗が測定され、厚さが知られる
と、バルク抵抗率（したがって電気伝導度と材料の組成
も）が容易に計算できる。

成る製造状況においては当該層の厚さは正確にはわから
ない。このことはマイクロエレクトロニクス素子の製造
中の被着工程においてしばしば起こる。しばしば当該層
の組成ないし化学量論は知られていてそのバルク抵抗を
推定することができる。この場合（式（１）を用いてン
、層のシート抵抗を測定することができると、層の厚さ
ｔは計算することができる。

式（１）と上記の議論とから、シート抵抗Ｒ５を測定す
ることができ、他の２つのパラメータ、すなわち厚さｔ
とバルク抵抗率ρとの１つがわかっていると、残りのパ
ラメータは決定することができることは明らかである。

しかし厚さとバルク抵抗率とのいずれもがわかっていな
いと、現在のところシート抵抗だけの測定からはどちら
のパラメータも独立に導出する方法はない。この状況は
不幸にして普通に起こることである。たとえば、成る被
着技術によると一様でない層が基板に被着される。

さらに１被着された材料の組成は一定ではないので、任
意の位置におけるバルク抵抗率もわからない。

同様の状況は誘電体薄膜の解析においても起こる。その
ような薄膜の光学的測定のよつなはとんどすべての測定
によって薄膜の厚さと組成との両方の関数である情報が
得らねる。したがってこのような測定から薄膜の厚さか
または組成についての独立の情報を得ることは一般に不
可能である。

金属と誘電体の両方の層の厚さまたは組成変数は材料の
熱ノξラメータを評価することによっても解析すること
ができる。最近試料の熱特性を熱波の検出によって解析
するシステムの開発に大きな努力がなされてきた。

熱波検出システムにおいては試料の表面に強度変調熱源
を収束させ走査する。ビームが試料を走査すると、試料
の表面またはその近くにおいてエネルギが吸収され、熱
源の変調周波数で表面が周期的に加熱される。この周期
的表面加熱は加熱領域から伝播する熱波の源である。熱
波は通常の伝播する波の散乱と反射に数学的に同等なや
り方で熱境界および障壁と相互作用する。したがって試
料の表面上または表面下の５周囲と異なる熱特性を持つ
状況は熱波を反射および散乱させるので、これらの熱波
に対して可視的になる。しかし熱波は大きく減衰され、
約１波長進行するだけなので、透入遥過範囲は限られて
いる。さらに、伝播距離が小さいので、熱波自身は検出
が困難である。その上、試料中の微小規模の事態を検出
するためには、またはきわめて薄い膜について測定する
ためには０．１〜２０ＭＨ２の程度の変調周波数がしば
しば用いられる。このような高周波信号の検出は検出装
置の複雑性を増大させる。それにもかかわらずいくつか
の熱波を検出するシステムが開発されている。

そのようなシステムの１つが料特許第４，２５５，９７
１号に示されている。この特許は熱音響顕微鏡検査と呼
ばれる音波（音響波）の測定に基づく検出法を示してい
る。試料中に音波が発生されると、それらのエネルギの
一部は熱波によって引き起こされた局所的な応力とひず
みとのために同じ周波数の音波に常に変換される。音波
は熱波よりはるかに波長の長い進行波である。それらは
濃縮された媒体を容易に進行し、試料と音響的接触をし
た適当な音響変換器によって容易に検出される。音波の
大きさと位相とは熱波によって受ける相互作用に直接関
係する。大きさまたは位相は適当な位相に感じる、周波
数の固定された電子装置によって測定され、熱源の位置
の関数として記録される。

試料に取り付けられた圧電気結晶を用いる上記のシステ
ムは「接触」測定法であることは理解されるであろう。

「接触」測定法は時間がかかり汚染の可能性があるので
、マイクロエレクトロニクスの分野での生産状況には適
さない。したがって非接触検出法の開発に多くの努力が
なされた。このような非接触検出法の１つは米国製許出
願第４０１、５１１号および第４８１．２７５号に示さ
れている。　・ これらの出ｊｌＫは試料の表面において起こる局所的な
角変化を監視することＫよって熱波を検出する方法と装
置とが示されている。もっと詳しくは、試料の局所領域
に熱波が発生されたとき、試料の表面は局所的な熱弾性
効果によって周期的に加熱された領域内において周期的
な角変化を受ける。これらの角変化は変調加熱の周波数
と同じ周波数で起こる。

これらの変化を監視するためにレーザビームのようなエ
ネルギビームを試料の表面の、加熱領域の中心から成る
距離の位置に表面から反射されるように収束させる。試
料の表面で起こる局所的な角変化のために反射ビームは
周期的に角変位を受ける。角変位を測定することにより
試料中の熱波活動についての情報が得られる。この技法
は熱波を決定するための高感度法であることがわかった
。

試料中に存在する熱波の解析は層の厚さまたはその熱特
性に関する情報を得るのに用いることができる。熱波解
析を用いる評価法の型の完全な議論が米国特許出願第６
８９．６２３号に述べられている。そこに述べられてい
るように、Ｊ−の熱パラメータが知られているときは、
熱波解析によって層の厚さについての情報が得られる。

同様に、層の厚さが知らねているときは熱特性に関する
情報が得られる。この方法はまた試料の表面の厚さを仮
定する方法となり、熱特性の厚さによる変化を示す。し
かし、薄膜のそのような熱波解析に本性的な限界は金属
膜の電気的解析の限界または誘電体膜の光学的解析の限
界に類似であることは明らかである。もつと詳しく言う
と、層を構成する材料の特性を決定し材料を特定するた
めにはＩｉの厚さが知られなければならないか、層の厚
さを計算するためＫは材料が知られていなけれはならな
い。

明らかに、層の厚さとその材料の特性との両方について
の情報を与えるシステムを得ることは望ましいことであ
る。

したがって本発明の目的は１層の厚さとその組成変数と
の両方を評価することができる新規改良方法および装置
を得ることである。

本発明の他の目的は、２つの独立な熱波検出システムを
用いて層の厚さとその組成変数との両方を評価すること
ができる新規改良方法および装置を得ることである。

本発明のなお他の目的は、層の厚さと組成変数との両方
を評価することができる２つの独立な方法によって試料
の表面と試料内とにおいて温度変化が検出される新規改
良方法および装置を得ることである。

本発明のさらに他の目的は、熱波活動の２つの独立な測
定が得られ、それらの検出システムは同じハードウェア
を共有する新規改良装置を得ることである。

本発明によれば層の厚さと組成変数の両方を評価するこ
とができる方法と装置とが得られる。本発明の基礎は熱
波検出システムは２つのカテゴリに分けられるというこ
との発見である。両カテゴリにおいては評価は試料中の
温度変化によって行なわれる。しかしながら谷カテゴリ
においては温度変化の独立な測定が行なわれる。検出法
の第１のグループにおいては、熱波活動の出力信号は試
料表面における温度の関数である。第２グループにおい
ては、熱波活動の出力信号は試料の表面下における熱分
布の積分の関数である。

これらの２つの独立な測定によって２つの、未知数、す
なわち厚さと熱伝導度とだけを含む試料を表わす２組の
方程式が得られる。これら２つのパラメータは与えられ
た試料に対して両式で同じなので、これらの両式は２つ
の未知数について容易に解くことができる。したがって
、熱波を表面温度の関数と表面下の温度の積分の関数と
の両方として測定する手段を設けることにより試料を解
析して層の厚さとその熱伝導度との両方を決定すること
ができる。熱伝導度は材料の組成または化学量論につい
ての情報を与える。

本発明においては熱波は試料表面を局所的に周期的に加
熱することにより発生する。第１手段はおもに表面温度
の関数である熱波信号を検出する。

第２検出手段はおもに試料表面下の温度の積分の関数で
ある出力信号を発生する。最後に、２つの異なる型の検
出手段（検出装置）からの出力信号を処理して層の厚さ
と組成変数とについての情報を導出する手段を設ける。

上記の２つの熱波検出システム（熱音響顕微鏡検査法お
よび表面の角変化の測定）は両方とも第２カテゴリには
いる、すなわちおもに表面下の温度の積分の関数である
熱波信号の測定である。試料表面下の温度の積分の測定
に用いる可能性のある他のシステムは干渉計法である。

そのような干渉計法は１９８１年のアメリカ光学会のに
一パＴ■Ａ６−１　、　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅ
ｌｉｔ（技術摘要）、光音響分光学会合（Ｐｈｏｔｏａ
ｓｏｕｓｔｉｃ　Ｅｌｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　Ｍｅｅ
ｔｉｎｇ）におけるアメリ他（Ａｍｅｒｉθｔ　ａｌ）
の「光学変位作像」（Ｐｈｏｔｏ　ｐｉｓｐｌａａｅｍ
Ｑｎｔ工ｍａｇｉｎｇ）という論文に述べられている。

しかし現在はマイクロエレクトロニクス素子の熱波解析
に通常必要な高周波における信号を検出できる干渉計法
は存在しない。

不幸にして、おもに表面温度の関数である熱波信号を測
定できる検出法に関して類似の状況が従来技術にある。

特に、表面温度の測定に基づく方法はどれも集積回路に
おけるきわめて微小な現象およびきわめて薄い膜を処理
するのに必要な高周波において働くことはできない。高
周波を検出することができないために用いることができ
ないそのような従来技術の例はたとえばガスマイクロホ
ン光音響学を含む。この方法においては、試料は空気と
高感度マイクロホンとを含む閉じたチャンバ内Ｋｉｔ＜
。試料の表面からチャンバ内の空気に熱が周期的に伝達
されることによりチャンバの圧力が周期的に変化する。

この周期的圧力変化はマイクロホンで検出される。しか
しこれらのシステムはα１〜２０ＭＩｌ（ｇ範囲の圧力
変化を検出するようＫは設計されていなかったので、一
般にマイクロエレクトロニクスに用いるのには適してい
ない。

（たとえば１９８０年、ロンドンのアカデミツクプレス
（Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ）社、走査像顕微鏡検
査（８ｃａｎ’ｎｅｄ工ｍａｇｅ　Ｍｉｃｒｏｅｃｏｐ
ｙ）の中のワｙ　（ＷＯｎｇ　）による「走査光音響順
微鏡検’ｆｌｉ　Ｊ　（ＳｃａｎｎｉｎｇＰｈｏｔｏ−
Ａｃｏｕｓｔｉａ　Ｍｉｏｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＰＡＭ）
）の項を見よ。）試料の表面温度の関数である温度変化
を測定する他の方法は、試料表面の加熱領域と接触した
気体または液体媒質を透過するレーザを監視することを
含む。レーザビームは試料から隣接する媒質への周期的
な熱流のために周期的な偏向を受ける。

（たとえば１９８０年、ロンドンのアカデミツクブレス
社、走査像顕微鏡検査の中のフルニエおよびボッカラ（
Ｆｏｕｒｎｉθｒ　ａｎｄ　Ｂｑｃｏａｒａ）による［
光熱作像におけるミラーシュ効果Ｊ　（Ｔｈｅ　Ｍｉｒ
ａｇｅ　Ｒｔｆｆｅｃｔｉｎ　Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａ
ｌ工ｍａｇｉｎｇ）の項を見よ。）表面温度を測定する
第３の方法は表面の加熱領域から周期的に放射される赤
外線を検出する赤外線検出器を用いる。（１９８０年、
ロンドンのアカデミツクブレス社、走査像顕微鏡検査の
中のルーカラ（Ｌｕｕｋｋａ　ｌａ　）による「低変調
周波における光音響顕微鏡検査Ｊ　（Ｐｈｏｔｏａｃｏ
ｕｓｔｉｃ　ＭｉｃｒＯｓｃｏｐｙ　ａｔ　ＬｏｗＭｏ
ｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅ８）の項を見
よ。）光音響法と同様に、この測定システムは、表面温
度の関数である信号を測定することができるが、集積回
路にしほしば要求されるより高い周波数においては動作
感度が十分に高くはない。

この欠点は全く新規独特の熱波検出システムの開発によ
って除去される。この新規な検出システムは本願と同時
出願の米国特許出願第　号に述べられている。この出願
は上記の規準を満足する検出システムの理論と働きとを
詳述している。

この検出システムをここでは簡単に説明する。

試料中の熱波を検出する新規な方法と装置は、試料が周
期的に加熱されるとその中に起こる光学的反射率の変化
は試料の熱特性に依存して変るという原理に基づく。光
学的反射率は成る程度温度に依存することはわかってい
た。この依存性は次の式 ％式％）（） によって定義される。この式において、ＲＱは成る決め
られた温度における反射率を表わし、第２項は表面温度
の変化から起こる反射率の変化を表わす。項（θＲ／’
ａＴ　）は反射率の温度係数で、温度変化に関する反射
率の変化率を表わす。項△Ｔは試料表面における温度の
変化である。

たいていの測定／ステムに存在する固有のノイズの問題
のために、第１項ＲＱは値が大きいので、式の第２項に
ついての情報を検出するのはきわめて困難である。この
困−は加熱源を変調することによって克服できる。こう
することによって変調ビームの周波数で起こる反射率の
周期的変化は監視できる。この情報は信号を狭帯域フィ
ルタに通すことによって処理する。その結果、絶対反射
率Ｒ７ではなく、周期的表面温度変化によって起こる周
期的反射率信号１ｓＲＴだけが測定される。

周期的反射率信号ΔＲＴは次の式 ％式％（） によって定義される。この式かられかるように周期的反
射率信号ΔＲ７は周期的表面温度ΔＴに依存し、その大
きさを表わす。周期的表面温度自身は材料中の熱波の伝
播と相互作用とについての情報を与える。したがって、
適当な数学的方程式によって、反射率の測定された変化
に基づいて熱波活動を決定することができる。熱波の計
算は、以下に詳述するように、既知の基準試料に対して
信号を規格化することＫよって行なわれる。

上記のことに基づいて、反射率測定に基づく第１検出シ
ステムと、試料の表面下の温度の積分の関数である出力
信号を発生する公知の高周波測定法の任意の１つに基づ
く第２検出システムとを持つ装置を得るのが本発明の他
の特徴である。上記のように、この測定を行なう適当な
方法は、熱音響顕微鏡検査におけろように音波の検出、
または試料からの反射プローブビームの角変位の測定に
よる試料表面の角変化の監視を含む。

本発明のさらに他の目的は、実質的に余分の費用をかけ
ないで所望の結果を得るために同じハードウェアを用い
ることができるように２つの独立の検出法を有利に組み
合わせる方法と装置とを得ることである。以下に詳述す
るように、偏向法と反射率法とによる熱波の測定に伴な
うハードウェアは実質的に同じである。好ましい実施例
においては、これら２つの検出システムの間の唯一の差
異は出力信号の処理装置だけである。

以下に詳述するように、本発明は周期的局所加熱を受け
た試料表面の一部に投射された放射線プローブを含む。

第１検出装置を、周期的加熱による試料の反射率の周期
的変化に基づく反射した放射線プローブの強度変化を測
定するために設ける。

さらに、第２検出装置を、同じく周期的加熱による反射
した放射プローブの角変位を測定するために設ける。雨
検出装置からの出力信号を処理する装置を設けて層の厚
さと組成変数との両方についての情報を評価する。

好ましい実施例においては、第１および第２検出装置は
スプリットセル検出器のような単一の光検出素子（光電
変換素子）でつくることができる。

以下に説明するように、プローブビームの偏向はスプリ
ットセル光検出器の両手分からの出力信号間の差異を比
較することによって計算することができる。本発明によ
れば、両牛分からの出力信号はまた加算してビームの強
度変化の絶対的表示を与えることができる。したがって
、スプリット検出器の出力信号の差または和をとること
Ｋより、試料の周期的加熱による反射されたプローブビ
ームの偏向量と強度変化との両方を測定することができ
る。

実施例 第２図に本発明の方法を実施する装置（２０）を示す。

本装置は本質的に同じハードウェアを用いた、熱波信号
を検出する２つの独立な手段を与えるようになっている
。本発明の範囲は第２図の実施例よりかなり広いが、第
２図に示す装置は最小の費用で効果的に本発明の方法を
実施するのに特に適している。

上記のように本発明は試料（２２）中に発生された熱波
を調べることにより試料の厚さと組成変数との両方を評
価することができる。第２図では試料（２２）はプラッ
トホーム（２４）に載せである。プラットホーム（２４
）は互いに垂直な２つの方向に動くことができ、写像す
なわち作像が所望のときは試料は本発明の加熱ビームお
よびプローブビームに、よって走査することができる。

制御できるステージは業界で周知で、上記の米国特許第
４，２５５，９７１号にも示されている。

本発明では熱波を発生させる手段が必要である。

図示の実施例においてはこの手段は変ｔＡ！（３２）で
強度変調されたレーザ（３０）である。レーザビーム（
３４）は対物レンズ（３８）で試料（２２）の表ｉｍＫ
収束させるのが好ましい。変調された加熱ビームは収束
させる必要はないが、場合によっては空間的分解能（解
像力）を向上させるために収束させることが望ましい。

ビーム（３４）は試料面を周期的に加熱するためのもの
である。この周期的加熱はビームの中心から外向きに伝
播する熱波の源である。熱波は薄膜と基板との間の界面
のような試料の熱的特性と相互作用すると反射および散
乱して試料の表面と内部との温度を変える。

強度変調加熱源としてはＸ線、ガンマ線、赤外線、紫外
線、可視線、マイクロウェーブ、およびラジオ周波を含
む程々の波長の電磁放射がある。

強度変調加熱源としてはまた試料と、電子ビーム、プロ
トンビーム、中性子ビーム、イオンビーム、または分子
ビームのような強度変調された粒子流との相互作用によ
る熱励起がある。しかし、レーザビームは投射と収束が
容易で、同時にレーザプローブを用いることができるの
で、周期的加熱源としては強度変調されたレーザを用い
るのが好ましい。

強度変調されたビーム（５４）は対物レンズ（３８）を
通す前にグイクロイックミラー（６６）を通す。好まし
い実施例においては、加熱用ビームはアルゴンイオンレ
ーザで、グイクロイックミラーはアルゴンイオン放射に
対して透明である。以下に述べるように、グイクロイッ
クミラーは、好ましくはヘリウム−ネオンレーザによっ
て発生されたプローブレーザビームを反射する。

本発明では熱波な検出する２つの独立なシステムを用い
る。第１のシステムはおもに表面温度の関数である出力
信号を発生する型のものである。

第２システムはおもに試料の表面下の温度の積分の関数
である出力信号を発生する型のものでな、ければならな
い。

これらの規準を満足する公知の２つの熱波検出システム
は上に述べた。もつと詳しくは、上記の米国特許第４，
２５５，９７１号に述べられた型の熱音響検出システム
は試料表面下の温度の積分の関数である出力信号を発生
する。したがって、試料に接続された圧電気変換器を用
いるこのような熱音響法は本発明の方法と装置において
第２検出装置として機能する。しかし、熱音響システム
は「接触法コなので、特に集積回路の分野においてはあ
まり好ましくない。

したがって、好ましい実施例においては、第２検出装置
としては上記の米国出願第４０１．５１１号および第４
８１．２７５号に記載の型のレーザプローブを用いる。

この方法においては熱波信号は試料表面の加熱された領
域内で起こる局所的な角変化を監視することによって検
出される。特に、熱波が試料の局所領域に発生されると
、試料表面は周期的に加熱された領域内で周期的な角変
化を受ける。これらの変化を監視するためにレーザビー
ムを試料表面の加熱された領域から離れた位置に収束さ
せ、表面から反射させる。試料の表面において局所的角
変化が起こっているので、反射された、中心をはずれた
プローブビームは周期的に角変位ケ受ける。このプロー
ブビームの角変位を測定することＫより試料中の熱波活
動に関する情報を決定することができる。

この熱波検出法はおもに試料表面下の温度の積分の関数
である出力信号を発生する。今すぐ述べるように、この
ような熱波検出法を実施する構成要素は反射率検出法を
実施するのに必要な構成要素と実質的に同じである。

本発明の目的を達成するために、おもに表面温度の関数
である出力信号を発生する熱波検出システムも設けなけ
ればならない。上に指摘したように、従来は表面温度を
測定する若干の測定法があった。これらはたとえば赤外
線測定および光音響法を含む。しかし公知の、従来の測
定システムはいずれもマイクロエレクトロニクス試料に
必要な周波数では作動しない。特に試料中のミクロン規
喪の現象を検出するためには、またはミクロン規模より
薄い膜を測定するためには加熱用ビームを０．１〜２０
ＭＨｚの範囲の周波数で変、調する必要がある。今日ま
で表面温度を測定する従来法のいずれもこれらの高周波
で作動するのに十分な感度は持っていない。

しかしこの困難は本発明によれば反射率に基づく全く新
しい熱波検出法によって克服される。この新しい検出シ
ステムは米国特許出願第号に詳述されている。この出願
に述べられているように、熱波活動は周期的に加熱され
る領域内の試料表面における反射率の周期的変化を監視
することにより検出できる。

反射率の周期的変化は、プローブビームを試料表面に投
射し、反射ビームの強度変化を記録することＫより監視
できる。プローブビームが試料表面から反射されると、
それは試料の表面で電子と、したがって格子構造と相互
作用する。試料の格子構造は試料の温度が周期的に変る
と周期的に変る。

−ｆローブビームは試料表面におけるこの格子構造の変
化を本質的に「見る」。ビームの強度レベルは試料表面
の熱的状態の変化とともに変る。上記のことに基づいて
、偏向型測定システムと反射率法とは両方とも周期的に
加熱される領域内の試料表面から反射された放射プロー
ブビームの監視に基づくことがわかる。この状況によっ
て、１組の構成要素だけが用いられるが、２つの独立な
測定が行なえる装置の構成が可能になる。

第２図には本発明の第１および第２検出装置が示しであ
る。検出システムの光プローブはへリウムーネオンレー
ザ（５０）　Ｋよって発生される。ビームがスネルの法
則によって反射され、その反射率が試料表面の温度変化
によって測定可能なように影響されるかぎり、他の電磁
放射源をプローブビーム用に用いることができる。

ヘリウム−ネオンレーザ（５ｏ）から放射されるプロー
ブビーム（５２）はそれから偏光スプリッタ（５４）を
通す。偏光スプリッタはレーザ（５０）から発射される
コヒーレント光がそれを自由に透過するような方位にす
る。しかしこのスプリッタはビーム（５２）に相対的に
９０°回転した位相のすべての光を偏向させる。その理
由は以下に明らかＫなる。

光プローブ（光ビーム）　（５２）はそれから図波長板
（５５）を通す。図波長板（５５）はプローブビームの
位相を４５°回転させる。ビームの帰路では図波長板（
５５）はビームの位相なさらに４５°回転させるので、
それがスプリッタ（５４ンに達すると、ビームの位相は
入射方位に対して全部で９０’回転したことになる。そ
れによってスプリッタ（５りは以下にもつと詳しく説明
するように逆もどり反射光ビームを検出器（５６）に偏
向させる。

プローブビーム（５２）が最初に波長板（５５）を透過
した後、それはダ１クロイックミラー（３６）によって
下向きに反射される。上記のように、グイクロイックミ
ラーはアルゴンイオン光に対しては透明であるが、ヘリ
ウム−ネオン周波数の光は反射する。グイクロイックミ
ラー（５６）と対物レンズ（３８）とを含む光学系は調
節できて加熱用ビームに関してプローブビームを収束さ
せることができる。上記のように対物レンズ（３８）は
高分解能が必要な場合に望ましい。しかしプローブビー
ムは周期的に加熱される領域の一部内に投射することだ
けが必要である。

加熱用ビームが試料表面に投射されたとき、熱波がそこ
から放射方向に外向きに１または２熱拡散長の距離放射
する。このだいたい円形の周期的加熱領域の直径りは計
算することができる。この直径りは （４）　Ｄ　＝　２　ＪてＩ計フ「信１１ｒ□）２＋（
熱拡散１１゛で与えられる。

上式においてスポット半径ｒ０は変調された加熱用ビー
ム（５４）の半径である。熱拡散長は熱波が試料中を進
む距離で、試料の熱定数と加熱用ビームの変調周波数と
に関係する。

理論的には本装置はプローブビームがこの加熱された領
域内に投射されるかぎり働く。しかしながら必要な信号
はきわめて小さいので、検出できる信号を最大にするよ
うに努力することが望ましい。たとえば、熱波によって
試料が受ける表面の角変化は最大限１０−４ラジアンで
ある。同様に試料表面における反射率の周期的変化はプ
ローブビームのＤＣレベルの１０−５だけである。

２つの測定法によって検出される、試料表面上で加熱源
からの距離の関数としての信号強度のグラフを第３図に
示す。第５図において、横軸ば試料表面上の中心加熱点
Ｃからの距離である。縦軸は得られた信号強度の大きさ
である。カーブ（７０）は偏向検出法で得られた信号で
あり、カーブ（７２）は反射率の変化の測定によって得
られた信号強度である。

第３図にボすように、反射率信号（７２）は加熱用ビー
ムの中心において最大である。この信号はそれから加熱
用ビームからの距離が増大するにつれて小さくなる。こ
の関係は、最大の周期的加熱は加熱用ビームの中心にお
いて起こり、したがって反射率の最大変化はそれと一致
するので、直観的に理解できる。したがって、反射率の
測定のとき信号出力を最大にするためにプローブビーム
を加熱用ビーム（３４）と一致させることができる。し
かし、雨検出系による測定を容易にするためにはプロー
ブビームの最適位置はこれとは異なるであろう。

偏向法と対応してカーブ（７０）は加熱ビームの中心に
おいては信号は実質的に得られないことを示す。この信
号はそれから加熱ビームの中心から離れるにつれて増大
し、最後に周期的に加熱される領域の境界に向けて減少
する。この信号パターンは、加熱ビームの中心において
は試料表面は鉛直変位だけを受けるという事実に基づく
。表面の角変位は加熱ビームの中心から離れたところで
起こる。もちろん、加熱ビームからの距離が増大するに
つれて偏向信号も減少する。したがって、偏向測定シス
テムにおける熱波検出はビームの中心からはずれた位置
で最大になる。

上記の半画特許出願第４０１，５１１号に述べられてい
るように、偏向測定システムにおいてはプローブビーム
を加熱された領域の半分だけに収束させることも望、ま
しい。これは、加熱された領域の２つの半分はプローブ
ビームに対して相補的な相殺的角変位効果を及ばずので
好ましい。したがって、好ましい実施例においては、試
料の表面の角変化を測定するとき、ビームは加熱ビーム
から離れた、周期的に加熱される領域の半分内に投射す
べきである。０．１〜２０ＭＨ２の変調周波数とシリコ
ン基板とを用いる典型的な構成においては、加熱ビーム
とプローブビームとの間の間隔は、加熱ビームのスポッ
トの寸法が１ミクロンの程度のときは、１ミクロンの程
度でなければならない。

本発明の方法を実施するには２つのやり方がある。最大
の信号強度が望まわるときはミラー（３６）と対物レン
ズ（３８）とで構成される光学系はそれぞれ異なる測定
の間プローブビームを異なる位置に収束させるように調
整されなければならない。たとえば、変化する反射率信
号の測定の間はプローブビームは加熱ビームと一致する
ように収束されなければならない。これに対して表面の
角変位の測定の間はプローブビームは加熱ビームの中心
から１または２ミクロン離れた点に収束されなければな
らない。後者のやり方では最大の信号強度が得られるが
、これはもちろん少し複雑になる。

信号強度の重要度がより低いときに適したより簡単なや
り方においては、プローブビームは２つの信号の最大値
の間の点に収束させることができる。第３図に示すよう
に１加熱ビームの中心からＲ１の距離で２つの信号の最
大値の間の点Ａにビームが収束されると、雨検出システ
ムに対してかなり強い信号が得られる。この収束点にプ
ロセッサを設けて試料中における周期的反射率変化と表
面の角変化との両方に対して信号を解析する。こわらの
測定は以下にもつと詳しく説明するように順次行なうこ
とができる。

試料表面から反射された後にプローブビームは再びグイ
クロイックミラー（３６）に達し、そこで方向を変えて
入射ビーム弗に治って進行してＺ波長板（５５）を通る
。上記のように波長板（５５）はプローブビームの位相
をさらに４５°回転させる。したがってプローブビーム
がスプリッタ（５４）に達したときは位相は元のビーム
に対して９０°回転している。

したがってスプリッタは逆もどり反射プローブビームを
光検出器（５６）の方へ上向きに反射する。

本発明においては試料表面の角変化によるプローブビー
ムの偏向を監視することができる検出装置を設けなけれ
ばならない。さらに、試料の表面における周期的反射率
変化によって起こるプローブビームの強度変化を監視す
る検出装置を設けなければならない。後者の規準、すな
わち強度変化の測定は標準の光検出器で行なうことがで
きる。

前者の規準、すなわちレーザビームの偏向な監視するこ
とができる検出器がいくつかある。たとえば、検出器の
半分にわたるナイフェツジビームストッパを持つ光検出
器を用い【、ビームが角変位によって一向されると強度
変化を決定することができる。しかしこの型の検出器は
若干原始的で成る欠点を持つ。したがって最近開発され
た「スプリット」検出器（スプリットセル）を用いるの
が好ましい。第４図にスプリット検出器の１つを示す。

スプリット検出器（８０）はわずか数ミクロンの厚さの
分離器（８６）によって分離されて横に並べられた２つ
の検出素子（８２，８４）を持つ検出器である。各検出
素子はそれに達する光の強度に基づいて電気信号を発生
する。変調加熱を施す前にプローブビームをスプリット
検出器の中心に投射して各素子が同じ量の光を受けるよ
うにする。変調加熱の間に２つの検出素子からの出力を
比較することによりビームの角変位による変化を決定す
ることができる。

スプリット検出器を用いる利パは、ビームの反射率の変
化による信号を含むどのような他の信号も検出器の両側
に同じ影響を与えることである。

したがって、雨検出素子の出力を比較することによって
ビーム変位の効果を越えたどのような信号も消去される
。この型の検出器にはまたビーム自身によるどのような
ノイズ効果も消去する利点がある。。スプリット検出器
およびその性質の説明は１９８２年４月発行のウィリア
ムライト（ＷｉｌｌｌａｍＬｉｇｈりの［シリコン光検
出器を用いる非接触式光学的位置検出Ｊ　（Ｎｏｎｃｏ
ｎｔａｃｔ　０ｐｔｉｃａｌ　ＰｏｓｉｔｉｏｎＥｌｅ
ｎｓｉｎｇ　Ｕｓｉｎｇ　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｐｈｏｔｏ
ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　）という著作に載っている。ここ
で用語「スプリット検出器」を用いたのは複数の検出素
子を持つ光検出器を意味するためである。したがって、
４素子またはそれ以上の数の素子の検出器のような多重
素子検出器も本発明における使用に適している。

次にプローブビームの角変位を測定するのに用いる場合
のスプリットセル（８０）の動作を簡単に説明する。上
記のように、スプリットセルは各半（８２，８４）がそ
れに当る光量に比例した電流を発生する。したがって、
プローブビームが想像線の円（８８）で示すように光検
出器の中心にあるとき、同じ量の光がセルの各半に当た
るので、各半で発生された出力信号は同じである。次に
動作を説明すると、プロセッサは２つの信号の差をとっ
てビームの変位を計算する。円（８８）で示すようにプ
ローブビームが中心にあると、２つの信号は同じなので
それらの差はゼロとなり、ビームの変位はない。

ビームが想像円（９０）で示すように中心を外れると、
一方の素子に他方の素子より多くの光が当る。画素子が
発生した電流の差はビームの偏向の大きさを表セす。し
たがってスプリットセル検出器はプローブビームの角変
化の簡単な監視法となる。

同じスプリットセル（８ｏ）はまたプローブビームの反
射率変化を監視するのに用いることができる。

上記のようにセルの各半はその表面に入射する光量に比
例した電流信号を発生する。したがって両手の信号の和
は光検出器に入射する光エネルギの絶対値の大きさとな
る。試料表面における周期的な反射率の変化によってビ
ームの強度が変るので、光検出器の全出力信号はそれに
比例して変る。この結果は試料表面の角変化によってビ
ームが角変位をしていても成り立つ。別の言い方をする
と、ビームがセルの中心を外ｔていても１両手の和は光
検出器に入射した全エネルギの値を表わす。

結論としてスプリットセルはプローブビームの角変位と
強度変化との両方を監視するのに用いることができる。

前者は検出器の両半分の出力信号の差をとることによっ
て監視することができ、強度変化は両半分の和をとるこ
とによって監視することができる。したがって、スプリ
ット検出器からの出力信号を処理するやり方を単に変え
ることによってプローブビームの偏向または強度変化に
ついての情報を導出することができる。このやり方によ
って、本発明の好ましい実施例においては、検出装置は
単一の光検出素子によって構成することができる。

光検出器（５６）からの出力信号はプロセッサ（５８）
に供給される。上記のように、測定の目的によってプロ
セッサは光検出器（５６）から発生される信号の和また
は差をとる。明らかＫこのプロセスは。

写像または結像が所望の場合のように、試料が加熱ビー
ムおよびプローブビームによって走査されると迅速に相
互に切り換えられる。

プロセッサ（５８）はまた試料上で熱波解析をするよう
に設計される。プロセッサ（５８）の動作は用いられる
試験法の型による。ビームの変位または強度変化の測定
からの熱波信号の導出は測定信号の位相または大きさを
正規化して行なわれる。これらの正規化された値はそれ
から既知の基準試料から得られた正規化された値と比較
される。この一般的な型の計算は［応用物理字詰Ｊ　（
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
）の１９８２年６月号中のジョンオプサルおよびアラン
ローゼ／ツバイタ（Ｊｏｎ　０ｐｓａｌａｎｄ　Ａ１１
ａｎ　Ｒｏｓｅｎｃｗａｉｇ）の「熱波深度検査：理論
」（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｗａｖｅ　Ｄｅｐｔｈ　Ｐｒｏｆ
ｉｌｉｎｇ：Ｔｈｅｏｒｙ）という論文に説明されてい
る。この論文に述べられた計算は試料表面下の温度の積
分の関数である出力信号を測定する検出法に基づく。上
記のように反射率測定システムはおもに表面温度の関数
である出力信号を発生するので、計算はそれによって変
更しなければならない。特別の製造状況においては、モ
デルに対して信号を正規化する手続きを先に行なうこと
ができる。特にたいていのパラメータが既知のインライ
ン１１Ｉ造状況においては、出力信号を期待信号と比較
する単純な点検査で十分である。

いずれにしても、プロセッサ（５８）は本装置における
２つの測定法に基づく独立の出力情報を発生するように
設計される。２つの独立な測定をすることによって今ま
で不可能であった試料の解析ができる。上記のように、
従来の測定法においては、層の厚さとその電気的または
熱的パラメータの両方が未知であると、解析をすること
は不可能であった。したがって、組成変数を計算するた
めには、層の厚さを知る必要があった。逆に、層の厚さ
を計算するためには材料の性質を知る必要があった。

この欠点は本発明においては、２つの独立な出力信号が
得られるので、克服された。２つの独立な測定によって
、おのおの２つの未知数（厚さおよび熱伝導度）を持つ
２組の方程式が得られる。

もちろんこれらのｌぞラメータは与えられた試料に対し
て両方程式に対して同じである。したがってこれらの２
つの方程式は２つの未知数に対して解くことができる。

したがって、層の厚さと熱伝導度のような熱変数とにつ
いての完全な情報を得ることができる。熱伝導度から試
料の組成またはその化学量論的データについての情報を
導出することができる。さらに、試料が金属の場合には
、数学的変換が可能で、試料の電気伝導度についての情
報を導出することができる。

結論として、拐料の厚さと組成変数との両方を決定する
新規改良方法および装置が示された。装置は周期的局所
加熱によって発生された試料中の熱波信号を測定する２
つの検出手段を含む。１つの検出システムはおもに表面
温度の関数である出力信号を発生する型のものである。

第２の検出手段はおもに表面下の温度の積分の関数であ
る出力信号を発生する型のものである。こわらの２つの
独立の測定を処理し、２つの未知数、すなわち層の厚さ
と試料中の組成変数とを計算する手段を設ける。これら
の２つの検出手段と１組のプローブ素子とを設けた好ま
しい実施例が示された。

以上本発明を好ましい実施例について説明したが、当業
者には特許請求の範囲に述べられた本発明の範囲と精神
とを逸脱することなく種々の変化変形ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の４点プローブ電気的検出システムのブロ
ックおよび概略図である。 第２図は厚さと試料中の組成変数との両方を評価するこ
とができる本発明の装置のブロックおよび概略図である
。 第３図は試料表面上の加熱源からの距離の関数として測
定した、反射率および偏向の両方の型の熱波検出システ
ムによって得られる信号強度の比較のグラフ表示である
。 第４図は本発明で用いることができる型の典型的なスプ
リットセル光検出器の低面図である。 ２・・・試料、５・・・薄膜層、４・・・４点プローブ
、５．６，８．９・・・プローブ、７・・・電源、１０
・・・メータ、２２・・・試料、２４・・・プラットホ
ーム％　６６・・・グイクロイックミラー、６８・・・
対物Ｖンズ、８０・・・スプリットセル、８２．８４・
・・検出素子。 特γ「出願代理人 弁理Ｊ、山崎行造 １ヨエＵＥｙ−１− Ｆ工［Ｅｒ−−４−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　層状または薄膜試料の厚さと組成変数とを、試
   料表面の１つのスポットにおいて周期的、局所的に加熱
   して発生させた熱波を解析することによって評価する装
   置であって、 おもに表面温度の関数である出力信号を発生する型の、
   熱波を検出する第１手段と、おもに試料表面下の温度の
   積分の関数である出力信号を発生する型の、熱波を検出
   する第２手段と、 前記第１および第２検出手段からの出力信号を試料の層
   の厚さと組成変数との両方についての情報が評価される
   ように処理する手段とを備えた装置。 （２）前記第１検出手段は周期的加熱による試料表面に
   おける反射率の変化を監視する手段によって構成される
   、特許請求の範囲第１項記載の装置。 （３）　前記第１検出手段は 放射線プローブと、 放射線プローブを試料表面の周期的に加熱される領域の
   一部に放射線プローブが試料表面から反射されるように
   投射する手段と、 周期的加熱による反射された放射線プローブの強度変化
   を測定する手段と を備えた、特許請求の範囲第２項記載の装置。 （４）前記第２検出手段は試料中に発生された音波を検
   出する手段を含む、特許請求の範囲第１項記載の装置。 （５）前記第２検出手段は周期的に加熱される領域内の
   試料表面の角変化を監視する手段によって構成される、
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 （６）　前記第２検出手段は 放射線プローブと、 前記放射線ゾロープを試料表面ＯＩ＃ＪｘＩＪ的に力Ｕ
   熱される領域の一部に、前記放射線プローブが試料表面
   から反射されるように投射する手段と、試料表面の局所
   的角変化による反射したプローブの角変位を測定する手
   段と を備えた、特＃！Ｆｆｌ求の範囲第５項記載の装置。 （７）前記第１検出手段は周期的加熱による試料表面に
   おける反射率の変化を測定する手段で構成される、特許
   請求の範囲第６項記載の装置。 （８）前記第１検出手段は前記第２検出手段の反射され
   た放射線プローブの強度変化を測定する手段を含む、特
   許請求の範囲第７項記載の装置。 （９）第１および第２検出手段の両方の測定手段は反射
   したプローブビームの角変位と強度変化との両方を測だ
   することができる単一の光検出器を含む、特許請求の範
   囲第８項記載の装置。 θ１　前記第２検出手段の放射線プローブを投射する前
   記手段は、放射線プローブの角変位の測定の間は放射線
   プローブは試料の表面上の、周期的に加熱される領域の
   中心から間隔をとった周期的に加熱される領域の半分に
   投射され、反射率の変化の測定の間は放射線プローブは
   周期的に加熱される領域の中心に投射されるように構成
   されている、％Ｗ−ｆ請求の範囲第８項記載の装置。 ＯＤ　層状または薄膜試料の厚さと組成変数とを、試料
   表面において周期的、局所的に加熱して発生させた熱波
   を解析することによって評価する装置であって。 放射線プローブと、 放射線プローブを試料表面の周期的に加熱される領域の
   一部内に、放射線プローブが試料表面から反射する。よ
   うに投射する手段と、周期的加熱による反射した放射線
   プローブの強度変化を測定し、おもに試料の表面温度の
   関数である出力信号を発生する第１手段と、周期的加熱
   による反射した放射線プローブの角変位を測定し、おも
   に試料表面下の温度の積分の関数である出力信号を発生
   する第２手段と、前記第１および第２測定装置からの出
   力信号を、試料の層の厚さと組成変数との両方について
   の情報が評価できるように処理する手段とを備えた装置
   。 ０邊　前記第１および第２測定装置は単一の光検出器で
   構成される、特許請求の範囲第１１項記載の装置。 （【３　前記第２検出手段の放射線プローブを投射する
   前記手段は、放射線プローブの角変位の測定の間は放射
   線プローブは試料表面上の、周期的に加熱される領域の
   中心から間隔をとった周期的に加熱される領域の半分に
   投射され、反射率の変化の測定の間は放射線プローブは
   周期的に加熱される領域の中心に投射されるように構成
   されている、特許請求の範囲第１２項記載の装置。 α４）層状または薄膜試料の厚さと組成変数とを、試料
   表面において周期的、局所的に加熱して発生させた熱波
   を解析することにより評価する方法であって、 Ａ、試料表面の周期的に加熱される領域内の、おもに表
   面温度の関数である熱波信号を検出することと、 Ｂ、試料表面の周期的に加熱されろ領域内の、おもに試
   料表面下の温度の積分の関数である熱波信号を検出する
   ことと、 Ｃ０測定された熱波信号を層の厚さと組成変数との両方
   についての情報が評価できるように処理することと を含む方法。 ０９　ステップＡに述べた熱波信号の検出は周期的加熱
   による試料表面における周期的反射率変化を測定するこ
   とによって行なわれる、特許請求の範囲第１４項記載の
   方法。 （Ｉ［９前記試料表面における周期的反射率変化を測定
   するステップは 放射線プローブを試料表面の周期的に加熱される領域の
   一部に、放射線プローブが試料表面から反射するように
   投射することと、 前記周期的加熱による反射した放射線プローブの強度変
   化を測定することと によってなされる、特許請求の範囲第１５項記載の方法
   。 （１の　ステップＢに述べた前記熱波信号の検出は試料
   中に発生された音波を測定することによってたさねる０
   行け＋請求の範囲第１４項記載の方氏ｔｌｌＤ　ステッ
   プＢＫ述べた前記熱波信号の検出は周期的に加熱された
   領域内の試料表面の周期的角変化を測定することによっ
   てなされる、特許請求の範囲第１４項記載の方法。 ｆｌｌ　前記試料表面の周期的角変化を測定するステッ
   プは 放射線プローブを試料表面の周期的に加熱される領域の
   一部に、放射線プローブが試料表向から反射するように
   収束することと、 試料表面の局所的角変化による反射プローブの角変位を
   測定することと を含む、特許請求の範囲第１８項記載の方法。 翰　特許請求の範囲第１４項のステップＡに述べた前記
   熱波信号の検出は周期的加熱による試料表面における周
   期的反射率変化を測定することによってなされる、特許
   請求の範囲第１９項記載の方法。 Ｑυ　前記試料表面の反射率の変化の測定は周期的加熱
   による反射放射線プローブの強度変化を測定することに
   よってなされる１％許請求の範囲第２０項記載の方法。 ＠　層状または薄膜試料の厚さと組成変数とを、試料表
   面において周期的０局所的に加熱して発生させた熱波を
   解析することにより評価する方法であって、 Ａ、放射線プローブを試料表面の周期的に加熱される領
   域の一部内に、放射線プローブが試料表面から反射する
   ように投射することと、Ｂ１周期的加熱による反射放射
   線プローブの周期的強度変化を測定し、おもに表面温度
   の関数である出力信号を発生することと、 Ｃ１周期的加熱による反射放射線プローブの周期的角変
   位を測定し、おもに試料表面下の温度の積分の関数であ
   る出力信号を発生することと、Ｄ、ステップＢおよびＤ
   で測定された出力信号を処理して層の厚さと試料の組成
   変数との両方についての情報を導出することと を含む方法。 （２）　前記反射プローブビームの強度変化の測定の間
   は放射線プローブは周期的に加熱される領域の中心に一
   致するように投射される、特許請求の範囲第２２項記載
   の方法。 （財）反射放射線プローブの角変位の測定の間は放射線
   プローブは周期的に加熱される領域の中心から間隔をと
   った周期的に加熱される領域の半分に投射される、特許
   請求の範囲第２２項記載の方法。