JPS62165103A - 膜厚測定方法 - 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】 （分野） 本発明は薄膜特に半導体工程でのシリコン上の酸化膜の
ようにミクロンメーター以下の膜厚の検出、測定方法に
関するものである。

（原理） 本発明で利用している基本的な膜厚検出の測定原理につ
いて第１図（ａ）、　（ｂ）を用いて以下説明する。

媒質の屈折率を入射側からに１．に２．ｋＡとし、いま
測定しようとする膜厚をｄとする。使用波長（真空中で
の波長λ。）の各々の入射角を０１゜θ２．θ３　とす
る。この時の振巾反射率Ｙけ次のようになる。

〔参考：　Ｍ、Ｂｏｒｎ　ａｎｄ　Ｅｉ、Ｗｏｌｆ著、
＠Ｐｒ１ｎｃｉｐ’１ｅｓｏｆ　０ｐｔｉｃｓ’　３ｒ
ｄｅｄｉｔｉｏｎ、　ＰＥＲＧＡＭＯＮ　ＰＲＥＳＢ。

６２頁〕 ここでＹ１２は媒質■と■の境界でのフレネルの反射係
数で、Ｙ２Ｓは媒質■と■の境界でのフレである。実際
測定可卵な量は、反射強度すなわちＲ＝ｌＹ１２（通常
反射率と呼ぶ）であり、次のようになる。

ここで（２）式をλに関して微分し、Ｒ′＝口となるよ
うなβを求めると１１１ｎ２β＝０となり２β＝Ｎ・２
π　・・・（３） が求壕る。

ここでＮは整数である。

ところで波長がλ１　、λ２のときのβ１．β２は前表
の如く ２π β１＝　２．　ｎｌａ　ＣＯ２Ｏ３ ここでｎｌ、ｎ２は波長λ１．λ２での屈折率である。

したがって（３）式より ２π ２β１　＝２　・、Ｂ、　ｎｌ　ｄ　ＣＯ［ｉｌθ２＝
Ｎ−２πとなり、 ２（β２−β、）＝２・２π・ａｃｏｓθ２（Ｔ２−「
）＝２πここで０２＝０とするとｄは次式で求まる。

極小値に関しても、同様の方法でλ３．λ４及びそれぞ
れの波長での７１折率ｎ３　、　ｎ４より得られるまた
、極大値と極小値λ１．λ３を使用してもで、膜厚を得
る事が出来る。

（従来技術） しかし、第３図に示すように測定値に誤差が生じた場合
、λＸを極大値と判断し、λＹを極小値と判断してしま
うため、正確に膜厚の検出、測定を行う事が出来なかっ
た。

（目的） 本発明は、前述したような測定値の誤差が生じた場合で
も正しい極値のみを検出し、正確な膜厚を検出する事を
目的としている。

（実施例） 膜厚からの分光反射率は、一般に下式（５）によって与
えられる。

ここで： ρｏ１は空気層と第一層間の振幅係数 φｏ１は空気層と第一層間の位相係数 ρ１２は第一層と第二層間の振幅係数 φ１２は第一層と第二層間の位相係数 δは位相項で、　δ＝２πｎａ／λである。

（５）穴で、ＣＯ８の項は−１から１の間に入るので分
光反射率は、最大値が となり最小値は である。とちらも膜厚ｄに関係なく得る事が出来る。測
定値より求めた、極大値極小値がＲｍａｗ　−”　ｍｉ
ｎに対し、ある一定の値以上である場合のみ極大値とみ
なし、ある一定の値以下の場合のみ極小値とみなすこと
により所望の極値のみを検出しうる。すなわち第４図に
示すように、測定値の中央部に誤差を持つ場合、測定値
からそのまま極値を検出すると極大値としてλ１．へ、
λ２が検出され、極小値としてλ５．λＹが検出される
。しかし、ＲｍａＸに対しある一定値ｔまたとえばｔ＝
ＲｍａｘＸ　０．９等を設け、ソノ値を以上のみを極大
値と考えるとλ１　、λ２のみを検出出来る。また極小
値に関しても同様にＲＩｎｌｎに対し、ある一定値ｍ、
たとえばｍ＝Ｒｍｉｎ　Ｘ　Ｌｌ等を設ければ、極小値
として検出されるのはλ５のみである。この一定値ｔあ
るいはｍは測定のピッチあるいは装置の取りうる誤差等
により決定される。

オた、第５図に示すような場合、検出される極値はλＹ
は前述の手法により除外されるので葎大値λ１．八でち
る。　しかし膜厚の分光反射率のように周期性を持つ関
数は理論上、極大値と極、Ｉ・値は交互に存在するはず
であるから、この場合のように柩大信が並んで存在する
事は有りえない。従ってＡ１とλＸの大きい方を極大値
と考える。

第６図に示す例はｆを小値の場合で、極大値の場合と同
様にＡ３を極小値を判定する事が可能である。このよう
な場合には極値の位置に対し測定ピッチが細かいため、
膜厚計算上の誤差は大きくない。

測定する膜厚が非常に薄くなると第７図に示すように理
論上は波長のスキャン範囲に全く極値が見られなくなる
。このような場合でも測定誤差が生じると極値を検出し
てしまう。第７図の場合、前述までの手法にてλ却、λ
Ｘ１　＋λＹ１は除去出来るが、λｘｏは極小値として
残ってしまう。

このような場合は、λＸＯの前後の測定値の傾きにより
判断するλＸＯが真に極値であれば前後の傾きの符号が
異なるはずであるが、第７図に示す例においてけλア０
よう小さいλでの平均の傾きとλＸＯより犬きいλでの
平均の傾きの符号が同じであるためλｘｏは極値から除
外する６極大値に関して本同様である。

以上の方法によって測定値にバラツキがある場合でも正
しい極値を検出する事が可能である。

第８図は本発明を実施するだめのシステムブロック図で
ある。分光器１で分光された光を試料ステージ２上に置
かれた試料面にファイバープローブ３で照明し試料面か
ら反射した光を再びファイバープローブ３で受は分光器
１内に設けられた光電変換素子により電気信号に変換す
る、コントローラ４によ勺分光器１の波長設定、試料ス
テージ２の移動をコントロールすると共に、前記分光器
１の光電変換素子の電気信号をデジタル信号に変換し、
そして試料ステージ２の位置を確認する。コンピュータ
５は前記コントローラ４を制御すると共にコントローラ
４から得られる前記ディジタル信号を受けとシ、反射率
Ｒを求め前記（３）式から膜厚ｄを計算する。

その結果をＣＲＴ８やフロッピーディスクドライブ９や
プリンター１０に出力する。操作パネル６とフルキーボ
ード７によりコンピュータ５に屈折率等の条件を指定し
たり、分光器１の波長、試料ステージ２の移動量を指示
すると共に測定開始等の指令を行う。操作パネル６は通
常よく使用する条件で測定させる場合で、更にオペレー
タが誤操作しないよう必要最少限にキーをもっている。

第８図の動作説明を第９Ａ図の流ね図に沿って説明する
。まずステップＳ１で分光反射率の測定データを取り込
みステップＳ２で前後の測定点の比較を行って極大値ｍ
ａｘ（ｋ）、極小値ｍ１ｎ（ｋ）を求める。一方、膜及
び基板の屈折率から理論上の最大反射率Ｒｍａｘ最小反
射率Ｒｍｉｎが得られるのでステップＳ６にて求める。

得られた理論値を基にたとえばＲｍａ：ｔ　Ｘ　Ｏ，９
’＝　１　。

Ｒｍｉｎ　ｘ　１．１＝　ｍ　Ａ４のようにして極値の
判定に用いる基準値ｍ及びｔをステップＳ４で計算する
。ステップＳ５及びＳ７で極大値ｍａ：ｃ（ｋ）　　極
小値ｍ１ｎ（ｋ）の判定を行い、基準に対して外れたも
のはステップＢ６，８Ｂで除外する。さらにステップＳ
Ｐ、Ｓ１１で極大値あるいは極小値が並んで存在してい
ないかどうかを判断し、並んで存在する場合にはステッ
プ８１０　、８１２でその最適な方を選択する。景終的
に得られたｍａｘ（ｋ）　。

ｍｔｎ（ｋ）を使い（ａ−１）　へ（４−５）式により
ステップ８１３で膜厚を求めれば良い。

もし、極値が１個の場合には第９Ｂ図に示す流れ図を第
９Ａ図のステップＳ１３を実行する前に加えれば良い。

このとき膜厚は によって求める。（４−４）式はＡ１が極大値の場合に
使用し、（４−５）式はＡ１が極小値の場合に使用する
。極値の数が０個の場合には（４−１）〜（４−３）式
あるいは（４−４）〜（４−５）式の方法では膜厚を計
算出来ない。そこで（５）式をｄに関して解くと 但しに中０．１．２・、・ であり、Ｋ＝Ｑとしてｄを求める事が出来る。

仙の極値のある場合に門しても次数Ｋかに＝２ｎｄ／λ
　　　　　　　　　　　（７′Ｉで得られるので式（４
−１）〜（４−３）、（４−４）。

（４−５）で求めたｄを利用してＫを求め、各波長の反
射率Ｒよりｄを算出する事が出来る。

（効果） 以上ａ見明したように本発明は測定値にバラツキがある
場合でも分光反射率の理論上の最大値、最小値を利用す
る事により所望の極値のみを検出し、正確な膜厚を検出
する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の原理訣明図、第２
図は理懇的な分光反射率を示すグラフで第３図〜第７図
は、測定のバラツキを持つ分光図はその作動説明用フロ
ーチャート図である。 １・・・分光器 ２・・・試料ステージ ４印コントローラ ５・・・コンピュータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料の分光反射率の極値の間隔より膜厚を測定する方法
   において、 試料の分光反射率の理論上の最大値と最小値を計算し、
   最大値より一定の基準値ｌ、最小値より一定の基準値ｍ
   を決定し、 分光反射率の測定値より得られた極値に対し、基準値ｌ
   以上の場合に真の極大値とし、基準値ｍ以下の場合に真
   の極小値とすることにより、正確に膜厚を検出すること
   を特徴とする膜厚測定方法。