JPS6344106A - 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】 ［発明の属する分野］ 本発明は、膜厚（膜の厚さ）測定方法に関し、詳しくは
薄膜特に半導体工程でのシリコン上の酸化膜等のように
ミクロンメータ以下の厚さである薄膜の厚さ算出方法に
関する。

［従来の技術］ まず、従来より利用されている膜厚測定方法における基
本的な膜厚検出の測定原理について第５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１１　ｋ２１　ｋ３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
中での波長え。）の各々の入射角をθ８．θ２．θ３と
する。この時の振巾反射率Ｙは次のようになる。

〔参考：　Ｍ、Ｂｏｒｎ　ａｎｄ　Ｅ、Ｗｏｌｆ著、“
Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓｏｆ　０ｐｔｉｃｓ″３ｒｄ　ｅ
ｄｉｔｉｏｎ、ＰＥＲＧＡＭＯＮ　ＰＲＥＳＳ、５２頁
） ここでＹ１□は媒質■と■の境界でのフレネルの反射係
数で、Ｙ２３は媒質■と■の境界でのフレネルの反射係
数であり、βは である。実際、測定可能な量は、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）式をえに関して微分し、Ｒ′＝０となる
ようなβを求めるとｓｉｎ　２β＝０となり、２β＝Ｎ
・２π　　　　　・・・・・・（３）が求まる。ただし
、Ｎは整数である。

ところで、反射率が極大値をとる波長をλ、。

ｋ２とすると、このときのβ８．β２は、ここで、ｎｌ
、ｎ２はそれぞれ波長λ２．え。

での屈折率である。従って、（３）式よりとなり、 ａ　ｃｏｓθ２＝−・ ２　　　　ｎ２ｘｉ／λ２−ｎｌＸ１／λ１ここで、θ
２＝０とするとｄは次式で求めることができる。

・・・・・・・・（４−１） また、同様の方法により、反射率が極小値をとる波長λ
５、ｋ４についても、このλ３．λ４およびそれぞれの
波長での屈折率ｎ３＋ｎ４より、膜厚ｄを得ることがで
きる。

・・・・・・・・（４−２） さらに、極大値と極小値λ１．λ３を使用することによ
り、 ・・・・・・・・（４−３） で膜厚を得ることができる。

このように、従来は上述の測定原理に基づき膜厚測定を
していた。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上記の方法によると、波長の測定範囲に少な
くとも２つの極値が存在しないと、膜厚の算出が不可能
であるという欠点があった。

また、もし波長範囲が固定されていれば、極値が１個以
下しか存在しない場合でも、波長範囲から取り得る膜厚
の範囲が分かり（例えば、波長範囲が　４００　ｎ　ｍ
　〜８００　ｎ　ｍで極値がない場合はｎｄ＝ｔｏｏｎ
ｍ以下）、近似により極値の存在する波長を得て、膜厚
を求めることが可能である。しかし、この場合でも、例
えば、レジスト等の膜を測定する場合には近紫外の光を
投射すると露光してしまうため測定の波長範囲を短波長
から長波長側にシフトさせる必要があった。

本発明は、上述の従来形の問題点に鑑み、試料に照射す
る光の測定波長範囲内で波長を変化させた場合に、極値
が１個しか存在しなくても、あるいは極値が存在しなく
ても、膜厚の計算を可能にする膜厚測定方法を提供する
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段および作用］上記の目的
を達成するため、本発明の膜厚測定方法は、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、
分光反射率の測定範囲内に極値が１個あるいは０個しか
存在しない場合においても、測定開始の波長と反射率お
よび測定終了の波長と反射率等の値から分光反射率曲線
を多項式等により近似し、この近似式と試料の分光反射
率の理論上の最大値と交わる点を極大値をとる波長とし
、理論上の最小値と交わる点を極小値をとる波長として
、上記にて求められた極大値と極小値の波長を用いて膜
厚を検出することを特徴とする。

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。

・・・・・・（５） ここで、 ｐｏｌは空気層と第一層間の振幅係数 φ。１は空気層と第一層間の位相係数 ρ宜２は第一層と第二層間の振幅係数 φ、２は第一層と第二層間の位相係数 δは位相項で、δ＝２πｎｄ／λである。

（５）式で、ＣＯＳ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。どちらも膜厚ｄに関係なく得ることができる。

第１ズに示すように、測定した波長範囲（？ｔｉ、長λ
８からλ。までの範囲）に極値が１個しか存在しない場
合、極値をとる点Ｐ（λｒ　、　Ｒ＋　）と測定開始の
点Ｓ（λ８．Ｒ３）間の測定点により近似式ｆ（λ）を
求める。上述したように最小値Ｒｗｉｎは予め算出され
ているので、ｆ（λ）とＲｌｎとの交点を求め、その波
長を極小値の波長λ２とする。

同様に、極値をとる点Ｐ（λＩ＋Ｒ□Ｘ）および測定終
了の点Ｅ（λ。、Ｒ６）間の測定点より近似式ｇ（λ）
を求めれば、もう一方の極小値の波長λ３を求めること
ができる。

例えば、第１図に示すように、ｆ（λ）およびｇ（λ）
がλの１次式となるように近似すれば、極小値λ２およ
びλ、は ・・・・・・（６） ・・・・・・（７） で得ることができる。

λ１と上記の式（６）　（７）で得られたλ２．λ、を
使えば（４−３）式から膜厚ｄを得ることができる。極
小値のみが存在する場合でも同様にして膜厚ｄを得るこ
とができる。

また、第２図に示すように測定する波長範囲に極値が存
在しない場合でも、測定開始の点Ｓ（λｓ、Ｒｓ）およ
び測定終了の点Ｅ（え。。

Ｒ，）から求めた近似式ｈ（λ）と、Ｒｍ、。

Ｒｌｌ１ｎの交点の波長λ２．λ３が ・・・・・・（８） ・・・・・・（９） と得られる。従って、（４−３）式から膜厚ｄを得るこ
とができる。

なお、λ２．λ、が近似により得られる値であるため、
ここで得られる膜厚ｄは高精度でない。

そこで、（５）式をｄに関して解くと、ただし、Ｋ＝０
．１，２．・・・・・・である。Ｋは次数であり、 Ｋ　＝　２　ｎｄ／λ　　　　　・・・・・・（１１）
で得られるので、（４−３）式で求めた膜厚ｄの値を利
用してまず次数Ｋを求め、各波長の反射率Ｒより上記の
（ｌＯ）式を用いて膜厚ｄを算出すれば、高精度に求め
ることができる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明の膜厚測定方法を通用した膜厚測定装
置のシステムブロック図である。本装置で膜厚を測定す
るためには、まず、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で受け、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。次に、コントローラ４により分光
器１の波長設定および試料ステージ２の８勤をコントロ
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ジタ
ル信号を受けとり、反射率Ｒを求め前記（４−１）〜（
４−３）式から膜厚ｄを計算する。そして、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
ｌＯに出力する。また、操作パネル６とフルキーボード
７は、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３図の装置の動作説明を第４図の流れ図に沿って説明
する。まず、ステップＳ１で分光反射率Ｒ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
て反射率Ｒの極大値および極小値を求める。一方、並行
してステップｓ３で膜および基板の屈折率から理論上の
最大反射率Ｒ□８．最小反射率Ｒａ１ｎを得る。次に、
ステップＳ４およびステップＳ６にて、検出された極値
の個数の判定を行う。極値の数が２個以上であれば、ス
テップＳ５にてこれらの極値をとる波長λの値を使い前
記の（４−１）〜（４−３）式により膜厚を計算する。

極値の数が１個であれば、ステップＳ７およびＳ８にて
測定範囲外の極大点、極小点を取る波長λ２．λ３を求
め、ステップＳ９にて先に検出した１つの極値をとる波
長λの値と、計算で求めた波長λ２．λ３を使い（４−
３）式によりステップＳ９にて膜厚を計算する。

さらに、極値がない場合にはステップＳＩＯ，Ｓｌｌに
て極大点、極小点を取る波長λ２．λ３を求め、ステッ
プＳ１２にてこれらのλ２．λ、を使い（４−３）式に
より膜厚の計算をする。

さらに、精度よく膜厚を求めるためには第４図のステッ
プＳ５．Ｓ９．Ｓ１２の後、得られた膜厚の値を使い次
数Ｋを（１１）式を用いて求め、（１０）式にて各波長
の反射率Ｒより膜厚ｄを算出すればよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、薄膜状試料に光
を照射しその分光反射率を測定することにより試料の膜
厚を測定する方法において、分光反射率の測定範囲内に
極値が多くとも１個しか存在しない場合であっても、測
定データから分光反射率曲線の近似式を求め、その近似
式曲線と試料の分光反射率の理論上の最大値および最小
値とが交わる点を求め、これらの極大値と極小値の波長
を用いて膜厚を検出しているので、分光反射率の測定波
長範囲中に極値が１個以下でも試料の膜厚を算出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明における膜厚測定の波長
範囲と近似式より算出される極値の関係を示す図、 第３図は、本発明の方法を適用した膜厚測定装置のシス
テムブロック図、 第４図は、上記の装置の動作説明用フローチャート、 第５図は、膜厚測定の原理説明図である。 １：分光器、　　　　　２；試料ステージ、４・コント
ローラ、　　５：コンピュータ。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　小 弟１図 第２図 ”’（ｂ） 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄膜状試料に光を照射しその分光反射率を測定する
   ことにより該試料の膜厚を測定する方法において、 分光反射率の測定範囲内に極値が多くとも１個しか存在
   しない場合であっても、該測定範囲内において測定した
   波長とその波長の光に対する反射率のデータから分光反
   射率曲線の近似式を求め、該近似式曲線と上記試料の分
   光反射率の理論上の最大値および理論上の最小値とが交
   わる点をそれぞれ極大値および極小値をとる波長とみな
   し、これらの極大値と極小値の波長を用いて膜厚を検出
   することを特徴とする膜厚測定方法。 ２、前記近似式が、多項式である特許請求の範囲第１項
   記載の膜厚測定方法。 ３、前記膜厚の検出が、前記測定範囲内において測定し
   または前記近似式から算出して得た極大値若しくは極小
   値の波長の間隔より検出する特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の膜厚測定方法。 ４、前記測定範囲内において極値をもたない場合は測定
   開始点および測定終了点の測定データから前記近似式を
   求め、前記測定範囲内において極値を１個もつ場合は該
   極値と測定開始点または測定終了点との測定データから
   前記近似式を求める特許請求の範囲第１項、第２項また
   は第３項記載の膜厚測定方法。