JP2927934B2

JP2927934B2 - 薄膜測定方法および装置

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Publication number: JP2927934B2
Application number: JP2310955A
Authority: JP
Inventors: 民磯部; 剛中山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: US5420680A; JPH04184104A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は薄膜測定方法および装置に関する。

［従来の技術］半導体デバイスや光デバイスには薄膜の形成されたも
のが多く、薄膜の屈折率や膜厚等の精密な測定がこれら
デバイスの評価上重要な意義を有する。

薄膜の屈折率・膜厚を精度良く測定する方法として知
られたエリプソメトリは実施に際して複雑で大がかりな
装置を必要とするため、発明者は従来からエンプソメト
リに代わる１連の方法を提案してきた（例えば、特開平
２−75935号公報）。

［発明が解決しようとする課題］上記方法は基本的には基板上に形成された薄膜に単色
光を照射して、Ｓ偏光とＰ偏光に対するエネルギー反射
率を測定し、測定された上記各エネルギー反射率をもと
に所定の方程式を演算的に解くことにより屈折率を求め
ているが、演算に用いられる方程式中にarccos関数が含
まれており、測定対象の屈折率の変化に対する同関数の
変化が大きいため極めて高精度の演算を必要とする場合
があった。また薄膜が複数層に形成されている場合に測
定の対象も最上層の屈折率に限られていた。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、特に高精度の演算を必要とすることなく精度良い測
定が可能で、測定対象の範囲も広い、新規な薄膜測定方
法及び装置の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明の方法は「基板上に、透明な最上層を第１層と
してｍ（≧１）層の薄膜が形成されており、入射媒質の
屈折率ｎ（０），第ｊ層の屈折率ｎ（ｊ）（ｊ＝１〜
ｍ），第２乃至第ｍ層の吸収係数ｋ（ｊ）（ｊ＝２〜
ｍ），基板の屈折率および吸収係数ｎ（ｍ＋１）,k（ｍ
＋１），第２層乃至第ｍ層の膜厚ｄ（ｊ）（ｊ＝２〜
ｍ）の全部で3m＋１個のパラメータのうちの任意の一つ
が未知で、他の3m個のパラメータが既知である場合に、
上記未知のパラメータＸを測定する方法」であって、以
下の点を特徴とする。

即ち、上記ｍ層の薄膜に入射媒質中において第１層の
側から波長λの単色光を、所定の入射角θ（０）で入射
させ、S,P偏光に対するエネルギー反射率Rs,Rpを測定す
る。

測定値Rs,Rp、波長λ、3m個の既知量により未知量Ｘ
に関する関数Ｆ（Ｘ）＝ａ＋ｂ＋ｃを特定する。そして方程式Ｆ（Ｘ）＝０を演算的に解いて未知量Ｘを特定するのである。

上記関数の右辺におけるa,b,cはそれぞれａ＝ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^４（12p）｛１−Rpρ^２（01p）｝^２（As²＋Bs²）＋ ρ^２（01p）ρ^２（12p）ρ^４（12s）｛１−Rsρ^２（01s）｝^２（Ap²＋Bp²）＋２ρ（01p）ρ^３（12p）ρ（01s）ρ^３（12s）｛１− Rpρ^２（01p）｝｛１−Rsρ^２（01s）｝（ApAs＋BpBp）ｂ＝２ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^２（12p）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛１−Rpρ^２（01p）｝（As²＋Bs²）＋２ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^２（12p）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛１−Rpρ^２（01p）｝（As²＋Bs²）− ２ρ（01p）ρ（12p）ρ（01s）ρ^３（12s）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛１−Rsρ^２（01s）｝（ApAs＋BpBs）− ２ρ（01p）ρ^３（12p）ρ（01s）ρ（12s）｛ρ^２（01s）−Rs｝｛１−Rpρ^２（01p）｝（ApAs＋BpBs）− ４ρ^２（01p）ρ^２（12p）ρ^２（01s）ρ^２（12s）（ApBs−BpAs）^２ｃ＝ρ^２（01s）ρ^２（12s）｛ρ^２（01p）−Rp｝^２（As²＋Bs²）＋ρ^２（01p）ρ^２（12p）｛ρ^２（01s）−Rs｝^２（Ap²＋Bp²）− ２ρ（01p）ρ（12p）ρ（01s）ρ（12s）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛ρ^２（01s）−Rs｝（ApAs＋BpBs）で与えられる。これらa,b,cの表式においてAp,Bp,As,Bs
は、 Ap＝Rpcos｛φ（01p）＋φ（12p）｝− cos｛φ（01p）−φ（12p）｝ Bp＝Rpsin｛φ（01p）＋φ（12p）｝− sin｛φ（01p）−φ（12p）｝ As＝Rscos｛φ（01s）＋φ（12s）｝− cos｛φ（01s）−φ（12s）｝ Bs＝Rssin｛φ（01s）＋φ（12s）｝− sin｛φ（01s）−φ（12s）｝である。また上記ρ（01p）等及びφ（01p）等はｒ（01p）≡ρ（01p）exp｛ｉφ（01p）｝，ｒ（o1s）≡ρ（01s）exp｛ｉφ（01s）｝，ｒ′（12p）≡ρ（12p）exp｛ｉφ（12p）｝，ｒ′（12s）≡ρ（12s）exp｛ｉφ（12s）｝である。この表式においてｒ（01p）,r（01s）は入射媒質と第１層の境界面にお
けるP,S偏光の光に対する振幅反射率である。

ｒ′（12p）,r′（12s）は第１層を取り除いた（ｍ−
１）層の薄膜層に第１層の屈折率と同じ屈折率の入射媒
質中で上記単色光を入射させた場合のP,S偏光の光に対
する振幅反射率である。

上記未知量Ｘを、何れかの薄膜もしくは基板または入
射媒質の屈折率とすることもできるし（請求項２）、第
１層を除く何れかの薄膜もしくは基板の吸収係数を未知
量とすることもできる（請求項３）。

あるいはまた第１層を除く他の薄膜の膜厚をもって未
知量Ｘとすることもできる。

なお、第１層薄膜が「透明」であるとは第１層薄膜が
測定波長λの光を吸収しないことを意味する。

請求項４の装置は、上記方法を実施するための装置で
あって、支持装置と、光源装置と、光電変換手段と、演
算手段とを有する。

「支持手段」は測定試料を支持する。

「光源装置」はＳ偏光とＰ偏光の単色光束を選択的に
測定試料に所定の入射角で照射する。

「光電変換手段」は上記測定試料による反射光束を受
光して光電変換する。

「演算手段」は光電変換手段の出力に基づき、前記方
程式Ｆ（Ｘ）＝０を演算する。

なお本発明の方法・装置は薄膜層の数ｍが１から適用
できる。

［作用］第１図を参照すると、この図に於いて符号10は基板を
示している。

基板10の上にはｍ層の薄膜１〜ｍが最上層を第１層１
として順次形成されている。即ち符号ｊ（＝１〜ｍ）は
最上層の側から数えてｊ番目の薄膜を示す符号であり、
これらｍ層の薄膜の各々における屈折率，吸収係数，膜
厚をそれぞれ、上記符号をパラメータとしてｎ（ｊ）,k
（ｊ）,d（ｊ）（ｊ＝１〜ｍ）とする。

また、基板10に関する屈折率及び吸収係数をｎ（ｍ＋
１）,k（ｍ＋１）で表す。さらに、入射媒質の屈折率を
ｎ（０）とする。

これらパラメータの数は機械的に加え合わせると、薄
膜に関するものが１層につき３個あるから、これらが3m
個、基板10に関するパラメータが２個、入射媒質に関す
るものが１個で全体としては3m＋３個になる。しかし第
１層の薄膜１は透明で吸収係数ｋ（１）は０である。ま
た後述するように、本発明の測定原理では第１層の薄膜
１の膜厚ｄ（１）は不定量となる。従って第１図に示す
系における実質的なパラメータ数は、上記3m＋３個から
ｋ（１）,d（１）が落ちて3m＋１個になる。

第１図の状態に於いて、波長λの単色光が第１層の側
から入射角θ（０）で入射したときのS,P偏光の光に対
する振幅反射率ｒ（ｐ）,r（ｓ）がどのように表される
かを以下のように考察する。

第２図は、基板10の上に第１図における第ｍ番目の薄
膜ｍのみが形成された状態を示している。

波長λの単色光を、第（ｍ−１）番目の薄膜と同じ屈
折率、吸収係数を持つ入射媒質中において、入射角θ
（＊ｍ−１）で入射させたときの振幅反射率ｒ（ｐ）,r
（ｓ）は次のように表される。

ｒ（ｐ）＝［ｒ（ｍ−1,m:p）＋ｒ（m,m＋1:p）exp｛−2iβ（＊ｍ）｝］／［11＋ｒ（ｍ−1,m:p）ｒ（m,m＋1:p）exp｛−2iβ（＊ｍ）｝］ ……（１）ｒ（ｓ）＝［ｒ（ｍ−1,m:s）＋ｒ（m,m＋1:s）exp｛−2iβ（＊ｍ）｝］／［１＋ｒ（ｍ−1,m:s）ｒ（m,m＋1:s）exp｛−2iβ（＊ｍ）｝］ ……（２） p,sは入射光がP,S何れの偏光であるかを表し、ｒ（ｍ
−1,m:p）,r（m,m＋1:p）は入射光がＰ偏光の場合に於
いて、薄膜ｍの表面と入射媒質の境界面及び、薄膜ｍと
基板10の境界面におけるフレネルの反射係数をそれぞれ
表す。

同様にｒ（ｍ−1,m:s）,r（m,m＋1:s）は入射光がＳ
偏光である場合の上記反射係数を示す。

これら反射係数はｒ（ｍ−1,m:p）＝［ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ−１）−ｎ（＊ｍ−１）cos（θ＊ｍ）］ /［ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ−１）＋ｎ（＊ｍ−１）cos（θ＊ｍ）］……（３）ｒ（ｍ−1,m:s）＝［ｎ（＊ｍ−１）cos（θ＊ｍ−１）−ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ）］ /［ｎ（＊ｍ−１）cos（θ＊ｍ−１）＋ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ）］……（４）ｒ（m,m＋1:p）＝［ｎ（＊ｍ＋１）cos（θ＊ｍ）−ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ＋１）］ /［ｎ（＊ｍ＋１）cos（θ＊ｍ）＋ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ＋１）］……（５）ｒ（m,m＋1:s）＝［ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ）−ｎ（＊ｍ＋１）cos（θ＊ｍ＋１）］ /［ｎ（＊ｍ）cos（θ＊ｍ）＋ｎ（＊ｍ＋１）cos（θ＊ｍ＋１）］……（６）で与えられる。

θ＊ｍ−1,θ＊m,θ＊ｍ＋１は第２図に示されている
ように、それぞれ入射角、屈折角を表す。また＊印は、
これが付せられた量が複素量出有ることを示す。例え
ば、上記のｎ（＊ｍ）は薄膜ｍの複素屈折率を表し、屈
折率ｎ（ｍ）と吸収係数ｋ（ｍ）とを用いて、ｎ（＊ｍ）＝ｎ（ｍ）−ik（ｍ）で与えられる。

また上記２β（＊ｍ）は、光が薄膜ｍ中を１往復する
間に生ずる位相変化であり、２β（＊ｍ）＝４πｄ（ｍ）ｎ（＊ｍ）cos｛θ（＊ｍ）｝／λ ……（７）で与えられる。

次に第２図において薄膜ｍの上に薄膜（ｍ−１）を厚
さｄ（ｍ−１）に形成した状態を考え、この状態におい
て薄膜（ｍ−２）と同じ屈折率、吸収係数を持った入射
媒質中で波長λの単色光を入射角θ（＊ｍ−２）で入射
させた場合の振幅反射率を考えてみる。

この状態を「基板10と薄膜ｍとの合成系を基板とし
て、その上に薄膜（ｍ−１）が形成されている状態」と
考えると、この状態の振幅反射率は上記（１），（２）
式においてサフィックス的なパラメータｍ＋１をｍに、
ｍをｍ−１に、ｍ−１をｍ−２に置き換えて書き直した
ものになる。このとき新たに書き直された式の右辺に現
れる、ｒ（ｍ−1,m:p）,r（ｍ−1,m:s）として上記（１），（２）式の右辺として与えられたも
のを用いることにより正しい振幅反射率を得ることがで
きる。

このようにして薄膜を順次積層し、そのたびに入射媒
質を「積層された最上層薄膜の直ぐ上に形成されるべき
薄膜」の複素屈折率を持ったものに置き換えることを繰
り返すと結局、第１図の状態における振幅反射率すなわ
ち、ｍ層の薄膜全体による振幅反射率は上記（１），
（２）式に於いて、ｍを１としたもの即ち、ｒ（ｐ）＝［ｒ（0,1:p）＋ｒ（1,2:p）exp｛−2iβ（＊１）｝］／［１＋ｒ（0,1:p）ｒ（1,2:p）exp｛−2iβ（＊１）｝］ ……（１′）ｒ（ｓ）＝［ｒ（0,1:s）＋ｒ（1,2:s）exp｛−2iβ（＊１）｝］／［１＋ｒ（0,1:s）ｒ（1,2:s）exp｛−2iβ（＊１）｝］ ……（２′）において、ｒ（1,2:p）,r（1,2:s）を、それぞれ、ｒ′
（1,2:p）,r′（1,2:s）で置き換えたもので与えられ
る。

ここにｒ′（1,2:p）,r′（1,2:s）は、第１図の状態
から第１層の薄膜１を取り除き、入射媒質の屈折率をｎ
（１）に替えて、波長λの単色光を入射角θ（１）で入
射させたときの振幅反射率である。

ｒ（0,1:p）,r（0,1:s）,r′（1,2:p）,r′（1,2:s）
を簡単にｒ（01p）,r（01s）,r′（12p）,r′（12s）と
記すると、求める振幅反射率はｒ（ｐ）＝［ｒ（01p）＋ｒ′（12p）exp｛−2iβ（＊１）｝］／［１＋ｒ（01p）ｒ′（12p）exp｛−2iβ（＊１）｝］ ……（８）ｒ（ｓ）＝［ｒ（01s）＋ｒ′（12s）exp｛−2iβ（＊１）｝］／［１＋ｒ（01s）ｒ′（12s）exp｛−2iβ（＊１）｝］ ……（９）で与えられることになる。

ｒ（01s）,r′（12s）,r（01p）ｒ′（12p）は一般に
複素数であるので、ｒ（01s）≡ρ（01s）exp｛ｉ（φ（01s）｝，ｒ（01p）≡ρ（01p）exp｛ｉ（φ（01p）｝ ……（10）ｒ′（12s）≡ρ（12s）exp｛ｉ（φ（12s）｝，ｒ′（12p）≡ρ（12p）exp｛ｉ（φ（12p）｝ ……（11）と表し、２β（＊１）も２β（＊１）≡α（１）｛ｕ（１）−iv（１）｝と置く。但し、 α（１）≡４πｄ（１）／λ ……（12）である。なお上の記号は［］内の関数に就きその平方根を取ることを意味す
る。

さて、S,P偏光の光に対するエネルギー反射率Rs,Rp
は、それぞれ振幅反射率ｒ（ｓ）,r（ｐ）とその複素共
役量ｒ（＊ｓ）,r（＊ｐ）の積、即ち、 Rs＝ｒ（ｓ）ｒ（＊ｓ）,Rp＝ｒ（ｐ）ｒ（＊ｐ）である。これらエネルギー反射率を（８），（９），
（10），（11）式に従って計算すると、 Rp＝［ρ^２（01p）＋ρ^２（12p）exp｛−２α（１）ｖ（１）｝＋２ρ（01p）ρ（12p）exp｛−α（１）ｖ（１）｝ cos｛φ（01p）−φ（12p）＋α（１）ｕ（１）｝］／［１＋ρ^２（01p）ρ^２（12p）exp｛−２α（１）ｖ（１）｝＋２ρ（01p）ρ（12p）exp｛−α（１）ｖ（１）｝ cos｛φ（01p）−φ（12p）＋α（１）ｕ（１）｝］ ……（15） Rs＝［ρ^２（01s）＋ρ^２（12s）exp｛−２α（１）ｖ（１）｝＋２ρ（01s）ρ（12s）exp｛−α（１）ｖ（１）｝ cos｛φ（01s）−φ（12s）＋α（１）ｕ（１）｝］／［１＋ρ^２（01s）ρ^２（12s）exp｛−２α（１）ｖ（１）｝＋２ρ（01s）ρ（12s）exp｛−α（１）ｖ（１）｝ cos｛φ（01s）−φ（12s）＋α（１）ｕ（１）｝］ ……（16）となる。

さらに、 ρ≡exp｛−α（１）ｖ（１）｝，θ≡α（１）ｕ（１）とおきかえると、（15），（16）は、 Rp＝［ρ^２（01p）＋ρ^２（12p）ρ^２＋２ρ（01p）ρ（12p）ρcos｛φ（01p）−φ（12p）＋θ｝］／［１＋ρ^２（01p）ρ^２（12p）ρ^２＋２ρ（01p）ρ（12p）ρcos｛φ（01p）−φ（12p）＋θ｝］ ……（15′） Rs＝［ρ^２（01s）＋ρ^２（12s）ρ^２＋２ρ（01s）ρ（12s）ρcos｛φ（01s）−φ（12s）＋θ｝］／［１＋ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^２＋２ρ（01s）ρ（12s）ρcos｛φ（01s）−φ（12s）＋θ｝］ ……（16′）前述した Ap＝Rpcos｛φ（01p）＋φ（12p）｝− cos｛φ（01p）−φ（12p）｝ Bp＝Rpsin｛φ（01p）＋φ（12p）｝− sin｛φ（01p）−φ（12p）｝ As＝Rscos｛φ（01s）＋φ（12s）｝− cos｛φ（01s）−φ（12s）｝ Bs＝Rssin｛φ（01s）＋φ（12s）｝− sin｛φ（01s）−φ（12s）｝を用いると、（15′）（16′）は、 Apcosθ＋Bpsinθ＝Cp ……（17） Ascosθ＋Bssinθ＝Cs ……（18）と表すことができる。

ここに、 Cp＝［ρ^２（01p）−Rp＋ρ^２（12p）ρ^２｛１−Rpρ^２（01p）｝］ /2ρ（01p）ρ（12p） Cs＝［ρ^２（01s）−Rs＋ρ^２（12s）ρ^２｛１−Rsρ^２（01s）｝］ /2ρ（01s）ρ（12s）である。

（17）（18）をsin,cosについて解き、これらの２乗
の和が１に等しいという関係を利用すると、結局、前述
したa,b,cとρとを用いて、ａρ^４＋ｂρ^２＋ｃ＝０ ……（17）が得られる。

ここで、ρに就いての定義式 ρ≡exp｛−α（１）ｖ（１）｝に於いて、第１層の薄膜１が測定波長λの光に対して透
明であることを考慮すると、（14）式におけるｋ（１）
は０であり、従って（14）式左辺に与えられたｖ（１）
は０である。従って、ρ＝１が公等的に成立ち、上記
（17）式はａ＋ｂ＋ｃ＝０ ……（18）となる。

また、ｖ（１）＝０であるためα（１）は不定とな
り、（12）式に従って、薄膜１の膜厚ｄ（１）も不定と
なる。

方程式（18）におけるa,b,cの各構成要素をその定義
式に従い、パラメータｎ（０）,n（ｊ）（ｊ＝１〜ｍ＋
１）,k（ｊ）（ｊ＝２〜ｍ＋１）,d（ｊ）（ｊ＝２〜
ｍ），θ（０），λ,Rs,Rpに就いてあらわに解いたもの
をＦ｛ｎ（０）,n（ｊ）,k（ｊ）,d（ｊ），θ（０），
λ,Rs,Rp｝＝０とする。この式に、3m個の既知パラメータ、測定波長
λ、入射角θ（０）、測定値Rs,Rpを具体的に代入する
と結果は、未知のパラメータＸのみを変数とする方程
式:F（Ｘ）＝０となる。

従って、この方程式を演算的に解くことにより求める
パラメータＸの値を特定できる。

上記方程式を解くには周知の種々の演算プログラムを
利用できる。基本的には、Ｘを細かいステップで変化さ
せ、各ステップ毎に上記方程式が満足されるか否かを判
別し、方程式を満足するＸを求めれば良い。

［実施例］以下、具体的な実施例を説明する。

第３図は請求項４の発明、即ち薄膜測定装置の１実施
例を示している。

レーザー光源31,32は波長6328Åの出力安定HeNeレー
ザーで、偏光子35,36により、それぞれS,P偏光に合わせ
てある。

これらのS,P偏光の光は消光比の高い偏光ビームスプ
リッター37を介して測定試料０に照射されるようになっ
ている。また符号33,34で示すシャッターにより、測定
試料０に照射する光の偏光状態をS,Pの何れかに選択で
きるようになっている。

従って、レーザー光源31,32、シャッター33,34、偏光
子35,56、偏光ビームスプリッター37は光源装置を構成
する。

測定試料０はターンテーブル40に支持される。ターン
テーブル40には回転アーム41が同軸的に取り付けられ、
回転アーム41が２θ回転するとターンテーブル40がθだ
け回転するようになっている。

ターンテーブル40と回転アーム41とは支持手段を構成
する。

回転アーム41の自由端部には光電変換手段としての光
センサー38が配設されている。

演算手段39は機能的には、光センサー38の出力を増幅
する増幅器と、増幅された信号をデジタル信号に変換す
る変換器と、変換されたデジタル信号に基づき方程式Ｆ
（Ｘ）＝０を演算的に解く演算回路と、演算回路に必要
な演算条件を設定する手段と、演算結果を表示する手段
とを有しており、具体的にはコンピューターシステムで
実現できる。

演算回路には方程式Ｆ（Ｘ）＝０の一般式と、これを
解くプログラムが格納され、上記一般式におけるλは63
28Åが用いられ、θ（０）の値はターンテーブル40の回
転角θが自動的に設定され、測定試料０に関する既知パ
ラメータは、演算手段の一部をなすキーボードから入力
するようになっており、測定値Rs,Rpは光センサー38の
出力がインターフェイスを介して直接取り込まれるよう
になっている。

第３図の装置を用いた測定の１例を説明する。この測
定は請求項２の方法の具体的実施例になっている。

Si基板を基板として、その上にプラズマCVD法によりS
iNの薄膜を形成し、さらにその上にスパッタリングによ
りSiO₂の薄膜を成膜して測定試料０とした。

測定試料０に関して、未知のパラメータは第１層の薄
膜であるSiO₂の屈折率ｎ（１）である。

既知のパラメーターは以下の通りである。

Si基板に関して：屈折率:n（３）＝3.858,吸収係数:k（３）＝0.018 SiN薄膜に関して：屈折率:n（２）＝2.000,吸収係数:k（２）＝0.500 膜厚:d（２）＝500Å 入射角θ（０）＝56度で、測定したエネルギー反射率
Rp,Rsは、それぞれ Rp＝0.09423,Rs＝0.01099 である。

未知量Ｘであるｎ（１）の値を1.4から1.5まで0.001
きざみで変化させると、関数Ｆ（Ｘ）の値は第５図の曲
線のように変化し、Ｘ＝1.460のとき方程式Ｆ（Ｘ）＝
０が満足された。

従って、求める屈折率ｎ（１）を1.460と特定でき
た。

第４図には、請求項４の発明の別実施例装置を示す。

波長6328ÅのHeNeレーザーであるレーザー光源51から
の光はビームスプリッター52で２分され、一方は光セン
サー54にモニター用として入射され、他方は偏光子53を
介して測定試料０に照射させる。このとき偏光子53の回
転により、測定試料０への照射光をＳもしくはＰ偏光に
設定できる。

従って、この実施例に於いては、レーザー光源51とビ
ームスプリッター52と偏光子53と光センサー54とが光源
装置を構成する。

測定試料０を支持する支持手段は第３図の実施例の場
合と同じくターンテーブル40と回転アーム41とにより構
成され、回転アーム41の自由端部には光電変換手段とし
ての光センサー55が配設されている。

光センサー54,55の出力を入力される演算手段59は、
第３図の実施例の演算手段39の機能の外に光源装置モニ
タリングの機能を有する。即ち予め偏光子53を透過した
光の強度、即ち測定試料照射光強度と、光センサー54の
受光強度の比を測定して演算手段59に入力して置き、測
定中に光源装置における光強度に変動が生じた場合には
上記比により測定値を補正する。

この測定装置を用いた薄膜測定の１例を以下に説明す
る。この例は請求項３の方法の１実施例になっている。

Si基板の上に熱酸化によりSiO₂の薄膜を厚さ9114Åに
形成して測定試料とした。

この測定試料における未知のパラメータは基板の吸収
係数ｋ（２）である。

既知のパラメーターは以下の通りである。

Si基板に関して：屈折率:n（２）＝3.858 SiO₂薄膜に関して：屈折率:n（１）＝1.460 入射角θ（０）＝60度で測定したエネルギー反射率R
p,Rsは、それぞれ Rp＝0.16351,Rs＝0.16217 である。

未知量Ｘであるｋ（２）の値を0.01から0.03まで0.00
1きざみで変化させると、関数Ｆ（Ｘ）の値は第６図の
曲線のように変化し、Ｘ＝0.018のとき方程式Ｆ（Ｘ）
＝０が満足された。

従って、求める吸収係数ｋ（２）を0.018と特定でき
た。

［発明の効果］以上、本発明によれば新規な薄膜測定方法及び装置を
提供できる。

この発明によれば上述のように、薄膜に関する広い測
定対象に就いて、簡便に正確な測定が可能である。また
演算のための方程式中にarccos関数が含まれていないの
で演算にさほどの高精度を要求されない。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の原理を説明するための図、
第３図は本発明の薄膜測定装置の１実施例を示す図、第
４図は薄膜測定装置の別実施例を示す図、第５図は本発
明の薄膜測定方法の１実施例を説明するための図、第６
図は薄膜測定方法の別実施例を説明するための図であ
る。１〜ｍ……薄膜、10……基板、31,32……レーザー光
源、33,34……シャッター、35,36……偏光子、37……偏
光ビームスプリッター、０……測定試料、40……ターン
テーブル、41……回転アーム、38……光センサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−134544（ＪＰ，Ａ) 特開平２−176446（ＪＰ，Ａ) 特開平２−124449（ＪＰ，Ａ) 特開平２−75935（ＪＰ，Ａ) 特開平２−128106（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−140940（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−33034（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01N 21/41

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、透明な最上層を第１層としてｍ
（≧１）層の薄膜が形成されており、入射媒質の屈折率
ｎ（０），第ｊ層の屈折率ｎ（ｊ）（ｊ＝１〜ｍ），第
２乃至第ｍ層の吸収係数ｋ（ｊ）（ｊ＝２〜ｍ），基板
の屈折率および吸収係数ｎ（ｍ＋１）,k（ｍ＋１），第
２層乃至第ｍ層の膜厚ｄ（ｊ）（ｊ＝２〜ｍ）の全部で
3m＋１個のパラメータのうちの任意の一つが未知で、他
の3m個のパラメータが既知である場合に、上記未知のパ
ラメータＸを測定する方法であって、上記ｍ層の薄膜に入射媒質中において第１層側から波長
λの単色光を、所定の入射角θ（０）で入射させ、S,P
偏光に対するエネルギー反射率Rs,Rpを測定し、測定値Rs,Rp、波長λ、3m個の既知量により上記未知量
Ｘに関する関数Ｆ（Ｘ）＝ａ＋ｂ＋ｃ（ここに、ａ＝ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^４（12p）｛１−Rpρ^２（01p）｝^２（As²＋Bs²）＋ ρ^２（01p）ρ^２（12p）ρ^４（12s）｛１−Rsρ^２（01s）｝^２（Ap²＋Bp²）＋２ρ（01p）ρ^３（12p）ρ（01s）ρ^３（12s）｛１− Rpρ^２（01p）｝｛１−Rsρ^２（01s）｝（ApAs＋BpBp）ｂ＝２ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^２（12p）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛１−Rpρ
^２（01p）｝（As²＋Bs²）＋２ρ^２（01s）ρ^２（12s）ρ^２（12p）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛１−Rpρ^２（01p）｝（As²＋Bs²）− ２ρ（01p）ρ（12p）ρ（01s）ρ^３（12s）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛１−Rsρ^２（01s）｝（ApAs＋BpBs）− ２ρ（01p）ρ^３（12p）ρ（01s）ρ（12s）｛ρ^２（01s）−Rs｝｛１−Rpρ^２（01p）｝（ApAs＋BpBs）− ４ρ^２（01p）ρ^２（12p）ρ^２（01s）ρ^２（12s）（ApBs− BpAs）^２ｃ＝ρ^２（01s）ρ^２（12s）｛ρ^２（01p）−Rp｝^２（As²＋Bs²）＋ρ^２（01p）ρ^２（12p）｛ρ^２（01s）−Rs｝^２（Ap²＋Bp²）− ２ρ（01p）ρ（12p）ρ（01s）ρ（12s）｛ρ^２（01p）−Rp｝｛ρ^２（01s）−Rs｝（ApAs＋BpBs） Ap＝Rpcos｛φ（01p）＋φ（12p）｝− cos｛φ（01p）−φ（12p）｝ Bp＝Rpsin｛φ（01p）＋φ（12p）｝− sin｛φ（01p）−φ（12p）｝ As＝Rscos｛φ（01s）＋φ（12s）｝− cos｛φ（01s）−φ（12s）｝ Bs＝Rssin｛φ（01s）＋φ（12s）｝− sin｛φ（01s）−φ（12s）｝ｒ（01p）≡ρ（01p）exp｛ｉφ（01p）｝，ｒ（o1s）≡ρ（01s）exp｛ｉφ（01s）｝，ｒ′（12p）≡ρ（12p）exp｛ｉφ（12p）｝，ｒ′（12s）≡ρ（12s）exp｛ｉφ（12s）｝，ｒ（01p）,r（01s）：入射媒質と第１層の境界面におけ
る振幅反射率ｒ′（12p）,r′（12s）：第１層を取り除いた（ｍ−
１）層の薄膜層に第１層の屈折率と同じ屈折率の入射媒
質中で上記単色光を入射させた場合の振幅反射率）として特定し、方程式Ｆ（Ｘ）＝０を演算により解き、未知量Ｘの値を決定することを特徴
とする薄膜測定方法。
【請求項２】請求項１において、未知量Ｘが、何れかの薄膜もしくは基板または入射媒質
の屈折率であることを特徴とする薄膜測定方法。
【請求項３】請求項１において、未知量Ｘが、第１層を除く何れかの薄膜もしくは基板の
吸収係数であることを特徴とする薄膜測定方法。
【請求項４】基板上に、透明な最上層を第１層としてｍ
（≧１）層の薄膜が形成されており、入射媒質の屈折率
ｎ（０），第ｊ層の屈折率ｎ（ｊ）（ｊ＝１〜ｍ），第
２乃至第ｍ層の吸収係数ｋ（ｊ）（ｊ＝２〜ｍ），基板
の屈折率および吸収係数ｎ（ｍ＋１）,k（ｍ＋１），第
２層乃至第ｍ層の膜厚ｄ（ｊ）（ｊ＝２〜ｍ）の全部で
3m＋１個のパラメータのうちの任意の一つが未知で、他
の3m個のパラメータが既知である場合に、上記未知のパ
ラメータＸを測定する装置であって、測定試料を支持する支持手段と、Ｓ偏光とＰ偏光の単色光束を選択的に上記測定試料に所
定の入射角で照射する光源装置と、上記測定試料による反射光束を受光して光電変換する光
電変換手段と、上記光電変換手段の出力に基づき、請求項１の方程式Ｆ（Ｘ）＝０を演算する演算手段とを有することを特徴とする薄膜測
定装置。