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膜厚変化測定方法 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 膜厚変化測定方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−34327
公開日 平成6年(1994)2月8日
出願番号 特願平4−191892
出願日 平成4年(1992)7月20日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 鳥海 実
要約 目的
光干渉膜厚測定装置で、参照光の位相を調整することにより高精度に膜厚変化を測定する装置及び測定方法。

構成
レーザ5からの光を薄膜試料1に照射して生じる試料表面からの光と、レーザ5からの光を一部分割し、計算機10で制御された位相器8を通過させた光との干渉をホトダイオード9で測定し、計算機10で解析し、膜厚の変化を測定する。
特許請求の範囲
【請求項1】薄膜試料に光を入射し、薄膜表面で反射する光及び参照光との干渉を検出することにより膜厚の変化を測定する方法において、参照光の位相を変化させて膜厚を求めることを特徴とする膜厚変化測定方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜の厚さの変化を測定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子材料等の薄膜試料の膜厚変化測定は産業上重要な意味をもつ。例えば、半導体産業において、感光性高分子材料であるレジストを用いたリソグラフィ技術により半導体素子が製造されている。その際、微細な素子構造を作製する上で、レジストの溶解特性が素子構造の寸法精度を決定し、最終的には素子性能を決定する重要な因子となる。レジストの溶解特性はレジストの溶解中の膜厚の時間変化を測定することにより評価できる。このように、薄膜の膜厚変化測定は工業上重要な役割を果たしている。
【0003】高分子薄膜の膜厚変化測定方法の代表的一例として、アイ・イー・イー・イー・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイセズ[IEEE TREANSACTION ONELECTRON DEVICES]、第ED−22巻,452頁から456頁,1975年に記載された膜厚変化測定装置がある。この装置では、薄膜干渉の理論を用いて測定データを解析している。すなわち、光源から薄膜試料に入射された光は、試料表面と試料裏面の2個所で反射を起こし、両者の反射光が作る干渉を検出し、検出信号と薄膜光干渉の理論とを比較し、計算機で当てはめ因子として、膜厚が求められる。当てはめの際には、試料の膜厚と屈折率の二つの物理量を求めなければならないので、光源の波長を変化させて、多波長での干渉光を解析しなければならない。このため、光源は多波長の光を発生しなければならないという欠点がある。また、被測定試料によっては、感光性や試料の光吸収の為に多くの波長を利用できないという欠点がある。波長範囲が狭いと、膜厚によっては二つの光がほぼ同位相で干渉する為に、膜厚測定精度が悪くなるという欠点がある。
【0004】したがって、それを解消するために、広い波長範囲の光を用いるとその波長範囲内で二つの光をほぼ90度で干渉させることができ、この場合には膜厚の測定精度が良くなり、この欠点は解消される。しかし、広い波長範囲では試料の屈折率の波長依存性が大きくなり、膜厚測定精度が悪くなるという欠点がある。更に、被測定試料によっては、感光性や試料の光吸収の為に多くの波長を利用できないという欠点が問題となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、広い波長領域の光源を用いることなく、単一波長の光源で精度良く膜厚測定できる膜厚変化測定装置及び測定方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述のように二つの光の位相がほぼ同位相になると、膜厚測定精度が低下する。逆に二つの光の位相が90度ずれていると、膜厚測定精度が最も良くなる。そこで、二つの光の位相差がほぼ90度になり、精度よく膜厚測定できる方法を検討した。
【0007】従来は参照光として薄膜裏面からの反射光を用いていた。この場合には、二つの光の位相差は被測定試料の膜厚と屈折率で決まってしまう。そのため、二つの光がほぼ同位相になることを防ぐためには、光の波長を最適な値に変化させなければならなかった。従来の方法は、参照光に薄膜裏面からの反射光を用いたことに問題があった。
【0008】この問題を解決するために本発明では任意に位相を変化させることのできる参照光を用いる。この参照光と薄膜表面からの反射光との干渉光を測定する。位相を自由に変化させる事ができる参照光であるから、薄膜の厚さが変化しても必ず、薄膜表面からの反射光とほぼ90度位相がずれた参照光にすることができる。この時、膜厚の測定精度が最も良くなる。このように、位相差を変化させた参照光を用いることにより、膜厚変化測定の精度が向上する。
【0009】参照光の位相の変化は種々の方法が考えられるが、大きく二つの方法に分類できる。一つは、あらかじめ種々の位相差をつけた複数の光を参照光として用いる方法である。もう一つは、単一の参照光で膜厚の変化に応じて位相差を変化させる方法である。いずれの参照光を用いても膜厚の測定精度を向上させることができる。
【0010】
【作用】本発明では、常に膜厚表面からの反射光と参照光との位相差がほぼ90度であるから、膜厚測定精度がよい。また、本発明では、参照光の位相を膜の表面で反射する光に対して任意に設定できるために、任意の波長を選ぶことができる。すなわち、被測定試料に適した波長の光を用いることができる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。尚、下記の実施例は本発明を例証するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【0012】〈実施例1〉図1にポリヒドロキシスチレン薄膜のアルカリ水溶液中における溶解による膜厚変化を測定する場合の装置の構成を示す。
【0013】単一波長のレーザ光源5からの光は薄膜試料1に垂直入射する。試料表面からの反射光は半透明鏡6によりホトダイオード9に向かう。レーザ光源5からの光の一部は半透明鏡6及び全反射鏡7により位相器8を通過し、半透明鏡6により試料表面からの反射光と同軸で重なり合いその干渉光強度をホトダイオード9で測定する。ホトダイオードの検出信号強度は計算機10に保存される。計算機10はホトダイオードの信号強度が干渉光強度最大値の半分の強度、すなわち、試料表面からの反射光と参照光との位相差が90度と一定になるように位相器8の位相を制御し、その位相変化を保存する。したがって、この装置により試料表面からの反射光と参照光との位相差が90度と一定になる条件の下で、膜の溶解に伴う膜厚変化に対応した位相差が得られる。
【0014】その測定結果を図2に示す。膜厚が時間変化するにつれて、位相器8に設定した位相が変化していることがわかる。すなわち、膜の溶解に伴う表面からの反射光の位相の変化に位相器8が追随している。
【0015】このデータから求めた膜厚の変化を図3に示す。この図は薄膜光干渉の理論(例えば、マックス・ボルン,エミル・ウルフ著,プリンシプル・オブ・オプティクス,ペルガモン・プレス(1989)(MAX BORN & EMIL WOLF, PRINCIPLESOF OPTICS, PERGAMON PRESS)を用いて計算される。例えば、位相の変化が90度の場合には、(光の波長)/4/(膜の屈折率)の膜厚の変化に対応する。図3より試料が一定の溶解速度で溶けている様子がわかり、膜厚の時間変化が精度良く求められていることがわかる。
【0016】〈比較例〉図1で記した位相器を用いずに試料1の表面および裏面からの反射光の干渉を測定する従来の測定方法で膜厚の時間変化を測定した。その結果を図4に示す。明らかに位相差が0及び180度になった時に溶解速度が不自然に変化し、測定精度が低下していることがわかる。
【0017】〈実施例2〉図5に実施例2における試料の膜厚変化を測定する場合の装置の構成を示す。レーザ光源15からの光は薄膜試料11に垂直入射する。試料表面からの反射光は半透明鏡16によりポジション・センシティブ・ホトダイオード18に向かう。レーザ光源15からの光の一部は半透明鏡16により0から180度までの複数の位相差を生じさせる位相器の組17を通過し、半透明鏡16により試料表面からの反射光と同軸で重なり合いその干渉光強度を各位相器毎に対応した位置でポジション・センシティブ・ホトダイオード18で測定する。ホトダイオードの検出信号強度は計算機19に保存される。
【0018】計算機19ではホトダイオードの信号強度が干渉光強度最大値の半分の強度、すなわち、試料表面からの反射光と参照光との位相差が90度になっている位相器を複数の位相器の組17の中から見つけだす。したがって、この装置により試料表面からの反射光と参照光との位相差が90度になる条件の下で、膜の溶解に伴う膜厚変化に対応した位相差が得られる。その測定により図2と同程度の結果が得られ、膜厚が時間変化するにつれて、対応した位相器をモニタしていることがわかる。このデータから求めた膜厚の変化は図3に示すものと同程度であり、膜厚の時間変化が精度良く求められていることがわかる。
【0019】
【発明の効果】本発明により、単一波長の光源でも膜厚の変化を精度良く測定することができるようになった。複数の波長の光源を用いないので被測定試料の屈折率の分散の影響がなく、膜厚測定精度が良くなる。




 

 


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