專利名稱：光學(xué)特性測量裝置以及光學(xué)特性測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種光學(xué)特性測量 裝置以及光學(xué)特性測量方法，涉及ー種能夠求出形成在基板上的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)(折射率n、消光系數(shù)k)的光學(xué)特性測量裝置以及光學(xué)特性測量方法。
背景技術(shù)：
在制造半導(dǎo)體裝置、平板顯示器時需要在基板上形成多個膜。為了測量所形成的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)，例如使用日本特開2000-65536號公報(專利文獻I)公開的反射分光膜厚計。反射分光膜厚計使從白色光源發(fā)射的光通過半透半反鏡進行反射并通過透鏡照射到基板上。而且，反射分光膜厚計使來自基板的反射光經(jīng)由透鏡通過半透半反鏡而將其引導(dǎo)到分光器，在由分光器進行分光后由使用CCD等攝像元件的檢測器來檢測光譜。反射分光膜厚計通過對檢測出的光譜進行處理，能夠測量膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)。另外，例如還能夠使用日本特開2004-138519號公報(專利文獻2)公開的光譜橢偏儀來測量所形成的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)。光譜橢偏儀從光源単元向基板發(fā)射偏振光，由感光単元接受來自基板的反射光來獲取反射光的偏振狀態(tài)的光譜，從而測量所形成的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)。但是，在只根據(jù)由專利文獻I公開的分光膜厚計、專利文獻2公開的光譜橢偏儀獲取的光譜求出對于膜的多個測量點的唯一的光學(xué)常數(shù)(折射率n、消光系數(shù)k)時，所需的信息不足，無法根據(jù)所獲取的光譜將光學(xué)常數(shù)求出為唯一的值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠根據(jù)所獲取的光譜將對于形成在基板上的膜的多個測量點的光學(xué)常數(shù)求出為唯一的值的光學(xué)特性測量裝置以及光學(xué)特性測量方法。本發(fā)明的ー個方面所涉及的光學(xué)特性測量裝置具備光源、分光測量部、建模部、分析部以及擬合部。光源向在基板上形成有至少ー層膜的被測量物照射具有規(guī)定的波長范圍的測量光。分光測量部根據(jù)由被測量物反射的光或者透過了被測量物的光來獲取反射強度或者透射強度的波長分布特性。建模部對于相同材料的膜獲取多個波長分布特性，生成至少包含根據(jù)所獲取的各個波長分布特性算出的參數(shù)、膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)的多個膜模型方程式。分析部將由建模部生成的多個膜模型方程式聯(lián)立，假設(shè)包含在多個膜模型方程式中的光學(xué)常數(shù)相同來進行規(guī)定的運算，算出膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)。擬合部通過進行將由分析部算出的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)代入膜模型方程式而獲得的波形與由分光測量部獲取的波長分布特性的波形的擬合，來判定包含在多個膜模型方程式中的光學(xué)常數(shù)是否相同且由分析部算出的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)是否為正確的值。本發(fā)明的其它方面所涉及的光學(xué)特性測量方法向在基板上形成有至少ー層膜的被測量物照射具有規(guī)定的波長范圍的測量光，對于相同材料的膜，基于由被測量物反射的光或者透過了被測量物的光來獲取反射強度或者透射強度的多個波長分布特性。而且，光學(xué)特性測量方法生成包含根據(jù)所獲取的各個波長分布特性算出的參數(shù)、膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)的多個膜模型方程式，將所生成的多個膜模型方程式聯(lián)立，假設(shè)包含在多個膜模型方程式中的光學(xué)常數(shù)相同來進行規(guī)定的運算，算出膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)。并且，光學(xué)特性測量方法通過進行將算出的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)代入膜模型方程式而獲得的波形與所獲取的波長分布特性的波形的擬合，來判定包含在多個膜模型方程式中的光學(xué)常數(shù)是否相同且算出的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)是否為正確的值。根據(jù)本發(fā)明，能夠根據(jù)所獲取的光譜將對于形成在基板上的膜的多個測量點的光學(xué)常數(shù)求出為唯一的值。通過與附圖相關(guān)聯(lián)地理解的與本發(fā)明相關(guān)的下面的詳細說明，可明確本發(fā)明的上述以及其它目的、特征、方面以及優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。 圖2是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的數(shù)據(jù)處理部的概要的硬件結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的數(shù)據(jù)處理部的運算處理結(jié)構(gòu)的框圖。圖4是本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置設(shè)為測量對象的試樣的截面示意圖的ー個例子。圖5A、圖5B是示意性地表示試樣與膜的膜厚Cli以及光學(xué)常數(shù)Iii、h的關(guān)系的圖。圖6是表示與本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量方法有關(guān)的處理過程的流程圖。圖7A 圖7C是表示由以往的光學(xué)特性測量裝置測量試樣而獲得的結(jié)果的曲線圖。圖8A、圖SB是表示由本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置測量試樣而獲得的結(jié)果的曲線圖。圖9A 圖9D是表示測量每個測量點的光學(xué)常數(shù)n、k不同的試樣而獲得的結(jié)果的曲線圖。圖10A、圖IOB是表示由本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置測量形成有金屬薄膜的試樣而獲得的結(jié)果的曲線圖。圖11是表示由光學(xué)特性測量裝置所測量的試樣的層結(jié)構(gòu)的概要圖。圖12是本發(fā)明的實施方式2所涉及的光學(xué)特性測量裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。圖13是表示與本發(fā)明的實施方式2所涉及的光學(xué)特性測量方法有關(guān)的處理過程的流程圖。圖14是表示由本發(fā)明所涉及的光學(xué)特性測量裝置進行評價的殘差A(yù) Y與各試樣的殘差之間的關(guān)系的示意圖。附圖標記說明10 :測量用光源；20 :分束器；30 :物鏡；40 :檢測器；50 :數(shù)據(jù)處理部；60 :觀察用照相機;70 :載物臺；80 :橢圓光投光部;81、91 :偏振棱鏡；90 :橢圓光接收部;100、110 :光學(xué)特性測量裝置；202 :總線；204 :顯示部；208 :輸入部；210 :硬盤部；212 :存儲器部；214 ROM驅(qū)動器；216a :軟盤；501 :建模部；502 :分析部；503 :擬合部。
具體實施例方式下面參照附圖詳細地說明本發(fā)明的實施方式。此外，對于附圖中相同或者相當(dāng)部分附加相同附圖標記，不重復(fù)其說明。(實施方式I)<裝置結(jié)構(gòu)>圖I是本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置100的概要結(jié)構(gòu)圖。本實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置100是顯微分光膜厚計，代表性地能夠 測量單層或者層疊結(jié)構(gòu)的被測量物(試樣)中的各層的膜厚。此外，本實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置100不限于顯微分光膜厚計，也可以是宏觀分光膜厚計。另外，宏觀分光膜厚計不限于測量反射率的結(jié)構(gòu)，也可以是使來自光源的光形成角度入射到試樣來測量反射率的結(jié)構(gòu)、測量透射率的結(jié)構(gòu)。具體地說，光學(xué)特性測量裝置100向試樣照射光，能夠根據(jù)由該試樣反射的反射光的波長分布特性(以下也稱為“光譜”)來測量構(gòu)成試樣的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)(折射率IK消光系數(shù)k)。此外，也可以代替反射光的光譜而使用透過試樣的光的光譜(透射光的光譜)。在本說明書中，例示出作為試樣以在基板上形成至少ー層膜的被測量物為對象的情況。作為試樣的具體的ー個例子，是如在Si基板、玻璃基板、藍寶石基板等基板上形成有樹脂薄膜那樣的層疊結(jié)構(gòu)的基板等。參照圖1，光學(xué)特性測量裝置100具備測量用光源10、分束器20、物鏡30、檢測器40、數(shù)據(jù)處理部50、觀察用照相機60以及載物臺70。試樣放置于載物臺70上。測量用光源10是為了獲取試樣的反射率光譜而產(chǎn)生具有規(guī)定的波長范圍的測量光的光源，紫外頻帶使用氘燈(190nnT450nm)、可見近紅外頻帶使用鹵素?zé)?400nnT2000nm)紫外可見頻帶使用氙燈(300nnT800nm)等。作為測量用光源10，代表性地使用組合了能夠產(chǎn)生從紫外至近紅外為止的波長的氘燈和鹵素?zé)舻幕旌瞎庠?。分束?0通過反射由測量用光源10生成的測量光來將其傳播方向變換為附圖中向下方向。另外，分束器20使向附圖中向上方向傳播的來自試樣的反射光透過。對焦用標線的掩模(未圖示)設(shè)置在從測量用光源10至分束器20為止的光路上以向試樣投射規(guī)定的標線像。標線像用于使用戶對于在表面沒有形成任意花紋(圖案)的試樣(代表性地為透明的玻璃基板等)也容易進行對焦。此外，標線像的形狀可以是任意的，作為ー個例子，能夠使用同心圓狀、十字狀的圖案等。物鏡30是用于將向附圖中向下方向傳播的測量光進行聚光的聚光光學(xué)系統(tǒng)。即，物鏡30使測量光收斂以在試樣或者試樣附近位置處成像。另外，物鏡30是具有規(guī)定的倍率(例如，10倍、20倍、30倍、40倍等)的放大透鏡，能夠使測量試樣的光學(xué)特性的區(qū)域與入射到物鏡30的光束截面相比更微小化。另外，從物鏡30入射到試樣的測量光以及觀察光被試樣反射而向附圖中向上方向傳播。該反射光透過物鏡30之后透過分束器20而到達檢測器40。檢測器40是分光測量器，從透過了分束器20的反射光中測量反射率光譜并將該測量結(jié)果向數(shù)據(jù)處理部50進行輸出。更詳細地說，雖然沒有圖示，但是檢測器40包含狹縫、衍射光柵(光柵)、檢測元件、截止濾光片以及快門。狹縫、截止濾光片、快門以及衍射光柵配置在反射光的光軸上。使用狹縫來限制透過分束器20而入射到檢測器40的反射光的面積。由此，入射到衍射光柵的反射光的面積受到限制，能夠提高向各波長成分的分辨精度。截止濾光片是用于限制透過分束器20而入射到檢測器40的反射光所包含的測量范圍外的波長成分的光學(xué)過濾器，特別是遮斷測量范圍外的波長成分?？扉T用于在復(fù)位檢測元件等時遮斷入射到檢測元件的光?？扉T代表性地由通過電磁力進行驅(qū)動的機械式的快門構(gòu)成。衍射光柵在將所入射的反射光進行分光之后將各分光波 向檢測元件引導(dǎo)。具體地說，衍射光柵是反射型的衍射光柵，構(gòu)成為將每隔規(guī)定的波長間隔的衍射波向相對應(yīng)的各方向進行反射。當(dāng)反射波入射到具有這種結(jié)構(gòu)的衍射光柵時，所包含的各波長成分向?qū)?yīng)的方向反射而入射到檢測元件的規(guī)定的檢測區(qū)域。此外，該波長間隔與檢測器40中的波長分辨率相當(dāng)。衍射光柵代表性地由平板聚焦型球面光柵構(gòu)成。檢測兀件為了測量試樣的反射率光譜而輸出與包含在被衍射光柵分光的反射光中的各波長成分的光強度相應(yīng)的電信號。檢測元件由在紫外可見區(qū)域具有靈敏度的光電ニ極管陣列等構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理部50通過對由檢測器40獲取的反射率光譜進行本發(fā)明所涉及的特征處理來測量構(gòu)成試樣的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)。此外，后面說明數(shù)據(jù)處理部50的處理的詳細過程。并且，數(shù)據(jù)處理部50輸出以構(gòu)成所測量的試樣的膜的膜厚為代表的光學(xué)特性。另ー方面，透過了分束器20的反射光的一部分向觀察用照相機60入射。觀察用照相機60是獲取由反射光獲得的反射像的攝像部,代表性地由(XD(Charged CoupledDevice :電荷稱合器件)、CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor :互補金屬氧化物半導(dǎo)體)傳感器等構(gòu)成。此外，觀察用照相機60代表性地在可見頻帶具有靈敏度，多數(shù)情況下靈敏度特性與在規(guī)定的測量范圍內(nèi)具有靈敏度的檢測器40的靈敏度特性不同。并且，觀察用照相機60將與通過反射光獲得的反射像相應(yīng)的影像信號向顯示部(未圖示)進行輸出。顯示部根據(jù)來自觀察用照相機60的影像信號將反射像顯示在畫面上。用戶通過目視顯示在該顯示部上的反射像來進行對于試樣的對焦、測量位置的確認等。顯示部代表性地由液晶顯示器(LCD)等構(gòu)成。此外，也可以代替觀察用照相機60以及顯示部而設(shè)置用戶能夠直接目視反射像的取景器。載物臺70是用于配置試樣的試樣臺，其配置面形成為平坦。作為ー個例子，該載物臺70被機械連結(jié)的可動機構(gòu)(未圖示)向三個方向(X方向、Y方向、Z方向)自由地驅(qū)動?？蓜訖C構(gòu)代表性地構(gòu)成為包含三軸的伺服馬達和用于驅(qū)動各伺服馬達的伺服驅(qū)動器。并且，可動機構(gòu)響應(yīng)于來自用戶或者未圖示的控制裝置等的載物臺位置指令來驅(qū)動載物臺70。通過對該載物臺70的驅(qū)動來變更試樣與后述的物鏡30之間的位置關(guān)系。<數(shù)據(jù)處理部的結(jié)構(gòu)>圖2是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的數(shù)據(jù)處理部50的概要的硬件結(jié)構(gòu)的示意圖。參照圖2,數(shù)據(jù)處理部50包含CPU(Central Processing Unit:中央處理單元)200,其代表性地通過計算機來實現(xiàn),執(zhí)行包含操作系統(tǒng)(OS :0perating System)在內(nèi)的各種程序；存儲器部212，其暫時地存儲CPU 200中執(zhí)行程序所需的數(shù)據(jù)；以及硬盤部(HDD =Hard Disk Drive) 210，其非易失性地存儲由CPU 200執(zhí)行的程序。另外，在硬盤部210中預(yù)先存儲有用于實現(xiàn)如后所述的處理的程序，通過軟盤驅(qū)動器(FDD) 216或者⑶-ROM驅(qū)動器214分別從軟盤216a或者⑶-ROM(Compact Disk-Read Only Memory :光盤只讀存儲器)214a等中讀取這種程序。CPU 200經(jīng)由由鍵盤、鼠標等構(gòu)成的輸入部208接受來自用戶等的指示、并且將通過執(zhí)行程序而測量出的測量結(jié)果等向顯示部204進行輸出。各部分經(jīng)由總線202相互地連接。<運算處理結(jié)構(gòu)>以下說明本實施方式I所涉及的數(shù)據(jù)處理部50為了測量構(gòu)成試樣的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)而對由檢測器40獲取的反射率光譜進行的運算處理。圖3是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的數(shù)據(jù)處理部50的運算處理結(jié)構(gòu)的框圖。圖3所示的框圖是通過CPU 200將預(yù)先保存在硬盤部210等中的程序讀出到存儲器部212等并執(zhí)行而實現(xiàn)的。參照圖3，數(shù)據(jù)處理部50(圖I)作為其功能而包含建模部501、分析部502以及擬合部503。建模部501根據(jù)從檢測器40 (圖I)輸出的實測到的反射率光譜R(X)來計算試樣所涉及的參數(shù)，根據(jù)所算出的參數(shù)來決定試樣中的膜模型方程式(函數(shù))。<運算處理的原理>在說明膜模型方程式之前，首先對測量光照射到試樣的情況下所觀測到的反射光進行數(shù)學(xué)以及物理研究。圖4是本發(fā)明的實施方式I所涉及的光學(xué)特性測量裝置100設(shè)為測量對象的試樣的截面示意圖的ー個例子。參照圖4，試樣OBJ是在基板層上形成有薄膜層的兩層結(jié)構(gòu)。并且，設(shè)為來自光學(xué)特性測量裝置100的照射光從附圖上側(cè)入射到試樣OBJ。即，設(shè)為測量光首先向薄膜層入射。為了容易理解，考慮入射到試樣OBJ的測量光在基板層與薄膜層之間的界面進行反射而產(chǎn)生的反射光。在以下的說明中，使用下標i來表現(xiàn)各層。即，將空氣、真空等的環(huán)境層設(shè)為下標“0”，將試樣OBJ的薄膜層設(shè)為下標“1”，將基板層設(shè)為下標“2”。另外，對各層的復(fù)折射率N、膜厚d、入射角(p分別使用下標i而表示為復(fù)折射率隊、膜厚Cli、入射角q>i。在光以入射角q>0向圖4所示的薄膜層入射的情況下，入射的光在折射率不同的環(huán)境層與薄膜層之間的界面、薄膜層與基板層之間的界面處分別反射，光在薄膜層內(nèi)往復(fù)幾次而產(chǎn)生干渉。因此，圖4所示的薄膜層的反射率、透射率、相位差A(yù)以及振幅比W如式
(I)那樣表不。[式I]反射率=(|Rp|2+|Rs|2)/權(quán)利要求
1.一種光學(xué)特性測量裝置，具備 光源，其向在基板上形成有至少一層膜的被測量物照射具有規(guī)定的波長范圍的測量光; 分光測量部，其基于被上述被測量物反射的光或者透過了上述被測量物的光來獲取反射強度或者透射強度的波長分布特性； 建模部，其生成多個膜模型方程式，各膜模型方程式至少包含上述膜的膜厚、上述膜的光學(xué)常數(shù)以及對于相同材料的上述膜獲取多個上述波長分布特性并根據(jù)獲取到的各個上述波長分布特性計算出的參數(shù)； 分析部，其將由上述建模部生成的多個上述膜模型方程式聯(lián)立，假設(shè)包含在多個上述膜模型方程式中的上述光學(xué)常數(shù)相同來進行規(guī)定的運算，計算上述膜的上述膜厚以及上述 光學(xué)常數(shù)；以及 擬合部，其進行將由上述分析部計算出的上述膜的上述膜厚以及上述光學(xué)常數(shù)代入上述膜模型方程式而獲得的波形與由上述分光測量部獲取到的上述波長分布特性的波形的擬合，由此來判定包含在多個上述膜模型方程式中的上述光學(xué)常數(shù)是否相同且由上述分析部計算出的上述膜的上述膜厚以及上述光學(xué)常數(shù)是否為正確的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)特性測量裝置，其特征在于， 上述分析部在上述規(guī)定的運算中使用非線性最小二乘法。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)特性測量裝置，其特征在于， 根據(jù)上述波長分布特性計算出的上述參數(shù)是上述膜的反射率或者透射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)特性測量裝置，其特征在于， 上述分光測量部基于由上述被測量物反射的光來獲取偏振光反射強度的上述波長分布特性， 根據(jù)上述波長分布特性計算出的上述參數(shù)是相位差△以及振幅比Ψ。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)特性測量裝置，其特征在于， 上述建模部生成還包含上述膜的背面反射系數(shù)貢獻率的上述膜模型方程式。
6.一種光學(xué)特性測量方法，包括以下步驟 向在基板上形成有至少一層膜的被測量物照射具有規(guī)定的波長范圍的測量光， 對于相同材料的上述膜，基于被上述被測量物反射的光或者透過了上述被測量物的光來獲取反射強度或者透射強度的多個波長分布特性， 生成包含上述膜的膜厚、上述膜的光學(xué)常數(shù)以及根據(jù)獲取到的各個上述波長分布特性計算出的參數(shù)的多個膜模型方程式， 將所生成的多個上述膜模型方程式聯(lián)立，假設(shè)包含在多個上述膜模型方程式中的上述光學(xué)常數(shù)相同來進行規(guī)定的運算，計算上述膜的上述膜厚以及上述光學(xué)常數(shù)，以及 進行將計算出的上述膜的上述膜厚以及上述光學(xué)常數(shù)代入上述膜模型方程式而獲得的波形與獲取到的上述波長分布特性的波形的擬合，由此來判定包含在多個上述膜模型方程式中的上述光學(xué)常數(shù)是否相同且計算出的上述膜的上述膜厚以及上述光學(xué)常數(shù)是否為正確的值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學(xué)特性測量裝置以及光學(xué)特性測量方法。光學(xué)特性測量裝置(100)具備光源(10)、檢測器(40)以及數(shù)據(jù)處理部(50)。數(shù)據(jù)處理部(50)具備建模部、分析部以及擬合部。將多個膜模型方程式聯(lián)立，假設(shè)包含在多個膜模型方程式中的光學(xué)常數(shù)相同來進行規(guī)定的運算，通過進行將算出的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)代入膜模型方程式而獲得的波形與由檢測器(40)獲取的波長分布特性的波形的擬合來判定包含在多個膜模型方程式中的光學(xué)常數(shù)是否相同，由分析部算出的膜的膜厚以及光學(xué)常數(shù)是否為正確的值。
文檔編號G01B11/06GK102954765SQ20121028546
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者山崎雄介, 岡本宗大 申請人:大塚電子株式會社