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    本發明之光學特性測量裝置(100)係包括：光源(10)；檢測器(40)；及資料處理部(50)。資料處理部(50)係包括：模型化部、解析部、及配適部。使複數個膜模型式聯立，並且使包含在複數個膜模型式之光學常數為相同進行特定運算，藉由進行將已算出之膜的膜厚及光學常數代入到膜模型式而得到的波形、及利用檢測器(40)取得之波長分析特性的波形之配適，判定包含在複數個膜模型式之光學常數為相同，而且利用解析部算出之膜的膜厚及光學常數為正確值。
    公开号:TW201317541A
    申请号:TW101124166
    申请日:2012-07-05
    公开日:2013-05-01
    发明作者:Yusuke Yamazaki；Sota Okamoto
    申请人:Otsuka Denshi Kk；
    IPC主号:G01B11-00
    专利说明:
    光學特性測量裝置及光學特性測量方法
    本發明係關於一種光學特性測量裝置及光學特性測量方法，尤其是關於一種可以求出形成在基板上之膜的膜厚及光學常數(折射率n、消光係數k)之光學特性測量裝置及光學特性測量方法。
    在製造半導體裝置或平面顯示器時，必須在基板上形成複數個膜。為了測量已形成之膜的膜厚及光學常數，例如使用日本特開2000-65536號公報(專利文獻1)所揭示之反射分光膜厚計。反射分光膜厚計係利用半透明反射鏡反射從白色光源射出的光，並利用透鏡使其照射到基板。再者，反射分光膜厚計係將來自基板的反射光透過透鏡，並使其通過半透明反射鏡後導入到分光器，利用分光器予以分光後，藉由使用CCD等拍攝元件之檢測器檢測光譜。反射分光膜厚計係可以藉由處理已檢測的光譜，測量膜的膜厚及光學常數。
    又，例如使用日本特開2004-138519號公報(專利文獻2)所揭示之分光橢圓膜厚儀，也可以測量已形成之膜的膜厚及光學常數。分光橢圓膜厚儀係從光源單元朝向基板射出偏光光，利用受光單元接受來自基板的反射光並取得反射光之偏光狀態的光譜，測量已形成之膜的膜厚及光學常數。
    但是，在只從利用專利文獻1揭示之分光膜厚計、或專利文獻2揭示之分光橢圓膜厚儀取得的光譜求出對於膜的複數個測量點之唯一的光學常數(折射率n、消光係數k)方面，必要的資訊為不足的，而無法從取得的光譜求出光學常數作為唯一值。
    本發明係為提供一種可以從取得的光譜求出對於形成在基板上之膜的複數個測量點之光學常數作為唯一值之光學特性測量裝置及光學特性測量方法。
    依據本發明之某一局面之光學特性測量裝置，其係包括：光源、分光測量部、模型化部、解析部、及配適部。光源係對於在基板上至少形成1層膜之被測量物，照射具有特定波長範圍的測量光。分光測量部係依據利用被測量物予以反射的光、或者穿透被測量物的光，取得反射強度或穿透強度之波長分布特性。模型化部係從相同材料的膜取得複數個波長分布特性，並且產生至少包含從已取得之各個波長分布特性算出之參數、膜的膜厚及光學常數之複數個膜模型式。解析部係使利用模型化部所產生的複數個膜模型式聯立，並且使包含在複數個膜模型式之光學常數為相同進行特定運算，算出膜的膜厚及光學常數。配適部係藉由進行將利用解析部算出之膜的膜厚及光學常數代入到膜模型式而得到的波形、及利用分光測量部取得之波長分布特性的波形之配適，判定包含在複數個膜模型式之光學常數為相同，而且利用解析部算出之膜的膜厚及光學常數為正確值。
    依據本發明之另一局面之光學特性測量方法，其係對於在基板上至少形成1層膜的被測量物照射具有特定波長範圍的測量光，依據利用被測量物予以反射的光或是穿透被測量物的光，從相同材料的膜取得複數個反射強度或穿透強度的波長分布特性。再者，光學特性測量方法係產生包含從已取得之各個波長分布特性算出之參數、膜的厚度及光學常數之複數個膜模型式，使已產生的複數個膜模型式聯立，並且使被包含在複數個膜模型式的光學常數為相同進行特定運算，算出膜的膜厚及光學常數。再者，光學特性測量方法係藉由進行將已算出的膜的膜厚及光學常數代入膜模型式而得到的波形、及已取得的波長分布特性的波形之配適，判定被包含在複數個膜模型式之光學常數為相同，而且已算出之膜的膜厚及光學常數為正確值。
    根據本發明，可以從已取得之光譜求出對於形成在基板上之膜的複數個測量點之光學常數作為唯一的值。
    本發明之上述及其他目的、特徵、局面、及優點係可以從與添附圖面關聯予以理解之關於本發明的其次詳細說明理解。
    針對本發明之實施形態，一邊參照圖面一邊詳細說明。又，對於圖中之相同或相當部份係附予相同符號而不重覆該說明。 (實施形態1) <裝置構成>
    第1圖係為依據本發明之實施形態1之光學特性測量裝置100的概略構成圖。
    依據本實施形態1之光學特性測量裝置100係為顯微分光膜厚計，在代表性上其係為可以測量單層或層疊構造的被測量物(試料)中之各層的膜厚。又，依據本實施形態1之光學特性測量裝置100係不限於顯微分光膜厚計，即使是巨觀分光膜厚計亦可。又，巨觀分光膜厚計係不限於測量反射率的構成，即使是將來自光源的光施予角度射入到試料以測量反射率的構成、或測量穿透率的構成亦可。
    具體而言，光學特性測量裝置100係在試料上照射光，並且依據利用該試料予以反射的反射光之波長分布特性(以下也稱為「光譜」。)，可以測量構成試料之膜的膜厚及光學常數(折射率n、消光係收k)。又取代反射光的光譜，使用穿透試料之光的光譜(穿透光的光譜)亦可。
    在本案說明書中，作為試料係以在基板上至少形成1層膜者為對象之情況予以例示。就試料的具體一例而言，其係為在Si基板、玻璃基板、藍寶石基板等基板上，形成樹脂薄膜之層疊構造的基板等。
    參照第1圖，光學特性測量裝置100係包括：測量用光源10、光束分光器20、對物鏡30、檢測器40、資料處理部50、觀察用攝影機60、平台70。試料係設置在平台70上。
    測量用光源10係為了取得試料的反射率光譜，其係為產生具有特定波長範圍的測量光之光源，在紫外光帶域係使用氘燈(190nm~450nm)、或者在可視近紅外光帶域係使用鹵素燈(400nm~2000nm)、或者在紫外光可視帶域係使用氙氣燈(300nm~800nm)等。就測量用光源10而言，在代表性上使用可產生從紫外光到近紅外光的波長之組合氘燈與鹵素燈的混合光源。
    光束分光器20係藉由反射利用測量用光源10所產生的測量光，將其傳播方向轉換為圖面向下。又，光束分光器20係使來自朝圖面向上傳播之試料的反射光穿透。以特定的標線影像投射到試料的方式，將對焦用標線的光罩(未圖示)設置在從測量用光源10到光束分光器20的光路。標線影像係為即使是對於在其表面沒有形成任何的模樣(圖案)的試料(在代表性上為透明的玻璃基板等)，也可以使根據使用者的對焦容易化者。又，雖然標線影像的形狀為任何形狀皆可，但是作為一例可以使用同心圓狀或十字狀的圖案等。
    對物鏡30係為用以將朝圖面向下傳播之測量光予以集光之集光光學系。換言之，對物鏡30係以在試料或其接近的位置成像的方式將測量光進行收束。又，對物鏡30係為具有特定倍率(例如，10倍、20倍、30倍、40倍等)之擴大鏡，與射入到對物鏡30的光之光束剖面相比可以更微小化測量試料的光學特性之區域。
    又，從對物鏡30射入到試料的測量光及觀察光係利用試料予以反射，並且朝圖面向上傳播。該反射光係穿透對物鏡30後，再穿透光束分光器20到達檢測器40。
    檢測器40係為分光測量器，從穿透光束分光器20之反射光測量反射率光譜，並且將其測量結果輸出到資料處理部50。更詳細而言，檢測器40雖然未圖示，但是包含隙縫、繞射晶格(光柵)、檢測元件、遮光濾光器、及擋板。
    隙縫、遮光濾光器、擋板、及繞射晶格，其等係配置在反射光的光軸。隙縫係使用於限制穿透光束分光器20並射入到檢測器40之反射光的面積。藉此可以限制射入到繞射晶格之反射光的面積，提升對於各波長成分的分解精確度。遮光濾光器係為用以限制被包含在穿透光束分光器20並射入到檢測器40的反射光之測量範圍外的波長成分之光學濾光器，尤其是遮斷測量範圍外的波長成分。擋板係在重置檢測元件時等使用於遮斷射入到檢測元件的光。擋板係在代表性上由利用電磁力予以驅動之機械式擋板構成。
    繞射晶格係在將射入的反射光進行分光的狀態下，將各分光波導向檢測元件。具體而言，繞射晶格係為反射型的繞射晶格，以每個特定的波長間隔之繞射波反射到對應的各方向之方式予以構成。當反射波射入到具有這樣構成的繞射晶格時，被包含之各波長成分係反射到對應的方向，並且射入到檢測元件之特定的檢測區域。又，該波長間隔係相當於檢測器40中之波長分解能。繞射晶格係在代表性上由平板聚焦型球面光柵構成。
    檢測元件係為了測量試料的反射率光譜，輸出與被包含在利用繞射晶格予以分光之反射光的各波長成分之光強度因應之電氣訊號。檢測元件係由對於紫外光可視區域具有感度之發光二極體陣列等構成。
    資料處理部50係對於利用檢測器40所取得之反射率光譜，藉由進行關於本發明之特徵性處理，測量構成試料之膜的膜厚及光學常數。又，針對資料處理部50的處理詳細係於後面闡述。再者，資料處理部50係輸出構成測量的試料之膜的膜厚以及光學特性。
    一方面，使穿透光束分光器20之反射光的一部份射入到觀察用攝影機60。觀察用攝影機60係為取得藉由反射光而得到的反射影像之拍攝部，在代表性上由CCD(Charge Coupled Device；電荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor；互補式金屬氧化物半導體)感測器等構成。又，觀察用攝影機60係在代表性上為在可視帶域具有感度者，具有與在特定測量範圍具有感度的檢測器40不同的感度特性的情況為多。再者，觀察用攝影機60係將與藉由反射光而得到之反射影像因應之映像訊號輸出到顯示部(未圖示)。顯示部係依據來自觀察用攝影機60的映像訊號將反射影像顯示在畫面上。使用者係觀看被顯示在該顯示部之反射影像，進行對於試料之對焦或測量位置的確認等。顯示部係在代表性上由液晶顯示器(LCD)等構成。又，取代觀察用攝影機60及顯示部，設置使用者可以直接觀看反射影像之取景器亦可。
    平台70係為用以配置試料之試料台，該配置面係形成為平坦。作為一例，該平台70係利用機械性予以連結之可動機構(未圖示)而可以在3方向(X方向‧Y方向‧Z方向)自由驅動。可動機構係在代表性上包含3軸分的伺服馬達、及用以驅動各伺服馬達之伺服驅動器予以構成。再者，可動機構係應答來自使用者或未圖示之控制裝置等的平台位置指令而驅動平台70。藉由該平台70的驅動，改變試料與後述之對物鏡30之間的位置關係。 <資料處理部之構成>
    第2圖係為顯示依據本發明之實施形態1之資料處理部50的概略硬體構成之模式圖。
    參照第2圖，資料處理部50係在代表性上利用電腦予以實現，包含：實行包含作業系統(OS：Operating System)的各種程式之CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)200；暫時記憶利用CPU200之程式實行所必要的資料之記憶體部212；及非揮發性記憶利用CPU200予以實行的程式之硬碟部(HDD：Hard Disk Drive)210。又，在硬碟部210中係預先記憶用以實現後述的處理之程式，該程式係可以藉由軟碟機(FDD)216或者CD-ROM驅動器214，各自從軟碟216a或者CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory；唯讀記憶體)214a等讀出。
    CPU200係透過由鍵盤或滑鼠等構成之輸入部208接受來自使用者等的指示，而且將藉由程式實行予以測量之測量結果等輸出到顯示器部204。各部係透過匯流排202相互連接。 <運算處理構造>
    依據本實施形態1之資料處理部50係為了測量構成試料之膜的膜厚及光學常數，對於利用檢測器40取得之反射率光譜所進行的運算處理進行說明。
    第3圖係為顯示依據本發明之實施形態1之資料處理部50的運算處理構造之方塊圖。第3圖所示之方塊圖係藉由CPU200在記憶體部212等讀出實行硬碟部210等之預先儲存的程式予以實現。
    參照第3圖，資料處理部50(第1圖)係包含：模型化部501、解析部502、及配適部503作為其機能。
    模型化部501係從檢測器40(第1圖)所輸出之實測的反射率光譜R(λ)算出關於試料的參數，並且依據已算出的參數，決定試料的膜模型式(函數)。 <運算處理之原理>
    在說明膜模型式之前，首先針對在將測量光照射到試料的情況下所觀測的反射光，進行數學性及物理性檢討。
    第4圖係為成為依據本發明之實施形態1之光學特性測量裝置100所測量對象之試料的剖面模式圖之一例。
    參照第4圖，試料OBJ係為在基板層上形成薄膜層之2層構造。再者，來自光學特性測量裝置100的照射光係形成為從圖面上側射入到試料OBJ者。換言之，測量光係形成為最先射入到薄膜層者。
    為了易於理解，針對射入到試料OBJ之測量光在基板層及薄膜層之界面反射而產生的反射光予以考量。在以下的說明中，使用下標字i表現各層。換言之，將空氣或真空等環境層為下標字「0」，試料OBJ的薄膜層為下標字「1」，基板層為下標字「2」。又，在各層的複折射率N、膜厚d、射入角φ各自使用下標字i，以複折射率Ni、膜厚di、射入角φi予以表現。
    以射入角φ0在第4圖所示之薄膜層射入光的情況下，已射入的光係各自在折射率不同之環境層與薄膜層之界面、及薄膜層與基板層之界面反射，在薄膜層內使光重複往返好幾次而造成干擾。為此，第4圖所示之薄膜層的反射率、穿透率、相位差△、及振幅比Ψ係如式(1)予以表現。
    又，RP係為偏光P成分的複折射係數，RS係為偏光S成分的複折射係數，TP係為偏光P成分的複穿透係數，TS係為偏光S成分的複穿透係數。
    此等複折射係數RP、RS及複穿透係數TP、TS係可以利用以下的計算求出。首先，複折射率Ni係可以使用折射率ni及消光係數ki，而如式(2)予以表現。
    N i =n i -jk i ………式(2)
    在折射率不同的界面中會造成光的反射及穿透，在折射率不同之i層及i+1層之間的各界面中，偏光P成分、S成分的振幅反射率(Fresnel(菲涅耳)係數)係如式(3)予以表現。
    同樣地，偏光P成分、S成分的振幅穿透率(Fresnel(菲涅耳)係數)係如式(4)予以表現。
    射入角φi係可以利用以下所示之Snell(斯奈爾)法則(N0sinφ0=Nisinφi)，從最上層之環境層(0層)的射入角進行計算。
    在光會干擾之具有膜厚的層內，使利用式(3)予以表現之反射率進行反射之光在層內重覆往返好幾次。為此，在與相鄰的層之界面直接反射的光、與在層內多重反射後的光之間由於該光路長不同，造成相位相互不同者而產生光的干擾。為了顯示這樣之各層內之光的干擾效果，當導入i層之層內的光之相位角βi時，可以如式(5)予以表現。
    其中，di係表示i層的膜厚，λ係表示射入光的波長。
    使用式(2)~式(5)，由環境層、薄膜層、基板層之3層構成的試料OBJ中的偏光P成分、S成分的複反射係數RP、RS係可以如式(6)予以表現。
    其中，γ係表示內面反射係數貢獻率，表現從基板層之厚膜層的內面側使光反射過來的比率。又，在省略內面反射係數貢獻率的情況下，以γ=1亦可。
    又，同樣地，P成分、S成分的複穿透係數TP、TS係可以如式(7)予以表現。
    藉由將式(6)及式(7)代入到式(1)，可以各自成為膜模型式表現反射率、穿透率、相位差△及振幅比Ψ。
    如以上所示，膜模型式係為使用前述之射入角φi、射入光的波長λ、複折射率Ni、膜厚di、內面反射係數貢獻率γ，表現反射率、穿透率、相位差△及振幅比Ψ等的關係式。
    再者，針對利用光學特性測量裝置100算出之膜的光學常數(折射率ni、消光係數ki)，Cauchy模型、Forouhi-Bloomer模型、EMA模型、Lorentz模型、Tauc-Lorentz模型、Drude模型等膜模型式為悉知的。
    具體而言，使用Cauchy模型表示光學常數的膜模型式係可以如式(8)予以表現。
    其中，C1、C2、C3為膜模型式的變數。
    又，使用Forouhi-Bloomer模型表示光學常數的膜模型式係可以如式(9)予以表現。
    k i =C 1(E-C 4)2/(E 2-C 2 E+C 3) E=hc/λ n i =C 5+g(E)………式(9)
    其中，h為普郎克常數，c為在真空中的光速度，g(E)為ki的積分值，C1、C2、C3、C4、C5為膜模型式的變數。又，求出ni的數學式係從藉由利用式(10)所示之Kramers-Kronig的關係式進行積分求出ki的數學式予以導出。

    其中，P為柯西(Cauchy)積分的主值，ω為頻率。
    回到第3圖，模型化部501係從每個測量點取得之光譜，對於每個測量點產生膜模型式。例如，在從1塊基板進行5點測量的情況、或者對於5塊基板各自進行1點測量的情況，模型化部501係從在每個測量點取得的光譜，對於每個測量點而產生5個膜模型式。
    其次，解析部502係使利用模型化部501產生的複數個膜模型式聯立，並且使包含在複數個膜模型式的光學常數n、k為相同進行非線形最小平方法的運算，算出膜的膜厚di及光學常數n、k。又，非線形最小平方法係為例示，只要是可以算出膜的膜厚di及光學常數n、k之運算，即使是其他運算方法亦可。
    所謂非線形最小平方法，其係為算出使已測量的光譜資料Ym及從膜模型式算出的光譜資料Yc之殘差△Y的平方和成為最小的參數(膜的膜厚di及光學常數ni、ki)之方法。在實際的運算中，如式(11)所示，藉由解開行列式可以求出參數的變化量。
    Y=XP X TY=X TXP (X TX) -1X TY=P………式(11)
    其中，Y：殘差行列，X：偏微分行列，P：參數變化量行列
    習知，非線形最小平方法所用的行列式係對於每個已產生的膜模型式作成為式(12)，進行運算。
    其中，式(12)係因為使用Cauchy模型，因此光學常數ni、ki係作為C1、C2、C3的變數予以表現。
    但是，解析部502係因為使利用模型化部501產生的複數個膜模型式聯立，因此將非線形最小平方法所用的行列式作成為合成複數個膜模型式的式(13)，進行運算。
    其中，式(13)因為也是使用Cauchy模型，因此光學常數ni、ki係作為C1、C2、C3的變數予以表現。又，式(13)係由於在膜模型式f不存在偏微分參數，因此使偏微分參數之項(例如，利用d2將f11進行偏微光的項)成為”0”。
    再者，解析部502係使光學常數n、k為相同，進行式(13)運算。換言之，變數C1、C2、C3係具有如式(14)所示的關係。
    C 1=C 11=C 12=…=C 1m C 2=C 21=C 22=…=C 2m C 3=C 31=C 32=…=C 3m ………式(14)
    藉此，解析部502係可以解開式(13)的行列式，求出參數的變化量，而算出膜的膜厚di及光學常數ni、ki。
    第5A、5B圖係為模式顯示試料與膜的膜厚di及光學常數ni、ki之關係的圖面。在第5A圖中，各自對於形成相同材料的膜之試料1、試料2、試料3產生膜模型式，並且使用非線形最小平方法算出膜的膜厚di及光學常數ni、ki。為此，對於各個試料1、試料2、試料3，算出值不同之膜的光學常數ni、ki，無法求出膜的光學常數ni、ki作為唯一值。
    在關於本發明之方法中，如第5B圖所示，形成有相同材料的膜之試料1、試料2、試料3係使膜的光學常數n、k為相同，並且總結使用非線形最小平方法算出膜的膜厚di及光學常數n、k。為此，可以使相同材料之膜的光學常數n、k成為唯一值予以求出。
    回到第3圖，配適部503係進行利用解析部502算出之膜的膜厚di及光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形、及利用檢測器40(第1圖)取得之光譜的波形之配適。配適部503係藉由進行兩波形的配適，可以判定包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為相同，而且已算出之膜的膜厚di及光學常數n、k為正確值。
    反之，配適部503係若是沒有使利用解析部502算出之膜的膜厚di及光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形與已取得之光譜的波形配適的話，可以判定膜的光學常數n、k為不同，或者膜模型式本身為不同。
    換言之，配適部503係驗證膜的光學常數n、k是否相同、膜模型式是否正確，可以提高利用解析部502算出之膜的膜厚di及光學常數n、k之精確度。 <測量方法>
    其次，參照流程圖，針對依據本發明之實施形態1之光學特性測量方法進行說明。
    第6圖係為顯示關於依據本發明之實施形態1之光學特性測量方法的處理順序之流程圖。
    參照第6圖，首先，光學特性測量裝置100係在測量被測量物之試料前，進行膜的光學常數為既知之基準測量物的反射強度測量(步驟S601)。接著，使用者將被測量物(試料)配置在平台70(第1圖)上(步驟S602)。
    接著，使用者係一邊參照被顯示在顯示部(未圖示)之利用觀察用攝影機60(第1圖)所拍攝的反射影像，一邊移動對物鏡30及平台70，在測量點進行對焦(步驟S603)。
    在測量點進行對焦後，當使用者施予測量開始指令時，從測量用光源10(第1圖)開始測量光的產生。檢測器40係接受來自試料的反射光，並且將依據該反射光之反射強度光譜輸出(反射強度測量)到資料處理部50(步驟S604)。接著，資料處理部50的CPU200係將利用檢測器40所檢測的反射強度光譜暫時儲存在記憶體部212等，之後，從反射強度光譜算出試料的反射率(步驟S605)。
    CPU200係產生至少包含已算出之試料的反射率、膜的膜厚及光學常數之膜模型式(步驟S606)。接著，CPU200係判斷全部的測量點是否都已測量(步驟S607)。在CPU200判斷未測量全部的測量點之情況下(步驟S607：NO)，使用者係一邊參照被顯示在顯示部(未圖示)之利用觀察用攝影機60(第1圖)所拍攝的反射影像，一邊移動對物鏡30及平台70，在下個測量點進行對焦(步驟S603)。
    在CPU20判斷已測量全部的測量點之情況下(步驟S607：YES)，將處理前進到步驟S608。CPU200係使複數個膜模型式聯立，並且使包含在複數個膜模型式之光學常數為相同利用非線形最小平方法進行運算，算出膜的膜厚di及光學常數n、k(步驟S608)。
    再者，CPU200係進行將已算出之膜的膜厚di及光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形、及利用檢測器40取得之光譜的波形之配適，判斷是否可配適(步驟S609)。CPU200係在判斷為可配適的情況下(步驟S609：YES)，判定包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為相同，而且已算出之膜的膜厚di及光學常數n、k為正確(步驟S610)。CPU200係判斷為不能配適的情況下(步驟S609：NO)，判定包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為不同，而且已產生的膜模型式為不同(步驟S611)。
    其次，針對利用光學特性測量裝置100測量(模擬)試料而得到的結果進行說明。首先，第7A~7C圖係為顯示利用習知之光學特性測量裝置測量試料而得到之結果的圖表。在第7A圖、第7B圖、第7C圖中各自顯示試料1之反射率光譜及試料1之膜的光學常數n、k之圖表、試料2之反射率光譜及試料2之膜的光學常數n、k之圖表、試料3之反射率光譜及試料3之膜的光學常數n、k之圖表。又，反射率光譜圖表的橫軸、縱軸係各自表示波長、反射率，膜的光學常數n、k圖表的橫軸、左側縱軸、右側縱軸係各自表示波長、折射率、消光係數。又，試料1~3係在Si基板上各自形成膜厚有所不同的樹脂膜。
    如第7A~7C圖所示，雖然消光係數k沒有根據試料1~試料3變化而是相同值，但是因為折射率n係在試料1、試料2、及試料3有所不同，因此無法算出樹脂模的光學常數n、k作為唯一值。又，各自算出試料1的樹脂膜膜厚為49.1nm，試料2的樹脂膜膜厚為45.6nm，試料3的樹脂膜膜厚為65.4nm。
    如第7A~7C圖所示，在習知之光學特性測量裝置中，由於是相同的樹脂膜，儘管本來應該算出作為相同的光學常數n、k，但是卻算出作為不同的光學常數n、k而造成問題。
    第8A、8B圖係為顯示利用依據本發明之實施形態1之光學特性測量裝置100測量試料而得到的結果之圖表。在第8A圖、第8B圖係各自顯示試料4~試料6之反射率光譜、試料4~試料6之膜的光學常數n、k之圖表。又，反射率光譜圖表的橫軸、縱軸係各自表示波長、反射率，膜的光學常數n、k圖表的橫軸、左側縱軸、右側縱軸係各自表示波長、折射率、消光係數。又，試料4~6係在Si基板上各自形成膜厚有所不同的樹脂膜。
    如第8A、8B圖所示，光學常數n、k係沒有依據試料4~試料6而有所變化，可以算出作為顯示樹脂膜的光學常數之唯一值。又，各自算出試料4的樹脂膜膜厚為60.8nm，試料5的樹脂膜膜厚為40.8nm，試料3的樹脂膜膜厚為19.8nm。
    其次，說明利用光學特性測量裝置100測量(模擬)在每個測量點光學常數n、k不同的試料之情況的結果。第9A~9D圖係為測量在每個點測量光學常數n、k有所不同的試料而得到的結果之圖表。在第9A圖、第9B圖係各自顯示試料7內的5個測量點之折射率n、試料7內的5個測量點之消光係數k。又，折射率n圖表的橫軸、縱軸係各自表示波長、折射率，消光係數k圖表的橫軸、縱軸係各自表示波長、消光係數。又，試料7係在玻璃基板上形成ITO薄膜。如第9A及9B圖所示，雖然是相同試料7的相同ITO薄膜，但是在每個測量點光學常數n、k有所不同。
    利用光學特性測量裝置100測量試料7的結果係為第9C及9D圖。第9C圖係為試料7內的5個測量點之反射率光譜，第9D圖係為試料7內的5個測量點之ITO薄膜的光學常數n、k。又，反射率光譜圖表的橫軸、縱軸係各自表示波長、反射率，ITO薄膜的光學常數n、k圖表的橫軸、左側縱軸、右側縱軸係各自表示波長、折射率、消光係數。
    即使在利用光學特性測量裝置100測量試料7的情況下，如第9D圖所示，可以算出ITO薄膜的光學常數n、k作為唯一值。但是，當進行已算出的光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形、及利用檢測器40(第1圖)取得之反射率光譜的波形之配適時，如第9C圖所示，兩波形不會配適。為此，可以得知試料7之ITO薄膜的光學常數n、k係在每個測量點有所不同。
    其次，說明利用光學特性測量裝置100測量(模擬)在習知的光學特性測量裝置中造成測量困難之形成金屬薄膜的試料之情況的結果。
    第10A、10B圖係為顯示利用依據本發明之實施形態1之光學特性測量裝置100測量形成金屬薄膜的試料而得到的結果之圖表。在第10A圖、第10B圖係各自顯示試料8~試料12之反射率光譜、試料8~試料12之金屬薄膜的光學常數n、k之圖表。又，反射率光譜圖表的橫軸、縱軸係各自表示波長、反射率，金屬薄膜的光學常數n、k圖表的橫軸、左側縱軸、右側縱軸係各自表示波長、折射率、消光係數。又，試料8~12係在石英基板上各自形成膜厚有所不同的Cr薄膜。
    如第10B圖所示，因為光學常數n、k沒有依據試料8~試料12變化而是相同值，因此可以算出Cr膜的光學常數n、k作為唯一值。又，各自算出試料8的Cr膜膜厚為32.0nm，試料9的Cr膜膜厚為20.7nm，試料10的Cr膜膜厚為15.5nm，試料11的Cr膜膜厚為10.3nm，試料12的Cr膜膜厚為5.2nm。
    如以上所示，在關於本發明之實施形態1之光學特性測量裝置100中，利用解析部502使已產生的膜模型式聯立，並且使包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為相同利用非線形最小平方法進行運算，算出膜的膜厚d及光學常數n、k。再者，光學特性測量裝置100係藉由利用配適部503進行將已算出之膜的膜厚d及光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形、及利用檢測器40取得之反射率光譜的波形之配適，判定包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為相同，而且算出之膜的膜厚d及光學常數n、k為正確值。為此，光學特性測量裝置100係可以從已取得之光譜求出形成在基板上之膜的光學常數n、k作為唯一值。又，在關於本發明之實施形態1之光學特性測量裝置100中，因為利用配適部503驗證利用解析部502算出之膜的膜厚d及光學常數n、k，可以測量更高精確度之膜的膜厚d及光學常數n、k。
    又，前述式(13)係為以在基板上形成1層薄膜之試料，省略內面反射係數貢獻率的情況(γ=1)之行列式。但是，關於本發明之光學特性測量裝置100係不限於式(13)的行列式，以在基板上形成多層薄膜的試料，考量內面反射係數貢獻率的情況之行列式亦可。具體而言，其係使用如以下之式(15)所示之行列式。又，以下之式(15)係在後項(例如，利用dm將f11進行偏微分之項的下項、△dm的下段)適當追加考量多層薄膜或內面反射係數貢獻率之參數。
    又，利用光學特性測量裝置100測量的試料係不必是完全相同層構成的試料，根據每個試料形成不同的層構成亦可。第11圖係為顯示利用光學特性測量裝置100測量的試料之層構成的概略圖。第11圖所示之試料1係為在基板上層疊第1層、第2層之層構成，試料2係為在基板上層疊第1層之層構成。
    試料1的第1層係為複折射率N12、膜厚d12，試料1的第2層係為複折射率N11、膜厚d11。試料2的第1層係為複折射率N21、膜厚d21。光學特性測量裝置100係使試料1的第1層及試料2的第1層的複折射率N為相同(N12=N21)進行測量。 (實施形態2) <裝置構成>
    第12圖係為依據本發明之實施形態2之光學特性測量裝置110的概略構成圖。
    依據本發明之實施形態2之光學特性測量裝置110係為橢圓分光計，將至少包含特定紫外光波長範圍的光(射入光)照射到試料，藉由測量針對該射入光利用試料予以反射而產生之反射光的特定波長之分光橢圓參數，可以測量各層的膜厚等。
    具體而言，光學特性測量裝置110係在試料照射光，並且依據利用該試料予以反射之偏光反射光的波長分布特性(以下也稱為「光譜」。)，可以測量構成試料之膜的膜厚及光學常數(折射率n、消光係數k)。
    參照第12圖，光學特性測量裝置110係包括：測量用光源10、橢圓投光部80、橢圓受光部90、檢測器40、資料處理部50、及平台70。試料係配置在平台70上。
    測量用光源10係產生包含特定的紫外光波長範圍(例如，185nm~400nm)之波長範圍的光。在代表性上，測量用光源10係利用氙氣燈(Xe燈)或氘燈(D2燈)等之可產生從紫外光帶域到可視帶域的波長之白色光源予以構成。利用測量用光源10產生的光係透過光緩衝器等導入到橢圓投光部80。
    橢圓投光部80係包含偏光稜鏡81。偏光稜鏡81係為偏光件，並且將利用測量用光源10產生的光轉換為偏光光。將已轉換的偏光光照射到試料。又，橢圓投光部80也可以設置1/4 λ波長板，將照射到試料的光轉換為圓偏光。
    橢圓受光部90係包含偏光稜鏡91。偏光稜鏡91係為驗光件，並且將利用試料予以反射而產生的反射光改變為直線偏光。該被改變為直線偏光後之反射光係透過光緩衝器等導入到檢測器40。偏光稜鏡91係與旋轉馬達(未圖示)連結，並且在與該旋轉馬達的旋轉位置因應之偏光方向產生直線偏光。
    因為檢測器40及資料處理部50係與關於實施形態1之檢測器40及資料處理部50為大致相同的構成，因此不重複詳細的說明。又，因為資料處理部50係具有與利用實施形態1說明之運算處理構造相同的構造，並且進行相同的運算處理，因此不重複詳細說明。 <測量方法>
    其次，參照流程圖，針對依據本發明之實施形態2之光學特性測量方法進行說明。
    第13圖係為顯示關於依據本發明之實施形態2之光學特性測量方法的處理順序之流程圖。
    參照第13圖，首先，使用者將被測量物(試料)配置在平台70(第12圖)上(步驟S131)。
    接著，使用者係移動橢圓投光部80，以來自橢圓投光部80的光可以照射到試料的測量點之方式進行對焦(步驟S132)。再者，使用者係以從投光部80照射的光可以在試料的測量點予以反射並利用橢圓受光部90予以接受之方式，進行橢圓投光部80及橢圓受光部90之射入角度的配合(步驟S133)。
    在測量點進行對焦，並且配合橢圓投光部80及橢圓受光部90之射入角度後，當使用者施予測量開始指令時，從測量用光源10(第12圖)開始測量光的產生。檢測器40係接受來自試料之偏光反射光，並且將依據該偏光反射光之反射強度光譜輸出(偏光反射強度測量)到資料處理部50(步驟S134)。接著，資料處理部50之CPU200係將利用檢測器40所檢測的反射強度光譜暫時儲存在記憶體部212等，之後，從反射強度光譜算出試料的相位差△及振幅比Ψ(步驟S135)。
    CPU200係產生至少包含已算出之試料的相位差△及振幅比Ψ、膜的膜厚及光學常數之膜模型式(步驟S136)。接著，CPU200係判斷全部的測量點是否都已測量(步驟S137)。在CPU200判斷未測量全部的測量點之情況下(步驟S137：NO)，使用者係移動橢圓投光部80，並且以來自橢圓投光部80之光照射到試料的下個測量點之方式進行對焦(步驟S132)。
    在CPU200判斷已測量全部的測量點之情況下(步驟S137：YES)，將處理前進到步驟S138。CPU200係使複數個膜模型式聯立，並且使包含在複數個膜模型式之光學常數為相同利用非線形最小平方法進行運算，算出膜的膜厚di及光學常數n、k(步驟S138)。
    再者，CPU200係進行將已算出之膜的膜厚di及光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形、及利用檢測器40取得之光譜的波形之配適，判斷是否可配適(步驟S139)。CPU200係在判斷為可配適的情況下(步驟S139：YES)，判定包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為相同，而且已算出之膜的膜厚di及光學常數n、k為正確(步驟S140)。CPU200係判斷為不能配適的情況下(步驟S139：NO)，判定包含在複數個膜模型式之光學常數n、k為不同，而且已產生的膜模型式為不同(步驟S141)。
    如以上所示，即使是關於本發明之實施形態2之光學特性測量裝置110，因為也可以產生至少包含已算出之試料的相位差△及振幅比Ψ、膜的膜厚及光學常數之膜模型式，並且進行與實施形態1相同的處理，因此可以從已取得之光譜求出形成在基板上之膜的光學常數n、k作為唯一值。
    又，如第7A~7C圖所示，在習知之光學特性測量裝置中，在根據試料而使光學常數n、k有所變化的情況下，無法判斷各試料之光學常數n、k是真的不同、或者是根據測量要因的誤差造成的結果。
    但是，在關於本發明之光學特性測量裝置100、110中，藉由進行將已算出之膜的膜厚di及光學常數n、k代入膜模型式而得到的波形、及利用檢測器40取得之光譜的波形之配適，可以驗證各試料之光學常數n、k是否是真的不同。換言之，在光學特性測量裝置100、110中，在可配適的情況下(殘差△Y為小的情況)，使各試料之光學常數n、k為相同，而可以得到唯一的光學常數n、k，在不能配適的情況下(殘差△Y為大的情況)，可以判斷各試料之光學常數n、k為真的不同。
    其中，利用光學特性測量裝置100、110評估之殘差△Y係為各試料之殘差總和。第14圖係為顯示利用依據本發明之光學特性測量裝置100、110評估之殘差△Y、及各試料的殘差之關係的模式圖。在第14圖中，將橫軸為變數、縱軸為平方殘差總和，顯示試料A、試料B、及試料A+試料B之各個殘差變化。利用光學特性測量裝置100、110評估之殘差△Y係為試料A+試料B的殘差，並且成為以箭頭所示之試料A的殘差A及試料B的殘差B之總和(殘差A+殘差B)。從各試料之殘差大小的比例，也可以將光學常數n、k的變化大小進行定量化。
    又，在半導體裝置等之製造線中，為了利用線內或全自動測量等管理膜厚值，必須預先決定光學常數n、k成為某一值。在關於本發明之光學特性測量裝置100、110中，因為可以算出複數個試料之殘差總和為小的情況之光學常數n、k，甚至即使在測量光學常數n、k為不同的試料或測量點之情況下，也可以求出不同之光學常數n、k的中間值。為此，可以將利用光學特性測量裝置100、110測量的光學常數n、k用來作為利用線內或全自動測量等管理膜厚值所用之暫定的光學常數。
    雖然已詳細說明顯示本發明，但是此只為例示，並不限於此，可以明確理解發明的範圍係藉由添附之申請專利範圍予以解釋。
    10‧‧‧測量用光源
    20‧‧‧光束分光器
    30‧‧‧對物鏡
    40‧‧‧檢測器
    50‧‧‧資料處理部
    60‧‧‧觀察用攝影機
    70‧‧‧平台
    80‧‧‧橢圓投光部
    81、91‧‧‧偏光稜鏡
    90‧‧‧橢圓受光部
    100、110‧‧‧光學特性測量裝置
    202‧‧‧匯流排
    204‧‧‧顯示器部
    208‧‧‧輸入部
    210‧‧‧硬體部
    212‧‧‧記憶體部
    214‧‧‧ROM驅動器
    216a‧‧‧軟碟
    501‧‧‧模型化部
    502‧‧‧解析部
    503‧‧‧配適部
    第1圖係為依據本發明之實施形態1之光學特性測量裝置的概略構成圖。
    第2圖係為顯示依據本發明之實施形態1之資料處理部的概略硬體構成之模式圖。
    第3圖係為顯示依據本發明之實施形態1之資料處理部的運算處理構造之方塊圖。
    第4圖係為成為依據本發明之實施形態1之光學特性測量裝置所測量對象之試料的剖面模式圖之一例。
    第5A、5B圖係為模式顯示試料與膜的膜厚di及光學常數ni、ki的關係之圖面。
    第6圖係為顯示依據本發明之實施形態1之光學特性測量方法的處理順序之流程圖。
    第7A~7C圖係為顯示利用習知的光學特性測量裝置測量試料而得到的結果之圖表。
    第8A、8B圖係為顯示利用依據本發明之實施形態1的光學特性測量裝置測量試料而得到的結果之圖表。
    第9A~9D圖係顯示測量在每個測量點光學常數n、k不同之試料而得到的結果之圖表。
    第10A、10B圖為顯示利用依據本發明之實施形態1的光學特性測量裝置測量形成金屬薄膜之試料而得到的結果之圖表。
    第11圖係為顯示利用光學特性測量裝置測量之試料的層構成之概略圖。
    第12圖係為依據本發明之實施形態2之光學特性測量裝置的概略構成圖。
    第13圖係為顯示關於依據本發明之實施形態2之光學特性測量方法的處理順序之流程圖。
    第14圖係為顯示利用依據本發明之光學特性測量裝置評估之殘差△Y、與各試料的殘差之關係的模式圖。
    10‧‧‧光源
    20‧‧‧光束分光器
    30‧‧‧對物鏡
    40‧‧‧檢測器
    50‧‧‧資料處理部
    60‧‧‧觀察用攝影機
    70‧‧‧平台
    100‧‧‧光學特性測量裝置
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] 一種光學特性測量裝置，包括：光源，對於在基板上至少形成1層膜之被測量物照射具有特定波長範圍的測量光；分光測量部，依據利用前述被測量物予以反射的光或者穿透前述被測量物的光，取得反射強度或穿透強度的波長分布特性；模型化部，從相同材料的前述膜取得複數個前述波長分布特性，產生至少包含從已取得之各個前述波長分布特性算出之參數、前述膜的膜厚及光學常數之複數個膜模型式；解析部，使利用前述模型化部產生的複數個前述膜模型式聯立，並且使包含在複數個前述膜模型式之前述光學常數為相同進行特定的運算，算出前述膜的前述膜厚及前述光學常數；及配適部，藉由進行將利用前述解析部算出之前述膜的前述膜厚及前述光學常數代入前述膜模型式而得到的波形、及利用前述分光測量部取得之前述波長分布特性的波形之配適，判定包含在複數個前述膜模型式之前述光學常數為相同，而且利用前述解析部算出之前述膜的前述膜厚及前述光學常數為正確值。
    [2] 如申請專利範圍第1項之光學特性測量裝置，其中，前述解析部係在前述特定的運算使用非線形最小平方法。
    [3] 如申請專利範圍第1項之光學特性測量裝置，其中，從前述波長分布特性算出之前述參數係為前述膜的反射率或穿透率。
    [4] 如申請專利範圍第1項之光學特性測量裝置，其中，前述分光測量部係依據利用前述被測量物予以反射的光，取得偏光反射強度的前述波長分布特性，從前述波長分布特性算出之前述參數係為相位差△及振幅比Ψ。
    [5] 如申請專利範圍第1項之光學特性測量裝置，其中，前述模型化部係產生進一步包含前述膜的內面反射係數貢獻率之前述膜模型式。
    [6] 一種光學特性測量方法，對於在基板上至少形成1層膜之被測量物照射具有特定波長範圍的測量光，依據利用前述被測量物予以反射的光或者穿透前述被測量物的光，從相同材料的前述膜取得複數個反射強度或穿透強度的波長分布特性，產生包含從已取得之各個前述波長分布特性算出之參數、前述膜的膜厚及光學常數之複數個膜模型式；使已產生之複數個前述膜模型式聯立，並且使包含在複數個前述膜模型式之前述光學常數為相同進行特定的運算，算出前述膜的前述膜厚及前述光學常數，藉由進行將已算出之前述膜的前述膜厚及前述光學常數代入前述膜模型式而得到的波形、及已取得之前述波長分布特性的波形之配適，判定包含在複數個前述膜模型式之前述光學常數為相同，而且已算出之前述膜的前述膜厚及前述光學常數為正確值。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2011176817A|JP5721586B2|2011-08-12|2011-08-12|光学特性測定装置および光学特性測定方法|
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