エリプソメトリとは

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エリプソメトリとは、斜めに当てた光が反射するときの偏光の変化を測り、その変化から膜の厚さや屈折率を求める方法です。 成膜した膜が目標どおりに付いたかを、削らずに確かめる手段として使われます。そのかわり、厚さは解析で立てた仮定のもとで計算した値になります。

切れば正確だが、量産の管理には壊さない測定が要る

膜の厚さを確実に知るだけなら、切って断面を観察するのが早い方法です。ただし触針を使う方法や電子顕微鏡で切り口を観察する方法は、誤差は小さいものの試料へ致命的な損傷を与えるおそれがあり、品質管理の用途には荷が重いのです¹。量産では毎ロット確かめたいので、壊さずに測れる手段が要ります。

光を使う膜厚測定は、屈折率さえ分かっていれば高い精度で測れます。ところが屈折率は成膜条件に応じて上下するため¹、その屈折率自体を何らかの方法で知る必要が生じます。膜厚を求める立場では屈折率は解析を面倒にする要素ですが、膜の性質を知る立場では有用な手がかりです。半導体材料では組成や不純物の割合が重要なので、屈折率は成膜条件の変化を映す指標にもなります。光の解析へ偏光の情報を足し、厚さと屈折率をまとめて求めるのが分光エリプソメトリです。

読み値は振幅の比と位相のずれの二つ

入射する光には、入射面へ平行な電場成分を持つp偏光と、垂直な成分を持つs偏光が含まれます。この二つは物質の表面で異なるふるまいをするので、反射した光の偏光状態は入射したときとは別の状態になります²。その差を、二つの成分の強度比であるtanΨと、位相差Δという二つの値で表します。

膜厚は、常に一定の入射角を保った反射測定で測ります。二つの成分では表面での反射率にずれがあり、その比へ膜の中での光の干渉の効果が掛かります³。膜の中を進む速さの差と、反射のときの位相のずれ方の差から位相差が生まれるため、位相差の大きさも膜厚に応じて増減します。楕円になった偏光を解くので、エリプソメトリという名前が付いています。

読み値は二つで、厚さはそこから計算で求めます

一定の角度で当てた光の反射から、二つの偏光成分の振幅の比と位相のずれを測ります。この二つから膜厚や屈折率を得るには、光と試料のやりとりを記述した仕組みを立てて合わせ込む手順が要ります。

1つの波長では厚さの候補が複数残り、波長を増やすと一つに定まる

単一波長では読み値がΨとΔの二つにとどまるため、定まる未知数も二つまでです²。既知の基板の上に一層だけ膜がある単純な場合でも、厚さと屈折率の候補は複数のままです。透明な膜では、厚さが増えるにつれてΨとΔが周期的に同じ値を取るので、候補が一定の間隔でいくつも生じます。

そこで波長を増やします。波長が100種類なら、求めたい値は厚さと各波長の屈折率で101個、読み値は各波長のΨとΔで200個になり、周期性の問題を避けて解が一つに定まります。屈折率は波長ごとに異なる値を取りますが、厚さは波長が移っても一つのままです。この条件が解を絞り込みます。

波長を増やすと、読み値の数が求めたい値の数を追い越します

1つの波長では、厚さが増えるにつれて読み値が周期的に同じ値を取るため、厚さの候補が複数になります。波長を増やせば読み値の数が求めたい値の数を上回り、解が一つに定まります。

削らずに面内の分布を測れるので、むらの原因を成膜条件へ返せる

大阪産業技術研究所は、4インチのSi基板に窒化シリコンを成膜した試料を、露光時間2秒と二つの入射角の条件で64点測りました。所要時間は約19分です。膜厚は最も厚い場所と薄い場所で約25nm離れ、屈折率は最も高い場所と低い場所で0.006程度の差にとどまりました。このウェーハに生じていた色むらの主な原因は、膜厚の分布にあると分かりました。

外観のむらは、厚さの分布からも屈折率の分布からも生じます。切って断面を観察すれば原因は分かりますが、そのウェーハは工程から抜けます。削らずに面内の分布を求められると、均一性の課題を成膜条件の側へ持ち帰れます。

装置の中へ組み込む形もあります。ALDのチャンバへ分光エリプソメーターを取り付ければ、酸化アルミニウムや酸化タンタル、酸化チタンの厚さをALDのサイクル数の関数として測り、一層ごとの成長を追えます²。ジェー・エー・ウーラム・ジャパンは、ゲート酸化膜の膜厚測定の再現性が0.003nmかそれよりよい水準になるとしています。

偏光成分の絶対的な強さのかわりに比を測るため、光が弱い場合や強さが不安定な場合でも測れます。反射率の測定と異なり、正確な標準サンプルを維持する必要もありません²。この点で、CD-SEMのような寸法の測定と対になる性質を持ちます。

代償は、答えが仮定に依存すること

エリプソメーターは屈折率や膜厚を直接測るかわりに、光学的な仕組みを立てて解析する間接の測定で、解析にはある程度の知識が要ります。膜の界面の様子や深さ方向の密度の傾きまで求める解析には危うさがあります³。スペクトルを動かす要素が多く、とりわけ膜の表面の状態で結果が動くため、どの見立てが本当なのか曖昧になる場合があります。

薄すぎる膜も苦手です。膜が数nm程度になると光の波長の百分の一ほどになり、屈折率と厚さの積は求まるものの、両者の分離が難しくなります。極薄膜では厚さと屈折率を同時に求めるだけの感度が不足するため、ジェー・エー・ウーラム・ジャパンは、より厚い膜から得た屈折率をおおよその値として仮定し、厚さだけを求める進め方を勧めています²。

相手も選びます。表面で鏡のように反射しさえすればほぼどの物質でも測れますが、表面が粗いと光が散乱して検出器へ届く量が減ります²。光を使う測定である以上、測れる相手は鏡面に近い基板や薄膜に限られます。厚い側にも限りがあります。ジェー・エー・ウーラム・ジャパンが勧める目安は、可視から近赤外での測定で5μm以下です。1μmを超える膜では、複数の入射角で測って確からしさを上げます。

エリプソメトリは、壊さずに何度でも測れる代わりに、読み取った数字が「立てた見立てのもとでの厚さ」にとどまります。CVDやALDで積んだ膜を毎ロット追いかける用途には、この取引が合っています。

よくある質問（FAQ）

エリプソメトリとは何ですか？

光を斜めに当てて反射させ、その偏光の状態がどう移ったかを測り、変化の量から膜の厚さや屈折率を求める方法です。楕円になった偏光を解くことから、この名前が付いています。

何を測っているのですか？

二つの読み値です。反射光の偏光状態を、二つの偏光成分の強度比であるtanΨと位相差Δで表し、この二つがエリプソメトリの生データになります。

なぜ間接の測定と呼ばれるのですか？

屈折率や膜厚を直接測るかわりに、光学的な仕組みを立てて解析し、計算で求めるためです。

1つの波長で測るとどうなりますか？

厚さの候補が複数のままです。読み値が二つにとどまるため定まる未知数も二つまでで、透明な膜では厚さが増えるにつれて読み値が周期的に同じ値を取ります。

波長を増やすと、なぜ解が定まるのですか？

読み値の数が求めたい値の数を上回るためです。波長が100種類なら、求めたい値は厚さと各波長の屈折率で101個、読み値は各波長のΨとΔで200個になり、周期性の問題を避けて解が一つに定まります。

半導体の現場では何に使いますか？

成膜の出来ばえを削らずに確かめる用途です。大阪産業技術研究所はSi基板上のSiN膜を64点測って膜厚の分布を求め、ウェーハに生じた色むらの主な原因が膜厚の分布にあると確かめました。

測れる相手に条件はありますか？

光が鏡のように反射して返ってくることです。表面で鏡面反射さえあればほぼどの物質でも測れますが、表面が粗いと光が散乱して検出器へ届く量が減ります。

比較・違いを学ぶ

CD-SEM（寸法測定）とは── 同じ非破壊の計測で、あちらは横方向の幅を測ります
断面観察とは── 切って厚さを直接観察する側で、こちらは切らずに計算で求めます

出典

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