膜厚測定とは
膜厚測定とは、ウェーハの上へ積んだ膜の厚さを、多くの場合は光を当てて返ってきた光の変化から逆算して求める工程です。 厚さそのものへ物差しを当てる代わりに、光が膜を往復した痕跡を数えます。
その代わり、厚さは屈折率と組になって計算から出てきます。膜が薄いほど、また表面や材料の条件が悪いほど、2つを切り分けにくくなります。
断面を切る方法は誤差が小さくても、量産の品質管理に向かない
Section titled “断面を切る方法は誤差が小さくても、量産の品質管理に向かない”厚さを直接測る手段はあります。SEMやTEMなどの電子顕微鏡で断面を観察すれば、倍率を高く取って切り口をそのまま観察でき1、画像から厚さを読み取れ、あらゆる種類の膜へ使えます。一方で、断面を作るためにサンプルを壊し、導電性を持たせる蒸着などの前処理が要り、観察範囲はμmオーダーと他の手法と比べて非常に狭くなります。
針でなぞる触針式段差計は、成膜した部分と未成膜の部分の段差から膜厚を求めます。全面へ成膜したサンプルでは、段差そのものがありません。触針法も電子顕微鏡による断面観察も、誤差が小さい反面、サンプルへ致命的なダメージを与える危険がある2ため品質管理用には向きません。量産のラインで毎日測るとなると、壊す手段は候補から早々に外れ、光を当てて返ってきた光から厚さを逆算する方式が残ります。
厚さと屈折率を同じ光で測れば、膜質の変化も見える
Section titled “厚さと屈折率を同じ光で測れば、膜質の変化も見える”光を使う手法は壊さず触れずに測れるため、分光エリプソメトリーは研究開発の場に限らず、工場で製品と品質を管理する場面でも使われています1。ゲート酸化膜のように薄さそのものが働きを左右する膜では、厚さの数字が設計どおりであることが素子の前提になります。
厚さの数字だけを追うと、取りこぼす変化もあります。成膜の条件しだいで屈折率が動くため、光で厚さを測る作業と屈折率を測る作業は一続きになります。半導体の材料では組成や不純物の割合が結果を左右するので、この測定は膜の組成を替えたときや成膜の条件が動いたときを見張る手段にもなります。厚さが同じでも屈折率がずれていれば、膜の中身が動いた合図です。
装置メーカーもこの二面性を売り文句にしています。SCREENは、エリプソ式膜厚測定装置RE-3500で膜厚と光学定数を同時に測れるとし3、膜質の管理が要る工程や、薄膜の材料開発、成膜プロセスの開発に向くとしています。CVDの条件を動かしたあと、厚さと膜質の両方を1台で追える点が現場での使いどころです。
光干渉式は光路差2ndを読み、屈折率が分かれば厚さが出る
Section titled “光干渉式は光路差2ndを読み、屈折率が分かれば厚さが出る”光干渉式は、膜の表側で跳ね返った光と、膜を通り抜けて裏側で跳ね返った光が重なり、波の山と山がそろえば明るく、ずれれば暗くなる4性質を使います。波長を変えながら反射強度を測ると、スペクトルの上に干渉のパターンが浮かびます。光は膜層を2回通過して合成されるので、屈折率をn、厚さをdとすると光路差は2ndです。膜層の中では光の伝わる速さがn倍遅くなるため、屈折率が要ります。屈折率が既知なら厚さが求まり、各波長の反射強度と理論値をカーブフィッティングさせれば、膜厚と同時に屈折率も求められます。
弱点は3つあります。測定パラメータが反射率の1つだけなので屈折率が既知である必要があること、干渉の乏しい10nm以下の非常に薄いサンプルでは膜厚を求めるのが困難なこと、反射強度が弱いサンプルや表面ラフネスが大きいサンプルでは測定が難しくなることです。
エリプソメトリーは偏光で測定量を増やし、モデルで厚さを解く
Section titled “エリプソメトリーは偏光で測定量を増やし、モデルで厚さを解く”偏光を持ち込むと、測定パラメータが1つ増えます。入射面へ平行に振動する成分をp偏光、垂直に振動する成分をs偏光と呼びます。振幅と位相のそろった直線偏光をサンプルへ当てると、表面と界面から反射した光が干渉し、膜の中では屈折率のぶんだけ光の進みが遅れて位相もずれます。この遅れ方がp偏光とs偏光で異なるため、反射光は入射時とは異なる楕円偏光になります5。楕円の形に膜の情報が刻まれる仕組みです。
楕円の形から厚さへ至る道は、計算が引き受けます。実際のサンプル構造をもとに、基板と各層の膜厚と光学定数を仮定した光学モデルを作り、シミュレーション計算の結果を測定データへフィッティングします。波長分散を表す分散式を使えば、通常50以上ある測定点の数が、2から14程度のパラメータへ減ります。
装置の中身は白色光と偏光子の組み合わせです。白色の光源を出た光が偏光子を抜けてサンプルへ届き、返ってきた光が検光子と分光器を経て、光電子増倍管やCCDで検出されます6。HORIBAは、UVISELシリーズが採る位相変調方式で、石英へピエゾ素子を貼った光弾性変調器を50kHzで振動させ、透明基板の上の透明膜なら膜厚が数nmでも測定できるとしています。
膜が薄いほど、厚さと屈折率は分けにくくなる
Section titled “膜が薄いほど、厚さと屈折率は分けにくくなる”壊さずに済ませた代償として、屈折率という未知数を一緒に抱えます。分光光度計を使う方法は手軽で、壊さず触れずに測れて、屈折率さえ分かっていれば精度も高い方法です。ただ、成膜の条件しだいで屈折率が動くため、その屈折率を別の手立てでつかまえる必要が出てきます。
膜が数nm程度まで薄くなると、厚さは測る光の波長の百分の一ほどになり、ndは出せても厚さと屈折率を切り分けにくくなります7。これは分光法につきまとう弱点です。数字が1つ返ってきたことと、その数字が確かであることは別の話です。
荒れた表面、金属膜、屈折率の近い層が測定の窓を狭める
Section titled “荒れた表面、金属膜、屈折率の近い層が測定の窓を狭める”表面ラフネスが非常に大きいサンプルでは、表面で光が散乱し、その散乱光が非偏光になる偏光解消が起きます。解析は反射光を完全な偏光と仮定しているため、偏光解消をおよそ20%以上含むと8、正しい膜厚と屈折率と消衰係数を求めるのが難しくなります。測定できる表面ラフネスの目安は、測定波長の数分の1以下です。金属膜は厚くなると光がすべて吸われて下地の材料まで届かなくなるため、算出できる膜厚の限界は金属の種類と状態によって30〜50nm程度になり、多くの金属では100nmを超えると膜厚を出せなくなります。
基材と薄膜、あるいは隣り合う薄膜どうしで屈折率の差がごく小さいと、境目がぼやけて層と層の区切りが埋もれ、それぞれの厚さを出しにくくなります。SiやGaAsの基板へ同じ材料を結晶成長させたホモエピタキシャル薄膜も、同じ理由で厚さを出しにくい対象です。屈折率差が0.005以上あれば測定できる場合があるという目安もあります。均一性を面内で追うときは、この目安が測れる層と測れる場所を先に区切ります。
枚数を稼ぐ光干渉式と、薄さと膜質に届くエリプソ式で分担する
Section titled “枚数を稼ぐ光干渉式と、薄さと膜質に届くエリプソ式で分担する”速さと薄さのどちらを取るかで、導入する装置が替わります。SCREENは、光干渉式のVM-1200/13009が標準で25膜種の膜厚測定に対応し、最大4層膜までの積層膜を同時に測れるとしています。上位のVM-2500/VM-3500は10、SiO2膜を1枚あたり5点測る高速モードで毎時160枚を実現するとしています。エリプソ式のRE-3500は、マイクロスポット光学系で40μm角の微細なエリアを測り、オプションの単波長エリプソメータを載せれば膜厚20nm以下の超薄膜まで届くとしています。枚数を稼ぐ装置と、薄い膜と膜質まで届く装置は、同じ工場の中で役割を分担します。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”膜厚測定とは何ですか？
ウェーハの上へ積んだ膜の厚さを求める工程です。量産のラインでは、膜へ光を当てて返ってきた光の変化から厚さを逆算する方法が主に使われます。分光エリプソメトリーは壊さず触れずに測れるため、研究開発の場だけでなく、工場で製品と品質を管理する場面でも使われています。
なぜ断面を切って測る方法は量産へ向きにくいのですか？
そのウェーハを製品として使えなくなるためです。電子顕微鏡による断面観察は高倍率で観察でき、あらゆる膜へ使えますが、断面を作るためにサンプルを壊し、蒸着などの前処理が要り、観察範囲もμmオーダーと狭くなります。触針法や断面観察は誤差が小さい反面、サンプルへ致命的なダメージを与える危険があるため、品質管理用には不向きです。
光干渉式とエリプソ式はどう使い分けますか？
速さを取るか、薄い膜と膜質まで取るかで替わります。光干渉式は装置構成が簡単で測定も速い一方、測定パラメータが反射率の1つだけなので屈折率が既知である必要があります。分光エリプソメトリーでは波長ごとに2つの測定パラメータが得られ、未知の材料でも膜厚と光学定数を一度に求められます。
屈折率が未知のときはどうしますか？
厚さと一緒に計算で求めます。ピークとバレー以外の波長でも各波長の反射強度と理論値をカーブフィッティングさせれば、膜厚と同時に屈折率も求められます。分光エリプソメトリーでは、サンプル構造をもとにした光学モデルを作り、シミュレーション結果を測定データへ合わせ込みます。
どのくらい薄い膜まで測れますか？
分光エリプソメトリーで測れる薄膜の膜厚は数Åから数十μmで、材料や膜質や装置の仕様によって動きます。ただし膜が数nm程度まで薄くなると測る光の波長の百分の一ほどの厚さになり、ndは出せても厚さと屈折率を切り分けにくくなります。これは分光法につきまとう弱点です。
金属膜も測れますか？
厚みに限りがあります。金属膜が厚くなると光がすべて吸われて下地まで届かなくなるため、算出できる膜厚の限界は金属の種類と状態によって30〜50nm程度になり、多くの金属では100nmを超えると膜厚を出せなくなります。
膜厚のほかに何が分かりますか？
膜の質が動いた合図も得られます。成膜の条件しだいで屈折率が動くため、半導体の材料では膜の組成を替えたときや成膜の条件が動いたときを見張る手段になります。SCREENは、エリプソ式のRE-3500で膜厚と光学定数を同時に測れ、膜質の管理を行う工程や成膜プロセスの開発に適するとしています。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- 計測（メトロロジー）とは── 膜厚を含む計測全体の位置と、検査との役割の分担
- 断面観察とは── 壊して直接測る側の代表格
- 均一性（面内・ウェーハ間・ロット間）とは── 測った膜厚を面内でどう束にして判断するか
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- 1HORIBA：分光エリプソメトリーの概要と関連用語horiba.com ab
- 2大塚電子：【入門】分光法による膜厚解析 2.薄膜の測定方法otsukael.jp ↩
- 3SCREENセミコンダクターソリューションズ：エリプソ式膜厚測定装置 RE-3500screen.co.jp ↩
- 4大塚電子：【入門】分光法による膜厚解析 3.光の干渉効果による膜厚解析otsukael.jp ↩
- 5HORIBA：分光エリプソメトリーの原理horiba.com ↩
- 6HORIBA：分光エリプソメータの特長horiba.com ↩
- 7大塚電子：【入門】分光法による膜厚解析 5.エリプソメトリーotsukael.jp ↩
- 8HORIBA：分光エリプソメトリーでわかることhoriba.com ↩
- 9SCREENセミコンダクターソリューションズ：光干渉式膜厚測定装置 VM-1200/1300シリーズscreen.co.jp ↩
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