(57)【要約】【課題】不透明な基板上に成膜した薄膜の熱物性値の測定法の提供。【解決手段】レーザー熱物性顕微鏡を用いて基板の熱物性値が既知の薄膜材料の薄膜の特性時間に対する加熱光変調周波数Ｈと位相遅れδの関係（δ−Ｈ曲線）を測定するステップと、このステップにおいて極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線を求めるステップと、極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線から極値をとる点における位相遅れを求めるステップと、予め計算された熱浸透率比と極値をとる点における位相遅れの関係を用いて、極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線から求めた極値をとる点における位相遅れに対する熱浸透率比を求めるステップとから成る。【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー熱物性顕微鏡を用いて基板の熱物性値が既知の薄膜材料の薄膜の特性時間に対する加熱光変調周波数Ｈと位相遅れδの関係（δ−Ｈ曲線）を測定するステップと、
前記ステップにおいて極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線を求めるステップと、
前記極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線から極値をとる点における位相遅れを求めるステップと、
予め計算された熱浸透率比と極値をとる点における位相遅れの関係を用いて、前記ステップで求めた位相遅れから熱浸透率比を求めるステップと、
から成る薄膜熱物性測定法。
【請求項２】
請求項１において、薄膜の熱浸透率と熱拡散率を求めるステップを備えていることを特徴とする薄膜熱物性測定法。
【請求項３】
請求項１又は２において、δ−Ｈ曲線の極値をとる点における位相遅れが最大値であることを特徴とする薄膜熱物性測定法。
【請求項４】
請求項１又は２において、δ−Ｈ曲線の極値をとる点における位相遅れが最小値であることを特徴とする薄膜熱物性測定法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサーモリフレクタンス法を用いて微小領域の熱浸透率分布を測定する方法に関し、特に、試料の微小領域に加熱用レーザーを照射加熱し、ほぼ同一位置の試料面に測定用レーザーを集光させ、その測定用レーザーの反射光を検出して試料の熱物性値を算出する薄膜熱物性測定法に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来、熱拡散率、比熱などの熱物性値を求める熱伝導率測定法にはレーザーフラッシュ法が知られている。この方法は直径１０ｍｍ，厚さ１ｍｍ以上の試料サイズが必要であり、測定した熱物性値はその平均を示す熱物性値であった。
産業界においてはより小さな範囲、即ちミクロン単位の熱物性値の分布を知りたい要求はあったが、実用的な方法はなかった。
薄膜は工業的に広く使用されており、特に半導体電子デバイスや記録媒体は集積度及び性能向上のために微細構造化、複雑化が進んでいる。これらを構成する微小な各素材の熱物性値はデバイスの熱設計において必要とされるが、一般的にその測定はバルク材料の測定に比べて難しい。
１マイクロメートル以下の薄膜の熱拡散率を計測するためにピコ秒パルスレーザーを用いた「ピコ秒サーモリフレクタンス法薄膜熱拡散率計測システム」が開発されている。ところが、ピコ秒サーモリフレクタンス法では加熱面と測定面を試料薄膜の表裏とするため、透明な基板を使用し、その基板上に薄膜成膜される。
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解消し、不透明な基板上に成膜した薄膜の熱物性値の測定を可能にした薄膜熱物性測定法を提供することにある。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る薄膜熱物性測定法は、レーザー熱物性顕微鏡を用いて基板の熱物性値が既知の薄膜材料の薄膜の特性時間に対する加熱光変調周波数Ｈと位相遅れδの関係（δ−Ｈ曲線）を測定するステップと、前記ステップにおいて極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線を求めるステップと、前記極大値又は極小値を持つδ−Ｈ曲線から極値をとる点における位相遅れを求めるステップと、予め計算された熱浸透率比と極値をとる点における位相遅れの関係を用いて、前記ステップで求めた位相遅れから熱浸透率比を求めるステップとから成ることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、薄膜の熱浸透率と熱拡散率を求めるステップを備えていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、δ−Ｈ曲線の極値をとる点における位相遅れが最大値であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は２において、δ−Ｈ曲線の極値をとる点における位相遅れが最小値であることを特徴とする。
本発明によれば、マイクロメートルオーダーの金属薄膜の熱物性値を加熱面と同じ面から測定できる。
【０００４】
【発明の実施の態様】
本発明に係る薄膜熱物性測定法の測定原理を説明する。レーザー熱物性顕微鏡による薄膜の熱物性測定は、熱物性値が既知の基板に成膜された金属薄膜に対し変調した赤外レーザーを照射しサーモリフレクタンス法（プローブ光に対する反射率の温度依存性を応用した非接触高速測温技術）により金属薄膜の表面温度の変化を捉えることで行われる。この際、加熱光による周期加熱に対し表面温度の温度周期には位相遅れδが生じ、この大きさは薄膜基板２層モデルより導出される式（１）にあるよう薄膜と基板の熱浸透率の比である熱浸透率比βや薄膜の特性時間τｆ、測定時の加熱光変調周波数Ｈと関係づけることができる。
【０００５】
【数１】
2004117286.tif 000002
【０００６】
仮にβ＝０．２で特性時間τｆが１０−９や１０−６と異なる場合には、図１に示すようなδ−Ｈ曲線が予想される。この際、δ−Ｈ曲線の極値をとる点における位相遅れδの最大を示し、これを最大位相遅れδｍａｘと定義する。
β＝２で特性時間τｆが１０−９や１０−６と異なる場合には、図２に示すようなδ−Ｈ曲線が予想される。この際、δ−Ｈ曲線の極値をとる点における位相遅れδの最小を示し、これを最小位相遅れδｍｉｎと定義する。
【０００７】
熱物性値の算出には後述の二つの方法がある。第一の方法は測定により得られた位相遅れδと変調周波数Ｈの関係から式（１）を用い、２パラメータフィテイングにより熱浸透率と熱拡散率を求める方法である。第二の方法は最大位相遅れδｍａｘや最小位相遅れδｍｉｎに注目し熱浸透率比を求める方法である。測定される位相遅れの最大値δｍａｘ、最小値δｍｉｎは、図１や図２に見られるように、薄膜の特性時間には拠らず熱浸透率比βのみにより定まる。このことから上記第一、第二のいずれの算出方法を採用するにしても位相遅れの最大値δｍａｘまたは最小値δｍｉｎを正確に測定することが熱物性値を算出する上で重要となる。後に説明する測定ルーチンは、位相遅れの最大値δｍａｘ、最小値δｍｉｎの測定や測定時間の軽減を念頭に置いたものである。
【０００８】
レーザー熱物性顕微鏡を用いての基板側の熱浸透率分布測定はこの測定法を前処理として行うことで測定精度を向上させる。測定試料と共に標準試料上に成膜した薄膜の熱浸透率を前もって評価しておくことで、熱浸透率比βから正確な試料の熱浸透率を得られると同時にＳＮ比が最大となる周波数を特定することができる。
【０００９】
レーザー熱物性顕微鏡の測定性能を次のように仮定する。測定可能範囲はＨ＝０．１〜５．０ＭＨｚ（Ｈｍｉｎ＝０．１、Ｈｍａｘ＝５．０）とし、測定ステップは０．１ＭＨｚ刻み（ｍｅａｓｕｒｅＳｔｅｐ＝０．１）とする。その場合、測定可能点数は５０点である。また本説明ではβが１以下の時と、１を超えるの時では位相遅れδに対する対応が正反対になる。従って、βが１以下の場合についてのフローチャートのみを説明する。
【００１０】
図３〜図６は測定の流れの概要を示すフローチャートである。
本発明の薄膜熱物性測定法の実施形態は、後述のレーザー熱物性顕微鏡の測定機能の一つのとしてソフトに組み込まれるため、独立したプログラムとするためには、測定の前処理として必要不可欠にＸＹＺステージ上の試料に照射するレーザーの焦点距離補正などをメインルーチンとして追加される。従って、メインルーチンを抜けた後に、以下に説明する測定が実施される。
【００１１】
図１に示すように、位相遅れの最大値δｍａｘは特性時間τｆが１０−８や１０−７の時には、測定可能範囲の０．１〜５．０ＭＨｚに認められるが、特性時間τｆが１０−９では高周波側に、特性時間τｆが１０−６では低周波側にレンジアウトしている。このような場合、δｍａｘの値に依存した熱浸透率比βの算出は不可能であり、２パラメータフィティングによる算出も精度が期待できない。まず、測定の初期段階において測定可能範囲にδｍａｘが存在するか確認しなければならない。その操作は分岐“δｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎ”の１ｏｒ３の選択以降の測定ループ一回目に選択される（ｌｅｖｅｌ＝ｌｅｖｅｌｍａｘ）に続く。
【００１２】
フローチャートと照らし合わせていくと、一回目の測定周波数は処理“一回目の測定点指定”でＣｈｅｃｋＬｉｓｔに入力される０．１、２．５、５．０ＭＨｚの３周波数である。一回目の測定で位相遅れδが最大となる周波数は特性時間τｆが１０−６や１０−７のとき０．１ＭＨｚであり、δｍａｘｐｏｓｉｔｏｎには１が返される。同様に特性時間τｆが１０−８では２．５ＭＨｚであり、δｍａｘｐｏｓｉｔｏｎには「２」、特性時間τｆが１０−９では５．０ＭＨｚであり、δｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎには「３」が返される。特性時間τｆが１０−７の場合、０．１ＭＨ、２．５ＭＨｚ、５．０ＭＨｚの３つの測定周波数において０．１ＭＨｚが最大の位相遅れを示していてもδｍａｘが測定範囲内にある可能性が残されている。このため、０．１ＭＨｚにおけるδ−Ｈ曲線の傾きを確認しなければならない。繰り返しの一回目のときｌｅｖｅｌ＝ｌｅｖｅｌｍａｘであるため分岐“ｌｅｖｅｌとｌｅｖｅｌｍａｘの関係による分岐”以降の処理“データ測定”に続く。この処理において新たに０．２ＭＨｚでの位相遅れδが測定され、０．１ＭＨｚと０．２ＭＨｚでの位相遅れδの違いから、その傾きが＋であるときδｍａｘは測定可能範囲内にあり、傾きが−であるときδｍａｘは測定可能範囲外にあると判断することができる。δｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎが３のときにも同様の処理を行い、δｍａｘが測定可能かを判定する。δｍａｘの測定が不可能である場合、ｌｅｖｅｌには−２が代入され測定ループを抜ける。この処理は測定ループ２回目以降、ｌｅｖｅｌ≠ｌｅｖｅｌｍａｘとなるため実行されない。
【００１３】
尚、十分な測定精度が期待できない時にはこの操作を行わないよう勧める。その場合、分岐“ｌｅｖｅｌとｌｅｖｅｌｍａｘの関係による分岐”では常にｌｅｖｅｌ≠ｌｅｖｅｌｍａｘを選択する。δｍａｘが測定可能な周波数内にあることが確かめられたなら次にδｍａｘの値を特定する。２回目の測定周波数の指定は分岐“δｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎ値による分岐”の後に行われる。ｍｅａｓｕｒｅｃｅｎｔｒａｌは前回測定した３つの測定周波数で最大の位相遅れを示した周波数が入力され、δｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎが１のとき２．５ＭＨｚである。次回の測定周波数の指定は次の式に従う。
【００１４】
【数２】
2004117286.tif 000003
【００１５】
２回目の測定周波数指定の際、ｐａｒｔｉｎｇは「４」であり、Ｐは１．３ＭＨｚと計算される。特性時間τｆが１０−８ではδに｛５６．６４°、７０．２９°、７０．２８°｝が入っておりδｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎは「２」であり、新たに指定されＣｈｅｃｋＬｉｓｔに収められる３つの測定周波数は｛１．２ＭＨｚ、２．５ＭＨｚ、３．８ＭＨｚ｝となる。しかし、δｍａｘｐｏｓｉｔｉｏｎが「１」のときＣｈｅｃｋＬｉｓｔに収められる次回測定周波数は｛−１．２ＭＨｚ、０．１ＭＨｚ、１．４ＭＨｚ｝となってしまう。測定レンジ外の周波数が指定されており、分岐“ＣｈｅｃｋＬｉｓｔに測定レンジ外の周波数が無いことを確認”に続く処理“次回測定周波数の修正”により修正する。この処理ではｏｌｄＣｈｅｃｋＬｉｓｔを参照し、その２番目に入っている周波数を基に次回の測定周波数を指定しなおす。この２番目に入っている周波数をｍｅａｓｕｒｅｃｅｎｔｒａｌとすると特性時間τｆが１０−７であるとき次回測定周波数に測定レンジ下限以下の周波数が指定されていたことから２回目の測定周波数指定は次式に従い修正される。
【００１６】
【数３】
2004117286.tif 000004
【００１７】
特性時間τｆが１０−７といった時に２回目に指定される３つの測定周波数は｛０．１ＭＨｚ、１．３ＭＨｚ、２．５ＭＨｚ｝となる。
特性時間τｆが１０−８では２回目のデータ測定を行ったときδｍａｘｐｏｓｉｔｏｎが「３」であり、ｐａｒｉｔｉｎｇが「８」であることから、Ｐは０．７ＭＨｚ、３回目に指定される測定周波数は｛３．１　ＭＨｚ、３．８ＭＨｚ、４．６ＭＨｚ｝である。特性時間τｆが１０−７では再度δｍａｘｐｏｓｉｔｏｎが「１」であり、分岐“ＣｈｅｃｋＬｉｓｔに測定レンジ外の周波数が無いことを確認”による修正が行われ３回目に指定される測定周波数は｛０．１ＭＨｚ、０．７ＭＨｚ、１．３ＭＨｚ｝となる。
【００１８】
測定ループの回数は、測定可能周波数が最初に仮定したように「５０」であるとき６回である。１０進法で「５０」は２進法で６桁の１１００１０であり、６回繰り返しを行えば測定周波数の間隔は０．１ＭＨｚ刻みの測定周波数ステップに到達する。実際に測定される周波数は、繰り返しの一回目が３点、その後は指定される３つの測定周波数のうち一点は前回の測定周波数と同じであることから測定周波数の合計は最大１３である。全ての周波数について測定するのに比べ大幅な時間短縮を実現できる。
【００１９】
次に測定データの解析処理について説明する。まず、分岐“解析可能なデータかを確認”で測定部においてδｍａｘが測定範囲外にあった場合、ｌｅｖｅｌが「−２」となることから解析不能のデータは解析ステップにまわされず、コントロールはルーチンを終えメインに戻る。先の（測定ステップ）において十分な測定精度が期待できないためにその評価を行っていない場合は、その判定がなされずに解析にまわされる。
【００２０】
次に解析可能なデータについて分岐“熱拡散率の必要性の確認”で熱浸透率比とともに熱拡散率が必要かを区別する。熱拡散率もあわせて必要という場合、一般に知られる最小２乗法による２パラメータフィティングを行い、熱浸透率比と熱拡散率を算出する。
【００２１】
一方、熱浸透率比βのみを求める場合には最大位相遅れδｍａｘに注目した熱浸透率の算出を行う。βが１以下の場合のδｍａｘとβの関係を図７に示す。測定部より得たδｍａｘより式（２）を用いて熱浸透率比βを求めることができる。
【００２２】
【数４】
2004117286.tif 000005
【００２３】
βが１を超える場合の位相遅れ最小値δｍｉｎと熱浸透率比βの関係を図４に示す。測定部より得たδｍｉｎより式（３）を用いて熱浸透率比βを求めることができる。
【００２４】
【数５】
2004117286.tif 000006
【００２５】
ここでは、基板の膜厚が熱拡散長より十分に長い条件で、熱浸透率比βが１になると位相遅れは加熱光の周波数にかかわらず４５°一定になる。βが１近傍では位相遅れが４５°のベースライン近傍になるため測定と解析のどちらにおいてもその信頼精度が悪くなる。上記の式により熱浸透率比を求めることが出来るのはβが０．０５〜０．９とβが１．１〜２０の範囲である。
【００２６】
次に本発明の薄膜熱物性測定法を実施する装置構成を説明する。図９は薄膜熱物性測定法を実施する装置の概念図である。
Ｘ，Ｙステージ１はＸ，Ｙ方向の二次元に移動自在な機構になっており、マイクロメータ２により上下方向の高さが微調整可能になっている。測定すべき試料３はＸ，Ｙステージに載置され、レーザー光が試料表面に集光するようマイクロメータ２により高さ調整を行う。試料３の表面には顕微鏡光学系４を通過した後に同一光軸上に重なった加熱用レーザービーム５と測温用レーザービーム６が照射される。
【００２７】
加熱用レーザービーム５は、例えば波長５１４．５ｎｍのＣＷアルゴンレーザー等で構成される加熱用レーザー７から発せられ、交流変調器８により変調される。測温用レーザービーム６は、例えばＣＷヘリウムネオンレーザー等で構成される測温用レーザー９から発せられる。ドライバ１０はファンクションジェネレータ１１から出力される所定周波数の交流を加熱用レーザービームの変調に必要なパワーに処理し、交流変調器８に出力する。交流変調器８は加熱用レーザー７からの加熱用レーザービームをドライバ１０から出力される交流により変調する。
【００２８】
顕微鏡光学系４の光軸上には第１ハーフミラー１２と第２ハーフミラー１３が配置されている。第１ハーフミラー１２は加熱用レーザー７から発生される加熱用レーザービーム５を顕微鏡光学系４の光軸に一致して反射させ、また測温用レーザー９から発せられる測温用レーザービーム６を顕微鏡光学系４の光軸に一致して通過させるよう作用する。第２ハーフミラー１３は第１ハーフミラー１２により反射された加熱用レーザービーム５と第１ハーフミラー１２を通過した測温用レーザービーム６を顕微鏡光学系４の光軸に一致して通過させると共に、試料表面で反射した加熱用レーザービーム５と測温用レーザービーム６を光ディテクタ１４の入射光軸に一致して反射するよう作用する。ここで、光ディタクタ１４は、例えばホトダイオード等により構成される。
【００２９】
第２ハーフミラー１３で反射したレーザー光はバンドパスフィルタ１５により加熱用レーザービーム５の反射光を遮断し、測温用レーザービーム６の反射光のみを通過させて光ディテクタ１４で検出する。第２ハーフミラー１３とバンドパスフィルタ１５との間には第３ハーフミラー１６が反射光の光軸から外れた位置と反射光の一部をＣＣＤカメラ１７の方向に反射させる位置に回動可能に配置されている。ＣＣＤカメラ１７に入射した両反射光によりモニタ１８上に像を映出し、この像を見ながら加熱用レーザービーム５と測温用レーザービーム６の試料表面上のスポットサイズ、位置合わせを行う。
【００３０】
ロックインアンプ１９は光ディテクタ１４で検出した測温用レーザービームの強度変化に応じた検出信号のうち、加熱用レーザービームの強度変化に比例する参照信号に同期した成分を増幅し、参照信号に対する反射光の位相遅れδを得る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロメートルオーダーの金属薄膜の熱物性値を加熱面と同じ面から測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】β＝０．２で特性時間τｆが１０−９〜１０−６と異なる場合のδ−Ｈ曲線を示す図である。
【図２】β＝２で特性時間τｆが１０−９〜１０−６と異なる場合のδ−Ｈ曲線を示す図である。
【図３】本発明に係る薄膜熱物性測定法による測定の流れの概要を示すフローチャートである。
【図４】図３に続くフローチャートである。
【図５】図４に続くフローチャートである。
【図６】図５に続くフローチャートである。
【図７】熱浸透率比βが１以下の場合のδｍａｘとβの関係を示す図である。
【図８】熱浸透率比βが１を超える場合の位相遅れ最小値δｍｉｎと熱浸透率比βの関係を示す図である。
【図９】本発明の薄膜熱物性測定法を実施する装置構成を示す概念図である。
【図１】
2004117286.tif 000007
【図２】
2004117286.tif 000008
【図３】
2004117286.tif 000009
【図４】
2004117286.tif 000010
【図５】
2004117286.tif 000011
【図６】
2004117286.tif 000012
【図７】
2004117286.tif 000013
【図８】
2004117286.tif 000014
【図９】
2004117286.tif 000015