(57)【要約】【課題】薄膜に外力を印加したときに撓む薄膜の変位量に基づいて、薄膜の物性値を測定する小型で安価な薄膜の物性値測定装置がない。【解決手段】薄膜３の支持枠体１を保持する保持手段１３と、前記薄膜３に外力を印加して当該薄膜を膜厚方向の一方側に撓ませる外力印加手段４０と、前記外力により撓んだ前記薄膜３の撓み中心となる測定箇所を予め決定する測定箇所決定手段２４と、径が絞られた光を薄膜３の前記測定箇所に照射する光照射手段（１５〜２０）と、前記光照射手段からの光が前記測定箇所で反射した反射光に基づいて、前記外力の印加前後で前記薄膜の光反射位置の光軸方向の変位量を求める変位測定手段（２１，２４）とを具備し、前記変位量と前記外力の大きさに基づいて、前記薄膜３の内部応力またはヤング率を測定する。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜の支持枠体を保持する保持手段と、
前記薄膜に外力を印加して当該薄膜を膜厚方向の一方側に撓ませる外力印加手段と、
前記外力により撓んだ前記薄膜の撓み中心となる測定箇所を予め決定する測定箇所決定手段と、
径が絞られた光を薄膜の前記測定箇所に照射する光照射手段と、
前記光照射手段からの光が前記測定箇所で反射した反射光に基づいて、前記外力の印加前後で前記薄膜の光反射位置の光軸方向の変位量を求める変位測定手段と、
を具備し、
前記変位量と前記外力の大きさに基づいて、前記薄膜の内部応力またはヤング率を測定する
薄膜の物性値測定装置。
【請求項２】
前記測定箇所決定手段は、薄膜の前記支持枠体に形成された位置決めマークを検出し、検出した前記位置決めマークの位置を基準に薄膜の前記撓み中心の予想位置を求め、当該予想位置を前記測定箇所として決定する
請求項１に記載の薄膜の物性値測定装置。
【請求項３】
前記光照射手段は、
径が絞られた前記光を薄膜上に集光させる対物レンズと、
光路途中を一部遮って前記対物レンズから出射する光のスポット形状を非対称にするナイフエッヂと、
を具備し、
前記変位測定手段は、前記対物レンズの焦点距離と前記薄膜の反射面の位置関係に応じて反転する、反射光の前記スポット形状の非対称性変化を用いて、対物レンズの前記焦点距離と薄膜の前記反射面との光軸方向のずれ量を検出し、検出した前記ずれ量に基づいて前記対物レンズからの薄膜の前記反射面の光軸方向の変位量を求める
請求項１に記載の薄膜の物性値測定装置。
【請求項４】
前記保持手段は、前記支持枠体の前記薄膜が設けられた側と反対の面を閉じる多孔質プレートを具備し、
前記外力印加手段は、前記支持枠体、前記薄膜および前記多孔質プレートに囲まれた空間内の圧力を、前記多孔質プレートを介して減圧する減圧装置を具備する
請求項１に記載の薄膜の物性値測定装置。
【請求項５】
薄膜の支持枠体を保持する保持手段と、
前記薄膜に外力を印加して当該薄膜を膜厚方向の一方側に撓ませる外力印加手段と、
径が絞られた光を前記薄膜に照射する光照射手段と、
前記光照射手段からの光が前記薄膜で反射した反射光に基づいて、前記外力の印加前後で前記薄膜の反射位置の光軸方向の変位量を求める変位測定手段と、
前記薄膜内での前記光の照射位置を移動させる相対位置変更手段と、
前記変位測定手段および前記相対位置変更手段を制御し、前記変位量を前記薄膜内の複数箇所で測定させ、複数の当該変位量の測定結果から、前記薄膜の撓み曲面形状を予測し、予測した薄膜の前記撓み曲面の極点の変位量を算出する制御手段と、
極点の前記変位量と前記外力の大きさに基づいて、前記薄膜の内部応力またはヤング率を測定する
薄膜の物性値測定装置。
【請求項６】
薄膜の前記支持枠体に形成された位置決めマークを検出し、検出した前記位置決めマークの位置を基準に薄膜の前記撓み中心の予想位置を求め、当該予想位置を測定箇所として決定する測定箇所決定手段をさらに具備し、
前記相対位置変更手段は、前記測定箇所を中心に光の前記照射位置を変化させる
請求項５に記載の薄膜の物性値測定装置。
【請求項７】
前記光照射手段は、
径が絞られた前記光を薄膜上に集光させる対物レンズと、
光路途中を一部遮って前記対物レンズから出射する光のスポット形状を非対称にするナイフエッヂと、
を具備し、
前記変位測定手段は、前記対物レンズの焦点距離と前記薄膜の反射面の位置関係に応じて反転する、反射光の前記スポット形状の非対称性変化を用いて、対物レンズの前記焦点距離と薄膜の前記反射面との光軸方向のずれ量を検出し、検出した前記ずれ量に基づいて前記対物レンズからの薄膜の前記反射面の光軸方向の変位量を求める
請求項５に記載の薄膜の物性値測定装置。
【請求項８】
前記保持手段は、前記支持枠体の前記薄膜が設けられた側と反対の面を閉じる多孔質プレートを具備し、
前記外力印加手段は、前記支持枠体、前記薄膜および前記多孔質プレートに囲まれた空間内の圧力を、前記多孔質プレートを介して減圧する減圧装置を具備する
請求項５に記載の薄膜の物性値測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜に外力を印加したときの変位量と外力の大きさとに基づいて、薄膜の内部応力またはヤング率を求める薄膜の物性値測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜を有する微細構造物としては、薄膜により形成されている中空構造体を含むＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）が知られている。ＭＥＭＳの動作は、例えば“「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」、江刺正喜ほか、培風館”に記述されているように、薄膜の内部応力とヤング率に強く影響される。
薄膜を用いる構造物の他の例として、電子線またはイオンビームを等倍または低倍で転写する露光技術に用いられるステンシルマスクが知られている。ステンシルマスクは、転写すべきパターンに応じた孔をメンブレンと称する薄膜に形成するため、マスクのパターン転写精度が薄膜の内部応力に強く依存する。このことは、例えば“Ｇ．Ａ．Ｆｒｉｓｑｕｅ　ｅｔ　ａｌ．，Ｐｒｏｃ．　ＳＰＩＥ
３９９７，　５６８　（２０００）”に記述されている。
【０００３】
薄膜を有する微細構造物の動作および位置精度を予測し、制御するためには、薄膜の力学的性質を精密に制御しなくてはならない。そのために、内部応力およびヤング率の正確な測定が必要である。内部応力とヤング率は、薄膜の力学的性質を表す重要な物性値として知られている。
【０００４】
内部応力およびヤング率の物性値（以下、物性パラメータともいう）の測定方法として、引用した上記江刺らの著書の第２章２節に詳述されているように、様々な方法が知られている。薄膜の物性値の測定方法の中で、バルジ法は、内部応力およびヤング率を同時に精度良く決定することができるという点で優れている。このことは、“Ｏ．Ｔａｂａｔａ　ｅｔ　ａｌ．，Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　２０，　１３５　（１９８９））に記述されている。
バルジ法においては、厚さが知られている薄膜を中空の支持枠体などで保持し、支持枠体の中空部分で薄膜の一部が厚さ方向に自由に撓む構造とした試料を用意する。試料の薄膜の厚さ方向に一方または他方から圧力を加え薄膜を撓ませたときに、膜厚方向の薄膜の変位量は、圧力と、薄膜の厚さ、薄膜の変位可能な平面形状（すなわち、支持枠体の中空部分の平面形状）などの形状パラメータと、内部応力およびヤング率などの物性パラメータとに依存する。したがって、この関係を用いると内部応力とヤング率を求めることができる。
【０００５】
図９に、バルジ法を利用した薄膜の内部応力・ヤング率測定装置の概略構成を示す。同様な測定装置は、例えば特許公報（公告番号：特公平８−３４６１号）に開示されている。
裏面をエッチングし表面に薄膜が形成された基板（試料）１００を中空のホルダー１０１に固定し、ホルダー１０１の内部を真空ポンプ１０２で排気する。ホルダー１０１の内部の真空度は圧力センサ１０３でモニタされており、バルブ１０４の調整により所望の真空度を得ることができる。光源としてＨｅ−Ｎｅレーザー１０５を用い、シングルモード光ファイバー１０６によってレーザー光を顕微鏡１０７内に導き、ハーフミラー１０７ａにより屈曲させたレーザー光を試料１００に当てている。薄膜の変形は、光学ガラス１０８と薄膜のギャップで生じる光の干渉縞の数によって計測される。光の干渉縞を観察し評価するための手段として、ＣＣＤカメラ１０９、ＴＶモニタ１１０、Ｘ−Ｙモニタ１１１を具備し、制御手段としてコンピュータ１１２が設けられている。
【０００６】
薄膜の変形を測定する手段として、一般にレーザー干渉測長機が用いられる。レーザー干渉測長機として、ゼーマンシフトを用いたゼーマンレーザーを使用し、または参照光、物体光を光周波数シフタでシフトすることによって、干渉縞変化にキャリア周波数を重畳して高精度に測定するヘテロダイン干渉計が一般的である。上記特許公報においては、干渉縞の数の変化をモニタで観察し、圧力と撓み変化の関係を調べる方法を用いている。
【０００７】
ところが、ヘテロダイン干渉計は、高価なレーザー装置や位相測定機などが必要である。ヘテロダイン検出せずに干渉縞の変化をカウントする測定法は、誤差０．３１７μｍ以下で測定できるためバルジ法には充分な精度の測定法であるが、干渉縞をきれいにモニタに映し出すときの調整が難しく、安定性が低い。また、干渉縞を生成するためにある程度大きな光量のＨｅ−Ｎｅレーザー装置、さらにはモニタを必要として装置が大型である。
【０００８】
試料の垂直方向の微小変位を測定する小型で安価な装置として、例えば特開２００１−８２９２６号公報に開示されたような、ナイフエッヂ方式を用いた焦点位置制御装置が知られている。ナイフエッヂ方式は、光路の一部を遮るようにナイフエッヂを臨ませて非対称形状（半円状）にしたスポット光の非対称性が、スポット光を集光させて試料に当てる対物レンズの焦点距離と試料の反射面との関係に応じて反転することを利用したものである。対物レンズと試料の反射面の距離に対して焦点距離が短い場合と長い場合で、スポット光の非対称性が反転する。スポット光の非対称性が反転しているか否かは、スポット光内の光量の重心位置で判別できる。光量の重心位置は、スポットの反射光を、差分法を用いた分割型のフォトディテクタなどで検出すれば、その出力値に反映される。光量の重心変動の中点が、スポット光が反射面上で最も絞られたときに合致する。試料の段差などによって、反射面上に集光されていたスポット光の焦点が反射面からずれる。対物レンズを光軸方向に変化させ、フォトディテクタの出力モニタ値に基づいて再び焦点が反射面に合うように制御する。焦点が反射面に合ったときの対物レンズの移動量が試料の段差に対応する。特開２００１−８２９２６号公報では、焦点位置を効率よく探すために対物レンズを移動させる技術が開示され、半導体ウェハの配線の欠陥やごみの大きさの検査を行う用途が示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ナイフエッヂ方式を用いた焦点位置制御機構を用いて、バルジ法に必要な薄膜の変位量を測定する場合、解決すべき課題が残されている。
ナイフエッヂ方式を用いた焦点位置制御は、微細スポット径に絞った光で行い比較的狭い範囲を探索するのに適している。例えば上記特開２００１−８２９２６号公報には、対物レンズの移動量が２０μｍ程度として、半導体ウェハの配線（通常、数分の１μｍ程度）やごみ（数μｍ程度）の探索を行う例が示されている。ところが、薄膜の内部応力やヤング率測定のためには、ある程度の圧力を印加したときに大きな変位量が得られないと誤差が大きいため、薄膜は、例えば１辺が２ｍｍと、上記公報に開示された欠陥検査に比べて探索範囲の一辺の長さが１００倍程度と長い。均一に印加した圧力で撓んだ薄膜は、通常、中央付近が最も変位量が大きいが、最大変位量を正確に求めるには、配線の検査などより広い範囲を丹念に測定する必要がある。反射率が大きく平坦面が高い配線の場合と異なり、薄膜材料によっては反射率が低く曲面の探索であるため時間がかかり、測定効率が上がらないという課題がある。
この課題は、ナイフエッヂ方式に限らず、径が絞られた微小スポット光を薄膜に当てたときの反射光に基づいて薄膜の変位量を測定する方法に共通する課題である。
【００１０】
本発明の目的は、薄膜に外力を印加したときに撓む薄膜の変位量に基づいて、薄膜の物性値を測定する小型で安価な薄膜の物性値測定装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に係る薄膜の物性値測定装置は、薄膜の支持枠体を保持する保持手段と、前記薄膜に外力を印加して当該薄膜を膜厚方向の一方側に撓ませる外力印加手段と、前記外力により撓んだ前記薄膜の撓み中心となる測定箇所を予め決定する測定箇所決定手段と、径が絞られた光を薄膜の前記測定箇所に照射する光照射手段と、前記光照射手段からの光が前記測定箇所で反射した反射光に基づいて、前記外力の印加前後で前記薄膜の光反射位置の光軸方向の変位量を求める変位測定手段と、を具備し、前記変位量と前記外力の大きさに基づいて、前記薄膜の内部応力またはヤング率を測定する。
【００１２】
第１の観点では、外力により撓んだ薄膜の撓み中心となる測定箇所を予め決定する測定箇所決定手段を有することから、薄膜内で測定位置が絞られる。外力印加手段によって薄膜に外力が加わる前と後でそれぞれ、光照射手段が、上記測定箇所に対し、径が絞られた光を照射する。このときの反射面の変位量を変位測定手段が求め、求めた変異量と外力の大きさとに基づいて、薄膜の内部応力とヤング率を測定する。
【００１３】
本発明の第２の観点に係る物性値測定装置は、薄膜の支持枠体を保持する保持手段と、前記薄膜に外力を印加して当該薄膜を膜厚方向の一方側に撓ませる外力印加手段と、径が絞られた光を前記薄膜に照射する光照射手段と、前記光照射手段からの光が前記薄膜で反射した反射光に基づいて、前記外力の印加前後で前記薄膜の反射位置の光軸方向の変位量を求める変位測定手段と、前記薄膜内での前記光の照射位置を移動させる相対位置変更手段と、前記変位測定手段および前記相対位置変更手段を制御し、前記変位量を前記薄膜内の複数箇所で測定させ、複数の当該変位量の測定結果から、前記薄膜の撓み曲面形状を予測し、予測した薄膜の前記撓み曲面の極点の変位量を算出する制御手段と、極点の前記変位量と前記外力の大きさに基づいて、前記薄膜の内部応力またはヤング率を測定する。
【００１４】
第２の観点では、とくに相対位置変更手段と制御手段を有する。相対位置変更手段は、薄膜内で光の照射位置を相対的に移動させる。制御手段は、相対位置変更手段を制御して照射位置を移動させ、変位測定手段を制御して、薄膜内の複数箇所で反射面の光軸方向の変位量を測定させる。制御手段は、複数の変位量の測定結果から、薄膜の撓み曲面形状を予測し、予測した薄膜の撓み曲面の極点の変位量を計算により求める。求めた変異量と外力の大きさとに基づいて、薄膜の内部応力とヤング率が測定される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
図１に、バルジ法の被測定試料の一例の断面図を示す。
図解した被測定試料（以下、単に試料という）は、中央部が大きく開口しているシリコン基板１を支持枠体として用いている。シリコン基板１の中央部に、裏面からエッチングによりシリコン基板部分が除去され、開口部１ａが形成されている。開口部１ａの平面形状は、特に図示していないが１辺が数ｍｍの大きさを有した四角形とすることができる。なお、バルジ法は、開口部１ａが長方形や円形でも適用できる。
シリコン基板１の上に、予め内部応力が判明している膜、例えば窒化シリコン膜２が形成されている。窒化シリコン膜２の上に、被測定薄膜３が形成されている。被測定薄膜の内部応力が引っ張り応力の場合、窒化シリコン膜２は必ずしも必要ではない。被測定薄膜３の内部応力が圧縮応力の場合は、バルジ法で直接内部応力を測定することはできないので、窒化シリコン膜２と被測定薄膜３の複合内部応力を測定し、その値から既知である窒化シリコン膜の引っ張り内部応力を差し引いて、被測定薄膜３の内部応力を決定する。
【００１６】
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、試料の作成手順の一例を示す断面図である。
図２（Ａ）に示す、表面が（１００）面であるシリコン基板１を用意する。シリコン基板１の厚さは７２５μｍ程度である。シリコン基板１の表面と裏面にそれぞれ窒化シリコン膜２と４を、例えば化学気相成長（ＣＶＤ；ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する。シリコン基板１の表面に形成された窒化シリコン膜２は、被測定薄膜に内部応力を作用させるための膜であり、膜厚は４００ｎｍ程度である。他の窒化シリコン膜４はエッチングマスクとしてシリコンとエッチング選択比が高い材料であれば、窒化シリコンに限らない。
【００１７】
シリコン基板１の裏面を上にした状態で、窒化シリコン膜４の上にレジストを塗布して、裏面窓パターンでＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）を描画し、レジストを現像してパターンを解像する。解像されたレジストの開口部に露出した窒化シリコン部分をドライエッチングにより除去し、窒化シリコン膜４にエッチング窓４ａを形成する。
【００１８】
アッシングによりレジストを除去し、ウエット洗浄を行って、形成したエッチング窓４ａに露出したシリコン基板裏面部分から重合物などを除去する。洗浄後、シリコンのエッチング液に浸漬して基板をエッチングする。シリコンのエッチャントとして、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ；ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ　ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を用いる。このとき、結晶面によるエッチング速度の違いにより、エッチングに異方性が生じ、図２（Ｄ）に示すように、テーパー角度θ＝５４．７°でエッチングが進む。被測定薄膜の実質的に撓む範囲を規定するシリコン基板１の開口部１ａの表面側の１辺の長さをＷ１、開口部１ａの裏面側の１辺の長さをＷ２とすると、（Ｗ２−Ｗ１）が２Ｔ（Ｔ：シリコン基板の厚さ）の平方根となり、その関係から所望の開口サイズＷ１を得るための、裏面の開口サイズＷ２と基板の厚さＴが決められる。表側の窒化シリコン膜２の上に所定の被測定薄膜３を形成する。
このように、（１００）面のシリコン基板を被測定薄膜の支持枠体として用いることによって被測定薄膜３の実効的なサイズを可能な限り設計値に近いものとすることができる。
【００１９】
図１に示すように、被測定薄膜（メンブレン）３に圧力Ｐが加わると、その中心部が距離ｈだけ変位する。材料力学的な考察によると、圧力Ｐと変位量ｈとの間には次式（１）〜（３）の関係が成立する。
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ここで、ｔはメンブレン３の厚さ、ａはメンブレンの一辺の半分の長さ、σは内部応力、Ｅはヤング率、νはポアッソン比である。圧力Ｐを変化させ、メンブレン３の圧力印加前後での変位量ｈを測定し、圧力Ｐと変位量ｈの関係を上記の式（１）でフィッティングすることにより、内部応力σとヤング率Ｅを求めることができる。なお、上記式（１）〜式（３）はメンブレンを正方形と仮定した式であるが、メンブレンが長方形や円形でも類似の公式が成り立つ。
【００２０】
バルジ法で求めた圧力Ｐと変位量ｈの関係の一例を、図３のグラフに示す。図３に示すグラフ曲線のうち、（ａ）がＬＰＣＶＤで成膜した窒化シリコン、（ｂ）が多結晶シリコン、（ｃ）がプラズマＣＶＤで成膜した窒化シリコンを示す。それぞれの曲線は、式（１）の曲線に測定データをフィッティングさせたものであり、このときのフィッティングパラメータが、ある閾値を超えるか超えないかによって、内部応力が圧縮応力であるか引っ張り応力であるかが決まる。図３の例では、（ｂ）の多結晶シリコンのみ圧縮応力がかかっていることが分かった。
【００２１】
図４に、本発明の第１実施形態における薄膜の物性値測定装置の概略構成を図解している。図５（Ａ）〜（Ｃ）に、図４に図解した薄膜の物性値測定装置の概観を正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）と上面図（Ｃ）に示している。
薄膜の物性値測定装置１０は、大別すると、光学顕微鏡１１、処理制御部１２、試料加圧保持機構１３、およびベース１４とからなる。なお、処理制御部１２は光学顕微鏡１１の筐体と支柱部分とに分けて配置されている。光学顕微鏡の支柱部分と試料加圧保持機構１３がベース１４に固定されている。
【００２２】
光学顕微鏡１１において、図４に示すように、対物レンズ１５、レーザー光を出射するレーザーダイオード（Ｌ．Ｄ）１６、被測定薄膜を有する試料により反射されたレーザー光を受光するフォトディテクタ（Ｐ．Ｄ．）１７、レーザーダイオードからの出射光と試料からの反射光とを分離するハーフミラー１８、レーザーダイオード１６とハーフミラー１８との間に設けられたナイフエッヂ１９、ハーフミラー１８と対物レンズ１５との間に設けられたコリメータレンズ２０とが筺体内に設けられている。
【００２３】
オートフォーカス制御部２１および制御手段２４が、処理制御部１２内に設けられている。オートフォーカス制御部２１は、さらに、プリアンプ２２と、ピークホールド回路２３とを備えている。オートフォーカス制御部２１と制御手段２４によって、試料からの反射光に基づいて、薄膜の変位量を求める“変位測定手段”を構成する。
【００２４】
図６に、試料加圧保持手段の詳細を図解している。
試料加圧保持機構１３は、試料を保持する“保持手段”として、３軸可動ステージ３０、真空チャック室３１、および多孔質プレート３２を具備する。３軸可動ステージ３０は、手動により、あるいは制御手段２４に制御されて、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向にステージ面３０ａを移動させる機構である。真空チャック室３１は、ステージ面３０ａに固定され、上面が多孔質プレート３２により閉じられたときの内部空間を形成する。真空チャック室３１に排気口３１ａが設けられ、排気口３１ａに、真空ホース４１およびバルブ４２を介して“外力印加手段”としての真空ポンプ４０が接続されている。多孔質プレート３２は、外周部分を除くほぼ全域が無数の微細孔を含む材料からなる。真空ポンプ４０により真空チャック室３１の内部空間が排気されたときに、多孔質プレート３２の微細孔を介して、試料において、シリコン基板１裏面側から開口部１ａ内の圧力が徐々に低下する。これによって、被測定薄膜３に下方に撓ませる向きの引っ張り圧（外力）が印加される。なお、図解を省略したが、真空チャック室３１の内部空間の圧力をモニタする圧力計が設けられている。
【００２５】
本実施形態では、試料の被測定薄膜３の撓み中心を予め位置合わせするために、シリコン基板１の表面に位置合わせマークが、例えば被測定薄膜３の四隅付近にエッチング溝、被測定薄膜と同じ膜材料などにより形成されている。この撓み中心の位置合わせは、制御手段２４により制御されて実施される。
本実施形態における制御手段の詳細を、図７に示す。制御手段２４は、試料の被測定薄膜３の撓み中心となる測定箇所を予め決定する測定箇所決定手段２４ａを有している。制御手段２４がマイクロコンピュータである場合、測定箇所決定手段２４ａは、制御プログラム内に記述された手順として実現される。
【００２６】
以下、測定箇所の決定を含む測定の手順と装置の動作を、図面を参照して説明する。
ナイフエッヂ方式は、図４において、レーザーダイオード１６からのレーザー光の光路の一部を遮るようにナイフエッヂ１９を臨ませたときに、非対称形状（半円状）にレーザースポットが変化する。レーザースポットがハーフミラー１８、コリメータレンズ２０を通過して対物レンズ１５で集光された後のスポット光も半円形のレーザースポットとなる。図８に示すように、レーザースポットの非対称性が、スポット光を集光させて試料に当てる対物レンズ１５の焦点距離ｄ０と試料の反射面ｓ１，ｓ２との関係に応じて反転する。反射面ｓ１と対物レンズ１５との距離ｄ１が焦点距離ｄ０より小さいときのレーザースポット形状Ｂ１と、反射面ｓ２と対物レンズ１５との距離ｄ２が焦点距離ｄ０より大きいときのレーザースポット形状Ｂ２とでは、スポット光の非対称性が反転している。
反射面から出た反射光は非対称性を維持したまま、対物レンズ１５、コリメータレンズ２０、ハーフミラー１８を通過してフォトディテクタ１７に入射する。フォトディテクタ１７が複数の受光領域に分割されているため、受光領域の出力差分等をとることによりレーザースポットの光量の重心が検出できる。図８に示すように、レーザースポット形状の変化に応じて、重心位置が線形に変化する。このため、スポット光の非対称性が反転しているか否かは、スポット光内の光量の重心位置で判別できる。光量の重心変動の中点が、スポット光が反射面上で最も絞られたときに合致する。このため、試料で焦点ずれが生じた場合、再び焦点を合わせるためには反射面を上下に動かす向きと移動すべき距離が分る。具体的には、コリメータレンズ２０をボイスコイルモータ２０ａにより振動させたときのフォトディテクタの出力信号をプリアンプ２２で増幅し、ピークホールド回路でピーク値をホールドすることにより反射面と対物レンズの距離が求まる。この距離に基づいて３軸ステージをＺ方向に移動させることによって再び試料上に焦点が合うように制御することができる。各手段の制御は、制御手段２４が行う。
【００２７】
被測定薄膜３の変異量測定では、変位前に、まず、測定箇所決定手段２４ａおよび制御手段２４が、位置合わせマーク中心のＸＹ座標を、上述した焦点を合わせる動作を行うことによって検出する。この動作を本例では４箇所で行って、その平均の座標を求める。平均の座標が被測定薄膜３の中央の座標であるが、被測定薄膜３および位置合わせマークの形状および配置が対称で、両者が半導体プロセスによって相対位置精度が高いレベルで保たれていることが保証されているので、求めた中央の座標が被測定薄膜３の撓み中心とみなすことができる。
【００２８】
つぎに、求めた撓み中心の周囲を数点測定して、加圧前の反射面のＸ座標位置を上述した方法により求めておく。
真空引きを開始して所定の圧力Ｐが薄膜３に加わっていることがモニタされたら、加圧前に測定したと同じＸＹ座標の各点で、焦点が合うようになるＺ座標を再び上述した方法により測定する。この各点のＸ座標変化が、薄膜の変位量であり、そのうち最大のものを薄膜の変位量ｈとして求める。
制御手段２４が、求めた変位量ｈと圧力Ｐを用いて、前述した式（１）〜（３）を用いたパラメータフィッティングを行って、内部応力σとヤング率Ｅを算出する。
【００２９】
本実施形態では、薄膜の撓み曲面の最大変位箇所を素早く効果的に測定できる利点がある。
【００３０】
［第２実施形態］
第２実施形態では、薄膜の撓み中心を含むと予想される範囲の変位測定を複数回行うが、その後の処理に特徴がある。
制御手段２４は、得られた各点の変位量から、たとえば最小自二乗法を用いて、たわみ曲面の３次元座標をシミュレーションにより求める。このシミュレーション結果に曲面の極点がある場合は、極点が求める撓み中心である。撓み中心の曲面のＺ座標を変位量ｈとして、同様に、関係式から内部応力とヤング率を算出する。あるいは、極点のＸＹ座標からステージ移動により再度測定を行って、シミュレーション結果を検証し、測定値とシミュレーション結果がほぼ一致すれば、変位量ｈを確定する確認動作を付加しても良い。
なお、本実施例では、基本的に試料に位置合わせマークを刻印しておくことは不要であるが、位置合わせマークによる撓み中心予想位置を中心にシミュレーションすれば、より少ない計算点でも精度よい結果が得られるため、望ましい。
【００３１】
第１実施形態および第２実施形態における薄膜の物性値測定装置は、微小スポットを用いることからレーザーダイオードの光源が使用でき、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに比べ設置場所が小さくてすむ。図５に示す物性値測定装置は、幅：４００ｍｍ、長さが５００ｍｍ、高さが６１０ｍｍと非常にコンパクトである。また、干渉縞を観察するためのモニタも不要であり、装置を小型で安価にできる利点がある。しかも、撓み曲面を有する薄膜の測定を効率よく行うことが可能となった。なお、外力として圧力を印加したが、電極を設けて静電気で薄膜を撓ませる変更も可能である。また、多孔質プレート２３は、セラミックなどの材料のプレートで代替できる。この場合、プレートのメンブレン周囲数箇所およびメンブレン直下に小孔を開けておき、それらを通して真空引きを行うこともできる。試料固定とメンブレン変形のための真空引きを、別系統の真空排気系で行っても構わない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に係る薄膜の物性値測定装置によれば、径が絞られた光を薄膜に照射して、反射光を用いて薄膜の変位量を測定するため、余り大きな光量は不要であり、装置構成がシンプルで安価な部品で製造できる。また、撓んだ薄膜の曲面での変位量測定において、撓み中心となる測定箇所を決め、あるいは測定値からの計算により撓み曲面形状を予測して、予測した曲面形状の極点で変位量を算出することから、測定回数の低減、効率の向上が図られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に用いたバルジ法の被測定試料の一例の断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、図１に図解した試料の作成手順の一例を示す断面図である。
【図３】バルジ法で求めた圧力と変位量の関係の一例を示すグラフである。
【図４】第１実施形態における薄膜の物性値測定装置の概略構成を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、図４に図解した薄膜の物性値測定装置の概観の正面、側面、上面を示す図である。
【図６】試料加圧保持手段の詳細を示す図である。
【図７】第１実施形態における制御手段の詳細を示す図である。
【図８】レーザースポットの非対称性と重心位置の説明図である。
【図９】バルジ法を利用した従来の薄膜の内部応力・ヤング率測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１‥‥シリコン基板、１ａ‥‥開口部、２‥‥窒化シリコン膜、３‥‥被測定薄膜
１０‥‥薄膜の物性値測定装置、１１‥‥光学顕微鏡、１２‥‥処理制御部、１３‥‥試料加圧保持機構、１４‥‥ベース、１５‥‥対物レンズ、１６‥‥レーザーダイオード、１７‥‥フォトディテクタ、１８‥‥ハーフミラー、１９‥‥ナイフエッヂ
２０‥‥コリメータレンズ、２０ａ‥‥ボイスコイルモータ、２１‥‥オートフォーカス制御部、２２‥‥プリアンプ、２３‥‥ピークホールド回路、２４‥‥制御手段、２４ａ‥‥測定箇所決定手段、３０ａ‥‥ステージ面、３０‥‥３軸可動ステージ、３１‥‥真空チャック室、３１ａ‥‥排気口、３２‥‥多孔質プレート、４０‥‥真空ポンプ、４１‥‥真空ホース、４２‥‥バルブ、σ‥‥内部応力、Ｅ‥‥ヤング率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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