(57)【要約】【課題】対象物上に形成された膜の膜厚測定において、複数の測定点における膜厚を迅速に求める。【解決手段】膜厚測定装置１では、光学定数が既知である膜９２について、複数の検査波長に対応する複数の反射特性が予め記憶されており、検査波長を切り替えつつ膜９２を撮像することにより取得された複数の検査波長に対応する複数の検査画像と上記複数の反射特性に基づいて、膜厚演算部７３により、膜９２上の各測定点における複数の検査画像の複数の画素値と、各膜厚における複数の反射特性が示す複数の理論反射率との一致度に基づいて各測定点における膜厚が求められる。したがって、測定点数が増加した場合であっても膜厚演算部７３による演算量が僅かに増加するだけであり、基板９上の複数の測定点における膜厚を迅速に求めることができる。その結果、基板９上における広い範囲の膜厚分布が高精度かつ高分解能にて取得される。【選択図】図１
2010048604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物上に形成された膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
光学定数が既知である膜が主面上に形成された対象物を保持する保持部と、
複数の検査波長における前記膜の膜厚と前記膜厚の変化に従って変動する前記膜の反射率の理論値との関係をそれぞれ示す複数の反射特性を予め記憶する反射特性記憶部と、
前記膜に光を照射する光照射部と、
前記光照射部からの光のうち前記膜にて反射された干渉光を受光して前記複数の検査波長における前記膜の複数の画像を取得する撮像部と、
前記複数の画像および前記複数の反射特性に基づいて前記対象物上の複数の測定点のそれぞれにおける膜厚を算出する膜厚演算部と、
を備え、
前記膜厚演算部が、
ａ）前記複数の画像の各画像において、画素値が最大となる最大位置および画素値が最小となる最小位置における最大画素値および最小画素値を取得する工程と、
ｂ）前記各画像の前記最大画素値および前記最小画素値と前記各画像に対応する反射特性における極大反射率および極小反射率との関係に基づいて前記各画像の画素値と反射率とを対応付ける工程と、
ｃ）前記複数の測定点の各測定点における前記複数の画像の複数の画素値と、各膜厚における前記複数の反射特性が示す複数の反射率との一致度に基づいて前記各測定点における膜厚を求める工程と、
を実行することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定装置であって、
前記複数の検査波長の光を選択的にそれぞれ透過する複数の光学フィルタと、
前記複数の光学フィルタのうち前記光照射部から前記撮像部に至る光路上に配置された一の光学フィルタを他の光学フィルタに変更する光学フィルタ変更機構と、
をさらに備え、
前記光照射部から出射される光が白色光であることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の膜厚測定装置であって、
前記膜上の少なくとも１つの測定点における膜厚を取得する膜厚計をさらに備え、
前記膜厚計により取得された前記膜厚が、前記膜厚演算部による膜厚の算出に利用されることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の膜厚測定装置であって、
前記膜厚計により取得された前記少なくとも１つの測定点における膜厚と、前記膜厚演算部により算出された前記少なくとも１つの測定点における膜厚との差に基づいて、前記膜厚演算部により算出された前記各測定点における膜厚が補正されることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項５】
対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定方法であって、
ａ）光学定数が既知である膜が主面上に形成された対象物を保持する工程と、
ｂ）複数の検査波長における前記膜の膜厚と前記膜厚の変化に従って変動する前記膜の反射率の理論値との関係をそれぞれ示す複数の反射特性を予め記憶する工程と、
ｃ）光照射部から前記膜に光を照射し、前記光照射部からの光のうち前記膜にて反射された干渉光を撮像部により受光して前記複数の検査波長における前記膜の複数の画像を取得する工程と、
ｄ）前記複数の画像の各画像において、画素値が最大となる最大位置および画素値が最小となる最小位置における最大画素値および最小画素値を取得する工程と、
ｅ）前記各画像の前記最大画素値および前記最小画素値と前記各画像に対応する反射特性における極大反射率および極小反射率との関係に基づいて前記各画像の画素値と反射率とを対応付ける工程と、
ｆ）前記対象物上の複数の測定点の各測定点における前記複数の画像の複数の画素値と、各膜厚における前記複数の反射特性が示す複数の反射率との一致度に基づいて前記各測定点における膜厚を求める工程と、
を備えることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の膜厚測定方法であって、
前記ｃ）工程において前記光照射部から出射される光が白色光であり、
前記ｃ）工程が、
ｃ１）前記複数の検査波長の光を選択的にそれぞれ透過する複数の光学フィルタのうち一の光学フィルタを前記光照射部から前記撮像部に至る光路上に配置して前記一の光学フィルタに対応する検査波長の画像を取得する工程と、
ｃ２）前記複数の画像が取得されるまで前記一の光学フィルタを他の光学フィルタに変更して前記ｃ１）工程に戻る工程と、
を備えることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の膜厚測定方法であって、
ｇ）前記膜上の少なくとも１つの測定点における膜厚を膜厚計により取得する工程をさらに備え、
前記ｇ）工程にて取得された前記膜厚が、前記ｆ）工程における膜厚の算出に利用されることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項８】
請求項７に記載の膜厚測定方法であって、
前記ｇ）工程にて取得された前記少なくとも１つの測定点における前記膜厚と、前記ｆ）工程において算出された前記少なくとも１つの測定点における膜厚との差に基づいて、前記ｆ）工程において算出された前記各測定点における膜厚が補正されることを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物上に形成された膜の膜厚を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、表示装置用のガラス基板や半導体基板等（以下、単に「基板」という。）の主面上に形成されたレジスト膜等の薄膜を検査する装置の１つとして、基板上における薄膜のムラを検査する装置が知られている。特許文献１ないし特許文献１０の装置では、光源からの光を基板上の薄膜に照射し、薄膜からの反射光や透過光における光干渉を利用して膜厚ムラ（すなわち、基板上における膜厚の相対変動の分布）の検出が行われる。
【０００３】
一方、特許文献１１では、基板上の微小領域に向けて光を照射し、当該微小領域からの反射光の分光強度に基づいて基板上の薄膜の膜厚を求める膜厚測定装置が開示されている。特許文献１１の膜厚測定装置では、反射光の分光強度から光干渉法により膜厚を求める上述の測定部に加えて、偏光した光を基板上の微小領域に照射し、当該微小領域からの反射光の偏光状態を解析することにより薄膜の膜厚を求めるエリプソメータも備えている。
【特許文献１】特開２００６−１０５８８４号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４２１１号公報
【特許文献３】特開２００６−２８４２１２号公報
【特許文献４】特開２００６−２９２４８７号公報
【特許文献５】特開２００６−３０８５５６号公報
【特許文献６】特開２００６−３１３１４３号公報
【特許文献７】特開２００７−５７５２１号公報
【特許文献８】特開２００７−３２２２５６号公報
【特許文献９】特開２００７−３２２２５７号公報
【特許文献１０】特開２００７−３２２２５８号公報
【特許文献１１】特開２００４−１５６９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、基板上に薄膜を形成する工程では、薄膜を高精度に管理するために、基板上における膜厚の分布（すなわち、膜厚の絶対値の分布）を高精度かつ高分解能にて取得することが求められている。しかしながら、特許文献１ないし特許文献１０の装置では、基板上における膜厚の相対変動の分布を求めることはできるが、膜厚の絶対値を求めることはできない。一方、特許文献１１の膜厚測定装置では、光干渉法による膜厚測定およびエリプソメータによる膜厚測定のいずれにおいても、１回の測定により測定可能な領域が微小であるため、基板上の広い範囲の膜厚測定を高分解能にて行うためには測定を多数回繰り返す必要があり、多大な測定時間が必要となる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、対象物上に形成された膜の膜厚測定において、複数の測定点における膜厚を迅速に求めることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、対象物上に形成された膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、光学定数が既知である膜が主面上に形成された対象物を保持する保持部と、複数の検査波長における前記膜の膜厚と前記膜厚の変化に従って変動する前記膜の反射率の理論値との関係をそれぞれ示す複数の反射特性を予め記憶する反射特性記憶部と、前記膜に光を照射する光照射部と、前記光照射部からの光のうち前記膜にて反射された干渉光を受光して前記複数の検査波長における前記膜の複数の画像を取得する撮像部と、前記複数の画像および前記複数の反射特性に基づいて前記対象物上の複数の測定点のそれぞれにおける膜厚を算出する膜厚演算部とを備え、前記膜厚演算部が、ａ）前記複数の画像の各画像において、画素値が最大となる最大位置および画素値が最小となる最小位置における最大画素値および最小画素値を取得する工程と、ｂ）前記各画像の前記最大画素値および前記最小画素値と前記各画像に対応する反射特性における極大反射率および極小反射率との関係に基づいて前記各画像の画素値と反射率とを対応付ける工程と、ｃ）前記複数の測定点の各測定点における前記複数の画像の複数の画素値と、各膜厚における前記複数の反射特性が示す複数の反射率との一致度に基づいて前記各測定点における膜厚を求める工程とを実行する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定装置であって、前記複数の検査波長の光を選択的にそれぞれ透過する複数の光学フィルタと、前記複数の光学フィルタのうち前記光照射部から前記撮像部に至る光路上に配置された一の光学フィルタを他の光学フィルタに変更する光学フィルタ変更機構とをさらに備え、前記光照射部から出射される光が白色光である。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の膜厚測定装置であって、前記膜上の少なくとも１つの測定点における膜厚を取得する膜厚計をさらに備え、前記膜厚計により取得された前記膜厚が、前記膜厚演算部による膜厚の算出に利用される。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の膜厚測定装置であって、前記膜厚計により取得された前記少なくとも１つの測定点における膜厚と、前記膜厚演算部により算出された前記少なくとも１つの測定点における膜厚との差に基づいて、前記膜厚演算部により算出された前記各測定点における膜厚が補正される。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定方法であって、ａ）光学定数が既知である膜が主面上に形成された対象物を保持する工程と、ｂ）複数の検査波長における前記膜の膜厚と前記膜厚の変化に従って変動する前記膜の反射率の理論値との関係をそれぞれ示す複数の反射特性を予め記憶する工程と、ｃ）光照射部から前記膜に光を照射し、前記光照射部からの光のうち前記膜にて反射された干渉光を撮像部により受光して前記複数の検査波長における前記膜の複数の画像を取得する工程と、ｄ）前記複数の画像の各画像において、画素値が最大となる最大位置および画素値が最小となる最小位置における最大画素値および最小画素値を取得する工程と、ｅ）前記各画像の前記最大画素値および前記最小画素値と前記各画像に対応する反射特性における極大反射率および極小反射率との関係に基づいて前記各画像の画素値と反射率とを対応付ける工程と、ｆ）前記対象物上の複数の測定点の各測定点における前記複数の画像の複数の画素値と、各膜厚における前記複数の反射特性が示す複数の反射率との一致度に基づいて前記各測定点における膜厚を求める工程とを備える。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の膜厚測定方法であって、前記ｃ）工程において前記光照射部から出射される光が白色光であり、前記ｃ）工程が、ｃ１）前記複数の検査波長の光を選択的にそれぞれ透過する複数の光学フィルタのうち一の光学フィルタを前記光照射部から前記撮像部に至る光路上に配置して前記一の光学フィルタに対応する検査波長の画像を取得する工程と、ｃ２）前記複数の画像が取得されるまで前記一の光学フィルタを他の光学フィルタに変更して前記ｃ１）工程に戻る工程とを備える。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の膜厚測定方法であって、ｇ）前記膜上の少なくとも１つの測定点における膜厚を膜厚計により取得する工程をさらに備え、前記ｇ）工程にて取得された前記膜厚が、前記ｆ）工程における膜厚の算出に利用される。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の膜厚測定方法であって、前記ｇ）工程にて取得された前記少なくとも１つの測定点における前記膜厚と、前記ｆ）工程において算出された前記少なくとも１つの測定点における膜厚との差に基づいて、前記ｆ）工程において算出された前記各測定点における膜厚が補正される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、複数の測定点における膜厚を迅速に求めることができる。また、請求項３および７の発明では、膜厚測定の精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る膜厚測定装置１の構成を示す図である。膜厚測定装置１は、液晶表示装置等の表示装置に用いられるガラス基板（以下、単に「基板」という。）９において、一方の主面９１上に形成されたパターン形成用のレジスト膜（以下、単に「膜」という。）９２の膜厚を測定する装置である。基板９上の膜９２は、基板９の主面９１上にレジスト液を塗布することにより形成されており、膜９２の光学定数は既知である。
【００１６】
図１に示すように、膜厚測定装置１は、主面９１（以下、「上面９１」という。）上に膜９２が形成された基板９を上面９１を上側（図１中の（＋Ｚ）側）に向けて保持する保持部であるステージ２、ステージ２に保持された基板９の上面９１上の膜９２に光を照射する光照射部３、光照射部３から出射された光のうち膜９２にて反射された後の光を受光して膜９２の画像を取得する撮像部４、基板９と撮像部４との間に配置されて撮像部４にて受光される光の波長帯を切り替える波長帯切替機構５、ステージ２を光照射部３、撮像部４および波長帯切替機構５に対して相対的に移動する移動機構２１、並びに、撮像部４にて取得された画像に基づいて膜９２の膜厚を求める検査部７を備える。
【００１７】
ステージ２の（＋Ｚ）側の表面は、好ましくは黒色艶消しとされる。移動機構２１は、モータ２１１にボールねじ（図示省略）が接続された構成とされ、モータ２１１が回転することにより、ステージ２がガイド２１２に沿って基板９の上面９１に沿う図１中のＸ方向に移動する。
【００１８】
光照射部３は、白色光（すなわち、後述する複数の検査波長の全てを含む波長帯の光）を出射する光源であるハロゲンランプ３１、ステージ２の移動方向に垂直な図１中のＹ方向に伸びる円柱状の石英ロッド３２、および、Ｙ方向に伸びるシリンドリカルレンズ３３を備える。光照射部３では、ハロゲンランプ３１が石英ロッド３２の（＋Ｙ）側の端部に取り付けられており、ハロゲンランプ３１から石英ロッド３２に入射した光は、Ｙ方向に伸びる線状光（すなわち、光束断面がＹ方向に長い線状となる光）に変換されて石英ロッド３２の側面から出射され、シリンドリカルレンズ３３を介して基板９の上面９１へと導かれる。換言すれば、石英ロッド３２およびシリンドリカルレンズ３３は、ハロゲンランプ３１からの光を、ステージ２の上面９１に沿うとともに移動方向に垂直な線状光に変換して基板９の上面９１上の膜９２へと導く照明光学系となっている。基板９の上面９１上に照射される線状光のＹ方向の長さは、基板９のＹ方向の幅よりも大きい。
【００１９】
図１では、光照射部３から基板９に至る光路を一点鎖線にて示している（基板９から撮像部４に至る光路についても同様）。光照射部３のハロゲンランプ３１から出射されて基板９の上面９１上の膜９２に対して傾斜して（すなわち、０°よりも大きい入射角にて）入射した光の一部は、基板９の上面９１上の膜９２の（＋Ｚ）側の上面にて反射される。膜９２は光照射部３からの光に対して光透過性を有しており、光照射部３からの光のうち膜９２の上面にて反射されなかった光は、膜９２を透過して基板９の上面９１（すなわち、膜９２の下面）にて反射される。膜厚測定装置１では、膜９２の上面にて反射された光と基板９の上面９１にて反射された光との干渉光（以下、単に「反射光」という。）が、波長帯切替機構５を経由して撮像部４に入射する。
【００２０】
波長帯切替機構５は、膜厚測定に利用される互いに異なる複数の狭い波長帯の光を選択的にそれぞれ透過する複数の光学フィルタ（例えば、半値幅１０ｎｍの干渉フィルター）５１、複数の光学フィルタ５１を保持する円板状のフィルタホイール５２、および、フィルタホイール５２の中心に取り付けられてフィルタホイール５２を回転するフィルタ回転モータ５３を備える。フィルタホイール５２は、その法線方向が基板９から撮像部４に至る光路に平行になるように配置される。
【００２１】
図２は、波長帯切替機構５を基板９側からフィルタホイール５２に垂直な方向に沿って見た図である。図２に示すように、フィルタホイール５２には、６つの円形の開口５２１が周方向に等間隔に形成されており、そのうちの５つの開口５２１には互いに透過波長帯が異なる５種類の光学フィルタ５１が取り付けられている。各光学フィルタ５１の透過波長帯は、膜厚測定装置１による膜厚測定において利用される予め定められた光の波長（以下、「検査波長」という。）を中心とする狭い波長帯である。以下の説明では、各光学フィルタ５１を透過する透過波長帯の光を、透過波長帯の中心波長にて代表して「検査波長の光」という。すなわち、「波長５５０ｎｍの検査波長の光」という記載は、検査波長５５０ｎｍを中心波長とする狭い透過波長帯の光を意味する。
【００２２】
図１に示す波長帯切替機構５では、フィルタ回転モータ５３によりフィルタホイール５２が回転し、５つの光学フィルタ５１（図２参照）のうち一の光学フィルタ５１（以下、他の光学フィルタ５１と区別するために、「選択光学フィルタ５１ａ」という。）が選択され、基板９から撮像部４に至る光路上に配置される。これにより、基板９からの反射光（すなわち、５つの光学フィルタ５１に対応する５つの検査波長の光を含む白色光の反射光）のうち、光路上に配置された選択光学フィルタ５１ａに対応する特定の検査波長の光のみが、選択光学フィルタ５１ａを透過して撮像部４へと導かれる。
【００２３】
そして、フィルタ回転モータ５３によりフィルタホイール５２が回転すると、複数の光学フィルタ５１のうち基板９から撮像部４に至る光路上に配置された選択光学フィルタ５１ａが他の光学フィルタ５１に変更され、撮像部４が受光する光の波長帯が変更される。膜厚測定装置１では、フィルタ回転モータ５３が、上記光路上の光学フィルタ５１を変更する光学フィルタ変更機構となっている。なお、膜厚測定装置１では、選択光学フィルタ５１ａは、光照射部４３から撮像部４に至る光路上に配置されていればよく、光照射部３から基板９に至る光路上に配置されてもよい。
【００２４】
撮像部４は、複数の受光素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子がＹ方向に直線状に配列されたラインセンサ４１、および、基板９からラインセンサ４１に至る光路上であってラインセンサ４１と波長帯切替機構５の選択光学フィルタ５１ａとの間に配置される集光レンズ４２を備える。集光レンズ４２は、光照射部３から出射されて基板９の上面９１上においてＹ方向に伸びる直線状の照射領域（以下、「線状照射領域」という。）の膜９２にて反射された後の線状光のうち、選択光学フィルタ５１ａを透過した検査波長の光をラインセンサ４１に向けて集光する。ラインセンサ４１は、集光レンズ４２により集光されるとともに検査波長の光を受光し、受光した光の強度分布（すなわち、各受光素子からの出力値のＹ方向における分布）を取得して検査部７に出力する。膜厚測定装置１では、基板９の上面９１上に形成された膜９２からの反射光の強度分布が、基板９およびステージ２のＸ方向への移動中にラインセンサ４１により繰り返し取得される。なお、膜厚測定装置１では、基板９の上面９１上における線状照射領域のＹ方向の長さが基板９のＹ方向の幅よりも小さくされてもよく、この場合、基板９のＸ方向への移動中に当該線状照射領域がＹ方向に基板９に対して相対的に走査されることにより、基板９の全幅における反射光の強度分布が取得される。
【００２５】
検査部７は、ラインセンサ４１からの出力を受け付けて基板９の上面９１の２次元画像を生成する画像生成部７１、膜９２の反射特性の理論値を予め記憶する反射特性記憶部７２、並びに、画像生成部７１により生成された２次元画像および反射特性記憶部７２に記憶された反射特性から膜９２の膜厚を算出する膜厚演算部７３を備える。図３は、反射特性記憶部７２に記憶されている膜９２の反射特性を示す図である。図３中の横軸は膜９２の膜厚を示し、縦軸は膜厚の変化に従って周期性を持って変動する膜９２の反射率の理論値（以下、「理論反射率」という。）を示す。膜９２の理論反射率は、膜９２の既知の光学定数（例えば、膜９２の屈折率）に基づいて求められる。なお、膜厚測定装置１では、反射特性記憶部７２に記憶された膜９２の反射特性を求めるために必要な膜９２の光学定数が既知とされる。
【００２６】
反射特性記憶部７２には、図３に示すように、複数の光学フィルタ５１に対応する複数の検査波長における膜９２の膜厚と膜９２の理論反射率との関係をそれぞれ示す複数の反射特性が格納されている。本実施の形態では、検査波長は５５０ｎｍ，５８０ｎｍ，６００ｎｍ，６２０ｎｍ，６５０ｎｍの５つであり、図３中では、検査波長５５０ｎｍ，５８０ｎｍ，６００ｎｍ，６２０ｎｍ，６５０ｎｍにそれぞれ対応する反射特性をそれぞれ、細破線、細一点鎖線、実線、太一点鎖線および太破線にて示すとともに、これらの反射特性に符号８０１〜８０５を付す。
【００２７】
次に、図４および図５を参照しつつ膜厚測定装置１による膜厚測定の流れについて説明する。膜厚測定装置１により基板９の上面９１上の膜９２の膜厚測定が行われる際には、まず、図１中に実線にて示す撮像開始位置に位置するステージ２上に基板９が保持される（ステップＳ１１）。また、反射特性記憶部７２には、図３に示す複数の検査波長における複数の反射特性が記憶される（ステップＳ１２）。ステップＳ１１とステップＳ１２とは、どちらが先に行われてもよく、並行して行われてもよい。
【００２８】
続いて、基板９およびステージ２の（＋Ｘ）方向への移動が開始され（ステップＳ１３）、光照射部３から出射されて基板９の上面９１に対して入射角６０°にて入射する線状光が、基板９の上面９１における膜９２上の線状照射領域に照射され（ステップＳ１４）、線状照射領域が基板９に対して相対的に移動する。このとき、波長帯切替機構５では、一の検査波長（例えば、５５０ｎｍ）に対応する一の光学フィルタ５１が選択光学フィルタ５１ａとして基板９と撮像部４との間の光路上に配置されている。
【００２９】
光照射部３からの光は基板９の上面９１上の膜９２にて反射され、波長帯切替機構５の選択光学フィルタ５１ａを透過することにより、反射光から検査波長の光のみ（実際には、検査波長を中心とする狭い波長帯の光のみ）が取り出された後、撮像部４へと導かれる。撮像部４では、膜９２における反射後の検査波長の干渉光が、集光レンズ４２によりラインセンサ４１に向けて集光されてラインセンサ４１により受光され、膜９２上の線状照射領域からの反射光のうち検査波長における強度分布が取得される（ステップＳ１５）。ラインセンサ４１の各受光素子からの出力値は、検査部７の画像生成部７１へと送られる。
【００３０】
膜厚測定装置１では、基板９およびステージ２が図１中に二点鎖線にて示す撮像終了位置まで移動したか否かが基板９の移動中に繰り返し確認されており（ステップＳ１６）、検査終了位置まで移動していない場合には、ステップＳ１５に戻って膜９２上の線状照射領域における検査波長の干渉光の強度分布の取得が繰り返される（ステップＳ１５，Ｓ１６）。膜厚測定装置１では、ステージ２が（＋Ｘ）方向に移動している間、ステップＳ１５，Ｓ１６の動作が繰り返されて線状照射領域からの反射光の強度分布が繰り返し取得されることにより、基板９の全体について膜９２からの反射光のうちの検査波長における強度分布を示す画像（すなわち、検査波長における膜９２の画像であり、以下、「検査画像」という。）が取得される。そして、基板９およびステージ２が撮像終了位置まで移動すると、移動機構２１による基板９およびステージ２の移動が停止される（ステップＳ１７）。
【００３１】
一の検査波長における膜９２の検査画像が取得されると、次の検査波長の有無が確認され（ステップＳ１８）、基板９およびステージ２が撮像開始位置に戻される（ステップＳ１９）。また、フィルタ回転モータ５３によりフィルタホイール５２が所定の角度だけ回転することにより、２番目の検査波長に対応する光学フィルタ５１が、新たな選択光学フィルタ５１ａとして基板９と撮像部４との間の光路上に配置されて検査波長が変更される（ステップＳ２０）。
【００３２】
続いて、ステップＳ１３に戻り、基板９の（＋Ｘ）方向への移動が開始され、光照射部３からの線状光が、基板９の上面９１における膜９２上の線状照射領域に照射され（ステップＳ１４）、膜９２における反射光のうち２番目の検査波長（例えば、５８０ｎｍ）の光のみが撮像部４のラインセンサ４１により受光されて当該検査波長における強度分布が取得される（ステップＳ１５）。そして、基板９が撮像終了位置に到達するまでステップＳ１５が繰り返され（ステップＳ１６）、２番目の検査波長における膜９２の検査画像が取得されて基板９の移動が停止される（ステップＳ１７）。その後、次の検査波長の有無が再度確認され（ステップＳ１８）、次の検査波長が存在する場合には、基板９が撮像開始位置に戻されるとともにフィルタホイール５２が回転して検査波長が変更された後（ステップＳ１９，Ｓ２０）、ステップＳ１３に戻る。
【００３３】
膜厚測定装置１では、上述のステップＳ１３〜Ｓ２０が繰り返されることにより、複数（本実施の形態では、５つ）の検査波長における膜９２の複数の検査画像が取得され、その後、照明光の照射が停止される（ステップＳ２１）。図６は、基板９の中心を通るとともにＸ方向（すなわち、基板９の移動方向）に平行な直線上におけるＸ方向の位置と、各位置における画素値との関係を示す画素値分布を各検査画像について（すなわち、各検査波長について）示す図である。図６中の横軸はＸ方向の位置を示し、縦軸は各位置における画素値に基づいて求められた反射率（すなわち、画素値に基づいて求められた反射光の強度の入射光に対する割合）を示す。図６中では、検査波長５５０ｎｍ，５８０ｎｍ，６００ｎｍ，６２０ｎｍ，６５０ｎｍにそれぞれ対応する画素値分布をそれぞれ、細破線、細一点鎖線、実線、太一点鎖線および太破線にて示すとともに、これらの画素値分布に符号８１１〜８１５を付す。
【００３４】
膜９２の複数（本実施の形態では、５つ）の検査画像が取得されると、膜厚演算部７３により、各検査画像において画素値が最大となる最大位置における最大画素値、および、画素値が最小となる最小位置における最小画素値が取得される（ステップＳ２２）。例えば、図６中の検査波長６００ｎｍに対応する画素値分布８１３に、検査波長６００ｎｍにおける検査画像中の最大画素値および最小画素値が含まれているとすると、画素値分布８１３の左側の極大値に対応する画素値が最大画素値として取得され、当該極大値の右側に隣接する極小値に対応する画素値が最小画素値として取得される。
【００３５】
最大画素値および最小画素値が取得されると、各検査画像の最大画素値および最小画素値と各検査画像に対応する反射特性における極大反射率と極小反射率との関係に基づいて各検査画像の各画素における画素値と理論反射率とが対応付けられる（ステップＳ２３）。例えば、検査波長６００ｎｍにおいては、検査画像の最大画素値は、図３中の反射特性８０３における膜厚１４２０ｎｍ近傍および膜厚１６３０ｎｍ近傍の極大反射率（約０．２５）に対応付けられ、検査画像の最小画素値は、反射特性８０３における膜厚１３１０ｎｍ近傍および膜厚１５２０ｎｍ近傍の極小反射率（約０．１９）に対応付けられる。そして、画素値と理論反射率とが正比例の関係にあるものとして、検査画像の各画素において、各画素の画素値と検査画像の最大画素値および最小画素値とに基づいて各画素の画素値に対応する理論反射率が求められる。例えば、一の画素の画素値が最大画素値と最小画素値との平均値に等しい場合、当該画素の画素値に対応付けられる理論反射率は、極大反射率と極小反射率との平均値である約０．２２となる。
【００３６】
各検査画像の各画素において画素値と理論反射率とが対応付けられると、膜厚演算部７３により、基板９上に設定された複数の測定点のうち一の測定点において、一の検査画像の画素値に対応付けられた理論反射率、および、当該検査画像に対応する図３中の反射特性（すなわち、同じ検査波長の反射特性）に基づいて、当該測定点の膜厚と推定される膜厚候補値が求められる。例えば、検査波長６００ｎｍにおいて、検査画像中の測定点の画素値に対応付けられた理論反射率が０．２２である場合、図３中の反射特性８０３において理論反射率が０．２２となる膜厚である１３６０ｎｍ，１４７０ｎｍ，１５８０ｎｍが膜厚候補値として求められる。同様に、検査波長５５０ｎｍにおいて、検査画像の測定点の画素値に対応付けられた理論反射率が０．１９５である場合、図３中の反射特性８０１において理論反射率が０．１９５となる膜厚である１３７０ｎｍ，１４２０ｎｍ，１５８０ｎｍが膜厚候補値として求められる。
【００３７】
膜厚演算部７３では、一の測定点について、５つの検査画像の画素値にそれぞれ対応付けられた理論反射率、および、５つの検査画像にそれぞれ対応する図３中の反射特性に基づいて、５つの検査波長のそれぞれにおいて測定点の膜厚と推定される膜厚候補値が求められる。続いて、５つの検査波長の各膜厚候補値を中心とした所定の膜厚範囲に対し、膜厚候補値から離れるに従って小さくなるように傾斜配分が施された点数が投票される。
【００３８】
図７は、上述の膜厚範囲に対する投票結果を各検査波長における反射特性のグラフと併せて示す図である。図７では、検査波長５５０ｎｍ，５８０ｎｍ，６００ｎｍ，６２０ｎｍ，６５０ｎｍのそれぞれについて求められた膜厚候補値を中心とする膜厚範囲に対する投票結果を、それぞれ細破線、細一点鎖線、実線、太一点鎖線および太破線にて示すとともに、これらの投票結果に符号８２１〜８２５を付す。図７では、５つの検査波長において膜厚１５８０ｎｍを中心とする膜厚範囲に投票が行われており、当該膜厚範囲に対する投票結果は符号８２３を付す検査波長６００ｎｍに係るもののみを示している。また、当該膜厚範囲に対する投票結果の合計点数を符号８２６を付す二点鎖線にて描いている。膜厚演算部７３では、図７に示す投票結果において最も投票点数が大きい膜厚１５８０ｎｍが、測定点の膜厚として求められる。
【００３９】
換言すれば、一の測定点における膜厚の算出は、当該測定点における５つの検査波長の５つの画素値と、一の膜厚における５つの反射特性８０１〜８０５（図３参照）が示す５つの理論反射率との一致度（より正確には、測定点における５つの画素値にステップＳ２３にて対応付けられた５つの理論反射率と、一の膜厚における５つの理論反射率との一致度）を各膜厚について比較し、一致度が最も高い膜厚が測定点の膜厚として求められる。
【００４０】
膜厚演算部７３では、基板９上の複数の測定点のそれぞれにおいて上述の膜厚算出が行われる。すなわち、複数の測定点の各測定点における複数の検査画像の複数の画素値（に対応付けられた複数の理論反射率）と、各膜厚における複数の反射特性が示す複数の理論反射率との一致度に基づいて、各測定点における膜厚が求められる（ステップＳ２４）。
【００４１】
膜厚測定装置１において複数の基板９に対する膜厚測定が連続的に行われる場合には、反射特性記憶部７２への反射特性の格納（ステップＳ１２）は、１枚目の基板９に対する膜厚測定の際にのみ行われ、２枚目以降の基板９の膜厚測定ではステップＳ１２が省略される。
【００４２】
以上に説明したように、膜厚測定装置１では、光学定数が既知である膜９２について、複数の検査波長に対応する複数の反射特性８０１〜８０５（図３参照）が予め記憶されており、検査波長を切り替えつつ膜９２を撮像することにより取得された複数の検査波長に対応する複数の検査画像と上記複数の反射特性８０１〜８０５に基づいて、膜厚演算部７３により基板９上の複数の測定点のそれぞれにおける膜厚が算出される。
【００４３】
ところで、光照射部から基板上の微小領域に光を照射し、受光部により当該微小領域からの反射光を受光して膜厚を測定する膜厚計（以下、「比較例の膜厚計」という。）では、基板上の複数の測定点のそれぞれにおける膜厚を測定しようとすると、一の測定点へと光照射部および受光部を相対的に移動した後に膜厚を測定する工程を測定点数に等しい回数だけ行う必要がある。また、一の測定点における膜厚の算出に要する演算量も多いため、測定点数が増加すると測定に長時間を要することとなる。したがって、基板上の広い範囲の膜厚測定を高分解能にて行おうとすると膨大な測定時間が必要となるため、比較例の膜厚計により広い範囲の膜厚分布を高分解能にて取得することは現実的には非常に困難である。
【００４４】
これに対し、本実施の形態に係る膜厚測定装置１では、ラインセンサ４１の相対的な走査により基板９上の膜９２の画像を検査波長を切り替えつつ５回（すなわち、検査波長の個数に等しい回数）だけ取得した後は、これら５つの検査画像と予め記憶されている膜９２の反射特性とに基づいて、膜厚演算部７３による演算により、基板９上の複数の測定点のそれぞれにおける膜厚（必要であれば、検査画像の全画素に対応する位置における膜厚）が求められる。また、上述のように、膜厚範囲に対する投票により膜厚を求めるため、膜厚演算部７３による演算量も比較的少ない。このため、測定点数が増加した場合であっても膜厚演算部７３による演算量が僅かに増加するだけであり、膜厚測定に要する時間は、比較例の膜厚計に比べて非常に短くすることができる。このように、膜厚測定装置１では、比較例の膜厚計に比べ、基板９上の複数の測定点における膜厚を迅速に求めることができ、基板９上における広い範囲の膜厚分布を高精度かつ高分解能にて取得することができる。
【００４５】
また、膜厚測定装置１では、波長帯切替機構５において、複数の検査波長に対応する複数の光学フィルタ５１のいずれかを基板９と撮像部４との間の光路上に位置させることにより、検査波長の切り替えを容易に行うことができる。その結果、膜厚測定装置１の構造が簡素化される。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る膜厚測定装置について説明する。図８は、第２の実施の形態に係る膜厚測定装置１ａの構成を示す図である。図８に示すように、膜厚測定装置１ａは、図１に示す膜厚測定装置１の各構成に加え、膜９２上の１つの測定点における膜厚を取得する膜厚計である落射式の光干渉ユニット６をさらに備え、検査部７が参照膜厚演算部７４および膜厚補正部７３１を備える。その他の構成は、図１に示す膜厚測定装置１と同様であり、以下の説明において同符号を付す。
【００４７】
光干渉ユニット６は、図８に示すように、白色光を照明光として出射する光源６１、基板９からの反射光を分光する分光器６２、および、光学系６５を備え、光学系６５により光源６１からの照明光が基板９の上面９１上へと導かれるとともに基板９からの反射光が分光器６２へと導かれる。
【００４８】
具体的には、光ファイバ６５１の一端に光源６１からの照明光が導入され、他端に設けられたレンズ６５２から照明光が導出される。導出された照明光はレンズ群６５０ａによりハーフミラー６５３へと導かれ、反射された照明光は対物レンズ６５４を介して膜９２上の微小領域である測定点に照射される。測定点からの反射光は、対物レンズ６５４を介してハーフミラー６５３へと導かれる。ハーフミラー６５３を透過した光はレンズ６５０ｂを介して分光器６２へと導かれ、分光器６２により反射光の分光強度が取得される。分光強度のデータは、検査部７の参照膜厚演算部７４へと送られる。以上のように、レンズ群６５０ａ、レンズ６５０ｂ，６５２、光ファイバ６５１、ハーフミラー６５３および対物レンズ６５４により光学系６５が構成される。
【００４９】
膜厚測定装置１ａでは、光干渉ユニット６により取得された膜厚が膜厚演算部７３による複数の測定点の膜厚の算出に利用される。図９および図１０は、第２の実施の形態に係る膜厚測定装置１ａによる膜厚測定の流れの一部を示す図である。膜厚測定装置１ａによる膜厚測定の流れは、図４に示す第１の実施の形態に係る膜厚測定装置１による膜厚測定の流れとほぼ同様であるが、基板９の移動開始（図４：ステップＳ１３）と移動停止（ステップＳ１７）との間に、図９に示すステップＳ３１，Ｓ３２が行われ、膜厚演算部７３による膜厚の算出（ステップＳ２４）よりも後に、図１０に示すステップＳ４１が行われる点で異なる。
【００５０】
図８に示す膜厚測定装置１ａにより膜厚測定が行われる際には、第１の実施の形態と同様に、基板９がステージ２上に保持されて移動開始位置から（＋Ｘ）方向への移動が開始される。また、反射特性記憶部７２には、図３に示す複数の検査波長における複数の反射特性が予め記憶される（ステップＳ１１〜Ｓ１３）。
【００５１】
続いて、光照射部３からの線状光が基板９の上面９１における膜９２上の線状照射領域に照射され（ステップＳ１４）、膜９２からの反射光のうち選択光学フィルタ５１ａを透過した検査波長の光が撮像部４のラインセンサ４１により受光されて強度分布が取得される（ステップＳ１５）。膜厚測定装置１ａでも、第１の実施の形態と同様に、基板９が撮像終了位置に位置するまでステップＳ１４，Ｓ１５が繰り返され、一の検査波長に対応する膜９２の検査画像が取得された後、基板９の移動が停止される（ステップＳ１６，Ｓ１７）。
【００５２】
膜厚測定装置１ａでは、膜９２への線状光の照射および反射光の強度分布の取得（ステップＳ１４，Ｓ１５）と並行して、光干渉ユニット６の光源６１から照明光が出射されて膜９２上の複数の測定点のうち所定の１つの測定点（以下、「特定測定点」という。）へと導かれる。特定測定点からの反射光は光干渉ユニット６の分光器６２へと導かれて分光器６２により反射光の分光強度が取得され（ステップＳ３１）、分光強度データが参照膜厚演算部７４へと出力される。参照膜厚演算部７４では、分光反射率が既知である他の基板の分光強度と分光反射率との関係が予め準備されており、当該関係に基づいて分光器６２により取得された分光強度から膜９２の分光反射率が求められる。参照膜厚演算部７４では、取得された分光反射率に基づいて特定測定点における膜９２の膜厚（以下、「参照膜厚」という。）が求められる（ステップＳ３２）。
【００５３】
膜厚測定装置１ａでは、第１の実施の形態と同様に、次の検査波長の有無が確認され、基板９が撮像開始位置に戻されるとともに検査波長が変更される（ステップＳ１８〜Ｓ２０）。続いて、ステップＳ１３〜Ｓ２０が繰り返されることにより、複数（本実施の形態では、５つ）の検査波長における膜９２の複数の検査画像が取得され、その後、照明光の照射が停止される（ステップＳ２１）。なお、２番目以降の検査波長に対応する検査画像の取得の際には、ステップＳ３１，Ｓ３２は行われない。
【００５４】
膜９２の複数（本実施の形態では、５つ）の画像が取得されると、膜厚演算部７３により、各検査画像における最大画素値および最小画素値が取得され、各検査画像の最大画素値および最小画素値と各検査画像に対応する反射特性における極大反射率と極小反射率との関係に基づいて各検査画像の各画素における画素値と理論反射率とが対応付けられる（ステップＳ２２，Ｓ２３）。そして、膜厚演算部７３により、複数の測定点の各測定点における複数の検査画像の複数の画素値（に対応付けられた５つの理論反射率）と、各膜厚における複数の反射特性が示す複数の理論反射率との一致度に基づいて、各測定点における膜厚が求められる（ステップＳ２４）。
【００５５】
次に、膜厚演算部７３の膜厚補正部７３１により、参照膜厚演算部７４により求められた特定測定点における参照膜厚と、膜厚演算部７３により求められた複数の測定点における膜厚のうち当該特定測定点における膜厚とに基づいて、ステップＳ２４にて求められた各測定点における膜厚が補正される（ステップＳ４１）。本実施の形態では、参照膜厚演算部７４により求められた特定測定点における参照膜厚と膜厚演算部７３により求められた特定測定点における補正前の膜厚との差が膜厚補正値として求められ、膜厚演算部７３により算出された各測定点における膜厚に膜厚補正値が加えられることにより、各測定点における膜厚の補正が行われる。
【００５６】
第２の実施の形態に係る膜厚測定装置１ａでは、膜厚演算部７３により、第１の実施の形態と同様に基板９上の複数の測定点における膜厚を迅速に求めることができ、さらに、光干渉ユニット６により取得された参照膜厚を利用して複数の測定点の膜厚を補正することにより、基板９上の複数の測定点における膜厚を高精度に求めることができる。その結果、基板９上における広い範囲の膜厚分布をより高精度かつ高分解能にて取得することができる。また、膜厚補正部７３１による膜厚の補正が、特定測定点における参照膜厚と膜厚演算部７３により算出された膜厚（すなわち、補正前の膜厚）との差に基づいて行われることにより、膜厚の補正に係る演算を簡素化することができ、基板９上の膜厚分布の取得を高速化することができる。
【００５７】
上記実施の形態では、膜厚測定装置１ａでは、１番目の検査波長に対応する検査画像を取得する際にステップＳ３１，Ｓ３２が行われて特定測定点の参照膜厚が測定されるが、参照膜厚の測定は、５つの検査画像のうちいずれの検査画像の取得と並行して行われてもよい。また、５つの検査画像のうち複数の検査画像の取得と並行して複数回の参照膜厚の測定が行われてもよく、例えば、複数回の測定結果の平均値が参照膜厚とされてもよい。
【００５８】
あるいは、膜９２上に複数の特定測定点が設定され、一の検査画像の取得（または、複数の検査画像の取得）と並行して当該複数の特定測定点における参照膜厚が光干渉ユニット６により順次測定されてもよい。この場合、複数の特定測定点のそれぞれにおける膜厚補正値（すなわち、参照膜厚とステップＳ２４において膜厚演算部７３により求められた補正前の膜厚との差）が求められ、これら複数の膜厚補正値に基づいて各測定点における膜厚の補正が行われる。例えば、複数の特定測定点における補正前の膜厚および膜厚補正値から補正前の膜厚と膜厚補正値との関係が求められ、各測定点において、当該関係と補正前の膜厚とに基づいて求められた膜厚補正値により膜厚の補正が行われる。このように、膜厚測定装置１ａでは、光干渉ユニット６により膜９２上の少なくとも１つの特定測定点における参照膜厚が求められ、当該参照膜厚が膜厚演算部７３による膜厚の算出に利用される。
【００５９】
膜厚測定装置１ａでは、Ｙ方向（すなわち、基板９の移動方向に垂直な方向）に配列された複数の光干渉ユニット６が設けられ、膜９２上において格子状に配列された複数（ただし、膜厚演算部７３により膜厚測定が行われる測定点数よりも少ない個数）の特定測定点の参照膜厚が測定されて当該複数の参照膜厚が膜９２上の複数の測定点における膜厚の算出に利用されてもよい。例えば、４つの特定測定点を頂点とする矩形領域において、当該４つの特定測定点のそれぞれにおける参照膜厚と補正前の膜厚との差である膜厚補正値に基づいて膜厚補正値の分布が求められ、上記矩形領域内の複数の測定点における補正前の膜厚が、膜厚補正値の分布から求められた膜厚補正値により補正される。これにより、膜厚補正値が膜９２上の位置に依存して異なる場合に、各測定点における膜厚をより高精度に求めることができる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００６１】
上記実施の形態に係る膜厚測定装置では、図７に示すように、膜厚候補値を中心とする膜厚範囲に対する投票において、各膜厚に投票される点数は０以上となっているが、例えば、膜厚候補値から大きく離れた膜厚範囲に対してマイナスの点数が投票されてもよい。また、膜厚測定装置では、ラインセンサ４１に代えて、２次元ＣＣＤカメラ等により検査画像が取得されてもよい。
【００６２】
膜厚測定装置において膜厚測定に利用される検査波長の個数は、必ずしも５つには限定されず、例えば、膜９２のおよその膜厚が予め判明している場合、当該膜厚近傍における反射特性の位相差（すなわち、理論反射率の変化の位相）がおよそπ／２だけずれている２つの検査波長のみを利用して膜厚測定が行われてもよい。これにより、膜９２の画像取得に要する時間を短縮することができ、膜厚測定がさらに迅速に行われる。
【００６３】
第２の実施の形態に係る膜厚測定装置１ａでは、光干渉ユニット６および参照膜厚演算部７４により取得された参照膜厚は、膜厚演算部７３による膜厚の算出に利用されるのであれば、必ずしも、膜厚演算部７３により算出された膜厚の補正に利用される必要はない。例えば、基板９上の全ての測定点の膜厚が狭い範囲内に含まれていることが予め判明している場合、各測定点の膜厚算出（ステップＳ２４）における投票の際に、投票範囲を参照膜厚を含む比較的狭い膜厚範囲に限定することにより（例えば、投票可能な膜厚の最大値を参照膜厚よりも１００ｎｍ大きい値とし、最小値を参照膜厚よりも１００ｎｍ小さい値とすることにより）、各測定点における膜厚の算出を簡素化し、基板９上の膜厚分布の取得を高速化することができる。
【００６４】
また、膜厚測定装置１ａでは、落射式の光干渉ユニット６に代えて、膜９２上の微小領域に膜９２に対して傾斜した光を照射するとともに当該微小領域からの反射光の偏光状態を取得して偏光解析を行うことにより当該微小領域における膜厚を取得するエリプソメータが膜厚計として設けられてもよい。
【００６５】
上記実施の形態に係る膜厚測定装置は、レジスト膜以外の膜、例えば、基板９上に形成された絶縁膜や導電膜の膜厚測定に利用されてよく、これらの膜は、塗布液の塗布以外の方法、例えば、蒸着法や化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング等により形成されたものであってもよい。また、膜厚測定装置は、半導体基板等の他の基板や基板以外の様々な対象物上に形成された膜の膜厚測定に利用されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１の実施の形態に係る膜厚測定装置を示す図である。
【図２】波長帯切替機構を示す図である。
【図３】膜の反射特性を示す図である。
【図４】膜厚測定の流れを示す図である。
【図５】膜厚測定の流れを示す図である。
【図６】画素値分布を示す図である。
【図７】膜厚測定における投票結果を膜の反射特性と共に示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る膜厚測定装置を示す図である。
【図９】膜厚測定の流れの一部を示す図である。
【図１０】膜厚測定の流れの一部を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１，１ａ    膜厚測定装置
２    ステージ
３    光照射部
４    撮像部
６    光干渉ユニット
９    基板
５１    光学フィルタ
５１ａ    選択光学フィルタ
５３    フィルタ回転モータ
７２    反射特性記憶部
７３    膜厚演算部
９１    上面
９２    膜
８０１〜８０５    反射特性
Ｓ１１〜Ｓ２４，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ４１    ステップ
【図１】
2010048604.tif 000003
【図２】
2010048604.tif 000004
【図３】
2010048604.tif 000005
【図４】
2010048604.tif 000006
【図５】
2010048604.tif 000007
【図６】
2010048604.tif 000008
【図７】
2010048604.tif 000009
【図８】
2010048604.tif 000010
【図９】
2010048604.tif 000011
【図１０】
2010048604.tif 000012