(57)【要約】      （修正有）【課題】広い範囲の膜厚を高速に測定することが可能な膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供する。【解決手段】膜厚測定装置においては、測定される膜内の複数の領域のそれぞれに、ポンプ光７１とプローブ光７２が照射される。複数の領域のそれぞれは、ポンプ光７１の照射により振動する。それぞれ振動している複数の領域に、プローブ光７２を照射することにより、複数の領域のそれぞれにおいて、膜厚に応じた反射光が発生する。複数の領域のそれぞれにおける反射光が、フォトカウンタ３５により検出され、検出結果に基づいて、複数の領域のそれぞれにおける膜厚が求められる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光とプローブ光とを発生するためのレーザと、
複数の領域を有する膜にポンプ光を照射することにより、照射に応じて振動する前記複数の領域に対してプローブ光を照射することにより発生する前記複数の領域のそれぞれからの反射を受け、反射されたそれぞれの強度を検出する光検出装置と、
を具備し、
前記光検出装置によって検出されたところの前記複数の領域のそれぞれにおける強度に基づいて、前記膜の膜厚を測定する、膜厚測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定装置において、
前記膜厚測定装置は、前記ポンプ光と前記プローブ光との間の光路長差を変更する遅延時間発生部を具備し、
前記遅延時間発生部により、前記光路長差を変更することにより生じるところの前記複数の領域のそれぞれにおける強度の変化に基づいて、前記複数の領域のそれぞれにおける膜の膜厚を測定する、膜厚測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の膜厚測定装置において、
前記遅延時間発生部は、前記ポンプ光と前記プローブ光との間で、光路長差を発生させる可動式リフレクタを具備し、
前記光検出装置は、前記複数の領域のそれぞれから反射された強度を検出する複数のフォトカウンタを具備し、
前記可動式リフレクタによって光路長差を変更させることにより生じる強度の変化に基づいて、前記複数の領域のそれぞれにおける膜の膜厚を測定する、膜厚測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の膜厚測定装置において、
前記レーザは、フェムト秒レーザを有し、
前記複数のフォトカウンタは、前記複数の領域のそれぞれに対応した複数のピクセルフォトカウンタを有し、
前記膜厚測定装置は、前記ポンプ光と前記プローブ光を受け、それぞれの光束を広げるビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダからの前記ポンプ光と前記プローブ光を受け、前記複数の領域のそれぞれに、前記ポンプ光と前記プローブ光の焦点が合うように集光する複数の集光レンズと、を有し、
前記光検出装置は、前記複数のフォトカウンタから出力されるところの前記複数の領域のそれぞれからの強度に応じたデータを保持する記憶装置を有する、膜厚測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の膜厚測定装置において、
前記膜厚測定装置は、前記ビームエキスパンダと前記膜との間に設けられ、互いに隣接した集光レンズを透過する光の位相をずらす位相差板を有する、膜厚測定装置。
【請求項６】
請求項４に記載の膜厚測定装置において、
前記膜厚測定装置は、
前記ビームエキスパンダと前記膜との間に設けられ、複数の透過領域と複数の遮光領域とを有する、格子マスクと、
前記格子マスクを移動させる移動装置と、
を具備する、膜厚測定装置。
【請求項７】
請求項４に記載の膜厚測定装置において、
前記複数の集光レンズのそれぞれは、前記複数の領域の内の少なくとも２個の領域に対して１個が設けられ、前記複数の集光レンズと前記膜との間の相対的な位置を、プローブ光の照射毎に変更する移動装置を具備する、膜厚測定装置。
【請求項８】
請求項１に記載の膜厚測定装置において、
前記膜厚測定装置は、前記レーザと前記複数の領域を有する膜との間に設けられ、前記複数の領域のそれぞれに照射されるポンプ光とプローブ光との間の光路長差が、互いに異なる様に設定するフィルタを具備し、
プローブ光の照射により、前記複数の領域のそれぞれにおける反射の強度に基づいて、前記複数の領域を有する膜の膜厚を測定する、膜厚測定装置。
【請求項９】
ポンプ光とプローブ光を発生するためのレーザと、
複数の領域を有する膜に、前記ポンプ光と前記プローブ光とを照射するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダと前記膜との間に設けられ、前記複数の領域のそれぞれに照射されるポンプ光と、前記複数の領域のそれぞれに照射されるプローブ光との間の光路長が、前記複数の領域間で異なるようにする多段ガラスと、
前記複数の領域のそれぞれから反射された強度を検出するフォトカウンタと、
を具備し、
前記複数の領域のそれぞれに、互いに光路長の異なるポンプ光とプローブ光が照射されることにより、前記複数の領域のそれぞれにおける反射の強度を取得し、取得した反射の強度に基づいて、前記複数の領域を有する膜の膜厚を測定する、膜厚測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の膜厚測定装置において、
前記レーザは、フェムト秒レーザと、前記フェムト秒レーザの出力を受け、前記ポンプ光と前記プローブ光に分けて出力する非線形結晶装置とを有し、
前記フォトカウンタは、前記複数の領域のそれぞれに対応した複数のピクセルフォトカウンタを有し、
前記膜厚測定装置は、前記ビームエキスパンダからのポンプ光とプローブ光を、前記複数の領域のそれぞれに、焦点が合うように集光する複数の集光レンズと、前記フォトカウンタから出力されるところの前記複数の領域のそれぞれからの強度に応じたデータを保持する記憶装置とを有し、
前記多段ガラスは、前記複数の集光レンズと前記膜との間に設けられている、膜厚測定装置。
【請求項１１】
ポンプ光とプローブ光を発生するためのレーザを有し、
その膜厚が測定されるべき複数の領域を有する膜に照射されるポンプ光とプローブ光との間の光路長差を設定し、
プローブ光の照射に応じて発生する、前記複数の領域のそれぞれからの反射光に基づいて、前記複数の領域のそれぞれにおける反射光の強度を求め、求めた強度に基づいて、前記複数の領域における膜の膜厚を求める、膜厚測定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の膜厚測定方法において、
前記反射光の強度を求めた後、前記光路長差を変更し、
光路長差を変更した後、プローブ光の照射を行い、前記複数の領域のそれぞれからの反射光に基づいて、前記複数の領域のそれぞれにおける反射光の強度を求める、膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定装置および膜厚測定方法に関し、特にポンププローブ法を用いた膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膜厚測定装置としては、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＳｉＣ（シリコンカーバイト）ウェハで用いられる物質、あるいは金属蒸着等で形成される物質の膜厚を測定する膜厚モニタ等がある。膜厚を測定する方法としては、エリプソメータを使用する方法、ポンププローブ法等がある。
【０００３】
エリプソメータでは、例えば直線偏光からなる光を膜に入射し、入射された光が膜により反射され、この反射光の偏光状態を測定することで、膜の膜厚が算出される。このエリプソメータを使用した技術が、特許文献１に示されている。すなわち、特許文献１には、有機ＥＬ素子の製造装置において、成膜室に設けられた透過窓を介して膜厚をエリプソメータにより計測し、計測した膜厚が予め設定された膜厚となった場合に、次の成膜室へ搬送する技術が示されている。
【０００４】
また、ポンププローブ法を用いた技術が、特許文献２に示されている。すなわち、特許文献２には、ポンププローブ法を用い、試料表面からの反射プローブ光と、基準表面からの基準プローブ光を光検出器上で干渉させ、検出表面の表面振動を測定することで、薄膜の厚さを測定する技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５１１４８８号公報
【特許文献２】特開平５−１７２７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エリプソメータを用いた膜厚測定装置においては、物質（以下、測定対象物、あるいは単に膜とも称する）の膜厚を直接的に測定することができる。しかしながら、エリプソメータでは、上記した様に、光の入射、偏光と言った光学干渉の技術を用いて、測定対象物の膜厚を測定している。言い換えるならば、測定対象物としての膜には、入射光を透過することが可能であると言うことが要求される。そのため、測定対象物の膜が、例えば金属であり、その膜厚が例えば１００ｎｍ以上である様な場合には、この膜を透過した透過光の光量が不足し、測定対象物の膜厚の測定値の精度が低くなることが危惧される。測定対象物の材料および／あるいはその膜厚によっては、測定対象物の膜厚を測定することが不可能となる場合もある。
【０００７】
これに対して、ポンププローブ法を用いた膜厚測定装置は、光学干渉の技術ではなく、測定対象物としての膜にポンプ光を照射して振動を生じさせ、プローブ光でその表面振動を検出することで、測定対象物としての膜の厚さを測定する。そのため、測定対象物の材料および／あるいはその膜厚による制限が少ない。
【０００８】
特許文献２には、ポンププローブ法を用いた膜厚測定装置が示されているが、照射した一部の部分しか測定できない。また、測定範囲が広い場合、測定対象物もしくは膜厚測定装置そのものを、測定範囲の分だけ移動する等の処理が必要となり、測定に時間を要することとなる。
【０００９】
特許文献２には、比較的広い範囲の膜厚を高速に測定すると言う課題の認識はない。なお、特許文献１には、ポンププローブ法を用いた膜厚測定装置は開示されていない。
【００１０】
本発明の目的は、広い範囲の膜厚を高速に測定することが可能な膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１３】
すなわち、膜厚測定装置は、光検出装置を有する。膜厚が測定される膜は、複数の領域を有し、ポンプ光の照射により、上記複数の領域のそれぞれが振動する。上記光検出装置は、上記複数の領域にプローブ光を照射することにより発生するところの上記複数の領域のそれぞれにおける反射光を受け、上記複数の領域のそれぞれにおける強度を検出する。光検出装置は、プローブ光の照射により、膜における複数の領域のそれぞれにおける強度を検出するため、複数の領域を含む範囲を測定の対象範囲とすることができ、広い範囲における膜厚の測定をすることが可能となる。
【００１４】
本明細書において開示される一実施の形態によれば、膜厚測定装置には、上記したポンプ光と上記したプローブ光との間の光路長差を変更する可動式リフレクタが設けられる。可動式リフレクタにより、光路長差を変更することにより、上記した複数の領域のそれぞれにおける強度の変化が光検出装置により検出される。これにより、光路長差を変更することで、複数の領域のそれぞれにおける膜厚を測定することが可能となる。
【００１５】
また、他の実施の形態によれば、膜厚測定装置には、上記した複数の領域のそれぞれに照射されるポンプ光とプローブ光との間の光路長差が、互いに異なる様にするフィルタが設けられる。これにより、複数の領域のそれぞれには、互いに異なった光路長差を有するポンプ光とプローブ光が照射されることになり、光検出装置は、強度の変化を、上記した複数の領域における領域の変化（場所の変化）として検出する。この場合、複数の領域のそれぞれからの反射光によって、該複数の領域を含んだ範囲の膜厚が認識される。この実施の形態においても、複数の領域を含んだ範囲の膜厚を測定することが可能である。また、この実施の形態によれば、ポンプ光とプローブ光との間の光路長差を変更する動作は必要とされない。
【００１６】
また、本明細書において開示される実施の形態においては、１個のレーザにより、上記したポンプ光とプローブ光が形成される。これにより、膜厚測定装置のコスト増加を抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１８】
広い範囲の膜厚を高速に測定することが可能な膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態１に係わる膜厚測定装置の構成を示す構成図である。
【図２】反射光の強度の時間依存性を示す特性図である。
【図３】反射光の強度の周波数依存性を示す特性図である。
【図４】実施の形態１の膜厚分布のユーザインターフェースを示した説明図である。
【図５】実施の形態２の膜厚測定装置の構成を示す構成図である。
【図６】実施の形態３の膜厚測定装置の構成を示す構成図である。
【図７】実施の形態４の膜厚測定装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。
【００２２】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。本発明は、以下で述べる膜に限定されない。例えば、金属の薄膜に代え、導電性を有し、可視光が透過できない各種の導電膜にも適用可能である。また、本発明は、可視光が透過する各種の膜を蒸着するものにも適用可能である。さらに、真空外に光学系を設置し、真空窓を通して真空中に設けられた膜の膜厚を測定する場合にも、本発明は適用することが可能である。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係わる膜厚測定装置の構成を示す構成図である。膜厚測定装置は、大別すると、膜厚計測処理部５６、データ処理部５８および広視野照射部５７を有しており、所謂ポンププローブ法を用いて、膜厚の測定を行う。同図では、測定されるべき膜１０１とその膜を形成した基板１００とが、説明の都合上、広視野照射部５７に含まれて、示されている。しかしながら、基板１００とそれに形成された膜１０１は、膜厚測定装置には、含まれない。データ処理部５８は、他のシステムと兼用される場合があるが、以下の説明では、この場合であっても、データ処理部は、膜厚測定装置に含まれるものとして、理解して頂きたい。
【００２４】
膜厚計測処理部５６は、レーザ２、後で説明する計算機４２の指示に従ってレーザ２を制御するレーザコントローラ１、非線形光学結晶素子１１および分岐ミラー１２を有している。また、膜厚計測処理部５６は、音響光学変調素子（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：以下、ＡＯＭと称する）３２、音響光学変調素子３２を駆動するＡＯＭドライバ３１を有している。膜厚計測処理部５６は、ミラー１３、遅延時間発生部５４、移動軸ドライバ３４、ダイクロイックミラー（波長分離ミラー）２４、位相差板１７、偏光ビームスプリッタ１６、ビームエキスパンダ２３、集光レンズ２０、およびミラー１４を有している。膜厚計測処理部５６は、さらに、ビームスプリッタ１５、複数ピクセルフォトカウンタ３５、およびフォトダイオード３６を含んでいる。上記した遅延時間発生部５４は、ミラーセット２５、移動軸ドライバ３４により駆動される可動式リフレクタ３３を含んでいる。上記した非線形光学結晶素子１１は、例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶からなる非線形光学結晶素子である。
【００２５】
データ処理部５８は、膜厚計測処理部５６からのアナログ信号をデジタル信号に変換して、格納する記憶装置４１と、アナログ信号を増幅するロックインアンプ３８と、ロックインアンプ３８により増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換して、デジタル処理を行う計算機４２とを含んでいる。計算機４２は、図示されていないプログラムに従って、ロックインアンプ３８から供給された信号を処理し、図示されていない表示装置で表示を行う。また、図示されていないプログラムに従って、レーザコントローラ１および移動軸ドライバ３４を制御する。該計算機４２は、記憶装置４１と接続されており、特に制限されないが、記憶装置４１を介して、信号発生器３７を制御する。この信号発生器３７の出力に従って、ＡＯＭドライバ３１は制御され、信号発生器３７の出力に従って、ＡＯＭ３２を駆動する。
【００２６】
広視野照射部５７は、ビームエキスパンダ１８、集光レンズ１９、位相差板２１を有している。また、同図では、広視野照射部５７の一部として、基板１００と基板に形成された膜１０１が示されている。膜１０１には、レーザが照射される面が、照射面１０２として示されている。図１において、その右側には、斜め方向から見た広視野照射部５７の構成と、集光レンズ１９、位相差板２１および基板１００を、断面方向から見た構成が示されている。斜め方向から見た広視野照射部５７は、破線で囲まれており、断面は、破線で囲まれた広視野照射部５７の下側に示されている。
【００２７】
レーザ２により出射されたレーザ光は、非線形光学結晶素子１１および分岐ミラー１２を用いて、ポンプ光とプローブ光に分離される。図１には、分離されたポンプ光の経路が、ポンプ光照射部５１として示されており、分離されたプローブ光の経路が、プローブ光照射部５２として示されている。また、強度を測定するためのプローブ光の経路が、強度測定部５３として示され、膜へレーザを照射する経路が、試料照射部５５として示されている。
【００２８】
非線形光学結晶素子１１および分岐ミラー１２を用いて、分離されたポンプ光は、ポンプ光照射部５１として示された経路を通って、膜１０１の照射面１０２に照射される。すなわち、ポンプ光照射部５１においては、非線形光学結晶素子１１および分岐ミラー１２を用いて、ポンプ光が分離される。分離されたポンプ光は、ＡＯＭ３２、ミラー１３、ミラーセット２５、可動式リフレクタ３３、ダイクロイックミラー２４、ビームエキスパンダ１８、および位相差板２１を通して、照射面１０２に照射される。言い換えるならば、この実施の形態では、ポンプ光照射部５１は、非線形光学結晶素子１１、分岐ミラー１２、ＡＯＭ３２、ミラー１３、ミラーセット２５、可動式リフレクタ３３、ダイクロイックミラー２４、ビームエキスパンダ１８、および位相差板２１を有する。
【００２９】
非線形光学結晶素子１１および分岐ミラー１２を用いて分離されたプローブ光は、プローブ光照射部５２として示された経路を通る。すなわち、プローブ光は、ミラー１４、ビームスプリッタ１５、偏光ビームスプリッタ１６、位相差板１７、ダイクロイックミラー２４、ビームエキスパンダ１８、および位相差板２１を通して、照射面１０２に照射される。言い換えるならば、プローブ光照射部５２は、非線形光学結晶素子１１、分岐ミラー１２、ミラー１４、ビームスプリッタ１５、偏光ビームスプリッタ１６、位相差板１７、ダイクロイックミラー２４、ビームエキスパンダ１８、および位相差板２１を有する。
【００３０】
膜１０１によって反射されたレーザ光（反射光、プローブ反射光）は、位相差板２１、集光レンズ１９、ビームエキスパンダ１８、ダイクロイックミラー２４、および偏光ビームスプリッタ１６を通して、強度測定部５３に供給される。強度測定部５３は、フォトディテクタ３６、ビームエキスパンダ２３、集光レンズ２０、および複数ピクセルフォトカウンタ３５を有している。反射されたレーザ光（反射光）は、偏光ビームスプリッタ１６、ビームエキスパンダ２３、および集光レンズ２０を通して、複数ピクセルフォトカウンタ３５に照射される。強度測定部５３は、光の強度を検出しているため、光検出装置と見なすこともできる。
【００３１】
なお、以下の説明では、分岐ミラー１２からビームエキスパンダ１８までのうち、フォトディテクタ３６、複数ピクセルフォトカウンタ３５、ビームエキスパンダ１８、２３、集光レンズ２０を除いた部分を、光学系ユニットＣＵ（図示せず）と称する場合がある。
【００３２】
レーザ２は、ポンプ光およびプローブ光となるパルスレーザ光を出射する。レーザ２が出射するパルスレーザ光の出力については、特に限定されないが、例えば数Ｗ程度とすることができる。また、レーザ２が出射するパルスレーザ光のパルス幅については、特に制限されないが、例えば１００ｆｓ程度とすることができる。さらに、レーザ２が出射するパルスレーザ光の繰り返し周波数については、特に制限されないが、例えば８０ＭＨｚ程度とすることができる。以下の説明では、レーザ２として、例えばチタンサファイアレーザを用いて、その波長λが８００ｎｍであるパルスレーザ光を出射する場合を説明する。しかし、レーザ２として、上記のレーザに代え、半導体レーザまたはＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザなど各種のレーザを用いることができる。また、本明細書では、パルスレーザ光を単にレーザ光と称することもある。
【００３３】
レーザ２から出射された波長λが８００ｎｍであるレーザ光は、光学系ユニットＣＵに導入され、光学系ユニットＣＵに導入されたレーザ光は、分岐ミラー１２に入射される。分岐ミラー１２に入射されたレーザ光は、分岐ミラー１２により分岐し、ポンプ光７１とプローブ光７２とに分けられる。
【００３４】
分岐ミラー１２により分岐されたポンプ光７１は、ＡＯＭ３２に入射される。ＡＯＭ３２は、入射されたポンプ光７１を、変調する。例えば、信号発生器３７により発生した、例えば１ＭＨｚの周波数を有する信号が、ＡＯＭドライバ３１を通してＡＯＭ３２に送られる。これにより、ＡＯＭ３２に入射されたところの繰り返し周波数が例えば８０ＭＨｚであるポンプ光７１は、ＡＯＭ３２により、例えば１ＭＨｚの周波数で振幅変調（強度変調）される。
【００３５】
ＡＯＭ３２により変調されたポンプ光７１は、ミラー１３により反射され、ミラー１３により反射されたポンプ光７１は、１対のミラー２５ａおよび２５ｂにより構成されるミラーセット２５のうちミラー１３側に設けられたミラー２５ａによって反射される。ミラー２５ａによって反射されたポンプ光７１は、可動式リフレクタ３３に入射される。可動式リフレクタ３３は、ポンプ光７１の光路上に移動可能に設けられており、可動式リフレクタ３３を移動させることで、ポンプ光７１の光路長を変更することができる。可動式リフレクタ３３を移動させて、ポンプ光７１の光路長を調整することにより、ポンプ光７１とプローブ光７２との間に光路差を発生させる。言い換えるなら、可動式リフレクタ３３を移動させることにより、ポンプ光７１とプローブ光７２との間で遅延時間を発生させ、遅延時間を変更可能にする。つまり、可動式リフレクタ３３は、可変型の遅延時間発生部５４として機能する。可動式リフレクタ３３は、移動軸ドライバ３４に結合されており、移動軸ドライバ３４は、計算機４２によって制御される。従って、計算機４２によって、所望の移動量（所望の遅延時間）分、可動式リフレクタ３３を移動させる様にすることができる。
【００３６】
可動式リフレクタ３３により反射されたポンプ光７１は、ミラーセット２５のうちダイクロイックミラー２４側に設けられたミラー２５ｂにより反射される。その後、ポンプ光７１は、ダイクロイックミラー２４に入射される。ダイクロイックミラー２４としては、上記した例（レーザ光の波長が８００ｎｍ）であれば、波長λが８００ｎｍであるレーザ光を反射し、その他の波長の光を透過するものが用いられる。このときダイクロイックミラー２４に入射され、波長λが８００ｎｍであるポンプ光７１は、ダイクロイックミラー２４で反射される。
【００３７】
ダイクロイックミラー２４により反射されたポンプ光７１は、光学系ユニットＣＵから導出される。光学系ユニットＣＵから導出されたポンプ光７１は、広視野照射部５７内のビームエキスパンダ１８に入射される。ビームエキスパンダ１８は、例えば２枚のレンズを組み合わせることにより構成する。このビームエキスパンダ１８は、レーザ光（レーザビーム）のビーム径を、一定の倍率のビーム径に拡大する。すなわち、ビームエキスパンダ１８により、レーザ光からなるポンプ光７１を、基板１００の膜１０１において、広範囲の領域（照射面１０２）に照射できるよう光束を一定の倍率に広げる。
【００３８】
ビームエキスパンダ１８により光束が広げられたポンプ光７１は、縦横にマトリクス状に並べて、複数設置した集光レンズ１９に照射され、これらを透過する。広範囲の領域である照射面１０２は、複数の領域（複数の照射領域面）を有しているとみなされる。ビームエキスパンダ１８により広げた光束は、この複数の領域を、一度に照射することができる様な広さを持つ様に広げられている。この様に、ポンプ光のビーム径を広げることにより、複数の集光レンズ１９のそれぞれに、ポンプ光７１は照射される。
【００３９】
複数の集光レンズ１９のそれぞれは、その１個が照射面１０２を構成する複数の領域の１個に、その焦点が合う様に、それぞれ配置されている。この様にすることにより、２次元的に配置された複数の照射領域面のそれぞれに対して、別々にポンプ光が照射される。後で説明するが、プローブ光も、この２次元的に配置された複数の照射領域面のそれぞれに対して、別々に照射される。これにより、膜１０１の照射面１０２における複数の照射領域面のそれぞれの膜厚情報を、２次元のデータとして、収集することができる。
【００４０】
複数の集光レンズ１９のそれぞれにより、１個の照射領域面（以下、画素とも称することもある）単位毎に分離したポンプ光７１が、膜１０１の照射面１０２へ照射される。膜１０１へ照射されるポンプ光は、図１の右下に示した断面においては、ポンプ光２０３ａとして示されている。本実施の形態においては、ポンプ光２０３ａの照射により、膜１０１において、このポンプ光２０３ａが照射される画素に近接した画素（照射領域面）にポンプ光２０３ａによる振動の影響が発生する可能性がある。そのため、本実施の形態においては、集光レンズ１９と膜１０１との間に、２種の位相差板２１が取り付けられている。２種の位相差板２１は、互いに近接する画素間で、ポンプ光の位相がずれる様にするために設けられている。近接する画素間で、それぞれに照射されるポンプ光の位相をずらすことにより、振動による影響を低減することが可能となる。
【００４１】
すなわち、集光レンズ１９を通したポンプ光は、位相差板２１へ入射する。この場合、位相差板２１の内の１種の位相差板（位相遅れ無しの位相差板）２０１を通したポンプ光は、ポンプ光２０３ａとして、基板１００の膜１０１へ照射され、膜１０１が振動する。一方、２種の位相差板（位相遅れ有りの位相差板）２０２を通したポンプ光は、ポンプ光２０４ａとして示されており、ポンプ光２０３ａよりも、２種の位相差板が持つ位相分遅れて、膜１０１へ照射され、膜１０１を振動させる。このようにして、ポンプ光２０３ａによって発生させた振動が収まった後で、ポンプ光２０４ａが基板１００の膜１０１へ照射される様にすることで、振動による影響を低減することが可能となる。２種の位相差板２１について説明したが、複数種の位相差板、例えば４種、５種、８種の位相をずらす様にしても良い。
【００４２】
膜１０１のうちポンプ光７１が照射された領域（照射面１０２）では、ポンプ光７１により膜１０１中の材料（物質）が励起され、例えば超音波振動が発生することで、膜１０１の誘電率が時間に伴って変化する。すなわち、本実施の形態においては、複数のポンプ光２０３ａ、２０４ａのそれぞれによって、照射面１０２内の複数の照射領域面のそれぞれが、振動し、それぞれの誘電率が時間に伴って変化する。
【００４３】
ポンプ光が、前記した様にパルスレーザ光である場合には、ポンプ光７１は、例えば１０ｎｓ程度の繰り返し周期ごとに、例えば１００ｆｓ程度のパルス幅を有するパルス光として照射される。そして、膜１０１のうちポンプ光７１が照射された領域（複数の照射領域面のそれぞれ）では、例えば１０ｎｓ程度の繰り返し周期ごとに、超音波振動が発生し、発生した超音波振動は、例えば数ｐｓ〜数百ｐｓ程度の時間で減衰する。
【００４４】
ポンプ光２０３ａ、２０４ａのそれぞれは、一定の繰り返し周期で膜１０１中の材料（物質）を励起することができるものであれば良く、パルスレーザ光に限定されない。したがって、ポンプ光として、レーザ光以外の例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光などの各種の光を用いることができる。あるいは、ポンプ光７１として、パルス光以外の例えば連続光などの各種の光を用いることもできる。
【００４５】
一方、レーザ２により射出されたレーザ光は、非線形光学結晶素子１１に入射される。非線形光学結晶素子１１は、非線形光学結晶素子１１に入射された光の波長を、非線形光学効果を用いて変換する。すなわち、非線形光学結晶素子１１に入射された、波長λが８００ｎｍであるレーザ光は、波長λが４００ｎｍである第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）を含むレーザ光に変換される。
【００４６】
波長λが４００ｎｍである第２高調波のレーザ光は、プローブ光として用いられる。分岐ミラー１２は、波長λが４００ｎｍであるレーザ光を反射し、ミラー１４に、プローブ光７２として照射する。プローブ光７２は、ミラー１４により反射され、ミラー１４により反射されたプローブ光７２は、ビームスプリッタ１５に入射される。ビームスプリッタ１５に入射されたプローブ光７２のうち一部は、ビームスプリッタ１５により反射され、基準光２０５としてフォトディテクタ３６に入射される。ビームスプリッタ１５に入射されたプローブ光７２のうち残りの部分は、偏光ビームスプリッタ１６に入射される。偏光ビームスプリッタ１６に入射されたプローブ光７２は、偏光ビームスプリッタ１６を透過し、ダイクロイックミラー２４に入射され、波長λが４００ｎｍであるプローブ光７２は、ダイクロイックミラー２４を透過する。
【００４７】
ダイクロイックミラー２４を透過したプローブ光７２の光路は、先に述べたポンプ光７１の光路と共通の光路となる。すなわち、ダイクロイックミラー２４を透過したプローブ光７２は、ポンプ光７１と同様に、光学系ユニットＣＵから導出される。光学系ユニットＣＵから導出されたプローブ光７２は、広視野照射部５７内のビームエキスパンダ１８によりビーム径が拡大される（光束が広げられる）。すなわち、一度のプローブ光の照射により、プローブ光７２が、照射面１０２の全域（複数の照射領域面のそれぞれ）を照射する様に、ビームエキスパンダ１８によりビーム径が拡大される。
【００４８】
ビームエキスパンダ１８により光束が広げられたプローブ光７２は、ポンプ光７１と同様に、縦横にマトリクス状に配置され、複数設置してある上記集光レンズ１９のそれぞれに照射され、それぞれを透過する。ポンプ光７１と同様に、上記した様に、複数設置してある集光レンズ１９のそれぞれは、複数の照射領域面（画素）のそれぞれに対応しており、それぞれの集光レンズ１９の焦点が、対応する画素に合う様に、それぞれ設置されている。これにより、プローブ光によって、照射面１０２の全域（複数の照射領域面のそれぞれ）における膜厚に関する膜厚情報を、２次元のデータとして収集することができる。
【００４９】
ポンプ光と同様に、複数の集光レンズ１９により１画素単位毎に分離したプローブ光７２が膜１０１へ照射される。このとき、ポンプ光と同様に、隣接した画素にプローブ光の振動が、影響を及ぼす可能性がある。そのため、ポンプ光のときと同様に、２種の位相差板２１が用いられる。すなわち、２種の位相差板２１により、互いに位相の異なる２種のプローブ光が生成される。同図においては、２種の位相差板２１の内の１種の位相差板（位相差板遅れ無し）２０１を通り、基板１００の膜１０１へ照射されるプローブ光が、プローブ光２０３ｂとして示されている。照射したポンプ光２０３ｂの照射により発生したところの照射領域面における振動が収まった時間（位相）後、２種の位相差板２１の内の２種目の位相差板（位相差板遅れ有り）２０２を通ったプローブ光２０４ｂが、位相分遅れて基板１００の膜１０１（複数の照射領域面）へ照射される。これにより、ポンプ光の場合と同様に、プローブ光もずらして、照射領域１０２に照射され、振動による影響を低減することが可能となる。
【００５０】
ポンプ光の場合と同様に、ここでは、２種の位相差板を用いた場合について説明したが、複数種の位相差板、例えば４種、５種、８種の位相をずらしても良い。また、ポンプ光あるいはプローブ光のいずれか一方に対してのみ、位相差板を設ける様にしても良い。
【００５１】
プローブ光２０３ｂ、２０４ｂのそれぞれが、対応する照射領域面に照射されるタイミングは、ポンプ光２０３ａ、２０４ａが、対応する照射領域面に照射されるタイミングよりも遅延している。前述したように、膜１０１のうちポンプ光２０３ａ、２０４ａが照射されたそれぞれの領域（照射領域面）では、ポンプ光２０３ａ、２０４ａの照射により膜１０１中の材料（物質）が励起される。これにより、例えば超音波振動が発生することで、その領域（照射領域面）における膜１０１の誘電率が時間に伴って変化する。したがって、ポンプ光を、対応する照射領域面のそれぞれに照射した後、プローブ光２０３ｂ、２０４ｂを、対応する照射領域面のそれぞれに照射すると、対応する照射領域面における膜１０１により反射される反射率は、時間に伴って変化する。すなわち、反射光２０６の強度が、時間に伴って変化する。
【００５２】
すなわち、対応する照射領域面に照射したところのプローブ光２０３ｂ，２０４ｂのそれぞれと、この照射により、対応する照射領域面から反射される反射光２０６（プローブ反射光）との間では、振幅（強度）および位相が異なる。また、照射領域面に照射したところのプローブ光とプローブ反射光との間の振幅および位相のそれぞれの差は、時間に伴って変化する。ここで、照射領域面に照射したところのプローブ光の振幅と位相は、ビームスプリッタ１５により反射した反射光２０５を基準光として把握し、この基準光の振幅と位相が該当する。
【００５３】
上記したプローブ光７２は、反射光２０６の強度を精度よく測定するため、好適には、パルスレーザ光である。しかし、プローブ光７２として、レーザ光以外の例えばＬＥＤ光などの各種の光を用いることができる。あるいは、プローブ光７２として、パルス光以外の例えば連続光などの各種の光を用いることもできる。
【００５４】
膜１０１の各照射領域面で反射されたそれぞれの反射光２０６は、位相差板２１、集光レンズ１９、ビームエキスパンダ１８、ダイクロイックミラー２４、位相差板１７を通った後、偏光ビームスプリッタ１６に入射される。偏光ビームスプリッタ１６に入射された反射光２０６は、一部反射される。この偏光ビームスプリッタ１６により反射された反射光２０６は、ビームエキスパンダ２３によりビーム径を広げ、複数の集光レンズ２０に入射される。
【００５５】
複数の集光レンズ２０は、集光レンズ１９と同様に、縦横にマトリクス状に配置された複数の集光レンズ２０を有する。ビームエキスパンダ２３は、ビームエキスパンダ１８と同様に、反射光（プローブ反射光）２０６のビーム径を広げ、１回の照射により、反射光２０６が、縦横にマトリクス状に配置された複数の集光レンズ２０のそれぞれに照射される様にする。複数ピクセルフォトカウンタ３５は、縦横にマトリクス状に配置された複数のピクセルフォトカウンタ３５を有する。複数のピクセルフォトカウンタ３５のそれぞれは、上記した複数の照射領域面のそれぞれに１対１で対応している。また、複数の集光レンズ２０のそれぞれも、複数のピクセルフォトカウンタ３５のそれぞれに対応している。複数の照射領域面のそれぞれと、複数の集光レンズ１９のそれぞれとが対応しているため、複数のピクセルフォトカウンタ３５のそれぞれは、複数の集光レンズ１９のそれぞれとも対応することになる。
【００５６】
複数の集光レンズ２０のそれぞれは、対応するピクセルフォトカウンタ３５に焦点が合う様に設定されている。これにより、ある照射領域面で反射された反射光２０６は、この照射領域面に対応する集光レンズ１９、集光レンズ２０を透過して、この照射領域面に対応するピクセルフォトカウンタ３５に照射される。これが、１回のプローブ光の照射により、照射領域面のそれぞれから反射された反射光に対して実施され、複数のピクセルフォトカウンタ３５には、照射面１０２からの２次元的な反射光が、２次元的に照射されることになる。複数のピクセルフォトカウンタ３５のそれぞれは、それに照射された反射光の振幅に応じたアナログ信号を出力する。すなわち、複数のピクセルフォトカウンタ３５は、照射面１０２の２次元的（平面的）な反射光を表すアナログ信号を出力する。このアナログ信号は記憶装置４１に供給される。
【００５７】
一方、反射ミラー１４により反射され、ビームスプリッタ１５により反射された一部のプローブ光は、基準光２０５としてフォトダイオード３６に入射される。基準光２０５は、フォトダイオード３６によりアナログ信号に変換され、記憶装置４１に供給される。特に制限されないが、記憶装置４１は、アナログ／デジタル変換回路（図示せず）を有している。複数のピクセルフォトカウンタ３５からのアナログ信号と、フォトダイオード３６からのアナログ信号は、このアナログ／デジタル変換回路によって、デジタル信号に変換され、記憶装置４１内に格納される。
【００５８】
記憶装置４１への格納の際に、広視野照射部５７に設けられた位相差板２１より発生させた位相分、デジタル信号の格納タイミングが異なる様にされる。すなわち、位相差板２１によって位相遅れがある領域のデータであるか否かの情報（例えば、画素情報、照射領域情報等）が予め、計算機４２に設定され、計算機４２の指示に従って、位相遅れの有無に合わせた位相のタイミングでデータを格納する。例えば、位相遅れ無しの画素のデータを格納した後、次に位相分ずらしたタイミングで位相遅れ有りの画素のデータが格納される。なお、ここで、データを格納タイミングは、アナログ信号をデジタル信号に変換するタイミングとしても良い。
【００５９】
前述したように、フォトディテクタ３６に入射された基準光２０５（プローブ光７２）と、それぞれの照射領域面からの反射光２０６とは、振幅および位相が異なる。フォトディテクタ３６および複数のピクセルフォトカウンタ３５からのアナログ信号は、図示しないアナログ／デジタル変換回路により、デジタル信号に変換され、記憶装置４１に格納される。格納されたデジタル信号から、反射光２０６と基準光２０５の差分が算出される。この算出は、記憶装置４１に演算装置を設けて実施しても良いし、変換されたデジタルデータを、記憶装置４１から計算機４２に供給し、計算機４２において、この演算を実施しても良い。１回のプローブ光の照射により、複数の照射領域面のそれぞれからの情報（強度）が、ピクセルフォントカウンタ３５から得られるため、これらの複数の情報は、記憶装置４１に格納し、その後で、演算処理される様にすることが望ましい。
【００６０】
演算により求めた差分は、特に制限されないが、記憶装置４１あるいは計算機４２において、再びアナログ信号に変換され、ロックインアンプ３８に入力される。ロックインアンプ３８は、入力されたアナログ信号を増幅して、計算機４２に供給する。計算機４２は、ロックインアンプ３８により増幅されたアナログ信号を受け、例えば信号発生器３７により発生した信号２０７と同期した成分を抽出することで、各照射領域面からの反射光２０６の強度を求める。つまり、フォトディテクタ３６、複数ピクセルフォトカウンタ３５、記憶装置４１、およびロックインアンプ３８は、基準光２０５（プローブ光７２）と反射光２０６との差分を測定することで、各照射領域面からの反射光２０６の強度を求める。なお、本実施の形態においては、計算機４２は、ロックインアンプ３８からのアナログ信号をデジタル信号へ変化する変換装置を有している。
【００６１】
計算機４２は、移動軸ドライバ３４を制御することにより、遅延時間発生部５４内の可動式リフレクタ３３を物理的に移動させる。これにより、ポンプ光７１とプローブ光７２との光路長差を発生させることで、ポンプ光７１とプローブ光７２との間の遅延時間を発生させる。可動式リフレクタ３３により発生させる遅延時間を変更しながら、ポンプ光照射部５１によるポンプ光７１の照射、プローブ光照射部５２によるプローブ光７２の照射、および、強度測定部５３による反射光２０６の強度の測定を繰り返す。データ処理部５８は、各遅延時間に対応した、反射光２０６の強度の測定値を含むデータを取得する。データ処理部５８は、このようにして取得したデータを、例えば遅延時間に合わせて重ね合わせることで、すなわち、取得したデータに基づいて、各照射領域面のそれぞれからの反射光２０６の強度の時間依存性を示すデータを得る。言い換えるならば、ポンプ光およびプローブ光の照射先を、物理的に変更しなくても、照射面１０２を構成している複数の照射領域面のそれぞれからの反射光の強度の時間依存性を示すデータが得られる。
【００６２】
図２には、上記した処理により取得したところの反射光の強度の時間依存性を示すデータが示されている。同図には、光路長を変更しながら、１個のピクセルフォトカウンタ３５から取得された強度が示されている。図２において、横軸は、ポンプ光とプローブ光との間の光路長差によって発生させた、ポンプ光とプローブ光との間の遅延時間に対応した時間を示し、縦軸は、反射光の強度に対応した強度を示している。図２に示すように、反射光の強度の時間依存性を示すデータは、時間に沿って強度が振動する振動波形を含んでいる。データ処理部５８（図１）は、このような振動波形を含むデータに対して、例えばフーリエ変換を施すことで、振動波形に含まれる周波数成分を抽出し、反射光の強度の周波数依存性を示すデータ、すなわち、反射光の強度の周波数スペクトルを得る。
【００６３】
図３には、図２に示した振動波形に対して、フーリエ変換を行うことによって得たところの反射光の強度の周波数依存性を示すデータが示されている。図３において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、反射光の強度に対応した強度を示している。図３に示すデータ、すなわち周波数スペクトルでは、膜１０１が振動する振動周波数ｆ１に対応したピークＰＫ１が検出され、ピークＰＫ１以外にも、基板１００が振動する振動周波数ｆ２に対応したピークＰＫ２が検出される。
【００６４】
ここで、膜の弾性定数をＣとし、膜の密度をρとし、膜の膜厚をｄとし、膜の振動周波数をｆとするとき、振動周波数ｆと膜厚ｄとの関係は、Ｃ＝ρ×（２ｄ×ｆ）２で表される。この関係式を用いて膜の膜厚ｄを算出するためには、膜の振動周波数ｆを測定するだけでなく、膜の弾性定数Ｃおよび密度ρを予め求めておく必要がある。
【００６５】
本実施の形態では、複数種類の基板１００に膜１０１を成膜し、膜厚を測定する際、各基板１００の間で、膜１０１の弾性定数Ｃおよび密度ρの変動は少ないと考える。そのため、図３において、膜１０１の振動周波数に対応したピークが検出されると予測される周波数の付近で検出されるピークのみを、膜１０１の振動に対応するものと判断する。この様に判断することにより、膜１０１の振動周波数ｆを決定することができ、上記関係式を用いて膜１１の膜厚ｄを算出することができる。
【００６６】
上記した図２および図３の説明では、１個のピクセルフォトカウンタ３５から取得された強度に基づいて、１個の照射領域面における膜の膜厚を求めることを説明した。この様にして、他の照射領域面における膜の膜厚も、その照射領域面に対応したところのピクセルフォトカウンタ３５から取得された強度に基づいて求めることができる。すなわち、ポンプ光およびプローブ光の照射先を、物理的に移動させることなく、広い範囲の膜厚を測定することが可能となる。
【００６７】
図４には、計算機４２に設けられている表示装置（図示せず）の表示画面における表示例が示されている。この表示画面は、膜厚測定後の画面である。同図において、３０１は膜全体の膜厚状態（全体膜厚表示）を示す表示領域、３０２はパラメータを設定する設定領域、３０３は反射光強度時間依存グラフを示す表示領域、３０４は反射光強度周波数依存グラフを表示する領域である。なお、設定領域３０２では、計算機４２に設けられた入力装置（図示しない）によって入力されたパラメータ値が表示される様にしても良いし、この設定領域３０２は画面にタッチすることにより、パラメータが入力される様にしても良い。
【００６８】
表示領域３０１に表示される全体膜厚表示は、上記した処理により取得した２次元の膜厚を画像化して、表示される。ここでは、例えば、膜厚の厚い領域ほど黒から白へ階層化して表示される。パラメータ設定部３０２で、設定した膜厚しきい値から外れる領域は、表示部３０１において、例えばＮＧ３１１とし、別の色、例えば赤色等でＮＧ３１１領域を塗りつぶして表示される。ユーザがある一領域（例えば領域３１２）を選択すると、その領域３１２の反射光強度時間依存データと反射光強度周波数依存データが表示領域３０３と表示領域３０４に表示される。上記した膜厚しきい値は、表示領域３０２において膜厚およびＴｈとして示されており、入力装置（図示しない）あるいは膜厚およびＴｈとして表示されている部分（表示領域３０２内）をタッチすることにより、入力する。
【００６９】
図４に示した表示画面は、一例であり、表示方法は種々ある。また、この表示方法は、後で述べる複数の実施の形態においても同様に用いることができる。
【００７０】
なお、図示は省略するが、レーザ光から作業者を保護するために、ポンプ光、プローブ光および反射光の光路を覆うように、各々の光を透過させない材質からなるカバーを設け、ポンプ光、プローブ光および反射光を外部に対して遮光することは、いうまでもない。
【００７１】
（実施の形態２）
＜広視野照射部の変形例＞
図５は、本発明に係わる膜厚測定装置の他の構成を示す構成図である。同図において、実施の形態１と同じ部分には同じ記号を付してあるので、実施の形態１と異なる部分を主に説明する。
【００７２】
実施の形態１では、縦横にマトリクス状に配置された複数の集光レンズ１９に対して、ポンプ光７１（プローブ光７２）を入射するとき、集光レンズ毎に、隣の集光レンズから照射したポンプ光による振動の影響を受けない様に位相差板２１を設けていた。この位相差板２１によりポンプ光７１（プローブ光７２）の位相をずらし、振動のタイミングを変えていた。これに対して、本実施の形態においては、集光レンズ１９から照射するポンプ光（プローブ光）による振動が、近接した集光レンズ１９による振動に影響を与えない様に、格子マスク３９が、ビームエキスパンダ１８と集光レンズ１９との間に設置される。
【００７３】
本実施の形態においては、実施の形態１に対して、広視野照射部５７が変更される。図５において、右側に、広視野照射部が示されている。同図においては、広視野照射部５７を破線で囲んでいないが、広視野照射部５７は、実施の形態１と同様に、ビームエキスパンダ１８、複数の集光レンズ１９、基板１００、基板１００に形成された膜１０１を有している。また、照射面も１０２として、同図に示されている。この実施の形態においては、格子マスク３９が、ビームエキスパンダ１８と複数の集光レンズ１９との間に設置されている。また、格子マスク３９を、同図において横方向に移動させるための格子マスク横移動軸４３ａと、縦方向に移動させるための格子マスク縦移動軸４３ｂとが、格子マスク３９に設置されている。これらの格子マスク横移動軸４３ａおよび縦移動軸４３ｂは、格子マスク移動軸ドライバ４４に結合されており、格子マスク移動軸ドライバ４４は、計算機４２により、移動方向および移動量の指示を受ける。格子マスク移動軸ドライバ４４は、計算機４２からの指示に従って、格子マスク横移動軸４３ａおよび縦移動軸４３ｂを駆動し、格子マスク３９を所望の方向へ、所望の量だけ移動させる。すなわち、格子マスクを移動させる移動装置として、格子マスク横移動軸４３ａ、格子マスク縦移動軸４３ｂおよび格子マスク移動軸ドライバ４４が、設けられている。
【００７４】
図５において、右下には、格子マスク３９、集光レンズ１９、基板１００および基板１００に形成された膜１０１を横方向から見た断面が示されている。格子マスク３９は、穴の空いている複数のマスク部分（透過領域）と穴の空いていない複数のマスク部分（遮光領域）を有している。ビームエキスパンダ１８により照射されたポンプ光（および／あるいはプローブ光）は、穴のあいているマスク部分（透過領域）から、集光レンズ１９へ透過し、ポンプ光２０８ａ（および／あるいはプローブ光２０８ｂ）が、基板１００の膜１０１へ照射される。一方、穴の開いていないマスク部分（遮光領域）では、ビームエキスパンダ１８からのポンプ光およびプローブ光は、集光レンズ１９に到達しない。すなわち、遮光される。これにより、ポンプ光２０９ａおよびプローブ光２０９ｂはマスク部分で遮光され、膜１０１へは届かない。
【００７５】
膜１０１のうちポンプ光２０８ａが照射された領域では、ポンプ光２０８ａにより膜１０１中の材料（物質）が励起され、例えば超音波振動が発生することで、膜１０１の誘電率が時間に伴って変化する。
【００７６】
可動式リフレクタ３３により、照射タイミングが遅延させられたプローブ光２０８ｂは、ポンプ光２０８ａの照射により超音波振動している表面へ照射され、表面で反射が発生する。発生した反射プローブ光２０８ｂは集光レンズ１９を通り、格子マスク３９の穴を抜ける。ここで反射したプローブ光２０８ｂは反射光２０６とする。反射光２０６はビームエキスパンダ１８、位相差板１７を通り、ビームスプリッタ１６にて一部反射する。反射した反射光２０６はビームエキスパンダ２３、集光レンズ２０を通り、複数ピクセルフォトカウンタ３５へ入射する。
【００７７】
入射した反射光２０６は、デジタル化した信号として記憶装置４１に格納される。また、可動式リフレクタ３３により発生させる遅延時間を変更しながら、ポンプ光照射部５１によるポンプ光７１の照射、プローブ光照射部５２によるプローブ光７２の照射、および、強度測定部５３による反射光２０６の強度の測定を繰り返す。データ処理部５８は、各遅延時間に対応した、反射光２０６の強度の測定値を含むデータを取得する。データ処理部５８は、このようにして取得したデータを例えば重ね合わせる。これにより、取得したデータに基づいて、反射光２０６の強度の時間依存性を示すデータを得る。
【００７８】
この様にして、実施の形態１の場合と同様に、膜厚を得ることができる。格子マスク３９を移動させないと、時間依存性を示したデータは格子マスクにより一部のとびとびの領域でしか取得できない。そこで、この実施の形態においては、計算機４２の指示によって、格子マスク３９を縦方向および横方向に移動させる。すなわち、格子マスク３９に設置してある縦軸、横軸の移動軸４３ａ、４３ｂを使用して、データを取得していない領域へ、格子マスク３９の開口しているマスク部を移動させる。格子マスク３９を移動させた後、ポンプ光７１とプローブ光７２を照射し、プローブ反射光２０６の反射強度の時間依存性を示すデータを得る。
【００７９】
このようにして、格子マスク３９を移動させながら、測定を行い、反射強度の時間依存性のデータを得る。データ取得後は実施の形態１のデータ処理部と同様、反射光の強度周波数依存性を算出し、膜厚を出力する。
【００８０】
この実施の形態２によれば、ポンプ光（および／あるいはプローブ光）の位相をずらす必要がないため、膜厚測定装置の簡素化を図ることが可能となる。
【００８１】
（実施の形態３）
次に、本発明に係わる膜厚測定装置の他の構成を、実施の形態３として、説明する。この実施の形態においても、実施の形態１と同じ部分については、同じ符号を付してあるので、実施の形態１と異なるところを主に説明する。図６には、この実施の形態による膜厚測定装置の構成が示されている。実施の形態１と比較した場合、広視野照射部５７が、本実施の形態においては主に変更されている。この実施の形態において、広視野照射部５７は、図６において、右側に示されており、実施の形態１と同様に、ビームエキスパンダ１８、複数の集光レンズ１９、基板１００、基板１００に形成された膜１０１を有している。また、ポンプ光およびプローブ光が照射される照射面が１０２として示されている。また、図６において、その右上には、複数の集光レンズ１９、基板１００および基板１００に形成された膜１０１を横方向から見た断面が示されている。
【００８２】
この実施の形態においては、さらに基板１００を設置する試料ホルダ４６が、同図には示されている。この試料ホルダ４６に、上記した基板１００が設置され、基板１００上の膜１０１の膜厚が測定される。試料ホルダ４６は、この実施の形態においては、同図において、横方向および縦方向に移動させることができる様にされている。すなわち、試料ホルダ４６には、試料ホルダ横移動軸４６ａと試料ホルダ縦移動軸４６ｂが、設置され、試料ホルダ横移動軸４６ａおよび試料ホルダ縦移動軸４６ｂは、試料ホルダ移動軸ドライバ４７により駆動される。該試料ホルダ移動軸ドライバ４７は、計算機４２から、移動方向および移動量の指示を受けて、試料ホルダ横移動軸４６ａおよび試料ホルダ縦移動軸４６ｂを駆動する。この駆動により、試料ホルダ横移動軸４６ａおよび試料ホルダ縦移動軸４６ｂは、指示に応じた移動を行う。その結果、試料ホルダ４６および試料ホルダ４６に設置された基板が、指示に応じた移動方向へ、指示された移動量だけ移動させられる。すなわち、試料ホルダを移動させる移動装置として、試料ホルダ横移動軸４６ａ、試料ホルダ縦移動軸４６ｂおよび試料ホルダ移動軸ドライバ４７が、設けられている。
【００８３】
実施の形態３においては、隣の集光レンズ１９から照射するポンプ光（および／あるいはプローブ光）による振動の影響を受けないように、集光レンズ１９が離して配置される。すなわち、互いの集光レンズ１９の間隔が広く取って、配置されている。それぞれの集光レンズ１９の間隔は、試料ホルダを移動させることができる移動量により決めることができるが、少なくとも２個の照射領域面（画素）に対して１個の集光レンズ１９が対応する様に、集光レンズ１９間の間隔を定める。例えば、１つの照射領域面（画素）と、この照射領域面に近接し、その縦および横に配置されるそれぞれ１個の照射領域面（上、下、右、左のそれぞれの照射領域面）に対して、１個の集光レンズ１９が割り当てられる様に、複数の集光レンズ１９間の間隔を設定する。この例であれば、５個の照射領域面（画素）に対して１個の集光レンズが割り当てられることになる。また、この場合には、試料ホルダ４６は、測定毎に、縦あるいは横方向に、１個の照射領域面分に相当する移動量だけ、移動させることになる。
【００８４】
１回の照射により、集光レンズ１９が設置されている領域においては、集光レンズ１９からポンプ光２１０ａ（および／あるいはプローブ光２１０ｂ）が入射し、集光レンズ１９から膜１０１へ照射される。一方、集光レンズ１９のない領域では、ポンプ光２１１ａ（および／あるいはプローブ光２１１ｂ）は集光レンズ１９を通さない為、膜１０１まで届くことはない。膜１０１のうちポンプ光２１０ａが照射された領域では、ポンプ光２１０ａにより膜１０１中の材料（物質）が励起され、例えば超音波振動が発生することで、膜１０１の誘電率が時間に伴って変化する。可動式リフレクタ３３の作用により、照射タイミングが遅延しているプローブ光２１０ｂは、ポンプ光２１０ａによって超音波振動している表面へ照射され、表面で反射が発生する。発生したプローブ反射光２１０ｂは集光レンズ１９を通る。ここで反射したプローブ反射光２１０ｂは反射光２０６とする。反射光２０６はビームエキスパンダ１８、位相差板１７を通り、ビームスプリッタ１６にて一部反射する。反射した反射光２０６はビームエキスパンダ２３、集光レンズ２０を通り、複数ピクセルフォトカウンタ３５へ入射する。入射した反射光２０６はデジタル化した信号として記憶装置４１へ格納される。また、可動式リフレクタ３３により発生させる遅延時間を変更しながら、ポンプ光照射部５１によるポンプ光７１の照射、プローブ光照射部５２によるプローブ光７２の照射、および、強度測定部５３による反射光２０６の強度の測定を繰り返す。データ処理部５８は、各遅延時間に対応した、反射光２０６の強度の測定値を含むデータを取得する。データ処理部５８は、このようにして取得したデータを例えば重ね合わせる。これにより、取得したデータに基づいて、反射光２０６の強度の時間依存性を示すデータを得る。
【００８５】
時間依存性を示すデータは、１回の照射では、離れて配置している集光レンズにより一部のとびとびの領域でしか取得できない。そのため、この実施の形態においては、前述した様に、基板１００が設置してある試料ホルダ４６を、縦方向および横方向へ移動させる。計算機４２により、所望の方向へ、所望の移動量だけ、試料ホルダ４６を移動させる。このとき、データを取得していない領域に、集光レンズ１９の焦点が合う様に、基板を移動させる。基板を移動した後、ポンプ光７１とプローブ光７２を照射し、同じく反射光２０６の反射強度の時間依存性を示すデータを得る。
【００８６】
このように、すべての領域へ移動し、測定して、反射強度の時間依存性のデータを得る。データ取得後は、実施の形態１のデータ処理部と同様、反射光の強度周波数依存性を算出し、膜厚を出力する。
【００８７】
この実施の形態によれば、集光レンズの数を低減することが可能となるため、膜厚測定装置のコストの低減を図ることが可能となる。
【００８８】
（実施の形態４）
＜遅延時間発生部の変形例＞
次に、本発明に係わる膜厚測定装置の他の構成を、実施の形態４として、説明する。図７には、実施の形態４に関する膜厚測定装置の構成が示されている。同図においても、実施の形態１、２、３と同じ部分には同じ符号を付しているので、これらの実施の形態と異なる部分を主に説明する。
【００８９】
実施の形態１、２、３は、いずれも広視野に高分解能で高速に膜厚を測定する構成および方法を説明してきた。実施の形態４では、さらに高速に膜厚を測定することが可能な構成および方法を説明する。この実施の形態によれば、薄膜の膜厚（ＭＥＭＳ、ＳｉＣウェハ、金属膜）を高速に測定でき、また、例えばバンプのような突起物上端のある範囲の平均膜厚を高速に測定することができる。
【００９０】
実施の形態１、２および３との相違点は、これらの実施の形態で設けられていた可動式リフレクタ３３を有する遅延時間発生部５４が、この実施の形態においては設けられない。また、広視野照射部５７においては、集光レンズ１９と膜１０１との間に設けられていた位相差板２１が、多段ガラス２２に変更される。さらに、照射面１０２を構成する複数の照射領域面が、実施の形態１、２および３と、本実施の形態とでは異なる。実施の形態１、２および３においては、それぞれの照射領域面の膜厚が求められた。これに対して、本実施の形態においては、複数の照射領域面により、これらの複数の照射領域面を含む領域における膜の膜厚が求められる。
【００９１】
例えば、実施の形態１においては、例えば集光レンズ１９として、４×４個の集光レンズ１９を用いるとした場合、１６個の照射領域面（画素）に対して、同時にポンプ光２０３ａ、２０４ａ（あるいはプローブ光２０３ｂ，２０４ｂ）が照射される。これにより、１６個の照射領域面のそれぞれにおける膜の膜厚情報（反射光の強度周波数依存性）が求められる。この動作を、可動式リフレクタ３３により、ポンプ光とプローブ光との光路長差を変更しながら繰り返すことにより、上記した１６個の照射領域面（画素）のそれぞれにおける膜の膜厚が測定される。これに対して、本実施の形態では、１６個の照射領域面（画素）の範囲が、１個の領域として把握され、１回のポンプ光およびプローブ光の照射により、１個の領域として把握された領域（１６個の照射領域面）における膜の膜厚が求められる。この場合、１６個の照射領域面における膜厚の平均値が、１個の領域として把握され領域における膜厚として求まる。
【００９２】
図７において、実施の形態１と同様に、ポンプ光７１は、反射ミラー１３により反射され、ダイクロイックミラー２４に入射される。ポンプ光７１は、ダイクロイックミラー２４により反射され、光学系ユニットＣＵから導出される。光学系ユニットＣＵから導出されたポンプ光７１は、広視野照射部５７内のビームエキスパンダ１８に入射される。ビームエキスパンダ１８により、ポンプ光７１は、基板１００の膜１０１において、照射面１０２に照射できるよう光束を一定の倍率に広げる。
【００９３】
ビームエキスパンダ１８により光束が広げられたポンプ光７１は、縦横にマトリクス状に並べて、複数設置した集光レンズ１９に照射され、これらを透過する。照射面１０２は、複数の領域（複数の照射領域面）を有していると見なされる。ビームエキスパンダ１８により広げた光束は、この複数の領域を照射することができる様な広さを持つ様に広げられている。この様に、ポンプ光のビーム径を広げることにより、１回の照射で複数の集光レンズ１９のそれぞれに、ポンプ光７１は照射される。
【００９４】
複数の集光レンズ１９のそれぞれは、その１個が照射面１０２を構成する複数の領域の１個に、その焦点が合う様に、それぞれ配置されている。この様にすることにより、２次元的に配置された複数の照射領域面のそれぞれに対して、別々にポンプ光が照射される。それぞれの集光レンズ１９を透過したポンプ光は、後で説明する多段ガラス２２を介して、基板１００における膜１０１に照射される。プローブ光７２の経路については、実施の形態１と同じであるため、その説明は省略する。
【００９５】
図７において、右側に示された広視野照射部５７は、マトリクス状に配置された複数の集光レンズ１９、基板１００、基板１００に形成された膜１０１、基板と集光レンズとの間に設置された多段ガラス２２を有している。図７において、右下に、集光レンズ１９、
多段ガラス２２、基板１００および膜１０１を横から見た断面が示されている。特に、この断面を示す部分には、マトリクス状に配置された集光レンズ１９の一列分の拡大断面が示されている。なお、前述した図１、図５および図６にも同様な断面が示されている。いずれの断面も拡大断面である。
【００９６】
多段ガラス２２は、各集光レンズ毎に段差が異なる様にされたガラスにより構成されている。言い換えるならば、各集光レンズ毎に、厚さ（レーザが透過する方向での厚さ）が異なるガラスにより構成されている。見方を変えると、多段ガラス２２は、集光レンズからのレーザが透過する領域の厚さが、集光レンズ毎に異なる様にされたフィルタである。厚さが異なるため、この多段ガラス２２（フィルタ）を透過して、照射領域面に到達するポンプ光とプローブ光との間の光路長差が、それぞれの集光レンズ（照射領域面）で異なることになる。すなわち、多段レンズ２２を設けることによって、照射領域面（画素）に到達するポンプ光とプローブ光との間に時間差が、照射領域面毎に異なることになる。これにより、１回のレーザ照射（ポンプ光およびプローブ光の照射）によって、互いに異なる光路長差を持つところの複数のポンプ光とプローブ光が、２次元的（平面的）に、膜１０１に照射されることになる。これにより、互いに異なる光路長差を持つポンプ光とプローブ光が照射されたところのそれぞれの照射領域面（画素）からは、互いに異なった遅延時間（光路長差に応じた遅延時間）に対応した反射光が発せられる。
【００９７】
実施の形態１においては、可動式リフレクタ３３を移動させて、ポンプ光７１とプローブ光７２の光路長差を発生させ、時間的に可動式リフレクタ３３を移動させることによって、遅延時間を変更しながら、反射光２０６の強度を測定している。実施の形態４では、多段ガラス２２により、１画素（照射領域面）ずつ異なる屈折より遅延させ、１回の照射で、複数の照射領域面から、互いに異なる遅延時間の反射光２０６（集光レンズ毎の反射光）を受光し、この反射光２０６の強度を測定することができる。
【００９８】
多段ガラス２２を通した後のポンプ光２１２ａとプローブ光２１２ｂは、どちらも遅延が発生するが、ポンプ光とプローブ光の波長が２倍程度異なる。そのため、ポンプ光に対してプローブ光は遅延し、プローブ光は、ポンプ光により超音波振動している表面へ照射され、表面で反射が発生する。この反射したプローブ光は、多段ガラス２２、集光レンズ１９を通る。ここで反射したプローブ光は反射光２０６とする。反射光２０６はビームエキスパンダ１８、位相差板１７を通り、ビームスプリッタ１６にて一部反射する。この一部反射した反射光２０６は、ビームエキスパンダ２３、集光レンズ２０を通り、複数ピクセルフォトカウンタ３５へ入射する。
【００９９】
入射した反射光２０６は、デジタル化して、記憶装置４１へ格納される。データ処理部５８は、１回の照射で各遅延時間に対応した、反射光２０６の強度の測定値を含むデータを取得する。データ処理部５８は、このようにして取得したデータを例えば重ね合わせることで、すなわち、取得したデータに基づいて、反射光２０６の強度の時間依存性を示すデータを得る。このようにしてデータを取得した後は、実施の形態１のデータ処理部と同様、反射光の強度周波数依存性を算出し、膜厚を出力する。この実施の形態においては、上記した実施の形態１、２および３と異なり、複数の照射領域面からの反射光２０６により、一つの強度の時間依存性を示すデータが得られ、このデータを基にして、反射光の強度周波数依存性が算出されることになる。そのため、複数の照射領域面における膜の平均膜厚が、膜厚として求まる。
【０１００】
照射面１０２の平面的な面積が、複数の集光レンズ１９により構成されたマトリクスよりも、大きい場合には、例えば、実施の形態３の様に、基板１００を保持する試料ホルダを移動させることで、より広い照射面を、高速に測定することが可能となる。
【０１０１】
この実施の形態によれば、１回のレーザ照射により、膜において面としての膜厚を求めることが可能となるため、より高速な膜厚測定が可能となる。
【０１０２】
以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。もちろん、上記した複数の実施の形態相互間で組み合わせても良い。
【０１０３】
また、例えば、実施の形態１、２および３においては、可動式リフレクタ３３（遅延時間発生部５４）が、ポンプ光７１の光路上に設けられているが、可動式リフレクタ３３は、ポンプ光７１の光路上に代え、プローブ光７２の光路上に移動可能に設けられていても良い。このような場合でも、可動式リフレクタ３３を移動させ、プローブ光７２の光路長を調整し、ポンプ光７１とプローブ光７２との間の光路長差を発生させることで、ポンプ光７１とプローブ光７２との間の遅延時間を発生させることができる。
【０１０４】
また、可動式リフレクタ３３に代え、例えばパルスレーザ光からなるプローブ光を発生させるレーザを、パルスレーザ光からなるポンプ光を発生させるレーザとは別に設ける様にしても良い。この場合、そのレーザがパルスレーザ光からなるプローブ光を発生させるタイミングを、レーザがパルスレーザ光からなるポンプ光を発生させるタイミングよりも遅延させることで、ポンプ光７１とプローブ光７２との間の遅延時間を発生させることができる。
【符号の説明】
【０１０５】
２  レーザ
１８、２３  ビームエキスパンダ
１９、２０  集光レンズ
３３  可動式リフレクタ
３５  フォトカウンタ
５４  遅延時間発生部
１０１  膜
１０２  照射面
【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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