(57)【要約】【課題】開口数の大きい対物レンズにより収束させた照明光を使用しても、取得した分光反射率データの極大波長、極小波長から、厳密な垂直入射時と同等な精度で膜厚値を求める膜厚測定方法を提供すること。【解決手段】ピークバレー法により算出した膜厚値は、対物レンズの開口数に応じた照明光の斜入射の影響を含む膜厚値であるという仮定のもとに、ピークバレー法により算出した膜厚値を補正して真の膜厚値とする。補正はピークバレー法により算出した膜厚値に、θ2／ｓｉｎθ2（≧１）を補正係数として掛けること。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された薄膜の膜表面の微小領域部分に、対物レンズにより収束した照明光をその光軸が膜表面に対して垂直になるように照射し、その微小領域部分から反射された光を分光して取得される分光反射率データの極大波長、極小波長から前記薄膜の膜厚値を求めるピークバレー法による膜厚測定方法において、前記ピークバレー法により算出した膜厚値は、対物レンズの開口数に応じた照明光の斜入射の影響を含む膜厚値であるという仮定のもとに、前記ピークバレー法により算出した膜厚値を補正して真の膜厚値とすることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
前記補正が、ピークバレー法により算出した膜厚値に、θ2／ｓｉｎθ2（≧１）を補正係数として掛ける補正であることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置用のガラス基板などの基板上に形成された薄膜の膜厚値を非接触で求める膜厚測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光干渉式による非接触膜厚測定は、照明光を膜に垂直に照射し、膜表面からの反射光と、膜と基板との境界面からの反射光との位相差により生じる干渉現象を利用したものである。位相差は膜表面からの反射光と、膜と基板との境界面からの反射光との光路差に依存し、光路差は膜の物理膜厚と、膜の屈折率とに依存する。したがって、膜の屈折率が既知であれば、物理膜厚を算出することができる。
【０００３】
近年、液晶表示装置用部材、半導体素子の製造工程等において、被測定部分の微小化が望まれている。例えば、液晶表示装置の部材であるカラーフィルタのパターニングされたある特定位置における膜厚値を非破壊・非接触で測定する要請があるが、そのためには、開口数の大きい対物レンズを光学系に組み込む必要がある。
【０００４】
ところが、この場合、試料に照射する光が対物レンズを介するために、照明光の入射角度は０から対物レンズの開口数に応じた角度までの範囲に及ぶことになる。これは、膜表面からの反射光と、膜と基板との境界面からの反射光との位相差を発生させる光路差が、厳密な垂直入射時とは異なることを意味している。
そのため、比較的開口数の大きい対物レンズを使用する場合は、例えば、特開２００２−３１８１０６号公報、特開２００３−４２７２２号公報に記載の膜厚測定方法（以下「従来方法」と記す）を適用しても、膜厚値を精度よく求めることができないという問題があった。
【０００５】
そこで、膜の一部を鋭利な刃物で掻き取って膜表面と基板表面との段差を作り、触針式の段差計による測定が行われているが、このような方法は測定のための準備が煩わしく、測定時間も掛かるうえに被測定物を破壊する破壊計測であるため、ロスの削減を期待することはできない。
【特許文献１】特開２００２−３１８１０６号公報
【特許文献２】特開２００３−４２７２２号公報
【特許文献３】特開平６−２４９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、その課題とするところは、開口数の大きい対物レンズにより収束させた照明光を使用しても、取得した分光反射率データの極大波長、極小波長から、厳密な垂直入射時と同等な精度で膜厚値を求める膜厚測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板上に形成された薄膜の膜表面の微小領域部分に、対物レンズにより収束した照明光をその光軸が膜表面に対して垂直になるように照射し、その微小領域部分から反射された光を分光して取得される分光反射率データの極大波長、極小波長から前記薄膜
の膜厚値を求めるピークバレー法による膜厚測定方法において、前記ピークバレー法により算出した膜厚値は、対物レンズの開口数に応じた照明光の斜入射の影響を含む膜厚値であるという仮定のもとに、前記ピークバレー法により算出した膜厚値を補正して真の膜厚値とすることを特徴とする膜厚測定方法である。
【０００８】
また、本発明は、上記発明による膜厚測定方法において、前記補正が、ピークバレー法により算出した膜厚値に、θ2／ｓｉｎθ2（≧１）を補正係数として掛ける補正であることを特徴とする膜厚測定方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、ピークバレー法により算出した膜厚値は、対物レンズの開口数に応じた照明光の斜入射の影響を含む膜厚値であるという仮定のもとに、ピークバレー法により算出した膜厚値を補正して真の膜厚値とするので、対物レンズにより収束させた照明光を使用した場合においても、真の膜厚値に近い値を得ることができる膜厚測定方法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、同一試料の特定位置に、開口数の異なる複数種類の対物レンズを介して照明光を照射したときの分光反射率データを示す説明図である。図１から明らかなように、対物レンズの開口数が大きいほど、分光反射スペクトルの極大・極小位置は短波長側にシフトしていることがわかる。
【００１１】
以下、この結果を現象論的に説明するため、膜表面ａからの反射光Ｒ1と、膜と基板との境界面ｂからの反射光Ｒ2との位相差を発生させる光路差について、照明光Ｉが、Ａ）垂直入射される場合と、Ｂ）斜入射される場合とにわけて説明する。
【００１２】
Ａ）垂直入射（図２参照）
空気、膜、基板の屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2、ｎ3（ただし、ｎ1＜ｎ2＞ｎ3）とすると、反射光Ｒ1と反射光Ｒ2との光路差は２ｎ2ｄであり、ｎ1＜ｎ2＞ｎ3なので、反射光Ｒ1および反射光Ｒ2の位相は入射光の位相に比べてπだけ変化する。したがって、極小波長をλ1、極大波長をλ2、干渉次数をｍ（整数）として、下記に示す数式（１）、数式（２）が成り立つ。
【００１３】
【数１】
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ここで、ｎ2（λ1）、ｎ2（λ2）は、膜の屈折率ｎ2の波長分散を考慮したもので、膜の屈折率ｎ2が波長λの関数であることを表している。数式（１）、数式（２）からｍを消去して数式（３）を得る。
【００１４】
【数２】
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したがって、分光反射スペクトルから極小波長λ1、極大波長λ2を求め、干渉次数ｍと膜の屈折率ｎ2を与えれば膜厚ｄを算出することができる。
【００１５】
Ｂ）斜入射（図３参照）
膜表面ａ、基板表面ｂにおける入射角をそれぞれθ1、θ2（０≦θ1≦（π／２）、０≦θ2≦（π／２））とすると、反射光Ｒ1と反射光Ｒ2との光路差は２ｎ2ｄｃоｓθ2であるから、下記に示す数式（４）、数式（５）が成り立つ。
【００１６】
【数３】
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数式（４）、数式（５）と、数式（１）、数式（２）を見比べてみると、数式（４）、数式（５）から求まるλ1、λ2は、数式（１）、数式（２）から求まるλ1、λ2にｃоｓ
θ2（≦１）を掛けた値となることがわかる。つまり、θ2が大きくなるほど、分光反射スペクトルの極大位置、極小位置は短波長側にシフトすることになる。
【００１７】
数式（４）、数式（５）からｍを消去して数式（６）を得る。
【００１８】
【数４】
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数式（６）は、垂直入射時と同様にして分光反射スペクトルから極小波長λ1、極大波長λ2を求め、干渉次数ｍと膜の屈折率ｎ2を与えることによって求まる物理量は、膜厚値にｃоｓθ2（≦１）を掛けた値であり、実際の膜厚値よりも小さくなることを示している。つまり、θ2が大きくなるほど、算出される物理量は、実際の膜厚値よりも小さくなる。
【００１９】
以上が、対物レンズの開口数が大きくなるほど、分光反射スペクトルの極大位置、極小位置が短波長側にシフトしてしまうこと、および、算出される膜厚値が実際の値よりも小さくなる理由についての現象論的な説明である。
【００２０】
続いて、開口数ＮＡの対物レンズを使用した場合における膜表面ａからの反射光と、膜と基板との境界面ｂからの反射光との光路差について、図４を用いて定量的に説明する。まず、対物レンズＬの開口数ＮＡと、膜表面ａにおける入射角θ1との間には、下記に示す数式（７）の関係がある。
【００２１】
【数５】
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また、数式（８）に示すスネルの法則と数式（７）から、数式（９）が得られる。
【００２２】
【数６】
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つまり、開口数ＮＡの対物レンズを使用した場合、膜を透過した照明光は、−θ2≦θ≦θ2の範囲で基板面に入射することになる。よって、この場合の光路差は、斜入射時（図３）における光路差２ｎ2ｄｃоｓθを、−θ2≦θ≦θ2の範囲で積分して平均をとった量として近似することができる。
【００２３】
そこで、図３における反射光Ｒ1と反射光Ｒ2との光路差に対応する量として、平均光路差Δという概念を導入すると、平均光路差Δは数式（１０）のように定義することができる。
【００２４】
【数７】
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すると、垂直入射時の数式（１）〜数式（３）、あるいは、斜入射時の数式（４）〜数式（６）に対応する式は、下記に示す数式（１１）〜数式（１３）で表すことができる。
【００２５】
【数８】
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したがって、分光反射スペクトルから極小波長λ1、極大波長λ2を求め、干渉次数ｍと膜の屈折率ｎ2を与えることによって求まる物理量は、膜厚値にｓｉｎθ2／θ2（≦１）を掛けた値であると解釈することができる。
【００２６】
上記のような考え方に基づくと、対物レンズにより収束させた照明光を使用しても、取得した分光反射率データの極大波長、極小波長から、垂直入射時と同等な精度で膜厚値を求めることが可能となる。
すなわち、従来方法により求めた膜厚値に、ｓｉｎθ2／θ2（≦１）の逆数であるθ2／ｓｉｎθ2（≧１）を補正係数として掛けた値をもって、真の膜厚値とすることができる。なお、数式（１１）、数式（１２）から明らかなように、対物レンズ使用時の分光反射スペクトルから求まる極大波長、極小波長に、補正係数θ2／ｓｉｎθ2（≧１）を掛け、
補正済みの極大波長、極小波長を求めてから従来方法を適用することができるのはもちろんである。
【００２７】
表１は、対物レンズを使用しないとき、つまり、厳密な垂直入射とみなせる条件のもとで取得した分光反射率データを用いて、従来方法により求めた膜厚値を記したものである。なお、被測定部分の近傍を触針式の段差計で測定したところ、膜厚の測定値は１６６９ｎｍであり、対物レンズを使用しない場合においては触針式の段差計による測定値と十分よく一致することを確認した。
【００２８】
【表１】
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以下、対物レンズを使用したときの分光反射率データを用いて、従来方法により求めた膜厚値（以下「補正前膜厚値」と記す）、および、補正前膜厚値にθ2／ｓｉｎθ2（≧１）を掛けた値（以下「補正済み膜厚値」と記す）を示す。
表２は、倍率１０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．２５）、表３は倍率２０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．４０）、表４は、倍率５０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．５５）を使用したときの結果をまとめたものである。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
【表３】
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【００３１】
【表４】
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表２〜表４に記したように、倍率１０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．２５）、倍率２０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．４０）、倍率５０倍の対物レンズ（ＮＡ＝０．５５）を使用したときの補正前膜厚値はそれぞれ、１６６４ｎｍ、１６５４ｎｍ、１６２９ｎｍであったのに対し、補正済み膜厚値はそれぞれ、１６７０ｎｍ、１６７２ｎｍ、１６６３ｎｍとなり、いずれも触針式段差計による測定値１６６９ｎｍに十分よく一致する結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】同一試料の特定位置に、開口数の異なる複数種類のレンズを介して照明光を照射したときの分光反射率データを示す説明図である。
【図２】垂直入射における膜表面からの反射光と、膜と基板との境界面からの反射光との光路差を示す説明図である。
【図３】斜入射における膜表面からの反射光と、膜と基板との境界面からの反射光との光路差を示す説明図である。
【図４】対物レンズ使用時における照明光の入射角度を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
Ｉ・・・照明光（入射光）
Ｒ1 ・・膜表面からの反射光
Ｒ2 ・・膜と基板との境界面からの反射光
Ｌ・・・対物レンズ
ａ・・・膜表面
ｂ・・・膜と基板との境界面（基板表面）
ｄ・・・膜厚
ｎ1 ・・空気の屈折率
ｎ2 ・・膜の屈折率
ｎ3 ・・基板の屈折率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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