(57)【要約】【課題】試料の測定面に対する照射光の角度、及び、照射光の焦点位置を精度よく調整することができ、試料に形成された膜の膜厚を高精度で測定することができる測定面調整方法、膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る測定面調整方法は、測定面５３を照明する照明光１１を測定面５３に集光させるとともに、照明光１１が測定面５３で反射した反射光１２を集光する対物レンズ２５と、対物レンズ２５で集光された反射光１２を検出して測定面５３における照明光１１の像を含む画像を撮像する受光素子２６と、を有する光学系２０を用いて、画像における照明光１１の像１４の大きさから、照明光１１の焦点１３を測定面５３に合わせ、画像における照明光１１の像１４の位置から、測定面５３と照明光１１の光軸１１ａとの傾きを調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の測定面の位置を調整する測定面調整方法であって、
前記測定面を照明する照明光を前記測定面に集光させるとともに、前記照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記反射光を検出して前記測定面における前記照明光の像を含む画像を撮像する受光素子と、を有する光学系を用いて、
前記画像における前記照明光の像の大きさから、前記照明光の焦点を前記測定面に合わせ、
前記画像における前記照明光の像の位置から、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する、
測定面調整方法。
【請求項２】
前記照明光の前記焦点を前記測定面に合わせる際に、
前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、
前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第１距離における前記像の大きさであり、
前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第３距離における前記像の大きさとなるような前記第２距離に前記距離を調整する、
請求項１に記載の測定面調整方法。
【請求項３】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、
前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、
前記第１距離における前記像の中心の位置、前記第２距離における前記像の中心の位置、及び、前記第３距離における前記像の中心の位置において、相互のずれが最小になるように前記傾きを調整する、
請求項１または２に記載の測定面調整方法。
【請求項４】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、
前記像における輝度の重心の位置を、前記像の中心に位置するように前記傾きを調整する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定面調整方法。
【請求項５】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、
前記対物レンズを透過し平行光となった前記反射光の位置をモニタすることによって前記傾きを調整する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定面調整方法。
【請求項６】
試料の表面に形成された膜の膜厚を、前記試料の測定面において測定する膜厚測定方法であって、
複数の波長の光を含む照明光を前記測定面に集光させるとともに、前記照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記反射光を検出して前記測定面における前記照明光の像を含む画像を撮像する受光素子と、を有する光学系を用いて、
前記画像における前記照明光の像の大きさから、前記照明光の焦点を前記測定面に合わせ、
前記画像における前記照明光の像の位置から、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整し、
前記反射光における前記複数の波長の光の強度を測定することによって前記膜厚を算出する、
膜厚測定方法。
【請求項７】
前記照明光の前記焦点を前記測定面に合わせる際に、
前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、
前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第１距離における前記像の大きさであり、
前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第３距離における前記像の大きさとなるような前記第２距離に前記距離を調整する、
請求項６に記載の膜厚測定方法。
【請求項８】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、
前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、
前記第１距離における前記像の中心の位置、前記第２距離における前記像の中心の位置、及び、前記第３距離における前記像の中心の位置において、相互のずれが最小になるように前記傾きを調整する、
請求項６または７に記載の膜厚測定方法。
【請求項９】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、
前記像における輝度の重心の位置を、前記像の中心に位置するように前記傾きを調整する、
請求項６〜８のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
【請求項１０】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、
前記対物レンズを透過し平行光となった前記反射光の位置をモニタすることによって前記傾きを調整する、
請求項６〜９のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
【請求項１１】
試料の表面に形成された膜の膜厚を、前記試料の測定面において測定する膜厚測定装置であって、
複数の波長の光を含む照明光を前記測定面に集光させるとともに、前記照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記反射光を検出して前記測定面における前記照明光の像を含む画像を撮像する受光素子と、を有する光学系と、
前記照明光の光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離を調整する対物レンズ用ステージと、
前記測定面と前記光軸との傾きを調整する試料用ステージと、
前記反射光における前記複数の波長の光の強度を測定する分光器と、
を備えた、
膜厚測定装置。
【請求項１２】
前記対物レンズ用ステージにより、
前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、
前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第１距離における前記像の大きさであり、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第３距離における前記像の大きさとなるような前記第２距離に前記距離が調整される、
請求項１１に記載の膜厚測定装置。
【請求項１３】
前記試料用ステージにより、
前記光軸上における前記測定面と前記対物レンズとの間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、
前記第１距離における前記像の中心の位置、前記第２距離における前記像の中心の位置、及び、前記第３距離における前記像の中心の位置において、相互のずれが最小になるように前記傾きが調整される、
請求項１１または１２に記載の膜厚測定装置。
【請求項１４】
前記試料用ステージにより、
前記像における輝度の重心の位置を、前記像の中心に位置するように前記傾きが調整される、
請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
【請求項１５】
前記対物レンズを透過し平行光となった前記反射光の位置をモニタするモニタをさらに備え、
前記反射光の位置をモニタすることによって前記傾きが調整される、
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定面調整方法、膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関し、特に、反射光を用いて膜厚を測定する際の測定面調整方法、膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ等に成膜された反射防止膜等の膜厚を測定する方法としては、膜に対して白色光を照明し、その反射光を分光して測定する反射光分光法が挙げられる。
【０００３】
白色光が試料の測定面に対して、垂直に入射した場合と、傾斜して入射した場合とでは、反射スペクトルが異なる。このため、反射光分光法においては、試料の測定面に対する照明光の入射角を調整する必要がある。
【０００４】
また、試料の測定面によって反射した反射光に、試料の裏面によって反射した反射光が重なった場合には、正確な膜厚を得ることはできない。したがって、反射光分光法においては、試料の裏面からの反射光を除外する必要がある。
【０００５】
試料の裏面からの反射光を除外する一つの方法として、例えば、共焦点光学系を用いる方法が挙げられる。この場合には、対物レンズの焦点が試料の測定面に位置するようにし、試料の測定面によって反射した反射光のみを分光する。これにより、試料の裏面からの反射光を除外することができる。
【０００６】
このように、精度よく膜厚を測定するためには、照射光に対する試料の測定面の傾き及び照明光の焦点位置を調整する必要がある。特許文献１及び特許文献２には、試料の測定面の傾き及び照明光の焦点位置の測定に、傾き検出用の受光素子及び変位測定用の受光素子を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−０４９９１１号公報
【特許文献２】特開２００４−２３９６４６号公報
【特許文献３】特開２００７−０４７１３１号公報
【特許文献４】特開２００７−０８５９１４号公報
【特許文献５】特開２００６−２５０９４２号公報
【特許文献６】特開昭６３−０２６５１２号公報
【特許文献７】特開２００４−３１７４８０号公報
【特許文献８】特開２００６−０９０７４４号公報
【特許文献９】特開２００６−１５３７７０号公報
【特許文献１０】特開２０１２−０７８７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１及び特許文献２の方法では、測定面の傾き及び位置は、反射光の位置及び強度から測定している。したがって、反射光の位置及び強度の測定のために、複数の受光素子を必要としている。
【０００９】
測定面の調整方法の一つである光テコ方式は、対物瞳位置における反射光の位置から焦点位置を測定するが、試料は、平坦な面が前提である。試料がレンズのように曲面で構成されている場合に、光テコ方式では、焦点位置がずれているのか、測定面が傾いているのか区別することができない。
【００１０】
また、試料面の傾き及び照明光の焦点位置を求める従来の別の方法では、まず、試料の測定面の３次元形状を、共焦点顕微鏡等で測定する。次に、分光器のステージに試料を配置し、試料の外形等を参照して試料の位置合わせを行う。そして、試料の測定面の傾き及び焦点位置を、測定面の３次元形状に基づいて測定する。測定した結果に対応するように、試料の測定面をステージ等で補正する。このように、従来の方法では、試料及び光学系の設置に時間を要することとなっていた。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、共焦点光学系を用いて、試料の測定面に対する照射光の角度、及び、照射光の焦点位置を精度よく調整することができ、試料に形成された膜の膜厚を高精度で測定することができる測定面調整方法、膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る測定面調整方法は、試料の測定面の位置を調整する測定面調整方法であって、前記測定面を照明する照明光を前記測定面に集光させるとともに、前記照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記反射光を検出して前記測定面における前記照明光の像を含む画像を撮像する受光素子と、を有する光学系を用いて、前記画像における前記照明光の像の大きさから、前記照明光の焦点を前記測定面に合わせ、前記画像における前記照明光の像の位置から、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する。このような構成により、照射光の焦点位置、及び、試料の測定面と照明光の光軸との傾きを精度よく、かつ、短時間で調整することができる。
【００１３】
また、前記照明光の前記焦点を前記測定面に合わせる際に、前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第１距離における前記像の大きさであり、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第３距離における前記像の大きさとなるような前記第２距離に前記距離を調整する。このような構成により、照射光の焦点位置をより精度よく調整することができる。
【００１４】
さらに、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、前記第１距離における前記像の中心の位置、前記第２距離における前記像の中心の位置、及び、前記第３距離における前記像の中心の位置において、相互のずれが最小になるように前記傾きを調整する。このような構成により、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００１５】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、前記像における輝度の重心の位置を、前記像の中心に位置するように前記傾きを調整する。このような構成により、傾きが小さい場合でも、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００１６】
また、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、前記対物レンズを透過し平行光となった前記反射光の位置をモニタすることによって前記傾きを調整する。このような構成とすることにより、測定面に焦点が合っている場合においても、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００１７】
本発明に係る膜厚測定方法は、試料の表面に形成された膜の膜厚を、前記試料の測定面において測定する膜厚測定方法であって、複数の波長の光を含む照明光を前記測定面に集光させるとともに、前記照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記反射光を検出して前記測定面における前記照明光の像を含む画像を撮像する受光素子と、を有する光学系を用いて、前記画像における前記照明光の像の大きさから、前記照明光の焦点を前記測定面に合わせ、前記画像における前記照明光の像の位置から、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整し、前記反射光における前記複数の波長の光の強度を測定することによって前記膜厚を算出する。このような構成により、照射光の焦点位置、及び、試料の測定面と照明光の光軸との傾きを精度よく、かつ、短時間で調整することができる。
【００１８】
また、前記照明光の前記焦点を前記測定面に合わせる際に、前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第１距離における前記像の大きさであり、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第３距離における前記像の大きさとなるような前記第２距離に前記距離を調整する。このような構成により、照射光の焦点位置をより精度よく調整することができる。
【００１９】
さらに、前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、前記第１距離における前記像の中心の位置、前記第２距離における前記像の中心の位置、及び、前記第３距離における前記像の中心の位置において、相互のずれが最小になるように前記傾きを調整する。このような構成により、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００２０】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、前記像における輝度の重心の位置を、前記像の中心に位置するように前記傾きを調整する。このような構成により、このような構成により、傾きが小さい場合でも、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００２１】
前記測定面と前記照明光の光軸との傾きを調整する際に、前記対物レンズを透過し平行光となった前記反射光の位置をモニタすることによって前記傾きを調整する。このような構成とすることにより、測定面に焦点が合っている場合においても、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００２２】
本発明に係る膜厚測定装置は、試料の表面に形成された膜の膜厚を、前記試料の測定面において測定する膜厚測定装置であって、複数の波長の光を含む照明光を前記測定面に集光させるとともに、前記照明光が前記測定面で反射した反射光を集光する対物レンズと、前記対物レンズで集光された前記反射光を検出して前記測定面における前記照明光の像を含む画像を撮像する受光素子と、を有する光学系と、前記照明光の光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離を調整する対物レンズ用ステージと、前記測定面と前記光軸との傾きを調整する試料用ステージと、前記反射光における前記複数の波長の光の強度を測定する分光器と、を備える。このような構成により、照射光の焦点位置、及び、試料の測定面と照明光の光軸との傾きを精度よく、かつ、短時間で調整することができる。
【００２３】
また、前記対物レンズ用ステージにより、前記光軸上における前記対物レンズと前記測定面との間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第１距離における前記像の大きさであり、前記第２距離における前記像の大きさ＜前記第３距離における前記像の大きさとなるような前記第２距離に前記距離が調整される。このような構成により、照射光の焦点位置をより精度よく調整することができる。
【００２４】
さらに、前記試料用ステージにより、前記光軸上における前記測定面と前記対物レンズとの間の距離として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、前記第１距離＜前記第２距離＜前記第３距離とした場合に、前記第１距離における前記像の中心の位置、前記第２距離における前記像の中心の位置、及び、前記第３距離における前記像の中心の位置において、相互のずれが最小になるように前記傾きが調整される。このような構成により、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００２５】
前記試料用ステージにより、前記像における輝度の重心の位置を、前記像の中心に位置するように前記傾きが調整される。このような構成により、傾きが小さい場合でも、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【００２６】
また、前記対物レンズを透過し平行光となった前記反射光の位置をモニタするモニタをさらに備え、前記反射光の位置をモニタすることによって前記傾きが調整される。このような構成とすることにより、測定面に焦点が合っている場合においても、試料の測定面と照明光の光軸との傾きをより精度よく調整することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、共焦点光学系を用いて、試料の測定面に対する照射光の角度、及び、照射光の焦点位置を精度よく調整することができ、試料に成膜された膜の膜厚を高精度で測定することができる測定面調整方法、膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態に係る膜厚測定装置を例示した構成図である。
【図２】実施形態に係る膜厚測定方法の概要を例示したフローチャート図である。
【図３】実施形態に係る膜厚測定方法において、測定面調整方法を例示したフローチャート図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と光軸との傾きが０°の場合に、測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図５】実施形態に係る膜厚測定装置の対物レンズ及び試料の位置を例示した構成図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と光軸との傾きが１°の場合に、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と光軸との傾きが２°の場合に、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と光軸との傾きが３°の場合に、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と光軸との傾きが５°の場合に、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と光軸との傾きが１０°の場合に、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図１１】実施形態に係る膜厚測定装置において、照明光及び反射光のシミュレーションに用いたモデルを例示した構成図であり、測定面と光軸との傾きが０°の場合を示す。
【図１２】実施形態に係る膜厚測定装置において、照明光及び反射光のシミュレーションに用いたモデルを例示した構成図であり、測定面と光軸との傾きが所定の角度の場合を示す。
【図１３】（ａ）〜（ｇ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と焦点との間のデフォーカス量が、−０．０５ｍｍの場合に、対物レンズを透過し平行光となった反射光の断面図、及び、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図１４】（ａ）〜（ｇ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と焦点との間のデフォーカス量が、０．００ｍｍの場合に、対物レンズを透過し平行光となった反射光の断面図、及び、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図１５】（ａ）〜（ｇ）は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面と焦点との間のデフォーカス量が、＋０．０５ｍｍの場合に、対物レンズを透過し平行光となった反射光の断面図、及び、試料の測定面における照明光の像を含む画像を例示した図である。
【図１６】実施形態に係る測定面調整方法において、測定面における照明光の像を例示した図であり、測定面と光軸との傾きが１０°であり、デフォーカス量が−０．０５ｍｍの場合を示す。
【図１７】実施形態に係る反射光分光方法による膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００３０】
（実施形態）
＜膜厚測定装置の構成＞
実施形態に係る膜厚測定装置及び膜厚測定方法を説明する。図１は、実施形態に係る膜厚測定装置１を例示した構成図である。図１に示すように、膜厚測定装置１は、光源１０、共焦点光学系２０及び分光器３０を備えている。膜厚測定装置１は、試料５０の表面５１に形成された膜５２の膜厚を測定する装置である。膜厚測定装置１は、試料５０の表面５１の測定面５３において、膜厚を測定する。
【００３１】
光源１０は、複数の波長の光を含む照明光１１を生成する。光源１０は、例えば、照明光１１として、白色光を生成する。光源１０には、例えば、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源が用いられる。なお、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよいし、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。
【００３２】
共焦点光学系２０は、レンズ２１ａ〜２１ｅ、ピンホール２２、ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタ２３、ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタ２４、対物レンズ２５、及び、受光素子２６を有している。
【００３３】
光源１０で生成された照明光１１は、光源１０から出射する。光源１０から出射した照明光１１の光軸１１ａ上には、レンズ２１ａ、ピンホール２２、ビームスプリッタ２３が配置されている。光源１０から出射した照明光１１は、レンズ２１ａにより集光され、ピンホール２２を通過する。照明光１１の光軸１１ａは、ピンホール２２を通っている。なお、ピンホール２２の代わりにスリットでもよい。また、光源１０、レンズ２１ａ、ピンホール２２の代わりに端面がピンホール２２に位置するファイバでもよい。
【００３４】
照明光１１は、ピンホール２２の内部で集光される。例えば、照明光１１は、ピンホール２２の内部で焦点１３を結ぶようになっている。したがって、レンズ２１ａを透過した照明光１１は、収束光となっている。一方、ピンホール２２を通過した照明光１１は、発散光となっている。
【００３５】
ピンホール２２を通過した照明光１１は、ビームスプリッタ２３に到達する。ビームスプリッタ２３に到達した照明光１１の一部は、ビームスプリッタ２３で反射する。ビームスプリッタ２３で反射した照明光１１の光軸１１ａ上には、レンズ２１ｂ及びビームスプリッタ２４が配置されている。
【００３６】
ビームスプリッタ２３で反射した照明光１１は、レンズ２１ｂを透過し、屈折して平行光となって、ビームスプリッタ２４に到達する。ビームスプリッタ２４に到達した照明光１１の一部は、ビームスプリッタ２４で反射する。ビームスプリッタ２４で反射した照明光１１の光軸１１ａ上には、レンズ２１ｃ、レンズ２１ｄ、対物レンズ２５及び試料５０が配置されている。
【００３７】
ビームスプリッタ２４は、振動させてもよい。ビームスプリッタ２４で反射した照明光１１は、平行光となっている。ビームスプリッタ２４で反射した照明光１１は、レンズ２１ｃにより集光される。レンズ２１ｃは、透過した照明光１１を集光する。レンズ２１ｃで集光された照明光１１は、レンズ２１ｄに到達する前に、焦点１３を結んでいる。よって、レンズ２１ｃを透過した照明光１１は、焦点１３を結ぶ前は、収束光となっているが、焦点１３を結んだ後は、発散光となっている。したがって、レンズ２１ｄに到達した照明光１１は、発散光となっている。
【００３８】
レンズ２１ｄに到達した照明光１１は、レンズ２１ｄによって集光され、平行光となって、対物レンズ２５に到達する。
【００３９】
対物レンズ２５は、複数の波長の光を含む照明光１１を試料５０の測定面５３に集光させる。対物レンズ２５は、対物レンズ用ステージ２７に取付けられている。対物レンズ用ステージ２７には、ピエゾ素子を含んだピエゾステージが設けられている。したがって、対物レンズ用ステージ２７は、電圧の信号により、高速かつ高精度に位置を光軸１１ａ方向に微調整することができる。
【００４０】
対物レンズ用ステージ２７は、対物レンズ２５を照明光１１の光軸１１ａ方向に沿って移動させる。これにより、対物レンズ用ステージ２７は、照明光１１の光軸１１ａ上における対物レンズ２５と測定面５３との間の距離を調整する。ここで、照明光１１の光軸１１ａ方向をＺ軸方向ともよぶ。対物レンズ２５から試料５０に向かう方向を＋Ｚ軸方向、その反対方向を−Ｚ軸方向とする。
【００４１】
このように、対物レンズ用ステージ２７は、照明光１１が測定面５３で集光し、測定面５３で焦点１３を結ぶように、対物レンズ２５の位置を調整する。なお、対物レンズ用ステージ２７は、照明光１１が測定面５３で集光し、測定面５３で焦点１３を結ぶように、対物レンズ２５の位置を調整することができれば、ピエゾステージに限らず、任意の駆動ステージを用いてもよい。
【００４２】
対物レンズ２５で集光された照明光１１は、試料５０の表面５１に形成された膜５２の測定面５３を照明する。ビームスプリッタ２４を振動させる場合には、照明光１１は、ビームスプリッタ２４によって、測定面５３をスキャンする。これにより、照明光１１は、測定面５３全体に渡って照明する。また、対物レンズ２５の焦点深度に比べて、膜５２の膜厚が小さい場合には、焦点１３は、測定面５３に位置するとともに、試料５０の表面５１にも位置する。
【００４３】
試料５０は、例えば、非球面レンズである。また、膜５２は、例えば、反射防止膜である。なお、測定対象となる試料５０の表面５１に形成された膜５２は、非球面レンズの表面に形成された反射防止膜に限らない。試料５０は、例えば、試料用ステージ２８に取り付けられている。
【００４４】
試料用ステージ２８は、例えば、チルトステージとなっている。試料用ステージ２８は、照明光１１の光軸１１ａに対して測定面５３を傾斜させることができる。これにより、試料用ステージ２８は、測定面５３と照明光１１の光軸１１ａとの傾きを調整する。なお、試料用ステージ２８は、照明光１１の光軸１１ａに対して測定面５３を傾斜させることができればチルトステージに限らない。また、試料用ステージ２８は、試料５０を照明光１１の光軸１１ａに直交する方向（ＸＹ軸方向）に移動させてもよいし、試料５０を照明光１１の光軸１１ａ方向（Ｚ軸方向）に沿って移動させてもよい。さらに、試料５０を、光軸１１ａを回転軸にして回転させてもよい。試料用ステージ２８を移動させる代わりに、光学系を移動させてもよい。
【００４５】
照明光１１が測定面５３により反射された反射光１２は、対物レンズ２５に到達する。測定面５３により反射された反射光１２は、照明光１１と逆方向に進む。対物レンズ２５に到達した反射光１２の光軸１２ａ上には、対物レンズ２５、レンズ２１ｄ、レンズ２１ｃ及びビームスプリッタ２４が配置されている。対物レンズ２５は、対物レンズ２５に到達した反射光１２を集光する。すなわち、対物レンズ２５は、照明光１１が測定面５３で反射した反射光１２を集光する。このように、対物レンズ２５は、照明光１１を測定面５３に集光させるとともに、反射光１２を集光する。
【００４６】
対物レンズ２５によって集光された反射光１２は、例えば、平行光となって、レンズ２１ｄに到達する。レンズ２１ｄは、対物レンズ２５を透過した反射光１２を集光する。レンズ２１ｄで集光された反射光１２は、レンズ２１ｃに到達する前に、焦点１３を結んでいる。したがって、レンズ２１ｄを透過した反射光１２は、収束光となり、焦点１３を結んだ後は、発散光となっている。
【００４７】
レンズ２１ｃに到達した反射光１２は、レンズ２１ｃによって集光され、平行光となって、ビームスプリッタ２４に到達する。
【００４８】
ビームスプリッタ２４に到達した反射光１２の一部は、ビームスプリッタ２４を透過する。ビームスプリッタ２４を透過した反射光１２の光軸１２ａ上には、レンズ２１ｅ及び受光素子２６が配置されている。ビームスプリッタ２４を透過した反射光１２は、平行光となって、レンズ２１ｅで集光される。レンズ２１ｅで集光された反射光１２は受光素子２６に到達する。レンズ２１ｅで集光された反射光１２は、受光素子２６で焦点１３を結んでいる。すなわち、受光素子２６の受光面に、測定面５３における照明光１１の像１４が結像される。
【００４９】
受光素子２６は、対物レンズ２５で集光された反射光１２を検出して測定面５３における照明光１１の像１４を含む画像を撮像する。受光素子２６は、例えば、２次元受光素子である。受光素子２６は、例えば、試料５０の測定面５３の画像を撮像する。光源１０からピンホール２２を透過し、測定面５３を照明した照明光１１の像１４が、受光素子２６により検出され、画像として撮像される。振動ミラーの機能を有するビームスプリッタ２４を用いて、測定面５３上を走査することにより、画像が撮像される。
【００５０】
一方、ビームスプリッタ２４に到達した反射光１２の一部は、ビームスプリッタ２４で反射する。ビームスプリッタ２４で反射した反射光１２の光軸１２ａ上には、レンズ２１ｂ、ビームスプリッタ２３、光ファイバ２９の受光面が配置されている。
【００５１】
ビームスプリッタ２４で反射した反射光１２は、平行光となって、レンズ２１ｂに到達し、レンズ２１ｂによって集光され、ビームスプリッタ２３に到達する。ビームスプリッタ２３に到達した反射光１２の一部は、ビームスプリッタ２３を透過し、光ファイバ２９の受光面に到達する。光ファイバ２９の受光面に到達した反射光１２は、光ファイバ２９により、分光器３０に導かれる。
【００５２】
分光器３０は、光ファイバ２９によって導かれた反射光１２を分光する。分光器３０は、反射光１２における複数の波長の光の強度を測定する。そして、分光器３０によって分光され、反射光の各波長における最大値と、膜５２の屈折率との関係より、膜５２の膜厚が算出される。
【００５３】
＜膜厚測定方法の概要＞
次に、実施形態に係る膜厚測定装置１の動作として、試料５０の表面５１に形成された膜５２の膜厚測定方法を説明する。図２は、実施形態に係る膜厚測定方法の概要を例示したフローチャート図である。
【００５４】
まず、図２のステップＳ１１に示すように、試料５０の測定面５３の調整を行う。試料５０の測定面５３の調整には、照明光１１の光軸１１ａに対する試料５０の測定面５３の傾きの調整、及び、照明光１１の焦点１３位置の調整が含まれる。
【００５５】
次に、図２のステップＳ１２に示すように、反射光１２を分光して、膜厚測定を行う。このように、試料５０の表面５１に形成された膜５２の膜厚測定方法においては、測定面の調整方法及び反射光の分光方法が含まれている。
【００５６】
＜測定面調整方法＞
次に、実施形態に係る膜厚測定方法の詳細を説明する。膜厚測定方法を、測定面調整方法及び反射光分光方法に分けて説明する。まず、測定面調整方法を説明する。測定面調整方法は、表面５１に膜５２が形成された試料５０の測定面５３の位置を調整する方法である。図３は、実施形態に係る膜厚測定方法において、測定面調整方法を例示したフローチャート図である。
【００５７】
図３のステップＳ２１に示すように、まず、試料５０の測定面５３上に対物レンズ２５を配置し、試料５０の測定面５３を照明光１１で照明する。具体的には、光学系として、共焦点光学系２０を設置し、試料５０を所定の位置に配置させる。例えば、試料５０を試料用ステージ２８上に配置する。試料５０の測定面５３を照明する照明光１１として、例えば、複数の波長の光を含む白色光を使用する。
【００５８】
次に、図３のステップＳ２２に示すように、試料５０の測定面５３における照明光１１の像１４を撮像しながら、対物レンズ２５を照明光１１の光軸１１ａ方向に沿って移動させる。具体的には、対物レンズ２５によって、複数の波長の光を含む照明光１１を測定面５３に集光させるとともに、照明光１１が、試料５０の測定面５３で反射した反射光１２を集光させる。これにより、対物レンズ２５で集光された反射光１２を検出して、測定面５３における照明光１１の像１４を含む画像を撮像する。そして、対物レンズ２５を、対物レンズ用ステージ２７により光軸１１ａに沿って所定の距離１５内で往復移動させる。所定の距離１５内とは、例えば、対物レンズ用ステージ２７がピエゾステージによりＺ軸方向（光軸１１ａ）に沿った方向で往復移動する範囲内である。
【００５９】
次に、図３のステップＳ２３に示すように、照明光１１の焦点１３が、試料５０の測定面５３から所定の距離１５内にあるか判断する。
【００６０】
図４は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが０°の場合に、測定面５３における照明光１１の像１４を含む画像を例示した図であり、（ａ）〜（ｅ）は、測定面５３と焦点１３との間のデフォーカス量が、それぞれ、−０．１０ｍｍ、−０．０５ｍｍ、０．００ｍｍ、＋０．０５ｍｍ及び＋０．１０ｍｍを示す。（ａ）〜（ｅ）の各画像の一辺は、２ｍｍである。ここで、測定面５３と光軸１１ａとの傾き、及び、測定面５３と焦点１３との間のデフォーカス量を以下で説明する。
【００６１】
図５は、実施形態に係る膜厚測定装置１の対物レンズ２５及び試料５０の位置を例示した構成図である。図５に示すように、測定面５３が曲面の場合には、測定面５３に接する接平面５４を導入する。接平面５４は、測定面５３における照明光１１の光軸１１ａとの交点１６において、測定面５３に接している。接平面５４に直交する直線を接平面５４の法線１７という。したがって、測定面５３と光軸１１ａとの傾きとは、法線１７に対する光軸１１ａの傾きθを示している。測定面５３と光軸１１ａとの傾きが０°とは、交点１６において光軸１１ａが、接平面５４に直交するとともに、反射光１２の光軸１２ａも直交することを示している。
【００６２】
測定面５３が平面の場合には、測定面５３と光軸１１ａとの傾きとは、測定面５３の法線と、光軸１１ａとの傾きである。
【００６３】
測定面５３と焦点１３との間のデフォーカス量は、焦点１３から見たＺ軸上の位置である。デフォーカス量が＋０．１０ｍｍとは、測定面５３が、Ｚ軸（光軸１１ａ）において、焦点１３から＋Ｚ軸方側に０．１０ｍｍ離れた位置にあることを示している。デフォーカス量が０．００ｍｍとは、測定面５３が、Ｚ軸（光軸１１ａ）において、焦点１３の位置にあることを示している。
【００６４】
焦点１３と測定面５３との間の距離が、対物レンズ用ステージ２７の往復運動する所定の距離１５内であるとき、照明光１１の焦点１３が、試料５０の測定面５３から所定の距離１５内にあるという。
【００６５】
図５に示すように、対物レンズ用ステージ２７によって、光軸１１ａ上における測定面５３と対物レンズ２５との間の距離（以下、測定面距離１９という。）を変化させる。例えば、対物レンズ用ステージ２７によって、対物レンズ２５を、＋Ｚ軸方向側から−Ｚ軸方向側へ移動させる。すなわち、対物レンズ２５を上昇させる。このとき、測定面距離１９は大きくなる。
【００６６】
図４において、（ａ）から（ｅ）へ向かうほど、測定面距離１９は大きくなっている。すなわち、測定面距離１９は、（ａ）の場合の測定面距離＜（ｂ）の場合の測定面距離＜（ｃ）の場合の測定面距離＜（ｄ）の場合の測定面距離＜（ｅ）の場合の測定面距離となっている。
【００６７】
測定面５３における照明光１１の像１４の大きさを、例えば、像１４の直径と定義する。像１４の大きさは、（ｃ）の場合の像１４の大きさ＜（ｂ）の場合の像１４の大きさ＜（ａ）の場合の像１４の大きさ、であり、（ｃ）の場合の像１４の大きさ＜（ｄ）の場合の像１４の大きさ＜（ｅ）の場合の像１４の大きさ、となっている。したがって、対物レンズ用ステージ２７を照明光１１の光軸１１ａに沿って一方向に移動させた場合に、測定面５３における照明光１１の像１４の大きさが極小となる位置（例えば、図４の（ｃ））が存在している。すなわち、照明光１１の焦点１３に測定面５３が位置する場合が存在している。なお、像１４の大きさは、像１４の直径に限らない。像１４の大きさは、面積でもよい。
【００６８】
図６〜図１０は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが１°、２°、３°、５°及び１０°の場合に、試料５０の測定面５３における照明光１１の像１４を含む画像を例示した図であり、各図の（ａ）〜（ｅ）は、測定面５３と焦点１３との間のデフォーカス量が、それぞれ、−０．１０ｍｍ、−０．０５ｍｍ、０．００ｍｍ、＋０．０５ｍｍ及び＋０．１０ｍｍを示す。
【００６９】
図６〜図１０に示すように、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが１°〜１０°の場合においても、測定面距離１９が変化することによって、測定面５３における照明光１１の像１４の大きさが変化する。そして、図６〜１０に示すように、測定面距離１９を、（ａ）から（ｅ）へ向かうほど大きくした場合には、測定面５３における照明光１１の像１４の大きさは、（ｃ）の場合の像１４の大きさ＜（ｂ）の場合の像１４の大きさ＜（ａ）の場合の像１４の大きさ、であり、（ｃ）の場合の像１４の大きさ＜（ｄ）の場合の像１４の大きさ＜（ｅ）の場合の像１４の大きさ、となっている。
【００７０】
このように、測定面５３における照明光１１の像１４の大きさから、照明光１１の焦点１３を測定面５３に合わせる。その際に、測定面距離１９として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、第１距離＜第２距離＜第３距離とした場合に、第２距離における像１４の大きさ＜第１距離における像１４の大きさであり、第２距離における像１４の大きさ＜第３距離における像１４の大きさとなるような第２距離に測定面距離１９を調整する。
【００７１】
図４、図６〜図１０に示すように、対物レンズ用ステージ２７を光軸１１ａに沿って一方向に駆動させた場合に、測定面５３における照明光１１の像１４の大きさが極小となる位置（各図の（ｃ））が存在している。すなわち、焦点１３が、測定面５３から、所定の距離１５内に位置している。このように、図３のステップＳ２３において、焦点１３が測定面５３から所定の距離１５内にある（Yesの）場合には、ステップＳ２５に進む。
【００７２】
一方、対物レンズ用ステージ２７によって、測定面距離１９を変化させ、測定面５３と対物レンズ２５との間の距離の大きさを大きくした場合に、測定面５３における照明光１１の像１４の大きさが極小となる位置が存在しない場合がある。例えば、測定面５３と対物レンズ２５との間の距離の大きさを大きくした場合に、像１４の大きさは、単調に大きくなる。または、像１４の大きさは、単調に小さくなる。この場合には、焦点１３が測定面５３から所定の距離１５内にない（Noの）場合であるので、図３のステップＳ２４に進む。
【００７３】
図３のステップＳ２４に示すように、焦点１３が測定面５３から所定の距離１５内にない（Noの）場合には、試料を載せた試料用ステージ２８をＺ軸方向に沿って移動させる。これにより、測定面距離１９を変化させる。その後、ステップＳ２１に戻り、測定面５３を照明光１１で照明し、ステップＳ２２に示すように、試料５０の測定面５３における照明光１１の像１４を撮像しつつ、対物レンズ２５を光軸１１ａ方向に移動させる。これを、所定の距離１５内になるまで繰り返す。
【００７４】
図３のステップＳ２３において、焦点１３が測定面５３から所定の距離１５内にある（Yesの）場合には、ステップＳ２５に示すように、試料５０の測定面５３の傾きが、許容値以下か判断する。許容値とは、反射光分光法により膜厚測定が可能な傾きである。試料５０の測定面５３の傾きが、許容値以下の（Yesの）場合には、測定面５３の調整を終了する。そして、反射光分光法による膜厚測定を行う。
【００７５】
一方、試料５０の測定面５３の傾きが、許容値よりも大きい場合には、図３のステップＳ２６に示すように、試料５０を、試料用ステージ２８で傾けて調整する。例えば、試料用ステージ２８に設けられたチルトステージ機能で調整する。または、光学系全体を傾けてもよい。
【００７６】
図６〜図１０に示すように、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが大きくなると、デフォーカスさせたときの照明光１１の像１４の位置がずれるようになる。例えば、図１０に示すように、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが１０°のときに、図１０（ｃ）のデフォーカス量が０．００ｍｍの場合に比べて、図１０（ａ）のデフォーカス量が−０．１０ｍｍの場合には、像１４は、図の上方にずれている。また、図１０（ｅ）のデフォーカス量が＋０．１０ｍｍの場合には、像１４は、図の下方にずれている。それに加えて、図１０（ａ）及び（ｅ）では、像１４が縦に長くなっている。
【００７７】
このように、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが大きくなると、画像における照明光１１の像１４の位置がずれるようになる。そして、そのずれは、デフォーカス量が大きくなるほど顕著になっている。そこで、画像における照明光１１の像１４の位置から、測定面５３と光軸１１ａとの傾きを調整する。その際には、測定面距離１９として、第１距離、第２距離及び第３距離をとり、第１距離＜第２距離＜第３距離とした場合に、第１距離における像１４の中心の位置、第２距離における像１４の中心の位置、及び、第３距離における像１４の中心の位置において、相互のずれが最小になるように傾きを調整する。また、画像における照明光１１の像１４の形状から、測定面５３と光軸１１ａとの傾きを調整してもよい。その際には、像１４の形状が円になるように傾きを調整する。
【００７８】
図１１及び図１２は、実施形態に係る膜厚測定装置１において、照明光１１及び反射光１２のシミュレーションに用いたモデルを例示した構成図である。図１１は、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが０°の場合を示し、図１２は、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが所定の角度の場合を示す。また、反射光１２は、測定面５３よりも＋Ｚ軸方向に示している。図１１及び図１２に示すように、φ５ｍｍの照明光１１が対物レンズ２５によって集光されて測定面５３を照明し、照明光１１が測定面５３で反射した反射光１２が対物レンズ２５を透過し、レンズ２１ｅによって集光されて受光素子２６に結像されている。
【００７９】
図１３〜１５は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面５３と焦点１３との間のデフォーカス量が、−０．０５ｍｍ、０．００ｍｍ、及び、＋０．０５ｍｍの場合に、対物レンズ２５を透過し平行光となった反射光１２の断面図（上段の図）、及び、試料５０の測定面５３における照明光１１の像１４を含む画像（下段の図）を例示した図であり、各図の（ａ）〜（ｇ）は、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが、それぞれ、０°、１°、２°、３°、５°、１０°及び２０°の場合を示す。（ａ）〜（ｅ）の各上段の図の一辺は、１５ｍｍであり、各下段の画像における一辺は、２ｍｍである。図１３〜１５は、図１１及び図１２に示したモデルを用いてシミュレーションした結果である。
【００８０】
例えば、図１３の上段に示すように、測定面５３が焦点１３から−０．０５ｍｍデフォーカスしている場合において、傾きが大きくなると、対物レンズ２５を透過し平行光となった反射光１２の位置は、例えば、図の上方にずれるようになる。そして、反射光１２の形状が横長の形状になっている。また、照明光１１の光軸１１ａに対して逆側に測定面５３を傾けると、図示しないが、反射光１２の位置は、例えば、図の下方にずれるようになる。そして、反射光１２の形状が横長の形状になってくる。そこで、図の上方で横長の形状になる傾きと、図の下方で横長の形状になる傾きとの間の傾きに調整することにより、測定面５３と光軸１１ａとの傾きを０°にすることができる。このように、測定面５３と光軸１１ａとの傾きを調整する際に、対物レンズ２５を透過し平行光となった反射光１２の位置をモニタすることによって傾きを調整する。なお、反射光１２の位置をモニタする場合には、例えば、反射光１２の位置をモニタするモニタ５５をさらに備える。そして、平行光となる位置、例えば対物レンズ２５とレンズ２１ｄの間、またはレンズ２１ｃとレンズ２１ｅの間にビームスプリッタを配置し、ビームスプリッタで反射させた反射光１２を、モニタ５５によりモニタする。
【００８１】
図１３の下段に示すように、測定面５３が焦点１３から−０．０５ｍｍデフォーカスしている場合において、傾きが大きくなると、像１４は、長い楕円、または、彗星状の形状（図１３（ｇ））となっている。また、像１４において、輝度の分布が偏っている。
【００８２】
図１６は、実施形態に係る測定面調整方法において、測定面５３における照明光１１の像１４を例示した図であり、測定面５３と光軸１１ａとの傾きが１０°であり、デフォーカス量が−０．０５ｍｍの場合を示す。
【００８３】
図１６に示すように、像１４は、縦長の形状となっている。また、像１４において、輝度の分布が偏っている。像１４の下方には輝度の高い部分が集中し、像１４の上方には、輝度の低い部分が拡がっている。よって、像１４における輝度の重心１８の位置は、像１４の下方に位置している。このように、傾きが大きくなると、輝度の分布が偏り、輝度の重心１８の位置が中心からずれるようになる。したがって、測定面５３と光軸１１ａとの傾きを調整する際に、像１４における輝度の重心１８の位置を、像１４の中心に位置するように傾きを調整する。
【００８４】
また、傾きが小さい場合には、形状の変化を判別することは困難となるが、像１４における輝度の重心１８の位置を、像１４の中心に位置するようにすることで、傾きの調整を容易にすることができる。
【００８５】
図１４に示すように、デフォーカス量が０．００ｍｍであって、測定面５３が焦点１３に位置している場合には、下段に示すように、傾きを大きくしても、像１４の位置、形状、輝度の分布を測定することが困難になる。そこで、図６、図８〜図１０の（ａ）〜（ｅ）のように、対物レンズ用ステージ２７を用いて、対物レンズ２５をＺ軸上で振動するように往復移動させる。これにより、測定面距離１９を焦点１３の近傍で振動させる。デフォーカス量の大きい部分では、像１４の形状が彗星状となり判別しやすくなるため、傾きの調整を容易にすることができる。
【００８６】
このようにして、図３のステップＳ２６に示すように、試料用ステージ２８を傾けることにより、試料５０の測定面５３の傾きが小さくなるように、試料５０を試料用ステージ２８で傾ける。そして、ステップＳ２１〜Ｓ２３、Ｓ２５を繰り返す。ステップＳ２５において、試料５０の測定面５３の傾きが許容値以下になるようにして、測定面５３の調整を終了する。
【００８７】
＜反射光分光法による膜厚測定＞
次に、反射光分光方法による膜厚測定方法を説明する。図１７は、実施形態に係る膜厚測定方法において、反射光分光方法を例示したフローチャート図である。まず、図１７のステップＳ３１に示すように、反射光１２を分光器３０で分光する。具体的には、光ファイバ２９によって導かれた反射光１２を、分光器３０を用いて分光する。反射光１２は、照明光１１が測定面５３によって反射した反射光１２と、照明光１１が膜５２の内部に進み、試料５０の表面５１によって反射した反射光１２とが干渉したものとなっている。
【００８８】
次に、図１７のステップＳ３２に示すように、反射光１２における複数の波長の光の強度を測定する。このとき、対物レンズ２５の軸上色収差を補正するために、対物レンズ用ステージ２７をＺ軸方向に移動させ、各波長の光が測定面５３で焦点を結ぶようにする。そして、分光器３０によって分光され、反射光の各波長における最大値と、膜５２の屈折率との関係より、膜５２の膜厚を算出する。このようにして、試料５０の表面５１に形成された膜５２の膜厚を、試料５０の測定面５３において測定することができる。
【００８９】
次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態に係る測定面調整方法は、照明光１１の像１４の大きさから、測定面５３に、照明光１１の焦点１３を合わせている。像１４の大きさの判別は明瞭で容易であるので、照射光１１の焦点１３の位置を精度よく、かつ、短時間で調整することができる。
【００９０】
また、測定面５３と対物レンズ２５との間の距離が、第１距離＜第２距離＜第３距離の場合に、第２距離における像１４の大きさ＜第１距離における像１４の大きさであり、第２距離における像１４の大きさ＜第３距離における像１４の大きさとなるように調整している。像１４の大きさの微小な変化から焦点１３の位置を決定することができるので、より高精度に調整することができる。
【００９１】
照明光１１の像１４の位置から、測定面５３と光軸１１ａとの傾きを調整している。像１４の位置の判別は明瞭で容易であるので、測定面５３と照明光１１の光軸１１ａとの傾き精度よく、かつ、短時間で調整することができる。
【００９２】
また、測定面５３と対物レンズ２５との間の距離が、第１距離＜第２距離＜第３距離の場合に、第１距離における像１４の中心位置、第２距離における像１４の中心位置、及び、第３距離における像１４の中心位置が、相互にずれないように調整している。像１４の中心位置の微小な変化から傾きを決定することができるので、より高精度に調整することができる。
【００９３】
さらに、照明光１１の像１４を含む画像を、共焦点光学系２０を用いて撮像している。よって、試料５０の裏面からの反射光を排除することができ、測定面５３における照明光１１の像１４をシャープに精度よく撮像することができる。
【００９４】
ビームスプリッタ２４を振動させることによって、測定面５３を照明光１１でスキャンしてもよい。これにより、試料５０の測定面５３に渡って、測定面５３と光軸１１ａとの傾き、及び、照射光１１の焦点１３位置を精度よく調整することができる。また、測定面５３に渡って膜厚の分布を測定することができる。
【００９５】
像１４における輝度の重心１８の位置を、像１４の中心に位置するように傾きを調整している。よって、傾きが小さい場合でも、測定面５３と光軸１１ａとの傾きをより精度よく調整することができる。
【００９６】
対物レンズ２５を透過し平行光となった反射光１２の位置をモニタすることによって、傾きを調整してもよい。測定面５３に焦点１３が合っている場合においても、測定面５３と光軸１１ａとの傾きをより精度よく調整することができる。
【００９７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。
【００９８】
例えば、測定面５３の位置を調整する方法として、表面５１に膜５２が形成された試料５０の測定面５３の位置を調整する場合を説明したが、表面５１に膜が形成されていない試料５０の測定面５３の位置を調整する場合に用いてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１  膜厚測定装置
１０  光源
１１  照明光
１１ａ  光軸
１２  反射光
１２ａ  光軸
１３  焦点
１４  像
１５  所定の距離
１６  交点
１７  法線
１８  重心
１９  測定面距離
２０  共焦点光学系
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ  レンズ
２２  ピンホール
２３  ビームスプリッタ
２４  ビームスプリッタ
２５  対物レンズ
２５ａ  光軸
２６  受光素子
２７  対物レンズ用ステージ
２８  試料用ステージ
２９  光ファイバ
３０  分光器
５０  試料
５１  表面
５２  膜
５３  測定面
５４  接平面
５５  モニタ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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