(57)【要約】【課題】多波長レーザ光源を用いる干渉計で検出される光場を逆伝搬させることにより、被測定物体の複数の反射面の２次元表面形状と膜厚分布を同時測定できるようにする。【解決手段】多波長レーザ光源１１からの平行光は、ビームスプリッタ２０を介して分離され、一方の光は圧電素子２３によって正弦波振動させられるミラー２２に入射し、他方の光は被測定物体２１の反射面に入射する。ミラー２２の反射面及び被測定物体２１の複数の反射面で反射された光はビームスプリッタ２０で合成され、レンズ２４とピンホール２５を用いて２次元ＣＣＤイメージセンサ３０上に結像され干渉し、２次元ＣＣＤイメージセンサ３０の出力信号から干渉信号を得る。この干渉信号の振幅と位相を求めることから複数の反射面の正確な位置を求め、被測定物体の多層膜の２次元の表面形状と膜厚分布の同時測定を可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が変化する光を発生する光源と、前記光源からの光を分離して被測定物体の複数の反射面及び参照面で反射させた後、合成して干渉させる干渉光学系と、前記参照面を正弦波振動させる正弦波振動手段と、前記干渉光学系によって得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する光電変換手段と、前記干渉信号に基づいて該干渉信号の振幅と位相を求める手段と、多くの波長について求めた前記の振幅及び位相に基づいて前記被測定物体の反射面上付近の多波長逆伝搬光場を求める演算手段と、前記被測定物体の反射面付近の多波長逆伝搬光場の強度分布と位相分布から複数の反射面の位置を決定する演算手段と、を備えることにより複数の反射面の位置を求める、多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びその装置。
【請求項２】
等間隔で波長が変化する光を発生する光源と、前記光源からの光を分離して被測定物体の複数の反射面及び参照面で反射させた後、各反射光をレンズとピンホールを用いて結像し、合成して干渉させる干渉光学系を備えたことにより複数の反射面の位置を求める、多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びその装置。
【請求項３】
前記参照面を正弦波振動させる正弦波振動手段と、前記干渉光学系によって得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する光電変換手段を備えることにより複数の反射面の位置を求める、多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びその装置。
【請求項４】
前記干渉信号に基づいて該干渉信号の振幅と位相を求める演算手段と、前記求めた振幅及び位相から求められる光場を前記被測定物体の反射面付近に逆伝搬させることによって被測定物体の反射面付近の逆伝搬光場を求める演算手段を備えることにより複数の反射面の位置を求める、多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びその装置。
【請求項５】
多くの波長について求められた被測定物体の反射面付近の逆伝搬光場の総和から求められる前記被測定物体の反射面付近の再生光場の強度分布から複数の反射面のおおまかな位置を求め、再生光場の位相分布から複数の反射面の正確な位置を求める演算手段を備えることにより複数の反射面の位置を求める、多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びその装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は多波長レーザ光源を用いて被測定物体の多層膜の表面形状と膜厚分布を高精度に同時測定する計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の膜厚測定方法は２つの方法がある。１つは、単色光を被測定物体に入射角度を変化させながら照射し、被測定物体からの反射光の強度変化を測定することから膜厚を求める方法である。この方法では、測定点は１つの点である。他の方法は、被測定物体に照射する光の波長を変化させながら、被測定物体からの反射光の強度変化を測定することから膜厚を求める方法である。この方法では、測定点を線上にすることができるが、面測定を行う場合には、線上の測定点を走査する必要がある。また、これら従来の２つの方法は、膜厚分布を求めることはできるが、膜の表面形状を求めることはできない。
非特許文献；（１）佐々木，位相変調干渉法による表面形状計測，光技術コンタクト，Ｖｏｌ  ３７．Ｎｏ８（１９９９）ｐ５５６〜ｐ５６４
（２）佐々木，鈴木，正弦波変調干渉法におけるフィードバック干渉計，光技術コンタクト，Ｖｏｌ  ３９．Ｎｏ８（２００１）ｐ５０１〜ｐ５０９引用例；特開２００２−１０７２８３
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】測定点の走査を行うことなしに、２次元の膜厚分布及び膜の表面形状を数ナノメータの精度で測定する装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記目標を達成するために、本願請求項１に係る多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法は、波長が変化する光を発生する光源と、前記光源からの光を分離して被測定物体の複数の反射面及び参照面で反射させた後、合成して干渉させる干渉光学系と、前記参照面を正弦波振動させる正弦波振動手段と、前記干渉光学系によって得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する光電変換手段と、前記干渉信号に基づいて該干渉信号の振幅と位相を求める手段と、多くの波長について求めた前記の振幅及び位相に基づいて前記被測定物体の反射面上付近の多波長逆伝搬光場を求める演算手段と、前記被測定物体の反射面付近の多波長逆伝搬光場の強度分布と位相分布から複数の反射面の位置を決定する演算手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００５】
本願請求項２に示すように等間隔で波長が変化する光を発生する光源と、前記光源からの光を分離して被測定物体の複数の反射面及び参照面で反射させた後、各反射光をレンズとピンホールを用いて結像し、合成して干渉させる干渉光学系を備えたことを特徴としている。
本願請求項３に示すように前記参照面を正弦波振動させる正弦波振動手段と、前記干渉光学系によって得られる干渉光を電気的な干渉信号に変換する光電変換手段を備えたことを特徴としている。
【０００６】
本願請求項４に示すように前記干渉信号に基づいて該干渉信号の振幅と位相を求める演算手段と、前記求めた振幅及び位相から求められる光場を前記被測定物体の反射面付近に逆伝搬させることによって被測定物体の反射面付近の逆伝搬光場を求める演算手段を備えたことを特徴としている。
本願請求項５に示すように多くの波長について求められた被測定物体の反射面付近の逆伝搬光場の総和から求められる前記被測定物体の反射面付近の再生光場の強度分布から複数の反射面のおおまかな位置を求め、再生光場の位相分布から複数の反射面の正確な位置を求める演算手段を備えたことを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係る多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びそのための装置の好ましい実施の形態について詳説する。
【０００８】
図１は本発明に係る多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定のための装置の実施の形態を示す概略図である。同図に示すように、この装置は、多波長レーザ光源（ＭＷＬ）１０と、ビームスプリッタ２０と、ミラー２２と、結像レンズ２４と、ピンホール２５と、２次元ＣＣＤイメージセンサ３０と、Ａ／Ｄ変換器３１と、パソコン３２から構成されている。尚、２３はミラー２２を正弦波振動させる圧電素子であり、２１は被測定物体である。
【０００９】
多波長レーザ光源（ＭＷＬ）１０は、一定の波長間隔で、多くの波長のレーザ光を時系列的に発生するものである。この多波長レーザ光源１０からの平行光は、ビームスプリッタ２０で２分され、分割された一方の光は被測定物体２１の複数の反射面に入射し、ここで反射され、分割された他方の光はミラー２２の反射面（参照面）に入射し、ここで反射される。被測定物体２１の複数の反射面で反射された光と、ミラー２２の反射面で反射された光は、ビームスプリッタ２０で合成される。レンズ２４によって、ＣＣＤイメージセンサ３０の検出面上に被測定物体２１の複数の反射面の像が形成される。このとき、レンズ２４の焦点面上におかれたピンホール２５によって、被測定物体２１の複数の反射面で反射された光の中で、反射面にほぼ垂直な方向に反射された光だけが選択され、ＣＣＤイメージセンサ３０の検出面上で、ミラー２２の反射面で反射された光と干渉する。この干渉による強度分布はＣＣＤイメージセンサ３０で電気的な干渉信号に変換される。この干渉信号は、Ａ／Ｄ変換器３１によってデジタル信号に変換されたのち、パソコン３２に取り込まれ、ここで、被測定物体２１の複数の反射面の表面形状と膜厚分布を求めるための演算処理が行われる。
【００１０】
いま、多波長レーザ光源１０の波長を波長λ０から△λの間隔で（Ｍ−１）△λだけ増加させる。ｍを零からＭ−１までの整数とすると、各波長λｍは次式で表現される。
λｍ＝λ０＋ｍ△λ、ｍ＝０〜Ｍ−１                            （１）
被測定物体２１が２つの反射面Ａ、Ｂを持ち、それぞれの面の反射率をａ１、ａ２、光路差をＬ１、Ｌ２とし、ミラー２２を圧電素子２３によって振幅ａ、各周波数ωｃで正弦波状に振動させると、多波長λｍに対する各干渉信号Ｓ（ｔ，ｍ）は次式で表現される。
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さて、この時間的に変化する干渉信号は、ＣＣＤイメージセンサ３０のフレームレート及びシャッター時間をミラー２２の正弦波振動と同期させることによって、ＣＣＤイメージセンサ３０の出力から得ることができる。Ａ／Ｄ変換器３１によってパソコン３２に取り込まれる式（２）の干渉信号から、正弦波位相変調干渉法に基づく演算処理によって振幅Ａｍと位相？ｍを求める。そして、被測定物体１の複数の反射面で反射された光によってＣＣＤイメージセンサ検出面上に形成される検出光場Ｄ（ｍ）を次式で求める。
Ｄ（ｍ）  ＝Ａｍｅｘｐ（ｊΦｍ）                                      （４）
この検出光場Ｄ（ｍ）を、光路差Ｌである被測定物体２１の反射面付近に逆伝搬させることによって生じる光場Ｕ（ｍ）を次式で求める。
Ｕ（ｍ）＝  Ｄ（ｍ）ｅｘｐ（−ｊ２πＬ／λｍ）                                  （５）
次に、式（５）の逆伝搬させた光場Ｕ（ｍ）をすべての波長について足し合わせ、光路差Ｌにおける再生光場ＵＲ（Ｌ）を次式で求める。
【式（６）】
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式（５）の逆伝搬させた光場Ｕ（ｍ）は、被測定物体２１の反射面の位置では、すべてのｍについて位相が零あるいはπとなるため、再生光場ＵＲ（Ｌ）の位相ΦＲは零あるいはπである。また、再生光場強度ＩＲ＝  ｜ＵＲ（Ｌ）｜  ２は極大となる。従って、再生光場強度ＩＲから被測定物体２１の複数の反射面のおおまかな位置を求めることができ、再生光場の位相ΦＲから被測定物体２１の複数の反射面の正確な位置を求めることができる。
【００１１】
３次元構造をもつ被測定物体２１の奥行き方向は光路差Ｌで表現され、奥行き方向に垂直な平面は（Ｘ，  Ｙ）座標で示される。図２に、Ｘ＝４００μｍの平面Ｙ−Ｌにおいて実際に得られた再生光場強度ＩＲの分布を濃淡表示で示す。被測定物体２１はビニールシートである。図２の濃淡表示において白い部分は再生光場強度ＩＲの値は大きく、被測定物体２１の反射面が存在することを示している。図３に、図２のＹ＝４００μｍの線上における再生光場強度ＩＲを光路差Ｌに対して示す。被測定物体２１の２つの反射面Ａ、Ｂの位置を示す光路差Ｌ１とＬ２はそれぞれ、約２２０μｍ及び５３０μｍであることが分かる。図３に示されているように、反射面Ａの存在により、再生光場強度ＩＲは反射面Ａの位置で極大値を持ち、反射面Ａの位置から離れるに従って値は小さくなるが、他の反射面Ｂの位置において、反射面Ａの存在によって生じる再生光場強度ＩＲがほぼ零とみなせる値になる場合には、他の反射面Ｂの位置においても再生光場強度ＩＲは極大値を持つ。このように２つの反射面の位置を測定できるためには、２つの反射面Ａ、Ｂの光路差Ｌ１、Ｌ２の差はＬＳ＝λ０２／Ｂλ以上であることが必要である。但し、Ｂ？は多波長レーザ光源１１の波長走査幅であり、Ｂλ＝Ｍ△λとなる。図３では、λ０＝７８７ｎｍ、Ｂλ＝６ｎｍであり、ＬＳ＝１０３μｍとなる。２つの反射面Ａ、Ｂの光路差Ｌ１、Ｌ２の差がＬＳ＝λ０２／Ｂλ以上である場合、再生光場の位相ΦＲは反射面の位置で零あるいはπとなる。図４に、光路差Ｌ１とＬ２付近の再生光場の位相ΦＲを光路差Ｌに対して５ｎｍ間隔で求めた結果を示す。被測定物体２１の表面の反射面Ａでは位相ΦＲは零となり、裏面の反射面Ｂでは位相ΦＲはπとなることから、光路差Ｌ１とＬ２を数ｎｍの精度で正確に求めることができ、光路差Ｌ１とＬ２はそれぞれ、２２３．１１５μｍ及び５３０．０３５μｍであることが分かる。
【００１２】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。
【００１３】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、再生光場の位相？Ｒを反射面の付近で正確に求めることにより、反射面の位置を数ｎｍの精度で求めることができる。また、２次元ＣＣＤイメージセンサを用い、干渉信号を２次元平面で検出しているため、反射面の位置を２次元平面で求めることができる。すなわち、複数の反射面の２次元表面形状と膜厚分布を同時に測定することができる。
【００１４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複数の反射面の２次元表面形状および膜厚分布を測定するための装置の実施の形態を示す概略図である。
【図２】図２は測定物体２１がビニールシートである場合に実際に得られたＸ＝４００μｍの平面Ｙ−Ｌにおける再生光場強度ＩＲの濃淡表示図である。
【図３】図３は図２のＹ＝４００μｍの線上における光路差Ｌに対する再生光場強度ＩＲを示す図である。
【図４】図４は光路差Ｌ１とＬ２付近において５ｎｍ間隔の光路差Ｌに対する再生光場の位相ΦＲを示す図である。
【符号の説明】
１０…多波長レーザ光源（ＭＷＬ）
２０…ビームスプリッタ
２１…被測定物体
２２…ミラー
２３…圧電素子
２４…結像レンズ
３０…２次元ＣＣＤイメージセンサ
３１…Ａ／Ｄ変換器
３２…パソコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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