(57)【要約】【課題】例えば半導体製造プロセスやＦＰＤ製造プロセス等におけるインライン計測に好適なＶＡＲ法利用の膜厚測定装置を提供する。【解決手段】試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている。【選択図】　　　図１２
2004069651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、
多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、
前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、
前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている、ことを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項２】
前記投光側光学系には、前記測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段が含まれており、
前記受光側光学系には、前記試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第２の光電変換手段が含まれており、さらに
前記演算手段には、前記第２の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている、ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記特徴化手段が前記測定媒体光の断面輪郭のうちで基準光軸に相当する部分をエッジ整形する断面輪郭整形手段である、ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記断面輪郭整形手段には、スリット、アパーチャ、又はナイフエッジが少なくとも含まれる、ことを特徴とする請求項３に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記光電変換部アレイ手段が前記第２の光電変換手段を兼ねる、ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記受光量データ修正手段が、前記測定媒体光の基準光軸に相当する部分の前記第２の光電変換手段上の受光位置から前記試料の角度ズレ量を求めると共に、該求められた角度ズレ量に応じて、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データを角度ズレ量が修正される方向へと全体的にシフトさせる機能を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には２以上の波長成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各波長成分に対応する２以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各波長成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための波長別分光手段が含まれている、請求項１〜６のいずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には２以上の偏光成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各偏光成分に対応する２以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各偏光成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための偏光別分光手段が含まれている、請求項１〜６のいずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
前記投光光学系には、それぞれ異なる波長成分若しくは偏光成分を有する２種以上の測定媒体光を時分割して照射する手段が含まれ、
前記演算手段は、前記測定媒体光の照射タイミングに同期することにより、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部を介して各波長成分若しくは各偏光成分別の受光量データを取得する、ことを特徴とする、請求項１乃至６の何れかに記載の膜厚測定装置。
【請求項１０】
半導体製品やＦＰＤ等のような成膜プロセスを伴う製品の製造ラインに配置されてインラインで製品の膜厚計測を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば半導体製造プロセスやＦＰＤ（Ｆｌａｔ　Ｐａｎｅｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）製造プロセスにおいて、インラインで膜厚計測を行う場合等に好適な膜厚測定装置に係り、特に、インライン計測時に起こりがちな試料の距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を向上させて、高精度インライン計測を可能としたＶＡＲ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ａｎｇｌｅ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法を利用した膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造プロセスにおいては、半導体基板の大型化やデザインルールの微細化に伴い、不良に対する莫大な損害の可能性や微妙な異常に対する管理の必要性が生じており、このことから検査の重要性がますます高まっている。また、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）やＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｐａｎｅｌ）に代表されるＦＰＤ（Ｆｌａｔ　Ｐａｎｅｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）製造プロセスにおいても、ガラス基板の大型化が進む中で、大画面化・高精細化・高品位化が急速に進んでおり、高品質の製品を高歩留まりで生産するために、検査の重要性がますます高まっている。
【０００３】
従来、この種の製造プロセスにおける製品検査は、大きくかつ高価な膜厚測定装置を用いて、オフライン計測にて行われていた。このオフライン計測は、製造プロセス中から製品を抜き取り、離れたところにある膜厚測定装置まで運び、測定・確認を行うという一連の手順を通じて行われる。このようなオフライン計測では、測定した結果が管理基準から外れていた場合、その情報をフィードバックしてプロセスに反映・修正するまでに時間を要し、また抜き取りを行っていない製品については管理基準から外れているかの判定もできず、歩留まりを低下させるという問題があった。
【０００４】
そこで、例えば、成膜プロセス中（ｉｎ−ｓｉｔｕ）又は成膜プロセス直後の製造ライン中に膜厚測定装置を組み込むことでインライン計測を実現し、製造プロセス中から製品を抜き取ることなく全数測定を行うことで、製品歩留まりを向上させたいとするニーズが大きくなっている。
【０００５】
このようなインライン計測に適用可能な膜厚測定装置は、（１）従来のオフライン計測に使用される膜厚測定装置と同等の性能を有すること、（２）小型で高速演算処理が可能であること、（３）後述する距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を有すること、と言った諸条件が要求される。
【０００６】
ところで、薄膜の膜厚を高精度に測定可能な膜厚測定方法としては、ＶＡＲ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ａｎｇｌｅ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）法が従来より知られている。このＶＡＲ法は、光の入射角に応じた反射率分布を利用して薄膜の膜厚を計測するものである。
【０００７】
ＶＡＲ法を用いた従来の膜厚測定装置の説明図が図３３に示されている。なお、同図（ａ）に示されているのは、特開平０４−１８４１０４号公報に記載された入射角度走査型（仮称）の膜厚測定装置であり、同図（ｂ）に示されているのは、特開平９−１９６６３０号公報に記載されたマルチ角度同時入射型（仮称）の膜厚測定装置である。
【０００８】
先ず、同図（ａ）を参照して、入射角度走査型の膜厚測定装置について説明する。レーザ光源１０１，１０４は波長６３２８Åの出力安定化されたＨｅＮｅレーザであり、このレーザ１０１，１０４の出力光は偏光子１０３，１０６によりそれぞれＳ，Ｐ偏光に変換される。これらのＳ，Ｐ偏光の光は、消光比の高い偏光ビームスプリッタ１０７を介して測定試料Ｏに照射される。測定試料Ｏに照射される光の偏光状態は、シャッタ１０２，１０５により、Ｓ，Ｐのいずれかに選択可能となされている。レーザ光源１０１，１０４、シャッタ１０２，１０５、偏光子１０３，１０６、及び偏光ビームスプリッタ１０７により、光源装置が構成される。測定試料Ｏはターンテーブル１１１に支持される。ターンテーブル１１１には、回転アーム１１０が同軸的に取り付けられており、回転アーム１１０が２θ回転すると、ターンテーブル１１１がθだけ回転するようになっている。ターンテーブル１１１と回転アーム１１０とは支持手段を構成している。なお、１０８は演算手段、１０９は受光素子である。
【０００９】
次に、同図（ｂ）を参照して、マルチ角度同時入射型の膜厚測定装置について説明する。この膜厚測定装置は、試料２１７の表面に収束光又は発散光２１５を照射する照射光学系２１５（主として、レーザ光源２１４、ハーフミラー２１３、及び対物レンズ２１６で構成される）と、前記収束光又は発散光の前記試料からの反射光を導く受光光学系２１４（主として、対物レンズ２１６、ハーフミラー２１３、ハーフミラー２１０，コンデンサレンズ２０９、ピンホール２０８、ビームスプリッタ２１９、及びアレイセンサ２０７，２１１で構成される）と、該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布に基づいて前記試料の光学定数又は前記試料表面に形成された薄膜の光学定数を算出する光学定数算出装置２０６とを具備して構成される。なお、２１８は可動ステージ、２０１はＣＣＤカメラ、２０２はリレーレンズ、２０３は白色光源、２０４は集光レンズ、２０５はハーフミラーである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図３３（ａ）に示される入射角度走査型の膜厚測定装置にあっては、入射角に応じた反射率分布を測定するために、測定試料Ｏ又は光学系を回転させると言う構成を採用しているため、装置全体が大型になること、回転機構があるため計測に時間がかかること等の欠点があり、インライン計測には不適とされている。
【００１１】
一方、図３３（ｂ）に示されるマルチ角度同時入射型の膜厚測定装置によれば、開口径の大きな対物レンズの使用により、試料に対して様々な入射角度成分を有する測定媒体光を同時に照射することから、試料または光学系を回転させる機構が不要となり、その分だけ装置全体の小型化が可能となる。しかし、このマルチ角度同時入射型の膜厚測定装置にあっては、光学系と試料との相対的な位置関係が僅かに変動しても、光電素子アレイを介して観測される反射光の強度分布波形が大きく変動するため、装置の設置条件が大幅に制限され、インライン計測にはやはり不適とされる。ここで、光学系（主として、対物レンズ）と試料との相対的な位置関係の変動には、図３４に示される距離バタツキ（仮称）と図３５に示される角度バタツキ（仮称）とが想定される。
【００１２】
図３４を参照して、距離バタツキについて説明する。なお、図において、３０１は入射光束、３０２は反射光束、３１１は試料が基準高さ状態にあるときの反射光の強度分布波形、３１２は試料が上昇状態にあるときの反射光の強度分布波形、３１３は試料が下降状態にあるときの反射光の強度分布波形、３２１は一次元ＣＣＤやＬＥＤアレイ等の受光素子アレイ、３２２は基準高さ、３２３は対物レンズ、３２４は半導体製品やＦＤＰ等の試料、３２４ａは試料表面の薄膜である。
【００１３】
距離バタツキとは、光学系（例えば、対物レンズ３２３）と試料３２４との距離が変動する現象のことである。この距離バタツキが発生すると、受光素子アレイ３２１を介して観測される反射光の強度分布波形３１１のアレイ列方向の幅が変動するため、その強度分布波形に基づいて算出される薄膜の光学定数は誤ったものとなる。
【００１４】
同図（ｂ）に示されるように、試料３２４の上面が基準高さ３２２に一致する基準高さ状態においては、入射光束３０１の集光点は試料３２４の上面に一致して、入射光束３０１と反射光束３０２とは完全に重なり合うため、受光素子アレイ３２１の出力側においては、符号３１１で示される基準となるアレイ列方向幅を有する反射光の強度分布波形が観測される。
【００１５】
同図（ａ）に示されるように、試料３２４の上面が基準高さ３２２よりも上昇した上昇状態においては、入射光束３０１の集光点は試料３２４の上面よりも下方に位置して、入射光束３０１の輪郭よりも反射光束３０２の輪郭の方が小さくなるため、受光素子アレイ３２１の出力側においては、基準となる強度分布波形３１１よりも幅狭な反射光の強度分布波形３１２が観測される。
【００１６】
同図（ｃ）に示されるように、試料３２４の上面が基準高さ３２２よりも下降した下降状態においては、入射光束３０１の集光点は試料３２４の上面よりも上方に位置して、入射光束３０１の輪郭よりも反射光束３０２の輪郭の方が大きくなるため、受光素子アレイ３２１の出力側においては、基準となる強度分布波形３１１よりも幅広な反射光の強度分布波形３１３が観測される。
【００１７】
図３５を参照して、角度バタツキについて説明する。なお、図において、４０１は入射光束、４０２は反射光束、４１１は試料が基準角度（水平）状態にあるときの反射光の強度分布波形、４１２は試料が左下り傾斜状態にあるときの反射光の強度分布波形、４１３は試料が右下り傾斜状態にあるときの反射光の強度分布波形、４２１は一次元ＣＣＤやＬＥＤアレイ等の受光素子アレイ、４２２は基準角度（水平）、４２３は対物レンズ、４２４は半導体製品やＦＤＰ等の試料、４２４ａは試料表面の薄膜である。
【００１８】
角度バタツキとは、光学系（例えば、対物レンズ４２３）の光軸と試料４２４とのなす角度が変動する現象のことである。この角度バタツキが生ずると、受光素子アレイ４２１を介して観測される反射光の強度分布波形４１１のアレイ列方向の位置が変動（シフト）するため、その強度分布波形に基づいて算出される薄膜の光学定数は誤ったものとなる。
【００１９】
同図（ｂ）に示されるように、試料４２４の上面が基準角度（水平）４２２に一致する基準角度（水平）状態においては、入射光束４０１の集光点は試料４２４の上面に一致して、入射光束４０１と反射光束４０２とは完全に同軸で重なり合うため、受光素子アレイ４２１の出力側においては、符号４１１で示されるアレイ列方向の幅並びに位置を有する反射光の強度分布波形が観測される。
【００２０】
同図（ａ）に示されるように、試料４２４の上面が基準角度（水平レベル）よりも左下りに傾斜した左下り傾斜状態においては、反射光束４０２の光軸は入射光束４０１の光軸よりも左に傾斜するため、受光素子アレイ４２１の出力側においては、基準となる強度分布波形４１１よりも左方向へとシフトされた強度分布波形４１２が観測される。
【００２１】
同図（ｃ）に示されるように、試料４２４の上面が基準角度（水平レベル）よりも右下りに傾斜した右下り傾斜状態においては、反射光束４０２の光軸は入射光束４０１の光軸よりも右に傾斜するため、受光素子アレイ４２１の出力側においては、基準となる強度分布波形４１１よりも右方向へとシフトされた強度分布波形４１３が観測される。
【００２２】
なお、上述の特開平９−１９６６３０号公報に記載のマルチ角度同時入射型の膜厚測定装置にあっては、距離バタツキや角度バタツキに対処するために、オートフォーカス機能並びにステージ移動機能を搭載している。しかし、これらの機能を搭載した膜厚測定装置は、装置全体が大型化すると共に、演算処理時間も長大化するため、インライン計測には尚も不適である。
【００２３】
この発明は、従来の膜厚測定装置における上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、例えば半導体製造プロセスやＦＰＤ製造プロセス等におけるインライン計測に好適なＶＡＲ法利用の膜厚測定装置を提供することにある。
【００２４】
この発明のより具体的な目的とするところは、小型で高速演算処理が可能であり、しかも距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を有するＶＡＲ法利用の膜厚測定装置を提供することにある。
【００２５】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記載を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜厚測定装置は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている、ことを特徴とする。
【００２７】
このような構成によれば、試料と受光光学系との距離が変動したとしても、同一の入射光軸に対応する反射光軸は単に平行移動するだけであるから、受光側光学系に含まれるレンズと光電変換部アレイ手段の受光面との距離が当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されていれば、各入射光軸に対応する反射光は光電変換部アレイ手段上の決められたアレイ位置に必ず到達することとなるから、距離バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されて、距離バタツキに対する耐性が向上する。
【００２８】
なお、ここで、レンズと受光面との距離に関して『焦点距離とほぼ一致する』とあるのは、レンズには収差が存在するため、焦点距離と僅かにずれる場合もあることを考慮したものである。
【００２９】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光側光学系には、前記測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段が含まれており、前記受光側光学系には、前記試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第２の光電変換手段が含まれており、さらに前記演算手段には、前記第２の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている、ものであってもよい。
【００３０】
このような構成によれば、試料に対する入射角度が変動すると、第２の光電変換手段にて検出される基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されて、角度バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されることとなるから、角度バタツキに対する耐性も向上する。しかも、このような膜厚測定装置にあっては、距離バタツキに対する修正機能と角度バタツキに対する修正機能とは互いに影響を及ぼすことなく独立に作用するため、両者の修正機能を同時に実現しつつも、演算処理を複雑化することがないと言う利点を有する。すなわち、距離バタツキに関する修正機能は光学系の構成（『焦点距離にほぼ一致』）で実現される一方、角度バタツキに関する修正機能は電気系の構成（『一連の受光量データの誤差修正演算』）で実現されるため、両者が相互に影響し合って演算結果の収束に長時間を要すると言った不都合が回避される。
【００３１】
本発明の特徴化手段としては、計測媒体光とは別に専用の光源を設けて基準光軸を示すビームを形成する等々の様々な構成を採用することが可能である。もっとも、前記特徴化手段が前記測定媒体光の断面輪郭のうちで基準光軸に相当する部分をエッジ整形する断面輪郭整形手段であれば、そのような専用の光源が不要となり、コスト的に有利となる。このような断面輪郭整形手段としては、スリット、アパーチャ（投光に用いるレンズ自体がアパーチャとして作用する場合も含まれる）、又はナイフエッジ等を利用することができる。また、本発明の膜厚測定装置において、前記光電変換部アレイ手段が前記第２の光電変換手段を兼ねるようにすれば、第２の光電変換手段それ自体も不要となり、コスト的に一層有利となる。
【００３２】
本発明の膜厚測定装置において、前記受光量データ修正手段としては、前記測定媒体光の基準光軸に相当する部分の前記第２の光電変換手段上の受光位置から前記試料の角度ズレ量を求めると共に、該求められた角度ズレ量に応じて、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データを角度ズレ量が修正される方向へと全体的にシフトさせる機能を有する、ものであってもよい。このような構成によれば、演算処理が簡素化される。
【００３３】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には２以上の波長成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各波長成分に対応する２以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各波長成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための波長別分光手段が含まれている、ものであってもよい。
【００３４】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光側光学系から照射される前記測定媒体光には２以上の偏光成分が含まれており、かつ前記受光側光学系には前記各偏光成分に対応する２以上の光電変換部アレイ手段並びに前記試料上の膜厚計測点から到来する反射光を各偏光成分に分離して該当する光電変換部アレイ手段のそれぞれに導くための偏光別分光手段が含まれている、ものであってもよい。
【００３５】
本発明の膜厚測定装置にあっては、前記投光光学系には、それぞれ異なる波長成分若しくは偏光成分を有する２種以上の測定媒体光を時分割して照射する手段が含まれ、前記演算手段は、前記測定媒体光の照射タイミングに同期することにより、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部を介して各波長成分若しくは各偏光成分別の受光量データを取得する、ものであってもよい。
【００３６】
このような構成によれば、波長や偏光を２以上に亘り備えることで、各入射角度成分毎の検出情報量を増加させ、より高精度な膜厚計測が可能となる。
【００３７】
なお、以上の各膜厚測定装置において、前記光電変換部アレイ手段としては、一次元又は二次元のＣＣＤやＰＤアレイが使用可能である。もっとも、一次元ＣＣＤを使用すれば、データ処理の容易化や装置のコストダウンを図ることができる。
【００３８】
このような本発明の膜厚計測装置は、半導体製品やＦＰＤ等のような成膜プロセスを伴う製品の製造ラインに配置されてインラインで製品の膜厚計測に供することができ、これにより製品の歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る膜厚計測装置の好適な実施の一形態を添付図面に従って詳細に説明する。
［膜厚測定装置の基本原理］
【００４０】
本発明の説明に入る前に、本発明の前提となるＶＡＲ法を用いた膜厚測定装置の基本原理について説明する。
【００４１】
ＶＡＲ法を用いた膜厚測定装置の全体を示す構成図が図１に示されている。同図に示されるように、この膜厚測定装置１は、センサヘッド部２と、演算処理部３と、モニタ・キーボード・マウス等のＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）部４とを含んでいる。なお、図において、５は試料（例えば半導体やＦＰＤ等）を構成する基板、５ａは基板５の表面に存在する測定対象薄膜である。
【００４２】
センサヘッド部２の光学的構成が図２に示されている。同図に示されるように、センサヘッド部２には、投光部制御信号ｓ１により発光状態が制御される光源２１と、光源２１からの光を集光して基板（試料）５の薄膜５ａの膜厚測定点に照射する集光用レンズ２２と、膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光が図示しない受光用光学系を介して導かれる一次元ＣＣＤ２３とを含んでいる。なお、２３ａは一次元ＣＣＤ２３を構成する光電変換素子（画素）である。一次元ＣＣＤ２３の撮影動作は、一次元ＣＣＤ制御信号ｓ３により制御される。一次元ＣＣＤ２３の各画素２３ａから得られる一連の受光量データは、一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２として外部へと出力される。
【００４３】
演算処理部３の電気的構成が図３に示されている。同図に示されるように、演算処理部３は、投光部制御信号ｓ１を生成出力する投光部駆動回路３２と、一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２をデジタル信号に変換するＡＤ変換部３３と、一次元ＣＣＤ制御信号ｓ３を生成出力するＣＣＤ駆動回路３４と、各種のシステムプログラムを格納したＲＯＭ３５と、ＨＭＩ部を構成するキーボードやマウスとのインタフェースとして機能する入出力部３６と、ＨＭＩ部を構成するディスプレイとのインタフェースとして機能する表示部３７と、それらの構成要素３２〜３７を統括制御すると共に、後述する膜厚測定演算や角度バタツキ演算等を実行するためのＣＰＵ３１とを含んで構成される。
【００４４】
次に、この膜厚測定装置の作用を説明する。図２において、光源２１から発せられた光は、集光レンズ２２によって集められ、測定対象である基板５上の薄膜５ａに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、試料の膜厚測定点には、角度θ０から角度θ１に至る連続した入射角成分を有する測定媒体光が入射される。
【００４５】
入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点からの反射光は、図示しない受光光学系を介して一次元ＣＣＤ２３の受光面に導かれる。一次元ＣＣＤ２３の受光面には、多数の受光素子（画素）２３ａを一列に配列してなる画素列が形成されている。画素列を構成する各受光素子２３ａの受光量データは、一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２として外部へとシリアルに出力される。この一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２を介して入射角（θ０〜θ１）に応じた反射光強度分布波形が観測される。観測された反射光強度分布波形は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であるから、これを演算処理部３で理論反射率分布と対比することにより膜厚を求めることができる。
【００４６】
理論反射率分布は以下のようにして求めることができる。図５に示されるように、基板５上の薄膜５ａに測定媒体光（入射光Ｉｉ）が入射すると、測定媒体光は薄膜５ａの表面及び裏面で反射されて互いに干渉する。このとき、反射率Ｒの理論式は式１で表されることが知られている。
【数１】
2004069651.tif 000003
【００４７】
ここで、Ｒは反射率、ｄは薄膜５ａの膜厚、ｎは薄膜５ａの屈折率、θ０は入射角、λは入射光の波長、ｒ０，ｒ１は基板の屈折率ｎ０，薄膜の屈折率ｎ，入射角θ０に関する量である。
【００４８】
よって、基板５の屈折率ｎと、薄膜５ａの屈折率ｎ０と、入射光の波長λとがわかっていれば、式１は膜厚ｄと入射角θ０との関数となり、任意の膜厚ｄにおける入射角θ０に応じた反射率分布が求められる。
【００４９】
例えば、基板５の材質がＳｉ、薄膜５ａの材質がＳｉＯ２のとき、薄膜５ａの膜厚ｄが１０００ｎｍの場合と１５００ｎｍの場合との２つの場合を考える。このとき、式１にて規定される入射角θ０に応じた反射率分布曲線は、図６のグラフに表される。すなわち、同図のグラフにおいて、ａは膜厚１０００ｎｍのときの反射率分布曲線、ｂは膜厚１５００ｎｍのときの反射率分布曲線である。このグラフに示されるように、膜厚が変われば反射率分布波形も異なるものとなることから、入射角に応じた反射率分布を知ることで、逆に、膜厚を測定できることが理解されるであろう。また、入射角に対する反射率の組み合わせを多数求めることができれば、薄膜の膜厚以外に薄膜の屈折率、基板の屈折率が未知数でも、式１からこれらを求めることが可能である。
【００５０】
なお、図５では単層膜に限定して式１を導出しているが（図７及び図８参照）、多層膜に対応した理論式も導出可能であり（図７及び図９参照）、これにより多層膜の膜厚測定も可能である。
【００５１】
演算処理部３のＣＰＵ３１における膜厚の計算処理法としては、カーブフィッティング法を利用することができる。カーブフィッティング法とは、予め計算してテーブルとして記憶しておいた各膜厚に対する波形データ（テーブルデータ）と測定した受光量データとを比較し、最小自乗法により受光量データと最も誤差（すなわち図１０のハッチング部分）の少ないデータを抽出し、その波形データの膜厚を測定対象となっている薄膜の膜厚とする方法である。膜圧の計算処理法としては、他にも極値探索法のような膜厚の計算方法を利用することも可能である。
【００５２】
膜厚の計算処理法として、カーブフィッティングを利用する場合の詳細を以下に説明する。測定対象となる薄膜の屈折率ｎ及びｒ０，ｒ１がキーボード等から入出力部３６を介して入力されると、ＣＰＵ３１では、膜厚ｄ及び入射角θ０の各値に対する反射率の値を式１により演算し、これらをＣＰＵ３１内のメモリにテーブルとして保持する。このようなテーブルの一例が図１１に示されている。同図に示されるように、このテーブルによれば、例えば、膜厚ｄｘ，入射角θｐのときの反射率はＲｄｘ（θｐ）、膜厚ｄｙ，入射角θｐ＋Δθのときの反射率はＲｄｙ（θｐ＋Δθ）であることが判る。
【００５３】
その後、図４のフローチャートに示される処理手順で、カーブフィッティングが実行される。すなわち、先ず、ＣＰＵ３１は、デジタル化された測定データ（反射率の測定データ）Ｍ（θ）をＡ／Ｄ変換部３３から取得する（ステップ４０１）。この測定データＭ（θ）は、言うまでもないが、一次元ＣＣＤ２３から得られたものである。その後、測定データＭ（θ）の取得に続いて、膜厚算出処理が開始される。
【００５４】
この膜厚算出処理では、膜厚ｄを最小膜厚ｄｘに初期設定したのち（ステップ４０２）、図１１の理論テーブルを用いて、膜厚ｄ＝ｄｘにおける反射率の理論データＲｄｘ（θ）と測定データＭ（θ）との差の自乗［Ｒｄｘ（θ）−Ｍ（θ）］２を入射角範囲θｐからθｑまで、Δθ刻みで計算し、その和Ｐ（ｄ）＝■（Ｒｄｘ（θ）−Ｍ（θ））２を求めて、メモリ内に記憶する一連の処理が実行される（ステップ４０３）。この理論データと測定データとの差の自乗和を求めてメモリ内に記憶する処理（ステップ４０３）は、膜厚ｄの値をΔｄ刻みで増加させつつ（ステップ４０４）、膜厚ｄがその最大膜厚ｄｚに達するまで（ステップ４０５ＮＯ）、繰り返し実行される（ステップ４０３）。
【００５５】
最大膜厚ｄｚまで自乗和の計算が終了すると（ステップ４０５ＹＥＳ）、メモリに記憶しておいた膜厚範囲ｄｘ〜ｄｚにおける自乗和Ｐ（ｄｘ）〜　Ｐ（ｄｚ）の中から最小の値をとる自乗和Ｐ（ｄｙ）が抽出され（ステップ４０６）、このときの膜厚ｄｙが測定膜厚として決定される（ステップ４０７）。
［第１実施形態］
【００５６】
次に、距離バタツキが組み込まれた膜厚測定装置の実施形態を図１２〜図１９を参照しつつ詳細に説明する。
【００５７】
距離バタツキ対策が組み込まれたセンサヘッド部２の光学的構成が図１２に示されている。この膜厚測定装置は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分（図示例ではθ０〜θ１）を含む測定媒体光を照射する投光側光学系（図示例では、光源２１と集光レンズ２２とが相当）と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段（図示例では一次元ＣＣＤ２３が相当）を含むと共に、試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズ（図示例ではレンズ２４が相当）を含む受光側光学系と、光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段（図示例では演算処理部３が相当）と、を含んでいる。加えて、受光側光学系に含まれるレンズ（図示例ではレンズ２４が相当）と光電変換部アレイ手段（図示例では一次元ＣＣＤ２３が相当）の受光面との距離は、当該レンズの焦点距離（ｆ）とほぼ一致するように設定されている。
【００５８】
膜厚測定のための基本動作は次の通りである。光源２１から発せられた測定媒体光は、集光レンズ２２の作用で測定対象である基板５上の薄膜５ａに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、θ０〜θ１の範囲の連続した入射角成分を有する測定媒体光が試料へと入射されることになる。
集光レンズ２２を介して入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光は、受光レンズ２４の作用で一次元ＣＣＤ２３の受光面に導かれる。これにより、一次元ＣＣＤ２３からは各受光素子（画素）２３ａの受光量データをシリアルに並べたものに相当する一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２が送出される。この一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２に基づいて、入射角（θ０〜θ１）のそれぞれに応じた反射光強度分布が観測される。このとき観測される入射角のそれぞれに応じた反射光強度分布は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部３で理論反射率分布と対比することにより目的とする膜厚が求められる。なお、演算処理部３における膜厚測定のための処理については、先に図１〜図１１を参照して説明した通りである。
【００５９】
図１２に示されるセンサヘッド部２の大きな特徴は、（１）受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面とが平行であること、及び（２）受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面との距離が、受光レンズ２４の焦点距離ｆとほぼ一致していること、にある。換言すれば、受光レンズ２４に対して試料（基板５）側を前方、一次元ＣＣＤ２３側を後方と定義すれば、一次元ＣＣＤ２３の受光面の位置は受光レンズ２４のほぼ後方焦点位置であると表現することができる。そして、このような配置によれば、距離バタツキの影響を受けない光学系を実現することができる。
【００６０】
距離バタツキ対策の作用説明図が図１３に示されている。今仮に、集光レンズ２２からの光束のうちで、入射角が最も離隔した２本の光線をＬ１，Ｌ２と定義する。また、基準高さＨｒｅｆにあるときの基板を符号５（薄膜を５ａ）、また距離バタツキにより下降したときの基板を符号５´（薄膜を５ａ´）とする。また、光線Ｌ１が基板５で反射された反射光線を符号Ｌ１１、基板５´で反射された反射光線をＬ１２とする。また、光線Ｌ２が基板５で反射された反射光線をＬ２１、基板５´で反射された反射光線をＬ２２とする。さらに、一次元ＣＣＤ２３の受光面上における反射光線Ｌ１１，Ｌ１２の入射点をＰ１、反射光線Ｌ２１，Ｌ２２の入射点をＰ２とする。すると、図から明らかなように、同一の入射光線Ｌ１，Ｌ２に関しては、距離バタツキにより基板が上下移動したとしても、対応する反射光（Ｌ１１，Ｌ１２），（Ｌ２１，Ｌ２２）については、一次元ＣＣＤ２３の受光面上の同一の入射点Ｐ１，Ｐ２に入射することが理解されるであろう。
【００６１】
上述の距離バタツキによる影響を解消する作用は、以下の原理に基づくものである。スネルの法則によれば、入射光の角度と試料の法線方向とが決定されれば、反射角は一意に決定されることが知られている。図１４に示されるように、入射角θで試料に光線Ｌ１が入射している状況を考えると、このときに距離バタツキにより試料の上下変動ΔＬが生じたとしても、入射光線Ｌ１の角度θと試料の法線Ｌ０１，Ｌ０２，Ｌ０３，Ｌ０４の方向は変化しないから、反射角も変化しないことが判る。しかし、距離バタツキが生ずると、反射面の平行移動に伴い、反射する点がＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４の如く移動するため、反射光線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４も平行に移動する。
ここで、それぞれ異なる入射角θ１，θ２，θ３を有する３本の入射光線Ｌ１，Ｌ３，Ｌ２を想定する。このとき、距離バタツキ（基準高さの基板５，下降位置の基板５′、上昇位置の基板５″）が生ずると、図１５〜図１７に示されるように、各入射光線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のそれぞれについて、平行な３本の反射光線（Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２），（Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ２２），（Ｌ３０，Ｌ３１，Ｌ３２）が生ずる。
【００６２】
先に述べたように、受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面との距離は、受光レンズ２４の焦点距離ｆとほぼ一致させてあるため、図１８に示されるように、それら３組の平行光線（Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２），（Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ２２），（Ｌ３０，Ｌ３１，Ｌ３２）は、一次元ＣＣＤ２３の受光面上の３点であるＰ１，Ｐ２，Ｐ３に収束することになる。つまり、距離バタツキが生じたとしても、一次元ＣＣＤ２３の出力信号ｓ２を介して観測される波形の入射角（θ１〜θ３）に応じた反射光強度分布は変化しないので、正常な膜厚測定が可能になることが理解されるであろう。
ただ、受光レンズ２４には収差があるのが普通であるから、仮に受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面２３ａが平行で、かつ両者の距離が受光レンズ２４の焦点距離ｆと完全に一致したとしても、図１９に示されるように、各組の平行光線の集光点は、厳密な意味では受光面２３ｂ上の一点に収束しない。『〜焦点距離ｆとほぼ一致〜』と表現したのは、このことを意識したためである。
［第２実施形態］
【００６３】
次に、角度バタツキが組み込まれた膜厚測定装置の実施形態を図２０〜図２３を参照しつつ詳細に説明する。
【００６４】
角度バタツキ対策が組み込まれたセンサヘッド部２の光学的構成が図２０に示されている。この膜厚測定装置２は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分（図示例ではθ０〜θ１）を含む測定媒体光を照射する投光側光学系（図示例では、光源２１と集光レンズ２２とが相当）と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段（図示例では一次元ＣＣＤ２３が相当）を含むと共に、試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を光電変換部アレイ手段の受光面上に導く受光光学系（図示省略）と、光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段（図示例では演算処理部３が相当）と、を含んでいる。
【００６５】
さらに、投光側光学系には、測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段（図示例ではエッジ整形手段として機能するスリット板２５のスリット２５ａが相当）が含まれており、また受光側光学系には、試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第２の光電変換手段（図示例では一次元ＣＣＤ２３そのものが相当）が含まれている。さらに、演算手段には、第２の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている。
【００６６】
膜厚測定のための基本動作は次の通りである。光源２１から発せられた測定媒体光は、集光レンズ２２の作用で測定対象である基板５上の薄膜５ａに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、θ０〜θ１の範囲の連続した入射角成分を有する測定媒体光が試料へと入射されることになる。
集光レンズ２２を介して入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光は、図示しない受光光学系（図１２に示した受光レンズ２４と同等）の作用で一次元ＣＣＤ２３の受光面に導かれる。これにより、一次元ＣＣＤ２３からは各受光素子（画素）２３ａの受光量データをシリアルに並べたものに相当する一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２が送出される。この一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２に基づいて、入射角（θ０〜θ１）のそれぞれに応じた反射光強度分布が観測される。このとき観測される入射角のそれぞれに応じた反射光強度分布は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部３で理論反射率分布と対比することにより目的とする膜厚が求められる。なお、演算処理部３における膜厚測定のための処理については、先に図１〜図１１を参照して説明した通りである。
【００６７】
図２０に示されるセンサヘッド部２の大きな特徴は、（１）集光レンズ２２の入射側にエッジ整形手段として機能するスリット板２５（スリット２５ａ）が配置されて、入射光の断面がエッジ整形されて、基準光軸Ｌｒｅｆ０．Ｌｒｅｆ１が特徴づけられていること、（２）反射光の基準光軸Ｌｒｅｆ０′，Ｌｒｅｆ１′の到達点Ｐｒｅｆ０．Ｐｒｅｆ１が一次元ＣＣＤ２３を介して検出されること、（３）検出された入射点Ｐｒｅｆ０，Ｐｒｅｆ１に基づいて、一次元ＣＣＤ２３からの出力信号ｓ２に含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されること、にある。
【００６８】
すなわち、投光光学系に配置されたエッジ整形手段としてのスリット板２５には、図２１（ａ）に示されるようにその中央部にスリット２５ａが形成されており、このスリット２５ａの長手方向の両端縁により入射角範囲（θ０〜θ１）が決定され、換言すれば、測定媒体光中に２本の基準光軸Ｌｒｅｆ０，Ｌｒｅｆ１が特徴付けされる。これらの２本の基準光軸Ｌｒｅｆ０，Ｌｒｅｆ１は、試料で反射されて反射光の基準光軸Ｌｒｅｆ０′，Ｌｒｅｆ１′となり、一次元ＣＣＤ２３の受光面上の画素位置Ｐｒｅｆ０，Ｐｒｅｆ１に入射される。これら入射点の画素座標Ｒｒｅｆ０，Ｒｒｅｆ１は、一次元ＣＣＤ２３の出力信号ｓ２を例えば暗レベル相当のしきい値で二値化することで、容易に検出することができる。したがって、入射角範囲の両端（θ０とθ１）を一次元ＣＣＤ２３の各画素２３ａを介して観測し、基準位置からの画素位置のずれを見ることで、角度バタツキを検出し、かつ角度バタツキのない状態に戻すことができる。ここで基準位置とは、図２０においてＰｒｅｆ０，Ｐｒｅｆ１に示されるように、角度バタツキが存在しない状態で測定した画素位置のことである。
【００６９】
なお、この例では、エッジ整形手段（スリット板２５）は集光用レンズ２２近傍の光源２１側に配置されているが、レンズ２２近傍の基板５側に配置しても同様の作用を得ることができる。
【００７０】
角度バタツキの検出方法及び補正方法についてさらに詳細に説明する。先に説明したように、この種の膜厚測定装置において角度バタツキが生ずると、一次元ＣＣＤを介して観測される波形の画素列方向両端が基準位置からずれる。この状態では演算処理部で正常に波形処理を行うことができないため、これを膜厚測定のための演算処理に先立って補正する必要がある。
【００７１】
本発明者等の鋭意研究によれば、角度バタツキとそれに伴う測定条件の変動との間には、図２２に示される因果関係があることが知見された。角度バタツキが生ずると、それに伴って試料の傾きもΔθだけ傾き、その結果、試料の法線はＬ０からＬ０′となる。すると、入射角もΔθずれることとなり、入射角範囲はθ０＋Δθ〜θ１＋Δθとなる。入射角がΔθずれると、一次元ＣＣＤ２３で観測される光強度分布波形は、基準位置（Ｐｒｅｆ０〜Ｐｒｅｆ１）に対して２Δθだけずれた画素位置（Ｐｘ０〜Ｐｘ１）へと移動することとなり、一次元ＣＣＤにおいては、この入射角範囲θ０＋２Δθ〜θ１＋２Δθの画素位置（Ｐｘ０〜Ｐｘ１）にて光強度分布波形が観測される。したがって、一次元ＣＣＤ２３で観測された波形から、基準位置に対して波形が何度ずれているかを見ることで、試料が基準位置（Ｈｒｅｆ）に対して何度傾いているかを測定することができる。例えば、観測された波形が、基準位置から２Δθずれていれば、試料はΔθだけ傾いていることになる。
【００７２】
次に、検出した波形を、角度バタツキのない状態に戻すには、観測された波形の入射角範囲を検出されたずれ角度２Δθに応じてΔθだけ戻す操作を演算処理部３で行えばよい。例えば、入射角度範囲θ０＋２Δθ〜θ１＋２Δθの画素位置（Ｐｘ０〜Ｐｘ１）で観測された波形は、入射角度範囲θ０＋Δθ〜θ１＋Δθの範囲（Ｐｒｅｆ０〜Ｐｒｅｆ１）に戻される。この方法で、一次元ＣＣＤで観測される光強度分布波形を角度バタツキのない状態に戻すことができる。この結果、角度バタツキがあっても、正常な膜厚測定が可能になる。
【００７３】
演算処理部３にて実行される角度修正処理を示すフローチャートが図２３に示されている。同図に示されるように、演算処理部３では、先ず、Ａ／Ｄ変換部３３より測定データＭ（θ）を取得し（ステップ２３０１）、次いで測定データＭ（θ）に基づいて前述のアルゴリズムにより波形ずれ量２Δθの算出を行い（ステップ２３０２）、最後に、観測された入射角範囲をΔθだけ戻す処理を実行することにより、角度修正を完了する。その後、先に図４に示した処理を実行することで、正確な膜厚測定が可能となる。
【００７４】
なお、本実施形態においては、基準光軸特徴付けのためのエッジ整形手段としてスリット板２５を使用したが、これに代えて、図２１（ｂ）に示されるアパーチャ板２５′、図２１（ｃ）に示されるナイフエッジ板２５″等の他のエッジ整形手段を採用しても良い。なお、２５ａ′はアパーチャ、２５ａ″はナイフエッジである。
［第３実施形態］
【００７５】
距離バタツキ及び角度バタツキの双方に対する対策が組み込まれたセンサヘッド部の光学的構成が図２４に示されている。同図に示されるように、この膜厚測定装置２は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系（図では、光源２１、コリメータレンズ２６、集光レンズ２２が相当）と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段（図では、一次元ＣＣＤ２３が相当）を含むと共に、試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズ（図では、レンズ２４が相当）を含む受光側光学系と、光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段（図では、演算処理部３が相当）と、を含んで構成される。加えて、受光側光学系に含まれるレンズ（レンズ２４）と光電変換部アレイ手段（一次元ＣＣＤ２３）の受光面との距離は、当該レンズの焦点距離（ｆ）とほぼ一致するように設定されている。
【００７６】
また、投光側光学系には、測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段（図ではエッジ整形手段として機能するスリット板２５が相当）が含まれており、受光側光学系には、試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第２の光電変換手段（図では一次元ＣＣＤ２３自体が相当）が含まれており、さらに演算手段には、第２の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている。
【００７７】
膜厚測定のための基本動作は次の通りである。光源２１から発せられた測定媒体光は、コリメータレンズ２６にて平行光線とされたのち、スリット板２５のスリット２５ａを通過し、集光レンズ２２の作用で測定対象である基板５上の薄膜５ａに集光して照射される。試料の膜厚測定点は、入射光のほぼ集光位置に置かれる。このとき、θ０〜θ１の範囲の連続した入射角成分を有する測定媒体光が試料へと入射されることになる。
集光レンズ２２を介して入射された測定媒体光は試料で反射される。試料の膜厚測定点から到来する測定媒体光の反射光は、受光レンズ２４の作用で一次元ＣＣＤ２３の受光面に導かれる。これにより、一次元ＣＣＤ２３からは各受光素子（画素）２３ａの受光量データをシリアルに並べたものに相当する一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２が送出される。この一次元ＣＣＤ出力信号ｓ２に基づいて、入射角（θ０〜θ１）のそれぞれに応じた反射光強度分布が観測される。このとき観測される入射角のそれぞれに応じた反射光強度分布は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部３で理論反射率分布と対比することにより目的とする膜厚が求められる。なお、演算処理部３における膜厚測定のための処理については、先に図１〜図１１を参照して説明した通りである。
【００７８】
図２４に示されるセンサヘッド部２の大きな特徴は、（１）受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面とが平行であること、（２）受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面との距離が、受光レンズ２４の焦点距離ｆとほぼ一致していること、（３）集光レンズ２２の入射側にエッジ整形手段として機能するスリット板２５（スリット２５ａ）が配置されて、入射光の断面がエッジ整形されて、基準光軸Ｌｒｅｆ０．Ｌｒｅｆ１が特徴づけられていること、（４）反射光の基準光軸Ｌｒｅｆ０′，Ｌｒｅｆ１′の到達点が一次元ＣＣＤ２３を介して検出されること、（５）検出された反射光の基準光軸Ｌｒｅｆ０′，Ｌｒｅｆ１′の入射点と基準入射点Ｐｒｅｆ０，Ｐｒｅｆ１とに基づいて、一次元ＣＣＤ２３からの出力信号ｓ２に含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されること、にある。
【００７９】
距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図（その１〜その３）が図２５〜図２７に示されている。先に、図１４〜図１８を参照して説明したように、（１）受光光学系に含まれる受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面とが平行であること、及び（２）受光レンズ２４と一次元ＣＣＤ２３の受光面との距離が、受光レンズ２４の焦点距離ｆとほぼ一致すること、なる条件が満たされる限り、受光レンズ２４に入射される平行光線は一次元ＣＣＤ２３の受光面上の一点に集光して入射される。ここで、図２５〜図２７を参照して明らかなように、ズレ角Δθが一定である限り距離バタツキの有無に拘わらず、各高さ位置（上昇位置、基準位置、下降位置）にある基板５″，５，５′からの３組の反射光（Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２），（Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ２２），（Ｌ３０，Ｌ３１，Ｌ３３）は、いずれの組においても互いに平行な関係を維持している。そのため、この実施形態にあっても、入射光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対する反射光（Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２），（Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ２２），（Ｌ３０，Ｌ３１，Ｌ３３）は、一次元ＣＣＤ２３の受光面上の３点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に必ず集光されるから、距離バタツキによる影響の受けない光学系を実現することができる。
【００８０】
一方、図２５〜図２７において、ズレ角Δθが変動した場合には、先に、図２２を参照して説明したように、一次元ＣＣＤ２３の受光面に入射する反射光の入射点は、法線Ｌ０から法線Ｌ０′へのズレ角（Δθ）に応じて画素列方向へと所定角度分（２Δθ）移動することとなる。先の例で説明したように、投光光学系に配置されたスリット板２５のスリット２５ａは、エッジ整形手段として機能して入射角範囲（θ０〜θ１）を規定しており、換言すれば、入射光中に基準光軸Ｌｒｅｆ０，Ｌｒｅｆ１を特徴づけている。これら基準光軸Ｌｒｅｆ０，Ｌｒｅｆ１の反射光の一次元ＣＣＤ２３への入射点Ｐｘ０，Ｐｘ１は、一次元ＣＣＤ２３の出力信号ｓ２から検出することができる。演算処理部３では、検出された入射点Ｐｘ０，Ｐｘ１と基準となる入射点Ｐｒｅｆ０，Ｐｒｅｆ１とのズレ角２θに基づいて、試料の実際のズレ角Δθを求め、観測波形を角度バタツキのない状態に戻す処理を実行する。
【００８１】
したがって、この実施形態によれば、試料の距離バタツキ並びに角度バタツキに拘わらず、試料の単層薄膜又は多層薄膜の膜厚を高精度に測定することが可能となる。殊に、この実施形態によれば、距離バタツキに関する補正は一次元ＣＣＤ２３で観測された時点で既に完了しており、距離バタツキによる観測波形の変化は解消されている。したがって、観測波形が変化する要因は角度バタツキのみであり、演算処理部では角度バタツキに起因する誤差成分を補正する処理を実行するだけで済む。このように、距離バタツキ及び角度バタツキは互いに独立な過程で補正されるため、これら２種類のバタツキに起因する観測波形の変化を演算処理部で同一の過程で補正する場合のように、２つの補正処理が互いに競合して演算処理が収束しないと言った不都合は生じない。
その結果、この実施形態によれば、設置条件（距離／角度バタツキ）が緩和され、オートフォーカス機能が不要となる。同時に、装置の小型化、高速演算処理も実現され、インライン計測に適した装置を提供することが可能となる。
［第４実施形態］
【００８２】
２種類の光源並びに距離、角度バタツキ対策を施したセンサヘッドの光学的構成が図２８に示されている。同図に示されるように、この実施形態における光学系には、２種類の光源２１Ａ，２１Ｂが含まれている。これらの光源２１Ａ，２１Ｂからの光はハーフミラー２１Ｃを経て同軸整合されたのち、コリメータレンズ２６を経て平行光に整形される。平行光の経路部分には、スリット２５ａと偏光子２７とが配置されており、これにより入射角範囲（θ０〜θ１）と、光の偏光方向が決定される。偏光子２７を通過した光は集光レンズ２２によって集められ、測定対象である基板５上の薄膜５ａに集光して照射される。試料の膜厚測定点は入射光のほぼ集光位置に置かれる。ここで、偏光子２７は、入射光の偏光状態を入射面に対して４５度傾けるように設定する。これにより、連続した入射角θ０〜θ１を有すると共に、偏光子２７によって決定された偏光方向を有する測定媒体光が試料に入射されることになる。
【００８３】
入射された測定媒体光は試料で反射され、受光レンズ２４を通ってから、偏光ビームスプリッタ２８を経てＳ偏光とＰ偏光に分離される。分離された反射光は、２つの一次元ＣＣＤ２３Ａ，２３Ｂの一連の画素を介して入射角（θ０〜θ１）に応じたＳ偏光とＰ偏光の反射光強度分布として観測される。観測された反射強度分布波形は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部３で、理論反射率分布と対比して膜厚が求められる。
【００８４】
なお、受光レンズ２４と各一次元ＣＣＤ２３Ａ，２３Ｂとの距離は受光レンズ２４の焦点距離ｆとほぼ一致させてあり、又演算処理部３では前述の角度バタツキに対応したデータ修正処理が実行されることは言うまでもない。
【００８５】
なお、先に説明した反射率の理論式（式１）においては、波長も変数（λ）として扱われているため、２つの光源２１Ａ，２１Ｂが使用されている第４実施形態にあっては、それら２つの光源から照射される測定媒体光の波長を異なるものとすることで（使用する波長の数を増やせば）、測定できる反射率の情報が増えるため測定精度を上げることが可能である。
【数２】
2004069651.tif 000004
【００８６】
理論式（式１）は単一波長を想定しているため、１つの光源のみを使用して上記したように複数の波長を使用する際には、受光部で何らかの分光装置を用いて複数の波長に分離し、各波長に対する反射率を測定する必要がある。第４実施形態では、２つの光源２１Ａ，２１Ｂを使用しているため、それら各光源を異なる波長のものとして時分割的に動作（例えば均等に交互に光らせる等）させ、それぞれの波長に対する反射率を交互に測定するといった測定方法を採用することができる。
【００８７】
使用する光源の波長は、任意に変えることができ、より薄い膜を測定したいときには波長の短いものを用いる等、用途によって使い分けることができる。具体的には、紫外光、可視光、赤外光等の半導体レーザを用いることができる。また、複数の波長の光源を使用する結果、屈折率の分光特性を得ることも可能である。
【００８８】
また、通常のレンズには色収差があるため、集光レンズによって試料に集光して照射する際に、集光点が波長によって異なる等の問題がある。しかし、装置に使用する集光レンズに、アクロマティックレンズのような、色収差の補正されたレンズを用いれば、光源を取り替えるだけで様々な波長の光源に対応することが可能である。
【００８９】
この実施形態にあっては、図２８に示されるように、偏光子２７を使用することにより、試料への入射光の偏光状態を入射面に対して４５度傾けるように設定している。このような偏光特性を有する光を試料に入射し、受光部の偏光ビームスプリッタ２８でＳ偏光とＰ偏光に分離して、反射率の入射角分布を測定している。前述のように、反射率の入射角分布は式１で表される。しかし、式１に含まれるｒ０，ｒ１の値は、
【外１】
2004069651.tif 000005
と、
【外２】
2004069651.tif 000006
では、式２に表されるように異なる理論式となる。
【数３】
2004069651.tif 000007
【００９０】
よって、Ｓ偏光とＰ偏光の両方を測定することで、測定できる反射率の情報が増えるため測定精度を向上することが可能である。
［第５実施形態］
【００９１】
基準光軸を専用の光源にて設定するようにしたセンサヘッド部の光学的構成が図２９に示されている。先に説明した第２乃至第４実施形態にあっては、角度補正に必要な入射光の基準軸特徴付けを、スリット等のエッジ整形手段を使用して行っているが、この第５実施形態にあっては、別途専用の光源を付加することで、基準軸の特徴付けを行っている。また、先に説明した第２乃至第４実施形態にあっては、角度補正に必要な基準光軸の位置検出を膜厚測定用ＣＣＤそのものを使用して行っていたが、この第５実施形態にあっては、別途専用の光電センサ（ＰＳＤ）を使用することで、基準光軸の位置検出を行っている。
【００９２】
すなわち、図２９において、光源２１から出射された光は、ビームスプリッタ２９ｂを通り、集光レンズ２２によって集められ、測定対象である基板５上の薄膜５ａに集光して照射される。試料膜厚測定点は、入射光（測定媒体光）のほぼ集光位置に置かれる。入射光は試料で反射され、受光レンズ２４を通ってから、偏光ビームスプリッタ２９ｃを通り、一次元ＣＣＤ２３の各画素２３ａで、入射角に応じた反射光強度分布として観測される。観測された波形は、入射角に応じた反射率分布に対応した量であり、これを演算処理部３で、理論反射率分布と対比して膜厚が求められる。受光レンズ２４は一次元ＣＣＤ２３と平行に、かつほぼ後方焦点位置に配置される。この配置により、距離バタツキの影響を受けない光学系を実現することができる。
【００９３】
一方、光源２９ａから出射された細いビーム状の光は、ビームスプリッタ２９ｂで向きを変えられ、集光レンズ２２を通過して、測定対象である基板５上の薄膜５ａに基準光軸として照射される。入射された基準光軸に相当する光は試料で反射され、受光用レンズを通過してから、偏光偏光ビームスプリッタ２９ｃで向きを変えられ、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ）２９ｄに照射される。このとき、光軸設定用の光源２９ａからの光は、膜厚測定用の光源２１からの光とは異なる偏光状態の光とし、偏光ビームスプリッタ２９ｃにより光源２１からの光と分離されている。ＰＳＤ２９ｄにおける観測位置Ｐｘに対して、基準位置Ｐｒｅｆからのずれを検出することで、角度バタツキを検出し、かつ角度バタツキのない状態に戻すことができる。ここで、基準位置Ｐｒｅｆとは、図３０に示されるように、角度バタツキが存在しない状態で測定した基準光軸の照射位置のことである。この配置により、角度バタツキの影響を受けない光学系を実現することができる。なお、角度バタツキの修正に必要な演算処理については、先に、第２実施形態にて詳細に説明したので省略する。
【００９４】
なお、上記した第５実施形態においては、光源２１と光源２９ａを時分割的に動作させるとともに、それに同期させて強度分布波形を習得することで、２つの波長の測定媒体光に基づく膜厚測定を行うことも可能である。或いは、光源２１と光源２９ａの波長を異なったものとし、ビームスプリッタ２９ｂ、２９ｃに波長分離機能を有するダイクロイックミラー等を用いることで、２つの波長の測定媒体光に基づく膜厚測定を行うようにしてもよい。
【００９５】
以上説明した第１乃至第５実施形態からも明らかなように、本発明の膜厚測定装置は、試料の膜厚測定点に対して、様々な照射角度成分を含む測定媒体光を照射する投光側光学系と、多数の光電変換部を受光面上にアレイ状に配置してなる光電変換部アレイ手段を含むと共に、前記試料の膜厚計測点から到来する各照射角度毎の計測媒体光の反射光を前記光電変換部アレイ手段の受光面上に導くレンズを含む受光側光学系と、前記光電変換部アレイ手段の各光電変換部から得られる一連の受光量データに基づいて測定対象となる膜厚を求める演算手段と、を具備し、前記受光側光学系に含まれる前記レンズと前記光電変換部アレイ手段の前記受光面との距離は、当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されている、ことを特徴とするものである。
【００９６】
そのため、試料と受光光学系との距離が変動したとしても、同一の入射光軸に対応する反射光軸は単に平行移動するだけであるから、受光側光学系に含まれるレンズと光電変換部アレイ手段の受光面との距離が当該レンズの焦点距離とほぼ一致するように設定されていれば、各入射光軸に対応する反射光は光電変換部アレイ手段上の決められたアレイ位置に必ず到達することとなるから、距離バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されて、距離バタツキに対する耐性が向上する。
【００９７】
また、前記投光側光学系には、前記測定媒体光に対して基準光軸に相当する特徴付けを行う特徴化手段が含まれており、前記受光側光学系には、前記試料の膜厚計測点から到来する測定媒体光の反射光を受光してそれに含まれる基準光軸に相当する特徴を検出するための第２の光電変換手段が含まれており、さらに前記演算手段には、前記第２の光電変換手段により検出された基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分を修正する受光量データ修正手段が含まれている、ものである。
【００９８】
そのため、試料に対する入射角度が変動すると、第２の光電変換手段にて検出される基準光軸に相当する特徴に基づいて、各光電変換部から得られる一連の受光量データに含まれる試料の角度バタツキによる誤差成分が修正されて、角度バタツキに起因する反射光の強度分布波形の変動が抑制されることとなるから、角度バタツキに対する耐性も向上する。しかも、このような膜厚測定装置にあっては、距離バタツキに対する修正機能と角度バタツキに対する修正機能とは互いに影響を及ぼすことなく独立に作用するため、両者の修正機能を同時に実現しつつも、演算処理を複雑化することがないと言う利点を有する。すなわち、距離バタツキに関する修正機能は光学系の構成（『焦点距離にほぼ一致』）で実現される一方、角度バタツキに関する修正機能は電気系の構成（『一連の受光量データの誤差修正演算』）で実現されるため、両者が相互に影響し合って演算結果の収束に長時間を要すると言った不都合が回避される。
【００９９】
なお、以上の第１乃至第５実施形態にあっては、投光用レンズ（集光レンズ２２）と受光用レンズ（受光レンズ２４）とを分けて、試料に斜入射する方式を採用したが、図３３を参照して説明した従来例（特開平９−１９６６３０）のように、投光用と受光用に同一のレンズ（中心入射角が０°）を用いた同軸型でも距離／角度バタツキに強い光学系を実現することができる。このように同軸型で構成した本発明に係るセンサヘッドの一例を図３１に示す。
【０１００】
ただし、同軸型では集光レンズ（受光レンズ）の開口数Ｎ．Ａ．が０．４５以上であると、図３２に示されるように、受光レンズ２２Ａの後方焦点距離に一次元ＣＣＤ２３を配置することができない。よって、同軸型では開口数Ｎ．Ａ．を０．４５以下（入射角範囲は２７°以下）にしないと、距離／角度バタツキに強い光学系を実現することは困難である。反射率の理論式である式１は入射角の関数であり、入射角範囲は広く取れることが望ましい。斜入射型は、投光用と受光用が分離しているため、上記のような制限がなく、入射角範囲を広く取れる利点がある。
【０１０１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、小型で高速演算処理が可能であり、しかも距離バタツキや角度バタツキに対する耐性を有するＶＡＲ法利用の膜厚測定装置を提供することができ、この種の膜厚測定装置を例えば半導体製造プロセスやＦＰＤ製造プロセス等におけるインライン計測に適用するとが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＶＡＲ方向決め用いた膜厚測定装置の全体を示す図である。
【図２】センサヘッド部の光学的構成を示す図である。
【図３】演算処理部の電気的構成を示す図である。
【図４】膜厚測定処理を示すフローチャートである。
【図５】薄膜と入射光、反射光との関係を示す説明図である。
【図６】入射角に応じた反射率分布曲線を示すグラフである。
【図７】多層薄膜と各層の特性係数との関係を示す説明図である。
【図８】単層膜の光学特性を示す説明図である。
【図９】多層膜の光学特性を示す説明図である。
【図１０】最小自乗法での採用データを示す説明図である。
【図１１】演算部のメモリに格納されたテーブルの内容を示す図である。
【図１２】距離バタツキ対策の組み込まれたセンサヘッド部の光学的構成を示す図である。
【図１３】距離バタツキ対策の作用説明図である。
【図１４】距離バタツキ対策の原理説明図である。
【図１５】距離バタツキ対策の作用を入射光路別に示す説明図（その１）である。
【図１６】距離バタツキ対策の作用を入射光路別に示す説明図（その２）である。
【図１７】距離バタツキ対策の作用を入射光路別に示す説明図（その３）である。
【図１８】距離バタツキ対策の作用を受光用レンズの後段について示す説明図である。
【図１９】一次元ＣＣＤ受光面付近の集光状態を拡大して示す説明図である。
【図２０】角度バタツキ対策の組み込まれたセンサヘッド部の光学的構成を示す図である。
【図２１】エッジ整形手段の説明図である。
【図２２】角度バタツキ対策の作用説明図である。
【図２３】角度修正処理を示すフローチャートである。
【図２４】距離バタツキ及び角度バタツキの双方に対する対策が組み込まれたセンサヘッド部の構成を示す図である。
【図２５】距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図（その１）である。
【図２６】距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図（その２）である。
【図２７】距離及び角度バタツキ対策を併用する場合の作用説明図（その３）である。
【図２８】２つの光源並びに距離、角度バタツキ対策を施したセンサヘッドの光学的構成を示す図である。
【図２９】基準光軸を専用の光源にて設定する場合の光学的構成を示す図である。
【図３０】基準光軸を専用の光源にて設定する場合の作用説明図である。
【図３１】同軸型で構成したセンサヘッド部の説明図（その１）である。
【図３２】同軸型で構成したセンサヘッド部の説明図（その２）である。
【図３３】ＶＡＲ法を用いた従来の膜厚測定装置の説明図である。
【図３４】距離バタツキの説明図である。
【図３５】角度バタツキの説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　膜厚測定装置
２　　　　　センサヘッド部
３　　　　　演算処理部
４　　　　　演算処理部
５　　　　　基板
５ａ　　　　薄膜
２１，２１Ａ，２１Ｂ　　　　光源
２１Ｃ　　　ハーフミラー
２２　　　　集光用レンズ
２３，２３Ａ，２３Ｂ　　　　一次元ＣＣＤ
２３ａ　　　画素
２３ｂ　　　受光面
２４　　　　受光用レンズ
２５　　　　スリット板
２５ａ　　　スリット
２５′　　　アパーチャ板
２５ａ′　　アパーチャ
２５″　　　ナイフエッジ板
２５ａ″　　ナイフエッジ
２６　　　　コリメータレンズ
２７　　　　偏光子
２８　　　　偏光ビームスプリッタ
２９ａ　　　基準光軸用の光源
２９ｂ　　　偏光ビームスプリッタ
２９ｃ　　　偏光ビームスプリッタ
２９ｄ　　　ＰＳＤ
Ｈｒｅｆ　　試料の基準位置
Ｌｒｅｆ０，Ｌｒｅｆ１　　　　基準光軸
ｆ　　　　　焦点距離
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３　　　　入射点
θ０〜θ１　　　　入射角
【図１】
2004069651.tif 000008
【図２】
2004069651.tif 000009
【図３】
2004069651.tif 000010
【図４】
2004069651.tif 000011
【図５】
2004069651.tif 000012
【図６】
2004069651.tif 000013
【図７】
2004069651.tif 000014
【図８】
2004069651.tif 000015
【図９】
2004069651.tif 000016
【図１０】
2004069651.tif 000017
【図１１】
2004069651.tif 000018
【図１２】
2004069651.tif 000019
【図１３】
2004069651.tif 000020
【図１４】
2004069651.tif 000021
【図１５】
2004069651.tif 000022
【図１６】
2004069651.tif 000023
【図１７】
2004069651.tif 000024
【図１８】
2004069651.tif 000025
【図１９】
2004069651.tif 000026
【図２０】
2004069651.tif 000027
【図２１】
2004069651.tif 000028
【図２２】
2004069651.tif 000029
【図２３】
2004069651.tif 000030
【図２４】
2004069651.tif 000031
【図２５】
2004069651.tif 000032
【図２６】
2004069651.tif 000033
【図２７】
2004069651.tif 000034
【図２８】
2004069651.tif 000035
【図２９】
2004069651.tif 000036
【図３０】
2004069651.tif 000037
【図３１】
2004069651.tif 000038
【図３２】
2004069651.tif 000039
【図３３】
2004069651.tif 000040
【図３４】
2004069651.tif 000041
【図３５】
2004069651.tif 000042