(57)【要約】【課題】  基板の表面ラフネスに起因するノイズの影響を受けずに、周期配列パターンを精度良く測定できるようにする。【解決手段】  投光部１１および受光部１２を含むセンサヘッド１０と、ＣＰＵ２１やメモリ２２を含むコントローラ２０とにより光学式測定装置を構成する。投光部１１は測定対象の基板１に対し、その電極の配列方向に長い帯状ビームを照射する。受光部１２はＣＣＤを含み、基板１からの回折光の反射波を次数毎に切り分けて受光できるように調整されている。コントローラ２０のＣＰＵ２１は、受光部１２からの受光量データを取り込んで各次数の回折光の強度を認識した後、基板１の表面ラフネスの影響が大きい１〜３次の回折光を除外し、他の次数の回折光の強度を理論上の強度と比較する処理を実行する。【選択図】  図４
2005331321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期性を持つ構造物が配列された基板に光を照射する投光手段と、前記照射光により基板で生じた回折光の反射波を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段により得た各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備する装置において、
前記測定手段は、あらかじめ選択された所定の次数の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成されて成る光学式測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載された装置において、
前記構造物の複数とおりの形状データについて、それぞれ前記あらかじめ選択された次数を除く複数の次数の回折光の理論上の強度が登録されたメモリを具備し、前記測定手段は、前記受光手段が分離した各回折光のうち、前記理論上の強度が登録されているものを対象として前記比較処理を実行するようにした光学式測定装置。
【請求項３】
周期性を持つ構造物が配列された基板に光を照射する投光手段と、前記照射光に対する基板からの回折光の反射波を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段が分離した各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備する装置において、
各次数の回折光のうち、前記基板の表面ラフネスに近似する周期ｑに起因するノイズ成分の影響を受ける次数を選択する選択手段を具備し、
前記測定手段は、前記受光手段が分離した各回折光の中から前記選択手段により選択された次数の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成されて成る光学式測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載された装置において、
前記表面ラフネスに近似する周期ｑと測定対象の基板上の構造物の周期ｐとについて、それぞれその周期が取り得る範囲を入力する入力手段を具備し、前記選択手段は、前記入力手段より入力された周期ｐ，ｑを用いて、前記ノイズ成分の影響を受ける次数を選択する光学式測定装置。
【請求項５】
前記選択手段は、ｐ／ｑの値に対応する次数を選択するように設定されて成る請求項４に記載された光学式測定装置。
【請求項６】
請求項３に記載された装置において、
前記周期性を持つ構造物が配列された基板について、前記投光手段および受光手段を用いて得られた回折光の強度分布のサンプルデータを入力する入力手段を具備し、前記選択手段は、複数のサンプルデータ間の回折光の強度のばらつきを次数毎に求め、所定値以上のばらつきが生じている次数を前記ノイズ成分の影響を受ける次数として選択する光学式測定装置。
【請求項７】
３００〜４００μｍの周期をもって構造物が配列された液晶基板を測定対象として、前記基板に光を照射する投光手段と、前記照射光に対する基板からの回折光の反射波を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段が分離した各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備する装置において、
前記測定手段は、少なくとも１〜３次の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成されて成る光学式測定装置。
【請求項８】
４００〜５００μｍの周期をもって構造物が配列された液晶基板を測定対象として、前記基板に光を照射する投光手段と、前記照射光に対する基板からの回折光の反射波を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段が分離した各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備する装置において、
前記測定手段は、少なくとも１〜４次の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成されて成る光学式測定装置。
【請求項９】
周期性を持つ構造物が配列された基板に光を照射することによって生じた回折光の反射波を次数毎に分離して受光し、各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較することにより、前記構造物の形状を求める方法において、
各次数の回折光のうち、前記基板の表面ラフネスに起因するノイズ成分の影響を受ける次数を、前記比較処理の対象から除去することを特徴とする周期配列パターンの測定方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された方法において、
前記表面ラフネスに近似する周期ｑと基板上の構造物の周期ｐとが取り得る数値範囲に基づき、前記表面ラフネスに起因するノイズ成分の影響を受ける次数を求めるようにした周期配列パターンの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用の基板のように、所定大きさの構造物が周期性をもって配列された基板を対象として、前記構造物の周期配列パターンを測定する技術に関する。
なお、この明細書では、構造物として電極を例にして説明するが、これに限らず、カラーフィルタ、ブラックマトリクスなどを構造物とすることもできる。いずれの構造物についても、大きさ、形状、高さ、幅などを測定することができる。
【背景技術】
【０００２】
凹凸のあるパターンに光を照射すると光の回折が生じる現象を利用して、溝状のパターンの溝幅や溝深さなどを測定する技術が存在する（特許文献１〜４参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５７−１８７６０４号  公報
【特許文献２】特開平１−２８５８０号  公報
【特許文献３】特開平９−５０４９号  公報
【特許文献４】特開平１０−１２２８３５号  公報
【０００４】
上記のうち、特許文献１には、溝状パターンに平行な光を照射したときに得られる回折光の強度分布にかかる近似式（同文献の（１）式）が開示されている。さらに、特許文献１には、前記（１）式に基づき、回折角や回折光の強度から溝状パターンを測定するための算出式（（５）（６）（７）式）が開示されている。特許文献１の発明では、実際の溝状パターンからの回折光を受光して１次回折光の回折角、０次光と１次光との強度比、および１次光と２次光との強度比を測定し、これらの測定値を上記（５）（６）（７）式にあてはめることにより、溝の周期ｐ、溝幅ａ、溝深さｈを求めるようにしている。
【０００５】
他の特許文献２〜４にも、回折光の強度比を用いて溝状パターンを測定する方法が記載されている。なお、特許文献２，３では、ベクトル回折理論を用いた回折計算により、溝幅および溝深さと回折光の強度比との関係を示す理論曲線を求め、実際に測定された各回折光による強度比を理論曲線にあてはめる方法で測定を行っている。また、特許文献４には、４組の回折光の組み合わせ毎の強度比を用いて、台形状の構造物による周期配列パターンを測定することが記載されている。
【０００６】
上記の特許文献１〜４に記載された発明では、光ディスクや半導体基板などに形成された溝状パターンを測定対象とするが、ＬＣＤ用のガラス基板についても、これらの発明と同様の方法で測定可能であると考えられる。
【０００７】
さらに、上記の特許文献１〜４には明記されていないが、溝幅や溝深さの値を複数とおり組み合わせ、これらの組み合わせ毎に各次回折光の理論上の強度を対応づけたデータベースを作成することもできる。この場合、測定対象の溝状パターンから得た各回折光の強度分布に最も近い強度分布を前記データベースから抽出し、抽出された強度分布に対応する溝状パターンの形状を対象にあてはめることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ガラス基板は、その構成上、研磨処理を行うことが困難であるため、表面ラフネスが大きくなる。たとえば、表面ラフネスとして、照射光の波長の約１／１００以上の大きさの凹凸変化が生じている場合、位相のずれによって回折光の強度分布が変動する可能性がある。このような場合には、従来の技術をそのまま用いてガラス基板の測定を行うと、測定誤差が生じる可能性があり、安定した測定を行うことが困難になる。
【０００９】
この発明は上記問題に着目してなされたもので、ガラス基板のような表面ラフネスが大きな基板を測定対象とする場合に、表面ラフネスに起因したノイズ成分の影響を受けずに、基板上の周期配列パターンを精度良く測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、周期性を持つ構造物が配列された基板に光を照射することによって生じた回折光を用いて前記構造物の形状を求める方法および装置において、特に、照射光の波長に対して無視できないほどの凹凸が表面に生じている基板を測定対象とする場合に適用される。具体的な測定対象はガラス基板であるが、これに限らず、照射光の波長に対し、約１／１０以上の大きさの表面ラフネスが生じている基板には、この発明を適用するのが望ましい。
【００１１】
周期配列パターンにより発生する回折光の振幅の大きさ（強度）は、スカラー理論によって近似的に求めることができる。以下では、このスカラー理論に基づき、ガラス基板にかかる回折光の振幅分布を示す式を導出することにより、この発明を導き出すに至った根拠を説明する。なお、以下に示す数式において、ｊは、位相を示す虚数成分である。
【００１２】
具体例として、アルミニウム製の電極による配線パターンが形成されたガラス基板（以下、単に「基板」という。）の電極の形状（高さや幅）を測定する場合をあげて、説明する。まず、図１に示すように、基板１の表面が完全に平坦であると仮定し、電極２の配列周期をｐ、電極２間の幅をａ、電極２の高さをｈとする。また、電極２の並び方向をｘ軸とし、このｘ軸において、所定の電極２の中心点に対応するｘ座標を０、電極面を構成するアルミニウムの面（以下、「アルミ面」という。）に対応するｘ座標の範囲をＡｎ、電極間に位置するガラス面に対応するｘ座標の範囲をＢｎとする。なお、ｎは電極の順序を示す整数であり、ｘ＝０に対応する位置で、ｎ＝０となるものとする。
【００１３】
前記基板上の任意の位置ｘからの反射光の強度Ｕ１（ｘ）は、その位置が前記範囲Ａｎ，Ｂｎのいずれに含まれるかによって異なる式で表される。具体的にはつぎの（１）式のようになる。
【００１４】
【数１】
2005331321.tif 000003
【００１５】
なお、（１）式において、ｒは、ガラス面の振幅反射率ｒＧとアルミ面の振幅反射率ｒＡ（複素振幅）との比である（（２）式参照。）。また、φは、ガラス面からの反射光とアルミ面からの反射光との位相差である。この位相差φは、ガラス面とアルミ面との間の光路長の差（図１のｗを２倍した値（２ｈ／ｃｏｓθ）に相当する。なお、θは光の入射角である。）による位相差φｕと、各面の反射率の違いによる位相差φｔとを加算した値に相当する。φｕ、φｔはそれぞれ（３）（４）式により求められる。なお、（４）式のＩｍ（ｒＡ）はアルミの反射率ｒＡの虚数部であり、Ｒｅ（ｒＡ）は前記反射率ｒＡの実数部である。
【００１６】
【数２】
2005331321.tif 000004
【００１７】
【数３】
2005331321.tif 000005
【００１８】
【数４】
2005331321.tif 000006
【００１９】
ここで、基板から距離ｌの地点に一次元ＣＣＤのような受光手段を配備すると、この受光手段により取り出される反射光の強度の分布は、下記（５）式のＵ２（Ｘ）により表される。なお、この（５）式のＸは、前記距離ｌ、照射光の波長λ、および前記受光手段上の座標ｘ２を用いた（６）式により表される。また、Ｎは、光が照射される範囲に含まれる周期ｐの数である。
【００２０】
【数５】
2005331321.tif 000007
【００２１】
【数６】
2005331321.tif 000008
【００２２】
上記の（５）式は、前記特許文献１の（１）式と殆ど同じである。すなわち、基板の表面が平坦な場合であれば、従来の技術をそのまま適用して測定を行うことができる。しかしながら、実際の基板１の表面には、表面ラフネスが発生しているので、この表面形状を考慮して反射光の強度を導出する必要がある。
【００２３】
図２では、前記基板１の表面ラフネスが正弦波状に変化するものと仮定し、その変化の周期をｑ、振幅の最大値をｇとしている。ここで振幅ｇの大きさが前記照射光の波長λに対し無視できない大きさを持つ場合には、その振幅による光路長の差が位相のずれを引き起こし、反射光の強度が前記（５）式のＵ１（Ｘ）の値と異なるものになる可能性がある。
【００２４】
つぎに、基板１の表面ラフネスを考慮して各回折光の強度を求める方法について、順を追って説明する。図２のように、基板１の表面ラフネスの変化を正弦波に近似すると、前記基板１の任意位置ｘからの反射光の強度Ｕ１Ａ（ｘ）は、（７）式のようになる。
【００２５】
【数７】
2005331321.tif 000009
【００２６】
上記（７）式の後半部ＦにおけるＵ１（ｘ−ｎｐ）は、前記（１）式に基づくものである（（ｘ−ｎｐ）が（１）式のｘに対応する。）。すなわち、このＦの部分は、ガラス面とアルミ面との周期配列パターンを反映した位相を表すものである。
【００２７】
一方、前半部Ｇは、前記表面ラフネスの振幅ｇおよび周期ｑに起因する位相の遅れを示すものである。ここでは、この位相遅れの変化を、最大の振幅をφｇとするコサイン波と考えている。なお、φｇは、最大の振幅ｇに対応する部分を光が往復動することによって生じる位相差であり、前記振幅ｇ、波長λ、入射角θに基づく（８）式により求められる。
【００２８】
【数８】
2005331321.tif 000010
【００２９】
なお、前記（７）式の前半部Ｇはｅｘｐ関数であり、また、後半部ＦのＵ１（ｘ−ｎｐ）もｅｘｐ関数で表されるから、（７）式により、Ｇに対応する位相からＦが示す位相の遅れ分を差し引く演算が実行されると考えることができる。
【００３０】
ここで、上記（７）式をフランホーファの回折の式に当てはめることにより、前記基板１から距離ｌを隔てた位置で得られる反射光の振幅分布を、下記の（９）式により求めることができる。なお、この（９）式のＵ２Ａ（Ｘ）も、前記（５）式の強度Ｕ２（Ｘ）と同様に、一次元ＣＣＤなどの受光手段により取り出される反射光の強度を表すものである。Ｘも、同様に、前記（６）式により表される。
【００３１】
【数９】
2005331321.tif 000011
【００３２】
さらに、φｇ≪１とすると、上記Ｕ２Ａ（Ｘ）を（１０）式のような近似式により表すことができる。
【００３３】
【数１０】
2005331321.tif 000012
【００３４】
上記の（１０）式では、（５）式には認められない項を点線枠Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４で囲んでいる。これらＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の部分には、いずれもｓｉｎｃ関数が含まれている。ｓｉｎｃ関数は、ｓｉｎｃ（ｘ）＝ｓｉｎｃ（πｘ）／πｘと表される関数であり、ｘ≠０のときは０に近く、ｘ＝０のときに値が顕著に大きくなる、という特性を持つ。したがって、Ａ１，Ａ３の各部分は、Ｘ＝−１／ｑのときに、Ａ２，Ａ４の部分はＸ＝＋１／ｑのときに、それぞれ大きくなると考えることができる。
【００３５】
また、（１０）式中の末尾の分数によれば、この（１０）式による振幅分布は、sinπｐＸの周期で極大値をとることがわかる。これらの極大値は、それぞれｍ次（ｍは任意の整数）の回折光に対応すると考えることができるから、πｐＸ＝ｍπとなる。
【００３６】
よって、Ｘ＝ｍ／ｐ＝±１／ｑより、前記（１０）式が示す振幅分布Ｕ２Ａ（Ｘ）において、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４の値が大きくなるのは、±ｐ／ｑ次の回折光である、と考えることができる。
【００３７】
上記によれば、電極の周期ｐの取り得る範囲が判明している場合には、その範囲と前記ラフネスの周期ｑとに基づき、前記Ａ１〜Ａ４に相当するノイズが重なる回折光の次数を特定することができる。たとえば、大型のＬＣＤ基板では、表面ラフネスの周期は１００μｍ以上となり、電極の周期は約３００〜５００μｍとなる。よって、周期が３００〜４００μｍであれば、少なくとも±１〜３次の回折光に前記ノイズが重なる可能性が高くなり、周期が４００〜５００μｍであれば、少なくとも±１〜４次の回折光に前記ノイズが重なる可能性が高くなると、考えることができる。
【００３８】
この発明では、上記した原理に基づき、周期性を持つ構造物が配列された基板に光を照射することによって生じた回折光の反射波を次数毎に分離して受光し、各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較することにより、前記構造物の形状を求める場合に、各次数の回折光のうち、基板の表面ラフネスに起因するノイズ成分の影響を受ける次数を、前記比較処理の対象から除去するようにしている。
【００３９】
上記ノイズ成分の影響を受ける次数は、前記した理論に基づき、表面ラフネスに近似する周期ｑ、構造物の周期ｐのそれぞれが取り得る数値範囲から求めることができる。また、測定対象の基板のモデルを用いて、回折光の測定を複数回実行し、各次数の回折光のうち、強度のばらつきが所定値を超えた次数を、ノイズ成分に重なる次数として抽出することもできる。
【００４０】
表面ラフネスに近似する周期ｑと基板上の構造物の周期ｐとが取り得る数値範囲に基づき、前記表面ラフネスに起因するノイズ成分に重なる次数を求める場合には、たとえば、±ｐ／ｑの取り得る範囲を求め、この範囲に含まれる各次数をノイズ成分に重なる次数とすることができる。ただし、これに限らず、±ｐ／ｑの取り得る範囲より若干広い範囲まで抽出し、その範囲に入る各次数をノイズ成分に重なる次数としてもよい。
【００４１】
この発明にかかる光学式測定装置は、周期性を持つ構造物が配列された基板に光を照射する投光手段と、前記照射光により基板で生じた回折光の反射波を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段により得た各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備する。投光手段は、光源およびレンズ群を含むもので、前記構造物の配列方向に沿って広がる光を照射するように構成されるのが望ましい。受光手段は、ＣＣＤのような受光素子を含むもので、前記基板からの複数次数の回折光をそれぞれ受光面の異なる位置に入射できるように調整される。測定手段は、比較処理のためのプログラムにより動作するコンピュータであるのが望ましい。さらに、このコンピュータのメモリには、前記理論上の強度を含むデータベースが設定されるのが望ましい。
【００４２】
さらに、上記の光学式測定装置では、前記測定手段が、あらかじめ選択された所定の次数の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成されている。次数の選択は、たとえば、ノイズ成分に重なる次数を示す数値（１，２，３など）の入力によって行うことができる。または、前記表面ラフネスに近似する周期ｑと構造物の周期ｐについて、それぞれその周期が取り得る数値範囲の入力を受け付け、前記した理論に基づき、ノイズ成分に重なる次数を算出するようにしてもよい。また、特定の種類の基板のみを対象とし、前記周期ｐ，ｑがほぼ固定されている場合には、あらかじめこれらの周期に基づく所定の次数が常に選択されるように設定しておいてもよい。
【００４３】
また、上記の光学式測定装置の一態様では、前記構造物の複数とおりの形状データ（構造物の幅や高さの組み合わせをいう。以下も同じ。）について、それぞれ前記あらかじめ選択された次数を除く各回折光の理論上の強度が登録されたメモリを具備する。この場合の測定手段は、前記受光手段が分離した各回折光のうち、前記理論上の強度が登録されているものを対象として前記比較処理を実行する。
【００４４】
ただし、前記選択された次数を含む複数次数の回折光について、理論上の強度を登録してもよい。この場合の測定手段は、前記受光手段が分離した各回折光から選択された次数の回折光を除外し、残りの次数の回折光を用いて比較処理を実行することができる。
【００４５】
つぎに、この発明にかかる他の光学式測定装置は、前記と同様の投光手段、受光手段、測定手段に加え、各次数の回折光のうち、前記基板の表面ラフネスに起因するノイズ成分の影響を受ける次数を選択する選択手段を具備する。また、前記測定手段は、前記受光手段が分離した各回折光の中から前記選択手段により選択された次数の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成される。
【００４６】
上記において、選択手段は、前記した原理に基づき、周期ｑや構造物の周期ｐからノイズ成分に重なる次数を導出する演算回路とすることができる。この場合、測定対象の基板について、前記周期ｑ、および構造物の周期ｐが取り得る数値範囲を入力する入力手段が設けられるのが望ましい。選択手段は、たとえば、ｐ／ｑの取り得る範囲に対応する次数（正負いずれか一方の次数でもよいし、正負双方の次数でもよい。）を選択するように構成することができる。
【００４７】
また、上記の光学式測定装置には、測定対象の基板について、前記投光手段および受光手段を用いて得られる回折光の強度分布のサンプルデータを入力する入力手段を設けることもできる。この場合の選択手段は、複数のサンプルデータ間の回折光の強度のばらつきを次数毎に求め、所定値以上のばらつきが生じている次数を選択する演算回路とすることができる。なお、上記の入力手段は、あらかじめ取得したサンプルデータを外部から入力する手段としても良いが、モデルの基板が測定されているときに、受光手段からの受光量データを直接入力できるように構成してもよい。
また、選択手段がいずれの態様をとる場合も、その選択手段はコンピュータにより構成するのが望ましいが、これに限らず、ＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）により構成することもできる。
【００４８】
なお、上記の光学式測定装置には、前記選択手段がいずれの態様をとる場合でも、構造物の複数とおりの形状データについて、それぞれ受光手段が受光し得る複数の回折光の理論上の強度を登録しておくのが望ましい。
【００４９】
この発明にかかる光学式測定装置では、液晶テレビ用の基板を主な測定対象とすることができる。普及タイプである１８〜３０インチでＷ−ＸＧＡタイプの液晶基板では、画素のピッチが３００〜４００μｍとなる。このような液晶基板を測定対象とする装置として、この発明では、前記基板に光を照射する投光手段と、前記照射光に対する基板からの回折光を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段が分離した各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備し、前記測定手段が、少なくとも１〜３次の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成された装置を提供する。
【００５０】
発明者が測定したところによると、この種の液晶基板の表面ラフネスの周期ｑは１００μｍ以上であると考えられる。したがって、前記した理論によれば、構造物（電極）の周期が３００〜４００μｍである場合には、表面ラフネスに起因するノイズ成分は±１〜３次の回折光に影響を及ぼす可能性が高い。上記光学式測定装置では、受光手段が受光し得る回折光の範囲に応じて、＋１〜３次、または−１〜３次、または±１〜３次の各回折光を比較対象から除外し、他のノイズの影響を受けにくい次数の回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較することができる。なお、構造物の周期が４００μｍに近い場合には、４次の回折光も比較対象から除外することができる。
【００５１】
さらに、この発明では、上記よりも大きい４００〜５００μｍの周期をもって構造物が配列された液晶基板を測定対象とする光学式装置として、前記基板に光を照射する投光手段と、前記照射光に対する基板からの回折光を次数毎に分離して受光する受光手段と、前記受光手段が分離した各回折光の強度をそれぞれ理論上の強度と比較して、前記構造物の形状を求める測定手段とを具備し、前記測定手段が、少なくとも１〜４次の回折光を前記比較処理の対象から除外するように構成された装置を提供する。これも、上記と同様に、液晶基板の表面ラフネスの周期ｑが１００μｍ以上であることに基づくものである。なお、構造物の周期が５００μｍに近い場合には、５次の回折光も比較対象から除外することができる。
【発明の効果】
【００５２】
この発明によれば、照射光の波長に対して無視できないほどの大きさの表面ラフネスが生じている基板を測定対象とする場合に、表面ラフネスに起因するノイズ成分の影響を受ける次数を測定に使用しないようにしたので、ノイズ成分の影響を受けずに、構造物の形状を安定して測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
図３は、この発明の一実施例にかかる光学式測定装置の外観を使用例とともに示す。
この光学式測定装置は、ＬＣＤ用のガラス基板１に形成された電極について、その大きさや配列の周期などを測定するためのもので、センサヘッド１０とコントローラ２０とをケーブル４により接続して成る。なお、コントローラ２０は、パーソナルコンピュータにセンサヘッド１用のインターフェース基板やプログラムが組み込まれたもので、キーボード２０１やモニタ２０２などの周辺機器を含む。
【００５４】
前記センサヘッド１０には、レーザーダイオードを光源とする投光部や一次元ＣＣＤ（以下単に「ＣＣＤ」という。）を有する受光部などが含まれる。コントローラ２０は、このセンサヘッド１０の動作を制御するとともに、ＣＣＤからの出力を取り込んで後記する測定処理を実行する。
【００５５】
図４は、上記光学式測定装置の電気構成を示す。前記センサヘッド１０には、投光部１１および受光部１２のほか、投光回路１３、受光回路１４、タイミング制御回路１５などが含められる。なお、投光部１１，受光部１２の構成については、後で図６を用いて説明するが、投光部１１にはレーザーダイオード１１１（図６に示す。）が、受光部１２にはＣＣＤ１２２（図６に示す。）が、それぞれ配備される。
【００５６】
コントローラ２０は、ＣＰＵ２１、メモリ２１、ハードディスク２３、入出力部２４など、パーソナルコンピュータにおける通常の構成を具備するほか、前記した専用のインターフェース基板２００を有する。インターフェース基板２００には、インターフェース部２５、Ａ／Ｄ変換回路２６、センサ制御回路２７、トリガ入力部２８、電源回路２９などが搭載されており、インターフェース部２５を介してＣＰＵバス２０１に接続されている。
【００５７】
上記において、コントローラ２０のハードディスク２３内には、測定処理を実行するためのプログラムや判定テーブルなどが格納される。メモリ２２は、測定に使用する受光量データを一時保存するのに用いられる。入出力部２４は、キーボード２０１、モニタ２０２、図示しない外部機器への出力端子などを含む。
【００５８】
インターフェース基板２００のセンサ制御回路２７は、センサヘッド１のタイミング制御回路１５に測定処理のタイミングを知らせるトリガ信号を与えるためのものである。このトリガ信号は、トリガ入力部２８からの外部信号に基づき生成することができるほか、ＣＰＵ２１からのコマンドに基づき生成することもできる。いずれのトリガ信号を採用するかは、事前のデータ入力により設定することができる。なお、トリガ入力部２８は、基板検知用のセンサなどに接続されるものである。
【００５９】
タイミング制御回路１５は、前記トリガ信号に応じて所定長さのタイミング信号を生成し、これを投光回路１３および受光回路１４に出力する。投光回路１３は、このタイミング信号に基づき投光部１１のレーザーダイオード１１１を駆動する。受光回路１４は、前記タイミング信号に基づき、受光部１２のＣＣＤ１２２を駆動する。これにより、レーザーダイオード１１１の発光に同期するタイミングでガラス基板１からの反射光を受光することができる。
【００６０】
ＣＣＤ１２２により生成された受光量信号は、インターフェース基板２００のＡ／Ｄ変換回路２６に入力されて、ディジタル変換される。ＣＰＵ２１は、この受光量信号のディジタルデータ（以下、「受光量データ」という。）をインターフェース部２５を介して取り込んで、メモリ２２に格納した後、このメモリ２２内の受光量データを用いて前記した測定処理を実行する。
【００６１】
なお、前記電源回路２９は、センサヘッド１に電源を供給するためのものである。図４では図示していないが、この電源回路２９からの電源ライン、センサ制御回路２７からのトリガ信号の伝送ライン、ＣＣＤ１２２からの受光量信号の伝送ラインなどは、前記ケーブル４内に収容されることになる。
【００６２】
図５は、前記ガラス基板１の側面および上面を拡大して示す。このガラス基板１（以下、単に「基板１」という。）は、所定の厚みｔを持つもので、上面１ａには、縦横の各方向に沿って、それぞれ所定幅の矩形状電極２が一定間隔おきに配備される。この実施例では、２方向のいずれか一方における電極２の周期配列に着目し（勿論、各方向の周期配列に順に着目することも可能である。）、その配列方向に沿って所定長さの帯状光５を照射する。これにより、電極２の凹凸状態を反映した複数の回折光が発生し、基板１の表面および裏面で反射するようになる。なお、基板１の表面とは、前記電極２が配列された上面１ａに相当する。また、基板１の裏面とは、底面の内側の面１ｂと考えることができる。また、基板１の底面は図示しない定盤上に支持されるものとする。
【００６３】
図５において、ｈは電極２の高さを、ｄは電極２の幅を、ａは電極２間の間隔を、ｐは電極２の配列の周期を、それぞれ示す。この実施例では、基板１の厚みｔおよび周期ｐは一定であり、ｈ，ｄの値を測定対象とする。この測定のために、この実施例では、前記ｈ，ｄの値の組み合わせが異なる複数とおりの周期配列パターンについて、あらかじめ、各回折光の表面反射光の理論上の強度を求め、前記ハードディスク２３に登録している。具体的には、周期配列パターンの形状毎に、各回折光の理論上の強度を含むデータ（以下、「理論値データ」という。）を設定した判定テーブルが登録される。ＣＰＵ２１は、処理対象の基板１から得た受光量データを用いて各次数にかかる表面反射光の強度を測定し、その測定値を前記判定テーブルと照合することにより、前記基板１におけるｈ，ｄの値を特定する。この処理の詳細については後記する。
【００６４】
図６は、前記センサヘッド１内の投光部１１および受光部１２の主要構成を、これらの作用とともに示す。なお、図中、ｘ，ｙは、測定対象の電極の配列を基準にした座標軸であって、ｘが電極の配列方向に、ｙがこれに直交する方向に、それぞれ対応する。また、図中の吹き出し（Ａ）は、基板１への光の照射状態を示し、吹き出し（Ｂ）は、ＣＣＤ１２２への反射光の集光状態を示す。
【００６５】
前記投光部１１は、光源となるレーザーダイオード１１１の前方に、コリメートレンズ１１２、シリンドリカルレンズ１１３、および集光レンズ１１４が順に配置されて成る。一方、受光部１２は、前記ＣＣＤ１２２の前方にシリンドリカルレンズ１２１が配備された構成のものである。なお、投光部１１側のレーザーダイオード１１１および各レンズ１１２，１１３，１１４は、それぞれ専用のホルダ１１５，１１６，１１７，１１８により支持される。同様に、受光部１２側のレンズ１２１やＣＣＤ１２２も、専用のホルダ１２３，１２４により支持されている。なお、レーザーダイオード１１１には、概ね６５０〜８５０nｍの波長のレーザー光を出射するものが用いられる。
【００６６】
上記において、レーザーダイオード１１１から出射された光はコリメートレンズ１１２により平行にされた後、シリンドリカルレンズ１１３および集光レンズ１１４を順に通過する。シリンドリカルレンズ１１３は、前記コリメートレンズ１１２を通過した平行光をｙ方向で絞り込んで、ｘ方向に長い帯状光を生成する。この帯状光を構成する平行光は、集光レンズ１１４によって集束光に変換される。ただし、集光レンズ１１４には、このレンズ１１４から基板１までの標準的な距離よりも十分に長い焦点距離を有するものが使用されるので、吹き出し（Ａ）に示すように、基板１に対し、所定数の電極２を横切る長さの帯状光５を照射することができる。
【００６７】
受光部１２側のＣＣＤ１２２は、この集光レンズ１１４の焦点距離に対応する位置であって、前記帯状光５に対する回折光の反射光を切り分けて受光できる位置に配備される（詳細については後記する。）。なお、投光部１１側のシリンドリカルレンズ１１３の作用により、各反射光は前記投光部１２側での絞り込みの方向と反対方向に広がる光となるが、受光部１２側のシリンドリカルレンズ１２１は、この広がりを絞り込み、前記反射光を所定長さの帯状光６に成形するように機能する。
【００６８】
なお、この実施例では、帯状光６がＣＣＤ１２２の画素１２２ａの幅よりも長くなるように、シリンドリカルレンズ１２１の曲率を調整している。また、ＣＣＤ１２２は、その画素配列を帯状光６の並び方向に対応させて配備される。吹き出し（Ｂ）においては、ＣＣＤ１２２の画素配列方向をｘ２、これに直交する方向をｙ２として示す。
【００６９】
この光学式測定装置では、測定の精度を安定させるために、前記ＣＣＤ１２２により抽出した反射光の強度分布から２種類のノイズを除去する処理を実行する。第１のノイズは、基板１の裏面１ｂからの反射光に起因するものであり、第２のノイズは、基板１の表面ラフネスに起因するものである。
【００７０】
裏面１ｂからの反射光をノイズと考えるのは、つぎのような理由による。
前記したように、この実施例はガラス基板を測定対象とするので、基板表面で生じた回折光の一部は、基板１を透過して裏面１ｂで反射する。以下では、この裏面１ｂで反射する回折光を「裏面反射光」という。これに対し、基板１の表面１ａで反射する回折光を「表面反射光」という。
【００７１】
基板１の厚みｔが照射光のコヒーレント長よりも十分に大きい場合には、表面反射光と裏面反射光とは干渉しないので、理論上は、表面反射光と裏面反射光とがＣＣＤの同じ位置に入射するように光学系を調整し、次数毎の反射光の強度を理論上の強度と比較すれば良いことになる。しかしながら、現実の測定処理では、基板１を定盤上に固定することから、定盤と基板との間に生じる空気層間で生じる多重反射や定盤表面の反射率のばらつきなどの影響により、裏面反射光の強度を正しく得ることが困難になる。このため、裏面反射光に起因する強度をノイズとして取り除く必要が生じるのである。
【００７２】
つぎに、ガラス基板の表面ラフネスには、照射光の波長（６５０〜８５０nｍ）に対して無視できない大きさの振幅があるため、光路長（投光部１１から基板１までの光路および基板１から受光部１２までの光路の各長さを加算したものをいう。）のばらつきが大きくなる。この光路長のばらつきによる位相のずれによって、反射光は理論どおりの強度を示さなくなる可能性がある。先の［課題を解決するための手段］の欄で詳しく説明したように、この表面ラフネスに起因するノイズ成分は、特定の次数で顕著になるものの、他の次数ではさほど大きくならない。よって、ノイズ成分が顕著になる次数を比較処理の対象から除外すれば、測定誤差が生じるのを防止することができる。
【００７３】
この実施例では、第１のノイズに対しては、ＣＣＤ１２２上における表面反射光と裏面反射光とを切り分けて受光できるように光学系を調整し、表面反射光の強度のみを抽出するようにしている。
さらに、第２のノイズに対しては、前記ノイズ成分が顕著になる次数の表面反射光を除外した測定処理を行うようにしている。
【００７４】
まず、裏面反射光を除去する処理について、説明する。
図７は、前記図６の光学系による光の進行状態を模式的に示す。この図６では、基板１への照射光および表面反射光を実線で示し、基板１への透過光および裏面反射光を一点鎖線で示す。なお、この図７では、表面反射光と裏面反射光との関係を明瞭にするために、０次回折光にかかる光路のみを示すが、他の回折光についても、同様の関係を得ることができる。
【００７５】
前記投光部１１で生成された平行光は、集光レンズ１１４を通過することによって集束光に変換された後、基板１に照射される。基板１は鏡面であるので、表面反射光においても集束状態が維持され、所定位置で集光するようになる。裏面反射光でも、同様に収束状態が維持されるが、この裏面反射光は、投光部１１に対し、表面反射光よりも遠方で反射するから、表面反射光とは異なる位置に集光するようになる。
なお、照射光の１光路に対応する表面反射光と裏面反射光とに着目すると、これらの反射光は、基板１の上方において平行に進行する光となる。
【００７６】
この実施例では、前記した電極２の高さｄおよび幅ａがそれぞれ所定値であり、前記集光レンズ１１４が基板１から前記標準的な距離をおいて置かれたときの表面反射光の集光位置に合わせて、ＣＣＤ１２２を配備するようにしている。また、電極２の配列パターンやセンサヘッド１０の高さ位置が変動すると、ＣＣＤ１１２に対する表面反射光の集光位置も変化すると考えられる。また、裏面反射光は、表面反射光に比べて、集光レンズ１１４から反射位置までの距離が長くなるので、上記のように表面反射光の集光位置に合わせてＣＣＤ１２２を配備すると、ＣＣＤ１２２の手前に集光するようになる。しかしながら、集光レンズ１１４の焦点深度を深くすれば、これらの集光位置のずれはわずかなものとなり、いずれの反射光も、集光状態とみなし得る状態でＣＣＤ１１２に入射させることができる。よって、表面反射光と裏面反射光とをＣＣＤ１２２上に分離して入射させ、各反射光の鮮明な像を得ることができる。
【００７７】
図８は、光学系が前記図７のように調整されている場合に、ＣＣＤ１２２の各画素により得られる受光量の強度分布の望ましい状態を示す。図８（１）は、ＣＣＤ１２２上に表面反射光のみが集光したと想定した場合の分布曲線であり、各次数の表面反射光に対応する山状の画像が所定間隔をおいて出現している。以下、この山状の画像を「表面反射光像」という。図８（２）は、裏面反射光のみが集光したと想定した場合の分布曲線であり、同様に、各次数の裏面反射光に対応する山状の画像が所定間隔をおいて出現している。以下、この山状の画像を「裏面反射光像」という。図８（３）は、前記（１）の分布曲線が示す強度に（２）の分布曲線が示す強度を加算して得られる曲線である。基板１の厚みｔが光源のコヒーレント長よりも大きく、表面反射光と裏面反射光とが干渉しない場合には、この（３）に示すような受光量の分布曲線が得られることになる。
【００７８】
なお、上記いずれの曲線も、横軸は受光量データの座標を表すもので、前記図６の吹き出し（Ｂ）のｘ２方向に対応する。投光部１１と受光部１２とが前記図６の関係をもって配置される場合、図８では、投光部１１から離れる方向に進むほど座標が大きくなることになる。
【００７９】
各回折光の反射光が、前記図７に示した原理に基づいてＣＣＤ１２２上に集光する場合、この図８の例のように、ｍ次の回折光にかかる表面反射光像Ｐｍと裏面反射光像ｐｍとが異なる位置に現われるようになる。また、この図８の例では、ｍ次の表面反射光像Ｐｍとつぎの（ｍ＋１）次の表面反射光像Ｐｍ＋１との間にｍ次の裏面反射光像ｐｍが位置している。言い換えれば、各表面反射光像と裏面反射光像とが交互かつ次数の順に並んだ状態となっている。
【００８０】
また、前記電極の周期パターンのような矩形状の構造物による凹凸パターンに光を照射すると、０次回折光が他の回折光よりも圧倒的に優勢になる場合が多い。図８（１）の例ではピークが最大の表面反射光像Ｐ０が、図８（２）の例ではピークが最大の裏面反射光像ｐ０が、それぞれ０次回折光に対応すると考えることができる。これらの反射光像Ｐ０，ｐ０は、実際に得られる受光量の分布曲線においては、図８（３）に示すように、隣り合わせに位置すると考えることができる。なお、図中、０次よりも右側の像Ｐ１，ｐ１，Ｐ２，ｐ２，Ｐ３，ｐ３・・・は、１次、２次、３次・・・の表面反射光像および裏面反射光像であり、０次よりも左側の像Ｐ−１，ｐ−１，Ｐ−２，ｐ−２，Ｐ−３，ｐ−３は、−１次、−２次、−３次・・・の表面反射光像および裏面反射光像である。
【００８１】
この実施例にかかる光学式測定装置では、各回折光の表面反射光と裏面反射光とが前記図８（３）のような状態でＣＣＤ１２２上に分離して集光するような条件をあらかじめ求め、この条件に基づき、集光レンズ１１４の焦点距離や、集光レンズ１１４とＣＣＤ１２２との位置関係などを調整する。以下、この条件について、図９，１０を用いて説明する。
【００８２】
まず、図９は、前記図８（３）のように、各次数にかかる表面反射光像と裏面反射光像とを交互かつ次数の順に並べるための条件を示す。図中、Ｐｍ，Ｐｍ＋１は、それぞれｍ次、（ｍ＋１）次の表面反射光像であり、ｐｍ，ｐｍ＋１は、ｍ次、（ｍ＋１）次の裏面反射光像である。前記図８（３）のような受光量の分布曲線を得るには、同じ次数にかかる表面反射光像Ｐｍと裏面反射光像ｐｍとの距離ｂｘが表面反射光像Ｐｍ，ｐｍ＋１間の距離ａｘよりも小さくなる必要がある。すなわち、ａｘ＞ｂｘの関係が必要となる。
【００８３】
図１０（１）は、前記ｍ次および（ｍ＋１）次の表面反射光の光路により前記距離ａｘを示したものである。図中のＬは、基板１への光照射位置Ｃで生じた０次の表面反射光がＣＣＤ１２２に集光するように調整した場合の０次表面反射光の光路の長さである。以下、このＬを距離Ｌという。この実施例では、前記光学系の調整に必要な条件を、距離Ｌにより示すようにしている。
【００８４】
図中、θｍはｍ次の回折角である。ここで、電極２の配列周期をｐ、照射光の波長をλ、基板の厚みをｔ、光の入射角をθとすると、回折角θｍは、つぎの（Ａ）式により求めることができる。
【００８５】
【数１１】
2005331321.tif 000013
【００８６】
θｍ＋１は（ｍ＋１）次の回折角であり、上記（１）式のｍを（ｍ＋１）に置き換えることにより求めることができる。ここで、回折角θｍ，θｍ＋１がきわめて小さい（θｍ，θｍ＋１≪１）と考えると、前記距離ａｘは、つぎの（Ｂ）式による値に近似するものとなる。
【００８７】
【数１２】
2005331321.tif 000014
【００８８】
つぎに、図１０（２）は、前記ｍ次の回折光の表面反射光および裏面反射光の光路により距離ｂｘを示したものである。図中の角度θｔｒは、基板１に透過した回折光が垂直方向に対してなす角度である。回折角θｍがきわめて小さい場合には、前記距離ｂｘは、つぎの（Ｃ）式に近似するものとなる。なお、（Ｃ）式中、ｎ２は基板裏面の屈折率である。
【００８９】
【数１３】
2005331321.tif 000015
【００９０】
上記（Ｂ）（Ｃ）式を前記した条件：ａｘ＞ｂｘにあてはめることにより、前記距離Ｌについて、つぎの（Ｄ）式を導き出すことができる。  
【００９１】
【数１４】
2005331321.tif 000016
【００９２】
この実施例にかかる光学式測定装置では、センサヘッド１を基板１から所定の距離だけ離して設置したときに、基板１とＣＣＤ１２２との距離が前記（Ｄ）式の関係を満たすように、集光レンズ１１４とＣＣＤ１２２との位置関係が調整されている。また、集光レンズ１１４としては、上記の位置関係において、表面反射光がＣＣＤ１２２上に集光し、かつ裏面反射光も集光しているとみなすことができる状態になるような焦点距離を持つものが採用される。なお、前記距離Ｌの特定に必要なパラメータｐ，λ，θ，ｔ，ｎ２は、測定対象の基板や電極のパターン、投光部１１の構成などに基づき、あらかじめ特定することができる。
【００９３】
上記のような調整を行うことにより、ＣＣＤ１２２では、同じ次数にかかる表面反射光像と裏面反射光像との組が次数毎に順に並んだ分布曲線を生成することができる。前記コントローラ２０のＣＰＵ２１は、この分布曲線を示す受光量データの中から各次数の表面反射光像を示すものを抽出し、それらの強度を用いて電極の周期パターンを測定する。
【００９４】
図１１は、上記した表面反射光の強度の抽出にかかるＣＰＵ２１の手順を示す。なお、この手順は、後記する図１６のステップ２の詳細な手順にあたるので、各ステップを２０番代の数字により示す。また、この図１０および図１６では、各ステップを「ＳＴ」と略す。以下の説明も、これに準じて「ＳＴ」を使用する。
【００９５】
前記したように、０次回折光にかかる表面反射光と裏面反射光とは、いずれも他の次数にかかる反射光よりも強度が高く、また受光量の分布曲線中に並んで位置する関係にある。そこで、この手順では、ＳＴ２１において、受光量データ中の各反射光像の中からピークが最大のものとピークが２番目に大きいものとを抽出する。そして、これらのピーク間の距離が前記距離ｂｘに近い値であり、両者の間に他のピークが存在しないことを確認した上で、これらのピークに対応する２つの反射光像を０次回折光に対応するものとして特定する。
【００９６】
つぎのＳＴ２２では、前記０次回折光に対応する一対の反射光像のいずれか一方を、表面反射光像として特定する。前記図７に示したように、裏面反射光は、表面反射光よりも投光部１１から離れた位置で反射し、表面反射光と平行に進行するから、ＣＣＤ１２２上においても、表面反射光よりも投光部１１から離れた位置に集光することになる。したがって、ＳＴ２２では、前記一対の反射光像のうち投光部１１に近い方の像（図８の座標軸によれば、座標の小さい方の像となる。）を、表面反射光像として特定する。
【００９７】
また、この実施例にかかる受光量の分布曲線では、各次数にかかる表面反射光像は、前記図７のａｘに近い距離を隔てて次数の順に並んでいる。そこで、つぎのＳＴ２３では、前記０次の表面反射光像の位置から前記距離ａｘをｍ倍（ｍ＜０，ｍ＞０）した値だけ離れた位置を、ｍ次の表面反射光像の位置として特定する。なお、ａｘの具体的な値は、前記した（Ｂ）式により求めることができる。
【００９８】
ＳＴ２４では、特定された各表面反射光像の強度を求める。この強度として、この実施例では、図１２に示すように、各表面反射光像Ｐｍ，Ｐｍ＋１・・・につき、それぞれ幅ｗｍ，ｗｍ＋１・・・の範囲に含まれるデータの積分値を求めるようにしている。なお、この場合の幅ｗｍ，ｗｍ＋１・・・は、反射光像のピークの１／ｅ２以上の強度を得た領域に対応するものである。
【００９９】
つぎに、基板１の表面ラフネスに起因するノイズに対する処理について説明する。前述した理論によれば、このノイズが重なる次数は、表面ラフネスに近似する周期ｑおよび電極２の周期ｐに基づき求めることができる。
【０１００】
図１３（１）は、モデルの基板１の表面形状を触針式のプロファイラにより測定した結果をグラフにしたものである。このグラフの横軸は、基板上の所定方向における位置の変化を示すものであり、縦軸は、基板表面の高さの変化を示す。このグラフによれば、基板表面の高さは、概ね−１００〜３５０オングストロームの範囲で変動しており、最大の振幅は３０ｎｍ程度になる。
【０１０１】
図１３（２）は、上記図１３（１）の測定結果をフーリエ変換して得られた空間周波数分布を示す。このグラフによれば、０〜０．０１μｍ−１付近の範囲で高い山が集中していると認められる。この周波数の範囲を波長に換算すると、１００μｍ以上と考えることができる。
【０１０２】
上記図１３の測定結果によれば、基板１の表面ラフネスに近似する周期ｑは１００μｍ以上であると考えることができる。また、電極２の周期ｐは３００μｍであるから、前述した理論によれば、各次数の回折光のうち表面ラフネスに起因するノイズの影響が顕著になるのは、±１〜３次の回折光であると考えることができる。
【０１０３】
図１４は、表面ラフネスがある場合と表面ラフネスがない場合について、それぞれ回折光の理論上の強度を算出し、両者を対比して示したものである。図中のグラフ（Ａ）は前記周期ｑを２００μｍとした場合の算出結果であり、グラフ（Ｂ）は、前記周期ｑを１２５μｍとした場合の算出結果である。なお、表面ラフネスがない場合の算出には、前記した（５）式を、表面ラフネスがある場合の算出には、前記した（１０）式をそれぞれ使用した。また、表面ラフネスの振幅ｇは１０ｎｍ、電極の周期ｐは３００μｍとした。また、この図１４およびつぎの図１５では、０次および正の次数にかかる回折光の強度をそれぞれ０次回折光の強度で正規化して示す。
【０１０４】
前述した理論によれば、表面ラフネスに起因するノイズの影響を強く受けるのは±ｐ／ｑに対応する次数である。グラフ（Ａ）では、１次の回折光の強度に大きな差が現れ、グラフ（Ｂ）では、２次の回折光の強度に大きな差が現れており、上記の理論がほぼ裏付けられていると考えることができる。
【０１０５】
つぎに、発明者は、実際の基板を用いて、±１〜３次の回折光を除くことにより、表面ラフネスに起因するノイズの影響を受けない測定を行うことができる旨を検証した。図１５は、その結果を示すものである。この例では、前記図１３の測定に用いたのと同じ種類の基板に対し、光の照射位置を変更しながら４回の照射を行い、毎時の照射に対する回折光の強度（前記した表面反射光の強度）を測定した。図１５は、その測定結果を示すもので、点線や鎖線により各回の測定結果を示す。この測定結果によれば、１〜３次における回折光の測定値に大きなばらつきがあることがわかる。
【０１０６】
さらに、発明者は、複数種の周期配列パターンについて、各回折光の理論上の回折光の強度を含む理論値データを用意し、前記４つの測定結果につき、それぞれ各理論値データの中から最も測定結果に近いものを抽出する処理を行った。なお、理論値データの各強度は、前記特許文献２，３で採用されているのと同様のベクトル理論により算出した。また、測定結果に近い理論値データを抽出する処理では、最小自乗法を使用し、最小の誤差が所定値以内であれば、その誤差を得たときの理論値データを測定結果に対応するものとした。この結果、４つの測定結果について、それぞれ同一の理論値データを抽出することができた。図１５の実線は、その理論値データを示すものである。１〜３次の回折光の実測値は、この理論上の強度に対しても、異なる値を示す傾向がある。
【０１０７】
上記図１５の測定結果によれば、基板１の表面ラフネスの周期ｑが１００μｍ以上であり、電極２の周期ｐが約３００μｍである場合には、１〜３次の回折光を除外することにより、測定精度を安定させることができる、という理論を裏付けることができる。
【０１０８】
ただし、図１５のグラフによれば、４次の回折光にも３次の回折光に匹敵する強度のばらつきが生じている。また５次以上の回折光の中にもある程度のばらつきを示すものがある。このようなことから、従来のように２〜３の回折光を用いた処理ではなく、０次および４次以上の多数の回折光の強度を抽出し、これらと理論値データとの最小自乗誤差を求める方法による測定を行うのが望ましい。
【０１０９】
図１６は、前記光学式測定装置で実行される測定処理の一連の手順を説明する。
まず、最初のＳＴ１では、測定処理に必要な受光量データを取り込む処理を行う。この処理では、前記センサ制御回路２７を介してセンサヘッド１側の投光回路１３および受光回路１４を駆動した後、ＣＣＤ１２２からの受光量信号をＡ／Ｄ変換し、メモリ２２に格納することになる。
【０１１０】
つぎのＳＴ２では、ＳＴ１で得た受光量データにつき、前記図１２の手順を実行することにより、各次数の表面反射光の強度を検出する。つぎのＳＴ３では、検出された表面反射光強度を、さらに０次および４〜１５次の各反射光の強度に絞り込む。なお、この例では、０次および正の次数の回折光のみを測定に使用するものとする。
【０１１１】
つぎに、ＳＴ４では、前記した判定テーブルから所定の配列パターンにかかる理論値データを選択し、その中から０次および４〜１５次の各回折光の強度値を読み出す処理を実行する。
【０１１２】
ＳＴ５では、前記ＳＴ３で絞り込みされた各強度と前記ＳＴ４で読み出された理論上の強度とを用いて、前記受光量データと理論値データとの誤差σを算出する。
【０１１３】
以下、判定テーブルに登録された配列パターン毎に、ＳＴ４、５の処理を実行することにより、順に誤差σを求める。登録されたすべての配列パターンについて誤差σが求められると、ＳＴ６が「ＹＥＳ」となり、つぎのＳＴ７において、前記誤差σが最小となったときの配列パターンを測定対象の構造として特定する（ただし、この最小の誤差σが所定値以内であることを確認する。）。
【０１１４】
この後、ＳＴ８では、この特定された周期パターンにかかる電極の幅ｄおよび高さｈを、測定結果として外部に出力する。
【０１１５】
ＣＰＵ２１が光学式測定装置として行う処理は上記のとおりである。さらに、ＣＰＵ２１は、この測定結果から前記電極の配列パターンの良否を判別する処理を行うこともできる。
【０１１６】
なお、上記の測定処理では、あらかじめ１〜３次の回折光を測定処理から除外するように設定しているが、測定対象の基板１が種々に変わる場合には、その基板１の構成に応じて測定処理から除外する次数を適宜選択できるようにするのが望ましい。たとえば、測定処理に先立ち、基板１の周期ｐと表面ラフネスの周期ｑとについて、それぞれの取り得る数値範囲を入力し、これら入力値に基づき、ｐ／ｑの値が取り得る数値範囲を求め、その範囲に含まれる次数を測定処理に使用しないように設定することができる。
【０１１７】
上記の図１６の手順によれば、第１のノイズにかかる裏面反射光の成分を除外し、さらに第２のノイズにかかる１〜３次の表面反射光を除外した上で、理論データとの比較を行うから、電極の周期パターンについて、精度の高い測定を行うことができる。
【０１１８】
なお、上記の光学式測定装置では、矩形状の構造物に限らず、台形など他の形状の構造物の形状も測定することができる。
図１７は、台形状の構造物２Ａを測定対象とする場合の具体例を示す。この例では、前記台形を複数の矩形を階段状に重ねた形状に近似すると考えている。このようにすれば、矩形毎にベクトル回折理論による計算を繰り返すことによって各回折光の理論上の強度を求めることができる（非特許文献１参照。）
【０１１９】
【非特許文献１】ティー・ケー・ガイロード，エム・ジー・モアラム（T. K. Gayload and M. G. Moharam）著，「アナライシス  アンド  アプリケーションズ  オブ  オプティカル  ディフレクション  バイ  グレーティングズ（analysis and applications of optical diffraction by gratings）」，Proc. IEEE、73号、894〜937頁、1985年
【０１２０】
よって、この場合にも、複数の周期配列パターン毎に複数次数分の回折光の強度の理論値を含む理論データを作成し、前記図１６の手順を実行することによって、構造物２Ａに近似する形状を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】基板が平坦であると仮定して、回折光の強度を算出する場合の各種パラメータを示す図である。
【図２】基板の表面ラフネスを考慮して回折光の強度を算出する場合の各種パラメータを示す図である。
【図３】この発明にかかる光学式測定装置の外観および使用例を示す図である。
【図４】光学式測定装置の電気構成を示すブロック図である。
【図５】ガラス基板の構成を測定対象のパラメータおよび測定方法とともに示す図である。
【図６】投光部および受光部の主要構成を作用とともに示す図である。
【図７】照射光および反射光の進行状態を示す図である。
【図８】表面反射光と裏面反射光との好ましい分布の関係を示す図である。
【図９】図６の分布曲線を得るのに必要な条件を示す図である。
【図１０】図７のａｘ，ｂｘを反射光の光路により示した図である。
【図１１】表面反射光の強度検出処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】強度の計測方法を示す図である。
【図１３】実際の基板の表面形状の変化を測定した結果、およびその測定結果を空間周波数に変換した結果を示すグラフである。
【図１４】（５）（１０）式に基づき算出した各回折光の強度を対応づけて示すグラフである。
【図１５】実際の基板からの回折光の測定結果とこれらの測定結果に対応する理論値データとの関係を示すグラフである。
【図１６】測定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】台形状の構造物を測定対象とする場合の具体例を示す図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  基板
２  電極
１０  センサヘッド
１１  投光部
１２  受光部
２０  コントローラ
２１  ＣＰＵ
２２  メモリ
１２２  ＣＣＤ
【図１】
2005331321.tif 000017
【図２】
2005331321.tif 000018
【図３】
2005331321.tif 000019
【図４】
2005331321.tif 000020
【図５】
2005331321.tif 000021
【図６】
2005331321.tif 000022
【図７】
2005331321.tif 000023
【図８】
2005331321.tif 000024
【図９】
2005331321.tif 000025
【図１０】
2005331321.tif 000026
【図１１】
2005331321.tif 000027
【図１２】
2005331321.tif 000028
【図１３】
2005331321.tif 000029
【図１４】
2005331321.tif 000030
【図１５】
2005331321.tif 000031
【図１６】
2005331321.tif 000032
【図１７】
2005331321.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月19日(2004.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
【非特許文献１】ティー・ケー・ゲイロード，エム・ジー・モアラム（T. K. Gayload and M. G. Moharam）著，「アナライシス  アンド  アプリケーションズ  オブ  オプティカル  ディフレクション  バイ  グレーティングズ（analysis and applications of optical diffraction by gratings）」，Proc. IEEE、73号、894〜937頁、1985年