(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な第１面および第２面を有する対象物の厚みを計測する装置であって、
計測光を出力する計測光源と、
第１端，第２端，第３端および第４端を有し、前記計測光源から出力される計測光を前記第１端に入力し、前記第１端に入力する計測光を２分岐して、一方の分岐光を前記第２端から参照用光路へ出力するとともに、他方の分岐光を前記第３端から計測用光路へ出力し、前記参照用光路を経て前記第２端に入力する光および前記計測用光路を経て前記第３端に入力する光を前記第４端から出力する光カプラと、
前記光カプラの第２端から前記参照用光路へ出力されて到達する光を反射させて、その反射した光を参照光として前記参照用光路を経て前記光カプラの第２端に入力させるとともに、前記光カプラの第２端から出力された光が反射されて前記光カプラの第２端に入力されるまでの前記参照用光路の光路長を可変とすることができる参照光生成部と、
前記光カプラの第３端から前記計測用光路へ出力されて到達する光を入力し、この入力光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する第１ビームスプリッタと、
前記第１ビームスプリッタから出力された第１分岐光を前記対象物の第１面に入射させて反射させるとともに、その反射により生じる第１反射光を前記第１ビームスプリッタへ入力させる第１分岐光路と、
前記第１ビームスプリッタから出力された第２分岐光を前記対象物の第２面に入射させて反射させるとともに、その反射により生じる第２反射光を前記第１ビームスプリッタへ入力させる第２分岐光路と、
前記第１分岐光路の途中に設けられ、前記第１ビームスプリッタから前記対象物の第１面へ向う光の一部を分岐して第３分岐光路へ出力し、前記第３分岐光路を経て到達した光を前記第１分岐光路へ出力する第２ビームスプリッタと、
前記第２ビームスプリッタから前記第３分岐光路へ出力された光を反射させて、その反射により生じる第３反射光を前記第２ビームスプリッタへ入力させる反射部と、
前記光カプラの第４端から出力される前記参照光、前記第１反射光、前記第２反射光および前記第３反射光それぞれを受光して、その受光した光の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出される光強度と前記参照用光路の光路長との間の関係に基づいて前記対象物の厚みを算出する厚み算出部と、
を備え、
前記厚み算出部が、
前記参照光と前記第１反射光との干渉による干渉光が前記光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの前記参照用光路の光路長と、前記参照光と前記第２反射光との干渉による干渉光が前記光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの前記参照用光路の光路長とに基づいて、前記対象物の厚みを仮算出し、
前記参照光と前記第３反射光との干渉による干渉光が前記光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの前記参照用光路の光路長に基づいて、仮算出した前記対象物の厚みを補正する、
ことを特徴とする厚み計測装置。
【請求項２】
前記参照用光路および前記計測用光路それぞれが光ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載の厚み計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚み計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハの厚みを計測する装置として特許文献１に開示されたものが知られている。この文献に開示された厚み計測装置は、特に、エッチング液を用いたウェットエッチングの実行中に半導体ウェハの厚みを計測するものであって、マイケルソン干渉計の光学系を用いて、光源から出力された計測光を２分岐し、その一方の分岐光を反射ミラーに入射させて反射させるとともに、他方の分岐光を半導体ウェハに入射させて該半導体ウェハの両面それぞれにおいて反射させ、これら２つの反射光の干渉による干渉光の強度を検出する。
【０００３】
そして、この厚み計測装置は、一方の分岐光の光路長を変化させて干渉光強度を検出することで、その光路長変化に対する干渉光強度の分布を得て、その干渉光強度分布においてピークとなるときの光路長に基づいて半導体ウェハの厚みを算出する。この厚み計測装置は、半導体ウェハの表面の上にエッチング液が存在しても、或いは、そのエッチング液の厚みが変化しても、半導体ウェハの厚みを計測することができる。
【特許文献１】特開２００２−１７６０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された厚み計測装置は、厚みを計測しようとする対象物の第１面の側から計測光を入射させて、その光の一部を第１面で反射させるとともに、第１面を透過させた光を第２面で反射させる必要がある。したがって、この厚み計測装置により厚み計測が可能な対象物は、計測光が入射する側の第１面において計測光の反射および透過が可能であって、計測光の波長において透明であることが必要である。
【０００５】
すなわち、特許文献１に開示された厚み計測装置は、半導体ウェハであっても不純物濃度が高く不透明の物、第１面に金属コーティング膜等が形成されている物、第１面が粗くて光の散乱が大きい物、等については、厚みを計測することができない。また、この厚み計測装置は、対象物の第２面に不透明膜が形成されている場合に該不透明膜をも含めた対象物の厚みを計測することができない。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、材料や表面状態等に関してより広い範囲の対象物の厚みを計測することができる厚み計測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】
【０００７】
本発明に係る厚み計測装置は、互いに平行な第１面および第２面を有する対象物の厚みを計測する装置であって、(1) 計測光を出力する計測光源と、(2) 第１端，第２端，第３端および第４端を有し、計測光源から出力される計測光を第１端に入力し、第１端に入力する計測光を２分岐して、一方の分岐光を第２端から参照用光路へ出力するとともに、他方の分岐光を第３端から計測用光路へ出力し、参照用光路を経て第２端に入力する光および計測用光路を経て第３端に入力する光を第４端から出力する光カプラと、(3)光カプラの第２端から参照用光路へ出力されて到達する光を反射させて、その反射した光を参照光として参照用光路を経て光カプラの第２端に入力させるとともに、光カプラの第２端から出力された光が反射されて光カプラの第２端に入力されるまでの参照用光路の光路長を可変とすることができる参照光生成部と、(4)光カプラの第３端から計測用光路へ出力されて到達する光を入力し、この入力光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する第１ビームスプリッタと、(5) 第１ビームスプリッタから出力された第１分岐光を対象物の第１面に入射させて反射させるとともに、その反射により生じる第１反射光を第１ビームスプリッタへ入力させる第１分岐光路と、(6)第１ビームスプリッタから出力された第２分岐光を対象物の第２面に入射させて反射させるとともに、その反射により生じる第２反射光を第１ビームスプリッタへ入力させる第２分岐光路と、(7)光カプラの第４端から出力される参照光、第１反射光および第２反射光それぞれを受光して、その受光した光の強度を検出する光検出器と、(8) 光検出器により検出される光強度と参照用光路の光路長との間の関係に基づいて対象物の厚みを算出する厚み算出部と、を備えることを特徴とする。厚み算出部は、参照光と第１反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長と、参照光と第２反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長とに基づいて、対象物の厚みを算出することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る厚み計測装置では、計測光源から出力される計測光は、光カプラの第１端に入力されて、この光カプラにおいて２分岐される。そのうち一方の分岐光は光カプラの第２端から参照用光路へ出力され、他方の分岐光は光カプラの第３端から計測用光路へ出力される。
【０００９】
光カプラの第２端から参照用光路へ出力された光は、参照光生成部において反射され、その反射された光は参照光として参照用光路を経て光カプラの第２端に入力される。このとき、光カプラの第２端から出力された光が反射されて光カプラの第２端に入力されるまでの参照用光路の光路長は可変である。
【００１０】
光カプラの第３端から計測用光路へ出力された光は、第１ビームスプリッタにより２分岐されて第１分岐光および第２分岐光として出力される。第１ビームスプリッタから出力された第１分岐光は第１分岐光路を経て対象物の第１面に入射されて反射されるとともに、その反射により生じる第１反射光は第１分岐光路を経て第１ビームスプリッタへ入力される。また、第１ビームスプリッタから出力された第２分岐光は第２分岐光路を経て対象物の第２面に入射されて反射されるとともに、その反射により生じる第２反射光は第２分岐光路を経て第１ビームスプリッタへ入力される。第１ビームスプリッタに入力された第１反射光および第２反射光は、計測用光路を経て光カプラの第３端に入力される。
【００１１】
参照用光路を経て光カプラの第２端に入力される参照光、ならびに、計測用光路を経て光カプラの第３端に入力される第１反射光および第２反射光は、光カプラの第４端から出力される。光カプラの第４端から出力される参照光，第１反射光および第２反射光それぞれは、光検出器により受光されて、その受光した光の強度が検出される。
【００１２】
このとき、光検出器により受光される参照光，第１反射光および第２反射光は、共通の計測光源から出力された計測光が反射されたものである。したがって、これら参照光，第１反射光および第２反射光の間では、計測光源から反射位置までの光路長が一致したときに、干渉が生じるので、光検出器により受光される光の強度が大きくなる。
【００１３】
そこで、厚み算出部により、光検出器により検出される光強度と参照用光路の光路長との間の関係に基づいて、対象物の厚みが算出される。すなわち、厚み算出部により、参照光と第１反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長と、参照光と第２反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長とに基づいて、対象物の厚みが算出される。
【００１４】
本発明に係る厚み計測装置では、参照用光路および計測用光路それぞれが光ファイバを含むのが好適である。この場合には、これらの光路の扱いが簡便となる。
【００１５】
また、好適には、本発明に係る厚み計測装置は、(a) 第１分岐光路の途中に設けられ、第１ビームスプリッタから対象物の第１面へ向う光の一部を分岐して第３分岐光路へ出力し、第３分岐光路を経て到達した光を第１分岐光路へ出力する第２ビームスプリッタと、(b)第２ビームスプリッタから第３分岐光路へ出力された光を反射させて、その反射により生じる第３反射光を第２ビームスプリッタへ入力させる反射部と、を更に備える。そして、光検出器は、光カプラの第４端から出力される第３反射光をも受光する。また、厚み算出部は、参照光と第１反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長と、参照光と第２反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長とに基づいて、対象物の厚みを仮算出する。さらに、厚み算出部は、参照光と第３反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長に基づいて、仮算出した対象物の厚みを補正する。
【００１６】
この場合には、第１分岐光路の途中に設けられた第２ビームスプリッタにより、第１ビームスプリッタから対象物の第１面へ向う光の一部は、分岐されて第３分岐光路へ出力されて反射部により反射され、また、その反射部における反射により生じる第３反射光は、第３分岐光路を経て第１分岐光路へ出力され、第１ビームスプリッタへ入力される。この第３反射光は、第１反射光および第２反射光と同様に、計測用光路を経て光カプラの第３端に入力され、光カプラの第４端から出力され、光検出器により受光される。そして、この第３反射光と参照光との間でも、計測光源から反射位置までの光路長が一致したときに、干渉が生じるので、光検出器により受光される光の強度が大きくなる。
【００１７】
そこで、厚み算出部により、参照光と第１反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長と、参照光と第２反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長とに基づいて、対象物の厚みが仮算出される。さらに、厚み算出部により、参照光と第３反射光との干渉による干渉光が光検出器により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長に基づいて、仮算出した対象物の厚みが補正される。このようにすることにより、参照用光路と計測用光路との間の光路長差が変動する場合であっても、その光路長差変動の影響が補償されて対象物の厚みが精度よく求められ得る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る厚み計測装置は、材料や表面状態等に関してより広い範囲の対象物の厚みを計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る厚み計測装置１の構成図である。この図に示される厚み計測装置１は、互いに平行な第１面２ａおよび第２面２ｂを有する対象物２の厚みを計測する装置であって、計測光源１１、光カプラ１２、プローブヘッド１３、参照光生成部１４、光検出器１５、厚み算出部１６、光路長制御部１７、入力用光ファイバ１１ａ、参照用光ファイバ１４ａ、計測用光ファイバ１３ａ、出力用光ファイバ１５ａ、第１ビームスプリッタＢＳ１、第２ビームスプリッタＢＳ２、および、ミラーＭ１〜Ｍ５を備える。対象物２は、例えば、半導体ウェハ、フィルム、シート、等である。
【００２１】
計測光源１１は、計測光を入力用光ファイバ１１ａへ出力する。この計測光は低コヒーレントの光であり、計測光源１１は例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）である。また、この計測光の波長は任意でよい。
【００２２】
光カプラ１２は、第１端１２ａ，第２端１２ｂ，第３端１２ｃおよび第４端１２ｄを有する。光カプラ１２は、計測光源１１から出力されて入力用光ファイバ１１ａにより導波されて到達する計測光を第１端１２ａに入力する。そして、光カプラ１２は、第１端１２ａに入力する計測光を２分岐して、一方の分岐光を第２端１２ｂから参照用光路としての参照用光ファイバ１４ａへ出力するとともに、他方の分岐光を第３端１２ｃから計測用光路としての計測用光ファイバ１３ａへ出力する。また、光カプラ１２は、参照用光ファイバ１４ａを経て第２端１２ｂに入力する光、および、計測用光ファイバ１３ａを経て第３端１２ｃに入力する光を、第４端１２ｄから出力用光ファイバ１５ａへ出力する。
【００２３】
参照光生成部１４は、光カプラ１２の第２端１２ｂから出力され参照用光ファイバ１４ａにより導波されて到達する光をミラー１４ｃで反射させて、その反射した光を参照光として参照用光ファイバ１４ａを経て光カプラ１２の第２端１２ｂに入力させる。また、参照光生成部１４は、光カプラ１２の第２端１２ｂから出力された光がミラー１４ｃで反射されて光カプラ１２の第２端１２ｂに入力されるまでの参照用光路１４ｂの光路長を可変とすることができる。この参照用光路１４ｂの光路長を可変とするために、参照光生成部１４は、ガラス基板１４ｄおよびガルバノメータ１４ｅを含む。
【００２４】
ガラス基板１４ｄは、計測光の波長において透明なガラスからなり、対向する２つの主面が互いに平行であり、参照用光路１４ｂの途中に挿入される。ガルバノメータ１４ｅは、参照光路長制御部１７からの指示に従って、ガラス基板１４ｄの方位を周期的に変化させる。ガラス基板１４ｄの方位を変化させることにより、そのガラス基板１４ａを通過する光の光路長を変化させることができるので、光カプラ１２の第２端１２ｂから出力された光がミラー１４ｃで反射されて光カプラ１２の第２端１２ｂに入力されるまでの参照用光路１４ｂの光路長を可変とすることができる。
【００２５】
プローブヘッド１３は、計測用光ファイバ１３ａの先端に設けられている。プローブヘッド１３は、光カプラ１２の第３端１２ｃから出力されて計測用光ファイバ１３ａにより導波されて他端に達した光を外部空間へ出力する。また、プローブヘッド１３は、外部から到達した光を計測用光ファイバ１３ａへ入力させて、該光を計測用光ファイバ１３ａにより導波させる。
【００２６】
第１ビームスプリッタＢＳ１は、光カプラ１２の第３端１２ｃから出力され計測用光ファイバ１３ａにより導波されてプローブヘッド１３から外部空間へ出力されて到達する光を入力し、この入力光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光として出力する。第１ビームスプリッタＢＳ１は、第１分岐光をミラーＭ１へ出力し、第２分岐光をミラーＭ３へ出力する。
【００２７】
第１分岐光路は、第１ビームスプリッタＢＳ１からミラーＭ１，Ｍ２および第２ビームスプリッタＢＳ２を経て対象物２の第１面２ａに到るまでの第１分岐光の光路である。この第１分岐光路は、第１ビームスプリッタＢＳ１から出力された第１分岐光を対象物２の第１面２ａに入射させて反射させるとともに、その反射により生じる第１反射光を逆経路で第１ビームスプリッタＢＳ１へ入力させる。
【００２８】
第２分岐光路は、第１ビームスプリッタＢＳ１からミラーＭ３，Ｍ４を経て対象物２の第２面２ｂに到るまでの第２分岐光の光路である。この第２分岐光路は、第１ビームスプリッタＢＳ１から出力された第２分岐光を対象物２の第２面２ｂに入射させて反射させるとともに、その反射により生じる第２反射光を逆経路で第１ビームスプリッタＢＳ１へ入力させる。
【００２９】
第２ビームスプリッタＢＳ２は、第１分岐光路の途中に設けられている。この第２ビームスプリッタＢＳ２は、第１ビームスプリッタＢＳ１から対象物２の第１面２ａへ向う光の一部を分岐して、その分岐した光をミラーＭ５へ向う第３分岐光路に出力する。また、この第２ビームスプリッタＢＳ２は、ミラーＭ５から第３分岐光路を経て到達した光を第１分岐光路へ出力する。ミラーＭ５は、第２ビームスプリッタＢＳ２から第３分岐光路へ出力されて到達した光を反射させて、その反射により生じる第３反射光を第２ビームスプリッタＢＳ２へ入力させる。
【００３０】
光検出器１５は、光カプラ１２の第４端１２ｄから出力され出力用光ファイバ１５ａにより導波されて到達する参照光、第１反射光、第２反射光および第３反射光それぞれを受光し、その受光した光の強度を検出して、その光強度を表す電気信号を厚み算出部１６へ出力する。この光検出器１５は例えばフォトダイオードである。
【００３１】
光路長制御部１７は、参照光生成部１４におけるガルバノメータ１４ｅを制御することでガラス基板１４ｄの方位を周期的に変化させ、これにより、参照用光路１４ｂの光路長を周期的に変化させる。また、光路長制御部１７は、ガラス基板１４ｄの方位に関する情報（すなわち、参照用光路１４ｂの光路長に関する情報）を表す電気信号を厚み算出部１６へ与える。なお、参照用光路１４ｂの光路長は、必ずしも絶対値である必要はなく、或る基準値に対する相対値であってもよい。
【００３２】
厚み算出部１６は、光検出器１５により検出される光強度と参照用光路１４ｂの光路長との間の関係に基づいて対象物２の厚みを算出する。厚み算出部１６は、信号処理回路１６ａ、生厚み値算出部１６ｂおよび統計厚み値算出部１６ｃを含む。
【００３３】
信号処理回路１６ａは、光検出器１５から出力される電気信号を入力して、この電気信号に基づいて、光検出器１５が受光した光の強度の情報を得る。また、信号処理回路１６ａは、光路長制御部１７から出力される電気信号を入力して、この電気信号に基づいて、参照用光路１４ｂの光路長に関する情報を得る。信号処理回路１６ａは、これらの入力した情報をデジタル値に変換して生厚み値算出部１６ｂに与える。
【００３４】
生厚み値算出部１６ｂは、信号処理回路１６ａから出力される光強度情報および光路長情報を入力する。このとき、生厚み値算出部１６ｂは、参照用光路１４ｂの光路長の各値と、この光路長の値に対応する光検出器１５における受光強度の値とを、互いに対応付けて入力して記憶する。そして、生厚み値算出部１６ｂは、光検出器１５により検出される光強度と参照用光路１４ｂの光路長との間の関係を求める。すなわち、生厚み値算出部１６ｂは、参照用光路１４ｂの光路長を一方の軸とし、光検出器１５により検出される光強度を他方の軸として、光路長に対する光強度の分布を求める。さらに、生厚み値算出部１６ｂは、この光強度分布で特定される複数の光強度ピークの位置に基づいて、所要の処理を行って対象物２の厚みを算出し、その算出した厚みの値を出力する。光強度分布から対象物２の厚みを算出する方法については後述する。
【００３５】
統計厚み値算出部１６ｃは、生厚み値算出部１６ｂから出力される対象物２の厚みの値（以下「生厚み値」という。）を入力し、その入力した生厚み値に関して統計処理をして、その統計処理後の厚みの値（以下「統計厚み値」という。）を出力する。例えば、ウェットエッチング処理の過程における対象物２の厚みを計測する場合であって、時間の経過とともに対象物２の厚みが一定速度で小さくなっていくことが期待されるとき、統計厚み値算出部１６ｃは、時間経過に対して生厚み値が一次関数式で表されるものとして、その一次関数式を決定し、その一次関数式を用いることで、より精度が高い統計厚み値を得ることができる。また、例えば、時間の経過に対して対象物２の厚みが大きく変化しないことが期待されるとき、或いは、時間の経過とともに対象物２の厚みが一定速度で変化することが期待されるとき、統計厚み値算出部１６ｃは、その期待から大きく外れる生厚み値をノイズとして扱うことで、より精度が高い統計厚み値を得ることができる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る厚み計測装置１の動作について説明する。計測光源１１から出力された低コヒーレントの計測光は、入力用光ファイバ１１ａにより導かれて光カプラ１２の第１端１２ａに入力され、この光カプラ１２において２分岐される。光カプラ１２において２分岐されて生成された一方の分岐光は、光カプラ１２の第２端１２ｂから参照用光路としての参照用光ファイバ１４ａへ出力される。また、他方の分岐光は、光カプラ１２の第３端１２ｃから計測用光路としての計測用光ファイバ１３ａへ出力される。
【００３７】
光カプラ１２の第２端１２ｂから出力された光は、参照光生成部１４において、ミラー１４ｃで反射されて光カプラ１２の第２端１２ｂに入力されるとともに、その間の参照用光路１４ｂの光路長が可変とされる。すなわち、光カプラ１２の第２端１２ｂから出力された光は、参照用光ファイバ１４ａにより導波され、参照用光ファイバ１４ａの端面から出力され、ガラス基板１４ｄを通過して、ミラー１４ｃで反射される。このミラー１４ｃで反射された光は、参照光として、ガラス基板１４ｄを通過して、参照用光ファイバ１４ａの端面に入力され、参照用光ファイバ１４ａにより導波されて、光カプラ１２の第２端１２ｂに入力される。このとき、計測光の波長において透明なガラスからなり参照用光路１４ｂの途中に挿入されたガラス基板１４ｄの方位は、参照光路長制御部１７により制御されたガルバノメータ１４ｅにより周期的に変化する。ガラス基板１４ｄの方位が変化することにより、参照用光路１４ｂの光路長が可変となる。
【００３８】
光カプラ１２の第３端１２ｃから出力された光は、計測用光ファイバ１３ａに導かれ、計測用光ファイバ１３ａの先端に設けられているプローブヘッド１３から外部空間へ出力される。プローブヘッド１３から出力された光は、第１ビームスプリッタＢＳ１により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。
【００３９】
第１ビームスプリッタＢＳ１から出力された第１分岐光は、ミラーＭ１，ミラーＭ２および第２ビームスプリッタＢＳ２を含む第１分岐光路を経て、対象物２の第１面２ａに入射されて、その第１面２ａにおいて反射される。その反射により生じた第１反射光は、第１分岐経路を入射時とは逆の経路を辿って、第１ビームスプリッタＢＳ１に入力される。
【００４０】
第１ビームスプリッタＢＳ１から出力された第２分岐光は、ミラーＭ３およびミラーＭ４を含む第２分岐光路を経て、対象物２の第２面２ｂに入射されて、その第２面２ｂにおいて反射される。その反射により生じた第２反射光は、第２分岐経路を入射時とは逆の経路を辿って、第１ビームスプリッタＢＳ１に入力される。
【００４１】
また、第１ビームスプリッタＢＳ１から出力された第１分岐光の一部は、第１分岐光路の途中に設けられている第２ビームスプリッタＢＳ２により、ミラーＭ５へ向う第３分岐光路に分岐される。その分岐された光はミラーＭ５で反射される。その反射により生じた第３反射光は、第２ビームスプリッタＢＳ２に入力され、第２ビームスプリッタＢＳ２からミラーＭ２，Ｍ１を経て第１ビームスプリッタＢＳ１に入力される。
【００４２】
これら第１反射光，第２反射光および第３反射光は、第１ビームスプリッタＢＳ１およびプローブヘッド１３を経て計測用光ファイバ１３ａに入力され、この計測用光ファイバ１３ａにより導かれて光カプラ１２の第３端１２ｃに入力される。また、参照光は、参照光生成部１４から参照用光ファイバ１４ａにより導かれて光カプラ１２の第２端１２ｂに入力される。
【００４３】
参照用光ファイバ１４ａを経て光カプラ１２の第２端１２ｂに入力される参照光、ならびに、計測用光ファイバ１３ａを経て光カプラ１２の第３端１２ｃに入力される第１反射光，第２反射光および第３反射光は、光カプラ１２の第４端１２ｄから出力され、出力用光ファイバ１５ａにより導かれて光検出器１５により受光される。そして、この光検出器１５において、受光された光の強度が検出されて、その光強度を表す電気信号が厚み算出部１６へ出力される。
【００４４】
光検出器１５により受光される参照光，第１反射光，第２反射光および第３反射光は、共通の計測光源１１から出力された低コヒーレントの光が反射されたものである。したがって、これら参照光，第１反射光，第２反射光および第３反射光の間では、計測光源１１から反射位置までの光路長が一致したときに、干渉が生じるので、光検出器１５により受光される光の強度が大きくなる。計測光源１１から出力される光のコヒーレンシが低いほど２つの光の間の光路長差が小さくなければ干渉が生じない。
【００４５】
図２および図３それぞれは、本実施形態に係る厚み計測装置１において対象物２での光反射の様子を示すとともに、厚み算出部１６で求められる光強度分布を示す図である。各図（ａ）は、本実施形態に係る厚み計測装置１において対象物２での光反射の様子を示しており、対象物２の第１面２ａに対して光が入射および反射する第１分岐光路をＰ１で表し、対象物２の第２面２ｂに対して光が入射および反射する第２分岐光路をＰ２で表している。また、各図（ｂ）は、本実施形態に係る厚み計測装置１の厚み算出部１６で求められる光強度分布を示す。
【００４６】
図２では、第１分岐光路および第２分岐光路のうち第１分岐光路が考慮されている。この場合、光カプラ１２からミラー１４ｃまでの光路長が、光カプラ１２から対象物２の第１面２ａまでの光路長と等しいときに、参照光と第１反射光とが互いに干渉して強め合い、光検出器１５による光検出の強度が大きくなる。ただし、光カプラ１２からミラー１４ｃまでの光路長の可変範囲の最大値をＬとし、その可変範囲の幅をΔmaxとしたとき、光カプラ１２から対象物２の第１面２ａまでの光路長Ｌ１は、「Ｌ−Δmax＜Ｌ１＜Ｌ」なる範囲にあることが必要である。このとき、同図（ｂ）に示される光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１の位置に、参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られる。
【００４７】
図３では、第１分岐光路および第２分岐光路のうち第２分岐光路が考慮されている。この場合、光カプラ１２からミラー１４ｃまでの光路長が、光カプラ１２から対象物２の第２面２ｂまでの光路長と等しいときに、参照光と第２反射光とが互いに干渉して強め合い、光検出器１５による光検出の強度が大きくなる。ただし、光カプラ１２からミラー１４ｃまでの光路長の可変範囲の最大値をＬとし、その可変範囲の幅をΔmaxとしたとき、光カプラ１２から対象物２の第２面２ｂまでの光路長Ｌ２は、「Ｌ−Δmax＜Ｌ２＜Ｌ」なる範囲にあることが必要である。このとき、同図（ｂ）に示される光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２の位置に、参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られる。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る厚み計測装置１の厚み算出部１６で求められる光強度分布を示す図である。光路長Ｌ１および光路長Ｌ２の何れも上記関係式を満たすようにミラーや対象物２の配置が調整されることにより、図４に示されるように、厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１の位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また同時に、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２の位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られる。
【００４９】
図５は、本実施形態に係る厚み計測装置１の厚み算出部１６において対象物２の厚みを算出する方法を説明する図である。ここで、図５（ａ）に示されるように、既知の厚みｔｃを有する基準対象物２ｃが用いられて、図５（ｂ）に示されるように、その基準対象物２ｃの場合に厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１ｃの位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また同時に、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２ｃの位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。
【００５０】
そして、図５（ｃ）に示されるように、基準対象物２ｃの第１面に対して対象物２の第１面２ａの位置が異なれば、図５（ｄ）に示されるように、その位置の差に応じた光路長差（ΔＰ１−ΔＰ１ｃ）だけ異なる位置に、参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られる。また、図５（ｃ）に示されるように、基準対象物２ｃの第２面に対して対象物２の第２面２ｂの位置が異なれば、図５（ｄ）に示されるように、その位置の差に応じた光路長差（ΔＰ２−ΔＰ２ｃ）だけ異なる位置に、参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られる。このことから、対象物２の厚みｔは、下記（１）式で得られる。
【００５１】
【数１】
0005112930.tif 000002
【００５２】
このように、本実施形態に係る厚み計測装置１は、既知の厚みｔｃを有する基準対象物２ｃに対する光強度分布において光強度ピークが得られる参照用光路の光路長変化量ΔＰ１ｃ，ΔＰ２ｃを用いるとともに、厚みを計測しようとする対象物２に対する光強度分布において光強度ピークが得られる参照用光路の光路長変化量ΔＰ１，ΔＰ２を求めることにより、上記（１）式に従って対象物２の厚みｔを算出することができる。また、上記（１）式から判るように、対象物２が上下しても同じ厚みｔが得られるので、対象物２の上下動に対して安定した厚み計測が行われ得る。
【００５３】
本実施形態に係る厚み計測装置１では、計測光が対象物２の内部を通過する必要がないので、計測光の波長において透明でない対象物２についても厚みを計測することができ、例えば、不純物濃度が高く不透明の半導体ウェハ、表面に金属コーティング膜等が形成されている対象物、表面が粗くて光の散乱が大きい対象物、等についても、厚みを計測することができる。このように、本実施形態に係る厚み計測装置１は、材料や表面状態等に関してより広い範囲の対象物の厚みを計測することができる。また、本実施形態に係る厚み計測装置１では、計測光の波長が任意でよいので、計測光源１１の選択の幅が広い。
【００５４】
次に、本実施形態に係る厚み計測装置１において温度等の環境の変動に因り参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａそれぞれの光路長が変動した場合について説明する。
【００５５】
仮に、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａそれぞれの光路長が互いに同じ量だけ変動した場合には、参照光と第１反射光との間の光路長差は変動せず、また、参照光と第２反射光との間の光路長差も変動しないので、上記（１）式による厚みｔの算出結果は変動しない。したがって、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａは、温度変動があっても互いに同じ量だけ光路長が変動するように、同一種のものが同一長さで用いられるのが好ましい。また、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａを一定温度に維持するのも好ましい。
【００５６】
しかし、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａが異種もしくは異なる長さである場合、または、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａが同一種かつ同一長さであっても温度変動が互いに異なる場合には、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａそれぞれの光路長の変動量が互いに異なり、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差が変動する。それ故、参照光と第１反射光との間の光路長差が変動し、また、参照光と第２反射光との間の光路長差も変動する。このとき、参照光と第１反射光との間の光路長差の変動量と、参照光と第２反射光との間の光路長差の変動量とは、共に、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差の変動量ΔＬに等しい。
【００５７】
図６は、本実施形態に係る厚み計測装置１において、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差がΔＬだけ変動したときに、厚み算出部１６で求められる光強度分布の変化を説明する図である。ここでも、図６（ａ）に示されるように、既知の厚みｔｃを有する基準対象物２ｃが用いられて、図６（ｂ）に示されるように、その基準対象物２ｃの場合に厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１ｃの位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また同時に、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２ｃの位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。
【００５８】
このとき、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差がΔＬだけ変動すると、図６（ｃ）に示されるように、厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１（＝ΔＰ１ｃ＋ΔＬ）の位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２（＝ΔＰ２ｃ＋ΔＬ）の位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られる。この結果を上記（１）式に当てはめると、下記（２）式のようになり、あたかも基準対象物２ｃの厚みが２ΔＬだけ厚くなったかのような結果となる。
【００５９】
【数２】
0005112930.tif 000003
【００６０】
次に、本実施形態に係る厚み計測装置１において、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差が変動する場合であっても、その光路長差変動の影響を補償して対象物２の厚みを精度よく求める方法について説明する。
【００６１】
本実施形態に係る厚み計測装置１の厚み算出部１６は、参照光と第１反射光との干渉による干渉光が光検出器１５により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長ΔＰ１と、参照光と第２反射光との干渉による干渉光が光検出器１５により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長ΔＰ２とに基づいて、前述したようにして対象物２の厚みを仮算出する。そして、厚み算出部１６は、参照光と第３反射光との干渉による干渉光が光検出器１５により受光されて検出された光強度がピークとなるときの参照用光路の光路長ΔＰＲに基づいて、上記の仮算出した対象物２の厚みを補正する。より具体的な処理内容について以下に説明する。
【００６２】
位置が固定されたミラーＭ５での反射により生じた第３反射光と参照光との干渉による光強度ピークが得られる参照用光路の光路長ΔＰＲは、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差ΔＬのみに依存する。したがって、この参照用光路の光路長ΔＰＲを用いることにより、光路長差ΔＬの影響を補償して対象物２の厚みを精度よく求めることができる。
【００６３】
図７は、本実施形態に係る厚み計測装置１において、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差が変動しても、厚み算出部１６で光路長差ΔＬの影響を補償して対象物２の厚みを算出する方法を説明する図である。図７（ａ）に示されるように、既知の厚みｔｃを有する基準対象物２ｃが用いられて、図７（ｂ）に示されるように、その基準対象物２ｃの場合に厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１ｃの位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２ｃの位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また、参照用光路の光路長変化量ΔＰＲｃの位置に参照光と第３反射光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。
【００６４】
また、図７に示されるように、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差ΔＬが生じた場合に、厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１の位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２の位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また、参照用光路の光路長変化量ΔＰＲの位置に参照光と第３反射光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。
【００６５】
ここで、差（ΔＰＲ−ΔＰＲｃ）は、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差ΔＬのみに応じたものである。また、差（ΔＰ１−ΔＰ１ｃ）および差（ΔＰ２−ΔＰ２ｃ）それぞれは、対象物２の厚み及び光路長差ΔＬに応じたものである。このことから、光路長差ΔＬの影響を補償して対象物２の厚みｔを算出する式は下記（３）式で与えられる。この（３）式を用いることにより、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差が変動する場合であっても、その光路長差変動の影響を補償して対象物２の厚みを精度よく求めることができる。
【００６６】
【数３】
0005112930.tif 000004
【００６７】
仮に、ミラーＭ５および上記（３）式を用いないとすると、前述したように、参照用光ファイバ１４ａおよび計測用光ファイバ１３ａを高精度に一定温度に管理したり、対象物２について計測する度に基準サンプルについても毎回計測したり、基準サンプル計測と対象物２の計測との間の時間を極力短くしたりする等の必要性がある。しかし、ミラーＭ５および上記（３）式を用いることにより、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差の変動があっても、その光路長差変動の影響を補償して対象物２の厚みを精度よく求めることができる。
【００６８】
次に、対象物２の一方の面に透明膜が存在する場合に、その透明膜を除いた対象物２の厚みを計測する方法について説明する。例えば、研削中の半導体ウェハにおいてデバイス形成面に保護テープが貼られる。このようなウェハを対象物２として厚みを計測する場合には、保護テープの厚みを含まないウェハの厚みを計測する必要がある。このように対象物２の一方の面に透明膜が存在する場合には、以下のようにして対象物２の厚みを計測する。
【００６９】
図８は、本実施形態に係る厚み計測装置１において、対象物２の一方の面に透明膜３が存在する場合に対象物２の厚みを算出する方法を説明する図である。図８（ａ）に示されるように、既知の厚みｔｃを有する基準対象物２ｃが用いられるとする。ここでは基準対象物２ｃの面に透明膜３は存在しないとする。このとき、図８（ｂ）に示されるように、その基準対象物２ｃの場合に厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１ｃの位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２ｃの位置に参照光と第２反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、また、参照用光路の光路長変化量ΔＰＲｃの位置に参照光と第３反射光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。
【００７０】
図８（ｃ）に示されるように、対象物２の第２面に透明膜３が貼られているとする。このとき、図８（ｄ）に示されるように、厚み算出部１６で得られた光強度分布において、参照用光路の光路長変化量ΔＰ１の位置に参照光と第１反射光との干渉に因る光強度ピークが得られ、参照用光路の光路長変化量ΔＰ２の位置に参照光と第２反射光（透明膜３の表面で生じる反射光）との干渉に因る光強度ピークが得られ、また、参照用光路の光路長変化量ΔＰＲの位置に参照光と第３反射光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。また、参照用光路の光路長変化量ΔＰＴの位置に、対象物２の第２面（対象物２と透明膜３との界面）で生じる第４反射光と参照光との干渉に因る光強度ピークが得られるとする。
【００７１】
これらから、上記（３）式に従って、対象物２の厚みｔと透明膜３の厚みｔＴとの和ｔall（＝ｔ＋ｔＴ）が算出される。また、透明膜３の両面それぞれで生じる反射光と参照光との干渉に因る光強度ピークが得られる参照用光路の光路長変化量ΔＰＴ，ΔＰ２および透明膜３の屈折率ｎＴ が用いられ、下記（４）式に従って、透明膜３の厚みｔＴが算出される。そして、下記（５）式に従って、対象物２の厚みｔが算出される。
【００７２】
【数４】
0005112930.tif 000005
【００７３】
【数５】
0005112930.tif 000006
【００７４】
なお、上記（４）式に従って透明膜３の厚みｔＴを算出する方法は、特許文献１に開示されている。また、透明膜３の厚みｔＴを計測する際には、第２反射光および第４反射光は必要であるものの、第１反射光および第３反射光は不要であるので、第１分岐経路の途中にシャッタを設けて、このシャッタを閉じることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態に係る厚み計測装置１の構成図である。
【図２】本実施形態に係る厚み計測装置１において対象物２での光反射の様子を示すとともに、厚み算出部１６で求められる光強度分布を示す図である。
【図３】本実施形態に係る厚み計測装置１において対象物２での光反射の様子を示すとともに、厚み算出部１６で求められる光強度分布を示す図である。
【図４】本実施形態に係る厚み計測装置１の厚み算出部１６で求められる光強度分布を示す図である。
【図５】本実施形態に係る厚み計測装置１の厚み算出部１６において対象物２の厚みを算出する方法を説明する図である。
【図６】本実施形態に係る厚み計測装置１において、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差がΔＬだけ変動したときに、厚み算出部１６で求められる光強度分布の変化を説明する図である。
【図７】本実施形態に係る厚み計測装置１において、参照用光ファイバ１４ａと計測用光ファイバ１３ａとの間の光路長差が変動しても、厚み算出部１６で光路長差ΔＬの影響を補償して対象物２の厚みを算出する方法を説明する図である。
【図８】本実施形態に係る厚み計測装置１において、対象物２の一方の面に透明膜３が存在する場合に対象物２の厚みを算出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…厚み計測装置、２…対象物、１１…計測光源、１１ａ…入力用光ファイバ、１２…光カプラ、１３…プローブヘッド、１３ａ…計測用光ファイバ、１４…参照光生成部、１４ａ…参照用光ファイバ、１４ｂ…参照用光路、１４ｃ…反射ミラー、１４ｄ…ガラス基板、１４ｅ…ガルバノメータ、１５…光検出器、１５ａ…出力用光ファイバ、１６…厚み算出部、１６ａ…信号処理回路、１６ｂ…生厚み値算出部、１６ｃ…統計厚み値算出部、１７…参照光路長制御部。
【図１】
0005112930.tif 000007
【図２】
0005112930.tif 000008
【図３】
0005112930.tif 000009
【図４】
0005112930.tif 000010
【図５】
0005112930.tif 000011
【図６】
0005112930.tif 000012
【図７】
0005112930.tif 000013
【図８】
0005112930.tif 000014