(57)【要約】【課題】近接場フォトンを利用することで、次世代半導体用ナノインプリント極薄残膜の膜厚を非破壊計測する。【解決手段】  光源１６により測定対象１０を照射し、近接場光プローブ１５を測定対象１０の表面に接近させ、測定対象１０とプローブ１５との間のエアーギャップ値を測定する。プローブ１５の先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより近接場フォトン場を生成し、近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、受光部１７で近接場フォトン応答光を計測する。ＰＣ２１は、計測された近接場フォトン応答光の強度と、計測されたエアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める。【選択図】図１
2007298314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源により測定対象を照射し、
近接場光プローブを測定対象の表面に接近させ、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定し、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、
前記近接場フォトン応答光を計測し、
計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める
非破壊膜厚計測方法。
【請求項２】
Ｐ偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布を測定し、
Ｓ偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布を測定し、
処理部は、Ｐ偏光伝搬光強度分布とＳ偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値を求め、
処理部は、前記交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した予め定められた特性データを記憶部から読出し、求めた交点のエアーギャップ値に従い膜厚情報を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項３】
予め既知の複数の膜厚の各試料に対して、Ｐ偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布を測定し、
予め膜厚が既知の複数の膜厚の各試料に対して、Ｓ偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布を測定し、
処理部は、Ｐ偏光伝搬光強度分布とＳ偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データを求め、前記特性データを記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項２に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項４】
前記特性データは、エアーギャップの減少又は増加に対して、Ｐ偏光がＳ偏光より強い場合の第１の特性データと、Ｓ偏光がＰ偏光より強い場合の第２の特性データとを含み、
処理部は、前記第１及び第２の特性データに従い膜厚を判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項５】
膜厚情報を求めるとき、
エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布を測定し、
処理部は、予め求められた既知の膜厚毎に、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶部から読出し、膜厚毎の前記伝搬光強度分布参照データと測定された伝搬光強度分布とを比較して、類似度に従い膜厚を求めることを特徴とする請求項１に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項６】
予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを測定し、
処理部は、膜厚毎に前記伝搬光強度分布参照データを記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項５に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項７】
予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、Ｐ偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布、及び／又は、Ｓ偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布に基づき、処理部は、膜厚を求めることを特徴とする請求項５に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項８】
前記近接場光プローブによる測定モードは、次のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の非破壊膜厚計測方法。
（１）先端がとがった近接場光プローブを用いて、測定対象を限定照明し、限定領域からの測定対象散乱光を自由空間に伝搬させ検出する微小ファイバ開口型イルミネーションモード、
（２）測定対象に自由空間伝搬光による照明を行い，先端がとがった近接場光プローブを用いて，測定対象の限定領域から近接場を伝搬光に変換し，プローブ内部を伝搬させて検出する微小ファイバ開口型のコレクションモード、又は、
（３）先端がとがった近接場光プローブを用いて，測定対象を限定照明し，照明用近接場光プローブを検出用としても利用し，測定対象の限定領域から近接場を伝搬光に変換し，プローブ内部を伝搬させて検出する微小ファイバ開口型のイルミネーション・コレクションモード
【請求項９】
前記近接場光プローブは、金属散乱プローブ型であることを特徴とする請求項１に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項１０】
処理部は、エアーギャップ値を、前記近接場光プローブに結合されたチューニングフォークを用いたシアーフォース制御により求めることを特徴とする請求項１に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項１１】
測定対象は、半導体用ナノインプリント極薄残膜であることを特徴とする請求項１に記載の非破壊膜厚計測方法。
【請求項１２】
測定対象を照射する光源と、
測定対象の表面に接近させ、近接場フォトン応答光を検出するための近接場光プローブと、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定するエアーギャップ測定部と、
前記近接場光プローブで検出された前記近接場フォトン応答光を計測するための受光部と、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、前記受光部により計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める処理部と
を備えた非破壊膜厚計測装置。
【請求項１３】
予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶した記憶部をさらに備え、
前記処理部は、前記記憶部を参照して膜厚を求めることを特徴とする請求項１２に記載の非破壊膜厚計測装置。
【請求項１４】
前記光源からの照射をＰ偏光又はＳ偏光に変換する偏光部と、
前記偏光部によりＰ偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布、及び／又は、Ｓ偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布を記憶した記憶部と
をさらに備え、
前記処理部は、前記記憶部を参照して膜厚を求めることを特徴とする請求項１２に記載の非破壊膜厚計測装置。
【請求項１５】
前記記憶部は、Ｐ偏光伝搬光強度分布とＳ偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データをさらに記憶し、
前記処理部は、前記特性データが示す交点に基づき膜厚を求めることを特徴とする請求項１２に記載の非破壊膜厚計測装置。
【請求項１６】
前記近接場光プローブに結合されたチューニングフォークをさらに備え、
前記処理部は、前記チューニングフォークを用いたシアーフォース制御によりエアーギャップ値を求めることを特徴とする請求項１２に記載の非破壊膜厚計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊膜厚計測方法及び装置に係り、特に、近接場フォトンを利用した非破壊膜厚計測方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノインプリント技術は、真空プロセスなど大がかりな装置を要さずに低コストでの大量生産が可能であるため、次世代半導体プロセスにおいて、従来の光リソグラフィに替わる高精度二次元微細パターン形成技術としての適用が期待されている。経済産業省策定の技術戦略ロードマップによると、ナノインプリント技術の半導体プロセスへの適用目標年として、２０１３年（３２ｎｍテクノロジーノード）が掲げられており、ナノインプリント技術の半導体プロセスへの適用は、次世代半導体業界における具体的な産業ニーズの一つとして位置づけられている。
【０００３】
図２５に、ナノインプリントにおける残膜の説明図を示す。
一般にナノインプリント技術は、モールド離型後、レジスト硬化部（所望の微細パターン形成部）以外においても、極薄残膜（厚さ数１０ｎｍ程度）が残るため、半導体プロセスにおいては、この残膜を除去する工程が必要とされる。レジスト硬化部（微細パターン形成部）はエッチングマスクとして機能するため、この残膜がばらつくとエッチング後のパターン寸法がばらつくことになり、結果として半導体デバイスの特性がばらつき、不良原因となることが問題視されている。このような問題を解決し、ナノインプリント技術を、高信頼性をもって半導体プロセスへ適用するためには、ナノインプリントの際に生じる、厚さ数１０ｎｍ程度の極薄残膜の膜厚の高精度制御技術の確立が必要となっている。そのためには、極薄残膜の高精度膜厚計測が不可欠である。
【０００４】
また、今日、半導体微細加工技術の微細化・高精度化のますますの進展に伴い、インプロセスにおける計測評価技術の重要性が再認識されており、インプロセス超高精度計測技術として、既に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による微細加工寸法のサンプリング計測も導入されてきている。ＡＦＭの導入により、全数検査が本質的に困難な計測法においても、クリティカルなポイントに対する適切なサンプリング計測を実施することで、プロセスの信頼性向上、製造デバイスの歩留まり向上に大きく役立つことが指摘されている。
【０００５】
一方、従来より、近接場フォトンは、その非伝搬特性・局在特性に着目し、近接した物質の局地的な属性取得に用いられることが一般的である。この局在特性に注目した局地的な属性取得こそが、まさに回折限界を超越した高分解能計測を意味する。この観点から、通常、バルク状の物質属性のうち、近接場フォトンで限定された領域のみの高分解能属性計測法として用いられることが多い。
【０００６】
さらに、半導体製造においては酸化膜や窒化膜や金属膜を半導体デバイスの縦構造として使用しており、その膜厚を計測する方法も多用であり、様々な計測原理に基づいた膜厚計測法が提案・使用されている。以下に、主なものを列記し、その特徴を記す。
【０００７】
［１］  ＦＴ／ＩＲ干渉膜厚計測法
本手法は、赤外領域の干渉スペクトルを解析することで、非破壊・非接触で、高速かつ高精度に分子構造および組成の分析、また膜厚の計測を行う。計測では、膜の厚さに応じた周期を持つ干渉スペクトルが得られ、その干渉スペクトルを周波数解析法によりスペーシャルグラムに変換し、そのピーク位置から高精度に膜厚を算出する。しかし通常数十μｍφ程度しか絞ることができず、横分解能は低い。
［２］  共焦点法・白色干渉法
共焦点顕微鏡はピンホールを上下させることで高低差のある試料に対しても高い高さ分解能を持ち、照明波長を変えることで多層膜内部の様子も観察することができる。しかし波長の制限で１００ｎｍ以下の薄膜の計測は不可能である。また白色干渉計は０．１ｎｍという非常に高い分解能をもつが、回折限界のため横分解能は波長の半分程度に限定され、数十ｎｍパターンの計測には限界がある。
［３］  プリズムカップリング法
薄膜の厚さが３００〜５００ｎｍであれば、膜内を伝搬するモードから膜厚および屈折率を求めることができる。またバルク材では、臨界角法によって絶対値に極めて近い高精度な屈折率も求めることができる。１００ｎｍ以下の膜厚レンジが要求されるナノインプリント極薄残膜には適用が困難である。
［４］  渦電流式センサ方式
金属薄膜の厚みとシート抵抗を、渦電流式センサを使用することで非接触、非破壊で測定する方法。その膜厚の測定レンジは０．０３〜５μｍである。計測原理のシート抵抗を測る方式であり、電気を通さない絶縁体の膜の厚さは原理的に計測できない。
［５］  エリプソメータ（非特許文献１、２参照）
エリプソメトリ（偏光解析）の原理を利用し、薄膜の膜厚と屈折率を高速かつ高精度に測定することができる。半導体酸化膜、窒化膜、レジスト、ＩＴＯなどの膜厚、屈折率の測定を可能としており、レーザーを使用して入射角を変化する方法と、１９０ｎｍから８３０ｎｍの様なブロード光の波長毎の反射率を検出する方式がある。エリプソメータでは数ｎｍの膜厚まで計測可能であるが、照射する光が６０°程度の入射角構成のためでもあり、計測物体上において直径５０μｍ程度であり、その領域全部の平均の厚さを計測していることになる。
【０００８】
【非特許文献１】Ｂｒｉａｎ  Ｔｒｏｔｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｆｉｘｅｄ−ｐｏｌａｒｉｚａｒ  ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ  ：  ａ  ｓｉｍｐｌｅ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｔｏ  ｍｅａｓｕｒｅ  ｔｈｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｏｆ  ｖｅｒｙ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ”，  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｖｏｌ．３８  Ｎｏ．５  Ｍａｙ  １９９９．
【非特許文献２】Ｓｔｅｖｅｎ  Ａ．  Ｈｅｎｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｉｎ  ｓｉｔｕ  ｓｐｅｃｉａｌ  ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ”，  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．１８０３．
【非特許文献３】Ｘ．  Ｚｈｕ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａ  Ｎｏｂｅｌ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｓａｍｐｌｅ−ｔｉｐ  ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｎｅａｒ  ｆｉｅｌｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ａｎｄ  ｓｈｅａｒ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｖｏｌ．９８  Ｎｏ．７  ｐｐ．６６１−６６４  １９９６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
次世代半導体において光リソグラフィの代替最有力候補として、ナノインプリント技術が期待されている。その際、高い信頼性をもって半導体デバイスを製造するためには、ナノインプリントの際に生じる極薄残膜（厚さ：数１０〜１００ｎｍ）の膜厚を非破壊計測し、その計測評価結果に基づいたナノインプリントプロセス条件の最適化が不可欠となる。しかし、このような微細構造内の極薄残膜に対して、膜厚を非破壊計測可能な手法は、現在存在しない。
【００１０】
結果として現在は、極薄残膜の厚さを評価するために、ウエハを切断し、その断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する破壊的評価法に頼らざるをえない状況となっている。また、断面ＳＥＭ計測は破壊計測なので、その試料を再度利用することはできない。そのため、今後、ナノインプリント技術の技術戦略ロードマップに沿った実用化のためには、プロセスフィードバックが可能な非破壊膜厚計測技術の開発が急務となっている。
【００１１】
また、従来の非破壊での計測手法は横分解能の低さのため数十ｎｍパターンには適用不可能である。また光学的手法では多重干渉を起こすため数十ｎｍの厚みの膜厚を測定できない。
そこで本発明では、例えば数１０ｎｍ程度の小さな領域に局在する近接場フォトンを利用することで、次世代半導体用ナノインプリント極薄残膜の膜厚を非破壊計測することを目的とする。
【００１２】
なお、本発明のように、近接場フォトンの寄与範囲自体を計測パラメータとする捉え方は、従来の近接場フォトン応用計測法と一線を画すものであり、極薄膜厚の厚さ自体を計測パラメータとした測定例はこれまで知られていない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の解決手段によると、
光源により測定対象を照射し、
近接場光プローブを測定対象の表面に接近させ、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定し、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、
前記近接場フォトン応答光を計測し、
計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める
非破壊膜厚計測方法が提供される。
【００１４】
本発明の第２の解決手段によると、
測定対象を照射する光源と、
測定対象の表面に接近させ、近接場フォトン応答光を検出するための近接場光プローブと、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定するエアーギャップ測定部と、
前記近接場光プローブで検出された前記近接場フォトン応答光を計測するための受光部と、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、前記受光部により計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める処理部と
を備えた非破壊膜厚計測装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、光学的手法なので非破壊で計測でき、かつファイバプローブで局所的に集光するので微小領域の計測が可能である。その横分解能は主にプローブの開口に依存しており、開口の小さいものを選択すれば、例えば、数十ｎｍの高分解能も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
１．膜厚計測装置のハードウェア
１−１  膜厚計測装置の概要
図１に、膜厚計測装置の概念図を示す。
以下に、膜厚計測装置の概要を説明する。この実施の形態では、一例としてｃ  ｍｏｄｅを用いて説明するが、これに限らず、本発明は後述する各種モードに応じて構成された装置に適応することができる。
【００１７】
本膜厚計測装置は、近接場光応答検出光学系１と、近接場光応答制御システム２とを備える。近接場光応答検出光学系１は、ステージ１１〜１３、チューニングフォーク１４、ファイバプローブ等のプローブ１５、光源１６、受光部１７を有する。近接場光応答制御システム２は、コンピュータ（ＰＣ）２１、ステッピングモータコントローラ２２、微動ステージコントローラ２３、ロックインアンプ２４、記憶部２５を有する。
【００１８】
ＸＹ軸の粗動ステージ１１を用い、試料台とする。Ｚ軸の粗動ステージ１２でエアーギャップをピエゾ（ＰＺＴ）等による微動ステージ１３の可動範囲まで近づける。測定対象である試料１０との高精度な高さ制御にはシアーフォース制御を用いる。光源（例えば、レーザ）１６で試料を照明し、プローブ１５で近接場光学応答を検出し、受光部（例えば、ＰＭＴ）１７で受光する。プローブ１５はチューニングフォーク１４の共振周波数で振動しており、プローブ１５で検出した近接場光応答もそれと同じ周波数で振動しているので、ロックイン検波をかけて信号を得る。これによりノイズの低減を図る。
【００１９】
なお、実施の形態の説明では、特に、チューニングフォーク１４を用いて、プローブ１５と試料（測定対象）１０との間の距離であるエアーギャップを測定しているが、これに限らず、適宜のエアーギャップ測定手段を設けてエアーギャップを測定するようにしても良い。その際はチューニングフォーク１４等の構成を適宜省略することができる。
【００２０】
１−２  主要機能の一例
本実施の形態の膜厚計測装置に要求される主要機能は次の２点である。
（ｉ）エアーギャップ（ａｉｒｇａｐ）を、例えば、数十ｎｍ単位で制御すること。
（ｉｉ）プローブ内に進行してくる非常に微弱な光信号を検出すること。
【００２１】
（ｉ）に関して、エアーギャップ制御は、一例として、シアーフォース（ｓｈｅａｒ−ｆｏｒｃｅ）制御を用いる（非特許文献３等参照）。なお、シアーフォース技術以外にも、適宜のエアーギャップ制御技術を用いることができる。
【００２２】
図２に、シアーフォースの説明図を示す。
図示のように励振用のピエゾなどでプローブ１５を水平方向に振動させながら試料に近づける。エアーギャップが５０ｎｍ以下になると試料表面に吸着している水分子などの粘性により振幅が減衰するという性質がある。その振幅をモニタリングし、制御することでエアーギャップを制御する。振幅の検出方式として図示のように振動しているプローブ１５にレーザ等の光源１６を当てて後方に設置した検出器で振幅を検出する方法があるが、その光が迷光となり感度が悪化すると考えられるので、本実施の形態では圧電素子である音さ型のチューニングフォーク（水晶振動子）を用い振幅を検出する。
【００２３】
図３に、チューニングフォークを用いた振幅検出法の図を示す。
図示のように、チューニングフォーク１４の音さ部分にプローブ１５を取り付け、ロックインアンプ２４の内部発振回路からチューニングフォーク１４の共振周波数で電圧をかけ、共振させる。共振するとチューニングフォーク１４は横方向に数ｎｍの振幅で振動し、同時にプローブ１５も振動する。その状態で試料に接近させエアーギャップが５０ｎｍ以下になるとシアーフォースによりプローブの振幅が減衰し、同時にチューニングフォークの振幅も減衰する。その振幅をモニタリングし一定に保つことで、エアーギャップを一定に保つことができる。
【００２４】
（ｉｉ）に関して、プローブを進行してきた近接場光応答は高感度、高速応答のＰＭＴ（光電子増倍管：Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ）等の検出器を用いて検出する。またノイズ低減のためにロックイン検波をかけて最終的な信号を得る。
【００２５】
１−３  詳細構成
以下に、膜厚計測装置の詳細な構成について説明する。
（１）近接場光応答検出光学系１
ステージ駆動部分は、一例として、防振台の上にＸＹ軸のステージ１１を設置し、また、基礎フレームの上部にＺ軸のステージ１２を設置し、そのステージ１２にプローブ１５を含むヘッド部分を作成した。Ｚ軸に関しては、エアーギャップを高精度に制御する必要があり、粗動ステージ１２と微動ステージ１３を用いる。ＸＹ軸のステージ１１は試料台走査に用いることで、連続的に膜厚評価を行うわけことができる。
【００２６】
ヘッド部分では、チューニングフォーク１４にファイバプローブ等のプローブ１５の先端部が、例えば、数ｍｍ程度出るように接続した。ロックインアンプ２４の内部発振回路から電圧を印加すればチューニングフォーク１４が共振周波数で振動し、プローブ１５も振動する。
【００２７】
外部照明光学系部分は、一例として、近接場光顕微鏡のｃ  ｍｏｄｅであり、レーザ等の光源１６でプローブ１５先端部分を含む一帯を照明している。光源１６として、例えば、波長６３３ｎｍ、直線偏光のＨｅ−Ｎｅレーザ等のレーザを用いることができる。外部照明光学系部分は、例えば、光源１６として直線偏光レーザを用い、偏光部１８として、λ／４波長板及び偏光子を用いて構成することができる。さらに、角度の微調整のきくミラーで反射させプローブ先端部を照明するようにしてもよい。
【００２８】
本実施の形態の薄膜厚評価では、偏光部１８により、Ｐ偏光、Ｓ偏光で照明を行い、その強度変化を調べることにより膜厚を評価することができる。外部照明光学系に関しては、同じレーザ強度で偏光による違いを検出したいので入射レーザの強度は両偏光において同じにする必要がある。例えば、レーザは直線偏光で発振されるので、まずレーザビームをλ／４波長板を透過させる。すると円偏光になるので、偏光子を透過させると同じ強度でＰ偏光、Ｓ偏光の調整が可能になる。Ｐ偏光とＳ偏光との切替えは、手動で行なってもよいし、ＰＣ２１により切替えてもよい。
【００２９】
近接場光応答検出部は、受光部１７として、例えば、光電子増倍管に低消費電力型高圧電源回路とアンプを内蔵した一体型の光センサモジュールを用いることができる。ＰＭＴ等の受光部１７の受光面にＦＣコネクタを取り付け、そこにファイバのプローブ１５と逆の端面を差し込みファイバを伝播してきた光信号を検出する。またファイバを通ってきた光信号のみを受光できるようにＰＭＴを遮蔽箱にいれ、ノイズとして他の光が極力はいらないようにした。
【００３０】
（２）  近接場光応答検出制御システム２
本装置では、試料台走査のステッピングモータコントローラ２２と、プローブ高さ制御の微動ステージコントローラ２３と、信号検出のロックインアンプ２４を制御する必要がある。そこで、ＰＣ２１がＧＰＩＢ（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｐｕｒｐｏｓｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｂｕｓ：汎用インターフェースバス）等のインタフェースを用いてこれらコントローラ２２，２３及びロックインアンプ２４との通信を行い制御する。
【００３１】
ケーブルでＰＣ２１にステッピングモータコントローラ２１とピエゾコントローラ２３及びロックインアンプ２４を接続される。
記憶部２５は、予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶しておくことができる。
【００３２】
または、記憶部２５は、前記偏光部によりＰ偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布、及び／又は、Ｓ偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布を記憶しておくことができる。このとき、記憶部２５は、Ｐ偏光伝搬光強度分布とＳ偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データをさらに記憶しておくことができる。なお、一方の偏光についての伝搬光強度分布のみを記憶してもよい。
【００３３】
２．計測原理
２−１  基本原理
図４に、膜厚計測の原理についての概念図を示す。この図は、プローブ先端部の拡大図を示す。本実施の形態の基本原理の一例は次の通りである。
開口型のファイバプローブを試料の表面極近傍へ近づける。プローブ先端に近接場光が形成された近接場プローブを残膜表面に接近させ、近接場光を試料の残膜に作用させる。そのサイズは先端サイズに依存し、プローブ先端に局在する。膜厚情報を含み伝搬光として放射される近接場光応答をプローブで局所的に集光し、その応答信号から膜厚情報を抽出する。
【００３４】
２−２  近接場光顕微鏡の基本原理（例えば、大津元一、小林潔「近接場光の基礎−ナノテクノロジーのための新光学−」（平成１５年１月５日発行）、株式会社オーム社、ｐ．２９−３５  等参照）
図５に、プローブの原理の説明図を示す。
近接場光の基本的性質は微粒子表面に局在し、微粒子寸法程度の厚みをもつ非伝搬光である。これを検出するには図示のように第２の微粒子を近接場光内に挿入し伝播光に変換することであり、この第２微粒子はプローブと呼ばれる。
【００３５】
このとき、近接場光の寸法依存局在性の特徴を生かすために変換する体積はできるだけ小さいほうがよいが、２つの微粒子の寸法が等しいときに変換効率は最大となるので、第２微粒子の寸法は第１微粒子と同等であると有利である。さらに変換効率は２つの微粒子による近接場光の散乱効率によっても決まるので、これらの微粒子の構造にも依存する。
【００３６】
３．近接場光を利用した薄膜評価法
つぎに、どのように薄膜厚を評価するかを述べる。
図６に、Ｐ偏光、Ｓ偏光でのエアーギャップとプローブ電場の関係を各膜厚毎にまとめた図を示す。
【００３７】
図示のように、膜厚が変化すると基本的にプローブ電場強度は左にシフトしているが、薄膜の影響、また偏光の影響によりプローブ電場の強度変化の様はそれぞれ異なっている。ここで注目したいのはＰ偏光とＳ偏光の強度が逆転している箇所があるということである。
【００３８】
図７（ａ）に、Ｐ偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図を示す。
図６中、点線で示した四角内でＰ偏光、Ｓ偏光の強度が逆転している。例えば、膜厚１０ｎｍではまだ逆転していないが、膜厚２０ｎｍではエアーギャップ９０ｎｍで逆転している。膜厚３０ｎｍではエアーギャップ６０ｎｍで、膜厚４０ｎｍではエアーギャップ３０ｎｍで、膜厚５０ｎｍではエアーギャップ１０ｎｍでそれぞれ逆転している。つまりＰ偏光の強度がＳ偏光の強度より大きくなるエアーギャップを指標に膜厚を評価できると考えられる。
【００３９】
図７（ｂ）に、Ｓ偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図を示す。
しかし上述の方法では２０ｎｍ以下の膜厚が測定できない場合がある。この場合は前述の図６の他の四角内に注目する。四角内ではＰ偏光の強度よりＳ偏光の強度が大きくなっている。膜厚０ｎｍではエアーギャップ７０ｎｍで、膜厚１０ｎｍではエアーギャップ４５ｎｍで、膜厚２０ｎｍではエアーギャップ２５ｎｍでそれぞれ逆転が起こっている。
【００４０】
本グラフより、例えばエアーギャップを５ｎｍ以下で制御できるのであれば膜厚は２，３ｎｍの分解能で計測できる可能性がある。
なお、必要に応じて、上述のような交点に関して、いずれかひとつの偏光についてのグラフ又は２つのグラフを用いることにより、強度の逆転するエアーギャップを調べれば膜厚を測定できる。
【００４１】
４．フローチャート
図８に、非破壊膜厚計測についての第１の実施の形態のフローチャートを示す。
まず、ＰＣ２１は、近接場フォトン応答光を計測し、計測データを記憶部２５に保存する（Ｓ１０１）。以下に、具体的に説明する。なお、詳細は、後述の「５．制御及び計測の詳細」を参照。
【００４２】
レーザ等の光源１６により測定対象１０を照射し、近接場光プローブ１５を測定対象１０の表面に接近させ、測定対象１０と近接場光プローブ１５との間のエアーギャップ値を測定する。そして、近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象１０を存在させることにより、近接場プローブ１５の先端部の双極子と測定対象１０の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させる。そして、受光部１７により、近接場フォトン応答光を計測する。
【００４３】
ステップＳ１０１の測定の際、ＰＣ２１により自動で又はマニュアルで、偏光部１８によりＰ偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布を測定し、また、Ｓ偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布を測定する。ＰＣ２１は、記憶部２５に測定結果を記憶する。伝搬光強度分布は、例えば、図６参照。
【００４４】
次に、ＰＣ２１は、計測された近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、以下のように測定対象１０の膜厚情報を求める。
この実施の形態では、まず、ＰＣ２１は、Ｐ偏光伝搬光強度分布とＳ偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値を求め、必要に応じて、交点のデータを記憶部２５に記憶する（Ｓ１０３）。
【００４５】
ＰＣ２１は、前記交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した予め定められた特性データを記憶部２５から読出し、その特性データを用いて求めた交点のエアーギャップ値に従い膜厚情報を求める（Ｓ１０５）。さらに、ＰＣ２１は、その膜厚情報を記憶部２５又は表示部に表示することができる。
【００４６】
このとき、本装置を用いて、予め既知の複数の膜厚の各試料に対して、Ｐ偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布を測定し、また、予め膜厚が既知の複数の膜厚の各試料に対して、Ｓ偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布を測定しておく。ＰＣ２１は、これら伝搬光強度分布を記憶部２５に記憶しておく。そして、ＰＣ２１は、記憶部２５から伝搬光強度分布を読み出し、それに基づき、Ｐ偏光伝搬光強度分布とＳ偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データを求め、特性データを記憶部に記憶する。特性データは、例えば、図７など参照。
【００４７】
この例では、特性データは、エアーギャップの減少又は増加に対して、Ｐ偏光がＳ偏光より強い場合の第１の特性データと、Ｓ偏光がＰ偏光より強い場合の第２の特性データとを含み、ＰＣ２１は、前記第１及び第２の特性データに従い膜厚を判定するようにしている。これに限らず、いずれか一方の偏光特性データを備えて、それのみで膜厚を測定するようにしてもよい。
【００４８】
図９に、非破壊膜厚計測についての第２の実施の形態のフローチャートを示す。
第２の実施の形態では、膜厚情報を求めるとき、第１の実施の形態と同様に、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布を測定する（Ｓ２０１）。つぎに、ＰＣ２１は、波長、入射角度、偏光等の計測のために定められる各種設定値を入力する（Ｓ２０３）。そして、つぎに、ＰＣ２１は、計測された近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、以下のように測定対象１０の膜厚情報を求める（Ｓ２０３）。
【００４９】
この実施の形態では、ＰＣ２１は、設定値に従い、予め求められた既知の膜厚毎に、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶部２５から読出し、膜厚毎の伝搬光強度分布参照データと測定された伝搬光強度分布とを比較して、類似度に従い膜厚を求める。類似度に関しては、適宜の相関をとり分布の相関度・類似度・相違度等により所定の膜厚の参照分布データを特定することができる。伝搬光強度分布参照データは、例えば、図１９（後述）及び図６など参照。さらに、ＰＣ２１は、その膜厚情報を記憶部２５又は表示部に表示することができる。
【００５０】
このとき、本装置を用いて、所定の各種設定値を定めて、予め膜厚が既知の複数の膜厚に対してレーザ光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを測定しておき、ＰＣ２１は、各種設定値に対応して、膜厚毎に伝搬光強度分布参照データを記憶部２５に記憶する。
【００５１】
さらに、予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、Ｐ偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＰ偏光伝搬光強度分布、及び／又は、Ｓ偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すＳ偏光伝搬光強度分布に基づき、ＰＣ２１は、膜厚を求めることができる。伝搬光強度分布は、例えば、図６など参照。
【００５２】
なお、伝搬強度分布及び同参照データは、上述の第１及び第２の実施の形態では本装置を実際に用いて既知の膜厚の試料に対して測定した結果得られたデータを用いたが、これに限らず、シミュレーションにより各種設定をして求めた分布やデータを用いてもよい。
【００５３】
５．制御及び計測の詳細
５−１  エアーギャップ制御プログラム
図１０は、シアーフォースの影響でプローブの振幅が減衰するときのエアーギャップとプローブの振幅を示した図である。
【００５４】
この例では、（１）の領域、つまりエアーギャップが、例えば数百ｎｍ以上ならばプローブの振幅は変化しない。しかし、（２）の領域、エアーギャップが、例えば５０ｎｍ以下になるとプローブの振幅が減衰する。（２）の領域でプローブの振幅をモニタリングし、その振幅をある閾値で保てばエアーギャップを制御することができる。これがシアーフォース制御の原理である。
【００５５】
図１１に、エアーギャップ制御プログラムのフローチャートを示す。以下の処理は、例えば、ＰＣ２１が実行する。
ＰＣ２１は、チューニングフォーク１４の振幅をロックインアンプ２４でモニタリングする（Ｓ３０１）。ＰＣ２１は、その振幅が閾値以上か以下か判断する（Ｓ３０３）。閾値以上ならまだエアーギャップが大きいということなので、ＰＣ２１は、コントローラ２３により、Ｚ軸ピエゾステージ１３を降下させる（Ｓ３０５）。ＰＣ２１は、その後ステップＳ３０１に戻り、基本的にはこの作業を繰り返す。ただ、ピエゾステージ１３のストロークは、例えば２５μｍであり、それだけでエアーギャップをシアーフォースの働く距離まで近づけるのは難しく、最大ストロークまで動かすことでヒステリシスなどの誤差がのってくるので、ピエゾステージ１３の可動範囲が一定以上になると（Ｓ３０７）、例えば、ストロークの半分程度まで動くと、ＰＣ２１はコントローラ２３により、ピエゾステージ１３を原点に戻し、同じ距離をステッピングモータのステージ１２により降下させる（Ｓ３０９）。
【００５６】
一方、ステップＳ３０３で振幅が閾値以下になった場合、つまりエアーギャップが、例えば、５０ｎｍ以下になった場合は、ＰＣ２１はチューニングフォーク１４の降下を停止し、そのときのＺ座標を記憶部２５のファイルに書き出し（Ｓ３１１）、所定距離、例えば、２００ｎｍ程度チューニングフォーク１４を上昇させる（Ｓ３１３）。ＰＣ２１は、これ以後ステッピングモータステージ１２は使用せずピエゾステージ１３のみでチューニングフォーク１４の上げ下げを行う。これはピエゾステージ１３に比べステッピングモータステージ１２の精度が悪く、振動によってエアーギャップが大きく変わってしまう可能性があるためである。
【００５７】
以上のように、シアーフォースを利用したエアーギャップ制御では、圧電素子であるチューニングフォークの発振回路を発振させ、その共振周波数でプローブを振動させる。エアーギャップ制御プログラムでチューニングフォークの振幅をモニタリング、フィードバックすることによりエアーギャップの制御を行う。
【００５８】
５−２  シアーフォースによるチューニングフォーク振幅の減衰測定
チューニングフォークにプローブを挟んだ状態でも回路が発振するので、本実施の形態では発振した状態でプローブを試料表面に近づけ、シアーフォースによりチューニングフォーク振幅が減衰するのを測定する。
【００５９】
図１２に、エアーギャップとチューニングフォークの振幅の関係の図を示す。
この図は、エアーギャップ制御プログラムでチューニングフォークの振幅をモニタリングしながらＺ軸ピエゾステージでプローブを降下させた時のエアーギャップとチューニングフォークの振幅の関係を示す。
【００６０】
図中（１）のエリア、エアーギャップが十分に大きいエリアではプローブを近づけても振幅は電気ノイズの影響で揺れてはいるが減衰は確認できない。（２）のエリア、エアーギャップが５０ｎｍ以下になると振幅が減衰を始めた。降下させていくと振幅は０になり、さらに２００ｎｍほど降下させても振幅は０のままだった。この状態はプローブ先端が試料にぶつかっていると判断し、始めに振幅が０になった位置をエアーギャップ０ｎｍとした。
【００６１】
この結果からある閾値を設定し、振幅がそれ以下になれば停止することによりエアーギャップを数十ｎｍの位置で制御できることがわかった。例えば閾値を０．３に設定して制御することでエアーギャップを２５ｎｍ前後の位置に止めることができる。
【００６２】
５−３  近接場光応答検出プログラム
図１３に、近接場光応答検出プログラムのブロック図を示す。
まず、ＰＣ２１は、上述のエアーギャップ制御プログラムを使って、チューニングフォーク１４の振幅をチェックしつつ（Ｓ４０１）、エアーギャップを、一定値例えば５０ｎｍ以下まで近づける（Ｓ４０３）。一定値まで近づくと、降下をストップして、ＰＣ２１は、そのときの座標値を記憶部２５のファイルに書き出す等によりエアーギャップを測定する（Ｓ４０５）。ＰＣ２１は、ピエゾステージ１３を停止して、同じ座標をキープする（Ｓ４０７）。ここで、ＰＣ２１は、光源１６によりレーザ照明を行い、ファイバプローブ１５によりＰＭＴ等の受光部１７で検出した近接場光応答（受光強度）はロックインアンプ２４に送信され、そこでロックイン検波をかけられ、ＰＣ２１は、その信号を読み取り、記憶部２５のファイルに書き出す（Ｓ４０９）。これが一連の作業である。近接場光応答検出はエアーギャップを変えながら行うので、一連の作業が終わるとその時の座標から所定値、例えば、数十ｎｍ引き上げ（Ｓ４１１）、ステップＳ４０７及びＳ４０９の同様の作業繰り返す。このように、ＰＣ２１は、エアーギャップを変えながら近接場光応答を検出する。
【００６３】
６．モデル化解析
ここでは本実施の形態をシミュレーション解析に適した形にモデル化を行う。そしてプローブ先端部での電場挙動を解析する。まずは薄膜がないモデルで解析を行い、試料近傍での電場挙動のメカニズムを解明する。次にそのメカニズムを薄膜があるモデルにも適用し、膜厚によってどのような電場挙動が起こっているのか解析する。
【００６４】
６−１  モデル化
以下に、本実施の形態のモデル化について説明する。
図１４に、シミュレーションモデルの説明図を示す。
ＦＤＴＤシミュレーションでは解析領域が限定されるため、プローブ全体をモデル化することは現実的ではない。また、本実施の形態ではプローブ先端部での電場挙動、プローブ内部に進行してくる電場を詳細に解析したいため、プローブ自身の長さを数波長分確保し、プローブ先端部の数μｍ立方の領域を解析領域と設定する。また実際は図示のように微細パターンが刻まれているが、本論文ではまずは膜厚が変化することによる近接場光応答の変化を検出することを目的としているため、膜厚を均一としてモデル化する。つまり従来の手法では５０ｎｍ以下の薄膜厚の計測は不可能であったのだが、本手法では可能であることを示すことを目的としてシミュレーション解析する。
【００６５】
一般に、ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍｅｉｎ  ｍｅｔｈｏｄ：時間領域差分法）は、微小領域の電場挙動の解析が可能である。また、ＦＤＴＤ法では、解析領域に電磁界を時間的、空間的に配置する。すなわち、波源、散乱体を囲むように解析領域を取り、その解析領域全体をセルに分割し、その全セルに対してマクスウェルの偏微分方程式を適用し定式化する。そして、時間ステップを進めていき、電界・磁界を交互に計算していくというアルゴリズムである。このときの基本的アルゴリズムがＹｅｅアルゴリズムである。
【００６６】
６−２  プローブ先端部電場挙動の解析
プローブ先端部の電場挙動は２つの領域に分けられる。１つ目は先端電場が効果を及ぼすエアーギャップが非常に小さい領域、２つ目は先端電場の効果が及ばないエアーギャップが大きい領域である。以降この２つの領域に分けて先端電場のメカニズム推定を行う。
【００６７】
（１）エアーギャップが非常に小さい領域
図１５に、エアーギャップとプローブ電場の関係の説明図を示す。
先端電場とプローブ電場の相互作用には２つの要因があると考えられる。
（ａ）エアーギャップが大きくなるとプローブ自身の遮蔽効果が小さくなり外部から有効に照明されるようになり先端電場は大きくなる。
（ｂ）先端電場はプローブ先端に局在しているので、エアーギャップが離れすぎるとプローブ電場への効果は急激に小さくなると予想される。
【００６８】
図１６に、先端電場の効果についての説明図を示す。この図は、上述の（ａ）及び（ｂ）をまとめてプローブ電場への効果を図示すると図示したものである。
図中（ｉ）に関して、エアーギャップが大きくなるとプローブ自身の遮蔽効果が小さくなり先端電場は大きくなる。ある距離以上離れるとプローブ先端部への外部照明がコンスタントに当たるようになり、先端電場の強さは一定になる。（ｉｉ）に関して、先端電場の局在性よりプローブ電場への効果はエアーギャップが大きくなるにつれ減衰していく。この２点の効果をまとめると、（ｉｉｉ）のようになる。エアーギャップが大きくなるとプローブ電場は大きくなる。しかしあるエアーギャップで極大となりそれ以降は減衰していく。
【００６９】
（２）エアーギャップが大きい領域
図１７は、外部照明による干渉波とプローブ電場の関係を示す図である。図示のように、エアーギャップが大きい領域では外部照明による干渉波の効果が大きくなってくると予想される。
【００７０】
図１８に、外部照明による干渉波の効果についての説明図を示す。外部照明による干渉のプローブ電場への効果をまとめると図示のようになる。
図中（ｉ）に関して、外部照明により常に一定の干渉波が生じており、干渉の様子はファーフィールドから見ると安定している。しかし、（ｉｉ）のように、プローブ電場への効果を考えるとエアーギャップが小さい場合はプローブ自身の遮蔽効果により、プローブ電場への効果は非常に小さい。しかしエアーギャップが大きくなるとプローブ自身の遮蔽効果が小さくなり、プローブ電場への効果がおおきくなってくる。この２点をまとめると（ｉｉｉ）のようになると考えられる。エアーギャップが大きくなり先端電場の効果が小さくなると、徐々に外部照明の効果が大きくなり支配的になる。
【００７１】
（３）プローブ先端の電場
以上の、（１）エアーギャップが非常に小さい領域での先端電場の効果、（２）エアーギャップが大きい領域での外部照明による干渉波の効果、この２点をまとめたものが最終的なプローブ電場になると考えられる。
【００７２】
図１９は、エアーギャップとプローブ電場の関係を示す図である。
この２点の効果をまとめると図示のようになる。
すなわち、エアーギャップが小さい時はプローブ自身の遮蔽効果でプローブ電場は非常に小さい。エアーギャップが徐々に大きくなってくると外部照明が多く当たるようになり先端電場の影響が強くなる。しかし先端電場は局在しているのでエアーギャップが大きくなるにつれ影響が小さくなる。それ以後は外部照明による干渉の影響が支配的になる。これがプローブ先端部における電場挙動のメカニズムであると推定される。
【００７３】
つぎに、図２０に、先端電場の性質（左がＰ偏光、右がＳ偏光。上図は横視点、下図は上視点）についての説明図を示す。
偏光の違いによる先端電場の挙動の変化をまとめると図示のようになる。
すなわち、Ｐ偏光はプローブ端面に対して垂直に電場が振動している偏光であり、プローブ先端ではその方向、つまりプローブの長さ方向に振動している先端電場が発生すると考えられる。またＳ偏光に関しては電場の振動の方向はＰ偏光と直角なので先端電場もＰ偏光と垂直な方向に振動していると考えられる。振動の様子が違えども、どちらも先端部に局在している電場なので、偏光の違いによるプローブ先端部での電場挙動のメカニズムは同様のものだと考えられる。
【００７４】
図２１は、偏光によるエアーギャップとプローブ電場の関係を示す図である。偏光の効果をまとめた最終的な信号の強さは図示のようになる。
【００７５】
（４）薄膜があるモデルでの電場挙動解析
次に薄膜があるモデルでシミュレーション解析に従い、電場挙動について説明する。膜厚とエアーギャップを変化させてシミュレーションを行った。
【００７６】
図２２に、薄膜がある場合のシミュレーションモデルの図を示す。
図示のように膜厚を変化させてプローブ電場を解析する。膜厚は０ｎｍから５０ｎｍまで１０ｎｍ刻みで、エアーギャップは１０ｎｍから１００ｎｍまで１０ｎｍ刻みで変化させた。Ｐ偏光、Ｓ偏光それぞれに関してシミュレーションを行い、プローブ電場を調べた。
【００７７】
図２３は、膜厚を変化させた場合のＰ偏光及びＳ偏光でのプローブ電場の強度を示す図である。
この例では、Ｐ偏光、Ｓ偏光ともに膜厚０ｎｍではエアーギャップが７０ｎｍ前後で極大となった。先端電場の大きさはおよそプローブ先端径に依存するため約７０ｎｍ前後の領域に局在している。つまり先端電場の影響が支配的な領域である。
【００７８】
薄膜があるモデルでは膜厚が厚くなるにつれ、膜厚０ｎｍのグラフに対して左にシフトしていると読み取ることができる。レジストはＳｉと比べ光に対してより透明である。よって薄膜厚が変化しても結局はＳｉ面からの距離に依存すると考えられる。つまり薄膜が厚くなることは、増えた厚み分だけエアーギャップが大きくなったことと同義だと考えられる。
【００７９】
また、偏光の違いによって、強度変化の度合い、シフトの大きさが異なっている。つまり、膜厚０ｎｍで解明した電場挙動に対し、膜厚が厚くなるにつれ、ピーク値を迎えるエアーギャップやグラフ形状が左にシフトしている。
【００８０】
７．変形例
（１）近接場光学顕微鏡のモード
近接場光学顕微鏡には、次のような各種モードが存在する。
図２４に、ファイバプローブのモード（（Ａ）ｉ  ｍｏｄｅ，（Ｂ）ｃ  ｍｏｄｅ，（Ｃ）ｉ−ｃ  ｍｏｄｅ）の説明図を示す。
【００８１】
照明集光の方法によってｉ  ｍｏｄｅ（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ），ｃ  ｍｏｄｅ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ），ｉ−ｃ  ｍｏｄｅ（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ−ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ）の各モードがある。
【００８２】
ｉ  ｍｏｄｅとは、プローブに光を入射し、プローブ先端から滲み出したエバネッセント光を試料により散乱させ外部検出器で受光する方法である。一般的な近接場光学顕微鏡で用いられ、開口数の大きい光学系での集光が可能なため高感度な応答が得られる。加工や蛍光分析に用いられる。
【００８３】
ｃ  ｍｏｄｅとは、一般的には全反射で試料を照明し、サンプル上で生じたエバネッセント光をプローブで散乱させ、その散乱光をプローブで集光する方法である。ノイズの少ないエバネッセント光を検出でき、高いコントラストを得られる。生体観測に用いられる。また、ｃ  ｍｏｄｅでは、試料台がＳｉなどであり不透明な場合は、照明は外部上方から行う。
【００８４】
ｉ−ｃ  ｍｏｄｅは、プローブに光を入射し、プローブ先端から滲み出したエバネッセント光を試料により散乱させ、プローブで検出する方法である。試料台が不透明なものの分光に用いられる。
【００８５】
以上の説明した実施の形態では、特に、ｃ  ｍｏｄｅについて説明したが、本発明は、ｉ  ｍｏｄｅやｉ−ｃ  ｍｏｄｅ等の他のモードにより適宜実現するようにしてもよい。例えば、ｉ  ｍｏｄｅの場合、受光部（検出器）１７と光源１６の配置を、ファイバ１５に対して図示のように入れ替えることで実現できる。また、ｉ−ｃ  ｍｏｄｅの場合は、ファイバ１５を介して光源１６から測定対象１０にして光を照射するようにすればよい。
【００８６】
（２）金属散乱プローブ
以上の３つのプローブモードの他にも、図（Ｄ）に示すような金属散乱プローブを利用することもできる。この場合は、例えば、光源１６及び受光部（検出器）１７を図示のように配置するとともに、ファイバプローブ１５の代わりに金属の同様の形状のプローブ１５を用いることで実現可能である。
【００８７】
（３）Ｓ偏光又はＰ偏光の一方のみの利用
対象とされる膜厚の範囲によっては、Ｓ偏光又はＰ偏光の一方の照射による測定により、膜厚計測することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
すなわち、本発明の近接場フォトンを用いた極薄残膜の非破壊膜厚計測技術は、半導体プロセスにナノインプリント技術を適用するという産業ニーズに応えるために、不可欠な産業技術シーズの位置付けとなることができる。
【００８９】
また、本発明は、ナノインプリント技術の半導体プロセスへの実用化過程における不可欠な産業シーズにとどまらず、実用化後のインプロセス・サンプリング計測評価技術としての産業シーズも有していると位置付けることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】膜厚計測装置の概念図。
【図２】シアーフォースの説明図。
【図３】チューニングフォークを用いた振幅検出法の図。
【図４】膜厚計測の原理についての概念図。
【図５】プローブの原理の説明図。
【図６】Ｐ偏光、Ｓ偏光でのエアーギャップとプローブ電場の関係を各膜厚毎にまとめた図。
【図７】（ａ）Ｐ偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図、及び、（ｂ）Ｓ偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図。
【図８】非破壊膜厚計測についての第１の実施の形態のフローチャート。
【図９】非破壊膜厚計測についての第２の実施の形態のフローチャート。
【図１０】シアーフォースの影響でプローブの振幅が減衰するときのエアーギャップとプローブの振幅を示した図。
【図１１】エアーギャップ制御プログラムのフローチャート。
【図１２】エアーギャップとチューニングフォークの振幅の関係の図。
【図１３】近接場光応答検出プログラムのブロック図。
【図１４】シミュレーションモデルの説明図。
【図１５】エアーギャップとプローブ電場の関係の説明図。
【図１６】先端電場の効果についての説明図。
【図１７】外部照明による干渉波とプローブ電場の関係を示す図。
【図１８】外部照明による干渉波の効果についての説明図。
【図１９】エアーギャップとプローブ電場の関係を示す図。
【図２０】先端電場の性質（左がＰ偏光、右がＳ偏光。上図は横視点、下図は上視点）についての説明図。
【図２１】偏光によるエアーギャップとプローブ電場の関係を示す図。
【図２２】薄膜がある場合のシミュレーションモデルの図。
【図２３】膜厚を変化させた場合のＰ偏光及びＳ偏光でのプローブ電場の強度を示す図。
【図２４】ファイバプローブのモード（（Ａ）ｉ  ｍｏｄｅ，（Ｂ）ｃ  ｍｏｄｅ，（Ｃ）ｉ−ｃ  ｍｏｄｅ）の説明図。
【図２５】ナノインプリントにおける残膜の説明図。
【符号の説明】
【００９１】
１  近接場光応答検出光学系
２  近接場光応答制御システム
１１  ステージ
１２  ステージ
１３  ステージ
１４  チューニングフォーク
１５  プローブ（ファイバプローブ）
１６  光源
１７  受光部
２１  コンピュータ（ＰＣ）
２２  ステッピングモータコントローラ
２３  微動ステージコントローラ
２４  ロックインアンプ
２５  記憶部
【図１】
2007298314.tif 000003
【図２】
2007298314.tif 000004
【図３】
2007298314.tif 000005
【図５】
2007298314.tif 000006
【図６】
2007298314.tif 000007
【図７】
2007298314.tif 000008
【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１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図４】
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【図１５】
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【図１７】
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