(57)【要約】【課題】膜が均一でなく、膜厚により結晶成長が大きくなる膜に関しても、膜厚を精度良くリアルタイムで測定できる膜厚測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】鋼板上に付着する膜厚により結晶成長が大きく異なる結晶が成長した表面をもつ膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、被測定面に対する入射面に平行な方位角の成分及び垂直な方位角の成分を有する直線偏光を被測定面に入射する投光工程と、前記被測定面からの反射光を膜表面および膜内部での正反射成分と、膜表面および膜内部での散乱・拡散反射成分により変化した楕円偏光光を楕円偏光の長軸、短軸、および長軸と短軸の中間の角度にセットした、３つの偏光角で受光する受光工程と、該受光工程で受光した受光量に基づいて、重回帰式により膜厚を推定する膜厚演算処理工程とを有する。【選択図】図１
2007010475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板上に付着する膜厚により結晶成長が大きく異なる結晶が成長した表面をもつ膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
被測定面に対する入射面に平行な方位角の成分及び垂直な方位角の成分を有する直線偏光光源と、
前記被測定面からの反射光を膜表面および膜内部での正反射成分と、膜表面および膜内部での散乱・拡散反射成分により変化した楕円偏光光を楕円偏光の長軸、短軸、および長軸と短軸の中間の角度にセットした、３つの偏光角で受光する受光手段と、
該受光手段で受光した受光量に基づいて、重回帰式により膜厚を推定する膜厚演算処理装置とを備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜厚測定装置において、
前記膜は、鋼板表面に付着した酸化膜であり、膜厚に応じて網目状結晶から板状結晶が大きく成長してくる膜であることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】
鋼板上に付着する膜厚により結晶成長が大きく異なる結晶が成長した表面をもつ膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
被測定面に対する入射面に平行な方位角の成分及び垂直な方位角の成分を有する直線偏光を被測定面に入射する投光工程と、
前記被測定面からの反射光を膜表面および膜内部での正反射成分と、膜表面および膜内部での散乱・拡散反射成分により変化した楕円偏光光を楕円偏光の長軸、短軸、および長軸と短軸の中間の角度にセットした、３つの偏光角で受光する受光工程と、
該受光工程で受光した受光量に基づいて、重回帰式により膜厚を推定する膜厚演算処理工程とを備えることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の膜厚測定方法において、
前記膜は、鋼板表面に付着した酸化膜であり、膜厚に応じて網目状結晶から板状結晶が大きく成長してくる膜であることを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鋼板表面上に偏光光を照射し、照射された鋼板上に付着する膜から反射した偏光光を受光することで膜厚を測定する膜厚測定装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光応用計測の１つとしてエリプソメータという膜厚測定技術があり、これはシリコンウエハー上の薄膜測定によく利用される技術である。直線偏光の光を膜に入射させると、膜の表面での反射と膜内部での多重反射により膜から反射した光は、楕円偏光となって反射する。この楕円偏光の楕円率Δ、方位角ψ、およびあらかじめ判っている測定対象の複素屈折率を計測し、膜厚を求める方式がエリプソ論理と呼ばれているものである。
【０００３】
このエリプソ論理を使った従来技術としては、例えば特許文献１に開示された技術がある。この技術は、基材上のクロム層の上の酸化クロム皮膜を測定する技術であり、直線偏光光源と、膜で反射された楕円偏光光を複数の部分拘束に分割する分割手段と、部分光束の各々の強度を測定する手段と、その強度より楕円偏光の楕円率Δを計算する。酸化クロム特有の一定の入射角度範囲では方位角ψが一定であるという発見から、あらかじめ判っている方位角ψを利用して楕円率Δのみ測定することで膜厚を計算する方式である。
【０００４】
別の従来技術としては、特許文献２に開示された技術がある。これは、下地に施された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定技術で、２つの異なる波長光を同一入射角、同一直線偏光角で対象に入射することで楕円率Δと方位角ψをそれぞれ計算し、さらに下地の複素屈折率が変化しても膜厚を測定する技術である。
【０００５】
また、他の技術として、例えば特許文献３に開示された極低加速SEM法を使い鋼板表面に付着する酸素の量を測定して膜厚換算する方式がある。
【特許文献１】特開平２−２６３１０５号公報
【特許文献２】特開昭６３−３６１０５号公報
【特許文献３】特開２００５−９８９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１および特許文献２に開示された技術は、いずれも直線偏光光を入射しその反射光の楕円偏光光を測定し、エリプソパラメ-タの楕円率Δと方位角ψを求め、さらに表面の複素屈折率を合わせてエリプソ論理を使い膜厚を求める技術である。しかしながら、本発明が測定対象とする鋼板表面に付着している酸化膜は、均一な膜ではなく、鋼板に結晶が成長している表面をしており、結晶と空隙が混ざった膜になっている。このため、膜の内部できれいな多重反射が起こらず表面での散乱、内部での散乱反射が起こり、従来のエリプソ論理が成り立たず、上述の特許文献１および特許文献２に開示された技術では、正確な膜厚が求められないという問題点があった。
【０００７】
また、上述の極低加速SEM法を用いた技術では、測定のために１ｃｍ程度のサンプルを打ち抜き、サンプルを真空中で測定する必要があり、測定時間が非常に長くかかるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、膜が均一でなく、膜厚により結晶成長が大きくなる膜に関しても、膜厚を精度良くリアルタイムに測定できる膜厚測定装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係る発明は、鋼板上に付着する膜厚により結晶成長が大きく異なる結晶が成長した表面をもつ膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、被測定面に対する入射面に平行な方位角の成分及び垂直な方位角の成分を有する直線偏光光源と、前記被測定面からの反射光を膜表面および膜内部での正反射成分と、膜表面および膜内部での散乱・拡散反射成分により変化した楕円偏光光を楕円偏光の長軸、短軸、および長軸と短軸の中間の角度にセットした、３つの偏光角で受光する受光手段と、該受光手段で受光した受光量に基づいて、重回帰式により膜厚を推定する膜厚演算処理装置とを備えることを特徴とする膜厚測定装置である。
【００１０】
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の膜厚測定装置において、前記膜は、鋼板表面に付着した酸化膜であり、膜厚に応じて網目状結晶から板状結晶が大きく成長してくる膜であることを特徴とする膜厚測定装置である。
【００１１】
また本発明の請求項３に係る発明は、鋼板上に付着する膜厚により結晶成長が大きく異なる結晶が成長した表面をもつ膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、被測定面に対する入射面に平行な方位角の成分及び垂直な方位角の成分を有する直線偏光を被測定面に入射する投光工程と、前記被測定面からの反射光を膜表面および膜内部での正反射成分と、膜表面および膜内部での散乱・拡散反射成分により変化した楕円偏光光を楕円偏光の長軸、短軸、および長軸と短軸の中間の角度にセットした、３つの偏光角で受光する受光工程と、該受光工程で受光した受光量に基づいて、重回帰式により膜厚を推定する膜厚演算処理工程とを備えることを特徴とする膜厚測定方法である。
【００１２】
さらに本発明の請求項４に係る発明は、請求項３に記載の膜厚測定方法において、前記膜は、鋼板表面に付着した酸化膜であり、膜厚に応じて網目状結晶から板状結晶が大きく成長してくる膜であることを特徴とする膜厚測定方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、直線偏光の光を入射し、膜表面での散乱、膜内部での散乱、膜厚による結晶表面の違いの影響を受けた楕円偏光の３つの検光角の輝度測定により膜厚との新しいモデルの関係式を導き出すようにしたので、膜が均一でなく、膜厚により結晶成長が大きくなる膜に関しても、膜厚を精度良くリアルタイムに測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る膜厚測定装置の構成例を示す図である。図中、１は棒状光源部、２は偏光板、３は受光偏光板、４はラインセンサーカメラ、５はＡ／Ｄ変換器、６は膜厚演算処理装置、および７は膜厚出力装置をそれぞれ示す。先ず、直線偏光光を入射する光源として、被測定面に線状の光として照射するための棒状光源を用いる。この光源は、線状光を出すための棒状光源部１と、その前に取り付けた光を集光するためのシリンドリカルレンズ（図示せず）と、さらにその前に置かれた偏光板２とから構成される。
【００１５】
この偏光板２の設置角度は４５°に設定され、被測定面には４５°の直線偏光の光を被測定面に入射する。直線偏光の光とは、被測定面に対する入射面に平行な方位角の成分及び、垂直な方位角の成分を有する偏光光である。この線状光源は、均一に鋼板を照明でき光量が十分に確保できる細い線状の光源であれば、一部に拡散反射塗料を塗布した透明導光棒の両端にランプからの光を導いた線状光源、あるいはランプからの光を光ファイバーで線状に導いたファイバー光源、あるいは他の線状光源を利用してもかまわない。
【００１６】
この偏光光源からの光を、６０°の投光角で被測定面に直線状に照射する。そして、受光角６０°の正反射光をカメラの前に配置した受光偏光板３を通して、ラインセンサーカメラ４で受光する。受光偏光板３の角度は、反射してきた光の楕円偏光の長軸の角度（Ｉ３、主に正反射光成分を受光）と短軸の角度（Ｉ２、主に拡散反射成分を受光）と長軸と短軸の中間の角度（Ｉ１、正反射光と拡散反射光成分を含む）の合計３つの受光偏光角度を選択して、３台のラインセンサーカメラ４を使い受光する。このとき３台のカメラの光軸は、鋼板上の同一線状を見るように調整されている。
【００１７】
今回対象とした鋼板上の酸化膜測定では６０°の投光角が最適であったが、対象の酸化膜の形状、結晶成長の違いによっては膜厚との相関の最適値が異なるため対象に合わせた入射角度設定が必要である。
【００１８】
受光偏光板の偏光角度は今回対象とした酸化膜表面では、膜表面から反射してきた楕円偏光の長軸がＩ３＝−４５°、短軸がＩ２＝４５°、長軸短軸の中間の角度Ｉ１＝０°設定であったが、測定対象の酸化膜の結晶状態、表面形状状態によっては反射してくる楕円偏光の長軸、短軸の角度が異なってくるため、対象に合わせて楕円偏光の形状を測定し最適なＩ１、Ｉ２、Ｉ３の角度を選択する必要がある。
【００１９】
図２は、測定対象の違いによる表面での反射の様子を、模式的に示した図である。（ａ）は、従来のエリプソ論理の多重反射が成り立つ均一な膜構造を、（ｂ）は、本発明が対象としている酸化膜の板状の結晶が成長している構造を、それぞれ表している。
【００２０】
図２（ｂ）に示すように、今回対象とする表面は鋼板上に酸化膜が板状に成長しており、結晶が均一に密になった膜にはなっていため、結晶部には空隙も多くある。このため、膜内に入った光は膜の内部では、従来のエリプソメータのようにきれいな多重反射をすることができずにエリプソ論理が成り立たない。
【００２１】
対象とする酸化膜に光が入射すると、膜の表面で正反射する成分と、一部散乱・拡散反射をする成分が発生する。膜内部に入った光は、内部で散乱して一部の光は正反射方向に、一部の光は散乱・拡散反射した光としてカメラの光軸方向に反射する。この反射してきた光を測定すると、入射した直線偏光は膜の表面と内部の散乱を含んだ反射の影響を受けて楕円偏光の光として反射してくることが分った。
【００２２】
そこで、この楕円偏光の状態を測定して、長軸（Ｉ３）、短軸（Ｉ２）の角度及び長軸と短軸の中間の角度（Ｉ１）の偏光光を受光することで、正反射成分の光、拡散反射成分の光、正反射拡散反射両方の成分の光を持った３つの偏光角で光を受光することとなる。受光された光はアナログ信号として出力され、Ａ／Ｄ変換器５を経て、膜厚演算処理装置６にて演算処理して膜厚を求め、膜厚出力装置７に出力される。
【００２３】
膜厚演算処理装置６での演算処理では、対象の酸化膜の膜厚を推定するモデルを有しており、この膜厚モデルの作成について以下説明する。
【００２４】
膜厚モデルの作成は、まず現状の極低加速SEM法で鋼板表面の酸素の量を測定し、それを膜厚換算し膜厚を求める。この値を膜厚の正しい値として、膜厚水準を変えたサンプルを複数枚用意し極低加速SEM法で膜厚測定する。これらの膜厚測定値と、前述のＩ１、Ｉ２およびＩ３の３つの偏光角度で受光した受光光量のカメラで鋼板上を測定したときの同一の画素（位置の）Ｉ１、Ｉ２およびＩ３のデータを使い、重回帰を行って膜厚測定のためのモデル式を作成する。
【００２５】
今回対象とした酸化膜では、膜厚Ｘは例えば以下に示す（１）式でモデルを構築している。
Ｘ＝Ａ×Ｉ１＋Ｂ×Ｉ２＋Ｃ×Ｉ３＋Ｄ  ・・・・・・（１）
上記（１）式のＡ，Ｂ，ＣおよびＤは定数であり、これは対象とする酸化膜の種類、物性、膜の厚さに対する結晶成長の度合いによって変化するパラメータである。このため実際に測定する酸化膜に対して、上述のモデル作成手順であらかじめ定数を求めておく必要がある。
【００２６】
図３は、本発明による膜厚測定結果の一例を示す図である。極低加速SEM法により測定した膜厚と、本発明の光学系で測定したＩ１、Ｉ２およびＩ３の偏光輝度情報により求めた膜厚とを比較しているが、両者の直線性も良く、膜厚が非常に精度良く測定できることを確認した。本発明により、従来のエリプソ論理では測定できなかった、表面に結晶成長している酸化膜の膜厚測定を実現することが可能となった。
【００２７】
また本発明では、ラインセンサーカメラを使用しかつ膜厚演算式が単純であるため、装置構成もパソコンレベルで、リアルタイムの膜厚測定が可能である。これまでスポット位置の測定に、極低加速SEM法で２０分程度の測定時間がかかっていたところを、本発明では１００ｍsec以下で測定できるため、リアルタイムで鋼板上の全幅にわたって膜厚測定ができる。本発明により、初めてオンラインでの膜厚測定・膜厚変化の検出が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る膜厚測定装置の構成例を示す図である。
【図２】測定対象の違いによる表面での反射の様子を、模式的に示した図である。
【図３】本発明による膜厚測定結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    棒状光源部
２    偏光板
３    受光偏光板
４    ラインセンサーカメラ
５    Ａ／Ｄ変換器
６    膜厚演算処理装置
７    膜厚出力装置
【図３】
2007010475.tif 000003
【図１】
2007010475.tif 000004
【図２】
2007010475.tif 000005