(57)【要約】【課題】本発明は、被測定物との距離に依存することなく、被測定物の膜厚を高い精度を測定することが可能な膜厚測定装置を提供する。【解決手段】本発明は、光源１０と、第１光路と、第１集光レンズと、分光測定部４０と、第２光路と、第２集光レンズと、データ処理部５０を備える膜厚測定装置１００である。光源は、所定の波長範囲をもつ測定光を照射する。第１光路は、光源１０から照射した測定光を被測定物に導く。第１集光レンズは、第１光路から出射する測定光を被測定物に集光する。分光測定部４０は、反射率または透過率の波長分布特性を取得する。第２光路は、被測定物で反射された光または被測定物を透過した光を、分光測定部に導く。第２集光レンズは、第２光路の端部に集光する。データ処理部５０は、分光測定部４０で取得した波長分布特性を解析することで、被測定物の膜厚を求める。【選択図】図１
2013032981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜厚測定装置であって、
基板上に少なくとも１層の膜を形成した被測定物に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射する光源と、
前記光源から照射した前記測定光を前記被測定物に導く少なくとも１つの第１光路と、
前記第１光路から出射する前記測定光を前記被測定物に集光する第１集光レンズと、
前記第１集光レンズで集光した前記測定光のうち、前記被測定物で反射された光または前記被測定物を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得する分光測定部と、
前記被測定物で反射された光または前記被測定物を透過した光を、前記分光測定部に導く少なくとも１つの第２光路と、
前記被測定物で反射された光または前記被測定物を透過した光を、前記第２光路の端部に集光する第２集光レンズと、
前記分光測定部で取得した前記波長分布特性を解析することで、前記被測定物の膜厚を求めるデータ処理部を備える、膜厚測定装置。
【請求項２】
前記第１光路および前記第２光路は、シングルモードファイバである、請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記第１光路および前記第２光路は、前記被測定物側の光軸方向が互いに平行となるように形成されたＹ型ファイバで、
前記第１集光レンズおよび前記第２集光レンズは、１つのレンズで構成された集光光学プローブである、請求項１または請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記Ｙ型ファイバは、前記被測定物側において、前記第２光路の周りに複数の前記第１光路を配置する構成である、請求項３に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記光源は、インコヒーレント光を前記測定光として照射する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記分光測定部は、赤外帯域の波長範囲において反射率または透過率の前記波長分布特性を取得することができる、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜厚測定装置に関し、より特定的には基板上に少なくとも１層の膜を形成した被測定物の膜厚を測定する構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）回路などの低消費電力化や高速化を図るために、ＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）と称される基板構造が注目されている。このＳＯＩ基板は、２つのＳｉ（シリコン）基板の間にＳｉＯ２などの絶縁層（ＢＯＸ層）を配置したものであり、一方のＳｉ層に形成されるＰＮ接合と他方のＳｉ層（基板）との間に生じる寄生ダイオードや浮遊容量などを低減することができる。
【０００３】
このようなＳＯＩ基板の製造方法としては、シリコンウェハの表面に酸化膜を形成した上で、当該酸化膜を挟むように別のシリコンウェハを張り合わせ、さらに、回路素子が形成される側のシリコンウェハを研磨して所定の厚みとする方法が知られている。
【０００４】
このように研磨工程によってシリコンウェハの厚みを制御するためには、膜厚を連続的にモニタする必要がある。このような研磨工程における膜厚の測定装置および測定方法として、特開２００９−２７０９３９号公報（特許文献１）、特開平０５−３０６９１０号公報（特許文献２）および特開平０５−３０８０９６号公報（特許文献３）には、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ：Fourier  Transform  infrared  Spectrometer）を用いる測定装置および測定方法が開示されている。
【０００５】
また、特開２００３−１１４１０７号公報（特許文献４）には、測定光として赤外光を使用する光干渉式の膜厚測定装置が開示されている。
【０００６】
さらに、特開２００５−１９９２０号公報（特許文献５）には、分散型マルチチャンネル分光器にて測定した反射スペクトルを用いる方法が開示されている。
【０００７】
また、特開２００２−２２８４２０号公報（特許文献６）には、シリコン薄膜の表面へ向かって、０．９μｍ以上の波長を有した赤外線を照射し、シリコン薄膜の表面による反射光とシリコン薄膜の裏面による反射光との干渉結果に基づいて、シリコン薄膜の膜厚を測定する方法が開示されている。
【０００８】
さらに、特開平１０−１２５６３４号公報（特許文献７）には、赤外線光源からの赤外線を研磨体に透過させて、研磨対象物に照射して、その反射光を検出することで膜厚を測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２７０９３９号公報
【特許文献２】特開平０５−３０６９１０号公報
【特許文献３】特開平０５−３０８０９６号公報
【特許文献４】特開２００３−１１４１０７号公報
【特許文献５】特開２００５−１９９２０号公報
【特許文献６】特開２００２−２２８４２０号公報
【特許文献７】特開平１０−１２５６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特開２００９−２７０９３９号公報（特許文献１）に開示される測定装置は、測定できる光の波長が制限されているので、膜厚の厚い被測定物を測定することができない。また、特許文献１の光学構成は、集光レンズに入射された反射光と、集光レンズの出射側端面によって反射された反射光との間に光路差に起因する光の干渉を利用しているため、被測定物との距離（ワークディスタンス）や焦点深度が制限される。
【００１１】
特開平０５−３０６９１０号公報（特許文献２）および特開平０５−３０８０９６号公報（特許文献３）に開示される測定方法では、予め基準となるサンプルに対する膜厚の相対値を測定することしかできず、膜厚の絶対値を測定することはできない。
【００１２】
また、特開２００３−１１４１０７号公報（特許文献４）に開示される測定装置では、解析方法および測定データに対する高い精度が要求されるとともに、対象とする被測定物が液晶表示装置用のカラーフィルタである。
【００１３】
さらに、特開２００５−１９９２０号公報（特許文献５）に開示される測定方法では、たとえば屈折率を波長に依存しない固定値であると仮定して、自己回帰モデルによる周期推定を行っているが、実際の屈折率は波長依存性を有しており、このような波長依存性に起因する誤差を排除することができない。
【００１４】
また、特開２００２−２２８４２０号公報（特許文献６）に開示される測定方法では、測定対象のサンプルに貫通部を形成する必要があり、膜厚を非破壊で連続的に測定することはできない。
【００１５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、被測定物との距離に依存することなく、被測定物の膜厚を高い精度を測定することが可能な膜厚測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明のある局面に従う膜厚測定装置は、膜厚測定装置であって、基板上に少なくとも１層の膜を形成した被測定物に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射する光源と、光源から照射した測定光を被測定物に導く少なくとも１つの第１光路と、第１光路から出射する測定光を被測定物に集光する第１集光レンズと、第１集光レンズで集光した測定光のうち、被測定物で反射された光または被測定物を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得する分光測定部と、被測定物で反射された光または被測定物を透過した光を、分光測定部に導く少なくとも１つの第２光路と、被測定物で反射された光または被測定物を透過した光を、第２光路の端部に集光する第２集光レンズと、分光測定部で取得した波長分布特性を解析することで、被測定物の膜厚を求めるデータ処理部を備える。
【００１７】
好ましくは、第１光路および第２光路は、シングルモードファイバである。
好ましくは、第１光路および第２光路は、被測定物側の光軸方向が互いに平行となるように形成されたＹ型ファイバで、第１集光レンズおよび第２集光レンズは、１つのレンズで構成された集光光学プローブである。
【００１８】
好ましくは、Ｙ型ファイバは、被測定物側において、第２光路の周りに複数の第１光路を配置する構成である。
【００１９】
好ましくは、光源は、インコヒーレント光を測定光として照射する。
好ましくは、分光測定部は、赤外帯域の波長範囲において反射率または透過率の波長分布特性を取得することができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、被測定物との距離に依存することなく、被測定物の膜厚をより高い精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に従う集光光学プローブと被測定物との距離を説明する概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に従う集光光学プローブの原理を説明するための概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置が測定対象とする被測定物ＯＢＪの断面模式図の一例である。
【図５】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置を用いてＳＯＩ基板を測定した場合の測定結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置を用いてＳＯＩ基板を測定した別の測定結果を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置を用いてＳＯＩ基板を測定したさらに別の測定結果を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定範囲と検出部の検出波長範囲および検出ポイント数との関係を説明するための図である。
【図９】ＳＯＩ基板についての反射率スペクトルの測定結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に従うデータ処理部の概略のハードウェア構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に従う処理パターンに係る膜厚算出処理を実行する制御構造を示すブロック図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に従う処理パターンに係る膜厚算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置により得られたパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置により得られた測定結果の一例を示す表である。
【図１５】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、集光光学プローブのフォーカス位置を変更することを説明するための概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、フォーカス位置を変更させた場合の測定結果の一例を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、被測定物の傾きを説明するための概略図である。
【図１８】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、被測定物の傾きを変化させた場合の測定結果の一例を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、ウレタン越し被測定物を測定する一例を示す概略図である。
【図２０】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置により、ウレタン越しに測定して得られたパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図２１】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置により、水膜およびウレタン越しに測定して得られた測定結果の一例を示す表である。
【図２２】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、ガラス越し被測定物を測定する一例を示す概略図である。
【図２３】本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置において、ＡＳＥ光源およびＳＬＤ光源で測定して得られたパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図２４】本発明の実施の形態２に従う集光光学プローブの構成を説明するための概略図である。
【図２５】本発明の実施の形態３に従う集光光学プローブの構成を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明を繰返さない。
【００２３】
（実施の形態１）
＜装置構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００の概略構成図である。
【００２４】
本実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、代表的に、単層または積層構造の被測定物（サンプル）における各層の膜厚を測定することが可能である。特に、本実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、比較的膜厚の厚い層（代表的には、２μｍ〜２５００μｍ）を含む被測定物の膜厚測定に適している。
【００２５】
具体的には、膜厚測定装置１００は、分光式の測定装置であって、被測定物に光を照射し、当該被測定物で反射された反射光の波長分布特性（以下「スペクトル」とも称す。）に基づいて、被測定物を構成する各層の膜厚を測定可能である。なお、膜厚測定に限られず、各層における（絶対および相対）反射率の測定や層構造の解析も可能である。なお、反射光のスペクトルに代えて、被測定物を透過した光のスペクトル（透過光のスペクトル）を用いてもよい。
【００２６】
本明細書では、被測定物として、基板単体もしくは基板上に少なくとも１層の膜が形成されたものを対象とする場合について例示する。被測定物の具体的な一例としては、Ｓｉ基板、ガラス基板、サファイア基板などの比較的厚みのある基板単体や、ＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）基板のような積層構造の基板などである。特に、本実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、切削また研磨後のＳｉ基板の膜厚、ＳＯＩ基板のＳｉ層（活性層）の膜厚、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical  Mechanical  Polishing）工程でのＳｉ基板の膜厚などの測定に適している。また、フィルム製造工程でのＰＥＴ（Polyethylene  terephthalate）やＴＡＣ（Triacetylcellulose）の膜厚および基材厚みなどの測定に適している。
【００２７】
特に、本実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、被測定物の光学特性の測定に用いられる測定光及び被測定物で反射された光をＹ型シングルモードファイバと集光光学プローブを用いて、光学特性の測定精度の向上と被測定物に対する焦点合わせの容易化とを同時に実現するものである。
【００２８】
図１を参照して、膜厚測定装置１００は、測定用光源１０と、光ファイバ２０と、集光光学プローブ３０と、分光測定部４０と、データ処理部５０とを備える。
【００２９】
測定用光源１０は、被測定物の光学特性の測定に用いられる測定光を生成する光源であり、ＡＳＥ（Amplified  Spontaneous  Emission）光源からなる。なお、測定用光源１０は、特定の厚さの膜厚を測定する場合、ＳＬＤ（super  luminescent  diode）光源であってもよい。そして、測定用光源１０が発生する測定光は、被測定物に対する光学特性の測定範囲（１５４０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）の波長を含む。特に、本実施の形態１に従う膜厚測定装置１００では、ハロゲン光源が考えられるが、Ｙ型シングルモードファイバの光ファイバ２０を用いるためより強力な光量の光源が必要となる。さらに特開２００９−２７０９３９号公報（特許文献１）に開示してある光学式変位計に用いられているＳＬＤ光源を利用することができるが、本測定方法（分光干渉方式）ではＳＬＤ光源の持つコヒーレント（可干渉）性が、ファイバの曲げ或いは分光測定部４０との接続部分等で、本来測定されるべき分光干渉以外の疑似干渉が確認される場合が多いため、汎用の膜厚（特定の膜厚を測定する場合以外）測定には不向きである。
【００３０】
光ファイバ２０は、２本のシングルモードファイバを被測定物側の光軸方向が互いに平行となるように形成されたＹ型ファイバである（Ｙ型シングルモードファイバ）。光ファイバ２０に用いているシングルモードファイバは、コア径９μｍ、有効波長域１４６０ｎｍ〜１６２０ｎｍ（光通信用ＣＬバンド帯）、伝送損失＝０．５ｄＢ/ｋｍ以下（波長１５５０ｎｍにおいて）である。そのため、光ファイバ２０は、膜厚測定装置１００の分光測定部４０の波長範囲と一致し、さらに使用している測定用光源１０の波長範囲とも一致する。なお、光ファイバ２０は、シングルモードファイバに限定されるものではなく、マルチモードファイバであってもよい。また、複数のシングルモードファイバの束を２束用意して、Ｙ型ファイバを形成してもよい。
【００３１】
光ファイバ２０からの光を被測定物に直接照射する場合、光ファイバ２０の端部から被測定物までの距離ＷＤ（ワークディスタンス）を短く（約１０ｍｍ以下）すれば、膜厚を測定することが可能である。しかし、光ファイバ２０の９μｍのコア径から出射される光は、光ファイバ２０の開口角度により広がり、被測定物に照射される。そのため、被測定物で反射した光を９μｍのコア径の光ファイバ２０で受光すると、受光することができる光量が非常に少なく、Ｓ／Ｎ比が悪くなるので、分光測定部４０の測定精度が低下する。また、光ファイバ２０を受光部に用いる場合、被測定物の表面の粗さや、被測定物の結晶状態などを考慮すると、被測定物に照射する光のスポットはできるだけ小さいほうがよい。
【００３２】
集光光学プローブ３０は、上記問題を解決するため用いており、被測定物の表面と光ファイバ２０の端部との間に集光レンズ３１を設けている。集光レンズ３１は、光ファイバ２０の端部から出射した光を、被測定物の表面で集光させて光のスポットを小さくしている。なお、集光光学プローブ３０は、被測定物の膜厚を測定するために、集光レンズ３１に入射された被測定物の反射光と、集光レンズ３１の出射側端面によって反射された反射光との間に光路差に起因する光の干渉を利用しない構成である。そのため、集光光学プローブ３０は、光ファイバ２０の端部と集光レンズ３１との距離ＷＤ２を調整することで、被測定物との距離ＷＤ１を変更することが可能となる。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態１に従う集光光学プローブ３０と被測定物との距離を説明する概略図である。図２（ａ）は、集光光学プローブ３０と被測定物との距離ＷＤ１が１０ｍｍの場合の概略図で、図２（ｂ）は、集光光学プローブ３０と被測定物との距離ＷＤ１が１５０ｍｍの場合の概略図である。そのため、膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０を備えることで、集光光学プローブ３０と被測定物との距離ＷＤ１に依存することなく、被測定物の膜厚をより高い精度で測定することができる。なお、図２に示す集光光学プローブ３０と被測定物との距離ＷＤ１は例示であり、１０ｍｍ〜１５０ｍｍに限定するものではない。
【００３４】
また、図３は、本発明の実施の形態１に従う集光光学プローブ３０の原理を説明するための概略図である。図３（ａ）は、集光光学プローブ３０を設けずに光ファイバ２０から測定光を直接、被測定物に照射する場合を図示してある。光ファイバ２０から出射される光は、図３（ａ）から分かるように、光ファイバ２０の開口角度により広がり、被測定物で反射され、さらに広がっている。そのため、図３（ａ）の場合、被測定物で反射した光の範囲３０１のうち、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０２は小さくなる。
【００３５】
図３（ｂ）は、集光光学プローブ３０を設けて光ファイバ２０から測定光を集光して、被測定物に照射する場合を図示してある。光ファイバ２０から出射される光は、図３（ｂ）から分かるように、集光レンズ３１により広がりを抑えることができる。そのため、図３（ｂ）の場合、被測定物に照射する光の範囲３０３のうち、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０４は大きくなる。よって、膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０を備えることで、被測定物で反射した光を効率よく受光することができるので、Ｓ／Ｎ比が改善するので、分光測定部４０の測定精度が高くなる。
【００３６】
集光光学プローブ３０は、被測定物に照射する光の範囲３０３に対して、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０４がある程度一致していても、光ファイバ２０のコア径が９μｍと小さいため集光レンズ３１の位置を調整する調整機構３２（図１）が必要になる。調整機構３２は、被測定物で反射した光が光ファイバ２０により入射するように、まずＺ軸方向で焦点を決め、次にＸＹ軸方向で集光レンズ３１の位置を決める。
【００３７】
図３（ｃ）は、調整機構３２で調整した集光レンズ３１の位置を図示してある。調整機構３２は、図３（ｃ）に示すように集光レンズ３１をＺ軸方向（集光レンズ３１ａ）、ＸＹ軸方向（集光レンズ３１ｂ）に調整して、被測定物に照射する光の範囲３０３に対して、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０４より一致させる。これにより、膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０を備えることで、被測定物で反射した光を効率よく受光することができる。
【００３８】
なお、被測定物の表面で完全焦点位置となるように集光光学プローブ３０で調整できれば、被測定物の理想的な膜厚測定が可能となるが、被測定物の表面の粗さや、被測定物の結晶状態などにより完全焦点位置とならない場合もある。しかし、膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０から出射する光のスポットに対して、入射する光のスポットがある程度一致していれば、９μｍのコア径の光ファイバ２０がピンホールの役割を果たし、被測定物の膜厚測定が可能となる。
【００３９】
分光測定部４０は、光ファイバ２０の９μｍのコア径を通過した測定反射光のスペクトルを測定し、その測定結果をデータ処理部５０へ出力する。より詳細には、分光測定部４０は、回折格子（グレーティング）４１と、検出部４２と、カットフィルタ４３と、シャッタ４４とを含む。
【００４０】
カットフィルタ４３と、シャッタ４４と、回折格子４１とは、光軸ＡＸ１上に配置される。カットフィルタ４３は、ピンホールを通過して分光測定部４０に入射する測定反射光に含まれる測定範囲外の波長成分を制限するための光学フィルタであり、特に測定範囲外の波長成分を遮断する。シャッタ４４は、検出部４２をリセットするときなどに、検出部４２に入射する光を遮断するために使用される。シャッタ４４は、代表的に電磁力によって駆動する機械式のシャッタからなる。
【００４１】
回折格子４１は、入射する測定反射光を分光した上で、各分光波を検出部４２へ導く。具体的には、回折格子４１は、反射型の回折格子であり、所定の波長間隔毎の回折波が対応する各方向に反射するように構成される。このような構成を有する回折格子４１に測定反射波が入射すると、含まれる各波長成分は対応する方向に反射されて、検出部４２の所定の検出領域に入射する。なお、この波長間隔が分光測定部４０における波長分解能に相当する。回折格子４１は、代表的にフラットフォーカス型球面グレーティングからなる。
【００４２】
検出部４２は、被測定物の反射率スペクトルを測定するために、回折格子４１で分光された測定反射光に含まれる各波長成分の光強度に応じた電気信号を出力する。検出部４２は、赤外帯域に感度をもつＩｎＧａＡｓアレイなどからなる。
【００４３】
なお、回折格子４１よび検出部４２は、光学特性の測定波長範囲および測定波長間隔などに応じて適宜設計される。
【００４４】
データ処理部５０は、検出部４２によって取得された反射率スペクトルに対して、各種のデータ処理（代表的には、ＦＦＴ（Fast  Fourier  Transform：高速フーリエ変換）処理、最大エントロピー法（Maximum  Entropy  Method；以下、「ＭＥＭ」とも称す。）処理やノイズ除去処理）を行なうことで、被測定物を構成する各層の膜厚を測定する。さらに、データ処理部５０は、被測定物の各層の反射率や層構造の解析も可能である。なお、このような処理の詳細については後述する。そして、データ処理部５０は、測定した被測定物の膜厚をはじめとする光学特性を出力する。
【００４５】
＜反射光の解析的検討＞
まず、被測定物に測定光を照射した場合に観測される反射光について、数学的および物理的に検討を行う。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００が測定対象とする被測定物ＯＢＪの断面模式図の一例である。
【００４７】
図４を参照して、被測定物ＯＢＪの代表例としてＳＯＩ基板を考える。すなわち、被測定物ＯＢＪは、Ｓｉ層１とベースＳｉ層３（基板層）との間にＳｉＯ２層２（ＢＯＸ層）が配置された３層構造を有する。そして、膜厚測定装置１００からの照射光は、紙面上側から被測定物ＯＢＪに入射するものとする。すなわち、測定光は、最初にＳｉ層１へ入射するものとする。
【００４８】
理解を容易にするために、被測定物ＯＢＪに入射した測定光がＳｉ層１とＳｉＯ２層２との界面で反射して生じる反射光について考える。以下の説明では、添え字ｉを用いて各層を表現する。すなわち、空気や真空などの雰囲気層を添え字「０」、被測定物ＯＢＪのＳｉ層１を添え字「１」、ＳｉＯ２層２を添え字「２」とする。また、各層における屈折率を、添え字ｉを用いて、屈折率ｎｉと表す。
【００４９】
互いに異なる屈折率ｎｉをもつ層の界面では光の反射が生じるため、屈折率の異なるｉ層とｉ＋１層との間の各境界面でのＰ偏光成分およびＳ偏光成分の振幅反射率（Fresnel係数）ｒ（Ｐ）ｉ，ｉ＋１，ｒ（Ｓ）ｉ，ｉ＋１は次のように表わすことができる。
【００５０】
【数１】
2013032981.tif 000003
【００５１】
ここで、φｉは、ｉ層における入射角である。この入射角φｉは、以下のようなSnellの法則によって、最上層の雰囲気層（０層）における入射角から計算できる。
【００５２】
Ｎ０ｓｉｎφ０＝Ｎｉｓｉｎφｉ
光が干渉可能な膜厚をもつ層内では、上式で表される反射率で反射する光が層内を何度も往復する。そのため、隣接する層との界面で直接反射した光と層内を多重反射した後の光との間ではその光路長が異なるため、位相が互いに異なったものとなり、Ｓｉ層１の表面において光の干渉が生じる。このような、各層内における光の干渉効果を示すために、ｉ層の層内における光の位相角βｉを導入すると、以下のように表わすことができる。
【００５３】
【数２】
2013032981.tif 000004
【００５４】
ここで、ｄｉはｉ層の膜厚を示し、λは入射光の波長を示す。
より単純化するために、被測定物ＯＢＪに対して垂直に光が照射される場合、すなわち入射角φｉ＝０とすると、Ｐ偏光とＳ偏光との区別はなくなり、各層間の界面における振幅反射率および薄膜の位相角β１は以下のようになる。
【００５５】
【数３】
2013032981.tif 000005
【００５６】
さらに、図４に示す３層系の被測定物ＯＢＪにおける反射率Ｒは、以下のようになる。
【００５７】
【数４】
2013032981.tif 000006
【００５８】
上式において、位相角β１についての周波数変換（フーリエ変換）を考えると、位相因子（Phase  Factor）であるｃｏｓ２β１は反射率Ｒに対して非線形となる。そこで、この位相因子ｃｏｓ２β１について線形性を有する関数への変換を行う。一例として、この反射率Ｒを以下の式のように変換し、独自の変数である「波数変換反射率」Ｒ’を定義する。
【００５９】
【数５】
2013032981.tif 000007
【００６０】
この波数変換反射率Ｒ’は、位相因子ｃｏｓ２β１についての１次式となり、線形性を有することになる。ここで、式中のＲａは波数変換反射率Ｒ’における切片であり、Ｒｂは波数変換反射率Ｒ’における傾きである。すなわち、この波数変換反射率Ｒ’は、各波長における反射率Ｒの値を周波数変換に係る位相因子ｃｏｓ２β１に対して線形化するための関数である。なお、このような位相因子について線形化するための関数としては、１／（１−Ｒ）という関数を用いてもよい。
【００６１】
したがって、対象とするＳｉ層１内の波数Ｋ１は以下のように定義できる。
【００６２】
【数６】
2013032981.tif 000008
【００６３】
ここで、Ｓｉ層１内での波長λの光速度をｓとし、真空中の波長λの光速度をｃとすると、屈折率ｎ１＝ｃ／ｓで表される。また、Ｓｉ層１内をｘ方向に進行する光によって生じる電磁波Ｅ（ｘ，ｔ）は、波数Ｋ１，角周波数ω，位相δを用いて、Ｅ（ｘ，ｔ）＝Ｅ０ｅｘｐ［ｊ（ωｔ−Ｋ１ｘ＋δ）］と表される。すなわち、Ｓｉ層１内の電磁波の伝搬特性は波数Ｋ１に依存する。これらの関係から、真空中において波長λをもつ光は、層内ではその光速度が低下するため、波長もλからλ／ｎ１まで長くなることがわかる。このような波長分散現象を考慮して、波数変換反射率Ｒ’を以下のように定義する。
【００６４】
【数７】
2013032981.tif 000009
【００６５】
この関係から、波数変換反射率Ｒ’を波数Ｋについて周波数変換（フーリエ変換）すると、膜厚ｄ１に相当する周期成分にピークが現れることにより、このピーク位置を特定することで、膜厚ｄ１を算出することができる。
【００６６】
すなわち、被測定物ＯＢＪから測定される反射率スペクトルと各波長における反射率との対応関係を、各波長から算出される波数と上述の関係式に従って算出される波数変換反射率Ｒ’との対応関係（波数分布特性）に変換し、この波数Ｋを含む波数変換反射率Ｒ’の関数を波数Ｋについて周波数変換し、この周波数変換後の特性に現れるピークに基づいて、被測定物ＯＢＪを構成するＳｉ層１の膜厚を算出できる。これは、波数分布特性に含まれる各波数成分の振幅値を取得し、このうち振幅値の大きな波数成分に基づいて、Ｓｉ層１の膜厚を算出することを意味する。なお、後述するように、波数分布特性から振幅値の大きな波数成分を解析する方法としては、ＦＦＴなどの離散的なフーリエ変換を用いる方法と、最適化処理（最大エントロピー法（ＭＥＭ）など）を用いる方法とのいずれかを採用することができる。
【００６７】
波数変換反射率Ｒ’の定義において、ＲａおよびＲｂは、層内における干渉現象とは無関係な値ではあるが、Ｓｉ層１の屈折率ｎ１を含む各層間の界面における振幅反射率に依存する。そのため、屈折率ｎ１が波長分散をもつ場合には、その値は波長（すなわち、波数Ｋ）に依存する関数値となり、波数Ｋに関して一定値とはならない。そこで、フーリエ変換を⊃で表し、Ｒ’，Ｒａ，Ｒｂ，ｃｏｓ２Ｋ１ｄ１を波数Ｋでフーリエ変換した後の関数であるパワースペクトルをそれぞれＰ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｆとすると、以下の式が成立する。
【００６８】
【数８】
2013032981.tif 000010
【００６９】
式中のＰａにおける膜厚に依存する成分は相対的に小さく、かつパワースペクトルＦとは独立のピークをもつので、パワースペクトルＦに影響を与えない。
【００７０】
一方、式中のＰｂは、パワースペクトルＦとコンボリューションされることにより、Ｐｂにおける膜厚成分がパワースペクトルＦの膜厚成分に変調を加えることになる。しかしながら、Ｐｂは、層内における干渉現象に無関係であり、隣接する２つの層における屈折率の波長依存性のみに影響を受けるため、波数Ｋに対するＰｂの膜厚成分はＦの膜厚成分に比較して無視できる程度に小さい。たとえば、Ｒｂが膜厚ｑの周期関数であるとし、そのフーリエ変換後のＰｂがコンボリューションによりパワースペクトルＦの膜厚ｄの成分に変調を加えたとすると、スペクトルとして現れるピークは、「ｄ−ｑ」または「ｄ＋ｑ」となるが、ｑの値が非常に小さいのでピーク位置の膜厚ｄに対する影響は小さい。
【００７１】
さらに、フーリエ変換を行う際には、後述するように、測定対象の層の最大膜厚を考慮して、ナイキストのサンプリング定理に従って、波数変換反射率Ｒ’に対して適切なサンプル間隔およびサンプル数でサンプリングが行なわれる。このようにサンプリングされた波数変換反射率Ｒ’に基づいて算出されたパワースペクトルの膜厚分解能ｒに対して、Ｐｂの膜厚ｑの膜厚成分はより小さい可能性が高く（ｑ＜ｒ）、膜厚ｄの測定結果にはほとんど影響を与えないといえる。
【００７２】
このように、算出された反射率スペクトルを、薄膜における波長分散を考慮した波数についての関数に変換した上で、フーリエ変換を行うことにより、薄膜の膜厚を正確に算出することができる。
【００７３】
なお、上述の説明では、反射率スペクトルを用いる場合について例示したが、透過率スペクトルを用いてもよい。この場合には、測定された透過率をＴ、「波数変換透過率」をＴ’とすると、以下のような関係式で表される。
【００７４】
【数９】
2013032981.tif 000011
【００７５】
透過率スペクトルを用いる場合においても、透過率Ｔは位相因子ｃｏｓ２β１に対して非線形となる。そのため、上述したのと同様の理由から、位相因子ｃｏｓ２β１について線形性を有する波数変換透過率Ｔ’を採用する。上式によれば、波数変換透過率Ｔ’は、位相因子ｃｏｓ２β１についての１次式となり、上述したのと同様の手順に従って、薄膜の膜厚を正確に算出することができる。すなわち、この波数変換透過率Ｔ’は、各波長における透過率Ｔの値を周波数変換に係る位相因子ｃｏｓ２β１に対して線形化するための関数である。
【００７６】
再度、図４を参照して、ＳｉＯ２層２とベースＳｉ層３との界面で反射して生じる反射光について考える。Ｓｉ層１の屈折率をｎ１、膜厚をｄ１とし、ＳｉＯ２層２の屈折率をｎ２、膜厚をｄ２とすると、波数変換反射率Ｒ’は以下のように表される。
【００７７】
【数１０】
2013032981.tif 000012
【００７８】
ここで、Ｓｉ層１の膜厚ｄ１およびＳｉＯ２層２の膜厚ｄ２を分離して算出する場合には、波数Ｋ１，Ｋ２でそれぞれ変換した波数変換反射率Ｒ１’（Ｋ１），Ｒ２’（Ｋ２）を用いる。具体的には、以下のように表される。
【００７９】
【数１１】
2013032981.tif 000013
【００８０】
これらの式中において、ｄ１’およびｄ２’は正しい膜厚ではないが、波数変換反射率Ｒ１’（Ｋ１）の第２項に相当するパワースペクトル中のピークから本来の膜厚ｄ１を求めることができ、かつ波数変換反射率Ｒ２’（Ｋ２）の第３項に相当するパワースペクトル中のピークから本来の膜厚ｄ２を求めることができる。
【００８１】
なお、実際には、Ｓｉ層１およびＳｉＯ２層２は、その屈折率が近似しており、両者の界面における反射率は、他の界面における反射率に比較して相対的に小さくなることが多い。その結果、波数変換反射率の関数に含まれるＲｂやＲｄに比較して、Ｒｃの値が小さくなり、パワースペクトルから、波数変換反射率Ｒ２’（Ｋ２）の第３項に相当するピークを識別することが困難である場合も多い。このような場合には、波数変換反射率Ｒ２’（Ｋ２）の第４項に相当するパワースペクトルのピーク位置の膜厚（ｄ１’＋ｄ２）と、波数変換反射率Ｒ２’（Ｋ２）の第２項に相当するパワースペクトルのピーク位置の膜厚（ｄ１’）とを算出した上で、両者の差をとることで、膜厚ｄ２を算出することができる。
【００８２】
＜波長範囲および波長分解能について＞
図５は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００を用いてＳＯＩ基板を測定した場合の測定結果を示す図である。なお、図５には、測定光として、波長範囲が９００〜１６００ｎｍであるものを用いた場合（図５（ａ））、および波長範囲が１３４０〜１６００ｎｍであるものを用いた場合（図５（ｂ））の測定例を示す。なお、測定波長に応じて回折格子４１を適切な特性を有するものを選択し、反射光が入射する検出部４２（図１）での検出ポイント数（検出チャンネル数）はいずれも同一（たとえば、５１２チャンネル）であるとした。言い換えれば、波長範囲が狭いほど、検出ポイントあたりの波長間隔（すなわち、波長分解能）は小さくなる。
【００８３】
上述の解析的検討によれば、測定される反射率は、波長に対して周期的に変化するはずである。
【００８４】
図５（ａ）に示す測定結果においては、反射率が波長に対して周期的に変化している兆候は見られるものの、膜厚を測定するには十分な精度は得られていない。
【００８５】
これに対して、図５（ｂ）に示す測定結果においては、反射率のピークおよびバレイが明りょうに現れており、反射率の変化周期についても測定が可能となっている。図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示される測定結果（反射率スペクトル）を上述した波数変換反射率Ｒ’の関数に変換した上で、波数Ｋについて周波数変換した結果を示す。この図５（ｃ）に現れる主ピークに対応する値がＳｉ層１の膜厚として決定できる。
【００８６】
さらに、図６および図７には、ＳＯＩ基板の別の測定結果を示す。
図６は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００を用いてＳＯＩ基板を測定した別の測定結果を示す図である。図６には、Ｓｉ層１の膜厚が１０．０μｍ（設計値）であり、ＳｉＯ２層２の膜厚が０．３μｍ（設計値）である場合の測定例を示す。また、図６（ａ）には、可視帯域（３３０〜１１００ｎｍ）の波長成分をもつ測定光を用いた場合を示し、図６（ｂ）には、赤外帯域（９００〜１６００ｎｍ）の波長成分をもつ測定光を用いた場合を示す。なお、上述したように、検出部４２（図１）での検出ポイント数（検出チャンネル数）はいずれも同一である。
【００８７】
図６（ａ）に示すように、可視帯域の波長成分をもつ測定光を用いた場合には、約８６０ｎｍより長い波長領域では、反射率が周期的な挙動を示すものの、それより短い可視帯域では、有意な周期的変化を生じていないことがわかる。これに対して、図６（ｂ）に示すように、赤外帯域の波長成分をもつ測定光を用いた場合には、反射率の周期的変化が有意に現れていることがわかる。
【００８８】
また、図７は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００を用いてＳＯＩ基板を測定したさらに別の測定結果を示す図である。図７には、Ｓｉ層１の膜厚が８０．０μｍ（設計値）であり、ＳｉＯ２層２の膜厚が０．１μｍ（設計値）である場合の測定例を示す。また、図７（ａ）には、赤外帯域（９００〜１６００ｎｍ）の波長成分をもつ測定光を用いた場合を示し、図７（ｂ）には、より狭い赤外帯域（１４７０〜１６００ｎｍ）の波長成分をもつ測定光を用いた場合を示す。なお、上述したように、検出部４２（図１）での検出ポイント数（検出チャンネル数）はいずれも同一である。
【００８９】
図７（ａ）に示すように、赤外帯域の波長成分をもつ測定光を用いた場合であっても、測定された反射率には有意な周期的変化が現れていないことがわかる。これに対して、図７（ｂ）に示すように、より狭い赤外帯域の波長成分をもつ測定光を用いた場合には、反射率の周期的変化が有意に現れていることがわかる。
【００９０】
以上の測定例によれば、比較的厚みのある層の膜厚を高い精度で測定するためには、測定光の波長範囲および波長分解能を適切に設定する必要があるといえる。これは、層内での光干渉現象を利用する測定方法であること、および検出部４２による反射光の波長分解能が有限であることに起因するものであり、以下に説明するような手順によって、適切な測定光の波長を設定することが好ましい。
【００９１】
以下の検討では、膜厚測定範囲の下限値をｄｍｉｎとし、膜厚測定範囲の上限値をｄｍａｘとする。また、検出部４２の波長検出の下限値をλｍｉｎとし、検出部４２の波長検出の上限値をλｍａｘとする。なお、測定用光源１０（図１）が照射する測定光の波長範囲は、検出部４２の波長検出範囲を含むものであれば、いずれの範囲であってもよい。さらに、検出部４２（図１）での検出ポイント数（検出チャンネル数）をＳｐとする。
【００９２】
図８は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定範囲と検出部４２の検出波長範囲および検出ポイント数との関係を説明するための図である。
【００９３】
（１）膜厚測定範囲の下限値ｄｍｉｎと検出波長範囲との関係
上述した膜厚の測定方法によれば、対象の被測定物内で光干渉を生じる波長を見つける必要があるので、検出部４２が光干渉を生じ得る波長範囲をもつ必要がある。すなわち、図８（ａ）に示すように、被測定物に対して測定される反射率波形が検出部４２の検出波長範囲において１周期以上変化する必要がある。
【００９４】
これは、検出部４２の検出波長範囲が下限値λｍｉｎから上限値λｍａｘまで変化することで生じる光学的距離が被測定物の膜厚の往復分以上変化する必要があることを意味する。したがって、膜厚測定範囲の下限値ｄｍｉｎと測定光の波長範囲との関係としては、以下の条件式（１）を満たす必要がある。
【００９５】
【数１２】
2013032981.tif 000014
【００９６】
（２）膜厚測定範囲の上限値ｄｍａｘと検出ポイント数との関係
図８（ｂ）に示すように、測定光の波長が長くなるほど、被測定物に対して測定される反射率波形の周期は長くなる。図８（ｃ）に示す反射率波形は、図８（ｂ）に示す反射率波形を波数（１／ｆ）の座標に変換したものである。このとき、ＩｎＧａＡｓなどの各アレイ素子が波長について等間隔に配置されているとすると、波数に対する各アレイ素子の配置間隔は波数が小さくなるほど広がることがわかる。
【００９７】
したがって、波数に対して所定の周期で変化する反射率波形を正確にサンプリングするためには、この各アレイ素子の配置間隔（波長分解能Δλ）がナイキストのサンプリング定理を満たす必要があり、このサンプリング定理が満たされるという条件によって、膜厚測定範囲の上限値ｄｍａｘが決定される。
【００９８】
検出部４２における波長分解能Δλは、検出ポイント数（検出チャンネル数）Ｓｐを用いて、Δλ＝（λｍａｘ−λｍｉｎ）／Ｓｐと表わすことができる。
【００９９】
測定光の波長が長くなるほど反射率波形の周期は短くなるので、反射率波形において測定光の上限値λｍａｘにおいて極値（ピークまたはバレイ）が生じるとした場合に、当該極値と隣接する極値（ピークに隣接するピーク、またはバレイに隣接するバレイ）を生じる波長をλ１とすると、膜厚測定範囲の上限値ｄｍａｘとの間に、以下の条件が満たされる必要がある。
【０１００】
【数１３】
2013032981.tif 000015
【０１０１】
ここで、測定対象の層の膜厚が比較的大きな場合には、ｎｍａｘ≒ｎ１とみなすことができるので、上述の条件は、以下のような条件式（２）として表わすことができる。
【０１０２】
【数１４】
2013032981.tif 000016
【０１０３】
このとき、波長分解能Δλについては、以下の条件が満たされる必要がある。
【０１０４】
【数１５】
2013032981.tif 000017
【０１０５】
上述の波長分解能Δλの関係式に、上限値ｄｍａｘの関係式を代入してλ１の項をなくすと、以下のような条件式（３）として表わすことができる。
【０１０６】
【数１６】
2013032981.tif 000018
【０１０７】
以上の検討の結果、被測定物について要求される膜厚測定範囲（下限値ｄｍｉｎ〜上限値ｄｍａｘ）が予め定められると、上述の条件式（１）および（２）を満足するように、測定光の波長範囲（下限値λｍｉｎ〜上限値λｍａｘ）および検出ポイント数Ｓｐを定める必要がある。
【０１０８】
＜計算例＞
図４に示すようなＳＯＩ基板のＳｉ層１の膜厚を測定する場合に必要とされる条件について計算した一例を以下に示す。
【０１０９】
この計算例では、ＳＯＩ基板のＳｉ層１の上限値ｄｍａｘが１００μｍであるとし、屈折率ｎが波長に依らず一定値（ｎ＝３．５）であるとした。なお、この計算例では、ＳＯＩ基板のＳｉ層１の下限値ｄｍｉｎについては考慮していない。
【０１１０】
上記の前提となる値を上述のそれぞれの条件式（２）および（３）に代入すると、上限値λｍａｘ＝１４２４．０ｎｍ、波長分解能Δλ＝１．４４５３７５ｎｍと算出される。したがって、最大１００μｍの膜厚をもつ被測定物の膜厚測定を行うために、５１２チャンネルの検出部４２を用いた場合には、約６８４〜１４２４ｎｍの波長範囲を含む測定光を用いて、検出部４２で当該範囲の反射光を検出（波長分解能Δλ＝１．４４５３１２５ｎｍ）すればよいことがわかる。
【０１１１】
但し、上記の条件式によって算出される波長分解能Δλは、理論上の最低限のスペックを記述したものであり、実際に測定を行う場合には、算出された波長分解能Δλに比較して精度をより高くすることが好ましい。なお、より好ましくは、数倍程度（たとえば、２〜４倍）にすることがよい。なお、精度を高くすることは、波長分解能Δλの値をより小さく設定することを意味する。
【０１１２】
すなわち、実際の膜厚測定装置では、被測定物への測定光の入射角の影響や、レンズ集光系を用いたときの開口角の影響などによって、スペクトル精度が劣化する場合がある。このような場合には、パワースペクトル上のピーク高さが小さくなり、膜厚の算出が困難になる。また、有限個のサンプリング値を用いて離散的に周波数変換を行うＦＦＴなどを用いた場合には、エリアシングの影響を受けて、波数変換時などの変換誤差が大きく生じる場合もある。さらに、被測定物の屈折率分散が測定光の波長範囲によっては大きく変化するものもあり、部分的に条件に合致しない可能性もある。
【０１１３】
＜膜厚算出処理の概要＞
上述したように、被測定物の膜厚は、反射率スペクトルの周期性に基づいて算出することができる。すなわち、検出された反射率スペクトルを周波数変換してパワースペクトルを求め、このパワースペクトルに現れるピークから膜厚を算出できる。このようなパワースペクトルは、現実的にはＦＦＴなどの離散的なフーリエ変換法によって算出される。しかしながら、ＦＦＴでは周期性を十分に反映したパワースペクトルを得られない場合もある。そのため、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、パワースペクトルの算出方法として、ＦＦＴなどの離散的なフーリエ変換に加えて、最適化処理（ＭＥＭなど）を実行可能に構成される。すなわち、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、検出された反射率スペクトルに応じて、フーリエ変換および最適化処理を選択的または併合的に実行する。なお、ＭＥＭの詳細については、「科学計測のための波形データ処理  計測システムにおけるマイコン／パソコン活用技術」、南茂夫編著、ＣＱ出版社、１９９２年８月１日第１０版発行などに詳しいので、そちらを参照されたい。
【０１１４】
さらに、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、上述したような検出された反射率スペクトルから解析的に膜厚を算出する方法に加えて、測定対象から算出される物理モデルから理論的に算出される反射率スペクトルと実際に検出された反射率スペクトルとの偏差に基づいて、測定対象の光学的特性値を探索的に算出する、いわゆるフィッティングと称される方法も実行可能に構成される。
【０１１５】
ところで、図４に示すＳＯＩ基板のように、第２層であるＳｉＯ２層２の膜厚に比較して、第１層のＳｉ層１の膜厚が２桁以上大きいような被測定物については、フィッティング法では各層の膜厚を十分な精度で算出できない場合もある。
【０１１６】
図９は、ＳＯＩ基板についての反射率スペクトルの測定結果を示す図である。図９には、第１層のＳｉ層１の膜厚が１００μｍであり、第２層であるＳｉＯ２層２の膜厚を０．４８〜０．５２μｍの範囲で０．１μｍ刻み変化させた場合の測定例を示す。図９に示されているように、第２層であるＳｉＯ２層２の膜厚が変化しても、測定される反射率スペクトルにはあまり大きな変化が生じていないことがわかる。すなわち、このような被測定物から測定される反射率スペクトルでは、第１層のＳｉ層１の影響が主体的であるため、第２層であるＳｉＯ２層２のパラメータを変化させたとしても、十分にフィッティングできないことを意味する。
【０１１７】
そこで、本実施の形態に従う膜厚測定装置１００は、ＳＯＩ基板などのように、異なる複数の層を有する被測定物について、各層の膜厚を独立して正確に解析できるように、上述したフーリエ変換、最適化処理、フィッティング法のうちいずれか１つ、もしくは複数を適宜組み合わせて実行する。以下、本実施の形態に従う膜厚測定装置１００における膜厚算出処理の詳細について説明する。なお、このような膜厚算出処理は、データ処理部５０（図１）によって実行される。
【０１１８】
＜データ処理部の構成＞
図１０は、本発明の実施の形態１に従うデータ処理部５０の概略のハードウェア構成を示す模式図である。
【０１１９】
図１０を参照して、データ処理部５０は、代表的にコンピュータによって実現され、オペレーティングシステム（ＯＳ：Operating  System）を含む各種プログラムを実行するＣＰＵ（Central  Processing  Unit）２００と、ＣＰＵ２００でのプログラムの実行に必要なデータを一時的に記憶するメモリ部２１２と、ＣＰＵ２００で実行されるプログラムを不揮発的に記憶するハードディスク部（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）２１０とを含む。また、ハードディスク部２１０には、後述するような処理を実現するためのプログラムが予め記憶されており、このようなプログラムは、フレキシブルディスクドライブ（ＦＤＤ）２１６またはＣＤ−ＲＯＭドライブ２１４によって、それぞれフレキシブルディスク２１６ａまたはＣＤ−ＲＯＭ（Compact  Disk-Read  Only  Memory）２１４ａなどから読み取られる。
【０１２０】
ＣＰＵ２００は、キーボードやマウスなどからなる入力部２０８を介してユーザなどからの指示を受取るとともに、プログラムの実行によって測定される測定結果などをディスプレイ部２０４へ出力する。各部は、バス２０２を介して互いに接続される。
【０１２１】
＜演算処理構造＞
本発明の実施の形態１に従うデータ処理部５０は、被測定物の各層のパラメータ（材質、膜厚、膜厚範囲、屈折率、消衰係数など）のうち未知の値の種類や数、および解析精度などに応じて、適切な処理パターンを実行することで被測定物の膜厚を測定することができる。以下の説明では、たとえば、図４に示すＳＯＩ基板のように、積層された２層（それぞれ「第１層」および「第２層」とも称す。）の第１層および第２層の屈折率および消衰係数が既知である場合に、積層された２層の膜厚をそれぞれ独立に算出する場合について例示する。なお、以下の説明は例示であり、以下に示す処理パターンに限定されるものではなく、他の処理パターンであってもよい。また、同様の手順によって、積層された２層より多くの積層された膜厚をそれぞれ独立に算出することも可能である。
【０１２２】
処理パターンの一例
本処理パターンは、第１層および第２層の屈折率および消衰係数が既知である場合に実行可能な膜厚算出処理の一例である。この処理パターンでは、各層の膜厚はいずれもフィッティング法によって決定される。なお、フィッティング法として、代表的に、最小二乗法を用いる場合について例示する。
【０１２３】
図１１は、本発明の実施の形態１に従う処理パターンに係る膜厚算出処理を実行する制御構造を示すブロック図である。図１１に示すブロック図は、ＣＰＵ２００がハードディスク部２１０などの予め格納されたプログラムをメモリ部２１２などに読み出して実行することで実現される。
【０１２４】
図１１を参照して、データ処理部５０（図１）は、バッファ部７１と、モデル化部７２１と、フィッティング部７２２とをその機能として含む。
【０１２５】
バッファ部７１は、分光測定部４０（図１）から出力される実測された反射率スペクトルＲ（λ）を一時的に格納する。より具体的には、分光測定部４０からは所定の波長分解能毎に反射率の値が出力されるので、バッファ部７１は、波長とその波長における反射率とを対応付けて格納する。
【０１２６】
モデル化部７２１は、被測定物に係るパラメータを受付けて、当該受付けたパラメータに基づいて、被測定物における理論反射率を示すモデル式（関数）を決定し、当該決定した関数に従って、各波長における理論反射率（スペクトル）を算出する。この算出した各波長における理論反射率は、フィッティング部７２２へ出力される。より具体的には、モデル化部７２１は、第１層の屈折率ｎ１および消衰係数ｋ１と、第２層の屈折率ｎ２および消衰係数ｋ２とを受付けるとともに、第１層の膜厚ｄ１の初期値および第２層の膜厚ｄ２の初期値を受付ける。なお、ユーザが各パラメータを入力してもよいが、予め標準的な材質のパラメータをファイルなどとして格納しておき、必要に応じて読出すようにしてもよい。また、必要に応じて、雰囲気層の屈折率ｎ０および消衰係数ｋ０についても入力される。
【０１２７】
理論反射率を示すモデル式については、上述した３層系の被測定物ＯＢＪにおける反射率Ｒと同様であり、少なくとも各層の膜厚の値を含む関数となる。
【０１２８】
また、モデル化部７２１は、後述するフィッティング部７２２からのパラメータ更新指令に従って、理論反射率を示す関数を更新し、更新後の関数に従って、各波長における理論反射率（スペクトル）を繰返し算出する。より具体的には、モデル化部７２１は、パラメータとして、第１層の膜厚ｄ１および第２層の膜厚ｄ２を順次更新する。
【０１２９】
フィッティング部７２２は、バッファ部７１から反射率スペクトルの実測値を読出し、モデル化部７２１から出力される反射率スペクトルの理論値との間の二乗偏差を各波長について順次算出する。そして、フィッティング部７２２は、各波長における偏差から残差を算出し、この残差が所定のしきい値以下であるか否かを判断する。すなわち、フィッティング部７２２は、現時点のパラメータにおいて収束しているか否かを判断する。
【０１３０】
残差が所定のしきい値以下でなければ、フィッティング部７２２は、モデル化部７２１に対してパラメータ更新指令を与え、新たに反射率スペクトルの理論値が出力されるまで待つ。一方、残差が所定のしきい値以下であれば、フィッティング部７２２は、現時点の第１層の膜厚ｄ１および第２層の膜厚ｄ２を解析値として出力する。
【０１３１】
図１２は、本発明の実施の形態１に従う処理パターンに係る膜厚算出処理の手順を示すフローチャートである。
【０１３２】
図１２を参照して、まず、ユーザが被測定物（試料）をステージ上に配置する（ステップＳ１００）。続いて、ユーザが測定準備指令を与えると、観察用光源からは観察光の照射が開始される。ユーザは、表示部に表示される観察用カメラで撮影された反射像を参照しながら、可動機構にステージ位置指令を与えて、測定範囲の調整や焦点合わせを行う（ステップＳ１０２）。
【０１３３】
測定範囲の調整や焦点合わせの完了後、ユーザが測定開始指令を与えると、測定用光源１０（図１）から測定光の発生が開始される。分光測定部４０は、被測定物からの反射光を受光し、当該反射光に基づく反射率スペクトルをデータ処理部５０へ出力する（ステップＳ１０４）。続いて、データ処理部５０のＣＰＵ２００は、分光測定部４０で検出された反射率スペクトルをメモリ部２１２などに一時的に格納する（ステップＳ１０６）。その後、データ処理部５０のＣＰＵ２００が以下に示す膜厚算出処理を実行する。
【０１３４】
ＣＰＵ２００は、ディスプレイ部２０４（図１０）などに入力画面を表示して、ユーザにパラメータの入力を促す（ステップＳ１０８）。ユーザは、表示された入力画面上などから、被測定物の第１層の屈折率ｎ１および消衰係数ｋ１と、被測定物の第２層の屈折率ｎ２および消衰係数ｋ２とを入力するとともに、被測定物に係る第１層の膜厚ｄ１および第２層の膜厚ｄ２の初期値を入力する（ステップＳ１１０）。
【０１３５】
さらに、ＣＰＵ２００は、ユーザ入力されたパラメータに基づいて、反射率スペクトルの理論値を算出する（ステップＳ１１２）。続いて、ＣＰＵ２００は、メモリ部２１２などに格納されている反射率スペクトルの実測値と反射率スペクトルの理論値との間の二乗偏差を各波長について順次算出し、両者の間の残差を算出する（ステップＳ１１４）。さらに、ＣＰＵ２００は、算出した残差が所定のしきい値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１６）。
【０１３６】
算出した残差が所定のしきい値以下でない場合（ステップＳ１１６においてＮＯの場合）には、ＣＰＵ２００は、第１層の膜厚ｄ１および第２層の膜厚ｄ２の現在値を変更する（ステップＳ１１８）。なお、膜厚ｄ１およびｄ２をどの方向にどの程度変更するかについては、残差の発生度合いに応じて決定される。そして、処理はステップＳ１１２に戻る。
【０１３７】
これに対して、算出した残差が所定のしきい値以下である場合（ステップＳ１１６においてＹＥＳの場合）には、ＣＰＵ２００は、第１層の膜厚ｄ１および第２層の膜厚ｄ２の現在値を被測定物の各層の膜厚（解析値）として出力する（ステップＳ１２０）。そして、処理は終了する。
【０１３８】
なお、図１１に示すブロック図では、屈折率ｎ１，ｎ２および消衰係数ｋ１，ｋ２として固定値を入力する構成について例示したが、波長分散を考慮した屈折率および消衰係数を用いてもよい。たとえば、波長分散を考慮した屈折率および消衰係数としては、以下に示すようなCauchyモデルの式を用いてもよい。
【０１３９】
【数１７】
2013032981.tif 000019
【０１４０】
このような式を用いる場合には、式中の各係数についても予め初期値または既知の値を入力しておき、これらの係数についてもフィッティング対象とされる。
【０１４１】
あるいは、以下に示すようなSellmeierモデルの式を用いてもよい。
【０１４２】
【数１８】
2013032981.tif 000020
【０１４３】
＜膜厚測定例＞
次に、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００の膜厚測定の一例を説明する。図１３は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００により得られたパワースペクトルの一例を示すグラフである。図１３に示すパワースペクトルは、膜厚測定装置１００を用いて被測定物のＳｉ層の膜厚を測定した一例であり、被測定物での光のスポット径が約９μｍ、測定時間５ｍ秒、ＷＤ１が５ｍｍで測定を行なって得られた測定結果である。図１３（ａ）は、膜厚が７２８．４μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトル、図１３（ｂ）は、膜厚が５９９．５μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトル、図１３（ｃ）は、膜厚が４５０．０μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトル、図１３（ｄ）は、膜厚が３００．８μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトルである。図１３の横軸は膜厚（μｍ）で、縦軸はスペクトル強度である。図１３に示すスペクトルピークの値が、膜厚測定装置１００で測定したＳｉ層の値である。
【０１４４】
図１３（ａ）〜図１３（ｄ）に示した膜厚のＳｉ層を、膜厚測定装置１００を用いて、それぞれ１５回繰返して測定した結果を次に示す。図１４は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００により得られた測定結果の一例を示す表である。図１４に示す表は、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）に示した膜厚のＳｉ層に膜厚測定装置１００を用いて、それぞれ１５回繰返して測定した平均値、拡張不確かさ（標準偏差ＳＴＤ×２．１）、相対拡張不確かさを示している。
【０１４５】
具体的に、膜厚が７２８．４μｍのＳｉ層（図１３（ａ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が７２８．１２μｍ、拡張不確かさが０．５０μｍ、相対拡張不確かさが０．０７％である。膜厚が５９９．５μｍのＳｉ層（図１３（ｂ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が５９９．６５μｍ、拡張不確かさが０．３４μｍ、相対拡張不確かさが０．０６％である。
【０１４６】
膜厚が４５０．０μｍのＳｉ層（図１３（ｃ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が４５０．３２μｍ、拡張不確かさが０．５８μｍ、相対拡張不確かさが０．１３％である。膜厚が３００．８μｍのＳｉ層（図１３（ｄ））を膜厚測定装置１００に用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が３００．１７μｍ、拡張不確かさが０．５８μｍ、相対拡張不確かさが０．１９％である。
【０１４７】
上述の測定結果より、膜厚測定装置１００は、Ｓｉ層の膜厚を再現性よく、高い精度で測定することができていることが分かる。
【０１４８】
＜膜厚測定の安定性＞
次に、膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０を設けることでより安定して膜厚を測定することができることを説明する。具体的に、フォーカス位置の変化に対する測定の安定性、被測定物の傾きに対する測定の安定性について説明する。
【０１４９】
図１５は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、集光光学プローブ３０のフォーカス位置の変化を説明するための概略図である。図１５に示す集光光学プローブ３０は、調整機構３２で集光レンズ３１をＺ軸方向に移動させて、フォーカス位置を約±１０ｍｍの範囲で変化させている。なお、膜厚測定装置１００は、被測定物をＳｉ層とし、フォーカス位置での光のスポット径を約２７μｍ、測定時間を１０ｍ秒、ＷＤ１を１５０ｍｍとして測定を行なう。
【０１５０】
図１６は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、フォーカス位置を変化させた場合の測定結果の一例を示す図である。図１６に示す測定結果は、膜厚が７２８．４μｍ、５９９．５μｍ、４５０．０μｍ、３００．８μｍのＳｉ層のそれぞれに対して、フォーカス位置を約±１０ｍｍの範囲で変化させて１５回繰返して測定した測定結果である。
【０１５１】
図１６（ａ）は、フォーカス位置による膜厚の差異（μｍ）を示す測定結果であり、横軸をフォーカス位置（ｍｍ）、縦軸を膜厚の差異（μｍ）としてプロットしたグラフである。膜厚測定装置１００は、図１６（ａ）から分かるように、フォーカス位置を約±１０ｍｍの範囲で変化しても、膜厚の差異（μｍ）が約±０．４０μｍ以内となる。
【０１５２】
図１６（ｂ）は、フォーカス位置による膜厚の差異（％）を示す測定結果であり、横軸をフォーカス位置（ｍｍ）、縦軸を膜厚の差異（％）としてプロットしたグラフである。膜厚測定装置１００は、図１６（ａ）から分かるように、フォーカス位置を約±１０ｍｍの範囲で変化しても、膜厚の差異（％）が約±０．１０％以内となる。
【０１５３】
上述のように、膜厚測定装置１００は、フォーカス位置を約±１０ｍｍの範囲で変化しても、膜厚の差異（μｍ）を約±０．４０μｍ以内、膜厚の差異（％）を約±０．１０％以内で膜厚測定することが可能であることから、フォーカス位置の変化に対して安定して測定することができる。
【０１５４】
図１７は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、被測定物の傾きを説明するための概略図である。図１７に示す被測定物の傾きは、集光光学プローブ３０または／および被測定物を移動させて、被測定物に対して約±２．５度の範囲で変化させる。なお、膜厚測定装置１００は、被測定物をＳｉ層とし、フォーカス位置での光のスポット径を約２７μｍ、測定時間を１０ｍ秒、ＷＤ１を１５０ｍｍとして測定を行なう。
【０１５５】
図１８は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、被測定物の傾きを変化させた場合の測定結果の一例を示す図である。図１８に示す測定結果は、膜厚が７２８．４μｍ、５９９．５μｍ、４５０．０μｍ、３００．８μｍのＳｉ層のそれぞれに対して、被測定物の傾きを約±２．５度の範囲で変化させて１５回繰返して測定した測定結果である。
【０１５６】
図１８（ａ）は、被測定物の傾きによる膜厚の差異（μｍ）を示す測定結果であり、横軸を被測定物の傾き（度）、縦軸を膜厚の差異（μｍ）としてプロットしたグラフである。膜厚測定装置１００は、図１８（ａ）から分かるように、被測定物の傾きを約±２．５度の範囲で変化しても、膜厚の差異（μｍ）が約＋０．２μｍ〜約−１．００μｍの範囲内となる。特に、被測定物の傾きを約±２．０度の範囲の場合、膜厚の差異（μｍ）が約＋０．２μｍ〜約−０．６μｍの範囲内となる。
【０１５７】
図１８（ｂ）は、フォーカス位置による膜厚の差異（％）を示す測定結果であり、横軸を被測定物の傾き（度）、縦軸を膜厚の差異（％）としてプロットしたグラフである。膜厚測定装置１００は、図１８（ａ）から分かるように、被測定物の傾きを約±２．５度の範囲で変化しても、膜厚の差異（％）が約＋０．０５％〜約−０．３５％の範囲内となる。特に、被測定物の傾きを約±２．０度の範囲の場合、膜厚の差異（％）が約＋０．０５％〜約−０．１％の範囲内となる。
【０１５８】
上述のように、膜厚測定装置１００は、被測定物の傾きを約±２．５度の範囲で変化しても、膜厚の差異（μｍ）を約＋０．２μｍ〜約−１．００μｍの範囲内、膜厚の差異（％）を約＋０．０５％〜約−０．３５％の範囲内で膜厚測定することが可能であることから、被測定物の傾きの変化に対して安定して測定することができる。
【０１５９】
＜ウレタン越しの測定例＞
本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０を備えているため被測定物の膜に測定光の焦点を絞ることができるので、被測定物の膜上にウレタンなどがあっても、被測定物の膜厚を測定することができる。
【０１６０】
図１９は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、ウレタン越し被測定物を測定する一例を示す概略図である。図１９に示す集光光学プローブ３０は、被測定物から１５０ｍｍの位置に固定され、水膜１９１およびウレタン１９２越しに被測定物に測定光を照射し、反射した光を受光する。
【０１６１】
図２０は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００により、水膜１９１およびウレタン１９２越しに測定して得られたパワースペクトルの一例を示すグラフである。図２０に示すパワースペクトルは、膜厚測定装置１００を用いて水膜１９１およびウレタン１９２越しに被測定物のＳｉ層の膜厚を測定した測定結果の一例である。図２０（ａ）は、膜厚が７２８．４μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトル、図２０（ｂ）は、膜厚が５９９．５μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトル、図２０（ｃ）は、膜厚が４５０．０μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトル、図２０（ｄ）は、膜厚が３００．８μｍのＳｉ層を測定したパワースペクトルである。図２０の横軸は膜厚（μｍ）で、縦軸はスペクトル強度である。図２０に示すスペクトルピークの値が、膜厚測定装置１００で測定したＳｉ層の値である。なお、６００μｍの膜厚近傍にあるスペクトルピークは、ウレタン１９２によるスペクトルピークである。
【０１６２】
図２０（ａ）〜図２０（ｄ）に示した膜厚のＳｉ層を、膜厚測定装置１００を用いて、それぞれ１５回繰返して測定した結果を次に示す。図２１は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００により、水膜１９１およびウレタン１９２越しに測定して得られた測定結果の一例を示す表である。図２１に示す表は、図２０（ａ）〜図２０（ｄ）に示した膜厚のＳｉ層に膜厚測定装置１００を用いて、それぞれ１５回繰返して測定した平均値、拡張不確かさ（標準偏差ＳＴＤ×２．１）、相対拡張不確かさを示している。
【０１６３】
具体的に、膜厚が７２８．４μｍのＳｉ層（図２０（ａ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が７１３．４９μｍ、拡張不確かさが０．２３μｍ、相対拡張不確かさが０．０３％である。膜厚が５９９．５μｍのＳｉ層（図２０（ｂ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が５９０．６５μｍ、拡張不確かさが１．０３μｍ、相対拡張不確かさが０．１７％である。
【０１６４】
膜厚が４５０．０μｍのＳｉ層（図２０（ｃ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が４４３．８５μｍ、拡張不確かさが０．１０μｍ、相対拡張不確かさが０．０２％である。膜厚が３００．８μｍのＳｉ層（図２０（ｄ））に膜厚測定装置１００を用いて１５回繰返して測定した結果は、平均値が２９５．１０μｍ、拡張不確かさが０．０３μｍ、相対拡張不確かさが０．０１％である。
【０１６５】
上述の測定結果より、膜厚測定装置１００は、水膜１９１およびウレタン１９２越しであっても、Ｓｉ層の膜厚を再現性（相対拡張不確かさが±０．２％以下）よく、高い精度で測定することができていることが分かる。
【０１６６】
なお、膜厚測定装置１００は、水膜１９１およびウレタン１９２越しでのみ被測定物の膜厚を測定することができるのではなく、ガラスやプラスチックなど越しでも被測定物の膜厚を測定することができる。図２２は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、ガラス越し被測定物を測定する一例を示す概略図である。図２２に示す集光光学プローブ３０は、被測定物から１５０ｍｍの位置に固定され、ガラス１９３越しに被測定物に測定光を照射し、反射した光を受光する。なお、図２２に示す被測定物は、表面をプラスチック１９４で覆ってある。
【０１６７】
このように、膜厚測定装置１００は、ガラス１９３越しに被測定物の膜厚を測定することが可能であるので、たとえば蒸着チャンバなどの窓の外側から被測定物の膜厚を測定することが可能となる。
【０１６８】
＜光源＞
膜厚測定装置１００は、光源にインコヒーレント（非可干渉性）光を照射することが可能なＡＳＥ光源を用いる構成について説明した。しかし、上述したように、膜厚測定装置１００は、ＡＳＥ光源に限定されるものではなく、光源にコヒーレント（可干渉性）光を照射することが可能なＳＬＤ光源を用いてもよい。なお、膜厚測定装置１００は、分光干渉方式の測定方法を用いているので、ＳＬＤ光源の持つコヒーレント性が、ファイバの曲げ或いは分光測定部４０との接続部分等で、本来測定されるべき分光干渉以外の疑似干渉が確認される場合が多い。
【０１６９】
図２３は、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００において、ＡＳＥ光源およびＳＬＤ光源で測定して得られたパワースペクトルの一例を示すグラフである。図２３の横軸は膜厚（μｍ）で、縦軸はスペクトル強度である。
【０１７０】
図２３（ａ）は、ＡＳＥ光源を用いて被測定物のＳｉ層の膜厚を測定したパワースペクトルである。図２３（ａ）に示すスペクトルピークには、膜厚が７２８．４μｍのＳｉ層のスペクトルピーク、膜厚が５９９．５μｍのＳｉ層のスペクトルピーク、膜厚が４５０．０μｍのＳｉ層のスペクトルピーク、膜厚が３００．８μｍのＳｉ層のスペクトルピークが図示されている。
【０１７１】
図２３（ｂ）は、ＳＬＤ光源を用いて被測定物のＳｉ層の膜厚を測定したパワースペクトルである。図２３（ｂ）に示すスペクトルピークには、膜厚が７２８．４μｍのＳｉ層のスペクトルピーク、膜厚が５９９．５μｍのＳｉ層のスペクトルピーク、膜厚が４５０．０μｍのＳｉ層のスペクトルピーク、膜厚が３００．８μｍのＳｉ層のスペクトルピークが現れる。さらに、図２３（ｂ）に示すスペクトルピークには、膜厚が７０μｍの近傍に擬似ピークが現れる。この擬似ピークが、ＳＬＤ光源の持つコヒーレント性により、ファイバの曲げ或いは分光測定部４０との接続部分等で、本来測定されるべき分光干渉以外の疑似干渉で生じたスペクトルピークである。
【０１７２】
そのため、膜厚測定装置１００は、擬似ピークによる影響を受けなうようにするためにＡＳＥ光源を用いることが望ましい。
【０１７３】
以上のように、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、測定用光源１０から照射した測定光を被測定物に導く光路の光ファイバ２０（第１光路）および被測定物で反射された光を、分光測定部４０に導く光路の光ファイバ２０（第２光路）が、被測定物側の光軸方向が互いに平行となるように形成されたＹ型ファイバである。そして、測定用光源１０から出射する測定光を被測定物に集光する集光レンズ３１、および被測定物で反射された光を、集光する集光レンズ３１は、１つのレンズで構成された集光光学プローブ３０である。そのため、本発明の実施の形態１に従う膜厚測定装置１００は、集光光学プローブ３０のサイズを小型にしつつ、被測定物との距離に依存することなく、被測定物の膜厚をより高い精度で測定することができる。
【０１７４】
（実施の形態２）
図１に示す集光光学プローブ３０は、光ファイバ２０から出射する測定光を被測定物に集光する集光レンズと、被測定物で反射された光を、光ファイバ２０の端部に集光する集光レンズとを１つの集光レンズ３１で構成している。
【０１７５】
しかし、本発明に従う集光光学プローブ３０は、当該構成に限定されるものではなく、たとえば、光ファイバ２０から出射する測定光を被測定物に集光する集光レンズと、被測定物で反射された光を、光ファイバ２０の端部に集光する集光レンズとをそれぞれ別々の集光レンズで構成してもよい。
【０１７６】
図２４は、本発明の実施の形態２に従う集光光学プローブ３０の構成を説明するための概略図である。なお、本発明の実施の形態２に従う膜厚測定装置は、光ファイバ２０および集光光学プローブ３０の構成以外、図１に示す膜厚測定装置１００の構成と同じであるため、同じ構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。
【０１７７】
図２４（ａ）は、集光光学プローブ３０を設けずに光ファイバ２０から測定光を直接、被測定物に照射する場合を図示してある。光ファイバ２０から出射される光は、図２４（ａ）から分かるように、光ファイバ２０の開口角度により広がり、被測定物で反射され、さらに広がっている。そのため、図２４（ａ）の場合、被測定物で反射した光の範囲３０１のうち、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０２は小さくなる。
【０１７８】
図２４（ｂ）は、集光光学プローブ３０を設けて光ファイバ２０から測定光を集光して、被測定物に照射する場合を図示してある。ここで、光ファイバ２０は、Ｙ型ファイバでなく、２本のシングルモードファイバを被測定物側の光軸方向が互いに交差するように配置してある。一方の光ファイバ２０から出射される光は、図２４（ｂ）から分かるように、集光レンズ３１ｃにより広がりを抑えることができる。集光レンズ３１ｄで集光した光は、被測定物で反射され再び広がることになるが、集光レンズ３１ｄで光ファイバ２０の端部に集光する。
【０１７９】
そのため、図２４（ｂ）の場合、被測定物に照射する光の範囲３０５のうち、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０６は大きくなる。よって、膜厚測定装置１００は、２つの集光レンズ３１ｃ，３１ｄを備えることで、被測定物で反射した光を効率よく受光することができるので、Ｓ／Ｎ比が改善するので、分光測定部４０の測定精度が高くなる。
【０１８０】
また、光ファイバ２０は、被測定物で光軸方向が互いに交差するように２本のシングルモードファイバを配置してあるので、集光レンズ３１ｃ，３１ｄの調整機構は、Ｚ軸方向（光軸方向）に移動することができればよく、ＸＹ軸方向（光軸に対して垂直な方向）に移動することができなくてもよい。さらに、集光レンズ３１ｃ，３１ｄの調整機構は、集光レンズ３１ｃ，３１ｄのそれぞれを独立して個別に調整できるため、光ファイバ２０から出射する測定光と、被測定物で反射された光とをそれぞれ独立して個別に調整できる。
【０１８１】
ただし、本発明の実施の形態２に従う集光光学プローブ３０は、２つの集光レンズ３１ｃ，３１ｄを備えるので、図１に示す集光光学プローブ３０に比べてサイズが大きくなる。
【０１８２】
以上のように、本発明の実施の形態２に従う膜厚測定装置１００は、光ファイバ２０（第１光路：測定用光源１０から照射した測定光を被測定物に導く光路）から出射する測定光を被測定物に集光する集光レンズ３１ｃと、被測定物で反射された光を、光ファイバ２０（第２光路：被測定物で反射された光を、分光測定部４０に導く光路）の端部に集光する集光レンズ３１ｄとを有する。そのため、本発明の実施の形態２に従う膜厚測定装置１００は、被測定物との距離に依存することなく、被測定物の膜厚をより高い精度で測定することができる。
【０１８３】
（実施の形態３）
図１に示す集光光学プローブ３０は、被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０を１本、被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０を１本、備える構成である。
【０１８４】
しかし、本発明に従う集光光学プローブ３０は、当該構成に限定されるものではなく、たとえば、被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０を複数本、被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０を１本、備える構成でもよい。
【０１８５】
図２５は、本発明の実施の形態３に従う集光光学プローブ３０の構成を説明するための概略図である。なお、本発明の実施の形態３に従う膜厚測定装置は、光ファイバ２０および集光光学プローブ３０の構成以外、図１に示す膜厚測定装置１００の構成と同じであるため、同じ構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。
【０１８６】
図２５では、被測定物と対向する集光光学プローブ３０の一面を図示してある。図２５に示す集光光学プローブ３０は、中心に被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０ａを１本、その周りに、被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０ｂを４本、配置してある。
【０１８７】
光ファイバ２０から出射される光は、図３（ｂ）に示したように、集光レンズ３１により集光されて被測定物を照射し、被測定物に照射した光は、被測定物で反射して再び集光レンズ３１により集光されて光ファイバ２０に受光される。そして、膜厚測定装置１００は、被測定物に照射する光の範囲３０３のうち、光ファイバ２０で受光することができる光の範囲３０４が大きくなるように、被測定物の傾きや集光レンズ３１の位置を調整していた。
【０１８８】
しかし、被測定物の傾きや集光レンズ３１の位置で調整できる範囲は限られている。そこで、本発明の実施の形態３に従う集光光学プローブ３０は、被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０ｂを、被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０ａの周囲に配置して、いずれか１本の光ファイバ２０ｂから出射した測定光が、光ファイバ２０ａに受光されるようにしてある。
【０１８９】
つまり、ある１本の光ファイバ２０ｂから出射した測定光が、測定物の傾きや集光レンズ３１の位置を調整しても光ファイバ２０ａにうまく受光することができない場合であっても、別の１本の光ファイバ２０ｂから出射した測定光は、光ファイバ２０ａにうまく受光することが可能になる。
【０１９０】
以上のように、本発明の実施の形態３に従う集光光学プローブ３０は、光ファイバ２０の被測定物側において、光ファイバ２０ａの周りに複数の光ファイバ２０ｂを配置することで、光源から被測定物に照射した測定光を、効率よく光ファイバ２０ａで受光することが可能になる。
【０１９１】
なお、図２５に示す集光光学プローブ３０は、中心に被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０ａを１本、その周りに、被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０ｂを４本、配置した構成であるが、本発明に従う集光光学プローブ３０は、これに限定されるものではない。たとえば、集光光学プローブ３０は、中心に被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０ａを２本、その周りに、被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０ｂを８本、配置した構成であってもよい。さらに、集光光学プローブ３０は、中心に被測定物に測定光を出射する光ファイバ２０ｂを１本、その周りに、被測定物で反射された光を受光する光ファイバ２０ａを４本、配置した構成でもよい。
【０１９２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１９３】
１０  測定用光源、２０，２０ａ，２０ｂ  光ファイバ、３０  集光光学プローブ、３１，３１ａ〜３１ｄ  集光レンズ、３２  調整機構、４０  分光測定部、４１  回折格子、４２  検出部、４３  カットフィルタ、４４  シャッタ、５０  データ処理部、７１  バッファ部、１００  膜厚測定装置、１９１  水膜、１９２  ウレタン、１９３  ガラス、１９４  プラスチック、２０２  バス、２０４  ディスプレイ部、２０８  入力部、２１０  ハードディスク部、２１２  メモリ部、２１４  ＲＯＭドライブ、２１６ａ  フレキシブルディスク、７２１  モデル化部、７２２  フィッティング部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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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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