(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜表面に直線偏光単色光を入射する光源と、
薄膜からの反射光を左右の円偏光に変換する円偏光変換手段と、
前記円偏光の少なくとも２つの異なる方向の偏光を２次元的に検出する少なくとも２つの光検出手段と、
前記少なくとも２つの光検出手段の出力を用いて膜厚を求める演算手段とを備え、
前記膜厚演算を２次元的に行うことにより、薄膜の２次元的膜厚分布を測定することを特徴とする膜厚計測装置。
【請求項２】
前記光検出手段は複数の画素を含み、画素毎に光強度を検出して入射する偏光の光強度を２次元的に検出することを特徴とする請求項１記載の膜厚計測装置。
【請求項３】
前記演算手段の演算処理は、少なくとも２つの光検出手段間で対応する各画素の光強度を用いて、各画素毎の位相差と振幅反射率を求め、該位相差と振幅反射率を用いて画素毎に膜厚を求め、該画素毎の膜厚により２次元的膜厚分布を測定することを特徴とする請求項２記載の膜厚計測装置。
【請求項４】
膜厚に対応する位相差データを備え、少なくとも２つの光検出手段間において対応する各画素の光強度を変数として前記位相差データを読み出し、読み出した位相差データを用いて画素毎に膜厚を求め、該画素毎の膜厚により２次元的膜厚分布を測定することを特徴とする請求項２記載の膜厚計測装置。
【請求項５】
前記少なくとも２つの光検出手段の出力を用いてカラー表示することを特徴とする請求項１，又は２記載の膜厚計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜厚測定装置に関し、光の位相シフトによる干渉を用いて膜厚を測定する膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜の膜厚を光学的に測定するものとして、物体の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観察して行うエリプソメータ等の偏向解析装置を用いた測定装置が知られている。
図１３は従来のエリプソメータを用いた偏向解析装置の概略図である。図１３において、偏向解析装置１００はコリメータアームとテレスコープアームの２つのアームを備え、テレスコープアームは両アームの光軸を含む平面内で、光軸の交点を中心に回転可能とする構成であり、光軸の中心に試料ｓがくるように取り付けられる。コリメータアームは単色光の光源１０１（あるいは単色光フィルター１０２を含む構成）と、偏光子１０３と、補償板１０４（１／４波長板）を備え、テレスコープアームは検光子１０５と光検出器１０６を備え、それぞれ各光軸に垂直な面で回転可能な構成としている。
【０００３】
上記構成の偏向解析装置１００において、光検出器１０６の出力が所定値となるように偏光子１０３および検光子１０５を回転させ、この方位角から薄膜の反射に伴う位相差および振幅反射率を測定する。薄膜の膜厚は、求めた位相差および振幅反射率を用い演算によって求める。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のエリプソメータ等の偏向解析装置を用いた膜厚測定装置では、薄膜の反射に伴う位相差および振幅反射率を測定するために、偏光子および検光子による方位角の測定操作を繰り返す必要があり、測定に長時間を要するという問題点がある。
また、コリメータアームおよびテレスコープアームは各光軸に垂直な面で回転可能とする機械的構成や、回転角度を読み取るための角度検出機構が必要であるという構成上の問題がある。また、従来の膜厚測定装置の測定精度は、測定装置内に含まれる機械的要素の精度に制限され、高い測定精度を得ることができないという問題点もある。
【０００５】
さらに、従来のエリプソメータ等の偏向解析装置を用いた膜厚測定装置では、測定範囲は試料上の一点であるため、試料の２次元的な膜厚分布を測定するには試料を移動させる等の操作が必要であって長時間を要し、測定中における試料変化や各点の測定データを２次元的に組み合わせるデータ処理を考慮すると、２次元的膜厚分布の測定は困難であるという問題点がある。
【０００６】
そこで、本発明は前記した従来の膜厚測定装置の持つ問題点を解決し、高速で高い測定精度の膜厚測定装置を提供することを目的とし、また、２次元的膜厚分布の測定を短時間で行うことができる膜厚測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直線偏光単色光に対する薄膜の反射において、薄膜上面で反射される反射光の位相と薄膜の下面で反射される反射光の位相との間で生じる位相差が薄膜の膜厚に応じて変化することを利用し、該位相差から薄膜の膜厚測定を行う膜厚測定装置であり、反射光の位相差を機械的手段を用いることなく光学的にかつ２次元的に読み取ることによって、高速，高精度で、２次元的膜厚分布の測定を短時間で行うものである。
【０００８】
本発明の膜厚測定装置は、反射光の位相差を機械的手段を用いることなく光学的にかつ２次元的に読み取るために、薄膜表面に直線偏光単色光を入射する光源と、薄膜からの反射光を左右の円偏光に変換する円偏光変換手段と、円偏光の少なくとも２つの異なる方向の偏光を２次元的に検出する少なくとも２つの光検出手段と、少なくとも２つの光検出手段の出力を用いて膜厚を求める演算手段とを備えた構成とし、膜厚演算を２次元的に行うことにより、薄膜の２次元的膜厚分布を測定する。
【０００９】
図１は本発明の膜厚測定装置を説明するための概略図である。膜厚を測定する試料ｓは基盤ｓ２上に薄膜ｓ１を備え、薄膜ｓ１は外部雰囲気ｓ０と接触して配置されている。この試料ｓの薄膜ｓ１に対して、４５度の偏光面を持つ直線偏光単色光を角度φ0 で入射すると、この直線偏光単色光の振幅反射率は、
0003942239.tif 000002
で表される。ここで、Ｒp/s はｐ波またはｓ波の振幅反射率（複素数）であり、ｒij,p/sは i層と j層の複素反射率である。また、βは膜厚ｄ1 ，波長λ，屈折率ｎ1 の関数として次式（２）で表され、光は薄膜の１往復で生じる位相差に対応するものである。
β＝４π（ｄ1／λ）ｎ1cosφ1                              …（２）
上記式（２）は複素数であるからｓ波とｐ波の位相遅れをψとすると、反射率の比は次式（３）で表される。
Ｒp／Ｒs＝｜Ｒp／Ｒs｜exp（−iψ）                        …（３）
ここで、入射光の振幅をＥ0 とすると、ｓ波とｐ波の複素振幅は光の角振動数をωとしてＥ0Ｒp/sexp（−iωｔ）／２1/2 となる。図１中において、ｓ波とｐ波はＡpおよびＡsで示している。
【００１０】
本発明の膜厚測定装置１は、この反射光の後方に１／４波長板３を配置することによって、ｓ波とｐ波をそれぞれ逆向きの円偏光に変換する。さらに、膜厚測定装置１はビームスプリッタ４で円偏光を分割し偏光板５を透過させると、各偏光板を透過した反射光の電場は次式（４）で表される。
0003942239.tif 000003
ここで、θは４５度に置かれた１／４波長板からの偏光板の角度で、例えば、０，±π／４である。
【００１１】
光の強度はＩ’（ｔ）＝c0ε0Ｅ2であるから、Ａp/s＝Ｅ0(c0ε0/2)2Ｒp/s，θ’＝−２θとすると、光の時間的平均強度Ｉ（θ’）は次式（５）で表される。
【００１２】
Ｉ（θ’）＝Ａs2／２＋Ａp2／２＋ＡsＡpcos（ψ＋θ’）      …（５）
なお、光は５×１０14Ｈｚのオーダーで振動しているので、上記式は非常に短い時間内の平均となり、瞬時値として取り扱うことができる。
【００１３】
偏光板５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）の後方に光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）を配置し、θ＝０，±π／４の角度の偏光板（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）を通過した偏光を検出すると、光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）の検出強度はそれぞれ以下の式（６）で表される。
0003942239.tif 000004
光検出器６の検出強度は同一波長のｐ波とｓ波の位相差と振幅比に関する情報を有し、また位相差は膜厚に応じた値である。本発明の膜厚測定装置は、上記式（６）で表される光検出器の出力を用いて膜厚を求める。
【００１４】
また、本発明の膜厚測定装置が備える光検出手段は複数の画素を含む構成とし、画素毎に光強度を検出して入射する偏光の光強度を２次元的に検出することによって、薄膜の２次元的膜厚分布を測定する。
【００１５】
反射光を左右の円偏光に変換する円偏光変換手段として１／４波長板を用いることができる。また、上記式（６）の３つの光検出強度を検出する光検出手段は、１つの３ＣＣＤカメラのＲＧＢセンサの前方に偏光板を配置する構成や、３つのＣＣＤカメラを用い各ＣＣＤカメラの前方に偏光板を配置する構成とすることができる。
【００１６】
演算手段は少なくとも２つの光検出手段の検出出力を用いて膜厚を求める演算処理を行うものであり、３つの光検出手段の検出出力を用いて測定感度低下を補償して高精度測定を行うことができる。３つの光検出手段の検出出力を用いる場合には、３ＣＣＤカメラのＲＧＢセンサの各出力をそのまま用いることができる。
【００１７】
本発明の膜厚測定装置において、膜厚を求める第１の演算処理例は、少なくとも２つの光検出手段間で対応する各画素の光強度を用いて、各画素毎の位相差と振幅反射率を求め、求めた位相差と振幅反射率を用いて画素毎に膜厚を求め、この画素毎の膜厚により２次元的膜厚分布を測定する。
【００１８】
前記式（６）を変形すると次式（７），（８）を得る。
0003942239.tif 000005
上式をＡp／Ａsの２次方程式として解くことによって、振幅反射率の比Δは次式（９）となり、
Δ＝｜Ｒp／Ｒs｜＝Ａp／Ａs＝Ｂ＋（Ｂ2−１）1/2              …（９）
前記式（６）を変形してＡp，Ａsを消去することによって、ｓ波とｐ波の位相遅れψは次式（１０）となる。
0003942239.tif 000006
この振幅反射率の比Δと位相遅れψを用いた膜厚測定では、あらかじめΔ，ψ，およびΧ（＝β／２π）の関係を素材が既知の基盤と薄膜のものについて求めておき、前記式（９），（１０）で求めた比Δと位相遅れψを変数としてΧを求める。Χは薄膜の膜厚で生じる位相差に対応する値βを２πで除算して得られる値であり、光の周期で膜厚を表した値である。このΧの値を用いて、Χ＝β／２πの関係および前記式（２）から膜厚ｄ1 を求める。この膜厚測定の演算処理を各画素毎に行うことによって、２次元の膜厚測定を行うことができる。
【００１９】
また、本発明の膜厚測定装置において、膜厚を求める第２の演算処理例は、膜厚に対応する位相差データをあらかじめ記憶して備えておき、少なくとも２つの光検出手段間において対応する各画素の光強度を変数として位相差データを読み出し、読み出した位相差データを用いて画素毎に膜厚を求め、この画素毎の膜厚により２次元的膜厚分布を測定する。
【００２０】
位相差データは、Χに値について振幅反射率の式（１）を計算してＲp/sを求め、このＲp/sからＡp，Ａs，およびψを求め、前記式（６）を用いてＩ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を求めて、この各値を光検出器に検出強度とする。
【００２１】
ここで、Ｉ(-π/2)とＩ(π/2)の間には、
Ｉ(-π/2)＋Ｉ(π/2)＝Ａs2＋Ａp2                           …（１１）
の関係がある。この式（１１）で前記式（６）で示される各光検出器の検出強度を除することによって、光検出強度を正規化すると次式（１２）となる。
【００２２】
0003942239.tif 000007
上記式（１２）で表される検出強度は、相加平均と相乗平均の関係から、０≦Ｉx，Ｉy，Ｉz≦１の関係があり、その大きさは１以下に制限されて正規化され、検出強度の絶対値に依存しない値とすることができる。
【００２３】
従って、Χに値についてＩx，Ｉy，Ｉzを求め、このＩx，Ｉy，Ｉzの値で定められる３次元空間の３次元配列することによって、位相差データに関するＸの値を、各検出器出力間の比率関係で記憶することができる。これによって、光検出器の出力から求めたＩx，Ｉy，Ｉzの値を用いることによって、複雑な演算を行うことなく位相差データにかかわるＸの値を短時間で読み出すことができる。求めたＸの値は前記第１の演算処理例と同様にして、Χ＝β／２πの関係および前記式（２）から膜厚ｄ1 を求め、膜厚測定の演算処理を各画素毎に行うことによって、２次元の膜厚測定を行うことができる。
位相差データの読み出しは高速処理が可能であるため、高速の画像データ処理が可能となる。
【００２４】
なお、上記式（１２）中のＩxおよびＩzを用いてΧを求めることもでき、この場合には、３つの光検出器の内で、Ｉ(-π/2)およびＩ(π/2)の２つの光検出器を用いることによって求めることができる。
【００２５】
また、少なくとも２つの光検出手段の出力を用いてカラー表示することができる。３つの光検出器を備える場合には、各光検出器から得られる検出出力をそれぞれＲＧＢ信号に対応させ、カラーモニターのＲＧＢ端子に入力することによって、膜厚の２次元分布をカラーモニター上に直接表示することができる。
【００２６】
本発明の膜厚測定装置によれば、従来の膜厚測定装置のように光軸に垂直な面で回転する機械要素や角度検出機構が不要であるため、高速で高い測定精度の膜厚測定を行うことができる。
本発明の膜厚測定装置によれば、従来の膜厚測定装置と異なり、２次元の検出ができる光検出器を用いることができるため、２次元的膜厚分布の測定を短時間で行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態の構成例について、図１の本発明の膜厚測定装置の実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明する。図１において、膜厚測定装置１は、直線偏光単色光を試料ｓに照射する光源２と、この反射光の後方に配置され、試料ｓで反射された反射光のｓ波とｐ波をそれぞれ逆向きの円偏光に変換する１／４波長板３と、円偏光を分割するビームスプリッタ４と、分割された円偏光の所定方向の偏光を透過させる複数の偏光板５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）と、各偏光板５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）を透過した反射光の光強度を検出する光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）を備える。光検出器６はＣＣＤカメラ等の複数個の画素を備え、入力する偏光を２次元的に検出し光強度を画素毎に出力する。
【００２８】
なお、試料ｓは基盤ｓ２上の薄膜ｓ１であり、薄膜ｓ１は外部雰囲気ｓ０と接触して配置されている。この試料ｓの薄膜ｓ１に入射する直線偏光単色光は、４５度の偏光面を持ち、薄膜ｓ１に対して角度φ0 で入射するものとする。
光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）で検出された光強度信号（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、データ処理装置１０で処理され、薄膜の膜厚測定が行われる。
【００２９】
次に、本発明の膜厚測定装置による膜厚測定において、データ処理装置が行う２つの演算処理例について説明する。図２，３は第１の演算処理例を説明するための概略図およびフローチャートである。なお、図２は、反射光以降の構成を示している。
【００３０】
図２において、１／４波長板３で円偏光変換された円偏光はビームスプリッタ４で３つに分割され、互いに偏光角度が異なる偏光板５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）を通過した後、光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）で反射光の光強度を検出する。偏光板５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）の偏光角度を１／４波長板３に対してそれぞれπ／４，０，−π／４とすると、光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）からは前記式（６）で示される検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)が得られる。
【００３１】
データ処理装置１０は検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を入力して膜厚測定の演算処理を行う。データ処理装置１０は、Δ，ψ演算機能部１１と、Ｘ（β）演算機能部１２と、Ｘに対するΔ，ψの関係を定めた演算テーブル１４と、演算のためのパラメータを記憶するパラメータテーブル１５と、Ｘから膜厚ｄ1 を演算する膜厚演算機能部１３を備える。
【００３２】
図２の構成によって膜厚測定を行うには、光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）は検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を求め、該検出出力をΔ，ψ演算機能部１１に入力する（ステップＳ１）。Δ，ψ演算機能部１１は、検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0) ，Ｉ(π/2)を入力し、前記式（８），（９）を用いて振幅反射率の比Δを算出し、前記式（１０）を用いてｓ波とｐ波の位相遅れψを算出する（ステップＳ２）。
【００３３】
Ｘ（β）演算機能部１２は、Δ，ψ演算機能部１１から振幅反射率の比Δと位相遅れψを入力するとともに、パラメータテーブル１５から入射角φ0 を読み込み（ステップＳ３）、演算テーブル１４を用いてＸ（β）を求める。図４は、Ｘに対するΔとψの関係を表す図であり、演算テーブル１４はこの関係図を格納し、Δ，ψに対するＸの値をＸ（β）演算機能部１２に読み出す。図３において、縦軸はＲp／Ｒsの虚部を表し、横軸はＲp／Ｒsの実部を表しており、Δ，ψに対するＸの値が曲線上に表示されている。なお。各曲線は入射角φ0 に応じて異なる曲線で表され、また、基盤および薄膜の素材毎に異なる曲線となる。そこで、演算テーブル１４内に、基盤および薄膜の素材毎および複数の入射角φ0 の曲線を格納しておくことによって、種々に試料の膜厚測定に対応することができる。Ｘ（β）演算機能部１２は、Ｘ＝β／２πの関係からβを求める。
【００３４】
なお、入射角φ0 をパラメータテーブル１５から読み込む場合には、測定装置で設定した入射角φ0 をあらかじめパラメータテーブル１５に格納しておく。また、パラメータテーブル１５からの読み込みに代えて、測定装置側から入射角φ0 を入力する構成とすることもできる（ステップＳ４）。
【００３５】
膜厚演算機能部１３は、Ｘ（β）演算機能部１２で求めたβを入力するとともに、パラメータテーブル１５から薄膜の屈折率ｎ1 とφ1 を読み込み（ステップＳ５）、前記式（２）を用いて膜厚ｄ1 を算出する（ステップＳ６）。
算出した膜厚ｄ1 は表示装置３に表示したり、記録装置に記録して出力することができる。
【００３６】
次に、本発明の膜厚測定装置による膜厚測定における第２の演算処理について説明する。図５，６は第２の演算処理例を説明するための概略図およびフローチャートである。なお、図５では反射光以降の構成を示している。
図５に示す構成は前記図２とほぼ同様の構成であり、データ処理装置１０の構成において相違している。そこで、以下では共通する構成部分の説明を省略し、データ処理装置１０の構成および動作についてのみ説明する。
【００３７】
図５において、データ処理装置１０は検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を入力し、正規化された検出出力を用いて膜厚を読み出す演算処理を行う。データ処理装置１０は、検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を正規化してＩx ，Ｉy ，Ｉz を求めるＩx ，Ｉy ，Ｉz 演算機能部１６と、正規化されたＩx ，Ｉy ，Ｉz に対するＸ値を格納するＩx ，Ｉy ，Ｉz ，Ｘテーブル１８と、膜厚読み出し機能部１７を備える。
【００３８】
図５の構成によって膜厚測定を行うには、光検出器６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）は検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を求め、該検出出力をＩx ，Ｉy ，Ｉz 演算機能部１６に入力する（ステップＳ１１）。Ｉx ，Ｉy ，Ｉz 演算機能部１６は、検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)を入力し、前記式（１２）を用いて正規化されたＩx ，Ｉy ，Ｉz を算出し、膜厚読み出し機能部１７に送る（ステップＳ１２）。
【００３９】
Ｉx，Ｉy，Ｉz，Ｘテーブル１８は、検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(0)，Ｉ(π/2)の大きさを０と１の間に正規化した検出出力Ｉx ，Ｉy ，Ｉz を変数とし、３次元空間の３次元配列された位相差データに関するＸの値を格納したデータテーブルであり、光検出器の出力を用いて求めたＩx，Ｉy，Ｉz の値を変数として位相差データにかかわるＸの値を短時間で読み出す。
【００４０】
図７はＩx，Ｉy，Ｉz に対するＸの値を表す図である。図７のＸ値はＳｉ基盤上にＳｉＯ2膜がある場合に入射角７０度におけるＩx，Ｉy，ＩzをＸについて示したものであり、また、図中の感度係数ｄＸ／ｄＩ×１０-1は輝度変化に対するＸの感度に相当する値である。なお、ｄＸ／ｄＩはｄＸ／（ｄＩx2＋ｄＩy2＋ｄＩz2）-2で表される。
【００４１】
図７において、Ｉx，Ｉy，Ｉzの値に対してＸは一意に定まり、Ｉx，Ｉy，Ｉzを読み出しの変数とすることによってＸを求める。
なお、ＸはＩx，Ｉy，Ｉz の値に内の任意の２つの値によって一意に定めることができ、また、Ｉx，Ｉy，Ｉzの内でＩxとＩzは検出出力Ｉ(-π/2)とＩ(π/2)の２つの検出出力で求めることができる。したがって、検出出力Ｉ(-π/2)とＩ(π/2)の２つの検出出力でＸを求め、膜厚を求めることもできる。
【００４２】
なお、ＩxとＩzの２つの値でＸを求める場合には、Ｉzの値が低い場合には感度係数が低くなり検出精度の低下の可能性がある。この場合には、Ｉx，Ｉy，Ｉzの３つの変数を用いてＸを求めることによって、検出精度の低下を防止することができる。（ステップＳ１３）。
【００４３】
求めたＸの値は前記第１の演算処理例と同様にして、Χ＝β／２πの関係および前記式（２）から膜厚ｄ1 を求め、膜厚測定の演算処理を各画素毎に行うことによって、２次元の膜厚測定を行うことができる（ステップＳ１４）。
算出した膜厚ｄ1 は表示装置３に表示したり、記録装置に記録して出力することができる。
【００４４】
次に、前記第２の演算処理において、Ｉx ，Ｉy ，Ｉz，Ｘテーブル１８の記憶データ量を削減する例について説明する。この記憶データ量の削減は、図７中におけるＸに対する対照性を用いるものであり、図９に示すように、Ｘを０から０．５の範囲についてのみ格納し、Ｘが０．５から１．０の範囲については対照性を用いて読み出す。図９において、Ｘが０から０．５の範囲において、図中の上方の曲線はＩxを示し下方の曲線はＩZを示し、Ｘが０．５から１．０の範囲では、図中の上方の曲線はＩZを示し下方の曲線はＩxを示し、Ｘの値は（１−Ｘ）によって得ることができる。
【００４５】
図９に示したＩx，Ｉz，Ｘテーブルを用いる場合には、図８のフローチャートに従って膜厚測定を行う。
光検出器６（６Ａ，６Ｃ）は検出出力Ｉ(-π/2)，Ｉ(π/2)を求め、該検出出力をＩx ，Ｉz演算機能部１６に入力する（ステップＳ２１）。Ｉx ，Ｉz演算機能部１６は、検出出力Ｉ(-π/2) ，Ｉ(π/2)を入力し、前記式（１２）を用いて正規化されたＩx，Ｉzを算出し、膜厚読み出し機能部１７に送る（ステップＳ２２）。
【００４６】
Ｉx ，Ｉz，Ｘテーブル１８は、０と１の間に正規化された検出出力Ｉx ，Ｉzを変数とし、位相差データに関するＸの値を２次元空間内に２次元配列して格納するデータテーブルである。このデータテーブル中のＸは、光検出器６の出力から求めたＩx，Ｉzの値を用いて読み出す。このＸの読み出しにおいて、膜厚読み出し機能部１７は、ＩxとＩzの大きさを比較し、Ｉx≧Ｉzの場合にはＩx，Ｉz，Ｘテーブルから対応するＸを読み出し、読み出した値をＸとする（ステップＳ２３）。また、Ｉx≦Ｉzの場合にはＩx，Ｉz，Ｘテーブルから対応するＸを読み出し（ステップＳ２４）、読み出したＸ値を用いて（１−Ｘ）の演算を行い、求めた値をＸとする（ステップＳ２５）。これによって、記憶容量を半減させたデータテーブルからＸの値を読み出すことができる。
求めたＸの値は前記演算処理例と同様にして、Χ＝β／２πの関係および前記式（２）から膜厚ｄ1 を求め、膜厚測定の演算処理を各画素毎に行うことによって、２次元の膜厚測定を行う（ステップＳ２６）。
【００４７】
各画素毎の演算処理は、試料上の同一点から得られた反射光を検出する各検出器の画素から出力される信号を用いて行うことによって、試料上の一点での膜厚値を求める、各画素毎に得られた膜厚値を２次元的に組み合わせることによって、２次元的な膜厚分布を求めることができる。
この、各対応する画素の検出信号の取り出しは、例えば、各ＣＣＤカメラの画素の位置関係を求めておき、対応する画素について走査信号を同期させることによって行うことができる。
【００４８】
また、検出出力をＲＧＢ信号としてカラーモニター８のＲＧＢ端子に入力することによって、カラーモニター８上に試料ｓの２次元の膜厚分布を色画像表示することができ、例えば、シリコンウエハー等の膜の均一さをモニターする場合には、光検出器の出力を直接カラーモニターに入力して、画像の色変化を目視で観察することを可能とし、これによって、高精度の膜厚モニターを構成することができる。
【００４９】
次に、図１０，１１を用いて反射光を検出する光学系および光検出器の構成例を説明する。
図１０は３ＣＣＤカメラ等の３次元画像検出器を用いた構成例である。図１０において、光検出器６Ａ，６Ｂ，６Ｃは３次元画像検出器の各次元に対応した光検出部分であり、３つの光検出器６Ａ，６Ｂ，６Ｃによって１つの３次元画像検出器を構成している。各光検出器６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、円偏光を３分割するプリズム等で構成されるビームスプリッタ４１の各面に偏光板５Ａ，５Ｂ，５Ｃを挟んで取り付けられる。
この構成によれば、１つの光検出器で３つの偏光を検出することができ、膜厚測定装置を小型化することができる。
【００５０】
図１１はＣＣＤカメラ等の画像検出器を３つ用いた構成例である。図１１において、光検出器６Ａ，６Ｂ，６Ｃはそれぞれ独立した画像検出器であり、各次元に対応した光検出部分として構成するものである。また、図１１の構成では、プリズム等で構成されるビームスプリッタ４で反射光を２分割した後、一方の反射光をウオラストンプリズム５１で互いにπ／２位相がずれた偏光とし、レンズ５３を介して光検出器６Ａおよび６Ｂに入射させ、また、他方の反射光をグラントムソン偏光プルズム５２でπ／４位相がずれた偏光とし、レンズを介して光検出器６Ｃに入射させる。
この構成によれば、高精度の偏光素子を使用することができるため、測定精度を上げることができる。
【００５１】
次に、図１２を用いて本発明の薄膜測定装置の光学系の構成例を説明する。  図１２（ａ）は、コリメータ２２で拡大した光束を測定面で反射させ、反射光を直接画像データとして取り込む構成例である。この構成によれば、単純な構成で、膜厚の２次元変化が小さい場合に適用することができる。コリメータ２２の光束は平行である必要はなく、測定面と光検出器の相対的な大きさによって、拡大光束あるいは縮小光束を使用することができる。
【００５２】
図１２（ｂ）は、長焦点の薄いレンズ９１を光路中に配置し、測定面で解説した反射光を光検出器６面で結像させることによって、画像の２次元解像度を向上させる構成である。なお、反射光は、１／４波長板，スプリッターおよび偏光板に対した垂直に入射させる構成とする。また、光検出器の検出面における空間収差を最小にするように、光検出器６の設置角度を設定する。
【００５３】
図１２（ｃ）は、測定対象面が広い場合の構成例である。コリメータ２２で広げた光束を、平行光に集光させて位相が変わらないようにして、反射光が１／４波長板，ビームスプリッターおよび偏光板に対し垂直に入射させる。なお、偏光板を透過した光の入射角は垂直を要しないため、偏光板より後方の結像レンズは薄型レンズである必要はない。
【００５４】
図１２（ｄ）は、微小測定面を拡大して観察する場合の構成例である。この構成例では、測定面が光軸に対して垂直ないことにより生じる空間収差を低減する光学系を用いる。
なお、図１２中の符号９，２１，２３は、光学系、光源およびグラムトムソン偏光プリズムである。
【００５５】
以下、Ｓｉ基盤上にＳｉＯ2 膜がある例について、本発明の薄膜測定装置の解像度および測定精度について説明する。入射角が７０度の場合には、前記式（２）から膜厚ｄ1 とＸの関係は、６３２８オングストロームのレーザー光に対して、次式（１３）で表される。
ｄ1＝６３２８Ｘ／１．１７５  （オングストローム）          …（１３）
図７において、最高感度での輝度変化に対するＸの感度の相当するｄＸ／（ｄＩx2＋ｄＩy2＋ｄＩz2）-2の値は１２．８であり、光検出器としてＣＣＤカメラを用いた場合のＳ／Ｎ比は現在最大６０db（＝１０6 ）であるため、薄膜測定装置の解像度は光検出器の信号を処理するＡＤ変換器の変換解像度に依存することになる。ここで、信号処理を例えば１２ビットで処理する場合には、解像度は１／４０９６となり、この場合の最高解像度は０．１０２オングストロームとなる。また、図７において、最低感度の場合（Ｘ＝０．６４）においても、２．８オングストロームの解像度を得ることができる。
【００５６】
また、本発明の薄膜測定装置によれば、同一波長のｐ波とｓ波の位相差および振幅比の比較によって薄膜測定を行うものであり、また、被測定物体と光検出器との間に光学的に等方な物質が存在する場合でも、前記式（１２）の関係は保存されるため、光を減衰させる蒸気やプラズマ等の物質が光路中に存在しても、測定精度は低下しないという利点がある。
【００５７】
また、光が垂直に入射する場合には、窓ガラスや薄いレンズが光路中に配置されていても精度よく測定を行うことができる。したがって、本発明の薄膜測定装置をシリコン等の半導体膜の膜厚測定に適用する場合には、プロセス中にリアルタイムで基盤上の薄膜の膜厚測定や薄膜変化の測定を２次元的に行うことができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の膜厚測定装置によれば、高速で高い測定精度の膜厚測定を行うことができ、また、２次元的膜厚分布の測定を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜厚測定装置を説明するための概略図である。
【図２】第１の演算処理例を説明するための概略図である。
【図３】第１の演算処理例を説明するためのフローチャートである。
【図４】Ｘに対するΔとψの関係を表す図でる。
【図５】第２の演算処理例を説明するための概略図である。
【図６】第２の演算処理例を説明するためのフローチャートである。
【図７】Ｉx，Ｉy，Ｉz に対するＸの値を表す図である。
【図８】演算処理例を説明するためのフローチャートである。
【図９】Ｉx，Ｉy，Ｉz に対するＸの値を表す図である。
【図１０】反射光を検出する光学系および光検出器の構成例である。
【図１１】反射光を検出する光学系および光検出器の他の構成例である。
【図１２】本発明の薄膜測定装置の光学系の構成例を説明するための図である。
【図１３】従来のエリプソメータを用いた偏向解析装置の概略図である。
【符号の説明】
１…膜厚測定装置、２，２２…光源、３…１／４波長板、４，４１…ビームスプリッター、５…偏光板、６…光検出器、７…表示装置、８…モニター、９…光学系、１０…データ処理装置、１１…Δ，ψ演算機能部、１２…Ｘ（β）演算機能部、１３…膜厚演算機能部、１４…演算テーブル、１５…パラメータテーブル、１６…Ｉx ，Ｉy ，Ｉz 演算機能部、１７…膜厚読み出し機能部、１８…Ｉx ，Ｉy ，Ｉz ，Ｘテーブル、２１…レーザー光源、２２…コリメータ、２３，５２…グラムトムソン偏光プリズム、５１…ウオラストンプリズム、５３…レンズ、９１…結像レンズ
【図１】
0003942239.tif 000008
【図２】
0003942239.tif 000009
【図３】
0003942239.tif 000010
【図４】
0003942239.tif 000011
【図５】
0003942239.tif 000012
【図６】
0003942239.tif 000013
【図７】
0003942239.tif 000014
【図８】
0003942239.tif 000015
【図９】
0003942239.tif 000016
【図１０】
0003942239.tif 000017
【図１１】
0003942239.tif 000018
【図１２】
0003942239.tif 000019
【図１３】
0003942239.tif 000020