(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも１つの膜が形成された試料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、
前記試料で反射された光または前記試料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部と、
前記測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも１つの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される少なくとも１つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するパラメータ決定手段と、
前記パラメータ決定手段によって決定されたパラメータから前記試料における光学特性を算出する光学特性算出手段とを備える、光学特性測定装置。
【請求項２】
前記波長分布特性は、前記試料で反射された光に基づいて取得される反射率の波長分布特性であり、
前記波数の変化特性は、抽出された複数の波数と、前記複数の波数の各々に付された次数との対応関係であり、
前記モデル式は、以下に示す次数Ｎについての式である、
【数１】
0005028660.tif 000017
請求項１に記載の光学特性測定装置。
【請求項３】
前記次数は、抽出された複数の波数に対してその値の昇順に割当てられる、請求項２に記載の光学特性測定装置。
【請求項４】
前記膜の屈折率波長分散モデル式ｎ１（λ）は、以下に示す式である、
【数２】
0005028660.tif 000018
請求項２または３に記載の光学特性測定装置。
【請求項５】
前記抽出手段は、
前記測定光が、実質的にゼロの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される第１波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第１極値抽出手段と、
前記測定光が、非ゼロの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される第２波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第２極値抽出手段とを含み、
前記パラメータ決定手段は、
前記第１極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記モデル式に含まれるパラメータの一部のパラメータをフィッティングにより決定する第１フィッティング手段と、
前記第２極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記モデル式に含まれるパラメータのうち、前記第１フィッティング手段によって決定されたパラメータを除いた残りのパラメータをフィッティングにより決定する第２フィッティング手段とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
【請求項６】
少なくとも屈折率および膜厚が規定された層構造情報を複数格納する層構造格納手段と、
複数の前記層構造情報のうち少なくとも１つの層構造情報に基づいて、層構造候補を順次選択する選択手段と、
前記層構造候補に対応する前記層構造情報に基づいて、前記層構造候補における反射率または透過率の波長分布特性を算出する波長分布特性算出手段と、
前記層構造候補の前記波長分布特性を周波数変換することで第１のパワースペクトルを算出するとともに、実測された前記波長分布特性を周波数変換することで第２のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、
前記第１のパワースペクトルと前記第２のパワースペクトルとの間の相関値を算出する相関値算出手段と、
前記相関値に基づいて、前記選択手段が順次選択する層構造候補のうち実測値に最も近いものを決定する決定手段とをさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
【請求項７】
基板上に少なくとも１つの膜が形成された試料に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射するステップと、
前記試料で反射された光または前記試料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ステップと、
前記測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも１つの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される少なくとも１つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出するステップと、
前記抽出するステップにおいて順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するステップと、
前記決定するステップにおいて決定されたパラメータから前記試料における光学特性を算出するステップとを備える、光学特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学特性測定装置および光学特性測定方法に関し、より特定的には薄膜における膜厚や屈折率といった光学特性をより高い精度で測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、機能性樹脂フィルムや半導体基板に形成された薄膜の膜厚を測定する方法として、反射率スペクトルを用いる方法が知られている。より具体的には、まず、白色光を薄膜試料に照射し、その反射光の反射率スペクトルを取得する。そして、取得された反射率スペクトルのデータに対して、ゼロフィリング処理やフィルタ処理などを行なった後、フーリエ変換を用いてパワースペクトルを取得する。さらに、このパワースペクトルに現れるピークから光学的膜厚ｎｄ(但し、ｎは膜の屈折率、ｄは膜厚)を算出し、この光学的膜厚ｎｄを既知の屈折率ｎで除することにより、幾何学的な膜厚ｄを算出する。このような膜厚測定方法は、たとえば、特開２００５−３０８３９４号公報（特許文献１）、特開２００５−３７３１５号公報（特許文献２）、特開平０７−２９４２２０号公報（特許文献３）、特開平１０−３１１７０８号公報（特許文献４）、特開２００３−１３０６１４号公報（特許文献５）、特開２００１−２２７９１６号公報（特許文献６）などに記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３０８３９４号公報
【特許文献２】特開２００５−３７３１５号公報
【特許文献３】特開平０７−２９４２２０号公報
【特許文献４】特開平１０−３１１７０８号公報
【特許文献５】特開２００３−１３０６１４号公報
【特許文献６】特開２００１−２２７９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の方法は、対象とする薄膜試料の屈折率が既知であることを前提とするものであり、屈折率が未知の場合には適用できない。一般に、薄膜試料の膜構造を解析する場合には、薄膜の屈折率が未知であることが多く、また新たな膜材料の開発過程においては、その膜材料の屈折率は実際に測定しなければわからない。
【０００４】
ところで、多くの薄膜試料に含まれる膜は誘電体で構成されており、この誘電体からなる膜の屈折率を測定する方法として、反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルに対して、誘電体の電気双極子の電磁波との相互作用を考慮した誘電関数を用いて、非線形二乗法によるフィッティングを行なう方法が一般的となっている。
【０００５】
このようなフィッティング方法を多層構造の薄膜試料に適用した場合には、フィッテイングパラメータが多くなり、数学的な解法が難しい場合がある。このような場合において、多層構造の薄膜試料のある一層の屈折率が未知であれば、反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルに対して、周波数変換・フィルタ処理・周波数逆変換を順に行なうことで、当該層に起因する反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルを抽出し、この抽出したスペクトルに対して、フィッティングを行なう方法が提案されている。この方法によれば、抽出された反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルでは、本来の反射率または透過率の形状（全体的な特性）に略一致するが、その値（強度）は本来の値を反映したものとはならない。ここで、誘電関数を用いた非線形最小二乗法によるフィッティングによって屈折率を算出するための条件としては、測定された反射率または屈折率の値が正確でなければならず、上述のように本来の値を反映しない反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルを用いたのでは、屈折率や膜厚といった光学特性を正確に測定することができない。
【０００６】
さらに、対象とする試料が単相構造であっても、その膜厚が数μｍオーダーであるような相対的に厚い膜の場合には、分光部での迷光やコンボリーション、あるいは測定光の平行度（膜上面と膜下面との間における測定光のスポット径の相違）などにより、反射率または透過率を正確に測定することは困難である。そのため、このような場合にも屈折率や膜厚といった光学特性を正確に測定することができない。
【０００７】
上述のように、従来の方法では薄膜試料における屈折率を正確に測定することは容易でなく、その結果、光学的膜厚から膜厚を正しく算出することも非常に困難であった。
【０００８】
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、その屈折率が未知の薄膜試料における膜厚や屈折率といった光学特性をより高い精度を測定することが可能な光学特性測定装置および光学特性測定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】
この発明のある局面に従う光学特性測定装置は、基板上に少なくとも１つの膜が形成された試料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、試料で反射された光または試料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部と、測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも１つの入射角で試料へ入射する場合に取得される少なくとも１つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する抽出手段と、抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するパラメータ決定手段と、パラメータ決定手段によって決定されたパラメータから試料における光学特性を算出する光学特性算出手段とを含む。
【００１０】
好ましくは、波長分布特性は、試料で反射された光に基づいて取得される反射率の波長分布特性であり、波数の変化特性は、抽出された複数の波数と、複数の波数の各々に付された次数との対応関係であり、モデル式は、以下に示す次数Ｎについての式である。
【００１１】
【数１】
0005028660.tif 000002
【００１２】
さらに好ましくは、次数は、抽出された複数の波数に対してその値の昇順に割当てられる。
【００１３】
また好ましくは、膜の屈折率波長分散モデル式ｎ１（λ）は、以下に示す式である。
【００１４】
【数２】
0005028660.tif 000003
【００１５】
好ましくは、抽出手段は、測定光が、実質的にゼロの入射角で試料へ入射する場合に取得される第１波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第１極値抽出手段と、測定光が、非ゼロの入射角で試料へ入射する場合に取得される第２波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第２極値抽出手段とを含む。パラメータ決定手段は、第１極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、モデル式に含まれるパラメータの一部のパラメータをフィッティングにより決定する第１フィッティング手段と、第２極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、モデル式に含まれるパラメータのうち、第１フィッティング手段によって決定されたパラメータを除いた残りのパラメータをフィッティングにより決定する第２フィッティング手段とを含む。
【００１６】
好ましくは、光学特性測定装置は、少なくとも屈折率および膜厚が規定された層構造情報を複数格納する層構造格納手段と、複数の層構造情報のうち少なくとも１つの層構造情報に基づいて、層構造候補を順次選択する選択手段と、層構造候補に対応する層構造情報に基づいて、層構造候補における反射率または透過率の波長分布特性を算出する波長分布特性算出手段と、層構造候補の波長分布特性から、波数特性変換手段および周波数変換手段と同一の処理によって周波数変換後の波数分布特性を算出する波数分布特性算出手段と、実測された波長分布特性から算出された周波数変換後の波数分布特性と、波数分布特性算出手段によって算出された周波数変換後の波数分布特性との間の相関値を算出する相関値算出手段と、相関値に基づいて、選択手段が順次選択する層構造候補のうち実測値に最も近いものを決定する決定手段とをさらに含む。
【００１７】
この発明の別の局面に従う光学特性測定方法は、基板上に少なくとも１つの膜が形成された試料に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射するステップと、試料で反射された光または試料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ステップと、測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも１つの入射角で試料へ入射する場合に取得される少なくとも１つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出するステップと、抽出するステップにおいて順次抽出された波数の変化特性に基づいて、膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するステップと、決定するステップにおいて決定されたパラメータから試料における光学特性を算出するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、その屈折率が未知の薄膜試料における膜厚や屈折率といった光学特性をより高い精度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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は繰返さない。
【００２０】
図１は、この発明の実施の形態に従う光学特性測定装置１００の概略構成図である。
本実施の形態に従う光学特性測定装置１００は、代表的に、薄膜試料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、薄膜試料における各層の膜厚や屈折率といった光学特性の測定を行なう。なお、反射光のスペクトルに代えて、薄膜試料を透過した光のスペクトル（透過光スペクトル）を用いてもよい。
【００２１】
本明細書において薄膜試料とは、基板上に少なくとも１つの膜が形成された試料を意味する。代表的な薄膜試料としては、半導体基板、ガラス基板、サファイア基板、石英基板、フィルムなどの表面に薄膜が形成（コーティング）されたものが挙げられる。より具体的には、薄膜形成されたガラス基板は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）やプラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）などのフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）のディスプレイ部として使用される。また、薄膜形成されたサファイア基板は、窒化物半導体（ＧａＮ：Gallium Nitride）系のＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）として使用される。また、薄膜形成された石英基板は、各種の光学フィルタや光学部品およびプロジェクション液晶などに使用される。なお、以下では、薄膜試料を単に「試料」とも記す。
【００２２】
図１を参照して、光学特性測定装置１００は、測定用光源１０と、コリメートレンズ１２と、カットフィルタ１４と、結像レンズ１６，３６と、絞り部１８と、ビームスプリッタ２０，３０と、観察用光源２２と、光ファイバ２４と、出射部２６と、ピンホールミラー３２と、軸変換ミラー３４と、観察用カメラ３８と、表示部３９と、対物レンズ４０とステージ５０と、可動機構５２と、分光測定部６０と、データ処理部７０とを備える。
【００２３】
測定用光源１０は、試料の反射光のスペクトルを取得するために、所定の波長範囲をもつ測定光を発生する光源であり、その波長幅が比較的広い白色光光源が用いられる。代表的に、測定用光源１０は、重水素ランプ（Ｄ２ランプ）やタングステンランプ、またはそれらの組合せからなる。
【００２４】
コリメートレンズ１２と、カットフィルタ１４と、結像レンズ１６と、絞り部１８とは、測定用光源１０とビームスプリッタ３０とを結ぶ光軸ＡＸ２上に配置され、測定用光源１０から出射される測定光を光学的に調整する。
【００２５】
具体的には、コリメートレンズ１２は、測定用光源１０からの測定光が最初に入射する光学部品であり、拡散光線として伝播する測定光を屈折させて平行光線に変換する。コリメートレンズ１２を通過した測定光はカットフィルタ１４に入射する。カットフィルタ１４は、測定光に含まれる不要な波長成分を遮断する。代表的に、カットフィルタ１４は、ガラス基板などに蒸着された多層膜によって形成される。結像レンズ１６は、測定光のビーム径を調整するために、カットフィルタ１４を通過した測定光を平行光線から収束光線に変換する。結像レンズ１６を通過した測定光は絞り部１８に入射する。絞り部１８は、測定光の光量を所定量に調整した上でビームスプリッタ３０へ出射する。好ましくは、絞り部１８は、結像レンズ１６によって変換された測定光の結像位置に配置される。なお、絞り部１８の絞り量は、試料に入射する測定光の被写界深度や必要な光強度などに応じて適宜設定される。
【００２６】
一方、観察用光源２２は、試料への焦点合わせや測定位置の確認に使用される観察光を生成する光源である。そして、観察用光源２２が発生する観察光は、試料で反射可能な波長を含むように選択される。観察用光源２２は、光ファイバ２４を介して出射部２６と接続されており、観察用光源２２で生成された観察光は、光導波路である光ファイバ２４を伝播した後に出射部２６からビームスプリッタ２０へ向けて出射される。
【００２７】
出射部２６は、試料に所定の観察基準像が投射されるように、観察用光源２２で生成された観察光の一部をマスクするマスク部２６ａを含む。この観察基準像は、その表面に何らの模様（パターン）も形成されていない試料（代表的に、透明なガラス基板など）に対しても、ユーザによる焦点合わせを容易化するためのものである。なお、レチクル像の形状はいずれであってもよいが、一例として同心円状や十字状のパターンなどを用いることができる。
【００２８】
すなわち、観察用光源２２で生成された直後の観察光のビーム断面における光強度（光量）は略均一であるが、マスク部２６ａがこの観察光の一部をマスク（遮へい）することで、観察光は、そのビーム断面において光強度が略ゼロである領域（影領域）が形成される。この影領域が観察基準像として試料に投射される。
【００２９】
ステージ５０は、試料を配置するための試料台であり、その配置面は回転自在に構成される。これは、測定光が試料に入射する入射角を任意に調整可能にするためである。さらに、ステージ５０は、一例として機械的に連結された可動機構５２によって、３方向（Ｘ方向・Ｙ方向・Ｚ方向）に自在に駆動される。可動機構５２は、代表的に３軸分のサーボモータと、各サーボモータを駆動するためのサーボドライバとを含んで構成される。そして、可動機構５２は、ユーザまたは図示しない制御装置などからのステージ位置指令に応答してステージ５０を駆動する。このステージ５０の駆動によって、試料と後述する対物レンズ４０との間の位置関係が変更される。
【００３０】
対物レンズ４０と、ビームスプリッタ２０と、ビームスプリッタ３０と、ピンホールミラー３２とは、光軸ＡＸ１上に配置される。
【００３１】
ビームスプリッタ３０は、測定用光源１０で生成される測定光を反射することで、その伝播方向を光軸ＡＸ１の紙面下向きに変換する。また、ビームスプリッタ３０は、光軸ＡＸ１を紙面上向きに伝播する試料からの反射光を透過させる。代表的に、ビームスプリッタ３０はハーフミラーで構成される。
【００３２】
一方、ビームスプリッタ２０は、観察用光源２２で生成される観察光を反射することで、その伝播方向を光軸ＡＸ１の紙面下向きに変換する。同時に、ビームスプリッタ２０は、光軸ＡＸ１を紙面下向きに伝播するビームスプリッタ３０で反射された測定光を透過させる。すなわち、ビームスプリッタ２０は、測定用光源１０から集光光学系である対物レンズ４０までの光学経路上の所定位置において観察光を注入する光注入部として機能する。このビームスプリッタ２０で合成された測定光と観察光とは、対物レンズ４０に入射する。また、ビームスプリッタ２０は、光軸ＡＸ１を紙面上向きに伝播する試料からの反射光を透過させる。代表的に、ビームスプリッタ２０はハーフミラーで構成される。
【００３３】
対物レンズ４０は、光軸ＡＸ１を紙面下向きに伝播する測定光および観察光を集光するための集光光学系である。すなわち、対物レンズ４０は、試料またはその近接した位置で結像するように測定光および観察光を収束させる。また、対物レンズ４０は、所定の倍率（たとえば、１０倍，２０倍，３０倍，４０倍など）を有する拡大レンズであり、試料の光学特性を測定する領域を対物レンズ４０に入射する光のビーム断面に比較してより微小化できる。
【００３４】
また、対物レンズ４０から試料に入射した測定光および観察光は、試料で反射され、光軸ＡＸ１上を紙面上向きに伝播する。この反射光は、対物レンズ４０に透過した後、ビームスプリッタ２０および３０を透過してピンホールミラー３２まで到達する。
【００３５】
ピンホールミラー３２は、試料で生じる反射光のうち、測定反射光と観察反射光とを分離する光分離部として機能する。具体的には、ピンホールミラー３２は、光軸ＡＸ１を紙面上向きに伝播する試料からの反射光を反射する反射面を含み、その反射面と光軸ＡＸ１との交点を中心とする穴あき部（ピンホール）３２ａが形成されている。このピンホール３２ａの大きさは、測定用光源１０からの測定光が試料で反射されて生じる測定反射光の、ピンホールミラー３２の位置におけるビーム径に比較して小さくなるように形成される。また、このピンホール３２ａは、それぞれ測定光および観察光が試料で反射されて生じる測定反射光および観察反射光の結像位置と一致するように配置される。このような構成によって、試料で生じた反射光は、ピンホール３２ａを通過して分光測定部６０に入射する。一方、反射光の残部は、その伝播方向を変換されて軸変換ミラー３４へ入射する。
【００３６】
分光測定部６０は、ピンホールミラー３２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７０へ出力する。より詳細には、分光測定部６０は、回折格子（グレーティング）６２と、検出部６４と、カットフィルタ６６と、シャッタ６８とを含む。
【００３７】
カットフィルタ６６と、シャッタ６８と、回折格子６２とは、光軸ＡＸ１上に配置される。カットフィルタ６６は、ピンホールを通過して分光測定部６０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６８は、検出部６４をリセットするときなどに、検出部６４に入射する光を遮断するために使用される。シャッタ６８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。
【００３８】
回折格子６２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６４へ導く。具体的には、回折格子６２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６２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６４の所定の検出領域に入射する。回折格子６２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。
【００３９】
検出部６４は、試料の反射率スペクトルを測定するために、回折格子６２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６４は、代表的にフォトダイオードなどの検出素子をアレイ状に配置したフォトダイオードアレイや、マトリックス状に配置されたＣＣＤ（Charged Coupled Device）などからなる。
【００４０】
なお、回折格子６２および検出部６４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。
【００４１】
データ処理部７０は、検出部６４によって取得された反射率スペクトルに対して、本発明に係る特徴的な処理を行なうことで、試料の膜厚や屈折率といった光学特性を測定する。さらに、データ処理部７０は、試料の層構造を解析することも可能である。試料の膜厚や屈折率の測定方法および層構造の解析方法については後述する。そして、データ処理部７０は、測定した試料の膜厚や層構造などを光学特性として出力する。
【００４２】
一方、ピンホールミラー３２で反射された観測反射光は光軸ＡＸ３に沿って伝播し、軸変換ミラー３４へ入射する。軸変換ミラー３４は、観測反射光の伝播方向を光軸ＡＸ３から光軸ＡＸ４に変換する。すると、観測反射光は、光軸ＡＸ４に沿って伝播し、観察用カメラ３８へ入射する。
【００４３】
観察用カメラ３８は、観察反射光によって得られる反射像を取得する撮像部であり、代表的にはＣＣＤ（Charged Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどからなる。なお、観察用カメラ３８は、代表的に可視帯域に感度をもつものであり、所定の測定範囲に感度をもつ検出部６４とは異なる感度特性をもつ場合が多い。そして、観察用カメラ３８は、観察反射光によって得られる反射像に応じた映像信号を表示部３９へ出力する。表示部３９は、観察用カメラ３８からの映像信号に基づいて反射像を画面上に表示する。ユーザは、この表示部３９に表示される反射像を目視して、試料に対する焦点合わせや測定位置の確認などを行なう。表示部３９は、代表的に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などからなる。なお、観察用カメラ３８および表示部３９に代えて、ユーザが反射像を直接的に目視できるファインダーを設けてもよい。
【００４４】
図１に示す制御構造と本願発明との対応関係については、測定用光源１０が「光源」に対応し、分光測定部６０が「分光部」に対応する。
【００４５】
（薄膜特性値取得処理）
以下では、データ処理部７０による試料の光学特性（代表的に、膜厚および屈折率）の取得処理について説明する。
【００４６】
本実施の形態に従う光学特性の測定方法は、測定される反射率スペクトルまたは透過率スペクトルの強度ではなく、これらのスペクトルに現れる極値（ピークまたはバレイ）の波長位置に基づいて、膜厚および屈折率を測定する。本方法によれば、スペクトルに現れる極値の波長位置のみを正確に求めることができれば、膜厚および屈折率を正確に測定できるので、測定系や演算処理過程における不完全さに起因する反射強度または透過強度の変調影響を無視できる。すなわち、従来の方法では、反射強度または透過強度が正確に測定できないような試料は、相対的に大きな膜厚を有する試料である可能性が高く、このような試料では、反射率スペクトルまたは透過率スペクトルに膜内干渉に由来するピーク部分およびバレイ部分が必然的に現れると考えられる。このようなピーク部分およびバレイ部分は、膜内干渉にのみ由来するので、分光測定部の波長校正が十分に正確であれば、膜厚および屈折率を正確に測定できる。以下、本方法について詳述する。
【００４７】
図２は、代表的な薄膜試料の断面模式図である。
説明を簡単化するために、図２に示すような、空気や真空などの雰囲気層（添え字０）、測定対象とする薄膜（添え字１）、基板層（添え字２）の３層からなる代表的な薄膜試料を考える。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。また、互いに異なる屈折率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振幅反射率をｒｉ（ｉ＋１）と表わすと、図２に示す３層系の試料における反射率Ｒは、以下のようになる。
【００４８】
【数３】
0005028660.tif 000004
【００４９】
ここで、β１は薄膜における光の位相角である。最上層の雰囲気層（０層）における入射角をφ０とすると、以下に示すSnellの法則
ｎ０ｓｉｎφ０＝ｎ１ｓｉｎφ１
によって算出される薄膜（１層）における入射角φ１を用いて、位相角β１は以下のように表わすことができる。なお、入射角は、入射面の垂線に対する角度として規定され、光が対象の試料面に対して垂直に入射する場合に、入射角はゼロとなる。
【００５０】
【数４】
0005028660.tif 000005
【００５１】
ここで、薄膜内での干渉により、反射率Ｒのスペクトル上でピーク（山）とバレイ（谷）とが交互に現れる場合、それぞれのピークおよびバレイである極値においては、∂Ｒ／∂λ＝０となる。この条件を、上述の反射率Ｒの式に適用すると、以下の関係式が成立する。
【００５２】
【数５】
0005028660.tif 000006
【００５３】
ここで、ｍを基準の極値における初期次数（ｍ＝０，１，…）とし、ｍに対応する基準の極値からの相対的な次数をＮとすると、上式は以下のように変形できる。
【００５４】
【数６】
0005028660.tif 000007
【００５５】
ここで、次数とは、測定対象の膜内において干渉を生じる最大の波長に相当する極値（ピークまたはバレイ）の位置（波数）を基準次数として、より波長が短くなる方向に向かって生じる位相角の回転周期の数を意味する。より具体的には、測定対象の膜内において干渉を生じる最大の波長に相当する極値の位置（波数）を次数「１」として、より波長が短くなる方向に向かって生じる極値の次数は順次インクリメントされる整数となる。そのため、最大の波長に相当する極値に隣接する極値の位置（波数）の次数は「２」となる。また、上述の式においてｍを導入した理由は、測定光に含まれる波長範囲内で発生する各極値の位置（波数）における絶対的な次数を知ることは困難である。そのため、当該波長範囲内で最も波長の長い極値の位置（波数）の次数を仮にｍに設定し、この仮の次数に対する相対的な次数に基づいて評価するためである。
【００５６】
雰囲気層（０層）における入射角をφ０とすると、上式は以下のように変形できる。
【００５７】
【数７】
0005028660.tif 000008
【００５８】
さらに、入射角φ０が任意の角度θである場合には、以下のようになる。
【００５９】
【数８】
0005028660.tif 000009
【００６０】
ここで、Ｄ１は一般的に波長λについての関数である。そのため、Ｄ１の波長依存性（波長分散）に関して、膜の光学特性を示す適切なモデルを設定することができる。すなわち、Ｄ１に含まれる屈折率ｎ１（λ）として、波長λに関する屈折率波長分散モデル式を採用することができる。このような屈折率波長分散モデル式の一例として、一般的に、誘電体からなり、かつ消衰係数がゼロである薄膜の屈折率ｎ１に関しては、たとえば、以下に示すCauchyの式を用いることができる。
【００６１】
【数９】
0005028660.tif 000010
【００６２】
また、以下に示すSellmeierの式を用いることもできる。
【００６３】
【数１０】
0005028660.tif 000011
【００６４】
代表的に、上述したCauchyの式をＤ１の式に適用すると、以下のようになる。
【００６５】
【数１１】
0005028660.tif 000012
【００６６】
この式を用いて、極値の位置（波数）の次数に付された次数Ｎθについての式を表現すると、以下のような膜の特性を示すモデル式が得られる。
【００６７】
【数１２】
0005028660.tif 000013
【００６８】
したがって、少なくとも、非ゼロの入射角φ０（φ０≠０）の条件下において、実際に測定された反射率のスペクトルに現れる極値の次数Ｎを波数１／λについてプロットしたデータを用意した上で、上式中のパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍθ，ｄ１をフィッティングによって決定できる。そして、これらのパラメータを決定できれば、係数ａ，ｂ，ｃを算出できるので、各波長の屈折率ｎ１（λ）を求めることができる。
【００６９】
なお、入射角φ０を実質的にゼロ（φ０＝０°）および非ゼロの角度θ（θ≠０）とした条件下において、反射率スペクトルをそれぞれ測定し、これらの反射率スペクトルを用いてフィッティングを行うことで、フィッティングによる屈折率ｎ１（λ）の決定精度を高めることができる。すなわち、
【００７０】
【数１３】
0005028660.tif 000014
【００７１】
となる。そのため、入射角φ０＝０の条件下において、実際に測定された反射率のスペクトルに現れる極値の次数Ｎを波数１／λについてプロットしたデータを用意した上で、モデル式に含まれるパラメータのうち、一部のパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０をフィッティングによって決定できる。パラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０を決定できれば、薄膜の各波長λにおけるＤ１（λ）を算出できる。さらに、この算出されたＤ１（λ）を用いて非ゼロの任意の入射角φ０＝θの条件下において、実際に測定された反射率のスペクトルに現れる極値の次数Ｎを波数１／λについて同様にプロットしたデータを用意した上で、
【００７２】
【数１４】
0005028660.tif 000015
【００７３】
を用いて膜厚ｄ１を算出できる。さらに、
【００７４】
【数１５】
0005028660.tif 000016
【００７５】
の関係式に基づいて、各波長における屈折率ｎ１（λ）を算出できる。
なお、上述した手順において、ｍ０およびｍθは整数であるので、フィッティングによってこれらの係数を決定した後に、整数に丸めた上で、残りのパラメータについてフィッティング処理を再度実行してもよい。
【００７６】
このように、入射角φ０＝０の条件下において取得された反射率スペクトルを用いてフィッティングを行うことで、決定精度を高めることができる。また、各入射角φ０における初期次数ｍの整数性を利用を利用することによっても、決定精度をより高めることができる。
【００７７】
（測定例）
図３は、同一の試料に対して入射角φ０＝０°および入射角φ０＝７０°について測定された反射率スペクトルを示す図である。図４は、図３に示す反射率スペクトルから抽出された次数Ｎと波数１／λとの関係を示す図である。図５は、図４に示す関係から本実施の形態に従う方法を用いて測定された屈折率を示す図である。
【００７８】
図３〜図５において対象とした試料は、ＢＫ７のガラス基板上に二酸化ケイ素膜（ＳｉＯ２膜）を、膜厚約６μｍを目標にして形成したものである。ここで、二酸化ケイ素膜は、その成膜条件にあまり依存することなく安定して屈折率を生じ、かつ多くの文献などで波長別の屈折率が正確に測定されている。そのため、本測定例では、上記試料に対して本実施の形態に従う方法を用いて膜厚および波長別の屈折率を測定し、さらにこの測定された波長別の屈折率と文献値と比較を行なった。
【００７９】
まず、図３を参照して、測定されたそれぞれの入射角における反射率スペクトルに現れる極値（ピーク位置およびバレイ位置）を抽出する。一般的に、反射率スペクトルの測定データは離散的となるので、ピーク位置またはバレイ位置の近傍における離散データをシンプレックス法などで補間した上で、それぞれの極値を抽出した。具体的には、極値を抽出するとともに、この抽出した極値に対応する波長λの逆数である波数１／λを順次取得する。そして、波数１／λの小さい順（昇順）、すなわち波長λの長い順に並べ替えて、最も波長λの長いものを次数Ｎ＝１とし、次数Ｎを１ずつインクリメントした整数を残りのものに順次割当てる。このように割当てた次数Ｎと対応する波数１／λとの関係をプロットしたものが図４である。
【００８０】
入射角φ０＝０°について測定された反射率スペクトルから抽出された次数Ｎと波数１／λとの関係に対して、フィッティングによって上述のパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０を決定すると、Ａ＝−０．０００４６μｍ５，Ｂ＝０．０２４４５２μｍ３，Ｃ＝８．７０６７９μｍ，ｍ０＝４６が得られた。
【００８１】
これらのパラメータ値を用いて薄膜の各波長λにおけるＤ１（λ）を算出した上で、入射角φ０＝７０°について測定された反射率スペクトルから抽出された次数Ｎと波数１／λとの関係に対して、膜厚ｄ１をフィッティングによって求めると、膜厚ｄ１＝６．０１５９μｍが得られた。
【００８２】
さらに、各波長λにおけるＤ１（λ）および膜厚ｄ１を用いて、対象の薄膜における各波長の屈折率を算出した結果を図４に示す。この図４では、この算出された屈折率とともに文献値をプロットした。この図４に示すように、本実施の形態に従う方法によって算出された屈折率は、文献値とよく一致していることがわかる。
【００８３】
また、上述と同様の手順によって、試料の透過率についても正確に算出することができる。
【００８４】
（データ処理部の構成）
図６は、この発明の実施の形態に従うデータ処理部７０の概略のハードウェア構成を示す模式図である。
【００８５】
図６を参照して、データ処理部７０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、ＦＤＤドライブ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。
【００８６】
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。
【００８７】
（制御構造）
図７は、この発明の実施の形態に従う光学特性取得処理を実現するための制御構造を示すブロック図である。図７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。
【００８８】
図７を参照して、データ処理部７０（図１）は、バッファ部７１１，７１２，７３１，７３２と、極値抽出部７２１，７２２と、フィッティング部７４１，７４２と、Ｄ１算出部７５０と、屈折率算出部７６０とを含む。
【００８９】
バッファ部７１１は、入射角φ０＝０の条件下において分光測定部６０（図１）から出力される反射率スペクトルＲ（λ）を一時的に格納する。より具体的には、分光測定部６０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７１１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。
【００９０】
極値抽出部７２１は、バッファ部７１１に格納された反射率スペクトルＲ（λ）に現れる極値（ピーク位置およびバレイ位置）およびその極値に対応する波長λを抽出する。極値抽出部７２１は、離散的に測定される反射率スペクトルＲ（λ）のデータに対して、シンプレックス法などを用いてデータ補間した上で極値を抽出することが好ましい。そして、極値抽出部７２１は、抽出した極値に対応する波長λの逆数である波数１／λを順次取得する。さらに、極値抽出部７２１は、抽出した波数１／λをその値が小さい順に並べ替えた上で、次数Ｎを順次割当てる。最終的に、極値抽出部７２１は、この次数Ｎと波数１／λとを対応付けてバッファ部７３１へ出力する。
【００９１】
バッファ部７３１は、極値抽出部７２１から順次出力される次数Ｎと波数１／λとを対応付けて格納する。すなわち、バッファ部７３１には、極値に対応する波数１／λについての次数Ｎの変化特性Ｎ（１／λ）が格納される。
【００９２】
バッファ部７１２は、入射角φ０＝θの条件下において分光測定部６０（図１）から出力される反射率スペクトルＲ（λ）を一時的に格納する。より具体的には、分光測定部６０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７１２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。
【００９３】
極値抽出部７２２は、極値抽出部７２１と同様に、バッファ部７１２に格納された反射率スペクトルＲ（λ）に現れる極値（ピーク位置およびバレイ位置）およびその極値に対応する波長λを抽出する。そして、極値抽出部７２１は、抽出した波長λの逆数である波数１／λをその値が小さい順に並べ替えた上で次数Ｎを順次割当て、この次数Ｎと波数１／λとを対応付けてバッファ部７３２へ出力する。
【００９４】
バッファ部７３２は、極値抽出部７２２から順次出力される次数Ｎと波数１／λとを対応付けて格納する。
【００９５】
フィッティング部７４１は、バッファ部７３１に格納される変化特性Ｎ（１／λ）に対して、上述のパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０を決定するためにフィッティング処理を実行する。そして、フィッティング部７４１は、決定したパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０をＤ１算出部７５０へ出力する。
【００９６】
Ｄ１算出部７５０は、フィッティング部７４１で決定されたパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０に基づいて、薄膜の各波長λにおけるＤ１を順次算出する。そして、Ｄ１算出部７５０は、算出した各波長λにおけるＤ１をフィッティング部７４２および屈折率算出部７６０へそれぞれ出力する。
【００９７】
フィッティング部７４２は、Ｄ１算出部７５０で算出された各波長λにおけるＤ１を用いて、バッファ部７３２に格納される変化特性Ｎ（１／λ）に対して、膜厚ｄ１を決定するためにフィッティング処理を実行する。そして、フィッティング部７４２は、決定した膜厚ｄ１を屈折率算出部７６０へ出力するとともに、その値を測定対象の試料の膜厚として出力する。
【００９８】
屈折率算出部７６０は、Ｄ１算出部７５０で算出された各波長λにおけるＤ１と、フィッティング部７４２で決定された膜厚ｄ１とに基づいて、波長別の屈折率ｎ１（λ）を順次算出する。そして、屈折率算出部７６０は、この算出した特性値を測定対象の試料の屈折率として出力する。
【００９９】
フィッティング部７４２および屈折率算出部７６０が算出する測定結果は、ユーザや図示しない上位のコンピュータなどへ出力される。
【０１００】
図７に示す制御構造と本願発明との対応関係については、極値抽出部７２１および極値抽出部７２２が「抽出手段」に対応し、フィッティング部７４１およびフィッティング部７４２が「パラメータ決定手段」に対応する。
【０１０１】
（処理手順）
図８は、この発明の実施の形態に従う膜厚特性値取得に係る処理手順を示すフローチャートである。
【０１０２】
図８を参照して、まず、ユーザは、測定対象の試料をステージ５０（図１）上に配置するとともに、当該試料への入射角φ０を実質的に０°に設定する（ステップＳ１００）。ここで、観察用光源２２からは観察光の照射が開始され、ユーザは、表示部３９に表示される観察用カメラ３８で撮影された反射像を参照しながら、可動機構５２にステージ位置指令を与えて、測定領域の調整や焦点合わせを行なう（ステップＳ１０２）。
【０１０３】
測定領域の調整や焦点合わせが完了すると、ユーザが測定開始指令を与える。すると、測定用光源１０から測定光の発生が開始され、分光測定部６０は、試料からの反射光から取得される反射率スペクトルをデータ処理部７０へ出力する（ステップＳ１０４）。
【０１０４】
データ処理部７０のＣＰＵ２００は、分光測定部６０からの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）。そして、ＣＰＵ２００は、格納された反射率スペクトルに現れる極値（ピーク位置およびバレイ位置）およびその極値に対応する波長を抽出する（ステップＳ１０８）。このとき、ＣＰＵ２００は、離散的に測定される反射率スペクトルのデータに対して、シンプレックス法などを用いてデータ補間を行なう。さらに、ＣＰＵ２００は、抽出した波長λの逆数をその値が小さい順に並べ替えた上で次数Ｎを順次割当てて、波長λの逆数である波数１／λについての次数Ｎの変化特性Ｎ（１／λ）を生成する（ステップＳ１１０）。
【０１０５】
続いて、ユーザは、試料への入射角φ０を非ゼロのθに変更する（ステップＳ１１２）。この入射角の変更が完了すると、ユーザが測定開始指令を与える。すると、測定用光源１０から測定光の発生が開始され、分光測定部６０は、試料からの反射光から取得される反射率スペクトルをデータ処理部７０へ出力する（ステップＳ１１４）。
【０１０６】
データ処理部７０のＣＰＵ２００は、分光測定部６０からの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Ｓ１１６）。そして、ＣＰＵ２００は、格納された反射率スペクトルに現れる極値（ピーク位置およびバレイ位置）およびその極値に対応する波長を抽出する（ステップＳ１１８）。このとき、ＣＰＵ２００は、離散的に測定される反射率スペクトルのデータに対して、シンプレックス法などを用いてデータ補間を行なう。さらに、ＣＰＵ２００は、抽出した波長λの逆数である波数をその値が小さい順に並べ替えた上で次数Ｎを順次割当てて、波数１／λについての次数Ｎの変化特性Ｎ（１／λ）を生成する（ステップＳ１２０）。
【０１０７】
上述のスペクトルの測定処理が完了すると、ＣＰＵ２００は、生成した波数１／λについての次数Ｎの変化特性Ｎ（１／λ）に基づいて、膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定する。
【０１０８】
具体的には、ＣＰＵ２００は、ステップＳ１１０において生成した、入射角φ０＝０°における変化特性Ｎ（１／λ）に対して、パラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０を決定するためにフィッティング処理を実行する（ステップＳ１２２）。さらに、ＣＰＵ２００は、ステップＳ１２２のフィッティング処理によって決定したパラメータＡ，Ｂ，Ｃ，ｍ０に基づいて、薄膜の各波長λにおけるＤ１を順次算出する（ステップＳ１２４）。
【０１０９】
続いて、ＣＰＵ２００は、ステップＳ１２４において算出した各波長λにおけるＤ１を用いて、ステップＳ１２０において生成した、入射角φ０＝θにおける変化特性Ｎ（１／λ）に対して、膜厚ｄ１を決定するためにフィッティング処理を実行する（ステップＳ１２６）。
【０１１０】
さらに、ＣＰＵ２００は、ステップＳ１２４において算出した各波長λにおけるＤ１と、ステップＳ１２６において決定した膜厚ｄ１とに基づいて、波長別の屈折率ｎ１（λ）を算出する（ステップＳ１２８）。最終的に、ＣＰＵ２００は、ステップＳ１２６において決定した膜厚ｄ１およびステップＳ１２８において算出した波長別の屈折率ｎ１（λ）を、ディスプレイ部２０４やインターフェイス部２０６を介して図示しない上位のコンピュータなどへ出力する（ステップＳ１３０）。
【０１１１】
以上のような一連の処理に従って、対象とする薄膜試料の光学特性を取得できる。
（層構造同定処理）
反射率スペクトルをフーリエ変換して得られるパワースペクトルには、薄膜試料の層構造に応じたピークが現れる。しかしながら、算出されるパワースペクトルは、その算出過程において、各種のフィルタ処理・打ち切り処理・アポダイゼーション（apodization）処理といった前処理や、ベースラインの設定に伴うＤＣオフセットピークといった擬似ピークの発生の影響を受ける。また、層間の間にも光学的な現象が生じ得る。そのため、パワースペクトルには、１つの層から１つのピークが現れるわけではなく、層の組合せに応じた複数のピークが出現する。そのため、層構造が予め既知の場合であっても、パワースペクトルに現れるピークがいずれの層の干渉に起因するものであるかをスペクトルの形状だけで判断することは困難な場合が多い。ましてや層構造が未知の場合には、スペクトルの形状から層構造を特定することは困難である。
【０１１２】
そこで、本実施の形態に従う光学特性測定装置は、対象とする試料の層構造を同定する機能を備える。この層構造を同定する機能は、代表的にデータ処理部７０に実装される。具体的には、予め規定された複数の層構造のうち所定数を抽出することで仮想の層構造を設定して、この仮想の層構造から反射率スペクトル（理論値）を計算し、さらにこの反射率スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出する。同時に、実測値の反射率スペクトルから同じ処理手順でフーリエ変換してパワースペクトルを算出する。そして、これらのパワースペクトルの間で相関係数を算出し、この算出された相関係数に基づいて、仮想の層構造を順次変更していき、最も相関係数が高くなった組合せをその試料における層構造として決定する。
【０１１３】
図９は、この発明の実施の形態に従う層構造同定処理を実現するための制御構造を示すブロック図である。図９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。
【０１１４】
図９を参照して、データ処理部７０は、層構造データベース３００と、組合せ部３０４と、反射率算出部３０６と、理論スペクトル算出部３０８と、パワースペクトル算出部３１０，３２０と、バッファ部３１８と、相関係数算出部３３０と、層構造決定部３３２とをその機能として含む。
【０１１５】
層構造データベース３００は、複数の層構造情報３０２を予め格納する。この層構造情報３０２の各々は、各層について、少なくとも屈折率および膜厚の情報を含む。この層構造情報は、上述の膜厚測定処理によって算出された膜厚や既知の屈折率などに基づいて、ユーザが任意に設定することができる。
【０１１６】
組合せ部３０４は、層構造データベース３００に格納される複数の層構造情報３０２のうち、所定数の層構造情報３０２を組合せて、候補となる層構造を選択する。なお、組合せ部３０４が組合せる層の数については、予めユーザが設定するようにしてもよい。
【０１１７】
反射率算出部３０６は、組合せ部３０４によって組合せられた候補に対応する層構造情報（膜厚および屈折率）に基づいて、当該層構造における反射率を解析的に算出する。なお、反射率に代えて透過率を算出してもよい。
【０１１８】
この反射率（あるいは、屈折率）の算出については、上述したように、隣接する層界面におけるフレネル係数の計算、および各層の干渉による位相角の計算を順次行ない、薄膜内において無限に反射が繰返されるとして、無限等比級数の収束値（の２乗）として反射率（または、透過率）を解析的に計算できる。
【０１１９】
理論スペクトル算出部３０８は、反射率算出部３０６によって算出された候補となる層構造の反射率の演算式に基づいて、各波長における強度値を順次算出して、候補となる層構造における反射率スペクトル（理論値）を算出する。なお、この反射率スペクトルの波長分解能は、測定される反射率スペクトルの分解能と同程度とすることが好ましい。
【０１２０】
パワースペクトル算出部３１０は、理論スペクトル算出部３０８で算出される反射率スペクトル（理論値）をフーリエ変換してパワースペクトル（理論値）を算出する。
【０１２１】
一方、バッファ部３１８は、分光測定部６０で実測された反射率スペクトルを一時的に格納する。そして、パワースペクトル算出部３２０は、この反射率スペクトル（実測値）を上述したパワースペクトル算出部３１０と同一のパワースペクトル算出処理によって、パワースペクトル（実測値）を算出する。
【０１２２】
相関係数算出部３３０は、パワースペクトル算出部３１０によって算出されたパワースペクトル（理論値）と、パワースペクトル算出部３２０によって算出されたパワースペクトル（実測値）との間で相関係数を算出する。このような相関係数の算出の一例としては、パワースペクトル（実測値）をＲｍ（Ｋ）とし、パワースペクトル（理論値）をＲｃ（Ｋ）とすると、２つのパワースペクトルの相互相関関数Ｃｍｃ＝＜Ｒｍ（Ｋ）Ｒｃ（Ｋ＋κ）＞に従って算出することができる。あるいは、Pearsonの線形相関係数を算出してもよい。
【０１２３】
層構造決定部３３２は、相関係数算出部３３０によって算出された相関係数とそのときの候補となる層構造とを対応付けて格納し、すべての組合せについての相関係数の算出が完了した後に、最も相関係数が高い組合せをその試料における層構造として決定する。
【０１２４】
図１０は、この発明の実施の形態に従う層構造同定処理に係る処理手順を示すフローチャートである。
【０１２５】
図１０を参照して、まず、ユーザは、図８に示す膜厚測定に係る処理手順のステップＳ１００〜Ｓ１０４と同様の手順に従って、試料からの反射光に基づいて反射率スペクトル（実測値）を取得する（ステップＳ２００）。この反射率スペクトルがデータ処理部７０へ入力されると、データ処理部７０のＣＰＵ２００は、この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Ｓ２０２）。そして、ＣＰＵ２００は、反射率スペクトル（実測値）からパワースペクトルを算出する（ステップＳ２０４）。
【０１２６】
一方、ＣＰＵ２００は、ハードディスク部２１０（層構造データベース３００）に格納される複数の層構造情報３０２のうち、所定数の層構造情報３０２を組合せて、候補となる層構造を選択する（ステップＳ２０６）。そして、ＣＰＵ２００は、候補となる層構造に対応する層構造情報（膜厚および屈折率）に基づいて、選択した層構造における反射率を解析的に算出する（ステップＳ２０８）。さらに、ＣＰＵ２００は、候補となる層構造の反射率の演算式に基づいて、選択した層構造における反射率スペクトル（理論値）を算出する（ステップＳ２１０）。さらに、ＣＰＵ２００は、反射率スペクトル（理論値）からパワースペクトルを算出する（ステップＳ２１２）。
【０１２７】
その後、ＣＰＵ２００は、パワースペクトル（理論値）と、パワースペクトル（実測値）との間で相関係数を算出し（ステップＳ２１４）、この算出した相関係数と選択されている層構造（組合せ）とを対応付けて、メモリ部２１２などに格納する（ステップＳ２１６）。そして、ＣＰＵ２００は、ハードディスク部２１０（層構造データベース３００）に格納される複数の層構造情報３０２について、未選択の組合せが存在するか否かを判断する（ステップＳ２１８）。未選択の組合せが存在する場合（ステップＳ２１８においてＹＥＳ）には、ステップＳ２０６以下の処理が繰返される。
【０１２８】
これに対して、未選択の組合せが存在しない場合（ステップＳ２１８においてＮＯ）には、ＣＰＵ２００は、メモリ部２１２に格納した相関係数のうち、最も高いものに対応する層構造を対象となる試料における層構造に決定する（ステップＳ２２０）。そして、ＣＰＵ２００は、決定した層構造をディスプレイ部２０４やインターフェイス部２０６を介して図示しない上位のコンピュータなどへ出力する（ステップＳ２２２）。
【０１２９】
以上のような一連の処理に従って、層構造の同定ができる。
図１１は、任意の試料に対して測定された反射率スペクトルを示す測定例である。
【０１３０】
図１２は、この発明の実施の形態に従う層構造同定処理を用いて図１１に示す反射率スペクトルに対して同定した結果の一例を示す図である。
【０１３１】
図１１および図１２に示すように、本実施の形態に従う層構造同定処理によれば、薄膜試料の膜構造を高精度に同定することができる。
【０１３２】
この発明の実施の形態によれば、反射率や透過率の強度の情報を用いる代わりに、反射率スペクトル（あるいは、透過率スペクトル）に現れる極値（ピークおよびバレイ）の波長位置に基づいて膜厚および屈折率などの光学特性を測定する。すなわち、本実施の形態によれば、スペクトルに現れる極値の波長位置のみを正確に求めることができれば、膜厚および屈折率を測定できるので、測定系や演算処理過程における不完全さに起因する反射強度または透過強度の変調による影響を受けることなく、これらの光学特性を正確に測定することができる。
【０１３３】
また、この発明の実施の形態によれば、予め定められた複数の層構造情報から候補となる層構造を順次選択した上で、この候補となる層構造における反射率スペクトル（理論値）を算出し、さらにこの反射率スペクトルからパワースペクトル（理論値）を算出する。そして、実際に測定された反射率スペクトルから算出されるパワースペクトル（実測値）とパワースペクトル（理論値）との相関係数に基づいて、最も確からしい層構造が決定される。これにより、多数の層が積層された薄膜試料であっても、その層構造をより正確に特定できる。
【０１３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】この発明の実施の形態に従う光学特性測定装置の概略構成図である。
【図２】代表的な薄膜試料の断面模式図である。
【図３】同一の試料に対して入射角φ０＝０°および入射角φ０＝７０°について測定された反射率スペクトルを示す図である。
【図４】図３に示す反射率スペクトルから抽出された次数Ｎと波数１／λとの関係を示す図である。
【図５】図４に示す関係から本実施の形態に従う方法を用いて測定された屈折率を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態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７】この発明の実施の形態に従う薄膜特性値取得処理を実現するための制御構造を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態に従う膜厚特性値取得に係る処理手順を示すフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態に従う層構造同定処理を実現するための制御構造を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態に従う層構造同定処理に係る処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】任意の試料に対して測定された反射率スペクトルを示す測定例である。
【図１２】この発明の実施の形態に従う層構造同定処理を用いて図１１に示す反射率スペクトルに対して同定した結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１０  測定用光源、１２  コリメートレンズ、１４，６６  カットフィルタ、１６，３６  結像レンズ、１８  しぼり部、２０，３０  ビームスプリッタ、２２  観察用光源、２４  光ファイバ、２６  出射部、２６ａ  マスク部、３２  ピンホールミラー、３２ａ  ピンホール、３４  軸変換ミラー、３８  観察用カメラ、３９  表示部、４０  対物レンズ、５０  ステージ、５２  可動機構、６０  分光測定部、６２  回折格子、６４  検出部、６８  シャッタ、７０  データ処理部、１００  光学特性測定装置、２０４  ディスプレイ部、２０６  インターフェイス部、２０８  入力部、２１０  ハードディスク部（ＨＤＤ）、２１２  メモリ部、２１４  ＣＤ−ＲＯＭドライブ、２１４ａ  ＣＤ−ＲＯＭ、２１６  ＦＤＤドライブ、２１６ａ  フレキシブルディスク、３００  層構造データベース、３０２  層構造情報、３０４  組合せ部、３０６  反射率算出部、３０８  理論スペクトル算出部、３１０，３２０  パワースペクトル算出部、３３０  相関係数算出部、３３２  層構造決定部、３１８，７１１，７１２，７３１，７３２  バッファ部、７２１，７２２  極値抽出部、７４１，７４２  フィッティング部、７５０  Ｄ１算出部、７６０  屈折率算出部。
【図１】
0005028660.tif 000019
【図２】
0005028660.tif 000020
【図３】
0005028660.tif 000021
【図４】
0005028660.tif 000022
【図５】
0005028660.tif 000023
【図６】
0005028660.tif 000024
【図７】
0005028660.tif 000025
【図８】
0005028660.tif 000026
【図９】
0005028660.tif 000027
【図１０】
0005028660.tif 000028
【図１１】
0005028660.tif 000029
【図１２】
0005028660.tif 000030