(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面に様々な角度から収束光または発散光を照射する照射光学系、前記収束光または発散光の前記試料からの反射光を導く受光光学系および該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布を検出する光強度分布センサを備え、前記照射光学系と前記受光光学系が共通の要素、光道を有するように組み込まれた測定ヘッドと、前記収束光または発散光の入射角に対する、前記検出された反射光の光ビーム内光強度分布に基づいて光強度分布と理論反射率分布とを照合しカーブフィッティングすることにより、前記試料の光学定数または前記試料表面に形成された薄膜の光学定数を算出する光学定数算出装置とを備えたことを特徴とする光学定数測定装置。
【請求項２】
試料台と、該試料台に装着された試料表面に様々な角度から収束光または発散光を照射する照射光学系、前記収束光または発散光の前記試料からの反射光を導く受光光学系および該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布を前記収束光または発散光の入射角に対する反射光の光ビーム内光強度分布として検出する光強度分布センサを備え、前記照射光学系と前記受光光学系が共通の要素、光道を有するように組み込まれた測定ヘッドと、該測定ヘッドを装着する顕微鏡本体と、前記収束光または発散光の入射角に対する、前記検出された反射光の光ビーム内光強度分布に基づいて光強度分布と理論反射率分布とを照合しカーブフィッティングすることにより、前記試料の光学定数または前記試料表面に形成された薄膜の光学定数を算出する光学定数算出装置とを備えたことを特徴とする顕微鏡。
【請求項３】
前記測定ヘッドは、前記顕微鏡本体に着脱可能なものである、請求項２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記照射光学系がレーザ光発生装置を備えている、請求項２または３に記載の顕微鏡。
【請求項５】
接眼鏡を備えている、請求項２ないし４のいずれかに記載の顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学定数測定装置、および少なくともその測定ヘッドを備えた顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平３−１７５０５号公報に、光ビームを用いて基板の表面上に設けられた薄膜の厚さを測定する膜厚測定技術が開示されている（以下、ＢＰＲ法（Beam
Profile  Reflectometry）と呼ぶこともある）。このＢＰＲ法は、上記薄膜に様々な角度θから光を照射し、該薄膜からの反射光（薄膜表面、裏面からの反射光および薄膜中を散乱した後表面から出射した光）の光ビーム内光強度分布（反射率分布）を上記入射角θに関する分布として検出し、検出された分布を、予め求められている各膜厚における分布と照合し、どの膜厚における分布と一致するかをみることによって、測定対象である上記薄膜の膜厚を算出するようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記特開平３−１７５０５号公報で提案されている膜厚測定技術を利用して、該公報ではシステム的な装置として提案されていた膜厚測定装置に比べ、よりコンパクトな構成でかつより多彩な光学定数を測定可能な光学定数測定装置を提供することにある。
【０００４】
また、本発明の別の課題は、上記膜厚測定技術を利用した小型測定ヘッドを組み込んだ顕微鏡を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光学定数測定装置は、試料表面に様々な角度から収束光または発散光を照射する照射光学系、前記収束光または発散光の前記試料からの反射光を導く受光光学系および該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布を検出する光強度分布センサを備え、前記照射光学系と前記受光光学系が共通の要素、光道を有するように組み込まれた測定ヘッドと、前記収束光または発散光の入射角に対する、前記検出された反射光の光ビーム内光強度分布に基づいて光強度分布と理論反射率分布とを照合しカーブフィッティングすることにより、前記試料の光学定数または前記試料表面に形成された薄膜の光学定数を算出する光学定数算出装置とを備えたことを特徴とするものからなる。
【０００６】
また、本発明に係る顕微鏡は、試料台と、該試料台に装着された試料表面に様々な角度から収束光または発散光を照射する照射光学系、前記収束光または発散光の前記試料からの反射光を導く受光光学系および該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布を前記収束光または発散光の入射角に対する反射光の光ビーム内光強度分布として検出する光強度分布センサを備え、前記照射光学系と前記受光光学系が共通の要素、光道を有するように組み込まれた測定ヘッドと、該測定ヘッドを装着する顕微鏡本体と、前記収束光または発散光の入射角に対する、前記検出された反射光の光ビーム内光強度分布に基づいて光強度分布と理論反射率分布とを照合しカーブフィッティングすることにより、前記試料の光学定数または前記試料表面に形成された薄膜の光学定数を算出する光学定数算出装置とを備えたことを特徴とするものからなる。
【０００８】
さらに、上記照射光学系は、レーザ光発生装置を備えたものであることが好ましい。また、上記顕微鏡は、接眼鏡を備えたものとすることもできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る光学定数測定装置の概略構成を示している。図において、１は光学定数測定装置全体を示しており、該光学定数測定装置１は、測定ヘッド２と光学定数算出装置３とを備えている。
【００１０】
測定ヘッド２は、試料４の表面に光５を照射する照射光学系６、光５の試料４からの反射光７を導く受光光学系８および該受光光学系８により導かれた反射光７の光ビーム内光強度分布を検出する光強度分布センサ９を備えている。
【００１１】
図１においては、測定対象としての試料４として、基板４ａ上に薄膜４ｂを形成したものを示しているが、基板４ａのみからなる試料であってもよい。本発明における光学定数とは、測定対象が基板の場合は、屈折率または消衰係数を指し、薄膜の場合は屈折率、消衰係数または膜厚を指す。
【００１２】
試料４の表面に向けて、照射光学系６の光５が照射される。本実施態様では、レーザ光源１０（たとえば半導体レーザ光源）からのレーザ光がハーフミラー１１で反射された後、凸レンズ（集光レンズ）１２で集光されて試料４に照射されている。
【００１３】
図１においては、照射される光５は、丁度試料４の表面に焦点が合わされた収束光として描かれているが、図２に示すように、焦点に至る前に試料４の表面に照射される収束光５ａの形態であってもよい。また、図３に示すように、一旦焦点を経た後、実質的に発散光５ｂの形態として試料４の表面に照射するようにしてもよい。要は、平行光でなく、試料４の表面に対して様々な角度θ（図１に図示）で入射する光であればよい。
【００１４】
試料４に照射された光５は、試料４から反射される。この試料４からの反射光とは、試料表面、試料裏面における反射光および試料内部での散乱後の反射光を含むものである。たとえば、基板４ａ上に形成された薄膜４ｂの光学定数が測定対象となる場合、照射された光５の反射は、図４に示すように、多重反射の形態で行われる。
【００１５】
図４において、ｔは薄膜４ｂの膜厚、ｎ0 、ｎ1 、ｎ2 はそれぞれ空気、薄膜４ｂ、基板４ａの屈折率であり、ｒ1 、ｒ2 は空気と薄膜、薄膜と基板の境界での光の反射率である。この光の反射率はＰ偏光とＳ偏光とでは異なりそれぞれ次の（１）〜（４）式で表される。
【００１６】
ｒ1S＝（ｎ1 cos θ1 −ｎ0 cos θ0)／（ｎ1 cos θ1 ＋ｎ0 cos θ0)  （１）
ｒ1P＝（ｎ1 cos θ0 −ｎ0 cos θ1)／（ｎ1 cos θ0 ＋ｎ0 cos θ1)  （２）
ｒ2S＝（ｎ2 cos θ2 −ｎ1 cos θ1)／（ｎ2 cos θ2 ＋ｎ1 cos θ1)  （３）
ｒ2P＝（ｎ2 cos θ1 −ｎ1 cos θ2)／（ｎ2 cos θ1 ＋ｎ1 cos θ2)  （４）
ここでＳおよびＰの添字はそれぞれＳ偏光およびＰ偏光であることを意味する。またθ0 、θ1 、θ2 はそれぞれ光が各媒質を通過するときの試料面の法線に対する角度である。
【００１７】
さて、ｒ1 、ｒ2 は一般的に０でないので、図４に示したように光の多重反射が起きる。レーザ光のようなコヒーレント光では、この多重反射した各光線ａ、ｂ、ｃ・・・の間で干渉を考慮した総合的な反射率Ｒは、次の（５）式のようになる。
Ｒ＝（ｒ1 ＋ｒ2 ｅid）／（１＋ｒ1 ｒ2 ｅid）                （５）
ここでｄは
ｄ＝（２π／λ）ｎ1 ｔｃｏｓθ1                             （６）
であり、ｔは薄膜の膜厚、λは光の波長である。
（５）式の入射角θ0 に対する反射率の変化をプロットすると、たとえば図５、図６に示すようなプロファイル（理論反射率分布）が得られる。この入射角θ0 に対する反射率の分布は、膜厚ｔが変われば変化する。
【００１８】
さて、再び図１を参照するに、試料４からの反射光７は、受光光学系８により光強度分布センサ９へと導かれる。本実施態様においては、受光光学系８は、レンズ１２、ハーフミラー１１と、照射光学系６と共通の要素、光道を有している。
【００１９】
光強度分布センサ９は、受光光学系８を導かれてきた反射光７の光ビーム内強度分布を検出する。つまり、光ビームの断面方向に、一次元または二次元のＣＣＤなどのアレイセンサまたはイメージインテンシファイアなど、少なくとも一次元的な光強度の分布を測定できる光のセンサを指す。小さな単一の受光部位が少なくとも一次元的に配列されたものの他、該小さな単一の受光部位が時間的にビーム内を移動するものを含む。
【００２０】
前述したように、試料４に照射される光５は様々な角度θで入射されるから、光強度分布センサ９では、この入射角θに対する光ビーム内光強度の分布、ひいては反射率の分布として検出される。
【００２１】
上記検出された光ビーム内光強度分布（たとえば反射率分布）に基づいて、より具体的には検出された光強度分布（反射率分布）と前述の理論反射率分布とが照合され、対象となる試料の光学定数が算出される。この算出が、光学定数算出装置３によって行われる。光学定数算出装置３は、たとえばマイクロコンピュータからなる。
【００２２】
光学定数算出装置３においては、図７にその処理を概念的に示すように、たとえば基板４ａ上に形成された薄膜４ｂについて、前述の如く予め薄膜４ｂの物理的なモデル２０から理論的に入射角θに対する反射率Ｒを、各膜厚ｔについて算出しておく。この理論式により、たとえばモデル２１に示すように、膜厚ｔをパラメータとして各種反射率特性（特性カーブ）が求まる。そして、センサ９による実測値として、モデル２２に示すような入射角θに対する反射率Ｒの実測特性が検出されるから、この実際に測定された反射率分布情報を上記理論カーブに対して、たとえば非線形最小２乗法でフィッティング（カーブフィッティング２３）を行うことにより、膜厚等の各パラメータを算出（推定２４）することが可能となる。
【００２３】
本発明は、上述のような測定ヘッド２および光学定数算出装置３を備えた光学定数測定装置１を、一つのまとまった装置として実現したものである。上記カーブフィッティングによる算出から、前述の（５）、（６）式に基づいて、測定対象が基板の場合にはその屈折率、消衰係数を求めることが可能となり、測定対象が薄膜の場合には、その屈折率、消衰係数または膜厚を求めることが可能となる。
【００２４】
上述のような測定原理に基づいて、上記のような測定ヘッドを顕微鏡に組み込むことができる。
すなわち、図８に本発明に係る顕微鏡の一実施態様の基本構成を示すように、該顕微鏡３１は、試料台３２と、該試料台３２に装着された試料３３の表面に前述のような収束光または発散光を照射する照射光学系、上記収束光または発散光の試料３３からの反射光を導く受光光学系および該受光光学系により導かれた反射光の光ビーム内光強度分布を検出する光強度分布センサを備えた測定ヘッド３４と、該測定ヘッド３４を装着する顕微鏡本体３５とを備えている。上記測定ヘッド３４は、顕微鏡本体３５に着脱可能に構成されている。
【００２５】
また、測定ヘッド３４以外の部分は、基本的には市販の顕微鏡と同等の構成を有しており、本実施態様においては、対物レンズ３６、照明光源３７（たとえば白色光源）、ＣＣＤカメラ等からなる撮像カメラ３８、接眼鏡３９を備えている。
【００２６】
より具体的な構造は、たとえば図９に示すように実現できる。図９においては、図８に示したと同等の機能を有する部位に、図８に付したのと同じ符号を付してある。
【００２７】
この顕微鏡３１の内部は、たとえば図１０に示すような構成を有している。
図１０において、測定ヘッド３４は、試料３３に向けて照射される光としてのレーザ光を出射するレーザ光源４０を備えており、レーザ光源４０からのレーザ光４１がハーフミラー４２で反射された後、対物レンズ３６で集光されて試料３３の表面に照射される。
【００２８】
試料３３からの反射光が、本実施態様では照射光学系と一部同じ光道を有する受光光学系を通り、ハーフミラー４２を透過した後ハーフミラー４３で反射され、コンデンサレンズ４４で集光され、ピンホール４５を通した後ビームスプリッタ４６を介して、アレイセンサ４７、４８にて、光ビーム内光強度分布がＰ偏光成分、Ｓ偏光成分として検出される。
【００２９】
そして本実施態様では、検出された光ビーム内光強度分布の信号が光学定数算出装置４９に送られ、該光学定数算出装置４９にて、検出された光ビーム内光強度分布に基づいて、前述の測定原理により試料３３の光学定数が算出される。
【００３０】
上記光学定数算出装置４９は、顕微鏡３１と一体的な、あるいは１セットの装置として構成されている。したがって、光学定数算出装置４９を含む顕微鏡装置として、前述の測定原理に基づいて試料３３の光学定数を測定することが可能となる。
【００３１】
また、予め光学定数が判っている標準試料を各種準備し、その標準試料でキャリブレーションして測定対象となる試料３３の光学定数を求めることもできる。
【００３２】
また、上記測定ヘッド３４は、顕微鏡本体３５に着脱可能なコンパクトな構成を有するから、市販の顕微鏡に簡単な改造を加えるだけで本測定ヘッド３４を組み込むことが可能となっている。
【００３３】
なお、図１０に示した態様では、従来から知られている顕微鏡と同様、照明光源として白色光源５０、集光レンズ５１、ハーフミラー５２、撮像カメラとしてＣＣＤカメラ５３、リレーレンズ５４を組み込んである。
【００３４】
また、前述の接眼鏡３９で肉眼にて観る場合には、レーザ光が接眼鏡内にまで到達してくることは好ましくないので、該到達レーザ光を弱くするか、レーザ光のみ選択的にカットすることが好ましい。レーザ光のみを選択的にカットする手段として、たとえばレーザ光に含まれる波長域の光のみ反射または吸収するノッチフィルタ（図示略）があり、これをたとえばハーフミラー４３とハーフミラー５２の間に挿入して、該ノッチフィルタでレーザ光のみをカットした状態で接眼鏡を通して観るようにすればよい。
【００３５】
このように、本発明に係る顕微鏡においては、上述のような機能を備えた小型の測定ヘッド３４を組み込むことにより、つまり、汎用顕微鏡における光学系の途中に上記の小型測定ヘッド３４を挿入することで、極めて便利に試料３３の光学定数を測定することが可能になる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学定数測定装置によれば、コンパクトな装置構成で、基板や基板表面に形成された薄膜の各種光学定数を測定することが可能となる。
【００３７】
また、顕微鏡本体に本発明に係る測定ヘッドを組み込むことで、汎用の顕微鏡とそれ程変わらないサイズのコンパクトな顕微鏡構成にて、試料の光学定数を簡単に測定することができるようになる。
【００３８】
本発明は、たとえば、液晶ディスプレイ用基板や、各種基板上に形成された薄膜の光学定数、たとえば膜厚や、屈折率、消衰係数等の光学定数の測定に適用でき、さらに、光学定数の測定を要するあらゆる分野においての適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る光学定数測定装置の概略構成図である。
【図２】試料に照射される収束光の一例を示す概略構成図である。
【図３】試料に照射される発散光の一例を示す概略構成図である。
【図４】試料における多重反射の様子を示す説明図である。
【図５】Ｓ偏光反射率の一例を示す、入射角に対する特性図である。
【図６】Ｐ偏光反射率の一例を示す、入射角に対する特性図である。
【図７】光学定数算出装置における処理例を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施態様に係る顕微鏡の概略構成図である。
【図９】本発明の一実施態様に係る顕微鏡のより具体的な外観構成を示す構成図である。
【図１０】本発明の顕微鏡の内部構成例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  光学定数測定装置
２  測定ヘッド
３  光学定数算出装置
４  試料
４ａ  基板
４ｂ  薄膜
５  照射される光
５ａ  収束光
５ｂ  発散光
６  照射光学系
７  反射光
８  受光光学系
９  光強度分布センサ
１０  レーザ光源
１１  ハーフミラー
１２  対物レンズ
３１  顕微鏡
３２  試料台
３３  試料
３４  測定ヘッド
３５  顕微鏡本体
３６  対物レンズ
３７  照明光源
３８  撮像カメラ
３９  接眼鏡
４０  レーザ光源
４１  レーザ光
４２、４３、５２  ハーフミラー
４４  コンデンサレンズ
４５  ピンホール
４６  ビームスプリッタ
４７、４８  アレイセンサ
４９  光学定数算出装置
５０  白色光源
５１  集光レンズ
５３  ＣＣＤカメラ
５４  リレーレンズ
【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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