CN102914268A - 膜厚测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种膜厚测量装置(100)，该膜厚测量装置(100)具备:光源(10)、第一光路、第一聚光透镜、分光测量部(40)、第二光路、第二聚光透镜、以及数据处理部(50)。光源照射具有规定的波长范围的测量光。第一光路将从光源(10)照射的测量光引导到被测量物。第一聚光透镜将从第一光路射出的测量光汇聚到被测量物。分光测量部(40)获取反射率或者透射率的波长分布特性。第二光路将由被测量物反射的光或者透过被测量物的光引导到分光测量部。第二聚光透镜聚光到第二光路的端部。数据处理部(50)通过分析由分光测量部(40)获取的波长分布特性来求出被测量物的膜厚。

Description

膜厚测量装置

技术领域

本发明涉及一种膜厚测量装置，特别是涉及对在基板上至少形成一层膜的被测量物的膜厚进行测量的结构。

背景技术

近年来，为了实现CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor：互补金属氧化物半导体)电路等的低功耗化、高速化，关注了称为SOI(Silicon on Insulator：绝缘体上硅)的基板结构。该S OI基板在两个Si(硅)基板之间配置了SiO₂等的绝缘层(BOX层)，能够降低在形成于一个Si层的PN结与另一个Si层(基板)之间产生的寄生二极管、杂散电容等。

作为这种SOI基板的制造方法，已知如下方法：在硅晶片的表面形成氧化膜的基础上，以夹着该氧化膜的方式粘贴其它硅晶片，而且对形成电路元件侧的硅晶片进行研磨而设为规定的厚度。

为了这样通过研磨工序控制硅晶片的厚度而需要连续地监视膜厚。作为这种研磨工序中的膜厚的测量装置以及测量方法，日本特开2009-270939号公报(专利文献1)、日本特开平05-306910号公报(专利文献2)以及日本特开平05-308096号公报(专利文献3)公开了使用傅立叶变换红外分光光度计(FTIR：Fourier Transform infrared Spectrometer)的测量装置以及测量方法。

另外，日本特开2003-114107号公报(专利文献4)公开了作为测量光而使用红外光的光干涉式的膜厚测量装置。

而且，日本特开2005-19920号公报(专利文献5)公开了使用由分散型多通道分光器测量出的反射光谱的方法。

另外，日本特开2002-228420号公报(专利文献6)公开了向硅薄膜的表面照射具有0.9μm以上的波长的红外线，并根据硅薄膜的表面的反射光和薄膜的背面的反射光的干涉结果测量薄膜的膜厚的方法。

而且，日本特开平10-125634号公报(专利文献7)公开了使来自红外线光源的红外线透过研磨体而照射在研磨对象物上，并通过检测其反射光来测量膜厚的方法。

然而，日本特开2009-270939号公报(专利文献1)所公开的测量装置限制了能够测量的光的波长，因此无法测量膜厚大的被测量物。另外，专利文献1的光学结构利用了在入射进聚光透镜的反射光与通过聚光透镜的发射侧端面反射的反射光之间由光路差引起光的干涉，因此与被测量物的距离(工作距离)、焦点深度受到限制。

在日本特开平05-306910号公报(专利文献2)以及日本特开平05-308096号公报(专利文献3)所公开的测量方法中，只能测量相对于预先成为基准的样品的膜厚的相对值，无法测量膜厚的绝对值。

另外，在日本特开2003-114107号公报(专利文献4)所公开的测量装置中，对分析方法以及测量数据要求高的精度、并且设为对象的被测量物是液晶显示装置用的滤色器。

而且，在日本特开2005-19920号公报(专利文献5)所公开的测量方法中，例如将折射率假定为不依赖于波长的固定值，而进行自回归模型的周期推定，但是实际的折射率具有波长依赖性，无法排除因这种波长依赖性导致的误差。

另外，在日本特开2002-228420号公报(专利文献6)所公开的测量方法中，需要在测量对象的样品形成贯通部，无法非破坏性地连续测量膜厚。

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供一种能够不依赖于与被测量物的距离而高精度地测量被测量物膜厚的膜厚测量装置。

用于解决问题的方案

根据本发明的一个方面，膜厚测量装置具备：光源、至少一个第一光路、分光测量部、至少一个第二光路、以及数据处理部。光源向在基板上至少形成一层膜而得到的被测量物照射具有规定的波长范围的测量光。至少一个第一光路将从光源照射的测量光引导到被测量物。第一聚光透镜将从第一光路发射的测量光汇聚到被测量物。第二聚光透镜将由被测量物反射的光或者透过被测量物的光聚光到第二光路的端部。至少一个第二光路将由被测量物反射的光或者透过被测量物的光引导到分光测量部。分光测量部根据由第一聚光透镜汇聚的测量光中的由被测量物反射的光或者透过被测量物的光，来获取反射率或者透射率的波长分布特性。数据处理部通过分析由分光测量部获取的波长分布特性来求出被测量物的膜厚。

发明的效果

根据本发明所涉及的膜厚测量装置，能够不依赖于与被测量物的距离而以更高的精度测量被测量物的膜厚。

下面通过与参照附图来理解的本发明所涉及的详细内容，清楚地说明本发明的上述以及其它目的、特征、方面以及优点。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置的概要结构图。

图2A、图2B是说明本发明的实施方式1所涉及的聚光光学探头与被测量物的距离的概要图。

图3A~图3C是用于说明本发明的实施方式1所涉及的聚光光学探头的原理的概要图。

图4是将本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置设为测量对象的被测量物OBJ的截面示意图的一个例子。

图5A~图5C是表示在使用本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置来测量SOI基板的情况下的测量结果的图。

图6A、图6B是表示使用本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置来测量SOI基板的其它测量结果的图。

图7A、图7B是表示使用本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置来测量SOI基板的另外其它测量结果的图。

图8A~图8C是用于说明本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量范围与检测部的检测波长范围以及检测点数的关系的图。

图9是表示关于S OI基板的反射率光谱的测量结果的图。

图10是表示本发明的实施方式1所涉及的数据处理部的概要的硬件结构的示意图。

图11是表示执行本发明的实施方式1的处理模式所涉及的膜厚计算处理的控制结构的框图。

图12是表示本发明的实施方式1的处理模式所涉及的膜厚计算处理的过程的流程图。

图13A~图13D是表示通过本发明的实施方式1的膜厚测量装置获得的功率谱的一个例子的曲线。

图14是表示通过本发明的实施方式1的膜厚测量装置获得的测量结果的一个例子的表格。

图15是用于说明在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中变更聚光光学探头的焦点位置的概要图。

图16A、图16B是表示在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中变更焦点位置的情况下的测量结果的一个例子的图。

图17是用于说明在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中被测量物的倾斜的概要图。

图18A、图18B是表示在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中改变被测量物的倾斜的情况下的测量结果的一个例子的图。

图19是表示在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中隔着聚氨酯对被测量物进行测量的一个例子的概要图。

图20A~图20D是表示通过本发明的实施方式1的膜厚测量装置隔着聚氨酯进行测量而获得的功率谱的一个例子的曲线。

图21是表示通过本发明的实施方式1的膜厚测量装置隔着水膜以及聚氨酯进行测量而获得的测量结果的一个例子的表格。

图22是表示在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中隔着玻璃对被测量物进行测量的一个例子的概要图。

图23A、图23B是表示在本发明的实施方式1的膜厚测量装置中由ASE光源以及SLD光源进行测量而获得的功率谱的一个例子的曲线。

图24A、图24B是用于说明本发明的实施方式2的聚光光学探头的结构的概要图。

图25是用于说明本发明的实施方式3的聚光光学探头的结构的概要图。

附图标记说明

10：测量用光源；20、20a、20b：光纤；30：聚光光学探头；31、31a~31d：聚光透镜；32：调整机构；40：分光测量部；41：衍射光栅；42：检测部；43：截止滤光片；44：快门；50：数据处理部；71：缓冲器部；100：膜厚测量装置；191：水膜；192：聚氨酯；193：玻璃；194：塑料；202：总线；204：显示器部；208：输入部；210：硬盘部；212：存储器部；214：ROM驱动器；216a：软盘；721：建模部；722：拟合部。

具体实施方式

针对本发明的实施方式参照附图详细地进行说明。此外，对于图中的相同或者相当部分附加相同标记而不重复其说明。

(实施方式1)

<装置结构>

图1是本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100的概要结构图。

本实施方式1所涉及的膜厚测量装置100代表性地能够测量单层或者层叠结构的被测量物(样品)中的各层的膜厚。特别是，本实施方式1所涉及的膜厚测量装置100适于对包含膜厚较大的层(代表性地为2μm~2500μm)的被测量物进行膜厚测量。

具体地说，膜厚测量装置100是分光式的测量装置，能够向被测量物照射光并根据由该被测量物反射的反射光的波长分布特性(以下也称为“光谱”)测量构成被测量物的各层的膜厚。此外，不限于膜厚测量，也能够进行各层中的(绝对和相对)反射率的测量、层结构的分析。此外，也可以代替反射光的光谱而使用透过被测量物的光的光谱(透射光的光谱)。

在本说明书中，作为被测量物例示出将在基板单体或者基板上至少形成一层膜的被测量物设为对象的情况。作为被测量物的具体的一个例子是Si基板、玻璃基板、蓝宝石基板等的具有相对较大厚度的基板单体、如SOI(Silicon on Insulator：绝缘体上硅)基板那样的层叠结构的基板等。特别是，本实施方式1所涉及的膜厚测量装置100适于对切削或者研磨后的Si基板的膜厚、SOI基板的Si层(活性层)的膜厚、化学机械研磨(CMP：Chemical Mechanical Polishing)工序中的Si基板的膜厚等进行测量。另外，适于对薄膜制造工序中的PET(Polyethyleneterephthalate：聚对苯二甲酸乙二醇酯)、TAC(Triacetylcellulose：三醋酸纤维素)的膜厚以及基材厚度等进行测量。

特别是，本实施方式1所涉及的膜厚测量装置100针对用于对被测量物的光学特性进行测量的测量光以及由被测量物反射的光而使用Y型单模光纤和聚光光学探头，同时实现提高光学特性的测量精度和易于对于被测量物的对焦。

参照图1，膜厚测量装置100具备：测量用光源10、光纤20、聚光光学探头30、分光测量部40、以及数据处理部50。

测量用光源10是生成用于对被测量物的光学特性进行测量的测量光的光源，其由ASE(Amplified Spontaneous Emission：放大自发辐射)光源构成。此外，在测量特定的厚度的膜厚的情况下，测量用光源10也可以是SLD(super lu_minescent diode：超辐射发光二极管)光源。并且，测量用光源10所产生的测量光包含针对被测量物的光学特性的测量范围(1540nm~1610nm)的波长。特别是，在本实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中考虑卤素光源，但是因为使用Y型单模光纤的光纤20，因此需要更强力的光量的光源。还能够利用日本特开2009-270939号公报(专利文献1)公开的用于光学式变位计的SLD光源，但是在本测量方法(分光干涉方式)中确认了具有SLD光源的相干(可干涉)性在与光纤的弯曲或者分光测量部40的连接部分等处，除了原来应该测量的分光干涉以外的疑似干涉的情况多，因此不适合普通膜厚(除了测量特定的膜厚的情况以外)测量。

光纤20是将两根单模光纤以在被测量物侧的光轴方向相互平行的方式而形成的Y型光纤(Y型单模光纤)。用于光纤20的单模光纤是芯径9μm、有效波长范围1460nm~1620nm(光通信用CL带)、传输损耗=0.5dB/km以下(在波长1550nm)。因此，光纤20与膜厚测量装置100的分光测量部40的波长范围一致，而且也与所使用的测量用光源10的波长范围一致。此外，光纤20不限于单模光纤，也可以是多模光纤。另外，也可以准备两束多个单模光纤的束来形成Y型光纤。

在来自光纤20的光直接照射在被测量物的情况下，如果缩短从光纤20的端部至被测量物的距离WD(工作距离)(约10mm以下)则能够测量膜厚。但是，从光纤20的9μm的芯径发射的光通过光纤20的开口角度进行扩散而照射在被测量物。因此，当9μm的芯径的光纤20接收由被测量物反射的光时，能够接收的光量非常少，S/N比变差，因此分光测量部40的测量精度下降。另外，在将光纤20用作感光部的情况下，当考虑被测量物的表面的粗糙度、被测量物的结晶状态等时，照射在被测量物的光的斑点尽量小为宜。

聚光光学探头30是为了解决上述问题而使用，在被测量物的表面与光纤20的端部之间设置有聚光透镜31。聚光透镜31使从光纤20的端部发射的光聚光到被测量物的表面而缩小光的斑点。此外，为了测量被测量物的膜厚，聚光光学探头30是不利用在入射进聚光透镜31的被测量物的反射光与通过聚光透镜31的发射侧端面而反射的反射光之间由于光路差导致的光的干涉的结构。因此，能够通过调整光纤20的端部与聚光透镜31的距离WD2来变更聚光光学探头30与被测量物的距离WD1。

图2A、图2B是说明本发明的实施方式1所涉及的聚光光学探头30与被测量物的距离的概要图。图2A是在聚光光学探头30与被测量物的距离WD1为10mm的情况下的概要图，图2B是在聚光光学探头30与被测量物的距离WD1为150mm的情况下的概要图。因此，膜厚测量装置100具备聚光光学探头30，因而不依赖于聚光光学探头30与被测量物的距离WD1就能够以更高精度测量被测量物的膜厚。此外，图2A、图2B所示的聚光光学探头30与被测量物的距离WD1是例示，并不限于10mm~150mm。

另外，图3A~图3C是用于说明本发明的实施方式1所涉及的聚光光学探头30的原理的概要图。图3A图示了不设置聚光光学探头30而从光纤20将测量光直接照射在被测量物的情况。如从图3A可知，从光纤20发射的光通过光纤20的开口角度进行扩散并由被测量物反射而进一步扩散。因此，在图3A的情况下，由被测量物反射的光的范围301中，能够由光纤20接收的光的范围302变小。

图3B图示了设置聚光光学探头30来从光纤20将测量光进行聚光并照射在被测量物的情况。如从图3B可知，能够通过聚光透镜31来抑制从光纤20发射的光扩散。因此，在图3B的情况下，照射在被测量物的光的范围303中，能够由光纤20接收的光的范围304变大。由此，膜厚测量装置100具备聚光光学探头30，由此能够高效地接收由被测量物反射的光，因此S/N比得到改善，因此分光测量部40的测量精度变高。

即使能够由光纤20接收的光的范围304相对于照射在被测量物的光的范围303有一定程度一致，由于光纤20的芯径小到9μm，聚光光学探头30也需要调整聚光透镜31的位置的调整机构32(图1)。调整机构32首先在Z轴方向确定焦点使得由被测量物反射的光通过光纤20入射、接着在XY轴方向确定聚光透镜31的位置。

图3C图示了由调整机构32进行调整的聚光透镜31的位置。如图3C所示，调整机构32在Z轴方向(聚光透镜31a)、XY轴方向(聚光透镜31b)调整聚光透镜31使得能够由光纤20接收的光的范围304相对于照射在被测量物的光的范围303一致。由此，膜厚测量装置100通过具备聚光光学探头30能够高效地接收由被测量物反射的光。

此外，如果能够由聚光光学探头30进行调整使得在被测量物的表面成为完全焦点位置，则能够实现被测量物的理想的膜厚测量，但是也有时由于被测量物的表面的粗糙度、被测量物的结晶状态等而不会成为完全焦点位置。但是，如果入射的光的斑点相对于从聚光光学探头30射出的光的斑点有一定程度一致，则9μm的芯径的光纤20起到针孔的作用，膜厚测量装置100能够实现对被测量物进行膜厚测量。

分光测量部40测量通过了光纤20的9μm的芯径的测量反射光的光谱并将其测量结果向数据处理部50进行输出。更详细地说，分光测量部40包含：衍射光栅(光栅)41、检测部42、截止滤光片43、以及快门44。

截止滤光片43、快门44、以及衍射光栅41配置在光轴AX 1上。截止滤光片43是用于限制在通过针孔而入射到分光测量部40的测量反射光中包含的测量范围外的波长成分的滤光片，特别是阻断测量范围外的波长成分。快门44用于当复位检测部42时等阻断入射进检测部42的光。代表性地，快门44由通过电磁力驱动的机械式的快门构成。

衍射光栅41在将所入射的测量反射光进行分光的基础上将各分光波引导向检测部42。具体地说，衍射光栅41是反射型的衍射光栅，其构成为每个规定的波长间隔的衍射波向相对应的各方向进行反射。当测量反射波入射到具有这种结构的衍射光栅41时，所包含的各波长成分向相对应方向反射而入射到检测部42的规定的检测区域。此外，该波长间隔与分光测量部40中的波长分辨率相当。代表性地，衍射光栅41由平焦点型(flatfocus type)球面光栅构成。

为了测量被测量物的反射率光谱，检测部42输出与在由衍射光栅41分光的测量反射光中包含的各波长成分的光强度相应的电信号。检测部42由在红外频带具有灵敏度的InGaAs阵列等构成。

此外，衍射光栅41以及检测部42根据光学特性的测量波长范围以及测量波长间隔等来恰当地进行设计。

数据处理部50对由检测部42获取的反射率光谱进行各种的数据处理(代表性地为FFT(Fast Fourier Transform：快速傅立叶变换)处理、最大熵法(Maximum Entropy Method；以下称为“MEM”)处理、降噪处理)，由此来测量构成被测量物的各层的膜厚。而且，数据处理部50还能够对被测量物的各层的反射率、层结构进行分析。此外，关于这种处理的详细情况在后面叙述。并且，数据处理部50输出以测量出的被测量物的膜厚为代表的光学特性。

<反射光的分析研究>

首先，关于在对被测量物照射测量光的情况下所观测到的反射光，通过数学以及物理的方法来进行研究。

图4是本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100设为测量对象的被测量物OBJ的截面示意图的一个例子。

参照图4，作为被测量物OBJ的代表例而考虑SOI基板。即，被测量物OBJ具有在Si层1与基底Si层3(基板层)之间配置SiO₂层2(BOX层)的三层结构。并且，设为来自膜厚测量装置100的照射光从纸面上侧入射到被测量物OBJ。即，设为测量光最先向Si层1入射。

为了容易理解，研究入射到被测量物OBJ的测量光在Si层1与SiO₂层2的界面反射而产生的反射光。在以下的说明中，使用下标i来表现各层。即，将空气、真空等的环境气层设为下标“0”、被测量物OBJ的Si层1设为下标“1”、SiO₂层2设为下标“2”。另外，各层中的折射率使用下标i表示为折射率n_i。

在具有相互不同的折射率ni的层的界面产生光的反射，因此折射率不同的i层与i+1层之间的各界面中的P偏振成分以及S偏振成分的振幅反射率(Fresnel系数)r^(P) _i，i+1、r^(S) _i，i+1能够如下地表示。

[数1]

$r_{i,i+1}^{\left(P\right)}=\frac{n_{i+1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_i-n_i\cos {\mathrm{\&phi;}}_{i+1}}{n_{i+1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_i+n_i\cos {\mathrm{\&phi;}}_{i+1}}$

$r_{i,i+1}^{\left(S\right)}=\frac{n_i\cos {\mathrm{\&phi;}}_i-n_{i+1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{i+1}}{n_i\cos {\mathrm{\&phi;}}_i+n_{i+1}\cos {\mathrm{\&phi;}}_{i+1}}$

这里，φ_i是i层中的入射角。该入射角φ_i能够通过如下的斯涅耳(Snell)定律从最上层的环境层(0层)中的入射角计算。

N₀sinφ₀=N_isinφ_i

在具有光能够干涉的膜厚的层内以由上式表示的反射率进行反射的光在层内往复几次。因此，在与相邻的层的界面直接反射的光与在层内多重反射后的光之间其光路长度不同，因此相位变得相互不同，在Si层1的表面产生光的干涉。当为了表示这种各层内的光的干涉效果，引入i层的层内的光的相位角β_i时能够如下地表示。

[数2]

${\mathrm{\&beta;}}_i=2\mathrm{\&pi;}\left(\frac{d_i}{\mathrm{\&lambda;}}\right)n_i\cos {\mathrm{\&phi;}}_i$

这里，d_i表示i层的膜厚，λ表示入射光的波长。

为了更简化，在向被测量物OBJ垂直地照射光的情况下、即设为入射角φ_i=0时，P偏振与S偏振的区别变得没有，各层间的界面中的振幅反射率以及薄膜的相位角β₁变成如下。

[数3]

$r_{01}=\frac{n_0-n_1}{n_0+n_1}$

$r_{12}=\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}$

${\mathrm{\&beta;}}_1=2\mathrm{\&pi;}\left(\frac{d_1}{\mathrm{\&lambda;}}\right)n_1$

而且，图4所示的三层系统的被测量物OBJ中的反射率R变成如下。

[数4]

$R=\frac{r_{01}^2+r_{12}^2+2r_{01}{r}_{12}\cos 2{\mathrm{\&beta;}}_1}{1+r_{01}^2{r}_{12}^2+2r_{01}{r}_{12}\cos 2{\mathrm{\&beta;}}_1}$

在上式中，当考虑关于相位角β₁的频率变换(傅立叶变换)时，作为相位因数(Phase Factor)的cos2β₁相对于反射率R成为非线性。因此，对该相位因数cos2β₁进行向具有线性的函数的变换。作为一个例子，将该反射率R如下式那样进行变换来定义作为独自的变量的“波数变换反射率”R’。

[数5]

$R^{\&prime;}\&equiv;\frac{R}{1-R}=\frac{r_{01}^2+r_{12}^2}{(1-r_{01}^2)(1-r_{12}^2)}+\frac{2r_{01}{r}_{12}}{(1-r_{01}^2)(1-r_{12}^2)}\cos 2{\mathrm{\&beta;}}_1\&equiv;R_a+R_b\cos 2\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{n}_1}{\mathrm{\&lambda;}}\right)d_1$

其中，

是光(电磁波)在物质中即层内传播时的波数K(传播常数：propagation number)。

该波数变换反射率R’成为关于相位因数cos2β₁的一次表达式，具有线性。这里，式中的R_a是波数变换反射率R’中的截距，R_b是波数变换反射率R’中的斜率。即，该波数变换反射率R’是用于将各波长中的反射率R的值对频率变换所涉及的相位因数cos2β₁进行线性化的函数。此外，作为用于对这种相位因数进行线性化的函数，也可以使用1/(1-R)这样的函数。

因而，设为对象的Si层1内的波数K₁能够如下地定义。

[数6]

$K_1\&equiv;\frac{2\mathrm{\&pi;}{n}_1}{\mathrm{\&lambda;}}$

这里，当Si层1内的波长λ的光速设为s、真空中的波长λ的光速设为c时，以折射率n₁=c/s来表示。另外，通过在Si层1内向x方向行进的光而产生的电磁波E(x，t)使用波数K₁、角频率ω、相位δ表示为E(x，t)=E₀exp[j(ωt-K₁x+δ)]。即，Si层1内的电磁波的的传播特性依赖于波数K₁。从这些关系可知：在真空中具有波长λ的光在层内其光速下降，因此波长也从λ变长到λ/n₁。考虑这种波长分散现象而如下地定义波数变换反射率R’。

[数7]

R′(K₁)＝R_a+R_bcos2K₁d₁

当根据该关系将波数变换反射率R’对波数K进行频率变换(傅立叶变换)时，在与膜厚d₁相当的周期成分中出现波峰，通过确定该波峰位置能够计算出膜厚d₁。

即，将从被测量物OBJ测量出的反射率光谱与各波长中的反射率的对应关系变换为从各波长计算出的波数与按照上述的关系式计算出的波数变换反射率R’的对应关系(波数分布特性)，并将包含该波数K的波数变换反射率R’的函数对波数K进行频率变换，能够根据出现在该频率变换后的特性的波峰计算构成被测量物OBJ的Si层1的膜厚。这意味着获取包含在波数分布特性中的各波数成分的振幅值，并根据其中振幅值大的波数成分计算Si层1的膜厚。此外，如后所述作为根据波数分布特性分析振幅值大的波数成分的方法，能够采用使用FFT等的离散傅立叶变换的方法、和使用最优化处理(最大熵法(MEM)等)的方法中的任一种。

在波数变换反射率R’的定义中，R_a以及R_b是与层内中的干涉现象没有关系的值，但是依赖于包含Si层1的折射率n₁的各层间的界面中的振幅反射率。因此，在折射率n₁具有波长分散的情况下，该值成为依赖于波长(即波数K)的函数值，关于波数K不会成为固定值。因此，当傅立叶变换以

表示、作为将R’、R_a、R_b、cos2K₁d₁以波数K进行傅立叶变换后的函数的功率谱分别设为P、P_a、P_b、F时，以下的式成立。

[数8]

$P\&Superset;P_a+(P_b*F)$

其中，*表示卷积。

式中的P_a中依赖于膜厚的成分相对小，且具有与功率谱F相独立的波峰，因此对功率谱F没有影响。

另一方面，式中的P_b通过与功率谱F进行卷积将P_b中的膜厚成分加以调制到功率谱F的膜厚成分中。然而，P_b与层内中的干涉现象无关，只受相邻的两个层中的折射率的波长依赖性影响，因此对于相波数K的P_b的膜厚成分与F的膜厚成分相比小到能够忽略的程度。例如，当假定R_b为膜厚q的周期函数，且傅立叶变换后的该P_b通过卷积而加以调制到功率谱F的膜厚d的成分中时，作为光谱而出现的波峰成为“d-q”或者“d+q”，但是由于q的值非常小，因此波峰位置对膜厚d的影响小。

而且，在进行傅立叶变换时如后所述考虑测量对象的层的最大膜厚按照奈奎斯特的采样定律对波数变换反射率R’以恰当的采样间隔以及采样数进行采样。P_b的膜厚q的膜厚成分相对于根据这样采样的波数变换反射率R’计算出的功率谱的膜厚分辨率r更小的可能性高(q<r)，可以说对膜厚d的测量结果几乎没有影响。

通过这样将计算出的反射率光谱变换为考虑了薄膜中的波长分散的关于波数的函数的基础上进行傅立叶变换能够正确地计算出薄膜的膜厚。

此外，在上述的说明中例示出使用反射率光谱的情况，但是也可以使用透射率光谱。在这种情况下，当将测量出的透射率设为T、“波数变换透射率”设为T’时，以如下的关系式来表示。

[数9]

$T^{\&prime;}\&equiv;\frac{1}{T}=T_a+T_b\cos 2K{d}_1$

在使用透射率光谱的情况下，透射率T相对于相位因数cos2β₁非线性。因此，根据与上述相同的理由，采用对相位因数cos2β₁具有线性的波数变换透射率T’。根据上式，波数变换透射率T’成为关于相位因数cos2β₁的一次表达式，能够按照与上述相同的过程正确地计算出薄膜的膜厚。即，该波数变换透射率T’是用于将各波长中的透射率T的值对频率变换所涉及的相位因数cos2β₁进行线性化的函数。

再次参照图4考虑在SiO₂层2与基底Si层3的界面进行反射而产生的反射光。当Si层1的折射率设为n₁、膜厚设为d₁、SiO₂层2的折射率设为n₂、膜厚设为d₂时，波数变换反射率R’如下地表示。

[数10]

R′＝R_a+R_b cos2K₁d₁+R_ccos2K₂d₂+R_dcos2(K₁d₁+K₂d₂)

+R_e cos2(K₁d₁-K₂d₂)

其中， $K_1\&equiv;\frac{2\mathrm{\&pi;}{n}_1}{\mathrm{\&lambda;}},$ $K_2\&equiv;\frac{2\mathrm{\&pi;}{n}_2}{\mathrm{\&lambda;}}.$

这里，在将Si层1的膜厚d₁以及SiO₂层2的膜厚d₂分离而计算的情况下，使用以波数K₁、K₂分别变换的波数变换反射率R₁’(K₁)，R₂’(K₂)。具体地说，如下地表示。

[数11]

R′₁(K₁)＝R_a+R_bcos2K₁d₁+R_ccos2K₁d′₂+R_d cos2K₁(d₁+d′₂)

+R_ecos2K₁(d₁-d′₂)

R′₂(K₂)＝R_a+R_bcos2K₂d′₁+R_c cos2K₂d₂+R_dcos2K₂(d′₁+d₂)

+R_ecos2K₂(d′₁-d₂)

其中， $d_1^{\&prime;}=\frac{n_1}{n_2}{d}_1,$ $d_2^{\&prime;}=\frac{n_2}{n_1}{d}_2.$

在这些式中，d₁’以及d₂’不是正确的膜厚，但是能够根据与波数变换反射率R₁’(K₁)的第二项相当的功率谱中的波峰求出原来的膜厚d₁，且能够根据与波数变换反射率R₂’(K₂)的第三项相当的功率谱中的波峰求出原来的膜厚d₂。

此外，实际上Si层1以及SiO₂层2的折射率近似，两者的界面中的反射率大多与其它界面中的反射率相比相对变小。其结果，与包含在波数变换反射率的函数中的R_b、R_d相比R_c的值变小，大多难以根据功率谱识别与波数变换反射率R₂’(K₂)的第三项相当的波峰。在这种情况下，在计算出与波数变换反射率R₂’(K₂)的第四项相当的功率谱的波峰位置的膜厚(d₁’+d₂)、和与波数变换反射率R₂’(K₂)的第二项相当的功率谱的波峰位置的膜厚(d₁’)的基础上，取两者之差能够计算出膜厚d₂。

<关于波长范围以及波长分辨率>

图5A~图5C是表示使用本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100来测量S OI基板的情况下的测量结果的图。此外，图5A~图5C中表示作为测量光而使用波长范围为900nm~1600nm的情况(图5A)、以及使用波长范围为1340nm~1600nm的情况(图5B)下的测量例。此外，根据测量波长将衍射光栅41选择为具有恰当的特性，反射光入射的检测部42(图1)中的检测点数(检测通道数)设为都相同(例如512通道)。换句话说，波长范围越窄，检测点相当的波长间隔(即波长分辨率)变得越小。

根据上述的分析研究，测量出的反射率应该相对于波长而周期性地变化。

在图5A所示的测量结果中，虽然发现反射率相对于波长而周期性地变化的征兆，但是测量膜厚没有获得足够的精度。

与此相对，在图5B所示的测量结果中，反射率的波峰以及波谷清楚地出现，也能够测量反射率的变化周期。图5C表示在图5B所示的测量结果(反射率光谱)变换为上述的波数变换反射率R’的函数的基础上，对波数K进行频率变换的结果。与出现在该图5C中的主波峰相对应的值能够确定为Si层1的膜厚。

而且，图6A、图6B以及图7A、图7B表示SOI基板的其它测量结果。

图6A、图6B是使用本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100测量SOI基板的其它测量结果的图。图6A、图6B表示Si层1的膜厚为10.0μm(设计值)、SiO₂层2的膜厚为0.3μm(设计值)的情况下的测量例。另外，图6A表示使用具有可视频带(330~1100nm)的波长成分的测量的情况，图6B表示使用具有红外频带(900~1600nm)的波长成分的测量光的情况。此外，如上所述检测部42(图1)中的检测点数(检测通道数)都相同。

如图6A所示可知：在使用具有可视频带的波长成分的测量光的情况下，在比约860nm长的波长区域中反射率表现出周期性的举动，但是在比其短的可视频带中没有产生显著的周期性变化。与此相对，如图6B所示可知：在使用具有红外频带的波长成分的测量光的情况下，显著出现反射率的周期性变化。

另外，图7A、图7B是表示使用本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100测量SOI基板的另外其它测量结果的图。图7A、图7B表示Si层1的膜厚为80.0μm(设计值)、SiO₂层2的膜厚为0.1μm(设计值)的情况下的测量例。另外，图7A表示使用具有红外频带(900nm~1600nm)的波长成分的测量光的情况，图7B表示使用具有更窄的红外频带(1470nm~1600nm)的波长成分的测量光的情况。此外，如上所述检测部42(图1)中的检测点数(检测通道数)都相同。

如图7A所示可知：在使用具有红外频带的波长成分的测量光的情况下，在测量出的反射率中没有出现显著的周期性变化。与此相对，如图7B所示可知：在使用具有更窄的红外频带的波长成分的测量光的情况下，显著出现反射率的周期性变化。

根据以上的测量例，为了以高精度测量具有较大厚度的层的膜厚，可以说需要恰当地设定测量光的波长范围以及波长分辨率。这是由于利用层内的光干涉现象的测量方法、以及检测部42的反射光的波长分辨率有限，优选通过如以下说明的过程来设定恰当的测量光的波长。

在以下的研究中，将膜厚测量范围的下限值设为d_min、膜厚测量范围的上限值设为d_max。另外，将检测部42的波长检测的下限值设为λ_min、检测部42的波长检测的上限值设为λ_max。此外，如果测量用光源10(图1)所照射的测量光的波长范围包含检测部42的波长检测范围，则也可以是任意的范围。而且，将检测部42(图1)中的检测点数(检测通道数)设为S_p。

图8A~图8C是用于说明本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量范围与检测部42的检测波长范围以及检测点数的关系的图。

(1)膜厚测量范围的下限值d_min与检测波长范围的关系

根据上述的膜厚的测量方法，需要在对象的被测量物内找到产生光干涉的波长，因此检测部42需要具有能够产生光干涉的波长范围。即，如图8A所示，对被测量物进行测量的反射率波形需要在检测部42的检测波长范围内变化一个周期以上。

这意味着通过检测部42的检测波长范围从下限值λ_min至上限值λ_max变化而产生的光学距离需要变化被测量物的膜厚的往复量以上。因而，作为膜厚测量范围的下限值d_min与测量光的波长范围的关系需要满足以下的条件式(1)。

[数12]

$d_{\min }\&GreaterEqual;\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }}{2({\mathrm{\&lambda;}}_{\max }\&CenterDot;n_{\min }-{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }\&CenterDot;n_{\max })}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$

其中，n_min是波长λ_min中的折射率，n_max是波长λ_max中的折射率

(2)膜厚测量范围的上限值d_max与检测点数的关系

如图8B所示，测量光的波长变得越长，对被测量物进行测量的反射率波形的周期变得越长。图8C所示的反射率波形是将图8B所示的反射率波形变换为波数(1/f)的坐标的波形。此时可知：当InGaAs等的各阵列元件对于波长而等间隔地配置时，波数越小，对于波数的各阵列元件的配置间隔越宽。

因而，为了将对波数以规定的周期变化的反射率波形正确地进行采样，该各阵列元件的配置间隔(波长分辨率△λ)需要满足奈奎斯特的采样定律，根据满足该采样定律这样的条件来决定膜厚测量范围的上限值d_max。

检测部42中的波长分辨率△λ能够使用检测点数(检测通道数)Sp表示为△λ=(λ_max-λ_min)/S_p。

测量光的波长变得越长，反射率波形的周期变得越长，因此在反射率波形中测量光的上限值λ_max产生极值(波峰或者波谷)的情况下，当将产生与该极值相邻的极值(与波峰相邻的波峰、或者与波谷相邻的波谷)的波长设为λ₁时需要在与膜厚测量范围的上限值d_max之间满足以下的条件。

[数13]

$d_{\max }=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }}{2({\mathrm{\&lambda;}}_{\max }\&CenterDot;n_1-{\mathrm{\&lambda;}}_1\&CenterDot;n_{\max })}$

这里，在测量对象的层的膜厚比较大的情况下，能够视为n_max

n₁，因此上述的条件能够表示为如下的条件式(2)。

[数14]

$d_{\max }=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }}{2\&CenterDot;n_{\max }({\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-{\mathrm{\&lambda;}}_1)}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

此时，波长分辨率△λ需要满足以下的条件。

[数15]

$\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }}{S_p}\&le;\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{2}$

当向上述的波长分辨率△λ的关系式代入上限值d_max的关系式而去掉λ₁的项时能够表示为如下的条件式(3)。

[数16]

$\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }}{S_p}\&le;\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }^2}{2({\mathrm{\&lambda;}}_{\max }+2\&CenterDot;n_{\max }\&CenterDot;d_{\max })}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

以上的研究的结果，当预先确定对被测量物所要求的膜厚测量范围(下限值d_min~上限值d_max)时，需要确定测量光的波长范围(下限值λ_min~上限值λ_max)以及检测点数Sp使得满足上述的条件式(1)以及(2)。

<计算例>

针对在测量如图4所示那样的SOI基板的Si层1的膜厚的情况下所需的条件进行计算的一个例子表示在下面。

在该计算例中，SOI基板的Si层1的上限值d_max设为100μm，折射率n不依赖于波长而设为固定值(n=3.5)。此外，在该计算例中，没有考虑SOI基板的Si层1的下限值d_min。

当将成为上述的前提的值代入上述的各个条件式(2)以及(3)时，计算出为上限值λ_max=1424.0nm、波长分辨率△λ=1.445375nm。因而，可知在为了进行具有最大100μm的膜厚的被测量物的膜厚而使用512通道的检测部42的情况下只要使用包含约684nm~1424nm的波长范围的测量光由检测部42来检测该范围的反射光(波长分辨率△λ=1.4453125nm)即可。

但是，通过上述的条件式计算出的波长分辨率△λ记述了理论上的最低限的规格，在实际进行测量的情况下优选是使精度比计算出的波长分辨率△λ更高。此外，更优选是可以设为数倍左右(例如2~4倍)。此外，提高精度意味着将波长分辨率△λ的值设定得更小。

即，在实际的膜厚测量装置中，有时由于向被测量物的测量光的入射角的影响、使用透镜聚光系时的开口角的影响等而光谱精度劣化。在这种情况下，功率谱上的波峰高度变小，膜厚的计算变得困难。另外，在使用如使用有限个采样值来离散地进行频率变换的FFT等的情况下，有时受到混叠的影响而产生波数变换时等的大的变换误差。而且，有时被测量物的折射率分散也根据测量光的波长范围而大为变化，还有部分与条件不一致的可能性。

<膜厚计算处理的概要>

如上所述，被测量物的膜厚能够根据反射率光谱的周期性来计算。即，能够将检测出的反射率光谱进行频率变换来求出功率谱，并根据出现在该功率谱中的波峰计算出膜厚。这种功率谱现实上通过FFT等的离散傅立叶变换法来计算。然而，在FFT中也有时得不到充分反映周期性的功率谱。因此，本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100如下地构成：作为功率谱的计算方法除了FFT等的离散傅立叶变换之外还能够执行最最优化处理(MEM等)。即，本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100根据检测出的反射率光谱选择性地或者合并执行傅立叶变换以及最优化处理。此外，关于MEM的详细情况记述在“科学計測のための波形デ-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”、南茂夫编著、CQ出版社、1992年8月1日第10版发行等，因此请参照此处。

而且，本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100如下地构成：除了根据如上所述的检测出的反射率光谱来通过分析计算出膜厚的方法之外，还能够执行根据从测量对象计算出的物理模型通过理论计算出的反射率光谱与实际地检测出的反射率光谱的偏差来探索性地计算测量对象的光学的特性值的所谓称为拟合的方法。

另外，针对如图4所示的SOI基板那样如与作为第二层的SiO₂层2的膜厚相比第一层的Si层1的膜厚大两位数以上那样的被测量物，在拟合法中有时也无法以足够的精度计算出各层的膜厚。

图9是表示针对SOI基板的反射率光谱的测量结果的图。图9表示第一层的Si层1的膜厚为100μm、作为第二层的SiO₂层2的膜厚在0.48~0.52μm的范围内每次以0.1μm变化的情况下的测量例。如图9所示可知：即使作为第二层的SiO₂层2的膜厚变化，测量出的反射率光谱也没有多大变化。即，在从这种被测量物测量出的反射率光谱中，第一层的Si层1的影响是主要的，因此意味着驾驶作为第二层的SiO₂层2的参数改变也无法充分拟合。

因此，本实施方式所涉及的膜厚测量装置100适当组合上述的傅立叶变换、最优化处理、拟合法中的一个或者多个而执行，使得能够针对如SOI基板等那样具有不同的多个层的被测量物独立地正确地分析各层的膜厚。以下，详细说明本实施方式所涉及的膜厚测量装置100中的膜厚计算处理。此外，这种膜厚计算处理通过数据处理部50(图1)来执行。

<数据处理部的结构>

图10是表示本发明的实施方式1所涉及的数据处理部50的概要的硬件结构的示意图。

参照图10，数据处理部50包含：CPU(Central ProcessingUnit：中央处理单元)200，其代表性地通过计算机来实现，执行包含操作系统(OS：Operating System)的各种程序；存储器部212，其暂时地存储CPU200所执行程序时所需的数据；以及硬盘部(HDD：Hard Disk Drive)210，其非易失性地存储由CPU200执行的程序。另外，硬盘部210中预先存储有用于实现如后所述的处理的程序，通过软盘驱动器(FDD)216或者CD-ROM驱动器214分别从软盘216a或者CD-ROM(Compact Disk-Read OnlyMemory：小型光盘只读存储器)214a等读取这种程序。

CPU 200经由键盘、鼠标等构成的输入部208接收来自用户等的指示、并且将通过执行程序来测量的测量结果等输出向显示器部204。各部分经由总线202相互连接。

<运算处理结构>

本发明的实施方式1所涉及的数据处理部50能够通过根据被测量物的各层的参数(材质、膜厚、膜厚范围、折射率、消光系数等)中的未知的值的种类、数量、以及分析精度等来执行恰当的处理模式，由此测量被测量物的膜厚。在以下的说明中，例如例示出如下情况：在如图4所示的SOI基板那样层叠的两层(还分别称为“第一层”以及“第二层”)的第一层以及第二层的折射率以及消光系数为已知的情况下，分别独立地计算出所层叠的两层的膜厚。此外，以下的说明是例示，不限于以下所示的处理模式，也可以是其它的处理模式。另外，也能够通过相同的过程分别独立地计算比所层叠的两层层叠更多的膜厚。

处理模式的一个例子

本处理模式是在第一层以及第二层的折射率、消光系数为已知的情况下能够执行的膜厚计算处理的一个例子。在该处理模式中各层的膜厚都通过拟合法来决定。此外，作为拟合法而代表性地例示出使用最小二乘法的情况。

图11是表示执行与本发明的实施方式1所涉及的处理模式有关的膜厚计算处理的控制结构的框图。图11所示的框图通过CPU 200将预先保存在硬盘部210等的程序读出到存储器部212等并执行而实现。

参照图11，数据处理部50(图1)将缓冲器部71、建模部721、以及拟合部722包含为其功能。

缓冲器部71暂时地保存从分光测量部40(图1)输出的实测出的反射率光谱R(λ)。更具体地说，从分光测量部40每隔规定的波长分辨率输出反射率的值，因此缓冲器部71将波长与该波长中的反射率对应起来保存。

建模部721接收被测量物所涉及的参数并根据该接收的参数来决定表示被测量物中的理论反射率的模型式(函数)，按照该所决定的函数计算出各波长中的理论反射率(光谱)。该计算出的各波长中的理论反射率向拟合部722进行输出。更具体地说，建模部721接收第一层的折射率n₁以及消光系数k₁、第二层的折射率n₂以及消光系数k₂、并且接收第一层的膜厚d₁的初始值以及第二层的膜厚d₂的初始值。此外，用户也可以输入各参数，但是也可以预先将标准的材质的参数保存为文件等并根据需要而读出。另外，根据需要还输入环境层的折射率n₀以及消光系数k₀。

关于表示理论反射率的模型式，与上述的三层的被测量物OBJ中的反射率R相同，成为至少包含各层的膜厚的值的函数。

另外，建模部721按照来自后述的拟合部722的参数更新指令，来更新表示理论反射率的函数，按照更新后的函数重复计算各波长中的理论反射率(光谱)。更具体地说，建模部721作为参数而依次更新第一层的膜厚d₁以及第二层的膜厚d₂。

拟合部722从缓冲器部71读出反射率光谱的实测值并针对各波长依次计算与从建模部721输出的反射率光谱的理论值之间的方差。并且，拟合部722根据各波长中的偏差计算出残差，判断该残差是否为规定的阈值以下。即，拟合部722判断在当前时刻的参数中是否收敛。

如果残差不是规定的阈值以下，则拟合部722向建模部721提供参数更新指令，等待到新输出反射率光谱的理论值为止。另一方面，如果残差是规定的阈值以下，则拟合部722将当前时刻的第一层的膜厚d₁以及第二层的膜厚d₂作为分析值而输出。

图12是表示与本发明的实施方式1所涉及的处理模式有关的膜厚计算处理的过程的流程图。

参照图12，首先用户将被测量物(样品)配置在载物台上(步骤S100)。接着，当用户提供测量准备指令时从观察用光源开始观察光的照射。用户一边参照显示在显示部的由观察用照相机拍摄的反射像一边向可动机构提供载物台位置指令，来进行测量范围的调整、对焦(步骤S102)。

当在测量范围的调整、对焦的完成后，用户提供测量开始指令时，从测量用光源10(图1)开始测量光的产生。分光测量部40接收来自被测量物的反射光并将基于该反射光的反射率光谱向数据处理部50进行输出(步骤S104)。接着，数据处理部50的CPU 200将由分光测量部40检测出的反射率光谱暂时地保存在存储器部212等(步骤S106)。之后，数据处理部50的CPU 200执行以下所示的膜厚计算处理。

CPU 200在显示器部204(图10)等上显示输入画面来促使用户输入参数(步骤S108)。用户从所显示的输入画面上等输入被测量物的第一层的折射率n₁以及消光系数k₁、被测量物的第二层的折射率n₂以及消光系数k₂、并且输入被测量物所涉及的第一层的膜厚d₁以及第二层的膜厚d₂的初始值(步骤S110)。

而且，CPU 200根据用户输入的参数来计算反射率光谱的理论值(步骤S112)。接着，CPU 200针对各波长依次计算保存在存储器部212等的反射率光谱的实测值与反射率光谱的理论值之间的方差，并计算两者之间的残差(步骤S114)。而且，CPU 200判断计算出的残差是否为规定的阈值以下(步骤S116)。

在计算出的残差不是规定的阈值以下的情况下(在步骤S116中为“否”的情况)，CPU200变更第一层的膜厚d₁以及第二层的膜厚d₂的当前值(步骤S118)。此外，将膜厚d₁以及d₂向哪个方向变更哪种程度是根据残差的产生程度来决定的。并且，处理返回到步骤S112。

与此相对，在计算出的残差为规定的阈值以下的情况下(在步骤S116中为“是”的情况)，CPU200将第一层的膜厚d₁以及第二层的膜厚d₂的当前值作为被测量物的各层的膜厚(分析值)而输出(步骤S120)。并且，处理结束。

此外，在图11所示的框图中例示出作为折射率n₁、n₂以及消光系数k₁、k₂而输入固定值的结构，但是也可以使用考虑了波长分散的折射率以及消光系数。例如，作为考虑了波长分散的折射率以及消光系数也可以使用如以下所示的柯西(Cauchy)模型的公式。

[数17]

$n\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{a}{{\mathrm{\&lambda;}}^4}+\frac{b}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}+c$

$k\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{d}{{\mathrm{\&lambda;}}^4}+\frac{e}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}+f$

其中，a、b、c、d、e、f是依赖于层的系数。

在使用这种公式的情况下，针对式中的各系数也预先输入初始值或者已知的值，针对这些系数也设为拟合对象。

或者也可以使用如以下所示的泽尔迈尔(Sellmeier)模型的公式。

[数18]

$n\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\sqrt{f+\frac{g{\mathrm{\&lambda;}}^2}{{\mathrm{\&lambda;}}^2-h}}$

其中，f、g、h是泽尔迈尔(Sellmeier)的系数，λ是波长。

<膜厚测量例>

接着，说明本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100的膜厚测量的一个例子。图13A~图13D是表示通过本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100获得的功率谱的一个例子的曲线。图13A~图13D所示的功率谱是使用膜厚测量装置100来测量被测量物的Si层的膜厚的一个例子，是被测量物中的光的斑点径为约9μm、测量时间为5m秒、WD1以5mm进行测量而获得的测量结果。图13A是测量出膜厚为728.4μm的Si层的功率谱，图13B是测量出膜厚为599.5μm的Si层的功率谱，图13C是测量出膜厚为450.0μm的Si层的功率谱，图13D是测量出膜厚为300.8μm的Si层的功率谱。图13A~图13D的横轴是膜厚(μm)，纵轴是光谱强度。图13A~图13D所示的光谱波峰的值是由膜厚测量装置100测量出的Si层的值。

使用膜厚测量装置100对图13A~图13D所示的膜厚的Si层分别重复测量15次的结果表示在下面。图14是表示通过本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100获得的测量结果的一个例子的表格。图14所示的表格表示对图13A~图13D所示的膜厚的Si层使用膜厚测量装置100分别重复测量15次的平均值、扩展不确定度(标准差STD×2.1)、相对扩展不确定度。

具体地说，对膜厚为728.4μm的Si层(图13A)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为728.12μm、扩展不确定度为0.50μm、相对扩展不确定度为0.07%。对膜厚为599.5μm的Si层(图13B)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为599.65μm、扩展不确定度为0.34μm、相对扩展不确定度为0.06%。

对膜厚为450.0μm的Si层(图13C)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为450.32μm、扩展不确定度为0.58μm、相对扩展不确定度为0.13%。对膜厚为300.8μm的Si层(图13D)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为300.17μm、扩展不确定度为0.58μm、相对扩展不确定度为0.19%。

根据上述的测量结果可知：膜厚测量装置100能够再现性好地以高精度测量Si层的膜厚。

<膜厚测量的稳定性>

接着，说明膜厚测量装置100能够通过设置聚光光学探头30来稳定地测量膜厚的情况。具体地说，说明相对于焦点位置的变化的测量的稳定性、相对于被测量物的倾斜的测量的稳定性。

图15是用于说明在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中聚光光学探头30的焦点位置的变化的概要图。图15所示的聚光光学探头30通过调整机构32使聚光透镜31在Z轴方向移动并使焦点位置在约±10mm的范围内变化。此外，膜厚测量装置100将被测量物设为Si层、焦点位置中的光的斑点径设为约27μm、测量时间设为10m秒、WD1设为150mm来进行测量。

图16A、图16B是表示在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中改变焦点位置的情况下的测量结果的一个例子的图。图16A、图16B所示的测量结果是对膜厚分别为728.4μm、599.5μm、450.0μm、300.8μm的Si层使焦点位置在约±10mm的范围内变化而重复测量15次的测量结果。

图16A是表示焦点位置的膜厚的差异(μm)的测量结果，是将横轴作为焦点位置(mm)、纵轴作为膜厚的差异(μm)而绘出的曲线。从图16A可知：膜厚测量装置100中，即使焦点位置在约±10mm的范围内变化，膜厚的差异(μm)也成为约±0.40μm以内。

图16B是表示焦点位置的膜厚的差异(%)的测量结果，是将横轴作为焦点位置(mm)、纵轴作为膜厚的差异(%)而绘出的曲线。从图16A可知：膜厚测量装置100中，即使焦点位置在约±10mm的范围内变化，膜厚的差异(%)也成为约±0.10%以内。

如上所述，膜厚测量装置100中，即使焦点位置在约±10mm的范围内变化，也能够使膜厚的差异(μm)在约±0.40μm以内、膜厚的差异(%)在约±0.10%以内进行膜厚测量，因此能够相对于焦点位置的变化而稳定地进行测量。

图17是用于说明在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中被测量物的倾斜的概要图。图17所示的被测量物的倾斜是移动聚光光学探头30或/和被测量物而相对于被测量物在约±2.5度的范围内变化。此外，膜厚测量装置100将被测量物设为Si层、焦点位置中的光的斑点径设为约27μm、测量时间设为10m秒、WD1设为150mm来进行测量。

图18A、图18B是表示在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中改变被测量物的倾斜的情况下的测量结果的一个例子的图。图18A、图18B所示的测量结果是对膜厚分别为728.4μm、599.5μm、450.0μm、300.8μm的Si层使被测量物的倾斜在约±2.5度的范围内变化而重复测量15次的测量结果。

图18A是表示被测量物的倾斜的膜厚的差异(μm)的测量结果，是将横轴作为被测量物的倾斜(度)、纵轴作为膜厚的差异(μm)而绘出的曲线。从图18A可知：膜厚测量装置100中，即使被测量物的倾斜在约±2.5度的范围变化，膜厚的差异(μm)也落入约+0.2μm~约-1.00μm的范围内。特别是，在被测量物的倾斜为约±2.0度的范围的情况下，膜厚的差异(μm)落入约+0.2μm~约-0.6μm的范围内。

图18B是表示焦点位置的膜厚的差异(%)的测量结果，是将横轴作为被测量物的倾斜(度)、纵轴作为膜厚的差异(%)而绘出的曲线。从图18A可知：膜厚测量装置100中，即使被测量物的倾斜在约±2.5度的范围内变化，膜厚的差异(%)也落入约+0.05%~约-0.35%的范围内。特别是，在被测量物的倾斜为约±2.0度的范围的情况下，膜厚的差异(%)落入约+0.05%~约-0.1%的范围内。

如上所述，膜厚测量装置100中，即使被测量物的倾斜在约±2.5度的范围内变化，也能够在膜厚的差异(μm)为约+0.2μm~约-1.00μm的范围内、膜厚的差异(%)为约+0.05%~约-0.35%的范围内进行膜厚测量，因此能够相对于被测量物的倾斜的变化而稳定地进行测量。

<隔着聚氨酯的测量例>

本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100具备有聚光光学探头30，因此能够将测量光的焦点聚焦于被测量物的膜，因此即使在被测量物的膜上有聚氨酯等也能够测量被测量物的膜厚。

图19是表示在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中，隔着聚氨酯来测量被测量物的一个例子的概要图。图19所示的聚光光学探头30固定在离被测量物有150mm的位置，隔着水膜191以及聚氨酯192向被测量物照射测量光并接收反射的光。

图20A~图20D是表示通过本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100，隔着水膜191以及聚氨酯192测量而获得的功率谱的一个例子的曲线。图20A~图20D所示的功率谱是使用膜厚测量装置100隔着水膜191以及聚氨酯192来测量被测量物的Si层的膜厚的测量结果的一个例子。图20A是测量出膜厚为728.4μm的Si层的功率谱，图20B是测量出膜厚为599.5μm的Si层的功率谱，图20C是测量出膜厚为450.0μm的Si层的功率谱，图20D是测量出膜厚为300.8μm的Si层的功率谱。图20A~图20D的横轴是膜厚(μm)，纵轴是光谱强度。图20A~图20D所示的光谱波峰的值是由膜厚测量装置100测量出的Si层的值。此外，位于600μm的膜厚附近的光谱波峰是聚氨酯192的光谱波峰。

使用膜厚测量装置100对图20A~图20D所示的膜厚的Si层分别重复测量15次的结果表示在下面。图21是表示通过本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100隔着水膜191以及聚氨酯192测量而获得的测量结果的一个例子的表格。图21所示的表格表示对图20A~图20D所示的膜厚的Si层使用膜厚测量装置100分别重复测量15次的平均值、扩展不确定度(标准差STD×2.1)、相对扩展不确定度。

具体地说，对膜厚为728.4μm的Si层(图20A)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为713.49μm、扩展不确定度为0.23μm、相对扩展不确定度为0.03%。对膜厚为599.5μm的Si层(图20B)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为590.65μm、扩展不确定度为1.03μm、相对扩展不确定度为0.17%。

对膜厚为450.0μm的Si层(图20C)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为443.85μm、扩展不确定度为0.10μm、相对扩展不确定度为0.02%。对膜厚为300.8μm的Si层(图20D)使用膜厚测量装置100来重复测量15次的结果是平均值为295.10μm、扩展不确定度为0.03μm、相对扩展不确定度为0.01%。

根据上述的测量结果可知：膜厚测量装置100中，即使隔着水膜191以及聚氨酯192，也能够再现性好(相对扩展不确定度为±0.2%以下)地以高精度来测量S i层的膜厚。

此外，膜厚测量装置100不仅能够只隔着水膜191以及聚氨酯192而测量被测量物的膜厚，而且也能够隔着玻璃、塑料等测量被测量物的膜厚。图22是表示在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中，隔着玻璃测量被测量物的一个例子的概要图。图22所示的聚光光学探头30固定在离被测量物150mm的位置，隔着玻璃193向被测量物照射测量光并接收反射的光。此外，图22所示的被测量物用塑料194覆盖了表面。

这样，膜厚测量装置100能够隔着玻璃193测量被测量物的膜厚，因此例如能够从蒸镀仓等的窗的外侧测量被测量物的膜厚。

<光源>

说明了膜厚测量装置100中光源使用能够照射非相干(非可干涉性)光的ASE光源的结构。但是，如上所述，膜厚测量装置100中不限于ASE光源，光源也可以使用能够照射相干(可干涉性)光的SLD光源。此外，膜厚测量装置100中使用分光干涉方式的测量方法，因此SLD光源所具有的相干性在光纤的弯曲或者与分光测量部40的连接部分等中确认原来应该测量出的分光干涉以外的疑似干涉的情况多。

图23A、图23B是表示在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中由ASE光源以及SLD光源测量而获得的功率谱的一个例子的曲线。图23A、图23B的横轴是膜厚(μm)，纵轴是光谱强度。

图23A是使用ASE光源来测量被测量物的Si层的膜厚的功率谱。在图23A所示的光谱波峰中图示了膜厚为728.4μm的Si层的光谱波峰、膜厚为599.5μm的Si层的光谱波峰、膜厚为450.0μm的Si层的光谱波峰、膜厚为300.8μm的Si层的光谱波峰。

图23B是使用SLD光源来测量被测量物的Si层的膜厚的功率谱。在图23B所示的光谱波峰中出现膜厚为728.4μm的Si层的光谱波峰、膜厚为599.5μm的Si层的光谱波峰、膜厚为450.0μm的Si层的光谱波峰、膜厚为300.8μm的Si层的光谱波峰。而且，在图23B所示的光谱波峰中在膜厚为70μm的附近出现伪波峰。该伪波峰是由于SLD光源所具有的相干性而在光纤的弯曲或者与分光测量部40的连接部分等中由原来应该测量出的分光干涉以外的疑似干涉产生的光谱波峰。

因此，膜厚测量装置100为了不受伪波峰的影响而希望使用ASE光源。

如以上那样，在本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100中，从测量用光源10照射的测量光引导到被测量物的光路的光纤20(第一光路)以及将由被测量物反射的光引导到分光测量部40的光路的光纤20(第二光路)是以在被测量物侧的光轴方向相互平行的方式形成的Y型光纤。并且，将从测量用光源10射出的测量光聚光到被测量物的聚光透镜31以及将由被测量物反射的光进行聚光的聚光透镜31是由一个透镜构成的聚光光学探头30。因此，本发明的实施方式1所涉及的膜厚测量装置100使聚光光学探头30的尺寸变得小型，并且不依赖于与被测量物的距离，而能够以更高的精度来测量被测量物的膜厚。

(实施方式2)

图1所示的聚光光学探头30是由一个聚光透镜31来构成将从该光纤20发射的测量光聚光到被测量物的聚光透镜以及将由被测量物反射的光聚光到光纤20的端部的聚光透镜。

但是，本发明所涉及的聚光光学探头30不限于该结构，例如也可以分别由各自的聚光透镜来构成将从该光纤20发射的测量光聚光到被测量物的聚光透镜、以及将由被测量物反射的光聚光到光纤20的端部的聚光透镜。

图24A、图24B是用于说明本发明的实施方式2所涉及的聚光光学探头30的结构的概要图。此外，本发明的实施方式2所涉及的膜厚测量装置除了光纤20以及聚光光学探头30的结构以外与图1所示的膜厚测量装置100的结构相同，因此关于相同的结构要素附加相同的标记而不重复详细的说明。

图24A图示了不设置聚光光学探头30而从光纤20将测量光直接照射在被测量物的情况。从图24A可知：从光纤20发射的光根据光纤20的开口角度进行扩散并由被测量物进行反射而进一步扩散。因此，在图24A的情况下，由被测量物反射的光的范围301中能够由光纤20接收的光的范围302变小。

图24B图示了设置聚光光学探头30而从光纤20将测量光进行聚光而照射在被测量物的情况。这里，光纤20不是Y型光纤，以在被测量物侧的光轴方向相互交差的方式配置两根单模光纤。从图24B可知，从一个光纤20发射的光能够通过聚光透镜31c来抑制扩散。由聚光透镜31d进行聚光的光由被测量物进行反射而再次扩散，但是由聚光透镜31d聚光到光纤20的端部。

因此，在图24B的情况下，照射在被测量物的光的范围305中能够由光纤20接收的光的范围306变大。由此，膜厚测量装置100通过具备两个聚光透镜31c、31d能够高效地接收由被测量物反射的光，因此S/N比得到改善，分光测量部40的测量精度变高。

另外，光纤20以在被测量物中光轴方向相互交差的方式配置两根单模光纤，因此聚光透镜31c、31d的调整机构只要能够在Z轴方向(光轴方向)移动即可，也可以不能在XY轴方向(相对于光轴垂直的方向)移动。而且，聚光透镜31c、31d的调整机构能够分别而独立对聚光透镜31c、31d进行单独调整，因此能够分别而独立地对从光纤20发射的测量光和由被测量物反射的光进行单独调整。

但是，本发明的实施方式2所涉及的聚光光学探头30具备两个聚光透镜31c、31d，因此与图1所示的聚光光学探头30相比尺寸变大。

如以上那样，本发明的实施方式2所涉及的膜厚测量装置100具有：聚光透镜31c，其将从光纤20(第一光路：将从测量用光源10照射的测量光引导到被测量物的光路)射出的测量光聚光到被测量物；以及聚光透镜31d，其将由被测量物反射的光聚光到光纤20(第二光路：将由被测量物反射的光引导到分光测量部40的光路)的端部。因此，本发明的实施方式2所涉及的膜厚测量装置100能够不依赖于与被测量物的距离而以更高的精度来测量被测量物的膜厚。

(实施方式3)

图1所示的聚光光学探头30是具备一根向被测量物发射测量光的光纤20、以及一根接收由被测量物反射的光的光纤20的结构。

但是，本发明所涉及的聚光光学探头30不限于该结构，例如也可以是具备多根向被测量物发射测量光的光纤20、以及一根接收由被测量物反射的光的光纤20的结构。

图25是用于说明本发明的实施方式3所涉及的聚光光学探头30的结构的概要图。此外，本发明的实施方式3所涉及的膜厚测量装置除了光纤20以及聚光光学探头30的结构以外与图1所示的膜厚测量装置100的结构相同，因此对于相同的结构要素附加相同的标记而不重复详细的说明。

在图25中，图示了与被测量物相对置的聚光光学探头30的一面。图25所示的聚光光学探头30在中心配置有一根接收由被测量物反射的光的光纤20a，在其周围配置有四根向被测量物发射测量光的光纤20b。

如图3B所示，从光纤20发射的光通过聚光透镜31进行聚光而照射被测量物，照射在被测量物的光由被测量物进行反射并再次通过聚光透镜31进行聚光而被光纤20接收。并且，膜厚测量装置100调整被测量物的倾斜、聚光透镜31的位置使得照射在被测量物的光的范围303中能够由光纤20接收的光的范围304变大。

但是，被测量物的倾斜、聚光透镜31的位置能够进行调整的范围受到限制。因此，本发明的实施方式3所涉及的聚光光学探头30将向被测量物照射测量光的光纤20b配置在接收由被测量物反射的光的光纤20a的周围使得从任何一根光纤20b发射的测量光被光纤20a接收。

即，在即使调整测量物的倾斜、聚光透镜31的位置时光纤20a也没有成功接收从某一根光纤20b射出的测量光的情况下，光纤20a也能够成功接收从其它一根光纤20b射出的测量光。

如以上那样，本发明的实施方式3所涉及的聚光光学探头30通过在光纤20的被测量物侧中在光纤20a的周围配置多个光纤20b，能够高效地由光纤20a接收从光源照射在被测量物的测量光。

此外，图25所示的聚光光学探头30是在中心配置一根接收由被测量物反射的光的光纤20a，在其周围配置四根向被测量物照射测量光的光纤20b的结构，但是本发明所涉及的聚光光学探头30不限于此。例如，聚光光学探头30也可以是在中心配置两根接收由被测量物反射的光的光纤20a，在其周围配置八根向被测量物照射测量光的光纤20b的结构。而且，聚光光学探头30也可以是在中心配置一根向被测量物发射测量光的光纤20b，在其周围配置四根接收由被测量物反射的光的光纤20a的结构。

通过详细说明而表示了该发明，但是这只是用于例示，并非用来限定，应清楚地理解发明的范围通过权利要求书来进行解释。

Claims (6)

1.一种膜厚测量装置，其具备：

光源(10)，其向在基板上至少形成一层膜而得到的被测量物照射具有规定的波长范围的测量光；

至少一个第一光路，其将从上述光源(10)照射的上述测量光引导到上述被测量物；

第一聚光透镜(31)，其将从上述第一光路射出的上述测量光聚光到上述被测量物；

分光测量部(40)，其根据由上述第一聚光透镜聚光的上述测量光中的由上述被测量物反射的光或者透过上述被测量物的光来获取反射率或者透射率的波长分布特性；

至少一个第二光路，其将由上述被测量物反射的光或者透过上述被测量物的光引导到上述分光测量部(40)；

第二聚光透镜，其将由上述被测量物反射的光或者透过上述被测量物的光聚光到上述第二光路的端部；以及

数据处理部(50)，其通过分析由上述分光测量部(40)获取的上述波长分布特性，来求出上述被测量物的膜厚。

2.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，

上述第一光路以及上述第二光路是单模光纤(20)。

3.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，

上述第一光路和上述第二光路是以在上述被测量物侧的光轴方向相互平行的方式来形成的Y型光纤(20)，

上述第一聚光透镜以及上述第二聚光透镜是由一个透镜(31)构成的聚光光学探头(30)。

4.根据权利要求3所述的膜厚测量装置，其特征在于，

上述Y型光纤(20)构成为：在上述被测量物侧，多个上述第一光路配置在上述第二光路的周围。

5.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，

上述光源(10)将非相干光作为上述测量光来进行照射。

6.根据权利要求1所述的膜厚测量装置，其特征在于，

上述分光测量部(40)能够在红外频带的波长范围内获取反射率或者透射率的上述波长分布特性。

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