JP2007183143A - 光学式膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の膜に送光部から測定光を送光すると共に，その反射光を受光部で受光して，反射光の強度スペクトルを検出し，その極大と極小から膜厚を測定する光学式膜厚測定方法においては，測定可能範囲内に極大又は極小のいずれもが位置していないと測定が良好に行えない。
【解決手段】そこで本発明では，上記膜厚測定装置において，送光部６は，測定対象の膜９に対する光の入射角度θを可変に構成すると共に，受光部８の受光角度を上記入射角度の変化に連動して可変に構成した光学式膜厚測定装置を提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学式膜厚測定装置に関するものである。尚，本発明において，膜厚測定とは，絶対膜厚の測定の他，その変化量の測定を含むものである。

膜厚の測定において従来から行われている方法の一つとして，測定対象の膜に送光部から光を送光すると共にその反射光を受光部で受光して，反射光強度を検出可能とした装置を用い，膜表面で反射した反射光と，膜裏面で反射する反射光との干渉により生ずる，光の波長に依存した反射光の強度分布，即ち強度スペクトルから膜厚を測定する光学式膜厚測定方法がある。

そして，この方法では，膜表面で反射した反射光と，膜裏面で反射する反射光の光路差が，光の半波長の偶数倍の場合に最も強め合って強度が極大（ピーク）となり，また光の半波長の奇数倍の場合には最も弱め合って強度が極小（バレー）となることを利用し，強度が極大及び極小となる波長から膜厚を算出する手法，いわゆるピーク・バレー法が広く用いられている。

即ち，屈折率ｎ，膜厚ｄの膜に対して，空気中から光を送光し，反射光を検出する場合を考えると，極大となる波長λmax，極小となる波長λminは次式のように表すことができる。尚，ｍは次数である。
λmax＝４ｎｄ／２ｍ （１）
λmin＝４ｎｄ／（２ｍ＋１） （２）
これらから次数ｍを消去すると，次式が導かれる。
ｎｄ＝λmax・λmin／４（λmax−λmin） （３）
従って（３）式に示されるように，屈折率ｎが既知の場合には，強度スペクトルの極大となる波長λmaxと極小となる波長λminとから，膜厚ｄが求められることが分かる。

上述したような光学式膜厚測定方法を適用した従来技術としては，例えば特許文献１，２に示されるものがある。

まず，特許文献１には，波長を連続的に変化させながら，測定対象の膜に，ある入射角で単色光を送光させて，膜表面の反射光と膜裏面の反射光との干渉を生じさせ，その干渉光の複数個の極大となる波長から膜厚を計算する膜厚測定装置が記載されている。

そして特許文献１に記載の膜厚測定装置では，強度スペクトルが極大及び極小となる位置を自動的に検出して，それを表示する手段と，自動検出された極大及び極小位置の適否を判断する判定手段と，判定手段により，極大または極小位置が不適当であると判定された場合に，人為的に，極大及び極小位置を修正する修正手段と，修正後の極大及び極小位置に基づいて，より正確な膜厚を算出する算出手段を設けている。

また，特許文献２には，測定対象の膜に白色光を送光すると共に，その反射光を回折格子やプリズム等で構成される分光器を介して検出し，その強度スペクトルから膜厚を求める測定装置や，波長帯域の異なる複数の光を測定対象の膜に送光して，それらの複数の光の反射光から膜厚を求める測定装置が記載されている。
特開平５−２３１８２３号公報 特開平１１−１５３４１６号公報

上述したような膜厚測定装置においては，装置の構成上，反射光強度を検出可能な波長は，ある範囲内に設定されており，この波長の範囲が，測定可能範囲となる。このため，この測定可能範囲内に上記極大又は極小となる位置が存在しないと，それらを検出することが出来ないので，上述した測定ができない。

このように測定可能範囲内に上記極大及び極小となる位置が存在しない場合において，その位置を測定可能範囲内に移動することは，従来行われていない。即ち，特許文献１に記載の装置では，測定可能範囲内に表示されている強度スペクトルにおいて，自動検出された極大又は極小位置を手動で修正するというものであり，強度スペクトルの移動により極大又は極小位置を移動させることは全く想定されていない。

本発明は以上の課題を解決することを目的とするものである。

即ち，上述した課題を解決するために，本発明では，測定対象の膜に送光部から測定光を送光すると共に，その反射光を受光部で受光して，反射光の強度スペクトルを検出可能とした膜厚測定装置において，送光部は，測定対象の膜に対する光の入射角度を可変に構成すると共に，受光部の受光角度を上記入射角度の変化に連動して可変に構成した光学式膜厚測定装置を提案するものである。

また本発明では，上記構成において，送光部に測定光を供給する光源と，受光部からの反射光強度を検出する検出器と，検出器からのデータにより強度スペクトルを求める処理装置とを備えたの光学式膜厚測定装置を提案する。

そして本発明では，上記構成において，光源は，多波長の光源とすると共に，検出器に分光器を設けた構成としたり，又は光源は，波長可変の光源とすることを提案する。

また本発明では，以上の構成において，送光部と受光部を，共通の回転軸の回りに回動可能に突設した夫々の支持体に設置すると共に，支持体を連動して回動させる連動操作機構を構成することを提案する。

そして本発明では，前項の構成において，連動操作機構は，夫々の支持体の対向側に形成した案内部材と，夫々の案内部材を当接させるテーパ部を形成した移動カムとから構成することを提案する。

上記（１），（２）式から分かるように，膜表面で反射した反射光と，膜裏面で反射する反射光との干渉により生ずる強度スペクトルは，膜厚が厚くなると膜裏面で反射する反射光の光路が長くなるため波長が長い方向に移動し，逆に膜厚が薄くなると波長が短い方向に移動する。

また，膜厚が変化しない場合においても，膜に対する測定光の入射角度が大きくなると膜裏面で反射する反射光の光路が長くなるため，強度スペクトルは波長が長い方向に平行移動し，逆に膜厚が薄くなると波長が短い方向に平行移動する。

従って，膜厚測定において，測定可能範囲内に強度が極大又は極小となる位置が存在せず，それらを検出器を介して処理装置が検出できない場合には，送光部により，測定対象の膜に対する光の入射角度を変化させると共に，受光部の受光角度を，上記入射角度の変化に連動して変化させれば，強度スペクトルを波長が長い方向又は短い方向に平行移動させることができ，こうして上記極大又は極小となる位置を測定可能範囲内にもたらすことができ，こうして，絶対膜厚の測定や膜厚の変化量の測定を良好に行うことができる。

尚，本発明において，膜厚の変化は，吸着を利用した有機物質測定等における測定対象の膜の同一位置における膜厚の変化の他，測定対象の膜を移動させながら測定する場合等における異なった位置の膜厚の変化を含むものである。

次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１，図２は本発明に係る光学式膜厚測定装置の全体構成及び動作を概念的に示す模式図である。
符号１は光学式膜厚測定装置の本体であり，この本体１には，光源２と検出器３と処理装置４を設けている。そして光源２からの測定光は光ファイバ等の伝送経路５を介して送光部６に供給する構成としている。また検出器３には，光ファイバ等の伝送経路７を介して受光部８が接続されている。また符号９は測定対象の膜であり，１０は基板である。

ここで，光源２としては，スペクトルを測定可能とする構成であれば，上述したように白色光源のような多波長の光源としたり，少数の複数波長の光源としたり，波長可変の光源とすることができる。

そして，光源２として多波長又は複数波長の光源を用いた場合には，検出器３に適宜構成の分光器を設けることにより強度スペクトルを求めることができ，また波長可変の光源を用いた場合には，光源２における波長の情報を処理装置４に入力する構成として，検出器３のデータと，波長の情報とから強度スペクトルを求めることができる。

ここで，送光部６は，測定対象の膜９に対する光の入射角度θ（θ₁，θ₂）を可変に構成すると共に，受光部８の受光角度を上記入射角度θの変化に連動して可変に構成している。

図３〜図５は送光部６と受光部８の連動操作機構の一例を示すものであり，図３，図４は模式的正面図，図５は模式的平面図である。
符号１１ａ，１１ｂは，夫々上記送光部６，受光部８を支持した支持体であり，これらの支持体１１ａ，１１ｂは，それらの下側を共通の回転軸１２の回りに回動可能に支持している。またこれらの支持体１１ａ，１１ｂの上側には球体１３ａ，１３ｂを支持した案内部材１４ａ，１４ｂを設けている。一方，支持体１１ａ，１１ｂの案内部材１４ａ，１４ｂに対応して，移動カム１５が適宜の支持駆動機構（図示省略）により，図５の上下方向に移動可能に支持されており，この移動カム１５には図中の左右側にテーパ面１６ａ，１６ｂが設けられており，前側には細幅部１７，後側には太幅部１８が形成されている。また図示は省略しているが，支持体１１ａ，１１ｂは，案内部材１４ａ，１４ｂの球体１３ａ，１３ｂが移動カム１５のテーパ面１６ａ，１６ｂ，細幅部１７及び太幅部１８に圧接する方向にばねにより付勢されている。

以上の構成において，図３及び図５の実線に示すように，案内部材１４ａ，１４ｂの球体１３ａ，１３ｂが移動カム１５の細幅部１７に圧接している状態では，送光部６と受光部８は，それらの成す角度が最も小さい角度θminに維持される。

この状態から移動カム１５を図中２点鎖線に示すように前方に移動すると，テーパ面１６ａ，１６ｂによって案内部材１４ａ，１４ｂの球体１３ａ，１３ｂが押されるため，支持体１１ａ，１１ｂは夫々背向方向に回転軸１２の回りに回動し，従って送光部６と受光部８の成す角度は次第に大きくなり，移動カム１５が停止した位置に対応するテーパ面１６ａ，１６ｂの幅に応じて，安定的に支持される。

逆に，移動カム１５を，図中２点鎖線の状態から後方に移動すると，テーパ面１６ａ，１６ｂの幅が次第に狭くなるため，案内部材１４ａ，１４ｂの球体１３ａ，１３ｂがテーパ面１６ａ，１６ｂに当接しながら，支持体１１ａ，１１ｂが対向方向に回転軸１２の回りに回動し，従って送光部６と受光部８の成す角度は次第に小さくなって，移動カム１５が停止した位置に対応するテーパ面１６ａ，１６ｂの幅に応じて，安定的に支持される。

移動カム１５を最も前方に移動させた状態，即ち図５中の一点鎖線の状態においては，案内部材１４ａ，１４ｂの球体１３ａ，１３ｂは，移動カム１５の太幅部１８に圧接した状態となり，従って送光部６と受光部８は，それらの成す角度が最も大きい角度θmaxに維持される。

以上の実施例における角度は，θmax＝90°，θmin＝30°であり，即ち，送光部６と受光部８の成す角度は，30〜90°の範囲で調節が可能であるが，これらの角度の範囲は，その他の適宜の範囲に設定することができる。

次に本発明の膜厚測定装置により，測定対象の膜９の膜厚の変化量を測定する動作を，波長を横軸，反射光の強度を縦軸として強度スペクトルを示す図６〜図９を参照して説明する。尚，図６〜図９においては，強度が極大又は極小となる強度スペクトル上の位置に便宜的に黒点を付している。

まず図６は，図１に示すように，膜９に対する光の入射角度がθ₁となるように送光部６及び受光部８を支持した状態において，送光部６から測定光を送光して，膜表面ｆで反射した反射光と，膜裏面ｂで反射した反射光との干渉により生じた強度スペクトルを測定した状態を示すもので，図中の矩形枠１９は，この実施例の膜厚測定装置における測定可能範囲を示すものである。

即ち，図中の曲線Ｓ₁が測定時点の強度スペクトルを示すもので，曲線Ｓ₁の実線部分が測定した強度スペクトルであり，破線部分は測定可能範囲がより広い場合に測定される強度スペクトルを示すものである。
図に示すように，この強度スペクトルの極値は，測定可能範囲において極小ｖのみ存在し，極大ｐは測定可能範囲外に位置している。

ここで，図１の測定状態において，測定対象の膜９の膜厚が厚くなると，上述した膜裏面で反射する反射光の光路が長くなるため，強度スペクトルは，曲線Ｓ₂に示すように，図中右方向，即ち波長が長くなる方向に移動し，逆に膜９の膜厚が薄くなると，上述した光路が短くなるため，強度スペクトルは，曲線Ｓ₃に示すように，図中左方向，即ち波長が短くなる方向に移動する。

従って，このような強度スペクトルの変化を測定することにより，膜９の膜厚の変化量を測定することができる。

ところで強度スペクトルの変化を測定する方法としては，着目した波長における強度の変化を測定する方法と，強度が極大又は極小となる波長の変化を測定する方法とが考えられる。

しかしながら前者の方法では，例えば図６中の波長λtを着目波長として，その強度の変化を測定する場合，極大又は極小，この場合，極小ｖを境界として，その左右側に同一強度が存在するので，強度が極小ｖに至った後に大きくなった場合には，それが強度スペクトルにおいて，極小ｖの左右側のいずれの側に対応するのか不明となってしまう。即ち，極小ｖを経過した後は，膜厚が厚くなっているのか，薄くなっているのかを判定することが出来なくなってしまう。

以上の観点から，強度の変化の測定は，後者の方法，即ち，強度が極大又は極小となる波長の変化を測定する方法を採用するのが好ましい。

しかしながら，後者の方法を採用する場合においても，測定可能範囲に強度スペクトルの極大又は極小のいずれかのみが存在する場合，例えば図６に示すように測定可能範囲に極小ｖのみ存在する場合，膜厚の変化量の測定可能範囲は，厚さが薄くなる方向には範囲Ｗ₁と比較的広いのであるが，厚さが厚くなる方向には範囲Ｗ₂と狭い。

例えば吸着による有機物質測定においては，有機物質が次第に吸着されることにより，その薄膜の膜厚は厚くなる方向に進行するため，厚さが厚くなる方向への測定可能範囲が狭いと，変化量の十分な測定が行えない。

そこで，このような場合，本発明の光学式膜厚測定装置では，処理装置４等を制御手段として用いて，上記したような連動操作機構を動作させ，送光部６からの測定光の，膜９への入射角度を調節する。即ち，この例では，連動操作機構を動作させて，膜９への測定光の入射角度を，図２に示す入射角度θ₂まで大きくすると，膜裏面ｂで反射する反射光の光路が長くなるので，強度スペクトルは波長が長い方向に平行移動し，図５においては測定可能範囲１９外に位置するために測定不可能であった極大ｐが測定可能範囲１９内に移行する。

従って，この状態では，図７に示すように，極大ｐと極小ｖのいずれもが測定可能範囲１９内に位置するので，膜厚の変化量の測定可能範囲は，厚さが薄くなる方向にも，厚くなる方向にも，夫々範囲Ｗ₁，Ｗ₂と広くすることができる。

以上に説明した連動操作機構の動作は，処理装置４において，強度スペクトルの極大ｐ又は極小ｖを，適宜の手法によりデータから求めて，それらを監視しながら行うことにより，これらの極大ｐ又は極小ｖあるいは両方を，測定可能範囲１９の最適位置に移行させることができる。

尚，この実施例では，入射角度を調節する前の図６において，極大ｐ又は極小ｖのいずれか，即ち，極小ｖが測定可能範囲１９に入っているが，本発明では，例えば図８に示すように，極大ｐ及び極小ｖのいずれもが測定可能範囲１９に入っていない場合にも適用することができる。即ち，図８の状態において連動操作機構を動作させて，強度スペクトルを，例えば図９に示す状態に移行することにより，極大ｐの波長の変化により膜９の膜厚の変化量，この場合は，特に増加量を測定することができる。

以上，本発明の光学式膜厚測定装置により，膜厚の変化量を測定する動作を説明したが，本発明の膜厚測定装置は，上述したピーク・バレー法等を利用して絶対膜厚を測定することもできることは勿論である。

本発明は以上のとおりであるので，以下に示すような特徴を有し，産業上の利用可能性が大である。
１．膜厚測定において，測定範囲内に極大及び極小位置が存在せず，それらを検出器が検出できない場合には，送光部により，測定対象の膜に対する光の入射角度を変化させると共に受光部の受光角度を，上記入射角度の変化に連動して変化させれば，強度スペクトルを波長が長い方向又は短い方向に平行移動させることができ，こうして上記極大又は極小位置を測定範囲内にもたらすことができ，こうして，絶対膜厚の測定や膜厚の変化量の測定を良好に行うことができる。
２．本発明の光学式膜厚測定装置を，例えば，吸着を利用した有機物質測定において，吸着された有機物質による薄膜の厚さを測定する場合のように，厚さの変化が一方向にのみ進行する場合には，極大又は極小による波長の変化の測定開始点を測定可能範囲の短波長側の端部に移行させることにより，測定範囲を大きくすることができる。

は本発明に係る光学式膜厚測定装置の全体構成及び動作を概念的に示す模式図である。 は本発明に係る光学式膜厚測定装置の全体構成及び動作を他の局面において概念的に示す模式図である。 送光部と受光部の連動動作機構の一例を示す模式的正面図である。 送光部と受光部の連動動作機構の一例を示す，他の局面の模式的正面図である。 送光部と受光部の連動動作機構の一例を示す，模式的平面図である。 測定した強度スペクトルの一例を示す模式図である。 図６の状態よりも入射角度を大きくして測定した強度スペクトルの一例を示す模式図である。 測定した強度スペクトルの他例を示す模式図である。 図６の状態よりも入射角度を大きくして測定した強度スペクトルの一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 光学式膜厚測定装置の本体
２ 光源
３ 検出器
４ 処理装置
５，７ 伝送経路
６ 送光部
８ 受光部
９ 測定対象の膜
１０ 基板
１１ａ，１１ｂ 支持体
１２ 回転軸
１３ａ，１３ｂ 球体
１４ａ，１４ｂ 案内部材
１５ 移動カム
１６ａ，１６ｂ テーパ面
１７ 細幅部
１８ 太幅部
１９ 測定可能範囲

Claims (6)

1. 測定対象の膜に送光部から測定光を送光すると共に，その反射光を受光部で受光して，反射光の強度スペクトルを検出可能とした膜厚測定装置において，送光部は，測定対象の膜に対する光の入射角度を可変に構成すると共に，受光部の受光角度を上記入射角度の変化に連動して可変に構成したことを特徴とする光学式膜厚測定装置
2. 送光部に測定光を供給する光源と，受光部からの反射光強度を検出する検出器と，検出器からのデータにより強度スペクトルを求める処理装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学式膜厚測定装置
3. 光源は，多波長の光源とすると共に，検出器に分光器を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光学式膜厚測定装置
4. 光源は，波長可変の光源としたことを特徴とする請求項２に記載の光学式膜厚測定装置
5. 送光部と受光部を，共通の回転軸の回りに回動可能に突設した夫々の支持体に設置すると共に，支持体を連動して回動させる連動操作機構を構成したことを特徴とする請求項１〜４までのいずれか１項に記載の光学式膜厚測定装置
6. 連動操作機構は，夫々の支持体の対向側に形成した案内部材と，夫々の案内部材を当接させるテーパ部を形成した移動カムとから構成したことを特徴とする請求項５に記載の光学式膜厚測定装置
   

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