JP2007298314A - Method for measuring nondestructive film thickness, and device - Google Patents

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哲 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To nondestructively measure a thickness of an ultrathin film residue of the next-generation semiconductor nanoimprint by utilizing near-field photons. <P>SOLUTION: A measurement object 10 is irradiated with light by a light source 16, and a near-field light probe 15 makes an approach to a surface of the measurement object 10 to measure the air gap value between the measurement object 10 and the probe 15. A near-field photon field is generated by the presence of the measurement object in a near-field photon localized area formed at the tip of the probe 15, near-field photon response light that is a propagating light according to the near-field photon field is radiated, and the near-field photon response light is measured by a light-receiving part 17. A PC 21 acquires film thickness information of the measurement object, on the basis of the intensity of the measured near-field photon response light and the measured air gap value. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、非破壊膜厚計測方法及び装置に係り、特に、近接場フォトンを利用した非破壊膜厚計測方法及び装置に関する。   The present invention relates to a nondestructive film thickness measuring method and apparatus, and more particularly to a nondestructive film thickness measuring method and apparatus using near-field photons.

ナノインプリント技術は、真空プロセスなど大がかりな装置を要さずに低コストでの大量生産が可能であるため、次世代半導体プロセスにおいて、従来の光リソグラフィに替わる高精度二次元微細パターン形成技術としての適用が期待されている。経済産業省策定の技術戦略ロードマップによると、ナノインプリント技術の半導体プロセスへの適用目標年として、2013年(32nmテクノロジーノード)が掲げられており、ナノインプリント技術の半導体プロセスへの適用は、次世代半導体業界における具体的な産業ニーズの一つとして位置づけられている。   Nanoimprint technology can be mass-produced at low cost without the need for large-scale equipment such as a vacuum process, so it can be applied as a high-precision two-dimensional fine pattern formation technology that replaces conventional optical lithography in next-generation semiconductor processes. Is expected. According to the technology strategy roadmap formulated by the Ministry of Economy, Trade and Industry, 2013 (32 nm technology node) is the target year for applying nanoimprint technology to semiconductor processes. It is positioned as one of the specific industrial needs in the industry.

図25に、ナノインプリントにおける残膜の説明図を示す。
一般にナノインプリント技術は、モールド離型後、レジスト硬化部(所望の微細パターン形成部)以外においても、極薄残膜(厚さ数10nm程度)が残るため、半導体プロセスにおいては、この残膜を除去する工程が必要とされる。レジスト硬化部(微細パターン形成部)はエッチングマスクとして機能するため、この残膜がばらつくとエッチング後のパターン寸法がばらつくことになり、結果として半導体デバイスの特性がばらつき、不良原因となることが問題視されている。このような問題を解決し、ナノインプリント技術を、高信頼性をもって半導体プロセスへ適用するためには、ナノインプリントの際に生じる、厚さ数10nm程度の極薄残膜の膜厚の高精度制御技術の確立が必要となっている。そのためには、極薄残膜の高精度膜厚計測が不可欠である。
FIG. 25 is an explanatory diagram of the remaining film in nanoimprint.
In general, the nanoimprint technology removes the residual film in the semiconductor process because after the mold release, an ultra-thin residual film (thickness of about several tens of nanometers) remains in areas other than the resist cured part (desired fine pattern forming part). The process to do is needed. Since the resist hardened part (fine pattern forming part) functions as an etching mask, if this residual film varies, the pattern size after etching will vary, resulting in variations in the characteristics of the semiconductor device, which may cause defects. Is being viewed. In order to solve such problems and apply the nanoimprint technology to a semiconductor process with high reliability, a highly accurate control technology for the film thickness of an ultrathin residual film having a thickness of about several tens of nanometers, which is generated at the time of nanoimprinting. Establishment is needed. For this purpose, it is indispensable to measure the film thickness of the ultrathin residual film with high accuracy.

また、今日、半導体微細加工技術の微細化・高精度化のますますの進展に伴い、インプロセスにおける計測評価技術の重要性が再認識されており、インプロセス超高精度計測技術として、既に原子間力顕微鏡(AFM)による微細加工寸法のサンプリング計測も導入されてきている。AFMの導入により、全数検査が本質的に困難な計測法においても、クリティカルなポイントに対する適切なサンプリング計測を実施することで、プロセスの信頼性向上、製造デバイスの歩留まり向上に大きく役立つことが指摘されている。   Today, the importance of in-process measurement and evaluation technology has been reaffirmed as semiconductor microfabrication technology continues to become smaller and more accurate. Sampling measurement of microfabrication dimensions with an atomic force microscope (AFM) has also been introduced. With the introduction of AFM, it has been pointed out that even with measurement methods that are essentially difficult to perform 100% inspection, performing appropriate sampling measurement at critical points will greatly help improve process reliability and production device yield. ing.

一方、従来より、近接場フォトンは、その非伝搬特性・局在特性に着目し、近接した物質の局地的な属性取得に用いられることが一般的である。この局在特性に注目した局地的な属性取得こそが、まさに回折限界を超越した高分解能計測を意味する。この観点から、通常、バルク状の物質属性のうち、近接場フォトンで限定された領域のみの高分解能属性計測法として用いられることが多い。   On the other hand, conventionally, near-field photons are generally used to acquire local attributes of adjacent substances, focusing on their non-propagating characteristics and local characteristics. Local attribute acquisition focusing on this localization characteristic means high-resolution measurement that transcends the diffraction limit. From this point of view, it is often used as a high-resolution attribute measurement method for only a region limited by near-field photons among bulk material attributes.

さらに、半導体製造においては酸化膜や窒化膜や金属膜を半導体デバイスの縦構造として使用しており、その膜厚を計測する方法も多用であり、様々な計測原理に基づいた膜厚計測法が提案・使用されている。以下に、主なものを列記し、その特徴を記す。   In semiconductor manufacturing, oxide films, nitride films, and metal films are used as the vertical structure of semiconductor devices, and there are many methods for measuring the film thickness. Thickness measurement methods based on various measurement principles are available. Proposed and used. The main items are listed below and their characteristics are described.

[1] FT/IR干渉膜厚計測法
本手法は、赤外領域の干渉スペクトルを解析することで、非破壊・非接触で、高速かつ高精度に分子構造および組成の分析、また膜厚の計測を行う。計測では、膜の厚さに応じた周期を持つ干渉スペクトルが得られ、その干渉スペクトルを周波数解析法によりスペーシャルグラムに変換し、そのピーク位置から高精度に膜厚を算出する。しかし通常数十μmφ程度しか絞ることができず、横分解能は低い。
[2] 共焦点法・白色干渉法
共焦点顕微鏡はピンホールを上下させることで高低差のある試料に対しても高い高さ分解能を持ち、照明波長を変えることで多層膜内部の様子も観察することができる。しかし波長の制限で100nm以下の薄膜の計測は不可能である。また白色干渉計は0.1nmという非常に高い分解能をもつが、回折限界のため横分解能は波長の半分程度に限定され、数十nmパターンの計測には限界がある。
[3] プリズムカップリング法
薄膜の厚さが300〜500nmであれば、膜内を伝搬するモードから膜厚および屈折率を求めることができる。またバルク材では、臨界角法によって絶対値に極めて近い高精度な屈折率も求めることができる。100nm以下の膜厚レンジが要求されるナノインプリント極薄残膜には適用が困難である。
[4] 渦電流式センサ方式
金属薄膜の厚みとシート抵抗を、渦電流式センサを使用することで非接触、非破壊で測定する方法。その膜厚の測定レンジは0.03〜5μmである。計測原理のシート抵抗を測る方式であり、電気を通さない絶縁体の膜の厚さは原理的に計測できない。
[5] エリプソメータ(非特許文献1、2参照)
エリプソメトリ(偏光解析)の原理を利用し、薄膜の膜厚と屈折率を高速かつ高精度に測定することができる。半導体酸化膜、窒化膜、レジスト、ITOなどの膜厚、屈折率の測定を可能としており、レーザーを使用して入射角を変化する方法と、190nmから830nmの様なブロード光の波長毎の反射率を検出する方式がある。エリプソメータでは数nmの膜厚まで計測可能であるが、照射する光が60°程度の入射角構成のためでもあり、計測物体上において直径50μm程度であり、その領域全部の平均の厚さを計測していることになる。
[1] FT / IR interference film thickness measurement method This method analyzes the interference spectrum in the infrared region to analyze the molecular structure and composition at high speed and with high accuracy in a non-destructive and non-contact manner. Measure. In the measurement, an interference spectrum having a period corresponding to the thickness of the film is obtained, the interference spectrum is converted into a spatial gram by a frequency analysis method, and the film thickness is calculated with high accuracy from the peak position. However, normally only a few tens of μmφ can be squeezed and the lateral resolution is low.
[2] Confocal method / white interferometry The confocal microscope has a high height resolution even for samples with different heights by moving the pinhole up and down, and the inside of the multilayer film can be observed by changing the illumination wavelength. can do. However, measurement of a thin film with a thickness of 100 nm or less is impossible due to the wavelength limitation. The white interferometer has a very high resolution of 0.1 nm, but the lateral resolution is limited to about half of the wavelength due to the diffraction limit, and there is a limit to the measurement of tens of nm patterns.
[3] Prism coupling method If the thickness of the thin film is 300 to 500 nm, the film thickness and refractive index can be determined from the mode propagating in the film. In addition, for a bulk material, a highly accurate refractive index extremely close to an absolute value can be obtained by the critical angle method. It is difficult to apply to a nanoimprint ultrathin residual film that requires a film thickness range of 100 nm or less.
[4] Eddy current sensor method A method of measuring the thickness and sheet resistance of a metal thin film in a non-contact and non-destructive manner using an eddy current sensor. The measurement range of the film thickness is 0.03 to 5 μm. It is a method of measuring the sheet resistance of the measurement principle, and the thickness of the insulating film that does not conduct electricity cannot be measured in principle.
[5] Ellipsometer (see Non-Patent Documents 1 and 2)
Using the principle of ellipsometry (polarization analysis), the film thickness and refractive index of a thin film can be measured at high speed and with high accuracy. It is possible to measure the film thickness and refractive index of semiconductor oxide film, nitride film, resist, ITO, etc., the method of changing the incident angle using a laser, and the reflection of each wavelength of broad light such as 190 nm to 830 nm There are methods to detect rates. The ellipsometer can measure a film thickness of several nanometers, but it also has an incident angle of about 60 °, and the diameter of the object is about 50 μm. The average thickness of the entire area is measured. Will be.

Brian Trotter et al.,“Fixed−polarizar ellipsometry : a simple technique to measure the thickness of very thin films”, Optical Engineering Vol.38 No.5 May 1999.Brian Trotter et al. , “Fixed-polarizliprisome: a simple technique to measure the thickness of very thin films”, Optical Engineering Vol. 38 No. 5 May 1999. Steven A. Henck et al.,“In situ special ellipsometry for real−time thickness measurement and control”, SPIE Vol.1803.Steven A. Henck et al. "In situ special ellipsis for real-time thickness measurement and control", SPIE Vol. 1803. X. Zhu et al.,“A Nobel ultrasonic resonance sample−tip distance regulation for near field optical microscopy and shear force microscopy”, Solid State Communications Vol.98 No.7 pp.661−664 1996.X. Zhu et al. , “A Nobel ultrasonic resonance sample-tip distance regulation for near field optical microscopy and shear force microscopy”, Solid State Community. 98 No. 7 pp. 661-664 1996.

次世代半導体において光リソグラフィの代替最有力候補として、ナノインプリント技術が期待されている。その際、高い信頼性をもって半導体デバイスを製造するためには、ナノインプリントの際に生じる極薄残膜(厚さ:数10〜100nm)の膜厚を非破壊計測し、その計測評価結果に基づいたナノインプリントプロセス条件の最適化が不可欠となる。しかし、このような微細構造内の極薄残膜に対して、膜厚を非破壊計測可能な手法は、現在存在しない。   Nanoimprint technology is expected as the most promising alternative to photolithography in next-generation semiconductors. At that time, in order to manufacture a semiconductor device with high reliability, the film thickness of the ultrathin residual film (thickness: several 10 to 100 nm) generated during nanoimprinting is measured nondestructively, and based on the measurement evaluation result Optimization of nanoimprint process conditions is essential. However, there is currently no method capable of nondestructively measuring the film thickness for such an ultrathin residual film in a fine structure.

結果として現在は、極薄残膜の厚さを評価するために、ウエハを切断し、その断面を走査電子顕微鏡(SEM)で観察する破壊的評価法に頼らざるをえない状況となっている。また、断面SEM計測は破壊計測なので、その試料を再度利用することはできない。そのため、今後、ナノインプリント技術の技術戦略ロードマップに沿った実用化のためには、プロセスフィードバックが可能な非破壊膜厚計測技術の開発が急務となっている。   As a result, in order to evaluate the thickness of the ultrathin residual film, it is now necessary to rely on a destructive evaluation method in which the wafer is cut and the cross section is observed with a scanning electron microscope (SEM). . Moreover, since the cross-sectional SEM measurement is a destructive measurement, the sample cannot be used again. Therefore, in order to put it into practical use in line with the technology strategy roadmap for nanoimprint technology, there is an urgent need to develop a nondestructive film thickness measurement technology that can provide process feedback.

また、従来の非破壊での計測手法は横分解能の低さのため数十nmパターンには適用不可能である。また光学的手法では多重干渉を起こすため数十nmの厚みの膜厚を測定できない。
そこで本発明では、例えば数10nm程度の小さな領域に局在する近接場フォトンを利用することで、次世代半導体用ナノインプリント極薄残膜の膜厚を非破壊計測することを目的とする。
Further, the conventional non-destructive measurement technique is not applicable to a pattern of several tens of nm due to the low lateral resolution. In addition, since the optical method causes multiple interference, a film thickness of several tens of nm cannot be measured.
Therefore, the present invention aims to nondestructively measure the film thickness of a nanoimprint ultrathin residual film for next-generation semiconductors by using near-field photons localized in a small region of about several tens of nanometers, for example.

なお、本発明のように、近接場フォトンの寄与範囲自体を計測パラメータとする捉え方は、従来の近接場フォトン応用計測法と一線を画すものであり、極薄膜厚の厚さ自体を計測パラメータとした測定例はこれまで知られていない。   Note that, as in the present invention, the method of capturing the near-field photon contribution range itself as a measurement parameter is different from the conventional near-field photon application measurement method, and the thickness of the ultrathin film thickness itself is the measurement parameter. No measurement example has been known so far.

本発明の第1の解決手段によると、
光源により測定対象を照射し、
近接場光プローブを測定対象の表面に接近させ、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定し、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、
前記近接場フォトン応答光を計測し、
計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める
非破壊膜厚計測方法が提供される。
According to the first solution of the present invention,
Irradiate the measurement target with a light source
Bring the near-field optical probe closer to the surface to be measured,
Measure the air gap value between the object to be measured and the near-field optical probe,
By making the measurement object exist in the near-field photon localized region formed at the tip of the near-field optical probe, the interaction between the dipole at the tip of the near-field probe and the dipole in the substance to be measured To generate a near-field photon field, and emit a near-field photon response light that is a propagating light corresponding to the near-field photon field,
Measure the near-field photon response light,
There is provided a nondestructive film thickness measurement method for obtaining film thickness information of a measurement object based on the measured intensity of the near-field photon response light and the measured air gap value.

本発明の第2の解決手段によると、
測定対象を照射する光源と、
測定対象の表面に接近させ、近接場フォトン応答光を検出するための近接場光プローブと、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定するエアーギャップ測定部と、
前記近接場光プローブで検出された前記近接場フォトン応答光を計測するための受光部と、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、前記受光部により計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める処理部と
を備えた非破壊膜厚計測装置が提供される。
According to the second solution of the present invention,
A light source that illuminates the measurement object;
A near-field optical probe for detecting the near-field photon response light by approaching the surface of the measurement object;
An air gap measuring unit for measuring an air gap value between the measurement object and the near-field optical probe;
A light receiving unit for measuring the near-field photon response light detected by the near-field light probe;
By making the measurement object exist in the near-field photon localized region formed at the tip of the near-field optical probe, the interaction between the dipole at the tip of the near-field probe and the dipole in the substance to be measured A near-field photon field is generated by, and a near-field photon response light that is a propagating light corresponding to the near-field photon field is emitted, and the intensity of the near-field photon response light measured by the light receiving unit is measured. There is provided a nondestructive film thickness measurement apparatus including a processing unit that obtains film thickness information of a measurement object based on the air gap value.

本発明によると、光学的手法なので非破壊で計測でき、かつファイバプローブで局所的に集光するので微小領域の計測が可能である。その横分解能は主にプローブの開口に依存しており、開口の小さいものを選択すれば、例えば、数十nmの高分解能も期待できる。   According to the present invention, since it is an optical method, it can be measured non-destructively, and since it is locally focused by a fiber probe, it is possible to measure a minute region. The lateral resolution mainly depends on the aperture of the probe. If a small aperture is selected, for example, a high resolution of several tens of nm can be expected.

1.膜厚計測装置のハードウェア
1−1 膜厚計測装置の概要
図1に、膜厚計測装置の概念図を示す。
以下に、膜厚計測装置の概要を説明する。この実施の形態では、一例としてc modeを用いて説明するが、これに限らず、本発明は後述する各種モードに応じて構成された装置に適応することができる。
1. Hardware of Film Thickness Measuring Device 1-1 Outline of Film Thickness Measuring Device FIG. 1 shows a conceptual diagram of a film thickness measuring device.
Below, the outline | summary of a film thickness measuring apparatus is demonstrated. In this embodiment, a description will be given using c mode as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to an apparatus configured in accordance with various modes described later.

本膜厚計測装置は、近接場光応答検出光学系1と、近接場光応答制御システム2とを備える。近接場光応答検出光学系1は、ステージ11〜13、チューニングフォーク14、ファイバプローブ等のプローブ15、光源16、受光部17を有する。近接場光応答制御システム2は、コンピュータ(PC)21、ステッピングモータコントローラ22、微動ステージコントローラ23、ロックインアンプ24、記憶部25を有する。   This film thickness measurement apparatus includes a near-field light response detection optical system 1 and a near-field light response control system 2. The near-field light response detection optical system 1 includes stages 11 to 13, a tuning fork 14, a probe 15 such as a fiber probe, a light source 16, and a light receiving unit 17. The near-field light response control system 2 includes a computer (PC) 21, a stepping motor controller 22, a fine movement stage controller 23, a lock-in amplifier 24, and a storage unit 25.

XY軸の粗動ステージ11を用い、試料台とする。Z軸の粗動ステージ12でエアーギャップをピエゾ(PZT)等による微動ステージ13の可動範囲まで近づける。測定対象である試料10との高精度な高さ制御にはシアーフォース制御を用いる。光源(例えば、レーザ)16で試料を照明し、プローブ15で近接場光学応答を検出し、受光部(例えば、PMT)17で受光する。プローブ15はチューニングフォーク14の共振周波数で振動しており、プローブ15で検出した近接場光応答もそれと同じ周波数で振動しているので、ロックイン検波をかけて信号を得る。これによりノイズの低減を図る。   An XY coarse movement stage 11 is used as a sample stage. The air gap is brought close to the movable range of the fine movement stage 13 by piezo (PZT) or the like by the Z axis coarse movement stage 12. Shear force control is used for high-precision height control with the sample 10 to be measured. A sample is illuminated by a light source (for example, laser) 16, a near-field optical response is detected by a probe 15, and light is received by a light receiving unit (for example, PMT) 17. Since the probe 15 vibrates at the resonance frequency of the tuning fork 14 and the near-field optical response detected by the probe 15 also vibrates at the same frequency, a signal is obtained by performing lock-in detection. This reduces noise.

なお、実施の形態の説明では、特に、チューニングフォーク14を用いて、プローブ15と試料(測定対象)10との間の距離であるエアーギャップを測定しているが、これに限らず、適宜のエアーギャップ測定手段を設けてエアーギャップを測定するようにしても良い。その際はチューニングフォーク14等の構成を適宜省略することができる。   In the description of the embodiment, the air gap, which is the distance between the probe 15 and the sample (measurement target) 10, is measured using the tuning fork 14. An air gap measuring means may be provided to measure the air gap. In that case, the configuration of the tuning fork 14 and the like can be omitted as appropriate.

1−2 主要機能の一例
本実施の形態の膜厚計測装置に要求される主要機能は次の2点である。
(i)エアーギャップ(airgap)を、例えば、数十nm単位で制御すること。
(ii)プローブ内に進行してくる非常に微弱な光信号を検出すること。
1-2 Examples of main functions The main functions required for the film thickness measuring apparatus of the present embodiment are the following two points.
(I) The air gap is controlled in units of several tens of nanometers, for example.
(Ii) detecting a very weak optical signal traveling in the probe.

(i)に関して、エアーギャップ制御は、一例として、シアーフォース(shear−force)制御を用いる(非特許文献3等参照)。なお、シアーフォース技術以外にも、適宜のエアーギャップ制御技術を用いることができる。   Regarding (i), as an example, the air gap control uses shear-force control (see Non-Patent Document 3, etc.). In addition to the shear force technique, an appropriate air gap control technique can be used.

図2に、シアーフォースの説明図を示す。
図示のように励振用のピエゾなどでプローブ15を水平方向に振動させながら試料に近づける。エアーギャップが50nm以下になると試料表面に吸着している水分子などの粘性により振幅が減衰するという性質がある。その振幅をモニタリングし、制御することでエアーギャップを制御する。振幅の検出方式として図示のように振動しているプローブ15にレーザ等の光源16を当てて後方に設置した検出器で振幅を検出する方法があるが、その光が迷光となり感度が悪化すると考えられるので、本実施の形態では圧電素子である音さ型のチューニングフォーク(水晶振動子)を用い振幅を検出する。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the shear force.
As shown in the figure, the probe 15 is moved closer to the sample while vibrating in the horizontal direction with an excitation piezo or the like. When the air gap is 50 nm or less, the amplitude is attenuated by the viscosity of water molecules adsorbed on the sample surface. The air gap is controlled by monitoring and controlling the amplitude. As shown in the figure, there is a method of detecting the amplitude with a detector placed behind by applying a light source 16 such as a laser to the vibrating probe 15 as shown in the figure, but the light becomes stray light and the sensitivity deteriorates. Therefore, in this embodiment, the amplitude is detected using a sound type tuning fork (quartz crystal resonator) which is a piezoelectric element.

図3に、チューニングフォークを用いた振幅検出法の図を示す。
図示のように、チューニングフォーク14の音さ部分にプローブ15を取り付け、ロックインアンプ24の内部発振回路からチューニングフォーク14の共振周波数で電圧をかけ、共振させる。共振するとチューニングフォーク14は横方向に数nmの振幅で振動し、同時にプローブ15も振動する。その状態で試料に接近させエアーギャップが50nm以下になるとシアーフォースによりプローブの振幅が減衰し、同時にチューニングフォークの振幅も減衰する。その振幅をモニタリングし一定に保つことで、エアーギャップを一定に保つことができる。
FIG. 3 shows a diagram of an amplitude detection method using a tuning fork.
As shown in the figure, the probe 15 is attached to the sound portion of the tuning fork 14, and a voltage is applied from the internal oscillation circuit of the lock-in amplifier 24 at the resonance frequency of the tuning fork 14 to resonate. When resonating, the tuning fork 14 vibrates with an amplitude of several nanometers in the lateral direction, and the probe 15 also vibrates simultaneously. In this state, when approaching the sample and the air gap becomes 50 nm or less, the amplitude of the probe is attenuated by the shear force, and at the same time, the amplitude of the tuning fork is also attenuated. By monitoring the amplitude and keeping it constant, the air gap can be kept constant.

(ii)に関して、プローブを進行してきた近接場光応答は高感度、高速応答のPMT(光電子増倍管:Photo Multiplier Tube)等の検出器を用いて検出する。またノイズ低減のためにロックイン検波をかけて最終的な信号を得る。   With regard to (ii), the near-field optical response that has traveled through the probe is detected using a detector such as a photomultiplier tube (PMT) having high sensitivity and high response speed. In addition, a final signal is obtained by performing lock-in detection for noise reduction.

1−3 詳細構成
以下に、膜厚計測装置の詳細な構成について説明する。
(1)近接場光応答検出光学系1
ステージ駆動部分は、一例として、防振台の上にXY軸のステージ11を設置し、また、基礎フレームの上部にZ軸のステージ12を設置し、そのステージ12にプローブ15を含むヘッド部分を作成した。Z軸に関しては、エアーギャップを高精度に制御する必要があり、粗動ステージ12と微動ステージ13を用いる。XY軸のステージ11は試料台走査に用いることで、連続的に膜厚評価を行うわけことができる。
1-3 Detailed Configuration A detailed configuration of the film thickness measuring apparatus will be described below.
(1) Near-field light response detection optical system 1
As an example, the stage drive part has an XY-axis stage 11 installed on a vibration isolation table, a Z-axis stage 12 installed on the upper part of the basic frame, and a head part including a probe 15 on the stage 12. Created. With respect to the Z axis, it is necessary to control the air gap with high accuracy, and the coarse movement stage 12 and the fine movement stage 13 are used. The XY-axis stage 11 can be used for sample stage scanning, so that the film thickness can be continuously evaluated.

ヘッド部分では、チューニングフォーク14にファイバプローブ等のプローブ15の先端部が、例えば、数mm程度出るように接続した。ロックインアンプ24の内部発振回路から電圧を印加すればチューニングフォーク14が共振周波数で振動し、プローブ15も振動する。   In the head portion, the tip of the probe 15 such as a fiber probe is connected to the tuning fork 14 so that it is, for example, about several mm. When a voltage is applied from the internal oscillation circuit of the lock-in amplifier 24, the tuning fork 14 vibrates at the resonance frequency, and the probe 15 also vibrates.

外部照明光学系部分は、一例として、近接場光顕微鏡のc modeであり、レーザ等の光源16でプローブ15先端部分を含む一帯を照明している。光源16として、例えば、波長633nm、直線偏光のHe−Neレーザ等のレーザを用いることができる。外部照明光学系部分は、例えば、光源16として直線偏光レーザを用い、偏光部18として、λ/4波長板及び偏光子を用いて構成することができる。さらに、角度の微調整のきくミラーで反射させプローブ先端部を照明するようにしてもよい。   As an example, the external illumination optical system portion is a c mode of a near-field light microscope, and a light source 16 such as a laser illuminates a zone including the tip portion of the probe 15. As the light source 16, for example, a laser such as a linearly polarized He—Ne laser having a wavelength of 633 nm can be used. The external illumination optical system portion can be configured using, for example, a linearly polarized laser as the light source 16 and using a λ / 4 wavelength plate and a polarizer as the polarizing unit 18. Furthermore, the tip of the probe may be illuminated by being reflected by a mirror with a fine angle adjustment.

本実施の形態の薄膜厚評価では、偏光部18により、P偏光、S偏光で照明を行い、その強度変化を調べることにより膜厚を評価することができる。外部照明光学系に関しては、同じレーザ強度で偏光による違いを検出したいので入射レーザの強度は両偏光において同じにする必要がある。例えば、レーザは直線偏光で発振されるので、まずレーザビームをλ/4波長板を透過させる。すると円偏光になるので、偏光子を透過させると同じ強度でP偏光、S偏光の調整が可能になる。P偏光とS偏光との切替えは、手動で行なってもよいし、PC21により切替えてもよい。   In the thin film thickness evaluation of the present embodiment, illumination can be performed with P-polarized light and S-polarized light by the polarizing unit 18, and the film thickness can be evaluated by examining the intensity change. Regarding the external illumination optical system, since it is desired to detect a difference due to polarization with the same laser intensity, the intensity of the incident laser needs to be the same for both polarizations. For example, since the laser oscillates with linearly polarized light, first, the laser beam is transmitted through the λ / 4 wavelength plate. Then, since it becomes circularly polarized light, it is possible to adjust P-polarized light and S-polarized light with the same intensity when transmitted through the polarizer. Switching between the P-polarized light and the S-polarized light may be performed manually or by the PC 21.

近接場光応答検出部は、受光部17として、例えば、光電子増倍管に低消費電力型高圧電源回路とアンプを内蔵した一体型の光センサモジュールを用いることができる。PMT等の受光部17の受光面にFCコネクタを取り付け、そこにファイバのプローブ15と逆の端面を差し込みファイバを伝播してきた光信号を検出する。またファイバを通ってきた光信号のみを受光できるようにPMTを遮蔽箱にいれ、ノイズとして他の光が極力はいらないようにした。   The near-field light response detection unit can use, for example, an integrated photosensor module in which a low power consumption type high-voltage power supply circuit and an amplifier are built in a photomultiplier tube as the light receiving unit 17. An FC connector is attached to the light receiving surface of the light receiving unit 17 such as PMT, and an end surface opposite to the fiber probe 15 is inserted therein to detect an optical signal propagating through the fiber. Also, the PMT was placed in a shielding box so that only the optical signal that passed through the fiber could be received, so that other light was not required as noise.

(2) 近接場光応答検出制御システム2
本装置では、試料台走査のステッピングモータコントローラ22と、プローブ高さ制御の微動ステージコントローラ23と、信号検出のロックインアンプ24を制御する必要がある。そこで、PC21がGPIB(General Purpose Interface Bus:汎用インターフェースバス)等のインタフェースを用いてこれらコントローラ22,23及びロックインアンプ24との通信を行い制御する。
(2) Near-field light response detection control system 2
In this apparatus, it is necessary to control the stepping motor controller 22 for scanning the sample stage, the fine movement stage controller 23 for controlling the probe height, and the lock-in amplifier 24 for signal detection. Therefore, the PC 21 communicates with and controls the controllers 22 and 23 and the lock-in amplifier 24 using an interface such as GPIB (General Purpose Interface Bus).

ケーブルでPC21にステッピングモータコントローラ21とピエゾコントローラ23及びロックインアンプ24を接続される。
記憶部25は、予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶しておくことができる。
The stepping motor controller 21, the piezo controller 23, and the lock-in amplifier 24 are connected to the PC 21 with a cable.
The storage unit 25 can store propagation light intensity distribution reference data indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value for a plurality of film thicknesses whose film thicknesses are known in advance.

または、記憶部25は、前記偏光部によりP偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布、及び/又は、S偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布を記憶しておくことができる。このとき、記憶部25は、P偏光伝搬光強度分布とS偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データをさらに記憶しておくことができる。なお、一方の偏光についての伝搬光強度分布のみを記憶してもよい。   Alternatively, the storage unit 25 irradiates the P-polarization propagation light intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value for each film thickness when the polarization unit irradiates the P-polarized light, and / or the S-polarized light. It is possible to store the S-polarized light propagation intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value for each film thickness. At this time, the storage unit 25 can further store characteristic data indicating the film thickness with respect to the air gap value at the intersection of the P-polarized light propagation intensity distribution and the S-polarized light intensity distribution. Note that only the propagation light intensity distribution for one polarization may be stored.

2.計測原理
2−1 基本原理
図4に、膜厚計測の原理についての概念図を示す。この図は、プローブ先端部の拡大図を示す。本実施の形態の基本原理の一例は次の通りである。
開口型のファイバプローブを試料の表面極近傍へ近づける。プローブ先端に近接場光が形成された近接場プローブを残膜表面に接近させ、近接場光を試料の残膜に作用させる。そのサイズは先端サイズに依存し、プローブ先端に局在する。膜厚情報を含み伝搬光として放射される近接場光応答をプローブで局所的に集光し、その応答信号から膜厚情報を抽出する。
2. Measurement Principle 2-1 Basic Principle FIG. 4 shows a conceptual diagram of the principle of film thickness measurement. This figure shows an enlarged view of the probe tip. An example of the basic principle of the present embodiment is as follows.
The aperture type fiber probe is brought close to the vicinity of the surface of the sample. A near-field probe having a near-field light formed at the probe tip is brought close to the surface of the remaining film, and the near-field light acts on the remaining film of the sample. Its size depends on the tip size and is localized at the probe tip. A near-field optical response that includes film thickness information and is emitted as propagating light is locally focused by a probe, and film thickness information is extracted from the response signal.

2−2 近接場光顕微鏡の基本原理(例えば、大津元一、小林潔「近接場光の基礎−ナノテクノロジーのための新光学−」(平成15年1月5日発行)、株式会社オーム社、p.29−35 等参照)
図5に、プローブの原理の説明図を示す。
近接場光の基本的性質は微粒子表面に局在し、微粒子寸法程度の厚みをもつ非伝搬光である。これを検出するには図示のように第2の微粒子を近接場光内に挿入し伝播光に変換することであり、この第2微粒子はプローブと呼ばれる。
2-2 Basic principles of near-field light microscopes (for example, Genichi Otsu, Kiyoshi Kobayashi "Near-field light basics-New optics for nanotechnology" (issued January 5, 2003), Ohm Corporation , P.29-35 etc.)
FIG. 5 is an explanatory diagram of the principle of the probe.
The basic property of near-field light is non-propagating light that is localized on the surface of the fine particle and has a thickness of about the size of the fine particle. In order to detect this, as shown in the figure, the second fine particle is inserted into the near-field light and converted into propagating light, and this second fine particle is called a probe.

このとき、近接場光の寸法依存局在性の特徴を生かすために変換する体積はできるだけ小さいほうがよいが、2つの微粒子の寸法が等しいときに変換効率は最大となるので、第2微粒子の寸法は第1微粒子と同等であると有利である。さらに変換効率は2つの微粒子による近接場光の散乱効率によっても決まるので、これらの微粒子の構造にも依存する。   At this time, the volume to be converted is preferably as small as possible in order to take advantage of the dimension-dependent localization characteristics of the near-field light. However, since the conversion efficiency is maximized when the two fine particles have the same size, the size of the second fine particles. Is advantageously equivalent to the first fine particles. Further, since the conversion efficiency is determined by the scattering efficiency of the near-field light by the two fine particles, it also depends on the structure of these fine particles.

3.近接場光を利用した薄膜評価法
つぎに、どのように薄膜厚を評価するかを述べる。
図6に、P偏光、S偏光でのエアーギャップとプローブ電場の関係を各膜厚毎にまとめた図を示す。
3. Thin film evaluation method using near-field light Next, we will describe how to evaluate the thin film thickness.
FIG. 6 is a diagram summarizing the relationship between the air gap and the probe electric field for P-polarized light and S-polarized light for each film thickness.

図示のように、膜厚が変化すると基本的にプローブ電場強度は左にシフトしているが、薄膜の影響、また偏光の影響によりプローブ電場の強度変化の様はそれぞれ異なっている。ここで注目したいのはP偏光とS偏光の強度が逆転している箇所があるということである。   As shown in the figure, when the film thickness changes, the probe electric field intensity basically shifts to the left, but the probe electric field intensity changes differently due to the influence of the thin film and the influence of the polarization. It should be noted here that there are places where the intensity of P-polarized light and S-polarized light are reversed.

図7(a)に、P偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図を示す。
図6中、点線で示した四角内でP偏光、S偏光の強度が逆転している。例えば、膜厚10nmではまだ逆転していないが、膜厚20nmではエアーギャップ90nmで逆転している。膜厚30nmではエアーギャップ60nmで、膜厚40nmではエアーギャップ30nmで、膜厚50nmではエアーギャップ10nmでそれぞれ逆転している。つまりP偏光の強度がS偏光の強度より大きくなるエアーギャップを指標に膜厚を評価できると考えられる。
FIG. 7A shows a relationship between the air gap and the film thickness that are reversed so that the intensity of the P-polarized light is increased.
In FIG. 6, the intensities of P-polarized light and S-polarized light are reversed within a square indicated by a dotted line. For example, the film thickness is not yet reversed at a film thickness of 10 nm, but is reversed at an air gap of 90 nm at a film thickness of 20 nm. When the film thickness is 30 nm, the air gap is 60 nm, when the film thickness is 40 nm, the air gap is 30 nm, and when the film thickness is 50 nm, the air gap is 10 nm. In other words, it is considered that the film thickness can be evaluated using an air gap in which the intensity of P-polarized light is greater than the intensity of S-polarized light.

図7(b)に、S偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図を示す。
しかし上述の方法では20nm以下の膜厚が測定できない場合がある。この場合は前述の図6の他の四角内に注目する。四角内ではP偏光の強度よりS偏光の強度が大きくなっている。膜厚0nmではエアーギャップ70nmで、膜厚10nmではエアーギャップ45nmで、膜厚20nmではエアーギャップ25nmでそれぞれ逆転が起こっている。
FIG. 7B shows a relationship between the air gap and the film thickness that are reversed so that the intensity of S-polarized light is increased.
However, there are cases where a film thickness of 20 nm or less cannot be measured by the above method. In this case, attention is paid to the other squares in FIG. Within the square, the intensity of S-polarized light is greater than the intensity of P-polarized light. When the film thickness is 0 nm, the air gap is 70 nm, when the film thickness is 10 nm, the air gap is 45 nm, and when the film thickness is 20 nm, the reversal occurs at the air gap of 25 nm.

本グラフより、例えばエアーギャップを5nm以下で制御できるのであれば膜厚は2,3nmの分解能で計測できる可能性がある。
なお、必要に応じて、上述のような交点に関して、いずれかひとつの偏光についてのグラフ又は2つのグラフを用いることにより、強度の逆転するエアーギャップを調べれば膜厚を測定できる。
From this graph, for example, if the air gap can be controlled at 5 nm or less, the film thickness can be measured with a resolution of 2-3 nm.
If necessary, the film thickness can be measured by examining the air gap whose intensity is reversed by using either one of the polarization graphs or the two graphs at the intersection as described above.

4.フローチャート
図8に、非破壊膜厚計測についての第1の実施の形態のフローチャートを示す。
まず、PC21は、近接場フォトン応答光を計測し、計測データを記憶部25に保存する(S101)。以下に、具体的に説明する。なお、詳細は、後述の「5.制御及び計測の詳細」を参照。
4). Flowchart FIG. 8 shows a flowchart of the first embodiment for nondestructive film thickness measurement.
First, the PC 21 measures near-field photon response light, and stores the measurement data in the storage unit 25 (S101). This will be specifically described below. For details, see “5. Details of control and measurement” described later.

レーザ等の光源16により測定対象10を照射し、近接場光プローブ15を測定対象10の表面に接近させ、測定対象10と近接場光プローブ15との間のエアーギャップ値を測定する。そして、近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象10を存在させることにより、近接場プローブ15の先端部の双極子と測定対象10の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させる。そして、受光部17により、近接場フォトン応答光を計測する。   The measurement object 10 is irradiated by a light source 16 such as a laser, the near-field light probe 15 is brought close to the surface of the measurement object 10, and the air gap value between the measurement object 10 and the near-field light probe 15 is measured. Then, by making the measuring object 10 exist in the near-field photon localized region formed at the tip of the near-field optical probe, the dipole at the tip of the near-field probe 15 and the dipole in the substance of the measuring object 10 The near-field photon field is generated by the interaction of the near-field photon, and the near-field photon response light that is the propagating light corresponding to the near-field photon field is emitted. Then, the near-field photon response light is measured by the light receiving unit 17.

ステップS101の測定の際、PC21により自動で又はマニュアルで、偏光部18によりP偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布を測定し、また、S偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布を測定する。PC21は、記憶部25に測定結果を記憶する。伝搬光強度分布は、例えば、図6参照。   During the measurement in step S101, the P-polarized light is irradiated by the polarization unit 18 automatically or manually by the PC 21 to measure the P-polarized light propagation intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value. S-polarized light is irradiated, and the S-polarized light propagation distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value is measured. The PC 21 stores the measurement result in the storage unit 25. See, for example, FIG. 6 for the propagation light intensity distribution.

次に、PC21は、計測された近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、以下のように測定対象10の膜厚情報を求める。
この実施の形態では、まず、PC21は、P偏光伝搬光強度分布とS偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値を求め、必要に応じて、交点のデータを記憶部25に記憶する(S103)。
Next, based on the measured intensity of the near-field photon response light and the measured air gap value, the PC 21 obtains the film thickness information of the measurement target 10 as follows.
In this embodiment, first, the PC 21 obtains the air gap value at the intersection of the P-polarized light propagation intensity distribution and the S-polarized light intensity distribution, and stores the intersection data in the storage unit 25 as necessary ( S103).

PC21は、前記交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した予め定められた特性データを記憶部25から読出し、その特性データを用いて求めた交点のエアーギャップ値に従い膜厚情報を求める(S105)。さらに、PC21は、その膜厚情報を記憶部25又は表示部に表示することができる。   The PC 21 reads predetermined characteristic data indicating the film thickness with respect to the air gap value at the intersection from the storage unit 25, and obtains film thickness information according to the air gap value at the intersection obtained using the characteristic data (S105). . Further, the PC 21 can display the film thickness information on the storage unit 25 or the display unit.

このとき、本装置を用いて、予め既知の複数の膜厚の各試料に対して、P偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布を測定し、また、予め膜厚が既知の複数の膜厚の各試料に対して、S偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布を測定しておく。PC21は、これら伝搬光強度分布を記憶部25に記憶しておく。そして、PC21は、記憶部25から伝搬光強度分布を読み出し、それに基づき、P偏光伝搬光強度分布とS偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データを求め、特性データを記憶部に記憶する。特性データは、例えば、図7など参照。   At this time, using this apparatus, each sample having a plurality of known film thicknesses is irradiated with P-polarized light, and P-polarized light propagation indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value for each film thickness. Measure the light intensity distribution, and irradiate each sample of a plurality of film thicknesses whose thicknesses are known in advance with S-polarized light, and indicate the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value for each film thickness. The S-polarized light intensity distribution is measured in advance. The PC 21 stores these propagation light intensity distributions in the storage unit 25. And PC21 calculates | requires the characteristic data which showed the film thickness with respect to the air gap value of the intersection of P polarization | polarized-light propagation light intensity distribution and S polarization | polarized-light propagation light intensity distribution based on reading propagation | transmission light intensity distribution from the memory | storage part 25, The characteristic data is stored in the storage unit. For characteristic data, see, for example, FIG.

この例では、特性データは、エアーギャップの減少又は増加に対して、P偏光がS偏光より強い場合の第1の特性データと、S偏光がP偏光より強い場合の第2の特性データとを含み、PC21は、前記第1及び第2の特性データに従い膜厚を判定するようにしている。これに限らず、いずれか一方の偏光特性データを備えて、それのみで膜厚を測定するようにしてもよい。   In this example, the characteristic data includes the first characteristic data when the P-polarized light is stronger than the S-polarized light and the second characteristic data when the S-polarized light is stronger than the P-polarized light with respect to the decrease or increase of the air gap. In addition, the PC 21 determines the film thickness according to the first and second characteristic data. However, the present invention is not limited thereto, and any one of the polarization characteristic data may be provided, and the film thickness may be measured using only the polarization characteristic data.

図9に、非破壊膜厚計測についての第2の実施の形態のフローチャートを示す。
第2の実施の形態では、膜厚情報を求めるとき、第1の実施の形態と同様に、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布を測定する(S201)。つぎに、PC21は、波長、入射角度、偏光等の計測のために定められる各種設定値を入力する(S203)。そして、つぎに、PC21は、計測された近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、以下のように測定対象10の膜厚情報を求める(S203)。
FIG. 9 shows a flowchart of the second embodiment for nondestructive film thickness measurement.
In the second embodiment, when obtaining the film thickness information, the propagation light intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value is measured as in the first embodiment (S201). Next, the PC 21 inputs various setting values determined for measuring the wavelength, the incident angle, the polarization, and the like (S203). Next, the PC 21 obtains the film thickness information of the measurement object 10 as follows based on the measured intensity of the near-field photon response light and the measured air gap value (S203).

この実施の形態では、PC21は、設定値に従い、予め求められた既知の膜厚毎に、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶部25から読出し、膜厚毎の伝搬光強度分布参照データと測定された伝搬光強度分布とを比較して、類似度に従い膜厚を求める。類似度に関しては、適宜の相関をとり分布の相関度・類似度・相違度等により所定の膜厚の参照分布データを特定することができる。伝搬光強度分布参照データは、例えば、図19(後述)及び図6など参照。さらに、PC21は、その膜厚情報を記憶部25又は表示部に表示することができる。   In this embodiment, the PC 21 reads out propagation light intensity distribution reference data indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value from the storage unit 25 for each known film thickness obtained in advance according to the set value. The propagation light intensity distribution reference data for each film thickness is compared with the measured propagation light intensity distribution, and the film thickness is obtained according to the similarity. With regard to the similarity, an appropriate correlation is taken, and reference distribution data having a predetermined film thickness can be specified by the correlation, similarity, dissimilarity, etc. of the distribution. See, for example, FIG. 19 (described later) and FIG. 6 for the propagation light intensity distribution reference data. Further, the PC 21 can display the film thickness information on the storage unit 25 or the display unit.

このとき、本装置を用いて、所定の各種設定値を定めて、予め膜厚が既知の複数の膜厚に対してレーザ光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを測定しておき、PC21は、各種設定値に対応して、膜厚毎に伝搬光強度分布参照データを記憶部25に記憶する。   At this time, using this apparatus, predetermined various set values are determined, laser light is irradiated to a plurality of film thicknesses whose thicknesses are known in advance, and the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value is indicated. The propagation light intensity distribution reference data is measured, and the PC 21 stores the propagation light intensity distribution reference data in the storage unit 25 for each film thickness corresponding to various setting values.

さらに、予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、P偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布、及び/又は、S偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布に基づき、PC21は、膜厚を求めることができる。伝搬光強度分布は、例えば、図6など参照。   Further, the P-polarized light propagation distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value when irradiating the P-polarized light and / or the S-polarized light with respect to a plurality of film thicknesses that are known in advance Based on the S-polarized light propagation distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value at the time of irradiation, the PC 21 can obtain the film thickness. See, for example, FIG. 6 for the propagation light intensity distribution.

なお、伝搬強度分布及び同参照データは、上述の第1及び第2の実施の形態では本装置を実際に用いて既知の膜厚の試料に対して測定した結果得られたデータを用いたが、これに限らず、シミュレーションにより各種設定をして求めた分布やデータを用いてもよい。   Note that the propagation intensity distribution and the reference data used in the first and second embodiments described above are data obtained as a result of measurement on a sample having a known film thickness by actually using this apparatus. However, the present invention is not limited to this, and distributions and data obtained by various settings by simulation may be used.

5.制御及び計測の詳細
5−1 エアーギャップ制御プログラム
図10は、シアーフォースの影響でプローブの振幅が減衰するときのエアーギャップとプローブの振幅を示した図である。
5). Details of Control and Measurement 5-1 Air Gap Control Program FIG. 10 is a diagram showing the air gap and the probe amplitude when the probe amplitude is attenuated due to the influence of the shear force.

この例では、(1)の領域、つまりエアーギャップが、例えば数百nm以上ならばプローブの振幅は変化しない。しかし、(2)の領域、エアーギャップが、例えば50nm以下になるとプローブの振幅が減衰する。(2)の領域でプローブの振幅をモニタリングし、その振幅をある閾値で保てばエアーギャップを制御することができる。これがシアーフォース制御の原理である。   In this example, if the region (1), that is, the air gap is, for example, several hundred nm or more, the amplitude of the probe does not change. However, when the area (2), the air gap, is 50 nm or less, for example, the amplitude of the probe is attenuated. The air gap can be controlled by monitoring the amplitude of the probe in the region (2) and keeping the amplitude at a certain threshold. This is the principle of shear force control.

図11に、エアーギャップ制御プログラムのフローチャートを示す。以下の処理は、例えば、PC21が実行する。
PC21は、チューニングフォーク14の振幅をロックインアンプ24でモニタリングする(S301)。PC21は、その振幅が閾値以上か以下か判断する(S303)。閾値以上ならまだエアーギャップが大きいということなので、PC21は、コントローラ23により、Z軸ピエゾステージ13を降下させる(S305)。PC21は、その後ステップS301に戻り、基本的にはこの作業を繰り返す。ただ、ピエゾステージ13のストロークは、例えば25μmであり、それだけでエアーギャップをシアーフォースの働く距離まで近づけるのは難しく、最大ストロークまで動かすことでヒステリシスなどの誤差がのってくるので、ピエゾステージ13の可動範囲が一定以上になると(S307)、例えば、ストロークの半分程度まで動くと、PC21はコントローラ23により、ピエゾステージ13を原点に戻し、同じ距離をステッピングモータのステージ12により降下させる(S309)。
FIG. 11 shows a flowchart of the air gap control program. For example, the PC 21 executes the following processing.
The PC 21 monitors the amplitude of the tuning fork 14 with the lock-in amplifier 24 (S301). The PC 21 determines whether the amplitude is greater than or less than a threshold value (S303). If it is equal to or greater than the threshold value, the air gap is still large, so the PC 21 lowers the Z-axis piezo stage 13 by the controller 23 (S305). The PC 21 then returns to step S301 and basically repeats this operation. However, the stroke of the piezo stage 13 is, for example, 25 μm, and it is difficult to bring the air gap close to the working distance of the shear force. When the movable range becomes equal to or greater than a certain range (S307), for example, when the PC 21 moves to about half of the stroke, the PC 21 returns the piezo stage 13 to the origin by the controller 23 and lowers the same distance by the step 12 of the stepping motor (S309). .

一方、ステップS303で振幅が閾値以下になった場合、つまりエアーギャップが、例えば、50nm以下になった場合は、PC21はチューニングフォーク14の降下を停止し、そのときのZ座標を記憶部25のファイルに書き出し(S311)、所定距離、例えば、200nm程度チューニングフォーク14を上昇させる(S313)。PC21は、これ以後ステッピングモータステージ12は使用せずピエゾステージ13のみでチューニングフォーク14の上げ下げを行う。これはピエゾステージ13に比べステッピングモータステージ12の精度が悪く、振動によってエアーギャップが大きく変わってしまう可能性があるためである。   On the other hand, when the amplitude is equal to or smaller than the threshold value in step S303, that is, when the air gap is equal to or smaller than 50 nm, for example, the PC 21 stops the lowering of the tuning fork 14 and the Z coordinate at that time is stored in the storage unit 25. Writing to a file (S311), the tuning fork 14 is raised by a predetermined distance, for example, about 200 nm (S313). Thereafter, the PC 21 does not use the stepping motor stage 12 and raises and lowers the tuning fork 14 using only the piezo stage 13. This is because the stepping motor stage 12 is less accurate than the piezo stage 13 and the air gap may change significantly due to vibration.

以上のように、シアーフォースを利用したエアーギャップ制御では、圧電素子であるチューニングフォークの発振回路を発振させ、その共振周波数でプローブを振動させる。エアーギャップ制御プログラムでチューニングフォークの振幅をモニタリング、フィードバックすることによりエアーギャップの制御を行う。   As described above, in the air gap control using the shear force, the oscillation circuit of the tuning fork that is a piezoelectric element is oscillated, and the probe is oscillated at the resonance frequency. The air gap is controlled by monitoring and feeding back the tuning fork amplitude with the air gap control program.

5−2 シアーフォースによるチューニングフォーク振幅の減衰測定
チューニングフォークにプローブを挟んだ状態でも回路が発振するので、本実施の形態では発振した状態でプローブを試料表面に近づけ、シアーフォースによりチューニングフォーク振幅が減衰するのを測定する。
5-2 Tuning fork amplitude attenuation measurement by shear force Since the circuit oscillates even when the probe is sandwiched between tuning forks, in this embodiment, the probe is brought closer to the sample surface in the oscillated state, and the tuning fork amplitude is increased by shear force. Measure the decay.

図12に、エアーギャップとチューニングフォークの振幅の関係の図を示す。
この図は、エアーギャップ制御プログラムでチューニングフォークの振幅をモニタリングしながらZ軸ピエゾステージでプローブを降下させた時のエアーギャップとチューニングフォークの振幅の関係を示す。
FIG. 12 shows a relationship between the air gap and the tuning fork amplitude.
This figure shows the relationship between the air gap and the tuning fork amplitude when the probe is lowered by the Z-axis piezo stage while monitoring the tuning fork amplitude with the air gap control program.

図中(1)のエリア、エアーギャップが十分に大きいエリアではプローブを近づけても振幅は電気ノイズの影響で揺れてはいるが減衰は確認できない。(2)のエリア、エアーギャップが50nm以下になると振幅が減衰を始めた。降下させていくと振幅は0になり、さらに200nmほど降下させても振幅は0のままだった。この状態はプローブ先端が試料にぶつかっていると判断し、始めに振幅が0になった位置をエアーギャップ0nmとした。   In the area (1) in the figure, where the air gap is sufficiently large, even if the probe is brought closer, the amplitude fluctuates due to the effect of electrical noise, but attenuation cannot be confirmed. When the area (2) and the air gap were 50 nm or less, the amplitude began to attenuate. As it was lowered, the amplitude became 0, and even when lowered further by 200 nm, the amplitude remained at 0. In this state, it was determined that the tip of the probe was hitting the sample, and the position where the amplitude first became 0 was defined as an air gap of 0 nm.

この結果からある閾値を設定し、振幅がそれ以下になれば停止することによりエアーギャップを数十nmの位置で制御できることがわかった。例えば閾値を0.3に設定して制御することでエアーギャップを25nm前後の位置に止めることができる。   From this result, it was found that the air gap can be controlled at a position of several tens of nanometers by setting a certain threshold value and stopping when the amplitude falls below that value. For example, the air gap can be stopped at a position around 25 nm by controlling the threshold value to 0.3.

5−3 近接場光応答検出プログラム
図13に、近接場光応答検出プログラムのブロック図を示す。
まず、PC21は、上述のエアーギャップ制御プログラムを使って、チューニングフォーク14の振幅をチェックしつつ(S401)、エアーギャップを、一定値例えば50nm以下まで近づける(S403)。一定値まで近づくと、降下をストップして、PC21は、そのときの座標値を記憶部25のファイルに書き出す等によりエアーギャップを測定する(S405)。PC21は、ピエゾステージ13を停止して、同じ座標をキープする(S407)。ここで、PC21は、光源16によりレーザ照明を行い、ファイバプローブ15によりPMT等の受光部17で検出した近接場光応答(受光強度)はロックインアンプ24に送信され、そこでロックイン検波をかけられ、PC21は、その信号を読み取り、記憶部25のファイルに書き出す(S409)。これが一連の作業である。近接場光応答検出はエアーギャップを変えながら行うので、一連の作業が終わるとその時の座標から所定値、例えば、数十nm引き上げ(S411)、ステップS407及びS409の同様の作業繰り返す。このように、PC21は、エアーギャップを変えながら近接場光応答を検出する。
5-3 Near-field light response detection program FIG. 13 shows a block diagram of a near-field light response detection program.
First, the PC 21 uses the above-described air gap control program to check the amplitude of the tuning fork 14 (S401), and closes the air gap to a certain value, for example, 50 nm or less (S403). When approaching a certain value, the descent is stopped and the PC 21 measures the air gap by writing the coordinate value at that time to a file in the storage unit 25 (S405). The PC 21 stops the piezo stage 13 and keeps the same coordinates (S407). Here, the PC 21 performs laser illumination with the light source 16, and the near-field light response (light reception intensity) detected by the light receiving unit 17 such as the PMT with the fiber probe 15 is transmitted to the lock-in amplifier 24, where lock-in detection is performed. The PC 21 reads the signal and writes it in a file in the storage unit 25 (S409). This is a series of work. Since the near-field light response detection is performed while changing the air gap, when a series of operations are completed, the coordinates are increased by a predetermined value, for example, several tens of nm (S411), and the same operations of steps S407 and S409 are repeated. Thus, the PC 21 detects the near-field light response while changing the air gap.

6.モデル化解析
ここでは本実施の形態をシミュレーション解析に適した形にモデル化を行う。そしてプローブ先端部での電場挙動を解析する。まずは薄膜がないモデルで解析を行い、試料近傍での電場挙動のメカニズムを解明する。次にそのメカニズムを薄膜があるモデルにも適用し、膜厚によってどのような電場挙動が起こっているのか解析する。
6). Modeling Analysis Here, the present embodiment is modeled into a form suitable for simulation analysis. Then, the electric field behavior at the probe tip is analyzed. First, we analyze the model without a thin film, and elucidate the mechanism of the electric field behavior near the sample. Next, we apply the mechanism to a model with a thin film, and analyze what electric field behavior occurs depending on the film thickness.

6−1 モデル化
以下に、本実施の形態のモデル化について説明する。
図14に、シミュレーションモデルの説明図を示す。
FDTDシミュレーションでは解析領域が限定されるため、プローブ全体をモデル化することは現実的ではない。また、本実施の形態ではプローブ先端部での電場挙動、プローブ内部に進行してくる電場を詳細に解析したいため、プローブ自身の長さを数波長分確保し、プローブ先端部の数μm立方の領域を解析領域と設定する。また実際は図示のように微細パターンが刻まれているが、本論文ではまずは膜厚が変化することによる近接場光応答の変化を検出することを目的としているため、膜厚を均一としてモデル化する。つまり従来の手法では50nm以下の薄膜厚の計測は不可能であったのだが、本手法では可能であることを示すことを目的としてシミュレーション解析する。
6-1 Modeling Below, modeling of this Embodiment is demonstrated.
FIG. 14 is an explanatory diagram of the simulation model.
In the FDTD simulation, since the analysis area is limited, it is not realistic to model the entire probe. Also, in this embodiment, in order to analyze in detail the electric field behavior at the probe tip and the electric field traveling inside the probe, the length of the probe itself is secured for several wavelengths, and the probe tip is several μm cubic Set the area as the analysis area. Actually, a fine pattern is engraved as shown in the figure, but in this paper, the purpose is to detect changes in the near-field light response due to the change in film thickness. . In other words, although it was impossible to measure a thin film thickness of 50 nm or less with the conventional method, a simulation analysis is performed for the purpose of showing that this method is possible.

一般に、FDTD法(Finite Difference Time Domein method:時間領域差分法)は、微小領域の電場挙動の解析が可能である。また、FDTD法では、解析領域に電磁界を時間的、空間的に配置する。すなわち、波源、散乱体を囲むように解析領域を取り、その解析領域全体をセルに分割し、その全セルに対してマクスウェルの偏微分方程式を適用し定式化する。そして、時間ステップを進めていき、電界・磁界を交互に計算していくというアルゴリズムである。このときの基本的アルゴリズムがYeeアルゴリズムである。   In general, the FDTD method (Finite Difference Time Domain method: time domain difference method) can analyze the electric field behavior in a micro area. In the FDTD method, an electromagnetic field is temporally and spatially arranged in the analysis region. That is, an analysis region is taken so as to surround the wave source and the scatterer, the entire analysis region is divided into cells, and Maxwell's partial differential equation is applied to all the cells and formulated. And it is an algorithm that advances the time step and calculates the electric and magnetic fields alternately. The basic algorithm at this time is the Yee algorithm.

6−2 プローブ先端部電場挙動の解析
プローブ先端部の電場挙動は2つの領域に分けられる。1つ目は先端電場が効果を及ぼすエアーギャップが非常に小さい領域、2つ目は先端電場の効果が及ばないエアーギャップが大きい領域である。以降この2つの領域に分けて先端電場のメカニズム推定を行う。
6-2 Analysis of probe tip electric field behavior The electric field behavior of the probe tip is divided into two regions. The first is a region where the air gap exerted by the tip electric field is very small, and the second is a region where the air gap where the tip electric field is not effective is large. Thereafter, the mechanism of the tip electric field is estimated by dividing into these two regions.

(1)エアーギャップが非常に小さい領域
図15に、エアーギャップとプローブ電場の関係の説明図を示す。
先端電場とプローブ電場の相互作用には2つの要因があると考えられる。
(a)エアーギャップが大きくなるとプローブ自身の遮蔽効果が小さくなり外部から有効に照明されるようになり先端電場は大きくなる。
(b)先端電場はプローブ先端に局在しているので、エアーギャップが離れすぎるとプローブ電場への効果は急激に小さくなると予想される。
(1) Region in which the air gap is very small FIG. 15 shows an explanatory diagram of the relationship between the air gap and the probe electric field.
It is considered that there are two factors in the interaction between the tip electric field and the probe electric field.
(A) When the air gap is increased, the shielding effect of the probe itself is reduced, and illumination is effectively performed from the outside, and the tip electric field is increased.
(B) Since the tip electric field is localized at the probe tip, if the air gap is too far away, the effect on the probe electric field is expected to decrease rapidly.

図16に、先端電場の効果についての説明図を示す。この図は、上述の(a)及び(b)をまとめてプローブ電場への効果を図示すると図示したものである。
図中(i)に関して、エアーギャップが大きくなるとプローブ自身の遮蔽効果が小さくなり先端電場は大きくなる。ある距離以上離れるとプローブ先端部への外部照明がコンスタントに当たるようになり、先端電場の強さは一定になる。(ii)に関して、先端電場の局在性よりプローブ電場への効果はエアーギャップが大きくなるにつれ減衰していく。この2点の効果をまとめると、(iii)のようになる。エアーギャップが大きくなるとプローブ電場は大きくなる。しかしあるエアーギャップで極大となりそれ以降は減衰していく。
FIG. 16 is an explanatory diagram showing the effect of the tip electric field. In this figure, the above-mentioned (a) and (b) are put together to illustrate the effect on the probe electric field.
Regarding (i) in the figure, as the air gap increases, the shielding effect of the probe itself decreases and the tip electric field increases. When the distance is more than a certain distance, the external illumination on the probe tip constantly hits, and the strength of the tip electric field becomes constant. Regarding (ii), the effect on the probe electric field is attenuated as the air gap becomes larger than the localization of the tip electric field. The sum of these two effects is as shown in (iii). The probe electric field increases as the air gap increases. However, it becomes maximal at a certain air gap and then decays.

(2)エアーギャップが大きい領域
図17は、外部照明による干渉波とプローブ電場の関係を示す図である。図示のように、エアーギャップが大きい領域では外部照明による干渉波の効果が大きくなってくると予想される。
(2) Region with Large Air Gap FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the interference wave caused by external illumination and the probe electric field. As shown in the figure, it is expected that the effect of the interference wave by the external illumination is increased in a region where the air gap is large.

図18に、外部照明による干渉波の効果についての説明図を示す。外部照明による干渉のプローブ電場への効果をまとめると図示のようになる。
図中(i)に関して、外部照明により常に一定の干渉波が生じており、干渉の様子はファーフィールドから見ると安定している。しかし、(ii)のように、プローブ電場への効果を考えるとエアーギャップが小さい場合はプローブ自身の遮蔽効果により、プローブ電場への効果は非常に小さい。しかしエアーギャップが大きくなるとプローブ自身の遮蔽効果が小さくなり、プローブ電場への効果がおおきくなってくる。この2点をまとめると(iii)のようになると考えられる。エアーギャップが大きくなり先端電場の効果が小さくなると、徐々に外部照明の効果が大きくなり支配的になる。
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the effect of interference waves caused by external illumination. The effects of interference from external illumination on the probe electric field are summarized as shown in the figure.
Regarding (i) in the figure, a constant interference wave is always generated by external illumination, and the state of interference is stable when viewed from the far field. However, considering the effect on the probe electric field as in (ii), when the air gap is small, the effect on the probe electric field is very small due to the shielding effect of the probe itself. However, as the air gap increases, the shielding effect of the probe itself decreases, and the effect on the probe electric field increases. It is considered that (iii) is obtained by combining these two points. When the air gap becomes larger and the effect of the tip electric field becomes smaller, the effect of external illumination gradually becomes larger and becomes dominant.

(3)プローブ先端の電場
以上の、(1)エアーギャップが非常に小さい領域での先端電場の効果、(2)エアーギャップが大きい領域での外部照明による干渉波の効果、この2点をまとめたものが最終的なプローブ電場になると考えられる。
(3) Electric field at the probe tip Above, (1) The effect of the tip electric field in the region where the air gap is very small, (2) The effect of the interference wave due to external illumination in the region where the air gap is large, these two points are summarized. This will be the final probe electric field.

図19は、エアーギャップとプローブ電場の関係を示す図である。
この2点の効果をまとめると図示のようになる。
すなわち、エアーギャップが小さい時はプローブ自身の遮蔽効果でプローブ電場は非常に小さい。エアーギャップが徐々に大きくなってくると外部照明が多く当たるようになり先端電場の影響が強くなる。しかし先端電場は局在しているのでエアーギャップが大きくなるにつれ影響が小さくなる。それ以後は外部照明による干渉の影響が支配的になる。これがプローブ先端部における電場挙動のメカニズムであると推定される。
FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the air gap and the probe electric field.
The effects of these two points are summarized as shown in the figure.
That is, when the air gap is small, the probe electric field is very small due to the shielding effect of the probe itself. As the air gap gradually increases, more external lighting is applied and the influence of the tip electric field becomes stronger. However, since the tip electric field is localized, the effect becomes smaller as the air gap becomes larger. After that, the influence of interference by external illumination becomes dominant. This is presumed to be the mechanism of the electric field behavior at the probe tip.

つぎに、図20に、先端電場の性質(左がP偏光、右がS偏光。上図は横視点、下図は上視点)についての説明図を示す。
偏光の違いによる先端電場の挙動の変化をまとめると図示のようになる。
すなわち、P偏光はプローブ端面に対して垂直に電場が振動している偏光であり、プローブ先端ではその方向、つまりプローブの長さ方向に振動している先端電場が発生すると考えられる。またS偏光に関しては電場の振動の方向はP偏光と直角なので先端電場もP偏光と垂直な方向に振動していると考えられる。振動の様子が違えども、どちらも先端部に局在している電場なので、偏光の違いによるプローブ先端部での電場挙動のメカニズムは同様のものだと考えられる。
Next, FIG. 20 shows an explanatory diagram of the nature of the tip electric field (left is P-polarized light, right is S-polarized light, the upper figure is the horizontal viewpoint, and the lower figure is the upper viewpoint).
The changes in the behavior of the tip electric field due to the difference in polarization are summarized as shown in the figure.
That is, P-polarized light is polarized light whose electric field oscillates perpendicularly to the probe end surface, and it is considered that a tip electric field oscillating in that direction, that is, in the length direction of the probe is generated at the probe tip. Also, regarding the S-polarized light, the direction of vibration of the electric field is perpendicular to the P-polarized light, so it is considered that the tip electric field is also oscillating in the direction perpendicular to the P-polarized light. Although the state of vibration is different, both are electric fields localized at the tip, so the mechanism of the electric field behavior at the probe tip due to the difference in polarization is considered to be the same.

図21は、偏光によるエアーギャップとプローブ電場の関係を示す図である。偏光の効果をまとめた最終的な信号の強さは図示のようになる。   FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the air gap caused by polarized light and the probe electric field. The final signal strength summarizing the effects of polarization is as shown.

(4)薄膜があるモデルでの電場挙動解析
次に薄膜があるモデルでシミュレーション解析に従い、電場挙動について説明する。膜厚とエアーギャップを変化させてシミュレーションを行った。
(4) Electric field behavior analysis in a model with a thin film Next, electric field behavior will be described according to simulation analysis in a model with a thin film. The simulation was performed by changing the film thickness and the air gap.

図22に、薄膜がある場合のシミュレーションモデルの図を示す。
図示のように膜厚を変化させてプローブ電場を解析する。膜厚は0nmから50nmまで10nm刻みで、エアーギャップは10nmから100nmまで10nm刻みで変化させた。P偏光、S偏光それぞれに関してシミュレーションを行い、プローブ電場を調べた。
FIG. 22 shows a diagram of a simulation model when there is a thin film.
As shown in the figure, the probe electric field is analyzed by changing the film thickness. The film thickness was changed from 0 nm to 50 nm in increments of 10 nm, and the air gap was changed from 10 nm to 100 nm in increments of 10 nm. A simulation was performed for each of P-polarized light and S-polarized light, and the probe electric field was examined.

図23は、膜厚を変化させた場合のP偏光及びS偏光でのプローブ電場の強度を示す図である。
この例では、P偏光、S偏光ともに膜厚0nmではエアーギャップが70nm前後で極大となった。先端電場の大きさはおよそプローブ先端径に依存するため約70nm前後の領域に局在している。つまり先端電場の影響が支配的な領域である。
FIG. 23 is a diagram illustrating the intensity of the probe electric field in the P-polarized light and the S-polarized light when the film thickness is changed.
In this example, both the P-polarized light and the S-polarized light reach a maximum when the air gap is around 70 nm when the film thickness is 0 nm. Since the magnitude of the tip electric field depends on the probe tip diameter, it is localized in a region around 70 nm. In other words, it is a region where the influence of the advanced electric field is dominant.

薄膜があるモデルでは膜厚が厚くなるにつれ、膜厚0nmのグラフに対して左にシフトしていると読み取ることができる。レジストはSiと比べ光に対してより透明である。よって薄膜厚が変化しても結局はSi面からの距離に依存すると考えられる。つまり薄膜が厚くなることは、増えた厚み分だけエアーギャップが大きくなったことと同義だと考えられる。   In a model with a thin film, it can be read that the graph shifts to the left with respect to the graph with a film thickness of 0 nm as the film thickness increases. The resist is more transparent to light than Si. Therefore, even if the thin film thickness changes, it is considered that it eventually depends on the distance from the Si surface. In other words, increasing the thickness of the thin film is considered to be synonymous with increasing the air gap by the increased thickness.

また、偏光の違いによって、強度変化の度合い、シフトの大きさが異なっている。つまり、膜厚0nmで解明した電場挙動に対し、膜厚が厚くなるにつれ、ピーク値を迎えるエアーギャップやグラフ形状が左にシフトしている。   Further, the degree of intensity change and the magnitude of shift differ depending on the difference in polarization. That is, with respect to the electric field behavior elucidated when the film thickness is 0 nm, the air gap and the graph shape that reach the peak value shift to the left as the film thickness increases.

7.変形例
(1)近接場光学顕微鏡のモード
近接場光学顕微鏡には、次のような各種モードが存在する。
図24に、ファイバプローブのモード((A)i mode,(B)c mode,(C)i−c mode)の説明図を示す。
7). Modifications (1) Modes of the near-field optical microscope The near-field optical microscope has the following various modes.
FIG. 24 is an explanatory diagram of fiber probe modes ((A) i mode, (B) c mode, (C) i-c mode).

照明集光の方法によってi mode(illumination mode),c mode(collection mode),i−c mode(illumination−collection mode)の各モードがある。   There are i mode (illumination mode), c mode (collection mode), and i-c mode (illumination-collection mode) modes depending on the method of condensing illumination.

i modeとは、プローブに光を入射し、プローブ先端から滲み出したエバネッセント光を試料により散乱させ外部検出器で受光する方法である。一般的な近接場光学顕微鏡で用いられ、開口数の大きい光学系での集光が可能なため高感度な応答が得られる。加工や蛍光分析に用いられる。   The i mode is a method in which light is incident on the probe, and evanescent light that has oozed out from the probe tip is scattered by the sample and received by an external detector. Since it is used in a general near-field optical microscope and can be focused by an optical system having a large numerical aperture, a highly sensitive response can be obtained. Used for processing and fluorescence analysis.

c modeとは、一般的には全反射で試料を照明し、サンプル上で生じたエバネッセント光をプローブで散乱させ、その散乱光をプローブで集光する方法である。ノイズの少ないエバネッセント光を検出でき、高いコントラストを得られる。生体観測に用いられる。また、c modeでは、試料台がSiなどであり不透明な場合は、照明は外部上方から行う。   The c mode is generally a method of illuminating a sample with total reflection, scattering evanescent light generated on the sample with a probe, and condensing the scattered light with the probe. Evanescent light with less noise can be detected and high contrast can be obtained. Used for living body observation. Further, in c mode, when the sample stage is made of Si or the like and is opaque, illumination is performed from outside the top.

i−c modeは、プローブに光を入射し、プローブ先端から滲み出したエバネッセント光を試料により散乱させ、プローブで検出する方法である。試料台が不透明なものの分光に用いられる。   The i-c mode is a method in which light is incident on the probe, evanescent light oozing from the probe tip is scattered by the sample, and detected by the probe. It is used for spectroscopic analysis of an opaque sample stage.

以上の説明した実施の形態では、特に、c modeについて説明したが、本発明は、i modeやi−c mode等の他のモードにより適宜実現するようにしてもよい。例えば、i modeの場合、受光部(検出器)17と光源16の配置を、ファイバ15に対して図示のように入れ替えることで実現できる。また、i−c modeの場合は、ファイバ15を介して光源16から測定対象10にして光を照射するようにすればよい。   In the above-described embodiment, the c mode has been particularly described. However, the present invention may be appropriately realized by other modes such as i mode and i-c mode. For example, in the case of i mode, it can be realized by replacing the arrangement of the light receiving unit (detector) 17 and the light source 16 with respect to the fiber 15 as illustrated. In the case of i-c mode, light may be irradiated from the light source 16 to the measurement object 10 via the fiber 15.

(2)金属散乱プローブ
以上の3つのプローブモードの他にも、図(D)に示すような金属散乱プローブを利用することもできる。この場合は、例えば、光源16及び受光部(検出器)17を図示のように配置するとともに、ファイバプローブ15の代わりに金属の同様の形状のプローブ15を用いることで実現可能である。
(2) Metal Scattering Probe In addition to the above three probe modes, a metal scattering probe as shown in FIG. In this case, for example, the light source 16 and the light receiving unit (detector) 17 can be arranged as shown in the drawing, and a metal-like probe 15 can be used instead of the fiber probe 15.

(3)S偏光又はP偏光の一方のみの利用
対象とされる膜厚の範囲によっては、S偏光又はP偏光の一方の照射による測定により、膜厚計測することも可能である。
(3) Utilization of only one of S-polarized light and P-polarized light Depending on the target film thickness range, it is possible to measure the film thickness by measurement using one of S-polarized light or P-polarized light.

すなわち、本発明の近接場フォトンを用いた極薄残膜の非破壊膜厚計測技術は、半導体プロセスにナノインプリント技術を適用するという産業ニーズに応えるために、不可欠な産業技術シーズの位置付けとなることができる。   In other words, the non-destructive film thickness measurement technology for ultra-thin residual film using near-field photons according to the present invention is positioned as an indispensable industrial technology seed to meet the industrial needs of applying nanoimprint technology to semiconductor processes. Can do.

また、本発明は、ナノインプリント技術の半導体プロセスへの実用化過程における不可欠な産業シーズにとどまらず、実用化後のインプロセス・サンプリング計測評価技術としての産業シーズも有していると位置付けることが可能である。   In addition, the present invention is not limited to the industrial seeds that are indispensable in the practical application of nanoimprint technology to semiconductor processes, but can also be regarded as having industrial seeds as an in-process sampling measurement evaluation technology after practical application. It is.

膜厚計測装置の概念図。The conceptual diagram of a film thickness measuring apparatus. シアーフォースの説明図。Explanatory drawing of shear force. チューニングフォークを用いた振幅検出法の図。The figure of the amplitude detection method using a tuning fork. 膜厚計測の原理についての概念図。The conceptual diagram about the principle of film thickness measurement. プローブの原理の説明図。Explanatory drawing of the principle of a probe. P偏光、S偏光でのエアーギャップとプローブ電場の関係を各膜厚毎にまとめた図。The figure which put together the relationship between the air gap and probe electric field in P polarization | polarized-light and S polarization | polarized-light for every film thickness. (a)P偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図、及び、(b)S偏光の強度が強くなるように逆転しているエアーギャップと膜厚の関係図。(A) Relationship between air gap and film thickness reversed so that the intensity of P-polarized light becomes stronger, and (b) Relation between air gap and film thickness reversed so that the intensity of S-polarized light becomes stronger. Figure. 非破壊膜厚計測についての第1の実施の形態のフローチャート。The flowchart of 1st Embodiment about nondestructive film thickness measurement. 非破壊膜厚計測についての第2の実施の形態のフローチャート。The flowchart of 2nd Embodiment about nondestructive film thickness measurement. シアーフォースの影響でプローブの振幅が減衰するときのエアーギャップとプローブの振幅を示した図。The figure which showed the air gap and the amplitude of a probe when the amplitude of a probe attenuate | damps by the influence of a shear force. エアーギャップ制御プログラムのフローチャート。The flowchart of an air gap control program. エアーギャップとチューニングフォークの振幅の関係の図。The figure of the relationship between an air gap and the amplitude of a tuning fork. 近接場光応答検出プログラムのブロック図。The block diagram of a near-field light response detection program. シミュレーションモデルの説明図。Explanatory drawing of a simulation model. エアーギャップとプローブ電場の関係の説明図。Explanatory drawing of the relationship between an air gap and a probe electric field. 先端電場の効果についての説明図。Explanatory drawing about the effect of a tip electric field. 外部照明による干渉波とプローブ電場の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the interference wave by external illumination, and a probe electric field. 外部照明による干渉波の効果についての説明図。Explanatory drawing about the effect of the interference wave by external illumination. エアーギャップとプローブ電場の関係を示す図。The figure which shows the relationship between an air gap and a probe electric field. 先端電場の性質(左がP偏光、右がS偏光。上図は横視点、下図は上視点)についての説明図。Explanatory drawing about the nature of the tip electric field (left is P-polarized light, right is S-polarized light, upper figure is horizontal viewpoint, lower figure is upper viewpoint). 偏光によるエアーギャップとプローブ電場の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the air gap by polarization, and a probe electric field. 薄膜がある場合のシミュレーションモデルの図。The figure of the simulation model when there is a thin film. 膜厚を変化させた場合のP偏光及びS偏光でのプローブ電場の強度を示す図。The figure which shows the intensity | strength of the probe electric field in P polarized light and S polarized light when changing a film thickness. ファイバプローブのモード((A)i mode,(B)c mode,(C)i−c mode)の説明図。Explanatory drawing of the mode ((A) i mode, (B) c mode, (C) i-c mode) of a fiber probe. ナノインプリントにおける残膜の説明図。Explanatory drawing of the remaining film in nanoimprint.

符号の説明Explanation of symbols

1 近接場光応答検出光学系
2 近接場光応答制御システム
11 ステージ
12 ステージ
13 ステージ
14 チューニングフォーク
15 プローブ(ファイバプローブ)
16 光源
17 受光部
21 コンピュータ(PC)
22 ステッピングモータコントローラ
23 微動ステージコントローラ
24 ロックインアンプ
25 記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Near field light response detection optical system 2 Near field light response control system 11 Stage 12 Stage 13 Stage 14 Tuning fork 15 Probe (fiber probe)
16 Light source 17 Light receiver 21 Computer (PC)
22 Stepping motor controller 23 Fine movement stage controller 24 Lock-in amplifier 25 Storage unit

Claims (16)

光源により測定対象を照射し、
近接場光プローブを測定対象の表面に接近させ、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定し、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、
前記近接場フォトン応答光を計測し、
計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める
非破壊膜厚計測方法。
Irradiate the measurement target with a light source
Bring the near-field optical probe closer to the surface to be measured,
Measure the air gap value between the object to be measured and the near-field optical probe,
By making the measurement object exist in the near-field photon localized region formed at the tip of the near-field optical probe, the interaction between the dipole at the tip of the near-field probe and the dipole in the substance to be measured To generate a near-field photon field, and emit a near-field photon response light that is a propagating light corresponding to the near-field photon field,
Measure the near-field photon response light,
A nondestructive film thickness measurement method for obtaining film thickness information of a measurement object based on the measured intensity of the near-field photon response light and the measured air gap value.
P偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布を測定し、
S偏光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布を測定し、
処理部は、P偏光伝搬光強度分布とS偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値を求め、
処理部は、前記交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した予め定められた特性データを記憶部から読出し、求めた交点のエアーギャップ値に従い膜厚情報を求める
ことを特徴とする請求項1に記載の非破壊膜厚計測方法。
Irradiate P-polarized light, measure the P-polarized light propagation distribution indicating the intensity of the near-field photon response light against the air gap value,
Irradiate S-polarized light, measure the S-polarized light propagation distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value,
The processing unit obtains the air gap value at the intersection of the P-polarized light propagation intensity distribution and the S-polarized light intensity distribution,
The processing unit reads predetermined characteristic data indicating a film thickness with respect to an air gap value at the intersection from the storage unit, and obtains film thickness information according to the obtained air gap value at the intersection. The nondestructive film thickness measuring method described.
予め既知の複数の膜厚の各試料に対して、P偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布を測定し、
予め膜厚が既知の複数の膜厚の各試料に対して、S偏光を照射して、膜厚毎にエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布を測定し、
処理部は、P偏光伝搬光強度分布とS偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データを求め、前記特性データを記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項2に記載の非破壊膜厚計測方法。
Irradiate each sample of a plurality of known film thicknesses with P-polarized light, measure the P-polarized light propagation intensity distribution indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value for each film thickness,
S-polarized light is irradiated to each sample of a plurality of thicknesses that are known in advance, and an S-polarized light intensity distribution indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value is measured for each thickness. ,
The processing unit obtains characteristic data indicating a film thickness with respect to an air gap value at an intersection of the P-polarized light propagation intensity distribution and the S-polarized light intensity distribution, and stores the characteristic data in the storage unit. Item 3. The nondestructive film thickness measuring method according to Item 2.
前記特性データは、エアーギャップの減少又は増加に対して、P偏光がS偏光より強い場合の第1の特性データと、S偏光がP偏光より強い場合の第2の特性データとを含み、
処理部は、前記第1及び第2の特性データに従い膜厚を判定する
ことを特徴とする請求項3に記載の非破壊膜厚計測方法。
The characteristic data includes first characteristic data when P-polarized light is stronger than S-polarized light and second characteristic data when S-polarized light is stronger than P-polarized with respect to the decrease or increase of the air gap,
The nondestructive film thickness measurement method according to claim 3, wherein the processing unit determines the film thickness according to the first and second characteristic data.
膜厚情報を求めるとき、
エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布を測定し、
処理部は、予め求められた既知の膜厚毎に、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶部から読出し、膜厚毎の前記伝搬光強度分布参照データと測定された伝搬光強度分布とを比較して、類似度に従い膜厚を求めることを特徴とする請求項1に記載の非破壊膜厚計測方法。
When finding film thickness information,
Measure the propagation light intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value,
The processing unit reads propagation light intensity distribution reference data indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value from the storage unit for each known film thickness obtained in advance, and refers to the propagation light intensity distribution for each film thickness. The nondestructive film thickness measuring method according to claim 1, wherein the film thickness is determined according to the similarity by comparing the data with the measured propagation light intensity distribution.
予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して光を照射し、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを測定し、
処理部は、膜厚毎に前記伝搬光強度分布参照データを記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項5に記載の非破壊膜厚計測方法。
Irradiate light to a plurality of film thicknesses whose thicknesses are known in advance, measure propagation light intensity distribution reference data indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value,
The nondestructive film thickness measuring method according to claim 5, wherein the processing unit stores the propagation light intensity distribution reference data in the storage unit for each film thickness.
予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、P偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布、及び/又は、S偏光を照射した際のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布に基づき、処理部は、膜厚を求めることを特徴とする請求項5に記載の非破壊膜厚計測方法。   P-polarized light intensity distribution indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value when P-polarized light is irradiated and / or S-polarized light with respect to a plurality of film thicknesses that are known in advance. The nondestructive film thickness measuring method according to claim 5, wherein the processing unit obtains the film thickness based on the S-polarized light propagation light intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value. 前記近接場光プローブによる測定モードは、次のいずれかを用いることを特徴とする請求項1に記載の非破壊膜厚計測方法。
(1)先端がとがった近接場光プローブを用いて、測定対象を限定照明し、限定領域からの測定対象散乱光を自由空間に伝搬させ検出する微小ファイバ開口型イルミネーションモード、
(2)測定対象に自由空間伝搬光による照明を行い,先端がとがった近接場光プローブを用いて,測定対象の限定領域から近接場を伝搬光に変換し,プローブ内部を伝搬させて検出する微小ファイバ開口型のコレクションモード、又は、
(3)先端がとがった近接場光プローブを用いて,測定対象を限定照明し,照明用近接場光プローブを検出用としても利用し,測定対象の限定領域から近接場を伝搬光に変換し,プローブ内部を伝搬させて検出する微小ファイバ開口型のイルミネーション・コレクションモード
The nondestructive film thickness measuring method according to claim 1, wherein one of the following is used as a measurement mode by the near-field optical probe.
(1) A microfiber aperture illumination mode that uses a near-field optical probe with a sharp tip to illuminate a measurement target and propagate and detect scattered light from the limited region in free space;
(2) Illuminate the object to be measured with free-space propagating light, use a near-field optical probe with a sharp tip, convert the near-field from the limited area of the object to be measured into propagating light, and propagate the probe to detect it Microfiber aperture type collection mode, or
(3) Using a near-field optical probe with a sharp tip, subject the measurement object to limited illumination, and also use the illumination near-field optical probe for detection, and convert the near-field from the measurement target limited area to propagating light. , Illumination collection mode of microfiber aperture type that is detected by propagating inside the probe
前記近接場光プローブは、金属散乱プローブ型であることを特徴とする請求項1に記載の非破壊膜厚計測方法。   The nondestructive film thickness measuring method according to claim 1, wherein the near-field optical probe is of a metal scattering probe type. 処理部は、エアーギャップ値を、前記近接場光プローブに結合されたチューニングフォークを用いたシアーフォース制御により求めることを特徴とする請求項1に記載の非破壊膜厚計測方法。   The nondestructive film thickness measuring method according to claim 1, wherein the processing unit obtains the air gap value by shear force control using a tuning fork coupled to the near-field optical probe. 測定対象は、半導体用ナノインプリント極薄残膜であることを特徴とする請求項1に記載の非破壊膜厚計測方法。   The non-destructive film thickness measuring method according to claim 1, wherein the measurement target is a nanoimprint ultrathin residual film for a semiconductor. 測定対象を照射する光源と、
測定対象の表面に接近させ、近接場フォトン応答光を検出するための近接場光プローブと、
測定対象と前記近接場光プローブとの間のエアーギャップ値を測定するエアーギャップ測定部と、
前記近接場光プローブで検出された前記近接場フォトン応答光を計測するための受光部と、
前記近接場光プローブの先端に形成される近接場フォトン局在領域内に測定対象を存在させることにより、前記近接場プローブの先端部の双極子と測定対象の物質内の双極子との相互作用による近接場フォトン場を生成し、前記近接場フォトン場に応じた伝搬光である近接場フォトン応答光を放射させ、前記受光部により計測された前記近接場フォトン応答光の強度と、計測された前記エアーギャップ値とに基づいて、測定対象の膜厚情報を求める処理部と
を備えた非破壊膜厚計測装置。
A light source that illuminates the measurement object;
A near-field optical probe for detecting the near-field photon response light by approaching the surface of the measurement object;
An air gap measuring unit for measuring an air gap value between the measurement object and the near-field optical probe;
A light receiving unit for measuring the near-field photon response light detected by the near-field light probe;
By making the measurement object exist in the near-field photon localized region formed at the tip of the near-field optical probe, the interaction between the dipole at the tip of the near-field probe and the dipole in the substance to be measured A near-field photon field is generated by, and a near-field photon response light that is a propagating light corresponding to the near-field photon field is emitted, and the intensity of the near-field photon response light measured by the light receiving unit is measured. A nondestructive film thickness measuring apparatus comprising: a processing unit that obtains film thickness information of a measurement object based on the air gap value.
予め膜厚が既知の複数の膜厚に対して、エアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示す伝搬光強度分布参照データを記憶した記憶部をさらに備え、
前記処理部は、前記記憶部を参照して膜厚を求めることを特徴とする請求項12に記載の非破壊膜厚計測装置。
A storage unit that stores propagation light intensity distribution reference data indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value for a plurality of film thicknesses that are known in advance,
The nondestructive film thickness measuring apparatus according to claim 12, wherein the processing unit obtains a film thickness with reference to the storage unit.
前記光源からの照射をP偏光又はS偏光に変換する偏光部と、
前記偏光部によりP偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すP偏光伝搬光強度分布、及び/又は、S偏光を照射した際の膜厚毎のエアーギャップ値に対する近接場フォトン応答光の強度を示すS偏光伝搬光強度分布を記憶した記憶部と
をさらに備え、
前記処理部は、前記記憶部を参照して膜厚を求めることを特徴とする請求項12に記載の非破壊膜厚計測装置。
A polarization unit that converts irradiation from the light source into P-polarized light or S-polarized light;
P-polarization propagation light intensity distribution indicating the intensity of near-field photon response light with respect to the air gap value for each film thickness when irradiated with P-polarized light by the polarizing section, and / or for each film thickness when irradiated with S-polarized light A storage unit storing an S-polarized light propagation intensity distribution indicating the intensity of the near-field photon response light with respect to the air gap value;
The nondestructive film thickness measuring apparatus according to claim 12, wherein the processing unit obtains a film thickness with reference to the storage unit.
前記記憶部は、P偏光伝搬光強度分布とS偏光伝搬光強度分布との交点のエアーギャップ値に対する膜厚を示した特性データをさらに記憶し、
前記処理部は、前記特性データが示す交点に基づき膜厚を求めることを特徴とする請求項12に記載の非破壊膜厚計測装置。
The storage unit further stores characteristic data indicating the film thickness with respect to the air gap value at the intersection of the P-polarized light propagation intensity distribution and the S-polarized light intensity distribution,
The nondestructive film thickness measuring apparatus according to claim 12, wherein the processing unit obtains a film thickness based on an intersection point indicated by the characteristic data.
前記近接場光プローブに結合されたチューニングフォークをさらに備え、
前記処理部は、前記チューニングフォークを用いたシアーフォース制御によりエアーギャップ値を求めることを特徴とする請求項12に記載の非破壊膜厚計測装置。

A tuning fork coupled to the near-field optical probe;
The nondestructive film thickness measuring apparatus according to claim 12, wherein the processing unit obtains an air gap value by shear force control using the tuning fork.

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