JP2009097857A - Device and method for measuring optical characteristics - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、光学特性測定装置および光学特性測定方法に関し、より特定的には薄膜における膜厚や屈折率といった光学特性をより高い精度で測定する技術に関する。 The present invention relates to an optical characteristic measuring apparatus and an optical characteristic measuring method, and more particularly to a technique for measuring optical characteristics such as film thickness and refractive index in a thin film with higher accuracy.
従来から、機能性樹脂フィルムや半導体基板に形成された薄膜の膜厚を測定する方法として、反射率スペクトルを用いる方法が知られている。より具体的には、まず、白色光を薄膜試料に照射し、その反射光の反射率スペクトルを取得する。そして、取得された反射率スペクトルのデータに対して、ゼロフィリング処理やフィルタ処理などを行なった後、フーリエ変換を用いてパワースペクトルを取得する。さらに、このパワースペクトルに現れるピークから光学的膜厚nd(但し、nは膜の屈折率、dは膜厚)を算出し、この光学的膜厚ndを既知の屈折率nで除することにより、幾何学的な膜厚dを算出する。このような膜厚測定方法は、たとえば、特開2005−308394号公報(特許文献1)、特開2005−37315号公報(特許文献2)、特開平07−294220号公報(特許文献3)、特開平10−311708号公報(特許文献4)、特開2003−130614号公報(特許文献5)、特開2001−227916号公報(特許文献6)などに記載されている。
しかしながら、上述の方法は、対象とする薄膜試料の屈折率が既知であることを前提とするものであり、屈折率が未知の場合には適用できない。一般に、薄膜試料の膜構造を解析する場合には、薄膜の屈折率が未知であることが多く、また新たな膜材料の開発過程においては、その膜材料の屈折率は実際に測定しなければわからない。 However, the above-described method is based on the premise that the refractive index of the target thin film sample is known, and cannot be applied when the refractive index is unknown. In general, when analyzing the film structure of a thin film sample, the refractive index of the thin film is often unknown, and in the process of developing a new film material, the refractive index of the film material must be actually measured. do not know.
ところで、多くの薄膜試料に含まれる膜は誘電体で構成されており、この誘電体からなる膜の屈折率を測定する方法として、反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルに対して、誘電体の電気双極子の電磁波との相互作用を考慮した誘電関数を用いて、非線形二乗法によるフィッティングを行なう方法が一般的となっている。 By the way, the film included in many thin film samples is made of a dielectric, and as a method for measuring the refractive index of the film made of this dielectric, the dielectric electric power is measured against the reflectance spectrum or the transmittance spectrum. A method of fitting by a non-linear square method using a dielectric function that takes into account the interaction of a dipole with an electromagnetic wave has become common.
このようなフィッティング方法を多層構造の薄膜試料に適用した場合には、フィッテイングパラメータが多くなり、数学的な解法が難しい場合がある。このような場合において、多層構造の薄膜試料のある一層の屈折率が未知であれば、反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルに対して、周波数変換・フィルタ処理・周波数逆変換を順に行なうことで、当該層に起因する反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルを抽出し、この抽出したスペクトルに対して、フィッティングを行なう方法が提案されている。この方法によれば、抽出された反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルでは、本来の反射率または透過率の形状(全体的な特性)に略一致するが、その値(強度)は本来の値を反映したものとはならない。ここで、誘電関数を用いた非線形最小二乗法によるフィッティングによって屈折率を算出するための条件としては、測定された反射率または屈折率の値が正確でなければならず、上述のように本来の値を反映しない反射率スペクトルまたは透過率のスペクトルを用いたのでは、屈折率や膜厚といった光学特性を正確に測定することができない。 When such a fitting method is applied to a thin film sample having a multi-layer structure, there are cases where fitting parameters increase and mathematical solution is difficult. In such a case, if the refractive index of a certain layer of the thin film sample having a multilayer structure is unknown, the frequency conversion, filter processing, and frequency reverse conversion are sequentially performed on the reflectance spectrum or the transmittance spectrum, A method has been proposed in which a reflectance spectrum or a transmittance spectrum caused by the layer is extracted and fitting is performed on the extracted spectrum. According to this method, the extracted reflectance spectrum or transmittance spectrum substantially matches the original reflectance or transmittance shape (overall characteristics), but its value (intensity) is the original value. It does not reflect. Here, as a condition for calculating the refractive index by fitting by a nonlinear least square method using a dielectric function, the measured reflectance or refractive index value must be accurate, and as described above, If a reflectance spectrum or transmittance spectrum that does not reflect the value is used, optical characteristics such as refractive index and film thickness cannot be measured accurately.
さらに、対象とする試料が単相構造であっても、その膜厚が数μmオーダーであるような相対的に厚い膜の場合には、分光部での迷光やコンボリーション、あるいは測定光の平行度(膜上面と膜下面との間における測定光のスポット径の相違)などにより、反射率または透過率を正確に測定することは困難である。そのため、このような場合にも屈折率や膜厚といった光学特性を正確に測定することができない。 Furthermore, even if the target sample has a single-phase structure, if the film thickness is relatively large, such as on the order of several μm, stray light or convolution in the spectroscopic section, or measurement light It is difficult to accurately measure reflectance or transmittance due to parallelism (difference in spot diameter of measurement light between the film upper surface and the film lower surface). Therefore, even in such a case, optical characteristics such as refractive index and film thickness cannot be measured accurately.
上述のように、従来の方法では薄膜試料における屈折率を正確に測定することは容易でなく、その結果、光学的膜厚から膜厚を正しく算出することも非常に困難であった。 As described above, in the conventional method, it is not easy to accurately measure the refractive index in a thin film sample, and as a result, it is very difficult to correctly calculate the film thickness from the optical film thickness.
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、その屈折率が未知の薄膜試料における膜厚や屈折率といった光学特性をより高い精度を測定することが可能な光学特性測定装置および光学特性測定方法を提供することである。 The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to measure the optical characteristics such as film thickness and refractive index of a thin film sample whose refractive index is unknown with higher accuracy. It is to provide an optical property measuring apparatus and an optical property measuring method capable of performing the above.
この発明のある局面に従う光学特性測定装置は、基板上に少なくとも1つの膜が形成された試料に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射する光源と、試料で反射された光または試料を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得する分光部と、測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも1つの入射角で試料へ入射する場合に取得される少なくとも1つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する抽出手段と、抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するパラメータ決定手段と、パラメータ決定手段によって決定されたパラメータから試料における光学特性を算出する光学特性算出手段とを含む。 An optical property measurement apparatus according to an aspect of the present invention includes a light source that irradiates measurement light having a predetermined wavelength range with respect to a sample in which at least one film is formed on a substrate, and light or the sample reflected by the sample. A spectroscopic unit that acquires reflectance or transmittance wavelength distribution characteristics based on the transmitted light, and at least one acquired when the measurement light is incident on the sample at at least one incident angle including a non-zero value. Extraction means for sequentially extracting the extreme values and the wave numbers corresponding to the extreme values for one wavelength distribution characteristic, and a parameter of the model formula indicating the film characteristics based on the change characteristics of the wave numbers sequentially extracted by the extraction means Parameter determining means for determining the optical characteristics of the sample from the parameters determined by the parameter determining means.
好ましくは、波長分布特性は、試料で反射された光に基づいて取得される反射率の波長分布特性であり、波数の変化特性は、抽出された複数の波数と、複数の波数の各々に付された次数との対応関係であり、モデル式は、以下に示す次数Nについての式である。 Preferably, the wavelength distribution characteristic is a reflectance wavelength distribution characteristic acquired based on light reflected by the sample, and the wave number change characteristic is attached to each of the plurality of extracted wave numbers and the plurality of wave numbers. The model expression is an expression for the order N shown below.
さらに好ましくは、次数は、抽出された複数の波数に対してその値の昇順に割当てられる。 More preferably, the orders are assigned to the extracted plurality of wave numbers in ascending order of the values.
また好ましくは、膜の屈折率波長分散モデル式n1(λ)は、以下に示す式である。 Further preferably, the refractive index wavelength dispersion model expression n 1 (λ) of the film is an expression shown below.
好ましくは、抽出手段は、測定光が、実質的にゼロの入射角で試料へ入射する場合に取得される第1波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第1極値抽出手段と、測定光が、非ゼロの入射角で試料へ入射する場合に取得される第2波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第2極値抽出手段とを含む。パラメータ決定手段は、第1極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、モデル式に含まれるパラメータの一部のパラメータをフィッティングにより決定する第1フィッティング手段と、第2極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、モデル式に含まれるパラメータのうち、第1フィッティング手段によって決定されたパラメータを除いた残りのパラメータをフィッティングにより決定する第2フィッティング手段とを含む。 Preferably, the extraction unit sequentially extracts an extreme value and a wave number corresponding to the extreme value with respect to the first wavelength distribution characteristic acquired when the measurement light is incident on the sample at a substantially zero incident angle. First extreme value extraction means, and the second wavelength distribution characteristic acquired when the measurement light is incident on the sample at a non-zero incident angle, sequentially extracts the extreme value and the wave number corresponding to the extreme value. Second extremum extraction means. The parameter determining means includes a first fitting means for determining, by fitting, some parameters included in the model formula based on the wave number variation characteristics sequentially extracted by the first extreme value extracting means, and a second extreme value. Second fitting means for determining by fitting the remaining parameters excluding the parameters determined by the first fitting means among the parameters included in the model formula based on the wave number variation characteristic sequentially extracted by the extracting means; Including.
好ましくは、光学特性測定装置は、少なくとも屈折率および膜厚が規定された層構造情報を複数格納する層構造格納手段と、複数の層構造情報のうち少なくとも1つの層構造情報に基づいて、層構造候補を順次選択する選択手段と、層構造候補に対応する層構造情報に基づいて、層構造候補における反射率または透過率の波長分布特性を算出する波長分布特性算出手段と、層構造候補の波長分布特性から、波数特性変換手段および周波数変換手段と同一の処理によって周波数変換後の波数分布特性を算出する波数分布特性算出手段と、実測された波長分布特性から算出された周波数変換後の波数分布特性と、波数分布特性算出手段によって算出された周波数変換後の波数分布特性との間の相関値を算出する相関値算出手段と、相関値に基づいて、選択手段が順次選択する層構造候補のうち実測値に最も近いものを決定する決定手段とをさらに含む。 Preferably, the optical characteristic measurement device includes a layer structure storage unit that stores a plurality of layer structure information in which at least a refractive index and a film thickness are defined, and a layer based on at least one layer structure information among the plurality of layer structure information. A selection means for sequentially selecting structure candidates; a wavelength distribution characteristic calculating means for calculating a wavelength distribution characteristic of reflectance or transmittance in the layer structure candidate based on the layer structure information corresponding to the layer structure candidate; Wave number distribution characteristic calculating means for calculating the wave number distribution characteristic after frequency conversion by the same processing as the wave number characteristic converting means and frequency converting means from the wavelength distribution characteristic, and the wave number after frequency conversion calculated from the actually measured wavelength distribution characteristic Correlation value calculating means for calculating a correlation value between the distribution characteristic and the wave number distribution characteristic after frequency conversion calculated by the wave number distribution characteristic calculating means, and based on the correlation value Further comprising a determination means for determining the closest match to the measured value of the layer structure candidate selection means sequentially selects.
この発明の別の局面に従う光学特性測定方法は、基板上に少なくとも1つの膜が形成された試料に対して所定の波長範囲をもつ測定光を照射するステップと、試料で反射された光または試料を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得するステップと、測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも1つの入射角で試料へ入射する場合に取得される少なくとも1つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出するステップと、抽出するステップにおいて順次抽出された波数の変化特性に基づいて、膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するステップと、決定するステップにおいて決定されたパラメータから試料における光学特性を算出するステップとを含む。 An optical property measurement method according to another aspect of the present invention includes a step of irradiating a sample having at least one film formed on a substrate with measurement light having a predetermined wavelength range, and light or sample reflected by the sample. Obtaining a reflectance or transmittance wavelength distribution characteristic based on the light transmitted through the light, and at least one obtained when the measurement light is incident on the sample at at least one incident angle including a non-zero value. A parameter for a model equation that indicates the characteristics of the film based on the step of sequentially extracting the extreme value and the wave number corresponding to the extreme value for the two wavelength distribution characteristics, and the change characteristic of the wave number extracted sequentially in the extracting step Are determined by fitting, and optical properties of the sample are calculated from the parameters determined in the determining step.
この発明によれば、その屈折率が未知の薄膜試料における膜厚や屈折率といった光学特性をより高い精度を測定することができる。 According to the present invention, it is possible to measure the optical characteristics such as film thickness and refractive index of a thin film sample whose refractive index is unknown with higher accuracy.
この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図1は、この発明の実施の形態に従う光学特性測定装置100の概略構成図である。
本実施の形態に従う光学特性測定装置100は、代表的に、薄膜試料で反射された反射光の波長分布特性(以下「スペクトル」とも称す。)に基づいて、薄膜試料における各層の膜厚や屈折率といった光学特性の測定を行なう。なお、反射光のスペクトルに代えて、薄膜試料を透過した光のスペクトル(透過光スペクトル)を用いてもよい。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical
Optical characteristic measuring
本明細書において薄膜試料とは、基板上に少なくとも1つの膜が形成された試料を意味する。代表的な薄膜試料としては、半導体基板、ガラス基板、サファイア基板、石英基板、フィルムなどの表面に薄膜が形成(コーティング)されたものが挙げられる。より具体的には、薄膜形成されたガラス基板は、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)やプラズマディスプレイ(PDP:Plasma Display Panel)などのフラットパネルディスプレイ(FPD:Flat Panel Display)のディスプレイ部として使用される。また、薄膜形成されたサファイア基板は、窒化物半導体(GaN:Gallium Nitride)系のLED(Light Emitting Diode)やLD(Laser Diode)として使用される。また、薄膜形成された石英基板は、各種の光学フィルタや光学部品およびプロジェクション液晶などに使用される。なお、以下では、薄膜試料を単に「試料」とも記す。 In this specification, a thin film sample means a sample in which at least one film is formed on a substrate. Typical thin film samples include a semiconductor substrate, a glass substrate, a sapphire substrate, a quartz substrate, a film, etc., on which a thin film is formed (coated). More specifically, the thin-film-formed glass substrate is used as a display part of a flat panel display (FPD) such as a liquid crystal display (LCD) or a plasma display panel (PDP). Is done. The thin-film sapphire substrate is used as a nitride semiconductor (GaN: Gallium Nitride) LED (Light Emitting Diode) or LD (Laser Diode). The quartz substrate formed with a thin film is used for various optical filters, optical components, projection liquid crystals, and the like. Hereinafter, the thin film sample is also simply referred to as “sample”.
図1を参照して、光学特性測定装置100は、測定用光源10と、コリメートレンズ12と、カットフィルタ14と、結像レンズ16,36と、絞り部18と、ビームスプリッタ20,30と、観察用光源22と、光ファイバ24と、出射部26と、ピンホールミラー32と、軸変換ミラー34と、観察用カメラ38と、表示部39と、対物レンズ40とステージ50と、可動機構52と、分光測定部60と、データ処理部70とを備える。
Referring to FIG. 1, an optical
測定用光源10は、試料の反射光のスペクトルを取得するために、所定の波長範囲をもつ測定光を発生する光源であり、その波長幅が比較的広い白色光光源が用いられる。代表的に、測定用光源10は、重水素ランプ(D2ランプ)やタングステンランプ、またはそれらの組合せからなる。
The
コリメートレンズ12と、カットフィルタ14と、結像レンズ16と、絞り部18とは、測定用光源10とビームスプリッタ30とを結ぶ光軸AX2上に配置され、測定用光源10から出射される測定光を光学的に調整する。
The
具体的には、コリメートレンズ12は、測定用光源10からの測定光が最初に入射する光学部品であり、拡散光線として伝播する測定光を屈折させて平行光線に変換する。コリメートレンズ12を通過した測定光はカットフィルタ14に入射する。カットフィルタ14は、測定光に含まれる不要な波長成分を遮断する。代表的に、カットフィルタ14は、ガラス基板などに蒸着された多層膜によって形成される。結像レンズ16は、測定光のビーム径を調整するために、カットフィルタ14を通過した測定光を平行光線から収束光線に変換する。結像レンズ16を通過した測定光は絞り部18に入射する。絞り部18は、測定光の光量を所定量に調整した上でビームスプリッタ30へ出射する。好ましくは、絞り部18は、結像レンズ16によって変換された測定光の結像位置に配置される。なお、絞り部18の絞り量は、試料に入射する測定光の被写界深度や必要な光強度などに応じて適宜設定される。
Specifically, the
一方、観察用光源22は、試料への焦点合わせや測定位置の確認に使用される観察光を生成する光源である。そして、観察用光源22が発生する観察光は、試料で反射可能な波長を含むように選択される。観察用光源22は、光ファイバ24を介して出射部26と接続されており、観察用光源22で生成された観察光は、光導波路である光ファイバ24を伝播した後に出射部26からビームスプリッタ20へ向けて出射される。
On the other hand, the observation
出射部26は、試料に所定の観察基準像が投射されるように、観察用光源22で生成された観察光の一部をマスクするマスク部26aを含む。この観察基準像は、その表面に何らの模様(パターン)も形成されていない試料(代表的に、透明なガラス基板など)に対しても、ユーザによる焦点合わせを容易化するためのものである。なお、レチクル像の形状はいずれであってもよいが、一例として同心円状や十字状のパターンなどを用いることができる。
The
すなわち、観察用光源22で生成された直後の観察光のビーム断面における光強度(光量)は略均一であるが、マスク部26aがこの観察光の一部をマスク(遮へい)することで、観察光は、そのビーム断面において光強度が略ゼロである領域(影領域)が形成される。この影領域が観察基準像として試料に投射される。
That is, the light intensity (light quantity) in the beam cross section of the observation light immediately after being generated by the observation
ステージ50は、試料を配置するための試料台であり、その配置面は回転自在に構成される。これは、測定光が試料に入射する入射角を任意に調整可能にするためである。さらに、ステージ50は、一例として機械的に連結された可動機構52によって、3方向(X方向・Y方向・Z方向)に自在に駆動される。可動機構52は、代表的に3軸分のサーボモータと、各サーボモータを駆動するためのサーボドライバとを含んで構成される。そして、可動機構52は、ユーザまたは図示しない制御装置などからのステージ位置指令に応答してステージ50を駆動する。このステージ50の駆動によって、試料と後述する対物レンズ40との間の位置関係が変更される。
The
対物レンズ40と、ビームスプリッタ20と、ビームスプリッタ30と、ピンホールミラー32とは、光軸AX1上に配置される。
The
ビームスプリッタ30は、測定用光源10で生成される測定光を反射することで、その伝播方向を光軸AX1の紙面下向きに変換する。また、ビームスプリッタ30は、光軸AX1を紙面上向きに伝播する試料からの反射光を透過させる。代表的に、ビームスプリッタ30はハーフミラーで構成される。
The
一方、ビームスプリッタ20は、観察用光源22で生成される観察光を反射することで、その伝播方向を光軸AX1の紙面下向きに変換する。同時に、ビームスプリッタ20は、光軸AX1を紙面下向きに伝播するビームスプリッタ30で反射された測定光を透過させる。すなわち、ビームスプリッタ20は、測定用光源10から集光光学系である対物レンズ40までの光学経路上の所定位置において観察光を注入する光注入部として機能する。このビームスプリッタ20で合成された測定光と観察光とは、対物レンズ40に入射する。また、ビームスプリッタ20は、光軸AX1を紙面上向きに伝播する試料からの反射光を透過させる。代表的に、ビームスプリッタ20はハーフミラーで構成される。
On the other hand, the
対物レンズ40は、光軸AX1を紙面下向きに伝播する測定光および観察光を集光するための集光光学系である。すなわち、対物レンズ40は、試料またはその近接した位置で結像するように測定光および観察光を収束させる。また、対物レンズ40は、所定の倍率(たとえば、10倍,20倍,30倍,40倍など)を有する拡大レンズであり、試料の光学特性を測定する領域を対物レンズ40に入射する光のビーム断面に比較してより微小化できる。
The
また、対物レンズ40から試料に入射した測定光および観察光は、試料で反射され、光軸AX1上を紙面上向きに伝播する。この反射光は、対物レンズ40に透過した後、ビームスプリッタ20および30を透過してピンホールミラー32まで到達する。
Further, the measurement light and observation light incident on the sample from the
ピンホールミラー32は、試料で生じる反射光のうち、測定反射光と観察反射光とを分離する光分離部として機能する。具体的には、ピンホールミラー32は、光軸AX1を紙面上向きに伝播する試料からの反射光を反射する反射面を含み、その反射面と光軸AX1との交点を中心とする穴あき部(ピンホール)32aが形成されている。このピンホール32aの大きさは、測定用光源10からの測定光が試料で反射されて生じる測定反射光の、ピンホールミラー32の位置におけるビーム径に比較して小さくなるように形成される。また、このピンホール32aは、それぞれ測定光および観察光が試料で反射されて生じる測定反射光および観察反射光の結像位置と一致するように配置される。このような構成によって、試料で生じた反射光は、ピンホール32aを通過して分光測定部60に入射する。一方、反射光の残部は、その伝播方向を変換されて軸変換ミラー34へ入射する。
The
分光測定部60は、ピンホールミラー32を通過した測定反射光のスペクトルを測定し、その測定結果をデータ処理部70へ出力する。より詳細には、分光測定部60は、回折格子(グレーティング)62と、検出部64と、カットフィルタ66と、シャッタ68とを含む。
The
カットフィルタ66と、シャッタ68と、回折格子62とは、光軸AX1上に配置される。カットフィルタ66は、ピンホールを通過して分光測定部60に入射する測定反射光に含まれる測定範囲外の波長成分を制限するための光学フィルタであり、特に測定範囲外の波長成分を遮断する。シャッタ68は、検出部64をリセットするときなどに、検出部64に入射する光を遮断するために使用される。シャッタ68は、代表的に電磁力によって駆動する機械式のシャッタからなる。
The
回折格子62は、入射する測定反射光を分光した上で、各分光波を検出部64へ導く。具体的には、回折格子62は、反射型の回折格子であり、所定の波長間隔毎の回折波が対応する各方向に反射するように構成される。このような構成を有する回折格子62に測定反射波が入射すると、含まれる各波長成分は対応する方向に反射されて、検出部64の所定の検出領域に入射する。回折格子62は、代表的にフラットフォーカス型球面グレーティングからなる。
The diffraction grating 62 separates the incident measurement reflected light and guides each spectral wave to the
検出部64は、試料の反射率スペクトルを測定するために、回折格子62で分光された測定反射光に含まれる各波長成分の光強度に応じた電気信号を出力する。検出部64は、代表的にフォトダイオードなどの検出素子をアレイ状に配置したフォトダイオードアレイや、マトリックス状に配置されたCCD(Charged Coupled Device)などからなる。
The
なお、回折格子62および検出部64は、光学特性の測定波長範囲および測定波長間隔などに応じて適宜設計される。
The diffraction grating 62 and the
データ処理部70は、検出部64によって取得された反射率スペクトルに対して、本発明に係る特徴的な処理を行なうことで、試料の膜厚や屈折率といった光学特性を測定する。さらに、データ処理部70は、試料の層構造を解析することも可能である。試料の膜厚や屈折率の測定方法および層構造の解析方法については後述する。そして、データ処理部70は、測定した試料の膜厚や層構造などを光学特性として出力する。
The
一方、ピンホールミラー32で反射された観測反射光は光軸AX3に沿って伝播し、軸変換ミラー34へ入射する。軸変換ミラー34は、観測反射光の伝播方向を光軸AX3から光軸AX4に変換する。すると、観測反射光は、光軸AX4に沿って伝播し、観察用カメラ38へ入射する。
On the other hand, the observation reflected light reflected by the
観察用カメラ38は、観察反射光によって得られる反射像を取得する撮像部であり、代表的にはCCD(Charged Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどからなる。なお、観察用カメラ38は、代表的に可視帯域に感度をもつものであり、所定の測定範囲に感度をもつ検出部64とは異なる感度特性をもつ場合が多い。そして、観察用カメラ38は、観察反射光によって得られる反射像に応じた映像信号を表示部39へ出力する。表示部39は、観察用カメラ38からの映像信号に基づいて反射像を画面上に表示する。ユーザは、この表示部39に表示される反射像を目視して、試料に対する焦点合わせや測定位置の確認などを行なう。表示部39は、代表的に液晶ディスプレイ(LCD)などからなる。なお、観察用カメラ38および表示部39に代えて、ユーザが反射像を直接的に目視できるファインダーを設けてもよい。
The
図1に示す制御構造と本願発明との対応関係については、測定用光源10が「光源」に対応し、分光測定部60が「分光部」に対応する。
Regarding the correspondence between the control structure shown in FIG. 1 and the present invention, the
(薄膜特性値取得処理)
以下では、データ処理部70による試料の光学特性(代表的に、膜厚および屈折率)の取得処理について説明する。
(Thin film characteristic value acquisition process)
Below, the acquisition process of the optical characteristic (typically film thickness and refractive index) of the sample by the
本実施の形態に従う光学特性の測定方法は、測定される反射率スペクトルまたは透過率スペクトルの強度ではなく、これらのスペクトルに現れる極値(ピークまたはバレイ)の波長位置に基づいて、膜厚および屈折率を測定する。本方法によれば、スペクトルに現れる極値の波長位置のみを正確に求めることができれば、膜厚および屈折率を正確に測定できるので、測定系や演算処理過程における不完全さに起因する反射強度または透過強度の変調影響を無視できる。すなわち、従来の方法では、反射強度または透過強度が正確に測定できないような試料は、相対的に大きな膜厚を有する試料である可能性が高く、このような試料では、反射率スペクトルまたは透過率スペクトルに膜内干渉に由来するピーク部分およびバレイ部分が必然的に現れると考えられる。このようなピーク部分およびバレイ部分は、膜内干渉にのみ由来するので、分光測定部の波長校正が十分に正確であれば、膜厚および屈折率を正確に測定できる。以下、本方法について詳述する。 The optical property measurement method according to this embodiment is based on the wavelength position of the extreme value (peak or valley) appearing in these spectra, not the intensity of the measured reflectance spectrum or transmittance spectrum, and the film thickness and refraction. Measure the rate. According to this method, if only the extreme wavelength position appearing in the spectrum can be obtained accurately, the film thickness and refractive index can be measured accurately, so the reflection intensity due to imperfections in the measurement system and the calculation process. Alternatively, the transmission intensity modulation effect can be ignored. That is, in the conventional method, a sample whose reflection intensity or transmission intensity cannot be measured accurately is likely to be a sample having a relatively large film thickness. In such a sample, the reflectance spectrum or transmittance It is considered that a peak portion and a valley portion derived from intra-film interference appear inevitably in the spectrum. Since such peak portions and valley portions are derived only from intra-film interference, if the wavelength calibration of the spectroscopic measurement unit is sufficiently accurate, the film thickness and refractive index can be measured accurately. Hereinafter, this method will be described in detail.
図2は、代表的な薄膜試料の断面模式図である。
説明を簡単化するために、図2に示すような、空気や真空などの雰囲気層(添え字0)、測定対象とする薄膜(添え字1)、基板層(添え字2)の3層からなる代表的な薄膜試料を考える。各層における屈折率を添え字iを用いて、屈折率niと表す。また、互いに異なる屈折率をもつ層の界面では光の反射が生じるため、屈折率の異なるi層とi+1層との間の各境界面での振幅反射率をri(i+1)と表わすと、図2に示す3層系の試料における反射率Rは、以下のようになる。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a typical thin film sample.
In order to simplify the explanation, from the three layers shown in FIG. 2, an atmosphere layer such as air or vacuum (subscript 0), a thin film to be measured (subscript 1), and a substrate layer (subscript 2). Consider a typical thin film sample. With index i the refractive index of each layer, expressed as the refractive index n i. In addition, since light is reflected at the interface between layers having different refractive indexes, the amplitude reflectance at each interface between the i layer and the i + 1 layer having different refractive indexes is represented by ri (i + 1) . The reflectance R in the three-layered sample shown in FIG. 2 is as follows.
ここで、β1は薄膜における光の位相角である。最上層の雰囲気層(0層)における入射角をφ0とすると、以下に示すSnellの法則
n0sinφ0=n1sinφ1
によって算出される薄膜(1層)における入射角φ1を用いて、位相角β1は以下のように表わすことができる。なお、入射角は、入射面の垂線に対する角度として規定され、光が対象の試料面に対して垂直に入射する場合に、入射角はゼロとなる。
Here, β 1 is the phase angle of light in the thin film. When the incident angle in the uppermost atmosphere layer (0 layer) is φ 0 , Snell's law shown below n 0 sin φ 0 = n 1 sin φ 1
The phase angle β 1 can be expressed as follows using the incident angle φ 1 in the thin film (single layer) calculated by: The incident angle is defined as an angle with respect to the normal of the incident surface, and the incident angle is zero when light is incident perpendicular to the target sample surface.
ここで、薄膜内での干渉により、反射率Rのスペクトル上でピーク(山)とバレイ(谷)とが交互に現れる場合、それぞれのピークおよびバレイである極値においては、∂R/∂λ=0となる。この条件を、上述の反射率Rの式に適用すると、以下の関係式が成立する。 Here, when peaks (peaks) and valleys (valleys) appear alternately on the spectrum of reflectance R due to interference in the thin film, ∂R / ∂λ at each peak and valley extreme value. = 0. When this condition is applied to the above-described equation for reflectance R, the following relational expression is established.
ここで、mを基準の極値における初期次数(m=0,1,…)とし、mに対応する基準の極値からの相対的な次数をNとすると、上式は以下のように変形できる。 Here, when m is an initial order (m = 0, 1,...) At a reference extreme value and N is a relative order from the reference extreme value corresponding to m, the above equation is transformed as follows: it can.
ここで、次数とは、測定対象の膜内において干渉を生じる最大の波長に相当する極値(ピークまたはバレイ)の位置(波数)を基準次数として、より波長が短くなる方向に向かって生じる位相角の回転周期の数を意味する。より具体的には、測定対象の膜内において干渉を生じる最大の波長に相当する極値の位置(波数)を次数「1」として、より波長が短くなる方向に向かって生じる極値の次数は順次インクリメントされる整数となる。そのため、最大の波長に相当する極値に隣接する極値の位置(波数)の次数は「2」となる。また、上述の式においてmを導入した理由は、測定光に含まれる波長範囲内で発生する各極値の位置(波数)における絶対的な次数を知ることは困難である。そのため、当該波長範囲内で最も波長の長い極値の位置(波数)の次数を仮にmに設定し、この仮の次数に対する相対的な次数に基づいて評価するためである。 Here, the order is a phase generated in the direction in which the wavelength becomes shorter with the position (wave number) of the extreme value (peak or valley) corresponding to the maximum wavelength causing interference in the film to be measured as a reference order. Means the number of angular rotation cycles. More specifically, the position (wave number) of the extreme value corresponding to the maximum wavelength that causes interference in the film to be measured is the order “1”, and the order of the extreme value generated in the direction of shorter wavelengths is It is an integer that is incremented sequentially. Therefore, the order of the position (wave number) of the extreme value adjacent to the extreme value corresponding to the maximum wavelength is “2”. The reason why m is introduced in the above formula is that it is difficult to know the absolute order at the position (wave number) of each extreme value generated within the wavelength range included in the measurement light. Therefore, the order of the extreme position (wave number) having the longest wavelength in the wavelength range is temporarily set to m, and evaluation is performed based on the relative order with respect to the temporary order.
雰囲気層(0層)における入射角をφ0とすると、上式は以下のように変形できる。 When the incident angle in the atmosphere layer (Layer 0) and phi 0, the above equation can be modified as follows.
さらに、入射角φ0が任意の角度θである場合には、以下のようになる。 Further, when the incident angle φ 0 is an arbitrary angle θ, the following occurs.
ここで、D1は一般的に波長λについての関数である。そのため、D1の波長依存性(波長分散)に関して、膜の光学特性を示す適切なモデルを設定することができる。すなわち、D1に含まれる屈折率n1(λ)として、波長λに関する屈折率波長分散モデル式を採用することができる。このような屈折率波長分散モデル式の一例として、一般的に、誘電体からなり、かつ消衰係数がゼロである薄膜の屈折率n1に関しては、たとえば、以下に示すCauchyの式を用いることができる。 Here, D 1 is generally a function for wavelength λ. Therefore, the wavelength dependence of D 1 with respect to (wavelength dispersion), it is possible to set an appropriate model showing optical characteristics of the film. That is, as the refractive index n 1 (λ) included in D 1 , a refractive index chromatic dispersion model formula for the wavelength λ can be employed. As an example of such a refractive index chromatic dispersion model formula, in general, for the refractive index n 1 of a thin film made of a dielectric material and having an extinction coefficient of zero, for example, the following Cauchy formula is used. Can do.
また、以下に示すSellmeierの式を用いることもできる。 The following Sellmeier equation can also be used.
代表的に、上述したCauchyの式をD1の式に適用すると、以下のようになる。 Typically, when applying equation of Cauchy described above in formula D 1, as follows.
この式を用いて、極値の位置(波数)の次数に付された次数Nθについての式を表現すると、以下のような膜の特性を示すモデル式が得られる。 Using this equation, when expressing the expression for orders N theta attached to the order of the positions of the extreme value (wave number), the model equation is obtained that shows the characteristics such as the following film.
したがって、少なくとも、非ゼロの入射角φ0(φ0≠0)の条件下において、実際に測定された反射率のスペクトルに現れる極値の次数Nを波数1/λについてプロットしたデータを用意した上で、上式中のパラメータA,B,C,mθ,d1をフィッティングによって決定できる。そして、これらのパラメータを決定できれば、係数a,b,cを算出できるので、各波長の屈折率n1(λ)を求めることができる。
Therefore, data is prepared by plotting the order N of the extreme value appearing in the spectrum of the actually measured reflectance with respect to the
なお、入射角φ0を実質的にゼロ(φ0=0°)および非ゼロの角度θ(θ≠0)とした条件下において、反射率スペクトルをそれぞれ測定し、これらの反射率スペクトルを用いてフィッティングを行うことで、フィッティングによる屈折率n1(λ)の決定精度を高めることができる。すなわち、 Note that the reflectance spectrum was measured under the condition that the incident angle φ 0 was substantially zero (φ 0 = 0 °) and the non-zero angle θ (θ ≠ 0), and these reflectance spectra were used. By performing the fitting, the accuracy of determining the refractive index n 1 (λ) by fitting can be increased. That is,
となる。そのため、入射角φ0=0の条件下において、実際に測定された反射率のスペクトルに現れる極値の次数Nを波数1/λについてプロットしたデータを用意した上で、モデル式に含まれるパラメータのうち、一部のパラメータA,B,C,m0をフィッティングによって決定できる。パラメータA,B,C,m0を決定できれば、薄膜の各波長λにおけるD1(λ)を算出できる。さらに、この算出されたD1(λ)を用いて非ゼロの任意の入射角φ0=θの条件下において、実際に測定された反射率のスペクトルに現れる極値の次数Nを波数1/λについて同様にプロットしたデータを用意した上で、
It becomes. Therefore, after preparing data in which the extreme order N appearing in the spectrum of the reflectance actually measured under the condition of the incident angle φ 0 = 0 is plotted with respect to the
を用いて膜厚d1を算出できる。さらに、 It can be calculated the thickness d 1 using. further,
の関係式に基づいて、各波長における屈折率n1(λ)を算出できる。
なお、上述した手順において、m0およびmθは整数であるので、フィッティングによってこれらの係数を決定した後に、整数に丸めた上で、残りのパラメータについてフィッティング処理を再度実行してもよい。
Based on this relational expression, the refractive index n 1 (λ) at each wavelength can be calculated.
In the above-described procedure, m 0 and m θ are integers. Therefore, after determining these coefficients by fitting, the coefficients may be rounded to integers, and the fitting process may be executed again for the remaining parameters.
このように、入射角φ0=0の条件下において取得された反射率スペクトルを用いてフィッティングを行うことで、決定精度を高めることができる。また、各入射角φ0における初期次数mの整数性を利用を利用することによっても、決定精度をより高めることができる。 Thus, determination accuracy can be increased by performing fitting using the reflectance spectrum acquired under the condition of the incident angle φ 0 = 0. Also, by utilizing the use of integer of the initial order m at each incident angle phi 0, it is possible to improve the determination accuracy.
(測定例)
図3は、同一の試料に対して入射角φ0=0°および入射角φ0=70°について測定された反射率スペクトルを示す図である。図4は、図3に示す反射率スペクトルから抽出された次数Nと波数1/λとの関係を示す図である。図5は、図4に示す関係から本実施の形態に従う方法を用いて測定された屈折率を示す図である。
(Measurement example)
FIG. 3 is a diagram showing reflectance spectra measured with respect to the same sample at an incident angle φ 0 = 0 ° and an incident angle φ 0 = 70 °. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the order N extracted from the reflectance spectrum shown in FIG. 3 and the
図3〜図5において対象とした試料は、BK7のガラス基板上に二酸化ケイ素膜(SiO2膜)を、膜厚約6μmを目標にして形成したものである。ここで、二酸化ケイ素膜は、その成膜条件にあまり依存することなく安定して屈折率を生じ、かつ多くの文献などで波長別の屈折率が正確に測定されている。そのため、本測定例では、上記試料に対して本実施の形態に従う方法を用いて膜厚および波長別の屈折率を測定し、さらにこの測定された波長別の屈折率と文献値と比較を行なった。 3 to 5 is a sample in which a silicon dioxide film (SiO 2 film) is formed on a glass substrate of BK7 with a target thickness of about 6 μm. Here, the silicon dioxide film stably generates a refractive index without much depending on the film forming conditions, and the refractive index for each wavelength is accurately measured in many literatures. Therefore, in this measurement example, the refractive index for each film thickness and wavelength is measured for the sample using the method according to this embodiment, and the measured refractive index for each wavelength is compared with the literature value. It was.
まず、図3を参照して、測定されたそれぞれの入射角における反射率スペクトルに現れる極値(ピーク位置およびバレイ位置)を抽出する。一般的に、反射率スペクトルの測定データは離散的となるので、ピーク位置またはバレイ位置の近傍における離散データをシンプレックス法などで補間した上で、それぞれの極値を抽出した。具体的には、極値を抽出するとともに、この抽出した極値に対応する波長λの逆数である波数1/λを順次取得する。そして、波数1/λの小さい順(昇順)、すなわち波長λの長い順に並べ替えて、最も波長λの長いものを次数N=1とし、次数Nを1ずつインクリメントした整数を残りのものに順次割当てる。このように割当てた次数Nと対応する波数1/λとの関係をプロットしたものが図4である。
First, referring to FIG. 3, extreme values (peak position and valley position) appearing in the reflectance spectrum at each measured incident angle are extracted. In general, since the reflectance spectrum measurement data is discrete, the extreme values are extracted after interpolating discrete data in the vicinity of the peak position or valley position by the simplex method or the like. Specifically, the extreme value is extracted, and the
入射角φ0=0°について測定された反射率スペクトルから抽出された次数Nと波数1/λとの関係に対して、フィッティングによって上述のパラメータA,B,C,m0を決定すると、A=−0.00046μm5,B=0.024452μm3,C=8.70679μm,m0=46が得られた。
When the above-described parameters A, B, C, and m 0 are determined by fitting with respect to the relationship between the order N extracted from the reflectance spectrum measured for the incident angle φ 0 = 0 ° and the
これらのパラメータ値を用いて薄膜の各波長λにおけるD1(λ)を算出した上で、入射角φ0=70°について測定された反射率スペクトルから抽出された次数Nと波数1/λとの関係に対して、膜厚d1をフィッティングによって求めると、膜厚d1=6.0159μmが得られた。
After calculating D 1 (λ) at each wavelength λ of the thin film using these parameter values, the order N and the
さらに、各波長λにおけるD1(λ)および膜厚d1を用いて、対象の薄膜における各波長の屈折率を算出した結果を図4に示す。この図4では、この算出された屈折率とともに文献値をプロットした。この図4に示すように、本実施の形態に従う方法によって算出された屈折率は、文献値とよく一致していることがわかる。 Furthermore, the result of having calculated the refractive index of each wavelength in the target thin film using D 1 (λ) and the film thickness d 1 at each wavelength λ is shown in FIG. In FIG. 4, literature values are plotted together with the calculated refractive index. As shown in FIG. 4, it can be seen that the refractive index calculated by the method according to the present embodiment is in good agreement with the literature value.
また、上述と同様の手順によって、試料の透過率についても正確に算出することができる。 Further, the transmittance of the sample can be accurately calculated by the same procedure as described above.
(データ処理部の構成)
図6は、この発明の実施の形態に従うデータ処理部70の概略のハードウェア構成を示す模式図である。
(Configuration of data processing unit)
FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic hardware configuration of
図6を参照して、データ処理部70は、代表的にコンピュータによって実現され、オペレーティングシステム(OS:Operating System)を含む各種プログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)200と、CPU200でのプログラムの実行に必要なデータを一時的に記憶するメモリ部212と、CPU200で実行されるプログラムを不揮発的に記憶するハードディスク部(HDD:Hard Disk Drive)210とを含む。また、ハードディスク部210には、後述するような処理を実現するためのプログラムが予め記憶されており、このようなプログラムは、FDDドライブ216またはCD−ROMドライブ214によって、それぞれフレキシブルディスク216aまたはCD−ROM(Compact Disk-Read Only Memory)214aなどから読み取られる。
Referring to FIG. 6,
CPU200は、キーボードやマウスなどからなる入力部208を介してユーザなどからの指示を受取るとともに、プログラムの実行によって測定される測定結果などをディスプレイ部204へ出力する。
The
(制御構造)
図7は、この発明の実施の形態に従う光学特性取得処理を実現するための制御構造を示すブロック図である。図7に示すブロック図は、CPU200がハードディスク部210などの予め格納されたプログラムをメモリ部212などに読み出して実行することで実現される。
(Control structure)
FIG. 7 is a block diagram showing a control structure for realizing the optical property acquisition processing according to the embodiment of the present invention. The block diagram shown in FIG. 7 is realized by the
図7を参照して、データ処理部70(図1)は、バッファ部711,712,731,732と、極値抽出部721,722と、フィッティング部741,742と、D1算出部750と、屈折率算出部760とを含む。
Referring to FIG. 7, data processing unit 70 (FIG. 1) includes
バッファ部711は、入射角φ0=0の条件下において分光測定部60(図1)から出力される反射率スペクトルR(λ)を一時的に格納する。より具体的には、分光測定部60からは所定の波長分解能毎に反射率の値が出力されるので、バッファ部711は、波長とその波長における反射率とを対応付けて格納する。
The
極値抽出部721は、バッファ部711に格納された反射率スペクトルR(λ)に現れる極値(ピーク位置およびバレイ位置)およびその極値に対応する波長λを抽出する。極値抽出部721は、離散的に測定される反射率スペクトルR(λ)のデータに対して、シンプレックス法などを用いてデータ補間した上で極値を抽出することが好ましい。そして、極値抽出部721は、抽出した極値に対応する波長λの逆数である波数1/λを順次取得する。さらに、極値抽出部721は、抽出した波数1/λをその値が小さい順に並べ替えた上で、次数Nを順次割当てる。最終的に、極値抽出部721は、この次数Nと波数1/λとを対応付けてバッファ部731へ出力する。
The extreme
バッファ部731は、極値抽出部721から順次出力される次数Nと波数1/λとを対応付けて格納する。すなわち、バッファ部731には、極値に対応する波数1/λについての次数Nの変化特性N(1/λ)が格納される。
The
バッファ部712は、入射角φ0=θの条件下において分光測定部60(図1)から出力される反射率スペクトルR(λ)を一時的に格納する。より具体的には、分光測定部60からは所定の波長分解能毎に反射率の値が出力されるので、バッファ部712は、波長とその波長における反射率とを対応付けて格納する。
The
極値抽出部722は、極値抽出部721と同様に、バッファ部712に格納された反射率スペクトルR(λ)に現れる極値(ピーク位置およびバレイ位置)およびその極値に対応する波長λを抽出する。そして、極値抽出部721は、抽出した波長λの逆数である波数1/λをその値が小さい順に並べ替えた上で次数Nを順次割当て、この次数Nと波数1/λとを対応付けてバッファ部732へ出力する。
Similar to the extreme
バッファ部732は、極値抽出部722から順次出力される次数Nと波数1/λとを対応付けて格納する。
The
フィッティング部741は、バッファ部731に格納される変化特性N(1/λ)に対して、上述のパラメータA,B,C,m0を決定するためにフィッティング処理を実行する。そして、フィッティング部741は、決定したパラメータA,B,C,m0をD1算出部750へ出力する。
The
D1算出部750は、フィッティング部741で決定されたパラメータA,B,C,m0に基づいて、薄膜の各波長λにおけるD1を順次算出する。そして、D1算出部750は、算出した各波長λにおけるD1をフィッティング部742および屈折率算出部760へそれぞれ出力する。
The D 1 calculation unit 750 sequentially calculates D 1 at each wavelength λ of the thin film based on the parameters A, B, C, and m 0 determined by the
フィッティング部742は、D1算出部750で算出された各波長λにおけるD1を用いて、バッファ部732に格納される変化特性N(1/λ)に対して、膜厚d1を決定するためにフィッティング処理を実行する。そして、フィッティング部742は、決定した膜厚d1を屈折率算出部760へ出力するとともに、その値を測定対象の試料の膜厚として出力する。
屈折率算出部760は、D1算出部750で算出された各波長λにおけるD1と、フィッティング部742で決定された膜厚d1とに基づいて、波長別の屈折率n1(λ)を順次算出する。そして、屈折率算出部760は、この算出した特性値を測定対象の試料の屈折率として出力する。
The refractive
フィッティング部742および屈折率算出部760が算出する測定結果は、ユーザや図示しない上位のコンピュータなどへ出力される。
The measurement results calculated by the
図7に示す制御構造と本願発明との対応関係については、極値抽出部721および極値抽出部722が「抽出手段」に対応し、フィッティング部741およびフィッティング部742が「パラメータ決定手段」に対応する。
Regarding the correspondence relationship between the control structure shown in FIG. 7 and the present invention, the extreme
(処理手順)
図8は、この発明の実施の形態に従う膜厚特性値取得に係る処理手順を示すフローチャートである。
(Processing procedure)
FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure for obtaining a film thickness characteristic value according to the embodiment of the present invention.
図8を参照して、まず、ユーザは、測定対象の試料をステージ50(図1)上に配置するとともに、当該試料への入射角φ0を実質的に0°に設定する(ステップS100)。ここで、観察用光源22からは観察光の照射が開始され、ユーザは、表示部39に表示される観察用カメラ38で撮影された反射像を参照しながら、可動機構52にステージ位置指令を与えて、測定領域の調整や焦点合わせを行なう(ステップS102)。
Referring to FIG. 8, first, the user places the sample to be measured on stage 50 (FIG. 1), and sets incident angle φ 0 to the sample to substantially 0 ° (step S100). . Here, irradiation of observation light is started from the observation
測定領域の調整や焦点合わせが完了すると、ユーザが測定開始指令を与える。すると、測定用光源10から測定光の発生が開始され、分光測定部60は、試料からの反射光から取得される反射率スペクトルをデータ処理部70へ出力する(ステップS104)。
When adjustment of the measurement area and focusing are completed, the user gives a measurement start command. Then, generation of measurement light from the
データ処理部70のCPU200は、分光測定部60からの反射率スペクトルをメモリ部212などに一時的に格納する(ステップS106)。そして、CPU200は、格納された反射率スペクトルに現れる極値(ピーク位置およびバレイ位置)およびその極値に対応する波長を抽出する(ステップS108)。このとき、CPU200は、離散的に測定される反射率スペクトルのデータに対して、シンプレックス法などを用いてデータ補間を行なう。さらに、CPU200は、抽出した波長λの逆数をその値が小さい順に並べ替えた上で次数Nを順次割当てて、波長λの逆数である波数1/λについての次数Nの変化特性N(1/λ)を生成する(ステップS110)。
The
続いて、ユーザは、試料への入射角φ0を非ゼロのθに変更する(ステップS112)。この入射角の変更が完了すると、ユーザが測定開始指令を与える。すると、測定用光源10から測定光の発生が開始され、分光測定部60は、試料からの反射光から取得される反射率スペクトルをデータ処理部70へ出力する(ステップS114)。
Then, the user changes the incident angle phi 0 to sample nonzero theta (step S112). When the change of the incident angle is completed, the user gives a measurement start command. Then, generation of measurement light from the
データ処理部70のCPU200は、分光測定部60からの反射率スペクトルをメモリ部212などに一時的に格納する(ステップS116)。そして、CPU200は、格納された反射率スペクトルに現れる極値(ピーク位置およびバレイ位置)およびその極値に対応する波長を抽出する(ステップS118)。このとき、CPU200は、離散的に測定される反射率スペクトルのデータに対して、シンプレックス法などを用いてデータ補間を行なう。さらに、CPU200は、抽出した波長λの逆数である波数をその値が小さい順に並べ替えた上で次数Nを順次割当てて、波数1/λについての次数Nの変化特性N(1/λ)を生成する(ステップS120)。
The
上述のスペクトルの測定処理が完了すると、CPU200は、生成した波数1/λについての次数Nの変化特性N(1/λ)に基づいて、膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定する。
When the above-described spectrum measurement processing is completed, the
具体的には、CPU200は、ステップS110において生成した、入射角φ0=0°における変化特性N(1/λ)に対して、パラメータA,B,C,m0を決定するためにフィッティング処理を実行する(ステップS122)。さらに、CPU200は、ステップS122のフィッティング処理によって決定したパラメータA,B,C,m0に基づいて、薄膜の各波長λにおけるD1を順次算出する(ステップS124)。
Specifically, the
続いて、CPU200は、ステップS124において算出した各波長λにおけるD1を用いて、ステップS120において生成した、入射角φ0=θにおける変化特性N(1/λ)に対して、膜厚d1を決定するためにフィッティング処理を実行する(ステップS126)。
Subsequently, the
さらに、CPU200は、ステップS124において算出した各波長λにおけるD1と、ステップS126において決定した膜厚d1とに基づいて、波長別の屈折率n1(λ)を算出する(ステップS128)。最終的に、CPU200は、ステップS126において決定した膜厚d1およびステップS128において算出した波長別の屈折率n1(λ)を、ディスプレイ部204やインターフェイス部206を介して図示しない上位のコンピュータなどへ出力する(ステップS130)。
Furthermore, the
以上のような一連の処理に従って、対象とする薄膜試料の光学特性を取得できる。
(層構造同定処理)
反射率スペクトルをフーリエ変換して得られるパワースペクトルには、薄膜試料の層構造に応じたピークが現れる。しかしながら、算出されるパワースペクトルは、その算出過程において、各種のフィルタ処理・打ち切り処理・アポダイゼーション(apodization)処理といった前処理や、ベースラインの設定に伴うDCオフセットピークといった擬似ピークの発生の影響を受ける。また、層間の間にも光学的な現象が生じ得る。そのため、パワースペクトルには、1つの層から1つのピークが現れるわけではなく、層の組合せに応じた複数のピークが出現する。そのため、層構造が予め既知の場合であっても、パワースペクトルに現れるピークがいずれの層の干渉に起因するものであるかをスペクトルの形状だけで判断することは困難な場合が多い。ましてや層構造が未知の場合には、スペクトルの形状から層構造を特定することは困難である。
According to a series of processes as described above, the optical characteristics of the target thin film sample can be acquired.
(Layer structure identification process)
In the power spectrum obtained by Fourier transforming the reflectance spectrum, a peak corresponding to the layer structure of the thin film sample appears. However, in the calculation process, the calculated power spectrum is affected by the generation of pseudo-peaks such as pre-processing such as various filter processing, truncation processing, and apodization processing, and DC offset peak associated with the baseline setting. . Also, an optical phenomenon can occur between the layers. Therefore, in the power spectrum, one peak does not appear from one layer, but a plurality of peaks appear according to the combination of layers. For this reason, even when the layer structure is known in advance, it is often difficult to determine from which spectrum the peak that appears in the power spectrum is due to the interference of which layer. If the layer structure is unknown, it is difficult to identify the layer structure from the shape of the spectrum.
そこで、本実施の形態に従う光学特性測定装置は、対象とする試料の層構造を同定する機能を備える。この層構造を同定する機能は、代表的にデータ処理部70に実装される。具体的には、予め規定された複数の層構造のうち所定数を抽出することで仮想の層構造を設定して、この仮想の層構造から反射率スペクトル(理論値)を計算し、さらにこの反射率スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出する。同時に、実測値の反射率スペクトルから同じ処理手順でフーリエ変換してパワースペクトルを算出する。そして、これらのパワースペクトルの間で相関係数を算出し、この算出された相関係数に基づいて、仮想の層構造を順次変更していき、最も相関係数が高くなった組合せをその試料における層構造として決定する。
Therefore, the optical property measurement apparatus according to the present embodiment has a function of identifying the layer structure of the target sample. The function of identifying this layer structure is typically implemented in the
図9は、この発明の実施の形態に従う層構造同定処理を実現するための制御構造を示すブロック図である。図9に示すブロック図は、CPU200がハードディスク部210などの予め格納されたプログラムをメモリ部212などに読み出して実行することで実現される。
FIG. 9 is a block diagram showing a control structure for realizing the layer structure identification process according to the embodiment of the present invention. The block diagram shown in FIG. 9 is realized by the
図9を参照して、データ処理部70は、層構造データベース300と、組合せ部304と、反射率算出部306と、理論スペクトル算出部308と、パワースペクトル算出部310,320と、バッファ部318と、相関係数算出部330と、層構造決定部332とをその機能として含む。
Referring to FIG. 9, the
層構造データベース300は、複数の層構造情報302を予め格納する。この層構造情報302の各々は、各層について、少なくとも屈折率および膜厚の情報を含む。この層構造情報は、上述の膜厚測定処理によって算出された膜厚や既知の屈折率などに基づいて、ユーザが任意に設定することができる。
The
組合せ部304は、層構造データベース300に格納される複数の層構造情報302のうち、所定数の層構造情報302を組合せて、候補となる層構造を選択する。なお、組合せ部304が組合せる層の数については、予めユーザが設定するようにしてもよい。
The
反射率算出部306は、組合せ部304によって組合せられた候補に対応する層構造情報(膜厚および屈折率)に基づいて、当該層構造における反射率を解析的に算出する。なお、反射率に代えて透過率を算出してもよい。
Based on the layer structure information (film thickness and refractive index) corresponding to the candidates combined by the
この反射率(あるいは、屈折率)の算出については、上述したように、隣接する層界面におけるフレネル係数の計算、および各層の干渉による位相角の計算を順次行ない、薄膜内において無限に反射が繰返されるとして、無限等比級数の収束値(の2乗)として反射率(または、透過率)を解析的に計算できる。 In calculating the reflectivity (or refractive index), as described above, the Fresnel coefficient at the adjacent layer interface and the phase angle due to interference of each layer are sequentially calculated, and reflection is repeated infinitely within the thin film. As a result, the reflectance (or transmittance) can be analytically calculated as the convergence value (square) of an infinite geometric series.
理論スペクトル算出部308は、反射率算出部306によって算出された候補となる層構造の反射率の演算式に基づいて、各波長における強度値を順次算出して、候補となる層構造における反射率スペクトル(理論値)を算出する。なお、この反射率スペクトルの波長分解能は、測定される反射率スペクトルの分解能と同程度とすることが好ましい。
The theoretical
パワースペクトル算出部310は、理論スペクトル算出部308で算出される反射率スペクトル(理論値)をフーリエ変換してパワースペクトル(理論値)を算出する。
The power
一方、バッファ部318は、分光測定部60で実測された反射率スペクトルを一時的に格納する。そして、パワースペクトル算出部320は、この反射率スペクトル(実測値)を上述したパワースペクトル算出部310と同一のパワースペクトル算出処理によって、パワースペクトル(実測値)を算出する。
On the other hand, the
相関係数算出部330は、パワースペクトル算出部310によって算出されたパワースペクトル(理論値)と、パワースペクトル算出部320によって算出されたパワースペクトル(実測値)との間で相関係数を算出する。このような相関係数の算出の一例としては、パワースペクトル(実測値)をRm(K)とし、パワースペクトル(理論値)をRc(K)とすると、2つのパワースペクトルの相互相関関数Cmc=<Rm(K)Rc(K+κ)>に従って算出することができる。あるいは、Pearsonの線形相関係数を算出してもよい。
The correlation
層構造決定部332は、相関係数算出部330によって算出された相関係数とそのときの候補となる層構造とを対応付けて格納し、すべての組合せについての相関係数の算出が完了した後に、最も相関係数が高い組合せをその試料における層構造として決定する。
The layer
図10は、この発明の実施の形態に従う層構造同定処理に係る処理手順を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure related to the layer structure identification processing according to the embodiment of the present invention.
図10を参照して、まず、ユーザは、図8に示す膜厚測定に係る処理手順のステップS100〜S104と同様の手順に従って、試料からの反射光に基づいて反射率スペクトル(実測値)を取得する(ステップS200)。この反射率スペクトルがデータ処理部70へ入力されると、データ処理部70のCPU200は、この反射率スペクトルをメモリ部212などに一時的に格納する(ステップS202)。そして、CPU200は、反射率スペクトル(実測値)からパワースペクトルを算出する(ステップS204)。
Referring to FIG. 10, first, the user follows the procedure similar to steps S100 to S104 in the processing procedure related to the film thickness measurement shown in FIG. 8, and calculates the reflectance spectrum (measured value) based on the reflected light from the sample. Obtain (step S200). When the reflectance spectrum is input to the
一方、CPU200は、ハードディスク部210(層構造データベース300)に格納される複数の層構造情報302のうち、所定数の層構造情報302を組合せて、候補となる層構造を選択する(ステップS206)。そして、CPU200は、候補となる層構造に対応する層構造情報(膜厚および屈折率)に基づいて、選択した層構造における反射率を解析的に算出する(ステップS208)。さらに、CPU200は、候補となる層構造の反射率の演算式に基づいて、選択した層構造における反射率スペクトル(理論値)を算出する(ステップS210)。さらに、CPU200は、反射率スペクトル(理論値)からパワースペクトルを算出する(ステップS212)。
On the other hand, the
その後、CPU200は、パワースペクトル(理論値)と、パワースペクトル(実測値)との間で相関係数を算出し(ステップS214)、この算出した相関係数と選択されている層構造(組合せ)とを対応付けて、メモリ部212などに格納する(ステップS216)。そして、CPU200は、ハードディスク部210(層構造データベース300)に格納される複数の層構造情報302について、未選択の組合せが存在するか否かを判断する(ステップS218)。未選択の組合せが存在する場合(ステップS218においてYES)には、ステップS206以下の処理が繰返される。
Thereafter, the
これに対して、未選択の組合せが存在しない場合(ステップS218においてNO)には、CPU200は、メモリ部212に格納した相関係数のうち、最も高いものに対応する層構造を対象となる試料における層構造に決定する(ステップS220)。そして、CPU200は、決定した層構造をディスプレイ部204やインターフェイス部206を介して図示しない上位のコンピュータなどへ出力する(ステップS222)。
On the other hand, when there is no unselected combination (NO in step S218), the
以上のような一連の処理に従って、層構造の同定ができる。
図11は、任意の試料に対して測定された反射率スペクトルを示す測定例である。
The layer structure can be identified according to the series of processes as described above.
FIG. 11 is a measurement example showing a reflectance spectrum measured for an arbitrary sample.
図12は、この発明の実施の形態に従う層構造同定処理を用いて図11に示す反射率スペクトルに対して同定した結果の一例を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing an example of the result of identification for the reflectance spectrum shown in FIG. 11 using the layer structure identification processing according to the embodiment of the present invention.
図11および図12に示すように、本実施の形態に従う層構造同定処理によれば、薄膜試料の膜構造を高精度に同定することができる。 As shown in FIGS. 11 and 12, according to the layer structure identification process according to the present embodiment, the film structure of the thin film sample can be identified with high accuracy.
この発明の実施の形態によれば、反射率や透過率の強度の情報を用いる代わりに、反射率スペクトル(あるいは、透過率スペクトル)に現れる極値(ピークおよびバレイ)の波長位置に基づいて膜厚および屈折率などの光学特性を測定する。すなわち、本実施の形態によれば、スペクトルに現れる極値の波長位置のみを正確に求めることができれば、膜厚および屈折率を測定できるので、測定系や演算処理過程における不完全さに起因する反射強度または透過強度の変調による影響を受けることなく、これらの光学特性を正確に測定することができる。 According to the embodiment of the present invention, instead of using information on the intensity of reflectance or transmittance, the film is based on the wavelength position of the extreme value (peak and valley) appearing in the reflectance spectrum (or transmittance spectrum). Measure optical properties such as thickness and refractive index. That is, according to the present embodiment, if only the extreme wavelength position appearing in the spectrum can be accurately obtained, the film thickness and the refractive index can be measured. These optical properties can be accurately measured without being affected by the modulation of reflection intensity or transmission intensity.
また、この発明の実施の形態によれば、予め定められた複数の層構造情報から候補となる層構造を順次選択した上で、この候補となる層構造における反射率スペクトル(理論値)を算出し、さらにこの反射率スペクトルからパワースペクトル(理論値)を算出する。そして、実際に測定された反射率スペクトルから算出されるパワースペクトル(実測値)とパワースペクトル(理論値)との相関係数に基づいて、最も確からしい層構造が決定される。これにより、多数の層が積層された薄膜試料であっても、その層構造をより正確に特定できる。 Further, according to the embodiment of the present invention, a candidate layer structure is sequentially selected from a plurality of predetermined layer structure information, and a reflectance spectrum (theoretical value) in the candidate layer structure is calculated. Further, a power spectrum (theoretical value) is calculated from the reflectance spectrum. The most probable layer structure is determined based on the correlation coefficient between the power spectrum (measured value) calculated from the actually measured reflectance spectrum and the power spectrum (theoretical value). Thereby, even if it is a thin film sample on which many layers were laminated | stacked, the layer structure can be pinpointed more correctly.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 測定用光源、12 コリメートレンズ、14,66 カットフィルタ、16,36 結像レンズ、18 しぼり部、20,30 ビームスプリッタ、22 観察用光源、24 光ファイバ、26 出射部、26a マスク部、32 ピンホールミラー、32a ピンホール、34 軸変換ミラー、38 観察用カメラ、39 表示部、40 対物レンズ、50 ステージ、52 可動機構、60 分光測定部、62 回折格子、64 検出部、68 シャッタ、70 データ処理部、100 光学特性測定装置、204 ディスプレイ部、206 インターフェイス部、208 入力部、210 ハードディスク部(HDD)、212 メモリ部、214 CD−ROMドライブ、214a CD−ROM、216 FDDドライブ、216a フレキシブルディスク、300 層構造データベース、302 層構造情報、304 組合せ部、306 反射率算出部、308 理論スペクトル算出部、310,320 パワースペクトル算出部、330 相関係数算出部、332 層構造決定部、318,711,712,731,732 バッファ部、721,722 極値抽出部、741,742 フィッティング部、750 D1算出部、760 屈折率算出部。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記試料で反射された光または前記試料を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得する分光部と、
前記測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも1つの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される少なくとも1つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するパラメータ決定手段と、
前記パラメータ決定手段によって決定されたパラメータから前記試料における光学特性を算出する光学特性算出手段とを備える、光学特性測定装置。 A light source that emits measurement light having a predetermined wavelength range to a sample having at least one film formed on a substrate;
A spectroscopic unit that acquires reflectance or transmittance wavelength distribution characteristics based on light reflected by the sample or light transmitted through the sample;
For at least one wavelength distribution characteristic acquired when the measurement light is incident on the sample at at least one incident angle including a non-zero value, an extreme value and a wave number corresponding to the extreme value are sequentially extracted. Extraction means to
Parameter determining means for determining, by fitting, parameters of a model formula indicating the characteristics of the film, based on the wave number change characteristics sequentially extracted by the extracting means;
An optical characteristic measuring apparatus comprising: an optical characteristic calculating unit that calculates an optical characteristic of the sample from the parameter determined by the parameter determining unit.
前記波数の変化特性は、抽出された複数の波数と、前記複数の波数の各々に付された次数との対応関係であり、
前記モデル式は、以下に示す次数Nについての式である、
The change characteristic of the wave number is a correspondence relationship between the extracted plurality of wave numbers and the orders given to each of the plurality of wave numbers,
The model formula is a formula for the order N shown below.
前記測定光が、実質的にゼロの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される第1波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第1極値抽出手段と、
前記測定光が、非ゼロの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される第2波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出する第2極値抽出手段とを含み、
前記パラメータ決定手段は、
前記第1極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記モデル式に含まれるパラメータの一部のパラメータをフィッティングにより決定する第1フィッティング手段と、
前記第2極値抽出手段によって順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記モデル式に含まれるパラメータのうち、前記第1フィッティング手段によって決定されたパラメータを除いた残りのパラメータをフィッティングにより決定する第2フィッティング手段とを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学特性測定装置。 The extraction means includes
A first extreme value for sequentially extracting an extreme value and a wave number corresponding to the extreme value with respect to the first wavelength distribution characteristic acquired when the measurement light is incident on the sample at a substantially zero incident angle. Extraction means;
Second extreme value extraction means for sequentially extracting an extreme value and a wave number corresponding to the extreme value with respect to the second wavelength distribution characteristic acquired when the measurement light is incident on the sample at a non-zero incident angle. Including
The parameter determination means includes
First fitting means for determining, by fitting, some parameters included in the model formula based on the wave number variation characteristic sequentially extracted by the first extreme value extracting means;
Based on the wave number variation characteristic sequentially extracted by the second extreme value extracting means, the remaining parameters excluding the parameters determined by the first fitting means among the parameters included in the model formula are determined by fitting. The optical characteristic measuring device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a second fitting means.
複数の前記層構造情報のうち少なくとも1つの層構造情報に基づいて、層構造候補を順次選択する選択手段と、
前記層構造候補に対応する前記層構造情報に基づいて、前記層構造候補における反射率または透過率の波長分布特性を算出する波長分布特性算出手段と、
前記層構造候補の前記波長分布特性から、前記波数特性変換手段および前記周波数変換手段と同一の処理によって周波数変換後の波数分布特性を算出する波数分布特性算出手段と、
実測された前記波長分布特性から算出された周波数変換後の波数分布特性と、前記波数分布特性算出手段によって算出された周波数変換後の波数分布特性との間の相関値を算出する相関値算出手段と、
前記相関値に基づいて、前記選択手段が順次選択する層構造候補のうち実測値に最も近いものを決定する決定手段とをさらに備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学特性測定装置。 Layer structure storage means for storing a plurality of layer structure information in which at least the refractive index and the film thickness are defined,
Selection means for sequentially selecting layer structure candidates based on at least one layer structure information among the plurality of layer structure information;
Based on the layer structure information corresponding to the layer structure candidate, wavelength distribution characteristic calculating means for calculating a wavelength distribution characteristic of reflectance or transmittance in the layer structure candidate;
From the wavelength distribution characteristic of the layer structure candidate, a wave number distribution characteristic calculating means for calculating a wave number distribution characteristic after frequency conversion by the same processing as the wave number characteristic converting means and the frequency converting means,
Correlation value calculating means for calculating a correlation value between the wave number distribution characteristic after frequency conversion calculated from the actually measured wavelength distribution characteristic and the wave number distribution characteristic after frequency conversion calculated by the wave number distribution characteristic calculating means. When,
6. The optical characteristic according to claim 1, further comprising: a determination unit that determines a layer structure candidate that is sequentially selected by the selection unit based on the correlation value, and that determines a closest one to an actual measurement value. measuring device.
前記試料で反射された光または前記試料を透過した光に基づいて、反射率または透過率の波長分布特性を取得するステップと、
前記測定光が、非ゼロの値を含む少なくとも1つの入射角で前記試料へ入射する場合に取得される少なくとも1つの波長分布特性に対して、極値およびその極値に対応する波数を順次抽出するステップと、
前記抽出するステップにおいて順次抽出された波数の変化特性に基づいて、前記膜の特性を示すモデル式のパラメータをフィッティングにより決定するステップと、
前記決定するステップにおいて決定されたパラメータから前記試料における光学特性を算出するステップとを備える、光学特性測定方法。 Irradiating a sample having at least one film formed on a substrate with measurement light having a predetermined wavelength range;
Obtaining a reflectance or transmittance wavelength distribution characteristic based on light reflected by the sample or transmitted through the sample;
For at least one wavelength distribution characteristic acquired when the measurement light is incident on the sample at at least one incident angle including a non-zero value, an extreme value and a wave number corresponding to the extreme value are sequentially extracted. And steps to
Determining, by fitting, parameters of a model formula indicating the characteristics of the film, based on the wave number variation characteristics sequentially extracted in the extracting step;
Calculating an optical property of the sample from the parameter determined in the determining step.
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