JP2011209098A - 膜構造測定方法及び表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象膜に照明光を照射して測定される表面形状データ及び界面形状データから、この測定対象膜の屈折率を得ることができる膜構造測定方法及び表面形状測定装置を提供する。
【解決手段】表面形状測定装置の制御用プロセッサで実行される膜構造測定方法は、撮像装置により、物体に形成された測定対象膜に光を照射し、当該光の反射光からこの測定対象膜の表面の形状である表面形状データ及び測定対象膜と物体との界面の形状である界面形状データを測定するステップ２２０と、平均値がほぼ０となるように表面形状データ及び界面形状データの各々を基準面を用いて補正することにより、補正された表面形状データ及び補正された界面形状データを算出するステップ２３０と、補正された表面形状データ及び補正された界面形状データから、測定対象膜の屈折率を算出するステップ２４０と、を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、膜構造測定方法及び表面形状測定装置に関する。

プリント基板の表面には、例えば絶縁することを目的に透明な膜（透明膜）が形成されている。このような透明膜に対しては、例えば、白色干渉法を用いた表面形状測定装置を用いることにより、透明膜の表面で反射した測定光から透明膜の表面の形状データを得ることができ、また、透明膜を透過させて、透明膜とプリント基板表面との界面で反射した測定光からこの界面の形状データ（界面形状データ）を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

特公平６−５４２１７号公報

しかしながら、透明膜を透過した光により測定された界面形状のデータは、表面形状の影響を受けている。すなわち、この透明膜の屈折率により実際の界面形状からずれて観測されてしまう。透明膜の屈折率が正確に分かっている場合には演算により正確な界面形状を求めることができるが、透明膜が形成されたときの条件（透明膜の材料の製造工程や塗布工程等）やその後の経年変化等により屈折率は変化する可能性があるため、正確な界面形状を求めることができないという課題があった。このような膜厚測定としてはエリプソメータが使用されるが、基本的に点の測定であるため、例えば透明膜の不良解析を行う場合のようにその不良部分を探査しなければならない場合には、効率的な解析を行うことができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、測定対象膜に光を照射して測定される表面形状データ及び界面形状データから、この測定対象膜の屈折率を得ることができる膜構造測定方法、及び、この膜構造測定方法により測定対象膜の膜構造を測定する表面形状測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る膜構造測定方法は、物体に形成された測定対象膜に光を照射してこの測定対象膜の膜構造を測定する膜構造測定方法であって、前記射光から測定対象膜の表面の形状である表面形状データ及び測定対象膜と物体との界面の形状である界面形状データを測定するステップと、平均値がほぼ０となるように表面形状データ及び界面形状データの各々を基準面を用いて補正することにより、補正された表面形状データ及び補正された界面形状データを算出するステップと、補正された表面形状データ及び補正された界面形状データから、測定対象膜の屈折率を算出するステップと、を有する。

このような膜構造測定方法において、基準面は直平面であることが好ましい。

また、このような膜構造測定方法において、補正された表面形状データをＳ_Cとし、補正された界面形状をＫ_C′としたとき、屈折率ｎは、次式

により算出することができる。

また、このような膜構造測定方法は、前記表面形状データ、前記界面形状データ及び前記屈折率から、前記測定対象膜の膜厚分布を算出するステップをさらに有することが好ましい。

また、本発明に係る表面形状測定装置は、物体及び当該物体の表面に形成された測定対象膜に光を照射して測定対象膜の表面の形状である表面形状データ及び測定対象膜と物体との界面の形状である界面形状データを取得する撮像装置と、上述の膜構造測定方法のいずれかにより測定対象膜の膜構造を算出する制御用プロセッサと、を有する。

本発明に係る膜構造測定方法及びこの方法を用いた表面形状測定装置によれば、測定対象膜に光を照射して測定される表面形状データ及び界面形状データから、この測定対象膜の屈折率を得ることができ、さらにこの屈折率を用いて、真の界面形状データや膜厚分布を得ることができる。

表面形状測定装置の構成を示す説明図である。 上記表面形状測定装置の光学系を示す説明図である。 試料と測定結果との関係を示す説明図であって、（ａ）はプリント基板上に透明膜が形成された試料の断面図を示し、（ｂ）はその測定結果を示す。 膜構造測定方法を示すフローチャートである。 直平面補正を示す説明図であって、（ａ）は表面データ及び界面データと直平面との関係を示し、（ｂ）は直平面補正された結果を示す。 透明膜の屈折率と表面形状データ及び界面形状データとの関係を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１及び図２を用いて、物体に形成された測定対象膜の表面形状及び界面形状を測定する表面形状測定装置の一例として、白色干渉法を用いた表面形状測定装置の構成について説明する。この表面形状測定装置１００は、試料１０５を走査してこの試料１０５の画像を取得する撮像装置１０９と、この撮像装置１０９の作動の制御及び取得された画像から試料の膜構造（透明膜の屈折率や表面及び界面形状等）を算出する制御用プロセッサ１１０と、この制御用プロセッサ１１０による処理結果を表示するディスプレイ装置１１１と、を有して構成される。

撮像装置１０９は、撮像素子１４が内蔵された撮像カメラ１０１と、光学系が格納された顕微鏡鏡筒装置１０２と、ピエゾ素子１６を有し対物レンズユニット１５を駆動して試料１０５を垂直走査するピエゾ駆動装置１０３と、対物レンズユニット１５が格納された顕微鏡対物レンズ１０４と、試料１０５が載置される顕微鏡用試料台１０６と、白色光を放射して試料１０５を照明する光源１が格納された顕微鏡用照明装置１０７と、顕微鏡鏡筒装置１０２や顕微鏡照明装置１０７を支持する顕微鏡ベース１０８と、を有して構成される。なお、ピエゾ素子１６の駆動制御及び撮像素子１４から出力される信号の処理は上述の制御用プロセッサ１１０により行われる。

また、この表面形状測定装置１００の光学系は、光源１から放射された光を集光して試料１０５に照射する照明光学系２と、試料１０５からの光を集光してこの試料１０５の像を撮像素子１４の撮像面上に結像する結像光学系３と、を有して構成される。

照明光学系２は、光源１側から順に、この光源１から放射された光を略平行光に変換する集光レンズ４と、この略平行光を一旦結像してさらに略平行光としてリレーする第１リレーレンズ６及び第２リレーレンズ８と、第２リレーレンズ８から出射した略平行光の一部を試料１０５の方向へ反射するハーフミラー（若しくはハーフプリズム）９と、このハーフミラー９で反射された光を試料１０５上に集光して照射する対物レンズユニット１５と、から構成されている。なお、第１リレーレンズ６と第２リレーレンズ８との間に開口絞り７が設けられており、また、第２リレーレンズ８とハーフミラー９との間に視野絞り５が設けられている。

一方、結像光学系３は、試料１０５側から順に、この試料１０５で反射した光を集光する対物レンズユニット１５と、対物レンズユニット１５からの光の一部を透過するハーフミラー９と、ハーフミラー９を透過した光を集光して撮像素子１４の撮像面上に結像する結像レンズ１３と、から構成されている。

ここで、対物レンズユニット１５は、対物レンズ１０と、対物レンズ１０から出射した光の一部を透過して試料１０５に導き、残りの光を反射するハーフミラー（若しくはハーフプリズム）１１と、対物レンズ１０の試料１０５側の焦点と共役な位置に配置され、ハーフミラー１１で反射した光を反射する参照ミラー１２とが一体に構成されている。なお、この対物レンズユニット１５は、ピエゾ素子１６により対物レンズ１０の光軸に沿って振動される。

このような構成の表面形状測定装置１００によると、光源１から放射された光は照明光学系２により対物レンズユニット１５に導かれ対物レンズ１０で集光される。この対物レンズ１０で集光された光はハーフミラー１１に入射し、一部の光は透過して試料１０５上に集光され、残りの光は反射して参照ミラー１２上に集光される。そして、試料１０５で反射した光（この光を「測定光」と呼ぶ）はハーフミラー１１に再度入射してその一部が透過し、また、参照ミラー１２で反射した光（この光を「参照光」と呼ぶ）もハーフミラー１１に再度入射してその一部が撮像素子１４側に反射するため、これらの測定光及び参照光が重畳されて対物レンズ１０に入射し、結像光学系３により撮像素子１４の撮像面上に試料１０５の像として結像される。

対物レンズユニット１５において、対物レンズ１０の焦点面と参照ミラー１２の反射面とは上述したように共役であるので、ハーフミラー１１で重畳された測定光と参照光とは干渉する。そのため、この対物レンズユニット１５をピエゾ素子１６で光軸方向に振動させると、対物レンズ１０の焦点面にある試料１０５から出射した測定光は強められ、それ以外から出射した測定光は弱められるため、撮像素子１４で得られる試料１０５の像は、対物レンズ１０の焦点面にある部分が明るくなり、それ以外の部分が暗くなる（干渉縞を形成する）。そのため、この像から試料１０５の高さ情報を算出してその形状を測定することができる。なお、本実施形態に係る表面形状測定装置１００の対物レンズユニット１５においては、測定光と参照光との干渉をマイケルソン型としているが、ミラウ型やリンニク型の構成とすることも可能である。

ここで、試料１０５が、図３（ａ）に示すように、プリント基板（物体）１０５ａの表面に透明膜（測定対象膜）１０５ｂが形成されている場合であって、この透明膜１０５ｂの表面１０５ｃ、及び、プリント基板１０５ａの表面、すなわち、プリント基板１０５ａと透明膜１０５ｂとの界面１０５ｄの形状を測定する場合について説明する。なお、説明を簡単にするために、界面１０５ｄは、直平面であって、対物レンズ１０の光軸と直交するように配置されているものとする。

表面形状測定装置１００の撮像素子１４から出力される試料１０５の画像を用いて算出される透明膜１０５ｂの表面１０５ｃの形状の測定値（以下、「表面形状データ」と呼ぶ）をＳ（ｉ，ｊ）とし、界面１０５ｄの形状の測定値（以下、「界面形状データ」と呼ぶ）をＫ′（ｉ，ｊ）とすると、測定で得られる界面形状データＫ′（ｉ，ｊ）は透明膜１０５ｂの屈折率ｎの影響を受けているため、真の界面形状データＫ（ｉ，ｊ）は次式（１）で求められる。なお、（ｉ，ｊ）は撮像素子１４の撮像面（若しくは、この撮像素子１４で撮像される試料１０５の像）の座標である。ここで、撮像素子１４の撮像面は、対物レンズ１０の光軸に直交するように配置されているものとする。また、図３（ｂ）に示すように、表面形状データＳ（ｉ，ｊ）、界面形状データＫ（ｉ，ｊ），Ｋ′（ｉ，ｊ）は、対物レンズ１０の光軸方向で、試料１０５に対して照射される光の進む方向を正として表すものとする。

この式（１）において、第２項の（Ｋ′（ｉ，ｊ）−Ｓ（ｉ，ｊ））は、試料１０５において、座標（ｉ，ｊ）に相当する場所の表面１０５ｃと界面１０５ｄとの光学距離を表している。この式（１）より、座標（ｉ，ｊ）における真の界面形状データＫ及び透明膜１０５ｂの厚さを計算するためには、透明膜１０５ｂの屈折率ｎの正確な値が必要となる。透明膜１０５ｂの屈折率ｎの正確な値を測定するためには、上述のように、例えば、エリプソメトリの原理に基づく専用の装置で計測する方法があるが、表面形状の測定箇所毎に、別の装置により屈折率を測定することは煩雑であり、測定作業の効率が低下する。そこで、表面形状測定装置１００により得られる表面形状データＳ（ｉ，ｊ）及び測定された界面形状データＫ′（ｉ，ｊ）からその箇所の透明膜１０５ｂの屈折率ｎを求める膜構造測定方法について図４に示すフローチャートに基づいて以下に説明する。なお、以降の説明では座標（ｉ，ｊ）は省略する。また、以下の処理は、本実施形態の場合、制御用プロセッサ１１０で実行される。

まず、制御用プロセッサ１１０は、ピエゾ素子１６を作動させて試料１０５の表面を光軸方向に走査（ピエゾ走査）して撮像素子１４により試料１０５の画像を取得する（ステップＳ２００）。そして、この画像から表面形状データＳを算出し（ステップＳ２１０）、さらに界面形状データＫ′を算出する（ステップＳ２２０）。

次に、測定で得られた表面形状データＳ及び界面形状データＫ′の各々を基準となる面により補正して補正された表面形状データＳ_C及び界面形状データＫ_C′を算出する（ステップＳ２３０）。具体的には、図５（ａ）に示すように、基準面として補正された結果の平均値がほぼ０となるような直平面Ｓ₀，Ｋ₀′を最小二乗法などで求め、図５（ｂ）に示すように、表面形状データＳ及び界面形状データＫ′と直平面Ｓ₀，Ｋ₀′との差分から、補正された表面形状データＳ_C及び界面形状データＫ_C′を求める。なお、図５（ｂ）は、直平面Ｏに対する補正された表面形状データＳ_C及び界面形状データＫ_C′との関係を示している。

ここで、補正された表面形状データＳ_Cと同様の方法で補正された真の界面形状データＫ_Cとの相関係数Ｃを求めると、次式（２）のように表される。なお、この式（２）において、バー付のＳ_C及びバー付のＫ_Cはそれぞれ、補正された表面形状データＳ_C及び真の界面形状データＫ_Cの平均値である。また、Σは、座標（ｉ，ｊ）で表されるデータの総和を示している。

この式（２）において、真の界面形状データＫを上述の式（１）で置き換えてＫ′で表すと相関係数Ｃは、次式（３）のように表される。なお、この式（３）において、補正された表面形状データＳ_C及び界面形状データＫ_C，Ｋ_C′の平均値は、上述のように０である。

ここで、図６に示すように，透明膜１０５ｂの表面１０５ｃが、対物レンズ１０側に向かって凸であるとすると、透明膜の屈折率ｎと表面形状データＳ及び測定された界面形状データＫ′とから式（１）により算出される界面形状データは、屈折率ｎが真の値の場合に真の界面形状データＫと一致するが、屈折率ｎが真の値より大きい場合には表面１０５ｃ側に凸となり（図６におけるＫ＋）、反対に屈折率ｎが真の値より小さい場合には表面１０５ｃと反対側に凸となって算出される（図６におけるＫ−）。これにより、補正された表面形状Ｓ_Cと補正された真の界面形状Ｋ_Cとの相関係数Ｃの絶対値は、透明膜１０５ｂの屈折率ｎが真の値のときに最小となることが判る。したがって、式（３）で示される相関係数Ｃの二乗が最小になる屈折率ｎの値を求めれば、透明膜１０５ｂの真の屈折率を求めることができる。具体的には、次式（４）に示すように、相関係数Ｃの二乗を屈折率ｎで偏微分した値が０となるときである。

上述のように、屈折率ｎを真の値を挟んで変化させると相関係数Ｃは変化するため、この相関係数Ｃの屈折率ｎによる偏微分の値（∂Ｃ／∂ｎ）は０ではない。よって、式（４）において、相関係数Ｃが０になる屈折率ｎが真の値ということになる。すなわち、式（３）の相関係数Ｃを０として、次式（５）のように表される。

そして、この式（５）から屈折率ｎを求めると、次式（６）のように表される。

以上より、直平面補正された表面形状データＳ_C及び界面形状データＫ_C′を式（６）に代入することにより、撮像素子１４で撮像された領域の透明膜１０５ｂの屈折率ｎを求めることができる（ステップＳ２４０）。そして、このようにして求められた屈折率ｎから、透明膜１０５ｂの膜厚分布や、真の界面形状Ｋを算出し（ステップＳ２５０）、その結果が、例えば制御用プロセッサ１１０によりディスプレイ装置１１１に表示される（ステップＳ２６０）。

図３（ｂ）に示すように、表面形状データＳが対物レンズ１０側に凸形状を有すると、直平面の界面１０５ｄに対して測定される界面形状データＫ′は対物レンズ１０と反対側に凸になる。すなわち、表面形状データの補正値Ｓ_Cが負になるときは測定された界面形状データの補正値Ｋ_C′は正になり、反対に、表面形状データの補正値Ｓ_Cが正になるときは測定された界面形状データの補正値Ｋ_C′は負になるため、式（６）における第２項の分子は負になる。そのため、この式（６）の第２項全体も負となるので、式（６）から求められる屈折率ｎは１よりも大きくなる。すなわち、物質の屈折率は１より大きいため、この式（６）はこの特性に合致していると言える。

なお、以上の説明では白色干渉を用いて表面形状及び界面形状を測定する場合について説明したが、本発明がこの構成の表面形状測定装置に限定されることはなく、例えば、コンフォーカル顕微鏡等にも適用することができる。また、膜構造測定方法において、測定で得られた表面形状データＳ及び界面形状データＫ′を直平面で補正する場合について説明したが、４次曲面で補正することも可能である。

１０５ａ プリント基板（物体） １０５ｂ 透明膜（測定対象膜）
１０９ 撮像装置 １１０ 制御用プロセッサ

Claims (5)

1. 物体に形成された測定対象膜に光を照射して前記測定対象膜の膜構造を測定する膜構造測定方法であって、
   前記光から前記測定対象膜の表面の形状である表面形状データ及び前記測定対象膜と前記物体との界面の形状である界面形状データを測定するステップと、
   平均値がほぼ０となるように前記表面形状データ及び前記界面形状データの各々を基準面を用いて補正することにより、補正された表面形状データ及び補正された界面形状データを算出するステップと、
   前記補正された表面形状データ及び前記補正された界面形状データから、前記測定対象膜の屈折率を算出するステップと、を有する膜構造測定方法。
2. 前記基準面は直平面である請求項１に記載の膜構造測定方法。
3. 前記補正された表面形状データをＳ_Cとし、前記補正された界面形状をＫ_C′としたとき、前記屈折率ｎは、次式
   

   

   により算出される請求項１または２に記載の膜構造測定方法。
4. 前記表面形状データ、前記界面形状データ及び前記屈折率から、前記測定対象膜の膜厚分布を算出するステップをさらに有する請求項３に記載の膜構造測定方法。
5. 物体及び当該物体の表面に形成された測定対象膜に光を照射して前記測定対象膜の表面の形状である表面形状データ及び前記測定対象膜と前記物体との界面の形状である界面形状データを取得する撮像装置と、
   請求項１〜４いずれか一項に記載の膜構造測定方法により前記測定対象膜の膜構造を算出する制御用プロセッサと、を有する表面形状測定装置。

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