JP2017106768A - 厚み測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物に対して非接触としつつ、分解能を向上させることができる厚み測定装置を提供する。
【解決手段】互いに離間して対向する一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂを有する共振器１０と、共振器１０に入射する光を照射する光源と、共振器１０から共振により出力される光の透過スペクトルを、所定波長範囲において測定する測定部と、透過スペクトルからピーク波長の実測値を検出し、ピーク波長の実測値に基づいて、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置された被測定物Ｓの厚みｄを判定する演算部と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、厚み測定装置に関する。

従来、被測定物の厚みを測定する手法として、走査プローブ顕微鏡、表面段差計等の探針を用いる力学的手法と、共焦点顕微鏡、干渉計等の光を用いる光学的手法と、が知られている。特許文献１には、走査プローブ顕微鏡の一例として、プラズマ中に配置された被測定物の表面付近に形成されるイオンシースに沿って探針を走査することにより、被測定物の表面形状を検出可能な測定装置が記載されている。

ところで、力学的手法に基づく測定装置では、探針が、被測定物の表面に接触した状態で当該表面を走査する。このため、力学的手法に基づく測定装置では、例えば十分な強度を有していない被測定物の厚みを測定することができない。そのような被測定物に対して、光学的手法に基づく測定装置が用いられる場合がある。光学的手法に基づく測定装置では、被測定物に対して光を照射し、透過光又は反射光から被測定物の厚みを判定する。このため、光学的手法に基づく測定装置では、被測定物に対して非接触の状態で被測定物の厚みを測定することができるため、十分な強度を有していない非測定物の厚みであっても測定することができる。

特開２００４−７７１４６号公報

しかしながら、光学的手法に基づく測定装置では、被測定物に対して照射する光の波長によって、被測定物の深度方向（厚み方向）の分解能が制限されてしまう。例えば共焦点顕微鏡においては、可視光の回折限界である数百ｎｍ程度の分解能を超えることは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、被測定物に対して非接触としつつ、分解能を向上させることができる厚み測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の厚み測定装置は、互いに離間して対向する一対のミラーを有する共振器と、共振器に入射する光を照射する光源と、共振器から共振により出力される出力光の透過スペクトル又は反射スペクトルを、所定波長範囲において測定する測定部と、透過スペクトル又は反射スペクトルからピーク波長に対応する値の実測値を検出し、実測値に基づいて、一対のミラーの間に配置された被測定物の厚みを判定する演算部と、を備える。

このような厚み測定装置によれば、一対のミラーの間に被測定物が配置された共振器に対して光を照射し、共振器から共振により出力される出力光の透過スペクトル又は反射スペクトルが測定される。そして、透過スペクトル又は反射スペクトルから検出されるピーク波長に対応する値の実測値に基づいて、被測定物の厚みを判定する。このため、被測定物に対して非接触の状態で、被測定物の厚みを測定することができる。また、透過スペクトル又は反射スペクトルから検出されるピーク波長に対応する値の実測値に基づいて被測定物の厚みを判定するため、深度方向の分解能に理論的な限界が存在しない。よって、被測定物に対して非接触としつつ、分解能を向上させることができる。

また、ミラーは、基板上に屈折率の互いに異なる２種類の誘電体を交互に積層した誘電体多層膜ミラーであってもよい。この場合、ミラーの反射率を向上させて、透過スペクトル又は反射スペクトルのピークの幅を狭めることができる。よって、被測定物の厚みの測定精度を向上させることができる。

また、共振器は、一対のミラーを所定距離だけ互いに離間した状態に支持する支持部材を更に有してもよい。この場合、一対のミラーの間の離間距離を一定に保つことができるため、被測定物の厚みの測定精度を向上させることができる。

また、演算部は、一対のミラーの間に配置された被測定物の厚みに対応するピーク波長に対応する値の理論値を記憶しており、実測値と理論値とを比較して、被測定物の厚みを判定してもよい。この場合、透過スペクトル又は反射スペクトルの複数のピークの内から互いに隣り合う２つのピークを特定することなく、ピーク波長に対応する値の実測値と理論値とを比較するだけで、容易に被測定物の厚みを測定することができる。

また、理論値は、転送行列計算を用いて算出されてもよい。この場合、ピーク波長に対応する値の理論値を正確に算出することができるため、正確に被測定物の厚みを測定することができる。

また、演算部は、共振器における光の共振次数と、共振次数に対応する実測値と、一対のミラーの間の光学的距離と、の関係を表す第１式、及び、共振器における光の共振次数とは異なる他の共振次数と、他の共振次数に対応する実測値と、一対のミラーの間の光学的距離と、の関係を表す第２式の連立方程式を解いて、被測定物の厚みを判定してもよい。この場合、透過スペクトル又は反射スペクトルの複数のピークの内から互いに隣り合う２つのピークが特定されているときには、例えばピーク波長に対応する値の理論値を算出するための複雑な演算を行うことなく、容易に被測定物の厚みを測定することができる。

本発明によれば、被測定物に対して非接触としつつ、分解能を向上させることができる厚み測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る厚み測定装置の概略構成を示す図である。 一対の誘電体多層膜ミラーを示す斜視図である。 共振器を示す断面図である。 共振器に被測定物が配置された場合における光の共振を模式的に示す図である。 共振器から共振により出力される光の透過スペクトルを示す図である。 共振器長と透過スペクトルとの関係を示す図である。 測定された透過スペクトルと、転送行列計算によって算出された透過スペクトルと、を比較して示す図である。 転送行列計算に用いられるパラメータを説明するための図である。 被測定物を拡大して示す平面図である。 ピーク波長の実測値と、転送行列計算によって算出されたピーク波長の理論値と、を比較して示す図である。 変形例に係る共振器を示す断面図である。 他の変形例に係る共振器を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る厚み測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

［厚み測定装置の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る厚み測定装置の概略構成を示す図、図２は、一対の誘電体多層膜ミラーを示す斜視図、図３は、共振器を示す断面図である。図１〜図３に示すように、厚み測定装置１は、被測定物Ｓの微小な厚みを測定する装置である。厚み測定装置１は、光Ｂの透過スペクトルに基づいて被測定物Ｓの厚みを判定する。図１に示すように、厚み測定装置１は、共振器１０、光源２０、測定部３０、演算部４０及び光学系５０を備える。

図２及び図３に示すように、共振器１０は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂ及び支持部材１２を有する。各誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂは、互いに離間して対向している。各誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間の離間距離（すなわち、共振器長Ｌ）は、特に限定されないが、例えば１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であってもよい。この場合、被測定物Ｓの厚みの測定を行い易い。共振器１０は、光源２０により照射された光Ｂを、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間において共振させる。これにより、共振器１０は、光Ｂを、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に閉じ込めると共に、出力光である透過光及び反射光として出力する。共振器１０における一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間には、被測定物Ｓが配置される。

被測定物Ｓとして、以下の説明ではアントラセン結晶を例示する。アントラセン結晶は、２次元的な単分子層が積層した状態となるように形成されている。ここでは、被測定物Ｓは、アントラセン結晶の単分子層の積層方向が、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの対向する方向に対して略一致するように配置されている。従って、被測定物Ｓに対して、アントラセン結晶の単分子層の積層方向の厚みが測定されることとなる。なお、被測定物Ｓとしては、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置することができ、且つ、光Ｂが透過することができるものであれば特に限定されない。

誘電体多層膜ミラー１１Ａは、石英基板１３Ａ及び誘電体層１４Ａを含む。同様に、誘電体多層膜ミラー１１Ｂは、石英基板１３Ｂ及び誘電体層１４Ｂを含む。石英基板１３Ａ，１３Ｂは、例えば厚み１ｍｍ程度とすることができる。なお、石英基板１３Ａ，１３Ｂに代えて、光学ガラスＢＫ７等を用いてもよい。

誘電体層１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ、石英基板１３Ａ，１３Ｂ上に、屈折率ｎの互いに異なる２種類の誘電体薄膜を交互に積層して形成されている。ここでは、誘電体層１４Ａは、誘電体薄膜としてＨｆＯ_２薄膜１５Ａ及びＳｉＯ_２薄膜１６Ａが交互に積層して形成されている。同様に、誘電体層１４Ｂは、誘電体薄膜としてＨｆＯ_２薄膜１５Ｂ及びＳｉＯ_２薄膜１６Ｂが交互に積層して形成されている。ＨｆＯ_２薄膜及びＳｉＯ_２薄膜は、スパッタリングによって、それぞれ光学膜厚λ_ｃ／４の厚みに形成されている。ここで、λ_ｃは誘電体多層膜ミラー中心波長を表す。誘電体多層膜ミラー中心波長は、他の波長範囲に比較して誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂが高い反射率を有する特定の波長範囲の中心波長である。ＨｆＯ_２薄膜及びＳｉＯ_２薄膜は、これら２つの薄膜の組み合わせを１周期として、５周期積層して形成されている。ただし、ＨｆＯ_２薄膜及びＳｉＯ_２薄膜が積層される層数は５周期分に限定されない。なお、図中では、誘電体層１４Ａ，１４Ｂについては、ＨｆＯ_２薄膜及びＳｉＯ_２薄膜のうちの２周期分のみが簡略化して示されている。

支持部材１２は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂを共振器長Ｌだけ互いに離間した状態に支持する。支持部材１２は、誘電体多層膜ミラー１１Ａの石英基板１３Ａに固定されている。支持部材１２は、誘電体多層膜ミラー１１Ｂ側に向かって伸びる突起部１２ａを含む。突起部１２ａの先端は、誘電体多層膜ミラー１１Ｂの表面に当接している。これにより、支持部材１２は、誘電体多層膜ミラー１１Ａと誘電体多層膜ミラー１１Ｂとの間の距離を所定距離（共振器長Ｌ）に保つ。なお、支持部材１２の構成は上述したものに限定されない。

再び図１を参照して、光源２０は、共振器１０に入射する光Ｂを照射する。光源２０は、白色光源であり、例えばキセノンランプである。なお、光源２０は、キセノンランプに限定されない。

測定部３０は、分光器であり、共振器１０から共振により透過光として出力された光Ｂの透過スペクトルを、所定波長範囲において測定する。所定波長範囲は、ここでは一例として３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲としている。

演算部４０は、測定部３０によって測定された透過スペクトルからピーク波長に対応する値の実測値を検出する。ここでは、演算部４０は、ピーク波長の実測値を検出するとしているが、演算部４０は、例えばピーク波長に対応する周波数の実測値等を検出してもよい。演算部４０は、透過スペクトルのピーク波長の実測値に基づいて、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置された被測定物Ｓの厚みを判定する。演算部４０における被測定物Ｓの厚みの判定方法について、詳しくは後述する。演算部４０は、物理的には、ＣＰＵ及びメモリを内蔵したパーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ等を含む演算装置等で実現される。

光学系５０は、光源２０から共振器１０までの第１光学系５０ａ、共振器１０から測定部３０までの第２光学系５０ｂ、及び、第２光学系５０ｂから分岐する第３光学系５０ｃを有する。

第１光学系５０ａは、第１レンズ５１Ａ及び偏光板５２を、光Ｂの入射側（以下、単に「入射側」という）からこの順に含む。第１レンズ５１Ａは、光源２０によって照射された光Ｂを平行ビーム（コリメート光）に調整する。偏光板５２は、光Ｂを所定の偏光方向のみに偏光した状態とする。偏光板５２の光Ｂの出射側（以下、単に「出射側」という）には、共振器１０が設けられている。

第２光学系５０ｂは、第２レンズ５１Ｂ、第３レンズ５１Ｃ、ピンホール板５３、第４レンズ５１Ｄ、ビームスプリッタ５４、第５レンズ５１Ｅ及び光ファイバ５５を、入射側からこの順に含む。第２レンズ５１Ｂ及び第３レンズ５１Ｃは、被測定物Ｓの像を拡大して、ピンホール板５３の位置に被測定物Ｓの像を結ばせる。なお、第２レンズ５１Ｂとして無限補正系対物レンズを用い、第３レンズ５１Ｃとしてその結像レンズを用いることが好ましい。ピンホール板５３は、丸穴を有し、第２レンズ５１Ｂ及び第３レンズ５１Ｃによる拡大された被測定物Ｓの像から、任意の空間位置を選択して空間分解する。ここで、空間分解能は、ピンホール板５３の丸穴の直径を第２レンズ５１Ｂ及び第３レンズ５１Ｃによる拡大率で除した値となる。例えば、ピンホール板５３の丸穴の直径が５０μｍ、拡大率が８倍である場合には、空間分解能は５０／８＝６．２５μｍとなる。第４レンズ５１Ｄは、ピンホール板５３を通過した光Ｂを平行ビームに調整する。ビームスプリッタ５４は、光Ｂを第２光学系５０ｂと第３光学系５０ｃとに分岐させる。なお、ビームスプリッタ５４に代えて、第２光学系５０ｂと第３光学系５０ｃとの何れかを選択可能な可動式のミラーを用いてもよい。第５レンズ５１Ｅは、平行ビームに調整された光Ｂを集光し、光ファイバ５５に入力する。光ファイバ５５は、光Ｂを測定部３０に伝送する。

第３光学系５０ｃは、第６レンズ５１Ｆ及びＣＣＤカメラ５６を、入射側からこの順に含む。第６レンズ５１Ｆは、平行ビームに調整された光Ｂを集光し、ＣＣＤカメラ５６に入力する。ＣＣＤカメラ５６は、共振器１０に配置された被測定物Ｓの状態を撮像し、例えばディスプレイ（不図示）に表示する。

続いて、厚み測定装置１における被測定物Ｓの厚みｄの判定方法について説明する。

［第１判定方法］
まず、第１判定方法について説明する。図４は、共振器に被測定物が配置された場合における光の共振を模式的に示す図、図５は、共振器から共振により出力される光の透過スペクトルを示す図である。

図４に示すように、光Ｂは、共振器１０において複数の共振次数ｍにて共振する。これにより、光Ｂは、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に閉じ込められる。図中には、共振次数ｍ＝４，５，６，７にて共振した状態の光Ｂが模式的に示されている。このとき、共振器長Ｌ、被測定物Ｓの厚みｄ、被測定物Ｓの屈折率ｎ、共振次数ｍ、波長λは、連立方程式である下記式（１）、（２）を満たす。なお、波長λ_１、λ_２は、異なる共振次数に対応する波長λを表す。

図５は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に被測定物Ｓが配置されていない状態（すなわち、上記式（１）（２）においてｄ＝０とした状態）における透過スペクトル（破線）、及び、被測定物Ｓが配置されている状態における透過スペクトル（実線）を示す。図５では、各誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの反射率９０％、共振器長Ｌ＝１０００ｎｍ、被測定物Ｓの厚みｄ＝５００ｎｍ、被測定物Ｓの屈折率ｎ＝１．５とされている。

ここで、演算部４０は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に被測定物Ｓが配置されていない状態における透過スペクトルのピークの内から、例えば互いに隣り合う２つのピークＰ_１，Ｐ_２を特定する。そして、演算部４０は、各ピークＰ_１，Ｐ_２の波長λ_１，λ_２を上記式（１）、（２）に代入すると共に、上記式（１）（２）においてｄ＝０とすることにより、共振次数ｍ及び共振器長Ｌを算出する。

ここで、上記式（１）は、共振器１０における光Ｂの共振次数ｍと、共振次数ｍに対応するピーク波長の実測値と、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間の光学的距離と、の関係を表す式である。また、上記式（２）は、共振器１０における光Ｂの共振次数ｍとは異なる他の共振次数ｍ＋１と、他の共振次数ｍ＋１に対応するピーク波長の実測値と、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間の光学的距離と、の関係を表す式である。演算部４０は、上記式（１）、（２）の連立方程式を解いて、被測定物Ｓの厚みｄを判定する。

具体的に、演算部４０は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に被測定物Ｓが配置されている状態における透過スペクトルのピークの内から、例えば互いに隣り合う２つのピークＰ_３，Ｐ_４を特定する。そして、演算部４０は、ピークＰ_３の波長λ_３を上記式（１）、（２）における波長λ_１に代入し、ピークＰ_４の波長λ_４を上記式（１）、（２）における波長λ_２に代入する。このとき、演算部４０は、共振器長Ｌとして、上述した演算により得た値を用いる。これにより、演算部４０は、共振次数ｍ及び被測定物Ｓの厚みｄを算出及び出力する。

上記第１判定方法によれば、厚み測定装置１を用いて被測定物Ｓの厚みｄを算出することができる。しかしながら、透過スペクトルのピークの内から互いに隣り合う２つのピークを特定することができない場合には、第１判定方法では被測定物Ｓの厚みｄを正確に算出することができない。一例として、以下に示すように共振器長Ｌが十分に小さくない場合には、互いに隣り合う２つのピークを特定することが困難となる。

図６は、共振器長と透過スペクトルとの関係を示す図である。図６は、横軸に光Ｂの波長、縦軸に光Ｂの透過率を示している。また、図６では、各誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの反射率９０％、共振器長Ｌ＝５００ｎｍ、１０００ｎｍ、２５００ｎｍ、５０００ｎｍとされている。図６に示すように、共振器長Ｌが大きくなるに従って、透過スペクトルにおける各ピークの波長の差が小さくなる。このため、透過スペクトルにおいて、複数のピークが接近して存在することとなり、各ピークの内から互いに隣り合う２つのピークを特定することが困難となる。その結果、第１判定方法では被測定物Ｓの厚みｄの測定精度が低下する。

［第２判定方法］
続いて、厚み測定装置１における被測定物Ｓの厚みｄの判定方法の内、第２判定方法について説明する。

厚み測定装置１において、演算部４０は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置された被測定物Ｓの厚みｄに対応するピーク波長に対応する値の理論値を記憶している。ここでは、演算部４０は、ピーク波長の理論値を記憶しているが、演算部４０は、例えばピーク波長に対応する周波数の理論値等を記憶していてもよい。ピーク波長の理論値は、転送行列計算を用いて算出される。そして、演算部４０は、ピーク波長の実測値と理論値とを比較して、被測定物Ｓの厚みｄを判定する。

図７は、測定された透過スペクトルと、転送行列計算によって算出された透過スペクトルと、を比較して示す図である。図７の横軸は、光Ｂの波長の逆数に比例する光Ｂのエネルギーを示し、図７の縦軸は、光Ｂの透過率を示している。図７は、共振器長Ｌ＝１５０ｎｍ、被測定物Ｓの厚みｄ＝０（すなわち、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に被測定物Ｓが配置されていない状態）における透過スペクトルを示す。図７は、転送行列計算を用いることによって、光Ｂの透過スペクトルのピーク波長の理論値が、ピーク波長の実測値に対して精度良く算出されることを示している。従って、転送行列計算を用いて、被測定物Ｓの厚みｄに対応するピーク波長の理論値を予め算出し、演算部４０が記憶しておくことで、透過スペクトルのピーク波長の実測値が得られた場合に、対応する被測定物Ｓの厚みｄを直ちに判定することができる。

ここで、転送行列計算について説明する。図８は、転送行列計算に用いられるパラメータを説明するための図である。図８に示すように、厚み測定装置１にて実行する転送行列計算では、共振器１０の対向する方向をｘ軸方向として、誘電体多層膜ミラー１１Ａの石英基板１３Ａの外面のｘ座標を０とする。そして、石英基板１３Ａと１層目のＨｆＯ_２薄膜１５Ａとの接面のｘ座標をｘ_１、１層目のＨｆＯ_２薄膜１５Ａと１層目のＳｉＯ_２薄膜１６Ａとの接面のｘ座標をｘ_２、以下同様に、各誘電体薄膜同士の接面のｘ座標をｘ_３、ｘ_４とし、誘電体多層膜ミラー１１Ａの石英基板１３Ａとは反対側の端面のｘ座標をｘ_５とする。誘電体多層膜ミラー１１Ｂについても、石英基板１３Ｂ、ＨｆＯ_２薄膜１５Ｂ及びＳｉＯ_２薄膜１６Ｂのうちの２つの部材間の接面、及び、誘電体多層膜ミラー１１Ｂの両端面のｘ座標を、誘電体多層膜ミラー１１Ａ側から順にｘ_６〜ｘ_１１とする。また、ＨｆＯ_２薄膜１５Ａ，１５Ｂの屈折率をｎ_１、ＳｉＯ_２薄膜１６Ａ，１６Ｂの屈折率をｎ_２、被測定物Ｓの屈折率をｎ_３とする。また、入射光の電場強度をＥ_ｉ、波長をλ_ｉとし、透過光の電場強度をＥ_ｔ、波長をλ_ｔとし、反射光の電場強度をＥ_ｒ、波長をλ_ｒとする。このようなパラメータを用いて、転送行列計算では、ｘ座標ｘ_１〜ｘ_１１、共振器長Ｌ、被測定物Ｓの厚みｄ、屈折率ｎ_１，ｎ_２，ｎ_３及び入射光の波長λｉが入力されると、Ｅ_ｔ／Ｅ_ｉとλ_ｔとの関係である透過スペクトルが算出される。なお、転送行列計算については、例えば、小檜山光信著、「光学薄膜の基礎理論」、株式会社オプトロニクス社、ｐ．76−92、117−136等の文献において開示された方法を用いることが好適である。

このような第２判定方法に基づく被測定物Ｓの厚みを判定について、具体例を挙げて説明する。図９は、被測定物を拡大して示す平面図、図１０は、ピーク波長の実測値と、転送行列計算によって算出されたピーク波長の理論値と、を比較して示す図である。図９に示すように、被測定物Ｓであるアントラセン結晶の積層方向に沿った厚みｄを測定点（ａ）〜点（ｄ）の４点にて測定した。

図１０は、転送行列計算によって算出された透過スペクトル（破線）、及び、測定部３０によって測定された透過スペクトル（実線）を示す。図１０に示す透過スペクトルの実測値及び理論値を対象にして、演算部４０は、透過スペクトルのピーク波長の実測値と理論値とを比較して、被測定物Ｓの厚みを判定する。なお、ここで被測定物Ｓとして例示しているアントラセン結晶は、２次元的な単分子層が積層した状態となるように形成されており、その１層の厚みは約０．９２３ｎｍである。図１０（ａ）において、９８層〜１００層の単分子層が積層した厚みに対応するピーク波長の実測値が測定されていることから、図９に示す測定点（ａ）では、被測定物Ｓは９８層〜１００層の単分子層が積層していることが判定される。また、図１０（ｂ）において、９６層〜１０１層の単分子層が積層した厚みに対応するピーク波長の実測値が測定されていることから、図９に示す測定点（ｂ）では、被測定物Ｓは９６層〜１０１層の単分子層が積層していることが判定される。また、図１０（ｃ）において、９４層、９５層の単分子層が積層した厚みに対応するピーク波長の実測値が測定されていることから、図９に示す測定点（ｃ）では、被測定物Ｓは９４層、９５層の単分子層が積層していることが判定される。また、図１０（ｄ）において、９５層、９６層の単分子層が積層した厚みに対応するピーク波長の実測値が測定されていることから、図９に示す測定点（ｄ）では、被測定物Ｓは９５層、９６層の単分子層が積層していることが判定される。

以上説明したように、実施形態に係る厚み測定装置１によれば、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に被測定物Ｓが配置された共振器１０に対して光Ｂを照射し、共振器１０から共振により出力される光Ｂの透過スペクトルが測定される。そして、透過スペクトルのピーク波長の実測値に基づいて、被測定物Ｓの厚みｄを判定する。このため、被測定物Ｓに対して非接触の状態で、被測定物Ｓの厚みｄを測定することができる。また、透過スペクトルから検出されるピーク波長の実測値に基づいて被測定物Ｓの厚みｄを判定するため、深度方向の分解能に理論的な限界が存在しない。よって、被測定物Ｓに対して非接触としつつ、分解能を向上させることができる。

また、厚み測定装置１のミラーは、石英基板１３Ａ，１３Ｂ上に屈折率ｎの互いに異なる２種類の誘電体薄膜であるＨｆＯ_２薄膜１５Ａ，１５ＢとＳｉＯ_２薄膜１６Ａ，１６Ｂとを交互に積層した誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂである。このため、ミラーの反射率を向上させて、透過スペクトルのピークの幅を狭めることができる。よって、被測定物Ｓの厚みｄの測定精度を向上させることができる。

また、共振器１０は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂを所定距離だけ互いに離間した状態に支持する支持部材１２を更に有する。これにより、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間の離間距離を一定に保つことができるため、被測定物Ｓの厚みｄの測定精度を向上させることができる。

また、演算部４０は、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置された被測定物Ｓの厚みｄに対応するピーク波長の理論値を記憶しており、ピーク波長の実測値と理論値とを比較して、被測定物Ｓの厚みｄを判定する。このため、透過スペクトルの複数のピークの内から互いに隣り合う２つのピークを特定することなく、ピーク波長の実測値と理論値とを比較するだけで、容易に被測定物Ｓの厚みｄを測定することができる。

また、ピーク波長の理論値は、転送行列計算を用いて算出される。このため、ピーク波長の理論値を正確に算出することができるため、正確に被測定物Ｓの厚みｄを測定することができる。

また、演算部４０は、共振器１０における光Ｂの共振次数ｍと、共振次数ｍに対応するピーク波長の実測値と、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間の光学的距離と、の関係を表す上記式（１）、及び、共振器１０における光Ｂの共振次数ｍ＋１と、共振次数ｍ＋１に対応するピーク波長の実測値と、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間の光学的距離と、の関係を表す上記式（２）の連立方程式を解いて、被測定物Ｓの厚みｄを判定する。この場合、透過スペクトルの複数のピークの内から互いに隣り合う２つのピークが特定されているときには、例えばピーク波長の理論値を算出するための複雑な演算を行うことなく、容易に被測定物Ｓの厚みｄを測定することができる。

なお、本発明に係る厚み測定装置１は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、測定部３０は、共振器１０から共振により透過光として出力される光Ｂの透過スペクトルを所定波長範囲において測定するとした。そして、演算部４０は、当該透過スペクトルからピーク波長の実測値を検出し、ピーク波長の実測値に基づいて、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置された被測定物Ｓの厚みｄを判定するとした。しかし、厚み測定装置１では、測定部３０は、共振器１０から共振により反射光として出力される光Ｂの反射スペクトルを所定波長範囲において測定するとしてもよい。その場合、演算部４０は、当該反射スペクトルからピーク波長の実測値を検出し、ピーク波長の実測値に基づいて、一対の誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂの間に配置された被測定物Ｓの厚みｄを判定することができる。なお、反射スペクトルのピークとは、反射率の低い方向へのピーク（すなわち、谷状のディップ）である。

また、図１０において、演算部４０は、透過スペクトルのピーク波長の実測値と理論値とを比較して、被測定物Ｓの厚みｄを判定するとした。しかし、測定部３０によって測定された透過スペクトルにおいて誘電体多層膜ミラーの高反射帯域にピークが複数本現れない場合、もしくはピークが明瞭に現れない場合においては、演算部４０は、測定部３０によって測定された透過スペクトルと、転送行列計算によって理論的に算出された透過スペクトルと、の図形的に重なる面積に基づいて、被測定物Ｓの厚みｄを判定してもよい。或いは、演算部４０は、測定部３０によって測定された透過スペクトルのピークの波長方向における平均値と、転送行列計算によって理論的に算出された透過スペクトルのピーク波長と、を比較して、被測定物Ｓの厚みｄを判定してもよい。或いは、測定部３０によって測定された透過スペクトルのピークの波形と、転送行列計算によって理論的に算出された透過スペクトルのピークの波形（理論曲線）と、を例えば最小二乗法等を用いてフィッティングすることにより、被測定物Ｓの厚みｄを判定してもよい。或いは、演算部４０は、測定部３０によって測定された透過スペクトルと、転送行列計算によって理論的に算出された透過スペクトルと、を重畳して出力するだけでもよい。

また、図１１に示すように、厚み測定装置１は、第１光学系５０ａの偏光板５２の出射側に、光源２０からの光Ｂを共振器１０に伝送する光ファイバ５７を含み、誘電体多層膜ミラー１１Ａは、被測定物Ｓと対向する光ファイバ５７の端面５７ａに設けられていてもよい。この場合、被測定物Ｓに沿って光ファイバ５７を走査することができるため、効率良く被測定物Ｓの厚みｄを測定することができる。

また、図１２に示すように、共振器１０は、誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂに代えて、金属ミラー１７Ａ，１７Ｂを備えてもよい。この場合、誘電体多層膜ミラー１１Ａ，１１Ｂに比較して、より広い波長範囲の光Ｂを閉じ込めることができる。よって、被測定物Ｓとして厚みｄを測定可能な物質の種類を増加させることができる。

１…厚み測定装置、１０…共振器、１１Ａ，１１Ｂ…誘電体多層膜ミラー（ミラー）、１２…支持部材、１３Ａ，１３Ｂ…石英基板（基板）、１５Ａ，１５Ｂ…ＨｆＯ_２薄膜（誘電体）、１６Ａ，１６Ｂ…ＳｉＯ_２薄膜（誘電体）、１７Ａ，１７Ｂ…金属ミラー（ミラー）、２０…光源、３０…測定部、４０…演算部、Ｂ…光、Ｓ…被測定物。

Claims (6)

1. 互いに離間して対向する一対のミラーを有する共振器と、
   前記共振器に入射する光を照射する光源と、
   前記共振器から共振により出力される出力光の透過スペクトル又は反射スペクトルを、所定波長範囲において測定する測定部と、
   前記透過スペクトル又は前記反射スペクトルからピーク波長に対応する値の実測値を検出し、前記実測値に基づいて、前記一対のミラーの間に配置された被測定物の厚みを判定する演算部と、を備える厚み測定装置。
2. 前記ミラーは、基板上に屈折率の互いに異なる２種類の誘電体を交互に積層した誘電体多層膜ミラーである、請求項１記載の厚み測定装置。
3. 前記共振器は、前記一対のミラーを所定距離だけ互いに離間した状態に支持する支持部材を更に有する、請求項１又は２記載の厚み測定装置。
4. 前記演算部は、
   前記一対のミラーの間に配置された被測定物の厚みに対応する前記ピーク波長に対応する値の理論値を記憶しており、
   前記実測値と前記理論値とを比較して、前記被測定物の厚みを判定する、請求項１〜３の何れか一項記載の厚み測定装置。
5. 前記理論値は、転送行列計算を用いて算出される、請求項４記載の厚み測定装置。
6. 前記演算部は、
   前記共振器における前記光の共振次数と、前記共振次数に対応する前記実測値と、前記一対のミラーの間の光学的距離と、の関係を表す第１式、及び、前記共振器における前記光の前記共振次数とは異なる他の共振次数と、前記他の共振次数に対応する前記実測値と、前記一対のミラーの間の前記光学的距離と、の関係を表す第２式の連立方程式を解いて、前記被測定物の厚みを判定する、請求項１〜３の何れか一項記載の厚み測定装置。