JP2022179471A - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に測定対象物の膜厚を測定する膜厚測定装置を提供する。【解決手段】膜厚測定装置１は、サンプル１００に対して光を照射する光源１０と、サンプルからの光を検出し、検出した光の輝度情報に応じた信号を出力するエリアセンサ２４と、サンプルからの光を分光検出し、該光のスペクトルを含む波長情報に応じた信号を出力する分光器５０と、エリアセンサから出力される信号から特定される輝度情報と、分光器から出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、サンプルの膜厚を推定する制御装置３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。

測定対象物の膜厚を測定する技術として、白色光を測定対象物に照射してその反射光をカラーカメラで検出することにより３波長の干渉色画像を取得し、所定のアルゴリズムに基づきエリア単位で膜厚分布測定を行う技術が知られている（例えば特許文献１及び２、並びに、非特許文献１参照）。

特開２０１３－１４５２２９号公報 特開２０１４－０８５１１２号公報

北川克一,大槻真左文,"干渉色画像解析による透明膜の広視野膜厚分布測定装置の開発",精密工学会誌７９（１１），１０７８-１０８２,２０１３.

本技術分野では、より高精度に測定対象物の膜厚を測定することが求められている。

本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の膜厚を高精度に導出することを目的とする。

本発明の一態様に係る膜厚測定装置は、測定対象物に対して光を照射する光照射部と、測定対象物からの光を検出するエリアセンサ又はラインセンサである第１の光検出器を有し、検出した光の輝度情報に応じた信号を出力する光検出部と、測定対象物からの光を分光検出し、該光のスペクトルを含む波長情報に応じた信号を出力する分光器と、光検出部から出力される信号から特定される輝度情報と、分光器から出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、測定対象物の膜厚を推定する解析部と、を備える。

本発明の一態様に係る膜厚測定装置では、測定対象物からの光が光検出部において検出されると共に分光器において分光検出され、光検出部から出力される信号から特定される輝度情報と、分光器から出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、測定対象物の膜厚が推定される。光検出部において検出される光の輝度情報（光の反射率）は、測定対象物の膜厚に応じた値となる。ここで、輝度情報のみでは、膜厚の相対的な分布のみが特定され絶対値が特定されない。この点、本発明の一態様に係る膜厚測定装置では、分光検出された光のスペクトルを含む波長情報が更に考慮されているので、分光検出された点の膜厚の絶対値を特定することができる。これにより、輝度情報から特定される相対的な膜厚分布と、分光検出された点の膜厚の絶対値とに基づいて、測定対象物の各エリアの膜厚の絶対値を適切に導出することができる。以上のように、光検出部における検出結果が分光器における検出結果によって校正されることによって、測定対象物の膜厚を高精度に導出することができる。

上記膜厚測定装置は、測定対象物からの光を分割する光分割素子を更に備え、光検出部は、エリアセンサ又はラインセンサである第２の光検出器を更に有し、光分割素子は、測定対象物からの光を分割して第１の光検出器及び第２の光検出器へ導光してもよい。このように、測定対象物からの光が分割され、２つの光検出器によって分割後の光が検出されることにより、例えば波長帯毎に光を分け、所望の波長帯における輝度情報から膜厚を推定することができる。これによって、より高精度に測定対象物の膜厚を導出することができる。

光分割素子は、所定の波長域において波長に応じて透過率及び反射率が変化し、測定対象物からの光を透過及び反射することにより分割する傾斜ダイクロイックミラーを有していてもよい。このような構成によれば、波長帯毎に光を適切に分割することができる。

光分割素子は、ダイクロイックミラー又はハーフミラーと、バンドパスフィルタとを有していてもよい。このような構成によれば、波長帯毎に光を適切に分割することができる。

光検出部は、第１の光検出器において検出される光の輝度値と第２の光検出器において検出される光の輝度値との比を含む輝度情報に応じた信号を出力してもよい。光検出器において検出される光は、例えば光源のゆらぎや背景光等の影響を受けることが考えられる。この場合、輝度情報に基づき膜厚を高精度に推定できないおそれがある。この点、波長に応じて分割した２つの波長帯の光の輝度値の比が導出されることにより、上述した背景光等の影響を受けない輝度情報を導出することができる。このような輝度情報に基づいて膜厚が推定されることにより、高精度な膜厚推定を実現することができる。

解析部は、測定対象物の情報に基づいて、輝度情報と波長情報とを用いた測定対象物の膜厚推定を実施するか否かを決定してもよい。測定対象物の状態（例えば厚さ等）によって、膜厚を高精度に推定可能な方法が異なるところ、測定対象物の情報に基づき、上述した「輝度情報と波長情報とを用いた膜厚推定」を実施するか否かが決定されることにより、測定対象物の状態に合った膜厚推定を実施することができる。これにより、高精度な膜厚推定を実現することができる。

光分割素子は、所定の波長域において波長に応じて透過率及び反射率が変化し、測定対象物からの光を透過及び反射することにより分割する傾斜ダイクロイックミラーを有し、解析部は、測定対象物の膜厚の厚さが所定値よりも小さい場合には、輝度情報と波長情報とに基づいて測定対象物の膜厚を推定し、測定対象物の膜厚の厚さが所定値よりも大きい場合には、光検出部から出力される信号に基づき波長重心を特定し、該波長重心に基づいて測定対象物の膜厚を推定してもよい。波長重心に基づいて測定対象物の膜厚を推定する方法によれば、より簡易に高精度な膜厚推定を実現することができる。しかしながら、膜厚が小さい場合には波長重心に基づいて高精度に膜厚推定を実施することが困難である。この点、測定対象物の膜厚の厚さが取得されて、膜厚の厚さが所定値よりも小さい場合には上述した輝度情報と波長情報とに基づく膜厚推定が実施されることにより、膜厚が小さい場合であっても高精度に膜厚推定を実施することができる。そして、膜厚の厚さが十分に大きい場合には、波長重心に基づく膜厚推定が実施されることによって、より簡易な方法によって迅速かつ高精度に膜厚推定を実施することができる。

解析部は、波長情報に基づき、測定され得る膜厚の範囲である膜厚測定レンジを特定し、輝度及び膜厚の関係式と輝度情報とに基づき特定される一又は複数の膜厚の内、膜厚測定レンジに含まれる膜厚を、測定対象物の膜厚として推定してもよい。測定対象物からの光の輝度及び膜厚については関係式が成立するため、輝度及び膜厚の関係式を予め規定することができる。ここで、輝度及び膜厚の関係は、周期的変化を示す波形で示されるため、輝度情報に基づき輝度が特定されても、当該輝度に対応する膜厚候補が複数存在することとなる。この点、スペクトルを含む波長情報が用いられることにより、測定され得る膜厚の範囲（膜厚測定レンジ）が特定されるため、複数の膜厚候補の中から一の膜厚を特定することが可能となる。このようにして特定された膜厚が対象物の膜厚として推定されることにより、高精度な膜厚推定を実現することができる。

解析部は、輝度情報で示される輝度値を波長情報のスペクトルの初期値からの変化量によって補正した補正後輝度情報に基づいて、測定対象物の膜厚を推定してもよい。光検出器において検出される光は、例えば光源のゆらぎや背景光等の影響を受けることが考えられる。この場合、輝度情報に基づき膜厚を高精度に推定できないおそれがある。この点、スペクトルの初期値からの変化量によって、輝度情報で示される輝度値が補正されることによって、元々含まれていた光源のゆらぎや背景光等の影響をキャンセルした輝度情報によって、高精度に膜厚を推定することができる。

本発明の一態様に係る膜厚測定方法は、測定対象物に対して光を照射する光照射ステップと、測定対象物からの光を検出し、検出した光の輝度情報に応じた信号を出力する光検出ステップと、測定対象物からの光を分光検出し、該光のスペクトルを含む波長情報に応じた信号を出力する分光ステップと、光検出ステップにおいて出力される信号から特定される輝度情報と、分光ステップにおいて出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、測定対象物の膜厚を推定する膜厚推定ステップと、を含む。

光検出ステップでは、測定対象物からの光を分割し、分割されたそれぞれの光を検出することにより、輝度情報を取得してもよい。

光検出ステップでは、分割されたそれぞれの光の輝度値の比を含む輝度情報に応じた信号を出力してもよい。

膜厚推定ステップでは、測定対象物の情報に基づいて、輝度情報と波長情報とを用いた測定対象物の膜厚推定を実施するか否かを決定してもよい。

光検出ステップでは、所定の波長域において波長に応じて透過率及び反射率が変化し、測定対象物からの光を透過及び反射することにより分割する傾斜ダイクロイックミラーによって、測定対象物からの光を分割し、膜厚推定ステップでは、測定対象物の膜厚の厚さが所定値よりも小さい場合には、輝度情報と波長情報とに基づいて測定対象物の膜厚を推定し、測定対象物の膜厚の厚さが所定値よりも大きい場合には、光検出ステップにおいて出力される信号に基づき波長重心を特定し、該波長重心に基づいて測定対象物の膜厚を推定してもよい。

膜厚推定ステップでは、波長情報に基づき、測定され得る膜厚の範囲である膜厚測定レンジを特定し、輝度及び膜厚の関係式と輝度情報とに基づき特定される一又は複数の膜厚の内、膜厚測定レンジに含まれる膜厚を、測定対象物の膜厚として推定してもよい。

膜厚推定ステップでは、輝度情報で示される輝度値を波長情報のスペクトルの初期値からの変化量によって補正した補正後輝度情報に基づいて、測定対象物の膜厚を推定してもよい。

本発明の一態様によれば、測定対象物の膜厚を高精度に導出することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る膜厚測定装置を模式的に示した図である。 図２は、膜厚毎の波長と反射強度との関係を示す図である。 図３は、膜厚値推定を説明する図である。 図４は、本発明の実施形態に係る膜厚測定フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る膜厚測定装置１を模式的に示した図である。膜厚測定装置１は、サンプル１００（測定対象物）に対して例えば面状に光を照射し、該サンプル１００からの反射光に基づいて、サンプル１００に形成された膜の厚さを測定する装置である。サンプル１００は、例えばＬＥＤ、ミニＬＥＤ、μＬＥＤ、ＳＬＤ素子、レーザ素子、垂直型レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）、ＯＬＥＤ等の発光素子であってもよいし、ナノドット等を含む蛍光物質により発光波長を調整する発光素子であってもよい。また、サンプル１００は、例えば薄膜が形成されたウェハ等の半導体材料であってもよい。

図１に示されるように、膜厚測定装置１は、光源１０（光照射部）と、カメラシステム２０と、制御装置３０（解析部）と、を備えている。

光源１０は、サンプル１００に対して例えば面状に光を照射する。光源１０は、例えば、サンプル１００の表面の略全面に対して面状に光を照射する。光源１０は、例えば、サンプル１００の表面を均一的に照射可能な光源であり、サンプル１００に対して拡散光を照射する。光源１０は、いわゆるフラットドーム型の光源であってもよいし、ドーム型の光源であってもよい。フラットドーム型の光源によれば、十分な視野（例えば３００ｍｍ程度の視野）を確保しながら、映り込みを抑制することができる。光源１０は、白色ＬＥＤ、ハロゲンランプ、又はＸｅランプ等を用いた面照明ユニットであってもよい。

光源１０は、例えば、カメラシステム２０が有する傾斜ダイクロイックミラー２２（詳細は後述）の所定の波長域に含まれる波長の光を、サンプル１００に対して照射する。詳細は後述するが、傾斜ダイクロイックミラー２２は、サンプル１００からの光を波長に応じて透過及び反射することにより分割する光学素子である。傾斜ダイクロイックミラー２２は、上述した所定の波長域において、波長に応じて透過率及び反射率が変化する。

カメラシステム２０は、レンズ２１と、傾斜ダイクロイックミラー２２（光分割素子）と、エリアセンサ２３，２４（光検出部）と、バンドパスフィルタ２５，２６と、ハーフミラー２９と、分光器５０と、を含んで構成されている。

レンズ２１は、入射したサンプル１００からの光を集光するレンズである。レンズ２１は、傾斜ダイクロイックミラー２２の前段（上流）に配置されていてもよいし、傾斜ダイクロイックミラー２２とエリアセンサ２３，２４との間の領域に配置されていてもよい。レンズ２１は、有限焦点レンズであってもよいし、無限焦点レンズであってもよい。レンズ２１が有限焦点レンズである場合には、レンズ２１からエリアセンサ２３，２４までの距離は所定値とされる。レンズ２１が無限焦点レンズである場合には、レンズ２１は、サンプル１００からの光を平行光に変換するコリメータレンズであり、平行光が得られるように収差補正されている。レンズ２１から出力された光は、傾斜ダイクロイックミラー２２に入射する。

傾斜ダイクロイックミラー２２は、特殊な光学素材を用いて作成されたミラーであり、サンプル１００からの光を波長に応じて透過及び反射することにより分割する光分割素子である。傾斜ダイクロイックミラー２２は、サンプル１００からの光を分割してエリアセンサ２３，２４へ導光する。傾斜ダイクロイックミラー２２は、所定の波長域において波長に応じて光の透過率及び反射率が変化するように構成されている。すなわち、傾斜ダイクロイックミラー２２では、所定の波長域において波長の変化に応じて光の透過率（及び反射率）が緩やかに変化し、該所定の波長域以外の波長域において波長の変化に関わらず光の透過率（及び反射率）が一定とされている。換言すれば、特定の波長帯では波長の変化に応じて光の透過率が単調増加（反射率が単調減少）で変化している。透過率と反射率とは、一方が大きくなる方向に変化すると他方が小さくなる方向に変化する、負の相関関係にあるため、以下では「透過率（及び反射率）」と記載せずに単に「透過率」と記載する場合がある。なお、「波長の変化に関わらず光の透過率が一定」とは、完全に一定である場合だけでなく、例えば波長１ｎｍの変化に対する透過率の変化が０．１％以下であるような場合も含むものである。

エリアセンサ２３，２４は、サンプル１００からの光（詳細には、傾斜ダイクロイックミラー２２によって分割された光）を撮像（検出）する。エリアセンサ２３は、傾斜ダイクロイックミラー２２において透過された光を撮像する第１の光検出器である。エリアセンサ２４は、傾斜ダイクロイックミラー２２において反射された光を撮像する第２の光検出器である。エリアセンサ２３，２４が感度を有する波長の範囲は、傾斜ダイクロイックミラー２２において波長の変化に応じて光の透過率（及び反射率）が変化する所定の波長域に対応している。エリアセンサ２３，２４は、例えば、モノクロセンサ又はカラーセンサである。エリアセンサ２３，２４は、検出した光の輝度情報に応じた信号を出力する。より詳細には、エリアセンサ２３，２４は、エリアセンサ２３において検出される光の輝度値と、エリアセンサ２４において検出される光の輝度値との比を含む輝度情報に応じた信号を、制御装置３０に出力してもよい。なお、エリアセンサ２３，２４から出力される信号とは、例えば撮像結果（画像）である。

なお、上述した傾斜ダイクロイックミラー２２は、他の光分割素子に置き換えられてもよい。例えば、このような光分割素子は、例えば通常のダイクロイックミラー（波長に応じた光の透過率及び反射率の変化が小さいダイクロイックミラー）又はハーフミラーと、バンドパスフィルタとによって構成されていてもよい。また、上述したエリアセンサ２３，２４は、他の光検出器に置き換えられてもよい。例えば、このような光検出器は、例えばラインセンサであってもよい。

バンドパスフィルタ２５は、傾斜ダイクロイックミラー２２及びエリアセンサ２３の間に配置されている。バンドパスフィルタ２６は、傾斜ダイクロイックミラー２２及びエリアセンサ２４の間に配置されている。バンドパスフィルタ２５，２６は、例えば、上述した所定の波長域（傾斜ダイクロイックミラー２２において、波長に応じて光の透過率及び反射率が変化する波長域）以外の波長域の光を取り除くフィルタであってもよい。

ハーフミラー２９は、例えばレンズ２１と傾斜ダイクロイックミラー２２との間の光路に設けられており、サンプル１００の一点（例えばサンプル１００の中央付近の一点）からの光を分光器５０方向に反射する。

分光器５０は、サンプル１００からの光、具体的にはハーフミラー２９において反射されたサンプル１００の一点からの光を分光検出し、該光のスペクトルを取得する。ここでのスペクトルとは、波長毎の光の強度を示す分光スペクトルである。このような分光スペクトルによれば、制御装置３０において、上述したサンプル１００の一点の厚みの絶対値を特定することができる。分光器５０は、当該分光スペクトルを含む波長情報に応じた信号を制御装置３０に出力する。なお、分光器５０は、カメラシステム２０の外部に設けられて、レンズ２１に入射する前のサンプル１００からの光を分光検出するものであってもよい。

制御装置３０は、コンピュータであって、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、ＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。制御装置３０は、メモリに格納されるプログラムをコンピュータシステムのＣＰＵで実行することにより機能する。制御装置３０は、マイコンやＦＰＧＡで構成されていてもよい。

制御装置３０は、サンプル１００の膜厚を推定する解析部である。制御装置３０は、前処理と、選択処理と、膜厚推定処理と、を実施する。以下、それぞれの処理について説明する。

（前処理）
制御装置３０は、エリアセンサ２３，２４から撮像画像（輝度情報に応じた信号）を取得し、該撮像画像に対して前処理を実施する。ここでの前処理とは、撮像画像に基づきサンプル１００の膜厚を高精度に推定するための補正処理であり、例えば、バックグランド補正及びリファレンス補正（シェーディング補正）である。

バックグランド補正とは、撮像画像に含まれる大気中からの光（背景光）を差し引くことにより、照射した光に応じたサンプル１００からの光の輝度値を適切に取得するための処理である。バックグランド補正では、例えば、撮像画像の輝度値から、無反射状態のサンプル１００の画像データの輝度値が減算される。光源１０からの直接光の影響を除去する目的で無反射状態の信号量を用いて、撮像画像の輝度情報に応じたｘを以下の（１）式により導出してもよい。以下の（１）式において、ＩＴは透過光量、ＩＲは反射光量、ＩＴｒはリファレンスにおける透過光量、ＩＲｒはリファレンスにおける反射光量、ＩＴｂは無反射状態の透過光量、ＩＲｂは無反射状態の反射光量を示している。
ｘ＝｛（ＩＴ－ＩＴｂ）／（ＩＴｒ－ＩＴｂ）－（ＩＲ－ＩＲｂ）／（ＩＲｒ－ＩＲｂ）｝／２｛（ＩＴ－ＩＴｂ）／（ＩＴｒ－ＩＴｂ）＋（ＩＲ－ＩＲｂ）／（ＩＲｒ－ＩＲｂ）｝ （１）

リファレンス補正（シェーディング補正）とは、撮像画像と、撮像画像に対応する領域のシェーディング用画像との差分データを取得することにより、光学系に起因する明暗のむらや収差等の個体差を補正する処理である。リファレンス補正では、例えば撮像画像が、リファレンスサンプルの画像データにより除算される。例えば、反射特性が既知の基板の信号強度をリファレンスとして、ｘを以下の（２）式により導出してもよい。
ｘ＝（ＩＴ／ＩＴｒ－ＩＲ／ＩＲｒ）／２（ＩＴ／ＩＴｒ＋ＩＲ／ＩＲｒ） （２）

（選択処理）
制御装置３０は、前処理に続いて選択処理を実施する。制御装置３０は、サンプル１００の情報（詳細には、サンプル１００の膜厚）に基づいて、膜厚推定方法を選択する。サンプル１００の膜厚については、制御装置３０に予め設定されていてもよいし、ユーザによって入力されてもよい。制御装置３０は、膜厚推定方法として、波長シフト方式及び反射光量厚み換算方式（詳細は後述）のいずれか一方を選択する。制御装置３０は、サンプル１００の膜厚の厚さが所定値（例えば１００ｎｍ）よりも小さい場合には反射光量厚み換算方式を選択し、サンプル１００の膜厚の厚さが所定値よりも大きい場合には、波長シフト方式を選択する。

（膜厚推定処理）
制御装置３０は、選択処理において選択された膜厚推定方法により、サンプル１００の膜厚を推定する。すなわち、制御装置３０は、波長シフト方式又は反射光量厚み換算方式により、サンプル１００の膜厚を推定する。

波長シフト方式では、制御装置３０は、エリアセンサ２３，２４から出力される信号（撮像画像）に基づき波長重心を特定し、該波長重心に基づいてサンプル１００の膜厚を推定する。制御装置３０は、エリアセンサ２３における撮像画像に基づき特定される透過光量と、エリアセンサ２４における撮像画像に基づき特定される反射光量と、傾斜ダイクロイックミラー２２の中心波長と、傾斜ダイクロイックミラー２２の幅と、に基づいて、画素毎の光の波長重心を導出し、該波長重心に基づいて各画素に対応する膜厚を推定する。傾斜ダイクロイックミラー２２の幅とは、例えば傾斜ダイクロイックミラー２２において透過率が０％となる波長から透過率が１００％となる波長までの波長幅である。

具体的には、制御装置３０は、以下の（３）式に基づいて各画素の波長重心を導出する。以下の（３）式において、λは波長重心、λ０は傾斜ダイクロイックミラー２２の中心波長、Ｗは傾斜ダイクロイックミラー２２の幅、Ｒは反射光量、Ｔは透過光量を示している。このように、波長重心は、透過光量及び反射光量に基づいて値がシフト（波長シフト）する。
λ＝λ０＋Ｗ（Ｔ－Ｒ）／２（Ｔ＋Ｒ） （３）

なお、波長重心の導出方法は、上記に限定されない。例えば、λ（波長重心）は以下のｘと比例関係にあるため、以下の（４）式及び（５）式から波長重心を導出してもよい。以下の（５）式において、ＩＴは透過光量、ＩＲは反射光量を示している。また、測定対象のスペクトル形状や傾斜ダイクロイックミラー２２の線形成が理想的な形状である場合には、（４）式におけるパラメータであるａ、ｂは傾斜ダイクロイックミラー２２の光学特性によって決定できる。
λ＝ａｘ＋ｂ （４）
ｘ＝ＩＴ－ＩＲ／２（ＩＴ＋ＩＲ） （５）

また、膜特性、照射スペクトル、傾斜ダイクロイックミラー２２の非線形性等の、種々の補正を包括的に実施するために、波長重心（λ）は以下の（６）式のような多項式で近似してもよい。なお、以下の（６）式における各パラメータ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）は、例えば、波長重心（膜厚）の異なるサンプルを複数測定することにより決定される。
λ＝ａｘ４＋ｂｘ３＋ｃｘ２＋ｄｘ＋ｅ （６）

そして、膜厚の違いによって、波長重心が異なるため、波長重心が特定されることにより、膜厚を推定することが可能となる。波長と膜厚との関係は、以下の（７）式により説明することができる。以下の（７）式において、ｎは膜の屈折率、ｄは膜厚、ｍは正の整数（１，２，３，…）、λは波長重心を示している。２ｎｄは、光路差（膜が配置されていることにより生じる光路差）を示している。制御装置３０は、以下の（７）式に基づいて、各画素の波長重心から各画素に対応する膜厚を推定する。
２ｎｄ＝ｍλ（ｍ＝１，２，３，…） （強め合う条件）
２ｎｄ＝（ｍ－１／２）λ（ｍ＝１，２，３，…） （弱め合う条件） （７）

ここで、上述したような透過光量及び反射光量に基づく波長重心の値のシフト（波長シフト）は、サンプル１００の膜厚が薄い場合には起こりにくくなる。図２は、膜厚毎の波長と反射強度（エリアセンサ２３，２４によって検出される光の反射率）との関係を示す図である。図２において、横軸は波長、縦軸は反射強度（反射率）を示している。図２に示されるように、膜厚が薄くなるほど、反射率（光量）が変化しても波長の変化が小さくなっていることがわかる。光量に応じて波長が十分にシフトしない場合には、上述した波長シフト方式により膜厚を推定することが難しくなる。具体的には、上述した波長シフト方式は、サンプル１００の膜厚が１００ｎｍよりも薄くなると、高精度に膜厚を推定することが難しくなる。そこで、制御装置３０は、サンプル１００の膜厚が所定値（例えば１００ｎｍ）よりも小さい場合には反射光量厚み換算方式によってサンプル１００の膜厚を推定する。

反射光量厚み換算方式では、制御装置３０は、エリアセンサ２３，２４から出力される信号（撮像画像）から特定される輝度情報と、分光器５０から出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、サンプル１００の膜厚を推定する。

具体的には、制御装置３０は、まず、撮像画像の輝度情報に応じたｘの値を導出する。例えば傾斜ダイクロイックミラー２２における透過側の光の輝度情報が利用される場合には、ｘ＝ＩＴ（ＩＴは透過光量）とされる。また、傾斜ダイクロイックミラー２２における反射側の光の輝度情報が利用される場合には、ｘ＝ＩＲ（ＩＲは反射光量）とされる。また、エリアセンサ２３において検出される光の輝度値とエリアセンサ２４において検出される光の輝度値との比を含む輝度情報が利用される場合には、ｘ＝ＩＴ／ＩＲとされてもよい。エリアセンサ２３，２４において検出される光は、例えば光源１０のゆらぎや背景光等の影響を受けている（光量変動が生じている）ことが考えられるが、輝度情報に応じたｘの値がＩＴ／ＩＲのようにレシオ値とされることにより、上述したような光量変動を補正することができる。なお、このような光量変動補正は、光量変動量が、検出される光量と比較して極めて小さい場合に有効である。

制御装置３０は、分光器５０から出力される信号から特定される波長情報に基づいて、上述したｘの導出に係るＩＴ（ＩＴは透過光量）及びＩＲ（ＩＲは反射光量）の値を補正することにより、上述した光量変動補正を行ってもよい。制御装置３０は、以下の（８）式により、ＩＴ及びＩＲの光量変動補正を行ってもよい。以下の（８）式において、ＩＴ´は補正後の透過光量、ＩＲ´は補正後の反射光量、Ｔ（λ）は傾斜ダイクロイックミラー２２における透過率、Ｒ（λ）は傾斜ダイクロイックミラー２２における反射率、Ｉ（λ）は波長情報に含まれるスペクトル（分光器５０が測定したスペクトル）、Ｉｉｎｉ（λ）は分光器５０において測定されるスペクトルの初期値である。なお、傾斜ダイクロイックミラー２２においては、Ｒ（λ）＝１－Ｔ（λ）である。
ＩＴ´＝ＩＴ×（Σ（Ｉｉｎｉ（λ）Ｔ（λ））／Σ（Ｉ（λ）Ｔ（λ））
ＩＲ´＝ＩＲ×（Σ（Ｉｉｎｉ（λ）Ｒ（λ））／Σ（Ｉ（λ）Ｒ（λ）） （８）

上述した（８）式に示されるように、制御装置３０は、輝度情報で示される輝度値に応じたＩＴ（又はＩＲ）を、分光器５０が測定したスペクトルの初期値からの変化量によって補正することにより、補正後の輝度情報であるＩＴ´及びＩＲ´を導出している。このように、スペクトルの初期値からの変化量によって、輝度値が補正されることによって、元々含まれていた光源１０のゆらぎや背景光等の影響をキャンセルすることができる。なお、上述したようにｘの値がＩＴ／ＩＲのようにレシオ値とされる場合においては、レシオ値を用いることにより光量変動補正がなされているため、（８）式による光量変動補正を必ずしも実施しなくてもよい。ただし、透過信号と反射信号とで互いに独立した光量変動がある場合には、（８）式による光量変動補正を実施することが好ましい。すなわち、光源１０が波長帯によって挙動が変化する場合等においては、（８）式による光量変動補正が好ましい。以下では、（８）式によって光量変動補正を実施し、補正後の輝度情報を用いる例を説明する。すなわち、制御装置３０は、輝度情報で示される輝度値を波長情報のスペクトルの初期値からの変化量によって補正した補正後輝度情報に基づいて、サンプル１００の膜厚を推定する。

制御装置３０は、分光器５０から出力される信号から特定される波長情報に基づき、測定され得る膜厚の範囲である膜厚測定レンジを特定し、輝度及び膜厚の関係式と輝度情報とに基づき特定される一又は複数の膜厚の内、膜厚測定レンジに含まれる膜厚を、サンプル１００の膜厚として推定する。

図３は、上述した膜厚値推定を説明する図である。輝度情報に示される光の輝度値（反射強度）及び膜厚の関係は、例えば以下の（９）式により示される。以下の（９）式において、Ｉは輝度値（反射強度）、ｎは膜の屈折率、ｄは膜厚である。
Ｉ＝Ａｃｏｓ（２π（２ｎｄ／λ））＋Ｂ （９）

図３（ａ）は、上記（９）式によって定まる輝度値（反射強度）及び膜厚の関係を示す図である。図３（ａ）において、横軸は膜厚、縦軸は輝度値（反射強度）である。（９）式からも明らかなように、輝度及び膜厚の関係は周期的変化を示す波形で示される（図３（ａ）参照）。そのため、輝度情報に基づき輝度値が特定されても、当該輝度値に対応する膜厚ｄの候補が複数存在することとなる。すなわち、図３（ａ）において破線で示される輝度値（反射強度）が特定される場合、位相毎に異なる複数の膜厚ｄの候補が存在することとなる。図３（ａ）に示される例では、ｍを整数として、２π（２ｎｄ／λ）＝（ｍ＋４）π～（ｍ＋５）πの膜厚の範囲、２π（２ｎｄ／λ）＝（ｍ＋２）π～（ｍ＋３）πの膜厚の範囲、２π（２ｎｄ／λ）＝ｍπ～（ｍ＋１）πの膜厚の範囲が存在している。この場合、制御装置３０は、分光器５０から出力される信号から特定される波長情報（図３（ｅ）参照）に基づき、どの膜厚の範囲が、測定され得る膜厚の範囲（膜厚測定レンジ）であるかを特定することができる。すなわち、（ｍ＋４）π～（ｍ＋５）πの反射強度及び波長の関係式（図３（ｂ）参照）、（ｍ＋２）π～（ｍ＋３）πの反射強度及び波長の関係式（図３（ｃ）参照）、及び、ｍπ～（ｍ＋１）πの反射強度及び波長の関係式（図３（ｄ）参照）がある場合において、制御装置３０は、（ｍ＋２）π～（ｍ＋３）πの反射強度及び波長の関係式（図３（ｃ）参照）と波長情報（図３（ｅ）参照）とが一致することから、（ｍ＋２）π～（ｍ＋３）πの膜厚の範囲を、膜厚測定レンジに特定する。

制御装置３０は、膜特性、照射スペクトル、傾斜ダイクロイックミラー２２の非線形性等の、種々の補正を包括的に実施するために、膜厚ｄを以下の（１０）式のような多項式で近似してもよい。なお、以下の（１０）式における各パラメータ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ）は、例えば、膜厚・膜種の異なるサンプルを複数測定することにより、膜厚・膜種毎に予め設定されていてもよい。
ｄ＝ａｘ４＋ｂｘ３＋ｃｘ２＋ｄｘ＋ｅ （１０）

次に、本実施形態に係る膜厚測定フローについて説明する。図４は、本実施形態に係る膜厚測定フローを示すフローチャートである。

膜厚測定装置１では、最初に、光源１０からサンプル１００に対して光が照射され（光照射ステップ）、エリアセンサ２３，２４においてサンプル１００からの光が検出されて、検出された光の輝度情報に応じた信号が出力されることにより撮像画像が取得される（ステップＳ１，光検出ステップ）。

取得された画像に対しては、制御装置３０によってバックグランド補正が実施され（ステップＳ２）、さらに、リファレンス補正が実施される（ステップＳ３）。そして、制御装置３０において、サンプル１００の情報に基づいて、膜厚推定方法が選択される（ステップＳ４）。制御装置３０は、サンプル１００の膜厚に基づいて、輝度情報と波長情報とを用いたサンプル１００の膜厚推定を実施するか否かを決定する。制御装置３０は、膜厚が例えば１００ｎｍ未満である場合には、輝度情報と波長情報とを用いたサンプル１００の膜厚推定（反射光量厚み換算方式）を実施することを決定し、ステップＳ５～ステップＳ１０の処理を実施する。制御装置３０は、膜厚が例えば１００ｎｍ以上である場合には、輝度情報と波長情報とを用いたサンプル１００の膜厚推定（反射光量厚み換算方式）を実施せずに波長シフト方式を実施することを決定し、ステップＳ１３～ステップＳ１５の処理を実施する。

反射光量厚み換算方式では、まず、撮像画像の輝度情報に応じたｘの値が導出される（ステップＳ５）。例えばエリアセンサ２３において検出される光の輝度値とエリアセンサ２４において検出される光の輝度値との比を含む輝度情報が利用される場合には、ｘ＝ＩＴ／ＩＲとされる。

つづいて、膜厚絶対値補正が実施されるか否かが判定される（ステップＳ６）。膜厚絶対値補正とは、分光器５０による膜厚の絶対値の測定結果を利用して膜厚の値を算出する処理である。膜厚絶対値補正が実施されない場合には、ステップＳ６の処理につづいて後述するステップＳ１０の処理が実施される。

膜厚絶対値補正が実施される場合、分光器５０によって、サンプル１００からの光が分光検出され、該光のスペクトルを含む波長情報に応じた信号が出力される（ステップＳ７，分光ステップ）。そして、制御装置３０によって、上記波長情報に基づき、測定され得る膜厚の範囲である膜厚測定レンジが特定される（ステップＳ８）。

また、制御装置３０によって、光量変動補正が実施される（ステップＳ９）。具体的には、制御装置３０は、上述した（８）式によって、波長情報に基づきＩＴ（ＩＴは透過光量）及びＩＲ（ＩＲは反射光量）の値を補正することにより、光量変動補正を行う。

最後に、制御装置３０によって、上述した（１０）式で示される多項式により膜厚ｄが推定される（ステップＳ１０，膜厚推定ステップ）。なお、（１０）式における各パラメータ（補正係数）であるａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、膜厚・膜種毎に設定されていてもよい。その場合、事前に、膜厚・膜種毎に補正用画像が取得され（ステップＳ１１）、補正係数ａ～ｅが決定される（ステップＳ１２）。

一方で、波長シフト方式では、まず、制御装置３０によって、波長重心を導出するためのｘが上記（５）式により導出される（ステップＳ１３）。そして、制御装置３０によって、上述した（６）式で示される多項式により波長重心λが導出される（ステップＳ１４）。そして、制御装置３０によって、上述した（７）式により、波長重心から膜厚が推定される（ステップＳ１５）。なお、（６）式における各パラメータ（補正係数）であるａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、事前に補正用画像が取得され（ステップＳ１６）、決定されていてもよい（ステップＳ１７）。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

膜厚測定装置１は、サンプル１００に対して光を照射する光源１０と、サンプル１００からの光を検出し、検出した光の輝度情報に応じた信号を出力するエリアセンサ２３と、サンプル１００からの光を分光検出し、該光のスペクトルを含む波長情報に応じた信号を出力する分光器５０と、エリアセンサ２３から出力される信号から特定される輝度情報と、分光器５０から出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、サンプル１００の膜厚を推定する制御装置３０と、を備える。

本実施形態に係る膜厚測定装置１では、サンプル１００からの光がエリアセンサ２３において検出されると共に分光器５０において分光検出され、エリアセンサ２３から出力される信号から特定される輝度情報と、分光器５０から出力される信号から特定される波長情報とに基づいて、サンプル１００の膜厚が推定される。エリアセンサ２３において検出される光の輝度情報（光の反射率）は、サンプル１００の膜厚に応じた値となる。ここで、輝度情報のみでは、膜厚の相対的な分布のみが特定され絶対値が特定されない。この点、本実施形態に係る膜厚測定装置１では、分光検出された光のスペクトルを含む波長情報が更に考慮されているので、分光検出された点の膜厚の絶対値を特定することができる。これにより、輝度情報から特定される相対的な膜厚分布と、分光検出された点の膜厚の絶対値とに基づいて、測定対象物の各エリアの膜厚の絶対値を適切に導出することができる。以上のように、エリアセンサ２３における検出結果が分光器５０における検出結果によって校正されることによって、サンプル１００の膜厚を高精度に導出することができる。

上記膜厚測定装置１は、サンプル１００からの光を分割する光分割素子である傾斜ダイクロイックミラー２２（或いは、ダイクロイックミラー又はハーフミラーとバンドパスフィルタ）を更に備え、エリアセンサ２４を更に有し、傾斜ダイクロイックミラー２２は、サンプル１００からの光を分割してエリアセンサ２３及びエリアセンサ２４へ導光してもよい。このように、サンプル１００からの光が分割され、２つのエリアセンサ２３，２４によって分割後の光が検出されることにより、例えば波長帯毎に光を分け、所望の波長帯における輝度情報から膜厚を推定することができる。これによって、より高精度にサンプル１００の膜厚を導出することができる。

そして、光分割素子として、傾斜ダイクロイックミラー２２（或いは、ダイクロイックミラー又はハーフミラーとバンドパスフィルタ）が用いられることにより、波長帯毎に光を適切に分割することができる。

エリアセンサ２３，２４は、エリアセンサ２３において検出される光の輝度値とエリアセンサ２４において検出される光の輝度値との比を含む輝度情報に応じた信号を出力してもよい。エリアセンサ２３，２４において検出される光は、例えば光源のゆらぎや背景光等の影響を受けることが考えられる。この場合、輝度情報に基づき膜厚を高精度に推定できないおそれがある。この点、波長に応じて分割した２つの波長帯の光の輝度値の比が導出されることにより、上述した背景光等の影響を受けない輝度情報を導出することができる。このような輝度情報に基づいて膜厚が推定されることにより、高精度な膜厚推定を実現することができる。

制御装置３０は、サンプル１００の情報に基づいて、輝度情報と波長情報とを用いたサンプル１００の膜厚推定を実施するか否かを決定してもよい。サンプル１００の状態（例えば厚さ等）によって、膜厚を高精度に推定可能な方法が異なるところ、サンプル１００の情報に基づき、上述した「輝度情報と波長情報とを用いた膜厚推定」を実施するか否かが決定されることにより、サンプル１００の状態に合った膜厚推定を実施することができる。これにより、高精度な膜厚推定を実現することができる。

制御装置３０は、サンプル１００の膜厚の厚さが所定値よりも小さい場合には、輝度情報と波長情報とに基づいてサンプル１００の膜厚を推定し、サンプル１００の膜厚の厚さが所定値よりも大きい場合には、エリアセンサ２３，２４から出力される信号に基づき波長重心を特定し、該波長重心に基づいてサンプル１００の膜厚を推定してもよい。波長重心に基づいてサンプル１００の膜厚を推定する方法によれば、より簡易に高精度な膜厚推定を実現することができる。しかしながら、上述したように、膜厚が小さい場合には波長重心に基づいて高精度に膜厚推定を実施することが困難である。この点、サンプル１００の膜厚の厚さが取得されて、膜厚の厚さが所定値よりも小さい場合には上述した輝度情報と波長情報とに基づく膜厚推定が実施されることにより、膜厚が小さい場合であっても高精度に膜厚推定を実施することができる。そして、膜厚の厚さが十分に大きい場合には、波長重心に基づく膜厚推定が実施されることによって、より簡易な方法によって迅速かつ高精度に膜厚推定を実施することができる。

制御装置３０は、波長情報に基づき、測定され得る膜厚の範囲である膜厚測定レンジを特定し、輝度及び膜厚の関係式と輝度情報とに基づき特定される一又は複数の膜厚の内、膜厚測定レンジに含まれる膜厚を、サンプル１００の膜厚として推定してもよい。サンプル１００からの光の輝度及び膜厚については関係式が成立するため、輝度及び膜厚の関係式を予め規定することができる。ここで、輝度及び膜厚の関係は、周期的変化を示す波形で示されるため、輝度情報に基づき輝度が特定されても、当該輝度に対応する膜厚候補が複数存在することとなる。この点、スペクトルを含む波長情報が用いられることにより、測定され得る膜厚の範囲（膜厚測定レンジ）が特定されるため、複数の膜厚候補の中から一の膜厚を特定することが可能となる。このようにして特定された膜厚がサンプル１００の膜厚として推定されることにより、高精度な膜厚推定を実現することができる。

制御装置３０は、輝度情報で示される輝度値を波長情報のスペクトルの初期値からの変化量によって補正した補正後輝度情報に基づいて、サンプル１００の膜厚を推定してもよい。光検出器において検出される光は、例えば光源のゆらぎや背景光等の影響を受けることが考えられる。この場合、輝度情報に基づき膜厚を高精度に推定できないおそれがある。この点、スペクトルの初期値からの変化量によって、輝度情報で示される輝度値が補正されることによって、元々含まれていた光源のゆらぎや背景光等の影響をキャンセルした輝度情報によって、高精度に膜厚を推定することができる。

１…膜厚測定装置、１０…光源（光照射部）、２２…傾斜ダイクロイックミラー、２３，２４…エリアセンサ（光検出器，光検出部）、３０…制御装置（解析部）、５０…分光器、１００…サンプル（測定対象物）。

Claims (1)

1. 測定対象物に対して光を照射する光照射部と、
   前記測定対象物からの光を検出するエリアセンサ又はラインセンサである第１の光検出器を有し、検出した光の輝度情報に応じた信号を出力する光検出部と、
   前記測定対象物からの光を分光検出し、該光のスペクトルを含む波長情報に応じた信号を出力する分光器と、
   前記光検出部から出力される信号から特定される前記輝度情報と、前記分光器から出力される信号から特定される前記波長情報とに基づいて、前記測定対象物の膜厚を推定する解析部と、を備える膜厚測定装置。

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