JP2023170825A - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

膜厚測定装置及び膜厚測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】膜厚の測定時間を短縮することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供する。【解決手段】本開示に係る膜厚測定装置１００は、基板３１と、基板３１上に設けられた薄膜３２と、を含む試料３０の薄膜３２の膜厚を測定する膜厚測定装置１００であって、共焦点光学系１０１を介して試料３０を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する波長選択部１２と、共焦点光学系１０１を介して試料３０で反射した反射光を検出し、反射光に含まれる各波長の光による試料３０の測定領域における各画像を取得する光検出器１９と、膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する処理部２０と、を備え、処理部２０は、波長と反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから膜厚を近似して算出する。【選択図】図４

Description

本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。
ウエハーや光学部品等の基板のコーティング（フォトレジスト、反射防止膜、透明導電樹脂、摩耗防止、潤滑剤等）には、広域の膜ムラや局所的な膜厚分布が生じやすい。図１は、基板及び基板上にコーティングされた薄膜を含む試料全体を例示した平面図である。図２は、試料全体における広域の膜厚プロファイルを例示したグラフであり、横軸は一方向に沿った薄膜の位置を示し、縦軸は膜厚を示す。図３は、顕微鏡の視野における局所の膜厚プロファイルを例示したグラフであり、横軸は一方向に沿った薄膜の位置を示し、縦軸は膜厚を示す。
図１～図３に示すように、基板上にコーティングされた薄膜には、広域の膜ムラや局所的な膜厚分布が生じている。このような膜ムラや膜厚分布を含む薄膜の膜厚を検査・測定する技術は、ウエハーや光学部品の均一性等の品質改善のために必要不可欠である。
膜厚ムラ及び膜厚ムラによる反射率ムラを測定する方法の一つに光学式膜厚測定法がある。
特許第６７５０７９３号公報 特許第５８７１２４２号公報 特許第５２７３６４４号公報 特許第６２８４７０５号公報 特許第５９９７５７８号公報 特開２０１５－２３０２６４号公報
光学式膜厚測定法としては、（１）反射分光による方法、（２）偏光解析による方法、（３）白色干渉縞走査による方法、（４）共焦点顕微鏡による方法が挙げられる。また、例えば、特許文献１～３のような（５）分光膜厚分布測定法によっても、膜厚を測定することができる。しかしながら、これらの方法にはそれぞれ以下に示すような問題がある。
（１）反射分光による方法は、白色光で照明した試料の反射光を分光することで分光スペクトルを測定する。反射分光による方法のうち、ピークバレー法（ＰＶ法）は、分光スペクトルから反射率の極大と極小に対応する波長を求めて膜厚を解析する方法である。この方法では、可視光を使う場合に、波長程度（約０．５μｍ）以下の膜厚では極大・極小のスペクトルパターンを得ることができない。このため、波長程度以下の膜厚の測定には適用することができない。
また、反射分光による方法のうち、カーブフィット法は、分光スペクトルを、光の波長、薄膜の膜厚、薄膜と基板との屈折率（ｎ）及び滅衰係数（ｋ）で決定される条件により、絶対反射率の波長依存性という形で理論的に計算する。そして、測定データに対して、理論的に計算された絶対反射率をパラメータフィッティングすることにより膜厚を決定する。一般に、数ｎｍから数μｍの膜厚までカーブフィット法により膜厚を求めることができる。しかし、測定に用いる照明光の各波長に対して十分なサンプリング数を必要とする。
一般的な分光計は、膜厚の空間分布を高分解に測定することはできず、光が照明するエリアの平均的な値が得られるにとどまる。照明エリア内で膜厚分布（変化）が存在する場合には、反射率が平均化されてしまうため、正確な絶対反射率を得ることができない。このように、カーブフィット法は、膜厚分布を高分解能で測定することはできない。
（２）偏光解析による方法（エリプソメトリー）は、反射光を解析することで膜厚を求める。しかし、試料に対して照明光を斜入射させる必要があるので、膜厚の空間分布を高分解能で測定することはできず、光が照明するエリア（１ｍｍ□～１００μｍ□程度）の平均的な値が得られるにとどまる。さらに、薄膜自体が偏光特性を持つ場合は、膜厚を高分解能で測定することが困難となる。
（３）白色干渉縞走査による方法は、試料あるいは対物レンズをｚスキャンすることにより、白色光の干渉縞の最大強度位置を計算する。これにより、干渉縞を発生させた薄膜の膜厚を求めることができる。薄膜の膜厚を測定するためには、下地基板と薄膜表面からの干渉強度信号をそれぞれ分離して測定することが必要である。しかし、膜厚が１μｍ以下の場合、それらの強度信号を分離することが困難となる。さらに、反射率の高い基板上に、反射率の低い透明な薄膜が存在する場合には、透明な薄膜からの干渉強度を精密に測定することはできず、膜厚の測定はいっそう困難なものとなる。多層膜等の膜厚の測定はさらに困難となる。
（４）共焦点顕微鏡による方法は、対物レンズと試料との間の距離をｚスキャンすることにより変化させ、合焦点位置を検出することで膜厚を測定する。膜厚が数μｍ以下の場合には、下地基板と膜表面の反射信号を分離することができないため、膜厚を測定することができない。信号の分離限界は対物レンズの開口数に大きく依存するため、膜厚測定限界は高倍では数μｍ、低倍率広視野では数十μｍとなり、膜厚の測定が困難となる。
（５）光学式膜厚測定法は、共焦点光学系を用いて、複数の波長の光を切り替えることで、膜厚を測定する。具体的には、第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから膜厚を近似して算出している。複数波長の画像から、各画素に対してカーブフィット法を適用することで膜厚を計算し、膜厚分布を求めることができる。
（１）～（４）の方法は、空間分解能が低いため、数μｍ□～数百μｍ□の領域内で、膜厚が数ｎｍから数μｍまで連続的に増減する場合には、任意測定点の平均値で品質を評価することが難しい。そこで、凹凸やそりのある試料の局所的な空間分解能を高めるためには、（５）分光膜厚分布測定法が適している。
しかしながら、（５）分光膜厚分布測定法は、例えば、６波長の照明光によるデータ取得に６回の焦点合成が必要なため時間がかかる。データ取得時間を短縮するためには波長数を少なくしたいが、一方で、膜厚の解析には十分な波長数が必要である。
また、（５）分光膜厚分布測定法は、複数波長の画像から、各画素に対してカーブフィット法を適用することで膜厚計算し、膜厚分布が得られる。この手法は、１μｍ以下の膜厚に対しては有効であるが、それ以上の膜厚に対しては、波長情報が足りない場合には、カーブフィットが難しくなる。一つの波長に対して一つの全焦点画像を撮像するために、一回のＺスキャンが必要となる。このため、多数の波長データを取得する場合には、波長数に比例して測定時間が増大してしまう。測定時間を短縮するために、波長数を極端に減らすと膜厚解析のカーブフィット法が適用できなくなる。
このように、（１）～（５）の方法は、空間分解能と波長情報を維持したまま、測定時間を短縮できない課題を有している。
本発明の目的は、このような問題を解決するためになされたものであり、膜厚の測定時間を短縮することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することである。
本開示に係る膜厚測定装置は、基板と、基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、共焦点光学系を介して前記試料を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する波長選択部と、前記共焦点光学系を介して前記試料で反射した反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による前記試料の測定領域における各画像を取得する光検出器と、前記膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する処理部と、を備え、前記処理部は、前記波長と前記反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する。
上記膜厚測定装置では、前記処理部は、前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出し、算出した前記決定係数が所定の閾値未満の場合に、前記波長選択部は、前記照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、前記光検出器は、少なくとも前記第３波長の光による前記測定領域における前記画像を取得し、前記処理部は、少なくとも前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出してもよい。
上記膜厚測定装置では、前記波長選択部は、前記第１波長帯域の前記第１波長、前記第２波長帯域の前記第２波長、及び、前記第３波長として、それぞれ、青色波長帯域の前記波長、緑色波長帯域の前記波長及び赤色波長帯域の前記波長のいずれかから選択し、前記光検出器は、前記青色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する青色画像撮像素子、前記緑色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する緑色画像撮像素子及び前記赤色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する赤色画像撮像素子を有してもよい。
上記膜厚測定装置では、前記測定領域は、基準視野及び前記基準視野と異なる任意視野を含み、前記基準視野の前記膜厚を算出する場合には、前記波長選択部は、第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択するとともに、第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、前記光検出器は、前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得するとともに、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる少なくとも前記第３波長の光による前記画像を取得し、前記処理部は、各画像に基づいて、前記第１波長、前記第２波長、及び、前記第３波長に対する各反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出してもよい。
上記膜厚測定装置では、前記任意視野の前記薄膜の前記膜厚を算出する場合には、前記波長選択部は、前記第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択し、前記光検出器は、前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得し、前記処理部は、各画像に基づいて、前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出するとともに、前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出し、算出した前記決定係数が所定の閾値未満の場合に、前記波長選択部は、前記第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、前記光検出器は、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる少なくとも前記第３波長の光による前記画像を取得し、前記処理部は、前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出してもよい。
上記膜厚測定装置では、前記処理部は、前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出し、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出し、前記第１波長、前記第２波長及び前記第３波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出し、各決定係数のうち最も大きい前記決定係数が算出された場合の前記膜厚を、前記薄膜の膜厚に決定してもよい。
本開示に係る膜厚測定方法は、基板と、基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、共焦点光学系を介して前記試料を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する波長選択ステップと、前記共焦点光学系を介して前記試料で反射した反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による前記試料の測定領域における各画像を取得する焦点合成画像取得ステップと、前記膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する膜厚解析ステップと、前記波長と前記反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する膜厚算出ステップと、を備える。
上記膜厚測定方法では、前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出する決定係数算出ステップと、算出した前記決定係数が所定の閾値未満か判定する判定ステップと、をさらに備え、前記判定ステップにおいて、算出した前記決定係数が前記所定の閾値未満の場合に、前記波長選択ステップ、前記焦点合成画像取得ステップ、前記膜厚解析ステップ、前記膜厚算出ステップ、前記決定係数算出ステップ及び前記判定ステップを繰り返し、繰り返す際に、前記波長選択ステップにおいて、前記照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、前記焦点合成画像取得ステップにおいて、少なくとも前記第３波長の光による前記測定領域における前記画像を取得し、前記膜厚解析ステップにおいて、少なくとも前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、前記膜厚算出ステップにおいて、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出してもよい。
上記膜厚測定方法では、前記波長選択ステップにおいて、前記第１波長帯域の前記第１波長、前記第２波長帯域の前記第２波長、及び、前記第３波長として、それぞれ、青色波長帯域の前記波長、緑色波長帯域の前記波長及び赤色波長帯域の前記波長のいずれかから選択し、前記焦点合成画像取得ステップにおいて、前記青色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像、前記緑色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像及び前記赤色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得してもよい。
上記膜厚測定方法では、前記測定領域は、基準視野及び前記基準視野と異なる任意視野を含み、前記基準視野の前記薄膜の膜厚を算出する場合には、前記波長選択ステップにおいて、第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択するとともに、第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、前記焦点合成画像取得ステップにおいて、前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得するとともに、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる少なくとも前記第３波長の前記光による前記画像を取得し、前記膜厚解析ステップにおいて、各画像に基づいて、前記第１波長、前記第２波長、及び、前記第３波長に対する各反射率の測定データを取得し、前記膜厚算出ステップにおいて、前記計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出してもよい。
上記膜厚測定方法では、前記任意視野の前記薄膜の膜厚を算出する場合には、前記薄膜の膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出する決定係数算出ステップと、算出した前記決定係数が所定の閾値未満か判定する判定ステップと、をさらに備え、前記波長選択ステップにおいて、前記第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択し、前記焦点合成画像取得ステップにおいて、前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得し、前記膜厚解析ステップにおいて、各画像に基づいて、前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の測定データを取得し、前記膜厚算出ステップにおいて、前記計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、前記判定ステップにおいて、算出した前記決定係数が前記所定の閾値未満の場合には、前記波長選択ステップ、前記焦点合成画像取得ステップ、前記膜厚解析ステップ、及び、前記膜厚算出ステップを繰り返し、繰り返す際に、前記波長選択ステップにおいて、前記第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、前記焦点合成画像取得ステップにおいて、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる前記第３波長の光による前記画像を取得し、前記膜厚解析ステップにおいて、前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、前記膜厚算出ステップにおいて、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出してもよい。
上記膜厚測定方法では、前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出するステップと、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出するステップと、前記第１波長、前記第２波長及び前記第３波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出するステップと、各決定係数のうち最も大きい前記決定係数が算出された場合の前記膜厚を、前記薄膜の膜厚に決定するステップと、をさらに備えしてもよい。
本発明によれば、膜厚の測定時間を短縮することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することができる。
基板及び基板上にコーティングされた薄膜を含む試料全体を例示した平面図である。 試料全体における広域の膜厚プロファイルを例示したグラフであり、横軸は一方向に沿った薄膜の位置を示し、縦軸は膜厚を示す。 顕微鏡の視野における局所の膜厚プロファイルを例示したグラフであり、横軸は一方向に沿った薄膜の位置を示し、縦軸は膜厚を示す。 実施形態１に係る膜厚測定装置の構成を例示した図である。 実施形態１に係る膜厚測定装置において、光検出器の分光特性を例示したグラフであり、横軸は、波長を示し、縦軸は透過率を示す。 実施形態１に係るバンドパスフィルタの透過波長帯を例示したグラフであり、横軸は、波長を示し、縦軸は、透過率を示す。 実施形態１に係るバンドパスフィルタの透過波長を例示した図である。 実施形態１に係る他のバンドパスフィルタの透過波長帯を例示したグラフであり、横軸は、波長を示し、縦軸は、透過率を示す。 実施形態１に係る他のバンドパスフィルタの透過波長を例示した図である。 実施形態１に係る膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。 実施形態１に係る別の膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。 実施形態１に係る膜厚測定装置で膜厚測定する場合の測定位置及び測定領域を例示した平面図である。 実施形態１に係る膜厚測定方法において、基準視野の膜厚を測定する方法を例示したフローチャート図である。 実施形態１に係る膜厚測定方法において、任意視野の膜厚を測定する方法を例示したフローチャート図である。 実施形態１に係る薄膜が形成された基板を例示した光学モデルである。 実施形態１に係る薄膜が形成された基板を例示した光学モデルである。 実施形態１に係る薄膜が形成された基板における反射光の屈折による光路差を例示した図である。 実施形態１に係る薄膜内の干渉のない多重反射を例示した図である。 実施形態１に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。 実施形態１に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。 実施形態１に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。 実施形態１に係る薄膜の膜厚と残差との関係を例示したグラフであり、横軸は、薄膜の膜厚を示し、縦軸は残差を示す。 実施形態１に係る薄膜の膜厚を例示した鳥瞰図である。 実施形態１に係る完全非可干渉の場合の膜厚がゼロの反射率計算の取り扱いを例示した図である。 シアン色及び赤色の光の画像を例示した図である。 実施形態２に係る波長別の画像に対する白色の光の基準画像について、等倍の正規化相互相関によるテンプレートマッチングを行うことにより計算した位置ズレ量を例示した図である。 実施形態２に係る計算した位置ズレ量に基づいて画像位置を補正した画像を例示した図である。
以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
（実施形態１）
本実施形態の膜厚測定装置及び膜厚測定方法は、基本的な原理として、反射分光（分光干渉）式の分光膜厚分布測定法を利用する。画像の明度を確保するために、帯域幅を１０～２０ｎｍ程度確保すると、可干渉距離は１０～２０μｍ程度になる。膜厚分布を短時間に測定して評価するという目的のために、以下の４点を利用した反射分光膜厚分布測定を考える。
（１）共焦点光学系を使うことで、透明基板の裏面反射光を除去することができ、正味の表面反射光を正確に測定することが期待される。
（２）従来の分光膜厚計のように反射光を分光するかわりに、照明を単色光を含むものとして試料の反射強度を測定する。そして、照明波長を変える度に、反射強度を同一視野に対して測定する。従って、反射率の波長依存性、すなわち、反射スペクトルを得ることができる。この時に各波長に対して撮像することで、反射率を２次元的に画像化できる。
（３）共焦点光学系を使いzスキャンすることで、表面形状を膜厚程度の誤差を含んだ形だが、３次元計測することができる。測定点が照明光軸に対してどの程度傾斜しているのかを見積もることができる。従って、傾斜による反射率変化を補正する場合にも利用できる。
（４）共焦点光学系を使い、微細パターンの膜厚分布を測定するために、開口数ＮＡの大きな対物レンズを使うことで、数μｍのパターン幅でも反射像を撮像できる。
（１）～（４）から、観察画像の各画素に対して、分光スペクトルを得ることができるので、絶対反射率に換算して、可干渉性因子を考慮して膜厚をパラメータとするフィッティングを行うことにより、０～１μｍ以上の膜厚まで求めることができる。可干渉性因子の補償パラメータもフィッティングに含めることも可能である。波長は、例えば、４００～７００ｎｍの間の数波長でもよい。
共焦点光学系において、観察波長を変えると、合焦点位置が変化することが考えられるので、これによる輝度の変化が予想される。これは、各波長による合焦点位置のズレ分を予め、ＰＣに記憶しておき、各波長に対して、ズレ分だけ自動的に試料あるいは対物レンズのｚ位置を調整することでキャンセルする。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をｚスキャンにより作製してもよい。
絶対反射率の基準試料として、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、観察光学系自身の波長依存性は計算により補正できる。
共焦点顕微鏡を使うことにより、空間分解能を高めることができ、細線パターンや微小領域、局所的な膜厚分布を測定することができる。マルチバンドパスフィルタを適用することで、一度の焦点スキャンで複数波長画像が得らえるので測定時間を短縮できる。最適なマルチバンドパスフィルタを使用することで、解析者の試行錯誤による時間コストを削減できる。また、従来と同じ焦点スキャン回数でより多数の波長画像を得られるため、フィッティング計算が良くなり、多層膜、厚膜（２μｍ程度）、光学定数解析などができる。複数波長間の波長による焦点位置のズレも、焦点スキャンによって回避できる。
共焦点顕微鏡を用いて、照明波長を切り替えながら、反射強度を測定することで、基板上の膜厚分布を測定することができる。膜厚分布のムラの大きい場合でも非接触・非破壊で短時間に測定することができる。光学顕微鏡の焦点深度より大きな段差のある表面の膜厚測定にも対応できる。
以下で、実施形態１に係る膜厚測定装置及び膜厚測定方法を具体的に説明する。まず、［膜厚測定装置の構成］を説明する。その後、［膜厚測定方法］を説明し、［膜厚解析］を説明する。
［膜厚測定装置の構成］
図４は、実施形態１に係る膜厚測定装置の構成を例示した図である。図４に示すように、本実施形態に係る膜厚測定装置１００は、光源１１、波長選択部１２、レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６、対物レンズ１７、ステージ１８、光検出器１９、処理部２０を備えている。光源１１及び波長選択部１２は、光源部１０を構成している。レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６及び光検出器１９は、共焦点光学系１０１を構成している。ステージ１８上には、試料３０が載置されている。膜厚測定装置１００は、基板３１と、基板３１上に設けられた薄膜３２とを含む試料３０の薄膜３２の膜厚を測定する。
光源１１としては、水銀ランプ、キセノンランプ等のような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源が用いられる。なお、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ～２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源１１としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。後述するように、波長を選択できればどのような光源を用いてもよい。
光源１１からの光によって、試料３０を観察するための光学系について説明する。光源１１から出射した光は、波長選択部１２を通過し、特定の波長の光を含む照明光に変換される。
波長選択部１２は、例えば、バンドパスフィルタＢＰＦである。バンドパスフィルタＢＰＦは、複数の波長帯を透過させるマルチバンドパスフィルタでもよいし、１つの波長帯を透過させるバンドパスフィルタＢＰＦでもよい。本明細書において、バンドパスフィルタＢＰＦと呼ぶ場合は、マルチバンドパスフィルタ及びバンドパスフィルタを含む。バンドパスフィルタＢＰＦと光検出器１９との関係は、後述する。
共焦点光学系１０１は、光源部１０からの照明光を試料３０まで導くとともに、試料３０からの反射光を光検出器１９まで導く。波長選択部１２を透過した照明光は、レンズ１３ａを透過して、スリット１４に入射する。照明光は、スリット１４を通してＸ方向のライン状に整形される。そして、ライン状の照明光は、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５は、偏光状態によらずに、反射光と透過光の光量が略１：１になるように、光を分岐する。従って、照明光の略半分がビームスプリッタ１５を透過する。
その後、図１中右方向に進む光は、振動ミラー１６に入射する。振動ミラー１６により、Ｘ方向のライン状の照明光で試料３０上をＹ方向に走査する。これにより、試料３０面上をＸＹに走査することができる。振動ミラー１６としては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。
振動ミラー１６により、下方に反射された照明光は、対物レンズ１７により集光され、試料３０に照射される。試料３０は、ステージ１８上に載置されている。そして、試料３０からの反射光は、再度対物レンズ１７を通過し、振動ミラー１６により再び反射され、ビームスプリッタ１５へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ１５で反射され、レンズ１３ｃに入射する。レンズ１３ｃは、光検出器１９の受光面に合成光を結像させる。レンズ１３ｃを透過した光は、光検出器１９で受光される。
本実施形態では、光検出器１９は、試料３０のコンフォーカル画像を撮像する３ＣＣＤラインセンサ等である。例えば、光検出器１９は、青色画像撮像素子、緑色画像撮像素子及び赤色画像撮像素子の３つの撮像素子を有してもよい。青色画像撮像素子は、青色波長帯域の波長の光による画像を取得する。緑色画像撮像素子は、緑色波長帯域の波長の光による画像を取得する。赤色画像撮像素子は、赤色波長帯域の波長の光による画像を取得する。
このようにして、光検出器１９は、共焦点光学系１０１を介して試料３０で反射した反射光を検出し、反射光に含まれる各波長の光による試料３０の測定領域における各画像を取得する。なお、共焦点光学系１０１の方式が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリット１４や及び光検出器１９は、方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、振動ミラー１６の代わりに、音響光学素子であるＡＯＤを用いることも可能である。
ステージ１８は、図示しないＺ軸駆動モータを有しており、試料３０をＺ方向に移動させることができる。ステージ１８をＺ方向に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ１８がＺ方向に移動するかわりに、対物レンズ１７を移動させて焦点位置調整を行うこともできる。可変焦点レンズ等による焦点合成でもよい。
共焦点光学系１０１において、観察する波長が異なると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる輝度の変化が予想される。この場合には、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定して処理部２０に記憶しておき、波長毎に、ズレ分だけ自動的に試料３０あるいは対物レンズ１７のＺ位置を微調整することでキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をＺスキャンにより作製してもよい。全ての波長の焦点位置をカバーできるようにＺスキャン範囲を広げてもよい。なお、観察光学系自身の波長依存性は、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、計算により補正できる。
本実施形態の膜厚測定装置１００は、共焦点光学系１０１を用いることで、基板３１のそりや基板３１の凹凸表面の全焦点反射像を取得することができる。本実施形態の膜厚測定装置１００は、光源１１から生成される白色光から複数の波長を透過させるバンドパスフィルタＢＰＦ等の波長選択部１２と、３ＣＣＤカメラ等の光検出器１９とで構成されたカラーの共焦点光学系１０１を組み合わせることで、一回の焦点合成で複数の画像を取得することができる。
次に、光検出器１９と波長選択部１２との組み合わせを説明する。まず、光検出器１９の分光特性を説明する。図５は、実施形態１に係る膜厚測定装置１００において、光検出器１９の分光特性を例示したグラフであり、横軸は、波長を示し、縦軸は透過率を示す。図５に示すように、光検出器１９は、可視光領域を３分割して透過させた反射光を検出する分光特性を有するように設計されている。例えば、光検出器１９は、青色の波長帯域の光を検出するチャネルＢ－ｃｈ、緑色の波長帯域の光を検出するチャネルＧ－ｃｈ、赤色の波長帯域の光を検出するチャネルＲ－ｃｈのそれぞれに対応した青色撮像素子、緑色撮像素子及び赤色撮像素子を有している。なお、青色の波長帯域、緑色の波長帯域及び赤色の波長帯域のいずれかを、第１波長帯域、第２波長帯域と呼ぶ場合がある。これら３つの撮像素子で受信した信号を用いることにより、可視光全体のカラー画像を取得することができる。なお、可視光を含む照明光を検出した画像をカラーレビュー画像として用いる。
次に、波長選択部１２の例としてバンドパスフィルタＢＰＦの透過波長帯を説明する。図６は、実施形態１に係るバンドパスフィルタＢＰＦの透過波長帯を例示したグラフであり、横軸は、波長を示し、縦軸は、透過率を示す。図７は、実施形態１に係るバンドパスフィルタＢＰＦの透過波長を例示した図である。図６及び図７に示すように、バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－５は、それぞれ、特定の波長を含む波長帯を透過させる。特定の波長を、第１波長、第２波長、第３波長と呼ぶ場合がある。具体的には、波長選択部１２は、第１波長、第２波長、及び、第３波長として、それぞれ、青色波長帯域の波長、緑色波長帯域の波長及び赤色波長帯域の波長のいずれかから選択してもよい。バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－５は、それぞれ、特定の波長を中心波長とする波長帯を透過させてもよいし、特定の波長にピークを有する波長帯を透過させてもよい。
例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－１は、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の３つの波長を含む照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－２は、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２の３つの波長を含む照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－３は、波長ｂ３、波長ｇ３及び波長ｒ３の３つの波長を含む照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－４は、波長ｃ４及び波長ｒ４の２つの波長を含む照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－５は、波長ｙ５を含む照明光を透過させる。
波長ｂ１、波長ｂ２及び波長ｂ３は、チャネルＢ－ｃｈの波長帯域に含まれる。波長ｇ１、波長ｇ２及び波長ｇ３は、チャネルＧ－ｃｈの波長帯域に含まれる。波長ｒ１、波長ｒ２、波長ｒ３及び波長ｒ４は、チャネルＲ－ｃｈの波長帯域に含まれる。波長ｃ４は、チャネルＢ－ｃｈとチャネルＧ－ｃｈとの間の波長帯域（例えば、シアン色の波長帯域）に含まれる。波長ｙ５は、チャネルＧ－ｃｈとチャネルＲ－ｃｈとの間の波長帯域（例えば、黄色の波長帯域）に含まれる。異なるチャンネルの間の波長帯域は、両チャンネルの信号を合算した信号を使う。
このように、バンドパスフィルタＢＰＦ等の波長選択部１２は、共焦点光学系１０１を介して試料３０を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する。そして、光検出器１９は、共焦点光学系１０１を介して試料３０で反射した反射光を検出し、反射光に含まれる各波長の光による試料３０の測定領域における各画像を取得する。したがって、バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－５を用いた５回の焦点合成を行えば、１２の波長の画像を得ることができる。
図８は、実施形態１に係る他のバンドパスフィルタＢＰＦの透過波長帯を例示したグラフであり、横軸は、波長を示し、縦軸は、透過率を示す。図９は、実施形態１に係る他のバンドパスフィルタＢＰＦの透過波長を例示した図である。図８及び図９に示すように、バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－３及びＢＰＦ－６～ＢＰＦ－８は、それぞれ、特定の波長の照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－３は、前述と同様に、それぞれ、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の３つの波長、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２の３つの波長、並びに、波長ｂ３、波長ｇ３及び波長ｒ３の３つの波長を含む照明光を透過させる。
バンドパスフィルタＢＰＦ－６は、波長ｖ１及び波長ｙ１の２つの波長を含む照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－７は、波長ｃ１及び波長ｒ４の２つの波長を含む照明光を透過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ－８は、波長ｃ２及び波長ｒ５の２つの波長を含む照明光を透過させる。
波長ｖ１、波長ｂ１、波長ｂ２及び波長ｂ３は、チャネルＢ－ｃｈの波長帯域に含まれる。波長ｇ１、波長ｇ２及び波長ｇ３は、チャネルＧ－ｃｈの波長帯域に含まれる。波長ｒ１、波長ｒ２、波長ｒ３、波長ｒ４及び波長ｒ５は、チャネルＲ－ｃｈの波長帯域に含まれる。波長ｃ１及び波長ｃ２は、チャネルＢ－ｃｈとチャネルＧ－ｃｈとの間の波長帯域に含まれる。波長ｙ１は、チャネルＧ－ｃｈとチャネルＲ－ｃｈとの間の波長帯域に含まれる。
バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－３及びＢＰＦ－６～ＢＰＦ－８を用いた６回の焦点合成を行えば、１５の波長の画像を得ることができる。
処理部２０は、薄膜の膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する。そして、処理部２０は、波長と反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。また、処理部２０は、薄膜の膜厚を近似して算出する際の決定係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）を算出し、算出した決定係数が所定の閾値以上か（所定の閾値未満か）判定する。
決定係数は、各波長の反射率の測定値から最小自乗法で膜厚をパラメータとしてフィッティングさせる際のあてはまりの良さの尺度を示す。決定係数の最大値は、１である。決定係数が１に近いほど、フィッティングは合致していると評価される。一般的には、決定係数は、Ｒ２で表される。本実施形態では、反射率Ｒと区別するため、決定係数をＤ２で表す。決定係数は、例えば、フィッティングさせる際の残差の自乗和を平均値からの偏差の自乗和で割ったものを１から引いた値でもよいが、フィッティングさせる際のあてはまりの良さの尺度を示せば、これに限らない。
処理部２０は、決定係数が所定の閾値未満の場合に、波長選択部１２及び光検出器１９の動作を制御する。具体的には、決定係数が所定の閾値未満の場合には、他の波長を追加し、追加した他の波長で膜厚測定を繰り返す。すなわち、波長選択部１２は、照明光が他の波長を含むように波長を選択する。光検出器１９は、他の波長の光による画像を取得する。そして、処理部２０は、他の波長の光による画像に基づいて、他の波長に対する反射率の測定データを取得し、計算データを参照して、測定データから膜厚を近似して算出する。
処理部２０は、例えば、サーバ装置、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置でもよい。情報処理装置は、図示しない制御部、通信部、記憶部及びインターフェース部を有している。制御部、通信部、記憶部及びインターフェース部は、それぞれ、制御手段、通信手段、記憶手段及びインターフェース手段としての機能を有している。
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のプロセッサを含む。制御部は、制御処理及び演算処理等を行う演算装置としての機能を有する。また、制御部は、通信部、記憶部、インターフェース部及び各装置の機能を実行するための各構成要素の動作を制御する。
情報処理装置の各構成要素は、例えば、制御部の制御によって、プログラムを実行させることによって実現できる。より具体的には、各構成要素は、記憶部に格納されたプログラムを、制御部が実行することによって実現され得る。また、必要なプログラムを任意の不揮発性記録媒体に記録しておき、必要に応じてインストールすることで、各構成要素を実現するようにしてもよい。また、各構成要素は、プログラムによるソフトウェアで実現することに限ることなく、ハードウェア、ファームウェア、及びソフトウェアのうちのいずれかの組み合わせ等により実現してもよい。
通信部は、情報処理装置が情報処理を行う上で必要な通信を行う。記憶部は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、又はＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等である。記憶部は、制御部によって実行される制御プログラム及び演算プログラム等を記憶するための機能を有する。また、記憶部は、処理データ等を一時的に記憶するための機能を有する。
インターフェース部は、例えば、ユーザインターフェース（Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）である。インターフェース部は、キーボード、タッチパネル又はマウス等の入力手段と、ディスプレイ又はスピーカ等の出力手段とに接続されている。インターフェース部は、ユーザ（オペレータ等）によるデータの入力の操作を受け付け、ユーザに対して情報を出力する。
［膜厚測定方法］
次に、膜厚測定方法を説明する。膜厚測定方法は、基板３１と、基板３１上に設けられた薄膜３２と、を含む試料３０の薄膜３２の膜厚を測定する。図１０は、実施形態１に係る膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。図１０に示すように、膜厚測定方法は、波長選択ステップ（Ｓ１１）、焦点合成画像取得ステップ（Ｓ１２）、膜厚解析ステップ（Ｓ１３）及び膜厚算出ステップ（Ｓ１４）を備えている。
波長選択ステップ（Ｓ１１）において、波長選択部１２は、例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－１を選択する。バンドパスフィルタＢＰＦ－１は、照明光がチャネルＢ－ｃｈの波長帯域の波長ｂ１、チャネルＧ－ｃｈの波長帯域の波長ｇ１及びチャネルＲ－ｃｈの波長帯域の波長ｒ１を含む照明光を透過させる。このように、波長選択ステップにおいて、共焦点光学系１０１を介して試料３０を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長（例えば、波長ｂ１）及び第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長（例えば、波長ｇ１）を含むように波長を選択する。
次に、焦点合成画像取得ステップ（Ｓ１２）において、共焦点光学系１０１を介して照明光が試料３０で反射した反射光を検出する。光検出器１９は、チャネルＢ－ｃｈ、チャネルＧ－ｃｈ及びチャネルＲ－ｃｈの各波長帯域の撮像素子によって、反射光に含まれる波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の光による画像を取得する。このように、焦点合成画像取得ステップにおいて、共焦点光学系１０１を介して試料３０で反射した反射光を検出し、反射光に含まれる各波長の光による試料３０の測定領域における各画像を取得する。
次に、膜厚解析ステップ（Ｓ１３）において、処理部２０は、薄膜３２の膜厚を算出するために、反射光に含まれる波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の光による試料３０の各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する。
次に、膜厚算出ステップ（Ｓ１４）において、処理部２０は、波長と反射率との関係が薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。
図１１は、実施形態１に係る別の膜厚測定方法を例示したフローチャート図である。図１１に示すように、別の膜厚測定方法は、波長選択ステップ（Ｓ１１）、焦点合成画像取得ステップ（Ｓ１２）、膜厚解析ステップ（Ｓ１３）及び膜厚算出ステップ（Ｓ１４）に加えて、さらに、決定係数算出ステップ（Ｓ１５）、判定ステップ（Ｓ１６）及び膜厚決定ステップ（Ｓ１８）を備えている。
決定係数算出ステップ（Ｓ１５）において、処理部２０は、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１に対する各反射率の測定データから薄膜３２の膜厚を近似して算出する際の決定係数Ｄ２を算出する。すなわち、処理部２０は、少なくとも第１波長及び第２波長に対する各反射率の測定データから薄膜３２の膜厚を近似して算出する際の決定係数Ｄ２を算出する。
判定ステップ（Ｓ１６）において、算出した決定係数Ｄ２が所定の閾値Ｄｔｈ ２以上か判定する。所定の閾値Ｄｔｈ ２は、例えば、０．８である。なお、所定の閾値Ｄｔｈ ２は、０．８に限らない。
判定ステップ（Ｓ１６）において、算出した決定係数Ｄ２が所定の閾値Ｄｔｈ ２未満のＮＯの場合には、ステップＳ１７に示すように、次のバンドパスフィルタＢＰＦがあるか判定する。次のバンドパスフィルタＢＰＦがないＮＯの場合には、膜厚決定ステップ（Ｓ１８）に進み、薄膜３２の膜厚を決定する。
ステップＳ１７において、次のバンドパスフィルタＢＰＦがあるＹＥＳの場合には、波長選択ステップ（Ｓ１１）、焦点合成画像取得ステップ（Ｓ１２）、膜厚解析ステップ（Ｓ１３）、膜厚算出ステップ（Ｓ１４）、決定係数算出ステップ（Ｓ１５）及び判定ステップ（Ｓ１６）を繰り返す。
繰り返す際に、波長選択ステップ（Ｓ１１）において、波長選択部１２は、例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－１の代わりに、バンドパスフィルタＢＰＦ－２を選択する。バンドパスフィルタＢＰＦ－２は、照明光がチャネルＢ－ｃｈの波長帯域の波長ｂ２、チャネルＧ－ｃｈの波長帯域の波長ｇ２及びチャネルＲ－ｃｈの波長帯域の波長ｒ２を含む照明光を透過させる。このように、波長選択部１２は、繰り返す際に、照明光が第１波長及び第２波長と異なる少なくとも第３波長（例えば、波長ｂ２）を含むように波長を選択する。
焦点合成画像取得ステップ（Ｓ１２）において、光検出器１９は、チャネルＢ－ｃｈ、チャネルＧ－ｃｈ及びチャネルＲ－ｃｈの各波長帯域の撮像素子によって、反射光に含まれる波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２の光による各画像を取得する。このようにして、光検出器１９は、繰り返す際に、少なくとも第３波長の光による測定領域における画像を取得する。
膜厚解析ステップ（Ｓ１３）において、処理部２０は、薄膜３２の膜厚を算出するために、反射光に含まれる波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２の光による試料３０の各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する。よって、処理部２０は、繰り返す際に、少なくとも第３波長の光による画像に基づいて、第３波長に対する反射率の測定データを取得する。
膜厚算出ステップ（Ｓ１４）において、処理部２０は、計算データを参照して、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２に対する各反射率の測定データから薄膜３２の膜厚を近似して算出する。すなわち、処理部２０は、繰り返す際に、少なくとも第３波長に対する反射率の測定データから膜厚を近似して算出する。また、処理部２０は、計算データを参照して、波長ｂ１、波長ｇ１、波長ｒ１、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２に対する各反射率の測定データから薄膜の膜厚を近似して算出してもよい。すなわち、処理部２０は、繰り返す際に、第１波長、第２波長及び第３波長に対する各反射率の測定データから膜厚を近似して算出してもよい。
決定係数算出ステップ（Ｓ１５）において、処理部２０は、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２に対する各反射率の測定データから薄膜３２の膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出する。すなわち、処理部２０は、第３波長に対する反射率の測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出する。また、決定係数算出ステップ（Ｓ１５）において、波長ｂ１、波長ｇ１、波長ｒ１、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２に対する各反射率の測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出してもよい。すなわち、処理部２０は、第１波長、第２波長及び第３波長に対する各反射率の測定データから膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出してもよい。
判定ステップ（Ｓ１６）において、算出した決定係数Ｄ２が所定の閾値Ｄｔｈ ２以上のＹＥＳの場合には、膜厚決定ステップ（Ｓ１８）に進み、薄膜３２の膜厚を決定する。波長選択ステップ（Ｓ１１）～決定係数算出ステップ（Ｓ１５）を複数回行った場合には、処理部２０は、算出された決定係数Ｄ２のうち最も大きい決定係数Ｄ２が算出された場合の膜厚を、薄膜３２の膜厚に決定してもよい。このようにして、薄膜３２の膜厚を測定することができる。
次に、膜厚測定方法の具体例を説明する。例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－５を用いて、５回の焦点合成を行うことにより、膜厚測定する方法を説明する。図１２（ａ）は、実施形態１に係る膜厚測定方法において、基準視野及び任意視野を含む測定領域を例示した平面図であり、図１２（ｂ）は、基準視野の中心位置及び周辺位置を例示した平面図であり、図１２（ｃ）は、任意視野の中心位置及び周辺位置を例示した平面図である。図１３は、実施形態１に係る膜厚測定方法において、基準視野の膜厚を測定する方法を例示したフローチャート図である。図１４は、実施形態１に係る膜厚測定方法において、任意視野の膜厚を測定する方法を例示したフローチャート図である。
図１２（ａ）に示すように、基板３１上に形成された薄膜３２において、試料３０全体に渡る広域の膜厚を検査・測定してもよい。試料３０全体に渡る広域の領域は、膜厚測定装置１００の複数の視野４０を含んでいる。図１２（ａ）では、図が煩雑にならないように、いくつかの符号を省略している。基準視野４１は、例えば、測定領域における中心の視野４０である。任意視野４２は、測定領域における基準視野４１と異なる視野４０である。よって、測定領域は、基準視野４１及び任意視野４２を含む。基準視野４１の膜厚を５回の焦点合成によって解析する。この時に、薄膜３２は連続に形成されていることから、任意視野４２における膜厚のムラを、±１００ｎｍと仮定する。
図１２（ｂ）に示すように、基準視野４１は、中心位置４１ａ及び周辺位置４１ｂを有している。なお、中心位置４１ａは、基準視野４１を代表する位置を示し、必ずしも基準視野４１の中心の位置に限らない。周辺位置４１ｂは、中心位置４１ａと異なる位置である。中心位置４１ａ及び周辺位置４１ｂは、同一の視野に入っているので、中心位置４１ａと周辺位置４１ｂとは、同一のバンドパスフィルタＢＰＦを用いた焦点合成画像を取得する。
同様に、図１２（ｂ）に示すように、任意視野４２は、中心位置４２ａ及び周辺位置４２ｂを有している。なお、中心位置４２ａは、任意視野４２を代表する位置を示し、必ずしも任意視野４２の中心の位置に限らない。周辺位置４２ｂは、中心位置４２ａと異なる位置である。中心位置４２ａ及び周辺位置４２ｂは、同一の視野に入っているので、中心位置４２ａと周辺位置４２ｂとは、同一のバンドパスフィルタＢＰＦを用いた焦点合成画像を取得する。
まず、基準視野４１の膜厚の測定方法を説明する。基準視野４１は、中心位置４１ａ及び周辺位置４１ｂを含む。図１３のステップＳ２１に示すように、基準視野４１を選択する。例えば、試料３０の中央の視野４０を基準視野４１とする。
次に、ステップＳ２２に示すように、バンドパスフィルタを選択する（波長選択ステップ）。例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－１を選択する。バンドパスフィルタＢＰＦ－１は、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の３つの波長を含む照明光を透過させる。
次に、ステップＳ２３に示すように、共焦点光学系１０１によって焦点合成した画像を取得する（焦点合成画像取得ステップ）。例えば、共焦点光学系１０１を介して、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の３つの波長を含む照明光が試料３０で反射した反射光を検出する。そして、反射光に含まれる各波長の光による試料３０の測定領域における各画像を取得する。
次に、ステップＳ２４に示すように、次のバンドパスフィルタＢＰＦがあるか判定する。ステップＳ２４において、測定に用いる他のバンドパスフィルタＢＰＦがあるＹＥＳの場合には、ステップＳ２２に進み、ステップＳ２２～ステップＳ２４を繰り返す。例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－２～ＢＰＦ－５について、ステップＳ２２～ステップＳ２４を繰り返すことにより、基準視野４１で５回の焦点合成した画像を取得する。
ステップＳ２４において、測定に用いる他のバンドパスフィルタＢＰＦがないＮＯの場合には、ステップＳ２５に示すように、膜厚解析を行う（膜厚解析ステップ）。具体的には、処理部２０は、膜厚を算出するために、取得した各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する。
次に、ステップＳ２６に示すように、膜厚及び決定係数Ｄ２を算出する（膜厚算出ステップ及び決定係数算出ステップ）。
このように、基準視野４１の薄膜３２の膜厚を算出する場合には、１回目の波長選択ステップにおいて、照明光が少なくとも第１波長及び第２波長を含むように波長を選択し、２回目の波長選択ステップにおいて、照明光が少なくとも第３波長を含むように波長を選択する。また、１回目の焦点合成画像取得ステップにおいて、反射光に含まれる少なくとも第１波長及び第２波長の光による各画像を取得し、２回目の焦点合成画像取得ステップにおいて、反射光に含まれる少なくとも第３波長の光による画像を取得する。膜厚解析ステップにおいて、各画像に基づいて、少なくとも第１波長、第２波長、及び、第３波長に対する各反射率の測定データを取得する。膜厚算出ステップにおいて、計算データを参照して、測定データから薄膜３２の膜厚を近似して算出する。
膜厚の算出方法は、後述するが、各波長の反射率の測定値から最小自乗法で膜厚をパラメータとしてフィッティングさせることにより算出する。また、フィッティングの際の決定係数Ｄ２を算出する。
次に、任意視野４２の膜厚の測定方法を説明する。任意視野４２は、中心位置４２ａ及び周辺位置４２ｂを含む。図１４のステップＳ３１に示すように、任意視野４２を選択する。例えば、基準視野４１と異なる位置を任意視野４２として選択する。
次に、ステップＳ３２に示すように、バンドパスフィルタを選択する（波長選択ステップ）。例えば、バンドパスフィルタＢＰＦ－１を選択する。バンドパスフィルタＢＰＦ－１は、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の３つの波長を含む照明光を透過させる。
次に、ステップＳ３３に示すように、共焦点光学系１０１によって、焦点合成した画像を取得する（焦点合成画像取得ステップ）。例えば、共焦点光学系１０１を介して、波長ｂ１、波長ｇ１及び波長ｒ１の３つの波長を含む照明光が試料３０で反射した反射光を検出する。そして、反射光に含まれる各波長の光による試料３０の測定領域における各画像を取得する。
次に、ステップＳ３４に示すように、膜厚解析を行う（膜厚解析ステップ）。具体的には、処理部２０は、膜厚を算出するために、取得した各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する。
次に、ステップＳ３５に示すように、膜厚及び決定係数Ｄ２を算出する（膜厚算出ステップ及び決定係数算出ステップ）。処理部２０は、各波長の反射率の測定値から最小自乗法で膜厚をパラメータとしてフィッティングさせることにより膜厚を算出する。また、フィッティングの際の決定係数Ｄ２を算出する。
次に、ステップＳ３６に示すように、決定係数Ｄ２が閾値Ｄｔｈ ２以上か判定する。また、算出された膜厚ｔが基準視野４１の膜厚ｔ０に対して許容値の範囲内か判定する。許容値は、例えば、±１００ｎｍである。よって、許容される膜厚の最小値ｔｍｉｎは、例えば、（ｔ０－１００）ｎｍであり、許容される膜厚の最大値ｔｍａｘは、例えば、（ｔ０＋１００）ｎｍである。
ステップＳ３６において、算出した決定係数Ｄ２が閾値Ｄｔｈ ２未満の場合、算出された膜厚ｔがｔｍｉｎよりも小さい場合、及び、算出された膜厚ｔがｔｍａｘよりも大きい場合の少なくともいずれかの場合（ＮＯの場合）には、ステップＳ３７に示すように、次のバンドパスフィルタＢＰＦがあるか判定する。
ステップＳ３７において、次のバンドパスフィルタＢＰＦがあるＹＥＳの場合には、ステップＳ３２に進み、ステップＳ３２～ステップＳ３６を繰り返す。例えば、ステップＳ３２において、バンドパスフィルタＢＰＦ－２を選択する。バンドパスフィルタＢＰＦ－２は、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２の３つの波長を含む照明光を透過させる。そして、波長ｂ２、波長ｇ２及び波長ｒ２の３つの波長を含む照明光を用いて、焦点合成画像取得ステップ、膜厚解析ステップ、膜厚算出ステップ、決定係数算出ステップ、判定ステップを繰り返す。
ステップＳ３７において、次のバンドパスフィルタがないＮＯの場合には、ステップＳ３８に進み、膜厚を決定する。
ステップＳ３６において、算出した決定係数Ｄ２が閾値Ｄｔｈ ２以上であり、算出された膜厚ｔがｔｍｉｎ以上ｔｍａｘ以下のＹＥＳの場合には、ステップＳ３８に示すように膜厚を決定する。
以上の焦点合成は、共焦点顕微鏡の視野４０内で実行されるものである。バンドパスフィルタＢＰＦの選択は、基準視野４１及び任意視野４２によって異なってもよい。各視野４０の膜厚分布を連結することで広域の測定も行うことができる。
［膜厚解析］
次に、膜厚解析を説明する。まず、膜厚解析で参照する計算データについて説明する。その後、反射率を測定し、測定した反射率の測定データから、計算データを参照して、膜厚を算出する方法を説明する。
＜可干渉性因子の導入＞
高開口数の対物レンズを使用する場合及び膜厚が１μｍ以上の場合のように、反射光の可干渉性が低下した場合でも、反射率を算出することができるように、反射率の計算に可干渉性因子を導入する。試料３０における薄膜の干渉による反射率Ｒは、干渉成分の項と非干渉成分の項とに分けられる。よって、試料３０における薄膜の干渉による反射率Ｒは、非干渉成分の項Ｒｉｃと干渉成分の項Ｒｉｆと可干渉性因子Γを使って、式（１）のように書くことができる。
薄膜内の反射光が完全に干渉する状態を完全可干渉(Γ＝１)、全く干渉しない状態を完全非可干渉(Γ＝０)とすると、一般の状態はそれらの中間にあると考えることができる。反射率を理論計算する際に、Γ＝１の場合（Ｒ＝Ｒｃｈ）とΓ＝０場合（Ｒ＝Ｒｉｃ）についてそれぞれフレネル係数から計算することができる。従って、それらの差をとることで、干渉成分Ｒｉｆを式（２）で計算することができる。
従って、可干渉性因子Γを入れて式（３）を使い、反射率Ｒを理論計算することができる。
可干渉性には時間的可干渉性と空間的可干渉性が含まれているが、前者に関しては可干渉距離Ｌｃという形で見積ることが出来る。照明光の波長帯域Δλと中心波長λを使って式（４）のように計算できる。例えば、中心波長λ＝５４６ｎｍ、波長帯域Δλ＝１６ｎｍの場合には、可干渉距離Ｌｃ＝１８μｍ程度になる。
膜厚ｔが可干渉距離Ｌｃよりも十分小さい範囲では可干渉性因子Γ～１となり、大きい範囲では可干渉性因子Γ＜＜１となるので、可干渉性因子Γは、ガウス関数型で変化すると考えるのが一般的である。多重反射の影響でガウス型から歪む可能性があるが、近似とする。補正係数として、βとする。薄膜の屈折率がｎ1の場合、行路差は２ｔｎ１となる。（後で開口数ＮＡの効果の補正によって、ｔｎ１はΔＬに置き換える。）
可干渉距離以外の要因には焦点深度の影響がある。膜面と基板面の焦点位置のズレは可干渉性を低下させる方向に作用する。焦点位置からのズレと受光強度の関係（Ｉ－Ｚ曲線）をガウス関数またはローレンツ関数で近似した場合の半値幅が、膜厚ｔに対して十分小さくなければ、可干渉性への影響が無視できなくなる。この効果の補正は、補正係数βで吸収できると考える。
この理論値を実測値に対して、補正係数βをパラメータに含めて、カーブフィット法で膜厚解析することができる。代表点の解析で求めた補正係数βの値を使って、画像全体の膜厚分布解析をすることもできる。
＜絶対反射率の理論計算＞
次に、絶対反射率の理論計算を説明する。図１５及び図１６は、実施形態１に係る薄膜３２が形成された基板３１を例示した光学モデルである。図１５及び図１６に示すように、光学モデルは、測定対象として考える試料３０の構造の断面を示している。試料３０は、基板３１と、基板３１の上に設けられた薄膜３２を含んでいる。基板３１は、例えばシリコン基板Ｓｉであり、薄膜３２は、例えば、フォトレジスト膜（Ｐｈｏｔｏ Ｒｅｓｉｓｔ）ＰＲである。
試料３０の構造は、上から、空気ａｉｒ／フォトレジスト膜ＰＲ／シリコン基板Ｓｉとなり、波長λに対するそれぞれの複素屈折率をＮ０、Ｎ１、Ｎ２、屈折率をｎ０＝１、ｎ１、ｎ２、消衰係数をｋ０＝０、ｋ１、ｋ２とする。複素屈折率は式（７）～（９）のように定義する。求めたいフォトレジスト膜ＰＲの膜厚を膜厚ｔとする。
＜１．完全可干渉の場合＞
次に、シリコン基板Ｓｉ上のフォトレジスト膜ＰＲによる薄膜干渉強度について考える。波長λの光が薄膜に対して垂直に入射するものとする（図１５では、対物レンズの開口数ＮＡを考えて斜め入射にしている）。入射した光の一部は、空気ａｉｒ／フォトレジスト膜ＰＲの界面０で反射する。また、一部は、透過し、フォトレジスト膜ＰＲ／シリコン基板Ｓｉの界面１で反射する。界面１からの反射光の一部は、界面０を透過するが、さらに、一部は、界面０で反射され、再び界面１で反射する。一般的に、薄膜では、このような多重反射が起こる。これらの反射光が全て干渉し、合計されたものから、反射率Ｒが得られる。複素屈折率が既知であるならば、垂直入射の反射率Ｒは波長λと膜厚ｔだけで決まる。
界面０（空気ａｉｒ／フォトレジスト膜ＰＲの界面）と界面１（フォトレジスト膜ＰＲ／シリコン基板Ｓｉの界面）での振幅反射率をそれぞれ、式（１０）（１１）とする。このとき薄膜を１回透過する光の位相変化と振幅変化をそれぞれ、式（１２）（１３）のようにδとγとする。
多重反射を考慮した膜構造全体の振幅反射率は式（１４）となる。
反射率Ｒは振幅反射率の絶対値の自乗となるので、式（１５）となる。
従って、複素屈折率が既知であれば、垂直入射の反射率は波長λと膜厚ｔのみから計算することができる。
ここで、対物レンズの開口数ＮＡによる斜入射効果の補正を考える。図１７は、実施形態１に係る薄膜が形成された基板における反射光の屈折による光路差を例示した図である。図１７に示すように、光軸に対して角度θ０で入射した光は、界面０で式（１６）のスネルの法則に従い、界面０でθ１だけ屈折し、界面１で反射し、再び界面０で屈折する反射光Ｅ１となる。反射光Ｅ１と、界面０で反射した反射光Ｅ０との間で、多重反射による干渉が起こる。垂直入射の場合と異なるのは、反射光Ｅ０と反射光Ｅ１の光路差が式（１７）のようになることである。入射角が大きくなるに従い、見掛け上の膜厚ｔは小さくなる。
入射光には、対物レンズの開口数ＮＡによる角度θＮＡから０度までの様々な光が含まれているため、厳密には反射光の干渉を全ての角度で計算する必要がある。しかし、振幅反射率と光路差の角度依存性を全て扱うのは計算負荷が大きいので、垂直入射の振幅反射率と平均光路差を使って近似する。入射光は無偏光なので、反射率の角度依存より、光路差の角度依存が支配的だと考える。
開口数ＮＡと屈折角の関係は式（１８）のようになるため、平均光路差は式（１７）を－θｍａｘ～＋θｍａｘの範囲で、角度分布の平均を式（１９）のように求めればよい。よって、式（１７）を式（１９）に置き換えて、式（１５）を計算すれば、任意の開口数ＮＡに対する反射率を簡便に計算することができる。
ここまで説明した単層の薄膜３２の計算は、多層膜の場合でも基板３１側から合成フレネル係数の合成則を使って計算することにより実行することができる。
＜２．完全非可干渉の場合＞
次に、シリコン基板Ｓｉ上のフォトレジスト膜ＰＲによる薄膜干渉のない場合の反射率Ｒｉｃについて検討する。図１８は、実施形態１に係る薄膜３２内の干渉のない多重反射を例示した図である。完全可干渉の場合と同様に、薄膜３２内では多重反射が起こるが、界面０及び界面１の反射光は互いに干渉しないため、これらの反射光を単純合計されたものから、反射率Ｒｉｃが得られる。
界面０の反射率をＲ０、界面１の反射率をＲ１、薄膜３２の内部透過率をＴｉとする。それぞれの界面の反射率はフレネル係数から、式（２０）及び式（２１）となる。内部透過率Ｔｉは、ランベルトの法則から吸収係数αと消衰係数ｋ１の関係を使い、式（２２）のようになる。基板３１によるｍ回反射の反射率をＲｍとすると、ｍを０から∞まで足し合わせたものが反射率Ｒｉｃとなり、式（２３）のように書くことができる。
内部透過率Ｔｉに対する開口数ＮＡの影響を補正する。角θ１の場合の内部透過率Ｔｉは、式（２２）中の膜厚ｔを角度平均＜ｔ＞に置き換えればよい。入射角は０～θｍａｘとすると、式（２４）となり、角度平均＜ｔ＞は、式（２５）のように書くことができる。ここで改めて、内部透過率Ｔｉを式（２６）のようにする。
以上の計算は、多層膜の場合でも基板３１側から界面反射率を合成計算することで実行できる。
＜３．部分可干渉の場合＞
完全可干渉の反射率Ｒｃｈ、完全非可干渉の反射率Ｒｉｃ、可干渉性因子Γを使うことで、それらの中間状態（部分可干渉性）の反射率Ｒを式（２７）として計算することができる。
式（３０）の可干渉性因子Γは、式（１９）の開口数ＮＡの補正を使って、式（５）の膜厚ｔｎ１をΔＬに置き換えた。多層膜の場合は、各層のΔＬの合計を、最終的なΔＬとして使う。
図１９及び図２０は、実施形態１に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。図１９に示すように、開口数ＮＡ＝０．３の場合について、膜厚ｔ＝１０００ｎｍの条件で、波長４００～７００ｎｍにおける反射率Ｒの補正係数β依存性を計算した。補正係数β＝０の場合はΓ＝１、補正係数β＝１の場合はΓ＜０．８、補正係数β＝２の場合はΓ＜０．６５、補正係数β＝１０の場合はΓ＜０．１であり、Γが小さくなると干渉成分が減衰する。さらに、Γは波長依存性があるので、波長が短い側から干渉成分が減衰している。図２０に示すように、開口数ＮＡ＝０．３の場合について、膜厚ｔ＝２０００ｎｍの場合をみると、膜厚が厚い程、干渉成分が減衰している。
ここで、照明光の波長として、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５１４ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、６３３ｎｍの６つの波長を選択する。反射率は、キャプチャーした画像の輝度値Ｉｓａｍｐｌｅから求める。各波長の反射率Ｒの測定値を式（２７）に対して、最小自乗法で膜厚ｔと、補正係数βをパラメータとしてフィッティングさせることで、膜厚ｔを求めることができる。
反射率Ｒを測定する場合は、測定に使用している光学系の特性や光源の特性を補正するために、反射率Ｒが既知である基準試料の反射率測定を行う。例えば、シリコン（Ｓｉ）を基準とする場合（石英ガラス等でも構わない）は、各波長でシリコン（Ｓｉ）の反射画像をキャプチャーする（カラーバランス、ゲインコントロール等は一定にする）。このシリコン（Ｓｉ）の輝度値ＩＳｉに対する相対値として、試料の反射率Ｒを計算し、さらに、シリコン（Ｓｉ）の既知の反射率の波長依存性のデータＲＳｉで補正を行う。従って、試料の反射率は式（３２）のように求められる。Ｉ０は照明光のシャッターを閉じた場合に受光される暗輝度値である。
共焦点顕微鏡のゲイン調整を固定した状態で、基準のシリコン（Ｓｉ）と試料３０について、同一の視野の画像を、波長を変えて取得した。画像上で指定したエリアに関する輝度値の平均値あるいは各画素の輝度値に対してＩｓａｍｐｌｅ、ＩＳｉとして使い、式（３２）から絶対反射率を求める。
図２１は、実施形態１に係る波長と反射率との関係を例示したグラフであり、横軸は波長を示し、縦軸は絶対反射率を示す。図２１には、式（３２）から求めた測定反射率と、式（２７）から求めた計算反射率とをプロットしたものを示した。補正係数βを、０及び０．５として計算したものである。測定値の反射率Ｒmesと計算値の反射率Ｒcalの残差Σを式（３３）により求める。
図２２は、実施形態に係る薄膜の膜厚と残差との関係を例示したグラフであり、横軸は、薄膜の膜厚を示し、縦軸は残差を示す。
残差Σが最小になる場合の膜厚ｔを、この試料の測定点の膜厚とすることができる。したがって、ここでは、補正係数β＝０の場合（完全可干渉）は、膜厚ｔ＝４４ｎｍと判定され、補正係数β＝０．５の場合（部分可干渉）は、膜厚ｔ＝１５８０ｎｍと判定されている。可干渉性因子Γを導入した解析結果は、白色干渉の測定結果と合致している。６つの波長の測定でも、可干渉性因子Γを解析に導入することで、１μｍ以上の膜厚ｔを、高精度で測定することができる。
同様の方法で、画像の各画素に対して膜厚ｔを求めることができるので、膜厚分布を表示することができる。従って、膜厚分布を、容易にヒストグラム解析することができる。薄膜上に、ゴミや異物が存在することにより測定値の異常点が発生しても、周囲の正常値で補間処理（ノイズリダクション）することも容易である。表示方法として、図２３に示すように、鳥瞰図にすることもできる。
［反射率計算の補足］
試料３０における薄膜３２が多層膜の場合において、多層膜中に、幾つかの厚さゼロの層が存在する場合の反射率計算の取り扱いについて補足する。完全可干渉の場合は、各界面のフレネル係数の合成式は厚さ０の場合でもそのまま適用できるので、問題は生じない。しかし、完全非可干渉の場合には、層の厚さが０のときは、式（２０）、式（２１）及び式（２３）をそのまま適用できないため、以下に説明する特別な計算法則を導入する必要がある。
図２４は、実施形態１に係る完全非可干渉の場合の膜厚がゼロの反射率計算の取り扱いを例示した図である。図２４に示すように、Ｎ層膜の中の連続する（ｍ－１）層、ｍ層、（ｍ＋１）層の３つの層の重なりを考える。ｍ層に着目すると、光学定数はｎｍ、ｋｍ及び膜厚ｔｍである。（ｍ－１）層とｍ層との界面を（ｍ－１、ｍ）界面とし、ｍ層と（ｍ＋１）層との界面を（ｍ、ｍ＋１）界面とする。界面のフレネル係数をそれぞれ、ｒｍ－１、ｍ及びｒｍ、ｍ＋１とし、式（１０）及び式（１１）と同様に表現できる。この関係を、（ｍ－１）層と（ｍ＋１）層についても考えことができる。
（ｍ＋２）層までの合成反射率Ｒ’ｍ＋２、ｍ＋３まで計算できている状況で、（ｍ＋１）層の膜厚ｔｍ＋１＞０の場合、（ｍ＋１、ｍ＋２）界面の合成反射率Ｒ’ｍ＋１、ｍ＋２は、式（２３）と同様にして計算できる。ここで、ｍ層の膜厚ｔｍ＝０の場合は、上下の界面のフレネル係数、ｒｍ－１、ｍ及びｒｍ、ｍ＋１を、式（３４）及び式（３５）のような特別な規則で置き換え処理を行う。この改訂されたフレネル係数を使い、それぞれの界面の反射率を、式（３６）及び式（３７）と再定義する。この時の内部透過率Ｔiは、それぞれ式（３８）及び式（３９）とおける。
（ｍ、ｍ＋１）界面の合成反射率Ｒ’ｍ。ｍ＋１は、合成規則より式（４０）となる。
さらに、上のｍ層の合成反射率Ｒ’ｍ－１、ｍも、合成規則より式（４１）となる。
式（４１）をよく観ると、まさにｍ層が存在しない場合の反射率の式になっている。このようなフレネル係数の変換則を適用することで、多層膜中に膜厚が０の層が存在する場合でも、完全非可干渉の反射率を計算することができる。Ｎ層膜中にＪ個の膜厚０層が分布して存在する場合も同様に計算することができる。
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態の膜厚測定装置１００は、バンドパスフィルタＢＰＦによって照明光が複数の波長帯域の波長を含むように波長を選択する。また、光検出器１９は、複数の波長帯域の波長を検出する撮像素子を含んでいる。よって、１回の撮像で複数の波長の光による複数の共焦合成画像を取得することができる。これにより、膜厚の測定時間を短縮することができる。
薄膜の膜厚を近似して算出する際に決定係数を算出し、算出した決定係数が所定の閾値未満の場合に、他のバンドパスフィルタＢＰＦによって、さらに、複数の波長帯域の波長を含むように波長を選択し、膜厚測定を繰り返す。よって、膜厚の精度を向上させることができる。
一方、算出した決定係数が所定の閾値以上の場合には、他のバンドパスフィルタＢＰＦによる追加の膜厚測定を不要とすることができる。これにより、膜厚の測定時間を短縮することができる。
また、本実施形態の膜厚測定装置１００は、共焦点光学系１０１を備えているので、通常の光学顕微鏡よりも高解像の画像が得られる。よって、膜厚分布の空間分解能を向上させることができる。また、基板３１が透明フィルムのような薄い場合でも、裏面反射を除去できる。このため、単純な光学モデルを使って解析でき、実測と理論とを容易に整合させることができる。試料３０の表面に焦点深度を超える起伏がある場合でも、全焦点画像を作成することができ、試料３０の全表面の反射率を測定することができる。バンドパスフィルタＢＰＦを使用した場合に、波長による焦点位置のズレが生じても、焦点スキャンによる全焦点像を合成することで、ズレを抑制することができる。
本実施形態では、波長と反射率との関係が薄膜３２の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データにおける反射率は、非干渉成分の項を含んでいる。よって、可干渉性が減少するような１μｍ以上の膜厚の薄膜にたいしても高精度で膜厚を解析することができる。これにより、１μｍ以上の膜厚の薄膜３２における膜厚分布を高解像度で解析することができる。
また、計算データにおける反射率の非干渉成分Ｒicの項は、基板３１側の界面による所定の回数までの各反射における反射率の総和を含んでいる。これにより、薄膜３２内での多重反射を反映させることができるので、１μｍ以上の膜厚の薄膜３２にたいしても高精度で膜厚を解析することができる。
計算データにおける反射率は、干渉成分Ｒｉｆの項と、干渉成分の項の割合を示す可干渉因子Γとの積を含んでいる。これにより、反射率が非干渉成分Ｒｉｃと干渉成分Ｒｉｆとを含む部分可干渉の場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。
さらに、計算データにおける反射率は、対物レンズの開口数ＮＡによる補正を含んでいる。これにより、高開口数の対物レンズを使用する場合でも、薄膜の膜厚を高精度で解析することができる。また、膜厚分布を高解像度で解析することができる。
膜厚測定装置１００は、薄膜３２が多層膜の場合でも、積層された各複数の薄膜３２の膜厚毎にそれぞれ示されている反射率を合成して、計算データにおける反射率としている。よって、多層膜からなる薄膜３２の膜厚を高精度で解析することができる。また、多層膜における膜厚分布を高解像度で解析することができる。多層膜におけるいくつかの膜厚が０の場合でも光学モデルの構成を変えずに、フレネル係数の変換則を適用することで、高精度で膜厚を解析することができる。
このように、膜厚測定装置１００は、観察画像の各画素に対して、分光スペクトルを得ることができる。そして、分光スペクトルを絶対反射率に換算し、可干渉性因子を考慮した膜厚をパラメータとするフィッティングを行っている。これにより、０～１μｍの膜厚だけでなく、１μｍ以上の膜厚まで精度よく求めることができる。
（変形例１）
変形例としては、薄膜３２の膜厚の均一性が十分ある場合に、薄膜３２の欠陥等を検出することができる。まず、基準視野４１でバンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－５の５種のフィルターで１２の波長を用いた５回の焦点合成画像による膜厚測定を行う。次に、１２の波長を用いた膜厚測定の結果と同じ結果を与えるバンドパスフィルタＢＰＦが、バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－３にあるか探索する。バンドパスフィルタＢＰＦ－１～ＢＰＦ－３の中に、１２の波長を用いた膜厚測定の結果と同じ結果を与えるバンドパスフィルタＢＰＦがあれば、それを用いて、１回の焦点合成画像の生成を試料３０の全体に対して行う。この場合に、決定係数が閾値未満であるか、膜厚の許容範囲を超える箇所を検出することにより、薄膜３２の欠陥の発生を判定することができる。
（変形例２）
光学定数が未知の材料に対しては、１２の波長の光による画像に基づいた反射率を含む情報を使い、コーシー分散式等で屈折率を解析することができる。よって、膜厚測定時には、解析した光学定数を用いることにより、最適なバンドパスフィルタＢＰＦを用いた１回の焦点合成画像の取得により、膜厚測定を行うこともできる。
（実施形態２）
次に、実施形態２を説明する。本実施形態は、画像の位置ズレを補正する例である。各波長別に撮像された画像は、光検出器１９の位置ズレや複数回測定の間の試料３０の位置変動等を含む画素レベルの位置ズレが生じる。このような画素レベルの位置ズレは、反射スペクトルを歪ませるため、薄膜パターンの膜厚分布解析等において、薄膜３２のエッジの計算誤差を引き起こす。
そこで、撮像した波長別の画像に対して、基準となる画像（例えば、波長が５４６ｎｍの画像）を指定し、この画像をテンプレートとして各画像との画素ズレをテンプレートマッチングで計算する。ズレ量は、サブピクセルまで計算し、位置修正を行う。波長によって明暗が反転しているものがあるため、画像マッチングする場合には、単純にオリジナル画像を使うだけでなく、マッチング率が閾値より小さい場合は、明暗が反転した画像についてもマッチングを行う。
図２５は、シアン色（Ｃｙａｎ）及び赤色（Ｒｅｄ）の光の画像を例示した図である。図２５に示すように、シアン色の光による画像と赤色の光による画像との間には、位置ズレが発生している。
図２６は、実施形態２に係る波長別の画像に対する白色（Ｗｈｉｔｅ）の光の基準画像を用いた場合の、等倍（１画素＝０．２９μｍ）の正規化相互相関（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ－Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）によるテンプレートマッチング（Ｔｅｍｐｌａｔｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を行うことにより計算した位置ズレ量を例示した図である。図２６に示すように、青色（Ｂｌｕｅ）、シアン色（Ｃｙａｎ）、緑色（Ｇｒｅｅｎ）、ライム色（Ｌｉｍｅ）、黄色（Ｙｅｌｌｏｗ）及び赤色（Ｒｅｄ）の波長を入力し、テンプレートマッチング（Ｔｅｍｐｌａｔｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）を行うことにより位置ズレ量は計算される。
図２７は、実施形態２に係る計算した位置ズレ量に基づいて画像位置を補正した画像を例示した図である。図２７に示すように、計算した位置ズレ量に基づいて画像位置を補正することにより、図２５で見られた上下方向の位置ズレは解消されている。なお、１画素以下の補正には、線形補間（Ｂｉｌｉｎｅａｒ Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）が実施されている。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。また、実施形態１及び２における各構成は、適宜、組み合わせてもよい。
また、本実施形態の膜厚測定方法をコンピュータに実行させる下記の膜厚測定プログラムも実施形態の技術思想に含まれる。
基板と、基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定プログラムであって、
共焦点光学系を介して前記試料を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する波長選択ステップと、
前記共焦点光学系を介して前記試料で反射した反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による前記試料の測定領域における各画像を取得する焦点合成画像取得ステップと、
前記膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する膜厚解析ステップと、
前記波長と前記反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する膜厚算出ステップと、
をコンピュータに実行させる膜厚測定プログラム。
また、上述した膜厚測定プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory（RAM）、read-only memory（ROM）、フラッシュメモリ、solid-state drive（SSD）又はその他のメモリ技術、CD-ROM、digital versatile disc（DVD）、Blu-ray（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。
１０ 光源部
１１ 光源
１２ 波長選択部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レンズ
１４ スリット
１５ ビームスプリッタ
１６ 振動ミラー
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 光検出器
２０ 処理部
３０ 試料
３１ 基板
３２ 薄膜
４０ 視野
４１ 基準視野
４１ａ 中心位置
４１ｂ 周辺位置
４２ 任意視野
４２ａ 中心位置
４２ｂ 周辺位置
１００ 膜厚測定装置
１０１ 共焦点光学系
ＢＰＦ バンドパスフィルタ
ＢＰＦ－１、ＢＰＦ－２、ＢＰＦ－３、ＢＰＦ－４、ＢＰＦ－５ バンドパスフィルタ

Claims (12)

  1. 基板と、基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
    共焦点光学系を介して前記試料を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する波長選択部と、
    前記共焦点光学系を介して前記試料で反射した反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による前記試料の測定領域における各画像を取得する光検出器と、
    前記膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する処理部と、
    を備え、
    前記処理部は、前記波長と前記反射率との関係が膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する、
    膜厚測定装置。
  2. 前記処理部は、前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出し、
    算出した前記決定係数が所定の閾値未満の場合に、
    前記波長選択部は、前記照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、
    前記光検出器は、少なくとも前記第３波長の光による前記測定領域における前記画像を取得し、
    前記処理部は、少なくとも前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する、
    請求項１に記載の膜厚測定装置。
  3. 前記波長選択部は、前記第１波長帯域の前記第１波長、前記第２波長帯域の前記第２波長、及び、前記第３波長として、それぞれ、青色波長帯域の前記波長、緑色波長帯域の前記波長及び赤色波長帯域の前記波長のいずれかから選択し、
    前記光検出器は、前記青色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する青色画像撮像素子、前記緑色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する緑色画像撮像素子及び前記赤色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する赤色画像撮像素子を有する、
    請求項２に記載の膜厚測定装置。
  4. 前記測定領域は、基準視野及び前記基準視野と異なる任意視野を含み、
    前記基準視野の前記膜厚を算出する場合には、
    前記波長選択部は、第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択するとともに、第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、
    前記光検出器は、前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得するとともに、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる少なくとも前記第３波長の光による前記画像を取得し、
    前記処理部は、各画像に基づいて、前記第１波長、前記第２波長、及び、前記第３波長に対する各反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する、
    請求項１に記載の膜厚測定装置。
  5. 前記任意視野の前記薄膜の前記膜厚を算出する場合には、
    前記波長選択部は、前記第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択し、
    前記光検出器は、前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得し、
    前記処理部は、各画像に基づいて、前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出するとともに、前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出し、
    算出した前記決定係数が所定の閾値未満の場合に、
    前記波長選択部は、前記第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、
    前記光検出器は、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる少なくとも前記第３波長の光による前記画像を取得し、
    前記処理部は、前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する、
    請求項４に記載の膜厚測定装置。
  6. 前記処理部は、
    前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出し、
    前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出し、
    前記第１波長、前記第２波長及び前記第３波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出し、
    各決定係数のうち最も大きい前記決定係数が算出された場合の前記膜厚を、前記薄膜の膜厚に決定する、
    請求項２～５のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
  7. 基板と、基板上に設けられた薄膜と、を含む試料の前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
    共焦点光学系を介して前記試料を照明する照明光が少なくとも第１波長帯域の第１波長及び前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の第２波長を含むように波長を選択する波長選択ステップと、
    前記共焦点光学系を介して前記試料で反射した反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による前記試料の測定領域における各画像を取得する焦点合成画像取得ステップと、
    前記膜厚を算出するために、各画像に基づいて、各波長に対する各反射率の測定データを取得する膜厚解析ステップと、
    前記波長と前記反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する膜厚算出ステップと、
    を備えた膜厚測定方法。
  8. 前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出する決定係数算出ステップと、
    算出した前記決定係数が所定の閾値未満か判定する判定ステップと、
    をさらに備え、
    前記判定ステップにおいて、算出した前記決定係数が前記所定の閾値未満の場合に、前記波長選択ステップ、前記焦点合成画像取得ステップ、前記膜厚解析ステップ、前記膜厚算出ステップ、前記決定係数算出ステップ及び前記判定ステップを繰り返し、繰り返す際に、
    前記波長選択ステップにおいて、
    前記照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、
    前記焦点合成画像取得ステップにおいて、
    少なくとも前記第３波長の光による前記測定領域における前記画像を取得し、
    前記膜厚解析ステップにおいて、
    少なくとも前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、
    前記膜厚算出ステップにおいて、
    前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する、
    請求項７に記載の膜厚測定方法。
  9. 前記波長選択ステップにおいて、
    前記第１波長帯域の前記第１波長、前記第２波長帯域の前記第２波長、及び、前記第３波長として、それぞれ、青色波長帯域の前記波長、緑色波長帯域の前記波長及び赤色波長帯域の前記波長のいずれかから選択し、
    前記焦点合成画像取得ステップにおいて、
    前記青色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像、前記緑色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像及び前記赤色波長帯域の前記波長の前記光による前記画像を取得する、
    請求項８に記載の膜厚測定方法。
  10. 前記測定領域は、基準視野及び前記基準視野と異なる任意視野を含み、
    前記基準視野の前記薄膜の膜厚を算出する場合には、
    前記波長選択ステップにおいて、
    第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択するとともに、第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、
    前記焦点合成画像取得ステップにおいて、
    前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得するとともに、前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる少なくとも前記第３波長の前記光による前記画像を取得し、
    前記膜厚解析ステップにおいて、
    各画像に基づいて、前記第１波長、前記第２波長、及び、前記第３波長に対する各反射率の測定データを取得し、
    前記膜厚算出ステップにおいて、
    前記計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する、
    請求項７に記載の膜厚測定方法。
  11. 前記任意視野の前記薄膜の膜厚を算出する場合には、
    前記薄膜の膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出する決定係数算出ステップと、
    算出した前記決定係数が所定の閾値未満か判定する判定ステップと、
    をさらに備え、
    前記波長選択ステップにおいて、
    前記第１照明光が少なくとも前記第１波長及び前記第２波長を含むように前記波長を選択し、
    前記焦点合成画像取得ステップにおいて、
    前記第１照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる各波長の光による各画像を取得し、
    前記膜厚解析ステップにおいて、
    各画像に基づいて、前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の測定データを取得し、
    前記膜厚算出ステップにおいて、
    前記計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出し、
    前記判定ステップにおいて、
    算出した前記決定係数が前記所定の閾値未満の場合には、前記波長選択ステップ、前記焦点合成画像取得ステップ、前記膜厚解析ステップ、及び、前記膜厚算出ステップを繰り返し、繰り返す際に、
    前記波長選択ステップにおいて、
    前記第２照明光が前記第１波長及び前記第２波長と異なる少なくとも第３波長を含むように前記波長を選択し、
    前記焦点合成画像取得ステップにおいて、
    前記第２照明光が前記試料で反射した前記反射光を検出し、前記反射光に含まれる前記第３波長の光による前記画像を取得し、
    前記膜厚解析ステップにおいて、
    前記第３波長の光による前記画像に基づいて、前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データを取得し、
    前記膜厚算出ステップにおいて、
    前記計算データを参照して、前記測定データから前記膜厚を近似して算出する、
    請求項１０に記載の膜厚測定方法。
  12. 前記第１波長及び前記第２波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の決定係数を算出するステップと、
    前記第３波長に対する前記反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出するステップと、
    前記第１波長、前記第２波長及び前記第３波長に対する各反射率の前記測定データから前記膜厚を近似して算出する際の前記決定係数を算出するステップと、
    各決定係数のうち最も大きい前記決定係数が算出された場合の前記膜厚を、前記薄膜の膜厚に決定するステップと、
    をさらに備えた請求項８～１１のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。
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