JP5427896B2 - 干渉を用いた膜厚計測装置及び干渉を用いた膜厚計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、干渉を用いた膜厚計測装置及び干渉を用いた膜厚計測方法に関する。

白色走査干渉計は、図１０に示すような光学系となっている。図１０において、白色光源１１０１は、例えばハロゲンランプのような広帯域の波長分布の光を照射する光源である。白色光源１１０１から照射された白色光は、ハーフミラー１１０２に入射する。ハーフミラー１１０２は光を分割し、試料１１０３と参照面１１０４に光を導く。これらの光は、試料１１０３と参照面１１０４にそれぞれ入射し、反射し、再びハーフミラー１１０２で重ね合わされる。重ね合わされた光は、エリアセンサ１１０５に入射する。その際、参照面１１０４を図の矢印１１１０方向にスキャンしながらエリアセンサ１１０５で画像を取り込む。入射した光は画像に変換され、演算装置１１０６に取り込まれる。

次に、この装置を用いて膜厚分布の計測を行われる手順を図１１に示すフローチャートを用いて説明する。なお、試料１１０３は、第１界面と第２界面をその内部に有している。

図１１において、まず、ステップＳ２０１で、図１０の光学系で参照面１１０４を走査しながら画像を取込み、画像の各画素における輝度変化を抽出することで、各画素での干渉波形を検出する。

続いて、ステップＳ２０２で、第１界面での反射光との各干渉波形のピーク位置を算出する。ここで、ピーク位置の算出方法としては、例えば低域通過フィルタにより包絡線を算出し、その最大値をとる走査位置を検出する方法を用いる。

続いて、ステップＳ２０３で、第２界面での反射光との各干渉波形のピーク位置を算出する。

続いて、ステップＳ２０４で、ステップＳ２０２とステップＳ２０３で算出した各二つのピーク位置での参照面１１０４の距離を算出し、距離を屈折率で除する（divide）ことで膜厚を算出する。

最後に、ステップＳ２０５で、膜厚の算出結果を出力し、計測を終了する。

以上のようにして、試料１１０３に白色光を照射し、反射した光を参照面１１０４からの反射光と重ね合わせてエリアセンサ１１０５上に結像させる。その結果、ハーフミラー１１０２から参照面１１０４までの距離Ｚとハーフミラー１１０２から試料１１０３までの距離ｈが等しい部分にのみ、エリアセンサ１１０５上に干渉縞が現れる。この光学系においては、参照面１１０４を矢印１１１０方向に走査すると、各計測点での干渉波形が現れる。各計測点で干渉波形のピークを検出し、結合することにより試料１１０３の全面の干渉波形を求めることができる。そして、その干渉波形に基づいて物体の表面形状分布を計測する。更にこの技術を利用して、透明体の膜厚計測を行うことができる。

試料１１０３として透明膜を選択した場合、図１２Ａに示すように、表面１１１１（第１界面）での反射光１１１２と裏面１１１３（第２界面）での反射光１１１４が存在する。光学系を試料１１０３の深さ方向に走査すると、これらの光が別々の干渉縞を作り、図１２Ｂに示す測定結果が得られる。測定結果のピーク間隔が試料１１０３の厚みｔに相当するため、干渉縞が重畳しない範囲で厚みを計測できる。

この計測手法においては、干渉縞が現れる範囲である可干渉距離が最も短くなる白色光源１１０１を用いる方が良い。具体的には、白色光源１１０１の強度スペクトルは、可能な限り広い帯域を持ち、かつ正規分布となる方が良い。そのために、白色光源１１０１としてハロゲンランプのような広帯域光源を用いると共に、白色光源１１０１の直後に光の透過率に波長依存性のあるフィルタを挿入している（例えば、特許文献１を参照）。

ここで、試料１１１５が複数の透明膜の層１１１６、１１１７から構成される場合、白色光源１１０１にハロゲンランプを採用する場合、可干渉距離が１μｍ以上となる。そのため、試料１１０３の膜厚が１μｍ以下の場合は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、透明膜の層１１１６と透明膜の層１１１７との界面１１１８と、透明膜の層１１１７とその下側の層との界面１１１９との間に干渉波形の重畳が発生する。

特開昭６２−２５９００６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように干渉波形の重畳が発生すると、試料表面の膜厚分布計測が不可能になる。

また、前記従来の構成では、参照面を走査しながらエリアセンサの画像を取り込む時の振動ノイズ、又は、電気ノイズの影響により、計測の精度が低下する可能性もある。

本発明の第１態様によれば、透明膜が表面に形成された基板を載置する載置部と、
前記載置部に載置された前記基板に光を照射する光源と、
前記光源からの前記光を分岐して前記基板の表面及び参照面に照射させると共に、前記基板の前記表面及び前記参照面からの反射光を重ね合わせて干渉光を形成するハーフミラーと、
前記光源と前記ハーフミラーとの間に配置されると共に、透過光の強度スペクトルが複数のピークを有する光学フィルタと、
前記干渉光を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置での撮像結果に基づいて前記透明膜の膜厚を算出する演算装置とを備え、
前記演算装置は、
前記透明膜への入射光と反射光との間の第１位相スペクトルの変化量を予めデータベース化して作成されたスペクトル変化量データベースと、
前記撮像装置で撮像した前記透明膜の干渉信号をフーリエ変換して前記透明膜の第２位相スペクトルを算出する第２位相スペクトル算出部と、
前記第２位相スペクトルと最も一致度の高い第１位相スペクトルを前記スペクトル変化量データベースから選択し、選択した前記第１位相スペクトルを用いて前記透明膜の膜厚を計測する膜厚算出部とを有する、
干渉を用いた膜厚計測装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、透過光の強度スペクトルが複数のピークを有する光学フィルタを介して透明膜と参照面とに光を照射し、
透明膜が表面に形成された基板への入射光と反射光との間での第１位相スペクトルの変化量を予めデータベース化してスペクトル変化量データベースを作成し、
前記透明膜及び参照面からの光が干渉した干渉光の干渉信号をフーリエ変換して前記透明膜の第２位相スペクトルを算出し、
前記第２位相スペクトルと最も一致度の高い第１位相スペクトルを前記スペクトル変化量データベースから選択し、選択した前記第１位相スペクトルを用いて前記透明膜の膜厚を計測する、
干渉を用いた膜厚計測方法を提供する。

以上のように、本発明によれば、１μｍ以下の薄膜が表面に存在する物体の膜厚について、精度良く膜厚分布を計測することができる。

本発明の特徴は、添付された図面についての実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１Ａは、本発明の第１実施形態における白色走査干渉計の光学系の概略構成図であり、 図１Ｂは、本発明の第１実施形態における白色走査干渉計の光学系の演算装置のブロック図であり、 図１Ｃは、本発明の第１実施形態における白色走査干渉計の光学系の膜厚算出部のブロック図であり、 図２は、本第１実施形態における膜厚分布の計測手順を示すフローチャートであり、 図３は、本第１実施形態における薄膜での多重反射の様子を示す図であり、 図４Ａは、本第１実施形態における標準ＳｉＮ膜での精度検証結果の図であって、波長と位相の関係を示す図であり、 図４Ｂは、本第１実施形態における標準ＳｉＮ膜での精度検証結果の図であって、計測回数と膜厚の関係を示す図であり、 図５は、本発明の第２実施形態における波長フィルタを挿入した白色走査干渉系の光学系の概略構成図であり、 図６は、本第２実施形態における波長フィルタを挿入することにより得られる白色光源の強度スペクトルの図であり、 図７Ａは、本第２実施形態における波長フィルタ挿入前での光源の強度スペクトルの比較の図であり、 図７Ｂは、本第２実施形態における波長フィルタ挿入後での光源の強度スペクトルの図であり、 図７Ｃは、本第２実施形態における波長フィルタ挿入前での干渉波形の図であり、 図７Ｄは、本第２実施形態における波長フィルタ挿入後での干渉波形の図であり、 図８Ａは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図であり、 図８Ｂは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が１の場合の波長分布のグラフであり、 図８Ｃは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が１の場合の輝度信号のグラフであり、 図８Ｄは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が１の場合の非線形成分のグラフであり、 図８Ｅは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が２の場合の波長分布のグラフであり、 図８Ｆは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が２の場合の輝度信号のグラフであり、 図８Ｇは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が２の場合の非線形成分のグラフであり、 図８Ｈは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が３の場合の波長分布のグラフであり、 図８Ｉは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が３の場合の輝度信号のグラフであり、 図８Ｊは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が３の場合の非線形成分のグラフであり、 図８Ｋは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が４の場合の波長分布のグラフであり、 図８Ｌは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が４の場合の輝度信号のグラフであり、 図８Ｍは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルのピーク数変化による、非線形成分のバラつき評価結果の図のうちのピーク数が４の場合の非線形成分のグラフであり、 図９Ａは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図であり、 図９Ｂは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が８１．５％のときの波長分布のグラフであり、 図９Ｃは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が８１．５％のときの位相信号のバラつきのグラフであり、 図９Ｄは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が８８．４％のときの波長分布のグラフであり、 図９Ｅは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が８８．４％のときの位相信号のバラつきのグラフであり、 図９Ｆは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が９３．４％のときの波長分布のグラフであり、 図９Ｇは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が９３．４％のときの位相信号のバラつきのグラフであり、 図９Ｈは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が９６．８％のときの波長分布のグラフであり、 図９Ｉは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が９６．８％のときの位相信号のバラつきのグラフであり、 図９Ｊは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が９９．０％のときの波長分布のグラフであり、 図９Ｋは、本第２実施形態における波長フィルタ透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持つ場合の、中心ピークと両サイドピーク比率を変化させた場合の、非線形成分のバラつき評価を示す図のうち、中心ピークと両サイドピーク比率が９９．０％のときの位相信号のバラつきのグラフであり、 図１０は、従来の白色走査干渉計の光学系の概略構成図であり、 図１１は、従来の白色走査干渉計での膜厚分布の計測手順を示すフローチャートであり、 図１２Ａは、従来の白色走査干渉計での膜厚計測方法の原理を示す図であり、 図１２Ｂは、従来の白色走査干渉計での膜厚計測結果を示す図であり、 図１３Ａは、従来の膜厚計測方法における多層薄膜計測の原理を示す図であり、 図１３Ｂは、従来の膜厚計測方法における多層薄膜計測時の干渉波形の重畳を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜、説明を省略している。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の膜厚計測装置の一例としての白色走査干渉計１は、図１Ａに示す光学系である。白色走査干渉計１は、光源の一例としての白色光源１０１と、ハーフミラー１０２と、載置部１００と、参照面１０４ａを有する参照部材１０４と、撮像装置の一例としてのエリアセンサ１０５と、演算装置１０６とで構成されている。

図１Ａにおいて、白色光源１０１は、例えばハロゲンランプのような広帯域の波長分布の光を照射する光源である。この白色光源１０１は、白色光をハーフミラー１０２に入射する。

ハーフミラー１０２は、光を分割し、載置部１００に載置された試料１０３と参照部材１０４に、分割された光をそれぞれ導く。試料１０３は、基体１７の表面に測定対象である透明膜１６が形成された基板である。これらの光は、試料１０３と参照部材１０４にそれぞれ入射し、試料１０３の表面と参照面１０４ａとでそれぞれ反射した後、再びハーフミラー１０２で重ね合わされる。重ね合わされた光は、エリアセンサ１０５に入射する。その際、参照部材移動装置９０を用いて図１Ａの矢印９９の方向に参照面１０４ａをスキャンさせながら、エリアセンサ１０５で参照面１０４ａの画像を取り込む。参照部材移動装置９０は、参照部材１０４を矢印９９沿いに直線移動させる駆動機構である。この駆動機構としては、例えば、モータによりボールネジを回転させて、ボールネジに螺合したナット部材に保持された参照部材１０４を矢印９９沿いに直線移動させる駆動機構や、リニアモータで参照部材１０４を矢印９９沿いに直線移動させる駆動機構を用いる。

エリアセンサ１０５に入射した光は、エリアセンサ１０５で画像に変換される。

エリアセンサで変換された画像の情報は、演算装置１０６に取り込まれる。演算装置１０６では、スペクトル変化量データベース１０６ｓを参照しながら、膜厚分布の計測のための演算が行われる。この演算装置１０６での膜厚分布の計測については、詳しくは後述する。演算装置１０６は、干渉波形抽出部１０６ａと、第２位相スペクトル算出部の一例としての位相成分算出部１０６ｂと、成分抽出部１０６ｃと、膜厚算出部１０６ｄとで構成されている。また、膜厚算出部１０６ｄは、エラー関数作成部１０６ｅと、最小膜厚選択部１０６ｆとで構成されている。

この演算装置１０６は、以下の演算を行なう。まず、エリアセンサ１０５で撮像した透明膜の干渉信号をフーリエ変換して、透明膜の第２位相スペクトルを位相成分算出部１０６ｂで算出する。そして、第２位相スペクトルと最も一致度の高い第１位相スペクトルを、スペクトル変化量データベース１０６ｓから選択する。そして、選択した第１位相スペクトルを用いて、透明膜の膜厚を、膜厚算出部１０６ｄで計測する。

制御装置２００は、白色光源１０１と、エリアセンサ１０５と、演算装置１０６と、参照部材移動装置９０となどに接続されて、それぞれの動作を制御して、試料１０３の膜厚分布を計測する。

次に、この白色走査干渉計１を用いて膜厚分布の計測を行う手順を、図２に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１で、複数種類の膜厚に対して入射光に対する反射光の位相スペクトル（第１位相スペクトル）の変化量を算出し、複数種類の膜厚に対するデータベースを構築する。そして、構築した複数種類の膜厚に対するデータベースを、演算装置１０６で参照可能なスペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶する。データベースを構築して参照可能なスペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶する作業は、制御装置２００の制御に基づいて、演算装置１０６で行う。

白色走査干渉における干渉信号は、照射している光が白色光であるため、様々な波長の干渉波が重なり合う。様々な波長の干渉波が重なり合った結果、その打ち消し合いにより干渉波形が発生する。これを式で表すと下記（式１）で表される。

ここで、Ｉ_０，Ｉ_１は干渉信号の強度、λは照射している光の波長、ｚは光学系の走査位置、ｈはハーフミラーから透明体表面までの距離を表す。Ｉ（ｚ）は、光学系の走査位置ｚでの干渉信号である。（式１）中のｉは、虚数単位である。

干渉信号をフーリエ変換し、その位相項を抽出すると、得られる位相信号φは下記（式２）で表される。ここで、位相信号φは、傾き（２πｈ）を持つ一次関数になる。

前記（式２）は、試料１０３の表面に透明膜が存在しない場合の位相信号φである。ここで、試料１０３の表面に、膜厚ｔ、屈折率ｎの透明膜１６が存在する場合、図３に示す多重反射が発生する。ここで、ｔ_ｉｊは試料１０３のｉ面からｊ面に向けて入射する光の振幅透過率（ｉは０以上の整数、ｊは１以上の整数であって、ｉ＜ｊである。）、ｒ_ｉｊはｉ面からｊ面に向けて入射する光の振幅反射率であり、βは透明膜での位相変化量ξ＝２πｎｔ／λである。例えば、ｔ_０１は、試料１０３のＳ_０面からＳ_１面に向けて入射する光の振幅透過率である。ｔ_１０は、試料１０３のＳ_１面からＳ_０面に向けて入射する光の振幅透過率である。ｒ_０１は、Ｓ_０面からＳ_１面に向けて入射する光の振幅反射率である。ｒ_１２は、Ｓ_１面からＳ_２面に向けて入射する光の振幅反射率である。ｒ_１０は、Ｓ_１面からＳ_０面に向けて入射する光の振幅反射率である。

この試料１０３の透明膜１６で反射した光の総和を取り、全体の位相変化量のスペクトルを求めると、下記（式３），（式４）になる。

最終的に、試料１０３に透明膜１６が存在する場合の位相は、前記（式２）より変化して、下記（式５）になる。

θは非線形成分を含んでおり、前記（式５）は図７のような一次関数ではない。そこで、θ＝α×（２／λ）＋βと仮定して、線形成分｛α×（２／λ）｝と非線形成分βに分けると、前記（式５）は下記（式６）になる。

ここで、θの非線形成分βは、透明膜１６の膜厚と屈折率のみに依存し、透明膜１６の表面の高さに依存しない。透明膜１６に想定される膜厚に対して理論計算によりβを導出し、データベースを予め構築してスペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶しておく。そして、実際に得られた位相信号の非線形成分を、スペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶された情報とマッチングさせ、最も誤差の小さい波形を抽出する。これにより、透明膜１６の膜厚を計測することができる。

以上の説明では、最も単純な単層膜について記述したが、多層膜に対してもデータベースを作成してスペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶して、多層膜の膜厚が計測できる。なお、多層膜の膜厚の計測では、一般的な多層膜の反射率を算出する理論を利用する。

また、以上の説明では、理論計算によるデータベースを作成したが、標準（又は基準）として既知の膜厚を持つ試料を実際に計測することにより、非線形成分βのデータベースを構築しても良い。実際に計測して構築した非線形成分βのデータベースは、スペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶される。

続いて、ステップＳ１０２では、図１Ａの光学系で参照面１０４ａを走査しながら、エリアセンサ１０５を介して画像を演算装置１０６に取込む。そして、演算装置１０６に取り込んだ画像の各画素における輝度変化を演算装置１０６の干渉波形抽出部１０６ａで抽出する。これにより、画像の各画素における干渉波形を、干渉波形抽出部１０６ａで検出する。なお、ステップＳ１０１でデータベースを作成した後は、同じデータベースを利用できる試料１０３に対しては、ステップＳ１０１を省略できる。この場合、ステップＳ１０１を省略して、ステップＳ１０２以降のステップを繰り返す。

続いて、ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で検出した各画素における干渉波形に対して、フーリエ変換を演算装置１０６の位相成分算出部（第２位相スペクトル算出部の一例）１０６ｂで実行する。そして、第２位相スペクトルとしての各位相成分を、位相成分算出部１０６ｂで算出する。

続いて、ステップＳ１０４では、各画素について、ステップＳ１０３で算出した位相信号に対し線形フィッティングを演算装置１０６の成分抽出部１０６ｃで行う。そして、線形成分と非線形成分を、成分抽出部１０６ｃで抽出する。

続いて、ステップＳ１０５では、各画素において、ステップＳ１０４で抽出した非線形成分とステップＳ１０１で構築したスペクトル変化量データベース１０６ｓ内の情報とのマッチングを演算装置１０６の膜厚算出部１０６ｄで行う。そして、スペクトル変化量データベース１０６ｓの全波形の中で非線形成分に最も近い波形を膜厚算出部１０６ｄで検出する（言い換えれば、第２位相スペクトルと最も一致度の高い第１位相スペクトルをスペクトル変化量データベース１０６ｓから選択する）。そして、検出した最も近い波形を利用して（選択した前記第１位相スペクトルを用いて）、透明膜１６の膜厚を膜厚算出部１０６ｄで算出する。この具体的な方法としては、まず、データベースに含まれる波形を膜厚算出部１０６ｄのエラー関数作成部１０６ｅで１つ抽出し、両波形の差分２乗和をエラー関数作成部１０６ｅで算出する。次に、スペクトル変化量データベース１０６ｓの全波形に対して、この算出をエラー関数作成部１０６ｅで行い、膜厚ｔをパラメータとするエラー関数をエラー関数作成部１０６ｅで作成する。その中で、最もエラー関数が小さくなる膜厚ｔ_ｍｉｎを最小膜厚選択部１０６ｆで選択する。これにより、透明膜１６の膜厚を算出する。

続いて、ステップＳ１０６では、前記算出された膜厚の結果の情報を、演算装置１０６から、出力装置の一例としての表示装置１２０の画面に出力して表示し、計測を終了する。

以上の手順を、具体的な実データを例に挙げて、以下に説明する。以下の説明では、透明膜１６はＳｉＮ膜１６であり、基板１７はＳｉ層１７である。すなわち、９１．４ｎｍのＳｉＮ膜１６がＳｉ層１７上に形成されている試料１０３を計測した場合について、実データを例に挙げて説明する。

まず、ステップＳ１０１において、０〜２００ｎｍの範囲で１ｎｍごとにＳｉＮ膜１６の膜厚を変化させ、前記（式４）の非線形成分βを算出する。この算出により、光波長λ＝５００〜８００ｎｍの波長分布の光をＳｉＮ膜１６に照射した場合のデータベースを作成して、スペクトル変化量データベース１０６ｓに記憶する。

次に、干渉波形に基づいてステップＳ１０２からステップＳ１０４において演算装置１０６で抽出した非線形成分とスペクトル変化量データベース１０６ｓ内の情報とのマッチングを、演算装置１０６の膜厚算出部１０６ｄで２０回行う。

このマッチングの結果を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、２０回のマッチングでは、平均膜厚９１．７ｎｍ、膜厚±１σ＝±０．３８ｎｍという結果を得た。

かかる構成によれば、干渉波形の重畳が起きる１０００ｎｍ以下の薄膜であっても、精度良く膜厚分布が計測できるようになる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の膜厚計測装置の一例としての白色走査干渉計２は、図５に示す光学系である。第２実施形態が第１実施形態と大きく異なるのは、波長フィルタ１０７を備えることである。

図５において、白色光源１０１は、例えばハロゲンランプのような広帯域の波長分布の光を照射する光源である。波長フィルタ１０７は、白色光源１０１とハーフミラー１０２との間に配置されて、波長によって透過率が変化するフィルタである。白色光源１０１からの光を波長フィルタ１０７に透過させた後、後述する強度スペクトルの光として、ハーフミラー１０２に入射する。ハーフミラー１０２は、入射した光を分割し、試料１０３と参照部材１０４とに光をそれぞれ導く。これらの光は、試料１０３と参照部材１０４にそれぞれ入射し、試料１０３の表面と参照面１０４ａとでそれぞれ反射する。その後、それぞれ反射した光は、ハーフミラー１０２で重ね合わされる。重ね合わされた光は、エリアセンサ１０５に入射する。その際、参照部材移動装置９０により、参照面１０４ａを図５の矢印９９にスキャンしながら、エリアセンサ１０５で参照面１０４ａの画像を取り込む。エリアセンサ１０５に入射した光は、エリアセンサ１０５で画像に変換され、演算装置１０６に取り込まれる。

ここで、波長フィルタ１０７の透過率−波長特性は、エリアセンサ１０５上での白色光強度スペクトルが複数ピークを持つように設計される。波長フィルタ１０７の透過率−波長特性は、白色光源１０１の強度スペクトルと光学系の透過特性、エリアセンサ１０５の感度特性を鑑みて、設計される。例えば、図６に示す波長と強度の関係を持つ場合について考える。λ＝５００ｎｍでの強度比は、０．３２８である。λ＝５５０ｎｍでの強度比は、１．０８である。λ＝６００ｎｍでの強度比は、０．８６である。λ＝６５０ｎｍでの強度比は、１．０２である。λ＝７００ｎｍでの強度比は、０．８６である。λ＝７５０ｎｍでの強度比は、１．０８である。λ＝８００ｎｍでの強度比は、０．３２８である。

この波長フィルタ１０７の挿入の有無によって可干渉距離を変化させた場合の関係を、図７Ａ〜図７Ｄに示す。図７Ａは、本第２実施形態における波長フィルタ１０７の挿入前での光源１０１の強度スペクトルの比較の図である。図７Ｂは、本第２実施形態における波長フィルタ１０７の挿入後での光源１０１の強度スペクトルの図である。図７Ｃは、本第２実施形態における波長フィルタ１０７の挿入前での干渉波形の図である。図７Ｄは、本第２実施形態における波長フィルタ１０７の挿入後での干渉波形の図である。図７Ａ〜図７Ｄから明らかなように、可干渉距離を拡大することで、ノイズ環境下における位相スペクトル波形の再現性が向上する。本発明の複数ピークでは、単一ピークの場合と比べて可干渉距離を大きくすることができる。そのため、本発明では、線形成分と非線形成分との抽出時のバラつきを小さくすることができる。ここで、線形成分は、振動ノイズ又は電気ノイズによるステップＳ１０４での成分抽出部１０６ｃによる成分である。

以下、振動ノイズ及び電気ノイズ環境下での非線形成分のバラつきを、演算装置１０６ｄにて仮想検証した結果を比較した。条件は以下の通りである。

まず、干渉波形を下記（式７）に定義する。ここで、Ｉ_０は、干渉縞の強度スペクトルである。λは、波長であって、λ＝５００〜８００ｎｍである。ｈは、白色干渉計２から試料１０３の表面までの距離であって、ｈ＝５μｍである。ｚは、参照面１０４ａのスキャン距離であって、ｚ＝０〜１０μｍである。φは、位相信号であって、前記（式４）により算出されたｒ_０１＝０．３，ｒ_１２＝０．９，ｔ＝１００ｎｍである。ｒａｎｄ１は、振動ノイズをモデル化したランダム変数である。ｒａｎｄ２は、電気ノイズ等をモデル化したランダム変数である。（式７）中のｋは、ｋ＝２π／λで表される波数である。

この干渉信号Ｉをランダム変数により変化させながら１０００信号作成し、フーリエ変換した。このフーリエ変換した干渉信号Ｉの非線形位相成分を、ノイズのない場合と比較する。そして、その誤差の１０００回分を合計した値によって、耐環境性を評価した。その評価結果を、図８Ａ〜図８Ｍに示す。図８Ａ〜図８Ｍは、光源の強度スペクトルのピークが１〜４個（単一ピーク〜４ピーク）存在する場合について、それぞれ、まとめたものである。図８Ａの２段目の図８Ｂ，図８Ｅ，図８Ｈ，図８Ｋの波長分布は、光源の強度スペクトルのピークの数を示す。図８Ａの３段目の図８Ｃ，図８Ｆ，図８Ｉ，図８Ｌの輝度信号は、各ピーク数において、横軸がＺ位置で縦軸が輝度の結果をまとめたものである。ここで、Ｚ位置とは、図１Ａまたは図５に示すＺの位置である。図８Ａの４段目の図８Ｄ，図８Ｇ，図８Ｊ，図８Ｍの非線形成分は、各ピーク数において、横軸が波長で縦軸が位相の結果をまとめたものである。図８Ａの５段目の誤差値の総和は、各ピーク数において、誤差値の総和をまとめたものである。ここで、非線形成分については、ノイズ環境下で１０００回繰り返して得られた結果である。

発明者らの評価により、図８Ａ〜図８Ｍに示すように、単一ピークに比べると、３ピーク、４ピークの方が形位相成分のバラつきが低くなることが分かった。なお、４ピークでは飽和していると見られる。そこで、３ピークの場合に関して、図９Ａ〜図９Ｋに示すように、中心ピークの強度を変化させながら、耐環境性を評価した。

図９Ａ〜図９Ｋは、中心ピークの強度と両サイドピークの強度の比率が、８１．５％、８８．４％、９３．４％、９６．８％、９９．０％のそれぞれの場合についての結果をまとめたものである。図９Ａの４段目の図９Ｃ，図９Ｅ，図９Ｇ，図９Ｉ，図９Ｋの波長分布は、各比率において、横軸が波長で縦軸が相対強度の結果をまとめたものである。図９Ａの３段目の図９Ｂ，図９Ｄ，図９Ｆ，図９Ｈ，図９Ｊの非線形成分は、各比率において、横軸が波長で縦軸が位相の位相信号の結果をまとめたものである。図９Ａの５段目の誤差値は、各比率において、誤差値をまとめたものである。ここで、中心ピークの強度と両サイドピークの強度の比率が１００．０％以上又は８０．０％以下では、非線形成分に関する評価結果が良好な点は見られなかったので、これらについては説明を省略している。言い換えれば、光学フィルタ１０７は、非線形成分（位相信号のバラつき）の観点から、透過光の強度スペクトルの中心ピークの強度が、両サイドピークの強度に対して８０％より大きく１００％未満の強度であることが好ましい。図９Ａ〜図９Ｋで非線形成分の位相が最小となる場合は、ピーク値が９３．４％の場合である。ここで、図６に示す波形の波長λ＝５００ｎｍでの強度比は、０．３２８である。波長λ＝６００ｎｍでの強度比は、０．８６である。波長λ＝６５０ｎｍでの強度比は、１．０２である。波長λ＝７００ｎｍでの強度比は、０．８６である。波長λ＝７５０ｎｍでの強度比は、１．０８である。波長λ＝８００ｎｍでの強度比は、０．３２８である。この場合、非線形成分のバラつきは、従来の単一ピークの場合と比べて、８３．０％抑制できる。

本第２実施形態での波長フィルタ１０７は、波長フィルタ１０７の透過率―波長特性として、透過後の光の強度スペクトルが３つのピークを持ち、なおかつ、中心ピークの強度が両サイドピークの強度に比べ９３．４％となるように設計した。かかる構成によれば、同じノイズが加わった場合でも、従来に比べて、そのバラつき度合いを８３．０％抑制できる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏することができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明にかかる干渉を用いた膜厚計測装置及び干渉を用いた膜厚計測方法は、半導体膜、又は、フラットパネルディスプレイの透明膜の膜厚の計測検査技術などに利用できる可能性がある。

Claims (7)

1. 透明膜が表面に形成された基板を載置する載置部と、
   前記載置部に載置された前記基板に光を照射する光源と、
   前記光源からの前記光を分岐して前記基板の表面及び参照面に照射させると共に、前記基板の前記表面及び前記参照面からの反射光を重ね合わせて干渉光を形成するハーフミラーと、
   前記光源と前記ハーフミラーとの間に配置されると共に、透過光の強度スペクトルが複数のピークを有する光学フィルタと、
   前記干渉光を撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置での撮像結果に基づいて前記透明膜の膜厚を算出する演算装置とを備え、
   前記演算装置は、
   前記透明膜への入射光と反射光との間の第１位相スペクトルの変化量を予めデータベース化して作成されたスペクトル変化量データベースと、
   前記撮像装置で撮像した前記透明膜の干渉信号をフーリエ変換して前記透明膜の第２位相スペクトルを算出する第２位相スペクトル算出部と、
   前記第２位相スペクトルと最も一致度の高い第１位相スペクトルを前記スペクトル変化量データベースから選択し、選択した前記第１位相スペクトルを用いて前記透明膜の膜厚を計測する膜厚算出部とを有する、
   干渉を用いた膜厚計測装置。
2. 前記光学フィルタは、前記透過光の前記強度スペクトルが３つのピークを有するフィルタである、
   請求項１に記載の干渉を用いた膜厚計測装置。
3. 前記光学フィルタは、前記透過光の前記強度スペクトルの中心ピークの強度が、両サイドピークの強度に比べて小さい、
   請求項２に記載の干渉を用いた膜厚計測装置。
4. 前記光学フィルタは、前記透過光の前記強度スペクトルの前記中心ピークの強度が、前記両サイドピークの強度に対して８０％より大きく１００％未満の強度である、
   請求項３に記載の干渉を用いた膜厚計測装置。
5. 前記光学フィルタは、前記透過光の前記強度スペクトルの前記中心ピークの強度が、前記両サイドピークの強度の９３．４％の強度である、
   請求項４に記載の干渉を用いた膜厚計測装置。
6. 前記光源が白色光源である
   請求項１に記載の干渉を用いた膜厚計測装置。
7. 透過光の強度スペクトルが複数のピークを有する光学フィルタを介して透明膜と参照面とに光を照射し、
   透明膜が表面に形成された基板への入射光と反射光との間での第１位相スペクトルの変化量を予めデータベース化してスペクトル変化量データベースを作成し、
   前記透明膜及び前記参照面からの光が干渉した干渉光の干渉信号をフーリエ変換して前記透明膜の第２位相スペクトルを算出し、
   前記第２位相スペクトルと最も一致度の高い第１位相スペクトルを前記スペクトル変化量データベースから選択し、選択した前記第１位相スペクトルを用いて前記透明膜の膜厚を計測する、
   干渉を用いた膜厚計測方法。

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