JP7199093B2 - 光学測定システムおよび光学測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、サンプルの膜厚などの光学特性を測定できる光学測定システムおよび光学測定方法に関する。
従来から、光干渉により現れる光を観測することで、サンプルの膜厚などの光学特性を測定する技術が知られている。例えば、特開２００９－０９２４５４号公報（特許文献１）は、波長依存性を有する多層膜試料の膜厚をより高い精度を測定することが可能な多層膜解析装置などを開示する。また、特開２０１８－２０５１３２号公報（特許文献２）は、サンプルの膜厚の面内分布をより高速かつ高精度に測定可能な光学測定装置などを開示する。
特開２００９－０９２４５４号公報 特開２０１８－２０５１３２号公報
上述のような光学測定装置を用いて、液晶材料やポリマー材料（例えば、ＰＥＴフィルムなど）などのサンプルの膜厚を測定した場合には、それらの材料が有する異方性によって、測定精度が低下するという課題がある。また、構造的に複数の厚みをもつサンプルを測定した場合にも、測定精度が低下するという課題がある。
本発明の一つの目的は、従来の光学測定装置では測定精度が低下し得るサンプルに対しても、より高い精度で光学特性を測定できる構成を提供することである。
本発明のある局面に従う光学測定システムは、サンプルに照射するための測定光を発生する光源と、測定光によりサンプルで生じる反射光または透過光を受光する分光検出器と、分光検出器の検出結果が入力される処理装置とを含む。処理装置は、分光検出器の検出結果に基づいて第１のスペクトルを算出する処理と、第１のスペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定する処理と、第１のスペクトルから特定された区間の情報を除去した第２のスペクトルを用いてサンプルの光学特性を算出する処理とを、実行可能に構成されている。
特定する処理は、第１のスペクトルに対して、予め定められた波長幅を有する評価ウィンドウを順次設定する処理と、各評価ウィンドウに含まれる第１のスペクトルの振幅の変化に基づいて、各評価ウィンドウに対応する区間が所定条件を満たしているか否かを判断する処理とを含んでいてもよい。
各評価ウィンドウに対応する区間が所定条件を満たしているか否かを判断する処理は、第１のスペクトルの各評価ウィンドウに対応する区間における振幅のばらつきの度合いを算出する処理を含んでいてもよい。
第１のスペクトルの各評価ウィンドウに対応する区間における振幅のばらつきの度合いが所定しきい値を下回る場合に、当該評価ウィンドウに対応する区間が所定条件を満たしていると判断されてもよい。
評価ウィンドウの波長幅は、サンプルの種類毎に予め定められていてもよい。
サンプルの光学特性を算出する処理は、第２のスペクトルをフーリエ変換した結果に現れるピークに基づいて膜厚を算出する処理を含んでいてもよい。
第１のスペクトルを算出する処理は、第１のスペクトルとして、分光検出器の検出結果に基づいてサンプルの反射率スペクトルを算出する処理を含んでいてもよい。
第１のスペクトルを算出する処理は、第１のスペクトルとして、分光検出器の検出結果に基づいて算出されるサンプルの反射率スペクトルから、サンプルに含まれる測定対象外の層に由来する情報を除去した反射率スペクトルを算出する処理を含いんでいてもよい。
第１のスペクトルを算出する処理は、サンプルの反射率スペクトルをフーリエ変換して第３のスペクトルを算出する処理と、第３のスペクトルのうち、サンプルに含まれる測定対象外の層に由来するピークを特定する処理と、当該特定したピークおよび当該ピーク近傍の情報を第３のスペクトルから除去して第４のスペクトルを算出する処理とをさらに含んでいてもよい。
第１のスペクトルを算出する処理は、第４のスペクトルを逆フーリエ変換して第１のスペクトルを算出する処理をさらに含んでいてもよい。
本発明のある局面に従う光学測定方法は、光源からサンプルに測定光を照射し、当該測定光によりサンプルで生じる反射光または透過光を分光検出器で受光して得られる検出結果に基づいて、第１のスペクトルを算出するステップと、第１のスペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定するステップと、第１のスペクトルから特定された区間の情報を除去した第２のスペクトルを用いてサンプルの光学特性を算出するステップとを含む。
本発明のある局面によれば、従来の光学測定装置では測定精度が低下し得るサンプルに対しても、より高い精度で光学特性を測定できる構成を提供できる。
本実施の形態に従う光学測定システムの構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学測定システムに含まれる分光検出器の断面構造例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学測定システムに含まれる処理装置の構成例を示す模式図である。 光干渉法を用いた光学測定方法の原理を説明するための図である。 光干渉法を用いた光学測定方法による測定結果の一例を示す図である。 異方性を有するサンプルに生じる複屈折を説明するための図である。 本実施の形態に従う光学測定方法における低周波成分の影響を除去する方法を説明するための図である。 第１の実施の形態に従う光学測定方法の手順を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に従う光学測定方法におけるボトム区間を特定する処理を説明するための図である。 図８に示す第１の実施の形態に従う光学測定方法のステップＳ４のより詳細な手順を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に従う光学測定方法による測定例を示す図である。 第２の実施の形態に従う光学測定方法の手順を示すフローチャートである。 測定対象としたサンプルの構造例を示す模式図である。 第２の実施の形態に従う光学測定方法による測定例を示す図である。
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
＜Ａ．光学測定システム＞
まず、本実施の形態に従う光学測定システム１の構成例について説明する。
図１は、本実施の形態に従う光学測定システム１の構成例を示す模式図である。光学測定システム１は、サンプル２に照射するための測定光を発生する光源１０と、測定光によりサンプル２で生じる観測光（後述するような反射光または透過光）を受光する分光検出器２０と、分光検出器２０の検出結果が入力される処理装置１００とを含む。処理装置１００は、分光検出器２０の検出結果に基づいてサンプル２の光学特性（典型的には、膜厚）を算出する。光源１０と分光検出器２０とは、サンプル２に向けた照射口を有するＹ型ファイバ４を介して、光学的に接続されている。
光学測定システム１においては、光源１０からの測定光をサンプル２に照射し、サンプル２内部で生じる光干渉により現れる光を観測することで、サンプル２に含まれる１または複数の膜の膜厚などを測定する。
図１には、典型例として、サンプル２に測定光を照射し、サンプル２で生じる反射光を観測する反射光学系を示すが、測定光をサンプル２に照射し、サンプル２を透過して透過光を観測する透過光学系を採用してもよい。
光源１０は、所定の波長範囲を有する測定光を発生する。測定光の波長範囲は、サンプル２から測定すべき波長情報の範囲などに応じて決定される。光源１０は、例えば、ハロゲンランプや白色ＬＥＤなどが用いられる。
図２は、本実施の形態に従う光学測定システム１に含まれる分光検出器２０の断面構造例を示す模式図である。図２を参照して、分光検出器２０は、Ｙ型ファイバ４を介して入射する光を回折する回折格子２２と、回折格子２２に対応付けて配置される受光部２４と、受光部２４と電気的に接続され、処理装置１００に検出結果を出力するためのインターフェイス回路２６とを含む。受光部２４は、ラインセンサあるいは２次元センサなどで構成され、周波成分毎の強度を検出結果として出力できる。
図３は、本実施の形態に従う光学測定システム１に含まれる処理装置１００の構成例を示す模式図である。図３を参照して、処理装置１００は、プロセッサ１０２と、主メモリ１０４と、入力部１０６と、表示部１０８と、ストレージ１１０と、通信インターフェイス１２０と、ネットワークインターフェイス１２２と、メディアドライブ１２４とを含む。
プロセッサ１０２は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などの演算処理部であり、ストレージ１１０に格納されている１または複数のプログラムを主メモリ１０４に読み出して実行する。主メモリ１０４は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）またはＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）といった揮発性メモリであり、プロセッサ１０２がプログラムを実行するためのワーキングメモリとして機能する。
入力部１０６は、キーボードやマウスなどを含み、ユーザからの操作を受け付ける。表示部１０８は、プロセッサ１０２によるプログラムの実行結果などをユーザへ出力する。
ストレージ１１０は、ハードディスクやフラッシュメモリなどの不揮発性メモリからなり、各種プログラムやデータを格納する。より具体的には、ストレージ１１０は、オペレーティングシステム１１２（ＯＳ：Operating System）と、測定プログラム１１４と、検出結果１１６と、測定結果１１８とを保持する。
オペレーティングシステム１１２は、プロセッサ１０２がプログラムを実行する環境を提供する。測定プログラム１１４は、プロセッサ１０２によって実行されることで、本実施の形態に従う光学測定方法などを実現する。検出結果１１６は、分光検出器２０から出力されるデータを含む。測定結果１１８は、測定プログラム１１４の実行によって得られる膜厚などの光学特性の算出値を含む。
通信インターフェイス１２０は、処理装置１００と分光検出器２０との間でのデータ伝送を仲介する。ネットワークインターフェイス１２２は、処理装置１００と外部のサーバ装置との間でのデータ伝送を仲介する。
メディアドライブ１２４は、プロセッサ１０２で実行されるプログラムなどを格納した記録媒体１２６（例えば、光学ディスクなど）から必要なデータを読出して、ストレージ１１０に格納する。なお、処理装置１００において実行される測定プログラム１１４などは、記録媒体１２６などを介してインストールされてもよいし、ネットワークインターフェイス１２２などを介してサーバ装置からダウンロードされてもよい。
測定プログラム１１４は、オペレーティングシステム１１２の一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定の配列で所定のタイミングで呼び出して処理を実行させるものであってもよい。そのような場合、当該モジュールを含まない測定プログラム１１４についても本発明の技術的範囲に含まれる。測定プログラム１１４は、他のプログラムの一部に組み込まれて提供されるものであってもよい。
なお、処理装置１００のプロセッサ１０２が測定プログラム１１４を実行することで提供される機能の全部または一部を専用のハードウェアによって実現してもよい。
＜Ｂ．課題および解決手段＞
次に、本願発明者らによって新たに見いだされた、光干渉法を用いた光学測定方法において生じる課題について説明する。
図４は、光干渉法を用いた光学測定方法の原理を説明するための図である。図４を参照して、最も簡単な例として、媒質１（屈折率ｎ１）からなるサンプル２（膜厚ｄ１）を想定する。サンプル２の紙面上側は媒質０（屈折率ｎ０）と接しており、サンプル２の紙面下側は媒質２（屈折率ｎ２）と接しているとする。
このような状態において、媒質０の側に配置された光源からサンプル２に測定光を照射する。測定光の一部は、サンプル２の入射面（媒質０と媒質１との界面）で反射する（反射率Ｒ１）。測定光の別の一部は、サンプル２に入射してサンプル２内を伝搬した後、反対側の面（媒質１と媒質２との界面）で反射し、さらにサンプル２内を逆方向に伝搬して入射面を透過する（反射率Ｒ２）。さらに、図示していないが、サンプル２内では多重反射が生じ、その結果、サンプル２から射出される光に対応する反射光が観測される。
このような測定光に対して、サンプル２の表面およびサンプル２内で生じるそれぞれの反射光全体についての反射率Ｒ０１２は、各反射率の合計（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋・・・）となる。以下の（１－１）式に示すように、反射率Ｒ０１２は、複素反射率ｒ０１２の二乗値となる。また、複素反射率ｒ０１２は、以下の（１－２）式に従って算出される。なお、（１－２）式中の位相βは、以下の（１－３）式に従って算出される。
Figure 0007199093000001
なお、上述の（１－１）～（１－３）式は、特定の波長λをもつ測定光についての反射率を示すが、図１に示す光学測定システム１においては、所定の波長範囲を有する測定光を用いるとともに、分光検出器２０を用いて波長毎に反射光（あるいは、透過光）を観測するので、サンプル２の波長毎の反射率（以下、「反射率スペクトル」とも称す。）を測定できる。反射率スペクトルは、分光反射率に相当する。
測定された反射率スペクトルをフーリエ変換することで得られるパワースペクトルに現れるピークに基づいて、対象のサンプル２の膜厚またはサンプル２に含まれる各層の膜厚を算出できる。なお、透過光から算出される透過率スペクトルを用いた場合についても同様に、対象のサンプル２の膜厚またはサンプル２に含まれる各層の膜厚を算出できる。
図５は、光干渉法を用いた光学測定方法による測定結果の一例を示す図である。図５（Ａ）には、異方性を有するサンプルから測定された反射率スペクトルの一例を示し、図５（Ｂ）には、図５（Ａ）の反射率スペクトルから算出されたパワースペクトルの一例を示す。なお、図５（Ｂ）の横軸は、膜厚ｄに各波長の屈折率ｎ（λ）を乗じた値（以下、「光学膜厚」あるいは「ｎｄ」とも記す。）になっている。
図５（Ａ）に示すように、反射率スペクトルは、波長に対して振幅の大きさが周期的に変動する特性を示す。図５（Ｂ）に示すパワースペクトルには、３つのピークＰ１，Ｐ２，Ｐ３が現れている。しかしながら、近接するピークＰ１とピークＰ２とは同一の層に対応するものであり、本来的には、同じ位置に現れるべきものである。すなわち、ピークＰ１とピークＰ２との間に真のピークが現れるべきである。ピークＰ１およびピークＰ２が存在すると誤って判断されることで、それぞれの膜厚が測定結果として出力される可能性がある。
このような近接する位置に２つのピークが生じてしまう理由の一つとして、サンプルが異方性を有していることが考えられる。
図６は、異方性を有するサンプルに生じる複屈折を説明するための図である。異方性は、観測する方向によって見え方（光学特性）が異なることを意味する。図６を参照して、異方性を有するサンプルにおいては、ある軸方向（ｘ軸）についての屈折率ｎｘと、当該軸方向に直交する軸方向（ｙ軸）についての屈折率ｎｙとは必ずしも一致しない（すなわち、ｎｘ≠ｎｙ）。図５（Ｂ）に示すような近接する２つのピークは、このような屈折率の軸間のわずかな差Δｎ（＝｜ｎｘ－ｎｙ｜）による影響と考えることができる。
また、異方性だけではなく、サンプルの構造に依存して、近接する複数のピークが現れることもある。さらに、多層構造を有するサンプルが異方性を有している場合には、各層において複屈折による影響が生じることになる。
このように、異方性を有するサンプルや特異的な構造を有するサンプルを光干渉法により測定する場合には、測定結果に含まれる誤差が大きくなる場合がある。さらに、多層構造を有するサンプルについては、このような誤差の増大がそれぞれの層で生じることになる。
ここで、異方性に起因する複屈折（屈折率の違い）が唯一の原因であれば、偏光板を用いるなどして特定の軸方向の光のみを観測することで解決できるように考えられる。しかしながら、現実には、サンプルと偏光板との光学的な位置関係（角度）に依存して、観測される光に含まれる成分が変化するので、測定時には光学的な位置関係の厳密な調整が必要となる。そのため、複数のサンプルを順次測定するようなアプリケーションでは、現実的な適用は困難であった。
上述したような光干渉法を用いた光学測定方法において生じる課題に対する解決手段について、以下に概略する。
上述したような異方性を有するサンプルから観測される光の反射率スペクトルには、うなり（ビート）が生じる。このような「うなり」は、一般化すると、振動数がわずかに異なる波を重ねた合成波の振幅が周期的に強弱を繰り返す現象として知られている。例えば、複屈折率ｎｘ，ｎｙを有するサンプルから測定される反射率スペクトルについてみると、以下の（２）式のような関係式を用いて一般化できる。
Figure 0007199093000002
（２）式に示されるように、反射率スペクトルは、複屈折率の差（ｎｘ－ｎｙ）に依存する周波成分（以下、「低周波成分」とも称す。）と、複屈折率の和（ｎｘ＋ｎｙ）に依存する周波成分（以下、「高周波成分」とも称す。）とを含むことになる。ここで、低周波成分は、振幅変化の周期（波長の長さ）が相対的に長い成分を意味し、高周波成分は、振幅変化の周期（波長の長さ）が相対的に短い成分を意味する。
これらの周波成分のうち、実際の測定対象は膜厚の平均値に相当する、複屈折率の和（ｎｘ＋ｎｙ）に依存する高周波成分であり、複屈折率の差（ｎｘ－ｎｙ）に依存する低周波成分は実際には存在しない疑似の情報（すなわち、誤差要因）である。
例えば、音波などの振幅が時間的に変化する波であれば、十分に長い時間について観測することで、低周波成分を測定できる。しかしながら、光波については時間領域での観測ができないため、光源および分光検出器の性能に依存して、観測可能な波長範囲が固定的に決定される。また、測定したい膜厚（高周波成分）に応じて、波長範囲および波長分解能が決定されるため、同じ測定内において、低周波成分の波を観測することは容易ではない。
そのため、観測可能な波長範囲に、低周波成分の少なくとも一部が含まれることになると、測定誤差は増大し得る。すなわち、観測される光は、低周波成分と高周波成分との掛け合わせとなるので、実際の測定対象である高周波成分（すなわち、膜厚を示す情報）にも影響を与える。低周波成分の周波（振幅変化の周期）はサンプルに依存するので、予め知ることはできない。
図７は、本実施の形態に従う光学測定方法における低周波成分の影響を除去する方法を説明するための図である。図７（Ａ）には、反射率スペクトルの低周波成分の一例を示し、図７（Ｂ）には、反射率スペクトルの高周波成分の一例を示し、図７（Ｃ）には、低周波成分および高周波成分を掛け合わせた反射率スペクトルの一例を示す。なお、説明の便宜上、図７には、単純化した波形を示す。
図７（Ａ）に示す反射率スペクトルの低周波成分のうち、振幅の小さい区間であるボトム区間（節）に着目すると、対応する反射率スペクトルの高周波成分（図７（Ｂ））の振幅が存在しているにもかかわらず、図７（Ｃ）に示される合成波の反射率スペクトルにおいては、振幅が小さくなっており、膜厚を示す情報が失われていることが分かる。このような膜厚を示す情報が失われることが、測定誤差の要因になり得る。
本願発明者らは、上述したような反射率スペクトルの低周波成分に生じるボトム区間（節）が測定誤差の要因であることに着目し、測定された反射率スペクトルのうち、低周波成分のボトム区間を特定するとともに、当該特定したボトム区間の少なくとも一部にある情報、および／または、ボトム区間の近傍にある情報を除去した上で、光学特性を算出する。このようなボトム区間の少なくとも一部およびボトム区間の近傍にある情報を除去することで、測定精度の低下を防止する。
以下、本願発明者らの見いだした技術思想の具現化例について説明する。
＜Ｃ．第１の実施の形態＞
第１の実施の形態として、サンプルから測定された反射率スペクトルに含まれる周波成分（ピーク）の数が相対的に少ない場合の処理について説明する。第１の実施の形態に従う光学測定方法は、典型的には、単層膜のサンプルについて膜厚を測定する場合などに適用可能である。
（ｃ１：処理手順）
まず、第１の実施の形態に従う光学測定方法の処理手順について説明する。
図８は、第１の実施の形態に従う光学測定方法の手順を示すフローチャートである。図８に示す主要なステップは、典型的には、処理装置１００のプロセッサ１０２が測定プログラム１１４（いずれも図３参照）を主メモリ１０４に展開して実行することで実現される。
図８を参照して、まず、光学測定システム１が用意される（ステップＳ１）。ステップＳ１においては、光学測定システム１に含まれるＹ型ファイバ４の照射口の位置合わせや、分光検出器２０における校正処理などが実行される。そして、光学測定システム１の所定位置に測定対象のサンプル２が配置される（ステップＳ２）。
続いて、光源１０からサンプル２に測定光を照射し、当該測定光によりサンプル２で生じる反射光または透過光を分光検出器２０で受光して得られる検出結果に基づいて、スペクトルを算出する処理が実行される。第１の実施の形態においては、スペクトルを算出する処理として、分光検出器２０の検出結果に基づいてサンプル２の反射率スペクトルを算出する処理が実行される。
より具体的には、光源１０からの測定光をサンプル２に照射することで生じる反射光を分光検出器２０で受光することで、反射率スペクトルが測定される（ステップＳ３）。分光検出器２０の検出結果に基づいてサンプル２の反射率スペクトルを算出する処理は、分光検出器２０で実行されてもよいし、処理装置１００で実行されてもよい。ステップＳ３において測定された反射率スペクトルは、検出結果１１６（図３参照）として、処理装置１００のストレージ１１０に格納される。
なお、スペクトルを算出する処理として、分光検出器２０の検出結果に基づいてサンプル２の透過率スペクトルを算出する処理を採用してもよい。
続いて、処理装置１００は、算出されたスペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定する処理を実行する。より具体的には、処理装置１００は、測定された反射率スペクトルに含まれる低周波成分のボトム区間を特定し、当該特定したボトム区間の情報を除去する（ステップＳ４）。
そして、処理装置１００は、算出されたスペクトルから特定された区間の情報を除去した後のスペクトルを用いてサンプル２の光学特性を算出する処理を実行する。
より具体的には、処理装置１００は、ボトム区間の情報を除去した反射率スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出する（ステップＳ５）。なお、フーリエ変換には、典型的には、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換法）を用いるようにしてもよい。さらに、処理装置１００は、ステップＳ５において算出されたパワースペクトルに含まれるピークを探索し（ステップＳ６）、探索したピークのパワースペクトル上の位置に基づいて、サンプル２の光学特性として、サンプル２の膜厚を算出する（ステップＳ７）。そして、光学測定の処理は終了する。
ステップＳ５～Ｓ７に示されるように、サンプル２の光学特性を算出する処理は、ボトム区間の情報を除去した反射率スペクトルをフーリエ変換した結果に現れるピークに基づいて膜厚を算出する処理を含む。なお、ステップＳ５～Ｓ７に示される、サンプル２の膜厚を算出するためのより詳細な処理手順については、例えば、特開２００９－０９２４５４号公報（特許文献１）などを参照されたい。
なお、サンプル２の膜厚を複数回にわたって測定する、あるいは、サンプル２の膜厚を複数個所について測定する必要がある場合には、ステップＳ３～Ｓ７の処理が必要な回数だけ繰り返し実行される。
（ｃ２：ボトム区間の特定）
次に、図８のステップＳ４に示すボトム区間を特定する処理の詳細について説明する。
ボトム区間を特定する処理は、反射率スペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定する処理に相当する。ここで、所定条件は、反射率スペクトルに含まれる低周波成分の振幅が相対的に小さいことを意味する。言い換えれば、所定条件は、反射率スペクトルが波の節の部分に相当していることを意味する。
第１の実施の形態においては、反射率スペクトルに生じる単位区間における振幅変動の大きさに基づいて、ボトム区間を特定する。定在波の節に近いほど、振幅の変動は小さくなり、定在波の腹に近いほど、振幅は大きく変動する。そのため、単位区間毎に振幅変動の大きさを評価し、振幅変動が相対的に小さい区間をボトム区間として特定する。
図９は、第１の実施の形態に従う光学測定方法におけるボトム区間を特定する処理を説明するための図である。図９（Ａ）には、サンプルから測定された反射率スペクトルの一例を示す。図９（Ａ）に示すような反射率スペクトルに対して、予め定められた波長幅を有する評価ウィンドウ３０を、波長位置をずらしながら順次設定される。反射率スペクトルの各評価ウィンドウ３０に含まれる区間の情報に基づいて、振幅変動の大きさを示す情報を算出する。
このように、ボトム区間を特定する処理は、反射率スペクトルに対して、予め定められた波長幅を有する評価ウィンドウ３０を順次設定する処理と、各評価ウィンドウ３０に含まれる反射率スペクトルの振幅の変化に基づいて、各評価ウィンドウ３０に対応する区間が所定条件を満たしているか否かを判断する処理とを含む。
所定条件を満たしているか否かの振幅の変化としては、各評価ウィンドウ３０内に対応する区間における振幅のばらつきの度合いを用いることができる。すなわち、処理装置１００は、各評価ウィンドウ３０に対応する区間が所定条件を満たしているか否かを判断する処理の一部として、反射率スペクトルの各評価ウィンドウに対応する区間における振幅のばらつきの度合いを算出する処理を実行する。
振幅のばらつきの度合いとして、典型的には、分散あるいは標準偏差を用いることができる。あるいは、各評価ウィンドウ３０内に存在する振幅の最大値と最小値との差を用いてもよい。このように、各評価ウィンドウ３０内に対応する区間における振幅のばらつきの度合いを示す情報としては、任意の値を用いることができる。以下の説明においては、典型例として「分散」を用いる例について説明する。
図９（Ｂ）には、図９（Ａ）に示す反射率スペクトルに対して評価ウィンドウ３０を順次設定して算出された波長毎の分散（以下、「分散スペクトル」とも称す。）を示す。図９（Ｂ）に示す分散スペクトルに対する評価を行うことで、ボトム区間を特定する。
典型例としては、図９（Ｂ）に示す分散スペクトルに対してしきい値を予め設定し、分散の値が所定のしきい値を下回る区間をボトム区間３２として特定する。すなわち、処理装置１００は、反射率スペクトルの各評価ウィンドウ３０に対応する区間における振幅のばらつきの度合い（一例として、分散）が所定しきい値を下回る場合に、当該評価ウィンドウ３０に対応する区間が所定条件を満たしていると判断する。
なお、評価ウィンドウ３０の波長幅は、反射率スペクトル全体の波長範囲および波長分解能などに基づいて適宜決定される。あるいは、所定の測定精度を確保できるように、評価ウィンドウ３０の波長幅を動的に調整するようにしてもよい。また、しきい値は、予め定められた固定値であってもよいし、算出された分散スペクトル全体の振幅変動の大きさに基づいて動的に決定されてもよい。
さらに、評価ウィンドウ３０の波長幅、および／または、しきい値の大きさは、サンプル２の種類毎に予め定められてもよい。この場合、処理装置１００は、サンプル２の種類毎にレシピ情報を予め格納しておき、測定対象のサンプル２の種類に応じて、対応するレシピ情報を有効化するようにしてもよい。
図９（Ｃ）に示すように、反射率スペクトルのうち、特定されたボトム区間の情報が除去される。なお、サンプルの膜厚を算出する過程において、反射率スペクトルはフーリエ変換される。そのため、特定されたボトム区間の情報の除去においては、対応する波長の振幅（反射率）をゼロ（あるいは、予め定められた基準値）に更新する処理が実行されてもよい。
以上のような一連の処理によって、測定された反射率スペクトルに含まれる低周波成分のボトム区間の特定、および、当該特定したボトム区間の情報の除去が完了する。
図１０は、図８に示す第１の実施の形態に従う光学測定方法のステップＳ４のより詳細な手順を示すフローチャートである。図１０を参照して、処理装置１００は、測定された反射率スペクトルに対して、初期位置に評価ウィンドウ３０を設定する（ステップＳ４１）。処理装置１００は、設定された評価ウィンドウ３０内の反射率スペクトルの区間について、分散を算出する（ステップＳ４２）。処理装置１００は、すべての位置に対する評価ウィンドウ３０の設定が完了したか否かを判断する（ステップＳ４３）。
すべての位置に対する評価ウィンドウ３０の設定が完了していなければ（ステップＳ４３においてＮＯ）、処理装置１００は、次の位置に評価ウィンドウ３０を設定する（ステップＳ４４）。そして、ステップＳ４２以下の処理が繰り返される。
すべての位置に対する評価ウィンドウ３０の設定が完了していれば（ステップＳ４３においてＹＥＳ）、処理装置１００は、各評価ウィンドウ３０について算出された分散に基づいて、分散スペクトルを算出し（ステップＳ４５）、算出された分散スペクトルにおいてしきい値を下回る区間をボトム区間３２として特定する（ステップＳ４６）。そして、処理装置１００は、特定したボトム区間３２に含まれる各波長の反射率をゼロに更新する（ステップＳ４７）。
以上により、測定された反射率スペクトルに含まれる低周波成分のボトム区間の特定、および、当該特定したボトム区間の情報を除去する処理が完了する。
（ｃ３：測定例）
次に、第１の実施の形態に従う光学測定方法による測定例について説明する。
図１１は、第１の実施の形態に従う光学測定方法による測定例を示す図である。図１１（Ａ）には、異方性を有するサンプルから測定された反射率スペクトルの一例を示す。図１１（Ｂ）には、図１１（Ａ）に示す反射率スペクトルをそのままフーリエ変換することで得られたパワースペクトルの一例を示す。図１１（Ｂ）に示すように、異方性を有するサンプルから測定された反射率スペクトルをそのままフーリエ変換した場合には、近接する位置に複数のピークが現れることになり、測定精度が低下し得る。
図１１（Ｃ）には、図１１（Ａ）に示す反射率スペクトルに対して評価ウィンドウ３０を順次設定することで算出される分散スペクトルの一例を示す。図１１（Ｃ）に示される分散スペクトルに対して設定されるしきい値を下回る区間がボトム区間３２として特定される。そして、ボトム区間３２に含まれる各波長の反射率をゼロに更新することで、図１１（Ｄ）に示すような、ボトム区間の情報を除去した反射率スペクトルが得られる。
図１１（Ｄ）に示されるようなボトム区間の情報を除去した反射率スペクトルをフーリエ変換することで、図１１（Ｅ）に示されるような、近接するピークの発生を抑制でき、これによって測定精度の低下を防止できることが分かる。
（ｃ４：利点）
第１の実施の形態に従う光学測定方法によれば、異方性を有するサンプルなどから測定されるスペクトルに現れるうなり（異なる周波成分の組み合わせによる変動）の影響を除去した上で、サンプルの光学特性を算出する。そのため、測定精度の低下を抑制できる。
＜Ｄ．第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、異方性を有する単層膜のサンプルを一例として説明した。実際のサンプルは、複数の層からなる多層膜であることも多い。異方性を有する多層膜のサンプルを測定する場合には、複屈折率に起因するうなり（ビート）を生じる層の影響だけではなく、他の層からの影響を受けて、うなりの影響を除去することが難しい場合もある。そこで、第２の実施の形態として、多層膜のサンプルについて膜厚を測定するのに適した光学測定方法について説明する。
（ｄ１：処理概要）
まず、第２の実施の形態に従う光学測定方法の処理概要について説明する。
第２の実施の形態に従う光学測定方法においては、異方性を有するサンプルから測定された反射率スペクトルをフーリエ変換することで得られたパワースペクトルに現れるピークのうち、膜厚の測定対象ではない層に由来するピークおよびピーク近傍の情報を除去する。さらに、ピークおよびピーク近傍の情報を除去した後のパワースペクトルを逆フーリエ変換することで、測定対象外の層に由来する情報を除去した反射率スペクトル（以下、「ノイズ除去反射率スペクトル」とも称す。）を算出する。算出されたノイズ除去反射率スペクトルに対して、第１の実施の形態に従う光学測定方法と同様に、低周波成分の影響を除去する処理を適用することで、対象のサンプルに含まれる測定対象の層についての膜厚を算出できる。
（ｄ２：処理手順）
次に、第２の実施の形態に従う光学測定方法の処理手順について説明する。
図１２は、第２の実施の形態に従う光学測定方法の手順を示すフローチャートである。図１２に示す主要なステップは、典型的には、処理装置１００のプロセッサ１０２が測定プログラム１１４（いずれも図３参照）を主メモリ１０４に展開して実行することで実現される。なお、図１２のフローチャートにおいて、図８のフローチャートに示す処理と実質的に同一の処理については、同一のステップ番号を付与している。
図１２を参照して、まず、光学測定システム１が用意される（ステップＳ１）。ステップＳ１においては、光学測定システム１に含まれるＹ型ファイバ４の照射口の位置合わせや、分光検出器２０における校正処理などが実行される。そして、光学測定システム１の所定位置に測定対象のサンプル２が配置される（ステップＳ２）。
続いて、光源１０からサンプル２に測定光を照射し、当該測定光によりサンプル２で生じる反射光または透過光を分光検出器２０で受光して得られる検出結果に基づいて、スペクトルを算出する処理が実行される。
第２の実施の形態においては、スペクトルを算出する処理として、分光検出器２０の検出結果に基づいて算出されるサンプル２の反射率スペクトルから、サンプル２に含まれる測定対象外の層に由来する情報を除去した反射率スペクトル（ノイズ除去反射率スペクトル）を算出する処理（ステップＳ３，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４）が実行される。
より具体的には、光源１０からの測定光をサンプル２に照射することで生じる反射光を分光検出器２０で受光することで、反射率スペクトルが測定される（ステップＳ３）。分光検出器２０の検出結果に基づいてサンプル２の反射率スペクトルを算出する処理は、分光検出器２０で実行されてもよいし、処理装置１００で実行されてもよい。ステップＳ３において測定された反射率スペクトルは、検出結果１１６（図３参照）として、処理装置１００のストレージ１１０に格納される。
まず、処理装置１００は、サンプル２から測定された反射率スペクトルをフーリエ変換することでパワースペクトルを算出する（ステップＳ１１）。そして、処理装置１００は、算出されたパワースペクトルに含まれる膜厚の測定対象ではない層に由来するピークを特定する（ステップＳ１２）。すなわち、処理装置１００は、パワースペクトルのうち、サンプル２に含まれる測定対象外の層に由来するピークを特定する。
さらに、処理装置１００は、特定したピークおよび当該ピーク近傍の情報を除去する（ステップＳ１３）。すなわち、処理装置１００は、特定したピークおよび当該ピーク近傍の情報をパワースペクトルから除去したパワースペクトル（ノイズ除去パワースペクトル）を算出する。
最終的に、処理装置１００は、ピークおよびピーク近傍の情報を除去した後のパワースペクトルを逆フーリエ変換することでノイズ除去反射率スペクトルを算出する（ステップＳ１４）。
続いて、処理装置１００は、算出されたノイズ除去反射率スペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定する処理を実行する。より具体的には、処理装置１００は、算出されたノイズ除去反射率スペクトルに含まれる低周波成分のボトム区間を特定し、当該特定したボトム区間の情報を除去する（ステップＳ４Ａ）。ステップＳ４Ａの処理は、除去対象のスペクトルが異なる点において、図８に示すステップＳ４の処理とは異なっているが、処理内容自体は第１の実施の形態と実質的に同一である。
そして、処理装置１００は、算出されたスペクトルから特定された区間の情報を除去した後のスペクトルを用いてサンプル２の光学特性を算出する処理を実行する。
より具体的には、処理装置１００は、ボトム区間の情報を除去した反射率スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出する（ステップＳ５）。さらに、処理装置１００は、ステップＳ５において算出されたパワースペクトルに含まれるピークを探索し（ステップＳ６）、探索したピークのパワースペクトル上の位置に基づいて、サンプル２の膜厚を算出する（ステップＳ７）。そして、光学測定の処理は終了する。
なお、サンプル２の膜厚を複数回にわたって測定する、あるいは、サンプル２の膜厚を複数個所について測定する必要がある場合には、ステップＳ１１～Ｓ１４を含むステップＳ３～Ｓ７の処理が必要な回数だけ繰り返し実行される。
（ｄ３：測定例）
次に、第２の実施の形態に従う光学測定方法による測定例について説明する。
図１３は、測定対象としたサンプル２の構造例を示す模式図である。図１３を参照して、測定対象としたサンプル２は、基板の上にコート層が配置されており、コート層の上にカバー層が配置されている構成を有している。典型的には、コート層およびカバー層は、任意の樹脂で構成される。
図１３に示すように、測定対象は基板の層であるとし、コート層およびカバー層の膜厚は測定対象外とする。
図１４は、第２の実施の形態に従う光学測定方法による測定例を示す図である。図１４（Ａ）には、図１３に示すサンプル２から測定された反射率スペクトルの一例を示す。図１４（Ａ）に示される反射率スペクトルにおいては、単層膜のサンプルから測定された反射率スペクトル（例えば、図９（Ａ）を参照）に現れる「うなり」は明示的に確認することはできない。但し、「うなり」が存在しないということではなく、他の層からの影響を受けて、「うなり」の影響が隠されている状態であるといえる。
図１４（Ｂ）には、図１４（Ａ）に示す反射率スペクトルをフーリエ変換することで得られたパワースペクトルの一例を示す。図１４（Ｂ）に示されるパワースペクトルにおいては、サンプル２に含まれる各層に対応するピークが現れる。この算出されたパワースペクトルに含まれる膜厚の測定対象ではない層（図１３に示すサンプルにおいては、カバー層）に由来するピークを特定する。図１４（Ｂ）に示すように、カバー層に対応するピークは最も大きなパワーを有している。そして、特定されたピークおよびピーク近傍の情報をパワースペクトルから除去する。
通常、サンプル２の構造は既知であり、サンプル２に含まれる各層について測定対象であるか否かを予め決定できる。また、測定対象ではない層の膜厚も既知であるので、パワースペクトルのいずれの位置にピークが現れるのかについては、予め条件として設定しておくことができる。そのため、膜厚の測定対象ではない層に由来するピークをパワースペクトルにおいて特定する処理は、事前情報を用いることで、機械的に実行できる。
図１４に示す例においては、測定対象は基板の層であるが、測定対象の基板と接するコート層に対応する情報については、測定対象の膜厚の算出に必要であるので、除去対象にはされない。
図１４（Ｂ）に示すように、除去されるピーク以外のピークについては、近接する位置に２つのピークが生じていることが分かる。すなわち、測定された反射率スペクトルにおいて、「うなり」が発生していることを意味する。
図１４（Ｃ）には、ピークおよびピーク近傍の情報を除去した後のパワースペクトルを逆フーリエ変換することで算出されたノイズ除去反射率スペクトルの一例を示す。説明の便宜上、図１４（Ｃ）には、横軸を波数（＝波長の逆数）としている。横軸を波数として表現することで、反射率スペクトルに含まれる「うなり」を明示的に確認できる。
図１４（Ｄ）には、図１４（Ｃ）に示されるノイズ除去反射率スペクトルに対して、第１の実施の形態に従う光学測定方法を適用することで算出された、ボトム区間の情報を除去した反射率スペクトルの一例を示す。なお、基板およびコート層の光学膜厚が近接しているため、図１４（Ｄ）に示される反射率スペクトルにおいては、近接する位置に２つのピーク（「基板」および「コート層」）が生じているが、これは「うなり」に起因するものではない。
図１４（Ｄ）に示されるように、ノイズ除去反射率スペクトルからボトム区間の情報を除去した上で、再度フーリエ変換することで、近接するピークの発生を抑制でき、これによって測定精度の低下を防止できることが分かる。
（ｄ４：利点）
第２の実施の形態に従う光学測定方法によれば、サンプルから測定された反射率スペクトルなどのスペクトルをフーリエ変換した結果において、測定対象外の層に由来する情報を除去し、その上で、元のスペクトルに対応するスペクトルに復元した上で、サンプルの光学特性を算出する。上述した第１の実施の形態に従う光学測定方法と同様に、復元したスペクトルに現れるうなり（異なる周波成分の組み合わせによる変動）の影響を除去できるので、測定精度の低下を抑制できる。
＜Ｅ．まとめ＞
上述の発明の詳細な説明によれば、本願発明者らによって見いだされた光干渉法を用いた光学測定方法において生じる新たな課題、および、当該課題に対する解決手段の有効性を理解することができるであろう。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 光学測定システム、２ サンプル、４ Ｙ型ファイバ、１０ 光源、２０ 分光検出器、２２ 回折格子、２４ 受光部、２６ インターフェイス回路、３０ 評価ウィンドウ、３２ ボトム区間、１００ 処理装置、１０２ プロセッサ、１０４ 主メモリ、１０６ 入力部、１０８ 表示部、１１０ ストレージ、１１２ オペレーティングシステム、１１４ 測定プログラム、１１６ 検出結果、１１８ 測定結果、１２０ 通信インターフェイス、１２２ ネットワークインターフェイス、１２４ メディアドライブ、１２６ 記録媒体。

Claims (9)

  1. サンプルに照射するための測定光を発生する光源と、
    前記測定光により前記サンプルで生じる反射光または透過光を受光する分光検出器と、
    前記分光検出器の検出結果が入力される処理装置とを備え、
    前記処理装置は、
    前記分光検出器の検出結果に基づいて第１のスペクトルを算出する処理と、
    前記第１のスペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定する処理と、
    前記第１のスペクトルから前記特定された区間の情報を除去した第２のスペクトルを用いて前記サンプルの光学特性を算出する処理とを、実行可能に構成されており、
    前記特定する処理は、
    前記第１のスペクトルに対して、予め定められた波長幅を有する評価ウィンドウを順次設定する処理と、
    各評価ウィンドウに含まれる前記第１のスペクトルの振幅の変化に基づいて、各評価ウィンドウに対応する区間における振幅のばらつきの度合いが前記所定条件を満たしているか否かを判断する処理とを含む、光学測定システム。
  2. 前記第１のスペクトルの各評価ウィンドウに対応する区間における振幅のばらつきの度合いが所定しきい値を下回る場合に、当該評価ウィンドウに対応する区間が前記所定条件を満たしていると判断される、請求項１に記載の光学測定システム。
  3. 前記評価ウィンドウの波長幅は、サンプルの種類毎に予め定められている、請求項１または２に記載の光学測定システム。
  4. 前記サンプルの光学特性を算出する処理は、前記第２のスペクトルをフーリエ変換した結果に現れるピークに基づいて膜厚を算出する処理を含む、請求項１～３のいずれかに記載の光学測定システム。
  5. 前記第１のスペクトルを算出する処理は、前記第１のスペクトルとして、前記分光検出器の検出結果に基づいて前記サンプルの反射率スペクトルを算出する処理を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  6. 前記第１のスペクトルを算出する処理は、前記第１のスペクトルとして、前記分光検出器の検出結果に基づいて算出される前記サンプルの反射率スペクトルから、前記サンプルに含まれる測定対象外の層に由来する情報を除去した反射率スペクトルを算出する処理を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  7. 前記第１のスペクトルを算出する処理は、
    前記サンプルの反射率スペクトルをフーリエ変換して第３のスペクトルを算出する処理と、
    前記第３のスペクトルのうち、前記サンプルに含まれる測定対象外の層に由来するピークを特定する処理と、
    当該特定したピークおよび当該ピーク近傍の情報を前記第３のスペクトルから除去して第４のスペクトルを算出する処理とをさらに含む、請求項６に記載の光学測定システム。
  8. 前記第１のスペクトルを算出する処理は、前記第４のスペクトルを逆フーリエ変換して前記第１のスペクトルを算出する処理をさらに含む、請求項７に記載の光学測定システム。
  9. 光源からサンプルに測定光を照射し、当該測定光により前記サンプルで生じる反射光または透過光を分光検出器で受光して得られる検出結果に基づいて、第１のスペクトルを算出するステップと、
    前記第１のスペクトルにおいて、波長に関する振幅の変化が所定条件を満たしている区間を特定するステップと、
    前記第１のスペクトルから前記特定された区間の情報を除去した第２のスペクトルを用いて前記サンプルの光学特性を算出するステップとを備え、
    前記特定するステップは、
    前記第１のスペクトルに対して、予め定められた波長幅を有する評価ウィンドウを順次設定するステップと、
    各評価ウィンドウに含まれる前記第１のスペクトルの振幅の変化に基づいて、各評価ウィンドウに対応する区間における振幅のばらつきの度合いが前記所定条件を満たしているか否かを判断するステップとを含む、光学測定方法。
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