JP7382629B2 - 光学測定装置および波長校正方法 - Google Patents
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Description
まず、本実施の形態に従う光学測定システム1(反射光観測系)の構成例について説明する。以下では、典型例として、分光干渉式の膜厚測定装置に適用した構成例を説明するが、これに限らず任意の光学測定系に適用可能である。特に、以下の説明においては、試料に光を照射してその反射光を観測する光学系(反射光観測系)を例示するが、試料に光を照射してその透過光を観測する光学系(透過光観測系)にも当然に適用可能である。
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。図1を参照して、光学測定システム1は、光学測定装置100および光学測定装置100と光学的に接続されたY型ファイバ40を含む。
次に、光学測定システム1を構成する光学測定装置100の構成例について説明する。
(a3:分光測定部120の光学系)
図3は、本実施の形態に従う光学測定装置100に含まれる分光測定部120の光学系の一例を示す模式図である。図3を参照して、分光測定部120は、ポリクロメータの一例であり、スリット121と、シャッタ122と、カットフィルタ123と、コリメートミラー124と、回折格子125と、フォーカスミラー126と、マルチチャンネル受光器127とを含む。
本実施の形態に従う光学測定装置100は、試料の光学特性の一例として、光学膜厚、膜厚、基準位置から表面までの距離などを測定できる。なお、基準位置から表面までの距離を測定する詳細については、例えば、特許第6402273号公報などを参照されたい。
次に、分光測定装置における波長校正に関する背景および課題について説明する。
次に、本願発明者らが発明した波長校正方法の概要について説明する。
次に、図6に示す波長校正方法の処理手順における理論干渉スペクトルの算出(ステップS1)、および、理論干渉スペクトルに含まれる極値を与える位置(波長)の決定(ステップS2)について説明する。
次に、図6に示す波長校正方法の処理手順における実測干渉スペクトルの取得(ステップS3)、および、実測干渉スペクトルに含まれる極値を与える位置(素子番号)の算出(ステップS4)について説明する。
ここで、反射率干渉スペクトルの波形特徴について検討する。光透過性の標準試料STに測定光を照射した場合に生じる光干渉は、標準試料ST表面での1次反射光と標準試料ST裏面での1次反射光との1次干渉光のみで構成されるわけではない。厳密には、1次干渉光に加えて、標準試料ST内部において表面と裏面との間で複数回反射した後に、標準試料ST内部から標準試料ST表面を透過した光の各成分(すなわち、光を入射させた側へ戻る光)をすべて重ね合わせたものが干渉として現れる。
反射率干渉スペクトル(実測干渉スペクトル)に含まれる極値を与える素子番号が算出される。実測干渉スペクトルの場合は、受光素子毎に反射率を示す値が出力されるので、反射率を示すデータは離散的になる。
次に、図6に示す波長校正方法の処理手順における対応付け情報の取得(ステップS5)について説明する。
次に、図6に示す波長校正方法の処理手順における、波長校正式の決定(ステップS6)および各受光素子の波長値の決定(ステップS7)について説明する。
図10は、本実施の形態に従う波長校正方法における理論バレイ波長と実測バレイ素子番号との対応関係の一例を示す図である。図10には、厚み194.028μmである標準試料STについて得られた対応関係の一例を示す。
各素子番号pを上述したように決定された波長校正式に代入することにより、マルチチャンネル受光器127を構成する各受光素子の波長値を決定できる。例えば、512チャネルのマルチチャンネル受光器127を採用した場合には、素子番号p=1,2,3,・・・,512をそれぞれ決定された波長校正式に代入することにより、各受光素子の波長値を決定できる。決定された各受光素子の波長値は、光学測定装置100に格納される。
<H.波長校正式の各項係数の補正(ステップS8)>
次に、図6に示す波長校正方法の処理手順における、波長校正式の各項係数の補正(ステップS8)について説明する。
本実施の形態に従う波長校正方法においては、標準試料STの光学定数(屈折率と消衰係数)を正確に取得する必要がある。例えば、使用する標準試料STの実際の光学定数と、理論干渉スペクトルの算出に用いる光学定数(例えば、文献値に基づく)との間にずれがあった場合には、波長校正結果および測定される膜厚値の不確かさが大きくなる可能性もあり得る。
図24は、本実施の形態に従う光学測定システム1が提供する機能構成の一例を示す模式図である。図24に示す各機能は、典型的には、光学測定装置100の演算部130に含まれるプロセッサがプログラムを実行することで実現されてもよいし、演算部130を構成するハードワイヤードデバイスにより実現されてもよい。なお、図24に示す機能構成を実現するハードウェアは各時代に応じて適切なものが選択される。
上述の説明においては、本実施の形態に従う波長校正方法に係る処理(図6、図13、図24など)を光学測定装置100の演算部130が実行する例について説明したが、これに限らず、例えば、光学測定装置100に接続された上位PCが必要な処理の全部または一部を実行するようにしてもよい。さらに、図示しないネットワーク上のコンピューティングリソース(いわゆるクラウド)が本実施の形態に従う波長校正方法に係る処理の全部または一部を実行するようにしてもよい。
本実施の形態に従う波長校正方法は、以下のような処理手順を含み得る。
(4)近赤外スペクトルの波長範囲内にピーク波長を有する輝線光源(例えば、レーザなど)のスペクトルを測定し、そのピーク波長の素子番号を求める。
(1)通常の物質の屈折率は2以下であり、通常の物質の干渉スペクトルの干渉位相差2mπに相当する波長位置は、その前後の変化が緩やか(三角関数的に変化)であるので、ピーク位置を特定するのが困難であり、また重心波長の計算もノイズの影響を受けやすい。しかしながら、標準試料にSiを選ぶことにより、高屈折率(約3.5)の干渉スペクトルを測定できる。高屈折率の標準試料の干渉スペクトルは、干渉位相差(2m+1)π付近において、スペクトルの形状が尖塔化し、波長位置を特定しやすい。
本実施の形態に従う波長校正方法によれば、測定波長範囲が狭く、測定波長範囲に十分な数の基準輝線を含めることができない場合でも、高い精度の波長校正を実現できる。
Claims (9)
- 測定光を発生する光源と、
前記測定光を試料に照射して生じる反射光または透過光が入射する回折格子と、
前記回折格子により波長分離された光を受光する、整列配置された複数の受光素子からなる受光器と、
標準試料の既知の厚み、屈折率および消衰係数に基づいて数学的に算出される、当該標準試料についての反射率干渉スペクトルまたは透過率干渉スペクトルを理論干渉スペクトルとして取得する理論干渉スペクトル取得手段と、
前記測定光を前記標準試料に照射して生じる反射光または透過光を前記回折格子を介して前記受光器で受光することで生成される反射率干渉スペクトルまたは透過率干渉スペクトルを実測干渉スペクトルとして取得する実測干渉スペクトル取得手段と、
前記理論干渉スペクトルと前記実測干渉スペクトルとの波長についての対応付けを決定するための対応付け情報を取得する対応付け情報取得手段と、
前記複数の受光素子の波長値を規定する波長校正式を前記実測干渉スペクトルに適用した結果が前記理論干渉スペクトルと一致するように、前記対応付け情報を参照して、前記波長校正式を決定する波長校正手段とを備える、光学測定装置。 - 前記波長校正手段は、前記理論干渉スペクトルに含まれる極値を与える位置と前記実測干渉スペクトルに含まれる極値を与える位置との対応付けに基づいて、前記理論干渉スペクトルと前記実測干渉スペクトルとの一致度を評価する、請求項1に記載の光学測定装置。
- 前記波長校正手段は、前記標準試料について数学的に算出される反射率干渉スペクトルが前記理論干渉スペクトルであり、前記標準試料から取得された反射率干渉スペクトルが前記実測干渉スペクトルである場合に、前記理論干渉スペクトルに含まれる極小値を与える位置と前記実測干渉スペクトルに含まれる極小値を与える位置との対応付けに基づいて、前記理論干渉スペクトルと前記実測干渉スペクトルとの一致度を評価する、請求項2に記載の光学測定装置。
- 前記対応付け情報取得手段は、輝線光源が発生する既知の輝線波長を含む光を前記回折格子を介して前記受光器で受光することで取得される測定結果に現れる前記輝線波長についての特徴に基づいて、前記対応付け情報を生成する、請求項2または3に記載の光学測定装置。
- 前記波長校正手段は、前記受光器に含まれる各受光素子を特定するための素子番号を用いて、前記実測干渉スペクトルに含まれる極値を与える素子番号を決定する、請求項2または3に記載の光学測定装置。
- 前記波長校正手段は、前記理論干渉スペクトルに含まれる各極値を与える波長と、前記実測干渉スペクトルに含まれる各極値を与える素子番号とから、前記波長校正式を決定する、請求項5に記載の光学測定装置。
- 前記波長校正式は、前記回折格子および前記受光器を含む光学系に応じた関係式を含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の光学測定装置。
- 前記波長校正手段は、
先に決定されている波長校正式を前記実測干渉スペクトルに適用する手段と、
前記先に決定されている波長校正式に基づいて前記理論干渉スペクトルを更新する手段と、
前記先に決定されている波長校正式を前記実測干渉スペクトルに適用した結果と、前記更新された理論干渉スペクトルとを比較した結果に基づいて、前記波長校正式を更新する手段と、
所定条件が満たされるまで、上記の手段を繰り返す手段とを含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の光学測定装置。 - 標準試料の既知の厚み、屈折率および消衰係数に基づいて、数学的に算出される、当該標準試料についての反射率干渉スペクトルまたは透過率干渉スペクトルを理論干渉スペクトルとして取得するステップと、
光源が発生する測定光を前記標準試料に照射して生じる反射光または透過光を回折格子を介して受光器で受光することで生成される反射率干渉スペクトルまたは透過率干渉スペクトルを実測干渉スペクトルとして取得するステップとを備え、前記受光器は、前記回折格子により波長分離された光を受光するための整列配置された複数の受光素子を含み、
前記理論干渉スペクトルと前記実測干渉スペクトルとの波長についての対応付けを決定するための対応付け情報を取得するステップと、
前記複数の受光素子の波長値を規定する波長校正式を前記実測干渉スペクトルに適用した結果が前記理論干渉スペクトルと一致するように、前記対応付け情報を参照して、前記波長校正式を決定するステップとを備える、波長校正方法。
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