JPH11132726A - 膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 膜厚算出時間を短縮し高精度な膜厚測定を可
能とする。 【解決手段】 膜層を設けた基板Ｗからの反射光束を、
波長別に分離してＣＣＤ受光素子１６ａ〜１６ｃ、１７
ａ〜１７ｃにそれぞれ受光する。受光された各波長λ
_i(ｉ＝１〜６）の光束は、膜層の膜厚に応じて波長別に
固有の干渉分光反射強度を有し、その干渉分光反射強度
は膜厚測定工程の画像処理ボード２１を介して、ホスト
コンピュータ２０の外部記憶部内の膜厚測定画像メモリ
部２２に二次元形式で記憶される。この二次元画像情報
から、位置検出工程で得られた膜厚測定に好適な位置又
は領域の座標に基づいて、対応する画素の受光信号から
膜厚測定演算部２４において膜厚値を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板面上に形成し
た膜層の膜厚を測定する膜厚測定方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板上の膜層の膜厚を光学的に測
定する技術には、分光反射率法と偏光解析法がある。分
光反射率法では、膜層で反射する光束の分光反射特性を
測定し、膜厚値とその膜厚値について波長別に理論的に
計算した分光反射率との相関を示すテーブルを作成し、
実際に波長別に測定した分光反射率と相関テ−ブルを基
に計算した分光反射率との差の最小２乗和を求め、この
値が最小値となるときの組み合わせ結果から膜層の膜厚
値を算出している。

【０００３】また偏光解析方法では、例えば４５度に偏
光方位を有する直線偏光光束を膜層に対して所定の傾斜
角で入射し、膜層の構造に起因して楕円偏光となった反
射光束を、複数の異なる方位に設定した検光子を通過さ
せて各光束の強度を検出し、その測定値から楕円偏光の
Ｐ、Ｓ偏光成分の反射振幅比及び位相差を解析し、膜厚
値とその膜厚値について理論的に計算したＰ、Ｓ偏光成
分の反射振幅比及び位相差の相関を表すテーブルに基づ
いて、それらの解析結果から得た値を照合して膜層の膜
厚値を算出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例の分光反
射率法の場合には、白色光源のスペクトル強度の変動や
検出器の感度ドリフトなどに起因する測定誤差を軽減す
るために、測定に使用する波長数を増加する必要があ
る。しかし、単にこれらの波長数を増加すると、波長別
に測定した分光反射率と相関テーブルの計算による分光
反射率との差の最小２乗和が最小値になるときの組み合
わせが増加して、膜厚値を算出するまでの計算に長時間
を要するという問題が生ずる。また、測定誤差の程度に
よっては相関テーブルとの比較が不可能となり膜厚算出
ができない場合がある。

【０００５】また、偏光解析法の場合には、λを波長、
ｎを膜層の屈折率、θを膜層内での屈折角としたとき
に、膜厚がλ／２ｎ cosθだけ変化する毎に、Ｐ、Ｓ偏
光成分の反射振幅比及び位相差がほぼ同じ値となる周期
性があり、相関テーブルとの比較により膜厚値を算出す
る際に、その周期を判別しながら膜厚値を算出してゆく
必要があるので、計算に非常に時間が掛かるという問題
がある。

【０００６】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
膜厚算出時間の短縮と高精度な膜厚測定が可能な膜厚測
定方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る膜厚測定方法は、膜層を形成した基板面
上の所定領域に光源から出射する光束を照射し、該所定
領域の膜層による干渉光束を複数の波長別に分離して受
光し、該複数の波長別受光信号である分光反射強度によ
り前記基板面上の膜層の膜厚値を測定する膜厚測定方法
において、前記複数の波長別受光信号の内の少なくとも
３つの波長別受光信号からそれぞれ波長別に算出した膜
厚値の複数解を使用し、該複数解の中から値が最も近い
膜厚値の解の組み合わせを選択し、該選択した膜厚値の
解の組み合わせから前記基板面上の膜層の概略膜厚値を
求める第１の工程と、全ての波長別受光信号からそれぞ
れ波長別に算出した膜厚値の複数解を使用し、該複数解
の中から値が最も近い膜厚値の解の組み合わせを選択す
る際に、前記第１の工程で得た概略膜厚値を基準に選択
範囲を限定して詳細膜厚値を求める第２の工程とから成
ることを特徴とする。

【０００８】また、本発明に係る膜厚測定方法は、膜層
を形成した基板面上の所定領域に光源から出射する光束
を照射し、該所定領域の膜層による干渉光束を複数の波
長別に分離して受光し、該複数の波長受光信号から算出
したＰ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差により前記基板
面上の膜層の膜厚値を測定する膜厚測定方法において、
各波長別に膜厚値と前記Ｐ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位
相差との理論的関係を表す第１の相関テーブルと、実際
に測定した複数の波長別受光信号から算出した前記Ｐ、
Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の値とを比較して得た膜
厚値の複数解を使用し、該複数解の中から値が最も近い
膜厚値の解の組み合わせを選択し、該選択した膜厚値の
解の組み合わせから前記基板面上の膜層の概略膜厚値を
求める第１の工程と、前記相関テ−ブルよりも細かい膜
厚値間隔で各波長別に膜厚値と前記Ｐ、Ｓ偏光の反射振
幅比及び位相差の理論的関係を表す第２の相関テーブル
と、実際に測定した前記複数の波長別受光信号から算出
した前記Ｐ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の値とを比
較して膜厚値を得る際に、前記第１の工程で得た概略膜
厚値を基準に比較範囲を限定して詳細膜厚値を求める第
２の工程から成ることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明を図示の実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は第１の実施例の分光反射率法に
よる膜厚測定装置の構成図を示し、表面に膜層ｆを設け
た基板Ｗの上方に対物レンズ１が配置され、対物レンズ
１の上方の光路上には、第１のハーフミラー２と第２の
ハーフミラー３が順次に配置されている。第１のハーフ
ミラー２の入射方向には、照明光学系４が形成され、ミ
ラー５、コンデンサレンズ６、図示しない白色光源に接
続された光ファイバ７が配列され、光ファイバ７の出射
端面は対物レンズ１の出射瞳と共役位置とされている。

【００１０】第１のハーフミラー２の透過方向には結像
光学系８が配置されており、結像光学系８は第２のハー
フミラー３から分岐され、その反射方向に基板Ｗ面上の
所定領域を検出するための位置検出系９が配置され、透
過方向に膜厚を測定するための膜厚測定系１０が配置さ
れている。

【００１１】位置検出系９には、結像レンズ１１、ミラ
ー１２、二次元配列のＣＣＤ受光素子１３が配列され、
また厚膜測定系１０には結像レンズ１４、図２に示すよ
うな特性により、波長λ_i(ｉ＝１〜３）を含む第１の波
長領域と波長λ_i(ｉ＝４〜６）を含む第２の波長領域と
を分岐するダイクロイックミラー１５が配列されてい
る。ダイクロイックミラー１５の反射方向には、第１の
波長領域の波長λ_i(ｉ＝１〜３）をそれぞれ分岐して受
光する二次元配列のＣＣＤ受光素子１６ａ、１６ｂ、１
６ｃを有する３色分解光学素子が配置され、ダイクロイ
ックミラー１５の透過方向には、第２の波長領域の波長
λ_i(ｉ＝４〜６）をそれぞれ分岐して受光する二次元配
列のＣＣＤ受光素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃを有する同
様の３色分解光学素子が配置されている。

【００１２】白色光源から出射した光束は、光ファイバ
７を通して照明光学系に導光され、コンデンサレンズ
６、ミラー５、ハーフミラー２、対物レンズ１を通っ
て、基板Ｗ面の所定領域の膜層ｆにほぼ垂直な入射角度
で入射する。

【００１３】膜層ｆの表面で反射した光束と基板Ｗ面と
の境界である膜層ｆの下面で反射した光束は、対物レン
ズ１、結像レンズ１１、１４を含む結像光学系８に導光
される。結像光学系８において、膜層ｆの表面から反射
した光束はハーフミラー３で分岐され、位置検出系９に
おいて結像レンズ１１、ミラー１２を通って二次元配列
のＣＣＤ受光素子１３上に結像し、この二次元画像は図
示しないモニタ画面上に表示される。

【００１４】図３はモニタ画面上の二次元画像を示し、
この画像に表示されているカーソルＫなどを移動して、
膜厚測定に好適な位置（Xm，Ym）又は領域Ｓを決定す
る。

【００１５】この位置検出工程に続いて結像光学系８に
おいて、ハーフミラー３を透過した光束は、膜厚測定系
１０の結像レンズ１４を通り、ダイクロイックミラー１
５により第１の波長領域と、第２の波長領域に分岐す
る。そして、第１の波長領域の経路は３つの波長λ_i(ｉ
＝１〜３）別に、また第２の波長領域の経路は３つの波
長λ_i(ｉ＝４〜６）別に分岐し、それぞれ３色分解光学
素子を介してＣＣＤ受光素子１６ａ〜１６ｃ、同様にＣ
ＣＤ受光素子１７ａ〜１７ｃに結像する。

【００１６】図４は膜厚測定系１０の情報処理の構成図
を示し、各ＣＣＤ受光素子１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１
７ｃの出力は、ホストコンピュータ２０の画像処理ボー
ド２１、外部記憶部の膜厚測定画像メモリ部２２、画像
処理部の膜厚測定好適位置選択部２３、膜厚測定演算部
２４に順次に接続され、膜厚値を算出するようになって
いる。

【００１７】ＣＣＤ受光素子１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜
１７ｃに受光された各波長λ_i(ｉ＝１〜６）の光束は、
膜層ｆの膜厚に応じて波長別に固有の干渉分光反射強度
を有し、その波長別の干渉分光反射強度は膜厚測定工程
の画像処理ボード２１を介して、ホストコンピュータ２
０の外部記憶部内の膜厚測定画像メモリ部２２に二次元
形式で記憶される。

【００１８】次に、この波長別に記憶された二次元画像
情報から、位置検出工程で得られた膜厚測定に好適な位
置（Xm，Ym）又は領域Ｓの座標に基づいて、対応する画
素の受光信号から膜厚測定演算部２４において膜厚値を
算出する。

【００１９】膜厚測定演算部２４において、先ず第１の
工程として、複数の波長別受光信号の内の少なくとも３
つの波長別受光信号を用いて各波長別に膜厚値の複数解
を算出し、それら複数解の中から値が最も近い膜厚値の
解の組み合わせを選択し、その選択した膜厚値の解の組
み合わせから膜層の膜厚値を概略的に求める。

【００２０】次に第２の工程として、全ての波長別受光
信号を用いて第１の工程と同様に各波長別に膜厚値の複
数解を算出し、第１の工程で得た概略の膜厚値を基準に
選択範囲を限定し、それら複数解の中から値が最も近い
膜厚値の解の組み合わせを選択して膜厚値を詳細に求め
る。

【００２１】図５は膜厚測定時の反射光の状態を示し、
図６は干渉分光反射強度と膜厚値の関係を示している。
先ず第１の工程として、各波長λ_i(ｉ＝１〜６）の内の
３つの波長例えば波長λ₂ 、λ₄ 、λ₆ を選択する。こ
れらの各波長に対する干渉分光反射強度、即ち波長別受
光信号の基準出力Ｒ（λ_i)（ｉ＝２、４、６）は次式で
表される。

【００２２】 Ｒ（λ_i)＝｛γ² ＋ρ² ＋２γρ cos（φ＋δ)} ／｛１＋γ² ρ² ＋２γρ cos（φ＋δ)} …(1) γ；空気層ａと膜層ｆとの界面におけるフレネル反射係
数 ρ；膜層ｆと基板Ｗとの界面におけるフレネル反射係数 φ；膜層ｆと基板Ｗとの界面での反射による位相変化 δ；空気層ａと膜層ｆの界面、膜層ｆと基板Ｗの界面で
反射した光束の位相差

【００２３】なお、ここで選択する３つの波長を含め本
工程で使用する６つの波長λ_i(ｉ＝１〜６）は、干渉分
光反射強度の基準出力Ｒ（λ_i)の変化周期が互いに異な
り一致しないように設定される。

【００２４】この３つの波長について測定した二次元画
像情報から、位置検出工程で選択決定した膜厚測定に好
適な位置（Xm，Ym）、又は領域Ｓにおける画像信号の平
均値の画素に対応する受光信号Ｒ'(λ_i)を求める。この
値から各波長別に膜厚値ｄ_iを求めるためには、膜層の
屈折率ｎ、整数Ｎを用いて、式(1) を次式のように変換
する。

【００２５】 ｄ_i ＝｛λ_i ／（４πｎ)}｛−φ＋２Ｎπ＋ cos^-1（Ａ／Ｂ)} …(2) ただし、Ａ＝γ² ＋ρ² −（１＋γ² ρ²)Ｒ'(λ_i) Ｂ＝２γρ｛Ｒ'(λ_i)−１｝

【００２６】このとき、基板Ｗの膜層ｆの膜厚の測定範
囲内において、値Ｎの取り方によって複数の膜厚値ｄ_iN
の解が発生する。測定した３つの受光信号Ｒ'(λ_i)によ
り膜厚測定演算部２４で算出した膜厚値ｄ_iNを、テーブ
ル化して次の表１に示す。

【００２７】表１ Ｎ Ｒ'(λ_2N） Ｒ'(λ_4N） Ｒ'(λ_6N） １ ｄ₂₁ ｄ₄₁ ｄ₆₁ ２ ｄ₂₂ ｄ₄₂ ｄ₆₂ ３ ｄ₂₃ ｄ₄₃ ｄ₆₃ ４ ｄ₂₄ ｄ₄₄ ｄ₆₄ ５ ｄ₂₅ ｄ₄₅ ｄ₆₅ ６ ｄ₂₆ ｄ₄₆ ｄ₆₆ ７ ｄ₂₇ ｄ₄₇ ｄ₆₇ ８ ｄ₂₈ ｄ₄₈ ｄ₆₈ ９ ｄ₂₉ ｄ₄₉ ｄ₆₉ １０ ｄ₂₁₀ ｄ₄₁₀ ｄ₆₁₀ １１ ｄ₂₁₁ ｄ₄₁₁ ｄ₆₁₁ １２ ｄ₂₁₂ ｄ₄₁₂ ｄ₆₁₂ １３ ｄ₂₁₃ ｄ₄₁₃ ｄ₆₁₃ １４ ｄ₂₁₄ ｄ₄₁₄ ｄ₆₁₄ １５ ｄ₂₁₅ ｄ₄₁₅ ｄ₆₁₅ １６ ｄ₂₁₆ ｄ₄₁₆ ｄ₆₁₆ … … … …

【００２８】表１のｄ_2N、ｄ_4N、ｄ_6Nについて、相互の
差の２乗和が最小になる組み合わせを次式から求める。

【００２９】 Ｖ（ａ，ｂ，ｃ）＝（ｄ_2a−ｄ_4b)²＋（ｄ_2a−ｄ_6c)²＋（ｄ_4b−ｄ_6c)² …(3)

【００３０】この値Ｖが最小となるときのｄ_2a、ｄ_4b、
ｄ_6cから、その平均値（ｄ_2a＋ｄ_4b＋ｄ_6c）／３を求め
て、測定する膜厚の概略値とする。

【００３１】なお、測定する膜厚値ｄ_i によっては、測
定した受光信号Ｒ'(λ_i)が図６のグラフに示す基準出力
Ｒ（λ_i)の最大値又は最小値を超える場合がある。この
ような場合には、式(2) から膜厚値ｄ_i を算出すること
は不可能となるので、便宜上、受光信号Ｒ'(λ_i)を基準
出力Ｒ（λ_i)に置換して演算を行う。この第１の工程の
段階では、３波長だけで膜厚値ｄ_i を求めているので、
測定精度が低い状態にある。

【００３２】次に第２の工程として、測定精度を上げる
ために、波長数を第１の工程の３波長を含む６つの波長
λ_i(ｉ＝１〜６）に増加し、第１の工程で得た概略膜厚
値ｄ_i を中心として、組み合わせの比較範囲を限定して
第１の工程における式(3) の演算を行い、より詳細に膜
厚値ｄ_i を演算する。

【００３３】第１の工程の値Ｖを最小にする組み合わせ
がｄ_2a、ｄ_4b、ｄ_6cであるとき、ａ、ｂ、ｃに対応する
Ｎについて、Ｎ’＝Ｎ±２の範囲で表１に対応する６波
長に拡張した値ｄ_iN’のテーブルを次の表２のように新
規に作成する。

【００３４】 表２ Ｎ R'(λ_1N) R'(λ_2N) R'(λ_3N) R'(λ_4N) R'(λ_5N) R'(λ_6N) Ｎ−２ ｄ_1N-2 ｄ_2N-2 ｄ_3N-2 ｄ_4N-2 ｄ_5N-2 ｄ_6N-2 Ｎ−１ ｄ_1N-1 ｄ_2N-1 ｄ_3N-1 ｄ_4N-1 ｄ_5N-1 ｄ_6N-1 Ｎ ｄ_1N ｄ_2N ｄ_3N ｄ_4N ｄ_5N ｄ_6N Ｎ＋１ ｄ_1N+1 ｄ_2N+1 ｄ_3N+1 ｄ_4N+1 ｄ_5N+1 ｄ_6N+1 Ｎ＋２ ｄ_1N+2 ｄ_2N+2 ｄ_3N+2 ｄ_4N+2 ｄ_5N+2 ｄ_6N+2

【００３５】表２から第１の工程における式(3) に対応
して、次式に従って値Ｖ’を最小とする値ｄ_1N' 〜ｄ
_6N' からその平均値を求め、測定する膜厚の詳細な膜厚
値とする。

【００３６】 Ｖ'(ａ',ｂ',ｃ',ｅ',ｆ',ｇ')＝（ｄ_1a' −ｄ_2b')² ＋（ｄ_1a' −ｄ_3c')² ＋（ｄ_1a' −ｄ_4e')² ＋（ｄ_1a' −ｄ_5f')² ＋（ｄ_1a' −ｄ_6g')² ＋（ｄ_2b' −ｄ_3c')² ＋（ｄ_2b' −ｄ_4e')² ＋（ｄ_2b' −ｄ_5f')² ＋（ｄ_2b' −ｄ_6g')² ＋（ｄ_3c' −ｄ_4e')² ＋（ｄ_3c' −ｄ_5f')² ＋（ｄ_3c' −ｄ_6g')² ＋（ｄ_4e' −ｄ_5f')² ＋（ｄ_4e' −ｄ_6g')² ＋（ｄ_5f' −ｄ_6g')² …(4)

【００３７】図７は基板ＷがＳｉ、膜層ｆがＳｉＯ₂ の
試料を使用して、第１の工程の膜厚測定により求めた測
定精度結果を示し、図８は第２の工程による測定結果を
示す。図９、図１０共に測定された受光信号Ｒ'(λ_i)が
受光信号の基準出力Ｒ（λ_i)に対して、０．２％の測定
誤差があった場合の測定精度である。波長数を増加した
第２の工程後は、明らかに測定精度が向上していること
が分かる。このような第１、第２の工程で膜厚測定を行
うことにより、波長数を増加しても膜厚算出時間を短縮
して測定精度の高い膜厚値を得ることができる。

【００３８】図９は第２の実施例の偏光解析法による膜
厚測定装置の構成図を示し、図示しない白色光源に接続
された光ファイバ３０から、膜層ｆを設けた基板Ｗに向
う角度θの斜め方向の光路上に、２枚のコンデンサレン
ズ３１、３２、４５度の偏光方位を有する偏光子３３が
配列されている。基板Ｗからの反射光の同様の斜め方向
の光路上には、対物レンズ３４、ハーフミラー３５が配
置されており、ハーフミラー３５の反射方向には位置検
出系３６が配置され、透過方向には膜厚測定系３７が配
置されている。

【００３９】位置検出系３６には、結像レンズ３８、二
次元配列のＣＣＤ受光素子３９が配置され、また膜厚測
定系３７には結像レンズ４０、ハーフミラー４１、４２
が配置されている。２個のハーフミラー４１、４２によ
り光路は３方向に分岐され、ハーフミラー４１の反射方
向には、方位が０度の検光子４３、３つの波長λ_i(ｉ＝
１〜３）に光束を分岐する３色分解光学素子である二次
配列のＣＣＤ受光素子４４ａ、４４ｂ、４４ｃが配置さ
れている。また、ハーフミラー４１の背後のハーフミラ
ー４２の透過方向には、方位が４５度の検光子４５と、
同様の３色分解光学素子であるＣＣＤ受光素子４６ａ、
４６ｂ、４６ｃが配置され、ハーフミラー４２の反射方
向には、方位が９０度の検光子４７と、同様の３色分解
光学素子であるＣＣＤ受光素子４８ａ、４８ｂ、４８ｃ
が配置されている。

【００４０】白色光源から出射した光は、光ファイバ３
０を通じて照明光学系に導光される。その光束はコンデ
ンサレンズ３１、３２を介して偏光子３３により４５度
の偏光方位を有する直線偏光光束となり、基板面Ｗ上の
所定領域を入射角θで照明する。

【００４１】膜層ｆを設けた基板Ｗの所定領域からの反
射光束は、対物レンズ３４を通り、ハーフミラー３５を
反射し、位置検出系３６において結像レンズ３８によ
り、シャインプルーフの条件により二次元配列のＣＣＤ
受光素子３９上に結像し、この二次元画像はモニタ画面
上に図３に示すように表示される。この二次元画像内か
ら膜厚測定に好適な位置（Xm，Ym）又は領域Ｓを決定す
るために、モニタ画面上に表示されているカーソルＫな
どを移動してこの位置を指定する。

【００４２】また、基板Ｗの所定領域からの反射光束
は、膜層ｆの構造に起因して楕円偏光に変化し、この楕
円偏光光束は対物レンズ３４、ハーフミラー３５を透過
し、膜厚測定系３７に導光される。膜厚測定系３７にお
いては、基板Ｗ面の所定領域を反射した光束は、結像レ
ンズ４０を通り、２個のハーフミラー４１、４２により
３経路に分岐され、それぞれの経路において０度、４５
度、９０度の検光子４３、４５、４７により方位が分離
され、更に３つの波長λ_i(ｉ＝１〜３）に分岐する３色
分解光学素子を介して、シャインプルーフの条件を基に
二次元配列のＣＣＤ受光素子４４ａ〜４４ｃ、４６ａ〜
４６ｃ、４８ａ〜４８ｃに結像する。

【００４３】図１０は膜厚測定系３７の情報処理部の構
成図を示し、ＣＣＤ受光素子４４ａ〜４４ｃ、４６ａ〜
４６ｃ、４８ａ〜４８ｃの出力は、ホストコンピュータ
５０の画像処理ボード５１、外部記憶部の膜厚測定画像
メモリ部５２、画像処理部の膜厚測定好適位置選択部５
３、膜厚測定演算部５４に順次に接続され、膜厚値を演
算するようになっている。

【００４４】各検光子４３、４５、４７別、波長λ_i(ｉ
＝１〜３）別にそれぞれ二次元配列のＣＣＤ受光素子４
４ａ〜４４ｃ、４６ａ〜４６ｃ、４８ａ〜４８ｃ上に結
像した二次元画像情報は、膜厚測定工程の画像処理ボ−
ド５１を介してホストコンピュータ５０の外部記憶部内
の膜厚測定画像メモリ５２に記憶される。

【００４５】次に、この二次元画像情報から、位置検出
工程で得た膜厚測定に好適な位置（Xm，Ym）又は領域Ｓ
の座標に基づいて、対応する画素の受光信号から膜厚測
定演算部５４において膜厚値を算出する。

【００４６】先ず、膜厚測定演算部５４は第１の工程に
おいて、各波長λ_i(ｉ＝１〜３）別に、膜厚値とＰ、Ｓ
偏光の反射振幅比及び位相差の理論的関係を表す第１の
相関テ−ブルと、実際に測定された複数の波長別受光信
号から算出したＰ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の値
とを比較して膜厚値の複数解を求め、これらの複数解の
中から値が最も近い膜厚値の解の組み合わせを選択し、
その選択した膜厚値の解の組み合わせから膜層ｆの膜厚
値を概略的に求める。

【００４７】次に、第２の工程において、第１の相関テ
ーブルよりも細かい膜厚値間隔で、各波長別に膜厚値と
Ｐ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の理論的関係を表す
第２の相関テーブルを作成し、第１の工程で得た概略の
膜厚値を基準に比較範囲を限定し、第１の工程と同様に
実際に測定した複数の波長別受光信号から算出したＰ、
Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の値を、第２の相関テー
ブルと比較して膜厚値を詳細に求める。

【００４８】第１の工程では、３つの波長λ_i(ｉ＝１〜
３）について測定した二次元画像情報から、位置検出工
程で選択決定した膜厚測定に好適な位置（Xm，Ym）、又
は領域Ｓにおける画像信号の平均値の画素に対応した受
光信号の値から、各波長別にＰ、Ｓ偏光の反射振幅比 t
anψ_i 、位相差Δ_i を算出する。

【００４９】例えば、波長λ₁ の場合では、膜厚測定系
３７の二次元配列のＣＣＤ受光素子４４ａ、４６ａ、４
８ａについて、検光子０度、４５度、９０度別の受光信
号をI₀、I₄₅ 、I₉₀ として、Ｈ₁ 、Ｈ₂ を次のようにお
くと、 Ｈ₁ ＝（I₀−I₉₀)／（I₀＋I₉₀) Ｈ₂ ＝（２・I₄₅)／（I₀＋I₉₀)−１

【００５０】反射振幅比 tanψ_i と位相差Δ_i は次式で
表される。 tanψ_i ＝{(１＋Ｈ₁)／（１−Ｈ₁)}^1/2 …(5) Δ_i ＝ tan^-1{(１−Ｈ₁ ²−Ｈ₂ ²)^1/2／Ｈ₂} …(6)

【００５１】膜厚値ｄ_ikとＰ、Ｓ偏光の反射振幅比 tan
ψ_ik、位相差Δ_ikとの理論的関係を表す第１の相関テー
ブルを次の表３〜表５に示す。

【００５２】表３ ｄ_1k tanψ_1k Δ_1k ｄ₁₁ tanψ₁₁ Δ₁₁ ｄ₁₂ tanψ₁₂ Δ₁₂ ｄ₁₃ tanψ₁₃ Δ₁₃ ｄ₁₄ tanψ₁₄ Δ₁₄ ｄ₁₅ tanψ₁₅ Δ₁₅ ｄ₁₆ tanψ₁₆ Δ₁₆ ｄ₁₇ tanψ₁₇ Δ₁₇ ｄ₁₈ tanψ₁₈ Δ₁₈ ｄ₁₉ tanψ₁₉ Δ₁₉ ｄ₁₁₀ tanψ₁₁₀ Δ₁₁₀ ： ： ： ： ： ：

【００５３】表４ ｄ_2k tanψ_2k Δ_2k ｄ₂₁ tanψ₂₁ Δ₂₁ ｄ₂₂ tanψ₂₂ Δ₂₂ ｄ₂₃ tanψ₂₃ Δ₂₃ ｄ₂₄ tanψ₂₄ Δ₂₄ ｄ₂₅ tanψ₂₅ Δ₂₅ ｄ₂₆ tanψ₂₆ Δ₂₆ ｄ₂₇ tanψ₂₇ Δ₂₇ ｄ₂₈ tanψ₂₈ Δ₂₈ ｄ₂₉ tanψ₂₉ Δ₂₉ ｄ₂₁₀ tanψ₂₁₀ Δ₂₁₀ ： ： ： ： ： ：

【００５４】表５ ｄ_3k tanψ_3k Δ_3k ｄ₃₁ tanψ₃₁ Δ₃₁ ｄ₃₂ tanψ₃₂ Δ₃₂ ｄ₃₃ tanψ₃₃ Δ₃₃ ｄ₃₄ tanψ₃₄ Δ₃₄ ｄ₃₅ tanψ₃₅ Δ₃₅ ｄ₃₆ tanψ₃₆ Δ₃₆ ｄ₃₇ tanψ₃₇ Δ₃₇ ｄ₃₈ tanψ₃₈ Δ₃₈ ｄ₃₉ tanψ₃₉ Δ₃₉ ｄ₃₁₀ tanψ₃₁₀ Δ₃₁₀ ： ： ： ： ： ：

【００５５】式(5) 、式(6) において、測定値である受
光信号から算出した各波長別のＰ、Ｓ偏光の反射振幅比
tanψ_i 、位相差Δ_i の値が、表３〜表５の第１の相関
テーブルにある各波長別のＰ、Ｓ偏光の反射振幅比 tan
ψ_ik、位相差Δ_ikと比較してどの値に近いかを、次のＴ
₁ 、Ｔ₂ 、Ｔ₃ による相互の差が小さくなる組み合わせ
から求める。

【００５６】 Ｔ₁(ｋ）＝(tanψ₁ − tanψ_1k)²＋（Δ₁ −Δ_1k)² …(7) Ｔ₂(ｋ）＝(tanψ₂ − tanψ_2k)²＋（Δ₂ −Δ_2k)² …(8) Ｔ₃(ｋ）＝(tanψ₃ − tanψ_3k)²＋（Δ₃ −Δ_3k)² …(9)

【００５７】これら相互の差を小さくする組み合わせは
複数考えられ、複数の組み合わせに対応する膜厚値を各
波長別にｄ_1a、ｄ_2b、ｄ_3cとしたときに、ｄ_1a、ｄ_2b、
ｄ_3cについて相互の差の２乗和が最小になる組み合わせ
を次式から求める。

【００５８】 Ｖ（ａ，ｂ，ｃ）＝（ｄ_1a−ｄ_2b)²＋（ｄ_1a−ｄ_3c)²＋（ｄ_2b−ｄ_3c)² …(10)

【００５９】この値Ｖが最小になるときのｄ_1a、ｄ_2b、
ｄ_3cからその平均値（ｄ_1a＋ｄ_2b＋ｄ_3c）／３を求め、
測定する膜厚の概略値とする。この第１の工程の段階で
は、膜厚測定範囲について或る一定の粗い膜厚値間隔の
相関テーブルに基づいて膜厚値を求めているので、測定
精度が低い状態にある。

【００６０】次に第２の工程では、測定精度を上げるた
めに、第１の工程で得た概略の膜厚値ｄ_a を基準にし
て、第１の相関テーブルより細かい膜厚値間隔で、各波
長別に膜厚値とＰ、Ｓ偏光の反射振幅比 tanψ_ik' 、位
相差Δ_ikの理論的関係を表す次表６〜表８のような第２
の相関テ−ブルを作成する。

【００６１】表６ d_k' tanψ_1k' Δ_1k' d_a−ε tanψ_1a−ε Δ_1a−ε ： ： : d_a tanψ_1a Δ_1a ： ： : d_a＋ε tanψ_1a＋ε Δ_1a＋ε

【００６２】表７ d_k' tanψ_2k' Δ_2k' d_a−ε tanψ_2a−ε Δ_2a−ε ： ： : d_a tanψ_2a Δ_2a ： ： : d_a＋ε tanψ_2a＋ε Δ_2a＋ε

【００６３】表８ d_k' tanψ_3k' Δ_3k' d_a−ε tanψ_3a−ε Δ_3a−ε ： ： : d_a tanψ_3a Δ_3a ： ： : d_a＋ε tanψ_3a＋ε Δ_3a＋ε

【００６４】第１の工程で得た概略の膜厚値ｄ_a を基準
にして、比較範囲である膜厚値の範囲ｄ_k'を例えばｄ_a
±εに限定する。実際の測定値である受光信号から算出
した各波長別のＰ、Ｓ偏光の反射振幅比 tanψ_i 、位相
差Δ_i の値が、表６〜表８の第２の相関テーブルの各波
長別のＰ、Ｓ偏光の反射振幅比 tanψ_ik' 、位相差Δ
_ik' と比較してどの値に近いかを、次のＴ₁'、Ｔ₂'、Ｔ
₃'により相互の差が小さくなる組み合わせから求める。

【００６５】 Ｔ₁'（ｋ')＝(tanψ₁ − tanψ_1k')² ＋（Δ₁ −Δ_1k')² …(11) Ｔ₂'（ｋ')＝(tanψ₂ − tanψ_2k')² ＋（Δ₂ −Δ_2k')² …(12) Ｔ₃'（ｋ')＝(tanψ₃ − tanψ_3k')² ＋（Δ₃ −Δ_3k')² …(13)

【００６６】これら相互の差を小さくする組み合わせは
複数考えられ、これら複数の組み合わせに対応する膜厚
値を各波長別にｄ_1a' 、ｄ_2b' 、ｄ_3c' とすると、これ
らのｄ_1a' 、ｄ_2b' 、ｄ_3c' について相互の差の２乗和
が最小になる組み合わせを次式から求める。

【００６７】 Ｖ'(ａ',ｂ',ｃ') ＝（ｄ_1a' −ｄ_2b')² ＋（ｄ_1a' −ｄ_3c')² ＋（ｄ_2b' −ｄ_3c')² …(14)

【００６８】この値Ｖ’が最小になるときのｄ_1a' 、ｄ
_2b' 、ｄ_3c' により、その平均値（ｄ_1a' ＋ｄ_2b' ＋ｄ
_3c')／３を測定する膜厚の詳細な膜厚値とする。

【００６９】図１１は基板ＷをＳｉ、膜層ｆをＳｉＯ₂
とした試料を使用し、第１の工程による膜厚測定工程に
より求めた結果を示し、図１２は図１１よりも波長数を
増加させた第２の工程による膜厚測定結果を示す。図１
１、図１２共に受光信号I₀、I₄₅ 、I₉₀ が受光信号の各
基準出力に対して０．２％の測定誤差があった場合の測
定精度結果である。図から波長数を増加させた第２工程
後に、図１１に比べて明らかに測定精度が向上している
ことが分かる。このように、第１、第２の工程を実行す
ることにより、膜厚算出の時間を簡略し測定精度の高い
膜厚測定が可能となる。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る膜厚測
定方法は、少なくとも３つの波長別受光信号から求めた
複数解の内の値が最も近い膜厚値の解の組み合わせから
基板面上の膜層の概略膜厚値を求め、全波長別受光信号
から波長別に算出した膜厚値の内の値が最も近い膜厚値
の解の組み合わせを選択する際に、概略膜厚値を基準に
選択範囲を限定して詳細膜厚値を求めることにより、膜
厚算出時間の短縮と高精度な膜厚測定が可能となる。

【００７１】また、本発明に係る膜厚測定方法は、各波
長別に膜厚値とＰ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差との
理論的関係を表す第１の相関テーブルと、実際に測定し
た前記複数の波長別受光信号から算出したＰ、Ｓ偏光の
反射振幅比及び位相差の値とを比較して得た複数解の内
の値が最も近い膜厚値の解の組み合わせを選択して基板
面上の膜層の概略膜厚値を求め、第１の相関テ−ブルよ
り細かい膜厚値間隔で各波長別に膜厚値と、Ｐ、Ｓ偏光
の反射振幅比及び位相差の理論的関係を表す第２の相関
テーブルと、実際に測定した複数の波長別受光信号から
算出したＰ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の値とを比
較して膜厚値を得る際に、第１の工程で得た概略膜厚値
を基準に比較範囲を限定して詳細膜厚値を求めることに
より、膜厚算出時間の短縮と高精度な膜厚測定が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の膜厚測定装置の構成図である。

【図２】分光反射率のグラフ図である。

【図３】二次元画像情報範囲の説明図である。

【図４】膜厚測定系の情報処理の構成図である。

【図５】反射光の説明図である。

【図６】干渉分光強度のグラフ図である。

【図７】膜厚測定精度のグラフ図である。

【図８】膜厚測定精度のグラフ図である。

【図９】第２の実施例の膜厚測定装置の構成図である。

【図１０】膜厚測定系の情報処理の構成図である。

【図１１】膜厚測定精度のグラフ図である。

【図１２】膜厚測定精度のグラフ図である。

【符号の説明】

１、３４ 対物レンズ ２、３、３５、４１、４２ ハーフミラー ７、３０ 光ファイバ １１、１４、３８、４０ 結像レンズ １３、１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃ、３９、４４ａ
〜４４ｃ、４６ａ〜４６ｃ、４８ａ〜４８ｃ ＣＣＤ受
光素子 １５ ダイクロイックミラー ２０、５０ ホストコンピュータ ２４、５４ 膜厚測定演算部 ３３ 偏光子 ４３、４５、４７ 検光子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 武彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 膜層を形成した基板面上の所定領域に光
   源から出射する光束を照射し、該所定領域の膜層による
   干渉光束を複数の波長別に分離して受光し、該複数の波
   長別受光信号である分光反射強度により前記基板面上の
   膜層の膜厚値を測定する膜厚測定方法において、前記複
   数の波長別受光信号の内の少なくとも３つの波長別受光
   信号からそれぞれ波長別に算出した膜厚値の複数解を使
   用し、該複数解の中から値が最も近い膜厚値の解の組み
   合わせを選択し、該選択した膜厚値の解の組み合わせか
   ら前記基板面上の膜層の概略膜厚値を求める第１の工程
   と、全ての波長別受光信号からそれぞれ波長別に算出し
   た膜厚値の複数解を使用し、該複数解の中から値が最も
   近い膜厚値の解の組み合わせを選択する際に、前記第１
   の工程で得た概略膜厚値を基準に選択範囲を限定して詳
   細膜厚値を求める第２の工程とから成ることを特徴とす
   る膜厚測定方法。
2. 【請求項２】 前記波長別受光信号からそれぞれ波長別
   に膜厚値の複数解を算出する計算が不能となる場合は、
   前記受光信号の値をその時の波長による理論的な分光反
   射強度の最大値又は最小値に置換して膜厚値を算出する
   請求項１に記載の膜厚測定方法。
3. 【請求項３】 膜層を形成した基板面上の所定領域に光
   源から出射する光束を照射し、該所定領域の膜層による
   干渉光束を複数の波長別に分離して受光し、該複数の波
   長受光信号から算出したＰ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位
   相差により前記基板面上の膜層の膜厚値を測定する膜厚
   測定方法において、各波長別に膜厚値と前記Ｐ、Ｓ偏光
   の反射振幅比及び位相差との理論的関係を表す第１の相
   関テーブルと、実際に測定した複数の波長別受光信号か
   ら算出した前記Ｐ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の値
   とを比較して得た膜厚値の複数解を使用し、該複数解の
   中から値が最も近い膜厚値の解の組み合わせを選択し、
   該選択した膜厚値の解の組み合わせから前記基板面上の
   膜層の概略膜厚値を求める第１の工程と、前記相関テ−
   ブルよりも細かい膜厚値間隔で各波長別に膜厚値と前記
   Ｐ、Ｓ偏光の反射振幅比及び位相差の理論的関係を表す
   第２の相関テーブルと、実際に測定した前記複数の波長
   別受光信号から算出した前記Ｐ、Ｓ偏光の反射振幅比及
   び位相差の値とを比較して膜厚値を得る際に、前記第１
   の工程で得た概略膜厚値を基準に比較範囲を限定して詳
   細膜厚値を求める第２の工程から成ることを特徴とする
   膜厚測定方法。