KR20210125428A - 광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법 - Google Patents

광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법 Download PDF

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가즈야 나카지마
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오츠카덴시가부시끼가이샤
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Abstract

광학 측정 시스템은, 측정광을 발생하는 광원과, 측정광을 샘플에 조사하여 발생하는 반사광 또는 투과광을 관측광으로서 수광하는 수광부와, 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 관측광 스펙트럼을 취득하는 취득 수단과, 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 얻어지는 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 샘플의 막두께의 초기값을 결정하는 초기값 결정 수단과, 막두께를 파라미터로서 포함하는 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 샘플의 막두께를 결정하는 피팅 수단과, 당해 결정된 막두께가 먼저 취득된 막두께에 기초하는 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하는 판단 수단을 포함한다.

Description

광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법{OPTICAL MEASURING SYSTEM AND OPTICAL MEASURING METHOD}
본 발명은, 측정 대상에 발생하는 광 간섭을 이용하는 광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 웨이퍼의 박편화 프로세스의 진보가 현저하다. 웨이퍼를 박편화함으로써, 다양한 디바이스의 고기능화를 실현할 수 있다. 예를 들면, IC 칩의 박형화, 모바일 디바이스에 사용되는 SiP (System in Package) 의 다층 집적화, CMOS 이미지 센서 등 촬상 소자의 고감도화, 파워 디바이스의 고효율화 등을 실현할 수 있다.
양산화 프로세스에서는, 50 ㎛ ∼ 수 백 ㎛, 장래적으로는 서브 ㎛ 의 박편화 프로세스의 확립이 필요시되고 있다. 이것을 실현하기 위해서는, 박편화 가공 중에 고정밀도이면서 또한 고속으로 웨이퍼의 막두께를 측정할 수 있는 측정 장치가 불가결하다.
웨이퍼의 막두께를 측정하는 배경 기술로서, (1) 접촉식, (2) 정전 용량식, (3) OCT (Optical Coherence Tomography) 방식 등이 알려져 있다.
(1) 접촉식의 선행 기술 문헌으로서, 일본 공개특허공보 2018-179672호는, 측정자를 갖는 접촉식 막두께 측정기를 사용하여 막두께를 측정하는 방법을 개시한다.
(2) 정전 용량식의 선행 기술 문헌으로서, 일본 공개특허공보 2009-109208호는, 측정 대상물과 측정 헤드 사이의 정전 용량을 구하는 정전 용량식 변위계를 복수 대 갖고 있는 측정 장치를 개시한다.
(3) OCT 방식의 선행 기술 문헌으로서, 일본 공개특허공보 2013-205252호는, 도막에 광원으로부터의 광을 조사하고, 당해 도막으로부터의 반사광을 포함하는 간섭광의 강도를 검출함으로써, 당해 도막의 막두께를 측정하는 방법을 개시한다.
일반적인 박편화 프로세스에 있어서, 웨이퍼는, 연삭 가공수에 노출되면서 지석에 의해 깎이고 있다. 그 때문에, 웨이퍼의 막두께는, 비접촉이면서 비침습으로 측정하지 않을 수 없어, 광을 사용한 측정법이 적용된다. 즉, (1) 접촉식 및 (2) 정전 용량식 등은, 박편화 프로세스에 있어서의 웨이퍼의 막두께 측정에는 채용할 수 없다. 또한, (3) OCT 방식은, 막두께 방향의 분해능을 충분히 확보하는 것이 어렵고, 또한, 시스템 구성이 복잡화 및 대형화된다는 과제가 있다.
실리콘을 비롯한 웨이퍼는, 웨이퍼 (반도체) 자체의 에너지 밴드 갭보다 낮은 에너지의 광에 대해서는 투명하므로, 웨이퍼 내부에서 발생하는 광 간섭을 이용하여 막두께를 측정할 수 있다. 특히, 측정 대상인 웨이퍼는, 박편화 가공 중에 있어서 연삭되기 위해서 끊임없이 움직이고 있고, 이러한 측정 대상의 움직임에 대하여 강한 측정법이 요구된다. 이 점에 대해서도, 웨이퍼 내부의 광 간섭은, 그 웨이퍼의 막두께 및 굴절률에만 의존하므로, 측정 대상의 움직임에 섭동 (攝動) 을 받지 않고, 고정밀도로의 측정을 실현할 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은, 측정 대상에 발생하는 광 간섭을 이용하여, 보다 고정밀도로 막두께를 측정하는 수법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 국면에 따른 광학 측정 시스템은, 측정광을 발생하는 광원과, 측정광을 샘플에 조사하여 발생하는 반사광 또는 투과광을 관측광으로서 수광하는 수광부와, 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 관측광 스펙트럼을 취득하는 취득 수단과, 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 얻어지는 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 샘플의 막두께의 초기값을 결정하는 초기값 결정 수단과, 막두께를 파라미터로서 포함하는 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 샘플의 막두께를 결정하는 피팅 수단과, 당해 결정된 막두께가 먼저 취득된 막두께에 기초하는 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하는 판단 수단을 포함한다.
수광부는, 소정의 파장 범위에 대해, 관측광의 파장마다의 강도를 출력하는 분광 검출기를 포함하고 있어도 된다. 취득 수단은, 수광부의 검출 결과에 기초하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색함과 함께, 검출 결과 중 탐색된 2 개의 파장 위치의 사이에 있는 정보로부터 관측광 스펙트럼을 추출하도록 해도 된다.
수광부는, 수광 소자와, 관측광에 포함되는 파장 성분 중 수광 소자에 입사하는 파장 성분을 변경 가능하게 배치된 회절 격자를 포함하고 있어도 된다. 취득 수단은, 수광부의 수광 소자에 입사하는 파장 성분을 순차적으로 다르게 하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색하고, 당해 탐색된 2 개의 파장 위치 사이에 있는 파장 성분을 수광부의 수광 소자에 순차 입사시킴으로써, 관측광 스펙트럼을 취득하도록 해도 된다.
조건은, 동일 또는 다른 샘플로부터 먼저 취득된 막두께에 대한, 금회 결정된 막두께의 오차가 미리 정해진 범위 내인 것을 포함하고 있어도 된다.
샘플의 모델은, 샘플의 내부에 발생하는 광 간섭을 모의한, 막두께 및 광학 정수를 포함하는 수학식이어도 된다.
광학 측정 시스템은, 결정된 막두께가 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 당해 결정된 막두께를 보정하는 보정 수단을 추가로 포함하고 있어도 된다.
광학 측정 시스템은, 결정된 막두께가 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 당해 조건을 만족하고 있지 않음을 통지하는 통지 수단을 추가로 포함하고 있어도 된다.
본 발명의 다른 국면에 따른 광학 측정 방법은, 광원으로부터의 측정광을 샘플에 조사하고, 샘플로부터 발생하는 반사광 또는 투과광인 관측광의 스펙트럼을 취득하는 스텝을 포함한다. 관측광의 스펙트럼은, 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 스펙트럼이다. 광학 측정 방법은, 관측광의 스펙트럼을 푸리에 변환하여 얻어지는 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 샘플의 막두께의 초기값을 결정하는 스텝과, 막두께를 파라미터로서 포함하는 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 샘플의 막두께를 결정하는 스텝과, 당해 결정된 막두께가 먼저 취득된 막두께에 기초하는 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부된 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 2 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 사용되는 분광 검출기의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 포함되는 처리 장치의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 있어서의 막두께 측정에 관련된 처리 순서의 개요를 나타내는 플로차트이다.
도 5 는, 이산 푸리에 변환에 있어서 발생하는 파형의 불연속을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 있어서의 관측광 스펙트럼의 보정 (補整) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은, 도 4 에 나타내는 관측광 스펙트럼을 보정하는 처리 (스텝 S4) 의 보다 상세한 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 8 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 변형예에 사용되는 분광 검출기의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 9 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템의 변형예에 있어서의 관측광 스펙트럼을 취득하기 위한 보다 상세한 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 10 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 있어서 측정된 관측광 스펙트럼으로부터 산출된 파워 스펙트럼의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 도 10 에 나타내는 주목 영역을 확대한 도면이다.
도 12 는, 전처리를 실시하지 않은 경우의 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13 은, 전처리를 실시한 경우의 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에 의한 정상 측정 조건에 관한 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 15 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템에서 정상 측정 조건을 설정하기 위한 인터페이스 화면의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 16 은, 도 4 에 나타내는 정상 측정 조건에 관한 처리 (스텝 S22 및 S24) 의 보다 상세한 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 17 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템이 제공하는 기능 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
<A. 광학 측정 시스템>
먼저, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 구성예에 대하여 설명한다. 광학 측정 시스템 (1) 은, 분광 간섭식의 막두께 측정 장치이다. 이하에서는, 시료에 광을 조사하여 그 반사광을 관측하는 광학계 (반사광 관측계) 에 대하여 주로 설명하지만, 시료에 광을 조사하여 그 투과광을 관측하는 광학계 (투과광 관측계) 에도 당연히 적용 가능하다.
본 명세서에 있어서, 「막두께」는, 임의의 샘플에 포함되는 특정한 층의 두께를 의미한다. 다만, 샘플이 웨이퍼와 같은 균일한 재질로 구성되어 있는 경우에는, 단일의 층만을 가지고 있는 것과 등가이며, 측정되는 막두께는 샘플의 두께를 의미하게 된다. 즉, 본 명세서에 있어서, 「막두께」는, 적층 구조를 갖는 샘플에 포함되는 각 층의 두께만을 의미하는 것이 아니라, 샘플 자체의 두께를 의미하는 경우도 있다.
도 1 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 광학 측정 시스템 (1) 은, 샘플 (2) 에 조사하기 위한 측정광을 발생하는 광원 (10) 과, 측정광을 샘플 (2) 에 조사하여 발생하는 관측광 (반사광 또는 투과광) 을 수광하는 분광 검출기 (20) 와, 분광 검출기 (20) 의 검출 결과가 입력되는 처리 장치 (100) 를 포함한다. 처리 장치 (100) 는, 분광 검출기 (20) 의 검출 결과에 기초하여 샘플 (2) 에 대한 측정 결과 (전형적으로는, 막두께) 를 산출한다. 광원 (10) 과 분광 검출기 (20) 는, 샘플 (2) 을 향한 조사구를 갖는 Y 형 파이버 (4) 를 개재하여, 광학적으로 접속되어 있다.
광학 측정 시스템 (1) 에 있어서는, 광원 (10) 으로부터의 측정광을 샘플 (2) 에 조사하고, 샘플 (2) 내부에서 발생하는 광 간섭에 의해 출현하는 광을 관측함으로써, 샘플 (2) 의 막두께 등을 측정한다.
광원 (10) 은, 소정의 파장 범위를 갖는 측정광을 발생한다. 측정광의 파장 범위는, 샘플 (2) 로부터 측정해야 할 파장 정보의 범위 등에 따라서 결정된다. 광원 (10) 은, 예를 들어 할로겐 램프나 백색 LED 등이 사용된다.
광원 (10) 은, 근적외역의 성분을 포함하는 측정광을 발생하도록 해도 된다. 이 경우에는, 광원 (10) 으로서, ASE (Amplified Spontaneous Emission) 광원을 채용해도 된다.
도 2 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 사용되는 분광 검출기 (20) 의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 2 를 참조하여, 분광 검출기 (20) 는, 소정의 파장 범위에 대해서, 관측광의 파장마다의 강도를 출력한다.
보다 구체적으로는, 분광 검출기 (20) 는, Y 형 파이버 (4) 를 개재하여 입사하는 광을 회절하는 회절 격자 (22) 와, 회절 격자 (22) 에 대응지어 배치되는 복수 채널을 갖는 수광 소자 (24) 와, 수광 소자 (24) 와 전기적으로 접속되고, 처리 장치 (100) 에 검출 결과를 출력하기 위한 인터페이스 회로 (26) 를 포함한다. 수광 소자 (24) 는, 라인 센서 또는 2 차원 센서 등으로 구성되고, 주파 성분마다의 강도를 검출 결과로서 출력할 수 있다.
도 3 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 포함되는 처리 장치 (100) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 3 을 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 프로세서 (102) 와, 주메모리 (104) 와, 입력부 (106) 와, 표시부 (108) 와, 스토리지 (110) 와, 통신 인터페이스 (120) 와, 네트워크 인터페이스 (122) 와, 미디어 드라이브 (124) 를 포함한다.
프로세서 (102) 는, 전형적으로는, CPU (Central Processing Unit) 나 GPU (Graphics Processing Unit) 등의 연산 처리부이고, 스토리지 (110) 에 격납되어 있는 1 또는 복수의 프로그램을 주메모리 (104) 에 판독 출력하여 실행한다. 주메모리 (104) 는, DRAM (Dynamic Random Access Memory) 또는 SRAM (Static Random Access Memory) 와 같은 휘발성 메모리이며, 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행하기 위한 워킹 메모리로서 기능한다.
입력부 (106) 는, 키보드나 마우스 등을 포함하고, 유저로부터의 조작을 접수한다. 표시부 (108) 는, 프로세서 (102) 에 의한 프로그램의 실행 결과 등을 유저에게 출력한다.
스토리지 (110) 는, 하드 디스크나 플래시 메모리 등의 불휘발성 메모리로 이루어지고, 각종 프로그램이나 데이터를 격납한다. 보다 구체적으로는, 스토리지 (110) 는, 오퍼레이팅 시스템 (112) (OS: Operating System) 과, 측정 프로그램 (114) 과, 검출 결과 (116) 와, 측정 결과 (118) 를 유지한다.
오퍼레이팅 시스템 (112) 은, 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행하는 환경을 제공한다. 측정 프로그램 (114) 은, 프로세서 (102) 에 의해 실행됨으로써, 본 실시형태에 따른 광학 측정 방법 등을 실현한다. 검출 결과 (116) 는, 분광 검출기 (20) 로부터 출력되는 데이터를 포함한다. 측정 결과 (118) 는, 측정 프로그램 (114) 의 실행에 의해 얻어지는 측정 결과를 포함한다.
통신 인터페이스 (120) 는, 처리 장치 (100) 와 분광 검출기 (20) 사이에서의 데이터 전송을 중개한다. 네트워크 인터페이스 (122) 는, 처리 장치 (100) 와 외부의 서버 장치 사이에서의 데이터 전송을 중개한다.
미디어 드라이브 (124) 는, 프로세서 (102) 에서 실행되는 프로그램 등을 격납한 기록 매체 (126) (예를 들어, 광학 디스크 등) 로부터 필요한 데이터를 판독 출력하여, 스토리지 (110) 에 격납한다. 또한, 처리 장치 (100) 에 있어서 실행되는 측정 프로그램 (114) 등은, 기록 매체 (126) 등을 통하여 인스톨되어도 되고, 네트워크 인터페이스 (122) 등을 통하여 서버 장치로부터 다운로드되어도 된다.
측정 프로그램 (114) 은, 오퍼레이팅 시스템 (112) 의 일부로서 제공되는 프로그램 모듈 중, 필요한 모듈을 소정의 배열로 소정의 타이밍에 호출하여 처리를 실행시키는 것이어도 된다. 그러한 경우, 당해 모듈을 포함하지 않는 측정 프로그램 (114) 에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 측정 프로그램 (114) 은, 다른 프로그램의 일부에 조합되어 제공되는 것이어도 된다.
또한, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행함으로써 제공되는 기능의 전부 또는 일부를 하드 와이어드 로직 회로 (예를 들어, FPGA (field-programmable gate array) 나 ASIC (application specific integrated circuit) 등) 에 의해 실현해도 된다.
<B. 개요>
본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 은, 분광 간섭식의 광학 측정 장치이다. 광학 측정 시스템 (1) 은, 소정의 파장 범위를 갖는 측정광을 샘플 (2) 에 조사하고, 분광 검출기 (20) 로 샘플 (2) 로부터의 반사광 (반사 간섭광) 또는 투과광 (투과 간섭광) 의 스펙트럼을 측정하고, 당해 스펙트럼을 해석함으로써 샘플 (2) 의 막두께를 산출한다. 스펙트럼을 해석하는 방법으로는, 전형적으로는, 피팅에 의해 해석하는 수법, 및 주파수 해석에 의한 수법을 들 수 있다.
예를 들어, 광학 측정 시스템 (1) 은, 웨이퍼의 제조 공정에 있어서, 막두께의 In-Situ 측정 등에 이용된다. 샘플인 웨이퍼를 연삭하면서 막두께를 실시간 측정하기 위해서는, 샘플 내부에 발생하는 광 간섭을 고속의 분광 검출기 (도 3 에 나타내는 분광 검출기 (20)) 로 측정할 필요가 있다. 분광 검출기 (20) 의 수광 소자 (24) 에는, 예를 들면, 256 ∼ 2048 채널의 Si 베이스의 광전 디바이스 (CCD, NMOS, CMOS 등) 가 어레이상으로 배치된 구성이 채용된다.
샘플의 막두께가 커지면, 샘플 내부에 발생하는 간섭 스펙트럼은 조밀하게 되어, 하나의 간섭 파형을 형성하는 데이터점이 적어지기 때문에, 채널수를 가능한 한 많게 하고 싶지만, 채널수의 증대에는 제한이 있다. 따라서, 측정 파장 레인지를 좁게 하여, 단위 파장당의 채널수를 보다 많게 함으로써, 하나의 간섭 파형을 형성하는 데이터점을 증가시키는 설계가 이루어진다. 단, 측정 파장 레인지가 지나치게 좁으면, 막두께의 측정 가능한 범위가 제한되기 때문에, 측정 파장 레인지를 좁게 하는 것에도 제한이 있다.
상기 서술한 바와 같은 채널수 및 측정 파장 레인지의 제약 하, 본원 발명자들은, 이하에 설명하는 바와 같은 측정의 정밀도를 높이기 위한 다양한 개량에 생각이 미쳤다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서의 막두께 측정에 관련된 처리 순서의 개요를 나타내는 플로차트이다. 도 4 에 나타내는 처리 순서는, 동일 샘플 (2) 에 대하여 복수 회의 측정이 이루어지거나, 및/또는 복수의 샘플 (2) 에 대하여 연속적으로 측정이 이루어지는 경우를 상정하고 있다.
도 4 를 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 측정 위치에 배치된 샘플 (2) 에 대하여 측정광이 조사됨으로써 발생하는 관측광 스펙트럼을 취득한다 (스텝 S2). 즉, 광원 (10) 으로부터의 측정광을 샘플 (2) 에 조사하고, 샘플 (2) 로부터 발생하는 반사광 또는 투과광인 관측광의 스펙트럼을 취득하는 처리가 실행된다.
처리 장치 (100) 는, 취득한 관측광 스펙트럼에 대하여, 후술하는 바와 같은 전처리를 실시하여, 관측광 스펙트럼을 보정한다 (스텝 S4). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 보정된 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 파워 스펙트럼 (실측값) 을 산출하고 (스텝 S6), 산출한 파워 스펙트럼에 출현하는 변곡점 (피크) 의 위치에 기초하여, 후술하는 피팅에 사용되는 막두께의 초기값을 결정한다 (스텝 S8). 이와 같이, 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 얻어지는 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 샘플 (2) 의 막두께의 초기값을 결정하는 처리가 실행된다.
이어서, 샘플 (2) 의 구조를 갖는 모델을 상정한 다음에, 측정된 관측광 스펙트럼과 적합하는 모델의 파라미터가 피팅에 의해 결정된다.
보다 구체적으로는, 처리 장치 (100) 는, 샘플 (2) 의 막두께를 파라미터로서 포함하는 모델을 정의한다 (스텝 S10). 처리 장치 (100) 는, 현재 설정되어 있는 막두께에 기초하여, 정의한 모델의 간섭 스펙트럼을 산출한다 (스텝 S12).
처리 장치 (100) 는, 스텝 S2 에 있어서 취득된 관측광 스펙트럼과, 스텝 S12 에 있어서 산출한 간섭 스펙트럼의 오차에 기초하여, 피팅이 수속 (收束) 되어 있는지 여부를 판단한다 (스텝 S14).
피팅이 수속되어 있지 않은 경우 (스텝 S14 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 관측광 스펙트럼과 간섭 스펙트럼의 오차에 따라서, 모델의 파라미터를 갱신하고 (스텝 S16), 스텝 S12 이하의 처리를 반복한다.
한편, 피팅이 수속되어 있는 경우 (스텝 S14 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 현재의 모델의 파라미터에 대응하는 막두께를 측정 결과로서 결정한다 (스텝 S18).
계속해서, 처리 장치 (100) 는, 동일 또는 동일 종류의 샘플 (2) 에 대한 전회의 측정 결과가 존재하는지 여부를 판단한다 (스텝 S20). 동일 또는 동일 종류의 샘플 (2) 에 대한 전회의 측정 결과가 존재하고 있지 않으면 (스텝 S20 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 스텝 S22 및 S24 의 처리를 스킵한다.
동일 또는 동일 종류의 샘플 (2) 에 대한 전회의 측정 결과가 존재하고 있으면 (스텝 S20 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 금회의 측정 결과가 미리 정해진 정상 측정 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단한다 (스텝 S22).
금회의 측정 결과가 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않으면 (스텝 S22 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 측정 이상에 관한 처리를 실행한다 (스텝 S24). 한편, 금회의 측정 결과가 정상 측정 조건을 만족하고 있으면 (스텝 S22 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 스텝 S24 의 처리를 스킵한다.
처리 장치 (100) 는, 측정 처리의 종료가 지시되었는지 여부를 판단한다 (스텝 S26). 측정 처리의 종료가 지시되어 있지 않으면 (스텝 S26 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 스텝 S2 이하의 처리를 반복한다.
측정 처리의 종료가 지시되어 있으면 (단계 S26 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 측정 처리를 종료한다.
상기 서술한 바와 같은 처리 순서에 의해, 샘플 (2) 의 막두께가 순차 측정된다. 이하, 도 4 에 나타내는 처리 순서에 포함되는 몇 가지 처리의 상세한 것에 대하여 설명한다.
<C. 전처리>
다음으로, 도 4 에 나타내는 처리 순서에 있어서의 관측광 스펙트럼을 보정하는 처리 (스텝 S4) 에 대하여 설명한다.
광학 측정 시스템 (1) 은 샘플 (2) 내부에서 발생하는 광 간섭을 이용하는 것이기 때문에, 관측광 스펙트럼은 주기 성분을 포함하게 된다. 파워 스펙트럼을 산출하기 위한 푸리에 변환은, 이산 푸리에 변환 (DFT) 을 사용하여 실장되는 경우가 많다. 수학적인 푸리에 변환은, 무한히 긴 파형을 전제로 하는 데 대하여, 이산 푸리에 변환에서는, 소정의 길이의 파장 (유한 파장) 이 무한히 반복되고 있는 것을 전제로 한다.
그 때문에, 처리 대상이 되는 유한 파장이 본래의 파장이 가지고 있는 주기의 정수 배로 되어 있으려면 (즉, 유한 파장의 시점 (始點) 과 종점 (終點) 의 위상이 동일한 경우), 유한 파장이 반복된 파장은, 본래의 파장과 실질적으로 동일한 것이 된다. 한편, 유한 파장의 시점과 종점의 위상이 상이한 경우에는, 선행 유한 파장과 후속 유한 파장의 사이의 연속성이 유지되지 않는다.
도 5 는, 이산 푸리에 변환에 있어서 발생하는 파형의 불연속을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(A) 에는, 산출 대상의 파형의 일례를 나타낸다. 도 5(A) 에 나타내는 파형 중 임의의 구간을 추출하는 것을 상정한다.
도 5(B) 에는, 추출된 유한 파형의 시점과 종점의 위상이 동일한 경우를 나타낸다. 이 경우에는, 추출된 유한 파형이 반복 배치됨으로써, 본래의 파형과 실질적으로 동일한 파형을 재현할 수 있다.
이에 대하여, 도 5(C) 에는, 추출된 유한 파형의 시점과 종점의 위상이 동일하지 않은 경우를 나타낸다. 이 경우에는, 추출된 유한 파형이 반복 배치됨으로써, 본래의 파형과는 상이한 파형이 재현된다. 즉, 도 5(C) 에 나타내는 바와 같은 유한 파형을 추출하면, 도 5(C) 의 일점쇄선으로 나타내는 바와 같은 파형에 대하여 푸리에 변환을 실시한 것과 동일한 결과가, 이산 푸리에 변환의 결과로서 출력된다. 즉, 이산 푸리에 변환의 산출 결과는 오차를 포함하게 된다.
그래서, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 은, 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 관측광 스펙트럼을 취득한다. 전형적으로는, 분광 검출기 (20) 에 의해 검출된 스펙트럼을, 시점과 종점의 위상을 일치시킨 관측광 스펙트럼으로 보정한다. 이와 같이 하여 취득된 관측광의 스펙트럼은, 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 스펙트럼에 상당한다.
이하, 시점과 종점의 위상을 일치시킨 관측광 스펙트럼을 취득하기 위한 몇 가지 방법에 대하여 설명한다.
(c1: 관측광 스펙트럼의 보정 방법)
도 6 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서의 관측광 스펙트럼의 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6(A) 에는, 분광 검출기 (20) 의 검출 결과인, 샘플 (2) 로부터 관측된 관측광 스펙트럼의 일례를 나타낸다. 또한, 분광 검출기 (20) 로부터는, 채널마다 (즉, 파장마다) 관측광의 강도가 출력되게 된다. 도 6(A) 에는, 채널마다의 강도를 보간한 연속 파형이 도시되어 있다.
처리 장치 (100) 는, 시점과 종점의 위상을 일치시키기 위해, 검출 결과인 관측광 스펙트럼의 양측으로부터 특정 위상의 위치를 탐색한다. 시점과 종점을 일치시키는 위상의 값은 어느 것이어도 되지만, 예를 들어 관측광 스펙트럼에 출현하는 변곡점에 기초하여, 위상이 일치하는 위치를 결정해도 된다.
도 6(B) 에는, 관측광 스펙트럼에 출현하는 밸리 (파형이 아래로 볼록하게 되는 정점 (頂點)) 에 기초하여, 관측광 스펙트럼으로서 추출하는 구간을 결정하는 예를 나타낸다. 단, 관측광 스펙트럼에 출현하는 피크 (파형이 위로 볼록하게 되는 정점) 를 사용해도 되고, 피크와 밸리의 중간 강도를 사용해도 된다.
통상, 분광 검출기 (20) 는, 1024 채널 등의 이산 푸리에 변환에 적합한 채널수의 강도를 검출 결과로서 출력하도록 구성되어 있다. 단, 도 6(B) 에 나타내는 바와 같이, 관측광 스펙트럼의 일부를 보정된 관측광 스펙트럼으로서 추출한 경우에는, 본래의 채널수보다 적은 채널수의 스펙트럼이 된다. 그래서, 도 6(C) 에 나타내는 바와 같이, 추출한 관측광 스펙트럼을 이산 푸리에 변환에 적합한 채널수로 리샘플링하는 것이 바람직하다.
도 6 에 나타내는 바와 같이, 처리 장치 (100) 는, 보정 처리로서, 분광 검출기 (20) 의 검출 결과에 기초하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색함과 함께, 검출 결과 중 탐색된 2 개의 파장 위치의 사이에 있는 정보로부터 관측광 스펙트럼을 추출한다. 이러한 보정 처리를 실시함으로써, 측정 오차를 저감할 수 있다.
도 7 은, 도 4 에 나타내는 관측광 스펙트럼을 보정하는 처리 (스텝 S4) 의 보다 상세한 순서를 나타내는 플로차트이다. 도 7 을 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 분광 검출기 (20) 의 검출 결과인 채널마다의 강도를 보간하여 관측광 스펙트럼을 생성한다 (스텝 S41). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 생성한 관측광 스펙트럼 중 최소의 채널 번호측으로부터 제 1 변곡점을 탐색하고 (스텝 S42), 또한, 생성한 관측광 스펙트럼 중 최대의 채널 번호측으로부터 제 2 변곡점을 탐색한다 (스텝 S43).
또한, 스텝 S42 및 스텝 S43의 실행 순서는 상관하지 않는다. 또한, 제 1 변곡점 및 제 2 변곡점은, 동일한 종류의 변곡점 (피크 또는 밸리) 인 것으로 한다.
처리 장치 (100) 는, 제 1 변곡점에서부터 제 2 변곡점까지의 구간의 스펙트럼을 추출한다 (스텝 S44). 또한, 처리 장치 (100) 는, 추출한 스펙트럼을 소정의 채널수로 리샘플링하여, 보정된 관측광 스펙트럼을 생성한다 (스텝 S45).
(c2: 관측광 스펙트럼을 취득하는 다른 구성)
도 6 및 도 7 에는, 미리 정해진 파장 범위의 스펙트럼을 출력하는 분광 검출기 (20) 의 검출 결과로부터 관측광 스펙트럼을 보정하는 예에 대해서 설명했지만, 다른 광학계를 이용하여, 시점과 종점의 위상을 일치시킨 관측광 스펙트럼을 취득해도 된다.
도 8 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 변형예에 사용되는 분광 검출기 (20A) 의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 도 8 을 참조하여, 분광 검출기 (20A) 는, 2 개의 요면경 (204 및 206) 과, 회전 가능하게 구성된 회절 격자 (22) 와, 단일의 채널을 갖는 수광 소자 (28) 를 포함한다.
샘플 (2) 로부터의 광은, 분광 검출기 (20A) 의 광학 슬릿 (202) 을 통과한 후, 요면경 (204), 회절 격자 (22) 및 요면경 (206) 의 순으로 전파되고, 광학 슬릿 (208) 을 통과하여 수광 소자 (28) 에 입사한다.
회절 격자 (22) 는, 입사한 광을 파장에 따른 방향으로 반사한다. 예를 들면, 회절 격자 (22) 에 입사한 광이 파장 f1, f2, f3 의 성분을 포함하고 있다고 하면, 파장 f1, f2, f3 의 각각의 성분은, 각 파장에 따른 방향으로 반사된다. 최종적으로, 광학 슬릿 (208) 을 통과하는 광학 경로가 형성되는 성분 (파장) 만이 수광 소자 (28) 에 의해 검출되게 된다.
분광 검출기 (20A) 에 있어서, 회절 격자 (22) 는 회전 가능하게 구성되어 있고, 수광 소자 (28) 에 입사하는 파장 성분은, 회절 격자 (22) 의 회전 각도에 의존하게 된다. 즉, 회절 격자 (22) 의 회전 각도를 적절하게 제어함으로써, 수광 소자 (28) 에 입사하는 파장 성분을 순차 변경하는, 즉 파장을 따른 주사를 실현할 수 있다. 이와 같이, 회절 격자 (22) 는, 관측광에 포함되는 파장 성분 중 수광 소자 (28) 에 입사하는 파장 성분을 변경 가능하게 배치되어 있다.
예를 들면, 관측광 스펙트럼을 주사해 나가, 특정 위상을 나타내는 위치 (예를 들면, 어느 하나의 변곡점) 를 찾아내고, 그것들의 위치 중 임의의 2 점을 시점 및 종점으로 설정함으로써, 이산 푸리에 변환의 대상이 되는 관측광 스펙트럼을 결정할 수 있다.
도 9 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 의 변형예에 있어서의 관측광 스펙트럼을 취득하기 위한 보다 상세한 순서를 나타내는 플로차트이다. 또한, 도 9 에 나타내는 처리는, 도 4 에 나타내는 관측광 스펙트럼을 취득하는 처리 (스텝 S2) 및 관측광 스펙트럼을 보정하는 처리 (스텝 S4) 를 대신하여 실행된다.
도 9 를 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 분광 검출기 (20A) 에 대하여, 임의의 하한 파장으로부터의 주사를 지시하고 (스텝 S21), 분광 검출기 (20A) 로부터 출력되는 검출 결과에 변곡점이 발생하는 파장을 탐색한다 (스텝 S22). 처리 장치 (100) 는, 탐색에 의해 얻어진 파장을 측정 개시 파장으로서 결정한다 (스텝 S23).
또한, 처리 장치 (100) 는, 분광 검출기 (20A) 에 대하여, 임의의 상한 파장으로부터의 주사를 지시하고 (스텝 S24), 분광 검출기 (20A) 로부터 출력되는 검출 결과에 변곡점이 발생하는 파장을 탐색한다 (스텝 S25). 처리 장치 (100) 는, 탐색에 의해 얻어진 파장을 측정 종료 파장으로서 결정한다 (스텝 S26).
그리고, 처리 장치 (100) 는, 분광 검출기 (20A) 에 대하여, 스텝 S23 에 있어서 결정된 측정 개시 파장으로부터, 스텝 S26 에 있어서 결정된 측정 종료 파장까지의 주사를 지시하고 (스텝 S27), 순차 출력되는 검출 결과와 파장을 대응지어, 관측광 스펙트럼으로서 격납한다 (스텝 S28).
이와 같이, 도 8 에 나타내는 바와 같은 분광 검출기 (20A) 를 채용한 경우에는, 처리 장치 (100) 는, 분광 검출기 (20A) 의 수광 소자 (28) 에 입사하는 파장 성분을 순차 다르게 하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색하고, 당해 탐색된 2 개의 파장 위치의 사이에 있는 파장 성분을 분광 검출기 (20A) 의 수광 소자 (28) 에 순차 입사시킴으로써, 관측광 스펙트럼을 취득한다. 이러한 관측광 스펙트럼을 사용함으로써, 측정 오차를 저감할 수 있다.
(c3: 측정 결과예)
상기 서술한 바와 같은 시점과 종점의 위상을 동일하게 한 관측광 스펙트럼을 사용한 경우의 측정 결과의 일례에 대하여 설명한다.
도 10 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (10) 에 있어서 측정된 관측광 스펙트럼으로부터 산출된 파워 스펙트럼의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11 은, 도 10 에 나타내는 주목 영역을 확대한 도면이다.
도 10 을 참조하여, 파워 스펙트럼은, 횡축이 샘플 (2) 의 막두께를 나타내고, 종축이 파워를 나타낸다. 파워 스펙트럼에는, 측정 대상인 샘플 (2) 의 막두께에 상당하는 위치에 피크 (변곡점) 가 발생한다. 파워 스펙트럼의 탐색, 혹은, 모델로부터 산출된 파워 스펙트럼 (이론값) 과의 피팅에 의해, 피크의 위치를 결정함으로써, 샘플 (2) 의 막두께를 산출할 수 있다.
푸리에 변환에 의해 산출되는 파워 스펙트럼의 횡축의 분해능 (막두께의 피치) 은, 분광 검출기 (20) 의 수광 소자 (24) 에 입사하는 파장 범위와, 분광 검출기 (20) 의 채널수 (파장 분해능) 에 의존하여 정해진다. 통상, 파워 스펙트럼의 분해능은, 요구되는 측정 정밀도에 대하여 충분하지 않기 때문에, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 파워 스펙트럼의 피크 근방의 데이터점을 다항식 등에 의해 보간 (내삽) 하는 처리가 실시된다.
도 11 을 참조하여, 전처리를 실시하지 않는 경우에는, 파워 스펙트럼을 구성하는 데이터점 (□ 점) 이 본래의 피크의 위치에 존재한다고는 할 수 없고, 그 근방에 위치하는 경우도 있다. 이러한 데이터 점의 분포를 보간하였다고 해도, 피크의 위치에 대한 불확정성이 남는다.
이에 대하여, 전처리를 실시함으로써, 파워 스펙트럼을 구성하는 데이터점 (◇ 점) 은, 본래의 피크의 위치에 존재하게 된다. 이러한 데이터점의 분포가 얻어짐으로써, 보간 처리에 의해, 파워 스펙트럼의 분해능을 높일 수 있다.
<Ｄ．피팅>
다음으로, 도 4 에 나타내는 처리 순서에 있어서의 피팅 (스텝 S10 ∼ S18) 에 대하여 설명한다. 피팅에 있어서는, 막두께를 파라미터로서 포함하는 샘플 (2) 의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 샘플 (2) 의 막두께를 결정한다.
보다 구체적으로는, 막두께 d1 및 기지의 광학 정수 (定數) (굴절률 n1 과 소쇠 계수 k1) 를 갖는 모델을 상정하여, 간섭 스펙트럼이 산출된다. 이하에서는, 반사광 관측계에 의해 얻어지는 반사율 간섭 스펙트럼에 대해 설명하지만, 투과광 관측계에 의해 얻어지는 투과율 간섭 스펙트럼에 대해서도 동일한 순서로 산출할 수 있다.
우선, 공기 (복소 굴절률 N0) 중에 샘플 (복소 굴절률 N1) 이 배치되어 있는 상태를 상정한다. 복소 굴절률 N0 및 복소 굴절률 N1 은, 이하의 (1-1) 식 및 (1-2) 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, n0 (= 1) 은 공기의 굴절률이고, n1 은 샘플의 굴절률이고, k1 은 샘플의 소쇠 계수이고, j 는 허수 단위이다.
샘플 내부에서의 다중 반사를 고려하여, 샘플에서 발생하는 반사광 (공기 → 샘플 → 공기) 의 진폭 반사율 r01 과, 위상 인자 β1 을 도입한다.
진폭 반사율 r01 에 대해, 프레넬 계수로부터, s 편광의 진폭 반사율 및 p 편광의 진폭 반사율을 산출한다. 측정광이 샘플에 대하여 수직으로 입사하는 경우에는, s 편광과 p 편광의 차이는 없어지므로, 어느 것도 동일한 진폭 반사율 r01 로서 취급할 수 있다.
여기서, 샘플의 광학 정수를 상정하면, 굴절률 n1 과 비교하여 소쇠 계수 k1 은 충분히 작다 (n1＞＞k1 : 일례로서 n1 ≒ 3 ∼ 4, k1 ≒ 10-5 ∼ 10-4). 그 때문에, 소쇠 계수 k1 ≒ 0 으로 근사하면, 이하의 (2) 식과 같은 근사식을 얻을 수 있다. 이때, 진폭 반사율 r01 및 위상 인자 β1 은, 모두 실수가 된다. (2) 식 중의 강도 반사율 R 이 반사율 간섭 스펙트럼이 된다.
Figure pat00002
이와 같이, 샘플의 모델은, 샘플의 내부에 발생하는 광 간섭을 모의한, 막두께 및 광학 정수를 포함하는 수학식이 채용된다.
강도 반사율 R 에 대해, 샘플 표면에서의 반사광과, 샘플 이면에서의 반사광이 상쇄되는 간섭을 일으키는 조건은, 이하의 (3) 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, 2m+1 은 간섭 차수이고, m 은 간섭 차수 인덱스 (m = 1, 2, 3, ...) 이고, n1(λ) 는 샘플의 굴절률 n1 이 파장 λ 에 대한 파장 의존성을 가지고 있는 것을 나타낸다.
위상 인자 β1 은, 샘플의 막두께 d1 을 변수로서 포함하고 있고, 피팅에 있어서는, 샘플의 막두께 d1 을 초기값 (도 4 의 스텝 S8 에 있어서 결정됨) 으로 설정한 후, 산출되는 강도 반사율 R (반사율 간섭 스펙트럼) 과 측정된 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 막두께 d1 을 순차 변화시킨다. 예를 들어, 피팅의 수법으로서, 최소 제곱법을 채용하는 경우에는, 강도 반사율 R 과 관측광 스펙트럼 사이의 오차 (예를 들어, 잔차 제곱합) 를 최소화하도록, 막두께 d1 을 순차 변화시킨다.
단, 피팅에 있어서는, 간섭 차수 인덱스 m 도 변동 파라미터가 될 수 있다.
＜E. 측정 결과예＞
다음으로, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 의한 측정 결과의 일례에 대하여 설명한다. 샘플의 일례로서, 2 장의 유리판을 비평행하게 배치하고, 유리판 사이의 공극을 경사적으로 변화시킨 의사 (擬似) 샘플에 대하여 측정을 실시하였다.
도 12 는, 전처리를 실시하지 않은 경우의 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 도 13 은, 전처리를 실시한 경우의 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12(A) 및 도 13(A) 에는, 의사 샘플 (50) 의 단면 구조의 일례를 나타낸다. 의사 샘플 (50) 은, 상측에 배치된 유리판 (51) 과, 하측에 배치된 유리판 (52) 을 포함한다. 유리판 (51) 과 유리판 (52) 사이에는, 공극 (53) 이 존재하게 되고, 광학 측정 시스템 (1) 은, 공극 (53) 의 막두께를 측정하게 된다. 도 12(B) 및 도 13(B) 에 나타내는 측정 결과의 예에 있어서는, 지면 횡방향을 따라서 200 포인트의 막두께를 측정하여 얻어진 면내 분포 (막두께 프로파일) 를 나타낸다.
도 12(B) 에 나타내는 측정 결과에는, 본래 직선적으로 변화해야 할 막두께 프로파일에 굴곡이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이 막두께 프로파일에 발생하는 굴곡은, 파워 스펙트럼의 분해능이 요구되는 측정 정밀도에 대하여 충분하지 않은 것에서 기인한다. 상기 서술한 도 11 에 나타내는 바와 같이, 전처리를 실시하지 않는 경우에는, 파워 스펙트럼의 피크의 위치에 데이터점 (□ 점) 이 존재한다고는 할 수 없다. 피크의 위치에 데이터점이 존재하지 않는 경우에는, 파워 스펙트럼의 파형을 정확하게 재현할 수 없어, 파워 스펙트럼으로부터 판독되는 피크의 위치의 정밀도가 저하된다. 또한, 판독되는 피크의 위치는 치우치게 된다.
이에 대해, 도 13(B) 에 나타내는 측정 결과에는, 직선적으로 변화하는 막두께 프로파일이 나타나 있다. 이것은, 전처리에 의해 관측광 스펙트럼을 보정함으로써, 파워 스펙트럼의 피크의 위치에 데이터점 (◇ 점) 이 존재하게 된다. 이것에 의해, 피크의 위치에 관하여, 파워 스펙트럼의 파형을 보다 정확하게 재현할 수 있어, 파워 스펙트럼으로부터 판독되는 피크의 위치의 판독 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 은, 파워 스펙트럼으로부터 판독되는 피크의 위치에 기초하여 결정되는 막두께를 그대로 측정값으로 하는 것이 아니라, 피팅을 추가로 적용함으로써, 보다 측정 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 파워 스펙트럼으로부터 판독되는 피크의 위치의 치우침에 의해, 피팅에 있어서 잘못된 간섭 차수가 결정될 가능성이 있다. 상기 서술한 바와 같은 전처리를 실시함으로써, 이러한 간섭 차수를 잘못 결정할 가능성을 저감할 수 있다.
＜F. 정상 측정 조건＞
다음으로, 도 4 에 나타내는 처리 순서에 있어서의 정상 측정 조건의 감시 (스텝 S22 ∼ S24) 에 대하여 설명한다. 정상 측정 조건의 감시에 있어서는, 피팅에 의해 결정된 막두께가 먼저 취득된 막두께에 기초하는 정상 측정 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하는 처리가 실행된다.
상기 서술한 바와 같이, 피팅에 의한 샘플 (2) 의 막두께를 결정하는 처리에 있어서는, 잘못된 간섭 차수를 결정할 가능성이 있다. 이 경우에는, 본래의 막두께에 대하여, 미리 정해진 크기의 오차만큼 떨어진 값을 측정 결과로서 결정할 수 있다. 그래서, 연속적인 측정에 있어서는, 앞의 측정 결과에 기초하여, 정상적으로 측정되고 있는지의 여부를 판단할 수 있다.
그래서, 먼저 취득된 측정 결과에 기초한 정상 측정 조건을 채용함으로써, 오측정 (피팅이 수속되어 있다고 잘못된 판단) 의 검출 및 그 보정도 가능해진다.
도 14 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 의한 정상 측정 조건에 관한 처리를 설명하기 위한 도면이다. 동일한 샘플 (2) 에 대한 복수 회의 측정, 혹은 동일 종류의 샘플 (2) 에 대한 연속적인 측정을 상정한다. 이러한 측정에 있어서는, 거의 동일한 측정 결과가 출력되는 것이 예정되어 있다.
그러나, 도 14 에 도시한 바와 같이, 오측정이 발생할 가능성도 있다. 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 이 채용하는 광학 측정 방법에 있어서는, 간섭 차수의 어긋남으로 인한 이산적인 오차가 발생한다고 하는 특징이 있으므로, 이 이산적인 오차에 대해서는, 앞의 측정 결과에 기초하여 검출이 가능해진다. 그래서, 정상 측정 조건으로는, 동일 또는 다른 샘플로부터 먼저 취득된 막두께에 대한, 금회 결정된 막두께의 오차가 미리 정해진 범위 내인 것을 포함하도록 해도 된다.
또한, 오측정이 발생한 경우에는, 피팅을 다시 실행하도록 해도 되지만, 발생하는 오차의 크기는 미리 산출할 수 있으므로, 사후적으로 보정하도록 해도 된다.
도 15 는, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 정상 측정 조건을 설정하기 위한 인터페이스 화면 (300) 의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 15 를 참조하여, 인터페이스 화면 (300) 은, 유효화 스위치 (302) 와, 보정량 설정란 (304) 과, 판정 변화량 설정란 (306) 과, 판정 상하한량 설정란 (308) 을 포함한다.
유효화 스위치 (302) 에는, 정상 측정 조건에 기초하는 판단의 유효화/무효화의 설정을 접수한다. 보정량 설정란 (304) 은, 오측정이 발생했다고 판단되었을 때의 보정량의 설정을 접수한다. 판정 변화량 설정란 (306) 은, 오측정이 발생했다고 판단하기 위한 제 1 임계값의 설정을 접수한다. 판정 상하한량 설정란 (308) 은, 오측정이 아니라, 측정 자체에 어떠한 문제가 있었다고 판단하기 위한 제 2 임계값의 설정을 접수한다.
도 16 은, 도 4 에 나타내는 정상 측정 조건에 관한 처리 (스텝 S22 및 S24) 의 보다 상세한 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 16 을 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 금회의 측정 결과와 미리 설정된 기준값과의 오차를 산출한다 (스텝 S221). 처리 장치 (100) 는, 산출된 오차의 절대값이 판정 상하한량 설정란 (308) (도 15 참조) 에 설정된 제 2 임계값을 초과하고 있는지 여부를 판단한다 (스텝 S222). 산출된 오차의 절대값이 제 2 임계값을 초과하고 있으면 (단계 S222 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 측정 자체의 이상이라고 판단한다 (단계 S223). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 금회의 측정 결과에 대하여 측정 이상이란 정보를 부가한다 (스텝 S241).
한편, 산출된 오차의 절대값이 제 2 임계값을 초과하지 않으면 (스텝 S222 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 산출된 오차의 절대값이 판정 변화량 설정란 (306) (도 15 참조) 에 설정된 제 1 임계값을 초과하고 있는지 여부를 판단한다 (스텝 S224). 산출된 오차의 절대값이 제 1 임계값을 초과하고 있으면 (스텝 S224 에 있어서 예), 처리 장치 (100) 는, 오측정이 발생했다고 판단한다 (스텝 S225). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 산출된 오차의 방향 (정 (正) 방향 혹은 부 (負) 방향) 에 따라서, 보정량 설정란 (304) (도 15 참조) 에 설정된 보정량을 측정 결과에 감산 또는 가산하여, 보정 후의 측정 결과를 산출한다 (스텝 S242). 이와 같이, 피팅에 의해 결정된 막두께가 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 당해 결정된 막두께를 보정하는 처리를 실행해도 된다.
산출된 오차의 절대값이 제 1 임계값을 초과하지 않으면 (스텝 S224 에 있어서 아니오), 처리 장치 (100) 는, 오측정은 발생하지 않았다고 판단한다 (스텝 S226). 이 경우에는, 아무런 처리를 실시하지 않아도 된다. 단, 금회의 측정 결과에 대하여 측정 정상이라는 정보를 부가해도 된다.
또한, 미리 설정된 기준값은, 전회의 측정 결과를 그대로 이용해도 되고, 정상적으로 측정된 과거의 복수의 측정 결과로부터 산출된 평균값을 이용해도 된다. 혹은, 샘플의 사전의 설계값을 채용해도 된다.
또한, 보정량 설정란 (304) 에 설정되는 보정량은, 피팅에 사용되는 초기값으로서 결정된 막두께에 따라서 미리 설정되어도 된다. 혹은, 오측정이 발생했을 때에 발생한 오차의 평균값을 보정량으로 설정해도 된다.
또한, 간섭 차수가 하나 만큼 어긋나는 것이 아니라, 2 이상 어긋날 가능성을 고려하면, 산출된 오차의 크기에 따라서, 보정량 설정란 (304) 에 설정되는 보정량의 정수 배를, 측정 결과에 감산 또는 가산하여 보정 후의 측정 결과를 산출해도 된다.
또한, 상기 서술한 처리 순서에서는, 측정 이상에 관한 처리 (스텝 S24) 로서, 측정 결과를 보정하는 처리를 예시하지만, 이것에 한정되지 않고, 오측정이 발생한 것을 통지 혹은 기록하는 처리를 포함시켜도 된다. 즉, 피팅에 의해 결정된 막두께가 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않음을 통지하는 처리를 실행해도 된다.
그리고, 측정 이상에 관한 처리 (단계 S24) 로서, 측정 결과를 보정하는 것이 아니라, 피팅을 재차 실행하도록 해도 된다.
이상과 같은 처리에 의해, 오측정이 발생한 경우에도, 적절하게 발견 및 보정할 수 있다.
＜G. 기능 구성＞
도 17 은, 본 실시형태에 따른 광학 측정 시스템 (1) 이 제공하는 기능 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 17 에 나타내는 각 기능은, 전형적으로는, 광학 측정 시스템 (1) 의 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 측정 프로그램 (114) 을 실행함으로써 실현되어도 된다. 또한, 도 17 에 나타내는 기능 구성을 실현하는 하드웨어는 각 시대에 따라서 적절한 것이 선택된다.
도 17 을 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 기능 구성으로서, 스펙트럼 취득 모듈 (150) 과, 푸리에 변환 모듈 (160) 과, 초기값 결정 모듈 (162) 과, 피팅 모듈 (164) 과, 판단 모듈 (166) 과, 보정 모듈 (168) 과, 통지 모듈 (170) 을 포함한다.
스펙트럼 취득 모듈 (150) 은, 측정광을 샘플에 조사하여 발생하는 관측광 (반사광 또는 투과광) 의 스펙트럼을 취득한다. 스펙트럼 획득 모듈 (150) 은, 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간을 관측광 스펙트럼으로서 출력한다.
보다 구체적으로는, 스펙트럼 취득 모듈 (150) 은, 버퍼 (152) 와, 전처리 모듈 (154) 과, 분광 검출기 제어 모듈 (156) 을 포함한다. 버퍼 (152) 는, 분광 검출기 (20) 의 검출 결과를 격납한다. 전처리 모듈 (154) 은, 버퍼 (152) 에 격납된 분광 검출기 (20) 의 검출 결과 (분광 검출기 (20) 의 파장 범위의 스펙트럼) 에 기초하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색함과 함께, 검출 결과 중 탐색된 2 개의 파장 위치의 사이에 있는 정보로부터 관측광 스펙트럼을 추출한다.
분광 검출기 제어 모듈 (156) 은, 필요에 따라서, 분광 검출기 (20) 에 대하여 지시를 내린다. 예를 들면, 도 8 에 나타내는 바와 같은 분광 검출기 (20A) 를 채용한 경우에는, 보정된 관측광 스펙트럼을 취득하기 위해, 분광 검출기 제어 모듈 (156) 은, 분광 검출기 (20A) 에 대해 검출 대상으로 하는 파장에 대한 지시 등을 내린다. 보다 구체적으로는, 분광 검출기 제어 모듈 (156) 은, 분광 검출기 (20A) 의 수광 소자 (28) 에 입사하는 파장 성분을 순차 다르게 하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색하고, 당해 탐색된 2 개의 파장 위치의 사이에 있는 파장 성분을 분광 검출기 (20A) 의 수광 소자 (28) 에 순차 입사시킴으로써, 관측광 스펙트럼을 취득한다.
푸리에 변환 모듈 (160) 은, 스펙트럼 취득 모듈 (150) 에 의해 취득된 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 파워 스펙트럼을 산출한다. 초기값 결정 모듈 (162) 은, 푸리에 변환 모듈 (160) 에 의해 산출된 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 샘플의 막두께의 초기값을 결정한다.
피팅 모듈 (164) 은, 스펙트럼 취득 모듈 (150) 에 의해 취득된 관측광 스펙트럼에 대한 피팅에 의해 샘플의 막두께를 결정한다. 보다 구체적으로는, 피팅 모듈 (164) 은, 막두께를 파라미터로서 포함하는 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 샘플의 막두께를 결정한다.
판단 모듈 (166) 은, 피팅 모듈 (164) 에 의해 결정된 막두께가, 먼저 취득된 측정 결과에 기초하는 정상 측정 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단한다.
보정 모듈 (168) 은, 피팅 모듈 (164) 에 의해 결정된 막두께가 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 당해 결정된 막두께를 보정한다.
통지 모듈 (170) 은, 피팅 모듈 (164) 에 의해 결정된 막두께가 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않음을 통지한다.
＜H. 변형예＞
상기 서술한 설명에 있어서는, 보정된 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 산출되는 파워 스펙트럼 (실측값) 은, 후속 피팅에 사용되는 막두께의 초기값을 결정하기 위해 사용되는 예를 나타내지만, 파워 스펙트럼 (실측값) 으로부터 결정되는 막두께를 그대로 측정 결과로서 출력해도 된다. 이 경우에 있어서도, 시점과 종점의 위상을 일치시킨 관측광 스펙트럼으로 보정하는 처리는, 측정 정밀도를 높이기 위해서 유효하다.
또한, 상기 서술한 설명에 있어서는, 광학 측정 시스템 (1) 의 처리 장치 (100) 가 필요한 처리를 실행하는 구성예에 대하여 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 복수의 처리 장치에서 처리를 분담해도 되고, 일부의 처리를 분광 검출기 (20) 가 담당하도록 해도 된다. 또한, 도시하지 않은 네트워크 상의 컴퓨팅 리소스 (소위 클라우드) 가 필요한 처리의 전부 또는 일부를 담당하도록 해도 된다.
＜I. 정리＞
본 실시형태에 따른 광학 측정 장치에 있어서는, 샘플로부터 취득된 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 산출되는 파워 스펙트럼에 기초하여 막두께의 초기값을 결정함과 함께, 당해 결정된 막두께의 초기값을 사용하여, 관측광 스펙트럼과 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼을 피팅함으로써, 샘플의 막두께를 결정한다. 이러한 푸리에 변환을 사용하는 방법과 피팅을 사용하는 방법을 통합한 측정 방법을 채용함으로써, 각각의 방법의 이점을 이용하여, 막두께의 측정 정밀도를 높일 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 측정 장치에 있어서는, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 관측광 스펙트럼 (보정된 관측광 스펙트럼) 을 사용하여, 막두께를 산출하기 위한 처리를 실행함으로써, 막두께의 측정 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 윈도우 함수 등을 사용하여 해석 범위의 양단의 진폭을 제로로 하는 방법도 상정되지만, 윈도우 함수 등을 사용함으로써 반대로 오차가 발생할 가능성이 있다. 이에 대해, 본 실시형태에 있어서는, 양단의 위상이 동일해지도록 특정한 파장 구간을 추출하는 방법을 채용함으로써, 윈도우 함수를 이용함으로써 발생하는 오차를 방지할 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 측정 장치에 있어서는, 관측광 스펙트럼과 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼을 피팅함으로써, 샘플의 막두께를 결정하지만, 간섭 차수가 커지면, 잘못된 간섭 차수로 피팅이 수속되어 있다고 판단될 가능성이 있다. 본 실시형태에 따른 광학 측정 장치에 있어서는, 보정된 관측광 스펙트럼을 사용함으로써, 피팅에 사용되는 막두께의 초기값의 결정 정밀도를 높일 수 있으므로, 잘못된 간섭 차수로 피팅이 수속되어 있다고 판단될 가능성을 저감할 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 측정 장치에 있어서는, 산출된 막두께가 정상 측정 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하고, 정상 측정 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 필요에 따라, 측정된 막두께를 보정한다. 이러한 정상 측정 조건에 대한 판단 처리 및 막두께에 대한 보정 처리를 채용함으로써, 만일, 잘못된 간섭 차수로 피팅이 수속되어 있다고 판단된 경우에도, 그 검지 및 보정이 가능하게 된다.
본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였지만, 금회 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아닌 것으로 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 광학 측정 시스템,
2 : 샘플,
4 : Y 형 파이버,
10 : 광원,
20, 20A : 분광 검출기,
22 : 회절 격자,
24, 28 : 수광 소자,
26 : 인터페이스 회로,
50 : 의사 샘플,
51, 52 : 유리판,
53 : 공극,
100 : 처리 장치,
102 : 프로세서,
104 : 주메모리,
106 : 입력부,
108 : 표시부,
110 : 스토리지,
112 : 오퍼레이팅 시스템,
114 : 측정 프로그램,
116 : 검출 결과,
118 : 측정 결과,
120 : 통신 인터페이스,
122 : 네트워크 인터페이스,
124 : 미디어 드라이브,
126 : 기록 매체,
150 : 스펙트럼 취득 모듈,
152 : 버퍼,
154 : 전처리 모듈,
156 : 분광 검출기 제어 모듈,
160 : 푸리에 변환 모듈,
162 : 초기값 결정 모듈,
164 : 피팅 모듈,
166 : 판단 모듈,
168 : 보정 모듈,
170 : 통지 모듈,
202, 208 : 광학 슬릿,
204, 206 : 요면경,
300 : 인터페이스 화면,
302 : 유효화 스위치,
304 : 보정량 설정란,
306 : 판정 변화량 설정란,
308 : 판정 상하한량 설정란.

Claims (8)

  1. 측정광을 발생하는 광원과,
    상기 측정광을 샘플에 조사하여 발생하는 반사광 또는 투과광을 관측광으로서 수광하는 수광부와,
    상기 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 관측광 스펙트럼을 취득하는 취득 수단과,
    상기 관측광 스펙트럼을 푸리에 변환하여 얻어지는 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 상기 샘플의 막두께의 초기값을 결정하는 초기값 결정 수단과,
    막두께를 파라미터로서 포함하는 상기 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 상기 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 상기 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 상기 샘플의 막두께를 결정하는 피팅 수단과,
    당해 결정된 막두께가 먼저 취득된 막두께에 기초하는 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하는 판단 수단을 구비하는, 광학 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는, 소정의 파장 범위에 대해, 상기 관측광의 파장마다의 강도를 출력하는 분광 검출기를 포함하고,
    상기 취득 수단은, 상기 수광부의 검출 결과에 기초하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색함과 함께, 상기 검출 결과 중 탐색된 2 개의 파장 위치 사이에 있는 정보로부터 상기 관측광 스펙트럼을 추출하는, 광학 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는, 수광 소자와, 상기 관측광에 포함되는 파장 성분 중 상기 수광 소자에 입사하는 파장 성분을 변경 가능하게 배치된 회절 격자를 포함하고,
    상기 취득 수단은, 상기 수광부의 수광 소자에 입사하는 파장 성분을 순차 다르게 하여, 동일한 위상을 나타내는 2 개의 파장 위치를 탐색하고, 당해 탐색된 2 개의 파장 위치 사이에 있는 파장 성분을 상기 수광부의 수광 소자에 순차 입사시킴으로써, 상기 관측광 스펙트럼을 취득하는, 광학 측정 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조건은, 동일 또는 다른 샘플로부터 먼저 취득된 막두께에 대한, 금회 결정된 막두께의 오차가 미리 정해진 범위 내인 것을 포함하는, 광학 측정 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플의 모델은, 상기 샘플의 내부에 발생하는 광 간섭을 모의한, 막두께 및 광학 정수를 포함하는 수학식인, 광학 측정 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 막두께가 상기 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 당해 결정된 막두께를 보정하는 보정 수단을 추가로 구비하는, 광학 측정 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정된 막두께가 상기 조건을 만족하고 있지 않다고 판단되면, 당해 조건을 만족하고 있지 않음을 통지하는 통지 수단을 추가로 구비하는, 광학 측정 시스템.
  8. 광원으로부터의 측정광을 샘플에 조사하고, 상기 샘플로부터 발생하는 반사광 또는 투과광인 관측광의 스펙트럼을 취득하는 스텝을 구비하고, 상기 관측광의 스펙트럼은, 상기 관측광에 포함되는 파장 범위 중, 양단의 위상이 동일해지도록 설정된 파장 구간의 스펙트럼이고,
    상기 관측광의 스펙트럼을 푸리에 변환하여 얻어지는 파워 스펙트럼에 출현하는 피크의 위치에 기초하여 상기 샘플의 막두께의 초기값을 결정하는 스텝과,
    막두께를 파라미터로서 포함하는 상기 샘플의 모델로부터 산출되는 간섭 스펙트럼과 상기 관측광 스펙트럼이 합치하도록, 상기 모델의 파라미터를 갱신함으로써, 상기 샘플의 막두께를 결정하는 스텝과,
    당해 결정된 막두께가 먼저 취득된 막두께에 기초하는 조건을 만족하고 있는지 여부를 판단하는 스텝을 구비하는, 광학 측정 방법.
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