JP3995579B2 - 膜厚測定装置および反射率測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物上の膜の厚さを測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、対象物の表面に形成された薄膜の厚さを測定する手法として、偏光解析方式、または、分光反射率方式もしくは白色光干渉方式と呼ばれる偏光解析を伴わない方式（以下、「白色光干渉方式等」という。）が採用されている。一般的に、偏光解析方式は薄い膜に対して高精度に膜厚測定を行うことが可能であり、白色光干渉方式等では偏光解析方式に比べて厚い膜または多層膜に対して測定を行うことができる。
【０００３】
特許文献１では、エリプソメータと干渉計とを同一装置に設け、エリプソメータにより測定される屈折率と干渉計により求められる干渉波形とから対象物上の膜厚を特定する手法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、白色光干渉方式等により対象物上の膜厚の範囲を特定し、特定された膜厚範囲に基づいて偏光解析方式により膜厚を測定する手法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１８２５０７号公報
【特許文献２】
特開平１１−２７１０２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、偏光解析方式では対象物に向けて出射する光の波長や入射角が膜厚を求める演算に利用されるため、高精度に膜厚を測定するには入射光の波長を正確に特定し、対象物上の測定面を水平に保つ等する必要がある。また、測定領域が微小であることから、対象物表面に微小な異物（例えば、サブミクロン単位のパーティクル等）が付着している場合には精度よく膜厚を測定することができない。
【０００７】
一方、白色光干渉方式等では、反射率が既知である参照対象物を用いて測定値を補正する必要があるが、参照対象物の表面が自然酸化して反射率が変化した場合には、測定値を適切に補正することができなくなる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、対象物に形成された膜の厚さを精度よく測定することを主たる目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、偏光した光を対象物に向けて出射する第１光源と、対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光部と、前記受光部にて取得された偏光状態に基づいて対象物上の膜の厚さを求める演算部と、照明光を出射する第２光源と、照明光を対象物へと導くとともに対象物からの反射光を所定の位置へと導く光学系と、前記第２光源から対象物に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を取得する撮像部とを備え、前記演算部が、前記撮像部からの出力に基づいて対象物の傾斜角を求め、前記傾斜角を用いつつ前記受光部にて取得された偏光状態から膜の厚さを求める。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定装置であって、前記第２光源から対象物に至る光路上において、視野絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されたフィルタをさらに備え、前記フィルタが、対象物上の微小領域に対応する部位以外において少なくとも特定の波長の光を遮る。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、測定対象物の分光反射率を測定する反射率測定装置であって、参照対象物上の膜の厚さを測定する請求項１または２に記載の膜厚測定装置と、参照対象物および測定対象物からの前記照明光の反射光の分光強度を取得する分光器とを備え、前記演算部が、前記膜厚測定装置により測定された参照対象物上の膜の厚さに基づいて前記参照対象物の分光反射率を算出し、算出された分光反射率を参照して前記測定対象物の分光反射率を求める。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の膜厚測定装置であって、非測定時に前記第１光源からの光を所定の位置へと導く切替手段と、前記所定の位置へと導かれた光の波長を取得する波長測定部とをさらに備え、前記演算部が、対象物上の膜の厚さを求める際に前記波長測定部にて取得された波長を用いる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の膜厚測定装置であって、前記切替手段が、対象物が載置されるステージと、前記ステージ上に配置されたミラーと、前記ステージを移動することにより、前記第１光源からの光の照射位置に対象物または前記ミラーを位置させる機構とを有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一の実施の形態に係る膜厚測定装置１の概略構成を示す図である。膜厚測定装置１は、多層膜（単層膜であってもよい。）が形成された半導体基板（以下、「基板」という。）９が載置されるステージ２、基板９上の膜に対して偏光解析を行うための情報を取得するエリプソメータ３、基板９からの光（反射光）の分光強度を取得する光干渉ユニット４、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部５、および、エリプソメータ３および光干渉ユニット４による光の照射位置に対してステージ２を移動するステージ移動機構２１を備える。
【００１９】
エリプソメータ３は、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９に向けて出射する光源ユニット３１、および、基板９からの反射光を受光して反射光の偏光状態を取得する受光ユニット３２を有し、取得された偏光状態を示すデータは制御部５へと出力される。
【００２０】
光源ユニット３１は、光ビームを出射する半導体レーザ（ＬＤ）３１２および半導体レーザ３１２の出力を制御するＬＤ駆動制御部３１１を有し、半導体レーザ３１２からの光ビームは偏光フィルタ３１３に入射する。偏光フィルタ３１３では光ビームから直線偏光した光が取り出され、波長板（以下、「λ／４板」という。）３１４により円偏光の光が取り出される。λ／４板３１４からの光はレンズ３３１を介して所定の入射角（例えば、７２〜８０度）にてステージ２上の基板９表面へと導かれる。このように、ＬＤ駆動制御部３１１、半導体レーザ３１２、偏光フィルタ３１３およびλ／４板３１４により光源ユニット３１が構成され、円偏光の光が基板９に向けて出射される。なお、光源ユニット３１には（具体的には、半導体レーザ３１２と偏光フィルタ３１３との間の光路上には）、光ビームを遮断する電磁シャッタ３１５が設けられ、電磁シャッタ３１５により基板９への光の照射がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２１】
基板９からの反射光は、レンズ３３２を介して回転検光子３２１へと導かれ、回転検光子３２１が光軸に平行な軸を中心として回転しつつ透過した光がフォトダイオード３２２へと導かれ、受光された光の強度を示す信号がＡＤコンバータ３４を介して制御部５へと出力される。以上のように、回転検光子３２１およびフォトダイオード３２２により受光ユニット３２が構成され、フォトダイオード３２２の出力が回転検光子３２１の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得される。
【００２２】
光干渉ユニット４は、白色光を照明光として出射する光源４１、基板９からの反射光を分光する分光器４２、後述する遮光パターンの像を取得する遮光パターン撮像部４３、基板９上の照明光の照射位置を撮像する基板撮像部４４、および、光学系４５を有し、光学系４５により光源４１からの照明光が基板９へと導かれるとともに基板９からの反射光が分光器４２、遮光パターン撮像部４３および基板撮像部４４へと導かれる。
【００２３】
具体的には、光ファイバ４５１の一端に光源４１からの照明光が導入され、他端に設けられたレンズ４５２から照明光が導出される。導出された照明光はレンズ４５０ａを介して開口絞り部４５３へと導かれる。開口絞り部４５３には所定の遮光パターン４５３ａ（例えば、十字に形成された標線）が設けられており、照明光は遮光パターン４５３ａに対応する部分が遮られつつレンズ４５０ｂを介して視野絞り部４５４へと導かれる。
【００２４】
視野絞り部４５４にて視野が制限された照明光はレンズ４５０ｃを介してハーフミラー４５５へと導かれ、ハーフミラー４５５を透過してハーフミラー４５６へと導かれる。ハーフミラー４５６にて反射された照明光は、対物レンズ４５７を介して基板９の表面に照射される。このとき、基板９上における照明光の照射領域の広さは、視野絞り部４５４による視野の制限に対応するが、開口絞り部４５３の遮光パターンの像は基板９上には結像されない。
【００２５】
基板９からの反射光は、対物レンズ４５７を介してハーフミラー４５６へと導かれ、一部の光がハーフミラー４５５に向けて反射される。反射された光は、ハーフミラー４５５にてさらに反射され、レンズ４５０ｄを介して遮光パターン撮像部４３にて受光される。遮光パターン４５３ａから基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４３に至る光学系において、遮光パターン撮像部４３の位置は遮光パターン４５３ａと光学的に共役とされ、遮光パターン撮像部４３に遮光パターン４５３ａの像が結像され、遮光パターン４５３ａの画像データは制御部５へと出力される。
【００２６】
ハーフミラー４５６を透過した反射光はハーフミラー４５８を透過してハーフミラー４５９へと導かれ、一部の光が反射される。反射された光はレンズ４５０ｅを介して基板撮像部４４へと導かれ、受光される。基板撮像部４４の位置は視野絞り部４５４および基板９の表面の位置と光学的に共役とされるため、基板撮像部４４により基板９上の照明光の照射位置の像が撮像され、取得された画像データは制御部５へと出力される。
【００２７】
ハーフミラー４５９を透過した光はレンズ４５０ｆを介して分光器４２へと導かれ、反射光の分光強度が取得される。分光強度のデータは制御部５へと出力される。以上のように、レンズ４５０ａ〜４５０ｆ，４５２、光ファイバ４５１、開口絞り部４５３、視野絞り部４５４、ハーフミラー４５５，４５６，４５８，４５９および対物レンズ４５７により光学系４５が構成される。
【００２８】
光干渉ユニット４は、さらに、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離を検出するオートフォーカス検出ユニット（以下、「ＡＦ検出ユニット」という。）４６を有する。ＡＦ検出ユニット４６は、光ビームを出射する半導体レーザ４６１、受光する光の位置をＰＳＤ素子により検出するＡＦ検出部４６３を有し、半導体レーザ４６１から出射された光ビームは光学系４５を介して基板９の表面へと照射される。基板９からの光ビームの反射光は光学系４５を介してＡＦ検出ユニット４６のシリンドリカルレンズ４６２へと導かれ、さらに、ＡＦ検出部４６３へと導かれる。
【００２９】
ＡＦ検出部４６３では受光する光の位置により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が検出され、ステージ２に設けられた昇降機構（図示省略）により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が一定に調整される。このとき、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離は、対物レンズ４５７に入射する平行光が基板９の表面にて像を結ぶ距離（すなわち、焦点距離）とされる。
【００３０】
ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＸ方向に移動するＸ方向移動機構２２、および、Ｙ方向に移動するＹ方向移動機構２３を有する。Ｘ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｙ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＸ方向に移動する。Ｙ方向移動機構２３もＸ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＹ方向に移動する。
【００３１】
また、ステージ２上には後述する光源ユニット３１からの光の波長の確認に利用されるミラー２４が配置されており、ミラー２４は光源ユニット３１から照射される所定の入射角の光を鉛直方向の上方へと（すなわち、対物レンズ４５７に向かって）反射するように傾斜して設けられる。
【００３２】
制御部５は、各種演算を行う演算部５１を有し、遮光パターン撮像部４３、分光器４２、基板撮像部４４および受光ユニット３２にて取得された各種情報は演算部５１へと入力される。また、光源４１、光源ユニット３１およびステージ移動機構２１も制御部５に接続され、制御部５がこれらの構成を制御することにより、膜厚測定装置１による基板９上の膜厚測定が行われる。
【００３３】
膜厚測定装置１では、基板９上の膜が比較的薄い場合には、演算部５１がエリプソメータ３からの偏光状態を示す出力に基づいて偏光解析方式による膜厚測定が行われ、膜が比較的厚い、あるいは、多層膜の場合には、演算部５１において光干渉ユニット４からの分光強度を示す出力に基づいて分光反射率を求めつつ膜厚が算出される。
【００３４】
膜厚測定装置１において、エリプソメータ３からの偏光状態を示す出力に基づいて膜厚が測定される際には、まず、光源ユニット３１から出射される光の波長の確認（以下、「レーザ波長キャリブレーション」という。）が行われ、続いて、基板９上の測定対象位置において異物の有無を検査する異物検査が行われる。そして、異物が存在しないことが確認された（すなわち、基板９上の測定対象位置にて正確に膜厚を測定することが可能であることが確認された）場合には、基板９の傾斜角の測定が行われた後に、膜厚測定が行われる。以下、膜厚測定装置１がエリプソメータ３により基板９上の膜の厚さを測定する際の動作について順次説明を行う。
【００３５】
図２はレーザ波長キャリブレーションの流れを示す図である。レーザ波長キャリブレーションでは、まず、ステージ移動機構２１によりステージ２上のミラー２４が偏光光の照射位置へと移動し（ステップＳ１１）、制御部５の制御により光源ユニット３１から偏光光の出射が開始される（ステップＳ１２）。これにより、光源ユニット３１からの光はミラー２４にて反射され、光干渉ユニット４の分光器４２へと導かれる。
【００３６】
分光器４２では、受光した光の分光強度が取得され、その結果、実質的に半導体レーザ３１２が出射するレーザ光の波長が取得される。波長を示すデータは演算部５１へと出力され、演算部５１内のメモリに記憶される（ステップＳ１３）。取得されたレーザ光の波長は、エリプソメータ３による膜厚測定の際に利用される。
【００３７】
以上のように、膜厚測定装置１では、ステージ２を移動することにより光源ユニット３１からの光の照射位置に基板９またはミラー２４を切り替えて位置させることが可能とされており、非測定時に光源ユニット３１からの光を分光器４２へと導いてレーザ光（すなわち、偏光光）の波長が取得される。これにより、膜厚測定装置１では、周囲の温度変化や光源ユニット３１の各構成の特性変化等が生じることにより光源ユニット３１からの光の波長が変化した場合であっても、膜厚を精度よく求めることが実現される。
【００３８】
なお、ミラー２４に代えて光を散乱する散乱体が設けられてもよい。また、ミラー２４や散乱体はステージ２以外の場所から偏光光の照射位置へと移動されてもよい。
【００３９】
次に、膜厚測定装置１における基板９上の異物検査について説明する。異物検査では、事前に、光源４１から照明光が出射されるとともに基板撮像部４４にて基板９の画像が取得され、画像に基づいてステージ移動機構２１がステージ２を移動して偏光解析用の偏光光の照射位置と基板９の測定対象位置とが合わせられている。
【００４０】
図３は異物を検査する処理の流れを示す図である。まず、光源ユニット３１から偏光光の出射が開始され、基板９の測定対象位置へと偏光光が所定の入射角にて照射される（ステップＳ２１）。このとき、偏光光が照射される基板９上の照射領域は、例えば、直径が１０μｍの円形領域とされる。偏光光の基板９からの反射光は受光ユニット３２へと導かれる。その際、受光ユニット３２の回転検光子３２１の向きはｐ偏光成分のみを透過する向きに固定され、フォトダイオード３２２では反射光のｐ偏光成分のみの強度が取得される（ステップＳ２２）。
【００４１】
演算部５１では、受光ユニット３２から入力される光の強度に基づいて、基板９上の異物の有無が判定される（ステップＳ２３）。例えば、偏光光の基板９への入射角が７２〜８０度とされると、基板９上の光の照射位置に異物が存在しない場合には、基板９からの反射光にはｐ偏光成分がほとんど存在しなくなる。一方、異物が存在する場合にはｐ偏光成分が比較的大きくなる。そこで、ｐ偏光成分が検出された場合に演算部５１が、異物が存在すると判定する。
【００４２】
以上のように、膜厚測定装置１では、光源ユニット３１からの光の基板９による反射光のｐ偏光成分の強度が取得され、演算部５１により、ｐ偏光成分の強度に基づいて基板９上の異物の有無が判定される。その結果、膜厚測定装置１では、容易に異物の有無を検査することができる。
【００４３】
なお、基板９上の異物の有無は、後述する膜厚測定時に取得される偏光状態を示す情報の一部である周期強度信号と予め算出された周期信号とを比較することにより判定することも可能であるが、偏光状態を取得するには回転検光子３２１を１回転させる必要があり、スループットが低下してしまう。これに対して、膜厚測定装置１では、回転検光子３２１の向きを固定して検査するため、迅速に異物検査を行うことができる。
【００４４】
光源ユニット３１からの光の入射角が７２〜８０度以外である場合や、光源ユニット３１からの光が偏光光でない場合であっても、受光ユニット３２にて取得されるｐ偏光成分の強度の変化により異物の有無を判定することは可能である。ただし、膜厚測定装置１では、偏光光を７２〜８０度の入射角にて入射させることにより高感度に異物の有無を検査することが可能とされている。
【００４５】
基板９上の測定対象位置に異物が存在しないことが確認されると、続いて、基板９が水平面（すなわち、図１中のＸＹ平面）に対して傾斜する傾斜角の測定が行われる。まず、光源４１から照明光の出射が開始され、遮光パターン撮像部４３による撮像が行われ、遮光パターン４５３ａの画像データが演算部５１へと出力される。
【００４６】
前述のように、遮光パターン撮像部４３の位置は、遮光パターン４５３ａに対して基板９の表面を経由して光学的に共役となる位置（遮光パターン４５３ａがほぼ開口絞り位置に位置することから、遮光パターン撮像部４３は、いわゆる、対物瞳位置にほぼ位置する。）であり、遮光パターン撮像部４３にて取得される画像中の遮光パターンの位置は、基板９の傾斜角（正確には、照明光の照射位置における傾斜角）に対応した位置となる。
【００４７】
演算部５１では、傾斜角が０度のときの画像中の遮光パターンの重心位置（以下、「基準位置」という。）が予め記憶されており、取得された画像中の遮光パターンの重心位置と基準位置との間の距離（ベクトル）を算出することにより基板９の傾斜角（正確には、基板９の法線方向を示すベクトル）が求められる。
【００４８】
具体的には、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離（すなわち、ＡＦ検出ユニット４６により一定に保たれる距離）をｆ、基板９の傾斜角をθとし、対物レンズ４５７の位置にて基板９からの反射光を受光し、遮光パターン４５３ａの像を取得すると仮定すると、取得された画像において、遮光パターンの位置は基板９の傾斜角が０度であるときから傾斜に対応する方向に（ｆ×ｔａｎ（２θ））だけ移動する。よって、遮光パターン撮像部４３により取得される画像においては、（ｆ×ｔａｎ（２θ））に対物レンズ４５７の位置に対する倍率を乗じた距離だけ傾斜に対応する方向に移動することとなり、この距離が前述の基準位置と検出される重心位置との間の距離となる。距離ｆはＡＦ検出ユニット４６により一定とされることから、演算部５１にて基板９の傾斜角θが正確に求められる。
【００４９】
傾斜角の測定が終了すると、光源ユニット３１から偏光光が基板９へと出射されつつ受光ユニット３２にて反射光の偏光状態が取得される。そして、演算部５１において、レーザ波長キャリブレーションにより取得された光源ユニット３１からの偏光光の波長、並びに、傾斜角（および、傾斜方向）から求められる正確な入射角を用いつつ取得された偏光状態に基づいて基板９上の膜の厚さが求められる。なお、傾斜角の測定中に基板９からの反射光の偏光状態が取得されてもよい。
【００５０】
図４は、同一の基板９において傾斜角を変更しつつ取得された偏光状態に基づいて算出された膜厚を示す図である。図４において、線６１は測定された傾斜角を用いて膜厚を算出した結果を示し、線６２は傾斜角の測定を行わずに膜厚を算出した（すなわち、傾斜角を０秒として算出した）場合の結果を示している。図４に示すように、傾斜角測定を行わなかった場合には、算出された膜厚が基板９の傾斜角の影響によりばらついてしまうが、傾斜角測定を行うことにより、一定の膜厚が精度よく算出されることが判る。
【００５１】
以上のように、膜厚測定装置１では、開口絞り部４５３に設けられた遮光パターン４５３ａの像を遮光パターン撮像部４３において取得して基板９の傾斜角が求められる。そして、求められた傾斜角を利用することにより基板９上の膜の厚さが精度よく求められる。これにより、膜厚測定装置１では基板９が傾いている場合であっても、基板９の傾きを調整することなく適切に膜厚を補正しつつ求めることができる。
【００５２】
エリプソメータ３により膜厚測定が行われる際には、必ずしもレーザ波長キャリブレーション、異物検査および傾斜角測定の全てが行われる必要はない。また、レーザ波長キャリブレーションは必ずしも膜厚測定ごとに行われる必要はなく、定期的に（例えば、所定の測定回数ごと）に行われてもよい。
【００５３】
次に、基板９の傾斜角測定の他の例について説明を行う。他の例に係る傾斜角の測定では、視野絞り部４５４に所定の領域以外において特定の波長を遮るフィルタ４５４ａが配置される。例えば、光源４１がタングステンハロゲンランプを利用している場合には、視野絞り部４５４には、中心部以外において波長８００ｎｍ以上の赤外光を遮蔽する遮光フィルタ４５４ａが配置される。また、遮光パターン撮像部４３には、赤外光のみを透過する透過フィルタが取り付けられる。これにより、基板９上の照明光の照射位置において、波長８００ｎｍ以上の赤外光が遮光フィルタの中心部に対応する微小領域のみに照射される。微小領域の位置は、光源ユニット３１からの偏光光の照射位置と重なる。
【００５４】
照明光の反射光は遮光パターン撮像部４３へと導かれ、微小領域に対応する反射光のみが遮光パターン撮像部４３にて受光され、かつ、微小領域からの光により遮光パターン４５３ａが結像される。ここで、取得される画像において遮光パターン４５３ａの像の重心位置は、既述のように基板９上の微小領域の傾斜角に応じて基準位置から移動する。よって、基準位置と検出された重心位置との間のベクトルに基づいて微小領域のみにおける傾斜角が求めることが実現される。
【００５５】
なお、基板９上の照射領域全体には波長８００ｎｍ以下の光が照射されるため、基板撮像部４４にて撮像される像により基板９上の照明光の照射位置が確認可能であり、偏光光の照射位置を基板９上の所望の位置へと移動することができる。また、後述する光干渉ユニット４による膜厚測定の際にも、波長８００ｎｍ以下の光を用いた膜厚測定が可能とされる。もちろん、光干渉ユニット４による膜厚測定を考慮して遮光フィルタ４５４ａが光路から待避可能とされてもよい。
【００５６】
微小領域に関する傾斜角が測定されると、光源ユニット３１から偏光光が基板９上の微小領域へと出射されつつ受光ユニット３２にて偏光光の反射光が受光され、反射光の偏光状態が取得される。演算部５１では、微小領域に関する傾斜角を用いつつ取得された偏光状態に基づいて基板９上の微小領域に関する膜の厚さが求められる。
【００５７】
以上のように、膜厚測定装置１では、視野絞り部４５４に遮光フィルタ４５４ａを配置することにより、基板９上の微小領域の膜厚をより精度よく求めることができる。なお、遮光フィルタ４５４ａは必ずしも視野絞り部４５４の位置に配置される必要はなく、光源４１から基板９に至る光路上において、視野絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されればよい。また、配置される遮光フィルタ４５４ａは少なくとも特定の波長の光を基板９上の微小領域に対応する部位以外において遮ればよく、全ての波長の光が遮光されてもよい。
【００５８】
次に、膜厚測定装置１が光干渉ユニット４からの分光強度を示す出力に基づいて分光反射率を求め、膜厚を測定する（具体的には、比較的厚い膜や多層膜が測定される）際の処理について説明を行う。図５は、膜厚測定装置１が光干渉ユニット４により膜厚測定を行う処理の流れを示す図であり、以下、図５に沿って説明を行う。
【００５９】
光干渉方式による膜厚測定では、参照される対象物（以下、「参照基板」という。）が用いられる。参照基板としては、通常、シリコン基板が用いられるが、長時間大気中に放置された参照基板上には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）による自然酸化膜が生じている。そこで、膜厚測定装置１では、まず、エリプソメータ３を利用して偏光解析方式による参照基板上の自然酸化膜の膜厚測定が行われる（ステップＳ３１）。
【００６０】
エリプソメータ３による測定では参照対象物が不要であるため、照射される光の波長や入射角（照射位置の傾斜角）等が正確に特定される限り、膜厚の絶対量（以下、「絶対膜厚」という。）を取得することができる。取得された参照基板の絶対膜厚は演算部５１に記憶される。
【００６１】
参照基板の絶対膜厚が測定されると、光干渉ユニット４において、光源４１から照明光が出射されて光学系４５により照明光が参照基板へと導かれ、参照基板からの反射光が分光器４２へと導かれる。そして、分光器４２にて反射光の分光強度が取得され（ステップＳ３２）、参照基板の分光強度データが演算部５１へと出力される。続いて、測定対象物である基板９（以下、参照基板と区別するために「対象基板９」という。）がステージ２上に載置され、光源４１からの照明光が対象基板９上の測定対象位置へと照射され、分光器４２により反射光の分光強度が取得される（ステップＳ３３）。対象基板９の分光強度データは演算部５１へと出力される。
【００６２】
演算部５１では、ステップＳ３１にて取得された参照基板の絶対膜厚から参照基板の（垂直）分光反射率が理論的演算により算出される（ステップＳ３４）。以下、ステップＳ３４にて求められた分光反射率を「理論分光反射率」という。
【００６３】
続いて、参照基板の理論分光反射率に基づいて参照基板および対象基板９の分光強度から対象基板９の分光反射率が求められる（ステップＳ３５）。ここで、参照基板の理論分光反射率をＲｃ（λ）、参照基板の分光強度をＩｃ（λ）、対象基板９の分光強度をＩｍ（λ）とし、対象基板９の分光反射率をＲｍ（λ）とすると、対象基板９の分光反射率Ｒｍ（λ）は、（Ｒｍ（λ）＝（Ｉｍ（λ）／Ｉｃ（λ））×Ｒｃ（λ））により求められる。すなわち、対象基板９の分光反射率は光干渉ユニット４により求められた対象基板９の分光強度に対して参照基板の理論分光反射率と参照基板の分光強度との比を乗じることにより求められる。演算部５１では、さらに、対象基板９の分光反射率から対象基板９上の膜厚が算出される（ステップＳ３６）。
【００６４】
以上のように、膜厚測定装置１では、偏光解析方式により測定された参照基板上の膜の厚さに基づいて参照基板の分光反射率を算出し、算出された分光反射率を参照して対象基板９の分光反射率が求められる。その結果、膜厚測定装置１では参照基板上の自然酸化膜の影響を受けることなく対象基板９の分光反射率を適切に求めることができ、精度よく膜厚を算出することができる。
【００６５】
なお、参照基板は、必ずしもシリコン基板である必要はなく、例えば、金属板等であってもよい。また、図５に示す膜厚測定の処理の流れは可能な範囲内で適宜変更されてもよく、例えば、参照基板の理論分光反射率が算出された後に分光強度が取得されてもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００６７】
上記実施の形態では、エリプソメータ３を利用した膜厚測定の際に異物検査が行われているが、異物検査に係る構成は、例えば、半導体製造プロセス等において異物検査のみの目的で利用されてもよい。
【００６８】
異物検査の際に、基板９上に大きな異物や多数の異物が存在する場合には、光干渉ユニット４の分光器４２により基板９からの反射光が受光されることから、分光器４２による異物の検査を併用することも可能である。
【００６９】
遮光パターン４５３ａは必ずしも開口絞り部４５３の位置に配置される必要はなく、光源４１から基板９に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されればよい。また、遮光パターン４５３ａは特定の波長の光のみを遮光するパターンであってもよく、その場合、遮光パターン撮像部４３には特定の波長の光のみを透過するフィルタが配置されてもよい。
【００７０】
光源ユニット３１から基板９に向かって出射される偏光光は、円偏光の光に限定されず、必要に応じて適宜異なった態様の偏光光（例えば、４５°の直線偏光）が利用されてもよい。
【００７１】
基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。
【００７２】
【発明の効果】
請求項１および２の発明では、対象物の傾斜角を求めつつ、対象物上の膜の厚さを精度よく求めることができ、請求項２の発明では、対象物上の微小領域における傾斜角を求めることができる。
【００７３】
請求項３の発明では、測定対象物の分光反射率を適切に求めることができる。
【００７４】
請求項４および５の発明では、第１光源からの光の波長を求めつつ、対象物上の膜の厚さを精度よく求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】レーザ波長キャリブレーションの処理の流れを示す図である。
【図３】異物検査の処理の流れを示す図である。
【図４】膜厚測定結果と傾斜角との関係を示す図である。
【図５】光干渉ユニットの出力に基づいて膜厚測定を行う処理の流れを示す図である。
【符号の説明】
１ 膜厚測定装置
２ ステージ
３ エリプソメータ
４ 光干渉ユニット
９ 基板
２１ ステージ移動機構
２４ ミラー
３１ 光源ユニット
３２ 受光ユニット
４１ 光源
４２ 分光器
４３ 遮光パターン撮像部
４５ 光学系
５１ 演算部
４５３ａ 遮光パターン
４５４ａ 遮光フィルタ
Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３６ ステップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物上の膜の厚さを測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、対象物の表面に形成された薄膜の厚さを測定する手法として、偏光解析方式、または、分光反射率方式もしくは白色光干渉方式と呼ばれる偏光解析を伴わない方式（以下、「白色光干渉方式等」という。）が採用されている。一般的に、偏光解析方式は薄い膜に対して高精度に膜厚測定を行うことが可能であり、白色光干渉方式等では偏光解析方式に比べて厚い膜または多層膜に対して測定を行うことができる。
【０００３】
特許文献１では、エリプソメータと干渉計とを同一装置に設け、エリプソメータにより測定される屈折率と干渉計により求められる干渉波形とから対象物上の膜厚を特定する手法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、白色光干渉方式等により対象物上の膜厚の範囲を特定し、特定された膜厚範囲に基づいて偏光解析方式により膜厚を測定する手法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１８２５０７号公報
【特許文献２】
特開平１１−２７１０２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、偏光解析方式では対象物に向けて出射する光の波長や入射角が膜厚を求める演算に利用されるため、高精度に膜厚を測定するには入射光の波長を正確に特定し、対象物上の測定面を水平に保つ等する必要がある。また、測定領域が微小であることから、対象物表面に微小な異物（例えば、サブミクロン単位のパーティクル等）が付着している場合には精度よく膜厚を測定することができない。
【０００７】
一方、白色光干渉方式等では、反射率が既知である参照対象物を用いて測定値を補正する必要があるが、参照対象物の表面が自然酸化して反射率が変化した場合には、測定値を適切に補正することができなくなる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、対象物に形成された膜の厚さを精度よく測定することを主たる目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、偏光した光を対象物に向けて出射する第１光源と、対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光部と、前記受光部にて取得された偏光状態に基づいて対象物上の膜の厚さを求める演算部と、照明光を出射する第２光源と、照明光を対象物へと導くとともに対象物からの反射光を所定の位置へと導く光学系と、前記第２光源から対象物に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を取得する撮像部とを備え、前記演算部が、前記撮像部からの出力に基づいて対象物の傾斜角を求め、前記傾斜角を用いつつ前記受光部にて取得された偏光状態から膜の厚さを求める。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の膜厚測定装置であって、前記第２光源から対象物に至る光路上において、視野絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されたフィルタをさらに備え、前記フィルタが、対象物上の微小領域に対応する部位以外において少なくとも特定の波長の光を遮る。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、測定対象物の分光反射率を測定する反射率測定装置であって、参照対象物上の膜の厚さを測定する請求項１または２に記載の膜厚測定装置と、参照対象物および測定対象物からの前記照明光の反射光の分光強度を取得する分光器とを備え、前記演算部が、前記膜厚測定装置により測定された参照対象物上の膜の厚さに基づいて前記参照対象物の分光反射率を算出し、算出された分光反射率を参照して前記測定対象物の分光反射率を求める。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の膜厚測定装置であって、非測定時に前記第１光源からの光を所定の位置へと導く切替手段と、前記所定の位置へと導かれた光の波長を取得する波長測定部とをさらに備え、前記演算部が、対象物上の膜の厚さを求める際に前記波長測定部にて取得された波長を用いる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の膜厚測定装置であって、前記切替手段が、対象物が載置されるステージと、前記ステージ上に配置されたミラーと、前記ステージを移動することにより、前記第１光源からの光の照射位置に対象物または前記ミラーを位置させる機構とを有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一の実施の形態に係る膜厚測定装置１の概略構成を示す図である。膜厚測定装置１は、多層膜（単層膜であってもよい。）が形成された半導体基板（以下、「基板」という。）９が載置されるステージ２、基板９上の膜に対して偏光解析を行うための情報を取得するエリプソメータ３、基板９からの光（反射光）の分光強度を取得する光干渉ユニット４、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成された制御部５、および、エリプソメータ３および光干渉ユニット４による光の照射位置に対してステージ２を移動するステージ移動機構２１を備える。
【００１９】
エリプソメータ３は、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９に向けて出射する光源ユニット３１、および、基板９からの反射光を受光して反射光の偏光状態を取得する受光ユニット３２を有し、取得された偏光状態を示すデータは制御部５へと出力される。
【００２０】
光源ユニット３１は、光ビームを出射する半導体レーザ（ＬＤ）３１２および半導体レーザ３１２の出力を制御するＬＤ駆動制御部３１１を有し、半導体レーザ３１２からの光ビームは偏光フィルタ３１３に入射する。偏光フィルタ３１３では光ビームから直線偏光した光が取り出され、波長板（以下、「λ／４板」という。）３１４により円偏光の光が取り出される。λ／４板３１４からの光はレンズ３３１を介して所定の入射角（例えば、７２〜８０度）にてステージ２上の基板９表面へと導かれる。このように、ＬＤ駆動制御部３１１、半導体レーザ３１２、偏光フィルタ３１３およびλ／４板３１４により光源ユニット３１が構成され、円偏光の光が基板９に向けて出射される。なお、光源ユニット３１には（具体的には、半導体レーザ３１２と偏光フィルタ３１３との間の光路上には）、光ビームを遮断する電磁シャッタ３１５が設けられ、電磁シャッタ３１５により基板９への光の照射がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２１】
基板９からの反射光は、レンズ３３２を介して回転検光子３２１へと導かれ、回転検光子３２１が光軸に平行な軸を中心として回転しつつ透過した光がフォトダイオード３２２へと導かれ、受光された光の強度を示す信号がＡＤコンバータ３４を介して制御部５へと出力される。以上のように、回転検光子３２１およびフォトダイオード３２２により受光ユニット３２が構成され、フォトダイオード３２２の出力が回転検光子３２１の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得される。
【００２２】
光干渉ユニット４は、白色光を照明光として出射する光源４１、基板９からの反射光を分光する分光器４２、後述する遮光パターンの像を取得する遮光パターン撮像部４３、基板９上の照明光の照射位置を撮像する基板撮像部４４、および、光学系４５を有し、光学系４５により光源４１からの照明光が基板９へと導かれるとともに基板９からの反射光が分光器４２、遮光パターン撮像部４３および基板撮像部４４へと導かれる。
【００２３】
具体的には、光ファイバ４５１の一端に光源４１からの照明光が導入され、他端に設けられたレンズ４５２から照明光が導出される。導出された照明光はレンズ４５０ａを介して開口絞り部４５３へと導かれる。開口絞り部４５３には所定の遮光パターン４５３ａ（例えば、十字に形成された標線）が設けられており、照明光は遮光パターン４５３ａに対応する部分が遮られつつレンズ４５０ｂを介して視野絞り部４５４へと導かれる。
【００２４】
視野絞り部４５４にて視野が制限された照明光はレンズ４５０ｃを介してハーフミラー４５５へと導かれ、ハーフミラー４５５を透過してハーフミラー４５６へと導かれる。ハーフミラー４５６にて反射された照明光は、対物レンズ４５７を介して基板９の表面に照射される。このとき、基板９上における照明光の照射領域の広さは、視野絞り部４５４による視野の制限に対応するが、開口絞り部４５３の遮光パターンの像は基板９上には結像されない。
【００２５】
基板９からの反射光は、対物レンズ４５７を介してハーフミラー４５６へと導かれ、一部の光がハーフミラー４５５に向けて反射される。反射された光は、ハーフミラー４５５にてさらに反射され、レンズ４５０ｄを介して遮光パターン撮像部４３にて受光される。遮光パターン４５３ａから基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４３に至る光学系において、遮光パターン撮像部４３の位置は遮光パターン４５３ａと光学的に共役とされ、遮光パターン撮像部４３に遮光パターン４５３ａの像が結像され、遮光パターン４５３ａの画像データは制御部５へと出力される。
【００２６】
ハーフミラー４５６を透過した反射光はハーフミラー４５８を透過してハーフミラー４５９へと導かれ、一部の光が反射される。反射された光はレンズ４５０ｅを介して基板撮像部４４へと導かれ、受光される。基板撮像部４４の位置は視野絞り部４５４および基板９の表面の位置と光学的に共役とされるため、基板撮像部４４により基板９上の照明光の照射位置の像が撮像され、取得された画像データは制御部５へと出力される。
【００２７】
ハーフミラー４５９を透過した光はレンズ４５０ｆを介して分光器４２へと導かれ、反射光の分光強度が取得される。分光強度のデータは制御部５へと出力される。以上のように、レンズ４５０ａ〜４５０ｆ，４５２、光ファイバ４５１、開口絞り部４５３、視野絞り部４５４、ハーフミラー４５５，４５６，４５８，４５９および対物レンズ４５７により光学系４５が構成される。
【００２８】
光干渉ユニット４は、さらに、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離を検出するオートフォーカス検出ユニット（以下、「ＡＦ検出ユニット」という。）４６を有する。ＡＦ検出ユニット４６は、光ビームを出射する半導体レーザ４６１、受光する光の位置をＰＳＤ素子により検出するＡＦ検出部４６３を有し、半導体レーザ４６１から出射された光ビームは光学系４５を介して基板９の表面へと照射される。基板９からの光ビームの反射光は光学系４５を介してＡＦ検出ユニット４６のシリンドリカルレンズ４６２へと導かれ、さらに、ＡＦ検出部４６３へと導かれる。
【００２９】
ＡＦ検出部４６３では受光する光の位置により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が検出され、ステージ２に設けられた昇降機構（図示省略）により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が一定に調整される。このとき、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離は、対物レンズ４５７に入射する平行光が基板９の表面にて像を結ぶ距離（すなわち、焦点距離）とされる。
【００３０】
ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＸ方向に移動するＸ方向移動機構２２、および、Ｙ方向に移動するＹ方向移動機構２３を有する。Ｘ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｙ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＸ方向に移動する。Ｙ方向移動機構２３もＸ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＹ方向に移動する。
【００３１】
また、ステージ２上には後述する光源ユニット３１からの光の波長の確認に利用されるミラー２４が配置されており、ミラー２４は光源ユニット３１から照射される所定の入射角の光を鉛直方向の上方へと（すなわち、対物レンズ４５７に向かって）反射するように傾斜して設けられる。
【００３２】
制御部５は、各種演算を行う演算部５１を有し、遮光パターン撮像部４３、分光器４２、基板撮像部４４および受光ユニット３２にて取得された各種情報は演算部５１へと入力される。また、光源４１、光源ユニット３１およびステージ移動機構２１も制御部５に接続され、制御部５がこれらの構成を制御することにより、膜厚測定装置１による基板９上の膜厚測定が行われる。
【００３３】
膜厚測定装置１では、基板９上の膜が比較的薄い場合には、演算部５１がエリプソメータ３からの偏光状態を示す出力に基づいて偏光解析方式による膜厚測定が行われ、膜が比較的厚い、あるいは、多層膜の場合には、演算部５１において光干渉ユニット４からの分光強度を示す出力に基づいて分光反射率を求めつつ膜厚が算出される。
【００３４】
膜厚測定装置１において、エリプソメータ３からの偏光状態を示す出力に基づいて膜厚が測定される際には、まず、光源ユニット３１から出射される光の波長の確認（以下、「レーザ波長キャリブレーション」という。）が行われ、続いて、基板９上の測定対象位置において異物の有無を検査する異物検査が行われる。そして、異物が存在しないことが確認された（すなわち、基板９上の測定対象位置にて正確に膜厚を測定することが可能であることが確認された）場合には、基板９の傾斜角の測定が行われた後に、膜厚測定が行われる。以下、膜厚測定装置１がエリプソメータ３により基板９上の膜の厚さを測定する際の動作について順次説明を行う。
【００３５】
図２はレーザ波長キャリブレーションの流れを示す図である。レーザ波長キャリブレーションでは、まず、ステージ移動機構２１によりステージ２上のミラー２４が偏光光の照射位置へと移動し（ステップＳ１１）、制御部５の制御により光源ユニット３１から偏光光の出射が開始される（ステップＳ１２）。これにより、光源ユニット３１からの光はミラー２４にて反射され、光干渉ユニット４の分光器４２へと導かれる。
【００３６】
分光器４２では、受光した光の分光強度が取得され、その結果、実質的に半導体レーザ３１２が出射するレーザ光の波長が取得される。波長を示すデータは演算部５１へと出力され、演算部５１内のメモリに記憶される（ステップＳ１３）。取得されたレーザ光の波長は、エリプソメータ３による膜厚測定の際に利用される。
【００３７】
以上のように、膜厚測定装置１では、ステージ２を移動することにより光源ユニット３１からの光の照射位置に基板９またはミラー２４を切り替えて位置させることが可能とされており、非測定時に光源ユニット３１からの光を分光器４２へと導いてレーザ光（すなわち、偏光光）の波長が取得される。これにより、膜厚測定装置１では、周囲の温度変化や光源ユニット３１の各構成の特性変化等が生じることにより光源ユニット３１からの光の波長が変化した場合であっても、膜厚を精度よく求めることが実現される。
【００３８】
なお、ミラー２４に代えて光を散乱する散乱体が設けられてもよい。また、ミラー２４や散乱体はステージ２以外の場所から偏光光の照射位置へと移動されてもよい。
【００３９】
次に、膜厚測定装置１における基板９上の異物検査について説明する。異物検査では、事前に、光源４１から照明光が出射されるとともに基板撮像部４４にて基板９の画像が取得され、画像に基づいてステージ移動機構２１がステージ２を移動して偏光解析用の偏光光の照射位置と基板９の測定対象位置とが合わせられている。
【００４０】
図３は異物を検査する処理の流れを示す図である。まず、光源ユニット３１から偏光光の出射が開始され、基板９の測定対象位置へと偏光光が所定の入射角にて照射される（ステップＳ２１）。このとき、偏光光が照射される基板９上の照射領域は、例えば、直径が１０μｍの円形領域とされる。偏光光の基板９からの反射光は受光ユニット３２へと導かれる。その際、受光ユニット３２の回転検光子３２１の向きはｐ偏光成分のみを透過する向きに固定され、フォトダイオード３２２では反射光のｐ偏光成分のみの強度が取得される（ステップＳ２２）。
【００４１】
演算部５１では、受光ユニット３２から入力される光の強度に基づいて、基板９上の異物の有無が判定される（ステップＳ２３）。例えば、偏光光の基板９への入射角が７２〜８０度とされると、基板９上の光の照射位置に異物が存在しない場合には、基板９からの反射光にはｐ偏光成分がほとんど存在しなくなる。一方、異物が存在する場合にはｐ偏光成分が比較的大きくなる。そこで、ｐ偏光成分が検出された場合に演算部５１が、異物が存在すると判定する。
【００４２】
以上のように、膜厚測定装置１では、光源ユニット３１からの光の基板９による反射光のｐ偏光成分の強度が取得され、演算部５１により、ｐ偏光成分の強度に基づいて基板９上の異物の有無が判定される。その結果、膜厚測定装置１では、容易に異物の有無を検査することができる。
【００４３】
なお、基板９上の異物の有無は、後述する膜厚測定時に取得される偏光状態を示す情報の一部である周期強度信号と予め算出された周期信号とを比較することにより判定することも可能であるが、偏光状態を取得するには回転検光子３２１を１回転させる必要があり、スループットが低下してしまう。これに対して、膜厚測定装置１では、回転検光子３２１の向きを固定して検査するため、迅速に異物検査を行うことができる。
【００４４】
光源ユニット３１からの光の入射角が７２〜８０度以外である場合や、光源ユニット３１からの光が偏光光でない場合であっても、受光ユニット３２にて取得されるｐ偏光成分の強度の変化により異物の有無を判定することは可能である。ただし、膜厚測定装置１では、偏光光を７２〜８０度の入射角にて入射させることにより高感度に異物の有無を検査することが可能とされている。
【００４５】
基板９上の測定対象位置に異物が存在しないことが確認されると、続いて、基板９が水平面（すなわち、図１中のＸＹ平面）に対して傾斜する傾斜角の測定が行われる。まず、光源４１から照明光の出射が開始され、遮光パターン撮像部４３による撮像が行われ、遮光パターン４５３ａの画像データが演算部５１へと出力される。
【００４６】
前述のように、遮光パターン撮像部４３の位置は、遮光パターン４５３ａに対して基板９の表面を経由して光学的に共役となる位置（遮光パターン４５３ａがほぼ開口絞り位置に位置することから、遮光パターン撮像部４３は、いわゆる、対物瞳位置にほぼ位置する。）であり、遮光パターン撮像部４３にて取得される画像中の遮光パターンの位置は、基板９の傾斜角（正確には、照明光の照射位置における傾斜角）に対応した位置となる。
【００４７】
演算部５１では、傾斜角が０度のときの画像中の遮光パターンの重心位置（以下、「基準位置」という。）が予め記憶されており、取得された画像中の遮光パターンの重心位置と基準位置との間の距離（ベクトル）を算出することにより基板９の傾斜角（正確には、基板９の法線方向を示すベクトル）が求められる。
【００４８】
具体的には、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離（すなわち、ＡＦ検出ユニット４６により一定に保たれる距離）をｆ、基板９の傾斜角をθとし、対物レンズ４５７の位置にて基板９からの反射光を受光し、遮光パターン４５３ａの像を取得すると仮定すると、取得された画像において、遮光パターンの位置は基板９の傾斜角が０度であるときから傾斜に対応する方向に（ｆ×ｔａｎ（２θ））だけ移動する。よって、遮光パターン撮像部４３により取得される画像においては、（ｆ×ｔａｎ（２θ））に対物レンズ４５７の位置に対する倍率を乗じた距離だけ傾斜に対応する方向に移動することとなり、この距離が前述の基準位置と検出される重心位置との間の距離となる。距離ｆはＡＦ検出ユニット４６により一定とされることから、演算部５１にて基板９の傾斜角θが正確に求められる。
【００４９】
傾斜角の測定が終了すると、光源ユニット３１から偏光光が基板９へと出射されつつ受光ユニット３２にて反射光の偏光状態が取得される。そして、演算部５１において、レーザ波長キャリブレーションにより取得された光源ユニット３１からの偏光光の波長、並びに、傾斜角（および、傾斜方向）から求められる正確な入射角を用いつつ取得された偏光状態に基づいて基板９上の膜の厚さが求められる。なお、傾斜角の測定中に基板９からの反射光の偏光状態が取得されてもよい。
【００５０】
図４は、同一の基板９において傾斜角を変更しつつ取得された偏光状態に基づいて算出された膜厚を示す図である。図４において、線６１は測定された傾斜角を用いて膜厚を算出した結果を示し、線６２は傾斜角の測定を行わずに膜厚を算出した（すなわち、傾斜角を０秒として算出した）場合の結果を示している。図４に示すように、傾斜角測定を行わなかった場合には、算出された膜厚が基板９の傾斜角の影響によりばらついてしまうが、傾斜角測定を行うことにより、一定の膜厚が精度よく算出されることが判る。
【００５１】
以上のように、膜厚測定装置１では、開口絞り部４５３に設けられた遮光パターン４５３ａの像を遮光パターン撮像部４３において取得して基板９の傾斜角が求められる。そして、求められた傾斜角を利用することにより基板９上の膜の厚さが精度よく求められる。これにより、膜厚測定装置１では基板９が傾いている場合であっても、基板９の傾きを調整することなく適切に膜厚を補正しつつ求めることができる。
【００５２】
エリプソメータ３により膜厚測定が行われる際には、必ずしもレーザ波長キャリブレーション、異物検査および傾斜角測定の全てが行われる必要はない。また、レーザ波長キャリブレーションは必ずしも膜厚測定ごとに行われる必要はなく、定期的に（例えば、所定の測定回数ごと）に行われてもよい。
【００５３】
次に、基板９の傾斜角測定の他の例について説明を行う。他の例に係る傾斜角の測定では、視野絞り部４５４に所定の領域以外において特定の波長を遮るフィルタ４５４ａが配置される。例えば、光源４１がタングステンハロゲンランプを利用している場合には、視野絞り部４５４には、中心部以外において波長８００ｎｍ以上の赤外光を遮蔽する遮光フィルタ４５４ａが配置される。また、遮光パターン撮像部４３には、赤外光のみを透過する透過フィルタが取り付けられる。これにより、基板９上の照明光の照射位置において、波長８００ｎｍ以上の赤外光が遮光フィルタの中心部に対応する微小領域のみに照射される。微小領域の位置は、光源ユニット３１からの偏光光の照射位置と重なる。
【００５４】
照明光の反射光は遮光パターン撮像部４３へと導かれ、微小領域に対応する反射光のみが遮光パターン撮像部４３にて受光され、かつ、微小領域からの光により遮光パターン４５３ａが結像される。ここで、取得される画像において遮光パターン４５３ａの像の重心位置は、既述のように基板９上の微小領域の傾斜角に応じて基準位置から移動する。よって、基準位置と検出された重心位置との間のベクトルに基づいて微小領域のみにおける傾斜角が求めることが実現される。
【００５５】
なお、基板９上の照射領域全体には波長８００ｎｍ以下の光が照射されるため、基板撮像部４４にて撮像される像により基板９上の照明光の照射位置が確認可能であり、偏光光の照射位置を基板９上の所望の位置へと移動することができる。また、後述する光干渉ユニット４による膜厚測定の際にも、波長８００ｎｍ以下の光を用いた膜厚測定が可能とされる。もちろん、光干渉ユニット４による膜厚測定を考慮して遮光フィルタ４５４ａが光路から待避可能とされてもよい。
【００５６】
微小領域に関する傾斜角が測定されると、光源ユニット３１から偏光光が基板９上の微小領域へと出射されつつ受光ユニット３２にて偏光光の反射光が受光され、反射光の偏光状態が取得される。演算部５１では、微小領域に関する傾斜角を用いつつ取得された偏光状態に基づいて基板９上の微小領域に関する膜の厚さが求められる。
【００５７】
以上のように、膜厚測定装置１では、視野絞り部４５４に遮光フィルタ４５４ａを配置することにより、基板９上の微小領域の膜厚をより精度よく求めることができる。なお、遮光フィルタ４５４ａは必ずしも視野絞り部４５４の位置に配置される必要はなく、光源４１から基板９に至る光路上において、視野絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されればよい。また、配置される遮光フィルタ４５４ａは少なくとも特定の波長の光を基板９上の微小領域に対応する部位以外において遮ればよく、全ての波長の光が遮光されてもよい。
【００５８】
次に、膜厚測定装置１が光干渉ユニット４からの分光強度を示す出力に基づいて分光反射率を求め、膜厚を測定する（具体的には、比較的厚い膜や多層膜が測定される）際の処理について説明を行う。図５は、膜厚測定装置１が光干渉ユニット４により膜厚測定を行う処理の流れを示す図であり、以下、図５に沿って説明を行う。
【００５９】
光干渉方式による膜厚測定では、参照される対象物（以下、「参照基板」という。）が用いられる。参照基板としては、通常、シリコン基板が用いられるが、長時間大気中に放置された参照基板上には、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）による自然酸化膜が生じている。そこで、膜厚測定装置１では、まず、エリプソメータ３を利用して偏光解析方式による参照基板上の自然酸化膜の膜厚測定が行われる（ステップＳ３１）。
【００６０】
エリプソメータ３による測定では参照対象物が不要であるため、照射される光の波長や入射角（照射位置の傾斜角）等が正確に特定される限り、膜厚の絶対量（以下、「絶対膜厚」という。）を取得することができる。取得された参照基板の絶対膜厚は演算部５１に記憶される。
【００６１】
参照基板の絶対膜厚が測定されると、光干渉ユニット４において、光源４１から照明光が出射されて光学系４５により照明光が参照基板へと導かれ、参照基板からの反射光が分光器４２へと導かれる。そして、分光器４２にて反射光の分光強度が取得され（ステップＳ３２）、参照基板の分光強度データが演算部５１へと出力される。続いて、測定対象物である基板９（以下、参照基板と区別するために「対象基板９」という。）がステージ２上に載置され、光源４１からの照明光が対象基板９上の測定対象位置へと照射され、分光器４２により反射光の分光強度が取得される（ステップＳ３３）。対象基板９の分光強度データは演算部５１へと出力される。
【００６２】
演算部５１では、ステップＳ３１にて取得された参照基板の絶対膜厚から参照基板の（垂直）分光反射率が理論的演算により算出される（ステップＳ３４）。以下、ステップＳ３４にて求められた分光反射率を「理論分光反射率」という。
【００６３】
続いて、参照基板の理論分光反射率に基づいて参照基板および対象基板９の分光強度から対象基板９の分光反射率が求められる（ステップＳ３５）。ここで、参照基板の理論分光反射率をＲｃ（λ）、参照基板の分光強度をＩｃ（λ）、対象基板９の分光強度をＩｍ（λ）とし、対象基板９の分光反射率をＲｍ（λ）とすると、対象基板９の分光反射率Ｒｍ（λ）は、（Ｒｍ（λ）＝（Ｉｍ（λ）／Ｉｃ（λ））×Ｒｃ（λ））により求められる。すなわち、対象基板９の分光反射率は光干渉ユニット４により求められた対象基板９の分光強度に対して参照基板の理論分光反射率と参照基板の分光強度との比を乗じることにより求められる。演算部５１では、さらに、対象基板９の分光反射率から対象基板９上の膜厚が算出される（ステップＳ３６）。
【００６４】
以上のように、膜厚測定装置１では、偏光解析方式により測定された参照基板上の膜の厚さに基づいて参照基板の分光反射率を算出し、算出された分光反射率を参照して対象基板９の分光反射率が求められる。その結果、膜厚測定装置１では参照基板上の自然酸化膜の影響を受けることなく対象基板９の分光反射率を適切に求めることができ、精度よく膜厚を算出することができる。
【００６５】
なお、参照基板は、必ずしもシリコン基板である必要はなく、例えば、金属板等であってもよい。また、図５に示す膜厚測定の処理の流れは可能な範囲内で適宜変更されてもよく、例えば、参照基板の理論分光反射率が算出された後に分光強度が取得されてもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００６７】
上記実施の形態では、エリプソメータ３を利用した膜厚測定の際に異物検査が行われているが、異物検査に係る構成は、例えば、半導体製造プロセス等において異物検査のみの目的で利用されてもよい。
【００６８】
異物検査の際に、基板９上に大きな異物や多数の異物が存在する場合には、光干渉ユニット４の分光器４２により基板９からの反射光が受光されることから、分光器４２による異物の検査を併用することも可能である。
【００６９】
遮光パターン４５３ａは必ずしも開口絞り部４５３の位置に配置される必要はなく、光源４１から基板９に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されればよい。また、遮光パターン４５３ａは特定の波長の光のみを遮光するパターンであってもよく、その場合、遮光パターン撮像部４３には特定の波長の光のみを透過するフィルタが配置されてもよい。
【００７０】
光源ユニット３１から基板９に向かって出射される偏光光は、円偏光の光に限定されず、必要に応じて適宜異なった態様の偏光光（例えば、４５°の直線偏光）が利用されてもよい。
【００７１】
基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。
【００７２】
【発明の効果】
請求項１および２の発明では、対象物の傾斜角を求めつつ、対象物上の膜の厚さを精度よく求めることができ、請求項２の発明では、対象物上の微小領域における傾斜角を求めることができる。
【００７３】
請求項３の発明では、測定対象物の分光反射率を適切に求めることができる。
【００７４】
請求項４および５の発明では、第１光源からの光の波長を求めつつ、対象物上の膜の厚さを精度よく求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】レーザ波長キャリブレーションの処理の流れを示す図である。
【図３】異物検査の処理の流れを示す図である。
【図４】膜厚測定結果と傾斜角との関係を示す図である。
【図５】光干渉ユニットの出力に基づいて膜厚測定を行う処理の流れを示す図である。
【符号の説明】
１ 膜厚測定装置
２ ステージ
３ エリプソメータ
４ 光干渉ユニット
９ 基板
２１ ステージ移動機構
２４ ミラー
３１ 光源ユニット
３２ 受光ユニット
４１ 光源
４２ 分光器
４３ 遮光パターン撮像部
４５ 光学系
５１ 演算部
４５３ａ 遮光パターン
４５４ａ 遮光フィルタ
Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ３１〜Ｓ３６ ステップ
Claims (5)
- 対象物上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
偏光した光を対象物に向けて出射する第１光源と、
対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光部と、
前記受光部にて取得された偏光状態に基づいて対象物上の膜の厚さを求める演算部と、
照明光を出射する第２光源と、
照明光を対象物へと導くとともに対象物からの反射光を所定の位置へと導く光学系と、
前記第２光源から対象物に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、
前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を取得する撮像部と、
を備え、
前記演算部が、前記撮像部からの出力に基づいて対象物の傾斜角を求め、前記傾斜角を用いつつ前記受光部にて取得された偏光状態から膜の厚さを求めることを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項１に記載の膜厚測定装置であって、
前記第２光源から対象物に至る光路上において、視野絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されたフィルタをさらに備え、
前記フィルタが、対象物上の微小領域に対応する部位以外において少なくとも特定の波長の光を遮ることを特徴とする膜厚測定装置。 - 測定対象物の分光反射率を測定する反射率測定装置であって、
参照対象物上の膜の厚さを測定する請求項１または２に記載の膜厚測定装置と、
参照対象物および測定対象物からの前記照明光の反射光の分光強度を取得する分光器と、
を備え、
前記演算部が、前記膜厚測定装置により測定された参照対象物上の膜の厚さに基づいて前記参照対象物の分光反射率を算出し、算出された分光反射率を参照して前記測定対象物の分光反射率を求めることを特徴とする反射率測定装置。 - 請求項１または２に記載の膜厚測定装置であって、
非測定時に前記第１光源からの光を所定の位置へと導く切替手段と、
前記所定の位置へと導かれた光の波長を取得する波長測定部と、
をさらに備え、
前記演算部が、対象物上の膜の厚さを求める際に前記波長測定部にて取得された波長を用いることを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項４に記載の膜厚測定装置であって、
前記切替手段が、
対象物が載置されるステージと、
前記ステージ上に配置されたミラーと、
前記ステージを移動することにより、前記第１光源からの光の照射位置に対象物または前記ミラーを位置させる機構と、
を有することを特徴とする膜厚測定装置。
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