JP4135603B2 - ２次元分光装置及び膜厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の分光画像を得るための２次元分光装置に関する。また、本発明は、光の波長に応じた分光反射率を利用して薄膜の膜厚を計測する膜厚測定装置に関する。特に、インライン計測に適した２次元分光装置及び２次元膜厚測定装置に関する。

（インライン計測の必要性）
近年、半導体プロセスにおいては、半導体基板の大型化やデザインルールの微細化に伴い、製造工程で不良が発生し易くなっている。そのため、製造工程で発生する不良によって膨大な損害が生じる可能性があり、微妙な異常を検査して不良が発生しないように製造工程を管理する必要がますます高まっている。

また、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ；Liquid Crystal Display）やプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ；Plasma Display Panel）に代表されるフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ；Flat Panel Display）の製造プロセスにおいても、ガラス基板の大型化が進む中で、大画面化、高精細化、高品位化が急速に進んでおり、高品質の製品を高歩留まりで生産するために、検査の重要性がますます高まってきている。

なかでも、半導体基板の表面に形成されるレジストや酸化膜、ガラス基板の表面に形成される誘電体多層膜フィルタなどの薄膜は、塗布材料の粘度や湿度、周囲温度などによって膜厚が変動し易いので、これらの薄膜の膜厚を精密に検査して膜厚不良が発生しないよう管理する必要がある。

製造工程において薄膜の膜厚検査を行う場合、従来は、大きくて高価な膜厚検査装置を用い、オフラインで検査を行っていた。すなわち、製造ライン又は製造装置から製品を抜き取り、製造ライン等から離れたところにある膜厚検査装置まで抜き取った製品を運び、そこで膜厚の測定を行ったり、目的とする膜厚（管理基準内の膜厚）が得られているか確認する、といった作業を行っていた。しかし、このようなオフライン作業では、膜厚測定の結果が目的とする膜厚から外れていた場合、その情報を製造ライン等へフィードバックして成膜プロセスに反映させ、薄膜の膜厚を修正するまでに長い時間を要していた。また、抜き取り検査を行っていない製品については、膜厚が管理基準から外れているか否かの判定ができず、十分に歩留まりを向上させることができないという問題があった。

そのため最近では、製造ライン等に膜厚測定装置を設置し、成膜プロセス中(in-situ)又はプロセス直後に、製造ライン等からガラス基板や半導体基板を抜き取ることなく全数検査を行うことが可能なインライン計測を行い、製品歩留まりを向上させたいというニーズが大きくなっている。

しかしながら、例えば製造ラインに沿って送られてくる測定対象物をそのままでインライン計測する場合には、製造ラインにおける振動や製造ラインの精度などにより、搬送されてくる測定対象物までの距離が変動し易く、また、測定対象物の傾きも変動し易い。ここで、測定対象物の距離の変動とは、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、膜厚測定装置から測定対象物２６に向けて投射される計測光２７の光軸方向と平行に測定対象物２６が変位することであり、測定対象物の傾きの変動とは、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、膜厚測定装置から測定対象物２６に向けて投射される計測光２７の光軸方向と垂直な平面に対して測定対象物２６が傾くことをいう。

そのため、インライン計測に用いることができる膜厚測定装置としては、従来のオフライン計測の膜厚測定装置と同等の性能を備え、かつ、製造ライン等に設置する関係から装置の小型化と高速演算処理が実現され、測定対象物の距離変動や傾き変動などの計測条件にも強いことが要求される。

次に、代表的な従来の膜厚測定装置について説明する。
（従来例１）
図３は膜厚測定装置の従来例を示す概略構成図である（特許文献１参照）。この膜厚測定装置１は、測定対象物の所定の一点における膜厚を計測するものである。この膜厚測定装置１にあっては、光源装置２から出射された計測光を光ファイバ３によって投受光部（対物レンズ）４へ導き、測定対象物である基板５の表面に形成された薄膜６に向けて投受光部４から垂直に計測光を照射する。薄膜６の表裏両面で反射された計測光は、投受光部４に入射し、光ファイバ７を通じて投受光部４から光学フィルタ８へ導かれる。薄膜６で反射された計測光が光学フィルタ８へ導かれると、計測光は光学フィルタ８によって分光され、分光された計測光がＣＣＤ等の受光部９によって受光される。受光部９の出力信号は、演算処理部１０へ送られ、演算処理部１０によって薄膜６の膜厚が演算される。

しかしながら、このような膜厚測定装置１を用いて２次元膜厚計測を行おうとすれば、基板５を載置したステージを走査させるか、装置自体を移動させて装置と測定対象物とを相対的に移動させる必要がある。そのため、計測作業に時間が掛かるという問題や、ステージ又は受光光学系を動かすための機構が必要になるので、膜厚測定装置が大型化するという問題がある。よって、製造ラインや製造装置に組み込んでインライン計測で用いることが困難であった。

（従来例２）
図４は膜厚測定装置の別な従来例を示す概略図である（特許文献２参照）。この膜厚測定装置１１の投光光学系は、計測用の光を発する光源１２と、第１の凸レンズ１３と、開口絞り１４と、視野絞り１５と、第２の凸レンズ１６と、ハーフミラー１７と、第３の絞り１８と、対物レンズ１９とによって構成され、光源１２から発した光は上記投光光学系を通して基板などの測定対象物２０の所定の２次元領域に照射される。

膜厚測定装置１１の受光光学系は、対物レンズ１９と、第３の絞り１８と、絞り２２と、対物レンズ１９やハーフミラー１７等を通過した測定対象物２０からの反射光を絞り２２上に結像させる第３の凸レンズ２１と、透過波長可変フィルタ２３と、分光画像を撮影するＣＣＤカメラ２４と、分光画像に基づいて分光反射率を測定する分光反射率測定手段２５とによって構成されている。絞り２２は、測定対象物２０表面の所定領域からの反射光のみを通過させ、不要な部分で反射された光をカットできるようになっている。また、絞り２２とＣＣＤカメラ２４の撮像面との間には、分光手段としての透過波長可変フィルタ２３と、絞り２２上の像をＣＣＤカメラ２４の撮像面に結像させる光学系（図示せず）が設けられ、測定対象物２０の２次元領域から分光反射率測定手段２５に到達する反射光の波長を選択すると共に選択波長を変更できるように構成されている。

この膜厚測定装置１１にあっては、以上の構成により、透過波長可変フィルタ２３に対する切替え操作を行うだけで、複数波長の分光画像を得ることができ、かつ、測定対象物２０の所定の２次元領域における分光反射率を２次元領域で一括して測定することができる。よって、膜厚測定装置１１によれば、装置サイズの小型化と高速演算処理が可能となる。

しかしながら、例えば半導体やＦＰＤ等の製造工程における測定対象物２０では、表面が鏡面となった正反射物体が多いので、測定対象物２０が傾くと、図５に示すように、第３の絞り１８によって測定対象物２０からの反射光が遮断される結果、観測される画像の光強度も変動し、正確に膜厚測定を行うことができなくなる。

また、膜厚測定装置１１において第３の絞り１８を無くせば、測定対象物２０の傾きに対する特性を向上させることができるが、その場合には測定対象物２０の距離が変動したときにＣＣＤカメラ２４と測定対象物２０との間に結像関係がなくなり、画像がぼけるので、正確に膜厚測定を行えなくなる。

このように従来の膜厚測定装置１１では、測定対象物２０の計測条件が変動したり、悪条件のもとで計測しなければならないような場合には、正確に膜厚計測を行うことができないので、この膜厚測定装置１１をインライン計測に用いることができなかった。

特願２００１−５０６４４２ 特願平８−２６２８２８号

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インラインで測定対象物の分光画像を観測するのに適した２次元分光装置を提供することにある。また、本発明は、測定対象物の２次元領域において、薄膜の膜厚をインライン計測するのに適した膜厚測定装置を提供することにある。

本発明にかかる２次元分光装置は、入射光を鏡面反射する測定対象物に向けて光源から光を照射する投光光学系と、測定対象物の単色画像を取り込む撮像手段と、測定対象物の像を前記撮像手段に結像させる受光光学系とを備えた２次元分光装置において、前記受光光学系を、結像素子及び開口絞りからなるテレセントリック受光光学系によって構成し、前記光源から出射され測定対象物で反射された光が前記開口絞りの位置に生成するスポット光を、前記開口絞りの小孔の大きさよりも大きくし、前記投光光学系における像側の開口数を、前記受光光学系における物側の開口数よりも大きくしたことを特徴としている。

本発明かかる２次元分光装置のある実施態様においては、前記光源が、前記投光光学系を介して測定対象物上に結像させられ、かつ、前記測定対象物の表面と結像関係にある平面において均一な出射光量分布を有していることが望ましい。
あるいは、前記光源が、前記投光光学系、測定対象物及び前記受光光学系を介して前記開口絞り上に結像させられ、かつ、前記開口絞りと結像関係にある平面において均一な出射光量分布を有していることが望ましい。

本発明にかかる２次元分光装置の別な実施態様においては、前記開口絞りは、前記受光光学系における物側の開口数が０.０２以下となるように孔径を定めるのが望ましい。

本発明にかかる膜厚測定装置は、上記のような２次元分光装置と、その２次元分光装置より得られた単色画像に基づいて測定対象物の膜厚を演算する演算処理手段とを備えている。

なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

本発明の２次元分光装置は、結像素子及び開口絞りからなるテレセントリック受光光学系によって受光光学系を構成しているので、測定対象物や像面の距離変動があっても安定した分光画像を得ることができる。特に、開口絞りよりも測定対象物側に結像素子を配置することにより、いわゆる物体側テレセントリック光学系、もしくは両側テレセントリック光学系となるので、測定対象物の距離変動に対する分光画像の安定度を高くできる。

また、本発明の２次元分光装置においては、光源から出射され測定対象物で反射された光が開口絞りの位置に生成するスポット光が、前記開口絞りの小孔の大きさよりも大きくなり、また、測定対象物が入射光を鏡面反射するものである場合に、投光光学系における像側の開口数が、受光光学系における物側の開口数よりも大きくなるようにしているので、測定対象物の傾きが変動したときの分光画像の安定性を高めることができる。
また、本発明の２次元分光装置のある実施態様において、光源が、前記投光光学系を介して測定対象物上に結像させられ、かつ、前記測定対象物の表面と結像関係にある平面において均一な出射光量分布を有するように構成されていれば、測定対象物が傾いたときに撮像手段で取得される画像の光量が変化しにくくなる。
あるいは、前記光源が、投光光学系、測定対象物及び受光光学系を介して前記開口絞り上に結像させられ、かつ、前記開口絞りと結像関係にある平面において均一な出射光量分布を有するようにしておいても、測定対象物が傾いたときに撮像手段で取得される画像の光量が変化しにくくなる。

本発明の２次元分光装置のさらに別な実施態様においては、前記受光光学系における物側の開口数が０.０２以下となるように、前記開口絞りの孔径を決めれば、測定対象物の距離変動があっても安定した分光画像を得られるように最適設計することができる。

本発明の膜厚測定装置は、上記のような２次元分光装置を用いることにより、測定対象物の距離変動や傾き変動に強い、インライン計測と２次元計測が可能な膜厚測定装置を得ることができる。

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。

図６は本発明の実施例１による２次元膜厚計測の可能な膜厚測定装置３１を示す全体構成図である。膜厚測定装置３１は、センサヘッド部３２と、演算処理部３３と、外部インターフェイス（Ｉ／Ｆ）部とからなる。図示例では、外部インターフェイス部は、ディスプレイ装置３４と、キーボード、マウス等の入出力機器３５とで構成されている。また、センサヘッド部３２と演算処理部３３はケーブル３６によって接続され、演算処理部３３とディスプレイ装置３４はケーブル３７によって接続され、演算処理部３３と入出力機器３５はケーブル３８によって接続されている。

図７は上記膜厚測定装置３１の電気的構成を示すブロック図である。センサヘッド部３２は、投光部３９、受光部４０、モニター部４１、および電源部４２からなる。センサヘッド部３２においては、投光部３９から出射された計測光Ｌが測定対象物４３に投射され、測定対象物４３で反射された計測光Ｌが受光部４０で受光され観測される。モニター部４１は、投光部３９から出射される計測光Ｌの光強度の変動をモニターする働きをしており、投光部３９から出射される計測光Ｌの一部を直接受光している。また電源部４２は、投光部３９、受光部４０及びモニター部４１に電力を供給してこれらを駆動する電源である。電源部４２は、センサヘッド部３２の内部に設けてあってもよく、また、演算処理部３３内に取り付けるなど、センサヘッド部３２に対して外付けとなっていてもよい。

演算処理部３３は、投受光制御部４４と、Ａ／Ｄ変換部４５と、ＲＯＭ等の不揮発性メモリ４６と、入出力制御部４７と、表示制御部４８と、これらを演算／制御するマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）等の主制御部４９とからなる。投受光制御部４４は、投光部３９、受光部４０、モニター部４１及び電源部４２を制御する。Ａ／Ｄ変換部４５は、受光部４０とモニター部４１からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。不揮発性メモリ４６は、各種のプログラムを内蔵している。入出力制御部４７は、ケーブル３８を介してキーボード、マウス等の入出力機器３５を接続される。表示制御部４８は、ケーブル３７を介してディスプレイ装置３４を接続される。

しかして、投受光制御部４４は、所定のタイミングで投光部３９を発光させ、計測光Ｌを測定対象物４３に照射させる。同時に、モニター部４１は投光部３９から出射された計測光Ｌの一部を受光し、その受光量に応じたモニター信号をケーブル３６によりＡ／Ｄ変換部４５へ出力する。モニター信号（アナログ信号）は、Ａ／Ｄ変換部４５によりデジタル信号に変換された後、主制御部４９へ送られる。主制御部４９はデジタル化されたモニター信号に基づいて投光部３９から出射されている計測光Ｌの光強度を演算し、その光強度が所定の光強度と等しくない場合には、投受光制御部４４を通じて投光部３９を制御し、投光部３９の光強度が所定の光強度となるようにフィードバック制御する。

また、受光部４０で撮像された測定対象物の画像信号は、ケーブル３６を通じてＡ／Ｄ変換部４５へ出力される。Ａ／Ｄ変換部４５でデジタル信号に変換された画像信号は、主制御部４９へ送られ、後述のようにして薄膜の所定位置の膜厚が演算される。表示制御部４８は、受光部４０から出力された画像信号に基づいて測定対象物４３の画像や膜厚の演算結果等をディスプレイ装置３４に表示させる。また、入出力制御部４７は、入出力機器３５から例えば膜厚の計測位置や屈折率等のデータを入力されると、その計測位置データ等を主制御部４９へ送信する。

図８は上記センサヘッド部３２の光学的構成を示す概略図である。センサヘッド部３２内の投光部３９は、光源５０と投光光学系とからなり、投光光学系は、投光レンズ５１、ハーフミラー５２及び対物レンズ５３によって構成される。受光部４０は、受光光学系とＣＣＤカメラ等からなる撮像部５６とからなり、受光光学系は、対物レンズ５３、開口絞り５４及びマルチ分光フィルタ５５によって構成される。モニター部４１は、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子からなる。ハーフミラー５２は、測定対象物４３に投射する計測光Ｌの光軸方向に対して４５度の角度で配置されており、光源５０及び投光レンズ５１は、ハーフミラー５２の一方側方に光軸を水平方向に向けるようにして配置され、モニター部４１はハーフミラー５２を介して光源５０及び投光レンズ５１と対向する位置に配置されている。しかして、光源５０から出射された計測光Ｌは、投光レンズ５１を透過した後、ハーフミラー５２に入射する。ハーフミラー５２に入射した光の一部はハーフミラー５２で反射され対物レンズ５３を透過して測定対象物４３の所定の２次元領域Ａに投射され、残りの一部はハーフミラー５２を透過してモニター用の光としてモニター部４１で受光される。ここで、測定対象物４３に照射される計測光Ｌは、測定対象物４３に対して垂直に入射する同軸落射光とする。また測定対象は、たとえば半導体製造工程、ＦＰＤ製造工程などで基板等の表面に成膜された薄膜である。

ハーフミラー５２は対物レンズ５３の上に配置され、その上方に開口絞り５４とマルチ分光フィルタ５５と撮像部５６が配置されている。撮像部５６と測定対象物４３の間に設置されているマルチ分光フィルタ５５は、図９に示すように、透過波長域の異なる複数の分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を備えたフィルタ板５８をパルスステップモータ等の回転アクチュエータ５９で回転させて角度を変えられるようにしたものである。フィルタ板５８の外周部には、回転アクチュエータ５９の回転軸を中心として同心円状に複数の開口が設けられており、１つを除く開口にはそれぞれ選択波長の異なる透過型の分光フィルタ（バンドパスフィルタ）５７ａ、５７ｂ、…が嵌め込まれており、１つの開口は分光フィルタの嵌められていない透孔５７となっている。このような透過型分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…としては、誘電体多層膜などを用いることができる。マルチ分光フィルタ５５のフィルタ板５８は、開口絞り５４の上に近接して配置されており、回転アクチュエータ５９によってフィルタ板５８を回転させることにより、透孔５７又は任意の分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を開口絞り５４の小孔５４ａと対向する位置へ移動させることができる。よって、いずれかの分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…が小孔５４ａの上に位置している場合には、小孔５４ａを通過した白色光は、その上の分光フィルタ例えば５７ａに入射し、その分光フィルタで決まる特定の波長域の光だけが撮像部５６に入射する。

しかして、測定対象物４３の所定の２次元領域Ａに照射され測定対象物４３で反射された計測光Ｌは、対物レンズ５３を透過した後、ハーフミラー５２と小孔５４ａを通過していずれかの分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を透過し、撮像部５６に入射する。また、測定対象物４３と撮像部５６の受光面とは、結像関係にあり、測定対象物４３の２次元領域Ａ内の各点が撮像部５６の各画素に１対１に対応している。ここで、マルチ分光フィルタ５５を回転させて順次分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を切り替えることにより、図１０（ａ）〜（ｆ）に示すＴＦＴアレイ基板の画像Ｍのように、分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…で決まる様々な波長ｆ１、ｆ２、…の分光画像を撮像部５６で観察し、各分光画像をハードディスク等の記憶装置（図示せず）に記憶させる。ついで、例えば図１０（ａ）〜（ｆ）で×印を付した画素開口内の点のように、撮像部５６の各画素のうちから任意の１画素（すなわち、２次元領域Ａの任意の１点）を選択し、記憶させた各波長の分光画像データから選択した画素の分光反射率データを抽出し、それらの分光反射率データを理論分光反射率と比較することにより、選択した点の膜厚を演算処理部３３で算出する。なお、開口絞り５４の働きは後述する。

理論分光反射率は、例えば薄膜が単層膜である場合には、次の（１）式で表されるものである。なお、薄膜が多層膜の場合の理論分光反射率を表す式も知られているが、ここでは省略する。

ここで、Ｒは反射率であって、薄膜に入射する光の強度をＩi、薄膜で反射された光の強度をＩrとすると、Ｒ＝（Ｉr／Ｉi）で表される。ｄは薄膜の膜厚、ｎは薄膜の屈折率、λは入射光の空気中の波長、ｉは虚数単位である。また、ｒ_０及びｒ_１は、薄膜を支持する基板の屈折率ｎoと、薄膜の屈折率ｎと、空気の屈折率ｎaとに関する量であり、次の（２）式、（３）式で表される。

よって、基板及び薄膜の屈折率ｎo、ｎと、入射光の波長λが分かっていれば、上記（１）式は薄膜の膜厚ｄの関数となり、任意の膜厚ｄに対する理論分光反射率が得られる。例えば、基板がＳｉ、薄膜がＳｉＯ_２であるとして、その薄膜の膜厚ｄが、５００ｎｍの場合と１０００ｎｍの場合とを考えると、その理論分光反射率は上記（１）式から、図１１のようになる。

図１１から分るように、薄膜の膜厚が変わると理論分光反射率の波形も変化しており、分光反射率を計測して理論分光反射率と比較することで、薄膜の膜厚を決定できる。また、光の波長に対する分光反射率の計測値を多数の波長について求めることができれば、薄膜の膜厚以外にも、薄膜の屈折率や基板の屈折率などが未知数でも、前記（１）式からこれらの未知数を求めることが可能である。

演算処理部３３による膜厚算出方法としては、カーブフィッティング法を用いることができる。カーブフィッティング法とは、予め計算しテーブルとして記憶しておいた各膜厚に対する波形データ（テーブルデータ）と測定した受光データを比較し、最小自乗法により受光データともっとも誤差の少ないデータを抽出し、その波形データの膜厚を測定対象となっている薄膜の膜厚とする方法である。膜厚算出方法としては、カーブフィッティング法以外にも、極値探索法のような膜厚計算方法を用いてもよい。

また、この膜厚測定装置３１では、各画像から分光反射率データを抽出する画素位置を変更して上記のようにして膜厚を算出すれば、測定対象物４３や膜厚測定装置３１を移動させることなく、２次元領域Ａ内の任意の点における薄膜の膜厚を算出することができるので、２次元膜厚計測が可能になっている。

よって、この膜厚測定装置３１にあっては、以上の構成により、マルチ分光フィルタ５５の切替え操作を行うだけで複数波長の分光画像を得ることができ、かつ、測定対象物４３の所定の２次元領域Ａにおける分光反射率を２次元領域で一括して測定することができるので、膜厚測定装置３１の装置サイズの小型化と高速演算処理が可能となる。

図１２は、膜厚測定装置３１により膜厚測定を行う際の処理フロ−を示すフロー図である。なお、測定した干渉波形から膜厚を算出する方法は、例えば特願２００１−５０６４４２に記載されている方法と同様であり、ここでは省略する。膜厚計測にあたっては、まず膜厚測定装置３１の電源をオンにしてシステムを起動し（ステップＳ１）、計測対象となる薄膜（単層膜、多層膜）の屈折率、吸収係数、計測ポイント数、計測間隔などの測定に必要な計測条件を入出力機器３５から入力して条件設定を行う（ステップＳ２）。ついで、初めて測定する場合や、測定対象物の種類を変更した場合などには、反射光量の既知な試料を用いてレファレンス（基準値）測定を行ない（ステップＳ３）、膜厚測定装置３１が正しく調整されていることを確認する。

膜厚測定を開始（ステップＳ４）すると、マルチ分光フィルタ５５を回転させて分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を順次切り替えながら撮像部５６で各波長の２次元分光画像を次々と撮影し、各波長の２次元分光画像を記憶装置に記憶させる（ステップＳ５）。ついで、記憶装置に記憶させた２次元分光画像から膜厚測定を行いたい箇所の画素の分光反射率データを抽出し（ステップＳ６）、それらの分光反射率データから膜厚を算出する（ステップＳ７）。このステップＳ５、Ｓ６においては、複数画素の分光反射率データを抽出すれば、２次元領域Ａ内の複数位置の膜厚を算出することができる。

こうして１つの測定対象物４３について膜厚計測が完了すると、ステップＳ２で設定した条件に従って計測が継続されるべきか、終了すべきか判定する（ステップＳ８）。この判定結果が継続であれば、ステップＳ５へ戻って次の測定対象物４３に対して膜厚計測を行ない、判定結果が終了であれば、ディスプレイ装置３４や入出力機器３５へ膜厚測定結果のデータを出力して（ステップＳ９）膜厚計測を終了する（ステップＳ１０）。

以上で本発明の膜厚測定装置３１の２次元膜厚測定のための基本的構成について説明したが、ついで、インライン計測を行うための条件となる、測定対象物の距離の変動や傾きの変動に対して計測結果を安定させるための構成を説明する。

（距離変動特性対策）
図８で示したように、測定対象物４３の２次元画像を測定するためには、センサヘッド部３２の受光部４０に結像光学系を用いる必要がある。本発明の膜厚測定装置３１では、測定対象物の距離変動に対して計測精度を安定させるために、結像光学系にテレセントリック光学系を採用している。テレセントリック光学系とは、「開口絞りを像空間の後方焦点位置、もしくは物体空間の前焦点位置に置くと、それぞれに対応して、全ての主光線は物体空間、もしくは像空間で光軸に平行になる。したがって物体面や像面の位置の誤差が撮影や測定される像の大きさの誤差に与える影響が少ないため、物体の寸法測定や倍率変動特性誤差の厳しい光学系に応用される」（小柳修爾著「光技術用語辞典」オプトエレクトロニクス社）と定義されている。

テレセントリック光学系には、３種類の光学系が知られている。図１３（ａ）は像側テレセントリック光学系の説明図、図１３（ｂ）は物体側テレセントリック光学系の説明図、図１３（ｃ）は両側テレセントリック光学系の説明図である。像側テレセントリック光学系は、物体６０とレンズ６１との間の物体空間におけるレンズ６１の物側焦点（前焦点位置）に開口絞り６２を配置したものであり、像空間では主光線（開口絞りの中心を通る光線）Ｐがレンズ光軸と平行になっており、像面６３がレンズ光軸方向に変位しても画像の変化が少ない。物体側テレセントリック光学系は、像面６３とレンズ６１との間の像空間におけるレンズ６１の像側焦点（後側焦点位置）に開口絞り６２を配置したものであり、物体空間では主光線Ｐがレンズ光軸と平行になっており、物体６０がレンズ光軸方向に変位しても画像の変化が少ない。両側テレセントリック光学系は、物体側に位置するレンズ６１ａの像側焦点と像側に位置するレンズ６１ｂの物側焦点が一致していてその焦点位置に開口絞り６２を配置したものであり、物体側と像側で主光線Ｐがレンズ光軸と平行になっており、物体６０がレンズ光軸方向に変位しても像面６３がレンズ光軸方向に変位しても、いずれの場合にも画像の変化が少ない。

膜厚測定装置３１は一体に組立てられているので、像面（受光面）の変動は問題にならない。従って、測定対象物の距離変動に対して計測結果を安定させるのに効果のない像側テレセントリック光学系はここでは適当でなく、本発明においては、テレセントリック光学系として物体側テレセントリック光学系、あるいは両側テレセントリック光学系を用いている。

次に、一般的な結像光学系とテレセントリック系を用いた結像光学系との違いを説明する。図１４（ａ）は一般的な結像光学系を示す図、図１４（ｂ）は物体側テレセントリック光学系を用いた結像光学系を示す図であって、いずれも物体６０のイメージと、主光線の様子と、物体が変位して結像位置からずれたときの像面における画像６４のイメージが表されている。また、図１４（ａ）、（ｂ）の中央部に描いた光線図では、像面にピントの合った画像６４を生成させるのに最適な位置にあるときの物体６０（変位前）を破線矢印で、その位置からずれた位置にある物体６０（変位後）を実線矢印で示し、変位前の物体６０から出ている主光線を破線Ｐで、変位後の物体６０から出ている主光線を実線Ｑで表し、さらに物体６０が変位前における像面での画像６４を破線矢印で、物体６０が変位した後における像面での画像６４を実線で表し、画像のぼけの大きさを楕円で表している。図１４（ａ）に示す一般的な結像光学系では、受光光学系における物側の開口数ＮＡが大きいので、物体６０の距離変動があった場合、画像６４の倍率が変化し、画像６４のぼけが大きくなる。これに対し、図１４（ｂ）に示す物体側テレセントリック光学系を用いた結像光学系では、受光光学系における物側の開口数ＮＡが非常に小さく、物体側で主光線Ｐ、Ｑとレンズ光軸が平行であるため、物体６０の距離変動があっても、画像６４の倍率の変化がなく、画像６４のぼけも小さいので、高精度な画像計測に用いることができる。

よって、実施例１の膜厚測定装置３１では、図８に示したように、対物レンズ５３と撮像部５６との間において、マルチ分光フィルタ５５の下面近傍で対物レンズ５３の光軸上に開口絞り５４の小孔５４ａを配置することにより、結像光学系を物体側テレセントリック光学系としている。

図１５は、図８に示した膜厚測定装置３１における光学系とその光線の挙動を示す図である。この膜厚測定装置３１にあっては、光源５０から出射された計測光Ｌは、投光レンズ５１、ハーフミラー５２及び対物レンズ５３を通って測定対象物４３の２次元領域Ａに照射される。この投光用光学系は同軸落射型となっていて、測定対象物４３に向けて照射される光は測定対象物４３の表面にほぼ垂直に投射される。

また、受光用光学系においては、２組のアクロマティックレンズによって対物レンズ５３を構成し、対物レンズ５３の像側焦点に開口絞り５４の小孔５４ａを位置させて対物レンズ５３と開口絞り５４によって物体側テレセントリック光学系を構成している。そして、測定対象物４３と撮像部５６とは、対物レンズ５３に関して測定対象物４３と撮像部５６の受光面とが結像関係になるように配置されている。よって、所定の２次元領域Ａで反射された計測光Ｌは、対物レンズ５３及び開口絞り５４で構成されたテレセントリック光学系を通ってマルチ分光フィルタ５５に入射する。よって、この膜厚測定装置３１においては、膜厚測定装置３１と測定対象物４３との間の距離に変動が発生しても、測定対象物４３の画像を撮像部５６にはっきりと結像させることができ、測定対象物４３の距離変動に対して良好な特性を得ることができる。

テレセントリック光学系は、主光線とレンズ光軸が平行であるため、測定対象物の距離変動時にも倍率変動誤差がなく、高精度な画像計測を行うことができるが、正常に膜厚測定を行うためには反射光強度の変化も数％程度に抑える必要がある。すなわち、パターンサーチ等を行う画像処理装置などでは、対象とする画像を識別できればよいので、画像の反射光強度が多少変化しても許容されるが、２次元膜厚計測を行う膜厚測定装置３１では、数％の反射光強度も計測誤差の要因となるので、測定対象物の距離が変化しても反射光強度の変化がほぼゼロであることが望まれる。あるいは、反射光強度の変化を少なくとも数％以下に抑えることが要求される。

距離変動時の反射光強度の変化を小さくするためには、受光光学系における物側の開口数ＮＡを小さくする（開口絞りの孔径を小さくする）ことで実現することができる。ここで、受光光学系における物側の開口数ＮＡとは、測定対象物４３から出て開口絞り５４を通過する計測光Ｌの広がり角を２ｗとするとき、
受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗ
で表されるものである（図２３（ｂ）参照）。また、受光光学系における像側の開口数ＮＡは、受光光学系の倍率と受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗとによって決まるので、距離変動時の反射光強度の変化を小さくするためには、受光光学系における像側の開口数ＮＡを小さくすればよいということもできる。ここで、受光光学系における像側の開口数ＮＡとは、図１５に示すように、開口絞り５４で制限されて撮像部５６の受光面に達する光の広がり角を２ｖとするとき、
受光光学系における像側の開口数ＮＡ＝sinｖ
で表されるものである。

すなわち、図１６（ｂ）に示すように開口絞り５４の孔径を絞って像側の開口数ＮＡを小さくすると、図１６（ａ）のように開口絞り５４の孔径が大きい場合に比べて開口絞り５４を通過する光束が細くなって開口絞り５４を通過した光の方向が平行に揃うので、距離変動による反射光強度の変化が小さくなる。しかし、開口絞りを小さくして受光光学系における物側の開口数ＮＡを小さくしすぎると、開口絞り５４を通過する光量が減少するので、画像が暗くなって光学的画像分解能が低減し、計測位置精度が悪くなる。例えば、ＴＦＴアレイ基板などを計測する場合、光学的分解能が画素ピッチとほぼ等しいと、画素開口内における膜厚測定を行おうとしてブラックマトリクス領域を計測する可能性が高くなる。従って、膜厚測定装置３１においては、受光光学系の光学的画像分解能が低下し過ぎることのない範囲で、距離変動時の反射光強度の変化ができるだけ小さくなるように、受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗ（あるいは、開口絞り５４の孔径）を決定して最適な値を得る必要がある。

次に、開口絞り５４の孔径を画像評価用試料を用いて実験的に決定する方法を説明する。図１７（ａ）は実験に用いた測定対象物４３（試料）を示す平面図である。この測定対象物４３はロンキールーリンク（エドモンド・オプティクス・ジャパン）と呼ばれ、平行線を規則正しく整列させたパターンで、線幅とスペース幅は等しい関係にあり、撮像光学系の解像力や歪みなどの画像評価用の測定対象として用いられる。本実験では、ガラス基板等の透明基板６５の表面にクロムを蒸着させることによってストライプ６６（図１７（ａ）で黒い部分）を形成した、パターンの線幅が約４１μm（空間周波数１２本／ｍｍ）のロンキールーリンクを用いた。図１７（ｂ）は、この測定対象物４３を直接撮像部５６で読み込んだと仮定したときの光強度の波形図（イメージ図）であって、縦軸は最大値を１とした光強度、横軸は撮像部５６の画素ナンバー（画素位置）を示す。また、図１８は、受光光学系における物側の開口数ＮＡが０.０５５となる開口絞り５４（孔径３ｍｍ）を用いた光学倍率３倍の物体側テレセントリック光学系を示す概略図、図１９（ａ）、（ｂ）は図１８のテレセントリック光学系を用いて上記ロンキールーリンクを測定対象物４３として観測された画像と波形を示す図である。また、図２０は、受光光学系における物側の開口数ＮＡが０.０１となる開口絞り５４（孔径０.５ｍｍ）を用いた光学倍率３倍の対物レンズ５３からなる物体側テレセントリック光学系を示す概略図、図２１（ａ）、（ｂ）は図１９のテレセントリック光学系を用いて上記ロンキールーリンクを測定対象物４３として観測された画像と波形を示す図である。なお、図１９（ｂ）と図２１（ｂ）の波形は、測定対象物の画像のパターンが変化している方向における変化を表しており、いずれも測定対象物の距離変動が０ｍｍ（結像位置）のときと、１.０ｍｍのときを示している。また、図１９（ｂ）と図２１（ｂ）の縦軸は反射光強度、横軸は画素ナンバー（画素位置）である。

図１９（ａ）、（ｂ）と図２１（ａ）、（ｂ）の画像と波形を比較すると、開口絞り５４の孔径の大きな場合にあたる図１９（ａ）の画像は、開口絞り５４の孔径の小さな場合にあたる図２１（ａ）の画像に比べてエッジが明確であり、画像分解能が良好であることがわかる。しかし、図１９（ｂ）における距離変動時の波形は、距離変動が０ｍｍの場合からの光強度の変化が大きく、距離変動特性が良くないことがわかる。図２１（ａ）（ｂ）では、画像分解能は悪いが、距離変動時の光強度の変化が極めて小さく、良好な距離変動特性を示している。このように画像分解能と距離変動特性は相反関係にあり、これらを両立させるように開口絞りを決定することは困難である。よって、テレセントリック光学系における像側の開口数ＮＡ又は開口絞り５４の孔径の最適な値を決定するためには、所望の光学的画像分解能を決めてから距離変動特性を一意的に決定する方法か、所望の距離変動特性を決めてから画像分解能を一意的に決定する方法か、いずれかの方法を選択する必要がある。なお、上記実施例では、物体側テレセントリック光学系を用いた場合について説明したが、膜厚測定装置３１において両側テレセントリック光学系を用いることも可能である。

実験的に見い出したところでは、測定対象物の距離変動があったときの反射光強度の変化を計測精度上許容できる程度に小さくするためには、受光光学系における物側の開口数ＮＡを０.０２以下にすればよい。従って、測定対象物が基板の表面全体に均一に薄膜を形成されたものであるような場合には、膜厚測定装置の画像分解能は問題にならないので、受光光学系における物側の開口数ＮＡを０.０２以下でなるだけ小さくすることが望ましい。しかし、測定対象物が例えばＴＦＴアレイ基板のように微細なパターンの形成されている場合には、受光光学系における物側の開口数ＮＡが小さ過ぎると測定箇所を正確に指定することができなくなるので、受光光学系における物側の開口数ＮＡに下限値が設定されることになり、微細パターンが細かくなるほど下限値は大きくなる。よって、微細パターンに応じて実験的に開口絞りの最適な大きさを決めれば、受光光学系における物側の開口数ＮＡの最適値を求めることができる。

（傾き変動特性対策）
本発明の膜厚測定装置３１では、結像光学系に測定対象物の距離変動特性に強いテレセントリック光学系を採用したが、単にテレセントリック光学系を用いただけでは、測定対象物の傾きが変化した場合には、開口絞り５４によって測定対象物４３からの反射光が遮断され、撮像部５６で測定対象物４３を観測できず膜厚測定ができなくなる。すなわち、図２２（ａ）に示すように、測定対象物４３の傾きが０°のときに測定対象物４３の２次元領域Ａで反射された光が小孔５４ａを通過して撮像部５６で受光されていたとしても、図２２（ｂ）又は図２２（ｃ）のように測定対象物４３が±１°傾くと、２次元領域Ａで反射した光は開口絞り５４によって遮断されて撮像部５６で観測できなくなる。

そこで、本発明においては、測定対象物４３の傾き変動による膜厚計測精度の劣化を小さくするため、投受光光学系について次の２つの構成を採用している。まず第１に、図１５のように投光光学系を同軸落射光学系で構成し、かつ、投光光学系における像側（測定対象物側）の開口数ＮＡが、開口絞り５４の孔径により決定される受光光学系における物側（測定対象物側）の開口数ＮＡよりも大きくなるように光学系を構成する。ここで、投光光学系における像側の開口数ＮＡとは、図２３（ｂ）に示すように、投光光学系を通して光源５０から測定対象物４３に照射される計測光Ｌの広がり角を２ｕとするとき、
投光光学系における像側の開口数ＮＡ＝sinｕ
で表されるものである。測定対象物４３が鏡面物体であるとすれば、測定対象物４３で反射される光の広がりは、投光光学系における像側の開口数ＮＡによって決まる。また、受光光学系における物側の開口数ＮＡとは、前記のように、測定対象物４３から出て開口絞り５４を通過する計測光Ｌの広がり角を２ｗとするとき、
受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗ
で表されるものである。図２３（ｂ）に示すように、この広がり角２ｗは、開口絞り５４から想定される入射瞳５４´の小孔５４ａ´に対して測定対象物４３の上の点が張る角度であるということもできる。

第２には、光源５０のある面（以下、この面を光源基準面５０ａという。）と開口絞り５４とが結像の関係となるようにし、図２３（ａ）に示すように、光源基準面５０ａの適当な大きさの領域で出射光量の分布が均一になるようにする。出射光量の分布が均一であるとは、光源基準面５０ａの発光領域全体で出射光量が均一であるか、又は、指向特性が等しいことをいう。

しかして、このような光学系においては、図２４（ａ）に示すように、光源基準面５０ａと開口絞り５４とが結像関係にあり、光源基準面５０ａの発光領域６７の各光点から出射した計測光Ｌは、投光レンズ５１及び対物レンズ５３を透過して測定対象物４３に同軸落射して２次元領域Ａ全体に広がり、さらに、対物レンズ５３を透過して開口絞り５４の面内で結像する。また、図２４（ｂ）に示すように、測定対象物４３の２次元領域Ａの各点で反射された計測光Ｌは、開口絞り５４における発光領域６７の像の領域（つまり、開口絞り５４における照明領域６８）の全体に広がっている。しかも、光源基準面５０ａの発光領域６７の全体において出射光量の分布が均一となっているので、開口絞り５４の照明領域６８全体で光量分布が均一となっている。なお、図２４（ａ）、（ｂ）はいずれも光線が一方向に進むように概念的に描いた図である。

また、投光光学系における像側の開口数ＮＡが受光光学系における物側の開口数ＮＡよりも大きくなっているが、鏡面の測定対象物４３では測定対象物４３に入射する光の広がりと測定対象物４３で反射した光の広がりとは等しいから、この条件は、図２３（ｂ）に示すように、測定対象物４３で反射された光が開口絞り５４に対応する入射瞳５４´の上に照射する光のスポット径Ｄ１が入射瞳５４´の小孔５４ａ´の口径Ｄ２よりも大きいことを意味している。よって、測定対象物４３で反射された光は、開口絞り５４の上に、その小孔５４ａよりも大きな面積のスポット光を照射することになる（図２４（ｂ）参照）。特に、開口絞り５４における照明領域６８の大きさは、測定対象物４３を想定される最大の傾きで傾けたときでも、小孔５４ａが照明領域６８からはみ出ないような大きさとしてあり、ひいては、光源基準面５０ａの発光領域６７の面積がそれに応じた大きさとしている。しかも、測定対象物４３と撮像部５６とが結像関係にあるので、測定対象物４３の２次元領域Ａから出射された計測光Ｌは開口絞り５４で照明領域６８全体に広がり、その一部が開口絞り５４の小孔５４ａを通過して撮像部５６で結像される。

よって、図２５（ａ）に示すように、測定対象物４３の傾きが０°のときには測定対象物４３の２次元領域Ａで反射された計測光Ｌが小孔５４ａを通過して撮像部５６で結像されると共に、図２５（ｂ）、（ｃ）に示すように、測定対象物４３が例えば±１°傾いている場合にも、２次元領域Ａで反射した計測光Ｌは小孔５４ａを通過して撮像部５６で結像され、測定対象物４３の傾き変動時にも撮像部５６で測定対象物４３を観測することができる。

こうして測定対象物４３の傾き変動があった場合でも薄膜の膜厚測定を行えるようになるが、撮像部５６で観測される反射光強度が測定対象物４３の傾きによって変動すると、正確な膜厚測定を行うことができない。

そのため、この膜厚測定装置３１では、光源基準面５０ａの発光領域６７において出射光量の分布が均一となっており、しかも、図２４（ａ）に示したように発光領域６７の各点から出射した計測光Ｌが２次元領域Ａ全体に広がっているので、測定対象物４３の２次元領域Ａ全体で光量分布が均一となっている。さらに、発光領域６７の像が開口絞り５４に結像しているので、開口絞り５４の照明領域６８も均一な光量分布となっている。よって、測定対象物４３が傾いて撮像部５６で受光される光領域が変化しても撮像部５６で観測される反射光強度が変化せず、測定対象物４３に傾き変動がある場合でも精度の高い膜厚計測を行うことができる。

以上の説明から明らかなように、実施例１の膜厚測定装置３１によれば、距離変動や傾き変動があっても膜厚測定を行うことができ、しかも、距離変動や傾き変動があっても撮像部５６で観測される反射光強度がほぼ一定となり、精度の高い膜厚測定を行うことができる。

上記光源５０の構成においては、光源基準面５０ａ（すなわち、開口絞り５４と結像関係にある面）の発光領域６７で出射光量の分布が均一となっていたが、このような光源５０を実現する方法を説明する。図２６はこのような光源５０の一例であって、ランプ６９から出射した計測光Ｌをコンデンサレンズ７０と集光レンズ７１を透過させた後、比較的拡散角の小さな拡散板７２に入射させるようにしたものであり、拡散板７２で計測光Ｌを拡散させることで出射光量の分布を均一化させている。このような光源５０では、拡散板７２の配置されている面が光源基準面５０ａとなる。

図２７は別な構成の光源５０であって、ランプ６９及びロッドレンズ７３によって構成されている。このような光源５０では、ロッドレンズ７３によって出射光量の分布が均一化され、ロッドレンズ７３の出射側端面が光源基準面５０ａとなる。

（変形例）
図２８は実施例１の変形例であって、図２４（ａ）、（ｂ）と同じように光線が一方向に向けて進むように概念的に描いた図を示している。この変形例でも、開口絞り５４は対物レンズ５３の後焦点位置に置かれていて結像光学系は物側テレセントリック光学系となっており、測定対象物４３と撮像部５６とが結像関係にある。また、光源５０は光源基準面５０ａの発光領域６７で出射光量の分布が均一となっており、投光部を同軸落射光学系で構成し、かつ、投光光学系における像側の開口数ＮＡが受光光学系における物側の開口数よりも大きくなるように光学系が構成されている。違っている点は、光源基準面５０ａが、開口絞り５４ではなく、測定対象物４３と結像関係にあることである。

この変形例では、光源基準面５０ａの発光領域６７における出射光量の分布が均一となっており、発光領域６７から出射された計測光Ｌが測定対象物４３で結像される。よって、測定対象物４３の２次元領域Ａも光量分布が均一になる。また、２次元領域Ａの各点で反射された計測光Ｌは、開口絞り５４の照明領域６８全体に広がっており、そのため照明領域６８全体も光量分布が均一になっている。従って、このような構成でも、測定対象物４３の傾き変動があっても測定対象物４３を撮像部５６で観測することができ、しかも、傾き変動があっても撮像部５６で観測される反射光強度がほぼ一定となり、精度の高い膜厚測定を行うことができる。

よって、このような変形例でも、距離変動や傾き変動があっても膜厚測定を行うことができ、しかも、距離変動や傾き変動があっても撮像部５６で観測される反射光強度がほぼ一定となり、精度の高い膜厚測定を行うことができる。

図２９は実施例２による膜厚測定装置のセンサヘッド部３２の光学的構成を示す概略図である。このセンサヘッド部３２では、ハーフミラー５２の上に対物レンズ５３を配置し、投光部から対物レンズ５３を外して光源５０から出射された計測光Ｌが投光レンズ５１を透過した後、ハーフミラー５２で反射して測定対象物４３を同軸落射照明するようにしている。受光部においては、対物レンズ５３がハーフミラー５２の上に配置されているが、開口絞り５４を対物レンズ５３の後焦点位置に配置して物体側テレセントリック光学系としている点や、対物レンズ５３に関して測定対象物４３と撮像部５６とが結像関係にあることなどは実施例１と同じである。

実施例１の膜厚測定装置３１では、結像光学系を小型化するために対物レンズ５３をハーフミラー５２よりも下に配置しているので、対物レンズ５３が光源５０と測定対象物４３の中間に位置している。そのため、図３０（ｂ）に示すように、光源５０から測定対象物４３に照射される計測光Ｌのうち１％程度の計測光Ｌ（レンズ表面にはＡＲコートが施されており、片面からの反射光を０.５％とし、両面で１％とした。また、図示のように対物レンズ５３が２組のレンズで構成されている場合には、合計２％となる。）が対物レンズ５３で反射され、外乱光として撮像部５６で観測される。図３１、図３２にその例を示す。図３１は画用紙の画像、図３２はＴＦＴアレイ基板の画像を表している。どちらの画像も中心部分の光強度が高くなっており、対物レンズ５３からの反射光の影響が出ている。

このような対物レンズ５３からの外乱光の影響は、ガラス基板上のパターン計測など、反射率の小さい測定対象物においては、撮像部５６のダイナミックレンジを低下させることになる。膜厚測定装置で分光反射率を高精度に測定するためには、このような外乱光の影響は最小限にする必要がある。

これに対し、実施例２のセンサヘッド部３２では、上記のように対物レンズ５３をハーフミラー５２よりも上方に位置させ、光源５０を対物レンズ５３と測定対象物４３の中間に配置しているので、図３０（ａ）に示すように、光源５０から測定対象物４３に照射される計測光Ｌが対物レンズ５３で反射されることが無い。よって、実施例２のセンサヘッド部３２によれば、対物レンズ５３からの反射光の影響を抑えることができ、２次元分光反射率を高精度に測定して高精度な膜厚測定が可能になる。

なお、図３０（ａ）に示す実施例２の光学系でも、図３０（ｂ）に示す実施例１の光学系でも、光源５０は開口絞り５４と測定対象物４３との中間に配置されており、投光光学系の光軸と受光光学系の光軸とが開口絞り５４よりも測定対象物側でのみ同軸になっている。そのため、光源５０から測定対象物４３に出射された計測光Ｌが測定対象物４３に達する前に開口絞り５４によって絞られることがなく、開口絞り５４が、投光光学系における像側の開口数ＮＡを受光光学系における物側の開口数ＮＡより大きくする妨げとならないようになっている。

また、本発明の膜厚測定装置３１においては、ハーフミラー５２に代えて図３３（ａ）のようなキューブ型のビームスプリッター７４を使用することもできる。しかし、ビームスプリッター７４を用いた場合には、図３３（ａ）に図示しているように、ビームスプリッター７４の各表面で反射光７５が発生し、１％程度の表面からの反射光が外乱光として撮像部５６で観測される。例えば、測定対象物４３がガラス基板であるとすると、その反射率は４％程度であるので、このような外乱光が撮像部５６に入射するとダイナミックレンジが著しく低下する。

これに対し、ハーフミラー５２を用いた場合には、図３３（ｂ）に示すように、ビームスプリッター７４のように表面での反射光が発生しないので、外乱光が撮像部５６に入らない。よって、光源５０からの計測光Ｌを測定対象物４３に同軸落射させるためには、ハーフミラー５２を使用することが望ましい。ただし、ハーフミラー５２を使用した場合には、反射面と反対側の面における反射によりゴーストの影響が現われたり、板厚が厚い場合には、画像における縦と横の結像位置が異なるために光学的分解能の低下が起こり得る。しかし、これらの問題は、ペリクルビームスプリッター（厚み２μm：エドモンド・オプティクス・ジャパン）などのように、板厚のできるだけ薄いハーフミラーを使用することで解決することが可能である。

次に、図２９に示したような構造のセンサヘッド部３２を備えた膜厚測定装置を用いて画素サイズが４０μｍの液晶表示パネルの画素内における分光反射率を測定する場合において、±０.５ｍｍの距離変動や±０.５°の傾き変動に対して計測精度が安定するように特性を最適化した例を説明する。すなわち、この場合には、測定対象物４３から画素開口内に納まる直径４０μｍの微小スポットを選択し、そのスポットにおける膜厚を計測する必要があり、しかも、測定対象物４３が±０.５ｍｍの距離変動を起こしたり、±０.５°の傾き変動を起こしても精度良く膜厚計測を行えるように開口数ＮＡ等を調整する必要がある。

このような特性を得るため、この膜厚測定装置では、光学倍率を３倍とし、開口絞り５４の孔径を１ｍｍとし、投光光学系における像側の開口数ＮＡを０.００２３５〜０.０４もしくはそれ以上とし、受光光学系における物側の開口数ＮＡを０.００６〜０.０２とし、受光光学系における像側の開口数を０.００２〜０.００７３とし、投光光学系における像側の開口数ＮＡを受光光学系における物側の開口数ＮＡよりも大きくしている。ここで、受光光学系における物側の開口数ＮＡの上限値を０.０２としたのは、０.０２よりも大きいと距離変動に対する光強度の変化が大きくなり過ぎるからであり、下限値を０.００６としたのは、０.００６よりも小さいと画像分解能が悪くなって画素を特定できなくなるからである。

図３４は最も最適な例を表しており、受光光学系における物側の開口数ＮＡを０.０１８５（計測光の広がり角２ｕ＝２.３°）とし、受光光学系における像側の開口数を０.００６３としている。投光光学系における像側の開口数ＮＡは０.０１８５よりも大きければよいが、特に、０.０３６４とするのが望ましい。これによって、測定対象物４３が±０.５mmの距離変動を起こしても精度良く膜厚計測を行えるようになる。

また、図３５（ａ）、（ｂ）及び図３６は、この膜厚測定装置により線幅４１μｍのロンキールーリンクを観測した結果を表している。図３５（ａ）は測定対象物４３の距離変動が０ｍｍの場合（結像位置）の画像を表し、図３５（ｂ）は距離変動が０.５ｍｍの場合の画像を表している。また、図３６はロンキールーリンクのパターンが変化している方向に沿った光強度の変化を示す波形図であって、測定対象物４３の距離変動が０ｍｍの場合と距離変動が±０.５ｍｍの場合の波形を表している。これらの実験結果から、測定対象物４３の距離が±０.５ｍｍ程度変動しても光強度の変動が小さく、４１μｍの線幅を分解して画像を取得できていることがわかる。

よって、この数値例の膜厚測定装置は、画素サイズが４０μｍ程度のフラットパネルディスプレイの画素内の膜厚をインライン計測するのに最適な構成となっている。

図３７は本発明の実施例３による膜厚測定装置８１の光学系の構成を示す概略図である。実施例３では、光源５０として図２６に示したような構成のものを用いており、コンデンサレンズ７０と集光レンズ７１との間には、赤外域の光をカットして集光レンズ７１や拡散板７２を保護するための熱吸収フィルタ８２が設けられている。また、受光光学系は、実施例２と同様、ハーフミラー５２の上方に対物レンズ５３を配置している。

この実施例においては、
投光光学系における像側の開口数ＮＡ＝０.０３６４
受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝０.０１８５
受光光学系における像側の開口数ＮＡ＝０.００６３
としている。

図３８〜図４９は上記膜厚測定装置８１を用いて結像位置にある測定対象物を実測した結果を説明する図である。図３８（ａ）、（ｂ）は測定に用いたサンプルの平面図と側面図を表しており、Ｓｉ基板８３の表面に膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ_２膜８４が形成されており、その上に幅５μｍのレジスト８５が４０μｍの間隔をあけてパターニングされている。図３９（ａ）、（ｂ）、図４０（ａ）、（ｂ）、図４１（ａ）、（ｂ）、図４２（ａ）、（ｂ）、図４３はそれぞれ、図３８（ａ）に示したＱ１〜Ｑ９の箇所において、レジスト８５間のＳｉＯ_２膜８４の分光反射率を観測した結果（実線波形）と、理論分光反射率（破線波形）を表している。この実験ではマルチ分光フィルタ５５の分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を１１枚使用したため、分光反射率は１１波長分プロットしている。上記図３９（ａ）〜図４３より、サンプル面内の各点Ｑ１〜Ｑ９において分光反射率が良好に測定できていることがわかる。

次に、サンプルの距離を結像位置からずらせて分光反射率を測定した。図４４（ａ）、（ｂ）、図４５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、サンプルを結像位置から±０.２５ｍｍ、±０.５０ｍｍ、±０.７５ｍｍ、±１.００ｍｍずらせたときの分光反射率を、結像位置にあるときの分光反射率と比較して表している。図４８は、図４４（ａ）、（ｂ）、図４５（ａ）、（ｂ）の測定結果から算出したＳｉＯ_２膜８４の膜厚値とその膜厚差（計測誤差）を表している。図４８から分かるように、距離変動が−０.７５ｍｍのときに膜厚差がもっとも大きくなっていて０.８９ｎｍとなっているが、このときでも測定誤差は、０.０８７％に過ぎない。

また、サンプルの傾きを変えて分光反射率を測定した。図４６（ａ）、（ｂ）、図４７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、サンプルを±０.２５°、±０.５０°、±０.７５°、±１.００°傾けたときの分光反射率を、傾きが０°のときの分光反射率と比較して表している。図４９は、図４６（ａ）、（ｂ）、図４７（ａ）、（ｂ）の測定結果から算出したＳｉＯ_２膜８４の膜厚値とその膜厚差（計測誤差）を表している。図４９から分かるように、傾き変動が０.７５°のときに膜厚差がもっとも大きくなっていて−０.８ｎｍとなっているが、このときでも測定誤差は、０.０７８％に過ぎない。

よって、この実施例３の膜厚測定装置によれば、図３８に示したような測定対象物を測定することにより、測定対象物の距離変動や傾き変動があっても、分光反射率及び膜厚計測値にはほとんど影響がなく、距離変動や傾き変動に強い光学系が構築されていることがわかる。

図５０は本発明の実施例４による膜厚測定装置８６をの光学系を示す概略図である。実施例４の膜厚測定装置８６は、実施例３の膜厚測定装置８１よりもさらに高精度に２次元膜厚測定を行うことができるようにしたものである。

この膜厚測定装置８６では、ハーフミラー５２の上方に投光レンズ５１、マルチ分光フィルタ５５及び光源５０を設け、ハーフミラー５２の側方に対物レンズ５３、開口絞り５４及び撮像部５６を配置している。しかして、光源５０から垂直に投射された計測光Ｌは、マルチ分光フィルタ５５のいずれかの分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を透過して単色光となった後、投光レンズ５１及びハーフミラー５２を透過して測定対象物４３を同軸落射照明する。測定対象物４３で反射した計測光Ｌは、ハーフミラー５２により水平方向へ反射された後、対物レンズ５３及び小孔５４ａで構成される物体側テレセントリック光学系を通して撮像部５６に結像される。

実施例３に記載の膜厚測定装置８１では、測定対象物４３で反射した光は、ハーフミラー５２と対物レンズ５３を透過し、小孔５４ａ及びマルチ分光フィルタ５５を透過して撮像部５６で観測される。そのため、膜厚測定装置８１では、ハーフミラー５２に厚みがあると、画像の縦方向と横方向とで集光位置が異なるために光学的分解能が低下する恐れがある。

これに対し、実施例４の膜厚測定装置８６では、測定対象物４３で反射した光は、実施例４の膜厚測定装置８６のような構成にすれば、縦方向と横方向とで焦点位置が同じになり、光学的分解能が向上する。

また、実施例３では、受光側にマルチ分光フィルタ５５を配置していたので、分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…の裏面と表面の多重反射の影響からゴーストが発生し、そのため分光フィルタ５７ａ、５７ｂ、…を傾けるなどの処理が必要となるが、実施例４の膜厚測定装置８６では、投光側にマルチ分光フィルタ５５を配置しているので、ゴーストが発生しなくなる。この結果、実施例４の膜厚測定装置８６によれば、より高精度に２次元膜厚測定を行うことが可能となる。

本発明の膜厚測定装置は、測定対象物の２次元領域において薄膜の膜厚をインライン計測することができるものであり、例えば、半導体基板やガラス基板の表面に形成された薄膜の膜厚検査を行う用途に用いることができる。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は測定対象物の距離の変動の意味を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は測定対象物の傾きの変動の意味を説明する図である。 従来の膜厚測定装置の構成を示す概略構成図である。 従来の別な膜厚測定装置の構成を示す概略構成図である。 同上の膜厚測定装置において測定対象物が傾いたときの光線の挙動を示す一部拡大図である。 本発明の実施例１による膜厚測定装置を示す全体構成図である。 実施例１の膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図である。 実施例１の膜厚測定装置に用いられているセンサヘッド部の光学的構成を示す概略図である。 マルチ分光フィルタを拡大して示す平面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、異なる選択波長の分光フィルタを通して観測されたＴＦＴアレイ基板の画像を示す図である。 Ｓｉ基板の上に形成された、膜厚が５００ｎｍと１０００ｎｍのＳｉＯ_２薄膜の理論分光反射率を示す図である。 膜厚測定装置により膜厚測定を行う際の処理フロ−を示すフロー図である。 （ａ）は像側テレセントリック光学系を説明する図、（ｂ）は物体側テレセントリック光学系を示す図、（ｃ）は両側テレセントリック光学系を示す図である。 （ａ）は一般的な結像光学系における光線の挙動と物体のイメージと結像位置からずれた物体の画像イメージを示す図であり、（ｂ）は物体側テレセントリック光学系を用いた結像光学系における光線の挙動と物体のイメージと結像位置からずれた物体の画像イメージを示す図である。 図８に示した膜厚測定装置における光学系とその光線の挙動を示す図である。 （ａ）は開口絞りが比較的大きな開口絞りを用いたときの光線の挙動を示す図、（ｂ）は小さな開口絞りを備えた開口絞りを用いたときの光線の挙動を示す図である。 （ａ）はロンキールーリンクを示す平面図、（ｂ）はロンキールーリンクを撮像部で観測したときの理想的な光強度分布を示す図である。 開口数ＮＡが０.０５５（開口絞りの直径３ｍｍ）の開口絞りを用いた光学倍率３倍の物体側テレセントリック光学系を示す概略図である。 （ａ）、（ｂ）は同上のテレセントリック光学系を用いて図１７（ａ）のロンキールーリンクを観測したときの画像と光強度分布の波形を示す図である。 開口数ＮＡが０.０１（開口絞りの直径０.５ｍｍ）の開口絞りを用いた光学倍率３倍の物体側テレセントリック光学系を示す概略図である。 （ａ）、（ｂ）は同上のテレセントリック光学系を用いて図１７（ａ）のロンキールーリンクを観測したときの画像と光強度分布の波形を示す図である。 （ａ）は単純なテレセントリック光学系において測定対象物の傾きが０°のときの光線の挙動を示す図、（ｂ）は単純なテレセントリック光学系において測定対象物の傾きが１°のときの光線の挙動を示す図、（ｃ）は単純なテレセントリック光学系において測定対象物の傾きが−１°のときの光線の挙動を示す図である。 （ａ）は光源における光源基準面を説明する図、（ｂ）は像側から見た開口数と測定対象物で反射する計測光の開口数の定義を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はいずれも、光源の像が開口絞りに結像され、測定対象物の像が撮像部に結像され、結像光学系として物体側テレセントリック光学系を用いた実施例１の膜厚測定装置における光の挙動を説明する図である。 （ａ）は実施例１の膜厚測定装置において測定対象物の傾きが０°のときの光線の挙動を示す図、（ｂ）は実施例１の膜厚測定装置において測定対象物の傾きが１°のときの光線の挙動を示す図、（ｃ）は実施例１の膜厚測定装置において測定対象物の傾きが−１°のときの光線の挙動を示す図である。 本発明の膜厚測定装置に用いられている光源の一例を示す概略側面図である。 本発明の膜厚測定装置に用いられている光源の他例を示す概略側面図である。 実施例１の変形例における光の挙動を説明する図である。 本発明の実施例２による膜厚測定装置のセンサヘッド部の光学的構成を示す概略図である。 （ａ）は実施例２の膜厚測定装置における対物レンズでの光の反射を示す概略図、（ｂ）は実施例１の膜厚測定装置における対物レンズでの光の反射を示す概略図である。 図３０（ｂ）のように対物レンズにおける光の反射がある膜厚測定装置により観測された画用紙の画像を示す図である。 図３０（ｂ）のように対物レンズにおける光の反射がある膜厚測定装置により観測されたＴＦＴアレイ基板の画像を示す図である。 （ａ）は光源からの光をキューブ型のビームスプリッターにより測定対象物側へ向けて反射させるときの光の挙動を示す図、（ｂ）は光源からの光をハーフミラーにより測定対象物側へ向けて反射させるときの光の挙動を示す図である。 本発明の実施例２における開口数の最適値を表した測定対象物近傍における光の挙動を示す図である。 （ａ）は結像位置（距離変動０ｍｍ）にある線幅４１μｍのロンキールーリンクを観測した画像を示す図、（ｂ）は距離変動が０.５ｍｍのときの線幅４１μｍのロンキールーリンクを観測した画像を示す図である。 距離変動が±０.５ｍｍ、０ｍｍの場合の、線幅４１μｍのロンキールーリンクを観測した光強度分布の波形を示す図である。 本発明の実施例３による膜厚測定装置の光学系の構成を示す概略図である。 （ａ）、（ｂ）は実施例３の膜厚測定装置を用いて観測された測定対象物を示す平面図及び側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３８（ａ）に示したＱ１、Ｑ２の箇所において観測された、結像位置にあるＳｉＯ_２膜の分光反射率を観測した結果（実線波形）と理論分光反射率（破線波形）を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３８（ａ）に示したＱ３、Ｑ４の箇所において観測された、結像位置にあるＳｉＯ_２膜の分光反射率を観測した結果（実線波形）と理論分光反射率（破線波形）を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３８（ａ）に示したＱ５、Ｑ６の箇所において観測された、結像位置にあるＳｉＯ_２膜の分光反射率を観測した結果（実線波形）と理論分光反射率（破線波形）を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ図３８（ａ）に示したＱ７、Ｑ８の箇所において観測された、結像位置にあるＳｉＯ_２膜の分光反射率を観測した結果（実線波形）と理論分光反射率（破線波形）を示す図である。 図３８（ａ）に示したＱ９の箇所において観測された、結像位置にあるＳｉＯ_２膜の分光反射率を観測した結果（実線波形）と理論分光反射率（破線波形）を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、サンプルを結像位置から±０.２５ｍｍ、±０.５０ｍｍずらせたときの分光反射率を、結像位置にあるときの分光反射率と比較して表した図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、サンプルを結像位置から±０.７５ｍｍ、±１.００ｍｍずらせたときの分光反射率を、結像位置にあるときの分光反射率と比較して表した図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、サンプルを落射照明光の光軸に対して垂直な方向から±０.２５°、±０.５０°傾けたときの分光反射率を、傾きが０°のときの分光反射率と比較して表した図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ、サンプルを落射照明光の光軸に対して垂直な方向から±０.７５°、±１.００°傾けたときの分光反射率を、傾きが０°のときの分光反射率と比較して表した図である。 図４４（ａ）、（ｂ）、図４５（ａ）、（ｂ）の測定結果から算出したＳｉＯ_２膜の膜厚値とその膜厚差（計測誤差）を表した図である。 図４６（ａ）、（ｂ）、図４７（ａ）、（ｂ）の測定結果から算出したＳｉＯ_２膜の膜厚値とその膜厚差（計測誤差）を表した図である。 本発明の実施例４による膜厚測定装置をの光学系を示す概略図である。

符号の説明

３２ センサヘッド部
３３ 演算処理部
３４ ディスプレイ装置
３５ 入出力機器
３９ 投光部
４０ 受光部
４１ モニター部
４３ 測定対象物
５０ 光源
５０ａ 光源基準面
５１ 投光レンズ
５２ ハーフミラー
５３ 対物レンズ
５４ 開口絞り
５４ａ 開口絞りの小孔
５５ マルチ分光フィルタ
５６ 撮像部
５７ａ、５７ｂ、… 分光フィルタ

Claims (5)

1. 入射光を鏡面反射する測定対象物に向けて光源から光を照射する投光光学系と、
   測定対象物の単色画像を取り込む撮像手段と、
   測定対象物の像を前記撮像手段に結像させる受光光学系とを備えた２次元分光装置において、
   前記受光光学系を、結像素子及び開口絞りからなるテレセントリック受光光学系によって構成し、
   前記光源から出射され測定対象物で反射された光が前記開口絞りの位置に生成するスポット光を、前記開口絞りの小孔の大きさよりも大きくし、
   前記投光光学系における像側の開口数を、前記受光光学系における物側の開口数よりも大きくしたことを特徴とする２次元分光装置。
2. 前記光源は、
   前記投光光学系を介して測定対象物上に結像させられ、かつ、
   前記測定対象物の表面と結像関係にある平面において均一な出射光量分布を有することを特徴とする、請求項１に記載の２次元分光装置。
3. 前記光源は、
   前記投光光学系、測定対象物及び前記受光光学系を介して前記開口絞り上に結像させられ、かつ、
   前記開口絞りと結像関係にある平面において均一な出射光量分布を有することを特徴とする、請求項１に記載の２次元分光装置。
4. 前記開口絞りは、前記受光光学系における物側の開口数が０.０２以下となるように孔径を定められていることを特徴とする、請求項１に記載の２次元分光装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の２次元分光装置と、前記２次元分光装置より得られた単色画像に基づいて測定対象物の膜厚を演算する演算処理手段とを備えた膜厚測定装置。