JP5057848B2 - 透明膜の屈折率測定方法およびその装置並びに透明膜の膜厚測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、透明膜で覆われた半導体ウエハ、ガラス基板、金属基板などの測定対象物の屈折率を測定する方法およびその装置並びに透明膜の膜厚を測定する方法およびその装置に係り、特に、表面に段差を有する透明膜のその領域の屈折率および透明膜の屈折率の影響を除去した物理膜厚を求める技術に関する。

従来のこの種の方法および装置として、干渉計を利用し、予め測定対象物と同じ物質で物理膜厚が既知の試料の光学膜厚を測定し、屈折率＝光学膜厚／物理膜厚により測定対象物であるフィルムの屈折率を求めている。

また、他の方法として、表面の膜の１部を剥離し、そのときの表面段差（以下、適宜「物理膜厚」という）と、干渉縞波形ピークの間隔（位置情報）から得られる光学膜厚とから計算している（非特許文献参照）。

Optical Profiler for surface Characterization and Film Thickness Measeurment 著者：Schmit, Unruh, Wan

しかしながら、従来の各方法では次のような問題がある。
すなわち、従来の方法などは、測定対象物と同じ材質で物理膜厚が既知の試料を利用して予め屈折率を求めておく必要があり、測定作業が煩雑になっている。すなわち、測定対象物の屈折率を１回の測定で求めることができないといった問題がある。同様に、透明膜の屈折率が求まらなければ、屈折率の影響を除去した物理膜厚も同時に測定することができないといった問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、干渉計を利用して表面に段差を有する透明膜の屈折率および当該屈折率の影響を除去した物理膜厚を効率、かつ、精度よく測定することのできる透明膜の屈折率測定方法およびその装置、並びに透明膜の膜厚測定方法およびその装置を提供することを主たる目的としている。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、第１の発明は、干渉計を利用し測定対象物の表面に形成された透明膜の屈折率測定方法であって、
白色光が照射される前記測定対象物の表面である測定面と参照面との距離を相対的に変動させながら、両面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせながら測定面の画像を所定間隔で連続して取得する過程と、
取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める過程と、
求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求める過程と、
前記位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求める過程と、
所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較する過程と、
比較の結果、前記両膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両領域の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求める過程と、
を備えたことを特徴とすることを特徴とする。

（作用・効果） この方法によれば、白色光源を用いた干渉計を利用し、透明膜の表面および裏面の２箇所の干渉縞波形ピークの位置情報を取得し、当該位置情報に基づいて、透明膜の表面および裏面高さに加えて光学膜厚が求められる。さらに、操作者が任意に決めた所定領域と、当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較し、両光学膜厚に偏差（以下、適宜「段差」という）が生じた場合、透明膜の裏面が平坦であると仮定するとともに、両領域の光学膜厚および表面高さを利用して、段差を形成する部分の未知パラメータであった透明膜の屈折率を求めることができる。すなわち、測定対象物と同一の試料を利用して予め光学膜厚などを測定しておく必要がなく、測定対象物の測定のみで透明膜に生じている段差部分の屈折率を短時間で測定することができる。

第２の発明は、第１の方法発明において、
前記屈折率は、前記両光学膜厚部分の表面高さの偏差をΔＳとし、両光学膜厚の偏差をΔｎｔとしたとき、Δｎｔ／Δｓにより求めることを特徴とする。

（作用・効果） この方法発明によれば、Δｎｔ／Δｓのアルゴリズムを利用することにより、段差部分の透明膜の屈折率を容易に求めることができる。すなわち、第１の方法発明を好適に実施することができる。

第３の発明は、第１または第２の方法発明において、
前記所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
前記両領域の傾きに基づいて両領域の前記表面高さの偏差を補正し、屈折率を求めることを特徴とする。

（作用・効果） この方法によれば、段差を形成する２領域の表面の傾斜を求め、当該傾斜を考慮して２領域が形成する段差の傾きを補正するので、測定精度の向上を図ることができる。

第４の発明は、透明膜で覆われた測定対象物の表面である測定面と参照面とに照射する白色光を発生させる白色光源と、前記測定面と参照面との距離を変動させる変動手段と、前記白色光が照射された測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせるとともに前記測定面を撮像する撮像手段と、前記撮像された測定面上の複数箇所における干渉光の強度値を取り込むサンプリング手段と、前記サンプリング手段によって取り込まれた箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各干渉光強度値群に基づいて特定箇所の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を求める演算手段とを備えた透明膜の屈折率測定装置であって、
前記白色光源から発生した白色光の周波数帯域を特定周波数帯域に制限する周波数帯域制限手段を備え、
前記サンプリング手段は、前記変動手段による前記測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって生じた干渉縞の変化に応じた箇所の干渉光の強度値を、前記特定周波数帯域の帯域幅に応じたサンプリング間隔で順次取込み、
前記記憶手段は、前記サンプリング間隔で取り込まれた複数個の強度値である干渉光強度値群を記憶し、
前記演算手段は、測定面の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を以下の処理にしたがって求める、
（１）取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求め、
（２）求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求め、
（３）当該位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求め、
（４）所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較し、
（５）比較の結果、前記両光学膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両光学膜厚の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求める、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果） この構成によれば、第１の方法発明を好適に実現することができる。

第５の発明は、第４の装置発明において、
前記演算手段は、所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
前記両領域の傾きに基づいて両領域の表面高さの偏差を補正し、屈折率を求めることを特徴とする。

（作用・効果） この構成によれば、第３の方法発明を好適に実現することができる。

第６の発明は、干渉計を利用し測定対象物の表面に形成された透明膜の膜厚測定方法であって、
白色光が照射される前記測定対象物の表面である測定面と参照面との距離を相対的に変動させながら、両面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせながら測定面の画像を所定間隔で連続して取得する過程と、
取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める過程と、
求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求める過程と、
前記位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求める過程と、
所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較する過程と、
比較の結果、前記両膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両領域の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求める過程と、
前記過程で求めた屈折率と当該屈折率を求めた領域の光学膜厚から屈折率の影響を除去した物理膜厚を求める過程と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果） この方法によれば、透明膜の段差を形成する２領域の表面高さと光学膜厚から屈折率を求めた後に、当該段差部分の光学膜厚から屈折率の影響を除去した物理膜厚を求めることができる。すなわち、測定対象物の測定のみで屈折率と物理膜厚を同時に測定することができる。

第７の発明は、第６の方法発明において、
屈折率は、前記両光学膜厚部分の表面高さの偏差をΔＳとし、両光学膜厚の偏差をΔｎｔとしたとき、Δｎｔ／Δｓにより求めることを特徴とする。

（作用・効果） この方法によれば、Δｎｔ／Δｓのアルゴリズムを利用することにより、段差部分の透明膜の屈折率を容易に求めることができる。

第８の発明は、第６または第７の方法発明において、
前記所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
前記両領域の傾きに基づいて両領域の前記表面高さの偏差を補正し、屈折率を求め、
求めた前記屈折率と光学膜厚とに基づいて物理膜厚を求めることを特徴とする。

（作用・効果） この方法によれば、段差部分の傾斜を補正した物理膜厚を精度よく求めることができる。

第９の発明は、透明膜で覆われた測定対象物の表面である測定面と参照面とに照射する白色光を発生させる白色光源と、前記測定面と参照面との距離を変動させる変動手段と、前記白色光が照射された測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせるとともに前記測定面を撮像する撮像手段と、前記撮像された測定面上の複数箇所における干渉光の強度値を取り込むサンプリング手段と、前記サンプリング手段によって取り込まれた箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各干渉光強度値群に基づいて特定箇所の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を求める演算手段とを備えた透明膜の膜厚測定装置であって、
前記白色光源から発生した白色光の周波数帯域を特定周波数帯域に制限する周波数帯域制限手段を備え、
前記サンプリング手段は、前記変動手段による前記測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって生じた干渉縞の変化に応じた箇所の干渉光の強度値を、前記特定周波数帯域の帯域幅に応じたサンプリング間隔で順次取込み、
前記記憶手段は、前記サンプリング間隔で取り込まれた複数個の強度値である干渉光強度値群を記憶し、
前記演算手段は、測定面の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を以下の処理にしたがって求める、
（１）取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求め、
（２）求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求め、
（３）当該位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求め、
（４）所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較し、
（５）比較の結果、前記両光学膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両光学膜厚の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求め、
（６）前記屈折率および当該屈折率を求めた領域の光学膜厚から屈折率の影響を除去した物理膜厚を求める
ことを特徴とする。

（作用・効果） この構成によれば、上記第６の方法発明を好適に実現することができる。

第１０の発明は、第９の装置発明において、
前記演算手段は、所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
前記両領域の傾きに基づいて両領域の前記表面高さの偏差を補正し、屈折率を求め
求めた前記屈折率と光学膜厚とに基づいて物理膜厚を求めることを特徴とする。

（作用・効果） この構成によれば、第８の方法発明を好適に実現できる。

本発明に係る透明膜の屈折率測定方法およびその装置によると、干渉計を利用して表面に透明膜の形成された測定対象物のその表面を１回測定するだけで、表面に形成された透明膜の段差部分の屈折率を測定することができる。

また、本発明に係る透明膜の膜厚測定方法およびその装置によると、干渉計を利用して表面に透明膜の形成された測定対象物のその表面を１回測定するだけで、表面に形成された透明膜の段差部分の屈折率と当該屈折率の影響を除去した物理膜厚を同時に測定することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の透明膜の屈折率および当該屈折率の影響を除去した物理膜厚を測定可能な表面形状測定装置の概略構成を示す図である。

この表面形状測定装置は、半導体ウエハ、ガラス基板や金属基板などの測定対象物３０の表面を覆った透明膜３１および透明膜３１の裏面側と接合している測定対象物３０に形成された微細なパターンに、特定周波数帯域の白色光を照射する光学系ユニット１と、光学系ユニット１を制御する制御系ユニット２とを備えて構成されている。

光学系ユニット１は、測定対象物３０および参照面１５（参照ミラー）に照射する白色光を発生させる白色光源１０と、白色光源１０から白色光を平行光にするコリメートレンズ１１と、コリメートレンズ１１からの白色光を測定対象物３０の方向に反射する一方、測定対象物３０の方向からの白色光を通過させるハーフミラー１３と、ハーフミラー１３で反射されてきた白色光を集光する対物レンズ１４と、対物レンズ１４を通過してきた白色光を、参照面１５へ反射させる参照光と、透明膜３１へ通過させる測定光とに分けるとともに、参照面１５で反射してきた参照光と測定対象物３０側から反射してきた測定光とを再びまとめて、干渉縞を発生させるビームスプリッタ１７と、参照面１５で参照光を反射させるために設けられたミラー１６と、参照光と測定光とがまとめられた白色光を結像する結像レンズ１８と、干渉縞とともに測定対象物３０の表面を撮像するＣＣＤカメラ１９とを備えて構成されている。

白色光源１０は、例えば白色光ランプなどであり、比較的広い周波数帯域の白色光を発生させる。この白色光源１０から発生された白色光は、コリメートレンズ１１によって平行光とされ、ハーフミラー１３に到達する。

ハーフミラー１３は、コリメータレンズ１３からの平行光となった白色光を測定対象物３０の方向に向けて反射する一方、測定対象物３０の方向から戻ってきた白色光を通過させるものである。このハーフミラー１３で反射された特定周波数帯域の白色光は、対物レンズ１４に入射する。

対物レンズ１４は、入射してきた白色光を測定面に向けて集光するレンズである。この対物レンズ１４によって集光される白色光は、参照面１５を通過し、ビームスプリッタ１７に到達する。

ビームスプリッタ１７は、対物レンズ１４で集光される白色光を、参照面１５で反射させるために、ビームスプリッタ１７の例えば上面で反射させる参照光と、測定対象物３０の表面３０Ａおよび透明膜３１の表面３１Ａで反射させるために、ビームスプリッタ１７を通過させる測定光とに分ける。また、参照光と測定光とを再びまとめることによって、干渉縞を発生させるものである。ビームスプリッタ１７に達した白色光は、ビームスプリッタ１７の上面で反射された参照光と、ビームスプリッタ１７を通過する測定光とに分けられる。参照光は参照面１５に達し、測定光は透明膜３１と測定対象物３１の両表面３０Ａ、３１Ａに達する。

参照面１５には、参照光をビームスプリッタ１７の方向に反射させるためのミラー１６が取り付けられており、このミラー１６によって反射された参照光は、ビームスプリッタ１７に達し、さらに、この参照光はビームスプリッタ１７によって反射される。

ビームスプリッタ１７を通過した測定光は、測定面に向けて集光され、表面３０Ａ，３１Ａ上で反射する。この反射した２つの測定光は、ビームスプリッタ１７に達して、そのビームスプリッタ１７を通過する。

ビームスプリッタ１７は、参照光と測定光とを再びまとめる。このとき、参照面１５とビームスプリッタ１７との間の距離Ｌ１と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３０Ａ、３１Ａとの間の距離Ｌ２との、距離の違いによって光路差が生じる。この光路差に応じて、参照光と測定光とは干渉し合うことで、干渉縞が生じる。この干渉縞が生じた状態の白色光は、ハーフミラー１３を通過し、結像レンズ１８によって結像されて、ＣＣＤカメラ１９に入射する。

ＣＣＤカメラ１９は、干渉縞が生じた状態の白色光とともに、測定光によって映し出される表面３０Ａ，３１Ａの焦点Ｐ、Ｐ’付近の画像を撮像する。この撮像した画像データは、制御系ユニット２によって収集される。また、後述で明らかになるが、本発明の変動手段に相当する制御系ユニット２の駆動部２４によって、例えば光学系ユニット１が上下左右に変動される。特に、光学系ユニット１が上下方向に駆動されることによって、距離Ｌ１と距離Ｌ２との距離が変動される。これにより、距離Ｌ１と距離Ｌ２との距離の差に応じて、干渉縞が徐々に変化する。ＣＣＤカメラ１９によって、後述する所定のサンプリング間隔ごとに、干渉縞の変化とともに表面３０Ａ、３１Ａの画像が撮像され、その画像データが制御系ユニット２によって収集される。ＣＣＤカメラ１９は、本発明における撮像手段に相当する。

制御系ユニット２は、表面形状測定装置の全体を統括的に制御や、所定の演算処理を行うためのＣＰＵ２０と、ＣＰＵ２０によって逐次収集された画像データやＣＰＵ２０での演算結果などの各種のデータを記憶するメモリ２１と、サンプリング間隔やその他の設定情報を入力するマウスやキーボードなどの入力部２２と、測定面３０Ａの画像などを表示するモニタ２３と、ＣＰＵ２０の指示に応じて光学系ユニット１を上下左右に駆動する例えば３軸駆動型のサーボモータなどの駆動機構で構成される駆動部２４とを備えるコンピュータシステムで構成されている。なお、ＣＰＵ２０は、本発明におけるサンプリング手段および演算手段に、メモリ２１は本発明における記憶手段に、駆動部２５は本発明における変動手段にそれぞれ相当する。

ＣＰＵ２０は、いわゆる中央処理装置であって、ＣＣＤカメラ１９、メモリ２１および駆動部２４を制御するとともに、ＣＣＤカメラ１９で撮像した干渉縞を含む表面３１Ａの画像データに基づいて、測定対象物３０の特定箇所の透明膜３１の表面高さ、測定対象物３０の表面高さ、透明膜３１の屈折率の影響を含む光学膜厚Ｄ、透明膜の屈折率、当該屈折率の影響を除去して物理膜厚などを求める種々の演算処理を行う。この処理については後で詳細に説明する。

さらに、ＣＰＵ２０には、モニタ２３と、キーボードやマウスなどの入力部２２とが接続されており、操作者は、モニタ２３に表示される操作画面を観察しながら、入力部２２から各種の設定情報の入力を行う。また、モニタ２３には、表面３０Ａの測定終了後に、表面３０Ａ、３１Ａの表面高さ、透明膜３１の膜厚、および測定対象面の凹凸形状などを数値や画像として表示される。

駆動部２４は、光学系ユニット１内の参照面１５とビームスプリッタ１７との間の固定された距離Ｌ１と、ビームスプリッタ１７と測定対象面３１Ａとの間の可変の距離Ｌ２との距離の差を変化させるために、光学系ユニット１を直交３軸方向に変動させる装置であり、ＣＰＵ２０からの指示によって光学系ユニット１をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に駆動する例えば３軸駆動型のサーボモータを備える駆動機構で構成されている。なお、駆動部２４は、本発明における変動手段に相当し、本発明における相対的距離とは、参照面１５から測定対象面３１Ａまでの距離すなわち距離Ｌ１および距離Ｌ２を示す。本実施例では、光学系ユニット１を動作させるが、例えば測定対象物３０が載置される図示していないテーブルを直交３軸方向に変動させるようにしてもよい。

以下、本実施例の表面形状測定装置全体で行なわれる処理を図２のフローチャートを参照しながら具体的に説明する。なお、本実施例では、Ｓｉ基板である測定対象物３０の表面３０Ａに透明膜３１として酸化膜（ＳｉＯ２）を形成したものを用いたものとする。

＜ステップＳ１＞ 条件設定
光学系ユニットを図１に示すｚ軸方向に移動させるための走査速度や走査レンジなどの種々の条件を設定する。本実施例の場合、例えば、走査速度、図３〜図７に示す標本点間隔、走査レンジ、およびＣＣＤ１９で取得する画像枚数などを設定する。

＜ステップＳ２＞ 測定データ取得
光学系ユニット１は、白色光源１０から発生される白色光を測定対象物３０および参照面１５に向けて照射する。

また、ＣＰＵ２０は、予め所定の測定場所に移動された光学系ユニット１をｚ軸方向に移動を開始させるための変動開始の指示を駆動部２４に与える。駆動部２４は、図示しないステッピングモータなどの駆動系を駆動して、光学系ユニット１をｚ軸方向に予め決められた距離だけ移動させる。これにより、参照面１５と測定対象物側の両表面３０Ａ、３１Ａとの距離が変動される。

ＣＰＵ２０は、光学系ユニット１がサンプリング間隔だけ移動するたびに、ＣＣＤ１９で撮像される干渉縞を含む測定対象物３０の表面３０Ａおよび透明膜３１の表面３１Ａの両方を含む測定面の画像データを収集してメモリ２１に順次記憶する。光学系ユニット１が予め決められた距離だけ移動することで、メモリ２１には光学系ユニット１の移動距離およびサンプリング間隔によって決まる複数枚の画像データが記憶される。

＜ステップＳ３＞ 特定箇所の干渉光強度値群を取得
例えば、操作者がモニタ２３に表示される測定対象物３０の表面側を観察しながら、測定面３０の高さを測定したい複数の特定箇所または全面を入力部２２から入力設定する。ＣＰＵ２０は、入力設定された複数の特定箇所を把握して、複数の特定箇所に相当する画素の濃度値、すなわち特定箇所における干渉光の強度値を、ステップＳ２で記憶された複数枚の画像データからそれぞれ取込む。これにより、各特定箇所における複数個の強度値（干渉光強度値群）が得られる。

＜ステップＳ４＞ 強度値からピーク位置を求める
ＣＰＵ２０は、図３に示すように、離散的に取得した特定箇所における干渉光強度値群に基づいて、干渉光の強度値の平均値を求める。さらに、干渉光強度値群の各強度値から平均値を減算した各値（調整値群）を求める。

調整値をさらに２乗し、図５に示すように、強度値をプラス側に強調した特性値を求める。測定対象物３０が透明膜３１で覆われている場合、図５に示すように、２個のピークを含む干渉縞波形が現れる。このピーク領域を分離し、それぞれを平滑して、図６，図７を得る。さらに、各ピーク位置を求め、Ｐ１，Ｐ２とする。

＜ステップＳ５＞ 表面段差と光学膜厚の算出
ＣＰＵ２０は、２つのピーク位置Ｐ１，Ｐ２から透明膜３１の表面高さ、測定対象物３０の表面高さ、および透明膜３１の屈折率の影響により物理膜厚に対して膜厚の変化した光学膜厚ｎｔを算出する。なお、本実施例では、図８に示す測定対象物３０の表面３１Ａから下方の破線で囲うように、透明膜３１の屈折率の影響で光学膜厚ｎｔ１，ｎｔ２が物理膜厚ｔ１，ｔ２よりも厚くなっている。

また、本実施例の場合は、干渉縞波形ピークは、表面３０Ａ，３１Ａと参照面との距離Ｌ１，Ｌ２に関連するので、透明膜３１の表面高さのピーク位置は、図６に示すように、取得画像の１個目のピークＰ１（１９枚目）であり、測定対象物３０の表面高さのピーク位置は、図７に示すように、取得画像の２個目のピークＰ２（４２枚目）である。したがって、透明膜３１の表面高さ３１Ａをｓとすると、ｓ＝Ｐ１×標本点間隔の式で表すことができる。

また、透明膜３１の屈折率の影響を含む光学膜厚ｎｔを（Ｐ２−Ｐ１）×標本点間隔として求める。ここで、ｎは屈折率、ｔは物理膜厚である。

＜ステップＳ６＞ 屈折率の算出
ここで、領域が任意に所定領域を設定する。ＣＰＵ２０は、この設定条件に基づいて、所定領域と当該所定領域と隣接する領域とにおいて透明膜３１の表面高さおよび算出済みの光学膜厚ｎｔを利用するとともに、透明膜３１の裏面が平坦であると仮定して段差の生じた比較側の領域の屈折率を算出する。本実施例の場合、単純平均化法により算出する場合を例に採って説明するが、この方法に限定されるものではない。具体的には、図８に示す左側の低背部を基準とし、当該部分について基準高さｓ１、光学膜厚ｎｔ１とする。同様に隣接画素の右側の比較部分について比較高さｓ２、光学膜厚ｔ２とする。さらに、求める段差部分の屈折率をｎ、各部分の物理膜厚をｔ１，ｔ２とすると、次式の関係が成り立つ。

表面段差Δｓ＝ｓ１−ｓ２＝ｔ１−ｔ２ … （１）
膜厚段差Δｎｔ＝ｎｔ１−ｎｔ２ … （２）

また、各段差部分の光学膜厚は、屈折率と物理膜厚の積に等しい。つまり、以下のように表現できる。
ｎｔ１＝ｎ＊ｔ１ … （３）
ｎｔ２＝ｎ＊ｔ２ … （４）

上記式（１）〜（４）に基づき、屈折率ｎは、以下の式から求められる。
屈折率ｎ＝膜厚段差Δｎｔ／表面段差Δｓ … （５）

＜ステップＳ７＞ 物理膜厚の算出
屈折率ｎが求まれば、当該屈折率および膜厚を求める演算式を利用して物理膜厚を算出する。

＜ステップＳ８＞ 表示
ＣＰＵ２０は、モニタ２３に透明膜３１の表面高さや測定対象物３０の表面高さ、物理膜厚の情報を表示したり、それら各特定箇所の高さの情報に基づいた３次元または２次元の画像を表示したりする。操作者は、これらの表示を観察することで、透明膜３１の表面３１Ａの凹凸形状を把握することができる。

上述した実施例によれば、取得した強度値から直接的に特性値を求め、この特性値に含まれる透明膜３１と測定対象物３０の２個のピーク位置情報を求め、この求まるピーク位置情報に基づいて、測定対象物３０および透明膜３１の表面高さおよび透明膜３１の屈折率の影響を含む光学膜厚を求めることができる。また、所定領域と当該領域に隣接する領域の透明膜３１の表面高さと比較して表面段差Δｓを算出し、さらに、表面段差Δｓが生じた場合に、測定対象物３０の表面３０Ａ（透明膜３１の裏面）が平坦であると仮定し、表面段差Δｓおよび膜厚段差Δｎｔを算出する演算式の連立を利用することにより段差部分の屈折率ｎおよび屈折率ｎの影響を除去した透明膜３１の物理膜厚が同時に算出される。すなわち、本実施例装置では、１回の測定で透明膜３１の段差部分の屈折率と物理膜厚が同時に測定されるので、透明膜３１の段差部分の未知パラメータを高速に測定することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限らず、次のように変形実施することができる。

（１）上記実施例において、測定対象物３０が傾斜状態で載置されている場合や、透明膜３１が測定対象物３０の傾斜面に形成されている場合、透明膜３１の表面の傾斜を補正して求めるように構成することが好ましい。

例えば、画素ごとに透明膜３１の表面高さを図１のｘ軸方向に沿ってプロットしてゆくと、図９に示すように、２領域（領域１および領域２）の分布に分けることができる。ここで、両領域について同一勾配の平面となるようにフィッティングすることにより、図中の２本の実線が求まる。この同一勾配を有する領域１と領域２の表面高さから両領域の表面段差を算出する。つまり、評価関数＝（第１領域の自乗誤差）＋（第２領域の自乗誤差）の演算式により算出される値が最小となる平面を求める。

この構成によれば、透明膜３１の表面の傾きを補正して表面段差を算出することができるので、傾き誤差を除去した段差部分の屈折率と物理膜厚を精度よく測定することができる。

（２）上記実施例において、透明膜３１の膜厚が薄く測定対象物３０の表面を撮像して取得した強度値群から干渉縞波形ピークを求める場合、干渉波形ピークが部分的に重畳するとき、透明膜３１の表面３１Ａと測定対象物３０の表面３０Ａの干渉波形ピークが重畳していると仮定し、光強度値群に基づいて、干渉波形ピークを２個に分離し、両ピークの位置情報を求め、当該位置情報から透明膜の表面および裏面高さを特定し、この特定した表面高さの位置情報を利用して物理膜厚および屈折率を求めるように構成することが好ましい。

具体的には、上記実施例のステップＳＳ４とＳ５の間で、ＣＰＵ２０が以下の演算処理を行う。例えば、観測値レベル数をＬ、観測値レベルｉの頻度数をｎｉ（ただし、ｉ＝１,Ｌ）と仮定すると、頻度値総和ＮをＮ＝Σｎ（ｉ）と、相対頻度ｐ（ｉ）をｐ（ｉ）＝ｎ（ｉ）／Ｎと、全体平均値μＴをμＴ＝Σ[ｉ・ｐ（ｉ）]の式で表すことができる。これらの式に基づいて、評価関数ｆ（ｋ）を次式の表すことができる。

ｆ（ｋ）＝[μＴ・ω（ｋ）−μ（ｋ）]２／[ω（ｋ）・｛１−ω（ｋ）｝]

ただし、ω（ｋ）＝ω（ｋ−１）＋ｐ（ｋ）＝Σｐ（ｉ）であってｋまでの累積頻度である。また、μ（ｋ）＝μ（ｋ−１）＋ｋ・ｐ（ｋ）＝Σｉ・ｐ（ｉ）であってｋまでの平均値である。

つまり、ｋの値を１からＬまで順に変えてｆ（ｋ）を計算し、ｆ（ｋ）が最大となるｋの値を求める。この求まるｋの値が閾値となる。この閾値に基づいて、ステップＳ３で導出した特性値を、図５に示すように、２個のピークのそれぞれを個別に有するように分離する。

その後、分離した当該特性値ごとにピーク位置情報を求める。つまり、特性値ごとにローパスフィルタでそれぞれの特性値を平滑化することにより、図６および図７に示すような包絡線が得られる。これら包絡線から特性値が最大になるピーク位置を求める。例えば、本実施例の場合、計算に２１点の単純平滑化法であって次式のようになる。
ｙ(n)＝[ｘ(n-10)+ ｘ(n-9)+…ｘ(n-1)+ ｘ(n)+ ｘ(n+1)… +ｘ(n-10)]/21

この演算式により求まる２個のピークに基づいて、上記ステップＳ５以降の処理を行えばよい。

（３）上記実施例では、撮像手段としてＣＣＤカメラ１９を用いたが、例えば、特定箇所の干渉光の強度値のみを撮像（検出）することに鑑みれば、一列または平面状に構成された受光素子など撮像手段を構成することもできる。

本実施例に係る表面形状測定装置の概略構成を示す図である。 表面形状測定装置における処理を示すフローチャートである。 特定関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。 特定関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。 特定関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。 特定関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。 特定関数のピーク位置を求める処理を説明するための説明図である。 透明膜の表面段差を示す横断面図である。 透明膜の表面段差の傾きを示す模式図である。

符号の説明

１ … 光学系ユニット
２ … 制御系ユニット
１０ … 白色光源
１１ … コリメートレンズ
１３ … ハーフミラー
１４ … 対物レンズ
１５ … 参照面
１６ … ミラー
１７ … ビームスプリッタ
１８ … 結像レンズ
１９ … ＣＣＤカメラ
２０ … ＣＰＵ
２１ … メモリ
２４ … 駆動部
３０ … 測定対象物
３０Ａ… 測定面（測定対象物）
３１ … 透明膜
３１Ａ… 測定面（透明膜）

Claims (10)

1. 干渉計を利用し測定対象物の表面に形成された透明膜の屈折率測定方法であって、
   白色光が照射される前記測定対象物の表面である測定面と参照面との距離を相対的に変動させながら、両面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせながら測定面の画像を所定間隔で連続して取得する過程と、
   取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める過程と、
   求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求める過程と、
   前記位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求める過程と、
   所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較する過程と、
   比較の結果、前記両膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両領域の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求める過程と、
   を備えたことを特徴とする透明膜の屈折率測定方法。
2. 請求項１に記載の透明膜の屈折率測定方法において、
   前記屈折率は、前記両光学膜厚部分の表面高さの偏差をΔＳとし、両光学膜厚の偏差をΔｎｔとしたとき、Δｎｔ／Δｓにより求める
   ことを特徴とする透明膜の屈折率測定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の透明膜の屈折率測定方法において、
   前記所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
   前記両領域の傾きに基づいて両領域の前記表面高さの偏差を補正し、屈折率を求める
   ことを特徴とする透明膜の屈折率測定方法。
4. 透明膜で覆われた測定対象物の表面である測定面と参照面とに照射する白色光を発生させる白色光源と、前記測定面と参照面との距離を変動させる変動手段と、前記白色光が照射された測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせるとともに前記測定面を撮像する撮像手段と、前記撮像された測定面上の複数箇所における干渉光の強度値を取り込むサンプリング手段と、前記サンプリング手段によって取り込まれた箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各干渉光強度値群に基づいて特定箇所の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を求める演算手段とを備えた透明膜の屈折率測定装置であって、
   前記白色光源から発生した白色光の周波数帯域を特定周波数帯域に制限する周波数帯域制限手段を備え、
   前記サンプリング手段は、前記変動手段による前記測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって生じた干渉縞の変化に応じた箇所の干渉光の強度値を、前記特定周波数帯域の帯域幅に応じたサンプリング間隔で順次取込み、
   前記記憶手段は、前記サンプリング間隔で取り込まれた複数個の強度値である干渉光強度値群を記憶し、
   前記演算手段は、測定面の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を以下の処理にしたがって求める、
   （１）取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求め、
   （２）求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求め、
   （３）当該位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求め、
   （４）所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較し、
   （５）比較の結果、前記両光学膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両光学膜厚の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求める、
   ことを特徴とする透明膜の屈折率測定装置。
5. 請求項４に記載の透明膜の屈折率測定装置において、
   前記演算手段は、所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
   前記両領域の傾きに基づいて両領域の表面高さの偏差を補正し、屈折率を求める
   ことを特徴とする透明膜の屈折率測定装置。
6. 干渉計を利用し測定対象物の表面に形成された透明膜の膜厚測定方法であって、
   白色光が照射される前記測定対象物の表面である測定面と参照面との距離を相対的に変動させながら、両面から反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせながら測定面の画像を所定間隔で連続して取得する過程と、
   取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求める過程と、
   求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求める過程と、
   前記位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求める過程と、
   所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較する過程と、
   比較の結果、前記両膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両領域の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求める過程と、
   前記過程で求めた屈折率と当該屈折率を求めた領域の光学膜厚から屈折率の影響を除去した物理膜厚を求める過程と、
   を備えたことを特徴とする透明膜の膜厚測定方法。
7. 請求項６に記載の透明膜の膜厚測定方法において、
   前記屈折率は、前記両光学膜厚部分の表面高さの偏差をΔＳとし、両光学膜厚の偏差をΔｎｔとしたとき、Δｎｔ／Δｓにより求める
   ことを特徴とする透明膜の膜厚測定方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の透明膜の膜厚測定方法において、
   前記所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
   前記両領域の傾きに基づいて両領域の前記表面高さの偏差を補正し、屈折率を求め、
   求めた前記屈折率と光学膜厚とに基づいて物理膜厚を求める
   ことを特徴とする透明膜の膜厚測定方法。
9. 透明膜で覆われた測定対象物の表面である測定面と参照面とに照射する白色光を発生させる白色光源と、前記測定面と参照面との距離を変動させる変動手段と、前記白色光が照射された測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって干渉縞の変化を生じさせるとともに前記測定面を撮像する撮像手段と、前記撮像された測定面上の複数箇所における干渉光の強度値を取り込むサンプリング手段と、前記サンプリング手段によって取り込まれた箇所ごとの複数個の強度値である各干渉光強度値群を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された各干渉光強度値群に基づいて特定箇所の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を求める演算手段とを備えた透明膜の膜厚測定装置であって、
   前記白色光源から発生した白色光の周波数帯域を特定周波数帯域に制限する周波数帯域制限手段を備え、
   前記サンプリング手段は、前記変動手段による前記測定面と参照面との距離の変動に伴って測定面と参照面とから反射して同一光路を戻る反射光によって生じた干渉縞の変化に応じた箇所の干渉光の強度値を、前記特定周波数帯域の帯域幅に応じたサンプリング間隔で順次取込み、
   前記記憶手段は、前記サンプリング間隔で取り込まれた複数個の強度値である干渉光強度値群を記憶し、
   前記演算手段は、測定面の透明膜の表面高さ、透明膜の膜厚、および屈折率を以下の処理にしたがって求める、
   （１）取得した複数枚の前記画像の各画素における干渉光の強度値群の変化を求め、
   （２）求めた前記干渉光の強度値群から透明膜の表面と裏面の２箇所で生じる干渉縞波形ピークの位置情報を求め、
   （３）当該位置情報に基づいて、前記透明膜の表面および裏面高さと透明膜の屈折率の影響を含む光学膜厚を求め、
   （４）所定領域と当該領域と隣接する領域の光学膜厚を比較し、
   （５）比較の結果、前記両光学膜厚に偏差が生じた場合、前記透明膜の裏面が平坦であると仮定し、両光学膜厚の表面高さの偏差および光学膜厚の偏差から屈折率を求め、
   （６）前記屈折率および当該屈折率を求めた領域の光学膜厚から屈折率の影響を除去した物理膜厚を求める
   ことを特徴とする透明膜の膜厚測定装置。
10. 請求項９に記載の透明膜の膜厚測定装置において、
    前記演算手段は、所定領域の屈折率を求めるに前に両領域の透明膜の表面高さの傾きを求め、
    前記両領域の傾きに基づいて両領域の前記表面高さの偏差を補正し、屈折率を求め
    求めた前記屈折率と光学膜厚とに基づいて物理膜厚を求める
    ことを特徴とする透明膜の膜厚測定装置。

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