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JP2013079921A - Film thickness measuring apparatus and film thickness measuring method - Google Patents

Film thickness measuring apparatus and film thickness measuring method Download PDF

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JP2013079921A JP2011221334A JP2011221334A JP2013079921A JP 2013079921 A JP2013079921 A JP 2013079921A JP 2011221334 A JP2011221334 A JP 2011221334A JP 2011221334 A JP2011221334 A JP 2011221334A JP 2013079921 A JP2013079921 A JP 2013079921A
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Abstract

【課題】屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供する。
【解決手段】膜厚測定装置は、第1の反射干渉光および第2の反射干渉光のそれぞれについて第1の波長分布および第2の波長分布を生成する波長分布生成部72と、第1の波長分布および第2の波長分布にもとづいて、それぞれ第1の入射角に対応する第1の光路差および第2の入射角に対応する第2の光路差を求める光路差算出部73と、入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、第1の入射角および第2の入射角ならびに光路差算出部73に算出された第1の光路差および第2の光路差を式に代入することにより、薄膜の膜厚および屈折率を求める膜厚屈折率算出部74と、を備える。
【選択図】図4
A film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method capable of accurately measuring the film thickness of a dielectric thin film having an unknown refractive index are provided.
A film thickness measuring apparatus includes: a wavelength distribution generating unit that generates a first wavelength distribution and a second wavelength distribution for each of a first reflected interference light and a second reflected interference light; An optical path difference calculating unit 73 for obtaining a first optical path difference corresponding to the first incident angle and a second optical path difference corresponding to the second incident angle based on the wavelength distribution and the second wavelength distribution; Using the expression representing the optical path difference as a function of the angle, the film thickness, and the refractive index as variables, the first incident angle and the second incident angle, and the first optical path difference calculated by the optical path difference calculation unit 73 and A film thickness / refractive index calculator 74 for determining the film thickness and refractive index of the thin film by substituting the second optical path difference into the equation.
[Selection] Figure 4

Description

本発明の実施形態は、誘電体薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method for measuring the film thickness of a dielectric thin film.

誘電体薄膜の物性は、膜厚や屈折率(または誘電率)により変化する。このため、誘電体薄膜に所望の性能を与えるためには、膜厚や屈折率を正確に測定することが重要となる。膜厚の測定方法としては、たとえば試料を破壊するおそれのない非接触な測定方法の1つである反射率分光法などが知られている。   The physical properties of the dielectric thin film vary depending on the film thickness and refractive index (or dielectric constant). For this reason, in order to give desired performance to the dielectric thin film, it is important to accurately measure the film thickness and the refractive index. As a method for measuring the film thickness, for example, reflectance spectroscopy, which is one of non-contact measurement methods that do not cause destruction of a sample, is known.

従来、反射率分光法を用いて誘電体薄膜の膜厚を測定する技術として、たとえば特開2010−2328号公報(特許文献1)に開示された技術がある。   Conventionally, as a technique for measuring the film thickness of a dielectric thin film using reflectance spectroscopy, for example, there is a technique disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-2328 (Patent Document 1).

この特許文献1に開示された膜厚測定装置は、被測定物から測定される反射率スペクトルと各波長における反射率との対応関係から波数と波数変換反射率との対応関係を求め、波数変換反射率を波数について周波数にフーリエ変換し、得られたピークにもとづいて各層の膜厚を求めることができるようになっている。   The film thickness measuring device disclosed in Patent Document 1 obtains the correspondence between the wave number and the wave number conversion reflectance from the correspondence between the reflectance spectrum measured from the object to be measured and the reflectance at each wavelength. The reflectance is Fourier-transformed into frequency with respect to the wave number, and the film thickness of each layer can be obtained based on the obtained peak.

特開2010−2328号公報JP 2010-2328 A

ところで、誘電体薄膜の充填率(見かけの充填率)は作製条件によって変化する。一方、薄膜の屈折率は充填率によって変化する。このため、薄膜の屈折率は、作製条件によって変化してしまう。   By the way, the filling factor (apparent filling factor) of the dielectric thin film varies depending on the manufacturing conditions. On the other hand, the refractive index of the thin film varies depending on the filling rate. For this reason, the refractive index of a thin film will change with manufacturing conditions.

しかし、従来の反射率分光法を用いて誘電体薄膜の膜厚を求める技術では、測定対象の薄膜の膜厚を求めるための初期パラメータとして屈折率を用いるにもかかわらず、屈折率として標準試料の屈折率を用いるか、屈折率が既知であることを前提としている。このため、標準試料の屈折率を用いる場合は、測定対象薄膜の実際の屈折率とは異なる屈折率を用いて膜厚を測定することになり、測定誤差が生じてしまう。また、屈折率が既知であることを前提とする場合は、膜厚測定前にあらかじめ測定対象薄膜の屈折率を別工程で計測しておかなくてはならず煩雑である。   However, in the technique for obtaining the thickness of the dielectric thin film using the conventional reflectance spectroscopy, the refractive index is used as the initial parameter for obtaining the thickness of the thin film to be measured. Or the refraction index is assumed to be known. For this reason, when the refractive index of the standard sample is used, the film thickness is measured using a refractive index different from the actual refractive index of the thin film to be measured, resulting in a measurement error. In addition, when it is assumed that the refractive index is known, the refractive index of the thin film to be measured must be measured in a separate process in advance before measuring the film thickness.

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method capable of accurately measuring the film thickness of a dielectric thin film having an unknown refractive index. And

本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置は、上述した課題を解決するために、薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる反射干渉光の波長分布にもとづいて前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、基板表面に前記薄膜が形成された被計測体に対し、所定の波長範囲を有する照射光を第1の入射角および前記第1の入射角とは異なる第2の入射角で照射する照射部と、前記第1の入射角および前記第2の入射角で照射された光の前記薄膜からの第1の反射干渉光および第2の反射干渉光をそれぞれ前記第1の入射角および前記第2の入射角にほぼ等しい第1の反射角および第2の反射角で受光する受光部と、前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて第1の波長分布および第2の波長分布を生成する波長分布生成部と、前記第1の波長分布および前記第2の波長分布にもとづいて、それぞれ前記第1の入射角に対応する第1の光路差および前記第2の入射角に対応する第2の光路差を求める光路差算出部と、入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記薄膜の膜厚および屈折率を求める膜厚屈折率算出部と、を備えたものである。   In order to solve the above-described problem, a film thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention is based on the wavelength distribution of reflected interference light generated by the optical path difference between the front surface reflected light and the back surface reflected light of the thin film. A film thickness measuring apparatus for measuring a film thickness, wherein irradiation light having a predetermined wavelength range is applied to a measured object having a thin film formed on a substrate surface, with a first incident angle and a first incident angle. Irradiating portions that irradiate at different second incident angles, and first reflected interference light and second reflected interference light from the thin film of light irradiated at the first incident angle and the second incident angle. Are received at a first reflection angle and a second reflection angle substantially equal to the first incident angle and the second incident angle, respectively, and the first reflected interference light and the second reflected interference A first wavelength distribution and a second wavelength distribution for each of the lights; And a first optical path difference corresponding to the first incident angle and a second incident angle, respectively, based on the formed wavelength distribution generating unit, the first wavelength distribution, and the second wavelength distribution. The first incident angle and the second incident angle are calculated using an optical path difference calculating unit for obtaining a second optical path difference and an expression representing the optical path difference as a function of the incident angle, the film thickness, and the refractive index as variables. And a film thickness refractive index calculation unit for obtaining a film thickness and a refractive index of the thin film by substituting the first optical path difference and the second optical path difference calculated in the optical path difference calculation unit into the equation, It is equipped with.

本発明に係る膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定することができる。   According to the film thickness measuring apparatus and the film thickness measuring method according to the present invention, the film thickness of the dielectric thin film whose refractive index is unknown can be accurately measured.

本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置の一例を示す概略的な全体構成図。1 is a schematic overall configuration diagram showing an example of a film thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. (a)は、膜厚測定装置が第3の照射ユニットおよび第3の受光ユニットを有する場合の一例を示すy方向矢視図、(b)はz方向矢視図、(c)はx方向矢視図。(A) is a y direction arrow view which shows an example in case a film thickness measuring apparatus has a 3rd irradiation unit and a 3rd light reception unit, (b) is a z direction arrow view, (c) is an x direction. Arrow view. 本実施形態に係る照射光スポットエリアのサイズと受光スポットエリアのサイズの関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between the size of the irradiation light spot area which concerns on this embodiment, and the size of a light reception spot area. 主制御部のCPUによる機能実現部の構成例を示す概略的なブロック図。The schematic block diagram which shows the structural example of the function implementation part by CPU of a main control part. 薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差を説明するための図。The figure for demonstrating the optical path difference of the surface reflected light and back surface reflected light of a thin film. 図1に示す主制御部のCPUにより、屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定する際の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure at the time of measuring accurately the film thickness of the dielectric thin film whose refractive index is unknown by CPU of the main-control part shown in FIG. 実施例1に係る被計測体の第1の波長分布および第2の波長分布の一例を示す説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a first wavelength distribution and a second wavelength distribution of a measurement target according to the first embodiment. 図7に示す例における光路差算出部による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ解析結果の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the Fourier-analysis result using Formula (7a) and (7b) by the optical path difference calculation part in the example shown in FIG. 実施例2に係る被計測体の第1の波長分布および第2の波長分布の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the 1st wavelength distribution of the to-be-measured object which concerns on Example 2, and a 2nd wavelength distribution. 図9に示す例における光路差算出部による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ解析結果の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the Fourier-analysis result using Formula (7a) and (7b) by the optical path difference calculation part in the example shown in FIG. 実施例3に係る被計測体に対し、光源としてハロゲンランプを用いる場合と広帯域レーザ光源を用いる場合の第2の入射角30度に対応する波長分布の違いの一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the difference in wavelength distribution corresponding to the 2nd incident angle of 30 degree | times when using a halogen lamp as a light source and using a broadband laser light source with respect to the to-be-measured object which concerns on Example 3. FIG. 光源として広帯域レーザを用いる場合における実施例3に係る被計測体の第1の波長分布および第2の波長分布の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the 1st wavelength distribution and 2nd wavelength distribution of the to-be-measured body which concerns on Example 3 in the case of using a broadband laser as a light source. 図12に示す例における光路差算出部による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ解析結果の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the Fourier-analysis result using Formula (7a) and (7b) by the optical path difference calculation part in the example shown in FIG. 照射部および受光部の変形例を示す構成図。The block diagram which shows the modification of an irradiation part and a light-receiving part. 図14に示す照射部および受光部の変形例において0度の入射角を利用するための照射部および受光部の一構成例を示す図。The figure which shows one structural example of the irradiation part for utilizing the incident angle of 0 degree | times in the modification of an irradiation part and a light-receiving part shown in FIG. 厚み方向(Y方向)に屈折率ny、境界平行方向(X方向)に屈折率nxを有する薄膜における最小作用の原理による光路差の算出方法を説明するための図。The figure for demonstrating the calculation method of the optical path difference by the principle of the minimum effect | action in the thin film which has the refractive index ny in the thickness direction (Y direction), and the refractive index nx in a boundary parallel direction (X direction).

本発明に係る膜厚測定装置および膜厚測定方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。   Embodiments of a film thickness measuring apparatus and a film thickness measuring method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置は、薄膜に対して互いに異なる2種の入射角で照射光を入射し、この2種の入射光に対応する薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差Yにより生じる2種の反射干渉光の波長分布にもとづいて薄膜の膜厚を測定するものである。   A film thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention makes irradiation light incident on the thin film at two different incident angles, and the front surface reflected light and the back surface reflected light of the thin film corresponding to the two types of incident light. The film thickness of the thin film is measured based on the wavelength distribution of the two types of reflected interference light generated by the optical path difference Y.

(1.概略構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る膜厚測定装置10の一例を示す概略的な全体構成図である。なお、以下の説明では、薄膜の法線方向をZ軸、薄膜の法線方向に垂直な方向をX軸およびY軸とする場合の例について示す。
(1. Outline configuration)
FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram showing an example of a film thickness measuring apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. In the following description, an example in which the normal direction of the thin film is the Z axis and the directions perpendicular to the normal direction of the thin film are the X axis and the Y axis will be described.

膜厚測定装置10は、照射部11、受光部12、分光部13および情報処理装置14を有する。   The film thickness measuring device 10 includes an irradiation unit 11, a light receiving unit 12, a spectroscopic unit 13, and an information processing device 14.

照射部11は、光源20、第1の照射ユニット21、第2の照射ユニット22、およびビームスプリッタ23を有する。   The irradiation unit 11 includes a light source 20, a first irradiation unit 21, a second irradiation unit 22, and a beam splitter 23.

光源20は、ハロゲンランプや広帯域レーザなどにより構成され、所定の波長範囲を有する照射光を出射し、この照明光を光ファイバなどにより構成されるライトガイド24を介してそれぞれ第1の照射ユニット21および第2の照射ユニット22に与える。また、第1の照射ユニット21および第2の照射ユニット22の光源側には、それぞれシャッタ25および26が設けられる。   The light source 20 is configured by a halogen lamp, a broadband laser, or the like, emits irradiation light having a predetermined wavelength range, and the illumination light is emitted from the first irradiation unit 21 via a light guide 24 configured by an optical fiber or the like. And to the second irradiation unit 22. Further, shutters 25 and 26 are provided on the light source side of the first irradiation unit 21 and the second irradiation unit 22, respectively.

シャッタ25および26は、情報処理装置14により制御されて、第1の照射ユニット21による被計測体31に対する照射光の照射と第2の照射ユニット22による被計測体31に対する照射光の照射が同時に行われないようそれぞれ照射光を適宜遮蔽する。   The shutters 25 and 26 are controlled by the information processing device 14, and the irradiation of the irradiation light to the measurement object 31 by the first irradiation unit 21 and the irradiation of the irradiation light to the measurement object 31 by the second irradiation unit 22 are performed simultaneously. The irradiation light is appropriately shielded so as not to be performed.

第1の照射ユニット21および第2の照射ユニット22は、基台30に載置された被計測体31に対し、互いに異なる第1の入射角および第2の入射角で照射光を照射する。被計測体31は、基板32を有するとともに、基板32の表面には所定の粒径を有する誘電体により構成された薄膜33が形成される。   The first irradiation unit 21 and the second irradiation unit 22 irradiate the measurement object 31 placed on the base 30 with irradiation light at a first incident angle and a second incident angle different from each other. The measured object 31 includes a substrate 32, and a thin film 33 made of a dielectric having a predetermined particle diameter is formed on the surface of the substrate 32.

受光部12は、第1の受光ユニット41および第2の受光ユニット42を有する。   The light receiving unit 12 includes a first light receiving unit 41 and a second light receiving unit 42.

第1の受光ユニット41は、薄膜33の表面の法線を介して第1の照射ユニット21に対向する位置に配置され、第1の照射ユニット21により第1の入射角で薄膜33に照射された光の薄膜33による第1の反射干渉光を、第1の入射角にほぼ等しい第1の反射角で受光する。また、第2の受光ユニット42は、薄膜33の表面の法線を介して第2の照射ユニット22に対向する位置に配置され、第2の照射ユニット22により第2の入射角で薄膜33に照射された光の薄膜33による第1の反射干渉光を、第2の入射角にほぼ等しい第2の反射角で受光する。   The first light receiving unit 41 is disposed at a position facing the first irradiation unit 21 via the normal line of the surface of the thin film 33, and the thin film 33 is irradiated by the first irradiation unit 21 at a first incident angle. The first reflected interference light from the light thin film 33 is received at a first reflection angle substantially equal to the first incident angle. Further, the second light receiving unit 42 is disposed at a position facing the second irradiation unit 22 through the normal line of the surface of the thin film 33, and the second irradiation unit 22 forms the thin film 33 at a second incident angle. The first reflected interference light from the irradiated light thin film 33 is received at a second reflection angle substantially equal to the second incident angle.

なお、図1に示すように、第1の入射角および第1の反射角を0度とする場合は、ビームスプリッタ23を用いるとよい。このとき、第1の受光ユニット41は、薄膜33の表面の法線を介して第1の照射ユニット21に対向する位置には配置されず、たとえば第1の照射ユニット21および第1の受光ユニット41の一方がX軸に平行に配置され、他方が薄膜33の法線上に配置される。図1には、第1の照射ユニット21がX軸に平行に照射光を出射するように配置され、第1の受光ユニット41が薄膜33の法線上に配置される場合の例について示した。この場合、第1の照射ユニット21からX軸に平行に出射された照射光は、ビームスプリッタ23を介してZ軸に平行に(薄膜33の法線に平行に)薄膜33に向かって反射されることにより、入射角0度で薄膜33に照射される。そして第1の反射干渉光は、反射角0度で(Z軸に平行に)反射されてビームスプリッタ23を透過し、第1の受光ユニット41により受光される。   As shown in FIG. 1, when the first incident angle and the first reflection angle are set to 0 degrees, a beam splitter 23 may be used. At this time, the first light receiving unit 41 is not disposed at a position facing the first irradiation unit 21 via the normal line of the surface of the thin film 33, and for example, the first irradiation unit 21 and the first light receiving unit. One of 41 is arranged in parallel to the X axis, and the other is arranged on the normal line of the thin film 33. FIG. 1 shows an example in which the first irradiation unit 21 is arranged so as to emit irradiation light parallel to the X axis, and the first light receiving unit 41 is arranged on the normal line of the thin film 33. In this case, the irradiation light emitted from the first irradiation unit 21 in parallel to the X axis is reflected toward the thin film 33 through the beam splitter 23 in parallel to the Z axis (parallel to the normal line of the thin film 33). Thus, the thin film 33 is irradiated at an incident angle of 0 degree. The first reflected interference light is reflected at a reflection angle of 0 degree (parallel to the Z axis), passes through the beam splitter 23, and is received by the first light receiving unit 41.

図2(a)は、膜厚測定装置10が第3の照射ユニット51および第3の受光ユニット52を有する場合の一例を示すy方向矢視図であり、(b)はz方向矢視図、(c)はx方向矢視図である。図2には、第1の入射角が0度、第2の入射角が20度、第3の照射ユニット51による照射光の第3の入射角が30度である場合の例について示した。
なお、便宜上、図2(a)においては第3の照射ユニット51、第3の受光ユニット52およびシャッタ53の図示を省略し、(b)においてはシャッタ25、26および53の図示を省略し、(c)においては第2の照射ユニット22、シャッタ25、26および第2の受光ユニット42の図示を省略した。
2A is a view in the y direction showing an example of the case where the film thickness measuring apparatus 10 includes the third irradiation unit 51 and the third light receiving unit 52, and FIG. 2B is a view in the z direction. (C) is an arrow view in the x direction. FIG. 2 shows an example in which the first incident angle is 0 degree, the second incident angle is 20 degrees, and the third incident angle of the light irradiated by the third irradiation unit 51 is 30 degrees.
For convenience, the illustration of the third irradiation unit 51, the third light receiving unit 52, and the shutter 53 is omitted in FIG. 2A, and the illustration of the shutters 25, 26, and 53 is omitted in FIG. In (c), the second irradiation unit 22, the shutters 25 and 26, and the second light receiving unit 42 are not shown.

図2に示すように、照射ユニットおよび受光ユニットの組の数は2組に限られず、この組の数を増やすことにより、薄膜33に対する照射光の入射角の数を容易に増やすことができる。なお、第3の照射ユニット51の光源20側には、シャッタ25および26と同様に情報処理装置14により制御されるシャッタ53が設けられるとよい。   As shown in FIG. 2, the number of irradiation units and light receiving units is not limited to two, and the number of incident angles of irradiation light on the thin film 33 can be easily increased by increasing the number of sets. Note that a shutter 53 controlled by the information processing device 14 may be provided on the light source 20 side of the third irradiation unit 51 in the same manner as the shutters 25 and 26.

分光部13は、一般的な分光器により構成され、ライトガイド43を介して第1の受光ユニット41により受光された第1の反射干渉光を受け、この第1の反射干渉光を所定の波長間隔で分光して、各波長における反射干渉光の強度の情報を情報処理装置14に与える。同様に、分光部13は、ライトガイド43を介して第2の受光ユニット42により受光された第2の反射干渉光を受け、この第2の反射干渉光を所定の波長間隔で分光して、各波長における反射干渉光の強度の情報を情報処理装置14に与える。   The spectroscopic unit 13 includes a general spectroscope, receives the first reflected interference light received by the first light receiving unit 41 via the light guide 43, and converts the first reflected interference light to a predetermined wavelength. Spectroscopy is performed at intervals, and information on the intensity of reflected interference light at each wavelength is given to the information processing device 14. Similarly, the spectroscopic unit 13 receives the second reflected interference light received by the second light receiving unit 42 via the light guide 43, splits the second reflected interference light at a predetermined wavelength interval, Information on the intensity of the reflected interference light at each wavelength is given to the information processing apparatus 14.

情報処理装置14は、たとえばデスクトップ型やノートブック型のパーソナルコンピュータやワークステーションなどにより構成することができる。情報処理装置14は、入力部61、表示部62、記憶部63および主制御部64を有する。   The information processing apparatus 14 can be configured by, for example, a desktop type or notebook type personal computer or workstation. The information processing apparatus 14 includes an input unit 61, a display unit 62, a storage unit 63, and a main control unit 64.

入力部61は、たとえばキーボード、タッチパネル、テンキーなどの一般的な入力装置により構成され、ユーザの操作に対応した操作入力信号を主制御部64に出力する。表示部62は、たとえば液晶ディスプレイやOLED(Organic Light Emitting Diode)ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部64の制御に従って各種情報を表示する。記憶部63は、CPUにより読み書き可能な記憶媒体であり、あらかじめ、入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差Yを表した式を記憶している。   The input unit 61 includes a general input device such as a keyboard, a touch panel, and a numeric keypad, and outputs an operation input signal corresponding to a user operation to the main control unit 64. The display unit 62 is configured by a general display output device such as a liquid crystal display or an OLED (Organic Light Emitting Diode) display, and displays various types of information according to the control of the main control unit 64. The storage unit 63 is a storage medium that can be read and written by the CPU, and stores in advance an expression representing the optical path difference Y as a function with the incident angle, the film thickness, and the refractive index as variables.

主制御部64は、分光部13から反射干渉光の分光スペクトルを受け、この分光スペクトルにもとづいて第1の入射角および第2の入射角に対応する第1の光路差および第2の光路差を求める。また、主制御部64は、記憶部63に記憶された式を用いて、第1の入射角および第2の入射角ならびに第1の光路差および第2の光路差を式に代入することにより、薄膜33の膜厚および屈折率を求める。主制御部64の構成および動作の詳細については後述する。   The main control unit 64 receives the spectral spectrum of the reflected interference light from the spectral unit 13, and based on the spectral spectrum, the first optical path difference and the second optical path difference corresponding to the first incident angle and the second incident angle. Ask for. Further, the main control unit 64 uses the formula stored in the storage unit 63 to substitute the first incident angle and the second incident angle, the first optical path difference, and the second optical path difference into the formula. The film thickness and refractive index of the thin film 33 are obtained. Details of the configuration and operation of the main control unit 64 will be described later.

(2.反射干渉光の高強度化)
反射率分光法を用いて誘電体薄膜の膜厚や誘電率(屈折率)を高速で計測する場合には、一般に、入射光と反射光の干渉信号が微弱であることが知られている。この理由としては、(1)誘電体薄膜の表面や膜内での散乱により、誘電体薄膜表面からの反射光が弱いこと、(2)誘電体薄膜を塗布する基板の表面やその内部での散乱および干渉により、誘電体薄膜裏面からの反射光が弱いこと、(3)誘電体薄膜や誘電体を塗布する基板の表面およびその内部での散乱および干渉により、基板表面からの反射光が弱いこと、(4)誘電体薄膜の表面や誘電体薄膜を塗布する基板の表面の凸凹により干渉信号が小さくなること、などが考えられる。
(2. Increasing the intensity of reflected interference light)
When measuring the film thickness and dielectric constant (refractive index) of a dielectric thin film at high speed using reflectance spectroscopy, it is generally known that the interference signal between incident light and reflected light is weak. This is because (1) the reflected light from the surface of the dielectric thin film is weak due to scattering within the surface of the dielectric thin film, and (2) the surface of the substrate on which the dielectric thin film is applied and the inside thereof. The reflected light from the back surface of the dielectric thin film is weak due to scattering and interference, and (3) the reflected light from the substrate surface is weak due to scattering and interference inside the surface of the substrate on which the dielectric thin film or dielectric is applied and within it. (4) It is conceivable that the interference signal becomes small due to unevenness of the surface of the dielectric thin film or the surface of the substrate to which the dielectric thin film is applied.

反射干渉光の高強度化を目指すため、本実施形態に係る膜厚測定装置10は以下の条件を満たすよう構成されるとよい。   In order to increase the intensity of the reflected interference light, the film thickness measuring apparatus 10 according to this embodiment may be configured to satisfy the following conditions.

(2−1.粒径に応じた光源波長および入射角)
誘電体に対し光が進入した場合、誘電体を構成する粒子の粒径によって現象が異なる事が知られている。構成粒子に対して光の波長が十分長い場合はレイリー散乱と呼ばれる散乱現象を起こし、散乱光は波長が短いほど大きな強度を持つ。他方、構成粒径が波長とほぼ等しいオーダーになると、ミー散乱とよばれる状態に移行する。この状態では、前方散乱の強度が非常に大きくなり、反射光(後方散乱光)を使用する反射率分光法にとってエラー光の強度が増すというデメリットがある。
(2-1. Light source wavelength and incident angle according to particle size)
It is known that when light enters a dielectric, the phenomenon varies depending on the particle size of the particles constituting the dielectric. When the wavelength of light is sufficiently long relative to the constituent particles, a scattering phenomenon called Rayleigh scattering occurs, and the scattered light has a greater intensity as the wavelength is shorter. On the other hand, when the constituent particle diameter is on the order of almost equal to the wavelength, the state shifts to a state called Mie scattering. In this state, the intensity of forward scattering becomes very large, and there is a demerit that the intensity of error light increases for reflectance spectroscopy using reflected light (backscattered light).

したがって、たとえば誘電体の粒径が200nm以下の場合には0.3-2μm程度の波長を用い、粒径がそれ以上の場合にはより波長が長い光(たとえば粒径が400μmの場合には波長領域の下限が1.7μm以上の光など)を用いるとよい。また粒径の大きなものを測定する場合は、ミー散乱理論の前方散乱域が後方散乱域(反射光域)に影響を与えないような範囲の角度(粒径400nm以上、等価屈折率1.5の場合なら入射角30度以下)を使用するとよい。   Therefore, for example, when the particle size of the dielectric is 200 nm or less, a wavelength of about 0.3-2 μm is used, and when the particle size is more than that, light having a longer wavelength (for example, when the particle size is 400 μm) It is preferable to use light having a lower limit of the wavelength region of 1.7 μm or more. When measuring a large particle size, an angle in a range in which the forward scattering region of the Mie scattering theory does not affect the back scattering region (reflected light region) (particle size of 400 nm or more, equivalent refractive index of 1.5 In this case, it is preferable to use an incident angle of 30 degrees or less.

(2−2.基板32の反射率を考慮した光源波長)
誘電体の塗布してある基板32での干渉は、基板32の厚さや屈折率によって変化する。このため、あらかじめ基板32のみの反射率を測定し、その結果から反射率の大きい測定波長を用いることで、干渉信号を大きくすることができる。
(2−3.照射光エリアと集光エリア)
(2-2. Light source wavelength considering the reflectance of the substrate 32)
Interference at the substrate 32 coated with the dielectric varies depending on the thickness and refractive index of the substrate 32. For this reason, it is possible to increase the interference signal by measuring the reflectance of only the substrate 32 in advance and using a measurement wavelength having a large reflectance from the result.
(2-3. Irradiation light area and light collection area)

図3は、本実施形態に係る照射光スポットエリアA1のサイズと受光スポットエリアA2のサイズの関係を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the size of the irradiated light spot area A1 and the size of the light receiving spot area A2 according to the present embodiment.

干渉信号を効率的に集光するためには、照射光スポットエリアA1の半径r1よりも受光スポットエリアA2の半径r2のほうが大きいことが好ましい。照射光スポットエリアA1の半径r1は、照射ユニット21および22を構成するレンズの開口数などを調整することにより制御できる。また、受光スポットエリアA2の半径r2は、受光ユニット41および42を構成するレンズの開口数などを調整することにより制御できる。   In order to efficiently collect the interference signal, it is preferable that the radius r2 of the light receiving spot area A2 is larger than the radius r1 of the irradiation light spot area A1. The radius r1 of the irradiation light spot area A1 can be controlled by adjusting the numerical aperture of the lenses constituting the irradiation units 21 and 22. The radius r2 of the light receiving spot area A2 can be controlled by adjusting the numerical aperture of the lenses constituting the light receiving units 41 and 42.

上記条件のほか、薄膜33の測定エリアサイズを狭くすることによっても、干渉信号の高強度化を期待することができる。   In addition to the above conditions, it is possible to expect an increase in the strength of the interference signal by reducing the measurement area size of the thin film 33.

(3.主制御部の構成)
主制御部64は、CPU、RAMおよびROMをはじめとする記憶媒体などにより構成され、この記憶媒体に記憶されたプログラムに従って、膜厚測定装置10の動作を制御する。
(3. Configuration of main control unit)
The main control unit 64 is configured by a storage medium such as a CPU, a RAM, and a ROM, and controls the operation of the film thickness measuring apparatus 10 according to a program stored in the storage medium.

主制御部64のCPUは、ROMをはじめとする記憶媒体に記憶された膜厚測定プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをRAMへロードし、このプログラムに従って、屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定するための処理を実行する。主制御部64のRAMは、CPUが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。主制御部64のROMをはじめとする記憶媒体は、情報処理装置14の起動プログラム、膜厚測定プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。   The CPU of the main control unit 64 loads a film thickness measurement program stored in a storage medium such as a ROM and data necessary for executing the program into the RAM, and in accordance with this program, a dielectric having an unknown refractive index. A process for accurately measuring the thickness of the body thin film is executed. The RAM of the main control unit 64 provides a work area for temporarily storing programs and data executed by the CPU. The storage medium such as the ROM of the main control unit 64 stores a startup program for the information processing apparatus 14, a film thickness measurement program, and various data necessary for executing these programs.

なお、ROMをはじめとする記憶媒体は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、CPUにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。   A storage medium such as a ROM has a configuration including a recording medium readable by a CPU, such as a magnetic or optical recording medium or a semiconductor memory, and a part of programs and data in the storage medium. Or you may comprise so that all may be downloaded via an electronic network.

図4は、主制御部64のCPUによる機能実現部の構成例を示す概略的なブロック図である。なお、この機能実現部は、CPUを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。   FIG. 4 is a schematic block diagram illustrating a configuration example of the function realization unit by the CPU of the main control unit 64. In addition, this function realization part may be comprised by hardware logics, such as a circuit, without using CPU.

図4に示すように、主制御部のCPUは、膜厚測定プログラムによって、少なくとも入射角制御部71、波長分布生成部72、光路差算出部73および膜厚屈折率算出部74として機能する。この各部71〜74は、RAMの所要のワークエリアを、データの一時的な格納場所として利用する。   As shown in FIG. 4, the CPU of the main control unit functions as at least an incident angle control unit 71, a wavelength distribution generation unit 72, an optical path difference calculation unit 73, and a film thickness refractive index calculation unit 74 by the film thickness measurement program. Each of the units 71 to 74 uses a required work area of the RAM as a temporary storage location for data.

入射角制御部71は、一の入射角による反射干渉光が他の入射角による反射干渉光に混入する弊害を未然に防ぐよう、一の入射角により照射光が照射されて波長分布生成部72によりこの一の入射角に対応する波長分布が生成された後に、次の入射角により照射光が照射されて波長分布生成部72によりこの次の入射角に対応する波長分布が生成されるようにシャッタ25、26および53を制御する。   The incident angle control unit 71 is irradiated with the irradiation light with the one incident angle so as to prevent the adverse effect that the reflected interference light with the one incident angle is mixed with the reflected interference light with the other incident angle. After generating the wavelength distribution corresponding to this one incident angle, the irradiation light is irradiated at the next incident angle, and the wavelength distribution generating unit 72 generates the wavelength distribution corresponding to this next incident angle. Shutters 25, 26 and 53 are controlled.

波長分布生成部72は、分光部13により生成された各波長における反射干渉光の強度の情報にもとづいて、第1の反射干渉光および第2の反射干渉光のそれぞれについて、所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な第1の波長分布および第2の波長分布を生成する。また、膜厚測定装置10が第3の照射ユニット51および第3の受光ユニット52を有する場合など、第3の入射角に対応する第3の反射干渉光を利用可能な場合は、この第3の反射干渉光について第3の波長分布を生成する。   The wavelength distribution generation unit 72 is configured for each of the first reflected interference light and the second reflected interference light for each predetermined wavelength interval based on the intensity information of the reflected interference light at each wavelength generated by the spectroscopic unit 13. A discrete first wavelength distribution and second wavelength distribution consisting of the above data are generated. In addition, when the film thickness measuring apparatus 10 includes the third irradiation unit 51 and the third light receiving unit 52, the third reflected interference light corresponding to the third incident angle can be used. A third wavelength distribution is generated for the reflected interference light.

光路差算出部73は、所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な第1の波長分布および第2の波長分布を、波長の逆数の関数として扱い、所定の波長間隔に対応する非等間隔な前記波長の逆数の間隔ごとにサンプリングして離散フーリエ変換を行うことにより、第1の光路差および第2の光路差を求める。   The optical path difference calculation unit 73 treats the discrete first wavelength distribution and the second wavelength distribution composed of data for each predetermined wavelength interval as a function of the reciprocal of the wavelength, and unequal intervals corresponding to the predetermined wavelength interval. The first optical path difference and the second optical path difference are obtained by performing discrete Fourier transform by sampling at intervals of reciprocal wavelengths.

膜厚屈折率算出部74は、記憶部63に記憶された式を用いて、2種の入射角(たとえば第1の入射角および第2の入射角)および各入射角に対応する2種の光路差(たとえば第1の光路差および第2の光路差)を式に代入することにより、薄膜33の膜厚および屈折率を求め、その結果を表示部62に表示する。   The film thickness refractive index calculation unit 74 uses two types of incident angles (for example, a first incident angle and a second incident angle) and two types of incident angles corresponding to the respective incident angles, using the expressions stored in the storage unit 63. By substituting the optical path difference (for example, the first optical path difference and the second optical path difference) into the equation, the film thickness and the refractive index of the thin film 33 are obtained, and the results are displayed on the display unit 62.

(3−1.光路差の算出方法)
ここで、光路差算出部73による光路長(より具体的には、表面反射光と裏面反射光の光路差Y)の算出方法について詳細に説明する。反射率分光法では、被測定対象の表面と裏面、および多層膜であればその界面各々での反射光の干渉を用いてまずは光路差Yを算出する。従来は1組または多数組の干渉波形ピークの波長を用いての推定が行われることが多かった。しかしこの推定方法では、多層膜の場合にどのピークがどのピークに対応するかが不明である。
(3-1. Optical path difference calculation method)
Here, a method of calculating the optical path length (more specifically, the optical path difference Y between the front surface reflected light and the back surface reflected light) by the optical path difference calculation unit 73 will be described in detail. In reflectance spectroscopy, first, the optical path difference Y is calculated using interference of reflected light at the front and back surfaces of the object to be measured and each of the interfaces in the case of a multilayer film. Conventionally, estimation using the wavelength of one or many sets of interference waveform peaks is often performed. However, in this estimation method, it is unclear which peak corresponds to which peak in the case of a multilayer film.

そこで、本実施形態では、光を平面波として表記した場合に、光の方程式が

Figure 2013079921
Therefore, in this embodiment, when light is expressed as a plane wave, the equation of light is
Figure 2013079921

と書ける事を利用する。波数の大きさと、波長および屈折率の関係はk=2π/(nλ)(nは屈折率、λは波長を表す)となるから、光の方程式の空間依存部分(ωtの項を除いたもの)は

Figure 2013079921
Use what you can write. Since the relationship between the wave number, wavelength and refractive index is k = 2π / (nλ) (where n is the refractive index and λ is the wavelength), the space-dependent part of the light equation (excluding the ωt term) )
Figure 2013079921

となる。ここで屈折率nは定数であるから、φを波長の逆数の関数と見て、離散フーリエ変換を行えば、光路差Yが得られる。しかも基底関数の直行性によりピーク値だけを用いた場合には分離できなかった多層膜反射による光路差Yも分離できる事となる。   It becomes. Here, since the refractive index n is a constant, the optical path difference Y can be obtained by performing a discrete Fourier transform with φ being a function of the reciprocal of the wavelength. Moreover, due to the orthogonality of the basis function, the optical path difference Y due to the multilayer film reflection that cannot be separated when only the peak value is used can be separated.

このケースでの離散フーリエ変換は、干渉信号を波長の逆数の関数と見るため通常は波長に対して等間隔の測定点を使用することに起因して、データのサンプリングが波長の逆数に対しては等間隔とならず、通常の高速フーリエ変換の手法は使用できない。しかし、ここでの離散フーリエ変換の精度は光路差Yの精度(ひいては膜厚や屈折率の精度)に直結するため、単なる台形公式ではなく、以下のようにして行い精度を確保する。   The discrete Fourier transform in this case is usually due to the use of equidistant measurement points for the wavelength to see the interference signal as a function of the reciprocal of the wavelength, so that the sampling of the data is relative to the reciprocal of the wavelength. Are not evenly spaced, and ordinary fast Fourier transform techniques cannot be used. However, since the accuracy of the discrete Fourier transform here is directly related to the accuracy of the optical path difference Y (and hence the accuracy of the film thickness and refractive index), it is not a simple trapezoidal formula, and is performed as follows to ensure accuracy.

まずφ(r)に対するフーリエ変換は(便宜上k=1/nλ)とすれば)、

Figure 2013079921
First, the Fourier transform for φ (r) (for convenience, k = 1 / nλ)
Figure 2013079921

測定データφ(k)はコンパクトサポートではない(測定の両側がゼロに収束しない)ため、離散フーリエ変換でよく用いられる窓関数W(k)を用いて、

Figure 2013079921
Since the measurement data φ (k) is not a compact support (both sides of the measurement do not converge to zero), the window function W (k) often used in the discrete Fourier transform is used.
Figure 2013079921

とする。窓関数W(k)としては、たとえば一般化ハミング窓W(k)=a−(1−a)cos2πkなどを用いることができる。   And As the window function W (k), for example, a generalized Hamming window W (k) = a− (1−a) cos 2πk can be used.

ここでφ(k)は連続関数ではなく、φ0、φ1・・・、φnのような離散的な観測データである。このため、式(2)を離散化する。   Here, φ (k) is not a continuous function but discrete observation data such as φ0, φ1,. For this reason, Formula (2) is discretized.

一般には、式(4)は台形公式を用いて離散化される。しかし、一般的な分光器により構成される分光部13の出力は波長に対して等間隔であるため、波長の逆数を用いた場合、k0,k1,k2・・・kNの間隔が非等間隔となる。また、この式(4)を用いて算出する等価光路差Yの精度が膜厚や屈折率の精度に大きく左右する。このため、本実施形態では、台形公式は用いず、以下の独自のアルゴリズムにより離散フーリエ変換を行う。   In general, equation (4) is discretized using a trapezoidal formula. However, since the output of the spectroscopic unit 13 configured by a general spectroscope is equally spaced with respect to the wavelength, when the reciprocal of the wavelength is used, the intervals of k0, k1, k2,. It becomes. In addition, the accuracy of the equivalent optical path difference Y calculated using the equation (4) greatly depends on the accuracy of the film thickness and the refractive index. For this reason, in this embodiment, the trapezoid formula is not used, and discrete Fourier transform is performed by the following unique algorithm.

まず、式(4)でのW(k)φ(k)(≡ψ(k)と定義する)とexp(−ikd)を別の取り扱いとし、式(4)を実部と虚部に分離する。

Figure 2013079921
First, W (k) φ (k) (defined as ≡ψ (k)) and exp (−ikd) in Equation (4) are treated differently, and Equation (4) is separated into a real part and an imaginary part. To do.
Figure 2013079921

なお、Ψi=Ψ(ki)として置き換えた。この式(6a)および(6b)の積分は実行可能であるため、最終的に積分を含まない次の式(7a)および(7b)を得ることができる。

Figure 2013079921
式(7a)および(7b)は、プログラム化を行った場合ループ処理を1回しか含まず、台形公式とそん色ない速度で計算が実行でき、しかも精度が良いアルゴリズムとなる。 It was replaced as Ψ i = Ψ (k i ). Since the integration of the equations (6a) and (6b) is feasible, the following equations (7a) and (7b) that do not include the integration can be finally obtained.
Figure 2013079921
Expressions (7a) and (7b) include a loop process only once when programmed, can be executed at a speed comparable to the trapezoidal formula, and become a highly accurate algorithm.

そこで、光路差算出部73は、所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な波長分布および第2の波長分布にもとづいて、式(7a)および(7b)を用いて離散フーリエ変換を行うことにより、各波長分布に対応する光路差Yを求める。   Therefore, the optical path difference calculation unit 73 performs a discrete Fourier transform using the equations (7a) and (7b) based on the discrete wavelength distribution and the second wavelength distribution made up of data for each predetermined wavelength interval. Thus, the optical path difference Y corresponding to each wavelength distribution is obtained.

(3−2.膜厚および屈折率の算出)
次に、膜厚屈折率算出部74による薄膜33の膜厚および屈折率の算出方法について詳細に説明する。
(3-2. Calculation of film thickness and refractive index)
Next, a method for calculating the film thickness and refractive index of the thin film 33 by the film thickness refractive index calculation unit 74 will be described in detail.

図5は、薄膜33の表面反射光と裏面反射光との光路差を説明するための図である。   FIG. 5 is a diagram for explaining the optical path difference between the front surface reflected light and the back surface reflected light of the thin film 33.

図5に示すように、入射光の波面(入射光に垂直な図中垂直マークのついている点線部分)と薄膜表面のなす角度をθ1とし、膜中の入射角をθ2とする。このとき、図5のfの長さはaの長さにsinθ1を乗じたものに等しい(f=a・sinθ1)。一方、二点鎖線の長さを2Xとすると、a=2X・sinθ2と書ける。したがって、f=2X・sinθ1・sinθ2と表せる。   As shown in FIG. 5, the angle formed by the wavefront of incident light (dotted line portion with a vertical mark in the figure perpendicular to the incident light) and the thin film surface is θ1, and the incident angle in the film is θ2. At this time, the length of f in FIG. 5 is equal to the length of a multiplied by sin θ1 (f = a · sin θ1). On the other hand, if the length of the two-dot chain line is 2X, it can be written as a = 2X · sin θ2. Therefore, it can be expressed as f = 2X · sin θ1 · sin θ2.

よって、表面反射光と裏面反射光の光路差Yは、屈折率をnとすれば、
Y=n・2X - f=2X(n - sinθ1・sinθ2) (8)
Therefore, the optical path difference Y between the front surface reflected light and the back surface reflected light can be expressed as follows:
Y = n · 2X-f = 2X (n-sinθ1 · sinθ2) (8)

となる。
図5から明らかなように、二点鎖線の長さ2X、膜厚t、膜中の入射角θ2は、X=t/cosθ2の関係を満たす。この関係を用いて式(8)からXおよびθ2を消去してtおよびnで表すと、次の式(9)を得ることができる。

Figure 2013079921
It becomes.
As apparent from FIG. 5, the length 2X of the two-dot chain line, the film thickness t, and the incident angle θ2 in the film satisfy the relationship of X = t / cos θ2. Using this relationship, when X and θ2 are eliminated from equation (8) and represented by t and n, the following equation (9) can be obtained.
Figure 2013079921

ただし、Yは光路差、θ1は入射角、θ2は膜中の入射角、tは膜厚、nは屈折率をそれぞれ表す。   However, Y represents an optical path difference, θ1 represents an incident angle, θ2 represents an incident angle in the film, t represents a film thickness, and n represents a refractive index.

したがって、式(9)から、2種の入射角における光路差Yが得られれば、膜厚および屈折率を求めることができることがわかる。この式(9)は、あらかじめ記憶部63に記憶される。なお、式(9)は、主制御部64のROMをはじめとする記憶媒体に記憶されてもよい。
(4.動作)
Therefore, it can be seen from the equation (9) that if the optical path difference Y at the two incident angles is obtained, the film thickness and the refractive index can be obtained. Expression (9) is stored in the storage unit 63 in advance. Note that Expression (9) may be stored in a storage medium such as the ROM of the main control unit 64.
(4. Operation)

次に、本実施形態に係る膜厚測定装置10の動作の一例について説明する。   Next, an example of operation | movement of the film thickness measuring apparatus 10 which concerns on this embodiment is demonstrated.

図6は、図1に示す主制御部64のCPUにより、屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定する際の手順を示すフローチャートである。図6において、Sに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。   FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for accurately measuring the film thickness of the dielectric thin film whose refractive index is unknown by the CPU of the main control unit 64 shown in FIG. In FIG. 6, reference numerals with numbers added to S indicate steps in the flowchart.

この手順は、式(9)が記憶部63に記憶された時点でスタートとなる。   This procedure starts when Equation (9) is stored in the storage unit 63.

まず、ステップS1において、波長分布生成部72は、分光部13により生成された各波長における反射干渉光の強度の情報にもとづいて、複数の入射光のそれぞれに対応する複数の波長分布を生成する。   First, in step S <b> 1, the wavelength distribution generation unit 72 generates a plurality of wavelength distributions corresponding to each of a plurality of incident lights based on the information on the intensity of reflected interference light at each wavelength generated by the spectroscopic unit 13. .

次に、ステップS2において、光路差算出部73は、たとえば式(7a)および(7b)を用いることにより、複数の波長分布のそれぞれに対応する複数の光路差Yを算出する。   Next, in step S2, the optical path difference calculation unit 73 calculates a plurality of optical path differences Y corresponding to each of the plurality of wavelength distributions by using, for example, equations (7a) and (7b).

次に、ステップS3において、膜厚屈折率算出部74は、記憶部63から式(9)を取得する。   Next, in step S <b> 3, the film thickness refractive index calculation unit 74 acquires Expression (9) from the storage unit 63.

次に、ステップS4において、膜厚屈折率算出部74は、記憶部63から取得した式(9)に対して、入射角および光路差Yの組を少なくとも2組代入する。   Next, in step S <b> 4, the film thickness refractive index calculation unit 74 substitutes at least two sets of the incident angle and the optical path difference Y into the equation (9) acquired from the storage unit 63.

次に、ステップS5において、少なくとも2組の入射角および光路差Yの組のそれぞれを式(9)に代入することにより得られた少なくとも2つの式を連立することにより、薄膜33の膜厚および屈折率を算出する。   Next, in step S5, by combining at least two expressions obtained by substituting at least two sets of incident angles and optical path differences Y into Expression (9), the film thickness of the thin film 33 and Calculate the refractive index.

以上の手順により、屈折率が未知の誘電体薄膜の膜厚を正確に測定することができる。   By the above procedure, the film thickness of the dielectric thin film whose refractive index is unknown can be accurately measured.

本実施形態に係る膜厚測定装置10は、被計測体31に対し、互いに異なる2種の入射角で照射光を照射するため、少なくとも一方の入射角は0度とは異なる角度となる。このとき、式(9)を用いることにより、屈折率が未知の誘電体薄膜についても、膜厚を正確に測定することができるとともに、同時にその屈折率(誘電率)を測定することができる。また、たとえば入射角が3種設定可能な場合(図2参照)、3組の入射角の組から3種の膜厚・屈折率が算出できる。この場合、3種の算出値を平均して最終的な薄膜33の膜厚・屈折率の算出結果としてもよい。   Since the film thickness measuring apparatus 10 according to the present embodiment irradiates the measurement object 31 with irradiation light at two different incident angles, at least one of the incident angles is different from 0 degrees. At this time, by using Expression (9), it is possible to accurately measure the film thickness of the dielectric thin film whose refractive index is unknown, and at the same time, the refractive index (dielectric constant) can be measured. For example, when three types of incident angles can be set (see FIG. 2), three types of film thickness and refractive index can be calculated from a group of three incident angles. In this case, the three calculated values may be averaged to obtain the final calculation result of the film thickness / refractive index of the thin film 33.

(5.充填率)
本実施形態に係る膜厚屈折率算出部74によれば、薄膜33の屈折率を測定することができる。このため、薄膜33の屈折率と、薄膜を構成する誘電体の結晶における屈折率とを比較することにより、この薄膜を構成する誘電体の薄膜33中の充填率(見かけの充填率)を求めることができる。
(5. Filling rate)
According to the film thickness refractive index calculation unit 74 according to the present embodiment, the refractive index of the thin film 33 can be measured. For this reason, by comparing the refractive index of the thin film 33 with the refractive index of the dielectric crystal constituting the thin film, the filling rate (apparent filling rate) of the dielectric thin film 33 constituting the thin film is obtained. be able to.

たとえば、誘電体が酸化チタンである場合、酸化チタン薄膜中の酸化チタンの含有率をa(%)とし、酸化チタン薄膜の見かけの充填率をb(%)=100−a(%)とする。また、酸化チタンの屈折率をN1、薄膜内の空間を充填する他の物質(たとえば空気などの雰囲気気体や樹脂など)の屈折率をN2とする。   For example, when the dielectric is titanium oxide, the content of titanium oxide in the titanium oxide thin film is a (%), and the apparent filling rate of the titanium oxide thin film is b (%) = 100−a (%). . Further, the refractive index of titanium oxide is N1, and the refractive index of another substance (for example, atmospheric gas such as air or resin) filling the space in the thin film is N2.

いま、酸化チタン薄膜の屈折率Naは、酸化チタン薄膜中の酸化チタンと薄膜内の空間を充填する他の物質の含有比率に比例すると仮定する。この仮定は、酸化チタンが均質な場合は成り立つ。このとき、酸化チタン薄膜の屈折率Naは、次の式(10)で与えられる。
Na=N2+(N1-N2)*a (10)
Now, it is assumed that the refractive index Na of the titanium oxide thin film is proportional to the content ratio of titanium oxide in the titanium oxide thin film and other substances filling the space in the thin film. This assumption is valid when the titanium oxide is homogeneous. At this time, the refractive index Na of the titanium oxide thin film is given by the following formula (10).
Na = N2 + (N1-N2) * a (10)

式(10)を変形すると、次の式(11)が得られる。
a=(Na-N2)/(N1-N2) (11)
When the equation (10) is transformed, the following equation (11) is obtained.
a = (Na-N2) / (N1-N2) (11)

したがって、屈折率N1およびN2が既知であるものとすれば、光路差算出部73による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ変換の結果算出される光路差Yを用いて式(9)から得られる屈折率をNaとして式(11)に代入することで、酸化チタンの含有率aが求められる。このa(%)から、酸化チタン薄膜の見かけの充填率b(%)=100−a(%)を求めることができる。   Therefore, assuming that the refractive indexes N1 and N2 are known, the optical path difference Y calculated by the optical path difference Y calculated by the optical path difference calculation unit 73 using the expressions (7a) and (7b) is used as the expression (9). By substituting Na into the formula (11) for the refractive index obtained from the above, the titanium oxide content a can be obtained. From this a (%), the apparent filling factor b (%) of the titanium oxide thin film = 100−a (%) can be obtained.

(6.実施例)
(6−1.実施例1)
実施例1として、第1の入射角が0度、第2の入射角が30度である場合において、基板32に誘電体薄膜としての酸化チタン薄膜33を1層塗布した被計測体31の膜厚および屈折率を計測した。レーザ共焦点顕微鏡による測定では、薄膜33の膜厚は12.0μmと測定された。
(6. Example)
(6-1. Example 1)
As Example 1, when the first incident angle is 0 degree and the second incident angle is 30 degrees, a film of the measurement object 31 in which one layer of a titanium oxide thin film 33 as a dielectric thin film is applied to the substrate 32. Thickness and refractive index were measured. In the measurement with a laser confocal microscope, the film thickness of the thin film 33 was measured to be 12.0 μm.

図7は実施例1に係る被計測体31の第1の波長分布および第2の波長分布の一例を示す説明図である。また、図8は、図7に示す例における光路差算出部73による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ解析結果の一例を示す説明図である。   FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of the first wavelength distribution and the second wavelength distribution of the measurement target 31 according to the first embodiment. FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a Fourier analysis result using the equations (7a) and (7b) by the optical path difference calculation unit 73 in the example shown in FIG.

図7および図8に示すように、薄膜33が1層である場合は、各入射角に対応する波長分布のフーリエ解析結果として、それぞれ1つのピークが観測される。なお、基板32の厚さや透過率によっては、基板32の表面反射および裏面反射に起因するピークが観測される場合があることに注意する。   As shown in FIGS. 7 and 8, when the thin film 33 is a single layer, one peak is observed as a Fourier analysis result of the wavelength distribution corresponding to each incident angle. It should be noted that depending on the thickness and transmittance of the substrate 32, peaks due to the surface reflection and back surface reflection of the substrate 32 may be observed.

図7および図8に示す例では、膜厚屈折率算出部74により、膜厚11.66μm、屈折率1.60と測定された。この膜厚値は、レーザ共焦点顕微鏡による測定結果12.0μmに近い値であるといえる。また、使用した酸化チタンの結晶の屈折率は2.52であることから、式(11)から、見かけの充填率として60.5%を得ることができた。   In the example shown in FIGS. 7 and 8, the film thickness refractive index calculation unit 74 measured the film thickness as 11.66 μm and the refractive index as 1.60. This film thickness value can be said to be a value close to a measurement result of 12.0 μm by a laser confocal microscope. Further, since the refractive index of the used titanium oxide crystal was 2.52, it was possible to obtain 60.5% as an apparent filling rate from the equation (11).

(6−2.実施例2)
実施例2として、第1の入射角が20度、第2の入射角が40度である場合において、基板32に誘電体薄膜としての酸化チタン薄膜を2層塗布した被計測体31の膜厚および屈折率を計測した。レーザ共焦点顕微鏡による測定では、2層合計の膜厚は9.6μmと測定された。
(6-2. Example 2)
As Example 2, in the case where the first incident angle is 20 degrees and the second incident angle is 40 degrees, the film thickness of the measurement object 31 in which two layers of titanium oxide thin films as dielectric thin films are applied to the substrate 32. And the refractive index was measured. In the measurement with a laser confocal microscope, the total film thickness of the two layers was measured to be 9.6 μm.

図9は実施例2に係る被計測体31の第1の波長分布および第2の波長分布の一例を示す説明図である。また、図10は、図9に示す例における光路差算出部73による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ解析結果の一例を示す説明図である。   FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of the first wavelength distribution and the second wavelength distribution of the measurement target 31 according to the second embodiment. FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a Fourier analysis result using the equations (7a) and (7b) by the optical path difference calculation unit 73 in the example shown in FIG.

図9および図10に示すように、薄膜33が2層である場合は、各入射角に対応する波長分布のフーリエ解析結果として、それぞれ少なくとも2つのピークが観測される。図10中に示した通り、本実施例では、基板32上に形成された透明電極膜の表面反射および裏面反射に起因するピークが観測されており、図10では1つの波長分布ごとにそれぞれ3つのピークを確認することができる。   As shown in FIGS. 9 and 10, when the thin film 33 has two layers, at least two peaks are observed as Fourier analysis results of the wavelength distribution corresponding to each incident angle. As shown in FIG. 10, in this example, peaks due to the front surface reflection and the back surface reflection of the transparent electrode film formed on the substrate 32 are observed. In FIG. One peak can be confirmed.

図9および図10に示す例では、膜厚屈折率算出部74により、3つのピークのそれぞれの組(楕円で囲んだ組)について、膜厚8.3μmおよび屈折率1.73と、膜厚6.1μmおよび屈折率1.44と、膜厚5.2μmおよび屈折率1.40が得られた。   In the example shown in FIG. 9 and FIG. 10, the film thickness refractive index calculation unit 74 has a film thickness of 8.3 μm, a refractive index of 1.73, and a film thickness for each set of three peaks (a group surrounded by an ellipse). As a result, a film thickness of 5.2 μm and a refractive index of 1.40 were obtained.

なお、あらかじめ多層膜の作製段階で目標とした膜厚がある場合は、この目標膜厚から推定される光路差Yを予測することができる。この場合、光路差算出部73は、図10に示すフーリエ解析結果について、予測光路差付近のピークの組を自動抽出して膜厚屈折率算出部74に与えてもよい。   In addition, when there is a target film thickness in the multilayer film production stage in advance, the optical path difference Y estimated from the target film thickness can be predicted. In this case, the optical path difference calculation unit 73 may automatically extract a pair of peaks in the vicinity of the predicted optical path difference from the Fourier analysis result shown in FIG.

(6−3.実施例3)
実施例3として、第1の入射角が10度、第2の入射角が30度である場合において、基板32に粒径400nmの酸化チタンにより構成された薄膜を2層塗布した被計測体31の膜厚および屈折率を計測した。触針による測定では、膜厚は15.6μmと測定された。
(6-3. Example 3)
As Example 3, in the case where the first incident angle is 10 degrees and the second incident angle is 30 degrees, the measurement object 31 is obtained by applying two thin films made of titanium oxide having a particle diameter of 400 nm to the substrate 32. The film thickness and refractive index were measured. In the measurement with a stylus, the film thickness was measured to be 15.6 μm.

図11は、実施例3に係る被計測体31に対し、光源20としてハロゲンランプを用いる場合と広帯域レーザ光源を用いる場合の第2の入射角30度に対応する波長分布の違いの一例を示す説明図である。   FIG. 11 shows an example of a difference in wavelength distribution corresponding to a second incident angle of 30 degrees when a halogen lamp is used as the light source 20 and a broadband laser light source is used for the measurement object 31 according to the third embodiment. It is explanatory drawing.

図11に示すように、光源20としてハロゲンランプを用いた場合、粒径400nmの酸化チタンでは測定波長が1600nmから2100nmでは干渉波形が弱く、干渉波形を大きくするためには測定波長を長くしてもよいし、光源20として、ハロゲンランプの変わりに干渉性の高い広帯域レーザを用いることにより干渉波形を大きくしてもよい。   As shown in FIG. 11, when a halogen lamp is used as the light source 20, the interference waveform is weak at a measurement wavelength of 1600 nm to 2100 nm for titanium oxide having a particle diameter of 400 nm. To increase the interference waveform, the measurement wavelength is increased. Alternatively, the interference waveform may be increased by using a broadband laser having high coherence instead of the halogen lamp as the light source 20.

図12は、光源20として広帯域レーザを用いる場合における実施例3に係る被計測体31の第1の波長分布および第2の波長分布の一例を示す説明図である。また、図13は、図12に示す例における光路差算出部73による式(7a)および(7b)を用いたフーリエ解析結果の一例を示す説明図である。   FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating an example of the first wavelength distribution and the second wavelength distribution of the measurement target 31 according to the third embodiment when a broadband laser is used as the light source 20. FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of a Fourier analysis result using the equations (7a) and (7b) by the optical path difference calculation unit 73 in the example shown in FIG.

図12および図13に示す例において、最も光路差の長いピークの組について測定を行った結果、膜厚15.1μmおよび屈折率1.68を得た。   In the example shown in FIG. 12 and FIG. 13, measurement was performed on a pair of peaks having the longest optical path difference. As a result, a film thickness of 15.1 μm and a refractive index of 1.68 were obtained.

(7.光学系の変形例)
図14は、照射部11および受光部12の変形例を示す構成図である。
(7. Modification of optical system)
FIG. 14 is a configuration diagram illustrating a modified example of the irradiation unit 11 and the light receiving unit 12.

図14に示すように、照射部11は、薄膜33の法線に平行な光軸を有するとともに平側が薄膜33側となるよう配置された平凸レンズ80を備えてもよい。このとき、照射部11および受光部12はそれぞれ照射ユニット81および受光ユニット82を1つずつ備えればよい。   As shown in FIG. 14, the irradiation unit 11 may include a plano-convex lens 80 having an optical axis parallel to the normal line of the thin film 33 and arranged so that the flat side is the thin film 33 side. At this time, the irradiation unit 11 and the light receiving unit 12 may include one irradiation unit 81 and one light receiving unit 82, respectively.

照射ユニット81および受光ユニット82は、平凸レンズ80の凸側に配置されるとともに、照射ユニット81および受光ユニット82の光軸が平凸レンズ80の光軸と平行となるよう配置される。   The irradiation unit 81 and the light receiving unit 82 are arranged on the convex side of the plano-convex lens 80, and are arranged so that the optical axes of the irradiation unit 81 and the light receiving unit 82 are parallel to the optical axis of the plano-convex lens 80.

このとき、入射角制御部71は、照射ユニット81および受光ユニット82の光軸の位置が平凸レンズ80の光軸に対して対称な位置となるよう照射ユニット81および受光ユニット82の位置を制御する。照射ユニット81の光軸から平凸レンズ80の光軸までの距離(受光ユニット82の光軸から平凸レンズ80の光軸までの距離に等しい)を変更することで、照射光の入射角を変更することができる。   At this time, the incident angle control unit 71 controls the positions of the irradiation unit 81 and the light receiving unit 82 so that the positions of the optical axes of the irradiation unit 81 and the light receiving unit 82 are symmetrical with respect to the optical axis of the plano-convex lens 80. . By changing the distance from the optical axis of the irradiation unit 81 to the optical axis of the plano-convex lens 80 (equal to the distance from the optical axis of the light receiving unit 82 to the optical axis of the plano-convex lens 80), the incident angle of the irradiation light is changed. be able to.

なお、図14に示す変形例では、照射部11は照射ユニット81を1つのみ備える。このため、図14に示す構成ではシャッタ25、26および53は不要である。   In the modification shown in FIG. 14, the irradiation unit 11 includes only one irradiation unit 81. For this reason, the shutters 25, 26, and 53 are unnecessary in the configuration shown in FIG.

図15は、図14に示す照射部11および受光部12の変形例において0度の入射角を利用するための照射部11および受光部12の一構成例を示す図である。   FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of the irradiation unit 11 and the light receiving unit 12 for using an incident angle of 0 degrees in the modification of the irradiation unit 11 and the light receiving unit 12 illustrated in FIG. 14.

図14に示すような照射ユニット81および受光ユニット82を一組備えた構成では、入射角を0度にすることが難しい。そこで、図14に示す変形例において入射角0度を用いる場合には、図1に示す光学系の構成と同様に、入射角0度のための照射ユニット84、受光ユニット85およびビームスプリッタ86を設けるとよい。   In the configuration including one set of the irradiation unit 81 and the light receiving unit 82 as shown in FIG. 14, it is difficult to set the incident angle to 0 degrees. Therefore, when the incident angle of 0 degree is used in the modification shown in FIG. 14, the irradiation unit 84, the light receiving unit 85, and the beam splitter 86 for the incident angle of 0 degree are provided as in the configuration of the optical system shown in FIG. It is good to provide.

なお、図15に示す構成では、照射ユニット81および照射ユニット84の光源20側にそれぞれシャッタを設けることが好ましい。   In the configuration shown in FIG. 15, it is preferable to provide a shutter on the light source 20 side of each of the irradiation unit 81 and the irradiation unit 84.

(8.薄膜33の屈折率に異方性がある場合)
薄膜33の屈折率に異方性がある場合は、膜厚屈折率算出部74は薄膜33の膜厚および屈折率を算出する際に、屈折率の異方性に対応して式(9)を変形した式を用いることが好ましい。
(8. When the refractive index of the thin film 33 is anisotropic)
When the refractive index of the thin film 33 has anisotropy, the film thickness refractive index calculator 74 calculates the formula (9) corresponding to the anisotropy of the refractive index when calculating the film thickness and refractive index of the thin film 33. It is preferable to use an equation obtained by modifying.

たとえば、酸化チタン(二酸化チタン)には、屈折率の異方性が存在する可能性があることがわかってきた。粒子の大きさ(粒径)が小さい場合は、各粒子での方向に関するランダムネスが高いため、全体としては異方性が打ち消されることが期待できる。他方、膜厚が薄くかつ粒径が大きい場合は、結果として異方性が残る可能性がある。   For example, it has been found that titanium oxide (titanium dioxide) may have refractive index anisotropy. When the size (particle size) of the particles is small, the randomness with respect to the direction of each particle is high, so it can be expected that the anisotropy is canceled as a whole. On the other hand, when the film thickness is thin and the particle size is large, anisotropy may remain as a result.

そこで、薄膜33が厚み方向に屈折率nyを有するとともに境界平行方向に屈折率nxを有する場合において、この屈折率の異方性に対応して式(9)を変形する方法について以下説明する。なお、以下の説明では、厚み方向をY方向、境界平行方向をX方向であるものとする。   Therefore, in the case where the thin film 33 has the refractive index ny in the thickness direction and the refractive index nx in the boundary parallel direction, a method for transforming the equation (9) corresponding to the anisotropy of the refractive index will be described below. In the following description, it is assumed that the thickness direction is the Y direction and the boundary parallel direction is the X direction.

表面反射光と裏面反射光の光路差Yは、屈折率nxおよびnyを用いて次の式(12)のように書ける(図5参照)。

Figure 2013079921
The optical path difference Y between the front surface reflected light and the back surface reflected light can be written as in the following formula (12) using the refractive indexes nx and ny (see FIG. 5).
Figure 2013079921

式(12)においては、Y方向の屈折率をny、X方向の屈折率をnxとしている。このため、sinθ1とsinθ2の関係において、一般的なsinθと屈折率nの関係式は成立しない。したがって、式(12)を正しく解くには最小作用の原理を用いざるを得ない。   In Expression (12), the refractive index in the Y direction is ny, and the refractive index in the X direction is nx. For this reason, in the relationship between sin θ1 and sin θ2, a general relational expression between sin θ and the refractive index n is not established. Therefore, in order to correctly solve the equation (12), the principle of minimum action must be used.

図16は、厚み方向(Y方向)に屈折率ny、境界平行方向(X方向)に屈折率nxを有する薄膜における最小作用の原理による光路差の算出方法を説明するための図である。   FIG. 16 is a diagram for explaining a method of calculating an optical path difference based on the principle of minimum action in a thin film having a refractive index ny in the thickness direction (Y direction) and a refractive index nx in the boundary parallel direction (X direction).

図16のように座標系を取る。点A(a、d)から出た光は空気層を進み点X(x,0)を経て媒質1(屈折率nx,ny)中を通過し、点B(−a,−d)に届くものとする。一般的な屈折理論では

Figure 2013079921
The coordinate system is taken as shown in FIG. The light emitted from the point A (a, d) travels through the air layer, passes through the point X (x, 0), passes through the medium 1 (refractive index nx, ny), and reaches the point B (-a, -d). Shall. In general refraction theory
Figure 2013079921

一方、最小作用の原理を用いてそれを求めるには、点Aから出た光が点Xを経由して点Bに至る時間tを用い、この時間tが最小になるX(x,0)が実際の光が通る道であるとして求める。つまり、光速をcとすると、

Figure 2013079921
On the other hand, in order to obtain it using the principle of the minimum action, the time t for the light emitted from the point A to reach the point B via the point X is used, and X (x, 0) at which the time t is minimized. Is determined to be the path through which the actual light passes. In other words, if the speed of light is c,
Figure 2013079921

としf(t)の時間偏微分f’(t)=0となるxを求める問題に帰着できる。 And can be reduced to the problem of obtaining x where f (t) is a partial time differential f ′ (t) = 0.

一方今回のように、屈折率に異方性がある場合には、作用関数f(t)は、

Figure 2013079921
On the other hand, when the refractive index is anisotropic as in this case, the action function f (t) is
Figure 2013079921

そこで、式(14)を解いていく。まず、x=αが式(14)の解であるから、代入し

Figure 2013079921
Therefore, Equation (14) is solved. First, since x = α is the solution of equation (14),
Figure 2013079921

これらのうち厚さを表すdおよび屈折率、入射角θ以外を消去した形で求める事が必要となる。
まず、式(16)の前2項から、次式が得られる。

Figure 2013079921
Of these, it is necessary to obtain the thickness d, the refractive index, and the incident angle θ 1 other than those.
First, the following equation is obtained from the previous two terms of equation (16).
Figure 2013079921

よってこれらの式(18)および(19)を式(17)に代入して

Figure 2013079921
Therefore, substituting these equations (18) and (19) into equation (17)
Figure 2013079921

これを式(12)に代入して整理することにより、次の所望の式(21)を得ることができる。

Figure 2013079921
By substituting this into the equation (12) and arranging it, the following desired equation (21) can be obtained.
Figure 2013079921

式(21)において、nx=nyの場合は、式(9)と一致することがわかる。   In the equation (21), it can be seen that when nx = ny, it agrees with the equation (9).

したがって、薄膜33の屈折率に異方性がある場合は、膜厚屈折率算出部74は、式(9)に変えて式(21)を用いて薄膜33の膜厚および屈折率を算出するとよい。   Therefore, when there is anisotropy in the refractive index of the thin film 33, the film thickness refractive index calculation unit 74 calculates the film thickness and refractive index of the thin film 33 using equation (21) instead of equation (9). Good.

なお、異方性比率ny/nxは、角度の変化だけからでは求めることができない。このため、式(21)を用いる場合、あらかじめ異方性比率ny/nxがわかっていることが必要である。異方性比率ny/nxは、偏光波を使う方法やその他の方法であらかじめ実験的に求めておいてもよいし、製造方法から決まるものであればあらかじめ情報を入手しておけばよい。   The anisotropy ratio ny / nx cannot be obtained only from the change in angle. For this reason, when using Formula (21), it is necessary to know the anisotropic ratio ny / nx in advance. The anisotropy ratio ny / nx may be experimentally obtained in advance by a method using a polarized wave or other methods, or information may be obtained in advance if it is determined from the manufacturing method.

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   In addition, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10 膜厚測定装置
11 照射部
12 受光部
20 光源
21 第1の照射ユニット
22 第2の照射ユニット
25、26、53 シャッタ
31 被計測体
32 基板
33 薄膜
41 第1の受光ユニット
42 第2の受光ユニット
51 第3の照射ユニット
52 第3の受光ユニット
71 入射角制御部
72 波長分布生成部
73 光路差算出部
74 膜厚屈折率算出部
80 平凸レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Film thickness measurement apparatus 11 Irradiation part 12 Light reception part 20 Light source 21 1st irradiation unit 22 2nd irradiation unit 25, 26, 53 Shutter 31 Measurement object 32 Substrate 33 Thin film 41 1st light reception unit 42 2nd light reception Unit 51 Third irradiation unit 52 Third light receiving unit 71 Incident angle control unit 72 Wavelength distribution generation unit 73 Optical path difference calculation unit 74 Film thickness refractive index calculation unit 80 Plano-convex lens

Claims (16)

薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる反射干渉光の波長分布にもとづいて前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
基板表面に前記薄膜が形成された被計測体に対し、所定の波長範囲を有する照射光を第1の入射角および前記第1の入射角とは異なる第2の入射角で照射する照射部と、
前記第1の入射角および前記第2の入射角で照射された光の前記薄膜からの第1の反射干渉光および第2の反射干渉光をそれぞれ前記第1の入射角および前記第2の入射角にほぼ等しい第1の反射角および第2の反射角で受光する受光部と、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて第1の波長分布および第2の波長分布を生成する波長分布生成部と、
前記第1の波長分布および前記第2の波長分布にもとづいて、それぞれ前記第1の入射角に対応する第1の光路差および前記第2の入射角に対応する第2の光路差を求める光路差算出部と、
入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記薄膜の膜厚および屈折率を求める膜厚屈折率算出部と、
を備えた膜厚測定装置。
A film thickness measuring device that measures the film thickness of the thin film based on the wavelength distribution of the reflected interference light generated by the optical path difference between the front surface reflected light and the back surface reflected light of the thin film,
An irradiating unit configured to irradiate the measurement target having the thin film formed on the substrate surface with irradiation light having a predetermined wavelength range at a first incident angle and a second incident angle different from the first incident angle; ,
First reflected interference light and second reflected interference light from the thin film of light irradiated at the first incident angle and the second incident angle are respectively converted into the first incident angle and the second incident light. A light receiving portion that receives light at a first reflection angle and a second reflection angle substantially equal to the angle;
A wavelength distribution generation unit that generates a first wavelength distribution and a second wavelength distribution for each of the first reflected interference light and the second reflected interference light;
An optical path for obtaining a first optical path difference corresponding to the first incident angle and a second optical path difference corresponding to the second incident angle based on the first wavelength distribution and the second wavelength distribution, respectively. A difference calculator;
The first incident angle, the second incident angle, and the first calculated by the optical path difference calculation unit are expressed using an expression representing the optical path difference as a function of the incident angle, the film thickness, and the refractive index as variables. Substituting the optical path difference and the second optical path difference into the above equation to obtain the film thickness and refractive index calculation unit for obtaining the film thickness and refractive index of the thin film;
A film thickness measuring device.
前記波長分布生成部は、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて、所定の波長間隔で分光することにより、前記所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な前記第1の波長分布および前記第2の波長分布を生成し、
前記光路差算出部は、
前記離散的な前記第1の波長分布および前記離散的な前記第2の波長分布を、波長の逆数の関数として扱い、前記所定の波長間隔に対応する非等間隔な前記波長の逆数の間隔ごとにサンプリングして離散フーリエ変換を行うことにより、前記第1の光路差および前記第2の光路差を求める、
請求項1記載の膜厚測定装置。
The wavelength distribution generator is
For each of the first reflected interference light and the second reflected interference light, the discrete first wavelength distribution consisting of data for each predetermined wavelength interval and the first wavelength distribution are obtained by performing spectroscopy at a predetermined wavelength interval. Generate a second wavelength distribution;
The optical path difference calculation unit
Treating the discrete first wavelength distribution and the discrete second wavelength distribution as a function of the reciprocal of wavelength, for each non-equal interval of the reciprocal wavelength corresponding to the predetermined wavelength interval To obtain the first optical path difference and the second optical path difference by performing discrete Fourier transform
The film thickness measuring apparatus according to claim 1.
前記薄膜は多層膜であり、
前記波長分布生成部により前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれから生成される波長分布は、それぞれ前記多層膜の各層の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる複数のピークを有し、
前記光路差算出部は、
前記各層の光路差に対応する前記ピークごとに前記第1の光路差および前記第2の光路差を求め、
前記膜厚屈折率算出部は、
前記式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記各層のピークごとの前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記多層膜の前記各層の膜厚および屈折率を求める、
請求項2記載の膜厚測定装置。
The thin film is a multilayer film,
The wavelength distribution generated from each of the first reflected interference light and the second reflected interference light by the wavelength distribution generation unit depends on the optical path difference between the front surface reflected light and the back surface reflected light of each layer of the multilayer film. Has multiple peaks that occur,
The optical path difference calculation unit
Determining the first optical path difference and the second optical path difference for each of the peaks corresponding to the optical path difference of each layer;
The film thickness refractive index calculator is
Using the above formula, the first optical path difference and the second optical path difference for each peak of the respective layers calculated by the optical path difference calculation unit are calculated using the first incident angle and the second incident angle. By substituting into the equation, the film thickness and refractive index of each layer of the multilayer film are determined.
The film thickness measuring apparatus according to claim 2.
前記薄膜は、
前記薄膜の面方向に第1の屈折率を有するとともに前記薄膜の厚み方向に第2の屈折率を有し、かつ前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との比率である異方性比率が既知であり、
前記膜厚屈折率算出部は、
入射角、膜厚、第1の屈折率および異方性比率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差ならびに前記薄膜の既知の前記異方性比率から、前記薄膜の膜厚、前記第1の屈折率および前記第2の屈折率を求める、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
The thin film is
An anisotropy having a first refractive index in the plane direction of the thin film and a second refractive index in the thickness direction of the thin film, and a ratio between the first refractive index and the second refractive index Sex ratio is known,
The film thickness refractive index calculator is
Calculation of the first incident angle, the second incident angle, and the optical path difference using an expression representing the optical path difference as a function of the incident angle, the film thickness, the first refractive index, and the anisotropy ratio as variables. From the first optical path difference and the second optical path difference calculated in the section and the known anisotropy ratio of the thin film, the thickness of the thin film, the first refractive index, and the second refractive index Seeking
The film thickness measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記受光部の光学系の前記薄膜上における受光スポットエリアのサイズは、
前記照射部の光学系の前記薄膜上における照射光スポットエリアのサイズよりも大きい、
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
The size of the light receiving spot area on the thin film of the optical system of the light receiving unit is
Larger than the size of the irradiation light spot area on the thin film of the optical system of the irradiation unit,
The film thickness measuring device according to any one of claims 1 to 4.
前記照射部は、
前記所定の波長範囲の下限波長が前記薄膜を構成する粒子の径に応じて長波長となるよう、前記照射光の前記所定の波長範囲を設定する、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
Setting the predetermined wavelength range of the irradiation light so that the lower limit wavelength of the predetermined wavelength range becomes a long wavelength according to the diameter of the particles constituting the thin film;
The film thickness measuring device according to any one of claims 1 to 5.
前記照射部は、
前記照射光の光源としての広帯域レーザを有する、
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
Having a broadband laser as a light source of the irradiation light,
The film thickness measuring device according to any one of claims 1 to 6.
前記照射部は、
前記被計測体に対して前記第1の入射角で前記照射光を照射するための第1の照射ユニットと、前記被計測体に対して前記第2の入射角で前記照射光を照射するための第2の照射ユニットと、を有し、
前記受光部は、
前記薄膜の表面の法線を介して前記第1の照射ユニットに対向する位置に配置され前記第1の反射干渉光を受光する第1の受光ユニットと、前記法線を介して前記第2の照射ユニットに対向する位置に配置され前記第2の反射干渉光を受光する第2の受光ユニットと、を有する、
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
A first irradiation unit for irradiating the measurement object with the irradiation light at the first incident angle; and irradiating the measurement object with the irradiation light at the second incident angle. A second irradiation unit of
The light receiving unit is
A first light-receiving unit disposed at a position facing the first irradiation unit via a normal line of the surface of the thin film and receiving the first reflected interference light; and the second light-receiving unit via the normal line A second light receiving unit that is disposed at a position facing the irradiation unit and receives the second reflected interference light,
The film thickness measuring device according to any one of claims 1 to 7.
前記照射部は、
前記被計測体に対して第3の入射角で前記照射光を照射するための第3の照射ユニットをさらに有し、
前記受光部は、
前記薄膜の表面の法線を介して前記第3の照射ユニットに対向する位置に配置され、前記第3の入射角で入射された光の前記薄膜からの第3の反射干渉光を前記第3の入射角にほぼ等しい第3の反射角で受光する第3の受光ユニットをさらに有する、
請求項8記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
A third irradiation unit for irradiating the measurement object with the irradiation light at a third incident angle;
The light receiving unit is
The third reflected interference light from the thin film of light incident at the third incident angle is disposed at a position facing the third irradiation unit via the normal line of the surface of the thin film, and A third light receiving unit for receiving light at a third reflection angle substantially equal to the incident angle of
The film thickness measuring apparatus according to claim 8.
前記照射部は、
前記照射光の光路上に設けられたシャッタを有し、
一の入射角により前記照射光が照射されて前記波長分布生成部によりこの一の照射角に対応する波長分布が生成された後、次の入射角により前記照射光が照射されて前記波長分布生成部によりこの次の照射角に対応する波長分布が生成されるよう前記シャッタを制御する入射角制御部、
をさらに備えた、
請求項8または9に記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
A shutter provided on the optical path of the irradiation light;
After the irradiation light is irradiated at one incident angle and a wavelength distribution corresponding to the one irradiation angle is generated by the wavelength distribution generation unit, the irradiation light is irradiated at the next incident angle to generate the wavelength distribution. An incident angle control unit for controlling the shutter so that a wavelength distribution corresponding to the next irradiation angle is generated by the unit,
Further equipped with,
The film thickness measuring apparatus according to claim 8 or 9.
前記照射部は、
前記被計測体に対する前記照射光の入射角が可変となるよう前記被計測体に対する位置が可変な照射ユニットを有し、
前記受光部は、
前記照射ユニットの位置に応じて前記薄膜の表面の法線を介して前記照射ユニットに対向する位置に配置される、前記被計測体に対する位置が可変な受光ユニットを有し、
前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの位置を制御する入射角制御部、
をさらに備えた、
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
An irradiation unit having a variable position with respect to the measurement target so that an incident angle of the irradiation light with respect to the measurement target is variable;
The light receiving unit is
According to the position of the irradiation unit, the light receiving unit is disposed at a position facing the irradiation unit via the normal of the surface of the thin film, and the position relative to the measured object is variable.
An incident angle control unit for controlling the positions of the irradiation unit and the light receiving unit;
Further equipped with,
The film thickness measuring device according to any one of claims 1 to 7.
前記照射部は、
前記薄膜の法線に平行な光軸を有し、前記薄膜に平らな面が対向するよう配置された平凸レンズ、
をさらに有し、
前記照射ユニットおよび前記受光ユニットは、
前記平凸レンズの凸側に配置されるとともに、前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの光軸が前記平凸レンズの光軸と平行となるよう配置され、
前記入射制御部は、
前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの光軸の位置が前記平凸レンズの光軸に対して対称な位置となるよう前記照射ユニットおよび前記受光ユニットの位置を制御し、前記照射ユニットの光軸から前記平凸レンズの光軸までの距離を変更することにより前記照射光の入射角を変更する、
請求項11記載の膜厚測定装置。
The irradiation unit is
A plano-convex lens having an optical axis parallel to the normal line of the thin film and disposed so that a flat surface faces the thin film;
Further comprising
The irradiation unit and the light receiving unit are:
Arranged on the convex side of the plano-convex lens, and arranged so that the optical axes of the irradiation unit and the light receiving unit are parallel to the optical axis of the plano-convex lens,
The incident control unit includes:
The positions of the irradiation unit and the light receiving unit are controlled so that the positions of the optical axes of the irradiation unit and the light receiving unit are symmetrical with respect to the optical axis of the plano-convex lens. Changing the incident angle of the irradiation light by changing the distance to the optical axis of the convex lens;
The film thickness measuring apparatus according to claim 11.
薄膜の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる反射干渉光の波長分布にもとづいて前記薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
基板表面に前記薄膜が形成された被計測体に対し、所定の波長範囲を有する照射光を第1の入射角および前記第1の入射角とは異なる第2の入射角で照射するステップと、
前記第1の入射角および前記第2の入射角で照射された光の前記薄膜からの第1の反射干渉光および第2の反射干渉光をそれぞれ前記第1の入射角および前記第2の入射角にほぼ等しい第1の反射角および第2の反射角で受光するステップと、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて第1の波長分布および第2の波長分布を生成するステップと、
前記第1の波長分布および前記第2の波長分布にもとづいて、それぞれ前記第1の入射角に対応する第1の光路差および前記第2の入射角に対応する第2の光路差を求めるステップと、
入射角、膜厚および屈折率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記光路差算出部に算出された前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記薄膜の膜厚および屈折率を求めるステップと、
を有する膜厚測定方法。
A film thickness measuring method for measuring the film thickness of the thin film based on the wavelength distribution of reflected interference light caused by the optical path difference between the front surface reflected light and the back surface reflected light of the thin film,
Irradiating the measurement object having the thin film formed on the substrate surface with irradiation light having a predetermined wavelength range at a first incident angle and a second incident angle different from the first incident angle;
First reflected interference light and second reflected interference light from the thin film of light irradiated at the first incident angle and the second incident angle are respectively converted into the first incident angle and the second incident light. Receiving at a first reflection angle and a second reflection angle approximately equal to the angle;
Generating a first wavelength distribution and a second wavelength distribution for each of the first reflected interference light and the second reflected interference light;
A step of obtaining a first optical path difference corresponding to the first incident angle and a second optical path difference corresponding to the second incident angle based on the first wavelength distribution and the second wavelength distribution, respectively. When,
The first incident angle, the second incident angle, and the first calculated by the optical path difference calculation unit are expressed using an expression representing the optical path difference as a function of the incident angle, the film thickness, and the refractive index as variables. Substituting the optical path difference and the second optical path difference into the equation to determine the film thickness and refractive index of the thin film;
A method for measuring a film thickness.
前記第1の波長分布および前記第2の波長分布を生成するステップは、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれについて、所定の波長間隔で分光することにより、前記所定の波長間隔ごとのデータからなる離散的な前記第1の波長分布および前記第2の波長分布を生成するステップであり、
前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップは、
前記離散的な前記第1の波長分布および前記離散的な前記第2の波長分布を、波長の逆数の関数として扱い、前記所定の波長間隔に対応する非等間隔な前記波長の逆数の間隔ごとにサンプリングして離散フーリエ変換を行うことにより、前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップである、
請求項13記載の膜厚測定方法。
Generating the first wavelength distribution and the second wavelength distribution;
For each of the first reflected interference light and the second reflected interference light, the discrete first wavelength distribution consisting of data for each predetermined wavelength interval and the first wavelength distribution are obtained by performing spectroscopy at a predetermined wavelength interval. Generating a second wavelength distribution;
Obtaining the first optical path difference and the second optical path difference;
Treating the discrete first wavelength distribution and the discrete second wavelength distribution as a function of the reciprocal of wavelength, for each non-equal interval of the reciprocal wavelength corresponding to the predetermined wavelength interval The first optical path difference and the second optical path difference are obtained by sampling and performing a discrete Fourier transform.
The film thickness measuring method according to claim 13.
前記薄膜は多層膜であり、
前記第1の反射干渉光および前記第2の反射干渉光のそれぞれから生成される波長分布は、それぞれ前記多層膜の各層の表面反射光と裏面反射光との光路差により生じる複数のピークを有し、
前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップは、
前記各層の光路差に対応する前記ピークごとに前記第1の光路差および前記第2の光路差を求めるステップであり、
前記薄膜の膜厚および屈折率を求めるステップは、
前記式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記求められた前記各層のピークごとの前記第1の光路差および前記第2の光路差を前記式に代入することにより、前記多層膜の前記各層の膜厚および屈折率を求めるステップである、
請求項14記載の膜厚測定方法。
The thin film is a multilayer film,
The wavelength distribution generated from each of the first reflected interference light and the second reflected interference light has a plurality of peaks caused by the optical path difference between the front surface reflected light and the back surface reflected light of each layer of the multilayer film. And
Obtaining the first optical path difference and the second optical path difference;
Obtaining the first optical path difference and the second optical path difference for each of the peaks corresponding to the optical path difference of each layer;
The step of determining the thickness and refractive index of the thin film includes
Substituting the first optical path difference and the second optical path difference for each peak of the respective layers into the above formula using the formulas, the first incident angle and the second incident angle. The step of obtaining the thickness and refractive index of each layer of the multilayer film,
The film thickness measuring method according to claim 14.
前記薄膜は、
前記薄膜の面方向に第1の屈折率を有するとともに前記薄膜の厚み方向に第2の屈折率を有し、かつ前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との比率である異方性比率が既知であり、
前記薄膜の膜厚および屈折率を求めるステップは、
入射角、膜厚、第1の屈折率および異方性比率を変数とした関数として光路差を表した式を用いて、前記第1の入射角および前記第2の入射角ならびに前記求められた前記第1の光路差および前記第2の光路差ならびに前記薄膜の既知の前記異方性比率から、前記薄膜の膜厚、前記第1の屈折率および前記第2の屈折率を求めるステップである、
請求項13ないし15のいずれか1項に記載の膜厚測定方法。
The thin film is
An anisotropy having a first refractive index in the plane direction of the thin film and a second refractive index in the thickness direction of the thin film, and a ratio between the first refractive index and the second refractive index Sex ratio is known,
The step of determining the thickness and refractive index of the thin film includes
Using the expression representing the optical path difference as a function of the incident angle, film thickness, first refractive index and anisotropy ratio as variables, the first incident angle, the second incident angle and the obtained Calculating the film thickness, the first refractive index, and the second refractive index of the thin film from the first optical path difference, the second optical path difference, and the known anisotropy ratio of the thin film. ,
The film thickness measuring method according to any one of claims 13 to 15.
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