厚さ又は温度の干渉測定装置
【課題】測定物の厚さや温度測定を、非接触により高精度で行うこと。
【解決手段】干渉測定装置は、スーパーコンティニューム光を放射する光源１０と、ＳＣ光を測定光と参照光とに分割する光ファイバカプラ１１と、ミラー１２と、ミラー１２の位置を調整する位置調整装置１３と、測定光と参照光との干渉強度の波長スペクトルを測定する受光装置１４と、干渉強度のスペクトルを空間座標に逆フーリエ変換して、干渉強度の空間分布を求め、その空間分布から測定物の厚さや温度を測定する干渉波形解析装置１５と、によって構成されている。
【解決手段】干渉測定装置は、スーパーコンティニューム光を放射する光源１０と、ＳＣ光を測定光と参照光とに分割する光ファイバカプラ１１と、ミラー１２と、ミラー１２の位置を調整する位置調整装置１３と、測定光と参照光との干渉強度の波長スペクトルを測定する受光装置１４と、干渉強度のスペクトルを空間座標に逆フーリエ変換して、干渉強度の空間分布を求め、その空間分布から測定物の厚さや温度を測定する干渉波形解析装置１５と、によって構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定物の厚さや温度を光の干渉により非接触で測定する干渉測定装置及び干渉測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセスなどのように、薄膜成長や微細加工を行うプロセスでは、基板の温度が薄膜の膜質や加工精度に大きく影響するため、基板の温度制御が非常に重要であり、高精度に温度を測定することが求められる。基板の温度測定には従来、熱電対や蛍光温度計などが用いられている。しかし、熱電対や蛍光温度計は、基板の裏面に接触させて計測するため、接触のさせ方などによって測定誤差が生じる場合がある。また、基板表面側で熱流入があるプラズマ加工プロセスでは、基板そのものの温度を測定することができない。
【０００３】
そこで、非接触での温度測定方法が望まれており、たとえば特許文献１などのような、光による干渉を利用した方法が提案されている。これは、以下のような方法である。まず、低コヒーレンス光をスプリッタによって参照光と測定光とに分割し、測定光は測定物に照射して反射させ、参照光はミラーによって反射させる。ミラーは位置調整装置によって移動させて参照光の光路長を変化させる。測定物により反射された測定光と、ミラーにより反射された参照光とを干渉させ、干渉波形を測定する。そして、屈折率の温度変化や熱膨張による干渉ピーク位置の温度変化から、温度を測定する。また、測定物表面での反射による干渉ピークと、測定物裏面での反射による干渉ピークが得られるため、測定物の厚さの測定も可能である。光源としては、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＥＤ、スーパーコンティニューム光源などが挙げられる。特にスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）は、帯域が広くて平坦なスペクトルを有した光であり、コヒーレンス長が短いことから、分解能を向上させて測定精度の向上を図ることができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９４６７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の方法は、測定物で反射された測定光と参照光との干渉を得るために、参照光の光路長を変化させる必要がある。このために、参照光を反射させるミラーを移動させて、光路長を変化させていた。そのため、ミラーを精密に移動させる装置が必要となる。また、ミラーの移動に時間が係るために、測定時間が長くなるという問題がある。さらには、ミラーの移動機構による振動のために、光路長が微小振動するために、測定にノイズが加わり、測定精度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、装置の構成を簡単化すると共に、測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、低コヒーレンス光を放射する光源と、低コヒーレンス光を、測定物に照射する測定光と、参照光とに分割する分割手段と、測定光を測定物に照射して、その反射光と参照光とを干渉させる干渉手段と、参照光と測定光の反射光との干渉波形のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換手段による出力から厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、を有することを特徴とする干渉測定装置である。
【０００８】
また、第２の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、低コヒーレンス光を放射する光源と、測定光を測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換手段による出力から厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、を有することを特徴とする干渉測定装置である。
【０００９】
また、第３の発明は、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍ０．５〜１００μｍであることを特徴とする。また、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１０μｍ以下であっても良い。
【００１０】
また、第４の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、低コヒーレンス光を、測定物に照射する測定光と、参照光とに分割し、測定光を測定物に照射して、その反射光と参照光とを干渉させ、参照光と測定光の反射光との干渉波形のスペクトルを求め、求められたスペクトルを逆フーリエ変換し、逆フーリエ変換の結果から厚さ又は厚さから得られる温度を演算することを特徴とする干渉測定方法である。
【００１１】
また、第５の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、低コヒーレンス光を、測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求め、求められたスペクトルを逆フーリエ変換し、逆フーリエ変換の結果から厚さ又は厚さから得られる温度を演算することを特徴とする干渉測定方法である。
【００１２】
また、第６の発明は、上記の方法発明において、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍであることを特徴とする。また、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１０μｍ以下であっても良い。
【００１３】
低コヒーレンス光の光源としては、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＥＤ、スーパーコンティニューム光源などを用いることができる。特にスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）は、帯域が広くて平坦なスペクトルを有した光であり、コヒーレンス長が短いことから、分解能を向上させて測定精度の向上を図ることができると考えられる。スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）とは、帯域の広いスペクトルを有し、位相が揃った光である。帯域幅は５０〜２６００ｎｍであることが望ましく、コヒーレンス長は０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることが望ましい。さらに望ましくは、０．５μｍ以上、１０μｍ以下である。さらに望ましいのは０．５〜２μｍである。
【００１４】
測定物は任意であるが、例えば、Ｓｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓやＧａＮなどのIII-Ｖ族半導体基板や、基板上に成膜された層や膜である。これらの基板や層や薄膜の厚さと、温度を測定することができる。層は、単層でも複層でもよい。薄膜は、半導体、絶縁体、金属などの膜であり、それらの単膜でもよいし、複合膜でもよい。測定は、それらの薄膜の成膜プロセス中であってもよいし、エッチングプロセス中であってもよい。分割手段は、フォトカプラ、ハーフミラーなどを用いることができる。
【００１５】
第１の発明と第４の発明は、測定光の測定物による反射光と参照光との干渉波形のスペクトルを逆フーリエ変換して、その結果から、測定物の厚さ又は温度を測定することを特徴としている。また、第２の発明と第５の発明は、測定光の測定物による多重反射光の干渉波形のスペクトルを逆フーリエ変換して、その結果から測定物の厚さ又は温度を測定することを特徴としている。逆フーリエ変換は、スペクトルが周波数であれば、時間座標への変換であり、スペクトルが波数であれば空間座標への変換となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の干渉測定装置及び干渉測定方法によれば、参照光の光路長を変化させる必要がないことから、ミラーを移動させる装置が不要となる。また、ミラーを移動させないことから、振動による干渉波形への影響が、ノイズとして加わらないので、測定精度が向上する。また、ミラーの移動がないので、測定時間が短縮される。また、第２の発明の干渉測定装置及び第５の発明の干渉測定方法によると、参照光自体を必要としていないため、参照光を得るためのミラーなどの参照光の光学系が必要でないので、測定装置が極めて簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る干渉測定装置の構成を示した図。
【図２】ＳＣ光のスペクトルを示した図。
【図３】測定された干渉強度の波長スペクトルを示した波形図。
【図４】測定された干渉強度の波数スペクトルを逆フーリエ変換した干渉強度の空間分布関数を示した特性図。
【図５】実施例２の干渉測定装置により測定光と参照光との干渉強度の波数スペクトルの逆フーリエ変換から測定される厚さと温度との関係を示した特性図。
【図６】本発明の実施例３に係る干渉測定装置の構成を示した図。
【図７】実施例３に係る干渉測定装置により、測定光の干渉による干渉強度（自己相関）の波数スペクトルを逆フーリエ変換した、干渉強度の空間関数を示した特性図。
【図８】実施例３の干渉測定装置により測定された厚さと温度との関係を示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施例について図を用いて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、実施例１の干渉測定装置１の構成を示した図である。実施例１の干渉測定装置１は、厚さ測定装置である。光源１０と、光ファイバカプラ１１と、ミラー１２と、受光装置１４と、干渉波形解析装置１５とによって構成されている。測定対象である測定物１６は、Ｓｉ基板１６０上にＳｉＯ2 膜１６１が形成されたものであり、真空装置１８中に置かれている。Ｓｉ基板１６０の厚さは８００μｍ、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さは２μｍである。
【００２０】
光源１０は、帯域幅が広く位相が揃った連続スペクトルを有した光であるスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を放射する光源である。また、このＳＣ光は、発信周波数５０ＭＨｚのパルス光である。図２は、ＳＣ光のスペクトルを示したグラフである。中心波長は約１．６μｍであり、波長１．３〜１．９μｍまでの広帯域で平坦なスペクトルであることがわかる。コヒーレンス長は約２μｍである。
【００２１】
なお、ＳＣ光のコヒーレンス長は、０．５〜１０μｍが望ましい。この範囲であると、干渉ピークの幅が広がってしまったり、干渉ピーク同士が重なってしまうなどの問題を防止することができ、また干渉ピークも良好に測定することができるため、測定精度を向上させることができる。より望ましいＳＣ光のコヒーレンス長は、０．５〜２μｍである。 また、波長帯域の幅は、５０〜２６００ｎｍであることが望ましい。５０ｎｍ以下では、含まれる波長成分が少なく、スペクトルによる測定物１６の物性解析が困難となるからである。また、２６００ｎｍ以上では、光源、受光素子の帯域で制限があり望ましくない。
【００２２】
光ファイバカプラ１１は、２×２ポートの構造であり、入力ポートの一方には光源１０からのＳＣ光が入力され、測定光と参照光に分波されて２つの出力ポートから放射される。２つの出力ポートには、それぞれコリメータ１７が接続されている。また、他方の入力ポートには受光装置１４が接続されている。測定光は測定物１６の裏面（Ｓｉ基板１６０側の露出面）に垂直に照射され、測定物１６裏面、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面、測定物１６表面（ＳｉＯ2 膜１６１側の露出面）により反射され、参照光はミラー１２によって反射される。反射された測定光、参照光は元の出力ポートにそれぞれ入射され、測定光と参照光とが合波されて受光装置１４に入力される。
【００２３】
ミラー１２は、参照光を反射させる面が参照光の光軸に対して垂直となるよう位置調整装置１３に取り付けられており、参照光の光軸方向へミラー１２を直進移動させて、参照光の光路長と、測定光の光路長とを等しくすることが可能となっている。測定時には、ミラー１２の位置は固定された状態となる。また、ミラー１２は、前面でのみ全反射される物質で構成されている。位置調整装置１３は、光学的ガイドレールに、ミラー１２の位置が移動可能なものであれば良い。必要により、ボイスコイルモータ型ディレイライン、ピエゾチューブ型ディレイライン、直動ステージ型ディレイライン、積層ピエゾ型ディレイライン、などを用いることができる。参照光は、ミラー１２により反射されて光ファイバカプラ１１に入力され、受光装置１４に入力される。
【００２４】
受光装置１４は、分光装置であり、測定光と参照光との干渉波形や、多重反射される測定光の干渉強度の波長特性を測定する装置である。干渉強度は、光源１０から出力される多数のパルス光の干渉波形の光強度の足し合わせである。つまり、干渉強度は、各周波数成分毎に、同一周波数の参照光の光強度の時間関数（正弦波）と測定光の光強度の時間関数（正弦波）との和の振幅（光路差の関数）となる。したがって、干渉強度も周波数（波長）の関数となる。受光装置１４としては、波長により回折角が変換する回折格子と、回折された光（干渉強度）を受光するＣＣＤで構成することができる。ＣＣＤの受光位置により波長を、受光強度により干渉強度を特定することができる。また、モノクロメータで波長スペクトルを測定しても良い。
【００２５】
干渉波形解析装置１５は、受光装置１４により測定された干渉強度の波長スペクトルＡ（λ）を、波数スペクトルによる干渉強度Ｉ（ｋ）に変換した後、干渉強度Ｉ（ｋ）を逆フーリエ変換し、その結果から測定物１６の厚さや温度を演算する装置である。ただし、ｋ＝２π／λである。この干渉波形解析装置１５は、コンピュータシステムにより構成されている。図３は、実施例１の干渉測定装置１の受光装置１４により得られた干渉強度の波長スペクトルＡ（λ）を表している。次に、干渉波形解析装置１５により、波数スペクトルＩ（ｋ）が逆フーリエ変換される。
【００２６】
次に、本発明の原理について説明する。測定光は測定物１６の裏面（Ｓｉ基板１６０側の露出面）に垂直に照射され、測定物１６の裏面、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面、測定物１６表面（ＳｉＯ2 膜１６１側の露出面）により多重反射されて、受光装置１４にはこれらの多重反射光が入射する。光源１０から受光装置１４に至る測定光の光路長を２ｚn ，２ｚm とし、参照光の光路長２ｚR とする。光路長を２ｚn ，２ｚm 、２ｚR で表しているのは、ｚn −ｚR ，ｚn −ｚm が、測定物１６のＳｉ基板１６０や、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さを表すようにするためである。ｎ，ｍは、測定物１６の第ｎ，ｍ界面で反射される測定光に付された識別番号である。受光装置１４における波数ｋの測定光の電界成分は、次式で表される。
【数１】
【数２】
ここで、ｓ（ｋ，ω）は、光源の電界の振幅、ｒn は、測定物１６の各界面での電界反射率である。干渉強度Ｉ（ｋ）は次式で表される。
【数３】
【００２７】
ここで、Ｉdc（ｋ）は、光路差に依存しない直流成分項、Ｉac（ｋ）は、測定光と参照光との干渉（以下、相互相関という）による干渉強度成分（以下、相互相関成分という）項と、Ｉcc（ｋ）は測定物１６の多数の反射光自身の干渉（以下、自己相関という）による干渉強度成分（以下、自己相関成分という）項であり、それぞれ、次式で表される。
【数４】
【数５】
【数６】
【００２８】
ここで、Ｓ（ｋ）は光源のパワースペクトルであり、Ｒn は、測定物１６の各界面での強度反射率であり、次式が成立する。
【数７】
【数８】
【００２９】
（３）式で表される干渉強度Ｉ（ｋ）の逆フーリエ変換を次式で定義する。（３）式のそれぞれの項の逆フーリエ変換の和で表される。
【数９】
cos(ｋｚ0 ）の逆フーリエ変換は、δ関数であり、ｋ空間での関数の積の逆フーリエ変換は、それぞれの関数の逆フーリエ変換関数の畳み込み積分で表される。よって、次式が成立する。
【数１０】
【数１１】
【００３０】
（１１）式のｘ（ｚ）とｙ（ｚ）との結合子は、畳み込み積分演算子を表している。また、（１０）、（１１）式の左辺と右辺とを結合する記号は、相互に、フーリエ変換であることを示している。（１０）、（１１）式を用いると、直流成分項Ｉdc（ｋ）の逆フーリエ変換ｉdc（ｚ）、相互相関成分項Ｉac（ｋ）の逆フーリエ変換ｉac（ｚ）、自己相関成分項Ｉcc（ｋ）の逆フーリエ変換ｉcc（ｚ）は、それぞれ、次式で表される。なお、直流成分ｉdc（ｚ）、相互相関成分ｉac（ｚ）、自己相関成分ｉcc（ｚ）は、それぞれ、干渉強度の空間分布を表している。
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００３１】
ここで、γ（ｚ）は、光源１０から出力される光のパワースペクトル密度Ｓ（ｋ）の逆フーリエ変換、すなわち、光強度の空間波形である。パワースペクトル密度をガウス関数と仮定する。
【数１５】
となり、（１５）式の逆フーリエ変換は、次式となる。
【数１６】
ここで、ｌc は、光源のコヒーレント長を表し、次式で表される。
【数１７】
【００３２】
（１２）式から直流成分ｉdc（ｚ）は、ｚ0 ＝0 を中心にして、関数γ（ｚ）が現れる関数である。（１３）式より、相互相関成分ｉac（ｚ）は、（Ｒn ）1 /2倍された関数γ（ｚ）が±２（ｚR −ｚn ）を中心位置として現れる関数である。すなわち、測定物１６の各界面で反射された測定光の光路長の参照光の光路長に対する光路長偏差の位置に、γ（ｚ）が現れる関数となる。また、自己相関成分ｉcc（ｚ）は、（Ｒn Ｒm ）1 /2倍された関数γ（ｚ）が±２（ｚm −ｚn ）を中心位置として現れる関数である。
【００３３】
干渉強度の波数スペクトルＩ（ｋ）の逆フーリエ変換である関数ｉ（ｚ）を図示すると、図４のようになる。各ピークの位置±２（ｚR −ｚ1 ）、±２（ｚR −ｚ2 ）、±２（ｚR −ｚ3 ）、…が得られる。±２（ｚR −ｚ1 ）は、Ｓｉ基板１６０の裏面（前面）で反射された測定光と参照光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。±２（ｚR −ｚ2 ）は、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面で反射された測定光と参照光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。±２（ｚR −ｚ3 ）は、ＳｉＯ2 膜１６１の表面で反射された測定光と参照光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。そして、それらのピークの位置の間隔（ｚ2 −ｚ1 ）、（ｚ3 −ｚ2 ）が、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さｄ2 を表している。
【００３４】
【数１８】
【数１９】
である。このようにして、Ｓｉ基板１６０、ＳｉＯ2 膜１６１との厚さを測定することができる。
【実施例２】
【００３５】
次に、Ｓｉ基板１６０の温度測定について説明する。ヒータによって測定物１６のＳｉ基板１６０を加熱して、実施例１の干渉測定装置１を用いてＳｉ基板１６０の温度を測定した。本実施例では干渉測定装置１は温度測定装置である。所定温度におけるＳｉ基板１６０の厚さ、線膨張係数及び屈折率は既知であり、線膨張係数及び屈折率の温度係数も既知であるとする。実施例１の方法でＳｉ基板１６０の厚さを求め、既知の厚さとの偏差が温度によるものとして、温度を測定するものである。
【００３６】
具体的には、干渉波形解析装置１５によって、以下のようにして測定した。温度がＴ0 からΔＴ変化したときの測定光の光路長の変化量ΔＬは、温度Ｔ0 におけるＳｉ基板１６０の屈折率をｎ0 、厚さをｄ1 （Ｔ0 ）、線膨張係数をα、屈折率の温度変化の係数をβとして、次式で表される。
【数２０】
【数２１】
ｄ1 （Ｔ0 ）は、正確に温度が分かっている時の温度Ｔ0 でのＳｉ基板１６０の厚さの上記の測定値である。ｄ1 （Ｔ0 ＋ΔＴ）は、温度が不明である場合のＳｉ基板１６０の厚さの上記の測定値である。
よって、ΔＴは次式により求められる。
【数２２】
【００３７】
図５は、温度Ｔ0 ＋ΔＴと、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 （Ｔ0 ＋ΔＴ）との関係を測定した結果である。Ｓｉ基板１６０の温度の測定結果、０〜６００℃の範囲で測定値は理論値にほぼ一致しており、高精度にＳｉ基板１６０の温度を測定できることがわかった。同様にして、ＳｉＯ2 膜１６１の温度を測定することも可能である。（２２）式において、実施例１で求めた厚さｄ2 （Ｔ0 ＋ΔＴ）、ｄ2 （Ｔ0 ）が、ｄ1 の代わりに用いられる。
【実施例３】
【００３８】
次に、参照光を用いずに、測定物１６の厚さ、温度を測定する干渉測定装置２及び方法について説明する。図６に示すように、光源１０から出力されたパルス光を、方向性光結合２０を用いて、測定物１６に入射させる。そして、測定物１６から反射された光は、方向性光結合器２０に入射させて、受光装置１４へ導く。他の構成は、図１の干渉測定装置１と同一である。また、方向性光結合２０の代わりに、ハーフミラーを用いても同様な装置を構成することができる。さらに、図１の構成において、ミラー１２の代わりに、光吸収物質を置くか、参照光の光学系を排除するようにしても良い。
【００３９】
受光装置１４で測定される（３）式で表される干渉強度Ｉ（ｋ）には、（５）式の相互相関項Ｉac（ｋ）が存在しない。その結果、干渉強度Ｉ（ｋ）の逆フーリエ変換による干渉強度の空間分布関数ｉ（ｚ）は、（１２）式の直流成分と、（１３）式の自己相関成分だけとなる。この空間分布関数ｉ（ｚ）は、図７に示すものとなる。各ピークの位置±２（ｚ1 −ｚ1 ）、±２（ｚ3 −ｚ2 ）、±２（ｚ2 −ｚ1 ）、±２（ｚ3 −ｚ1 ）…と、小さい順に現れる。±２（ｚ1 −ｚ1 ）は、直流成分から求まる値である。±２（ｚ3 −ｚ2 ）は、ＳｉＯ2 膜１６１の表面で反射された測定光とＳｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面で反射された測定光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。（１９）式により、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さｄ2 を求めることができる。また、±２（ｚ2 −ｚ1 ）は、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面で反射された測定光とＳｉ基板１６０の裏面（前面）で反射された測定光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。（１８）式により、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 を求めることができる。±２（ｚ3 −ｚ1 ）は、ＳｉＯ2 膜１６１の表面で反射された測定光とＳｉ基板１６０の裏面（前面）で反射された測定光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。（ｚ3 −ｚ1 ）により、Ｓｉ基板１６０の厚さとＳｉＯ2 膜１６１の厚さの和（ｄ1 ＋ｄ2 ）を求めることができる。
【００４０】
また、自己相関のみにより温度測定も上記と同様にして可能である。自己相関から求めた光路長差と温度との関係の測定結果を図８に示す。精度の高い温度測定が得られたのが分かる。
【００４１】
なお、上記実施例では、干渉強度の波数スペクトルＩ（ｋ）を測定して、これを空間座標ｚに逆フーリエ変換して、その結果から測定物の厚さと、温度とを測定するようにしている。この他、受光装置１４により検出される干渉強度の波長スペクトルＡ（λ）を、周波数スペクトルＢ（ω）に変換し、周波数スペクトルＢ（ω）を、時間座標に、逆フーリエ変換しても良い。この場合には、上述した各式において、空間座標ｚを時刻ｔ、波数ｋを角周波数ωに、置換すれば良い。γ（ω）が、光強度の周波数特性、γ（ｔ）が光強度の時間特性、すなわち、パルス波形となる。そして、ｚr −ｚn 、ｚn −ｚm は、ｔr −ｔn 、ｔn −ｔm となる。これらは、参照光と測定光の受光装置１４における伝搬遅延時間差、測定光の多重反射光の間の伝搬遅延時間差を表している。これに、測定物内での光速度ｃ／ｎを考慮して、ｄ1 ＝（ｔ2 −ｔ1 ）ｃ／ｎ1 、ｄ2 ＝（ｔ3 −ｔ2 ）ｃ／ｎ2 により、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さｄ2 を求めることができる。温度は、これらの厚さが求まるので、上記（２２）式により求めることができる。
【００４２】
なお、上記実施例では、測定物１６としてＳｉ基板１６０上にＳｉＯ2 膜１６１を形成したものを用いたが、本発明の干渉測定装置は、ＳＣ光を反射可能な任意の材料からなる測定物からの反射による測定物の温度、厚さの測定に利用することができる。また、実施例の温度測定装置は、Ｓｉ基板などの基板上にＳｉＯ2 などの絶縁膜や、半導体膜、金属膜などの薄膜を成膜するプロセスの最中において、薄膜の温度測定を行うことに用いることができる。また同時に薄膜の厚さを測定することで、薄膜の成長速度を測定することも可能である。また、同様に、薄膜をエッチングするプロセスの最中においても、薄膜の温度測定と同時に薄膜の厚さを測定することで、エッチング速度を測定することも可能である。また、実施例では、ミラー１２の位置を、位置調整装置１３によって調整可能にしたが、逆にミラー１２を固定し、測定物１６を移動し得るようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の温度測定装置は、半導体プロセスにおけるなどに用いることができ、絶縁膜や半導体膜などの薄膜の成膜プロセス中において、薄膜の厚さや温度測定を行うのに用いることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０：光源
１１：光ファイバカプラ
１２：ミラー
１３：位置調整装置
１４：受光装置
１５：干渉波形解析装置
１６：測定物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定物の厚さや温度を光の干渉により非接触で測定する干渉測定装置及び干渉測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセスなどのように、薄膜成長や微細加工を行うプロセスでは、基板の温度が薄膜の膜質や加工精度に大きく影響するため、基板の温度制御が非常に重要であり、高精度に温度を測定することが求められる。基板の温度測定には従来、熱電対や蛍光温度計などが用いられている。しかし、熱電対や蛍光温度計は、基板の裏面に接触させて計測するため、接触のさせ方などによって測定誤差が生じる場合がある。また、基板表面側で熱流入があるプラズマ加工プロセスでは、基板そのものの温度を測定することができない。
【０００３】
そこで、非接触での温度測定方法が望まれており、たとえば特許文献１などのような、光による干渉を利用した方法が提案されている。これは、以下のような方法である。まず、低コヒーレンス光をスプリッタによって参照光と測定光とに分割し、測定光は測定物に照射して反射させ、参照光はミラーによって反射させる。ミラーは位置調整装置によって移動させて参照光の光路長を変化させる。測定物により反射された測定光と、ミラーにより反射された参照光とを干渉させ、干渉波形を測定する。そして、屈折率の温度変化や熱膨張による干渉ピーク位置の温度変化から、温度を測定する。また、測定物表面での反射による干渉ピークと、測定物裏面での反射による干渉ピークが得られるため、測定物の厚さの測定も可能である。光源としては、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＥＤ、スーパーコンティニューム光源などが挙げられる。特にスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）は、帯域が広くて平坦なスペクトルを有した光であり、コヒーレンス長が短いことから、分解能を向上させて測定精度の向上を図ることができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９４６７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の方法は、測定物で反射された測定光と参照光との干渉を得るために、参照光の光路長を変化させる必要がある。このために、参照光を反射させるミラーを移動させて、光路長を変化させていた。そのため、ミラーを精密に移動させる装置が必要となる。また、ミラーの移動に時間が係るために、測定時間が長くなるという問題がある。さらには、ミラーの移動機構による振動のために、光路長が微小振動するために、測定にノイズが加わり、測定精度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、装置の構成を簡単化すると共に、測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、低コヒーレンス光を放射する光源と、低コヒーレンス光を、測定物に照射する測定光と、参照光とに分割する分割手段と、測定光を測定物に照射して、その反射光と参照光とを干渉させる干渉手段と、参照光と測定光の反射光との干渉波形のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換手段による出力から厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、を有することを特徴とする干渉測定装置である。
【０００８】
また、第２の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、低コヒーレンス光を放射する光源と、測定光を測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換手段による出力から厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、を有することを特徴とする干渉測定装置である。
【０００９】
また、第３の発明は、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍ０．５〜１００μｍであることを特徴とする。また、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１０μｍ以下であっても良い。
【００１０】
また、第４の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、低コヒーレンス光を、測定物に照射する測定光と、参照光とに分割し、測定光を測定物に照射して、その反射光と参照光とを干渉させ、参照光と測定光の反射光との干渉波形のスペクトルを求め、求められたスペクトルを逆フーリエ変換し、逆フーリエ変換の結果から厚さ又は厚さから得られる温度を演算することを特徴とする干渉測定方法である。
【００１１】
また、第５の発明は、測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、低コヒーレンス光を、測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求め、求められたスペクトルを逆フーリエ変換し、逆フーリエ変換の結果から厚さ又は厚さから得られる温度を演算することを特徴とする干渉測定方法である。
【００１２】
また、第６の発明は、上記の方法発明において、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍであることを特徴とする。また、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１０μｍ以下であっても良い。
【００１３】
低コヒーレンス光の光源としては、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＥＤ、スーパーコンティニューム光源などを用いることができる。特にスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）は、帯域が広くて平坦なスペクトルを有した光であり、コヒーレンス長が短いことから、分解能を向上させて測定精度の向上を図ることができると考えられる。スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）とは、帯域の広いスペクトルを有し、位相が揃った光である。帯域幅は５０〜２６００ｎｍであることが望ましく、コヒーレンス長は０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることが望ましい。さらに望ましくは、０．５μｍ以上、１０μｍ以下である。さらに望ましいのは０．５〜２μｍである。
【００１４】
測定物は任意であるが、例えば、Ｓｉ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓやＧａＮなどのIII-Ｖ族半導体基板や、基板上に成膜された層や膜である。これらの基板や層や薄膜の厚さと、温度を測定することができる。層は、単層でも複層でもよい。薄膜は、半導体、絶縁体、金属などの膜であり、それらの単膜でもよいし、複合膜でもよい。測定は、それらの薄膜の成膜プロセス中であってもよいし、エッチングプロセス中であってもよい。分割手段は、フォトカプラ、ハーフミラーなどを用いることができる。
【００１５】
第１の発明と第４の発明は、測定光の測定物による反射光と参照光との干渉波形のスペクトルを逆フーリエ変換して、その結果から、測定物の厚さ又は温度を測定することを特徴としている。また、第２の発明と第５の発明は、測定光の測定物による多重反射光の干渉波形のスペクトルを逆フーリエ変換して、その結果から測定物の厚さ又は温度を測定することを特徴としている。逆フーリエ変換は、スペクトルが周波数であれば、時間座標への変換であり、スペクトルが波数であれば空間座標への変換となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の干渉測定装置及び干渉測定方法によれば、参照光の光路長を変化させる必要がないことから、ミラーを移動させる装置が不要となる。また、ミラーを移動させないことから、振動による干渉波形への影響が、ノイズとして加わらないので、測定精度が向上する。また、ミラーの移動がないので、測定時間が短縮される。また、第２の発明の干渉測定装置及び第５の発明の干渉測定方法によると、参照光自体を必要としていないため、参照光を得るためのミラーなどの参照光の光学系が必要でないので、測定装置が極めて簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る干渉測定装置の構成を示した図。
【図２】ＳＣ光のスペクトルを示した図。
【図３】測定された干渉強度の波長スペクトルを示した波形図。
【図４】測定された干渉強度の波数スペクトルを逆フーリエ変換した干渉強度の空間分布関数を示した特性図。
【図５】実施例２の干渉測定装置により測定光と参照光との干渉強度の波数スペクトルの逆フーリエ変換から測定される厚さと温度との関係を示した特性図。
【図６】本発明の実施例３に係る干渉測定装置の構成を示した図。
【図７】実施例３に係る干渉測定装置により、測定光の干渉による干渉強度（自己相関）の波数スペクトルを逆フーリエ変換した、干渉強度の空間関数を示した特性図。
【図８】実施例３の干渉測定装置により測定された厚さと温度との関係を示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施例について図を用いて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、実施例１の干渉測定装置１の構成を示した図である。実施例１の干渉測定装置１は、厚さ測定装置である。光源１０と、光ファイバカプラ１１と、ミラー１２と、受光装置１４と、干渉波形解析装置１５とによって構成されている。測定対象である測定物１６は、Ｓｉ基板１６０上にＳｉＯ2 膜１６１が形成されたものであり、真空装置１８中に置かれている。Ｓｉ基板１６０の厚さは８００μｍ、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さは２μｍである。
【００２０】
光源１０は、帯域幅が広く位相が揃った連続スペクトルを有した光であるスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を放射する光源である。また、このＳＣ光は、発信周波数５０ＭＨｚのパルス光である。図２は、ＳＣ光のスペクトルを示したグラフである。中心波長は約１．６μｍであり、波長１．３〜１．９μｍまでの広帯域で平坦なスペクトルであることがわかる。コヒーレンス長は約２μｍである。
【００２１】
なお、ＳＣ光のコヒーレンス長は、０．５〜１０μｍが望ましい。この範囲であると、干渉ピークの幅が広がってしまったり、干渉ピーク同士が重なってしまうなどの問題を防止することができ、また干渉ピークも良好に測定することができるため、測定精度を向上させることができる。より望ましいＳＣ光のコヒーレンス長は、０．５〜２μｍである。 また、波長帯域の幅は、５０〜２６００ｎｍであることが望ましい。５０ｎｍ以下では、含まれる波長成分が少なく、スペクトルによる測定物１６の物性解析が困難となるからである。また、２６００ｎｍ以上では、光源、受光素子の帯域で制限があり望ましくない。
【００２２】
光ファイバカプラ１１は、２×２ポートの構造であり、入力ポートの一方には光源１０からのＳＣ光が入力され、測定光と参照光に分波されて２つの出力ポートから放射される。２つの出力ポートには、それぞれコリメータ１７が接続されている。また、他方の入力ポートには受光装置１４が接続されている。測定光は測定物１６の裏面（Ｓｉ基板１６０側の露出面）に垂直に照射され、測定物１６裏面、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面、測定物１６表面（ＳｉＯ2 膜１６１側の露出面）により反射され、参照光はミラー１２によって反射される。反射された測定光、参照光は元の出力ポートにそれぞれ入射され、測定光と参照光とが合波されて受光装置１４に入力される。
【００２３】
ミラー１２は、参照光を反射させる面が参照光の光軸に対して垂直となるよう位置調整装置１３に取り付けられており、参照光の光軸方向へミラー１２を直進移動させて、参照光の光路長と、測定光の光路長とを等しくすることが可能となっている。測定時には、ミラー１２の位置は固定された状態となる。また、ミラー１２は、前面でのみ全反射される物質で構成されている。位置調整装置１３は、光学的ガイドレールに、ミラー１２の位置が移動可能なものであれば良い。必要により、ボイスコイルモータ型ディレイライン、ピエゾチューブ型ディレイライン、直動ステージ型ディレイライン、積層ピエゾ型ディレイライン、などを用いることができる。参照光は、ミラー１２により反射されて光ファイバカプラ１１に入力され、受光装置１４に入力される。
【００２４】
受光装置１４は、分光装置であり、測定光と参照光との干渉波形や、多重反射される測定光の干渉強度の波長特性を測定する装置である。干渉強度は、光源１０から出力される多数のパルス光の干渉波形の光強度の足し合わせである。つまり、干渉強度は、各周波数成分毎に、同一周波数の参照光の光強度の時間関数（正弦波）と測定光の光強度の時間関数（正弦波）との和の振幅（光路差の関数）となる。したがって、干渉強度も周波数（波長）の関数となる。受光装置１４としては、波長により回折角が変換する回折格子と、回折された光（干渉強度）を受光するＣＣＤで構成することができる。ＣＣＤの受光位置により波長を、受光強度により干渉強度を特定することができる。また、モノクロメータで波長スペクトルを測定しても良い。
【００２５】
干渉波形解析装置１５は、受光装置１４により測定された干渉強度の波長スペクトルＡ（λ）を、波数スペクトルによる干渉強度Ｉ（ｋ）に変換した後、干渉強度Ｉ（ｋ）を逆フーリエ変換し、その結果から測定物１６の厚さや温度を演算する装置である。ただし、ｋ＝２π／λである。この干渉波形解析装置１５は、コンピュータシステムにより構成されている。図３は、実施例１の干渉測定装置１の受光装置１４により得られた干渉強度の波長スペクトルＡ（λ）を表している。次に、干渉波形解析装置１５により、波数スペクトルＩ（ｋ）が逆フーリエ変換される。
【００２６】
次に、本発明の原理について説明する。測定光は測定物１６の裏面（Ｓｉ基板１６０側の露出面）に垂直に照射され、測定物１６の裏面、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面、測定物１６表面（ＳｉＯ2 膜１６１側の露出面）により多重反射されて、受光装置１４にはこれらの多重反射光が入射する。光源１０から受光装置１４に至る測定光の光路長を２ｚn ，２ｚm とし、参照光の光路長２ｚR とする。光路長を２ｚn ，２ｚm 、２ｚR で表しているのは、ｚn −ｚR ，ｚn −ｚm が、測定物１６のＳｉ基板１６０や、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さを表すようにするためである。ｎ，ｍは、測定物１６の第ｎ，ｍ界面で反射される測定光に付された識別番号である。受光装置１４における波数ｋの測定光の電界成分は、次式で表される。
【数１】
【数２】
ここで、ｓ（ｋ，ω）は、光源の電界の振幅、ｒn は、測定物１６の各界面での電界反射率である。干渉強度Ｉ（ｋ）は次式で表される。
【数３】
【００２７】
ここで、Ｉdc（ｋ）は、光路差に依存しない直流成分項、Ｉac（ｋ）は、測定光と参照光との干渉（以下、相互相関という）による干渉強度成分（以下、相互相関成分という）項と、Ｉcc（ｋ）は測定物１６の多数の反射光自身の干渉（以下、自己相関という）による干渉強度成分（以下、自己相関成分という）項であり、それぞれ、次式で表される。
【数４】
【数５】
【数６】
【００２８】
ここで、Ｓ（ｋ）は光源のパワースペクトルであり、Ｒn は、測定物１６の各界面での強度反射率であり、次式が成立する。
【数７】
【数８】
【００２９】
（３）式で表される干渉強度Ｉ（ｋ）の逆フーリエ変換を次式で定義する。（３）式のそれぞれの項の逆フーリエ変換の和で表される。
【数９】
cos(ｋｚ0 ）の逆フーリエ変換は、δ関数であり、ｋ空間での関数の積の逆フーリエ変換は、それぞれの関数の逆フーリエ変換関数の畳み込み積分で表される。よって、次式が成立する。
【数１０】
【数１１】
【００３０】
（１１）式のｘ（ｚ）とｙ（ｚ）との結合子は、畳み込み積分演算子を表している。また、（１０）、（１１）式の左辺と右辺とを結合する記号は、相互に、フーリエ変換であることを示している。（１０）、（１１）式を用いると、直流成分項Ｉdc（ｋ）の逆フーリエ変換ｉdc（ｚ）、相互相関成分項Ｉac（ｋ）の逆フーリエ変換ｉac（ｚ）、自己相関成分項Ｉcc（ｋ）の逆フーリエ変換ｉcc（ｚ）は、それぞれ、次式で表される。なお、直流成分ｉdc（ｚ）、相互相関成分ｉac（ｚ）、自己相関成分ｉcc（ｚ）は、それぞれ、干渉強度の空間分布を表している。
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００３１】
ここで、γ（ｚ）は、光源１０から出力される光のパワースペクトル密度Ｓ（ｋ）の逆フーリエ変換、すなわち、光強度の空間波形である。パワースペクトル密度をガウス関数と仮定する。
【数１５】
となり、（１５）式の逆フーリエ変換は、次式となる。
【数１６】
ここで、ｌc は、光源のコヒーレント長を表し、次式で表される。
【数１７】
【００３２】
（１２）式から直流成分ｉdc（ｚ）は、ｚ0 ＝0 を中心にして、関数γ（ｚ）が現れる関数である。（１３）式より、相互相関成分ｉac（ｚ）は、（Ｒn ）1 /2倍された関数γ（ｚ）が±２（ｚR −ｚn ）を中心位置として現れる関数である。すなわち、測定物１６の各界面で反射された測定光の光路長の参照光の光路長に対する光路長偏差の位置に、γ（ｚ）が現れる関数となる。また、自己相関成分ｉcc（ｚ）は、（Ｒn Ｒm ）1 /2倍された関数γ（ｚ）が±２（ｚm −ｚn ）を中心位置として現れる関数である。
【００３３】
干渉強度の波数スペクトルＩ（ｋ）の逆フーリエ変換である関数ｉ（ｚ）を図示すると、図４のようになる。各ピークの位置±２（ｚR −ｚ1 ）、±２（ｚR −ｚ2 ）、±２（ｚR −ｚ3 ）、…が得られる。±２（ｚR −ｚ1 ）は、Ｓｉ基板１６０の裏面（前面）で反射された測定光と参照光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。±２（ｚR −ｚ2 ）は、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面で反射された測定光と参照光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。±２（ｚR −ｚ3 ）は、ＳｉＯ2 膜１６１の表面で反射された測定光と参照光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。そして、それらのピークの位置の間隔（ｚ2 −ｚ1 ）、（ｚ3 −ｚ2 ）が、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さｄ2 を表している。
【００３４】
【数１８】
【数１９】
である。このようにして、Ｓｉ基板１６０、ＳｉＯ2 膜１６１との厚さを測定することができる。
【実施例２】
【００３５】
次に、Ｓｉ基板１６０の温度測定について説明する。ヒータによって測定物１６のＳｉ基板１６０を加熱して、実施例１の干渉測定装置１を用いてＳｉ基板１６０の温度を測定した。本実施例では干渉測定装置１は温度測定装置である。所定温度におけるＳｉ基板１６０の厚さ、線膨張係数及び屈折率は既知であり、線膨張係数及び屈折率の温度係数も既知であるとする。実施例１の方法でＳｉ基板１６０の厚さを求め、既知の厚さとの偏差が温度によるものとして、温度を測定するものである。
【００３６】
具体的には、干渉波形解析装置１５によって、以下のようにして測定した。温度がＴ0 からΔＴ変化したときの測定光の光路長の変化量ΔＬは、温度Ｔ0 におけるＳｉ基板１６０の屈折率をｎ0 、厚さをｄ1 （Ｔ0 ）、線膨張係数をα、屈折率の温度変化の係数をβとして、次式で表される。
【数２０】
【数２１】
ｄ1 （Ｔ0 ）は、正確に温度が分かっている時の温度Ｔ0 でのＳｉ基板１６０の厚さの上記の測定値である。ｄ1 （Ｔ0 ＋ΔＴ）は、温度が不明である場合のＳｉ基板１６０の厚さの上記の測定値である。
よって、ΔＴは次式により求められる。
【数２２】
【００３７】
図５は、温度Ｔ0 ＋ΔＴと、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 （Ｔ0 ＋ΔＴ）との関係を測定した結果である。Ｓｉ基板１６０の温度の測定結果、０〜６００℃の範囲で測定値は理論値にほぼ一致しており、高精度にＳｉ基板１６０の温度を測定できることがわかった。同様にして、ＳｉＯ2 膜１６１の温度を測定することも可能である。（２２）式において、実施例１で求めた厚さｄ2 （Ｔ0 ＋ΔＴ）、ｄ2 （Ｔ0 ）が、ｄ1 の代わりに用いられる。
【実施例３】
【００３８】
次に、参照光を用いずに、測定物１６の厚さ、温度を測定する干渉測定装置２及び方法について説明する。図６に示すように、光源１０から出力されたパルス光を、方向性光結合２０を用いて、測定物１６に入射させる。そして、測定物１６から反射された光は、方向性光結合器２０に入射させて、受光装置１４へ導く。他の構成は、図１の干渉測定装置１と同一である。また、方向性光結合２０の代わりに、ハーフミラーを用いても同様な装置を構成することができる。さらに、図１の構成において、ミラー１２の代わりに、光吸収物質を置くか、参照光の光学系を排除するようにしても良い。
【００３９】
受光装置１４で測定される（３）式で表される干渉強度Ｉ（ｋ）には、（５）式の相互相関項Ｉac（ｋ）が存在しない。その結果、干渉強度Ｉ（ｋ）の逆フーリエ変換による干渉強度の空間分布関数ｉ（ｚ）は、（１２）式の直流成分と、（１３）式の自己相関成分だけとなる。この空間分布関数ｉ（ｚ）は、図７に示すものとなる。各ピークの位置±２（ｚ1 −ｚ1 ）、±２（ｚ3 −ｚ2 ）、±２（ｚ2 −ｚ1 ）、±２（ｚ3 −ｚ1 ）…と、小さい順に現れる。±２（ｚ1 −ｚ1 ）は、直流成分から求まる値である。±２（ｚ3 −ｚ2 ）は、ＳｉＯ2 膜１６１の表面で反射された測定光とＳｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面で反射された測定光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。（１９）式により、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さｄ2 を求めることができる。また、±２（ｚ2 −ｚ1 ）は、Ｓｉ基板１６０とＳｉＯ2 膜１６１との界面で反射された測定光とＳｉ基板１６０の裏面（前面）で反射された測定光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。（１８）式により、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 を求めることができる。±２（ｚ3 −ｚ1 ）は、ＳｉＯ2 膜１６１の表面で反射された測定光とＳｉ基板１６０の裏面（前面）で反射された測定光との干渉により得られた干渉強度から求まる値である。（ｚ3 −ｚ1 ）により、Ｓｉ基板１６０の厚さとＳｉＯ2 膜１６１の厚さの和（ｄ1 ＋ｄ2 ）を求めることができる。
【００４０】
また、自己相関のみにより温度測定も上記と同様にして可能である。自己相関から求めた光路長差と温度との関係の測定結果を図８に示す。精度の高い温度測定が得られたのが分かる。
【００４１】
なお、上記実施例では、干渉強度の波数スペクトルＩ（ｋ）を測定して、これを空間座標ｚに逆フーリエ変換して、その結果から測定物の厚さと、温度とを測定するようにしている。この他、受光装置１４により検出される干渉強度の波長スペクトルＡ（λ）を、周波数スペクトルＢ（ω）に変換し、周波数スペクトルＢ（ω）を、時間座標に、逆フーリエ変換しても良い。この場合には、上述した各式において、空間座標ｚを時刻ｔ、波数ｋを角周波数ωに、置換すれば良い。γ（ω）が、光強度の周波数特性、γ（ｔ）が光強度の時間特性、すなわち、パルス波形となる。そして、ｚr −ｚn 、ｚn −ｚm は、ｔr −ｔn 、ｔn −ｔm となる。これらは、参照光と測定光の受光装置１４における伝搬遅延時間差、測定光の多重反射光の間の伝搬遅延時間差を表している。これに、測定物内での光速度ｃ／ｎを考慮して、ｄ1 ＝（ｔ2 −ｔ1 ）ｃ／ｎ1 、ｄ2 ＝（ｔ3 −ｔ2 ）ｃ／ｎ2 により、Ｓｉ基板１６０の厚さｄ1 、ＳｉＯ2 膜１６１の厚さｄ2 を求めることができる。温度は、これらの厚さが求まるので、上記（２２）式により求めることができる。
【００４２】
なお、上記実施例では、測定物１６としてＳｉ基板１６０上にＳｉＯ2 膜１６１を形成したものを用いたが、本発明の干渉測定装置は、ＳＣ光を反射可能な任意の材料からなる測定物からの反射による測定物の温度、厚さの測定に利用することができる。また、実施例の温度測定装置は、Ｓｉ基板などの基板上にＳｉＯ2 などの絶縁膜や、半導体膜、金属膜などの薄膜を成膜するプロセスの最中において、薄膜の温度測定を行うことに用いることができる。また同時に薄膜の厚さを測定することで、薄膜の成長速度を測定することも可能である。また、同様に、薄膜をエッチングするプロセスの最中においても、薄膜の温度測定と同時に薄膜の厚さを測定することで、エッチング速度を測定することも可能である。また、実施例では、ミラー１２の位置を、位置調整装置１３によって調整可能にしたが、逆にミラー１２を固定し、測定物１６を移動し得るようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の温度測定装置は、半導体プロセスにおけるなどに用いることができ、絶縁膜や半導体膜などの薄膜の成膜プロセス中において、薄膜の厚さや温度測定を行うのに用いることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０：光源
１１：光ファイバカプラ
１２：ミラー
１３：位置調整装置
１４：受光装置
１５：干渉波形解析装置
１６：測定物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、
低コヒーレンス光を放射する光源と、
前記低コヒーレンス光を、前記測定物に照射する測定光と、参照光とに分割する分割手段と、
前記測定光を前記測定物に照射して、その反射光と前記参照光とを干渉させる干渉手段と、
前記参照光と前記測定光の前記反射光との干渉波形のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、
前記スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、
前記逆フーリエ変換手段による出力から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、
を有することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、
低コヒーレンス光を放射する光源と、
前記測定光を前記測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、
前記スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、
前記逆フーリエ変換手段による出力から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、
を有することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項３】
前記低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の干渉測定装置。
【請求項４】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、
低コヒーレンス光を、前記測定物に照射する測定光と、参照光とに分割し、
前記測定光を前記測定物に照射して、その反射光と前記参照光とを干渉させ、
前記参照光と前記測定光の前記反射光との干渉波形のスペクトルを求め、
求められた前記スペクトルを逆フーリエ変換し、
前記逆フーリエ変換の結果から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項５】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、
低コヒーレンス光を、前記測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求め、
求められた前記スペクトルを逆フーリエ変換し、
前記逆フーリエ変換の結果から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項６】
前記低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の干渉測定方法。
【請求項１】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、
低コヒーレンス光を放射する光源と、
前記低コヒーレンス光を、前記測定物に照射する測定光と、参照光とに分割する分割手段と、
前記測定光を前記測定物に照射して、その反射光と前記参照光とを干渉させる干渉手段と、
前記参照光と前記測定光の前記反射光との干渉波形のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、
前記スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、
前記逆フーリエ変換手段による出力から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、
を有することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定装置において、
低コヒーレンス光を放射する光源と、
前記測定光を前記測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求めるスペクトル検出手段と、
前記スペクトル検出手段により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、
前記逆フーリエ変換手段による出力から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する測量手段と、
を有することを特徴とする干渉測定装置。
【請求項３】
前記低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の干渉測定装置。
【請求項４】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、
低コヒーレンス光を、前記測定物に照射する測定光と、参照光とに分割し、
前記測定光を前記測定物に照射して、その反射光と前記参照光とを干渉させ、
前記参照光と前記測定光の前記反射光との干渉波形のスペクトルを求め、
求められた前記スペクトルを逆フーリエ変換し、
前記逆フーリエ変換の結果から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項５】
測定物の厚さ又は温度を光の干渉により測定する干渉測定方法において、
低コヒーレンス光を、前記測定物に照射して、その反射光のスペクトルを求め、
求められた前記スペクトルを逆フーリエ変換し、
前記逆フーリエ変換の結果から前記厚さ又は厚さから得られる温度を演算する
ことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項６】
前記低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、０．５μｍ以上、１００μｍであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の干渉測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２０９２２３（Ｐ２０１１−２０９２２３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７９２７２（Ｐ２０１０−７９２７２）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度採択課題、文部科学省、知的クラスター創成事業「東海広域ナノテクものづくりクラスター構想」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【出願人】（５０８０１６２９５）ＮＵシステム株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度採択課題、文部科学省、知的クラスター創成事業「東海広域ナノテクものづくりクラスター構想」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【出願人】（５０８０１６２９５）ＮＵシステム株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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