厚さ測定方法
【課題】厚さ測定方法に関し、より詳細には、透明な薄膜層と基底層との境界面に対する干渉光の位相変化を測定し、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法を提供すること。
【解決手段】干渉計を用いて基底層上に積層された対象層の厚さを測定するための厚さ測定方法であって、前記対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有したサンプル層から前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップと、空気層と前記基底層との境界面で、前記基底層に入射される光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップと、前記対象層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップと、前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、前記位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定するステップとを含むことを特徴とする。
【解決手段】干渉計を用いて基底層上に積層された対象層の厚さを測定するための厚さ測定方法であって、前記対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有したサンプル層から前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップと、空気層と前記基底層との境界面で、前記基底層に入射される光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップと、前記対象層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップと、前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、前記位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚さ測定方法に関し、より詳細には、透明な薄膜層と基底層との境界面に対する干渉光の位相変化を測定し、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体工程及びＦＰＤ工程において、品質を決定する種々の要因のうち、薄膜層の厚さの制御が占める比重が大きいため、これを工程中に直接モニタリングすることが必須であるといえる。「薄膜層」とは、基底層、すなわち、基板の表面に形成させた極めて微細な厚さを有する層であって、一般的に、厚さが数十Å〜数μｍの範囲をいう。これらの薄膜層を特定の用途で応用するためには、薄膜層の厚さ、組成、照度、及びその他、物理的、光学的な特性を知る必要がある。特に、最近には、半導体素子の集積度を高めるために、基板上に超薄膜層を多層で形成することが一般的な傾向である。このような高集積半導体素子を開発するためには、特性に大きな影響を与える因子である薄膜層の厚さを含む膜の物性を正確に制御しなければならない。
半導体工程及びその他の応用工程などで使用する薄膜層の厚さを測定するには、種々の方式があるが、探針（ｓｔｙｌｕｓ）を用いた機械的な方法、光学的な方法などが最も一般的である。光学的方法のうち、白色光干渉計（ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて薄膜層の厚さを決定することができる。
【０００３】
図1は、従来の厚さ測定方法の一例を示した図である。
【０００４】
同図に示すように、基底層１０上に厚さ測定の対象層２０である透明な薄膜層が積層され、対象層２０の上側には空気層３０が存在する。第１の面２１は、空気層３０と対象層２０との境界面を含み、第２の面１１は、対象層２０と基底層１０との境界面を含む。対象層２０は、傾斜しており、線形の厚さを有する。
【０００５】
一般的な白色光干渉計を用いて相対的に対象層２０の厚さが厚い第１の面２１の一方の位置２２に向けて干渉光を照射すると、第１の面の位置２２から生じる干渉信号４１及び第２の面の位置１２から生じる干渉信号４２を得ることができる。第１の面の干渉信号４１と第２の面の干渉信号４２とは、空間的に十分に離れて分離可能であるため、両干渉信号４１、４２の最高値の差を利用してその位置２２での対象層２０の厚さを求めることができる。
【０００６】
しかし、相対的に対象層２０の厚さが薄い位置２３は、上記のような方法によって対象層２０の厚さを求めることが不可能である。すなわち、相対的に対象層２０の厚さが薄い第１の面の他方の位置２３に向けて干渉光を照射すると、第１の面の位置２３から生じる干渉信号と第２の面の位置１３から生じる干渉信号とが重なりつつ、１つの干渉信号４３が形成される。このように、厚さが薄い位置で生じ得る重なった干渉信号４３では、対象層２０の厚さを求め出すことのできる両方の最高値を抽出することができないため、薄い厚さを有した透明な対象層２０に対しては、干渉信号を用いることができないという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためのものであって、予め設けられたサンプルを用いて、透明な薄膜層の厚さに対して透明な薄膜層と基底層との境界面で位相差の相関式を求め、この相関式を利用してマイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、上記の目的を達成するための本発明の厚さ測定方法は、干渉計を用いて基底層上に積層された対象層の厚さを測定するための厚さ測定方法であって、前記対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有したサンプル層から前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップと、空気層と前記基底層との境界面で、前記基底層に入射される光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップと、前記対象層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップと、前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、前記位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定するステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップが、前記第１の干渉信号で基準になる第１の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第１の信号値が得られる高さを第１の高さとして設定し、前記第１の信号値の位相を第１の位相として設定するステップと、前記第１の高さと実質的に同じ高さで得られる第２の干渉信号の信号値を第２の信号値として設定し、前記第２の信号値の位相を第２の位相として設定するステップと、前記第１の位相と前記第２の位相との間の位相差を求めるステップとを含む。
【００１０】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号が光強度であり、前記第１の信号値が前記第１の干渉信号の最高値である。
【００１１】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記相関式を取得するステップは、一方の厚さを有するサンプル層を設けるステップと、前記空気層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第３の干渉信号を求めるステップと、前記サンプル層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第４の干渉信号を求めるステップと、前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第３の干渉信号の位相と前記第４の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、他方の厚さを有するサンプル層を設け、そのサンプル層に対して第３の干渉信号を求めるステップと、前記第４の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、複数の厚さ情報及び複数の位相差情報を利用して曲線合わせ（ｆｉｔｔｉｎｇ）し、前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を決定するステップとを含む。
【００１２】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記位相差を求めるステップが、前記第３の干渉信号で基準になる第３の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第３の信号値が得られる高さを第３の高さとして設定し、前記第３の信号値の位相を第３の位相として設定するステップと、前記第３の高さと実質的に同じ高さで得られる第４の干渉信号の信号値を第４の信号値として設定し、前記第４の信号値の位相を第４の位相として設定するステップと、前記第３の位相と前記第４の位相との間の位相差を求めるステップとを含む。
【００１３】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記第３の干渉信号及び前記第４の干渉信号が光強度であり、前記第３の信号値が前記第３の干渉信号の最高値である。
【００１４】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記相関式が線形部または非線形部を備える。
【００１５】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って前記空気層と前記基底層との境界面及び前記対象層と前記基底層との境界面の複数の位置で、前記第１の干渉信号を求めるステップと、前記第２の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、前記複数の位置に対して、前記位相差のグラフを算出するステップと、前記グラフの不連続点の位相差に２πの倍数を加減して位相復元（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）し、位相復元された位相差を求めるステップとをさらに含み、前記対象層の厚さを決定するステップが、前記位相復元された位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定する。
【００１６】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記位相復元された位相差を求めるステップが、前記空気層と前記基底層との境界面での位相差を基準とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、空気層と基底層との境界面での干渉信号の位相と透明な薄膜層と基底層との境界面での干渉信号の位相との間の位相差を用いて薄膜層の厚さを測定することにより、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法が提供される。
【００１８】
また、測定しようとする透明な薄膜層と同じ材質からなり、互いに異なる厚さを有するサンプル層を用いて厚さと位相差との間の相関式を求めると、測定しようとする透明な薄膜層と基底層との境界面での位相と空気層と基底層との境界面での位相との間の位相差を求めるだけでも薄膜層の厚さを測定することが可能であるため、厚さ測定にかかる手続及び時間を低減できる厚さ測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の厚さ測定方法の一例を示した図である。
【００２０】
【図２】本発明に係る厚さ測定方法を実現するための干渉計の一例を示した図である。
【００２１】
【図３】本発明の一実施形態に係る厚さ測定方法のフローチャートである。
【００２２】
【図４】対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有するサンプル層及び基底層に干渉光を照射して取得した干渉信号を示した図である。
【図５】対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有するサンプル層及び基底層に干渉光を照射して取得した干渉信号を示した図である。
【００２３】
【図６】サンプル層の厚さに対して位相差の相関式をグラフで示した図である。
【００２４】
【図７】図３の厚さ測定方法が適用される透明な薄膜層を概略的に示した図である。
【００２５】
【図８】図３の厚さ測定方法の第１の干渉信号を求めるステップ及び第２の干渉信号を求めるステップを説明するための図である。
【００２６】
【図９】対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って対象層と基底層との境界面で複数の位置に対する位相差をグラフで示した図である。
【００２７】
【図１０】図９のグラフの不連続点の位相差を位相復元し、位相復元された位相差をグラフで示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る厚さ測定方法の実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る厚さ測定方法を実現するための干渉計の一例を示した図である。
【００３０】
同図に示すように、前記干渉計１００は、透明な薄膜層の厚さを測定するのに一般的に用いられるミラウ干渉計の構成を採用する。前記干渉計１００は、白色光源１０１を備え、白色光源１０１としては、ハロゲンランプなどを含む多様なソースのランプが用いられ得る。白色光源１０１から入射された光をスペクトル特性を変えずに、単に輝度のみを減らすために、灰色フィルタ（ＮＤ ｆｉｌｔｅｒ、Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）１０２が設けられる。前記干渉計１００は、灰色フィルタ１０２を通過した光を集中させる集光レンズ１０３を備える。集光レンズ１０３を通過した光は、その光を平行光に作るコリメーター１０４（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）を通過する。
【００３１】
コリメーター１０４を通過した光は、光分割器１１１により反射されて反射光５３を形成し、反射光５３は、対物レンズ１３１側に入射される。
ここで、光分割器１１１は、反射率と透過率が５０：５０であるものを用いる。対物レンズ１３１から入射される光は、光分割器１３２によってさらに反射光５７と透過光５５とに分割される。前記透過光５５は、測定光であって、透明な薄膜層である対象層２０及び基底層１０側に照射され、前記反射光５７は、基準光であって、基準ミラー１３３に照射される。前記光分割器１３２は、基準ミラー１３３から反射された基準光５７と、対象層２０と基底層１０との境界面により反射された測定光５５とを集めて干渉光を作るためのものである。また、前記基準ミラー１３３は、光分割器１３２から入射される基準光５７を反射させて、さらに光分割器１３２に入射させるためのものである。
【００３２】
前記干渉計１００は、光分割器１１１から入射される干渉光５９を結像させる結像レンズ１２１と、干渉光５９から干渉信号を検出する検出器１２２とを備える。一般的に、検出器１２２としては、測定しようとする領域に適した画素数を有するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラが用いられる。
【００３３】
また、前記干渉計１００は、測定点を基底層１０と交差する方向、すなわち、光軸方向に微小間隔移動しつつ、干渉信号を取得する駆動部１４０を備える。対物レンズ１３１を収容する鏡筒１３０は、駆動部１４０に装着されて、駆動部１４０の作動により対物レンズ１３１の光軸方向への移動が可能になる。ここで、基底層１０に入射される垂直な光軸方向Ａを図２のｚ軸として定義する。このように、対物レンズ１３１をｚ軸方向に沿って測定点の上下に数十ｎｍ間隔で移動しつつ、検出器１２２を介して強い干渉信号が検出される位置を探すようになる。
【００３４】
以下、上述したように構成された干渉計１００を用いて、本発明に係る厚さ測定方法の実施形態について、図３〜図１０を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態に係る厚さ測定方法のフローチャートであり、図４及び図５は、対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有するサンプル層及び基底層に干渉光を照射して取得した干渉信号を示した図であり、図６は、サンプル層の厚さに対して位相差の相関式をグラフで示した図であり、図７は、図３の厚さ測定方法が適用される透明な薄膜層を概略的に示した図であり、図８は、図３の厚さ測定方法の第１の干渉信号を求めるステップ及び第２の干渉信号を求めるステップを説明するための図であり、図９は、対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って対象層と基底層との境界面で複数の位置に対する位相差をグラフで示した図であり、図１０は、図９のグラフの不連続点の位相差を位相復元し、位相復元された位相差をグラフで示した図である。
【００３６】
前記干渉計１００を用いて基底層１０上に積層された対象層２０の厚さを測定するために、まず、互いに異なる厚さｄ１、ｄ２を有する複数のサンプル層２０ａ、２０ｂからサンプル層２０ａ、２０ｂの厚さに対する位相差の相関式を取得する（Ｓ１１０）。ここで、サンプル層２０ａ、２０ｂは、今後測定する透明な薄膜層である対象層２０と同じ材質で構成される。
【００３７】
前記相関式１５０を取得するために、まず、一方の厚さｄ１を有するサンプル層２０ａを設ける（Ｓ１１１）。前記サンプル層２０ａの厚さ情報は既に知られている情報であって、別に厚さ測定器を利用して測定する必要はないが、検証された他の厚さ測定器で測定して厚さ情報を得ることもできる。
【００３８】
以後、図４に示すように、空気層３０と基底層１０とが当接する境界面１３の一方の位置で、基底層１０に入射される垂直な光軸方向Ａ、すなわち、ｚ軸方向に対して第３の干渉信号５１を求める（Ｓ１１２）。本実施形態において、第３の干渉信号５１は、空気層３０と基底層１０とが当接する境界面１３に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。また、サンプル層２０ａと基底層１０とが当接する境界面１１の一方の位置で、ｚ軸方向に対して第４の干渉信号６１を求める（Ｓ１１３）。第３の干渉信号５１と同様に、本実施形態において、第４の干渉信号６１は、サンプル層２０ａと基底層１０とが当接する境界面１１に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。
【００３９】
次いで、ｚ軸方向に沿って実質的に同じ高さで第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号６１の位相との間の位相差を求める（Ｓ１１４）。
【００４０】
第３の干渉信号５１を求めた後、第３の干渉信号５１で基準になる光強度である第３の信号値５３を設定するが、望ましくは、第３の干渉信号５１である光強度の最高値を第３の信号値５３として設定する。そして、ｚ軸方向に対して第３の信号値５３が得られる高さを第３の高さとして設定し、第３の信号値５３の位相を第３の位相として設定する（Ｓ１１７）。また、第４の干渉信号６１を求めた後、ｚ軸方向に対して第３の高さと実質的に同じ高さに対応する第４の干渉信号６１の値を第４の信号値６３として設定する。そして、第４の信号値６３が得られる位相を第４の位相として設定する（Ｓ１１８）。このように設定された第３の位相と第４の位相との間の差を第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号６１の位相との間の位相差として設定する（Ｓ１１９）。
【００４１】
次に、図５に示すように、他方の厚さｄ２を有するサンプル層２０ｂを設け、そのサンプル層２０ｂに対して第３の干渉信号５１を求めるステップ（Ｓ１１２）と、第４の干渉信号７１を求めるステップ（Ｓ１１３）と、第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号７１の位相との間の位相差を求めるステップ（Ｓ１１４）とを繰り返す（Ｓ１１５）。上記のようなステップを互いに異なる厚さｄ１，ｄ２を有する複数個のサンプル層２０ａ，２０ｂに対して繰り返すようになると、複数の厚さ情報と複数の位相差情報とを取得することができる。後述する相関式をより正確に決定するために、サンプル層の数量は多ければ多いほど良い。
【００４２】
このように得られた複数の厚さ情報と複数の位相差情報とを利用して曲線合わせ（ｆｉｔｔｉｎｇ）し、図６に示すように、サンプル層の厚さに対する位相差の相関式１５０を決定する（Ｓ１１６）。相関式１５０は、線形部または非線形部を備え、その相関式は、次の（１）式で表される。
【００４３】
[数１]
ｙ＝（ａ×ｘ＋ｂ）＋ｇ（ｘ）・・・（１）
【００４４】
ここで、ｘは第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号６１、７１の位相との間の位相差であり、ｙはサンプル層２０ａ、２０ｂの厚さである。線形部と非線形部の定数値を決定する最適化アルゴリズムとしては、非線形最小二乗法（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ）を利用することができ、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔの非線形最小二乗法を利用することもできる。
【００４５】
前記相関式１５０を取得した後、図７及び図８に示すように、実際の厚さを測定しようとする対象層２０を含む測定物に対して厚さを測定する過程を行う。測定物は、対象層２０が基底層１０上に積層され、対象層２０上に空気層３０がある部位と、対象層２０なしで空気層３０と基底層１０とが直接当接する部位と、両部位の間で対象層２０の厚さが０から所定厚さｄ１１まで連続的に変わる傾斜部２５とを備える。ここで、対象層２０は、空気層３０と対象層２０との境界面での干渉信号の最高値と、対象層２０と基底層１０との境界面での干渉信号の最高値とが重なる程度の薄い厚さを有し、実質的には、１μｍ以下である透明な薄膜層である。
【００４６】
対象層２０の厚さｄ１１を測定するために、まず、空気層３０と基底層１０との境界面１３の一方の位置で、基底層１０に垂直な光軸方向Ａ、すなわち、ｚ軸方向に対して第１の干渉信号１６１を求める（Ｓ１２０）。本実施形態において、第１の干渉信号１６１は、空気層３０と基底層１０とが当接する境界面１３に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。また、対象層２０と基底層１０とが当接する境界面１１の一方の位置で、ｚ軸方向に対して第２の干渉信号１７１を求める（Ｓ１３０）。第１の干渉信号１６１と同様に、本実施形態において、第２の干渉信号１７１は、対象層２０と基底層１０とが当接する境界面１１に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。
【００４７】
次いで、ｚ軸方向に沿って実質的に同じ高さで第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差を求める（Ｓ１４０）。
【００４８】
第１の干渉信号１６１を求めた後、第１の干渉信号１６１で基準になる光強度である第１の信号値１６３を設定するが、望ましくは、第１の干渉信号１６１である光強度の最高値を第１の信号値１６３として設定する。そして、ｚ軸方向に対して第１の信号値１６３が得られる高さを第１の高さとして設定し、第１の信号値１６３の位相を第１の位相として設定する（Ｓ１４１）。また、第２の干渉信号１７１を求めた後、ｚ軸方向に対して第１の高さと実質的に同じ高さに対応する第２の干渉信号１７１の値を第２の信号値１７３として設定する。そして、第２の信号値１７３が得られる位相を第２の位相として設定する（Ｓ１４２）。このように設定された第１の位相と第２の位相との間の差を第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差として設定する（Ｓ１４３）。
【００４９】
第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差を相関式１５０にすぐ代入する前に、その位相差を位相復元（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）した後、位相復元された位相差を相関式１５０に代入することが好ましい。
【００５０】
対象層２０の厚さが連続的に変わる方向、すなわち、図７に示された「Ｂ」方向に沿って空気層３０と基底層１０との境界面１３及び対象層２０と基底層１０との境界面１１の複数の位置で、第１の干渉信号１６１を求めるステップ（Ｓ１２０）と、第２の干渉信号１７１を求めるステップ（Ｓ１３０）と、第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差を求めるステップ（Ｓ１４０）とを繰り返すようになると（Ｓ１５１）、複数の位相差情報を求めることができる。
【００５１】
前記複数の位相差情報を利用して「Ｂ」方向に対する位相差のグラフを算出すれば、図９に示されたグラフ１８１を得ることができる（Ｓ１５２）。ここで、空気層３０と基底層１０との境界面１３での位相を基準値とし、その値を０に設定する。図９に示すように、第１の信号値１６３の位相と第２の信号値１７３の位相との間の位相差は、−π〜＋π範囲内で値が決定されるので、−π位相差近辺または＋π位相差近辺で不連続点を有するようになる。このような不連続点での位相差は、実際の位相差を反映するのではなく、−π〜＋π範囲内で位相差が決定されることに基づいて不連続点が発生する。対象層２０の厚さが連続的に変わる方向（「Ｂ」方向）に沿って位相差の変化を求めるようになると、たとえ、グラフ１８１上では、下位の不連続点１８２と上位の不連続点１８３とが一致しないが、対象層２０の傾斜部２５形状に基づいて、下位の不連続点１８２と上位の不連続点１８３とが一致する点であることを推論することができる。
【００５２】
したがって、グラフ１８１の下位の不連続点１８２の位相差に２πを足して上位の不連続点１８３と一致させる位相復元を行い、図１０に示すように、位相復元された位相差を求める（Ｓ１５３）。ここで、位相復元時には、空気層３０と基底層１０との境界面１３での位相差を基準とする。すなわち、空気層３０と基底層１０との境界面１３での位相差を含むグラフ部位をそのまま置いた状態で、対象層２０と基底層１０との境界面１１での位相差を含むグラフ部位の各々の位相差に２πを足して位相復元する。このような位相復元によって測定した全ての位置で実際の位相差を反映するグラフ１８５を求めることができるようになる。グラフの形状によって不連続点に４πまたは６πのように、２πの倍数値を足して位相復元過程を行うこともできる。
【００５３】
次に、位相差を相関式１５０に代入して、対象層２０の厚さｄ１１を決定する（Ｓ１６０）。望ましくは、位相復元された位相差を相関式１５０に代入する（Ｓ１６１）。
【００５４】
上述したように構成された本実施形態に係る厚さ測定方法は、干渉信号で互いに異なる最大値を抽出して薄膜層の厚さを測定するのではなく、空気層と基底層との境界面での干渉信号の位相と透明な薄膜層と基底層との境界面での干渉信号の位相との間の位相差を利用して薄膜層の厚さを測定することにより、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる効果を得ることができる。
【００５５】
また、予め設けられた複数個のサンプルを用いて透明な薄膜層の厚さと透明な薄膜層及び基底層の境界面で位相差間の相関式を一応求めるようになると、サンプルと同じ材質からなる薄膜層の位相差を求めるだけでも薄膜層の厚さを測定することが可能であるため、厚さ測定にかかる手続及び時間を低減できる効果を得ることができる。
【００５６】
本発明の権利範囲は上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態によって実現できる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求の範囲の記載の範囲内にあるものとみなす。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 基底層
２０ 対象層
３０ 空気層
１００ 干渉計
１５０ 相関式
１６１ 第１の干渉信号
１６３ 第１の信号値
１７１ 第２の干渉信号
１７３ 第２の信号値
Ｓ１１０ サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップ
Ｓ１２０ 光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップ
Ｓ１３０ 光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップ
Ｓ１４０ 第１の干渉信号の位相と第２の干渉信号の位相との位相差を求めるステップ
Ｓ１６０ 対象層の厚さを決定するステップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚さ測定方法に関し、より詳細には、透明な薄膜層と基底層との境界面に対する干渉光の位相変化を測定し、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体工程及びＦＰＤ工程において、品質を決定する種々の要因のうち、薄膜層の厚さの制御が占める比重が大きいため、これを工程中に直接モニタリングすることが必須であるといえる。「薄膜層」とは、基底層、すなわち、基板の表面に形成させた極めて微細な厚さを有する層であって、一般的に、厚さが数十Å〜数μｍの範囲をいう。これらの薄膜層を特定の用途で応用するためには、薄膜層の厚さ、組成、照度、及びその他、物理的、光学的な特性を知る必要がある。特に、最近には、半導体素子の集積度を高めるために、基板上に超薄膜層を多層で形成することが一般的な傾向である。このような高集積半導体素子を開発するためには、特性に大きな影響を与える因子である薄膜層の厚さを含む膜の物性を正確に制御しなければならない。
半導体工程及びその他の応用工程などで使用する薄膜層の厚さを測定するには、種々の方式があるが、探針（ｓｔｙｌｕｓ）を用いた機械的な方法、光学的な方法などが最も一般的である。光学的方法のうち、白色光干渉計（ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて薄膜層の厚さを決定することができる。
【０００３】
図1は、従来の厚さ測定方法の一例を示した図である。
【０００４】
同図に示すように、基底層１０上に厚さ測定の対象層２０である透明な薄膜層が積層され、対象層２０の上側には空気層３０が存在する。第１の面２１は、空気層３０と対象層２０との境界面を含み、第２の面１１は、対象層２０と基底層１０との境界面を含む。対象層２０は、傾斜しており、線形の厚さを有する。
【０００５】
一般的な白色光干渉計を用いて相対的に対象層２０の厚さが厚い第１の面２１の一方の位置２２に向けて干渉光を照射すると、第１の面の位置２２から生じる干渉信号４１及び第２の面の位置１２から生じる干渉信号４２を得ることができる。第１の面の干渉信号４１と第２の面の干渉信号４２とは、空間的に十分に離れて分離可能であるため、両干渉信号４１、４２の最高値の差を利用してその位置２２での対象層２０の厚さを求めることができる。
【０００６】
しかし、相対的に対象層２０の厚さが薄い位置２３は、上記のような方法によって対象層２０の厚さを求めることが不可能である。すなわち、相対的に対象層２０の厚さが薄い第１の面の他方の位置２３に向けて干渉光を照射すると、第１の面の位置２３から生じる干渉信号と第２の面の位置１３から生じる干渉信号とが重なりつつ、１つの干渉信号４３が形成される。このように、厚さが薄い位置で生じ得る重なった干渉信号４３では、対象層２０の厚さを求め出すことのできる両方の最高値を抽出することができないため、薄い厚さを有した透明な対象層２０に対しては、干渉信号を用いることができないという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためのものであって、予め設けられたサンプルを用いて、透明な薄膜層の厚さに対して透明な薄膜層と基底層との境界面で位相差の相関式を求め、この相関式を利用してマイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、上記の目的を達成するための本発明の厚さ測定方法は、干渉計を用いて基底層上に積層された対象層の厚さを測定するための厚さ測定方法であって、前記対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有したサンプル層から前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップと、空気層と前記基底層との境界面で、前記基底層に入射される光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップと、前記対象層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップと、前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、前記位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定するステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップが、前記第１の干渉信号で基準になる第１の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第１の信号値が得られる高さを第１の高さとして設定し、前記第１の信号値の位相を第１の位相として設定するステップと、前記第１の高さと実質的に同じ高さで得られる第２の干渉信号の信号値を第２の信号値として設定し、前記第２の信号値の位相を第２の位相として設定するステップと、前記第１の位相と前記第２の位相との間の位相差を求めるステップとを含む。
【００１０】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号が光強度であり、前記第１の信号値が前記第１の干渉信号の最高値である。
【００１１】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記相関式を取得するステップは、一方の厚さを有するサンプル層を設けるステップと、前記空気層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第３の干渉信号を求めるステップと、前記サンプル層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第４の干渉信号を求めるステップと、前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第３の干渉信号の位相と前記第４の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、他方の厚さを有するサンプル層を設け、そのサンプル層に対して第３の干渉信号を求めるステップと、前記第４の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、複数の厚さ情報及び複数の位相差情報を利用して曲線合わせ（ｆｉｔｔｉｎｇ）し、前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を決定するステップとを含む。
【００１２】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記位相差を求めるステップが、前記第３の干渉信号で基準になる第３の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第３の信号値が得られる高さを第３の高さとして設定し、前記第３の信号値の位相を第３の位相として設定するステップと、前記第３の高さと実質的に同じ高さで得られる第４の干渉信号の信号値を第４の信号値として設定し、前記第４の信号値の位相を第４の位相として設定するステップと、前記第３の位相と前記第４の位相との間の位相差を求めるステップとを含む。
【００１３】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記第３の干渉信号及び前記第４の干渉信号が光強度であり、前記第３の信号値が前記第３の干渉信号の最高値である。
【００１４】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記相関式が線形部または非線形部を備える。
【００１５】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って前記空気層と前記基底層との境界面及び前記対象層と前記基底層との境界面の複数の位置で、前記第１の干渉信号を求めるステップと、前記第２の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、前記複数の位置に対して、前記位相差のグラフを算出するステップと、前記グラフの不連続点の位相差に２πの倍数を加減して位相復元（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）し、位相復元された位相差を求めるステップとをさらに含み、前記対象層の厚さを決定するステップが、前記位相復元された位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定する。
【００１６】
本発明に係る厚さ測定方法において、望ましくは、前記位相復元された位相差を求めるステップが、前記空気層と前記基底層との境界面での位相差を基準とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、空気層と基底層との境界面での干渉信号の位相と透明な薄膜層と基底層との境界面での干渉信号の位相との間の位相差を用いて薄膜層の厚さを測定することにより、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる厚さ測定方法が提供される。
【００１８】
また、測定しようとする透明な薄膜層と同じ材質からなり、互いに異なる厚さを有するサンプル層を用いて厚さと位相差との間の相関式を求めると、測定しようとする透明な薄膜層と基底層との境界面での位相と空気層と基底層との境界面での位相との間の位相差を求めるだけでも薄膜層の厚さを測定することが可能であるため、厚さ測定にかかる手続及び時間を低減できる厚さ測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の厚さ測定方法の一例を示した図である。
【００２０】
【図２】本発明に係る厚さ測定方法を実現するための干渉計の一例を示した図である。
【００２１】
【図３】本発明の一実施形態に係る厚さ測定方法のフローチャートである。
【００２２】
【図４】対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有するサンプル層及び基底層に干渉光を照射して取得した干渉信号を示した図である。
【図５】対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有するサンプル層及び基底層に干渉光を照射して取得した干渉信号を示した図である。
【００２３】
【図６】サンプル層の厚さに対して位相差の相関式をグラフで示した図である。
【００２４】
【図７】図３の厚さ測定方法が適用される透明な薄膜層を概略的に示した図である。
【００２５】
【図８】図３の厚さ測定方法の第１の干渉信号を求めるステップ及び第２の干渉信号を求めるステップを説明するための図である。
【００２６】
【図９】対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って対象層と基底層との境界面で複数の位置に対する位相差をグラフで示した図である。
【００２７】
【図１０】図９のグラフの不連続点の位相差を位相復元し、位相復元された位相差をグラフで示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る厚さ測定方法の実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る厚さ測定方法を実現するための干渉計の一例を示した図である。
【００３０】
同図に示すように、前記干渉計１００は、透明な薄膜層の厚さを測定するのに一般的に用いられるミラウ干渉計の構成を採用する。前記干渉計１００は、白色光源１０１を備え、白色光源１０１としては、ハロゲンランプなどを含む多様なソースのランプが用いられ得る。白色光源１０１から入射された光をスペクトル特性を変えずに、単に輝度のみを減らすために、灰色フィルタ（ＮＤ ｆｉｌｔｅｒ、Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｉｌｔｅｒ）１０２が設けられる。前記干渉計１００は、灰色フィルタ１０２を通過した光を集中させる集光レンズ１０３を備える。集光レンズ１０３を通過した光は、その光を平行光に作るコリメーター１０４（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）を通過する。
【００３１】
コリメーター１０４を通過した光は、光分割器１１１により反射されて反射光５３を形成し、反射光５３は、対物レンズ１３１側に入射される。
ここで、光分割器１１１は、反射率と透過率が５０：５０であるものを用いる。対物レンズ１３１から入射される光は、光分割器１３２によってさらに反射光５７と透過光５５とに分割される。前記透過光５５は、測定光であって、透明な薄膜層である対象層２０及び基底層１０側に照射され、前記反射光５７は、基準光であって、基準ミラー１３３に照射される。前記光分割器１３２は、基準ミラー１３３から反射された基準光５７と、対象層２０と基底層１０との境界面により反射された測定光５５とを集めて干渉光を作るためのものである。また、前記基準ミラー１３３は、光分割器１３２から入射される基準光５７を反射させて、さらに光分割器１３２に入射させるためのものである。
【００３２】
前記干渉計１００は、光分割器１１１から入射される干渉光５９を結像させる結像レンズ１２１と、干渉光５９から干渉信号を検出する検出器１２２とを備える。一般的に、検出器１２２としては、測定しようとする領域に適した画素数を有するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラが用いられる。
【００３３】
また、前記干渉計１００は、測定点を基底層１０と交差する方向、すなわち、光軸方向に微小間隔移動しつつ、干渉信号を取得する駆動部１４０を備える。対物レンズ１３１を収容する鏡筒１３０は、駆動部１４０に装着されて、駆動部１４０の作動により対物レンズ１３１の光軸方向への移動が可能になる。ここで、基底層１０に入射される垂直な光軸方向Ａを図２のｚ軸として定義する。このように、対物レンズ１３１をｚ軸方向に沿って測定点の上下に数十ｎｍ間隔で移動しつつ、検出器１２２を介して強い干渉信号が検出される位置を探すようになる。
【００３４】
以下、上述したように構成された干渉計１００を用いて、本発明に係る厚さ測定方法の実施形態について、図３〜図１０を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態に係る厚さ測定方法のフローチャートであり、図４及び図５は、対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有するサンプル層及び基底層に干渉光を照射して取得した干渉信号を示した図であり、図６は、サンプル層の厚さに対して位相差の相関式をグラフで示した図であり、図７は、図３の厚さ測定方法が適用される透明な薄膜層を概略的に示した図であり、図８は、図３の厚さ測定方法の第１の干渉信号を求めるステップ及び第２の干渉信号を求めるステップを説明するための図であり、図９は、対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って対象層と基底層との境界面で複数の位置に対する位相差をグラフで示した図であり、図１０は、図９のグラフの不連続点の位相差を位相復元し、位相復元された位相差をグラフで示した図である。
【００３６】
前記干渉計１００を用いて基底層１０上に積層された対象層２０の厚さを測定するために、まず、互いに異なる厚さｄ１、ｄ２を有する複数のサンプル層２０ａ、２０ｂからサンプル層２０ａ、２０ｂの厚さに対する位相差の相関式を取得する（Ｓ１１０）。ここで、サンプル層２０ａ、２０ｂは、今後測定する透明な薄膜層である対象層２０と同じ材質で構成される。
【００３７】
前記相関式１５０を取得するために、まず、一方の厚さｄ１を有するサンプル層２０ａを設ける（Ｓ１１１）。前記サンプル層２０ａの厚さ情報は既に知られている情報であって、別に厚さ測定器を利用して測定する必要はないが、検証された他の厚さ測定器で測定して厚さ情報を得ることもできる。
【００３８】
以後、図４に示すように、空気層３０と基底層１０とが当接する境界面１３の一方の位置で、基底層１０に入射される垂直な光軸方向Ａ、すなわち、ｚ軸方向に対して第３の干渉信号５１を求める（Ｓ１１２）。本実施形態において、第３の干渉信号５１は、空気層３０と基底層１０とが当接する境界面１３に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。また、サンプル層２０ａと基底層１０とが当接する境界面１１の一方の位置で、ｚ軸方向に対して第４の干渉信号６１を求める（Ｓ１１３）。第３の干渉信号５１と同様に、本実施形態において、第４の干渉信号６１は、サンプル層２０ａと基底層１０とが当接する境界面１１に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。
【００３９】
次いで、ｚ軸方向に沿って実質的に同じ高さで第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号６１の位相との間の位相差を求める（Ｓ１１４）。
【００４０】
第３の干渉信号５１を求めた後、第３の干渉信号５１で基準になる光強度である第３の信号値５３を設定するが、望ましくは、第３の干渉信号５１である光強度の最高値を第３の信号値５３として設定する。そして、ｚ軸方向に対して第３の信号値５３が得られる高さを第３の高さとして設定し、第３の信号値５３の位相を第３の位相として設定する（Ｓ１１７）。また、第４の干渉信号６１を求めた後、ｚ軸方向に対して第３の高さと実質的に同じ高さに対応する第４の干渉信号６１の値を第４の信号値６３として設定する。そして、第４の信号値６３が得られる位相を第４の位相として設定する（Ｓ１１８）。このように設定された第３の位相と第４の位相との間の差を第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号６１の位相との間の位相差として設定する（Ｓ１１９）。
【００４１】
次に、図５に示すように、他方の厚さｄ２を有するサンプル層２０ｂを設け、そのサンプル層２０ｂに対して第３の干渉信号５１を求めるステップ（Ｓ１１２）と、第４の干渉信号７１を求めるステップ（Ｓ１１３）と、第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号７１の位相との間の位相差を求めるステップ（Ｓ１１４）とを繰り返す（Ｓ１１５）。上記のようなステップを互いに異なる厚さｄ１，ｄ２を有する複数個のサンプル層２０ａ，２０ｂに対して繰り返すようになると、複数の厚さ情報と複数の位相差情報とを取得することができる。後述する相関式をより正確に決定するために、サンプル層の数量は多ければ多いほど良い。
【００４２】
このように得られた複数の厚さ情報と複数の位相差情報とを利用して曲線合わせ（ｆｉｔｔｉｎｇ）し、図６に示すように、サンプル層の厚さに対する位相差の相関式１５０を決定する（Ｓ１１６）。相関式１５０は、線形部または非線形部を備え、その相関式は、次の（１）式で表される。
【００４３】
[数１]
ｙ＝（ａ×ｘ＋ｂ）＋ｇ（ｘ）・・・（１）
【００４４】
ここで、ｘは第３の干渉信号５１の位相と第４の干渉信号６１、７１の位相との間の位相差であり、ｙはサンプル層２０ａ、２０ｂの厚さである。線形部と非線形部の定数値を決定する最適化アルゴリズムとしては、非線形最小二乗法（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ）を利用することができ、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔの非線形最小二乗法を利用することもできる。
【００４５】
前記相関式１５０を取得した後、図７及び図８に示すように、実際の厚さを測定しようとする対象層２０を含む測定物に対して厚さを測定する過程を行う。測定物は、対象層２０が基底層１０上に積層され、対象層２０上に空気層３０がある部位と、対象層２０なしで空気層３０と基底層１０とが直接当接する部位と、両部位の間で対象層２０の厚さが０から所定厚さｄ１１まで連続的に変わる傾斜部２５とを備える。ここで、対象層２０は、空気層３０と対象層２０との境界面での干渉信号の最高値と、対象層２０と基底層１０との境界面での干渉信号の最高値とが重なる程度の薄い厚さを有し、実質的には、１μｍ以下である透明な薄膜層である。
【００４６】
対象層２０の厚さｄ１１を測定するために、まず、空気層３０と基底層１０との境界面１３の一方の位置で、基底層１０に垂直な光軸方向Ａ、すなわち、ｚ軸方向に対して第１の干渉信号１６１を求める（Ｓ１２０）。本実施形態において、第１の干渉信号１６１は、空気層３０と基底層１０とが当接する境界面１３に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。また、対象層２０と基底層１０とが当接する境界面１１の一方の位置で、ｚ軸方向に対して第２の干渉信号１７１を求める（Ｓ１３０）。第１の干渉信号１６１と同様に、本実施形態において、第２の干渉信号１７１は、対象層２０と基底層１０とが当接する境界面１１に向けて照射された干渉光の光強度の変化信号である。
【００４７】
次いで、ｚ軸方向に沿って実質的に同じ高さで第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差を求める（Ｓ１４０）。
【００４８】
第１の干渉信号１６１を求めた後、第１の干渉信号１６１で基準になる光強度である第１の信号値１６３を設定するが、望ましくは、第１の干渉信号１６１である光強度の最高値を第１の信号値１６３として設定する。そして、ｚ軸方向に対して第１の信号値１６３が得られる高さを第１の高さとして設定し、第１の信号値１６３の位相を第１の位相として設定する（Ｓ１４１）。また、第２の干渉信号１７１を求めた後、ｚ軸方向に対して第１の高さと実質的に同じ高さに対応する第２の干渉信号１７１の値を第２の信号値１７３として設定する。そして、第２の信号値１７３が得られる位相を第２の位相として設定する（Ｓ１４２）。このように設定された第１の位相と第２の位相との間の差を第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差として設定する（Ｓ１４３）。
【００４９】
第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差を相関式１５０にすぐ代入する前に、その位相差を位相復元（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）した後、位相復元された位相差を相関式１５０に代入することが好ましい。
【００５０】
対象層２０の厚さが連続的に変わる方向、すなわち、図７に示された「Ｂ」方向に沿って空気層３０と基底層１０との境界面１３及び対象層２０と基底層１０との境界面１１の複数の位置で、第１の干渉信号１６１を求めるステップ（Ｓ１２０）と、第２の干渉信号１７１を求めるステップ（Ｓ１３０）と、第１の干渉信号１６１の位相と第２の干渉信号１７１の位相との間の位相差を求めるステップ（Ｓ１４０）とを繰り返すようになると（Ｓ１５１）、複数の位相差情報を求めることができる。
【００５１】
前記複数の位相差情報を利用して「Ｂ」方向に対する位相差のグラフを算出すれば、図９に示されたグラフ１８１を得ることができる（Ｓ１５２）。ここで、空気層３０と基底層１０との境界面１３での位相を基準値とし、その値を０に設定する。図９に示すように、第１の信号値１６３の位相と第２の信号値１７３の位相との間の位相差は、−π〜＋π範囲内で値が決定されるので、−π位相差近辺または＋π位相差近辺で不連続点を有するようになる。このような不連続点での位相差は、実際の位相差を反映するのではなく、−π〜＋π範囲内で位相差が決定されることに基づいて不連続点が発生する。対象層２０の厚さが連続的に変わる方向（「Ｂ」方向）に沿って位相差の変化を求めるようになると、たとえ、グラフ１８１上では、下位の不連続点１８２と上位の不連続点１８３とが一致しないが、対象層２０の傾斜部２５形状に基づいて、下位の不連続点１８２と上位の不連続点１８３とが一致する点であることを推論することができる。
【００５２】
したがって、グラフ１８１の下位の不連続点１８２の位相差に２πを足して上位の不連続点１８３と一致させる位相復元を行い、図１０に示すように、位相復元された位相差を求める（Ｓ１５３）。ここで、位相復元時には、空気層３０と基底層１０との境界面１３での位相差を基準とする。すなわち、空気層３０と基底層１０との境界面１３での位相差を含むグラフ部位をそのまま置いた状態で、対象層２０と基底層１０との境界面１１での位相差を含むグラフ部位の各々の位相差に２πを足して位相復元する。このような位相復元によって測定した全ての位置で実際の位相差を反映するグラフ１８５を求めることができるようになる。グラフの形状によって不連続点に４πまたは６πのように、２πの倍数値を足して位相復元過程を行うこともできる。
【００５３】
次に、位相差を相関式１５０に代入して、対象層２０の厚さｄ１１を決定する（Ｓ１６０）。望ましくは、位相復元された位相差を相関式１５０に代入する（Ｓ１６１）。
【００５４】
上述したように構成された本実施形態に係る厚さ測定方法は、干渉信号で互いに異なる最大値を抽出して薄膜層の厚さを測定するのではなく、空気層と基底層との境界面での干渉信号の位相と透明な薄膜層と基底層との境界面での干渉信号の位相との間の位相差を利用して薄膜層の厚さを測定することにより、マイクロ以下の単位の厚さを有する透明な薄膜層の厚さを正確に測定できる効果を得ることができる。
【００５５】
また、予め設けられた複数個のサンプルを用いて透明な薄膜層の厚さと透明な薄膜層及び基底層の境界面で位相差間の相関式を一応求めるようになると、サンプルと同じ材質からなる薄膜層の位相差を求めるだけでも薄膜層の厚さを測定することが可能であるため、厚さ測定にかかる手続及び時間を低減できる効果を得ることができる。
【００５６】
本発明の権利範囲は上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態によって実現できる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有した者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求の範囲の記載の範囲内にあるものとみなす。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 基底層
２０ 対象層
３０ 空気層
１００ 干渉計
１５０ 相関式
１６１ 第１の干渉信号
１６３ 第１の信号値
１７１ 第２の干渉信号
１７３ 第２の信号値
Ｓ１１０ サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップ
Ｓ１２０ 光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップ
Ｓ１３０ 光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップ
Ｓ１４０ 第１の干渉信号の位相と第２の干渉信号の位相との位相差を求めるステップ
Ｓ１６０ 対象層の厚さを決定するステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計を用いて基底層上に積層された対象層の厚さを測定するための厚さ測定方法であって、
前記対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有したサンプル層から前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップと、
空気層と前記基底層との境界面で、前記基底層に入射される光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップと、
前記対象層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップと、
前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、
前記位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定するステップと、
を含むことを特徴とする厚さ測定方法。
【請求項２】
前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップが、
前記第１の干渉信号で基準になる第１の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第１の信号値が得られる高さを第１の高さとして設定し、前記第１の信号値の位相を第１の位相として設定するステップと、
前記第１の高さと実質的に同じ高さで得られる第２の干渉信号の信号値を第２の信号値として設定し、前記第２の信号値の位相を第２の位相として設定するステップと、
前記第１の位相と前記第２の位相との間の位相差を求めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定方法。
【請求項３】
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号が光強度であり、
前記第１の信号値が前記第１の干渉信号の最高値であることを特徴とする請求項２に記載の厚さ測定方法。
【請求項４】
前記相関式を取得するステップが、
一方の厚さを有するサンプル層を設けるステップと、
前記空気層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第３の干渉信号を求めるステップと、
前記サンプル層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第４の干渉信号を求めるステップと、
前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第３の干渉信号の位相と前記第４の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、
他方の厚さを有するサンプル層を設け、そのサンプル層に対して第３の干渉信号を求めるステップと、前記第４の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、
複数の厚さ情報及び複数の位相差情報を利用して曲線合わせ（ｆｉｔｔｉｎｇ）し、前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を決定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定方法。
【請求項５】
前記位相差を求めるステップが、
前記第３の干渉信号で基準になる第３の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第３の信号値が得られる高さを第３の高さとして設定し、前記第３の信号値の位相を第３の位相として設定するステップと、
前記第３の高さと実質的に同じ高さで得られる第４の干渉信号の信号値を第４の信号値として設定し、前記第４の信号値の位相を第４の位相として設定するステップと、
前記第３の位相と前記第４の位相との間の位相差を求めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の厚さ測定方法。
【請求項６】
前記第３の干渉信号及び前記第４の干渉信号が光強度であり、
前記第３の信号値が前記第３の干渉信号の最高値であることを特徴とする請求項５に記載の厚さ測定方法。
【請求項７】
前記相関式が線形部または非線形部を備えることを特徴とする請求項４に記載の厚さ測定方法。
【請求項８】
前記対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って前記空気層と前記基底層との境界面及び前記対象層と前記基底層との境界面の複数の位置で、前記第１の干渉信号を求めるステップと、前記第２の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、
前記複数の位置に対して、前記位相差のグラフを算出するステップと、
前記グラフの不連続点の位相差に２πの倍数を加減して位相復元（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）し、位相復元された位相差を求めるステップと、
をさらに含み、
前記対象層の厚さを決定するステップが、前記位相復元された位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定することを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定方法。
【請求項９】
前記位相復元された位相差を求めるステップが、前記空気層と前記基底層との境界面での位相差を基準とすることを特徴とする請求項８に記載の厚さ測定方法。
【請求項１】
干渉計を用いて基底層上に積層された対象層の厚さを測定するための厚さ測定方法であって、
前記対象層と実質的に同じ材質で設けられ、互いに異なる厚さを有したサンプル層から前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を取得するステップと、
空気層と前記基底層との境界面で、前記基底層に入射される光軸方向に対する第１の干渉信号を求めるステップと、
前記対象層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第２の干渉信号を求めるステップと、
前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、
前記位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定するステップと、
を含むことを特徴とする厚さ測定方法。
【請求項２】
前記第１の干渉信号の位相と前記第２の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップが、
前記第１の干渉信号で基準になる第１の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第１の信号値が得られる高さを第１の高さとして設定し、前記第１の信号値の位相を第１の位相として設定するステップと、
前記第１の高さと実質的に同じ高さで得られる第２の干渉信号の信号値を第２の信号値として設定し、前記第２の信号値の位相を第２の位相として設定するステップと、
前記第１の位相と前記第２の位相との間の位相差を求めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定方法。
【請求項３】
前記第１の干渉信号及び前記第２の干渉信号が光強度であり、
前記第１の信号値が前記第１の干渉信号の最高値であることを特徴とする請求項２に記載の厚さ測定方法。
【請求項４】
前記相関式を取得するステップが、
一方の厚さを有するサンプル層を設けるステップと、
前記空気層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第３の干渉信号を求めるステップと、
前記サンプル層と前記基底層との境界面で、前記光軸方向に対する第４の干渉信号を求めるステップと、
前記光軸方向に対して実質的に同じ高さで、前記第３の干渉信号の位相と前記第４の干渉信号の位相との間の位相差を求めるステップと、
他方の厚さを有するサンプル層を設け、そのサンプル層に対して第３の干渉信号を求めるステップと、前記第４の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、
複数の厚さ情報及び複数の位相差情報を利用して曲線合わせ（ｆｉｔｔｉｎｇ）し、前記サンプル層の厚さに対する位相差の相関式を決定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定方法。
【請求項５】
前記位相差を求めるステップが、
前記第３の干渉信号で基準になる第３の信号値を設定し、前記光軸方向に対して前記第３の信号値が得られる高さを第３の高さとして設定し、前記第３の信号値の位相を第３の位相として設定するステップと、
前記第３の高さと実質的に同じ高さで得られる第４の干渉信号の信号値を第４の信号値として設定し、前記第４の信号値の位相を第４の位相として設定するステップと、
前記第３の位相と前記第４の位相との間の位相差を求めるステップと、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の厚さ測定方法。
【請求項６】
前記第３の干渉信号及び前記第４の干渉信号が光強度であり、
前記第３の信号値が前記第３の干渉信号の最高値であることを特徴とする請求項５に記載の厚さ測定方法。
【請求項７】
前記相関式が線形部または非線形部を備えることを特徴とする請求項４に記載の厚さ測定方法。
【請求項８】
前記対象層の厚さが連続的に変わる方向に沿って前記空気層と前記基底層との境界面及び前記対象層と前記基底層との境界面の複数の位置で、前記第１の干渉信号を求めるステップと、前記第２の干渉信号を求めるステップと、前記位相差を求めるステップとを繰り返すステップと、
前記複数の位置に対して、前記位相差のグラフを算出するステップと、
前記グラフの不連続点の位相差に２πの倍数を加減して位相復元（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）し、位相復元された位相差を求めるステップと、
をさらに含み、
前記対象層の厚さを決定するステップが、前記位相復元された位相差を前記相関式に代入して、前記対象層の厚さを決定することを特徴とする請求項１に記載の厚さ測定方法。
【請求項９】
前記位相復元された位相差を求めるステップが、前記空気層と前記基底層との境界面での位相差を基準とすることを特徴とする請求項８に記載の厚さ測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１１−５０６９９６（Ｐ２０１１−５０６９９６Ａ）
【公表日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３９２７１（Ｐ２０１０−５３９２７１）
【出願日】平成２０年４月１日（２００８．４．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００８／００１８３３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９６６３３
【国際公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（５０９１７０１６５）エスエヌユー プレシジョン カンパニー，リミテッド (12)
【氏名又は名称原語表記】ＳＮＵ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＣＯ．， ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｄｏｎｇ−ａ ｔｏｗｎ ＃２０１， Ｂｏｎｇ−ｃｈｕｎ ７−ｄｏｎｇ １６９２−２，Ｋｗａｎａｋ−ｇｕ，Ｓｅｏｕｌ １５２−８１８（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１日（２００８．４．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００８／００１８３３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９６６３３
【国際公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【出願人】（５０９１７０１６５）エスエヌユー プレシジョン カンパニー，リミテッド (12)
【氏名又は名称原語表記】ＳＮＵ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＣＯ．， ＬＴＤ．
【住所又は居所原語表記】Ｄｏｎｇ−ａ ｔｏｗｎ ＃２０１， Ｂｏｎｇ−ｃｈｕｎ ７−ｄｏｎｇ １６９２−２，Ｋｗａｎａｋ−ｇｕ，Ｓｅｏｕｌ １５２−８１８（ＫＲ）
【Ｆターム（参考）】
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