膜厚測定装置
【課題】光学系の収差の影響を排除して薄膜の膜厚の測定精度を向上させる。
【解決手段】光検出器７は、試料１である薄膜にスポット光を照射したときにおける該薄膜からの反射光の輝度を、対物レンズ２を介して検出する。リファレンスメモリ１６には、対物レンズ２からの光軸方向の距離と該距離の位置より対物レンズ２へ向かう光の光検出器７により検出される輝度との関係を示す基準データが格納される。顕微鏡制御部１１は、該薄膜の対物レンズ２からの距離を光軸方向に変化させて、該距離と光検出器７で検出される輝度との関係を示す測定データを取得する。膜位置検出部１７は、基準データ及び測定データに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離を特定する。フィッティング計測部１８は、膜位置検出部１７により特定された距離に基づいて、該薄膜の膜厚を取得する。
【解決手段】光検出器７は、試料１である薄膜にスポット光を照射したときにおける該薄膜からの反射光の輝度を、対物レンズ２を介して検出する。リファレンスメモリ１６には、対物レンズ２からの光軸方向の距離と該距離の位置より対物レンズ２へ向かう光の光検出器７により検出される輝度との関係を示す基準データが格納される。顕微鏡制御部１１は、該薄膜の対物レンズ２からの距離を光軸方向に変化させて、該距離と光検出器７で検出される輝度との関係を示す測定データを取得する。膜位置検出部１７は、基準データ及び測定データに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離を特定する。フィッティング計測部１８は、膜位置検出部１７により特定された距離に基づいて、該薄膜の膜厚を取得する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は顕微鏡技術に関し、特に、試料である薄膜の膜厚を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ走査型共焦点顕微鏡を使用して試料である薄膜の厚み（膜厚）を測定する技術が従来より提案されている。
例えば、特許文献１には、共焦点光学系の焦点位置にイメージセンサを配置し、試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサの受光光量における２つのピーク位置に基づいて、膜厚を求めるという技術が開示されている。
【０００３】
また、例えば、特許文献２には、積層されている薄膜における低反射率の膜面についてもピーク位置を確実に検出できるようにする技術として、試料と対物レンズとの相対的移動位置と、輝度データとの関係に対しフィッティング処理を実行し、当該処理後における当該相対的移動位置と当該輝度データとの関係から、当該輝度データのピーク位置を特定するという技術が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２１０８１８号公報
【特許文献２】特開２００２−３９７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や特許文献２の技術では、対物レンズの有している収差が、膜面の実際の位置と受光光量（輝度データ）のピーク位置との関係に影響を及ぼして、本来は存在することがない擬似的なピークを生じさせるために、膜厚の測定結果の精度を低下させてしまうことがある。
【０００５】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、光学系の収差の影響を排除して薄膜の膜厚の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】
【０００６】
本発明の態様のひとつである膜厚測定装置は、試料である薄膜にスポット光を照射したときにおける該薄膜からの反射光の輝度を、対物レンズを介して検出する光検出手段と、該対物レンズからの光軸方向の距離と該距離の位置より該対物レンズへ向かう光の該光検出手段により検出される輝度との関係を示す基準データが格納される基準データ格納手段と、該薄膜の該対物レンズからの距離を該光軸方向に変化させて、該距離と該光検出手段で検出される輝度との関係を示す測定データを取得する測定データ取得手段と、該基準データ及び該測定データに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離を特定する輝度極大距離特定手段と、該極大距離特定手段により特定された距離に基づいて、該薄膜の膜厚を取得する膜厚取得手段と、を有するものである。
【０００７】
なお、この膜厚測定装置において、該輝度極大距離特定手段は、該基準データと該測定データとの相関係数を、該基準データにおける該対物レンズからの距離を一様に変化させながら順次算出し、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離に基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離を特定するように構成することができる。
【０００８】
なお、このとき、該輝度極大距離特定手段は、該相関係数における極大を、平滑化微分処理により特定するように構成するこができる。
また、このとき、該輝度極大距離特定手段は、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離の近傍の区間内において、最高の輝度を該測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離として特定し、該近傍の区間は、所定値以上の輝度を該測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離の区間のうち、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、ように構成することができる。
【０００９】
なお、このとき、該測定データに対しフィッティング処理を行って該測定データを近似する関数を求めるフィッティング処理手段を更に有し、該輝度極大距離特定手段は、該近傍の区間内において、最高の輝度を該関数が呈しているときの該対物レンズからの距離を、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離として特定する、ように構成することができる。
【００１０】
また、このとき、該輝度極大距離特定手段は、該相関係数が極大の相関の強さを示す該対物レンズからの距離が１つのみの場合には、該距離の近傍の区間内において、極大の輝度の高さを該測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離として特定し、該近傍の区間は、所定値以上の相関の強さを該相関係数が呈しているときの該対物レンズからの距離の区間のうち、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、ように構成することができる。
【００１１】
また、この膜厚測定装置において、該基準データは、均一な光反射率を有する鏡面試料の該対物レンズからの距離と、該鏡面試料にスポット光を照射したときに該光検出手段により該対物レンズを介して検出される該鏡面試料からの反射光の輝度との関係を示すデータであるように構成することができる。
【００１２】
また、この膜厚測定装置において、該基準データ格納手段には、該対物レンズの倍率に応じた複数の該基準データが格納されており、該輝度極大距離特定手段は、複数の該基準データのうち、該光検出手段による該輝度の検出時に用いていた該対物レンズの倍率についてのものに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、ように構成することができる。
【００１３】
また、この膜厚測定装置において、該基準データ格納手段には、該対物レンズの視野における該膜厚取得手段が該膜厚の取得対象とする位置に応じた複数の該基準データが格納されており、該輝度極大距離特定手段は、複数の該基準データのうち、該膜厚取得手段が取得する該膜厚の該対物レンズの視野における位置についてのものに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、ように構成することができる。
【００１４】
また、この膜厚測定装置において、該測定データに基づいて該薄膜の該光軸方向の断面画像を生成する断面画像生成手段と、所定の指示に応じて、該光軸方向にのみ拡大した該断面画像を生成する拡大断面画像生成手段と、該断面画像生成手段若しくは該拡大断面画像生成手段により生成された断面画像を表示する表示手段と、該表示手段に表示された断面画像に対して指定される該光軸方向の範囲を取得する範囲指定取得手段と、を更に有し、該膜厚取得手段は、該範囲指定取得手段が取得した範囲内で該薄膜の膜厚を取得する、ように構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以上のように構成することにより、光学系の収差の影響が排除されて薄膜の膜厚の測定精度が向上するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図１について説明する。図１は本発明を実施する膜厚測定装置の構成を示している。
【００１７】
図１において、対物レンズ２、対物レンズ切替部３、Ｚ位置検出部４、Ｚ位置制御部５、ハーフミラー６、光検出器７、ミラー８、レーザ光源９、レーザ光源制御部１０、顕微鏡制御部１１、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と略す）１２、及びモニタ１３により、走査型レーザ共焦点顕微鏡が構成されている。
【００１８】
レーザ光源９より発せられるレーザ光はミラー８で反射した後、対物レンズ２を介し、薄膜である試料１へ、スポット光として照射される。
レーザ光源９にはレーザ光源制御部１０が接続されている。レーザ光源制御部１０はレーザ光源９を制御してレーザ光の強度を変化させることができ、また、ミラー８を二次元に振る制御を行うことでレーザ光源９から発せられるレーザ光を試料１上で二次元走査させる。
【００１９】
このレーザ光を照射したときの試料１からの反射光は、対物レンズ２を介した後、ハーフミラー６で反射して光検出器７で集光される。この集光位置にはピンホール（不図示）が配されており、光検出器７が、このピンホールの通過した反射光の強度を輝度として検出する。
【００２０】
対物レンズ切替部３には対物レンズ２が複数種類装着されており、レーザ光の光路に挿入される対物レンズ２を切り替えることができる。
Ｚ位置検出器４は、Ｚ軸方向（対物レンズ２の光軸方向）における試料１に対する対物レンズ２の相対的な位置（Ｚ位置）を検出する。Ｚ位置制御部５は、Ｚ位置の検出結果を取得すると共に、対物レンズ２をＺ軸方向に上下動させてＺ位置の制御を行う。
【００２１】
顕微鏡制御部１１は、試料１である薄膜の対物レンズ２からの距離を光軸方向に変化させて当該距離と光検出器７で検出される輝度との関係を示す測定データ（ＩＺデータ）を取得し、ＰＣ１２へと転送する。更に、顕微鏡制御部１１は、ＰＣ１２からの指示に応じてレーザ光源制御部１０、光検出器７、Ｚ位置制御部５等の動作を制御して各種の情報の授受を行う。
【００２２】
ＰＣ１２は、ごく標準的な構成を有するコンピュータであり、全体の動作制御を行うＭＰＵと、基本制御プログラムが格納されているＲＯＭと、ＭＰＵが制御プログラムを実行する際にワークメモリとして使用するＲＡＭと、ＭＰＵによって実行される各種の制御プログラムや各種のデータを格納しておくハードディスク装置等の記憶部と、例えばキーボードとマウス等のポインティングデバイスとからなり、本装置の使用者（ユーザ）による操作に基づいて使用者からの各種の指示を取得する入力部と、当該入力部、モニタ１３、顕微鏡制御部１１、断面画像メモリ１５、リファレンスメモリ１６、及びＺ位置メモリ１４との間での各種のデータの授受を管理するインタフェース部とを有している。ＰＣ１２は、記憶部に格納されている制御プログラムをＭＰＵが読み込んで実行することにより、後述の膜厚測定処理を構成する各処理を実現し、ＩＺデータに基づいて試料１である薄膜の光軸方向の断面画像を生成する断面画像生成部として、また、所定の指示に応じて光軸方向に拡大した当該断面画像を生成する拡大断面画像生成部として、更には、モニタ１３に表示された断面画像に対して指定される光軸方向の範囲を取得する範囲指定取得部として、それぞれ機能する。更に、ＰＣ１２は、記憶部に格納されている制御プログラムをＭＰＵが読み込んで実行することにより、光検出器７からの信号から画像を生成する処理を行うと共に、画像データの保存、再生、編集などといった各種の処理を担う。
【００２３】
モニタ１３は、ＰＣ１２の画像表示端末であり、試料１の断層画像や後述のＩＺカーブなどの各種画像の表示や必要な各種情報の表示等に使用される。
Ｚ位置メモリ１４は、顕微鏡制御部１１からＰＣ１２へと送られてきたＩＺデータを格納しておくメモリである。
【００２４】
断面画像メモリ１５は、ＰＣ１２により生成された断面画像の画像データを格納しておくメモリである。
リファレンスメモリ１６は、後述するリファレンスデータを格納しておくメモリである。
【００２５】
膜位置検出部１７は、ＰＣ１２により生成された断面画像に対して指定される光軸方向の範囲内のＩＺデータとリファレンスメモリ１５に格納しておいたリファレンスデータとに基づいて、当該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離を特定し、当該距離の位置を試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。
【００２６】
フィッティング計測部１８は、ＩＺデータに対しフィッティング処理を行ってＩＺデータを近似する関数を求め、膜位置検出部１７による特定結果により定まる後述の所定の区間内において最高の輝度を当該関数が呈しているときの対物レンズ２からの距離を、当該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離として特定して、当該距離の位置を試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。そして、この特定された距離に基づいて当該薄膜の膜厚を取得する。また、フィッティング計測部１８は、フィッティング処理を行わない場合には、膜位置検出部１７により特定された距離に基づいて当該薄膜の膜厚を取得する。
【００２７】
ＩＺカーブ作成部１９は、ＰＣ１２により生成された断面画像に対して指定される光軸方向の範囲内のＩＺデータに基づいて、当該薄膜の対物レンズ２からの距離と光検出器７により検出される輝度との関係を示すグラフ（ＩＺカーブ）を作成する。
【００２８】
本発明を実施する膜厚測定装置は、以上の構成を有している。
次に、この膜厚測定装置により行われる試料１である薄膜の膜厚の測定手法について説明する。
【００２９】
まず、膜厚の測定を行う前に、リファレンスデータの取得を行う。
リファレンスデータは、対物レンズ２からの光軸上の距離と当該距離の位置より対物レンズ２へ向かう光の光検出器７により検出される輝度との関係を示す基準データである。
【００３０】
リファレンスデータを取得するには、図１の膜厚測定装置において、例えば試料１としてミラー（均一な光反射率を有する鏡面試料）を載置した上でユーザがＰＣ１２の入力部を操作して顕微鏡制御部１１へ指示を与え、レーザ光源制御部１０及びＺ位置制御部５を制御させて、レーザ光源９から発せられるレーザ光を試料１であるミラー上で二次元走査させながら、対物レンズ２をＺ軸方向に上下動させる。そして、このときに光検出器７で検出される当該ミラーからの反射光の輝度を顕微鏡制御部１１に取得させ、対物レンズ２から試料１であるミラーまでの距離（Ｚ位置）と当該ミラーから対物レンズ２へ向かう反射光の光検出器７により検出される輝度Ｉとの関係を示すデータを、リファレンスデータとしてＰＣ１２へ転送させる。ＰＣ１２は、受け取ったリファレンスデータを、リファレンスメモリ１６に格納しておく。
【００３１】
リファレンスデータのデータ例を図２に示す。同図は、リファレンスデータをＩＺ座標上に表したものである。ここで、横軸はＺ位置、すなわち対物レンズ２から試料１であるミラーまでの距離を示しており、縦軸は輝度Ｉ、すなわち、光検出器７により検出された、当該ミラーから対物レンズ２へ向かう反射光の輝度である。
【００３２】
図２に示した曲線を参照すると、幾つかのピーク（ミラーからの反射光の輝度が極大の高さとなる点）を見つけることができる。一般に、このピークのうちの最大のもの（ミラーからの反射光の輝度が最高となる点）のＺ位置が、対物レンズ２から試料１であるミラーまでの真の距離を示している。なお、この他のピークは、対物レンズ２の有している収差が生じさせている擬似的なピークである。以降、この擬似的なピークを「擬似ピーク」と称することとする。
【００３３】
なお、対物レンズ２の収差の影響は対物レンズの種類（例えば、倍率等）により異なるので、リファレンスメモリ１６には、対物レンズ２の種類（例えば、倍率等）に応じた複数のリファレンスデータを格納しておくようにする。また、対物レンズ２の収差の影響は、Ｘ方向（対物レンズ光軸方向に垂直な方向）の位置（Ｘ位置）や、Ｙ方向（対物レンズ光軸方向に垂直な方向）の位置（Ｙ位置）によっても異なるので、リファレンスメモリ１６には、対物レンズ２の視野において試料１である薄膜の膜厚の取得対象とする位置に応じた複数のリファレンスデータを格納しておくようにする。なお、本実施形態では、Ｘ位置に応じ、１つの対物レンズ２に対し、視野の中央部と、視野の両端部とで計３種類のリファレンスデータを、リファレンスメモリ１６に格納しておくようにしているが、Ｙ位置に応じ、１つの対物レンズ２に対し、視野の中心部と、視野の両端部とで計３種類のリファレンスデータを、リファレンスメモリ１６に格納しても良いし、また、リファレンスデータの種類は、3種類よりも少なくても、多くても良い。
【００３４】
以上のようにしてリファレンスデータの取得が完了すると、次に、図１の膜厚測定装置において、膜厚測定の対象である薄膜を試料１として載置し、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して顕微鏡制御部１１へ指示を与え、レーザ光源制御部１０及びＺ位置制御部５を制御させて、レーザ光源９から発せられるレーザ光を試料１上で二次元走査させながら、対物レンズ２をＺ軸方向に上下動させる。そして、このときに光検出器７で検出される試料１からの反射光の輝度を顕微鏡制御部１１に取得させ、対物レンズ２から試料１までの距離（Ｚ位置）と試料１から対物レンズ２へ向かう反射光の光検出器７により検出される輝度Ｉとの関係を示すデータを、ＩＺデータとしてＰＣ１２へ転送させる。ＰＣ１２は、受け取ったＩＺデータを、Ｚ位置メモリ１４に格納しておく。
【００３５】
次に、ＰＣ１２は、膜厚測定の対象とする薄膜の位置をユーザに指定させる際に利用されるＸＺ画像をＩＺデータに基づいて生成する。
ＸＺ画像は、薄膜のＺ方向の断面画像である。従って、顕微鏡制御部１１は、対物レンズ２の視野内におけるＸ方向の各位置について、当該位置毎のＩＺデータを取得しておくようにし、ＰＣ１２は、Ｘ位置及びＺ位置で特定されるＸＺ座標上の点に、ＩＺデータにおいてＸ位置及びＺ位置に対応付けられている輝度の画素を配置することで、ＸＺ画像を生成する。なお、本実施形態では、ＸＺ画像を生成するようにしたが、対物レンズ２の視野内におけるＹ方向の各位置について、当該位置毎のＩＺデータを取得しておくようにし、ＰＣ１２は、Ｙ位置及びＺ位置で特定されるＹＺ座標上の点に、ＩＺデータにおいてＹ位置及びＺ位置に対応付けられている輝度の画素を配置することで、ＹＺ画像を生成するようにしても良い。
【００３６】
ＰＣ１２は、生成されたＸＺ画像をモニタ１３に表示すると共に、このＸＺ画像の画像データを断面画像メモリ１５に格納する。
ユーザは、入力部を操作して、モニタ１３に表示されているＸＺ画像に対し、膜厚測定の対象とする薄膜のＸ位置を指定する。すると、ＰＣ１２は、このＸ位置のＩＺデータと、このＸ位置での膜厚測定に使用するリファレンスデータとを膜位置検出部１７に与える。
【００３７】
膜位置検出部１７は、薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離を特定するために、まず、与えられたリファレンスデータとＩＺデータとの相関係数を、リファレンスデータにおける対物レンズ２からの距離を一様に変化させながら順次算出する。図３は、この相関係数の算出の様子を示したものである。
【００３８】
図３において、ＩＺ座標上に示されている実線の曲線は、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータについてのＩＺカーブ（Ｚ位置と光検出器７により検出される輝度Ｉとの関係を示すデータを示す曲線）であり、点線の曲線は、リファレンスデータを示している。
【００３９】
膜位置検出部１７は、図３に矢印で示されているように、リファレンスデータを図中のＡの位置からＢの位置へと、その曲線形状を維持したままで移動させながら（すなわち、リファレンスデータにおける対物レンズ２からの距離を一様に変化させながら）、リファレンスデータとＩＺカーブとの相関係数値を各Ｚ位置において算出する。図３に示されている破線の曲線は、このようにして算出された相関係数値とＺ位置との関係をグラフ化したものである。
【００４０】
相関係数ρx,yの算出は、下記の式を計算することにより行われる。
【００４１】
【数１】
但し、上記［数１］式において、
【００４２】
【数２】
である。ここで、ｘj及びｙjは、それぞれＺ位置がｊ（但し、ｊ＝１、…、ｎ）であるときのＩＺデータ及び移動時のリファレンスデータであり、μx及びμyは、それぞれｘj及びｙjの平均値である。なお、相関係数ρx,yは正規化されており、
【００４３】
【数３】
が成立する。
【００４４】
次に、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置、すなわち、相関係数が極大の相関の強さを示したときのＺ位置を検出する。このＺ位置の検出は、相関係数値の曲線に含まれるノイズの影響を軽減するために、平滑化微分法を採用する。
【００４５】
平滑化微分法は、曲線のピークの判定対象点を中心として対称となる前後の点で値の差を求め、その差に重み付けを与えて積算することで、その判定対象点の微分値を求めるというものである。
【００４６】
今、判定対象点Ｉ（＝１、２、３、…）における相関係数値をＤ（Ｉ）とすると、判定対象点Ｉにおける平滑化微分法による微分値Ｐ（Ｉ）は、下記の式を計算することにより求まる。
【００４７】
【数４】
なお、上記［数４］式において、Ｊは平滑化区間である。
【００４８】
図４は、例えばＪ＝５としたときの平滑化における重みを図示したものである。
膜位置検出部１７は、Ｉの増加に対し、以上のようして求めた微分値Ｐ（Ｉ）の値の符号が正から負へと変化したときのＩのＺ位置を、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置として検出する。
【００４９】
次に、膜位置検出部１７は、以上のようにして求めた、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置に基づいて、試料１である薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２から当該薄膜までの距離を特定する。このために、膜位置検出部１７は、当該Ｚ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をＩＺデータが呈しているときの対物レンズ２からの距離を、反射光の輝度が極大の高さ（ピーク）となるときの距離として特定する。この膜位置検出部１７の動作について、図５を用いて説明する。
【００５０】
図５は、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータを表すＩＺカーブ例と、このＩＺデータ及び図２に例示したリファレンスデータに基づいて算出された相関係数値の曲線とを示したものである。ここで、実線の曲線がＩＺカーブであり、破線の曲線が相関係数値の曲線である。
【００５１】
この図５の例では、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をＩＺデータが呈しているときのＺ位置として、「１１５」及び「２１０」の２つの位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。
【００５２】
以上のようにして膜位置検出部１７が反射光の輝度がピークとなるときの距離を特定する一方で、フィッティング計測部１８は、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータに対しフィッティング処理を行ってＩＺデータを近似する関数を求める。
【００５３】
本実施形態においては、理想曲線としてガウス曲線を使用する。フィッティング計測部１８は、フィッティング処理として、このガウス曲線とＩＺデータである輝度値との誤差距離が最小になるように曲線近似を行うことで、この近似した曲線を表す関数を数学的に求めることで、ＩＺデータを近似する関数を求める。
【００５４】
フィッティング計測部１８は、以上のようにしてＩＺデータを近似する関数を求めたときには、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をその関数が呈しているときのＺ位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。このように、試料１である薄膜のＺ方向位置の検出にフィッティング処理を用いることにより、離散データであるＩＺデータからＺ位置を特定する場合よりも、反射光の輝度がピークとなるときのＺ位置を特定するときの精度の向上が期待できる。
【００５５】
なお、膜位置検出部１７及びフィッティング計測部１８は、所定値以上の輝度をＩＺデータが呈しているときのＺ位置の区間のうち、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置を含む区間を、当該ピークのＺ位置の近傍の区間とする。
【００５６】
その後、フィッティング計測部１８は、以上のようにして特定されたＺ位置の値の差を算出する。こうして得られた差の値が、試料１である薄膜の測定対象位置の膜厚の測定結果となる。なお、ここで、フィッティング計測部１８は、ユーザからの指示によりフィッティング処理を行わない場合には、膜位置検出部１７により特定されたＺ位置を膜位置検出部１７から取得し、取得したＺ位置の値の差を算出して、試料１である薄膜の測定対象位置の膜厚の測定結果を求める。求められた膜厚の測定結果はＰＣ１２へと送られ、ＰＣ１２はこの測定結果の値をモニタ１３に表示する。
【００５７】
図１の膜厚測定装置による膜厚の測定は、以上のようにして行われる。
なお、図５に例示した相関係数値の曲線では、２つのピークが明確に現れているが、例えば試料１である薄膜における測定対象部位の膜厚が極めて薄い場合には、この２つのピークが近づくために、相関係数値の曲線にピークが１つしか現れない場合がある。この場合には、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線における唯一のピークのＺ位置の近傍の区間内で、ＩＺデータにおいて輝度がピークを呈しているときのＺ位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。この膜位置検出部１７の動作について、図６を用いて説明する。
【００５８】
図６は、図５と同様、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータを表すＩＺカーブ例と、このＩＺデータ及び図２に例示したリファレンスデータに基づいて算出された相関係数値の曲線とを示したものである。ここで、実線の曲線がＩＺカーブであり、破線の曲線が相関係数値の曲線である。
【００５９】
この図５の例では、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線における唯一のピークのＺ位置の近傍の区間内において、ＩＺデータにおいて輝度がピークを呈しているときのＺ位置として、「１４５」及び「１７７」の２つの位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。
【００６０】
なお、膜位置検出部１７は、所定値以上の相関の強さを相関係数が呈しているときのＺ位置の区間のうち、相関係数値の曲線における唯一のピークのＺ位置を含む区間を、当該ピークのＺ位置の近傍の区間とする。
【００６１】
次に、図１に示した膜厚測定装置により行われる膜厚測定処理について説明する。
なお、以下の説明では、対物レンズ２の倍率と対物レンズ２の視野における膜厚の取得対象位置とに応じた全てのリファレンスデータが、既にリファレンスメモリ１５に格納されているものとする。
【００６２】
まず、膜厚測定の開始に先立ち、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して膜厚測定のための設定要求を指示すると、ＰＣ１２は、図７に例示したパラメータ設定画面をモニタ１３に表示させる。ユーザは、入力部を操作してこのパラメータ設定画面に示されている各パラメータの値を変更した後に、「設定」ボタンアイコンを押下する操作を行うと、ＰＣ１２は、当該変更後の値を各パラメータの値として設定する。
【００６３】
ここで、パラメータ設定画面に示されている各パラメータについて、画面の上部に配置されているものから順に説明する。
「平均回数」パラメータは、前述した平滑化微分法による微分値Ｐ（Ｉ）の算出のときの平滑化区間を設定するためのものである。
【００６４】
「最小相関係数」パラメータは、膜位置検出部１７が、相関係数値の曲線からピークのＺ位置を検出する際の検出範囲を設定するためのパラメータである。ここで、「最小相関係数」パラメータにより、相関係数値の曲線における検出範囲とする相関係数の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線において、相関係数値が「最小相関係数」パラメータの値以上である範囲から、当該曲線におけるピークのＺ位置を検出する。
【００６５】
「最小輝度値」パラメータは、膜位置検出部１７が、反射光の輝度がピークとなるときのＺ位置を、ＩＺデータから検出する際の検出範囲とする輝度の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、ＩＺデータにおいて、反射光の輝度が「最小輝度値」パラメータの値以上である区間のうち、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置を含む区間を、上記の「近傍の区間」として設定する。
【００６６】
「輝度ピークサーチ」における「最小相関係数」パラメータは、相関係数値の曲線にピークが１つしか現れない場合に、膜位置検出部１７が、ＩＺデータから反射光の輝度がピークとなるときのＺ位置を検出する際の検出範囲である、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置の近傍の区間を設定するためのパラメータである。ここで、この「最小相関関数」パラメータにより、検出範囲とする相関係数の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線において、相関係数値がこの「最小相関係数」パラメータの値以上である区間のうち、当該曲線における唯一のピークのＺ位置を含む区間を、上記の「近傍の区間」として設定する。
【００６７】
「輝度ピークサーチ」における「最小輝度値」パラメータは、相関係数値の曲線にピークが１つしか現れない場合に、膜位置検出部１７が上記の「近傍の区間」から検出した反射光の輝度がピークとなるＺ位置を、試料１である薄膜のＺ位置として認めるか否かを膜位置検出部１７が決定する基準を設定するためのパラメータである。この「最小輝度値」パラメータには、薄膜のＺ位置として認める輝度値の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、「近傍の区間」から検出した反射光の輝度のピーク値が、この「最小輝度値」パラメータの値以上であれば、このピークを呈するＺ位置を、薄膜のＺ位置として認める。
【００６８】
以上の各パラメータの設定完了後、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して膜厚測定の開始を指示すると、図１に示した膜厚測定装置は、膜厚測定処理を開始する。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃは、この膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示したものである。
【００６９】
膜厚測定処理が開始されると、まず、図８ＡのＳ１０１において、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、ＩＺデータを取得するＺ位置の範囲（Ｚ位置制御部５が対物レンズ２を上下動させるときの開始位置及び終了位置）の指示を取得する処理をＰＣ１２が行う。
【００７０】
次に、Ｓ１０２では、ＰＣ１２からの指示に応じ、膜位置検出部１７が、光路に現在挿入されている対物レンズ２の倍率に応じた全てのリファレンスデータをリファレンスメモリ１６から読み出す処理を行う。
【００７１】
次に、Ｓ１０３では、顕微鏡制御部１１に指示を与え、Ｚ位置制御部５を制御させて試料１である薄膜の対物レンズ２からの距離を光軸方向に変化させて、対物レンズ２の視野内における各Ｘ位置についてのＩＺデータを取得させてＰＣ１２へ転送させる処理をＰＣ１２が行う。これと共に、送られてきたＩＺデータをＺ位置メモリ１４に記憶させる処理をＰＣ１２が行う。
【００７２】
次に、Ｓ１０４では、Ｚ位置メモリ１４に記憶されているＩＺデータを読み出し、読み出したＩＺデータに基づいて、試料１である薄膜のＸＺ画像（光軸方向の断面画像）を前述したようにして作成する処理をＰＣ１２が行う。
【００７３】
次に、Ｓ１０５では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、ＸＺ画像のＺ軸方向（光軸方向）への拡大指示を取得しているか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。
このＳ１０５の判定処理において、当該指示を取得していると判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）には、Ｓ１０６に処理を進めて、Ｓ１０４の処理により作成したＸＺ画像を光軸方向（Ｚ軸方向）にのみ所定倍拡大する処理をＰＣ１２が行い、続くＳ１０７において、拡大したＸＺ画像をモニタ１３に表示させる処理をＰＣ１２が行う。一方、Ｓ１０５の判定処理において、当該指示を取得していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には、Ｓ１０６の処理を行うことなくＳ１０７に処理を進めて、Ｓ１０４の処理により作成したＸＺ画像をモニタ１３に表示させる処理をＰＣ１２が行う。
【００７４】
ここで図９Ａ及び図９Ｂについて説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、膜厚測定処理によりモニタ１３に表示される画面例を示している。ここで、図９Ａは、ＸＺ画像のＺ軸方向への拡大指示がない場合の画面例であり、図９Ｂは、当該拡大指示がある場合の画面例である。
【００７５】
図９Ａにおいて、薄膜の光軸方向の断面画像であるＸＺ画像２１ａは、Ｚ軸方向への拡大を行っていない。これに対し、図９Ｂに示すＸＺ画像２１ｂは、ＸＺ画像２１ａをＺ軸方向にのみ拡大したものである。なお、図９ＡにおけるＩＺカーブ表示２２ａは、ＸＺ画像２１ａに対し指定されている計測位置（Ｘ方向の位置）におけるＩＺデータについてのＩＺカーブであり、図９ＢにおけるＩＺカーブ表示２２ｂは、ＸＺ画像２１ｂに対し指定されている計測位置におけるＩＺデータについてのＩＺカーブである。
【００７６】
このように、試料１である薄膜の断面画像を拡大して表示することにより、例えば試料１である薄膜における測定対象部位の膜厚が極めて薄い場合でも、その膜の境界位置をユーザが容易に視認することができる。また、試料１である薄膜の断面画像を光軸方向にのみ拡大し、他の方向には拡大しないで表示することで、Ｘ方向上で行う当該薄膜における膜厚計測位置（ＩＺカーブの描画位置）の設定のための入力操作量を、当該断面画像を拡大しないで表示する場合から増加させてしまう（例えば計測位置を表示させるための拡大断面画像のＸ方向へのスクロール操作など）ことが無い。
【００７７】
図８Ａの説明へ戻る。
Ｓ１０７の処理に続くＳ１０８では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、表示中のＸＺ画像に対し指定されるＩＺカーブの描画位置（図９Ａ及び図９Ｂにおける「計測位置」）の指示を取得する処理をＰＣ１２が行う。
【００７８】
次に、Ｓ１０９では、ＩＺカーブの描画位置の指示を取得したか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。ここで、当該指示を取得したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１１０（図８Ｂ）に処理を進める。一方、当該指示を取得していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１０８へ処理を戻し、当該指示の取得処理を繰り返す。
【００７９】
処理は図８Ｂに移り、Ｓ１１０では、Ｓ１０８の処理により取得した指示に係るＩＺカーブの描画位置のＩＺデータをＺ位置メモリ１４から読み出し、読み出したＩＺデータに基づいてＩＺカーブを作成する処理をＩＺカーブ作成部１９が行い、作成されたＩＺカーブのデータを受け取って、図９Ａ及び図９Ｂに例示したＩＺカーブ表示２２ａ及び２２ｂのようにモニタ１３に当該ＩＺカーブを表示する処理をＰＣ１２が行う。
【００８０】
次に、Ｓ１１１では、Ｓ１０２（図８Ａ）の処理により読み出していた、光路に現在挿入されている対物レンズ２の倍率に応じたリファレンスデータから、Ｓ１０８の処理によりＰＣ１２が取得した指示に係るＩＺカーブの描画位置に対応するＸ位置についてのものを選択する処理を、膜位置検出部１７が行う。
【００８１】
次に、Ｓ１１２では、リファレンスデータにおける対物レンズ２からの距離を一様に変化させながら、リファレンスデータとＩＺカーブとの相関係数値を各Ｚ位置において算出する処理を膜位置検出部１７が前述したようにして行う。
【００８２】
次に、Ｓ１１３では、相関係数値の曲線におけるピーク（極大の相関の強さ）のＺ位置を検出する処理を、膜位置検出部１７が、前述したように平滑化微分法を用いて行う。なお、この処理において、図７に例示したパラメータ設定画面を利用して設定した「平均回数」パラメータの設定値が用いられる。
【００８３】
次に、Ｓ１１４では、Ｓ１１３の処理により検出されたピークのＺ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をＩＺデータが呈しているときのＺ位置をＩＺデータから抽出する処理を、膜位置検出部１７が行う。なお、このときの「近傍の区間」は、図７に例示したパラメータ設定画面を利用して設定した「最小輝度値」パラメータ（図７の画面で上の方に配置されているもの）の値に基づき、前述したようにして設定される。
【００８４】
次に、Ｓ１１５では、Ｓ１１３のピーク検出処理において、相関係数値の曲線におけるピークが２つ以上検出されていたか否かを判定する処理を膜位置検出部１７が行う。ここで、ピークが２つ以上検出されていたと判定したとき（判定結果Ｙｅｓのとき）にはＳ１１８に処理を進める。一方、ピークが１つのみ検出されていたと判定したとき（判定結果Ｎｏのとき）にはＳ１１６に処理を進める。
【００８５】
Ｓ１１６では、唯１つである相関係数値の曲線のピークのＺ位置の近傍の区間、すなわち、当該ピークのＺ位置を含み、相関係数値が、図７に例示したパラメータ設定画面を利用して設定した、「輝度ピークサーチ」における「最小相関係数」パラメータの値以上である区間を決定する処理を膜位置検出部１７が行う。
【００８６】
Ｓ１１７では、Ｓ１１６の処理によって決定された近傍の区間内で、ＩＺデータにおいて輝度がピーク（極大の高さ）を呈しているときのＺ位置を、ＩＺデータから抽出する処理を、膜位置検出部１７が行う。
【００８７】
Ｓ１１８では、Ｓ１１４及びＳ１１７の処理により抽出された全てのＺ位置（すなわち、膜の位置を示すＺ位置）の情報を膜位置検出部１７から受け取り、モニタ１３に表示中のＩＺカーブに当該Ｚ位置を全て表示させる処理をＰＣ１２が行う。
【００８８】
このＳ１１８の処理による、ＩＺカーブ上での膜位置の表示例を図１０に示す。この表示例では、膜位置を示しているＺ位置を、直線によりＩＺカーブ上に表示している。
なお、図１０の表示例では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して、モニタ１３の表示画面上で当該直線にカーソルを近づけると、ＰＣ１２が、この直線で示されているＺ位置における相関係数値と、ＩＺデータにおける輝度値とを、ツールチップで表示する処理を行う例を示している。
【００８９】
処理は図８Ｃへ進み、Ｓ１１９では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、ＩＺカーブ上に表示中のＺ位置（膜位置）より、膜厚測定の対象とするＺ位置の選択を示す指示を取得する処理をＰＣ１２が行う。
【００９０】
次に、Ｓ１２０では、膜厚測定の対象とするＺ位置の選択の指示を取得したか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。ここで、当該指示を取得したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２１に処理を進める。一方、当該指示を取得していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１１９へ処理を戻し、当該指示の取得処理を繰り返す。
【００９１】
次に、Ｓ１２１では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して事前に行う、フィッティング処理の実行指示を受けていたか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。ここで、当該実行指示を受けていたと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２２に処理を進める。一方、当該実行指示を受けていたと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２３に処理を進める。
【００９２】
次に、Ｓ１２２では、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータを近似する関数を求めるフィッティング処理をフィッティング計測部１８が前述したようにして行う。そして、Ｓ１１９の処理により取得した指示に係る膜厚測定の対象とするＺ位置を、フィッティング処理により得られた関数に基づいて得られるＺ位置に変更する処理をフィッティング計測部１８が行う。
【００９３】
次に、Ｓ１２３では、Ｓ１１９の処理により取得した指示に係る膜厚測定の対象とするＺ位置の差、若しくは、Ｓ１２２の処理による変更後のＺ位置の値の差を計算することで、膜厚測定対象の膜厚を算出する処理をフィッティング計測部１８が行う。
【００９４】
次に、Ｓ１２４では、Ｓ１２３の算出結果を、測定対象であるＺ位置の膜厚の測定結果として、モニタ１３に表示する処理をＰＣ１２が行い、その後は、この膜厚測定処理を終了する。
【００９５】
以上の膜厚測定処理を図１の膜厚測定装置が行うことにより、試料１である薄膜の膜厚が測定される。
以上のように、本実施形態に係る膜厚測定装置によれば、光学系の収差の影響が排除されるので、薄膜の膜厚の測定精度が向上する。
【００９６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明を実施する膜厚測定装置の構成を示す図である。
【図２】リファレンスデータのデータ例を示す図である。
【図３】相関係数の算出の様子を示した図である。
【図４】平滑化における重みを示す図である。
【図５】ＩＺカーブと相関係数値の曲線との第一の例を示した図である。
【図６】ＩＺカーブと相関係数値の曲線との第二の例を示した図である。
【図７】パラメータ設定画面の例を示す図である。
【図８Ａ】膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示した図（その１）である。
【図８Ｂ】膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示した図（その２）である。
【図８Ｃ】膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示した図（その３）である。
【図９Ａ】膜厚測定処理によりモニタに表示される画面の第一の例を示す図である。
【図９Ｂ】膜厚測定処理によりモニタに表示される画面の第二の例を示す図である。
【図１０】ＩＺカーブ上での膜位置の表示例を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１ 試料
２ 対物レンズ
３ 対物レンズ切替部
４ Ｚ位置検出部
５ Ｚ位置制御部
６ ハーフミラー
７ 光検出器
８ ミラー
９ レーザ光源
１０ レーザ光源制御部
１１ 顕微鏡制御部
１２ パーソナルコンピュータ
１３ モニタ
１４ Ｚ位置メモリ
１５ 断面画像メモリ
１６ リファレンスメモリ
１７ 膜位置検出部
１８ フィッティング計測部
１９ ＩＺカーブ作成部
２１ａ、２１ｂ ＸＺ画像
２２ａ、２２ｂ ＩＺカーブ表示
【技術分野】
【０００１】
本発明は顕微鏡技術に関し、特に、試料である薄膜の膜厚を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ走査型共焦点顕微鏡を使用して試料である薄膜の厚み（膜厚）を測定する技術が従来より提案されている。
例えば、特許文献１には、共焦点光学系の焦点位置にイメージセンサを配置し、試料ステージを対物レンズに対して相対的に上下動させたときのイメージセンサの受光光量における２つのピーク位置に基づいて、膜厚を求めるという技術が開示されている。
【０００３】
また、例えば、特許文献２には、積層されている薄膜における低反射率の膜面についてもピーク位置を確実に検出できるようにする技術として、試料と対物レンズとの相対的移動位置と、輝度データとの関係に対しフィッティング処理を実行し、当該処理後における当該相対的移動位置と当該輝度データとの関係から、当該輝度データのピーク位置を特定するという技術が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２１０８１８号公報
【特許文献２】特開２００２−３９７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や特許文献２の技術では、対物レンズの有している収差が、膜面の実際の位置と受光光量（輝度データ）のピーク位置との関係に影響を及ぼして、本来は存在することがない擬似的なピークを生じさせるために、膜厚の測定結果の精度を低下させてしまうことがある。
【０００５】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、光学系の収差の影響を排除して薄膜の膜厚の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】
【０００６】
本発明の態様のひとつである膜厚測定装置は、試料である薄膜にスポット光を照射したときにおける該薄膜からの反射光の輝度を、対物レンズを介して検出する光検出手段と、該対物レンズからの光軸方向の距離と該距離の位置より該対物レンズへ向かう光の該光検出手段により検出される輝度との関係を示す基準データが格納される基準データ格納手段と、該薄膜の該対物レンズからの距離を該光軸方向に変化させて、該距離と該光検出手段で検出される輝度との関係を示す測定データを取得する測定データ取得手段と、該基準データ及び該測定データに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離を特定する輝度極大距離特定手段と、該極大距離特定手段により特定された距離に基づいて、該薄膜の膜厚を取得する膜厚取得手段と、を有するものである。
【０００７】
なお、この膜厚測定装置において、該輝度極大距離特定手段は、該基準データと該測定データとの相関係数を、該基準データにおける該対物レンズからの距離を一様に変化させながら順次算出し、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離に基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離を特定するように構成することができる。
【０００８】
なお、このとき、該輝度極大距離特定手段は、該相関係数における極大を、平滑化微分処理により特定するように構成するこができる。
また、このとき、該輝度極大距離特定手段は、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離の近傍の区間内において、最高の輝度を該測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離として特定し、該近傍の区間は、所定値以上の輝度を該測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離の区間のうち、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、ように構成することができる。
【０００９】
なお、このとき、該測定データに対しフィッティング処理を行って該測定データを近似する関数を求めるフィッティング処理手段を更に有し、該輝度極大距離特定手段は、該近傍の区間内において、最高の輝度を該関数が呈しているときの該対物レンズからの距離を、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離として特定する、ように構成することができる。
【００１０】
また、このとき、該輝度極大距離特定手段は、該相関係数が極大の相関の強さを示す該対物レンズからの距離が１つのみの場合には、該距離の近傍の区間内において、極大の輝度の高さを該測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離として特定し、該近傍の区間は、所定値以上の相関の強さを該相関係数が呈しているときの該対物レンズからの距離の区間のうち、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、ように構成することができる。
【００１１】
また、この膜厚測定装置において、該基準データは、均一な光反射率を有する鏡面試料の該対物レンズからの距離と、該鏡面試料にスポット光を照射したときに該光検出手段により該対物レンズを介して検出される該鏡面試料からの反射光の輝度との関係を示すデータであるように構成することができる。
【００１２】
また、この膜厚測定装置において、該基準データ格納手段には、該対物レンズの倍率に応じた複数の該基準データが格納されており、該輝度極大距離特定手段は、複数の該基準データのうち、該光検出手段による該輝度の検出時に用いていた該対物レンズの倍率についてのものに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、ように構成することができる。
【００１３】
また、この膜厚測定装置において、該基準データ格納手段には、該対物レンズの視野における該膜厚取得手段が該膜厚の取得対象とする位置に応じた複数の該基準データが格納されており、該輝度極大距離特定手段は、複数の該基準データのうち、該膜厚取得手段が取得する該膜厚の該対物レンズの視野における位置についてのものに基づいて、該薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、ように構成することができる。
【００１４】
また、この膜厚測定装置において、該測定データに基づいて該薄膜の該光軸方向の断面画像を生成する断面画像生成手段と、所定の指示に応じて、該光軸方向にのみ拡大した該断面画像を生成する拡大断面画像生成手段と、該断面画像生成手段若しくは該拡大断面画像生成手段により生成された断面画像を表示する表示手段と、該表示手段に表示された断面画像に対して指定される該光軸方向の範囲を取得する範囲指定取得手段と、を更に有し、該膜厚取得手段は、該範囲指定取得手段が取得した範囲内で該薄膜の膜厚を取得する、ように構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以上のように構成することにより、光学系の収差の影響が排除されて薄膜の膜厚の測定精度が向上するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図１について説明する。図１は本発明を実施する膜厚測定装置の構成を示している。
【００１７】
図１において、対物レンズ２、対物レンズ切替部３、Ｚ位置検出部４、Ｚ位置制御部５、ハーフミラー６、光検出器７、ミラー８、レーザ光源９、レーザ光源制御部１０、顕微鏡制御部１１、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と略す）１２、及びモニタ１３により、走査型レーザ共焦点顕微鏡が構成されている。
【００１８】
レーザ光源９より発せられるレーザ光はミラー８で反射した後、対物レンズ２を介し、薄膜である試料１へ、スポット光として照射される。
レーザ光源９にはレーザ光源制御部１０が接続されている。レーザ光源制御部１０はレーザ光源９を制御してレーザ光の強度を変化させることができ、また、ミラー８を二次元に振る制御を行うことでレーザ光源９から発せられるレーザ光を試料１上で二次元走査させる。
【００１９】
このレーザ光を照射したときの試料１からの反射光は、対物レンズ２を介した後、ハーフミラー６で反射して光検出器７で集光される。この集光位置にはピンホール（不図示）が配されており、光検出器７が、このピンホールの通過した反射光の強度を輝度として検出する。
【００２０】
対物レンズ切替部３には対物レンズ２が複数種類装着されており、レーザ光の光路に挿入される対物レンズ２を切り替えることができる。
Ｚ位置検出器４は、Ｚ軸方向（対物レンズ２の光軸方向）における試料１に対する対物レンズ２の相対的な位置（Ｚ位置）を検出する。Ｚ位置制御部５は、Ｚ位置の検出結果を取得すると共に、対物レンズ２をＺ軸方向に上下動させてＺ位置の制御を行う。
【００２１】
顕微鏡制御部１１は、試料１である薄膜の対物レンズ２からの距離を光軸方向に変化させて当該距離と光検出器７で検出される輝度との関係を示す測定データ（ＩＺデータ）を取得し、ＰＣ１２へと転送する。更に、顕微鏡制御部１１は、ＰＣ１２からの指示に応じてレーザ光源制御部１０、光検出器７、Ｚ位置制御部５等の動作を制御して各種の情報の授受を行う。
【００２２】
ＰＣ１２は、ごく標準的な構成を有するコンピュータであり、全体の動作制御を行うＭＰＵと、基本制御プログラムが格納されているＲＯＭと、ＭＰＵが制御プログラムを実行する際にワークメモリとして使用するＲＡＭと、ＭＰＵによって実行される各種の制御プログラムや各種のデータを格納しておくハードディスク装置等の記憶部と、例えばキーボードとマウス等のポインティングデバイスとからなり、本装置の使用者（ユーザ）による操作に基づいて使用者からの各種の指示を取得する入力部と、当該入力部、モニタ１３、顕微鏡制御部１１、断面画像メモリ１５、リファレンスメモリ１６、及びＺ位置メモリ１４との間での各種のデータの授受を管理するインタフェース部とを有している。ＰＣ１２は、記憶部に格納されている制御プログラムをＭＰＵが読み込んで実行することにより、後述の膜厚測定処理を構成する各処理を実現し、ＩＺデータに基づいて試料１である薄膜の光軸方向の断面画像を生成する断面画像生成部として、また、所定の指示に応じて光軸方向に拡大した当該断面画像を生成する拡大断面画像生成部として、更には、モニタ１３に表示された断面画像に対して指定される光軸方向の範囲を取得する範囲指定取得部として、それぞれ機能する。更に、ＰＣ１２は、記憶部に格納されている制御プログラムをＭＰＵが読み込んで実行することにより、光検出器７からの信号から画像を生成する処理を行うと共に、画像データの保存、再生、編集などといった各種の処理を担う。
【００２３】
モニタ１３は、ＰＣ１２の画像表示端末であり、試料１の断層画像や後述のＩＺカーブなどの各種画像の表示や必要な各種情報の表示等に使用される。
Ｚ位置メモリ１４は、顕微鏡制御部１１からＰＣ１２へと送られてきたＩＺデータを格納しておくメモリである。
【００２４】
断面画像メモリ１５は、ＰＣ１２により生成された断面画像の画像データを格納しておくメモリである。
リファレンスメモリ１６は、後述するリファレンスデータを格納しておくメモリである。
【００２５】
膜位置検出部１７は、ＰＣ１２により生成された断面画像に対して指定される光軸方向の範囲内のＩＺデータとリファレンスメモリ１５に格納しておいたリファレンスデータとに基づいて、当該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離を特定し、当該距離の位置を試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。
【００２６】
フィッティング計測部１８は、ＩＺデータに対しフィッティング処理を行ってＩＺデータを近似する関数を求め、膜位置検出部１７による特定結果により定まる後述の所定の区間内において最高の輝度を当該関数が呈しているときの対物レンズ２からの距離を、当該薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離として特定して、当該距離の位置を試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。そして、この特定された距離に基づいて当該薄膜の膜厚を取得する。また、フィッティング計測部１８は、フィッティング処理を行わない場合には、膜位置検出部１７により特定された距離に基づいて当該薄膜の膜厚を取得する。
【００２７】
ＩＺカーブ作成部１９は、ＰＣ１２により生成された断面画像に対して指定される光軸方向の範囲内のＩＺデータに基づいて、当該薄膜の対物レンズ２からの距離と光検出器７により検出される輝度との関係を示すグラフ（ＩＺカーブ）を作成する。
【００２８】
本発明を実施する膜厚測定装置は、以上の構成を有している。
次に、この膜厚測定装置により行われる試料１である薄膜の膜厚の測定手法について説明する。
【００２９】
まず、膜厚の測定を行う前に、リファレンスデータの取得を行う。
リファレンスデータは、対物レンズ２からの光軸上の距離と当該距離の位置より対物レンズ２へ向かう光の光検出器７により検出される輝度との関係を示す基準データである。
【００３０】
リファレンスデータを取得するには、図１の膜厚測定装置において、例えば試料１としてミラー（均一な光反射率を有する鏡面試料）を載置した上でユーザがＰＣ１２の入力部を操作して顕微鏡制御部１１へ指示を与え、レーザ光源制御部１０及びＺ位置制御部５を制御させて、レーザ光源９から発せられるレーザ光を試料１であるミラー上で二次元走査させながら、対物レンズ２をＺ軸方向に上下動させる。そして、このときに光検出器７で検出される当該ミラーからの反射光の輝度を顕微鏡制御部１１に取得させ、対物レンズ２から試料１であるミラーまでの距離（Ｚ位置）と当該ミラーから対物レンズ２へ向かう反射光の光検出器７により検出される輝度Ｉとの関係を示すデータを、リファレンスデータとしてＰＣ１２へ転送させる。ＰＣ１２は、受け取ったリファレンスデータを、リファレンスメモリ１６に格納しておく。
【００３１】
リファレンスデータのデータ例を図２に示す。同図は、リファレンスデータをＩＺ座標上に表したものである。ここで、横軸はＺ位置、すなわち対物レンズ２から試料１であるミラーまでの距離を示しており、縦軸は輝度Ｉ、すなわち、光検出器７により検出された、当該ミラーから対物レンズ２へ向かう反射光の輝度である。
【００３２】
図２に示した曲線を参照すると、幾つかのピーク（ミラーからの反射光の輝度が極大の高さとなる点）を見つけることができる。一般に、このピークのうちの最大のもの（ミラーからの反射光の輝度が最高となる点）のＺ位置が、対物レンズ２から試料１であるミラーまでの真の距離を示している。なお、この他のピークは、対物レンズ２の有している収差が生じさせている擬似的なピークである。以降、この擬似的なピークを「擬似ピーク」と称することとする。
【００３３】
なお、対物レンズ２の収差の影響は対物レンズの種類（例えば、倍率等）により異なるので、リファレンスメモリ１６には、対物レンズ２の種類（例えば、倍率等）に応じた複数のリファレンスデータを格納しておくようにする。また、対物レンズ２の収差の影響は、Ｘ方向（対物レンズ光軸方向に垂直な方向）の位置（Ｘ位置）や、Ｙ方向（対物レンズ光軸方向に垂直な方向）の位置（Ｙ位置）によっても異なるので、リファレンスメモリ１６には、対物レンズ２の視野において試料１である薄膜の膜厚の取得対象とする位置に応じた複数のリファレンスデータを格納しておくようにする。なお、本実施形態では、Ｘ位置に応じ、１つの対物レンズ２に対し、視野の中央部と、視野の両端部とで計３種類のリファレンスデータを、リファレンスメモリ１６に格納しておくようにしているが、Ｙ位置に応じ、１つの対物レンズ２に対し、視野の中心部と、視野の両端部とで計３種類のリファレンスデータを、リファレンスメモリ１６に格納しても良いし、また、リファレンスデータの種類は、3種類よりも少なくても、多くても良い。
【００３４】
以上のようにしてリファレンスデータの取得が完了すると、次に、図１の膜厚測定装置において、膜厚測定の対象である薄膜を試料１として載置し、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して顕微鏡制御部１１へ指示を与え、レーザ光源制御部１０及びＺ位置制御部５を制御させて、レーザ光源９から発せられるレーザ光を試料１上で二次元走査させながら、対物レンズ２をＺ軸方向に上下動させる。そして、このときに光検出器７で検出される試料１からの反射光の輝度を顕微鏡制御部１１に取得させ、対物レンズ２から試料１までの距離（Ｚ位置）と試料１から対物レンズ２へ向かう反射光の光検出器７により検出される輝度Ｉとの関係を示すデータを、ＩＺデータとしてＰＣ１２へ転送させる。ＰＣ１２は、受け取ったＩＺデータを、Ｚ位置メモリ１４に格納しておく。
【００３５】
次に、ＰＣ１２は、膜厚測定の対象とする薄膜の位置をユーザに指定させる際に利用されるＸＺ画像をＩＺデータに基づいて生成する。
ＸＺ画像は、薄膜のＺ方向の断面画像である。従って、顕微鏡制御部１１は、対物レンズ２の視野内におけるＸ方向の各位置について、当該位置毎のＩＺデータを取得しておくようにし、ＰＣ１２は、Ｘ位置及びＺ位置で特定されるＸＺ座標上の点に、ＩＺデータにおいてＸ位置及びＺ位置に対応付けられている輝度の画素を配置することで、ＸＺ画像を生成する。なお、本実施形態では、ＸＺ画像を生成するようにしたが、対物レンズ２の視野内におけるＹ方向の各位置について、当該位置毎のＩＺデータを取得しておくようにし、ＰＣ１２は、Ｙ位置及びＺ位置で特定されるＹＺ座標上の点に、ＩＺデータにおいてＹ位置及びＺ位置に対応付けられている輝度の画素を配置することで、ＹＺ画像を生成するようにしても良い。
【００３６】
ＰＣ１２は、生成されたＸＺ画像をモニタ１３に表示すると共に、このＸＺ画像の画像データを断面画像メモリ１５に格納する。
ユーザは、入力部を操作して、モニタ１３に表示されているＸＺ画像に対し、膜厚測定の対象とする薄膜のＸ位置を指定する。すると、ＰＣ１２は、このＸ位置のＩＺデータと、このＸ位置での膜厚測定に使用するリファレンスデータとを膜位置検出部１７に与える。
【００３７】
膜位置検出部１７は、薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２からの距離を特定するために、まず、与えられたリファレンスデータとＩＺデータとの相関係数を、リファレンスデータにおける対物レンズ２からの距離を一様に変化させながら順次算出する。図３は、この相関係数の算出の様子を示したものである。
【００３８】
図３において、ＩＺ座標上に示されている実線の曲線は、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータについてのＩＺカーブ（Ｚ位置と光検出器７により検出される輝度Ｉとの関係を示すデータを示す曲線）であり、点線の曲線は、リファレンスデータを示している。
【００３９】
膜位置検出部１７は、図３に矢印で示されているように、リファレンスデータを図中のＡの位置からＢの位置へと、その曲線形状を維持したままで移動させながら（すなわち、リファレンスデータにおける対物レンズ２からの距離を一様に変化させながら）、リファレンスデータとＩＺカーブとの相関係数値を各Ｚ位置において算出する。図３に示されている破線の曲線は、このようにして算出された相関係数値とＺ位置との関係をグラフ化したものである。
【００４０】
相関係数ρx,yの算出は、下記の式を計算することにより行われる。
【００４１】
【数１】
但し、上記［数１］式において、
【００４２】
【数２】
である。ここで、ｘj及びｙjは、それぞれＺ位置がｊ（但し、ｊ＝１、…、ｎ）であるときのＩＺデータ及び移動時のリファレンスデータであり、μx及びμyは、それぞれｘj及びｙjの平均値である。なお、相関係数ρx,yは正規化されており、
【００４３】
【数３】
が成立する。
【００４４】
次に、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置、すなわち、相関係数が極大の相関の強さを示したときのＺ位置を検出する。このＺ位置の検出は、相関係数値の曲線に含まれるノイズの影響を軽減するために、平滑化微分法を採用する。
【００４５】
平滑化微分法は、曲線のピークの判定対象点を中心として対称となる前後の点で値の差を求め、その差に重み付けを与えて積算することで、その判定対象点の微分値を求めるというものである。
【００４６】
今、判定対象点Ｉ（＝１、２、３、…）における相関係数値をＤ（Ｉ）とすると、判定対象点Ｉにおける平滑化微分法による微分値Ｐ（Ｉ）は、下記の式を計算することにより求まる。
【００４７】
【数４】
なお、上記［数４］式において、Ｊは平滑化区間である。
【００４８】
図４は、例えばＪ＝５としたときの平滑化における重みを図示したものである。
膜位置検出部１７は、Ｉの増加に対し、以上のようして求めた微分値Ｐ（Ｉ）の値の符号が正から負へと変化したときのＩのＺ位置を、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置として検出する。
【００４９】
次に、膜位置検出部１７は、以上のようにして求めた、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置に基づいて、試料１である薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの対物レンズ２から当該薄膜までの距離を特定する。このために、膜位置検出部１７は、当該Ｚ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をＩＺデータが呈しているときの対物レンズ２からの距離を、反射光の輝度が極大の高さ（ピーク）となるときの距離として特定する。この膜位置検出部１７の動作について、図５を用いて説明する。
【００５０】
図５は、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータを表すＩＺカーブ例と、このＩＺデータ及び図２に例示したリファレンスデータに基づいて算出された相関係数値の曲線とを示したものである。ここで、実線の曲線がＩＺカーブであり、破線の曲線が相関係数値の曲線である。
【００５１】
この図５の例では、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をＩＺデータが呈しているときのＺ位置として、「１１５」及び「２１０」の２つの位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。
【００５２】
以上のようにして膜位置検出部１７が反射光の輝度がピークとなるときの距離を特定する一方で、フィッティング計測部１８は、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータに対しフィッティング処理を行ってＩＺデータを近似する関数を求める。
【００５３】
本実施形態においては、理想曲線としてガウス曲線を使用する。フィッティング計測部１８は、フィッティング処理として、このガウス曲線とＩＺデータである輝度値との誤差距離が最小になるように曲線近似を行うことで、この近似した曲線を表す関数を数学的に求めることで、ＩＺデータを近似する関数を求める。
【００５４】
フィッティング計測部１８は、以上のようにしてＩＺデータを近似する関数を求めたときには、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をその関数が呈しているときのＺ位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。このように、試料１である薄膜のＺ方向位置の検出にフィッティング処理を用いることにより、離散データであるＩＺデータからＺ位置を特定する場合よりも、反射光の輝度がピークとなるときのＺ位置を特定するときの精度の向上が期待できる。
【００５５】
なお、膜位置検出部１７及びフィッティング計測部１８は、所定値以上の輝度をＩＺデータが呈しているときのＺ位置の区間のうち、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置を含む区間を、当該ピークのＺ位置の近傍の区間とする。
【００５６】
その後、フィッティング計測部１８は、以上のようにして特定されたＺ位置の値の差を算出する。こうして得られた差の値が、試料１である薄膜の測定対象位置の膜厚の測定結果となる。なお、ここで、フィッティング計測部１８は、ユーザからの指示によりフィッティング処理を行わない場合には、膜位置検出部１７により特定されたＺ位置を膜位置検出部１７から取得し、取得したＺ位置の値の差を算出して、試料１である薄膜の測定対象位置の膜厚の測定結果を求める。求められた膜厚の測定結果はＰＣ１２へと送られ、ＰＣ１２はこの測定結果の値をモニタ１３に表示する。
【００５７】
図１の膜厚測定装置による膜厚の測定は、以上のようにして行われる。
なお、図５に例示した相関係数値の曲線では、２つのピークが明確に現れているが、例えば試料１である薄膜における測定対象部位の膜厚が極めて薄い場合には、この２つのピークが近づくために、相関係数値の曲線にピークが１つしか現れない場合がある。この場合には、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線における唯一のピークのＺ位置の近傍の区間内で、ＩＺデータにおいて輝度がピークを呈しているときのＺ位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。この膜位置検出部１７の動作について、図６を用いて説明する。
【００５８】
図６は、図５と同様、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータを表すＩＺカーブ例と、このＩＺデータ及び図２に例示したリファレンスデータに基づいて算出された相関係数値の曲線とを示したものである。ここで、実線の曲線がＩＺカーブであり、破線の曲線が相関係数値の曲線である。
【００５９】
この図５の例では、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線における唯一のピークのＺ位置の近傍の区間内において、ＩＺデータにおいて輝度がピークを呈しているときのＺ位置として、「１４５」及び「１７７」の２つの位置を、反射光の輝度がピークとなるときの距離として特定し、この位置を、試料１である薄膜のＺ方向位置として検出する。
【００６０】
なお、膜位置検出部１７は、所定値以上の相関の強さを相関係数が呈しているときのＺ位置の区間のうち、相関係数値の曲線における唯一のピークのＺ位置を含む区間を、当該ピークのＺ位置の近傍の区間とする。
【００６１】
次に、図１に示した膜厚測定装置により行われる膜厚測定処理について説明する。
なお、以下の説明では、対物レンズ２の倍率と対物レンズ２の視野における膜厚の取得対象位置とに応じた全てのリファレンスデータが、既にリファレンスメモリ１５に格納されているものとする。
【００６２】
まず、膜厚測定の開始に先立ち、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して膜厚測定のための設定要求を指示すると、ＰＣ１２は、図７に例示したパラメータ設定画面をモニタ１３に表示させる。ユーザは、入力部を操作してこのパラメータ設定画面に示されている各パラメータの値を変更した後に、「設定」ボタンアイコンを押下する操作を行うと、ＰＣ１２は、当該変更後の値を各パラメータの値として設定する。
【００６３】
ここで、パラメータ設定画面に示されている各パラメータについて、画面の上部に配置されているものから順に説明する。
「平均回数」パラメータは、前述した平滑化微分法による微分値Ｐ（Ｉ）の算出のときの平滑化区間を設定するためのものである。
【００６４】
「最小相関係数」パラメータは、膜位置検出部１７が、相関係数値の曲線からピークのＺ位置を検出する際の検出範囲を設定するためのパラメータである。ここで、「最小相関係数」パラメータにより、相関係数値の曲線における検出範囲とする相関係数の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線において、相関係数値が「最小相関係数」パラメータの値以上である範囲から、当該曲線におけるピークのＺ位置を検出する。
【００６５】
「最小輝度値」パラメータは、膜位置検出部１７が、反射光の輝度がピークとなるときのＺ位置を、ＩＺデータから検出する際の検出範囲とする輝度の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、ＩＺデータにおいて、反射光の輝度が「最小輝度値」パラメータの値以上である区間のうち、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置を含む区間を、上記の「近傍の区間」として設定する。
【００６６】
「輝度ピークサーチ」における「最小相関係数」パラメータは、相関係数値の曲線にピークが１つしか現れない場合に、膜位置検出部１７が、ＩＺデータから反射光の輝度がピークとなるときのＺ位置を検出する際の検出範囲である、相関係数値の曲線におけるピークのＺ位置の近傍の区間を設定するためのパラメータである。ここで、この「最小相関関数」パラメータにより、検出範囲とする相関係数の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、相関係数値の曲線において、相関係数値がこの「最小相関係数」パラメータの値以上である区間のうち、当該曲線における唯一のピークのＺ位置を含む区間を、上記の「近傍の区間」として設定する。
【００６７】
「輝度ピークサーチ」における「最小輝度値」パラメータは、相関係数値の曲線にピークが１つしか現れない場合に、膜位置検出部１７が上記の「近傍の区間」から検出した反射光の輝度がピークとなるＺ位置を、試料１である薄膜のＺ位置として認めるか否かを膜位置検出部１７が決定する基準を設定するためのパラメータである。この「最小輝度値」パラメータには、薄膜のＺ位置として認める輝度値の下限値が設定される。つまり、膜位置検出部１７は、「近傍の区間」から検出した反射光の輝度のピーク値が、この「最小輝度値」パラメータの値以上であれば、このピークを呈するＺ位置を、薄膜のＺ位置として認める。
【００６８】
以上の各パラメータの設定完了後、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して膜厚測定の開始を指示すると、図１に示した膜厚測定装置は、膜厚測定処理を開始する。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃは、この膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示したものである。
【００６９】
膜厚測定処理が開始されると、まず、図８ＡのＳ１０１において、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、ＩＺデータを取得するＺ位置の範囲（Ｚ位置制御部５が対物レンズ２を上下動させるときの開始位置及び終了位置）の指示を取得する処理をＰＣ１２が行う。
【００７０】
次に、Ｓ１０２では、ＰＣ１２からの指示に応じ、膜位置検出部１７が、光路に現在挿入されている対物レンズ２の倍率に応じた全てのリファレンスデータをリファレンスメモリ１６から読み出す処理を行う。
【００７１】
次に、Ｓ１０３では、顕微鏡制御部１１に指示を与え、Ｚ位置制御部５を制御させて試料１である薄膜の対物レンズ２からの距離を光軸方向に変化させて、対物レンズ２の視野内における各Ｘ位置についてのＩＺデータを取得させてＰＣ１２へ転送させる処理をＰＣ１２が行う。これと共に、送られてきたＩＺデータをＺ位置メモリ１４に記憶させる処理をＰＣ１２が行う。
【００７２】
次に、Ｓ１０４では、Ｚ位置メモリ１４に記憶されているＩＺデータを読み出し、読み出したＩＺデータに基づいて、試料１である薄膜のＸＺ画像（光軸方向の断面画像）を前述したようにして作成する処理をＰＣ１２が行う。
【００７３】
次に、Ｓ１０５では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、ＸＺ画像のＺ軸方向（光軸方向）への拡大指示を取得しているか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。
このＳ１０５の判定処理において、当該指示を取得していると判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）には、Ｓ１０６に処理を進めて、Ｓ１０４の処理により作成したＸＺ画像を光軸方向（Ｚ軸方向）にのみ所定倍拡大する処理をＰＣ１２が行い、続くＳ１０７において、拡大したＸＺ画像をモニタ１３に表示させる処理をＰＣ１２が行う。一方、Ｓ１０５の判定処理において、当該指示を取得していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）には、Ｓ１０６の処理を行うことなくＳ１０７に処理を進めて、Ｓ１０４の処理により作成したＸＺ画像をモニタ１３に表示させる処理をＰＣ１２が行う。
【００７４】
ここで図９Ａ及び図９Ｂについて説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、膜厚測定処理によりモニタ１３に表示される画面例を示している。ここで、図９Ａは、ＸＺ画像のＺ軸方向への拡大指示がない場合の画面例であり、図９Ｂは、当該拡大指示がある場合の画面例である。
【００７５】
図９Ａにおいて、薄膜の光軸方向の断面画像であるＸＺ画像２１ａは、Ｚ軸方向への拡大を行っていない。これに対し、図９Ｂに示すＸＺ画像２１ｂは、ＸＺ画像２１ａをＺ軸方向にのみ拡大したものである。なお、図９ＡにおけるＩＺカーブ表示２２ａは、ＸＺ画像２１ａに対し指定されている計測位置（Ｘ方向の位置）におけるＩＺデータについてのＩＺカーブであり、図９ＢにおけるＩＺカーブ表示２２ｂは、ＸＺ画像２１ｂに対し指定されている計測位置におけるＩＺデータについてのＩＺカーブである。
【００７６】
このように、試料１である薄膜の断面画像を拡大して表示することにより、例えば試料１である薄膜における測定対象部位の膜厚が極めて薄い場合でも、その膜の境界位置をユーザが容易に視認することができる。また、試料１である薄膜の断面画像を光軸方向にのみ拡大し、他の方向には拡大しないで表示することで、Ｘ方向上で行う当該薄膜における膜厚計測位置（ＩＺカーブの描画位置）の設定のための入力操作量を、当該断面画像を拡大しないで表示する場合から増加させてしまう（例えば計測位置を表示させるための拡大断面画像のＸ方向へのスクロール操作など）ことが無い。
【００７７】
図８Ａの説明へ戻る。
Ｓ１０７の処理に続くＳ１０８では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、表示中のＸＺ画像に対し指定されるＩＺカーブの描画位置（図９Ａ及び図９Ｂにおける「計測位置」）の指示を取得する処理をＰＣ１２が行う。
【００７８】
次に、Ｓ１０９では、ＩＺカーブの描画位置の指示を取得したか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。ここで、当該指示を取得したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１１０（図８Ｂ）に処理を進める。一方、当該指示を取得していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１０８へ処理を戻し、当該指示の取得処理を繰り返す。
【００７９】
処理は図８Ｂに移り、Ｓ１１０では、Ｓ１０８の処理により取得した指示に係るＩＺカーブの描画位置のＩＺデータをＺ位置メモリ１４から読み出し、読み出したＩＺデータに基づいてＩＺカーブを作成する処理をＩＺカーブ作成部１９が行い、作成されたＩＺカーブのデータを受け取って、図９Ａ及び図９Ｂに例示したＩＺカーブ表示２２ａ及び２２ｂのようにモニタ１３に当該ＩＺカーブを表示する処理をＰＣ１２が行う。
【００８０】
次に、Ｓ１１１では、Ｓ１０２（図８Ａ）の処理により読み出していた、光路に現在挿入されている対物レンズ２の倍率に応じたリファレンスデータから、Ｓ１０８の処理によりＰＣ１２が取得した指示に係るＩＺカーブの描画位置に対応するＸ位置についてのものを選択する処理を、膜位置検出部１７が行う。
【００８１】
次に、Ｓ１１２では、リファレンスデータにおける対物レンズ２からの距離を一様に変化させながら、リファレンスデータとＩＺカーブとの相関係数値を各Ｚ位置において算出する処理を膜位置検出部１７が前述したようにして行う。
【００８２】
次に、Ｓ１１３では、相関係数値の曲線におけるピーク（極大の相関の強さ）のＺ位置を検出する処理を、膜位置検出部１７が、前述したように平滑化微分法を用いて行う。なお、この処理において、図７に例示したパラメータ設定画面を利用して設定した「平均回数」パラメータの設定値が用いられる。
【００８３】
次に、Ｓ１１４では、Ｓ１１３の処理により検出されたピークのＺ位置の近傍の区間内において、最高の輝度をＩＺデータが呈しているときのＺ位置をＩＺデータから抽出する処理を、膜位置検出部１７が行う。なお、このときの「近傍の区間」は、図７に例示したパラメータ設定画面を利用して設定した「最小輝度値」パラメータ（図７の画面で上の方に配置されているもの）の値に基づき、前述したようにして設定される。
【００８４】
次に、Ｓ１１５では、Ｓ１１３のピーク検出処理において、相関係数値の曲線におけるピークが２つ以上検出されていたか否かを判定する処理を膜位置検出部１７が行う。ここで、ピークが２つ以上検出されていたと判定したとき（判定結果Ｙｅｓのとき）にはＳ１１８に処理を進める。一方、ピークが１つのみ検出されていたと判定したとき（判定結果Ｎｏのとき）にはＳ１１６に処理を進める。
【００８５】
Ｓ１１６では、唯１つである相関係数値の曲線のピークのＺ位置の近傍の区間、すなわち、当該ピークのＺ位置を含み、相関係数値が、図７に例示したパラメータ設定画面を利用して設定した、「輝度ピークサーチ」における「最小相関係数」パラメータの値以上である区間を決定する処理を膜位置検出部１７が行う。
【００８６】
Ｓ１１７では、Ｓ１１６の処理によって決定された近傍の区間内で、ＩＺデータにおいて輝度がピーク（極大の高さ）を呈しているときのＺ位置を、ＩＺデータから抽出する処理を、膜位置検出部１７が行う。
【００８７】
Ｓ１１８では、Ｓ１１４及びＳ１１７の処理により抽出された全てのＺ位置（すなわち、膜の位置を示すＺ位置）の情報を膜位置検出部１７から受け取り、モニタ１３に表示中のＩＺカーブに当該Ｚ位置を全て表示させる処理をＰＣ１２が行う。
【００８８】
このＳ１１８の処理による、ＩＺカーブ上での膜位置の表示例を図１０に示す。この表示例では、膜位置を示しているＺ位置を、直線によりＩＺカーブ上に表示している。
なお、図１０の表示例では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して、モニタ１３の表示画面上で当該直線にカーソルを近づけると、ＰＣ１２が、この直線で示されているＺ位置における相関係数値と、ＩＺデータにおける輝度値とを、ツールチップで表示する処理を行う例を示している。
【００８９】
処理は図８Ｃへ進み、Ｓ１１９では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して行う、ＩＺカーブ上に表示中のＺ位置（膜位置）より、膜厚測定の対象とするＺ位置の選択を示す指示を取得する処理をＰＣ１２が行う。
【００９０】
次に、Ｓ１２０では、膜厚測定の対象とするＺ位置の選択の指示を取得したか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。ここで、当該指示を取得したと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２１に処理を進める。一方、当該指示を取得していないと判定したとき（判定結果がＮｏのとき）にはＳ１１９へ処理を戻し、当該指示の取得処理を繰り返す。
【００９１】
次に、Ｓ１２１では、ユーザがＰＣ１２の入力部を操作して事前に行う、フィッティング処理の実行指示を受けていたか否かを判定する処理をＰＣ１２が行う。ここで、当該実行指示を受けていたと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２２に処理を進める。一方、当該実行指示を受けていたと判定したとき（判定結果がＹｅｓのとき）にはＳ１２３に処理を進める。
【００９２】
次に、Ｓ１２２では、膜位置検出部１７に与えられたＩＺデータを近似する関数を求めるフィッティング処理をフィッティング計測部１８が前述したようにして行う。そして、Ｓ１１９の処理により取得した指示に係る膜厚測定の対象とするＺ位置を、フィッティング処理により得られた関数に基づいて得られるＺ位置に変更する処理をフィッティング計測部１８が行う。
【００９３】
次に、Ｓ１２３では、Ｓ１１９の処理により取得した指示に係る膜厚測定の対象とするＺ位置の差、若しくは、Ｓ１２２の処理による変更後のＺ位置の値の差を計算することで、膜厚測定対象の膜厚を算出する処理をフィッティング計測部１８が行う。
【００９４】
次に、Ｓ１２４では、Ｓ１２３の算出結果を、測定対象であるＺ位置の膜厚の測定結果として、モニタ１３に表示する処理をＰＣ１２が行い、その後は、この膜厚測定処理を終了する。
【００９５】
以上の膜厚測定処理を図１の膜厚測定装置が行うことにより、試料１である薄膜の膜厚が測定される。
以上のように、本実施形態に係る膜厚測定装置によれば、光学系の収差の影響が排除されるので、薄膜の膜厚の測定精度が向上する。
【００９６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明を実施する膜厚測定装置の構成を示す図である。
【図２】リファレンスデータのデータ例を示す図である。
【図３】相関係数の算出の様子を示した図である。
【図４】平滑化における重みを示す図である。
【図５】ＩＺカーブと相関係数値の曲線との第一の例を示した図である。
【図６】ＩＺカーブと相関係数値の曲線との第二の例を示した図である。
【図７】パラメータ設定画面の例を示す図である。
【図８Ａ】膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示した図（その１）である。
【図８Ｂ】膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示した図（その２）である。
【図８Ｃ】膜厚測定処理の処理内容をフローチャートで示した図（その３）である。
【図９Ａ】膜厚測定処理によりモニタに表示される画面の第一の例を示す図である。
【図９Ｂ】膜厚測定処理によりモニタに表示される画面の第二の例を示す図である。
【図１０】ＩＺカーブ上での膜位置の表示例を示す図である。
【符号の説明】
【００９８】
１ 試料
２ 対物レンズ
３ 対物レンズ切替部
４ Ｚ位置検出部
５ Ｚ位置制御部
６ ハーフミラー
７ 光検出器
８ ミラー
９ レーザ光源
１０ レーザ光源制御部
１１ 顕微鏡制御部
１２ パーソナルコンピュータ
１３ モニタ
１４ Ｚ位置メモリ
１５ 断面画像メモリ
１６ リファレンスメモリ
１７ 膜位置検出部
１８ フィッティング計測部
１９ ＩＺカーブ作成部
２１ａ、２１ｂ ＸＺ画像
２２ａ、２２ｂ ＩＺカーブ表示
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料である薄膜にスポット光を照射したときにおける該薄膜からの反射光の輝度を、対物レンズを介して検出する光検出手段と、
前記対物レンズからの光軸方向の距離と該距離の位置より該対物レンズへ向かう光の前記光検出手段により検出される輝度との関係を示す基準データが格納される基準データ格納手段と、
前記薄膜の前記対物レンズからの距離を前記光軸方向に変化させて、該距離と前記光検出手段で検出される輝度との関係を示す測定データを取得する測定データ取得手段と、
前記基準データ及び前記測定データに基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離を特定する輝度極大距離特定手段と、
前記極大距離特定手段により特定された距離に基づいて、前記薄膜の膜厚を取得する膜厚取得手段と、
を有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記輝度極大距離特定手段は、前記基準データと前記測定データとの相関係数を、該基準データにおける前記対物レンズからの距離を一様に変化させながら順次算出し、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離に基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離を特定することを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記輝度極大距離特定手段は、前記相関係数における極大を、平滑化微分処理により特定することを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記輝度極大距離特定手段は、前記相関係数が極大の相関の強さを示したときの前記対物レンズからの距離の近傍の区間内において、最高の輝度を前記測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離として特定し、
前記近傍の区間は、所定値以上の輝度を前記測定データが呈しているときの前記対物レンズからの距離の区間のうち、前記相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、
ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記測定データに対しフィッティング処理を行って該測定データを近似する関数を求めるフィッティング処理手段を更に有し、
前記輝度極大距離特定手段は、前記近傍の区間内において、最高の輝度を前記関数が呈しているときの該対物レンズからの距離を、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離として特定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記輝度極大距離特定手段は、前記相関係数が極大の相関の強さを示す前記対物レンズからの距離が１つのみの場合には、該距離の近傍の区間内において、極大の輝度の高さを前記測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離として特定し、
前記近傍の区間は、所定値以上の相関の強さを前記相関係数が呈しているときの前記対物レンズからの距離の区間のうち、前記相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、
ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記基準データは、均一な光反射率を有する鏡面試料の前記対物レンズからの距離と、該鏡面試料にスポット光を照射したときに前記光検出手段により該対物レンズを介して検出される該鏡面試料からの反射光の輝度との関係を示すデータであることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記基準データ格納手段には、前記対物レンズの倍率に応じた複数の前記基準データが格納されており、
前記輝度極大距離特定手段は、複数の前記基準データのうち、前記光検出手段による前記輝度の検出時に用いていた前記対物レンズの倍率についてのものに基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
前記基準データ格納手段には、前記対物レンズの視野における前記膜厚取得手段が前記膜厚の取得対象とする位置に応じた複数の前記基準データが格納されており、
前記輝度極大距離特定手段は、複数の前記基準データのうち、前記膜厚取得手段が取得する前記膜厚の前記対物レンズの視野における位置についてのものに基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項１０】
前記測定データに基づいて前記薄膜の前記光軸方向の断面画像を生成する断面画像生成手段と、
所定の指示に応じて、前記光軸方向にのみ拡大した前記断面画像を生成する拡大断面画像生成手段と、
前記断面画像生成手段若しくは前記拡大断面画像生成手段により生成された断面画像を表示する表示手段と、
前記表示手段に表示された断面画像に対して指定される前記光軸方向の範囲を取得する範囲指定取得手段と、
を更に有し、
前記膜厚取得手段は、前記範囲指定取得手段が取得した範囲内で前記薄膜の膜厚を取得する、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項１】
試料である薄膜にスポット光を照射したときにおける該薄膜からの反射光の輝度を、対物レンズを介して検出する光検出手段と、
前記対物レンズからの光軸方向の距離と該距離の位置より該対物レンズへ向かう光の前記光検出手段により検出される輝度との関係を示す基準データが格納される基準データ格納手段と、
前記薄膜の前記対物レンズからの距離を前記光軸方向に変化させて、該距離と前記光検出手段で検出される輝度との関係を示す測定データを取得する測定データ取得手段と、
前記基準データ及び前記測定データに基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離を特定する輝度極大距離特定手段と、
前記極大距離特定手段により特定された距離に基づいて、前記薄膜の膜厚を取得する膜厚取得手段と、
を有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記輝度極大距離特定手段は、前記基準データと前記測定データとの相関係数を、該基準データにおける前記対物レンズからの距離を一様に変化させながら順次算出し、該相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離に基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの該対物レンズからの距離を特定することを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記輝度極大距離特定手段は、前記相関係数における極大を、平滑化微分処理により特定することを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記輝度極大距離特定手段は、前記相関係数が極大の相関の強さを示したときの前記対物レンズからの距離の近傍の区間内において、最高の輝度を前記測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離として特定し、
前記近傍の区間は、所定値以上の輝度を前記測定データが呈しているときの前記対物レンズからの距離の区間のうち、前記相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、
ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記測定データに対しフィッティング処理を行って該測定データを近似する関数を求めるフィッティング処理手段を更に有し、
前記輝度極大距離特定手段は、前記近傍の区間内において、最高の輝度を前記関数が呈しているときの該対物レンズからの距離を、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離として特定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記輝度極大距離特定手段は、前記相関係数が極大の相関の強さを示す前記対物レンズからの距離が１つのみの場合には、該距離の近傍の区間内において、極大の輝度の高さを前記測定データが呈しているときの該対物レンズからの距離を、前記薄膜からの反射光の輝度が極大の高さとなるときの前記対物レンズからの距離として特定し、
前記近傍の区間は、所定値以上の相関の強さを前記相関係数が呈しているときの前記対物レンズからの距離の区間のうち、前記相関係数が極大の相関の強さを示したときの該対物レンズからの距離を含む区間である、
ことを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記基準データは、均一な光反射率を有する鏡面試料の前記対物レンズからの距離と、該鏡面試料にスポット光を照射したときに前記光検出手段により該対物レンズを介して検出される該鏡面試料からの反射光の輝度との関係を示すデータであることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記基準データ格納手段には、前記対物レンズの倍率に応じた複数の前記基準データが格納されており、
前記輝度極大距離特定手段は、複数の前記基準データのうち、前記光検出手段による前記輝度の検出時に用いていた前記対物レンズの倍率についてのものに基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
前記基準データ格納手段には、前記対物レンズの視野における前記膜厚取得手段が前記膜厚の取得対象とする位置に応じた複数の前記基準データが格納されており、
前記輝度極大距離特定手段は、複数の前記基準データのうち、前記膜厚取得手段が取得する前記膜厚の前記対物レンズの視野における位置についてのものに基づいて、前記薄膜からの反射光の輝度が極大となるときの該対物レンズからの距離を特定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項１０】
前記測定データに基づいて前記薄膜の前記光軸方向の断面画像を生成する断面画像生成手段と、
所定の指示に応じて、前記光軸方向にのみ拡大した前記断面画像を生成する拡大断面画像生成手段と、
前記断面画像生成手段若しくは前記拡大断面画像生成手段により生成された断面画像を表示する表示手段と、
前記表示手段に表示された断面画像に対して指定される前記光軸方向の範囲を取得する範囲指定取得手段と、
を更に有し、
前記膜厚取得手段は、前記範囲指定取得手段が取得した範囲内で前記薄膜の膜厚を取得する、
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ｂ】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９Ａ】
【図１０】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ｂ】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９Ａ】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１３３７４４（Ｐ２００９−１３３７４４Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１０６０６（Ｐ２００７−３１０６０６）
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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