JP6762221B2 - 光学特性測定装置および光学特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、サンプルの膜厚などの光学特性を測定する光学特性測定装置および光学特性測定方法に関する。

従来、膜厚のような光学特性を測定する手法として光の位相を用いる光干渉法が知られている（例えば特許文献１、２）。光干渉法では、測定対象のサンプルで反射した光のスペクトルを分光器で測定し、スペクトルのデータを解析することによってサンプルの光学特性が測定される。

特許文献１は、サンプル（被測定物）に対するフォーカス（焦点）合わせを容易化することにより、光学特性の測定精度を向上させる光学特性測定装置を開示している。特許文献１では、ユーザが表示部に表示される反射像の合焦状態を参照してサンプルと対物レンズ間の位置関係を変更したり、オートフォーカス技術を用いて制御装置がフォーカス合わせを行なったりした後、反射光のスペクトル測定を実行している。特許文献１の光学特性測定装置は、フォーカス合わせのためのカメラや観察用光源などの機構を有し、この機構を用いるための光学部品が組み込まれた複雑な光学系を採用している。

特開２００８−２８６５８３号公報 特開２０１０−００２３２７号公報

従来の光学特性の測定方法では、スペクトルの測定時にフォーカス合わせを行う必要があるため光学特性の測定に時間を費やしたり、フォーカス合わせのための機構を設けることによって装置構成が大掛かりになったりしていた。

本発明の目的は、サンプルからの光に基づくサンプルの光学特性の測定を行い易くすることができる光学特性測定装置及び光学特性測定方法を提供することである。

本発明の一態様に係る光学特性測定装置は、光学系と、検出部と、解析部とを備える。光学系は、サンプルから入射する検出光を集光する。検出部は、サンプルと光学系との間の光学距離が互いに異なった状態で光学系を介して入射したサンプルの検出光を複数回、分光して、それぞれの検出光のスペクトルを示す複数の検出データを生成する。解析部は、検出データが示すスペクトルを解析して、サンプルの所定の光学特性を測定する。解析部は、複数の検出データにおける検出光の大きさに基づいて、光学特性の測定に用いる検出データを特定し、特定した検出データに基づいて、光学特性を測定する。

本発明の一態様に係る光学特性測定方法は、光学系を介してサンプルから入射する検出光を集光するステップを含む。本方法は、検出部が、サンプルと光学系との間の光学距離が互いに異なった状態で光学系を介して入射したサンプルの検出光を複数回、分光して、それぞれの検出光のスペクトルを示す複数の検出データを生成するステップを含む。本方法は、解析部が、複数の検出データにおける検出光の大きさに基づいて、サンプルの所定の光学特性の測定に用いる検出データを特定するステップを含む。本方法は、解析部が、特定した検出データが示すスペクトルを解析して、光学特性を測定するステップを含む。

本発明に係る光学特性測定装置及び光学特性測定方法によると、光学距離が互いに異なった複数の検出データから、光学特性の測定に用いる検出データを特定する。これにより、サンプルからの光に基づくサンプルの光学特性の測定を行い易くすることができる。

実施形態１に係る光学特性測定装置の構成を示すブロック図 光学特性測定装置における反射率データを説明するための図 光学特性測定方法に関する実験結果を示すグラフ 実施形態１に係る光学特性測定装置の動作を示すフローチャート 実施形態１に係る光学特性測定装置の動作を説明するための図 光学特性測定装置による膜厚の算出方法を説明するための図 実施形態２に係る光学特性測定装置の動作を示すフローチャート 実施形態２に係る光学特性測定装置を説明するための図 変形例に係る光学特性測定装置の構成を示すブロック図

以下、添付の図面を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

（実施形態１）
実施形態１に係る光学特性測定装置および光学特性測定方法について、以下説明する。

１．構成
本実施形態に係る光学特性測定装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態１に係る光学特性測定装置１の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る光学特性測定装置１は、測定対象のサンプル２から入射する光に対して光学的な解析を行って、サンプル２の膜厚などの光学特性を測定する装置である。光学特性測定装置１は、図１に示すように、光源１０と、光ファイバ１１と、対物光学系１２と、分光器１３と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１４と、制御ユニット１５と、駆動部１６と、観察ユニット１７とを備える。

サンプル２は、例えば単層膜や多層膜などの薄膜が形成された種々の半導体基板やガラス基板、フィルム部材などである。本実施形態では、サンプル２は、光学特性測定装置１の駆動部１６（ステージ６１）における水平面に配置される。以下、サンプル２の水平面中で互いに直交する二方向をそれぞれ「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」とし、水平面の法線方向を「Ｚ方向」とする。

光源１０は、サンプル２に照射するための照射光を発光する。光源１０による照射光は、例えば白色光であり、測定対象のサンプル２の光学特性に応じた波長帯の範囲内で連続する波長スペクトル（連続スペクトル）を有する。光源１０は、白熱灯、ＬＥＤ、重水素ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどの種々の光源で構成されてもよい。

光ファイバ１１は、例えばＹ型ファイバで構成され、一つのプローブ端１１ａと二分岐の分岐端とを有する。プローブ端１１ａは対物光学系１２に光学的に接続され、分岐端の一方は光源１０に接続され、他方は分光器１３に接続される。光ファイバ１１は、光源１０と対物光学系１２との間を光学的に結合すると共に、対物光学系１２と分光器１３との間を光学的に結合する結合光学系の一例である。結合光学系は光ファイバ１１に限らず、例えば種々の光学素子を配置した光学系であってもよい。

対物光学系１２は、光学特性測定装置１内で、サンプル２に出射する光及びサンプル２から入射する光を集光、導光する光学系である。本実施形態における対物光学系１２は、サンプル２に対向する第１のレンズ１２ａ、及び第１のレンズ１２ａと光ファイバ１１のプローブ端１１ａとの間に配置される第２のレンズ１２ｂなどを含む。各レンズ１２ａ，１２ｂは、図１に示すように、対物光学系１２の光軸がＺ方向に向くように配置され、集光及びコリメートを行う。対物光学系１２は、第１及び第２のレンズ１２ａ，１２ｂの光学特性等によって規定される固有の被写界深度を有する。

分光器１３は、入射する光を分光（即ちスペクトル分解）し、光の波長スペクトルを検出する。分光器１３は、本実施形態における検出部の一例である。分光器１３は、例えばマルチチャンネル型分光器で構成され、スリット及びグレーティングなどを含む分光光学系と、受光面を有するＣＣＤイメージセンサなどの検出素子と、内部メモリとを備える。検出素子は、フォトダイオードアレイ等で構成されてもよい。

マルチチャンネル型の分光器１３では、入射した光がスリットを介してグレーティングに導光され、グレーティングで回折して検出素子に入射する。これにより、検出素子は、受光面上で波長毎に異なる領域においての回折光を受光して、複数の波長成分（例えば５１２個）の光の強度を同時に検出する自己走査式の検出動作を実現する。分光器１３は、検出素子の検出結果による検出データを内部メモリにバッファして、所定周期（例えば１〜５ミリ秒）で受光した光の検出データを生成する。検出データの一例（反射率データ）については後述する。

ＰＣ１４は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ、及びフラッシュメモリ等の内部メモリなどを備える。内部メモリには、例えば分光器１３から受信したデータや、本実施形態に係る光学特性測定方法を実行するためのプログラムなどが格納されている。ＰＣ１４は、内部メモリに格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行い、各種機能を実現する。

例えば、ＰＣ１４は、分光器１３から検出データを受信し、検出データに対して所定のデータ処理を行うことにより光学特性の解析を行う。ＰＣ１４は、本実施形態における解析部の一例である。また、本実施形態では、ＰＣ１４は、光学特性測定装置１内の各部とデータ通信を行って各種制御を行う。

制御ユニット１５は、ＰＣ１４からの指示に基づいて、駆動部１６の駆動を制御する制御装置である。制御ユニット１５は、例えばマイコンや通信インタフェース等を備える。なお、制御ユニット１５による制御機能は、ＰＣ１４において実現されてもよい。

駆動部１６は、サンプル２が配置される水平面を有するステージ６１と、ステージ６１を移動させるように駆動するアクチュエータ６２とを備える。例えば、駆動部１６において、ステージ６１はＸ，Ｙ，Ｚ方向の三軸にそれぞれ移動可能に構成される。Ｘ，Ｙ方向の移動により、サンプル２の種々の水平位置における膜厚を測定することが容易になる。なお、駆動部１６は、ステージ６１がＺ方向の一軸で移動可能に構成されてもよい。

観察ユニット１７は、光学特性測定装置１においてサンプル２の主面等を観察するためのモジュールであり、カメラ７１、観察光源７２、及び観察光学系７３等を備える。

カメラ７１は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージング素子などの撮像素子などを備え、撮像画像を示す撮像データを生成してＰＣ１４に出力する。

観察光源７２は、カメラ７１によってサンプル２を撮像する際にサンプル２を照らすことを目的とする光源であり、白色ＬＥＤなどで構成される。

観察光学系７３は、観察光源７２からサンプル２に出射する光、及びサンプル２からカメラに入射する光を導光する光学系であり、ビームスプリッタ及びレンズなどを備える。本実施形態では、図１に示すように、観察光学系７３の一部が対物光学系１２の内部に組み込まれている。これにより、対物光学系１２において分光器１３に入射する光の状態を、観察ユニット１７で観察するようなことも可能である。

なお、本実施形態に係る光学特性測定装置１では、特にサンプル２を観察するような必要がない場合、観察ユニット１７が省略されてもよい。本実施形態に係る光学特性測定方法によると、観察ユニット１７を用いなくてもサンプル２の膜厚などを測定可能である。

２．動作
以上のように構成される光学特性測定装置１の動作を以下に説明する。

２−１．動作の概要
光学特性測定装置１の動作の概要について、図１，２を参照して説明する。

光学特性測定装置１（図１）において、光源１０が照射光を出射する。照射光は光ファイバ１１を介して対物光学系１２に入射する。図１に示すように、照射光は、対物光学系１２の第２のレンズ１２ｂにおいてコリメートされ、第１のレンズ１２ａにおいて集光されて、ステージ６１に配置されたサンプル２に照射される。

サンプル２において、照射光は、サンプル２の膜厚分の間隔を有する二つの主面のそれぞれで反射される。各主面において反射した光は、サンプル２の膜厚分の間隔に応じて干渉しながら、対物光学系１２に入射する。

光学特性測定装置１において、サンプル２からの反射光は、対物光学系１２の第１のレンズ１２ａにおいてコリメートされ、第２のレンズ１２ｂにおいて集光されて、光ファイバ１１を介して分光器１３に入射する。分光器１３は、サンプル２からの反射光を含む光の波長スペクトルを示す検出データとして反射率データを生成する。分光器１３による反射率データについて、図２を用いて説明する。

図２は、光学特性測定装置１における反射率データＤ１を説明するための図である。反射率データＤ１は、分光器１３において検出された反射光の波長スペクトルである反射率スペクトルを示す。反射率スペクトルは、図２に示すように、検出された反射光における各種波長λ成分の反射率Ｒで表される。反射率データＤ１において、図２に示すような反射率スペクトルにおける反射率Ｒの振動は、サンプル２の膜厚分の間隔による反射光の干渉によって生じる。

図１に戻り、光学特性測定装置１におけるＰＣ１４は、分光器１３からの反射率データＤ１をデータ解析することにより、サンプル２の膜厚を算出する。ＰＣ１４による膜厚の算出処理においては、例えば非線形最小二乗法やＦＦＴ（高速フーリエ変換）法、ピークバレー法など、種々の公知の方法を適用することができる（特許文献２参照）。

２−２．本願発明者の知見について
膜厚を測定する手法においては、反射率データＤ１を高精度で取得することによって、膜厚を精度良く測定可能になる。このことから、従来の手法では、分光器とサンプルとの間でフォーカス合わせを行って、取得される反射率データの精度を確保していた。これに対して、本願発明者は、鋭意検討の結果、フォーカス合わせを特に行わずに高精度の反射率データを得る手法を考案した。以下、本願発明者がこのような考案に到る知見を得た実験について、図３を用いて説明する。

図３は、本願発明者による実験の実験結果を示すグラフである。本実験では、光学特性測定装置１において、対物光学系１２からサンプル２までの距離ｄ（つまりＺ位置）を変化させながら、各距離ｄのサンプル２から分光器１３に入射する反射光を検出し、それぞれの検出結果の反射率データＤ１を生成した。

図３のグラフにおいて、横軸は、光学特性測定装置１のＺ方向における所定位置からサンプル２までの距離ｄである。曲線Ｃ１は、各距離ｄで検出された反射光に基づく反射率データＤ１に対して、所定の演算式を用いて算出した膜厚の算出値を示す（図中左側の縦軸参照）。

また、曲線Ｃ２は、各距離ｄの反射率データＤ１における平均反射率を示す（図中右側の縦軸参照）。平均反射率は、一つの反射率データＤ１中の反射率スペクトル（各波長λの反射率Ｒ）にわたる平均の反射率であり、検出された反射光の強度（大きさ）に対応する。二つの曲線Ｃ１，Ｃ２は、距離ｄ毎の同じ反射率データＤ１に基づく膜厚の算出値と平均反射率とを示している。

図３の曲線Ｃ１によると、領域Ｒ１外において、膜厚の算出値のばらつきが、領域Ｒ１内よりも顕著に大きい。領域Ｒ１は、対物光学系１２の被写界深度に対応する領域である。また、曲線Ｃ２は、被写界深度の領域Ｒ１中にピークＰｆを有する。領域Ｒ１中のピークの位置ｄｆは、検出された反射光の強度が最大であることから、被写界深度の範囲内における真のフォーカス位置であると考えられる。

図３の被写界深度の領域Ｒ１内において、膜厚の算出値の曲線Ｃ１は、安定的ではあるが傾斜しており、真のフォーカス位置ｄｆと他の位置との間で膜厚の算出値にずれがある。ここで、コントラスト法等の通常のフォーカス技術によると、被写界深度の領域Ｒ１内では何処でもフォーカスが合っていることとなり、被写界深度の領域Ｒ１内部でフォーカス合わせを行って、真のフォーカス位置ｄｆの反射率データＤ１を得るようなことは困難である。これに対して、本願発明者は、本実験における曲線Ｃ２に着目し、平均反射率のピークＰｆを確認することによって真のフォーカス位置ｄｆの反射率データＤ１が容易に特定されるという知見を得た。

２−３．動作の詳細
以上のような本願発明者の知見に基づき、本実施形態に係る光学特性測定装置１では、所定範囲内でサンプル２をＺ方向に移動させながら、分光器１３で連続的に反射光を検出するスキャンを行って、サンプル２までの距離ｄが互いに異なった複数の反射率データＤ１を生成する。この際、ＰＣ１４において、生成した複数の反射率データＤ１のそれぞれの平均反射率に基づいて、膜厚測定に用いる反射率データＤ１を選択する。これにより、光学特性測定装置１において、特にフォーカス合わせを行うことなく、容易に膜厚の測定を行える。

以下、本実施形態に係る光学特性測定装置１の動作の詳細について、図４，５，６を参照して説明する。

図４は、本実施形態に係る光学特性測定装置１の動作を示すフローチャートである。図５は、光学特性測定装置１の動作を説明するための図である。図６は、光学特性測定装置１による膜厚の算出方法を説明するための図である。

図４のフローチャートは、光学特性測定装置１におけるＰＣ１４によって実行される。本フローチャートは、光源１０が照射光を照射した状態で開始される。

まず、ＰＣ１４は、制御ユニット１５を介して、駆動部１６におけるステージ６１のＺ位置を制御し、図５に示すように、ステージ６１上のサンプル２をＺ方向における初期位置ｄ０（図５）に配置する（Ｓ１）。初期位置ｄ０は、反射率データＤ１を取得しながらサンプル２を移動させる際のサンプル２のスキャンを開始する位置である。図５を用いて、光学特性測定装置１におけるスキャンについて説明する。

図５は、光学特性測定装置１におけるスキャン領域Ｒ２を示している。スキャン領域Ｒ２は、ステップＳ２〜Ｓ４（スキャン時）においてサンプル２が移動する領域である。図５に示すように、スキャン領域Ｒ２の一端は初期位置ｄ０であり、他端はスキャンを終了する終了位置ｄ１である。すなわち、サンプル２は、初期位置ｄ０から終了位置ｄ１まで移動させられる。本実施形態において、スキャン領域Ｒ２は、対物光学系１２の被写界深度の領域Ｒ１を含む所定範囲（例えば１ｍｍ区間）に設定される。これにより、スキャン領域Ｒ２には、真のフォーカス位置ｄｆも含まれることとなる。

図４に戻り、次に、ＰＣ１４は、制御ユニット１５に移動開始の指示を送信し、スキャン領域Ｒ２においてサンプル２が配置されたステージ６１（図１）の移動を開始する（Ｓ２）。制御ユニット１５は、移動開始の指示を受信すると、駆動部１６のアクチュエータ６２を制御して、Ｚ方向におけるステージ６１の移動を開始する。

サンプル２の移動開始後、分光器１３は、所定の周期（例えば１ミリ秒）でサンプル２における照射光の反射光を検出する。分光器１３は、検出結果の反射率データＤ１を生成して順次、ＰＣ１４に出力する。ＰＣ１４は、分光器１３から反射率データＤ１を取得する（Ｓ３）。

この際、制御ユニット１５は、特に分光器１３の動作タイミングとステージ６１の移動タイミングとを同期させるようなことなく、所定の速度（例えば０．５ｍｍ／秒）でステージ６１を移動させ、終了位置ｄ１に到達するとＰＣ１４に通知する。分光器１３の動作周期とステージ６１の移動速度とは、例えばスキャン領域Ｒ２中で反射率データＤ１を取得する回数、或いは真のフォーカス位置ｄｆに対する許容誤差の観点から適宜、設定される。

ＰＣ１４は、制御ユニット１５からの通知に基づいて、サンプル２の移動が終了したか否かを判断する（Ｓ４）。ＰＣ１４は、制御ユニット１５から移動終了の通知を受信するまで、ステップＳ３以降の処理を繰り返す（Ｓ４でＮＯ）。これにより、スキャン領域Ｒ２においてサンプル２が真のフォーカス位置ｄｆを通過した際の反射光に基づく反射率データを含む複数の反射率データＤ１が取得される。複数の反射率データＤ１は、対物光学系１２からサンプル２までの距離ｄが互いに異なった状態でそれぞれ検出された反射率データＤ１である。

ＰＣ１４は、サンプル２の移動が終了したと判断した場合（Ｓ４でＹＥＳ）、取得した複数の反射率データＤ１のそれぞれにおいて、反射率データＤ１毎に反射スペクトルを平均して平均反射率を計算する（Ｓ５）。具体的に、ＰＣ１４は、一つの反射率データＤ１において波長λ成分毎の反射率Ｒを積算して平均値を計算し、複数の反射率データＤ１のそれぞれに対して同様の計算を行う。

次に、ＰＣ１４は、計算した平均反射率に基づいて、取得した複数の反射率データＤ１の中から、最大の平均反射率を有する反射率データを選択する（Ｓ６）。ステップＳ６の処理は、取得した複数の反射率データＤ１の中から、膜厚の算出に用いる反射率データを特定するための処理である。

次に、ＰＣ１４は、選択した反射率データに基づいて、例えばＦＦＴ法などによって反射率データが示す反射率スペクトルを解析し、サンプル２の膜厚を算出する（Ｓ７）。ステップＳ７の処理について、図６（ａ），（ｂ）を用いて具体的に説明する。

図６（ａ）は、ステップＳ６で選択される反射率データの一例を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）の反射率データに対する解析結果の解析データを例示している。

図６（ａ）では、図３に示すような平均反射率（曲線Ｃ２）のピークＰｆの位置ｄｆで得られた反射率データを例示している。ＰＣ１４は、ステップＳ６で図６（ａ）のような反射率データを選択すると、選択した反射率データにおける波長スペクトルの波長λを波数に変換し、変換したデータに対してＦＦＴを実行する。この際、ＰＣ１４は、例えばサンプル２の屈折率などの予め設定された各種パラメータを用いる。

上記のような解析処理により、図６（ａ）の検出データから図６（ｂ）の解析データが得られる。図６（ｂ）によると、図６（ａ）における波長領域の振動特性に対応するピークＰｓが、膜厚単位で得られている。ＰＣ１４は、このような膜厚単位におけるピークＰｓの位置ｄｓを、サンプル２の膜厚として算出する（Ｓ７）。

ＰＣ１４は、膜厚を算出することにより（Ｓ７）、図４のフローチャートによる処理を終了する。

以上の処理によると、真のフォーカス位置ｄｆを含むスキャン領域Ｒ２においてサンプル２を移動させながら複数の反射率データＤ１を取得し（Ｓ２〜Ｓ４）、最大の平均反射率を有する反射率データを用いて膜厚を求める（Ｓ５〜Ｓ７）。これにより、特にフォーカス合わせや、分光器１３の動作タイミングとステージ６１の移動タイミングとを同期させるような複雑な制御を行なわずに、容易に膜厚の測定を行える。また、複数の反射率データＤ１の中で最も真のフォーカス位置ｄｆの近傍で得られたと考えられる高精度な反射率データを特定して（Ｓ６）、精度良く膜厚の測定を行える。

以上の説明では、ステップＳ３，Ｓ４において制御ユニット１５は分光器１３の動作タイミングとステージ６１の移動タイミングとを特に同期させなかったが、同期させてもよい。例えば、ステージ６１を段階的に移動させたり、反射率データの取得タイミングのステージ６１のＺ位置と反射率データとを関連付けしたりしてもよい。

また、以上の説明では、ＰＣ１４は、各反射率データＤ１の平均反射率の計算はステップＳ４で「ＹＥＳ」に進んでから行ったが、これに限らず、例えばステップＳ３で取得した反射率データＤ１から順次、平均反射率を計算してもよい。

３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る光学特性測定装置１は、対物光学系１２と、分光器１３と、ＰＣ１４とを備える。対物光学系１２は、サンプル２から入射する検出光の一例の反射光を集光する。分光器１３は、サンプル２と対物光学系１２との間の光学距離が互いに異なった状態で対物光学系１２を介して入射したサンプル２の反射光を複数回、分光して、反射光のスペクトルを示す検出データである反射率データＤ１を複数、生成する。ＰＣ１４は、反射率データＤ１が示すスペクトルを解析して、サンプル２の膜厚などの光学特性を測定する。ＰＣ１４は、複数の反射率データＤ１における検出光の大きさ（平均反射率）に基づいて、光学特性の測定に用いる検出データを特定し、特定した検出データに基づいて、光学特性を測定する。

以上の光学特性測定装置１によると、光学距離が互いに異なった複数の反射率データＤ１から、光学特性の測定に用いる検出データを特定する。これにより、サンプル２からの光に基づくサンプル２の光学特性の測定を行い易くすることができる。

なお、検出データを特定するための検出光（反射光）の大きさは、反射率データＤ１の反射率スペクトルにわたる平均反射率に限らない。例えば反射率スペクトルにわたる反射率Ｒの合計値や、反射率スペクトルの一部の波長帯における反射率Ｒの平均値、合計値が、上記の検出光の大きさとして用いられてもよい。

本実施形態において、光学特性測定装置１は、サンプル２に照射光を照射する光源１０をさらに備える。検出光は、サンプル２における照射光の反射光を含む。ＰＣ１４は、光学特性としてサンプル２の膜厚を測定する。これにより、サンプル２からの反射光に基づくサンプル２の膜厚測定を行い易くすることができる。

また、本実施形態において、分光器１３は、サンプル２と対物光学系１２との間の光学距離が所定範囲内で変化している期間中に入射する検出光に基づいて、複数の検出データを生成する。所定範囲は、対物光学系１２によるフォーカス位置ｄｆを含むスキャン領域Ｒ２である。これにより、スキャン領域Ｒ２においてサンプル２がフォーカス位置ｄｆの通過中の検出データが得られ、このような検出データを特定してサンプル２の光学特性の測定を精度良く行える。

また、本実施形態において、ＰＣ１４は、複数の検出データの中で、検出光の大きさが最も大きい検出データを選択して、光学特性の測定に用いる検出データとして特定する。これにより、上記複数の検出データの中で最も高精度の検出データを光学特性の測定に用いることができる。

また、本実施形態において、光学特性測定装置１は、駆動部１６をさらに備える。駆動部１６は、サンプル２と対物光学系１２との間の光学距離を変化させるように、サンプル２を移動させる。サンプル２の移動に代えて、又はこれに加えて、光学特性測定装置１は、対物光学系１２を移動させるアクチュエータ等を含む駆動部を備えてもよい。

また、本実施形態において、検出部としての分光器１３は、例えばマルチチャンネル型分光器で構成される。分光器１３は、マルチチャンネル型に限らず、種々の分光器が用いられてもよい。

また、本実施形態に係る光学特性測定方法は、対物光学系１２を介してサンプル２から入射する検出光を集光するステップを含む。本方法は、分光器１３が、サンプル２と対物光学系１２との間の光学距離が互いに異なった状態で対物光学系１２を介して入射したサンプル２の検出光を複数回、分光して、それぞれの検出光のスペクトルを示す複数の検出データを生成するステップを含む。本方法は、ＰＣ１４が、複数の検出データにおける検出光の大きさに基づいて、サンプル２の所定の光学特性の測定に用いる検出データを特定するステップを含む。本方法は、ＰＣ１４が、特定した検出データが示すスペクトルを解析して、光学特性を測定するステップを含む。

以上の光学特性測定方法によると、サンプル２からの光に基づくサンプル２の光学特性の測定を行い易くすることができる。

（実施形態２）
実施形態１では、複数の反射率データＤ１の中から、真のフォーカス位置ｄｆ近傍における反射率データを選択した。実施形態２では、複数の反射率データＤ１に基づき、真のフォーカス位置ｄｆにおける反射率データのデータ推定を行う。以下、本実施形態に係る光学特性測定装置１について、図７，図８を用いて説明する。

図７は、実施形態２に係る光学特性測定装置１の動作を示すフローチャートである。図８は、実施形態２に係る光学特性測定装置１を説明するための図である。

本実施形態に係る光学特性測定装置１は、実施形態１に係る光学特性測定装置１と同様の構成の構成において、図７のフローチャートに示す動作を行う。図７のフローチャートにおいて、光学特性測定装置１のＰＣ１４は、図４のステップＳ５，Ｓ６の代わりに、反射率データを推定するための処理（ステップＳ５Ａ，Ｓ６Ａ）を実行する。反射率データの推定について、図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

図８（ａ）では、図７のステップＳ３，Ｓ４で取得された複数の反射率データＤ１を示している。複数の反射率データＤ１をステップＳ３，Ｓ４で取得された順番に並べることで、図７に示すように、Ｚ方向における反射率データＤ１を確認することができる。そこで、本実施形態では、例えば真のフォーカス位置ｄｆ（図３参照）の直上では反射率データＤ１が取得されていなかった場合に、複数の反射率データＤ１から真のフォーカス位置ｄｆにおける反射率データの推定を行う（図８（ｂ）参照）。

具体的に、図７のフローチャートにおいて、ＰＣ１４は、ステップＳ３，Ｓ４で取得された複数の反射率データＤ１に基づいて、波長λ成分毎のフィッティングを行う（ステップＳ５Ａ）。

ステップＳ５Ａにおいて、ＰＣ１４は、各反射率データＤ１から同じ波長λ成分のデータを抽出し、図８（ａ）に示すように、ＲＺ平面においてカーブフィッティングを行う。この際、Ｚ方向におけるデータの間隔は例えば等間隔に設定し、カーブフィッティングには二次関数等の所定の関数形を用いる。ステップＳ５Ａの処理により、各波長λ成分において、図８（ａ）に示すようなピークＰｅが検出される。

次に、ＰＣ１４は、波長λ成分毎のフィッティング結果に基づいて、図８（ｂ）に示すように、推定の反射率データＤｅを生成する（Ｓ６Ａ）。例えば、ＰＣ１４は、各波長λ成分におけるピークＰｅを収集し、それぞれのピークＰｅによる波長スペクトルを表すように推定の反射率データＤｅを生成する。このような推定の反射率データＤｅは、生成元の各検出データＤ１よりも大きい反射率Ｒを有する。

ＰＣ１４は、生成した推定の反射率データＤｅに基づき膜厚を算出する（Ｓ７）。

以上の処理によると、ステップＳ３，Ｓ４で取得された複数の反射率データＤ１に基づく推定の反射率データＤｅは、膜厚などの光学特性を測定するための検出データとして特定される。

上記のステップＳ６Ａにおいて、各波長λ成分におけるピークＰｅを収集して推定の反射率データＤｅする際には、波長λ成分毎のピークＰｅのＺ位置は一致しなくてもよい。このようにしても、ステップＳ５Ａのフィッティングにより、推定の反射率データＤｅを高精度に得ることができる。

また、ステップＳ６Ａにおける推定の反射率データＤｅの生成方法は、上記の方法に限らず、例えば各波長λ成分にわたり共通のＺ位置（真のフォーカス位置ｄｆに対応）を有するように推定の反射率データＤｅを生成してもよい。例えば、ＰＣ１４は、波長λ成分毎のピークＰｅのＺ位置を平均化したり、所定値の波長λ成分のピークＰｅを参照したりしてＺ位置を決定し、ステップＳ５Ａのフィッティング結果から同Ｚ位置のデータを収集する。

以上のように、本実施形態に係る光学特性測定装置１において、ＰＣ１４は、複数の検出データ（Ｄ１）に基づいて、検出光の大きさ（反射率Ｒ）が各検出データよりも大きい推定の検出データ（Ｄｅ）を生成し、光学特性の測定に用いる検出データとして特定する。これにより、真のフォーカス位置ｄｆの直上では検出データが取得されてなかった場合であっても高精度の検出データを特定し、光学特性の測定に用いることができる。

（他の実施形態）
上記の実施形態１，２では、駆動部１６を用いたが、駆動部１６を用いなくてもよい。このような変形例について、図９を参照して説明する。

図９は、変形例に係る光学特性測定装置１Ａの構成を示すブロック図である。本変形例に係る光学特性測定装置１Ａは、実施形態１に係る光学特性測定装置１と同様の構成において、駆動部１６及び制御ユニット１５に代えて、サンプル２を支持する支持部１６Ａを備える。

例えば大型のガラス基板等のサンプル２においては、サンプル２自体が自然に振動している場合がある。このような場合に、光学特性測定装置１Ａでは、サンプル２自体が振動している期間中に分光器１３で複数の反射率データＤ１を検出することにより、光学特性の測定に適した反射率データを特定することができる。この際、支持部１６Ａは、例えばサンプル２の振動の振幅内にフォーカス位置ｄｆが含まれるように位置決めされる。

また、光学特性測定装置１Ａにおいては、サンプル２の振動中あるいは特に振動していない場合であっても、手動でサンプル２或いは対物光学系１２を移動させながら分光器１３で複数の反射率データＤ１を検出してもよい。手動で移動させた場合においても、実施形態１のようにアクチュエータ６２で駆動を行った場合と同様に、光学特性の測定に適した反射率データを特定できる。

上記の各実施形態では、サンプル２の光学特性として膜厚を測定したが、測定対象の光学特性は膜厚に限らず、例えばサンプル２の色や屈折率、反射率、消衰係数であってもよいし、蛍光スペクトルや蛍光エネルギー等の蛍光特性であってもよい。蛍光特性を測定する場合、分光器１３では、蛍光スペクトルを表す検出データが生成される。

また、蛍光特性を測定する場合、例えば光学特性測定装置１における光源１０として励起光を発光する励起光源を採用する。また、サンプル２を電気的に励起させて蛍光発光させてもよく、サンプル２が自発光するような場合には、光学特性測定装置１において光源１０を省略してもよい。

また、上記の各実施形態では、複数の検出データを生成する際に、サンプル２と対物光学系１２との間の距離を変化させたが、これに限らず、例えば各種光学素子によりサンプル２と対物光学系１２との間の光路長を変化させてもよい。光学特性測定装置１では、サンプル２と対物光学系１２との間の距離や光路長など光学距離が異なった複数の検出データが生成された際に、光学特性の測定に適した検出データを特定することができる。

１ 光学特性測定装置
１０ 光源
１２ 対物光学系
１３ 分光器
１４ ＰＣ
１６ 駆動部
２ サンプル

Claims (9)

1. サンプルから入射する検出光を集光する光学系と、
   前記サンプルと前記光学系との間の光学距離が互いに異なった状態で前記光学系を介して入射したサンプルの検出光を複数回、分光して、それぞれの検出光のスペクトルを示す複数の検出データを生成する検出部と、
   前記検出データが示すスペクトルを解析して、前記サンプルの所定の光学特性を測定する解析部とを備え、
   前記解析部は、
   前記複数の検出データにおける検出光の大きさに基づいて、前記光学特性の測定に用いる検出データを特定し、
   特定した検出データに基づいて、前記光学特性を測定する
   光学特性測定装置。
2. 前記サンプルに照射光を照射する光源をさらに備え、
   前記検出光は、前記サンプルにおける前記照射光の反射光を含み、
   前記解析部は、前記光学特性として前記サンプルの膜厚を測定する
   請求項１に記載の光学特性測定装置。
3. 前記検出部は、前記サンプルと前記光学系との間の光学距離が所定範囲内で変化している期間中に入射する検出光に基づいて、前記複数の検出データを生成し、
   前記所定範囲は、前記光学系によるフォーカス位置を含む
   請求項１又は２に記載の光学特性測定装置。
4. 前記解析部は、前記複数の検出データの中で、前記検出光の大きさが最も大きい検出データを選択して、前記光学特性の測定に用いる検出データとして特定する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
5. 前記解析部は、前記複数の検出データに基づいて、前記検出光の大きさが各検出データよりも大きい推定の検出データを生成し、前記光学特性の測定に用いる検出データとして特定する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
6. 前記サンプルと前記光学系との間の光学距離を変化させるように、前記サンプル及び前記光学系の少なくとも一方を移動させる駆動部をさらに備える
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
7. 前記検出部は、前記サンプルが自然に振動している期間中に入射する検出光に基づき、前記複数の検出データを生成する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
8. 前記検出部は、マルチチャンネル型分光器で構成される
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学特性測定装置。
9. 光学系を介してサンプルから入射する検出光を集光するステップと、
   検出部が、前記サンプルと前記光学系との間の光学距離が互いに異なった状態で前記光学系を介して入射したサンプルの検出光を複数回、分光して、それぞれの検出光のスペクトルを示す複数の検出データを生成するステップと、
   解析部が、前記複数の検出データにおける検出光の大きさに基づいて、前記サンプルの所定の光学特性の測定に用いる検出データを特定するステップと、
   前記解析部が、特定した検出データが示すスペクトルを解析して、前記光学特性を測定するステップと
   を含む光学特性測定方法。

Images