专利名称：使用了干涉的膜厚计测装置及使用了干涉的膜厚计测方法
技术领域：
本发明涉及使用了干涉的膜厚计测装置及使用了干涉的膜厚计测方法。
背景技术：
白色扫描干涉计成为图10所示的光学系统。在图10中，白色光源1101是例如卤素灯那样的照射宽频带的波长分布的光的光源。从白色光源1101照射的白色光向半透半反镜1102入射。半透半反镜1102对光进行分割，将光导向试料1103和参照面1104。这些光分别向试料1103和参照面1104入射，进行反射，然后再通过半透半反镜1102重合。重合后的光向面传感器1105入射。此时，沿图的箭头1110方向扫描参照面1104并同时利用面传感器1105取入图像。入射的光被转换成图像，由运算装置1106取入。接下来，使用图11所示的流程图，说明利用该装置进行膜厚分布的计测的次序。 需要说明的是，试料1103在内部具有第一界面和第二界面。在图11中，首先，在步骤S201中，利用图10的光学系统扫描参照面1104并同时取入图像，抽出图像的各像素下的亮度变化，由此检测各像素下的干涉波形。接着，在步骤S202中，算出第一界面处的与反射光的各干涉波形的峰值位置。在此，作为峰值位置的算出方法，例如使用如下的方法，即，通过低通滤波器来算出包络线，并检测成为其最大值的扫描位置的方法。接着，在步骤S203中，算出第二界面处的与反射光的各干涉波形的峰值位置。接着，在步骤S204中，算出在步骤S202和步骤S203中算出的各两个峰值位置处的参照面1104的距离，将该距离除以(divide)折射率，由此算出膜厚。最后，在步骤S205中，输出膜厚的算出结果，结束计测。如上所述，对试料1103照射白色光，使反射出的光与来自参照面1104的反射光重合而在面传感器1105上成像。其结果是，仅在从半透半反镜1102到参照面1104的距离Z 与从半透半反镜1102到试料1103的距离h相等的部分处，在面传感器1105上出现干涉条纹。在该光学系统中，当沿着箭头1110方向扫描参照面1104时，各计测点处出现干涉波形。通过在各计测点检测干涉波形的峰值，并进行结合而能够求出试料1103的整面的干涉波形。然后，基于该干涉波形来计测物体的表面形状分布。而且，利用该技术，能够进行透明体的膜厚计测。在选择透明膜作为试料1103时，如图12A所示，存在有表面1111(第一界面)处的反射光1112和背面1113(第二界面)处的反射光1114。沿着试料1103的深度方向扫描光学系统时，这些光分别形成干涉条纹，能得到图12B所示的测定结果。由于测定结果的峰值间隔相当于试料1103的厚度t，因此能够在干涉条纹不发生重叠的范围内计测厚度。在该计测方法中，优选使用干涉条纹出现的范围即可干涉距离最短的白色光源 1101。具体而言，白色光源1101的强度光谱优选具有尽可能宽的频带且为正态分布。因此， 作为白色光源1101，使用卤素灯那样的宽频带光源，并且在紧接着白色光源1101的后方插入与光的透射率存在波长依赖性的滤波器(例如，参照专利文献1)。
在此，当试料1115由多个透明膜的层1116、1117构成时，在白色光源1101采用卤素灯的情况下，可干涉距离成为ι μ m以上。因此，在试料1103的膜厚为1 μ m以下时，如图 13A及图13B所示，在透明膜的层1116与透明膜的层1117的界面1118和透明膜的层1117 与其下侧的层的界面1119之间会产生干涉波形的重叠。在先技术文献专利文献专利文献1日本特开昭62-259006号公报发明要解决的问题然而，在上述以往的结构中，如图13A及图1 所示，当发生干涉波形的重叠时，无法进行试料表面的膜厚分布计测。另外，在上述以往的结构中，由于扫描参照面且取入面传感器的图像时的振动噪声或电气噪声的影响，而可能使计测的精度下降。
发明内容
用于解决课题的手段根据本发明的第一形态，提供一种使用了干涉的膜厚计测装置，具备载置部，其对表面形成有透明膜的基板进行载置；光源，其对载置于所述载置部的所述基板照射光； 半透半反镜，其对来自所述光源的所述光进行分支而使所述光向所述基板的表面及参照面照射，并使来自所述基板的所述表面及所述参照面的反射光重合而形成干涉光；摄像装置， 其拍摄所述干涉光；运算装置，其基于所述摄像装置的拍摄结果而算出所述透明膜的膜厚， 所述运算装置具有预先对向所述透明膜的入射光与反射光之间的第一相位光谱的变化量进行数据库化而作成的光谱变化量数据库；对所述摄像装置拍摄到的所述透明膜的干涉信号进行傅立叶变换而算出所述透明膜的第二相位光谱的第二相位光谱算出部；从所述光谱变化量数据库中选择与所述第二相位光谱一致度最高的第一相位光谱，使用所选择出的所述第一相位光谱来计测所述透明膜的膜厚的膜厚算出部。根据本发明的第二形态，提供一种使用了干涉的膜厚计测方法，其中，预先对向表面形成有透明膜的基板的入射光与反射光之间的第一相位光谱的变化量进行数据库化而作成光谱变化量数据库，对来自所述透明膜及参照面的光发生了干涉而成的干涉光的干涉信号进行傅立叶变换而算出所述透明膜的第二相位光谱，从所述光谱变化量数据库中选择与所述第二相位光谱一致度最高的第一相位光谱，使用所选择出的所述第一相位光谱来计测所述透明膜的膜厚。发明效果如上所述，根据本发明，对于表面上存在有1 μ m以下的薄膜的物体的膜厚，能够高精度地计测膜厚分布。
本发明的特征通过与附图的实施方式相关联的如下的记述明确可知。在这些附图中，图IA是本发明的第一实施方式中的白色扫描干涉计的光学系统的简要结构图，
图IB是本发明的第一实施方式中的白色扫描干涉计的光学系统的运算装置的框图，图IC是本发明的第一实施方式中的白色扫描干涉计的光学系统的膜厚算出部的框图，图2是表示本第一实施方式中的膜厚分布的计测次序的流程图，图3是表示本第一实施方式中的薄膜下的多重反射的情况的图， 图4A是本第一实施方式中的标准SiN膜下的精度验证结果的图，是表示波长与相位的关系的图，图4B是本第一实施方式中的标准SiN膜下的精度验证结果的图，是表示计测次数与膜厚的关系的图，图5是本发明的第二实施方式中的插入有波长滤波器的白色扫描干涉系统的光学系统的简要结构图，图6是本第二实施方式中的通过插入波长滤波器而得到的白色光源的强度光谱的图，图7A是本第二实施方式中的波长滤波器插入前的光源的强度光谱的比较的图，图7B是本第二实施方式中的波长滤波器插入后的光源的强度光谱的图，图7C是本第二实施方式中的波长滤波器插入前的干涉波形的图，图7D是本第二实施方式中的波长滤波器插入后的干涉波形的图，图8A是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图，图8B是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为1时的波长分布的图形，图8C是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为1时的亮度信号的图形，图8D是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为1时的非线性分量的图形，图8E是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为2时的波长分布的图形，图8F是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为2时的亮度信号的图形，图8G是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为2时的非线性分量的图形，图8H是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为3时的波长分布的图形，图81是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为3时的亮度信号的图形，图8J是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为3时的非线性分量的图形，图8K是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为4时的波长分布的图形，图8L是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为4时的亮度信号的图形，图8M是本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱的峰值数变化所引起的非线性分量的变动评价结果的图中的峰值数为4时的非线性分量的图形，图9A是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图，图9B是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为81. 5%时的波长分布的图形，图9C是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为81. 5%时的相位信号的变动的图形，图9D是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为88. 4%时的波长分布的图形，图9E是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为88. 4%时的相位信号的变动的图形，图9F是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为93. 4%时的波长分布的图形，图9G是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为93. 4%时的相位信号的变动的图形，图9H是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为96. 8%时的波长分布的图形，图91是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为96. 8%时的相位信号的变动的图形，图9J是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为99. 0%时的波长分布的图形，图9K是表示本第二实施方式中的透射波长滤波器后的光的强度光谱具有三个峰值的情况下的使中心峰值与两侧峰值比率变化时的非线性分量的变动评价的图中的、中心峰值与两侧峰值比率为99. 0%时的相位信号的变动的图形，图10是以往的白色扫描干涉计的光学系统的简要结构图，图11是表示以往的白色扫描干涉计中的膜厚分布的计测次序的流程图，
图12A是表示以往的白色扫描干涉计中的膜厚计测方法的原理的图，图12B是表示以往的白色扫描干涉计中的膜厚计测结果的图，图13A是表示以往的膜厚计测方法中的多层薄膜计测的原理的图，图1 是表示以往的膜厚计测方法中的多层薄膜计测时的干涉波形的重叠的图。
具体实施例方式以下，参照附图，说明本发明的实施方式。需要说明的是，在以下的说明中，对于相同的结构标注相同符号，适当地省略说明。(第一实施方式)本发明的第一实施方式的作为膜厚计测装置的一例的白色扫描干涉计1是图IA 所示的光学系统。白色扫描干涉计1包括作为光源的一例的白色光源101、半透半反镜102、 载置部100、具有参照面10 的参照构件104、作为摄像装置的一例的面传感器105、运算装置 106。在图IA中，白色光源101是例如卤素灯那样的照射宽频带的波长分布的光的光源。该白色光源101使白色光向半透半反镜102入射。半透半反镜102对光进行分割，将分割后的光向载置于载置部100的试料103和参照构件104分别引导。试料103是在基体17的表面形成有作为测定对象的透明膜16的基板。这些光分别向试料103和参照构件104入射，在试料103的表面和参照面10 上分别进行了反射后，再次通过半透半反镜102重合。重合后的光向面传感器105入射。此时， 使用参照构件移动装置90沿着图IA的箭头99的方向扫描参照面104a，并通过面传感器 105取入参照面10 的图像。参照构件移动装置90是使参照构件104沿着箭头99进行直线移动的驱动机构。作为该驱动机构，例如，使用通过电动机使滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺合的螺母构件所保持的参照构件104沿着箭头99进行直线移动的驱动机构，或者使用通过直线电动机使参照构件104沿着箭头99进行直线移动的驱动机构。入射到面传感器105的光通过面传感器105转换成图像。通过面传感器转换后的图像的信息由运算装置106取入。在运算装置106中，参照光谱变化量数据库106s并同时进行用于计测膜厚分布的运算。关于该运算装置106中的膜厚分布的计测的详细情况在后面叙述。运算装置106包括干涉波形抽出部106a、作为第二相位光谱算出部的一例的相位分量算出部106b、分量抽出部106c、膜厚算出部106d。 而且，膜厚算出部106d包括误差函数作成部106e、最小膜厚选择部106f。该运算装置106进行以下的运算。首先，对通过面传感器105拍摄到的透明膜的干涉信号进行傅立叶变换，通过相位分量算出部106b算出透明膜的第二相位光谱。并且， 从光谱变化量数据库106s中选择与第二相位光谱一致度最高的第一相位光谱。然后，使用所选择出的第一相位光谱，利用膜厚算出部106d来计测透明膜的膜厚。控制装置200与白色光源101、面传感器105、运算装置106、参照构件移动装置90 等连接，控制这各个装置的动作，从而计测试料103的膜厚分布。接下来，使用图2所示的流程图来说明利用该白色扫描干涉计1进行膜厚分布的计测的次序。首先，在步骤SlOl中，对于多种膜厚，算出反射光相对于入射光的相位光谱(第一相位光谱)的变化量，构建对于多种膜厚的数据库。然后，将构建出的对于多种膜厚的数据库存储在通过运算装置106可参照的光谱变化量数据库106s中。基于控制装置200的控制，通过运算装置106来进行构建数据库而存储于可参照的光谱变化量数据库106s中的作业。白色扫描干涉的干涉信号中，由于照射的光是白色光，因此各种波长的干涉波重合。各种波长的干涉波重合的结果是，通过相互抵消而产生干涉波形。若将其用式子表示， 则如下述(式1)表示。数1Ι(ζ) = Σ 1M) + h exp( — 丁(ζ —的)(式 1)在此，I0, I1表示干涉信号的强度，λ表示照射的光的波长，ζ表示光学系统的扫描位置，h表示从半透半反镜到透明体表面的距离。I (ζ)是光学系统的扫描位置ζ处的干涉信号。(式1)中的i是虚数单位。对干涉信号进行傅立叶变换并抽出其相位项时，得到的相位信号Φ由下述(式2) 表示。在此，相位信号Φ成为具有斜率Qnh)的一次函数。数2汐=XI (式 2)上述(式幻是在试料103的表面不存在透明膜时的相位信号Φ。在此，在试料 103的表面存在有膜厚t、折射率η的透明膜16时，会产生图3所示的多重反射。在此， 是试料103的从i面朝向j面入射的光的振幅透射率(i为0以上的整数，j为1以上的整数，i < j。)，r.j是从i面朝向j面入射的光的振幅反射率，β是透明膜的相位变化量ξ =2 π nt/ λ。例如，‘是试料103的从&面朝向S1面入射的光的振幅透射率。t1(1是试料 103的从S1面朝向&面入射的光的振幅透射率。是从&面朝向S1面入射的光的振幅反射率。r12是从S1面朝向&面入射的光的振幅反射率。r1(1是从S1面朝向&面入射的光的振幅反射率。取得该试料103的透明膜16反射出的光的总和，求出整体的相位变化量的光谱， 成为下述(式3)、(式4)。数3I = Irol + //01/10r12 exp( - ξ) + ...C二:(式 3)数4θ = arctan η^H) r J (式 4)
1/01(1 + ) + r12(l + r01 )cos(2y5))最终，试料103存在有透明膜16时的相位根据上述(式2~)进行变化，成为下述 (式 5)。数5珍=+θ⑷(式 5)
θ包含非线性分量，上述(式5)不是图7那样的一次函数。因此，假定为θ = α X (2/λ ) + β，分成线性分量{α X (2/λ)}和非线性分量β时，上述(式5)成为下述 (式 6)。数6
权利要求
1.一种使用了干涉的膜厚计测装置，具备 载置部，其对表面形成有透明膜的基板进行载置； 光源，其对载置于所述载置部的所述基板照射光；半透半反镜，其对来自所述光源的所述光进行分支而使所述光向所述基板的表面及参照面照射，并使来自所述基板的所述表面及所述参照面的反射光重合而形成干涉光； 摄像装置，其拍摄所述干涉光；运算装置，其基于所述摄像装置的拍摄结果而算出所述透明膜的膜厚， 所述运算装置具有预先对向所述透明膜的入射光与反射光之间的第一相位光谱的变化量进行数据库化而作成的光谱变化量数据库；对所述摄像装置拍摄到的所述透明膜的干涉信号进行傅立叶变换而算出所述透明膜的第二相位光谱的第二相位光谱算出部；从所述光谱变化量数据库中选择与所述第二相位光谱一致度最高的第一相位光谱，使用所选择出的所述第一相位光谱来计测所述透明膜的膜厚的膜厚算出部。
2.根据权利要求1所述的使用了干涉的膜厚计测装置，其中，透射光的强度光谱具有多个峰值的光学滤波器设置在所述光源与所述半透半反镜之间。
3.根据权利要求2所述的使用了干涉的膜厚计测装置，其中，所述光学滤波器是所述透射光的所述强度光谱具有三个峰值的滤波器。
4.根据权利要求3所述的使用了干涉的膜厚计测装置，其中，所述光学滤波器的所述透射光的所述强度光谱的中心峰值的强度比两侧峰值的强度
5.根据权利要求4所述的使用了干涉的膜厚计测装置，其中，所述光学滤波器的所述透射光的所述强度光谱的所述中心峰值的强度相对于所述两侧峰值的强度为大于80%且小于100%的强度。
6.根据权利要求5所述的使用了干涉的膜厚计测装置，其中，所述光学滤波器的所述透射光的所述强度光谱的所述中心峰值的强度为所述两侧峰值的强度的93. 4%的强度。
7.根据权利要求1所述的使用了干涉的膜厚计测装置，其中， 所述光源为白色光源。
8.一种使用了干涉的膜厚计测方法，其中，预先对向表面形成有透明膜的基板的入射光与反射光之间的第一相位光谱的变化量进行数据库化而作成光谱变化量数据库，对来自所述透明膜及参照面的光发生了干涉而成的干涉光的干涉信号进行傅立叶变换而算出所述透明膜的第二相位光谱，从所述光谱变化量数据库中选择与所述第二相位光谱一致度最高的第一相位光谱，使用所选择出的所述第一相位光谱来计测所述透明膜的膜厚。
全文摘要
本发明的膜厚计测装置将表面形成有透明膜(16)的基板(103)载置于载置部(100)，利用半透半反镜(102)对来自光源(101)的光进行分支而使光向基板表面及参照面照射，并使来自基板表面及参照面的反射光重合而形成干涉光，利用摄像装置(105)拍摄干涉光，基于其拍摄结果利用运算装置(106)算出透明膜的膜厚。运算装置具有预先对向透明膜的入射光与反射光之间的第一相位光谱的变化量进行数据库化而作成的光谱变化量数据库(106s)；对摄像装置拍摄到的透明膜的干涉信号进行傅立叶变换而算出透明膜的第二相位光谱的第二相位光谱算出部(106b)；从数据库中选择与第二相位光谱一致度最高的第一相位光谱，使用所选择出的第一相位光谱来计测透明膜的膜厚的膜厚算出部(106d)。
文档编号G01B11/02GK102414537SQ20108001818
公开日2012年4月11日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年1月6日
发明者浦岛毅吏, 追风宽岁 申请人:松下电器产业株式会社