JPH10111240A - 分光反射率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分光反射率を迅速にかつ精度良く測定する。 【解決手段】 光源５からの計測光を、第１の凸レンズ
６、開口絞り７、視野絞り８、第２の凸レンズ９、ハー
フミラー１０、第３の絞り１１および対物レンズ１２を
通して測定試料面Ｓの所定の二次元領域に照射する。測
定試料面Ｓから反射した反射光を、対物レンズ１２、第
３の絞り１１、ハーフミラー１０、第３の凸レンズ１５
および透過波長可変フィルター１８を通して入射し、そ
の分光画像をＣＣＤカメラ１４で撮影するとともに、分
光反射率測定手段１６により、分光画像に基づいて分光
反射率を測定する。透過波長可変フィルター１８で複数
種の波長を選択操作し、被測定物１３の測定試料面Ｓの
二次元領域の分光反射率を一挙に測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物質の特定や膜厚
測定などのために、ミラーなどの光学部品、半導体基板
や液晶基板、コーティング処理物などの被測定物の測定
試料面の分光反射率を測定する分光反射率測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】上述のような、表面処理が施された被測
定物の分光反射率のデータを得る装置として、従来、特
公平７−３３６５号公報に示されるような顕微分光装置
があった。

【０００３】このような従来の顕微分光装置によれば、
被測定物の上方において、被測定物の測定試料面の所望
箇所を測定するように顕微鏡光学系を移動し、その顕微
鏡光学系を構成する顕微鏡対物レンズを被測定物に対向
させて分光反射率を測定するように構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような装置では、被測定物の測定試料面の所望の１点に
対物レンズのピントを合わせて測定するものであるため
に、被測定領域に比べて光学系が大きなものになる。ま
た、被測定物の測定試料面に対して二次元方向でのデー
タを得ようとすると、光学系または被測定物を二次元方
向に移動させ、多数の点で測定しなければならず、測定
を迅速に行えないという欠点があった。

【０００５】このため、例えば、半導体業界で膜厚測定
のために上述の装置を用いるような場合、通常は１枚の
半導体ウエハに対して数点から高々数十点程度の測定で
済まさざるを得ず、二次元方向に分散した不連続の代表
点のデータしか得られず、分光反射率データの局所的な
変化を見逃しやすいという欠点があった。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、分光反射率を迅速にかつ精度良く測定
できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
の分光反射率測定装置は、上述のような目的を達成する
ために、計測光を発する光源と、前記光源からの計測光
を測定試料面に到達させる照明光学系と、前記測定試料
面からの反射光を結像させる結像光学系と、前記測定試
料面からの反射光を分光する分光手段と、結像された分
光画像を撮影する撮像手段と、前記分光画像に基づいて
分光反射率を測定する分光反射率測定手段と、を備えた
分光反射率測定装置において、前記分光手段を、前記結
像光学系と前記分光反射率測定手段との間に設けて前記
測定試料面の二次元領域から前記分光反射率測定手段に
到達する透過反射光の波長を変更する透過波長可変フィ
ルターで構成する。

【０００８】また、請求項２に記載した発明の分光反射
率測定装置は、上述のような目的を達成するために、計
測光を発する光源と、前記光源からの計測光を測定試料
面に到達させる照明光学系と、前記測定試料面からの反
射光を結像させる結像光学系と、前記測定試料面からの
反射光を分光する分光手段と、結像された分光画像を撮
影する撮像手段と、前記分光画像に基づいて分光反射率
を測定する分光反射率測定手段と、を備えた分光反射率
測定装置において、前記分光手段を、前記結像光学系と
前記分光反射率測定手段との間に設けて前記測定試料面
の一直線状の領域からの反射光を分光して取り込む一次
元スリットで構成し、前記測定試料面と前記一次元スリ
ットとを、前記測定試料面の面に平行でかつ前記一次元
スリットの長手方向に直交する方向に相対移動する移動
手段を設けて構成する。

【０００９】そして、請求項３に記載した発明の分光反
射率測定装置は、請求項２に記載した発明の分光反射率
測定装置における結像光学系と一次元スリットと撮像手
段とを、測定試料面の面に平行な方向で、かつ、前記一
次元スリットの長手方向に複数個並設するとともに、前
記一次元スリットの長手方向に直交する方向視におい
て、隣り合う前記一次元スリットの長手方向の端部を重
複させるように構成する。

【００１０】

【作用】請求項１に記載した発明の分光反射率測定装置
の構成によれば、測定試料面の二次元領域からの反射光
に対し、透過波長可変フィルターにより複数種の波長の
反射光を選択して分光反射率測定手段に到達させ、各波
長ごとの分光画像を撮像手段で撮影し、その測定試料面
の二次元領域の分光画像に基づいて分光反射率を測定す
ることができる。

【００１１】また、請求項２に記載した発明の分光反射
率測定装置の構成によれば、測定試料面の一直線状の領
域からの反射光を一次元スリットにより分光し、その分
光された一直線状の領域からの反射光の分光画像を撮像
手段で撮影し、更に、移動手段により、上述一直線状の
領域に直交する方向に移動させ、間欠的に同様に分光さ
れた一直線状の領域からの反射光の分光画像を撮像手段
で撮影し、全体として二次元領域からの分光された反射
光の分光画像を得る。これらの分光画像に基づいて測定
試料面の二次元領域の分光反射率を測定することができ
る。

【００１２】また、請求項３に記載した発明の分光反射
率測定装置の構成によれば、測定試料面が大きい場合に
は、結像光学系と一次元スリットと撮像手段の個数を多
くし、一方、測定試料面が小さい場合には個数を少なく
し、測定試料面の大きさに容易に対応することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る第１実施例
の分光反射率測定装置の全体側面図、図２は要部の構成
図である。図１に示すように、基台１に立設された支柱
２に、第１のステージ３ａと第２のステージ３ｂとから
成るＸ−Ｙステージ３を介してケーシング４が水平方向
に移動可能に支持されている。

【００１４】ケーシング４内には、図２に示すように、
計測光を発する光源５と、第１の凸レンズ６と、開口絞
り７と、視野絞り８と、第２の凸レンズ９と、ハーフミ
ラー（ビームスプリッタも含む）１０と、第３の絞り１
１と対物レンズ１２とが備えられ、光源５からの計測光
を基板などの被測定物１３の測定試料面Ｓの所定の二次
元領域に照射するように構成されている。

【００１５】また、ケーシング４内には、分光画像を撮
影するＣＣＤカメラ１４と、対物レンズ１２およびハー
フミラー１０を通った測定試料面Ｓからの反射光を絞り
１７上に結像する第３の凸レンズ１５と、分光画像に基
づいて分光反射率を測定する分光反射率測定手段１６と
が備えられている。絞り１７は、被測定物１３の測定試
料面Ｓからの測定しようとする反射光のみを通過させ、
不要な部分から入射される光をカットできるようになっ
ている。

【００１６】前記絞り１７とＣＣＤカメラ１４の撮像面
との間に、分光手段としての透過波長可変フィルター１
８および絞り１７上の像をＣＣＤカメラ１４の撮像面に
結像させる光学系（図示せず）が設けられ、測定試料面
Ｓの二次元領域から分光反射率測定手段１６に到達する
透過反射光の波長を変更するように構成されている。な
お、第１の凸レンズ６、第２の凸レンズ９、対物レンズ
１２、第３の凸レンズ１５は、それぞれ１枚のレンズで
示されているが、複数枚のレンズで構成されることもあ
る。

【００１７】以上の構成により、透過波長可変フィルタ
ー１８に対する操作を行うだけで、透過波長可変フィル
ター１８で選択された複数種の波長の分光画像を得、そ
れらの分光画像をＣＣＤカメラ１４で撮影するととも
に、分光画像に基づいて、被測定物１３の測定試料面Ｓ
の二次元領域の分光反射率を一挙に測定することができ
る。

【００１８】前記第１の凸レンズ６、開口絞り７、視野
絞り８、第２の凸レンズ９、ハーフミラー１０、第３の
絞り１１および対物レンズ１２によって、光源５からの
計測光を測定試料面Ｓに到達させる照明光学系が構成さ
れている。第１の凸レンズ６、開口絞り７、視野絞り８
および第３の絞り１１を設けずに構成することもでき
る。

【００１９】前記透過波長可変フィルター１８として
は、音響光学結晶と音響波ドライバーとから構成されて
ブロードバンドな光から単色光を分離する音響光学フィ
ルター（Brimrose Coporation of America製）とか、液
晶チューニングエレメントと複屈折フィルターとを組み
合わせて50ms以下の波長チューニング速度で任意の波長
のみ選択し、他の波長をカットする液晶チューナブルフ
ィルター（Cambridge Research & Instrumentation Inc
製）とか、更には、複数枚の透過波長の異なるフィルタ
ーを用いて、回転やスライドにより所定波長のフィルタ
ーに変更するように構成したものなど各種のものが適用
できる。

【００２０】上記第１実施例において、測定試料面Ｓが
大きく、一度で測定できない場合には、Ｘ−Ｙステージ
３によりケーシング４を移動するか、あるいは、被測定
物１３を移動するかによって対処すれば良い。

【００２１】図３は、本発明に係る第２実施例の分光反
射率測定装置の要部の構成図、図４の（ａ）は要部の拡
大図、図４の（ｂ）は図４の（ａ）の側面図であり、第
１実施例と異なるところは次の通りである。

【００２２】すなわち、結像光学系の第３の凸レンズ１
５に対向させて、測定試料面Ｓの一直線状の領域からの
反射光を分光して取り込む一次元スリット１９が設けら
れている。一次元スリット１９を通過した光を、第４の
凸レンズ２０、プリズム２１および第５の凸レンズ２２
を介して二次元イメージセンサ２３の撮像面上に結像さ
せる。この時、図４の（ｂ）に示したように、プリズム
２１によってスリット長手方向に直交する方向に光が分
散されるので、二次元イメージセンサ２３の撮像面上に
はスリットの分光された像が結像する。その分光画像に
基づき、分光反射率測定手段２４により被測定物１３の
測定試料面Ｓの一直線状の領域の分光反射率を一挙に測
定できるように構成されている。

【００２３】そして、Ｘ−Ｙステージ３を移動手段とし
て、ケーシング４を測定試料面Ｓの面に平行でかつ一次
元スリット１９の長手方向に直交する方向に所定量づつ
間欠的に移動させてそれぞれの一直線状の領域の分光反
射率を一挙に測定していき、全体として、被測定物１３
の測定試料面Ｓの二次元領域の分光反射率を迅速に測定
できるように構成されている。他の構成は第１実施例と
同じであり、同一図番を付すことによりその説明は省略
する。

【００２４】上記第２実施例の第４の凸レンズ２０およ
び第５の凸レンズ２２は、それぞれ１枚のレンズで示さ
れているが、複数枚のレンズで構成されることもある。
移動手段としては、被測定物１３を移動するように構成
しても良い。

【００２５】また、上記第２実施例においては、照明光
学系の視野絞り８も矩形状あるいはスリット形状にし、
測定試料面Ｓの測定対象箇所のみに計測光を照射するの
が望ましい。不要な迷光の影響を低減できるからであ
る。

【００２６】上記第２実施例のプリズム２１に代えて、
図５の変形例の要部の構成図に示すように、グレーティ
ング２５を用いても良い。

【００２７】また、図６の（ａ）の変形例の要部の構成
図、および、図６の（ｂ）の図６の（ａ）の側面図に示
すように、上記第２実施例の第４の凸レンズ２０に代え
て、一次元のマイクロレンズアレイ２６を、そして、第
５の凸レンズ２２に代えて、アナモルフィックレンズア
レイ２７をそれぞれ用いても良い。

【００２８】上記第２実施例では、ケーシング４を一次
元スリット１９の長手方向に直交する一直線方向に移動
させているが、図７の要部の斜視図に示すように、ケー
シング４を所定の軸芯周りで 180°あるいは 360°回転
するように構成しても良い。この回転構成としては、例
えば、Ｘ−Ｙステージ３にベース部材を設け、このベー
ス部材にケーシング４を回転可能に設け、ケーシング４
の外周面に全周にわたる帯状のギアを設け、一方、ベー
ス部材に電動モータを設けるとともに電動モータのモー
タ軸に前記帯状のギアに咬合する小径ギアを設け、電動
モータを所定角度づつ回転させるように構成すれば良
い。なお、このとき、ケーシング４の回転軸芯と結像光
学系の光軸とを一致させておくのが望ましい。測定試料
面Ｓの位置と測定データとを関連付けやすいからであ
る。

【００２９】また、測定試料面Ｓが大きい場合には、図
８の変形例の要部の斜視図に示すように、Ｘ−Ｙステー
ジ３によりジグザグ状にケーシング４を移動し、測定試
料面Ｓ全体の分光反射率を測定するようにすれば良い。

【００３０】図９は、本発明に係る第３実施例の分光反
射率測定装置の要部の斜視図、図１０は要部の平面図で
あり、前述第２実施例と同一構成のケーシング４ａの４
個が、図示しない取付構成によってＸ−Ｙステージ３
（図１参照）に着脱可能に取り付けられている。各ケー
シング４ａは、一次元スリット１９ａの長手方向に並設
され、かつ、隣り合う一次元スリット１９ａの長手方向
に直交する方向視において重複するように構成されてい
る。Ｘ−Ｙステージ３、および、その取付け構成は第１
実施例と同じである。

【００３１】この第３実施例によれば、測定試料面Ｓが
大きい場合でも、ケーシング４ａの取付個数を増加する
だけで、Ｘ−Ｙステージ３の所定の一方向への間欠移動
によって測定試料面Ｓ全体の分光反射率を容易に測定で
きる利点を有している。

【００３２】撮像手段としては、上述実施例のようなＣ
ＣＤカメラ２８に限らず、例えば、イメージセンサやフ
ォトダイオードアレイなど各種の手段が適用できる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載した発明の分光反射率測定装置によれば、測定
試料面の二次元領域からの反射光に対し、選択した波長
ごとの測定試料面の二次元領域全体の分光画像を撮像手
段で撮影し、その測定試料面の二次元領域全体の分光反
射率を一挙に測定できるから、多点の測定を行う従来に
比べ、分光反射率の測定を迅速に行うことができる。し
かも、多点の測定の場合のような不連続な測定にはなら
ないから、局所的な変化をも把握でき、分光反射率を精
度良く測定できる。

【００３４】また、請求項２に記載した発明の分光反射
率測定装置によれば、測定試料面の一直線状の領域から
の反射光を一次元スリットにより分光し、一直線に連な
った領域の分光反射率を測定し、その測定位置を移動手
段で変え、全体として二次元領域の分光反射率を測定で
きるから、多点の測定を行う従来に比べ、分光反射率の
測定を迅速に行うことができる。しかも、多点の測定の
場合のような不連続な測定にはならないから、局所的な
変化をも把握でき、分光反射率を精度良く測定できる。

【００３５】また、請求項３に記載した発明の分光反射
率測定装置によれば、測定試料面の大小にかかわらず、
撮像光学系と一次元スリットと撮像手段の個数を変更す
ることによって対応できるから、大径のレンズを設けた
りせずに済み、製作が簡単で安価にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例の分光反射率測定装置
の全体側面図である。

【図２】要部の横断面図である。

【図３】本発明に係る第２実施例の分光反射率測定装置
の要部の構成図である。

【図４】（ａ）は要部の拡大図、（ｂ）は図４の（ａ）
の側面図である。

【図５】変形例の要部の構成図である。

【図６】（ａ）は変形例の要部の構成図、（ｂ）は図６
の（ａ）の側面図である。

【図７】変形例の要部の斜視図である。

【図８】変形例の要部の斜視図である。

【図９】本発明に係る第３実施例の分光反射率測定装置
の要部の斜視図である。

【図１０】要部の平面図である。

【符号の説明】

３…Ｘ−Ｙステージ（移動手段） ５…光源 １３…被測定物 １４…ＣＣＤカメラ（撮像手段） １６…分光反射率測定手段 １８…透過波長可変フィルター（分光手段） １９…一次元スリット（分光手段） ２３…二次元イメージセンサ（撮像手段） ２４…分光反射率測定手段 Ｓ…測定試料面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測光を発する光源と、 前記光源からの計測光を測定試料面に到達させる照明光
   学系と、 前記測定試料面からの反射光を結像させる結像光学系
   と、 前記測定試料面からの反射光を分光する分光手段と、 結像された分光画像を撮影する撮像手段と、 前記分光画像に基づいて分光反射率を測定する分光反射
   率測定手段と、 を備えた分光反射率測定装置において、 前記分光手段を、 前記結像光学系と前記分光反射率測定手段との間に設け
   て前記測定試料面の二次元領域から前記分光反射率測定
   手段に到達する透過反射光の波長を変更する透過波長可
   変フィルターで構成したことを特徴とする分光反射率測
   定装置。
2. 【請求項２】 計測光を発する光源と、 前記光源からの計測光を測定試料面に到達させる照明光
   学系と、 前記測定試料面からの反射光を結像させる結像光学系
   と、 前記測定試料面からの反射光を分光する分光手段と、 結像された分光画像を撮影する撮像手段と、 前記分光画像に基づいて分光反射率を測定する分光反射
   率測定手段と、 を備えた分光反射率測定装置において、 前記分光手段を、 前記結像光学系と前記分光反射率測定手段との間に設け
   て前記測定試料面の一直線状の領域からの反射光を分光
   して取り込む一次元スリットで構成し、 前記測定試料面と前記一次元スリットとを、前記測定試
   料面の面に平行でかつ前記一次元スリットの長手方向に
   直交する方向に相対移動する移動手段を設けたことを特
   徴とする分光反射率測定装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の結像光学系と一次元ス
   リットと撮像手段とを、測定試料面の面に平行な方向
   で、かつ、前記一次元スリットの長手方向に複数個並設
   するとともに、前記一次元スリットの長手方向に直交す
   る方向視において、隣り合う前記一次元スリットの長手
   方向の端部を重複させてある分光反射率測定装置。