分光計測裝置的製作方法

2023-10-11 19:35:54 4

專利名稱：分光計測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適於薄膜的膜厚或者膜質(光學常數、試料結構等)的計測等用途的、利用了光的偏振光狀態的變化的分光計測裝置，特別涉及一種適於生產線中的在線計測的分光計測裝置。
背景技術：
近年來，在半導體製造過程中，伴隨著半導體基板的大型化和設計規則的精密化，產生了由不良產品導致重大損害的可能性和管理微小異常的必要性，由此大大提高了檢查的重要性。
另外，即使在以LCD(Liquid Crystal Display液晶顯示器)和PDP(PlasmaDisplay Panel等離子顯示器)為代表的FPD(Flat Panel Display平面顯示器)的製造過程中，在玻璃基板的大型化發展過程中，急速地向大圖面化、高精密化、高品位化發展，而為了以高成品率生產高品質的產品，檢查的重要性變得越來越高。
以往，使用大且昂貴的分光計測裝置通過離線計測進行這種製造過程中的產品檢查、特別是膜厚檢查。該離線計測，是通過從製造過程中抽取產品並運到處於離開位置的分光計測裝置，然後執行測定、確認這樣的一系列的次序來進行的。
在這種離線計測中，在測定的結果偏離管理標準的情況下，反饋該信息，直到反映在過程上進行修正為止需要花費時間，另外，也不能判定未抽取的產品是否偏離了管理標準，存在成品率低下的問題。
因此，例如，通過在成膜過程中(in-situ)或者成膜過程之後的生產線中以編入分光計測裝置的形式實現在線膜厚計測，以不從製造過程中抽取產品而進行全數測定的形式來提高產品成品率的需求變大。
作為可以適用於這種在線計測的分光計測裝置，要求各種條件(1)具有與以往的離線膜厚計測所使用的分光計測裝置相同的性能，(2)小型並可進行高速運算處理，(3)具有抗後面所述的距離抖動和角度抖動的性質。還有，近年來伴隨著設計規則的精密化，絕緣膜等變得極薄，檢查數nm的超薄膜的膜厚以及膜質的重要性變得越來越高。
以往，在膜厚的測定中，主要使用分光解析方式或者偏振光解析方式的膜厚計，因為都由使用了衍射光柵的分光器構成，所以裝置變得大型化，具有不適合在線計測這樣的缺陷。
另外，因為在分光解析方式的膜厚計中，只能測定S偏振光和P偏振光的平均值、即反射率，所以與以綜合S偏振光和P偏振光各自的反射率來計算出膜厚的橢圓偏振儀等為代表的偏振光解析方式的膜厚計相比，信息量少，不可能進行高精度的計測。
並且，在分光解析方式的膜厚計中，因為通過取得向試料的入射波的強度分布波形和來自試料的反射波的強度分布波形之比來計算出反射率，所以在膜厚計測時，另外需要測定入射波的強度分布波形的作業。其結果是，具有計測時間增大這樣的缺陷，不利於在線計測。
另一方面，在偏振光解析方式的膜厚計中，由於是同時測定S偏振光的強度分布波形和P偏振光的強度分布波形，並由此而計算出膜厚，所以不另外需要測定入射波的強度分布波形等作業。因此，計測時間短，適於在線計測。
另外，為了解析物質的膜質(光學常數、試料結構等)，需要在寬的波長區域中測定的光譜，從計測膜質的角度來看，分光偏振光解析方式的膜厚計是有利的。此外，在這裡所說的「膜質」是指折射率、吸收係數、光譜帶結構、結晶結構等各種特性。
作為偏振光解析方式的膜厚計的使檢偏振器旋轉的單入射角分光橢圓偏振儀的以往例在圖42中示出(參照專利文獻1)。在圖中，a是光源部，b是起偏振器，c是1/4波阻片，d是測定試料，e是旋轉檢偏振器，f是檢偏振器驅動部，g是電子計算機，h1～h5是光檢測器，i是衍射光柵。
為了便於說明，將圖42所示的單入射角分光橢圓偏振儀中的光檢測器h1～h5作為光偵測陣列(フォトアレイ)型檢測器的例子在圖43中示出。在圖中，在圖中，101是多色光源，102是起偏振器，103是移相器，104是試料，105是檢偏振器，106是聚光透鏡，107是衍射光柵，108是一維CCD。
從圖43可知，從多色光源101發出的光通過起偏振器102以及移相器103而成為直線偏振光狀態，以傾斜入射的方式向試料104的表面進行照射。在來自試料104的反射光的光路上，依次配置有用於調查偏振光狀態的檢偏振器105、聚光透鏡106、具有分光功能的衍射光柵107、具有光電轉換功能的光偵測陣列檢測器108。由此，測定反射光各波長的偏振光狀態，取得對應的光譜。最後，在未圖示的運算部進行理論波形和實測波形的擬合，計算出試料的膜厚。
專利文獻1JP特開平6-288835號公報。
上述單入射角分光橢圓偏振儀，因為是由利用了衍射光柵的分光器構成的，所以裝置變得大型化(第一問題點)，從而導致為了在線計測而編入生產線的情況變得困難。
另外，在產生了後面所述的距離抖動的情況下，所觀測的反射光的強度分布波形不變化，但是發生了後面所述的水平方向角度抖動或者垂直方向角度抖動的情況下，所觀測的反射光的強度分布波形較大的變動(第二問題點)，從而使計測變得困難。也就是說，由於抗距離抖動、角度抖動的能力很差，實際使用上在線計測是不可能的。要消除這種狀況，就需要固定要測定的試料的專用的臺來，從而大幅度地限制了裝置的設置條件。
進而，因為在測定前必須將到試料的距離以及試料的傾斜定位(第三問題點)，所以要花費調整臺的時間。其結果是，增大了計測時間，不適於在線計測。
參照圖44A、圖44B、圖45A、圖45B、圖46A、圖46B，對「距離抖動」進行說明。在圖44A、圖44B、圖45A、圖45B、圖46A、圖46B中，201是多色光源，202是起偏振器，203是移相器，204是半導體產品或FDP等試料，205是檢偏振器，206是將聚光點設在一維CCD的受光面上的聚光透鏡，207是衍射光柵，208是一維CCD，是簡化表示專利文獻1所述的發明的裝置。
圖44A、圖44B是表示試料處於標準高度時光學系統和試料的位置關係的圖，圖45A、圖45B是表示試料處於下降高度時光學系統和試料的位置關係的圖，圖46A、圖46B是表示試料處於上升高度時光學系統和試料的位置關係的圖。
所謂的距離抖動是光學系統(例如移相器203)和試料204的距離發生變動的現象。當產生該距離抖動時，經由一維CCD208觀測的反射光強度分布波形的陣列列方向的寬度沒有變動，但是因為發生位置變動，所以基於該強度分布波形計算出的薄膜的光學常數有誤。
從圖44A、圖44B和圖45A、圖45B的比較可知，試料處於標準高度時的從試料204來的反射光線L101、和試料處於下降高度時的從試料204來的反射光線L102平行，但是因為入射到衍射光柵207的位置不同，所以試料204處於標準高度時的反射光強度分布波形W101和處於下降高度時的反射光強度分布波形W102不一致。
同樣，從圖44A、圖44B和圖46A、圖46B的比較可知，試料處於標準高度時的從試料204來的反射光線L101、和試料處於上升高度時的從試料204來的反射光線L103平行，但是因為入射到衍射光柵207的位置不同，所以試料204處於標準高度時的反射光強度分布波形W101和處於上升高度時的反射光強度分布波形W103不一致。
參照圖47A、圖47B、圖48A、圖48B、圖49A、圖49B，對「水平方向角度抖動」進行說明。在圖47A、圖47B、圖48A、圖48B、圖49A、圖49B中，對與圖44A、圖44B、圖45A、圖45B、圖46A、圖46B相同的結構部分標有相同的附圖標記，並省略說明。
此外，圖47A、圖47B是表示試料處於標準角度(相對於入射面垂直的平面)時光學系統和試料的位置關係的圖，圖48A、圖48B是表示試料處於向右下側傾斜(右傾)狀態時光學系統和試料的位置關係的圖，圖49A、圖49B是表示試料處於向左下側傾斜(左傾)狀態時光學系統和試料的位置關係的圖。
所謂的水平方向角度抖動是相對於入射面以垂直的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料204的傾角發生變動的現象。若產生此水平方向角度抖動，則經由一維CCD208觀測的反射光強度分布波形的陣列列方向的寬度發生變動，所以基於其強度分布波形計算出的薄膜的光學常數有誤。
從圖47A、圖47B和圖48A、圖48B的比較可知，試料204處於標準角度時的從試料204來的反射光線L201、和試料處於右傾角度時的從試料來的反射光線L202不平行，入射到衍射光柵207的角度以及位置不同，所以試料204處於標準角度時的反射光強度分布波形W201和處於右傾角度時的反射光強度分布波形W202不一致。
同樣，從圖47A、圖47B和圖49A、圖49B的比較可知，試料204處於標準角度時的從試料來的反射光線L201、和試料處於左傾角度時的從試料來的反射光線L203不平行，入射到衍射光柵207的角度以及位置不同，所以試料204處於標準角度時的反射光強度分布波形W201和處於左傾角度時的反射光強度分布波形W203不一致。
參照圖50A、圖50B、圖51A、圖51B、圖52A、圖52B，對「垂直方向角度抖動」進行說明。在圖50A、圖50B、圖51A、圖51B、圖52A、圖52B中，對和圖44A、圖44B、圖45A、圖45B、圖46A、圖46B相同的結構部分標有相同的附圖標記，並省略說明。
圖50A、圖50B是表示試料處於標準角度(相對於入射面垂直的平面)時光學系統和試料的位置關係的圖，圖51A、圖51B是表示試料處於向後下側傾斜(後傾角度)狀態時光學系統和試料的位置關係的圖，圖52A，圖52B是表示試料處於向前下側傾斜(前傾角度)時光學系統和試料的位置關係的圖。
垂直方向角度抖動是以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾角發生變動的現象。若產生此垂直方向角度抖動，則在衍射光柵207衍射的光線的擴散方向偏離一維CCD208的陣列列方向，不能在一維CCD208中完全接受反射光強度分布。其結果是，基於該強度分布波形計算出的薄膜的光學常數有誤。
從圖50A、圖50B和圖51A、圖51B的比較可知，試料204處於標準角度時的從試料來的反射光線L301、和試料處於後傾角度時的從試料204來的反射光線L302不平行，入射到衍射光柵207的角度以及位置不同，所以試料204處於標準角度時的反射光強度分布波形W301和處於右傾角度時的反射光強度分布波形W302不一致。
同樣，從圖50A、圖50B和圖52A、圖52B的比較可知，試料204處於標準角度時的從試料來的反射光線L301、和試料204處於前傾角度時的從試料204來的反射光線L303不平行，入射到衍射光柵207的角度以及位置不同，所以試料204處於標準角度時的反射光強度分布波形W301和處於前傾角度時的反射光強度分布波形W303不一致。
此外，下面將水平方向角度抖動和垂直方向角度抖動總稱為角度抖動。

發明內容
本發明是著眼於以往的分光計測裝置中的上述問題點而提出的，該分光計測裝置包含有分光解析方式以及偏振光解析方式的膜厚計，其目的在於提供一種適於例如半導體製造過程或FPD製造過程等中的在線計測的分光計測裝置。
本發明更具體的目的在於提供一種實現小型化並具有對距離抖動和水平方向角度抖動和垂直方向角度抖動的抗耐性的分光計測裝置。
本發明的分光計測裝置，一種分光計測裝置，是對試料照射測定介質光並接受反射光，通過檢測出相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化，求取該試料的膜厚或者膜質的計測裝置，其特徵在於，具有投光側光學系統，其將包含各種方位角度成分的測定介質光會聚並照射到試料表面；受光側光學系統，其包括將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元、透鏡和通過透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件，上述分光元件設置在上述光電轉換部陣列單元的前面，以上述透鏡和上述光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行配置，經上述透鏡通過上述光電轉換部陣列單元接受來自試料的反射光；運算部，其基於從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，使相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化量對應於上述分光元件的透過波長，並進行解析而獲得實測分光波形，同時，計算出根據假設的膜厚和/或膜質而理論計算的理論分光波形，通過上述實測分光波形和上述理論分光波形的擬合，求取膜厚或者膜質；進而上述投光側光學系統中包含有特徵化單元，該特徵化單元對上述測定介質光賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵，
上述受光側光學系統中包含有傾斜檢測用光電轉換單元，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光，並檢測出其所包含的上述試料的傾斜變動的特徵；上述運算單元中包含有受光量數據校正單元，該受光量數據校正單元基於由上述傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分。
對測定介質光賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元中包括將具有預定形狀或者強度分布的測定介質光向試料照射的情況。
另外，基於由傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元中，包括這樣的單元由傾斜檢測用光電轉換單元接受來自試料的反射光，根據其接受的光的形狀或受光強度分布，得出以預定形狀或者強度分布來照射的測定介質光的受光位置，並基於與試料無傾斜時應受光的受光位置的比較，來修正由於試料的傾斜變動導致的誤差成分。測定介質光的預定形狀或者強度分布，至少在相對於測定介質光的前進方向垂直並且平行入射面的方向上，只要具有形狀或者強度分布就可以。
一種分光計測裝置，是對試料照射測定介質光並接受反射光，通過檢測出相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化，求取該試料的膜厚或者膜質的計測裝置，其特徵在於，具有投光側光學系統，其將包含各種方位角度成分的測定介質光會聚並照射到試料表面；受光側光學系統，其包括將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元、透鏡和通過透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件，上述分光元件設置在上述光電轉換部陣列單元的前面，以上述透鏡和上述光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行配置，經上述透鏡通過上述光電轉換部陣列單元接受來自試料的反射光；
運算部，其基於從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，使相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化量對應於上述分光元件的透過波長，並進行解析而獲得實測分光波形，同時，計算出根據假設的膜厚和/或膜質而理論計算的理論分光波形，通過上述實測分光波形和上述理論分光波形的擬合，求取膜厚或者膜質；進而上述投光側光學系統中包含有特徵化單元，該特徵化單元對上述測定介質光賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾角變動的特徵，上述運算單元中包含有受光量數據校正單元，該受光量數據校正單元基於由上述光電轉換部陣列單元檢測出的上述試料的傾角變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分。
對測定介質光賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元包括將具有預定形狀或者強度分布的測定介質光向試料照射的情況，另外，關於受光量數據校正單元，包括這樣的單元由傾斜檢測用光電轉換單元接受來自試料的反射光，根據其接受的光的形狀或受光強度分布，得出以預定形狀或者強度分布來照射的測定介質光的受光位置，並基於與試料無傾斜時應受光的受光位置的比較，來修正由於試料的傾斜變動導致的誤差成分。測定介質光的預定形狀或者強度分布，至少在垂直於測定介質光的相對於試料的入射面的方向上，只要具有形狀或者強度分布就可以。
一種分光計測裝置，是對試料照射測定介質光並接受反射光，通過檢測出相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化，求取該試料的膜厚或者膜質的計測裝置，其特徵在於，具有投光側光學系統，其將包含各種方位角度成分的測定介質光會聚並照射到試料表面；受光側光學系統，其包括將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元、透鏡和通過透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件，上述分光元件設置在上述光電轉換部陣列單元的前面，以上述透鏡和上述光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行配置，經上述透鏡通過上述光電轉換部陣列單元接受來自試料的反射光；運算部，其基於從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，使相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化量對應於上述分光元件的透過波長，並進行解析而獲得實測分光波形，同時，計算出根據假設的膜厚和/或膜質而理論計算的理論分光波形，通過上述實測分光波形和上述理論分光波形的擬合，求取膜厚或者膜質；進而上述投光側光學系統中包含有第一特徵化單元，該第一特徵化單元對上述測定介質光賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵，還包含有第二特徵化單元，該第二特徵化單元賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動，上述受光側光學系統中包含有傾斜檢測用光電轉換單元，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光，並檢測出其所包含的上述第一特徵化單元的特徵，以上述受光側光學系統中所包含的上述透鏡與傾斜檢測用光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行設定，上述運算單元中包含有基於由上述光電轉換陣列單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元，還包含有基於由上述傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元。
測定介質光的預定形狀或者強度分布，在相對於測定介質光的前進方向垂直並且與入射面平行的方向上，以及在垂直於測定介質光的相對於試料的入射面的方向上，只要具有形狀或者強度分布就可以。
在理想的實施方式中，上述特徵化單元是在上述測定介質光的剖面輪廓中、將相當於試料的傾斜標準的部分進行邊緣整形的剖面輪廓整形單元。
在理想的實施方式中，上述剖面輪廓整形單元至少包括狹縫、小孔、或者刃狀物。
在理想的實施方式中，上述光源使用白色光源。
在理想的實施方式中，上述白色光源為LED光源。
在理想的實施方式中，試料上的點徑小於等於1mm。
在理想的實施方式中，使用二維陣列單元作為上述記載的光電轉換部陣列單元。
在理想的實施方式中，計算出理論波形的運算部包括消除上述記載的分光元件的波長解析度導致的誤差的處理。
在理想的實施方式中，試料基板是透明基板時，運算部包括通過包含有來自試料基板的背面的反射的光的反射率的理論算式來計算出理論波形的處理。
在理想的實施方式中，運算部具有能夠輸入試料基板是透明基板還是不透明基板的輸入單元。
在理想的實施方式中，具備旋轉具有延遲相位的功能的移相器的機構，在投光側光學系統中包括有起偏振器，在受光側光學系統中包括有檢偏振器。
在理想的實施方式中，在上述投光側光學系統中具備著具有延遲相位的功能的移相器。
在理想的實施方式中，從上述投光側光學系統照射的上述測定介質光中包括兩個或兩個以上的偏振光成分，並且在上述受光側光學系統中包括有對應於上述各偏振光成分的兩個或兩個以上的光電轉換部陣列單元、以及用於將從上述試料上的膜厚計測點到來的反射光分離成各偏振光成分並分別導向對應的光電轉換部陣列單元的偏振光分離單元。
在理想的實施方式中，以計測上述試料的色度的方式構成。
在理想的實施方式中，以計測上述試料的膜厚的方式構成。
在理想的實施方式中，以計測上述試料的膜質的方式構成。
在理想的實施方式中，以配置在製造生產線上，進行在線計測的方式構成。
在理想的實施方式中，以配置在製造生產線上，進行全數檢查、並能夠將記錄、解析的結果反饋到製造生產線內的裝置的方式構成。
根據本發明的分光計測裝置，實現小型化的同時，能夠獲得對於距離抖動、水平方向角度抖動和垂直方向角度抖動的抗耐性，由此，能夠實現適於例如半導體製造過程和FPD製造過程等中的在線計測的分光計測裝置。


圖1是單入射角分光橢圓偏振儀的整體結構圖(全部實施方式通用)。
圖2A、圖2B是表示傳感頭部的光學結構的一例的圖。
圖3是表示運算處理部的電氣結構的圖。
圖4A、圖4B是使用傾斜膜的光學系統和使用衍射光柵的光學系統的比較說明圖。
圖5是表示薄膜與入射光·反射光的關係的說明圖。
圖6A、圖6B是表示單層膜與反射光的關係的說明圖。
圖7A、圖7B是表示多層膜與反射光的關係的說明圖。
圖8是表示表格數據的內容的圖(之1)。
圖9是表示表格數據的內容的圖(之2)。
圖10是表示膜厚測定程序的內容的流程圖。
圖11是表示受光強度光譜和半幅值的關係的曲線圖。
圖12是表示波長和傾斜膜半幅值的關係的曲線圖。
圖13是表示勞倫茲函數的曲線圖。
圖14是表示校正前後的波長和相位差的關係的曲線圖。
圖15是表示校正前後的波長和振幅比的關係的曲線圖。
圖16A、圖16B是表示傳感頭部的光學結構的其他一個例子的圖。
圖17是距離抖動對策的作用說明圖。
圖18是距離抖動對策的原理說明圖。
圖19是按入射光路不同表示距離抖動對策的作用的說明圖(之1)。
圖20是按入射光路不同表示距離抖動對策的作用的說明圖(之2)。
圖21是按入射光路不同表示距離抖動對策的作用的說明圖(之3)。
圖22是針對受光用透鏡的後級表示距離抖動的作用的說明圖。
圖23是放大表示一維CCD受光面附近的聚光狀態的說明圖。
圖24是存在距離抖動時的說明圖(移相器是受光系統)。
圖25是存在角度抖動時的說明圖(移相器是受光系統)。
圖26是存在距離抖動時的說明圖(移相器是投光系統)。
圖27是存在角度抖動時的說明圖(移相器是投光系統)。
圖28A、圖28B是表示傳感頭部的光學結構的其他一個例子的圖。
圖29A、圖29B是邊緣整形單元的說明圖。
圖30A、圖30B是表示傳感頭部的光學系統的其他一個例子的圖。
圖31是按入射光路不同表示距離抖動對策的作用的說明圖(之1)。
圖32是按入射光路不同表示距離抖動對策的作用的說明圖(之2)。
圖33是按入射光路不同表示距離抖動對策的作用的說明圖(之3)。
圖34A、圖34B是表示傳感頭部的光學系統的其他一個例子的圖。
圖35是表示表格數據的內容的圖。
圖36是表示膜厚測定程序的內容的流程圖。
圖37A、圖37B是表示傳感頭部的光學系統的其他一個例子的圖。
圖38A、圖38B是表示傳感頭部的光學系統的其他一個例子的圖。
圖39A、圖39B是表示傳感頭部的光學系統的其他一個例子的圖。
圖40是表示本發明裝置的在線適用例的圖。
圖41A、圖41B是表示表格數據的內容的圖。
圖42是表示使檢偏振器旋轉的以往的單入射角分光橢圓偏振儀的一個例子的結構圖。
圖43是簡化表示圖42所示的單入射角分光橢圓偏振儀結構的圖。
圖44A、圖44B是距離抖動的說明圖(之1)。
圖45A、圖45B是距離抖動的說明圖(之2)。
圖46A、圖46B是距離抖動的說明圖(之3)。
圖47A、圖47B是水平方向角度抖動的說明圖(之1)。
圖48A、圖48B是水平方向角度抖動的說明圖(之2)。
圖49A、圖49B是水平方向角度抖動的說明圖(之3)。
圖50A、圖50B是垂直角度抖動的說明圖(之1)。
圖51A、圖51B是垂直角度抖動的說明圖(之2)。
圖52A、圖52B是垂直角度抖動的說明圖(之3)。
具體實施例方式
首先，為了明確本發明實施方式的定位，針對以往的分光橢圓偏振儀的課題和本發明的實施方式的關係進行說明。
(1)第一課題因為使用衍射光柵型的分光元件作為分光單元，裝置體積龐大，不適合於在線計測。
(2)第二課題抗距離抖動以及角度抖動的能力差，因而不能以在線方式進行計測。
(1)對於第一課題的解決方法如第一實施方式～第九實施方式所示，通過使用幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元，實現了小型化。
(2)對於第二課題的解決方法實現第二實施方式以及第六實施方式示出的抗距離抖動能力強的光學系統、第三實施方式以及第七實施方式示出的抗水平以及垂直方向角度抖動能力強的光學系統、第四實施方式以及第八實施方式示出的抗距離抖動、水平以及垂直方向角度抖動能力強的光學系統，可以進行在線計測。
下面，根據附圖，詳細說明本發明涉及的分光計測裝置的較佳實施方式。
第一實施方式表示整個單入射角分光橢圓偏振儀的結構圖在圖1示出。如該圖所示，該橢圓偏振儀1包括傳感頭部2、運算處理部3、監控器·鍵盤·滑鼠等的HMI(Human Machine Interface人機界面)部4。此外，在圖中，5是構成試料(例如半導體或FPD等)的基板，5a是存在於基板5的表面的測定對象薄膜。該圖1示出的橢圓偏振儀的基本結構共通適用於下面所述的第一至第九的所有的實施方式。
以圖1示出的基本結構作為前提，參照圖2A、圖2B～圖15詳細說明橢圓偏振儀的第一實施方式，該橢圓偏振儀，通過使用基於透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件(以下稱為傾斜膜)來實現小型化。
組裝有小型化技術的傳感頭部2的光學結構在圖2A、圖2B中示出。如該圖所示，該橢圓偏振儀1具有投光用光學系統和受光用光學系統。
投光用光學系統包括光源(在圖示例中為白色光源)301、用於將從光源301發出的光變成準直光的準直透鏡302、僅使從準直透鏡302射出的準直光中某些偏振光成分通過的起偏振器303、使從起偏振器303射出的光僅延遲波長的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋轉的驅動單元305、會聚通過移相器後的光並照射到基板(試料)5的薄膜5a的膜厚測定點的聚光透鏡306。另外，如同本領域的普通技術人員公知的那樣，移相器304受到來自驅動單元305的動力，以光軸為中心繞其周圍進行旋轉。
受光用光學系統包括用於接受照射到基板5上的測定介質光的反射光並變成準直光的準直透鏡(受光透鏡)308、僅使從準直透鏡308射出的準直光中某些偏振光成分通過的檢偏振器309、透過光波長對應於縱向的各個位置逐漸變化的光幹涉式的分光元件即傾斜膜311、將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向(和紙面垂直的方向)上配製成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD310)。
傾斜膜311處於覆蓋在構成光電轉換部陣列單元的一維CCD310的受光面上的狀態，以其縱向與一維CCD310的像素列方向對應的方式進行定向。
從光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據被傳送到運算單元(在圖示例中，相當於運算處理部3)，由此求出成為測定對象的薄膜5a的膜厚。
運算處理部3的電氣結構在圖3示出。如該圖所示，運算處理部3包括生成輸出投光部控制信號s1的投光部驅動電路32、將一維CCD輸出信號s2轉換成數位訊號的AD轉換部33、生成輸出一維CCD控制信號s3的CCD驅動電路34、存儲各種系統程序的ROM35、具有與構成HMI部的鍵盤和滑鼠的接口的功能的輸入輸出部36、具有與構成HMI部的顯示器的接口的功能的顯示部37、用於在綜合控制這些結構要素32～37的同時執行後面所述的膜厚測定運算等的CPU31。
接著，說明由以上結構構成的本實施方式的作用。在本實施方式中，通過採用可以求取所有的斯託克斯參數(S0～S3)的旋轉移相器法，可以做高精度的計測。另外，通過採用幹涉方式的分光元件(傾斜膜)，省略衍射光柵後級的透鏡等，實現了裝置的小型化(參照圖4A、圖4B)。
參照圖2A、圖2B說明膜厚測定用的基本動作。從光源301發出的測定介質光經由準直透鏡302、起偏振器303、移相器304，利用聚光透鏡306的作用被會聚照射在作為測定對象的基板5上的薄膜5a上。試料的膜厚測定點被置於接近入射光的聚光位置。此時，具有θ0～θ1的範圍的連續的入射角成分的測定介質光入射到試料。
經由聚光透鏡306入射的測定介質光在試料被反射。從試料的膜厚測定點到來的測定介質光的反射光中，入射角為θ2的光經由準直透鏡308、檢偏振器309、傾斜膜311，利用受光透鏡308的作用，被導向一維CCD310的受光面。
由此，從一維CCD310發送出相當於將各受光元件(像素)的受光量數據串行排列而成的一維CCD輸出信號s2。基於此一維CCD輸出信號s2，觀測對應於入射角(θ2)中的波長的反射光強度分布。此時所觀測的反射光強度分布是與波長相對應的量。
使驅動單元(移相器)305以每次旋轉x°的方式進行旋轉，依次計測一維CCD數據。使驅動單元(移相器)305旋轉半周(180°)，此時通過在運算處理部3處理這些數據，計算出實測值的相位差Δ和振幅比ψ。同時，在運算處理部3計算出理論值的相位差Δ和振幅比ψ，最後，通過將實測值和理論值進行對比，可以求取膜厚。
以下表示實測值的相位差Δ和振幅比ψ的算出方法。在旋轉移相器法中，在一維CCD310檢測出的光強度波形I一般用下面的式子表示。
I＝I0(1+α0cos2ωt+α1sin2ωt+α2cos4ωt+α3sin4ωt)在這裡，α0，α1，α2，α3表示標準化傅立葉級數，ωt表示移相器的旋轉角。另外，標準化傅立葉級數和斯託克斯參數S0，S1，S2，S3一般具有下面的關係式。
S0=1sin22A0]]>-[1+cos]cos4P+2cos2Pcos2A[1-cos]sin22A1]]>-[1+cos]sin4P+2sin2Psin2A[1-cos]sin22A2]]>…式(1)S1=cos2Asin22A0]]>+[1+cos]cos4Pcos2A+2cos2P[1-cos]sin22A1]]>+[1+cos]sin4Pcos2A+2sin2P[1-cos]sin22A2]]>…式(2)S2=2[2cos2P-1sin2P][1-cos]sin2A]]>…式(3)S3=3sin2Asin2Psin]]>…式(4)在這裡，P表示起偏振器的方位角，A表示檢偏振器的方位角，φ表示移相器的相位差，λ表示波長。另外，斯託克斯參數S0、S1、S2、S3與相位差Δ以及振幅比ψ，一般具有下面的關係式。此外，p表示偏振光度。
p=(S1S0)2+(S2S0)2+(S3S0)2]]>…式(5)S1S0=-pcos2]]>…式(6)S2S0=-psin2cos]]>…式(7)S3S0=-psin2sin]]>…式(8)由上述示出的式子(1)～(8)可以計算出實測值的相位差Δ以及振幅比ψ。
接著，下面說明理論值的相位差Δ和振幅比ψ的算出方法。例如，如圖5所示，在測定形成在Si基板702上的的氧化膜(柵極氧化膜等)701的膜厚時，如上所述，從空氣(折射率＝N0)700中以角度θ0照射的橢圓偏振光狀態的入射光，在氧化膜(折射率＝N1)701表面反射的同時，大部分入射到氧化膜701內。
入射到氧化膜701內的光，在Si基板702界面(基板面)(折射率＝N2)發生反射，從氧化膜701內返回到空氣700中，與在氧化膜701表面的反射光發生偏振光幹涉。對於上述這樣的光，分別計算出p偏振光成分和s偏振光成分，根據各自的相位差Δ和振幅比ψ來計算出膜厚。
在Si基板702面的反射光的p偏振光成分(r1p)和s偏振光成分(r1s)分別由下面的式子計算。
r1p＝(n2cosθ1-n1cosθ2)/(n2cosθ1+n1cosθ2)r1s＝(n1cosθ1-n2cosθ2)/(n1cosθ1+n2cosθ2)另外，所檢測出的光的p偏振光成分(Rp)和s偏振光成分(Rs)，由上述的r1p、r1s和在氧化膜701面的反射光的p偏振光成分(r0p)、s偏振光成分(r0s)，通過下面的式子計算出偏振光狀態。
Rp＝(r0p+r1pexp(-2iδ))/(1+r0p·r1pexp(-2iδ))Rs＝(r0s+r1sexp(-2iδ))/(1+r0s·r1sexp(-2iδ))
其中，(δ＝2πn1dcosθ1/λ)最後使用Rp/Rs＝tan(ψ)·exp(-iΔ) …式(9)針對各波長計算Δ和ψ，從而獲得波長依存光譜。並且，將氧化膜701的膜厚值d作為參數，通過將實測光譜與後面所述的傾斜膜的半幅值校正處理後的理論光譜(表格數據)進行比較，可以計算出膜厚值d。進而，在圖6A、圖6B中限定於單層膜而導出Rp、Rs，但是，如圖7所示，也可以導出對應於多層膜的理論算式，從而也可以進行多層膜的膜厚和折射率的測定。
作為運算處理部3的CPU31中膜厚的計算處理方法，可以利用曲線擬合法。所謂曲線擬合法，是將預先計算並作為表格而存儲的相對於各膜厚的後面所述的傾斜膜半幅值校正處理後的理論值的相位差Δ、振幅比ψ的波形數據(表格數據)、與根據測定了的受光量數據計算出的實測值的相位差Δ、振幅比ψ的波形數據進行比較，通過最小二乘法提取出誤差最小的數據，將該波形數據的膜厚作為成為測定對象的薄膜的膜厚的方法。作為膜厚的計算處理方法，另外也可以利用如極值試探法或者對相位差Δ、振幅比ψ加權那樣的膜厚的計算方法。
預先，從鍵盤等的輸入輸出部輸入成為測定對象的薄膜的折射率n、以及r0、r1時，在運算部，以入射角θ運算相對於膜厚d以及波長λ的各值的相位差Δ、振幅比ψ的值，將這些值作為表格保持在運算部內的存儲器中。在圖8以及圖9中示出這種表格的例子。
接著，詳細描述曲線擬合法。首先，CPU31取得通過A/D轉換部33而被數位化了的測定數據，計算出實測值的相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)(STEP1)。接著，使膜厚d為最小膜厚dx(STEP2)，使用圖8以及圖9的理論表格，在從λp到λq的波長範圍內，以增量Δλ，計算膜厚d＝dx中的理論值的相位差Δdx(λ)、振幅比ψdx(λ)、與實測值的相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)的差的平方[Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2，求取其和評估式P(d)＝∑([Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2)(STEP3)，並存儲在存儲器內。此外，擬合中的評估式P(d)只要是表示理論值和實測值的差的式子即可，也可以是其他的算式。
這樣，使膜厚d的值依次增加Δd，直到膜厚d達到最大膜厚dy(STEP5)，求取此時膜厚中的理論數據和測定數據的差的平方和(STEP3)，存儲在存儲器內。
這樣，到最大膜厚dy為止平方和的計算結束時(STEP5為「是」時)，從存儲在存儲器中的膜厚範圍dx～dy的平方和P(dx)～P(dy)中提取出取得最小值的平方和P(dz)(STEP6)，將此時的膜厚dz作為測定膜厚(STEP7)。
另外，上述內容假設了不透明基板，未考慮來自基板的背面的反射，但是，在透明基板中，就需要考慮來自背面的反射。這種情況下，如圖6所示，也可以導出理論算式，如果使用此理論算式，和上述同樣，也可以進行透明基板中的多層膜的膜厚和膜質測定。其中，圖6中的r表示圖5所示的反射光r。
在這裡，針對本發明中使用的傾斜膜進行說明。例如，當對傾斜膜入射波長為450nm的光並用一維CCD受光時，受光波形如圖11所示。即，受光波形由于波長解析度的誤差，變得具有某種程度的半幅值h。半幅值h表示最大受光量的高度(在圖中為線)的寬度。如圖12所示，作為傾斜膜的特性，半幅值h具有波長特性。其結果是，在對比理論值和實測值而求取膜厚時，需要消除傾斜膜的波長解析度的誤差的處理。將此處理稱為「半幅值校正」。
接著，描述圖8以及圖9示出的表格的作成方法。理論值的相位差Δ、振幅比ψ的半幅值校正方法如下。首先，使用下面的式子(10)～(12)，求取校正前的斯託克斯參數S1、S2、S3。此外，下面的式子是在旋轉移相器法所使用的一般的式子。
S1＝-cos2ψ …式(10)S2＝sin2ψcosΔ …式(11)S3＝-sin2ψsinΔ…式(12)對於校正前的S1、S2、S3，通過在圖12示出的傾斜膜的半幅值h和在圖13示出的勞倫茲函數f(x)對每一個受光量數據的中心波長α進行加權。以下表示校正後的S1、S2、S3的計算公式。在這裡，x表示受光量數據的任意的波長。此外，在這裡使用勞倫茲函數，消除傾斜膜的波長解析度的誤差，但是，只要是消除傾斜膜的波長解析度的誤差的方法即可，也可以是其他的方法。
將擬合波長範圍設為a(nm)～b(nm)校正後S1=abS1(x)f(x,h)abf(x,h)dxdx]]>…式(13)校正後S2=abS2(x)f(x,h)abf(x,h)dxdx]]>…式(14)校正後S3=abS3(x)f(x,h)abf(x,h)dxdx]]>…式(15)※勞倫茲函數f(x,h)=12+(x-)2]]>=h2e2-1,]]>α是中心波長根據在上述求出的校正後的斯託克斯參數S1、S2、S3由式(10)～(12)再次計算出理論值的相位差Δ、振幅比ψ，並將其作為表格數據，保存在存儲器中。圖14以及圖15表示半幅值校正過的結果。
此外，在本實施方式中有下面的應用例。這些應用例也能適用於後面所述的第二～九實施方式。
(應用例1)光源也可以使用除白色光源以外的LED。通過使用多個LED，能夠實現和白色光源相同的寬的波段，並大幅度地延長作為光源的壽命，提高本發明裝置的維護性，更有利於在線計測。
(應用例2)考慮在光電轉換部陣列單元使用一維CCD以外的二維CCD的情況。在一維CCD中，入射角幾乎沒有變化而波長變化，相對於此，在二維CCD中，入射角和波長分別獨立變化。也就是，在二維CCD的情況下，信息量增多，可進行更高精度的計測。
第二實施方式參照圖16A、圖16B～圖27詳細說明編入了距離抖動對策的分光橢圓偏振儀的實施方式。此外，表示本實施方式的整個單入射角分光橢圓偏振儀的結構圖、運算處理部的電氣結構圖、用於膜厚測定的基本動作，參照圖1和圖3等如第一實施方式所示那樣。
編入了距離抖動對策的傳感頭部2的光學結構在圖16A、圖16B示出。如該圖所示，該橢圓偏振儀1具有投光用光學系統和受光用光學系統。
投光用光學系統包括光源(在圖示例中為白色光源)301、用於將從光源301發出的光變成準直光的準直透鏡302、僅使從準直透鏡302射出的準直光中的某些偏振光成分通過的起偏振器303、使從起偏振器303射出的光僅延遲波長的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋轉的驅動單元305、會聚通過移相器後的光並照射到基板(試料)5的薄膜5a的膜厚測定點的聚光透鏡306。
受光用光學系統包括用於接受照射到基板5上的測定介質光的反射光並變成準直光的準直透鏡(受光透鏡)308、僅使從準直透鏡308射出的準直光中的某些偏振光成分通過的檢偏振器309、透過光波長對應縱向各個位置逐漸變化的作為光幹涉式的分光組件的傾斜膜311、將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向(與紙面垂直的方向)上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD310)。傾斜膜311處於覆蓋在構成光電轉換部陣列單元的一維CCD310的受光面的狀態，以其縱向和一維CCD310的像素列方向對應的方式定向。
還有，受光側光學系統中包含的透鏡(在圖示例中相當於受光透鏡)與光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD)的受光面的距離，以與該透鏡的焦距(f)大致一致的方式而設定。
從光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據傳送到運算單元(在圖示例中，相當於運算處理部3)，由此求取成為測定對象的薄膜5a的膜厚。
作為本實施方式的傳感頭部的明顯特徵，可以列舉出[1]採用了旋轉移相器法的分光橢圓偏振儀，[2]採用幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元，[3]相對於受光透鏡在後方焦距配置了一維CCD，[4]在投光側光學系統配置了移相器。關於[1]、[2]以及[4]，如第一實施方式所示那樣，故在此省略其說明。
下面，詳細說明[3]點。[3]的特徵主要能表現為(1)受光透鏡308與一維CCD310的受光面平行；以及(2)受光透鏡308與一維CCD310的受光而的距離和受光透鏡的焦距f大致一致，換言之，如果相對於受光透鏡308，將試料(基板5)側定義為前方，將一維CCD310側定義為後方，則一維CCD310的受光面位置為受光透鏡308的大致後方焦點位置。並且，根據這種配置，能夠實現不受距離抖動影響的光學系統。
距離抖動對策的作用說明圖在圖17中示出。現在假設，在來自聚光透鏡306的光束中，將通過光軸的光線定義為L1。另外，將處於標準高度Href時的基板設為附圖標記5(將薄膜設為5a)、將由於距離抖動而下降時的基板設為附圖標記5』(將薄膜設為5a』)。另外，將光線L1在基板5被反射的反射光線設為附圖標記L11，將在基板5』被反射的反射光線設為L12。進而，將一維CCD310的受光面上的反射光線L11、L12的入射點設為P1。
從而從圖中可知，關於同一入射光線L1，即使由於距離抖動而基板上下移動，關於對應的反射光(L11、L12)，也入射到一維CCD310的受光面上的同一個入射點P1。
消除由上述的距離抖動導致的影響的作用是基於以下的原理。根據斯內爾定律，公知如果入射光的角度和試料的法線方向被確定，反射角就被唯一確定。
如圖18所示，當考慮光線L1以入射角θ入射到試料的狀況時，此時，即使由於距離抖動產生試料的上下變動ΔL，因為入射光線L1的角度θ和試料的法線L01、L02、L03、L04的方向不變，所以判斷反射角也不變。可是，當產生距離抖動時，伴隨著反射面的平行移動，因為反射的點如P11、P12、P13、P14那樣移動，所以反射光線L11、L12、L13、L14也平行移動。
在這裡，假定分別具有不同入射角θ1、θ3、θ2的3條入射光線L1、L3、L2。此時，當產生距離抖動(標準高度的基板5、下降位置的基板5』、上升位置的基板5」)時，如圖19～圖21所示，各個入射光線L1、L3、L2，分別產生平行的3條反射光線(L10、L11、L12)、(L30、L31、L32)、(L20、L21、L22)。
如上所述，因為受光透鏡和一維CCD的受光面的距離，與受光透鏡308的焦距f大致一致，如圖22所示，這3組平行光線(L10、L11、L12)、(L20、L21、L22)、(L30、L31、L32)聚攏在一維CCD310的受光面上的3個點P1、P2、P3。即，能夠理解，即使產生距離抖動，因為與經由一維CCD310的輸出信號s2被觀測的波形對應的反射光強度分布沒有變化，所以可以進行正常的膜厚測定。
但是，因為通常在受光透鏡308有象差，所以即使假設受光透鏡308和一維CCD310的受光面310a平行，並且兩者的距離與受光透鏡的焦距f完全一致，如圖23所示，各組的平行光線的聚光點，在嚴格意義上不會聚攏到受光面上的一點。表達為「～和焦距f大致一致～」就是因為意識到了這種情況。
為了明確，在圖24表示與本發明不同，在受光側光學系統配置移相器304A，並具有距離抖動的情況。現在假設在來自聚光透鏡306的光束中，將光軸的光線定義為L1。另外，將處於標準高度Href時的基板設為附圖標記5(將薄膜設為5a)，並將通過距離抖動而下降時的基板標有附圖標記5』(將薄膜設為5a』)。另外，將光線L1在基板5被反射並通過準直透鏡308之後的光線設為附圖標記L11，將在基板5』通過準直透鏡308之後的光線設為L12』。另外，將光線L11通過移相器304A之後的光線設為L11』，將光線L12通過移相器304A之後的光線設為L12』。
由圖24可知，光線L12向移相器304A入射的角度θ1和光線L11向移相器304A入射的角度θ2不相等。一般移相器具有入射角依存性，所以L11』和L12』中的偏振光狀態也不相同。因此可知，在受光側光學系統配置移相器，不能實現抗距離抖動能力強的光學系統。
在圖25表示在受光側系統配置移相器並存在角度抖動的情況。現在假設，在來自聚光透鏡的光束中，將處於標準角度A1時的入射到CCD310的光線設為L1、將處於角度A2時的入射到CCD310的光線設為L2。另外，將光線L1處於標準角度A1時的在基板5被反射的光線設為L11、將光線L2處於角度A2時的在基板5被反射的光線設為L21。此時，光線L11和光線L21一致。即，可知，入射到CCD310的光線，在沒有角度抖動的情況和存在角度抖動的情況一致。其結果是，入射到移相器的角度也變得相等，偏振光狀態也變得相同。因此，在受光側光學系統配置移相器304A的情況下，只要能夠計算出入射到CCD310的光線的入射角，就能夠實現抗角度抖動能力強的光學系統。
由上述可知，在受光側光學系統配置移相器304A的情況下，雖然能夠實現抗角度抖動能力強的光學系統，但是不能實現抗距離抖動能力強的光學系統。也就是，因為不能實現抗角度抖動以及距離抖動這兩者能力強的光學系統，所以在線計測是不可能的。
接著，圖26表示在投光側光學系統中配置移相器，並具有距離抖動的情況。現在假設，將處於標準高度Href時的基板設為附圖標記5(將薄膜設為5a)、並將由於距離抖動而下降時的基板設為附圖標記5』(將薄膜設為5a』)。另外，將在附圖標記5反射的光線設為L1、將在附圖標記5』反射的光線設為L2。
從該圖可知，在沒有距離抖動的情況和有距離抖動的情況下，入射到移相器304的光線一致。因此，在沒有距離抖動的情況和有距離抖動的情況下，偏振光狀態相同。因此，在投光側光學系統配置移相器的情況下，能夠實現抗距離抖動能力強的光學系統。此外，本實施方式的應用例能夠適用第一實施方式所示的應用例。
第三實施方式接著，參照圖27～圖29A、圖29B詳細說明編入了角度抖動的橢圓偏振儀的實施方式。此外，表示本實施方式的整個單入射角分光橢圓偏振儀的結構圖、運算處理部的電氣結構圖、用於膜厚測定的基本動作，如第一實施方式(圖3、圖5等)所示那樣。
編入了角度抖動對策的傳感頭部的光學結構在圖28A、圖28B中示出。如該圖所示，該橢圓偏振儀具有投光用光學系統和受光用光學系統。
投光用光學系統包括光源(在圖示例中為白色光源)301、用於將從光源301發出的光變成準直光的準直透鏡302、僅使從準直透鏡302射出的準直光中某些偏振光成分通過的起偏振器303、使從起偏振器303射出的光僅延遲波長的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋轉的驅動單元305、會聚通過移相器後的光並照射到基板(試料)5的薄膜5a的膜厚測定點的聚光透鏡306。
受光用光學系統包括用於接受照射到基板5上的測定介質光的反射光並變成準直光的準直透鏡(受光透鏡)308、僅使從準直透鏡308射出的準直光中某些偏振光成分通過的檢偏振器309、透過光波長對應縱向的各個位置而逐漸變化的作為光幹涉式的分光元件的傾斜膜311、將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向(和紙面垂直的方向)上配製成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD310)。傾斜膜311處於覆蓋在構成光電轉換部陣列單元的一維CCD310的受光面的狀態，以其縱向和一維CCD310的像素列方向對應的方式定向。
還有，受光側光學系統所包含的透鏡(在圖示例中相當於受光透鏡)和光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD)的受光面的距離，以與該透鏡的焦距(f)大致一致的方式設定。
從光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據被傳送到運算單元(在圖示例中，相當於運算處理部3)，由此求取成為測定對象的薄膜5a的膜厚。
進而，在投光側光學系統包括第一特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元的功能的第一狹縫313A)，該第一特徵化單元對測定介質光賦予這樣一種特徵，即以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動，進一步還包括第二特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元的功能的第二狹縫313B)，該第二特徵化單元賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵。
另外，在上述受光側光學系統中包括傾斜檢測用光電轉換單元(在圖中為一維CCD314)，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光並檢測出其所包含的上述第一特徵化單元的特徵。
另外，運算單元中包括基於由第一光電轉換單元檢測出的試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元；基於由傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元。此外，關於用於運算處理部3中的膜厚測定的詳細處理如在第一實施方式說明的那樣。
作為本實施方式的傳感頭部的顯著特徵可以列舉出(1)採用了旋轉移相器法的分光橢圓偏振儀，(2)採用了幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元，(3)配置了賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元，(4)配置了賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元，(5)在投光側光學系統配置了移相器。
關於(1)、(2)，如在第一實施方式所示的那樣，故省略其說明。下面，針對(3)以及(4)點進行說明。如先前說明過的那樣，當這種橢圓偏振儀中產生角度抖動時，經由一維CCD觀測的波形的像素列方向兩端偏離標準位置。因為在此狀態不能在運算處理部正常地進行波形處理，所以需要在用於測定膜厚的運算處理之前，正確計算出在一維CCD接受的光線的相對於試料的入射角。
關於(3)和(4)點，如圖28A、圖28B所示，關聯於(1)在聚光透鏡的入射側配置具有邊緣整形單元功能的狹縫板313，入射光的剖面被邊緣整形，被賦予主要檢測水平方向角度抖動用的標準光軸Lref0、Lref1以及主要檢測垂直方向角度抖動用的標準光軸Lref2、Lref3的特徵，(2)經由一維CCD314檢測出反射光的標準光軸Lref0』、Lref1』的到達點Pref0、Pref1，(3)經由一維CCD310檢測出反射光的標準光軸Lref2』、Lref3』的到達點Pref2、Pref3，(4)基於檢測出的入射點Pref0、Pref1，修正來自一維CCD314的輸出信號s2所包含的試料的主要水平方向角度抖動導致的誤差成分，(5)基於檢測出的入射點Pref0、Pref1，修正來自一維CCD310的輸出信號s2所包含的試料的主要垂直方向角度抖動導致的誤差成分。
記述為「主要」是因為在產生水平方向角度抖動以及垂直方向角度抖動的情況下，到達點Pref0、Pref1受到垂直方向角度抖動的影響多少會有些變動，同樣，到達點Pref2、Pref3也受到水平方向角度抖動的影響多少會有些變動。
即，在配置在投光光學系統中的作為邊緣整形單元的狹縫板313上，如圖29A所示，在其中央部形成有矩形開口313a，由該矩形開口313a的上下邊部313b、313c決定入射角範圍(θ0～θ1)，換言之，測定介質光以兩根標準光軸Lref0、Lref1為特徵。
這兩根標準光軸Lref0、Lref1在試料被反射，成為反射光的標準光軸Lref0』、Lref1』，入射到一維CCD的受光面上的像素位置Pref0、Pref1。通過將一維CCD314的輸出信號用例如相當暗電平的閾值來二值化，能容易地檢測出這些入射點的像素坐標Rref0、Rref1。
因此，經由一維CCD314的各像素觀測上下邊部313b、313c的入射角，通過觀察像素位置從標準位置的差異，主要檢測出水平方向角度抖動，並且能夠確定入射到一維CCD310的光線的入射角。在這裡標準位置是指，如在圖28A中Pref0、Pref1所示的那樣，在不存在角度抖動的狀態下測定了的像素位置。
同樣，由矩形開口313a的左右邊部313d、313e決定入射角範圍，換言之，測定介質光以有兩根標準光軸Lref2、Lref3為特徵。
這兩根標準光軸Lref2、Lref3在試料被反射，成為反射光的標準光軸Lref2』、Lref3』，入射到一維CCD310的受光面上的像素位置Pref2、Pref3。通過將一維CCD314的輸出信號用例如相當暗電平的閾值來二值化，能容易地檢測出這些入射點的像素坐標Rref2、Rref3。
因此，經由一維CCD310的各像素觀測左右邊部313d、313e的入射角，通過觀察像素位置從標準位置的差異，主要檢測出垂直方向角度抖動，並且能夠確定入射到一維CCD1的光線的入射角。在這裡標準位置是指，如在圖28B中Pref2、Pref3所示，是在不存在角度抖動的狀態下測定了的像素位置。
在產生水平方向角度抖動以及垂直方向角度抖動的情況下，嚴格的講，到達點Pref0、Pref1、Pref2、Pref3每一個都會受到水平方向角度抖動以及垂直方向角度抖動造成的影響。
下面，表示產生水平方向角度抖動以及垂直方向角度抖動的情況下的在一維CCD310接受的光線的相對於試料的入射角的算出方法。
將水平方向角度抖動設為θ1，將垂直方向角度抖動設為θ2，將偏離一維CCD1的標準位置的像素位置設為P1，將偏離一維CCD2的標準位置的像素位置設為P2，表示為P1＝F(θ1，θ2) …式(16)
P2＝G(θ1，θ2) …式(17)也就是，通過解答式(16)、式(17)的聯立方程式，能夠計算出θ1，θ2。此外，計算出θ1，θ2的方法也可以利用擬合等的數值解析等。並且，通過根據θ1，θ2數學意義上跟蹤本實施方式的光線，能夠計算出在一維CCD受光的光線相對於試料的入射角。換言之，通過檢測水平方向以及垂直方向角度抖動，能夠計算出在一維CCD接受的光線的更正確的入射角。其結果是，可以進行正確的膜厚測定，能夠實現抗水平方向角度抖動以及垂直方向角度抖動能力強的光學系統。
此外，在該例中，邊緣整形單元(狹縫板)配置在聚光用透鏡附近的光源側，但是配置在透鏡附近的基板側也能得到同樣的作用。另外，在本實施方式中，使用了狹縫板作為用於賦予標準光軸特徵的邊緣整形單元，但是，也可以取而代之，使用圖29B所示的小孔板313』等其他的邊緣整形單元。此外，313a』是小孔。
接著，針對[5]點進行說明。在投光側光學系統配置移相器304，將具有角度抖動的情況表示在圖27。現在假設，在來自聚光透鏡的光束中，將處於標準角度A1時的入射到CCD310的光線設為L1，將處於角度A2時的入射到CCD310的光線設為L2。另外，將光線L1在處於標準角度A1時的基板被反射的光線設為L11，將光線L2在處於角度A2時的基板被反射的光線設為L21。此時，光線L11和光線L21一致。另外，由於光線L1和光線L2是平行光，入射到移相器的角度變得相等，偏振光狀態也變得相同。因此，在受光側光學系統配置移相器的情況下，能夠實現抗角度抖動能力強的光學系統。此外，本實施方式的應用例能夠適用在第一實施方式示出的應用例。
第四實施方式參照圖30A、圖30B～圖33詳細說明編入了距離抖動以及角度抖動的分光橢圓偏振儀的實施方式。此外，表示本實施方式的整個單入射角分光橢圓的結構圖、運算處理部的電氣結構圖、用於膜厚測定的基本動作如第一實施方式所示那樣。
如該圖30A、圖30B所示，該橢圓偏振儀具有投光用光學系統和受光用光學系統。
投光用光學系統包括光源(在圖示例中為白色光源)301、用於將從光源301發出的光變成準直光的準直透鏡302、僅使從準直透鏡302射出的準直光中某些偏振光成分通過的起偏振器303、使從起偏振器303射出的光僅延遲波長的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋轉的驅動單元305、會聚通過移相器後的光並照射到基板(試料)5的薄膜5a的膜厚測定點上的聚光透鏡306。
受光用光學系統包括用於接受照射到基板5上的測定介質光的反射光並變成準直光的準直透鏡(受光透鏡)308、僅使從準直透鏡308射出的準直光中某些偏振光成分通過的檢偏振器309、透過光波長對應縱向的各個位置逐漸變化的作為光幹涉式的分光元件的傾斜膜311、將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向(與紙面垂直的方向)上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD310)。傾斜膜311處於覆蓋在構成光電轉換部陣列單元的一維CCD310的受光面上的狀態，以其縱向和一維CCD310的像素列方向對應的方式定向。
受光側光學系統所包含的透鏡(在圖示例中相當於受光透鏡)和光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD)的受光面的距離以與該透鏡的焦距(f)大致一致的方式設定。
從光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據被傳送到運算單元(在圖示例中相當於運算處理部3)，由此求取成為測定對象的薄膜5a的膜厚。
在投光側光學系統中包括有第一特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元功能的第一狹縫313A)，該第一特徵化單元對測定介質賦予這樣一種特徵，該特徵是以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動，還包括第二特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元功能的第二狹縫313B)，該第二特徵化單元賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵。
在上述受光側光學系統中包括有傾斜檢測用光電轉換單元(在圖中為一維CCD314)，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光並檢測出其所包含的上述第一特徵化單元的特徵。
另外，運算單元中包括基於由第一光電轉換單元檢測出的試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元；基於由傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元。此外，關於用於運算處理部3中的膜厚測定的詳細處理如在第一實施方式說明的那樣。
作為本實施方式的傳感頭部的顯著特徵可以列舉出(1)採用了旋轉移相器法的分光橢圓偏振儀，(2)採用了幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元，(3)相對於受光透鏡，在後焦距處配置了第一光電轉換陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD1)，(4)配置了賦予在以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元，(5)配置了賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元，(6)以焦點落在傾斜檢測用光電轉換陣列單元(在圖例中相當於一維CCD314)的受光面上的方式配置了傾斜檢測用光電轉換陣列單元，(7)在投光側光學系統配置了移相器。
關於(1)、(2)如第一實施方式所示那樣，關於(3)如第二實施方式所示，關於(4)、(5)如第三實施方式所示，關於(7)如第二、三實施方式所示那樣，所以在這裡省略其說明。
下面，在針對(6)點進行說明之前，說明兼用距離以及角度抖動對策的情況的作用。兼用距離以及水平方向角度抖動對策的情況的作用說明圖(之1～之3)在圖31～圖33示出。圖31～圖33是本實施方式(圖30A、圖30B)中省略了一維CCD314的圖。
首先，如參照圖19～圖22說明過的那樣，只要滿足受光透鏡308和一維CCD310的受光面315的光路上的距離與受光透鏡的焦距f大致一致的條件，入射到受光透鏡310的平行光線就會聚入射到一維CCD310的受光面315平面上的一點。
在這裡，參照圖31～圖33可知，只要水平方向偏移角Δθ恆定，不管有無距離抖動，來自處於各高度位置(上升高度、標準高度、下降高度)的基板的5」、5、5』的三組反射光(L10、L11、L12)、(L20、L21、L22)、(L30、L31、L33)無論在哪一組中都保持相互平行的關係。
因此，在該實施方式中，因為相對於入射光L1、L2、L3的反射光(L10、L11、L12)、(L20、L21、L22)、(L30、L31、L33)必定會聚在一維CCD310的受光平面上的3個點P1、P2、P3，所以能夠實現不受距離抖動的影響的光學系統。
同樣，即使對於垂直方向角度偏移，只要滿足受光透鏡308和一維CCD310的受光面315的距離與受光透鏡308的焦距f大致一致的條件，入射到受光透鏡308的平行光線就會聚入射到一維CCD310的受光面315上的一點。
下面，針對[6]點進行說明。即使在本實施方式(圖30A、圖30B)中的一維CCD314，可以說也與上述同樣。也就是，只要滿足受光透鏡308和一維CCD314的受光面的光路上的距離與受光透鏡的焦距f大致一致的條件，入射到受光透鏡308的平行光線就會聚入射到一維CCD310的受光面315上的一點。其結果是，能夠實現不受距離抖動影響的光學系統。
此外，關於產生水平方向角度抖動以及垂直方向角度抖動時的入射角的算出方法，如第三實施方式所示那樣。
因此，根據本實施方式，不管試料的距離抖動以及角度抖動如何，都能高精度地測定試料的單層薄膜或者多層薄膜的膜厚/膜質。特別是根據本實施方式，關於距離抖動的校正在由一維CCD310觀測的時刻已經完成，由距離抖動導致的觀測波形的變化被消除。因此，觀測波形發生變化的主要原因只是角度抖動，只要在運算處理部執行校正起因於角度抖動的誤差成分的處理(計算出正確的入射角的處理)就可以完成。
像這樣，由於距離抖動以及角度抖動在相互獨立的過程中被校正，所以如由運算處理部在同一過程中校正起因於這兩種抖動的觀測波形的變化時那樣，產生兩個校正處理相互競爭而運算處理不會結束這樣不好的情況不會發生。另外，即使點徑變大，試料的距離抖動以及角度抖動的理論也成立，能夠實現抗距離抖動以及角度抖動能力強的光學系統也是特徵之一。
其結果是，根據本實施方式，放寬設置條件(距離/角度抖動)，不需要以往所必需的自聚焦功能、或者測定前的臺的焦距以及傾斜調整。同時，也可以實現裝置的小型化，提供一種適合在線計測的裝置。此外，本實施方式的應用例可以適用第一實施方式示出的應用例。
第五實施方式接著，參照圖34A、圖34B～圖36詳細說明編入了小型化技術、分離檢測出S偏振光以及P偏振光、並通過反射率比來計測膜厚或者膜質的偏振光解析裝置的實施方式。此外，表示本實施方式的整體的結構圖、運算處理部的電氣結構圖如第一實施方式所示那樣。
編入了小型化技術的傳感頭部的光學結構在圖34A、圖34B中示出。此外，在圖34A、圖34B的光學系統結構圖中，由於對與先前的實施方式相同的部分標有相同的附圖標記，從而省略說明。
作為本實施方式的傳感頭部的顯著特徵可以列舉出採用了幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元。參照圖34A、圖34B說明用於膜厚測定的基本動作。
從光源301發出的測定介質光經由準直透鏡302，在聚光透鏡306的作用下，會聚照射在成為測定對象的基板5上的薄膜5a上。試料的膜厚測定點置於入射光的大致聚光位置。此時，具有θ0～θ1範圍的連續的入射角成分的測定介質光向試料入射。
經由聚光透鏡入射的測定介質光在試料被反射。從試料的膜厚測定點到來的測定介質光的反射光中，入射角為θ2的光，經由準直透鏡308、偏振光分光器318、傾斜膜316a、317a，在受光透鏡308的作用下，S偏振光成分被導向一維CCD316的受光面，P偏振光成分被導向一維CCD317的受光面。
由此，由一維CCD316以及一維CCD317發送出相當於將各受光元件(像素)的受光量數據串行排列而成的一維CCD316以及一維CCD317的輸出信號s2。基於該一維CCD輸出信號s2，觀測在入射角(θ2)與波長對應的反射光強度分布。
此時被觀測的反射光強度分布是對應于波長的量。並且，計算出S偏振光的反射率和P偏振光的反射率的比(實測值Rs/Rp)。同時在運算處理部3計算出理論值的S偏振光的反射率和P偏振光的反射率的比(理論值Rs/Rp)，最後，可以通過對比實測值和理論值求取膜厚。實測值Rs/Rp通過獲取一維CCD1的強度分布波形和一維CCD2的強度分布波形的比來計算出。理論的Rs、Rp的算出如第一實施方式所示那樣。
最終，將下面的絕對反射率比R作為理論值來使用
S/P偏振光絕對反射率比R＝|Rp|/|Rs| …式(18)通過計算各波長，獲得波長依存光譜。
並且，通過將氧化膜701的膜厚值d作為參數而將實測光譜與後述的傾斜膜的半幅值校正處理後的理論光譜(表格數據)(參照圖35)進行比較，能夠計算出膜厚值d。
作為運算處理部3的CPU31中的膜厚的計算處理方法，可以利用曲線擬合法。如先前說明那樣，所謂曲線擬合法，是將預先計算並作為表格而存儲的相對於各膜厚的後面所述的傾斜膜半幅值校正處理後的理論值的S/P偏振光絕對反射率比R的波形數據(表格數據)、與根據測定的受光量數據算而計算出的實測值的R的波形數據進行比較，通過最小二乘法提取出誤差最小的數據，將該波形數據的膜厚作為成為測定對象的薄膜的膜厚的方法。作為膜厚的計算處理方法，除此以外也可以利用如極值試探法或者對S/P偏振光絕對反射率比R加權那樣的膜厚的計算方法。
預先，由鍵盤等的輸入輸出部輸入成為測定對象的薄膜的折射率n、以及r0-r1時，在運算部，以入射角運算相對於膜厚以及波長λ各值的相位差Δ、振幅比ψ的值，將這些值作為表格保存在運算部內的存儲器中。圖35表示這樣的表格的例子。
關於曲線擬合，按照圖36的流程圖執行。即，首先，CPU31，取得由A/D轉換部33數位化了的測定數據，計算出相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)的實測值(STEP1)。接著，將膜厚d作為最小膜厚dx(STEP2)，使用圖8以及圖9的理論表格，在從λp到λq的波長範圍內，以增量Δλ，計算膜厚d＝dx中的理論值的相位差Δdx(λ)、振幅比ψdx(λ)和實測值的相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)的差的平方[Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-Ψdx(λ)]2，求取其和評估式P(d)＝∑([Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2)(STEP3)，並存儲在存儲器內。此外，擬合中的評估式P(d)只要是表示理論值和實測值的差的式子即可，也可以是其他的算式。
這樣，使膜厚d的值按Δd逐漸增加，直到膜厚d達到最大膜厚dy(STEP5)，求取此時膜厚中的理論數據和測定數據的差的平方和(STEP3)，並存儲在存儲器內。
這樣，到最大膜厚dy為止平方和的計算結束時(STEP5為「是」時)，從存儲在存儲器的膜厚範圍dx～dy中的平方和P(dx)～P(dy)中提取出取得最小值的平方和P(dz)(STEP6)，將此時的膜厚dz作為測定膜厚(STEP7)。
第六實施方式接著，參照圖37A、圖37B詳細說明編入了小型化技術、並分離檢測出抗距離抖動能力強的S偏振光以及P偏振光、並通過反射率比來計測膜厚或者膜質的偏振光解析裝置的實施方式。此外，表示本實施方式的整體的結構圖、運算處理部的電氣結構圖如第1實施方式所示，膜厚計測的基本動作如第5實施方式所示那樣。
編入了距離抖動對策的傳感頭部的光學結構在圖37A、圖37B示出。在圖中，由於對和先前的實施方式相同的部分標有相同的附圖標記，省略說明。
作為本實施方式的傳感頭部的顯著特徵可以列舉出(1)採用了幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元；(2)相對於受光透鏡，在光路上的後焦距處配置了一維CCD1、一維CCD2；(3)在投光側光學系統中配置了移相器。關於這些的各個特徵(1)～(3)，如第一以及第二實施方式說明的那樣。
第七實施方式接著，參照圖38A、圖38B詳細說明編入了小型化技術、並分離檢測出抗角度抖動能力強的S偏振光以及P偏振光、並通過反射率比來計測膜厚或者膜質的偏振光解析裝置的實施方式。此外，表示本實施方式的整體的結構圖、運算處理部的電氣結構圖，如第一實施方式所示那樣。
編入了角度抖動對策的傳感頭部的光學結構在圖38A、圖38B示出。此外，在圖中，由於對和先前的實施方式相同的部分標有相同的附圖標記，省略說明。
該分光偏振光解析單元包括投光用光學系統，其由相對於試料的膜後測定點而將測定介質光變成準直光的準直透鏡302、和會聚來自光源(在圖示例中為白色光源)301的光並照射到基板5(試料)的薄膜5a的膜後測定點的聚光用透鏡306構成；受光側光學系統，其包括將介質光的反射光變成準直光的準直透鏡(受光透鏡)308、分離成S偏振光和P偏振光的偏振光分光器318、將傾斜膜和多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的用於檢測出S偏振光的第一光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD316)以及用於檢測出P偏振光的傾斜檢測用光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD317)；運算單元(在圖示例中相當於運算處理部3)，其基於從光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，求取成為測定對象的膜厚。
並且，在投光側光學系統包括第一特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元功能的狹縫313A)，該第一特徵化單元對上述測定介質光賦予這樣一種特徵，該特徵是以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動，還包括第二特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元功能的狹縫313B)，該第二特徵化單元賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵。
在上述受光側光學系統中包括傾斜檢測用光電轉換單元(在圖中相當於一維CCD319)，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光並檢測出其所包含的上述第一特徵化單元的特徵。
運算單元中包括基於由上述第一光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元；基於由傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元。此外，關於運算處理部3中的用於膜厚測定的詳細處理如第一實施方式說明的那樣。
作為本實施方式示出的傳感頭部的顯著特徵可以列舉出(1)採用了幹涉方式的分光元件(傾斜膜)作為分光單元，(2)配置了賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元，(3)配置了賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵的特徵化單元，(4)在投光側光學系統配置了移相器。
關於(1)，已在第一實施方式示出，關於(2)以及(3)，已在第四實施方式示出，關於(4)，已在第三實施方式示出，故省略說明。此外，本實施方式的應用例可以適用第一實施方式示出的應用例。
第八實施方式接著，說明編入了小型化技術、分離檢測出抗距離抖動以及角度抖動能力強的S偏振光以及P偏振光、根據反射率比計測膜厚或者膜質的偏振光解析單元的實施方式。此外，表示實施方式的整體的結構圖、運算處理部的電氣結構圖如第一實施方式所示那樣。
編入了距離以及角度抖動對策的傳感頭部的光學結構在圖39A、圖39B表示。該分光偏振光解析單元包括投光用光學系統，其包括相對於試料的膜厚測定點而將測定介質光變成準直光的準直透鏡302、和會聚來自光源(在圖示例中為白色光源)301的光並照射到基板(試料)5的薄膜5a的膜後測定點的聚光用透鏡306；受光側光學系統，其包括將介質光的反射光變成準直光的準直透鏡(受光透鏡)308、分離成S偏振光和P偏振光的偏振光分光器318A、將傾斜膜和多個光電轉換部在垂直於入射面的方向配置成陣列狀而成的用於檢測出S偏振光的第一光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD316)以及用於檢測出P偏振光的傾斜檢測用光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD317)；運算單元(在圖示例中相當於運算處理部3)，其基於從光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，求取成為測定對象的膜厚。
進而，在投光側光學系統包括第一特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元功能的狹縫313A)，該第一特徵化單元對上述測定介質光賦予這樣一種特徵，該特徵是以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動，還包括第二特徵化單元(在圖示例中，相當於具有邊緣整形單元功能的狹縫313B)，該第二特徵化單元賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵。
在受光側光學系統中包括傾斜檢測用光電轉換單元(在圖中一維CCD319)，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光並檢測出其所包含的上述第一特徵化單元的特徵。
運算單元中包括基於由第一光電轉換單元檢測出的試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元；基於由傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元。
還有，受光側光學系統所包含的透鏡(在圖示例中相當於受光透鏡308)和第一傾斜檢測用光電轉換部陣列單元(在圖示例中相當於一維CCD316、一維CCD317)的受光面的光路上的距離，以與該透鏡的焦距(f)大致一致的方式設定。此外，關於運算處理3中的用於膜厚測定的詳細處理，如第一實施方式說明的那樣。
第九實施方式接著，參照圖40說明利用了第一實施方式～第八實施方式的任意一個的適用例。圖示的內容表示在半導體產品或FPD等這樣的伴隨成膜過程的產品的製造生產線內的使用例。在圖中，401是過程裝置，402是控制器，403是微型計算機等電腦，404是編入了本發明的計測裝置(傳感器)，405是寬度方向移動引導件，406是生產線方向的移動引導件。根據該適用例，首先，在生產線上流動的產品上配置傳感器(本發明裝置)，在線對全部產品收集數據，將數據傳送到微型計算機等電腦403中。接著，在電腦403記錄傳送來的數據，並解析記錄的數據。最後，將解析的結果反饋到製造生產線內的過程裝置401的控制器402中，從而能夠改善過程並提高成品率。
根據本發明的分光計測裝置，在實現小型化的同時，能夠獲得對距離抖動、水平方向角度抖動和垂直方向角度抖動的抗耐性，由此能夠實現適於例如半導體製造過程或FPD製造過程等中的在線計測的分光計測裝置。
權利要求
1.一種分光計測裝置，是對試料照射測定介質光並接受反射光，通過檢測出相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化，求取該試料的膜厚或者膜質的計測裝置，其特徵在於，具有投光側光學系統，其將包含各種方位角度成分的測定介質光會聚並照射到試料表面；受光側光學系統，其包括將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元、透鏡和通過透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件，上述分光元件設置在上述光電轉換部陣列單元的前面，以上述透鏡和上述光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行配置，經上述透鏡通過上述光電轉換部陣列單元接受來自試料的反射光；運算部，其基於從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，使相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化量對應於上述分光元件的透過波長，並進行解析而獲得實測分光波形，同時，計算出根據假設的膜厚和/或膜質而理論計算的理論分光波形，通過上述實測分光波形和上述理論分光波形的擬合，求取膜厚或者膜質；進而上述投光側光學系統中包含有特徵化單元，該特徵化單元對上述測定介質光賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵，上述受光側光學系統中包含有傾斜檢測用光電轉換單元，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光，並檢測出其所包含的上述試料的傾斜變動的特徵；上述運算單元中包含有受光量數據校正單元，該受光量數據校正單元基於由上述傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分。
2.一種分光計測裝置，是對試料照射測定介質光並接受反射光，通過檢測出相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化，求取該試料的膜厚或者膜質的計測裝置，其特徵在於，具有投光側光學系統，其將包含各種方位角度成分的測定介質光會聚並照射到試料表面；受光側光學系統，其包括將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元、透鏡和通過透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件，上述分光元件設置在上述光電轉換部陣列單元的前面，以上述透鏡和上述光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行配置，經上述透鏡通過上述光電轉換部陣列單元接受來自試料的反射光；運算部，其基於從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，使相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化量對應於上述分光元件的透過波長，並進行解析而獲得實測分光波形，同時，計算出根據假設的膜厚和/或膜質而理論計算的理論分光波形，通過上述實測分光波形和上述理論分光波形的擬合，求取膜厚或者膜質；進而上述投光側光學系統中包含有特徵化單元，該特徵化單元對上述測定介質光賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾角變動的特徵，上述運算單元中包含有受光量數據校正單元，該受光量數據校正單元基於由上述光電轉換部陣列單元檢測出的上述試料的傾角變動的特徵，修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分。
3.一種分光計測裝置，是對試料照射測定介質光並接受反射光，通過檢測出相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化，求取該試料的膜厚或者膜質的計測裝置，其特徵在於，具有投光側光學系統，其將包含各種方位角度成分的測定介質光會聚並照射到試料表面；受光側光學系統，其包括將多個光電轉換部在垂直於入射面的方向上配置成陣列狀而成的光電轉換部陣列單元、透鏡和通過透過位置而使透過光波長逐漸變化的光幹涉式的分光元件，上述分光元件設置在上述光電轉換部陣列單元的前面，以上述透鏡和上述光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行配置，經上述透鏡通過上述光電轉換部陣列單元接受來自試料的反射光；運算部，其基於從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據，使相對於所照射的光的反射光的偏振光狀態的變化量對應於上述分光元件的透過波長，並進行解析而獲得實測分光波形，同時，計算出根據假設的膜厚和/或膜質而理論計算的理論分光波形，通過上述實測分光波形和上述理論分光波形的擬合，求取膜厚或者膜質；進而上述投光側光學系統中包含有第一特徵化單元，該第一特徵化單元對上述測定介質光賦予以垂直於入射面的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動的特徵，還包含有第二特徵化單元，該第二特徵化單元賦予以入射面和測定對象面相交的直線為中心軸而旋轉的方向上的試料的傾斜變動，上述受光側光學系統中包含有傾斜檢測用光電轉換單元，該傾斜檢測用光電轉換單元用於接受從上述試料的膜厚計測點到來的測定介質光的反射光，並檢測出其所包含的上述第一特徵化單元的特徵，以上述受光側光學系統中所包含的上述透鏡與傾斜檢測用光電轉換部陣列單元的上述受光面之間的距離與該透鏡的焦距大致一致的方式進行設定，上述運算單元中包含有基於由上述光電轉換陣列單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元，還包含有基於由上述傾斜檢測用光電轉換單元檢測出的上述試料的傾斜變動的特徵而修正從各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據中所包含的由於試料的傾斜變動導致的誤差成分的受光量數據校正單元。
4.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，上述特徵化單元是在上述測定介質光的剖面輪廓中、將相當於試料的傾斜標準的部分進行邊緣整形的剖面輪廓整形單元。
5.如權利要求2所述的分光計測裝置，其特徵在於，上述特徵化單元是在上述測定介質光的剖面輪廓中、將相當於試料的傾斜標準的部分進行邊緣整形的剖面輪廓整形單元。
6.如權利要求3所述的分光計測裝置，其特徵在於，上述特徵化單元是在上述測定介質光的剖面輪廓中、將相當於試料的傾斜標準的部分進行邊緣整形的剖面輪廓整形單元。
7.如權利要求6所述的分光計測裝置，其特徵在於，上述剖面輪廓整形單元至少包括狹縫、小孔、或者刃狀物。
8.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，上述光源是白色發光二極體光源。
9.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，試料上的點徑小於等於1mm。
10.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，使用二維陣列單元作為上述記載的光電轉換部陣列單元。
11.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，計算出理論波形的運算部包括消除上述記載的分光元件的波長解析度導致的誤差的處理。
12.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，試料基板是透明基板時，運算部包括通過包含有來自試料基板的背面的反射的光的反射率的理論算式來計算出理論波形的處理。
13.如權利要求12所述的分光計測裝置，其特徵在於，運算部具有能夠輸入試料基板是透明基板還是不透明基板的輸入單元。
14.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，具備旋轉具有延遲相位的功能的移相器的機構，在投光側光學系統中包括有起偏振器，在受光側光學系統中包括有檢偏振器。
15.如權利要求14所述的分光計測裝置，其特徵在於，在上述投光側光學系統中具備著具有延遲相位的功能的移相器。
16.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，從上述投光側光學系統照射的上述測定介質光中包括兩個或兩個以上的偏振光成分，並且在上述受光側光學系統中包括有對應於上述各偏振光成分的兩個或兩個以上的光電轉換部陣列單元、以及用於將從上述試料上的膜厚計測點到來的反射光分離成各偏振光成分並分別導向對應的光電轉換部陣列單元的偏振光分離單元。
17.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，計測上述試料的色度。
18.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，計測上述試料的膜厚。
19.如權利要求1所述的分光計測裝置，其特徵在於，計測上述試料的膜質。
20.如權利要求18所述的分光計測裝置，其特徵在於，配置在製造生產線上而以在線方式進行計測。
21.如權利要求19所述的分光計測裝置，其特徵在於，配置在製造生產線上而以在線方式進行計測。
22.如權利要求20所述的分光計測裝置，其特徵在於，配置在製造生產線上，進行全數檢查、並將記錄、解析的結果反饋到製造生產線內的裝置。
全文摘要
本發明提供一種分光計測裝置，其實現小型化，由於具備相對於距離抖動、水平方向角度抖動和垂直方向角度抖動的抗耐性，而適於例如半導體製造過程或FPD製造過程等中的在線計測。在上述光電轉換部陣列單元之前具有通過透過位置而逐漸使透過光波長變化的光幹涉式的分光元件的同時，基於具有檢測出來自試料的反射光的偏振光狀態的變化的功能的受光側光學系統、和從上述光電轉換部陣列單元的各光電轉換部獲得的一系列的受光量數據進行偏振光分析，通過實測波形和理論波形的擬合來求取膜厚或膜質。
文檔編號G01N21/21GK1782662SQ20051012901
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月29日 優先權日2004年11月30日
發明者高嶋潤, 江川弘一, 村井偉志 申請人:歐姆龍株式會社