特許 7023703 段差測定方法及び段差測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-14

(45)【発行日】2022-02-22

(54)【発明の名称】段差測定方法及び段差測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20220215BHJP

【ＦＩ】

G01B11/06 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2017249238

(22)【出願日】2017-12-26

(65)【公開番号】P2019113492

(43)【公開日】2019-07-11

【審査請求日】2020-09-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000115902

【氏名又は名称】レーザーテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100129953

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 康弘

(72)【発明者】

【氏名】西村 良浩

(72)【発明者】

【氏名】青木 善浩

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－００７５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９８４９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

透明な膜が露出した部分を含む試料の表面の段差を測定する段差測定方法であって、
前記透明な膜は、複数の透明な層が積層された多層膜であり、
共焦点光学系の対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させた場合に、照明光が前記試料で反射した反射光の輝度のピークを示す前記位置の違いから、前記試料の表面における疑似段差を測定するステップと、
前記透明な膜の膜厚を測定するステップと、
前記輝度と、前記位置と、の関係を示すＺ依存性関数を決定するステップと、
前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて算出した光学的な界面位置における前記Ｚ依存性関数と、前記界面位置における前記透明な膜のフレネル係数と、の積のＺ依存フレネル係数を導入するステップと、
各前記界面位置の前記Ｚ依存フレネル係数を全て合成した、全体構造の合成Ｚ依存フレネル係数の絶対値の二乗より算出された反射率が、前記光軸方向においてピークを示す前記位置からシフト量を決定するステップと、
前記疑似段差及び前記シフト量より段差を導出するステップと、
を備えた段差測定方法。

【請求項2】

前記膜厚を測定するステップは、
前記共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、
前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光 による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、
前記透明な膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、
波長と反射率との関係が前記透明な膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記透明な膜の膜厚を近似して算出する、
請求項１に記載の段差測定方法。

【請求項3】

前記膜厚を測定するステップは、
前記対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させた場合に、照明光が前記試料で反射した反射光の輝度と、前記位置と、の関係を示すＩＺ曲線を測定し、
前記透明な膜について想定される複数の前記膜厚の場合の前記Ｚ依存フレネル係数を用いてシミュレーションされた反射率をプロットした計算ＩＺ曲線を準備し、
測定されたＩＺ曲線に、前記計算ＩＺ曲線をフィッティングして、前記透明な膜の膜厚を算出する、
請求項１に記載の段差測定方法。

【請求項4】

前記Ｚ依存性関数を決定するステップにおいて、
前記Ｚ依存性関数として、ローレンツ関数の平方根を用いる、
請求項１～３のいずれか一項に記載の段差測定方法。

【請求項5】

前記Ｚ依存フレネル係数を導入するステップは、
前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて、前記透明な膜の光学的膜厚を算出するステップと、
前記光学的膜厚を用いて、前記透明な膜の光学的界面位置を算出するステップと、
を含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載の段差測定方法。

【請求項6】

透明な膜が露出した部分を含む試料の表面の段差を測定する段差測定装置であって、
前記透明な膜は、複数の透明な層が積層された多層膜であり、
照明光が前記試料で反射した反射光を検出する光検出器と、
対物レンズを有し、前記照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、
前記対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させる処理部と、
を備え、
前記処理部は、
前記照明光が前記試料で反射した反射光の輝度のピークを示す前記位置の違いから、前記試料の表面における疑似段差を測定し、
前記透明な膜の膜厚を測定し、
前記輝度と、前記位置と、の関係を示すＺ依存性関数を決定し、
前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて算出した光学的な界面位置における前記Ｚ依存性関数と、前記界面位置における前記透明な膜のフレネル係数と、の積のＺ依存フレネル係数を導入し、
各前記界面位置の前記Ｚ依存フレネル係数を全て合成した、全体構造の合成Ｚ依存フレネル係数の絶対値の二乗より算出された反射率が、前記光軸方向においてピークを示す前記位置からシフト量を決定し、
前記疑似段差及び前記シフト量より段差を導出する、
段差測定装置。

【請求項7】

前記処理部は、前記透明な膜の膜厚を測定する際に、
前記共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、
前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光 による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、
前記透明な膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第 １波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、
波長と反射率との関係が前記透明な膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記透明な膜の膜厚を近似して算出する、
請求項６に記載の段差測定装置。

【請求項8】

前記処理部は、前記膜厚を測定する際に、
前記対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させた場合に、照明光が前記試料で反射した反射光の輝度と、前記位置と、の関係を示すＩＺ曲線を測定し、
前記透明な膜について想定される複数の前記膜厚の場合の前記Ｚ依存フレネル係数を用いてシミュレーションされた反射率をプロットした計算ＩＺ曲線を準備し、
測定されたＩＺ曲線に、前記計算ＩＺ曲線をフィッティングして、前記透明な膜の膜厚を算出する、
請求項６に記載の段差測定装置。

【請求項9】

前記Ｚ依存性関数は、ローレンツ関数の平方根である、
請求項６～８のいずれか一項に記載の段差測定装置。

【請求項10】

前記処理部は、前記Ｚ依存フレネル係数を算出する際に、
前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて、前記透明な膜の光学的膜厚を算出し、
前記光学的膜厚を用いて、前記透明な膜の光学的界面位置を算出する、
請求項６～９のいずれか一項に記載の段差測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、段差測定方法及び段差測定装置に関し、特に、透明な膜を含む試料の段差測定方法及び段差測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

試料の表面の段差を非接触及び非破壊で測定する方法としては、共焦点光学系を用いる方法、干渉計を用いる方法等が挙げられる。例えば、共焦点光学系を用いた段差測定においては、対物レンズの光軸方向に沿って、試料に対する対物レンズの位置を変化させる。この場合に、照明光が試料により反射した反射光の輝度がピークとなる位置の違いから表面の段差を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－０８７１９７号公報

【文献】特開２００５－２６６０８４号公報

【文献】特開２００７－１９９５１１号公報

【文献】特開２０１０－０７５９９７号公報

【文献】特開２０１２－０９８６９２号公報

【文献】特開２００２－０３９７２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

化合物半導体レーザ等の電子デバイス、ディスプレイ用薄膜トランジスタ及びＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等の３次元構造体の製造過程において、透明または半透明な絶縁膜が形成された基板上に、不透明な金属膜が形成される場合がある。

【0005】

図１は、基板１４１上に形成された透明な絶縁膜１４２上に、金属膜１４３が形成された試料１４０を例示した断面図である。図１に示すように、試料１４０の絶縁膜１４２は、透明な膜からなる複数の層１４２ａ～１４２ｄを含んでいる。試料１４０の金属膜１４３は、不透明な膜であり、例えば、パターン化された電極である。試料１４０の表面には段差が形成されている。具体的には、金属膜１４３の上面を上段とし、絶縁膜１４２の上面を下段とする段差が形成されている。

【0006】

図１のように、試料１４０の表面に、可視光を透過する透明な絶縁膜１４２が露出していると、照明光は、絶縁膜１４２を透過し、絶縁膜１４２の下面でも反射する。したがって、照明光が試料１４０で反射した反射光は、絶縁膜１４２の上面で反射した反射光と、絶縁膜１４２の下面で反射した反射光とを含んでいる。透明な膜が多層膜の場合には、試料１４０で反射した反射光は、各層１４２ａ～１４２ｄの界面で反射した反射光も含んでいる。

【0007】

したがって、反射光の輝度がピークを示すＺ位置は、絶縁膜１４２の上面を示す位置からずれた位置になる。したがって、このような場合には、試料１４０の金属膜１４３の上面と、絶縁膜１４２の上面との段差を精度よく測定することができない。

【0008】

図２は、凹凸のある基板１４１上に膜厚が異なる透明な絶縁膜１４２が形成された試料１４０ａを例示した断面図である。図２に示すように、一方の絶縁膜１４２は、４層の層１４２ａ～１４２ｄを含み、他方の絶縁膜１４２は、２層の層１４２ｅ及び１４２ｆを含んでいる。このように、一方の透明な絶縁膜１４２と他方の透明な絶縁膜１４２との膜厚が異なる場合に、単に、膜厚の差が表面の段差になるとは限らない。例えば、基板１４１の表面に凹凸が形成されている場合には、一方の透明な絶縁膜１４２の上面と、他方の透明な絶縁膜１４２の上面との段差は、膜厚の差と、基板１４１の凹凸とを含んでいる。

【0009】

このような段差を測定する場合に、反射光の輝度がピークを示す位置は、絶縁膜１４２の上面を示す位置からずれた位置になる。よって、このような場合にも、一方の透明な絶縁膜１４２の上面と、他方の透明な絶縁膜１４２の上面との段差を精度よく測定することができない。

【0010】

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、透明な膜を含む試料の表面の段差を、精度良く測定することができる段差測定方法及び段差測定装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る段差測定方法は、透明な膜が露出した部分を含む試料の表面の段差を測定する段差測定方法であって、共焦点光学系の対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させた場合に、照明光が前記試料で反射した反射光の輝度のピークを示す前記位置の違いから、前記試料の表面における疑似段差を測定するステップと、前記透明な膜の膜厚を測定するステップと、前記輝度と、前記位置と、の関係を示すＺ依存性関数を決定するステップと、前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて算出した光学的な界面位置における前記Ｚ依存性関数と、前記界面位置における前記透明な膜のフレネル係数と、の積のＺ依存フレネル係数を導入するステップと、各前記界面位置において合成した前記Ｚ依存フレネル係数の絶対値の二乗より算出された反射率が、前記光軸方向においてピークを示す前記位置からシフト量を決定するステップと、前記疑似段差及び前記シフト量より段差を導出するステップと、を備える。このような構成により、透明な膜を含む試料の表面の段差を、精度良く測定することができる。

【0012】

また、前記膜厚を測定するステップは、前記共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、前記透明な膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が前記透明な膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記透明な膜の膜厚を近似して算出する。

【0013】

さらに、前記膜厚を測定するステップは、前記対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させた場合に、照明光が前記試料で反射した反射光の輝度と、前記位置と、の関係を示すＩＺ曲線を測定し、前記透明な膜について想定される複数の前記膜厚の場合の前記Ｚ依存フレネル係数を用いてシミュレーションされた反射率をプロットした計算ＩＺ曲線を準備し、測定されたＩＺ曲線に、前記計算ＩＺ曲線をフィッティングして、前記透明な膜の膜厚を算出する。

【0014】

前記Ｚ依存性関数を決定するステップにおいて、前記Ｚ依存性関数として、ローレンツ関数の平方根を用いる。

【0015】

また、前記Ｚ依存フレネル係数を導入するステップは、前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて、前記透明な膜の光学的膜厚を算出するステップと、前記光学的膜厚を用いて、前記透明な膜の光学的界面位置を算出するステップと、を含む。

【0016】

さらに、前記透明な膜は、複数の透明な層が積層された多層膜である。

【0017】

本発明に係る段差測定装置は、透明な膜が露出した部分を含む試料の表面の段差を測定する段差測定装置であって、照明光が前記試料で反射した反射光を検出する光検出器と、対物レンズを有し、前記照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、前記対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させる処理部と、を備え、前記処理部は、前記照明光が前記試料で反射した反射光の輝度のピークを示す前記位置の違いから、前記試料の表面における疑似段差を測定し、前記透明な膜の膜厚を測定し、前記輝度と、前記位置と、の関係を示すＺ依存性関数を決定し、前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて算出した光学的な界面位置における前記Ｚ依存性関数と、前記界面位置における前記透明な膜のフレネル係数と、の積のＺ依存フレネル係数を導入し、各前記界面位置において合成した前記Ｚ依存フレネル係数の絶対値の二乗より算出された反射率が、前記光軸方向においてピークを示す前記位置からシフト量を決定し、前記疑似段差及び前記シフト量より段差を導出する。このような構成により、透明な膜を含む試料の表面の段差を、精度良く測定することができる。

【0018】

また、前記処理部は、前記透明な膜の膜厚を測定する際に、前記共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光 による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、前記透明な膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第 １波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が前記透明な膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記透明な膜の膜厚を近似して算出する。

【0019】

さらに、前記処理部は、前記膜厚を測定する際に、前記対物レンズの光軸方向に沿って、前記試料に対する前記対物レンズの位置を変化させた場合に、照明光が前記試料で反射した反射光の輝度と、前記位置と、の関係を示すＩＺ曲線を測定し、前記透明な膜について想定される複数の前記膜厚の場合の前記Ｚ依存フレネル係数を用いてシミュレーションされた反射率をプロットした計算ＩＺ曲線を準備し、測定されたＩＺ曲線に、前記計算ＩＺ曲線をフィッティングして、前記透明な膜の膜厚を算出する。

【0020】

前記Ｚ依存性関数は、ローレンツ関数の平方根である。

【0021】

また、前記処理部は、前記Ｚ依存フレネル係数を算出する際に、前記透明な膜の前記膜厚及び屈折率を用いて、前記透明な膜の光学的膜厚を算出し、前記光学的膜厚を用いて、前記透明な膜の光学的界面位置を算出する。

【0022】

さらに、前記透明な膜は、複数の透明な層が積層された多層膜である。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、透明な膜を含む試料の表面の段差を、精度良く測定することができる段差測定方法及び段差測定装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】基板上に形成された透明な絶縁膜上に、金属膜が形成された試料を例示した断面図である。

【図2】凹凸のある基板上に膜厚が異なる透明な絶縁膜が形成された試料を例示した断面図である。

【図3】実施形態に係る段差測定装置１の構成を例示した図である。

【図4】実施形態に係る段差測定方法を例示したフローチャート図である。

【図5】実施形態に係る段差測定方法により表面の段差が測定される試料を例示した断面図である。

【図6】実施形態に係る段差測定方法の膜厚測定を例示したフローチャートである。

【図7】実施形態に係るＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸は規格化された反射光の輝度を示す。

【図8】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入を例示した図である。

【図9】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入を例示したフローチャートである。

【図10】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、光学的膜厚を例示した図である。

【図11】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、光学的界面位置を例示した図である。

【図12】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、フレネル係数を例示した図である。

【図13】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、Ｚ依存フレネル係数を例示した図である。

【図14】実施形態に係る段差測定方法のシフト量の決定を例示したフローチャート図である。

【図15】実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の合成を例示した図である。

【図16】実施形態に係る段差測定方法の合成された拡張フレネル係数の絶対値の二乗より算出された絶対反射率を例示した図である。

【図17】実施形態に係る実施例１の試料を例示した断面図である。

【図18】実施形態に係る実施例１のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【図19】実施形態に係る実施例２の試料を例示した断面図である。

【図20】実施形態に係る実施例２のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【図21】実施形態に係る実施例３の試料を例示した断面図である。

【図22】実施形態に係る実施例３のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【図23】実施形態に係る実施例４の試料を例示した断面図である。

【図24】実施形態に係る実施例４のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【図25】実施形態に係る実施例５のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【図26】実施形態に係る平均入射角度因子を導くための説明図である。

【図27】実施形態に係る平均位相差を導くための説明図である。

【図28】実施形態の変形例に係る段差測定方法及び膜厚測定方法と、ＮＡ対物レンズとの関係を例示した図である。

【図29】実施形態の変形例に係る段差測定方法において、膜厚測定を例示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

【0026】

（実施形態）
実施形態に係る段差測定装置及び段差測定方法を説明する。まず、段差測定装置の構成を説明する。その後、段差測定装置を用いた段差測定方法を説明する。
（段差測定装置）

【0027】

本実施形態に係る段差測定装置１の構成を説明する。図３は、実施形態に係る段差測定装置１の構成を例示した図である。図３に示すように、本実施形態に係る段差測定装置１は、光源１１、干渉フィルター１２、レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６、対物レンズ１７、ステージ１８、光検出器１９、処理部３０を備えている。光源１１及び干渉フィルター１２は光源部１０を構成している。レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６及び対物レンズ１７は、共焦点光学系２０を構成している。ステージ１８上には、試料４０が載置されている。段差測定装置１は、透明な膜が露出した部分を含む試料４０の表面の段差を測定する装置である。透明な膜とは、所定の波長の照明光の少なくとも一部を透過する膜をいう。

【0028】

光源１１は、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ～２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプである。キセノンランプは、単波長画像以外のカラーレビュー画像を撮像する際に、自然な干渉色の分布が観察でき、定性的な判断をする場合に有用である。また、光源１１は、例えば、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光を生成するものでもよい。光源１１は、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等でもよい。光源１１は、波長が選択できることが好ましい。光源１１は、光検出器１９が検出できれば、可視光に制限されない。

【0029】

光源１１から出射した光は、干渉フィルター１２を通過し、特定の波長の光に変換されてもよい。干渉フィルター１２は、例えば、特定波長の光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタである。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させる。例えば、照明光の波長として、水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、５７８ｎｍ、及び水銀キセノンランプの輝線ではない４８６ｎｍ、５１４ｎｍ、６３３ｎｍを選択することができる。水銀キセノンランプを用いる場合に、輝線に対応する波長以外の波長の光をフィルターで選択することも可能である。輝線の波長以外の光は強度が小さいため、干渉フィルターの半値幅を広くすることによりバランスを取ることができる。なお、波長の切替は連続的でもよいし、断続的でもよく、例えば、４００ｎｍ～６５０ｎｍの間で５～７波長を選択してもよい。このように、段差測定装置１は、少なくとも第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部１０を備えている。

【0030】

なお、光源１１として単波長のレーザ光を出射するレーザ光源を用い、波長変換素子を設けてもよい。例えば、第二高調波発生により、波長変換素子に入射する単波長の光の波長変換を行うことができる。また、光源１１として、可変波長レーザを用いることも可能である。さらに、異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、複数のレーザ光源のうちの所望の波長の光を選択するようにしてもよい。

【0031】

共焦点光学系２０は、対物レンズ１７を有し、光源部１０からの照明光を試料４０まで導くとともに、試料４０からの反射光を光検出器１９まで導く。干渉フィルター１２を透過した単一波長の照明光はレンズ１３ａを透過して、スリット１４に入射する。照明光は、スリット１４を通して、例えば、ライン状に整形される。そして、照明光は、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５は、照明光の一部を透過する。例えば、照明光の略半分がビームスプリッタ１５を透過する。

【0032】

その後、図３中右方向に進む光は、振動ミラー１６に入射する。振動ミラー１６は、例えば、Ｘ方向のライン状に整形された照明光を試料４０上でＹ方向に走査する。これにより、試料４０面上をＸＹ方向に走査することができる。振動ミラー１６としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。

【0033】

振動ミラー１６により、下方に反射された照明光は、対物レンズ１７により集光され、試料４０に照射される。対物レンズ１７の光軸方向は、Ｚ軸方向となってもよい。試料４０は、ステージ１８上に載置されている。そして、試料４０からの反射光は、再度対物レンズ１７を通過し、振動ミラー１６により再び反射され、ビームスプリッタ１５へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ１５で反射され、レンズ１３ｃに入射する。レンズ１３ｃは、光検出器１９の受光面に合成光を結像させる。レンズ１３ｃを透過した光は、光検出器１９で受光される。

【0034】

本実施の形態では、光検出器１９は、試料４０のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤラインセンサである。光源１１からスリット１４を透過した照明光が、試料４０で反射して、ＣＣＤラインセンサにより検出される。振動ミラー１６により、試料４０上を走査することにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。このようにして、光検出器１９は、照明光が試料４０で反射した反射光を検出して、試料４０の所定の領域における画像を取得する。なお、共焦点光学系の方式が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリットや光検出器は方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、Ｘ方向とＹ方向にスキャンするための振動ミラーを用いてもよく、Ｘ方向に音響光学素子であるＡＯＤを用いることも可能である。

【0035】

ステージ１８は、図示しないＺ軸駆動モータを有しており、試料４０を図１の上下方向に移動させることができる。このステージ１８は、Ｚ軸方向に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ１８がＺ方向に移動するかわりに、対物レンズ１７を移動させて焦点位置調整を行うこともできる。

【0036】

共焦点光学系２０において、観察波長を変えると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる輝度の変化が予想される。これは、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定してＰＣに記憶しておき、波長切り替えの際に、ズレ分だけ自動的に試料４０あるいは対物レンズ１７のＺ位置を微調整することでキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をＺスキャンにより作製してもよい。なお、観察光学系自身の波長依存性は、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、計算により補正できる。

【0037】

処理部３０は、試料４０に対する対物レンズ１７の位置を変化させる。例えば、処理部３０は、ステージ１８をＺ軸方向に移動させてＺスキャンを行う。なお、処理部３０は、対物レンズ１７をＺ軸方向に移動させてＺスキャンさせてもよい。

【0038】

本発明では、共焦点顕微鏡を用いて、照明波長を切り替えながら、反射率を測定する。処理部３０は、複数の異なる波長の照明光を照射したときのそれぞれの光検出器１９で得られた画像から反射率を測定する。そして、基板に形成された薄膜の膜厚を算出する。すなわち、処理部３０は、薄膜の膜厚を算出するために、ある波長（第１波長）の照明光による画像（第１画像）と、それと異なる波長（第２波長）の照明光による画像（第２画像）とに基づいて、それぞれの波長に対する反射率の測定データを求める。そして、処理部３０は、波長と反射率との関係が薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。

【0039】

（段差測定方法）
次に、段差測定装置１を用いた段差測定方法を説明する。本実施形態の段差測定方法は、試料４０の表面の段差を測定する。図４は、実施形態に係る段差測定方法を例示したフローチャート図である。図４に示すように、本実施形態の段差測定方法は、疑似段差の測定（ステップＳ１１）、膜厚の測定（ステップＳ１２）、ＩＺ曲線及びＺ依存性関数の決定（ステップＳ１３）、Ｚ依存フレネル係数の導入（ステップＳ１４）、シフト量の決定（ステップＳ１５）及び補正段差の算出（ステップＳ１６）のステップに分けられる。以下で、順次説明する。

【0040】

（疑似段差の測定：ステップＳ１１）
図４のステップＳ１１に示すように、試料４０の表面の疑似段差を測定する。まず、試料４０を説明する。図５は、実施形態に係る段差測定方法により表面の段差が測定される試料４０を例示した断面図である。

【0041】

図５に示すように、試料４０は、基板４１と、透明な膜４２と、不透明な膜４３とを含んでいる。基板４１は、例えば、ガラス基板、シリコン基板等である。なお、基板４１は、ガラス基板、シリコン基板等に限らない。

【0042】

透明な膜４２は、基板４１上に形成されている。透明な膜４２とは、所定の波長の照明光の少なくとも一部を透過する膜をいう。透明な膜４２は、複数の透明な層ＬＹ１～４２ｄが積層された多層膜でもよい。多層膜の各層ＬＹ１～４２ｄは透明な膜４２を含んでいる。

【0043】

不透明な膜４３は、例えば、金属膜である。不透明な膜４３は、透明な膜４２上に、形成されている。不透明な膜４３は、透明な膜４２上に部分的に形成されている。よって、試料４０の表面には、透明な膜４２が露出している部分を含んでいる。このように、本実施形態の段差測定方法は、透明な膜４２が露出した部分を含む試料４０の表面の段差を測定する。すなわち、段差を構成する一方の膜の上面と他方の膜の上面との間の積層方向の長さを測定する。具体的には、不透明な膜４３の上面と、透明な膜４２の上面との積層方向の長さを測定する。

【0044】

ここで、段差測定方法の説明の便宜のために、ＸＹＺ直交座標軸系を導入する。試料４０の透明な膜４２の積層方向をＺ軸方向とし、基板４１から表面へ向かう向きを＋Ｚ軸方向、その反対方向を－Ｚ軸方向とする。Ｚ軸方向に直交する面内で不透明な膜４３の縁に沿った方向をＹ軸方向とする。Ｚ軸方向に直交する面内でＹ軸方向に直交する方向をＸ軸方向とする。対物レンズ１７の光軸は、Ｚ軸方向に沿っている。

【0045】

不透明な膜４３の上面で反射した反射光は、ほとんどが不透明な膜４３の上面で反射したものである。よって、対物レンズ１７の光軸方向に沿って、試料４０に対する対物レンズ１７の位置を変化させた場合に、反射光の最大輝度を示す位置は、不透明な膜４３の上面を示す位置となる。このように、不透明な膜４３は、反射光のほとんどが上面での反射光であり、反射光の最大輝度を示す位置が上面を示す位置となる膜である。

【0046】

一方、透明な膜４２が露出した部分において、照明光は、透明な膜４２を透過する。よって、反射光は、透明な膜４２の表面で反射した反射光と、透明な膜４２の下面及び各層ＬＹ１～４２ｄの界面で反射した反射光を含んでいる。したがって、透明な膜４２からの反射光の最大輝度を示すＺ位置は、実際の透明な膜４２の上面を示す位置からずれて測定される。

【0047】

そうすると、不透明な膜４３の上面と、透明な膜４２の上面との段差は、実際の段差にズレを含んだものとなる。このように、実際の段差からずれて測定された段差を、疑似段差ｈａという。実際の段差ｈ０と疑似段差ｈａとの間のズレをシフト量Ｚｄという。よって、シフト量Ｚｄは、透明な膜４２の実際の最表面についてのＺ方向の位置を０とした場合において、反射光の輝度のピーク位置である。

【0048】

このように、疑似段差ｈａの測定としては、共焦点光学系２０の対物レンズ１７の光軸方向に沿って、試料４０に対する対物レンズ１７のＺ位置を変化させた場合に、照明光が試料４０で反射した反射光の輝度のピークを示す位置の違いから、試料４０の表面における疑似段差ｈａを測定する。具体的には、処理部３０は、対物レンズ１７の光軸方向に沿って、試料４０に対する対物レンズ１７の位置を変化させてＺスキャンさせる。そして、処理部３０は、照明光が試料４０で反射した反射光の輝度のピークを示す位置の違いから、試料４０の表面における疑似段差ｈａを測定する。測定条件としては、比較的高いＮＡレンズを用いて単波長で行い、波長は、例えば、５４６［ｎｍ］であり、対物レンズ１７のＮＡは、０．９である。

【0049】

（膜厚の測定：ステップＳ１２）
次に、図４のステップＳ１２に示すように、試料４０の透明な膜４２の膜厚を測定する。透明な膜４２の膜厚は、例えば、特許文献１に開示された方法であって、６波長の照明光を用いた全焦点画像より求める方法を用いる。なお、試料４０の透明な膜４２の膜厚を測定する方法は、特許文献１に開示された方法に限らない。

【0050】

図６は、実施形態に係る段差測定方法の膜厚測定を例示したフローチャートである。図６のステップＳ２１に示すように、処理部３０は、透明な膜４２の膜厚を測定する際に、共焦点光学系２０を介して、試料４０に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射する。次に、ステップＳ２２に示すように、試料４０で反射した反射光を、共焦点光学系２０を介して検出して、第１波長の光による第１画像と、第２波長の光による第２画像とを取得する。次に、ステップＳ２３に示すように、透明な膜４２の膜厚を算出するために、第１画像と第２画像とに基づいて、第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める。次に、ステップＳ２４に示すように、波長と反射率との関係が薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。

【0051】

なお、試料４０の透明な膜４２の膜厚が既知の場合には、その膜厚の値を用いてもよい。対物レンズ１７は、疑似段差ｈａを測定する際に用いた高ＮＡの対物レンズ１７でもよいし、疑似段差ｈａの測定に用いた対物レンズ１７と異なる低ＮＡの対物レンズを用いてもよい。

【0052】

（ＩＺ曲線及びＺ依存性関数の決定：ステップＳ１３）
次に、図４のステップＳ１３に示すように、ＩＺ曲線及びＺ依存性関数の決定を行う。ＩＺ曲線とは、試料４０からの反射光の輝度Ｉと、光軸方向における位置と、の関係を示す曲線である。ＩＺ曲線及びＺ依存性関数の決定は、例えば、最表面で反射する部材に対して行う。例えば、ＩＺ曲線を決定する際に、ＩＺ曲線として、以下の（１）式に示すローレンツ関数を用いる。

【0053】

【数1】

【0054】

処理部３０は、（１）式におけるパラメータＡ、Ｂ及びＣを最適化し、実測値にフィッティングすることにより、輝度Ｉと、位置と、の関係を示すＩＺ曲線を決定する。例えば、輝度と光軸方向の位置との関係を示すＩＺ曲線としてローレンツ関数に決定する。なお、輝度は、以下の（２）式で正規化する。また、輝度と光軸方向の位置との関係を示すＩＺ曲線として、ローレンツ関数の代わりに、例えば、ガウス関数を用いてもよいし、実測値を再現できる任意の関数でもよい。さらに、実測値を再現できる参照表でもよい。

【0055】

【数2】

【0056】

次に、以下の（３）式に示すように、ＩＺ曲線の平方根を、Ｚ依存性関数と定義する。このようにして、Ｚ依存性関数の決定を行う。

【0057】

【数3】

【0058】

図７は、実施形態に係るＩＺ曲線及びＺ依存性関数を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ軸方向、すなわち、対物レンズ１７の光軸方向における位置を示し、縦軸は、規格化された反射光の輝度を示す。横軸において、輝度Ｉがピークを示す位置をＺ＝０としている。縦軸は反射光の輝度Ｉを示す。図７において、ＩＺ曲線を示すｆ（Ｚ）は、例えば、ローレンツ関数である。Ｆ（Ｚ）はＺ依存性関数を示す。

【0059】

（Ｚ依存フレネル係数の導入：ステップＳ１４）
次に、図４のステップＳ１４に示すように、Ｚ依存フレネル係数の導入を行う。図８は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入を例示した図である。Ｚ依存フレネル係数は、透明な膜４２の膜厚及び屈折率を用いて算出した光学的な界面位置におけるＺ依存性関数と、光学的な界面位置における透明な膜４２のフレネル係数との積をいう。

【0060】

Ｚ依存フレネル係数の導入の概略を、図８を用いて説明する。まず、透明な膜４２の物理的膜厚ｔ_ｊ（ｊ＝１～４）及び複素屈折率Ｎ_ｊ（ｊ＝１～４）を用いて、透明な膜４２の光学的膜厚ｄ_ｊ（ｊ＝１～４）を算出する。図８に示すように、空気の複素屈折率Ｎ_０、透明な膜４２の層ＬＹ１の複素屈折率Ｎ_１、層ＬＹ２の複素屈折率Ｎ_２、層ＬＹ３の複素屈折率Ｎ_３、層ＬＹ４の複素屈折率Ｎ_４及び基板４１の複素屈折率Ｎ_Ｓは、以下の（４）～（９）となる。なお、ｎ_０、ｎ_１等は、屈折率であり、ｋ_１、ｋ_２等は消衰係数であり、ｉは虚数単位である。

【0061】

【数4】

【数5】

【数6】

【数7】

【数8】

【数9】

【0062】

また、層ＬＹ１～層ＬＹ４において、各層ＬＹの物理的膜厚ｔ_ｊ（ｊは１～４）を用いると、各層ＬＹの光学的膜厚ｄ_ｊ（ｊは１～４）は、以下の（１０）式となる。

【0063】

【数10】

【0064】

さらに、光学的膜厚ｄ_ｊを用いて、透明な膜４２の光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}（ｊは１～４）を算出する。各層ＬＹの界面及び層ＬＹ４と基板４１との界面の光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}（ｊは１～４）は、以下の（１１）式となる。ここで、界面（０、１）は、透明な膜４２の上面、すなわち、層ＬＹ１の上面である。界面（１、２）は、層ＬＹ１と層ＬＹ２との界面である。界面（２、３）は、層ＬＹ２と層ＬＹ３との界面である。界面（３、４）は、層ＬＹ３と層ＬＹ４との界面である。界面（４、５）は、層ＬＹ４と基板４１との界面である。

【0065】

【数11】

【0066】

このようにして算出した光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}における振幅のＺ依存性関数と、光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}における透明な膜４２のフレネル係数と、の積より、Ｚ依存フレネル係数を導入する。

【0067】

次に、Ｚ依存フレネル係数の導入の詳細を説明する。図９は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入を例示したフローチャートである。図１０は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、光学的膜厚を例示した図である。図１１は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、光学的界面位置を例示した図である。図１２は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、フレネル係数を例示した図である。図１３は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の導入において、Ｚ依存フレネル係数を例示した図である。

【0068】

図９のステップＳ３１に示すように、透明な膜４２の物理的膜厚及び屈折率を用いて、透明な膜４２の光学的膜厚ｄ_ｊを算出する。図１０に示すように、層ＬＹ１～ＬＹＬの光学的膜厚ｄ_１～ｄ_Ｌは、以下の（１２）式～（１５）式となる。（１４）式は、一般化した式である。

【0069】

【数12】

【数13】

【数14】

【数15】

【0070】

ここで、界面（ｊ－１、ｊ）における入射角をθ_ｊ－１、屈折角をθ_ｊとすると、入射角度因子β_ｊ、入射角度平均＜β_ｊ＞は、下記の（１６）式及び（１７）式となる。なお、入射角度因子β_ｊ及び入射角度平均＜βｊ＞は、後述するが、入射角度平均＜βｊ＞は、対物レンズ１７のＮＡに関して、入射角０［radian］～ＮＡまでの平均を示している。

【0071】

【数16】

【数17】

【0072】

次に、図９のステップＳ３２に示すように、光学的膜厚ｄ_ｊを用いて光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}を算出する。光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}は、屈折による膜厚変化を考慮した界面位置である。図１１に示すように、透明な膜４２の上面ｐ_０、１、すなわち、層ＬＹ１の光学的界面位置ｐ_０、１は、以下の（１８）式のように、ｐ_０、１＝０である。よって、実際の上面と同じ面となっている。層ＬＹ１と層ＬＹ２との光学的界面位置ｐ_１、２、層ＬＹ２と層ＬＹ３との光学的界面位置ｐ_２、３、層ＬＹｊと層ＬＹｊ＋１との光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}、層ＬＹＬと基板４１との光学的界面位置ｐ_Ｌ、Ｓは、以下の（１９）～（２２）式となる。

【0073】

【数18】

【数19】

【数20】

【数21】

【数22】

【0074】

次に、図９のステップＳ３３に示すように、フレネル係数を算出する。図１２に示すように、透明な膜４２の上面ｐ_０、１、すなわち、層ＬＹ１の上面ｐ_０、１におけるフレネル係数ｒ_０、１は、以下の（２３）式のようになる。層ＬＹ１と層ＬＹ２との光学的界面位置ｐ_１、２におけるフレネル係数ｒ_１、２、層ＬＹ２と層ＬＹ３との光学的界面位置ｐ_２、３におけるフレネル係数ｒ_２、３、層ＬＹｊと層ＬＹｊ＋１との光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}におけるフレネル係数ｒ_{ｊ、ｊ＋１}、層ＬＹＬと基板４１との光学的界面位置ｐ_Ｌ、Ｓにおけるフレネル係数ｒ_Ｌ、Ｓは、以下の（２４）～（２７）式となる。

【0075】

【数23】

【数24】

【数25】

【数26】

【数27】

【0076】

次に、図９のステップＳ３４に示すように、光学的界面位置におけるフレネル係数と、光学的界面位置でのＺ依存性関数との積より、Ｚ依存フレネル係数を導入する。図１３に示すように、透明な膜４２の上面ｐ_０、１、すなわち、層ＬＹ１の光学的界面位置ｐ_０、１におけるＺ依存フレネル係数ｒ_０、１（Ｚ）は、以下の（２８）式のようになる。層ＬＹ１と層ＬＹ２との光学的界面位置ｐ_１、２におけるＺ依存フレネル係数ｒ_１、２（Ｚ）、層ＬＹ２と層ＬＹ３との光学的界面位置ｐ_２、３におけるＺ依存フレネル係数ｒ_２、３（Ｚ）、層４２ｊと層４２ｊ＋１との光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}におけるＺ依存フレネル係数ｒ_{ｊ、ｊ＋１}（Ｚ）、層ＬＹＬと基板４１との光学的界面位置ｐ_Ｌ、ＳにおけるＺ依存フレネル係数ｒ_Ｌ、Ｓ（Ｚ）は、以下の（２９）～（２７）式となる。

【0077】

【数28】

【数29】

【数30】

【数31】

【数32】

【0078】

このように、各光学的界面位置の複素フレネル係数ｒを計算し、フレネル係数の絶対値｜ｒ｜と、位相項ｅ（ｉΦ）に一旦分離する。そして、絶対値項にＺ依存性関数Ｆ（Ｚ）を導入する。位相項はそのままとする。このようにして、従来のフレネル係数ｒに対して、新たなＺ依存フレネル係数ｒ（Ｚ）を定義する。

【0079】

（シフト量の決定：ステップＳ１５）
次に、図４のステップＳ１５に示すように、シフト量を決定する。処理部３０は、各光学的界面位置のＺ依存フレネル係数を全て合成した、全体構造の合成Ｚ依存フレネル係数ｒ‘_０、１（Ｚ）の絶対値の二乗より算出された反射率が、光軸方向においてピークを示す位置からシフト量を決定する。

【0080】

図１４は、実施形態に係る段差測定方法のシフト量の決定を例示したフローチャート図である。シフト量を決定するために、まず、図１４のステップＳ４１に示すように、合成フレネル係数を算出する。図１５は、実施形態に係る段差測定方法のＺ依存フレネル係数の合成を例示した図である。図１５に示すように、透明な膜４２の上面ｐ_０、１、すなわち、層ＬＹ１の光学的界面位置ｐ_０、１におけるＺ依存フレネル係数ｒ‘_０、１（Ｚ）は、以下の（３３）式に示すように、下層の光学的界面位置ｐ_１、２のＺ依存フレネル係数ｒ‘_１、２を用いて合成したものとなっている。層ＬＹ１と層ＬＹ２との光学的界面位置ｐ_１、２におけるＺ依存フレネル係数ｒ‘_１、２（Ｚ）は、以下の（３４）式に示すように、下層の光学的界面位置ｐ‘_２、３を用いて合成したものとなる。以下、層ＬＹｊと層ＬＹｊ＋１との光学的界面位置ｐ_{ｊ、ｊ＋１}におけるフレネル係数ｒ‘_{ｊ、ｊ＋１}（Ｚ）は、以下の（３５）式に示すように、下層のｒ‘_{ｊ＋１、ｊ＋２}を用いて合成したものとなる。層ＬＹＬと基板４１との光学的界面位置ｐ_Ｌ、ＳにおけるＺ依存フレネル係数ｒ‘_Ｌ、Ｓ（Ｚ）は、以下の（３６）式に示すように、ｒ_Ｌ、Ｓ（Ｚ）である。このように、最下層の基板４１から最表面まで順番にＺ依存フレネル係数を合成する。これにより、透明な膜４２全体の構造のＺ依存フレネル係数を算出することができる。

【0081】

【数33】

【数34】

【数35】

【数36】

【0082】

ここで、Δ_ｊは、以下の（３７）式である。

【0083】

【数37】

【0084】

δ_ｊ及びγ_ｊは、以下の（３８）式及び（３９）式である。

【0085】

【数38】

【数39】

【0086】

＜α_ｊ ^ｎ＞及び＜α_ｊ ^ｋ＞は、以下の（４０）式及び（４１）式であり、位相差及び吸収係数において、入射角に依存する項を角度平均したものであるが、詳細は後述する。

【0087】

【数40】

【数41】

【0088】

次に、図１４のステップＳ４２に示すように、合成フレネル係数の絶対値の二乗を算出し、絶対反射率を算出する。図１６は、実施形態に係る段差測定方法の合成された合成フレネル係数の絶対値の二乗より算出された絶対反射率を例示した図である。図１６に示すように、全層の合成フレネル係数の絶対値の自乗で絶対反射率を計算する。構造全体の反射率のＺ依存性を計算することにより、ＩＺ曲線を得ることができる。すなわち、各界面の電場振幅（フレネル係数）を合成し、合成した合成フレネル係数の絶対値の自乗から反射率を計算する。輝度Ｉが最大値Ｉｍａｘとなる位置ｐｍａｘと、光学的界面位置ｐ_０，１との差からシフト量Ｚｄを得ることができる。このようにして、図１４のステップＳ４３に示すように、シフト量Ｚｄを決定する。

【0089】

（補正段差の算出：ステップＳ１６）
次に、図４のステップＳ１６に示すように、補正段差ｈ_０を算出する。例えば、処理部３０は、疑似段差ｈａ及びシフト量Ｚｄより実際の段差を導出する。具体的には、（４２）式に示すように、処理部３０は、疑似段差ｈａにシフト量Ｚｄを加算する。

【0090】

【数42】

【0091】

このようにして、試料４０の表面における段差ｈ_０を測定することができる。

【0092】

次に、本実施形態を具体的に適用した実施例１～５を説明する。実施例１～３は、透明な膜４２における各層ＬＹの材料（屈折率）及び厚さが与えられた場合のシフト量Ｚｄの計算例を示す。実施例４及び５では、既知の段差を与えた場合の補正段差ｈ_０との比較を示す。

【0093】

（実施例１）
まず、本実施形態の実施例１を説明する。図１７は、実施形態に係る実施例１の試料４０ａを例示した断面図である。図１８は、実施形態に係る実施例１のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【0094】

図１７に示すように、実施例１の試料４０において、ガラス基板４１上に形成された透明な膜４２は、上方から、窒化シリコン膜を含む層ＬＹ１、酸化シリコン膜を含む層ＬＹ２、窒化シリコン膜を含む層ＬＹ３、及び、酸化シリコン膜を含む層ＬＹ４を有している。層ＬＹ１、層ＬＹ２、層ＬＹ３及び層ＬＹ４の厚さは、それぞれ、３００［ｎｍ］、３００［ｎｍ］、１００［ｎｍ］及び１００［ｎｍ］である。透明な膜４２上には、不透明な膜４３として、アルミニウムを含む金属層が形成されている。

【0095】

実施例１の条件として、光学定数は、５４６［ｎｍ］の値を使用する。空気、酸化シリコン、窒化シリコン、及び、ガラスの屈折率は、それぞれ、１、１．４６００９７９、２．０３１７３２３９、及び、１．５１８７２７２である。消衰係数ｋは、いずれの材料も０である。ＩＺ曲線としてローレンツ関数で近似し、パラメータＡ、Ｂ及びＣは、それぞれ、１、ｐ_{ｉ、ｊ＋１}及び０．５５である。測定パラメータとして、対物レンズのＮＡは０．９であり、照明光の波長は、５４６［ｎｍ］である。

【0096】

図１８に示すように、合成したＺ依存フレネル係数の絶対値の二乗より算出された反射率が、光軸方向においてピークを示す位置は、透明な膜４２の上面の位置からシフトしている。シフト量Ｚｄは、－０．１７［μｍ］である。

【0097】

（実施例２）
次に、実施例２を説明する。図１９は、実施形態に係る実施例２の試料４０ｂを例示した断面図である。図２０は、実施形態に係る実施例２のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【0098】

図１９に示すように、実施例２の試料４０において、ガラス基板４１上に形成された透明な膜４２は、上方から、酸化シリコン膜を含む層ＬＹ１、窒化シリコン膜を含む層ＬＹ２、酸化シリコン膜を含む層ＬＹ３、及び、窒化シリコン膜を含む層ＬＹ４を有している。層ＬＹ１、層ＬＹ２、層ＬＹ３及び層ＬＹ４の厚さは、それぞれ、３００［ｎｍ］、３００［ｎｍ］、１００［ｎｍ］及び１００［ｎｍ］である。透明な膜４２上には、不透明な膜４３として、アルミニウムを含む金属層が形成されている。実施例２の条件は実施例１と同じである。図２０に示すように、シフト量Ｚｄは、－０．４８［μｍ］である。

【0099】

（実施例３）
次に、実施例３を説明する。図２１は、実施形態に係る実施例３の試料４０ｃを例示した断面図である。図２２は、実施形態に係る実施例３のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【0100】

図２１に示すように、実施例３の試料４０において、ガラス基板４１上に形成された透明な膜４２は、上方から、窒化シリコン膜を含む層ＬＹ１、酸化シリコン膜を含む層ＬＹ２、及び、窒化シリコン膜を含む層ＬＹ３を有している。層ＬＹ１、層ＬＹ２、及び、層ＬＹ３の厚さは、それぞれ、３００［ｎｍ］、４００［ｎｍ］、及び、１００［ｎｍ］である。透明な膜４２上には、不透明な膜４３として、アルミニウムを含む金属層が形成されている。実施例３の条件は実施例１と同じである。図２２に示すように、シフト量Ｚｄは、＋０．０２［μｍ］である。

【0101】

（実施例４）
次に、実施例４を説明する。図２３は、実施形態に係る実施例４の試料４０ｄを例示した断面図である。図２４は、実施形態に係る実施例４のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【0102】

図２３に示すように、実施例４の試料４０において、シリコン基板４１上に形成された透明な膜４２は、酸化シリコン膜を含む層ＬＹ１を有している。層ＬＹ１の厚さ、すなわち実際の段差を別の方法で測定した結果は、３９５［ｎｍ］である。本実施形態の共焦点光学系２０で実際に測定した疑似段差ｈａは、０．２２６［μｍ］である。シフト量の計算結果は、－０．１８［μｍ］である。したがって、疑似段差ｈａ及びシフト量Ｚｄより導出された段差は、０．４０６［μｍ］である。この値と、実際の段差の３９５［μｍ］との差は、＋０．０１１［μｍ］であるので良好な一致である。この実施例では、段差の上段がＺｄだけシフトし、下段はシフトしないので、ｈ０＝ｈａ－Ｚｄとする。従って、ｈ０＝０．２２６－（－０．１８）＝０．４０６となる。

【0103】

（実施例５）
次に、実施例５を説明する。図２５は、実施形態に係る実施例５のＩＺ曲線を例示したグラフであり、横軸は、Ｚ方向の位置を示し、縦軸（左）は、輝度を示し、縦軸（右）は、各界面のフレネル係数の絶対値を示す。

【0104】

実施例５の試料の構成は、実施例４の試料と同様に、シリコン基板４１上に酸化シリコン膜を含む層ＬＹ１を有している。層ＬＹ１の厚さ、すなわち、実際の段差を別の方法で測定した結果は、実施例４と異なり、９９３［ｎｍ］である。本実施形態の共焦点光学系２０で実際に測定した疑似段差ｈａは、０．４５７［μｍ］である。シフト量Ｚｄの計算結果は、－０．５３［μｍ］である。したがって、疑似段差ｈａ及びシフト量Ｚｄより導出された段差は、０．９８７［μｍ］である。この値と、実際の段差の９９３［μｍ］との差は、＋０．００６［μｍ］であるので良好な一致である。上記と同様に、段差の上段がＺｄだけシフトし、下段はシフトしないので、ｈ０＝ｈａ－Ｚｄとしている。従って、ｈ０＝０．４５７－（－０．５３）＝０．９８７となる。

【0105】

（＜β_ｊ＞の計算）
次に、前述した＜β_ｊ＞の計算、＜α_ｊ ^ｎ＞の計算、及び、＜α_ｊ ^ｋ＞の計算を説明する。まず、β_ｊに関する（１７）式を導く。図２６は、実施形態に係る平均入射角度因子を導くための説明図である。図２６に示すように、入射角をθ_ｊ－１、屈折角をθ_ｊとする。物理的膜厚ｔ_ｊを有する層の屈折率をｎ_ｊとし、その層の上方及び下方の層の屈折率をｎ_ｊ－１、ｎ_ｊ＋１とする。対物レンズの開口数をＮＡとする。そうすると、下記の（４３）式及び（４４）式が成り立つ。

【0106】

【数43】

【数44】

【0107】

したがって、以下のように、（１７）式が導かれる。界面への入射角は、０～θ_ｊ－１ ^ｍまで含まれるので、β_ｊを、以下の（４０）式に示すように角度平均＜β_ｊ＞にすることができる。

【0108】

【数45】

【0109】

（＜α_ｊ ^ｎ＞の計算）
次に、＜α_ｊ ^ｎ＞の計算を説明する。図２７は、実施形態に係る平均位相差を導くための説明図である。図２７に示すように、層の上面反射の光学距離及び層の下面反射の光学距離は、以下の（４６）式及び（４７）式になる。

【0110】

【数46】

【数47】

【0111】

そうすると、入射角による膜の上面と下面の光路差による位相差は、下記の（４８）式及び（４９）式となる。

【0112】

【数48】

【数49】

【0113】

入射角依存する項を角度平均し、以下の（５０）式に示すように、平均位相差とすることができる。

【0114】

【数50】

【0115】

（＜α_ｊ ^ｋ＞の計算）
次に、＜α_ｊ ^ｋ＞の計算を説明する。図２７に示すように、以下の（５１）式が成り立つ。

【0116】

【数51】

入射角による層内を通過する行路長による吸収は、以下の（５２）式になる。

【数52】

【0117】

入射角依存する項を角度平均し、（５３）式に示すように、平均吸収とすることができる。

【0118】

【数53】

【0119】

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態では、共焦点光学系２０によって測定された透明な膜４２を含む試料４０の表面の疑似段差ｈａを、Ｚ依存フレネル係数を用いて算出したシフト量Ｚｄによって補正することができる。これにより、透明な膜４２を含む試料４０の表面の段差を、精度良く測定することができる。

【0120】

多層膜構造の各界面からの振幅反射にＺ依存性を導入している。これにより、多層膜内部の多重反射と干渉効果を考慮し、最大輝度のＺ方向における位置を予測することができる。よって、疑似段差ｈａと実際の段差ｈ_０との間のシフト量Ｚｄを精度良く算出することができ、段差ｈ_０を精度良く測定することができる。

【0121】

Ｚ依存フレネル係数は、輝度とＺ方向における位置との関係を示すＺ依存性関数を含んでいる。よって、Ｚ方向の位置に依存させることができ、シフト量Ｚｄを算出することができる。

【0122】

透明な膜４２の膜厚測定に、６波長の照明光を用いた全焦点画像より求める方法を用いている。これにより、精度よく膜厚を測定することができる。なお、本実施形態で用いた膜厚測定方法では、焦点深度に対して、充分に薄い膜が好ましい。そして、疑似段差を高ＮＡの対物レンズで測定し、低ＮＡの対物レンズで膜厚測定することが好ましい。

【0123】

ＩＺ曲線として、ローレンツ関数を用いている。Ｚ依存性関数として、ローレンツ関数の平方根を用いている。よって、測定されたＩＺ曲線を良好にフィッティングすることができる。

【0124】

（変形例）
次に、本実施形態の変形例として、膜厚測定方法を説明する。図２８は、実施形態の変形例に係る段差測定方法及び膜厚測定方法と、対物レンズのＮＡとの関係を例示した図である。図２９は、実施形態の変形例に係る膜厚測定を例示した説明図である。

【0125】

図２８に示すように、実施形態の段差測定方法は、共焦点光学系の原理に基づいており、比較的高ＮＡの対物レンズを用いている。これにより、透明な膜が多層積層された多層膜を含む試料４０の表面の疑似段差を測定する。そして、Ｚ依存フレネル係数から算出されるシフト量を用いて段差を測定することができる。

【0126】

一方、膜厚測定は、反射分光の原理に基づいており、高ＮＡの対物レンズを用いてもよいし、低ＮＡの対物レンズを用いてもよい。膜厚測定は、反射率を計算し、フレネル係数、または、高ＮＡの対物レンズの場合には、フレネル係数を改良して、膜厚を測定することができる。

【0127】

図２９に示すように、膜厚を解析する第１の方法は、既知情報として、実段差、測定値として、疑似段差、参照値として、シフト量を用いる。そして、膜厚をパラメータとしてシフト量を計算し、シフト量が一致するように膜厚を決定する。このように、第１の方法は、実施形態の段差測定とは逆の手法を用い、実段差と疑似段差より膜厚を測定することができる。

【0128】

膜厚を解析する第２の方法は、測定値として、ＸＺ断面測定により求めたＩＺ曲線、参照値として、ＩＺ曲線を用いる。そして、測定したＩＺ曲線が、あらかじめ求められたＩＺ曲線と一致するように膜厚を決定する。

【0129】

共焦点顕微鏡の測定モードにＸＺ断面測定がある。この測定では、画面のＸ方向の輝度データをＺスキャンし、横軸をＸ方向にし、縦軸をＺ方向にした場合の輝度をグレースケールで画面に表現する。任意の点Ｘについて、Ｚ座標と輝度Ｉをプロットしたものは、実測ＩＺ曲線である。測定した実測ＩＺ曲線に対して、シミュレーションした計算ＩＺ曲線をフィッティングさせることで、膜厚を算出することができる。

【0130】

測定した実測ＩＺ曲線において、Ｚ方向の位置は、相対値であるので、フィッティング時には、Ｚ方向のスライド量もパラメータにしてもよい。また、ＩＺ曲線の形が相似形で合致するように、輝度Ｉに係数をかけてもよい。測定した実測ＩＺ曲線と、シミュレーションした計算ＩＺ曲線とが相似形になれば、測定した膜の構造及び膜厚は、シミュレーションで用いた膜の構造及び膜厚となっている。

【0131】

このように、第２の方法は、膜厚を測定する際に、反射光の輝度と光軸方向の位置との関係を示すＩＺ曲線を測定し、透明な膜について想定される複数の膜厚の場合のＺ依存フレネル係数を用いてシミュレーションされた反射率の計算ＩＺ曲線を準備し、測定されたＩＺ曲線に、膜厚をパラメータとして、計算ＩＺ曲線をフィッティングし、透明な膜の膜厚を算出することができる。

【0132】

膜厚を解析する第３の方法は、測定値として、６波長の照明光による反射光の反射率を用い、参照値として、反射率を用いる。そして、膜厚をパラメータとして、Ｚ依存フレネル係数から計算したＩＺ曲線のピークＺに対応する最大輝度を反射率として計算することにより、カーブフィット法で膜厚を測定することができる。

【0133】

膜厚を解析する第４の方法は、測定値として、疑似段差及び６波長の照明光による反射光の反射率を用い、参照値として、反射率を用いる。そして、疑似段差と膜厚を同じ対物レンズでまとめて測定する。

【0134】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。

【符号の説明】

【0135】

１ 段差測定装置
１０ 光源部
１１ 光源
１２ 干渉フィルター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レンズ
１４ スリット
１５ ビームスプリッタ
１６ 振動ミラー
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 光検出器
２０ 共焦点光学系
３０ 処理部
４０ 試料
４１ 基板
４２ 透明な膜
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ 層
４３ 不透明な膜
１４０、１４０ａ 試料
１４１ 基板
１４２ 絶縁膜
１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、１４２ｄ、１４２ｅ、１４２ｆ 層
１４３ 金属膜
ｈ０ 段差
ｈａ 疑似段差
Ｉ 輝度
Ｚｄ シフト量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】