特許 7495429 光学ユニット及び膜厚計測装置

(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】2024-05-27

(45)【発行日】2024-06-04

(54)【発明の名称】光学ユニット及び膜厚計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20240528BHJP

【ＦＩ】

G01B11/06 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021561167

(86)(22)【出願日】2020-08-31

(86)【国際出願番号】 JP2020032919

(87)【国際公開番号】W WO2021106299

(87)【国際公開日】2021-06-03

【審査請求日】2023-03-13

(31)【優先権主張番号】P 2019213046

(32)【優先日】2019-11-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】荒田 育男

(72)【発明者】

【氏名】瀧本 覚司

(72)【発明者】

【氏名】大塚 賢一

【審査官】眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２８４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９８７７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

紫外域から可視域にわたる波長の光が入力される入力部と、
色収差を生じさせた状態で前記光を集光する光学系と、
前記色収差が生じた前記光のうち、可視域の波長の光が結像せず、紫外域の波長の光が結像する開口部と、を備え、
前記光学系は、前記入力部から入力される光に前記色収差を発生させる透過型の光学素子と、前記色収差の発生に寄与せずに前記可視域の波長の光及び前記紫外域の波長の光を集光する反射型の集光素子とを含んで構成されている、光学ユニット。

【請求項2】

前記光学系は、前記光の光軸上に配置された拡散板を更に備える請求項１記載の光学ユニット。

【請求項3】

前記拡散板は、前記光学系と前記開口部との間の前記光の光軸上に配置されている請求項２記載の光学ユニット。

【請求項4】

前記光学系は、レンズ及び放物面鏡を含んで構成されている請求項１～３のいずれか一項記載の光学ユニット。

【請求項5】

前記光学系は、平行平面板又はウェッジプリズム、及び放物面鏡を含んで構成されている請求項１～３のいずれか一項記載の光学ユニット。

【請求項6】

前記開口部は、光ファイバへの入力端である請求項１～５のいずれか一項記載の光学ユニット。

【請求項7】

前記開口部は、ピンホールである請求項１～５のいずれか一項記載の光学ユニット。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか一項記載の光学ユニットと、
紫外域から可視域にわたる波長の光を前記光学ユニットに入力する光源と、
前記開口部を介して前記光学ユニットから出力した光を計測光として被計測物に導光する導光部と、
前記被計測物からの被検出光を分光検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に基づいて前記被計測物の膜厚を解析する解析部と、を備える膜厚計測装置。

【請求項9】

前記光源から前記光学ユニットに入力される前記光は、２００ｎｍ～３００ｎｍの波長範囲を含んでいる請求項８記載の膜厚計測装置。

【請求項10】

前記光源から前記光学ユニットに入力される前記光は、３００ｎｍ～８００ｎｍの波長範囲を含んでいる請求項８又は９記載の膜厚計測装置。

【請求項11】

前記光源から前記光学ユニットに入力される前記光は、３００ｎｍ～１１００ｎｍの波長範囲を含んでいる請求項８又は９記載の膜厚計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学ユニット及び膜厚計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、従来の２次元メモリに比べて高密度のストレージを実現できるデバイスが注目を集めている。高密度ストレージデバイスは、データストレージセルのレイヤーを垂直に積層することによって構成されている。各データストレージセルは、例えばシリコン基板上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを繰り返し積層した多層膜構造となっており、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の１つのペアが１つのデータストレージセルを形成している。当該デバイスのメモリ容量は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のペア数に比例するため、デバイスの多層化及び薄膜化が進んできている。膜厚の不均一性は、デバイスの電気的特性に影響する。成膜レートの不均一性は、クリーニングの増加による生産性の低下を招く。したがって、デバイスを製造する際の膜厚の品質管理や成膜のプロセスコントロールの重要性が増してきている。

【0003】

インライン膜厚モニタへの適用を考えた場合、分光を利用した膜厚計測手法（分光法）が挙げられる。分光法を用いた場合、成膜装置への測定ヘッドの組み込みも簡便で、実施形態上の制約も少ないため、断面観察技術に比べてインライン膜厚モニタへの適用が容易となる。例えば特許文献１に記載の膜厚計測装置では、第１の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて膜厚の最適解の候補を求め、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から膜厚の最適解を決定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－１２０６０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

多層膜の膜厚に対する反射率スペクトルの変化量は、可視域に比べて紫外域のほうが大きくなる傾向を有している。このため、デバイスの多層化及び薄膜化が進んでいる現状では、測定精度の向上の観点から、紫外域の光を用いた分光を行うことが有効であると考えられる。しかしながら、紫外域の光を扱う場合、迷光、分散、散乱、輝度、耐久性、コストといった様々な技術的課題が存在する。特に、紫外域の光に対して可視域の光の強度が大幅に上回る場合、検出系において可視域の光の感度が飽和しない範囲に露光時間が制限され、必要とする紫外域の光の感度が得られ難くなるおそれがある。そのため、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる技術が望まれていた。

【0006】

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる光学ユニット及びこれを用いた膜厚計測装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一側面に係る光学ユニットは、紫外域から可視域にわたる波長の光が入力される入力部と、色収差を生じさせた状態で光を集光する光学系と、色収差が生じた光のうち、可視域の波長の光が結像せず、紫外域の波長の光が結像する開口部と、を備える。

【0008】

この光学ユニットでは、入力された光に色収差を生じさせ、開口部において可視域の波長の光が結像せず、紫外域の波長の光が結像するようになっている。この光学ユニットでは、開口部から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。

【0009】

光学系は、光の光軸上に配置された拡散板を更に備えていてもよい。色収差を利用して紫外域の波長の光を開口部に結像させる場合、開口部に結像しない可視域の光では、開口数の比較的小さい成分のみが開口部に入射される。このため、開口部から出力される光の波長毎の出射角度分布が大きくばらつくことが考えられる。これに対し、光の光軸上に拡散板を配置することで、開口部から出力される光の波長毎の出射角度分布を均一化できる。

【0010】

拡散板は、光学系と開口部との間の光の光軸上に配置されていてもよい。この場合、光学系によって集光される光に対して小型の拡散板を配置できる。したがって、光学ユニットの小型化が図られる。また、拡散板を開口部の直近に配置することで、光量のロスを最小限に抑えることができる。

【0011】

光学系は、レンズ及び放物面鏡を含んで構成されていてもよい。レンズ及び放物面鏡を組み合わせることにより、紫外域及び可視域の波長の光に対して必要以上の色収差が生じることを抑制できる。

【0012】

光学系は、平行平面板又はウェッジプリズムを含んで構成されていてもよい。平行平面板又はウェッジプリズム、及び放物面鏡を組み合わせることにより、紫外域及び可視域の波長の光に対して必要以上の色収差が生じることを抑制できる。平行平面板を用いる場合、比較的小さな色収差を生じさせることが可能となる。ウェッジプリズムは、光の開口数が比較的小さい場合に有意である。

【0013】

開口部は、光ファイバへの入力端であってもよい。この場合、紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させた光を光ファイバに導入できる。

【0014】

開口部は、ピンホールであってもよい。この場合、紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させた光を、ピンホールを介して取り出すことができる。

【0015】

本開示の一側面に係る膜厚計測装置は、上記光学ユニットと、紫外域から可視域にわたる波長の光を光学ユニットに入力する光源と、開口部を介して光源ユニットから出力した光を計測光として被計測物に導光する導光部と、被計測物からの被検出光を分光検出する検出部と、検出部による検出結果に基づいて被計測物の膜厚を解析する解析部と、を備える。

【0016】

この膜厚計測装置では、紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させた光が計測光として光学ユニットから出力される。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。

【0017】

光源から光学ユニットに入力される光は、２００ｎｍ～３００ｎｍの波長範囲を含んでいてもよい。多層膜の膜厚に対する反射率スペクトルの変化量は、可視域に比べて紫外域のほうが大きくなる傾向を有している。したがって、光源から光学ユニットに入力される光が上記波長範囲を含むことにより、測定精度の向上が図られる。

【0018】

光源から光学ユニットに入力される光は、３００ｎｍ～８００ｎｍの波長範囲を含んでいてもよい。光源から光学ユニットに入力される光が上記波長範囲を含むことにより、被検出光の強度スペクトルのバランスが維持され、測定精度の向上が図られる。

【0019】

光源から光学ユニットに入力される光は、３００ｎｍ～１１００ｎｍの波長範囲を含んでいてもよい。光源から光学ユニットに入力される光が上記波長範囲を含むことにより、被検出光の強度スペクトルのバランスが維持され、測定精度の向上が図られる。

【発明の効果】

【0020】

本開示によれば、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】膜厚計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。

【図2】光学ユニットの一実施形態を示す概略構成図である。

【図3】計測光の集光の様子を示す概略図である。

【図4】光学ユニットによって調整された計測光のスペクトル波形を示す図である。

【図5】拡散板が無い場合の計測光の集光の様子を示す概略図である。

【図6】光学ユニットの変形例の要部を示す概略図である。

【図7】光学ユニットの別の変形例の要部を示す概略図である。

【図8】光学ユニットの更なる変形例を示す概略図である。

【図9】光学ユニットの更なる変形例を示す概略図である。

【図10】光学ユニットの更なる変形例を示す概略図である。

【図11】光学ユニットの更なる変形例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る膜厚計測装置及び膜厚計測方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

【0023】

図１は、膜厚計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。この膜厚計測装置１は、被計測物Ｓを構成する膜の膜厚を計測する装置である。本実施形態では、膜厚計測装置１は、成膜装置２におけるインライン膜厚モニタとして構成されている。被計測物Ｓは、例えば基板上に第１の膜及び第２の膜が交互に複数積層された多層膜構造を有するデバイスである。被計測物Ｓは、成膜装置２のチャンバ３内に設けられたステージ４上に配置されている。

【0024】

図１に示すように、膜厚計測装置１には、制御装置５が接続されている。制御装置５は、膜厚計測装置１の動作を制御する装置であり、例えばコンピュータによって構成されている。コンピュータは、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかるコンピュータとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。

【0025】

制御装置５には、モニタ等の表示装置６及びキーボード、マウス等の入力装置７が接続されている。表示装置６には、例えば膜厚計測装置１によって計測された膜厚、設定された計測条件等が表示される。また、入力装置７は、ユーザの操作に基づいて、計測の開始の入力、計測条件の入力といった各種入力を制御装置５に対して実行する。制御装置５、表示装置６、及び入力装置７は、膜厚計測装置１の構成として組み込まれていてもよい。

【0026】

膜厚計測装置１は、図１に示すように、計測ヘッド１１を有している。計測ヘッド１１は、光源１２と、光学ユニット１３と、検出部１４と、解析部１５とを含んで構成されている。また、計測ヘッド１１には、光入出力部１６が接続されている。光源１２は、被計測物Ｓに対して計測光Ｌ１を出力する。光源１２は、例えば紫外域の波長（２００ｎｍ～３００ｎｍ）及び可視域の波長（３００ｎｍ～８００ｎｍ）を含む白色光を出力する光源装置によって構成されている。かかる光源装置としては、例えばレーザ励起プラズマ光源が挙げられる。光源装置は、例えばキセノンランプ、重水素ランプとハロゲンランプとを組み合わせたランプなどであってもよい。

【0027】

光学ユニット１３は、計測ヘッド１１から出力される計測光Ｌ１のスペクトル強度を調整するユニットである。この光学ユニット１３は、計測光Ｌ１の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させる機能を有している。光学ユニット１３の詳細は、後述する。

【0028】

検出部１４は、被計測物Ｓからの被検出光Ｌ２を検出する部分である。検出部１４は、例えばマルチチャンネル型の分光検出器によって構成されている。検出部１４は、例えばグレーティングやプリズムなどの分光素子によって被検出光Ｌ２を各波長成分に分光し、分光した各波長の光の強度を光センサ群により検出する。光センサ群は、例えば複数の受光部が１次元配列されることによって構成されている。光センサ群は、各波長に対応する受光部によって被検出光Ｌ２における各波長成分の光の強度を検出し、検出結果を解析部１５に出力する。

【0029】

光入出力部１６は、成膜装置２のチャンバ３内に配置された被計測物Ｓに対し、計測光Ｌ１の照射及び被検出光Ｌ２の受光を行う部分である。光入出力部１６は、例えば光ファイバ１７によって光学ユニット１３に光学的に接続されていると共に、光ファイバ１８によって検出部１４に光学的に接続されている、光入出力部１６は、成膜装置２のチャンバ３に設けられたビューポート１９の近傍に配置されている。

【0030】

光入出力部１６からの計測光Ｌ１は、光ファイバ１７によって導光され、ビューポート１９を通じて被計測物Ｓに入射する。被計測物Ｓからの被検出光Ｌ２は、ビューポート１９を通じて光入出力部に入射する。光入出力部１６に入射した被検出光Ｌ２は、光ファイバ１８によって導光され、検出部１４に入射する。図１の例では、被計測物Ｓで反射した計測光Ｌ１の反射光を被検出光Ｌ２として用いているが、被検出光Ｌ２は、被計測物Ｓを透過した計測光Ｌ１の透過光であってもよい。

【0031】

解析部１５は、被計測物Ｓを構成する膜の膜厚を解析する部分である。解析部１５は、例えば制御装置５と同様にコンピュータによって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）といった集積回路によって構成されていてもよい。解析部１５は、検出部１４から被検出光Ｌ２の各波長成分の光の強度の検出結果を受け取ると、当該検出結果に基づいて被計測物Ｓの第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚をそれぞれ解析する。

【0032】

続いて上述した光学ユニット１３について詳細に説明する。

【0033】

図２は、光学ユニットの一実施形態を示す概略構成図である。上述したように、光学ユニット１３は、光源１２から出力された計測光Ｌ１のスペクトル強度を調整するユニットである。図２に示すように、光学ユニット１３は、入力部２１と、光学系２２と、モニタ用出力部２３と、計測用出力部２４とを筐体２５内に備えて構成されている。入力部２１と、光学系２２と、モニタ用出力部２３と、計測用出力部２４とは、互いに光学的に結合されている。入力部２１は、紫外域から可視域にわたる波長の光が入力される部分である。入力部２１は、例えば筐体２５の壁部に設けられた孔部２５ａである。孔部２５ａには、光源１２における計測光Ｌ１の出射口が当接又は近接している。光源１２から出力される計測光Ｌ１は、孔部２５ａを通して筐体２５内に入力される。

【0034】

光学系２２は、色収差を生じさせた状態で計測光Ｌ１を集光する部分である。図２の例では、光学系２２は、レンズ２６と、一対の放物面鏡２７，２７と、ビームスプリッタ２８と、拡散板２９とによって構成されている。レンズ２６は、孔部２５ａを塞ぐように配置されている。レンズ２６を通った計測光Ｌ１には、レンズ材料の分散に起因して色収差が生じる。放物面鏡２７は、例えば軸外し放物面鏡である。

【0035】

レンズ２６を通過した計測光Ｌ１は、一方の放物面鏡２７で反射し、平行光となる。平行光となった計測光Ｌ１は、他方の放物面鏡２７で反射し、計測用出力部２４に向けて集光される。ビームスプリッタ２８は、他方の放物面鏡２７から計測用出力部２４に向かう計測光Ｌ１の光軸上に配置され、計測光Ｌ１の一部をモニタ用出力部２３に向けて反射する。ビームスプリッタ２８の反射率は、コーティング無しのガラスの表面反射によって例えば８％となっている。ビームスプリッタ２８の反射率は、クロムなどのコーティングにより更に高められていてもよい。モニタ用出力部２３から出力する計測光Ｌ１の一部は、例えば光源１２のドリフト補正に利用される。ビームスプリッタ２８を透過した計測光Ｌ１の残部は、拡散板２９を通過した後、計測用出力部２４に入射する。計測用出力部２４から出力する計測光Ｌ１は、光ファイバ１７（図１参照）に入射し、光入出力部１６に導光される。モニタ用出力部２３及び計測用出力部２４には、必要に応じて計測光Ｌ１を遮るシャッタが設けられていてもよい。

【0036】

計測用出力部２４は、計測光Ｌ１が結像する開口部３１を有している。本実施形態では、計測用出力部２４は、光ファイバ１７が接続されるコネクタであり、図３に示すように、光ファイバ１７への入力端１７ａによって開口部３１が構成されている。上述したように、計測光Ｌ１には、レンズ２６によって色収差が生じている。この色収差により、計測光Ｌ１に含まれる波長成分のうち、長波長成分の焦点位置が光軸方向の前方側にシフトし、短波長成分の焦点位置が光軸方向の後方側にシフトする。開口部３１は、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する位置に配置されている。

【0037】

これにより、計測用出力部２４から出力する計測光Ｌ１では、紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大する。図４は、光学ユニットによって調整された計測光のスペクトル波形を示す図である。同図では、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸を相対強度（ピーク値を１として規格化）としている。図４に示すように、光源１２から出力される計測光Ｌ１のスペクトル波形は、波長５５０ｎｍ近辺を第１ピークとし、波長３８０ｎｍ近辺を第２ピークとする山なりの波形となっている（グラフＡ）。これに対し、光学ユニット１３から出力する計測光Ｌ１のスペクトル波形は、紫外域のスペクトル強度に対する可視域のスペクトル強度のバランスが調整された結果、波長２８０ｎｍ～波長５００ｎｍの範囲でフラットなピークを有する波形となっている（グラフＢ）。

【0038】

拡散板２９は、図２及び図３に示すように、計測光Ｌ１の光軸上において光学系２２と開口部３１との間に配置されている。本実施形態では、拡散板２９は、開口部３１（入力端１７ａ）の直前に配置されている。色収差を利用して紫外域の波長の光を開口部３１に結像させる場合、開口部３１に結像しない可視域の光では、開口数の比較的小さい成分のみが開口部３１に入射される。このため、図５に示すように、開口部３１から出力される光（ここでは、光ファイバ１７の出力端１７ｂから出力される光）の波長毎の出射角度分布が大きくばらつくことが考えられる。

【0039】

本実施形態のように、光学ユニット１３からの計測光Ｌ１を光ファイバ１７によって光入出力部１６に導光する態様では、光ファイバ１７に振動が加わることが想定される。この場合、最終的に検出部１４で検出される被検出光Ｌ２のスペクトル強度のバランスが変化し、膜厚計測の誤差が増大してしまうことが考えられる。これに対し、計測光Ｌ１の光軸上に拡散板を配置する場合、図３に示すように、開口部３１（出力端１７ｂ）から出力される光の波長毎の出射角度分布を均一化できる。これにより、光ファイバ１７に振動が加わった場合でも、最終的に検出部１４で検出される被検出光Ｌ２のスペクトル強度のバランスに変化が生じることが抑制され、膜厚計測の誤差の増大を回避することが可能となる。

【0040】

以上説明したように、光学ユニット１３及びこれを用いた膜厚計測装置１では、入力された計測光Ｌ１に色収差を生じさせ、開口部３１において可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像するようになっている。この光学ユニット１３では、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。

【0041】

なお、光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させる手法としては、フィルタに計測光Ｌ１を通す手法も考えられる。しかしながら、例えば誘電体多層膜フィルタを用いる場合、可視域の波長の光の透過率を積極的に下げた膜設計を行うにあたり、波長２００ｎｍ近傍の光に対する吸収性を有するコーティング物質を用いざるを得ず、可視域のスペクトル強度のみを減少させることが難しい。また、吸収フィルタを用いる場合、波長２００ｎｍ近傍の光の透過率を下げずに可視域の光の透過率のみを下げる性質のフィルタは、現状では存在していない。したがって、光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させるにあたっては、光学ユニット１３のように色収差を用いた手法が有意となる。

【0042】

また、光学ユニット１３及び膜厚計測装置１では、光学系２２が計測光Ｌ１の光軸上に配置された拡散板２９を備えている。この拡散板２９の配置により、開口部３１から出力される計測光Ｌ１の波長毎の出射角度分布を均一化できる。したがって、最終的に検出部１４で検出される被検出光Ｌ２のスペクトル強度のバランスに変化が生じることが抑制され、膜厚計測の誤差の増大を回避することが可能となる。本実施形態では、拡散板２９が光学系２２と開口部３１との間の計測光Ｌ１の光軸上に配置されている。これにより、光学系２２によって集光される計測光Ｌ１に対して小型の拡散板２９を配置できる。したがって、光学ユニット１３の小型化が図られる。また、拡散板２９を開口部３１の直近に配置することで、光量のロスを最小限に抑えることができる。なお、拡散板２９は、必ずしも光学系２２と開口部３１との間に配置される必要はない。拡散板２９は、光ファイバ１７の出力端１７ｂの後段に配置されていてもよい。

【0043】

また、光学ユニット１３及び膜厚計測装置１では、光学系２２がレンズ２６及び放物面鏡２７を含んで構成されている。レンズのみで構成される光学系は、可視域の光に対する用途では一般的であるが、紫外域～可視域の波長の光を扱う場合には、必要以上の色収差が生じてしまうことが考えられる。したがって、この光学ユニット１３及び膜厚計測装置１のようにレンズ２６及び放物面鏡２７を組み合わせることにより、紫外域及び可視域の波長の計測光Ｌ１に対して必要以上の色収差が生じることを抑制できる。

【0044】

また、光学ユニット１３及び膜厚計測装置１では、開口部３１が光ファイバ１７への入力端１７ａによって構成されている。この場合、紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させた計測光Ｌ１を光ファイバ１７に導入できる。

【0045】

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、レンズ２６及び放物面鏡２７を含んで光学系２２が構成されているが、光学系２２は、図６に示すように、レンズ２６に代えて、平行平面板４１及び放物面鏡２７を含んで構成されていてもよい。図６の例では、放物面鏡２７と開口部３１との間の位置に平行平面板４１が配置されている。また、図６の例では、開口部３１がピンホール４３によって構成されている。このように、平行平面板４１と放物面鏡２７とを組み合わせる場合、比較的小さな色収差を生じさせることが可能となる。

【0046】

また、光学系２２は、図７に示すように、レンズ２６に代えて、ウェッジプリズム４２及び放物面鏡２７を含んで構成されていてもよい。図７の例では、放物面鏡２７と開口部３１との間の位置にウェッジプリズム４２が配置されている。また、図７の例では、図６の場合と同様に、開口部３１がピンホール４３によって構成されている。平行平面板４１と放物面鏡２７との組み合わせは、放物面鏡２７を経て集光される計測光Ｌ１の開口数が比較的小さい場合に有意である。ウェッジプリズム４２を用いる場合、計測光Ｌ１における長波長成分の焦点位置は、短波長成分の焦点位置に対して光軸に交差する方向側にシフトする。したがって、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する位置にピンホール４３を配置することにより、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。

【0047】

上述したレンズ２６、拡散板２９、平行平面板４１、及びウェッジプリズム４２は、紫外光に対する透過性を有する材料によって形成されている必要がある。このような材料としては、例えば合成石英、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、サファイアなどが挙げられる。

【0048】

また、上記実施形態では、光源１２は、例えば紫外域の波長（２００ｎｍ～３００ｎｍ）及び可視域の波長（３００ｎｍ～８００ｎｍ）を含む白色光を出力する光源装置によって構成されているが、光源１２は、例えば紫外域の波長（２００ｎｍ～３００ｎｍ）及び可視～近赤外の波長（３００ｎｍ～１１００ｎｍ）を含む白色光を出力する光源装置によって構成されていてもよい。すなわち、光学ユニット１３は、紫外域から近赤外にわたる波長の計測光Ｌ１が入力される入力部２１と、色収差を生じさせた状態で計測光Ｌ１を集光する光学系２２と、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視から近赤外域の波長の光Ｌａ’が結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する開口部３１と、を備える構成であってもよい。このような構成においても、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視から近赤外域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。

【0049】

膜厚計測装置１を成膜装置２におけるインライン膜厚モニタとして構成する場合、装置の省スペース化が要求される。このため、膜厚計測装置１に適用する光学ユニット１３をより小型化することが重要となっている。以下、小型化を目的とした光学ユニット１３（１３Ａ～１３Ｄ）の構成例について説明する。

【0050】

図８に示すように、光学ユニット１３Ａは、ファイバ出力型の光源１２に光学的に接続されている。光学ユニット１３Ａの光学系２２は、ビームスプリッタ５１と、レンズ５２と、楕円面ミラー５３とを有している。入力部２１は、計測光Ｌ１を導光する光ファイバ５４によって構成されている。モニタ用出力部２３は、光ファイバ５５によって構成され、計測用出力部２４は、光ファイバ５６によって構成されている。レンズ５２としては、例えば平行平面板やウェッジプリズム等を用いることができる。楕円面ミラー５３は、光ファイバ５４と光ファイバ５５，５６とが十分に近接している場合には、より安価な球面ミラーに置き換えることもできる。ビームスプリッタ５１と光ファイバ５４，５５，５６との間には、計測光Ｌ１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるシャッタが配置されていてもよい。

【0051】

光源１２から出力した計測光Ｌ１は、光ファイバ５４によって光学ユニット１３Ａに導光され、ビームスプリッタ５１及びレンズ５２を透過する。レンズ５２を通った計測光Ｌ１には、レンズ材料の分散に起因して色収差が生じる。その後、計測光Ｌ１は、楕円面ミラー５３で反射し、再びビームスプリッタ５１に入射する。計測光Ｌ１の一部は、ビームスプリッタ５１で反射し、モニタ用出力部２３である光ファイバ５５に入射する。計測光Ｌ１の残部は、ビームスプリッタ５１を透過し、計測用出力部２４である光ファイバ５６に入射する。光ファイバ５５の入力端には、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する。同様に、光ファイバ５６の入力端５６ａ（開口部３１）には、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する。

【0052】

このような光学ユニット１３Ａにおいても、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。また、光学ユニット１３Ａの小型化により、成膜装置におけるインライン膜厚モニタとして用いた場合の装置の省スペース化が図られる。

【0053】

図９に示すように、光学ユニット１３Ｂは、モニタ用出力部２３と計測用出力部２４とを別個のユニットとしている点で上記光学ユニット１３Ａと相違している。モニタ用出力部２３のユニットの光学系２２及び計測用出力部２４のユニットの光学系２２のそれぞれは、レンズ５２及び楕円面ミラー５３を有している。これらの光学系２２では、ビームスプリッタ５１が省略されている。ビームスプリッタ５１の配置に代えて、光源１２からの計測光Ｌ１を導光する光ファイバ５４が分岐している。レンズ５２と光ファイバ５４，５５，５６との間には、計測光Ｌ１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるシャッタが配置されていてもよい。

【0054】

分岐した光ファイバ５４の一方から出力した計測光Ｌ１は、モニタ用出力部２３のユニットにおいてレンズ５２を通り、色収差が生じた状態で楕円面ミラー５３で反射した後、モニタ用出力部２３である光ファイバ５５に入射する。分岐した光ファイバ５４の他方から出力した計測光Ｌ１は、計測用出力部２４のユニットにおいてレンズ５２を通り、色収差が生じた状態で楕円面ミラー５３で反射した後、計測用出力部２４である光ファイバ５６に入射する。光ファイバ５５の入力端には、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する。同様に、光ファイバ５６の入力端５６ａ（開口部３１）には、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する。

【0055】

このような光学ユニット１３Ｂにおいても、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。また、光学ユニット１３Ｂの小型化により、成膜装置におけるインライン膜厚モニタとして用いた場合の装置の省スペース化が図られる。この光学ユニット１３Ｂでは、光学系２２を構成する光学部品をモニタ用出力部２３のユニットの光学系２２及び計測用出力部２４のユニットの光学系２２にそれぞれ配置する必要があるが、ビームスプリッタ５１が不要となるため、各ユニットの光学系２２が簡単化され、製造容易性を高めることができる。

【0056】

図１０に示すように、光学ユニット１３Ｃは、モニタ用出力部２３の構成が上記光学ユニット１３Ｃと相違している。より具体的には、光学ユニット１３Ｃでは、光学系２２にビームスプリッタ５１が設けられておらず、その代わりに、楕円面ミラー５３の中央に孔部５３ａが設けられている。モニタ用出力部２３を構成する光ファイバ５５は、孔部５３ａに対応するように楕円面ミラー５３の背面側（計測用出力部２４である光ファイバ５６の反対側）に配置されている。レンズ５２と光ファイバ５４，５６との間、楕円面ミラー５３と光ファイバ５５との間には、計測光Ｌ１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるシャッタが配置されていてもよい。また、楕円面ミラー５３と光ファイバ５５との間には、拡散板２９が配置されていてもよい。

【0057】

光源１２から出力した計測光Ｌ１は、レンズ５２を通り、色収差が生じた状態で楕円面ミラー５３で反射した後、計測用出力部２４である光ファイバ５６に入射する。光ファイバ５６の入力端５６ａ（開口部３１）には、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する。楕円面ミラー５３では、計測光Ｌ１の一部が孔部５３ａを通過し、モニタ用出力部２３である光ファイバ５５に入射する。

【0058】

このような光学ユニット１３Ｃにおいても、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。また、光学ユニット１３Ｃの小型化により、成膜装置におけるインライン膜厚モニタとして用いた場合の装置の省スペース化が図られる。光学ユニット１３Ｃでは、紫外域のスペクトル強度が相対的に増大されるのは計測用出力部２４のみであるが、光学ユニット１３Ｃの用途により、モニタ用出力部２３における紫外域のスペクトル強度の相対的な増大が不要な場合には、本構成を採用することができる。楕円面ミラー５３と光ファイバ５５との間に拡散板２９を配置する場合、モニタ用の信号の安定化が図られる。

【0059】

図１１に示すように、光学ユニット１３Ｄは、ヘッド出力型の光源１２に光学的に接続されている。光学ユニット１３Ｄの光学系２２は、レンズ５２と、放物面鏡５７と、放物面鏡５８とを有している。放物面鏡５７は、例えば軸外し放物面鏡である。放物面鏡５８は、より安価な球面ミラーに置き換えることもできる放物面鏡５７における反射面の中央には、入力部２１と対向する向きに延びる孔部５７ａが設けられている。モニタ用出力部２３を構成する光ファイバ５５は、孔部５７ａに対応するように放物面鏡５７の背面側（入力部２１の反対側）に配置されている。放物面鏡５７と光ファイバ５５との間には、拡散板２９が配置されていてもよい。

【0060】

また、放物面鏡５７における反射面の中央には、放物面鏡５８と対向する向きに計測用出力部２４を構成する光ファイバ５６が挿入されている。光ファイバ５６の入力端５６ａ（開口部３１）は、孔部５７ａに隣接する位置で、放物面鏡５７の反射面に露出した状態となっている。放物面鏡５７と放物面鏡５８との間、及び放物面鏡５７と光ファイバ５５との間には、計測光Ｌ１のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるシャッタが配置されていてもよい。

【0061】

光源１２から出力した計測光Ｌ１は、入力部２１を介して光学ユニット１３Ｄ内に導光され、レンズ５２を透過する。レンズ５２を通った計測光Ｌ１には、レンズ材料の分散に起因して色収差が生じる。その後、計測光Ｌ１の一部は、放物面鏡５７の反射面から孔部５７ａを通ってモニタ用出力部２３である光ファイバ５５に入射する。計測光Ｌ１の残部は、放物面鏡５７によって平行光化され、放物面鏡５８で反射する。放物面鏡５８で反射して放物面鏡５７に戻った計測光Ｌ１の残部は、当該放物面鏡５７の反射面において計測用出力部２４である光ファイバ５６に入射する。光ファイバ５６の入力端５６ａ（開口部３１）には、色収差が生じた計測光Ｌ１のうち、可視域の波長の光Ｌａが結像せず、紫外域の波長の光Ｌｂが結像する。

【0062】

このような光学ユニット１３Ｄにおいても、開口部３１から出力する光の紫外域のスペクトル強度を可視域のスペクトル強度に対して相対的に増大させることができる。したがって、検出系において必要とする紫外域の光の感度が得られ易くなり、膜厚計測に最適なスペクトルを構成できる。また、光学ユニット１３Ｄの小型化により、ヘッド出力型の光源１２を用いた場合であっても、成膜装置におけるインライン膜厚モニタとして用いた場合の装置の省スペース化が図られる。光学ユニット１３Ｄでは、紫外域のスペクトル強度が相対的に増大されるのは信号用出力部２４のみであるが、光学ユニット１３Ｄの用途により、モニタ用出力部２３における紫外域のスペクトル強度の相対的な増大が不要な場合には、本構成を採用することができる。放物面鏡５７と光ファイバ５５との間に拡散板２９を配置する場合、モニタ用の信号の安定化が図られる。

【符号の説明】

【0063】

１…膜厚計測装置、１２…光源、１３（１３Ａ～１３Ｄ）…光学ユニット、１４…検出部、１５…解析部、１７…光ファイバ（導光部）、１８，５６…光ファイバ（導光部）、１７ａ，５６ａ…入力端（開口部）、２１…入力部、２２…光学系、２６，５２…レンズ、２７，５７，５８…放物面鏡、２９…拡散板、３１…開口部、４１…平行平面板、４２…ウェッジプリズム、４３…ピンホール（開口部）、Ｌ１…計測光（光）、Ｌ２…被検出光、Ｌａ…可視域の波長の光、Ｌｂ…紫外域の波長の光、Ｓ…被計測物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】