专利名称：分光计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适于薄膜的膜厚或者膜质(光学常数、试料结构等)的计测等用途的、利用了光的偏振光状态的变化的分光计测装置，特别涉及一种适于生产线中的在线计测的分光计测装置。
背景技术：
近年来，在半导体制造过程中，伴随着半导体基板的大型化和设计规则的精密化，产生了由不良产品导致重大损害的可能性和管理微小异常的必要性，由此大大提高了检查的重要性。
另外，即使在以LCD(Liquid Crystal Display液晶显示器)和PDP(PlasmaDisplay Panel等离子显示器)为代表的FPD(Flat Panel Display平面显示器)的制造过程中，在玻璃基板的大型化发展过程中，急速地向大图面化、高精密化、高品位化发展，而为了以高成品率生产高品质的产品，检查的重要性变得越来越高。
以往，使用大且昂贵的分光计测装置通过离线计测进行这种制造过程中的产品检查、特别是膜厚检查。该离线计测，是通过从制造过程中抽取产品并运到处于离开位置的分光计测装置，然后执行测定、确认这样的一系列的次序来进行的。
在这种离线计测中，在测定的结果偏离管理标准的情况下，反馈该信息，直到反映在过程上进行修正为止需要花费时间，另外，也不能判定未抽取的产品是否偏离了管理标准，存在成品率低下的问题。
因此，例如，通过在成膜过程中(in-situ)或者成膜过程之后的生产线中以编入分光计测装置的形式实现在线膜厚计测，以不从制造过程中抽取产品而进行全数测定的形式来提高产品成品率的需求变大。
作为可以适用于这种在线计测的分光计测装置，要求各种条件(1)具有与以往的离线膜厚计测所使用的分光计测装置相同的性能，(2)小型并可进行高速运算处理，(3)具有抗后面所述的距离抖动和角度抖动的性质。还有，近年来伴随着设计规则的精密化，绝缘膜等变得极薄，检查数nm的超薄膜的膜厚以及膜质的重要性变得越来越高。
以往，在膜厚的测定中，主要使用分光解析方式或者偏振光解析方式的膜厚计，因为都由使用了衍射光栅的分光器构成，所以装置变得大型化，具有不适合在线计测这样的缺陷。
另外，因为在分光解析方式的膜厚计中，只能测定S偏振光和P偏振光的平均值、即反射率，所以与以综合S偏振光和P偏振光各自的反射率来计算出膜厚的椭圆偏振仪等为代表的偏振光解析方式的膜厚计相比，信息量少，不可能进行高精度的计测。
并且，在分光解析方式的膜厚计中，因为通过取得向试料的入射波的强度分布波形和来自试料的反射波的强度分布波形之比来计算出反射率，所以在膜厚计测时，另外需要测定入射波的强度分布波形的作业。其结果是，具有计测时间增大这样的缺陷，不利于在线计测。
另一方面，在偏振光解析方式的膜厚计中，由于是同时测定S偏振光的强度分布波形和P偏振光的强度分布波形，并由此而计算出膜厚，所以不另外需要测定入射波的强度分布波形等作业。因此，计测时间短，适于在线计测。
另外，为了解析物质的膜质(光学常数、试料结构等)，需要在宽的波长区域中测定的光谱，从计测膜质的角度来看，分光偏振光解析方式的膜厚计是有利的。此外，在这里所说的“膜质”是指折射率、吸收系数、光谱带结构、结晶结构等各种特性。
作为偏振光解析方式的膜厚计的使检偏振器旋转的单入射角分光椭圆偏振仪的以往例在图42中示出(参照专利文献1)。在图中，a是光源部，b是起偏振器，c是1/4波阻片，d是测定试料，e是旋转检偏振器，f是检偏振器驱动部，g是电子计算机，h1～h5是光检测器，i是衍射光栅。
为了便于说明，将图42所示的单入射角分光椭圆偏振仪中的光检测器h1～h5作为光侦测阵列(フォトアレイ)型检测器的例子在图43中示出。在图中，在图中，101是多色光源，102是起偏振器，103是移相器，104是试料，105是检偏振器，106是聚光透镜，107是衍射光栅，108是一维CCD。
从图43可知，从多色光源101发出的光通过起偏振器102以及移相器103而成为直线偏振光状态，以倾斜入射的方式向试料104的表面进行照射。在来自试料104的反射光的光路上，依次配置有用于调查偏振光状态的检偏振器105、聚光透镜106、具有分光功能的衍射光栅107、具有光电转换功能的光侦测阵列检测器108。由此，测定反射光各波长的偏振光状态，取得对应的光谱。最后，在未图示的运算部进行理论波形和实测波形的拟合，计算出试料的膜厚。
专利文献1JP特开平6-288835号公报。
上述单入射角分光椭圆偏振仪，因为是由利用了衍射光栅的分光器构成的，所以装置变得大型化(第一问题点)，从而导致为了在线计测而编入生产线的情况变得困难。
另外，在产生了后面所述的距离抖动的情况下，所观测的反射光的强度分布波形不变化，但是发生了后面所述的水平方向角度抖动或者垂直方向角度抖动的情况下，所观测的反射光的强度分布波形较大的变动(第二问题点)，从而使计测变得困难。也就是说，由于抗距离抖动、角度抖动的能力很差，实际使用上在线计测是不可能的。要消除这种状况，就需要固定要测定的试料的专用的台来，从而大幅度地限制了装置的设置条件。
进而，因为在测定前必须将到试料的距离以及试料的倾斜定位(第三问题点)，所以要花费调整台的时间。其结果是，增大了计测时间，不适于在线计测。
参照图44A、图44B、图45A、图45B、图46A、图46B，对“距离抖动”进行说明。在图44A、图44B、图45A、图45B、图46A、图46B中，201是多色光源，202是起偏振器，203是移相器，204是半导体产品或FDP等试料，205是检偏振器，206是将聚光点设在一维CCD的受光面上的聚光透镜，207是衍射光栅，208是一维CCD，是简化表示专利文献1所述的发明的装置。
图44A、图44B是表示试料处于标准高度时光学系统和试料的位置关系的图，图45A、图45B是表示试料处于下降高度时光学系统和试料的位置关系的图，图46A、图46B是表示试料处于上升高度时光学系统和试料的位置关系的图。
所谓的距离抖动是光学系统(例如移相器203)和试料204的距离发生变动的现象。当产生该距离抖动时，经由一维CCD208观测的反射光强度分布波形的阵列列方向的宽度没有变动，但是因为发生位置变动，所以基于该强度分布波形计算出的薄膜的光学常数有误。
从图44A、图44B和图45A、图45B的比较可知，试料处于标准高度时的从试料204来的反射光线L101、和试料处于下降高度时的从试料204来的反射光线L102平行，但是因为入射到衍射光栅207的位置不同，所以试料204处于标准高度时的反射光强度分布波形W101和处于下降高度时的反射光强度分布波形W102不一致。
同样，从图44A、图44B和图46A、图46B的比较可知，试料处于标准高度时的从试料204来的反射光线L101、和试料处于上升高度时的从试料204来的反射光线L103平行，但是因为入射到衍射光栅207的位置不同，所以试料204处于标准高度时的反射光强度分布波形W101和处于上升高度时的反射光强度分布波形W103不一致。
参照图47A、图47B、图48A、图48B、图49A、图49B，对“水平方向角度抖动”进行说明。在图47A、图47B、图48A、图48B、图49A、图49B中，对与图44A、图44B、图45A、图45B、图46A、图46B相同的结构部分标有相同的附图标记，并省略说明。
此外，图47A、图47B是表示试料处于标准角度(相对于入射面垂直的平面)时光学系统和试料的位置关系的图，图48A、图48B是表示试料处于向右下侧倾斜(右倾)状态时光学系统和试料的位置关系的图，图49A、图49B是表示试料处于向左下侧倾斜(左倾)状态时光学系统和试料的位置关系的图。
所谓的水平方向角度抖动是相对于入射面以垂直的直线为中心轴而旋转的方向上的试料204的倾角发生变动的现象。若产生此水平方向角度抖动，则经由一维CCD208观测的反射光强度分布波形的阵列列方向的宽度发生变动，所以基于其强度分布波形计算出的薄膜的光学常数有误。
从图47A、图47B和图48A、图48B的比较可知，试料204处于标准角度时的从试料204来的反射光线L201、和试料处于右倾角度时的从试料来的反射光线L202不平行，入射到衍射光栅207的角度以及位置不同，所以试料204处于标准角度时的反射光强度分布波形W201和处于右倾角度时的反射光强度分布波形W202不一致。
同样，从图47A、图47B和图49A、图49B的比较可知，试料204处于标准角度时的从试料来的反射光线L201、和试料处于左倾角度时的从试料来的反射光线L203不平行，入射到衍射光栅207的角度以及位置不同，所以试料204处于标准角度时的反射光强度分布波形W201和处于左倾角度时的反射光强度分布波形W203不一致。
参照图50A、图50B、图51A、图51B、图52A、图52B，对“垂直方向角度抖动”进行说明。在图50A、图50B、图51A、图51B、图52A、图52B中，对和图44A、图44B、图45A、图45B、图46A、图46B相同的结构部分标有相同的附图标记，并省略说明。
图50A、图50B是表示试料处于标准角度(相对于入射面垂直的平面)时光学系统和试料的位置关系的图，图51A、图51B是表示试料处于向后下侧倾斜(后倾角度)状态时光学系统和试料的位置关系的图，图52A，图52B是表示试料处于向前下侧倾斜(前倾角度)时光学系统和试料的位置关系的图。
垂直方向角度抖动是以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾角发生变动的现象。若产生此垂直方向角度抖动，则在衍射光栅207衍射的光线的扩散方向偏离一维CCD208的阵列列方向，不能在一维CCD208中完全接受反射光强度分布。其结果是，基于该强度分布波形计算出的薄膜的光学常数有误。
从图50A、图50B和图51A、图51B的比较可知，试料204处于标准角度时的从试料来的反射光线L301、和试料处于后倾角度时的从试料204来的反射光线L302不平行，入射到衍射光栅207的角度以及位置不同，所以试料204处于标准角度时的反射光强度分布波形W301和处于右倾角度时的反射光强度分布波形W302不一致。
同样，从图50A、图50B和图52A、图52B的比较可知，试料204处于标准角度时的从试料来的反射光线L301、和试料204处于前倾角度时的从试料204来的反射光线L303不平行，入射到衍射光栅207的角度以及位置不同，所以试料204处于标准角度时的反射光强度分布波形W301和处于前倾角度时的反射光强度分布波形W303不一致。
此外，下面将水平方向角度抖动和垂直方向角度抖动总称为角度抖动。
发明内容
本发明是着眼于以往的分光计测装置中的上述问题点而提出的，该分光计测装置包含有分光解析方式以及偏振光解析方式的膜厚计，其目的在于提供一种适于例如半导体制造过程或FPD制造过程等中的在线计测的分光计测装置。
本发明更具体的目的在于提供一种实现小型化并具有对距离抖动和水平方向角度抖动和垂直方向角度抖动的抗耐性的分光计测装置。
本发明的分光计测装置，一种分光计测装置，是对试料照射测定介质光并接受反射光，通过检测出相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化，求取该试料的膜厚或者膜质的计测装置，其特征在于，具有投光侧光学系统，其将包含各种方位角度成分的测定介质光会聚并照射到试料表面；受光侧光学系统，其包括将多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元、透镜和通过透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件，上述分光元件设置在上述光电转换部阵列单元的前面，以上述透镜和上述光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行配置，经上述透镜通过上述光电转换部阵列单元接受来自试料的反射光；运算部，其基于从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，使相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化量对应于上述分光元件的透过波长，并进行解析而获得实测分光波形，同时，计算出根据假设的膜厚和/或膜质而理论计算的理论分光波形，通过上述实测分光波形和上述理论分光波形的拟合，求取膜厚或者膜质；进而上述投光侧光学系统中包含有特征化单元，该特征化单元对上述测定介质光赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征，
上述受光侧光学系统中包含有倾斜检测用光电转换单元，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光，并检测出其所包含的上述试料的倾斜变动的特征；上述运算单元中包含有受光量数据校正单元，该受光量数据校正单元基于由上述倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分。
对测定介质光赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元中包括将具有预定形状或者强度分布的测定介质光向试料照射的情况。
另外，基于由倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元中，包括这样的单元由倾斜检测用光电转换单元接受来自试料的反射光，根据其接受的光的形状或受光强度分布，得出以预定形状或者强度分布来照射的测定介质光的受光位置，并基于与试料无倾斜时应受光的受光位置的比较，来修正由于试料的倾斜变动导致的误差成分。测定介质光的预定形状或者强度分布，至少在相对于测定介质光的前进方向垂直并且平行入射面的方向上，只要具有形状或者强度分布就可以。
一种分光计测装置，是对试料照射测定介质光并接受反射光，通过检测出相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化，求取该试料的膜厚或者膜质的计测装置，其特征在于，具有投光侧光学系统，其将包含各种方位角度成分的测定介质光会聚并照射到试料表面；受光侧光学系统，其包括将多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元、透镜和通过透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件，上述分光元件设置在上述光电转换部阵列单元的前面，以上述透镜和上述光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行配置，经上述透镜通过上述光电转换部阵列单元接受来自试料的反射光；
运算部，其基于从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，使相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化量对应于上述分光元件的透过波长，并进行解析而获得实测分光波形，同时，计算出根据假设的膜厚和/或膜质而理论计算的理论分光波形，通过上述实测分光波形和上述理论分光波形的拟合，求取膜厚或者膜质；进而上述投光侧光学系统中包含有特征化单元，该特征化单元对上述测定介质光赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾角变动的特征，上述运算单元中包含有受光量数据校正单元，该受光量数据校正单元基于由上述光电转换部阵列单元检测出的上述试料的倾角变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分。
对测定介质光赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元包括将具有预定形状或者强度分布的测定介质光向试料照射的情况，另外，关于受光量数据校正单元，包括这样的单元由倾斜检测用光电转换单元接受来自试料的反射光，根据其接受的光的形状或受光强度分布，得出以预定形状或者强度分布来照射的测定介质光的受光位置，并基于与试料无倾斜时应受光的受光位置的比较，来修正由于试料的倾斜变动导致的误差成分。测定介质光的预定形状或者强度分布，至少在垂直于测定介质光的相对于试料的入射面的方向上，只要具有形状或者强度分布就可以。
一种分光计测装置，是对试料照射测定介质光并接受反射光，通过检测出相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化，求取该试料的膜厚或者膜质的计测装置，其特征在于，具有投光侧光学系统，其将包含各种方位角度成分的测定介质光会聚并照射到试料表面；受光侧光学系统，其包括将多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元、透镜和通过透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件，上述分光元件设置在上述光电转换部阵列单元的前面，以上述透镜和上述光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行配置，经上述透镜通过上述光电转换部阵列单元接受来自试料的反射光；运算部，其基于从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，使相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化量对应于上述分光元件的透过波长，并进行解析而获得实测分光波形，同时，计算出根据假设的膜厚和/或膜质而理论计算的理论分光波形，通过上述实测分光波形和上述理论分光波形的拟合，求取膜厚或者膜质；进而上述投光侧光学系统中包含有第一特征化单元，该第一特征化单元对上述测定介质光赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征，还包含有第二特征化单元，该第二特征化单元赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动，上述受光侧光学系统中包含有倾斜检测用光电转换单元，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光，并检测出其所包含的上述第一特征化单元的特征，以上述受光侧光学系统中所包含的上述透镜与倾斜检测用光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行设定，上述运算单元中包含有基于由上述光电转换阵列单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元，还包含有基于由上述倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元。
测定介质光的预定形状或者强度分布，在相对于测定介质光的前进方向垂直并且与入射面平行的方向上，以及在垂直于测定介质光的相对于试料的入射面的方向上，只要具有形状或者强度分布就可以。
在理想的实施方式中，上述特征化单元是在上述测定介质光的剖面轮廓中、将相当于试料的倾斜标准的部分进行边缘整形的剖面轮廓整形单元。
在理想的实施方式中，上述剖面轮廓整形单元至少包括狭缝、小孔、或者刃状物。
在理想的实施方式中，上述光源使用白色光源。
在理想的实施方式中，上述白色光源为LED光源。
在理想的实施方式中，试料上的点径小于等于1mm。
在理想的实施方式中，使用二维阵列单元作为上述记载的光电转换部阵列单元。
在理想的实施方式中，计算出理论波形的运算部包括消除上述记载的分光元件的波长分辨率导致的误差的处理。
在理想的实施方式中，试料基板是透明基板时，运算部包括通过包含有来自试料基板的背面的反射的光的反射率的理论算式来计算出理论波形的处理。
在理想的实施方式中，运算部具有能够输入试料基板是透明基板还是不透明基板的输入单元。
在理想的实施方式中，具备旋转具有延迟相位的功能的移相器的机构，在投光侧光学系统中包括有起偏振器，在受光侧光学系统中包括有检偏振器。
在理想的实施方式中，在上述投光侧光学系统中具备着具有延迟相位的功能的移相器。
在理想的实施方式中，从上述投光侧光学系统照射的上述测定介质光中包括两个或两个以上的偏振光成分，并且在上述受光侧光学系统中包括有对应于上述各偏振光成分的两个或两个以上的光电转换部阵列单元、以及用于将从上述试料上的膜厚计测点到来的反射光分离成各偏振光成分并分别导向对应的光电转换部阵列单元的偏振光分离单元。
在理想的实施方式中，以计测上述试料的色度的方式构成。
在理想的实施方式中，以计测上述试料的膜厚的方式构成。
在理想的实施方式中，以计测上述试料的膜质的方式构成。
在理想的实施方式中，以配置在制造生产线上，进行在线计测的方式构成。
在理想的实施方式中，以配置在制造生产线上，进行全数检查、并能够将记录、解析的结果反馈到制造生产线内的装置的方式构成。
根据本发明的分光计测装置，实现小型化的同时，能够获得对于距离抖动、水平方向角度抖动和垂直方向角度抖动的抗耐性，由此，能够实现适于例如半导体制造过程和FPD制造过程等中的在线计测的分光计测装置。
图1是单入射角分光椭圆偏振仪的整体结构图(全部实施方式通用)。
图2A、图2B是表示传感头部的光学结构的一例的图。
图3是表示运算处理部的电气结构的图。
图4A、图4B是使用倾斜膜的光学系统和使用衍射光栅的光学系统的比较说明图。
图5是表示薄膜与入射光·反射光的关系的说明图。
图6A、图6B是表示单层膜与反射光的关系的说明图。
图7A、图7B是表示多层膜与反射光的关系的说明图。
图8是表示表格数据的内容的图(之1)。
图9是表示表格数据的内容的图(之2)。
图10是表示膜厚测定程序的内容的流程图。
图11是表示受光强度光谱和半幅值的关系的曲线图。
图12是表示波长和倾斜膜半幅值的关系的曲线图。
图13是表示劳伦兹函数的曲线图。
图14是表示校正前后的波长和相位差的关系的曲线图。
图15是表示校正前后的波长和振幅比的关系的曲线图。
图16A、图16B是表示传感头部的光学结构的其他一个例子的图。
图17是距离抖动对策的作用说明图。
图18是距离抖动对策的原理说明图。
图19是按入射光路不同表示距离抖动对策的作用的说明图(之1)。
图20是按入射光路不同表示距离抖动对策的作用的说明图(之2)。
图21是按入射光路不同表示距离抖动对策的作用的说明图(之3)。
图22是针对受光用透镜的后级表示距离抖动的作用的说明图。
图23是放大表示一维CCD受光面附近的聚光状态的说明图。
图24是存在距离抖动时的说明图(移相器是受光系统)。
图25是存在角度抖动时的说明图(移相器是受光系统)。
图26是存在距离抖动时的说明图(移相器是投光系统)。
图27是存在角度抖动时的说明图(移相器是投光系统)。
图28A、图28B是表示传感头部的光学结构的其他一个例子的图。
图29A、图29B是边缘整形单元的说明图。
图30A、图30B是表示传感头部的光学系统的其他一个例子的图。
图31是按入射光路不同表示距离抖动对策的作用的说明图(之1)。
图32是按入射光路不同表示距离抖动对策的作用的说明图(之2)。
图33是按入射光路不同表示距离抖动对策的作用的说明图(之3)。
图34A、图34B是表示传感头部的光学系统的其他一个例子的图。
图35是表示表格数据的内容的图。
图36是表示膜厚测定程序的内容的流程图。
图37A、图37B是表示传感头部的光学系统的其他一个例子的图。
图38A、图38B是表示传感头部的光学系统的其他一个例子的图。
图39A、图39B是表示传感头部的光学系统的其他一个例子的图。
图40是表示本发明装置的在线适用例的图。
图41A、图41B是表示表格数据的内容的图。
图42是表示使检偏振器旋转的以往的单入射角分光椭圆偏振仪的一个例子的结构图。
图43是简化表示图42所示的单入射角分光椭圆偏振仪结构的图。
图44A、图44B是距离抖动的说明图(之1)。
图45A、图45B是距离抖动的说明图(之2)。
图46A、图46B是距离抖动的说明图(之3)。
图47A、图47B是水平方向角度抖动的说明图(之1)。
图48A、图48B是水平方向角度抖动的说明图(之2)。
图49A、图49B是水平方向角度抖动的说明图(之3)。
图50A、图50B是垂直角度抖动的说明图(之1)。
图51A、图51B是垂直角度抖动的说明图(之2)。
图52A、图52B是垂直角度抖动的说明图(之3)。
具体实施例方式
首先，为了明确本发明实施方式的定位，针对以往的分光椭圆偏振仪的课题和本发明的实施方式的关系进行说明。
(1)第一课题因为使用衍射光栅型的分光元件作为分光单元，装置体积庞大，不适合于在线计测。
(2)第二课题抗距离抖动以及角度抖动的能力差，因而不能以在线方式进行计测。
(1)对于第一课题的解决方法如第一实施方式～第九实施方式所示，通过使用干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元，实现了小型化。
(2)对于第二课题的解决方法实现第二实施方式以及第六实施方式示出的抗距离抖动能力强的光学系统、第三实施方式以及第七实施方式示出的抗水平以及垂直方向角度抖动能力强的光学系统、第四实施方式以及第八实施方式示出的抗距离抖动、水平以及垂直方向角度抖动能力强的光学系统，可以进行在线计测。
下面，根据附图，详细说明本发明涉及的分光计测装置的较佳实施方式。
第一实施方式表示整个单入射角分光椭圆偏振仪的结构图在图1示出。如该图所示，该椭圆偏振仪1包括传感头部2、运算处理部3、监控器·键盘·鼠标等的HMI(Human Machine Interface人机界面)部4。此外，在图中，5是构成试料(例如半导体或FPD等)的基板，5a是存在于基板5的表面的测定对象薄膜。该图1示出的椭圆偏振仪的基本结构共通适用于下面所述的第一至第九的所有的实施方式。
以图1示出的基本结构作为前提，参照图2A、图2B～图15详细说明椭圆偏振仪的第一实施方式，该椭圆偏振仪，通过使用基于透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件(以下称为倾斜膜)来实现小型化。
组装有小型化技术的传感头部2的光学结构在图2A、图2B中示出。如该图所示，该椭圆偏振仪1具有投光用光学系统和受光用光学系统。
投光用光学系统包括光源(在图示例中为白色光源)301、用于将从光源301发出的光变成准直光的准直透镜302、仅使从准直透镜302射出的准直光中某些偏振光成分通过的起偏振器303、使从起偏振器303射出的光仅延迟波长的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋转的驱动单元305、会聚通过移相器后的光并照射到基板(试料)5的薄膜5a的膜厚测定点的聚光透镜306。另外，如同本领域的普通技术人员公知的那样，移相器304受到来自驱动单元305的动力，以光轴为中心绕其周围进行旋转。
受光用光学系统包括用于接受照射到基板5上的测定介质光的反射光并变成准直光的准直透镜(受光透镜)308、仅使从准直透镜308射出的准直光中某些偏振光成分通过的检偏振器309、透过光波长对应于纵向的各个位置逐渐变化的光干涉式的分光元件即倾斜膜311、将多个光电转换部在垂直于入射面的方向(和纸面垂直的方向)上配制成阵列状而成的光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD310)。
倾斜膜311处于覆盖在构成光电转换部阵列单元的一维CCD310的受光面上的状态，以其纵向与一维CCD310的像素列方向对应的方式进行定向。
从光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据被传送到运算单元(在图示例中，相当于运算处理部3)，由此求出成为测定对象的薄膜5a的膜厚。
运算处理部3的电气结构在图3示出。如该图所示，运算处理部3包括生成输出投光部控制信号s1的投光部驱动电路32、将一维CCD输出信号s2转换成数字信号的AD转换部33、生成输出一维CCD控制信号s3的CCD驱动电路34、存储各种系统程序的ROM35、具有与构成HMI部的键盘和鼠标的接口的功能的输入输出部36、具有与构成HMI部的显示器的接口的功能的显示部37、用于在综合控制这些结构要素32～37的同时执行后面所述的膜厚测定运算等的CPU31。
接着，说明由以上结构构成的本实施方式的作用。在本实施方式中，通过采用可以求取所有的斯托克斯参数(S0～S3)的旋转移相器法，可以做高精度的计测。另外，通过采用干涉方式的分光元件(倾斜膜)，省略衍射光栅后级的透镜等，实现了装置的小型化(参照图4A、图4B)。
参照图2A、图2B说明膜厚测定用的基本动作。从光源301发出的测定介质光经由准直透镜302、起偏振器303、移相器304，利用聚光透镜306的作用被会聚照射在作为测定对象的基板5上的薄膜5a上。试料的膜厚测定点被置于接近入射光的聚光位置。此时，具有θ0～θ1的范围的连续的入射角成分的测定介质光入射到试料。
经由聚光透镜306入射的测定介质光在试料被反射。从试料的膜厚测定点到来的测定介质光的反射光中，入射角为θ2的光经由准直透镜308、检偏振器309、倾斜膜311，利用受光透镜308的作用，被导向一维CCD310的受光面。
由此，从一维CCD310发送出相当于将各受光元件(像素)的受光量数据串行排列而成的一维CCD输出信号s2。基于此一维CCD输出信号s2，观测对应于入射角(θ2)中的波长的反射光强度分布。此时所观测的反射光强度分布是与波长相对应的量。
使驱动单元(移相器)305以每次旋转x°的方式进行旋转，依次计测一维CCD数据。使驱动单元(移相器)305旋转半周(180°)，此时通过在运算处理部3处理这些数据，计算出实测值的相位差Δ和振幅比ψ。同时，在运算处理部3计算出理论值的相位差Δ和振幅比ψ，最后，通过将实测值和理论值进行对比，可以求取膜厚。
以下表示实测值的相位差Δ和振幅比ψ的算出方法。在旋转移相器法中，在一维CCD310检测出的光强度波形I一般用下面的式子表示。
I＝I0(1+α0cos2ωt+α1sin2ωt+α2cos4ωt+α3sin4ωt)在这里，α0，α1，α2，α3表示标准化傅立叶级数，ωt表示移相器的旋转角。另外，标准化傅立叶级数和斯托克斯参数S0，S1，S2，S3一般具有下面的关系式。
S0=1sin22Aα0]]>-[1+cosφ(λ)]cos4P+2cos2Pcos2A[1-cosφ(λ)]sin22A×α1]]>-[1+cosφ(λ)]sin4P+2sin2Psin2A[1-cosφ(λ)]sin22A×α2]]>…式(1)S1=cos2Asin22Aα0]]>+[1+cosφ(λ)]cos4Pcos2A+2cos2P[1-cosφ(λ)]sin22A×α1]]>+[1+cosφ(λ)]sin4Pcos2A+2sin2P[1-cosφ(λ)]sin22A×α2]]>…式(2)S2=2[α2cos2P-α1sin2P][1-cosφ(λ)]sin2A]]>…式(3)S3=α3sin2Asin2Psinφ(λ)]]>…式(4)在这里，P表示起偏振器的方位角，A表示检偏振器的方位角，φ表示移相器的相位差，λ表示波长。另外，斯托克斯参数S0、S1、S2、S3与相位差Δ以及振幅比ψ，一般具有下面的关系式。此外，p表示偏振光度。
p=(S′1S′0)2+(S′2S′0)2+(S′3S′0)2]]>…式(5)S1S0=-pcos2ψ]]>…式(6)S2S0=-psin2ψcosΔ]]>…式(7)S3S0=-psin2ψsinΔ]]>…式(8)由上述示出的式子(1)～(8)可以计算出实测值的相位差Δ以及振幅比ψ。
接着，下面说明理论值的相位差Δ和振幅比ψ的算出方法。例如，如图5所示，在测定形成在Si基板702上的的氧化膜(栅极氧化膜等)701的膜厚时，如上所述，从空气(折射率＝N0)700中以角度θ0照射的椭圆偏振光状态的入射光，在氧化膜(折射率＝N1)701表面反射的同时，大部分入射到氧化膜701内。
入射到氧化膜701内的光，在Si基板702界面(基板面)(折射率＝N2)发生反射，从氧化膜701内返回到空气700中，与在氧化膜701表面的反射光发生偏振光干涉。对于上述这样的光，分别计算出p偏振光成分和s偏振光成分，根据各自的相位差Δ和振幅比ψ来计算出膜厚。
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)分别由下面的式子计算。
r1p＝(n2cosθ1-n1cosθ2)/(n2cosθ1+n1cosθ2)r1s＝(n1cosθ1-n2cosθ2)/(n1cosθ1+n2cosθ2)另外，所检测出的光的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)，通过下面的式子计算出偏振光状态。
Rp＝(r0p+r1pexp(-2iδ))/(1+r0p·r1pexp(-2iδ))Rs＝(r0s+r1sexp(-2iδ))/(1+r0s·r1sexp(-2iδ))
其中，(δ＝2πn1dcosθ1/λ)最后使用Rp/Rs＝tan(ψ)·exp(-iΔ) …式(9)针对各波长计算Δ和ψ，从而获得波长依存光谱。并且，将氧化膜701的膜厚值d作为参数，通过将实测光谱与后面所述的倾斜膜的半幅值校正处理后的理论光谱(表格数据)进行比较，可以计算出膜厚值d。进而，在图6A、图6B中限定于单层膜而导出Rp、Rs，但是，如图7所示，也可以导出对应于多层膜的理论算式，从而也可以进行多层膜的膜厚和折射率的测定。
作为运算处理部3的CPU31中膜厚的计算处理方法，可以利用曲线拟合法。所谓曲线拟合法，是将预先计算并作为表格而存储的相对于各膜厚的后面所述的倾斜膜半幅值校正处理后的理论值的相位差Δ、振幅比ψ的波形数据(表格数据)、与根据测定了的受光量数据计算出的实测值的相位差Δ、振幅比ψ的波形数据进行比较，通过最小二乘法提取出误差最小的数据，将该波形数据的膜厚作为成为测定对象的薄膜的膜厚的方法。作为膜厚的计算处理方法，另外也可以利用如极值试探法或者对相位差Δ、振幅比ψ加权那样的膜厚的计算方法。
预先，从键盘等的输入输出部输入成为测定对象的薄膜的折射率n、以及r0、r1时，在运算部，以入射角θ运算相对于膜厚d以及波长λ的各值的相位差Δ、振幅比ψ的值，将这些值作为表格保持在运算部内的存储器中。在图8以及图9中示出这种表格的例子。
接着，详细描述曲线拟合法。首先，CPU31取得通过A/D转换部33而被数字化了的测定数据，计算出实测值的相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)(STEP1)。接着，使膜厚d为最小膜厚dx(STEP2)，使用图8以及图9的理论表格，在从λp到λq的波长范围内，以增量Δλ，计算膜厚d＝dx中的理论值的相位差Δdx(λ)、振幅比ψdx(λ)、与实测值的相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)的差的平方[Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2，求取其和评估式P(d)＝∑([Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2)(STEP3)，并存储在存储器内。此外，拟合中的评估式P(d)只要是表示理论值和实测值的差的式子即可，也可以是其他的算式。
这样，使膜厚d的值依次增加Δd，直到膜厚d达到最大膜厚dy(STEP5)，求取此时膜厚中的理论数据和测定数据的差的平方和(STEP3)，存储在存储器内。
这样，到最大膜厚dy为止平方和的计算结束时(STEP5为“是”时)，从存储在存储器中的膜厚范围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)，将此时的膜厚dz作为测定膜厚(STEP7)。
另外，上述内容假设了不透明基板，未考虑来自基板的背面的反射，但是，在透明基板中，就需要考虑来自背面的反射。这种情况下，如图6所示，也可以导出理论算式，如果使用此理论算式，和上述同样，也可以进行透明基板中的多层膜的膜厚和膜质测定。其中，图6中的r表示图5所示的反射光r。
在这里，针对本发明中使用的倾斜膜进行说明。例如，当对倾斜膜入射波长为450nm的光并用一维CCD受光时，受光波形如图11所示。即，受光波形由于波长分辨率的误差，变得具有某种程度的半幅值h。半幅值h表示最大受光量的高度(在图中为线)的宽度。如图12所示，作为倾斜膜的特性，半幅值h具有波长特性。其结果是，在对比理论值和实测值而求取膜厚时，需要消除倾斜膜的波长分辨率的误差的处理。将此处理称为“半幅值校正”。
接着，描述图8以及图9示出的表格的作成方法。理论值的相位差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)，求取校正前的斯托克斯参数S1、S2、S3。此外，下面的式子是在旋转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)对于校正前的S1、S2、S3，通过在图12示出的倾斜膜的半幅值h和在图13示出的劳伦兹函数f(x)对每一个受光量数据的中心波长α进行加权。以下表示校正后的S1、S2、S3的计算公式。在这里，x表示受光量数据的任意的波长。此外，在这里使用劳伦兹函数，消除倾斜膜的波长分辨率的误差，但是，只要是消除倾斜膜的波长分辨率的误差的方法即可，也可以是其他的方法。
将拟合波长范围设为a(nm)～b(nm)校正后S1(α)=∫abS1(x)f(x,h)∫abf(x,h)dxdx]]>…式(13)校正后S2(α)=∫abS2(x)f(x,h)∫abf(x,h)dxdx]]>…式(14)校正后S3(α)=∫abS3(x)f(x,h)∫abf(x,h)dxdx]]>…式(15)※劳伦兹函数f(x,h)=1π×ββ2+(x-α)2]]>β=h2e2-1,]]>α是中心波长根据在上述求出的校正后的斯托克斯参数S1、S2、S3由式(10)～(12)再次计算出理论值的相位差Δ、振幅比ψ，并将其作为表格数据，保存在存储器中。图14以及图15表示半幅值校正过的结果。
此外，在本实施方式中有下面的应用例。这些应用例也能适用于后面所述的第二～九实施方式。
(应用例1)光源也可以使用除白色光源以外的LED。通过使用多个LED，能够实现和白色光源相同的宽的波段，并大幅度地延长作为光源的寿命，提高本发明装置的维护性，更有利于在线计测。
(应用例2)考虑在光电转换部阵列单元使用一维CCD以外的二维CCD的情况。在一维CCD中，入射角几乎没有变化而波长变化，相对于此，在二维CCD中，入射角和波长分别独立变化。也就是，在二维CCD的情况下，信息量增多，可进行更高精度的计测。
第二实施方式参照图16A、图16B～图27详细说明编入了距离抖动对策的分光椭圆偏振仪的实施方式。此外，表示本实施方式的整个单入射角分光椭圆偏振仪的结构图、运算处理部的电气结构图、用于膜厚测定的基本动作，参照图1和图3等如第一实施方式所示那样。
编入了距离抖动对策的传感头部2的光学结构在图16A、图16B示出。如该图所示，该椭圆偏振仪1具有投光用光学系统和受光用光学系统。
投光用光学系统包括光源(在图示例中为白色光源)301、用于将从光源301发出的光变成准直光的准直透镜302、仅使从准直透镜302射出的准直光中的某些偏振光成分通过的起偏振器303、使从起偏振器303射出的光仅延迟波长的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋转的驱动单元305、会聚通过移相器后的光并照射到基板(试料)5的薄膜5a的膜厚测定点的聚光透镜306。
受光用光学系统包括用于接受照射到基板5上的测定介质光的反射光并变成准直光的准直透镜(受光透镜)308、仅使从准直透镜308射出的准直光中的某些偏振光成分通过的检偏振器309、透过光波长对应纵向各个位置逐渐变化的作为光干涉式的分光组件的倾斜膜311、将多个光电转换部在垂直于入射面的方向(与纸面垂直的方向)上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD310)。倾斜膜311处于覆盖在构成光电转换部阵列单元的一维CCD310的受光面的状态，以其纵向和一维CCD310的像素列方向对应的方式定向。
还有，受光侧光学系统中包含的透镜(在图示例中相当于受光透镜)与光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD)的受光面的距离，以与该透镜的焦距(f)大致一致的方式而设定。
从光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据传送到运算单元(在图示例中，相当于运算处理部3)，由此求取成为测定对象的薄膜5a的膜厚。
作为本实施方式的传感头部的明显特征，可以列举出[1]采用了旋转移相器法的分光椭圆偏振仪，[2]采用干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元，[3]相对于受光透镜在后方焦距配置了一维CCD，[4]在投光侧光学系统配置了移相器。关于[1]、[2]以及[4]，如第一实施方式所示那样，故在此省略其说明。
下面，详细说明[3]点。[3]的特征主要能表现为(1)受光透镜308与一维CCD310的受光面平行；以及(2)受光透镜308与一维CCD310的受光而的距离和受光透镜的焦距f大致一致，换言之，如果相对于受光透镜308，将试料(基板5)侧定义为前方，将一维CCD310侧定义为后方，则一维CCD310的受光面位置为受光透镜308的大致后方焦点位置。并且，根据这种配置，能够实现不受距离抖动影响的光学系统。
距离抖动对策的作用说明图在图17中示出。现在假设，在来自聚光透镜306的光束中，将通过光轴的光线定义为L1。另外，将处于标准高度Href时的基板设为附图标记5(将薄膜设为5a)、将由于距离抖动而下降时的基板设为附图标记5’(将薄膜设为5a’)。另外，将光线L1在基板5被反射的反射光线设为附图标记L11，将在基板5’被反射的反射光线设为L12。进而，将一维CCD310的受光面上的反射光线L11、L12的入射点设为P1。
从而从图中可知，关于同一入射光线L1，即使由于距离抖动而基板上下移动，关于对应的反射光(L11、L12)，也入射到一维CCD310的受光面上的同一个入射点P1。
消除由上述的距离抖动导致的影响的作用是基于以下的原理。根据斯内尔定律，公知如果入射光的角度和试料的法线方向被确定，反射角就被唯一确定。
如图18所示，当考虑光线L1以入射角θ入射到试料的状况时，此时，即使由于距离抖动产生试料的上下变动ΔL，因为入射光线L1的角度θ和试料的法线L01、L02、L03、L04的方向不变，所以判断反射角也不变。可是，当产生距离抖动时，伴随着反射面的平行移动，因为反射的点如P11、P12、P13、P14那样移动，所以反射光线L11、L12、L13、L14也平行移动。
在这里，假定分别具有不同入射角θ1、θ3、θ2的3条入射光线L1、L3、L2。此时，当产生距离抖动(标准高度的基板5、下降位置的基板5’、上升位置的基板5”)时，如图19～图21所示，各个入射光线L1、L3、L2，分别产生平行的3条反射光线(L10、L11、L12)、(L30、L31、L32)、(L20、L21、L22)。
如上所述，因为受光透镜和一维CCD的受光面的距离，与受光透镜308的焦距f大致一致，如图22所示，这3组平行光线(L10、L11、L12)、(L20、L21、L22)、(L30、L31、L32)聚拢在一维CCD310的受光面上的3个点P1、P2、P3。即，能够理解，即使产生距离抖动，因为与经由一维CCD310的输出信号s2被观测的波形对应的反射光强度分布没有变化，所以可以进行正常的膜厚测定。
但是，因为通常在受光透镜308有象差，所以即使假设受光透镜308和一维CCD310的受光面310a平行，并且两者的距离与受光透镜的焦距f完全一致，如图23所示，各组的平行光线的聚光点，在严格意义上不会聚拢到受光面上的一点。表达为“～和焦距f大致一致～”就是因为意识到了这种情况。
为了明确，在图24表示与本发明不同，在受光侧光学系统配置移相器304A，并具有距离抖动的情况。现在假设在来自聚光透镜306的光束中，将光轴的光线定义为L1。另外，将处于标准高度Href时的基板设为附图标记5(将薄膜设为5a)，并将通过距离抖动而下降时的基板标有附图标记5’(将薄膜设为5a’)。另外，将光线L1在基板5被反射并通过准直透镜308之后的光线设为附图标记L11，将在基板5’通过准直透镜308之后的光线设为L12’。另外，将光线L11通过移相器304A之后的光线设为L11’，将光线L12通过移相器304A之后的光线设为L12’。
由图24可知，光线L12向移相器304A入射的角度θ1和光线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’中的偏振光状态也不相同。因此可知，在受光侧光学系统配置移相器，不能实现抗距离抖动能力强的光学系统。
在图25表示在受光侧系统配置移相器并存在角度抖动的情况。现在假设，在来自聚光透镜的光束中，将处于标准角度A1时的入射到CCD310的光线设为L1、将处于角度A2时的入射到CCD310的光线设为L2。另外，将光线L1处于标准角度A1时的在基板5被反射的光线设为L11、将光线L2处于角度A2时的在基板5被反射的光线设为L21。此时，光线L11和光线L21一致。即，可知，入射到CCD310的光线，在没有角度抖动的情况和存在角度抖动的情况一致。其结果是，入射到移相器的角度也变得相等，偏振光状态也变得相同。因此，在受光侧光学系统配置移相器304A的情况下，只要能够计算出入射到CCD310的光线的入射角，就能够实现抗角度抖动能力强的光学系统。
由上述可知，在受光侧光学系统配置移相器304A的情况下，虽然能够实现抗角度抖动能力强的光学系统，但是不能实现抗距离抖动能力强的光学系统。也就是，因为不能实现抗角度抖动以及距离抖动这两者能力强的光学系统，所以在线计测是不可能的。
接着，图26表示在投光侧光学系统中配置移相器，并具有距离抖动的情况。现在假设，将处于标准高度Href时的基板设为附图标记5(将薄膜设为5a)、并将由于距离抖动而下降时的基板设为附图标记5’(将薄膜设为5a’)。另外，将在附图标记5反射的光线设为L1、将在附图标记5’反射的光线设为L2。
从该图可知，在没有距离抖动的情况和有距离抖动的情况下，入射到移相器304的光线一致。因此，在没有距离抖动的情况和有距离抖动的情况下，偏振光状态相同。因此，在投光侧光学系统配置移相器的情况下，能够实现抗距离抖动能力强的光学系统。此外，本实施方式的应用例能够适用第一实施方式所示的应用例。
第三实施方式接着，参照图27～图29A、图29B详细说明编入了角度抖动的椭圆偏振仪的实施方式。此外，表示本实施方式的整个单入射角分光椭圆偏振仪的结构图、运算处理部的电气结构图、用于膜厚测定的基本动作，如第一实施方式(图3、图5等)所示那样。
编入了角度抖动对策的传感头部的光学结构在图28A、图28B中示出。如该图所示，该椭圆偏振仪具有投光用光学系统和受光用光学系统。
投光用光学系统包括光源(在图示例中为白色光源)301、用于将从光源301发出的光变成准直光的准直透镜302、仅使从准直透镜302射出的准直光中某些偏振光成分通过的起偏振器303、使从起偏振器303射出的光仅延迟波长的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋转的驱动单元305、会聚通过移相器后的光并照射到基板(试料)5的薄膜5a的膜厚测定点的聚光透镜306。
受光用光学系统包括用于接受照射到基板5上的测定介质光的反射光并变成准直光的准直透镜(受光透镜)308、仅使从准直透镜308射出的准直光中某些偏振光成分通过的检偏振器309、透过光波长对应纵向的各个位置而逐渐变化的作为光干涉式的分光元件的倾斜膜311、将多个光电转换部在垂直于入射面的方向(和纸面垂直的方向)上配制成阵列状而成的光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD310)。倾斜膜311处于覆盖在构成光电转换部阵列单元的一维CCD310的受光面的状态，以其纵向和一维CCD310的像素列方向对应的方式定向。
还有，受光侧光学系统所包含的透镜(在图示例中相当于受光透镜)和光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD)的受光面的距离，以与该透镜的焦距(f)大致一致的方式设定。
从光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据被传送到运算单元(在图示例中，相当于运算处理部3)，由此求取成为测定对象的薄膜5a的膜厚。
进而，在投光侧光学系统包括第一特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元的功能的第一狭缝313A)，该第一特征化单元对测定介质光赋予这样一种特征，即以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动，进一步还包括第二特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元的功能的第二狭缝313B)，该第二特征化单元赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征。
另外，在上述受光侧光学系统中包括倾斜检测用光电转换单元(在图中为一维CCD314)，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光并检测出其所包含的上述第一特征化单元的特征。
另外，运算单元中包括基于由第一光电转换单元检测出的试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元；基于由倾斜检测用光电转换单元检测出的试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元。此外，关于用于运算处理部3中的膜厚测定的详细处理如在第一实施方式说明的那样。
作为本实施方式的传感头部的显著特征可以列举出(1)采用了旋转移相器法的分光椭圆偏振仪，(2)采用了干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元，(3)配置了赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元，(4)配置了赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元，(5)在投光侧光学系统配置了移相器。
关于(1)、(2)，如在第一实施方式所示的那样，故省略其说明。下面，针对(3)以及(4)点进行说明。如先前说明过的那样，当这种椭圆偏振仪中产生角度抖动时，经由一维CCD观测的波形的像素列方向两端偏离标准位置。因为在此状态不能在运算处理部正常地进行波形处理，所以需要在用于测定膜厚的运算处理之前，正确计算出在一维CCD接受的光线的相对于试料的入射角。
关于(3)和(4)点，如图28A、图28B所示，关联于(1)在聚光透镜的入射侧配置具有边缘整形单元功能的狭缝板313，入射光的剖面被边缘整形，被赋予主要检测水平方向角度抖动用的标准光轴Lref0、Lref1以及主要检测垂直方向角度抖动用的标准光轴Lref2、Lref3的特征，(2)经由一维CCD314检测出反射光的标准光轴Lref0’、Lref1’的到达点Pref0、Pref1，(3)经由一维CCD310检测出反射光的标准光轴Lref2’、Lref3’的到达点Pref2、Pref3，(4)基于检测出的入射点Pref0、Pref1，修正来自一维CCD314的输出信号s2所包含的试料的主要水平方向角度抖动导致的误差成分，(5)基于检测出的入射点Pref0、Pref1，修正来自一维CCD310的输出信号s2所包含的试料的主要垂直方向角度抖动导致的误差成分。
记述为“主要”是因为在产生水平方向角度抖动以及垂直方向角度抖动的情况下，到达点Pref0、Pref1受到垂直方向角度抖动的影响多少会有些变动，同样，到达点Pref2、Pref3也受到水平方向角度抖动的影响多少会有些变动。
即，在配置在投光光学系统中的作为边缘整形单元的狭缝板313上，如图29A所示，在其中央部形成有矩形开口313a，由该矩形开口313a的上下边部313b、313c决定入射角范围(θ0～θ1)，换言之，测定介质光以两根标准光轴Lref0、Lref1为特征。
这两根标准光轴Lref0、Lref1在试料被反射，成为反射光的标准光轴Lref0’、Lref1’，入射到一维CCD的受光面上的像素位置Pref0、Pref1。通过将一维CCD314的输出信号用例如相当暗电平的阈值来二值化，能容易地检测出这些入射点的像素坐标Rref0、Rref1。
因此，经由一维CCD314的各像素观测上下边部313b、313c的入射角，通过观察像素位置从标准位置的差异，主要检测出水平方向角度抖动，并且能够确定入射到一维CCD310的光线的入射角。在这里标准位置是指，如在图28A中Pref0、Pref1所示的那样，在不存在角度抖动的状态下测定了的像素位置。
同样，由矩形开口313a的左右边部313d、313e决定入射角范围，换言之，测定介质光以有两根标准光轴Lref2、Lref3为特征。
这两根标准光轴Lref2、Lref3在试料被反射，成为反射光的标准光轴Lref2’、Lref3’，入射到一维CCD310的受光面上的像素位置Pref2、Pref3。通过将一维CCD314的输出信号用例如相当暗电平的阈值来二值化，能容易地检测出这些入射点的像素坐标Rref2、Rref3。
因此，经由一维CCD310的各像素观测左右边部313d、313e的入射角，通过观察像素位置从标准位置的差异，主要检测出垂直方向角度抖动，并且能够确定入射到一维CCD1的光线的入射角。在这里标准位置是指，如在图28B中Pref2、Pref3所示，是在不存在角度抖动的状态下测定了的像素位置。
在产生水平方向角度抖动以及垂直方向角度抖动的情况下，严格的讲，到达点Pref0、Pref1、Pref2、Pref3每一个都会受到水平方向角度抖动以及垂直方向角度抖动造成的影响。
下面，表示产生水平方向角度抖动以及垂直方向角度抖动的情况下的在一维CCD310接受的光线的相对于试料的入射角的算出方法。
将水平方向角度抖动设为θ1，将垂直方向角度抖动设为θ2，将偏离一维CCD1的标准位置的像素位置设为P1，将偏离一维CCD2的标准位置的像素位置设为P2，表示为P1＝F(θ1，θ2) …式(16)
P2＝G(θ1，θ2) …式(17)也就是，通过解答式(16)、式(17)的联立方程式，能够计算出θ1，θ2。此外，计算出θ1，θ2的方法也可以利用拟合等的数值解析等。并且，通过根据θ1，θ2数学意义上跟踪本实施方式的光线，能够计算出在一维CCD受光的光线相对于试料的入射角。换言之，通过检测水平方向以及垂直方向角度抖动，能够计算出在一维CCD接受的光线的更正确的入射角。其结果是，可以进行正确的膜厚测定，能够实现抗水平方向角度抖动以及垂直方向角度抖动能力强的光学系统。
此外，在该例中，边缘整形单元(狭缝板)配置在聚光用透镜附近的光源侧，但是配置在透镜附近的基板侧也能得到同样的作用。另外，在本实施方式中，使用了狭缝板作为用于赋予标准光轴特征的边缘整形单元，但是，也可以取而代之，使用图29B所示的小孔板313’等其他的边缘整形单元。此外，313a’是小孔。
接着，针对[5]点进行说明。在投光侧光学系统配置移相器304，将具有角度抖动的情况表示在图27。现在假设，在来自聚光透镜的光束中，将处于标准角度A1时的入射到CCD310的光线设为L1，将处于角度A2时的入射到CCD310的光线设为L2。另外，将光线L1在处于标准角度A1时的基板被反射的光线设为L11，将光线L2在处于角度A2时的基板被反射的光线设为L21。此时，光线L11和光线L21一致。另外，由于光线L1和光线L2是平行光，入射到移相器的角度变得相等，偏振光状态也变得相同。因此，在受光侧光学系统配置移相器的情况下，能够实现抗角度抖动能力强的光学系统。此外，本实施方式的应用例能够适用在第一实施方式示出的应用例。
第四实施方式参照图30A、图30B～图33详细说明编入了距离抖动以及角度抖动的分光椭圆偏振仪的实施方式。此外，表示本实施方式的整个单入射角分光椭圆的结构图、运算处理部的电气结构图、用于膜厚测定的基本动作如第一实施方式所示那样。
如该图30A、图30B所示，该椭圆偏振仪具有投光用光学系统和受光用光学系统。
投光用光学系统包括光源(在图示例中为白色光源)301、用于将从光源301发出的光变成准直光的准直透镜302、仅使从准直透镜302射出的准直光中某些偏振光成分通过的起偏振器303、使从起偏振器303射出的光仅延迟波长的四分之一相位的移相器304、使移相器304旋转的驱动单元305、会聚通过移相器后的光并照射到基板(试料)5的薄膜5a的膜厚测定点上的聚光透镜306。
受光用光学系统包括用于接受照射到基板5上的测定介质光的反射光并变成准直光的准直透镜(受光透镜)308、仅使从准直透镜308射出的准直光中某些偏振光成分通过的检偏振器309、透过光波长对应纵向的各个位置逐渐变化的作为光干涉式的分光元件的倾斜膜311、将多个光电转换部在垂直于入射面的方向(与纸面垂直的方向)上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD310)。倾斜膜311处于覆盖在构成光电转换部阵列单元的一维CCD310的受光面上的状态，以其纵向和一维CCD310的像素列方向对应的方式定向。
受光侧光学系统所包含的透镜(在图示例中相当于受光透镜)和光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD)的受光面的距离以与该透镜的焦距(f)大致一致的方式设定。
从光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据被传送到运算单元(在图示例中相当于运算处理部3)，由此求取成为测定对象的薄膜5a的膜厚。
在投光侧光学系统中包括有第一特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元功能的第一狭缝313A)，该第一特征化单元对测定介质赋予这样一种特征，该特征是以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动，还包括第二特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元功能的第二狭缝313B)，该第二特征化单元赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征。
在上述受光侧光学系统中包括有倾斜检测用光电转换单元(在图中为一维CCD314)，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光并检测出其所包含的上述第一特征化单元的特征。
另外，运算单元中包括基于由第一光电转换单元检测出的试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元；基于由倾斜检测用光电转换单元检测出的试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元。此外，关于用于运算处理部3中的膜厚测定的详细处理如在第一实施方式说明的那样。
作为本实施方式的传感头部的显著特征可以列举出(1)采用了旋转移相器法的分光椭圆偏振仪，(2)采用了干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元，(3)相对于受光透镜，在后焦距处配置了第一光电转换阵列单元(在图示例中相当于一维CCD1)，(4)配置了赋予在以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元，(5)配置了赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元，(6)以焦点落在倾斜检测用光电转换阵列单元(在图例中相当于一维CCD314)的受光面上的方式配置了倾斜检测用光电转换阵列单元，(7)在投光侧光学系统配置了移相器。
关于(1)、(2)如第一实施方式所示那样，关于(3)如第二实施方式所示，关于(4)、(5)如第三实施方式所示，关于(7)如第二、三实施方式所示那样，所以在这里省略其说明。
下面，在针对(6)点进行说明之前，说明兼用距离以及角度抖动对策的情况的作用。兼用距离以及水平方向角度抖动对策的情况的作用说明图(之1～之3)在图31～图33示出。图31～图33是本实施方式(图30A、图30B)中省略了一维CCD314的图。
首先，如参照图19～图22说明过的那样，只要满足受光透镜308和一维CCD310的受光面315的光路上的距离与受光透镜的焦距f大致一致的条件，入射到受光透镜310的平行光线就会聚入射到一维CCD310的受光面315平面上的一点。
在这里，参照图31～图33可知，只要水平方向偏移角Δθ恒定，不管有无距离抖动，来自处于各高度位置(上升高度、标准高度、下降高度)的基板的5”、5、5’的三组反射光(L10、L11、L12)、(L20、L21、L22)、(L30、L31、L33)无论在哪一组中都保持相互平行的关系。
因此，在该实施方式中，因为相对于入射光L1、L2、L3的反射光(L10、L11、L12)、(L20、L21、L22)、(L30、L31、L33)必定会聚在一维CCD310的受光平面上的3个点P1、P2、P3，所以能够实现不受距离抖动的影响的光学系统。
同样，即使对于垂直方向角度偏移，只要满足受光透镜308和一维CCD310的受光面315的距离与受光透镜308的焦距f大致一致的条件，入射到受光透镜308的平行光线就会聚入射到一维CCD310的受光面315上的一点。
下面，针对[6]点进行说明。即使在本实施方式(图30A、图30B)中的一维CCD314，可以说也与上述同样。也就是，只要满足受光透镜308和一维CCD314的受光面的光路上的距离与受光透镜的焦距f大致一致的条件，入射到受光透镜308的平行光线就会聚入射到一维CCD310的受光面315上的一点。其结果是，能够实现不受距离抖动影响的光学系统。
此外，关于产生水平方向角度抖动以及垂直方向角度抖动时的入射角的算出方法，如第三实施方式所示那样。
因此，根据本实施方式，不管试料的距离抖动以及角度抖动如何，都能高精度地测定试料的单层薄膜或者多层薄膜的膜厚/膜质。特别是根据本实施方式，关于距离抖动的校正在由一维CCD310观测的时刻已经完成，由距离抖动导致的观测波形的变化被消除。因此，观测波形发生变化的主要原因只是角度抖动，只要在运算处理部执行校正起因于角度抖动的误差成分的处理(计算出正确的入射角的处理)就可以完成。
像这样，由于距离抖动以及角度抖动在相互独立的过程中被校正，所以如由运算处理部在同一过程中校正起因于这两种抖动的观测波形的变化时那样，产生两个校正处理相互竞争而运算处理不会结束这样不好的情况不会发生。另外，即使点径变大，试料的距离抖动以及角度抖动的理论也成立，能够实现抗距离抖动以及角度抖动能力强的光学系统也是特征之一。
其结果是，根据本实施方式，放宽设置条件(距离/角度抖动)，不需要以往所必需的自聚焦功能、或者测定前的台的焦距以及倾斜调整。同时，也可以实现装置的小型化，提供一种适合在线计测的装置。此外，本实施方式的应用例可以适用第一实施方式示出的应用例。
第五实施方式接着，参照图34A、图34B～图36详细说明编入了小型化技术、分离检测出S偏振光以及P偏振光、并通过反射率比来计测膜厚或者膜质的偏振光解析装置的实施方式。此外，表示本实施方式的整体的结构图、运算处理部的电气结构图如第一实施方式所示那样。
编入了小型化技术的传感头部的光学结构在图34A、图34B中示出。此外，在图34A、图34B的光学系统结构图中，由于对与先前的实施方式相同的部分标有相同的附图标记，从而省略说明。
作为本实施方式的传感头部的显著特征可以列举出采用了干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元。参照图34A、图34B说明用于膜厚测定的基本动作。
从光源301发出的测定介质光经由准直透镜302，在聚光透镜306的作用下，会聚照射在成为测定对象的基板5上的薄膜5a上。试料的膜厚测定点置于入射光的大致聚光位置。此时，具有θ0～θ1范围的连续的入射角成分的测定介质光向试料入射。
经由聚光透镜入射的测定介质光在试料被反射。从试料的膜厚测定点到来的测定介质光的反射光中，入射角为θ2的光，经由准直透镜308、偏振光分光器318、倾斜膜316a、317a，在受光透镜308的作用下，S偏振光成分被导向一维CCD316的受光面，P偏振光成分被导向一维CCD317的受光面。
由此，由一维CCD316以及一维CCD317发送出相当于将各受光元件(像素)的受光量数据串行排列而成的一维CCD316以及一维CCD317的输出信号s2。基于该一维CCD输出信号s2，观测在入射角(θ2)与波长对应的反射光强度分布。
此时被观测的反射光强度分布是对应于波长的量。并且，计算出S偏振光的反射率和P偏振光的反射率的比(实测值Rs/Rp)。同时在运算处理部3计算出理论值的S偏振光的反射率和P偏振光的反射率的比(理论值Rs/Rp)，最后，可以通过对比实测值和理论值求取膜厚。实测值Rs/Rp通过获取一维CCD1的强度分布波形和一维CCD2的强度分布波形的比来计算出。理论的Rs、Rp的算出如第一实施方式所示那样。
最终，将下面的绝对反射率比R作为理论值来使用
S/P偏振光绝对反射率比R＝|Rp|/|Rs| …式(18)通过计算各波长，获得波长依存光谱。
并且，通过将氧化膜701的膜厚值d作为参数而将实测光谱与后述的倾斜膜的半幅值校正处理后的理论光谱(表格数据)(参照图35)进行比较，能够计算出膜厚值d。
作为运算处理部3的CPU31中的膜厚的计算处理方法，可以利用曲线拟合法。如先前说明那样，所谓曲线拟合法，是将预先计算并作为表格而存储的相对于各膜厚的后面所述的倾斜膜半幅值校正处理后的理论值的S/P偏振光绝对反射率比R的波形数据(表格数据)、与根据测定的受光量数据算而计算出的实测值的R的波形数据进行比较，通过最小二乘法提取出误差最小的数据，将该波形数据的膜厚作为成为测定对象的薄膜的膜厚的方法。作为膜厚的计算处理方法，除此以外也可以利用如极值试探法或者对S/P偏振光绝对反射率比R加权那样的膜厚的计算方法。
预先，由键盘等的输入输出部输入成为测定对象的薄膜的折射率n、以及r0-r1时，在运算部，以入射角运算相对于膜厚以及波长λ各值的相位差Δ、振幅比ψ的值，将这些值作为表格保存在运算部内的存储器中。图35表示这样的表格的例子。
关于曲线拟合，按照图36的流程图执行。即，首先，CPU31，取得由A/D转换部33数字化了的测定数据，计算出相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)的实测值(STEP1)。接着，将膜厚d作为最小膜厚dx(STEP2)，使用图8以及图9的理论表格，在从λp到λq的波长范围内，以增量Δλ，计算膜厚d＝dx中的理论值的相位差Δdx(λ)、振幅比ψdx(λ)和实测值的相位差Δex(λ)、振幅比ψex(λ)的差的平方[Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-Ψdx(λ)]2，求取其和评估式P(d)＝∑([Δex(λ)-Δdx(λ)]2+[ψex(λ)-ψdx(λ)]2)(STEP3)，并存储在存储器内。此外，拟合中的评估式P(d)只要是表示理论值和实测值的差的式子即可，也可以是其他的算式。
这样，使膜厚d的值按Δd逐渐增加，直到膜厚d达到最大膜厚dy(STEP5)，求取此时膜厚中的理论数据和测定数据的差的平方和(STEP3)，并存储在存储器内。
这样，到最大膜厚dy为止平方和的计算结束时(STEP5为“是”时)，从存储在存储器的膜厚范围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)，将此时的膜厚dz作为测定膜厚(STEP7)。
第六实施方式接着，参照图37A、图37B详细说明编入了小型化技术、并分离检测出抗距离抖动能力强的S偏振光以及P偏振光、并通过反射率比来计测膜厚或者膜质的偏振光解析装置的实施方式。此外，表示本实施方式的整体的结构图、运算处理部的电气结构图如第1实施方式所示，膜厚计测的基本动作如第5实施方式所示那样。
编入了距离抖动对策的传感头部的光学结构在图37A、图37B示出。在图中，由于对和先前的实施方式相同的部分标有相同的附图标记，省略说明。
作为本实施方式的传感头部的显著特征可以列举出(1)采用了干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元；(2)相对于受光透镜，在光路上的后焦距处配置了一维CCD1、一维CCD2；(3)在投光侧光学系统中配置了移相器。关于这些的各个特征(1)～(3)，如第一以及第二实施方式说明的那样。
第七实施方式接着，参照图38A、图38B详细说明编入了小型化技术、并分离检测出抗角度抖动能力强的S偏振光以及P偏振光、并通过反射率比来计测膜厚或者膜质的偏振光解析装置的实施方式。此外，表示本实施方式的整体的结构图、运算处理部的电气结构图，如第一实施方式所示那样。
编入了角度抖动对策的传感头部的光学结构在图38A、图38B示出。此外，在图中，由于对和先前的实施方式相同的部分标有相同的附图标记，省略说明。
该分光偏振光解析单元包括投光用光学系统，其由相对于试料的膜后测定点而将测定介质光变成准直光的准直透镜302、和会聚来自光源(在图示例中为白色光源)301的光并照射到基板5(试料)的薄膜5a的膜后测定点的聚光用透镜306构成；受光侧光学系统，其包括将介质光的反射光变成准直光的准直透镜(受光透镜)308、分离成S偏振光和P偏振光的偏振光分光器318、将倾斜膜和多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的用于检测出S偏振光的第一光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD316)以及用于检测出P偏振光的倾斜检测用光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD317)；运算单元(在图示例中相当于运算处理部3)，其基于从光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，求取成为测定对象的膜厚。
并且，在投光侧光学系统包括第一特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元功能的狭缝313A)，该第一特征化单元对上述测定介质光赋予这样一种特征，该特征是以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动，还包括第二特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元功能的狭缝313B)，该第二特征化单元赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征。
在上述受光侧光学系统中包括倾斜检测用光电转换单元(在图中相当于一维CCD319)，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光并检测出其所包含的上述第一特征化单元的特征。
运算单元中包括基于由上述第一光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元；基于由倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元。此外，关于运算处理部3中的用于膜厚测定的详细处理如第一实施方式说明的那样。
作为本实施方式示出的传感头部的显著特征可以列举出(1)采用了干涉方式的分光元件(倾斜膜)作为分光单元，(2)配置了赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元，(3)配置了赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征的特征化单元，(4)在投光侧光学系统配置了移相器。
关于(1)，已在第一实施方式示出，关于(2)以及(3)，已在第四实施方式示出，关于(4)，已在第三实施方式示出，故省略说明。此外，本实施方式的应用例可以适用第一实施方式示出的应用例。
第八实施方式接着，说明编入了小型化技术、分离检测出抗距离抖动以及角度抖动能力强的S偏振光以及P偏振光、根据反射率比计测膜厚或者膜质的偏振光解析单元的实施方式。此外，表示实施方式的整体的结构图、运算处理部的电气结构图如第一实施方式所示那样。
编入了距离以及角度抖动对策的传感头部的光学结构在图39A、图39B表示。该分光偏振光解析单元包括投光用光学系统，其包括相对于试料的膜厚测定点而将测定介质光变成准直光的准直透镜302、和会聚来自光源(在图示例中为白色光源)301的光并照射到基板(试料)5的薄膜5a的膜后测定点的聚光用透镜306；受光侧光学系统，其包括将介质光的反射光变成准直光的准直透镜(受光透镜)308、分离成S偏振光和P偏振光的偏振光分光器318A、将倾斜膜和多个光电转换部在垂直于入射面的方向配置成阵列状而成的用于检测出S偏振光的第一光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD316)以及用于检测出P偏振光的倾斜检测用光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD317)；运算单元(在图示例中相当于运算处理部3)，其基于从光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，求取成为测定对象的膜厚。
进而，在投光侧光学系统包括第一特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元功能的狭缝313A)，该第一特征化单元对上述测定介质光赋予这样一种特征，该特征是以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动，还包括第二特征化单元(在图示例中，相当于具有边缘整形单元功能的狭缝313B)，该第二特征化单元赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征。
在受光侧光学系统中包括倾斜检测用光电转换单元(在图中一维CCD319)，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光并检测出其所包含的上述第一特征化单元的特征。
运算单元中包括基于由第一光电转换单元检测出的试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元；基于由倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元。
还有，受光侧光学系统所包含的透镜(在图示例中相当于受光透镜308)和第一倾斜检测用光电转换部阵列单元(在图示例中相当于一维CCD316、一维CCD317)的受光面的光路上的距离，以与该透镜的焦距(f)大致一致的方式设定。此外，关于运算处理3中的用于膜厚测定的详细处理，如第一实施方式说明的那样。
第九实施方式接着，参照图40说明利用了第一实施方式～第八实施方式的任意一个的适用例。图示的内容表示在半导体产品或FPD等这样的伴随成膜过程的产品的制造生产线内的使用例。在图中，401是过程装置，402是控制器，403是微型计算机等电脑，404是编入了本发明的计测装置(传感器)，405是宽度方向移动引导件，406是生产线方向的移动引导件。根据该适用例，首先，在生产线上流动的产品上配置传感器(本发明装置)，在线对全部产品收集数据，将数据传送到微型计算机等电脑403中。接着，在电脑403记录传送来的数据，并解析记录的数据。最后，将解析的结果反馈到制造生产线内的过程装置401的控制器402中，从而能够改善过程并提高成品率。
根据本发明的分光计测装置，在实现小型化的同时，能够获得对距离抖动、水平方向角度抖动和垂直方向角度抖动的抗耐性，由此能够实现适于例如半导体制造过程或FPD制造过程等中的在线计测的分光计测装置。
权利要求
1.一种分光计测装置，是对试料照射测定介质光并接受反射光，通过检测出相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化，求取该试料的膜厚或者膜质的计测装置，其特征在于，具有投光侧光学系统，其将包含各种方位角度成分的测定介质光会聚并照射到试料表面；受光侧光学系统，其包括将多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元、透镜和通过透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件，上述分光元件设置在上述光电转换部阵列单元的前面，以上述透镜和上述光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行配置，经上述透镜通过上述光电转换部阵列单元接受来自试料的反射光；运算部，其基于从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，使相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化量对应于上述分光元件的透过波长，并进行解析而获得实测分光波形，同时，计算出根据假设的膜厚和/或膜质而理论计算的理论分光波形，通过上述实测分光波形和上述理论分光波形的拟合，求取膜厚或者膜质；进而上述投光侧光学系统中包含有特征化单元，该特征化单元对上述测定介质光赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征，上述受光侧光学系统中包含有倾斜检测用光电转换单元，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光，并检测出其所包含的上述试料的倾斜变动的特征；上述运算单元中包含有受光量数据校正单元，该受光量数据校正单元基于由上述倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分。
2.一种分光计测装置，是对试料照射测定介质光并接受反射光，通过检测出相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化，求取该试料的膜厚或者膜质的计测装置，其特征在于，具有投光侧光学系统，其将包含各种方位角度成分的测定介质光会聚并照射到试料表面；受光侧光学系统，其包括将多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元、透镜和通过透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件，上述分光元件设置在上述光电转换部阵列单元的前面，以上述透镜和上述光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行配置，经上述透镜通过上述光电转换部阵列单元接受来自试料的反射光；运算部，其基于从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，使相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化量对应于上述分光元件的透过波长，并进行解析而获得实测分光波形，同时，计算出根据假设的膜厚和/或膜质而理论计算的理论分光波形，通过上述实测分光波形和上述理论分光波形的拟合，求取膜厚或者膜质；进而上述投光侧光学系统中包含有特征化单元，该特征化单元对上述测定介质光赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾角变动的特征，上述运算单元中包含有受光量数据校正单元，该受光量数据校正单元基于由上述光电转换部阵列单元检测出的上述试料的倾角变动的特征，修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分。
3.一种分光计测装置，是对试料照射测定介质光并接受反射光，通过检测出相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化，求取该试料的膜厚或者膜质的计测装置，其特征在于，具有投光侧光学系统，其将包含各种方位角度成分的测定介质光会聚并照射到试料表面；受光侧光学系统，其包括将多个光电转换部在垂直于入射面的方向上配置成阵列状而成的光电转换部阵列单元、透镜和通过透过位置而使透过光波长逐渐变化的光干涉式的分光元件，上述分光元件设置在上述光电转换部阵列单元的前面，以上述透镜和上述光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行配置，经上述透镜通过上述光电转换部阵列单元接受来自试料的反射光；运算部，其基于从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据，使相对于所照射的光的反射光的偏振光状态的变化量对应于上述分光元件的透过波长，并进行解析而获得实测分光波形，同时，计算出根据假设的膜厚和/或膜质而理论计算的理论分光波形，通过上述实测分光波形和上述理论分光波形的拟合，求取膜厚或者膜质；进而上述投光侧光学系统中包含有第一特征化单元，该第一特征化单元对上述测定介质光赋予以垂直于入射面的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动的特征，还包含有第二特征化单元，该第二特征化单元赋予以入射面和测定对象面相交的直线为中心轴而旋转的方向上的试料的倾斜变动，上述受光侧光学系统中包含有倾斜检测用光电转换单元，该倾斜检测用光电转换单元用于接受从上述试料的膜厚计测点到来的测定介质光的反射光，并检测出其所包含的上述第一特征化单元的特征，以上述受光侧光学系统中所包含的上述透镜与倾斜检测用光电转换部阵列单元的上述受光面之间的距离与该透镜的焦距大致一致的方式进行设定，上述运算单元中包含有基于由上述光电转换阵列单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元，还包含有基于由上述倾斜检测用光电转换单元检测出的上述试料的倾斜变动的特征而修正从各光电转换部获得的一系列的受光量数据中所包含的由于试料的倾斜变动导致的误差成分的受光量数据校正单元。
4.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，上述特征化单元是在上述测定介质光的剖面轮廓中、将相当于试料的倾斜标准的部分进行边缘整形的剖面轮廓整形单元。
5.如权利要求2所述的分光计测装置，其特征在于，上述特征化单元是在上述测定介质光的剖面轮廓中、将相当于试料的倾斜标准的部分进行边缘整形的剖面轮廓整形单元。
6.如权利要求3所述的分光计测装置，其特征在于，上述特征化单元是在上述测定介质光的剖面轮廓中、将相当于试料的倾斜标准的部分进行边缘整形的剖面轮廓整形单元。
7.如权利要求6所述的分光计测装置，其特征在于，上述剖面轮廓整形单元至少包括狭缝、小孔、或者刃状物。
8.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，上述光源是白色发光二极管光源。
9.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，试料上的点径小于等于1mm。
10.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，使用二维阵列单元作为上述记载的光电转换部阵列单元。
11.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，计算出理论波形的运算部包括消除上述记载的分光元件的波长分辨率导致的误差的处理。
12.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，试料基板是透明基板时，运算部包括通过包含有来自试料基板的背面的反射的光的反射率的理论算式来计算出理论波形的处理。
13.如权利要求12所述的分光计测装置，其特征在于，运算部具有能够输入试料基板是透明基板还是不透明基板的输入单元。
14.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，具备旋转具有延迟相位的功能的移相器的机构，在投光侧光学系统中包括有起偏振器，在受光侧光学系统中包括有检偏振器。
15.如权利要求14所述的分光计测装置，其特征在于，在上述投光侧光学系统中具备着具有延迟相位的功能的移相器。
16.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，从上述投光侧光学系统照射的上述测定介质光中包括两个或两个以上的偏振光成分，并且在上述受光侧光学系统中包括有对应于上述各偏振光成分的两个或两个以上的光电转换部阵列单元、以及用于将从上述试料上的膜厚计测点到来的反射光分离成各偏振光成分并分别导向对应的光电转换部阵列单元的偏振光分离单元。
17.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，计测上述试料的色度。
18.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，计测上述试料的膜厚。
19.如权利要求1所述的分光计测装置，其特征在于，计测上述试料的膜质。
20.如权利要求18所述的分光计测装置，其特征在于，配置在制造生产线上而以在线方式进行计测。
21.如权利要求19所述的分光计测装置，其特征在于，配置在制造生产线上而以在线方式进行计测。
22.如权利要求20所述的分光计测装置，其特征在于，配置在制造生产线上，进行全数检查、并将记录、解析的结果反馈到制造生产线内的装置。
全文摘要
本发明提供一种分光计测装置，其实现小型化，由于具备相对于距离抖动、水平方向角度抖动和垂直方向角度抖动的抗耐性，而适于例如半导体制造过程或FPD制造过程等中的在线计测。在上述光电转换部阵列单元之前具有通过透过位置而逐渐使透过光波长变化的光干涉式的分光元件的同时，基于具有检测出来自试料的反射光的偏振光状态的变化的功能的受光侧光学系统、和从上述光电转换部阵列单元的各光电转换部获得的一系列的受光量数据进行偏振光分析，通过实测波形和理论波形的拟合来求取膜厚或膜质。
文档编号G01N21/21GK1782662SQ20051012901
公开日2006年6月7日 申请日期2005年11月29日 优先权日2004年11月30日
发明者高嶋润, 江川弘一, 村井伟志 申请人:欧姆龙株式会社