JPH01131405A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光の干渉を利用して膜厚を測定する装置に
関するものである。

［従来の技術］ 光の干渉を利用して被測定対象の膜厚を測定するには、
被測定対象に光源よりの光を投光し、その透過光または
反射光を分光して干渉縞（干渉波形）を検出器で検出し
、被測定対象の膜厚を測定している。

［この発明が解決しようとする問題点１しかしながら、
被測定対象の膜厚を測定するには、あらかじめ屈折率が
既知であることが必要であり、被測定対象の種類が変更
となり、屈折率が変わると、これに応じて測定系の屈折
率等の設定値の変更が必要となり、非常に不便であった
。また、操業中に回折率が変動するような膜（たとえば
シリコン拡散膜）の測定は不可能であった。このため、
出願人は、透明膜についての屈折率、膜厚測定装置を同
時に出願する明細書中で述べているが、吸収係数をもつ
不透明膜の測定は困難である。

この発明の目的は、以上の点に鑑み、吸収係数をもつ不
透明膜のような被測定対象の屈折率を自動的に測定して
補正するようにした膜厚測定装置を提供することである
。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、被測定対象に一定角度で光源の光を投光し
、被測定対象からの透過光または反射光のＰ成分および
Ｓ成分の偏光成分に分離された光を分光手段で分光して
検出器で干渉波形を検出し、干渉波形の極大値を与える
Ｐ成分とＳ成分との出力比および極小値を与えるＰ成分
とＳ成分との出力比から屈折率を求め、この屈折率とＰ
成分またはＳ成分の極値を与える波長に基いて膜厚を演
算手段で行うようにした膜厚測定装置である。

［実施例］ 第１図は、この発明の一実施例を示す構成説明図である
。

図において、１は、光源で、光源１からの光は、レンズ
２により、吸収係数をもつ不透明フィルム膜のような被
測定対象３に投光され、被測定対象３を透過または反射
した光は、図示しない駆動手段で回転する偏光板のよう
な偏光手段５によりＰ成分とＳ成分の偏光成分に分離さ
れ、レンズ６を介して回折格子やプリズムのような分光
手段７で分光され、レンズ８を介してＣＯＤのようなイ
メージセンサの検出器９に入射し、Ｐ成分、Ｓ成分につ
いての第２図で示すような干渉縞パターン（干渉波形）
の強度が検出される。この検出器９の出力は、図示しな
い増幅器で増幅され、演算手段１０で所定の演算がなさ
れ、被測定対象３の屈折率ｎ１躾厚ｄが演算される。な
お、偏光手段５により分離された光がＰ成分かＳ成分か
を識別する同期信号も演算手段１０に送られ、演算に利
用される。

第３図で示すように、光源１からの光りは、入射角　１
１、屈折角１２で、被測定対象３の表面、裏面で反射す
る。反射光Ｒ１屈折光りとし、被測定対象３の屈折率ｎ
、吸収係数χ、厚さｄとすれば、たとえばＳ成分、Ｐ成
分の透過率を丁Ｓ、Ｔｐとすると、干渉の結果、次式が
成り立つ。

ＴＩ）−０１６（ｎ　２＋２２）Ｂ１２θ２２／Ｚ＋　
　　　　　　　　　　　　　　（１）Ｔｓ　−ｃｉ　６
　（ｎ　２−１４２）Ｂ１２θ２２、／　Ｚ　　２　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（２＞ここで記号は次の通り。

Ｚｌ−（Ａ１２＋Ｂ＋２）２＋　（Ｃ１２＋８＋２）２
ｅＸｐ　（−２７７χ）＋２　［（Ａｔ２−８＋２＞＜
８＋２−Ｃ＋”　）−４Ａ＋Ｂ、２　Ｃ＋　）ｃｏｓ　
　（ηｎ　）＋２Ｂ＋　　（Ａｔ　　（ａｔ２−Ｃ＋２
＞＋Ｃ＋　　（Ａｔ２−８１２）　）ｓｉｎ　　（ηｎ
　）　］　−ｅｘｐ（−ηχ） Ｚ２−　＜Ａ２２＋８２２）”　＋（Ｃ２２＋Ｂ２２　
）　　２　ｅＸｌ）　　　（−２７７χ　）　　＋２　
　［（Ａ２　２−８２２＞（Ｂ２２−０２２）＋４Ａ２
８２２Ｃ２）ＣＯ３（ηｎ　）　＋２８２　（Ａ２　（
Ｂ２２−Ｃ２２）−Ｃ２（Ａ２２−８２２　）ｓｉｎ　
　（７７ｎ　　）］　　・ｅＸｐ（−ηχ） Ａ＋＝ｎ　　Ｂ１　＋θ２、Ａ２−θｌ＋ｎ　　θ２Ｂ
＋＝χθ１　、　　　　　Ｂ２−χθ２Ｃ＋＝ｎ　　θ
１−θ２、Ｃ２−θｌ　　−ｎ　　θ２θｌ−Ｃ０９ｉ
ｌ　、　　　　　θ２＝ＣＯ！１ｉｉ２η−４πｄθ２
／λ　　　λ：波長 Ｃ：光学系により決まる定数 吸収係数χが小さい場合、χは１より十分小さいとして
χの２次の項を無視すると、（１）、（２）式は次のよ
うになる。

Ｔｐ　−Ｃ１６ｎ　２θ１２θ２２ ／［Ａ１’　＋ＣＩ４　ｅｘｐ　　（−２７７χ）＋２
　＜−Ａ１２Ｃ１２ｃｏｓ　　（ηｎ　）　＋２Ａ＋Ｂ
＋Ｃ＋　　（Ａｔ−Ｃ＋　）ｓｉｎ　　（ηｎ　））・
ｅｘｐ　　（−ηχ）］　　　　　　　　（３）ＴＳ　
−Ｃ１６ｎ　２θ１２θ２２ ／　［Ａ２’　＋Ｃ２’　ｅＸｐ　　（−２７７７４）
＋２　ｔ、−Ａ２２Ｃ２２ｃｏｓ　（ηｎ　）　−２Ａ
２Ｂ２Ｃ２（Ａ２＋Ｃ２）ｓｉｎ　　（ηｎ　））　・
ｅｘｐ　　（−ηχ）］　　　　　　　　　　　＜Ａ４
ＴｐおよびＴｓの極小値付近では、ｓｉｎ　　（ηｎ）
−Ｑ１ＣＯ８（７７０）　−−１なので、（３）、（４
）式は次式となる。

Ｔｐ　−Ｃ１６ｎ　２θ１２θ２２ ／　（Ａ＋２＋０１２ｅＸＤ　　（−７７２：）　）２
Ｔｓ＝Ｃ１６ｎ２θ１２θ２２ ／　（Ａ２２＋Ｃ２２ｅｘｔ）（−７７χ））２この極
小値についての（５）、（６）式の比Ｂは次式となる。

８−ＴＳ　／ＴＯ −（△＋２＋Ｃｌ２ｅｘｐ　　（−７７χ）　）２／（
Ａ２２＋Ｃ２２ｅｘａ　　＜−ηｚ＞　’ｔ２（７）式
のηは、極小波長に対応する。

また、極大値付近では、ｓｉｎ　　＜ηｎ＞−ｏ。

ｃｏｓ（ηｎ）−１なので（３）、（４）式に暴き同様
にしてＳ成分とＰ成分との比について次式％式％ （８）式のηは極大波長に対応する。

（７）、（８）式よりχを消去する。

Ｂ−＜Ａ＋２＋Ｃ＋２　Ｒゞｌ／“） ／　（Ａ２２　＋Ｃ２２Ｒゞ”’）　　　　　（９）こ
こで Ｒ−（Ａ＋　　２−Ｐ　−Ａ　２２　）／　　（Ｃ＋　
ｌ　−Ｐ　・Ｃ２２） である。また、スネルの法則等から ｎ５ｉｎｉ　２−３ｉｎｉｌ θ２＝ｃｏｓｉ２ −ｃｏｓ（ｓｉｎ　　　（ｓ＋ｎｉ１／ｎ））　　　（
１０）となる。

ここで、ｉは設定値で既知（θ１−ｃｏｓｉ１も既知）
、Ｂ、Ｐは測定より求まるので、〈７〉、（８）を与え
る波長が求まれば、（９）式の８は屈折率ｎの関数とな
り、これより屈折率ｎが求まる。なお、（７）、（８）
式はＰについて解いても同様である。

また、（１）式または（２）式の極値を与える適当な最
小波長λ１、最大波長λ２、干渉の各次数をｍ　＋Ｎ、
　ｒａとすると次式が成り立つ。

１＋Ｎ）Ａ１　”　２ｎｄ／ＱＯ８ｉ２　　　　　　（
１１）１λ２　＝　２ｎｄ／ｃｏｓｉ２　　　　　　（
１２）（９）式より蹟を求めて（８）式に代入して整理
すると次式となる。

ｄ−Ｎｃｏｓｉ２λ１λ２／２ｎ　　（λ２−λ１）＝
Ｎｃｏｓｉ２／２ｎ　　（１／λ１−１／λ２）このよ
うに、波長λ１、Ａ２、極値の次数差Ｎ１（９）式等に
より屈折率ｎから被測定対象３の膜厚ｄが求まる。

つまり、分光手段７により検出器９の各素子の波長は決
まっているので、各素子番号と波長との関係を演算手段
１０のメモリに記憶しておく。

そして、測定時、偏光手段５のＰ成分とＳ成分とに分離
したときの第２図のような干渉波長の出力を読み出し、
極小値を与える波長についてのＳ成分とＰ成分の（７）
式の出力比Ｂを演算し、また極大値を与える波長につい
てのＳ成分とＰ成分の（８）式の出力比を演算し、（９
）式の８１入射各　１２を利用して、被測定対象３の屈
折率ｎを求めることができる。

次いで、第２図の干渉波長から、極値を与える素子信号
からメモリを利用して波長λ１、Ａ２を求め極値の差か
ら次数差Ｎを求め、（９）式より求めた屈折率ｎを用い
、被測定対象３の膜厚ｄを求める。

なお、第４図のように偏光手段５を光源１側におき、偏
光した光を被測定対象３に投光するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように、この発明は、２つのＰ成分、Ｓ成分
の偏光成分についての極大値を与えるＰ、Ｓ成分の比、
および極小値を与えるＰＳＳ成分の比を利用して屈折率
ｎを求めているので、吸収係数をもつ不透明膜のような
被測定対象の種類、屈折率が変っても、常に屈折率を自
動的に補正して、正確な膜厚を測定することができる。

また、偏光成分の比から屈折率を求めているので、光路
等による光源定数の変動の影響は除去され、高精度に屈
折率を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第４図は、この発明の一実施例を示す
構成説明図、第３図は、干渉波形の説明図である。 １・・・光源、２．４．６．８・・・レンズ、３・・・
被測定対象、５・・・偏光手段、７・・・分光手段、９
・・・検出器、１０・・・演算手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定対象に一定角度で光を投光する光源と、被測
   定対象からの透過光または反射光のＰ成分およびＳ成分
   の偏光成分に分離された光を分光する分光手段と、この
   分光手段で分光された干渉波形を検出する検出器と、こ
   の検出器の干渉波長の極大値を与えるＰ成分とＳ成分の
   出力比、および極小値を与えるＰ成分とＳ成分の出力比
   から被測定対象の屈折率を求め、この屈折率とＰ成分ま
   たはＳ成分の極値を与える波長に基いて被測定対象の膜
   厚を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする膜厚
   測定装置。 ２、前記被測定物に光を投光する光源側または光が被測
   定物を透過または反射した側に光を偏光成分に分離する
   偏光手段を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の膜厚測定装置。 ３、前記検出器として、イメージセンサを用いたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の膜
   厚測定装置。