JPH04313006A - 膜厚測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁波の干渉を利用し
て膜厚を高精度に測定する方法に関し、詳細には膜の屈
折率が既知の場合は勿論のこと、屈折率が未知の場合で
あっても膜厚を高精度に測定でき、高速測定を必要とす
るオンライン計測に最適な膜厚測定方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】オンラインで膜厚を測定する技術として
、電磁波の吸収を利用したもの（例えばβ線膜厚計，γ
線膜厚計，赤外線膜厚計等）が実用化されているが、い
ずれの技術においても１０μｍ　以下の膜厚を高精度に
測定することは困難である。

【０００３】一方白色光の干渉作用を利用して膜厚を測
定する分光法膜厚計も実用化されている。しかしながら
分光法膜厚計は、測定対象との屈折率が既知でないと膜
厚を求めることができず、しかも屈折率は波長により変
化するので、精度良く膜厚を測定することは困難である
。そればかりか、高価な分光装置が必要となるので、価
格も高くなるという欠点を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした技術
的課題を解決する為になされたものであって、その目的
は、膜の屈折率が既知の場合は勿論のこと、屈折率が未
知の場合であっても膜厚を高精度に測定することのでき
る膜厚測定方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明は、電磁波を屈折率が既知の透光性膜に照射して膜
厚を測定する方法において、単一波長の電磁波を結像素
子によって膜表面上に結像した後、該結像を再び結像素
子を通し、該結像素子の焦点上に配置した撮像素子によ
って撮像し、該撮像素子上の電磁波強度が、電磁波の上
記透光性膜における干渉作用による極値をとる少なくと
も２つの位置を測定し、この情報に基づき膜厚を測定す
る点に要旨を有する膜厚測定方法である。また透光性膜
の屈折率が未知の場合は、極値をとる少なくとも３つの
位置を測定することによって、膜厚および屈折率を測定
することができる。

【０００６】

【作用】本発明は上述の如く構成されるが、要するに単
一波長の電磁波の干渉を利用するものであり、分光分析
法における様な、波長による屈折率変化の影響を除去す
ることができ、また１０μｍ　以下の膜厚でも高精度に
測定することができる。また高価な分光装置を必要とし
ないので、本発明を実施する為の装置構成を安価に達成
できるという利点も有する。更に、本発明を実施する装
置は、機械的可動部を要素とせずとも構成することがで
き、従来の機械的可動部を必要とする膜厚計と比較し、
高速測定が可能な装置を実現することができ、オンライ
ン膜厚計として最適な形態となし得る。

【０００７】図１は本発明の構成を説明する為の概略説
明図であり、図２は本発明の構成における電磁波の干渉
原理を説明する為の図である。尚図１および図２におい
て、ＰＱＲＳは物質Ｉ，ＩＩ（媒体）間に存在する両外
面が平行な平面で構成される透明な膜３である。

【０００８】まず図１に示す様に、単一波長の電子波１
はレンズ等の結像素子２を通り、膜３の表面上のＢ点で
結蔵し、膜３の表面および裏面で反射した後、レンズ等
の結像素子４によって、該結像素子４の焦点上の平面５
に、膜３の表面および裏面で反射した電磁波が干渉像を
結ぶ。そして前記平面５上には、ＣＣＤカメラ等の電磁
波の強度を位置ごとに測定できる撮像素子が配置される
。

【０００９】いま物質Ｉ，ＩＩが空気であるとし、図２
に示す様に、点Ａから結像素子２を通り膜３上の表面Ｐ
Ｑ上の１点Ｂに、電磁波１が入射角θで入射した場合を
考える。尚膜３の膜厚をｄ、空気中での電磁波１の波長
をλ、空気に対する膜３の屈折率をｎ、屈折角をΨとす
る。

【００１０】膜３に照射された電磁波１の一部は点Ｂで
反射して矢印Ｌの方向に進行し、他の電磁波１は屈折角
Ψで膜３に入射して点Ｃに向い、その後点Ｃで反射して
面ＰＱ上の点Ｄで屈折してから矢印Ｍの方向に向かう。 点Ｄで反射した電磁波１の経路ＢＬは、点Ｃ，Ｄを介し
て矢印Ｍの方向に向かう電磁波１の経路ＤＭと平行であ
る。そしてこれらの２つの経路ＢＬ，ＤＭを進行する電
磁波１は結像素子４を通った後平面５上の点Ｅで干渉す
る。

【００１１】ここで電磁波１における２つの経路ＢＬ，
ＢＣＤＭの光学的距離差Δは、点Ｄから経路ＢＬに降し
た垂線の足Ｋとすると、数式１の様に表わせる。

【００１２】

【数１】

【００１３】θとΨの間には数式２の関係があるので、
数式２を数式１に代入して整理すると、数式３が導かれ
る。

【００１４】

【数２】

【００１５】

【数３】

【００１６】いま結像素子４の光軸６から点Ｅまでの垂
直距離をｘとし、結像素子４としてｆθレンズを使用し
たとし、結像素子４における光軸６の膜３の表面ＰＱに
対する傾斜角度をαとすると、これらの関係は数式４の
様に表わせる。尚ここでは結像素子４としてｆθレンズ
を使用する場合を示すが、他のレンズ例えばｆ　ｔａｎ
　θレンズ（通常の凸レンズ）を使用しても良く、この
場合は数式４の関係はｘ＝ｆ．ｔａｎ（θ−　α）　の
様になる。

【００１７】

【数４】

【００１８】さて平面５上の干渉像を観察すると、その
干渉強度は距離ｘによって変化する。そして距離ｘがｘ
ｍのときに反射波の干渉によって強度が極大値（または
極小値）をとり、距離ｘを増加させていって、次の距離
ｘがｘｍ＋１，ｘｍ＋２のときに順次極大値（または極
小値）をとったとする。このとき順次測定された距離ｘ
ｍ，ｘｍ＋１，ｘｍ＋２の夫々に対する光学的距離差Δ
ｍ，Δｍ＋１，Δｍ＋２の間には数式５，６の関係が成
立する。

【００１９】

【数５】

【００２０】

【数６】

【００２１】従って数式２〜６より、数式７および数式
８を得ることができる。

【００２２】

【数７】

【００２３】

【数８】

【００２４】一方数式７，８の関係からは、数式９が得
られる。

【００２５】

【数９】

【００２６】次に数式７〜９の一般式について考える。 いま図３に示す様に、ｘを変化させていったときに、距
離ｘがｘｐで干渉強度が極値をとり、次に更に変化させ
たときに、極大，極小の点をｒ回通りｘｐ＋ｒで再び極
値をとり、更に変化させていったときに、極大，極小の
点をｒ回通り、ｘｐ＋２ｒで再び極値をとったとする。 このとき前記数式７〜９の関係は、一般的に下記数式１
０〜１２の関係に表わすことができる。

【００２７】

【数１０】

【００２８】

【数１１】

【００２９】

【数１２】

【００３０】従って、屈折率ｎが既知の場合は、干渉強
度が極値をとる位置（即ち距離ｘの値）を２箇所求め、
数式１０または１１によって、膜厚ｄを求めることがで
きる。また屈折率ｎが未知の場合には、干渉強度が極値
をとる位置を３箇所求め、まず数式１２によって屈折率
ｎを求めた後、数式１０または１１によって膜厚を求め
ることができる。

【００３１】尚数式１０〜１２を求めるに当たって、図
１および図２に示した場合では、反射波を利用したもの
であるが、本発明は反射波を利用する場合に限らず、例
えば図４に示す様に透過波を利用する場合であっても同
様に前記数式１０〜１２を求めることができる。

【００３２】

【実施例】図５は本発明を実施する為に構成される膜厚
測定装置の一例を示す概略説明図である。レーザ発振器
１１から発振されるレーザは、２つのレンズ１６ａ，１
６ｂで構成されるビームエキスパンダーによってビーム
径が拡げられる。ビーム径が拡げられたビーム光は、レ
ンズ１２によって、試料１３（測定対象膜）上にスポッ
トを結ぶ。 このときレンズ１２と試料１３の位置関係は、レンズ１
２の焦点が試料１３の表面にほぼ一致する様に配置され
ている。

【００３３】試料１３の表面および裏面で反射したレー
ザ光は、レンズ１４ａ，１４ｂで構成されるｆθレンズ
に入り、その後ｆθレンズの焦点面上に配置された撮像
装置１５の撮像素子面上で干渉像を作る。尚撮像装置１
５としては、例えば通常市販の１次元ＣＣＤカメラが使
われるが、これに限定される訳ではない。

【００３４】撮像素子面上における干渉像の情報は、演
算処理装置１７に入力される。演算処理装置１７の構成
例を図６に示す。演算処理装置１７に入力された干渉像
の情報は、まず画像メモリー回路に送られて記憶される
。画像メモリー回路では、前記図３に示した様な、干渉
強度と距離ｘの関係が明確になる様な形態で記憶されて
いる。 画像メモリー回路の情報は、極値検出回路に送られ、干
渉強度が極値をとる位置（図３に示したｘｐ，ｘｐ＋１
，ｘｐ＋２…等）が求められる。

【００３５】これらの位置情報は演算回路に送られ、前
記数式１０〜１２による演算が行なわれ、膜厚ｄまたは
膜厚ｄと屈折率ｎが求められ、これらの値は、出力回路
から出力される。

【００３６】また図５に示した装置は、前記図２にその
原理を示した様な反射波の干渉を利用したものであるが
、前記図４に示す様な透過波の干渉を利用する装置構成
にすることもできる。図５に示した装置構成において、
レンズ１２、ビームエキスパンダーを構成するレンズ１
６ａ，１６ｂ、ｆθレンズを構成するレンズ１４ａ，１
４ｂ等の構成は、収差等を補正する機構が備えるもので
あってもよい。

【００３７】尚図５では、撮像素子面上で干渉像をｆθ
レンズを用いて形成したが、他のレンズ例えばｆｔａｎ
　θレンズ等を用いてもよいのは上述した通りである。 またレーザ発振器１１からの光を試料１３上にスポット
を結ばせるとき、レンズ１２を使用したが、要は試料１
３上にスポットを結ばせた光学系であればよく、他の光
学系であっても構成できる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、膜の屈
折率が既知の場合は勿論のこと、屈折率が未知の場合で
あっても膜厚を高精度に測定することが可能になった。 特に本発明を実施する為の装置は、高速測定が可能な装
置構成とすることができ、オンライン膜厚計として最適
な形能となし得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を説明する為の概略説明図である
。

【図２】本発明の構成における電磁波の干渉原理を、反
射波によって説明する為の図である。

【図３】数式１０〜１２を求める為の波形を示すグラフ
である。

【図４】本発明の構成における電磁波の干渉原理を、透
過波によって説明する為の図である。

【図５】本発明を実施する為に構成される膜厚測定装置
の一例を示す概略説明図である。

【図６】演算処理装置１７の回路構成を示す流れ図であ
る。

【符号の説明】

１　　　　電磁波 ２，４　　　結像素子 ３　　　　膜 ５　　　　平面 ６　　　　光軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電磁波を屈折率が既知の透光性膜に照
   射して膜厚を測定する方法において、単一波長の電磁波
   を結像素子によって膜表面上に結像した後、該結像を再
   び結像素子を通し、該結像素子の焦点上に配置した撮像
   素子によって撮像し、該撮像素子上の信号強度が、電磁
   波の上記透光性膜における干渉作用による極値をとる少
   なくとも２つの位置を測定し、この情報に基づき膜厚を
   測定することを特徴とする膜厚測定方法。
2. 【請求項２】電磁波を屈折率が未知の透光性膜に照射し
   て膜厚を測定する方法において、単一波長の電磁波を結
   像素子によって膜表面上に結像した後、該結像を再び結
   像素子を通し、該結像素子の焦点上に配置した撮像素子
   によって撮像し、該撮像素子上の信号強度が、電磁波の
   上記透光性膜における干渉作用による極値をとる少なく
   とも３つの位置を測定し、この情報に基づき膜厚および
   屈折率を測定することを特徴とする膜厚測定方法。