JPH0435682B2 - - Google Patents

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JPH0435682B2
JPH0435682B2 JP22752686A JP22752686A JPH0435682B2 JP H0435682 B2 JPH0435682 B2 JP H0435682B2 JP 22752686 A JP22752686 A JP 22752686A JP 22752686 A JP22752686 A JP 22752686A JP H0435682 B2 JPH0435682 B2 JP H0435682B2
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Japan
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measured
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incident
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JP22752686A
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JPS6382306A (ja
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Joji Matsuda
Yasutaka Kikuchi
Michio Namiki
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 [産業上の利用分野] この発明は干渉法を利用して薄膜の膜厚を測定
するための膜厚測定装置に関するものである。
光学部品がLSI等の基板上に付いた薄膜や高分
子膜等の膜厚を測定する技術は近年より一層重要
性が高まつている。
[従来の技術] 薄膜、例えばクロム(Cr)のマスクブランク
スの表面にレジストを塗布し、この薄膜を測定す
る場合には、従来は、例えば第4図に示すよう
な、触針を使用した表面粗さ測定器を使用し、第
4図aに示すようなダイヤモンド触針201とス
キツド202の先端を、第4図bに示すようなク
ロム面203に接触させ、これを移動して膜20
4上を横断させ、変化を電気的に増幅して検出す
るものであり、例えば、試料上の膜直径をl0とす
ると第4図cのように測定結果を得るものであ
る。
しかしながら、このような機械電気的方法は必
ずしも高精度の測定が容易ではなく、また、クロ
ム面203と膜204との間に段差がとれないよ
うな場合、すなわち、クロム面の全面に膜204
が形成されているような場合には、上記の測定手
段では、膜厚の測定が不可能であり、この様なこ
とから薄膜の膜厚測定技術の開発が望まれてい
る。
そこで、この発明の発明者は先に薄膜の膜厚の
測定を高精度にかつ非接触で容易に測定すること
ができる膜厚測定装置を提案した(昭和60年特許
出願第040467号参照)。また、薄膜の屈折率測定
を高精度にかつ非接触で容易に測定することがで
きる膜屈折率測定装置も提案した(昭和60年特許
出願第135756号参照)。
この新たに提案された干渉法膜厚測定装置、干
渉法膜屈折率測定装置は、第5図に示すように、
レーザ光をミラー103,104にて光路変更し
た後、ピンホール105を通過後被測定膜110
を照明し、被測定膜110の表面からの反射光IA
(第2図参照)、被測定膜110の裏面若しくは基
板113の反射面112での反射光IB(第2図参
照)の2光は光路長に差があるので干渉し、レン
ズ106の焦点位置にて受光器107にて干渉光
を検出して光電変換し、被測定膜110を回転装
置114にて回転させた時の干渉光の強度変化を
測定するように構成したものである。
[発明が解決しようとする問題点] この新たに提案された干渉法膜厚測定装置、干
渉法膜屈折率測定装置は、薄膜の膜厚、屈折率の
測定を高精度にかつ非接触で容易に測定すること
ができる顕著な特徴を有するが、測定においては
被測定膜を回転させる必要があり、この被測定膜
の回転に応じてレンズ106、受光器107を回
転させる必要があり、これが測定装置の構造を複
雑にする原因になつている。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、薄膜の膜厚の測定を高精度にかつ非
接触で容易に測定することができ構造が簡単な膜
厚測定装置を提供することを目的とするものであ
る。
(ロ) 発明の構成 [問題点を解決するための手段] この目的に対応して、この発明の試料回転型干
渉法膜厚測定装置は、被測定体である膜体にレー
ザ光を照明し得るレーザ光源と、前記被測定体に
入射点で入射した入射光のうち前記被測定体の表
面で反射した光と前記被測定体を透過し裏面で反
射した光を前記入射点を通して前記入射光の光路
の方向に戻す反射装置と、前記反射装置によつて
戻された前記被測定体の表面で反射した光と前記
被測定体を透過し裏面で反射した光を干渉させて
干渉縞を形成する干渉計と、前記干渉縞の強度を
測定する光強度測定装置と、及び前記被測定体へ
の前記レーザ光の入射角を変化させる被測定回転
装置とを備ることを特徴としている。
以下、この発明の詳細を一実施例について説明
する。
第1図において、1は膜厚測定装置である。膜
厚測定装置1はレーザ光源2、反射装置20、干
渉計30、光強度測定装置40及び回転装置50
を備えている。
レーザ光源2としてはヘリウムネオンレーザ、
アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、ヘリウムカ
ドニウムレーザ、ルビーレーザ等を使用すること
ができる。
干渉計30はレンズ3、ビームスプリツタ4、
ビームスプリツタ5、ピンホール6、レンズ7、
スクリーン8を有している。
反射装置20は被測定膜10の入射側にシリン
ドリカルレンズ11を備え、かつ被測定膜10の
反射側にシリンドリカルミラー12を備えてい
る。シリンドリカルミラー12は被測定膜10の
反射側にあつて、被測定膜10に向けて被測定膜
10の回転軸を中心とする鏡面を備えている。
被測定膜10はレンズやガラス板等の反射面1
3をもつ基板14の上に密着して形成されるもの
である。被測定膜10及び基板14(第2図)は
回転装置50によつて回転される。
回転装置50はパルス回転ステージ15とパル
ス回転ステージ15の回転を制御するコントロー
ラ16とを備えている。
光強度測定装置40は光検出器17、増幅器1
8、データ解析装置21、処理装置22、プリン
ター23、モニタTV24を備えている。
[作用] このように構成された膜厚測定装置において、
被測定膜10の膜厚を測定する場合の作用は次の
通りである。
レーザ光源2からのビームはレンズ3、ビーム
スプリツタ4、ビームスプリツタ5を通過後シリ
ンドリカルレンズ11を通してパルス回転ステー
ジ15の上被測定膜10を照射する。被測定膜1
0の表面と裏面13で反射した光は干渉し、この
干渉光はシリンドリカルミラー12で反射されて
元の入射方向に戻り、被測定膜10の同一点を通
り、反射して入射光路を辿り、ビームスプリツタ
5で反射してレンズ7にて光検出器17上に集光
し検出される。光検出器17にて光電交換された
信号は増幅器18を通して増幅されたのち、デー
タ解析装置21に入力され、データ処理、波形観
測される。
パルスステージコントローラ16にて回転パル
スステージ15に1パルス送るごとに光強度信号
を検出してデータ処理を行う。
次に被測定膜10の膜厚を求める原理について
説明する。
[A]まず、入射角θ1における入射光と入射角θ2
における入射光との波長が共にλである場合は次
の通りである。
第2図のような屈折率n、厚さhの被測定膜1
0にレーザ光が角度θで入射した場合を考える。
被測定膜10の表面からの反射光をIA、裏面か
らの反射光をIBとするとIA,IBの光路差dは −=d ……(1) とすると d=2h√22 ……(2) で表わされる。
この場合の干渉光の強度は I=A+Bcos(2πd/λ) I=A+Bcos{(4π/λ)h ×(√22)} ……(3) で表わされる。
入射角度θ1の場合の光路差をd1、角度θ2の場合
の光路差をd2と干渉縞の強度がma×及びminに
なる位置は d1−d2=(1/2)mλ(mは整数) ……(4) 従つて 2h(√22 1−√22 2) =(1/2)mλB ……(5) 厚さhは h=mλ/{4(√22 1 −√22 2)} ……(6) で表わすことができる。
よつて被測定膜の屈折率n及び入射光の波長λ
が与えられており、かつ(3)式で与えられる干渉光
の強度の変化の極値からを与えるθから入射角
θ1,θ2を求めれば被測定膜10の厚さhを求める
ことができる。
[B]次に入射角θ1における入射光の波長がλ1
入射角θ2における入射光の波長がλ2の場合は次の
通りである。
波長λ1、角度θ1、波長λ2、角度θ2における位相
は (4π/λ+h√22 1=mπ ……(7) (4π/λ2)h√22 2=(m+1)π……(
8) と表わされる。これにより膜厚hは h=1/〔4{(√22 2/π2) −(√22 1/λ1)}〕 ……(9) よつて被測定膜の屈折率n及び入射光の波長
λ1,λ2が与えられており、かつ(3)式で与えられる
干渉光の強度の変化の極値から入射角θ1,θ2を分
れば被測定膜10の厚さhを求めることができ
る。
[C] また[A]及び[B]において屈折率の未知の
場合でも次のようにして膜厚が求められる。この
場合には、まず被測定膜の屈折率を求める必要が
あるので、その屈折率を求める原理について説明
する。
(A)まず、入射角θ1における入射光と入射角θ2
おける入射光との波長が共に入である場合は次の
通りである。
干渉縞の隣接する極値における角度θ1,θ2,θ3
とすると位相は (4π/λB)h√22 1=mπ……(10) (4π/λ)h√22 2 =(m+1)π ……(11) (4π/λ)h√22 3 =(m+2)π ……(12) 以上のように表わされる。この3式より各々の
差の比をとり展開して解くと屈折率nは n=√(−4 1−164 24 3+82 12 2 +82 22 3 +22 32 1) {8(2 1−22 22 3)} ……(13) 以上のように表わされる。
よつて干渉光の強度の変化の極値から入射角
θ1,θ2・θ3が分れば被測定膜の屈折率nを求める
ことができ、このnを(6)式または(9)式に代入て膜
厚が求められる。
(B)次に入射角θ1における入射光の波長がλ1、入
射角θ2おける入射光の波長がλ2、入射角θ3におけ
る入射光の波長がλ3の場合は次の通りである。
干渉縞の極値における波長λ1,角度θ1,波長
λ2,角度θ2,波長λ3,角度θ3における位相は (4π/λ1A)h√22 1=mπ ……(14) (4π/λ2)h√22 2 =(m+1)π ……(15) (4π/λ3)h√22 3 =(m+2)π ……(16) と表わされる。この3式より各々の差の比をとり
展開して解くと屈折率nは a=(4λ2 3・λ2 1−λ2 1・λ2 2 −λB2 2・λ2 3C)2 −4λ2 1・λ2 2・λ2 3 b=2(4λ2 3・λ2 1−λ2 1・λ2 2 λ2 2・λ2 3) ×(λ2 2・λ2 3・sin2θ1 −4λ2 3・λ2 1・sin2θ2 +λ2 1・λ2 2・sin2θ3) +4λ2 1・λ2 2・λ2 3 ×(sin2θ1+sin2θ3) C=(λ2 2・λ2 3・sin2θ1 −4λ2 3・λ2 1・sin2θ2 +λ2 1・λ2 2・sin2θ32 −4λ2 1・λ2 2・λ2 3 ×sin2θ1・sin2θ3 上式のように表わされる。
よつて、被測定膜の入射光の波長λ1,λ2,λ3
与えられており、かつ干渉光の強度の変化の極値
から入射角θ1,θ2,θ3分れば、被測定膜の屈折率
nを求めることができる。このnを(6)式または(9)
式に代入して膜厚hが求められる。
[実験例] 試料としては、ガラス基板上にクロム(Cr)
をコートして反射面を持つ基板を構成し、その反
射面の上にフツ化マグネシウム(MgF2)をコー
トして被測定膜とした。He−Neレーザを用いて
被測定膜の厚さを測定したところ、 d=1.24μmの値が得られた。同じ試料を触針式
表面粗さ測定装置で測定したところ厚さ約
1.25μmの値が得られた。両方法によつて得られ
た値は良く一致していることが分る。
[他の方法] 以上説明した実施例では、反射装置としてシリ
ンドリカルミラー12を使用しているが、これは
第3図に示すように、被測定膜10の回転とあわ
せて回転する平面ミラー25で代替することもで
きる。
(ハ) 発明の効果 このようにこの発明の干渉を利用した膜厚測定
装置によれば、薄膜の膜厚の測定を高精度にかつ
非接触で容易に測定することができる。しかも基
板と被測定膜との間に段差がとれないような場合
でも膜厚α測定が可能である。
しかも、被測定膜10の回転にあわせて光検出
器17等を回転させる必要がないので装置の構成
が簡単である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係わる膜厚測定
装置を示す構成説明図、第2図は被測定膜におけ
る光路を示す拡大説明図、第3図はこの発明の他
の実施例に係わる膜厚測定装置を示す構成説明
図、第4図は触針式膜厚測定装置を示す説明図、
及び第5図は従来の干渉法膜厚測定装置を示す構
成説明図である。 1……膜厚測定装置、2……レーザ光源、3…
…レンズ、4……ビームスプリツタ、5……ビー
ムスプリツタ、6……ピンホール、7……レン
ズ、8……スクリーン、10……被測定膜、11
……シリンドリカルレンズ、12……シリンドリ
カルミラー、13……裏面、14……基板、15
……パルス回転ステージ、16……コントロー
ラ、17……光検出器、18……増幅器、20…
…反射装置、21……データ解析装置、22……
処理装置、23……プリンタ、24……モニタ
TV、25……平面ミラー、30……干渉計、4
0……光強度測定装置、50……回転装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 被測定体である膜体にレーザ光を照明し得る
    レーザ光源と、前記被測定体に入射点で入射した
    入射光のうち前記被測定体の表面で反射した光と
    前記被測定体を透過し裏面で反射した光を前記入
    射点を通して前記入射光の光路の方向に戻す反射
    装置と、前記反射装置によつて戻された前記被測
    定体の表面で反射した光と前記被測定体を透過し
    裏面で反射した光を干渉させて干渉縞を形成する
    干渉計と、前記干渉縞の強度を測定する光強度測
    定装置と、及び前記被測定体への前記レーザ光の
    入射角を変化させる被測定体回転装置とを備るこ
    とを特徴とする試料回転型干渉法膜厚測定装置。 2 前記反射装置は前記被測定体の近傍に配設さ
    れた前記被測定体の回転軸を中心とするシリンド
    リカルミラーを備えることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の回転型干渉法膜厚測定装置。 3 前記反射装置は前記被測定体の回転軸と共通
    の回転軸に関して前記被測定体の回転量と同じ回
    転量だけ回転する平面鏡を備えることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の回転型干渉法膜厚
    測定装置。
JP22752686A 1986-09-26 1986-09-26 試料回転型干渉法膜厚測定装置 Granted JPS6382306A (ja)

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JPS6382306A JPS6382306A (ja) 1988-04-13
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JP2606764B2 (ja) * 1991-08-30 1997-05-07 東海ゴム工業株式会社 コネクタに使用する雄部材の製造方法
US5729343A (en) * 1995-11-16 1998-03-17 Nikon Precision Inc. Film thickness measurement apparatus with tilting stage and method of operation

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JPS6382306A (ja) 1988-04-13

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