JPH0435683B2 - - Google Patents

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を検出器
で検出し、被測定対象の膜厚を測定しているが、
被測定対象の屈折率ｎが波長λにより変化する場
合、正確な膜厚測定が困難となる問題点があつ
た。

これを解決するため、出願人は、特願昭61−
196148号において、被測定対象の屈折率が波長依
存性をもつても、正確な膜厚測定を可能とした膜
厚測定装置を提供した。

［この発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この方法であつても、被測定対
象の屈折率、屈折率の波長依存係数（分散）をあ
らかじめ設定しなければならない。分散の小さい
物、大まかな測定であれば屈折率のみあらかじめ
測定しておけばよいが、より正確な測定では分散
の正確な値が必要である。屈折率のデータは比較
的知られているが、分散のデータは少い。また、
プラスチツクフイルムでは、添加物の種類、割
合、製造方法などにより屈折率・分散は異り、実
際の測定対象物の屈折率・分散が分らない場合が
多い。

この発明の目的は、以上の点に鑑み、厚さが分
つている試料について、屈折率および分散を求
め、膜厚を測定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、光源からの光を被測定対象に投光
し、その透過光または反射光を分光して干渉縞を
検出器で検出し、被測定対象の膜厚を求める装置
において、検出器の干渉縞パターンの少くとも２
つの異なる波長範囲についての極値を与える波長
または波数、次数差から求めた各膜厚が等しいと
して屈折率の波長依存係数を求め、被測定対象の
膜厚を演算する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から光は、
レンズによりハーフミラー３を介してフイルムの
ような被測定対象４に投光され、被測定対象４を
透過または反射した光は、この図ではハーフミラ
ー３、レンズ５、チヨツパのようなシヤツタ手段
６、しぼり７、レンズ８を介して回析格子等の分
光手段９で分光され、レンズ１０を介してCCD
のようなイメージセンサの検出器１１に入射す
る。このイメージセンサの検出器１１の各素子に
は分光手段９で分光された各波長に対応した光が
入射し、干渉縞パターンの強度が検出される。検
出器１１の出力は増幅器１２で増幅され、演算手
段１３で所定の演算がなされ、被測定対象４の膜
厚ｄが演算される。

第２図に示すように、光源からの平行光線L₁，
L₂は、膜厚（厚さ）ｄで、屈折率が波長依存性
をもつ被測定対象４の表面および裏面で反射し、
両光線L₁、L₂は、光学的光路差2nd／cosθ′をも
ち、この光路差が光の波長の整数倍のとき干渉し
て第３図のような干渉縞を形成する。

第３図で示すような干渉縞パターンが得られた
とし、測定領域の極値を与える最小波長λ₁、最大
波長λ₂について、干渉の各次数をｍ＋Ｎ、ｍ、波
長λ₁、〓₂に対応する被測定対象４の屈折率をn₁、
n₂とし、次式が成り立つ。

（ｍ＋Ｎ）λ₁＝2n₁d／cosθ′ (1) mλ₂＝2n2d／cosθ′ (2) (2)式よりｍを求め(1)式に代入して整理すると ｄ＝Ncosθ′／２１／n₁／λ₁−n₂／λ₂ (3) となる。被測定対象４に垂直に投光するθ′＝０の
ときはcosθ′＝１で(3)式は ｄ＝Ｎ／２１／n₁／λ₁−n₂／λ (4) となる。このように、波長λ₁、λ₂、極値の次数差
Ｎ、波長λ₁、λ₂に対応する屈折率n₁、n₂から、被
測定対象４の膜厚が(3)，(4)式より求まる。

ここで、波長λの逆数である波数γで(4)式を表
わすと、次式となる（最大波数γ₁＝１／λ₁、最少
波数γ₂＝１／λ₂）。

ｄ＝Ｎ／２１／n₁γ₁−n₂γ₂ (5) ここで、屈折率ｎが波数γの１次式で近似され
るものとし、波数γ₀での屈折率をn₀とすると、 ｎ＝n₀（１＋α（γ−γ₀）） (6) となる。αは、屈折率の波長依存性を示す波長依
存係数（分散係数）で、γ＝γ₀でｎ＝n₀で、γ₀は
基準波数である。

(6)式を(5)式に代入して整理すると次式となる。

ｄ＝Ｎ／｛２（γ₁−γ₂）n₀ ・（１＋α（γ₁＋γ₂−γ₀））｝ (7) ところで、n₀とαが既知であると仮定して、本
来の波数範囲（波長範囲）を２分割し、それぞれ
の波数範囲で膜厚測定すると、各膜厚d₁，d₂は次
式となる。各波数範囲は、γ₁₁〜γ₁₂、γ₂₁〜γ₂₂と
し、各次数差はN₁，N₂とした。

d₁＝N₁／｛２（γ₁₁−γ₁₂）n₀ ・（１＋α（γ₁₁＋γ₁₂−γ₀））｝ (8) d₂＝N₂／｛２（γ₂₁−γ₂₂）n₀ ・（１＋α（γ₂₁＋γ₂₂−γ₀））｝ (9) 同一箇所を測定しているので、d₁とd₂とは等し
くなり、d₁＝d₂より次式が得られる。

α＝｛N₂（γ₁₁−γ₁₂） −N₁（γ₂₁−γ₂₂）｝ ／｛N₁（γ₂₁−γ₂₂）（γ₂₁＋γ₂₂−γ₀） −N₂（γ₁₁−γ₁₂）（γ₁₁＋γ₁₂−γ₀）｝ (10) このαの右辺は、すべて測定可能な値であるの
で、既知のサンプルについてαは求まる。

また、n₀は、真の厚さd_sが与えられれば、(8)
式、(9)式のいずれか、または、全波数範囲で測り
なおした結果から求めることができる。

(8)式を用いると、n₀は、 n₀＝N₁／｛2ds（γ₁₁−γ₁₂） ・（１＋α（γ₁₁＋γ₁₂−γ₀））｝ (11) で求められる。

このようにして求めたα、n₀等を(6)式に用い、
任意波数（波長）の屈折率n₁、n₂、……が求ま
り、(5)式等より膜厚が求まる。

つまり、あらかじめ、分光手段９により検出器
１１の各素子に入射す波長は決まつているので、
検出器１１の各素子番号と波長（波数）との関係
を演算手段１３のメモリに記憶し設定しておく。
また、波長に対する屈折率の関係も表または式の
形で同様にメモリに記憶しておく。たとえば、測
定で求めた上記のα、n₀を用いた(6)式のようなも
のである。

そして、測定時、検出器１１の各素子の出力を
順次読み出し、第３図で示すように、測定範囲内
で極値を与える素子番号からメモリを利用して波
長λ₁、λ₂（波数γ₁，γ₂）を求め、このλ₁、λ₂（γ
₁、
γ₂）に対応する屈折率n₁、n₂をメモリの(6)式等か
ら求め、極値の数の差から次数差Ｎを求め、(3)、
(4)、(5)式または(7)、(8)、(9)のような演算を行つて
被測定対象４の膜厚ｄを求める。ところで、被測
定対象４の膜厚のバラツキにより干渉縞パターン
がずれて重なり、弱い部分が生じることがある。
これを避けるため、検出器１１の各波長について
の出力のうち極大値と極小値との差が所定の値以
上のときの極値についての出力から上記のように
膜厚を測定するようにする。このことにより、不
確実で、弱い干渉縞を拾うことなく、強い確実な
干渉縞から被測定対象４の膜厚ｄを測定できる。

また、検出器１１に電荷蓄積型撮像素子CCD
のようなイメージセンサを用いると、被測定対象
４が移動して、その厚さ等がずれると、やや異つ
た干渉縞パターンが検出器１１の各素子に一走査
周期内に入射して合成され、全体としてコントラ
ストが悪くなる。

このため、モータによりセクタが回転するチヨ
ツパのようなシヤツタ手段６により入射光を断続
して１回の測定時間を制限し、検出器１１への入
射光の変動の影響を少くし、干渉縞のコントラス
トが悪くなるのを防止し、測定を確実なものとす
る。

［発明の効果］ 以上述べたように、この発明は、波長に対応し
た屈折率を決める波長依存係数（分散）を測定か
ら求め、あらかじめメモリに記憶して用いるよう
にしているので、被測定対象の屈折率が波長依存
性をもつても、正確に膜厚の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、この発明の一実施例を示す
構成図、第３図は、干渉縞の説明図である。 １……光源、２，５，８，１０……レンズ、３
……ハーフミラー、４……被測定対象、６……シ
ヤツタ手段、７……しぼり、９……分光手段、１
１……検出器、１２……増幅器、１３……演算手
段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定対象に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を分光手段で分光し
   干渉縞を検出する検出器と、この検出器の干渉縞
   パターンの少くとも２つの異る波長範囲について
   の極値を与える波長または波数、次数差から求め
   た各膜厚が等しいとして屈折率の波長依存係数を
   求め、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項記載の膜
   厚測定装置。