JPH0466285B2 - - 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。

［この発明が解決しようとする問題点］ 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必要があり、
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設定値等を変更する必要が
あり、非常に不便であつた。

この発明の目的は、以上の点に鑑み、被測定対
象の屈折率を自動的に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、２個以上の角度で被測定対象に投
光を行い、この各々についての干渉縞を検出器で
検出し、極値を与える波長から被測定対象の屈折
率を求め、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２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。イメージセ
ンサ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図で示すように、光源からの平行光線Ｌ
１，Ｌ２は、膜厚（厚さ）ｄ、屈折率ｎの被測定
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
とし次式が成り立つ。

（ｍ＋Ｎ）λ1＝2nd・cosθ′ (1) mλ2＝2nd・cosθ′ (2) (2)式よりｍを求め(1)式に代入して整理すると ｄ＝Ｎ／2n・cosθ′ λ1λ2／λ2−λ1 (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／2n λ1λ2／λ2−λ1 (4) となる。このように波長λ1，λ2、極値の次数差
Ｎ、あらかじめ求めた屈折率ｎから、被測定対象
４の膜厚が(3)，(4)式より求まる。

つまり、あらかじめ、分光手段９により検出器
１１の各素子に入射する波長は決まつているの
で、検出器１１の各素子番号と波長との関係を演
算手段１３のメモリに記憶しておく。

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を求め、極値の数の差から次数差Ｎ
を求め、メモリ等に格納された屈折率ｎを用い、
(3)，(4)式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の屈折率ｎが未知の場
合は、(3)，(4)式より膜厚ｄは求めることができ
ず、特に被測定対象４の種類が変つて屈折率ｎが
変化するときは、次のようにして屈折率ｎを求
め、自動的に補正する。

第４図で示すように、光源１ａ，１ｂを被測定
対象４の測定位置の法線に対し、異なる角度θa、
θbで投光し、検出部１４ａ，１４ｂで被測定対
象を反射または透過した光を検出し、第１図と同
様な検出系で干渉縞を検出する。

λ1：角度θaで投受光したときの干渉縞パター
ンの最大または最小を与える最小波長 λ2：同上最大波長 λ1′：角度θbで投受光したときの干渉縞パター
ンの極値を与える最小波長 λ2′：同上最大波長 m1：角度θaで投光したときの最小波長λ1での
干渉の次数 m2：角度θaで投光したときの最大波長λ2での
干渉の次数 m1′：角度θbで投光したときの最小波長λ1′で
の干渉の次数 m2′：角度θbで投光したときの最大波長λ2′で
の干渉の次数 ｎ：屈折率、ｄ：膜厚 Ｎ＝m1−m2、N′＝m1′−m2′ （各々異なる任意の干渉の次数差） とし、ｎ＝sinθa／sinθa′、sinθb／sinθb′を利用
して次式が成り立つ。

m1λ2＝2nd・cosθa′ ＝2nd√（１−sin²θa′） ＝2nd√（１−sin²θa／n²） (5) m2λ2＝2nd√（１−sin²θa／n²） (6) m1λ1＝2nd√（１−sin²θb／n²） (7) m2λ2＝2nd√（１−sin²θb／n²） (8) Ｎ＝m1−m2＝2nd（λ2−λ1）√（１
−sin²θa／n²）／λ1λ2(9) N′＝2nd（λ2′−λ1′）√（１−sin²θb／n²）／λ1
′λ2′(10) (9)，(10)式より次式となる。

Ｎ／N′＝λ1′λ2′（λ2−λ1）√（１
−sin²θa／n₂）／λ1λ2（λ2′−λ1′）√（１−sin
²θb／n²）(11) (11)式よりｎ以外は既知であるので、ｎが求ま
る。

今、簡単なためθa＝０のときを考えると、 n²＝sin²θb／ ［１−（N′λ1′λ2′（λ2−λ1））² ／（Nλ1λ2（λ2′−λ1′））²］ (12) となる。右辺は測定等で求まるので、これより屈
折率ｎの値を求め(3)，(4)式等より膜厚ｄが求ま
る。

このように、被測定対象４の屈折率ｎが不明で
あつても容易にその屈折率ｎを求めることがで
き、膜厚ｄの測定が可能となる。

また、光源１ａ，１ｂ、検出部１４ａ，１４ｂ
として、各々の同一のものを用い、あらかじめ測
定前に適当な移動手段で角度を変えて測定し、実
際の測定時は、たとえば垂直方法から測定するよ
うにしてもよい。

なお、第３図Ａ，Ｂで示すように、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、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が移動していて、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７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、少くとも２つ
の角度についての干渉縞から屈折率ｎを決定して
いるので、屈折率の補正を自動的に行うことがで
き、被測定対象の種類、屈折率が変わつても常に
正確な膜厚測定が可能となる。特に干渉の次数に
ついては任意にとることができなくなるので、屈
折率の算出が確実となる。

【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…スリツト、９…分光手段、１１…検出
器、１２…増幅器、１３…演算手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定対象の測定位置に対し少くとも２個以
   上の投光角度で投光する光源と、この光源の２個
   以上の角度の投光についての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
   出するイメージセンサよりなる検出器と、この検
   出器の２個以上の角度についての各干渉縞パター
   ンの各々の極値を与える波長のうち測定領域の各
   最大波長および各最小波長とそれらの間の極値の
   数である任意の各次数差および前記投光角度から
   所定の演算を行つて被測定対象の屈折率を求め、
   被測定対象の膜厚を演算する演算手段とを備えた
   膜厚測定装置。