JP2510418B2 - Beam scanning interferometry film thickness measuring device - Google Patents

Beam scanning interferometry film thickness measuring device

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JP2510418B2
JP2510418B2 JP61227527A JP22752786A JP2510418B2 JP 2510418 B2 JP2510418 B2 JP 2510418B2 JP 61227527 A JP61227527 A JP 61227527A JP 22752786 A JP22752786 A JP 22752786A JP 2510418 B2 JP2510418 B2 JP 2510418B2
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浄史 松田
恭孝 菊池
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【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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (a) Object of the invention [Industrial field of use] The present invention relates to a film thickness measuring device for measuring the film thickness of a thin film by using an interferometry method.

光学部品や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って
いる。
In recent years, the technique of measuring the film thickness of a thin film or a polymer film attached to a substrate such as an optical component or LSI has become more important than ever.

[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8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8図(a)に示すようなダイヤ
モンド触針201とスキッド202の先端を、第8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2
04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8図
(c)のように測定結果を得るものである。
[Prior Art] When a resist is applied to the surface of a thin film, for example, a mask blank of chromium (Cr), and this thin film is measured, conventionally, for example, a surface using a stylus as shown in FIG. Using a roughness measuring instrument, bring the tips of the diamond stylus 201 and skid 202 as shown in FIG. 8 (a) into contact with the chrome surface 203 as shown in FIG. 8 (b), and move it. Te membrane 2
This is to detect the change by crossing over 04 and electrically amplifying the change. For example, when the film diameter on the sample is l 0 , the measurement result is obtained as shown in FIG. 8 (c).

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2
04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。
However, such a mechanoelectric method is not always easy to measure with high precision, and the chrome surface 203 and the film 2
In the case where no step can be formed between the film and 04, that is, when the film 204 is formed on the entire chrome surface,
It is impossible to measure the film thickness with the above-mentioned measuring means. Therefore, the development of a thin film thickness measuring technique is desired.

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)。
Therefore, the inventor of the present invention has previously proposed a film thickness measuring device capable of measuring the film thickness of a thin film with high precision and in a non-contact manner (see Japanese Patent Application No. 040467 in 1985). In addition, a film refractive index measuring device that can easily measure the refractive index of a thin film with high accuracy and in a non-contact manner has also been proposed (see Patent Application No. 135756 in 1985).

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9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、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。
This newly proposed interferometric film thickness measuring device and interferometric film refractive index measuring device, as shown in FIG. 9, change the optical path of laser light by mirrors 103 and 104, and then measure the light after passing through a pinhole 105. Illuminating the film 110, the reflected light I A from the surface of the film 110 to be measured, the back surface of the film 110 to be measured or the reflective surface 112 of the substrate 113.
The second light of the reflected light I B of interference because there is a difference in optical path length, and detects the interference light to photoelectric conversion by the light receiving unit 107 at the focal position of the lens 106, the rotary device to be measured film 110 114 It is configured to measure the intensity change of the interference light when it is rotated by.

[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110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
なっている。
[Problems to be Solved by the Invention] This newly proposed interferometric film thickness measuring device and interferometric film refractive index measuring device facilitate measurement of the film thickness and refractive index of a thin film with high accuracy and in a non-contact manner. Although it has a remarkable characteristic that can be measured, the measurement target film 110 needs to be rotated in the measurement, which causes the structure of the measurement device to be complicated.

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであ
って、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。
The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and provides a film thickness measuring device having a simple structure, which can easily measure the film thickness of a thin film with high accuracy and in a non-contact manner. That is the purpose.

(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、この発明のビーム走査型干渉法
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、被測定体の表面で反射した光と被
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、干渉縞の強度を測定する光強度測定
装置と、回転ミラーと、入力される制御パルスによって
制御されて回転ミラーを変位させるモータと、回転ミラ
ーからの走査光を平行光に変換するレンズと、平行光の
照明を受けて回折光を発生して被測定体を照明するホロ
グラムとを有していて回転ミラーの変位によって被測定
体への回折光の入射角を変化させるビーム走査装置とを
備えることを特徴としている。
(B) Configuration of the Invention [Means for Solving the Problems] To this end, the beam scanning interferometry film thickness measurement apparatus of the present invention illuminates a film body, which is an object to be measured, with laser light. A laser light source to be obtained, an interferometer that forms interference fringes by interfering the light reflected on the surface of the object to be measured and the light transmitted through the object to be measured and reflected on the back surface, and a light intensity measuring device that measures the intensity of the interference fringes. A rotating mirror, a motor for displacing the rotating mirror controlled by an input control pulse, a lens for converting scanning light from the rotating mirror into parallel light, and illumination of the parallel light to generate diffracted light. And a beam scanning device for changing the incident angle of the diffracted light on the object to be measured by the displacement of the rotating mirror.

以下、この発明の詳細を一実施例について説明する。 Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to an embodiment.

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はレーザ光源装置2、測定光学系10及び光強度測
定装置4とを備えている。測定光学系10は干渉計3及び
にビーム走査装置5とを備えている。レーザ光源装置2
としては、レーザ光源6、ミラー7、ミラー8を有す
る。レーザ光源6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。
In FIG. 1, reference numeral 1 is a film thickness measuring device. The film thickness measuring device 1 includes a laser light source device 2, a measuring optical system 10, and a light intensity measuring device 4. The measurement optical system 10 includes an interferometer 3 and a beam scanning device 5. Laser light source device 2
Has a laser light source 6, a mirror 7, and a mirror 8. As the laser light source 6, a helium neon laser, an argon laser, a krypton laser, a helium cadmium laser, a ruby laser or the like can be used.

ミラー7、ミラー8は光路変更用のものであって、レ
ーザ光源6からのレーザ光をビーム走査装置5の回転ミ
ラーに導くものである。
The mirrors 7 and 8 are for changing the optical path and guide the laser light from the laser light source 6 to the rotating mirror of the beam scanning device 5.

ビーム走査装置5は回転ミラー11、レンズ12及び第1
のホログラム13とを備えている。
The beam scanning device 5 includes a rotating mirror 11, a lens 12 and a first
And the hologram 13 of.

回転ミラー11は回転変位可能であって、ミラー8から
入射したレーザ光を反射するが、この回転変位によって
その反射角度すなわち、試料台16上の被測定膜15への入
射角を変換するものである。レンズ12は回転ミラー11で
反射されたレーザ光を平行光にして第1のホログラム13
を照明するためのものである。
The rotary mirror 11 can be rotationally displaced and reflects the laser light incident from the mirror 8. The rotational displacement converts the reflection angle, that is, the incident angle to the film 15 to be measured on the sample table 16. is there. The lens 12 collimates the laser light reflected by the rotating mirror 11 into parallel light and creates a first hologram 13
For illuminating.

第1のホログラム13は被測定膜15の近傍にあって、回
折光を発生して被測定膜15を照明する。この第1のホロ
グラム13は後述する第2のホログラム21を使用する場合
は、第1のホログラム13と第2のホログラム21とは被測
定膜15に垂直な軸17に関して対称に配置される。
The first hologram 13 is in the vicinity of the film 15 to be measured and generates diffracted light to illuminate the film 15 to be measured. When the second hologram 21, which will be described later, is used as the first hologram 13, the first hologram 13 and the second hologram 21 are arranged symmetrically with respect to an axis 17 perpendicular to the measured film 15.

第1のホログラム13と第2のホログラム21は次のよう
にして作成されたものである。
The first hologram 13 and the second hologram 21 are created as follows.

第2図に示すようにレーザ光源6からのビームはミラ
ー7にて反射されたのちハーフミラー22にて2分割され
る。ハーフミラー22にて反射したビームは対物レンズ2
3、コリメータレンズ24にて平行光とされたのちミラー2
5にて光路変更され、対物レンズ26に入射し、発散光と
なって写真乾板13aを照明する。一方ハーフミラー22を
透過したレーザ光はミラー27にて光路変更されたのち対
物レンズ28、コリメータレンズ31にて平行光とされ写真
乾板13aを照明して露光させる。
As shown in FIG. 2, the beam from the laser light source 6 is reflected by the mirror 7 and then split into two by the half mirror 22. The beam reflected by the half mirror 22 is the objective lens 2
Mirror 2 after collimated by collimator lens 24
The optical path is changed at 5 and enters the objective lens 26 to become divergent light, which illuminates the photographic dry plate 13a. On the other hand, the laser light transmitted through the half mirror 22 is changed in its optical path by a mirror 27 and then converted into parallel light by an objective lens 28 and a collimator lens 31 to illuminate and expose a photographic dry plate 13a.

この写真乾板13aを現像、リバーサルブリーチ処理し
て2枚のホログラムを作成し、第1のホログラム13、第
2のホログラム21の位置にセットする。こうしてビーム
走査装置5及び後述する測定光学系10が完成する。干渉
計3は第2のホログラム21、レンズ32からなっている。
第2のホログラム21は被測定膜15または試料台16から反
射したレーザ光によって平行光を再生する。レンズ32は
その再生光により焦点位置に干渉縞を結像させる。この
焦点位置には光強度測定装置4の光検出器35の受光面が
位置する。光強度測定装置4は光検出器35、増幅器36、
データ解析装置37、オシロスコープ38、処理装置41、パ
ルスステージ42、及びパルスステージコントローラ43を
備えている。
This photographic dry plate 13a is developed and subjected to reversal bleaching to form two holograms, which are set at the positions of the first hologram 13 and the second hologram 21. Thus, the beam scanning device 5 and the measuring optical system 10 described later are completed. The interferometer 3 includes a second hologram 21 and a lens 32.
The second hologram 21 reproduces parallel light by the laser light reflected from the film 15 to be measured or the sample table 16. The lens 32 forms an interference fringe at the focal position by the reproduction light. The light receiving surface of the photodetector 35 of the light intensity measuring device 4 is located at this focus position. The light intensity measuring device 4 includes a photodetector 35, an amplifier 36,
A data analysis device 37, an oscilloscope 38, a processing device 41, a pulse stage 42, and a pulse stage controller 43 are provided.

[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15の膜厚を測定する場合の作用は次の通りである。
[Operation] The operation in the case of measuring the film thickness of the film-to-be-measured 15 in the film thickness measuring device configured as described above is as follows.

レーザ光源6からのビームはミラー7,8で光路変更さ
れたのち、回転ミラー11上に照射する。
The beam from the laser light source 6 has its optical path changed by the mirrors 7 and 8 and then is irradiated onto the rotating mirror 11.

回転パルスステージ42によって回転される回転ミラー
11にて振られたビームはレンズ12にて平行光とされたの
ち、第1のホログラム13で回折され被測定膜15を照射す
る。被測定膜15の表面と裏面で反射した光は干渉し、第
2のホログラム21にて回折した後、平行光となりレンズ
32にて光検出器35上に集光し検出される。光検出器35に
て光電変換された信号は増幅器36を通して増幅されたの
ち、データ解析装置37,オシロスコープ38に入力され、
データ処理、波形観測される。
Rotating mirror rotated by rotating pulse stage 42
The beam oscillated by 11 is collimated by the lens 12 and then diffracted by the first hologram 13 to illuminate the film 15 to be measured. The light reflected on the front surface and the back surface of the measured film 15 interferes with each other, and after being diffracted by the second hologram 21, becomes parallel light and becomes a lens.
At 32, the light is focused on the photodetector 35 and detected. The signal photoelectrically converted by the photodetector 35 is amplified through the amplifier 36, and then input to the data analysis device 37 and the oscilloscope 38,
Data processing, waveform observation.

パルスステージコントローラ43にて回転パルスステー
ジ42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。
Each time the pulse stage controller 43 sends one pulse to the rotary pulse stage 42, a light intensity signal is detected and data processing is performed.

回転ミラー11は回転パルスステージ42上にセットして
用いられているが、ビームを振る方式としては、ガルバ
ノミラー、ポリゴンスキャナー、ホログラムスキャナー
等いろいろなものが利用可能である。
The rotating mirror 11 is used by being set on the rotating pulse stage 42, but various methods such as a galvano mirror, a polygon scanner, and a hologram scanner can be used as a method for oscillating the beam.

ビームを集光する方法としてはホログラム素子を使う
他にレンズ、凹面鏡等を利用する方法も考えられる。
As a method of condensing the beam, a method of using a lens, a concave mirror or the like can be considered in addition to using a hologram element.

回転ミラー11の回転角と被測定膜15上への入射角の関
係について述べる。
The relationship between the rotation angle of the rotating mirror 11 and the incident angle on the film to be measured 15 will be described.

回転ミラー11の回転角δとレンズ12、第1のホログラ
ム13との関係を第3図に示す。コリメータレンズ12の焦
点Oとすると▲▼=J,ミラーの振れ角をδ、その
ときのレンズ12上での変化をY1、第1のホログラム13上
での変化をX1,▲▼=K、第1のホログラム13の焦
点をGとする。X1変化させた時の振れ角をθ、▲
▼=K1とおくと X1=Y1/cos ψ …(1) Y1=Jtan δ …(2) 従って 回転ミラー11の振れ角δ1は第1のホログラム13から
の収束光の振れ角θとの関係は(3)式のように表わ
される。
FIG. 3 shows the relationship between the rotation angle δ of the rotating mirror 11, the lens 12, and the first hologram 13. When the focus O of the collimator lens 12 is ▲ ▼ = J, the deflection angle of the mirror is δ 1 , the change on the lens 12 at that time is Y 1 , and the change on the first hologram 13 is X 1 , ▲ ▼ = Let K be the focus of the first hologram 13 and G be the focus. The deflection angle when changing X 1 is θ 1 , ▲
If ▼ = K 1 , then X 1 = Y 1 / cos ψ… (1) Y 1 = Jtan δ 1 … (2) Therefore The relationship between the deflection angle δ1 of the rotating mirror 11 and the deflection angle θ 1 of the convergent light from the first hologram 13 is expressed by equation (3).

まず、最初に∠FGNを測定しておく。試料への入射角
∠EGN ∠EGN=∠FGN+∠DGF−θ …(4) により表わすことができる。
First, measure ∠FGN first. Incident angle to sample ∠EGN ∠EGN = ∠FGN + ∠DGF−θ 1 (4)

これは∠DGNまでについてであり、これを越えたもの
については、 ∠EGN=∠DGN+θ …(5) で表わされる。
This is up to ∠DGN, and those exceeding this are represented by ∠EGN = ∠DGN + θ 1 (5).

従ってKを境界としてその前後では(4)式、(5)
式を各々使い分ける。
Therefore, with K as the boundary, before and after that, equations (4) and (5)
Use each formula properly.

被測定膜15を照明したレーザ光は、第4図に示すよう
に、一部分が被測定膜15の表面で反射し(反射光IA)、
残部分は被測定膜15を透過して被測定膜15の裏面20に達
し、被測定膜15の裏面若しくは試料台16の表面で反射す
る(反射光IB)。このように、被測定膜15を照明したレ
ーザ光の反射光IAの光路長と反射光IBの光路長との間に
は差があり、この光路長の差dは d=▲▼−▲▼ である。
As shown in FIG. 4, a part of the laser light illuminating the film to be measured 15 is reflected on the surface of the film to be measured 15 (reflected light I A ),
Remaining part is transmitted through the measured film 15 reaches the back surface 20 of the measured film 15, reflected by the back surface or surface of the sample stage 16 of the measured film 15 (reflected light I B). Thus, there is a difference between the optical path length of the reflected light I A and the optical path length of the reflected light I B of the laser light that illuminates the film to be measured 15, and the difference d between the optical path lengths is d = ▲ ▼- It is ▲ ▼.

光路長に差がある反射光IAと反射光IBは干渉し、レン
ズ32の焦点位置で干渉縞を生じる。このレンズ32の焦点
位置には光検出器35が位置し、光検出器35が干渉光を検
出して光電変換し、干渉光の強度に応じた電圧を発生す
る。この電圧を増幅器36で増幅し、処理装置41に入力し
て干渉光の強度を検出する。この干渉光の強度はレーザ
光の被測定膜15への入射角度の変化に応じて変化するか
ら、回転ミラー11を回転させてレーザ光の被測定膜15へ
の入射角度を変えながら干渉光の強度を測定し、干渉光
の強度の変化の極値が生ずる回転角を求め、この極値を
生ずる回転角を任意の演算機(図示せず)に入力して被
測定膜15の厚みを求める。
The reflected light I A and the reflected light I B having different optical path lengths interfere with each other to generate an interference fringe at the focal position of the lens 32. A photodetector 35 is located at the focal position of the lens 32, and the photodetector 35 detects the interference light and photoelectrically converts the interference light to generate a voltage according to the intensity of the interference light. This voltage is amplified by the amplifier 36 and input to the processing device 41 to detect the intensity of the interference light. Since the intensity of the interference light changes in accordance with the change in the incident angle of the laser light on the film to be measured 15, the rotating mirror 11 is rotated to change the incident angle of the laser light on the film to be measured 15 to generate the interference light. The intensity is measured, the rotation angle at which the extreme value of the change in the intensity of the interference light is generated is obtained, and the rotation angle at which this extreme value is generated is input to an arbitrary computer (not shown) to obtain the thickness of the film 15 to be measured. .

入射角θにおける入射光と入射角θおける入射光
とは波長が同じものでもよいし、波長が異なるものでも
よい。
The incident light at the incident angle θ 1 and the incident light at the incident angle θ 2 may have the same wavelength or different wavelengths.

次に被測定膜15の膜厚を求める原理について説明す
る。
Next, the principle of obtaining the film thickness of the film 15 to be measured will be described.

[A]まず、入射角θにおける入射光と入射角θ
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。
[A] First, the case where the wavelengths of both the incident light at the incident angle θ 1 and the incident light at the incident angle θ 2 are λ is as follows.

第4図のような屈折率n、厚さhの被測定膜15にレー
ザ光が角度θで入射した場合を考える。被測定膜15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 …(6) とすると で表わされる。
Consider a case where the laser light is incident on the measured film 15 having the refractive index n and the thickness h as shown in FIG. 4 at an angle θ. Let I A be the reflected light from the front surface of the film to be measured 15 and I B be the reflected light from the back surface.
If the optical path difference d between I A and I B is ▲ ▼-▲ ▼ = d (6) Is represented by

この場合の干渉光の強度は で表わされる。The intensity of the interference light in this case is Is represented by

入射角度θの場合の光路差をd1、角度θの場合の
光路差をd2とすると干渉縞の強度がmax及びminになる位
置は d1−d2=(1/2)mλ(mは整数) …(9) 従って 厚さhは で表わすことができる。
If the optical path difference at the incident angle θ 1 is d 1 and the optical path difference at the angle θ 2 is d 2 , the position where the intensity of the interference fringes is max and min is d 1 −d 2 = (1/2) mλ (M is an integer) (9) Therefore Thickness h is Can be represented by

よっ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(8)式で与えられる干渉光の変化の
極値から入射角θ1を求めれば被測定膜15の厚さh
を求めることができる。
Therefore, the refractive index n of the film to be measured and the wavelength λ of the incident light are given, and if the incident angles θ 1 and θ 2 are obtained from the extreme values of the change of the interference light given by the equation (8), the film to be measured 15 Thickness h
Can be requested.

[B]次に入射角θにおける入射光の波長がλ、入
射角θにおける入射光の波長がλの場合は次の通り
である。
[B] then the wavelength of the incident light at an incident angle theta 1 is lambda 1, in the case of two wavelengths of the incident light lambda at the incident angle theta 2 is as follows.

波長λ、角度θ、波長λ、角度θにおける位
相は と表わされる。これにより膜厚hは よって被測定膜の屈折率及び入射光の波長λ1
与えられており、かつ(8)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を分れば被測定膜15
の厚さhを求めることができる。
The phase at wavelength λ 1 , angle θ 1 , wavelength λ 2 , angle θ 2 is Is represented. As a result, the film thickness h is Therefore, the refractive index of the film to be measured and the wavelengths λ 1 and λ 2 of the incident light are given, and the incident angles θ 1 and θ 2 are divided from the extreme value of the change in the intensity of the interference light given by the equation (8). If the film to be measured 15
Can be obtained.

[C] また[A]及び[B]において屈折率が未知の場合で
も次のように膜厚が求められる。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。
[C] Further, even when the refractive index is unknown in [A] and [B], the film thickness is obtained as follows. In this case, since it is necessary to first obtain the refractive index of the film to be measured, the principle of obtaining the refractive index will be described.

(A)まず、入射角θにおける入射光と入射角θ
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。
(A) First, it is as follows when the wavelengths of both the incident light at the incident angle θ 1 and the incident light at the incident angle θ 2 are on.

干渉縞の隣接する極値における角度θ12とす
ると位相は 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 以上のように表わされる。
If the angles θ 1 , θ 2 , and θ 3 at the adjacent extrema of the interference fringes are the phases, It is expressed as above. Taking the ratio of each difference from these three equations and developing and solving, the refractive index n becomes It is expressed as above.

よって干渉光の強度の変化の極値から入射角θ12,
θ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(11)式または(14)式に代入して膜厚が求め
られる。
Therefore, from the extreme value of the change in the intensity of the interference light, the incident angles θ 1 , θ 2 ,
If θ 3 is known, the refractive index n of the film to be measured can be obtained,
The film thickness is obtained by substituting this n into the equation (11) or the equation (14).

(B)次に入射角θにおける入射光の波長がλ、入
射角θにおける入射光の波長がλ、入射角θにお
ける入射光の波長がλの場合は次の通りである。
(B) Next, when the wavelength of the incident light at the incident angle θ 1 is λ 1 , the wavelength of the incident light at the incident angle θ 2 is λ 2 , and the wavelength of the incident light at the incident angle θ 3 is λ 3 , is there.

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θにおける位相は 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−λ2 2・λ2 3 −4λ2 1・λ2 2・λ2 3 b=2(4λ2 3・λ2 1−λ2 1・λ2 2−λ2 2・λ2 3) ×(λ2 2・λ2 3・sin2θ−4λ2 3・λ2 1・sin2θ +λ2 1・λ2 2・sin2θ)+4λ2 1・λ2 2・λ2 3 ×(sin2θ+sin2θ) C=(λ2 2・λ2 3・sin2θ−4λ2 3・λ2 1・sin2θ +λ2 1・λ2 2・sin2θ−4λ2 1・λ2 2・λ2 3 ×sin2θ・sin2θ 上式のように表わされる。
The phase at wavelength λ 1 , angle θ 1 , wavelength λ 2 , angle θ 2 , wavelength λ 3 , angle θ 3 at the extreme value of the interference fringes is Is represented. Taking the ratio of each difference from these three equations and developing and solving, the refractive index n becomes a = (4λ 2 3 · λ 2 1 -λ 2 1 · λ 2 2 -λ 2 2 · λ 2 3) 2 -4λ 2 1 · λ 2 2 · λ 2 3 b = 2 (4λ 2 3 · λ 2 1− λ 2 1・ λ 2 2− λ 2 2・ λ 2 3 ) × (λ 2 2・ λ 2 3・ sin 2 θ 1 -4λ 2 3・ λ 2 1・ sin 2 θ 2 + λ 2 1・ λ 2 2 · sin 2 θ 3 ) + 4λ 2 1 · λ 2 2 · λ 2 3 × (sin 2 θ 1 + sin 2 θ 3 ) C = (λ 2 2 · λ 2 3 · sin 2 θ 1 -4λ 2 3 · expressed as λ 2 1 · sin 2 θ 2 + λ 2 1 · λ 2 2 · sin 2 θ 3) 2 -4λ 2 1 · λ 2 above 2 · λ 2 3 × sin 2 θ 1 · sin 2 θ 3 formula Be done.

よって、被測定膜の入射光の波長λ12が与え
られており、かつ干渉光の強度の変化の極値から入射角
θ12が分れば、被測定膜の屈折率nを求めるこ
とができる。このnを(11)式または(14)式に代入し
て膜厚hが求められる。
Therefore, if the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 of the incident light on the film to be measured are given and the incident angles θ 1 , θ 2 , θ 3 are known from the extreme value of the change in the intensity of the interference light, The refractive index n of the film to be measured can be obtained. The film thickness h is obtained by substituting this n into the formula (11) or the formula (14).

[実施例] 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ッ
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=0.64μm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0.63μmの値が
得られた。両方法によって得られた値は良く一致してい
ることが分る。
[Example] As a sample, a glass substrate was coated with chromium (Cr) to form a substrate having a reflective surface, and magnesium fluoride (MgF 2 ) was coated on the reflective surface to form a film to be measured. did.
When the thickness of the film to be measured was measured using a He-Ne laser, a value of d = 0.64 μm was obtained. When the same sample was measured by a stylus type surface roughness measuring device, a thickness of about 0.63 μm was obtained. It can be seen that the values obtained by both methods are in good agreement.

[他の方法] この方法を更に発展させた方式も考えられる。例えば
第5図のようなコントラストを向上させる方法が考えら
れる。ホログラム21から干渉光が回折して射出してくる
ところまでは第1図に示した実施例と同様だが、ここで
はこのビームをミラー44にて元の方向へ戻してやり、ホ
ログラム21を通り被測定膜15で反射し、そのホログラム
13で回折後レンズ12で回転ミラー11へ戻し、その反射ビ
ームをビームスプリッタ45にて反射し、集光レンズ46に
て光検出器35上に集光し、光強度を検出する。この方法
では被測定膜15をレーザビームが往復通過するため感度
が向上し、コントラストの良い信号が得られ、max、min
の位置検出感度が向上するために高精度の測定が可能と
なる。
[Other Method] A method in which this method is further developed is also conceivable. For example, a method of improving the contrast as shown in FIG. 5 can be considered. It is the same as the embodiment shown in FIG. 1 up to the point where the interference light is diffracted and emitted from the hologram 21, but here, this beam is returned to the original direction by the mirror 44, passes through the hologram 21, and is measured. The hologram reflected by the film 15
After diffracting at 13, the light is returned to the rotating mirror 11 at the lens 12, the reflected beam is reflected by the beam splitter 45, and is condensed on the photodetector 35 by the condensing lens 46 to detect the light intensity. In this method, since the laser beam passes back and forth through the film to be measured 15, the sensitivity is improved, and a signal with good contrast is obtained.
Since the position detection sensitivity of is improved, highly accurate measurement becomes possible.

ビームを振る方式としては、述べたものの他にもいろ
いろと考えられる。例えば第6図のように凹面鏡48を利
用した方式、レンズ47を利用した方式(第7図)等が考
えられる。
There are various conceivable methods for oscillating the beam in addition to those described above. For example, as shown in FIG. 6, a method using a concave mirror 48, a method using a lens 47 (FIG. 7), etc. can be considered.

第1図から第7図において、同じ構成機器は同じ符号
で示している。
1 to 7, the same components are designated by the same reference numerals.

(ハ)発明の効果 以上の構成によって厚みのきわめて小さい極薄膜につ
いても高精度の膜厚測定が可能となるのである。
(C) Effect of the Invention With the above configuration, highly accurate film thickness measurement can be performed even for an extremely thin film having an extremely small thickness.

被測定体の膜厚がミクロンオーダではなくサブミクロ
ンオーダになると、干渉縞の光強度の極値が生ずる被測
定体への光入射角度の間隔が大きくなるので、このよう
なサブミクロンオーダの被測定体の膜厚を高精度に測定
するためには被測定体への光入射角度の範囲を大きくす
ることができることが必要になる。
When the film thickness of the DUT is in the sub-micron order instead of in the micron order, the interval of the light incident angle on the DUT where the extreme value of the light intensity of the interference fringes occurs becomes large. In order to measure the film thickness of the measurement object with high accuracy, it is necessary to be able to increase the range of the light incident angle on the measurement object.

この要求をできる限り満たすためには、光入射レンズ
としては口径が大きく焦点距離が小さい、すなわちFナ
ンバーの小さいものが望ましく、このような要求を満た
すレンズとして、従来は顕微鏡対物レンズを使用してい
る。しかし現実には顕微鏡対物レンズを被測定体の近く
にセットするためには、取付フレームで顕微鏡対物レン
ズの周縁部を縁取りしたり、或いは空間的な制約があっ
て、顕微鏡対物レンズの口径の使用可能な範囲が制限さ
れるために、実現可能な光入射角度の範囲は最大60゜程
度になっており、これが被測定体の測定可能な膜厚に限
界を与えている。しかるに顕微鏡対物レンズに替えて本
願発明のホログラムレンズ(ホログラム13)を使用する
場合は、理論的には90゜近く、実際には5゜から85゜程
度の範囲で光入射角度を選択することができ、極薄膜の
測定が可能である 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の測定が可能であ
る。
In order to meet this requirement as much as possible, it is desirable that the light incident lens has a large aperture and a small focal length, that is, a small F number. Conventionally, a microscope objective lens has been used as a lens satisfying such requirements. There is. However, in reality, in order to set the microscope objective lens near the object to be measured, there is a margin around the periphery of the microscope objective lens with the mounting frame, or there is a spatial restriction, and the aperture of the microscope objective lens is used. Since the possible range is limited, the range of light incident angle that can be realized is about 60 ° at maximum, which limits the measurable film thickness of the measured object. However, when the hologram lens (hologram 13) of the present invention is used in place of the microscope objective lens, theoretically, the light incident angle should be selected in the range of about 90 °, and actually about 5 ° to 85 °. Thus, the ultrathin film can be measured. As described above, according to the film thickness measuring apparatus utilizing the interference of the present invention, the film thickness of the thin film can be easily measured with high accuracy and in a non-contact manner. In addition, the film thickness can be measured even when there is no step between the substrate and the film to be measured.

しかも、被測定膜を回転させる必要がないので、装置
の構成を簡単にすることができる。
Moreover, since it is not necessary to rotate the film to be measured, the structure of the device can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

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図はホログラム作成光学系を示す構
成説明図、第3図は回転ミラーの回転角と被測定膜への
入射角の関係を示す説明図、第4図は被測定膜における
光路を示す拡大説明図、第5図は他の実施例に係わる膜
厚測定装置を示す構成説明図、第6図は更に他の実施例
に係わる膜厚測定装置を示す構成説明図、第7図は更に
他の実施例に係わる膜厚測定装置を示す構成説明図、第
8図は触針式膜厚測定装置を示す説明図、及び第9図は
従来の他の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……レーザ光源装置、3……干
渉計、4……光強度測定装置、5……入射角度変換装
置、6……レーザ光源、7……ミラー、8……ミラー、
10……測定光学系、11……回転ミラー、12……レンズ、
13……第1のホログラム、13a……写真乾板、15……被
測定膜、16……試料台、17……軸、21……第2のホログ
ラム、22……ハーフミラー、23……対物レンズ、24……
コリメータレンズ、25……ミラー、26……対物レンズ、
27……ミラー、28……対物レンズ、31……コリメータレ
ンズ、32……集光レンズ、35……光検出器、36……増幅
器、37……データ解析装置、38……オシロスコープ、41
……処理装置、42……回転パルスステージ、43……バル
スステージコントローラ、44……ミラー、47……レン
ズ、48……凹面鏡
FIG. 1 is a structural explanatory view showing a film thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a structural explanatory view showing a hologram forming optical system, and FIG. 3 is a rotational angle of a rotating mirror and a film to be measured. 4 is an enlarged explanatory view showing an optical path in a film to be measured, FIG. 5 is a structural explanatory view showing a film thickness measuring device according to another embodiment, and FIG. 6 is further shown. FIG. 7 is a structural explanatory view showing a film thickness measuring device according to another embodiment, FIG. 7 is a structural explanatory view showing a film thickness measuring device according to still another embodiment, and FIG. 8 is a stylus type film thickness measuring device. FIG. 9 and FIG. 9 are configuration explanatory views showing another conventional film thickness measuring device. 1 ... Film thickness measuring device, 2 ... Laser light source device, 3 ... Interferometer, 4 ... Light intensity measuring device, 5 ... Incident angle conversion device, 6 ... Laser light source, 7 ... Mirror, 8 ... …mirror,
10 …… Measuring optical system, 11 …… Rotating mirror, 12 …… Lens,
13 …… first hologram, 13a …… photo plate, 15 …… measured film, 16 …… sample stage, 17 …… axis, 21 …… second hologram, 22 …… half mirror, 23 …… objective Lens, 24 ……
Collimator lens, 25 …… Mirror, 26 …… Objective lens,
27 ... Mirror, 28 ... Objective lens, 31 ... Collimator lens, 32 ... Condensing lens, 35 ... Photodetector, 36 ... Amplifier, 37 ... Data analysis device, 38 ... Oscilloscope, 41
...... Processor, 42 …… Rotating pulse stage, 43 …… Balus stage controller, 44 …… Mirror, 47 …… Lens, 48 …… Concave mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊池 恭孝 東京都板橋区志村2丁目20番9号 ユニ オン光学株式会社内 (72)発明者 並木 道男 東京都板橋区志村2丁目20番9号 ユニ オン光学株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−3363(JP,A) 特開 昭58−38808(JP,A) 特開 昭57−113308(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Yasutaka Kikuchi 2-20-9 Shimura, Itabashi-ku, Tokyo Union Optical Co., Ltd. (72) Inventor Michio Namiki 2-20-9 Shimura, Itabashi-ku, Tokyo Union Optical Co., Ltd. (56) Reference JP-A-53-3363 (JP, A) JP-A-58-38808 (JP, A) JP-A-57-113308 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項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、回転ミラーと、入力される制御パルス
によって制御されて前記回転ミラーを変位させるモータ
と、前記回転ミラーからの走査光を平行光に変換するレ
ンズと、前記平行光の照明を受けて回折光を発生して前
記被測定体を照明するホログラムとを有していて前記回
転ミラーの変位によって前記被測定体への前記回折光の
入射角を変化させるビーム走査装置とを備えることを特
徴とするビーム走査型干渉法膜厚測定装置
1. A laser light source capable of illuminating a film body, which is an object to be measured, with a laser beam, and the light reflected on the surface of the object to be measured and the light transmitted through the object to be measured and reflected on the back surface, An interferometer that forms interference fringes, a light intensity measuring device that measures the intensity of the interference fringes, a rotating mirror, a motor that displaces the rotating mirror controlled by an input control pulse, and a rotating mirror. A lens that converts scanning light into parallel light and a hologram that receives illumination of the parallel light to generate diffracted light and illuminates the object to be measured is provided to the object to be measured by displacement of the rotating mirror. And a beam scanning device for changing the incident angle of the diffracted light.
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