JP4237175B2 - 白色光干渉計を用いた透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
ステムの性能に大きく影響し、特定の帯域の短波長を選択的にスキャンするため、リアルタイム測定と外部振動に弱くなる。そして、薄膜の厚さと表面形状を別々に得るためには、遮断面をハードウェア的にオン/オフさせる必要があるため、2つの情報を同時に得ることは困難である。さらに、薄膜の厚さと表面形状に関する複数の未知数を数値解析的なリスト・スクエア・フィッティング方式を用いて求めるため、測定に時間がかかるという欠点がある。
の薄膜の厚さと薄膜の表面形状を測定する装置において、白色光を放射する光源と、白色光を任意の方向に偏光して偏光光にする偏光装置と、前記偏光光を水平偏光光と垂直偏光光に分離する偏光光分割器と、を備え、前記水平偏光光を薄膜がコートされている測定物に入射させた後、薄膜の上層部と薄膜の下層部から反射される光から干渉光を得、前記垂直偏光光を基準面に入射させてから反射させて反射光を得、前記干渉光の位相を求めるために、前記干渉光を周波数別に分光させて分光光を得る回折グレーティングと、前記分光光を得る映像獲得部と、を備え、前記分光光を映像処理してアルゴリズムを適用することにより位相を求めた後、前記位相から薄膜の厚さ情報のみを得、前記干渉光と前記反射光を干渉させて得られた合成干渉光から位相を求めるために合成干渉光を得る45°偏光板と、前記合成干渉光を周波数別に分光させて分光光を得る回折グレーティングと、前記分光光を得る映像獲得部と、を備え、前記合成干渉光から得られた分光光を映像処理してアルゴリズムを適用することにより位相を求めた後、前記合成干渉光の位相から薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報を得、前記干渉光から得られる薄膜の厚さ情報と合成干渉光から得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする。
レート134が含まれることにより、ブロッキング・プレート134の選択的な白色光の遮断に応じて2通りのモードにて動作する。
偏光光としての干渉光のみを通過させ、集光レンズ272を介して回折グレーティング273に入射させる。回折グレーティング273は、分光光をCCD274に送信し、1点に対する波長別の強度分布を得る。一方、偏光器281は、水平偏光光214としての干渉光と垂直偏光光215としての反射光を互いに干渉させて合成干渉光を得、回折グレーティング283に透過させてCCD284において周波数別に分光された分光光を得る。このような合成干渉光から得られた分光光を映像処理してアルゴリズムを適用することにより位相を求めた後、合成干渉光の位相から薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報を得、干渉光から得られた薄膜の厚さ情報と合成干渉光から得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得る。
光の形状にしてPの位置に放射する。
β=2kNd
薄膜が可逆的(reversible)、すなわち、実数値の屈折率を有すれば、
r01=−r10,t01t10=1−r2 01
の関係を適用することができるため、簡単に下記式4の通りとなる。
(1−r2 01)r12=a,(−r01r12)=b
とすれば、下記式5の通りとなる。
Nd/π,2Nd/π,3Nd/π,・・・,nNd/π
となる。このため、信号が最も強い周波数成分であるND/π成分のみをフィルタリングすれば、図6−Bの通りである。
Bの第2の実施例における集光レンズ272と回折グレーティング273、及びCCD274をイメージング分光器81に置換し、集光レンズ282と回折グレーティング283、及びCCD284をイメージング分光器83に置換する。このようなイメージング分光器81,83は、図9に基づき後述する。
渉法には、測定対象物を光軸の方向に連続的に移動させる移送メカニズムが求められる。測定対象物が移送されれば、それぞれの受光素子(すなわち、CCD84)において得られる光の強度は、サイン関数に囲まれた調和関数であり、このとき、光の強度が最大となる点を感知する。移送装置としては、上記の圧電駆動器(piezoelectric actuator)80が用いられ、ナノメートル級の分解能の移送が行える。位置検出器としては、定電容量型やLVDT(linear variable differential transformer)が汎用される。また、別途の位置検出器無しに、圧電駆動器に加えられる入力電圧から圧電駆動器の位置を推定する方法も多用され、この場合、圧電駆動器が有するヒステリシスに対する適切な補正が必要となる。受光素子から最大の光の強度が得られる点における位置検出器からの距離を用いて組み合わせを行うと、測定対象物の微細な3次元形状を構成することができる。以上のように、白色光を用いると、測定対象物の段差には制限されることなく、圧電駆動器の行程範囲内における全ての段差を含む形状の測定が可能になる。
からの反射光は光分割器231を介してさらに光分割器261に入射して反射または透過され、イメージング分光器81,83において1ラインに対する波長別の強度分布を得る。すなわち、偏光装置213は、水平偏光光214と垂直偏光光215をそれぞれ別々に測定面252と基準面241に入射させる。このとき、λ/4プレート92を通った水平偏光光は、測定面252から反射された後、さらにλ/4プレート92を通って垂直偏光された干渉光として放射され、λ/4プレート91を通った垂直偏光光は、基準面241から反射された後、さらにλ/4プレート91を通って水平偏光された反射光として放射される。これらの2つの光214,215が光分割器231を介してさらに光分割器261に入射し、光分割器261は、入射する光を反射して薄膜の厚さ測定のために垂直偏光光のみを透過するように構成された垂直偏光装置271に向けて放射し、光分割器261を透過した光は、薄膜の形状測定のために水平偏光光の一部と垂直偏光光の一部を透過するように構成された偏光器281に向けて放射する。垂直偏光装置271は、垂直偏光光としての干渉光のみを通過させ、イメージング分光器81において1ラインに対する波長別の強度分布を得る。一方、偏光器281は、垂直偏光光215としての干渉光と水平偏光光214としての反射光を互いに干渉させて合成干渉光を得る。このような合成干渉光からイメージング分光器83において1ラインに対する波長別の強度分布を得る。したがって、干渉光から得られた薄膜の厚さ情報と合成干渉光から得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得る。
グ分光器において得られた面積に対する波長別の光強度の分布を分析し、薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることも可能である。
120 第1のビームスプリッタ
130 マイケルソン干渉モジュール
140 反射鏡
150 集光レンズ
160 回折グレーティング
170 CCD
180 測定部
Claims (9)
- 薄膜がコートされている測定物の薄膜の厚さ情報と薄膜の表面形状情報を得る方法において、
白色光を任意の方向の偏光光にした後、水平偏光光と垂直偏光光に分離する第1の段階と、
水平偏光光を薄膜がコートされている測定物に入射させ垂直偏光光を基準面に入射させるか、あるいは、垂直偏光光を薄膜がコートされている測定物に入射させ水平偏光光を基準面に入射させる第2の段階と、
測定物に入射した光が薄膜の上層部と下層部から反射されつつ干渉され、干渉光を生成する第3の段階と、
基準面に入射した光を反射させて反射光を得、前記第3の段階における干渉光と合成して合成干渉光を生成する第4の段階と、
前記第3の段階における干渉光を周波数別に分光させた後、周波数別の干渉縞を得る第5の段階と、
前記第4の段階における合成干渉光を周波数別に分光させた後、周波数別の干渉縞を得る第6の段階と、
前記第5の段階における周波数別の干渉縞から薄膜の厚さによる位相を得、前記位相から薄膜の厚さ情報のみを得る第7の段階と、
前記第6の段階における周波数別の干渉縞から位相を求め、薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報を得る第8の段階と、
前記第7の段階において得られた薄膜の厚さ情報に基づき、前記第8の段階において得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の表面情報のみを得る第9の段階と、を含むことを特徴とする透明薄膜の厚さ及び形状の測定方法。 - 干渉縞から位相を求める段階は、
干渉縞を数式としてモデリングする段階(単層薄膜の厚さを測定する場合には数式6を参照、単層薄膜の形状を測定する場合には数式12を参照)と、
干渉縞に載せられている低周波成分を除去するために、高周波フィルタリングを行う段階と、
前記低周波成分が除かれている干渉縞からエンベロープ成分を除去し、薄膜の厚さと形状情報が含まれている位相値のみよりなるコサイン関数として整理する段階(単層薄膜の厚さを測定する場合には数式8を参照、単層薄膜の形状を測定する場合には数式14を参照)と、
前記整理されたコサイン関数を高速フーリエ変換して正の周波数成分のみを取った後、さらに逆高速フーリエ変換を行う段階と、
前記逆高速フーリエ変換により得られた結果に自然ログを取り、虚数部が位相値になるように変換した後、前記位相値を求める段階(単層薄膜の厚さを測定する場合には数式10を参照、単層薄膜の形状を測定する場合には数式16を参照)と、
前記周波数による位相値の勾配と薄膜の屈折率Nから薄膜の厚さと形状を求める段階(単層薄膜の厚さを測定する場合には数式7を参照、単層薄膜の形状を測定する場合には数式21を参照)と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の透明薄膜の厚さ及び形状の測定方法。 - 任意の薄膜の厚さと薄膜の表面形状を測定する装置において、
白色光を放射する光源と、白色光を任意の方向に偏光して偏光光にする偏光装置と、前記偏光光を水平偏光光と垂直偏光光に分離する偏光光分割器と、を備え、前記水平偏光光を薄膜がコートされている測定物に入射させた後、薄膜の上層部と薄膜の下層部から反射される光から干渉光を得、前記垂直偏光光を基準面に入射させてから反射させて反射光を得、前記干渉光の位相を求めた後、前記位相から薄膜の厚さ情報のみを得、前記干渉光と前記反射光を干渉させて得られた合成干渉光から位相を求めた後、前記合成干渉光の位相から薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報を得、前記干渉光から得られる薄膜の厚さ情報と合成干渉光から得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。 - 前記干渉光から位相を求めるために、前記干渉光を周波数別に分光させて分光光を得る回折グレーティングと、前記分光光を得る映像獲得部と、を備え、前記分光光を映像処理してアルゴリズムを適用することにより位相を求め、前記合成干渉光から位相を求めるために合成干渉光を得る45°偏光板と、前記合成干渉光を周波数別に分光させて分光光を得る回折グレーティングと、前記分光光を得る映像獲得部と、を備え、前記合成干渉光から得られた分光光を映像処理してアルゴリズムを適用して位相を求めることにより、薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする請求項3に記載の透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。
- 任意の薄膜の厚さと薄膜の表面形状を測定する装置において、
白色光を放射する光源と、白色光を任意の方向に偏光して偏光光にする偏光装置と、前記偏光光を水平偏光光と垂直偏光光に分離する偏光光分割器と、を備え、前記水平偏光光を薄膜がコートされている測定物に入射させた後、薄膜の上層部と薄膜の下層部から反射される光から干渉光を得、前記垂直偏光光を基準面に入射させてから反射させて反射光を得、前記干渉光の位相を求めるために、前記干渉光を周波数別に分光させて分光光を得る回折グレーティングと、前記分光光を得る映像獲得部と、を備え、前記分光光を映像処理してアルゴリズムを適用することにより位相を求めた後、前記位相から薄膜の厚さ情報のみを得、前記干渉光と前記反射光を干渉させて得られた合成干渉光から位相を求めるために合成干渉光を得る45°偏光板と、前記合成干渉光を周波数別に分光させて分光光を得る回折グレーティングと、前記分光光を得る映像獲得部と、を備え、前記合成干渉光から得られた分光光を映像処理してアルゴリズムを適用することにより位相を求めた後、前記合成干渉光の位相から薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報を得、前記干渉光から得られる薄膜の厚さ情報と合成干渉光から得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。 - 前記干渉光と前記反射光及び前記合成干渉光をライン状に得るために、筒状レンズを用い、且つ、前記ライン状の干渉光と前記ライン状の合成干渉光から周波数別の干渉縞を得るために、筒状レンズを用いて薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする請求項3または5に記載の透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。
- 任意の薄膜の厚さと薄膜の表面形状を測定する装置において、
白色光を放射する光源と、白色光を任意の方向に偏光して偏光光にする偏光装置と、前記偏光光を水平偏光光と垂直偏光光に分離する偏光光分割器と、光軸方向に前記薄膜の測定面を走査移動させるための圧電駆動器と、光路差による干渉縞を得るためのCCDと、を備え、前記水平偏光光を薄膜がコートされている測定物に入射させた後、薄膜の上層部と薄膜の下層部から反射される光から干渉光を得、前記垂直偏光光を基準面に入射させてから反射させて反射光を得、前記干渉光の位相を求めた後、前記位相から薄膜の厚さ情報のみを得、前記干渉光と前記反射光を干渉させて得られた合成干渉光から位相を求めた後、前記合成干渉光の位相から薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報を得、前記干渉光から得られる薄膜の厚さ情報と合成干渉光から得られた薄膜の厚さ情報が含まれている薄膜の表面情報から薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。 - 前記干渉光と合成干渉光から1本のラインに対する波長別の光強度の分布を得るためのイメージング分光器を含み、イメージング分光器において得られた各ラインに対する波長別の光強度の分布を分析して薄膜の厚さ情報と薄膜の表面情報を得ることを特徴とする請求項7に記載の透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。
- 自動焦点調節装置をさらに含むことを特徴とする請求項8に記載の透明薄膜の厚さ及び形状の測定装置。
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