JPH02242104A - 多点膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多点膜厚測定装置に係り、特に膜厚分布測定に
好適な光フアイバ方式の多点膜厚測定装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来の装置は、対象試料をｘ−ｙ座標の任意の位置に移
動し、固定された光学的プローブの真下の被測定点を順
次検出するものであった。また、対象試料に対し光学的
プローブが順次所定の位置に移動するロボット検出装置
であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術の前者は、測定対象が極めて広大なものと
か、固定された製造ラインを流れるフィルムのような場
合は使用することができない。

また、後者は被測定点が固定されている場合であっても
光学的プローブを確実に保持し、所定の位置に移動、停
止する比較的複雑で大掛りなシステムを必要とする上に
、測定再現性もあまりよくなかった。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消し、広
大な製造ラインに使用でき、かつ、比較的簡単なシステ
ムで達成できる測定再現性の良好な多点膜厚測定装置を
提供することにある。

〔ａ題を解決するための手段〕

上記目的は、あらかじめ定められた位置の被測定点に対
向する複数個の光ファイバと、この光ファイバの各他端
を円周上に配列し、かつ、一端が上記円周に対向して回
転する選択光ファイバよりなる上記光ファイバの１本か
らの光束を取出す光ロータリスイッチとを使用して達成
される。

また、上記選択光ファイバの先端に一体として配設した
リレーレンズを有する光ロータリスイッチを使用しても
達成される。

また、被測定点に対向する複数個の光ファイバと、この
光ファイバの各他端をイメージ干渉計のコリメータレン
ズの焦点位置に干渉縞の干渉光路差方向と直交して配設
し、かつ、上記イメージ干渉計の結像位置に２次元光ダ
イオード配列を用いて複数個の干渉縞を機械的手段を用
いることなく検出する検出手段とを使用しても達成され
る。

〔作用〕

複数個の光ファイバは、被測定点に対向した光プローブ
であって、このプローブの取付位置に移動させることが
可能である。光ロータリスイッチは、円周上に並べられ
た複数個の光フアイバ端面と、その円周上を１本の選択
光ファイバが回転して任意の光ファイバからの光束を取
出す。これらの作用により、多数の測定点からの反射光
を順次選択して空間に干渉縞を形成するイメージ干渉計
に入射することが可能となり、１個の干渉縞を１次元ダ
イオード配列などで検出し、計算処理によりその点の膜
厚を測定することができる。

一方、光ロータリスイッチを使用しない方法では、イメ
ージ干渉計に光プローブの数に対応する個数の干渉縞を
結像させ、２次元光ダイオード配列（ＣＣＤセンサ）で
検出すれば、機械的な駆動部分がなく、信頼性及び測定
再現性が向上する。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて詳細に説
明する。

第１図は本発明の多点膜厚測定装置の一実施例を示す構
成図である。光ロータリスイッチ２０は、８本の光フア
イバ１〜８等からなる光ファイバ束１０の被測定点１１
と反対端面１２を順次円周１３上に配置し、この円周１
３に対向する選択光ファイバ２５と、回転円板２１．駆
動歯車２２゜駆動モータ２３及びリレーレンズ２４から
なる。

各光ファイバ１，２．・・・、８の先端には対物レンズ
１４．１５が設けられている。

イメージ干渉計６０は、レンズ３１．５７を含む偏光干
渉計であって、白色光源３ｏからの光をレンズ３２を介
して受けるハーフ・プリズム４０゜偏光板４５．ウォラ
ストンプリズム５０．偏光板５５等からなる。

光ダイオード配列７０は１等素子間隔で１次元に配列さ
れた光センサで、クロック回路７３．アナログディジタ
ル変換器７５．演算処理装置８０゜インターフェース回
路８５．モータ制御回路９０゜素子回路９５よりなる処
理装置１００に接続しである。

いま、膜厚測定対象は連続的に流れてくるフィルム状物
質１６であるとする。被測定点１１等はフィルム状物質
１６の進行方向１７に対して直角方向に配列し、落射照
明光を集光させ、フィルム状物質１６の面から反射光を
効率よく導入するため、対物レンズ１４．１５等を設け
ている６回転円板２１が選択光ファイバ２５の入力端と
リレーレンズ２４とが一体となって光ファイバ２の端面
１２に対向する位置にある。このとき、白色光源３０の
光はハーフ・プリズム４０を介してイメージ干渉計６０
の中心光軸に入射し、コリメートレンズ３１を逆進して
選択光ファイバ２５の端面２６に集光入射し、リレーレ
ンズ２４．光ファイバ２．対物レンズ１５を経て被測定
点１１を照明する。

反射光は再び対物レンズ１５．光ファイバ２゜リレーレ
ンズ２４．コリメートレンズ３１を介して平行光束とな
って偏光板４５に入射する。ハーフプリズム４０は、こ
のとき光を５０％損失させ、残りの５０％が有効に利用
される。偏光干渉計６０を構成する２枚の偏光板４５．
５５は、ウォラストンプリズム５０の結晶軸５１，５２
に対し４５°の偏光面４６．５６を与えられており、ウ
ォラストンプリズム５０の分離角に対応する開き角で２
個の偏光波面が干渉することになる。その結果、１次元
光ダイオード配列７０の表面上には干渉縞６９が形成さ
れる。

このとき、干渉縞６９を電気信号に変換した干渉図形に
は、フィルム状物質１６の厚さに対応する正、負の光路
差位置に零光路差が現われる主ピークに相似な小さなサ
ブピークが現られる。この主ピークとサブピークとの間
の光路差が被測定物質の屈折率ｎと、膜厚ｔを乗じたい
わゆる光学的距離の２倍の大きさとなる。従って、干渉
図形中のサブピークの光路差Ｘを検出すれば、既知物質
のフィルム状物質１６の厚さｔは、 、：□　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
ｎ で求められる。処理装置１００は、これらの演算処理を
ディジタル的に行うものであり、結果をインターフェー
ス８５を介して表示回路９５に出力する。

１測定が終了すると、モータ制御回路９０から所定数の
パルスをパルスモータよりなる駆動モータ２３に出力し
て、回転円板２１を図示矢印２７方向に回転し、選択光
ファイバ２５を次の光プローブの光フアイバ端面に対向
させる。

このようにして、８個の被測定点１１を順次照明し、測
定してフィルム状物質１６のフィルム厚さの分布状態を
知ることができる。

もち論、イメージ干渉計６０は偏光干渉計に限らず、空
間に干渉縞を結像することが可能であれば、どのような
ものを使用してもよい。しかし。

偏光干渉計は、可視光の波長以下の波長を使用でき、温
度変化や振動に強い干渉計として適切である。

一方、従来の多点膜厚測定装置の例を第３図。

第４図に示す。第３図は測定試料をウェハー１０１とし
たもので、それぞれ移動方向１０２，１０３のＸ−Ｙス
テージ１０４，１０５に載置され、駆動信号１０６によ
り２個の駆動モータ１０７゜１０８を任意量回転し、ウ
ェハー１０１上の測定点を移動させる。光プローブ１０
９．イメージ干渉計６０．結像レンズ５７．光ダイオー
ド配列７０は第１図と同様である。第４図は測定試料が
第１図と同様一方向に長大であるフィルム状物質１６で
ある場合、膜厚測定袋［１１０を誘導レール１１１上を
図示矢印１１２のように移動させ、進行方向１７に直角
な任意の位置に光学プローブ１１３を対向させるもので
、測定結果はケーブル１１４を介して図示してない表示
装置に表示させる。

第５図は本発明の他の実施例を示す構成図で、第１図の
光ロータリスイッチ２０の如く機械的な運動を全く必要
としないものである。いま、被測定試料として固定台１
２０上のウェハー１０１上の５点における膜厚を測定す
る場合を考える。それぞれの光ファイバ２はＹ型であっ
て、白色光源３ｏからの光を光源レンズ３２を介して光
源端１２１から入射する。ウェハー１０１での反射光は
、光ファイバ２の出射端１２からコリメートレンズ３１
に出射し、第１図と同様偏光板４５，５５゜ウォラスト
ンプリズム５０．結像レンズ５７により上下に分離され
た５個の干渉縞６５〜６９を結像する。２次元光ダイオ
ード配列７２はこれを検出することが可能で、処理装置
１００により５個の膜厚値を順次水めることができる。

この間機械的な運動を行うものは全くない。

光プローブの方式として第２図に４種のものを示すが、
これは第１図及び第５図の両方に適用できるものである
。同図（ａ）は、光ファイバ５の端面をフィルム状物質
１６面（試料面）に対向近接させたものであり、最も単
純な形状であるが、落射光束は大きく、光損失も大きく
なるから光ファイバ５とフィルム状物質１６の間の作動
距離も数ｍ程度と小さい。同図（ｂ）は、光ファイバ５
の先端にセルフォックレンズ１８を用いたもので。

光利用率は向上し、作動距離も大きく取れる。同図（ｃ
）は、光ファイバ５の前方に対物レンズ１４を用いたも
ので、照明光束を光フアイバ直径の数分の１に絞ること
が可能である。同図（ｄ）は、光プローブとしてＹ型光
フアイバ１９を用いたもので、同図（ａ）〜（ｄ）のど
れか１個を適用することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、複数個の膜厚測定
点を容易に切り替えることが可能であって、小形試料に
対する光プローブの精密移動を除去することができる。

さらに、２次ダイオード配列と複数個の干渉図形処理機
能を採用すれば１機械的可動部分を用いることなく、複
数測定点での膜厚測定を比較的短時間に行うことができ
る。従って、省エネルギーであるばかりでなく、測定再
現性の向上と高信頼性の確保が極めて容易となるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多点膜厚測定装置の一実施例を示す構
成図、第２図は４種の光プローブの先端方式を示す図、
第３図、第４図はそれぞれ従来技術の多点膜厚測定装置
の構成図、第５図は本発明の他の実施例を示す構成図で
ある。 １０・・光ファイバ束、１１・・・被測定点、１２・・
・反対物面、１３・・・円周、１４．１５・・・対物レ
ンズ、１６・・・フィルム状物質、１８・・・セルフォ
ックレンズ、１９・・・Ｙ型光ファイバ、２０・・・光
ロータリスイッチ、２１・・・回転円板、２２・・・駆
動歯車、２３・・駆動モータ、２４・・・リレーレンズ
、２５・・・選択光ファイバ、３０・・・白色光源、３
１．５７・・・コリメートレンズ、３２・・・光源レン
ズ、４ｏ・・・ハーフプリズム、４５．５５・・・偏光
板、５０・・・ウォラストンプリズム、６０・・・イメ
ージ干渉計、７０・・・光ダイオード配列、７２・・・
２次元光ダイオード配列、７３・・・クロック回路、７
５・・・アナログディジタル変換器、８０・・・演算処
理装置、８５・・・インターフェース回路、９０・・・
モータ制御回路、９５・・・表示寓２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、白色光源と、空間に干渉縞を結像するイメージ干渉
   計と、前記干渉縞を検出する光ダイオード配列と、該光
   ダイオード配列の出力である干渉図形から膜厚を求める
   計算処理手段とからなる干渉膜厚測定装置において、被
   測定点に対向する複数個の光ファイバと、該光ファイバ
   の各他端を円周上に配列し、かつ、一端が前記円周に対
   向して回転する選択光ファイバよりなる光ロータリスイ
   ッチとを具備することを特徴とする多点膜厚測定装置 ２、白色光源と、空間に干渉縞を結像するイメージ干渉
   計と、前記干渉縞を検出する光ダイオード配列と、該光
   ダイオード配列の出力である干渉図形から膜厚を求める
   計算処理手段とからなる干渉膜厚測定装置において、被
   測定点に対向する複数個の光ファイバと、該光ファイバ
   の各他端を円周上に配列し、かつ、一端が前記円周に対
   向して回転する選択光ファイバと、該選択光ファイバの
   先端に一体として配設したリレーレンズを有する光ロー
   タリスイッチとを具備することを特徴とする多点膜厚測
   定装置。 ３、前記被測定点に対向する複数個の光ファイバの各光
   端部に対物レンズを配列した特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の多点膜厚測定装置。 ４、前記光ロータリスイッチの選択光ファイバの後に置
   かれたハーフプリズムを介して白色光源からの光束を前
   記被測定点に照射するようにした特許請求の範囲第１項
   または第２項または第３項記載の多点膜厚測定装置。 ５、白色光源と、空間に干渉縞を結像するイメージ干渉
   計と、前記干渉縞を検出する光ダイオード配列と、該光
   ダイオード配列の出力である干渉図形から膜厚を求める
   計算処理手段とからなる干渉膜厚測定装置において、被
   測定点に対向する複数個の光ファイバと、該光ファイバ
   の各他端を前記イメージ干渉計のコリメートレンズの焦
   点位置に前記干渉縞の干渉光路差方向と直交して配設し
   、かつ、前記イメージ干渉計の結像位置に２次元光ダイ
   オード配列を用いて複数個の干渉縞を機械的手段を用い
   ることなく検出する検出手段とを具備することを特徴と
   する多点膜厚測定装置。 ６、前記被測定点に対向する複数個の光ファイバの各先
   端部に対物レンズを配列した特許請求の範囲第５項記載
   の多点膜厚測定装置。 ７、前記被測定点に対向する複数個の光ファイバの各先
   端部に配設する前記対物レンズが、前記光ファイバと一
   体となるセルフォックレンズである特許請求の範囲第３
   項または第６項記載の多点膜厚測定装置。 ８、前記被測定点に対向する複数個の光ファイバがそれ
   ぞれ白色光源からの照射光を導入するＹ型光ファイバで
   ある特許請求の範囲第１項または第２項または第３項ま
   たは第５項または第６項記載の多点膜厚測定装置。