JPH032403B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明は薄膜の膜厚測定装置に関するもので
ある。

光学系機器の蒸着膜の厚さや、ICパターンの
焼付け膜の厚さはミクロンオーダーのものであ
り、したがつて、ミクロンオーダーの膜厚の測定
技術が必要である。

［従来の技術］ そのような膜厚測定技術のうちの光学的膜厚測
定技術の一種として従来、レーザの可干渉性を利
用した技術がある。これは各種干渉計を用いたも
ので、例えば、フイゾー干渉計を用いた膜厚測定
の場合は、第５図に示すように、レーザ光源から
発生したレーザ光束１０の一部分に試料１６を挿
入し、参照平面７で反射した光束Ａと参照平面７
を通過し試料１６を通らずにミラー８で反射した
光束αとの干渉縞Aαを形成させ、また参照平面
７で反射した光束Ｂと参照平面７を通過し、試料
１６を通過しかつミラー８で反射した光束βとの
干渉縞Bβを形成させる。

干渉縞Bβは基準となる干渉縞Aαに対して試料
通過によつて受ける光路差の変化分だけずれてい
るので、そのずれ量から試料１６の厚みを求める
ものである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、このようにして、膜厚測定には基準
の干渉縞Aαのうちの１本の干渉縞と、それに対
応する干渉縞Bβうちの１本の干渉縞を対比させ
て、そのずれ量を測定する必要があり、試料の膜
厚が波長より短い場合は、ずれ量も１フリンジを
越えないから、干渉縞Bβのうち対比すべき１本
の干渉縞を特定するのは容易であるが、試料の膜
厚が波長より長い場合は、干渉縞Bβずれ量が数
フリンジを越えるので、干渉縞Bβのうち対比す
べき１本の干渉縞がどこに現われているか分ら
ず、それを特定することができない。したがつ
て、試料の膜厚が波長を越えるもの場合は、干渉
計による膜厚の測定が相当に困難である。そこ
で、この対比すべき干渉縞を特定するために、従
来は波長の異なる３種の光波を用いて３種の干渉
縞を形成し、各波長ごとのずれ量を観察して、対
比すべき干渉縞を特定することも行なわれている
が、３種の光波を使用することは装置が大がかり
になるばかりでなく、操作も煩雑になつて実用上
不利である。

このようなことから、波長以上の膜厚をも容易
に測定し得る技術の開発が望まれている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、波長以上の膜厚をも容易かつ確実に
測定し得る膜厚測定装置を提供することを目的と
するものである。

(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、この発明の膜厚測定装置
は同一の光源から生成されかつ光路長が異なる２
つの光波を重ね合せた干渉縞を２組形成する光学
系を有する干渉計を備え、前記２組の干渉縞のう
ちの一方の組の干渉縞における一方の光波の光路
中に前記一方の光波の試料膜中における光路長が
変化する方向に回転可能な前記試料膜を挿入し、
かつ、前記試料の前記回転角度を検出する回転角
度検出器を備えていることを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。

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は干渉計２と試料保持装置３とを備
えている。

干渉計２としてはフイゾー干渉計、マイケルソ
ン干渉計、マツハツエンダー干渉計、その他の任
意の干渉計を使用し得るが、この実施例ではフイ
ゾー干渉計を使用している。

干渉計２はレーザ光源４、ハーフミラー５、レ
ンズ６、ガラス板製の参照平面７、ミラー８、レ
ンズ１１及びスリガラス製のスクリーン１２を備
えている。このような構成の干渉計２において
は、後述する試料１６を配設しない状態において
は、レーザ光源４から発生した光はレンズ（図示
せず）で一定の角度に拡げられたのち、レンズ６
で平行光束とされ、参照平面７に入射する。参照
平面７に入射した平行光束のうち１部分は、参照
平面７で反射されて反射光束１３となり、残部は
参照平面７を透過して透過光１４となり、ミラー
８に達して反射されたのち、参照平面７を反対方
向から透過してレンズ６に達する。

その後、レンズ６に達した反射光１３及び透過
光１４は共にもとの光路を逆行してハーフミラー
５に達し、ここで反射されてレンズ１１を通して
スクリーン１２上に投影される。スクリーン１２
上には反射光１３と透過光１４の重ね合せによる
干渉縞が形成される。

一方、試料保持装置３は、第１図及び第２図に
示すように、回転テーブル１５を備え、その回転
テーブル１５上に試料１６を保持する。ここで特
に重要なことは試料１６の配置位置であつて、試
料１６は透過光１４の光路の一部分に配設される
のであつて、したがつて透過光１４は試料１６を
透過するものβと、試料１６の影響を受けないも
のαとに分類することができる。

試料１６はその厚みの方向に直角な方向が回転
テーブル１５の回転中心と平行をなすように配設
され、その回転中心は透過光１４の光軸と直角を
なすようになつている。

［作用］ このように構成された膜厚測定装置１において
試料１６の膜厚を測定するには、次のようにす
る。

まず、試料１６を試料保持装置３にセツトす
る。次にレーザ光源４を発光させる。レーザ光源
４から発生した光はレンズ（図示せず）で一定の
角度に拡げられたのち、レンズ６で平行光束とさ
れ、参照平面７に入射する。参照平面７に入射し
た平行光束のうち１部分は、参照平面７で反射さ
れて反射光束１３（Ａ及びＢ）となり、残部は参
照平面７を透過して透過光１４となる。透過光１
４の一部分αは直ちにミラー８に達するが、他の
部分βは試料１６を透過したのち、ミラー８に達
する。透過光１４（α及びβ）はミラー８で反射
されたのち、参照平面７を反対方向から透過して
レンズ６に達する。その後、レンズ６に達した反
射光１３（Ａ及びＢ）と透過光（α及びβ）は共
にもとの光路を逆行してハーフミラー５に達し、
ここで反射されてレンズ１１を通してスクリーン
１２上に投影される。スクリーン１２には反射光
Ａと透過光αとの重ね合わせによる干渉縞Aαと
反射光βと透過光βとの重ね合せによる干渉縞
Bβとが形成さる。このとき、ミラー８を微調整
して視野内に複数本の干渉縞を生じさせる。この
干渉縞Aαは基準（参照側）となるもので、それ
に対し干渉縞Bβは試料１６により光路差の変化
分だけずれている。次に、そのずれ量から干渉縞
の位相差を求める。即ち、モニタテレビ２５上に
示される干渉縞間隔Ｓとずれ量ΔSとからΔS／Ｓ
として求められる。さらに処理装置１７によつて
回転テーブル１５が回転され、試料１６への入射
角を変化させて再び干渉縞の位相差を求める。入
射角の変化により、試料１６内の光路長が変化
し、位相差も変化する。このときの角度の変化量
は、回転テーブル１５に組込まれているエンコー
ダ等により読取り、処理装置１７に入力される。
これらの測定結果から、後に示す計算式により試
料１６の厚さが求められる。

角度の基準は次のように設定する。光路中にレ
ンズ２２を入れることにより、スクリーン１２上
に光束の焦点を結ばせる。参照平面７からの反射
光と試料１６の表面からの反射光がそれぞれ焦点
を結んでいるので、これらを重ね合せることによ
り、試料１６に光束が垂直入射するように調整で
きる。なお、スクリーン１２としてモータ２３で
駆動される回転スリガラスを使用する場合は、ス
ペツクル等のノイズを低減されることができる。
試料１６の膜厚は次に示す計算式により導出する
ことができる。

［記号の説明］ ｄ：薄膜の厚さ ｎ：薄膜の屈折率 ｉ：光束の入射角 θ：光束の屈折角 ｌ：膜中を光束が通過する長さ ａ：薄膜がないとき通過すべき空気層の長さ ｍ：干渉縞次数（整数） Δm：干渉縞次数の端数部分 λ：光源の波長 ［関係式］ nsinθ＝sini ……(1) lcosθ＝α ……(2) lcos（ｉ−θ）＝ａ ……(3) nl−ａ＝（ｍ＋Δm）λ ……(4) (2)(3)(4)よりａ，ｌを消去して ｄ／（ｍ＋Δm）λ ＝cosθ／｛ｎ−cos（ｉ−θ）｝ ……(5) (1)式の関係を用いて、θを消去して、ｄを求め
ると次式となる。

ｄ＝（ｍ＋Δm）λ／｛√²−²−cosi｝
……(6) 最初にｎが既知の場合について考えると、波長
λは既知、入射角ｉおよび干渉縞の端数Δmは測
定されるが、厚さｄと縞次数（ｍ）は未知であ
る。そこで入射角ｉをi₀からi₁に変化させたとき
に縞次数（ｍ＋Δm）が（m₀＋Δm₀）から（m₁
＋Δm₁）に変化したとする。

ｄ＝（m₀＋Δm₀）λ／｛√²−² ₀−cosi₀｝
……(7) ｄ＝（m₁＋Δm₁）λ／｛√²−² ₁−cosi₁｝
……(8) 入射角は基準としてi₀＝O゜に設定するものとし、
(7)，(8)式から ｄ＝（m₁−m₀＋Δm₁−Δm₀）λ／｛√²−
sin²i₁−cosi₁−（ｎ−１）｝ ……(9) となり、薄膜の厚さｄが求められる。

次に屈折率ｎが未知の場合について考える。こ
のときは入射角i₀からもうひとつの異なつた入射
角i₂に変化させたときの縞次数m₂＋Δm₂を測定
し、同様にしてｄを求める。

M₁＝m₁−m₀＋Δm₁−Δm₀ M₂＝m₂−m₀＋Δm₂−Δm₀ とすると(9)式から ｄ＝M₁λ／｛√²−² ₁−cosi₁−（ｎ−１）
｝
……(9) ｄ＝M₂λ／｛√²−² ₂−cosi₂−（ｎ−１）
｝
……(10) なる連立方程式がたてられるのでこれをｎについ
て解けばよい。

(9)，(10)式によりｄ、λを消去し、整理すると、 ｎ（M₂−M₁）＋｛M₁（１−cosi₂）−M₂（１−
cosi₁）｝ ＝M₂√²−² ₁＋M₁√²−²
₂
……(11) ここで ｐ＝M₁（１−cosi₂） ……(12) ｑ＝M₂（１−cosi₁） ……(13) とおき、（11）式を平方して整理すると n²M₁M₂＋ｎ（M₁−M₂）（ｐ−ｑ）−（M₁p＋
M₂q−pq） ＝M₁M₂√²−² ₁）（−² ₂）……(
14) さらに平方してｎの降べきに整理すると An³＋Bn²＋C₂＋Ｄ＝０ ただし Ａ＝2M₁M₂（M₁−M₂）（ｐ−ｑ） Ｂ＝（M₁−M₂）²（ｐ−ｑ）² −2M₁M₂（M₁p＋M₂q−pq） ＋M₁ ²M₂ ²（sin²i₁＋sin²i²） Ｃ＝−２（M₁−M₂）（ｐ−ｑ） （M₁p＋M₂q−pq） Ｄ＝（M₁p＋M₂q−pq）² −M₁ ²M₂ ²sin²i₁sin²i₂ ｎは３次方程式の根の公式を用いることによつ
て求めれる。

ただし屈折率ｎは一般に１〜３以外の値をとるこ
とはないのでこれにあてはまるｎが求めるとｎと
なる。

An₃＋Bn₂＋Cn＋Ｄ＝０ ｎ＝ｙ−（Ｂ／3A）とすると y₁＝Ｅ＋Ｆ y₂,₃＝−｛（Ｅ＋Ｆ）／２｝ ±｛（Ｅ−Ｆ）／２）｝√３ｉ ∴n₁＝Ｅ＋Ｆ−（Ｂ／3A） n₂,₃＝−｛（Ｅ＋Ｆ）／２｝−（Ｂ／3A） ±｛（Ｅ−Ｆ）／２｝√３ｉ ｎは１〜３の範囲と考えられるので、n_1〜3につい
て吟味する。

ただし Ｒ＝２（Ｂ／2A）³−（BC／3A²）＋（Ｄ／Ａ） Ｑ＝１／９／〔｛（−B²）／3A²｝＋（Ｃ／Ａ）〕 ＋（Ｒ／２）² 干渉縞の傾斜の影響を避けるためには、第４図
に示すように、光検出器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を干渉
縞の試料側に１個（D1）、参照側に２個（D2，
D3）、それぞれ等間隔に直線上に設置する。干渉
縞が光検出器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の配列方向と同一
方向にあるときは、光検出器Ｄ２とＤ３との間の
位相差はないので、光検出器Ｄ１と光検出器Ｄ２
（またはＤ３）の位相差が試料側と参照側の位相
差である。干渉縞が傾斜しているときは光検出器
Ｄ２とＤ３との間に位相差が生じるので、求める
位相差は光検出器Ｄ１とＤ２の位相差から光検出
器Ｄ２とＤ３の位相差を差し引いたものとなる。

［実施例］ (1)予め厚さが2.8μmと測定されている薄膜を本
装置によつて測定した。結果は次の通りである。

i₁＝39゜75′ 2.68μm i₁＝45゜ 2.70μm i₁＝56゜50゜ 2.78μm (2)予め厚さが2.6μmと測定されている薄膜を本
装置によつて測定した。結果は次の通りである。

i₁＝39゜75′ 2.65μm i₁＝45゜ 2.74μm i₁＝56゜50′ 2.57μm (ハ) 発明の効果 このように、この発明によれば、試料を回転さ
せるだけで、波長より試料の膜厚が大きい場合に
も、容易かつ確実に、その膜厚を測定することが
できる膜厚測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は膜厚測定装置を示す正面構成説明図、
第２図は膜厚測定装置の試料部分の平面構成説明
図、第３図は試料を示す側面説明図、第４図は光
検出器の配設位置を示す説明図、及び第５図は従
来の膜厚測定装置を示す正面構成説明図である。 １……膜厚測定装置、２……干渉計、３……試
料保持装置、４……レーザ光源、５……ハーフミ
ラー、６……レンズ、７……参照平面、８……ミ
ラー、１１……レンズ、１２……スクリーン、１
３……反射光、１４……透過光、１５……回転テ
ーブル、１６……試料、１７……処理装置、１８
……テレビカメラ、２１……モニタテレビ、２２
……レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同一の光源から生成されかつ光路長が異なる
   ２つの光波を重ね合せた干渉縞を２組形成する光
   学系を有する干渉計を備え、前記２組の干渉縞の
   うちの一方の組の干渉縞における一方の光波の光
   路中に前記一方の光波の試料膜中における光路長
   が変化する方向に回転可能な前記試料膜を挿入
   し、かつ、前記試料の前記回転角度を検出する回
   転角度検出器を備えていることを特徴とする膜厚
   測定装置。