JPH0374763B2

JPH0374763B2 -

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Publication number: JPH0374763B2
Application number: JP58233728A
Authority: JP
Priority date: 1983-12-13
Filing date: 1983-12-13
Publication date: 1991-11-28
Also published as: JPS60127403A; US4660980A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、干渉法を利用し、透明体の厚み、
特に薄いフイルムの厚みを非接触でしかも高精度
に測定する厚み測定装置に関するものである。

薄いフイルムの厚みを測定する方法として、光
の干渉を利用する測定法が特開昭53−3363号に提
案されている。これは次のような技術であつた。

即ち、、透明板の面に可干渉光を入射角を変化
させつつ照射して、表面と裏面で反射した光によ
る干渉縞の強度の経時的変化を検出して、第６図
のａに示すような信号を得る。この信号をｂのよ
うに矩形波にし、さらにこのｂの矩形波の立上り
時と立下り時にパルス波形を生じるｃの波形に変
換する。そして、第６図のａにおける最適の基準
入射角θ_Cを中心とした１ピツチ分（即ち、干渉縞
の１ピツチ分）の時間幅、即ち、（θ_C−Δθ／２）と（θ_C＋Δθ／２）との時間幅を測定して、（ただしλ：波長、ｎ：被測定物の屈折率）を演算して被測定物の厚みを測定していた。

しかして、一般にこの種の厚みの測定において
は、被測定物の表面のゴミ、極部的な凹凸、屈折
率の不均一性などにより干渉信号に歪みがあるの
が通常であるが、前記した従来の方法では、前記
したように干渉縞の１ピツチ分の狭い角度範囲か
ら求めた前記(A)式の演算によつて厚みを求めてい
るため、この干渉信号の歪みによる測定誤差が大
きかつた。

即ち、例えば、被測定物の屈折率ｎ＝1.5、厚
みｔ＝50μｍとして、λ＝0.6358×10^-3、基準入
射角θ_C＝49.2°、（θ_C−Δθ／２）＝48.39°、（θ_C−Δ θ／２）＝48.42°の場合に、（θ_C−Δθ／２）の値が
前記干渉信号の歪みによつて0.03°大きい48.42°（即ち
48.39＋0.03）が得られた場合には、となる。即ち、(A)式の演算では、正しい厚み50μ
ｍに対して誤差率が3.2％と非常に大きくなると
いう欠点があつた。

本発明はこのような測定誤差が小さく高精度な
測定が可能で、且つ高速の測定を可能にした厚み
測定装置を提供することを目的としている。

以下、実施例に従いこの発明を具体的に説明す
る。

第１図はこの発明の第１実施例を示すものでａ
は、測定原理をｂは、被測定物近傍における光束
を詳しく示したものである。

この図において、コヒーレントな光束を発する
光源１として、レーザを用い、その光束をレンズ
２を通して、０点で絞り、被測定物の表面７−ａ
に発散光を照射する。その際、絞り３を用いて、
被測定物の表面７−ａに入射する光束の入射角を
予め定めて、その範囲内θ_Aからθ_Bで表裏面反射光
束によつて生じる干渉縞に注目する。この入射角
θ_Aからθ_Bの範囲は、狭すぎて厚みｔに近づくと良
好な干渉信号が得られないが、広すぎてこの幅Ａ
とＢとの間で厚みｔが大きく変化することがない
ように、無視できる程度の厚みの変化間の幅に設
定することが必要である。

そして、反射光路中にレンズ８を設置し、被測
定物の表面７−ａの近傍に生じた干渉縞を受光素
子として例えばイメージセンサ９上に写し、その
パターンを検知する。その際、被測定物７の位置
がある範囲で動いても、パターンがイメージセン
サ９から外れないように結像系を定める。そし
て、イメージセンサ９から得られたビデオ信号の
ピークを連ねて得られる干渉縞信号から厚みを測
定する。

干渉縞をイメージセンサで検知する際に、各素
子が並んでいる方向と垂直な方向の寸法を長くし
たイメージセンサを用いると、干渉縞に重なるレ
ーザ特有のスペツクルの影響を取り除くことがで
きる。

干渉縞パターンから厚みが求められる過程は、
次に説明する通りである。

第１−ｂ図において、被測定物の表面７−ａ上
AB間に入射角θ_Aからθ_Bまでの光束が入射してい
る。入射角θ_Aの光束をａとし、ａが被測定物の表
面７−ａを透過し、その後裏面７−ｂで反射さ
れ、再びA′点で表面７−ａを透過したとき、そ
の光束と表面７−ａで重なる光束a′があり、その
表面反射光は、ａと干渉する。A′B間ではすべて
の点で干渉が起る。

干渉する２光束の位相差は、入射角がθ_Aからθ_B
まで変わるに従つて単調に変化するので、A′B間
には次数が単調に変化する干渉縞が現れる。

平均入射角θ_Cは、A′B間に現れる干渉縞の数が
最大となるように設定する。厳密にいえば、
AA′およびBB′間には、干渉すべき一方の光束が
ないため干渉縞は現れない。しかし厚みｔが小さ
いときには、それぞれ無視できるので、A′B間と
いうべきところを、以下AB間と呼びかえること
とする。

さて、AB間の幅に対応する干渉縞次数差（即
ち、第６図でθ_Aとθ_B間に対応する干渉縞次数差）
ｍは、(1)式で表わせる。

ｍ＝l_A−l_B／λ ……(1) ただし、l_AはＡ点において干渉する２光束の光
路差であり、l_BはＢ点におけるそれである。ま
た、λはレーザの波長である。

一般にl_A、l_Bを厳密に計算するのはかなり面倒
で、また厚みｔとの関係を見通すのが難しい。そ
こで被測定物の厚みが十分薄い場合を考えると被
測定物の表面Ａにおいて干渉する２つの光束ａと
a′は平行であると仮定しても誤差はほとんどな
い。この場合の２光束の光路差l_Aは次のように求
められる。

l_A＝２×√²−² _A×ｔ ……(2) ここでｎは被測定物の屈折率で、またl_Bについ
ても同様である。

l_B＝２×√²−² _B×ｔ ……(2)′ (1)式、(2)式および(2)′式より、干渉縞次数差ｍ
と被測定物の厚みｔは、次式のように比例関係に
あることがわかる。

したがつて、被測定物の屈折率ｎ、レーザの波
長λ、θ_A、θ_Bが既知であるから、被測定面上に現
れる干渉縞の数からその次数差ｍを検出すること
により、厚みｔが求められる。

即ち、第６図において、角度θ_Aからθ_Bまでの間
で最初に現われる干渉縞が角度θ₁、最後の縞がθ₂
とすると、この角度θ₁からθ₂の間に全部でm′個の
干渉縞のピーク数があるとすると、厚みｔはのように求められる。

しかしながら、θ₁及びθ₂を含んだ上記(3)′式のは極めて複雑であり、このため、式(3)′の計算を
高速（たとえば、１秒間に1000回の測定サイク
ル）で行なうことは難しい。

そこで、角度θ₁からθ₂までの干渉縞の個数m′を
検出して、角度θ_Aからθ_Bの幅に対応する干渉縞の
個数ｍを、その端数に至るまで、簡単な方法で求
めることができれば、(3)式をそのまま使うことが
できる。

即ち、λ、ｎ、θ_A、θ_Bは既知なので、式(3)は、
ｔ＝Ｋ×ｍ（Ｋは定数）と表わすことができるか
ら、ｍを簡単に演算できるならば、式(3)は式(3)′
に比べて格段に簡単に、著しい高速で計算するこ
とができ、測定器の高速応答を確保することがで
きる。

次に、θ₁からθ₂間の次数差m′から、θ_Aからθ_B間
に対応した干渉縞の次数差ｍを演算する方法を説
明する。

第２図のａはイメージセンサ９のビデオ信号の
ピークを連ねて得られる干渉縞信号である。まず
次数差演算処理部１５の波形整形回路１１によ
り、第２図のｂのように方形波信号に変換する。
そして、微分回路１２により第２図のｃのような
立ち上がりパルスおよび立ち下がりパルスを作
る。

次に、カウント演算回路１３で、微分回路から
得られる全パルス数m₀をカウントし、第６図に
示すようにθ₁からθ₂間の次数差m′は m′＝m₀−１／２ ……(4) なので、この全パルス数m₀から、この(4)式の演
算を行なう。

次に、次数差演算回路１４により、AB間に対
応する干渉縞の次数差ｍが、(5)式のようにｍ＝X_AB／X₀×m′X_AB／X₀×m₀−１／２ ……(5) が得られる（ここで、第６図のａに示すように
AB間の長さをX_ABとし、第６図のｃに示すよう
にθ₁とθ₂間の長さをX₀とする。干渉縞ピツチはわ
ずかの入射角度の変化では変わらないと仮定でき
る。）。(5)式において、X_ABはθ_A−θ_Bに比例しX₀は
θ₁−θ₂に比例するので、(5)式は次のようにｍ＝θ_A−θ_B／θ₁−θ₂×m′＝θ_A−θ_B／θ₁−θ₂
×m₀−１／２……(5)′ となる。このように極めて簡単にｍが求められ
る。

従つて、厚み演算回路１６により、前述の(3)式
の計算（即ちｔ＝Ｋ×ｍ）をすれば、被測定物７
の厚みｔが、簡単に求められる。

なお、平均入射角度θ_Cは、(1)式のｍが最大にな
るように選ぶのがよい。このようにすると被測定
物のゆれや傾きの変化に対して測定値は安定で最
も影響が少なくなる。

即ち、平均入射角θ_Cは、入射光束ａ，ｂのなす
角を一定として、被測定物７に投射する際に検出
される干渉縞の数が最大となるように設定してい
るので、被測定物が傾くことによる干渉縞の数の
変化率が最小となり、測定誤差への影響が最小と
なる。

例えば、第１実施例において、平均入射角θ_Cが
49.2deg、θ_Aが47.2deg、θ_Bが51.2degのとき、測定
装置の光学系と被測定物との距離ｈを100mm、被
測定物の厚みｔが100μｍ、屈折率ｎが1.5の場合
において、平均入射光の照射する点を中心に±
1deg以内で回転したとき、測定値の変化の割合
Δt／ｔは6.4×10^-4以内である。

このような簡便法を用いて求めたｍの値と、ｍ
の真値との差は小さい。√²−²がほぼ直線
とみなせるθの領域を使つているので、(5)式に含
まれる誤差は、次数にして0.05以下であり、ｍが
50のときは0.1％、ｍが10のときは0.5％といつた
オーダの高精度測定ができる。

次に第１図の実施例による厚み測定の誤差率
を、前記した第６図において説明する。

即ち従来例の説明の場合と同様に、ｎ＝1.5、
ｔ＝50μｍとする。(1)、(2)、(2)′式よりP₁点にお
ける縞次数M₁は M₁＝l_A／λ＝2t／λ√²−² となる。これによりとなる。

M₁が0.5の倍数で変化したときのθ₁を計算し、
第６図のθ₁、θ₂及び各ポイントのθの値が求ま
る。次にｎ＝1.5のときの最適入射角θ_C＝49.2°で
あるから、それがまたがるようにθ_C−Δθ／２、θ_C ＋Δθ／２、θ₁、θ₂を求める。つまり、ｎ、ｔが既知であれば、第６図に示した干渉信号は一義的に
決まる。これにより θ₁＝45.53° θ₂＝50.76°を得る。

ここで干渉信号の歪みによりθ₁が0.03°大きい
値、45.56°として得られたとする。従つて、厚み
ｔはとなる。即ち、正しい厚み50μｍに対して誤差率
は0.6％となる。従つて、前記した従来装置の誤
差率3.2％より著しく小さな誤差率となる。

なお、第１実施例において、被測定物の表面７
−ａに照射する光束を発散光であるとしたが、他
に収束光を用いたり、ビームウエストを形成し、
その近傍に被測定物を置くこともできる。

被測定物に照射する光束が発散光および収束光
の場合、また、被測定物を光束のビームウエスト
付近に設置した場合において、入射光路中に絞り
３を入れることにより、入射角度範囲を定めてあ
るために、光源と被測定物と距離ｈがある範囲変
化しても、すべての光束が受光素子から外れない
かぎり、光路差ｌは変化しない。このことは、前
述の被測定物の厚みｔと測定範囲内の干渉縞の次
数差と関係を表わした(3)式においても光源と被測
定物との距離ｈを含んでいないことからも明らか
である。

また、この実施例では反射光路中にレンズ８を
設置し、被測定物の表面７−ａ近傍に生じる干渉
縞をセンサ上に投影しているが、被測定物７の表
面および裏面がなめらかな場合にはレンズ８を用
いず、イメージセンサ上に形成される干渉縞を直
接検知することもできる。

次に第２の実施例として、シリンドリカルレン
ズを用いた測定系を第３図に示す。第１の実施例
と異なる点は、照明系にシリンドリカルレンズを
挿入し、被測定物の表面７−ａ上で、入射面に垂
直に細長くライン状に絞られるようにしたことで
ある。この場合にはセンサ上にできる像は被測定
物表面にできたものではなく、少し離れたところ
にできるものとなる。これにより、被測定物の厚
み分布を平均化でき、また、レーザ特有のスペツ
クルや、被測定物表面上の小さなゴミや汚れなど
の影響を小さくして、安定に測定ができる。

第４図はこの発明の第３実施例の測定系であ
る。この例では入射光束にθ_Aからθ_Bまでの角度分
布を持たせて一度に照射するのではなくθ_Aからθ_B
まで時間的にスキヤニングすることにより第１の
実施例と同じ目的を達するようにしている。

レーザ光束をレンズ２を通して光束を絞り、そ
のレンズ２と焦点Ｆの間に音叉振動子の先端にミ
ラーを取り付けた音叉偏向器を設置し、駆動部１
０で駆動させる。被測定物の表面７−ａの微小部
分に照射するために、レンズ２の焦点Ｆを共有す
るようにレンズ６を入れ、音叉偏向器５上の偏向
点Ｅの像を被測定物の表面７−ａ上のＤ点につく
る。このようにすると入射光は、平行または、平
行に近い光束となり、必要な入射角の範囲でスキ
ヤニングすることになる。そして、Ｄ点の像をレ
ンズ８を用いて、光強度を検知する受光素子９′
で受ける。そして、受光素子９′より得られる信
号は、第２図ａと同じ種類のものとなるので、次
数差演算処理部１５′で干渉縞の次数変化を求め、
厚み演算部１６で被測定物の厚みｔに変換して出
力する。音叉振動の位相をモニタすれば、任意の
時刻における光束の入射角度θ_A、θ_B、θ₁、θ₂を知
ることができるので(5)′式の演算が容易にできる。

ここで、音叉偏向器５によりスキヤニングされ
る入射光束は平行または平行に近いので(2)式の関
係が近似的にではなく正しく得られる。スキヤニ
ングされる入射光束の平均入射角は所定の角度範
囲（θ_B−θ_A）において干渉縞次数差が最大になる
ようにするのが望ましい。このことは第１の実施
例と同様である。

また、この実施例では偏向器として音叉を用い
ているが、これに限ることなく、回転ミラーや超
音波偏向点Ｅの像を被測定物の表面７−ａの近傍
に作るような構成を示したが、この他に被測定物
の位置を偏向点Ｅの像より十分手前になるように
することもでき、レンズ２およびレンズ６を取り
除いてしまうことも可能である。

第５図の光学系は被測定物の厚みが増した場合
に用いた第４の実施例を示すものである。入射光
束を２分割し、被測定面の法線に対称にしかも入
射角を小さくして、入射させる。その際、入射光
路中に絞り３′を入れ、測定範囲をそれぞれ定め
ることは、前述の実施例と同じである。それぞれ
の光束において、第１実施例と同様に測定を行な
い両方で得られた測定値の平均を求める。平均入
射角が小さく最適値になつていないため、被測定
物が測定装置の検出部光学系に対して傾くとそれ
ぞれの光束を用いて得られた測定値は変化する。
しかし、傾きが小さい場合には平均することによ
り変化を互いに打消すことができる。

本発明は、以上のようにわずかの入射角度の変
化では干渉縞ピツチは変わらないことを利用し
て、入射角θ_Aから入射角θ_Bまでの照射によつて生
じる、最初の入射角θ₁における干渉縞と最後の入
射角θ₂における干渉縞との示数差m′を、干渉縞
パターン信号に基づいて発生させたパルス数をカ
ウントした全パルス数m₀から演算し、この入射
角θ₁からθ₂までの次数差m′に基づいて前記入射角
範囲θ_Aからθ_Bに対応した干渉縞次数差ｍを演算
し、この次数差ｍに定数Ｋを乗算して厚みを求め
るようにしたから、演算が著しく簡単となつて演
算速度がスピードアツプされ、また、入射角の変
化範囲θ_Aからθ_Bに対応した範囲での干渉縞の次数
差ｍによつて、前記演算を行なうようにしたか
ら、測定誤差を著しく小さくし、且つ高速測定を
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１−ａ図は第１実施例における測定原理図で
ある。第１−ｂ図は第１−ａ図における被測定物
近傍における光束を示した図である。第２図は第
１−ａ図におけるイメージセンサより得られるビ
デオ信号の処理波形を示した図である。第３図
は、第２の実施例における光学系を示した図であ
る。第４図は、第３実施例における光学系を示し
た図である。第５図は、第４実施例における光学
系を示した図である。第６図は誤差率を説明する
ための波形図である。１……光源（レーザ）、２……レンズ、３，
３′……絞り、４……シリンドリカルレンズ、５
……音叉偏向器、６……レンズ、７……被測定
物、８……レンズ、９，９′……受光素子、１０
……音叉偏向器の駆動部、１１，１１′……波形
整形回路、１２，１２′……微分回路、１３，１
３′……カウント演算回路、１４，１４′……次数
差演算回路、１５，１５，１５″……次数差演算
処理部、１６……厚さ演算部。

Claims

【特許請求の範囲】１コヒーレントな光束を発する既知の波長の光
源と、該光束を透明な被測定物の表面においてのＡ点
からＢ点までの所定幅で予め定めた所定の入射角
θ_Aからθ_Bまでの角度分布をもつような光束として
照射する手段と、前記被測定物の表面および裏面で反射した光束
とが重なりその光路差より前記Ａ点からＢ点まで
の前記入射角のθ_Aからθ_Bまでの変化によつて生じ
る干渉縞のパターンを表わす干渉縞パターン信号
を出力する受光素子と、前記干渉縞パターン信号を方形波に波形整形
し、該方形波の立上り及び立下りごとにパルス信
号を出力するパルス発生手段と、前記入射角θ_Aから入射角θ_Bまでの照射によつて
生じる最初の入射角θ₁における干渉縞から最後の
入射角θ₂における干渉縞までの間で前記パルス発
生手段から出力される全パルス数m₀をカウント
し、該最初の入射角θ₁から最後の入射角θ₂までの
干渉縞次数差m′を m′＝m₀−１／２として演算するカウント演算回路と、前記入射角θ₁からθ₂までの干渉縞次数差に基づ
いて前記入射角θ_Aからθ_Bの範囲に対応する干渉縞
次数差ｍをｍ＝θ_A−θ_B／θ₁−θ₂×m₀−１／２として演算する次数差演算手段と、前記次数差演算手段の出力を前記被測定物の厚
みに対応する値に変換する演算（ただしｎ：＝被測定物の屈折率、λ：光源から
の光の波長）を行なう厚み演算手段とを備えた厚み測定装置。２コヒーレントな光束を発する既知の波長の光
源と、該光束を一定角度だけ走査する光偏向手段と、該偏向光束を透明な被測定物の表面に対し、略
平行光束として予め定めた所定の入射角θ_Aからθ_B
まで連続して照射するための照射手段と、前記被測定物の表面および裏面で反射した光束
を検出する受光素子と、該受光素子の出力信号を受けて、一走査で前記
入射角のθ_Aからθ_Bまでの変化によつて得られる干
渉縞パターン信号を方形波に波形整形し、該方形
波の立上り及び立下りごとにパルス信号を出力す
るパルス発生手段と、一走査で前記入射角θ_Aから入射角θ_Bまでの照射
によつて生じる最初の入射角θ₁における干渉縞か
ら最後の入射角θ₂における干渉縞までの間で前記
パルス発生手段から出力される全パルス数m₀を
カウントし、該最初の入射角θ₁から最後の入射角
θ₂までの干渉縞次数差m′を m′＝m₀−１／２として演算するカウント演算回路と、前記入射角θ₁からθ₂までの干渉縞次数差に基づ
いて一走査での前記入射角θ_Aからθ_Bの範囲に対応
する干渉縞次数差ｍをｍ＝θ_A−θ_B／θ₁−θ₂×m₀−１／２として演算する次数差演算手段と、前記次数差演算手段の出力を前記被測定物の厚
みに対応する値に変換する演算（ただしｎ：＝被測定物の屈折率、λ：光源から
の光の波長）を行なう厚み演算手段とを備えた厚み測定装置。