JPH0439886B2 - - Google Patents

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JPH0439886B2
JPH0439886B2 JP3584186A JP3584186A JPH0439886B2 JP H0439886 B2 JPH0439886 B2 JP H0439886B2 JP 3584186 A JP3584186 A JP 3584186A JP 3584186 A JP3584186 A JP 3584186A JP H0439886 B2 JPH0439886 B2 JP H0439886B2
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hologram
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film thickness
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JP3584186A
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JPS62192604A (ja
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Joji Matsuda
Michio Namiki
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 [産業上の利用分野] この発明はシアリング干渉コントラスト法を利
用した膜厚測定装置に関するものである。
[従来の技術] レンズ等の表面にコーテイングした極薄膜を測
定する場合に、従来は、例えば第4図に示すよう
な、触針を使用した膜厚測定装置を使用し、第4
図aに示すようなダイヤモンド触針201とスキ
ツド202の先端を、第4図bに示すようなガラ
ス面203に接触させ、これを移動して膜204
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4図cのように測定結果を得るものである。
しかしながら、この様な機械電気的方法は必ず
しも高精度の測定が容易でなく、この様なことか
ら極薄膜の膜厚測定技術の開発が望まれていた。
そこでこの発明の発明者は先に極薄膜の膜厚の
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58年特許
出願第155945号参照)。
この新たに提案されたシアリング・コントラス
ト法膜厚測定装置は、第5図に示すように、レー
ザ光を対物レンズ113、ピンホール114及び
コリメータレンズ115によつて平行光とし、被
測定物110を照明し、前記被測定物110から
の光を平行平面板116でシアし、前記シアした
2波面を受光器124a,124bで検出し、位
相を変化させた時の干渉縞の強度変化を測定する
ように構成し、かつ前記コリメータレンズ115
を前記レーザ光光学系の光軸に直角な方向に移動
させることによつて前記2波面に位相差を与える
ように構成したものである。
[発明が解決しようとする問題点] この新たに提案されたコントラスト法膜厚測定
装置は極薄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顕著な特徴を有する
が、良好な平行度を持つ平行光を形成するために
は、コリメータレンズとして収差のないレンズを
準備することは相当に困難なので、代替品として
長焦点レンズを使用することになるが、その場合
には光学系が大きくなり、装置が大型化するだけ
でなく、空気のゆらぎの影響が無視できないもの
になる。
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、ホログラムを利用することによつて
良好な平行度を持つ平行光を得ることができ、従
つて極薄膜の測定を高精度にかつ非接触で容易に
測定することが可能で、更に、光学系の長さを小
さくすることができ、空気のゆらぎの影響が小さ
く、装置の小型化が可能なシアリング干渉コント
ラスト法膜厚側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、この発明のシアリング干
渉コントラスト法膜厚測定装置は、レーザ光を対
物レンズ及びコリメータレンズによつて平行光と
しかつ前記平行光をシアして形成した2液面を参
照光として他の平行光を記録したホログラムを備
え、前記2波面を被測定物に照明した後に前記ホ
ログラムを証明し、前記ホログラムの再生光の2
波面を受光器で検出し、位相を変化させた時の干
渉縞の強度変化を測定するように構成し、かつ前
記ホログラムを光軸方向に垂直な方向に移動させ
ることによつて前記2波面に位相差を与えるよう
に構成したことを特徴としている。
以下、この発明の詳細を一実施例について説明
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He−Neレーザ光源11を有し、
He−Neレーザ光源11から発生するレーザビー
ムの光路に沿つて、ミラー12、ミラー13、ビ
ームスプリツタ14、ミラー15を有する。ビー
ムスプリツタ14の反射側には物体光光学系16
が位置し、また、ビームスプリツタ14の透過側
には参照光光学系17が位置する。
物体光光学系16は顕微鏡対物レンズ21、ピ
ンホール22、コリメータレンズ23、ミラー2
4を備えている。参照光光学系17は顕微鏡対物
レンズ25、ピンホール26、コリメータレンズ
27、光学ウエツジ28を備えている。光学ウエ
ツジ28は参照光学系17の波面を2分割するも
のであつて、後述するホログラム31として高次
回折光が再生しない理想的なホログラムを使用す
ることができれば、光学ウエツジに代替して平行
平面板を使用することができるが、ホログラム3
1が高次回折光を再生するものである場合には、
再生した高次回折光を1次回折光から分離するた
めに光学ウエツジ28を使用してホログラムから
再生する光に傾きを与えることが有利である。
参照光光学系17の出口側には被測定物10、
パルスステージ30に支持されたホログラム3
1、集光レンズ32、ミラー33、ピンホール3
4、コリメータレンズ35、ピンホール36,3
7、ミラー38、フオトデイテクタ41,42が
配置されている。
フオトデイテクタ41,42は処理系43に接
続し、処理系43は増幅器44、マルルチメータ
45、オシロスコープ46、コンピユータ47、
パルスステージコントローラ48を備えている。
[作用」 次にこのように構成された膜厚測定装置1の作
用について説明する。
まず、シアリング干渉コントラスト法の原理を
述べれば、シアリング干渉を利用したコントラス
ト法は、物体の波面を2分割して、互いに横方向
にシアさせ、2波面間に適当な位相差を与えて干
渉させて観察するものである。
He−Neレーザ光源11からのビームはミラー
12,13で光路変更させたのち、ビームスプリ
ツタ14にて2分割される。
まずホログラム31を作製する場合について示
す。バームスプリツタ14で反射したビームは物
体光光学系16の顕微鏡対物レンズ21、ピンホ
ール22及びコリメータレンズ23にて平行光に
されたのちミラー24にて光路変更し、光学ウエ
ツジ28を通過後ホログラム31を照明する。一
方ビームスプリツタ14を透過したビームはミラ
ー15にて光路変更したのち、顕微鏡対物レンズ
25、ピンホール26及びコリメータレンズ27
にて平行光にされたのち光学ウエツジ28を照明
する。光学ウエツジ28の表面と裏面とで反射し
て2波面O1、O2に分割した両波面はホログラム
31上に照射される。コリメータレンズ23から
の光とコリメータレンズ27からの光はホログラ
ム31上で干渉し、干渉縞がホログラム31に形
成され記録される。この場合、被測定物10は除
去しておく。
次に再生について示す。ホログラム31を現
像、リバーサルブリーチ処理し、処理後のホログ
ラム31をもとの位置にセツトし、コリメータレ
ンズ23からの光はカツトしてコリメータレンズ
27からの光にてホログラム31を照明する。再
生光をピンホール34にてフイルタリングし、被
測定物10の結像位置にて観測する。このときの
波面は第6図Aに示すように、光学ウエツジ28
で分割された2光束はaに示すようにずれていて
シア量は光路上の位置によつて変化し、被測定物
10上ではbに示すように一致し、ホログラム3
1の再生光ではシア量ΔSは、c示すように、2
光束の角度θと被測定物10とホログラム31の
距離lとの積、ΔS=l・Δθで一定である。ピン
ホール36,37にてフイルタリングした光はフ
オトデイテクター41,42にて検出し、増幅器
44を通してデータ集録マルチメータ45、オシ
ロスコープ46に入力し、データ集録、波形観測
を行なう。ここで2波面間に位相差を与えるため
に、パルスステージ30をコントローラ48で制
御してホログラム31を横移動させる。光軸に垂
直方向へのホログラム31の横移動量をΔxとす
ると再生光の発生する位置の変化ΔdはΔd=
Δx・sinθとなり位相差ΔδはΔδ=Δd/λ=(Δx/
λ)sinθ(λは波長)となつて、Δδだけ位相が進
む、通常はθ及びΔxは小さくとる。
次にシアリング干渉コントラスト法の原理につ
いて述べる。
2波面O1、O2の間の位相差をπ/2、シア量
をΔS、物体の位相の大きさをδとする。被測定
物10を通つた後の2波面間の位相分布は第2図
のようになる。簡単化のための第2図では位相変
化δをもつた位相物体を用いている。まず波面
O1、O2で位相物体を照明し2波面に分割する。
これら波面はΔSのシア量で互いに横方向にシア
され、ピンホール36,37でフイルタリングし
た後観測するとシア量と位相差が均一となつた項
だけがとりだされ、第2図aに示した値で与えら
れる。第2図cは位相と干渉縞の強度分布を示し
ており、曲線は位相を強度に変換したものを示し
ている。ここでΔは位相変化Δに対する強度変
化を示している。被測定物を通過後のO1、O2
干渉波面から得られる光の強度分布が第2図bの
ようになることは、第2図cから容易に理解でき
る。ここで位相コントラスト像は明強度(0.5+
Δ、第2図c)、暗強度(0.5−Δ、第2図
c)の相対する勾配に変換して観察される。
次にシアリング干渉コントラスト法による膜厚
の求め方を述べる。
被測定物をセツトし観測面で観測される2波面
の各々強度をABとすると、強度は =(1/2) ×〔1+cos{(2π/T)x+ψ}〕 ……(1) で表わされる。ここで、Tは周期、xはホログラ
ムの移動量、ψは位相を表わす。
各々の波面O1、O2について2点求める場合
周期T、位相ψは(2)式、(3)式のように表わされ
る。
T={2π(X1−X2)}/{cos-1(21−1)
−cos-1(22−1)}……(2) ψ=cos-1(21−1)−(2π/T)×1 ……(3) よつて膜厚は Δψ=(ψA−ψB)/2 ……(4) であるから d={(ψA−ψB)λ}/{4π(n−1)} ……(5) により求まる。ここでnは被測定膜の屈折率を表
わす。これは(π/2)+δと(π/2)−δの波
面より求めたが、π/2と(π/2)+δまたは
(π/2)−δとの波面からも求めることもでき
る。この場合には d={(ψA−ψB)λ}/{2π(n−1)} ……(6) により求まる。
各々の波面O1、O2について1点求める場合 今までは2波面の各々について求めた2点か
ら周期T、位相ψを求めたが、次に各々の波面
について1点求めて膜厚を導出する方法につい
て示す。
(1)式において原点をX=0にとる。AOABOBとすると各々の位相ψOA
ψOBは、第3図に示すように、 ψOA=cos-1(2OA−1) ……(7) ψOB=cos-1(2OB−1) ……(8) と表わされる。
従つて膜厚dは d={(ψOA−ψOB)λ}/{4π(n−1)}……(9) により求まる。
このように一般に干渉縞は位相が変化すると光
の強度が正弦波的に変化するので、PD141、
PD242における光の強度差を位相差に換算し
て、(6)式または(9)より位相物体の厚みを求める。
[実施例] 位相物体としてここでは、平面度の良いガラス
基板を用いて5種類の膜厚にフツ化マグネシウム
(MgF2)を直径5mmの円形状にコーテイングし
たものを用いた。次にそのうちの1つの試料につ
いて実施例を示す。
位相を変化させながら、IA、IBを測定し、2波
面の干渉縞曲線をプロツトし、そのπ/2の位置
におけるIA、IBより(9)式から膜厚を求めたところ
1329Åが得られた。
この試料を触針式表面粗さ測定器で測定したと
ころ、約1300Åの膜厚が得られており、両者は良
く一致していることがわかる。
(ハ) 発明の効果 この発明では平行光をホログラムに記録し、か
つその平行光をホログラムから再生させるのであ
り、従つて、ホログラムの作成時に平行度の高い
平行光を形成し得る物体光光学系16、特にその
収差のない若しくは長焦点のコリメータレンズ2
3を使用すれば、ホログラムの再生時に作成時と
同じ参照光光学系17を使用する限り、参照光光
学系17のコリメータレンズ27に収差があつて
も、ホログラムからは平行度の高い平行光を再生
することができ、これにより、膜厚の高精度の測
定を可能とするとともに、参照光光学系の長さを
小さくすることができ、空気のゆらぎの影響を小
さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は膜厚測定装置を示す構成説明図、第2
図は2波面の位相と強度を示すグラフ、第3図は
2波面の強度を示すグラフ、第4図は従来の触針
式膜厚測定装置を示す説明図、第5図は従来の他
の膜厚測定装置を示す構成説明図、及び第6図は
光束を示す説明図である。 1……膜厚測定装置、10……被測定物、11
……He−Neレーザ光源、12……ミラー、13
……ミラー、14……ビームスプリツタ、15…
…ミラー、16……物体光光学系、17……参照
光光学系、21……顕微鏡対物レンズ、22……
ピンホール、23……コリメータレンズ、24…
…ミラー、25……顕微鏡対物レンズ、26……
ピンホール、27……コリメータレンズ、28…
…光学ウエツジ、30……パルスステージ、31
……ホログラム、32……集光レンズ、33……
ミラー、34……ピンホール、35……コリメー
タレンズ、36……ピンホール、37……ピンホ
ール、38……ミラー、41……フオトデイテク
ター、42……フオトデイテクター、43……処
理系、44……増幅器、45……マルチメータ、
46……オシロスコープ、47……コンピユー
タ、48……パルスステージコントローラ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 レーザ光を対物レンズ及びコリメータレンズ
    によつて平行光としかつ前記平行光をシアして形
    成した2波面を参照光として他の平行光を記録し
    たホログラムを備え、前記2波面を被測定物に照
    明した後に前記ホログラムを照明し、前記ホログ
    ラムの再生光の2波面を受光器で検出し、位相を
    変化させた時の干渉縞の強度変化を測定するよう
    に構成し、かつ前記ホログラムを光軸方向に垂直
    な方向に移動させることによつて前記2波面に位
    相差を与えるように構成したことを特徴とするシ
    アリング干渉コントラスト法膜厚測定装置。
JP3584186A 1986-02-20 1986-02-20 シアリング干渉コントラスト法膜厚測定装置 Granted JPS62192604A (ja)

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JPH0781818B2 (ja) * 1991-12-11 1995-09-06 工業技術院長 レンズ横収差測定用シアリング干渉計
WO2018038064A1 (ja) 2016-08-24 2018-03-01 公立大学法人兵庫県立大学 エリプソメトリ装置およびエリプソメトリ方法

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