JPH0453362B2 - - 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］ この発明は干渉法を利用した薄膜の膜厚を測定
するための膜厚測定方法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薄膜を測定
する場合に、従来は、例えば第７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７
図ａに示すようなダイヤモンド触針２１とスキツ
ド２２の先端を、第７図ｂに示すようなガラス面
２３に接触させ、これを移動して膜２４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I_Oとすると第７図ｃ
のように測定結果を得るものでる。 ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような機械電気的方法は必
ずしも高精度の測定が容易ではなく、また、ガラ
ス面２３と膜２４との間に段差がとれないような
場合、すなわち、ガラス面の全面に膜２４が形成
されているような場合には、上記の測定手段で
は、膜厚の測定が不可能であり、この様なことか
ら薄膜の膜厚測定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、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方法
を提供することを目的とするものである。 (ロ) 発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の干渉法膜厚測
定方法は、レーザ光源から発したレーザ光をビー
ムスプリツタで２ビームに分割し、２ビームのう
ちの一方のビームを光学楔を通して位相を調整
し、光学楔を通過した後の一方のビームと２ビー
ムのうちの他方のビームを被測定体である膜体を
透過させて得た透過光とを干渉させて干渉縞を形
成させ、干渉縞の干渉光の強度を極値を生じる他
方のビームの被測定体への入射角を用いて被測定
体の厚さを測定す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について説明
する。 第１図において、１は本発明の干渉法膜厚測定
方法において使用する膜厚測定装置である。膜厚
測定装置１はレーザ光源２、ミラー３、第１のビ
ームスプリツター９を備え、第１のビームスプリ
ツター９で２分割した光路のうちの一方の光路側
にミラー１５、光学楔５、レンズ６、フオトデイ
テクター７、増幅器８及び処理装置１１を備えて
おり、また第１のビームスプリツター９の他方の
光路側に被測定膜１０及びミラー４を配置するよ
うに構成されている。被測定膜１０はレンズやガ
ラス板等の反射面１２をもつ基板１３の上に密着
して形成されるものである。被測定膜１０及び基
板１３は一体として回転装置１４によつてレーザ
ビームの光軸に垂直な回転軸に関して回転変位可
能である。また、一方の光路側に第２のビームス
プリツター１６、レンズ１７及びスクリーン１８
が配設されている。 ［作用］ このように構成された干渉法膜厚測定装置にお
ける膜厚測定の作用を次に説明する。 レーザ光源２からのレーザ光はミラー３で光路
変更されたのち、第１のビームスプリツター９で
２分割される。２分割されたビームのうち第１の
ビームスプリツター９で反射したレーザ光（一方
のビーム）はミラー１５で反射した後、第１のビ
ームスプリツター９を透過してレンズ６に達する
（ビームI_A）。一方、第１のビームスプリツター９
を透過したレーザ光（他方のビーム）は被測定膜
１０を透過して被測定膜１０の裏面の反射面１２
で反射してミラー４に達し、ミラー４で反射して
出射光と同じ光路を通つて、被測定膜１０を透過
し、第１のビームスプリツター９で反射してレン
ズ６に達する（ビームI_B）。 光路長に差があるビームI_AとビームI_Bは干渉
し、レンズ６の焦点位置で干渉縞を生じる。この
レンズ６の焦点位置にはフオトデイテクター７が
位置し、フオトデイテクター７が干渉光を検出し
て光電変換し、干渉光の強度に応じた電圧を発生
する。この電圧を増幅器８で増幅し、処理装置１
１に入力して干渉光の強度を検出する。この干渉
光の強度はレーザ光の被測定膜１０への入射角度
の変化に応じて変化するから、回転装置１４によ
つて被測定膜１０を回転させてレーザ光の被測定
膜１０への入射角度を変えながら干渉光の強度を
測定し、干渉光の強度の変化の極値が生ずる回転
角を求め、この極値を生ずる回転角を任意の演算
機（図示せず）に入力して被測定膜１０の厚みを
求める。 入射角θ_i1における入射光と入射角θ_i2における
入射光とは波長が同じものでもよいし、波長が異
なるものでもよい。 なお、被測定膜１０が角度θ_i変化した場合、ミ
ラー４は2θ_i移動し、入射した他方のビームを常
にもとの方向へ反射する機構になつている。その
チエツク機構として、ミラー４で反射した他方の
ビームの一部分を第２のビームスプリツター１６
で反射させて分割し、レンズ１７でスクリーン１
８上の一点に集光させるようになつている。 また、光学楔５は矢印の方向に変位することに
よつて、一方のビームの位相を変え干渉縞の極値
を調整することができる。 次に被測定膜１０の膜厚を求める原理について
説明する。 薄膜の式から明らかなように、一般に反射光の
強度分布Ｉは Ｉ＝｛γ₁₂ ²＋ρ₂₃ ²−2γ₁₂〓₂₃ ×cos（2β−ψ₂₃）｝ ／｛１＋γ₁₂ ²ρ₂₃ ²−2γ₁₂〓₂₃ ×cos（2β−ψ₂₃）｝ 但し γ₁₂ ²＝｛（n₂cosθ₀−n₁cosθ_i） ／（n₁cosθ_i＋n₂cosθ_O）｝² ρ₂₃ ²＝｛（n₂cosθ_O−u₃）²＋V₃ ²｝ ／｛（n₂cosθ_O−u₃）²＋V₃ ²｝ β＝（2π／λ）n₂hcosθ₀ 2u₃ ²＝n₃ ²−k₃ ²−n₂ ²sin²θ₀ ＋｛〔n₃ ²−k₃ ² −n₂ ²sin²θ₀〕² ＋4n₃ ²k₃ ²｝^1/2 2V₃ ²＝−〔n₃ ²−k₃ ² −n₂ ²sin²θ₀〕 ＋｛〔n₃ ²−k₃ ² −n₂ ²sin²θ₀〕² ＋4n₃ ²k₃ ²｝^1/2 位相のとびは ψ₂₃＝tan^-1〔（2V₃n₂cosθ₀） ／（u₃ ²＋v₃ ²−n₂ ²cos²θ₀）〕 によつて表わされる。 ここでθ_iは被測定膜１０（透明な膜、誘導体）
の表面での入射角及び反射角、θ₀は基板１３（金
属膜、誘導体）の反射面１２での入射角及び反射
角、n₁は空気の屈折率、n₂は被測定膜１０の屈折
率、n₃は基板１３の屈折率、K₃は基板１３の吸
収係数、ｈは被測定膜１０の厚さである。 しかし、薄膜の式は複雑で、この式から膜厚を
求めるのは面倒である。従つて多重干渉の場合干
渉縞の極大値、極小値は２光束干渉の極大値、極
小値と一致する（第３図参照）ので、これらの値
だけを用いて膜厚を求める場合には二光束から膜
厚を求めればよい。 また位相のとびはψ₂₃によつて与えられ、入射
角θ_iが変化しても位相のとびの差は非常に僅かな
ため定数とみなすことができる。（第４図参照） そこで、第１図に示すような膜厚測定装置を用
いて膜厚測定を行う場合について二光束干渉に限
つて議論を進める。 まず、被測定膜１０への入射角θ_i1における入
射光と入射角θ_i2における入射光との波長が共に
λである場合は次の通りである。 第２図のような屈折率ｎ、厚さｈの被測定膜１
０にレーザ光が角度θ_iで入射した場合を考える。
ビームI_AとビームI_Bの光路差をｄとすると、 −＝ｄ (1) とすると ｄ＝2h√₂ ²−² _i−d₀ (2) d₀＝（λ／2π）ψ₂₃ で表わされる。 この場合の干渉光の強度は Ｉ＝Ａ＋Bcos｛（2π／λ）ｄ｝ Ｉ＝Ａ＋Bcos〔（2π／λ） ×｛2h√₂ ²−² _id₀｝〕 ……(3) で表わされる。 入射角度θ_i1の場合の光路差をd₁、角度θ_i2の場
合の光路差をd₂とすると干渉縞の強度がma×及
びminになる位置は d₁−d₂＝（１／２）mλ（ｍは整数） ……(4) 従つて 2h（√₂ ²−² _i1 −√₂ ²−² _i2 −（λ／2π）（ψθ_i1−ψθ_i2） ＝（１／２）mλ (5) 厚さｈは ｈ＝〔λ｛ｍ＋（ψθ_i1＝ψθ_i2）／π｝〕 ／〔４（√₂ ²−² _i1 −√₂ ²−² _i2）〕 (6) ここで位相のとびの差は非常に僅かなため定数と
みなすことができるから(6)式は ｈ＝mλ／〔４（√₂ ²−² _i1 −√₂ ²−² _i2）〕 (6)′ で表わすことができる。 よつて被測定膜の屈折率n₂及び入射光の波長λ
が与えられており、かつ(3)式で与えられる干渉光
の強度の変化を極値から入射角θ_iがわかれば被測
定膜１０の厚さｈを求めることができる。 ［実際の求め方］ Ａ 入射角θ_i1における入射光と入射角θ_i2におけ
る入射光の波長が同じ場合 今、(3)式において、 波長 λ＝0.4880nm 屈折率 n₂＝1.38 定数 do＝λ／８ 厚さ h₁＝1.25μm， h₂＝0.63μm Ａ＝１， Ｂ＝１ とした場合、入射角度θ_iを0°〜90°に変化させた時
の強度（Intensity）の変化をプロツトしていき、
第５図、第６図を作成した。 この第５図のグラフよりmax，minを読取り、
(6)式より厚さｈを求める。

【表】

【表】 となり、厚さh₁＝1.25μmとよく一致しているこ
とがわかる。 第６図のグラフよりmax，minを読取り、(6)式
より厚さｈを求める。

【表】 となり、厚さh₂＝0.63μmとよく一致しているこ
とがわかる。 (ハ) 発明の効果 このように、この発明の干渉を利用した膜厚測
定方法によれば、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。しかも
基板と被測定膜との間に段差がとれないような場
合でも膜厚の測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる膜厚測定
装置を示す構成説明図、第２図は被測定膜におけ
る光路を示す拡大説明図、第３図は透過光による
多光束等傾斜角干渉縞のグラフ、第４図は入射角
と位相のとびの関係を示すグラフ、第５図は干渉
光の強度と被測定膜への光の入射角度との関係を
示すグラフ、第６図は干渉光の強度と被測定膜へ
の光の入射角度との関係を示すグラフ、及び第７
図は触針式膜厚測定装置を示す説明図である。 １……膜厚測定装置、２……レーザ光源、３…
…ミラー、４……ミラー、５……光学楔、６……
レンズ、７……フオトデイテクター、８……増幅
器、９……第１のビームスプリツター、１０……
被測定膜、１１……処理装置、１２……反射面、
１３……基板、１４……回転装置、１５……ミラ
ー、１６……第２のビームスプリツター、１７…
…レンズ、１８……スクリーン、２１……ダイヤ
モンド触針、２２……スキツド、２３……ガラス
面、２４……膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ光源から発したレーザ光をビームスプ
   リツタで２ビームに分割し、前記２ビームのうち
   の一方のビームを光学楔を通して位相を調整し、
   前記光学楔を通過した後の前記一方のビームと前
   記２ビームのうちの他方のビームを被測定体であ
   る膜体を透過させて得た透過光とを干渉させて干
   渉縞を形成させ、前記干渉縞の干渉光の強度を極
   値を生じる前記他方のビームの前記被測定体への
   入射角を用いて前記被測定体の厚さを測定するこ
   とを特徴とする干渉法膜厚測定方法。