JPH06347223A

JPH06347223A - 干渉膜厚計測装置

Info

Publication number: JPH06347223A
Application number: JP13451493A
Authority: JP
Inventors: Chiyoharu Horiguchi; 千代春堀口; Koichi Shirakawa; 光一白川; Yu Koishi; 結小石; Koji Ichie; 更治市江
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1994-12-20
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JP2592211B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定しようとする薄膜が測定対象の表面下に
ある場合にも良好に測定を行い得る膜厚計測装置を提供
することを目的とする。【構成】本発明の干渉膜厚計測装置は、白色光を含む
光を出す光源と、測定対象表面の透明体の厚さ程度に白
色光の光路長の差が調整可能な第１及び第２のミラー
と、第１及び第２のミラーを振動させる微動ステージ
と、白色光を測定対象及び第１，第２のミラーに与える
とともに、第１，第２のミラーの反射光それぞれを測定
対象からの反射光と干渉させる光学的手段と、第１のミ
ラーの反射光と測定対象からの反射光との干渉状態を検
出する第１の光検出器と、第２のミラーの反射光と測定
対象からの反射光との干渉状態を検出する第２の光検出
器とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の干渉による薄膜の
膜厚検出技術に関し、特に、透明体の中にある薄膜につ
いて非破壊で膜厚の検出をするためのものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、半導体の酸化膜など非常に薄
い薄膜や凸凹などの膜厚段差を測定するには、その表面
で反射した光の干渉をその原理とするマイケルソン干渉
計による方法が知られており、この測定では被測定物か
らの反射光を利用するので、比較的強度の大きな光にて
測定が行えることから高精度の測定方法として確立され
ている。

【０００３】図１１は、マイケルソン干渉計の基本構成
を示したものである。白色光源１０４から出射した光束
Ｌはビームスプリッタ（ＢＳ）１０６によって２方向に
分けられ、一方はミラー１０７で反射されて参照光とさ
れる。他方は被測定物１０３の表面Ｓ１と表面Ｓ２とで
反射され、これらは位相共役光になる。反射して戻った
参照光及び位相共役光はＢＳ１０６によって光検出器
（この場合、フォトダイオード）１０９に受光され、こ
れらの干渉状態が光検出器１０９で電気信号として検出
される。

【０００４】被測定物１０３の表面Ｓ１と表面Ｓ２の段
差（若しくは膜厚）ｄ₁を測定するには、まず、被測定
物１０３の表面Ｓ１での反射光ｓ₁と反射光Ｒ₁とが干
渉するようにミラー１０７の位置をｘ軸微動ステージで
調整する（このミラーの位置をｘ₁とする）。つぎに、
表面Ｓ２での反射光ｓ₂と反射光Ｒ₂とが干渉するよう
にミラー１０７の位置を調整し、このミラーの位置をｘ
₂とすると、位置ｘ₁と位置ｘ₂との差が段差ｄ₁に一
致する。ここで、干渉状態の検出はつぎのようにしてあ
らわされる。

【０００５】ＢＳ１０６からミラー１０７までの距離Ｌ
０、ＢＳ１０６から表面Ｓ１までの距離Ｌ１、ミラー１
０７の反射率ｒ、表面Ｓ１，Ｓ２の反射率ｓ₁’，
ｓ₂’を用いると、反射光ｓ₁と反射光Ｒ₁との干渉に
よるＢＳ１０６での光の強度Ｐ₁は、Ｌ１≠Ｌ０のとき
「ｓ₁’²＋ｒ²」であらわされる。Ｌ１＝Ｌ０のとき
（ｓ₁’＋ｒ）²であらわされ、「２ｓ₁’・ｒ」だけ
差が生じる。これを光検出器で検出しこのミラーに位置
をｘ₁とする。同様にして反射光ｓ₂と反射光Ｒ₁との
干渉についても行うことにより、位置ｘ₂を求められ
る。こうして段差ｄ₁が求められる。

【０００６】上述のマイケルソン干渉計を利用した薄膜
測定装置としては「特開平１−１３４２０３」、「特開
平３−１１０４０５」などがある。図１２は、そのうち
多層薄膜を測定する場合の一例を示したものである。こ
の装置においても白色光源１０４が用いられ、この光源
からの光は、薄膜の表面１０２及び下面で反射する。そ
して、反射光１２１−１及び反射光１２１−２はハーフ
ミラー１０６によって振動ミラー１０８に向かう光１２
４と固定ミラー１０７に向かう光１２３とに分岐され
る。これらの光１２４，１２３はミラー１０８，１０７
で反射し、薄膜の反射光１２１−１及び反射光１２１−
２との干渉光１２２−１，１２２−２として光検出器１
０９で検出される。

【０００７】ここで、ハーフミラー１０６と固定ミラー
１０７との距離ｌ₁が、ハーフミラー１０６と振動ミラ
ー１０８との距離ｌ₂と等しくなるようにしておく。そ
して、これを中心として振動ミラー１０８が圧電駆動回
路１１２により振動装置１１０によって振動すると、光
路長の変化による位相の変化により干渉光１２２−１，
１２２−２の強度が変化する。距離ｌ₁と距離ｌ₂とが
等しい場合、干渉光１２２−１は強められ、固定ミラー
１０７の側についても振動ミラー１０８の側についても
薄膜の反射光１２１−２の光路長が等しい場合、干渉光
１２２−２は強められる。これが検出器１０９によって
検出され、表示装置１１３に出力される。この検出信号
は、圧電駆動回路１１２からの信号をトリガとして同期
して表示装置１１３に表示される。こうして、振動位置
に応じた干渉状態が表示装置１１３にモニタされ、検出
器の信号のピークの位置の間隔から膜厚が測定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のような測定で
は、例えば、誘電体膜が、１層の場合、或いは多層膜の
場合であれば各層の膜厚がおよそ分かっており、かつほ
ぼ均一な膜厚であれば有効なものである。しかし、この
条件から外れた場合、上述のような測定では、どの層と
どの層での反射光束による干渉信号なのか識別が不可能
であるため、膜厚測定を行うことができなくなる。

【０００９】また、後者の測定では、固定ミラー及び振
動ミラーが各１枚ずつなので、振動ミラーの移動量は被
測定物の全膜厚をカバーする必要がある。単層の場合の
膜厚ｔ，屈折率ｎとすると、ｎｔ／cos φ₀、多層膜で
あれば、「（全膜厚＋一番厚い膜厚）×ｎｔ／cos
φ₀」をかけたものだけ必要である。そして、計測精度
がミラーの移動装置のリニアリティの影響を受けて悪化
します。さらに、信号処理において振動ミラーの移動装
置の駆動信号を基準としてトリガーをおこなっているの
で、その変動（ジッタ）によって出力波形の再現性が失
われる。

【００１０】このように、上述した測定では、測定しよ
うとする薄膜が測定対象の表面上でなく、下層にある場
合にあまり都合の良いものであるとはいえなかった。そ
こで、本発明は、上述の問題点に鑑み、測定しようとす
る薄膜が測定対象の表面下にある場合にも良好に測定を
行い得る膜厚計測装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の干渉膜厚計測装置は、白色光を含む光を出
す光源と、測定対象表面の透明体の厚さに白色光の光路
長の差を対応させるように配置された第１及び第２のミ
ラーと、光路長の差を変化させるように第１及び第２の
ミラーを振動させる微動ステージと、白色光を測定対象
及び第１，第２のミラーに与えるとともに、第１，第２
のミラーの反射光それぞれを測定対象からの反射光と干
渉させる光学的手段と、第１のミラーの反射光と測定対
象からの反射光との干渉状態を検出する第１の光検出器
と、第２のミラーの反射光と測定対象からの反射光との
干渉状態を検出する第２の光検出器とを備え、第１又は
第２いずれか一方の光検出器の検出出力を基準にして他
方の光検出器の検出出力の間隔から測定対象の膜厚を測
定する。

【００１２】光源は、白色光源と、コヒーレント長の長
いすなわちスペクトル幅の狭い光源とを含んで構成され
ていることを特徴としても良い。

【００１３】

【作用】本発明の干渉膜厚計測装置では、白色光は測定
対象及び第１，第２のミラーに与えられ、上記光学的手
段にて第１，第２のミラーの反射光それぞれと測定対象
からの反射光とが干渉する。第１のミラーの反射光と測
定対象からの反射光との干渉状態は第１の光検出器で、
第２のミラーの反射光と測定対象からの反射光との干渉
状態は第２の光検出器で検出される。

【００１４】ここで、第１及び第２のミラーは微動ステ
ージによって振動し、白色光の光路長が変化することか
ら、これらの反射光と測定対象からの反射光との干渉状
態が変化する。第１（または第２）のミラーの反射光と
測定対象からの反射光とが光源からの光路長に等しけれ
ば、光検出器での検出出力はピークを示す。

【００１５】測定対象の薄膜が透明体に覆われている場
合、測定対象からの反射光は透明体表面での反射光の成
分（以下、第１の成分）と薄膜上面での反射光の成分
（以下、第２の成分）と薄膜下面での反射光の成分（以
下、第３の成分）とを含むものになっている。そして、
光源から第１及び第２のミラーへの光路長の差を透明体
の厚さ程度に調整しておくと、第１の成分との干渉状態
がピークを示すミラーの位置近傍で、第２及び第３の成
分との干渉状態は他方のミラーの反射光によってピーク
を示す。これらのピークは第１及び第２の光検出器で検
出され、第１の成分との干渉状態のピークを目印として
第２及び第３の成分の干渉状態のピーク位置が検出でき
ることになる。第２及び第３の成分の干渉状態のピーク
を示す微動ステージの振動位置の差から薄膜の厚さが検
出される。

【００１６】光源が、白色光源と、コヒーレント長の長
い若しくはスペクトル幅の狭い光源とを含むものである
場合、後者の光源にしておくことで、第１の成分との干
渉状態、第２及び第３の成分との干渉状態それぞれを第
１及び第２の光検出器でモニタしながら第１及び第２の
ミラーの角度調整および光路長の差を調整し、光路長の
差が透明体の厚さ程度になるように位置を合わせること
ができる。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
前述の従来例と同一または同等のものについてはその説
明を簡略化し若しくは省略するものとする。

【００１８】図１は、本発明の干渉膜厚計測装置の光学
系に付いてその構成を示したものである。この装置の光
源は、白色光源１０４ａ及び光源１０４ｂで構成され、
白色光源１０４ａには干渉長が非常に短く平行に近い光
束を出射するものが用いられる。光源１０４ｂには、Ｌ
ＥＤ、ＳＬＤなどが用いられ、コヒーレント長の長い
（白色光源１０４ａの光の数十倍）すなわちスペクトル
幅の狭い光が得られるようになっている。白色光源１０
４ａからの白色光及び光源１０４ｂの光は、ハーフミラ
ー１０４ｃによってハーフミラー１０６に向かうように
なっている。光源１０４ｂの代りに白色光源１０４ａの
後にバンドパスフィルターを置いてもよい。

【００１９】ハーフミラー（ビームスプリッタ）１０６
は、白色光（または光源１０４ｂの光）を測定対象１０
３及びミラーＲ１，Ｒ２に与えるとともに、ミラーＲ
１，Ｒ２の反射光（参照光）それぞれを測定対象１０３
からの反射光と干渉させるためのもので、測定対象１０
３及びミラーＲ１，Ｒ２までの距離がほぼ同じになって
いる。ミラーＲ１，Ｒ２は、微動ｘステージ１１０上に
距離ｄだけ隔てて配置されており、これらで反射した光
の光路長は違ったものになる。なお、距離ｄは調整ステ
ージ１１０ｂによって調節が可能になっていて、微動ｘ
ステージ１１０で距離ｄを保ったままミラーＲ１，Ｒ２
全体が振動するようになっている。

【００２０】図の配置をとることにより、白色光（また
は光源１０４ｂの光）がその一部がハーフミラー１０６
で反射して測定対象１０３に向かい、一部がミラーＲ
１，Ｒ２に向かう。そして、測定対象１０３で反射した
光及びミラーＲ１，Ｒ２で反射した光をミラー１３０に
向かう。ハーフミラー１０６からの光は、ミラーＲ１の
反射光、ミラーＲ２の反射光それぞれと、測定対象１０
３の反射光とが干渉したものになっている。ミラー１３
０は、２つのミラーからなり、ハーフミラー１０６から
の光のうち、ミラーＲ１の反射光との干渉光、ミラーＲ
２の反射光との干渉光をそれぞれフォトダイオードＤ
１，Ｄ２へ分岐するためのものである。

【００２１】図２は、測定対象１０３を液晶パネルとし
た場合のサンプル例を示したものであり、液晶層１０３
ａ（屈折率ｎ₂）がガラス１０３ｂ，１０３ｃ（屈折率
ｎ₁，屈折率ｎ₃）に挟まれた構造を有している。ガラ
ス１０３ｂの表面Ｓ１，液晶層１０３ａの表面Ｓ２，ガ
ラス１０３ｃの表面Ｓ３，Ｓ４の反射率ｓ₁，ｓ₂，ｓ
₃，ｓ₄を持つものとすると、表面Ｓ１の反射光と比較
して表面Ｓ２，表面Ｓ３の反射光は非常に微弱になる。
また、非常に多くの反射なされる。さらに、通常、液晶
層１０３ａの厚さｄ₂は約４μｍ程度であり、ガラス１
０３ｂ，１０３ｃの厚さ約１．１mmと比較して非常に小
さいものになっているため、従来の方法では非常に測定
が困難である。このような測定対象を用いて、液晶層１
０３ａの膜厚ｄ₂の測定を説明する。

【００２２】まず、距離ｄを、ガラス１０３ｂの厚さｄ
₃に応じた値「ｄ₃×ｎ₁」程度となるように調整す
る。このとき、光源として白色光源１０４ａでなく光源
１０４ｂからの光を用いる。光源１０４ｂの光のうち、
ガラス１０３ｂの表面Ｓ１の反射光とミラーＲ１の反射
光との干渉状態をフォトダイオードＤ１でモニタし、フ
ォトダイオードＤ１の検出出力がピークを示すようにし
ておく。つぎに、液晶層１０３ａの表面Ｓ２の反射光と
ミラーＲ２の反射光との干渉状態をフォトダイオードＤ
２でモニタしながら距離ｄを大きくし、距離ｄが「ｄ₃
×ｎ₁」のとき即ちフォトダイオードＤ２の検出出力が
ピークのときの距離ｄにミラーＲ２を位置させる。

【００２３】こうして前準備をした後に、膜厚ｄ₂の測
定をはじめる。

【００２４】光源を光源１０４にかえて白色光源１０４
ａとし、微動ｘステージ１１０によりミラーＲ１，Ｒ２
全体を振動させると（±（ｄ４／２）＋α程度）、ミラ
ーＲ１，Ｒ２の振動に応じてフォトダイオードＤ１，Ｄ
２の検出出力が変化する。図３はそのときの様子を示し
たものであり、（ａ）は微動ｘステージ１１０（ミラー
Ｒ１，Ｒ２）の振動位置、（ｂ）はフォトダイオードＤ
１の検出出力、（ｃ）はフォトダイオードＤ２の検出出
力を示したものである。上述の調整により、振動位置が
ほぼ０のときフォトダイオードＤ１，Ｄ２の検出出力は
ともにピークを示す。そして、振動位置が厚さｄ₂（負
方向）になると、液晶層１０３ａの表面Ｓ３の反射光と
ミラーＲ２の反射光との干渉によるピークが検出される
（但し屈折率は無視するものとする）。

【００２５】図４（ａ）〜（ｄ）は、フォトダイオード
Ｄ１，Ｄ２の検出出力（図３（ｂ），（ｃ））を波形整
形し、膜厚ｄ₂を得るようにした信号処理の概念図を示
したものである。（ｂ）はフォトダイオードＤ１の検出
出力を波形整形した信号ｗ₁、（ｅ）はフォトダイオー
ドＤ１の検出出力を波形整形した信号ｗ₃を示す。信号
ｗ₁をδだけ遅延した信号ｗ₂（図４（ｃ））と微動ｘ
ステージ１１０の駆動信号ｔ₂（図４（ａ））とのアン
ドを取って同期信号Ｔを作る。これをトリガとして信号
ｗ₃のパルスの間隔ΔＷから膜厚ｄ₂を得ることができ
る。

【００２６】図５は、この信号処理のための回路の一例
を示したものである。同期信号Ｔを入力ＣＫ１に、信号
ｗ₃を入力ＣＫ２に与えて膜厚ｄ₂に対応したパルスの
間隔ΔＷの出力信号ＯＵＴを得るようになっている。図
６は、その動作のタイミングチャートを示したもので、
図６（ｃ）は各フリップフロップの状態を示している。

【００２７】さて、実際にフォトダイオードＤ１，Ｄ２
の検出出力（図３（ｂ），（ｃ））が同じタイミングで
ピークが得られるように、ミラーＲ１，Ｒ２の距離ｄを
調節するのは困難であるため、現実には若干のずれが生
じる。図７はその様子を示したものであり、（ａ）は微
動ｘステージ１１０（ミラーＲ１，Ｒ２）の振動位置、
（ｇ）はフォトダイオードＤ１の検出出力、（ｂ）〜
（ｆ）はフォトダイオードＤ２の検出出力を示したもの
である。（ｃ）の場合はフォトダイオードＤ１，Ｄ２の
検出出力のタイミングがあっているのであるが、（ｂ）
は遅れた場合を、（ｃ）は進んだ場合を示している。
（ｃ）の場合は図５の回路でも処理できるのであるが、
（ａ），（ｄ）〜（ｅ）の場合フリップフロップの段数
を変える必要が生じてくる。しかし、図８の回路とする
ことで、このような場合でも処理することができる。

【００２８】図９はその動作のタイミングチャートを示
したもので、（ａ）は微動ｘステージ１１０の駆動信号
ｔ₂、（ｂ）はフォトダイオードＤ１の検出出力を波形
整形した信号ｗ₁を示す。そして、信号ｗ₁をπ／２だ
け遅延した信号ｗ₂を用い（図９（ｃ））、これと微動
ｘステージ１１０の駆動信号ｔ₂とのアンドを取って同
期信号Ｔを作る（図９（ｄ））。フォトダイオードＤ１
の検出出力を波形整形した信号ｗ₃を入力ＣＫ２に、同
期信号Ｔを入力ＣＫ１に与えて膜厚ｄ₂に対応したパル
スの間隔ΔＷの出力信号ＯＵＴが得られる。図９（ｅ）
〜（ｉ）は信号ｗ₃に上述のずれが生じた場合をそれぞ
れ示したもので、これらの場合においても同期信号Ｔが
立ち上がってから信号ｗ₃のパルスの間隔ΔＷを検出す
ることができる。こうしてこのパルスの間隔ΔＷから膜
厚ｄ₂を得ることができる。

【００２９】このように、ミラーＲ１，Ｒ２を距離ｄは
なして測定を行うことによって、測定対象内部の液晶層
の厚さ程度ミラーＲ１，Ｒ２を振動させることで、測定
対象の表面の反射光と参照光との干渉状態が検出され
る。そして、この検出出力をトリガとしてフォトダイオ
ードＤ１の検出出力から測定対象内部の薄膜の上面及び
下面での反射光との干渉状態を検出することにより、こ
の検出信号及び振動の位置から液晶層の厚さを求めるこ
とができる。特に、振動が小さくて済むので高精度に測
定することができる。

【００３０】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。

【００３１】例えば、図１０は、光源の構成を具体的に
示すとともにミラー１３０にかえてレンズ１３１を用い
てミラーＲ１の反射光との干渉光、ミラーＲ２の反射光
との干渉光をそれぞれフォトダイオードＤ１，Ｄ２へ与
えるようにしたものである。このようにミラーで分岐し
なくてもフォトダイオードＤ１，Ｄ２へビームが与えら
れるような配置にすれば、同様に検出が行える。

【００３２】また、図１、図１０では、白色光のビーム
１本による測定が示されているが、ビームを２本として
各ミラーでそれぞれ反射させてそれぞれの光路長の差が
ことなるようにしても良い。

【００３３】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、測定対象か
らの反射光は透明体表面での反射光の成分（第１の成
分），薄膜上面での反射光の成分（第２の成分），薄膜
下面での反射光の成分（第２の成分）それぞれの干渉状
態のピークを第１及び第２の光検出器で検出し、第１の
成分との干渉状態のピークを目印として第２及び第３の
成分の干渉状態のピーク位置を検出することにより、測
定対象が透明体に覆われていても非破壊で透明体の下に
ある薄膜の厚さを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学系の構成図。

【図２】測定対象のサンプルを示す図。

【図３】ミラーＲ１，Ｒ２を振動させたときのフォトダ
イオードＤ１，Ｄ２の検出出力を示す図。

【図４】信号処理の概念図。

【図５】信号処理のための回路の一例を示した図。

【図６】図５の回路の動作を示す図。

【図７】ミラーＲ１，Ｒ２に若干のずれが生じたときの
フォトダイオードＤ１，Ｄ２の検出出力を示す図。

【図８】信号処理のための回路の一例を示した図。

【図９】図８の回路の動作のタイミングチャートを示し
た図。

【図１０】変形例の構成を示す図。

【図１１】マイケルソン干渉計の基本構成を示した図。

【図１２】従来例の構成図。

【符号の説明】

１０３…測定対象、１０３ｃ…液晶膜、１０３ａ，ｃ…
ガラス、１０４ａ，１０４ｂ…光源、１０４ｃ，１０６
…ハーフミラー、１１０…振動ｘステージ、Ｄ１，Ｄ２
…フォトダイオード、Ｒ１，Ｒ２…ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市江更治静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光を含む光を出す光源と、測定対象表面の透明体の厚さに前記白色光の光路長の差
を対応させるように配置された第１及び第２のミラー
と、前記光路長の差を変化させるように前記第１及び第２の
ミラーを振動させる微動ステージと、前記白色光を前記測定対象及び前記第１，第２のミラー
に与えるとともに、前記第１，第２のミラーの反射光そ
れぞれを前記測定対象からの反射光と干渉させる光学的
手段と、前記第１のミラーの反射光と前記測定対象からの反射光
との干渉状態を検出する第１の光検出器と、前記第２のミラーの反射光と前記測定対象からの反射光
との干渉状態を検出する第２の光検出器とを備え、前記第１又は第２いずれか一方の光検出器の検出出力を
基準にして他方の光検出器の検出出力の間隔から前記測
定対象の膜厚を測定する干渉膜厚計測装置。
【請求項２】前記光源は、白色光源と、コヒーレント
長の長いすなわちスペクトル幅の狭い光源とを含んで構
成されていることを特徴とする請求項１記載の干渉膜厚
計測装置。