JPH0763525A - 偏光による測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 この発明は偏光による超高精密な距離の測定
方法と装置に関する。 【構成】 一つの同調光束を相互垂直の２偏光束に分離
し、その一光束を参照ビーム、他の一光束を測定ブーム
とし、測定ビームが被測定サンプルを経過した後再び測
定ビームと参照ビームとを一光束に合成して、１／４波
長プレート及び回転するリニア・ポラライザーの様な光
学系によって測定ビームと参照ビームの位相差を測定表
示する事により、被測定サンプルの厚さ又は移動距離の
光程差を検出する事を特徴とする偏光による測定方法と
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は偏光による超高精密な
厚さや距離の測定方法と装置に関する。特に本発明は参
照ビームと測定ビームが１／４波長プレートと回転リニ
ア・ポラライザーの様な光学系を経過する時の変化を利
用して、２光束の光程差を測定し、被測定サンプル（固
体及び流体を含む）の厚さ、光線屈折率、移動距離及び
表面均斉度等を正確に検出し、取り分け、単層透明の薄
膜の厚さ又は完全反射面の距離を測定するのに適した方
法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、厚さや距離を測定する測定装置
は、その測定方式によって、１）干渉計（Ｉｎｔｅｒｆ
ｅｒｏｍｅｔｅｒ）、２）針測法（Ｓｔｙｌｕｓ）、及
び３）楕円計（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）に大別でき
る。使用者は被測定物（サンプル）の形態に応じて適当
な測定方法を選択する。その中で楕円計測定の正確度が
最も高く、１０^−１０ｍ（即ち１オングストローム）以
上に達する。各測定方法の特色とその長所・短所につい
て説明する。

【０００３】 １）干渉計（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ） 分光器（ＢＳ：Ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｅｒ）を利用して
一光束を２光束に分離する。但し偏極は相互垂直になら
ない。その一光束を参照ビーム、他の一光束を測定ビー
ムとし、測定ビームが被測定物を経過した後、再び測定
ビームと参照ビームを一光束に組合せると、干渉現象が
発生する。というのは、偏光が相互垂直でないからであ
る。その光程差は合成後の干渉光度に現れる。建設性干
渉の場合は光度が大きくなり、破壊性干渉の場合は光度
が小さくなる。その測定値は光度Ｉ（Ｉｎｔｅｎｓｉｔ
ｙ）となる。干渉計の構造及び原理は極めて簡単である
が、光度１が直接両光束の位相差を代表しない上に、光
程差は必らず建設性干渉と破壊性干渉の出現回数によっ
て計数するため、その実用性と正確性は低くなる。最大
正確度は０．０１μｍ、即ち１００オングストロームで
ある。市販の器具を例にとると、半導体作製上所要のマ
スク（Ｍａｓｋ）及びウェーハ（Ｗａｆｅｒ）の転置測
定装置として、ミッチェルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）
干渉計と、ダプラー（Ｄｏｐｐｌｅｒ）周波干渉計があ
る。その転置測定装置の正確度は最大０．０１μｍであ
る。だから、干渉計は厚さや距離の測定目的を達せられ
るが、正確度が低い。又、干渉計の製作は精密な光学及
び電子技術が必要なため、コストが高い事も欠点の一つ
と言える。

【０００４】２）針測法（Ｓｔｙｌｕｓ） 主に半導体のウェーハ表面の平滑度（均斉度）を測定す
るのに採用されるが、この方法は測定針を被測定物の表
面に直接接触させて表面平滑度を測定する、いわゆる接
触式の破壊性測定に属する。その正確度は低い。

【０００５】３）楕円計（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ） 単一光束による被測定サンプル経過を利用して、投射光
と射出光によって楕円偏光の変化値を測定し、更にこの
数値をコンピューターによる複雑な計算を経て、サンプ
ルによって発生した光程差を求める。この測定方法は複
雑且つ時間を要する上に、測定者自身に於いても測定し
た数値に対して直接的な感覚に繋がらない。コンピュー
ター経由で改めて人類周知のデータに転換する必要があ
る。そのため、心理上測定結果に対する確信度が低下す
る。更に又、楕円計は半導体フィルム塗装厚みの測定に
適し、正確度は理論上１オングストローム以上に達す
る。併し楕円計の測定範囲に限度があり、厚さが１μｍ
を越えるフィルムの測定は難しい。厚さ測定範囲は数μ
ｍ〜１オングストローム間である。その外、楕円計は物
体の移動距離の測定ができないし、又、透明伝導グラス
間の挿入測定或いは伝導グラスと半導休ウェファー間の
厚さや均斉度の測定も不可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明の主要目的は
偏光による超高精密な厚さや距離の測定方法と装置を提
供する事にある。

【０００７】この発明の他の目的は、参照ビームと測定
ビームが検出した位相差即ち被測定サンプルが構成する
光程差又はサンプルの移動距離を検知する事ができ、測
定操作を非常に簡単にすることである。

【０００８】この発明の他の目的は、（Ａ）固体、液晶
及び液体薄膜の厚さ、（Ｂ）固体又は流体の光線屈折
率、（Ｃ）サンプル表面の平滑（均斉）度、（Ｄ）光学
ゲージの長さ、（Ｅ）サンプル移動距離等を測定する事
ができ、従来の干渉計や針測法に於ける正確度の低下及
び楕円計に於ける測定範囲の制限と手順の繁雑等の諸欠
点を解消することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
め、この発明は下記の手順で厚さや距離を測定する。

【００１０】１）レーザーを同調偏光光源（Ｃｏｈｅｒ
ｅｎｔ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｓｏｕｒｃｅ）とし、 ２）レーザー光束を相互垂直の２偏光束に分離し、 ３）その一光束を測定ビームとして被測定物（サンプ
ル）を経過させ、他の一光束を参照ビームとし、 ４）更に２光束を再び一光束（楕円偏光）に合成し、 ５）投射した２偏光の光程差を１／４波長プレート（ｒ
／４−Ｐｌａｔｅ）で射出線偏光の偏光方向の角度に転
換し、 ６）回転するリニア・ポラライザーの様な光学系及び光
度測定器（例えばｐｈｏｔｏ−ｄｉｏｄｅ）でサンプル
を入れた前と入れた後の偏光方向の角度差を検出する。
その角度差はサンプルの厚さ又は移動距離の光程差で誘
発されたものである。光度測定器によって検出した角度
差は直接オシログラフ又はロックイン・アンプ等で数値
を読み取る。

【００１１】本発明装置は、一見すると、外観が干渉計
に類似しているが、原理は干渉計と全く異なり、使用す
る光学ユニットも同じでない。又、本発明装置及び方法
の理論及び誤差計算は楕円計に似たところがあるが、こ
の発明に於ける簡便性と実用性は楕円計の及ばないもの
であり、厚さの測定範囲（数ｍｍ〜１０^−１０ｍ）も、
楕円計（１０^−６ｍ〜１０^−６ｍ範囲）に比べて広大で
ある。更に、楕円計で測定できない完全反射面の移動と
距離の測定、サンプルの移動距離及び透明伝導グラス間
或いは伝導グラスと半導体ウェーハ間の液晶の厚さや均
斉度等の測定が可能であるから、本発明装置と干渉計又
は楕円計との相違は非常に明瞭である。その相違点をま
とめて表１及び表２にそれぞれ掲げる。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【表２】 なお、本明細書中で使用する主な用語について説明す
る。

【００１４】等方性（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）とは、物質
中任意点の物質性で、方向と関係がない（特に光の物質
性を強調）。

【００１５】同調光は、時間同調（Ｔｅｍｐｏｒａｌ
ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）と空間同調（Ｓｐａｔｉａｌ Ｃ
ｏｈｅｒｅｎｃｅ）に分けられるが、この発明では、レ
ーザー光の時間同調を指す。

【００１６】時間同調性についていえば、伝送ウェーブ
の特定瞬間時点の位相とそのウェーブがｘ／ｃ秒、ｘ距
離伝送後の位相と同一である時、このウェーブの定義を
完全時間同調とする。

【００１７】１／４波長プレート（ｒ／４−Ｐｌａｔ
ｅ））についていえば、まず、その機能は常光と非常光
にπ／２の位相差を発生させるものであり、構造は、通
常双屈折性結晶体で作製し、光軸が波長プレートの面と
平行になっている。

【００１８】１／４波長プレートのファースト・アクシ
ス（Ｆａｓｔ ａｘｉｓ）とスロー・アクシス（Ｓｌｏ
ｗ ａｘｉｓ）については、波長プレートが負数単軸結
晶体で製作された場合は光軸がファースト・アクシス、
垂直軸がスロー・アクシスとなる。波長プレートが正数
軸結晶体で製作された場合は、光軸がスロー・アクシ
ス、垂直軸がファースト・アクシスとなる。

【００１９】ゲージ（Ｇａｕｇｅ）は、長さの度量衡基
準であって、例えば長さで１ｍを表示するゲージは全て
この尺度基準に従う。

【００２０】リニア・ポラライザー（Ｌｉｎｅａｒ Ｐ
ｏｌａｒｉｚｅｒ）の機能は、非偏光を線偏光に変換す
ることであり、構造は、一般商品として片状（Ｄｉｃｈ
ｒｏｉｃ Ｓｈｅｅｔ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）で、線偏
光の一部を吸収し、残りの一部を通過させるものと、立
方体（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｐｒｉｓｍ）で、線偏光
の一部を反射散失させ、残りの一部を通過させるものと
の二種類がある。

【００２１】

【発明の効果】この発明の方法と装置により、次の測定
効果が得られる。

【００２２】１）等方性（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）の透明
固体は、単一フィルム１０及び反射性ベース２０上に形
成する単一薄膜塗装１０Ａを含む。図７の（Ａ）と
（Ｂ）を参照。流体薄膜は、両光学グラス３０間の水平
又は垂直配列の線状液晶１０Ｃ及びその他流体薄膜で、
その厚さｘは図８を参照。測定範囲は数ｍｍ〜≧１オン
グストローム間となる。

【００２３】２）固体又は流体の光線屈折率については
図９（Ａ）のエッジ・アングルθを持つ固体サンプル１
０Ｄ又は図９（Ｂ）のエッジ・アングルθの両光学グラ
ス３０Ａ間に挾まれた流体１０Ａ）が関与し、検出でき
るサンプルの光線屈折率はｎ±△ｎ、数値の誤差△ｎは
１０^−５より小さい。ｎは常数。

【００２４】３）移動距離や測定範囲は数ｍ〜≧１オン
グストロームである。

【００２５】４）透明薄膜の均斉度。図１２を参照。

【００２６】５）金属ゲージ１０Ｆ（図９Ｃを参照）の
長さｘ。測定できる長さは数ｍに及ぶ。

【００２７】６）その他、厚さ、光線屈折率又は移動距
離の精密な測定を必要とするサンプル。

【００２８】

【実施例】この発明の偏光による超高精密な厚さ及び距
離の測定装置は、図１に示すように、測定ビームと参照
ビームの光程差を分析して線偏光の偏光方向の回転角度
に転換する第一部分Ｉと、上記第一部分Ｉが構成する線
偏光の角度差を測定して表示する第二部分ＩＩを備えて
いる。その中、第一部分Ｉには、粘接面が同調光源Ｓと
４５°を形成して配置した偏光分離器５０と、光源Ｓの
投射方向と垂直に配置した反射鏡６０及び反射鏡の前方
に貼り付けた第一１／４波長プレート７０と、偏光分離
器５０に対応して光源Ｓの投射方向と垂直のもう一つの
反射鏡６１及びその反射鏡の前方に貼り付けた第二１／
４波長プレート７１と、偏光分離器５０の別の一側に貼
り付けた第三１／４波長プレート７２を設け、被測定サ
ンプル８０が第一１／４波長プレートと偏光分離器５０
の間に配置され、上記第一及び第二１／４波長プレート
７０，７１のファースト・アクシスと投射光偏極方向を
４５°に形成して配置してある。第三１／４波長プレー
ト７２のファースト・アクシス２光束の偏極は共に４５
°を形成して配置してある。上記第一部分Ｉの配置によ
り、同調偏光光源Ｓが発生するレーザーを使用し、偏光
分離器５０に投射すると、相互垂直の２偏光束Ｓ_１，Ｓ
_２に分離され、その中の一光束Ｓ_１を測定ビームとして
サンプル８０を通過させて、第一１／４波長プレート７
０及び反射鏡６０に到達すると、反射で偏光分離器５０
に戻り、更に第三１／４波長プレート７２に到達する。
別の一光束Ｓ_２は参照ビームとして直接通過させて、第
二１／４波長プレート７１及び反射鏡６１に到達する
と、反射で偏光分離器５０に至り、更に第三１／４波長
プレート７２に到達して、それと反射測定ビームＳ_１と
が一光束に合成され、第三１／４波長プレート７２によ
って上記２偏光の光程差を射出線偏光の回転角度に転換
し、更に第二部分ＩＩによってサンプルを入れた前と入
れた後の直線偏光の偏光角度差を測定して表示する。

【００２９】上記第二部分ＩＩには、射出線偏光又は直
線配置の回転リニア・ポラライザー９０と、その上方部
にリニア・ポラライザーと同一サイクルで回転する回転
チョッパー９１と、リニア・ポラライザー９０、回転チ
ョッパー９１に対応して直線配置を形成するビームの二
極体９２，９３と、ロックイン・アンプ（又はオシログ
ラフ）１００が設けてある。その中、回転直線偏光板に
関して、同じ機能を持つ電気光学装置と磁気光学装置、
例えばファラデー（Ｆａｒａｄａｙ）回旋装置等で交換
することもできる。第一部分Ｉから射出した線偏光の回
転角度は第二部分ＩＩの回転リニア・ポラライザー９０
と光度測定装置（ビーム二極体）９２により、サイン平
方ウェーブ位相のスクエア・ウェーブ位相に対する移動
を測定し、オシログラフ又はロックイン・アンプ１００
から読み取る。これがサンプルの厚さ又は移動距離の光
程差となる。

【００３０】ここで分りやすく説明するために、投射光
源Ｓを一同調の線偏光とする。まずサンプル８０と１／
４波長プレート７２を取り除き、更に参照ビームＳ_２を
遮断すると、測定ビームＳ_１は図１に示す反射鏡６０の
反射を経て、偏光分離器５０に戻り、同じく同調の線偏
光状を維持する。この線偏光が回転リニア・ポラライザ
ー９０を通過した後、その光度の時間的変化はサイン・
ウェーブでオシログラフ上に表示される。そのウェーブ
は図１４に示すＡｓ_１の状態となる。又、図１４中のス
クエア・ウェーブＡ_Ｌは別の光源Ｌが回転チョッパー９
１を通過して発生したものである。

【００３１】同じ原理で、サンプル８０と１／４波長プ
レート７２を取り除き、更に測定ビームＳ_１を遮断する
と、参照ビームＳ_２は図１に示す反射鏡６１を経て、偏
光分離器５０を通過し、同じく同調の線偏光状を維持す
る。この線偏光が、回転リニア・ポラライザー９０を通
過した後、その光度的時間的変化も、サイン・ウェーブ
でオシログラフ上に表示される。そのウェーブは図１５
に示すＡｓ_２の状態となる。

【００３２】測定ビームＳ_１と参照ビームＳ_２の偏極方
向は、相互に垂直の角度を形成しており、光度変化の振
幅が丁度回転リニア・ポラライザー９０の回転振幅の２
倍であるから、図１４中に示すサイン・ウェーブＡｓ_２
は図１５中に示すサイン・ウェーブＡｓ_２に対応する位
相差が「π」となる。

【００３３】一般的にＡｓ_１とＡｓ_２の光度は異なる
が、投射光源の線偏極方向を調整し、或いはビームＳ_１
又はＳ_２中に緩和ユニットを加えると、Ａｓ_１とＡｓ_２
の光度を同一にする事ができる。ここでは投射光源の偏
極方向を調整する事により、測定光束Ｓ_１と参考光束Ｓ
_２がサンプル８０を装置する前、その光度が同一になる
状態について説明している。同時に解釈しやすいように
するために、サンプル８０を装置しない時の測定ビーム
Ｓ_１と参照ビームＳ_２の光程を同一としている。

【００３４】図１６は、被測定サンプルを装置しない状
態でオシログラフに表示された測定光束Ｓ_１と参照光束
Ｓ_２が反射で偏光分離器５０に戻った後、再び一光束に
合成され、第三１／４波長プレート７２を経由しないで
直接回転リニア・ポラライザー９０を経て発生したサイ
ン・ウェーブＡｓを示している。これは投射光源Ｓが同
調の線偏光であり、測定光束Ｓ_１と参照光束Ｓ_２の光度
が同一であるから、若し光学ユニットの吸収率を考慮し
なければ、Ｓ_１とＳ_２の合成光束は同調の線偏光とな
り、更に、その偏極方向とＳ_１及びＳ_２の偏極方向は同
じく４５°夾角を形成する。この合成光束は線偏光であ
るから、回転リニア・ポラライザーを通過した後、その
光度の時間的変化も、サイン・ウェーブの形でオシログ
ラフ上に表示され、その振幅はＡｓ＝Ａｓ_１＋Ａｓ_２と
なり、その位相は図１４に示す単独の測定ビームが形成
するサイン・ウェーブの位相“π／２”を越えるが、図
１５に示す単独に参照ビームが形成するサイン・ウェー
ブの位相“π／２”より後になる。

【００３５】図１７は図１４の測定ビームが偏光分離器
５０を経た後で、まず１／４波長プレート７２によって
反射された線偏光が右回転円状偏光に変換されて再び回
転リニア・ポラライザー９０を経由した後、オシログラ
フ上に現れた直線ウェーブＡ′ｓ_１を示している。同じ
ように図１８は図１６に示す参照ビームが偏光分離器５
０を経た後、まず１／４波長プレート７２によって反射
された線偏光が左回転円状偏光に変換されて再び回転リ
ニア・ポラライザー９０を経由した後、オシログラフ上
に現れた直線ウェーブＡ′Ｓ_２を示している。図１９は
測定ビームＳ_１と参照ビームＳ_２が反射で偏光分離器５
０に戻った後一光束に合成され、第三１／４波長プレー
ト７２によって線偏光に変換され、更に、リニア・ポラ
ライザー９０を経てオシログラフ上に現れたサイン・ウ
ェーブＡ′ｓを示している。

【００３６】若し、ここで第三１／４波長プレート７２
の反射と吸収を考慮に入れない場合は、Ａｓ′はＡｓに
等しくなる。これはその線偏光の偏極方向が丁度１／４
波長プレート７２のファースト・アクシスと平行してい
るため、偏極方向が変更されないからである。サイン・
ウェーブは図１に示す装置中にはまだ被測定サンプルが
装置されていないから、測定ビームと参照ビームが同様
の光程値を持っており、位相転置の発生がない。反対に
図２０は図１に示す装置中にサンプル８０を装置して測
定した結果のサイン・ウェーブＡを示している。偏光分
離器５０と１／４波長プレート７０の間に伝導グラスを
挿入すると、測定ビームＳ_１の光程が増加して測定ビー
ムＳ_１と参照ビームＳ_２の合成光束は一同調の楕円偏光
を形成し、１／４波長プレート７２を経過した後、再び
同調の線偏光に変換される。この線偏光の偏極方向と、
サンプル８０を装置しない時の線偏光の偏極方向には、
一角度差があり、その角度差により、上記線偏光が回転
リニア・ポラライザーを経過した後、光度が時間的変化
に対するサイン・ウェーブは、サンプルを装置しない時
のサイン・ウェーブに対して位相の移動がある（図１９
と図２０を比較参照）。即ち、サンプル８０を装置した
後は、サンプルを装置しない場合に対応してサイン・ウ
ェーブ対スクエア・ウェーブ間に位相の移動がある事に
よる。この位相の移動はサンプル８０の光程の長さによ
って発生する。

【００３７】参照ビームと測定ビームが完全に一光束に
合成されない時はオシログラフ上のサイン・ウェーブ振
幅が減少する事に注意するべきである。

【００３８】上記図１４〜２０に示すウェーブ形状は、
完全に雑信号がない仮定の下に、即ち全体的な測定系統
が完全な震動防止の状態下に於ける状況を示したもの
で、若し何等かの震動で光路の長さを変動させ続けてい
ると、雑信号が発生する。

【００３９】図２と図６は、厚さ、光線屈折率又は均斉
度等の測定に関する本発明の第２実施例の装置を示して
いる。その中、第二部分ＩＩは図１と同様であるから説
明を省く。

【００４０】第一部分Ｉは、偏光分離器５０と分光器５
０Ａを対角的に配置してあり、別の鏡面６０と６０Ａ
も、対角的に配置し、四つの光学ユニットは共同で一矩
形を形成している。光源は一同調の線性偏極のレーザー
であり、その偏極方向と矩形平面が４５°を形成するよ
うにし、偏光分離器５０を経過した後、相互垂直の２光
束に分離されると、その中の一光束が参照ビームとな
り、偏極方向が矩形平面に平行となり、別の一光束が測
定ビームとなり、偏極方向が矩形平面に垂直となる。

【００４１】１／４波長プレート７０Ａは分光器５０Ａ
の後部に設けてあり、そのファースト・アクシスと参照
ビーム及び測定ビームは共に４５°を形成するようにし
てある。参照ビームが反射鏡６０を経過して分光器５０
Ａに反射し、測定ビームも、反射鏡６０Ａを経て反射
し、更にサンプル８０を通過して分光器５０Ａに到達
し、２光束が分光器５０Ａを経過した後、一楕円偏光に
合成され、更に１／４波長プレート７０Ａによって線偏
光に変換されると、図２０に示すものと同様なウェーブ
形状が表示される。

【００４２】この発明による厚さ、光線屈折率又は均斉
度の測定は、図３に示す装置によっても達成できる。図
３に示す装置は、図２のものと同様であるが、図２中の
第一及び第二偏光分離器を分光器１１０，１１０Ａに取
替えており、又、第一分光器１１０と鏡面６０間に１／
２波長プレート１２０を設けて、１／２波長プレート１
２０のファースト・アクシスと参照ビームの偏極方向と
を４５°に形成してある。

【００４３】図４は、この発明による厚さ、光線屈折率
又は均斉度測定のさらに他の実施例を示す。この実施例
では、ただ１個の偏光分離器５０を採用し、偏光分離器
５０の三面にそれぞれ第一、第二及び第三１／４波長プ
レート７０，７１，７２を設け、更に、そのファースト
・アクシスと投射光偏極が４５°を形成するように設定
し、第一１／４波長プレート７０の同側遠方に反射鏡６
０を設け、被測定サンプル８０は上記第一１／４波長プ
レート７０と反射鏡６０との間に装置する。第二１／４
波長プレート７１の後方部に別の反射鏡６１を設け、レ
ーザー光源Ｓが上記偏光分離器５０によって２偏光束に
分離されると、その中、レーザー光源Ｓと同じ方向の光
束を参照ビームとし、レーザー光源Ｓと垂直の光束を測
定ビームとし、測定ビームはサンプル８０を経過して反
射鏡６０に到達すると、反射により偏光分離器５０に戻
り、反射鏡６１の反射で戻った参照ビームと一光束に合
成されて、上記光束は更に第三１／４波長プレート７２
により線偏光し、変換される。上記線偏光の偏極方向
は、サンプル８０を装置しない時と、サンプル８０を装
置した後とで異なってくる。その変化角度は第二部分に
よりサイン・ウェーブに変換して、スクエア・ウェーブ
に対応する位相に移動し、更にオシログラフ又はロック
イン・アンプ上に表示される。上記位相移動はサンプル
８０の光程の長さによって発生する。 図５は、この発
明によるサンプル８０Ａの移動距離又は距離測定の装置
を示すもので、図４の装置と同様であるが、図４中の反
射鏡６０を取り除き、被測定の反射面のサンプル８０Ａ
を測定ビームの進行路の途中に装置してあり、若しサン
プル８０Ａが矢印方向に△ｘ距離移動すると、ロックイ
ン・アンプによって読み取った位相差は△δ即ち、 △ｘ＝（△δ）／π・λ となる。

【００４４】この設計は目下、半導体工場生産部門が使
用しているダプラ（Ｄｏｐｐｌｅｒ）唸り周波干渉計又
はミッチェルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干渉計の代り
に使用でき、マスク（Ｍａｓｋ）及びウェーハ（Ｗａｆ
ｅｒ）の転置水準器の役割りを果す。

【００４５】次に、この発明を光程差計算に応用する際
の原理について説明する。理想状況において、図６の各
光学ユニット及びビームは、Ｊｏｎｅｓ ｖｅｃｔｏｒ
又はＪｏｎｅｓ ｍａｔｒｉｘで計算し、次のとおり式
１のようになる。

【００４６】

【数１】

【００４７】

【数２】 したがって、射出線偏光の偏極角度はδ／２の変換とな
る。この角度変換は第二部分ＩＩのオシログラフ上のサ
イン平方ウェーブがスクエア・ウェーブに対応する転置
で読み取る事ができ、又、ロックイン・アンプで直接そ
の位相差δを読み取る事もできる。若しδ＝３６０°で
あれば、光程差が１光波長変化した事になる。例えばα
＝（π／４）−（δ／２）とすると、αは１８０°変化
し、光程差が１波長変化した事になる。

【００４８】投射ビームが（λ／４）−プレートに到達
する前、吸収又は反射により２ビームの光度（Ｉｎｔｅ
ｎｓｉｔｙ）に相違があり、それをＡとＢとし、位相差
はそのままｅ^ｉδとすると、式２により１楕円偏光とな
る。

【００４９】

【数３】 上記楕円の長軸とｘ軸は（π／４）−（δ／２）の夾角
を形成する。回転リニア・ポラライザーを経過した後、
光度の時間的変化は一サイン・ウェーブとなり、その位
相と、サンプル８０を装置しない時に比べて、スクエア
・ウェーブに対応する位相移動は（π／２）＋δとな
る。又、Ａ≠Ｂの場合、サイン・ウェーブの振幅は、Ａ
＝Ｂの場合のサイン・ウェーブより小さいが、サンプル
を装置した後は、サイン・ウェーブのスクエア・ウェー
ブに対応する位相移動は、Ａ≠Ｂの場合とＡ＝Ｂの場合
が同じようになる。

【００５０】次に、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）を参照し
て、図１の装置による同方向透明固体の薄片の厚み測定
手順を説明する。

【００５１】まず図１のサンプル８０の厚さをｄ、光線
屈折率をＮｓ、空気屈折率をＮａとし、サンプルを測定
ビームＳ_１に対し垂直状に装置する。図１０（Ａ）を参
照。すると、図１０（Ｂ）に示すようなサンプルに対す
る光線屈折状態となり、ロックイン・アンプ又はオシロ
グラフ上に位相角Ｎ_１πが現れる。次に、サンプルをθ
ａの角度回転すると、図１０（Ａ）の点線で示すよう
に、ビームのサンプル間に於ける屈折は図１０（Ｂ）に
点線で示すような状態になり、オシログラフ上に位相角
ＮＮ_２πが現れる。即ち式３に示すようになる。

【００５２】

【数４】 それで若しＮ_２とＮ_１の絶対値が未知の場合は、Ｎ_２−
Ｎ_１の値が分かれば、ｄ値を求められるから、ｄ値を式
３Ａと式３Ｂに代入すれば、Ｎ_１とＮ_２の絶対値が得ら
れる。

【００５３】次に図１１（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）を例
にとって、図１の装置による固体又は流体の光線屈折率
測定の手順を説明する。

【００５４】図１１（Ａ）に示すように、サンプル８０
を測定ビームＳ_１と垂直方向にｔ距離差し込むと、ロッ
クイン・アンプ（又はオシログラフ）上に光程差δが表
示され、サンプルのアングルθ，ｄ（既知のサンプル厚
み値）及びδにより光線屈折率が式４により求められ
る。

【００５５】

【数５】 また、図１２を例にとって、図１の装置による透明薄膜
の均斉度測定手順を説明する。

【００５６】まずサンプルを測定ビームＳ_１と垂直の方
向に差し込み、ロックイン・アンプで位相差△δを読み
取る。厚さの変化を△ｘとすると、式５のようになる。

【００５７】

【数６】 次に、図５に示す装置による反射面の移動距離測定の手
順を説明する。

【００５８】図５中の被測定サンプル（反射面）８０Ａ
をゆっくり１／４波長プレート７０に向って△ｘ距離移
動させると、オシログラフに現れるサイン平方ウェーブ
はスクエア・ウェーブに対応して△δの位相転置が見ら
れる。即ち、８０Ａの移動距離は、式６となる。

【００５９】

【数７】 この発明の方法によるゲージ（Ｇａｕｇｅ）の長さ又は
不透明反射膜の厚さを測定する例として二つの方法を説
明する。

【００６０】第一方法は、図１３（Ａ）に示すように、
ゲージの長さ測定の装置は図４とほぼ同じであるが、サ
ンプル８０Ｂを反射鏡６０に緊接し、偏光分離器５０の
前方と反射鏡６１の中心点との延長線上の不同位置に１
個以上の分光器１２０，１２０Ａ，１２０Ｂを設けて、
上記分光器１２０，１２０Ａ，１２０Ｂと水平軸が４５
°の角度を形成するように設置する。次に、それぞれ異
なる波長λ_１，λ_２，λ_３……の直線偏光レーザーＳｒ
_１，Ｓｒ_２，Ｓｒ_３を順を追って分光器１２０Ａ，１２
０Ｂ，１２０Ｃ……に投射し、屈折後、垂直方向に偏光
分離器５０に投射すると、相互垂直の２光束に分離さ
れ、それぞれ参照ビームと測定ビームが形成され、その
中、測定ビームがサンプル８０Ｂを経過して偏光分離器
５０に戻り、反射で戻った参照ビームと一光束に合成さ
れると、サンプルの厚みが求められる。

【００６１】まずサンプルが１／４波長プレート７０に
至る距離をｄ_１とすると、式７になる。

【００６２】

【数８】 式７の中、Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３……は未知の整数で、
ｅ_１，ｅ_２，ｅ_３……は測定した分数部分で、式７によ
ってＮ_１，Ｎ_２，Ｎ_３……等を解く事ができる。解数は
無限に不連続の数値グループになって現れるが、その中
の只一組の数値だけが正解である。使用する波長の数が
多くなるにつれて、これらの不連続解数の隔たりが大き
くなり、この時点でマイクロメーターでサンプルから１
／４波長プレートまでの距離ｄを測れば、どの組の解数
が正解であるかが判明する。次に求め得たＮ_１，Ｎ_２，
Ｎ_３……等を式７に代入し直すと、ｄ_１の正確値が得ら
れる。その後でサンプルを取り出す。

【００６３】上記と同じ方法で反射鏡６０から１／４波
長プレート７０までの距離ｄ_２を測定できる。サンプル
の厚さはｄ_２＝ｄ_１となる。

【００６４】第二方法は図１３（Ｂ）に示すように、先
ずサンプル８０Ｂを反射鏡６０に緊接する。投射するレ
ーザー光源９０の波長は連続的に調節できる。ゲージ８
０Ｂの表面から１／４波長プレート７０の表面までの距
離をｘ_１とし、波長をλ_１に調節すると、式８になる。

【００６５】

【数９】 更に、連続して波長をλ_２に増加すると、式９になる。

【００６６】

【数１０】 上記の式８と式９を解けば、式１０となる。

【００６７】

【数１１】 式１０を式８又は式９に代入すれば、ゲージ８０Ｂの表
面から第一１／４波長プレート７０の表面までの距離ｘ
_１が得られる。続いてゲージを取り出す。上記の方法で
反射鏡６０から第一１／４波長プレートまでの距離ｘ_２
を測定できる。ゲージの長さはｘ_２−ｘ_１となる。

【００６８】上記のように、この発明による測定方法は
一般の干渉計及び楕円計の機能を代替できるものであ
り、その精密度と測定範囲及び実用性は一般の干渉計や
楕円計に比べて極めて優れている。

【００６９】なお、前述の図示した装置はこの発明の一
例を説明したものであり、この発明の適用をこの範囲に
制限するものではなく、この発明の理念と創意の下に於
いて、一部光学ユニットの簡単な変更によってこの発明
と同様な測定方法を実施する事は、全てこの発明の範囲
に属する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による厚さ、光線屈折率又は均斉度の
測定に関する第１実施例を示す配置図。

【図２】この発明による厚さ、光線屈折率又は均斉度の
測定に関する第２実施例を示す配置図。

【図３】この発明による厚さ、光線屈折率又は均斉度の
測定に関する第３実施例を示す配置図。

【図４】この発明による厚さ、光線屈折率又は均斉度の
測定に関する第４実施例を示す配置図。

【図５】この発明による移動距離又は距離測定の実施例
を示す配置図。

【図６】投射光が図２に示す実施例を経過した射出した
測定ビームと参照ビームの光程差を示す説明図。

【図７】Ａは被測定サンプルの等性元素透明単一薄の断
面図で、Ｂは被測定サンプルの等性元素透明単一塗装フ
ィルムの断面図。

【図８】水平（又は垂直）に配列した被測定サンプルの
二枚のガラスで挟んだ線状液晶断面図。

【図９】Ａはエッジ・アングルθを持つ被測定固体サン
プルの斜視図で、Ｂはエッジ・アングルθを持つ被測定
流体サンプルの斜視図で、Ｃは反射面４０を持つ金属ゲ
ージ平面の断面図。

【図１０】ＡとＢはこの発明による図１（第１実施例の
配置）に示す等性元素透明固体薄片の厚さ測定及び薄片
に対する測定ビームの進行経路を示す説明図。

【図１１】Ａはこの発明の第１実施例の方法により固体
又は流体の光線屈折率を測定した時、被測定サンプルと
測定ビームの対応位置、及び固体、流体サンプルのそれ
ぞれの簡単な説明図。

【図１２】この発明の第１実施例の方法による透明薄膜
の均斉度を測定した時、被測定サンプルと測定ビームの
対応関係位置を示す説明図。

【図１３】ＡとＢはこの発明によるゲージ又は不透明反
射膜厚み測定の実施例の配置図。

【図１４】図１中の第三１／４波長プレート７２とサン
プル８０を取り除き、参照ビームＳ_２を遮断して測定し
たサイン・ウェーブとビーム二極体９３のスクエア・ウ
ェーブの信号関係図。

【図１５】図１中の第三１／４波長プレート７２とサン
プル８０を取り除き、測定ビームＳ_１を遮断して測定し
たサイン・ウェーブとビーム二極体９３のスクエア・ウ
ェーブの信号関係図。

【図１６】図１中の第三１／４波長プレート７２とサン
プル８０を取り除いて測定したウェーブ形状図。

【図１７】図１中のサンプル８０を取り除き、参照ビー
ムＳ_２を遮断して測定したウェーブ形状図。

【図１８】図１中のサンプル８０を取り除き、測定ビー
ムＳ_１を遮断して測定したウェーブ形状図。

【図１９】図１中のサンプル８０を取り除いて測定した
ウェーブ形状図。

【図２０】図１の第二１／４波長プレート７１と反射鏡
６１間に伝導グラス・サンプルを挿入して偏光分離器５
０と第一１／４波長プレート７０間で測定したウェーブ
形状図。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一つの同調光束を相互垂直の２偏光束に
   分離し、その一光束を参照ビーム、他の一光束を測定ビ
   ームとし、測定ビームが被測定サンプルを経過した後再
   び測定ビームと参照ビームとを一光束に合成して、１／
   ４波長プレート及び回転するリニア・ポラライザーの様
   な光学系によって測定ビームと参照ビームの位相差を測
   定表示する事により、被測定サンプルの厚さ又は移動距
   離の光程差を検出する事を特徴とする偏光による測定方
   法。
2. 【請求項２】 レーザー光源を同調光源とする事を特徴
   とする請求項１に記載の偏光による測定方法。
3. 【請求項３】 光束の投射に供する一同調光源と、投射
   光束を相互垂直の２偏光に分離するビーム分離装置と、
   相互垂直の２偏光が若干の不同の光程を経過した後、再
   び２偏光を一光束に合成させるビーム合成装置と、投射
   された２偏光の光程差を線偏光の回転角度に転換する１
   ／４波長プレートと、角度差即ちサンプルの厚さ又は移
   動距離の光程差を検出する回転リニア・ポラライザーの
   様な光学系と、光度検知装置が検知した角度差を直接表
   示する表示装置を設けた事を特徴とする偏光による測定
   装置。
4. 【請求項４】 レーザー光源を同調光源とする事を特徴
   とする請求項３記載の偏光による測定装置。
5. 【請求項５】 ビーム分離装置とビーム合成装置を偏光
   分離器又は分光器で構成する事を特徴とする請求項３記
   載の偏光による測定装置。
6. 【請求項６】 表示装置をオシログラフ又はロックイン
   ・アンプで構成する事を特徴とする請求項３記載の偏光
   による測定装置。