JPS5912121B2

JPS5912121B2 - 干渉測定法

Info

Publication number: JPS5912121B2
Application number: JP11688076A
Authority: JP
Inventors: 哲郎桑山; 信義田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1976-09-29
Publication date: 1984-03-21
Also published as: JPS5342758A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はフィルム、フィルム上に塗布された乳剤厚、Ｉ
Ｃ基板又はガラス等の上に蒸着された蒸着膜、ガラスと
ガラスとの間の間隔、等々一般的にいつて光学的に透明
な物質の膜厚、又はその膜の屈折率等の物理定数を非破
壊、非接触にて測定する方法に関するものである。

従来、上記のような物理定数を測定する方法としては被
測定物に何らかの方法で段差をつけて触針にて膜厚を測
定する方法、又やはり段差をつけて干渉顕微鏡により膜
厚を測定する方法、被測定物からの分光反射率を測定し
、反射の極大・極小となる波長より計算して膜厚を検出
する方法等が知られているが、前二者についてみると被
測定物に段差をつけること、すなわち破壊する必要があ
ること、また触針の時は被測定物に傷をつけやすいこと
等があり、また後者についてみると測定に時間を要する
こと、極大・極小となる波長を検出して膜厚を測定する
ことから、あまり精度が良くない等それぞれ欠点を有し
ていた。非破壊かつ、非接触で、前記測定を行なう方法
が昭和４１年特許出願公告第１２１９２号明細書に示さ
れている。

この方法は、波長幅を有する光源によつて照明された被
測定物の第１の面と第２の面からの光をマイケルソン干
渉計等の干渉計に導き、干渉計の分割された光路の一方
の光路長をあるスパンに渡つて、すなわち、マイケルソ
ン干渉計の光分割器によつて分割された２波面が夫人指
向される２つの反射鏡の一方をあるスパンに渡つて振動
させ、この振動の際の移動量を時間軸で表わし、この振
動によつて生じる干渉ピークの表われる時点と、前記ス
パン中の振動ミラーのある位置に対応する時点との間の
経過時間を測定しその経過時間を函数として前記物理定
数を測定する方法である。しかしながら、この測定を薄
い被測定物に対して行なおうとすると、中央の干渉ピー
クおよびその両側に生じる、被測定物の物理量に対応し
て生じる干渉ピークの両者は有限の幅を有することから
重畳し、分離して観察が不可能となる欠点を有していた
。

また、この干渉ピークの幅は、一般に白色干渉を用いて
測定を行なう上での精度を決定する重要な要素であり、
測定を高精度で行なうには干渉ピークの幅は可能な限り
狭いことが望ましい。

この干渉ピークの幅は、光源のスペクトル分布と光検知
器のスペクトル感度から定まり、およそ、使用する波長
幅に反比例する。従つて、幅の狭い干渉ピークを得よう
とすれば光源と光検知器はそれぞれできるだけ波長幅の
広いものを用いればよい。しかしながら、光源および検
知器の波長幅は、夫々を構成している物質によつて定ま
つてしまう。従つて、十分幅の狭い干渉ピークは従来の
干渉方法では得られなかつた。従つて、本発明の目的は
測定感度の高い、すなわち、幅の狭い干渉ピークが得ら
れる干渉測定法を提供することである。

以下本発明の方法を説明する。

第１図、第２図は、本発明の方法の原理を示すもので、
第１図において白色光源１，『からの光束２，グはビー
ムスブリツタ一３により重ねられて、光束４となり、こ
れは被測定物５を照射する。

尚、この光源１，『は夫々領域が異なり、両光源により
連続的な広い波長域をカバーしている。ここで光束は被
測定物５の第１の反射面で反射した光束７及び被測定物
の中に屈折して入射し、第２の反射面で反射した光束６
となり、反射光束６は二被測定物５から出射して反射光
束７と平行な光束８となる。今、被測定物の厚さをｄ、
屈折率をｎ第２の反射面への光束の入射角をφとすると
、光束７と光束８の間に２ｎｄＣ０Ｓφの位相差が生じ
ていることになる。以上の光学系を照明光学系１とする
。光束７，８はビームスプリツタ一９、ミラー１２，１
３より構成された、いわゆるマイケルソン型干渉計２に
入り、そこでビームスプリツタ一９によりそれぞれ振幅
分割されて、光束１０及ひｃ光束１１となり、光束１０
はミラー１３で反射しさらにビームスプリツタ一９で反
射しレンズ１４を通つた後、ビームスプリツタ一１５に
よつて振巾分割されて光検知器１６，１６／に入射する
。

もう一方の光束１１はミラー１２により反射され、ビー
ム・スプリツタ一９、レンズ１４を介してビームスプリ
ツタ一１５に入射し、振巾分割されて光検知器１６，１
６′に入射する。尚、これ等の光検知器は夫々異なつた
分光感度特性を有し、両者によつて広い分光感度域をカ
バーするようになつている。以上のレンズ１４以後の光
学系を検出部｝とする光検知器１６，１６′からの出力
１７，１ｒは、増巾率可変の増巾器１８，１８′を通つ
た後、加算機１９により加え合わされて出力信号２０と
なる。今、片万のミラー１３を固定し、もう一方のミラ
ー１２を光軸に対して平行に動かしたときの相対的な光
路差を△とすると、信号１７はｌぃ〜・７管〜
一ー一９１．．−ー一ｌ〜なる式によつて記述さ
れる。（１｝式におけるｉ１（ｋ）は次の（２）式で与
えられる。但し（２）式においてＳ１（ｋ），Ｓ２（ｋ）は光源１，１″の分光エネルギ
ー分布、ｔ（ｋ）は光学系の透過率、ｕ１（ｋ）は検知
器１６の分光感度である。

以上の（１），（２）式において、検知器１６は線型な
特性を有していることを仮定した。一方、検知器１６′
からの出力１７′はなる式によつて記述される。

前述と同様に、（１）′式におけるＩ２（ｋ）は次の（
２）′式で与えられる。但し（２）５式においてＳ１（
ｋ），Ｓ２（ｋ）は光源１，１′の分光エネルギー分布
、ｔ（ｋ）は光学系の透過率、Ｕ２（ｋ）は検知器１５
の分光感度である。

以上の（１Ｙ，（２Ｙにおいて、検知器１６′は線型な
特性を有していることを仮定した。増幅器１８，１８′
の特性が線型であり、加算器１９により正確な和が得ら
れるものとすると、信号２０は次式によつて記述される
。

（３）式において、Ｇｌ，ｇ２はそれぞれ増幅器１８，
１８′の増幅率である。

（３）式を変形すると、次式となる。＼１ ′ −ノＶ
ｌ＼▲１系の総合的分光感度』（ｋ）を
次式の様に定義する。

ＨＸｌ菖１１〜幽ｎ′．〜）ムＴｆ′一占
ノ一嘔）このｊ（ｋ）を用いると、（４）式は以下の
様に記述される。以上の説明によつて、光検知器１６，
１６／と増幅器１８，１８″、加算機１９を用い、光検
知器１６，１５からの信号を電気的に加え合わせること
により、結果的に次の（７）式で記述される感度分布１
（ｋ）を有する光検知器を実現したこととなる。

今、総合的分光感度を近似的にｋ＝Ｋ１からｋ一Ｋ２ま
で一定と仮定する。とした時、（６）式は次式となる。

（８）式を展開すると、定数倍を省略して、干渉縞は次
式であられされる。

なお、ここで、ＳｌｎＣ（Ｘ）＝Ｓｌｎｘ／ｘ（ＸＸＯ
）ＳｌｎＣ（０）１である。

（９）式において、第１項は、△によらない、Ｉ（ハ）
の直流分を、第２項は△−０の、中央に生じる干渉ピー
クを、第３項は△−２ｎｄＣ０Ｓφに生じる信号の干渉
ピークを、第４項は△＝−２ｎｄＣ０Ｓφに生じる、信
号の干渉ピークをあられしている。

このＩ（ハ）を、横軸に△をとつて、第２図に示す。実
際には、この図形はオシロスコープの水平入力としてミ
ラー１２の位置を入力し、垂直入力として信号１９を入
力し、適当な手段を使用してミラー１２を動かしてやる
ことにより、オシロスコープの管面上に観察される。本
測定によつてＮｄＣＯＳφが得られるため、被測定物の
屈折率ｎが既知の場合には被測定物の厚さｄを測定する
ことが可能であり、又、被測定物への照射角を二つ選び
、測定を二度行なうことにより、屈折率ｎ１厚さｄをそ
れぞれ独立に求めることが可能である。各々の干渉ピー
クは同一の形状で、単に位濃と大きさが異なつているの
みであるので、以後の議論では、中央の干渉ピークにつ
いてのみ考える。

中央の干渉ピークは、定数倍を無視してとあられされる
。

これは、高い周波数の振動より振巾変調されているもの
と考えられる。今、．Ｋ，−Ｋ，関数ＳｌｎＣ｛（
−ーー→△｝が１／２になる点の間隔を、この信号の半
値巾と定義すると、ＳｌｎＣ｛±１．８９５４９｝＝０
．５より、Δ＝±３．７９０９８．Ｋ２−Ｋ，／（Ｋ２
−Ｋ１）において関数ＳｌｎＣ｛（？）△｝の値は１／
２となり、半値幅ｗ−７．５８／（Ｋ２−Ｋ，）となる
。

従つて、干渉ピークを鋭くするには（Ｋ２−Ｋ１）の値
を大きくすればよく、これはすなわち、使用波長域を、
特に短波長側に広げることにより実現される。第３図は
ｋ＝１１μｍ−１（λ＝０．５７μｍ）からｋ−１４μ
ｍ−１（λ＝０．４５μｍ）までの感度分布の時に生じ
る干渉ピークを破線であられし、ｋ＝８μｍ−１（λ冒
０．７９μｍ）からｋ＝１７μｍ−１（λ＝０．３７μ
ｍ）まで感度分布の際生じる干渉ピークを実線であられ
したものである。

破線の分布では、中央のピークと、そのすぐ左右のピー
クの大きさにあまり差が無く、雑音等により、左右の山
を全体のピークとしてとらえる可能性があるが、実線の
分布では左右の山の高さは低く、ピークを間違える可能
性はほとんど無い。又、実線の分布においては、細かい
振動の振巾はすぐ減衰するため、薄い試料に対しても、
中央の干渉ピークと左右の干渉ピークを分離して観察す
ることが可能となる。第３図の例において、前述の半値
幅は、破線の分布に対しては２．５３４μｍ１実線の分
布に対しては０．８４２μｍである。以上に示した様に
、使用する波長幅はできる限り広いことが望ましいわけ
であるが、現実にこれを実現することは困難である。実
在の光源及び検出器はすべてある波長にピークを有し、
その前後の波長では感度が低下してしまう。第４図は２
８０００Ｋ，６０００波Ｋの黒体放射の分光エネルギー
分布を波数ｋに対して表示したもので、これらはそれぞ
れ、実際のタングステンランプおよびキセノンランプの
分光強度分布に対応している。

第５図はシリコンブルーセル（ＳＢＣ）、シリコンフオ
トダイオード（ＳＰＤ）、硫化鉛光電導セル（ＰｂＳ）
の分光感度分布を示したものである。

第４図、第５図より明らかな様に、光源、検知器のいず
れにおいても単独の要素では限られた波長域にしか感度
を実現し得ないが、光源として２８００′Ｋと６０００
′Ｋの色温度を有するものを組合せ、検知器としてシリ
コンブルーセル（ＳＢＣ）と硫化鉛光電導セル（ＰｂＳ
）を組合せることにより、ｋ＝３〜１５までの総合的感
度分布１（ｋ）を実現可能である。以上の実施例におい
て、光源１，『と検知器１６，１６′はそれぞれ２個ず
つ使用した例を実施例として示したが、使用可能な要素
は３個あるいはそれ以上使用しても良い。

又、光源又は検知器のいずれか一方にのみ本発明を適用
することも可能である。検出部Ｊのビームスプリツタ一
の反射／透過特性に波長特性を持つたものを使用するこ
とにより、検出部｝の感度を高くすることができる。

例えば検出器１６にＰｂＳを、検出器１６′にＳＢＣを
使用し、ビームスプリツタ一を０．９μｍ以下の波長の
光を反射し、０．９μｍ以上の波長の光を透過する、い
わゆるコールドミラー型の素子を使用することにより、
効率良く光を検知することが可能となる。第６図は、本
発明における検出部１の他の実施例を示したものである
。

プリント基板２１上に、異なつた分光感度を有する光検
知器１６，１６′を隣接して置き、干渉計からの光束を
受ける様にしたもので、非常に単純な構成である利点を
有している。なお、以上の説明において、光検知器およ
び増幅器は線型なものとして説明を行なつたが、これら
の素子の特性としては、極端な非線形性を有していなけ
ればいかなる物でも使用可能である。又、ここで使用す
る光の範囲としては、可視光だけには限らず、赤外線、
紫外線等の非可視光までも使用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の干渉測定法の光学配置図、第２図は、
第１図の光学配置で得られる干渉ピークを示す図、第３
図は波長幅の狭い干渉ピークと波長幅の広い干渉ピーク
を示す図、第４図は２８００Ｋ，６０００゜Ｋの黒体放
射の分光エネルギー分布を波数ｋに対して表示した図、
第５図はシリコンブルーセルとシリコンフオトダイオー
ド、硫化鉛光電導セルの分光感度特性を示す図、第６図
は第１図と異なる構成の光検出器部分を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１被検体を光源からの波長幅の有る光束で照明し、該
被検体の第１面、第２面からの波面を夫々分割し、分割
された一方の２波面を分割された他方の２波面に対して
光路差を与え、再び重ね合わせ、干渉縞を形成し、該干
渉縞を光検出器で検出し前記被検物の第１面と第２面と
の間の間隔、屈折率等の物理量を測定する方法において
、前記光源若しくは光検出器の少なくとも一方は相互に
分光波長特性の異なる複数個の光源若しくは光検出器の
組合わせにより構成されたものであることを特徴とする
干渉測定法。