JPS6024402B2

JPS6024402B2 - 測定方法

Info

Publication number: JPS6024402B2
Application number: JP50129105A
Authority: JP
Inventors: 信義田中; 光夫武田; 和也松本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1975-10-27
Filing date: 1975-10-27
Publication date: 1985-06-12
Also published as: JPS5253447A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、光学的に透明又は半透明な被測定物の厚さ、
屈折率のような物理量を非破壊、非接触で測定可能にす
る測定方法に関する。

例えば、フィルム、フィルム上に塗布された乳剤層、Ｉ
Ｃ基板又はガラス等の上に蒸着された膜状体の厚さを測
定する方法として、被測定物に下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、反射光量の極大、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
ると非破壊であるが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のそれぞれ欠点を有していた。

非破壊かつ非接触で、前記物理量の測定を高速に行なう
方法が、昭和４１年特許出願公告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って照明された被測
定物の第１の面と第２の面からの反射光をマィケルソン
干渉計等の干渉計に導びき、干渉計の分割された光路の
一方の光路長を他の光路のそれに対して変化させるよう
に２つの反射鏡の一方を他に対してあるスパンに渡って
振動させ、この振動によって生じる干渉ピークの表われ
る時点間の経過時間を測定し、その経過時間の関数とし
て前記物理定数を測定する方法である。この方法は、経
過時間を測定するように構成されているため、振動ミラ
ーの振動運動は時間に対して直線的でなければならず、
この様な振動ミラーは現実にはなかなか得がたいという
欠点を有している。またこの方法には、測定中に被測定
物の測定箇所が予め定めた箇所と一致しているか否か確
認し１こくいという欠点もある。本発明の主たる目的は
、上記の振動ミラーの如き精度の高い動作の要求される
複雑微妙な装置を使用しないで、波長幅を有する光の干
渉縞を静的に形成し、被測定物の厚み、屈折率のような
物理量を非接触、非破壊で簡単迅速に測定できるように
する方法を提供することであり、更には測定箇所を測定
中に容易に確認できる方法を提供することである。ここ
で一言しておけば、本明細書で波長幅を有する光という
のは単一波長の光ではなくて、複数の波長の光を成分と
する光又は連続スペクトル光を言い、例えばタングステ
ンランプの光や太陽光等が該当する。本発明で使用され
る光としては、被検物等に支障がない限り、一般的に白
色光源からの光が好ましく、この際得られる干渉縞は白
色干渉縞と称される。勿論単一波長光でない限り、色の
ついた光を使用することもできる。以下図面を参照しな
がら本発明を説明する。まず第１図、第２図によって、
ウオラストン・プリズムを用いる本発明の実施例で被測
定物の厚みが測定可能になる原理を説明する。第１図で
１は光源で、屈折率ｎで厚さがｄである被測定物（例え
ばガラス板）３を照明する為の白色光東２を発する。白
色光東２の一部は被測定物３の第１面３１で反射されて
光東５となり、別の一部は第１面３１を透過して第２面
３２で反射され再び第１面３１を透過して光東６となる
。ここで記述の便の為、図のように光東５を１つの波面
５１で、また光東６を波面１と同一光路長＆贋にある波
面５２３で代表させる。今、被測定物３の第２面３２
に対する光東の入射角を◇とすると波面５１，５２間に
は机ｄｃｏｓ０の光路差が存在する。１は干渉縞形成部
であり、波面５１，５２を受けるように配置されている
。

この部分は偏光子５３、ウオラス３トン・プリズムＰ、
検光子５６を順次に配列して構成されている。ウオラス
トン・プリズムＰは水晶又は方解石等の後屈折性物質を
、光学軸が紙面に垂直な方向にしたプリズム５４、およ
び紙面の上下方向にしたタプリズム５５を切りだして貼
り合せたものである。

偏光子５３はその偏光方向が水晶５４，５５の光学軸と
４ｙになる様に調整される。また検光子５６は偏光子と
平行ニコル、あるいは直交ニコルになる様に配置されて
いる。以上の構成で、ウオラストン・プリズムにより前
記波面５１，５２は二つに分割され、かつ波面に額きが
生じて、波面５１′，５１″および波面５２′，５２″
となる。

今、プリズム５４とプリズム５５の厚さ等しい所を原点
として６２の様にＹ軸をとると波面５１′と波面５１″
間及び波面５２′と波面５２″間に生ずる光路差は、複
屈折性物質の常光線に対する屈折率ｎｏ、異常光線に対
する０屈折率をｎｅとすると、２（ｎｅ−ｎｏ）・ｙ・
ｔａｎ８で与えられる。波面５１′と波面５１″、波面
５２′と波面５２″とが干渉する所は図で点５８近傍で
あり、すなわちＹ＝０近傍に生じ、白色干渉縞の中央の
ピークとなる。波面５１′と波面５２″と夕が干渉する
のは図で点５７近傍、波面５２′と波面５１″とが干渉
するのは図で点５９近傍であり、これはそれぞれサイド
のピークとなる。これは近似的に前述の幼ｄｃｏｓＪと
２（舵一皿）・ｙ・ねｎ８の等しくなる所、すなわち波
面５１′と波面５１″の光路差と波面５１′と５２′の
光路差が等しくなる所、及び波面５１″と５１′の光路
差と波面５１″と５２″の光路差が等しくなる所である
。従って上の関係からわかるように干渉縞は位置ＹごＭ
ｃｏｓ０／（ｎｅ−ｎｏ）ｔａｎｏ近傍に生ずる。そし
て、前記偏光子５３と検光子５６が平行ニコルの関係に
ある場合は上記ピーク位置で明るい線が得られ、直交ニ
コルの関係にある場合は逆に暗い縞になる。ところで、
図では便宜上プリズムＰ外の位置に白色干渉縞が形成さ
れるように描かれているが、実際にはこれらの白色干渉
縞はウオラストン・プリズムＰ中に局在しており、レン
ズ６９はこれらの白色干渉縞をスクリーン６１に投影結
合しているわけである。

スクリーン６１に投影された白色干渉縞を描くと第２図
の様になっており、前述の式からわかるように中央の白
色干渉縞の生ずる所Ｆｃからサイドの白色干渉縞の生ず
る所Ｆｓ，Ｆｓ′までの間隔は被測定物の厚さと間隔の
関数であるから、これを測定することにより被測定物３
の厚さを測定することが可能である。ただしこの場合は
比，ｎｏ，？，ひの値が既知であるものとする。またｄ
，ｎｅ，ｎｏ，０，０の値が既知であれば、上記白色干
渉縞の間隔を測定することにより被測定物３の屈折率を
求めることができる。第３図は以上述べた測定原理を用
いた本発明の一実施例の説明図である。

第３図実施例はケーラー照明タシプの顕微鏡にウオラス
トン・プリズムＰ使用の干渉縞形成部１を組込んだ膜厚
測定装置であり、１００１ま白色光源、１０１は補助集
光レタンズ、１０２はコンデンサー・レンズ、１０３
は被測定物、１０４は顕微鏡対物レンズ、１０５は接眼
レンズ、１０６は観測者の眼球をそれぞれ示している。
矢印のついた実線は照明光東を示している。この系で前
記干渉縞形成部１、特にウオラＺストン・プリズムＰは
対物レンズ１０４による被測定物１０３の結像点又はこ
の近傍に配置され（鎖線の光線図参照）、被測定物１０
３の像と白色干渉縞とが同じ位置又は近接した位置に形
成されるようになている。ただし、白色干渉縞はこの系
Ｊに於いては被測定物１０３の第１面１０３・を透過し
、次に直ちに第２面１０３２を透過した光東と、第１
面１０３，を透過し第２面１０３２で反射し更に第１面
１０３，で反射して第２面１０３２を透過した光束とに
よって形成される。この様２にすると、観測者には顕微
鏡系による被測定物１０３の拡大像および被測定物の測
定箇所に相当した所に生ずる白色干渉縞、すなわち第２
図に示した様な干渉縞が重なって観測され得るようにな
る。一例として液晶セルの液晶を封入するガラス間隔を
測定する時の干渉縞を第４図に示す。すなわち破線部Ｅ
は液晶セルの透明電極の拡大像を示し、中央に生ずる白
色干渉縞ぼｃとサイドに生ずる白色干渉縞Ｆｓ，Ｆｓ′
の間隔は、液晶セルのガラス間隔を示している。また左
側に生じている白色干渉縞折ｓ′はＮ，Ｎ′の部分で曲
がって観測されるが、これはガラス間隔が透明電極の厚
さ分だけその個所においてせまくなっていることを示し
ている。このように間隔の分布（又は屈折率ｎの分布等
）が二次元的に目視できることは本発明の利点である。
第３図実施例は被測定物１０３を透過した白色光東を用
いて干渉縞を形成するタイプの光学系であるが、第３図
実施例を多少変形して第１図で説明したように被測定物
で反射した白色光東を利用して干渉縞を形成するように
することもできる。即ち、第３図に於いて対物レンズ１
０４とゥオラストン・プリズムＰの間の光路中にハーフ
・ミラーを斜設し、このハーフ・ミラーに白色光源１０
０と補助集光レンズ１０１とから成る系を対向させ、ハ
ーフミラー及び対物レンズ１０４を介して照明光東を被
測定物１０３に落射せしめるようにすればよい。（この
場合対物レンズ１０４は照明光東に対してはコンデンサ
ー・レンズとしての機能を果すようにする。）以上、い
ずれの場合も、ウオラストン・プリズムに入射する光東
はなるべく平行光東かまたは発散角の小さい光東である
ことが望ましい。

そうすると白色干渉縞を最大のビジビリティーで観測で
０さるからである。第３図の場合は視野は若干暗くなる
が、開き絞りを絞ることにより、ビジビリティを上げる
ことが可能である。また以上の実施例でウオラストン・
プリズムＰに第５図の如く縞間隔によって計られる厚さ
を示夕すスケールＳを印してお仇よ、そのスケールＳも
白色干渉縞と同時に観測され目視により被測定物の定量
的厚み測定が可能である。

また、白色干渉縞の間隔を目視測定する方法としては上
記に示したウオラストン・プリズム自体０にスケールを
きざむ方法の他、顕微鏡において良く使用する側微接眼
を利用することも可能である。

但し、この場合白色干渉縞がプリズムの外側に局在する
タイプのノマルスキー・タイプのウオラストン・プリズ
ムを使うことが望ましい。これ夕は第６図に示す様に第
１図に示したりオラストン・プリズムとは異なり、片方
のプリズム５５′の光学軸が若干優むけられてあり、プ
リズム中において分割された光東６，７がウオラストン
・プリズムの外側の位置９で交わることになる。従つｏ
て白色干渉縞はそこに局在することになる。したがって
その交わる所つまり第６図の破線の所に棚微俵眼に使用
されるようなスケールを配置すれば良い。尚、上に述べ
た実施例では波面を分割する素子夕としてウオラストン
・プリズムを使用しているが、ロッション・プリズム等
他の偏光分割素子も使用できる。

更に干渉縞形成部として例えばマィケルソン干渉計を使
用することも可であり、この場合は波面は半透面を有す
るビームスプリッター４０によって振幅分割され、また
本発明ではマィケルソン干渉計の１つのミラーが他のミ
ラーの半透面に関する鏡像に対して相対的に煩けられる
。また先の実施例では白色光を利用する場合について述
べたが、先にも述べた如く波長幅をもつ光なら赤、緑、
黄、青当或る波長領域にある光も利用できる。そしてま
た、先の実施例では膜厚、ガラス間隔或いは屈折率ｎを
測定する場合について述べたが、更に本発明は物品表面
の凹凸分布を測定することも可能にする。

即ち或る凹凸分布を有する物品例えばＩＣウェハ上にオ
プティカルフラツトを配しこれを例えば第３図の被測定
物１０３の位置に配置すればウオラストン・プリズムＰ
の位置に前記凹凸分布に対応した白色干渉縞が形成され
る。これを被検体とオプティカル・フラット間の間隙量
が前記凹凸分布に対応して変化しているからであるが、
この場合、及び前述のガラス間隔測定の場合等は本明細
書で言う被測定物とは直接には２つの物品の間の空気間
隙等透明物質の蝉又は真空層が該当する。この層に厚み
があることによって干渉縞が形成されるのであり、この
厚みが物品表面上の凹凸分布や２物体間間隔量に対応し
ているので、これが測定できるのである。そしてまたこ
の場合、本発明で言う被測定物の像とは直接には空気間
隙層等の像ということになるが、この層とこれを挟む物
品とは近接しているのが一般なので本発明ではやはり透
明物質層の像に近接した位置で上記凹凸分布をもった物
品のような所望物品の表面の像を干渉縞と重ね合せて観
察でき、従って物品上での凹凸分布等を直接観察できる
のである。以上述べたことから明らかなように本発明に
は波長幅を有する光の干渉縞を簡単に形成し非破壊、非
接触で正確に安定して被測定物の厚さ、屈折率等の物理
量を測定できること、しもその際に測定中の箇所を被測
定物の像に重ね合せて観察できること等種々有用な効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例での測定原理の説明図、第２
図は第１図の方法で得られる千渉綿の例の説明図、第３
図は本発明の一実施例の説明図、第４図は液晶セルのガ
ラス板間隔を測定する際に得られる干渉縞の例の説明図
、第５図はスケールを印したウオラストン・プリズムの
説明図、第６図は本発明の他の実施例に利用されるノマ
ルルスキー・タイプのウオラストン・プリズムの説明図
である。１，１００は白色光源、３，１０３は被測定物、５３は
偏光子、Ｐはウオラストン・プリズム、５６は検光子で
ある。第２図移り図陣船図川船髪４図集う図

Claims

【特許請求の範囲】

１厚さをもつた被測定物を波長幅のある光束で照明し
、該光束が該被測定物を透過もしくは反射することによ
り生じた相互間に光路差のある複数の光の波面を夫々分
割し、該分割された波面の夫々を重ね合わせて干渉縞を
形成し、該干渉縞を用いて前記被測定物の厚さ、屈折率
等の物理量を測定する方法において前記分割された波面
どうしを相対的に傾けて重ね合わせることにより干渉縞
を形成するとともに、該干渉縞の形成される位置の近傍
内に前記被測定物の像を形成し、前記形成された干渉縞
の空間的な位置から前記物理量を測定することを特徴と
する測定方法。