JPS62192604A - シアリング干渉コントラスト法膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明はシアリング干渉コントラスト法を利用した膜
厚測定装置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ィングした極薄膜を測定する場
合に、従来は、例えば第４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４図（ａ）に示すような
ダイヤモンド触針２０１とスキッド２０２の先端を、第
４図（ｂ）に示すようなガラス而２０３に接触させ、こ
れを移動して股２０４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Ω
　とすると第４図（Ｃ）のように測定結果を得るもので
ある。

しかしながら、この様な機械電気的方法は必ずしも高精
度の測定が容易でなく、この様なことから極ａ９膜の膜
！ｙ−洞定技術の開発が望まれていた。

そこでこの発明の発明者は先に極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１摸厚
測定装置を提案したく昭和５８年特許出願箱１５５９４
号参照）。

この新たに提案されたシアリング・コントラスト法膜厚
測定装置は、第５図に示ずように、レーザ光を対物レン
ズ１１３、ビンボール１１４及びコリメータレンズ１１
５によって平行光どし、被測定物１１０を照明し、前記
被測定物１１０からの光を平行平面板１１６でシアし、
前記シアした２波面を受光器１？Ｉａ、１２４ｂで検出
し、位相を変化させた時の干渉縞の強度変化を測定する
ように構成し、かつ前記コリメータレンズ１１５を前記
レーザ光の光軸に直角な方向に移動させることによって
前記２波面に位相差を与えるように構成したものである
。

［発明が解決しようとする問題点］ この新たに提案されたコントラスト法膜厚測定装首は極
′ａ膜厚の測定を高′ｖＪ度にかつ非接触で容易に測定
することかできる顕著な特徴を有するが、良好な平行度
を持つ平行光を形成するためには、コリメータレンズと
して収差のないレンズを準備することは相当に困ガなの
で、代替品として長焦点レンズを使用することになるが
、その場合には光学系が大きくなり、装置が人ハ１！化
するだ【プでなく、空気のゆらぎの影響が無視できない
ものになる。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたちの′であ
って、ホログラムを利用することによって良好な平行度
を持つ平行光を得ることができ、従って極薄膜の膜厚の
測定を高精度にかつ非接触で容易に測定することが可能
で、更に、光学系の長さを小さくすることができ、空気
のゆらぎの影響が小さく、装置の小型化が可能なシアリ
ング干渉コントラスト法膜厚測定装置を提供することを
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、この発明のシアリング干渉コント
ラスト法膜厚測定装麿は、レーザ光を対物レンズ及びコ
リメータレンズによって平行光としかつ前記平行光をシ
アして形成した２波面を参照光として他の平行光を記録
したホログラムを備え、前記２波面を被測定物に照明し
た後に前記ホログラムを照明し、前記ホログラムの再生
光の２波而を受光器で検出し、位相を変化させた時の干
渉縞の強度変化を測定するように構成し、かつ前記ホロ
グラムを前記シア方向に平行な方向に移動させることに
よって前記２波面に位相差を与えるように構成したこと
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は膜厚測定装置である。膜厚測定装
置１はＨｅ−Ｎｅレーザ光源１１を有し、トＩｅ−Ｎｅ
レーザ光源１１から発生するレーザビームの光路に沿っ
て、ミラー１．２、ミラー１３、ビームスプリッタ１４
、ミラー１５を有する。ビームスプリッタ１４の反射側
には物体光光学系１６が位置し、また、ビームスプリッ
タ１４の透過側には参照光光学系１７が位置する。

物体光光学系１６は顕微鏡対物レンズ２１、ピンホール
２２、コリメータレンズ２３、ミラー２４を備えている
。、参照光光学系１７は顕微鏡対物レンズ２５．ピンホ
ール２６、コリメータレンズ２７、光学ウェッジ２８を
備えている。

参照光光学系１７の出口側には被測定物１０、パルスス
テージ３０に支持されたホログラム３１、集光レンズ３
２、ミラー３３、ピンホール３４、コリメータレンズ３
５、ピンホール３６，３７、ミラー３８、フォトディテ
クタ４１．４２が配置されている。

フォトディテクタ４１．４２は処理系４３に接続し、処
理系４３は増幅′ａ４４．マルヂメータ４５、オシロス
コープ４６、コンピュータ４７、パルスステージコント
ローラ４８を備えている。

「作用」 次にこのように構成された膜厚測定装置１の作用につい
て説明する。

まず１、シアリング干渉コントラスト法の原理を）ホベ
れば、シアリング干渉を利用したコントラスト法は、物
体の波面を２分割して、互いに横方向にシアさせ、２波
面間に適当な位相差を与えて干渉させてＨ察するもので
ある。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１１からのビームはミラー１２．
１３で光路変更させたのち、ビームスプリッタ１４にて
２分割される。

まずホログラム３１を作製する場合について示す。ビー
ムスプリッタ１４で反射したビームは物体光光学系１６
の顕微鏡対物レンズ２１、ピンホール２２及びコリメー
タレンズ２３にて平行光にされたのちミラー２４にで光
路変更し、光学ウェッジ２８を通過後ホログラム３１を
照明する。一方ビームスブリツタ１４を透過したビーム
はミラー１５にて光路変更したの５、顕微鏡対物レンズ
２５、ピンホール２６及びコリメータレンズ２７にて平
行光にされたのち光学ウェッジ２８を照明する。光学ウ
ェッジ２８の表面と裏面とで反射して２波而０１，０２
に分割した両波面はホログラム３１上に照射される。コ
リメータレンズ２３からの光とコリメータレンズ２７か
らの光はホログラム３１上で干渉し、干渉縞がホログラ
ム３１に形成され記録される。この場合、被測定物１０
は除去しておく。

次に再生について示す。ホログラム３１を現像、リバー
サルブリーチ処理し、処理後のホログラム３１をもとの
位置にセラｈし、コリメータレンズ２３からの光はカッ
トしてコリメータレンズ２７からの光にてホログラム３
１を照明する。再生光をピンホール３４にてフィルタリ
ングし、被測定物１０の結像位置にて観測する。ピンホ
ール３６゜３７にてフィルタリングした光はフォトディ
テクター４１．４２にて検出し、増幅器４４を通してデ
ータ集録マルチメータ４５、オシロスコープ４６に入力
し、データ集録、波形観測を行なう。

ここで２波面間に位相差を与えるために、パルスステー
ジ３０をコントローラ４８で制御してホロ゛グラム３１
を横移動させる。

次にシアリング干渉コントラスト法の原理について述べ
る。

２波面０１．０２の間の位相差をπ／２、シアＭをΔＳ
、物体の位相の大ぎさをδとする。被測定物１０を通っ
た後の２波面間の位相分布は第２図のようになる。簡単
化のために第２図では位相変化δをもった位相物体を用
いている。まず波面ｏ１．ｏ２で位相物体を照明し２波
面に分割する。

これらの波面はΔＳのシアｍで互いに横方向にシアされ
、それらの位相差は第２図（ａ）に示した値で与えられ
る。第２図（Ｃ）は位相と干渉縞の強度分布を示してお
り、曲線は位相を強度に変換しＩＣものを示している。

ここでΔＩは位相変化Δに対する強度変化を示している
。被測定物を通過後の０１，０２の干渉波面から（ｑら
れる光の強度分布が第２図（ｂ）のようになることは、
第２図（Ｃ）から容易に理解できる。ここで位相コント
ラス１〜像は明強度（０，５＋ΔＩ、第２図（Ｃ））、
暗強度（０，５−ΔＩ、第２図（Ｃ））の相対する勾配
に変換して観察される。

次にシアリング干渉コントラスト法による膜厚の求め方
を述べる。

被測定物をセッｌ−Ｌ、観測面で観測される２波面の各
々強度をＩＡ、Ｉ、とすると、強度は１＝　（１／２） ｘ　（１＋　ｃｏｓ（（２π／Ｔ）　ｘ＋ψ）〕・・・
（１） で表わされる。ここで、■は周期、Ｘはホログラムの移
動量、ψは位相を表わす。

■各々の波面０１，０２について２点求める場合周期Ｔ
１位相ψは（２）式、（３）式のように表わされる。

Ｔ＝（２π（ｘｌ−ｘ２）） ／　（ｃｏｓ　　（２■、１　） −ｃｏｓ　　（２１２−１））　　　　　・・・（２）
ψ＝ｃｏｓ　　（２１−１）−（２π／Ｔ）　Ｘ。

・・・（３） よって膜厚は Δψ＝（ψ６−ψ８）／２　　　　　　・・・（４）で
あるから ｄ＝（（ψ４−ψ、）λ）ン（４π（ｎ−１＞）・・・
（５） により求まる。ここでｎは被測定膜の屈折率を表わ寸。

これは（π／２）十δと（π／２）−δの波面より求め
たが、π／２と（π／２）＋δまたは（π／２）−δと
の波面からも求めることもできる。この場合には ｄ＝（（ψヶーψ、）λ）／（２π（ｎ−１）　）・・
・（６） により求まる。

■各々の波面０１，０２について１点求める場合今まで
は２波面の各々について求めた２点から周期Ｔ１位相ψ
を求めたが、次に各々の波面について１点求めて膜厚を
導出する方法について示す。

（１）式において原点をｘ＝Ｑにとる。

Ｉ＝ＩＩ＝１　　とすると各々の位相ψ。、。

八〇Ａｌ３Ｏ３ ψ０．は、第３図に示すように、 −１・・・（７） ψ　　＝ｃｏｓ　　　　　（２ｔｏ八　　１　　）０＾ ψｏａ＝ＣＯ３（２１ｏＢ　　１　）　　　　　　　・
・・（８）と表わされる。

従って膜厚ｄは ｄ＝（（ψ。６−ψ。Ｂ）λ）／（４π（ｎ−１））・
・・（９） により求まる。

このように一般に干渉縞は位相が変化すると光の強度が
正弦波的に変化するので、ＰＤｌ　（４１）、ＰＤ２　
　（４２）における光の強度差を位相差に換算して、（
６）式または（９）より位相物体の厚みを求める。

［実験例］ 位相物体としてここでは、平面度の良いガラス基板を用
いて５種類の膜厚にフッ化マグネシウム（ＭＱＦ２　）
を直径５＃Ｉの円形状にコーティングしたものを用いた
。次にそのうちの１つの試料についての実施例を示す。

位相を変化させながら、ＩＡ、Ｔ、を測定し、２波面の
干捗縞曲線をプロットし、そのπ／２の位置におけるＩ
Ａ、Ｔ８より（９）式から膜厚を求めたところ１３２９
八が得られた。

この試料を触針式表面粗さ測定器で測定したところ、約
１３００Ａの膜厚が得られており、両者は良く一致して
いることがわかる。

（ハ）発明の効果 この発明では平行光をホログラムに記録し、かつその平
行光をホログラムから再生させるのであり、従って、ホ
ログラムの作成時に平行度の高い平行光を形成し得る物
体光光学系１６、特にその収差のない若しくは長焦点の
コリメータレンズ２３を使用すれば、ホログラムの再生
時に作成時と同じ参照光光学系１７を使用する限り、参
照光光学学系１７のコリメータレンズ２７に収差があっ
ても、ホログラムからは平行度の高い平行光を再生する
ことかでき、これにより、膜厚の高精度の測定を可能と
するとともに、参照光光学系の良さを小さくすることが
でき、空気のゆらぎの影響を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は膜厚測定装置を示す構成説明図、第２図は２波
面の位相と強度を示ずグラフ、第３図は２波面の強度を
示すグラフ、第４図は従来の触針式膜厚測定装置を示ず
説明図、及び第５図は従来の他の膜厚測定装置を示す構
成説明図である。 １・・・膜厚測定装置　　１０・・・被測定物　　１１
・・・Ｈｅ−４Ｊｅレーザ光源　　１２・・・ミラー　
　１３・・・ミラー　　１４・・・ビームスプリッタ　
　１５・・・ミラー　　１６・・・物体光光学系　　１
７・・・参照光光学系　　２１・・・顕微鏡対物レンズ
　　２２・・・ピンホール　　２３・・・コリメータレ
ンズ　　２４・・・ミラー　　２５・・・顕微鏡対物レ
ンズ　　２６・・・ピンホール　　２７・・・コリメー
タレンズ　　２８・・・光学ウェッジ　　３０・・・パ
ルスステージ　　３１・・・ホログラム　　３２・・・
集光レンズ　　３３・・・ミラー　　３４・・・ピンホ
ール　　３５・・・コリメータレンズ　　３６・・・ビ
ンボール　　３７・・・ピンホール　　３８・・・ミラ
ー　　４１・・・フｔ　ｌ−ディテクター　　４２・・
・フォトディテクター　　４３・・・処理系　　４４・
・・増幅器　　４５・・・マルチメータ４６・・・オシ
ロスコープ　　４７・・・コンピュータ４８・・・パル
スステージコントローラ指定代理人　　　　工業技術院
機械技術研究所艮清水嘉川部 第２図 第４図 （ｂ） Ｏ （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光を対物レンズ及びコリメータレンズによつて平
   行光としかつ前記平行光をシアして形成した２波面を参
   照光として他の平行光を記録したホログラムを備え、前
   記２波面を被測定物に照明した後に前記ホログラムを照
   明し、前記ホログラムの再生光の２波面を受光器で検出
   し、位相を変化させた時の干渉縞の強度変化を測定する
   ように構成し、かつ前記ホログラムを前記シア方向に平
   行な方向に移動させることによつて前記２波面に位相差
   を与えるように構成したことを特徴とするシアリング干
   渉コントラスト法膜厚測定装置。