JPS6249562B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は被検膜の厚さ又は屈折率を光学的に非
接触で測定する方法及びその装置に関する。 従来光学的に非接触で膜厚あるいは屈折率を測
定する方法として代表的なものに分光計を使つ
た方法、干渉計を使つた方法、偏光解折法、
光切断法、がある。 分光計を使う方法は、各波長の光での膜の表
面、裏面での干渉強度を検出し膜厚あるいは屈折
率を測定する方法であるが、安定な分光器は高価
であり、イン・プロセスで測定しようとすると波
長を走査する必要がある上に各波長について光学
系が補正されなければならないので、インプロセ
スの測定には不向である。 干渉計を使う方法は、干渉計の一方の光路中に
被検膜を挿入し、その被検膜の厚み変化あるいは
屈折率変化に対応した干渉縞の変化を検出し、膜
厚あるいは屈折率を測定する方法である。干渉計
は干渉計を構成する要素例えばミラー、ビーム・
スプリツタ等の高い製作精度を必要として、また
それら要素の厚み、屈折率あるいは要素間の間隔
屈折率等の測定環境下での変化が直接に測定精度
に影響を与え安定な測定が困難である。 偏光解折法は直交する２つの偏光成分の反射
と、位相差を正確に測定し、計算により膜厚、屈
折率を測定する方法である。測定装置が複雑で高
価となる。 光切断法は平面上の膜のある部分とない部分の
両部分に光を斜めから入射させ、その反射光のず
れを検出する方法である。段差がなければ測定で
きず、従つてフイルムシート等の製造工程中では
シートの膜厚を測定する為にシートの底面（裏
面）の位置と装置とを固定する必要があり安定な
測定は困難である。 本発明は、その主たる目的を上述した従来方法
の欠点を解決できる測定方法及び測定装置を提供
することとし、被検膜の厚さ又は屈折率を簡単な
構成で安定して、そしてイン・プロセスでも測定
可能にする測定方法及び測定装置を提供するもの
である。そして本発明の測定方法について述べれ
ば、それは基本的には、被検膜に所定の入射角範
囲にわたつて可干渉光を照射し、被検膜を反射又
は透過した光により形成される干渉縞の強度を異
なつた入射角の照射光に関して経時的に検出し、
所定の干渉縞強度を検出する複数の時点の内の少
なくとも２つの所望時点間の時間々隔を測定する
ことによつて被検膜の厚さ又は屈折率を測定する
構成となつている。以下本発明について更に詳述
する。 第１図で、１は屈折率ｎ、厚さｄの透明な被検
膜であり、互いに平行なかつ散乱を無視できるよ
うな滑らかな表面２、裏面３を有しているものと
する。L₁は被検膜に入射角θで入射する波長λ
の可干渉光である。L₂，L₃，………，Ｌ_Nは被検
膜１による反射光、L₂′，L₃′，………，Ｌ_N′は被
検膜１を透過した光である。尚、屈折角をθ′と
し、被検膜の表面２に於ける反射率、透過率を
ｒ，ｔ、裏面３におけるそれらをr′，t′とする。 反射光L₂，L₃、透過光L₂′，L₃′等、第１図で反
射、透過の隣合つた光の位相差はδは、 δ＝２π／λ2nd cooθ′＝２π／λ2d√²−²
……(1) である。ただし右辺最後の式はsinθ＝nsinθ′よ
り導いた。今、被検膜１での光の吸収はないもの
とすると反射光による干渉縞の強度は Ｉ_R＝ｒ^２＋ｒ′^２＋２ｒｒ′ｃｏｓδ／１＋２ｒｒ
′ｃｏｓδ＋（ｒｒ′）^２……(2) また透過光による干渉縞の強度は Ｉ_T＝（ｔｔ′）^２／１＋２ｒｒ′ｃｏｓδ＋（ｒｒ
′）^２……(3) となる。（以上、久保田広著「波動光学」、第63
頁、岩波書点、1971年２月２日刊、参照） 尚、ｒ，r′が十分小さいとすればＩ_R、Ｉ_Tは次
のように近似される。 Ｉ_R〓r²＋r′²＋2rr′cosδ ……(4) Ｉ_T＝（tt′）²〓〓〓（−rr′）^mｓｕｎ（ｍ＋１）δ／ｓｉｎδ＝（tt′）²｛１−２（rr′）cosδ ＋（rr′）²ｓｉｎ３δ／ｓｉｎδ−………｝〓１−2rr′cosδ ……(5) 以上からわかるように、ｒ，r′，ｔ，t′がθに
無関係に一定だとすれば、Ｉ_R、Ｉ_Tはδに関して
周期的に変化する。例えば位相差がδ_１＝（Ｎ＋
１／４）×２π、δ_２＝（Ｎ＋１＋１／４）×２πのと
き、Ｉ_R 、Ｉ_Tは夫々同じ強度となる。位相差がδ_１、α
_２の時の照射光L₁の入射角を夫々θ_１，θ_２と
すると、 δ_１＝（Ｎ＋１／４）×２π＝２π／λ2d√²−
² _１…… (6) δ_２＝（Ｎ＋１＋１／４）×２π＝２π／λ2d√²−
² _２ ……(7) (6)式、(7)式の差をとれば ２π＝２π／λ2d（√²−² _２−√²−
² _１） ……(8) 従つて膜厚は ここでθ_２−θ_１＝Δθ、θ_１＝θ−Δθ／
２、θ_２＝θ＋Δθ／２とする（尚、本明細書で
はθを基準入射角と呼ぶことにする）と、 また屈折率は(8)式の（ ）内を展開して近似式
を得ると、 となる。従つてｎ、λを既知とすれば被検膜の厚
さｄはＩ_R又はＩ_Tが同じ強度となるθ_１，θ_２を
知ることにより、又はθを適宜に設定した上でΔ
θを知ることにより測定できる。またｄ、λを既
知とすれば被検膜の屈折率ｎも同様にして測定で
きる。 第２図は本発明の一実施例の光学系、第３図は
本発明の一実施例の信号処理系の説明図である。 第２図で１は第１図で示した被検膜である。２
は波長λの可干渉光束を射出する光源である。光
源２には水銀灯、ナトリウムランプ、白熱灯等に
透過波長帯域の狭い干渉フイルターを組合せたも
のも使用できるが、高輝度であるレーザを使用す
るのが好ましい。また可視光ばかりでなく紫外、
赤外の可視光も使用できる。３は1/2波長板であ
り、レーザ２からの光束（直線偏光とする）の偏
光方向を調整できるようにその1/2波長板は光学
系の光軸を軸として回転調整可能に配設されてい
る。このうように被検膜１に照射する光の偏光方
向を調整する理由は後に詳述する。４は収斂レン
ズであり、後述の正レンズ６の多面鏡５寄りの焦
点面上又はこの近傍にレーザ２からの平行光束を
収斂せしめる。５は多面鏡であり電動モーター等
で軸を中心に矢印５′方向（逆方向でもよい）に
回せしめられ、レーザ２からの光束を反射点を中
心に回転移動させる。多面鏡のかわりに振動鏡、
超音波光偏向器等他の光偏向器であつて、光束の
指向方向を変化させるものを使用してもよい。レ
ンズ６は多面鏡５の光束反射点、即ち、光偏向器
に於ける光束の回転中心を被検膜１の表面上又は
この近傍に結像するように配置されている。従つ
て被検膜１の測定点には矢印６′方向に連続的に
入射角を増大させながら（又は減少させながら）
平行光束が入射する。この際レンズ６は光偏向器
５に於ける光束の偏向角と被検膜１への光束の入
射角を１対１に対応づける作用をする。７は集光
レンズで被検膜１を反射した光を光電素子８上に
集光する。素子８は受光量に対応した電圧又は電
流信号を発生する。９は光電素子であり、光を受
光して電圧又は電流信号を形成する。これはレン
ズ６の外縁近傍に配置され、光偏向器５からの光
束を受けて１測定サイクルの開始時を検出するよ
うになつている。 第３図は第２図々示光学系に組合せて使用され
る信号処理系の概略を示すブロツク図である。こ
の系は第２図々示の光電変換素子９に光偏向器５
からの光束が入射した時にリセツトされ１測定サ
イクルの処理が始まるようになつているものとす
る。 また第４図Ａ乃至Ｊは第３図々示の信号処理系
の途中過程で得られる信号波形の模式図である。
横軸には時間Ｔ、縦軸には信号レベルＶをとつ
た。 第３図で、８は第２図々示の光電変換素子であ
り、被検膜を反射した光による干渉縞の強度変化
に対応した電圧信号を発生する。この干渉縞の強
度は前述した如く、反射光に含まれる光の位相差
状態の変化とともに、従つて照射光の入射角の変
化とともに変化する。 素子８で形成された信号は交流成分（即ち(4)式
右辺第３項に対応する成分）だけを通過させかつ
増幅する交流増幅器１０に印加される。増幅器１
０で形成された信号は第４図Ａに模式的に示し
た。縦軸の０のレベルになるところで前述のδが
ほぼπ宛ずれ、干渉縞強度の変化率が最大になる
ようになつている。尚、前述のθが等速度で変化
する場合(1)式と(2)又は(3)式からわかるように、Ｉ
_Rは時間をパラメータとする正弦あるいは余弦函
数とならないが、簡便の為第４図Ａ乃至Ｄ及びＧ
では正弦函数的信号のような波形が描れている。 回路１０で得られた信号は波形成形回路１１に
印加され、第４図Ｂに示したように第４図Ａの信
号の０レベルの上下の信号が矩形波に整整され
る。回路１１で得られた信号は微分回路１２に印
加される。この回路によつて第４図Ｃに示すよう
に第４図Ｂの信号の立上り、立下りに対応して発
生するパルス信号が得られる。この信号はダイオ
ードのような素子を使用し設定レベル以上の信号
しか通過させない半波整流回路１３に印加され、
第４図Ｄの様に第４図Ｃの信号の正レベルに対応
するパルスから成る信号が形成される。この信号
のパルスは前述の如く位相差δが（ｎ＋１／４）×２π （ただしｎは整数）になるごとに形成される。回
路１３からの信号はANDゲート１４に印加され
る。 一方、第２図々示の光電変換素子９で得られた
信号は既述の通り処理系のリセツトに使用される
ようになつているとともに、この素子９に発生し
た信号は不図示の増幅器を通過後遅延回路に伝達
される。この回路には素子９からのパルス信号の
立下り時に立上る矩形波を発生させ、その矩形波
の長さを調整可能な単安定マルチバイブレータの
如きものが使用される。１６は矩形波発生回路
で、第４図Ｄ信号のパルスが少なくとも２つ以上
発生するに要する時間持続する矩形波を発生する
のであるが、この回路にも遅延回路からの矩形波
の立下り時に立上る矩形波を発生しその長さも調
整可能な単安定マルチバイブレータのような回路
が使用される。回路１６からの信号は前記AND
ゲート１４に印加される。尚、回路１５は回路１
６の矩形波信号を第２図の照射光束が被検膜１に
基準入射角で入射する時刻を中心に発生させるよ
うに調整されるものとする。回路１５，１６の信
号波形は夫々第４図Ｅ，Ｆに模式的に示されてい
る。 以上によりANDゲート１４を通過する信号は
第４図Ｇに示したように、第４図Ｄのパルス信号
の内第４図Ｆの矩形波信号と重なるものだけとな
る。ここで第４図Ｇで左側のパルスから順に第
１、第２、第３のパルスと呼ぶことにする前に述
べたことからわかるように第１と第２のパルスは
夫々照射光の入射角が前述のθ_１，θ_２となつた
時にほぼ対応して発生しているとみることができ
る。そして、この第１と第２のパルスの発生する
時間々隔をΔＴ、被検膜を照射する光束の入射角
の変化速度を一定としてそれをωとすれば、 前述したΔθ（＝θ_２−θ_１）＝ω・ΔＴとな
る。従つて回路１５を適宜に調整して前述の基準
入射角θを予め求めておき、上記ΔＴを測定して
Δθを算出すれば、(10)式から被検膜の厚さｄを、
(11)式から屈折率ｎを算出することが可能になる。
ここでＦ（θ）＝√²−²、θ_１＝θ＋
Δθ／２、θ_２＝θ−Δθ／２とするとｄ＝ λ／２（Ｆ（θ_１）−Ｆ（θ_２）となるが、Ｆ（θ）は
θの関数 となつており、一般には絶対角度θ_１，θ_２を測
定しなければｄが測定できないところ、Ｆ（θ）
がθに関して線形であれば或いは線形である範囲
を使用すれば絶対角度を必要とせず、 相対角度θ_１−θ_２＝Δθのみで測定可能とな
る。この線形性を有する角度が最適入射角θｃに
近傍であり、第９図、第１０図につき後に詳述す
る。尚、第２図で回転多面鏡の角速度をω_１、レ
ンズ６の角倍率をγとすればω＝２ω_１・γ（た
だしレンズ６への入射、出射光の光軸となる角が
夫々１より小とする） 上記のΔθは回路１４からの信号をオシロスコ
ープに導いてその陰極線管表示面上に表示された
第１と第２のパルスの波形間隔をスケールで測定
することによつても測定できるが、第３図々示の
系ではクロツクパルスを用いて測定するようにな
つている。即ち、第４図Ｇの信号はANDゲート
１５に印加され、そしてこのゲートからの信号は
下位レジスター１６′、上位レジスター１６″とよ
り成るシフトレジスターに印加される。まず前述
した素子９からのリセツト信号が既に上位レジス
ター１６″に印加されており、第４図Ｇの第１の
パルスが発生した時には０となり、インバーター
１７を介してゲート１５を開いている。従つて第
１のパルスはゲート１５を通つて下位レジスター
１６′に印加される。この時下位レジスター１
６′は１となり、その信号が、入力信号の立上り
で立上り及び次の入力信号の立上りで立下る矩形
波を発生するフリツプ・フロツプ回路１８に印加
される。第２のパルスがゲート１５を通過してシ
フトレジスター１６に入ると下位レジスター１
６′は０、上位レジスター１６″は１となり、この
上位レジスター１６″の信号がフリツプ・フロツ
プ回路１８に伝わり、この回路の矩形波信号を立
下がらせる。一方、上位レジスター１６″の信号
はインバーター１７に印加されるが、これによつ
てゲート１５は閉じられ、第３のパルス、そして
第４、第５、………のパルスがゲート１４から来
たとしても、次に測定サイクル開始時のリセツト
信号が素子９側から上位レジスター１６″に印加
されるまでこれらのパルスはゲート１５を通過す
ることはできない。従つて回路１８で得られる信
号は第４図Ｈで示したように、第１と第２のパル
スの発生時点間の時間長に対応する長さをもつ矩
形波となる。回路１８からの信号はANDゲート
１９に印加されるが、一方このゲート１９にはク
ロツクパルス（第４図Ｉ参照）を発生するパルス
ジエネレーター２０からの信号が印加される。従
つてこのゲート１９は第４図Ｈの矩形波の存在す
る時間の間、即ち前記ΔＴの時間の間クロツクパ
ルスを通過させる。（第４図Ｊ参照）このパルス
はパルスカウンター２１に印加されその数を計数
されるが、計数されたパルス数は上記時間ΔＴ
に、従つてまた前述のΔθ（＝θ_２−θ_１）に伝
応している。カウンター２１からの信号は適宜の
表示手段、又は記録手段にそのまま伝達されても
よいが、前もつて前記の基準入射角θ、使用する
光の波長λ、及び被検膜の屈折率ｎ又は厚さｄの
情報を記憶させられている演算手段２２に印加さ
れてもよい。演算手段２２は、ｎが既知の時(10)式
に従つて被検膜の厚さを、ｄが既知の時(11)式に従
つて被検膜の屈折率を算出するものとする。演算
手段２２の出力は適宜の表示手段、記録手段等に
伝達され、また膜形成手段の膜厚又は屈折率の制
御手段に伝達して制御作動の用に供することも可
能である。 尚、第３図の処理系では回路１３によつて第４
図Ｃの横軸より下のパルスを除去したが、回路１
３を第４図Ｃの横軸より下のパルスを上に反転さ
せる回路とすることもできる。その際のパルス間
隔はΔθ／２にほぼ対応している。この信号を利
用して前述と同様の処理をすれば被検膜の厚さ又
は屈折率を知ることができる。また素子８からの
信号で第４図Ａの信号の極大値、極小値等に対応
するパルスを第４図Ｄのように形成する回路を使
用し、この回路の出力を第３図のゲート１４に印
加するようにしても前述と同様の処理によつて被
検膜の厚さ又は屈折率を知ることができる。 尚また、第２図の光学系では反射光による干渉
縞の強度を検出する光学系となつているが、第５
図の光学系の如く被検膜を透過した光による干渉
縞の強度を検出するようにしてもよい。（第５図
の各部材の符号は第２図と同様の構成で同様の作
用をなす部材と同一にした。） 第６図は第２図又は第５図のように被検膜１へ
の照射光の入射角度を時間的に変化させないで異
なつた入射角の照射光に関する干渉縞の強度を経
時的に検出するようにした光学系の概略図であ
る。即ち、波長λの可干渉光源２からの平行光束
は光軸を軸として回転調整可能に配設された1/2
波長板３を通過後レンズ２３によつて一担収斂さ
れ、この収斂点を被検膜１の表面又はこの近傍に
結像するように配置されたレンズ２４によつて基
準入射角を中心として適当な幅をもつ角度範囲に
連続的に入射角が分布するように上記結像位置に
収斂される。即ち、被検膜１には角度幅のある可
干渉光束が照射される。上記角度範囲は最小限前
述の△θの半分に対応するように設定される。被
検膜１を反射した光を正レンズ２５を介して固体
半導体アレイ２６上に入射せしめる。（第５図と
同様に被検膜１を透過した光を正レンズを介して
光電導体アレイに入射せしめる構成としてもよ
い。）ここでレンズ２５は、干渉縞を形成する被
検膜よりの光を出射角に１対１に対応した光軸か
らの高さに導くものであるが、レンズ２５の前側
焦点位置に被測定点をおけば後側焦点位置にアレ
イ２６を配置することが望ましい。そして上記ア
レイ２６は極細長い直線上の領域に多数の微小な
光電変換素子、光導電素子等を配列して成るもの
（例えばCCD、即ち電荷結合素子）で公知の駆動
回路によつて順次隣接する素子からの出力が取り
出されるようになつている。このアレイ２６は上
記素子の配列方向が被検膜への入射及び被検膜か
らの出射光軸を含む面（図では紙面）内にあるよ
うに配置されている。上記駆動回路の作動により
異なつた入射角の照射光に対応する干渉縞強度が
順次検出される。 第６図光学系で得られた信号の処理系も大部分
を第３図の系と同様な構成とすることができる。
即ち、２０はクロツクパルス発振器であり、２７
は固体半導体アレイの駆動回動である。この回路
２７はパルス発振器２０からのクロツクパルスを
受け、この基準周波数に対応してアレイ２６を駆
動し、ほぼ等速で矢印２６′の方向に（又は逆方
向に）被検膜からの光速を走査する。そして回路
２７は操作者のスイツチ操作で所望サイクルだけ
繰返し上記走査を行うものとする。アレイ２６で
得られた信号は、アレイ２６が光に感応する部分
とそうでない部分を交互にもつている為に、各微
小素子の受光々量に応じたレベルを各々もつ一種
のクロツクパルス様の信号であり、各パルスのレ
ベル変化を滑かな信号に変換する為に、アレイ２
６からの信号はまずCR復調回路２８に印加され
る。この回路２８は第３図の交流増幅器１０に印
加され以下第３図と同じ構成の系で処理を受け
る。処理系の途中で得られる信号波形も模式的に
第４図の如く描くことができる。又、駆動回路２
７はアレイ２６の走査開始時にスタートパルスを
発するように構成され、このスタートパルスによ
つて電気処理系をリセツトさせるとともに、また
このパルスは第３図の素子９のように遅延回路１
５に印加され、回路１５，１６によつて、前述と
同様基準入射角を含むこの近傍の入射角をもつ照
射光に対応した干渉縞強度を検出している時期に
ANDゲート１４の一方の入力端子に印加すると
ころの矩形波を形成するの用に供されるようにな
つている。そしてパルス発振器２０からのクロツ
クパルスは回路２７とは別に更に第３図に１９で
示したANDゲートの一方の入力端子にも印加さ
れるようになつている。 第８図の光学系は第６図の光学系と同様被検膜
１へ角度幅のある可干渉光を照射し、被検膜を出
射した光を出射角（反射角又は被検膜裏面での屈
折角）の変わる方向に対応した方向、即ち上記入
射角の大になる方向か又は小になる方向に対応し
た方向に走査することにより、出射光によつて形
成された干渉縞の強度変化を経時的に検出できる
ものである。即ち、３０は電動モーター等で矢印
３０′方向（逆向きでもよい）に定速で回転せし
められる多面鏡である。この多面鏡３０の反射面
上には被検膜１を反射（透過でもよい）した光が
レンズ２９によつて集められる。レンズ２９は被
検膜１の測定点を多面鏡３０の反射面上又はその
近傍に結像するように配置されている。３１は光
電変換素子であり、多面鏡３０を反射して矢印３
０″向きに回転移動する干渉縞情報を含んだ光
の、移動する反射光軸を含む面内での光量を始端
から終端まで受光可能な位置に配置されている。
この素子３１は上記面に垂直な方向への幅が小な
るものを良とする。以上によつて素子３１は連続
的に異なつた入射角の照射光に対応する干渉縞強
度を経時的に検出できる。この素子３１の出力は
第３図々示の信号処理系で処理される。即ち第３
図の８を３１におきかえればよい。また第８図の
光学系では処理系をリセツトし、一方第３図の９
の如く基準入射角近傍に対応する信号を抽出する
に供する信号は、多面鏡３０の各反射面の交叉す
るところに固定された光電変換素子３２から得ら
れるようになつている。各素子３２はレンズ２９
からの光を横切る時パルス状信号を形成する。こ
の素子３２を第３図の９におきかえればよい。 ここで被検膜の厚さを測定する際に於ける照射
光の最適入射角について一言しておく。 前述の通りθ_１＝θ−Δθ／２、θ_２＝θ＋Δ
θ／２とし、Δθが小さいとすると(10)式は とかける。ただし、 Ｆ＝√²−² ……(12) ここでＦは位相差関数、ｎは被検膜の予測屈折
率、θは照射光の被検膜に対する入射角である。
また入射角の一定角速度をωとし、入射角θ_１，
θ_２に対応する時刻をT₁，T₂とし、その時間間
隔をΔＴとすると、Δθ＝ω・ΔＴである。 （10′）式からｄＦ／ｄθが安定した領域ではΔθの
測 定だけで十分安定した膜厚測定が可能になること
がわかる。換言すればｄＦ／ｄθの変化率が小さくなる θを基準入射角とすれば前述した諸方法で十分安
定した膜厚測定が可能になる。 屈折率ｎを一定とした時のＦ、ｄＦ／ｄθを横軸を入 射角θとして第９図、第１０図に夫々示した。図
からｄＦ／ｄθが極値となる時、即ちｄ^２Ｆ／ｄθ^２＝
０となる時 の入射角θｃ、又はこのθｃ又は近傍（例えばθ
ｃを中心にして両側に15度内外）の入射角を基準
入射角に設定すれば安定した測定が可能になるこ
とがわかる。第１表に５つの屈折率ｎに対するθ
ｃ、ｄＦ／ｄθ、Ｆの値を、また第２表に入射角θｃで 干渉縞強度の１周期ずれるに要する入射角変化量
を３つの屈折率及び４つの膜厚について計算した
結果を示した。ただしここで波長λはHe−Neレ
ーザの0.6328μとした。

【表】

【表】 ところで第２，５，６，８図々示のような光学
系では基準入射角θの設定を必要信号の抽出時機
の設定で、即ち第３図の遅延回路１５の調整で行
つている。しかしこの為には測定に際して光学系
（特に被検膜照射用の光学系）と被検膜とを予め
定められた角度関係に調整しておく必要がある。
しかし、多量の被検膜を測定する場合この調整は
煩雑であり測定能率を低下せしめる。また装置の
構成上θｃ近傍の角を基準入射角として使用でき
ない場合には測定誤差が発生しやすい。このよう
な場合には被検膜の傾きを検出してそれを加味す
れば安定した測定が可能になる。次にその実施例
を説明する。 第１１図の光学系は第２図々示の光学系に被検
膜の光学系、特に被検膜照射用光学系に対する所
定の傾き状態からの傾き偏倚検出する為の光学系
を付加したものである。即ち、スタート信号パル
ス形成用の光電変換素子９′に導く光束をビーム
スプリツター３３を反射した光束とし、そしてこ
のビームスプリツター３３を透過してレンズ６、
被検膜１、レンズ７を順に通過した光束を小全反
射鏡３４により反射し、位置検出光電素子３５に
入射せしめる如くなつている。また素子３５はレ
ンズ７による光束の収斂位置か又はその近傍に配
置されるのを良とする。上記位置検出素子３５は
入射光束スポツトの受光面上での位置と、その強
度に対応した信号を形成するもので、第１１図の
光学系では素子３５として少なくとも１次元方向
のスポツト位置を検出できるものを使用する。斯
様な素子３５は受光面上での光スポツトの位置の
座標に対応して夫々正方向、負方向に関する第１
と第２の出力を形成し、例えば等強度の光スポツ
トが正座標方向に動いて行くにつれ第１の出力は
増大し、第２の出力は減少していくもので、光ス
ポツトが原点位置にある時は第１、第２の信号出
力は等しくなる。従つて第１と第２の出力の差を
とれば、これは光スポツトの座標に、それ故また
入射光束の方向に、それ故また被検膜の光学系に
対する傾き角度に１対１に対応する信号となる。
尚、位置検出光電素子３５は、被検膜１が光学系
に関して基準の傾き状態にある時に鏡３４を反射
した光束が受光面の原点位置に入射するように配
置されるのを良とする。 第１２図は第１１図々示光学系によつて得られ
た電気信号を処理する為の系である。第３図々示
系と共通する作用をもつ要素には同一符号を付け
た。 第１２図で３５は位置検出素子でそれの第１と
第２の出力は増幅器３６，３７に夫々印加され
る。増幅器３６，３７の出力は夫々減算回路３
８、加算回路３９に印加され、次に回路３８，３
９からの信号は除算回路４０に印加される。回路
４０は上記第１と第２の信号の差の和に対する比
信号を形成するもので、これによつて光源出力や
被検膜反射率の変動に起因する素子３５の出力変
動を補正するようになつている。そして回路４０
の出力は前述の通り被検膜の光学系に対する傾き
角度に１対１に対応しているものである。 素子９′からの信号は増幅器４１に印加され
る。増幅器４１からの信号はレジスター１６やカ
ウンター１９，４６、演算回路４７等所要の回路
をリセツトして系をスタート体勢にもたらすとと
もに、遅延回路１５とゲート４３に夫々印加され
る。ゲート４３は素子９′が光束を受光した時の
極短時間開き、除算回路４０からの信号を遅延回
路４２に伝達する。既述の如く遅延回路４２に印
加される除算回路からの信号は被検膜の傾き角度
情報を含んでいる。回路４２は回路４１の信号に
より信号の長さが制御されるもので、回路４１の
信号の立下り時から上記回路４３からの信号に対
応する適宜の時間持続する矩形波信号を形成す
る。回路４２の信号は第３図のように矩形波形成
１６と、回路４２の信号の立下り時に開くゲート
４４に伝達されるようになつている。上記矩形波
の持続時間は素子９′が光束を受光してから、照
射光の被検膜への入射角が前もつて適宜に定めら
れた大きさ（例えば前述のθｃ近傍の角度）とな
る時刻までの時間に等しくされる。即ち、ゲート
４４は照射光の被検膜が上記の設定値になつた時
開くようになつている。 前記ゲート４４には回路４２からの信号ととも
に回路１３からの信号（第４図Ｄ）も印加されて
おり、第４図Ｄのパルス信号の立下りでリセツト
されるようになつている。そしてゲート４４には
パルス発振器２０からのクロツクパルスが印加さ
れており、従つてこのクロツクパルスはゲート４
４が開いている間カウンター４６に通ずる。カウ
ンター４６でのクロツクパルス計数値は被検膜へ
の照射光入射角が上記の設定値からその後最初の
所定強度の干渉縞を形成する入射角まで変化する
のに要した時間に対応する。これは既述の入射角
θ_１に対応するものと見ることができる。 一方、ゲート４５は遅延回路４５からの信号で
開くものであるがこのゲート４５には第４図Ｄの
信号が印加されており、従つて照射光が前記の設
定入射角をとつた時以降の第４図Ｄのパルスがレ
ジスター１６の方へ通ずるようになる。この信号
処理については第３図で説明したのと同じことが
なされ、カウンター２１で得られる信号は前述の
θ_２とθ_１との差即ちΔθに対応するものとな
る。 カウンター２１，４６の出力を適宜な表示手段
で表示すれば、操作者は表示されたθ_１，θ_２情
報をもとに(9)式に従つて厚みを、また次の式 に従つて屈折率を算出することができる。または
カウンター２１，４６の出力を(9)式又は（13）式
に従つて演算する演算手段４７に印加して屈折率
が既知の場合は被検膜の厚みを、また厚みが既知
ならば被検膜の屈折率を自動的に算出することが
できる。演算手段４７の出力は適当な表示手段、
記録手段等へ伝達され、及び、または膜製造工程
の膜厚又は屈折率制御手段に印加される。 尚、θ_１＝θ−Δθ／２、θ_２＝θ＋Δθ／２
と見なし、θ自身を実測しない為に多少精度は落
るが、遅延回路４２による遅延時間を前述のよう
にθｃ近傍の角に対応させておけば、回路４４，
４６の回路をなくし、演算回路４７を第３図の演
算回路２２に置換してそれでも十分安定した正確
な測定ができる。 第１３図Ａは第６図の光学系を被検膜の傾き状
態を検出できるように改造を加えたものである。
即ち光源２から被検膜１までの間の光路中、図で
はレンズ２４に近接して小マスク６５が配置され
ている。このマスク６５は小開口６５′と不透明
部６５″より成り、不透明部６５″は基準入射角近
傍の光を遮蔽しないように幅を狭くする。そして
このマスク６５はその開口６５′を通つた光がア
レイ２６にて最初に走査されるような位置に配置
される。 アレイ２６から得られる信号は模式的に描くと
第１３図Ｂのようになる。この図は横軸に時間
Ｔ、縦軸に信号レベルＶをとつたものである。ア
レイ２６の走査開始時刻T₀から遅れた時刻T₁に
生じている信号はマスク６５の開口６５′を通過
した光がアレイ２６によつて走査された時得られ
るものである。被検膜１が光学系に対して基準の
傾き状態にある時マスク６５の開口６５′を通つ
た光が時刻T₀でアレイ２６に検出されるものと
すれば、（T₁−T₀）は被検膜の上記基準の傾き状
態からの傾き変化量に対応する。即ち、この傾き
変化角度をαとすると、開口６５′を通過した光
は被検膜を反射した時２α傾き、それ故アレイ２
６の受光面上への入射位置が角度２αに対応して
変位するからである。 尚、６６は光源２の出力変動を補正する為の信
号を得る光電素子で半透鏡６７で分割された光源
２からの光束を受光するようになつている。これ
らは他の光学系にも採用し得るものである。 次に第１４図によつて第１３図Ａの光学系から
の信号処理を説明する。本図に於いても既述の要
素と共通する目的で共通する作用を果すものには
同一符号をつけた。 光電半導体アレイ２６は既述の如くクロツクパ
ルス発振器２０の出力を受ける駆動回路２７で作
動せしめられ、得られた信号はCR復調回路２８
により滑らかな信号に変換される。回路２８から
の信号は２つに分割され、その一方はANDゲー
ト６８に、他方はコンパレーター６９に印加され
る。ゲート６８には駆動回路２７の発する走査開
始パルス（このパルスはカウンター、レジスター
等のリセツトにも使用される）の立上り時に立上
り、被検膜の傾き角度検出に前もつて与えられた
時間だけ、即ち少なくとも第１３図ＢのT₁の時
刻を含むが、T₂の時刻は含まない時間の間持続
する矩形波を形成する回路７７からの信号が印加
されている。従つて回路６８を通過するパルス状
信号は前述のマスク開口６５′を通過した光に対
応するものだけであり、かつこの信号発生時刻は
被検膜の規準の傾き状態からの角度偏倚に対応し
ている。回路６８を通過した信号はスライス回路
７０に印加されるが、この回路７０は光源出力レ
ベル検出用光電素子６６からの信号によつて制御
され、光源の出力レベルの大小に対応してスライ
スレベルを例えば被スライス信号レベルの中央等
になるように、適宜なところに調整するようにな
つているものである。回路７０からの信号は波形
整形回路７１、微分回路７２、半波整流回路７３
に順次印加される。従つて回路７３の出力である
パルス信号は、回路６８からの信号の回路７０で
スライスされた点での立上り時刻に対応している
ものである。回路７３からのパルス信号は２つに
分割され、一方は遅延回路７４に、他方はゲート
７５に印加される。ゲート７５にはアレイ駆動回
路２７からの走査開始パルス信号も印加されてお
り、ゲート７５はこのパルス信号の立上りで開
き、上記回路７３からのパルス信号の立上りで閉
じるようになつている。従つてこのゲート７５の
開いている時間はアレイ２６の走査が開始してか
ら前述のマスク開口６５′を通つた光が検出され
るまでの時間に対応し、それ故にまたこの時間は
被検膜１の前記の角度偏倚に対応している。ゲー
ト７５は開いている間発振器２０からのクロツク
パルスを通過せしめ、これをカウンター７６に印
加する。カウンター７６が計数したパルス数信号
は遅延回路７４に印加される。この遅延回路７４
は上記カウンター７６からの信号に制御され、前
記回路７３のパルス信号の立下り時から計数され
たクロツクパルス数に対応した時間持続する矩形
波信号を形成する。この矩形波の持続時間は、駆
動回路２７の走査開始パルスが発生してから、ア
レイ２６が被検膜に前もつて適宜の入射角（例え
ば前述のθｃ近傍の角度）で入射した照射光に対
応する光を検出する時刻までの長さと等しくされ
る。遅延回路７４の形成した矩形波信号は２つに
分割され、一方は第３図で説明したと同様な矩形
波形成回路１６に、他方は開信号として第１２図
で説明したゲート４４に印加されている。 一方、アレイ６６からの信号の一方はコンパレ
ーター６９に印加されるが、このコンパレーター
６９は素子６６からの信号で制御され、光源２の
出力レベルに対応して回路２８からの信号の中心
レベルを常に一定のレベル値、例えば０レベルと
するようにする。回路６９からの信号は第２図で
説明したと同様波形整形回路１１、微分回路１
２、半波整流回路１３に順次伝達され、第４図Ｄ
のような信号が形成される。回路１３からの信号
は２つに分割され、一方はANDゲート１４に他
方は前述のゲート４４に印加される。 ゲート４４は遅延回路７４からの矩形波の立下
り時に開き、半波整流回路１３からの信号の立下
りでリセツトされるもので、開いている間に通つ
たクロツクパルス数は、第１２図処理系と同様、
前に述べた角度θ_１に対応していると見ることが
できる。ゲート４４を通つたクロツクパルスはカ
ウンター４６に印加され、得られたθ_１に対応す
るパルス数信号は第１２図で説明した演算回路４
７に伝達される。 一方、ANDゲート１４には矩形波整形回路１
６からの信号が印加されているが、既述の如く、
この矩形波信号は遅延回路７４の信号の立下りで
立上り、第４図Ｄのパルスが少なくとも２つ生ず
るだけの時間以上持続する矩形波を形成する。こ
のゲート１４を通過したパルスは、第２図又は第
１２図の１５，１６，１７，１８の要素から成る
矩形波回路７８に印加され、既述のように処理さ
れた後クロツクパルスの印加されているANDゲ
ート１９に伝達される。ゲート１９を通過したク
ロツクパルスはカウンター２１で計数されるが、
この計数されたパルス数はΔθ（＝θ_２−θ_１）
に対応している。カウンター２１からの信号は(9)
式、又は（13）式に従つて被検膜の厚さ、又は屈
折率を算出する。 多少精度は落ちるが、遅延回路７４による遅延
時間を前述の如くθｃ近傍の照射光入射角に対応
させ、４４，４６、の回路を取り去り、回路４７
に第３図の演算回路２２を置換しても測定値を得
ることができる。 被検膜を透過した光の形成する干渉縞強度を検
出する場合等で被検膜の傾き変位を検出するには
第１５図のようにすればよい。即ち７９は細い平
行光束を射出する光源である。この光源７９から
の光束は、干渉縞形成の為の照射光のとる入射角
範囲外の入射角で、かつその光軸が照射光の入射
及び出射（反射及び透過）光軸を含む面内に含ま
れるように被検膜１に入射せしめられる。被検膜
１を反射したこの光束は、入射点またはその近傍
に前側焦点の配置された正レンズによつて、この
正レンズの後側焦点位置又はその近傍に配置され
た光電的位置検出素子３５に導かれる。この素子
は前述したように光束の入射位置に対応した信号
を形成するもので、被検膜１が光学系に対して正
規の傾き状態に配置されている時に、その原点位
置に光束が入射するように、また干渉縞形成用照
射光の反射光が入射しない位置に配置されてい
る。尚、光源７９、レンズ８０、位置検出素子３
５は、その位置が２、３、24、25、26の各要素の
位置に対して相対的に一定の位置になるように配
置されている。位置検出素子３５の第１、第２の
出力は第１２図で説明したと同様増幅器３６，３
７、減算回路３８、加算回路３９、除算回路４０
からなる手段で処理され、被検膜１の傾き偏倚情
報を含んだ信号が形成される。 光電素子アレイ２６からの信号は第１２図々示
の処理系を多少変形したもので処理できる。即
ち、第１２図の交流増幅器１０にCR復調回路を
通して滑らかにしたアレイ２６からの信号を印加
し、アレイ駆動回路の走査開始パルスを遅延回路
４２とゲート４３に印加するようにすればよい。
また第６図々示の光学系に、第１５図の７９，８
０，３５の要素から成る被検膜傾き偏倚検出用光
学系を第１５図と同様に付加すればその信号処理
には第１２図の光電素子９′を光電素子９に置換
した処理系が利用できる。 尚、第１５図の被検膜傾き偏倚検出用光学系は
透過光の形成した干渉縞強度を検出する光学系に
ばかりでなく第２図、第６図、第８図等反射光の
形成した干渉縞強度検出用光学系にも併用できる
ものである。 以上説明した各光学系では、光学系と被検膜と
を相対的に動かさない限り測定点は１箇所に限ら
れてしまうが、次に説明する光学系では上記の相
対的な運動がなくても多箇所を測定できる。 第１６図で４８は各反射面の回転軸に対する傾
角が夫々異なつており、ラスター走査するように
なつている多面鏡であり、電動モーター等で等速
回転させられる。（斯様な多面鏡には米国特許
3529884号明細書に記載のものが使用できる。ま
た他に直交する２つの振動軸をもつ振動鏡や、２
つの回転多面鏡を軸の方向が交差するように配置
した光偏向器等も使用できる。）４９は正の球面
レンズであつてその前側焦点を多面鏡４８の反射
面上又はその近傍におき、多面鏡４８を反射して
回転移動する平行光束と平行移動する収斂光束に
変換する。５０は紙面内ではパワーを持つが紙面
に垂直方向にはパワーを持たない正のシリンドリ
カルレンズで、その前側焦線上又は近傍上にレン
ズ４９の後側焦点が、その後側焦線が被検膜１の
表面上又は近傍にあるように配置されている。 第１７図に示したように、多面鏡４８が回転す
るにつれ、シリンドリカルレンズ５０は光束によ
つて、夫々多面鏡４８の各反射面の前記傾角変化
に対応した間隔をもつた互いに平行な走査線をも
つように走査される。（第１６図では走査線の数
は４本であるが、実際には多面鏡の反射面数でき
る。）レンズ５０を透過した光束は多面鏡４８の
回転につれ被検膜上の上記と等しい間隔をおいた
測定点に順次移つて行き、かつ各々の測定点で入
射角が時間的に変化する。尚、この被検膜１に入
射する光束は平行光束となつている。５１は紙面
内に正のパワーを持ち、紙面に垂直な方向にはパ
ワーを持たないシリンドリカルレンズであり、前
側焦線を被検膜１の表面上又はその近傍に配置し
てある。５２は集光用球面レンズで、その後側焦
点又はその近傍に光電素子８′が配置されてい
る。尚、第１５図では反射光による干渉縞強度を
検出するようになつているが、要素５１，５２，
８′を被検膜に関し第１６図と対称に移せば透過
光による測定ができること、既述と同様である。
信号処理は各測定点について行えばよく、第３
図々示系の８を８′に９を９″におきかえればよ
い。ただし、光電素子９″はラスター走査光束の
各々を受光できるように紙面に垂直方向に長くす
るか、又は各ラスター走査光受光用に複数個紙面
に垂直方向に並べるものとする。後者の場合でも
各素子の出力端子を１つにまとめれば第３図の９
と置換できる。 また第１８図に示したように、第１１図々示光
学系と同様、多面鏡４８とレンズ４９の間に小ビ
ームスプリツター３３′を配置し、これを反射し
た光を光電素子９に、これを透過し、レンズ４
９，５０、被検膜１、レンズ５１を順次通過した
光を小鏡３４′で第１１図の素子３５と同様な位
置検出光電素子３５′に指向せしめるようにすれ
ば被検膜１の基準状態からの傾きを検出し、これ
を加味した測定が可能となる。この場合、ビーム
スプリツター３３′、鏡３４′は紙面に垂直方向に
細長くし、素子９，３５′は各ラスター光を
夫々個別に受光できるように紙面に垂直方向にラ
スター線本数と同数配列し、素子９の出力端
子、素子３５′の第１、第２の出力端子を夫々１
つにまとめておく。このようにして第１２図の
８，９′，３５に第１７図の素子８′，９，３
５′を置換すれば、被検膜の各測定点に於ける光
学系に対する傾きを加味した測定が可能となる。 第１９図は被検膜と光学系との相対的な移動な
しに多点を測定できる他の光学系の例である。５
３は紙面内に正のパワーをもつシリンドリカルレ
ンズ、５４は、紙面内の軸に関して所定角度宛回
動する鏡である。５５は正のパワーをもつ球面レ
ンズであり、その前側焦点がシリンドリカルレン
ズ５３の後側焦点線上又はその近傍にあるよう
に、そしてまたその後側焦点が被検膜１上又はそ
の近傍にあるように配置されている。５６，５７
は紙面内で正のパワーをもつシリンドリカルレン
ズでその後側焦線が被検膜１上又はその近傍にあ
るように配置されている。５８は紙面に垂直方向
に正のパワーをもつシリンドリカルレンズで、そ
の後側焦線又はその近傍に第６図で説明したと同
様な半導体アレイ２６″が配置されている。アレ
イ２６″は矢印２６方向に走査されるが、この
走査の１サイクルが終了するごとに前記鏡５４は
アレイ走査に同期して所定角度宛回動せしめら
れ、測定点を隣に移すようになつている。この回
動角は被検膜１上に紙面に垂直方向に並んだ測定
点の間隔に対応して設定され、この方向の所定数
の測定点の測定が終了すると、鏡５４は最初の傾
き状態に復帰せしめられるようになつている。以
上の構成で、鏡５４の回動に従つて被検膜上での
測定点が移り、各測定点にシート状かつ扇形状の
光束が入射するとともに、各測定点での反射光に
よる干渉縞強度を単一のアレイ２６″で検出する
ことが可能になる。透過光による干渉縞強度を検
出するには５７，５８，２６″の要素を第１８図
に於いて被検膜１に関し対称な位置に配置すれば
よい。ただし、第１８図光学系では被検膜１への
照射光束は紙面に垂直な方向についてもわずかな
角度で収斂している為厚さ値の比較的大きい被検
膜の測定にはそれほどの精度が期待できない。
尚、得られた信号の処理は各測定点ごとに行えば
よく、従つて前に説明した第３図と第７図の系の
組合せに於いてアレイ２６を２６″に置換すれば
所要の信号処理が可能になる。また、第１９図で
は単一のアレイ２６″を使用したが、測定点と同
数の光電半導体アレイを各測定点からの光を受光
できるようにレンズ５７の後側で紙面に垂直な方
向に並べてもよい。この場合も上述と同様に透過
光を受光できるように構成でき、信号処理につい
ても各アレイの走査駆動信号入力端、形成した信
号の出力端を夫々共通の入力端、出力端に連結す
れば、前述の第３，７図の系の組合せに於けるア
レイ２６を上記一体化された各アレイに置換する
ことができる。更に第１３図Ａで説明したと同
様、光源２と被検膜１の間の光路中、例えば鏡５
４とレンズ５５の間の光路の端側に、光束の移動
幅をカバーできるだけ紙面に垂直方向に細長いマ
スクを配置すれば、第１４図で説明したと同様な
電気信号処理系によつて被検膜の光学系に対する
相対的な傾きを加味した測定が可能になる。 第２０図は多点測定が可能な更に別の光学系の
例である。５９，６０は夫々球面レンズで太い平
行光束を形成するビームエキスパンダー光学系、
６１は紙面内で正のパワーをもつシリンドリカル
レンズでその焦線又はこの近傍に被検膜１が配置
される。従つて被検膜１には紙面に垂直方向に幅
の広い楔状光束が入射する。６２は紙面内で正の
パワーをもつシリンドリカルレンズで、その前側
焦線が被検膜上又はその近傍にあるものとする。
６３は正のパワーをもつ球面レンズで、電動モー
ターで定速回転させられる多面鏡６４の反射面上
に被検膜１からの出射光を集光する。 この多面鏡は第１６図の４８と同様各反射面の
回転軸に対する傾角が異なり、また第８図の３０
のように各反射面の交差するところにスタート信
号形成用の光電素子３２′が固定されている。多
面鏡６４を反射した光束を受光できる位置に１つ
の光電素子３１′が固定されている。この反射光
束は多面鏡６４の各反射面がレンズ６３からの光
束を横断する度に矢印６４″向きの回動を繰返
し、かつこの反射光束は反射面が移る度に反射面
の回転軸に対する傾角の変化に対応して紙面に垂
直な方向への傾きを変える。従つて素子３１′は
複数の測定点での干渉縞強度変化を順次検出する
ことができる。信号処理は８図に於けると同様第
３図の８，９を夫々３１′，３２′に置換すればよ
く、各点での測定を個別に行うことができる。透
過光による干渉縞強度を検出するには受光系の各
要素を第２０図で被検膜と対称な位置に配置すれ
ばよいこと前述と同様である。 尚、以上の多点測定用の各光学系を被検膜を透
過した光による干渉縞強度を検出する構成とした
場合であつて、かつ被検膜の光学系に対する相対
的な傾きを検出してこれを測定に加味する場合で
も、先に述べたと同様、第１５図のような傾き検
出光学系を干渉縞強度検出光学系とは別に設け、
この光学系による信号を既述のように利用するこ
とができる。 さて、以上述べて来た種々の光学系では、光源
２からの光束が前述のように回転調整可能に配置
された1/2波長板を通過後被検膜に入射するよう
になつているが、これは次の理由からである。 即ち、一般に２つの物質の界面での光の反射率
（従つてまた透過率も）は入射光の偏光成分によ
つて、及び入射角によつて変化する。前述の界面
での反射率ｒ，r′、透過率ｔ，t′が変化すれば被
検膜を反射（又は透過）した光によつて形成され
た干渉縞の強度にもそれが影響し、信号処理を困
難にしてしまうことがある。第２１図に被検膜へ
のＰ偏光（入射光、反射光を含む面内で振動する
光）の入射角と反射率（これは被検膜の反射光
の、即ち干渉縞を形成している光の入射光に対す
る比であり、干渉縞強度に１対１に対応してい
る）の関係を、第２２図に被検膜へのＳ偏光（Ｐ
偏光と垂直に振動する光）の入射角と反射率の関
係を示した。ただし被検膜の屈折率を1.6、厚さ
を25μ、光の波長を0.6328μ（He−Neレーザ
光）とした。２つの例とも強度変化の極大値が入
射角の変化につれてかなり大きく変化している
が、このような場合測定誤差が生じやすい。しか
しながら、偏光の成分を適当に設定してやれば入
射角変化に対して反射又は透過光による干渉縞強
度はかなり安定した変化を示す。第２３図は被検
膜、波長について上の条件の下で、入射光を直線
偏光とし、かつこの偏光をＰ、Ｓ成分に分解した
場合にそのエネルギー比が2.1：1.0となるような
偏光方向をもたせて被検膜に入射させた時の反射
率と入射角の関係を示すものである。このように
安定した干渉縞強度変化を得る為に、即ち干渉縞
の強度変化を検出する照射光の入射角範囲内で被
検膜表面、裏面での反射率ｒ，r′、透過率ｔ，
t′がほぼ一定になるように、既述の各実施例の光
学系では1/2波長板を使用し、照射光束の偏向方
向を適宜に定めるようになつている。 第２４図は光の伝播方向と逆向きに1/2波長板
３を見た図である。レーザの直線偏光の方向をｘ
とし、また位相が1/2波長変化する方向をy′と
し、y′に直交する方向をx′とする。ｘに対して
x′がαの角度傾いていると1/2波長板３を通過し
た光の偏向方向はｘから２αの角度傾いたx″の
方向となる。従つて上記αを調整して、反射又は
透過光による干渉縞の強度の入射角に関する変化
が第２３図の如く安定するように照射光の偏光方
向を適当な方向に向ければ精度のよい測定が可能
になる。 また光路中に第１と第２の1/4波長板を２枚順
に並べ、かつ少なくとも光の伝播方向側にある第
２の1/4波長板だけは回転調整可能に配置して成
る偏光調整手段を使用してもよい。光源からの光
束は直線偏光とし、光源側の第１の1/4波長板の
位相の進む方向あるいは遅れる方向をその偏光の
方向と45゜傾けておけば、第１の1/4波長板を通
過した光は円偏光となる。従つて第２の1/4波長
板を通過した光は直線偏光となり、その偏光方向
は第２の1/4波長板の回転角と同角度変化する。
これだと偏光の角度調整が1/2波長板より２倍正
確にできる。或いは直線偏光の光源自体を光軸を
軸として回転調整可能に設けてもよい。 更にまた、光源が円偏光又は偏りのない光を射
出するものとし、そして斯様な偏光状態の光から
或る一つの方向に振動する直線偏光を抽出する偏
光子を使用する方法もある。偏光子を光学系の光
軸に関して回転調整すれば任意の偏光方向の直線
偏光を得ることができるから、その直線偏光のＰ
成分とＳ成分の比が第２３図のような干渉縞を得
るのに適したものになるようにすればよい。 上述の1/2波長板、２枚の1/4波長板、偏光子等
の偏光調整手段は、被検膜の厚さ又は屈折率の測
定対象値が前もつてほぼ見当のついている時は、
測定前、その見当値から割出した偏光成分を得る
ように調整しておけばよいが、左様な見当値を得
ることができない時には、干渉縞強度検出用光電
素子８，８′，２６，２６″，３１，３１′の出力
信号をオシロスコープ等の波形表示手段で観察し
ながら第２３図のような波形信号が得られるよう
に調整すればよい。 尚、各光学系の図では偏光調整手段としての1/
２波長板３は光源２からの光がまず最初に通過す
るように配置されているが、1/2波長板、又は前
述の第１と第２の1/4波長板より成る手段は光源
２と被検膜１の間の光路中の任意の箇所に配置で
きるものである。そして前述の偏光子を使用する
場合は、光源からの円偏光又は偏りのない光から
適宜な方向の直線偏光を抽出して被検膜１を照射
するようにしてもよいし、第２図又は第６図に示
したように1/2波長板の代りに鎖線の如く偏光子
３′を配置し、被検膜１を円偏光又は偏りのない
光で照射し、この被検膜を反射又は透過した光か
ら適当な方向の直線偏光を抽出して光電素子に入
射せしめるようにしてもよい。この最後の場合も
出射光の偏光方向の直線偏光でのみ被検膜を照射
したのと同じことである。 以上述べて来た本発明によれば、被検膜の厚さ
又は屈折率を簡単に、また安定して、精度よく測
定可能になる、また被検膜を固定して迅速且つ安
定した自動測定ができるためインプロセスの使用
が容易に可能である等々のすぐれた効果をもち、
本発明の当産業分野に寄与するところ大である。
更に基準入射角を所定値近傍に設定して、誤差の
少ない高精度の測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を、第２図は本発明の一
実施例の光学系を、第３図は本発明の実施例の信
号処理系を、第４図は第３図処理系中の各所に於
ける信号波形を、第５図、第６図は本発明の別の
実施例の光学系を、第７図は本発明の別の実施例
の信号処理系を、第８図は本発明の別の実施例の
光学系を、第９図、第１０図は最適入射角を、第
１１図は本発明の別の実施例の光学系を、第１２
図は本発明の別の実施例の信号処理系を、第１３
図Ａは本発明の別の実施例の光学系を、第１３図
Ｂは第１３図Ａ図示光学系により得られる信号波
形を、第１４図は本発明の別の実施例の信号処理
系を、第１５図、第１６図、第１７図、第１８
図、第１９図、第２０図は本発明の別の実施例の
光学系を、第２１図、第２２図、第２３図は被検
膜での反射率を、第２４図は偏光調整手段を、
夫々説明する為の図である。 １は被検膜、２は可干渉光源、３は1/2波長
板、５は回転多面鏡、８，８′，９，９′，９″，
９は光検出素子、１２は微分回路、１５は遅延
回路、１８はフリツプフロツプ回路、２０はクロ
ツクパルス発振器、２１はカウンター、２４は収
斂レンズ、２６，２６″は固体半導体アレイ、２
７はアレイ駆動回路、３０は回転多面鏡、３１，
３１′は光検出素子、３５，３５′は光電位置検出
素子、４０は被検膜傾き信号発生回路、４２は遅
延回路、４６はカウンター、４８は２方向偏向用
回転多面鏡、５０，５３はシリンドリカルレン
ズ、５４は振動鏡、５６，５７，５８，６１，６
２はシリンドリカルレンズ、６４は２方向偏向用
回転多面鏡、６５はマスク、６８はゲート、７２
は微分回路、７４は遅延回路、７６はカウンター
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検膜に所定の入射角範囲にわたつて可干渉
   光をほぼ集光照射し、被検膜の表面と裏面を反射
   又は透過する光の相互の干渉により形成される干
   渉縞の強度を一定角速度で変化する入射角の照射
   光に関して経時的に検出し、所定の干渉縞強度を
   検出する複数の時点のうち少なくとも２つの所望
   時点間の時間間隔を測定することによつて被検膜
   の厚さ又は屈折率を測定するようにした測定方法
   であつて、Ｆ＝√²−²（ただしｎは被検膜
   の予測屈折率、θは照射光の被検膜に対する入射
   角）とした時、ｄＦ／ｄθが極値となるθ近傍の入射角 で被検膜に入射させることを特徴とする測定方
   法。 ２ 照射光の被検膜への入射角を時間的に変化さ
   せることにより被検膜を出射した光の形成する干
   渉縞の強度を時間的に変化させるようにした特許
   請求の範囲第１項記載の測定方法。 ３ 被検膜に角度幅のある照射光を入射させ、被
   検膜を出射した光を出射角の変わる方向に対応し
   た方向に相対的に走査することにより、干渉縞の
   強度の変化を経時的に検出するようにした特許請
   求の範囲第１項記載の測定方法。 ４ 可干渉光束を射出する光源と、この可干渉光
   束を一定角速度で入射角を変化させながら被検膜
   にほぼ集光照射させる被検膜照射光学系と、被検
   膜の表面と裏面を反射又は透過する光の相互の干
   渉により形成される干渉縞の強度信号を形成する
   出射光受光光学系と、この出射光受光光学系から
   の信号を用いて被検膜を反射又は透過した光の形
   成した干渉縞が所定の強度になる時点を検出する
   時点検出手段と、 Ｆ＝√²−²（ただしｎは被検膜の予測屈折
   率、θは被検膜に対する照射光の入射角）として
   ｄＦ／ｄθが極値となるθｃ近傍の入射角で被検膜に入 射した照射光に対応する干渉縞の所定強度検出時
   点の内の２つの時点間隔を測定する時間間隔測定
   手段とを備え、この時間間隔測定手段からの信号
   によつて被検膜の厚さ又は屈折率を測定するよう
   にした測定装置。 ５ 被検膜照射光学系は、光源からの光束の指向
   方向をほぼ定まつた点を中心に反復変化させる光
   偏向器と、この光束の指向方向の偏向中心を被検
   膜上又はこの近傍に結像する結像光学系とを備え
   ている特許請求の範囲第４項記載の測定装置。 ６ 光偏向器は光源からの光束の指向方向を第１
   の方向について反復変化させるとともに、この第
   １の方向についての反復変化の１サイクルごとに
   第１の方向と交叉する第２の方向について光束の
   指向方向を変化させるものとし、結像光学系は光
   束の偏向中心を第２の方向に対応した線状に結像
   するものとした特許請求の範囲第５項記載の測定
   装置。 ７ 可干渉光束を射出する光源と、この光源から
   の光束に角度幅をもたせて被検膜にほぼ集光照射
   させる被検膜照射光学系と、被検膜の表面と裏面
   を反射又は透過する光の相互の干渉を形成する光
   束を照射光の入射角が変化する方向に対応する方
   向に相対的に一定角速度で走査し、光量に対応し
   た信号を形成する出射光受光光学系と、この出射
   光受光光学系からの信号を用いて被検膜を反射又
   は透過した光の形成する干渉縞が所定の強度にな
   る時点を検出する時点検出手段と、 Ｆ＝√²−²（ただしｎは被検膜の予測屈折
   率、θは被検膜に対する照射光の入射角）として
   ｄＦ／ｄθが極値となるθｃ近傍の入射角で被検膜に入 射した照射光に対応する干渉縞の所定強度検出時
   点の内の２つの時点間隔を測定する時間間隔測定
   手段とを備え、この時間間隔測定手段からの信号
   によつて被検膜の厚さ又は屈折率を測定するよう
   にした測定装置。 ８ 出射光受光光学系は複数の光検出素子を一方
   向に配列して成る光検出素子アレイと、この光検
   出素子アレイの各素子に夫々異なつた入射角の照
   射光に対応する光を入射させるアレイ照射光学系
   とを備えている特許請求の範囲第７項記載の測定
   装置。 ９ 被検膜照射光学系は、光源からの光束の指向
   方向を、ほぼ定まつた点を中心に、光検出素子ア
   レイによる出射光走査方向とほぼ直交する方向に
   対応した方向に、走査サイクルごとに偏倚させる
   光偏向器と、この光偏向器による光束偏向の中心
   点を被検膜上又はこの近傍に光検出素子アレイに
   よる走査方向に対応した線状像に結像する結像光
   学系を備えている特許請求の範囲第８項記載の測
   定装置。 １０ 出射光受光光学系は予め定められた位置に
   固定された光検出素子と、被検膜からの角度幅の
   ある出射光束を時間的に指向方向を変えながらこ
   の光検出素子に入射させる光偏向器とを備えてい
   る特許請求の範囲第７項記載の測定装置。 １１ 光偏向器は出射光束の指向方向を、第１の
   方向について反復変化させるとともに、この第１
   の方向について反復変化の１サイクルごとに第１
   の方向と交叉する第２の方向についても変化させ
   るものとした特許請求の範囲第１０項記載の測定
   装置。 １２ 時間間隔測定手段は被検膜照射光学系に対
   する被検膜の傾きを検出する被検膜傾き検出手段
   を備え、常時前もつて定められた入射角近傍の角
   度で被検膜に入射する照射光に対応する干渉縞を
   測定強度検出時点の時間間隔測定に使用するよう
   にした特許請求の範囲第７項記載の測定装置。 １３ 被検膜照射光学系は被検膜に入射する光の
   偏向を調整する偏向調整手段を備えている特許請
   求の範囲第７項記載の測定装置。 １４ 出射光受光光学系は被検膜を反射又は透過
   して光量検出に使用される光の偏向を調整する偏
   向調整手段を備えている特許請求の範囲第７項記
   載の測定装置。