JPS6382306A

JPS6382306A - 試料回転型干渉法膜厚測定装置

Info

Publication number: JPS6382306A
Application number: JP22752686A
Authority: JP
Inventors: Joji Matsuda; 浄史松田; Yasutaka Kikuchi; 菊池　恭孝; Michio Namiki; 並木　道男
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; UNION KOGAKU KK
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; UNION KOGAKU KK
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1988-04-13
Also published as: JPH0435682B2

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］この発明は干渉法を利用して薄膜の膜厚を測定するため
の膜厚測定装置に関するものである。

光学部品やＬＳＩ等の基板上に付いた薄膜や高分子膜等
の膜厚を測定する技術は近年より一層重要性が高まって
いる。

［従来の技術］薄膜、例えばクロム（Ｏｒ）のマスクブランクスの表面
にレジストを塗布し、この薄膜を測定する場合には、従
来は、例えば第４図に示すような、触針を使用した表面
粗さ測定器を使用し、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）に示すようなりロム而２０３に接触させ、これを移
動して膜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、このような機械電気的方法は必ずしも高
精度の測定が容易ではなく、また、クロム面２０３と膜
２０４との間に段斧がとれないような場合、すなわち、
クロム面の全面に膜２０４が形成されているような場合
には、上記の測定手段では、膜厚の測定が不可能であり
、この様なことから′ａ膜の膜厚測定技術の開発が望ま
れている。

そこで、この発明の発明晋は先に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膜厚測
定装置を提案した（昭和６０年特許出願第０４０４６７
号参照）、、また、薄膜の屈折率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膜層折率測定装置も
提案した（昭和６０年特許出願第１３５７５６＠参照）
。

この新たに提案された干渉法膜厚測定装置、干渉法膜層
折率測定装置は、第５図に示すように、レーザ光をミラ
ー１０３．１０４にて光路変更した後、ピンホール１０
５を通過後被測定膜１１０を照明し、被測定膜１１０の
表面からの反射光ＩＡ　（第２図参照）、被測定膜１１
０の裏面若しくは基板１１３の反射面１１２での反射光
１８（第２図参照）の２光は光路長に差があるので干渉
し、レンズ１０６の焦点位置にて受光器１０７にて干渉
光を検出して光電変換し、被測定膜１１０を回転装置１
１４にて回転させた時の干渉光の強度変化を測定するよ
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干渉法膜厚測定装置、干渉法膜層
折率測定装置は、薄膜の膜厚、屈折率の測定を高精度に
かつ非接触で容易に測定することができる顕著な特徴を
有するが、測定においては被測定膜を回転させる必要が
あり、この被測定膜の回転に応じてレンズ１０６、受光
器１０７を回転させる必要があり、これが測定装置の構
造を複雑にする原因になっている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、薄膜の膜厚の測定を高精度にかつ非接触で容易に測
定することができ構造が簡単な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、この発明の試料回転型干渉法Ｖ！
膜厚測定装置、被測定体である膜体にレーザ光を照明し
得るレーザ光源と、前記被測定体に入射点で入射した入
射光のうち前記被測定体の表面で反射した光と前記被測
定体を透過し裏面で反射した光を前記入射点を通して前
記入射光の光路の方向に戻す反射装置と、前記反射装置
によって戻された前記被測定体の表面で反射した光と前
記被測定体を透過し夷面で反射した光を干渉させて干渉
縞を形成する干渉計と、前記干渉縞の強度を測定する光
強度測定装置と、及び前記被測定体への前記レーザ光の
入射角を変化させる回転装置とを備ることを特徴として
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ＩＩ０厚測定装置である。膜厚測
定装置１はレーザ光源２、反射装置２０、干渉真１３０
、光強度測定装置４０及び回転装置５０を備えている。

レーデ光源２としてはヘリウムネオンレーザ、アルゴン
レーザ、クリプトンレーザ、ヘリウムカドニウムレーザ
、ルビーレーザ等を使用することができる。

干渉計３０はレンズ３、ビームスプリッタ４、ビームス
プリッタ５、ピンホール６、レンズ７、スクリーン８を
有している。

反射装置２０は被測定膜１０の入射側にシリンドリカル
レンズ１１を備え、かつ被測定ｗＡ１０の反射側にシリ
ンドリカルミラー１２を備えている。

シリンドリカルミラー１２は被測定膜１０の反射側にあ
って、被測定膜１０に向けて被測定膜１０の回転軸を中
心とする鏡面を備えている。

被測定膜１０はレンズやガラス板等の反射面１３をもつ
基板１４の上に密着して形成されるものである。被測定
膜１０及び基板１４（第２図）は回転装置５０によって
回転される。

回転装置５０はパルス回転ステージ１５とパルス回転ス
テージ１５の回転をを制御するコントローラ１６とを備
えている。

光強度測定装置４０は光検出器１７、増幅器１８、デー
タ解析装置２１、処理装置２２、プリンター２３、モニ
タＴＶ２４を備えている。

［作用］このように構成された膜厚洞室装置において、被測定ｆ
ｆ！Ｊ１０の膜厚を測定する場合の作用は次の通りであ
る。

レーザ光源２からのビームはレンズ３、ビームスプリッ
タ４、ビームスプリッタ５を通過後シリンドリカルレン
ズ１１を通してパルス回転ステージ１５上の被測定膜１
０を照射する。被測定膜１０の表面と実部１３で反射し
た光は干渉し、この干渉光はシリンドリカルミラー１２
で反射されて元の入射方向に戻り、被測定膜１０の同一
点を通り、反射して入射光路を辿り、ビームスプリッタ
５で反射してレンズ７にて光検出器１７上に集光し検出
される。光検出器１７にて光電交換された信号は増幅器
１８を通して増幅されたのら、データ解析装置２１に入
力され、データ処理、波形観測される。

パルスステージコントローラ１６にて回転パルスステー
ジ１５に１パルス送るごとに光強度信号を検出してデー
タ処理を行う。

次に被測定膜１０の膜厚を求める原理について説明する
。

［Ａ］まず、入射角θ１における入射光と入射角θ２に
おける入射光との波長が共にλである場合は次の通りで
ある。

第２図のような屈折率ｎ、厚さｈの被測定膜１０にレー
ザ光が角度θで入射した場合を考える。

被測定！！ＩＩＯの表面からの反射光をＩＡ１裏面から
の反射光を１８とするとＩＡ、１８の光路差ｄはＡＢＣ−ＡＤ＝ｄ　　　　　　　　　　　・・・（１）
とするとｄ＝２ｈ　　ｎ　−５ｉｎ　　ｅ　　　・（２＞で表わ
される。

この場合の干渉光の強度はＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ　　（２πｄ／λ）１＝Ａ＋ＢＣＯ３Ｎ４π／λ）ｈｘ　（ｐ　）　）　　　・・・（３）で表わされる。

入射角度θ　の場合の光路差をｄｌ、角度θ２の場合の
光路差をｄ２とすると干渉縞の強度がｍａｘ及びｍｉｎ
になる位置はｄｌ−６２＝　（１／２＞ｍλ　（ｍ　はＩ＆　）・・
・（４）従って −（１／２）ｍλ　　　　　　　　　　　　・・・（５
）厚さｈはｈ＝ｍλ／（４＜５”−πνＬ− ｐη））　　・・・（６）で表わすことができる。

よって被測定膜の屈折率ｎ及び入射光の波長λが与えら
れており、かつ（３）式で与えられる干渉光の強度の変
化の極値からを与えるθから入射角θ１．θ２を求めれ
ば被測定膜１０の厚さｈを求めることができる。

［Ｂ］次に入射角θ１における入射光の波長がλ１、入
射角θ２における入射光の波長が２２の場合は次の通り
である。

波長λ　、角度θ　、波長λ　、角度θ２における位相
は（４π／λ１　）　ｈ　ｎ　−丁＃１　＝ｍ７Ｃ・・・
（７）（４π／λ２）ｈＦ−庁Ｈ− ＝（ｍ＋１）π　　　　　　　　　　　　・・・（８）
と表わされる。これにより膜厚りはｈ＝１／　（４（（ｎ　−５ｉｎ７σ／λ２）−（ｉν
Ｂ、／λ１））〕・・・（９）よって被測定膜の屈折率ｎ及び入射光の波長λ１．λ２
が与えられており、かつ（３）式で与えられる干渉光の
強度の変化の極値から入射角０１、θ２を分れば被測定
膜１０の厚さｈを求めることができる。

［Ｃ］また［Ａ］及び［８］において屈折率の未知の場合でも
次のようにして膜厚が求められる。この場合には、まず
被測定膜の屈折率を求める必要があるので、その屈折率
を求める原狸について説明する。

（Ａ）まず、入射角θ１における入射光と入射角０２に
おける入射光との波長が共に人である場合は次の通りで
ある。

干渉縞の隣接する極値における角度θ１．θ２゜θ３と
すると位相は（４π／λ）ｈｐ旺＝ｍπ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（１０）（４π／λ）ｈＥ［庁７Ｕ＝（ｍ＋１）π　　　　　　　　　　　　　・・・（１
１）（４π／λ）１７τ；７［＝（ｍ＋２）π　　　　　　　　　　　　　・・・（１
２）以上のように表わされる。この３式より各々の差の
比をとり展開して解くと屈折率ｎは＋ｓｉｎ　　θ３））　　　　・・・（１３）以上のよ
うに表わされる。

よって干渉光の強度の変化の極値から入射角θ１．θ２
．θ３が分れば被測定膜の屈折率ｎを求めることができ
、このｎを（６）式または（９）式に代入して膜厚が求
められる。

（Ｂ）次に入射角θ１における入射光の波長がλ　、入
射角θ２における入射光の波長が２２、入射角θ３にお
ける入射光の波長がλ３の場合は次の通りである。

干渉縞の極値における波長λ１．角度θ１．波艮λ２．
角度０２．波長λ３．角度θ３における位相は＝（ｍ＋１）π　　　　　　　　　　　・・・（１５）
＝（ｍ＋２）π　　　　　　　　　　　・・・（１６）
と表わされる。この３式より各々の差の比をとり展開し
て解くと屈折率ｎはａ＝（４λ　３・λ　１−λ　１・λ　２〜２２・λ　
３） −４２　　・λ　２・λ　３ｂ＝２　（４λ　　・λ２−λ２　・λ２一λ　２・λ
　３） ×（λ２　・λ２　・ｓｉｎ　２θ 一４λ　　・λ２　・ｓｉｎ　２θ ２　　　２　　　、２十λ　　１　争　λ　　２−５ｉｎ　　　　θ３　）＋
４λ　　・λ２　・λ２・　２　　　　　・　２Ｘ（Ｓｌｎ　　θ１＋ｓＩｏ　０３）Ｃ＝（λ　２　　・　λ　２　−５ｉｎ　２　θ一４λ
　　・λ２　・５ｉｎ２０２２．２２＋λ　１・λ　２・ｓｉｎ　　θ３） −４λ２　・λ２　・λ２Ｘ５ｌｎ　　θ　−ｓｉｎ　２θ 上式のように表わされる。

よって、被測定膜の入射光の波長λ１．λ２゜λ３が与
えられており、かつ干渉光の強度の変化の極値から入射
角θ１．θ２．θ３が分れば、被測定膜の屈折率ｎを求
めることができる。このｎを（６）式または（９）式に
代入して膜厚りが求められる。

［実験例］試料としては、ガラス基板上にクロム（Ｃｒ）をコート
して反射面を持つ基板を構成し、その反射面の上にフッ
化マグネシウム（ＭｇＦ２）をコートして被測定膜とし
た。Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いて被測定膜の厚さを測定し
たところ、ｄ＝１．２４μｍの値が得られた。同じ試料
を触針式表面粗さ測定装置で測定したところ厚さ約１．
２５μｍの値が得られた。両方法によって得られた値は
良く一致していることが分る。

［他の方法］以上説明した実施例では、反射装置としてシリンドリカ
ルミラー１２を使用しているが、これは第３図に示すよ
うに、被測定膜１０の回転とあわせて回転する平面ミラ
ー２５で代替することもできる。

（ハ）発明の効果このようにこの発明の干渉を利用した膜厚測定装置によ
れば、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。しかも基板と被測定膜との間に
段差がとれないような場合でも膜厚の測定が可能である
。

しかも、被測定膜１０の回転にあわせて光検出器１７等
を回転させる必要がないので装置の構成が筒中である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる膜厚測定装置を示
ず構成説明図、第２図は被測定膜における光路を示す拡
大説明図、第３図はこの発明の他の実流例に係わる膜Ｊ
り測定装置を示す構成説明図、第４図は触針式膜厚洞室
装置を示す説明図、及び第５図は従来の干渉法膜厚測定
装置を示す構成説明図である。１・・・膜厚測定装置　　２・・・レーザ光源　　３・
・・レンズ　　４・・・ビームスプリッタ　　５・・・
ビームスプリッタ　　６・・・ピンホール　　７・・・
レンズ８・・・スクリーン　　１０・・・被測定膜　　
１１・・・シリンドリカルレンズ　　１２・・・シリン
ドリカルミラー　　１３・・・裏面　　１４・・・基板
　　１５・・・パルス回転ステージ　　１６・・・コン
トローラ１７・・・光検出器　　１８・・・増幅器　　
２０・・・反射装置　　２１・・・データ解析装置　　
２２・・・処理装置　　２３・・・プリンタ　　２４・
・・モニタＴＶ２５・・・平面ミラー　　３０・・・干
渉計　　４０・・・光強度測定装置　　５０・・・回転
装置復代理人、代理人、弁理士　　　川　井　冶　男第４図（ＣＩ）（ｂ）（Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定体である膜体にレーザ光を照明し得るレー
ザ光源と、前記被測定体に入射点で入射した入射光のう
ち前記被測定体の表面で反射した光と前記被測定体を透
過し裏面で反射した光を前記入射点を通して前記入射光
の光路の方向に戻す反射装置と、前記反射装置によって
戻された前記被測定体の表面で反射した光と前記被測定
体を透過し裏面で反射した光を干渉させて干渉縞を形成
する干渉計と、前記干渉縞の強度を測定する光強度測定
装置と、及び前記被測定体への前記レーザ光の入射角を
変化させる回転装置とを備ることを特徴とする試料回転
型干渉法膜厚測定装置
（２）前記反射装置は前記被測定体の近傍に配設された
前記被測定体の回転軸を中心とするシリンドリカルミラ
ーを備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の回転型干渉法膜厚測定装置
（３）前記反射装置は前記被測定体の回転軸と共通の回
転軸に関して前記被測定体の回転量と同じ回転量だけ回
転する平面鏡を備えることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の回転型干渉法膜厚測定装置