JPS6382307A - ビ−ム走査型干渉法膜厚測定装置 - 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（Ｃｒ）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８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８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８図（
ｂ）に示すようなりロム面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、例えば試料上の股直径をＩ２゜と
すると第８図（Ｃ）のように測定結末を得るしのである
。

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どの間に段差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
、この様なことから薄膜の膜厚測定技術の開発が望まれ
ている。

そこで、この発明の発明者は先に簿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
＠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面折率測定装置も提
案した（昭和６０年特許出願第１３５７５６号参照）。

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Ｕは、第９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Ｉ９、被測定膜１１０の裏面若しくは
基板１１３の反射面１１２での反射光Ｉ、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１１４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
折率測定装惹は、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１１０を回転させる
必要があり、これが測定装置のｌｉ’４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 Ｕ問題を解決するための手段Ｊ この目的に対応して、この発明のビーム走査型干渉法膜
厚測定装置は、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ビーム走査装置とを備えることを
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は膜厚測定装置である。膜厚測定装
置１はレーザ光源装置２、測定光学系１０及び光強度測
定装置４とを備えている。測定光学系１０は干渉計３及
びにビーム走査装置５とを備えている。レーザ光源装置
２としては、レーザ光源６、ミラー７、ミラー８を有す
る。レーザ光源６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。

ミラー７、ミラー８は光路変更用のものであって、レー
ザ光源６からのレーザ光をビーム走査装置５の回転ミラ
ーに導くものである。

ビーム走査装置５は回転ミラー１１、レンズ１２及び第
１のホログラム１３とを備えている。

回転ミラー１１は回転変位可能であって、ミラー８から
入射したレーザ光を反射するが、この回転変位によって
その反射角度すなわち、試料台１６上の被測定膜１５へ
の入射角を変換するものである。レンズ１２は回転ミラ
ー１１で反射されたレーザ光を平行光にして第１のホロ
グラム１３を照明するためのものである。

第１のホログラム１３は被測定膜１５の近傍にあって、
回折光を発生して被測定膜１５を照明する。この第１の
ホログラム１３は後述する第２のホログラム２１を使用
する場合は、第１のホログラム１３と第２のホログラム
２１とは被測定膜１５に垂直な＠１７に関して対称に配
置される。

第１のホログラム１３と第２のホログラム２１は次のよ
うにして作成されたものである。

第２図に示すようにレーザ光源６からのビームはミラー
７にて反射されたのちハーフミラ−２２にて２分割され
る。ハーフミラ−２２にて反射したビームは対物レンズ
２３、コリメータレンズ２４にて平行光とされたのちミ
ラー２５にて光路変更され、対物レンズ２６に入射し、
発散光となって写真乾板１３ａを照明する。一方ハーフ
ミラー２２を透過したレーザ光はミラー２７にて光路変
更されたのち対物レンズ２８、コリメータレンズ３１に
て平行光とされ写真乾板１３ａを照明して露光させる。

この写真乾板１３ａを現像、リバーサルブリーチ処理し
て２枚のホログラムを作成し、第１のホログラム１３、
第２のホログラム２１の位置にセットする。こうしてビ
ーム走査装置５及び後述する測定光学系１０が完成する
。干渉ｔ１３は第２のホログラム２１、レンズ３２から
なっている。第２のホログラム２１は被測定膜１５また
は試料台１６から反射したレーザ光によって平行光を再
生する。レンズ３２はその再生光により焦点位置に干渉
縞を結像させる。この焦点位置には光強度測定装置４の
光検出器３５の受光面が位置する。光強度測定装置４は
光検出器３５、増幅器３６、データ解析装置３７、オシ
ロスコープ３８、処理装置４１、パルスステージ４２、
及びパルスステージコントローラ４３を備えている。

［作用］ このように構成された膜厚測定装置において、被測定膜
１５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６からのビームはミラー７．８で光路変更さ
れたのち、回転ミラー１１上に照射する。

回転パルスステージ４２によって回転される回転ミラー
１１にて振られたビームはレンズ１２にて平行光とされ
たのち、第１のホログラム１３で回折され被測定膜１５
を照射する。被測定膜１５の表面と裏面で反射した光は
干渉し、第２のホログラム２１にて回折した後、平行光
となりレンズ３２にて光検出器３５上に集光し検出され
る。光検出器３５にて光電交換された信号は増幅器３６
を通して増幅されたのち、データ解析装置３７゜オシロ
スコープ３８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４３にて回転パルスステー
ジ４２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。

回転ミラー１１は回転パルスステージ４２上にセットし
て用いられているが、ビームを振る方式としては、ガル
バノミラ−、ポリゴンスキャナー、ホログラムスキャナ
ー等いろいろなものが利用可能である。

ビームを集光する方法としてはホログラム素子を使う他
にレンズ、凹面鏡等を利用する方法も考えられる。

回転ミラー１１の回転角と被測定膜１５上への入射角の
関係について述べる。

回転ミラー１１の回転角δとレンズ１２、第１のホログ
ラム１３との関係を第３図に示す。コリメータレンズ１
２の焦点Ｏとすると０Ｃ＝Ｊ、ミラーの撮れ角を６１、
そのときのレンズ１２上での変化をＹｌ、第１のホログ
ラム１３上での変化をＸ、、ＧＤ＝に、第１のホログラ
ム１３の焦点をＧとする。Ｘ　変化させた時の振れ角を
０１、ＥＧ＝に１とおくと Ｘｌ　＝Ｙ１　／ｃｏｓψ　　　　　　　　　・・・（
１）Ｙ１＝Ｊｔａｎδ、　　　　　　　　　・　（２）
従って ・　−１ θ、　＝Ｓｌｎ　　（（Ｊｔａｎδ１）回転ミラー１１
の振れ角δ１は第１のホログラム１３からの収束光の振
れ角θ１との１３！Ｉ係は（３）式のように表わされる
。

まず、最初に／ＦＧＮを測定しておく。試料への入射角
／ＥＧＮ ／ＥＧＮ　＝／ＦＧＮ十／ＤＧＦ−０１・・・（４） により表わすことができる。

これは／ＤＧＮまでについてであり、これを越えたもの
については、 ／ＥＧＮ＝／ＤＧＮ＋θ１　　　　　・・・（５）で表
わされる。

従ってＫを境界としてその前後では（４）式、（５）式
を各々使い分ける。

被測定膜１５を照明したレーザ光は、第４図に示すよう
に、一部分が被測定膜１５の表面で反射しく反射光■Ａ
）、残部分は被測定膜１５を透過して被測定膜１５の表
面２０に達し、被測定膜１５の裏面若しくは試料台１６
の表面で反射する（反射光Ｉ８）。このように、被測定
膜１５を照明したレーザ光の反射光ＩＡの光路長と反射
光■８の光路長との間には差があり、この光路長の差ｄ
は ｄ＝ＡＢＣ−ＡＤ である。

光路長に差がある反射光■　と反射光■８は干渉し、レ
ンズ３２の焦点位置で干渉縞を生じる。

このレンズ３２の焦点位置には光検出器３５が位置し、
光検出器３５が干渉光を検出して光電変換し、干渉光の
強度に応じた電圧を発生する。この電圧を増幅器３６で
増幅し、処理装置４１に入力して干渉光の強度を検出す
る。この干渉光の強度はレーザ光の被測定膜１５への入
射角度の変化に応じて変化するから、回転ミラー７１を
回転させてレーザ光の被測定膜１５への入射角度を変え
ながら干渉光の強度を測定し、干渉光の強度の変化の極
値が生ずる回転角を求め、この極値を生ずる回転角を任
意の演算礪（図示せず）に入力して被測定膜１５の厚み
を求める。

入射角θ１における入射光と入射角θ２おける入射光と
は波長が同じものでもよいし、波長が異なるものでもよ
い。

次に被測定膜１５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４図のような屈折率ｎ１厚さｈの被測定膜１５にレー
ザ光が角度θで入射した場合を考える。

被測定膜１５の表面からの反射光をＩ、、ｍ面からの反
射光を１８とすると■。、ＩＢの光路差ｄは ＡＢＣ−八〇＝ｄ　　　　　　　　　　・・・（６）と
すると ｄ＝２ｈ　Ｆ７丁＝７７　　　・・・（７）で表わされ
る。

この場合の干渉光の強度は １＝Ａ＋Ｂｃｏｓ　　（（２π／λ）α）１＝Ａ＋Ｂｃ
ｏｓ　　（（４π／λ）ｈｘ（ｎ　　−５ｉｎ　　Ｏ＞
）　　　・・・（８）で表わされる。

入射角度θ１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−ｄ、＝　（１／２）ｍλ　（ｍは整数）・・・（
９） 従って ＝（１／２）ｍλ　　　　　　　　　・・・（１０）厚
さｈは ｈ＝ｍλ／（４＜ｆｉ；−■７扉 −Ｆ−π奮Ｉ−〉）　　　・・・（１１）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（８）式で与えられる干渉光の強度の変
化の極値から入射角θ１．θ２を求めれば被測定膜１５
の厚さｈを求めることができる。

［８１次に入射角θ１における入射光の波長がλ　、入
射角０２における入射光の波長がλ２の場合は次の通り
である。

波長λ１、角度θ１、波長λ２、角度θ２における位相
は （４π／λ１）ｈ２コＷ−扉 ＝ｍπ　　　　　　　　　　　　　　・・・（１２）（
４π／λ２）ｈ　ｎ　−５ｉｎ　　０２−＝（ｍ＋１）
π　　　　　　　　　　　　　・・・（１３）と表わさ
れる。これにより膜ｕｈは ｈ＝１／〔４（（Ｆ−庁７Ｇ／λ２） よって被測定膜の屈折率及び入射光の波長λ１゜λ２が
与えられており、かつ（８）式で与えられる干渉光の強
度の変化の極値から入射角θ１゜θ２を分れば被測定膜
１５の厚ざｈを求めることができる。

［０］ また［ＡＩ及び［８］において屈折率が未知の場合でも
次のように膜厚が求められる。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）、ｈ　Ｆ；庁７旺 −ｍπ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
１５）（４π／λ）ｈＥ；不７好 ＝（ｍ＋１）π　　　　　　　　　　　・・・（１６）
（４π／λ＞ｈ、／Ｗ−青７旺 ＝（ｍ＋２）π　　　　　　　　　　　・・・（１７）
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））　　　　　　・　（１８）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（１１）式または（１４）式に代入して膜厚
が求められる。

（Ｂ）次に入射角θ、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λ２、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０１．波長λ　、
角度θ２．波長λ３．角度θ３における位相は （４π／λ１）ｈ！ −ｍπ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１９）
（４π／λ２）ｈｎ　　ｓｉｎ７Ｇ ＝（ｍ＋１）π　　　　　　　　　　　・・・（２０）
（４π／λ３）ｈＥ−πν冗− ＝（ｍ＋２）π　　　　　　　　　　　・・・（２１）
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 ・・・（２２） ａ＝（４λ　　・λ　　−λ２　・λ２一λ　２・λ　
３） 一４λ２　、λ２　、λ２ ｂ＝２　（４λ　３・λ　１−λ　１・λ　２一λ　　
・λ　３） ２　　　　２　　　、２ ×（λ　　・λ　　・Ｓｉｎ　　θ１ ２　　　　２　　　、２ 一４λ　３φλ　１−３ｉｎ　　θ２ ２　　　　２　　　、２ 十λ　　・λ　２・Ｓｌｎ　　θ３） ＋４λ　　・λ　２・λ　３ ・　２　　　　　・　２ ｘ（ｓ＋ｎ　　θ　＋Ｓｉｎ　　θ３）２　　　　２　
　　、２ Ｃ＝（λ　　・λ　　−５ｉｎ　　０１２　　　　２　
　　、２ −４２　　・λ　　・Ｓｉｎ　　θ２ ２２．２２ ＋λ　　Φλ　　・Ｓｌｎ　　θ３） −４２　　・λ　２・λ　３ ｘｓｉｎ２θ　−５ｉｎ２θ 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（１１）式または（１４）
式に代入して膜厚１］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（ＭＱＦ２）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＝０．６４μｍの値が１ｎ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０
６６３μｍｎ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］ この方法を更に発展させた方式も考えられる。

例えば第５図のようなコントラストを向上させる方法が
考えれる。ホログラム２１から干渉光が回折して射出し
てくるところまでは第１図に示した実施例と同様だが、
ここではこのビームをミラー４４にて元の方向へ戻して
やり、ホログラム２１を通り被測定膜１５で反射し、そ
のホログラム１３で回折侵レンズ１２で回転ミラー１１
へ戻し、その反射ビームをビームスプリッタ４５にて反
射し、集光レンズ４６にて光検出器３５上に集光し、光
強度を検出する。この方法では被測定膜１５をレーザビ
ームが往復通過するため感度が向上し、コントラストの
良い信号が得られ、ｍａｘ。

ｍｉｎの位置検出感度が向上するために高精度の測定が
可能となる。

ビームを振る方式としては、述べたものの他にもいろい
ろと考えられる。例えば第６図のように凹面鏡４８を利
用した方式、レンズ４７を利用した方式（第７図）等が
考えられる。

第１図から第７図において、同じ構成礪器は同゛じ符号
で示している。

（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、被測定膜を回転させる必要がないので、装置の
構成を簡単にすることができる。

【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
す構成説明図、第２図はホログラム作成光学系を示す構
成説明図、第３図は回転ミラーの回転角と被測定膜への
入射角の関係を示ず説明図、第４図は被測定膜における
光路を示す拡大説明図、第５図は他の実施例に係わる膜
厚測定装置を示す構成説明図、第６図は更に他の実施例
に係わる膜厚測定装置を示す構成説明図、第７図は更に
他の実施例に係わる膜厚測定装置を示す構成説明図、第
８図は触針式膜厚測定装置を示す説明図、及び第９図は
従来の他の膜厚測定装置を示ず構成説明図である。 １・・・膜厚測定装置　　２・・・レーザ光源装置　　
３・・・干渉計　　４・・・光強度測定Ｒ圃　　５・・
・入射角度変換装置　　６・・・レーザ光源　　７・・
・ミラー８・・・ミラー　　１０・・・測定光学系　　
１１・・・回転ミラー　　１２・・・レンズ　　１３・
・・第１のホログラム　　１３ａ・・・写真乾板　　１
５・・・被測定膜１６・・・試料台　　　１７・・・軸
　　２１・・・第２のホログラム　　２２・・・ハーフ
ミラ−２３・・・対物レンズ　　２４・・・コリメータ
レンズ　　２５・・・ミラー　　２６・・・対物レンズ
　　２７・・・ミラー２８・・・対物レンズ　　３１・
・・コリメータレンズ３２・・・集光レンズ　　　３５
・・・光検出器　　３６・・・増幅器　　３７・・・デ
ータ解析装置　　３８・・・オシロスコープ　　４１・
・・処理装置　　４２・・・回転パルスステージ　　４
３・・・パルスステージコントローラ　　４４・・・ミ
ラー４７・・・レンズ　　４８・・・凹面鏡 復代理人、代理人、弁理士　　　川　井　冶　男第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【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
   させるビーム走査装置とを備えることを特徴とするビー
   ム走査型干渉法膜厚測定装置