JP2010008328A - 光干渉計及びそれを用いた膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 干渉光学系を移動するだけで位置決めができ、迅速に精度よく膜厚を測定することができる光干渉計及びそれを用いた膜厚測定方法を提供する。
【解決手段】 波長スペクトルの狭い狭波長帯域をもつ狭波長帯域の光源１１から射出された光束は、光束分岐手段２０を経て光束分割合成手段３１に入射し、参照光路３０の光束は、参照鏡３４で反射し、光束分割合成手段３１に入射し、測定光路５０に分割された光束は、被検物６０の面で反射し、光束分割合成手段３１に入射し、光束分割合成手段３１で、参照光路３０の光束と測定光路５０の光束とが合成され、合成された光束は、光束分岐手段２０を経て光電変換手段７０に入射することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光路差を検出することによって被検物の厚さを測定する光干渉計及びそれを用いた膜厚測定方法に関するものである。

従来、白色光源からの光に光路差を生成するための第１の光学系と、該第１の光学系からの光の光路差を検出するための第２の光学系と、を有し、該第２の光学系は光を２つに分岐する分岐手段と該分岐手段からの光によって生成された干渉縞を検出するための光検出装置を有することにより、可動ミラーのための移動装置及び変位測定装置を必要としない白色光干渉計がある。（特許文献１）。

このような従来の白色光干渉計の構造で薄膜等の膜厚を測定する場合について説明する。白色光干渉計１００は、図９（ａ）に示すように、低コヒーレンス光源、例えば、白色光源１０１からの光をコリメートレンズ１０２で平行光線化し、平行光線化した光を第１のビームスプリッタ１０３によって反射し、第２のビームスプリッタ１０４で２つの光に分岐する。第１の光である物体光は、対物レンズ１０５で集光した後、サンプル１０６の表面１０６ａで反射し、対物レンズ１０５で平行光線化され、第２のビームスプリッタ１０４に戻り、第２の光である参照光は、対物レンズ１０５と等価な等価レンズ１０７で集光され、鏡１０８で反射してから第２のビームスプリッタ１０４に戻る。その後、第１及び第２の光は、第１のビームスプリッタ１０３を通過して、ＣＣＤカメラ１０９に入射される。

そして、対物レンズ１０５による第１の光である物体光の焦点位置がサンプル１０６の表面１０６ａに一致するように白色光干渉計１００のステージ１００ａを配置すると共に、第２ビームスプリッタ１０４とサンプル１０６表面１０６ａの間の光路長と、第２のビームスプリッタ１０４と鏡１０８との間の光路長とが同一となるように鏡１０８を配置させ、等価レンズ１０７の焦点位置が鏡１０８の表面に一致するよう配置することにより、ＣＣＤカメラ１０９において、干渉縞が検出される。

次に、図９（ｂ）に示すように、白色光干渉計１００のステージ１００ａを距離Ａだけ移動させ、サンプル１０６の裏面１０６ｂに第１の光である物体光の焦点位置を一致させる。そして、光路上の条件を揃えるために、サンプル１０６と同一の屈折率をもち、ほぼ同一で既知の厚さをもつ光路補償板１１０を等価レンズ１０７と鏡１０８との間に挿入する。この状態で第２のビームスプリッタ１０４から鏡１０８までの距離が、距離Ｂ（図９（ａ）参照）から距離Ｃとなるように鏡１０８を移動させ、等価レンズ１０７の焦点位置が鏡１０８の表面に一致するように配置することにより、ＣＣＤカメラ１０９において、干渉縞が検出される。

そして、既知である光路補償板１１０の屈折率と厚さ及び干渉縞が検出された時点での鏡１０８の移動距離からサンプル１０６の厚さを得ることができる。
特開平８−５２７４９号公報

しかしながら、このような従来の白色光干渉計１００では、サンプル１０６の裏面１０６ｂに対する干渉縞を測定するためには、（１）表面側測定後に光路補償板１１０が抜き差し可能な構造及び（２）鏡１０８の位置を厳密に移動可能とする構造が必要となり、光路補償板１１０の挿入時や鏡１０８の移動時の微振動等が問題となっていた。

また、１００μｍ以上の厚い透明体膜厚をｎｍオーダに測定することが困難であった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光路補償板の挿入可能な構造及び鏡の位置を移動する構造を必要とせず、干渉光学系を移動するだけで位置決めができ、迅速に精度よく膜厚を測定することができる光干渉計及びそれを用いた膜厚測定方法を提供することである。

本発明の光干渉計は、上記課題を解決するものであって、光源と、前記光源と被検物との光路中に光路に沿って移動可能な干渉光学系と、光束の光強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光源からの光束を前記干渉光学系側へ導くと共に、前記干渉光学系側からの光束を前記光源とは別の方向の前記光電変換手段側へ導く光束分岐手段と、を備えた光干渉計において、前記光源は、波長スペクトルの狭い狭波長帯域をもつ狭波長帯域光源からなり、前記干渉光学系は、光束分割合成手段及び参照鏡を備え、前記光源から射出された光束は、前記光束分岐手段を経て前記光束分割合成手段に入射し、参照光路と測定光路に分割され、前記参照光路の光束は、前記参照鏡で反射し、前記参照鏡側から前記光束分割合成手段に入射し、前記光束分割合成手段により前記測定光路に分割された光束は、前記被検物の面で反射し、前記被検物側から前記光束分割合成手段に入射し、前記光束分割合成手段で、前記参照光路の光束と前記測定光路の光束とが合成され、合成された光束は、前記光束分岐手段を経て前記光電変換手段に入射することを特徴とする。

さらに、本発明の光干渉計を用いた膜厚測定方法は、前記干渉光学系を前記被検物の一つの面で反射する前記測定光路の光路長と、前記参照鏡の表面で反射する前記参照光路の光路長とが一致し、前記光電変換手段で干渉縞が観測できるように配置し、その後、前記干渉光学系を前記被検物の他の一つの面で反射する前記測定光路の光路長と、前記参照鏡の表面で反射する前記参照光路の光路長とが一致し、前記光電変換手段で干渉縞が観測できるように移動し、その移動距離から前記被検物の一つの面から他の一つの面までの膜厚を測定することを特徴とする。

本発明によれば、光路補償板の抜き差し可能な構造及び鏡の位置を移動する構造を必要とせず、干渉光学系を移動するだけで、迅速に精度よく膜厚を測定することができる。また、１００μｍ以上の厚い透明体膜厚をｎｍオーダに測定することができる。

以下、図面を参照にして本発明の物体厚測定装置の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の光干渉計１を示す。

本実施形態の光干渉計１は、波長スペクトルの狭い狭波長帯域の光源１１からの光束を平行光線化する平行光線化手段１０を有し、平行光線化した光束を光束分岐手段の一例としての光束分岐ビームスプリッタ２０で反射し、光源１１と被検物の一例としてのサンプル６０との間の光路中の光路に沿って移動可能な干渉光学系２で参照光路３０及び測定光路５０に光束を分岐する。その後分岐した光をそれぞれ反射させ、光束分岐ビームスプリッタ２０を通過して、光電変換手段の一例としてのＣＣＤカメラ７０に入射させる。

平行光線化手段１０は、光源１１、集光レンズ１２、ピンホール１３、コリメートレンズ１４、光線制限手段１５を有し、光源１１からの光は集光レンズ１２で集光され、ピンホール１３で点光源化される。その後、コリメートレンズ１４で平行光線化され、光線制限手段１５で光線枠を制限される。

本実施形態では、光干渉計１の光源として、図２に示すように、半値幅が約１０ｎｍ以下の狭波長帯域で、図３に示すように、孤立した励起準位をもつ光源を使用する。

具体的には、光源には、蛍光体、ナトリウムランプ、水銀ランプ等を適用するとよい。特に、光源の一例としての蛍光体としては、３価ユウロピウムが好ましい。３価ユウロピウムは、図４に示すように、中心波長：約６１２ｍｍ、半値幅：約４ｎｍ、コヒーレンス長：約７０μｍである。さらに、レンズ等を用いて空間コヒーレンスを調整してもよい。

次に、平行光線化手段１０からの光は、光束分岐ビームスプリッタ２０によって反射され、干渉光学系２に入射する。干渉光学系２における光束は、第１参照光路３０及び測定光路５０に分けられる。

第１参照光路３０は、光束分割合成手段の一例としてのビームスプリッタ３１、対物レンズ３３及び参照鏡３４を有する。また、測定光路５０は、測定対物レンズ５１を有する。

対物レンズ３３は、測定対物レンズ５１と同一構成であることが好ましい。なお、対物レンズ３３及び測定対物レンズ５１は、特に用いなくてもよい。

干渉光学系２に入射した光束は、まず、ビームスプリッタ３１で参照光路３０と測定光路５０の２つの光束に分割される。

ビームスプリッタ３１で測定光路５０の光束と分割された参照光路３０の光束は、対物レンズ３３に入射し集光されて参照鏡３４表面で反射される。反射後、対物レンズ３３に入射し平行光とされ、光路補償ビームスプリッタ３２、ビームスプリッタ３１、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

測定光路５０の光束は、測定対物レンズ５１で集光され、サンプル６０の第１面としての表面６０ａ又は第２面としての裏面６０ｂで反射される。反射後、測定光路５０の光束は、測定対物レンズ５１、ビームスプリッタ３１、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

したがって、各光束は、ビームスプリッタ３１において、参照光路３０の光束と、測定光路５０の光束とが合成され、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

このような蛍光体干渉計１の作動について説明する。

まず、干渉光学系２を、サンプル６０表面６０ａで反射する測定光路５０の光路長と、参照鏡３４の表面で反射する参照光路３０の光路長とが一致し、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が観測できるように光路に沿って移動させる。

次に、図５に示すように、干渉光学系２を、サンプル６０裏面６０ｂで反射する測定光路５０の光路長と、参照鏡３４の表面で反射する参照光路３０の光路長とが一致し、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が観測できるように光路に沿って移動させる。

この時、以下の式（１）により、干渉光学系２の移動距離Ｌからサンプル６０の厚さｄを演算し、測定することができる。ここで、ｎは屈折率である。

ｄ＝ｎＬ ・・・（１）
なお、演算でなく、あらかじめ屈折率及び移動距離とサンプル６０の厚さとの関係をまとめたテーブル等により求めてもよい。

このように、本実施形態の光干渉計１は、鏡の位置を移動する構造及び鏡の位置を移動して光路補償板を抜き差し可能な構造を必要とせず、干渉光学系２を移動するだけで位置決めができ、迅速に精度よくサンプル６０の厚さを測定することができる。

図６は、本実施形態の光干渉計１のサンプルとして屈折率の異なる二層をもつ第２サンプル８０を適用した場合を示す。

この場合にも、まず、干渉光学系２を、サンプル８０の表面８０ａで反射する測定光路５０の光路長と、参照鏡３４の表面で反射する参照光路３０の光路長とが一致し、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が観測できるように光路に沿って移動させる。

次に、図７に示すように、干渉光学系２を、サンプル８０の裏面８０ｂで反射する測定光路５０の光路長と、参照鏡３４の表面で反射する参照光路３０の光路長とが一致し、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が観測できるように光路に沿って移動させる。

これにより、干渉光学系２の移動距離からサンプル８０の厚さｄを演算し、測定することができる。

また、図８に示すように、干渉光学系２を、サンプル８０の境界面８０ｃで反射する測定光路５０の光路長と、参照鏡３４の表面で反射する参照光路３０の光路長とが一致し、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が観測できるように光路に沿って移動させることにより、サンプル８０の表面８０ａ測定時からの干渉光学系２の移動距離及びサンプル８０の裏面８０ｂ測定時からの干渉光学系２の移動距離から、サンプル８０の第１層の厚さｄ１及び第２層の厚さｄ２を演算し、測定することができる。

なお、サンプルは二層に限ることなく、それ以上の複数層でも測定することができる。

本実施形態の物体厚測定装置によるサンプルの表面測定時を示す図である。 本実施形態の光源の波長と光強度との関係を示す図である。 本実施形態の光源のエネルギー準位を示す図である。 光源の一例としての３価ユウロピウムの波長と光強度との関係を示す図である。 本実施形態の物体厚測定装置によるサンプルの裏面測定時を示す図である。 本実施形態の物体厚測定装置による二層サンプルの表面測定時を示す図である。 本実施形態の物体厚測定装置による二層サンプルの裏面測定時を示す図である。 本実施形態の物体厚測定装置による二層サンプルの境界面測定時を示す図である。 従来の技術を示す図である。

符号の説明

１…光干渉計
２…干渉光学系
１０…平行光線化手段
１１…光源（狭波長帯域光源）
１２…集光レンズ
１３…ピンホール
１４…コリメートレンズ
１５…光線制限手段
２０…光束分岐ビームスプリッタ（光束分岐手段）
３０…参照光路
３１…ビームスプリッタ（光束分割合成手段）
３３…対物レンズ
３４…参照鏡
５０…測定光路
５１…測定対物レンズ
６０，８０…サンプル（被検物）
７０…ＣＣＤカメラ（光電変換手段）

Claims (2)

1. 光源と、前記光源と被検物との光路中に光路に沿って移動可能な干渉光学系と、光束の光強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記光源からの光束を前記干渉光学系側へ導くと共に、前記干渉光学系側からの光束を前記光源とは別の方向の前記光電変換手段側へ導く光束分岐手段と、を備えた光干渉計において、
   前記光源は、波長スペクトルの狭い狭波長帯域をもつ狭波長帯域光源からなり、
   前記干渉光学系は、光束分割合成手段及び参照鏡を備え、
   前記光源から射出された光束は、前記光束分岐手段を経て前記光束分割合成手段に入射し、参照光路と測定光路に分割され、前記参照光路の光束は、前記参照鏡で反射し、前記参照鏡側から前記光束分割合成手段に入射し、
   前記光束分割合成手段により前記測定光路に分割された光束は、
   前記被検物の面で反射し、前記被検物側から前記光束分割合成手段に入射し、
   前記光束分割合成手段で、前記参照光路の光束と前記測定光路の光束とが合成され、
   合成された光束は、前記光束分岐手段を経て前記光電変換手段に入射することを特徴とする光干渉計。
2. 前記干渉光学系を前記被検物の一つの面で反射する前記測定光路の光路長と、前記参照鏡の表面で反射する前記参照光路の光路長とが一致し、前記光電変換手段で干渉縞が観測できるように配置し、
   その後、前記干渉光学系を前記被検物の他の一つの面で反射する前記測定光路の光路長と、前記参照鏡の表面で反射する前記参照光路の光路長とが一致し、前記光電変換手段で干渉縞が観測できるように移動し、
   その移動距離から前記被検物の一つの面から他の一つの面までの膜厚を測定することを特徴とする請求項１に記載の光干渉計を用いた膜厚測定方法。
   
   
   

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