JP2010266364A - レーザ変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定膜の厚さを簡便に測定可能とするレーザ変位計を提供する。
【解決手段】レーザ変位計は、波長可変レーザ光源１１と、軸上色収差光学系１３と、被測定膜ＳＡの表面及び裏面にて反射されたレーザ光を軸上色収差光学系１３を介して受光してレーザ光の被測定膜ＳＡの表面及び裏面上での結像状態を検出する光検出部１４と、波長可変レーザ光源を制御して出力されるレーザ光の波長を変化させる制御部２１とを備える。制御部２１は、光検出部１４により被測定膜ＳＡの表面及び裏面上でのレーザ光の合焦が検出された場合におけるレーザ光の波長に基づき被測定膜ＳＡの表面位置ｈｓ及び仮の裏面位置ｈｂｄを求め、表面位置ｈｓ及び仮の裏面位置ｈｂｄから被測定膜ＳＡの仮の厚さＴｄを特定する。制御部２１は、被測定膜ＳＡの膜種、仮の裏面位置ｈｂｄ、仮の厚さＴｄに基づき被測定膜ＳＡの真の厚さを特定する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、レーザ光を表面及び裏面にて反射させる被測定膜の厚さを測定するレーザ変位計に関する。

被測定物上に点光源よりの光を収束させて投影し、その点光源の像がその被測定物上に合焦されるよう、点光源に対する被測定膜の相対位置を調整し、合焦が得られた位置をスケール等により計測するようにした位置検出装置が知られている。このような装置では、被測定物を相対移動させるための駆動機構と、この駆動量を測定するための機構（エンコーダ等）が必須となり、システムの複雑化が避けられないという問題があった。

これに対し、このような機械的な駆動機構による被測定物の相対移動なしに被測定膜の位置を測定するレーザ変位計が開示されている（特許文献１参照）。このレーザ変位計は、レーザを照射するための光学系として、波長によって焦点位置が異なる軸上色収差光学系を用い、レーザ光の波長を変化させ、合焦が得られた位置での波長を特定することにより、被測定膜の位置を計測するものである。

しかしながら、上記特許文献１のレーザ変位計を用いて、被測定膜の厚さを正確に測定する場合、被測定膜の表面の位置に加え、その裏面の位置も特定する必要があるが、その際、その被測定膜の屈折率を特定する必要がある。そして、屈折率は、レーザ変位計とは別の測定機（エリプソメータ、光干渉計）によって測定しなければならない。すなわち、被測定膜の厚さ測定は、２台の測定機を用いなければならず、その測定は、煩雑である。

特開２００５−２２１４５１号公報

本発明は、被測定膜の厚さを簡便に測定可能とするレーザ変位計を提供することを目的とする。

本発明にかかるレーザ変位計は、レーザ光を表面及び裏面にて反射させる被測定膜の厚さを測定するレーザ変位計であって、出力するレーザ光の波長が可変とされた波長可変レーザ光源と、前記レーザ光を収束させて被測定膜上に導くようにされ前記レーザ光の波長に応じてその焦点距離を変化させる軸上色収差光学系と、前記被測定膜の表面及び裏面にて反射された前記レーザ光を前記軸上色収差光学系を介して受光して前記レーザ光の前記被測定膜の表面及び裏面上での結像状態を検出する光検出部と、前記波長可変レーザ光源を制御して出力される前記レーザ光の波長を変化させる波長制御部と、前記光検出部により前記被測定膜の表面及び裏面上での前記レーザ光の合焦が検出された場合における前記レーザ光の波長に基づき前記被測定膜の表面位置及び仮の裏面位置を求め、当該表面位置及び仮の裏面位置から前記被測定膜の仮の厚さを特定する第１特定部と、前記被測定膜の膜種、前記被測定膜の仮の裏面位置、及び前記被測定膜の仮の厚さに基づき前記被測定膜の真の厚さを特定する第２特定部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、被測定膜の厚さを簡便に測定可能とするレーザ変位計を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ変位計の構成を示す図である。 実施形態に係るレーザ変位計の測定原理を説明している。 テーブルＴａ１を示す図である。 実施形態に係るレーザ変位計の動作を示すフローチャートである。 実施形態に係るレーザ変位計の測定状態を示す図である。 波長λ毎の真の厚さＴ、及び仮の厚さＴｄを示す図である。 補正係数Ａと仮の裏面位置ｈｂｄとの関係を示す図である。 テーブルＴａ２を示す図である。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

［実施形態］
［実施形態に係るレーザ変位計の構成］
本実施形態に係るレーザ変位計は、図１Ａに示すように、波長可変レーザ光源１１、ハーフミラー１２、軸上色収差光学系１３及び光検出部１４を備え、これにより、被測定膜ＳＡの位置、及び厚さを検出するようにされている。

波長可変レーザ光源１１は、例えば半導体レーザであり、注入電流の大きさを制御することにより、図１Ｂの”ａ”に示すように、時刻ｔ_ｍｉｎ〜ｔ_ｍａｘの間において、出射されるレーザ光の波長λを波長λ_ｍｉｎから波長λ_ｍａｘまで、所定の関係に従って（例えば、一次関数的に）連続的に可変とすることができるよう構成されている。注入電流の大きさは、制御部２１（例えば、ＣＰＵ）からの制御信号ＣＩに基づいて、ドライバ２２により制御される。

波長可変レーザ光源１１の光出射口には、出射されたレーザ光を発散させるためピンホール１１ａが配置されている。このピンホール１１ａを出たレーザ光が、ハーフミラー１２で反射し、軸上色収差光学系１３で収束される。軸上色収差光学系１３は、通過する光の波長λによって、焦点距離が大きく異なるよう、積極的に（意図的に）軸上色収差を大きくした光学系である。軸上色収差光学系１３は、収束させたレーザ光を被測定膜ＳＡに照射するように配置されている。そして、軸上色収差光学系１３は、通過するレーザ光の波長λの変化に応じて、ピンホール１１ａの像の形成位置を異ならせる働きを有する。

被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳ、及び裏面ＳＡＢで反射されたレーザ光は、再び軸上色収差光学系１３に入射して収束され、ハーフミラー１２を通過して光検出部１４に入射する。

光検出部１４は、被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳ及び裏面ＳＡＢにて反射されたレーザ光を軸上色収差光学系１３を介して受光して、表面ＳＡＳ及び裏面ＳＡＢ上でのピンホール１１ａの像の結像状態を検出する。

光検出部１４は、例えば共焦点位置に配置されたピンホール１４ａと、フォトダイオード１４ｂとを有する共焦点方式のものである。光検出部１４は、被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳ又は裏面ＳＡＢ上にピンホール１１ａの像ＳＧが結像された場合に、フォトダイオード１４ｂへの入射光の光量が最大となるように設定されている。図１Ｂの”ｂ”に示すように、レーザ光の波長λが波長λ_ｍｉｎ〜波長λ_ｍａｘで変化する間、いずれかの時刻ｔ_ｆ１、ｔ_ｆ２において、フォトダイオード１４ｂへの入射光の光量が最大となる。その時刻ｔ_ｆ１、ｔ_ｆ２に基づいて波長λ_ｆ１、λ_ｆ２が特定される。

レーザ光の波長λが波長λ_ｍｉｎ〜波長λ_ｍａｘまで変化するに伴い、像ＳＧの位置ｈは、位置ｈ_ｍｉｎからｈ_ｍａｘまで変化する。波長λと、位置ｈとは所定の関係にあり、このレーザ変位計は、この関係を示すテーブルＴａ１（図１Ｃ参照）を有している。従って、フォトダイオード１４ｂへの入射光の光量が最大となったときの波長λ_ｆ１、λ_ｆ２を特定し、このテーブルＴａ１を参照することで、被測定膜ＳＡの表面・裏面の位置ｈを特定し、被測定膜ＳＡの厚さＴを計測することができる。

光検出部１４の他の構成例としては、焦点位置の前後にそれぞれピンホールとフォトダイオードを設け、被測定膜ＳＡが結像位置の前にあるのか後方にあるのかを判定できるようにしたダブルピンホール形式も考えられる。或いは、光学系の非点収差を利用して、同様に被測定物Ｓが結像位置の前方にあるのか後方にあるのかを判定できるようにした非点収差法形式も考えられる。

フォトダイオード１４ｂの検出信号Ｄａは、Ａ／Ｄ変換器２３によりディジタル信号Ｄｄに変換され、制御部２１に入力される。制御部２１は、Ａ／Ｄ変換器２３からのディジタル信号Ｄｄに基づき、被測定膜ＳＡ上におけるピンホール１１ａの像ＳＧの結像状態を判定する。制御部２１は、記憶部２４から各種プログラム等を読み出し実行することにより、上記の各種処理を実行する。また、制御部２１は、各種情報を表示部２５に表示する。また、制御部２１は、入力部２６にて外部から情報を受け付ける。なお、記憶部２４は、上述したテーブルＴａ１、及び後述するテーブルＴａ２を有する。

以上説明したような原理により、本実施の形態のレーザ変位計は、被測定膜ＳＡの厚さＴを計測するが、上述のテーブルＴａ１は、被測定膜ＳＡの屈折率ｎを考慮に入れていない。被測定膜ＳＡの厚さＴを正確に測定するためには、被測定膜ＳＡの屈折率ｎを考慮に入れる必要がある。なぜなら、被測定膜ＳＡの裏面位置を計測する際は、屈折率ｎの物質内をレーザ光が通過するからである。このため、本実施の形態では、以下に説明するような動作を制御部２１に実行させることにより、厚さＴを正確に計測可能にしている。制御部２１は、ピンホール１１ａの像が被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳ及び裏面ＳＡＢ上で合焦した時点において波長可変レーザ光源１１が出射していたレーザ光の波長λに従ってテーブルＴａ１を参照して位置ｈを特定し、この位置ｈに基づき、被測定膜ＳＡの厚さＴｄを特定する。なお、ここでの厚さＴｄは、被測定膜ＳＡの屈折率ｎが１でない場合には、被測定膜ＳＡの真の厚さＴを示すものではない。以下では、この厚さＴｄを、正確ではなく、とりあえず算出した仮の値という意味において「仮の厚さＴｄ」と称する。真の厚さＴ、仮の厚さＴｄ、及び屈折率ｎの関係は、以下に示す（数式１）にて表される。

Ｔｄ＝Ｔ／ｎ …（数式１）

上記処理に続いて、制御部２１は、被測定膜ＳＡの膜種ＴＹ、仮の裏面位置ｈｂｄ（正確ではなく、とりあえず算出した仮の値という意味）、及び仮の厚さＴｄに基づき被測定膜ＳＡの真の厚さＴを特定する。ここで、膜種ＴＹは、例えば、商品名、商品番号等であり、屈折率ｎに関する情報を内包している情報である。

［実施形態に係るレーザ変位計の動作］
次に、図２を参照して、実施形態に係るレーザ変位計の動作概略を説明する。図２に示すように、制御部２１は、入力部２６より被測定膜ＳＡの膜種ＴＹの入力を受け付ける（ステップＳ１０１）。

続いて、制御部２１は、波長λを変化させて、レーザ光を被測定膜ＳＡに照射する（ステップＳ１０２）。次に、制御部２１は、受光強度Ｄａが極大値をとる波長λ_ｆ１、λ_ｆ２（λ_ｆ１＜λ_ｆ２）を特定する（ステップＳ１０３）。続いて、制御部２１は、波長λ_ｆ１、λ_ｆ２に基づき、前述のテーブルＴａ１を参照して、被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳの位置ｈｓ、及び被測定膜ＳＡの裏面ＳＡＢの位置ｈｂｄを特定する（ステップＳ１０４）。なお、表面ＳＡＳの位置ｈｓは、その他誤差要因が存在しない限り、正確に特定される。表面ＳＡＳの位置ｈｓの測定は、被測定膜ＳＡの屈折率ｎの影響を受けないからである。

その一方、裏面ＳＡＢの位置ｈｂｄは、テーブルＴａ１が被測定膜ＳＡの屈折率ｎを考慮して特定されておらず、従って、テーブルＴａ１を参照して得られた裏面ＳＡＢの位置ｈｂｄは、ｎ＝１でない限り、被測定膜ＳＡの正確な裏面位置を表してはいない。上述した「仮の裏面位置ｈｂｄ」は、こうして特定された裏面ＳＡＢの位置ｈｂｄを意味する。この仮の裏面位置ｈｂｄに基づいて算出されるのが前述の仮の厚さＴｄである。

次に、制御部２１は、位置ｈｓ、及び仮の裏面位置ｈｂｄに基づき、被測定膜ＳＡの仮の厚さＴｄを特定する。続いて、制御部２１は、仮の裏面位置ｈｂｄ、仮の厚さＴｄ、及び膜種ＴＹに基づき、被測定膜ＳＡの真の厚さＴを特定する（ステップＳ１０６）。以上で、制御部２１は、動作を終了する。

次に、図３〜図５を参照して、上記ステップＳ１０２、Ｓ１０３の動作を詳しく説明する。例えば、図３の“ａ”に示すように、波長λ_ｆ１のレーザ光は、被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳにピンホール１１ａの像ＳＧ１を形成する一方、図３の“ｂ”に示すように、波長λ_ｆ２のレーザ光は、被測定膜ＳＡの裏面ＳＡＢにピンホール１１ａの像ＳＧ２を形成するものと仮定する。具体的には、図３の“ｃ”に示すように、波長λ_ｆ２のレーザ光は、被測定膜ＳＡの屈折率ｎの影響を受けて表面ＳＡＳにて屈折し、光路Ｌを通って、被測定膜ＳＡの裏面ＳＡＢの位置ｈｂに像ＳＧ２を結像する。

しかし、被測定膜ＳＡの屈折率ｎを考慮に入れていないテーブルＴａ１に基づいて算出された裏面ＳＡＢの位置ｈｂｄは、図３の”ｃ”に示すような位置となってしまい、実際の裏面ＳＡＢの位置ｈｂとは異なる位置となってしまう。すなわち、波長λ_ｆ２のレーザ光が、屈折率ｎが１であるため表面ＳＡＳにて屈折せず、光路Ｌ_Ｄを通ってピンホール１１ａの像ＳＧ３を位置ｈｂｄに結像させたものと誤判定して、位置演算を行ってしまう。こうして算出された被測定膜ＳＡの厚さＴｄは、実際の厚さＴとは異なったものとなってしまう。換言すれば、被測定膜ＳＡの裏面ＳＡＢの位置が、上述の位置ｈｂよりも上方の位置ｈｂｄに浮き上がっているかのように誤判定してしまい、誤った被測定膜ＳＡの厚さＴｄを算出してしまう。

この「浮き上がり」の量、即ち厚さＴの測定誤差は、被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳの位置ｈｓが異なると変化する。この点を図４を参照して説明する。

図４の”ａ”に示すように、厚さＴの被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳを位置ｈｓ１に配置した場合と、図４の”ｂ”に示すように、同じ厚さＴの被測定膜ＳＡの表面ＳＡＳを、これよりも低い位置ｈｓ２に配置した場合とを考える。”ａ”の場合には、被測定膜ＳＡの裏面ＳＡＢに波長λ１ｂのレーザ光が合焦し、”ｂ”の場合には、この波長λ１ｂより長い波長λ２ｂのレーザ光が合焦する。このとき、屈折率ｎは波長λにより異なることから、”ａ”の場合と”ｂ”の場合では裏面位置ｈｂから仮の裏面位置ｈｂｄまでの距離も異なる。このため、テーブルＴａ１に従って算出される「仮の厚さＴｄ」も異なるものとなり、従って誤差も異なるものとなる。従って、被測定膜ＳＡの裏面ＳＡＢの仮の裏面位置ｈｂｄに従って、誤差の補正の度合を変化させる必要がある（図５参照）。また、被測定膜ＳＡの膜種ごとに、この誤差の補正の度合を変化させる必要がある。図５においては、この補正の度合の違いを「補正係数Ａ」と表現している。

このため、本実施の形態のレーザ変位計は、既知の厚さを有するサンプルをあらかじめ測定し、その結果に従って作成された図６に示すようなテーブルＴａ２を有している。このテーブルＴａ２は、仮の厚さＴｄを真の厚さＴに補正する補正係数Ａを、以下に示す（数式２）で表すものとする。

Ａ＝Ｔ／Ｔｄ …（数式２）

上記補正係数Ａは、予め、既知の厚さＴ、既知の膜種をもつサンプル測定膜の測定位置を様々に変えて、仮の厚さＴｄを特定し、実際の厚さＴとの比を求めることで算出される。テーブルＴａ２中に存在しない膜種ＴＹ、仮の裏面位置ｈｂｄについては、補間演算を行うことにより、補正係数Ａを算出するようにしてもよい。ステップＳ１０６において、制御部２１は、図６に示すテーブルＴａ２を用いて、真の厚さＴを求める。テーブルＴａ２は、膜種ＴＹ（Ｓ_ａ１、…、Ｓ_ａｍ）毎に、仮の裏面位置ｈｂｄ（ｈ_１、…、ｈ_ｎ）、及びそれに対応する補正係数Ａ（Ａ_１，１、…、Ａ_１，ｎ、…、Ａ_ｍ，１、…、Ａ_ｍ，ｎ）を対応づけるものである。すなわち、テーブルＴａ２により、膜種ＴＹ、及び仮の裏面位置ｈｂｄを特定すれば、それに対応する補正係数Ａが特定される。

［実施形態に係るレーザ変位計の効果］
実施形態に係るレーザ変位計によれば、上記のように、仮の厚さＴｄから、被測定膜ＳＡの膜種ＴＹ、仮の裏面位置ｈｂｄに基づき、未知の屈折率をもつ被測定膜ＳＡの真の厚さＴを特定することができる。すなわち、本実施形態に係るレーザ変位計は、１台の測定機にて、未知の屈折率をもつ被測定膜ＳＡの真の厚さＴを簡便に特定できる。

［その他の実施形態］
以上、発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。

なお、上記の実施の形態では、波長可変レーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長λが連続的に変化するようにしていたが、レーザ変位計の分解能との関係を考慮して、波長をステップ的に変化させるようにすることも可能である。

また、上記実施の形態では、波長可変レーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長λが、経過時間ｔに比例して一次関数的に変化するようにしていたが、別の所定の関係式に沿って波長λを変化させるようにしてもよい。

また、波長λを所定の時間ｔの関数に沿って変化させることも必ずしも必須ではなく、例えばある波長λにおける光検出部１４の検出信号Ｄａに基づいて、検出信号Ｄａが大きくなるような方向に波長λを変化させるようなフィードバック制御を行うことも可能である。

１１…波長可変レーザ光源、 １２…ハーフミラー、 １３…軸上色収差光学系、 １４…光検出部、 ＳＡ…被測定膜、 ２１…制御部、 ２２…ドライバ、 ２３…Ａ／Ｄ変換器、 ２４…記憶部、 ２５…表示部、 ２６…入力部。

Claims (2)

1. レーザ光を表面及び裏面にて反射させる被測定膜の厚さを測定するレーザ変位計であって、
   出力するレーザ光の波長が可変とされた波長可変レーザ光源と、
   前記レーザ光を収束させて被測定膜上に導くようにされ前記レーザ光の波長に応じてその焦点距離を変化させる軸上色収差光学系と、
   前記被測定膜の表面及び裏面にて反射された前記レーザ光を前記軸上色収差光学系を介して受光して前記レーザ光の前記被測定膜の表面及び裏面上での結像状態を検出する光検出部と、
   前記波長可変レーザ光源を制御して出力される前記レーザ光の波長を変化させる波長制御部と、
   前記光検出部により前記被測定膜の表面及び裏面上での前記レーザ光の合焦が検出された場合における前記レーザ光の波長に基づき前記被測定膜の表面位置及び仮の裏面位置を求め、当該表面位置及び仮の裏面位置から前記被測定膜の仮の厚さを特定する第１特定部と、
   前記被測定膜の膜種、前記被測定膜の仮の裏面位置、及び前記被測定膜の仮の厚さに基づき前記被測定膜の真の厚さを特定する第２特定部と
   を備えることを特徴とするレーザ変位計。
2. 前記被測定膜の膜種毎に、前記被測定膜の仮の裏面位置と、当該裏面位置に対応する補正係数との関係を示すテーブルを記憶した記憶部を備え、
   前記第２特定部は、前記補正係数により前記被測定膜の仮の厚さを補正して、前記被測定膜の真の厚さを特定する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。

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