JP3542346B2 - Method and apparatus for measuring thin film thickness - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜の膜厚を非破壊的、非接触的に測り表示する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
塗布、塗装、印刷、コーティング、ラミネート、蒸着、堆積、貼付、転写、生成、生育など各種の方法によって物体上に塗布・形成された薄膜を非破壊で測定する必要性は、それらの生産工程の管理、製品の品質管理をはじめ、真珠など薄膜で形成されている宝飾品の鑑定、鑑別、認証など、工業、流通、一般消費経済活動の諸分野で、しばしば生ずる。また、筒状やチューブ状体の外面又は内面に形成した薄膜の膜厚の非破壊、非接触の連続測定による工程管理や歯科、眼科、皮膚科などにおける層構造を持つ生体組織表面直下の膜厚に関連する治療、診断、たとえば、ヒトや動物の歯牙のエナメル質(あるいはほうろう質)の厚さの非破壊的測定の必要性などもしばしば生ずる。
【0003】
フィルムや紙類、プラスチックシートなど、独立した単体のシート状薄膜については、マイクロメーターその他の機械的な膜厚計で測定可能であるが、上述のような物体上に形成された薄膜や、筒状又はチューブ状体の表面の薄膜などについては、このような機械的な膜厚計測法が適用できない。物体上に形成された薄膜については、その薄膜が比較的透明なものである場合には、エリプソメーターが使われる。しかし、エリプソメーターによる測定は複雑で、時間を要するものであり、一般の工程管理、品質管理、鑑別などの目的には適さない。
【0004】
薄膜の膜厚が100μm以上あり、必要とする分解能が10μm以上である場合については、エリプソメーターに代わってより簡便な低コヒーレンス干渉計が使われていた。まず、図7は従来の空間内光伝搬を用いる低コヒーレンス干渉計の原理を示す図である。図7において、光源1を出て、ハーフミラー2に入射する入射光3は、その相対強度を1とするとき、透過光4と上方への反射光5を、それぞれ相対強度約 0.5ずつ生ずる。透過光4は被測定物6の表面で反射され、再びハーフミラー2に入射する。一方、上方への反射光5は反射鏡7で反射され、再びハーフミラー2に入射する。ハーフミラー2に再入射したそれぞれの反射光はハーフミラー2上で干渉して、2本の干渉光8と9を生ずる。一つの干渉光8は光検出器10に向かい、他方の干渉光9は光源1に向かう。以上によりいわゆるマイケルソン干渉計が構成される。
【0005】
ハーフミラー2から被測定物6までの光路を干渉計の一方の腕11、ハーフミラー2から反射鏡7までの光路を干渉計の他方の腕12と呼ぶ。光源のコヒーレンス性がよい場合には、一方の腕の長さを固定して他方の腕の長さをゆっくりと変化するとき、ハーフミラー2に再入射する2本の反射光の干渉により、2本の干渉光8と9の強度は図8に示すように、それぞれ正弦波状に変化する。そして一方の干渉光が強くなるとき、他方の干渉光は弱くなる。光検出器10からの出力電流は、干渉光8の強度の変化にしたがって、一方の腕の長さを変化するとき正弦波状に変化する。図7では、腕12の光路長を変化させる場合が示されている。腕12の光路長を変化させるための変位装置13には、その先端に反射鏡7が取り付けられている。
【0006】
以下に、上記の従来の低コヒーレンス干渉計による薄膜の膜厚計の原理を説明する。膜厚計測のための干渉計の光源1には、低コヒーレンスの光源、すなわち、コヒーレンス長の短い光源が選ばれる。コヒーレンス長の短い光源としては、いわゆるスーパールミネッセントダイオード(以後、SLDと称す)やハロゲンランプがある。コヒーレンス長が短かければ、干渉計の一方の腕の長さの変化に対して正弦波状に変化する干渉光、したがって検出器10からの正弦波状の出力電流は、図9に示すように干渉計の両腕の長さ(図7)が等しくなるときの横軸上の包路線の中央の点Mで最大値をとり、その前後のごく狭い範囲(電流(光入力)の正弦波状の変化の10ないし数10周期分程度)に局限化される。したがって、光検出器の出力電流の正弦波状変化の包路線の最大値を与える反射鏡7の位置を干渉による位置計測に用いることができる。包絡線の半値幅が狭ければ狭いだけ分解可能距離を小さくすることができる。
【0007】
干渉計による薄膜の膜厚測定は、その表面と裏面について、それぞれに屈折率のステップ的変化が存在するので、2個の反射点が存在することとなる。これら2個の反射点について、それぞれの分解可能距離が膜厚そのものより小さければ、上述の位置計測を2回適用することができることとなり、それぞれの位置の差を薄膜の光学的膜厚とすることができる。光学的膜厚とは、測定しようとする機械的膜厚に薄膜の屈折率かけたものを言う。したがって、薄膜の屈折率が既知の場合には、光学的膜厚を屈折率で割ることによって、実際の被測定膜の機械的膜厚を求めことができる。しかし、薄膜の屈折率が既知でない場合には、薄膜の屈折率を独立に測定する必要がある。このように、光学的膜厚と屈折率とを独立に求める方法について、たとえばOptics Letters, 20巻、21号、2258ページ(1995年11月)に掲載されたG.J.Tearneyらによる”Determination of the refractive Index of highly scattering human tissue by optical doherence tomography”(以下文献1とする)、同じく、Optics Letters, 21巻、23号、1942ページ(1996年12月)に掲載されたT.Fukanoらによる”Simultaneous measurement of thicknesses and refractive Indices of multiple layers”(以下文献2とする)、また、特開2001−141652に開示されている発明者、春名正光の「光干渉法による既知の方法が測定対象物の屈折率と厚さの同時測定法およびそのための装置」などに、すでに述べられている。
【0008】
以上述べてきたような先行例での空間内の光伝搬に頼る干渉計式の膜厚計測装置は、光学構成部品の配置、設定、調整に高度の熟練と長時間を要し、また、その完成後の長期安定性についても問題があり、装置製造後も使用の都度絶えず熟練者による調整を必要とするなどの問題があった。なぜなら、空間内の光伝搬に頼る干渉計では、ミラー、ビームスプリッターなどのうちの1個の光学部品の配置、設定、調整が、他の光学部品の配置、設定、調整に相互に関係するため、装置全体の配置、調整を完了するのに、大略各部品の調節に要する調整時間の、ほぼ部品点数をNとしたときN(N−1)倍の調整時間を要するからである。また、その安定性についても、個々の部品の安定度に部品点数Nの√N倍の安定度が要求されるからである。
【0009】
もし、1個の光学部品の配置、設定、調整が、他の光学部品の配置、設定、調整に相互に関係しなければ、装置全体の配置、調整を完了するのに要する時間は、大略各部品の調節に要する調整時間のほぼ部品点数倍で済み、また、装置全体の安定性も、個々の部品の安定度がそのまま装置全体の安定度となるだけである。
このように、各光学部品の配置、設定、調整や安定度を分離独立させるためには、各光学部品間の光伝搬を空間伝搬に頼らす、光ファイバーに頼ることとし、各光学部品を空間的光伝搬から独立させればよい。
【0010】
図7に示した空間内伝搬光による干渉計を用いた膜厚測定装置をファイバー化した従来の干渉計膜厚測定装置を図10に示す。太い実線で示してあるものがファイバーである。図7中の構成要素と同一の機能を果たす図10中の構成要素には、対応する図7中の構成要素と同一の番号を付してある。図7中のハーフミラー2は図10中では、ファイバー方向性結合器2に置き換えられている。ファイバー方向性結合器2の働きは、図7中のハーフミラー2と同じであり、方向性結合器の端子21から入った光は端子22と24から等量出て行くが、端子23からは出て行かない。端子22から入った光は端21と23から等量出て行くが、端子24からは出て行かない。端子24から入った光は端21と23から等量出て行くが、端子22からは出て行かない。投射用の光学素子としてのレンズ16、26は、それぞれの腕のファイバー端から右向きに出射する発散光を並行光に変換するためのものであり、被測定物6と反射鏡7には、それぞれ、平行光線が入射するように、ファイバー端とレンズ16、26への距離は、それぞれのレンズの焦点距離に一致させてある。図10中の14、15で示すように、各腕には空間伝搬路が存在する。
【0011】
図10に示す在来のファイバー化した干渉計膜厚測定装置において、光学部品を多数用いる干渉計式膜厚測定装置のシステムの組立についても、各光学部品の配置、設定、調整が独立化される。またそれらの組立は各部品を単にファイバーコネクターでつなぐだけで行われる。従って熟練者を必要とせず、組立作業は極端に短縮される。また、装置の安定性も、先述の理由により、格段に向上する。しかしこの従来の装置では、被測定物6直前の空間伝搬路14と干渉計の腕12の長さを変えるための反射鏡7直前の空間伝搬路15は、取り除くことができない。13は反射鏡7直前の空間伝搬路15の伝搬長を変えるための反射鏡7を取り付けた反射鏡移動機構である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
図10の従来のファイバー化干渉計膜厚測定装置において、被測定物に測定光を非接触に投射する目的及び干渉計の腕の距離を可変とするためには、被測定物6直前の空間伝搬路14と干渉計の腕12の長さを変えるための反射鏡7直前の空間伝搬路15とが必要であった。それ故、空間伝搬路の存在に起因する従来技術の欠点、すなわち、装置の組み立て・調整作業の繁雑性、また、周囲の環境からの外乱に敏感に反応する空間伝搬路干渉計を含むことに起因する装置の不安定性が解決されていなかった。
【0013】
また、光源としては、従来、分解可能距離を小さく取るため、低コヒーレンス性のSLDやハロゲンランプなどを用いていた。しかしこれらの光源は空間的にコヒーレンス性が低いため、ファイバー化したときには、光源からファイバーへの結合効率が極端に悪くなり、干渉計測に使える光のパワーのレベルが極端に低下する。それ故、干渉の結果得られる正弦波状検出電流出力のSN比を低下させ、得られるべき膜厚分解能の低下を招く。特に被測定薄膜が透明体ではなく、散乱性あるいは吸収性を含む媒質であるときには、測定光のパワーのレベルが低いことは致命的であり、その場合測定が不可能となる。
【0014】
このように、ファイバー化された干渉計式の膜厚測定装置においては、ファイバー、高分解能の干渉計式膜厚測定に必要な低コヒーレンス性のSLDやハロゲンランプ光源などからファイバーへ結合効率がファイバー化により極端に低下し、それに起因する膜厚分解能力が低下する問題があった。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明のファイバー化干渉計膜厚測定装置においては、まず、装置に含まれる干渉計の組み立て・調整作業の容易化、装置の安定性向上のために、干渉計を構成するファイバーの一部のファイバー長自体を可変とすることによって、干渉計の腕の長さを可変とするために必要であった空間伝搬路を無くした。その結果、構成された本発明のファイバー化干渉計膜厚測定装置を図1に示す。図1においては、被測定物に測定光を投射するために必要な被測定物6直前の極めて短い空間伝搬路14以外の空間伝搬路(たとえば、図10の反射鏡7直前の空間伝搬路15)は、すべてファイバー化されている。
【0016】
上に述べてきたファイバー自体の物理的な長さを可変とする方法として、圧電素子または磁気ひずみ素子に巻き付けた長尺ファイバーを少なくとも干渉型の一方の腕に挿入し、これに、可変電圧(圧電素子の場合)または可変電流(磁気ひずみ素子の場合)を印加している。これによって、被測定物直前の空間伝搬路14以外をすべてファイバー化している。膜厚測定干渉計の組み立ての容易化、動作の安定化をはかっている。
【0017】
本発明の薄膜の膜厚測定装置は、ギガヘルツのオーダーの所定の高周波で変調された光源としての半導体レーザーと、前記半導体レーザーが発する低コヒーレンス光を導く測定光路腕及び非測定光路腕の2本の腕を持つ干渉計と、を有し、前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー(以下単にファイバーと称す)のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなることを特徴とする。
本発明の薄膜の膜厚測定方法は、光源としての半導体レーザーをギガヘルツのオーダーの所定の高周波で変調して低コヒーレンス光を発生するステップ、前記低コヒーレンス光を干渉計の測定光路腕及び非測定光路腕の2本の腕に導くステップ、を有し、
前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー(以下単にファイバーと称す)のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなり、上記干渉計により被測定薄膜の膜厚を測定することを特徴とする。
また、本発明のファイバー干渉計膜厚測定装置においては、パルス発振半導体レーザーを用い、その励起電流に高周波変調をかけることによって、従来技術で用いられてきたSLDなどに比して、半導体レーザーの持つより良好な空間コヒーレンシーを利用しつつ、変調によって実現できる時間コヒーレンシーの低下(膜厚分解能を高めるために必要)をも同時に実現している。これによって、ファイバー化に際しても、光源のファイバーへの高効率な結合が維持でき、時間的低コヒーレンシー化の実現と相まって、膜厚に対する感度と分解能とを同時に高めている。
【0018】
さらに、干渉計の腕の長さを可変とするための圧電素子または磁気ひずみ素子に巻き付けた長尺ファイバーを干渉計の両腕に設けて、それぞれを逆位相で励起することにより、測定可能膜厚のレンジを拡大している。
【0019】
また、被測定物に光を照射するためのレンズのみの移動によって、屈折率未知の膜厚測定のために必要な光学的膜厚と屈折率を単一の装置で同時に測定できる新しい方法が提案されている。
これによって、被測定物直前の空間伝搬路を含む測定ヘッド部分を一体化することができ、先端部を被測定物に接触保持するなどにより、一層容易に安定な膜厚測定が可能となる。
【0020】
上記の構成各部の改善が相まって、組み立てが容易、感度と膜厚分解能が改善され、測定可能膜厚レンジの拡大された、動作の安定した膜厚と屈折率の同時・独立測定可能なファイバー化干渉計膜厚測定装置が実現できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適な実施例について説明する。
【0022】
図1は、本発明の第1の実施例を示したものである。図1中の構成要素で図6または図10に示した従来例の構成要素と同一の機能を果たす対応要素には、図6または図10中の構成要素と同一の符合を付してあり、それらについての重複した説明は、ここでは省略する。
【0023】
光源1には半導体レーザーを用いている。その半導体レーザー1としては、光LANなどに使われるところの、高速変調可能で、接合容量やその他の浮遊容量が少なく、デバイスリード線が短く誘導性 リアクタンスが少ない種類の半導体レーザーが使われる。このような半導体レーザーに、図中に示される等価回路で表されるバイアスティー100を通して、直流電源101からの直流バイアスと、0.8GHzないし3GHz程度の高周波電源102からの正弦波状の高周波電圧が印加される。一般に、このように高周波変調可能な半導体レーザーは、その接合部に存在する電子分布の非線形性のために、変調度が10パーセントから20パーセント程度であっても、印加高周波電圧の周波数でくり返すパルス幅数十ピコ秒のパルス状の光を出力する。このパルス状のレーザー発振によってパルス幅内の短時間に、上述の接合部の電子分布の密度が急激に変化する。したがって接合部の屈折率も急激に変化し、発振光は大きい変調度で周波数変調を受ける。一般に、周波数変調のスペクトルは広い周波数帯域に広がることが知られている。その結果、直流励起では、ほぼ単一のチップ縦モードで発振していたレーザーが多くの縦モードで発振することとなり、広いスペクトルが得られる。なお、上記約0.8GHz以下の変調周波数では変調波形にほぼ忠実な変化を示す光強度変化となり、パルス状の光出力とはならない。また約3GHz以上の変調周波数では、光出力は変調波形に追随できず、一定出力となって、やはりパルス状の光出力とはならない。一方レーザー発振は、ハロゲンランプやSLDとは異なり、通常の半導体レーザーが持つ程度の高い空間コヒーレンス性を持っている。それ故、ハロゲンランプやSLDでは得られなかった低コヒーレンス性と高い空間コヒーレンス性とを併せ持ち、干渉膜厚測定に最適な光源が、変調半導体レーザーによって得られる。
【0024】
干渉計の2つの腕のうちファイバーの長さを変化する方の腕はこの実施例では非測定光路腕12であり、腕12を構成する主要要素であるファイバー18を数十メートルの長尺なものとしてある。これをジルコン酸チタン酸鉛(いわゆるPZT)などの例えば円筒状の圧電素子(既知方法でポーリングしてある)の円筒191に一定の張力と、好ましくは、一定の逆バイアス電圧を与えつつ巻き付けた圧電ファイバー長可変装置19である。この圧電素子の筒191に圧電素子励起電源20からの励起電圧を加える。この励起電圧は一定電圧のもの(DC)でも所望の周波数の所望の波形で変化するもの(AC)でもよい。圧電ファイバー長可変装置19の構成の1例を図2に示す。図2では、円筒形の圧電素子191に長尺ファイバー18を多数回巻き付け、圧電素子に設置した適当な電極に、すなわちこの実施では図2で示す円筒内壁と外壁とのそれぞれの全面に金メッキなどで設けた電極193と194間に、直流電源201からの電圧、低周波交流電源202からの電圧、または、それらの電圧を図示のフィルター回路(L+C)を介した電圧を同時に印加する。これによって、円筒191の直径を一定にまたは周期的に変化させ、ファイバーに張力を与えてファイバーの長さを一定に、または周期的に変化させている。図2の構造では、通常のクラッド径125mmのファイバーを用い、円筒形圧電素子の筒厚5mmのとき、印加電圧100Vで、ファイバー10mあたり1mmの伸びが得られた。
【0025】
先にも図9に関してのべたように、本発明のような低コヒーレンス干渉計において干渉波形が現れるのは、干渉計の両腕の長さが等しくなる状態の近辺のみである。したがって非測定光路腕12が長尺ファイバーを含む本実施例では、腕12のこの長尺ファイバーと長さのバランスをとるために測定光路腕11の大部分を構成するファイバー長は、非測定光路腕12の長尺ファイバー長から被測定物6直前の空間伝搬路長14(但しファイバー内光伝搬路に換算したもの)を差し引いた長さからなるものでなければならない。それ故図1の測定光路腕11のファイバー17は空芯に巻き付けた長尺ファイバー199を含んで作られている。
【0026】
上に述べた圧電ファイバー長可変装置19によって、干渉計の一方の腕12の長さが可変となるので、図10に示した従来技術のファイバー干渉計において干渉計の腕12の長さを変えるために設けられていた反射鏡7直前の空間伝搬路15はもはや必要でなくなる。それゆえ本発明では腕12を構成するファイバーの終端の端面に直接高反射コーティング25を施して、これを干渉計の腕12の反射鏡としている。これによって、図10に示したようなの空間伝搬路15を取り除くことができ、装置の組立の容易性と(空間伝搬路15の長さやミラーと光線の垂直性の調整が不要であること)干渉計の安定性の向上(上記の長さやミラーの角度と運動の方向のずれの校正が不要であること)に寄与することができる。
【0027】
上に述べた圧電ファイバー長可変装置は、これをアルフェロ合金や希土類金属間化合物(いわゆるターフェノール)などの磁気ひずみ体を用いた磁気ひずみファイバー長可変装置で置き換えてもよい。その一例を図11に示す。図11に示すものは棒状(a)あるいはトロイダル状(b)に形成された磁気ひずみ体600に磁界をかけるための図に細線で示した電気導体巻線500と太線で示したファイバー18をともに巻き付けたものである。ファイバー巻き付け時に張力を与えつつ巻くことと、その時に磁気ひずみ体600が細くなる極性の直流バイアスのかけ方、動作時の直流バイアスのかけ方などの配慮の仕方は、圧電ファイバー長可変装置の場合と同様である。
【0028】
次に、図1に示した本発明の第1の実施例による干渉を用いた薄膜膜厚測定装置による測定動作を説明する。
圧電ファイバー長可変装置19に加えられる圧電素子励起電源20からの電圧を掃引することによって干渉計の一方の腕12の長さを変化させる。圧電ファイバー長可変装置19の圧電素子191に巻き付けた長尺ファイバー18が十分長く、電源20からの挿引電圧幅も十分大きい場合には、腕12の光学長の変化を被測定光学膜厚よりも大きくできる。故に腕12の長さの変化を被測定物6の膜69の光学膜厚よりも大きくできる。そして腕11の光線の終端部には、被測定物6の反射面として膜69の表面6Aと裏面6Bの2面存在することから、このようにすると、腕12の長さの変化に対する干渉強度波形の変化は、図3に示すように2カ所生ずる。なお被測定物6は、その被測定薄膜69の表面6A及び裏面6Bを、ほぼ腕11のレンズ16から投射される光の光軸に垂直に調整するためのゴニオメータ式の2自由度角度微調整装置690により保持される。
【0029】
図3の横軸は、あらかじめ、被測定物6を反射鏡に置き換えて、これを所定の距離ずつ移動することにより、腕12の機械的な長さ、すなわち、通常の意味での実際の長さの変化として目盛ることが可能であるから、図3中での横軸は腕12の機械的長さとして示せる。このような横軸の目盛りの上での2つの干渉ピーク間の間隔をLで表す。
また、上の2カ所の干渉ピークは薄膜69内の光の往復に基づいて起こるから、これら2カ所の干渉ピークの(機械的距離で目盛った)間隔Lは、薄膜69の光学長、すなわち、薄膜69の光学的厚さ(薄膜の機械的厚さに薄膜の屈折率をかけた値)Toptの1/2である。したがって、
【0030】
【数1】
【0031】
と表される。すなわち、図3の強度変化のピーク間隔で測定された距離Lは、測定しようとしている薄膜の機械的な膜厚の1/2ではなく、薄膜の光学膜厚Toptの1/2である。
【0032】
被測定物6の薄膜69の屈折率nが既知である場合には、測定された光学膜厚Toptから、求める薄膜の機械的な膜厚Tは、先に述べた光学長と機械長との関係によって
【0033】
【数2】
【0034】
で与えられる。以上によって、屈折率nが既知である場合には薄膜69の膜厚Tが求められることになる。
【0035】
被測定物6の薄膜69の屈折率nが未知である場合には、上で測定された光学膜厚
Toptと独立に被測定物6の屈折率nを測定しなければならない。このように、光学膜厚
Toptと屈折率nを互いに独立に求める方法としては、すでに、先にも述べたように、文献1,文献2,特開平9−218016などがある。
【0036】
本発明では、よりシンプルで安定な方法として、以下に述べる可動部分の少ない方法を用いている。
先に述べた方法によって、被測定物6の光学膜69の厚さToptは既に求まっているものとする。このToptの測定中の腕11のファイバー17、光投射光学手段であるレンズ16、そのレンズを光軸方向に移動する移動ヘリコイド160、測定物6、測定物6をその被測定薄膜69の面内で直交する2軸XとYとの回りに2自由度で姿勢微調整するゴニオメータ式調整装置690、の相互位置の配置を図4(a)に示す。この状態では、ファイバー17の端面とレンズ16の間の距離はレンズの焦点距離fに保たれていて、レンズ16からの出射光は並行光となっており、それによって、図3に示したように、干渉強度変化の上に、2つののピークを得ている。この状態において、ファイバー17の端面と被測定物6の間の距離gを、たとえば、レンズ16の焦点距離fの4倍以上5倍までの距離、すなわち、
【0037】
【数3】
【0038】
の範囲の所定の距離gに固定する。つぎに、このように一旦距離gを固定したまま、レンズ16だけを被測定物の方向に移動させる。その結果、レンズ16から出射した光は並行光ではなくなり、被測定物6の薄膜69の表面6A、裏面6Bのいずれからの反射光も発散するため、大部分の光はファイバー17には戻らない。この結果、干渉ピークは消失する。[式3]は、1枚のレンズ16で、レンズの移動に対して、被測定薄膜69の表面6A、裏面6Bで結像を得るための条件である。
【0039】
さらに、レンズ16を被測定物6の薄膜69の方向に移動させてゆくと、やがて図4(b)に示すように、集光束は被測定薄膜69の裏面6Bで結像する。裏面6Bで結像の様子をさらに詳しく示すために、図4(d)に図4(b)の拡大図を示す。集光光線は、被測定薄膜69の持つ屈折率のため薄膜69の表面6Aで屈折する。光線の入射角と屈折角とは屈折の法則を満足するように屈折する。このときのレンズ16の最初の状態からの移動距離をaとする。ここで、薄膜の裏面6Bへの入射光と反射光とは互いに共焦点の関係となっており、反射光の大きな部分が、ファイバー17に戻り、干渉計中での干渉強度パターン上に1個のピークが現れる。このとき、表面6Aでは結像しておらず、共焦点状態を満足していないので、表面からの反射光による干渉ピークは現れない。すなわち、裏面と表面とからの2個のピークは同時には現れず、上述のように1個のピークが現れるのみである。
【0040】
さらに、レンズ16を被測定物の方向に移動させてゆくと、やがて、図4(c)に示すように、集光束は被測定薄膜69の表面6Aに結像する。このとき、裏面6Bでの結像の場合と同様、反射光の大きな部分が、ファイバー17に戻り、干渉計中での干渉強度パターン上に1個のピークが現れる。ここでのレンズ16の、図4(c)の状態からの移動距離をbとする。レンズの焦点距離f、上記の距離、a、b、c、gおよび、薄膜69の屈折率nなどの間には、レンズの結像関係式と屈折の法則から図4を参照して以下の諸式が成立することがわかる。
【0041】
図4(b)において、cはレンズ16から被測定薄膜69への収束入射光束の膜69中への延長線(破線)の交点までの距離である。レンズの結像公式から、
【0042】
【数4】
【0043】
が成立する。また、図から明らかなように、
【0044】
【数5】
【0045】
の関係がある。被測定薄膜69の表面6Aで起こる屈折について、屈折の法則から、次の[式6]が成立する。
【0046】
【数6】
【0047】
[式4]、[式5]、[式6]からcを消去して次の[式7]が得られる。
【0048】
【数7】
【0049】
[式7]の最右辺はすべて既知量である。先の[式2]より
【0050】
【数8】
【0051】
である。Toptは既に測定されている既知量である。 [式6]、[式7]、[式8]から
【0052】
【数9】
【0053】
【数10】
【0054】
dは[式7]により既知量であるから、[式9][式10]により薄膜69の膜厚Tと屈折率nがそれぞれ独立に得られたことになる。この測定の間、ファイバー出力端と被測定物との間の距離gは一定に保たれている。
なお、図4の(c)では、レンズの位置がさらに図中に示したbだけ前進しており、被測定薄膜の表面6Aで結像しており、干渉強度パターンにピークが現れるので、表面6Aの結像を確認することができる。このbの値と先にも用いたa,f,gの値の間には[式4]と同様なレンズによる結像関係が成立している。このときのファイバー17の端面とレンズ16の間の距離、レンズ16と被測定薄膜の表面6Aとの間の距離、はいずれもレンズ16の焦点距離fのほぼ2倍となっている。
【0055】
上の測定の間、ファイバー出力端と被測定物との間の距離gは先にも述べたように一定に保たれていた。このような測定が可能なgの範囲は、gが[式3]を満足しておればよく、厳密に定められた値である必要はない。そこで、調節可能で、かつ、固定可能な枠構造(投射光を遮らない)をファイバー出力端に取り付けて、被測定物にこの枠構造先端部を軽くタッチして測定を行うことにより被測定物の設定がシンプルで安定な測定が可能となる。
【0056】
次に被測定薄膜が、レンズの焦点fにくらべて半径の小さい円筒体や球殻体状の曲面状の薄膜である場合について、第2の実施例を図5を用いて説明する。円筒体状薄膜の例としては、細管チューブそのもの、またはその外面上に形成された薄膜、球殻体状薄膜についての例としては、真珠の成長層などがある。これらの場合には、被測定薄膜が平面状の場合の図4(a)、(b)、(c)、(d)が図5(a)、(b)、(c)、(d)に置き換わる。図4(a)では
Toptを測定する際のファイバー17とレンズ16間の距離をレンズの焦点距離fに一致させたが、球体薄膜の場合には図5(a)に示すように、その距離を焦点距離fの2倍付近の値h、すなわち、
【0057】
【数11】
【0058】
にとり、干渉強度パターン上に2つのピークが生じるよう球状被測定物をセットすればよい。これ以後の測定プロセスは、図の4の(b),(c),(d)と同様な図5の(b),(c),(d)のプロセスとなるので、[式4]〜[式7]中のfをhに置き換えればよく、最終的には、、[式8]〜[式9]がそのまま適用でき、球面上薄膜についても、膜厚Tと屈折率nとをそれぞれ独立に測定することができる。
【0059】
第3の実施例の配置図を図6に示す。本実施例では、腕11と腕12の両方に同一の特性を持つ圧電ファイバー長可変装置19A、19Bを、それぞれに設置している。圧電ファイバー長可変装置19A、19Bには、それぞれ励起電源20A、20Bからの励起電圧が印加される。直流を印加するか、低周波交流電圧を印加するか、あるいは、それらを重畳して印加するか、いずれの場合にしても、それらを独立に印加しても、共通の電圧を印加してもよい。特に共通の電圧を印加する場合には、それらの波形が両圧電素子に互いに逆相として働くように印加すれば、同一電圧で両腕の長さの差を図1の単一のファイバー長可変装置の場合の2倍変化させることができ、測定可能膜厚レンジを拡大することができる。また、同一電圧を印加する場合は、電源を1個として、各圧電素子への印加方向を逆にしても、同様の効果が得られることはいうまでもない。
【0060】
本発明は、実施例とその各種の側面に関して特に説明してきたが、その種々の変更や変形が本発明の精神と目的から逸脱することなくなされ得ることは当該分野に通常に精通したなんびとによっても理解されるところであろう。
【0061】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、被測定薄膜の直前の光空間伝搬路以外の部分の干渉計の光伝搬路をすべてファイバーとすることが可能となる。また、低コヒーレンス光源として高周波変調半導体レーザーを用いたことで、光伝搬路をほぼファイバー化したにもかかわらず、光源出力の利用効率を高めることができる。しかも被測定物の膜厚と屈折率を単一の装置の単一の可動部分の操作によって測定できる。また、これらの測定方法と測定装置は、平面状薄膜に限らず、球面状、円筒状その他各種の曲面状薄膜の測定にも適用できる。これらの結果、他物体上に形成された薄膜、あるいは、チューブ状、曲面状の薄膜に適用できる。しかもこの膜厚測定装置は組立容易で、使用の都度専門家による調整など不要で、安定性に優れ、膜厚が安定して測定可能である。したがって産業上の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例の膜厚測定装置の光学的配置図と光源励起電源回路
【図2】第1の実施例に使われる圧電式ファイバー長可変装置の斜視図とその励起電願部の回路図
【図3】第1の実施例における干渉計の腕の長さに対する干渉強度波形の変化
【図4】第1の実施例の測定原理を説明するための、被測定物直前の空間伝搬部の種々の光学的配置状態の図
【図5】第2の実施例の測定原理を説明するための被測定物直前の空間伝搬部の種々の光学配置状態の図
【図6】第3の実施例の膜厚測定装置の光学配置図
【図7】従来の空間伝搬光路型膜厚計測装置の原理を示す光学的配置図
【図8】従来の空間伝搬形の干渉計において、コヒーレンス光源を用いたときの1個の反射鏡の変位に対する両腕からの干渉強度の変化を示す図
【図9】従来の空間伝搬形の干渉計において、低コヒーレンス光源を用いたときの1個の反射鏡の変位に対する両腕からの干渉強度の変化を示す図
【図10】従来のファイバー化膜厚測定装置の光学的配置図
【図11】本発明の実施例に使用する磁気ひずみ装置の2つの例を示す斜視図であり、(a)は円筒状の構造を持つもの、(b)はトロイダル状の構造を持つものである。
【符号の説明】
1 光源、半導体レーザー
2 ハーフミラー
3 入射光
4 透過光
5 反射光
6 被測定物
6A 被測定薄膜の表面
6B 被測定薄膜の裏面
7 反射鏡
8、9 干渉光
10 光検出器
11、12 干渉計の腕
13 変位装置
14、15 空間伝搬路
16、26 レンズ
17 ファイバー
18 長尺ファイバー
19、19A、19B 圧電ファイバー長可変装置
20、20A、20B 圧電素子励起電源
21、22、23、24 方向性結合器の端子
25 高反射コーティング
69 膜
100 バイアスティー
101 直流電源
102 高周波電源
191 圧電素子
193、194 電極
201 直流電源
500 電気導体巻線
600 磁気ひずみ体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a device for non-destructively and non-contactly measuring and displaying the thickness of a thin film.
[0002]
[Prior art]
The necessity of non-destructively measuring thin films applied and formed on objects by various methods such as coating, painting, printing, coating, laminating, vapor deposition, depositing, sticking, transferring, forming, growing, etc. It often occurs in various fields of industrial, distribution and general consumption economic activities, such as management, quality control of products, and appraisal, identification, and authentication of jewelry made of thin films such as pearls. In addition, non-destructive film thickness of the thin film formed on the outer surface or inner surface of the cylindrical or tubular body, process control by continuous non-contact measurement, and film just under the surface of biological tissue with a layer structure in dentistry, ophthalmology, dermatology, etc. Thickness-related treatments and diagnoses often arise, such as the need for non-destructive measurement of enamel (or enamel) thickness in human and animal teeth.
[0003]
Independent sheet-like thin films such as films, papers, and plastic sheets can be measured with a micrometer or other mechanical film thickness meter. Such a method of mechanical film thickness measurement cannot be applied to a thin film or the like on the surface of a tubular or tubular body. For a thin film formed on an object, an ellipsometer is used if the thin film is relatively transparent. However, the measurement by the ellipsometer is complicated and time-consuming, and is not suitable for general purposes such as process control, quality control, and discrimination.
[0004]
When the thickness of the thin film is 100 μm or more and the required resolution is 10 μm or more, a simpler low coherence interferometer has been used instead of the ellipsometer. First, FIG. 7 is a diagram showing the principle of a conventional low coherence interferometer using light propagation in space. In FIG. 7, when the relative intensity of the
[0005]
The optical path from the
[0006]
The principle of the conventional thin film thickness meter using the low coherence interferometer will be described below. As the light source 1 of the interferometer for measuring the film thickness, a light source having a low coherence, that is, a light source having a short coherence length is selected. As a light source having a short coherence length, there is a so-called super luminescent diode (hereinafter, referred to as SLD) or a halogen lamp. If the coherence length is short, the interference light that changes sinusoidally with respect to the change in the length of one arm of the interferometer, and thus the sinusoidal output current from the
[0007]
In the measurement of the film thickness of the thin film by the interferometer, two reflection points exist because the refractive index of the front surface and the back surface of the thin film change stepwise. If the resolvable distance of each of these two reflection points is smaller than the film thickness itself, the above-described position measurement can be applied twice, and the difference between the positions is used as the optical film thickness of the thin film. Can be. The optical film thickness is obtained by multiplying the mechanical film thickness to be measured by the refractive index of the thin film. Therefore, when the refractive index of the thin film is known, the actual mechanical film thickness of the film to be measured can be obtained by dividing the optical film thickness by the refractive index. However, if the refractive index of the thin film is not known, it is necessary to measure the refractive index of the thin film independently. As described above, a method for independently determining the optical film thickness and the refractive index is described in, for example, G. Optics Letters, Vol. 20, No. 21, page 2258 (November 1995). J. Tearney et al., "Determination of the refractory Index of high scattering human tissue by optical doherence tomography" (published in Vol. 19, Vol. 19, pp. 1923, October 23, October 23, 1923). T. Fukano et al., "Simultaneous Measurement of Thicknesses and Refractive Indices of Multiple Layers" (hereinafter referred to as Document 2), and the inventor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-141652. Method for Simultaneous Measurement of Refractive Index and Thickness of Measurement Object and Apparatus Therefor ".
[0008]
The interferometer-type film thickness measuring apparatus that relies on light propagation in a space in the above-described prior example as described above requires a high degree of skill and time to arrange, set, and adjust optical components. There is also a problem with the long-term stability after completion, and there has been a problem that, even after the production of the device, it must be constantly adjusted by a skilled person each time the device is used. This is because, in an interferometer that relies on light propagation in space, the arrangement, setting, and adjustment of one optical component such as a mirror or a beam splitter correlates with the arrangement, setting, or adjustment of another optical component. This is because, in order to complete the arrangement and adjustment of the entire apparatus, the adjustment time required for adjustment of each component is approximately N (N-1) times as long as the number of components is substantially N. Further, as for the stability, the stability of each component is required to be √N times the number N of parts.
[0009]
If the arrangement, setting, and adjustment of one optical component are not related to the arrangement, setting, and adjustment of the other optical components, the time required to complete the arrangement and adjustment of the entire apparatus is approximately The adjustment time required for the adjustment of the parts is almost the same as the number of parts, and the stability of the entire apparatus is the same as the stability of the individual parts.
As described above, in order to separate and independence of the arrangement, setting, adjustment, and stability of each optical component, the optical propagation between the optical components depends on the spatial propagation and the optical fiber is used. What is necessary is just to make it independent from light propagation.
[0010]
FIG. 10 shows a conventional interferometer film thickness measuring apparatus in which the film thickness measuring apparatus using the interferometer by the light propagating in the space shown in FIG. What is indicated by a thick solid line is a fiber. The components in FIG. 10 that perform the same functions as the components in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals as the corresponding components in FIG. The
[0011]
In the conventional fiberized interferometer film thickness measuring device shown in FIG. 10, the arrangement, setting, and adjustment of each optical component are also independent in assembling the system of the interferometer film thickness measuring device using many optical components. You. In addition, the assembly is performed simply by connecting the components with fiber connectors. Therefore, no skilled person is required, and the assembling work is extremely shortened. Further, the stability of the device is remarkably improved for the above-mentioned reason. However, in this conventional apparatus, the
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional fiberized interferometer film thickness measuring apparatus of FIG. 10, in order to project the measuring light to the object to be measured in a non-contact manner and to make the distance between the arms of the interferometer variable, the space just before the object to be measured 6 is required. A
[0013]
In addition, as a light source, a low-coherence SLD, a halogen lamp, or the like has been conventionally used in order to reduce a resolvable distance. However, since these light sources have low spatial coherence, when they are formed into fibers, the coupling efficiency from the light sources to the fibers becomes extremely poor, and the power level of light that can be used for interferometric measurement is extremely lowered. Therefore, the signal-to-noise ratio of the sinusoidal detection current output obtained as a result of the interference is reduced, and the film thickness resolution to be obtained is lowered. In particular, when the thin film to be measured is not a transparent body but a medium having scattering or absorptivity, a low power level of the measuring light is fatal, and in that case, the measurement becomes impossible.
[0014]
As described above, in a fiberized interferometer-type film thickness measuring device, the coupling efficiency from the fiber to the fiber from a low coherence SLD or halogen lamp light source required for high-resolution interferometric film thickness measurement is increased. However, there is a problem that the film thickness resolution ability is extremely lowered due to the formation of the film, and the film thickness resolving ability resulting therefrom is lowered.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In the fiberized interferometer film thickness measuring apparatus of the present invention, first, in order to facilitate the assembling and adjusting work of the interferometer included in the apparatus and to improve the stability of the apparatus, a part of the fiber constituting the interferometer is formed. By making the fiber length itself variable, the spatial propagation path necessary for making the length of the arm of the interferometer variable was eliminated. As a result, the fiber interferometer film thickness measuring apparatus of the present invention thus configured is shown in FIG. In FIG. 1, a spatial propagation path other than an extremely short
[0016]
As a method for changing the physical length of the fiber itself described above, a long fiber wound around a piezoelectric element or a magnetostrictive element is inserted into at least one arm of an interference type, and a variable voltage ( A piezoelectric element) or a variable current (magnetostrictive element) is applied. As a result, all parts other than the
[0017]
The thin film thickness measuring apparatus of the present invention comprises a semiconductor laser as a light source modulated at a predetermined high frequency on the order of gigahertz, and a measurement optical path arm and a non-measurement optical path arm for guiding low coherence light emitted by the semiconductor laser. An interferometer having an arm of the above, wherein the non-measuring optical path arm is an optical path substantially consisting only of an optical fiber (hereinafter simply referred to as a fiber) and not including a spatial propagation optical path, and the measuring optical path arm is Except for a space-propagating optical path of a predetermined length from the end face of the optical fiber to project the low coherence light emitted by the semiconductor laser to the surface of the thin film to be measured from the object to be measured, the optical fiber comprises only the optical fiber. Features.
The method for measuring the thickness of a thin film according to the present invention includes the steps of: generating a low coherence light by modulating a semiconductor laser as a light source at a predetermined high frequency on the order of gigahertz; Guiding the two arms of the light path arm,
The non-measurement optical path arm is an optical path substantially consisting only of an optical fiber (hereinafter simply referred to as a fiber) and not including a spatially propagating optical path, and the measurement optical path arm transmits the low coherence light emitted by the semiconductor laser to an object to be measured. Except for a predetermined length of the spatially propagating optical path from the end face of the optical fiber to the surface of the thin film to be projected for projecting on the surface of the thin film to be measured, it consists of only the optical fiber, and the thickness of the thin film to be measured is measured by the interferometer. It is characterized by the following.
Further, in the fiber interferometer film thickness measuring apparatus of the present invention, a pulse oscillation semiconductor laser is used, and the excitation current of the semiconductor laser is subjected to high frequency modulation. While utilizing the better spatial coherency, the reduction in temporal coherency (necessary to increase the film thickness resolution) that can be achieved by modulation is also realized. As a result, even in the case of fiber conversion, the light source High efficiency In addition to maintaining good coupling and realizing low temporal coherency, sensitivity and resolution with respect to film thickness are simultaneously increased.
[0018]
In addition, a long fiber wound around a piezoelectric element or a magnetostrictive element to make the length of the arm of the interferometer variable is provided on both arms of the interferometer, and each is in opposite phase. excitation By doing so, the range of measurable film thickness is expanded.
[0019]
In addition, a new method is proposed in which a single device can simultaneously measure the optical film thickness and refractive index required for measuring the film thickness with unknown refractive index by moving only the lens to irradiate the object to be measured. Have been.
This makes it possible to integrate the measurement head portion including the spatial propagation path immediately before the object to be measured and to stably measure the film thickness more easily by holding the tip portion in contact with the object to be measured.
[0020]
Combined with the improvement of the above components, easy assembly, improved sensitivity and film thickness resolution, expanded measurable film thickness range, stable operation, and a fiber that enables simultaneous and independent measurement of film thickness and refractive index An interferometer film thickness measuring device can be realized.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0022]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. Corresponding elements having the same functions as those of the conventional example shown in FIG. 6 or FIG. 10 are given the same reference numerals as those in FIG. 6 or FIG. A duplicate description of them will be omitted here.
[0023]
The light source 1 uses a semiconductor laser. As the semiconductor laser 1, a type of semiconductor laser which can be modulated at high speed, has a small junction capacitance and other floating capacitance, has a short device lead wire, and has a small inductive reactance, which is used for an optical LAN or the like, is used. Through such a semiconductor laser, a DC bias from a
[0024]
The arm that changes the length of the fiber among the two arms of the interferometer is the non-measuring
[0025]
As described above with reference to FIG. 9, in the low coherence interferometer according to the present invention, an interference waveform appears only in the vicinity of a state where both arms of the interferometer have the same length. Therefore, in this embodiment in which the non-measuring
[0026]
Since the length of one
[0027]
The above-described piezoelectric fiber length variable device may be replaced with a magnetostrictive fiber length variable device using a magnetostrictive body such as an alphero alloy or a rare earth intermetallic compound (so-called terphenol). An example is shown in FIG. FIG. 11 shows an electric conductor winding 500 shown by a thin line and a
[0028]
Next, the measurement operation by the thin film thickness measuring apparatus using interference according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
The length of one
[0029]
The horizontal axis in FIG. 3 represents the mechanical length of the
Since the above two interference peaks occur based on the reciprocation of light in the
[0030]
(Equation 1)
[0031]
It is expressed as That is, the distance L measured at the peak interval of the intensity change in FIG. 3 is not 1/2 of the mechanical thickness of the thin film to be measured, but 1/2 of the optical thickness Topt of the thin film.
[0032]
When the refractive index n of the
[0033]
(Equation 2)
[0034]
Given by As described above, when the refractive index n is known, the thickness T of the
[0035]
If the refractive index n of the
The refractive index n of the device under
As methods for independently determining Topt and the refractive index n, as described above, there are Literature 1,
[0036]
In the present invention, as a simpler and more stable method, the following method with a small number of movable parts is used.
It is assumed that the thickness Topt of the
[0037]
[Equation 3]
[0038]
Is fixed at a predetermined distance g in the range of. Next, while the distance g is fixed once, only the
[0039]
Further, when the
[0040]
Further, when the
[0041]
In FIG. 4B, c is the distance from the
[0042]
(Equation 4)
[0043]
Holds. Also, as is clear from the figure,
[0044]
(Equation 5)
[0045]
There is a relationship. With respect to refraction occurring on the
[0046]
(Equation 6)
[0047]
By eliminating c from [Equation 4], [Equation 5], and [Equation 6], the following [Equation 7] is obtained.
[0048]
(Equation 7)
[0049]
The rightmost sides of [Equation 7] are all known quantities. From [Equation 2] above
[0050]
(Equation 8)
[0051]
It is. Topt is a known quantity that has already been measured. From [Equation 6], [Equation 7], and [Equation 8]
[0052]
(Equation 9)
[0053]
(Equation 10)
[0054]
Since d is a known amount according to [Equation 7], the film thickness T and the refractive index n of the
In FIG. 4C, the position of the lens is further advanced by b shown in the figure, an image is formed on the
[0055]
During the above measurement, the distance g between the fiber output end and the device under test was kept constant as described above. The range of g in which such measurement can be performed is only required to satisfy g [Equation 3], and does not need to be a strictly determined value. Therefore, an adjustable and fixable frame structure (which does not block the projected light) is attached to the fiber output end, Suffered By lightly touching the front end of the frame structure to the object to be measured, the setting of the object to be measured is simple and stable measurement is possible.
[0056]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. 5 in a case where the thin film to be measured is a cylindrical or spherical shell-shaped curved thin film having a smaller radius than the focal point f of the lens. Examples of the cylindrical thin film include a thin tube formed on the tube itself, or a thin film formed on the outer surface thereof, and examples of the spherical shell thin film include a pearl growth layer. In these cases, FIGS. 4 (a), (b), (c) and (d) when the thin film to be measured is planar are shown in FIGS. 5 (a), (b), (c) and (d). Is replaced by In FIG. 4A,
The distance between the
[0057]
(Equation 11)
[0058]
In addition, the spherical object may be set so that two peaks are generated on the interference intensity pattern. The subsequent measurement process is the same as the processes of (b), (c), and (d) in FIG. 5 similar to (b), (c), and (d) of FIG. It is sufficient to replace f in [Equation 7] with h. Finally, [Equations 8] to [Equation 9] can be applied as they are, and the film thickness T and the refractive index n are each set to the spherical thin film. It can be measured independently.
[0059]
FIG. 6 shows a layout of the third embodiment. In this embodiment, the piezoelectric fiber length variable devices 19A and 19B having the same characteristics are provided on both the
[0060]
Although the present invention has been particularly described with respect to embodiments and various aspects thereof, it will be appreciated by those of ordinary skill in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and purpose of the invention. It will be understood.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to make all the optical propagation paths of the interferometer other than the optical space propagation path immediately before the thin film to be measured be fibers. In addition, by using a high-frequency modulated semiconductor laser as the low coherence light source, it is possible to increase the utilization efficiency of the light source output despite the fact that the optical propagation path is substantially fiberized. In addition, the thickness and the refractive index of the object to be measured can be measured by operating a single movable portion of a single device. In addition, these measuring methods and measuring devices can be applied not only to the measurement of a flat thin film but also to the measurement of a spherical thin film, a cylindrical thin film and various other curved thin films. As a result, the present invention can be applied to a thin film formed on another object or a thin film having a tube shape or a curved surface. Moreover, this film thickness measuring device is easy to assemble, does not require adjustment by an expert every time it is used, has excellent stability, and can measure the film thickness stably. Therefore, the industrial effect is extremely large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical arrangement diagram of a film thickness measuring apparatus according to a first embodiment and a light source excitation power supply circuit.
FIG. 2 is a perspective view of a piezoelectric fiber length varying device used in the first embodiment and a circuit diagram of an excitation electrode portion thereof.
FIG. 3 shows a change of an interference intensity waveform with respect to an arm length of the interferometer in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating various optical arrangement states of a space propagation unit immediately before an object to be measured, for explaining a measurement principle of the first embodiment.
FIG. 5 is a view showing various optical arrangement states of a space propagation unit immediately before an object to be measured, for explaining a measurement principle of a second embodiment.
FIG. 6 is an optical arrangement diagram of a film thickness measuring apparatus according to a third embodiment.
FIG. 7 is an optical layout diagram showing the principle of a conventional space propagation optical path type film thickness measuring apparatus.
FIG. 8 is a diagram showing a change in interference intensity from both arms with respect to a displacement of one reflector when a coherence light source is used in a conventional space propagation interferometer.
FIG. 9 is a diagram showing a change in interference intensity from both arms with respect to displacement of one reflector when a low coherence light source is used in a conventional space-propagation interferometer.
FIG. 10 is an optical layout diagram of a conventional fiberized film thickness measuring apparatus.
11A and 11B are perspective views showing two examples of a magnetostrictive device used in an embodiment of the present invention, in which FIG. 11A has a cylindrical structure, and FIG. 11B has a toroidal structure. is there.
[Explanation of symbols]
1 light source, semiconductor laser
2 Half mirror
3 Incident light
4 transmitted light
5 Reflected light
6 DUT
6A Surface of thin film to be measured
6B Back side of thin film to be measured
7 Reflector
8, 9 interference light
10 Photodetector
11,12 Interferometer arm
13 Displacement device
14, 15 Spatial propagation path
16, 26 lenses
17 Fiber
18 long fiber
19, 19A, 19B Piezoelectric fiber length variable device
20, 20A, 20B piezoelectric element excitation power supply
21, 22, 23, 24 Terminals of directional coupler
25 High reflection coating
69 membrane
100 bias tee
101 DC power supply
102 High frequency power supply
191 Piezoelectric element
193, 194 electrode
201 DC power supply
500 Electric conductor winding
600 magnetostrictive body
Claims (22)
前記半導体レーザーが発する低コヒーレンス光を導く測定光路腕及び非測定光路腕の2本の腕を持つ干渉計と、
を有し、
前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー(以下単にファイバーと称す)のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、
前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなる、
ことを特徴とする薄膜の膜厚測定装置。A semiconductor laser as a light source modulated at a predetermined high frequency on the order of gigahertz;
An interferometer having two arms, a measurement light path arm and a non-measurement light path arm, for guiding low coherence light emitted by the semiconductor laser;
Has,
The non-measurement optical path arm is an optical path substantially consisting only of an optical fiber (hereinafter simply referred to as a fiber) and not including a space propagation optical path,
The measurement optical path arm excludes a predetermined length of spatially propagating optical path from the end face of the optical fiber for projecting the low coherence light emitted by the semiconductor laser to the surface of the thin film to be measured from the object to be measured. Consisting only of optical fiber,
An apparatus for measuring the thickness of a thin film.
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項1に記載の薄膜の膜厚測定装置。At least the measurement optical path arm of the interferometer includes a piezoelectric fiber length variable device in which a fiber is wound around a piezoelectric element,
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is a reflecting mirror coated with high reflection,
The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 1, wherein:
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項1に記載の薄膜の膜厚測定装置。Both arms of the interferometer include a piezoelectric fiber length variable device in which a fiber is wound around a piezoelectric element,
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is a reflecting mirror coated with high reflection,
The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 1, wherein:
前記非測定航路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項1に記載の薄膜の膜厚測定装置。At least the pre-measurement optical path arm of the interferometer includes a magnetostrictive fiber length variable device in which a fiber is wound around a magnetostrictive body,
The end face of the optical fiber of the non-measurement channel arm is a reflecting mirror coated with high reflection,
The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 1, wherein:
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡である、
ことを特徴とする請求項1に記載の薄膜の膜厚測定装置。Both arms of the interferometer include a magnetostrictive fiber length variable device in which a fiber is wound around a magnetostrictive body,
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is a reflecting mirror coated with high reflection,
The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項4または5に記載の薄膜の膜厚測定装置。The magnetostrictive body is substantially cylindrical, and a fiber is wound around the cylindrical surface,
The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 4 or 5, wherein:
ことを特徴とする請求項4または5に記載の薄膜の膜厚測定装置。The magnetostrictive body is substantially toroidal, and a fiber is wound around the toroidal surface;
The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 4 or 5, wherein:
前記ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路上に置いた投射光学手段を空間伝搬光路に沿って移動する移動手段と、
をさらに具えた請求項1ないし7のいずれかに1つに記載の薄膜の膜厚測定装置。Fixing means for fixing the relative spatial positional relationship between the end face of the fiber of the measurement optical path arm and the surface of the thin film to be measured,
Moving means for moving the projection optical means along the spatially propagating optical path placed on a spatially propagating optical path of a predetermined length from the end face of the fiber to the surface of the thin film to be measured;
The thin film thickness measuring device according to claim 1, further comprising:
この平面又は曲面の法線を空間伝搬光路の光軸に実質的に一致させるように被測定物の姿勢を微細に調整して保持する保持具をさらに具えた、
ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の薄膜の膜厚測定装置。The thin film to be measured is any plane or curved surface,
The apparatus further comprises a holder for finely adjusting and holding the posture of the DUT so that the normal of the plane or the curved surface substantially matches the optical axis of the space propagation optical path,
9. The apparatus for measuring the thickness of a thin film according to claim 1, wherein:
前記低コヒーレンス光を干渉計の測定光路腕及び非測定光路腕の2本の腕に導くステップ、
を有し、
前記非測定光路腕は実質的に光ファイバー(以下単にファイバーと称す)のみからなっていて空間伝搬光路を含まない光路であり、
前記測定光路腕は前記半導体レーザーが発する前記低コヒーレンス光を被測定物の被測定薄膜の表面に投射するための光ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路を除いては光ファイバーのみからなり、
上記干渉計により被測定薄膜の膜厚を測定する、
ことを特徴とする薄膜の膜厚測定方法。Modulating a semiconductor laser as a light source with a predetermined high frequency on the order of gigahertz to generate low coherence light; and guiding the low coherence light to two arms of a measurement optical path arm and a non-measurement optical path arm of the interferometer. ,
Has,
The non-measurement optical path arm is an optical path substantially consisting only of an optical fiber (hereinafter simply referred to as a fiber) and not including a space propagation optical path,
The measurement optical path arm excludes a predetermined length of spatially propagating optical path from the end face of the optical fiber for projecting the low coherence light emitted by the semiconductor laser to the surface of the thin film to be measured from the object to be measured. Consists of only optical fiber,
Measuring the thickness of the thin film to be measured by the interferometer,
A method for measuring the thickness of a thin film, comprising:
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であることにより常に安定な非測定光路腕長を保たせる、
ことを特徴とする請求項12に記載の薄膜の膜厚測定方法。At least the measurement optical path arm of the interferometer includes a piezoelectric-type fiber length variable device in which a fiber is wound around a piezoelectric element, and the fiber length is significantly changed by the piezoelectric action.
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is always a stable non-measuring optical path arm length by being a reflecting mirror coated with high reflection,
The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 12, wherein:
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であり、
両方の腕のファイバー長を圧電作用によって有意に変化させることにより、上記干渉計により被測定薄膜の膜厚を測定する、
ことを特徴とする請求項12に記載の薄膜の膜厚測定方法。Both arms of the interferometer include a piezoelectric fiber length variable device in which a fiber is wound around a piezoelectric element,
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is a reflecting mirror coated with high reflection,
By significantly changing the fiber length of both arms by piezoelectric action, the thickness of the thin film to be measured is measured by the interferometer,
The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 12, wherein:
ずみ型のファイバー長可変装置を含み、その磁気ひずみ作用によってファイバー長を有意
に変化させ、
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であること
により常に安定な非測定光路腕長を保たせる、
ことを特徴とする請求項12に記載の薄膜の膜厚測定方法。At least the measurement optical path arm of the interferometer includes a magnetostrictive fiber length variable device in which a fiber is wound around a magnetostrictive body, and the fiber length is significantly changed by the magnetostrictive action,
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is always a stable non-measuring optical path arm length by being a reflecting mirror coated with high reflection,
The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 12, wherein:
前記非測定光路腕の光ファイバーの端面が高反射コーティングされた反射鏡であることにより常に安定な非測定光路腕長を保たせる、
ことを特徴とする請求項12に記載の薄膜の膜厚測定方法。Both arms of the interferometer include a magnetostrictive fiber length variable device in which a fiber is wound around a magnetostrictive body, and the fiber length is significantly changed by the magnetostrictive action,
The end face of the optical fiber of the non-measuring optical path arm is always a stable non-measuring optical path arm length by being a reflecting mirror coated with high reflection,
The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 12, wherein:
ことを特徴とする請求項15または16に記載の薄膜の膜厚測定方法。The magnetostrictive body is substantially cylindrical, and a fiber is wound around the cylindrical surface,
17. The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 15, wherein:
ことを特徴とする請求項15または16に記載の薄膜の膜厚測定方法。The magnetostrictive body is substantially toroidal, and a fiber is wound around the toroidal surface;
17. The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 15, wherein:
前記ファイバーの端面から被測定薄膜の表面までの所定長の空間伝搬光路上に置いた投射光学手段を空間伝搬光路に沿って移動するステップ、
をさらに具えた請求項12ないし18のいずれか1つに記載の薄膜の膜厚測定方法。Fixing the relative spatial positional relationship between the end face of the fiber of the measurement optical path arm and the surface of the thin film to be measured by a fixing means, and on a spatially propagating optical path of a predetermined length from the end face of the fiber to the surface of the thin film to be measured. Moving the placed projection optical means along the spatially propagating optical path,
The method for measuring the thickness of a thin film according to any one of claims 12 to 18, further comprising:
この平面又は曲面の法線を空間伝搬光路の光軸に実質的に一致させるように被測定物の姿勢を姿勢調整保持具で微細に調整保持するステップ、をさらに具えた、
ことを特徴とする請求項12ないし19のいずれか1つに記載の薄膜の膜厚測定方法。The thin film to be measured is any plane or curved surface,
Further comprising a step of finely adjusting and holding the posture of the measured object with a posture adjustment holder so that the normal of the plane or the curved surface substantially coincides with the optical axis of the space propagation optical path,
20. The method for measuring the thickness of a thin film according to claim 12, wherein the thickness of the thin film is measured.
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