JP2013195290A - 光学的距離測定装置 - Google Patents
光学的距離測定装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013195290A JP2013195290A JP2012064171A JP2012064171A JP2013195290A JP 2013195290 A JP2013195290 A JP 2013195290A JP 2012064171 A JP2012064171 A JP 2012064171A JP 2012064171 A JP2012064171 A JP 2012064171A JP 2013195290 A JP2013195290 A JP 2013195290A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical fiber
- cos
- light
- maintaining optical
- polarization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
【課題】光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、該両面からの反射光束の干渉光を分光器で分光することにより前記測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置を用いて取得する干渉光のスペクトルにおいてリップルを生じさせないような根源対策を提供する。
【解決手段】光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、反射光束の干渉光を分光器で分光することにより測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置において、a0を分光器の波長分解能(nm)に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1を偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)として、光源から分光器の間に用いられている偏波保持光ファイバの長さd(m)を d0=d1×(a1/a0)により算出される値d0よりも長くする。
【選択図】図１０
【解決手段】光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、反射光束の干渉光を分光器で分光することにより測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置において、a0を分光器の波長分解能(nm)に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1を偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)として、光源から分光器の間に用いられている偏波保持光ファイバの長さd(m)を d0=d1×(a1/a0)により算出される値d0よりも長くする。
【選択図】図１０
Description
本発明は、比較的小さな距離、例えば各種のエッチング加工によって半導体基板などに形成される微細な孔、例えばTSV（＝Through Silicon Via：シリコン貫通ビア）の深さや段差、各種の研磨加工によって表面が削られる基板や結晶体などの厚さ、或いはCVDなどにより基板表面に成膜を行う際の膜厚など、を光学的に測定するための光学的距離測定装置に関する。
半導体集積回路の製造プロセスでは、シリコンウエハ等の半導体基板にごく微細な孔や溝を形成するために低圧プラズマ等を用いたエッチング加工が行われている。通常、エッチング工程では、まず、基板上で孔や溝を形成しない部分にレジスト膜によるマスキングを行った上でエッチング加工を実行する。これにより、マスキングされていない部分のみが選択的に削られるから、加工後にレジスト膜を除去することで任意の形状の孔や溝を形成することが可能となる。このときに形成される孔や溝の深さはエッチングの時間、ガス種類、ガス圧などの様々な条件に依存するから、孔や溝の深さを目標深さにするために、加工中に実際の深さをモニタリングしながらエッチングの終了点を決めたり条件を調整したりする制御がなされる。
また、エッチングとは逆に、マスキングを施していない部分に酸化膜や金属膜等を生成する成膜処理も行われるが、この場合も、処理の終了時点を定めるために成膜部分の厚さをモニタリングする必要がある。
エッチングによって形成される微細孔の深さや段差、削られる膜層の膜厚、研磨等によって表面が徐々に削られる基板や結晶体の厚さ、或いは成膜厚さなどの比較的小さな距離を光学的に測定する技術として、低コヒーレンス光の干渉を用いたものが知られている（特許文献１〜３）。
代表例として、特許文献１に記載の光断層画像化装置によりその原理を説明する（図１）。低コヒーレンス光の光源LSとしてSLD（Super Luminescent Diode）が用いられ、その光源LSからの光束が光ファイバFB1を通ってファイバカプラFCに送られて、そこで2つに分割される。一方の光束は光ファイバFB2を通って測定対象面OBに送られ、他方の光束は光ファイバFB3を通って参照面RFに送られる。測定対象面OBと参照面RFに送られた光束は、それぞれの表面で反射され、ファイバカプラFCに戻ってそこで合波されて光ファイバFB4を通って回折格子DGに送られる。合波した光はここで分光され、リニア光検出器DTにより波長毎に並列に検出される。
検出されたスペクトルには、測定対象面OBと参照面RFの各表面で反射された2つの光束の干渉によるスペクトルが含まれるが、それ以前に、光源LSのスペクトルも含まれる。そこで、検出器DTで検出された光のスペクトルから光源LSのスペクトルを除去して両測定面からの干渉光のスペクトルのみとした後、フーリエ変換を行うことにより、測定対象面OBの深さ方向の情報を得る。
上記のようにして得られた干渉光のスペクトルには、図２に示すようにリップルと呼ばれる細かい波が現れることがあることが知られている（特許文献１の［００４３］）。干渉スペクトルにこのようなリップルが存在すると、フーリエ変換後の信号において偽ピーク（サイドローブ）が出現する（図３参照）。この偽ピークは見かけ上、測定対象面OBの深さの情報を示す成分と同じとなってしまうため、目的とする情報に対するノイズとなり、用途によって断層画像の画質の劣化や測定精度の低下等の問題を引き起こす。
このため、従来より、干渉光のスペクトルに含まれるリップルを除去するための様々な処理が行われていた。しかし、原干渉スペクトルにおけるリップル、或いは、それをフーリエ変換した後の信号に現れる偽ピークを除去する方法では、何らかの波形の歪や測定精度の低下を引き起こすおそれがある。
本願発明は、このような事後対策ではなく、そもそもそのようなリップルを生じさせないような根源対策を提供するものである。
上記課題を解決するためになされた本発明の第１の態様は、光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、該両面からの反射光束の干渉光を分光器で分光することにより前記測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置において、前記光源から前記分光器の間に用いられている偏波保持光ファイバの長さd(m)を以下の式で算出される値d0よりも長くすることを特徴とする。
d0=d1×(a1/a0)
ここで、a0は前記分光器の波長分解能(nm)に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1は偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)である。
d0=d1×(a1/a0)
ここで、a0は前記分光器の波長分解能(nm)に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1は偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)である。
目標波長分解能の値a0は、前記分光器の波長分解能(nm)の値そのものとしてもよいし、それよりもやや大きい値として、使用に際して実用上問題ないと判断される値に定めてもよい。
また、上記課題を解決するためになされた本発明の第２の態様は、光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、該両面からの反射光束の干渉光を分光器で分光することにより前記測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置において、前記光源から前記分光器の間に用いられている偏波保持光ファイバのいずれかの箇所に偏光解消手段を挿入することを特徴とする。
なお、この発明態様における偏光解消手段の挿入箇所は、偏波保持光ファイバの途中のいずれかの箇所の他、光源と偏波保持光ファイバの間、又は、偏波保持光ファイバと分光器の間、であってもよい。
この種の光学的距離測定装置では微小な距離を測定するため、僅かのスペクトルの変化も測定誤差に結びつく。光源と分光器の間の光導通路として通常の光ファイバを用いた場合、その光ファイバの状態が変わることにより（例えば、光ファイバが曲げられ、光ファイバに内部応力が加わることにより）スペクトルに変化が生じてしまう可能性がある。そこで最近の装置では、得られる干渉光のスペクトルを安定させるために、光源と分光器の間の光導通路には偏波保持光ファイバを使用することが多い。本願発明者らの研究によれば、前記の干渉光スペクトルに現れるリップルは、この偏波保持光ファイバを使用した場合に現れることが判明した。そして更に研究を行った結果、次のような条件が揃った場合にリップルが出現することが明らかとなった。
[1] 光源に低コヒーレンス光源やレーザダイオード等の偏光発振デバイスが使用されている。
[2] 光源の導波路として複屈折特性を持つ光ファイバ（この中に偏波保持光ファイバが含まれる）が使用されている。
[3] 干渉光を分光する手段として回折格子等の偏光依存性を有する分光素子が使用されている。
[1] 光源に低コヒーレンス光源やレーザダイオード等の偏光発振デバイスが使用されている。
[2] 光源の導波路として複屈折特性を持つ光ファイバ（この中に偏波保持光ファイバが含まれる）が使用されている。
[3] 干渉光を分光する手段として回折格子等の偏光依存性を有する分光素子が使用されている。
従って、干渉光にリップルを出現させないようにするためには、これらのいずれか一つの条件を満たさないようにすればよい。本願発明はこのうち[2]又は[1]の条件を満たさないようするためのものである。
本発明の第１の態様においては、偏波保持光ファイバの長さd(m)を上記式で算出される値d0よりも長くするが、これは、干渉光スペクトルにおけるリップルの周期（波長の幅）を短くし、距離測定に影響を与えない、或いは、支障を起こさないようにするものである。その原理は次の通りである。
これも本発明者らの研究によれば、分光後の光の検出器により検出される光の強度Iは次の式で表される。
I=D+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・(2π/λ)・d}(s2-t2) …(1)
ここで、Dは光の強度のDC成分であり、光源の強度に依存する。第2項が変動成分、すなわちリップルを表し、各変数は次の物理量を表す。
Ex, Ey：光源光のx方向、y方向の電場成分強度
nx, ny：光ファイバのx方向、y方向の屈折率
λ：使用される光の波長
d：使用される偏波保持光ファイバの長さ
s, t：偏光依存回折格子の2方向の振幅透過率
φ：偏波保持光ファイバの偏波方向x(又はy)と偏光依存分光器の方向s(又はt)の間の角度
I=D+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・(2π/λ)・d}(s2-t2) …(1)
ここで、Dは光の強度のDC成分であり、光源の強度に依存する。第2項が変動成分、すなわちリップルを表し、各変数は次の物理量を表す。
Ex, Ey：光源光のx方向、y方向の電場成分強度
nx, ny：光ファイバのx方向、y方向の屈折率
λ：使用される光の波長
d：使用される偏波保持光ファイバの長さ
s, t：偏光依存回折格子の2方向の振幅透過率
φ：偏波保持光ファイバの偏波方向x(又はy)と偏光依存分光器の方向s(又はt)の間の角度
(1)式は、cos内の式がdに比例することを示している。すなわち、リップルの周期（波長幅）は、偏波保持光ファイバの長さdに反比例する。従って、偏波保持光ファイバの長さdを所定の長さ以上にすることにより、リップルの周期を測定に問題のない領域に押しやることができる。その一つの考え方として、リップルの周期を光検出器の波長分解能以下とすることもできるし、或いは、それ以上であっても、測定の目的に応じて支障のない程度とすることもできる。本発明の第１の態様では、予め、装置で用いる偏波保持光ファイバを長さd1としてその時のリップルの波長周期の値a1(nm)を測定しておき、この目標リップル周期に応じて長さdを設定するというものである。
また、本発明の第２の態様では、偏波保持光ファイバの途中のいずれかの箇所（或いは、光源と偏波保持光ファイバの間、又は、偏波保持光ファイバと分光器の間）に偏光解消手段を挿入することにより、上記式(1)における(nx-ny)をゼロとするものである。これにより、リップルそのものが解消される。
なお、上記式(1)においてφ=0とする（sinφ=0とする）ことも対応策の一つであるが、ここでは扱わない。また、(s2-t2)=0とすること、すなわち、偏光依存性のない分光器（例えば、プリズム）を用いることも対応策の一つとして考えられるが、ここでは扱わない。
本願発明者は、干渉光のスペクトルに現れるリップルに起因して、フーリエ変換後の信号に偽ピーク（サイドピーク）が出現してしまうという問題を解決するため、まずリップルが発生する原因を究明した。
SLD光源、偏波保持光ファイバ、回折格子（検光子）、及びセンサからなる構成（図５(a)）をモデルとして、以下の検討を行った。偏波保持光ファイバの長さをd、SLD光源から出射する光の偏波方向と回折格子の回折溝の方向がなす角をφとする。図５(b)に光源光の電場成分強度Ex, Ey、偏波保持光ファイバの屈折率nx, ny、上記長さd、上記角度φをそれぞれ示す。
入射電場のx成分、y成分はそれぞれ
Ex・cos(nx・2π/λ・z-ωt) …(2)
Ey・cos(ny・2π/λ・z-ωt) …(3)
Ex, Ey：光源光のx方向、y方向の電場成分強度
nx, ny：光ファイバのx方向、y方向の屈折率
λ, ω：使用される光の波長と周波数（ω=1/λ）
φ：偏波保持光ファイバの偏波方向x(又はy)と偏光依存分光器の方向s(又はt)の間の角
で表される。この光が長さdの偏波保持光ファイバを通過すると、電場のx成分、y成分は
Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt) …(4)
Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt) …(5)
となる。ここで、回折格子が理想的検光子であるとすると、x軸と角φをなす方向の成分のみが検光子を通過できるので、通過後の電場は
E=Ex・cosφ・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+Ey・sinφ・cos(ny・2π/λ・d-ωt) …(6)
となる。
Ex・cos(nx・2π/λ・z-ωt) …(2)
Ey・cos(ny・2π/λ・z-ωt) …(3)
Ex, Ey：光源光のx方向、y方向の電場成分強度
nx, ny：光ファイバのx方向、y方向の屈折率
λ, ω：使用される光の波長と周波数（ω=1/λ）
φ：偏波保持光ファイバの偏波方向x(又はy)と偏光依存分光器の方向s(又はt)の間の角
で表される。この光が長さdの偏波保持光ファイバを通過すると、電場のx成分、y成分は
Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt) …(4)
Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt) …(5)
となる。ここで、回折格子が理想的検光子であるとすると、x軸と角φをなす方向の成分のみが検光子を通過できるので、通過後の電場は
E=Ex・cosφ・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+Ey・sinφ・cos(ny・2π/λ・d-ωt) …(6)
となる。
センサ上では式(6)の二乗の時間平均で表される強度で光が検出されるため、検出強度は
I0={Ex・cosφ・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+Ey・sinφ・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}2
=Ex 2・cos2φ・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)+Ey 2・sin2φ・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
+2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt) …(7)
で表される。式(7)の第一項、第二項は時間平均するとn, d, λに依存しないDC項となる。式(7)において、Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIx、Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIyとする。
I0={Ex・cosφ・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+Ey・sinφ・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}2
=Ex 2・cos2φ・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)+Ey 2・sin2φ・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
+2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt) …(7)
で表される。式(7)の第一項、第二項は時間平均するとn, d, λに依存しないDC項となる。式(7)において、Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIx、Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIyとする。
式(7)の第三項を変形すると、
2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt)
=cosφ・sinφ・Ex・Ey・[cos{nx・2π/λ・d-2ωt}
+cos{(nx-ny)・2π/λ・d}] …(8)
となる。
2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt)
=cosφ・sinφ・Ex・Ey・[cos{nx・2π/λ・d-2ωt}
+cos{(nx-ny)・2π/λ・d}] …(8)
となる。
2ωtで振動する項は時間平均すると0になるため、式(7)は
I0=Ix・cos2φ+Iy・sin2φ+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d} …(9)
となり、屈折率差(nx-ny)と偏波保持光ファイバの長さdに比例する第三項が波長λとともに振動する項として残る。この項は(nx-ny)、dに比例する一種の干渉効果を表す。つまり、SLD光源の偏光軸が偏波保持光ファイバの軸に対してずれており、かつ検光子の軸が偏光軸とずれている場合には(nx-ny)が0にならず干渉が発生することが分かる。また、偏波保持光ファイバの長さdが長くなると検出強度の振動周期が短くなることが分かる。
I0=Ix・cos2φ+Iy・sin2φ+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d} …(9)
となり、屈折率差(nx-ny)と偏波保持光ファイバの長さdに比例する第三項が波長λとともに振動する項として残る。この項は(nx-ny)、dに比例する一種の干渉効果を表す。つまり、SLD光源の偏光軸が偏波保持光ファイバの軸に対してずれており、かつ検光子の軸が偏光軸とずれている場合には(nx-ny)が0にならず干渉が発生することが分かる。また、偏波保持光ファイバの長さdが長くなると検出強度の振動周期が短くなることが分かる。
上記では計算を容易にするため回折格子が理想的な検光子であるとしたが、以下では一般的な回折格子の場合を考える。
理想的な検光子では検光子のx'軸、y'軸に関する振幅透過率s, tはそれぞれs=1, t=0としたが、一般的な回折格子ではs=√0.8、t=√0.3程度である。このような回折格子の場合、回折格子通過後の電場のx'軸方向の成分は、
s{cosφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+sinφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)} …(10)
となり、y'軸方向の成分は
t{-sinφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+cosφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)} …(11)
となる。
s{cosφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+sinφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)} …(10)
となり、y'軸方向の成分は
t{-sinφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+cosφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)} …(11)
となる。
上述したように、センサ上では式(10), (11)の二乗の時間平均で表される強度で光が検出される。x'軸方向の成分の光の検出強度は式(10)の二乗の時間平均となるので、
Ix'=[s{cosφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+sinφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}]2
=s2{cos2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+sin2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
+2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}
=s2[cos2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+sin2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
+cosφ・sinφ・Ex・Ey{cos(nx・2π/λ・d+ny・2π/λ・d-2ωt)
+cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
となる。
Ix'=[s{cosφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+sinφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}]2
=s2{cos2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+sin2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
+2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}
=s2[cos2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+sin2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
+cosφ・sinφ・Ex・Ey{cos(nx・2π/λ・d+ny・2π/λ・d-2ωt)
+cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
となる。
ここで、上式のEx 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIx、Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIyとする。2ωtの項は時間平均を取ると0になるため、上式は
Ix'=s2{Ix・cos2φ+Iy・sin2φ
+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d} …(12)
となる。
Ix'=s2{Ix・cos2φ+Iy・sin2φ
+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d} …(12)
となる。
一方、y'軸方向の成分の光の検出強度は式(11)の二乗の時間平均となるので、
Iy'=[t{-sinφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+cosφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}]2
=t2{sin2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+cos2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
-2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}
=t2[sin2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+cos2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
-cosφ・sinφ・Ex・Ey{cos(nx・2π/λ・d+ny・2π/λ・d-2ωt)
+cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
となる。
Iy'=[t{-sinφ・Ex・cos(nx・2π/λ・d-ωt)+cosφ・Ey・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}]2
=t2{sin2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+cos2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
-2cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos(nx・2π/λ・d-ωt)・cos(ny・2π/λ・d-ωt)}
=t2[sin2φ・Ex 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)
+cos2φ・Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)
-cosφ・sinφ・Ex・Ey{cos(nx・2π/λ・d+ny・2π/λ・d-2ωt)
+cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
となる。
再び、上式のEx 2・cos2(nx・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIx、Ey 2・cos2(ny・2π/λ・d-ωt)の時間平均をIyとする。既に述べたように、2ωtの項は時間平均を取ると0になるため、上式は
Iy'=t2{Ix・sin2φ+Iy・cos2φ
-cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d} …(13)
となる。
Iy'=t2{Ix・sin2φ+Iy・cos2φ
-cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d} …(13)
となる。
センサで検出される光強度は式(12)と式(13)の和となるので、
I=s2[Ix・cos2φ+Iy・sin2φ+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
+t2[Ix・sin2φ+Iy・cos2φ-cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
=s2・Ix・cos2φ+s2・Iy・sin2φ
+s2・cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}+t2・Ix・sin2φ
+t2・Iy・cos2φ-t2・cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}
=Ix(s2・cos2φ+t2・sin2φ)+Iy(s2・sin2φ+t2・cos2φ)
+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}・(s2-t2) …(14)
となり、屈折率差(nx-ny)と偏波保持光ファイバの長さdに比例する第三項が波長λとともに振動する項として残る。この式(14)が上述した式(1)に相当する。
I=s2[Ix・cos2φ+Iy・sin2φ+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
+t2[Ix・sin2φ+Iy・cos2φ-cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}]
=s2・Ix・cos2φ+s2・Iy・sin2φ
+s2・cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}+t2・Ix・sin2φ
+t2・Iy・cos2φ-t2・cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}
=Ix(s2・cos2φ+t2・sin2φ)+Iy(s2・sin2φ+t2・cos2φ)
+cosφ・sinφ・Ex・Ey・cos{(nx-ny)・2π/λ・d}・(s2-t2) …(14)
となり、屈折率差(nx-ny)と偏波保持光ファイバの長さdに比例する第三項が波長λとともに振動する項として残る。この式(14)が上述した式(1)に相当する。
式(14)から、リップルの周期は偏波保持光ファイバの長さdに比例して短くなることが分かる。そこで、次に光ファイバの長さと種類を変えたときのリップルの変化を実験的に調べた。光源にはSLD光源D100073（アンリツ株式会社の製品名）、分光器には光スペクトラムアナライザMS9780A（アンリツ株式会社の製品名）を用い、これらの間を光ファイバで接続した。光ファイバには、(i)長さ2mの偏波保持光ファイバSM-85-PS-G20A（株式会社フジクラの製品名）、(ii)長さ4mの偏波保持光ファイバSM-85-PS-G20A（同）、(iii)長さ2mのシングルモードファイバ（米国Thorlabs社製）の3種類を用いた。なお、SLDモジュール内には長さ約2mの偏波保持光ファイバが付属している。光スペクトラムアナライザ内にも同じく光ファイバが付属しており、ファイバから出射した光を回折格子で分光してセンサで検出しているが、光スペクトラムアナライザ内のファイバ長、回折格子の溝本数等の仕様は公開されていない。
上記(i)の偏波保持光ファイバを用いてSLD光源から出射した光のスペクトルを光スペクトラムアナライザ内のセンサで検出して得た結果を図５(a)、図５(b)に示す。図５(a)はスペクトル全体図、図５(b)はスペクトルの部分拡大図である。上記(ii)の偏波保持光ファイバを用いて得たスペクトルを図６(a)及び図６(b)に示す。偏波保持光ファイバに代えて上記(iii)のシングルモードファイバを用いても同様にリップルが確認された。なお、シングルモードファイバを曲げたところ、リップルの大きさが変化した。
シングルモードファイバでもリップルが確認されたのは、上述したようにSLDモジュール内に偏波保持光ファイバが存在するために伝播する光が楕円偏光になっており、式(14)の第三項（干渉項）が影響してリップルが発生したためと考えられる。
また、シングルモードファイバを曲げた際にリップルの大きさが変化したのは、その曲げ応力により断面内のx軸方向・y軸方向の屈折率nx, nyに差が生じ、入射光の偏光状態が変化したためと考えられる。このように、シングルモードファイバでは曲げにより応力を与えることでスペクトルが変化することを考慮すると、測定中の偏光状態を安定させることができる偏波保持光ファイバを使用することが望ましい。
光学系全体に含まれる偏波保持光ファイバの長さ、つまりSLDモジュール内の偏波保持光ファイバの長さ2mを含む偏波保持光ファイバの長さとリップルの周期を比較した。その結果を図７に示す。式(14)から予想されたように、図７ではファイバの長さdとリップルの周期は反比例するという傾向が確認された。完全な反比例でないのは、SLDモジュール内の偏波保持光ファイバとSLDモジュール外に接続した偏波保持光ファイバの種類が異なり、複屈折(nx-ny)の値がこれらのファイバ間で異なったためであると考えられる。
上記の結果を踏まえると、偏波保持光ファイバを更に長くすることによりリップルの周期を更に短くして分光器の波長分解能よりも小さくすると、スペクトル上にリップルを生じさせないように構成することができることが分かる。
図８に偏波保持光ファイバの長さを21mにしたときに取得したスペクトルの部分拡大図を示す。このスペクトルにはリップルが現れていない。これは、偏波保持光ファイバの長さdを21mにしたことにより、リップルの周期を分光器の波長分解能以下に抑えられたものである。図９に、スペクトルをフーリエ変換した後に生じる偽ピークの周波数と偏波保持光ファイバの長さdの関係を示す。
また、式(14)から、屈折率差(nx-ny)を0にすることによりリップルの発生そのものを解消することができることが分かる。これは偏波保持光ファイバの途中のいずれかの箇所（或いは、光源と偏波保持光ファイバの間、又は、偏波保持光ファイバと分光器の間）に偏光解消手段を挿入することにより達成可能である。
なお、上記式(14)においてsinφあるいはcosφが0となるように偏光軸を調整することや、(s2−t2)=0とする、即ち偏光依存性のない分光器（例えばプリズム）を用いることによりリップルを生じさせないように構成することもできる。
本発明に係る光学的距離測定装置を表面処理状況モニタリング装置に用いる一実施例を図１０により説明する。
この表面処理状況モニタリング装置は、例えばプラズマエッチング装置や基板研磨装置などにより加工処理される試料の基板厚みや形成されるトレンチ深さなど、時々刻々と変化する試料との間の距離をモニタリングする装置である。この装置は、光源・分光検出部１０、観測部２０、及びエッチング装置３０を備える。光源・分光検出部１０には、SLD光源１１、分光ユニット１２、ファイバカプラ１３と、SLD光源１１とファイバカプラ１３の間に接続された偏波保持光ファイバ１４、ファイバカプラ１３と観測部２０との間に接続された偏波保持光ファイバ１５を備える。分光ユニット１２には、回折格子１７及びアレイ型検出器１８が内蔵されており、アレイ型検出器１８により検出した信号は図示しないデータ処理部により処理される。
観測部２０は、観察用カメラ２５、観察用光源２６、対物レンズ２１、ビームスプリッタ２２、２４、及び光学レンズ２３、２７を備えている。観測部２０は、SLD光源１１からの光を用いて試料表面処理状況をモニタリングする際に、モニタリングする場所の観察を行うために用いられており、従来知られた構成であるため詳細な説明は省略する。
SLD光源１１からの光は、偏波保持光ファイバ１４を通ってファイバカプラ１３に入射され、さらに偏波保持光ファイバ１５を通って観測部２０に入射する。観測部２０に入射した光はビームスプリッタ２２を通って試料側に進み、対物レンズ２１を介してエッチング装置３０に入射する。
試料３１の測定対象構造における干渉の状態を図１１を用いて説明する。例えばエッチング中のトレンチ深さを測定する場合には、図１１(a)に示すように基板３２表面のレジスト層３４表面からの反射光４２と、レジスト層３４中に入り込んだ光に対する基板３２表面からの反射光４３と、被エッチング部であるトレンチ孔３３の底面からの反射光４１と、が主として干渉する。また、研磨中の基板３１Ｂの厚みを測定する場合には、図１１(b)に示すように、基板３１Ｂ表面からの反射光４４、及び基板３１Ｂ中に進入した光による裏面からの反射光４５の２つの反射光による干渉が生ずる。これら反射光４１〜４３又は４４、４５は光照射時とは逆の経路を辿って偏波保持光ファイバ１５に入射する。そして、ファイバカプラ１３を経て分光ユニット１２に達する。偏波保持光ファイバ１５、１６を通って分光ユニット１２に達するまでに、複数の反射光は十分に干渉し干渉光となる。
本実施例では、SLD光源１１にSLD光源D100073（製品名。アンリツ株式会社製）、分光ユニット１２に光スペクトラムアナライザMS9780A（製品名。アンリツ株式会社製）を用いた。上述した実験結果に基づき、偏波保持光ファイバの長さdを21mとし、リップルの周期が光スペクトラムアナライザMS9780Aの波長分解能以下になるよう構成した。
試料３１において干渉した光を検出して作成したスペクトルを図１２(a)に、これを高速フーリエ変換した結果を図１２(b)にそれぞれ示す。図１２(a)のスペクトルにはリップルが現れていない。そのため、図１２(b)に示すように、偽ピークの影響を受けることなく測定時に試料表面が約120μm処理された状態であることを確認することができる。つまり、従来のように、リップルが現れた干渉スペクトルにおけるリップルをフーリエ変換した後の信号に現れる偽ピークを除去することなく、正確に試料の表面状態を測定することができる。また従来の方法では、測定する穴深さが深くなると真のピークが高周波数側に移動して偽ピークと重なってしまい、ローパスフィルタ等を用いて偽ピークを除去することができないという問題があったが、本実施例の装置ではこうした問題も生じない。
上記実施例は本発明の単なる一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜修正、追加、変更を加えることができる。上記実施例では、光スペクトラムアナライザMS9780Aの波長分解能を考慮して、リップルの周期が波長分解能以下になるように偏波保持光ファイバの長さdを21mとした。他の分光器を使用する場合は、その波長分解能を考慮して偏波保持光ファイバの長さdを決定する。具体的には、偏波保持光ファイバの長さd(m)を、以下の式で算出される値d0よりも長くする。
d0=d1×(a1/a0)
ここで、a0は分光器の波長分解能に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1は偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)である。これにより、干渉光スペクトルにおけるリップルの周期を短くし、距離測定に影響を与えない、あるいは距離測定に支障を起こさないように光学的距離測定装置を構成することができる。
d0=d1×(a1/a0)
ここで、a0は分光器の波長分解能に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1は偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)である。これにより、干渉光スペクトルにおけるリップルの周期を短くし、距離測定に影響を与えない、あるいは距離測定に支障を起こさないように光学的距離測定装置を構成することができる。
上記実施例では偏波保持光ファイバの長さdを長くし、リップルの周期を分光ユニットの波長分解能以下に抑えることでリップルの影響を排除するよう構成したが、上述したように偏光解消板を用いることで屈折率差(nx-ny)を0にしてリップルの発生そのものを解消するように構成することもできる。この方法の一つとして、偏波保持光ファイバの途中のいずれかの箇所、光源と偏波保持光ファイバの間、又は偏波保持光ファイバと分光器の間、に偏光解消手段を挿入することを挙げることができる。
また、上記式(14)においてsinφ又はcosφが0となるように偏光軸を調整することや、(s2−t2)=0とすること、即ち、偏光依存性のない分光器（例えばプリズム）を用いることによりリップルの発生を解消するように構成することもできる。
１０…光源・分光検出部
１１…SLD光源
１２…分光ユニット
１３…ファイバカプラ
１４、１５…偏波保持光ファイバ
１７…回折格子
１８…アレイ型検出器
２０…観測部
２１…対物レンズ
２２…ビームスプリッタ
２３…光学レンズ
２５…観察用カメラ
２６…観察用光源
３０…エッチング装置
３１…試料
３２…基板
３３…トレンチ孔
３４…レジスト層
４１〜４５…反射光
１１…SLD光源
１２…分光ユニット
１３…ファイバカプラ
１４、１５…偏波保持光ファイバ
１７…回折格子
１８…アレイ型検出器
２０…観測部
２１…対物レンズ
２２…ビームスプリッタ
２３…光学レンズ
２５…観察用カメラ
２６…観察用光源
３０…エッチング装置
３１…試料
３２…基板
３３…トレンチ孔
３４…レジスト層
４１〜４５…反射光
Claims (3)
- 光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、該両面からの反射光束の干渉光を分光器で分光することにより前記測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置であって、
a0を前記分光器の波長分解能(nm)に基づいて決定される目標波長分解能の値(nm)、a1を偏波保持光ファイバの長さをd1(m)としたときのリップル波長周期の値(nm)として、
前記光源から前記分光器の間に用いられている偏波保持光ファイバの長さd(m)を
d0=d1×(a1/a0)
により算出される値d0よりも長くすることを特徴とする光学的距離測定装置。 - 前記目標波長分解能の値a0が前記分光器の波長分解能(nm)の値であることを特徴とする請求項１に記載の光学的距離測定装置。
- 光源からの低コヒーレンス光束を分割して測定面と参照面に照射し、該両面からの反射光束の干渉光を分光器で分光することにより前記測定面における微小距離を測定する光学的距離測定装置であって、
前記光源から前記分光器の間に用いられている偏波保持光ファイバのいずれかの箇所に偏光解消手段を挿入することを特徴とする光学的距離測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012064171A JP2013195290A (ja) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | 光学的距離測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012064171A JP2013195290A (ja) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | 光学的距離測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013195290A true JP2013195290A (ja) | 2013-09-30 |
Family
ID=49394409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2012064171A Pending JP2013195290A (ja) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | 光学的距離測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2013195290A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103712564A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-04-09 | 安徽理工大学 | 基于y型光纤耦合器及自聚焦透镜的反射型光纤位移传感器 |
| CN103868457A (zh) * | 2014-03-03 | 2014-06-18 | 中国计量学院 | 基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置 |
| CN104677288A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-06-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| CN104677287A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-06-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的三芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| CN104677282A (zh) * | 2015-03-08 | 2015-06-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| CN104697448A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-06-10 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的双光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| JP2015184123A (ja) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | リンテック株式会社 | 厚み測定方法、厚み測定システム、および積層体の製造方法 |
| CN105300290A (zh) * | 2015-09-28 | 2016-02-03 | 北京交通大学 | 一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量*** |
| JP2016142552A (ja) * | 2015-01-30 | 2016-08-08 | Dmg森精機株式会社 | 変位検出装置 |
| KR20160147647A (ko) * | 2015-06-15 | 2016-12-23 | 울트라테크 인크. | 편파를 이용한 코히런트 경사도 감지 시스템 및 방법 |
| CN106546177A (zh) * | 2016-10-24 | 2017-03-29 | 金陵科技学院 | 一种测量光纤耦合器尾纤长度差距的***及其方法 |
| KR20180028230A (ko) | 2016-09-08 | 2018-03-16 | 휴멘 주식회사 | 광학식 거리 측정 장치 |
| JP2019132859A (ja) * | 2019-05-16 | 2019-08-08 | Dmg森精機株式会社 | 変位検出装置 |
| CN112433221A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-03-02 | 深圳市中图仪器股份有限公司 | 一种基于偏振调制的绝对距离测量装置 |
-
2012
- 2012-03-21 JP JP2012064171A patent/JP2013195290A/ja active Pending
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103712564A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-04-09 | 安徽理工大学 | 基于y型光纤耦合器及自聚焦透镜的反射型光纤位移传感器 |
| CN103868457A (zh) * | 2014-03-03 | 2014-06-18 | 中国计量学院 | 基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置 |
| CN103868457B (zh) * | 2014-03-03 | 2016-08-17 | 中国计量学院 | 基于表面等离子共振的光纤多点微位移传感方法及装置 |
| JP2015184123A (ja) * | 2014-03-24 | 2015-10-22 | リンテック株式会社 | 厚み測定方法、厚み測定システム、および積層体の製造方法 |
| JP2016142552A (ja) * | 2015-01-30 | 2016-08-08 | Dmg森精機株式会社 | 変位検出装置 |
| CN104677288A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-06-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| CN104677287A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-06-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的三芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| CN104697448A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-06-10 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的双光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| CN104677282A (zh) * | 2015-03-08 | 2015-06-03 | 哈尔滨工业大学 | 基于光纤环形激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 |
| KR20160147647A (ko) * | 2015-06-15 | 2016-12-23 | 울트라테크 인크. | 편파를 이용한 코히런트 경사도 감지 시스템 및 방법 |
| KR102329146B1 (ko) | 2015-06-15 | 2021-11-18 | 케이엘에이 코포레이션 | 편파를 이용한 코히런트 경사도 감지 시스템 및 방법 |
| CN105300290A (zh) * | 2015-09-28 | 2016-02-03 | 北京交通大学 | 一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量*** |
| KR20180028230A (ko) | 2016-09-08 | 2018-03-16 | 휴멘 주식회사 | 광학식 거리 측정 장치 |
| CN106546177A (zh) * | 2016-10-24 | 2017-03-29 | 金陵科技学院 | 一种测量光纤耦合器尾纤长度差距的***及其方法 |
| JP2019132859A (ja) * | 2019-05-16 | 2019-08-08 | Dmg森精機株式会社 | 変位検出装置 |
| CN112433221A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-03-02 | 深圳市中图仪器股份有限公司 | 一种基于偏振调制的绝对距离测量装置 |
| CN112433221B (zh) * | 2020-12-15 | 2023-06-27 | 深圳市中图仪器股份有限公司 | 一种基于偏振调制的绝对距离测量装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2013195290A (ja) | 光学的距離測定装置 | |
| JP5519688B2 (ja) | 膜厚測定装置および膜厚測定方法 | |
| JP5862433B2 (ja) | 表面処理状況モニタリング装置 | |
| KR20120004394A (ko) | 막 두께 측정 장치 및 측정 방법 | |
| TW200303979A (en) | Phase-shifting interferometry method and system | |
| JP2017501385A (ja) | ランダム波長計測器 | |
| JP2012518801A (ja) | 平面光波フーリエ変換分光計 | |
| KR20130018553A (ko) | 막 두께 측정 장치 | |
| WO2012077652A1 (ja) | エッチングモニタリング装置 | |
| KR20150146415A (ko) | 동적 광산란 측정 장치 및 동적 광산란 측정 방법 | |
| US20040227952A1 (en) | Characterization of optical fiber using fourier domain optical coherence tomography | |
| JP2013120063A (ja) | 表面処理状況モニタリング装置 | |
| JP6570035B2 (ja) | 変位測定装置および変位測定方法 | |
| JP2016080668A (ja) | 表面処理状況モニタリング装置及び表面処理状況モニタリング方法 | |
| JP3762420B2 (ja) | 屈折率分布の測定方法及び装置 | |
| JP5888111B2 (ja) | エッチングモニタ装置 | |
| JP2014002068A (ja) | 厚みモニタリング装置、エッチング深さモニタリング装置および厚みモニタリング方法 | |
| TW201339564A (zh) | 白光干涉量測裝置及其干涉量測方法 | |
| KR101398835B1 (ko) | 콤 생성 및 검출 장치를 이용한 실시간 분광형 간섭 측정 장치 및 측정 방법 | |
| JP2014149190A (ja) | 計測装置、計測方法、光源装置および物品の製造方法 | |
| JP2013048183A (ja) | エッチングモニタリング装置 | |
| JP6700071B2 (ja) | 円筒型光導波路の屈折率分布測定方法および屈折率分布測定装置 | |
| KR101108693B1 (ko) | 백색광 간섭계를 기반으로 하는 굴절률 측정 장치 및 방법 | |
| JP2011102751A (ja) | 複屈折基板の板厚測定法及び板厚測定装置 | |
| Smith | Physical optics analysis of a fiber-delivered displacement interferometer |