JP2005308616A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の光を測定対象の膜に投光し、その反射光を解析することにより膜厚を算出する膜厚測定装置において、投光点における膜の表面の向きが変化しても、その膜からの反射光の受光量の変化を抑え、測定精度を高精度に維持する。
【解決手段】投光部と受光部と一体に保持する測定プローブ８側に、第１集光レンズ９ａ（焦点距離ｆ１）を設け、測定対象物側に第２集光レンズ９ｂ（焦点距離ｆ１）を設け、ｆ１≦ｆ２とした。成膜ベースシート材１９を支持し、測定時に投光点に対応する位置に溝２１ａ，ｂ・・・が周設された溝付支持ロール１１を用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜厚測定装置に関する。

光源の光を測定対象の膜に投光し、その反射光を受光して解析することにより膜厚を算出する膜厚測定装置が利用されている。
従来、このような膜厚測定装置は、ロールに巻かれるシート材上に成膜された膜の測定にも使用されていた（例えば、特許文献１）。
特開７−２８０５２０号公報 段落01558、図１及び図６参照

しかし、シート材にはロールに巻かれるだけの柔軟性があるために、しばしばシワが発生することがある。シート材にシワが発生すると、シート材上に形成された膜も変形しているから、投光点における膜の表面の向きが変化する。そのため、膜で反射した光の進路が変化し、受光量が変化することとなって測定精度が悪化する。
投光スポットに対応する位置においてシート材裏面を支持ロールに接触させていると、支持ロール表面からの反射が測定精度に影響してしまう。またその場合、シート材が支持ロールに沿って曲率をもって変形しているから、投光点の位置ずれにより、投光点における膜の表面の向きが変化する。そのため、膜で反射した光の進路が変化し、受光量が変化することとなって測定精度が悪化する。
特許文献１図６記載のように２つの支持ロール間に架設されたシート材上の膜を測定すると、測定部でシート材は支持ロールにより支持されていないので、支持ロール表面からの反射による影響はないものの、撓み、縒り、バタツキなどにより膜が変形して投光点における膜の表面の向きが変化する。そのため、膜で反射した光の進路が変化し、受光量が変化することとなって測定精度が悪化する。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、光源の光を測定対象の膜に投光し、その反射光を解析することにより膜厚を算出する膜厚測定装置において、投光点における膜の表面の向きが変化しても、その膜からの反射光の受光量の変化を抑え、測定精度を高精度に維持することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、光源と、
前記光源の光を導光し測定対象膜に投光する投光部と、
前記測定対象膜からの反射光を受光する受光部と、
前記受光部に対峙して設けられるとともに、前記投光部から出射する光を受ける第１集光レンズと、
前記第１集光レンズとほぼ同軸上で前記測定対象膜に対峙するように設けられ、前記第１集光レンズの焦点距離以上の焦点距離を有する第２集光レンズと、
前記受光部が受光した反射光を分光して分光データを出力する分光器と、
前記分光器が出力した分光データに基づき前記測定対象膜の膜厚を演算する膜厚演算手段とを備えることを特徴とする膜厚測定装置である。

したがって請求項１記載の発明によれば、投光部から出射した光は、第１集光レンズを通過し、第２集光レンズを通過して測定対象膜上に投光され、測定対象膜からの反射光は第２集光レンズを通過し、第１集光レンズを通過して受光部へ集光される。
第１集光レンズの焦点距離をｆ１、第２集光レンズの焦点距離をｆ２として、ｆ１≦ｆ２に設定されている。
ｆ１＞ｆ２とする場合に比較して、投光点における膜の表面の向きが変化しても、その膜からの反射光をより多く受光部へ集光することができる。そのため、投光点における膜の表面の向きが変化しても、その膜からの反射光の受光量の変化を抑え、測定精度を高精度に維持することができる。
第１集光レンズを受光部に対峙させ、第２集光レンズを第２集光レンズとほぼ同軸上で測定時に測定対象膜に対峙するように設ければよいから、目的に反しない限り第１集光レンズと第２集光レンズとの間に他のレンズやその他の光学部品を配置してもよい。

請求項２記載の発明は、第１集光レンズの口径が第２集光レンズの口径以下であることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項２記載の発明によれば、第１集光レンズの口径をφ１とし、第２集光レンズの口径をφ２として、φ１≦φ２とされているから、第１集光レンズの焦点距離をｆ１、第２集光レンズの焦点距離をｆ２として、ｆ１≦ｆ２に設定されている両集光レンズを安価に作製しやすいという利点がある。

請求項３記載の発明は、前記受光部と前記投光部とが光ファイバーよりなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項３記載の発明によれば、受光部と投光部とを例えば受光部を中心に備え、投光部を周囲に備えた光ファイバーにより狭小な範囲に一体化することができ、光ファイバーの特性により投光部からの出射角に角度（最大２０°）があっても、第１集光レンズ及び第２集光レンズの作用により中心の投光部へ反射光を戻すことができる。

請求項４記載の発明は、前記測定対象膜が成膜されたシート材を支持し、測定時に前記投光部が投光する前記測定対象膜上の投光点に対応する位置に溝が周設された支持ロールを備えることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項４記載の発明によれば、シート材上に成膜された膜を測定対象とする場合において、シート材にシワが発生し、シート材上に形成された膜が変形して膜で反射した光の進路が変化しても、受光部と投光点との間に配置された第１集光レンズ及び第２集光レンズに反射光が入射して受光部に導かれるので、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。
投光点においてもシート材裏面を支持ロールに接触させていると、支持ロール表面からの反射が測定精度に影響してしまうが、本発明によれば、測定時に投光部が投光する測定対象膜上の投光点に対応する位置に溝が周設された支持ロールによりシート材を支持するので、支持ロール表面からの反射光が受光部に至ることが防がれて測定精度を高精度に維持できる。
また本発明によれば、シート材が支持ロールに沿って曲率をもって変形し、投光点の位置ずれにより膜で反射した光の進路が変化しても、受光部と投光点との間に配置された第１レンズ及び第２集光レンズに反射光が入射して受光部に導かれるので、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。
さらに本発明によれば、２つの支持ロール間に架設されたシート材上の膜を測定せず、測定部で１つの支持ロールにより支持されたシート材上の膜を測定するので、撓み、縒り、バタツキなどによる膜の表面形状の変形が抑えられるとともに測定部と膜との距離を一定に保持しやすく、その結果、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。

請求項５記載の発明は、前記支持ロールの軸方向の断面において前記支持ロールの周面は、外側に凸な湾曲形状が前記溝により切り欠かれてなる形状を有することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項５記載の発明によれば、支持ロールの軸方向の断面において支持ロールの周面は、外側に凸な湾曲形状が前記溝により切り欠かれてなる形状を有し、シート材がこの支持ロールに支持されるので、シート材には支持ロールからの圧力により四方に張力が生じてシワの発生が防がれ、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。
また、シート材が支持ロールの周方向のみならず軸方向にも曲率をもって変形するので、投光点の支持ロールの周方向のみならず軸方向の位置ずれにより膜で反射した光の進路が変化しても、受光部と投光点との間に配置された第１レンズ及び第２集光レンズに反射光が入射して受光部に導かれるので、総合的に受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。

上述したように本発明によれば、光源の光を測定対象の膜に投光し、その反射光を解析することにより膜厚を算出する膜厚測定装置において、投光点における膜の表面の向きが変化しても、その膜からの反射光の受光量の変化を抑え、測定精度を高精度に維持することができるという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１は本発明一実施形態のオンライン膜厚測定装置の構成図である。
図１に示すように、本実施形態のオンライン膜厚測定装置は、ＣＰＵ１と、ＲＡＭ２と、キーボード３と、画像表示装置４と、リニアスライダ５と、プローブ支持アーム６と、集光レンズ支持アーム７と、測定プローブ８と、第１集光レンズ９ａと、第２集光レンズ９ｂと、キャリブレーション架台１０と、溝付支持ロール１１と、投光用光ファイバーケーブル１２と、受光用光ファイバーケーブル１３と、光源１４と、分光器１５と、スライダ駆動回路１６とを有する。

光源１４に投光用光ファイバーケーブル１２の一端が接続されている。分光器１５に受光用光ファイバーケーブル１３の一端が接続されている。光源１４の光は投光用光ファイバーケーブル１２によって導かれ、投光用光ファイバーケーブル１２の他端から出射する。光源としては、白色光、紫外線等が用いられる。
測定プローブ８は、光源１４からの光が出射する投光用光ファイバーケーブル１２の端部（投光部）と、受光用光ファイバーケーブル１３の反射光を受光する端部（受光部）とを一体に保持している。
投光用光ファイバーケーブル１２の端部から出射した光は第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂを介して対象物（リファレンスサンプル又は測定対象膜）に当たって反射され、その反射光は第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂを介して測定プローブ８に保持された受光用光ファイバーケーブル１３の端部に入射する。
測定プローブ８に保持された受光用光ファイバーケーブル１３の端部に入射した光は、受光用光ファイバーケーブル１３に導かれ分光器１５に入射する。

分光器１５は、入射した光を分光して分光データを生成する。生成された分光データは分光器１５からケーブル１７を介してＣＰＵ１へ出力される。ＣＰＵ１上では、後述する動作を実現するプログラムが実行される。

測定プローブ８、第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂはそれぞれ、プローブ支持アーム６、集光レンズ支持アーム７によりリニアスライダ５に支持され、リニアスライダ５は測定プローブ８、第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂを１軸方向（図中Ｘ軸方向）に移動させる。スライダ駆動回路１６はケーブル１８を介してＣＰＵ１から入力される命令（座標信号）に従ってリニアスライダ５を駆動する。測定プローブ８、第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂの移動範囲には、キャリブレーション架台１０と、溝付支持ロール１１が異なるＸ座標に配置されている。溝付支持ロール１１はＸ軸方向をその回転軸方向として配置されている。
キャリブレーション架台１０には、数種のリファレンスサンプル２０ａ，ｂ，ｃ・・・が載置されている。リファレンスサンプル２０は、ＳｉやＳｉＯ２など安定した物性のものが適用される。その他何種類あっても良い。
溝付支持ロール１１には、複数の溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・が周設されている。図示しない成膜ライン上に成膜ベースシート材１９を搬送する搬送装置が構成されており、成膜ベースシート材１９上に膜を生成する成膜工程の下流に溝付支持ロール１１が配置されている。膜（図示せず）を表面に保持した成膜ベースシート材１９が溝付支持ロール１１上に支持され、搬送装置の動作とともに溝付支持ロール１１上を通過する。

本実施形態の一動作例につき説明する。
まず、測定開始前に、キーボード３を介してユーザからＣＰＵ１へ成膜ベースシート材１９上の測定箇所と測定間隔時間等の測定条件が入力される。測定箇所は、溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・上とされる。これにより、溝付支持ロール１１表面からの反射光が測定プローブ８の受光部に至ることが防がれて測定精度を高精度に維持できる。また、溝付支持ロール１１により、撓み、縒り、バタツキなどによる膜の表面形状の変形が抑えられるとともに測定プローブ８と膜との距離を一定に保持しやすく、その結果、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。

さらに、キーボード３を介してユーザからＣＰＵ１へリファレンス間隔時間及びリファレンスサンプル種（例えば、リファレンスサンプル２０ａとする）が入力される。ＣＰＵ１はＲＡＭ２にユーザからの入力情報を記憶させる。

ＣＰＵ１は、リファレンス間隔時間毎にリニアスライダ５を制御して測定プローブ８及び集光レンズ９をリファレンスサンプル２０ａの測定位置まで移動させ、分光器１５が出力する分光データを受け取り、ＲＡＭ２に記憶させる。これをリファレンスサンプリングと呼ぶ。

ＣＰＵ１は、リファレンスサンプリングを行う時以外において、成膜ベースシート材１９上の膜の膜厚を測定する。すなわち、ＣＰＵ１はリニアスライダ５を制御して測定プローブ８及び集光レンズ９を成膜ベースシート材１９上の膜の測定箇所まで移動させては、分光器１５が出力する分光データを受け取り、この分光データに基づき膜厚を演算する。ＣＰＵ１は演算した膜厚を画像表示装置４に出力するとともに、ＲＡＭ２に記憶させる。

ＣＰＵ１は、ＲＡＭ２に蓄積したリファレンスサンプルの分光データの変化分を算出し、その変化分による測定誤差が生じないように較正することも行う。すなわち、ＣＰＵ１は、分光データとの変化分の影響が生じないように膜厚演算を補正する。

次に、溝付支持ロールの形態につき説明する。
一つには、図１及び図２に示すような溝付支持ロール１１を用いることができる。溝付支持ロール１１は、成膜ベースシート材１９に接触する周面までの半径が軸方向に沿って一定のものである。溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・の縁は丸みをつけることが好ましい。

溝付支持ロール１１の溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・では成膜ベースシート材１９にシワが生じることがある。
しかし、測定プローブ８と投光点との間に配置された第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂに反射光が入射して測定プローブ８の受光部に導かれるので、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。
また、図２（ｂ）に示すように、成膜ベースシート材１９が溝付支持ロール１１に沿って周方向に曲率をもって変形するので、投光点の支持ロール周方向の位置ずれにより膜で反射した光の進路が変化する。
しかし、測定プローブ８と投光点との間に配置された第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂに反射光が入射して測定プローブ８の受光部に導かれるので、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。

他の溝付支持ロールの形態としては、図３に示すような溝付支持ロール２２を用いることができる。溝付支持ロール２２の軸方向の断面においてその周面は、外側に凸な湾曲形状が溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・により切り欠かれてなる形状を有する。溝付支持ロール２２から成膜ベースシート材１９へ押圧力が生じているから成膜ベースシート材１９に張力が生じてシワの発生が防がれる。

成膜ベースシート材１９は溝付支持ロール２２に沿って図３（ａ）に示すように軸方向に曲率をもって変形するとともに、図３（ｂ）に示すように周方向に曲率をもって変形するので、投光点の支持ロール軸方向又は周方向の位置ずれにより膜で反射した光の進路が変化する。
しかし、測定プローブ８と投光点との間に配置された第１集光レンズ９ａ及び第２集光レンズ９ｂに反射光が入射して測定プローブ８の受光部に導かれるので、受光量の変化が抑えられて測定精度を高精度に維持できる。

次に、本発明の一実施例及び比較例につき図４及び図５を参照して説明する。図４は、本発明の一実施例の投光部、受光部、第１集光レンズ及び第２集光レンズの構成を示す断面図である。図５は、比較例の投光部、受光部、第１集光レンズ及び第２集光レンズの構成を示す断面図である。

図４及び図５において、光ファイバー３１はφ１ｍｍの受光部を中心に備え、その周囲にφ２ｍｍの投光部を備える。したがって、投光部は内径φ１ｍｍから外径φ２ｍｍのリング状となる。光ファイバー３１は、外皮を含め直径４ｍｍである。光ファイバー３１は上述した測定プローブ８に収めて使用される。φ１ｍｍの受光部は、受光用光ファイバーケーブル１３に連続する光ファイバーであり、φ２ｍｍの投光部は、投光用光ファイバーケーブル１２に連続する光ファイバーである。
図４に示すように本発明実施例においては、測定試料面３４を曲率半径４６ｍｍの曲面とした。図５に示すように比較例においては、測定試料面４４を平面とした。

ここで、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｆ１、ｆ２、φ１、φ２、ｔ１、ｔ２の各パラメータを以下のように定義する。
ｄ１：光ファイバーから第１集光レンズまでの距離
ｄ２：第１集光レンズから第２集光レンズまでの距離
ｄ３：第２集光レンズから測定試料面までの距離
ｆ１：第１集光レンズの焦点距離
ｆ２：第２集光レンズの焦点距離
φ１：第１集光レンズの口径
φ２：第２集光レンズの口径
ｔ１：第１集光レンズの厚さ
ｔ２：第２集光レンズの厚さ
本実施例においては、ｄ１＝６ｍｍ、ｄ２＝４５ｍｍ、ｄ３＝１２ｍｍ、ｆ１＝８ｍｍ、ｆ２＝３０ｍｍ、φ１＝１０ｍｍ、φ２＝３０ｍｍ、ｔ１＝４ｍｍ、ｔ２＝１０ｍｍとした。

その他、本発明における好ましい数値範囲を表１に示す。

比較例においては、ｄ１＝６ｍｍ、ｄ２＝８ｍｍ、ｄ３＝２０ｍｍ、ｆ１＝３０ｍｍ、ｆ２＝１５ｍｍ、φ１＝３０ｍｍ、φ２＝１５ｍｍ、ｔ１＝８ｍｍ、ｔ２＝１０ｍｍとした。

投光部からの光の出射角を光軸に対し２０°として、光路を図４及び図５上に作図した。なお、光ファイバー内では光が５７°の反射角で全反射して伝播する。光ファイバーの出射端部が直線であれば９０−５７＝３３°となる。但し、ファイバーと空気との間で屈折が生じる。スネルの法則よりｎ＝1.54=sin33/sinx、ｘ＝約20°となるので、結果的に光ファイバーからの出る光は、光軸に対し最大２０°となる。
図４及び図５において、破線が光ファイバーから測定試料面への光路を示し、実線が測定試料面から光ファイバーまでの光路を示す。

図４に示すように本発明実施例においては、試料面３４でφ４ｍｍの投光スポットとなり、φ１ｍｍ内の集光広がりをもってφ１ｍｍの受光部へ反射光を戻すことができた。しかも、曲率半径４６ｍｍの試料面３４に対して行った結果である。これは、測定試料が傾いたり変形しても、受光部へ反射光を戻すことができ、測定精度に影響を与えないことを示す。
本実施例の構成であれば、測定試料面の曲率半径をｒとして、ｒ≧４６であれば受光部へ反射光を戻すことができる。

図５に示すように比較例においては、試料面４４でφ３ｍｍの投光スポットとなり、試料面が平面であっても、光ファイバー３１端部ではφ４ｍｍの集光広がりとなってφ１ｍｍの受光部へ反射光を戻すことができなかった。

なお、上記第１集光レンズ及び第２集光レンズに代え、中心部と周辺部とで焦点距離ｆ値の異なるレンズを用いることも有効である。中心部の焦点距離をｆ１´、周辺部の焦点距離をｆ２´としてｆ１´≦ｆ２´とすれば、中心部が上記第１集光レンズのように投光レンズとして機能し、周辺部が上記第２集光レンズのように反射光集光レンズとして機能し、本発明と同様に高い信頼性をもって受光部に反射光を集光することが可能である。

本発明一実施形態のオンライン膜厚測定装置の構成図である。 本発明に用いる溝付支持ロールの一形態を示す正面図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 本発明に用いる溝付支持ロールの他の一形態を示す正面図（ａ）及びＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。 本発明の一実施例の投光部、受光部、第１集光レンズ及び第２集光レンズの構成を示す断面図である。 比較例の投光部、受光部、第１集光レンズ及び第２集光レンズの構成を示す断面図である。

符号の説明

１…ＣＰＵ ２…ＲＡＭ ３…キーボード ４…画像表示装置 ５…リニアスライダ ６…プローブ支持アーム ７…集光レンズ支持アーム ８…測定プローブ ９ａ…第１集光レンズ ９ｂ…第２集光レンズ １０…キャリブレーション架台 １１，２２…溝付支持ロール １２…投光用光ファイバーケーブル １３…受光用光ファイバーケーブル １４…光源 １５…分光器 １６…スライダ駆動回路 １７，１８…ケーブル １９…成膜ベースシート材 ２０ａ，ｂ…リファレンスサンプル ２１ａ，ｂ，ｃ，２３ａ，ｂ，ｃ…溝部

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源の光を導光し測定対象膜に投光する投光部と、
   前記測定対象膜からの反射光を受光する受光部と、
   前記受光部に対峙して設けられるとともに、前記投光部から出射する光を受ける第１集光レンズと、
   前記第１集光レンズとほぼ同軸上で前記測定対象膜に対峙するように設けられ、前記第１集光レンズの焦点距離以上の焦点距離を有する第２集光レンズと、
   前記受光部が受光した反射光を分光して分光データを出力する分光器と、
   前記分光器が出力した分光データに基づき前記測定対象膜の膜厚を演算する膜厚演算手段とを備えることを特徴とする膜厚測定装置。
2. 第１集光レンズの口径が第２集光レンズの口径以下であることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
3. 前記受光部と前記投光部とが光ファイバーよりなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の膜厚測定装置。
4. 前記測定対象膜が成膜されたシート材を支持し、測定時に前記投光部が投光する前記測定対象膜上の投光点に対応する位置に溝が周設された支持ロールを備えることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の膜厚測定装置。
5. 前記支持ロールの軸方向の断面において前記支持ロールの周面は、外側に凸な湾曲形状が前記溝により切り欠かれてなる形状を有することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載の膜厚測定装置。

Images