JP2016017750A - 膜厚計測装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】時間軸方向の変動幅を大幅に低減することができ、計測精度を向上させることができる膜厚計測装置と方法を提供する。【解決手段】プローブ光４が検出素子１６に到着するタイミングを光軸方向にずらすリニアステージ１８と、リニアステージ１８によるプローブ光４の遅延時間を検出する遅延時間検出装置２０と、リニアステージ１８の原点を検出する原点検出装置３０と、遅延時間検出装置２０を制御するステージ制御装置４０と、を備える。ステージ制御装置４０によりリニアステージ１８を加速し、リニアステージ１８が一定速度になりかつ原点を通過した時点をトリガとして、遅延時間検出装置２０によりプローブ光４の遅延時間を検出する。【選択図】図３

Description

本発明は、非接触で塗装膜などの膜厚を計測する計測装置と計測方法に関する。

非接触で塗装膜などの膜厚を計測する膜厚計測装置として、例えば特許文献１〜３が既に開示されている。

特許文献１〜３の膜厚計測装置は、テラヘルツ波を膜が形成された試料に照射し、試料において反射したテラヘルツ波を検出し、検出されたテラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表わし、波形データから複数のピークを検出するとともに、ピーク間の時間差に基づき膜厚を算出するものである。

特開２０１２−２２５７１８号公報 特開２０１１−１９６９９０号公報 特開２０１０−１３９４０２号公報

図１は、膜厚を算出する原理説明図である。この図において、（Ａ）はリファレンスＲでの反射、（Ｂ）は膜Ｆが形成された試料Ｓでの反射、（Ｃ）は反射波と時間との関係図である。

リファレンスＲは、好ましくは試料Ｓと同一寸法であり、その表面に高反射材（金コート、銀コート、など）が被覆されている。テラヘルツ波ＴはリファレンスＲの表面で反射する。
テラヘルツ波Ｔは、光と電波の中間領域である約３ｍｍから約３μｍの波長を有する電磁波である。そのため、テラヘルツ波Ｔは物体内を透過する機能を有し、膜Ｆの表面と、膜Ｆと試料Ｓの界面とで反射する。

図１（Ｃ）に示すように、反射波Ｂ１，Ｂ２は、膜Ｆを往復する第１時間差Δｔ１を有する。従ってこの第１時間差Δｔ１から膜Ｆの膜厚を算出することができる。

すなわち、試料Ｓに入射したテラヘルツ波Ｔは、膜Ｆの表面と、膜Ｆと試料Ｓの界面とで多重反射を起こし、多重反射された反射波Ｂ１，Ｂ２の波形の重ね合わせが受信側では受信される。一方、リファレンスＲで反射した反射波Ａの波形を取得しておき、この参照波形を基に重回帰分析を用いることで多重反射された反射波Ｂ１，Ｂ２の波形を分離する。最後に分離された波形の第１時間差Δｔ１から膜厚を算出する。

図１において、膜Ｆの膜厚ｄを仮に３μｍ、膜の屈折率ｎを仮に２として、入射角θを仮に４５度とすると、光速Ｃは約３×１０^８ｍ／ｓｅｃであることから、光が膜Ｆを通過する時間は、ｄ×ｎ×２／（Ｃ×ｃｏｓθ）であるので、３×１０^−６ｍ×２×２／（３×１０^８ｍ／ｓｅｃ×ｃｏｓ４５°）＝５．６６×１０^−１４ｓｅｃ＝５６６ｐｓｅｃである。
従って、図１の時間軸は、ｐｓｅｃのオーダで検出する必要がある。

一方、テラヘルツ波Ｔを検出するための検出素子、例えばテラヘルツ波検出器は、プローブ光４（後述する）が入射した時点のみのテラヘルツ波Ｔを検出する。このプローブ光４の半値幅は、例えば約１０^−１５ｓｅｃ（＝１０ｐｓｅｃ）のオーダである。
そのため、図１（Ｃ）に示す反射波Ｂ１，Ｂ２の計測時間は、プローブ光４の時間幅よりも１桁以上長いため、反射波Ｂ１，Ｂ２を同時に計測はできない。そのため、図１（Ｃ）に示す反射波Ｂ１，Ｂ２をサンプリングするには、プローブ光４が検出素子に到着するタイミング（以下、単に「タイミング」と呼ぶ）をずらしながら、検出素子（テラヘルツ波検出器）における電場強度を測定する必要がある。

この場合、反射波Ｂ１，Ｂ２の第１時間差Δｔ１は、膜Ｆの膜厚を算出するために高精度で検出する必要がある。この精度は、タイミングを変化させるためのリニアステージ（後述する）を移動させるサーボモータの精度となる。
一方、図１（Ｃ）の原点から反射波Ｂ１までの第２時間差Δｔ２の繰り返し精度も非常に重要である。プローブ光が検出素子に到着するタイミングをずらしながら、何度も計測することで図１（Ｃ）の波形データを作成するため、原点からの時間精度が波形データのバラツキの原因となるためである。

図２は、検出されたテラヘルツ波の波形データの模式図である。この図は、例えば特許文献２に開示されている。この図において、横軸は遅延時間、縦軸は上が検出されたテラヘルツ波Ｔの電場強度、下がプローブ光である。

図２のテラヘルツ波Ｔの波形をサンプリングするには、上述したように、プローブ光のタイミングをずらしながら、テラヘルツ波検出器における電場強度を測定する。すなわち、制御装置によりプローブ光の遅延時間をｔ１に設定し、遅延時間ｔ１のタイミングにおけるテラヘルツ波Ｔの電場強度を計測する。続いて、遅延時間をｔ２に設定し、このタイミングにおけるテラヘルツ波Ｔの電場強度を計測する。同様にして、遅延時間をｔ３、ｔ４、ｔ５・・・と順に変化させることによって、テラヘルツ波Ｔの波形をサンプリングする。

しかし、上述した従来の手段で得られたテラヘルツ波Ｔの波形データは、時間軸方向の変動幅が大きい問題点があった。そのため、時間軸方向の変動幅に相当する計測誤差が生じ、計測精度が低い問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、時間軸方向の変動幅を大幅に低減することができ、これにより計測精度を向上させることができる膜厚計測装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、膜が形成された試料にテラヘルツ波を照射し、試料で反射した前記テラヘルツ波の電場強度をプローブ光が検出素子に到着するときに検出し、プローブ光が検出素子に到着するタイミングをずらしながら、検出された前記テラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表わし、前記波形データから膜厚を算出する膜厚計測装置であって、
前記タイミングを光軸方向にずらすリニアステージと、
前記リニアステージによる前記プローブ光の遅延時間を検出する遅延時間検出装置と、
前記リニアステージの原点を検出する原点検出装置と、
前記遅延時間検出装置を制御するステージ制御装置と、を備え、
前記ステージ制御装置により前記リニアステージを加速し、前記リニアステージが一定速度になりかつ前記原点を通過した時点をトリガとして、前記遅延時間検出装置により前記プローブ光の遅延時間を検出する、ことを特徴とする膜厚計測装置が提供される。

前記遅延時間検出装置は、
連続光を出力する連続光光源と、
前記連続光を透過光と反射光とに分割するビームスプリッターと、
前記リニアステージに設けられ、前記反射光を正反射する第１反射器と、
固定位置に設けられ、前記透過光を前記ビームスプリッターに向けて正反射する第２反射器と、
前記第１反射器と前記第２反射器で正反射した前記反射光と前記透過光が混合したミックス光を検出する連続光検出器と、
前記連続光検出器の出力から前記プローブ光の遅延時間を算出する遅延時間演算装置と、を有する。

前記原点検出装置は、
前記リニアステージの側面に設けられた位置検出用マーカーと、
前記リニアステージの移動範囲に固定して設けられ、前記リニアステージの側面に向けて検出光を照射する光照射装置と、
前記リニアステージの移動範囲に固定して設けられ、前記検出光の前記位置検出用マーカーによる反射光又は透過光を光電変換して検出強度を出力する光検出装置と、
前記検出強度から前記リニアステージの原点を検出する原点演算装置と、を有する。

前記位置検出用マーカーは、反射体、線材又はスリットである。

前記原点演算装置は、前記検出強度を閾値と比較し、前記検出強度の上昇時又は下降時に前記閾値と一致する時点で前記リニアステージの原点を検出する。

また本発明によれば、膜が形成された試料にテラヘルツ波を照射し、試料で反射した前記テラヘルツ波の電場強度をプローブ光が検出素子に到着するときに検出し、プローブ光が検出素子に到着するタイミングをずらしながら、検出された前記テラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表わし、前記波形データから膜厚を算出する膜厚計測方法であって、
前記タイミングを光軸方向にずらすリニアステージと、
前記リニアステージによる前記プローブ光の遅延時間を検出する遅延時間検出装置と、
前記リニアステージの原点を検出する原点検出装置と、
前記遅延時間検出装置を制御するステージ制御装置と、を準備し、
前記ステージ制御装置により前記リニアステージを加速し、前記リニアステージが一定速度になりかつ前記原点を通過した時点をトリガとして、前記遅延時間検出装置により前記プローブ光の遅延時間を検出する、ことを特徴とする膜厚計測方法が提供される。

上記本発明の装置と方法によれば、リニアステージが一定速度になりかつ原点を通過した時点をトリガとして、遅延時間検出装置によりプローブ光の遅延時間を検出するので、検出時の速度が一定なため、遅延時間に相当するリニアステージの移動量は、原点通過後の経過時間に正確に比例する。
従って、時間軸方向の変動幅を大幅に低減することができ、これにより計測精度を向上させることができる。

膜厚を算出する原理説明図である。 検出されたテラヘルツ波の波形データの模式図である。 本発明による膜厚計測装置の全体構成図である。 原点検出装置の別の実施形態を示す図である。 図４（Ｂ）の別の実施形態を示す図である。 従来例と本発明による波形データを示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図３は、本発明による膜厚計測装置１０の全体構成図である。
本発明の膜厚計測装置１０は、膜Ｆが形成された試料Ｓにテラヘルツ波３ａを照射し、試料Ｓで反射したテラヘルツ波３ｂの電場強度をプローブ光４が検出素子１６に到着するときに検出し、プローブ光４が検出素子１６に到着するタイミングをずらしながら、検出されたテラヘルツ波３ｂの電場強度を時間軸の波形データ５に表わし、波形データ５から膜厚を算出する装置である。

図３において、１１はレーザ光源、１２は分波器、１３は放射素子、１４ａ，１４ｂは軸外し放物面鏡、１５ａ，１５ｂ，１５ｃは反射ミラー、１６は検出素子、１８はリニアステージ、１９は計測制御装置である。

レーザ光源１１は、例えばフェトム秒ファイバレーザであり、高出力の光パルス１を出力する。光パルス１の半値幅は例えば約１０^−１５ｓｅｃ（＝１０ｐｓｅｃ）のオーダである。光パルス１のパルス間隔は、テラヘルツ波３ｂの波形データ５の時間、例えば１０^−１４ｓｅｃ（＝１００ｐｓｅｃ）以上であることが好ましい。

分波器１２は、光パルス１を透過光２ａと反射光２ｂに分波する。透過光２ａは、放射素子１３に入射し、反射光２ｂは反射ミラー１５ｃで反射してリニアステージ１８にプローブ光４の光軸方向（図で左右方向）に入射する。

放射素子１３は、例えば光伝導アンテナであり、数十ＴＨｚ以上のテラヘルツ波３ａを発生する。このテラヘルツ波３ａは、軸外し放物面鏡１４ａと反射ミラー１５ａを介して試料Ｓに照射される。

試料Ｓで反射したテラヘルツ波３ｂは、反射ミラー１５ｂと軸外し放物面鏡１４ｂを介して検出素子１６に入射する。

リニアステージ１８は、プローブ光４が検出素子１６に到着するタイミングをずらす機能を有する。リニアステージ１８は、例えばボイスコイルモータを内蔵し、プローブ光４の光軸方向（図で左右方向）に移動可能に構成されている。この例で、リニアステージ１８は、ステージ反射器１８ａを備え、反射ミラー１５ｃから入射した反射光２ｂをプローブ光４として光軸方向に正反射する。プローブ光４は検出素子１６に入射する。

検出素子１６は、例えばテラヘルツ波検出器であり、プローブ光４が入射したときのテラヘルツ波３ｂの電場強度を計測制御装置１９へ出力する。検出素子１６は、プローブ光４が入射した時点のみのテラヘルツ波３ｂを検出する。プローブ光４の半値幅は、上述したように、例えば約１０^−１５ｓｅｃ（＝１０ｐｓｅｃ）のオーダである。

計測制御装置１９は、例えば制御計測用コンピュータであり、テラヘルツ波３ｂの電場強度を時間軸の波形データ５に表わし、波形データ５から膜Ｆの膜厚を算出する。

図３において、本発明の膜厚計測装置１０は、さらに、遅延時間検出装置２０、原点検出装置３０、及びステージ制御装置４０を備える。

遅延時間検出装置２０は、リニアステージ１８によるプローブ光４の遅延時間を検出する。
原点検出装置３０は、リニアステージ１８の原点を検出する。
ステージ制御装置４０は、遅延時間検出装置２０を制御する。

図３において、遅延時間検出装置２０は、連続光光源２１、ビームスプリッター２３、第１反射器２４、第２反射器２５、連続光検出器２６、及び遅延時間演算装置２７を有する。

連続光光源２１は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ又はランプ光源であり、連続光６を出力する。連続光６は、反射ミラー２２で反射してビームスプリッター２３に入射し、反射光７ａと透過光７ｂに分割される。
第１反射器２４は、リニアステージ１８に設けられ、反射光７ａをビームスプリッター２３に向けて正反射する。
第２反射器２５は、固定位置に設けられ、透過光７ｂをビームスプリッター２３に向けて正反射する。第１反射器２４と第２反射器２５は、リトロリフレクター又は中空リトロリフレクターであるのがよい。

連続光検出器２６は、第１反射器２４と第２反射器２５で正反射した反射光７ａと透過光７ｂが混合したミックス光８を検出する。
遅延時間演算装置２７は、反射光７ａと透過光７ｂが混合したミックス光８のフリンジ（波形）を増幅し、Ａ／Ｄ変換して、連続光検出器２６の出力からプローブ光４の遅延時間を算出する。

光は波であり、連続光光源２１、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長は約０．６３３μｍである。
従って、ミックス光８は、反射光７ａと透過光７ｂの位相差により、両者が強め合うときと弱め合うときとを繰り返すため、遅延時間演算装置２７によりリニアステージ１８の移動量を波長λの１／１０程度（例えば約０．０６μｍ）のオーダで正確に算出することができる。これによりプローブ光４の遅延時間を高精度に算出することができる。

図３において、原点検出装置３０は、位置検出用マーカー３２、光照射装置３４、光検出装置３６、及び原点演算装置３８を有する。

位置検出用マーカー３２は、この例では、リニアステージ１８の側面に設けられた反射体である。
光照射装置３４は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザであり、リニアステージ１８の移動範囲に固定して設けられ、リニアステージ１８の側面に向けて検出光９ａを照射する。
光検出装置３６は、例えばフォトダイオードであり、リニアステージ１８の移動範囲に固定して設けられ、検出光９ａの位置検出用マーカー３２による反射光９ｂ（又は透過光）を光電変換して検出強度を出力する。
原点演算装置３８は、反射光９ｂ（又は透過光）の検出強度からリニアステージ１８の原点を検出する。

図４は、原点検出装置３０の別の実施形態を示す図である。
図４（Ａ）において、位置検出用マーカー３２は、反射体に限定されず、線材又はスリットであってもよい。
また、光照射装置３４及び光検出装置３６と位置検出用マーカー３２との間に絞り３５やレンズ３７を設けてもよい。
図４（Ｂ）は、光検出装置３６で検出した検出強度の時間変化を示す模式図である。この例で原点演算装置３８は、検出強度の立上り時点を原点として検出する。

図５は、図４（Ｂ）の別の実施形態を示す図である。
図５（Ａ）は、位置検出用マーカー３２が反射体である場合である。この例において、原点演算装置３８は、検出強度を予め設定した閾値と比較し、検出強度の上昇時又は下降時に閾値と一致する時点でリニアステージ１８の原点を検出する。
図５（Ｂ）は、位置検出用マーカー３２が細い線材である場合である。この例において、原点演算装置３８は、検出強度のピーク位置を原点として検出する。
図５（Ｃ）は、位置検出用マーカー３２がスリットである場合である。この例において、原点演算装置３８は、検出強度のボトム位置を原点として検出する。

上述した図３において、本発明によれば、ステージ制御装置４０によりリニアステージ１８を加速し、リニアステージ１８が一定速度になりかつ原点を通過した時点をトリガとして、遅延時間検出装置２０によりプローブ光４の遅延時間を検出する。

また、本発明の膜厚計測方法は、上述した膜厚計測装置１０を準備し、ステージ制御装置４０によりリニアステージ１８を加速し、リニアステージ１８が一定速度になりかつ原点を通過した時点をトリガとして、遅延時間検出装置２０によりプローブ光４の遅延時間を検出する。

上述したように、遅延時間検出装置２０は、検出器の出力からリニアステージ１８の移動量を波長λの１／１０程度（例えば約０．１μｍ）のオーダで正確に算出することができるが、その絶対位置は検出できない。
一方、原点検出装置３０は、反射光９ｂ（又は透過光）の検出強度からリニアステージ１８の原点を検出できる。
従って、ステージ制御装置４０により、リニアステージ１８を加速することにより、リニアステージ１８が一定速度に達したことを連続光検出器２６の出力から検出できる。
原点を通過した時点は、原点検出装置３０により検出できる。従って原点検出信号をトリガとして遅延時間検出装置２０によりプローブ光４の遅延時間を検出することにより、検出時の速度が一定であるので、遅延時間に相当するリニアステージ１８の移動量は、原点通過後の経過時間に正確に比例する。従って、時間軸方向の変動幅を大幅に低減することができ、これにより計測精度を向上させることができる。

図６は、従来例と本発明による波形データ５を示す図である。この図において、（Ａ）は従来例の波形データ５であり、（Ｂ）は本発明による波形データ５である。また各図において、横軸は時間［ｐｓ］、縦軸は検出されたテラヘルツ波の電場強度である。
図６（Ａ）の従来例では、波形データ５の線幅が太くなっており、波形データ５の時間軸の変動幅が大きく、その分の時間軸の精度が低い問題点があった。例えば図６（Ａ）の従来例で、時間軸の変動幅は約０．００４ｐｓｅｃであり、膜厚算出時の誤差Δｔは、Δｔ≒３×１０^８×０．００４×１０^−１２＝１２×１０^−７ｍ＝１．２μｍとなる。
これに対し、図６（Ｂ）の本発明では、波形データ５の線幅が細くなっており、波形データ５の時間軸の変動幅は、従来例の１０分の１程度であり、膜厚算出時の誤差Δｔを従来例の１０分の１程度まで低減できることがわかる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Ａ，Ｂ１，Ｂ２ 反射波、Ｃ 光速、ｄ 膜厚、Ｆ 膜、
Ｓ 試料、Ｒ リファレンス、Δｔ１ 第１時間差、Δｔ２ 第２時間差、
１ 光パルス、２ａ 透過光、２ｂ 反射光、３ａ，３ｂ テラヘルツ波、
４ プローブ光、５ 波形データ、６ 連続光、７ａ 反射光、７ｂ 透過光、
８ ミックス光、９ａ 検出光、９ｂ 反射光（又は透過光）、
１０ 膜厚計測装置、１１ レーザ光源（フェトム秒ファイバレーザ）、
１２ 分波器、１３ 放射素子（光伝導アンテナ）、
１４ａ，１４ｂ 軸外し放物面鏡、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 反射ミラー、
１６ 検出素子（テラヘルツ波検出器）、１８ リニアステージ、
１８ａ ステージ反射器、１９ 計測制御装置（制御計測用コンピュータ）、
２０ 遅延時間検出装置、２１ 連続光光源、２２ 反射ミラー、
２３ ビームスプリッター、２４ 第１反射器、２５ 第２反射器、
２６ 連続光検出器、２７ 遅延時間演算装置、３０ 原点検出装置、
３２ 位置検出用マーカー、３４ 光照射装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）、
３５ 絞り、３６ 光検出装置（フォトダイオード）、
３７ レンズ、３８ 原点演算装置、４０ ステージ制御装置

Claims (6)

1. 膜が形成された試料にテラヘルツ波を照射し、試料で反射した前記テラヘルツ波の電場強度をプローブ光が検出素子に到着するときに検出し、プローブ光が検出素子に到着するタイミングをずらしながら、検出された前記テラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表わし、前記波形データから膜厚を算出する膜厚計測装置であって、
   前記タイミングを光軸方向にずらすリニアステージと、
   前記リニアステージによる前記プローブ光の遅延時間を検出する遅延時間検出装置と、
   前記リニアステージの原点を検出する原点検出装置と、
   前記遅延時間検出装置を制御するステージ制御装置と、を備え、
   前記ステージ制御装置により前記リニアステージを加速し、前記リニアステージが一定速度になりかつ前記原点を通過した時点をトリガとして、前記遅延時間検出装置により前記プローブ光の遅延時間を検出する、ことを特徴とする膜厚計測装置。
2. 前記遅延時間検出装置は、
   連続光を出力する連続光光源と、
   前記連続光を透過光と反射光とに分割するビームスプリッターと、
   前記リニアステージに設けられ、前記反射光を正反射する第１反射器と、
   固定位置に設けられ、前記透過光を前記ビームスプリッターに向けて正反射する第２反射器と、
   前記第１反射器と前記第２反射器で正反射した前記反射光と前記透過光が混合したミックス光を検出する連続光検出器と、
   前記連続光検出器の出力から前記プローブ光の遅延時間を算出する遅延時間演算装置と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚計測装置。
3. 前記原点検出装置は、
   前記リニアステージの側面に設けられた位置検出用マーカーと、
   前記リニアステージの移動範囲に固定して設けられ、前記リニアステージの側面に向けて検出光を照射する光照射装置と、
   前記リニアステージの移動範囲に固定して設けられ、前記検出光の前記位置検出用マーカーによる反射光又は透過光を光電変換して検出強度を出力する光検出装置と、
   前記検出強度から前記リニアステージの原点を検出する原点演算装置と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚計測装置。
4. 前記位置検出用マーカーは、反射体、線材又はスリットである、ことを特徴とする請求項３に記載の膜厚計測装置。
5. 前記原点演算装置は、前記検出強度を閾値と比較し、前記検出強度の上昇時又は下降時に前記閾値と一致する時点で前記リニアステージの原点を検出する、ことを特徴とする請求項３に記載の膜厚計測装置。
6. 膜が形成された試料にテラヘルツ波を照射し、試料で反射した前記テラヘルツ波の電場強度をプローブ光が検出素子に到着するときに検出し、プローブ光が検出素子に到着するタイミングをずらしながら、検出された前記テラヘルツ波の電場強度を時間軸の波形データに表わし、前記波形データから膜厚を算出する膜厚計測方法であって、
   前記タイミングを光軸方向にずらすリニアステージと、
   前記リニアステージによる前記プローブ光の遅延時間を検出する遅延時間検出装置と、
   前記リニアステージの原点を検出する原点検出装置と、
   前記遅延時間検出装置を制御するステージ制御装置と、を準備し、
   前記ステージ制御装置により前記リニアステージを加速し、前記リニアステージが一定速度になりかつ前記原点を通過した時点をトリガとして、前記遅延時間検出装置により前記プローブ光の遅延時間を検出する、ことを特徴とする膜厚計測方法。