JP2020159951A - Measuring method and device - Google Patents

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Abstract

To provide a measuring method and device with which it is possible to measure the thickness of a thick measurement object and detect a difference in thickness with high accuracy, irrespective of the wavelength resolution of the measuring device.SOLUTION: The measuring method comprises the steps of: simulating the interference light obtained by irradiating a measurement object (9) with measurement light and calculating the light intensity distribution of interference light for each thickness (TH) of the measurement object; acquiring the data for thickness computation that includes the characteristic of the envelope obtained by changing the sampling interval of the light intensity distribution of interference light calculated for each thickness of the measurement object; acquiring measured data of light intensity distribution of interference light obtained by irradiating the measurement object with measurement light; and comparing the data for thickness computation obtained by simulation with the characteristic of the envelope obtained by changing the sampling interval in the measured data and calculating the thickness of the measurement object.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は測定方法及び装置に係り、測定対象物の厚みを測定するための測定方法及び装置に関する。 The present invention relates to a measuring method and an apparatus, and relates to a measuring method and an apparatus for measuring the thickness of an object to be measured.

測定対象物(膜)の厚みを測定する方法として、膜に白色光を照射し、膜の表面からの反射光と膜の裏面からの反射光との干渉光を分光することで、厚みを測定する方法が知られている。特許文献1には、分光後の干渉光の波長に関する強度分布から隣り合うピーク点を抽出し、ピーク点間の波数差から厚みを算出することが開示されている。 As a method of measuring the thickness of an object (film) to be measured, the thickness is measured by irradiating the film with white light and dispersing the interference light between the reflected light from the front surface of the film and the reflected light from the back surface of the film. There are known ways to do this. Patent Document 1 discloses that adjacent peak points are extracted from the intensity distribution of the interference light after spectroscopy with respect to the wavelength, and the thickness is calculated from the wave number difference between the peak points.

特開2010−121977号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-121977

波長をλ、波数をk、波長λの光に対する測定対象物の屈折率をn、測定対象物の物理的な厚みをTH、干渉光の波長に関する強度分布におけるピーク点間の波数差をδkとすると、測定対象物の光学的な厚みd(d=n×TH)は、下記の式(1)により表される。 The wavelength is λ, the wave number is k, the refractive index of the object to be measured with respect to light of wavelength λ is n, the physical thickness of the object to be measured is TH, and the wave number difference between peak points in the intensity distribution with respect to the wavelength of the interference light is δk. Then, the optical thickness d (d = n × TH) of the object to be measured is represented by the following equation (1).

d=1/(2δk),k=1/λ …(1)
式(1)から、測定対象物の厚みdが厚くなるほど、波数差δkの値が小さくなることがわかる。
d = 1 / (2δk), k = 1 / λ ... (1)
From the equation (1), it can be seen that the value of the wavenumber difference δk becomes smaller as the thickness d of the object to be measured becomes thicker.

干渉光の中心波長をλcとすると、測定対象物の厚みdと分解必要な波長の差δλの関係は、下記の式(2)により表される。 Assuming that the central wavelength of the interference light is λc, the relationship between the thickness d of the object to be measured and the difference δλ of the wavelengths required for decomposition is expressed by the following equation (2).

δλ≒λc/(2d)/4 …(2)
式(2)から、測定対象物の厚みdが厚くなるほど、分解必要な波長の差δλが小さくなり、厚みの測定に必要な波長分解能λc/δλが高くなることがわかる。例えば、λc=800nmの場合、厚みdが1mmの測定対象物の測定を行う際に分解必要な波長の差δλは約0.08nmとなり、厚みdが2mmの測定対象物の測定を行う際に分解必要な波長の差δλは約0.04nmとなる。このように、厚い測定対象物(一例で厚みdが1mm以上)の厚みの測定を行う場合には、高い波長分解能が必要となる。
δλ≈λc 2 / (2d) / 4 ... (2)
From the equation (2), it can be seen that the thicker the thickness d of the object to be measured, the smaller the difference δλ of the wavelengths required for decomposition and the higher the wavelength resolution λc / δλ required for measuring the thickness. For example, when λc = 800 nm, the difference in wavelength δλ required for decomposition when measuring a measurement object having a thickness d of 1 mm is about 0.08 nm, and when measuring an object having a thickness d of 2 mm. The wavelength difference δλ required for decomposition is about 0.04 nm. As described above, when measuring the thickness of a thick object to be measured (in one example, the thickness d is 1 mm or more), high wavelength resolution is required.

しかしながら、一般に分光器の波長分解能λc/δλは、分光器に用いられる光学部品(例えば、回折格子)及び検出器(例えば、CCD(Charge Coupled Device)等)の性能によって制限される。例えば、回折格子の単位長さ当たりの溝の本数N、サイズL、回折光の次数をmとすると、分解可能な波長の差δλは、下記の式(3)により表される。 However, in general, the wavelength resolution λc / δλ of a spectroscope is limited by the performance of optical components (for example, diffraction gratings) and detectors (for example, CCD (Charge Coupled Device)) used in the spectroscope. For example, assuming that the number of grooves N per unit length of the diffraction grating, the size L, and the order of the diffracted light are m, the difference in resolution δλ is expressed by the following equation (3).

δλ=λc/mNL …(3)
式(3)において、N=1000本/mm、L=10mm、m=1、λc=800nmとすると、δλ=0.08nmとなる。なお、式(3)により求められるδλの値はあくまで理論値であり、実際に回折格子を分光器に組み込んで使用する場合には、光源及びスリットの大きさ並びに他の光学部品(例えば、レンズ、ミラー等)の収差等により、スペクトル線が広がるため、実際のδλはより大きくなる。
δλ = λc / mNL… (3)
In the formula (3), if N = 1000 lines / mm, L = 10 mm, m = 1, λc = 800 nm, then δλ = 0.08 nm. The value of δλ obtained by the equation (3) is only a theoretical value, and when the diffraction grating is actually incorporated in the spectroscope and used, the size of the light source and the slit and other optical components (for example, a lens) , Mirror, etc.) Since the spectral line is widened due to aberrations, etc., the actual δλ becomes larger.

波長分解能λc/δλを高めるためには、より溝の間隔が短い回折格子を用いたり、又は検出器の画素サイズを小さくすることが考えられる。しかしながら、検出器の精度の向上には限界があり、また、高コスト化を招くという問題がある。 In order to increase the wavelength resolution λc / δλ, it is conceivable to use a diffraction grating having a shorter groove interval or to reduce the pixel size of the detector. However, there is a limit to improving the accuracy of the detector, and there is a problem that the cost is increased.

さらに、測定対象物における厚みdの変化(差)を測定する場合、式(1)から、検出可能な厚みdの差δdは、ピーク点間の波数差δkの変化により決定される。そして、厚みの差δdが小さくなるほど、ピーク点間の波数差δkの変化が小さくなる。 Further, when measuring the change (difference) in the thickness d of the object to be measured, the detectable difference δd in the thickness d is determined by the change in the wavenumber difference δk between the peak points from the equation (1). The smaller the difference in thickness δd, the smaller the change in wavenumber difference δk between peak points.

特許文献1には、波数に関する光強度分布の極大点を抽出し、極大点の空間周波数に対応する周波数成分の位相に基づいて、膜の変位量を判定することが開示されている。しかしながら、特許文献1のように、位相を用いる場合であっても、波長分解能の制約により、位相差が小さい場合には測定が困難であった。 Patent Document 1 discloses that the maximum point of the light intensity distribution with respect to the wave number is extracted, and the displacement amount of the film is determined based on the phase of the frequency component corresponding to the spatial frequency of the maximum point. However, even when phase is used as in Patent Document 1, measurement is difficult when the phase difference is small due to the limitation of wavelength resolution.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、測定装置の波長分解能に関わらず、厚い測定対象物の厚みの測定が可能であり、かつ、高精度で厚みの差を検出することが可能な測定方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to measure the thickness of a thick object to be measured regardless of the wavelength resolution of the measuring device, and to detect the difference in thickness with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a possible measuring method and apparatus.

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係る測定方法は、測定対象物に測定光を照射して得られる干渉光のシミュレーションを行い、測定対象物の厚みごとに干渉光の光強度分布を算出するステップと、測定対象物の厚みごとに算出された干渉光の光強度分布のサンプリング間隔を変えて得られた包絡線の特性を含む厚み演算用データを取得するステップと、測定対象物に測定光を照射して得られた干渉光の光強度分布の実測データを取得するステップと、シミュレーションにより得られた厚み演算用データと、実測データにおいてサンプリング間隔を変えることにより得られた包絡線の特性とを比較して、測定対象物の厚みを算出するステップとを備える。 In order to solve the above problems, in the measurement method according to the first aspect of the present invention, the interference light obtained by irradiating the measurement object with the measurement light is simulated, and the interference light is generated for each thickness of the measurement object. A step of calculating the light intensity distribution, a step of acquiring data for thickness calculation including the characteristics of the envelope obtained by changing the sampling interval of the light intensity distribution of the interference light calculated for each thickness of the object to be measured, and It is obtained by changing the sampling interval in the step of acquiring the measured data of the light intensity distribution of the interference light obtained by irradiating the measurement object with the measurement light, the thickness calculation data obtained by the simulation, and the measured data. It is provided with a step of calculating the thickness of the object to be measured by comparing it with the characteristics of the envelope.

本発明の第2の態様に係る測定方法は、第1の態様において、厚みが既知の標準物の測定結果を用いて、シミュレーションにより得られた包絡線の特性を校正するステップをさらに備える。 The measurement method according to the second aspect of the present invention further includes, in the first aspect, a step of calibrating the characteristics of the envelope obtained by simulation using the measurement results of a standard having a known thickness.

本発明の第3の態様に係る測定方法は、第1又は第2の態様において、実測データに基づいて測定対象物の厚みの概算値を算出し、概算値に基づいて、厚みごとのシミュレーションの結果得られた厚み演算用データの中から、測定対象物の厚みの演算に使用する厚み演算用データを選択するステップをさらに備える。 In the measurement method according to the third aspect of the present invention, in the first or second aspect, an estimated value of the thickness of the object to be measured is calculated based on the measured data, and the simulation for each thickness is performed based on the estimated value. A step of selecting the thickness calculation data to be used for calculating the thickness of the object to be measured is further provided from the resulting thickness calculation data.

本発明の第4の態様に係る測定装置は、測定光を出射する光源と、測定対象物に測定光を照射して得られる干渉光のシミュレーションを行い、測定対象物の厚みごとに干渉光の光強度分布を算出するシミュレーション部と、測定対象物の厚みごとに算出された干渉光の光強度分布のサンプリング間隔を変えて得られた包絡線の特性を含む厚み演算用データを取得する厚み演算用データ取得部と、測定対象物に測定光を照射して得られた干渉光の光強度分布の実測データを取得する実測データ取得部と、シミュレーションにより得られた厚み演算用データと、実測データにおいてサンプリング間隔を変えることにより得られた包絡線の特性とを比較して、測定対象物の厚みを算出する算出部とを備える。 The measuring device according to the fourth aspect of the present invention simulates a light source that emits measurement light and interference light obtained by irradiating the measurement object with measurement light, and obtains interference light for each thickness of the measurement object. Thickness calculation to acquire data for thickness calculation including the characteristics of the envelope obtained by changing the sampling interval of the light intensity distribution of the interference light calculated for each thickness of the object to be measured and the simulation unit that calculates the light intensity distribution. Data acquisition unit, actual measurement data acquisition unit that acquires actual measurement data of the light intensity distribution of interference light obtained by irradiating the measurement object with measurement light, thickness calculation data obtained by simulation, and actual measurement data. It is provided with a calculation unit for calculating the thickness of the object to be measured by comparing it with the characteristics of the envelope obtained by changing the sampling interval.

本発明によれば、光強度分布のシミュレーション結果から求めた包絡線の特性と、測定対象物の実測データとを用いて測定対象物の厚みを求めることにより、測定装置の波長分解能に関わらず、測定対象物の厚みを高精度で求めることが可能になる。 According to the present invention, the thickness of the object to be measured is obtained by using the characteristics of the envelope obtained from the simulation result of the light intensity distribution and the measured data of the object to be measured, regardless of the wavelength resolution of the measuring device. It becomes possible to obtain the thickness of the object to be measured with high accuracy.

図1は、本発明の一実施形態に係る測定装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a measuring device according to an embodiment of the present invention. 図2は、センサヘッドの拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the sensor head. 図3は、制御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the control device. 図4は、本発明の一実施形態に係る測定方法におけるシミュレーション工程を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a simulation process in the measurement method according to the embodiment of the present invention. 図5は、シミュレーション結果と標準物の実測結果の例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of a simulation result and an actual measurement result of a standard object. 図6は、包絡線データを示すテーブルである。FIG. 6 is a table showing envelope data. 図7は、校正済みのパラメータを示すテーブルである。FIG. 7 is a table showing the calibrated parameters. 図8は、本発明の一実施形態に係る測定方法における厚み算出工程を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing a thickness calculation step in the measurement method according to the embodiment of the present invention. 図9は、測定対象物の厚みの概算値の算出工程を説明するためのグラフである。FIG. 9 is a graph for explaining a process of calculating an approximate value of the thickness of the object to be measured. 図10は、測定対象物の厚みの概算値の算出工程を説明するためのグラフである。FIG. 10 is a graph for explaining a process of calculating an approximate value of the thickness of the object to be measured. 図11は、測定対象物の厚みの概算値の算出工程を説明するためのグラフである。FIG. 11 is a graph for explaining a process of calculating an approximate value of the thickness of the object to be measured. 図12は、測定対象物の厚みの演算に使用する校正済みシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the calibrated simulation results used for calculating the thickness of the object to be measured. 図13は、測定対象物の厚みの演算に使用する校正済みシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the calibrated simulation result used for calculating the thickness of the object to be measured. 図14は、測定対象物の厚みの演算に使用する校正済みシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing the calibrated simulation results used for calculating the thickness of the object to be measured. 図15は、測定対象物の厚みの演算を説明するためのグラフである。FIG. 15 is a graph for explaining the calculation of the thickness of the object to be measured. 図16は、測定対象物の厚みの演算を説明するためのグラフである。FIG. 16 is a graph for explaining the calculation of the thickness of the object to be measured.

以下、添付図面に従って本発明に係る測定方法及び装置の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the measurement method and the apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

[測定装置の構成]
図1は、測定光Lを用いて非接触で測定対象物9の厚みTHを測定(計測)する測定装置10の概略図である。また、測定対象物9の距離Dとは、測定装置10[本実施形態では後述の端面19(参照面)]から測定対象物9(第1面9a)までの距離である。さらに、測定対象物9の厚みTHとは、本実施形態では測定対象物9の第1面9aと第2面9bとの間隔(長さ)である。
[Measuring device configuration]
FIG. 1 is a schematic view of a measuring device 10 that measures (measures) the thickness TH of a measurement object 9 in a non-contact manner using the measurement light L. The distance D of the measurement object 9 is the distance from the measurement device 10 [end surface 19 (reference surface) described later in this embodiment] to the measurement object 9 (first surface 9a). Further, the thickness TH of the measurement object 9 is the distance (length) between the first surface 9a and the second surface 9b of the measurement object 9 in the present embodiment.

図1に示すように、測定装置10は、光源12と、ファイバーサーキュレータ13(光サーキュレータともいう)と、センサヘッド14と、これら各部を接続する光経路である光ファイバーケーブル15A、15B、15Cと、分光器16と、検出器17と、制御装置18と、を備える。 As shown in FIG. 1, the measuring device 10 includes a light source 12, a fiber circulator 13 (also referred to as an optical circulator), a sensor head 14, and optical fiber cables 15A, 15B, and 15C which are optical paths connecting these parts. A spectroscope 16, a detector 17, and a control device 18 are provided.

光源12は、測定光Lとして白色光を出射する光源であり、例えば、ハロゲンランプ、レーザー光源又はLED(Light Emitting Diode)光源等である。ここで、白色光とは、可視光領域(波長約400nm〜約720nm)の波長の可視光線を混ぜ合わせた光であり、例えば、赤、緑及び青の3色(3原色)の光を適切な比率で混合した光であってもよい。光源12は、光ファイバーケーブル15Aを介してファイバーサーキュレータ13と接続している。光源12は、光ファイバーケーブル15Aを介してファイバーサーキュレータ13へ測定光Lを出射(照射)する。 The light source 12 is a light source that emits white light as the measurement light L, and is, for example, a halogen lamp, a laser light source, an LED (Light Emitting Diode) light source, or the like. Here, the white light is light obtained by mixing visible light having a wavelength in the visible light region (wavelength of about 400 nm to about 720 nm), and for example, light of three colors (three primary colors) of red, green and blue is appropriate. The light may be mixed at various ratios. The light source 12 is connected to the fiber circulator 13 via an optical fiber cable 15A. The light source 12 emits (irradiates) the measurement light L to the fiber circulator 13 via the optical fiber cable 15A.

なお、本実施形態では、光源12として白色光源を用いたが、本発明は、これに限定されない。光源12としては、一定のスペクトル幅を有する測定光を出射可能な光源を用いることができる。また、光源12としては、例えば、波長掃引光源を用いてもよい。波長掃引光源を用いる場合には、分光器16を省略することが可能である。 In the present embodiment, a white light source is used as the light source 12, but the present invention is not limited to this. As the light source 12, a light source capable of emitting measurement light having a constant spectral width can be used. Further, as the light source 12, for example, a wavelength sweep light source may be used. When a wavelength sweep light source is used, the spectroscope 16 can be omitted.

ファイバーサーキュレータ13は、既述の光ファイバーケーブル15Aを介して光源12に接続している他、光ファイバーケーブル15Bを介してセンサヘッド14と接続し、さらに光ファイバーケーブル15Cを介して分光器16及び検出器17と接続している。 The fiber circulator 13 is connected to the light source 12 via the above-mentioned optical fiber cable 15A, is connected to the sensor head 14 via the optical fiber cable 15B, and is further connected to the spectroscope 16 and the detector 17 via the optical fiber cable 15C. Is connected to.

ファイバーサーキュレータ13は、例えば、非往復方式且つ1方向型デバイスであって3つのポートを有しており、光ファイバーケーブル15Aを介して光源12から入力された測定光Lを光ファイバーケーブル15Bへ出力する。これにより、光源12からの測定光Lが、光ファイバーケーブル15Bを介してセンサヘッド14に入力される。また、ファイバーサーキュレータ13は、光ファイバーケーブル15Bを介して後述の干渉信号SGを光ファイバーケーブル15Cへ出力する。これにより、干渉信号SGが、光ファイバーケーブル15Cを介して分光器16及び検出器17に入力される。 The fiber circulator 13 is, for example, a non-reciprocating and unidirectional device having three ports, and outputs the measurement light L input from the light source 12 to the optical fiber cable 15B via the optical fiber cable 15A. As a result, the measurement light L from the light source 12 is input to the sensor head 14 via the optical fiber cable 15B. Further, the fiber circulator 13 outputs the interference signal SG described later to the optical fiber cable 15C via the optical fiber cable 15B. As a result, the interference signal SG is input to the spectroscope 16 and the detector 17 via the optical fiber cable 15C.

図2は、センサヘッド14の拡大図である。図2に示すように、センサヘッド14は、測定対象物9の第1面9aに対向する位置に配置されている。なお、センサヘッド14に対する光ファイバーケーブル15Bの接続構造は図2に示した例に限定されるものではなく、公知の接続構造を採用することができる。 FIG. 2 is an enlarged view of the sensor head 14. As shown in FIG. 2, the sensor head 14 is arranged at a position facing the first surface 9a of the measurement object 9. The connection structure of the optical fiber cable 15B to the sensor head 14 is not limited to the example shown in FIG. 2, and a known connection structure can be adopted.

センサヘッド14は、ファイバーサーキュレータ13から光ファイバーケーブル15Bを介して入力された測定光Lを測定対象物9の第1面9aに向けて出射する。これにより、センサヘッド14から出射された測定光Lの一部が第1面9aにて反射され、第1反射光R1としてセンサヘッド14に入射する。また、第1面9aから測定対象物9を透過した測定光Lの一部が第1面9aとは反対側の第2面9bで反射され、第2反射光R2としてセンサヘッド14に入射する。そして、第1反射光R1及び第2反射光R2は、センサヘッド14から光ファイバーケーブル15Bに入力される。 The sensor head 14 emits the measurement light L input from the fiber circulator 13 via the optical fiber cable 15B toward the first surface 9a of the measurement object 9. As a result, a part of the measurement light L emitted from the sensor head 14 is reflected by the first surface 9a and is incident on the sensor head 14 as the first reflected light R1. Further, a part of the measurement light L transmitted from the first surface 9a through the measurement object 9 is reflected by the second surface 9b opposite to the first surface 9a, and is incident on the sensor head 14 as the second reflected light R2. .. Then, the first reflected light R1 and the second reflected light R2 are input from the sensor head 14 to the optical fiber cable 15B.

光ファイバーケーブル15Bのセンサヘッド14に接続される側の端面19、すなわち、測定光Lをセンサヘッド14へ出射する出射端側の端面19は、測定光Lの一部をファイバーサーキュレータ13に向けて反射する参照面として機能する。これにより、測定光Lの一部が端面19(参照面)でファイバーサーキュレータ13に向けて反射されて、参照光R3となる。このため、光ファイバーケーブル15Bにおいて第1反射光R1と第2反射光R2と参照光R3とが互いに干渉し、第1反射光R1と第2反射光R2と参照光R3との干渉信号SG(干渉光)がファイバーサーキュレータ13に入力される。 The end face 19 on the side connected to the sensor head 14 of the optical fiber cable 15B, that is, the end face 19 on the exit end side that emits the measurement light L to the sensor head 14, reflects a part of the measurement light L toward the fiber circulator 13. Acts as a reference plane. As a result, a part of the measurement light L is reflected by the end surface 19 (reference surface) toward the fiber circulator 13 to become the reference light R3. Therefore, in the optical fiber cable 15B, the first reflected light R1, the second reflected light R2, and the reference light R3 interfere with each other, and the interference signal SG (interference) between the first reflected light R1, the second reflected light R2, and the reference light R3. Light) is input to the fiber circulator 13.

干渉信号SGには、第1反射光R1及び参照光R3の干渉信号成分である第1干渉信号成分sg1と、第2反射光R2及び参照光R3の干渉信号成分である第2干渉信号成分sg2と、第1反射光R1及び第2反射光R2の干渉信号成分である第3干渉信号成分sg3と、が含まれる。なお、干渉信号SGには、センサヘッド14内の不図示のレンズによる不要反射によって発生するノイズ光RNも含まれている。そして、干渉信号SGは、ファイバーサーキュレータ13及び光ファイバーケーブル15Cを介して分光器16及び検出器17に入力される。 The interference signal SG includes a first interference signal component sg1 which is an interference signal component of the first reflected light R1 and a reference light R3, and a second interference signal component sg2 which is an interference signal component of the second reflected light R2 and the reference light R3. And a third interference signal component sg3, which is an interference signal component of the first reflected light R1 and the second reflected light R2, are included. The interference signal SG also includes noise light RN generated by unnecessary reflection by a lens (not shown) in the sensor head 14. Then, the interference signal SG is input to the spectroscope 16 and the detector 17 via the fiber circulator 13 and the optical fiber cable 15C.

図1に戻って、分光器16は、干渉信号SGを分光する装置であり、例えば、回折格子(不図示)を含んでいる。回折格子は、ファイバーサーキュレータ13から光ファイバーケーブル15Cを介して入力(入射)された干渉信号SGを、その波長に応じて異なる方向に出射させる。 Returning to FIG. 1, the spectroscope 16 is a device that disperses the interference signal SG, and includes, for example, a diffraction grating (not shown). The diffraction grating emits the interference signal SG input (incident) from the fiber circulator 13 via the optical fiber cable 15C in different directions according to its wavelength.

検出器17は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)型又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型のイメージセンサ、或いはシリコンフォトダイオードが用いられる。分光器16の回折格子によって回折された干渉光は、結像レンズ(不図示)に入射し、その波長に応じて検出器17の異なる位置に結像される。検出器17は、分光器16の回折格子により分光された干渉信号(SG)を電気信号に変換及び増幅して制御装置18へ出力する。 As the detector 17, for example, a CCD (Charge Coupled Device) type or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type image sensor or a silicon photodiode is used. The interference light diffracted by the diffraction grating of the spectroscope 16 is incident on an imaging lens (not shown) and is imaged at different positions of the detector 17 according to its wavelength. The detector 17 converts and amplifies the interference signal (SG) dispersed by the diffraction grating of the spectroscope 16 into an electric signal and outputs it to the control device 18.

制御装置18は、例えばパーソナルコンピュータ、ワークステーション等の演算処理装置であり、光源12及び検出器17などの測定装置10の各部の動作を制御する。また、制御装置18は、検出器17から入力された干渉信号SGを解析して、測定対象物9の厚みTHを測定(演算)する。 The control device 18 is, for example, an arithmetic processing device such as a personal computer or a workstation, and controls the operation of each part of the measuring device 10 such as the light source 12 and the detector 17. Further, the control device 18 analyzes (calculates) the thickness TH of the measurement object 9 by analyzing the interference signal SG input from the detector 17.

[制御装置の構成]
図3は、制御装置の構成を示すブロック図である。
[Control device configuration]
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the control device.

図3に示すように、本実施形態に係る制御装置18は、測定装置10の各部の制御を行い、測定の結果を処理する装置であり、制御部20、信号処理部22、記憶部24及び入出力部26を含んでいる。 As shown in FIG. 3, the control device 18 according to the present embodiment is a device that controls each part of the measuring device 10 and processes the measurement result, and is a control unit 20, a signal processing unit 22, a storage unit 24, and a storage unit 24. The input / output unit 26 is included.

制御部20は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を含んでいる。制御部20は、入出力部26を介して作業者から操作入力を受け付けて、測定装置10の各部を制御する。制御部20は、光源12による測定光Lの出射、及び検出器17による干渉信号SGの出力等を制御する。また、制御部20は、後述のシミュレーション及び測定対象物9の厚みTHの演算を行う。制御部20は、シミュレーション部、厚み演算用データ取得部、実測データ取得部及び算出部の一例である。 The control unit 20 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), and a RAM (Random Access Memory). The control unit 20 receives an operation input from the operator via the input / output unit 26 and controls each unit of the measuring device 10. The control unit 20 controls the emission of the measurement light L by the light source 12, the output of the interference signal SG by the detector 17, and the like. Further, the control unit 20 performs a simulation described later and a calculation of the thickness TH of the measurement object 9. The control unit 20 is an example of a simulation unit, a thickness calculation data acquisition unit, an actual measurement data acquisition unit, and a calculation unit.

入出力部26は、作業者の操作入力を受け付けるための操作部材(例えば、キーボード、ポインティングデバイス等)と、測定対象物9の測定の結果等を表示するための表示部(例えば、液晶ディスプレイ等)とを含んでいる。 The input / output unit 26 is an operation member (for example, a keyboard, a pointing device, etc.) for receiving an operation input of an operator, and a display unit (for example, a liquid crystal display, etc.) for displaying the measurement result of the measurement object 9. ) And is included.

信号処理部22は、検出器17から干渉信号SGを取得して信号処理を行い、光強度分布等を求める。 The signal processing unit 22 acquires the interference signal SG from the detector 17 and performs signal processing to obtain the light intensity distribution and the like.

記憶部24は、測定対象物9の測定結果等のデータを保存するためのストレージデバイスである。記憶部24としては、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等を用いることができる。 The storage unit 24 is a storage device for storing data such as measurement results of the measurement object 9. As the storage unit 24, for example, an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), or the like can be used.

[厚みの測定方法]
次に、本発明の一実施形態に係る測定方法について説明する。
[Thickness measurement method]
Next, the measurement method according to the embodiment of the present invention will be described.

測定対象物9の実測データ(光強度分布)に対してサンプリング間隔を変えて包絡線検波を行った場合、測定対象物9の厚みTHに応じて包絡線の特性(群位相。例えば、包絡線振幅、周期等)が異なる。そこで、本実施形態では、あらかじめシミュレーションを行って、サンプリング間隔M及び測定対象物9の厚みTHを変えた場合の包絡線を算出する。そして、このシミュレーション結果と、測定対象物9の実測データとを用いて測定対象物9の厚みTHを求める。 When the envelope detection is performed by changing the sampling interval for the measured data (light intensity distribution) of the measurement object 9, the envelope characteristics (group phase, for example, the envelope) according to the thickness TH of the measurement object 9. The amplitude, period, etc.) are different. Therefore, in the present embodiment, a simulation is performed in advance to calculate the envelope when the sampling interval M and the thickness TH of the measurement object 9 are changed. Then, the thickness TH of the measurement target 9 is obtained by using this simulation result and the actual measurement data of the measurement target 9.

図4は、本発明の一実施形態に係る測定方法におけるシミュレーション工程を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing a simulation process in the measurement method according to the embodiment of the present invention.

まず、制御部20は、厚みTH(TH=1,…,N)の測定対象物9から得られる光強度分布をシミュレーションにより求める(ステップS10)。そして、制御部20は、光強度分布のシミュレーション結果に対して、サンプリング間隔Δ(Δ=1,…,M)を変えて包絡線検波を行い、サンプリング間隔Δ及び厚みTHを変化させた場合の包絡線のデータを取得する。このシミュレーションにより、測定対象物9の厚みTHと、包絡線から得られる群位相の関係が得られる(ステップS12)。 First, the control unit 20 obtains the light intensity distribution obtained from the measurement object 9 having a thickness TH (TH = 1, ..., N) by simulation (step S10). Then, the control unit 20 performs envelope detection by changing the sampling interval Δ (Δ = 1, ..., M) with respect to the simulation result of the light intensity distribution, and changes the sampling interval Δ and the thickness TH. Get envelope data. By this simulation, the relationship between the thickness TH of the object 9 to be measured and the group phase obtained from the envelope can be obtained (step S12).

次に、制御部20は、測定装置10を用いて厚みTH(TH=1,…,N)の標準物を測定して得られた光強度分布(標準物の実測結果)を取得して、ステップS10及びS12のシミュレーション結果の校正を行う(ステップS14)。ここで、標準物(基準片)は、厚みが既知の部材であり、例えば、ガラス製の板状又はフイルム状部材である。 Next, the control unit 20 obtains the light intensity distribution (actual measurement result of the standard product) obtained by measuring the standard product having a thickness TH (TH = 1, ..., N) using the measuring device 10. The simulation results of steps S10 and S12 are calibrated (step S14). Here, the standard material (reference piece) is a member having a known thickness, and is, for example, a glass plate-shaped or film-shaped member.

図5は、シミュレーション結果と標準物の実測結果の例を示す図である。なお、図5の各グラフの横軸は波長(μm)であり、縦軸は振幅(正規化した値)である。図5には、シミュレーション結果及び実測結果の例として、厚みN、サンプリング間隔が0.04nm、0.06nm及び0.08nmのデータを示している。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a simulation result and an actual measurement result of a standard object. The horizontal axis of each graph in FIG. 5 is the wavelength (μm), and the vertical axis is the amplitude (normalized value). FIG. 5 shows data of thickness N and sampling intervals of 0.04 nm, 0.06 nm, and 0.08 nm as examples of simulation results and actual measurement results.

ステップS14では、制御部20は、各厚みTH(TH=1,…,N)のシミュレーション結果と同じ厚みの標準物の測定結果と比較して、両者を互いに近づける変換を行い、校正済みの包絡線データを求める。ステップS14では、制御部20は、例えば、各厚みTH(TH=1,…,N)のシミュレーション結果の近似曲線を、同じ厚みの標準物の測定結果の近似曲線に近づけるか、又は一致させる。そして、制御部20は、校正済みの包絡線データから校正済みのパラメータを求める。ここで、パラメータとしては、例えば、包絡線振幅、極大値及び極小値をとる点並びに変曲点等を求める。 In step S14, the control unit 20 compares the simulation result of each thickness TH (TH = 1, ..., N) with the measurement result of the standard object having the same thickness, performs a conversion that brings the two closer to each other, and calibrates the envelope. Find line data. In step S14, for example, the control unit 20 brings the approximate curve of the simulation result of each thickness TH (TH = 1, ..., N) closer to or matches the approximate curve of the measurement result of the standard object having the same thickness. Then, the control unit 20 obtains the calibrated parameter from the calibrated envelope data. Here, as parameters, for example, the envelope amplitude, the point at which the maximum value and the minimum value are taken, the inflection point, and the like are obtained.

図6は、包絡線データを示すテーブルであり、図7は、校正済みのパラメータを示すテーブルである。 FIG. 6 is a table showing envelope data, and FIG. 7 is a table showing calibrated parameters.

ステップS10及びS12では、サンプリング間隔Δ(Δ=1,…,M)及び厚みTH(TH=1,…,N)ごとの包絡線データ(包絡線11,…,MN)が得られる。そして、ステップS14では、サンプリング間隔Δ(Δ=1,…,M)及び厚みTH(TH=1,…,N)ごとのパラメータ(パラメータ11,…,MN)が得られる。 In steps S10 and S12, envelope data (envelopes 11, ..., MN) for each sampling interval Δ (Δ = 1, ..., M) and thickness TH (TH = 1, ..., N) are obtained. Then, in step S14, the sampling interval Δ (Δ = 1, ..., M) and the parameters (parameters 11, ..., MN) for each thickness TH (TH = 1, ..., N) are obtained.

上記の校正済みシミュレーション結果(校正済みのパラメータを含む。)は、記憶部24に保存される(ステップS16)。なお、校正済みシミュレーション結果には、校正済みの包絡線データが含まれていてもよい。ここで、校正済みシミュレーション結果は、厚み演算用データの一例である。 The calibrated simulation result (including the calibrated parameter) is stored in the storage unit 24 (step S16). The calibrated simulation result may include calibrated envelope data. Here, the calibrated simulation result is an example of the thickness calculation data.

図8は、本発明の一実施形態に係る測定方法における厚み算出工程を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing a thickness calculation step in the measurement method according to the embodiment of the present invention.

まず、制御部20は、測定装置10を用いて測定対象物9を測定して得られた光強度分布(測定対象物9の実測データ)を取得する(ステップS20)。そして、制御部20は、測定対象物9の厚みの概算値THを算出する(ステップS22)。 First, the control unit 20 acquires the light intensity distribution (actual measurement data of the measurement object 9) obtained by measuring the measurement object 9 using the measurement device 10 (step S20). Then, the control unit 20 calculates the approximate value TH 0 of the thickness of the measurement object 9 (step S22).

図9から図11は、測定対象物の厚みの概算値の算出工程を説明するためのグラフである。図9は、測定対象物9から得られた光強度分布を示しており、図10は、図9の横軸を波数に変換したものである。図11は、図10の波数と振幅の関係に対してFFT(Fast Fourier Transform)を施したものである。 9 to 11 are graphs for explaining the process of calculating the approximate value of the thickness of the object to be measured. FIG. 9 shows the light intensity distribution obtained from the measurement object 9, and FIG. 10 shows the horizontal axis of FIG. 9 converted into a wave number. FIG. 11 shows an FFT (Fast Fourier Transform) applied to the relationship between the wave number and the amplitude of FIG.

図9から図11の例では、使用波長を0.80μm〜0.85μm、波数範囲を0.073529とする。図11では、291.205Hzの位置にピークが現れているため、波数差δkは、δk=0.073529/291.205=2.52501×10−4(μm−1)となる。これにより、厚みの概算値THは、TH=1/(2δk)=1980.194(μm)となる。 In the examples of FIGS. 9 to 11, the wavelength used is 0.80 μm to 0.85 μm, and the wave number range is 0.073529. In FIG. 11, since the peak appears at the position of 291.205 Hz, the wave number difference δk is δk = 0.073529 / 291.205 = 2.52501 × 10 -4 (μm -1 ). As a result, the approximate thickness TH 0 becomes TH 0 = 1 / (2δk) = 1980.194 (μm).

次に、制御部20は、測定対象物9の厚みTHの概算値THに基づいて、厚みTHの演算に使用する校正済みシミュレーション結果を選択する(ステップS24)。ステップS24では、ステップS22で求めた厚みの概算値THに近い厚み(例えば、TH±ΔD)に対応する校正済みシミュレーション結果が選択される。本実施形態では、ΔDを約0.10μmとして、厚みTHが1980.00μmから1980.30μmの場合の校正済みシミュレーション結果が選択されたものとする。 Next, the control unit 20 selects the calibrated simulation result to be used for the calculation of the thickness TH based on the approximate value TH 0 of the thickness TH of the measurement object 9 (step S24). In step S24, a calibrated simulation result corresponding to a thickness close to the estimated thickness TH 0 obtained in step S22 (for example, TH 0 ± ΔD) is selected. In the present embodiment, it is assumed that ΔD is about 0.10 μm and the calibrated simulation result when the thickness TH is 1980.00 μm to 1980.30 μm is selected.

図12から図14は、測定対象物の厚みの演算に使用する校正済みシミュレーション結果を示すグラフである。 12 to 14 are graphs showing the calibrated simulation results used for calculating the thickness of the object to be measured.

図12から図14には、厚みTHが1980.00μmから1980.30μmの場合の校正済みシミュレーション結果が0.05μm刻みで示されている。図12から図14における実線は実測データである。図12から図14におけるサンプリング間隔Δは、それぞれ0.04nm、0.06nm及び0.08nmである。 12 to 14 show the calibrated simulation results when the thickness TH is from 1980.00 μm to 1980.30 μm in increments of 0.05 μm. The solid lines in FIGS. 12 to 14 are actual measurement data. The sampling intervals Δ in FIGS. 12 to 14 are 0.04 nm, 0.06 nm, and 0.08 nm, respectively.

次に、制御部20は、校正済みシミュレーション結果と、実測データにおいてサンプリング間隔Δを変えることにより得られた包絡線の特性とを比較し(ステップS26)、比較結果に基づいて、測定対象物9の厚みTHを算出する(ステップS28)。この演算の結果は、記憶部24に保存される。 Next, the control unit 20 compares the calibrated simulation result with the characteristic of the envelope obtained by changing the sampling interval Δ in the measured data (step S26), and based on the comparison result, the measurement object 9 The thickness TH of the above is calculated (step S28). The result of this calculation is stored in the storage unit 24.

図15及び図16は、測定対象物の厚みの演算を説明するためのグラフである。図15は、厚み1980.00μmから1980.05μmの0.01μm刻みの校正済みシミュレーション結果と、実測データとを比較したものであり、図16は、厚み1980.020μmから1980.025μmの0.01μm刻みの校正済みシミュレーション結果と、実測データとを比較したものである。なお、図15及び図16におけるサンプリング間隔Δは、0.08nmである。 15 and 16 are graphs for explaining the calculation of the thickness of the object to be measured. FIG. 15 compares the calibrated simulation results with a thickness of 1980.00 μm to 1980.05 μm in 0.01 μm increments with the measured data, and FIG. 16 shows 0.01 μm with a thickness of 1980.020 μm to 1980.025 μm. This is a comparison between the calibrated simulation results in increments and the measured data. The sampling interval Δ in FIGS. 15 and 16 is 0.08 nm.

図16に示すように、本例では、実測データが1980.23μmの校正済みシミュレーション結果とほぼ一致している。これにより、測定対象物9の厚みTHが1980.23μmと求められる。本例によれば、サンプリング間隔Δごとの包絡線の特性を利用することにより、約2mmの厚みの測定対象物9に対して、0.01μmオーダの厚みの演算が可能となることがわかる。 As shown in FIG. 16, in this example, the measured data is in good agreement with the calibrated simulation result of 1980.23 μm. As a result, the thickness TH of the object 9 to be measured is determined to be 1980.23 μm. According to this example, it can be seen that the thickness on the order of 0.01 μm can be calculated for the measurement object 9 having a thickness of about 2 mm by using the characteristic of the envelope for each sampling interval Δ.

なお、ステップS24及びS26では、概算値TH又は実測データに対応する厚みTHに対応するパラメータがない場合には、図7に示す校正済みのパラメータから補間(例えば、線形補間)により求めてもよい。例えば、図16に示した厚み1980.020μmから1980.025μmの0.01μm刻みのデータは、1980.0μm及び1980.1μmの校正済みシミュレーション結果(パラメータ)から補間により求めてもよい。 In steps S24 and S26, if there is no parameter corresponding to the approximate value TH 0 or the thickness TH corresponding to the measured data, it may be obtained by interpolation (for example, linear interpolation) from the calibrated parameter shown in FIG. Good. For example, the data shown in FIG. 16 having a thickness of 1980.020 μm to 1980.025 μm in 0.01 μm increments may be obtained by interpolation from the calibrated simulation results (parameters) of 1980.0 μm and 1980.1 μm.

本実施形態によれば、光強度分布のシミュレーション結果から求めた包絡線の特性と、測定対象物9の実測データとを用いて測定対象物9の厚みTHを求めることにより、測定装置10の波長分解能に関わらず、測定対象物9の厚みTHを高精度で求めることが可能になる。 According to the present embodiment, the wavelength of the measuring device 10 is obtained by obtaining the thickness TH of the measuring object 9 by using the characteristics of the envelope obtained from the simulation result of the light intensity distribution and the measured data of the measuring object 9. Regardless of the resolution, the thickness TH of the measurement object 9 can be obtained with high accuracy.

なお、本実施形態では、シミュレーション結果の校正を行うようにしたが、シミュレーション結果の校正を省略してステップS12で取得した包絡線の特性(測定対象物9の厚みTHと群位相の関係)を用いて厚みTHを算出してもよい。すなわち、厚み演算用データとしては、校正前後のシミュレーション結果のいずれを用いてもよい。 In the present embodiment, the simulation result is calibrated, but the characteristic of the envelope (relationship between the thickness TH of the measurement object 9 and the group phase) acquired in step S12 is obtained by omitting the calibration of the simulation result. You may use it to calculate the thickness TH. That is, any of the simulation results before and after calibration may be used as the thickness calculation data.

また、本実施形態では、測定対象物9の厚みTHの概算値THに基づいて、厚みTHの演算に使用する校正済みシミュレーション結果を選択するようにしたが、実測データとすべての校正済みシミュレーション結果とを比較する場合には、概算値THの演算及び校正済みシミュレーション結果の選択のステップ(ステップS22及びS24)を省略することが可能である。 Further, in the present embodiment, the calibrated simulation result used for the calculation of the thickness TH is selected based on the approximate value TH 0 of the thickness TH of the object 9 to be measured, but the measured data and all the calibrated simulations are selected. When comparing the results, it is possible to omit the steps of calculating the approximate value TH 0 and selecting the calibrated simulation results (steps S22 and S24).

9…測定対象物、10…測定装置、12…光源、13…ファイバーサーキュレータ、14…センサヘッド、16…分光器、17…検出器、18…制御装置、19…端面、20…制御部、22…信号処理部、24…記憶部、26…入出力部 9 ... Measurement object, 10 ... Measuring device, 12 ... Light source, 13 ... Fiber circulator, 14 ... Sensor head, 16 ... Spectrometer, 17 ... Detector, 18 ... Control device, 19 ... End face, 20 ... Control unit, 22 ... Signal processing unit, 24 ... Storage unit, 26 ... Input / output unit

Claims (4)

測定対象物に測定光を照射して得られる干渉光のシミュレーションを行い、前記測定対象物の厚みごとに前記干渉光の光強度分布を算出するステップと、
前記測定対象物の厚みごとに算出された前記干渉光の光強度分布のサンプリング間隔を変えて得られた包絡線の特性を含む厚み演算用データを取得するステップと、
前記測定対象物に前記測定光を照射して得られた干渉光の光強度分布の実測データを取得するステップと、
前記シミュレーションにより得られた前記厚み演算用データと、前記実測データにおいてサンプリング間隔を変えることにより得られた包絡線の特性とを比較して、前記測定対象物の厚みを算出するステップと、
を備える測定方法。
A step of simulating the interference light obtained by irradiating the measurement object with the measurement light and calculating the light intensity distribution of the interference light for each thickness of the measurement object.
A step of acquiring thickness calculation data including the characteristics of the envelope obtained by changing the sampling interval of the light intensity distribution of the interference light calculated for each thickness of the measurement object, and
A step of acquiring actual measurement data of the light intensity distribution of the interference light obtained by irradiating the measurement object with the measurement light, and
A step of calculating the thickness of the object to be measured by comparing the thickness calculation data obtained by the simulation with the characteristics of the envelope obtained by changing the sampling interval in the measured data.
A measurement method comprising.
厚みが既知の標準物の測定結果を用いて、前記シミュレーションにより得られた前記包絡線の特性を校正するステップをさらに備える請求項1記載の測定方法。 The measuring method according to claim 1, further comprising a step of calibrating the characteristics of the envelope obtained by the simulation using the measurement result of a standard having a known thickness. 前記実測データに基づいて前記測定対象物の厚みの概算値を算出し、前記概算値に基づいて、前記厚みごとのシミュレーションの結果得られた前記厚み演算用データの中から、前記測定対象物の厚みの演算に使用する厚み演算用データを選択するステップをさらに備える請求項1又は2記載の測定方法。 An approximate value of the thickness of the object to be measured is calculated based on the measured data, and the object to be measured is selected from the thickness calculation data obtained as a result of simulation for each thickness based on the estimated value. The measuring method according to claim 1 or 2, further comprising a step of selecting thickness calculation data to be used for thickness calculation. 測定光を出射する光源と、
測定対象物に測定光を照射して得られる干渉光のシミュレーションを行い、前記測定対象物の厚みごとに前記干渉光の光強度分布を算出するシミュレーション部と、
前記測定対象物の厚みごとに算出された前記干渉光の光強度分布のサンプリング間隔を変えて得られた包絡線の特性を含む厚み演算用データを取得する厚み演算用データ取得部と、
前記測定対象物に前記測定光を照射して得られた干渉光の光強度分布の実測データを取得する実測データ取得部と、
前記シミュレーションにより得られた前記厚み演算用データと、前記実測データにおいてサンプリング間隔を変えることにより得られた包絡線の特性とを比較して、前記測定対象物の厚みを算出する算出部と、
を備える測定装置。
A light source that emits measurement light and
A simulation unit that simulates the interference light obtained by irradiating the measurement object with the measurement light and calculates the light intensity distribution of the interference light for each thickness of the measurement object.
A thickness calculation data acquisition unit that acquires thickness calculation data including envelope characteristics obtained by changing the sampling interval of the light intensity distribution of the interference light calculated for each thickness of the measurement object.
An actual measurement data acquisition unit that acquires actual measurement data of the light intensity distribution of the interference light obtained by irradiating the measurement object with the measurement light, and
A calculation unit that calculates the thickness of the object to be measured by comparing the thickness calculation data obtained by the simulation with the envelope characteristics obtained by changing the sampling interval in the measured data.
A measuring device provided with.
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