JP2842241B2

JP2842241B2 - 膜厚測定方法

Info

Publication number: JP2842241B2
Application number: JP19707894A
Authority: JP
Inventors: 肇平田; 克己木村; 潤鳥飼
Original assignee: TORE KK
Current assignee: TORE KK
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: JPH0771923A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、局所的な厚みむらが
存在する測定対象の膜厚の測定に好適な光干渉による膜
厚測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、高分子フィルムの膜厚を測定す
る方法には、そのフィルムによるβ線や赤外線の吸収を
利用するようにしたものが多いが、これらは何れも高精
度な測定には向かない。より高精度な測定には、例えば
特開昭56−115905号公報や特開昭63−163105号公報に開
示されている、いわゆる光干渉式が採用される。

【０００３】光干渉式の膜厚測定方法は、平行な白色光
がフィルムによって反射されまたは透過するときの、干
渉現象による分光強度の変化が、白色光の入射角と、フ
ィルムの膜厚と、屈折率とに依存することを利用し、上
記反射光または透過光の分光強度の変化を検出し、その
変化から膜厚を求めるものである。ところが、このよう
な方法で、局所的な厚みむらの存在するフィルムの膜厚
を測定すると、ＳＮ比が大きく低下するという問題があ
る。

【０００４】すなわち、上記のような方法により分光強
度の変化を検出するということは、具体的には干渉現象
による明部または暗部が、いかなる波長のときに生ずる
かを知るということにほかならない。即ち、例えば、反
射光の分光強度の変化から次式により膜厚を求める。ｄ＝1/{2(ｎ²−sin²θ)^1/2}×{λ_m×λ_m+1/(λ_m−λ_m+1)} …（１）ここに、ｄは、測定すべき膜厚を、λ_m、λ_m+1（λ_m＞
λ_m+1）は、相隣合う明部または暗部（ピーク）の波長
を表し、θは、入射角、ｎは、測定対象の屈折率を表
す。

【０００５】したがって、明部または暗部の位置を高精
度で検出するためには明部と暗部との強度比、すなわち
コントラストが充分に大きいことが必要になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フィル
ムに照射した白色光の光像（以下「スポット」と呼ぶ）
の領域内で厚さが変化するといった局所的な厚みむらが
存在すると、十分なコントラストが得られなくなってし
まう。すなわち、スポット内の微小領域で反射または透
過した干渉光は、その微小領域での厚さに対応した波長
に明部と暗部を持つが、スポット内でこの厚さに分布が
あると、明部と暗部に関して分布を持った分光強度が重
なってコントラストが大きく低下してしまい、この結
果、正確な測定ができなくなる。

【０００７】また、こうして測定した厚さはスポット内
の代表的厚さであり、スポット内での細かい厚さ分布は
キャンセルされてしまい位置分解能の悪い測定しかでき
ない。実際、口金より溶融吐出して製造した高分子フィ
ルムでは、口金出口付近に付着した異物などの影響でフ
ィルムの長手方向に筋状に、凸または凹の厚さむらを生
ずることがある。この筋は、製造されたフィルムの品質
に大きく影響を与え、従って、この形状を幅方向に定量
的に測定することは重要である。

【０００８】この筋は、例えば幅２〜３mm、凸部の高さ
（凹部の低さ）が0.15μｍ以上のものであるが、例え
ば、特開昭63−163105公報に開示されている光干渉式膜
厚測定装置のように８mmのスポット径ではこの厚さむら
形状は測定できないばかりでなく、干渉波形のコントラ
ストがなくなり、厚さそのものも測定できない。そこ
で、スポット外径を小さくすることによって位置分解能
の高い測定を行うことが考えられる。しかしながら、上
記のような局所むらのある測定対象を小径のスポットで
測定する場合には、以下のような原因により明部又は暗
部の極値を与える波長λ_mの検出において誤判定する可
能性が高くなり、そのまま、式（１）に代入して演算す
ると測定値に大きな誤差を与える虞があった。即ち、
（ａ）電気的、光学的ノイズが重畳していると、その
ノイズを極値と誤判定してしまう、（ｂ）測定対象の
局所的厚みむら、しわ等の要因により干渉光の分光強度
波形が局所的に歪みを生じ、本来の極値とは異なった値
を極値と判定してしまう、または、（ｃ）波形に歪み
が生じた部分の極値が検出されずに欠落してしまい、本
来隔たった極値を隣りどうしと誤判定してしまう、こと
による測定誤差を与える可能性が高かった。

【０００９】従って、従来の光干渉式の膜厚測定方法で
は、細かい厚さむらを精度良く測定することはできなか
った。この発明の目的は、従来の膜厚測定方法の上記欠
点を解決し、測定対象が局所的な厚みむらをもつもので
あっても、明部と暗部との極値を与える波長の誤判定に
よる測定誤差の発生を抑制し、高精度な測定を行なうこ
とができる光干渉による膜厚測定方法を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明においては、平行な白色光を一定の入射角で
測定対象に入射させ、その測定対象による反射光または
透過光を分光器に導き、その分光強度の明部または暗部
のピークを与える波長または波数を検出し、該波長もし
くは該波数または該ピーク値の規則性に基づいて正常部
位を抽出し、該正常部位に属する該波長または該波数に
基づいて前記測定対象の膜厚を算出するようにしたもの
である。

【００１１】更に、平行な白色光を一定の入射角で測定
対象に入射させ、その測定対象による反射光または透過
光を分光器に導き、その分光強度の明部または暗部のピ
ークを与える波長を検出し、検出したピークを与える該
波長を波長順に並べて明部および暗部が交互に並んでい
る部位に属する該波長に基づいて前記測定対象の膜厚を
算出するようにしたものである。

【００１２】更に、平行な白色光を一定の入射角で測定
対象に入射させ、その測定対象による反射光または透過
光を分光器に導き、その分光強度の明部または暗部のピ
ークを与える波数を検出し、検出したピークを与える該
波数の間隔が予め設定された予想波数間隔から求めた上
下限値により定められる範囲内に含まれる部位に属する
該波数に基づいて前記測定対象の膜厚を算出するように
したものである。

【００１３】更に、平行な白色光を一定の入射角で測定
対象に入射させ、その測定対象による反射光または透過
光を分光器に導き、その分光強度の明部および暗部のピ
ークを与える波長を検出し、検出したピークを与える該
波長を波長順に並べて隣り合う明部および暗部のピーク
を与える該波長における分光強度の強度差を求め、求め
られた該強度差と該強度差の平均値との差が許容範囲内
にある部位に属する該波長に基づいて前記測定対象の膜
厚を算出するようにしたものである。

【００１４】

【作用】平行な白色光は、一定の入射角で測定対象に入
射される。入射された光は測定対象で反射（または透
過）されるが、その際、干渉現象により周波数成分の強
度が変化する。この光は分光器に入射され、周波数に従
った位置に分光される。干渉現象の各周波数の強度変化
は、各位置の強度変化すなわち、光の像となる。この光
の像は、受光素子に入力される。受光素子は、予め位置
−波長の対応付をしておくことにより、波長毎の強度す
なわち、分光強度を測定することができる。

【００１５】こうして分光された光の強度変化は、周知
のように、入射角と測定対象の屈折率とが一定であれば
測定対象の膜厚に依存する。したがって、入射角θを一
定に維持し、測定対象の屈折率ｎを予め測定しておくこ
とにより、反射光の分光強度の変化から次式により膜厚
を求めることができる。ｄ＝1/{2(ｎ²−sin²θ)^1/2}×{λ_m×λ_m+1/(λ_m−
λ_m+1)} ここに、ｄは測定すべき膜厚を、λ_m、λ_m+1（λ_m＞λ
_m+1）は相隣合う明部または暗部（ピーク）の波長を表
す。

【００１６】本発明の膜厚測定方法においては、上記の
ような明部（極大値）又は暗部（極小値）のピークを与
える波長として、例えば、前述のような原因により誤判
定されたと考えられる異常部位に属するものを除外した
正常部位に属するものに基づいて膜厚の算出を行う。即
ち、検出されたピークを与える波長（波数）が有するべ
き規則性に基づいて正常部位を抽出し、この正常部位に
属する上記ピークを与える波長に基づいて式（１）等に
より測定対象の膜厚を算出する。

【００１７】正常部位の抽出方法としては以下の３通り
の方法がある。第１の方法は、検出したピークを与える
波長を波長順に並べて明部および暗部が交互に並んでい
る部位を正常部位として抽出する。例えば、検出した極
大値の位置（波長）と極小値の位置（波長）とを順番に
並べて極大、極小が交互に並んでいない部分を異常部の
ものと判定する方法を用いる。検出した極大点、極小点
をpi（ｉ＝１、２、…）、bi（ｉ＝１、２、…）と番号
付け、極大値の位置（波長）をλ_pi（ｉ＝１、２、…；
λ_pi＞λ_pi+1）、極小値の位置（波長）をλ_bi（ｉ＝
１、２、…；λ_bi＞λ_bi+1）とする。そして、これらの
波長を大小順に並べたとき、極値検出に欠落または誤検
出（極値でない所を極値として検出）がなければ、例え
ば、λ_p1＞λ_b1＞λ_p2＞λ_b2＞……、または、λ_b1＞λ
_p1＞λ_b2＞λ _p2＞……、のようにλ_piとλ_biとが交互に
並ぶ。

【００１８】この順番が狂って例えば、λ_piとλ_pi+1が
並んでいる場合、両者の間に極値検出の欠落があった
か、両者のうちのどちらか一方または両方が誤検出であ
るとし、piとpi＋1間（波長にして、λ_pi+1〜λ_pi）を
異常区間とする。更に、異常の可能性を取り除くため、
pi、pi＋1 に隣接する両側の極小値をbk、bk＋1 とした
とき、bk、bk＋1 間（波長にして、λ_bk+1〜λ_bk）間を
異常区間としても良い。また、後述の別方法を組み合わ
せない場合は、異常区間を広く仮定した方が良い。λ_bi
とλ_bi+1が並んだ場合、また３つ以上の極大（小）値が
並んだ場合についても同様である。

【００１９】第２の方法は、検出した極大値間、若しく
は極小値間、若しくは極大極小値間の波数の間隔が予め
設定された予想波数間隔から求めた上下限値により定め
られる範囲から外れた極大（極小）値を異常部のものと
判定する方法である。以下に、極大値間の波数間隔で判
定する場合について詳述する。例えば、先ず、測定対象
の予想される大凡の膜厚を入力しておき、予想膜厚か
ら、次式で与える予想波数間隔Ｗe を計算する。

【００２０】Ｗe ＝１／｛２（ｎ²−sin²θ）^1/2・ｔe｝・・・（２）ここに、ｎは屈折率、θは入射角、ｔe は予想膜厚を表
す。Ｗe は、隣合う極大（極小）値の波数間隔を予想す
るもので、干渉光の分光波形の極値検出後に、波形の中
で精度よく膜厚が測定できる正常部位の判定に用いる。
検出した極大値の位置（波長）をλ_pi（ｉ＝１、２、
…；λ_pi＞λ_pi+1）とする。各極大値の位置（波長）に
ついて、それぞれの逆数である波数を求め、隣接する極
大値間の波数差Ｗｋを次式に従い計算する。

【００２１】Ｗ_k＝１／λ_pk+1−１／λ_pk ・・・（３）ここに、（ｋ＝１、２、３、…）式(2) で決定した波数間隔Ｗe に対して誤差許容率を±
ａ₁（ａ₁＞０）としたとき、Ｗk の許容範囲を例えば、
次式で定める。Ｗe(１−ａ₁)≦Ｗk≦Ｗe(１＋ａ₁) …（４）この式（４）を満足しない値Ｗk については、両側の極
大部pk、pk＋1 のどちらか一方または両方に異常があっ
たか、或いはその間の極大部が欠落しているものとし、
両方の極大部pk、pk＋1 間（波長にして、λ_pk+1〜
λ_pk）を異常区間と判定して、膜厚計算に用いないよう
にする。

【００２２】なお、極大値、極小値の波数間隔で判定す
る場合、前述の第１の方法を組み合わせて、予め極値位
置を並べておくと良い。なお、極大、極小値間の波数差
Ｗk'の判定には、Ｗe の代わりにこれを1/2 倍した値Ｗ
e'を用いる。第３の方法は隣り合う極大値，極小値の差
（干渉波形の振幅に相当）を求め、これが他と大きく違
っているものを異常部のものと判定する方法である。即
ち、検出したピークを与える波長を波長順に並べて隣り
合う明部および暗部のピークを与える波長における分光
強度の強度差を求め、求められたこの強度差と強度差の
平均値との差が許容範囲内にある部位を正常部位として
抽出する。

【００２３】検出した極大値（強度）をＩ_pi（ｉ＝１、
２、…）、極小値をＩ_bi（ｉ＝１、２、…）とする。な
お、順番は、夫々の位置（波長）が、λ_pi＞λ_pi+1、λ
_bi＞λ_bi+1となるように並んでいるものとする。このと
き例えば、次式（５）に従って山谷間の強度差Ｉ_kを求
める。Ｉ_k＝Ｉ_pk−Ｉ_bk …（５）（ｋ＝１、２、…、）そして、求めたＩ_kのうち他と大きく異なるものは、極
大点pkまたはbkのどちらか一方または両方に異常があっ
たとして両者pk、bk間（波長にして、λ_pk〜λ _bkまたは
λ_bk〜λ_pk）を異常区間と判定して膜厚計算に用いない
ようにする。

【００２４】Ｉ_kの判定には、求めた全てのＩ_kを平均し
た値Ｉ_eを用いて誤差許容率ａ₂に対し、Ｉ_e（１−ａ₂）≦Ｉ_k≦Ｉ_e（１＋ａ₂) …（６）上式（６）に入らないＩ_kを異常とするか、或いは計算
時間は要するがＩ_kの分散σ²を求め、Ｉ_e（１−２σ）≦Ｉ_k≦Ｉ_e（１＋２σ） …（７）上式（７）に入らないＩ_kを異常とする等の方法があ
る。

【００２５】また、前述の第１の方法と組み合わせ、極
大点、極小点を交互に並べておき、正しい順番のものに
ついてだけ山谷差を求めても良い。上述の３種の判定法
は、単独で用いても良く、或いは組み合わせて用いても
よい。検出した極値のうち、これらの判定法で異常区間
と判定された区間を除外した部分を正常区間とし、この
正常区間だけを用いて膜厚演算する。また、この正常区
間が最も長く連続している部分だけを取り出し、その部
分だけを用いて膜厚を演算しても良い。

【００２６】

【実施例】以下、この発明を一実施例に基づいて詳細に
説明する。図１は、偏光子を入射光路上に配置し、かつ
測定対象からの反射光を受光するようにしたこの発明の
膜厚測定方法に使用する装置の構成を示すものである。
図１において、白色光源１から出射した光は、コンデン
サレンズ２、ピンホール板３、コリメータレンズ４、偏
光板（偏光子）５を通り、更に後述する集光器７に開け
られた入射窓８を通って測定対象（フィルム）６に導か
れるようになっている。この集光器７および入射窓８
は、それぞれ遮蔽体と孔の役割を果たすものである。
尚、入射窓の大きさは直径２mmの丸孔とした。通常、３
mm以下の丸孔とする。白色光源１としては、タングステ
ンランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどを使用
することができる。また、遮蔽体は、独立したものでな
くても構わず、別の要素の入射光路上に孔をあけたもの
でも良い。

【００２７】測定対象６には、集光器７が対向して配置
されている。この集光器７は、測定対象６上の膜厚を測
定すべき点に曲率中心をもち前記入射窓８が穿設された
半球状の支持体９と、多数の光ファイバ10からなり、各
光ファイバ10の各一端は支持体９に穿設された孔に一体
的に嵌合固定され、各他端は束ねられて固定されてい
る。全ての光ファイバ10の各一端は、繊維軸が測定対象
６上の膜厚を測定すべき点すなわち、支持体９の曲率中
心を向くように固定されている。

【００２８】集光器７の後方には、各光ファイバ10の他
端面に対向して分別用レンズ11が配置され、更に、分別
用レンズ11の後方に抽出用ピンホール板12、コリメータ
レンズ13、分光器14、結像レンズ15、イメージインテン
シファイヤ16、ファイバプレート（光伝導部材）17、受
光素子例えば、リニアイメージセンサ18が、この順序で
配置されている。

【００２９】分光器14としては、平面回折格子のような
回折格子型のものや、プリズム型のものなどを使用する
ことができる。ファイバプレート17としては、例えば、
直径６μｍ程度の光ファイバを複数本束ねて成形した板
材を用いる。また、イメージインテンシファイヤ16の出
射面とファイバプレート17は、好ましくは透明のグリー
スなどを介して密着させる。また、リニアイメージセン
サ18とファイバプレート17とも密着させ、好ましくはフ
ァイバプレート17とリニアイメージセンサ18とを一体化
したものを使用する。

【００３０】さて、上述した装置の作用を説明する。白
色光源１から出射した白色光は、コンデンサレンズ２に
よってピンホール板３のピンホールに集光され、さらに
コリメータレンズ４によって平行にされた後、偏光板５
によってＰ波成分（入射面に対して平行な振動方向を有
する光の成分）またはＳ波成分（入射面に対して垂直な
振動方向を有する光の成分）の振動方向をもつ直線偏光
のみとなり、これが集光器７の入射窓８を通って、測定
対象６上の測定すべき点に入射される。このとき光束は
入射窓８によって２mm径のスポットに絞られる。

【００３１】測定対象６上に入射された光は、該測定対
象６によって反射されるが、その際、干渉現象によって
図２に示すように分光強度Ｉに変化ができる。この変化
は、前述したように光の入射角θと測定対象の屈折率ｎ
が一定であれば該測定対象６の膜厚ｄに依存している。
ところで、測定対象６に入射した光は、通常正反射され
るが、測定対象にしわがあったり、上下の動きや傾きが
ある場合には、反射方向が変動したり、反射光が拡散し
たりする。しかしながら、この実施例では多数の光ファ
イバ10の各一端の繊維軸が、測定対象６の測定すべき点
を向くように配列されて構成されている集光器７を使用
しているために極めて効率的な受光が可能となる。

【００３２】さて、反射光は、分別用レンズ11に導か
れ、更に抽出用ピンホール板12のピンホールに導かれ
る。分別用レンズ11は、各光ファイバ10の各他端からの
出射光のうちの同一方向の成分のみを抽出用ピンホール
板12の位置として分別する。そして、抽出された反射光
は、コリメータレンズ13によって平行光にされた後分光
器14に導かれて分光され、同一平面を形成する各波長毎
の光に分離される。分光器14から出射した光は、結像レ
ンズ15によりイメージインテンシファイヤ16上に結像さ
れ、干渉現象によって生じた明部、暗部を有する光が増
幅され出射面に光像となって現れる。

【００３３】この光は密着して配設されたファイバプレ
ート17の一端面に入射されるが、このとき該ファイバプ
レート17を構成する各光ファイバの一端面に入射された
各光は、対応する光ファイバ内だけを透過して各他端面
に出力されるため、光像はほとんどそのままの強度比で
ファイバプレート17の他端面に出力される。ファイバプ
レート17の代わりにレンズを用いて結像させる場合は、
光の強度が数分の１から数十分の１に大きく減衰する。
しかしながら、ファイバプレート17を使用した場合は、
光ファイバの端面や内部での僅かな減衰のみである。

【００３４】こうしてファイバプレート17を透過した光
像は、そのままリニアイメージセンサ18に入力されて波
長毎の光の強度として検出される。データ処理装置19
は、この検出した波長毎の光の強度を取り込み、干渉現
象によって生じた明部または暗部の波長を求め、これに
依存するものとして前述した式(1) から後述する膜厚演
算法に従って測定対象６の膜厚ｄを演算する。

【００３５】図３及び図４はこの発明の膜厚測定方法に
よる波長λ（nm）と、分光強度Ｉとの関係を示す測定例
を、図５及び図６はスポット径８mmの従来装置による波
長λ（nm）と、分光強度Ｉとの関係を示す測定例であ
る。図３及び図５はフィルムの平坦部を測定したもので
あり、図４及び図６は白すじと呼ばれる局部的厚みむら
のある部分を測定した場合である。測定対象は、いずれ
もポリエステルフィルムで、触針式厚み計によって測定
した厚みが13.6μｍのものである。

【００３６】これらの例では、実際に検出された分光強
度を、装置に固有の分光特性、すなわち光源１、分光器
14、リニアイメージセンサ18などの固有の分光特性によ
って正規化し、干渉現象によって受ける分光強度の変化
のみを取り出している。この方法については後述する。
なお、白色光源１には100 Ｗのハロゲンランプを使用し
た。光ファイバ10には、直径１mmのプラスチック製のも
のを使用し、これを図１に示したように600 本配列し
た。更に、分光器14には、ブレーズ波長が750nm 、溝数
が1200本／mmの平面回折格子を使用した。また、リニア
イメージセンサ18としては、1024ビットのPCD(Plasma C
oupledDevice) 素子を使用した。

【００３７】従来装置では、局部的な厚みむらがある
と、分光強度の明部と暗部との強度比、すなわちコント
ラストが殆どなくなり、これから厚さ計算をすることが
できないのに対し、図１に示す装置では、山部、谷部が
検出できるようになり、厚さが測定できる。また、平坦
部においてもコントラストが改善されていることがわか
る。

【００３８】次に、データ処理装置19における膜厚演算
法について詳述する。図７は図１に示す膜厚測定装置に
おけるデータ処理装置19の内部の構成を示し、バッファ
アンプ20、Ａ／Ｄ変換器21、マイクロコンピュータ22、
イメージセンサ駆動回路23および図示しない入出力装
置、記憶装置等により構成されている。図８は、データ
処理装置19における演算処理のフローチャートである。

【００３９】演算処理は大きく分けて、一点鎖線Ａ、
Ｂ、Ｃで囲んだように、（ａ）サンプルを測定する前に行なっておくブランク
データの測定（Ａ）（ｂ）測定条件（予想膜厚）の入力（Ｂ）（ｃ）膜厚測定ルーチン（Ｃ）の３部により構成されている。

【００４０】ここで、ブランクデータとは図１に示す測
定系において測定対象６の代わりに適当な反射板を置き
測定した光学系全体の分光特性のことをいう。すなわ
ち、通常の光学系では一般に光源、分光器、イメージセ
ンサ等が各々分光特性をもつので光学系全体として或る
分光パターンを持つ。このため、測定されたデータは光
学系の分光特性に、薄膜の干渉によって生じる分光波形
が重畳したものとなって測定される。そこで、測定対象
６の干渉に由来する分光強度の波形を得るためには、予
めブランクデータを測定しておき、サンプルにより得ら
れた測定データを割り算して光学系全体の分光特性の影
響を除く必要がある。

【００４１】以下に図８のフローチャートに基づいて実
際の手順を説明する。まず、ブランクデータ（ステップ
１）の測定であるが、測定対象６と同じ材質で作られ、
かつ干渉現象の影響を受けない程度の充分厚い板を用意
し、それを測定対象６の位置に置き測定する。このブラ
ンク測定は、膜厚測定開始前に行ない記憶装置に記憶し
ておく。このときの反射板はミラーでもよいが、ミラー
とサンプルとでは反射率が大きく異なるためにサンプル
測定時のダイナミックレンジが狭くなる。従って、反射
板は、サンプルと同一素材の板を用いることが好まし
い。また、ブランク測定は測定開始前に行なうが、光源
ランプの経時変化などを補償するために定期的に再測定
することが好ましい。図９にブランクデータの測定例を
示す。

【００４２】次に測定条件の入力であるが、測定対象６
の予想されるおおよその膜厚を入力（ステップ２）し、
この予想膜厚に基づいて極値検索時の分割ピッチを計算
（ステップ３）する。この分割ピッチは、膜厚に応じ
て、干渉波形の周期を一定の分割数（約10分割）となる
ように定めた値である。更に、予想膜厚から、前述の式
（２）で与える予想波数間隔Ｗe を計算（ステップ３）
する。

【００４３】次に膜厚測定ルーチンの説明を行なう。図
８に示す様に膜厚測定ルーチンは次の手順で行なわれ
る。（ａ）分光強度測定（ｂ）平滑化（ｃ）正規化（ｄ）差分データ作成（ｅ）極値区間検出（ｆ）極値位置内挿（ｇ）正常部位の抽出（ｈ）膜厚演算以下、各ブロックの機能を詳細に説明する。

【００４４】分光強度測定ルーチンではデータ処理装置
19のマイクロコンピュータ22（図７）の指令によりイメ
ージセンサ18の出力を順次Ａ／Ｄ変換器21で読み取り
（ステップ４）、生の測定データとする。次に平滑化
（ステップ５）を行なう。平滑化には様々の手法がある
が、単純な移動平均の様に短時間で行なえるものが好ま
しい。また、移動平均を取るポイント数を２ⁿ（ｎ＝
１、２、…）に選んでおけば割算をビットシフトで行な
うことができるために高速化の点で好ましい。また、こ
の時リニアイメージセンサ18の有効部分以外の所を覆っ
て光に感じない様にしたダークセルを作っておき、各々
の出力からこのダークセルの出力を差し引けばリニアイ
メージセンサ18の暗電流補償を行なうことができるので
好ましい。

【００４５】この様にして平滑化されたデータを平滑化
データと呼ぶ。次に、前もって測定しておいたブランク
データで平滑化データを、セル番号を対応させて割算し
て正規化（ステップ６）する。このとき、精度を落とさ
ずに高速で割算を行なうために平滑化データを２ⁿ倍
（ｎ＝８、９、…、この操作もビットシフトで行なう）
しておき整数どうしの割算とする。得られたデータを正
規化データと呼ぶ。図10及び図11に触針式厚み計によっ
て測定した厚みが14.6μｍのポリエステルフィルムを測
定した場合の平滑化データ及び正規化データの例を示
す。

【００４６】次に、差分データの作成（ステップ７）で
あるが、前もって定めておいた分割ピッチおきに正規化
データをスキャンして差分データを作る。正規化データ
の有効分の最初に対応するセルの番号を１とし、最後に
対応するセルの番号をＮとすると、Ｊ番目（１≦Ｊ≦
（Ｎ−１）／ｈ）の差分データＤ(J) は次式で定義され
る。

【００４７】Ｄ(J) ＝Ｓ（１＋Ｊ×ｈ） −Ｓ（１＋（Ｊ−１）×ｈ） …（８）ここに、Ｓ(N) はセル番号Ｎの正規化データ、ｈは分割
ピッチを表す。次に差分データに基づいて極値存在区間
を検出（ステップ８）する。極大値は、微分係数が正か
ら負へ変化した点であるので、上式（８）で求めた差分
データの符号の変化より極値の存在区間が検出できる。
図12に差分データ作成フローチャートを示す。

【００４８】図12において、正規化データの有効分のＩ
番目に対応するセル番号を１に、Ｊ番目に対応するセル
番号を０に設定（ステップ１）した後、セル番号Ｉに予
想膜厚によって定まる分割ピッチｈを加えた値が正規化
データの有効分の最後に対応するセル番号Ｎよりも小さ
い（Ｉ＋ｈ≦Ｎ）か否かを判別（ステップ２）する。こ
のステップ２の判別答が肯定（Yes)のときには番号Ｊを
１だけ進め（ステップ３）、Ｊ番目の差分データＤ(J)
をＩ番目の正規化データＳ(I) と（Ｉ＋ｈ）番目の正規
化データＳ(I＋h)とにより演算（ステップ４）する。次
いで、セルの番号Ｉをｈだけ進めて（ステップ５）ステ
ップ２に戻る。かかる演算を繰り返し、ステップ２の判
別答が否定(No)となると、差分データの数Ｄmax をＪに
設定（ステップ６）して演算を終了する。

【００４９】次に、極値存在区間の前後のデータを用い
て極値位置を内挿することにより極値位置を検出（ステ
ップ９）する。通常は差分データの符号が変化した分割
ピッチ刻みの３点のデータを用いて２次補間すれば充分
である。この補間により極値の位置をイメージセンサ18
のセルの間も含めて決定出来る。

【００５０】この極値の位置を読み換えるためには前も
ってイメージセンサ18のセル番号と波長との対応関係を
知る必要がある。この対応はブランクデータ測定時に反
射板の上に波長既知の干渉フィルタを置いて測定し、そ
のピーク位置を求めることにより知ることが出来る。次
に、前述の３つの方法の何れか、又は、その組合せによ
り正常部位を抽出する。

【００５１】表１は、図11の正規化データから検出した
極大、極小値の波長である。第２の方法の極大−極小値
間の波数間隔を述べる方法を適用した場合、ｎ＝1.6 、
θ＝π／６(rad）、予想膜厚14.6μｍに対し、予想波数
間隔は、Ｗe'＝Ｗe／２＝11266 （1/m） …(9) 波数間隔の許容を20％とすると波数間隔Ｗk の上下限は
9013≦Ｗk ≦13519 となり、図11の波形でこの条件を連
続的に満たし、かつ最も長く連続しているのは長波長側
から５周期分になる。

【００５２】

【表１】膜厚演算は、連続した同一の正常部位( 両端を含む）に
含まれる極値について、隣り合う二つの極大点（若しく
は極小点）の波形をλ_m、λ_m+1としたとき、前式（１）
に従って演算して求める。または、隣り合う二つの極大
点、極小点の波長をλ_m、λ_m'（λ_m＞λ_m'）としたと
き、ｄ＝1/{4(ｎ²−sin²θ)^1/2} ×{(λ_m×λ_m')/(λ_m−λ_m')} …(10) に従って計算する。膜厚が薄い場合、正常部位が小さい
場合にはこの方法が適している。

【００５３】正常部位に複数の極点が含まれて隣合った
極点のペアが複数組選べる時、このようにして得られる
膜厚も複数個あるが、これを平均等の手法で処理し、膜
厚を求める。前記測定例より演算した膜厚は14.57 μｍ
であった。以上の手順はマイクロコピュータ22により全
てコントロールされ、自動的に行なわれる。測定するサ
ンプルが異なる場合には予想膜厚の入力から再度行なえ
ば良い。

【００５４】図13は本発明の膜厚測定方法で測定した、
フィルム位置と厚さとの関係を示す図である。触針式厚
み計によって測定した厚みが14.3μｍのポリエステルフ
ィルムの厚みを該フィルムの幅方向に１mm間隔で測定
し、上記膜厚演算法を用いて得られた結果をプロットし
たものである。図より、局部的な厚さ変化がとらえられ
ていることがわかる。

【００５５】なお、本実施例ではスポット径を２mmとし
たが、更に細かい変化までを測定するためにスポット径
を更に小さくしてもよい。この場合は、スポット径に応
じ、集光器７の光ファイバ10の径を、スポット径の1/2
以下を目安に細くし、かつ密にすることが好ましい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の膜厚測定方
法によれば、測定対象に白色光を照射し、測定された反
射光または透過光の分光強度の明部または暗部のピーク
を与える波長（波数）に基づいて測定対象の膜厚を測定
するに当たり、正常な部位において（１）明部と暗部と
のピークが交互に現れることを利用し、（２）ピークの
波数間隔が予想値に近似することを利用し、または
（３）隣り合う明部と暗部とのピーク値の差がほぼ等し
いことを利用して、正常な部位を抽出し、正常部位に属
する上記ピークを与える波長に基づいて膜厚を算出する
ため、膜厚の局所のむらなどによって上記ピークを与え
る波長が誤判断されることによる測定誤差の発生を抑制
し、高精度な膜厚測定を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の膜厚測定方法に使用する光干渉式膜
厚測定装置の一実施例を示す概略構成図である。

【図２】薄膜による分光強度の干渉波形を示す図であ
る。

【図３】本発明の光干渉式の膜厚測定方法による測定例
を示す図である。

【図４】本発明の光干渉式の膜厚測定方法による測定例
を示す図である。

【図５】従来の光干渉式の膜厚測定方法による測定例を
示す図である。

【図６】従来の光干渉式の膜厚測定方法による測定例を
示す図である。

【図７】図１の膜厚測定装置のデータ処理部の概略構成
図である。

【図８】本発明の膜厚測定方法の手順を示すフローチャ
ートである。

【図９】ブランクデータである。

【図１０】触針式の膜厚測定結果が14.6μｍのポリエス
テルフィルムを本発明の測定方法で測定した場合の平滑
化データおよび正規化データを示す図である。

【図１１】触針式の膜厚測定結果が14.6μｍのポリエス
テルフィルムを本発明の測定方法で測定した場合の平滑
化データおよび正規化データを示す図である。

【図１２】差分データを作成するフローチャートであ
る。

【図１３】触針式の膜厚測定結果が14.3μｍのポリエス
テルフィルムを本発明の測定方法で測定したフィルム位
置と厚さとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１白色光源２コンデンサレンズ３ピンホール板４コリメータレンズ５偏光板６測定対象７集光器( 遮蔽体）８入射窓（孔）９支持体 10 光ファイバ 11 分別用レンズ 12 ピンホール板 13 コリメータレンズ 14 分光器 15 結像レンズ 16 イメージインテンシファイヤ 17 ファイバプレート（光伝導部材） 18 リニアイメージセンサ 19 データ処理装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平行な白色光を一定の入射角で測定対象
に入射させ、その測定対象による反射光または透過光を
分光器に導き、その分光強度の明部または暗部のピーク
を与える波長または波数を検出し、該波長もしくは該波
数または該ピーク値の規則性に基づいて正常部位を抽出
し、該正常部位に属する該波長または該波数に基づいて
前記測定対象の膜厚を算出することを特徴とする膜厚測
定方法。
【請求項２】平行な白色光を一定の入射角で測定対象
に入射させ、その測定対象による反射光または透過光を
分光器に導き、その分光強度の明部または暗部のピーク
を与える波長を検出し、検出したピークを与える該波長
を波長順に並べて明部および暗部が交互に並んでいる部
位に属する該波長に基づいて前記測定対象の膜厚を算出
することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】平行な白色光を一定の入射角で測定対象
に入射させ、その測定対象による反射光または透過光を
分光器に導き、その分光強度の明部または暗部のピーク
を与える波数を検出し、検出したピークを与える該波数
の間隔が予め設定された予想波数間隔から求めた上下限
値により定められる範囲内に含まれる部位に属する該波
数に基づいて前記測定対象の膜厚を算出することを特徴
とする膜厚測定方法。
【請求項４】平行な白色光を一定の入射角で測定対象
に入射させ、その測定対象による反射光または透過光を
分光器に導き、その分光強度の明部および暗部のピーク
を与える波長を検出し、検出したピークを与える該波長
を波長順に並べて隣り合う明部および暗部のピークを与
える該波長における分光強度の強度差を求め、求められ
た該強度差と該強度差の平均値との差が許容範囲内にあ
る部位に属する該波長に基づいて前記測定対象の膜厚を
算出することを特徴とする膜厚測定方法。