JP2987288B2

JP2987288B2 - 多層膜厚測定装置

Info

Publication number: JP2987288B2
Application number: JP6035738A
Authority: JP
Inventors: 善浩村川; 憲一西; 和彦石尾
Original assignee: Gunze Ltd
Current assignee: Gunze Ltd
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1999-12-06
Anticipated expiration: 2014-12-06
Also published as: JPH07243818A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光透過性のフィルム
（シートを含む）の厚みを測定するための膜厚測定装置
に関し、特に食品、薬品、工業用品等の各種物品を包装
する際に用いる多層フィルム（多層シートを含む）の各
層の厚さを測定するための膜厚測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、包装用フィルムは、その高機能化
を図るため機能の異なるフィルムを多層に積層したもの
が多くなって来ている。このような多層フィルムおいて
は、各層間の接着強度やガス選択透過性、ガスバリア性
などのフィルムの機能は、各層の形成状態により大きく
左右される。このため、このような多層フィルムの製造
に際しては、フィルムの強度や全厚のみならず、各層の
厚み個々を正確に知り、適正な品質管理を行う必要があ
る。

【０００３】ところで、従来よりこのような多層フィル
ムの各層の厚さをフィルムを破壊することなく測定する
装置として、同一光源から分割した光線を再び重ね合わ
せたとき、両分割光線の光路長が同一であれば干渉が生
じるという光波の干渉現象を利用した装置が知られてい
る。例えば、特公平４−２３２０２公報に記載の装置は、
図８に示すように、白色光源１から出た白色光２をビー
ムスプリッタ７で２つの光線に分割し、その一方の光線
を単層または多層からなる被測定物１０の各層の境界面
に反射させ、この光を測定光１１とし、他方の光を可動
できる鏡面１６に反射させ、この光を参照光１７とし、
これらの光を再びビームスプリッタ７に導き重ね合わせ
て光線１８として受光素子２０に導き、受光素子２０で
前記光線１８が干渉した時の鏡面１６の位置に基づいて
被測定物１０の各層の厚さを算出できるように構成され
ている。

【０００４】一方、光波の干渉現象を利用する点では
上記と同様であるが、上記装置のように可動する鏡面を
利用するのではなく、鏡面を固定する方式によっても膜
厚を測定することができる。この方式は、図９に示すよ
うに、鏡面１６を固定し、ビームスプリッタ７と固定鏡
面１６との間に被測定物１０と同様な屈折率の第１楔ガ
ラス１３と第２楔ガラス１４を配置するとともに、ビー
ムスプリッタ７と被測定物１０との間に楔ガラス１３、
１４と同様な材質でかつ前記両楔ガラスの最小合算厚み
と等しい補償ガラス９を配置し、被測定物１０の分散と
同一の分散を与えるように第１または第２の何れかの楔
ガラスを可動させ、これにより２つの光線１１、１７の
光路長を同一として、前記可動した側の楔ガラスの位置
から膜厚を求めるものである。

【０００５】更に、光波の干渉現象を利用した他の装
置として、特公平４−５３２４１公報には、被測定物を
レンズとしたときの、レンズ面の位置を測定する装置が
開示されている。この装置では白色光２を可干渉距離の
短い光源とするとともに、測定光１１の被測定面上への
集光をピント調整する対物レンズと、対物レンズのピン
ト状態を確認するためのピント確認手段を備えることを
特徴としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記〜
の装置は何れもフィルムを破壊することなく、厚さを測
定できるものの、多層膜厚の測定するのには、次のよう
な問題がある。上記の装置では、被測定物１０の各層
の膜厚を測定する場合、測定光１１は被測定物１０中で
分散するが、分散程度は波長により相違するので、測定
光１１の光路長と参照光１７の光路長は入射する光の波
長によって変動する。そして、この変動の程度は被測定
物１０の膜厚が増すほど大きくなるので、被測定物１０
の膜厚が大きくなると、干渉が不明瞭となり干渉ピーク
の検出が困難となる。よって、この装置は、膜厚が薄い
場合には比較的信頼度の高い測定がなし得るが、膜厚が
大きくなると測定精度が低下するという問題があった。

【０００７】一方、上記の装置では、被測定物１０の
厚さｄが与える分散を補償するためには、第１又は第２
の楔ガラスを可動させて、両楔ガラスで形成される光軸
方向の厚さの変動をｄとすればよいのであるが、この場
合両楔ガラスの合計厚みを変動させると必然的に空間長
（１７’）が変動することになる。そしてこの空間部分
には通常、空気が存在するため、空気の空間長に起因す
る光路長変化が加わることになる。これはｄが大きくな
るとそれにつれて大きくなるから、膜厚ｄが小さい場合
には測定値の信頼度に対する影響は小さいものの、ｄが
大きくなると無視し得ないものとなる。つまり、往復の
光路長変化は、被測定物の屈折率をｎとると２ｎｄ−２
ｄ＝２（ｎ−１）ｄとなり、被測定物の厚さｄによる光
路長２ｎｄと一致しない。したがって、の装置におい
ても、被測定物の膜厚が大きくなると測定精度が低下す
るという問題が生じる。

【０００８】更に、上記の装置は、レンズ面を測定対
象とするものであり、レンズより薄い多層フィルムを測
定対象とする場合には、フィルムの表面や各層の境界面
に正確にピントを合わせることが困難となるので、多層
フィルムの各層の膜厚を測定するには不向きである。ま
た、仮に正確なピント合わせが可能であったとしても、
この装置はある程度可干渉性を持たせた光源を必要とす
るが、この可干渉距離に比べ、表面、境界面、裏面の間
隔は充分小さいので、裏面と境界面、表面と裏面、境界
面と裏面、或いは参照光と表面、境界面、裏面の各干渉
が同時に発生するという不都合が生じる。よって、多層
フィルムの各層の膜厚を測定することが難しい。本発
明は、上記のような問題点に鑑み、膜厚が厚くなっても
測定精度が低下せず、且つ多層に薄膜形成された多層フ
ィルムにあっては各膜厚を精度良く測定することのでき
る多層膜厚測定装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、インコーヒレントな同一光
源を同時に出た光波をビームスプリッタで第一の分岐光
線と第二の分岐光線に分割し、前記第一の分岐光線を可
動な基準鏡面に導き反射させた参照光と、前記第二の分
岐光線を光透過性の単層または屈折率の異なる複数の膜
が層状に形成された被測定物に導き反射させた測定光と
を、それぞれ前記ビームスプリッタに導いて干渉させ、
干渉発生時における前記可動鏡面の位置に基づいて前記
被測定物の各膜厚を求める多層膜厚測定装置において、
前記第一の分岐光線の入射する入射面が前記第一の分岐
光線に直交し、前記入射した光線の射出する射出面が前
記第一の分岐光線に対し傾斜する第１プリズムと、第一
の分岐光線の入射する入射面が前記第１プリズムの射出
面と平行でかつこの平行状態を維持したまま第１プリズ
ムの射出面に沿って可動でき、その射出面側が入射した
第一の分岐光線を反射する鏡面としてあり、この鏡面が
第一の分岐光線軸に直交するように位置されてある第２
プリズムとが、第一の分岐光線の光路上に配置された多
層膜厚測定装置であることを特徴とする。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、前記請求項
１記載の多層膜厚測定装置において、更に前記第２プリ
ズムの入射面を前記第１プリズムの射出面に平行に往復
運動させる第２プリズム駆動手段と、前記第２プリズム
駆動手段により往復運動する第２プリズムの位置を求
め、この位置に基づいて膜厚を算出する膜厚測定手段と
を備えた多層膜厚測定装置であることを特徴とする。

【００１１】更に請求項３の発明は、請求項１乃至２記
載の多層膜厚測定装置において更に、屈折率及び分散が
第１プリズム及び第２プリズムの平均値に等しく且つ厚
みが光軸上における前記両プリズムの最小合算厚みと略
等しい、前記ビームスプリッタと反対側面を被測定物の
載置面とする被測定物載置部材が、第２の分岐光線の光
路上に配置された多層膜厚測定装置であることを特徴と
する。

【００１２】また請求項４記載の発明は、請求項１乃至
３記載の多層膜厚測定装置において、第１プリズムと第
２プリズムとが、互いに屈折率及び分散が等しく、かつ
その形状が略相似形である多層膜厚測定装置であること
を特徴とする。更に請求項５記載の発明は、請求項１乃
至４記載の多層膜厚測定装置において、第２プリズム
が、その入射面と前記第１プリズムの射出面との間で、
平行状態を維持しつつ第１プリズムの射出面に沿って摺
動可能に構成された多層膜厚測定装置であることを特徴
とする。

【００１３】

【作用】上記構成の請求項１記載の発明によれば、光軸と直交
する第１プリズムの入射面に入射した第１の分岐光線
は、第１プリズムに連続する第２プリズムに入射し、第
２プリズムの光軸に直交した射出面側の鏡面で反射され
て参照光となり再びビームスプリッタに戻るが、ここ
で、第２プリズムは、第１プリズムの射出面（斜面）に
沿って往復運動できるように構成してあり、この第２プ
リズムの光軸に対する斜め方向の往復運動は、その鏡面
を光軸方向へ前後移動することであるので、第２プリズ
ムの前記往復運動により参照光の光路長を増減すること
ができる。一方、ビームスプリッタから出た第二の分岐
光線は、被測定物に入射し、被測定物の各境界面で反射
されて測定光となり再びビームスプリッタに戻し、前記
参照光を重ね合わるように構成してある。

【００１４】ここにおいて、このようにして同一光源を
同時に出た２つの光線が重ね合わさると、両光路長が一
致したとき、光干渉により光強度が最大２倍に増大する
ので、この光強度変化を検出し、それぞれの測定光につ
いて該検出時における鏡面位置を特定し、各位置の差を
求めると、この差がある境界面と他の境界面との距離
（膜厚）を示すものとなる。つまり、干渉発生時の可動
鏡面の位置に基づいて、膜厚が求まることになるが、上
記のように本発明では、参照光の光路長変更手段とし
て、光軸に対し傾斜した第１プリズムの射出面に沿っ
て、鏡面を有する第２プリズムを可動させる方式を採用
した。このような方式であると、極めて正確に鏡面位置
が求まるので膜厚測定精度が格段に向上する。なぜな
ら、光軸方向への鏡面の平行移動距離ｌは、斜面移動距
離Ｌに対しｌ＝Ｌ sinα（但し、αは第１プリズムの頂
角）となり、ここでｌ＜Ｌであるので、光軸方向への微
小移動距離ｌが、より大きな斜面方向への移動距離Ｌで
実現するからである。

【００１５】即ち、本発明方式によれば、仮に第２プリ
ズムの駆動精度をＲとした場合、鏡面の位置変動精度ｒ
は、（１／ sinα）×Ｒとなり、αを小さく設定すれ
ば、理論上いくらでもｒを高めることができるので、膜
厚測定精度が飛躍的に高まることになる。更に、本発明
方式では、第２プリズムは対向する第１プリズムの射出
面に沿って間隔を一定に保持したまま可動し、その際第
１プリズムは変動しない。したがって、第一の分岐光線
の通る空間部分（通常、空気）の変動を伴うことなく前
記鏡面が光軸方向に移動して参照光の光路長を変化させ
ることができる。つまり、本発明方式によれば、空間長
の変化に起因する本来無用な光路長変動がないので、被
測定物の膜厚ｄが、鏡面の光軸方向の移動距離ｌに基づ
いて一義的に決定できる。よって、上記の如く高精度に
制御可能な鏡面の位置に基づいて算出された被測定物の
膜厚は、極めて精度の高いものとなる。

【００１６】請求項２記載の発明では、上記に記載の
多層膜厚測定装置に、更に第１プリズムの射出面に沿っ
て第２プリズムを可動させる駆動手段と、干渉発生時に
おける第２プリズムの位置から、前記可動鏡面の光軸方
向に対する移動距離を求め膜厚を測定する膜厚測定手段
が付加されているので、多層フィルムの各層の膜厚を自
動的かつ高精度に測定できる。

【００１７】請求項３記載の発明では、第１プリズム
と可動する第２プリズムの光軸上の最小合算厚みと略等
しい厚みであり、前記両プリズムの屈折率及び分散の平
均値と略等しい屈折率及び分散を持つ光透過体からなる
被測定物載置部材を具備させてある。この載置部材は、
被測定物を載置する役割を担うと同時に、測定光路側に
あって、参照光側で発生する不要な光路長変動（第１プ
リズム及び第２プリズムにおける最小合算厚みによる光
路長変動）を相殺するように作用するので、膜厚測定精
度を一層高めることができる。

【００１８】請求項４記載の発明では、第１プリズム
と第２プリズムの光透過部分とが、光学的性質を同一と
し、かつその形状も略同一としたので、プリズムの作製
や被測定物載置部材の作製が容易になる。よって、製造
技術的な面から多層膜厚測定装置の精度向上やコストダ
ウンが可能となるという作用効果がある。請求項５記載の発明では、第２プリズムの入射面が、
第１プリズムの射出面との間で摺動可能に構成してある
ので、第１プリズムと第２プリズムとの間の空間を実質
的に排除できるとともに、第１プリズムの射出面に沿っ
て第２プリズムを摺動するものであるので、第２プリズ
ムの入射面と第１プリズムの射出面との平行状態が崩れ
ることがないので、その分第２プリズムの駆動手段を簡
易なものとできる。

【００１９】

【実施例】本発明に係る多層膜厚測定装置の基本構造を
図１に示し、この基本構造を適用した多層膜厚測定装置
の断面構造を図２に示す。なお、図１及び図２の符号は
統一的に使用してある。図１、２に基づいて、先ず本発
明の一実施例である多層膜厚測定装置の概要を説明す
る。

【００２０】白色光源１から出た白色光２は、第１集光
レンズ３、第２集光レンズ４、絞り５、第３集光レンズ
６を通って、平行光となり、ビームスプリッタ７で２つ
の平行光１１と１７に分割される。分割された一方の光
は、第１焦点レンズ８で集光され、サンプル台９を通
り、多層膜の形成された被測定物１０に入射され、その
各境界面で反射されて測定光１１’となる。また上記で
分割された他方の光は、第２焦点レンズ１２で集光さ
れ、第１プリズム１３に入射され、この第１プリズム１
３と相互に上下逆向きかつ背中合わせに配置された第２
プリズム１４の光透過体部分を通った後、第２プリズム
１４の鏡面１５で反射されて参照光１７’となる。前記
測定光１１’と参照光１７’は再びビームスプリッタ７
に戻り、ここで重ね合わせられて光１８となり、受光レ
ンズ１９を通り、受光素子２０に集光される。この光は
受光素子２０で光電変換され、更に受光回路２１で包絡
線検波などの処理がなされ、図示しないコンピュータ等
の演算装置に導かれる。

【００２１】次に本発明装置の主要構成要素について説
明する。白色光源１は、インコーヒレントな光であれ
ば、特に波長が制限されるものではない。但し、白色光
源１を波長の長い赤外光線とした場合、被測定物１０中
における分散が小さくなる利点があるものの、波長が長
いため可干渉距離が長くなるので、参照光と測定光の光
路長が一致する時点の検出精度が悪くなる。他方、白色
光源１をより短波長側の可視光源とした場合は、明瞭な
干渉が得られるものの、被測定物１０中における分散が
大きくなるので、膜厚の大きいものを測定対象とすると
きには好ましくない。このようなことから、白色光源１
は被測定物中の分散が小さく、かつ干渉の検出精度を低
下させない程度の波長が好ましいが、このような波長を
与える光源としては、例えば、９００ｎｍ付近の近赤外
光を中心波長に持つハロゲンランプや発光ダイオードな
どが挙げられる。

【００２２】受光素子２０は、上記白色光源１の中心波
長と同様な波長域での分光感度にすぐれるものが好まし
い。よって、例えば、白色光源１を上記ハロゲンランプ
や発光ダイオードとした場合には、同じような波長領域
に分光感度特性のピークを持つシリコンフォトダイオー
ド、ＰＩＮシリコンフォトダイオード等のフォトダイオ
ードが良い。

【００２３】第１プリズム１３は、被測定物１０とほぼ
同じ屈折率及び分散を有する平行平面なガラスの一方の
平面を厚さが光軸に対して垂直方向に徐々に薄くなるよ
うな斜面に加工したものである。この第１プリズム１３
は、その平面を光軸に対して垂直に固定してセットされ
ている。第２プリズム１４は、上記第１プリズム１３と
光学的性質の同一の材料で同一形状に形成されたもので
あって、その平面側にはアルミニウム、白金、金等を蒸
着することにより鏡面１５が形成されている。この第２
プリズム１４は、前記第１プリズム１３と、互いの平面
同志が平行となり、かつ第２プリズム１４の斜面と第１
プリズム１３の斜面の間隔が数十μｍ程度になるように
調整されて、光軸上（図２の１３、１４の位置）に配置
されている。そして、このように配置された第２プリズ
ム１４は、第２プリズム駆動手段１０１により、第１プ
リズム１３の斜面との間隔が変動しないようにして、第
１プリズム１３の斜面に沿って上下に駆動せられる。な
お、上記において、第２プリズム１４の斜面と第１プリ
ズム１３の斜面を接触させてもよく、このようにした場
合は、第２プリズムは第１プリズムの斜面に沿って摺動
することになる。また摺動させる場合には、第１プリズ
ムと第２プリズムとの間に両プリズムと屈折率が近似し
たオイル等の光透過性の潤滑物質を介在させてもよい。

【００２４】第２プリズム駆動手段１０１は、駆動モー
タ２３、この駆動モータ２３に連結した第２プリズム把
持部材１０２、前記第２プリズム把持部材１０２の上下
移動を案内する精密クロスローラガイドからなる案内部
材２２等からなる。そして、前記第２プリズム把持部材
１０２には、その入射面が前記往復運動方向に対し平行
となり、かつその鏡面１５が光軸に対し直交するように
して第２プリズム１４を把持させてあり、駆動モータ２
３が駆動すると、第２プリズム１４を把持した第２プリ
ズム把持部材１０２が案内部材２２の案内に従って往復
運動するように構成されている。よって、第２プリズム
１４は、図１矢印に示すように第１プリズム１３の斜面
に平行に往復運動することになるが、第２プリズム１４
の鏡面１５はこの往復運動よって光軸方向に前後移動し
て参照光の光路長を可変する。

【００２５】膜厚測定手段（不図示）は、参照光と測定
光との干渉を検出する干渉検出部（受光回路２１も含
む）と、鏡面１５の位置を検出する鏡面位置検出部と、
干渉検出部が干渉を検出した時点における前記鏡面位置
情報に基づいて膜厚を算出する膜厚算出部からなる。前
記干渉検出部は、受光素子２０に入光した光強度変化か
ら干渉発生時点を検出するものである。また、前記鏡面
位置検出部は、ポテンンショメータ、マイクロメータ、
ＰＳＤ等、または駆動モータ２３がパルスモータ（ステ
ッピングモータ、サーボモータ等）の場合はその発振パ
ルス数か或いはパルスエンコーダ等で代用できる位置検
出素子２４を有しており、この位置検出素子２４は案内
部材２２に配置（図２の２４）してあり、案内部材２２
に案内されて往復運動する第２プリズム把持部材１０２
の基準点からの移動距離を検出し、これを元に鏡面１５
の光軸方向への移動量を算出する。そして、この算出し
た鏡面移動量に関する情報を膜厚算出部に送る。膜厚算
出部は、コンピュータ等の演算装置からなり、干渉検出
部及び鏡面位置検出部の情報から、干渉発生時点におけ
る鏡面位置を特定し、この情報に基づいて被測定物１０
の膜厚を算出する。このようにして算出された膜厚は、
他の必要情報とともにデイスプレイ等の表示手段に表示
される。

【００２６】なお、第２プリズム駆動手段１０１と膜厚
測定手段は、コンピュータ制御により一体的に制御する
ことも可能であり、例えば、図７に示すブロック図のよ
うに構成することもできる。図７に示す方法を説明する
と、入光した光は受光素子２０で光電変換した後、増幅
器２０１で電流電圧変換し、（図中ａ参照）、バンドパ
スフィルタ２０２でノイズ成分の除去を行った後、整流
器２０３でｂのように半波整流し、ローパスフィルタ２
０４でｃで示すような包絡線信号を得る。この包絡線信
号をＡ／Ｄ変換器２０５によりデジタル信号に変換し、
クロック信号と関連付けてメモリ２０６に記憶するとと
もに、記憶したデジタル信号を微分曲線算出部２０７で
微分処理してその微分信号のゼロクロス点をピーク値算
出部２０８にて求めて、元の包絡線信号におけるピーク
値を算出する。そして、前記クロック信号に基づいてピ
ーク値検出時点を特定し、このピーク検出信号をピーク
間距離算出部２０９に向けて発するようにしてある。一
方、ピーク間距離算出部２０９には第２プリズム駆動手
段１０１の駆動モータ２３の回転に同期するパルスエン
コーダ２１０からのパルス信号が加えられていて、ある
ピーク検出信号と次のピーク検出信号が発せられるまで
の間に発生した前記パルス信号の数をカウントしてい
る。そして、このカウント値から駆動モータ２３により
移動させられた鏡面１５の距離を算出するようになって
いる。

【００２７】サンプル台９は、第１プリズム１３と第２
プリズム１４で作る光軸方向の最小の厚さを補償する厚
さを有し、屈折率及び分散が第１プリズム１３及び第２
プリズム１４と同じものが使用してある。なお、第２プ
リズム駆動手段１０１や膜厚測定手段は上記構成に限ら
れるものではない。要は、第２プリズム駆動手段は第２
プリズムの鏡面の移動を精度高く制御できればよく、ま
た膜厚測定手段は干渉発生時点における鏡面位置に基づ
いて膜厚が算出できるものであればよい次にこのように
構成された本発明多層膜厚測定装置を膜厚測定の具体例
に基づいて、更に詳細に説明する。

【００２８】図６は、本発明装置が測定対象とする厚み
７０５μｍの３種５層の多層フィルムの一例であり、こ
の多層フィルムは第１層（２５）と第５層（２９）がナ
イロンフィルム、第２層（２６）と第４層（２８）が接
着剤、第３層（２７）がＥＶＯＨフィルムで構成されて
いる。このような多層フィルムが第１層２５側をサンプ
ル台９に接して載置され、第二の分岐光線が入射される
と、該光線は多層フィルム（被測定物１０）の各境界面
３０、３１、３２、３３、３４、３５でそれぞれ反射さ
れ測定光となりビームスプリッタ７に戻ることになる
が、この際、各層で分散を受け、分散に起因する光路長
変化をも伴って測定光１１となる。そしてこの分散によ
る光路長への影響は、入射深度が大きくなる境界面３
０、３１、３２、３３、３４、３５の順に大きくなる。

【００２９】一方、第１プリズム１３及び第２プリズム
１４に入射した第一の分岐光線は、第２プリズム１４の
鏡面１５で反射されて参照光１７となりビームスプリッ
タ７に戻るが、この場合は、可動する鏡面１５により光
路長が積極的に変えられるとともに、第１プリズム１３
と第２プリズム１４で作る光軸方向のガラス中での分散
によっても光路長が変動することになる。そしてこの場
合の分散による光路長への影響は、第１プリズム１３と
第２プリズム１４で作る光軸方向の厚さが大きくなれば
なるほど大きくなる。

【００３０】ここにおいて、上記した分散が膜厚測定結
果に及ぼす悪影響を除去するには、第１プリズム１３と
第２プリズム１４で作る光軸方向の厚さ変化を被測定物
１０の境界面３０から境界面３１、３２、３３、３４、
３５に至る厚さ変化と同じようにすれば良い。本発明装
置では、参照光を作る鏡面１５が、光軸に直交する第２
プリズム１４の射出面に設けてあり、かつこの第２プリ
ズム１４は鏡面１５に対向する傾斜面（入射面）で第１
プリズム１３の傾斜面（射出面）に沿って平行に可動す
るように構成したので、測定光の分散に起因した光路長
変動要素と参照光の分散に起因した光路長変動要素とを
互いに相殺させることができる。なぜなら、多層フィル
ムの各境界面３０、３１、３２、３３、３４、３５に対
応し、それぞれの境界面までの深度（各膜厚）分だけ、
第２プリズム１４の鏡面１５が参照光の光路長を大きく
する方向に移動する必要があるが、この移動は第２プリ
ズム１４の光軸方向のガラス厚みを増加させる移動でも
ある。したがって、第１プリズム１３と可動する第２プ
リズム１４が与える分散が、多層フィルムの平均的な屈
折率及び分散と略同一になるように、第１プリズム１３
と第２プリズム１４の材質又は厚みを適当に選べば、各
膜厚に対応して変動する鏡面１５の移動に伴い増減する
第２プリズム１４の光軸上の厚みにより相殺されるこに
なる。なお、本実施例では両プリズムをガラスで構成し
たが、プリズムはガラスに限られるものではなく、要は
使用する光波長域における光透過性が優れた材料の中か
ら、前記屈折率及び分散を考慮して適当に選択すればよ
い。

【００３１】図３に、図６の多層フィルム（７０５μ
ｍ）を被測定物１０としたときにおける、図７のブロッ
ク線図のローパスフィルタ２０４を通過させた包絡線信
号による干渉ピークを各境界面との関連で示す。図３の
横軸は第２プリズム１４の鏡面１５の位置、縦軸は各鏡
面位置における干渉の大きさを表す。ここで、各ピーク
３６、３７、３８、３９、４０、４１を示す第２プリズ
ム１４の鏡面１５の位置をＬ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，Ｌ₄、Ｌ
₅，Ｌ₆とし、第１層２５と第５層２９の屈折率を
ｎ₁、第２層２６と第４層２８の屈折率をｎ₂、第３層
２７の屈折率をｎ₃とし、第１プリズム１３及び第２プ
リズム１４の屈折率をｎとすれば、第１層２５の厚さｄ
₁、第２層２６の厚さｄ₂、第３層２７の厚さｄ₃、第
４層２８の厚さｄ₄、第５層２９の厚さｄ₅は、理論的
には各式に従い求めることができる。また図４に、図６の多層フィルム７０５μｍよりも薄い
３種３層の多層フィルム６５μｍの包絡線信号による測
定結果を示したが、勿論この６５μｍの多層フィルムに
おいても、前記７０５μｍの多層フィルムと同じ様に各
層の膜厚が算出できる。

【００３２】ここで、上記した被測定物やプリズムの分
散に起因する光路長変動要素が膜厚測定値に及ぼす影響
を確認するため、本発明原理の装置及び図８に示す原理
の従来装置を用い、被測定物として厚さの異なる５種類
のスライドグラスを用い、各被測定物の表面干渉値と裏
面干渉値を測定したので、それらの結果を図５に示す。
但し、スライドグラスの膜厚は、それぞれ２０μｍ、６
９μｍ、１６９μｍ、５５０μｍ、９５０μｍである。
また、図５は、被測定物の厚さの常用対数値を横軸と
し、表面干渉値に対する裏面干渉値の割合（％）を縦軸
として表したものである。

【００３３】図５の結果から、明らかなように本発明装
置では、被測定物の厚みが増加しても裏面干渉値／表面
干渉値比の低下が少ない。つまり、被測定物中における
分散の影響が少ない。これに対し、従来装置では被測定
物の厚みが増加すると急激に裏面干渉値／表面干渉値比
が低下しており、被測定物の厚みが増加すると被測定物
中における分散の影響が顕著になることが判る。

【００３４】この結果から、図１に示す原理の本発明装
置は、図８に示す原理の従来装置に比べ、格段に精度の
高い膜厚測定を行い得ることが確認された。

【００３５】

【発明の効果】本発明では、上記したように、参照光の
光路長の変更が、可動する第２プリズムの射出面側鏡面
により行なわれるように構成したので、可動鏡面の位置
が極めて正確に特定できるとともに、この可動鏡面の移
動が空間長を変動させることがないので不要な光路長変
動を排除できる。さらに、光路長変更のための鏡面の移
動は、第２プリズムの光透過体部分の厚みを被測定物の
分散を補償するように変更する働きをも有しているの
で、被測定物が厚くなっても前記分散に起因する光路長
の変動を参照光側で相殺できる。

【００３６】以上から、本発明によれば、膜厚が大きく
なっても精度よくその膜厚を測定できるとともに、多層
フィルムの各膜厚を高精度に測定できる多層膜厚測定装
置を提供できるといった顕著な効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置ににかかる原理図である。

【図２】本発明装置の主要部を示す正面図である。

【図３】本発明装置における多層フィルム７０５μｍの
測定波形である。

【図４】本発明装置における多層フィルム６５μｍの測
定波形である。

【図５】本発明装置と従来装置との膜厚測定値の信頼度
を比較するためのグラフである。

【図６】多層フィルム７０５μｍの断面を示す図であ
る。

【図７】本発明装置にかかる電気回路を示すブロック図
である。

【図８】従来装置にかかる原理図である。

【図９】他の従来装置にかかる原理図である。

【符号の説明】

１白色光源２白色光３第１集光レンズ４第２集光レンズ５絞り６第３集光レンズ７ビームスプリッタ８第１焦点レンズ９サンプル台１０被測定物１１、１１’ 測定光１２第２焦点レンズ１３第１プリズム１４第２プリズム１５第２プリズムの鏡面１６鏡面１７、１７’ 参照光１８重ねられた光１９受光レンズ２０受光素子２１受光回路２２案内部材２３駆動モータ２４位置検出素子２５第１層２６第２層２７第３層２８第４層２９第５層３０表面（空気と第１層の境界面）３１第１層と第２層の境界面３２第２層と第３層の境界面３３第３層と第４層の境界面３４第４層と第５層の境界面３５裏面（第５層と空気の境界面）３６表面の干渉ピーク３７境界面３１の干渉ピーク３８境界面３２の干渉ピーク３９境界面３３の干渉ピーク４０境界面３４の干渉ピーク４１裏面の干渉ピーク１０１第２プリズム駆動手段２０１増幅器２０２バンドパスフィルタ２０３整流器２０４ローパスフィルタ２０５Ａ／Ｄ変換器２０６メモリ２０７微分曲線算出部２０８ピーク値算出部２０９ピーク間距離算出部２１０パルスエンコーダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−141934（ＪＰ，Ａ) 特開平２−257005（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−233308（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−66164（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−84501（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G02B 5/00 - 5/136

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】インコヒーレントな同一光源を同時に出
た光波をビームスプリッタで第一の分岐光線と第二の分
岐光線に分割し、前記第一の分岐光線を可動できる鏡面
に導き反射させた参照光と、前記第二の分岐光線を光透
過性の単層または屈折率の異なる複数の膜が層状に形成
された被測定物に導き反射させた測定光とを、それぞれ
前記ビームスプリッタに導いて干渉させ、干渉発生時に
おける前記可動鏡面の位置に基づいて前記被測定物の各
膜厚を求める多層膜厚測定装置において、前記第一の分岐光線の入射する入射面が前記第一の分岐
光線軸に直交し、前記入射した光線の射出する射出面が
前記第一の分岐光線軸に対し傾斜する第１プリズムと、第一の分岐光線の入射する入射面が前記第１プリズムの
射出面と平行でかつこの平行状態を維持したまま第１プ
リズムの射出面に沿って可動でき、その射出面側が入射
した第一の分岐光線を反射する鏡面としてあり、この鏡
面が第一の分岐光線軸に直交するように位置されてある
第２プリズムとが、第一の分岐光線の光路上に配置されたことを特徴とする
多層膜厚測定装置。
【請求項２】前記請求項１記載の多層膜厚測定装置に
おいて、更に前記第２プリズムの入射面を前記第１プリ
ズムの射出面に平行に往復運動させる第２プリズム駆動
手段と、前記第２プリズム駆動手段により往復運動する第２プリ
ズムの位置を求め、この位置に基づいて膜厚を算出する
膜厚測定手段とを備えることを特徴とする多層膜厚測定
装置。
【請求項３】前記請求項１又は請求項２記載の多層膜
厚測定装置において更に、屈折率及び分散が第１プリズ
ム及び第２プリズムの平均値に等しく且つ厚みが光軸上
における前記両プリズムの最小合算厚みと略等しい、前
記ビームスプリッタと反対側面を被測定物の載置面とす
る被測定物載置部材が、第二の分岐光線の光路上に配置
されたことを特徴とする多層膜厚測定装置。
【請求項４】第１プリズムと第２プリズムとが、互い
に屈折率及び分散が等しく、かつその形状が略相似形で
あることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の
多層膜厚測定装置。
【請求項５】請求項１から請求項４の何れかに記載の
多層薄膜測定装置において、第２プリズムが、その入射
面と前記第１プリズムの射出面との間で、平行状態を維
持しつつ第１プリズムの射出面に沿って摺動可能に構成
されたことを特徴とする多層膜厚測定装置。