JP4088145B2

JP4088145B2 - 透過型干渉計及び膜厚測定システム

Info

Publication number: JP4088145B2
Application number: JP2002372924A
Authority: JP
Inventors: 一夫大西; 弘幸西田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004205293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射光学系の位置調整が容易な透過型干渉計、並びに薄膜の厚みムラ測定に好適な膜厚測定システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計を用いた非接触型の膜厚測定装置として、マイケルソン干渉計を利用して層別厚み測定を行うものが知られている（特許文献１参照）。この膜厚測定装置では、シート状のベース素材と薄膜素材との間の屈折率差が大きい被検体を測定対象としており、薄膜層及びベース層の各境界面における透過光及び反射光を参照光と干渉させ、各層の厚みに応じて生じる光路差から得られる干渉縞の明暗強度を解析し、各層の厚みを測定している。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５５−２９７０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の膜厚測定装置は、ベース層と薄膜層との屈折率差がない被検体に対しては干渉縞の検出感度が低くなり、汎用的な膜厚測定には適していない。また、被検体を透過した測定光を平面ミラーによって反射させているため、この平面ミラーの法線が干渉光軸に対して傾くと干渉縞のピッチが変化して測定精度が下がる。これを防止するために、平面ミラーと干渉光軸との位置調整を精密に行うことは手間である。さらに平面ミラーの微振や熱変形による光軸ズレを防止するための設備には多大なコストがかかる。
【０００５】
また、低コヒーレント光を利用するマイケルソン干渉計では、被検体の層境界面を透過又は反射した測定光から干渉縞を形成するために、参照ミラーを微動させて参照光と測定光との光路差を得ているため時間応答性が悪く、長尺のシート体を高速搬送しながらの厚み測定に使用することができない。
【０００６】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、測定光の反射光学系と干渉光学系の位置調整が容易な干渉計、並びに二層間に屈折率差のない被検体に対してもベースシート上に形成した薄膜の厚みを求めることができ、高速搬送される被検体の厚み測定も可能な膜厚測定システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、可干渉性の光から参照光と測定光を得るためのビームスプリッタと、測定対象物を透過した前記測定光をその入射方向と平行な方向に反射する反射手段とを備え、前記測定対象物を再度透過した前記測定光と前記参照光とを重ね合わせることにより干渉縞を形成する透過型干渉計において、前記反射手段を、コーナーキューブリフレクタと、前記コーナーキューブリフレクタ及び前記測定対象物の間に設けられ、前記コーナーキューブリフレクタにより反射されて倒立した前記測定光を正立させて、前記測定対象物を２回透過する前記測定光の像の向きを揃える光学系とで構成したことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１において、膜厚測定システム１は、写真フイルムの製造工程内に設けられる。フイルムベース２は図中左から右方へ搬送されており、感光材料３の塗布工程を介して写真フイルム４が製造される。感光材料３の塗布工程前後には、透過型干渉計５，６がそれぞれ設置されている。以下では、フイルムベース２と写真フイルム３とを被検体と総称する場合がある。
【００１０】
感光材料３の塗布前工程に設置された透過型干渉計５は、レーザー光源７ａ、発散レンズ８ａ、光路変更用ハーフミラー９ａ、コリメータレンズ１０ａ、参照用ハーフミラー１１ａ、正立ポロプリズム１２ａ、コーナーキューブミラー１３ａ、ＣＣＤカメラ１４ａとから構成されている。なお、感光材料３の塗布後工程に設置された透過型干渉計６も同様の構成である。なお、参照用ハーフミラー１１ａや正立ポロプリズム１２ａ、コーナーキューブミラー１３ａの反射面は、被検体の表面に比べて極めて高い精度の平坦面である。
【００１１】
レーザー光源７ａは、写真フイルム３が感光しにくい波長のレーザー光を発する。射出されたレーザー光は、発散レンズ８ａとコリメータレンズ１０ａとによって光束径の大きい平行光となる。コリメータレンズ１０ａを透過したレーザー光は、フイルムベース２に向かって進行する測定光と、参照用ハーフミラー１１ａで反射される参照光とに分割される。
【００１２】
図２において、測定光はフイルムベース２を透過して、コーナーキューブミラー１３ａに入射する。コーナーキューブミラー１３ａは、互いに直交する３つの反射面に金属膜を施した１８０度偏角プリズムであり、周知のように、３つの反射面を反射した光が入射方向と平行な方向に射出される再帰性反射光学素子である。コーナーキューブミラー１３ａを反射した測定光は、４つの直角プリズムを組み合わせて構成された正立ポロプリズム１２ａに入射する。
【００１３】
コーナーキューブミラー１３ａは、図３（ａ）に示すように、頂点Ａ１を中心に反射面１５ａ，１５ｂ，１５ｃを有している。なお、図中二点鎖線で示しているのは、再帰性反射の有効径内に現れるキュービックコーナーの稜線の反射像である。ここで、反射面１５ａに測定光が「Ｆ」の形をした光束として入射したとき、この光束は反射面１５ｂ，１５ｃを経て、頂点Ａ１に対して点対称な位置から１８０度偏向した倒立光束として出射する。
【００１４】
「Ｆ」の倒立光束は、図３（ｂ）に示すように、正立ポロプリズム１２ａを構成する第１直角プリズム１６ａ内に入射する。第１直角プリズム１６ａに入射した倒立光束は、第２，第３直角プリズム１６ｂ，１６ｃを反射して、第４直角プリズム１６ｄから出射する。「Ｆ」の倒立光束は、正立ポロプリズム１２ａを透過・反射する過程で１８０度偏向し、コーナーキューブミラー１３ａへの入射時と同じ偏角の光束として正立する。
【００１５】
図３（ｃ）には、コーナーキューブミラー１３ａと正立ポロプリズム１２ａとによる測定光の倒立・正立変換の様子を示す。コーナーキューブミラー１３ａへの入射光路と、正立ポロプリズム１２ａからの出射光路とが一致しておらず、中に端末矢印で示す距離だけ隔たった光路を進行し、測定光は被検体の異なる２つの位置を透過することになる。
【００１６】
正立ポロプリズム１２ａを出射した測定光は、フイルムベース２を再び透過して参照用ハーフミラー１１ａに到達する。参照用ハーフミラー１１ａに達した測定光は、フイルムベース２を透過することで参照光に比べて位相に遅れが生じる。この位相遅れの大きさは、フイルムベース２を測定光が透過する２つの位置の厚みを合計した大きさに応じて決まる。
【００１７】
参照用ハーフミラー１１ａ上では、参照光と測定光とがその位相差によって干渉し、測定光が一度目に透過した箇所の厚みと、二度目に透過した箇所の厚みとを足し合わせた厚みの情報を含んだ干渉縞が形成される。測定光と参照光との干渉光は、コリメータレンズ１０ａを透過した後に光路変更用ハーフミラー９ａで進路が折り曲げられ、ＣＣＤカメラ１４ａに到達する。ＣＣＤカメラ１４ａでは、参照用ハーフミラー１１ａ上に形成された干渉縞が撮影される。
【００１８】
透過型干渉計に正立ポロプリズム１２ａとコーナーキューブミラー１３ａとを併用した反射系を用いる利点について、コーナーキューブミラー１３ａのみの反射系を用いた場合と比較しながら図４，図５を用いて説明する。
【００１９】
図４に示すコーナーキューブミラー１３ａのみを備えた反射系において、図４（ａ）中の点ｐ１，ｐ２で示す間を直線状の測定光が入射することを想定する。点ｐ１，ｐ２に入射した光は、図４（ｂ）に示す厚み分布を有する被検体を一度透過する。点ｐ１，点ｐ２を通る光路で入射した測定光は、頂点Ａ１に点対称な点ｐ４，点ｐ３を通る光路からそれぞれ出射する。コーナーキューブミラー１３ａを出射した測定光は、点ｐ３，ｐ４を通る光路で被検体を再び透過し、２つの透過位置における被検体の厚みの合計分に応じた位相遅れが生じる。
【００２０】
図４（ｃ）に示すように、被検体を二回透過した測定光は、参照光に対し、ｐ１−ｐ２間の被検体の厚みによる位相差分布（φ１’）と、ｐ３−ｐ４間の厚みによる位相差分布（φ２）との和（φ１’＋φ２）で表わされる位相差が生じる。このとき、コーナーキューブミラー１３ａによって測定光が１８０度偏向しているため、ｐ１−ｐ２間における位相差分布は、実際のｐ１−ｐ２間の位相差分布（φ１）（図５参照）と鏡像関係にある。よって、コーナーキューブミラー１３ａのみを用いた反射系では、その頂点Ａ１と点対称の位置にある測定光の位相差が重ね合わされるため、図示するような被検体の厚み分布によっては、大きな誤差を含む結果となる。
【００２１】
一方、図５に示す正立ポロプリズム１２ａとコーナーキューブミラー１３ａとを併用した反射系においては、被検体を透過する測定光の向きが揃えられ、ｐ１−ｐ２間の位相差分布とｐ５−ｐ６間の位相差分布とが正しく平均化され、被検体の厚み分布をより正確に反映した干渉縞を得ることができる。なお、図５においては、説明の便宜上、ｐ５−ｐ６間の厚み分布とｐ３−ｐ４間の厚み分布とを同じにしている。
【００２２】
図６において、干渉縞解析装置２０には、ＣＣＤカメラ１４ａ，１４ｂから干渉縞の静止画像信号がそれぞれ出力される。干渉縞解析装置２０は、干渉縞画像蓄積部２１ａ，２１ｂ、干渉縞画像接続部２２ａ，２２ｂ、厚みパターン変換部２３ａ，２３ｂ、厚みムラ分布解析部２４の各機能を有するコンピュータで構成される。
【００２３】
干渉縞画像蓄積部２１ａ，２１ｂは、ＣＣＤカメラ１４ａ，１４ｂで連続撮影されたそれぞれの干渉縞画像を取り込んで、複数の静止画像データとして記憶する。このとき、被検体の搬送に伴って、撮影もれが生じないカメラ視野と画像ブレが生じない撮影速度とを求めておく必要がある。
【００２４】
被検体の搬送に伴う撮影画像の取りこぼしが発生しないように、被検体の搬送方向に対して最低必要なカメラ視野Ｄ（ｍｍ）を算出する。ＣＣＤカメラ１４ａ，１４ｂの撮像速度をｆ（フレーム／秒）、被検体の搬送速度をＶ（ｍｍ／秒）、後述する画像接続のために必要となる撮影画像の搬送方向のオーバーラップ率をＫ（％）、搬送方向に並べるカメラ台数をｎ（台）とすると、
Ｄ＝Ｖ／（１−Ｋ／１００）／ｆ／ｎ
と表わされる。例えば、毎秒３０フレームでフルフレーム画像の連続取り込みが可能なプログレッシブスキャンカメラを１台使い、被検体を毎秒３０００ｍｍで搬送し、画像オーバーラップ率を２０％確保するときのカメラ視野は、上式に各値を代入するとＤ＝１２５（ｍｍ）となる。撮像速度の異なるカメラを使用する時や、被検体の搬送速度が異なる時は上式よりカメラ視野を算出し、場合によってはカメラ台数を増やして１台あたりのカメラ視野が狭くされる。
【００２５】
被検体の搬送に伴う画像ブレの発生をなくすためには、画像の取り込み速度を上げるか、露光時間を短くする必要がある。画像の取り込み速度は上述したｆであるから、ここでは撮影１回あたりの露光時間について説明する。ＣＣＤカメラの被検体搬送方向における撮影画素数をｘ（画素）とし、鮮明な静止画像を得るために画像ブレを１０分の１画素以下に抑えるための露光時間ｔ（秒）は、
ｔ＝１／ｆ／ｘ／１０
となる。例えば、撮像速度が毎秒３０フレームであり、搬送方向の撮影画素数が５１２画素のＣＣＤカメラを使用した場合（カメラ視野１２５ｍｍの時に１画素の空間分解能は０．２４ｍｍ）、ｔ＝６．５×１０^-6（秒）となる。この瞬間的な露光時間ｔを実現するためには、パルス発光が可能なするレーザー光源を用いるのがよい。また、レーザー光源の前面にシャッタとなる羽根車を配置する方法もある。また、瞬間的な露光時間でも、撮影に支障をきたすことがないように、ＣＣＤ感度やレーザー光量などが感光材料３の感度とともに適宜考慮される。
【００２６】
図６において、干渉縞画像接続部２２ａ，２２ｂは、１／ｆ秒ごとに撮影された複数の干渉縞静止画像を干渉縞画像蓄積部２１ａ，２１ｂから読み出し、被検体の搬送方向に接続する。ここでは、精密な一連の干渉縞画像を得るために、２つの干渉縞画像のオーバーラップ範囲を１画素以下の分解能で一致させる画像接続処理が行われる。具体的には、周知の正規化相関サーチ法が用いられ、１つの干渉縞登録画像と、時間的に隣り合う他の干渉縞画像とが、そのオーバーラップパターンの範囲内で一致するように接続処理される。この画像接続処理においては、被検体の搬送中における蛇行やバタツキなどによる２次元的な小さな画素ズレなども補正される。
【００２７】
厚みパターン変換部２３ａ，２３ｂでは、干渉縞画像接続部２２ａ，２２ｂで接続計算されたされた一連の干渉縞画像を元に、フーリエ変換縞パターン解析法（ＦＴＰ法）を用いて被検体の厚み情報が割り出される。ＦＴＰ法は、フリンジスキャン法（縞走査法）のように縞の周期変化を測定するために圧電素子を用いた参照面の走査機構が必要なく、１枚の干渉縞画像から厚み情報が得られるので、本実施形態のように高速搬送される被検体の厚み算出に適している。干渉縞画像からは、ノイズを含む高い空間周波数成分が除去され、位相接続や逆フーリエ変換を経て被検体の厚み分布が得られる。
【００２８】
厚みムラ分布解析部２４は、厚みパターン変換部２３ａ，２３ｂでそれぞれ得られたフイルムベース２の厚み分布と、写真フイルム４の厚み分布とを比較し、その差分から感光材料３の塗布厚み分布を割り出す。割り出された感光材料３の塗布厚み分布は、予め登録された正常な塗布厚み分布と比較され、塗布異常の認められた範囲が塗布ムラとして検出される。
【００２９】
例えば、フイルムベース２が２００μｍの厚みで形成され、感光材料３がフイルムベース２上で２０μｍの厚みとなるように塗布される場合、それぞれ±１０％の範囲で厚みにバラツキが生じることが統計的に確かめられている。すなわち、フイルムベース２の厚みムラは±２０μｍ程度であり、感光材料３の厚みムラは±２μｍとなる。フイルムベース２の厚みムラは、感光材料３の塗布厚みムラの約１０倍となるため、写真フイルム４の厚み分布を測定するだけでは、フイルムベース２の厚み分布を求めることと大差がなく、感光材料３の厚みムラを検出することは不可能である。よって、フイルムベース２の厚み分布と写真フイルム４の厚み分布との差分をとることで、感光材料３の塗布厚み分布を測定でき、その厚みムラを有効に検出することが可能となる。
【００３０】
図７において、透過型干渉計５，６は、感光材料３の塗布過程前後において、幅広で長尺の被検体の全面を測定するために、被検体の幅方向及び搬送方向にそれぞれ複数配置される。また、反射光学系の大きさに対して干渉縞の得られる参照面の有効面積が小さいことから、各干渉計の物理的干渉を避けるために各干渉計を千鳥状に少しずつずらして配置している。各干渉計は搬送方向に６列、幅方向に２列の合計１２台配置され、１台の干渉計で被検体搬送方向の厚み分布測定をカバーする。
【００３１】
上述した被検体搬送方向のカメラ視野Ｄに基づいて、被検体幅方向に必要な干渉計台数Ａを求める算出式は、幅方向のカメラ視野オーバーラップ率をＭ（％）、被検体の幅をＷ（ｍｍ）、被検体の搬送に伴う蛇行許容幅をＪ（ｍｍ）としたとき、
Ａ＝（Ｗ＋Ｊ）／Ｄ／（１−Ｍ／１００）
となる（端数は繰り上げ）。例えば、幅方向の縞画像オーバーラップ率を２０％とし、カメラ視野を１２５ｍｍとし、（Ｗ＋Ｊ）を１２００ｍｍとすれば、Ａ＝１２（台）となる。
【００３２】
以上の構成の膜厚測定システム１は、幅広で長尺のフイルムベース２上に塗布された感光材料３の塗布厚みムラをその全面に渡って高精度に検出することが可能となる。また、透過型干渉計を用いているので、反射型干渉計のように搬送に伴う被検体のバタツキによる検出誤差が生じることはない。
【００３３】
なお、上記実施形態は、被検体を透過する測定光の入射光路と反射光路とが異なった光路不一致型の反射光学系について述べているが、図８に示すように、正立光学系として、偏向膜を施した偏向膜付きポロプリズム３０と、光束の均一性を高めるために位相板３１とを設け、被検体を透過する測定光の透過点を一致させるようにしてもよい。この場合、光路不一致型の反射光学系に比べて正確な膜厚測定が可能となる。また、コーナーキューブリフレクタを用いているので、被検体を正反射した測定光による干渉縞の乱れを防止するために、被検体を例えば１０度±５度の範囲で干渉計光軸から傾けるのも有効である。
【００３４】
また、上記実施形態のように、被検体に感光性物質を用いる場合には、光カブリを生じない短時間露光に頼る以外にも、発光波長が０．９μｍ〜１．３μｍの近赤外線を放出するレーザー源を用いてもよい。レーザー源としては、ＹＡＧレーザー、チタン・サファイアレーザー、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、半導体レーザーなど、被検体の光学物性に応じて発光強度、波長、光源種を適宜選択することができる。
【００３５】
さらに、反射光学系として、コーナーキューブリフレクタとしては、キュービックコーナーの形状に組み合わせた板状の鏡を用いてもよい。正立光学系としてはポロプリズムを用いる以外にも、４枚以上の鏡を組み合わせて、１８０度の偏角光学系を構成すればよい。
【００３６】
そして、本発明は、写真フイルムの製造工程などの成層工程に限られず、蒸着膜やスパッタリング膜の膜厚ムラ測定や、薄膜を剥離する減層工程や加工深さ測定などに利用することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の透過型干渉計によれば、コーナーキューブリフレクタの再帰性反射を利用することで、干渉計の光軸調整が容易になり、干渉計全体の剛性を高める必要がない。また、コーナーキューブリフレクタの反射による倒立光束を正立させているので、厚み検出誤差を小さくすることができる。さらに、被検体を透過した測定波の位相差を利用して干渉縞を形成するので、高速搬送される被検体のバタツキによる測定誤差が生じない。
【００３８】
また、本発明の膜厚測定システムによれば、シート基材の厚み分布と、シート基材上に薄膜を形成した薄膜シートの厚み分布との差から薄膜の厚みを求めているので、シート基材の厚みムラと薄膜の厚みムラとを区別して検出することができる。さらに、二層間あるいは複数層間で屈折率差のない被検体の厚みムラ検出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚測定システムの概略構成図である。
【図２】反射光学系の斜視図である。
【図３】測定光の倒立・正立変換を示す説明図である。
【図４】コーナーキューブミラーのみによる膜厚測定の原理を示す説明図である。
【図５】コーナーキューブミラーと正立光学系を併用した場合の膜厚測定の原理を示す説明図である。
【図６】干渉縞解析装置の機能構成を示すブロック図である。
【図７】被検体の幅全域の厚み分布を測定するための干渉計配置図である。
【図８】反射光学系の他の実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１膜厚測定システム
５，６透過型干渉計
１１ａ，１１ｂ参照用ハーフミラー
１２ａ正立ポロプリズム
１３ａコーナーキューブミラー
２０干渉縞解析装置
２１ａ，２１ｂ干渉縞画像蓄積部
２２ａ，２２ｂ干渉縞画像解析部
２３ａ，２３ｂ厚みパターン変換部
２４厚みムラ分布解析部

Claims

可干渉性の光から参照光と測定光を得るためのビームスプリッタと、測定対象物を透過した前記測定光をその入射方向と平行な方向に反射する反射手段とを備え、前記測定対象物を再度透過した前記測定光と前記参照光とを重ね合わせることにより干渉縞を形成する透過型干渉計において、
前記反射手段を、コーナーキューブリフレクタと、前記コーナーキューブリフレクタ及び前記測定対象物の間に設けられ、前記コーナーキューブリフレクタにより反射されて倒立した前記測定光を正立させて、前記測定対象物を２回透過する前記測定光の像の向きを揃える光学系とで構成したことを特徴とする透過型干渉計。