JP4781630B2 - 膜厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶カラー表示装置に使用されるカラーフィルタ、ＣＣＤカメラに使用される色分解フィルター、等のカラーフィルター着色膜の膜厚を測定する技術分野に属する。特に、膜の表裏面における反射光が干渉することにより反射角度を変化させたときに起きる反射率の変化（輝度の変化）に基づいて膜厚を演算する膜厚測定装置に関する。

たとえば、液晶カラーフィルターは、ガラス上にブラックマトリックスやＲＧＢ層がコーティングされた構造となっている。その中のＲＧＢ層はスピンコートやダイコート等で塗布した後、フォトリソグラフィー技術を適用したパターニングという工程において形成される。このＲＧＢ層の膜厚を管理することは、カラーフィルターに必要な光学性能を確保する上で重要である。

目視で膜厚を検査するときには、低圧ナトリウムランプまたはメタルハライドランプに緑フィルターを組み合わせたもの等、スペクトル幅の狭い照明を膜に照射する際に生じる干渉縞を利用することが行われている。干渉縞は膜厚の分布に応じて等高線状に観察される。また、液晶ディスプレイのバックライトは白色光であるため、白色光の透過照明による目視検査も行われている。膜厚により透過光量が変化するため透過光量のムラとして観察することができる。

膜厚不良の原因のほとんどは、スピンコートやダイコート等を使用する塗布工程において発生する塗布ムラである。塗布ムラが発生したときには塗布条件を変更する等により発生しないようにすることができる。したがって、塗布直後の早い段階で膜厚不良を発見し適切に対処することが材料や時間の損失を最小限とするために重要である。塗布直後に膜厚不良を発見するためには、膜厚不良を監視する装置を自動化して検査能率を高め、コーターの直後にインラインで設置するのが良い。

膜厚の測定を自動で行う装置の提案は多数存在する。たとえば、分光干渉法を適用した装置がある。分光干渉法は、測定対象の膜の所定波長域における透過光量または反射光量を、分光器を使用して測定して得たスペクトラムに基づいて膜厚を演算する方法である。そのスペクトラムには膜の表裏面で反射した光の干渉による極大極小の波形が表れる。この極大極小における波長の間隔から膜厚が演算される（特許文献１参照）。
特開２００２−３１８１０６号公報

しかしながら、このような装置においては、測定時には測定対象物である基板を停止させる必要性がある。また、測定箇所は１点であるため、塗布ムラを検査するためには膜面の複数箇所を測定しなければならない。そのため、複数箇所を同時測定しようとすれば装置が大掛かりとなり、測定箇所を変えながら測定しようとすれば時間が掛かり過ぎるという問題がある。

本発明の目的は、測定対象物の膜について、測定対象物を移動させながら、膜厚ラインプロファイル測定（直線上の多点における膜厚測定）が行える膜厚測定装置を提供するとにある。

本発明の請求項１に係る膜厚測定装置は、単色光の干渉を利用して膜厚を測定する膜厚測定装置であって、搬送手段と照明手段と撮像手段と処理手段とを具備し、前記搬送手段は測定対象物を載置して搬送するとともに、その搬送にともなって変化する前記測定対象物の位置データを生成し、前記照明手段は前記測定対象物からの正反射光が前記撮像手段に結像して到達するように前記測定対象物を照明し、前記撮像手段は前記測定対象物の搬送方向に延びる線分状の撮像領域を有し、前記搬送にともなって前記測定対象物の表面における測定点が前記線分の一端から他端へと前記撮像領域を通過する間に、前記撮像領域の位置によって角度を変えながら到達する前記測定点からの前記正反射光を撮像し複数の輝度ラインプロファイルデータを生成し、前記処理手段は前記撮像時の前記位置データに基づいて前記輝度ラインプロファイルデータにおける前記測定点のアドレスを特定し、前記測定点からの前記正反射光の前記角度と輝度とを演算するとともに、前記複数の輝度ラインプロファイルデータの各々について演算した複数対の前記角度と前記輝度に基づいて前記測定点の膜厚を演算するようにしたものである。
また本発明の請求項２に係る膜厚測定装置は、請求項１に係る膜厚測定装置において、前記測定点を複数箇所とすることにより前記処理手段が前記測定対象物の膜厚ラインプロファイルデータを演算するようにしたものである。
また本発明の請求項３に係る膜厚測定装置は、請求項１または２に係る膜厚測定装置において、前記正反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離するＰＳ分離手段を具備し、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の各々について、前記撮像と前記演算が行われるようにしたものである。
また本発明の請求項４に係る膜厚測定装置は、請求項１〜３のいずれかに係る膜厚測定装置において、光の干渉縞を撮像することができる半値全幅を有するバンドパスフィルターを光路に挿入するようにしたものである。
また本発明の請求項５に係る膜厚測定装置は、請求項１〜４のいずれかに係る膜厚測定装置において、前記照明手段の光源として低圧ナトリウムランプまたはレーザーを使用するようにしたものである。
また本発明の請求項６に係る膜厚測定装置は、請求項１〜５のいずれかに係る膜厚測定装置において、前記撮像手段は結像レンズとラインセンサとを有し、前記結像レンズの中心がラインセンサの受光中心に対してシフト配置されているようにしたものである。

本発明の請求項１に係る膜厚測定装置は単色光の干渉を利用して膜厚を測定する膜厚測定装置であって、その膜厚測定装置によれば、搬送手段により測定対象物が載置されて搬送されるとともに、その搬送にともなって変化する測定対象物の位置データが生成され、照明手段により測定対象物からの正反射光が撮像手段に結像して到達するように測定対象物が照明され、測定対象物の搬送方向に延びる線分状の撮像領域を有する撮像手段により、搬送にともなって測定対象物の表面における測定点が線分の一端から他端へと撮像領域を通過する間に、撮像領域の位置によって角度を変えながら到達する測定点からの正反射光が撮像され複数の輝度ラインプロファイルデータが生成され、処理手段により撮像時の位置データに基づいて輝度ラインプロファイルデータにおける測定点のアドレスが特定され、測定点からの正反射光の角度と輝度とが演算されるとともに、複数の輝度ラインプロファイルデータの各々について演算された複数対の角度と輝度に基づいて測定点の膜厚が演算される。したがって、測定対象物を移動させながら、膜厚測定が行える膜厚測定装置が提供される。
また本発明の請求項２に係る膜厚測定装置によれば、測定対象物の膜厚ラインプロファイルデータ（直線上の多点における膜厚測定）が得られる。
また本発明の請求項３に係る膜厚測定装置によれば、Ｐ偏光とＳ偏光の各々について膜厚測定を行うことができる。
また本発明の請求項４に係る膜厚測定装置によれば、光の干渉縞を撮像することができる半値全幅を有するバンドパスフィルターが光路に挿入される。したがって、照明手段の光源に白色光を使用することができ、そのときバンドパスフィルターを交換するだけで膜色に適合する膜厚測定ができる。
また本発明の請求項５に係る膜厚測定装置によれば、照明手段の光源として低圧ナトリウムランプまたはレーザーが使用される。発光スペクトル幅が極めて狭く干渉縞が明瞭となるから高い測定精度が得られる。
また本発明の請求項６に係る膜厚測定装置によれば、撮像手段は結像レンズとラインセンサとを有し、結像レンズの中心がラインセンサの受光中心に対してシフト配置されている。すなわち、撮像可能な反射角を一方の側だけに振分けることができ、左右対称の場合と比較して撮像可能な反射角の範囲を広げることができるから高い測定精度が得られる。

まず、本発明の膜厚測定装置における測定方式について図１、図２を参照して説明する。図１は本発明の膜厚測定装置における撮像系の一例を示す図であり、図１（Ａ）は側面図、図１（Ｂ）は正面斜視図である。図２は撮像視野（撮像領域）の場所による入射角の相違を示す図である。測定対象は、図１（Ａ）の面に対しては垂直方向に、図１（Ｂ）の面においては左右方向に搬送される。測定対象の測定点には低圧ナトリウムランプ（Ｎａランプ）の光が照射される。その測定点はラインセンサカメラのライン状の撮像領域に含まれている。したがって、ラインセンサカメラがその撮像領域を撮像するときにその測定点の反射光が撮像される。

測定対象が搬送されると、搬送方向と撮像領域とが一致するように撮像系の各要素が配置されているため、測定点は撮像領域の一端から多端へと撮像領域の内部に存在したまま移動を続ける。したがって、測定対象の搬送中もその測定点の反射光が撮像される。図１（Ｂ）に示すように、測定点の反射角度は、測定点がラインセンサカメラの視野中心に存在するときと、視野中心から離れた位置に移動したときとでは異なった角度となる。すなわち、測定対象が搬送される間に、ラインセンサカメラによって多数回の撮像を行うことで、測定点の反射角度を変えたときの測定点の反射率（反射光の明暗）を得ることができる。

図２に示すように、低圧ナトリウムランプ（Ｎａランプ）の光が照射されると、測定対象の膜においては、その一方の面（大気側）で反射した光と、他方の面（基板側）で反射した光が干渉を起こす。その２つの反射光の位相が一致したときには干渉した反射光は最大値となり、位相が半波長ずれたときには干渉した反射光は最小値となる。位相のずれは膜の内部における屈折率と光路長および膜の界面で接する層における屈折率が関係している。その中の光路長は反射角度（＝入射角度）に依存している。したがって、反射角度を変化させたときの反射率（反射光の明暗）の変化を測定することにより膜厚を演算することができる。

本発明の膜厚測定装置は、上述のような撮像系を有するから、測定対象を搬送しながら得た撮像データには、反射角度を変化させたときの反射率（反射光の明暗）の変化が含まれている。本発明の膜厚測定装置は、その撮像データに基づいて膜厚を演算する。

上述のラインセンサカメラにおけるラインセンサ（センサ素子）とレンズ（結像レンズ）の配置について図３、図４を参照して説明する。図３はレンズの光軸とラインセンサの光軸が一致させた配置を示す図である。図４はレンズの光軸に対してラインセンサの光軸を平行にずらした配置を示す図である。ここでは、レンズの光軸とはレンズの中心を通りレンズの球面に垂直な軸（球面の中心を通る軸）を意味し、ラインセンサの光軸とはラインセンサの（ライン状の受光部の）中心を通り受光面に垂直な軸を意味する。

レンズの光軸とラインセンサの光軸が一致させた図３に示すような配置においては、ラインセンサの左右の視野角が対象であるため、測定可能な入射角の範囲が全視野の半分となる。一方、レンズの光軸に対してラインセンサの光軸を平行にずらした図４に示すような配置においては、ラインセンサの左右の視野角が非対象となるため、測定可能な入射角の範囲は全視野にまで広げることができる。

上述においては、１台のラインセンサカメラを使用する撮像系の一例を説明したが、２台のラインセンサカメラを使用して、Ｐ偏光反射成分とＳ偏光反射成分の各々を撮像して、より情報量の多い撮像データを得ることができる。次に、本発明の膜厚測定装置における２台のラインセンサカメラを使用した撮像系について図５〜図８を参照して説明する。図５〜図８において、１１ａ，１１ｂはラインセンサカメラ、１４は低圧ナトリウムランプ、１９は偏光ビームスプリッター、２０は白色照明、２１ａ，２１ｂはバンドパスフィルター、２２はレンズ、２３はハーフミラー、２４ａ，２４ｂは偏光フィルター、１００は測定対象である。

照明手段に低圧ナトリウムランプ１４を使用した撮像系の一例を図５に側面図として示す。図５においては、測定対象１００の搬送方向が図５の面に対し垂直方向となる。低圧ナトリウムランプ１４から放出された光線は測定対象１００の膜面に達する。膜の表裏面で反射した光は干渉を起こすため反射角度（垂直方向の位置）によって反射率の変化が生じる。反射した光線はキューブタイプの偏光ビームスプリッタ１９に到達し、Ｐ偏光成分は透過、Ｓ偏光成分は∠９０度反射される。そして、ラインセンサカメラ１１ａはＰ偏光成分を撮像し、ラインセンサカメラ１１ｂはＳ偏光成分を撮像する。ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂが正反射光を撮像するように、低圧ナトリウムランプ１４、測定対象１００、ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂが配置される。なお、測定対象１００の膜面は、一般的に光学的な平面であるため乱反射しない。

照明手段に白色照明２０を使用した撮像系の一例を図６に側面図として示す。図６においては、測定対象１００の搬送方向が図６の面に対し垂直方向となる。白色照明２０から放出された光線は測定対象１００の膜面に達する。膜の表裏面で反射した光は干渉を起こすため反射角度（垂直方向の位置）によって反射率の変化が生じる。勿論、白色光のためそのままでは干渉効果が平均化され観測することは困難である。反射した光線はキューブ偏光ビームスプリッタ１９に到達し、Ｐ偏光成分は透過、Ｓ偏光成分は∠９０度反射される。透過したＰ偏光成分はバンドパスフィルター２１ａを介してラインセンサカメラ１１ａによって撮像される。反射したＳ偏光成分はバンドパスフィルター２１ｂを介してＳ偏光成分を撮像する。バンドパスフィルター２１ａ，２１ｂが透過する光の波長帯域を極めて狭くすると、反射角度による反射率の変化として干渉を観測することができる。ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂが正反射光を撮像するように、白色照明２０、測定対象１００、バンドパスフィルター２１ａ，２１ｂ、ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂが配置される。なお、バンドパスフィルター２１ａ，２１ｂは、白色照明２０とラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂとの間における光路のどこに配置しても効果はあまり変わらない。

偏光ビームスプリッター１９の入射側にレンズ２２を配置した撮像系の一例を図７に側面図として示す。図７においては、測定対象１００の搬送方向が図７の面に対し垂直方向となる。照明から放出された光線は測定対象１００の膜面に達する。膜の表裏面で反射した光は干渉を起こすため反射角度（垂直方向の位置）によって反射率の変化が生じる。反射した光線はレンズ２２に到達し屈折して平行光線となる。図７においては、レンズ２２は１枚で示してあるが、一般的には、レンズは複数枚のレンズから構成する。レンズ２２を通過した光線が平行光線となるから、すべての光線はキューブ偏光ビームスプリッタ１９へ一定角度（入射面に垂直）で入とする。これにより、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに２分割する精度を高めることができる。そして、ラインセンサカメラ１１ａはＰ偏光成分を撮像し、ラインセンサカメラ１１ｂはＳ偏光成分を撮像する。ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂが正反射光を撮像するように、照明、測定対象１００、レンズ２２、ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂが配置される。なお、レンズ２２によって完全な平行光線としなくても、平行光線に近づけるだけで効果がある。

ハーフミラー２３で光線を２分割し偏光フィルター２４ａ，２４ｂを介して撮像する撮像系の一例を図８に側面図として示す。図８においては、測定対象１００の搬送方向が図８の面に対し垂直方向となる。照明から放出された光線は測定対象１００の膜面に達する。膜の表裏面で反射した光は干渉を起こすため反射角度（垂直方向の位置）によって反射率の変化が生じる。反射した光線はハーフミラー２３に到達し、ハーフミラー２３において入射方向に対して平行方向と垂直方向に２分割される。平行方向の光線は偏光フィルター２４ａを介してラインセンサカメラ１１ａによって撮像される。垂直方向の光線は偏光フィルター２４ｂを介してラインセンサカメラ１１ｂによって撮像される。偏光フィルター２４ａはＰ偏光成分を透過するように、偏光フィルター２４ｂはＳ偏光成分を透過するように設定される。

以上、本発明の膜厚測定装置における撮像系の構成と動作について説明した。次に、本発明の膜厚測定装置の全体構成について図９、図１０を参照して説明する。図９は膜厚測定装置における構成の一例を絵図として示す図である。図１０は膜厚測定装置における構成の一例をブロック図として示す図である。図９、図１０において、１１ａ，１１ｂはラインセンサカメラ、１２は駆動装置、１３は高周波点灯電源、１４は低圧ナトリウムランプ、１５はコロコンベヤ、１６はシーケンサ、１７はＰＣ、１８はディスプレイ、１９は偏光ビームスプリッター、１００は測定対象である。

ラインセンサカメラ１１ａ（または１１ｂ）はＰ偏光を撮像するためのラインセンサカメラであり、ラインセンサカメラ１１ｂ（または１１a ）はＳ偏光を撮像するためのラインセンサカメラである。偏光ビームスプリッター１９はラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂに到達する特定の波長の光線（ビーム）をＰ偏光とＳ偏光に分割する。偏光ビームスプリッター１９としては、たとえば波長帯域λが４００〜７００ｎｍの広帯域であるキューブタイプの偏光ビームスプリッターを適用することができる。キューブタイプの偏光ビームスプリッタは２つの直角プリズムを接合したもので、その接合面においてＰ偏光成分は透過、Ｓ偏光成分は∠９０度反射される。

ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂは、ラインセンサ、駆動装置１２、結像レンズ、等から構成される。ラインセンサは受光素子を一次元に配列したセンサでありＣＣＤ（charge coupled device）、ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）等の半導体集積回路で構成される。ラインセンサは駆動装置１２によって駆動されており、ラインセンサからは信号増幅器を通してライン形状の撮像領域における明暗（輝度）に対応する撮像信号がＰＣ１７に対して出力される。また、駆動装置１２からは走査開始、駆動クロック、等の同期信号がＰＣ１７に対して出力される。

高周波点灯電源１３は低圧ナトリウムランプ１４に電力を供給して点灯させるための電源である。高周波点灯電源１３はＰＣ１７によって電力供給（オンオフ、電圧値、電流値、等）が操作される。低圧ナトリウムランプ１４は反射照明に適用される発光スペクトル幅の狭い光源である。高周波点灯電源１３は高周波の交流電源であるため低圧ナトリウムランプ１４の輝度は安定化される。これによりラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂの撮像信号は光源による変調を受けず、測定対象１００の反射特性だけを反映する。ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂの線状の撮像領域を均一に照明するために、低圧ナトリウムランプ１４の形状は直管形状のものが好適である。

なお、低圧ナトリウムランプ１４は一例である。一般的には、反射照明には膜による光吸収率の小さい波長の光を使用する。光源の発光スペクトルの幅が広いときには狭帯域のバンドパスフィルターと併用すると好適である。すなわち、光源とラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂとの間の光路にバンドパスフィルターを挿入する。

コロコンベヤ１５は測定対象１００を搬送するためのコロコンベヤである。シーケンサ１６はコロコンベヤ１５の制御装置である。その制御によって、たとえば、コロコンベヤ１５が測定対象１００を搬送する速度は、測定対象１００が膜厚測定装置に送給されるとき、膜厚測定装置において撮像が行われるとき、膜厚測定装置から排出されるとき、等において適正な速度とすることができる。シーケンサ１６はＰＣ１７に対して制御状況（たとえば、搬送距離、搬送速度、等）を出力するとともに、測定対象１００の種類に対応して制御プログラムを設定変更する司令をＰＣ１７から入力する。

ＰＣ１７はパーソナルコンピュータ等のデータ処理装置である。ディスプレイ１８はＰＣ１７のディスプレイである。ＰＣ１７には画像入力ボード（図示せず）が実装されており、画像入力ボードは上述したラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂの撮像信号と同期信号を入力し、同期信号と同期させながら撮像信号をＡ／Ｄ（analog to digital）変換してバッファメモリに記憶する。一時的に画像入力ボードのバッファメモリに記憶されているデータはＰＣ１７にデータ転送され、通常はＰＣ１７のＲＡＭ（メインメモリ）等に反射画像として記憶される。さらに、ＰＣ１７はメインＰＣ４にその反射画像をデータ転送する。

撮像はラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂによる主走査と測定対象１００の搬送による副走査によって行われる。本発明の膜厚測定装置においては、図９に示すように、主走査方向と副走査方向とは高い精度で平行させる。すなわち、ライン形状の撮像領域に測定対象１００の測定点が入った後に、その測定点が撮像領域から外れずに常に撮像領域に入っている必要性がある。主走査と副走査が組み合わされるから、撮像信号をＡ／Ｄ変換してバッファメモリに記憶するときの主走査については、その主走査が行われたときの測定対象１００の位置データも関連付けて記憶する必要性がある。たとえば、コロコンベヤ１５の駆動軸等に取付けたロータリーエンコーダの出力信号から測定対象１００の搬送量を検出することができ、測定対称１００が所定の基準位置を通過してからの搬送量によって測定対象１００の位置データを演算することができる。またはコロコンベヤ１５の駆動にパルスモータを使用すると、その駆動パルス数から搬送量が得られ、基準位置からの搬送量によって測定対象１００の位置データを演算することができる。

上述の構成において、次に、本発明の膜厚測定装置の動作について図１１を参照して説明する。図１１は本発明の膜厚測定装置における動作の過程の一例を示すフロー図である。
まず、図１１のステップＳ１において、測定対象１００はシーケンサ１６によって制御されたコンベヤ１５によって搬送されラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂの撮像領域に達する。測定対象１００が撮像領域に達したことは、光電センサ等（図示せず）により検出する。この検出信号を入力してＰＣ１７は撮像を開始する。またこの検出信号を入力してシーケンサ１６はコンベヤ１５を速度制御し検出後における適正な搬送とする。測定対象１００は、すくなくとも撮像領域において高周波点灯電源１３から電力供給を受ける低圧ナトリウムランプ１４によって照明が行われている。その結果、ラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂの結像レンズを通してラインセンサに光像が結像している。

次に、ステップＳ２において、撮像を開始したラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂは駆動装置１２によって駆動され１ライン分の主走査を行い、その光像の１ライン分が電気信号に変換される。測定対象１００の搬送による副走査と同期する所定の主走査による１ライン分の電気信号は、ＰＣ１７の画像入力ボードにおいてＡ／Ｄ変換される。そのＡ／Ｄ変換によって得られたデジタル信号は画像入力ボードのバッファメモリに記憶される。このデジタル信号は輝度プロファイルデータである。その同期した撮像過程は、測定対象１００がコンベヤ１５によって搬送されラインセンサカメラ１１ａ，１１ｂの撮像領域の外に出るまで繰り返される。そして、その繰返しによる複数ライン分のデジタル信号が順次バッファメモリに追加記憶され、バッファメモリには複数の輝度ラインプロファイルデータの集合データが記憶されることになる。測定対象１００が撮像領域の外に出たことは、前述の光電センサ等により検出される。

この集合データは、Ｘ軸を撮像領域の座標とし、Ｙ軸を搬送距離とし、Ｚ軸を輝度とする画像（擬似画像）であるから入力画像と呼ぶことにする。Ｘ軸とＹ軸は長さの次元を有するから単位を一致させれば、すなわち主走査のサンプリング間隔と副走査のサンプリング間隔を測定対象における距離間隔で一致させれば、特定の測定点の輝度データは入力画像において∠４５度の線分上の画素に存在することになる。図１２はその入力画像の構成を示す図である。図１２に示すように、画像の幅（Ｘ軸方向）は（撮像領域の幅）であり、画像の長さ（Ｙ軸方向）は（測定対象の長さ）+（撮像領域の幅）である。また図１２において、１つの測定点の軌跡が∠４５度の破線で示されている。また図１２において、測定対象が撮像領域を外れている無効データ領域が斜線で示されている。
なお、単位を一致させる必要性はなく、サンプリング間隔が一定であればその比によって決まる角度の線分上の画素に特定の測定点の輝度データが存在することになる。

撮像過程が終了するとバッファメモリには測定対象１００のＰ偏光成分の入力画像とＳ偏光成分の入力画像から成る２つの入力画像が記憶されている。ＰＣ１７はその２つの入力画像を読み取って、ＰＣ１７のメインメモリに転送する。またこれらはオリジナルデータであるから別々の画像ファイルとしてハードディスク等の固定記憶装置へ保存しておくと好適である。

次に、ステップＳ３において、ＰＣ１７は輝度ラインプロファイルデータの集合データである前述の２つの入力画像に基づいて、θ軸を入射角度とし、Ｙ軸を測定点の座標とし、Ｚ軸を輝度とする画像（擬似画像）を演算する。この画像は入力画像の座標軸を変換したものであるから座標変換画像と呼ぶことにする。すなわち、ＰＣ１７はＰ偏光成分の座標変換画像とＳ偏光成分の座標変換画像を演算する。

この演算において、Ｘ軸とθ軸の変換は、撮像系の各要素の３次元的な配置だけで決まるから幾何学的に演算することができる。すなわち、入射角度と反射角度は一致し、反射角度と撮像手段が撮像領域を見込む角度は一致することによる。また、入力画像と座標変換画像において画素のＹ座標は単純な対応関係がある。一方、Ｘ座標とθ座標とは単純には対応しない。したがって、その座標については周知の補間法を適用して画素値、すなわちＺ軸の値である輝度値を演算する。
図１３はその座標変換画像の構成を示す図である。図１２の撮像領域の座標を示すＸ軸は、図１３においては入射角度を示すθ軸に変わる。また図１３においては、Ｙ軸は測定対象の辺を原点とする測定点の座標を表す。図１３に示すように、座標変換画像においては１つの測定点の輝度データはθ軸に平行な線分上の画素に存在することになる。

次に、ステップＳ４において、ＰＣ１７は各々の測定点の輝度データに基づいて各々の測定点の膜厚を演算する。まず、ＰＣ１７は測定点の入射角度と輝度との関係を表す輝度データ（測定点輝度データ）から測定点の入射角度と反射率との関係を表す反射率データを演算する。そのためには、撮像領域に反射率が高く正反射する基準板を載置したときの輝度データ（基準板輝度データ）をあらかじめ実験で得ておく。基準板としては、たとえば光学的な平面ガラス面にアルミニウムを蒸着したガラス板を適用することができる。そして、ＰＣ１７は入射角度ごとに（反射率）＝Ｋ×（測定点輝度データ）／（基準板輝度データ）の式に基づいて反射率を演算する。ここで、Ｋは基準板の反射率を補正するための係数であって、Ｋ＝１／（基準板の反射率）となる。

このようにして得られる入射角度と反射率との関係を表す反射率データの一例を図１４（Ａ）〜図１４（Ｄ）に示す。図１４の各々における反射率データのプロファイルの相違が膜厚の相違を表している。したがって、ＰＣ１７はそのようなプロファイルの相違から膜厚を演算する。そのためには、複数の基準膜厚に対応する基準反射率データをあらかじめデータベース化して保有しておく。この基準反射率データは、光学理論式に当て嵌めて演算により求めておくことができる。またこの基準反射率データは、実験的に実測で得られた反射率データに基づいて求めておくことができる。

ＰＣ１７はその保有する基準反射率データと比較して最も一致度が高い基準反射率データの膜厚を測定点の膜厚とする。一致度の演算には、たとえば、最小２乗法を適用することができる。すなわち、各入射角度について測定点の反射率と基準反射率データの反射率との差を求め、その差を２乗する。そして、すべての入射角度について求めたその差の２乗を加算して総和を求める。その総和を候補となる基準反射率データのすべてについて演算する。そして、その総和が最も小さい基準反射率データが測定点の反射率データに最も一致度が高いと判定する。

ＰＣ１７は上述のようにしてすべての測定点について膜厚を演算する。その結果、測定対象１００における撮像領域を含む直線状の範囲について膜厚が演算される。すなわち、膜厚プロファイルデータが得られる。図１５は、膜厚プロファイルデータの一例を示す図である。図１５において、横軸は測定点の座標を示し、縦軸は膜厚を示している。

次に、ステップＳ５においてＰＣ１７は膜厚が許容範囲の内側にあるか、許容範囲の外側にあるかを判定する。図１５には、膜厚の許容範囲が上限と下限の破線によって示されている。膜厚プロファイルデータがこの上限と下限の破線の間に含まれていれば測定対象は良品である。一方、膜厚プロファイルデータがこの上限と下限の破線の外側に一部でもはみ出せば測定対象は不良品である。図１５においては、膜厚プロファイルデータの一部が上限を超えているため、この膜厚プロファイルデータを有する測定対象は不良品であると判定される。

次に、ステップＳ６において、コロコンベヤ１５によって搬送される測定対象は、膜厚測定装置から排出される。このとき良品と判定された測定対象と不良品と判定された測定対象とは別々の場所に排出するように、判定に基づいて搬送方向を自動切替えすると好適である。

本発明の膜厚測定装置における撮像系の一例を示す図である。 撮像視野（撮像領域）の場所による入射角の相違を示す図である。 レンズの光軸とラインセンサの光軸が一致させた配置を示す図である。 レンズの光軸に対してラインセンサの光軸を平行にずらした配置を示す図である。 照明手段に低圧ナトリウムランプを使用した撮像系の一例を側面図として示す図である。 照明手段に白色照明を使用した撮像系の一例を側面図として示す図である。 偏光ビームスプリッターの入射側にレンズを配置した撮像系の一例を側面図として示す図である。 ハーフミラーで光線を２分割し偏光フィルターを介して撮像する撮像系の一例を側面図として示す図である。 膜厚測定装置における構成の構成の一例を絵図として示す図である。 膜厚測定装置における構成の一例をブロック図として示す図である。 本発明の膜厚測定装置における動作の過程の一例を示すフロー図である。 本発明の膜厚測定装置における入力画像の構成を示す図である。 本発明の膜厚測定装置における座標変換画像の構成を示す図である。 入射角度と反射率との関係を表す反射率データの一例を示す図（Ａ〜Ｄ）である。 本発明の膜厚測定装置における膜厚プロファイルデータの一例を示す図である。

符号の説明

１１ａ，１１ｂ ラインセンサカメラ
１２ 駆動装置
１３ 高周波点灯電源
１４ 低圧ナトリウムランプ
１５ コロコンベヤ
１６ シーケンサ
１７ ＰＣ
１８ ディスプレイ
１９ 偏光ビームスプリッター
２０ 白色照明
２１ａ，２１ｂ バンドパスフィルター
２２ レンズ
２３ ハーフミラー
２４ａ，２４ｂ 偏光フィルター
１００ 測定対象

Claims (6)

1. 単色光の干渉を利用して膜厚を測定する膜厚測定装置であって、搬送手段と照明手段と撮像手段と処理手段とを具備し、
   前記搬送手段は測定対象物を載置して搬送するとともに、その搬送にともなって変化する前記測定対象物の位置データを生成し、
   前記照明手段は前記測定対象物からの正反射光が前記撮像手段に結像して到達するように前記測定対象物を照明し、
   前記撮像手段は前記測定対象物の搬送方向に延びる線分状の撮像領域を有し、前記搬送にともなって前記測定対象物の表面における測定点が前記線分の一端から他端へと前記撮像領域を通過する間に、前記撮像領域の位置によって角度を変えながら到達する前記測定点からの前記正反射光を撮像し複数の輝度ラインプロファイルデータを生成し、
   前記処理手段は前記撮像時の前記位置データに基づいて前記輝度ラインプロファイルデータにおける前記測定点のアドレスを特定し、前記測定点からの前記正反射光の前記角度と輝度とを演算するとともに、前記複数の輝度ラインプロファイルデータの各々について演算した複数対の前記角度と前記輝度に基づいて前記測定点の膜厚を演算する、
   ことを特徴とする膜厚測定装置。
2. 請求項１記載の膜厚測定装置において、前記測定点を複数箇所とすることにより前記処理手段が前記測定対象物の膜厚ラインプロファイルデータを演算することを特徴とする膜厚測定装置。
3. 請求項１または２記載の膜厚測定装置において、前記正反射光をＰ偏光とＳ偏光に分離するＰＳ分離手段を具備し、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光の各々について、前記撮像と前記演算が行われることを特徴とする膜厚測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の膜厚測定装置において、光の干渉縞を撮像することができる半値全幅を有するバンドパスフィルターを光路に挿入することを特徴とする膜厚測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の膜厚測定装置において、前記照明手段の光源として低圧ナトリウムランプまたはレーザーを使用することを特徴とする膜厚測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の膜厚測定装置において、前記撮像手段は結像レンズとラインセンサとを有し、前記結像レンズの中心がラインセンサの受光中心に対してシフト配置されていることを特徴とする膜厚測定装置。