JP4978546B2 - 膜厚測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置及び方法に関する。

膜厚測定装置は、フレキシブル基板、多層複合フィルムシート、その他の多層薄膜の膜厚分布や膜厚誤差を測定するために用いられる。図５は、従来の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。図５に示す通り、従来の膜厚測定装置１００は、白色光源装置１０１、照射ファイバ１０２、受光ファイバ１０３、分光器１０４、及び演算部１０５を備えており、複数の層２０１〜２０３からなる被測定フィルム２００の膜厚を測定する。

白色光源装置１０１は白色光を発光する光源である。照射ファイバ１０２は白色光源装置１０１で発光された光を被測定フィルム２００に導いて照射する導光部材であり、受光ファイバ１０３は被測定フィルム２００の反射光を分光器１０４に導く導光部材である。分光器１０４は、受光ファイバ１０３で導かれた被測定フィルム２００の反射光を分光して電気信号に変換して反射分光スペクトルを得る。

演算部１０５は、分光器１０４で得られた反射分光スペクトルに対して所定の演算を施して被測定フィルム２００の膜厚を測定する。具体的には、演算部１０５は、光器１０４で得られた反射分光スペクトルのうちの所定の波長範囲を１つ選択し、その選択した波長範囲における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直して波数域反射分光スペクトルを求める演算、波数域反射分光スペクトルを示す信号に対してフーリエ変換を施してパワースペクトルを得る演算、及びパワースペクトルの中でのピークを検出する演算を行う。

上記構成において、白色光源装置１０１から射出された白色光は、照射ファイバ１０２に導かれて層２０１側から被測定フィルム２００に照射される。被測定フィルム２００に白色光を照射して得られる反射光のうち、受光ファイバ１０３に入射した反射光は、受光ファイバ１０３によって分光器１０４に導かれて分光された後に光電変換される。光電変換された電気信号は演算部１０５に入力されて上記の各種演算が施され被測定フィルム２００の膜厚が求められる。

ここで、被測定フィルム２００をなす各層２０１〜２０３の各界面で反射される白色光は、各界面間の距離（膜厚）に応じた光路差を有する。光路差を有する白色光は互いに干渉して波数域反射分光スペクトルにおいて周期的な干渉縞が現れる。この周期的な干渉縞に対してフーリエ変換を行って得られるパワースペクトルは、光路長差に応じた周波数でピークを有するため、そのピークを検出することで光路長差（光学膜厚）を求めることができる。

図６は、膜厚測定装置１００で得られるパワースペクトルの一例を示す図である。尚、図６に示す膜厚測定結果は、屈折率が１．６で膜厚が５［μｍ］である層２０１と、屈折率が１．７で膜厚が１２［μｍ］である層２０２と、屈折率が１．６で膜厚が３［μｍ］である層２０３とからなる被測定フィルム２００を測定した場合の測定結果である。尚、層２０１〜２０３の光学膜厚は、膜厚と屈折率との積で求められ、それぞれ８．０［μｍ］，２０．４［μｍ］，４．８［μｍ］である。また、図６に示すグラフは横軸に光学膜厚を取っており、縦軸に強度（任意単位）をとっている。

図６を参照すると、複数のピークが現れていることが分かる。このピークの横軸の位置は各界面間の光学的な距離を示しており、ピークの高さは２つの界面での振幅反射率の積を示している。具体的に、図６においては、６つのピークが現れている。第１のピークＰ１０１は膜２０３の光学膜厚を示す４．８［μｍ］に現れ、第２のピークＰ１０２は膜２０１の光学膜厚を示す８．０［μｍ］に現れ、第３のピークＰ１０３は膜２０２の光学膜厚を示す２０．４［μｍ］に現れる。

また、第４のピークＰ１０４は膜２０２の膜厚と膜２０３の膜厚との和を示す２５．２［μｍ］に現れ、第５のピークＰ１０５は膜２０１の膜厚と膜２０２の膜厚との和を示す２８．４［μｍ］に現れる。更に、第６のピークＰ１０６は、膜２０１〜膜２０３の膜厚の和（即ち、被測定フィルム２００の光学膜厚）を示す３３．２［μｍ］に現れる。このようにして、パワースペクトルのピークの位置から被測定フィルム２００をなす各層２０１〜２０３の光学膜厚及び測定フィルム２００の光学膜厚を求めることができる。

尚、従来の膜厚測定装置及び方法の詳細については、例えば以下の特許文献１，２を参照されたい。
特開２００５−３０８３９４号公報 特開平１１−３１４２９８号公報

ところで、上述した従来の膜厚測定装置及び方法で得られるパワースペクトルのピークの位置は各界面間の光学距離を示すものである。このため、そのピークが得られた界面が最表面（層２０１と空気との界面）に対してどの位置にあるかをパワースペクトルから直接求めることはできないという問題がある。つまり、図６に示す例では、膜２０１〜２０３の膜厚と屈折率とが予め既知であったため、例えば４．８［μｍ］に現れるピークが膜２０３の光学膜厚を示すものであることを判別できたが、膜２０１〜２０３の膜厚及び屈折率が不明である場合には、４．８［μｍ］に現れるピークが膜２０３の光学膜厚を示すものであると特定することはできない。

また、従来の膜厚測定装置及び方法では、光学膜厚がほぼ同じである層を複数有する多層薄膜を測定する場合には、パワースペクトルのピークが重なってしまい、１つの層の光学膜厚だけを測定することができないという問題がある。図７は、従来の膜厚測定装置１００で得られるパワースペクトルの他の例を示す図である。尚、図７に示す膜厚測定結果は、屈折率が１．６で膜厚が３［μｍ］である層２０１と、屈折率が１．７で膜厚が１２．７［μｍ］である層２０２と、屈折率が１．６で膜厚が３．２［μｍ］である層２０３とからなる被測定フィルム２００を測定した場合の測定結果である。

まず、図７（ａ）を参照すると、層２０１に関する界面からの反射光と、層２０３に関する界面からの反射光とが互いに影響しあって、層２０１の光学膜厚を示すピークと層２０３の光学膜厚を示すピークとを平均化したようなピークＰ２０１が得られてしまう。同様に、膜２０１の膜厚と膜２０２の膜厚との和を示すピークと膜２０２の膜厚と膜２０３の膜厚との和を示すピークとを平均化したようなピークが得られてしまう。次に、図７（ｂ）を参照すると、層２０１に関する界面からの反射光と、層２０３に関する界面からの反射光とが互いに打ち消し合って、値が極めて小さなピークＰ３０１，Ｐ３０３が得られてしまう。このようなピークＰ２０１，Ｐ２０３，Ｐ３０１，Ｐ３０３を用いると、大きな測定誤差が生ずるという問題がある。

ここで、近年において、高機能性フィルム等では中心の層を挟んで対称とする構造（以下、対称構造という）が多用されている。例えば、中心の層を「Ｂ」とすると、その層「Ｂ」を膜厚が同じ層「Ａ」で挟んだ構造「ＡＢＡ」としたり、或いは中心の層を「Ｃ」として「ＡＢＣＢＡ」とする構造にされることが多い。かかる対称構造の多層薄膜の膜厚を従来の膜厚測定装置及び方法では測定しようとすると、図７を用いて説明した理由によって測定に支障を来すことが多い。このため、対称構造の多層薄膜の各層の膜厚をオンラインで測定する技術の開発が急務とされている。

尚、製造された多層薄膜を抜き取り、垂直走査型白色干渉計等を用いたオフライン計測すれば、多層薄膜が対称構造であっても各層の膜厚を測定することは可能である。しかしながら、かかる計測は、一点の測定に数十秒〜数分程度の時間を要するという問題がある。また、測定時間が長いため、測定中の多層薄膜の振動等によって測定誤差が生じ、厚みの薄い多層薄膜では誤差が大きくなるという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、同様の膜厚を有する層が複数存在する多層薄膜であっても、各層の膜厚を独立して短時間に高精度で測定することができる膜厚測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の膜厚測定装置は、多層薄膜（Ｆ）の一方の面と他方の面とにそれぞれ照射する白色光を発光する光源（１１ａ、１１ｂ、３１）と、前記白色光を前記多層薄膜の一方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得るとともに、前記白色光を前記多層薄膜の他方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得る分光器（１４ａ、１４ｂ、３４）と、前記分光器で得られた前記反射分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記多層薄膜の膜厚を測定する演算部（１５、３５）とを備えており、前記演算部は、前記反射分光スペクトルに対して、前記多層薄膜に対する透過率が５０％以下となる波長帯域を少なくとも１つ含む複数の波長帯域を設定する設定部（２２）と、前記反射分光スペクトルのうち、前記設定部で設定された前記複数の波長帯域における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直した波数域反射分光スペクトルにそれぞれ変換する第１変換部（２３）と、前記第１変換部で変換された前記複数の波長帯域における波数域反射分光スペクトルをパワースペクトルにそれぞれ変換する第２変換部（２４）と、前記第２変換部で変換された前記パワースペクトルに基づいて前記多層薄膜の厚みを求める算出部（２５、２６）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、光源からの白色光を多層薄膜の一方の面と他方の面とにそれぞれ照射すると、それらの反射光が分光器でそれぞれ分光されて反射分光スペクトルが得られ、この反射分光スペクトルのうち、設定部で設定された複数の波長帯域（多層薄膜に対する透過率が５０％以下となる波長帯域を少なくとも１つ含む複数の波長帯域）における反射分光スペクトルが波数域反射分光スペクトルにそれぞれ変換された後にパワースペクトルにそれぞれ変換され、このパワースペクトルに基づいて多層薄膜の厚みが求められる。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記光源が、パルス状の白色光を発光するパルス光源であり、前記パルス光源の発光タイミング、及び前記分光器で前記反射分光スペクトルを得るタイミングを規定するタイミング信号を生成するタイミング生成部（１８）を備えることを特徴としている。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記多層薄膜の流れ速度を入力する速度入力部（１７）を備えており、前記タイミング生成部は、前記速度入力部から入力された速度と、前記多層薄膜の膜厚を測定する測定点の間隔とに基づいて、前記タイミング信号を生成することを特徴としている。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記光源が、前記多層薄膜の一方の面に前記白色光を照射する第１光源と、前記多層薄膜の他方の面に前記白色光を照射する第２光源とを備えており、前記分光器が、前記第１光源からの白色光を前記多層薄膜の一方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得る第１分光器と、前記第２光源からの白色光を前記多層薄膜の他方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得る第２分光器とを備えることを特徴としている。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記演算部が、前記第１分光器及び前記第２分光器の各々で得られる反射分光スペクトルについて、前記第１変換部、第２変換部、及び前記算出部における処理を行うことを特徴としている。
本発明の膜厚測定方法は、多層薄膜（Ｆ）の一方の面と他方の面とに白色光を照射して得られる反射光をそれぞれ分光して反射分光スペクトルを求め、当該反射分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記多層薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、前記反射分光スペクトルに対して、前記多層薄膜に対する透過率が５０％以下となる波長帯域を少なくとも１つ含む複数の波長帯域を設定する設定ステップと、前記反射分光スペクトルのうち、前記設定ステップで設定された前記複数の波長帯域における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直した波数域反射分光スペクトルにそれぞれ変換する第１変換ステップと、前記第１変換ステップで変換された前記複数の波長帯域における波数域反射分光スペクトルをパワースペクトルにそれぞれ変換する第２変換ステップと、前記第２変換ステップで変換された前記パワースペクトルに基づいて前記多層薄膜の厚みを求める厚み算出ステップとを含むことを特徴としている。

本発明によれば、多層薄膜の一方の面と他方の面とに白色光を照射してそれぞれ得られる反射光の反射分光スペクトルのうち、設定部で設定された複数の波長帯域（多層薄膜に対する透過率が５０％以下となる波長帯域を少なくとも１つ含む複数の波長帯域）における反射分光スペクトルから複数のパワースペクトルを求め、この複数のパワースペクトルに基づいて多層薄膜の厚みを求めているため、多層薄膜に同様の膜厚を有する層が複数存在していても、各層の膜厚を独立して短時間に高精度で測定することができるという効果がある。
また、多層薄膜の表面に近い部分の部分の膜厚と多層薄膜の全体の膜厚とを求めることができるため、多層薄膜の表面及び裏面に同様の膜厚を有する層が存在していても測定に支障を来すことはない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による膜厚測定装置及び方法について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による膜厚測定装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の膜厚測定装置１は、キセノンフラッシュランプ１１ａ（第１光源）、キセノンフラッシュランプ１１ｂ（第２光源）、照射ファイバ１２ａ，１２ｂ、受光ファイバ１３ａ，１３ｂ、分光器１４ａ（第１分光器）、分光器１４ｂ（第２分光器）、演算部１５、表示部１６、ライン速度入力部１７、及びタイミング生成部１８を備えており、複数の層Ｌ１〜Ｌ３からなる被測定フィルムＦの膜厚を測定する。尚、被測定フィルムＦは、フレキシブル基板、多層複合フィルムシート、その他の多層薄膜である。

キセノンフラッシュランプ１１ａ，１１ｂは、被測定フィルムＦに照射する数百ｎｍ〜千数百ｎｍの広い波長範囲に亘る白色光を発光する光源であって、分光器１４ａ，１４ｂから出力される同期信号Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ同期して白色光を発光するパルス光源である。照射ファイバ１２ａ，１２ｂはキセノンフラッシュランプ１１ａ，１１ｂで発光されたパルス状の白色光を被測定フィルムＦに導いて照射する導光部材である。具体的には、照射ファイバ１２ａはキセノンフラッシュランプ１１ａで発光された白色光が層Ｌ１側から被測定フィルムＦに照射されるように導き、照射ファイバ１２ｂはキセノンフラッシュランプ１１ｂで発光された白色光が層Ｌ３側から被測定フィルムＦに照射されるように導く。

受光ファイバ１３ａ，１３ｂは、被測定フィルムＦの反射光を分光器１４ａ，１４ｂにそれぞれ導く導光部材である。具体的には、受光ファイバ１３ａは、その入射端が被測定フィルムＦの層Ｌ１側に配置されており、層Ｌ１側における反射光を分光器１４ａに導く。これに対し、受光ファイバ１３ｂは、その入射端が被測定フィルムＦの層Ｌ３側に配置されており、層Ｌ３側における反射光を分光器１４ｂに導く。尚、受光ファイバ１３ａ，１３ｂは、被測定フィルムＦを透過した白色光が入射端から入射しないように、その入射端が位置決めされている。

分光器１４ａ，１４ｂは、受光ファイバ１３ａ，１３ｂで導かれた被測定フィルムＦの反射光をそれぞれ分光するとともに、分光した光を光電変換して反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１，Ｄ２を出力する。具体的には、反射光を分光するために、プリズムや回折格子等の分散素子を備えており、また分光した光を光電変換するためにＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）等の光電変換素子を備える。

演算部１５は、分光データ取得部２１、設定部２２、波数変換部２３（第１変換部）、フーリエ変換部２４（第２変換部）、ピーク検出部２５（算出部）、及び膜厚算出部２６（算出部）を備えており、分光器１４ａ，１４ｂから出力される分光データＤ１，Ｄ２に対して所定の演算を施して被測定フィルムＦの膜厚を測定する。分光データ取得部２１は、分光器１４ａから出力される分光データＤ１と分光器１４ｂから出力される分光データＤ２とを取得する。つまり、分光データ取得部２１は、被測定フィルムＦの各々の面から得られた反射分光スペクトルを取得する。

設定部２２は、被測定フィルムＦに対する透過率が異なる複数の波長帯域を設定する。例えば、波長が短くなるにつれて透過率が低下する透過特性を被測定フィルムＦが有しており、波長５００ｎｍ以下の波長では透過率が５０％以下になり、波長５００ｎｍ以上の波長では透過率が５０％以上になる場合には、波長５００ｎｍ以下の波長帯域（例えば、３００〜５００ｎｍ）を１つ目の波長帯域に設定し、波長５００ｎｍ以上の波長帯域（例えば、５００〜１０００ｎｍ）を２つ目の波長帯域に設定する。

尚、ここでは説明の簡単のために、被測定フィルムＦの透過率が５０％となる波長５００ｎｍ以下の波長帯域と波長５００ｎｍ以上の波長帯域とを設定部２２に設定する場合を例に挙げるが、波長帯域の境界を定める透過率は任意に設定することができる。また、設定された波長帯域は、その全てにおいて透過率が５０％以上又は以下である必要は必ずしもない。例えば、透過率が５０％以下の波長帯域を設定する場合において、波長帯域内のある波長では透過率が５０％を越えていても、その波長帯域全体における平均的な透過率が５０％以下となっていれば良い。尚、設定部２２に設定する波長帯域は、被測定フィルムＦの透過特性に応じてユーザが自由に設定することが可能である。

また、設定部２２は、被測定フィルムＦの膜厚を測定するために用いられるパワースペクトル（詳細は後述）のピークを検出するための範囲（以下、ピーク検出範囲という）を設定する。例えば、被測定フィルムＦの全体の光学膜厚が４０μｍ以下である場合には、４０μｍ以下（０〜４０μｍ）がピーク検出範囲として設定される。更に、設定部２２は、被測定フィルムＦをなす各層Ｌ１〜Ｌ３の波長毎の屈折率を設定する。これにより、光学膜厚を実際の膜厚（物理的膜厚）に変換可能である。尚、上記のピーク検出範囲及び屈折率は、被測定フィルムＦの構造に応じてユーザが自由に設定することが可能である。

波数変換部２３は、分光データ取得部２１が取得した反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１，Ｄ２の各々から設定部２２で設定された波長帯域を選択し、選択した分光データＤ１，Ｄ２に対して所定の処理を施すことにより、その波長帯域における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直した波数域反射分光スペクトルに変換する。フーリエ変換部２４は、波数変換部２３で変換された波数域反射分光スペクトルを示すデータに対してフーリエ変換を行って設定部２２で設定された波長帯域の各々におけるパワースペクトルに変換する。

ピーク検出部２５は、設定部２２で設定されたピーク検出範囲内におけるパワースペクトルのピークを検出する。尚、パワースペクトルのピークの位置から被測定フィルムＦをなす各層Ｌ１〜Ｌ３の光学膜厚及び測定フィルムＦの光学膜厚が求められる。膜厚算出部２６は、設定部２２で設定された屈折率を用いて、被測定フィルムＦの実際の膜厚を求める。

表示部１６は、例えばＣＲＴ（Cathode Ray Tube）又は液晶表示装置等の表示装置を備えており、膜厚算出部２６で算出された被測定フィルムＦの膜厚を表示する。尚、図１においては図示を省略しているが、分光データ取得部２１で取得された分光データＤ１，Ｄ２そのもの、或いはフーリエ変換部２４で変換されたパワースペクトルを表示部１６に表示するようにしても良い。

ライン速度入力部１７は、測定対象である被測定フィルムＦの流れ速度を入力する。被測定フィルムＦは、照射ファイバ１２ａ，１２ｂ及び受光ファイバ１３ａ，１３ｂに対して静止している訳ではなく、照射ファイバ１２ａ及び受光ファイバ１３ａと照射ファイバ１２ｂ及び受光ファイバ１３ｂとの間を一定の速度で流れているため、この被測定フィルムＦの流れ速度をライン速度入力部１７から入力する。尚、被測定フィルムＦの流れ速度が変化する場合には、被測定フィルムＦの実際の流れ速度を測定し、この測定結果をライン速度入力部１７に入力するのが望ましい。

タイミング生成部１８は、一定速度で流れている被測定フィルムＦを一定間隔で測定するために、ライン速度入力部１７から入力された被測定フィルムＦの流れ速度と予め設定された被測定フィルムＦの測定間隔とに基づいて、分光器１４ａ，１４ｂが反射分光スペクトルを取得するタイミングを規定するタイミング信号Ｔ１，Ｔ２を生成する。尚、このタイミング信号Ｔ１，Ｔ２からキセノンフラッシュランプ１１ａ，１１ｂの発光タイミングを規定する同期信号Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ生成される。

次に、本発明の第１実施形態による膜厚測定方法について説明する。予めユーザは、測定対象の被測定フィルムＦの透過特性及び構造に応じて、複数の波長帯域、層Ｌ１〜Ｌ３の波長毎の屈折率、及びピーク検出範囲を設定部２２に設定しておく。また、ユーザは、ライン速度入力部１７から被測定フィルムＦの流れ速度を入力しておく。尚、タイミング生成部１８には、予め被測定フィルムＦの測定間隔が設定されているとする。

被測定フィルムＦの膜厚測定が開始されると、タイミング生成部１８においてライン速度入力部１７から入力された流れ速度と予め設定されている被測定フィルムＦの測定間隔とに基づいてタイミング信号Ｔ１，Ｔ２が生成され、分光器１４ａ，１４ｂにそれぞれ出力される。タイミング信号Ｔ１，Ｔ２が分光器１４ａ，１４ｂに入力されると、同期信号Ｓ１，Ｓ２が生成されてキセノンフラッシュランプ１１ａ，１１ｂにそれぞれ出力されて発光が開始される。

キセノンフラッシュランプ１１ａで発光されたパルス状の白色光は照射ファイバ１２ａを介して層Ｌ１側から被測定フィルムＦに照射される。同様に、キセノンフラッシュランプ１１ｂで発光されたパルス状の白色光は照射ファイバ１２ｂを介して層Ｌ３側から被測定フィルムＦに照射される。図２は、被測定フィルムＦに照射された白色光のうち、透過率が低い波長範囲の光が反射・吸収される様子を模式的に示す図である。尚、図２においては、理解を容易にするために、白色光が被測定フィルムＦに斜入射している状態を図示しているが、実際は被測定フィルムＦに対してほぼ垂直入射する。

被測定フィルムＦの層Ｌ１側から照射された白色光のうち透過率が低い波長範囲の光は被測定フィルムＦで吸収される。このため、図２に示す通り、被測定フィルムＦの一方の最表面ＩＳ１での反射光ＲＬ１、或いは最表面ＩＳ１に近い界面（層Ｌ１と層Ｌ２との界面）における反射光ＲＬ２は受光ファイバ１３ａの入射端に戻ってくるが、他方の最表面ＩＳ２での反射光ＲＬ３、或いは最表面ＩＳ２に近い界面での反射光ＲＬ４は吸収により、受光ファイバ１３ａの入射端への戻り光が極めて小さくなる。

これに対し、被測定フィルムＦの層Ｌ１側から照射された白色光のうち透過率が高い波長範囲の光は、最表面ＩＳ１或いは最表面ＩＳ１に近い界面での反射光であっても、最表面ＩＳ２或いは最表面ＩＳ２に近い界面での反射光であっても受光ファイバ１３ａの入射端に戻ってくる。これにより、透過率が低い波長範囲の光を用いれば被測定フィルムＦの最表面ＩＳ１に近い部分の構造（膜厚）を求めることができ、透過率が高い波長範囲の光を用いれば被測定フィルムＦ全体の構造（膜厚）を求めることができる。

同様に、被測定フィルムＦの層Ｌ３側から照射された白色光のうち透過率が低い波長範囲の光も被測定フィルムＦで吸収され、透過率が高い波長範囲の光は被測定フィルムＦでの吸収が少ない。このため、透過率が低い波長範囲の光を用いれば被測定フィルムＦの最表面ＩＳ２に近い部分の構造（膜厚）を求めることができ、透過率が高い波長範囲の光を用いれば被測定フィルムＦ全体の構造（膜厚）を求めることができる。

受光ファイバ１３ａ，１３ｂに入射した反射光は、分光器１４ａ，１４ｂにそれぞれ導かれて分光された後に光電変換される。これにより、分光器１４ａ，１４ｂからは反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１，Ｄ２が出力される。分光器１４ａ，１４ｂからの分光データＤ１，Ｄ２は、演算部１５の分光データ取得部２１で取得されて波数変換部２３に出力される。

波数変換部２３は、分光データ取得部２１からの反射分光スペクトルを示す分光データＤ１，Ｄ２の各々から設定部２２で設定された波長帯域を選択する。つまり、分光データＤ１，Ｄ２の各々から、被測定フィルムＦに対する透過率が低い波長範囲における反射分光スペクトルを示す分光データと、被測定フィルムＦに対する透過率が高い波長範囲における反射分光スペクトルを示す分光データとが選択される。

そして、選択した分光データに対して所定の処理を施して、その波長帯域における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直した波数域反射分光スペクトルに変換する。波数変換部２３から出力される波数域反射分光スペクトルは、フーリエ変換部２４に入力されてフーリエ変換が施される。これにより、層Ｌ１側から得られた反射光のうちの設定部２２で設定された波長帯域の各々におけるパワースペクトルと、層Ｌ３側から得られた反射光のうちの設定部２２で設定された波長帯域の各々におけるパワースペクトルとが求められる。

図３は、層Ｌ１側における反射光から得られるパワースペクトルの一例を示す図である。図３において、実線で示す曲線ＰＳ１は被測定フィルムＦに対する透過率が高い波長帯域におけるパワースペクトルであり、破線で示す曲線ＰＳ２は被測定フィルムＦに対する透過率が低い波長帯域におけるパワースペクトルである。尚、図３に示すグラフは横軸に光学膜厚を取っており、縦軸に強度（任意単位）をとっている。

図３を参照すると、透過率が高い波長帯域におけるパワースペクトルＰＳ１は、光学膜厚が４５μｍ程度の場合であってもピークが得られているのに対し、透過率が低い波長帯域におけるパワースペクトルＰＳ２は、光学膜厚が１０μｍ以上ではピークが得られていないのが分かる。これは、図２を用いて説明した通り、透過率が高い波長帯域では最表面ＩＳ２からの反射光が得られるが、透過率が低い波長帯域では被測定フィルムＦ内の吸収によって最表面ＩＳ２での反射光及び層Ｌ２と層Ｌ３との界面での反射光が殆ど得られないことに起因する。

また、図３を参照すると、光学膜厚が１０μｍ以下の範囲において、実線で示す透過率が高い波長帯域におけるパワースペクトルＰＳ１と破線で示す透過率が低い波長帯域におけるパワースペクトルＰＳ２が明確に分離できているのが分かる。ここで、透過率が低い波長帯域におけるパワースペクトルＰＳ２は、最表面ＩＳ１に近い部分の構造（膜厚）を反映したものであるため、仮に被測定フィルムＦの層Ｌ１と層Ｌ２とがほぼ等しい膜厚であっても最表面ＩＳ１に近い層Ｌ１の光学膜厚のみを高精度で求めることができる。また、透過率が高い波長帯域におけるパワースペクトルＰＳ１からは、被測定フィルムＦの全体の光学膜厚を高精度で求めることができる。

尚、層Ｌ３側における反射光からも、図３に示すパワースペクトルと同様に、透過率が高い波長帯域におけるパワースペクトルと、透過率が低い波長帯域におけるパワースペクトルとが得られる。この透過率が低い波長帯域におけるパワースペクトルは、最表面ＩＳ２に近い部分の構造（膜厚）を反映したものであるため、仮に被測定フィルムＦの層Ｌ１と層Ｌ２とがほぼ等しい膜厚であっても最表面ＩＳ２に近い層Ｌ２の光学膜厚のみを高精度で求めることができる。

フーリエ変換部２４で得られたパワースペクトルはピーク検出部２５に出力され、設定部２２で設定されたピーク検出範囲内におけるパワースペクトルのピークが検出される。これにより、被測定フィルムＦの層Ｌ１、層Ｌ３、及び被測定フィルムＦの全体の光学膜厚が求められる。パワースペクトルのピークが検出されると、膜厚算出部２６は、設定部２２で設定された屈折率を用いて、被測定フィルムＦの実際の膜厚を求める。

具体的には、ピーク検出部２５で求められた被測定フィルムＦの層Ｌ１、層Ｌ３、及び被測定フィルムＦの全体の光学膜厚をそれぞれｌ_１，ｌ_２，ｌ_３とし、層Ｌ１〜Ｌ３の透過率が低い波長帯域における屈折率をそれぞれｎ_１１〜ｎ_１３とし、透過率が高い波長帯域における屈折率をそれぞれｎ_２１〜ｎ_２３とすると、膜厚算出部２６は、以下の（１）式を用いて被測定フィルムＦの層Ｌ１〜Ｌ３の膜厚ｄ_１〜ｄ_３を求める。
ｄ_１＝ｌ_１／ｎ_１１
ｄ_２＝（ｌ_３−（ｄ_１・ｎ_２１＋ｄ_３・ｎ_２３））／ｎ_２２
ｄ_３＝ｌ_２／ｎ_１３ ……（１）

被測定フィルムＦの各層Ｌ１〜Ｌ３の膜厚が算出されると、その算出結果が表示部１６に表示される。尚、各層Ｌ１〜Ｌ３の膜厚の算出結果のみならず、分光データ取得部２１で取得された分光データＤ１，Ｄ２そのもの、或いはフーリエ変換部２４で変換されたパワースペクトルを表示部１６に表示しても良い。ユーザが表示部１６の表示内容を参照することで、被測定フィルムＦが設計通りに製造されているか否かを確認することができる。尚、以上の処理にて測定された膜厚に基づいて、各層Ｌ１〜Ｌ３の膜厚が設計値通りになるように、被測定フィルムＦを製造する製造装置を自動制御するようにしても良い。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態による膜厚測定装置の要部構成を示すブロック図である。図４に示す通り、本実施形態の膜厚測定装置２は、白色光源装置３１、シャッター３１ａ，３１ｂ、照射ファイバ３２ａ，３２ｂ、受光ファイバ３３ａ，３３ｂ、分光器３４、及び演算部３５を備えており、複数の層Ｌ１〜Ｌ３からなる被測定フィルムＦの膜厚を測定する。尚、被測定フィルムＦは、第１実施形態と同様に、フレキシブル基板、多層複合フィルムシート、その他の多層薄膜である。

白色光源装置３１は、被測定フィルムＦに照射する数百ｎｍ〜千数百ｎｍの広い波長範囲に亘る白色光を発光する光源である。尚、白色光源装置３１は、図１に示したキセノンフラッシュランプ１１ａ，１１ｂとは異なり、白色光を連続的に発光する。シャッター３１ａ，３１ｂは、演算部３５から出力されるシャッター制御信号ＳＣ１，ＳＣ２に基づいて、白色光源装置３１と照射ファイバ３２ａとの間の光路、及び白色光源装置３１と照射ファイバ３２ｂとの間の光路の開閉を制御する。

照射ファイバ３２ａ，３２ｂは、図１に示した照射ファイバ１２ａ，１２ｂと同様の導光部材であり、白色光源装置３１で発光されてシャッター３１ａ，３１ｂを介した白色光を被測定フィルムＦに導いて照射する。具体的には、照射ファイバ３２ａはシャッター３１ａを介した白色光が層Ｌ１側から被測定フィルムＦに照射されるように導き、照射ファイバ３２ｂはシャッター３１ｂを介した白色光が層Ｌ３側から被測定フィルムＦに照射されるように導く。

受光ファイバ３３ａ，３３ｂは、被測定フィルムＦの層Ｌ１側における反射光及び層Ｌ３側における反射光をそれぞれ分光器３４に導く導光部材である。受光ファイバ３３ａの入射端は被測定フィルムＦの層Ｌ１側に配置されており、受光ファイバ３３ａの入射端は被測定フィルムＦの層Ｌ３側に配置されている。尚、本実施形態では、これらの入射端は、被測定フィルムＦに垂直な軸上に配置されていても良い

分光器３４は、プリズムや回折格子等の分散素子、及びＣＣＤ等の光電変換素子を備えており、受光ファイバ３３ａ，３３ｂで導かれた被測定フィルムＦの反射光をそれぞれ分光するとともに、分光した光を光電変換して反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１１を出力する。演算部３５は、図１に示した分光データ取得部２１、設定部２２、波数変換部２３、フーリエ変換部２４、ピーク検出部２５、及び膜厚算出部２６を備えており、分光器３４から出力される分光データＤ１１に対して所定の演算を施して被測定フィルムＦの膜厚を測定する。これに加えて、演算部３５は、シャッタ３１ａ，３１ｂの開閉を制御するシャッター制御信号ＳＣ１，ＳＣ２を生成する。

次に、本発明の第２実施形態による膜厚測定方法について説明する。第１実施形態と同様に、予めユーザは、測定対象の被測定フィルムＦの透過特性及び構造に応じて、複数の波長帯域、層Ｌ１〜Ｌ３の波長毎の屈折率、及びピーク検出範囲を演算部３５に設けられた設定部２２（図４では図示省略）に設定しておく。

被測定フィルムＦの膜厚測定が開始されると、演算部３５からシャッター制御信号ＳＣ１が出力されてシャッター３１ａが開状態になる。これにより、白色光源装置３１で発光された白色光はシャッター３１ａ及び照射ファイバ３２ａを介して層Ｌ１側から被測定フィルムＦに照射されて、被測定フィルムＦの層Ｌ１側の反射光が受光ファイバ３３ａの入射端に入射する。受光ファイバ３３ａに入射した反射光は、分光器３４に導かれて分光された後に光電変換される。

これにより、分光器３４からは被測定フィルムＦの層Ｌ１側から得られた反射光の反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１１が出力される。この分光データＤ１１が演算部３５に入力されると、第１実施形態と同様の処理が行われてパワースペクトルが求められ、これにより被測定フィルムＦの層Ｌ１及び被測定フィルムＦの全体の光学膜厚が算出される。

以上の処理が終了すると、シャッター制御信号ＳＣ１の出力が停止されてシャッター３１ａが開状態になるとともに、演算部３５からシャッター制御信号ＳＣ２が出力されてシャッター３１ｂが開状態になる。これにより、白色光源装置３１で発光された白色光はシャッター３１ｂ及び照射ファイバ３２ｂを介して層Ｌ３側から被測定フィルムＦに照射されて、被測定フィルムＦの層Ｌ３側の反射光が受光ファイバ３３ｂの入射端に入射する。受光ファイバ３３ｂに入射した反射光は、分光器３４に導かれて分光された後に光電変換される。

これにより、分光器３４からは被測定フィルムＦの層Ｌ３側から得られた反射光の反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１１が出力される。この分光データＤ１１が演算部３５に入力されると、第１実施形態と同様の処理が行われてパワースペクトルが求められ、これにより被測定フィルムＦの層Ｌ３及び被測定フィルムＦの全体の光学膜厚が算出される。

以上の処理によって、被測定フィルムＦの層Ｌ１の光学膜厚、層Ｌ３の光学膜厚、及び被測定フィルムＦの全体の光学膜厚が算出されたため、演算部３５は前述した（１）式を用いて被測定フィルムＦをなす層Ｌ１〜Ｌ３の膜厚をそれぞれ算出する。以下、以上説明した処理と同様の処理が繰り返されて、被測定フィルムＦの膜厚が測定される。

本実施形態の膜厚測定装置２は、静止している被測定フィルムＦの膜厚を測定する場合にも用いることができる。勿論、流れている状態の被測定フィルムＦの膜厚も測定することができる。尚、静止している被測定フィルムＦの膜厚を測定する場合には、図４に示すシャッター３１ｂ、照射ファイバ３２ｂ、及び受光ファイバ３３ｂを省略した構成とすることも可能である。かかる構成の場合には、層Ｌ１側から白色光を被測定フィルムＦに照射して測定すれば、層Ｌ１側の構造（膜厚）を高い精度で測定することができる。また、層Ｌ１側から白色光を被測定フィルムＦに照射して測定を行った後で被測定フィルムＦを裏返し、層Ｌ３側から白色光を被測定フィルムＦに照射して測定を行えば層Ｌ１，Ｌ３の両側の構造（膜厚）を高い精度で測定することができる。

以上説明した通り、本実施形態では、被測定フィルムＦに白色光を照射して得られた反射光の反射分光スペクトルを求め、この反射分光スペクトルのうち、予め設定された複数の波長帯域（例えば、被測定フィルムＦに対する透過率が高い波長帯域と低い波長帯域）における反射スペクトルをそれぞれ等波数間隔の波数域反射分光スペクトルに変換し、この変換された波数域反射分光スペクトルの各々をパワースペクトルに変換した後にそのピークから被測定フィルムＦをなす層Ｌ１〜Ｌ３の膜厚を算出している。このため、被測定フィルムＦの表面に近い部分の部分の構造（膜厚）と、被測定フィルムＦの全体の構造（膜厚）を求めることができる。よって、被測定フィルムＦに同様の膜厚を有する層が複数存在していても、各層の膜厚を独立して短時間に高精度で測定することができる。

以上、本発明の実施形態による膜厚測定装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、３つの層Ｌ１〜Ｌ３からなる被測定フィルムＦの膜厚を測定する場合を例に挙げたが、３層よりも多くの層からなる被測定フィルムの膜厚を測定する場合にも本発明を適用することができる。また、測定点による膜厚変化がそれほど大きくない場合や、要求される測定精度が高くない場合には、ライン速度入力部１７やタイミング生成部１８のいずれか、または両方を省略することもできる。

更に、上記実施形態では、多層薄膜の表面及び裏面に同様の膜厚を有する層が存在する場合に生ずる測定誤差を防止しつつ各層の膜厚と全体の膜厚とを同時に測定するために、多層薄膜に対する透過率が異なる複数の波長帯域を設定する場合を例示した。しかしながら、透過率の異ならない範囲で複数の波長帯域を設定することも可能である。

例えば、基材、粘着層、及びハードコート層からなるＦＰＤ（Flat Panel Display：フラットパネルディスプレイ）画面の保護フィルムや、基材及び粘着層からなる各種粘着テープのように、互いの厚さが大きく異なる複数の層からなる多層薄膜の膜厚を測定する場合には、同様の膜厚を有する層が存在しないため、設定する複数の波長帯域の透過率を異ならせる必要はない。このように、本発明は、透過率が異なる複数の波長帯域が設定される場合に制限される訳ではなく、被測定フィルムＦの構造に応じて柔軟に波長帯域の設定を行うことが可能である。

本発明の第１実施形態による膜厚測定装置の要部構成を示すブロック図である。 被測定フィルムＦに照射された白色光のうち、透過率が低い波長範囲の光が反射・吸収される様子を模式的に示す図である。 層Ｌ１側における反射光から得られるパワースペクトルの一例を示す図である。 本発明の第２実施形態による膜厚測定装置の要部構成を示すブロック図である。 従来の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。 膜厚測定装置１００で得られるパワースペクトルの一例を示す図である。 従来の膜厚測定装置１００で得られるパワースペクトルの他の例を示す図である。

符号の説明

１，２ 膜厚測定装置
１１ａ，１１ｂ キセノンフラッシュランプ
１４ａ，１４ｂ 分光器
１５ 演算部
１７ ライン速度入力部
１８ タイミング生成部
２２ 設定部
２３ 波数変換部
２４ フーリエ変換部
２５ ピーク検出部
２６ 膜厚算出部
３１ 白色光源装置
３４ 分光器
３５ 演算部
Ｆ 被測定フィルム

Claims (6)

1. 多層薄膜の一方の面と他方の面とにそれぞれ照射する白色光を発光する光源と、
   前記白色光を前記多層薄膜の一方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得るとともに、前記白色光を前記多層薄膜の他方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得る分光器と、
   前記分光器で得られた前記反射分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記多層薄膜の膜厚を測定する演算部とを備えており、
   前記演算部は、前記反射分光スペクトルに対して、前記多層薄膜に対する透過率が５０％以下となる波長帯域を少なくとも１つ含む複数の波長帯域を設定する設定部と、
   前記反射分光スペクトルのうち、前記設定部で設定された前記複数の波長帯域における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直した波数域反射分光スペクトルにそれぞれ変換する第１変換部と、
   前記第１変換部で変換された前記複数の波長帯域における波数域反射分光スペクトルをパワースペクトルにそれぞれ変換する第２変換部と、
   前記第２変換部で変換された前記パワースペクトルに基づいて前記多層薄膜の厚みを求める算出部と
   を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
2. 前記光源は、パルス状の白色光を発光するパルス光源であり、
   前記パルス光源の発光タイミング、及び前記分光器で前記反射分光スペクトルを得るタイミングを規定するタイミング信号を生成するタイミング生成部を備えることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
3. 前記多層薄膜の流れ速度を入力する速度入力部を備えており、
   前記タイミング生成部は、前記速度入力部から入力された速度と、前記多層薄膜の膜厚を測定する測定点の間隔とに基づいて、前記タイミング信号を生成することを特徴とする請求項２記載の膜厚測定装置。
4. 前記光源は、前記多層薄膜の一方の面に前記白色光を照射する第１光源と、前記多層薄膜の他方の面に前記白色光を照射する第２光源とを備えており、
   前記分光器は、前記第１光源からの白色光を前記多層薄膜の一方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得る第１分光器と、前記第２光源からの白色光を前記多層薄膜の他方の面に照射して得られる反射光を分光して反射分光スペクトルを得る第２分光器とを備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の膜厚測定装置。
5. 前記演算部は、前記第１分光器及び前記第２分光器の各々で得られる反射分光スペクトルについて、前記第１変換部、第２変換部、及び前記算出部における処理を行うことを特徴とする請求項４記載の膜厚測定装置。
6. 多層薄膜の一方の面と他方の面とに白色光を照射して得られる反射光をそれぞれ分光して反射分光スペクトルを求め、当該反射分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記多層薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
   前記反射分光スペクトルに対して、前記多層薄膜に対する透過率が５０％以下となる波長帯域を少なくとも１つ含む複数の波長帯域を設定する設定ステップと、
   前記反射分光スペクトルのうち、前記設定ステップで設定された前記複数の波長帯域における反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直した波数域反射分光スペクトルにそれぞれ変換する第１変換ステップと、
   前記第１変換ステップで変換された前記複数の波長帯域における波数域反射分光スペクトルをパワースペクトルにそれぞれ変換する第２変換ステップと、
   前記第２変換ステップで変換された前記パワースペクトルに基づいて前記多層薄膜の厚みを求める厚み算出ステップと
   を含むことを特徴とする膜厚測定方法。

Images