JP5266787B2

JP5266787B2 - 膜厚測定装置及び方法

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Publication number: JP5266787B2
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Inventors: 和史西田
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Description

本発明は、光干渉を利用して薄膜の膜厚を非接触で測定する膜厚測定装置及び方法に関する。

光干渉を利用した膜厚測定装置は、非接触でフィルムやシート等の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７は、従来の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。図７に示す通り、従来の膜厚測定装置１００は、光源１０１、照射用光ファイバ１０２、受光用光ファイバ１０３、分光計１０４、及び演算部１０５を備えており、フィルムやシート等の被測定対象２００の膜厚を非接触で測定する。

光源１０１は波長帯域の広い白色光を発光する光源である。照射用光ファイバ１０２は光源１０１で発光された光を被測定対象２００に導いて照射する導光部材であり、受光用光ファイバ１０３は被測定対象２００の反射光を分光計１０４に導く導光部材である。分光計１０４は、受光用光ファイバ１０３で導かれた被測定対象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、分光計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対象２００の膜厚を測定する。具体的には、演算部１０５は、分光計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、パワースペクトルの中でのピークが得られる周波数に対応する光学膜厚を求める演算、及び得られた光学膜厚から屈折率を考慮して被測定対象２００の物理的な膜厚を求める演算等を行う。

上記構成において、光源１０１から射出された白色光は、照射用光ファイバ１０２に導かれて被測定対象２００に照射される。被測定対象２００に白色光を照射して得られる反射光のうち、受光用光ファイバ１０３に入射した反射光は、受光用光ファイバ１０３によって分光計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、これにより被測定対象２００の膜厚が求められる。

ここで、被測定対象２００の表裏の界面で反射される白色光は、被測定対象２００の表裏の界面間の距離（膜厚）と被測定対象２００の屈折率との積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。そして、得られた光学膜厚を被測定対象２００の屈折率で除算することにより、被測定対象２００の物理的な膜厚が求められる。

以下の特許文献１には、移動する多層フィルムにおける膜厚を精度良く測定すべく、移動する多層フィルムに対して近赤外領域からなるストロボ光を照射し、多層フィルムの各層からの反射光を受光して多層フィルムを構成する膜の厚さを測定する技術が開示されている。また、以下の特許文献２には、多層薄膜の各膜厚を一層高精度に測定すべく、多層薄膜を有する試料に白色光を照射し、試料から得られる反射光又は透過光を分光すると共に、得られるスペクトルを波数単位の周波数信号に変換した後、ウェブレット処理を行うことで周波数信号から干渉信号以外の成分を除去して周波数解析処理を行う技術が開示されている。

更に、以下の特許文献３には、光干渉膜厚計で測定される光干渉波形をフーリエ変換して得たスペクトル中で最大ピーク値に相当する値を多層フィルムの表面層の厚みとする多層フィルムの製造方法が開示されている。
特開２００３−１６１６０５号公報特開２００５−３０８３９４号公報特開平１１−３１４２９８号公報

ところで、図７に示す従来の膜厚測定装置１００は、被測定対象２００がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等の複屈折性を有するものである場合には、膜厚を安定して測定することができないという問題がある。これは、被測定対象２００が複屈折性を有する場合には、照射される白色光の偏光方向に応じて被測定対象２００の屈折率が異なるため、図８に示す通り、パワースペクトルに双峰性のピークが現れることに起因する。

図８は、複屈折性を有する被測定対象２００を従来の膜厚測定装置１００で測定して得られるパワースペクトルの一例を示す図である。図８に示す例では、パワースペクトルに双峰性を示すピークＰ１０１，Ｐ１０２が現れており、ピークＰ１０１の頂点（極大値）の周波数に対応する光学膜厚Ｔ１０１は約５５．９［μｍ］であり、ピークＰ１０２の頂点（極大値）の周波数に対応する光学膜厚Ｔ１０２は約５７．２［μｍ］である。

ここで、従来の膜厚測定装置１００の演算部１０５は、前述した通り、パワースペクトルのピークを検出し、そのピークが得られる周波数に対応する光学膜厚を求める処理を行っている。このため、双峰性のピークが現れても一方のピークの極大値が他方のピークの極大値よりも常に大きいという関係があれば、被測定対象２００の安定した膜厚測定という観点からは何ら問題が生じないとも考えられる。

しかしながら、図８に示す通り、双峰性をなすピークＰ１０１，Ｐ１０２の極大値がほぼ等しい場合には、測定ノイズや被測定対象２００の膜厚変動によって、ピークＰ１０１の極大値とピークＰ１０２の極大値との大小関係が不規則に変わる。すると、ピークＰ１０１，Ｐ１０２の極大値が大きく変化していないにも拘わらず、演算部１０５で検出されるピークが不規則にピークＰ１０１又はピークＰ１０２に変化する。この結果として、演算部１０５で求められる光学膜厚も不規則に光学膜厚Ｔ１０１又は光学膜厚Ｔ１０２に変化するため、被測定対象２００の膜厚を安定して測定することができないという問題が生ずる。

図９は、複屈折性を有する被測定対象２００を従来の膜厚測定装置１００で繰り返し測定して得られる光学膜厚の一例を示す図である。図９を参照すると、被測定対象２００の光学膜厚として、図８に示す光学膜厚Ｔ１０１である５５．９［μｍ］付近の値、又は図８に示す光学膜厚Ｔ１０２である５７．２［μｍ］付近の値が求められ、何れの値が求められるかには規則性がない（不規則である）ことが分かる。

測定膜厚の不安定性を解消するには、ユーザの設定によって、パワースペクトルのピークを検出する周波数範囲を、双峰性をなすピークのうちの一方が現れる周波数範囲に限定すれば良いと考えられる。しかしながら、双峰性のピークは、反射分光スペクトルの波長範囲の選び方や被測定対象２００の複屈折性の変化に応じて単峰性のピークに変化したり、本来出現する位置とは離れた位置に出現するため、ピークを検出する周波数範囲を限定しても安定した測定を行うことはできない。

また、製造中のフィルムの厚さをオンラインで連続的に測定する場合には、製造されたフィルムの厚さが双峰性のピーク間隔に相当する厚みを越えて変動するため、そもそもピークを検出する周波数範囲を上記の通り限定することはできない。以上の通り、従来は、被測定対象が複屈折性を有する場合には膜厚を安定して測定することができなかった。上述したＰＥＴフィルムのみならず、プラスチックフィルムや結晶性の薄膜は多かれ少なかれ複屈折性を有するため、複屈折性を有する被測定対象の膜厚を安定して測定することができれば、膜厚測定装置によって測定可能な被測定対象の範囲を大きく広げることができると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複屈折性を有する被測定対象の膜厚を安定して連続的に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、被測定対象（Ｆ）に白色光を照射して得られる反射光又は透過光を分光して分光スペクトルを測定する測定部（１０）と、当該測定部で測定された分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記被測定対象の膜厚を測定する演算部（２０）とを備える膜厚測定装置（１）において、前記演算部は、前記分光スペクトルのうち予め設定された波長帯域における分光スペクトルを所定の波数間隔に並べ直した波数域分光スペクトルに変換する第１変換部（２３）と、前記第１変換部で変換された波数域分光スペクトルをパワースペクトルに変換する第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中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を求め、当該重心位置に対応する光学膜厚から前記被測定対象の厚みを求める算出部（２５、２６、２７）とを備えることを特徴としている。
本発明によると、被測定対象に白色光を照射して得られた反射光又は透過光の分光スペクトルが求められ、この分光スペクトルのうち、予め設定された波長帯域における分光スペクトルが所定の間隔の波数域分光スペクトルに変換され、この波数域分光スペクトルの各々がパワースペクトルに変換された後に、パワースペクトル中に現れる双峰性を示すピークの重心位置が求められ、この重心位置に対応する光学膜厚から被測定対象の厚みが求められる。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記算出部が、前記パワースペクトル中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を、前記パワースペクトルの強度を重みとする周波数の加重平均により求めることを特徴としている。
また、本発明の膜厚測定装置は、前記算出部が、前記パワースペクトルに対して所定の閾値を設定し、当該閾値よりも強度が高い部分について当該閾値と前記パワースペクトルの強度との差分を重みと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、前記算出部が、前記パワースペクトルに対して所定の閾値を設定し、当該閾値よりも強度が高い第１部分に連続して当該第１部分の両端に位置する両端部分各々の強度がそれぞれ最初に極小になる極小部同士を接続する線分と前記パワースペクトルの強度との差分、及び当該極小部の平均値と前記パワースペクトルの強度との差分の何れか一方を重みとすることを特徴としている。
更に、本発明の膜厚測定装置は、前記第１変換部が、前記測定部で測定された分光スペクトルを、前記被測定対象の波長毎の屈折率に反比例した波数間隔に並べ直した波数域分光スペクトルに変換することを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の膜厚測定方法は、被測定対象（Ｆ）に白色光を照射して得られる反射光又は透過光を分光して分光スペクトルを測定し、当該分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記被測定対象の膜厚を測定する膜厚測定方法において、前記分光スペクトルのうち予め設定された波長帯域における分光スペクトルを所定の波数間隔に並べ直した波数域分光スペクトルに変換する第１変換ステップと、前記第１変換ステップで変換された波数域分光スペクトルをパワースペクトルに変換する第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中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を求め、当該重心位置に対応する光学膜厚から前記被測定対象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、被測定対象に白色光を照射して得られた反射光又は透過光の分光スペクトルを求め、この分光スペクトルのうち、予め設定された波長帯域における分光スペクトルを所定の間隔の波数域分光スペクトルに変換し、この波数域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、パワースペクトル中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を求めて、この重心位置に対応する光学膜厚から被測定対象の厚みを求めている。このため、複屈折性を有する被測定対象の膜厚を安定して連続的に測定することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の一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。図１は、本発明の一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、スペクトル測定部１０（測定部）、演算部２０、及び表示部３０を備えており、被測定フィルムＦ（被測定対象）の膜厚を測定する。尚、被測定フィルムＦは、例えばＰＥＴ、ポリプロピレン、ポリエチレン等の結晶性樹脂又は非結晶性樹脂からなる薄膜フィルムであって複屈折性を有するものとする。

スペクトル測定部１０は、光源１１、照射用光ファイバ１２、受光用光ファイバ１３、及び分光計１４を備えており、被測定フィルムＦに白色光を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測定し、この反射分光スペクトルを示すデータである分光データＤ１を演算部２０に出力する。光源１１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。照射用光ファイバ１２は光源１１で発光された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、照射用光ファイバ１２は、被測定フィルムＦの一方の面側（例えば、表面側）に配置されており、一方の面側から被測定フィルムＦに照射されるように光源１１で発光された白色光を導く。

受光用光ファイバ１３は、被測定フィルムＦの反射光を分光計１４に導く導光部材である。具体的に、受光用光ファイバ１３は、照射用光ファイバ１２と同様に、被測定フィルムＦの一方の面側（例えば、表面側）に配置されており、被測定フィルムＦの一方の面側における反射光を分光計１４に導く。分光計１４は、受光用光ファイバ１３で導かれた被測定フィルムＦの反射光を分光するとともに、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を出力する。この分光計１４は、反射光を分光するためのプリズムや回折格子等の分散素子と、分散素子により分光された光を光電変換するＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）等の光電変換素子とからなる分光器を備える。尚、分光計１４が備える分光器は、モノクロメータであってもポリクロメータであっても良い。

演算部２０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）、加重平均部２６（算出部）、及び膜厚算出部２７（算出部）を備えており、スペクトル測定部１０の分光計１４から出力される分光データＤ１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、分光計１４から出力される分光データＤ１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における反射光の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の屈折率に関するデータ（以下、屈折率データという）を記憶する記憶部２２ａを備えており、被測定フィルムＦの膜厚を測定する上で必要な各種設定を行う。具体的には、以下の（１）〜（５）に示す設定を行う。
（１）被測定フィルムＦの膜厚を測定するために使用する波長帯域の設定
（２）パワースペクトルのピークを検出する周波数範囲（ピーク検出範囲）の設定
（３）ピークの重心位置（周波数）を算出するか否かの設定
（４）ピークの重心位置を算出する場合に用いる閾値及び重みの設定
（５）被測定フィルムＦの膜厚算出時の屈折率の設定
設定部２２は、上記（１）の設定を波数変換部２３に対して行い、上記（２）の設定をピーク検出部２５に対して行い、上記（３），（４）の設定を加重平均部２６に対して行い、上記（５）の設定を膜厚算出部２７に対して行う。

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から上記（１）の設定に基づいた波長帯域に含まれるものを選択し、選択した分光データＤ１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パワースペクトルに変換する。ピーク検出部２５は、上記（２）の設定に基づい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。ここで、ピーク検出部２５は、双峰性のピークが現れた場合には、極大値が大きい方のピークをそのピーク検出範囲内におけるピークであると検出する。

加重平均部２６は、上記の（３）の設定がピークの重心位置を算出する旨の設定である場合にはフーリエ変換部２４で変換されたパワースペクトル中に現れるピークの重心位置を求める。これに対し、上記の（３）の設定がピークの重心位置を算出しない旨の設定である場合には、重心位置の算出は行わずにピーク検出部２５で検出されたピークの位置（ピークの極大値が得られる周波数）を膜厚算出部２７に出力する。

上記の（３）の設定がピークの重心位置を算出する旨の設定である場合には、加重平均部２６は、パワースペクトルの強度を重みとする周波数の加重平均を行ってピークの重心位置を求める。具体的には、パワースペクトルをなすデータのデータ番号をｎ（ｎは１以上の整数）とし、第ｎ番目のデータの強度をＩ（ｎ），周波数をｆ（ｎ）とすると、加重平均部２６は以下の（Ａ）式に示される加重平均を行ってパワースペクトル中に現れるピークの重心位置ｆ０を求める。
ｆ０＝Σ（Ｉ（ｎ）×ｆ（ｎ））／Σ（Ｉ（ｎ）） …（Ａ）

ここで、パワースペクトル中に現れるピークの重心位置ｆ０は、基本的には上記の式で示される加重平均により求められるが、ノイズの影響があると測定精度が悪化する虞が考えられる。かかるノイズの悪影響を排除するため、上記の（４）の設定による閾値を用いてピークの重心位置ｆ０を求めるのが好ましい。図２は、パワースペクトルに対して設定される閾値の一例を示す図である。尚、図２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２に示す通り、パワースペクトルに双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２が現れており、ピークＰ１の頂点（極大値）の周波数に対応する光学膜厚Ｔ１は約５５．９［μｍ］であり、ピークＰ２の頂点（極大値）の周波数に対応する光学膜厚Ｔ２は約５７．２［μｍ］である。

図２において、符号Ｒ１を付した範囲が設定部２２によってピーク検出部２５に設定されるピーク検出範囲（図２では光学膜厚に換算して図示している）であり、符号ＴＨを付した直線が設定部２２によって加重平均部２６に設定される閾値である。この閾値ＴＨとしては、ピーク検出部２５によって検出されるピーク（図２に示す例ではピークＰ１）の極大値に対し、設定部２２によって設定される所定の閾値係数α（０＜α＜１）を乗じて得られる値を用いる。この閾値係数αは、「０．１」〜「０．６」程度の範囲内における値に設定するのが望ましく、「０．３」程度に設定するのがより好適である。

また、上記の閾値ＴＨの設定に加えて、上記の（４）の設定による重みを用いてピークの重心位置ｆ０を求めるのが好ましい。具体的には、閾値ＴＨよりも強度が高い部分（図２において斜線を付した部分）について閾値ＴＨとパワースペクトルの強度との差分を重みとする周波数の加重平均を行う。つまり、閾値ＴＨの値をＩ_ｔｈとすると、加算平均部２６は、閾値ＴＨとパワースペクトルの強度との差分（Ｉ（ｎ）−Ｉ_ｔｈ）を重みとして用いて加重平均を行う。即ち、重心位置ｆ０を求める前述した（Ａ）式において、式中の重みＩ（ｎ）を重み（Ｉ（ｎ）−Ｉ_ｔｈ）に置き換えた加重平均を行う。これにより、ピークＰ１，Ｐ２の重心位置ｆ０、及びこの重心位置ｆ０に対応する光学膜厚Ｔ０（図２参照）が求められる。尚、重心位置ｆ０に対応する光学膜厚は、約５６．６［μｍ］である。

膜厚算出部２７は、上記の（５）の設定による屈折率を用いて、被測定フィルムＦの物理的な膜厚を求める。ここで、被測定フィルムＦは複屈折性を有するため被測定フィルムＦの屈折率は照射される白色光の偏光方向によって変化する。また、白色光の波長によっても被測定フィルムＦの屈折率が変化する。このため、膜厚算出部２７には、例えば波数変換部２３で設定される波長帯域において複屈折性をも考慮した平均的と考えられる屈折率を用いるのが望ましい。尚、被測定フィルムＦの膜厚を高い精度で測定する場合には、被測定フィルムＦの複屈折性の大小、及び膜厚測定に使用される波長帯域をより厳密に考慮する必要がある。

表示部３０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２７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３０に表示するようにしても良い。

次に、本発明の一実施形態による膜厚測定方法について説明する。被測定対象であるである被測定フィルムＦの測定に先立って、ユーザは被測定フィルムＦの波長毎の屈折率、複屈折性を示すデータを屈折率データとして設定部２２が備える記憶部２２ａに予め記憶させておく。被測定フィルムＦの膜厚測定が開始されると、光源１１の発光が開始される。光源１１で発光された白色光は照射用光ファイバ１２を介して例えば表面側から被測定フィルムＦに照射される。

被測定フィルムＦに照射された白色光のうち、被測定フィルムＦの表面側における界面で反射された光と、裏面側で反射された光であって表面側における界面を透過した光とが被測定フィルムＦの反射光となる。被測定フィルムＦの反射光のうち、受光用光ファイバ１３入射した反射光は、分光計１４に導かれて分光された後に光電変換される。これにより、分光計１４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が出力される。分光計１４からの分光データＤ１は、演算部２０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から設定部２２で設定された波長帯域を選択する。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（第１変換ステップ）。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、被測定フィルムＦの反射光のうちの設定部２２で設定された波長帯域におけるパワースペクトルが求められる（第２変換ステップ）。尚、ここでは、図２に示す通り、双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２を有するパワースペクトルが求められたとする。

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（図２中のピーク検出範囲Ｒ１）内におけるパワースペクトルのピークが検出される。フーリエ変換部２４で得られたパワースペクトルが図２に示すものである場合には、双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２のうち、極大値がより大きなピークＰ１が、ピーク検出範囲Ｒ１内におけるパワースペクトルのピークとして検出される。

ピーク検出部２５の検出結果は、上記のフーリエ変換部２４で得られたパワースペクトルとともに加重平均部２６に入力される。ここで、設定部２２によってピークの重心位置を算出する旨が設定されている場合には、フーリエ変換部２４で変換されたパワースペクトル中に現れるピークの重心位置が加重平均部２６で求められる。具体的には、まず設定部２２の設定内容に基づいて、ピーク検出部２５で検出されたピークＰ１の極大値に閾値係数αを乗算して得られた値を有する閾値ＴＨ（図２参照）が設定される。そして、閾値ＴＨよりも強度が高い部分（図２において斜線を付した部分）について、閾値ＴＨとパワースペクトルの強度との差分（Ｉ（ｎ）−Ｉ_ｔｈ）を重みとする周波数の加重平均が行われる。これにより、ピークＰ１，Ｐ２の重心位置ｆ０、及びこの重心位置ｆ０に対応する光学膜厚Ｔ０（図２参照）が求められる。

加重平均部２６で求められた光学膜厚Ｔ０は膜厚算出部２７に出力される。そして、膜厚算出部２７において、光学膜厚Ｔ０が設定部２２によって設定された屈折率で除算されることにより、被測定フィルムＦの物理的な厚さが算出される（厚み算出ステップ）。被測定フィルムＦの膜厚が算出されると、その算出結果が表示部３０に表示される。

これに対し、加重平均部２６に対してピークの重心位置を算出しない旨の設定が設定部２２によりなされている場合には、以上説明した重心位置の算出は行われずにピーク検出部２５で検出されたピークの位置（ピークの極大値が得られる周波数）が加重平均部２６から膜厚算出部２７に出力される。そして、膜厚算出部２７においてピークの位置に基づいた被測定フィルムＦの膜厚が算出されて、その算出結果が表示部３０に表示される。

尚、被測定フィルムＦ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３０に表示しても良い。ユーザが表示部３０の表示内容を参照することで、設定された厚みを有する被測定フィルムＦが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、被測定フィルムＦ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。

図３は、本発明の一実施形態による膜厚測定装置１による被測定フィルムＦの膜厚測定結果の一例を示す図である。図３を参照すると、被測定フィルムＦの光学膜厚として、図２に示すピークＰ１，Ｐ２の重心位置ｆ０に対応する光学膜厚Ｔ０である５６．６［μｍ］付近の値が得られていることが分かる。しかも、測定を繰り返しても安定して光学膜厚Ｔ０とほぼ同様の光学膜厚が得られており、図９に示す不規則な変動は生じていないことが分かる。

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、予め設定された波長帯域における反射スペクトルを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、パワースペクトルの強度を重みとする周波数の加重平均によりパワースペクトルのピークの重心位置を算出している。このため、被測定フィルムＦの複屈折性に起因してパワースペクトルに双峰性のピークが生ずる場合であっても、被測定フィルムＦの膜厚を安定して連続的に測定することができる。

次に、以上説明した膜厚測定装置１の変形例について説明する。膜厚測定装置１の変形例としては、（ａ）加重平均部２６で行われる加重平均に用いる重みが異なる第１変形例、（２）ピークの重心位置を面積重心により求める第２変形例、（３）波数変換部２３で行われる反射分光スペクトルの並べ直し方が異なる第３変形例が挙げられる。以下、これらの変形例について順に説明する。

〈第１変形例〉
図４は、膜厚測定装置１の第１変形例を説明するための図である。前述した実施形態では、加重平均部２６において、双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２を有するパワースペクトルに対して閾値ＴＨを設定し、閾値ＴＨよりも強度が高い部分について、閾値ＴＨとパワースペクトルの強度との差分を重みとする周波数の加重平均が行われていた。この加重平均は、図４（ａ）に示す斜線を付した部分の面積重心を求める処理と等価な処理であり、ノイズの悪影響を排除する点からは有用である。しかしながら、ノイズの悪影響を排除しつつ双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２の重心位置をより精確に求めるために、図４（ｂ）又は図４（ｃ）に示す重みを用いて加重平均を行うことができる。

図４（ｂ）に示す例では、パワースペクトルに対して所定の閾値ＴＨを設定し、この閾値ＴＨよりも強度が高い部分である上部ＵＰに連続してこの上部ＵＰの両端に位置する両端部分各々の強度がそれぞれ最初に極小になる極小部Ｍ１，Ｍ２を求める。そして、この極小部Ｍ１，Ｍ２で挟まれる範囲内において極小部Ｍ１，Ｍ２同士を接続する線分Ｌ１を求め、この線分Ｌ１とパワースペクトルの強度との差分を重みとして用いる。かかる重みを用いて加重平均を行うと、図４（ｂ）において斜線を付した部分の面積重心が求められ、双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２の形状が反映されたより精確な重心位置が求められる。

図４（ｃ）に示す例では、図４（ｂ）に示す例と同様に、パワースペクトルに対して所定の閾値ＴＨを設定し、この閾値ＴＨよりも強度が高い部分である上部ＵＰに連続してこの上部ＵＰの両端に位置する両端部分各々の強度がそれぞれ最初に極小になる極小部Ｍ１，Ｍ２を求める。そして、極小部Ｍ１，Ｍ２の平均値（図４（ｃ）中に示す線分Ｌ２）を求め、この極小部Ｍ１，Ｍ２で挟まれる範囲内において、線分Ｌ２とパワースペクトルの強度との差分を重みとして用いる。かかる重みを用いて加重平均を行うと、図４（ｃ）において斜線を付した部分の面積重心が求められ、図４（ｂ）に示す場合と同様に、双峰性を示すピークＰ１，Ｐ２の形状が反映されたより精確な重心位置が求められる。尚、以上の図４（ａ）〜図４（ｃ）を用いて説明した３種類の重みの何れを用いるかは、設定部２２の設定によって切り替え可能に構成するのが望ましい。

〈第２変形例〉
図５は、膜厚測定装置１の第２変形例を説明するための図である。前述した実施形態において、加重平均部２６で行われる加重平均は、図５（ａ）に示す斜線を付した部分の面積重心を求める処理と等価な処理であった。しかしながら、加重平均を行わずに面積重心によりピークの重心位置を求めることもできる。つまり、図５（ｂ）に示す通り、パワースペクトルをなすデータを直線又は曲線で補間し、それら直線又は曲線と閾値ＴＨとで囲まれる領域（図５（ｂ）で斜線を付した部分）の面積重心を求めることもできる。ここで、パワースペクトルをなすデータの補間は任意の関数を用いて行うことができる。尚、ピークの重心位置を求めるために加重平均を用いるか否かは設定部２２の設定によって切り替え可能に構成するのが望ましい。

〈第３変形例〉
前述した実施形態では、波数変換部２３において、反射分光スペクトルを示す分光データＤ１に対して所定の処理を施して、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処理が行われていた。しかしながら、必ずしも等波数間隔に並べ直す必要はなく、反射分光スペクトルを被測定フィルムＦの波長毎の屈折率に反比例した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処理も可能である。

ここで、被測定フィルムＦが複屈折性を有する場合には、周波数が若干異なる干渉波による「うなり」が生じて、反射分光スペクトルに振幅が大きな部分と振幅が小さな部分が生ずることがある。図６は、被測定フィルムＦが複屈折性を有する場合に得られる反射分光スペクトルの一例を示す図である。図６に示す例においては、反射分光スペクトルの振幅は、５５０［ｎｍ］付近よりも短波長側の波長域では小さいが、７５０［ｎｍ］付近よりも長波長側の波長域では大きい。

このような「うなり」を有する反射分光スペクトルを周波数解析数すると、振幅が大きな波長領域での屈折率が出力される光学膜厚に対して支配的になる。「うなり」の腹の位置は、被測定フィルムＦの膜厚が一定であっても被測定フィルムＦの複屈折性に依存して変化するため、「うなり」が生じていると安定な膜厚測定ができなくなる。そこで、本変形例では、波数変換部２３において、反射分光スペクトルを被測定フィルムＦの波長毎の屈折率に反比例した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処理を行っている。

一般的に、被測定フィルムＦの屈折率は、短波長の光に対しては大きく、光の波長が長くなるにつれて徐々に小さくなる変化を示す。このため、反射分光スペクトルを被測定フィルムＦの波長毎の屈折率に反比例した波数間隔に並べ直すことで、短波長側は疎であるが長波長側になるにつれて密になる波数域反射分光スペクトルを得ることができる。かかる変換処理を行うことで、反射分光スペクトルの「うなり」の腹の位置に拘わらず、安定した膜厚の測定を実現することができる。尚、被測定フィルムＦが複屈折率を有する場合には、照射される白色光の偏光方向に応じて屈折率が異なるが、波長に対する変化率（波長依存性）はほぼ同じである。このため、反射分光スペクトルを被測定フィルムＦの波長毎の屈折率に反比例した波数間隔に並べ直す際に何れの屈折率を用いても問題が生ずることはない。

以上、本発明の一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、ピーク検出部２５によって検出されたピークの極大値に対して所定の閾値係数αを乗算して得られた値をパワースペクトルに対する閾値ＴＨとして用いていたが、この閾値は任意の値に設定することもできる。

パワースペクトルのピークの極大値とは無関係に閾値を設定した場合においては、ピーク検出部２５で検出されるピークの極大値が閾値を下回る状況が生じ、かかる状況で加重平均により膜厚を測定すると測定誤差が生ずることが考えられる。このため、検出されたピークの極大値が閾値を越えているか否かを示す測定強度指標値をピーク検出部２５から加重平均部２６に出力するようにし、ピーク検出部２５から出力された測定強度指標値がピークの極大値が閾値を越えていない旨を示すものである場合には、加重平均部２６における処理を省略しても良い。

また、上記実施形態では、図１に示す通り、照射用光ファイバ１２及び受光用光ファイバ１３の双方を被測定フィルムＦの一方の面側（例えば、表面側）に配置し、被測定フィルムＦに白色光を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求めて被測定フィルムＦの膜厚を測定する場合について説明した。しかしながら、本発明は、照射用光ファイバ１２を被測定フィルムＦの一方の面側（例えば、表面側）に配置するとともに受光用光ファイバ１３を被測定フィルムＦの他方の面側（例えば、裏面側）に配置し、被測定フィルムＦに白色光を照射して得られる透過光を分光して透過分光スペクトルを求めて被測定フィルムＦの膜厚を測定する場合にも適用することができる。

ここで、被測定フィルムＦの透過光から得られる透過分光スペクトルに現れる干渉縞の振幅は、被測定フィルムＦの反射光から得られる反射分光スペクトルに現れる干渉縞の振幅よりも小さくなるのが一般的である。このため、被測定フィルムＦの膜厚を測定する場合には、測定精度を確保する観点から被測定フィルムＦの反射光が用いられるのが殆どである。しかしながら、製造中のフィルムの厚さをオンラインで連続的に測定する場合には、フィルムのシワ等によってフィルムの傾きが生じ、被測定フィルムＦからの反射光を受光用光ファイバで受光できずに測定不可能になることがある。これに対し、被測定フィルムＦの透過光はフィルムが多少傾いても受光可能であるため、被測定フィルムＦの膜厚を連続的に安定して測定することができるという利点がある。

また、本発明は、被測定フィルムＦがフレキシブル基板、多層複合フィルムシート、その他の多層薄膜である場合にも膜厚（各層の膜厚）が測定可能である。更に、本発明は、被測定フィルムＦが複屈折性を有しないものであっても膜厚の測定が可能である。また更に、本発明は、波数変換部２３に対して複数の波長帯域が設定される場合にも適用が可能である。かかる場合には、各々の波長帯域についてパワースペクトルを求め、各々のパワースペクトルのピークの重心位置を求める処理が行われる。

本発明の一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。パワースペクトルに対して設定される閾値の一例を示す図である。本発明の一実施形態による膜厚測定装置１による被測定フィルムＦの膜厚測定結果の一例を示す図である。膜厚測定装置１の第１変形例を説明するための図である。膜厚測定装置１の第２変形例を説明するための図である。被測定フィルムＦが複屈折性を有する場合に得られる反射分光スペクトルの一例を示す図である。従来の膜厚測定装置の概略構成を示す図である。複屈折性を有する被測定対象２００を従来の膜厚測定装置１００で測定して得られるパワースペクトルの一例を示す図である。複屈折性を有する被測定対象２００を従来の膜厚測定装置１００で繰り返し測定して得られる光学膜厚の一例を示す図である。

符号の説明

１膜厚測定装置
１０スペクトル測定部
２０演算部
２３波数変換部
２４フーリエ変換部
２５ピーク検出部
２６加重平均部
２７膜厚算出部
Ｆ被測定フィルム

Claims

被測定対象に白色光を照射して得られる反射光又は透過光を分光して分光スペクトルを測定する測定部と、当該測定部で測定された分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記被測定対象の膜厚を測定する演算部とを備える膜厚測定装置において、
前記演算部は、前記分光スペクトルのうち予め設定された波長帯域における分光スペクトルを所定の波数間隔に並べ直した波数域分光スペクトルに変換する第１変換部と、
前記第１変換部で変換された波数域分光スペクトルをパワースペクトルに変換する第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中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を求め、当該重心位置に対応する光学膜厚から前記被測定対象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。
前記算出部は、前記パワースペクトル中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を、前記パワースペクトルの強度を重みとする周波数の加重平均により求めることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
前記算出部は、前記パワースペクトルに対して所定の閾値を設定し、当該閾値よりも強度が高い部分について当該閾値と前記パワースペクトルの強度との差分を重みとすることを特徴とする請求項２記載の膜厚測定装置。
前記算出部は、前記パワースペクトルに対して所定の閾値を設定し、当該閾値よりも強度が高い第１部分に連続して当該第１部分の両端に位置する両端部分各々の強度がそれぞれ最初に極小になる極小部同士を接続する線分と前記パワースペクトルの強度との差分、及び当該極小部の平均値と前記パワースペクトルの強度との差分の何れか一方を重みとすることを特徴とする請求項２記載の膜厚測定装置。
前記第１変換部は、前記測定部で測定された分光スペクトルを、前記被測定対象の波長毎の屈折率に反比例した波数間隔に並べ直した波数域分光スペクトルに変換することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の膜厚測定装置。
被測定対象に白色光を照射して得られる反射光又は透過光を分光して分光スペクトルを測定し、当該分光スペクトルに対して所定の演算を施して前記被測定対象の膜厚を測定する膜厚測定方法において、
前記分光スペクトルのうち予め設定された波長帯域における分光スペクトルを所定の波数間隔に並べ直した波数域分光スペクトルに変換する第１変換ステップと、
前記第１変換ステップで変換された波数域分光スペクトルをパワースペクトルに変換する第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中に現れる双峰性を示すピークの重心位置を求め、当該重心位置に対応する光学膜厚から前記被測定対象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。