JPH04313005A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光を利用して、フィル
ムシート材、コーテイング材等の膜厚をオンラインで測
定する膜厚測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フィルムシート材、コーテイング材等の
膜に光を照射すると、膜の表面と裏面で反射が繰り返さ
れ干渉が起こることから、透過光（或いは反射光）は波
長に対して膜厚に応じた周期をもって規則的に強度が変
動する。また、一般に膜材は、材質特有の光吸収特性を
持っており、シート材を透過した光は膜厚に応じて強度
が減衰する。従来よりこのような現象を利用して、膜厚
の測定が行われてきた。

【０００３】たとえば図５は特開昭５６−４４８０２号
公報に示された、従来の光の吸収を利用した膜厚測定装
置の構成図であり、図において、２５は測定対象である
フィルムシート材、２６は赤外光を発生する基準光源、
２７は検出ヘッド、２８は検出ヘッドからの出力を増幅
するアンプ、２９はアンプ出力の偏差を示す偏差指示器
である。次に動作を示す。対象となるフィルムシートが
持つ光の吸収波長に合わせた赤外光を基準光源２６から
フィルムシート２５に照射し、その透過光を検出ヘッド
２７で受光する。検出ヘッド２７で光電変換された信号
はアンプ２８によって増幅され、偏差指示器２９に入力
される。偏差指示器では膜厚による透過光強度の変化に
対応した信号出力変化を検出することにより、膜厚測定
を行う。

【０００４】また、図６は特開昭５６−１１５９０５号
公報に示された、光の干渉を利用した従来の膜厚測定装
置の構成図であり、図において、３０は光源、３１は光
源３０から出た光を平行光にするためのレンズ系、３２
は測定対象となるフィルム面、３３、３４はビームを広
げるためのレンズ系、３５は分光するためのプリズム、
３６は結像するためのレンズ、３７は受光素子、３８は
ハーフミラー、３９はプリズム、４０は結像のためのレ
ンズ、４１は受光素子、４２は試料面での照射部、４３
は反射部材である。次に動作について示す。光源３０よ
り出た光はレンズ系３１により平行光線になった後、照
射部４２に至り、フィルム３２により反射される。反射
された光はレンズ系３３、３４によって平行光線になっ
た後、プリズム３５を通り分光され、レンズ３６により
波長によって異なった位置に集光され、受光素子３７の
上にスペクトルを写し出す。受光素子からの出力信号に
よりスペクトルを検出し、得られたスペクトルの極小、
極大を示す波長を見いだし、フィルムの厚さを算出する
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の膜厚測定装置は
以上で述べたように、光の吸収または光の干渉を利用し
たいずれかの方式により行われてきた。しかしながら、
いずれの方法においても、試料がラインの振動などによ
って傾斜した場合、膜厚の測定結果は試料の傾斜による
光路長の変化がそのまま反映したものとなり、真の膜厚
値から大きくずれることになり、膜厚測定装置をオンラ
インへ適用するにあたっての実用上最大の問題点となっ
ていた。

【０００６】この発明は、このような問題点の解決を目
的としており、ライン振動による試料の傾きの影響を受
けない高精度な膜厚測定装置を得ようとするものである
。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる膜厚測
定装置は、紫外領域から赤外領域まで連続的に発光スペ
クトルを有する光源、この光源から出射する光の一部を
分岐し、吸収現象の発生する第１の波長領域の特定波長
の光強度をモニターする第１の光学系、上記光源からの
光を試料に照射する照射光学系、上記試料からの透過光
或いは反射光の多重反射による干渉現象の発生する第２
の波長領域の光スペクトル情報を検出する第２の光学系
、上記透過光或いは反射光を受光し、第１の光学系と同
じ特定波長の光の強度を検出する第３の光学系、第１の
光学系の受光強度と第３の光学系の受光強度との強度比
と、予め求めておいた上記試料の吸収係数とによって、
上記試料の厚さを算出する第１の演算手段、第２の光学
系からの出力信号をもとに上記試料の厚さを算出する第
２の演算手段、及び第１の演算手段によって求められた
試料厚さの測定値と第２の演算手段によって得られた試
料厚さの測定値との積を取る信号処理手段を備えたもの
である。

【０００８】

【作用】以下説明の都合上、第１の吸収現象の発生する
波長領域が可視領域、第２の多重反射による干渉現象が
発生する波長領域が赤外領域にある場合について説明す
る。一般に、高分子材料によって構成される膜を透過し
た光の強度は、図４の様な波長分布を示す。つまり、可
視領域では膜が持つ光の吸収率が波長によって大きく変
化し、波長が短くなるにつれて吸収率が大きくなり、透
過光強度は減少する。このように可視領域では膜の吸光
現象が顕著に現れる。特定波長における透過光強度は下
記数式１に示すＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に従っ
て変化する。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで吸収係数αは波長が固定された場合
、特定波長に対して一定値を示す。このとき、図１に示
すように試料が傾斜し、光の試料内への入射角がθに変
化した場合、試料内を透過する光の距離は図１からも明
らかなようにｄ／ｃｏｓθとなる。このため、入射角が
θに変化したときの透過光の強度は下記数式２となり、

【００１１】

【数２】

【００１２】可視領域における膜の吸光現象を利用した
方式によって得られる膜の測定値はｄ／ｃｏｓθとなり
、見かけ上長く測定される。

【００１３】一方、赤外領域においては、透過率が高く
ほぼ一定していることから、膜内において多重反射が起
こり、反射を繰り返した光が膜を透過する際、各波長毎
に干渉する。図２において、透過率が高く試料による吸
収を無視できると仮定すると透過光の強度は下記数式３
と表すことができる（波動光学・久保田弘・（株）岩波
書店・１９７１）。

【００１４】

【数３】

【００１５】この式から、入射角がθの場合、透過光の
強度は式中分母のｃｏｓ項によって波長に対して透過光
強度が強めあったり、弱めあったりすることになり、透
過光強度は波長に対して強弱を繰り返す。この強弱の周
期はｄ・ｃｏｓθに対応して変化することがわかる。こ
のように、波長によって透過光強度が強めあったり、弱
めあったりすることになり、透過光強度は波長に対して
強弱を繰り返す。この強弱の周期は膜の厚さに対応して
変化する。このように赤外領域での多重反射を利用した
方式で得られる測定値はｄ・ｃｏｓθとなり、見かけ上
短く測定される。

【００１６】この発明は、試料の傾きが測定値に及ぼす
影響が上で述べたように吸光現象を利用した方式と多重
反射を利用した方式とで全く正反対になる事に着目した
もので、試料の同一観測箇所において、吸光現象と多重
反射による干渉現象を同時に発生させるとともに両現象
を同時に検出できるように装置を構成したものである。 すなわち、可視領域から赤外領域までの強度を持つ白色
光を試料に照射し、試料を透過した光を可視領域及び赤
外領域に分離し、可視領域において特定波長の透過光強
度から膜厚を算出するとともに、赤外領域において透過
光強度の波長分布の周期の検出結果から膜厚を算出し、
得られた２つの膜厚値の積を演算することによって試料
の傾斜による変化分を相殺するものである。

【００１７】

【実施例】実施例１．次にこの発明の一実施例について
説明する。図１は、入射角変化による光路変化の説明図
、図２は、膜の両境界面における多重反射を示す説明図
、図３はこの発明の一実施例による膜厚測定装置を示す
構成図である。図において、１は紫外光から赤外光まで
の波長を有する連続波長光源、２は光源１からの出射光
を分岐するためのハーフミラー、３は光源のうち特定波
長を選択するための波長フィルター、４は光源１からの
発振強度をモニターするための検出器、５は試料、６は
試料５を透過した光を分岐するためのハーフミラー、７
は透過光のうち特定波長を選択するための波長フィルタ
ー、８は受光素子、９は透過光の集光用レンズ、１０は
スリット、１１は波長分離用の回折格子、１２は受光用
のラインセンサ、１３、１４は検出器からの出力を増幅
するアンプ、１５は透過光強度とモニター強度との比を
とる割算器、１６は出力値の対数をとるログアンプ、１
７はログアンプからの出力信号をでデジタル信号に変換
するＡ／Ｄ回路、１８は予め測定した膜の吸収係数をデ
ジタル信号として入力するプリセット回路、１９はＡ／
Ｄ回路１７からの出力信号とプリセット回路１８による
設定値により膜厚値を算出する演算器、２０はラインセ
ンサ１２からの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／
Ｄ回路、２１はデジタル信号に変換されたスペクトル情
報からスペクトルのピーク間波長を求めるための演算器
、２２は求められたピーク間波長から予め入力されたピ
ーク間波長−膜厚値のルックアップテーブルのデータと
比較し膜厚を算出する演算器、２３は演算器１９、２２
によって得られた２つの膜厚値の積を演算するかけ算器
、２４はかけ算器２３によって得られた算出結果の平方
根を取る演算器を示す。

【００１８】次に動作について説明する。光源１から出
射された光はハーフミラー２によって一部が分岐され波
長フィルター３によって予め設定した特定波長の強度の
みを検出器４を用いてモニターする。一方、ハーフミラ
ー３を透過した光は試料５を透過し、ハーフミラー６に
よって分岐される。分岐された光は波長フィルター７に
より波長フィルター３と同じ波長の光のみが選択され受
光素子８によって受光される。一方、ハーフミラー６を
透過した光は集光レンズ９によってスリット１０上に絞
りこまれ、回折格子１１に入射される。入射された光は
回折格子によって分散し、回折格子の焦点面に設置され
たラインセンサー１２上に光の波長の順に結像される。 検出器４、及び受光素子８からの出力信号はそれぞれア
ンプ１３、１４によって増幅される。このとき受光素子
８からの出力は前記数式１に示されたＬａｍｂｅｒｔ−
Ｂｅｅｒの法則によって減衰している。アンプ１３、１
４からの出力は、それぞれ割算器１５に入力され、Ｉｏ
／Ｉｉが演算され、ｅｘｐ（−α・ｄ）に比例した信号
が出力される。ログアンプ１６では割算器１５からの出
力を対数演算し、−α・ｄに比例した信号を出力する。 ログアンプからの出力はＡ／Ｄ回路１７によってデジタ
ル信号に変換された後、演算器１９によって膜厚が算出
される。一方、ラインセンサ１２からの出力信号は透過
光のスペクトル情報を時系列信号として出力させたもの
となっており、Ａ／Ｄ回路２０によってデジタル信号に
変換された後、演算器２１に入力される。演算器２１で
は入力信号の変化からデータの極大、極小のピーク波長
を検出するとともに、各ピーク間の波長を算出する。演
算器２２では得られたピーク間波長をもとに予め求めて
おいたピーク間波長−膜厚間のルックアップテーブルの
データと比較し、膜厚を同定する。透過光の強度、及び
スペクトルから算出された膜厚値は、それぞれかけ算器
２３に入力され、両者の積（ｄ２　）が求められる。求
められた結果は演算器２４に入力され、かけ算結果の平
方根が求められ、真の膜厚値ｄが出力される。

【００１９】なお、演算器２４は場合によって省略し、
ｄ２　を計測結果として利用する形態も考えられる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば紫外領
域から赤外領域まで連続的に発光スペクトルを有する光
源、この光源から出射する光の一部を分岐し、吸収現象
の発生する第１の波長領域の特定波長の光強度をモニタ
ーする第１の光学系、上記光源からの光を試料に照射す
る照射光学系、上記試料からの透過光或いは反射光の多
重反射による干渉現象の発生する第２の波長領域の光ス
ペクトル情報を検出する第２の光学系、上記透過光或い
は反射光を受光し、第１の光学系と同じ特定波長の光の
強度を検出する第３の光学系、第１の光学系の受光強度
と第３の光学系の受光強度との強度比と、予め求めてお
いた上記試料の吸収係数とによって、上記試料の厚さを
算出する第１の演算手段、第２の光学系からの出力信号
をもとに上記試料の厚さを算出する第２の演算手段、及
び第１の演算手段によって求められた試料厚さの測定値
と第２の演算手段によって得られた試料厚さの測定値と
の積を取る信号処理手段により膜厚測定装置を構成した
ので、試料の傾きの影響を受けない信頼性の高い膜厚測
定を実現することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】入射角変化による光路変化を示す説明図である
。

【図２】膜の両境界面における多重反射を示す説明図で
ある。

【図３】この発明の一実施例による膜厚測定装置を示す
構成図である。

【図４】膜の透過率の波長に対する変化を示す特性図で
ある。

【図５】光の吸収を利用した従来の膜厚測定装置を示す
構成図である。

【図６】光の干渉を利用した従来の膜厚測定装置を示す
構成図である。

【符号の説明】

１　　光源 ２　　ハーフミラー ３　　波長フィルター ４　　検出器 ５　　試料 ６　　ハーフミラー ７　　波長フィルター ８　　受光素子 ９　　集光用レンズ １０　　スリット １１　　回折格子 １２　　ラインセンサ １５　　割算器 １９　　演算器 ２１　　演算器 ２２　　演算器 ２３　　かけ算器 ２４　　演算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　紫外領域から赤外領域まで連続的に発
   光スペクトルを有する光源、この光源から出射する光の
   一部を分岐し、吸収現象の発生する第１の波長領域の特
   定波長の光強度をモニターする第１の光学系、上記光源
   からの光を試料に照射する照射光学系、上記試料からの
   透過光或いは反射光の多重反射による干渉現象の発生す
   る第２の波長領域の光スペクトル情報を検出する第２の
   光学系、上記透過光或いは反射光を受光し、第１の光学
   系と同じ特定波長の光の強度を検出する第３の光学系、
   第１の光学系の受光強度と第３の光学系の受光強度との
   強度比と、予め求めておいた上記試料の吸収係数とによ
   って、上記試料の厚さを算出する第１の演算手段、第２
   の光学系からの出力信号をもとに上記試料の厚さを算出
   する第２の演算手段、及び第１の演算手段によって求め
   られた試料厚さの測定値と第２の演算手段によって得ら
   れた試料厚さの測定値との積を取る信号処理手段を備え
   た膜厚測定装置。