JPS61246607A

JPS61246607A - 膜厚測定方法

Info

Publication number: JPS61246607A
Application number: JP8946485A
Authority: JP
Inventors: Jun Torikai; 潤鳥飼; Chikayasu Yamazaki; 山崎　親康; Mutsumi Hayashi; 睦林; Ichiro Kumo; 一郎雲
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1985-04-25
Filing date: 1985-04-25
Publication date: 1986-11-01

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】（産業上の利用分野）本発明は、薄膜の膜厚測定方法に関する。本発明に係る
方法は特に高精度に膜厚測定が行なえることを特徴とす
る。

（従来の技術）従来より、薄膜の膜厚を測定する方法として光の干渉現
象を利用する方法が知られている（特開昭５６−１１５
９０５号公報等）。この方法は、薄膜に入射角θで白色
平行光を入射し、薄膜からの反射光もしくは透過光を受
光し分光した場合に、第２図に示す様な分光強度の波形
が得られ、この分光強度の波形の隣合った極大点（もし
くは極小点）に対応する波長を求めることにより膜厚を
計騨出来る原理に基づいている。

以下、数式を用いて、この原理を説明する。

白色光を薄膜に入射角θで入射させると、フィルム内部
に入射せずに表面で反射する光と、フィルム内部に入射
した後フィルムの裏面で反射し表面より出て来る光に分
れる。

反射光には上記の光以外にもフィルム内部で多重反射し
た後に表面より出て来る光が存在するが、強度が弱いの
でここでは考慮しないことにする。

フィルム表面で反射した光と裏面で反射した光との間に
は光路差Δが生じ、Δは（１）式で示される。

Δ＝２ｄＦｉ７石Ｖ７＼・・（１）そして、上記の二つの光が干渉することにより、分光強
度に強弱が発生するが、光路差Δが波長の整数倍に一致
する波長で分光強度が極小になり、（整数＋１／２）倍
に一致する波長で分光強度が極大になる（これは裏面で
反射した光の位相が反転しているためでおり、透過光の
場合には位相の反転が生じないのでこの関係が逆になる
。）。

この様にして得られた分光強度波形において隣合った二
つの極大点（もしくは極小点）の波長をλ１、λ２とす
ると次の（２）式が成立する（ただし、λ１〉λ２）。

が極大点の時（１）　、（２）式を整理すると次の（３）式が得られ
る。

すなわち、分光強度波形において隣合った二つの極大点
（もしくは極小点）の波長λ１、λ２を求めれば（３）
式に基づいて膜厚を計算することが出来る。

極大点に対応する波長を求める方法としては特開昭５９
−１３５３３１号公報に記載された方法等が知られてい
る。この方法は、分光強度の波形の検出器としてイメー
ジセンサを用い、イメージセンサの出力をＡ／Ｄ変換し
てマイクロコンピュータに取込み、イメージセンサの各
セルに対応する出力を逐次比較して極大値を持つセルを
調べ、そのセルの前後の複数のセルの出力値より極大位
置を推定するものである。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、この方法は次の様な欠点を有している。

（ａ）電気的、光学的なノイズが重畳していると、その
ノイズを極値と誤判定してしまう。

（ｂ）極大値がブロードなピークである場合には極大値
の近傍でＡ／Ｄ変換器の出力値がほぼ同一の値となり、
正しい極大位置を検出できない。

以上の欠点により公知の方法では、薄膜の膜厚測定の様
に分光波形の極大値の尖鋭度が膜厚によって大きく変化
するものには適用できなかった。

（問題点を解決するための手段）本発明の目的は、上記従来の問題点を解消せんとするも
のであり、光の干渉現象を利用して薄膜の膜厚を測定す
る際に高精度に膜厚を測定できることを特徴としている
。

すなわち本発明は、薄膜に一定の入射角で白色光を照射
し、その反射光もしくは透過光を分光して分光強度の波
形を測定し、薄膜による干渉現象によって生ずる分光強
度の強弱の波長位置から膜厚を測定する方法において、測定すべき薄膜の予想膜厚に応じて分光強度の波形の一
周期を所定の数で等分する様に分割ピッチを定め、その
分割ピッチ刻みの波長位置の分光強度に基づいて分光強
度の極大または極小の波長位置を定めて膜厚を測定する
事を特徴とする膜厚測定方法を提供するものである。

本発明に係る方法を反射光を受光するタイプの光干渉式
膜厚計に適用した場合について図を用いて説明する。な
お、以下に述べる説明では膜厚測定対象はフィルムとす
るが、当然のことながら本発明に係る方法はフィルムに
限定されるものではなく、ガラス薄膜その他の薄膜の膜
厚測定にも適応できるものである。

第１図は光干渉式膜厚測定系全体の概略構成を示すもの
であり、測定系は投光部、受光部、および演算処理部か
ら成っている。

投光部は光源１、平行光を形成するためのピンホール２
およびレンズ３で構成されている。

受光部は、平面回折格子４、結像レンズ５、イメージセ
ンサ６より構成されている。

また、データ処理部はバッファアンプ７、Ａ／Ｄ変換器
８、マイクロコンピュータ９、イメージセンサ駆動回路
１０．および本図では省略されている入出力装置、記憶
装置より構成されている。

膜厚を測定すべきフィルム１１より反射されたレンズ３
からの平行光は平面回折格子４に入射されるが、平面回
折格子４で分光された光のうち、所定の波長範囲がイメ
ージセンサ６上に結像する様に結像レンズ５が置かれて
いる。

イメージセンサ６上に結像された分光強度の波形は、イ
メージセンサ駆動回路１０により順次セル毎に続出され
る。

イメージセンサ６出力はバッフ７アンプ７を介してＡ／
Ｄ変換器８によりデジタル信号に変換された後、マイク
ロコンピュータ９に読込まれ演算処理が行なわれる。

次に本発明に係る方、法の要部となる演算処理のフロー
チャートを第３図に示す。

演算処理は大きく分けて、破線で囲んだ様に（ａ）、サ
ンプルを測定する前に行なっておくブランクデータの測
定（ｂ）、測定条件（予想膜厚）の入力（Ｃ）、膜厚測定ルーチンの３部により構成されている。

ここで、ブランクデータとは第１図の測定系において測
定対象のフィルム１１の代りに適当な反射板を置き測定
した光学系全体の分光特性の事である。

すなわち、通常の光学系では一般に光源、分光器、イメ
ージセンサ等が各々分光特性を持つので光学系全体とし
である分光パターンを持つ。このため、測定されたデー
タは光学系の分光特性に、薄膜の干渉によって生じる分
光波形が重畳したものとなって測定される。そこで、測
定対象のフィルム１１の干渉に由来する分光強度の波形
を得るためには、あらかじめブランクデータを測定して
おき、サンプルにより得られた測定データを割返して光
学系全体の分光特性の影響を除く必要がある。

以下、実際の手順を説明する。

まず、ブランクデータの測定であるが、測定対象フィル
ムと同じ材質で作られ且つ干渉現象の影響を受けない程
度の充分厚い板を用意し、それをフィルムの位置に置き
測定する。

この時の反射板はミラーでもよいが、ミラーとサンプル
では反射率が大きく違うのでサンプル測定時のダイナミ
ックレンジが狭くなる。そのため、反射板はサンプルと
同一素材の板を用いた方がよい。

また、このブランク測定は測定開始前に行なうが、光源
ランプの経時変化などを補償するために定期的に再測定
することが好ましい。

次に測定条件の入力であるが、測定対象として予想され
るフィルムのおよその膜厚を入力し、この予想膜厚に基
づいて分割ピッチを計算する。

予想膜厚の設定は、真の膜厚をｄ。、予想膜厚をｄとす
ると、Ｑ、５ｘｄ≦ｄｏ≦１．５×ｄの関係を満足するｄ、すなわら、予想膜厚の±５０％以
内程度に真の膜厚が存在する様に予想膜厚の設定を行な
う。この±５０％の許容幅は後述する分割ピッチ決定よ
り由来するものである。

光強度の波形は山、谷の繰返し周期が膜厚が薄い場合は
長く、膜厚が厚い場合は短くなる。

例えば、分光器の波長範囲５５０〜８５０ｎｍをイメー
ジセンサに入力する場合には、この波長範囲において０
．５μｍのポリエステルフィルム（屈折率１．６）では
約１周期しか分光強度の波が存在しないが、５μｍのポ
リエステルフィルムでは約１０周期の分光強度の波が存
在することになる。

この様に膜厚によって分光強度の波の周期が大きく変化
するので一定の分割ピッチで極値を捜すのは薄いフィル
ムの場合にはピッチが細かすぎてノイズ成分を極値と判
定したり、厚いフィルムの場合にはピッチが粗すぎて極
値検出が出来なくなったりする。すなわち、各分光強度
の波形に応じて最適な分割ピッチが存在する訳である。

本発明者らは数多くの実験および詳細な検討から、その
分割ピッチは各分光強度の波形の１周期を４〜１６等分
、好ましくは６〜１２等分にするのが良いことを見出し
た。分割ピッチの決定の考え方は以下の通りである。

分光強度の波形において、一定の分割ピッチ毎のデータ
の１番目を５（Ｉ）とすると、の二つの条件、すなわち
差分データの符号が正から負へ変化する部分に極大値が
存在する。これは分割ピッチで（Ｉ−１）番目から（Ｉ
＋１）番目の区間に極大値が存在することを示している
（極小値の場合も同様に類推できる。）。

１周期を２等分より大きく分割すれば（４）式に基づい
て極値の存在区間を知ることが出来る。しかし、分割ピ
ッチ毎のデータを用いて極値の位、置を内挿しようとす
ると大きな分割ピッチでは誤差が大きいので１周期を４
等分以上する必要がある。

また、内挿に使用するデータは第４（ａ）図に示す様に
分光強度波形の変曲点の前後のデータを用いるよりも第
４（ｂ）図に示す様な変曲点を含まないデータを用いた
方が精度がよい。（４）式を満足する分割ピッチの区間
（Ｉ−１＞から（Ｉ十１）に変曲点を含まない様にする
ためには、１周期を６等分より大きく分割する必要があ
る。

分割ピッチは一般的には細かい方がよいが、細かくして
もそれほど極値位置の内挿精度は向上せず、逆に細かく
し過ぎると従来法と同じ欠点を持つことになる。このた
め分割ピッチは１周期４〜１６等分する様に選ぶのが好
ましい。

さらに予想膜厚と実際の膜厚が異なっていても実際の分
光波形の１周期を４〜１６等分するためには分割ピッチ
を予想膜厚の６〜１２等分になる様に選べば良い。この
時は、予想膜厚みの±５０％以内に実際の膜厚があれば
良い。

例えば５５０〜８５０ｎｍの波長領域を使用する場合に
おいては下記の様になる。

サンプルをポリエステルフィルムとし屈折率ｎを１．６
、入射角θをＯとすると、（ａ）ｄ＝０．５μｍの時（１）式よりΔ＝１６００ｎｍ（２）式を満足するＫとλを求めると１６００ｎｍ＝２ｘ８００ｎｍ　　（２次の極小）１６
００ｎｍ：３ｘ５３３ｎｍ　　（３次の極小）すなわち
、５５０〜８５０ｎｍの波長域に約１周期の分光波形が
存在する。分割ピッチを１周期の約１０等分とすると３
０ｎｍになる。

（ｂ）ｄ＝５μｍの時（１）式よりΔ＝１６０００ｎｍ（２）式を満足するＫとλを求めると１６０００ｎｒ３＝’１９Ｘ８４２ｎｎ（１９次の極小
）１６０００ｎｍ＝２０Ｘ８００ｎｍ（２０次の極小）
１６０００ｎｍ÷２９ｘ５５２ｎｍ（２９次の極小）す
なわち、５５０〜８５０ｎｍの波長域の間に約１０周期
の分光波形が存在する。分割ピッチを１周期の約１０等
分とすると分割ピッチは３止となるので約３ｎｍピッチ
で極大位置を捜せば良い。

レンズ４の焦点距離を適当に選んで、５５０〜８５０１
ｍの波長領域をイメージセンサ上で２０００セルに対応
させる場合には０．５μのフィルムでは約２００セル刻
みで、５μの時は約２０セル刻みで極値を捜す事になる
。

以上の様にして光学系の仕様をあらかじめ定めておけば
、予想膜厚に応じて一意的に分割ピッチを決定すること
が出来る。

次に膜厚測定ルーチンの説明を行なう。

第３図に示す様に膜厚測定ルーチンは次の手順で行なわ
れる。

（ａ）０分光強度測定（ｂ）、平滑化（Ｃ）、正規化（ｄ）、差分データ作成（ｅ）、極値区間検出（ｆ）、極値位置内挿（（１）　、　！ＤＩ厚演算演算、各ブロックの機能を詳細に説明する。

分光強度測定ルーチンではマイクロコンピュータ９より
の指令によりイメージセンサ５の出力を順次Ａ／Ｄ変換
器８を介して読取り測定データとする。

次に平滑化を行なう。平滑化には様々の手法があるが、
単純な移動平均の様に短時間で行なえるものが好ましい
。また、移動平均をとるポイント数を２ｎ　（ｎ＝１．
２、・・・）に選んでおけば割算をビットシフトで行な
える゛ので高速化の点で好ましい。また、この時イメー
ジセンサの有効部分以外の所を覆って光に感じない様に
したダークセルを作っておき各々の出力からこのダーク
セルの出力を差引けばイメージセンサの暗電流補償が行
なえるので好ましい。

この様にして平滑化されたデータを平滑化データと呼ぶ
。次に前もって測定しておいたブランクデータで平滑化
データをセル番号を対応させて割算する。この時、精度
を落さずに高速で割算を行なうために平滑化データを２
　倍（ｎ＝８．９、・・・、この操作もビットシフトで
行なう。）しておき整数どうしの割算とする。得られた
データを正規化データと呼ぶ。

次に差分データの作成であるが、前もって定めておいた
分割ピッチおきに正規化データをスキャンして差分デー
タを作る。正規化データの有効部分の最初に対応するセ
ルの番号を１とし、最後に対応するセルの番号をＮとす
るとＪ番目（１≦Ｊ≦（Ｎ−１＞／ｈ）の差分データＤ
　（Ｊ）は（５）式で定義される。

ここでＳ　（Ｎ＞はセル番号Ｎの正規化データであり、
ｈは分割ピッチである。

次に差分データに基づいて極値存在区間を検出する。極
大値は微分係数が正から負へ、極小値は負から正へ変化
した点であるので、（５）式で求めた差分データの符号
の変化より極値の存在区間が検出できる。第５図に差分
データ作成フローチャートを示す。

次に、極値存在区間の前後のデータを用いて極値位置を
内装することにより極値位置を検出する。

通常は差分データの符号が変化した分割ピッチ刻みの３
点のデータを用いて２次補間すれば充分である。この補
間により極値の位置をイメージセンサのセルの間も含め
て決定出来る。

この極値の位置を読換えるためには前もってイメージセ
ンサのセル番号と波長との対応関係を知る必要がある。

この対応はブランクデータ測定時に反射板の上に波長既
知の干渉フィルタを置いて測定し、そのピーク位置を求
めることにより知ることが出来る。

この様にして複数の極大波長、極小波長が判れば隣接す
る極大波長（もしくは極小波長）より（３）式に基づい
て膜厚を計算する。この時、複数の結果を演算してその
平均値を求めても良い。

また、非常に薄いフィルムの様に測定波長領域に１周期
以下しか分光波形が入らない場合には（３）式を変型し
て、極大波長と極小波長の組合せで膜厚を計算すること
が好ましい。

（作　用）以上、詳述した様に本発明に係る方法は、光学系および
マイクロコンピュータ等の演算手段を用いて、予想膜厚
に応じて定められる分割ピッチ刻みで分光強度波形の差
分データを作成し、その差分データに基づいて極値存在
区間を捜して極値に対応する波長位置を求める。

（実施例）以下、実施例で本発明の詳細な説明する。

光源としてハロゲンランプを使用し、平面回折格子は５
５０〜８５０ｎｍに充分感度のあるブレーズ波長：５０
０ｎ１１１溝数：１２００本／ｌ１１ｍ、有効領域：　
３０ｍｍｘ　３０ｍｍのものを用いた。

また、イメージセンサは２０４８セルで構成されるＣＣ
Ｄタイプのものを用いた。Ａ／Ｄ変換器はフルスケール
１２ビツト（４０９６段階）のものを使用した。ざらに
平滑化は単純移動平均とし２３＝８点の移動平均とした
。また、正規化の際は平滑化データを２１０＝１０２４
倍した後にブランクデータで割返した。

第６図にブランクデータの分光波形を示す。これより光
学系の特性が一様でないことが判る。

第７（ａ）、（ｂ）図に、圧接法の膜厚測定結果が２．
７μのポリエステルフィルムを本発明の方法で膜厚測定
した場合の平滑化データ、および正規化データを示す。

本発明の方法による膜厚測定結果は２．８４μであった
。第８（ａ）、（ｂ）図は同じく、圧接法の膜厚測定結
果が９．２μのポリエステルフィルムを本発明の方法で
膜厚測定した場合の平滑化データ、および正規化データ
を示したものである。この膜厚測定結果は９．３３μで
あった。

本実施例より本発明の方法を用いれば、予想膜厚に応じ
て分割ピッチが定められるので測定膜厚が変化しても高
精度に極値の波長を求めることが出来、高精度に膜厚を
測定することが出来ることが判る。

以上の手順はマイクロコンピュータにより全てコントロ
ールされ自動的に行なわれる。

測定されるサンプルが異なる場合には予想膜厚の入力か
ら再度行なえば良い。

（発明の効果）以上説明した様に、本発明の膜厚測定方法は予想される
膜厚に応じて分割ピッチを決定し、その分割ピッチで極
値存在区間を捜した後に極値の位置を決定し、その推定
波長を用いて膜厚を演算する方法であるので０．３μ程
度の薄いフィルムから２０μ程度の厚いフィルムまで高
精度な測定が行なえる。

さらに、本発明に係る方法を用いれば極値に対応する波
長の決定が迅速に行なえるので測定全体の高速化が行な
え、走行しているフィルムの幅方向の膜厚分布を測定す
るインライン測定にも適用する事が可能である。

なお、上記実施例においては、測定部が反射光を受光す
る方法について説明したが、測定部が透過光を受光する
方法でも全く同様である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法を実施するための光学系全体
の概略構成図、第２図は薄膜による分光強度の波形を示
す模式図、第３図は膜厚測定に必要な演算処理を示すフ
ローチャート、第４図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ
分割ピッチが４等分の場合と６等分の場合を示す図、第
５図は差分データを作成するフローチャート、第６図は
ブランクデータ、第７（ａ）、（ｂ）図は、圧接法の膜
厚測定結果が２．７μのポリエステルフィルムを本発明
の方法で膜厚測定した場合の平滑化データ、および正規
化データを示す図、第８（ａ）、（ｂ）図は、圧接法の
膜厚測定結果が９．２μのポリエステルフィルムを本発
明の方法で膜厚測定した場合の平滑化データ、および正
規化データを示した図である。１・・・光源２・・・レンズ３・・・ピンホール４・・・平面回折格子５・・・結像レンズ６・・・イメージセンサ７・・・バッファアンプ８・−Ａ　／　Ｄ変換器９・・・マイクロコンピュータ１０・・・イメージセンサ駆動回路１１・・・測定対象フィルム

Claims

【特許請求の範囲】薄膜に一定の入射角で白色光を照射し、その反射光もし
くは透過光を分光して分光強度の波形を測定し、薄膜に
よる干渉現象によつて生ずる分光強度の強弱の波長位置
から膜厚を測定する方法において、測定すべき薄膜の予想膜厚に応じて分光強度の波形の一
周期を所定の数で等分する様に分割ピッチを定め、その
分割ピッチ刻みの波長位置の分光強度に基づいて分光強
度の極大または極小の波長位置を定めて膜厚を測定する
事を特徴とする膜厚測定方法。