JPS6252405A - 光学薄膜の膜厚測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガラス基板上に成膜された透明な光学薄膜の
膜厚測定装置に関するものである。

〔従来の技術、および発明が解決しようとする問題点〕

ガラス基板上に成膜された透明な光学薄膜の膜厚の測定
法としては、種々の方法が従来より用いられてきたが、
測定に時間がかかったり、測定物に加工が必要だったり
、あるいはまた、大型ガラス基板の測定をするには、大
がかりな装置が必要になったりするなど大型ガラス用と
しては不向きであった。このため、ガラス基板上に成膜
された透明な光学薄膜の薄膜分布を求めることは非常に
困難であった。

また、薄膜の干渉色を見れば、膜厚を推定できることは
従来から知られていたが、異なった膜厚でも同色相を示
こともあり、膜厚を特定することは困難であった。

本発明の目的は前記従来の薄膜測定法の欠点を解消し、
薄膜の干渉色の色度Ｙｘｙを測定することにより、膜厚
の測定時間が短く、測定装置が大型化せず、正確に膜厚
を求められ、更に、ガラス基板上の膜厚分布を容易に求
めることができる光学薄膜の膜厚測定装置を提供するこ
とである。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的を達成する本発明の光学薄膜の膜厚測定装置は
、ガラス等の基板上の薄膜の膜厚を測定する光学薄膜の
膜厚測定装置であって、閃光を発する発光手段と、薄膜
からの発光手段の反射光、および、発光手段の直接光を
次段に伝える光ファイバを備えた測定ヘッドと、この測
定ヘッドを測定する基板上の任意の位置に移動させる測
定ヘッド移動機構および移動制御部と、前記測定ヘッド
からの光から膜厚を演算し、かつ前記測定ヘッドの移動
制御部からの測定ヘッドの位置情報により前記基板上の
膜厚分布を求める演算部を有することを特徴としている
。

〔実施例〕

以下添付図面を用いて本発明の実施例について説明する
。

第１図囚は本発明の一実施例の装置の主要構成部を示す
図であり、第１図■は第１図囚のＢ−Ｂ線における断面
図である。ｌは測定しようとする薄膜が成膜されている
ガラス基板、２は膜厚を測定しようとする薄膜、３は薄
膜２が成膜されている側とは反対側のガラス基板上に塗
布された、黒色塗膜である。

１０は前記ガラス基板１よりも大きな固定枠で、その内
縁部１０ａにガラス基板１が動かないように固定されて
いる。２０は光源及び光ファイバを内蔵した測定ヘッド
で、この測定ヘッド２０は、固定枠１０の対向する壁と
壁の間にかけ渡された移動体１１に、その長手方向に摺
動自在に取付られている。

この実施例では測定ヘッド２０の側面にモータ１２が固
着されており、その回転軸に設けられたピニオン１２ａ
が前記移動体１１の側面に設けられたう・ツク１１ａに
かみ合っており、モータ１２の回転により測定ヘッド２
０が移動体１１の上を動くようになっている。

また、前記移動体１１内を貫通軸１４が通っており、こ
の貫通軸１４の両端部に設けられたピニオン１５は、前
記固定枠１０の対向する壁にガラス基板１と平行に設け
られたラック１０ｂにかみ合っている。そして、移動体
１１の側面に取付られたモータ１３の回転軸に設けられ
たギヤ１３ａがピニオン１５の一方にかみ合っており、
モータ１３の回転により移動体１１がラック上を動くよ
うになっている。

更に、前記モータ１２．１３は測定ヘッドの移動制御部
３００にそれぞれ接続されており、この移動制御部３０
０からの指令により独立して回転することができる。

従って、以上のように構成された測定ヘッドの移動機構
により、測定ヘッド２０はガラス基板１上の任意の点に
位置することができる。１００は測定ヘッド２０に接続
し、測定ヘッド２０の光ファイバからの光をスペクトル
三刺激値ＸＹＺに分解して測光する測光部であり、この
測光部１００および前記移動制御部３００は共に演算部
２００に接続されている。この演算部２００は測光部１
００から三刺激値の情報を、移動制御部３００から測定
ヘッド２０の位置の座標信号を受は取る。

次に、各ブロックの構成について第４図〜第６図を用い
て説明する。まず、第４図を見ると、測定ヘッド２０は
、発光手段であるＸｅランプ３０と、これを点灯させる
Ｘｓクランプ動部４０と、光ファイバ５０．６０．７０
とから構成されている。光ファイバ５０はまた、光ファ
イバ５１．５２．５３に分岐され、光ファイバー６０は
、光ファイバ６１．６２．６３に分岐されている。これ
らは第５図に示すように組立てられている。即ち、ケー
ス２１内にＸｅ　ランプ３０、光ファイバ５０．６０等
が収められている。２２は反射筒で、円錐台形状をして
いる。２３は光導入筒で、その入口に光ファイバ５０が
挿入されており、その周囲にＸｅランプ３０および遮蔽
板２４が設置され、光ファイバが挿入されている口の反
対の端面の周囲には光拡散板２５が取り付けられている
。光ファイバ６０は、光ファイバ５０とは別にケース２
１内に導入されている。今ここで、Ｘｅランプ３０が発
光すると、光はケース２１の内面で反射を繰り返し、拡
散板２５の表から拡散光として外に出る。反射筒２２の
開口部Ａの面に測定しようとする薄膜形成されたガラス
板が設置されているが、拡散した光はＡ部のガラス面で
反射し、その一部が光導入筒２３の中に入ってくる。そ
の光は光ファイバ５０を通じて、次のブロックに送られ
る。すなわち、本測定ヘッドによれば、ＪＩＳ　８７２
２に規定する拡散照明−垂直受光の条件が満たされるこ
とになる。光ファイバ６０は反射光でなく、Ｘｅランプ
の発光そのもの（直接光）を検出し、ランプの変動を補
正するために用いるものである。

第４図における測光部１００は、１０１〜１０６のフィ
ルタ、１１１−１１６の受光素子、１２１−１２６の測
光回路から成っている。フィルタ１０１〜１０６は、そ
れぞれ、光ファイバ５１〜５３．６１〜６３の一端に設
けられ、反射光及びＸｅランプの光を受けるようになっ
ている。受光素子１１１〜１１６は、フィルタ１０１〜
１０６の背後に設けられており、光を検出する。測光回
路１２１〜１２６は全て同じ構成をしており、その実施
回路の一例を第７図に示す。１３０は受光素子１１１に
直列接続されたバイアス電圧源、１３１は増幅用オペア
ンプ、１３２　、１３３はオペアンプ１３１に接続され
た抵抗である。このオペアンプ１３１により、受光素子
１１１で検出された光は、電圧に変換増幅される。１３
４はダイオード、１３５はダイオード１３４に直列接続
された抵抗、１３６は充電用コンデンサ、１３７は、図
示していないが、後述するＣＰＵからの指令により０Ｎ
−ＯＦＦ　して、コンデンサ１３６の電荷を放電させる
スイッチ、１３８はオペアンプで、電圧フォロワの役目
を有している。１３４〜１３Ｂの回路素子により、ピー
クホールドの機能をこの測光回路１２１は持っている。

フィルタ１０１〜１０６の透過特性は３種類ある。

その透過特性は、いわゆるルータ条件を満たす特性を有
している。ルータ条件とは、光源の分光エネルギー分布
をＰ（λ）、３種類のフィルタの透過特性をＴｘ（λ）
　、　ＴＶ（λ）　、　ＴＺ（λ）、受光素子の分光感
度特性をＳ（λ）、標準の光Ｃの分光エネルギー分布を
ＰＣ（λ）、スペクトル三刺激値をｉλ）、ＮＪ）、ｎ
λ）　とすると、次式で表わされる。

Ｐ（λ）・Ｔｘ（λ）・Ｓ（λ）＝Ｐｃ（λ）　・ｉλ
）Ｐ（λ）・ＴＶ（λ）・Ｓ（λ）＝Ｐｃ（λ）・Ｔλ
）Ｐ（λ）　−ＴＺ（λ）・Ｓ（λ）＝Ｐｃ（λ）ヘホ
λ）以上の条件を満たすフィルタを通り、受光素子で検
出された光の総合感度特性は、第６図に示すようになる
。フィルタ１０１と１０４は、第６図中のＹで示す感度
特性を有するような透過特性を゛持ち、フィルタ１０２
　と１０５は、Ｔの、フィルタ１０３　と１０６は、Ｔ
の特性を持っている。なおここでマの特性は２つの山を
持っており、フィルタ特性の実現は困難であるためＴの
短波長側の山は、Ｔの特性と相似的であることを利用し
、Ｔの特性に係数を掛けて用いても良い。

次に第４図の演算部２００の構成について説明する。演
算部２００の中心をなすのは、マイクロプロセッサを用
いたＣＰＵ２１０である。その周辺にパスラインを介し
て、メモリ２２０、バッファメモリ２３０．２４０．　
Ｉ　１０２５０，２６０　、Ａ／Ｄ変換器２７０、マル
チプレクサ２８０、入力部２９０、表示部３００　、Ｘ
ｅランプ制御部３１０、発光ダイオード３２０などが接
続されている。

そこで次に、本発明の装置を用いて膜厚を測定する方法
について、第１図〜第４図を参照し、第８図のフローチ
ャートを用いて説明する。

第４図の入力部２９０から測定開始のスタート信号を入
れると（ステップの）、まず、測定ヘッド移動制御部３
００のモータ駆動部３４０がｌ１０３００を介して働き
、モータ１２．１３を駆動して測定ヘッド２０を測定原
点、例えば第１図囚のガラス基板１の左上隅に移動させ
る（ステップ■）。この位置はリミットスイッチあるい
はポテンショメータなどを固定枠１０、移動体１１上に
設けておくことで容易に実現できる。測定ヘッド２０を
原点に移動すると測定ヘッド移動制御部３００はその位
置、すなわち座標（０，Ｏ）を演算部２００に送り、以
後測定ヘッド２０をガラス基板１上で移動させた時は、
この原点（０，０）からの座標で測定ヘッド２０の位置
を表し、その情報を演算部２００に送ることになる（ス
テップ■）。

次に、メモリ２２０に入れておいたプログラムに沿って
、ＣＰ　Ｕ２１０からｌ　／　Ｏ２５０，２６０を介し
てＸｅランプ制御部３１０に信号が行き、発光ダイオー
ド３２０が発光する。この光は光ファイバー７０により
、Ｘｅランプ駆動部４０に伝えられ、Ｘｅランプ３０を
発光させる（ステップ■）。この光はガラス基板１と薄
膜２の表面で反射してくる。この反射光は、薄膜の光干
渉により、波長により反射強度が異なっており、色づい
ている。なお、ガラス基板１の裏面の黒色塗膜３は、Ｘ
ｅランプ３０の光が、ガラス基板１の裏面で極力反射し
ないようにするためのものである。

反射光は光ファイバー５０より導光され、光ファイバ５
１．５２．５３により等分割されて、それぞれ、フィル
タ１０１、．１０２．１０３の方に導びかれる。一方、
光ファイバ６０は、Ｘｅランプ３０の直接光を導光し、
光ファイバ６１．６２．６３で分割して、フィルタ１０
４゜１０５、１０６の方に導く。この光ファイバ６０に
より導かれた直接光は、Ｘｅランプ３０、即ち光源のモ
ニタ光であり、電圧変動や経時変化によるＸｅランプ３
０の光量変化を、後述する演算時に補正するためのもの
である。光フィルタ１０１〜１０６を通った反射光およ
びモニタ光は、受光素子１１１〜１１６で検出され、測
光回路１２１〜１２６で増幅されてピークホールドされ
る（ステップ■、■）。このピークホールドされた値は
、光ファイバ５０を通ってきた光の場合は、反射光がそ
れぞれの測光回路により色の三刺激値ＸＹｚに分解され
たものとなる。

モニター光の場合も同様である。上記のピークホールド
された電圧は、マルチプレクサ２８０により順次Ａ／Ｄ
変換器２７０に送られ（ステップ■）、ディジタル値に
変換された後（ステップ■）、バッファメモリ２３０に
一時格納される。ＣＰ　Ｕ２１０は、上記反射光の三刺
激値と、モニタ光の三刺激値から光源の発光変動を補正
して、基の反射光の三刺激値ＸＹＺを得る（ステップ■
）。

次に、前記ｘｙｚから色度座標ｘｙを、ＣＰＵ２１０は
計算する。ＸＹＺと、ｘｙの関係は次のようである。

ｘ＝Ｘ／　（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） ）’−Ｙ／　（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） これにより、反射光の色度座標Ｙｘｙは求められたこと
になる（ステップ［相］）。

次にＹｘｙから膜厚を求める方法について説明する。ま
ず、ガラス基板１上に薄膜２がある場合の反射光の色度
がどうなるかをあらかじめ計算しておく。この計算方法
は、通常の、単層膜の光の干渉理論により求められるの
で詳述を避け、結果を第２図に示す。第２図は薄膜２が
ＴｉＯ□で、その屈折率は光の波長が５００ｎｍの時〜
２，６８で、６００ｎ…の時２．５９であるような波長
分散性を持つ場合について計算しである。図中・印は、
Ｔｉ０ｚの膜厚が４ｎｍ毎の値を示しＸ印は２０ｎｍ毎
の値であり、数字はＴｉＯ□の膜厚である。このｘｙＯ
値と膜厚の関係を（Ｘ４　、ｙ＝　、膜厚）の形でメモ
リ２２０に格納しておく。そこで、測定されたｘｙＯ値
から、膜厚を求める方法は、測定値ｘ、ｙと、メモリ値
ｘｉ＋　　ＹｉＯ間でもっとも近い値を捜すことである
。すなわちθ＝ｊ　ｘ−ｘ、　＋　ｙ−ｙｉが最小にな
るようなＸｉ＋　　ｙｉを捜し出し、その時の膜厚が求
める値となるわけである（ステップ０）。この時、膜厚
の値は、前述したようなｄｎｍ毎でなく、もっと細く、
たとえばｌｎｍ毎にとっておけばそれだけ精度は向上す
る。あるいはまた、隣りあったデータで、θが最も小さ
くなるような２点から補間法で、膜厚を求めても良い。

そこでたとえば、測定したＸｔｙが第２図に示す○印の
点Ｐ　（ｘ　＝０．３３　、　）’　＝０．２２）であ
ったとする。前述した方法により、膜厚は、９６．５ｎ
ｍか、１９５ｒ＋＋ｗであるとわかる。次に、このいず
れの膜厚値が真の値であるかを決めなければならない。

そのためには、Ｙの値を用いる。第３図はＹの値と膜厚
の関係を表わしたもので、この関係も（Ｙｉ　、膜厚）
の形でメモリ２２０の中に格納しておく。測定したＹ値
、ここでは、Ｘ　−０，３３、７−０，２２、Ｙ　−１
０％とすると、膜厚は９６．５ｎ−の方であることがわ
かる（ステップ＠）。得られた結果は測定ヘッド２ｏの
位置座標のデータと共にメモリ２２０に保管される（ス
テップ０）。

一点の膜厚測定を終了すると、ステップ［相］で膜厚測
定が終了したか否かの判定を行う。膜厚の測定点が設定
数に達していない時は、このステップ［相］でＮＯとな
り、ＣＰ　Ｕ２１０はメモリ２２０のプログラムに従っ
て測定ヘッド移動制御部３００に指令を出し、予め定め
られた量だけ測定ヘッド２０を移動させ（ステップ［相
］）、その後ステップ■に戻って膜厚測定をくり返す。

ガラス基板１の上の定められた測定点の膜厚測定を全て
終了すると、ステップ［相］でＹＥＳとなってステップ
［相］に移行する。ステップ［相］ではＣＰＵ２１０は
これまでの測定値を全てメモリ２２０から呼出し、ガラ
ス基板１の大きさに対応して膜厚分布図を作成し、これ
を表示部４００により表示するので、測定者はこの表示
によって膜厚の分布を知ることができる（ステップＯ）
。

以上の方法により、薄膜の膜厚を求めることができるわ
けであるが、上述したのは、屈折率がわかっている薄膜
の場合であった。しかしながら、同じＴｉｅ、薄膜でも
、成膜方法により屈折率は若干具なるわけで、その場合
、前述した方法では、求める膜厚に多少の誤差が生じる
場合がある。そこで、そういう場合は、予め屈折率を種
々の値にふらせて、第２図、第３図に示すようなデータ
を計算しておく。即ち、（ＹＬ、に＝　、）’ｉ　、屈
折率、膜厚）の形で、メモリ２２０に格納しておく。

そこで、 θ　”７　　　　Ｘ−Ｘｔ　　　　　十　　Ｙ　　　　
’／ａ　　　　　＋　　Ｙ　　　　Ｙｉが最小となるよ
うな、屈折率、膜厚の組合せデータを選び出せば、その
値が真価となるわけである。

この手法はまた、吸収のある膜、即ち、屈折率ｎがｎ＝
ｎ’−ｉｋの複素屈折率となる場合にも適用できる。な
お、以上に述べたのは単層膜の場合であったが多層膜の
場合も本発明は適用できる。

例えば２層膜の場合は、ガラス基板上にＴｉＯ□膜が成
膜されており、その上に５ｉＯ１膜が成膜されている場
合、ＴｔＯｚの屈折率、膜厚が予めわかっていれば、Ｓ
ｉ島膜の屈折率、膜厚を種々変えて、第２図のごときデ
ータを計算して、メモリ２２０に入れておけば良いわけ
である。

次にガラス裏面からの反射を抑えるため用いた黒色塗膜
３のことについて述べる。ガラス面と空気との境界での
反射は約４％あるため、この黒色塗膜３は、測定精度向
上のため必要である。ところが測定のたびに黒色塗膜３
を塗布することはたいへんである。我々の実験では、黒
色塗膜３の代わりに、黒色の粘着テープを使用した。

なお、上述した中で基板としてガラス基板１を用いて説
明してきたが、本発明による装置ではガラス基板だけで
なく、樹脂も用いることができるし、そういった基板上
に金属膜が形成されており、その上に薄膜が成膜されて
いても予め、金属膜の複素屈折率を、他の方法、たとえ
ばエリプソメータなどにより求めて、やはり第２図のよ
うなデータを計算しメモリ２２０内に格納しておけば良
い。

〔発明の効果〕

以上述べてきた装置によれば、薄膜の干渉による反射光
の色を分析することにより、ガラス等の基板上の薄膜の
膜厚を多点に渡って測定し、その分布を求めることがで
きるので、従来から薄膜の膜厚測定法として用いられて
きた、分光法、エリプソメトリ−法、段差針法などと比
べ、次のような利点があり、非常に有用である。

１、回折格子を用いた分光法に比べ、本装置は小型の発
光手段、光ファイバ、フィルタを用いているため、装置
が小型となり、波長スキャンの必要がないため、一点の
測定時間は不活性ガスランプの発光時間０．５　ｍ５ｅ
ｃと、計算時間のごくわずかな時間ですむので、基板上
の膜厚分布を短時間で求めることができる。

２、装置が小型になるので、大型ガラスの膜厚分布の測
定も容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図囚は本発明の主要構成を示す概略図、第１図■は
第１図囚のＢ−Ｂ線における断面図、第２図はガラス基
板上に薄膜がある場合の反射光の色度を示す線図、第３
図は薄膜厚と三刺激値の一つであるＹとの関係を示す線
図、第４図は本発明の光学薄膜の膜厚測定装置の一実施
例の構成を詳細に示す構成図、第５図は本発明の測定ヘ
ッドの一例の構成を拡大して示す断面図、第６図はルー
タ条件を満たすフィルタを通り受光素子で検出された光
の一総合感度特性を示す線図、第７図は第４図の測光回
路の回路構成を示す回路図、第８図は本発明の光学薄膜
の膜厚測定装置の制御手順を示すフローチャート図であ
る。 １・・・ガラス基板、　　２・・・薄膜、３・・・黒色
塗装、　　１０・・・固定枠、１１・・・移動体、 １０ｂ、　ｌｌａ・・・ラック、 １２、１３・・・モータ、 １２ａ、　１５・・・ピニオン、 １４・・・貫通軸、　　　２０・・・測定ヘッド、２１
・・・ケース、　　　２２・・・反射筒、２３・・・光
導入筒、　　２４・・・遮蔽板、２５・・・光拡散板、
　　３０・・・Ｘｅランプ、５０〜５３・・・光ファイ
バ、　　− ６０〜６３．７０・・・光ファイバ、 １００・・・測光部、 １０１〜１０６・・・フィルタ、 １１１〜１１６・・・受光素子、 １３０・・・バイアス電圧源、 １３１、１３８・・・オペアンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラス等の基板上の薄膜の膜厚を測定する光学薄膜
   の膜厚測定装置であって、閃光を発する発光手段と、薄
   膜からの発光手段の反射光、および、発光手段の直接光
   を次段に伝える光ファイバを備えた測定ヘッドと、この
   測定ヘッドを測定する基板上の任意の位置に移動させる
   測定ヘッド移動機構および移動制御部と、前記測定ヘッ
   ドからの光から膜厚を演算し、かつ前記測定ヘッドの移
   動制御部からの測定ヘッドの位置情報により前記基板上
   の膜厚分布を求める演算部を有することを特徴とする光
   学薄膜の膜厚測定装置。 ２、該演算部が光ファイバからの光をスペクトル三刺激
   値ＸＹＺに分解して測光する測光部を備え、この三刺激
   値ＸＹＺから色度Ｙｘｙを演算して薄膜の膜厚を求める
   演算部を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の光学薄膜の膜厚測定装置。 ３、該演算部が（Ｙ＿ｉ、ｘ＿ｉ、ｙ＿ｉ、膜厚）のデ
   ータを格納したメモリを有し、測定および演算により得
   られた色度（Ｙ、ｘ、ｙ）と比較して、最も近い組合せ
   のデータの膜厚を測定値とする特許請求の範囲第２項記
   載の光学薄膜の膜厚測定装置。 ４、該演算部が（Ｙ＿ｉ、ｘ＿ｉ、ｙ＿ｉ、屈折率、膜
   厚）のデータを格納したメモリを有し、測定および演算
   により得られた色度（Ｙ、ｘ、ｙ）と比較して、最も近
   い組合せのデータの屈折率と膜厚を測定値とする特許請
   求の範囲第２項記載の光学薄膜の膜厚測定装置。 ５、該ガラス等の基板の裏面には、反射防止処理が施さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の光学薄膜の膜厚測
   定装置。 ６、該反射防止処理が黒色塗膜である特許請求の範囲第
   ５項記載の光学薄膜の膜厚測定装置。 ７、該反射防止処理が黒色粘着テープなどの貼着である
   特許請求の範囲第５項記載の光学薄膜の膜厚測定装置。 ８、該反射防止処理がガラス等基板の裏面への黒色樹脂
   フィルムの真空吸着である特許請求の範囲第５項記載の
   光学薄膜の膜厚測定装置。