JP2012112760A - Method and apparatus for measuring film thickness - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for measuring a film thickness capable of accurately measuring even a film having a thick film thickness and birefringence, to solve such a problem of a film thickness measuring apparatus for measuring a film thickness of a film from a peak of a power spectrum by an optical spectrum of light reflected from the surface and rear surface of the film that the thickness of the film cannot be measured when it is thick and since the peak in the film having the birefringence has bimodality, an error becomes large.SOLUTION: This method for measuring a film thickness includes: applying polarized light to a film, calculating a retardation from the light passing through the film, and calculating the film thickness from the retardation and a refractive index difference of the film. This method can accurately measure the thickness of a film having a thick film thickness and the birefringence.

Description

本発明は、フィルムなどの膜厚を測定する方法および装置に関し、特に厚さが数十μｍ以上の複屈折性を有するフィルムの厚さ測定に用いて好適な膜厚測定方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a method and apparatus for measuring a film thickness of a film or the like, and more particularly to a film thickness measuring method and apparatus suitable for use in measuring the thickness of a film having birefringence with a thickness of several tens of μm or more. is there.

図４に、光の干渉を利用した、フィルムの膜厚測定装置の構成を示す。図４において、光源１０の白色出力光は光ファイバプローブ１１を経由して、膜厚を測定するフィルム１２に照射される。   FIG. 4 shows the configuration of a film thickness measuring apparatus using light interference. In FIG. 4, the white output light of the light source 10 is irradiated to the film 12 for measuring the film thickness via the optical fiber probe 11.

フィルム１２の表面および裏面から反射した反射光は光ファイバプローブ１１を経由して分光部１３に入力される。分光部１３は入力された反射光を分光し、電気信号に変換して反射分光スペクトルを生成し、演算部１４に出力する。演算部１４は入力された反射分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出し、このパワースペクトルのピークの位置からフィルム１２の膜厚を測定する。   The reflected light reflected from the front and back surfaces of the film 12 is input to the spectroscopic unit 13 via the optical fiber probe 11. The spectroscopic unit 13 splits the input reflected light, converts it into an electrical signal, generates a reflected spectral spectrum, and outputs it to the computing unit 14. The calculation unit 14 performs Fourier transform on the input reflection spectrum and calculates a power spectrum, and measures the film thickness of the film 12 from the peak position of the power spectrum.

フィルム１２の表面から反射した反射光と裏面から反射した反射光は干渉し、干渉縞を生じる。このため、反射分光スペクトルのパワースペクトルには、この干渉縞に起因するピークが表れる。演算部１４は、このピークの位置から光学膜厚を求め、この光学膜厚とフィルム１２の屈折率から物理膜厚を算出する。   The reflected light reflected from the front surface of the film 12 and the reflected light reflected from the back surface interfere with each other to generate interference fringes. For this reason, a peak due to this interference fringe appears in the power spectrum of the reflection spectrum. The calculation unit 14 calculates the optical film thickness from the position of this peak, and calculates the physical film thickness from the optical film thickness and the refractive index of the film 12.

特許文献１には、このような原理でフィルムの膜厚を測定する膜厚測定装置の発明が記載されている。   Patent Document 1 describes an invention of a film thickness measuring device that measures the film thickness of a film based on such a principle.

複屈折性を有するフィルムの製造工程における品質管理の指標として、リタデーションが用いられる。複屈折性を有するフィルムは、光軸に平行な偏光成分が感じる屈折率と、光軸に垂直な偏光成分が感じる屈折率が異なるという特性を有している。リタデーションは、下記（１）式で算出することができる。なお、δｎは屈折率の差、ｄは被測定フィルムの膜厚である。
リタデーション＝δｎ×ｄ ・・・・・・・ （１） Retardation is used as an index of quality control in the production process of a film having birefringence. A film having birefringence has a characteristic that a refractive index felt by a polarized component parallel to the optical axis is different from a refractive index felt by a polarized component perpendicular to the optical axis. Retardation can be calculated by the following equation (1). Here, δn is the difference in refractive index, and d is the film thickness of the film to be measured.
Retardation = δn × d (1)

図５に、リタデーション測定装置の構成を示す。図５において、光源２０の出力光である白色光は偏光板２１で偏光され、リタデーションを測定するフィルム２３に照射される。２２は偏光板２１を回転させる偏光板回転部である。   FIG. 5 shows the configuration of the retardation measuring device. In FIG. 5, the white light which is the output light of the light source 20 is polarized by the polarizing plate 21 and irradiated to the film 23 for measuring retardation. A polarizing plate rotating unit 22 rotates the polarizing plate 21.

フィルム２３を透過した光は検光板２４で検光され、プローブ２６、光ファイバ２７を経由して分光部２８に入力される。２５は検光板２４を回転させる検光板回転部である。   The light transmitted through the film 23 is detected by the light detection plate 24 and input to the spectroscopic unit 28 via the probe 26 and the optical fiber 27. Reference numeral 25 denotes a light detection plate rotating unit that rotates the light detection plate 24.

分光部２８は入力された光を分光し、電気信号に変換して分光スペクトルを生成し、演算部２９に出力する。演算部２９は、入力された分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルのピーク位置からリタデーションを算出する。   The spectroscopic unit 28 splits the input light, converts it into an electrical signal, generates a spectroscopic spectrum, and outputs it to the arithmetic unit 29. The computing unit 29 computes a power spectrum by performing Fourier transform on the input spectral spectrum, and calculates retardation from the peak position of the power spectrum.

リタデーションを測定するためには、偏光板２１と検光板２４の光軸を一致させなければならない。偏光板２１とフィルム２３の光軸のなす角度が０度または９０度になるとパワースペクトルのピークが発生しないので、リタデーションを測定できない。このため、演算部２９は最適な測定条件になるように、偏光板回転部２２、検光板回転部２５を介して偏光板２１、検光板２４の光軸の向きを制御する。   In order to measure retardation, the optical axes of the polarizing plate 21 and the analyzer plate 24 must be matched. When the angle formed by the optical axis of the polarizing plate 21 and the film 23 is 0 degree or 90 degrees, the peak of the power spectrum does not occur, so that the retardation cannot be measured. For this reason, the calculating part 29 controls the direction of the optical axis of the polarizing plate 21 and the analyzing plate 24 through the polarizing plate rotating part 22 and the analyzing plate rotating part 25 so that the optimum measurement conditions are obtained.

特許文献２には、平行ニコル状態に置かれた偏光子と検光子の間に被測定試料を挟み、偏光子、試料、検光子を透過した透過光の偏光の方位と強度から、被測定試料の配向と主屈折率の方向を測定するようにした測定方法が記載されている。   In Patent Document 2, a sample to be measured is sandwiched between a polarizer placed in a parallel Nicol state and an analyzer, and the sample to be measured is obtained from the direction and intensity of the polarized light transmitted through the polarizer, the sample, and the analyzer. Describes a method of measuring the orientation and the direction of the main refractive index.

特許文献３には、被測定フィルムによって光が吸収される近赤外光と光が吸収されない近赤外光の透過光強度の比からフィルム厚さを測定する厚み測定装置、および偏光子、被測定フィルム、検光子をこの順に配置し、これらの透過光の強度スペクトルからフィルムの複屈折および配向度を測定する装置が記載されている。   Patent Document 3 discloses a thickness measuring device for measuring a film thickness from a ratio of transmitted light intensity of near infrared light in which light is absorbed by a film to be measured and near infrared light in which light is not absorbed, a polarizer, An apparatus is described in which a measurement film and an analyzer are arranged in this order, and the birefringence and the degree of orientation of the film are measured from the intensity spectrum of the transmitted light.

特開２００８−２９２４７３号公報JP 2008-292473 A 特開２００６−８４２６８号公報JP 2006-84268 A 特開平１１−１０７２８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-10728

しかしながら、このような膜厚測定装置、およびリタデーション測定装置には次のような課題があった。   However, such a film thickness measuring apparatus and retardation measuring apparatus have the following problems.

図４の膜厚測定装置は、フィルム１２の膜厚が０．１〜２００μｍ程度の薄膜では精度よく膜厚を測定することができるが、それ以上の膜厚のフィルムでは干渉が発生し難くなるので、精度よく膜厚を測定することが困難であるという課題があった。   The film thickness measuring apparatus of FIG. 4 can accurately measure the film thickness when the film 12 is a thin film having a thickness of about 0.1 to 200 μm, but interference is less likely to occur with a film having a film thickness larger than that. Therefore, there is a problem that it is difficult to accurately measure the film thickness.

また、複屈折性を有するフィルムは異なった２つの屈折率を有するので、パワースペクトルのピークが双峰性になり、正確な膜厚を測定することが難しいという課題もあった。従来は双峰性ピークの加重平均を取るなどして測定精度を高めるようにしていたが、正確な膜厚を測定することは困難であった。   In addition, since the birefringent film has two different refractive indexes, the peak of the power spectrum becomes bimodal, and there is a problem that it is difficult to measure an accurate film thickness. Conventionally, measurement accuracy has been improved by taking a weighted average of bimodal peaks, but it has been difficult to measure an accurate film thickness.

特許文献３に記載された厚み測定装置は、フィルムに吸収される波長の光と吸収されない波長の光が必要であるが、これらの波長を選択することが困難な場合もあるので、測定に制限があるという課題があった。   The thickness measuring device described in Patent Document 3 requires light of a wavelength that is absorbed by the film and light of a wavelength that is not absorbed by the film. However, since it may be difficult to select these wavelengths, the measurement is limited. There was a problem that there was.

図４のリタデーション測定装置はリタデーションを測定する装置であり、膜厚を直接測定することができないという課題があった。   The retardation measuring apparatus in FIG. 4 is an apparatus for measuring retardation, and has a problem that the film thickness cannot be directly measured.

また、フィルム２３の両側に偏光板２１と検光板２４を配置して、これら偏光板２１と検光板２４を光軸が一致するように同期して回転しなければならないので、被測定フィルムが移動するオンライン測定に用いると高度な同期制御が必要になり、装置が複雑になってしまうという課題があった。   Further, since the polarizing plate 21 and the analyzing plate 24 are disposed on both sides of the film 23 and the polarizing plate 21 and the analyzing plate 24 must be rotated in synchronization with each other so that the optical axes coincide with each other, the film to be measured moves. When used for on-line measurement, there is a problem that sophisticated synchronization control is required and the apparatus becomes complicated.

さらに、偏光板２１と検光板２４の同期がずれると測定誤差が増大してしまうという課題もあった。   Furthermore, there has been a problem that measurement error increases if the polarization plate 21 and the light detection plate 24 are out of synchronization.

本発明の目的は、複屈折性を有し、かつ膜厚が２００μｍ以上のフィルムでも高精度で膜厚を測定することができる膜厚測定方法およびその装置を実現することにある。   An object of the present invention is to realize a film thickness measuring method and apparatus capable of measuring a film thickness with high accuracy even with a film having birefringence and a film thickness of 200 μm or more.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複屈折性を有する被測定物の膜厚を測定する膜厚測定方法において、
偏光された光を被測定物に照射し、この被測定物を透過した光を分光して分光スペクトルを生成して、この分光スペクトルからリタデーションを測定する工程と、
前記測定したリタデーション、および被測定物の屈折率差から、この被測定物の膜厚を演算する工程と、
を具備したものである。膜厚が厚い被測定物でも正確な膜厚を測定できる。 In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
In the film thickness measuring method for measuring the film thickness of the object having birefringence,
Irradiating the object to be measured with polarized light, spectroscopically analyzing the light transmitted through the object to be measured, generating a spectrum, and measuring retardation from the spectrum;
From the measured retardation and the refractive index difference of the measured object, a step of calculating the film thickness of the measured object;
Is provided. An accurate film thickness can be measured even for a thick object.

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記分光スペクトルからパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルの前記被測定物の膜厚に起因するピークから、前記被測定物の屈折率差を算出するようにしたものである。別の装置で被測定物の屈折率を測定する必要がなくなる。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1,
A power spectrum is calculated from the spectral spectrum, and a refractive index difference of the measured object is calculated from a peak due to the film thickness of the measured object of the power spectrum. It is not necessary to measure the refractive index of the object to be measured with another device.

請求項３記載の発明は、
複屈折性を有する被測定物の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
偏光された光を被測定物に照射し、この被測定物を透過した光を分光して分光スペクトルを生成して、この分光スペクトルから前記被測定物のリタデーションを測定するリタデーション測定部と、
前記リタデーション測定部が測定したリタデーションが入力され、この入力されたリタデーションおよび前記被測定物の屈折率差から、前記被測定物の膜厚を演算する膜厚演算部と、
を備えたものである。膜厚が厚い被測定物でも膜厚を測定できる。 The invention described in claim 3
In a film thickness measuring device that measures the film thickness of an object having birefringence,
A retardation measuring unit that irradiates the object to be measured with polarized light, generates a spectrum by spectroscopically analyzing the light transmitted through the object, and measures the retardation of the object to be measured from the spectrum;
The retardation measured by the retardation measuring unit is input, and from the inputted retardation and the refractive index difference of the measured object, a film thickness calculating unit that calculates the film thickness of the measured object,
It is equipped with. The film thickness can be measured even with a thick object to be measured.

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の発明において、
前記リタデーション測定部は、
被測定物に照射する白色光を出力する光源と、
前記光源の出力光を偏光すると共に、前記被測定物から戻ってきた光が入射される偏光板と、
前記被測定物から戻り、かつ前記偏光板を透過した光が入射され、この光の分光スペクトルを生成する分光部と、
前記分光部が生成した分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからリタデーションを演算して出力するリタデーション演算部と、
を備えたものである。検光板を省略できるので複雑な同期制御が必要なく、装置の構成を簡略化できる。 The invention according to claim 4 is the invention according to claim 3,
The retardation measuring unit is
A light source that outputs white light to irradiate the object to be measured;
Polarizing the output light of the light source, and a polarizing plate on which the light returned from the object to be measured is incident,
A light returning from the object to be measured and transmitted through the polarizing plate is incident, and a spectroscopic unit that generates a spectral spectrum of the light;
A spectral spectrum generated by the spectroscopic unit is input, a retardation calculation unit that calculates and outputs a retardation from the spectroscopic spectrum, and
It is equipped with. Since the analyzer plate can be omitted, complicated synchronization control is not required, and the configuration of the apparatus can be simplified.

請求項５記載の発明は、請求項４に記載の発明において、
前記被測定物に対して、前記偏光板と反対側に配置された反射鏡を具備したものである。被測定物を透過した光の大部分を再度被測定物に戻すことができるので、正確な測定が可能になる。 The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4,
With respect to the object to be measured, a reflecting mirror disposed on the opposite side of the polarizing plate is provided. Since most of the light transmitted through the object to be measured can be returned to the object to be measured again, accurate measurement becomes possible.

請求項６記載の発明は、請求項４若しくは請求項５記載の発明において、
前記リタデーション演算部は、
前記分光スペクトルからパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルの前記被測定物の膜厚に起因するピークから、前記被測定物の屈折率差を算出するようにしたものである。別の装置で被測定物の屈折率を測定する必要がなくなる。 The invention according to claim 6 is the invention according to claim 4 or claim 5,
The retardation calculator is
A power spectrum is calculated from the spectral spectrum, and a refractive index difference of the measured object is calculated from a peak due to the film thickness of the measured object of the power spectrum. It is not necessary to measure the refractive index of the object to be measured with another device.

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、３、４、５、および６の発明によれば、偏光した光を被測定物に照射し、この被測定物から戻った光を分光して分光スペクトルを生成し、この分光スペクトルに基づいてリタデーションを演算して、このリタデーションと被測定物の屈折率差から膜厚を算出するようにした。 The present invention has the following effects.
According to the first, second, third, fourth, fifth, and sixth aspects of the invention, the object to be measured is irradiated with polarized light, the light returned from the object to be measured is dispersed, and a spectrum is generated. The retardation was calculated based on the spectral spectrum, and the film thickness was calculated from the retardation and the refractive index difference between the object to be measured.

複屈折率性を有する被測定物でも、正確な膜厚を測定することができるという効果がある。また、光干渉式の膜厚測定装置で測定が困難な２００μｍ以上の厚い膜厚を有する被測定物でも、正確な膜厚を測定することができるという効果もある。   Even with an object to be measured having birefringence, there is an effect that an accurate film thickness can be measured. In addition, there is also an effect that an accurate film thickness can be measured even with an object to be measured having a film thickness of 200 μm or more, which is difficult to measure with an optical interference type film thickness measuring apparatus.

また、リタデーション測定部として、偏光板で白色光を偏光して被測定物に照射し、被測定物から戻ってきた光を再度同じ偏光板に入射する構成を用いることにより、検光板を省略できる。このため、偏光板と検光板を同期して回転することが不要になるので、被測定物が移動するオンライン測定に用いても、装置の構成を簡単にすることができるという効果もある。   Further, as the retardation measuring unit, the analyzer can be omitted by using a configuration in which white light is polarized by the polarizing plate and irradiated on the object to be measured, and light returned from the object to be measured is incident on the same polarizing plate again. . For this reason, since it is not necessary to rotate the polarizing plate and the light detection plate in synchronization, there is also an effect that the configuration of the apparatus can be simplified even when used for on-line measurement in which the object to be measured moves.

このため、装置の原価、故障率を低減でき、かつ偏光板と検光板の角度ずれが発生しないので、測定精度を高めることができるという効果もある。また、光が被測定物を２度透過するので、測定感度を高めることができるという効果もある。   For this reason, the cost and the failure rate of the apparatus can be reduced, and the angle deviation between the polarizing plate and the light detection plate does not occur, so that the measurement accuracy can be improved. In addition, since the light passes through the object to be measured twice, there is an effect that the measurement sensitivity can be increased.

さらに、分光スペクトルのパワースペクトルの膜厚に起因するピークから被測定物の屈折率差を算出することにより、別に屈折率を測定する手間を省くことができるという効果もある。   Furthermore, by calculating the refractive index difference of the object to be measured from the peak due to the film thickness of the power spectrum of the spectral spectrum, there is also an effect that it is possible to save the trouble of measuring the refractive index separately.

本発明の一実施例を示した構成図である。It is the block diagram which showed one Example of this invention. 図１の装置の動作を説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating operation | movement of the apparatus of FIG. 本発明の他の実施例の動作を説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating operation | movement of the other Example of this invention. 従来の膜厚測定装置の構成図である。It is a block diagram of the conventional film thickness measuring apparatus. 従来のリタデーション測定装置の構成図である。It is a block diagram of the conventional retardation measuring apparatus.

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。本発明は複屈折性を有するフィルムを対象とし、このフィルムのリタデーションを測定し、このリタデーション値と別に測定したフィルムの屈折率差から、当該フィルムの膜厚を算出するものである。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention targets a film having birefringence, measures the retardation of the film, and calculates the film thickness of the film from the refractive index difference of the film measured separately from the retardation value.

図１は本発明に係る膜厚測定装置の一実施例を示した構成図である。図１において、膜厚測定装置は白色光を出力する光源３０、光ファイバ３１および３６、光プローブ３２、偏光板３３、偏光板回転部３４、反射鏡３５、分光部３７、リタデーション演算部３８、および膜厚演算部３９で構成される。４０は膜厚を測定するフィルムである。   FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a film thickness measuring apparatus according to the present invention. In FIG. 1, the film thickness measuring apparatus includes a light source 30 that outputs white light, optical fibers 31 and 36, an optical probe 32, a polarizing plate 33, a polarizing plate rotating unit 34, a reflecting mirror 35, a spectroscopic unit 37, a retardation calculating unit 38, And a film thickness calculator 39. 40 is a film for measuring the film thickness.

フィルム４０は被測定物に相当する。また、光源３０、光ファイバ３１および３６、光プローブ３２、偏光板３３、偏光板回転部３４、反射鏡３５、分光部３７、リタデーション演算部３８でリタデーション測定部を構成している。   The film 40 corresponds to an object to be measured. In addition, the light source 30, the optical fibers 31 and 36, the optical probe 32, the polarizing plate 33, the polarizing plate rotating unit 34, the reflecting mirror 35, the spectroscopic unit 37, and the retardation calculating unit 38 constitute a retardation measuring unit.

偏光板３３、フィルム４０、反射鏡３５はこの順番に配置される。また、偏光板３３は入射光に対して斜めになるように配置される。この偏光板３３は偏光板回転部３４で回転される。偏光板３３を斜めに配置すると、偏光板３３の表面で反射された光は左方向に反射され、光プローブ３２に入射しないので、測定のＳ／Ｎ比を改善することができる。   The polarizing plate 33, the film 40, and the reflecting mirror 35 are arranged in this order. Further, the polarizing plate 33 is disposed so as to be oblique to the incident light. The polarizing plate 33 is rotated by a polarizing plate rotating unit 34. When the polarizing plate 33 is disposed obliquely, the light reflected by the surface of the polarizing plate 33 is reflected leftward and does not enter the optical probe 32, so that the S / N ratio of the measurement can be improved.

光源３０の白色出力光は光ファイバ３１によって導光され、光プローブ３２に入力される。光プローブ３２は、入力された光を偏光板３３に向かって出射する。この光は、偏光板３３、フィルム４０を透過して反射鏡３５で反射され、再びフィルム４０、偏光板３３を透過して光プローブ３２に入射される。   The white output light of the light source 30 is guided by the optical fiber 31 and input to the optical probe 32. The optical probe 32 emits the input light toward the polarizing plate 33. This light passes through the polarizing plate 33 and the film 40 and is reflected by the reflecting mirror 35, and then passes through the film 40 and the polarizing plate 33 again and enters the optical probe 32.

すなわち、光プローブ３２には、フィルム４０から戻った光が入射される。また、偏光板３３は入射した光を偏光して、フィルム４０に照射する。   That is, the light returned from the film 40 is incident on the optical probe 32. The polarizing plate 33 polarizes incident light and irradiates the film 40.

光プローブ３２に入射されたフィルム４０を透過した光は光ファイバ３６によって導光され、分光部３７に入射される。分光部３７は入射された光を分光、電気信号に変換し、反射分光スペクトルを生成する。この反射分光スペクトルは、分光スペクトルに相当する。   The light transmitted through the film 40 incident on the optical probe 32 is guided by the optical fiber 36 and is incident on the spectroscopic unit 37. The spectroscopic unit 37 converts the incident light into spectroscopic and electrical signals, and generates a reflection spectroscopic spectrum. This reflection spectrum is equivalent to the spectrum.

分光部３７が生成した反射分光スペクトルはリタデーション演算部３８に入力される。リタデーション演算部３８は、入力された反射分光スペクトルからフィルム４０のリタデーションを算出する。   The reflection spectrum generated by the spectroscopic unit 37 is input to the retardation calculation unit 38. The retardation calculating unit 38 calculates the retardation of the film 40 from the input reflection spectrum.

リタデーション演算部３８は、入力された反射分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルのピークの位置からリタデーションを算出する。   The retardation calculation unit 38 performs a Fourier transform on the input reflection spectral spectrum to calculate a power spectrum, and calculates retardation from the peak position of the power spectrum.

フィルム４０に入射される光と、反射鏡３５で反射されてフィルム４０を透過した光は干渉し、リタデーションに起因する干渉縞を生じる。このため、反射分光スペクトルのパワースペクトルにはこの干渉縞に起因するピークが表れる。このピークの位置（波長）がリタデーション値になる。   The light incident on the film 40 and the light reflected by the reflecting mirror 35 and transmitted through the film 40 interfere with each other to generate interference fringes due to retardation. For this reason, a peak due to this interference fringe appears in the power spectrum of the reflection spectrum. The position (wavelength) of this peak is the retardation value.

リタデーションに起因する干渉縞の振幅は、フィルム４０に入射される光の偏光方向によって変化する。フィルム４０に入射する光の偏光方向は、偏光板３３の光軸を回転することによって、変化させることができる。   The amplitude of interference fringes resulting from retardation varies depending on the polarization direction of light incident on the film 40. The polarization direction of light incident on the film 40 can be changed by rotating the optical axis of the polarizing plate 33.

フィルム４０に入射する光の偏光の方向は、偏光板３３を回転してその光軸の角度を変えることにより、変化させることができる。偏光板３３の光軸とフィルム４０の光軸がなす角度が０または９０度のときは干渉縞の振幅が０になり、４５度のときに最大になる。リタデーション演算部３８は、偏光板回転部３４を制御して、干渉縞の振幅、すなわちパワースペクトルのピーク高さが最大になる位置、あるいは並行ニコル状態と直交ニコル状態の中間状態で測定に十分な高さのピークが発生する位置に偏光板３３の光軸を調整する。   The direction of polarization of light incident on the film 40 can be changed by rotating the polarizing plate 33 and changing the angle of its optical axis. When the angle formed by the optical axis of the polarizing plate 33 and the optical axis of the film 40 is 0 or 90 degrees, the amplitude of the interference fringes is 0, and is maximum when the angle is 45 degrees. The retardation calculating unit 38 controls the polarizing plate rotating unit 34 and is sufficient for measurement at the position where the amplitude of the interference fringes, that is, the peak height of the power spectrum is maximized, or in the intermediate state between the parallel Nicols state and the orthogonal Nicols state. The optical axis of the polarizing plate 33 is adjusted to a position where a height peak occurs.

なお、偏光板回転部３４は、光プローブ３２が出射する光の光軸と平行な軸を中心として偏光板３３を回転してもよく、また偏光板３３の法線方向を軸として回転してもよい。   The polarizing plate rotating section 34 may rotate the polarizing plate 33 about an axis parallel to the optical axis of the light emitted from the optical probe 32, and may rotate about the normal direction of the polarizing plate 33 as an axis. Also good.

リタデーション演算部３８が算出したリタデーション値は膜厚演算部３９に入力される。また、膜厚演算部３９には、フィルム４０の屈折率が入力される。この屈折率は、フィルム４０と同じ特性を有するフィルムの一部を切り取り、屈折率計で測定しておく。   The retardation value calculated by the retardation calculation unit 38 is input to the film thickness calculation unit 39. Further, the refractive index of the film 40 is input to the film thickness calculator 39. The refractive index is measured with a refractometer after cutting out a part of the film having the same characteristics as the film 40.

フィルム４０は複屈折性を有しているので、フィルム４０の光軸に平行な入射光に対する屈折率と、光軸に垂直な入射光に対する屈折率が異なる。膜厚演算部３９には、この２つの屈折率を入力する。   Since the film 40 has birefringence, the refractive index for incident light parallel to the optical axis of the film 40 is different from the refractive index for incident light perpendicular to the optical axis. These two refractive indexes are input to the film thickness calculator 39.

膜厚演算部３９は、リタデーション演算部３８から入力されたフィルム４０のリタデーションと別に入力されたフィルム４０の屈折率から、フィルム４０の膜厚を算出して出力する。   The film thickness calculator 39 calculates and outputs the film thickness of the film 40 from the refractive index of the film 40 input separately from the retardation of the film 40 input from the retardation calculator 38.

前記（１）式で説明したように、リタデーション値は屈折率差と膜厚の積で表される。膜厚演算部３９は、入力された２つの屈折率から屈折率差δｎを演算し、下記（２）式によってフィルム４０の膜厚を算出する。
フィルム４０の膜厚＝（リタデーション値）／δｎ ・・・・・・ （２）
なお、膜厚演算部３９に屈折率差δｎを入力するようにしてもよい。 As explained in the equation (1), the retardation value is represented by the product of the refractive index difference and the film thickness. The film thickness calculator 39 calculates the refractive index difference δn from the two input refractive indexes, and calculates the film thickness of the film 40 by the following equation (2).
Film thickness of film 40 = (retardation value) / δn (2)
Note that the refractive index difference δn may be input to the film thickness calculator 39.

次に、図２を用いて本発明をより詳細に説明する。図２（Ａ）は分光部３７が作成した反射分光スペクトルであり、横軸は波長、縦軸は振幅である。この波長分光スペクトルには、干渉縞に対応した周期性が認められる。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 2A shows a reflection spectral spectrum created by the spectroscopic unit 37, where the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents amplitude. In this wavelength spectrum, periodicity corresponding to the interference fringes is recognized.

図２（Ｂ）はリタデーション演算部３８が算出したパワースペクトルであり、横軸は周波数、縦軸は強度である。４１はリタデーションに起因するピークである。リタデーション演算部は入力された反射分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルを検索してリタデーションに起因するピーク４１を求め、このピークの位置（波長）からリタデーション値を算出する。   FIG. 2B is a power spectrum calculated by the retardation calculation unit 38, where the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents intensity. 41 is a peak due to retardation. The retardation computing unit computes a power spectrum by performing Fourier transform on the input reflection spectral spectrum, searches the power spectrum to obtain a peak 41 resulting from retardation, and calculates a retardation value from the position (wavelength) of this peak. .

次に、図３に基づいて本発明の他の実施例を示す。図１と図４の膜厚測定装置は、光プローブから光を被測定試料に照射し、その反射光の干渉縞に起因するパワースペクトルのピークを検出する点で類似している。従って、フィルム４０の膜厚がそれほど厚くない場合には、図４の膜厚測定装置と同様に、フィルム４０の表面と裏面から反射した光が干渉した、フィルム４０の膜厚に起因する干渉縞が表れる。この実施例は、この膜厚に起因する干渉縞を用いて、屈折率差δｎを算出するようにしたものである。   Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The film thickness measuring apparatus shown in FIGS. 1 and 4 is similar in that the sample to be measured is irradiated with light from the optical probe and the peak of the power spectrum caused by the interference fringes of the reflected light is detected. Therefore, when the film thickness of the film 40 is not so thick, like the film thickness measuring apparatus of FIG. Appears. In this embodiment, the refractive index difference δn is calculated using interference fringes resulting from this film thickness.

図３に、このような場合のパワースペクトルの例を示す。なお、横軸は光学波長、縦軸は強度である。なお、光学膜厚は物理膜厚と屈折率の積である。   FIG. 3 shows an example of a power spectrum in such a case. The horizontal axis is the optical wavelength, and the vertical axis is the intensity. The optical film thickness is the product of the physical film thickness and the refractive index.

図３において、４２はフィルム４０のリタデーションに起因するピーク、４３、４４はフィルム４０の膜厚に起因するピークである。フィルム４０は複屈折性を有しており、屈折率が２つあるので、膜厚に起因するピークは４３と４４の２つに分離する。   In FIG. 3, 42 is a peak due to retardation of the film 40, and 43 and 44 are peaks due to the film thickness of the film 40. Since the film 40 is birefringent and has two refractive indexes, the peak due to the film thickness is separated into two peaks 43 and 44.

ピーク４３の位置から求めた光学膜厚をＴ１、ピーク４４の位置から求めた光学膜厚をＴ２、フィルムの膜厚をｄとすると、屈折率差δｎは下記（３）式から得られる。
δｎ＝（Ｔ２−Ｔ１）／ｄ ・・・・・・・ （３） When the optical film thickness obtained from the position of the peak 43 is T1, the optical film thickness obtained from the position of the peak 44 is T2, and the film thickness of the film is d, the refractive index difference δn is obtained from the following equation (3).
δn = (T2−T1) / d (3)

このようにすると、図１の構成で屈折率差δｎを測定することができるので、別に屈折率計を用いてフィルム４０の屈折率を測定する必要がないという利点がある。屈折率差δｎと膜厚は別々に測定してもよく、１つのパワースペクトルを用いて同時に測定してもよい。   In this way, since the refractive index difference δn can be measured with the configuration of FIG. 1, there is an advantage that it is not necessary to separately measure the refractive index of the film 40 using a refractometer. The refractive index difference δn and the film thickness may be measured separately, or may be measured simultaneously using one power spectrum.

特に、フィルム製造装置においてオンラインで連続測定する場合は、前回測定した膜厚ｄを用いて前記（３）式から屈折率差δｎを算出し、このδｎとリタデーション値を用い、前記（２）式から膜厚を測定すればよい。膜厚は急激には変化しないので、直前の膜厚を用いることにより、屈折率差δｎを正確に算出することができる。   In particular, when continuously measuring on-line in a film production apparatus, the refractive index difference δn is calculated from the equation (3) using the film thickness d measured last time, and the equation (2) is calculated using the δn and the retardation value. The film thickness may be measured from Since the film thickness does not change abruptly, the refractive index difference δn can be accurately calculated by using the immediately preceding film thickness.

図４に示した膜厚測定装置は、被測定試料の厚さが厚くなると光学膜厚が大きくなって干渉が発生せず、測定が不可能になることがあった。また、複屈折性を有する試料ではパワースペクトルのピークが双峰性になるので、正確な膜厚を測定することができなかった。   In the film thickness measuring apparatus shown in FIG. 4, when the thickness of the sample to be measured increases, the optical film thickness increases and interference does not occur, which sometimes makes measurement impossible. In addition, in the sample having birefringence, the peak of the power spectrum becomes bimodal, so that an accurate film thickness cannot be measured.

本発明ではリタデーションを測定し、このリタデーションから膜厚を算出するようにした。通常屈折率差は屈折率より小さいので、屈折率差と膜厚の積であるリタデーションは屈折率と膜厚の積である光学膜厚より小さな値になる。このため、図４の膜厚測定装置ではピークを検出できない２００μｍを越える膜厚の試料でもリタデーションに起因するピークを検出することができ、膜厚を正確に測定できるという利点がある。   In the present invention, the retardation is measured, and the film thickness is calculated from the retardation. Since the refractive index difference is usually smaller than the refractive index, the retardation that is the product of the refractive index difference and the film thickness is smaller than the optical film thickness that is the product of the refractive index and the film thickness. For this reason, there is an advantage that a peak due to retardation can be detected even in a sample having a film thickness exceeding 200 μm where the peak cannot be detected by the film thickness measuring apparatus of FIG. 4, and the film thickness can be measured accurately.

また、リタデーションに起因するピークは単峰性なので、ピークの位置を正確に算出することができる。このため、複屈折性を有するフィルムの膜厚を正確に測定することができるという利点もある。   Moreover, since the peak resulting from retardation is unimodal, the position of the peak can be accurately calculated. For this reason, there also exists an advantage that the film thickness of the film which has birefringence can be measured correctly.

また、図５のリタデーション測定装置はフィルム２３の両側に偏光板２１と検光板２４を配置して、これらの板を同期して回転しなければならないので、フィルム２３が移動し、かつ回転できないオンライン測定では装置が複雑になってしまうという欠点があった。   Further, the retardation measuring apparatus of FIG. 5 has a polarizing plate 21 and an analyzing plate 24 arranged on both sides of the film 23, and these plates have to be rotated in synchronization, so the film 23 moves and cannot be rotated online. The measurement has a drawback that the apparatus becomes complicated.

図１の膜厚測定装置は偏光板３３とフィルム４０を透過した光を反射鏡３５で反射させ、再度フィルム４０と偏光板３３を透過させる構成とした。偏光板３３で検光板を兼ねることができるので、フィルム４０の片側に偏光板３３を配置するだけでリタデーションを測定することができる。このため、装置の構成を大幅に簡略化することができる。   The film thickness measuring apparatus of FIG. 1 has a configuration in which light transmitted through the polarizing plate 33 and the film 40 is reflected by the reflecting mirror 35 and transmitted through the film 40 and the polarizing plate 33 again. Since the polarizing plate 33 can also serve as the analyzer, the retardation can be measured simply by disposing the polarizing plate 33 on one side of the film 40. For this reason, the configuration of the apparatus can be greatly simplified.

また、図１実施例ではフィルム４０の透過光を反射鏡３５で反射させ、再度フィルム４０を透過させる構成とした。光はフィルム４０を２度透過するので、図５のリタデーション測定装置に比べてリタデーション値を２倍に拡大して測定することができる。このため、正確なリタデーション値が得られ、膜厚をより正確に測定することができるという利点もある。   In the embodiment of FIG. 1, the light transmitted through the film 40 is reflected by the reflecting mirror 35 and is transmitted through the film 40 again. Since the light passes through the film 40 twice, the retardation value can be doubled and measured as compared with the retardation measuring device of FIG. For this reason, there exists an advantage that an exact retardation value is obtained and a film thickness can be measured more correctly.

また、図１と図４の膜厚測定装置は、偏光板３３を除いてほぼ同じ構成を有している。従って、膜厚を測定するフィルム４０の予想膜厚が薄いとき、あるいは複屈折性を有しないときは、偏光板３３を移動させて光プローブ３２の出射光の光軸から外して図４従来例と同様の原理で膜厚を測定し、予想膜厚が厚いとき、複屈折性を有するときは偏光板３３を図１の位置に戻してリタデーションを測定し、このリタデーション値から膜厚を算出するようにすると、膜厚の測定範囲を大幅に拡大することができる。   Moreover, the film thickness measuring apparatus of FIG. 1 and FIG. Therefore, when the expected film thickness of the film 40 for measuring the film thickness is thin or does not have birefringence, the polarizing plate 33 is moved so as to be removed from the optical axis of the emitted light of the optical probe 32 and the conventional example shown in FIG. The film thickness is measured according to the same principle as above. When the expected film thickness is thick, when the film has birefringence, the retardation is measured by returning the polarizing plate 33 to the position shown in FIG. 1, and the film thickness is calculated from the retardation value. In this way, the film thickness measurement range can be greatly expanded.

なお、反射鏡３５を省略することもできる。この場合フィルム４０の裏面から反射した反射光によって干渉が発生し、ピーク４１が生じる。但し、通常フィルム４０の裏面の反射率は低いために干渉信号の強度が弱くなり、ピーク４１の高さは低くなるという欠点がある。   The reflecting mirror 35 can be omitted. In this case, interference occurs due to the reflected light reflected from the back surface of the film 40, and a peak 41 is generated. However, since the reflectance of the back surface of the normal film 40 is low, there is a disadvantage that the intensity of the interference signal is weak and the height of the peak 41 is low.

また、一軸延伸フィルム等予め複屈折の軸の角度が予想できる場合には、偏光板３３を最適な位置に固定してもよい。このようにすると、偏光板３３を回転する機構（偏光板回転部３４）が不要になる。   When the birefringent axis angle can be predicted in advance, such as a uniaxially stretched film, the polarizing plate 33 may be fixed at an optimal position. This eliminates the need for a mechanism for rotating the polarizing plate 33 (polarizing plate rotating section 34).

また、偏光板３３の表面から反射した反射光が測定に影響することがない場合には、偏光板３３をフィルム４０と平行に配置することもできる。   Further, when the reflected light reflected from the surface of the polarizing plate 33 does not affect the measurement, the polarizing plate 33 can be arranged in parallel with the film 40.

また、リタデーションを測定する部分は、図５従来例のように被測定フィルムの両側に偏光板と検光板を配置する構成であってもよい。このような構成はオンライン測定には不適であるが、試料を切り取って測定するオフライン測定では支障がない。また、偏光板、検光板を固定し、被測定フィルムを回転させる構成であってもよい。   Moreover, the structure which arrange | positions a polarizing plate and a light-analysis board to the both sides of a to-be-measured film like the example of FIG. Such a configuration is not suitable for on-line measurement, but there is no problem in off-line measurement in which a sample is cut and measured. Moreover, the structure which fixes a polarizing plate and an analyzer plate and rotates a to-be-measured film may be sufficient.

さらに、これらの実施例では反射分光スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出し、このパワースペクトルのピーク位置からリタデーションを算出したが、これに限定されることはなく、他の手法でリタデーションを算出してもよい。   Furthermore, in these examples, the reflection spectrum was Fourier-transformed to calculate the power spectrum, and the retardation was calculated from the peak position of this power spectrum. However, the present invention is not limited to this, and the retardation is calculated by other methods. May be.

３０ 光源
３１、３６ 光ファイバ
３２ 光プローブ
３３ 偏光板
３４ 偏光板回転部
３５ 反射鏡
３７ 分光部
３８ リタデーション演算部
３９ 膜厚演算部
４０ フィルム
４１〜４４ パワースペクトルのピーク DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Light source 31, 36 Optical fiber 32 Optical probe 33 Polarizing plate 34 Polarizing plate rotating part 35 Reflecting mirror 37 Spectroscopic part 38 Retardation calculating part 39 Film thickness calculating part 40 Film 41-44 Power spectrum peak

Claims (6)

複屈折性を有する被測定物の膜厚を測定する膜厚測定方法において、
偏光された光を被測定物に照射し、この被測定物を透過した光を分光して分光スペクトルを生成して、この分光スペクトルからリタデーションを測定する工程と、
前記測定したリタデーション、および被測定物の屈折率差から、この被測定物の膜厚を演算する工程と、
を具備したことを特徴とする膜厚測定方法。 In the film thickness measuring method for measuring the film thickness of the object having birefringence,
Irradiating the object to be measured with polarized light, spectroscopically analyzing the light transmitted through the object to be measured, generating a spectrum, and measuring retardation from the spectrum;
From the measured retardation and the refractive index difference of the measured object, a step of calculating the film thickness of the measured object;
The film thickness measuring method characterized by comprising. 前記分光スペクトルからパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルの前記被測定物の膜厚に起因するピークから、前記被測定物の屈折率差を算出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の膜厚測定方法。   2. A power spectrum is calculated from the spectral spectrum, and a refractive index difference of the measured object is calculated from a peak due to the film thickness of the measured object of the power spectrum. Film thickness measurement method. 複屈折性を有する被測定物の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
偏光された光を被測定物に照射し、この被測定物を透過した光を分光して分光スペクトルを生成して、この分光スペクトルから前記被測定物のリタデーションを測定するリタデーション測定部と、
前記リタデーション測定部が測定したリタデーションが入力され、この入力されたリタデーションおよび前記被測定物の屈折率差から、前記被測定物の膜厚を演算する膜厚演算部と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。 In a film thickness measuring device that measures the film thickness of an object having birefringence,
A retardation measuring unit that irradiates the object to be measured with polarized light, generates a spectrum by spectroscopically analyzing the light transmitted through the object, and measures the retardation of the object to be measured from the spectrum;
The retardation measured by the retardation measuring unit is input, and from the inputted retardation and the refractive index difference of the measured object, a film thickness calculating unit that calculates the film thickness of the measured object,
A film thickness measuring apparatus comprising: 前記リタデーション測定部は、
被測定物に照射する白色光を出力する光源と、
前記光源の出力光を偏光すると共に、前記被測定物から戻ってきた光が入射される偏光板と、
前記被測定物から戻り、かつ前記偏光板を透過した光が入射され、この光の分光スペクトルを生成する分光部と、
前記分光部が生成した分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからリタデーションを演算して出力するリタデーション演算部と、
を備えたことを特徴とする請求項３記載の膜厚測定装置。 The retardation measuring unit is
A light source that outputs white light to irradiate the object to be measured;
Polarizing the output light of the light source, and a polarizing plate on which the light returned from the object to be measured is incident,
A light returning from the object to be measured and transmitted through the polarizing plate is incident, and a spectroscopic unit that generates a spectral spectrum of the light;
A spectral spectrum generated by the spectroscopic unit is input, a retardation calculation unit that calculates and outputs a retardation from the spectroscopic spectrum, and
The film thickness measuring apparatus according to claim 3, comprising: 前記被測定物に対して、前記偏光板と反対側に配置された反射鏡を具備したことを特徴とする請求項４記載の膜厚測定装置。   5. The film thickness measuring apparatus according to claim 4, further comprising a reflecting mirror disposed on the opposite side of the object to be measured from the polarizing plate. 前記リタデーション演算部は、
前記分光スペクトルからパワースペクトルを演算し、このパワースペクトルの前記被測定物の膜厚に起因するピークから、前記被測定物の屈折率差を算出するようにしたことを特徴とする請求項４若しくは請求項５記載の膜厚測定装置。 The retardation calculator is
The power spectrum is calculated from the spectral spectrum, and the refractive index difference of the measured object is calculated from the peak due to the film thickness of the measured object of the power spectrum. The film thickness measuring apparatus according to claim 5.
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