JP2012112760A - 膜厚測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルムの表面と裏面から反射した光の分光スペクトルによるパワースペクトルのピークからこのフィルムの膜厚を測定する膜厚測定装置は、フィルムの膜厚が厚いと測定ができなくなり、また複屈折性を有するフィルムはピークが双峰性を有するので、誤差が大きくなる。本発明は、膜厚が厚くかつ複屈折性を有するフィルムでも正確な測定ができる膜厚測定方法および装置を提供することを目的にする。
【解決手段】フィルムに偏光した光を照射し、フィルムを透過した光からリタデーションを演算し、このリタデーションとフィルムの屈折率差から膜厚を演算する。膜厚が厚く、かつ複屈折性を有するフィルムの膜厚を正確に測定できる。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００８−２９２４７３号公報 特開２００６−８４２６８号公報 特開平１１−１０７２８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施例を示した構成図である。 図１の装置の動作を説明するための特性図である。 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。 従来の膜厚測定装置の構成図である。 従来のリタデーション測定装置の構成図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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