JPH07294220A - 多層薄膜の膜厚検出方法および装置 - Google Patents

多層薄膜の膜厚検出方法および装置

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JPH07294220A
JPH07294220A JP8951794A JP8951794A JPH07294220A JP H07294220 A JPH07294220 A JP H07294220A JP 8951794 A JP8951794 A JP 8951794A JP 8951794 A JP8951794 A JP 8951794A JP H07294220 A JPH07294220 A JP H07294220A
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JP
Japan
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thin film
multilayer thin
light
detecting
sample
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JP8951794A
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English (en)
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Shigeki Kudo
重樹 工藤
Kazuo Nomura
一雄 野村
Masanori Nariai
正憲 成合
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Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多層薄膜の膜厚検出を高速、かつ高精度に検
出可能とする。 【構成】 試料10に白色光源1から白色光を光ファイ
バ2を介して照射し、試料10より反射した光を光ファ
イバ3を介して分光器4に入射させて分光し、そのスペ
クトルを高速フーリエ変換してエネルギースペクトルを
マルチチャネルディテクタ5から得た後、信号処理器7
で信号処理して多層薄膜の膜厚を得る構成を特徴として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、複写機のドラムに用
いられる、有機光導体層を円筒状の基体に塗布した、い
わゆるOPCドラム等における多層薄膜の膜厚検出方法
および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】薄膜の膜厚を測定する方法として、繰り
返し反射干渉法,光の吸収を用いる方法,触針法,膜の
破断面を光学顕微鏡や走査電子線顕微鏡(SEM)で観
察する方法,薄膜の重さから測定する方法,等さまざま
な手法がある。しかし、試料を非破壊で測定できる点,
試料作りの容易さの点,測定手段の試料に及ぼす影響の
少ない点等から光を透過する試料に対しては繰り返し反
射干渉法が一番優れている。その繰り返し反射干渉法の
中には、単色光を用いるもの、一定の波長範囲を用いる
ものがある。中でも可視光範囲を用いる測定では、メカ
ニカルな駆動部を持たないという点で分光された光を瞬
時にセンサーで検出するマルチチャネルディテクタ方式
が高速処理に適している。
【0003】しかし、次に示すように単層膜の場合には
問題ないが、多層膜の場合になると信号処理方法に問題
がある。
【0004】従来の単層膜の厚み測定を図3によって説
明する。図3において、11は基板、12は測定対象で
ある単層膜であり、13は空気であり、n0,n1,n2
は基板11,単層膜12,空気13の屈折率、Lは白色
光、LRは反射光、θは入射角を示す。図3に示すよう
に単層膜12の場合、この薄膜に白色光Lを入射し、そ
の反射光LRのスペクトルをマルチチャネル分光器で解
析している。このとき振幅反射率Rは
【0005】
【数1】 i :界面での反射フレネル係数(i=1,2) ni :材料iの屈折率(i=0,1,2) d:膜厚 で与えられる。この場合の反射強度スペクトルは|R|
2 で、この強度が測定される。簡単な計算により、この
強度は図4に示されるように位相δ1 で振動している。
そこで屈折率が既知の場合は、極大(極小)を与える波
長から薄膜が
【0006】
【数2】 λi :極大(極小)を与える波長 m:λ1 とλ2 (>λ1 )の間の極大(極小)値を0か
ら番号付けた値で計算できる。
【0007】次に、図5に示すように2層以上の多層膜
の場合(例えば、図5ではN層の場合を示し、nN+1
目は空気を示す)には、第j層からの振幅反射率Rj
【0008】
【数3】 j:第j層の屈折率 dj:第j層の膜厚 θj:第j層の入力角 rj :第j層のフレネル係数 δj :(2π/λ)njj cosθj で与えられる。ここで各層が透明で各層間の多重干渉を
無視すると、全体の振幅反射率Rは
【0009】
【数4】 と近似される。その強度スペクトルは|R|2で、この
量が測定される。この時、各層の屈折率njが既知であ
れば、測定値から各層の膜厚は、初期値膜厚dj0(j=
1…N)から、よく知られたNewton法を用いて、
繰り返し手法で解くことができる。この方法はdjoが任
意に選択できず、実際の解の近傍の値を選択しないと速
く解が求まらなかったり、別の解になったりして、初期
値の選び方が困難で、層数Nが多い場合は、繰り返し回
数が多く処理時間が長くかかり、インライン等での実時
間処理には不向きである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の多
層薄膜の膜厚検出方法では処理に時間がかかり、インラ
イン製造工程の中の現場で、工程を乱すことなく測定す
るには不向きであった。
【0011】そこで本発明は、高速フーリエを変換の手
法を用いて、多層膜厚の膜厚検出を高速に、かつ高精度
に行うことを可能にする多層薄膜の薄膜検出方法および
装置を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる多層薄膜
の膜厚検出方法は、多層薄膜試料に白色光を照射し、該
試料より反射した光を分光し、そのスペクトルを高速フ
ーリエ変換してエネルギースペクトルを得、その波形を
処理して薄膜の膜厚を得るようにしたものである。
【0013】また、波形の処理はエネルギースペクトル
を波数変換するものである。
【0014】さらに、多層薄膜試料より反射した光を分
光したスペクトルをハニング窓処理をするものである。
【0015】また、高速フーリエ変換時に0拡充をする
ものである。
【0016】そして、多層薄膜は例えば、OPCドラム
の多層薄膜としたものである。
【0017】本発明にかかる多層薄膜の膜厚検出装置
は、白色光源と、この白色光源の光を多層薄膜試料に照
射する光ファイバと、照射した光の前記多層薄膜試料か
らの反射光を導く光ファイバと、この光ファイバを介し
て前記反射光を入射せしめて分光し、その強度を検出す
るマルチチャネル分光器と、このマルチチャネル分光器
の出力を信号処理する信号処理器とからなるものであ
る。
【0018】
【作用】本発明の多層薄膜の膜厚検出方法は、白色光源
からの光を多層薄膜試料に導き、ここで反射された反射
光を分光して、そのスペクトルを、高速フーリエ変換を
行いエネルギースペクトルを得た後、その波形を処理す
ることにより薄膜の膜厚を得る。
【0019】また、波形の処理は、エネルギースペクト
ルを波数変換して行う。
【0020】さらに、多層薄膜試料より反射した光を分
光後、そのスペクトルをハニング窓処理して高速フーリ
エ変換処理に誤差が生じないようにする。
【0021】また、高速フーリエ変換時に、0拡充を行
って精度を向上させる。
【0022】さらに、多層薄膜は例えば、OPCドラム
を対象とする。
【0023】本発明の多層薄膜の膜厚検出装置は、白色
光源を多層薄膜試料に導き、この試料で反射された反射
光をマルチチャネル分光器で分光し、その強度を検出
し、信号処理器で処理することにより膜厚を得る。
【0024】
【実施例】図1は本発明の多層薄膜の膜厚検出装置の一
実施例の構成を示すブロック図である。この図におい
て、1は白色光源、2,3は光ファイバで、2分岐ファ
イバーの構成となっている。4は分光器、5はマルチチ
ャネルディテクタで、両者でマルチチャネル分光器6を
構成している。7は信号処理器,10は多層薄膜試料
(以下、単に試料という)である。
【0025】次に、動作について説明する。まず、試料
10に対し、白色光源1からの白色光を光ファイバ2を
介して垂直(θ=0)に照射し、その反射光を光ファイ
バ3を介して分光器4に入射し分光し、マルチチャネル
ディテクタ5でその強度を検出し、得られた反射スペク
トルを信号処理器7に入力する。この時、試料10の各
層で下の層へ光が透過する様な吸収のない波長範囲を選
択する必要がある。もし吸収があれば、各層の膜厚以外
に吸収による強度影響を受け、結果として測定誤差が大
きくなる。
【0026】ここで、波長(λ)の逆数、つまり波数
(σ)に変換すると、〔数2〕より膜厚はその差Δσ=
σ1 2 (σi -1 i ,i=1,2)のみに依存し、
測定開始波長(λ1 )には独立になる。すなわち、
【0027】
【数5】 となる。
【0028】従って、この反射スペクトルを高速フーリ
エ変換(FFTという)すると線スペクトルになる。F
FTをする理由は波長変数のままでは、スペクトルはブ
ロードになり、後の処理が困難になるからである。
【0029】次に、反射スペクトルを検出するマルチチ
ャネルディテクタ5のセンサの個数が有限(例えば10
24個)のため、そのままFFTを行うと信号の両端の
値(1番目と最後のセンサの値)に結果が大きく影響さ
れる。そこで、よく知られた窓処理、例えばハニング
(Hanning)窓等を用いる。更にFFTの基底を
細かくし、変換(近似)精度を向上させるために、得ら
れた信号(例えば1024個)の後へ0を拡充する。例
えば信号の総数をN倍にすれば、精度はN倍改善され
る。この拡充された信号に対してFFT処理を行い、そ
の結果からエネルギースペクトルを求める。
【0030】この時、ピークを与える情報は〔数4〕よ
り、各層の膜厚によるものである。しかし、このままで
は真のピークを与えていない可能性がある。そこで、真
のピークの場合、ピークの両隣りの値が同じであるとい
う仮定を設け、補間による真のピークを求める。これに
よりピーク位置の精度は10倍程度改善される。
【0031】この第j番目のピーク位置より、次の式が
成り立つ。
【0032】
【数6】 M:信号の数 kJ :第j番目のピーク位置 l:分解能=測定波数範囲/M 従って、第1ピークから順に計算していくことで各層の
膜厚が計算できる。 〔具体例〕図6に示すような測定点で試料10を本発明
により測定したものと触針計で測定した結果とを下記
〔表1〕に示す。 〔表1〕 試料10は、2層で構成されており、第1層目の屈折率
(n1 )は試料10の1点で触針計による膜厚から計算
により算出し、n1 =1.724とした。第2層目の屈
折率(n2 )は試料の1点で、渦電流計による膜厚から
計算により算出し、n2 =1.862とした。
【0033】
【発明の効果】本発明の多層薄膜の膜厚検出方法は、多
層薄膜試料に白色光を照射し、該試料より反射した光を
分光し、そのスペクトルを高速フーリエ変換してエネル
ギースペクトルを得、その波形を〔数5〕に基づいて処
理して薄膜の膜厚を得るようにしたので、多層薄膜の膜
厚を高速非破壊で測定できる。そして、波形の処理にお
いて、波数変換,ハニング窓処理,0拡充等を行うの
で、比較的少ないデータ数から精度よく膜厚を検出する
ことができる。
【0034】さらに、本発明の多層薄膜の膜厚検出装置
は、白色光源と、この白色光源の光を多層薄膜試料に照
射する光ファイバと、照射した光の前記多層薄膜試料か
らの反射光を導く光ファイバと、この光ファイバを介し
て前記反射光を入射せしめて分光し、その強度を検出す
るマルチチャネル分光器と、このマルチチャネル分光器
の出力を信号処理する信号処理器とからなるので、簡単
な構成で、かつ高速非破壊で精度よく膜厚を検出するこ
とができる。
【0035】本発明の多層薄膜の膜厚検出方法を用いる
と、比較的少ないデータ数から窓処理,0拡充,そのデ
ータに対する高速フーリエ変換の手法を用いて膜厚を高
速非破壊で精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる多層膜薄の膜厚検出装置の構成
を示すブロック図である。
【図2】本発明によるエネルギースペクトル〜(波数)
-1グラフの一例を示す模式図である。
【図3】単層膜に入射した光線の反射光路を示す模式図
である。
【図4】図3の場合の反射強度スペクトルを示す図であ
る。
【図5】多層膜に入射した光線の各層の振幅反射率,フ
レネル係数の関係を説明する模式図である。
【図6】膜測定した場合の、測定点を示す図である。
【符号の説明】
1 白色光源 2 光ファイバ 3 光ファイバ 4 分光器 5 マルチチャネルディテクタ 6 マルチチャネル分光器 7 信号処理器

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多層薄膜試料に白色光を照射し、該試料
    より反射した光を分光し、そのスペクトルを高速フーリ
    エ変換してエネルギースペクトルを得、その波形を処理
    して薄膜の膜厚を得ることを特徴とする多層薄膜の膜厚
    検出方法。
  2. 【請求項2】 波形の処理は、エネルギースペクトルを
    波数変換することを特徴とする請求項1に記載の多層薄
    膜の膜厚検出方法。
  3. 【請求項3】 多層薄膜試料より反射した光を分光した
    スペクトルをハニング窓処理することを特徴とする請求
    項1に記載の多層薄膜の膜厚検出方法。
  4. 【請求項4】 高速フーリエ変換時に0拡充をすること
    を特徴とする請求項1に記載の多層薄膜の膜厚検出方
    法。
  5. 【請求項5】 多層薄膜が有機光導電体薄膜を表面に形
    成した円筒状物の多層薄膜であることを特徴とする請求
    項1に記載の多層薄膜の膜厚検出方法。
  6. 【請求項6】 白色光源と、この白色光源の光を多層薄
    膜試料に照射する光ファイバと、照射した光の前記多層
    薄膜試料からの反射光を導く光ファイバと、この光ファ
    イバを介して前記反射光を入射せしめて分光し、その強
    度を検出するマルチチャネル分光器と、このマルチチャ
    ネル分光器の出力を信号処理する信号処理器とからなる
    ことを特徴とする多層薄膜の膜厚検出装置。
JP8951794A 1994-04-27 1994-04-27 多層薄膜の膜厚検出方法および装置 Pending JPH07294220A (ja)

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