(57)【要約】【課題】高解像度の分光器を用いることなく、簡易かつ安価な構成で、０．数μｍ程度の膜厚測定が可能な膜厚測定方法および膜厚測定装置を提供する。【解決手段】膜厚測定装置１０は、半導体レーザ１１から透明ポリエステルフィルム１５に対して光を照射し、その正反射光強度をシリコンフォトダイオード１８が検出して、透明ポリエステルフィルム１５の膜厚を測定する。半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８は、ステッピングモータにより、０°＜θ０＜９０°の範囲内で移動する。膜厚測定装置１０は、透明ポリエステルフィルム１５に対する光の入射角を０．３°ずつ変更して、正反射光強度のデータをとることができる。【選択図】　図１
2004101505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定膜に対して光を照射し、正反射する光の光強度を測定して膜厚の測定を行う光干渉法を用いた膜厚測定方法において、
上記照射光の波長を一定として、上記被測定膜に対する光入射角を変化させて上記正反射光の光強度を測定し、その測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を決定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
被測定膜に対して光を照射し、正反射する光の光強度を測定して膜厚の測定を行う光干渉法を用いた膜厚測定方法において、
上記照射光の波長を一定として、上記被測定膜に対する光入射角を変化させて上記正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに対応する計算式に基づいて膜厚を決定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】
上記グラフにおける略正弦波状の１周期の範囲内において、少なくとも２点以上の正反射光強度を検出し、該２点以上の検出結果に基づいて、上記グラフを作成することを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
【請求項４】
上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の１周期ごとの最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する３点に対応する光の入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１の値を、下記の関係式（１）に代入して膜厚を測定することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の膜厚測定方法。
ｈ＝（λ／√２）／（２ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ−１−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２　…（１）
【請求項５】
上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の１周期ごとの最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する２点に対応する光の入射角Θｋ，Θｋ＋１の値を、下記の関係式（２）に代入して膜厚を測定することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の膜厚測定方法。
ｈ＝（λ／２）｛（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２＋（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｝／（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）　…（２）
【請求項６】
複数の膜厚に対応する予め計算で求めたの入射光角度と正反射光強度との関係を示す上記グラフを記憶し、該記憶された複数のグラフと上記測定結果を示すグラフとを比較して、最も近似するグラフに対応する膜厚を被測定膜の膜厚として決定することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の膜厚測定方法。
【請求項７】
上記照射光として、シート状の平行光を照射するとともに、
上記平行光の被測定膜における反射光の光強度を測定することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の膜厚測定方法。
【請求項８】
上記照射光として、シート状の平行光に厚みを持たせた光束を照射するとともに、
上記光束の被測定膜における反射光の光強度を２次元的に検出することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の膜厚測定方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
上記被測定膜に対して光を照射する発光部と、
上記発光部から被測定膜に対して照射される光の正反射光の光強度を検出する受光部と、
上記発光部とこれに対応する上記受光部とを移動させて、上記被測定膜に対する光の入射角を変化させる入射光角度変更手段とを備えていることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１０】
上記被測定膜に対して異なる入射角で光を照射する上記発光部が複数配置されているとともに、該複数の発光部から照射された光の正反射光を検出できる位置に上記受光部が配置されていることを特徴とする請求項９に記載の膜厚測定装置。
【請求項１１】
請求項１〜８の何れか１項に記載の膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
シート状の平行光を照射する平行光照射手段と、
上記平行光を集光して被測定膜に対して集光した光を照射する集光手段と、
上記被測定膜に対して照射された光の反射光を平行光に変換する平行光変換手段と、
該平行光変換手段によって変換された平行光を受光して、被測定膜に対して照射された平行光の入射角度に対応する光強度を測定する平行光強度測定手段とを備えていることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１２】
請求項１〜８の何れか１項に記載の膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
被測定膜に対して、光を照射する光照射手段と、
上記被測定膜ヘ照射された光の反射光を受光して、光の入射角度に対応する光強度を測定する光強度測定手段とを備えていることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１３】
上記光照射手段は、シート状の平行光を照射するとともに、
上記光強度測定手段は、平行光強度の検出が可能な受光素子であることを特徴とする請求項１２に記載の膜厚測定装置。
【請求項１４】
上記光照射手段は、シート状の平行光に厚みを持たせた光束を照射するとともに、
上記光強度測定手段は、２次元方向の光強度の検出が可能な受光素子であることを特徴とする請求項１２に記載の膜厚測定装置。
【請求項１５】
上記光照射手段から照射される平行光を収束する光収束手段と、
上記収束された光の上記被測定膜からの反射光を平行光へ変換する平行光変換手段として、共通の光学系を用いることを特徴とする請求項１３または１４に記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ等の表面にコートされた薄膜や、透明又は色付のフィルム、プラスチックシート等の透明および半透明膜の膜厚測定方法および膜厚測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建築用外壁材、瓦、あるいは電子機器に使用されているＩＣ等の表面には、浸食や腐食、外界からの衝撃から内部を保護するために、透明な数μｍ〜数１０μｍ程度の薄い膜が形成されている。この膜厚は、製品の耐久性に大きく影響するため、製品管理上極めて重要な検査項目である。また、最近では、各種梱包材として透明なポリエチレンシート等の薄膜樹脂が様々な分野で多用されているが、このポリエチレンシートについても、膜厚精度を維持することは非常に重要である。
【０００３】
このような薄膜の膜厚測定方法としては、ＩＣ等のような物体上に形成された薄膜の膜厚測定に関しては、図７に示すように、触針法により、基板１０２上に形成された透明膜１０１に対して上部から針１０３を刺してセラミックコートと思われる圧力部の移動距離の測定から、あるいは一部を抜き取って断面を顕微鏡観察する方法が採用されている。一方、ポリエチレンシート等の薄膜の膜厚測定に関しては、何枚も重ね合わせて厚さを測定し、測定結果から平均的な膜厚を算出する方法が採用されている。
【０００４】
しかし、これらは何れも被測定物をサンプリングした上で膜厚測定を行う方法であって、全数、全面測定法ではないため、製品の精度管理上、十分な測定ができない。また、接触式の測定法により、サンプルを傷つけたり、切り取ったりする必要があり、測定したサンプルは製品価値がなくなってしまう。
【０００５】
さらに、上記のような測定方法は、サンプルを生産ラインから抜き取って行われるオフライン方式であるため、生産ラインを流れている製品の膜厚に対するリアルタイムな膜厚測定ができない。
【０００６】
上記の測定方法においては、何れも以上のような問題点を有していることから、近年、製品を傷つけることなく、サンプルを生産ラインから抜き取らずに膜厚を測定できる、非接触かつオンラインの測定方法が熱望されていた。
【０００７】
そこで、特開２０００−１８６９１６号公報（公開日：平成１２年７月４日）、特開２０００−３４６６２０号公報（公開日：平成１２年１２月１５日）、特開２００１−１５３６１９号公報（公開日：平成１３年６月８日）には、光干渉法を用いた非接触かつオンラインの膜厚測定方法が開示されている。
【０００８】
この光干渉法では、図８に示すように、入射光１０４が透明膜１０５に照射され、膜の上面と下面とからの正反射光１０６により明暗の干渉縞が生じる現象を利用して膜厚を測定している。
【０００９】
例えば、図８に示す通常の干渉原理により生じる明暗の縞模様のうち、明の縞模様を表わす式２ｎｈｃｏｓθ１＝（ｋ±１／２）λ（ただし、ｎ＝ｓｉｎθ０／ｓｉｎθ１、θ０：光の入射角、ｈ：膜厚、θ１：屈折角、λ：入射光波長、ｋ：任意の整数）に基づいて膜厚ｈを算出するためには、入射光波長λあるいは屈折角θ１と受光素子により検出される正反射光強度との関係を示す測定結果から求める方法が考えられる。
【００１０】
このうち、入射光波長λを変数として用いて正反射光強度を測定し、測定結果から膜厚を測定する方法が、上記特開２０００−１８６９１６号公報に開示されている。
【００１１】
また、光干渉法を用いた他の膜厚測定方法として、半導体レーザダイオード（ＬＤ）と発光ダイオード（ＬＥＤ）との中間程度のコヒーレンス性を持つスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）のその干渉長が約１０μｍ程度であることを利用した方法が、特開２００１−１４１６５２号公報（公開日：平成１３年５月２５日）、特開２０００−３４６６２０号公報に開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開２０００−１８６９１６号公報の膜厚測定方法は、以下のような問題点を有している。
【００１３】
すなわち、従来の波長λを変数として用いた膜厚測定方法については、白色光を分光するために半値幅の小さい波長分解を行う高解像度の分光器が必要であるため、測定装置が高価になってしまう。
【００１４】
また、特開２００１−１４１６５２号公報に開示された膜厚測定方法では、上記のように、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の干渉長が約１０μｍ程度であるため、本質的にこの干渉長よりも小さい解像度で膜厚を測定することができない。よって、測定可能範囲が２０μｍ〜数ｍｍとなり、比較的厚めの膜しか膜厚測定を行うことができない。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高解像度の分光器を用いることなく、簡易かつ安価な構成で、０．数μｍ程度の膜厚測定が可能な膜厚測定方法および膜厚測定装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜厚測定方法は、上記の課題を解決するために、被測定膜に対して光を照射し、正反射する光の光強度を測定して膜厚の測定を行う光干渉法を用いた膜厚測定方法において、上記照射光の波長を一定として、上記被測定膜に対する光入射角を変化させて上記正反射光の光強度を測定し、その測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を決定することを特徴としている。
【００１７】
上記の測定方法によれば、被測定膜に対する照射光の入射角を変化させて、正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を算出することで、簡易かつ安価な構成により膜厚測定方法を提供することができる。
【００１８】
すなわち、被測定膜に対して光を照射すると、光干渉の原理により、観測面上に明暗の縞模様が生じる。被測定膜の膜厚をｈ、屈折率をｎ、光の屈折角をθ１、任意の整数をｋ、入射光波長をλとすると、この干渉縞の明側の縞は、２ｎｈｃｏｓθ１＝（ｋ±１／２）λ、暗側の縞は、２ｎｈｃｏｓθ１＝ｋλとしてそれぞれ表わされる。この式より、膜厚ｈを算出するためには、入射光の波長λあるいは入射光角度θ０を変化させて算出する方法が考えられる。
【００１９】
そこで、本発明の膜厚測定方法では、光の入射角を変化させて正反射光強度を測定し、入射角０°〜９０°の範囲において、その測定結果として略正弦波状のグラフを得ている。そして、このグラフにより、この略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最低点、最高点に対応する入射光角度を基にして膜厚を算出する、あるいは、予め各膜厚毎に理論式により作成したグラフと測定結果を示すグラフとを比較して最も近似するグラフに対応する膜厚を被測定膜の膜厚として決定する等の方法により、膜厚の測定を行うことができる。
【００２０】
これにより、発光部とその光の被測定膜からの正反射光強度を検出する受光部とがあれば、発光部および受光部を被測定膜に対して角度を変化させるだけで膜厚測定が可能になるため、従来の膜厚測定方法に比べて分光器等の高価な機器が不要となり、安価かつ簡易な構成で膜厚測定を行うことができる。
【００２１】
さらに、被測定膜に対して光を照射して、その正反射光強度を検出し、その検出結果に基づいて膜厚を算出するといった非接触式の測定が可能になる。そして、予め生産ライン上に多数の発光部および受光部を設置して、ほぼ同時に複数の角度から照射された光の正反射光強度を検出することにより、測定サンプルを取り出して測定を行う必要がなく、生産ラインにおけるオンライン膜厚測定が可能になる。
【００２２】
本発明の膜厚測定方法は、上記の課題を解決するために、被測定膜に対して光を照射し、正反射する光の光強度を測定して膜厚の測定を行う光干渉法を用いた膜厚測定方法において、上記照射光の波長を一定として、上記被測定膜に対する光入射角を変化させて上記正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに対応する計算式に基づいて膜厚を決定することを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、被測定膜に対する照射光の入射角を変化させて、正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示す理論値を示す計算式に基づいて膜厚を算出することで、簡易かつ安価な構成により膜厚測定方法を提供することができるとともに、測定結果のみに基づいて略正弦波状のグラフを作成する場合と比較して、膜厚測定結果を示すまでに要する時間を短縮できる。
【００２４】
すなわち、光の入射角を変化させて正反射光強度を測定し、入射角０°〜９０°の範囲において、その測定結果として略正弦波状のグラフを特定するために必要最小限の測定点を得た後、測定結果の理論値を示す計算式に基づいて、膜厚の測定を行うことができる。
【００２５】
これにより、グラフを特定するための必要最小限のデータだけを測定結果として得ることができれば、あとは理論値を示す計算式に基づいて膜厚を算出することができるため、測定結果のみに基づいてグラフを作成する場合と比較して、膜厚測定結果を示すまでに要する時間を短縮できるとともに、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、上記グラフにおける略正弦波状の１周期の範囲内において、少なくとも２点以上の正反射光強度を検出し、該２点以上の検出結果に基づいて、上記グラフを作成することがより好ましい。
【００２７】
これにより、グラフを作成するために必要な最小限の測定結果を得ることができれば、後は計算によって、該略正弦波状グラフを作成することができ、膜厚測定に要する時間をより短縮できる。
【００２８】
また、上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の１周期ごとの最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する３点に対応する光の入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１の値を、下記の関係式（１）に代入して膜厚を測定することがより好ましい。
ｈ＝（λ／√２）／（２ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ−１−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２…（１）
これにより、被測定膜に対する光の入射角を変化させて、正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する３点に対応する入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１を（１）式に代入することで、簡易かつ安価な構成により、０．数μｍ〜０．１ｍｍ程度の膜厚測定方法を提供することができる。
【００２９】
すなわち、光の入射角を変化させて正反射光強度を測定すると、その測定結果は、入射角０°〜９０°の範囲において、各角度における多波干渉の結果、略正弦波状のグラフとなる。この略正弦波状のグラフにおける略正弦波の最下点（最上点）を示す傾き０の点は、入射角０°〜９０°の範囲内において複数個存在する。このうち、最下点あるいは最上点の連続する３点に対応する入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１を測定結果を示すグラフから求め、この３値と既知の入射光波長λとを上記関係式（１）に代入することにより、膜厚を測定することができる。
【００３０】
これにより、入射光波長λおよび測定結果から得られる３つの入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１だけを用いて膜厚を算出できるため、測定する膜の屈折率ｎが不明である場合であっても、容易に膜厚測定を行うことができる。なお、屈折率が不明である場合には、本発明の膜厚測定方法により膜厚を特定した後、別式を用いて屈折率ｎを算出することが可能である。
【００３１】
また、上記関係式（１）により算出される膜厚は、上記のように入射光波長λに依存するため、入射光波長λを小さくしてやれば、測定可能な最小膜厚についても小さくでき、逆に、入射光波長λを大きくしてやれば、測定可能な最大膜厚についても大きくできる。よって、従来の膜厚測定方法と比較して、測定可能な膜厚の範囲を拡大することができる。
【００３２】
上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の１周期ごとの最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する２点に対応する光の入射角Θｋ，Θｋ＋１の値を、下記の関係式（２）に代入して膜厚を測定することがより好ましい。
ｈ＝（λ／２）｛（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２＋（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｝／（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）　…（２）
これにより、被測定膜の屈折率が予め分かっている場合には、光の入射角と正反射光強度との関係についての測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する２点に対応する光の入射角Θｋ，Θｋ＋１値を上記関係式（２）に代入するだけで、簡易かつ安価な構成により、０．数μｍ〜０．１ｍｍ程度の膜厚測定方法を提供することができる。
【００３３】
すなわち、光の入射角を変化させて正反射光強度を測定すると、その測定結果は、入射角０°〜９０°の範囲において、干渉縞の存在により、略正弦波状のグラフとなる。この略正弦波状のグラフにおける略正弦波の最下点（最上点）を示す傾き０の点は、入射角０°〜９０°の範囲内において複数個存在する。このうち、最下点あるいは最上点の連続する２点に対応する角度Θｋ，Θｋ＋１を測定結果を示すグラフから求め、この２値と既知の入射光波長λおよび膜の屈折率ｎとを上記関係式（２）に代入することにより、膜厚を測定することができる。
【００３４】
ところで、上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の最下点あるいは最上点は、入射光波長との関係において膜厚が薄すぎる場合には、入射角０°〜９０°の範囲内に３点ない場合もでてくる。この場合には、３点の入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１から膜厚を算出できないため、入射光波長との関係において膜厚が薄すぎる場合であっても、被測定膜の屈折率ｎが既知の値あり、かつ略正弦波状の最下点（最上点）を２点取ることができれば、膜厚を算出することができ、より薄い膜厚の測定が可能になる。
【００３５】
また、上記と同様に、上記関係式（２）により算出される膜厚は、入射光波長λに依存するため、入射光波長λの大小を制御することで、従来の膜厚測定方法と比較して、測定可能な膜厚の範囲を拡大することができる。
【００３６】
複数の膜厚に対応する予め計算で求めたの入射光角度と正反射光強度との関係を示す上記グラフを記憶し、該記憶された複数のグラフと上記測定結果を示すグラフとを比較して、最も近似するグラフに対応する膜厚を被測定膜の膜厚として決定することがより好ましい。
【００３７】
これにより、膜厚毎に予め理論値として得られる入射光角度と正反射光強度との関係に基づいて作成されたグラフを記憶し、測定結果として得られたグラフと比較して最も近似するグラフを選択することで、安価かつ容易に被測定膜の膜厚を測定することができる。よって、記憶するグラフの数を増やしていくことで、より精度の高い膜厚測定が可能になる。
【００３８】
上記照射光として、シート状の平行光を照射するとともに、上記平行光の被測定膜における反射光の光強度を測定することがより好ましい。
【００３９】
これにより、シート状の平行光を照射するとともに、その平行光の正反射光を検出することで、１組の受発光素子を数度ずつ移動させたり、複数組の受発光素子を設けて入射光角度を変更したりして膜厚測定を行う場合と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
よって、膜厚測定に必要なデータを得るための光照射の回数を大幅に減らすことができ、リアルタイムでの膜厚測定が可能になる。
【００４１】
上記照射光として、シート状の平行光に厚みを持たせた光束を照射するとともに、上記光束の被測定膜における反射光の光強度を２次元的に検出することがより好ましい。
【００４２】
これにより、例えば、断面が四角形の光束を被測定物に照射し、その正反射光の光強度を２次元で検出可能なＣＣＤ等で受光することで、１回の光照射により、膜厚測定に必要なデータを得て、グラフを作成することができるため、瞬時で膜厚測定を行うことが可能になる。
【００４３】
よって、生産工程において高速で搬送されるシート等のリアルタイムでの膜厚測定が可能になることから、薄膜シート等の生産工程における不良品の発見が容易になり、結果として、製品歩留まりを向上させることができる。
【００４４】
本発明の膜厚測定装置は、上記の課題を解決するために、上記膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、上記被測定膜に対して光を照射する発光部と、上記発光部から被測定膜に対して照射される光の正反射光の光強度を検出する受光部と、上記発光部とこれに対応する上記受光部とを移動させて、上記被測定膜に対する光の入射角を変化させる入射光角度変更手段とを備えていることを特徴としている。
【００４５】
上記の構成によれば、発光部と、該発光部から被測定膜に対して照射される光の正反射光を測定する受光部とを入射光角度変更手段により数°ずつ移動させて、入射光角度に対応する正反射光強度を検出することで、各入射光角度に対応した光強度を検出することができる。
【００４６】
よって、この検出結果として得られる反射強度を示す略正弦波状のグラフにおいて、その略正弦波状の１周期毎の最低点あるいは最高点のうち、連続する３点あるいは２点のデータを、上記関係式（１）あるいは関係式（２）に入力することにより、あるいは、理論値として得られた膜厚と光強度との関係を示すグラフと測定結果としてのグラフとを比較して、最も近似しているグラフに対応する膜厚を被測定膜の膜厚として決定することにより、被測定膜の膜厚を簡易かつ安価な方法で測定することができる。
【００４７】
上記被測定膜に対して異なる入射角で光を照射する上記発光部が複数配置されているとともに、該複数の発光部から照射された光の正反射光を検出できる位置に上記受光部が配置されていることがより好ましい。
【００４８】
これにより、発光部が数°単位の一定の間隔で複数設けられていることで、複数のデータをほぼ同時に得ることができ、上記入射角と正反射光強度との関係を示すグラフを得るために要する時間を大幅に短縮できる。よって、発光部を数°単位で移動させる場合と比較して、膜厚測定に要する時間を大幅に短縮できる。この結果、例えば、ポリエチレンシート等の被測定膜が高速で流れる生産ラインにおいても、０°〜９０°の入射角の範囲に一定間隔で複数の発光部を配置して被測定膜に対して光を照射することで、瞬時に測定結果を示すグラフを得ることができ、オンラインでの膜厚測定が可能になる。
【００４９】
本発明の膜厚測定装置は、上記の課題を解決するために、上記膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、シート状の平行光を照射する平行光照射手段と、上記平行光を集光して被測定膜に対して集光した光を照射する集光手段と、上記被測定膜に対して照射された光の反射光を平行光に変換する平行光変換手段と、該平行光変換手段によって変換された平行光を受光して、被測定膜に対して照射された平行光の入射角度に対応する光強度を測定する平行光強度測定手段とを備えていることを特徴としている。
【００５０】
上記の構成によれば、入射光角度変更手段、あるいは複数組の受発光手段を設けることなく、膜厚測定に必要な、測定した光強度と入射光角度との関係を示す略正弦波状のグラフを瞬時に作成することができるため、リアルタイム膜厚測定が可能になる。
【００５１】
すなわち、本発明の膜厚測定装置は、通常の円形断面のレーザ光ではなくシート状の平行光を照射し、該平行光を集光手段によって集光して被測定膜上における被測定点に照射している。そして、この反射光を平行光変換手段によって再度平行光に変換し、該平行光を平行光強度測定手段により測定している。
【００５２】
このとき、シート状の平行光を集光した１本１本の光は、それぞれ入射角度の異なる光として被測定膜の被測定点に照射されることになるため、シート状の平行光を照射することで、複数の角度から光を照射した状態を形成できる。そして、これらの入射角度の異なる光の反射光を再びシート状の平行光とし、該１本１本の平行光を、例えば、アレイ状の光検出器等の平行光強度測定手段によって測定することで、瞬時に膜厚測定に必要な略正弦波状のグラフを形成できる。該正弦波状のグラフ形成後は、このグラフにおける２点あるいは３点の値から容易に膜厚を算出できるため、上記略正弦波状のグラフを瞬時に作成することで、リアルタイム膜厚測定が可能になる。
【００５３】
以上のように、本発明の膜厚測定装置によれば、シート状の平行光を照射することで、１回の平行光照射によって、瞬時に上記略正弦波状のグラフを形成し、後はこの略正弦波状のグラフに基づいて膜厚を測定すればよいため、リアルタイムでの膜厚測定が可能になる。また、ステッピングモータ等の入射光角度変更手段や、複数の受発光手段を設ける替わりに、平行光を照射する発光手段と、シリンドリカルレンズ等の集光手段、平行光変換手段を設けるだけでよいため、より安価な構成でリアルタイム膜厚測定が可能になる。
【００５４】
上記膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、被測定膜に対して、光を照射する光照射手段と、上記被測定膜ヘ照射された光の反射光を受光して、光の入射角度に対応する光強度を測定する光強度測定手段とを備えていることがより好ましい。
【００５５】
これにより、光照射手段が被測定膜に対する入射角を変化させて光を照射するとともに、光強度測定手段がその照射光の被測定膜における正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を算出することで、簡易かつ安価な構成からなる膜厚測定装置を提供することができる。
【００５６】
上記光照射手段は、シート状の平行光を照射するとともに、上記光強度測定手段は、平行光強度の検出が可能な受光素子であることがより好ましい。
【００５７】
これにより、光照射手段がシート状の平行光を照射するとともに、受光素子が平行光の正反射光を検出することで、１組の受発光素子を数度ずつ移動させたり、複数組の受発光素子を設けて入射光角度を変更したりして膜厚測定を行う場合と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
よって、膜厚測定に必要なデータを得るための光照射の回数を大幅に減らすことができ、リアルタイムでの膜厚測定が可能な膜厚測定装置を得ることができる。
【００５９】
上記光照射手段は、シート状の平行光に厚みを持たせた光束を照射するとともに、上記光強度測定手段は、２次元方向の光強度の検出が可能な受光素子であることがより好ましい。
【００６０】
これにより、例えば、断面が四角形の光束を被測定物に照射し、その正反射光の光強度を２次元で検出可能なＣＣＤ等で受光することで、１回の光照射により、膜厚測定に必要なデータを得て、グラフを作成することができるため、瞬時で膜厚測定を行うことが可能になる。
【００６１】
よって、生産工程において高速で搬送されるシート等のリアルタイムでの膜厚測定が可能になることから、薄膜シート等の生産工程における不良品の発見が容易になり、結果として、製品歩留まりを向上させることができる。
【００６２】
上記光照射手段から照射される平行光を収束する光収束手段と、上記収束された光の上記被測定膜からの反射光を平行光へ変換する平行光変換手段として、共通の光学系を用いることがより好ましい。
【００６３】
これにより、従来は、照射側と受光側とに１つずつ必要であったシリンドリカルレンズ等の光学系を１つのシリンドリカルレンズで兼用しているため、従来よりも簡易な構成の膜厚測定装置を得ることができる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
本発明の膜厚測定方法および膜厚測定装置に関する一実施形態について、図１〜図６に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００６５】
本実施形態の膜厚測定装置１０は、図１に示すように、半導体レーザ（発光部）１１から透明ポリエステルフィルム（被測定膜）１５に対して光を照射し、その正反射光強度をシリコンフォトダイオード（受光部）１８が検出して、透明ポリエステルフィルム１５の膜厚を測定する装置である。
【００６６】
半導体レーザ１１から照射される光は、コリメートされたｓ偏向光１３であって、コリメータ１２に設けられた直径２（ｍｍ）の穴を介して、入射光角度θ０で透明ポリエステルフィルム１５にスポットサイズ２×３（ｍｍ）で照射されている。
【００６７】
そして、透明ポリエステルフィルム１５に照射された光は、入射光角度θ０と同じ角度θ０で反射し、レーザ光の照射面の状態をシリコンフォトダイオード１８に結像させるための、直径２（ｍｍ）の穴を設けたピンホール１６および直径Φ＝１０（ｍｍ）、焦点距離ｆ＝１５（ｍｍ）のレンズ１７を介して、シリコンフォトダイオード１８で検出される。
【００６８】
これにより、散乱光成分を除去して、透明ポリエステルフィルム１５からの正反射光だけを正確にシリコンフォトダイオード１８で検出することができる。よって、結果として、透明ポリエステルフィルム１５の膜厚を正確に測定することができる。
【００６９】
また、上述のように、透明ポリエステルフィルム１５の測定膜の法線に対して同じ角度で入射、反射するように、つまり、透明ポリエステルフィルム１５の測定膜の法線を中心として対称になるように半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８とがそれぞれ配置されている。
【００７０】
さらに、上記半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８は、上記の位置関係を保ちながら、図示しないステッピングモータ（入射光角度変更手段）により、０°＜θ０＜９０°の範囲内で、透明ポリエステルフィルム１５に対する光の入射角を０．３°ずつ変更することができる。これにより、被測定膜に対して光の入射角を変更しながら正反射光強度のデータをとることができる。
【００７１】
ここで、本発明の前提となる光干渉法における多波干渉の原理について説明すれば、以下の通りである。
【００７２】
なお、ここでは、被測定膜が光の吸収が全く無い透明な膜、あるいは光の吸収がほとんどない膜を測定した場合について説明する。
【００７３】
単層膜による多波干渉の原理は、図２に示すようなものであり、多波干渉による被測定膜表面での正反射光強度Ｒは次式で表わされる。
【００７４】
Ｒ＝［ｒ０２＋ｒ１２＋２ｒ０ｒ１ｃｏｓ（２δ）］／［１＋ｒ０２ｒ１２＋２ｒ０ｒ１ｃｏｓ（２δ）］　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）
この一般式を、例えば、本実施形態の空中におけるポリエステルフィルムの膜厚測定へ適用すれば、ｒ０＝−ｒ１＝ｒとすると、（４）式は以下のようになる。
Ｒ＝２ｒ２［１−ｃｏｓ（２δ）］／［１＋ｒ２｛ｒ２−２ｃｏｓ（２δ）｝］…（５）
ただし、δ，ｒｓ，ｒ０，ｒ１，ｎ１，ｎ２，ｎ等は以下の式で与えられる。
【００７５】
δ＝（２π／λ）ｎｈｃｏｓθ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（６）
ｒｓ＝［ｓｉｎ（θ１−θ０）］／［ｓｉｎ（θ１＋θ０）］　　　　　　　　　…（７）
ｒ０＝［ｓｉｎ（θ１−θ０）］／［ｓｉｎ（θ１＋θ０）］　　　　　　　…（８−１）
ｒ１＝−［ｓｉｎ（θ１−θ０）］／［ｓｉｎ（θ１＋θ０）］
＝（−ｒ０）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（８−２）
ｎ０ｓｉｎθ０＝ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（９）’
ｎ＝ｓｉｎθ０／ｓｉｎθ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（９）
ここで、本実施形態では、被測定膜を透明な薄膜としているので、ｒｓはｓ偏向波のフレネル反射計数で、（４）式のｒ０やｒ１を表わす。ｒ０やｒ１は薄膜の入射面、反射面での反射係数で、θ０，θ１は境界面Ａにおける入射角、屈折角である。
【００７６】
本実施形態においては、被測定膜は空気中にあるから、屈折率ｎ０＝ｎ２＝１、ｎ１＝ｎとなる。また、ｒ０＝−ｒ１＝ｒに関しては、（８−１）、（８−２）式よりわかるように、ｒ０＝−ｒ１＝ｒとなる。なお、これらの理論式は、入射光が平行であることを仮定しており、このために、レーザー光を利用している。
【００７７】
以上のように、入射光角度θ０を変化させると、（９）式に従ってθ１が、さらには（６）、（７）、（８−１）、（８−２）式に従ってδやｒが変化し、最終的にそれらの関数として表わされる正反射光強度Ｒが変化する。換言すれば、θ０の変化に対する正反射光強度Ｒが測定されれば、光干渉により生じる光干渉縞の明るい縞を示す以下の関係式（１０）から予想されるように、略正弦波に近似した形状のグラフとなる。
【００７８】
２ｎｈｃｏｓθ０＝（ｋ±１／２）λ　　　　　　　　　　　　　　…（１０）
そして、本発明の膜厚測定装置１０では、この略正弦波状のグラフの最大、最小を示す入射角θ０から膜厚ｈを算出することができる。
【００７９】
すなわち、以上の各関係式から、正反射光強度Ｒの理論値（計算結果）として、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すようなグラフを得ることができる。図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、膜厚ｈの変化により、計算結果として得られる理論値としてのグラフは、それぞれ異なる形状となる。
【００８０】
すなわち、図４（ａ）〜図（ｄ）に示すグラフは、屈折率ｎ＝１．４、膜厚ｈ＝５μｍ、１０μｍの２種類のサンプルに対して、被測定膜の吸収が殆ど無いと思われる被測定膜の吸収率ａ＝１０−４と、それが無視できない程度の吸収率ａ＝３×１０−３との２つの場合に対する理論値の計算結果である。ここに、被測定膜の吸収率ａは、上記（６）式中の屈折率ｎを実数だけでなく虚数成分を入れて考慮し、ｎ＝ｎ０（１−ｉａ）としている（ただし、ｎ０＝１．４）。
【００８１】
このように、被測定膜にある程度の光吸収があることを考慮すると、正反射光強度Ｒを示す略正弦波状のグラフは、０まで戻ることが無くなる。特に、被測定膜の膜厚が大きい場合には、図４（ｄ）に示すように、被測定膜の吸収率ａ＝３×１０−３の場合、入射光角度θ０が大きくなるにつれてその影響が顕著となっている。このように、被測定膜の吸収率ａ、入射光角度θ０を変数として得られるグラフは、その設定値毎に形状が大きく異なっている。
【００８２】
本発明の第１の膜厚測定方法は、λ，ｎを既知の値とし、入射光角度θ０あるいは被測定膜の吸収率ａを変数とした正反射光強度Ｒを示す図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すようなグラフを、膜厚測定装置１０と接続されたパソコン等に多数記憶しておき、測定された実際のグラフと最も近似するグラフに対応する膜厚を被測定膜の膜厚として決定することで、非接触式の膜厚測定を安価かつ容易に行うことができる。
【００８３】
さらに、被測定膜の屈折率ｎと、レーザ光の入射光波長λが既知の値であれば、膜厚ｈ以外にも、被測定膜の吸収率ａについても一致するグラフから求めることができる。
【００８４】
これにより、パソコン等に記憶されたグラフの数を増やす程、対応する膜厚の種類が増えることから、膜厚測定範囲および膜厚測定精度を向上させることができる。
【００８５】
一方、本発明の第２・第３の膜厚測定方法は、入射光角度θ０と正反射光強度Ｒとの関係を示す略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最小値（あるいは最大値）をとる入射光角度θ０の値をΘとすると、膜厚ｈは、入射光波長λおよび被測定膜の屈折率ｎを既知の値として、連続するΘの値を幾つか用いることにより算出する方法である。
【００８６】
すなわち、上記略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最小値（あるいは最大値）は、入射光角度θ０を０〜９０°で変化させて得られるグラフに複数個存在する。よって、近接する幾つかのΘｋ（ｋ＝１，２，３…）の値を求めることによって、膜厚ｈを算出することができる。
【００８７】
Θｋは、略正弦波状のグラフにおける最低点（あるいは最高点）を示しているため、グラフにおける傾きが０になる値、つまり、ｄＲ／ｄθ０＝０から膜厚毎に理論値として求めることができる。
【００８８】
すなわち、
ｄＲ／ｄθ０＝Ａ（ｎ，ｃｏｓθ１，ｒ，ｓｉｎδ，ｓｉｎθ０）×ｓｉｎδ×｛２（ｒ２＋１）ｎｓｉｎδｃｏｓθ１＋δ（ｒ２−１）ｃｏｓθ０ｃｏｓδ｝　　　　　　　　…（１１）
ここで、ｒ≠０、ｎ≠０、かつ０＜θ＜π／２とすれば、Ａ（ｎ，ｃｏｓθ１，ｒ，ｓｉｎδ，ｓｉｎθ０）≠０、ｃｏｓθ１≠０、ｓｉｎθ０≠０であるから、（１１）式の解は以下の何れかになる。
ｓｉｎδ＝０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１２−１）
２ｎ（ｒ２＋１）ｓｉｎδｃｏｓθ１＋δ（ｒ２−１）ｃｏｓθ０ｃｏｓδ＝０…（１２−２）
例えば、λ＝０．６５μｍ、ｎ＝１．４（１．０−ｉａ）、ａ＝３．０×１０−３、ｉ＝√（−１）、ｈ＝５μｍとして、（１）式の正反射光強度Ｒ、およびｄＲ／ｄθ０＝０の２つの解、（１２−１）式，（１２−２）式の計算結果は、図３に示すようなグラフにより示される。
【００８９】
なお、（１２−１）式は、正反射光強度Ｒを示す略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最低点を、（１２−２）式は、正反射光強度Ｒを示す略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最高点を示している。
【００９０】
膜厚ｈは、（１２−１）式、（１２−２）式の何れの式を用いても求めることができるため、ここでは簡易な計算によりｈを算出できるように、（１２−１）式を用いることとする。
δ＝（２π／λ）ｎｈｃｏｓθ１＝ｋπ（ｋ＝０，１，２，…）　　　…（１３）
より、ｃｏｓθ１＝ｋλ／２ｎｈを得ることができ、これに（９）式の関係を用いると、
ｓｉｎθ０＝［ｎ２−｛ｋλ／２ｈ｝２］１／２　　　　　　　　　　…（１４）
となる。
【００９１】
すなわち、（１４）式を満たすθ０が、上記略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最低点に対応するΘの値である。ただし、Θは入射角であるから０＜Θ＜π／２である。また、ｋの範囲は、（１４）式の右辺が０と１の間になるから、ｋｍｉｎ＝２（ｎ２−１）１／２ｈ／λ＜ｋ＜２ｎｈ／λ＝ｋｍａｘ　　　…（１５）
となる。
【００９２】
例えば、図３に示すグラフと同様に、ｎ＝１．４、ｈ＝５μｍ、λ＝０．６５μｍとすると、１５．０７＜ｋ＜２１．５４となる。これにより、ｋ＝１６，１７，１８，１９，２０，２１を得ることができる。よって、そのときのΘは、Θ２１＝１８．１°、Θ２０＝３１．３°、Θ１９＝４１．３°、Θ１８＝５０．２°、Θ１７＝５９．３°、Θ１６＝６９．６°と算出することができ、図３に示す略正弦波状のグラフにおける１周期毎の最低点に対応するΘの値を理論値として算出できる。
【００９３】
ここで、入射光角度θ０を変化させて実測値として、（１４）式において、膜厚ｈを算出するためには、ｎ、λが既知の値であったとしても、ｋおよびｈの両方が未知の値であるため、少なくとも、近接する２つのΘの値が必要である。
【００９４】
そこで、先ずは、連続する３つのΘとして、Θｋ−１、Θｋ、Θｋ＋１を用いて、膜厚ｈを測定する場合について説明すると、Θｋ−１、Θｋ、Θｋ＋１は以下のような式で表わされる。
ｓｉｎΘｋ−１＝［ｎ２−｛（ｋ−１）λ／（２ｈ）｝２］１／２　　　…（１４−１）
ｓｉｎΘｋ＝［ｎ２−｛ｋλ／（２ｈ）｝２］１／２　　　　　　　　…（１４−２）
ｓｉｎΘｋ＋１＝［ｎ２−｛（ｋ＋１）λ／（２ｈ）｝２］１／２　　　…（１４−２）
ただし、Θｋ−１＞Θｋ＞Θｋ＋１
（１４−１）式−（１４−２）式より、
ｋ＝（１／２）｛（２ｈ／λ）２（ｓｉｎ２Θｋ−１−ｓｉｎΘｋ）＋１｝…（１６−１）
を得るので、ｋ＝ｋ＋１とすると、
ｋ＋１＝（１／２）｛（２ｈ／λ）２（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）＋１｝…（１６−２）
これらの差から、最終的に膜厚ｈは次式により表わすことができる。
ｈ＝（λ／√２）／（２ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ−１−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２　…（１）
これにより、３つの連続する最低点に対応する光入射角Θｋ−１、Θｋ、Θｋ＋１（Θｋ−１＞Θｋ＞Θｋ＋１）を実測結果として求め、（１）式に代入することにより、膜厚ｈは、屈折率ｎが未知であっても、入射光波長λと実測された３つの入射角Θｋ−１、Θｋ、Θｋ＋１だけで求めることができる。
【００９５】
具体的には、半導体レーザ１１から一定の入射光波長λで照射される入射光の透明ポリエステルフィルム１５に対する入射光角度θ０を変化させて、シリコンフォトダイオード１８により正反射光強度Ｒを検出し、該検出結果を示す略正弦波状のグラフを作成する。そして、その略正弦波状のグラフにおける、１周期毎の連続する３個の最低点（最高点）を実測し、その３個の実測値Θと照射した入射光波長λとを上記（１）式に代入することにより、容易に透明ポリエステルフィルム１５の膜厚を測定できる。
【００９６】
本発明の第２の膜厚測定方法では、入射光波長λと３つの入射光角度Θが分かれば膜厚を算出できるため、特に、測定する被測定膜の屈折率が不明である場合に最適な膜厚測定方法である。
【００９７】
上記（１）式を用いて実際に膜厚ｈを算出すると、上述した理論値（図３）のうち、Θ２１＝１８．１°、Θ２０＝３１．３°、Θ１９＝４１．３°と、既知の値である入射光波長λ＝０．６５μｍとを（１５）式に代入することにより、膜厚ｈ＝５．２４μｍを算出することができる。
【００９８】
すなわち、本発明の膜厚測定方法によれば、実際に、実測値である光入射角Θｋ−１、Θｋ、Θｋ＋１から膜厚ｈを求めることができる。なお、ここで得られた膜厚ｈは、理論値５μｍと比較して誤差４．８％であることから、十分に実用化可能な誤差範囲であると考えられる。
【００９９】
さらに、本発明の第３の膜厚測定方法について以下で説明する。
【０１００】
本測定方法は、屈折率ｎを既知の場合に、連続した２つのΘｋ、Θｋ＋１の値からｈを求める方法である。
【０１０１】
すなわち、（１３）式から、
ｈ＝ｋλ／｛２（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｝　　　　　　　…（１３−１）
ｈ＝（ｋ＋１）λ／｛２（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２｝　　　　…（１３−２）
として、ｋを求め、
ｋ＝（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｛（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２＋（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｝／（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）　　　　　　　　　　　　　　…（１４）
このｋを（１３−１）式に代入して、ｈは次式のように求められる。
ｈ＝（λ／２）｛（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２＋（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｝／（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
この場合には、分子も分母も適当に大きな値となり、（１）式のように分母のルートの中が測定誤差のため負になることもない。一例として、先ほどの実験データΘｋ−１＝２１．７°，Θｋ＝１８．１°，Θｋ＋１＝１３．６°に対して、（１５）式からｈを求めると、ｈ＝２１．６４μｍ（Θｋ−１＝２１．７°，Θｋ＝１８．１°を用いて）、ｈ＝２１．９５μｍ（Θｋ＝１８．１°，Θｋ＋１＝１３．６°を用いて）と求めることができ、この値は、比較的正確に膜厚測定が可能な１００枚のサンプルを重ね合わせてマイクロメーターで測った平均厚さ２０μｍとほぼ一致する。
【０１０２】
表１には、この（２）式による結果を表わしている。このように、殆どのΘｋの値に対して、ｈは平均厚の２０μｍに近い値を示しているが、Θｋの測定誤差により膜厚の測定結果にも誤差が生じている。これは入射光角度θ０を大きくしていくと、フィルム上の照射領域が大きくなり、検出される正反射光強度に誤差が生じるためであると考えられる。
【０１０３】
【表１】
2004101505.tif 000003
【０１０４】
さて、つぎに、Θｋの測定誤差によるｈの測定誤差に対する検討を行う。Θｋ→Θｋ＋εに対して、ｈ→ｈ＋Δｈとして、これを（２）式に適用すると、
Δｈ／ｈ＝−ε［｛ｓｉｎΘｋｃｏｓΘｋ／（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２＋ｓｉｎΘｋ＋１ｃｏｓΘｋ＋１／（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２｝／｛（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２＋（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２｝＋２｛ｓｉｎΘｋｃｏｓΘｋ−ｓｉｎΘｋ＋１ｃｏｓΘｋ＋１｝／｛ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１｝］　　　…（１６）
となる。
【０１０５】
例えば、図１の計算例のΘｋ＋１＝１８．１°、Θｋ＝３１．３°、ｎ＝１．４に対しては、Δｈ／ｈ＝−１．９２３εと、ほぼεの程度となる。εは測定分解能（角度解像度）程度にすることができるので、本システムの場合ε＝０．３°＝５．２３×１０−３程度であるから、Δｈ／ｈ＝−１．０１×１０−２、すなわちｈの１％程度の誤差となる。
【０１０６】
なお、この誤差は、上述した本発明の第２の膜厚測定方法による実測結果と比較して、誤差を４．８％から１％程度に抑えることができるというメリットがある。
【０１０７】
よって、上記第２の膜厚測定方法を採用して被測定膜の膜厚を測定することにより、被測定膜の屈折率ｎが不明の場合でも膜厚を測定することができる。一方、被測定膜の屈折率ｎが既知の値である場合には、上記第３の膜厚測定方法を使用して誤差の小さい高精度な被測定膜の膜厚測定が可能になる。このように、上記第２・第３の膜厚測定方法が有するそれぞれの特徴を生かすように、両者を使い分けることにより、安価かつ簡易な方法で膜厚を測定することができる。
【０１０８】
本発明の膜厚測定方法は、さらに、屈折率の測定にも応用できる。
【０１０９】
すなわち、（１）式より、膜厚ｈを算出することができれば、このｈを（２）式に代入することによって、被測定膜の屈折率ｎを以下の計算式（１８）により算出することができる。
ｎ＝（１／２）［（２ｈ／λ）２（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）２＋２（ｓｉｎ２Θｋ＋ｓｉｎ２Θｋ＋１）＋（λ／２ｈ）２］１／２　　　　　　　　　　　　　　…（１８）
このように、３つの連続するΘｋの値と入射光波長λさえわかれば、（１）式から膜厚ｈを算出することができ、さらに（１８）式から屈折率ｎを算出することができる。
【０１１０】
さらにここで、本発明の膜厚測定方法による測定速度について検討する。
【０１１１】
上述したステッピングモータを用いて入射光角度θ０を０．３°ずつ変化させていた上記膜厚測定装置においては、１つのサンプルの膜厚を測定するために１〜２分程度必要である。これは、半導体レーザ１１を０．３°移動させる度に振動等の問題を回避するために、約０．５秒間静止してから測定している。よって、１サンプル毎に０．５〜１．０秒の時間がかかることになる。
【０１１２】
本発明の膜厚測定方法を、例えば、数ｍ／ｓで生産されるポリエチレンシートの厚さをリアルタイムでほぼ全面測定する実際の生産現場に適用するためには、１つの測定結果を１ｍｓあるいはそれ以下の時間で測定することが必要である。
【０１１３】
そこで、図６に示すように、半導体レーザ１１を０°＜θ０＜９０°の間に複数個配置することで、瞬時に入射光角度θ０と正反射光強度との関係を示すグラフを作成することができる。
【０１１４】
すなわち、図６に示すように、入射光角度を変化させて複数の半導体レーザ１１と、正反射光を受光する位置に設置されたシリコンフォトダイオード１８とを用いて、順番に電子的にスキャンすることによって、瞬時に図５に示すような測定結果を示すグラフを得ることができる。これにより、ステッピングモータにより半導体レーザ１１を移動させる場合における、ステッピングモータの回転に伴う機械的な振動等の問題が生じることもなく、１ｍｓ以下の測定を実現できる。
【０１１５】
ただし、このような構成とする場合には、複数配置した半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８の正反射光強度に対する特性が、回転させたときの特性と全く同じである必要がある。すなわち、この場合でも、１組の半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８をステッピングモータにより移動させて得られる反射強度特性と同じ特性を持つグラフを作成できる必要があるが、これについては、入射光角度を変化させたときの強度と同じになるように、図６の各半導体レーザ１１から照射される入射光角度に対応する正反射光強度を個々にアンプで増幅して調整することで解決できる。
【０１１６】
〔実施例１〕
本発明の膜厚測定装置に係る一実施例について説明する。
【０１１７】
なお、上記実施形態で説明した図面で説明した部材と同じ部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１１８】
本実施例では、上記実施形態で説明した膜厚測定装置１０と同様に、図１に示すように、被測定膜である透明ポリエステルフィルム１５上の照射位置を一定の位置とし、入射光角度θ０を変化させて、シリコンフォトダイオード１８によりその正反射光強度を検出した。
【０１１９】
また、被測定膜の表面が完全な鏡面でない場合には、正反射光の散乱光成分が生じてしまう。よって、本実施例では、これを取り除くために、シリコンフォトダイオード１８の受光側にレンズ１７と小さなピンホール１６とを配置し、被測定膜における照射部分の像をシリコンフォトダイオード１８の受光部分に結像させた。
【０１２０】
そして、入射光角度θ０を０．３°毎に増加させるステッピングモータを用いて、半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８を移動させ、入射光角度を約７°〜８３°の範囲で変化させて正反射光強度を測定した。なお、正反射光強度の測定データは、半導体レーザ１１が０．３°ずつ移動し、静止した時に、シリコンフォトダイオード１８により検出した。
【０１２１】
上記膜厚測定装置を用いて、屈折率１．４の透明なポリエチレンシートの測定結果を図５に示す。また、そのときの正反射光強度Ｒが、１周期毎に最少となる入射光角度Θｋと、（２）式による膜厚の算出結果を表１に示す。
【０１２２】
実測値として、最初の近接する２つの入射光角度Θｋ＋１＝１３．６°、Θｋ＝１８．１°と実測されるので、ｈ＝２１．６４μｍ、さらに、次の２つの入射光角度Θｋ＝１８．１°、Θｋ−１＝２１．７°と測定されるので、ｈ＝２１．９６μｍと測定される。
【０１２３】
以下同様にして測定された結果が、表１のｈであり、全体平均は、２０．４８μｍであった。
【０１２４】
一方、（１）式を用いると、実測値として、近接する３つの入射光角度Θは、Θｋ−１＝２１．７°、Θｋ＝１８．１、Θｋ＋１＝１３．６°と測定されるので、これらの値を（１）式に代入して、膜厚ｈを求めると、ｈ＝１４．２９μｍを算出することができた。
【０１２５】
なお、（１）式を用いて算出された膜厚と、（２）式を用いて算出された膜厚とには差があるが、これは（１）式を用いた膜厚測定方法が、測定精度に依存するため誤差が生じたものであり、この問題は測定機器の精度の向上によって解決可能である。
【０１２６】
このように、本発明の膜厚測定方法を実行する際には、入射光角度θ０を変化させて測定された正反射光強度変化を示すグラフにおける近接する３つの最低値Θを読み取り、これらの値を（１）式に代入することで、実際に膜厚ｈを求めることができた。
【０１２７】
上記実施例により、本発明の膜厚測定方法および膜厚測定装置は、レーザ光の多波干渉を利用した透明被測定膜の非接触測定方法およびその装置開発、実験結果例を示すことにより、実用化可能であることが確認できた。
【０１２８】
〔実施例２〕
本発明の膜厚測定装置に係る他の実施例について説明する。なお、上記実施形態および実施例１で説明した図面で説明した部材と同じ部材については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１２９】
本実施例では、図６に示す膜厚測定装置とは異なる、リアルタイムでの膜厚測定が可能な膜厚測定装置について説明する。
【０１３０】
本実施例の膜厚測定装置は、図９（ａ）に示すように、シートレーザ光の集光を利用して膜厚測定を行う膜厚測定装置であって、リアルタイムで精度の高い膜厚測定を行うことができる。
【０１３１】
膜厚測定装置２０は、被測定膜として、上記実施形態において説明した図５の測定結果を得た透明ポリエステルフィルム１５を用い、透明ポリエステルフィルム１５に対して照射するレーザ光として、図１に示すレーザ光１３の替わりにシートレーザ光２１を用いている。さらに、図６に示すように、半導体レーザ１１およびシリコンフォトダイオード１８を複数組配置する替わりに、シリンドリカルレンズ（集光手段）ＳＬ１、シリンドリカルレンズ（平行光変換手段）ＳＬ２を備え、リアルタイム測定を実現している。
【０１３２】
シートレーザ光は、近距離での精密ライン状レーザ光を発射することができる一般的な赤色可視光半導体レーザユニットである。
【０１３３】
シリンドリカルレンズＳＬ１は、例えば、２枚のシリンドリカルレンズから構成されており、１枚目のレンズＳＬ１−１は、幅Ｄ１の広がりのあるシートレーザ光をコリメート光（平行光）にするため、そして、２枚目のレンズＳＬ１−２は被測定膜に対して集束するシートレーザ光を集光するために設けられている。
【０１３４】
なお、例えば、シリンドリカルレンズＳＬ１を構成する１枚目のレンズＳＬ１−１には、ｆ＝６０ｍｍ、３０ｍｍ×３０ｍｍ、材質ＢＫ７のレンズ、２枚目のレンズＳＬ１−２には、ｆ＝４０ｍｍ、３０ｍｍ×２０ｍｍ、材質ＢＫ７のレンズを使用できる。
【０１３５】
また、シリンドリカルレンズＳＬ２は、広がりを有している透明ポリエステルフィルム１５からの反射光をコリメート光にするために設けられている。
【０１３６】
なお、シリンドリカルレンズＳＬ２としては、ｆ＝６０ｍｍ、３０ｍｍ×３０ｍｍ、材質ＢＫ＝７のレンズを用いることができる
さらに、本実施例の膜厚測定装置２０は、上記シリンドリカルレンズＳＬ２によってコリメート光にされた透明ポリエステルフィルム１５からの反射光強度をシリコンフォトダイオードアレイ（平行光強度測定手段）２２によって測定している。
【０１３７】
例えば、シートレーザ光２１の成分２１ａは、シリンドリカルレンズＳＬ１によって集光され、被測定膜上における所定の測定点に、入射角θ１で照射される。そして、同じく反射角θ１で反射した反射レーザ光２１ａ’は、シリンドリカルレンズＳＬ２を介して平行光とされ、シリコンフォトダイオードアレイ２２によって測定される。シートレーザ光２１の他の成分２１ｂ，２１ｃについても同様である。
【０１３８】
シリコンフォトダイオードアレイ２２は、例えば、素子ピッチｄ＝１４μｍ、２０４８素子（画素）の仕様のラインＣＣＤセンサを用いることができ、ＣＣＤ駆動ＩＣを介して、各画素への光強度が駆動クロックに同期した電圧として出力されるため、Ａ／Ｄ変換装置を用いてＰＣ（パーソナルコンピュータ）にデータを取り込んでいる。
【０１３９】
本発明の膜厚測定装置２０は、以上のような構成により、シートレーザ光２１ａ〜２１ｃの透明ポリエステルフィルム１５からの反射光を、シリンドリカルレンズＳＬ２を介して、コリメート光２１ａ’〜２１ｃ’に変換された反射光の光強度をシリコンフォトダイオードアレイ２２のＤ２領域において測定することができる。
【０１４０】
これにより、図９（ｂ）に示すような、略正弦波状の光強度分布を示す測定結果を瞬時に得ることができる。なお、図９（ａ）に示す角度θ１〜θ３は、図９（ｂ）の光強度分布を示すグラフのθ１〜θ３に対応しており、本実施例の膜厚測定装置２０では、シリンドリカルレンズＳＬ１を介して平行光の１本１本を入射光角度が異なる光に変換することができる。つまり、シート状の平行光を１回照射することで、異なる角度から光を照射した状態を得ることができ、これにより、瞬時に略正弦波状のグラフを形成することができ、リアルタイム膜厚測定が可能になる。
【０１４１】
また、図６に示す膜厚測定装置と比較して、複数組の受発光素子を設ける必要がないため、より安価な構成でリアルタイム膜厚測定が可能になる。
【０１４２】
また、測定の分解能は、シリコンフォトダイオードアレイ２２の素子ピッチに依存する。例えば、シリコンフォトダイオードアレイ２２の素子ピッチが、３０μｍである場合には、０．０５７°ずつのステップで測定を行うことができ、図６に示した膜厚測定装置の０．３°ずつのステップと比較して、大幅に分解能を向上させることができ、より正確な膜厚測定を行うことができる。
【０１４３】
膜厚測定装置２０による、屈折率１．４の透明ポリエステルフィルム１５の膜厚測定結果は、図１０に示すように、上記実施形態に示した図５に示す測定結果とほぼ同じ形状であり、光強度分布の極小値Θｋの値も近似している略正弦波状のグラフとなる。
【０１４４】
図１０に示す極小値Θｋの値および上記式（２）から、本実施例に係る膜厚測定装置２０による透明ポリエステルフィルム１５の膜厚測定結果は、表２に示すようになる。
【０１４５】
【表２】
2004101505.tif 000004
【０１４６】
例えば、シリンドリカルレンズＳＬ１，ＳＬ２の光軸に近い入射角度での近接する２つの入射角度Θｋ＋１＝２８．５５°、Θｋ＝３１．３８°と実測されるため、ｈ＝１９．８９μｍという測定結果が得られる。また、次の２つの入射角度Θｋ＝３１．３８°、Θｋ−１＝３３．９４°と実測されるため、ｈ＝２０．６９μｍという測定結果が得られる。
【０１４７】
なお、表２の結果をグラフ化した図１１に示すように、シリンドリカルレンズの両端に近い側の、図９（ａ）に示す２１ａまたは２１ｃの周辺領域では、若干の誤差が生じているが、これは、主にシリンドリカルレンズＳＬ２の光軸が正確に入射光の光軸（本実施例では約３５°）の正反射角度（約−３５°）になっていなかったこと、およびシリコンフォトダイオードアレイ２２が直線状になっているため、このシリコンフォトダイオードアレイ２２上に記録された角度が正確に入射角度と対応していないことに起因している。
【０１４８】
しかし、前者の問題は、ハード面で精度の高い光学系を用いて微調整することで解決可能であり、また後者の問題は、曲率半径ｆ２の曲線状アレイを用いることで解決可能である。さらに、後者の問題については、以下のような方法によってソフト的に解決できる。
【０１４９】
すなわち、本実施例では、被測定膜の法線に対する入射光角度３５°（図９（ａ）のθ２）の光軸を中心に前後約１５°の角度範囲で測定を行ったが、シリコンフォトダイオードアレイ２２上で測定された角度θについて、次式（イ）に従って算出される校正角度θ’を用いることで解決できる。
【０１５０】
θ’＝θ２＋（θ−θ２）［（θ−θ２）／ｔａｎ（θ−θ２）］・・・・・（イ）
（イ）式中の｛｝内は、角度の補正計数であって、当然に、θ＝θ２の場合は、θ’＝θ２となる。測定結果を示す表２をみても、θ＝３５°付近の測定結果から得られる透明ポリエステルフィルム１５の膜厚は、１９．８５μｍであり、正確な膜厚値となっている。
【０１５１】
以上のように、本実施例に係るシリンドリカルレンズを用いたリアルタイムの膜厚測定装置２０による測定結果の平均値は、２０．０１μｍであって、この値は、上述したステッピングモータを用いた測定装置による測定結果とほぼ一致する結果を得ることができる。
【０１５２】
なお、本実施例に係る膜厚測定装置２０は、光強度の測定をシリコンフォトダイオードアレイ２２を用いて行っている。よって、シリコンフォトダイオードアレイ２２における、アレイ状の個々に非常に小さい受光素子によって測定される光強度は、レーザ光特有の照射面でのスペックルノイズによって、データが不規則なものになるため、得られたデータに対して何回か平均化を行う必要があり、最適な平均化回数は５０回以上程度である。しかし、１回のサンプリングを５ｋＨｚ以上の周期で行うことは容易であるから、１つの被測定膜の膜厚を測定するためには、５×１０３（Ｈｚ）／（１０点×５０回）＝１００（Ｈｚ）、つまり１／１００（ｓ）＝１０（ｍｓ）の時間が必要となる。
【０１５３】
これにより、本実施例の膜厚測定装置２０によって、充分にリアルタイム測定が可能であることが分かる。
【０１５４】
さらには、例えば、シートレーザ光の幅を若干大きめの１〜３ｍｍ程度にして測定すれば、スペックルノイズの影響をある程度低減することもできる。
【０１５５】
なお、本実施例では、シートレーザ光を照射し、シリンドリカルレンズＳＬ１を介して平行光とする例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、最初から平行光を照射してもよい。
【０１５６】
なお、本実施形態では、透明ポリエステルフィルム１５の測定膜の法線に対して同じ角度で入射、反射するように、つまり、透明ポリエステルフィルム１５の測定膜の法線を中心として対称になるように、半導体レーザ１１とシリコンフォトダイオード１８とがそれぞれ配置されている例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。半導体レーザ１１から照射される光を対応するシリコンフォトダイオード１８で確実に受光できるような配置であれば、その配置については特に限定されるものではない。
【０１５７】
また、さらに効率よくリアルタイムの膜厚測定を可能にする膜厚測定装置としては、図１２に示すように、シート状の平行光に厚みＷを持たせた光束３１を照射し、２次元の光強度の検出が可能なＣＣＤカメラ３２で検出する膜厚測定装置３０が考えられる。
【０１５８】
本実施形態の膜厚測定装置３０は、シート状の光に厚みＷを持たせた断面が長方形の光束３１を照射し、これをシリンドリカルレンズＳＬ１で集光して被測定膜１５に照射する。そして、被測定膜１５からの正反射光をシリンドリカルレンズＳＬ２で断面が長方形の光束に戻した上で、ＣＣＤカメラ３２で２次元の光強度を検出する。
【０１５９】
膜厚測定装置３０によれば、例えば、上述した図９に示す膜厚測定装置２０では、移動する膜面上の異なる時刻（異なる場所）からのシート状反射強度を、直線状のシリコンフォトダイオード２２等のラインセンサで受光し、それらの平均として１つの反射強度を得る。そして、シート状の照射光の厚さ方向に光照射位置を移動させて、複数の反射強度を得た上でこれらを平均化し、膜厚を測定している（時間平均法）。
【０１６０】
この場合、平均化の回数分だけフラッシュ（光照射）が必要で、１つの被測定膜１５の膜厚測定に、少なくともフラッシュの回数分の時間が必要となり、短時間でのリアルタイム測定には限界がある。ただし、現在では、数ｋＨｚフラッシュの半導体レーザが実用化されているため、例えば、５０回の平均化を行ったとしても２０Ｈｚ以上のリアルタイム測定が可能である。
【０１６１】
これに対し、図１２に示す膜厚測定装置３０によれば、実質的に、１フラッシュで膜厚を測定することが可能である。
【０１６２】
すなわち、膜厚測定装置３０では、シート状の光に厚みを持たせ、断面が長方形の照射光を、シリンドリカルレンズＳＬ１を用いて、図１２のＯ’−Ｏ−Ｏ”で示す被測定膜１５におけるライン上に収束させる。
【０１６３】
次に、そのライン上からの正反射光をシリンドリカルレンズＳＬ２を用いて断面が長方形の光に戻し、その光強度を２次元記録可能なＣＣＤカメラ３２に記録する。
【０１６４】
そして、ＣＣＤカメラ３２が受光した断面が長方形の光束のうち、図１２のＡ−Ａ’で示すラインのデータを厚み方向（Ｗの方向）に平均化する、いわゆる空間的な平均化法を用いることで、フラッシュ（光照射）を１回行うだけで、膜厚測定に必要なグラフを形成するためのデータが得られ、瞬時に膜厚を測定できる。
【０１６５】
なお、膜厚測定装置３０を用いたリアルタイム測定は、２次元のＣＣＤカメラ３２の処理速度に依存するが、現時点で数１００Ｈｚのリアルタイム測定が可能である。
【０１６６】
図９に示す直線状センサであるシリコンフォトダイオードアレイ２２では、１回のフラッシュで図１３に示すＡ−Ａ’に沿った強度分布のみを得ている。そして、図１３に示すシート状の光の厚み方向において、光照射位置を４８０回移動させてデータを取得し、図１４に示すグラフを作成する。そして、図１４に示すグラフに基づいて、シート状の光の厚み方向について、空間的に膜厚を平均化することで、被測定膜の膜厚ｈを算出している。
【０１６７】
これに対して、本実施形態の膜厚測定装置３０では、断面が長方形の光束を照射し、２次元のＣＣＤカメラ３２を用いることで、１回の光照射によって、図１３に示すような干渉縞を示す光強度分布を示すグラフが得られた。
【０１６８】
この光強度分布に基づいて、入射光角度Θと反射光強度との関係は、図１４に示すグラフとして得られ、このグラフに基づいて、光強度の極小値を示す連続した２つの入射角度Θ１から計算して得た表３に示すデータから、被測定膜１５の厚さｈを求めることができる。
【０１６９】
【表３】
2004101505.tif 000005
【０１７０】
表３によれば、膜厚ｈとして、２０．２６μｍという結果が得られた。
【０１７１】
よって、膜厚測定装置３０によれば、１回のフラッシュにより、上記実施例と同程度の精度で、被測定膜１５の膜厚測定を行うことができることが証明された。
【０１７２】
受光素子として、ラインセンサ２２等を用いた膜厚測定装置２０は、高速で生産されるシート状薄膜の膜厚測定等に、一方、ＣＣＤカメラ３２等を用いた膜厚測定装置３０は、基板上に塗布された膜厚測定等の際に、特に有効に利用される。
【０１７３】
また、上述した図９および図１２に示す膜厚測定装置２０・３０と比較して、さらに簡易かつ実用的な構成として、図１５（ａ）に示すような膜厚測定装置が考えられる。
【０１７４】
すなわち、図１５（ａ）に示す膜厚測定装置は、半透鏡ＨＭ（ハーフミラー）を介して、シート状の平行光３１の一部をシリンドリカルレンズＳＬで被測定膜１５の膜面上に集光し、被測定膜１５からの反射光を再びシリンドリカルレンズＳＬで平行光にしている。そして、その平行光を受光センサ３２において記録している。
【０１７５】
すなわち、図１５（ａ）に示す膜厚測定装置は、図９および図１２の膜厚測定装置２０・３０が備えている２個のシリンドリカルレンズＳＬ１、ＳＬ２を、ただ、１個のシリンドリカルレンズＳＬで置き換えた構成である。
【０１７６】
つまり、１枚のシリンドリカルレンズＳＬを、入射光を集光する手段としても反射光を集光する手段としても利用している。
【０１７７】
図１５（ａ）に示す膜厚測定装置では、１枚のシリンドリカルレンズＳＬを使用する関係上、入射角度の可変範囲が、図９および図１２に示す膜厚測定装置２０・３０の場合と比較して半分になる。このため、測定可能な最小の膜厚範囲も原理的に半分になってしまう。
【０１７８】
しかし、数μｍ以上の膜厚であれば、上述したように、２点あるいは３点の最下点、最高点を含むグラフを形成できるため、測定可能な膜厚範囲に含まれる。よって、図１５（ａ）に示すような膜厚測定装置の構成は、数μｍ程度の膜厚測定が可能であり、かつ、シリンドリカルレンズＳＬを１枚設ければよいため、光学系の設計、製作の観点から極めて有効である。
【０１７９】
また、被測定膜についても、本実施形態および本実施例で説明した透明ポリエステルフィルムや、ポリエチレンシートに限定されるものではない。例えば、ＩＣ等の物質上に被膜された薄膜の厚さについても、同様に測定可能である。
【０１８０】
また、入射光について、本実施形態では、可視光の赤色レーザ光を被測定膜に対して照射する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。関係式（１）に示すように、測定膜厚は入射光波長λに依存するため、例えば、紫外線やＸ線等の波長の短い光を入射光として用いた場合には、より薄い膜厚の測定も可能になる。よって、被測定膜のおおよその膜厚がわかっていれば、それに応じて入射光波長を変更することで、適切な膜厚測定が可能になる。
【０１８１】
上記関係式（１）により算出される膜厚は、上記のように入射光波長λに依存するため、入射光波長λを小さくしてやれば、測定可能な最少膜厚についても小さくでき、逆に、入射光波長λを大きくしてやれば、測定可能な最大膜厚についても大きくできる。よって、従来の膜厚測定方法と比較して、測定可能な膜厚の範囲を拡大することができる。
【０１８２】
【発明の効果】
本発明の膜厚測定方法は、以上のように、照射光の波長を一定として、上記被測定膜に対する光入射角を変化させて上記正反射光の光強度を測定し、その測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を決定する測定方法である。
【０１８３】
それゆえ、被測定膜に対する照射光の入射角を変化させて、正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を算出することで、簡易かつ安価な構成により膜厚測定方法を提供することができるという効果を奏する。
【０１８４】
すなわち、発光部とその光の被測定膜からの正反射光強度を検出する受光部とがあれば、発光部および受光部を被測定膜に対して角度を変化させるだけで膜厚測定が可能になるため、従来の膜厚測定方法に比べて分光器等の高価な機器が不要となり、安価かつ簡易な構成で膜厚測定を行うことができる。
【０１８５】
さらに、被測定膜に対して光を照射して、その正反射光強度を検出し、その検出結果に基づいて膜厚を算出するといった非接触式の測定が可能になる。そして、予め生産ライン上に多数の発光部および受光部を設置して、ほぼ同時に複数の角度から照射された光の正反射光強度を検出することにより、測定サンプルを取り出して測定を行う必要がなく、生産ラインにおけるオンライン膜厚測定が可能になる。
【０１８６】
本発明の膜厚測定方法は、以上のように、照射光の波長を一定として、上記被測定膜に対する光入射角を変化させて上記正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに対応する計算式に基づいて膜厚を決定する測定方法である。
【０１８７】
それゆえ、被測定膜に対する照射光の入射角を変化させて、正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示す理論値を示す計算式に基づいて膜厚を算出することで、簡易かつ安価な構成により膜厚測定方法を提供することができるとともに、測定結果のみに基づいて略正弦波状のグラフを作成する場合と比較して、膜厚測定結果を示すまでに要する時間を短縮できるという効果を奏する。
【０１８８】
また、上記グラフにおける略正弦波状の１周期の範囲内において、少なくとも２点以上の正反射光強度を検出し、該２点以上の検出結果に基づいて、上記グラフを作成することがより好ましい。
【０１８９】
それゆえ、グラフを作成するために必要な最小限の測定結果を得ることができれば、後は計算によって、該略正弦波状グラフを作成することができ、膜厚測定に要する時間をより短縮できるという効果を奏する。
【０１９０】
また、上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の１周期ごとの最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する３点に対応する光の入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１の値を、下記の関係式（１）に代入して膜厚を測定することがより好ましい。
ｈ＝（λ／√２）／（２ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ−１−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２…（１）
それゆえ、被測定膜に対する光の入射角を変化させて、正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する３点に対応する角度Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１を（１）式に代入することで、簡易かつ安価な構成により、０．数μｍ〜０．１ｍｍ程度の膜厚測定方法を提供することができるという効果を奏する。
【０１９１】
すなわち、入射光波長λおよび測定結果から得られる３つの入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１だけを用いて膜厚を算出できるため、測定する膜の屈折率ｎが不明である場合であっても、容易に膜厚測定を行うことができる。なお、屈折率が不明である場合には、本発明の膜厚測定方法により膜厚を特定した後、（１８）式を用いて屈折率ｎを算出することが可能である。
【０１９２】
また、上記関係式（１）により算出される膜厚は、上記のように入射光波長λに依存するため、入射光波長λを小さくしてやれば、測定可能な最少膜厚についても小さくでき、逆に、入射光波長λを大きくしてやれば、測定可能な最大膜厚についても大きくできる。よって、従来の膜厚測定方法と比較して、測定可能な膜厚の範囲を拡大することができる。
【０１９３】
上記測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の１周期ごとの最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する２点に対応する光の入射角Θｋ，Θｋ＋１の値を、下記の関係式（２）に代入して膜厚を測定することがより好ましい。
ｈ＝（λ／２）｛（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ＋１）１／２＋（ｎ２−ｓｉｎ２Θｋ）１／２｝／（ｓｉｎ２Θｋ−ｓｉｎ２Θｋ＋１）　…（２）
それゆえ、被測定膜の屈折率が予め分かっている場合には、光の入射角と正反射光強度との関係についての測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の最下点あるいは最上点を示す傾き０の連続する２点に対応する光の入射角Θｋ，Θｋ＋１値を上記関係式（２）に代入するだけで、簡易かつ安価な構成により、０．数μｍ〜０．１ｍｍ程度の膜厚測定方法を提供することができるという効果を奏する。
【０１９４】
すなわち、正反射光強度の測定結果を示すグラフにおける略正弦波状の最下点あるいは最上点は、入射光波長との関係において膜厚が薄すぎる場合には、入射光角度０°〜９０°の範囲内に３点ない場合もでてくる。この場合には、３点の入射角Θｋ−１，Θｋ，Θｋ＋１から膜厚を算出できないため、入射光波長との関係において膜厚が薄すぎる場合であっても、被測定膜の屈折率ｎが既知の値あり、かつ略正弦波状の最下点（最上点）を２点取ることができれば、膜厚を算出することができ、より薄い膜厚の測定が可能になる。
【０１９５】
また、上記と同様に、上記関係式（２）により算出される膜厚は、入射光波長λに依存するため、入射光波長λの大小を制御することで、従来の膜厚測定方法と比較して、測定可能な膜厚の範囲を拡大することができる。
【０１９６】
複数の膜厚に対応する予め計算で求めたの入射光角度と正反射光強度との関係を示す上記グラフを記憶し、該記憶された複数のグラフと上記測定結果を示すグラフとを比較して、最も近似するグラフに対応する膜厚を被測定膜の膜厚として決定することがより好ましい。
【０１９７】
それゆえ、膜厚毎に予め理論値として得られる入射光角度と正反射光強度との関係に基づいて作成されたグラフを記憶し、測定結果として得られたグラフと比較して最も近似するグラフを選択することで、安価かつ容易に被測定膜の膜厚を測定することができる。よって、記憶するグラフの数を増やしていくことで、より精度の高い膜厚測定が可能になるという効果を奏する。
【０１９８】
上記照射光として、シート状の平行光を照射するとともに、上記平行光の被測定膜における反射光の光強度を測定することがより好ましい。
【０１９９】
それゆえ、シート状の平行光を照射するとともに、その平行光の正反射光を検出することで、１組の受発光素子を数度ずつ移動させたり、複数組の受発光素子を設けて入射光角度を変更したりして膜厚測定を行う場合と同様の効果を得ることができる。
【０２００】
よって、膜厚測定に必要なデータを得るための光照射の回数を大幅に減らすことができ、リアルタイムでの膜厚測定が可能になるという効果を奏する。
【０２０１】
上記照射光として、シート状の平行光に厚みを持たせた光束を照射するとともに、上記光束の被測定膜における反射光の光強度を２次元的に検出することがより好ましい。
【０２０２】
それゆえ、例えば、断面が四角形の光束を被測定物に照射し、その正反射光の光強度を２次元で検出可能なＣＣＤ等で受光することで、１回の光照射により、膜厚測定に必要なデータを得て、グラフを作成することができるため、瞬時で膜厚測定を行うことが可能になる。よって、生産工程において高速で搬送されるシート等のリアルタイムでの膜厚測定が可能になることから、薄膜シート等の生産工程における不良品の発見が容易になり、結果として、製品歩留まりを向上させることができるという効果を奏する。
【０２０３】
本発明の膜厚測定装置は、以上のように、上記膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、上記被測定膜に対して光を照射する発光部と、上記発光部から被測定膜に対して照射される光の正反射光の光強度を検出する受光部と、上記発光部とこれに対応する上記受光部とを移動させて、上記被測定膜に対する光の入射角を変化させる入射光角度変更手段とを備えている構成である。
【０２０４】
それゆえ、発光部と、該発光部から被測定膜に対して照射される光の正反射光を測定する受光部とを入射光角度変更手段により数°ずつ移動させて、入射光角度に対応する正反射光強度を検出することで、各入射光角度に対応した光強度を検出することができるという効果を奏する。
【０２０５】
上記被測定膜に対して異なる入射角で光を照射する上記発光部が複数配置されているとともに、該複数の発光部から照射された光の正反射光を検出できる位置に上記受光部が配置されていることがより好ましい。
【０２０６】
それゆえ、発光部が数°単位の一定の間隔で複数設けられていることで、複数のデータをほぼ同時に得ることができ、上記入射角と正反射光強度との関係を示すグラフを得るために要する時間を大幅に短縮できるという効果を奏する。
【０２０７】
本発明の膜厚測定装置は、以上のように、シート状の平行光を照射する平行光照射手段と、上記平行光を集光して被測定膜に対して集光した光を照射する集光手段と、上記被測定膜に対して照射された光の反射光を平行光に変換する平行光変換手段と、該平行光変換手段によって変換された平行光を受光して、被測定膜に対して照射された平行光の入射角度に対応する光強度を測定する平行光強度測定手段とを備えている。
【０２０８】
それゆえ、入射光角度変更手段、あるいは複数組の受発光手段を設けることなく、膜厚測定に必要な、測定した光強度と入射光角度との関係を示す略正弦波状のグラフを瞬時に作成することができるため、リアルタイム膜厚測定が可能になるという効果を奏する。また、ステッピングモータ等の入射光角度変更手段や、複数の受発光手段を設ける替わりに、平行光を照射する発光手段と、シリンドリカルレンズ等の集光手段、平行光変換手段を設けるだけでよいため、より安価な構成でリアルタイム膜厚測定が可能になる。
【０２０９】
上記膜厚測定方法により、被測定膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、被測定膜に対して、光を照射する光照射手段と、上記被測定膜ヘ照射された光の反射光を受光して、光の入射角度に対応する光強度を測定する光強度測定手段とを備えていることがより好ましい。
【０２１０】
それゆえ、光照射手段が被測定膜に対する入射角を変化させて光を照射するとともに、光強度測定手段がその照射光の被測定膜における正反射光の光強度を測定し、該測定結果を示すグラフに基づいて膜厚を算出することで、簡易かつ安価な構成からなる膜厚測定装置を提供することができるという効果を奏する。
【０２１１】
上記光照射手段は、シート状の平行光を照射するとともに、上記光強度測定手段は、平行光強度の検出が可能な受光素子であることがより好ましい。
【０２１２】
それゆえ、光照射手段がシート状の平行光を照射するとともに、受光素子が平行光の正反射光を検出することで、１組の受発光素子を数度ずつ移動させたり、複数組の受発光素子を設けて入射光角度を変更したりして膜厚測定を行う場合と同様の効果を得ることができる。よって、膜厚測定に必要なデータを得るための光照射の回数を大幅に減らすことができ、リアルタイムでの膜厚測定が可能な膜厚測定装置を得ることができるという効果を奏する。
【０２１３】
上記光照射手段は、シート状の平行光に厚みを持たせた光束を照射するとともに、上記光強度測定手段は、２次元方向の光強度の検出が可能な受光素子であることがより好ましい。
【０２１４】
それゆえ、例えば、断面が四角形の光束を被測定物に照射し、その正反射光の光強度を２次元で検出可能なＣＣＤ等で受光することで、１回の光照射により、膜厚測定に必要なデータを得て、グラフを作成することができるため、瞬時で膜厚測定を行うことが可能になる。よって、生産工程において高速で搬送されるシート等のリアルタイムでの膜厚測定が可能になることから、薄膜シート等の生産工程における不良品の発見が容易になり、結果として、製品歩留まりを向上させることができるという効果を奏する。
【０２１５】
上記光照射手段から照射される平行光を収束する光収束手段と、上記収束された光の上記被測定膜からの反射光を平行光へ変換する平行光変換手段として、共通の光学系を用いることがより好ましい。
【０２１６】
それゆえ、従来は、照射側と受光側とに１つずつ必要であったシリンドリカルレンズ等の光学系を１つのシリンドリカルレンズで兼用しているため、従来よりも簡易な構成の膜厚測定装置を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜厚測定装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】本発明の膜厚測定方法に利用する多波干渉の原理について説明する被測定膜の断面図である。
【図３】光反射強度の測定結果の理論値およびｄＲ／ｄθ０＝０の計算結果を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、膜厚、被測定膜の吸収率が異なる条件での、入射光角度と正反射光強度との関係の理論値を示すグラフである。
【図５】図１の膜厚測定装置を用いて測定した正反射光強度の実測値を示すグラフである。
【図６】図１の膜厚測定装置の応用例を示す斜視図である。
【図７】従来の膜厚測定方法の一例を示す被測定膜の断面図である。
【図８】光干渉法の原理を示す被測定膜の断面図である。
【図９】（ａ）は、本発明の他の実施例に係る膜厚測定装置の概略的な構成を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す膜厚測定装置によって得られる光強度分布を示すグラフである。
【図１０】図９（ａ）に示す膜厚測定装置によって得られた測定結果である入射光角度と光強度との関係を示すグラフである。
【図１１】図１０の光強度の測定結果から得られる被測定膜の膜厚を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、本発明の他の実施例であって、図９に示す２個のシリンドリカルレンズＳＬ１、ＳＬ２を、１個のシリンドリカルレンズＳＬで置き換えた光学系を用いた膜厚測定装置の測定原理を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の膜厚測定装置によって得られた光入射角度と光強度との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３に示す測定方法は、シート状の光に厚みを持たせ照射面をライン状にして（Ｏ’−Ｏ−Ｏ”）、このライン状の光からの反射強度を２次元記録の可能なＣＣＤカメラ上に記録し、個々のライン情報（Ａ−Ａ’）を厚み方向（Ｗの方向）に平均化する、いわゆる空間的な平均化法である。
【図１４】図１３に示すＣＣＤカメラにおいて得られた干渉縞の強度分布を示す図である。
【図１５】図１４のＣＣＤカメラによって得られる干渉縞の強度分布に基づく平均的な強度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　　　膜厚測定装置
１１　　　半導体レーザ（発光部）
１２　　　コリメータ
１３　　　ｓ偏向光
１５　　　透明ポリエステルフィルム（被測定膜）
１６　　　ピンホール
１７　　　レンズ
１８　　　シリコンフォトダイオード（受光部）
２０　　　膜厚測定装置
２１　　　シートレーザ光
２２　　　シリコンフォトダイオードアレイ（平行光強度測定手段）
ＳＬ１　　シリンドリカルレンズ（集光手段）
ＳＬ２　　シリンドリカルレンズ（平行光変換手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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