干渉膜厚計
【課題】 同一の測定対象物について、干渉反射光の光強度分布を繰り返し取得することにより、高精度の膜厚測定を行う干渉膜厚計を提供する。
【解決手段】 検出光を生成する光源と、検出光の参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光Ｌ３を生成する干渉光学系と、干渉反射光Ｌ３を分光する分光手段と、分光された干渉反射光Ｌ３を検出し、波長ごとの光強度分布を取得する光強度分布取得手段と、光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求める特性強度分布算出手段と、タイミングを異ならせて取得した２以上の光強度分布からそれぞれ求められた２以上の特性強度分布を合成する特性強度合成手段と、合成後の特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚を算出する膜厚算出手段により構成される。
【解決手段】 検出光を生成する光源と、検出光の参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光Ｌ３を生成する干渉光学系と、干渉反射光Ｌ３を分光する分光手段と、分光された干渉反射光Ｌ３を検出し、波長ごとの光強度分布を取得する光強度分布取得手段と、光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求める特性強度分布算出手段と、タイミングを異ならせて取得した２以上の光強度分布からそれぞれ求められた２以上の特性強度分布を合成する特性強度合成手段と、合成後の特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚を算出する膜厚算出手段により構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉膜厚計に係り、さらに詳しくは、参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光の光強度分布に基づいて、測定対象物の膜厚を測定する干渉膜厚計の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出光を参照面及び測定対象物にそれぞれ照射し、これらの反射光からなる干渉反射光を分光することによって、共通の参照面から測定対象物の各測定面までの距離を求め、これらの距離に基づいて、測定対象物の膜厚を測定する干渉膜厚計が従来から知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の干渉膜厚計では、干渉反射光について、周波数ごとの光強度分布を取得し、波数ごとの光強度分布へ変換した後、その特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求めている。測定対象物が透明膜の場合、この特性強度分布には、参照面から透明膜の表面及び裏面までの距離にそれぞれ対応する２つのピークが現れる。各ピークの空間周波数（ピーク位置）は上記距離に比例するため、これらの距離の差分として、膜厚を測定することができる。
【０００４】
また、測定対象物が２以上の透明膜からなる多層膜の場合、特性強度分布には、参照面から上記透明膜の各境界面までの距離に相当する３以上のピークが現れる。このため、隣り合うピーク間において上記距離の差分をそれぞれ求めることにより、各透明膜の膜厚を測定することができる。
【０００５】
このような干渉膜厚計は、測定対象物の反射面の状態が良好でなければ、膜厚を測定することができない。例えば、測定対象物の表面に、十分な反射光量が得られないような膜厚測定に適さない微少領域がある場合に、たまたま当該微少領域について測定が行われると、高精度の膜厚測定を行うことができない。そこで、同一の測定対象物について、光強度分布の取得を繰り返し行って、膜厚測定の精度を向上させることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、光強度分布の取得を繰り返し、同一の膜厚について、２以上の測定値を求めて積算した場合、不良測定で得られた誤差の大きな膜厚の測定結果によって、測定精度が大きく低下してしまうという問題があった。また、多層膜を測定する場合、特性強度分布において一部のピークが欠落することにより、各ピークの対応関係が把握できなくなり、測定精度が大きく低下するという問題があった。この様な問題を防止しようとすれば、全てのピークが揃った特性強度分布を得なければならず、不良測定が続く場合には、光強度分布の取得を繰り返しても、膜厚測定を行うことができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２７０９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、同一の測定対象物について、干渉反射光の光強度分布を繰り返し取得することにより、高精度の膜厚測定を行う干渉膜厚計を提供することを目的とする。特に、多層膜からなる測定対象物の各膜厚を高精度で測定することができる干渉膜厚計を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、十分な反射光量が得られない測定条件下において、干渉反射光の光強度分布を繰り返し取得することにより、膜厚測定を可能にする干渉膜厚計を提供することを目的とする。特に、望ましくない測定条件下において、多層膜からなる測定対象物の各膜厚を測定可能にする干渉膜厚計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の本発明による干渉膜厚計は、検出光を生成する光源と、上記検出光の参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光を生成する干渉光学系と、上記干渉反射光を分光する分光手段と、分光された上記干渉反射光を検出し、波長ごとの光強度分布を取得する光強度分布取得手段と、上記光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求める特性強度分布算出手段と、タイミングを異ならせて取得した２以上の上記光強度分布からそれぞれ求められた２以上の上記特性強度分布を合成する特性強度合成手段と、合成後の上記特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えて構成される。
【００１１】
光源からの検出光を参照面及び測定対象物により反射させ、これらの反射光からなる干渉反射光を分光することにより、干渉反射光について、波長ごとの光強度分布を取得することができる。この光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求めれば、当該特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数（ピーク位置）に基づいて、測定対象物の膜厚を算出することができる。このような干渉膜厚計において、タイミングを異ならせて２以上の光強度分布を取得し、これらの光強度分布からそれぞれ求められた２以上の特性強度分布を合成し、合成後の特性強度分布に基づいて、測定対象物の膜厚を算出することにより、膜厚測定の精度を向上させることができる。
【００１２】
つまり、同一の測定対象物について、光強度分布の取得を繰り返す場合に、光強度分布ごとに算出された膜厚を積算処理するという構成に比べて、膜厚測定の精度を向上させることができる。例えば、測定対象物の表面状態が悪く、特性強度分布中に特性強度の小さいピークしか現れない場合であっても、２以上の特性強度分布を合成して膜厚を算出することにより、膜厚測定を高い精度で行うことができる。また、多層膜の各膜厚を測定する場合に、特性強度分布に現れる３以上のピークの一部が欠落することによって、膜厚測定の精度に顕著な影響を与えるのを抑制することができる。
【００１３】
第２の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記特性強度合成手段が、２以上の上記特性強度分布の周波数軸を相対的に補正し、補正後の上記特性強度分布を合成するように構成される。
【００１４】
この様な構成により、２以上の光強度分布を取得する間に、参照面による反射光の伝搬経路と測定対象物による反射光の伝搬経路との差が変化し、２以上の特性強度分布間に周波数軸のずれが生じることによって、合成後の特性強度分布におけるピークの幅が増大し、膜厚測定の精度が低下するのを抑制することができる。
【００１５】
第３の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記特性強度合成手段が、上記特性強度分布に含まれるピークの空間周波数であって、距離に対する閾値を越える最小値を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成し、上記膜厚算出手段が、上記距離に対する閾値を越えるピークの空間周波数に基づいて膜厚を算出するように構成される。
【００１６】
膜厚算出手段が、特性強度分布に含まれるピークの空間周波数（ピーク位置）であって、距離に対する閾値を越える値に基づいて膜厚を算出することにより、距離に対する閾値を適切に設定すれば、測定対象物の各測定面からの反射光間の干渉に基づくピークを除外し、参照面からの反射光と、各測定面からの反射光との干渉に基づくピークに基づいて、膜厚を算出することができる。
【００１７】
また、この様な干渉膜厚計において、特性強度合成手段が、特性強度分布に含まれるピークの空間周波数（ピーク位置）であって、距離に対する閾値を越える最小値を基準として、２以上の特性強度分布を合成することにより、２以上の特性強度分布を合成する際、周波数軸の相対的なずれを容易に補正することができ、また、精度良く補正することができる。
【００１８】
一般に、光量が最も大きい反射光は、参照面からの反射光と、測定対象物の表面からの反射光であるため、特性強度分布において特性強度が最大となるピークは、参照面から測定対象物までの距離に相当するピークとなる。一方、距離に対する閾値を適切に設定すれば、距離に対する閾値を越える最初のピークが、参照面から測定対象物までの距離に相当するピークとなる。このため、周波数軸のずれを補正する際の基準として、各特性強度分布において距離に対する閾値を越えた最初のピークを利用することにより、基準とするピークを容易に選択することができる。また、特性強度が最大のピークを基準にすることにより、周波数軸の補正を精度良く実現することができる。
【００１９】
第４の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記特性強度合成手段が、それぞれの上記特性強度分布において最大の特性強度を有するピークの空間周波数を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成するように構成される。この様な構成により、２以上の特性強度分布を合成する際、周波数軸の相対的なずれを容易に補正することができ、また、精度良く補正することができる。
【００２０】
第５の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記測定対象物に対し、上記干渉光学系を相対的に揺動させる揺動手段を備えて構成される。この様な構成により、２以上の光強度分布を取得する際、測定対象物上における測定領域を異ならせることができる。例えば、測定対象物の表面上に、測定に適さない微少領域が存在している場合に、微小領域以外の領域も測定されるので、当該微少領域を測定領域としたために膜厚測定が不能となることを抑制することができる。
【００２１】
第６の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記膜厚算出手段が、上記特性強度分布に含まれる３以上のピークの空間周波数に基づいて、上記測定対象物を構成する多層膜の各膜厚を算出するように構成される。
【００２２】
この様な構成により、多層膜の各膜厚を精度よく測定することができる。例えば、多層膜中に略同一の膜厚からなる２以上の膜が含まれている場合であっても、これらの層ごとに膜厚を測定することができる。また、多層膜について光強度分布を繰り返し取得する場合、周波数軸が相対的に補正された特性強度分布を合成して膜厚を求めることにより、特性強度分布における一部のピークの欠落が膜厚測定の精度に顕著な影響を与えるのを防止することができる。つまり、特性強度分布の合成は、多層膜の膜厚測定時に特に好適である。
【００２３】
第７の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記光強度分布を繰り返し取得する場合に、新たに取得された上記光強度分布に対応する合成前の上記特性強度分布を逐次表示する表示手段を備え、上記表示手段が、先に取得された上記光強度分布に対応する上記特性強度分布に基づいて、周波数軸が相対的に補正された上記特性強度分布を表示するように構成される。
【００２４】
この様な構成により、光強度分布を繰り返し取得する間に参照面から測定対象物までの距離が変化した場合であっても、同じ膜厚に対応するピークが、周波数軸上の同じ位置に表示されるため、ユーザは、各ピークの特性強度（ピーク高さ）の変化を容易に視認することができ、測定状況を容易に把握することができる。
【００２５】
第８の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記距離に対する閾値をユーザ操作により指定するための距離閾値指定手段を備えて構成される。このような構成により、自由度の高い測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による干渉膜厚計では、タイミングを異ならせて取得した２以上の光強度分布からそれぞれ求められた２以上の特性強度分布を合成し、合成後の上記特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚が算出される。このため、光強度分布ごとに膜厚を求め、これらの膜厚を積算する場合に比べ、高精度の膜厚測定を行うことができる。また、十分な反射光量が得られない測定条件下であっても、膜厚測定を可能にすることができる。
【００２７】
また、本発明による干渉膜厚計では、同一の測定対象物から得られた異なる特性強度分布を合成する際、特性強度分布の周波数軸を相対的に補正している。このため、光強度分布を繰り返し取得する間に、参照面から測定対象物までの距離が変化している場合であっても、高精度の膜厚測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１による干渉膜厚計１の概略構成の一例を示した図である。
【図２】図１の干渉膜厚計１におけるヘッドユニット３０内の構成を模式的に示した説明図であり、干渉光学系の構成例が示されている。
【図３】図１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の分光装置４０の構成例を示した図である。
【図４】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を模式的に示した説明図であり、検出光Ｌ０の参照面による反射光及びワークＷによる反射光が示されている。
【図５】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、干渉反射光Ｌ３の光強度分布及びそのフーリエ解析から得られた特性強度分布が示されている。
【図６】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、搬送中のワークＷに対してヘッドユニット３０から検出光Ｌ１が照射される様子が示されている。
【図７】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、タイミングを異ならせて取得した光強度分布から得られた特性強度分布が示されている。
【図８】図３の分光装置４０における演算回路５０の構成例を示したブロック図であり、ワークＷの膜厚を算出する演算回路５０内の機能構成の一例が示されている。
【図９】図１の干渉膜厚計１における計測処理の一例を示したフローチャートである。
【図１０】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、表示部６０に表示されるモニター画面６１の一例が示されている。
【図１１】本発明の実施の形態２による干渉膜厚計１の構成例を示した図であり、揺動ユニット８１がヘッドユニット３０に取り付けられた干渉膜厚計１が示されている。
【図１２】図１１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の揺動制御部９０の構成例を示した図である。
【図１３】図１１の干渉膜厚計１の動作設定を行うための動作設定支援装置の動作例を示した図であり、モニター画面６１のマスク設定時の設定画面１００が示されている。
【図１４】図１１の干渉膜厚計１の動作設定を行うための動作設定支援装置の動作例を示した図であり、アラーム設定時の設定画面１００が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
実施の形態１．
＜干渉膜厚計＞
図１は、本発明の実施の形態１による干渉膜厚計１の概略構成の一例を示した図である。この干渉膜厚計１は、様々な波長を含む広帯域光からなる検出光Ｌ１を用いて、ワークＷの膜厚を測定する測定装置であり、コントローラユニット１０、光ファイバー２０及びヘッドユニット３０からなる。
【００３０】
コントローラユニット１０は、検出光Ｌ１を生成し、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光に基づいて、ワークＷの膜厚を算出する本体ユニットである。このコントローラユニット１０は、ＳＬＤ駆動回路１１、ＳＬＤ１２、コリメータレンズ１３ａ、集光レンズ１３ｂ、フェルール１４、ファイバースプリッタ１５及び分光装置４０により構成される。
【００３１】
ＳＬＤ駆動回路１１は、ＳＬＤ１２の駆動制御を行うドライバ回路である。ＳＬＤ（Super Luminescent Diode：高輝度ダイオード）１２は、広帯域光からなる検出光を生成する光源装置であり、ＳＬＥＤ（高輝度発光ダイオード）と呼ばれることもある。例えば、波長０．７０〜１．０μｍ程度の近赤外光からなる広帯域光が検出光として生成される。具体的には、赤外光領域の波長０．８３μｍを中心波長として含む広帯域光がＳＬＤ１２によって生成される。
【００３２】
コリメータレンズ１３ａは、ＳＬＤ１２から入射した検出光を集光し、中心軸に略平行な平行光として出射する集光レンズである。集光レンズ１３ｂは、コリメータレンズ１３ａから入射した平行光を集光し、フェルール１４の端面に向けて出射する光学素子である。コリメータレンズ１３ａ及び集光レンズ１３ｂは、ＳＬＤ１２から出射された検出光を光ファイバーに入射させるための光ファイバー結合レンズとなっている。
【００３３】
フェルール１４は、検出光を伝送する光ファイバーの端部を保持するための接続部材である。ＳＬＤ１２、コリメータレンズ１３ａ、集光レンズ１３ｂ及びフェルール１４は、中心軸を互いに一致させて配置される。
【００３４】
ファイバースプリッタ１５は、光ファイバーを介して、フェルール１４、分光装置４０及びコネクタ２１に接続され、フェルール１４から伝送された検出光をそのままコネクタ２１側へ伝送し、コネクタ２１から伝送された光を主に分光装置４０側へ伝送するファイバー形状のビームスプリッタである。具体的には、ファイバースプリッタ１５の一方の端部にフェルール１４及び分光装置４０が接続され、他方の端部にコネクタ２１が接続されている。
【００３５】
光ファイバー２０は、検出光をコントローラユニット１０からヘッドユニット３０まで伝送するための光伝送媒体である。光ファイバー２０は、導光体からなる芯線と、芯線を被覆する樹脂膜によって構成され、コネクタ２１を介してコントローラユニット１０と着脱可能に接続される。
【００３６】
ヘッドユニット３０は、コントローラユニット１０から伝送された検出光を検出光Ｌ１としてワークＷに向けて出射する検出光出射ユニットであり、例えば、ワークＷの搬送ライン付近に配置される。
【００３７】
ＳＬＤ１２から出射された検出光は、コリメータレンズ１３ａに入射し、平行光として出射される。この平行光は、集光レンズ１３ｂに入射し、フェルール１４端面に向けて出射される。検出光は、このフェルール１４を介して光ファイバー内に入射され、ファイバースプリッタ１５を介してコネクタ２１へ伝送される。そして、検出光は、このコネクタ２１及び光ファイバー２０を介してヘッドユニット３０へ伝送され、検出光Ｌ１としてワークＷに向けて出射される。
【００３８】
一方、検出光Ｌ１の照射によって検出光Ｌ１の一部がワークＷにより反射され、その反射光の一部は、ヘッドユニット３０に入射される。検出光Ｌ１のワークＷによる反射光と、ヘッドユニット３０内の所定の参照面による検出光の反射光とは、光ファイバー２０及びファイバースプリッタ１５を介して分光装置４０へ伝送される。分光装置４０は、この様な反射光からなる干渉反射光を分光して、ワークＷの膜厚を算出する。
【００３９】
＜ヘッドユニット内の干渉光学系＞
図２は、図１の干渉膜厚計１におけるヘッドユニット３０内の構成を模式的に示した説明図であり、干渉光学系の構成例が示されている。このヘッドユニット３０は、ワークＷの膜厚を測定するための干渉反射光Ｌ３を生成する干渉光学系を備え、光ファイバー２０を介して伝送された検出光の一部を検出光Ｌ１として出射し、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光の一部が入射される。
【００４０】
この干渉光学系は、ミロー型又はミラウ型の干渉光学系であり、集光レンズ３１、ガラス板３２、ハーフミラー３３及びピンミラー３４からなる。光ファイバー２０の端面から出射される検出光を検出光Ｌ０と呼べば、検出光Ｌ０の一部が検出光Ｌ１として出射され、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光が入射される。そして、検出光Ｌ０の参照面による反射光と、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光とから干渉反射光Ｌ３が生成され、光ファイバー２０の端面に入射される。
【００４１】
集光レンズ３１は、光ファイバー２０の端面から入射した検出光Ｌ０を集光し、ハーフミラー３３に向けて出射する光学レンズである。ハーフミラー３３は、検出光Ｌ０の一部を集光レンズ３１側へ反射させ、他の一部を透過させる円板状のビームスプリッタである。ガラス板３２は、ピンミラー３４を光路内に配置するための透明なガラス材からなる円形板であり、集光レンズ３１及びハーフミラー３３間に配置されている。
【００４２】
ピンミラー３４は、検出光Ｌ０のハーフミラー３３による反射光をハーフミラー３３側へ反射させることにより、ヘッドユニット３０から離間した位置に仮想基準面Ａを形成するための参照面を有する光学素子であり、円板状の小型の反射鏡からなる。光ファイバー２０の端部、集光レンズ３１、ガラス板３２、ピンミラー３４及びハーフミラー３３は、中心軸を一致させて配置されている。
【００４３】
仮想基準面Ａは、干渉反射光Ｌ３に基づいてワークＷの膜厚を算出する際の基準となる仮想的な平面であり、検出光Ｌ１の光軸に垂直である。ピンミラー３４は、ワークＷから仮想基準面Ａまでの距離ｄがゼロである場合に、検出光Ｌ０の参照面による反射光と、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光とが同位相となる位置に形成される。
【００４４】
集光レンズ３１から出射された検出光Ｌ０は、その一部がハーフミラー３３により反射され、検出光Ｌ２としてピンミラー３４に入射する。ピンミラー３４により反射された検出光Ｌ２は、その一部がハーフミラー３３により集光レンズ３１に向けて反射される。
【００４５】
一方、検出光Ｌ０の他の一部は、ハーフミラー３３を透過し、検出光Ｌ１としてヘッドユニット３０から出射される。ワークＷにより反射された検出光Ｌ１は、ハーフミラー３３を集光レンズ３１に向けて透過する。この検出光Ｌ１のワークＷによる反射光と、検出光Ｌ２のハーフミラー３３による反射光とが、干渉反射光Ｌ３として、光ファイバー２０の端面に入射される。干渉反射光Ｌ３に基づいて算出されるワークＷの膜厚は、仮想基準面ＡとワークＷとの間の距離ｄの差分として求められる。
【００４６】
＜分光装置＞
図３は、図１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の分光装置４０の構成例を示した図である。この分光装置４０は、フェルール４１、コリメータレンズ４２、回折格子４３、結像レンズ４４、ＣＣＤイメージセンサ４５、イメージセンサ駆動回路４６、アンプ４７、ＡＤコンバータ４８、バッファメモリ４９、演算回路５０及び表示部６０により構成される。
【００４７】
フェルール４１は、干渉反射光Ｌ３を伝送する光ファイバーの端部を保持するための接続部材であり、ファイバースプリッタ１５から延伸する光ファイバーの端部に設けられている。コリメータレンズ４２は、フェルール４１から出射された干渉反射光Ｌ３が入射し、これらの光を集光して、中心軸に略平行な平行光として出射する集光レンズである。
【００４８】
回折格子４３は、入射光を分光する分光素子であり、コリメータレンズ４２から入射した干渉反射光Ｌ３を波長に応じた角度で出射するための多数のスリットが形成された平板からなる。結像レンズ４４は、回折格子４３から入射した干渉反射光を集光し、ＣＣＤイメージセンサ４５上に結像させる集光レンズである。
【００４９】
回折格子４３によって回折された干渉反射光Ｌ３は、結像レンズ４４を透過後、ＣＣＤイメージセンサ４５上で波長に応じて異なる位置に結像される。その際、伝搬経路の異なる反射光間の干渉によって、その波長に応じて干渉反射光Ｌ３は強め合ったり、弱め合ったりすることとなる。
【００５０】
ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）イメージセンサ４５は、結像レンズ４４によって集光された干渉反射光Ｌ３の結像位置を検出可能な撮像素子であり、受光量に応じた検出信号をそれぞれ出力する多数の受光素子が１次元配置されたセンサチップからなる。このＣＣＤイメージセンサ４５は、分光された干渉反射光Ｌ３を検出し、波長ごとの光強度分布を取得するための光強度分布取得手段である。イメージセンサ駆動回路４６は、ＣＣＤイメージセンサ４５の駆動制御を行うドライバ回路である。
【００５１】
ＣＣＤイメージセンサ４５から出力される検出信号は、アンプ４７に入力され、電力増幅される。このアンプ４７による電力増幅後の検出信号は、ＡＤコンバータ４８に入力され、アナログ信号からデジタル信号に変換されバッファメモリ４９内に蓄積される。
【００５２】
演算回路５０は、バッファメモリ４９内の検出データ、すなわち、受光素子ごとのピクセルデータに基づいて、仮想基準面ＡとワークＷとの間の距離ｄやワークＷの膜厚を算出し、測定結果として表示部６０や外部機器へ出力する。表示部６０は、測定結果などをモニター画面上に表示するディスプレイ装置である。
【００５３】
＜干渉反射光＞
図４は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を模式的に示した説明図であり、検出光Ｌ０の参照面による反射光及び検出光Ｌ１のワークＷによる反射光が示されている。ヘッドユニット３０内において、光ファイバー２０の端面から出射された検出光Ｌ０は、その一部が検出光Ｌ２として参照面（ピンミラー３４）により反射される。
【００５４】
一方、検出光Ｌ０の他の一部は、検出光Ｌ１としてヘッドユニット３０から出射され、ワークＷに入射する。そして、ワークＷにより反射された検出光Ｌ１は、その一部が再度ヘッドユニット３０に入射される。参照面による反射光とワークＷによる反射光とは、仮想基準面Ａ及びワークＷ間の距離ｄに応じた位相差を有しており、干渉反射光Ｌ３は、その様な伝搬経路の異なる複数の反射光からなる。
【００５５】
ワークＷが、複数の透明膜Ｂ１〜Ｂ３からなる多層膜により構成される場合、検出光Ｌ１は、各透明膜Ｂ１〜Ｂ３の界面により反射される。透明膜Ｂ１のヘッドユニット３０側、すなわち、図中における上側の界面をＳ１とし、透明膜Ｂ１とＢ２との間の界面をＳ１２、透明膜Ｂ２とＢ３との間の界面をＳ２３、透明膜Ｂ３の下側の界面をＳ３とすれば、検出光Ｌ１の界面Ｓ１，Ｓ１２，Ｓ２３及びＳ３による反射光がそれぞれヘッドユニット３０に入射される。
【００５６】
ワークＷを構成する多層膜の膜厚としては、例えば、透明膜Ｂ１〜Ｂ３の各膜厚が求められる。透明膜Ｂ１の膜厚は、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ１２間の距離と、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ１間の距離との差分から求められる。また、透明膜Ｂ２の膜厚は、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ２３間の距離と、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ１２間の距離との差分から求められる。また、透明膜Ｂ３の膜厚は、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ３間の距離と、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ２３間の距離との差分から求められる。
【００５７】
＜ＦＦＴ波形＞
図５（ａ）〜（ｃ）は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、干渉反射光Ｌ３の光強度分布及びそのフーリエ解析から得られた特性強度分布が示されている。図５（ａ）には、横軸を干渉反射光Ｌ３の波長λとし、縦軸を受光量として、波長λごとの光強度分布が示されている。
【００５８】
この光強度分布は、ＣＣＤイメージセンサ４５により検出されたピクセルデータから得られ、その特性曲線は、波長λの増加に伴って受光量が激しく変化している。検出光の参照面による反射光と、ワークＷによる反射光とでは、２ｄが光路差となることから、受光量は、４πｄ／λ＝２ｎπ（ｎは整数）を満たす波長λで極大となり、４πｄ／λ＝（２ｎ＋１）πを満たす波長λで極小となる。
【００５９】
このため、特性曲線は、極大及び極小を概ね周期的に繰り返す曲線となっている。また、光強度分布の包絡線は、ＳＬＤ１２により生成される広帯域光の光強度分布がガウス分布であることに対応して、中央に１つのピークを有する山型の曲線となっている。
【００６０】
図５（ｂ）には、横軸を波数１／λ、縦軸を受光量として、波数１／λごとの光強度分布が示されている。この光強度分布は、図５（ａ）の光強度分布に対し、波長λを波数１／λに周波数軸変換することにより得られ、その特性曲線では、受光素子ごとの受光量分布が有する周期を単一周期の分布として表すことができる。
【００６１】
この様な光強度分布の特性曲線をフーリエ変換することにより、特性曲線の空間周波数ごとの特性強度分布を得ることができる。特性強度分布における空間周波数は、ワークＷと仮想基準面Ａとの間の距離ｄに対応する。
【００６２】
図５（ｃ）には、横軸を距離ｄ、縦軸を受光量として、光強度分布のフーリエ解析から得られたＦＦＴ波形が示されている。このＦＦＴ波形は、波数１／λごとの光強度分布の特性曲線をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）することにより得られる特性強度分布である。ＦＦＴ波形における距離ｄは、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との光路差が２ｄであることから、空間周波数の１／２倍として算出される。
【００６３】
この例では、不要成分Ｃ１と、複数のピークＣ２〜Ｃ５とからなるＦＦＴ波形が測定されている。不要成分Ｃ１とは、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との間の干渉に無関係の成分のことであり、主に、ワークＷを構成する透明膜の界面による反射光同士の干渉に対応する。
【００６４】
図４のワークＷであれば、不要成分Ｃ１は、検出光Ｌ１の界面Ｓ１による反射光と界面Ｓ１２よる反射光との間の干渉や、界面Ｓ１による反射光と界面Ｓ２３よる反射光との間の干渉などに対応する。この様なワークＷの界面による反射光同士の干渉に起因する不要成分Ｃ１は、距離ｄがそのまま透明膜の膜厚を表す。
【００６５】
このため、ワークＷが多層膜からなる場合、不要成分Ｃ１では、測定された膜厚がどの透明膜に対応するのか判別しづらい。特に、膜厚が同程度の複数の透明膜が存在する場合、測定結果と透明膜との対応づけが困難である。
【００６６】
一方、ピークＣ２〜Ｃ５は、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との間の干渉に対応する成分である。各ピークＣ２〜Ｃ５は、ワークＷを構成する透明膜の各界面による反射光にそれぞれ対応し、そのピーク位置が、仮想基準面Ａ及び界面間の距離ｄを表す。仮想基準面Ａから遠い界面ほど、対応するピークは、長距離側に形成されている。
【００６７】
また、一般に、距離ｄが大きくなるほど、光強度分布の特性曲線における極大値と極小値との差は小さくなる。このため、ＦＦＴ波形におけるピークの受光量（特性強度）は、距離ｄの増加に伴って概ね減少している。
【００６８】
本実施の形態による干渉膜厚計１では、透明膜の膜厚がこの様なピークＣ２〜Ｃ５の位置に基づいて求められる。ピーク位置は、仮想基準面Ａから界面までの距離ｄに対応するので、異なる２つのピークを指定すれば、これらのピークに対応する界面で挟まれた透明膜の膜厚を求めることができる。
【００６９】
＜ワークの振れ＞
図６は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、搬送中のワークＷに対してヘッドユニット３０から検出光Ｌ１が照射される様子が示されている。ワークＷが、ローラを介して搬送されるシート状のフィルム材からなる場合、ローラの振れなどの影響により、ワークＷがライン送り方向とは交差する方向に小刻みに振れることがある。
【００７０】
この様なワークＷの膜厚を測定する場合、ヘッドユニット３０から見たワークＷの位置は、ワークＷの振れにより検出光Ｌ１の光軸方向に変動する。このため、タイミングを異ならせて取得した複数の光強度分布からそれぞれＦＦＴ波形を求める場合、ワークＷの振れの影響により、対応するピークの位置に周波数軸方向のずれが生じる。
【００７１】
また、ワークＷを構成する透明膜の界面に荒れや汚れなどの影響により十分な反射光量が得られない微小領域がある場合、当該微小領域の影響で対応するピークの受光量が低下し、ノイズに埋もれてしまうことがある。
【００７２】
本実施の形態による干渉膜厚計１では、界面の荒れなどの影響により膜厚が測定できない事態が生じることを防止するために、同一のワークＷについて、光強度分布の取得を繰り返し行い、取得した複数の光強度分布からそれぞれＦＦＴ波形を求めて積算する処理が行われる。
【００７３】
その際、サンプリング時刻の異なる光強度分布に対応する複数のＦＦＴ波形をそのまま積算すれば、ワークＷの振れの影響によるピーク位置の周波数軸方向のずれにより、ピーク波形が鈍ってしまうので、膜厚の測定精度が低下する。そこで、この干渉膜厚計１では、各ＦＦＴ波形について、周波数軸を相対的に補正し、補正後のＦＦＴ波形が積算される。
【００７４】
＜ピーク位置の変動＞
図７（ａ）〜（ｄ）は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、タイミングを異ならせて取得した光強度分布から得られた特性強度分布が示されている。図中の（ａ）〜（ｄ）には、それぞれサンプリング時刻ｔ１〜ｔ４に取得された光強度分布から求められたＦＦＴ波形が示されている。
【００７５】
サンプリング時刻ｔ１のＦＦＴ波形における各ピーク（ピーク位置ｄ１〜ｄ３）に対し、ワークＷの振れの影響により、サンプリング時刻ｔ２及びｔ４では、各ピーク波形が長距離側に移動し、サンプリング時刻ｔ３では、各ピーク波形が短距離側に移動している。ワークＷの振れの影響により移動するピークは、界面に対応するピークであり、各界面に対応するピークは、同じ方向に同じ距離だけ移動している。なお、不要成分Ｃ１は、ワークＷの振れの影響を受けることなく、周波数軸方向の位置は固定している。
【００７６】
この様に各ＦＦＴ波形には、ピーク波形の周波数軸方向のずれが存在するので、これらのＦＦＴ波形をそのまま合成すれば、各ピークのピーク波形は、幅の広い崩れた形となってしまう。
【００７７】
また、サンプリング時刻ｔ２やｔ３のＦＦＴ波形では、検出光Ｌ１のワークＷによる反射面（界面）の不良状態の影響により、それぞれピーク位置ｄ２のピークやピーク位置ｄ３のピークの受光量が、サンプリング時刻ｔ１のＦＦＴ波形に比べて低下している。この様なＦＦＴ波形から膜厚を求めようとすれば、十分な反射光量が得られない反射面に対応するピークが正しく検出されず、他のピークが誤検出されてしまう。
【００７８】
＜演算回路＞
図８は、図３の分光装置４０における演算回路５０の構成例を示したブロック図であり、ワークＷの膜厚を算出する演算回路５０内の機能構成の一例が示されている。この演算回路５０は、周波数軸変換部５１、ＦＦＴ処理部５２、特性強度合成部５３及び膜厚算出部５４により構成され、バッファメモリ４９からピクセルデータを取得し、波長ごとの光強度分布の特性曲線からＦＦＴ波形を求めてワークＷの膜厚を算出する。
【００７９】
周波数軸変換部５１は、光強度分布の周波数軸を変換する演算部であり、バッファメモリ４９からピクセルデータを読み出し、波長λごとの光強度分布を波数１／λごとの光強度分布に変換する。ＦＦＴ処理部５２は、波数１／λごとの光強度分布の特性曲線をＦＦＴし、空間周波数ごとの特性強度分布からなるＦＦＴ波形を算出する。
【００８０】
特性強度合成部５３は、ピーク検出部５３ａ、周波数軸校正部５３ｂ及びＦＦＴ波形積算部５３ｃからなり、タイミングを異ならせて取得した複数の光強度分布からそれぞれ求められた複数のＦＦＴ波形を合成する。
【００８１】
ピーク検出部５３ａは、ＦＦＴ処理部５２により算出されたＦＦＴ波形について、ピークを検出する。このピーク検出は、ノイズを検出対象から除外するために、受光量に対応する特性強度が所定の強度閾値Ｔｈ１を越える周波数成分を抽出することにより行われる。このピーク検出部５３ａでは、検出対象から不要成分Ｃ１を除外するために、距離ｄに対応する空間周波数が所定の距離閾値Ｔｈ２を越える周波数成分について、ピーク検出が行われる。強度閾値Ｔｈ１が、ピーク検出においてノイズ成分を除去するための強度に対する閾値であるのに対し、距離閾値Ｔｈ２は、不要成分Ｃ１を除去するための距離に対する閾値である。
【００８２】
周波数軸校正部５３ｂは、ワークＷの振れによるピーク波形のずれを補正するために、サンプリング時刻の異なる光強度分布から算出された複数のＦＦＴ波形について、ＦＦＴ波形の周波数軸を相対的に補正する。この周波数軸の補正は、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークのいずれか１つを基準として行われる。例えば、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークのうち、空間周波数が最も小さいピークの位置が基準として採用される。
【００８３】
空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークであって、空間周波数が最小のピークは、ワークＷのヘッドユニット３０に最も近い界面に対応するピークであり、ここでは、最表面ピークと呼ぶ。最表面ピークは、通常、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークのうちで特性強度が最大のピークである。また、この様なピークの位置（空間周波数）は、ピーク波形の最大点の位置、又は、ピーク波形の重心位置として定められる。
【００８４】
Ｎ個のＦＦＴ波形を膜厚算出の処理単位とする場合、周波数軸の補正は、基準とするピーク位置をこれらのＮ個のＦＦＴ波形について合わせ込むことにより行われる。例えば、基準のピーク位置が所定の参照位置と一致するように、各ＦＦＴ波形の周波数軸が補正される。参照位置は、例えば、膜厚算出処理が繰返し行われる場合、１つ前の膜厚算出処理で使用されたＮ個のＦＦＴ波形について、基準のピーク位置の平均値を求め、その平均値として定められる。
【００８５】
ＦＦＴ波形積算部５３ｃは、サンプリング時刻の異なる光強度分布から算出された複数のＦＦＴ波形を合成する。この合成処理は、周波数軸校正部５３ｂによる周波数軸補正後のＮ個のＦＦＴ波形について、特性強度分布を積算することにより行われる。特性強度分布の積算処理としては、Ｎ個のＦＦＴ波形を加算する処理だけでなく、加算されたＦＦＴ波形をＮで割って平均化する処理、或いは、Ｎ個のＦＦＴ波形をそれぞれ１／Ｎ倍してから加算する処理などを含む。つまり、合成後のＦＦＴ波形としては、Ｎ個のＦＦＴ波形を加算したものであっても良いし、平均化したものでも良い。
【００８６】
膜厚算出部５４は、ＦＦＴ波形積算部５３ｃによる合成後のＦＦＴ波形に含まれる複数のピークの空間周波数に基づいて、ワークＷの膜厚を算出する。ワークＷの膜厚は、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えている３以上のピークのうち、ユーザ操作などにより予め指定された異なる２つのピークの空間周波数、すなわち、ピーク位置の差分として求められる。つまり、ワークＷを構成する多層膜の任意の膜厚を算出することができる。
【００８７】
ピーク位置の空間周波数は、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との光路差に対応し、仮想基準面Ａ及びワークＷ間の距離ｄは、ピーク位置の空間周波数の１／２倍として算出される。
【００８８】
具体的に説明すれば、検出光Ｉ０をｉ０＝ａ０×ｓｉｎ（ωｔ）とし、その参照面による反射光Ｉ１をｉ１＝ａ１×ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ１／λ）、ワークＷによる反射光Ｉ２をｉ２＝ａ２×ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ２／λ）と表すと、干渉反射光Ｌ３の強度は、（ｉ１＋ｉ２）２の時間平均＝（ａ１２＋ａ２２）＋２×ａ１×ａ２×ｃｏｓ（４πｄ／λ）により表される。ただし、光路差は、ｘ２−ｘ１＝２ｄとしている。
【００８９】
上記関係式から、干渉反射光Ｌ３の強度は、４πｄ／λ＝２ｎπ（ｎは整数）で最大値（ａ１＋ａ２）２となり、４πｄ／λ＝（２ｎ＋１）πで最小値（ａ１−ａ２）２となることが分かる。
【００９０】
波数１／λごとの光強度分布の特性曲線の周波数、すなわち、空間周波数は、同じ距離ｄに対し、干渉反射光Ｌ３の強度が最大となる波長であって、整数ｎが１だけ異なる２つの波長をλ１及びλ２として、（１／λ１−１／λ２）の逆数に相当する。従って、上記関係式から得られる４πｄ×（１／λ１−１／λ２）＝２πを用いることにより、距離ｄは、（空間周波数）×１／２から求めることができる。
【００９１】
＜計測処理＞
図９のステップＳ１０１〜Ｓ１１０は、図１の干渉膜厚計１における計測処理の一例を示したフローチャートである。まず、周波数軸変換部５１は、バッファメモリ４９からピクセルデータを取得し、波長λごとの光強度分布を波数１／λごとの光強度分布に変換する（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。ＦＦＴ処理部５２は、波数１／λごとの光強度分布の特性曲線をＦＦＴし、空間周波数ごとの特性強度分布からなるＦＦＴ波形を算出する（ステップＳ１０３）。
【００９２】
特性強度合成部５３は、ＦＦＴ波形について、最表面ピークを検出し（ステップＳ１０４）、所定数のＦＦＴ波形が得られるまで、ステップＳ１０１からステップＳ１０４までの処理手順を繰り返す（ステップＳ１０５）。
【００９３】
次に、特性強度合成部５３は、所定数のＦＦＴ波形について、最表面ピークの位置を基準とし、ピーク位置が参照位置と一致するように周波数軸をシフトして補正し、補正後のＦＦＴ波形を積算する（ステップＳ１０６，Ｓ１０７）。
【００９４】
次に、膜厚算出部５４は、特性強度合成部５３による合成後のＦＦＴ波形に含まれる複数のピークのうちの２つを選択し、選択したピークの重心位置を計算する。膜厚算出部５４は、重心位置の差分からワークＷの膜厚を算出する（ステップＳ１０８〜Ｓ１１０）。
【００９５】
＜モニター画面＞
図１０は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、表示部６０に表示されるモニター画面６１の一例が示されている。このモニター画面６１は、膜厚の測定値を表示し、或いは、強度閾値Ｔｈ１及び距離閾値Ｔｈ２を設定するための入力画面であり、ＦＦＴ波形の表示領域６２と、測定値の表示欄６３と、マスク処理のためのパラメータの入力欄６４，６５と、閾値の入力欄６６が配置されている。
【００９６】
表示領域６２には、横軸を距離ｄ、縦軸を受光量として、ＦＦＴ波形が表示される。ＦＦＴ波形としては、例えば、Ｎ個のＦＦＴ波形を合成し、平均化した後の波形が表示される。表示領域６２内には、２つのマスクの境界と、ピーク検出のための強度閾値Ｔｈ１と、ピーク位置とが、それぞれ破線７１〜７４により示されている。
【００９７】
破線７１により示されるマスクの境界は、距離閾値Ｔｈ２に対応し、距離閾値Ｔｈ２よりも短距離側がマスクされている。距離閾値Ｔｈ２は、「マスク１」の入力欄６４にパラメータを入力することにより指定することができる。破線７２により示されるマスクの境界は、「マスク２」の入力欄６５に入力されたパラメータにより指定される距離閾値Ｔｈ３に対応し、距離閾値Ｔｈ３よりも長距離側がマスクされている。
【００９８】
距離閾値Ｔｈ２及びＴｈ３は、ピーク検出の範囲を絞り込むことにより、不要成分やノイズを除去するためのパラメータである。また、波形表示におけるマスク処理は、不要成分やノイズを目立たなくするための画像処理である。
【００９９】
破線７３による示される強度閾値Ｔｈ１は、閾値の入力欄６６にパラメータを入力することにより指定することができる。この例では、膜厚算出のために選択されたピークに対応付けて、測定対象であることを示すアイコン７５が表示されている。表示欄６３には、選択中のピークから得られた膜厚が測定値として表示されている。
【０１００】
測定対象のピークは、ユーザ操作により変更することができる。また、表示領域６２には、図５に示したような波長λごとの光強度分布や波数１／λごとの光強度分布を表示することもできる。また、膜厚算出に使用したＮ個のＦＦＴ波形を選択的に表示することもできる。或いは、新たに取得された光強度分布に対応する合成前のＦＦＴ波形を逐次表示させても良い。その際、ワークＷの振れの影響により、ピーク位置にずれが生じることを防止するために、先に取得された光強度分布に対応するＦＦＴ波形に基づいて、周波数軸が相対的に補正されたＦＦＴ波形を表示することが望ましい。
【０１０１】
本実施の形態によれば、同一のワークＷについて、光強度分布の取得を繰り返す場合に、光強度分布ごとに算出された膜厚を積算処理するという構成に比べて、膜厚測定の精度を向上させることができる。また、多層膜の各膜厚を測定する場合に、ＦＦＴ波形に現れる３以上のピークの一部が欠落することによって、膜厚測定の精度に顕著な影響を与えるのを抑制することもできる。
【０１０２】
実施の形態２．
実施の形態１では、搬送中のワークＷに対し、光強度分布の取得を繰返し行って膜厚を算出する場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、動かないワークＷに対し、光強度分布の取得を繰返し行って膜厚を算出する場合について説明する。
【０１０３】
図１１は、本発明の実施の形態２による干渉膜厚計１の構成例を示した図であり、揺動ユニット８１がヘッドユニット３０に取り付けられた干渉膜厚計１が示されている。この干渉膜厚計１は、図１の干渉膜厚計１と比較すれば、ヘッドユニット３０、揺動ユニット８１及びヘッド位置検出センサ８２がヘッドユニットカバー８３内に収容され、コントローラユニット１０が揺動制御部９０を備えている点で異なる。
【０１０４】
揺動ユニット８１は、ワークＷに対して干渉光学系を相対的に揺動させることにより、測定面の状態が良くないワークＷであっても、膜厚測定を可能とするために、ヘッドユニット３０を揺動させる揺動装置であり、揺動コイル、磁石などによって構成される。この揺動ユニット８１は、ヘッドユニットカバー８３に固定され、検出光Ｌ１の光軸と交差する方向にヘッドユニット３０を振動させる。
【０１０５】
ヘッド位置検出センサ８２は、ヘッドユニット３０の位置を検出するセンサであり、例えば、ホール素子からなる。揺動制御部９０は、ヘッド位置検出センサ８２の出力に基づいて、揺動ユニット８１を制御する。
【０１０６】
ヘッドユニット３０の揺動のさせ方としては、例えば、ヘッドユニット３０を直線又は円弧などの曲線に沿って振動させることにより、検出光Ｌ１によるワークＷ上の測定領域を所定幅の線分からなる線形状とすることができる。つまり、複数の光強度分布を取得するタイミングをコントロールすることにより、線形状の測定領域内の任意の位置でワークＷの膜厚を測定することができる。従って、あるタイミングで取得した光強度分布が膜厚測定に適さない微小領域について測定されたものであったとしても、別のタイミングで、当該微小領域以外の領域について測定された光強度分布を取得することができる。
【０１０７】
また、振動の振れ幅を最大限利用して、膜厚の測定位置を異ならせるためには、検出光Ｌ１が線形状の測定領域の端部、或いは、その近傍に位置するタイミングで光強度分布を取得することが望ましい。そのためには、光強度分布を取得する動作とヘッドユニット３０の揺動制御とを同期させることが望ましい。具体的に説明すれば、揺動の１往復を１周期とした場合、光強度分布に対応するＦＦＴ波形の合成（積算）を半周期分又はその整数倍とすることが望ましい。
【０１０８】
また、揺動の振れ幅と、揺動の半周期当たりの光強度分布の取得回数（頻度）とは、ユーザが指定した値などに変更できるように構成しても良い。また、ヘッドユニット３０の揺動のさせ方としては、上述した様に１次元的に行うものの他、２次元的に行うものであっても良い。例えば、円のサイズを異ならせながらヘッドユニット３０を円周に沿って移動させ、或いは、ヘッドユニット３０をＸ軸方向に振動させながら振動面をＹ軸方向に移動させることにより、測定領域を面形状とするような構成であっても良い。
【０１０９】
図１２は、図１１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の揺動制御部９０の構成例を示した図である。この揺動制御部９０は、三角波発生回路９１及びサーボアンプ９２からなり、ヘッド位置検出センサ８２の検出信号に基づいて、揺動ユニット８１内の揺動コイルを駆動する。
【０１１０】
三角波発生回路９１は、揺動ユニット８１の揺動動作を決める制御信号を生成する。サーボアンプ９２は、ヘッド位置検出信号と三角波発生回路９１からの制御信号とに基づいて、揺動コイルの駆動信号を生成する。
【０１１１】
＜設定支援装置＞
図１３及び図１４は、図１１の干渉膜厚計１の動作設定を行うための設定支援装置の動作例を示した図であり、設定画面１００が示されている。図１３には、モニター画面６１のマスク設定時の設定画面１００が示されている。この設定画面１００は、干渉膜厚計１に対し、各種の動作設定を行うための入力画面であり、受信ボタン１０１、送信ボタン１０２、測定値表示ボタン１０３、波形表示ボタン１０４、全般設定タブ１０５及びアラーム設定タブ１０６が設けられている。
【０１１２】
受信ボタン１０１は、コントローラユニット１０から現在の設定データを受信するためのアイコンである。送信ボタン１０２は、コントローラユニット１０に対し、設定データを送信するためのアイコンである。測定値表示ボタン１０３は、測定値をコントローラユニット１０から取得して表示させるためのアイコンである。波形表示ボタン１０４は、ＦＦＴ波形などをコントローラユニット１０から取得して表示させるためのアイコンである。
【０１１３】
この設定画面１００では、全般設定タブ１０５が選択されており、マスク設定の選択欄１１１、マスク処理のパラメータの入力欄１１２及び１１３が表示されている。選択欄１１１は、マスク処理を有効化するか、或いは、無効化するかを選択することができる。
【０１１４】
「マスク１」の入力欄１１２にパラメータを入力することにより、距離閾値Ｔｈ２を指定することができる。また、「マスク２」の入力欄１１３にパラメータを入力することにより、距離閾値Ｔｈ３を指定することができる。
【０１１５】
図１４には、アラーム設定時の設定画面１００が示されている。この設定画面１００では、アラーム設定タブ１０６が選択されており、アラーム処理の設定を行うことができる。アラーム処理は、ＦＦＴ波形における複数のピークについて、その一部又は全部が検出されなかった場合のエラー出力である。
【０１１６】
アラーム設定タブ１０６には、処理回数の入力欄１２１、積算回数の選択欄１２２及び揺れモードの選択欄１２３が設けられている。入力欄１２１は、アラーム時に、アラーム直前の測定値をホールドさせる際のアラーム回数を指定するための入力欄である。
【０１１７】
選択欄１２２は、ＦＦＴ波形を積算する際の積算回数を選択するための入力欄である。選択欄１２３は、揺動ユニット８１によるヘッドユニット３０の揺動機能を有効化するか、或いは、無効化するかを選択するための入力欄である。
【０１１８】
本実施の形態によれば、複数の光強度分布を取得する際、ワークＷ上における測定領域を異ならせることができる。例えば、ワークＷの表面上に、測定に適さない微少領域が存在している場合に、微小領域以外の領域も測定されるので、当該微少領域を測定領域としたために膜厚測定が不能となることを抑制することができる。
【０１１９】
干渉光学系の揺動方法について
【符号の説明】
【０１２０】
１ 干渉膜厚計
１０ コントローラユニット
１１ ＳＬＤ駆動回路
１２ ＳＬＤ
１３ａ コリメータレンズ
１３ｂ 集光レンズ
１４ フェルール
１５ ファイバースプリッタ
２０ 光ファイバー
２１ コネクタ
３０ ヘッドユニット
３１ 集光レンズ
３２ ガラス板
３３ ハーフミラー
３４ ピンミラー
４０ 分光装置
４１ フェルール
４２ コリメータレンズ
４３ 回折格子
４４ 結像レンズ
４５ ＣＣＤイメージセンサ
４６ イメージセンサ駆動回路
４７ アンプ
４８ ＡＤコンバータ
４９ バッファメモリ
５０ 演算回路
５１ 周波数軸変換部
５２ ＦＦＴ処理部
５３ 特性強度合成部
５３ａ ピーク検出部
５３ｂ 周波数軸校正部
５３ｃ ＦＦＴ波形積算部
５４ 膜厚算出部
６０ 表示部
６１ モニター画面
８１ 揺動ユニット
８２ ヘッド位置検出センサ
８３ ヘッドユニットカバー
９０ 揺動制御部
９１ 三角波発生回路
９２ サーボアンプ
１００ 設定画面
Ａ 仮想基準面
Ｂ１〜Ｂ３ 透明膜
Ｃ１ 不要成分
Ｃ２〜Ｃ５ ピーク
Ｌ０〜Ｌ２ 検出光
Ｌ３ 干渉反射光
Ｓ１，Ｓ１２，Ｓ２３，Ｓ３ 界面（測定面）
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉膜厚計に係り、さらに詳しくは、参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光の光強度分布に基づいて、測定対象物の膜厚を測定する干渉膜厚計の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出光を参照面及び測定対象物にそれぞれ照射し、これらの反射光からなる干渉反射光を分光することによって、共通の参照面から測定対象物の各測定面までの距離を求め、これらの距離に基づいて、測定対象物の膜厚を測定する干渉膜厚計が従来から知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の干渉膜厚計では、干渉反射光について、周波数ごとの光強度分布を取得し、波数ごとの光強度分布へ変換した後、その特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求めている。測定対象物が透明膜の場合、この特性強度分布には、参照面から透明膜の表面及び裏面までの距離にそれぞれ対応する２つのピークが現れる。各ピークの空間周波数（ピーク位置）は上記距離に比例するため、これらの距離の差分として、膜厚を測定することができる。
【０００４】
また、測定対象物が２以上の透明膜からなる多層膜の場合、特性強度分布には、参照面から上記透明膜の各境界面までの距離に相当する３以上のピークが現れる。このため、隣り合うピーク間において上記距離の差分をそれぞれ求めることにより、各透明膜の膜厚を測定することができる。
【０００５】
このような干渉膜厚計は、測定対象物の反射面の状態が良好でなければ、膜厚を測定することができない。例えば、測定対象物の表面に、十分な反射光量が得られないような膜厚測定に適さない微少領域がある場合に、たまたま当該微少領域について測定が行われると、高精度の膜厚測定を行うことができない。そこで、同一の測定対象物について、光強度分布の取得を繰り返し行って、膜厚測定の精度を向上させることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、光強度分布の取得を繰り返し、同一の膜厚について、２以上の測定値を求めて積算した場合、不良測定で得られた誤差の大きな膜厚の測定結果によって、測定精度が大きく低下してしまうという問題があった。また、多層膜を測定する場合、特性強度分布において一部のピークが欠落することにより、各ピークの対応関係が把握できなくなり、測定精度が大きく低下するという問題があった。この様な問題を防止しようとすれば、全てのピークが揃った特性強度分布を得なければならず、不良測定が続く場合には、光強度分布の取得を繰り返しても、膜厚測定を行うことができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２７０９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、同一の測定対象物について、干渉反射光の光強度分布を繰り返し取得することにより、高精度の膜厚測定を行う干渉膜厚計を提供することを目的とする。特に、多層膜からなる測定対象物の各膜厚を高精度で測定することができる干渉膜厚計を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、十分な反射光量が得られない測定条件下において、干渉反射光の光強度分布を繰り返し取得することにより、膜厚測定を可能にする干渉膜厚計を提供することを目的とする。特に、望ましくない測定条件下において、多層膜からなる測定対象物の各膜厚を測定可能にする干渉膜厚計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の本発明による干渉膜厚計は、検出光を生成する光源と、上記検出光の参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光を生成する干渉光学系と、上記干渉反射光を分光する分光手段と、分光された上記干渉反射光を検出し、波長ごとの光強度分布を取得する光強度分布取得手段と、上記光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求める特性強度分布算出手段と、タイミングを異ならせて取得した２以上の上記光強度分布からそれぞれ求められた２以上の上記特性強度分布を合成する特性強度合成手段と、合成後の上記特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えて構成される。
【００１１】
光源からの検出光を参照面及び測定対象物により反射させ、これらの反射光からなる干渉反射光を分光することにより、干渉反射光について、波長ごとの光強度分布を取得することができる。この光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求めれば、当該特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数（ピーク位置）に基づいて、測定対象物の膜厚を算出することができる。このような干渉膜厚計において、タイミングを異ならせて２以上の光強度分布を取得し、これらの光強度分布からそれぞれ求められた２以上の特性強度分布を合成し、合成後の特性強度分布に基づいて、測定対象物の膜厚を算出することにより、膜厚測定の精度を向上させることができる。
【００１２】
つまり、同一の測定対象物について、光強度分布の取得を繰り返す場合に、光強度分布ごとに算出された膜厚を積算処理するという構成に比べて、膜厚測定の精度を向上させることができる。例えば、測定対象物の表面状態が悪く、特性強度分布中に特性強度の小さいピークしか現れない場合であっても、２以上の特性強度分布を合成して膜厚を算出することにより、膜厚測定を高い精度で行うことができる。また、多層膜の各膜厚を測定する場合に、特性強度分布に現れる３以上のピークの一部が欠落することによって、膜厚測定の精度に顕著な影響を与えるのを抑制することができる。
【００１３】
第２の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記特性強度合成手段が、２以上の上記特性強度分布の周波数軸を相対的に補正し、補正後の上記特性強度分布を合成するように構成される。
【００１４】
この様な構成により、２以上の光強度分布を取得する間に、参照面による反射光の伝搬経路と測定対象物による反射光の伝搬経路との差が変化し、２以上の特性強度分布間に周波数軸のずれが生じることによって、合成後の特性強度分布におけるピークの幅が増大し、膜厚測定の精度が低下するのを抑制することができる。
【００１５】
第３の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記特性強度合成手段が、上記特性強度分布に含まれるピークの空間周波数であって、距離に対する閾値を越える最小値を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成し、上記膜厚算出手段が、上記距離に対する閾値を越えるピークの空間周波数に基づいて膜厚を算出するように構成される。
【００１６】
膜厚算出手段が、特性強度分布に含まれるピークの空間周波数（ピーク位置）であって、距離に対する閾値を越える値に基づいて膜厚を算出することにより、距離に対する閾値を適切に設定すれば、測定対象物の各測定面からの反射光間の干渉に基づくピークを除外し、参照面からの反射光と、各測定面からの反射光との干渉に基づくピークに基づいて、膜厚を算出することができる。
【００１７】
また、この様な干渉膜厚計において、特性強度合成手段が、特性強度分布に含まれるピークの空間周波数（ピーク位置）であって、距離に対する閾値を越える最小値を基準として、２以上の特性強度分布を合成することにより、２以上の特性強度分布を合成する際、周波数軸の相対的なずれを容易に補正することができ、また、精度良く補正することができる。
【００１８】
一般に、光量が最も大きい反射光は、参照面からの反射光と、測定対象物の表面からの反射光であるため、特性強度分布において特性強度が最大となるピークは、参照面から測定対象物までの距離に相当するピークとなる。一方、距離に対する閾値を適切に設定すれば、距離に対する閾値を越える最初のピークが、参照面から測定対象物までの距離に相当するピークとなる。このため、周波数軸のずれを補正する際の基準として、各特性強度分布において距離に対する閾値を越えた最初のピークを利用することにより、基準とするピークを容易に選択することができる。また、特性強度が最大のピークを基準にすることにより、周波数軸の補正を精度良く実現することができる。
【００１９】
第４の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記特性強度合成手段が、それぞれの上記特性強度分布において最大の特性強度を有するピークの空間周波数を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成するように構成される。この様な構成により、２以上の特性強度分布を合成する際、周波数軸の相対的なずれを容易に補正することができ、また、精度良く補正することができる。
【００２０】
第５の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記測定対象物に対し、上記干渉光学系を相対的に揺動させる揺動手段を備えて構成される。この様な構成により、２以上の光強度分布を取得する際、測定対象物上における測定領域を異ならせることができる。例えば、測定対象物の表面上に、測定に適さない微少領域が存在している場合に、微小領域以外の領域も測定されるので、当該微少領域を測定領域としたために膜厚測定が不能となることを抑制することができる。
【００２１】
第６の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記膜厚算出手段が、上記特性強度分布に含まれる３以上のピークの空間周波数に基づいて、上記測定対象物を構成する多層膜の各膜厚を算出するように構成される。
【００２２】
この様な構成により、多層膜の各膜厚を精度よく測定することができる。例えば、多層膜中に略同一の膜厚からなる２以上の膜が含まれている場合であっても、これらの層ごとに膜厚を測定することができる。また、多層膜について光強度分布を繰り返し取得する場合、周波数軸が相対的に補正された特性強度分布を合成して膜厚を求めることにより、特性強度分布における一部のピークの欠落が膜厚測定の精度に顕著な影響を与えるのを防止することができる。つまり、特性強度分布の合成は、多層膜の膜厚測定時に特に好適である。
【００２３】
第７の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記光強度分布を繰り返し取得する場合に、新たに取得された上記光強度分布に対応する合成前の上記特性強度分布を逐次表示する表示手段を備え、上記表示手段が、先に取得された上記光強度分布に対応する上記特性強度分布に基づいて、周波数軸が相対的に補正された上記特性強度分布を表示するように構成される。
【００２４】
この様な構成により、光強度分布を繰り返し取得する間に参照面から測定対象物までの距離が変化した場合であっても、同じ膜厚に対応するピークが、周波数軸上の同じ位置に表示されるため、ユーザは、各ピークの特性強度（ピーク高さ）の変化を容易に視認することができ、測定状況を容易に把握することができる。
【００２５】
第８の本発明による干渉膜厚計は、上記構成に加えて、上記距離に対する閾値をユーザ操作により指定するための距離閾値指定手段を備えて構成される。このような構成により、自由度の高い測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による干渉膜厚計では、タイミングを異ならせて取得した２以上の光強度分布からそれぞれ求められた２以上の特性強度分布を合成し、合成後の上記特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚が算出される。このため、光強度分布ごとに膜厚を求め、これらの膜厚を積算する場合に比べ、高精度の膜厚測定を行うことができる。また、十分な反射光量が得られない測定条件下であっても、膜厚測定を可能にすることができる。
【００２７】
また、本発明による干渉膜厚計では、同一の測定対象物から得られた異なる特性強度分布を合成する際、特性強度分布の周波数軸を相対的に補正している。このため、光強度分布を繰り返し取得する間に、参照面から測定対象物までの距離が変化している場合であっても、高精度の膜厚測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１による干渉膜厚計１の概略構成の一例を示した図である。
【図２】図１の干渉膜厚計１におけるヘッドユニット３０内の構成を模式的に示した説明図であり、干渉光学系の構成例が示されている。
【図３】図１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の分光装置４０の構成例を示した図である。
【図４】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を模式的に示した説明図であり、検出光Ｌ０の参照面による反射光及びワークＷによる反射光が示されている。
【図５】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、干渉反射光Ｌ３の光強度分布及びそのフーリエ解析から得られた特性強度分布が示されている。
【図６】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、搬送中のワークＷに対してヘッドユニット３０から検出光Ｌ１が照射される様子が示されている。
【図７】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、タイミングを異ならせて取得した光強度分布から得られた特性強度分布が示されている。
【図８】図３の分光装置４０における演算回路５０の構成例を示したブロック図であり、ワークＷの膜厚を算出する演算回路５０内の機能構成の一例が示されている。
【図９】図１の干渉膜厚計１における計測処理の一例を示したフローチャートである。
【図１０】図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、表示部６０に表示されるモニター画面６１の一例が示されている。
【図１１】本発明の実施の形態２による干渉膜厚計１の構成例を示した図であり、揺動ユニット８１がヘッドユニット３０に取り付けられた干渉膜厚計１が示されている。
【図１２】図１１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の揺動制御部９０の構成例を示した図である。
【図１３】図１１の干渉膜厚計１の動作設定を行うための動作設定支援装置の動作例を示した図であり、モニター画面６１のマスク設定時の設定画面１００が示されている。
【図１４】図１１の干渉膜厚計１の動作設定を行うための動作設定支援装置の動作例を示した図であり、アラーム設定時の設定画面１００が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
実施の形態１．
＜干渉膜厚計＞
図１は、本発明の実施の形態１による干渉膜厚計１の概略構成の一例を示した図である。この干渉膜厚計１は、様々な波長を含む広帯域光からなる検出光Ｌ１を用いて、ワークＷの膜厚を測定する測定装置であり、コントローラユニット１０、光ファイバー２０及びヘッドユニット３０からなる。
【００３０】
コントローラユニット１０は、検出光Ｌ１を生成し、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光に基づいて、ワークＷの膜厚を算出する本体ユニットである。このコントローラユニット１０は、ＳＬＤ駆動回路１１、ＳＬＤ１２、コリメータレンズ１３ａ、集光レンズ１３ｂ、フェルール１４、ファイバースプリッタ１５及び分光装置４０により構成される。
【００３１】
ＳＬＤ駆動回路１１は、ＳＬＤ１２の駆動制御を行うドライバ回路である。ＳＬＤ（Super Luminescent Diode：高輝度ダイオード）１２は、広帯域光からなる検出光を生成する光源装置であり、ＳＬＥＤ（高輝度発光ダイオード）と呼ばれることもある。例えば、波長０．７０〜１．０μｍ程度の近赤外光からなる広帯域光が検出光として生成される。具体的には、赤外光領域の波長０．８３μｍを中心波長として含む広帯域光がＳＬＤ１２によって生成される。
【００３２】
コリメータレンズ１３ａは、ＳＬＤ１２から入射した検出光を集光し、中心軸に略平行な平行光として出射する集光レンズである。集光レンズ１３ｂは、コリメータレンズ１３ａから入射した平行光を集光し、フェルール１４の端面に向けて出射する光学素子である。コリメータレンズ１３ａ及び集光レンズ１３ｂは、ＳＬＤ１２から出射された検出光を光ファイバーに入射させるための光ファイバー結合レンズとなっている。
【００３３】
フェルール１４は、検出光を伝送する光ファイバーの端部を保持するための接続部材である。ＳＬＤ１２、コリメータレンズ１３ａ、集光レンズ１３ｂ及びフェルール１４は、中心軸を互いに一致させて配置される。
【００３４】
ファイバースプリッタ１５は、光ファイバーを介して、フェルール１４、分光装置４０及びコネクタ２１に接続され、フェルール１４から伝送された検出光をそのままコネクタ２１側へ伝送し、コネクタ２１から伝送された光を主に分光装置４０側へ伝送するファイバー形状のビームスプリッタである。具体的には、ファイバースプリッタ１５の一方の端部にフェルール１４及び分光装置４０が接続され、他方の端部にコネクタ２１が接続されている。
【００３５】
光ファイバー２０は、検出光をコントローラユニット１０からヘッドユニット３０まで伝送するための光伝送媒体である。光ファイバー２０は、導光体からなる芯線と、芯線を被覆する樹脂膜によって構成され、コネクタ２１を介してコントローラユニット１０と着脱可能に接続される。
【００３６】
ヘッドユニット３０は、コントローラユニット１０から伝送された検出光を検出光Ｌ１としてワークＷに向けて出射する検出光出射ユニットであり、例えば、ワークＷの搬送ライン付近に配置される。
【００３７】
ＳＬＤ１２から出射された検出光は、コリメータレンズ１３ａに入射し、平行光として出射される。この平行光は、集光レンズ１３ｂに入射し、フェルール１４端面に向けて出射される。検出光は、このフェルール１４を介して光ファイバー内に入射され、ファイバースプリッタ１５を介してコネクタ２１へ伝送される。そして、検出光は、このコネクタ２１及び光ファイバー２０を介してヘッドユニット３０へ伝送され、検出光Ｌ１としてワークＷに向けて出射される。
【００３８】
一方、検出光Ｌ１の照射によって検出光Ｌ１の一部がワークＷにより反射され、その反射光の一部は、ヘッドユニット３０に入射される。検出光Ｌ１のワークＷによる反射光と、ヘッドユニット３０内の所定の参照面による検出光の反射光とは、光ファイバー２０及びファイバースプリッタ１５を介して分光装置４０へ伝送される。分光装置４０は、この様な反射光からなる干渉反射光を分光して、ワークＷの膜厚を算出する。
【００３９】
＜ヘッドユニット内の干渉光学系＞
図２は、図１の干渉膜厚計１におけるヘッドユニット３０内の構成を模式的に示した説明図であり、干渉光学系の構成例が示されている。このヘッドユニット３０は、ワークＷの膜厚を測定するための干渉反射光Ｌ３を生成する干渉光学系を備え、光ファイバー２０を介して伝送された検出光の一部を検出光Ｌ１として出射し、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光の一部が入射される。
【００４０】
この干渉光学系は、ミロー型又はミラウ型の干渉光学系であり、集光レンズ３１、ガラス板３２、ハーフミラー３３及びピンミラー３４からなる。光ファイバー２０の端面から出射される検出光を検出光Ｌ０と呼べば、検出光Ｌ０の一部が検出光Ｌ１として出射され、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光が入射される。そして、検出光Ｌ０の参照面による反射光と、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光とから干渉反射光Ｌ３が生成され、光ファイバー２０の端面に入射される。
【００４１】
集光レンズ３１は、光ファイバー２０の端面から入射した検出光Ｌ０を集光し、ハーフミラー３３に向けて出射する光学レンズである。ハーフミラー３３は、検出光Ｌ０の一部を集光レンズ３１側へ反射させ、他の一部を透過させる円板状のビームスプリッタである。ガラス板３２は、ピンミラー３４を光路内に配置するための透明なガラス材からなる円形板であり、集光レンズ３１及びハーフミラー３３間に配置されている。
【００４２】
ピンミラー３４は、検出光Ｌ０のハーフミラー３３による反射光をハーフミラー３３側へ反射させることにより、ヘッドユニット３０から離間した位置に仮想基準面Ａを形成するための参照面を有する光学素子であり、円板状の小型の反射鏡からなる。光ファイバー２０の端部、集光レンズ３１、ガラス板３２、ピンミラー３４及びハーフミラー３３は、中心軸を一致させて配置されている。
【００４３】
仮想基準面Ａは、干渉反射光Ｌ３に基づいてワークＷの膜厚を算出する際の基準となる仮想的な平面であり、検出光Ｌ１の光軸に垂直である。ピンミラー３４は、ワークＷから仮想基準面Ａまでの距離ｄがゼロである場合に、検出光Ｌ０の参照面による反射光と、検出光Ｌ１のワークＷによる反射光とが同位相となる位置に形成される。
【００４４】
集光レンズ３１から出射された検出光Ｌ０は、その一部がハーフミラー３３により反射され、検出光Ｌ２としてピンミラー３４に入射する。ピンミラー３４により反射された検出光Ｌ２は、その一部がハーフミラー３３により集光レンズ３１に向けて反射される。
【００４５】
一方、検出光Ｌ０の他の一部は、ハーフミラー３３を透過し、検出光Ｌ１としてヘッドユニット３０から出射される。ワークＷにより反射された検出光Ｌ１は、ハーフミラー３３を集光レンズ３１に向けて透過する。この検出光Ｌ１のワークＷによる反射光と、検出光Ｌ２のハーフミラー３３による反射光とが、干渉反射光Ｌ３として、光ファイバー２０の端面に入射される。干渉反射光Ｌ３に基づいて算出されるワークＷの膜厚は、仮想基準面ＡとワークＷとの間の距離ｄの差分として求められる。
【００４６】
＜分光装置＞
図３は、図１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の分光装置４０の構成例を示した図である。この分光装置４０は、フェルール４１、コリメータレンズ４２、回折格子４３、結像レンズ４４、ＣＣＤイメージセンサ４５、イメージセンサ駆動回路４６、アンプ４７、ＡＤコンバータ４８、バッファメモリ４９、演算回路５０及び表示部６０により構成される。
【００４７】
フェルール４１は、干渉反射光Ｌ３を伝送する光ファイバーの端部を保持するための接続部材であり、ファイバースプリッタ１５から延伸する光ファイバーの端部に設けられている。コリメータレンズ４２は、フェルール４１から出射された干渉反射光Ｌ３が入射し、これらの光を集光して、中心軸に略平行な平行光として出射する集光レンズである。
【００４８】
回折格子４３は、入射光を分光する分光素子であり、コリメータレンズ４２から入射した干渉反射光Ｌ３を波長に応じた角度で出射するための多数のスリットが形成された平板からなる。結像レンズ４４は、回折格子４３から入射した干渉反射光を集光し、ＣＣＤイメージセンサ４５上に結像させる集光レンズである。
【００４９】
回折格子４３によって回折された干渉反射光Ｌ３は、結像レンズ４４を透過後、ＣＣＤイメージセンサ４５上で波長に応じて異なる位置に結像される。その際、伝搬経路の異なる反射光間の干渉によって、その波長に応じて干渉反射光Ｌ３は強め合ったり、弱め合ったりすることとなる。
【００５０】
ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）イメージセンサ４５は、結像レンズ４４によって集光された干渉反射光Ｌ３の結像位置を検出可能な撮像素子であり、受光量に応じた検出信号をそれぞれ出力する多数の受光素子が１次元配置されたセンサチップからなる。このＣＣＤイメージセンサ４５は、分光された干渉反射光Ｌ３を検出し、波長ごとの光強度分布を取得するための光強度分布取得手段である。イメージセンサ駆動回路４６は、ＣＣＤイメージセンサ４５の駆動制御を行うドライバ回路である。
【００５１】
ＣＣＤイメージセンサ４５から出力される検出信号は、アンプ４７に入力され、電力増幅される。このアンプ４７による電力増幅後の検出信号は、ＡＤコンバータ４８に入力され、アナログ信号からデジタル信号に変換されバッファメモリ４９内に蓄積される。
【００５２】
演算回路５０は、バッファメモリ４９内の検出データ、すなわち、受光素子ごとのピクセルデータに基づいて、仮想基準面ＡとワークＷとの間の距離ｄやワークＷの膜厚を算出し、測定結果として表示部６０や外部機器へ出力する。表示部６０は、測定結果などをモニター画面上に表示するディスプレイ装置である。
【００５３】
＜干渉反射光＞
図４は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を模式的に示した説明図であり、検出光Ｌ０の参照面による反射光及び検出光Ｌ１のワークＷによる反射光が示されている。ヘッドユニット３０内において、光ファイバー２０の端面から出射された検出光Ｌ０は、その一部が検出光Ｌ２として参照面（ピンミラー３４）により反射される。
【００５４】
一方、検出光Ｌ０の他の一部は、検出光Ｌ１としてヘッドユニット３０から出射され、ワークＷに入射する。そして、ワークＷにより反射された検出光Ｌ１は、その一部が再度ヘッドユニット３０に入射される。参照面による反射光とワークＷによる反射光とは、仮想基準面Ａ及びワークＷ間の距離ｄに応じた位相差を有しており、干渉反射光Ｌ３は、その様な伝搬経路の異なる複数の反射光からなる。
【００５５】
ワークＷが、複数の透明膜Ｂ１〜Ｂ３からなる多層膜により構成される場合、検出光Ｌ１は、各透明膜Ｂ１〜Ｂ３の界面により反射される。透明膜Ｂ１のヘッドユニット３０側、すなわち、図中における上側の界面をＳ１とし、透明膜Ｂ１とＢ２との間の界面をＳ１２、透明膜Ｂ２とＢ３との間の界面をＳ２３、透明膜Ｂ３の下側の界面をＳ３とすれば、検出光Ｌ１の界面Ｓ１，Ｓ１２，Ｓ２３及びＳ３による反射光がそれぞれヘッドユニット３０に入射される。
【００５６】
ワークＷを構成する多層膜の膜厚としては、例えば、透明膜Ｂ１〜Ｂ３の各膜厚が求められる。透明膜Ｂ１の膜厚は、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ１２間の距離と、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ１間の距離との差分から求められる。また、透明膜Ｂ２の膜厚は、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ２３間の距離と、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ１２間の距離との差分から求められる。また、透明膜Ｂ３の膜厚は、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ３間の距離と、仮想基準面Ａ及び界面Ｓ２３間の距離との差分から求められる。
【００５７】
＜ＦＦＴ波形＞
図５（ａ）〜（ｃ）は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、干渉反射光Ｌ３の光強度分布及びそのフーリエ解析から得られた特性強度分布が示されている。図５（ａ）には、横軸を干渉反射光Ｌ３の波長λとし、縦軸を受光量として、波長λごとの光強度分布が示されている。
【００５８】
この光強度分布は、ＣＣＤイメージセンサ４５により検出されたピクセルデータから得られ、その特性曲線は、波長λの増加に伴って受光量が激しく変化している。検出光の参照面による反射光と、ワークＷによる反射光とでは、２ｄが光路差となることから、受光量は、４πｄ／λ＝２ｎπ（ｎは整数）を満たす波長λで極大となり、４πｄ／λ＝（２ｎ＋１）πを満たす波長λで極小となる。
【００５９】
このため、特性曲線は、極大及び極小を概ね周期的に繰り返す曲線となっている。また、光強度分布の包絡線は、ＳＬＤ１２により生成される広帯域光の光強度分布がガウス分布であることに対応して、中央に１つのピークを有する山型の曲線となっている。
【００６０】
図５（ｂ）には、横軸を波数１／λ、縦軸を受光量として、波数１／λごとの光強度分布が示されている。この光強度分布は、図５（ａ）の光強度分布に対し、波長λを波数１／λに周波数軸変換することにより得られ、その特性曲線では、受光素子ごとの受光量分布が有する周期を単一周期の分布として表すことができる。
【００６１】
この様な光強度分布の特性曲線をフーリエ変換することにより、特性曲線の空間周波数ごとの特性強度分布を得ることができる。特性強度分布における空間周波数は、ワークＷと仮想基準面Ａとの間の距離ｄに対応する。
【００６２】
図５（ｃ）には、横軸を距離ｄ、縦軸を受光量として、光強度分布のフーリエ解析から得られたＦＦＴ波形が示されている。このＦＦＴ波形は、波数１／λごとの光強度分布の特性曲線をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）することにより得られる特性強度分布である。ＦＦＴ波形における距離ｄは、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との光路差が２ｄであることから、空間周波数の１／２倍として算出される。
【００６３】
この例では、不要成分Ｃ１と、複数のピークＣ２〜Ｃ５とからなるＦＦＴ波形が測定されている。不要成分Ｃ１とは、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との間の干渉に無関係の成分のことであり、主に、ワークＷを構成する透明膜の界面による反射光同士の干渉に対応する。
【００６４】
図４のワークＷであれば、不要成分Ｃ１は、検出光Ｌ１の界面Ｓ１による反射光と界面Ｓ１２よる反射光との間の干渉や、界面Ｓ１による反射光と界面Ｓ２３よる反射光との間の干渉などに対応する。この様なワークＷの界面による反射光同士の干渉に起因する不要成分Ｃ１は、距離ｄがそのまま透明膜の膜厚を表す。
【００６５】
このため、ワークＷが多層膜からなる場合、不要成分Ｃ１では、測定された膜厚がどの透明膜に対応するのか判別しづらい。特に、膜厚が同程度の複数の透明膜が存在する場合、測定結果と透明膜との対応づけが困難である。
【００６６】
一方、ピークＣ２〜Ｃ５は、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との間の干渉に対応する成分である。各ピークＣ２〜Ｃ５は、ワークＷを構成する透明膜の各界面による反射光にそれぞれ対応し、そのピーク位置が、仮想基準面Ａ及び界面間の距離ｄを表す。仮想基準面Ａから遠い界面ほど、対応するピークは、長距離側に形成されている。
【００６７】
また、一般に、距離ｄが大きくなるほど、光強度分布の特性曲線における極大値と極小値との差は小さくなる。このため、ＦＦＴ波形におけるピークの受光量（特性強度）は、距離ｄの増加に伴って概ね減少している。
【００６８】
本実施の形態による干渉膜厚計１では、透明膜の膜厚がこの様なピークＣ２〜Ｃ５の位置に基づいて求められる。ピーク位置は、仮想基準面Ａから界面までの距離ｄに対応するので、異なる２つのピークを指定すれば、これらのピークに対応する界面で挟まれた透明膜の膜厚を求めることができる。
【００６９】
＜ワークの振れ＞
図６は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、搬送中のワークＷに対してヘッドユニット３０から検出光Ｌ１が照射される様子が示されている。ワークＷが、ローラを介して搬送されるシート状のフィルム材からなる場合、ローラの振れなどの影響により、ワークＷがライン送り方向とは交差する方向に小刻みに振れることがある。
【００７０】
この様なワークＷの膜厚を測定する場合、ヘッドユニット３０から見たワークＷの位置は、ワークＷの振れにより検出光Ｌ１の光軸方向に変動する。このため、タイミングを異ならせて取得した複数の光強度分布からそれぞれＦＦＴ波形を求める場合、ワークＷの振れの影響により、対応するピークの位置に周波数軸方向のずれが生じる。
【００７１】
また、ワークＷを構成する透明膜の界面に荒れや汚れなどの影響により十分な反射光量が得られない微小領域がある場合、当該微小領域の影響で対応するピークの受光量が低下し、ノイズに埋もれてしまうことがある。
【００７２】
本実施の形態による干渉膜厚計１では、界面の荒れなどの影響により膜厚が測定できない事態が生じることを防止するために、同一のワークＷについて、光強度分布の取得を繰り返し行い、取得した複数の光強度分布からそれぞれＦＦＴ波形を求めて積算する処理が行われる。
【００７３】
その際、サンプリング時刻の異なる光強度分布に対応する複数のＦＦＴ波形をそのまま積算すれば、ワークＷの振れの影響によるピーク位置の周波数軸方向のずれにより、ピーク波形が鈍ってしまうので、膜厚の測定精度が低下する。そこで、この干渉膜厚計１では、各ＦＦＴ波形について、周波数軸を相対的に補正し、補正後のＦＦＴ波形が積算される。
【００７４】
＜ピーク位置の変動＞
図７（ａ）〜（ｄ）は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、タイミングを異ならせて取得した光強度分布から得られた特性強度分布が示されている。図中の（ａ）〜（ｄ）には、それぞれサンプリング時刻ｔ１〜ｔ４に取得された光強度分布から求められたＦＦＴ波形が示されている。
【００７５】
サンプリング時刻ｔ１のＦＦＴ波形における各ピーク（ピーク位置ｄ１〜ｄ３）に対し、ワークＷの振れの影響により、サンプリング時刻ｔ２及びｔ４では、各ピーク波形が長距離側に移動し、サンプリング時刻ｔ３では、各ピーク波形が短距離側に移動している。ワークＷの振れの影響により移動するピークは、界面に対応するピークであり、各界面に対応するピークは、同じ方向に同じ距離だけ移動している。なお、不要成分Ｃ１は、ワークＷの振れの影響を受けることなく、周波数軸方向の位置は固定している。
【００７６】
この様に各ＦＦＴ波形には、ピーク波形の周波数軸方向のずれが存在するので、これらのＦＦＴ波形をそのまま合成すれば、各ピークのピーク波形は、幅の広い崩れた形となってしまう。
【００７７】
また、サンプリング時刻ｔ２やｔ３のＦＦＴ波形では、検出光Ｌ１のワークＷによる反射面（界面）の不良状態の影響により、それぞれピーク位置ｄ２のピークやピーク位置ｄ３のピークの受光量が、サンプリング時刻ｔ１のＦＦＴ波形に比べて低下している。この様なＦＦＴ波形から膜厚を求めようとすれば、十分な反射光量が得られない反射面に対応するピークが正しく検出されず、他のピークが誤検出されてしまう。
【００７８】
＜演算回路＞
図８は、図３の分光装置４０における演算回路５０の構成例を示したブロック図であり、ワークＷの膜厚を算出する演算回路５０内の機能構成の一例が示されている。この演算回路５０は、周波数軸変換部５１、ＦＦＴ処理部５２、特性強度合成部５３及び膜厚算出部５４により構成され、バッファメモリ４９からピクセルデータを取得し、波長ごとの光強度分布の特性曲線からＦＦＴ波形を求めてワークＷの膜厚を算出する。
【００７９】
周波数軸変換部５１は、光強度分布の周波数軸を変換する演算部であり、バッファメモリ４９からピクセルデータを読み出し、波長λごとの光強度分布を波数１／λごとの光強度分布に変換する。ＦＦＴ処理部５２は、波数１／λごとの光強度分布の特性曲線をＦＦＴし、空間周波数ごとの特性強度分布からなるＦＦＴ波形を算出する。
【００８０】
特性強度合成部５３は、ピーク検出部５３ａ、周波数軸校正部５３ｂ及びＦＦＴ波形積算部５３ｃからなり、タイミングを異ならせて取得した複数の光強度分布からそれぞれ求められた複数のＦＦＴ波形を合成する。
【００８１】
ピーク検出部５３ａは、ＦＦＴ処理部５２により算出されたＦＦＴ波形について、ピークを検出する。このピーク検出は、ノイズを検出対象から除外するために、受光量に対応する特性強度が所定の強度閾値Ｔｈ１を越える周波数成分を抽出することにより行われる。このピーク検出部５３ａでは、検出対象から不要成分Ｃ１を除外するために、距離ｄに対応する空間周波数が所定の距離閾値Ｔｈ２を越える周波数成分について、ピーク検出が行われる。強度閾値Ｔｈ１が、ピーク検出においてノイズ成分を除去するための強度に対する閾値であるのに対し、距離閾値Ｔｈ２は、不要成分Ｃ１を除去するための距離に対する閾値である。
【００８２】
周波数軸校正部５３ｂは、ワークＷの振れによるピーク波形のずれを補正するために、サンプリング時刻の異なる光強度分布から算出された複数のＦＦＴ波形について、ＦＦＴ波形の周波数軸を相対的に補正する。この周波数軸の補正は、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークのいずれか１つを基準として行われる。例えば、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークのうち、空間周波数が最も小さいピークの位置が基準として採用される。
【００８３】
空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークであって、空間周波数が最小のピークは、ワークＷのヘッドユニット３０に最も近い界面に対応するピークであり、ここでは、最表面ピークと呼ぶ。最表面ピークは、通常、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えているピークのうちで特性強度が最大のピークである。また、この様なピークの位置（空間周波数）は、ピーク波形の最大点の位置、又は、ピーク波形の重心位置として定められる。
【００８４】
Ｎ個のＦＦＴ波形を膜厚算出の処理単位とする場合、周波数軸の補正は、基準とするピーク位置をこれらのＮ個のＦＦＴ波形について合わせ込むことにより行われる。例えば、基準のピーク位置が所定の参照位置と一致するように、各ＦＦＴ波形の周波数軸が補正される。参照位置は、例えば、膜厚算出処理が繰返し行われる場合、１つ前の膜厚算出処理で使用されたＮ個のＦＦＴ波形について、基準のピーク位置の平均値を求め、その平均値として定められる。
【００８５】
ＦＦＴ波形積算部５３ｃは、サンプリング時刻の異なる光強度分布から算出された複数のＦＦＴ波形を合成する。この合成処理は、周波数軸校正部５３ｂによる周波数軸補正後のＮ個のＦＦＴ波形について、特性強度分布を積算することにより行われる。特性強度分布の積算処理としては、Ｎ個のＦＦＴ波形を加算する処理だけでなく、加算されたＦＦＴ波形をＮで割って平均化する処理、或いは、Ｎ個のＦＦＴ波形をそれぞれ１／Ｎ倍してから加算する処理などを含む。つまり、合成後のＦＦＴ波形としては、Ｎ個のＦＦＴ波形を加算したものであっても良いし、平均化したものでも良い。
【００８６】
膜厚算出部５４は、ＦＦＴ波形積算部５３ｃによる合成後のＦＦＴ波形に含まれる複数のピークの空間周波数に基づいて、ワークＷの膜厚を算出する。ワークＷの膜厚は、空間周波数が距離閾値Ｔｈ２を越えている３以上のピークのうち、ユーザ操作などにより予め指定された異なる２つのピークの空間周波数、すなわち、ピーク位置の差分として求められる。つまり、ワークＷを構成する多層膜の任意の膜厚を算出することができる。
【００８７】
ピーク位置の空間周波数は、検出光の参照面による反射光とワークＷによる反射光との光路差に対応し、仮想基準面Ａ及びワークＷ間の距離ｄは、ピーク位置の空間周波数の１／２倍として算出される。
【００８８】
具体的に説明すれば、検出光Ｉ０をｉ０＝ａ０×ｓｉｎ（ωｔ）とし、その参照面による反射光Ｉ１をｉ１＝ａ１×ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ１／λ）、ワークＷによる反射光Ｉ２をｉ２＝ａ２×ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ２／λ）と表すと、干渉反射光Ｌ３の強度は、（ｉ１＋ｉ２）２の時間平均＝（ａ１２＋ａ２２）＋２×ａ１×ａ２×ｃｏｓ（４πｄ／λ）により表される。ただし、光路差は、ｘ２−ｘ１＝２ｄとしている。
【００８９】
上記関係式から、干渉反射光Ｌ３の強度は、４πｄ／λ＝２ｎπ（ｎは整数）で最大値（ａ１＋ａ２）２となり、４πｄ／λ＝（２ｎ＋１）πで最小値（ａ１−ａ２）２となることが分かる。
【００９０】
波数１／λごとの光強度分布の特性曲線の周波数、すなわち、空間周波数は、同じ距離ｄに対し、干渉反射光Ｌ３の強度が最大となる波長であって、整数ｎが１だけ異なる２つの波長をλ１及びλ２として、（１／λ１−１／λ２）の逆数に相当する。従って、上記関係式から得られる４πｄ×（１／λ１−１／λ２）＝２πを用いることにより、距離ｄは、（空間周波数）×１／２から求めることができる。
【００９１】
＜計測処理＞
図９のステップＳ１０１〜Ｓ１１０は、図１の干渉膜厚計１における計測処理の一例を示したフローチャートである。まず、周波数軸変換部５１は、バッファメモリ４９からピクセルデータを取得し、波長λごとの光強度分布を波数１／λごとの光強度分布に変換する（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）。ＦＦＴ処理部５２は、波数１／λごとの光強度分布の特性曲線をＦＦＴし、空間周波数ごとの特性強度分布からなるＦＦＴ波形を算出する（ステップＳ１０３）。
【００９２】
特性強度合成部５３は、ＦＦＴ波形について、最表面ピークを検出し（ステップＳ１０４）、所定数のＦＦＴ波形が得られるまで、ステップＳ１０１からステップＳ１０４までの処理手順を繰り返す（ステップＳ１０５）。
【００９３】
次に、特性強度合成部５３は、所定数のＦＦＴ波形について、最表面ピークの位置を基準とし、ピーク位置が参照位置と一致するように周波数軸をシフトして補正し、補正後のＦＦＴ波形を積算する（ステップＳ１０６，Ｓ１０７）。
【００９４】
次に、膜厚算出部５４は、特性強度合成部５３による合成後のＦＦＴ波形に含まれる複数のピークのうちの２つを選択し、選択したピークの重心位置を計算する。膜厚算出部５４は、重心位置の差分からワークＷの膜厚を算出する（ステップＳ１０８〜Ｓ１１０）。
【００９５】
＜モニター画面＞
図１０は、図１の干渉膜厚計１における計測時の動作の一例を示した図であり、表示部６０に表示されるモニター画面６１の一例が示されている。このモニター画面６１は、膜厚の測定値を表示し、或いは、強度閾値Ｔｈ１及び距離閾値Ｔｈ２を設定するための入力画面であり、ＦＦＴ波形の表示領域６２と、測定値の表示欄６３と、マスク処理のためのパラメータの入力欄６４，６５と、閾値の入力欄６６が配置されている。
【００９６】
表示領域６２には、横軸を距離ｄ、縦軸を受光量として、ＦＦＴ波形が表示される。ＦＦＴ波形としては、例えば、Ｎ個のＦＦＴ波形を合成し、平均化した後の波形が表示される。表示領域６２内には、２つのマスクの境界と、ピーク検出のための強度閾値Ｔｈ１と、ピーク位置とが、それぞれ破線７１〜７４により示されている。
【００９７】
破線７１により示されるマスクの境界は、距離閾値Ｔｈ２に対応し、距離閾値Ｔｈ２よりも短距離側がマスクされている。距離閾値Ｔｈ２は、「マスク１」の入力欄６４にパラメータを入力することにより指定することができる。破線７２により示されるマスクの境界は、「マスク２」の入力欄６５に入力されたパラメータにより指定される距離閾値Ｔｈ３に対応し、距離閾値Ｔｈ３よりも長距離側がマスクされている。
【００９８】
距離閾値Ｔｈ２及びＴｈ３は、ピーク検出の範囲を絞り込むことにより、不要成分やノイズを除去するためのパラメータである。また、波形表示におけるマスク処理は、不要成分やノイズを目立たなくするための画像処理である。
【００９９】
破線７３による示される強度閾値Ｔｈ１は、閾値の入力欄６６にパラメータを入力することにより指定することができる。この例では、膜厚算出のために選択されたピークに対応付けて、測定対象であることを示すアイコン７５が表示されている。表示欄６３には、選択中のピークから得られた膜厚が測定値として表示されている。
【０１００】
測定対象のピークは、ユーザ操作により変更することができる。また、表示領域６２には、図５に示したような波長λごとの光強度分布や波数１／λごとの光強度分布を表示することもできる。また、膜厚算出に使用したＮ個のＦＦＴ波形を選択的に表示することもできる。或いは、新たに取得された光強度分布に対応する合成前のＦＦＴ波形を逐次表示させても良い。その際、ワークＷの振れの影響により、ピーク位置にずれが生じることを防止するために、先に取得された光強度分布に対応するＦＦＴ波形に基づいて、周波数軸が相対的に補正されたＦＦＴ波形を表示することが望ましい。
【０１０１】
本実施の形態によれば、同一のワークＷについて、光強度分布の取得を繰り返す場合に、光強度分布ごとに算出された膜厚を積算処理するという構成に比べて、膜厚測定の精度を向上させることができる。また、多層膜の各膜厚を測定する場合に、ＦＦＴ波形に現れる３以上のピークの一部が欠落することによって、膜厚測定の精度に顕著な影響を与えるのを抑制することもできる。
【０１０２】
実施の形態２．
実施の形態１では、搬送中のワークＷに対し、光強度分布の取得を繰返し行って膜厚を算出する場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、動かないワークＷに対し、光強度分布の取得を繰返し行って膜厚を算出する場合について説明する。
【０１０３】
図１１は、本発明の実施の形態２による干渉膜厚計１の構成例を示した図であり、揺動ユニット８１がヘッドユニット３０に取り付けられた干渉膜厚計１が示されている。この干渉膜厚計１は、図１の干渉膜厚計１と比較すれば、ヘッドユニット３０、揺動ユニット８１及びヘッド位置検出センサ８２がヘッドユニットカバー８３内に収容され、コントローラユニット１０が揺動制御部９０を備えている点で異なる。
【０１０４】
揺動ユニット８１は、ワークＷに対して干渉光学系を相対的に揺動させることにより、測定面の状態が良くないワークＷであっても、膜厚測定を可能とするために、ヘッドユニット３０を揺動させる揺動装置であり、揺動コイル、磁石などによって構成される。この揺動ユニット８１は、ヘッドユニットカバー８３に固定され、検出光Ｌ１の光軸と交差する方向にヘッドユニット３０を振動させる。
【０１０５】
ヘッド位置検出センサ８２は、ヘッドユニット３０の位置を検出するセンサであり、例えば、ホール素子からなる。揺動制御部９０は、ヘッド位置検出センサ８２の出力に基づいて、揺動ユニット８１を制御する。
【０１０６】
ヘッドユニット３０の揺動のさせ方としては、例えば、ヘッドユニット３０を直線又は円弧などの曲線に沿って振動させることにより、検出光Ｌ１によるワークＷ上の測定領域を所定幅の線分からなる線形状とすることができる。つまり、複数の光強度分布を取得するタイミングをコントロールすることにより、線形状の測定領域内の任意の位置でワークＷの膜厚を測定することができる。従って、あるタイミングで取得した光強度分布が膜厚測定に適さない微小領域について測定されたものであったとしても、別のタイミングで、当該微小領域以外の領域について測定された光強度分布を取得することができる。
【０１０７】
また、振動の振れ幅を最大限利用して、膜厚の測定位置を異ならせるためには、検出光Ｌ１が線形状の測定領域の端部、或いは、その近傍に位置するタイミングで光強度分布を取得することが望ましい。そのためには、光強度分布を取得する動作とヘッドユニット３０の揺動制御とを同期させることが望ましい。具体的に説明すれば、揺動の１往復を１周期とした場合、光強度分布に対応するＦＦＴ波形の合成（積算）を半周期分又はその整数倍とすることが望ましい。
【０１０８】
また、揺動の振れ幅と、揺動の半周期当たりの光強度分布の取得回数（頻度）とは、ユーザが指定した値などに変更できるように構成しても良い。また、ヘッドユニット３０の揺動のさせ方としては、上述した様に１次元的に行うものの他、２次元的に行うものであっても良い。例えば、円のサイズを異ならせながらヘッドユニット３０を円周に沿って移動させ、或いは、ヘッドユニット３０をＸ軸方向に振動させながら振動面をＹ軸方向に移動させることにより、測定領域を面形状とするような構成であっても良い。
【０１０９】
図１２は、図１１の干渉膜厚計１におけるコントローラユニット１０内の揺動制御部９０の構成例を示した図である。この揺動制御部９０は、三角波発生回路９１及びサーボアンプ９２からなり、ヘッド位置検出センサ８２の検出信号に基づいて、揺動ユニット８１内の揺動コイルを駆動する。
【０１１０】
三角波発生回路９１は、揺動ユニット８１の揺動動作を決める制御信号を生成する。サーボアンプ９２は、ヘッド位置検出信号と三角波発生回路９１からの制御信号とに基づいて、揺動コイルの駆動信号を生成する。
【０１１１】
＜設定支援装置＞
図１３及び図１４は、図１１の干渉膜厚計１の動作設定を行うための設定支援装置の動作例を示した図であり、設定画面１００が示されている。図１３には、モニター画面６１のマスク設定時の設定画面１００が示されている。この設定画面１００は、干渉膜厚計１に対し、各種の動作設定を行うための入力画面であり、受信ボタン１０１、送信ボタン１０２、測定値表示ボタン１０３、波形表示ボタン１０４、全般設定タブ１０５及びアラーム設定タブ１０６が設けられている。
【０１１２】
受信ボタン１０１は、コントローラユニット１０から現在の設定データを受信するためのアイコンである。送信ボタン１０２は、コントローラユニット１０に対し、設定データを送信するためのアイコンである。測定値表示ボタン１０３は、測定値をコントローラユニット１０から取得して表示させるためのアイコンである。波形表示ボタン１０４は、ＦＦＴ波形などをコントローラユニット１０から取得して表示させるためのアイコンである。
【０１１３】
この設定画面１００では、全般設定タブ１０５が選択されており、マスク設定の選択欄１１１、マスク処理のパラメータの入力欄１１２及び１１３が表示されている。選択欄１１１は、マスク処理を有効化するか、或いは、無効化するかを選択することができる。
【０１１４】
「マスク１」の入力欄１１２にパラメータを入力することにより、距離閾値Ｔｈ２を指定することができる。また、「マスク２」の入力欄１１３にパラメータを入力することにより、距離閾値Ｔｈ３を指定することができる。
【０１１５】
図１４には、アラーム設定時の設定画面１００が示されている。この設定画面１００では、アラーム設定タブ１０６が選択されており、アラーム処理の設定を行うことができる。アラーム処理は、ＦＦＴ波形における複数のピークについて、その一部又は全部が検出されなかった場合のエラー出力である。
【０１１６】
アラーム設定タブ１０６には、処理回数の入力欄１２１、積算回数の選択欄１２２及び揺れモードの選択欄１２３が設けられている。入力欄１２１は、アラーム時に、アラーム直前の測定値をホールドさせる際のアラーム回数を指定するための入力欄である。
【０１１７】
選択欄１２２は、ＦＦＴ波形を積算する際の積算回数を選択するための入力欄である。選択欄１２３は、揺動ユニット８１によるヘッドユニット３０の揺動機能を有効化するか、或いは、無効化するかを選択するための入力欄である。
【０１１８】
本実施の形態によれば、複数の光強度分布を取得する際、ワークＷ上における測定領域を異ならせることができる。例えば、ワークＷの表面上に、測定に適さない微少領域が存在している場合に、微小領域以外の領域も測定されるので、当該微少領域を測定領域としたために膜厚測定が不能となることを抑制することができる。
【０１１９】
干渉光学系の揺動方法について
【符号の説明】
【０１２０】
１ 干渉膜厚計
１０ コントローラユニット
１１ ＳＬＤ駆動回路
１２ ＳＬＤ
１３ａ コリメータレンズ
１３ｂ 集光レンズ
１４ フェルール
１５ ファイバースプリッタ
２０ 光ファイバー
２１ コネクタ
３０ ヘッドユニット
３１ 集光レンズ
３２ ガラス板
３３ ハーフミラー
３４ ピンミラー
４０ 分光装置
４１ フェルール
４２ コリメータレンズ
４３ 回折格子
４４ 結像レンズ
４５ ＣＣＤイメージセンサ
４６ イメージセンサ駆動回路
４７ アンプ
４８ ＡＤコンバータ
４９ バッファメモリ
５０ 演算回路
５１ 周波数軸変換部
５２ ＦＦＴ処理部
５３ 特性強度合成部
５３ａ ピーク検出部
５３ｂ 周波数軸校正部
５３ｃ ＦＦＴ波形積算部
５４ 膜厚算出部
６０ 表示部
６１ モニター画面
８１ 揺動ユニット
８２ ヘッド位置検出センサ
８３ ヘッドユニットカバー
９０ 揺動制御部
９１ 三角波発生回路
９２ サーボアンプ
１００ 設定画面
Ａ 仮想基準面
Ｂ１〜Ｂ３ 透明膜
Ｃ１ 不要成分
Ｃ２〜Ｃ５ ピーク
Ｌ０〜Ｌ２ 検出光
Ｌ３ 干渉反射光
Ｓ１，Ｓ１２，Ｓ２３，Ｓ３ 界面（測定面）
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出光を生成する光源と、
上記検出光の参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光を生成する干渉光学系と、
上記干渉反射光を分光する分光手段と、
分光された上記干渉反射光を検出し、波長ごとの光強度分布を取得する光強度分布取得手段と、
上記光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求める特性強度分布算出手段と、
タイミングを異ならせて取得した２以上の上記光強度分布からそれぞれ求められた２以上の上記特性強度分布を合成する特性強度合成手段と、
合成後の上記特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする干渉膜厚計。
【請求項２】
上記特性強度合成手段は、２以上の上記特性強度分布の周波数軸を相対的に補正し、補正後の上記特性強度分布を合成することを特徴とする請求項１に記載の干渉膜厚計。
【請求項３】
上記特性強度合成手段は、上記特性強度分布に含まれるピークの空間周波数であって、距離に対する閾値を越える最小値を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成し、
上記膜厚算出手段は、上記距離に対する閾値を越えるピークの空間周波数に基づいて膜厚を算出することを特徴とする請求項２に記載の干渉膜厚計。
【請求項４】
上記特性強度合成手段は、それぞれの上記特性強度分布において最大の特性強度を有するピークの空間周波数を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成することを特徴とする請求項２に記載の干渉膜厚計。
【請求項５】
上記測定対象物に対し、上記干渉光学系を相対的に揺動させる揺動手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の干渉膜厚計。
【請求項６】
上記膜厚算出手段が、上記特性強度分布に含まれる３以上のピークの空間周波数に基づいて、上記測定対象物を構成する多層膜の各膜厚を算出することを特徴とする請求項５に記載の干渉膜厚計。
【請求項７】
上記光強度分布を繰り返し取得する場合に、新たに取得された上記光強度分布に対応する合成前の上記特性強度分布を逐次表示する表示手段を備え、
上記表示手段は、先に取得された上記光強度分布に対応する上記特性強度分布に基づいて、周波数軸が相対的に補正された上記特性強度分布を表示することを特徴とする請求項２に記載の干渉膜厚計。
【請求項８】
上記距離に対する閾値をユーザ操作により指定するための距離閾値指定手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の干渉膜厚計。
【請求項１】
検出光を生成する光源と、
上記検出光の参照面による反射光及び測定対象物による反射光からなる干渉反射光を生成する干渉光学系と、
上記干渉反射光を分光する分光手段と、
分光された上記干渉反射光を検出し、波長ごとの光強度分布を取得する光強度分布取得手段と、
上記光強度分布に基づく特性曲線について、空間周波数ごとの特性強度分布を求める特性強度分布算出手段と、
タイミングを異ならせて取得した２以上の上記光強度分布からそれぞれ求められた２以上の上記特性強度分布を合成する特性強度合成手段と、
合成後の上記特性強度分布に含まれる２以上のピークの空間周波数に基づいて、測定対象物の膜厚を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする干渉膜厚計。
【請求項２】
上記特性強度合成手段は、２以上の上記特性強度分布の周波数軸を相対的に補正し、補正後の上記特性強度分布を合成することを特徴とする請求項１に記載の干渉膜厚計。
【請求項３】
上記特性強度合成手段は、上記特性強度分布に含まれるピークの空間周波数であって、距離に対する閾値を越える最小値を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成し、
上記膜厚算出手段は、上記距離に対する閾値を越えるピークの空間周波数に基づいて膜厚を算出することを特徴とする請求項２に記載の干渉膜厚計。
【請求項４】
上記特性強度合成手段は、それぞれの上記特性強度分布において最大の特性強度を有するピークの空間周波数を基準として、２以上の上記特性強度分布を合成することを特徴とする請求項２に記載の干渉膜厚計。
【請求項５】
上記測定対象物に対し、上記干渉光学系を相対的に揺動させる揺動手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の干渉膜厚計。
【請求項６】
上記膜厚算出手段が、上記特性強度分布に含まれる３以上のピークの空間周波数に基づいて、上記測定対象物を構成する多層膜の各膜厚を算出することを特徴とする請求項５に記載の干渉膜厚計。
【請求項７】
上記光強度分布を繰り返し取得する場合に、新たに取得された上記光強度分布に対応する合成前の上記特性強度分布を逐次表示する表示手段を備え、
上記表示手段は、先に取得された上記光強度分布に対応する上記特性強度分布に基づいて、周波数軸が相対的に補正された上記特性強度分布を表示することを特徴とする請求項２に記載の干渉膜厚計。
【請求項８】
上記距離に対する閾値をユーザ操作により指定するための距離閾値指定手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の干渉膜厚計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２１８５６（Ｐ２０１２−２１８５６Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５９２４８（Ｐ２０１０−１５９２４８）
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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