膜厚測定装置
【課題】 膜厚を測定するフィルムに光を照射し、その反射光または透過光のスペクトルからパワースペクトルを求めて膜厚を算出する膜厚測定装置では、ポリプロピレンやポリエチレン等ヘイズが大きい材質ではかけ離れた測定値が頻繁に得られるので測定が困難であり、またフィルムの傾きやしわによって測定値のばらつきが大きくなるので、オンライン膜厚計として用いることが困難であったという課題を解決する。
【解決手段】 パワースペクトルのピーク高さ、ピーク面積、反射率などの測定品質を算出し、この測定品質と閾値を比較して測定の有効、無効を判断して、有効なときのみ膜厚測定値を外部に出力するようにした。かけ離れた測定値を除去することができるので、測定の信頼性が高まり、また従来測定が困難であったポリエチレン等の膜厚が測定できる。
【解決手段】 パワースペクトルのピーク高さ、ピーク面積、反射率などの測定品質を算出し、この測定品質と閾値を比較して測定の有効、無効を判断して、有効なときのみ膜厚測定値を外部に出力するようにした。かけ離れた測定値を除去することができるので、測定の信頼性が高まり、また従来測定が困難であったポリエチレン等の膜厚が測定できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の干渉を利用して薄膜の膜厚を測定する装置に関し、表面が平滑でなく、また散乱が大きい薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６に、光の干渉を利用して薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置の構成を示す。図６において、膜厚測定装置は反射スペクトル取得部１０と演算部２０で構成される。この膜厚測定装置は、包装や光学材に用いるフィルムやシートの製造工程におけるオンライン膜厚計として使用し、またフィルムシートの加工工程で検査装置として用いられ、膜厚分布や膜厚誤差を測定する。さらに、ガラス基板を扱うＸＹステージにも用いられる。
【０００３】
反射スペクトル取得部１０は、膜厚を測定するフィルムに白色光を照射し、その反射光のスペクトルを取得する。波長帯域の広い白色光を出力する光源１１の出力光は、光ファイバ１２を伝搬して、膜厚を測定するフィルム１５に照射される。フィルム１５の反射光は、光ファイバ１２を伝搬して分光部１３に導入される。分光部１３は入力された光を分光して反射分光スペクトルを得、これを電気信号に変換して出力する。
【０００４】
演算部２０はこの反射分光スペクトルから膜厚を演算して出力する。分光データ取得部２１は分光部１３が出力した反射分光スペクトルを取得し、波長変換部２２に出力する。波長変換部２２は、反射分光スペクトルのうち所定の波長範囲を１つ選択し、この選択した波長範囲の反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直し、波数域反射分光スペクトルを演算して、周波数解析部２３に出力する。
【０００５】
周波数解析部２３は、波長変換部２２が演算した波数域反射分光スペクトルにフーリエ変換を施してパワースペクトルを求め、膜厚算出部２４に出力する。膜厚算出部２４は入力されたパワースペクトルの中でピークが得られる周波数に対応する光学膜厚を演算し、フィルム１５の屈折率を考慮してその物理膜厚を求める。膜厚出力部２５はこの物理膜厚を外部に出力する。設定部２６は、波長変換部２２、膜厚算出部２４、膜厚出力部２５にパラメータ等演算に必要なデータを設定する。
【０００６】
フィルム１５の表面と裏面で反射した光はフィルム１５の膜厚と屈折率の積に応じた光路差を有するので、これらの反射光が干渉して周期的な干渉縞を生じる。この干渉縞にフーリエ変換を施して得られたパワースペクトルは、光路差に対応した周波数でピークを有する。このピーク点の周波数を検出することにより光学膜厚が得られ、この光学膜厚を屈折率で除算することにより、物理膜厚を求めることができる。
【０００７】
なお、図６ではフィルム１５からの反射光を分光して得た反射分光スペクトルから膜厚を測定するようにしたが、フィルム１５の透過光を分光して透過分光スペクトルを得、この透過分光スペクトルから膜厚を測定することもできる。
【０００８】
特許文献１には、移動する多層フィルムに近赤外領域のストロボ光を照射し、各層の界面から反射する光を受光して、反射光のパワースペクトルから各層の膜厚を精度よく測定する膜厚測定装置の発明が記載されている。
【０００９】
特許文献２には、被測定多層膜に白色光を照射し、被測定多層膜からの透過光または反射光を分光し、得られたスペクトルを周波数信号に変換した後、ウエーブレット処理を行って干渉信号以外の成分を除去し、次いで周波数解析処理を行うことにより、膜厚を測定する膜厚測定装置の発明が記載されている。
【００１０】
また、特許文献３には、ハロゲンランプの光をフィルムに照射し、そのとき得られる光干渉波形をフーリエ変換して得られたスペクトル中の最大ピーク値に相当する膜厚をフィルムの膜厚とする多層フィルムの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１６１６０５号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８３９４号公報
【特許文献３】特開平１１−３１４２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このような膜厚測定装置は、測定するフィルムにヘイズ（表面や内部で発生する散乱）があると測定誤差が大きくなり、また測定が不可能になってしまうという課題があった。
【００１３】
ヘイズがあると、フィルム境界面以外の散乱光のために干渉性が低下するので、干渉縞の振幅が小さくなり、パワースペクトルのピークの高さが低くなる。このピークの高さがノイズ成分より低くなると、測定が不可能になる。特に、ポリプロピレンやポリエチレンフィルムはヘイズが大きいので、安定した測定値を得ることが困難であった。
【００１４】
図７にこのような測定例を示す。図７において、横軸は測定回数、縦軸は膜厚、黒点は測定値である。全体的に測定値がばらついているおり、かつ３０に示すようにかけ離れた測定値が頻繁に現れることがわかる。
【００１５】
干渉性の低いフィルムの膜厚をオンラインで連続測定すると、フィルムの振動によって膜厚を測定するプローブとフィルム間の距離が変化する。そのため、プローブがフィルムに近づいたときのみ正しい測定値が得られ、離れるとピークがノイズに埋もれて測定できなくなる。このため、３０に示すように、誤差が大きい測定値が得られる。
【００１６】
また、フィルムにしわがあり、また振動で傾いている場合、あるいはフィルムが光を吸収してしまう場合は、測定装置が反射光をとらえることができない。このような場合はパワースペクトル中に膜厚に起因するピークが現れないので、３０に示すように、膜厚とは関係のないランダムな測定値が得られる。
【００１７】
そのため、ユーザが測定波形を観測しながら正しい測定値であるかどうかを判断するか、測定値がランダムに変化するときは正しい測定値でないと判断するしかなかった。その結果、自動測定、自動制御に使用するには信頼性が低く、使い難いという課題もあった。
【００１８】
従って本発明の目的は、フィルムの干渉性の低下などによって測定値が正確でないこと検知することによって、ヘイズが大きく干渉縞が現れにくいフィルムであっても安定した測定値が得られる膜厚測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定フィルムに光を照射し、このフィルムの反射光または透過光の分光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
前記分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算部と、
前記パワースペクトルが入力され、このパワースペクトルのピークを検出して、この検出したピークから前記フィルムの膜厚を算出する膜厚算出部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚の測定品質を算出する測定品質算出部と、
前記測定品質算出部が算出した測定品質が入力され、この測定品質と閾値から、前記膜厚算出部が測定した膜厚の有効／無効を判定する測定品質判定部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚が入力され、前記測定品質判定部が有効と判定したときに、前記膜厚算出部が算出した膜厚を出力する膜厚出力部と、
を具備したものである。ヘイズが大きく、干渉縞が現れ難い材質のフィルムでも確度の高い測定が可能になる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記測定品質算出部が算出する測定品質として、膜厚算出に使用したピークのピーク高さあるいはピーク面積を用いたものである。簡単に測定品質を算出できる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２記載の発明において、
前記パワースペクトルが入力される閾値算出部を具備し、この閾値算出部は入力されたパワースペクトルから閾値を算出し、前記測定品質判定部に出力するようにしたものである。閾値を動的に変更できるので、オンライン測定用膜厚測定装置に用いて特に効果が大きい。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記閾値算出部は、入力されたパワースペクトルのうち、ピークが現れない範囲の最大値あるいは標準偏差を算出して、この最大値あるいは標準偏差を定数倍した値を閾値として出力するようにしたものである。簡単に閾値を算出できる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記閾値算出部は、
前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲の標準偏差を演算し、
この標準偏差の定数倍を暫定閾値として、前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲のうちこの暫定閾値より小さい部分の標準偏差を演算して、この標準偏差の定数倍を暫定閾値とする工程を少なくとも２回繰り返した後の暫定閾値を前記閾値として出力するようにしたものである。範囲中にピークがあっても正確な閾値を算出できる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記測定品質算出部は、前記フィルムの平均反射率あるいは反射率の最大値と最小値の差を算出するようにしたものである。より直接的に測定品質を算出できる。
【００２５】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６いずれかに記載の発明において、
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が無効であると判定されたときに、測定不可を表すデータを出力するようにしたものである。測定無効であることがわかる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７いずれかに記載の発明において、
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が有効であると判定されたときに、膜厚測定値と測定品質の両方を出力するようにしたものである。後で測定値を評価できる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８いずれかに記載の発明において、
前記被測定フィルムは多層膜であり、前記膜厚算出部は前記多層膜の個々の膜の膜厚を測定し、前記測定品質算出部は個々の膜の測定品質を算出するようにしたものである。多層膜の個々の膜の測定を評価できる。
【００２８】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、
前記膜厚出力部は、全ての膜の測定品質が有効であるときのみ、膜厚算出部が算出した膜厚を出力するようにしたものである。より確かな測定値が得られる。
【００２９】
請求項１１記載の発明は、
長さ方向に移動するフィルムの膜厚を測定する装置であって、
請求項１乃至請求項１０いずれかに記載の膜厚測定装置と、
前記膜厚測定装置を、膜厚を測定すべきフィルムの幅方向に走査する走査部と、
を具備したものである。長尺のフィルムの長さ方向と幅方向の両方の膜厚を測定できる。
【００３０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前回測定値を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【００３１】
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の発明において、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの長さ方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【００３２】
請求項１４記載の発明は、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【００３３】
請求項１５記載の発明は、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚と前記フィルムの長さ方向に隣接する膜厚の平均値を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、および１５の発明によれば、膜厚を測定するフィルムに光を照射し、その反射光または透過光の分光スペクトルからパワースペクトルを演算して、このパワースペクトルのピークから前記フィルムの膜厚を算出する膜厚測定装置であって、膜厚を算出する毎にピーク高さ、ピーク面積、反射率等の測定品質を算出し、この測定品質と閾値から測定が有効であるかどうかを判定して、有効であるときに膜厚測定値を出力するようにした。
【００３５】
不確実な測定に起因する、かけ離れた測定値が出力されることがないので、測定対象であるフィルム本来の膜厚分布を測定することができ、測定の信頼性が高まるという効果がある。また、従来測定が困難であったポリプロピレンやポリエチレン等のヘイズが大きいフィルムも測定が可能になるという効果もある。
【００３６】
また、フィルムの傾きやしわに起因する不確実な測定値は出力されないので、オンライン膜厚計に用いることができるという効果もある。さらに、従来人がパワースペクトル等を監視して不確実な測定値を除去していたので自動化が困難であったが、本発明の膜厚測定装置では自動的に不確実な測定値を除去することができるので、自動制御装置の膜厚計として用いることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の効果を示す特性図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図５】オンラインで用いる膜厚測定装置の構成図である。
【図６】従来の膜厚測定装置の構成図である。
【図７】従来の膜厚測定装置の効果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る膜厚測定装置の一実施例を示す構成図である。なお、図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図１において、反射スペクトル取得部１０は光ファイバ１２によって光源１１の白色光をフィルム１５に導き、このフィルム１５の反射光を分光部１３に入射する。分光部１３は入射した光を分光して反射分光スペクトルを得、電気信号に変換して出力する。
【００４０】
演算部４０は、分光データ取得部２１、波長変換部２２、周波数解析部２３、膜厚算出部２４、測定品質算出部４１、測定品質判定部４２、膜厚出力部４３、および設定部４４で構成される。なお、波長変換部２２と周波数解析部２３でパワースペクトル演算部を構成している。
【００４１】
分光データ取得部２１は分光部１３が出力する反射光分光スペクトルを取得し、波長変換部２２に出力する。波長変換部２２は、反射分光スペクトルのうち所定の波長範囲を１つ選択し、この選択した波長範囲の反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直し、波数域反射分光スペクトルを演算して、周波数解析部２３に出力する。
【００４２】
周波数解析部２３は、波長変換部２２が演算した波数域反射分光スペクトルにフーリエ変換を施してパワースペクトルを演算し、膜厚算出部２４に出力する。膜厚算出部２４は入力されたパワースペクトルの中でピークが得られる周波数に対応する光学膜厚を演算し、フィルム１５の屈折率を考慮してその物理膜厚を求める。これらの動作は図６従来例と同じである。
【００４３】
周波数解析部２３が演算したパワースペクトルは測定品質算出部４１に入力される。また、膜厚算出部２４は、どのピークを用いて物理膜厚を演算したかを測定品質算出部４１に通知する。測定品質算出部４１は、膜厚測定に用いたピークの高さあるいは面積を算出して、この算出した高さあるいは面積を測定品質判定部４２に出力する。測定品質判定部４２は、測定品質算出部４１が算出した値と閾値を比較し、この測定の有効／無効を判定して、この有効／無効を表すデータ、および入力された測定品質を出力する。
【００４４】
膜厚出力部４３には膜厚算出部２４が測定した物理膜厚、および測定品質判定部４２が判定した有効／無効のデータおよび測定品質が入力される。膜厚出力部４３は、入力された測定品質が有効のときは膜厚算出部２４から入力した物理膜厚と測定品質を外部に出力し、無効のときは出力しない。設定部４４は波長変換部２２、膜厚算出部２４、膜厚出力部４３にパラメータ等演算に必要なデータを設定し、測定品質判定部４２に閾値を設定する。
【００４５】
次に、測定品質判定部４２が用いる閾値、および測定品質について説明する。閾値は、膜厚測定に用いるピークがノイズに起因するものでないことが判定できる値に設定する。例えば、反射スペクトル取得部１０の光学系のノイズと分光部１３が用いるＣＣＤ(Charge Coupled Device)に起因するノイズを合わせたノイズ成分が０．０３であるときは、ピーク高さの閾値として０．０５を、ピーク面積の閾値として１．０を用いる。
【００４６】
ノイズ成分より大きい値をピーク高さの閾値にすることにより、ノイズと干渉縞に起因するピークを確実に識別することができる。また、ピーク面積の閾値を比較的大きな値にすることより、ピーク高さが高く、かつ幅が広いピークのみを選別できるので、より確実にノイズを選別することができる。また、ピーク高さやピーク面積は簡単に算出することができるという利点がある。
【００４７】
測定品質はピーク高さ、ピーク面積そのものでもよいが、閾値で除算して規格化すると、後に評価するときに便利である。測定品質判定部４２は、ピーク高さあるいはピーク面積が閾値以上であると膜厚測定値は有効であると判定し、閾値未満であると無効と判定する。膜厚出力部４３は、測定品質判定部４２の出力が有効のときのみ、膜厚算出部２４が算出した膜厚を出力する。膜厚出力部４３が出力するデータは膜厚のみでもよいが、測定品質を同時に出力すると、後に測定値を評価することができる。
【００４８】
なお、閾値および測定品質の演算式は、前記の値に限られることはない。要は、閾値はノイズと識別できる値であればよく、測定品質は測定値の確度を表す指標であればよい。閾値を大きくすると測定値の確実性を高めることができるが、測定頻度が低下する等の欠点がある。
【００４９】
図２に図１実施例で得られた測定例を示す。横軸は測定回数、縦軸は測定した膜厚である。図７の測定例では３０のように平均値からかけ離れた測定値が頻繁に出現したが、測定品質が閾値未満のときは膜厚測定値を出力しないようにしたので、図２ではかけ離れた測定値は現れない。また、測定値のばらつきも小さくなっている。
【００５０】
図３に、本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例は、測定品質としてフィルム１５の反射率を用いたものである。
【００５１】
図３において、５０は演算部であり、分光データ取得部２１、波長変換部２２、周波数解析部２３、膜厚算出部２４、反射率測定部５１、測定品質判定部５２、膜厚出力部４３、および設定部５３で構成される。反射率測定部５１は、測定品質算出部として動作する。なお、膜厚を測定する構成は図１と同じなので、記載を省略する。
【００５２】
分光データ取得部２１が取得した反射光分光スペクトルは反射率測定部５１に入力される。反射率測定部５１は入力された反射光分光スペクトルからフィルム１５の平均反射率、あるいは反射率の最大値と最小値の差を求め、測定品質判定部５２に出力する。
【００５３】
測定品質判定部５２には設定部５３から閾値が入力される。測定品質判定部５２は、この閾値と反射率測定部が測定した反射率から、膜厚測定値が有効かどうかを判定し、膜厚出力部４３に出力する。膜厚出力部４３は、膜厚測定値が有効のときは膜厚と測定品質を外部に出力し、無効のときは出力しない。
【００５４】
次に、反射率測定部５１の動作を説明する。反射率測定部５１には反射率の基準となる基準分光スペクトルが格納されており、分光データ取得部２１が取得した反射分光スペクトルをこの基準分光スペクトルで除算することにより、反射率を演算する。反射率は波数毎に演算し、平均反射率あるいは反射率の最大値と最小値の差を演算して出力する。
【００５５】
平均反射率は、分光部１３に反射光がどの程度入力されたかの指標である。例えば、フィルム１５が傾くと反射光が分光部１３に入力されず、平均反射率は０％近くなる。このような場合は、正確な測定ができない。また、反射率の最大値と最小値との差は干渉振幅を表している。この値が一定値以上のときは干渉縞が現れており、正確な膜厚測定が可能になる。
【００５６】
基準分光スペクトルを求めるために、ＰＥＴ(Polyethylene Terephthalate)、ガラス、シリコンウエハなどの中から、フィルム１５と近い反射率を有する材質の板を選択し、分光部１３に入射される反射光が最大になるようにこの板をセットする。反射率測定部５１は、このときの分光データ取得部２１の出力スペクトルを基準分光スペクトルとして取り込む。ＰＥＴやガラスなど透明な材料を用いるときは、それ自身の干渉縞が出ないように、５００μ以上のある程度厚いものを選択する。
【００５７】
測定品質判定部５２は入力された平均反射率、あるいは反射率の最大値と最小値との差と閾値を比較し、膜厚測定値の有効、無効を判定して膜厚出力部４３に出力する。測定品質はこれらの反射率そのものでもよいが、閾値で除算して規格化すると、後の評価に便利である。膜厚出力部４３は、膜厚測定値が有効のときは膜厚測定値と測定品質を外部に出力し、無効のときは出力しない。
【００５８】
反射率が閾値（例えば平均反射率では１０％、最大値と最小値の差では５％）以上であると、干渉によるピークが形成され、正確な膜厚を測定できる。フィルムが傾くなどして反射率が閾値以下になると正確な測定ができないので、このときは膜厚測定値を出力しないようにする。
【００５９】
なお、本実施例に関わらず、状況に応じて閾値の値は任意に設定することができる。また、測定中に膜厚測定値をチェックし、異常な測定値が多くなると閾値を上げ、測定出力数が少ないと閾値を下げるなど変化させてもよい。さらに、反射率の測定手法も本実施例に限られることはなく、他の手法を用いることもできる。
【００６０】
図１実施例では閾値を一定としたが、測定中に動的に決定するようにすることもできる。このような実施例を図４に示す。なお、図１実施例と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図４において、６０は演算部であり、分光データ取得部２１、波長変換部２２、周波数解析部２３、膜厚算出部２４、測定品質算出部４１、測定品質判定部４２、膜厚出力部４３、設定部４４、閾値算出部６１で構成される。閾値算出部６１以外の動作は図１と同じなので、説明を省略する。
【００６２】
閾値算出部６１には周波数解析部２３の出力であるパワースペクトルが入力される。閾値算出部６１は入力されたパワースペクトルから閾値を演算し、この閾値を測定品質判定部４２に出力する。
【００６３】
次に、閾値算出部６１の動作を説明する。なお、測定品質算出部４１は、膜厚を測定するピークのピーク高さあるいはピーク面積を算出して、測定品質判定部４２に出力するものとする。閾値算出部６１の動作には、次の２つのいずれかを用いる。
【００６４】
１つめは、パワースペクトルのうちフィルム１５による干渉ピークが現れない周波数範囲の最大値あるいは標準偏差を演算し、この最大値あるいは標準偏差の定数倍を閾値として出力する。定数の値は、例えば最大値を用いる場合は１．２〜２．０とし、標準偏差を用いる場合は６．０とする。
【００６５】
２つめは、パワースペクトルの全体あるいは指定された一部の範囲の標準偏差を求め、この標準偏差を定数倍した暫定閾値演算して、パワースペクトル信号のうちこの暫定閾値より小さい値について標準偏差を求めてこの定数倍を暫定閾値とする方法を再帰的に繰り返して得られる暫定閾値を閾値とするようにしてもよい。標準偏差に乗じる定数は例えば６．０とし、繰り返し回数は１０回程度とする。
【００６６】
１つめの手法は簡単であるが、干渉ピークが現れない領域を選択しなければならないという煩わしさがある。２つめの手法は計算が複雑であるという短所があるが、ピークがどこに現れるかを気にしなくてもよいので、設定がより容易になる。
【００６７】
このようにすることにより、測定中にノイズレベルが変化しても、常に最適な閾値を自動的に決定することができる。図１実施例ではノイズレベルの変動を考慮して、閾値に余裕を持たせなければならないので、無効になる測定値の割合が増加して、測定に時間がかかるという欠点がある。
【００６８】
図４実施例ではノイズレベルによって閾値も変化するので、閾値に余裕を持たせる必要がなくなる。そのため、無効になる測定値の割合が減少し、短時間で測定を行うことができる。
【００６９】
特に、オンラインで連続的に測定する場合は、光源の出力光量が変化し、またフィルムの振動などによって反射光量が変化してノイズレベルが変動することが頻繁に発生する。図４実施例ではノイズレベルの変動に応じて閾値が自動的に変化するので、オンライン測定に用いて特に好適である。
【００７０】
また、測定品質の判定が無効のときは、測定不可のデータを出力するようにしてもよく、また前回測定値と測定不可のデータを出力するようにしてもよい。
【００７１】
また、これらの実施例はフィルム１５の反射光を分光し、そのパワースペクトルから膜厚を算出するようにしたが、フィルム１５の透過光を分光して、そのパワースペクトルから膜厚を算出するようにすることもできる。透過光を使う以外は図１、図３、図４実施例と同じなので、説明を省略する。
【００７２】
さらに、単一層のフィルムだけでなく、多層膜フィルムの個々の膜厚を測定することもできる。多層膜の各層からの干渉縞は、通常パワースペクトルの異なる位置にピークを作る。従って、これらのピークから前述した手法で膜厚を算出することにより、多層膜の各層の膜厚を別々に測定することができる。
【００７３】
なお、図１、図３、図４実施例共に、多層膜の各層の膜厚を測定する場合は、全ての層の測定品質の判定値が有効のときのみ外部にデータを出力するようにしてもよく、ピーク高さあるいはピーク面積が閾値以上の層のみデータを外部に出力するようにしてもよい。
【００７４】
図５にフィルム製造工場で用いるオンライン膜厚計の構成を示す。図５において、７０は製造されたフィルムであり、右方向に流れている。７１は走査部であり、膜厚計７２が設置されている。膜厚計７２は、図１、図２、図４の構成を具備している膜厚測定装置である。
【００７５】
走査部７１は膜厚計７２を矢印７３の方向に走査する。フィルム７０は右方向に流れているので、膜厚計７２の測定軌跡は鋸歯状線７３になる。このため、フィルム７０の幅方向と長さ方向の膜厚を同時に測定することができる。
【００７６】
図１、図２、図４の構成の膜厚計では、ピーク高さあるいはピーク面積あるいは反射率が閾値未満であると膜厚測定値を出力しないので、膜厚測定値がない点が出てくる。この点の膜厚値は隣接する幅方向、あるいは長さ方向の膜厚測定値を用いるか、隣接する幅方向と長さ方向の膜厚測定値の平均値を用いて補間するか、あるいは前回の膜厚測定値を用いる。このようにすることにより、図１、図２、図４構成の膜厚測定装置をオンライン膜厚計として用いた場合に、測定値の抜けを防止することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 反射スペクトル取得部
１１ 光源
１２ 光ファイバ
１３ 分光部
１５、７０ フィルム
２１ 分光データ取得部
２２ 波長変換部
２３ 周波数解析部
２４ 膜厚算出部
４０、５０、６０ 演算部
４１ 測定品質算出部
４２、５２ 測定品質判定部
４３ 膜厚出力部
４４、５３ 設定部
５１ 反射率測定部
６１ 閾値算出部
７１ 走査部
７２ 膜厚計
７３ 膜厚計７２の走査方向を表す矢印
７４ 測定軌跡を表す鋸歯状線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の干渉を利用して薄膜の膜厚を測定する装置に関し、表面が平滑でなく、また散乱が大きい薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６に、光の干渉を利用して薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置の構成を示す。図６において、膜厚測定装置は反射スペクトル取得部１０と演算部２０で構成される。この膜厚測定装置は、包装や光学材に用いるフィルムやシートの製造工程におけるオンライン膜厚計として使用し、またフィルムシートの加工工程で検査装置として用いられ、膜厚分布や膜厚誤差を測定する。さらに、ガラス基板を扱うＸＹステージにも用いられる。
【０００３】
反射スペクトル取得部１０は、膜厚を測定するフィルムに白色光を照射し、その反射光のスペクトルを取得する。波長帯域の広い白色光を出力する光源１１の出力光は、光ファイバ１２を伝搬して、膜厚を測定するフィルム１５に照射される。フィルム１５の反射光は、光ファイバ１２を伝搬して分光部１３に導入される。分光部１３は入力された光を分光して反射分光スペクトルを得、これを電気信号に変換して出力する。
【０００４】
演算部２０はこの反射分光スペクトルから膜厚を演算して出力する。分光データ取得部２１は分光部１３が出力した反射分光スペクトルを取得し、波長変換部２２に出力する。波長変換部２２は、反射分光スペクトルのうち所定の波長範囲を１つ選択し、この選択した波長範囲の反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直し、波数域反射分光スペクトルを演算して、周波数解析部２３に出力する。
【０００５】
周波数解析部２３は、波長変換部２２が演算した波数域反射分光スペクトルにフーリエ変換を施してパワースペクトルを求め、膜厚算出部２４に出力する。膜厚算出部２４は入力されたパワースペクトルの中でピークが得られる周波数に対応する光学膜厚を演算し、フィルム１５の屈折率を考慮してその物理膜厚を求める。膜厚出力部２５はこの物理膜厚を外部に出力する。設定部２６は、波長変換部２２、膜厚算出部２４、膜厚出力部２５にパラメータ等演算に必要なデータを設定する。
【０００６】
フィルム１５の表面と裏面で反射した光はフィルム１５の膜厚と屈折率の積に応じた光路差を有するので、これらの反射光が干渉して周期的な干渉縞を生じる。この干渉縞にフーリエ変換を施して得られたパワースペクトルは、光路差に対応した周波数でピークを有する。このピーク点の周波数を検出することにより光学膜厚が得られ、この光学膜厚を屈折率で除算することにより、物理膜厚を求めることができる。
【０００７】
なお、図６ではフィルム１５からの反射光を分光して得た反射分光スペクトルから膜厚を測定するようにしたが、フィルム１５の透過光を分光して透過分光スペクトルを得、この透過分光スペクトルから膜厚を測定することもできる。
【０００８】
特許文献１には、移動する多層フィルムに近赤外領域のストロボ光を照射し、各層の界面から反射する光を受光して、反射光のパワースペクトルから各層の膜厚を精度よく測定する膜厚測定装置の発明が記載されている。
【０００９】
特許文献２には、被測定多層膜に白色光を照射し、被測定多層膜からの透過光または反射光を分光し、得られたスペクトルを周波数信号に変換した後、ウエーブレット処理を行って干渉信号以外の成分を除去し、次いで周波数解析処理を行うことにより、膜厚を測定する膜厚測定装置の発明が記載されている。
【００１０】
また、特許文献３には、ハロゲンランプの光をフィルムに照射し、そのとき得られる光干渉波形をフーリエ変換して得られたスペクトル中の最大ピーク値に相当する膜厚をフィルムの膜厚とする多層フィルムの製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１６１６０５号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８３９４号公報
【特許文献３】特開平１１−３１４２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このような膜厚測定装置は、測定するフィルムにヘイズ（表面や内部で発生する散乱）があると測定誤差が大きくなり、また測定が不可能になってしまうという課題があった。
【００１３】
ヘイズがあると、フィルム境界面以外の散乱光のために干渉性が低下するので、干渉縞の振幅が小さくなり、パワースペクトルのピークの高さが低くなる。このピークの高さがノイズ成分より低くなると、測定が不可能になる。特に、ポリプロピレンやポリエチレンフィルムはヘイズが大きいので、安定した測定値を得ることが困難であった。
【００１４】
図７にこのような測定例を示す。図７において、横軸は測定回数、縦軸は膜厚、黒点は測定値である。全体的に測定値がばらついているおり、かつ３０に示すようにかけ離れた測定値が頻繁に現れることがわかる。
【００１５】
干渉性の低いフィルムの膜厚をオンラインで連続測定すると、フィルムの振動によって膜厚を測定するプローブとフィルム間の距離が変化する。そのため、プローブがフィルムに近づいたときのみ正しい測定値が得られ、離れるとピークがノイズに埋もれて測定できなくなる。このため、３０に示すように、誤差が大きい測定値が得られる。
【００１６】
また、フィルムにしわがあり、また振動で傾いている場合、あるいはフィルムが光を吸収してしまう場合は、測定装置が反射光をとらえることができない。このような場合はパワースペクトル中に膜厚に起因するピークが現れないので、３０に示すように、膜厚とは関係のないランダムな測定値が得られる。
【００１７】
そのため、ユーザが測定波形を観測しながら正しい測定値であるかどうかを判断するか、測定値がランダムに変化するときは正しい測定値でないと判断するしかなかった。その結果、自動測定、自動制御に使用するには信頼性が低く、使い難いという課題もあった。
【００１８】
従って本発明の目的は、フィルムの干渉性の低下などによって測定値が正確でないこと検知することによって、ヘイズが大きく干渉縞が現れにくいフィルムであっても安定した測定値が得られる膜厚測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定フィルムに光を照射し、このフィルムの反射光または透過光の分光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
前記分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算部と、
前記パワースペクトルが入力され、このパワースペクトルのピークを検出して、この検出したピークから前記フィルムの膜厚を算出する膜厚算出部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚の測定品質を算出する測定品質算出部と、
前記測定品質算出部が算出した測定品質が入力され、この測定品質と閾値から、前記膜厚算出部が測定した膜厚の有効／無効を判定する測定品質判定部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚が入力され、前記測定品質判定部が有効と判定したときに、前記膜厚算出部が算出した膜厚を出力する膜厚出力部と、
を具備したものである。ヘイズが大きく、干渉縞が現れ難い材質のフィルムでも確度の高い測定が可能になる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記測定品質算出部が算出する測定品質として、膜厚算出に使用したピークのピーク高さあるいはピーク面積を用いたものである。簡単に測定品質を算出できる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２記載の発明において、
前記パワースペクトルが入力される閾値算出部を具備し、この閾値算出部は入力されたパワースペクトルから閾値を算出し、前記測定品質判定部に出力するようにしたものである。閾値を動的に変更できるので、オンライン測定用膜厚測定装置に用いて特に効果が大きい。
【００２２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記閾値算出部は、入力されたパワースペクトルのうち、ピークが現れない範囲の最大値あるいは標準偏差を算出して、この最大値あるいは標準偏差を定数倍した値を閾値として出力するようにしたものである。簡単に閾値を算出できる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記閾値算出部は、
前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲の標準偏差を演算し、
この標準偏差の定数倍を暫定閾値として、前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲のうちこの暫定閾値より小さい部分の標準偏差を演算して、この標準偏差の定数倍を暫定閾値とする工程を少なくとも２回繰り返した後の暫定閾値を前記閾値として出力するようにしたものである。範囲中にピークがあっても正確な閾値を算出できる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記測定品質算出部は、前記フィルムの平均反射率あるいは反射率の最大値と最小値の差を算出するようにしたものである。より直接的に測定品質を算出できる。
【００２５】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６いずれかに記載の発明において、
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が無効であると判定されたときに、測定不可を表すデータを出力するようにしたものである。測定無効であることがわかる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７いずれかに記載の発明において、
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が有効であると判定されたときに、膜厚測定値と測定品質の両方を出力するようにしたものである。後で測定値を評価できる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８いずれかに記載の発明において、
前記被測定フィルムは多層膜であり、前記膜厚算出部は前記多層膜の個々の膜の膜厚を測定し、前記測定品質算出部は個々の膜の測定品質を算出するようにしたものである。多層膜の個々の膜の測定を評価できる。
【００２８】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、
前記膜厚出力部は、全ての膜の測定品質が有効であるときのみ、膜厚算出部が算出した膜厚を出力するようにしたものである。より確かな測定値が得られる。
【００２９】
請求項１１記載の発明は、
長さ方向に移動するフィルムの膜厚を測定する装置であって、
請求項１乃至請求項１０いずれかに記載の膜厚測定装置と、
前記膜厚測定装置を、膜厚を測定すべきフィルムの幅方向に走査する走査部と、
を具備したものである。長尺のフィルムの長さ方向と幅方向の両方の膜厚を測定できる。
【００３０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前回測定値を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【００３１】
請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の発明において、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの長さ方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【００３２】
請求項１４記載の発明は、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【００３３】
請求項１５記載の発明は、
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚と前記フィルムの長さ方向に隣接する膜厚の平均値を出力するようにしたものである。測定値に抜けが生じることがない。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、および１５の発明によれば、膜厚を測定するフィルムに光を照射し、その反射光または透過光の分光スペクトルからパワースペクトルを演算して、このパワースペクトルのピークから前記フィルムの膜厚を算出する膜厚測定装置であって、膜厚を算出する毎にピーク高さ、ピーク面積、反射率等の測定品質を算出し、この測定品質と閾値から測定が有効であるかどうかを判定して、有効であるときに膜厚測定値を出力するようにした。
【００３５】
不確実な測定に起因する、かけ離れた測定値が出力されることがないので、測定対象であるフィルム本来の膜厚分布を測定することができ、測定の信頼性が高まるという効果がある。また、従来測定が困難であったポリプロピレンやポリエチレン等のヘイズが大きいフィルムも測定が可能になるという効果もある。
【００３６】
また、フィルムの傾きやしわに起因する不確実な測定値は出力されないので、オンライン膜厚計に用いることができるという効果もある。さらに、従来人がパワースペクトル等を監視して不確実な測定値を除去していたので自動化が困難であったが、本発明の膜厚測定装置では自動的に不確実な測定値を除去することができるので、自動制御装置の膜厚計として用いることができるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の効果を示す特性図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図５】オンラインで用いる膜厚測定装置の構成図である。
【図６】従来の膜厚測定装置の構成図である。
【図７】従来の膜厚測定装置の効果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る膜厚測定装置の一実施例を示す構成図である。なお、図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図１において、反射スペクトル取得部１０は光ファイバ１２によって光源１１の白色光をフィルム１５に導き、このフィルム１５の反射光を分光部１３に入射する。分光部１３は入射した光を分光して反射分光スペクトルを得、電気信号に変換して出力する。
【００４０】
演算部４０は、分光データ取得部２１、波長変換部２２、周波数解析部２３、膜厚算出部２４、測定品質算出部４１、測定品質判定部４２、膜厚出力部４３、および設定部４４で構成される。なお、波長変換部２２と周波数解析部２３でパワースペクトル演算部を構成している。
【００４１】
分光データ取得部２１は分光部１３が出力する反射光分光スペクトルを取得し、波長変換部２２に出力する。波長変換部２２は、反射分光スペクトルのうち所定の波長範囲を１つ選択し、この選択した波長範囲の反射分光スペクトルを等波数間隔に並べ直し、波数域反射分光スペクトルを演算して、周波数解析部２３に出力する。
【００４２】
周波数解析部２３は、波長変換部２２が演算した波数域反射分光スペクトルにフーリエ変換を施してパワースペクトルを演算し、膜厚算出部２４に出力する。膜厚算出部２４は入力されたパワースペクトルの中でピークが得られる周波数に対応する光学膜厚を演算し、フィルム１５の屈折率を考慮してその物理膜厚を求める。これらの動作は図６従来例と同じである。
【００４３】
周波数解析部２３が演算したパワースペクトルは測定品質算出部４１に入力される。また、膜厚算出部２４は、どのピークを用いて物理膜厚を演算したかを測定品質算出部４１に通知する。測定品質算出部４１は、膜厚測定に用いたピークの高さあるいは面積を算出して、この算出した高さあるいは面積を測定品質判定部４２に出力する。測定品質判定部４２は、測定品質算出部４１が算出した値と閾値を比較し、この測定の有効／無効を判定して、この有効／無効を表すデータ、および入力された測定品質を出力する。
【００４４】
膜厚出力部４３には膜厚算出部２４が測定した物理膜厚、および測定品質判定部４２が判定した有効／無効のデータおよび測定品質が入力される。膜厚出力部４３は、入力された測定品質が有効のときは膜厚算出部２４から入力した物理膜厚と測定品質を外部に出力し、無効のときは出力しない。設定部４４は波長変換部２２、膜厚算出部２４、膜厚出力部４３にパラメータ等演算に必要なデータを設定し、測定品質判定部４２に閾値を設定する。
【００４５】
次に、測定品質判定部４２が用いる閾値、および測定品質について説明する。閾値は、膜厚測定に用いるピークがノイズに起因するものでないことが判定できる値に設定する。例えば、反射スペクトル取得部１０の光学系のノイズと分光部１３が用いるＣＣＤ(Charge Coupled Device)に起因するノイズを合わせたノイズ成分が０．０３であるときは、ピーク高さの閾値として０．０５を、ピーク面積の閾値として１．０を用いる。
【００４６】
ノイズ成分より大きい値をピーク高さの閾値にすることにより、ノイズと干渉縞に起因するピークを確実に識別することができる。また、ピーク面積の閾値を比較的大きな値にすることより、ピーク高さが高く、かつ幅が広いピークのみを選別できるので、より確実にノイズを選別することができる。また、ピーク高さやピーク面積は簡単に算出することができるという利点がある。
【００４７】
測定品質はピーク高さ、ピーク面積そのものでもよいが、閾値で除算して規格化すると、後に評価するときに便利である。測定品質判定部４２は、ピーク高さあるいはピーク面積が閾値以上であると膜厚測定値は有効であると判定し、閾値未満であると無効と判定する。膜厚出力部４３は、測定品質判定部４２の出力が有効のときのみ、膜厚算出部２４が算出した膜厚を出力する。膜厚出力部４３が出力するデータは膜厚のみでもよいが、測定品質を同時に出力すると、後に測定値を評価することができる。
【００４８】
なお、閾値および測定品質の演算式は、前記の値に限られることはない。要は、閾値はノイズと識別できる値であればよく、測定品質は測定値の確度を表す指標であればよい。閾値を大きくすると測定値の確実性を高めることができるが、測定頻度が低下する等の欠点がある。
【００４９】
図２に図１実施例で得られた測定例を示す。横軸は測定回数、縦軸は測定した膜厚である。図７の測定例では３０のように平均値からかけ離れた測定値が頻繁に出現したが、測定品質が閾値未満のときは膜厚測定値を出力しないようにしたので、図２ではかけ離れた測定値は現れない。また、測定値のばらつきも小さくなっている。
【００５０】
図３に、本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例は、測定品質としてフィルム１５の反射率を用いたものである。
【００５１】
図３において、５０は演算部であり、分光データ取得部２１、波長変換部２２、周波数解析部２３、膜厚算出部２４、反射率測定部５１、測定品質判定部５２、膜厚出力部４３、および設定部５３で構成される。反射率測定部５１は、測定品質算出部として動作する。なお、膜厚を測定する構成は図１と同じなので、記載を省略する。
【００５２】
分光データ取得部２１が取得した反射光分光スペクトルは反射率測定部５１に入力される。反射率測定部５１は入力された反射光分光スペクトルからフィルム１５の平均反射率、あるいは反射率の最大値と最小値の差を求め、測定品質判定部５２に出力する。
【００５３】
測定品質判定部５２には設定部５３から閾値が入力される。測定品質判定部５２は、この閾値と反射率測定部が測定した反射率から、膜厚測定値が有効かどうかを判定し、膜厚出力部４３に出力する。膜厚出力部４３は、膜厚測定値が有効のときは膜厚と測定品質を外部に出力し、無効のときは出力しない。
【００５４】
次に、反射率測定部５１の動作を説明する。反射率測定部５１には反射率の基準となる基準分光スペクトルが格納されており、分光データ取得部２１が取得した反射分光スペクトルをこの基準分光スペクトルで除算することにより、反射率を演算する。反射率は波数毎に演算し、平均反射率あるいは反射率の最大値と最小値の差を演算して出力する。
【００５５】
平均反射率は、分光部１３に反射光がどの程度入力されたかの指標である。例えば、フィルム１５が傾くと反射光が分光部１３に入力されず、平均反射率は０％近くなる。このような場合は、正確な測定ができない。また、反射率の最大値と最小値との差は干渉振幅を表している。この値が一定値以上のときは干渉縞が現れており、正確な膜厚測定が可能になる。
【００５６】
基準分光スペクトルを求めるために、ＰＥＴ(Polyethylene Terephthalate)、ガラス、シリコンウエハなどの中から、フィルム１５と近い反射率を有する材質の板を選択し、分光部１３に入射される反射光が最大になるようにこの板をセットする。反射率測定部５１は、このときの分光データ取得部２１の出力スペクトルを基準分光スペクトルとして取り込む。ＰＥＴやガラスなど透明な材料を用いるときは、それ自身の干渉縞が出ないように、５００μ以上のある程度厚いものを選択する。
【００５７】
測定品質判定部５２は入力された平均反射率、あるいは反射率の最大値と最小値との差と閾値を比較し、膜厚測定値の有効、無効を判定して膜厚出力部４３に出力する。測定品質はこれらの反射率そのものでもよいが、閾値で除算して規格化すると、後の評価に便利である。膜厚出力部４３は、膜厚測定値が有効のときは膜厚測定値と測定品質を外部に出力し、無効のときは出力しない。
【００５８】
反射率が閾値（例えば平均反射率では１０％、最大値と最小値の差では５％）以上であると、干渉によるピークが形成され、正確な膜厚を測定できる。フィルムが傾くなどして反射率が閾値以下になると正確な測定ができないので、このときは膜厚測定値を出力しないようにする。
【００５９】
なお、本実施例に関わらず、状況に応じて閾値の値は任意に設定することができる。また、測定中に膜厚測定値をチェックし、異常な測定値が多くなると閾値を上げ、測定出力数が少ないと閾値を下げるなど変化させてもよい。さらに、反射率の測定手法も本実施例に限られることはなく、他の手法を用いることもできる。
【００６０】
図１実施例では閾値を一定としたが、測定中に動的に決定するようにすることもできる。このような実施例を図４に示す。なお、図１実施例と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図４において、６０は演算部であり、分光データ取得部２１、波長変換部２２、周波数解析部２３、膜厚算出部２４、測定品質算出部４１、測定品質判定部４２、膜厚出力部４３、設定部４４、閾値算出部６１で構成される。閾値算出部６１以外の動作は図１と同じなので、説明を省略する。
【００６２】
閾値算出部６１には周波数解析部２３の出力であるパワースペクトルが入力される。閾値算出部６１は入力されたパワースペクトルから閾値を演算し、この閾値を測定品質判定部４２に出力する。
【００６３】
次に、閾値算出部６１の動作を説明する。なお、測定品質算出部４１は、膜厚を測定するピークのピーク高さあるいはピーク面積を算出して、測定品質判定部４２に出力するものとする。閾値算出部６１の動作には、次の２つのいずれかを用いる。
【００６４】
１つめは、パワースペクトルのうちフィルム１５による干渉ピークが現れない周波数範囲の最大値あるいは標準偏差を演算し、この最大値あるいは標準偏差の定数倍を閾値として出力する。定数の値は、例えば最大値を用いる場合は１．２〜２．０とし、標準偏差を用いる場合は６．０とする。
【００６５】
２つめは、パワースペクトルの全体あるいは指定された一部の範囲の標準偏差を求め、この標準偏差を定数倍した暫定閾値演算して、パワースペクトル信号のうちこの暫定閾値より小さい値について標準偏差を求めてこの定数倍を暫定閾値とする方法を再帰的に繰り返して得られる暫定閾値を閾値とするようにしてもよい。標準偏差に乗じる定数は例えば６．０とし、繰り返し回数は１０回程度とする。
【００６６】
１つめの手法は簡単であるが、干渉ピークが現れない領域を選択しなければならないという煩わしさがある。２つめの手法は計算が複雑であるという短所があるが、ピークがどこに現れるかを気にしなくてもよいので、設定がより容易になる。
【００６７】
このようにすることにより、測定中にノイズレベルが変化しても、常に最適な閾値を自動的に決定することができる。図１実施例ではノイズレベルの変動を考慮して、閾値に余裕を持たせなければならないので、無効になる測定値の割合が増加して、測定に時間がかかるという欠点がある。
【００６８】
図４実施例ではノイズレベルによって閾値も変化するので、閾値に余裕を持たせる必要がなくなる。そのため、無効になる測定値の割合が減少し、短時間で測定を行うことができる。
【００６９】
特に、オンラインで連続的に測定する場合は、光源の出力光量が変化し、またフィルムの振動などによって反射光量が変化してノイズレベルが変動することが頻繁に発生する。図４実施例ではノイズレベルの変動に応じて閾値が自動的に変化するので、オンライン測定に用いて特に好適である。
【００７０】
また、測定品質の判定が無効のときは、測定不可のデータを出力するようにしてもよく、また前回測定値と測定不可のデータを出力するようにしてもよい。
【００７１】
また、これらの実施例はフィルム１５の反射光を分光し、そのパワースペクトルから膜厚を算出するようにしたが、フィルム１５の透過光を分光して、そのパワースペクトルから膜厚を算出するようにすることもできる。透過光を使う以外は図１、図３、図４実施例と同じなので、説明を省略する。
【００７２】
さらに、単一層のフィルムだけでなく、多層膜フィルムの個々の膜厚を測定することもできる。多層膜の各層からの干渉縞は、通常パワースペクトルの異なる位置にピークを作る。従って、これらのピークから前述した手法で膜厚を算出することにより、多層膜の各層の膜厚を別々に測定することができる。
【００７３】
なお、図１、図３、図４実施例共に、多層膜の各層の膜厚を測定する場合は、全ての層の測定品質の判定値が有効のときのみ外部にデータを出力するようにしてもよく、ピーク高さあるいはピーク面積が閾値以上の層のみデータを外部に出力するようにしてもよい。
【００７４】
図５にフィルム製造工場で用いるオンライン膜厚計の構成を示す。図５において、７０は製造されたフィルムであり、右方向に流れている。７１は走査部であり、膜厚計７２が設置されている。膜厚計７２は、図１、図２、図４の構成を具備している膜厚測定装置である。
【００７５】
走査部７１は膜厚計７２を矢印７３の方向に走査する。フィルム７０は右方向に流れているので、膜厚計７２の測定軌跡は鋸歯状線７３になる。このため、フィルム７０の幅方向と長さ方向の膜厚を同時に測定することができる。
【００７６】
図１、図２、図４の構成の膜厚計では、ピーク高さあるいはピーク面積あるいは反射率が閾値未満であると膜厚測定値を出力しないので、膜厚測定値がない点が出てくる。この点の膜厚値は隣接する幅方向、あるいは長さ方向の膜厚測定値を用いるか、隣接する幅方向と長さ方向の膜厚測定値の平均値を用いて補間するか、あるいは前回の膜厚測定値を用いる。このようにすることにより、図１、図２、図４構成の膜厚測定装置をオンライン膜厚計として用いた場合に、測定値の抜けを防止することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０ 反射スペクトル取得部
１１ 光源
１２ 光ファイバ
１３ 分光部
１５、７０ フィルム
２１ 分光データ取得部
２２ 波長変換部
２３ 周波数解析部
２４ 膜厚算出部
４０、５０、６０ 演算部
４１ 測定品質算出部
４２、５２ 測定品質判定部
４３ 膜厚出力部
４４、５３ 設定部
５１ 反射率測定部
６１ 閾値算出部
７１ 走査部
７２ 膜厚計
７３ 膜厚計７２の走査方向を表す矢印
７４ 測定軌跡を表す鋸歯状線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定フィルムに光を照射し、このフィルムの反射光または透過光の分光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
前記分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算部と、
前記パワースペクトルが入力され、このパワースペクトルのピークを検出して、この検出したピークから前記フィルムの膜厚を算出する膜厚算出部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚の測定品質を算出する測定品質算出部と、
前記測定品質算出部が算出した測定品質が入力され、この測定品質と閾値から、前記膜厚算出部が測定した膜厚の有効／無効を判定する測定品質判定部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚が入力され、前記測定品質判定部が有効と判定したときに、前記膜厚算出部が算出した膜厚を出力する膜厚出力部と、
を具備したことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記測定品質算出部が算出する測定品質は、膜厚算出に使用したピークのピーク高さあるいはピーク面積であることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記パワースペクトルが入力される閾値算出部を具備し、この閾値算出部は入力されたパワースペクトルから閾値を算出し、前記測定品質判定部に出力するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記閾値算出部は、入力されたパワースペクトルのうち、ピークが現れない範囲の最大値あるいは標準偏差を算出して、この最大値あるいは標準偏差を定数倍した値を閾値として出力するようにしたことを特徴とする請求項３記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記閾値算出部は、
前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲の標準偏差を演算し、
この標準偏差の定数倍を暫定閾値として、前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲のうちこの暫定閾値より小さい部分の標準偏差を演算して、この標準偏差の定数倍を暫定閾値とする工程を少なくとも２回繰り返した後の暫定閾値を前記閾値として出力するようにしたことを特徴とする請求項３記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記測定品質算出部は、前記フィルムの平均反射率あるいは反射率の最大値と最小値の差を算出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が無効であると判定されたときに、測定不可を表すデータを出力するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が有効であると判定されたときに、膜厚測定値と測定品質の両方を出力するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７いずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
前記被測定フィルムは多層膜であり、前記膜厚算出部は前記多層膜の個々の膜の膜厚を測定し、前記測定品質算出部は個々の膜の測定品質を算出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項８いずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項１０】
前記膜厚出力部は、全ての膜の測定品質が有効であるときのみ、膜厚算出部が算出した膜厚を出力するようにしたことを特徴とする請求項９記載の膜厚測定装置。
【請求項１１】
長さ方向に移動するフィルムの膜厚を測定する装置であって、
請求項１乃至請求項１０いずれかに記載の膜厚測定装置と、
前記膜厚測定装置を、膜厚を測定すべきフィルムの幅方向に走査する走査部と、
を具備したことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１２】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前回測定値を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１３】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの流れ方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１４】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１５】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚と前記フィルムの長さ方向に隣接する膜厚の平均値を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１】
被測定フィルムに光を照射し、このフィルムの反射光または透過光の分光スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
前記分光スペクトルが入力され、この分光スペクトルからパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算部と、
前記パワースペクトルが入力され、このパワースペクトルのピークを検出して、この検出したピークから前記フィルムの膜厚を算出する膜厚算出部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚の測定品質を算出する測定品質算出部と、
前記測定品質算出部が算出した測定品質が入力され、この測定品質と閾値から、前記膜厚算出部が測定した膜厚の有効／無効を判定する測定品質判定部と、
前記膜厚算出部が算出した膜厚が入力され、前記測定品質判定部が有効と判定したときに、前記膜厚算出部が算出した膜厚を出力する膜厚出力部と、
を具備したことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記測定品質算出部が算出する測定品質は、膜厚算出に使用したピークのピーク高さあるいはピーク面積であることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記パワースペクトルが入力される閾値算出部を具備し、この閾値算出部は入力されたパワースペクトルから閾値を算出し、前記測定品質判定部に出力するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記閾値算出部は、入力されたパワースペクトルのうち、ピークが現れない範囲の最大値あるいは標準偏差を算出して、この最大値あるいは標準偏差を定数倍した値を閾値として出力するようにしたことを特徴とする請求項３記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記閾値算出部は、
前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲の標準偏差を演算し、
この標準偏差の定数倍を暫定閾値として、前記パワースペクトルの全体あるいは指定された範囲のうちこの暫定閾値より小さい部分の標準偏差を演算して、この標準偏差の定数倍を暫定閾値とする工程を少なくとも２回繰り返した後の暫定閾値を前記閾値として出力するようにしたことを特徴とする請求項３記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記測定品質算出部は、前記フィルムの平均反射率あるいは反射率の最大値と最小値の差を算出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が無効であると判定されたときに、測定不可を表すデータを出力するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６いずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項８】
前記膜厚出力部は、膜厚測定値が有効であると判定されたときに、膜厚測定値と測定品質の両方を出力するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７いずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
前記被測定フィルムは多層膜であり、前記膜厚算出部は前記多層膜の個々の膜の膜厚を測定し、前記測定品質算出部は個々の膜の測定品質を算出するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項８いずれかに記載の膜厚測定装置。
【請求項１０】
前記膜厚出力部は、全ての膜の測定品質が有効であるときのみ、膜厚算出部が算出した膜厚を出力するようにしたことを特徴とする請求項９記載の膜厚測定装置。
【請求項１１】
長さ方向に移動するフィルムの膜厚を測定する装置であって、
請求項１乃至請求項１０いずれかに記載の膜厚測定装置と、
前記膜厚測定装置を、膜厚を測定すべきフィルムの幅方向に走査する走査部と、
を具備したことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項１２】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前回測定値を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１３】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの流れ方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１４】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【請求項１５】
前記膜厚出力部は、前記膜厚算出部が算出した膜厚を前記測定品質判定部が有効でないと判定したときに、前記フィルムの幅方向に隣接する部分の膜厚と前記フィルムの長さ方向に隣接する膜厚の平均値を出力するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の膜厚測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−３８９６８（Ｐ２０１１−３８９６８Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８８３８１（Ｐ２００９−１８８３８１）
【出願日】平成２１年８月１７日（２００９．８．１７）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１７日（２００９．８．１７）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]