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技術 厚さ測定装置ならびに厚さ測定方法

出願人 住友大阪セメント株式会社
発明者 佐藤洋一坂井猛金原勇貴小栗均牟禮勝仁
出願日 2004年3月30日 (16年7ヶ月経過) 出願番号 2004-098883
公開日 2005年10月13日 (15年1ヶ月経過) 公開番号 2005-283387
状態 拒絶査定
技術分野 光学的手段による測長装置 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード アナログ処理装置 角度エラー 電圧変位 測定形態 出力分解能 最小ステップ 参照ピーク スケールセンサ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (4)

課題

実用性に優れた厚さ測定装置および厚さ測定方法を提供する。

解決手段

光源1からの光の一部を被測定物3に照射検査用反射光を形成する手段と、光源1からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも検査用反射光の光信号を含む第1の光束と、少なくとも参照用反射光の光信号を含む第2の光束とを干渉させて干渉光を形成するビームスプリッタ32、第1の光束の光路長を変化させる第1の光路長可変手段と、第2の光束の光路長を変化させる第2の光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する受光器4,5とを備えてなり、第1の光路長可変手段および第2の光路長可変手段の一方はステッピングモータ41を備えており、他方はピエゾアクチュエータ43を備えている

概要

背景

従来より、マイケルソン干渉計を用いて薄膜等の厚さを測定する方法が知られている(例えば、下記特許文献1、2)。

図3は、マイケルソン干渉計を用いた厚さ測定装置の従来例を示した概略構成図である。
この例の装置にあっては、光源51から出射された低コヒーレント光が、コリメータ53で平行光とされた後、ビームスプリッタ52で2つに分岐される。一方の分岐光被測定物54に照射され、他方の分岐光は参照ミラー55に照射される。被測定物54で反射された検査光と、参照ミラー55で反射された参照光は、ビームスプリッタ52で合波されて干渉光を形成し、該干渉光の光強度が受光器56で検知されるように構成されている。参照ミラー55は微動可能なステージ(図示略)上に保持されている。また参照ミラー55は振動子(図示略)に固定され、所定の周波数所定振幅振動が加えられ、これにより参照光が光路長調節されるように構成されている。

かかる構成の装置により、薄膜状の被測定物54の厚さを測定するには、まず被測定物54の厚さ方向が光軸方向となるようにセットし、ビームスプリッタ52で分岐された一方の分岐光(検査光)が被測定物54の前面で反射されて受光器56に至るまでの光路長と、他方の分岐光(参照光)が参照ミラー55で反射されて受光器56に至るまでの光路長とが等しくなるように、参照ミラー55の微動ステージを微動調整する。具体的には、受光器56で検知される検査光と参照光の干渉光の光強度が最大となるように参照ミラー55の位置を決めればよい。このときの参照ミラー55の位置をL1とする。

次いで、参照ミラー55の微動ステージを微動させて参照ミラー55を後退させつつ、受光器56で検知される干渉光の光強度が最大となるように参照ミラー55の位置を決める。このときの参照ミラー55の位置をL2とする。
前記L1からL2までの参照ミラー55の移動量を△L(mm)とし、被測定物54の屈折率をn、被測定物54の厚さをt(mm)とすると、△L=n×tとなる。被測定物54の屈折率n既知の場合、△Lを検出することにより、厚さtを求めることができる。
特許第3459327号公報
特公昭62−59243号公報

概要

実用性に優れた厚さ測定装置および厚さ測定方法を提供する。光源1からの光の一部を被測定物3に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源1からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも検査用反射光の光信号を含む第1の光束と、少なくとも参照用反射光の光信号を含む第2の光束とを干渉させて干渉光を形成するビームスプリッタ32、第1の光束の光路長を変化させる第1の光路長可変手段と、第2の光束の光路長を変化させる第2の光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する受光器4,5とを備えてなり、第1の光路長可変手段および第2の光路長可変手段の一方はステッピングモータ41を備えており、他方はピエゾアクチュエータ43を備えている

目的

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、上記問題の少なくとも1つを解決して、実用性に優れた厚さ測定装置および厚さ測定方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

光源からの光の一部を被測定物照射検査用反射光を形成する手段と、光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第1の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第2の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、前記第1の光束の光路長を変化させる第1の光路長可変手段と、前記第2の光束の光路長を変化させる第2の光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する検出手段とを備えてなり、前記第1の光路長可変手段および前記第2の光路長可変手段の一方はステッピングモータを備えており、他方はピエゾアクチュエータを備えていることを特徴とする厚さ測定装置。

請求項2

前記第1の光路長可変手段がステッピングモータを備えており、前記第2の光路長可変手段がピエゾアクチュエータを備えていることを特徴とする請求項1記載の厚さ測定装置。

請求項3

前記ピエゾアクチュエータを備えている方の光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサが設けられていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の厚さ測定装置。

請求項4

光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第1の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第2の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、前記第1の光束および第2の光束の少なくとも一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する検出手段と、前記光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサが設けられていることを特徴とする厚さ測定装置。

請求項5

請求項3または4のいずれかに記載の測定装置を用いて屈折率n既知の被測定物の厚さを測定する方法であって、前記第1の光束の光路長および前記第2の光束の光路長の一方または両方を変化させることによって、前記干渉光の光強度の第1のピークを検出した後、少なくとも一方の光束の光路長を変化させることによって前記干渉光の光強度の第2のピークを検出し、前記第1のピークと第2のピークとの間における光路長の変化量△Lを前記スケールセンサを用いて検出し、被測定物の屈折率nと△Lの値を用いて該被測定物の厚さを測定することを特徴とする厚さ測定方法。

技術分野

0001

本発明は、例えば薄膜の厚さなど、光の屈折率が異なる媒質の界面間に挟まれた被測定物であって、自身の屈折率が既知である被測定物の厚さを高速で測定することができる装置および方法に関する。

背景技術

0002

従来より、マイケルソン干渉計を用いて薄膜等の厚さを測定する方法が知られている(例えば、下記特許文献1、2)。

0003

図3は、マイケルソン干渉計を用いた厚さ測定装置の従来例を示した概略構成図である。
この例の装置にあっては、光源51から出射された低コヒーレント光が、コリメータ53で平行光とされた後、ビームスプリッタ52で2つに分岐される。一方の分岐光は被測定物54に照射され、他方の分岐光は参照ミラー55に照射される。被測定物54で反射された検査光と、参照ミラー55で反射された参照光は、ビームスプリッタ52で合波されて干渉光を形成し、該干渉光の光強度が受光器56で検知されるように構成されている。参照ミラー55は微動可能なステージ(図示略)上に保持されている。また参照ミラー55は振動子(図示略)に固定され、所定の周波数所定振幅振動が加えられ、これにより参照光が光路長調節されるように構成されている。

0004

かかる構成の装置により、薄膜状の被測定物54の厚さを測定するには、まず被測定物54の厚さ方向が光軸方向となるようにセットし、ビームスプリッタ52で分岐された一方の分岐光(検査光)が被測定物54の前面で反射されて受光器56に至るまでの光路長と、他方の分岐光(参照光)が参照ミラー55で反射されて受光器56に至るまでの光路長とが等しくなるように、参照ミラー55の微動ステージを微動調整する。具体的には、受光器56で検知される検査光と参照光の干渉光の光強度が最大となるように参照ミラー55の位置を決めればよい。このときの参照ミラー55の位置をL1とする。

0005

次いで、参照ミラー55の微動ステージを微動させて参照ミラー55を後退させつつ、受光器56で検知される干渉光の光強度が最大となるように参照ミラー55の位置を決める。このときの参照ミラー55の位置をL2とする。
前記L1からL2までの参照ミラー55の移動量を△L(mm)とし、被測定物54の屈折率をn、被測定物54の厚さをt(mm)とすると、△L=n×tとなる。被測定物54の屈折率nが既知の場合、△Lを検出することにより、厚さtを求めることができる。
特許第3459327号公報
特公昭62−59243号公報

発明が解決しようとする課題

0006

このような構成の装置は、非破壊で被測定物の厚さを測定することができるので、例えば塗装工程ライン上での膜厚制御など、各種分野での利用が期待されているが、実用性が不十分であった。
例えば、従来、参照ミラー55の微動ステージの移動調整にはステッピングモータが多く用いられているが、速度の点で不満があった。すなわち、ステッピングモータはボールネジ回転運動直線運動の力に変換してステージを平行移動させるものであるが、ボールネジの回転運動のエネルギーが直線運動のエネルギーに1対1で伝わるわけではないので、移動速度が遅くなりがちであった。また、微動ステージの駆動手段(ステッピングモータ)における駆動機構変位量から参照ミラー55の移動量△Lを求めていたので、誤差が生じ易かった。
このため、従来の厚さ測定装置は、適用できる測定形態測定対象物が限られており、実用性の向上が求められていた。

0007

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、上記問題の少なくとも1つを解決して、実用性に優れた厚さ測定装置および厚さ測定方法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

0008

上記の目的を達成するために、本発明の厚さ測定装置は、光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第1の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第2の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、前記第1の光束の光路長を変化させる第1の光路長可変手段と、前記第2の光束の光路長を変化させる第2の光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する検出手段とを備えてなり、前記第1の光路長可変手段および前記第2の光路長可変手段の一方はステッピングモータを備えており、他方はピエゾアクチュエータを備えていることを特徴とする。
前記第1の光路長可変手段がステッピングモータを備えており、前記第2の光路長可変手段がピエゾアクチュエータを備えていることが好ましい。
前記ピエゾアクチュエータを備えている方の光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサを設けることが好ましい。

0009

また本発明は、光源からの光の一部を被測定物に照射し検査用反射光を形成する手段と、光源からの光の他の一部を反射して参照用反射光を形成する手段と、少なくとも前記検査用反射光の光信号を含む第1の光束と、少なくとも前記参照用反射光の光信号を含む第2の光束とを干渉させて干渉光を形成する干渉手段と、前記第1の光束および第2の光束の少なくとも一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、前記干渉光の光強度を検出する検出手段と、前記光路長可変手段による光路長の変化量を検知するスケールセンサが設けられていることを特徴とする厚さ測定装置を提供する。

0010

また本発明は、本発明にかかるスケールセンサを備えた測定装置を用いて屈折率nが既知の被測定物の厚さを測定する方法であって、
前記第1の光束の光路長および前記第2の光束の光路長の一方または両方を変化させることによって、前記干渉光の光強度の第1のピークを検出した後、少なくとも一方の光束の光路長を変化させることによって前記干渉光の光強度の第2のピークを検出し、前記第1のピークと第2のピークとの間における光路長の変化量△Lを前記スケールセンサを用いて検出し、被測定物の屈折率nと△Lの値を用いて該被測定物の厚さを測定することを特徴とする厚さ測定方法を提供する。

発明の効果

0011

本発明によれば、干渉させる2つの光束の両方の光路長を可変とし、かつ該光路長を変化させるための駆動手段としてステッピングモータとピエゾアクチュエータを併用することにより、従来よりも短時間でピーク位置を精度良く検出することができ、厚さ測定の高速化を達成することができる。
特に、参照用反射光の光信号を含む光束の光路長を変化させるための駆動手段として、高速に微動可能なピエゾアクチュエータを用いる方が、効率良く測定を行うことができる。
また、光路長の変化量の測定にスケールセンサを用いることにより、測定精度を効果的に向上させることができる。
よって、これまでは適用できなかった測定形態や測定対象物にも適用できるようになり、厚さ測定装置および厚さ測定方法の実用性が向上する。

発明を実施するための最良の形態

0012

以下、本発明を詳しく説明する。図1は、本発明の測定装置の第1の実施形態を示した概略構成図である。図中符号1は光源を示し、3は被測定物を示す。
光源光低コヒーレンス光であることが好ましく、光源1としては、広帯域バンド幅を有する光を出射できるものが好ましく用いられ、例えばSLD(super-luminescent diode:スーパールミネセントダイオード)やLED(light emitting diode:発光ダイオオード)が好適に用いられる。
被測定物3は、薄板や薄膜等、光の屈折率が異なる媒質の界面間に挟まれた層状であり、光源光を透過可能で、かつ光学的一様な層とみなせるものが適用される。本実施形態において、被測定物3の屈折率は既知である。

0013

本明細書では被測定物3の表裏両面のうちの光源1側の一方の面(光が照射される側の面)を前面といい、他方の面を後面という。被測定物3の前面および後面は光源1からの光を反射すればよく、被測定物3の前面が最表面を成していてもよく、該前面上に光源光を透過する層が設けられていてもよい。また被測定物3の後面が最表面を成していてもよく、該後面上に被測定物3と屈折率が異なる層が設けられていてもよい。
被測定物3の厚さは、使用する広帯域光源1のコヒーレンス長よりも、被測定物の厚さと屈折率の積の値が小さいと分解能の関係により測定が困難になる。一方、厚過ぎると被測定物の前面に焦点を位置させたときの反射光量と、後面に焦点を位置させたときの反射光量との差が大きくなるので、被測定物3の厚さは10μm〜10mm程度が好ましく、より好ましくは10μm〜2mm程度である。
本実施形態において被測定物3の前面および/または後面は平坦面であることが好ましい。

0014

本実施形態の装置において、光源1から出射された光は、第1の光ファイバ11、サーキュレータ2、および第2の光ファイバ12を順に経てヘッド部20に至るように構成されている。
サーキュレータ2は3つのポートを有しており、それぞれに第1の光ファイバ11、第2の光ファイバ12、第3の光ファイバ13が接続されている。サーキュレータ2は、第1の光ファイバ11から第2の光ファイバ12へは光が通り、第2の光ファイバ12から第3の光ファイバ13へも光が通るが、これら以外の向きには光が通らないように構成されている。
第1の光ファイバ11、第2の光ファイバ12、および第3の光ファイバ13としては、一般的な伝送用光ファイバが用いられ、石英系ガラスファイバが好適に用いられる。

0015

ヘッド部20には、第2の光ファイバ12側から順に、コリメータ(図示略)および半透鏡が、第2の光ファイバ12と光軸が一致するように設けられている。
ヘッド部20において、第2の光ファイバ12から出射された光は、コリメータで平行光とされた後、半透鏡へ入射される。
半透鏡は、入射光の一部を反射し一部を透過する特性を有しており、該半透鏡の透過光(平行光)が被測定物3へ照射される。そして被測定物3の反射光(検査用反射光)が、半透鏡を透過した後、コリメータを経て第2の光ファイバ12に入射されるように構成されている。
一方、半透鏡の反射光(参照用反射光)はコリメータを経て第2の光ファイバ12に入射される。

0016

半透鏡としては、例えばガラス基板上に誘電体多層膜蒸着した構成のものを用いることができる。半透鏡における反射率および透過率は特に制限されるものではないが、透過率が低すぎると、被測定物3からの反射光(検査用反射光)の強度が弱すぎて測定精度の劣化が大きくなる。したがって、半透鏡の反射率は、被測定物3の前面および後面における反射率にもよるが、概ね3%〜20%程度であることが好ましい。
また、必須ではないが、コリメータと半透鏡との間に1/4波長板を設けてもよい。1/4波長板を設けると、光源1から第1の光ファイバ11に入射されて第2の光ファイバ12から出射される光の偏波面と、半透鏡および被測定物3でそれぞれ反射されて第2の光ファイバ12に入射される光(検査用反射光および参照用反射光)の偏波面とが直交することになるので、サーキュレータ2の構成を簡易にすることができる。1/4波長板と半透鏡とを一体的に設けることもできる。

0017

このようにして検査用反射光の光信号と参照用反射光の光信号の両方を含む光が第2の光ファイバ12、サーキュレータ2、および第3の光ファイバ13を順に経て干渉部30に至る。
干渉部30は、第3の光ファイバ13からの出射光光路上に設けられたコリメータ31、ビームスプリッタ32、第1のミラー35、光軸が前記ビームスプリッタ32内において第3の光ファイバ13からの出射光の光路と直交する第2のミラー36、前記ビームスプリッタ32を挟んで前記第2のミラー36と対峙する位置関係にあるコリメータ37a、前記ビームスプリッタ32を挟んで前記第1のミラー35と対峙する位置関係にあるコリメータ37bを備えている。

0018

干渉部30では、第3の光ファイバ13から出射された光がコリメータ31で平行光とされた後、ビームスプリッタ(干渉手段)32で、直進する透過分岐光と入射方向に対して直交する方向に反射された反射分岐光とに分岐される。該透過分岐光は第1の分岐光路33へ導かれ、反射分岐光は第2の分岐光路34に導かれる。

0019

第1の分岐光路33を進む光(透過分岐光)は、第1のミラー35で反射され、該反射光が第1の分岐光路33と平行に前記ビームスプリッタ32に入射される。そして、ビームスプリッタ32において、直進する第1の透過成分と、入射方向に対して直交する方向に反射された第1の反射成分とに分岐される。
一方、第2の分岐光路34を進む光(反射分岐光)は、第2のミラー36で反射され、該反射光は第2の分岐光路34と平行に前記ビームスプリッタ32に入射される。そして、ビームスプリッタ32において、直進する第2の透過成分と、入射方向に対して直交する方向に反射された第2の反射成分とに分岐される。
そして、第1の反射成分(第1の光束)と第2の透過成分(第2の光束)とが合波され、合波された2つの光は干渉光を生成する。該干渉光は、コリメータ37aを経て第4の光ファイバ14に入射される。第4の光ファイバ14を伝送された前記干渉光は、第1の受光器(検出手段)4に入射され、干渉光強度が検出されるようになっている。
一方、第1の透過成分(第1の光束)と第2の反射成分(第2の光束)も合波され、合波された2つの光は干渉光を生成する。該干渉光は、コリメータ37bを経て第5の光ファイバ15に入射される。第5の光ファイバ15を伝送された前記干渉光は、第2の受光器(検出手段)5に入射され、干渉光強度が検出されるようになっている。
本実施形態において、ビームスプリッタ32における光の分岐比、すなわち透過する光と反射する光との光強度比は、好ましくは1:1となっている。

0020

第1の受光器4および第2の受光器5でそれぞれ検出された干渉光強度の検出結果はアナログ処理装置6へ出力されるようになっている。アナログ処理装置6は、第1の受光器4および第2の受光器5でそれぞれ検出された2つの干渉光の光強度の差を求め、その演算結果を干渉光強度の演算結果として出力するように構成されている。該演算結果の出力は、A/D変換器7を経て、CPU(演算装置)8へ送られるようになっている。
CPU8は一般的なコンピュータで構成することができる。図中符号8aはCPUのディスプレイ、8bはCPUの操作パネルをそれぞれ示す。

0021

第1のミラー35および第2のミラー36は、反射率が高い方が好ましく、全反射ミラーが好適に用いられる。
本実施形態において、第1のミラー35および第2のミラー36はいずれも、2枚の全反射ミラーを、反射面が内側となるように、かつ該2つの全反射ミラーがなす角度が90度となるように配置した光学素子からなっており、ビームスプリッタ32からの出射光が、該光学素子の一方の反射面に45度の入射角度で入射するように構成されている。すなわち、ビームスプリッタ32から第1のミラー35に入射される光と、第1のミラー35で反射されてビームスプリッタ32へ向かう光、およびビームスプリッタ32から第2のミラー36に入射される光と、第2のミラー36で反射されてビームスプリッタ32へ向かう光とが、それぞれ互いに平行な別々の光路を通るように構成されている。
かかる光学素子を用いると、第1のミラー35および/または第2のミラー36の移動により生じる機械的な角度エラーを、第1の分岐光路33、第2の分岐光路34それぞれにおける光の平行移動に変換することができる。これにより、第1のミラー35および/または第2のミラー36の移動によって生じる、第4の光ファイバ14および第5の光ファイバ15にそれぞれ結合する干渉光量の変動を小さく抑えることができる。

0022

また第1のミラー35は、第1の分岐光路33の光軸方向に沿って進退可能な微動ステージ(第1の光路長可変手段、図示略)上に固定されており、該微動ステージの駆動手段としてステッピングモータ41が設けられている。該ステッピングモータ41は、モータドライバ(図示略)を介してCPU8によって制御されるように構成されている。ステッピングモータ41は、ボールネジを使用して回転運動の力を直線運動の力に変換し、第1のミラー35を平行移動させる。

0023

一方、第2のミラー36は、第2の分岐光路34の光軸方向に沿って進退可能な微動ステージ(第2の光路長可変手段、図示略)上に固定されており、該微動ステージの駆動手段としてピエゾアクチュエータ43が設けられている。ピエゾアクチュエータ43はPZTチタン酸ジルコン)からなる圧電体と、該圧電体に電圧印加するとともに、該電圧値を制御して第2のミラー36の移動量を制御するコントローラを備えており、微量の移動が可能である。またピエゾアクチュエータはステッピングモータに比べて格段に移動速度が速く、例えば、数100μm程度までの短距離であれば、同じ距離をステッピングモータで移動させる場合に比べて、移動時間を100分の1程度に短縮することができる。
また、図示していないが、第2のミラー36を所定周波数、所定振幅で振動させる手段が設けられており、第2のミラー36は該振動を続けながら第2の分岐光路34の光軸方向に微細な間隔で高速に進退可能に構成されている。

0024

また、第2のミラー36の側方には、スケールセンサ49が設けられている。スケールセンサ49は、ピエゾアクチュエータ43によって第2のミラー36が移動したときに、該第2のミラー36の移動量を精度良く検知できるものであればよく、既知の構成のものを適宜用いることができる。特に、光学式のスケールセンサが、高速での移動に対応し易いので好ましく用いられる。
本実施形態では、熱膨張率が小さい材料からなる光透過性材料(例えばネオセラム
商品名、日本電気硝子社製)に回折格子刻設された光学素子と、該光学素子に測定光を入射させる手段と、光学素子からの回折光受光するセンサを備えたスケールセンサ49が用いられている。スケールセンサ49はCPU8に接続されており、該CPU8によってスケールセンサ49が制御され、かつスケールセンサ49での検知結果が該CPU8へ送られるようになっている。

0025

かかる構成の装置を用いて被測定物3の厚さを測定する方法は、まず、光源1からの低コヒーレンス光を平行光状態でヘッド部20から被測定物3へ照射する。
そして、アナログ処理装置6から出力される干渉光強度の演算結果において、干渉光の第1のピークが得られるように、第1のミラー35と第2のミラー36の位置を決める。具体的には、ヘッド部20の半透鏡の反射面から被測定物3の前面までの距離をXとすると、ビームスプリッタ32で分岐された第1の分岐光路33と第2の分岐光路34との光路長差が前記Xと等しくなったときに第1のピークが得られる。
このとき、第2のミラー36を一定周波数、一定振幅で振動させつつ、ステッピングモータ41による第1のミラー35に移動と、ピエゾアクチュエータ43による第2のミラー36の移動とを組み合わせて、第1のピークが得られる位置を見つけることができるが、ピエゾアクチュエータ43による移動可能な距離は比較的小さいので、主にステッピングモータ41を用いて第1のミラー35を移動させることによって第1のピークが得られる位置を見つけるのが好ましい。あるいは、ステッピングモータ41を用いて第1のミラー35を、第1のピークが得られる位置の近傍にまで移動させておき、続いて第1のミラー35を固定した状態で、ピエゾアクチュエータ43によって第2のミラー36の位置を微調整して第1のピークが得られる位置に設定してもよい。第1のピークが得られるときの第2のミラー36の位置をL1とする。

0026

次いで、第1のミラー35を固定した状態で、第2のミラー36の振動を続けながら、ピエゾアクチュエータ43を駆動させて該第2のミラー36をビームスプリッター32から離れる向きに移動させる。そして、アナログ処理装置6から出力される干渉光強度の演算結果において、干渉光の第2のピークが得られる位置を見つける。第2のピークが得られるときの第2のミラー36の位置をL2とする。
そして、前記L1からL2へ至るまでの第2のミラー36の移動量(ΔL)をスケールセンサ49で測定し、その結果をCPU8へ送る。

0027

本実施形態の装置にあっては、第3の光ファイバ13から出射される光は、半透鏡からの参照用反射光と被測定物3からの検査用反射光の両方を含んでいる。したがってこれをビームスプリッタ32で分岐した2つの分岐光(第1の分岐光路33の透過分岐光および第2の分岐光路34の反射分岐光)の光強度に関しては、いずれも参照用反射光に由来する参照ピークと、被測定物3の前面からの反射光に由来する前面ピークと、被測定物3の後面からの反射に由来する後面ピークを含んでいる。
そして、参照ピークと前面ピークの時間軸上のずれは半透鏡から被測定物3の前面までの距離Xに対応する。また、前面ピークと後面ピークの時間軸上のずれは被測定物3の厚さtに対応する。したがって、第2のミラー36の移動量ΔLはtに比例する。具体的には△L(mm)=n×t(mm)という関係が成り立つ。
本実施形態において被測定物3の屈折率(n)は既知であるので、第2のミラー36の移動量ΔLから被測定物3の厚さ(t)を求めることができる。

0028

また、第1の受光器4で検出される干渉光は、第1の分岐光路33を経た透過分岐光の反射成分(第1の反射成分)と第2の分岐光路34を経た反射分岐光の透過成分(第2の透過成分)との合波により得られる干渉光であり、第2の受光器5で検出される干渉光は、第1の分岐光路33を経た透過分岐光の透過成分(第1の透過成分)と第2の分岐光路34を経た反射分岐光の反射成分(第2の反射成分)との合波により得られる干渉光である。
したがって、第1の受光器4で検出される干渉光の光強度と、第2の受光器5で検出される干渉光の光強度とは、位相が180度ずれており、時間軸上のピーク位置は一致している。また、ビームスプリッタ32における分岐比が1:1であるので、両干渉光の光強度の絶対値は1:1となっている。
アナログ処理装置6から出力される干渉光強度の演算結果は、これら2つの干渉光の光強度の差をとったものであるので、ピーク強度は、各干渉光強度のピーク強度の略2倍となっており、各干渉光に含まれるDC成分は相殺されて略ゼロとなっている。また、光源光の強度変動に起因した、各干渉光における強度変動も相殺されて略ゼロとなっている。
このように、DC成分を低減させるとともに干渉光強度を増大させることができるので、ピークの検知精度を向上させることができる。また光源光の強度変動が生じるような場合であっても、その影響を防止することができるので、測定の精度が良く、信頼性が高い。

0029

また、本実施形態によれば、干渉させる2つの光束(第1の反射成分と第2の透過成分、第1の透過成分と第2の反射成分)の両方の光路長を可変とし、一方の光路長を変化させるための駆動手段としてステッピングモータ41を用い、他方の光路長を変化させるための駆動手段としてピエゾアクチュエータ43を用いたので、ステッピングモータ41による粗動とピエゾアクチュエータ43による高速微動とを組み合わせて干渉光の第1のピーク位置を精度良くかつ効率良く見つけることができる。また、第2のピークを見つける際に、ステッピングモータ41は駆動させず、ピエゾアクチュエータ43による高速微動を用いて第2のミラー36のみを移動させることにより、△Lをより短時間で精度良く求めることができる。これにより厚さ測定の高速化を達成することができる。
また、△Lを見つけるために移動させる第2のミラー36の移動距離をスケールセンサ49で検知し、第2のミラー36が実際に移動した距離を△Lとして用いるので、高精度の測定を行うことができる。
特に、ピエゾアクチュエータ43にあっては、セラミックス材料圧電効果が一般的にヒステリシスを有しており、印加電圧が同じ場合に変位量が必ずしも一定値にならないという特性があるが、ピエゾアクチュエータ43を用いて光路調整する第2のミラー36の移動距離をスケールセンサ49で検知することにより、高精度の測定を行うことができる。

0030

このように、本実施形態によれば、測定の高速化および測定精度向上を同時に達成することができるので、例えば、短い間隔で連続的に厚さ測定を行うことができる。したがって、静止状態の被測定物だけでなく、移動している状態の被測定物の厚さ測定も可能となる。また、厚さの分布測定可能となるなど、これまでは適用できなかった測定形態や測定対象物にも適用できるようになり実用性が向上する。

0031

また、本実施形態では、第1〜第3の光ファイバ11、12、13を用いて光路を形成しているため、それらの光路では曲げが許される。これにより、光路設計や部品の配置の自由度が増し、装置の小型化、操作性の向上を達成することができる。
また、干渉部30とヘッド部20とが別体で、光ファイバによって接続されているので、ヘッド部20の操作性が良く、多様な測定形態に適用し易い。

0032

なお、本実施形態ではビームスプリッタ32によって干渉される2組の光束(第1の反射成分と第2の透過成分、第1の透過成分と第2の反射成分)は、いずれも同じ光信号を含んでいるので、どちらをピエゾアクチュエータ43を用いて光路調整するかは任意である。すなわち、本実施形態では第1のミラー35が、駆動手段としてステッピングモータ41を備えており、第2のミラー36が、駆動手段としてピエゾアクチュエータ43を備えているが、これらの組み合わせは逆でもよい。
また、本実施形態におけるビームスプリッタ32として、偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
また、第1〜第5の光ファイバ11、12、13、14、15については、その一部または全部を、空間中の光路に置き換えることも可能である。

0033

図2は、本発明の測定装置の第2の実施形態を示した概略構成図である。本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、スケールセンサ49を備えていない点である。
本実施形態では、ピエゾアクチュエータ43のコントローラ(図示略)がCPU8に接続されており、該CPU8によって制御されるようになっている。また、ピエゾアクチュエータ43における電圧変位量が該CPU8へ送られるようになっている。本実施形態では、ピエゾアクチュエータ43における電圧変位量から△Lの値を求める。

0034

本実施形態によれば、第1の実施形態と比べると測定精度の点では劣るものの、高速で厚さ測定を行うことができる。また、スケールセンサ49を備えていない分だけ、装置が小型化され、製造コストも低減される。

0035

第3の実施形態として、前記第1および第2の実施形態において、被測定物3に照射される光を集光状態の光に変更し、その他は同様の構成とした形態も用いることができる。
具体的には、ヘッド部20において、半透鏡を透過した光を集光させる集光手段を、半透鏡と光軸が一致するように設けて、ヘッド部20から集光状態の光を被測定物3に照射する構成とすることができる。

0036

本実施形態において、ヘッド部20から集光状態の光を照射するために用いる集光レンズ(以下、照射用集光レンズという)の焦点距離は、特に限定されず、ヘッド部20の大きさや、ヘッド部20から被測定物3までの距離等の条件に応じて決められる。例えば、照射用集光レンズの焦点距離が長いほど、測定可能なヘッド部20から被測定物3までの距離の許容範囲が広くなるが、ヘッド部20は大型化する傾向がある。
また、被測定物3に光を照射する際は、該照射光(集光状態の光)の焦点が被測定物3の前面上にある完全集光状態でもよく、照射光の焦点が被測定物3の前面よりもヘッド部20から遠い位置にある不完全集光状態でもよい。

0037

被測定物3に照射される光の集光状態は、第2の光ファイバ12から照射用集光レンズの主面までの距離A、および照射用集光レンズから被測定物3の前面までの距離Bの少なくとも一方が変化すれば変わる。Aは照射用集光レンズの位置を変化させることによって調節することができる。またBは、ヘッド部20と被測定物3との距離を変化させることにより任意に変更可能である。
例えば、Bの好ましい範囲が決まっているときは、まずそのBの範囲を満たすように被測定物の位置を決めてから、好ましい集光状態が得られるように第2の光ファイバ12から照射用集光レンズの主面までの距離Aを決めることができる。またBが任意に変化する場合は、測定の度に、Bに応じて照射用集光レンズを前進または後退できるように構成すればよい。
また、被測定物3の前面における照射光のビーム半径は、例えば、第2の光ファイバ12の出射端面におけるビーム直径が10μmの場合、15〜50μm程度であることが好ましい。

0038

得ようとするビーム半径が決まっているとき、Aを大きくすればBは小さくなり、逆にAを小さくすればBは大きくなる。測定の操作性からは、AよりもBの方が大きい方が好ましく、被測定物3からの反射光が十分に得られる範囲で、Bが大きいほどより好ましい。
また、照射用集光レンズの光軸方向と、被測定物3の厚さ方向とは、ほぼ一致することが好ましいが、本実施形態では若干のズレが許される。具体的には、被測定物3の前面および/または後面の表面粗さ状態にもよるが、例えば照射用集光レンズの光軸方向と被測定物3の厚さ方向との成す角度が、±0.5°以下の範囲で測定が可能である。

0039

本実施形態によれば、被測定物3の前面および/または後面が平坦でなくて粗さがある場合でも厚さ測定が可能となる。
一般に、粗さを有する面からの反射光は、その面粗さによってランダムな方向に、広がりをもつようになるが、本実施形態では、照射用集光レンズ等を用いて被測定物に対して集光状態の光を照射するので、被測定物からの反射光の角度が該照射用集光レンズにより修正され、第2の光ファイバ12に戻り易くなる。このため、被測定物3の前面および後面の表面状態の制限が緩和され、反射光が散乱してしまう被測定物3に対する測定も可能となる。さらに、被測定物3の厚さ方向と光軸方向のずれの許容範囲も大きくなる。よって、測定形態、測定対象が拡大され、装置の実用性がより向上する。

0040

本発明は、表面上のコーティング材の厚さや、完全に固体になっていない膜の厚さ測定に適用することができる。
例えば、本発明の厚さ測定装置を備えた塗布装置を構成すれば、塗布直後の膜厚を厚さ測定装置にて非接触で迅速に測定し、その測定結果を塗布装置にフィードバックすることにより塗布量を調整して膜厚を制御することができる。

0041

(実施例1)
図1に示す構成の装置を用いて、表裏面が平坦面である被測定物(屈折率既知)の厚さ測定を行った。
被測定物3としてはガラス板を用いた。ステッピングモータ41は、オリエンタモータ社製の、最小ステップ角0.72°のものを用いた。ピエゾアクチュエータ43は、CEDRAT社製の、動作範囲200μm、動作速度800Hzのものを用いた。スケールセンサ49は、Sony Precision社製の、出力分解能0.05μm、スケール精度±2.5μmのものを用いた。受光器4,5は、1550nm帯PDを用いた。光源1としてはEXALOS社製、1550nmSLED、半値幅120nm、コヒーレント長6μmのものを用い、被測定物3には平行光を照射した。
同じ被測定物3についての厚さ測定を、一定の条件で20回繰り返したときの、測定値変動幅は±0.5μmであった。また1回の測定に必要な測定時間は、平均で10ミリ秒であった。
測定時間がこの程度であれば、1.2m/分程度の速度で移動中の被測定物に対しても厚さ測定を行うことが可能である。

0042

(比較例1)
実施例1で使用した装置において、ピエゾアクチュエータ43およびスケールセンサ49を用いないで、厚さの測定を行った。被測定物3も実施例1と同様のものを用いた。
すなわち、本例においては、第2のミラー36は移動させず、ステッピングモータ41を用いて第1のミラー35のみを移動させることによって光路長を変化させた。光路長の変化量はステッピングモータ41における駆動機構の変位量から求めた。
実施例1と同様にして、同じ被測定物3についての厚さ測定を、一定の条件で20回繰り返したときの、測定値の変動幅は±1μmであり、実施例1の方が測定精度に優れていた。
また本例における1回の測定に必要な測定時間は、平均で3秒であり、実施例1の方が格段に速かった。

図面の簡単な説明

0043

本発明の装置の一実施形態を示す概略構成図である。
本発明の装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
従来の装置の例を示す概略構成図である。

符号の説明

0044

1…光源、3…被測定物、
4…第1の受光器(検出手段)、5…第1の受光器(検出手段)、
32…ビームスプリッタ(干渉手段)、41…ステッピングモータ、
43…ピエゾアクチュエータ、49…スケールセンサ。

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