JPS6242006A

JPS6242006A - 光学薄膜の膜厚測定装置

Info

Publication number: JPS6242006A
Application number: JP18041885A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Ueno; 上野　祥樹; Tadashi Hattori; 正服部; Minoru Yamamoto; 稔山元
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1985-08-19
Filing date: 1985-08-19
Publication date: 1987-02-24

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ガラス基板上に成膜された透明な光学薄膜の
膜厚測定装置に関するものである。

〔従来の技術、および発明が解決しようとする問題点〕

ガラス基板上に成膜された透明な光学薄膜の膜厚の測定
法としては、種々の方法が従来より用いられてきたが、
測定に時間がかかったり、測定物に加工が必要だったり
、あるいはまた、大型ガラス基板の測定をするには、大
がかりな装置が必要になったりするなど大型ガラス用と
しては不向きであった。また、薄膜の干渉色を見れば、
膜厚を推定できることは従来から知られていたが、異な
った膜厚でも同色相を示ごともあり、膜厚を特定するこ
とは困難であった。

本発明の目的は前記従来の薄膜測定法の欠点を解消し、
薄膜の干渉色の色度Ｙｘｙを測定することにより、膜厚
の測定時間が短く、測定装置が大型化せず、正確に膜厚
を求めることができる光学薄膜の膜厚測定装置を提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

前記目的を達成する本発明の光学薄膜の膜厚測定装置は
、ガラス等の基板上の薄膜の膜厚を測定する光学薄膜の
膜厚測定装置であって、この光学薄膜に閃光を発する発
光手段と、前記薄膜からの発光手段の反射光、および、
発光手段の直接光をスペクトル三刺激値ＸＹＺに分解し
て測光する測光部と、この三刺激値ＸＹＺから色度Ｙｘ
ｙを演算して薄膜の膜厚を求める演算部を有することを
特徴としている。

〔実施例〕

以下添付図面を用いて本発明の実施例について説明する
。

第１図は本発明の主要構成部を示す図である。

１は測定しようとする薄膜が成膜されているガラス基板
、２は膜厚を測定しようとする薄膜、３は薄膜２が成膜
されている側とは反対側のガラス基板上に塗布された、
黒色塗膜である。

１０は本発明の中心をなす膜厚測定装置であって、光源
及び光ファイバを内臓した測定ヘッド２０、測光部１０
０、演算部２００の各ブロックから成っている。

次に、各ブロックの構成について第４図〜第６図を用い
て説明する。まず、第４図を見ると、測定ヘンド２０は
、発光手段の一例であるＸｅランプ３０と、これを点灯
させるＸｅランプ駆動部４０と、光ファイバ５０．６０
．７０とから構成されている。光ファイバ５０はまた、
光ファイバ５１．５２．５３に分岐され、光ファイバー
６０は、光ファイバ６１．６２．６３に分岐されている
。これらは第５図に示すように組立てられている。即ち
、ケース２１内にＸｅランプ３０．光ファイバ５０．６
０等が収められている。２２は反射筒で、円錐台形状を
している。２３は光導入筒で、その入口に光ファイバ５
０が挿入されており、その周囲にＸｅランプ３０および
遮蔽板２４が設置され、光ファイバが挿入されている口
の反対の端面の周囲には光拡散板２５が取り付けられて
いる。光ファイバ６０は、光ファイバ５０とは別にケー
ス２１内に導入されている。今ここで、Ｘｅランプ３０
が発光すると、光はケース２１の内面で反射を繰り返し
、拡散板２５の表から拡散光として外に出る。反射筒２
２の開口部Ａの面に測定しようとする薄膜形成されたガ
ラス板が設置されているが、拡散した光はＡ部のガラス
面で反射し、その一部が光導入筒２３の中に入ってくる
。その光は光ファイバ５０を通じて、次のブロックに送
られる。すなわち、本測定ヘッドによれば、ＪＩＳ　８
７２２に規定する拡散照明−垂直受光の条件が満たされ
ることになる。光ファイバ６０は反射光でなく、Ｘｅラ
ンプの発光そのもの（直接光）を検出し、ランプの変動
を補正するために用いるものである。

第４図における測光部１００は、１０１〜１０６のフィ
ルタ、１１１〜１１６の受光素子、１２１〜１２６の測
光回路から成っている。フィルタ１０１〜１０６は、そ
れぞれ、光ファイバ５１〜５３．６１〜６３の一端に設
けられ、反射光及びＸｅランプの光を受けるようになっ
ている。受光素子１１１〜１１６は、フィルタ１０１〜
１０６の背後に設けられており、光を検出する。測光回
路１２１〜１２６は全て同じ構成をしており、その実施
回路の一例を第７図に示す。１３０は受光素子１１１に
直列接続されたバイアス電圧源、１３１ハ増幅用オペア
ンプ、１３２　、１３３はオペアンプ１３１に接続され
た抵抗である。このオペアンプ１３１により、受光素子
１１１で検出された光は、電圧に変換増幅される。１３
４はダイオード、１３５はダイオード１３４に直列接続
された抵抗、１３６は充電用コンデンサ、１３７は、図
示していないが、後述するＣＰＵからの指令により０Ｎ
−ＯＦＦ　して、コンデンサ１３６の電荷を放電させる
スイッチ、１３８はオペアンプで、電圧フォロワの役目
を有している。１３４〜１３８の回路素子により、ピー
クホールドの機能をこの測光回路１２１は持っている。

フィルタ１０１〜１０６の透過特性は３種類ある。

その透過特性は、いわゆるルータ条件を満たす特性を有
している。ルータ条件とは、光源の分光エネルギー分布
をＰ（λ）、３種類のフィルタの透過特性をＴｘ（λ）
、ＴＶ（λ）　、　ＴＺ（λ）、受光素子の分光感度特
性をＳ（λ）、標準の光Ｃの分光ネルギー分布をＰＣ（
λ）、スペクトル三刺激値をＴ了λ）、７″″Ｔλ）、
Ｔ］λ）とすると、次式％式％以上の条件を満たすフィルタを通り、受光素子で検出さ
れた光の総合感度特性は、第６図に示すようになる。フ
ィルタ１０１と１０４は、第６図中のＹで示す感度特性
を存するような透過特性を持ち、フィルタ１０２　と１
０５　は、Ｔの、フィルタ１０３　と１０６は、丁の特
性を持っている。なおここでＹの特性は２つの山を持っ
ており、フィルタ特性の実現は困難であるためＹの短波
長側の山は、Ｔの特製と相似的であることを利用し、Ｔ
の特性に係数を掛けて用いても良い。

次に第４図の演算部２００の構成について説明する。演
算部２００の中心をなすのは、マイクロプロセッサを用
いたＣ　Ｐ　Ｕ２１０である。その周辺にパスラインを
介して、メモリ２２０、バッファメモリ２３０．２４０
．　Ｉ　１０２５０，２６０　、Ａ／Ｄ変換器２７０１
マルチプレクサ２８０、入力部２９０、表示部３００　
、　Ｘｅランプ制御部３１０、発光ダイオード３２０な
どが接続されている。

そこで次に、本発明の装置を用いて膜厚を測定する方法
について、第２図〜第４図を参照し、第８図のフローチ
ャートを用いて説明する。

第４図の入力部２９０から測定開始のスタート信号を入
れると（ステップ■）、Ｉ　／　Ｏ２５０，２６０を介
してＸｅランプ制御部３１０に信号が行き、発光ダイオ
ード３２０が発光する。この光は光ファイバー７０によ
り、Ｘｅランプ駆動部４０に伝えられ、Ｘｅランプ３０
を発光させる（ステップ■）。この光はガラス基板１と
薄膜２の表面で反射してくる。この反射光は、薄膜の光
干渉により、波長により反射強度が異なっており、色づ
いている。なお、ガラス基板１の裏面の黒色塗膜３は、
Ｘｅランプ３０の光が、ガラス基板１の裏面で極力反射
しないようにするためのものである。

反射光は光ファイバー５０より導光され、光ファイバ５
１．５２．５３により等分割されて、それぞれ、フィル
タ１０１．１０２．１０３の方に導びかれる。一方、光
ファイバ６０は、Ｘｅランプ３０の直接光を導光し、光
ファイバ６１．６２．６３で分割して、フィルタ１０４
゜１０５、１０６の方に導（。この光ファイバ６０によ
り導かれた直接光は、Ｘｅランプ３０、即ち光源のモニ
タ光であり、電圧変動や経時変化によるＸｅランプ３０
の光量変化を、後述する演算時に補正するためのもので
ある。光フィルタ１０１〜１０６を通った反射光および
モニタ光は、受光素子１１１〜１１６で検出され、測光
回路１２１〜１２６で増幅されてピークホールドされる
（ステップ■、■）。このピークホールドされた値は、
光ファイバ５０を通ってきた光の場合は、反射光がそれ
ぞれの測光回路により色の三刺激値ＸＹＺに分解された
ものとなる。

モニター光の場合も同様である。上記のピークホールド
された電圧は、マルチプレクサ２８０により順次Ａ／Ｄ
変換器２７０に送られ（ステップ■）、ディジタル値に
変換された後（ステップ■）、バッファメモリ２３０に
一時格納される。ＣＰ　０２１０は、上記反射光の三刺
激値と、モニタ光の三刺激値から光源の発光変動を補正
して、真の反射光の三刺激値ＸＹＺを得る（ステップ■
）。

次に、前記ＸＹＺから色度座標ｘｙを、ｃｐｕ２１０は
計算する。ＸＹＺと、ｘｙの関係は次のようである。

ｘ＝Ｘ／　（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）ｙ−Ｙ／　（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）これにより、反射光の色度座標Ｙｘｙは求められたこと
になる（ステップ■）。

次にＹｘｙから膜厚を求める方法について説明する。ま
ず、ガラス基板１上に薄膜２がある場合の反射光の色度
がどうなるかをあらかじめ計算し′ておく、この計算方
法は、通常の、単層膜の光の干渉理論により求められる
ので詳述を避け、結果を第２図に示す、第２図は薄膜２
がＴｉＯ□で、その屈折率は光の波長が５００ｎｍの時
〜２．６８で、６００ｎｍの時２．５９であるような波
長分散性を持つ場合について計算しである。図中・印は
、ＴｉＯ□の膜厚が４ｎｍ毎の値を示しｘ印は２０ｎａ
＋毎の値であり、数字はＴｉＯ□の膜厚である。このｘ
ｙの値と膜厚の関係を（ＸＡ、３Ｆｔ＋膜厚）の形でメ
モリ２２０に格納しておく。そこで、測定されたｘｙＯ
値から、膜厚を求める方法は、測定値Ｘ＋ｙと、メモリ
値Ｘｉ＋　　ｙｉの間でもっとも近い値を捜すことであ
る。すなわちθ”　　　ｘ−Ｘｔ　　”　　ｙ　　ｙｔ
）が最小になるようなｘ、、ｙえを捜し出し、その時の
膜厚が求める値となるわけである（ステップ■）。この
時、膜厚の値は、前述したようなｄｎｍ毎でなく、もっ
と細く、たとえばｌｎｍ毎にとっておけばそれだけ精度
は向上する。あるいはまた、隣りあったデータで、θが
最も小さくなるような２点から補間法で、膜厚を求めて
も良い。そこでたとえば、測定したｘ＋ｙが第２図に示
す○印の点Ｐ　（ｘ　＝０．３３　、　）’　”０．２
２）であったとする。前述した方法により、膜厚は、９
６．５ｎｍか、１９５ｎｍであるとわかる。次に、この
いずれの膜厚値が真の値であるかを決めなければならな
い。そのためには、Ｙの値を用いる。第３図はＹの値と
膜厚の関係を表わしたもので、この関係も（Ｙｉ　、膜
厚）の形でメモリ２２０の中に格納しておく。測定した
Ｙ値、ここでは、ｘ　−０，３３、Ｙ　＝０．２２　、
　Ｙ　＝１０％とすると、膜厚は９６．５ｎｍの方であ
ることがわかる（ステップ［相］）。得られた結果は表
示部３００により表示され、測定者は膜厚を知ることが
できる（ステップ■）。

以上の方法により、薄膜の膜厚を求めることができるわ
けであるが、上述したのは、屈折率がわかっている薄膜
の場合であった。しかしながら、同じＴｉ０ｚ薄膜でも
、成膜方法により屈折率は若干具なるわけで、その場合
、前述した方法では、求める膜厚に多少の誤差が生じる
場合がある。そこで、そういう場合は、予め屈折率を種
々の値にふらせて、第２図、第３図に示すようなデータ
を計算しておく。即ち、（ｘ５．ｙ、、Ｙｉ、屈折率、
膜厚）の形で、メモリ２２０に格納しておく。

そこで θｓａ　　　ｘ−Ｘｉ　　＋　ｙ−ｙ４　　＋　Ｙ−Ｙ
りが最小となるような、屈折率、膜厚の組合せデータを
選び出せば、その値が真値となるわけである。

この手法はまた、吸収のある膜、即ち、屈折率ｎがｎ＝
ｎ　’　−ｉ　ｋの複素屈折率となる場合にも適用でき
る。なお、以上に述べたのは単層膜の場合であったが多
層膜の場合も本発明は適用できる。

例えば２層膜の場合は、ガラス基板上にＴｉＯ□膜が成
膜されており、その上にＳｉＯ□膜が成膜されている場
合、ＴｉＯ□の屈折率、膜厚が予めわかっていれば、Ｓ
ｉ０ｇ膜の屈折率、膜厚を種々変えて、第２図のごとき
データを計算して、メモリ２２０に入れておけば良いわ
けである。

次にガラス裏面からの反射を抑えるため用いた黒色塗膜
３のことについて述べる。ガラス面と空気との境界での
反射は約４％あるため、この黒色塗膜３は、測定精度向
上のため必要である。ところが測定のたびに黒色塗膜３
を塗布することはたいへんである。我々の実験では、黒
色塗膜３の代わりに、黒色の粘着テープを使用したが、
テープでも精度良く測定することができた。しかし、以
上２方法は、建築用や自動車用の大型ガラスの場合に用
いるには、ガラスが大きすぎ、塗膜をぬったり後で落と
したりすると大変である。また、粘着テープを貼る時に
、ガラスとの間に空気が入ったりすると、測定精度は大
幅に落ちる。そこで、そのような場合には、第９図に示
す方法を用いる。

この図において、１はガラス基板、２は測定しようとす
る薄膜、３′は前述した黒色塗膜や粘着テープに代わる
、黒色の樹脂フィルムである。４は硬質ゴムでできたフ
レームで、測定するガラス基板１の縁の形状に合ってお
り、ガラス基板１にぴったりと手ではめこむことができ
る。樹脂フィルム３′と、フレーム４は接着されている
ため、ガラス基板１にフレーム４をはめ込むと、樹脂フ
ィルム３′とガラス基板１は重なることになる。

５はフレーム４に取り付けられ、その開口部の一端がガ
ラス基板１と樹脂フィルム３′の間に来るようになって
いる排気筒である。排気筒５のもう一つの開口端には、
図示していないが、排気ポンプが接続され、ガラス基板
１と樹脂フィルム３′の間の空気が排気される。これに
より、ガラス基板１と、樹脂フィルム３′は密着し、黒
色塗膜３を塗布したのと同じ効果が得られることになる
。

なお、上述した中で基板としてガラス基板１を用いて説
明してきたが、本発明による装置ではガラス基板だけで
なく、樹脂も用いることができるし、そういった基板上
に金属膜が形成されており、その上に薄膜が成膜されて
いても予め、金属膜の複素屈折率を、他の方法、たとえ
ばエリプソメータなどにより求めて、やはり第２図のよ
うなデータを計算しメモリ２２０内に格納しておけば良
い。

〔発明の効果〕

以上述べてきた装置によれば、薄膜の王渉による反射光
の色を分析することにより、薄膜の膜厚を求めることが
できるので、従来から薄膜の膜厚測定法として用いられ
てきた、分光法、エリプソメトリ−法、段差針法などと
比べ、次のような利点があり、非常に有用である。

１０回折格子を用いた分光法に比べ、本Ｗｌは波長スキ
ャンの必要がないため、測定時間は発光手段の発光時間
０．５　ｍ５ｅｃと、計算時間のごくわずかな時間です
む。

２、装置が小型になるので、大型ガラスの測定時も容易
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の主要構成を示す概略図、第２図はガラ
ス基板上に薄膜がある場合の反射光の色度を示す線図、
第３図は薄膜厚と三刺激値の−っであるＹとの関係を示
す線図、第４図は本発明の光学薄膜の膜厚測定装置の一
実施例の構成を詳細に示す構成図、第５図は本発明の測
定ヘッドの一例の構成を拡大して示す断面図、第６図は
ルーフ条件を満たすフィルタを通り受光素子で検出され
た光の総合怒度特性を示す線図、第７図は第４図の測光
回路の回路構成を示す回路図、第８図は本発明の光学薄
膜の膜厚測定装置の制御手順を示すフトーチャート図、
第９図は本発明の他の実施例のガラス基板部の構成を示
す断面図である。１・・・ガラス基板、　　　２・・・薄膜、３・・・黒
色塗装、３゛・・・黒色の樹脂フィルム、４・・・フレーム、　　　　５・・・排気筒、１０・・
・薄膜測定装置、　２０・・・測定ヘッド、２１・・・
ケース、　　　　２２・・・反射筒、２３・・・光導入
筒、　　　２４・・・遮蔽板、２５・・・光拡散板、　
　　３０・・・Ｘｅランプ、５０〜５３・・・光ファイ
バ、６０〜６３．７０・・・光ファイバ、　１００・・・測
光部、１０１〜１０６・・・フィルタ、１１１〜１１６・・・受光素子、１３０・・・バイアス電圧源、１３１．１３８・・・オペアンプ。

Claims

【特許請求の範囲】１、ガラス等の基板上の薄膜の膜厚を測定する光学薄膜
の膜厚測定装置であって、この光学薄膜に閃光を発する
発光手段と、前記薄膜からの発光手段の反射光、および
、発光手段の直接光ををスペクトル三刺激値ＸＹＺに分
解して測光する測光部と、この三刺激値ＸＹＺから色度
Ｙｘｙを演算して薄膜の膜厚を求める演算部を有するこ
とを特徴とする光学薄膜の膜厚測定装置。２、該演算部が（Ｙ＿ｉ、ｘ＿ｉ、ｙ＿ｉ、膜厚）のデ
ータを格納したメモリを有し、測定および演算により得
られた色度（Ｙ、ｘ、ｙ）と比較して、最も近い組合せ
のデータの膜厚を測定値とする特許請求の範囲第１項記
載の光学薄膜の膜厚測定装置。３、該演算部が（Ｙ＿ｉ、ｘ＿ｉ、ｙ＿ｉ、屈折率、膜
厚）のデータを格納したメモリを有し、測定および演算
により得られた色度（Ｙ、ｘ、ｙ）と比較して、最も近
い組合せのデータの屈折率と膜厚を測定値とする特許請
求の範囲第１項記載の光学薄膜の膜厚測定装置。４、該ガラス等の基板の裏面には、反射防止処理が施さ
れている特許請求の範囲第１項記載の光学薄膜の膜厚測
定装置。５、該反射防止処理が黒色塗膜である特許請求の範囲第
４項記載の光学薄膜の膜厚測定装置。６、該反射防止処理が黒色粘着テープなどの貼着である
特許請求の範囲第４項記載の光学薄膜の膜厚測定装置。７、該反射防止処理がガラス等基板の裏面への黒色樹脂
フィルムの真空吸着である特許請求の範囲第４項記載の
光学薄膜の膜厚測定装置。