專利名稱：測量薄膜厚度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量多層薄膜的薄膜厚度的測量裝置和方法。
本申請要求2007年4月25日提交的日本專利申請 No. 2007-115488的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用并入本文。
背景技術(shù)：
薄膜厚度測量裝置用于測量多層薄膜的薄膜厚度分布和薄膜厚 度誤差，所述多層薄膜包括柔性基片、多層合成薄膜片、和其它種類 的多層薄膜。圖5是示出傳統(tǒng)薄膜厚度測量裝置的示意構(gòu)造的示圖。 如圖5所示，傳統(tǒng)薄膜厚度測量裝置100具有白光源器件101、照射 光纖(irradiation fiber) 102、光接收光纖103、分光器104、計 算部分105。薄膜厚度測量裝置100對由多個層201至203形成的薄 膜200的厚度進行測量。
白光源器件101是發(fā)射白光的光源。照射光纖102是光導(dǎo)部件， 其將發(fā)射自白光源器件101的光引導(dǎo)至薄膜200以使光照射在薄膜 200上。光接收光纖103是光導(dǎo)部件，其將來自薄膜200的反射光引 導(dǎo)至分光器104。
分光器104對由光接收光纖103引導(dǎo)的來自薄膜200的反射光 進行色散，并進一步將其轉(zhuǎn)換成電信號以獲得反射光譜。
計算部分105對在分光器104中獲得的反射光譜執(zhí)行預(yù)定的計 算以測量薄膜200的薄膜厚度。具體來說，計算部分105執(zhí)行計算以 在獲自分光器104的反射光譜中選擇預(yù)定的波長范圍，并且執(zhí)行計算 以通過在選定的波長范圍內(nèi)對反射光譜進行等間隔重排序來獲得波 數(shù)(wavenumber)范圍反射光譜。接下來，計算部分105執(zhí)行計算以 獲得功率譜，即對指示波數(shù)范圍反射光譜的信號執(zhí)行傅立葉變換。接 下來，計算部分105執(zhí)行計算來檢測功率譜的峰值。在上述構(gòu)造中，通過照射光纖102將發(fā)射自白光源器件101的
光引導(dǎo)以使光從層201側(cè)照射在薄膜200上。在由于將白光照射在薄 膜200上而得到的反射光中，傳入光接收光纖103的反射光通過光接 收光纖103被引導(dǎo)至分光器104。此反射光在分光器104中被色散， 并且進一步進行光電轉(zhuǎn)換。通過光電轉(zhuǎn)換而獲得的電信號被輸入計算 部分105，并且進行各種上述計算處理。通過這些計算來獲得薄膜200 的薄膜厚度。
在形成了薄膜200的各個層201到層203的每個交界面上反射 的白光依據(jù)各個交界面之間的距離(薄膜厚度)而具有光程差。由于 具有光程差的白光彼此形成干涉，于是在波數(shù)范圍反射光譜中出現(xiàn)環(huán) 形干涉圖案。通過對此環(huán)形干涉圖案執(zhí)行傅立葉變換而得到的功率譜 會依據(jù)光程差的不同而在某個頻率處具有峰值。因此，通過檢測此峰 值就能得到光程長度差(光學(xué)薄膜厚度)。
圖6示出由薄膜厚度測量裝置100得到的功率譜的示例。圖6 所示的薄膜厚度測量結(jié)果是對由層201、層202和層203形成的薄膜 200進行測量的結(jié)果。薄膜201的折射系數(shù)為1.6，薄膜厚度為5"m。 薄膜202的折射系數(shù)為1.7，薄膜厚度為12um。薄膜203的折射系 數(shù)為1. 6，薄膜厚度為3um。層201至203的光學(xué)薄膜厚度可以由薄 膜厚度與其折射系數(shù)的乘積得到，即8.0um、 20.4"m和4.8"m。 另外，在圖6所示的圖表中，水平軸代表光學(xué)薄膜厚度，豎直軸代表 強度(任意單位)。
參照圖6，可以看到出現(xiàn)了多個峰值。這些峰值的水平位置指示 各個交界面之間的光程，而峰值的高度指示兩個交界面上幅度反射率 的乘積。具體地說，圖6中有6個峰值出現(xiàn)。第一峰值P101出現(xiàn)在 4. 8um處，指示層203的光學(xué)薄膜厚度。第二峰值P102出現(xiàn)在8. 0 um處，指示層201的光學(xué)薄膜厚度。第三峰值P103出現(xiàn)在20. 4um 處，指示層202的光學(xué)薄膜厚度。
第四峰值P104出現(xiàn)在25. m處，指示層202和203的光學(xué)薄 膜厚度之和。第五峰值P105出現(xiàn)在28.4um處，指示層201和202 的光學(xué)薄膜厚度之和。第六峰值P106出現(xiàn)在33.2nm處，指示層201至203的光學(xué)薄膜厚度之和(即薄膜200的光學(xué)薄膜厚度)。因此， 根據(jù)功率譜的峰值的位置，形成薄膜200的各個層201至203的光學(xué) 薄膜厚度以及薄膜200的光學(xué)薄膜厚度即可得到。
關(guān)于傳統(tǒng)的測量薄膜厚度的裝置和方法的細節(jié)，例如可參考日 本未審查專利申請第一公開No. 2005-308394和日本未審查專利申請 第一公開No. Hei 11-314298。
在上述用于測量薄膜厚度的傳統(tǒng)裝置和方法中獲得的功率譜峰 值的位置指示各個交界面之間的光學(xué)距離。因此存在如下問題，即無 法從功率譜中直接得到已獲得峰值的最頂部表面交界面(層201與空
氣之間的交界面)的位置。也即，在圖6所示的示例中，層201至 203的薄膜厚度和折射系數(shù)是預(yù)知的。因此，可以確定出現(xiàn)在4.8um 處的峰值指示層203的光學(xué)薄膜厚度。然而，在層201至203的薄膜 厚度和折射系數(shù)未知的情況下，無法認定出現(xiàn)在4. 8um處的峰值指 示了層203的光學(xué)薄膜厚度。
在用于測量薄膜厚度的傳統(tǒng)裝置和方法中，在對具有多個層(各 層基本具有相等的光學(xué)薄膜厚度)的多層薄膜進行測量時，功率譜的
各個峰值彼此重疊。因此，用于測量薄膜厚度的傳統(tǒng)裝置和方法具有 無法對僅只一層的光學(xué)薄膜厚度進行測量的問題。圖7A和圖7B示出 由傳統(tǒng)的薄膜厚度測量裝置100得到的功率譜的另一個示例。圖7A 和圖7B示出對由層201、層202和層203構(gòu)成的薄膜200的光學(xué)薄 膜厚度測量結(jié)果。薄膜201的折射系數(shù)為1.6，層201的薄膜厚度為 3ura。薄膜202的折射系數(shù)為1.7，層202的薄膜厚度為12. 7 u m。 薄膜203的折射系數(shù)為1.6，層203的薄膜厚度為3. m。
參考圖7A，來自層201相關(guān)交界面的反射光與來自層203相關(guān) 交界面的反射光彼此干擾。此干擾產(chǎn)生峰值P201，峰值P201基本上 為指示層201光學(xué)薄膜厚度的峰值與指示層203光學(xué)薄膜厚度的峰值 的均值。類似地，干擾產(chǎn)生峰值P203，峰值P203基本上為指示層201 和層202的光學(xué)薄膜厚度之和的峰值與指示層201和層203的光學(xué)薄 膜厚度之和的峰值的均值。參考圖7B，來自層201相關(guān)交界面的反 射光與來自層203相關(guān)交界面的反射光彼此抵消。于是，獲得了具有極小值的峰值P301和P303。如果使用這些峰值P201、 P203、 P301 和P303來測量薄膜厚度，則會有發(fā)生顯著測量錯誤的問題。
近年來，為獲得高性能(high function)薄膜等，通常使用關(guān) 于中心對稱的結(jié)構(gòu)(此后成為對稱結(jié)構(gòu))。例如常使用下列結(jié)構(gòu)。艮P， "ABA"結(jié)構(gòu)，其中中心層為"B"并且層"B"被具有相同薄膜厚度 的層"A"夾在中間，或者"ABCBA"結(jié)構(gòu)，其中中心層為"C"。當 使用傳統(tǒng)的測量薄膜厚度的裝置和方法來測量具有這種對稱結(jié)構(gòu)的 多層薄膜的薄膜厚度時，通常由于上述參照圖7A和圖7B說明的原因 導(dǎo)致測量中出現(xiàn)問題。因此，迫切需要開發(fā)出對對稱結(jié)構(gòu)多層薄膜的 每個層的薄膜厚度進行在線測量的技術(shù)。
如果提取出制造好的多層薄膜并使用垂直掃描型白光干涉儀進 行離線測量，也可以測量多層薄膜每一層的薄膜厚度，即使其具有對 稱結(jié)構(gòu)。然而這種測量方法的問題在于，在一點處的測量需要數(shù)十秒 至數(shù)分鐘的一段時間。另外，由于測量占用較長時間，則存在如下問 題即由于測量期間多層薄膜的顫動而導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，并且 多層薄膜越薄則誤差越明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮了上述情形。本發(fā)明的目的是提供用于測量薄膜厚 度的裝置和方法，該裝置和方法能夠在短時間段內(nèi)以高精度對多層薄 膜的每一層的薄膜厚度進行獨立測量，即使多層薄膜中包含多個具有 相同薄膜厚度的層。
為了解決上述問題，本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置包括光源， 其發(fā)射將要照射在多層薄膜上的白光；分光器，其對由于將白光照射 在多層薄膜上而得到的反射光進行色散以得到反射光譜；和計算 (computation)部分，所述計算部分包括設(shè)置部分，其為反射光 譜設(shè)置多個波長范圍；第一轉(zhuǎn)換部分，其通過分別對反射光譜中的處 在由所述設(shè)置部分設(shè)定的多個波長范圍內(nèi)的反射光譜進行等間隔重 排序來獲得波數(shù)范圍反射光譜；第二轉(zhuǎn)換部分，其將在所述第一轉(zhuǎn)換 部分中得到的多個波長范圍內(nèi)的波數(shù)范圍反射光譜分別轉(zhuǎn)換成功率譜；以及運算(calculation)部分，其基于功率譜得到多層薄膜的 薄膜厚度。
按照這種配置，當把白光從光源照射在多層薄膜上，被其反射 的光在分光器中被色散，并且得到反射光譜。在這些反射光譜中，處 在由設(shè)置部分設(shè)定的多個波長范圍內(nèi)的反射光譜被分別轉(zhuǎn)換成波數(shù) 范圍反射光譜。隨后，各個波數(shù)范圍反射光譜分別被轉(zhuǎn)換成功率譜。 然后基于這些功率譜可以得到多層薄膜的薄膜厚度。
在本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置中，所述設(shè)置部分可以為反射光 譜設(shè)置多個對多層薄膜具有不同透射比(transmittance)的波長范 圍。
在本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置中，所述光源可以為發(fā)射脈沖白 光的脈沖光源，并且所述薄膜厚度測量裝置可以進一步包括定時生成 部分，其生成用于對所述脈沖光源的發(fā)光定時、和在所述分光器中得 到反射光的定時進行規(guī)定的定時信號。
本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置可以進一步包括速度輸入部分，其 接收多層薄膜的流動速度的輸入，所述定時生成部分基于從所述速度 輸入部分輸入的流動速度以及測量點的間隔來生成定時信號，其中在 測量點對多層薄膜的薄膜厚度進行測量。
在本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置中，所述光源可以包括第一光
源，將白光照射在多層薄膜的一個表面上；和第二光源，將白光照射
在多層薄膜的另一個表面上。
在本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置中，所述分光器可以包括第一 分光器，其對通過將白光從所述第一光源照射到多層薄膜的一個表面
上而得到的反射光進行色散來獲得第一反射光譜；和第二分光器，其 對通過將白光從所述第二光源照射到多層薄膜的另一個表面上而得 到的反射光進行色散來獲得第二反射光譜。
在本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置中，所述計算部分可以在所述第 一轉(zhuǎn)換部分、所述第二轉(zhuǎn)換部分和所述運算部分中對由所述第一分光 器和所述第二分光器分別得到的第一反射光譜和第二反射光譜執(zhí)行 處理。在本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置中，在由所述設(shè)置部分設(shè)置的多 個波長范圍中至少一個波長范圍可以是具有不超過50%的透射比的 波長范圍。
本發(fā)明的薄膜厚度測量方法包括設(shè)置步驟，為多層薄膜設(shè)置 多個帶有不同透射比的波長范圍；第一轉(zhuǎn)換步驟，通過對由白光照射 在多層薄膜上而得到的反射光進行色散來得到反射光譜，并且通過分 別對反射光譜中的處在由設(shè)置步驟設(shè)定的多個波長范圍內(nèi)的反射光 譜進行等間隔重排序來獲得波數(shù)范圍反射光譜；第二轉(zhuǎn)換步驟，將在
第一轉(zhuǎn)換步驟中得到的多個波長范圍內(nèi)的波數(shù)范圍反射光譜分別轉(zhuǎn)
換成功率譜；和厚度運算步驟，基于功率譜得到多層薄膜的薄膜厚度。
根據(jù)本發(fā)明，從由于白光照射在多層薄膜上而得到的反射光的 反射光譜中，依據(jù)處在由設(shè)置部分設(shè)置的多個波長范圍(例如，相對 多層薄膜的高透射比波長范圍和低透射比波長范圍)內(nèi)的反射光譜得 到多個功率譜?；谶@多個功率譜進一步得到多層薄膜的薄膜厚度。
因此，可以得到靠近多層薄膜頂表面的部分的薄膜厚度和整個多層薄 膜的厚度。于是，即使多層薄膜中存在多個具有相近薄膜厚度的層， 也能夠得到如下效果，即每一層的薄膜厚度都能夠獨立地在短時間段 內(nèi)以高精度測量得到。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的薄膜厚度測量裝置的主要 部分構(gòu)造的框圖。
圖2是示意性示出由圖1所示薄膜厚度測量裝置照射到薄膜上
的白光中的具有低透射比波長范圍的光被反射和吸收的狀態(tài)的示圖。
圖3是示出從層Ll側(cè)的反射光得到的功率譜的示例的曲線圖， 其中所述反射光由圖1所示薄膜厚度測量裝置照射的白光產(chǎn)生。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的薄膜厚度測量裝置的主要 部分構(gòu)造的框圖。
圖5是示出傳統(tǒng)薄膜厚度測量裝置的示意構(gòu)造的示圖。
圖6是示出通過傳統(tǒng)薄膜厚度測量裝置得到的功率譜的示例的曲線圖。
圖7A是示出通過傳統(tǒng)薄膜厚度測量裝置得到的功率譜的另一個 示例的曲線圖。
圖7B是示出通過傳統(tǒng)薄膜厚度測量裝置得到的功率譜的再一個
示例的曲線圖。
具體實施例方式
下面參考附圖對根據(jù)本發(fā)明實施例的用于測量薄膜厚度的裝置 和方法進行詳細說明。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的薄膜厚度測量裝置的主要
部分構(gòu)造的框圖。如圖1所示，本實施例的薄膜厚度測量裝置1包括
氙閃光燈lla.(第一光源)、氙閃光燈lib (第二光源)、照射光纖 12a和12b、光接收光纖13a和13b、分光器14a (第一分光器)、分 光器14b (第二分光器)、計算部分15、顯示部分16、線速度輸入 部分17、和定時生成部分18。薄膜厚度測量裝置1對由多個層Ll 至L3形成的薄膜F的薄膜厚度進行測量。薄膜F是多層薄膜，諸如 柔性基片、多層合成薄膜片、和其它種類的多層薄膜。
氙閃光燈lla和lib發(fā)射寬波長范圍(數(shù)百至一千幾百納米) 的要照射到薄膜F上的白光。氙閃光燈lla和llb是脈沖光源，其發(fā) 射與輸出自分光器14a和14b的同步信號Sl和S2同步的白光。照射 光纖12a和12b是光導(dǎo)部件，其將從氙閃光燈lla和lib發(fā)射的脈沖 白光引導(dǎo)至薄膜F以使白光照射在薄膜F上。具體來說，照射光纖 12a對發(fā)射自氤閃光燈lla的白光進行引導(dǎo)，以使得光從層Ll側(cè)照 射在薄膜F上。照射光纖12b對發(fā)射自氙閃光燈llb的白光進行引導(dǎo)， 以使得光從層L3側(cè)照射在薄膜F上。
光接收光纖13a和13b是光導(dǎo)部件，其將反射自薄膜F的光分 別引導(dǎo)至分光器14a和14b。具體來說，光接收光纖13a的入射端被 布置在薄膜F的層Ll側(cè)。光接收光纖13a將層Ll側(cè)的反射光引導(dǎo)至分光器14a。另一方面，光接收光纖13b的入射端被布置在薄膜F的 層L3側(cè)。光接收光纖13b將層L3側(cè)的反射光引導(dǎo)至分光器14b。光 接收光纖13a和13b的入射端被布置為使得穿透薄膜F的白光不進入 入身寸立焉。
分光器14a和14b對光接收光纖13a和13b所引導(dǎo)的反射自薄 膜F的光進行色散。此外，分光器14a和14b對色散后的光執(zhí)行光電 轉(zhuǎn)換，并將其輸出以作為指示反射光譜的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2。具體來 說，分光器14a和14b具有諸如棱鏡和衍射光柵的色散器件以色散反 射光，并且分光器14a和14b還具有諸如CCD (電荷耦合器件)的光
電轉(zhuǎn)換器件以對色散光進行光電轉(zhuǎn)換。
計算部分15包括光譜數(shù)據(jù)獲取部分21、設(shè)置部分22、波數(shù) 轉(zhuǎn)換部分23(第一轉(zhuǎn)換部分)、傅立葉變換部分24(第二轉(zhuǎn)換部分)、 峰值檢測部分25(運算部分)、和薄膜厚度運算部分26(運算部分)。 計算部分15對輸出自分光器14a和14b的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2執(zhí)行預(yù) 定的計算，以得到薄膜F的薄膜厚度。光譜數(shù)據(jù)獲取部分21獲取從 分光器14a輸出的光譜數(shù)據(jù)Dl以及從分光器14b輸出的光譜數(shù)據(jù)D2。 即是說，光譜數(shù)據(jù)獲取部分21獲取從薄膜F的各個表面得到的反射 光譜。
設(shè)置部分22為薄膜F設(shè)置多個帶有不同透射系數(shù)的波長范圍。 例如，薄膜F具有其透射系數(shù)隨著波長變短而下降的透射特性， 并且薄膜F的透射系數(shù)對于不超過500nm的波長不超過50% (0至 50% )，而對于不低于500nm的波長則不低于50% (50%到100% )。 在這種情況下，將波長不超過500薩(例如300到500nm)的波長范 圍設(shè)置為第一波長范圍，將波長不低于500nm (例如500到1000nm) 的波長范圍設(shè)置為第二波長范圍。
在這里，為了簡化后面的說明，提供了一種情況作為示例，其 中在設(shè)置部分22中設(shè)置了使得薄膜F的透射系數(shù)不超過50%的波長 不超過500nm的波長范圍，和使得薄膜F的透射系數(shù)不低于50%的 波長不低于500nm的波長范圍。確定兩個波長范圍之間的邊界的透射 系數(shù)可以任意設(shè)置。在全部所設(shè)置的波長范圍中，透射系數(shù)并不必總是不低于或者不高于50%。例如，在設(shè)置了使得透射系數(shù)不超過50 % (0至50%)的波長范圍的情況下，即使該波長范圍內(nèi)的特定波長 使得透射系數(shù)超過50%，整個波長范圍內(nèi)的平均透射系數(shù)不超過50 % (0到50%)也是可以接受的。用戶可以根據(jù)薄膜F的透射特性自 由地在設(shè)置部分22中設(shè)置波長范圍。
設(shè)置部分22設(shè)置一個范圍(此后稱為峰值檢測范圍)以檢測用 于測量薄膜F厚度的功率譜(在后文中詳述)的峰值。例如，在整個 薄膜F的光學(xué)薄膜厚度不超過40um的情況下， 一個不超過40" m 的范圍被設(shè)置為峰值檢測范圍。此外，設(shè)置部分22針對形成薄膜F 的各個層Ll到L3的每個波長設(shè)置折射系數(shù)。從而可以將光學(xué)薄膜厚 度轉(zhuǎn)換成實際薄膜厚度(物理薄膜厚度)。用戶可以根據(jù)薄膜F的結(jié) 構(gòu)自由地設(shè)置上述峰值檢測范圍和折射系數(shù)。
波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23將特定波長范圍內(nèi)的反射光譜轉(zhuǎn)換成以等波數(shù) 間隔重排序的波數(shù)范圍反射光譜。具體地說，波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23從由 光譜數(shù)據(jù)獲取部分21得到的指示反射光譜的各個光譜數(shù)據(jù)Dl和D2 中選擇處在由設(shè)置部分22所設(shè)定波長范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)。接下來， 波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23對所選擇的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2執(zhí)行預(yù)定的處理。這 樣，波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23將該波長范圍內(nèi)的反射光譜轉(zhuǎn)換成以等波數(shù)間 隔重排序的波數(shù)范圍反射光譜。傅立葉變換部分24對指示了在波數(shù) 轉(zhuǎn)換部分23中轉(zhuǎn)換得到的波數(shù)范圍反射光譜的數(shù)據(jù)執(zhí)行傅立葉變 換，以將其轉(zhuǎn)換成處在由設(shè)置部分22設(shè)定的各個波長范圍內(nèi)的功率 譜。
峰值檢測部分25對處在由設(shè)置部分22設(shè)定的各個波長范圍內(nèi) 的功率譜的峰值進行檢測?；诠β首V的峰值位置，得到形成薄膜F 的各個層Ll到L3的光學(xué)薄膜厚度以及薄膜F的光學(xué)薄膜厚度。薄膜 厚度運算部分26使用由設(shè)置部分22設(shè)定的折射系數(shù)來獲得薄膜F 的實際薄膜厚度。
顯示部分16具有諸如CRT (陰極射線顯像管)或液晶顯示裝置 的顯示裝置。顯示部分16顯示由薄膜厚度運算部分26計算得到的薄 膜F的薄膜厚度。盡管圖l未示出，但在光譜數(shù)據(jù)獲取部分21中得到的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2，或者在傅立葉變換部分24中轉(zhuǎn)換得到的功 率譜也可以被顯示在顯示部分16上。
線速度輸入部分17接收薄膜F (測量對象)的流速輸入。薄膜 F相對于照射光纖12a、 12b和光接收光纖13a、 13b不是固定的。薄 膜F以恒定速度在照射光纖12a和光接收光纖13a之間流動，并且在 照射光纖12b和光接收光纖13b之間流動。薄膜F的流動速度從線速 度輸入部分17輸入。在薄膜F的流動速度改變的情況下，優(yōu)選地是 對薄膜F的實際流動速度進行測量，并將測量結(jié)果輸入線速度輸入部 分17。
為了以恒定的間隔對以恒定速度流動的薄膜F進行測量，定時 生成部分18基于從線速度輸入部分17輸入的薄膜F的流動速度以及 為測量薄膜F而預(yù)設(shè)的間隔來生成定時信號Tl和T2，其中Tl和T2 規(guī)定了分光器14a和14b獲得反射光的定時?；谶@些定時信號Tl 和T2分別生成對氙閃光燈lla和lib的發(fā)光定時進行規(guī)定的同步信 號Sl和S2。 —
接下來，對根據(jù)本發(fā)明第一實施例的薄膜厚度測量方法進行說 明。用戶根據(jù)薄膜F (測量對象)的透射特性和結(jié)構(gòu)在設(shè)置部分22 中預(yù)設(shè)多個波長范圍、針對層Ll至L3的每個波長的折射系數(shù)和峰值 檢測范圍。用戶預(yù)先將薄膜F的流動速度輸入線速度輸入部分17。 在定時生成部分18中，已經(jīng)設(shè)置了薄膜F的測量間隔。
一旦開始對薄膜F進行薄膜厚度測量，就在定時生成部分18中 基于從線速度輸入部分17輸入的薄膜F流動速度以及預(yù)設(shè)的薄膜F 的測量間隔來生成定時信號Tl和T2。這些定時信號Tl和T2被分別 輸出至分光器14a和14b。當定時信號Tl和T2被輸入至分光器14a 和14b之后，在分光器14a和14b中基于定時信號Tl和T2生成同步 信號S1和S2，將其分別輸出至氙閃光燈lla和llb。于是開始從氙 閃光燈lla和llb發(fā)光。
從氙閃光燈11 a發(fā)出的脈沖白光從層L1側(cè)經(jīng)照射光纖12 a照射 在薄膜F上。類似地，從氤閃光燈11b發(fā)出的脈沖白光從層L3側(cè)經(jīng) 照射光纖12b照射在薄膜F上。圖2是示意性示出由薄膜厚度測量裝置1照射到薄膜F上的白光中的具有低透射比波長范圍的光被反射和 吸收的狀態(tài)的示圖。為便于理解，圖2示出白光斜入射在薄膜F上的
狀態(tài)。然而實際中白光基本上是垂直入射在薄膜F上的。
從薄膜F的層Ll側(cè)照射的白光中具有低透射比波長范圍的光被 薄膜F吸收。因此，如圖2所示，從薄膜F的一個最頂表面IS1反射 的光RL1或者從靠近于該最頂表面IS1的交界面(層Ll和層L2之間 的交界面)反射的光RL2返回至光接收光纖13a的入射端。由于從薄 膜F的另一最頂表面IS2反射的光RL3或者從靠近于該最頂表面IS2 的交界面反射的光RL4被薄膜F吸收，因此返回光接收光纖13a的入 射端的光量極小。
另一方面，對于從薄膜F的層Ll側(cè)照射的白光中具有高透射比 波長范圍的光來說，其返回至光接收光纖13a的入射端，而無論其是 從薄膜F的最頂表面IS1反射或者從靠近于最頂表面IS1的交界面反 射，還是從薄膜F的最頂表面IS2反射或者從靠近于最頂表面IS2 的交界面反射?！?br> 因此，如果使用了低透射比波長范圍的光，則可以得到薄膜F 靠近最頂表面IS1的部分的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。另一方面，如果使用 了具有高透射比波長范圍的光，則可以得到薄膜F的整個結(jié)構(gòu)(薄膜 厚度)。
類似地，從薄膜F的層L3側(cè)照射的白光中具有低透射比波長范 圍的光易于被薄膜F吸收，并且其很少吸收具有高透射比波長范圍的 光。因此，如果使用了具有低透射比波長范圍的光，則可以得到薄膜 F靠近最頂表面IS2的部分的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。如果使用了具有高 透射比波長范圍的光，則可以得到薄膜F的整個結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。
入射到光接收光纖13a和13b中的反射光分別被引導(dǎo)至分光器 14a和14b。被引導(dǎo)來的反射光在分光器14a和14b中被色散，并進 一步進行光電轉(zhuǎn)換。于是從分光器14a和14b中獲得指示反射光譜的 光譜數(shù)據(jù)Dl和D2。從分光器14a和14b輸出的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2被 計算部分15的光譜數(shù)據(jù)獲取部分21所獲取。光譜數(shù)據(jù)獲取部分21 將所獲取的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2輸出至波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23。波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23從來自光譜數(shù)據(jù)獲取部分21的指示反射光譜
的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2中選擇處在由設(shè)置部分22所設(shè)置的波長范圍內(nèi) 的光譜數(shù)據(jù)。即是說，從光譜數(shù)據(jù)Dl和D2中選擇指示了處在對于薄 膜F具有低透射比的波長范圍內(nèi)的反射光譜的光譜數(shù)據(jù)，和指示了處 在對于薄膜F具有高透射比的波長范圍內(nèi)的反射光譜的光譜數(shù)據(jù)。
波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23把處在所述波長范圍內(nèi)的反射光譜轉(zhuǎn)換成這樣 的波數(shù)范圍反射光譜，該波數(shù)范圍反射光譜是通過對選定的光譜數(shù)據(jù) 執(zhí)行預(yù)定處理從而以等波數(shù)間隔重排序的處在該波長范圍內(nèi)的反射 光譜。從波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23輸出的波數(shù)范圍反射光譜被輸入傅立葉變 換部分24。傅立葉變換部分24對輸入的波數(shù)范圍反射光譜執(zhí)行傅立 葉變換。這樣，可以獲知在層U側(cè)得到的反射光中處在由設(shè)置部分 22設(shè)定的每個波長范圍內(nèi)的功率譜。此外，可以獲知在層L3側(cè)得到 的反射光中處在由設(shè)置部分22設(shè)定的每個波長范圍內(nèi)的功率譜。
圖3是示出從層Ll側(cè)的反射光得到的功率譜的示例的曲線圖， 其中所述反射光由薄膜厚度測量裝置1照射的白光產(chǎn)生。在圖3中， 實曲線PS1示出處在對于薄膜F具有高透射比的波長范圍內(nèi)的功率 譜。虛曲線PS2示出處在對于薄膜F具有低透射比的波長范圍內(nèi)的功 率譜。在圖3所示的圖中，水平軸代表光學(xué)薄膜厚度，豎軸代表強度 (任意單位)。
參考圖3，即使在光學(xué)薄膜厚度近似為45um的情況下，在功率 譜PS1中也會出現(xiàn)峰值，其中PS1示出處在高透射比波長范圍內(nèi)的功 率譜。另一方面，在光學(xué)薄膜厚度不低于10uni的情況下，在PS2 中不出現(xiàn)峰值，其中PS2示出處在低透射比波長范圍內(nèi)的功率譜。這 是由于前文參照圖2所說明的原因。g卩，在高透射比波長范圍內(nèi)，得 到來自最頂表面IS2的反射光。另一方面，在低透射比波長范圍內(nèi)， 由于薄膜F的吸收，難以得到來自最頂表面IS2和來自處在層L2與 L3之間的交界面的反射光。
參考圖3，可以看到，在光學(xué)薄膜厚度不超過10ixm的范圍內(nèi)， 用實線表示的功率譜PS1和用虛線表示的功率譜PS2是明顯地分開 的，其中PS1示出處在高透射比波長范圍內(nèi)的功率譜，PS2示出處在低透射比波長范圍內(nèi)的功率譜。表示處在低透射比波長范圍內(nèi)的功率 譜的功率譜PS2示出了靠近最頂表面IS1的部分的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。
因此，即使薄膜F的層L1和層L2的薄膜厚度彼此基本相同，也能夠 高精度地單獨獲知靠近最頂表面IS1的層Ll的光學(xué)薄膜厚度。根據(jù) 表示處在高透射比波長范圍內(nèi)的功率譜的功率譜PS1，可以高精度地 獲知整個薄膜F的光學(xué)薄膜厚度。
對于圖3所示的情況，從層L3側(cè)的反射光中，也可以得到處在 高透射比波長范圍內(nèi)的功率譜和處在低透射比波長范圍內(nèi)的功率譜。 處在低透射比波長范圍內(nèi)的功率譜示出了靠近最頂表面IS2的部分 的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。因此，即使薄膜F的層Ll和層L3的薄膜厚度 彼此基本相同，也能夠高精度地單獨獲知靠近最頂表面IS2的層L3 的光學(xué)薄膜厚度。
在傅立葉變換部分24中得到的功率譜被輸出至峰值檢測部分 25。峰值檢測部分25從輸入的功率譜中檢測處在由設(shè)置部分22設(shè)定 的峰值檢測范圍內(nèi)的功率譜的峰值。結(jié)果，可以獲知薄膜F的層L1 和L3的光學(xué)薄膜厚度和整個薄膜F的光學(xué)薄膜厚度。當檢測到功率 譜的峰值時，薄膜厚度運算部分26使用已得到的光學(xué)薄膜厚度和在 設(shè)置部分22中設(shè)定的折射系數(shù)來得到薄膜F的實際薄膜厚度。
具體來說，如下文所述得到薄膜厚度。在峰值檢測部分25中得 到的薄膜F的層Ll和L3的光學(xué)薄膜厚度以及整個薄膜F的光學(xué)薄膜 厚度被分別記做h、 12和13。層Ll至L3的低透射比波長范圍內(nèi)的 折射系數(shù)分別記做nn至1113。高透射比波長范圍內(nèi)的折射系數(shù)分別記 做1121至1123。薄膜厚度運算部分26使用下面的表達式(1)來得到薄 膜F的層Ll至L3的薄膜厚度ch至d3。
di = li/ nil
d2 = (h-(di n21+d3 n23))/ri22 d3 = W n13 (3) 當薄膜F的各個層Ll至L3的薄膜厚度已計算得到，則在顯示 部分16上顯示計算結(jié)果。除了各個層Ll至L3的薄膜厚度的計算結(jié) 果，在光譜數(shù)據(jù)獲取部分21中獲取的光譜數(shù)據(jù)Dl和D2或者在傅立葉變換部分24中轉(zhuǎn)換得到的功率譜也可以顯示在顯示部分16上。通 過參考顯示部分16的顯示內(nèi)容，用戶可以對薄膜F是否被制造成設(shè) 計的那樣進行確認。基于在上述處理中測量得到的薄膜厚度，可以對 制造薄膜F的制造設(shè)備進行自動控制，以使各個層Ll至L3的薄膜厚 度與設(shè)計值相匹配。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的薄膜厚度測量裝置的主要 部分構(gòu)造的框圖。如圖4所示，本實施例的薄膜厚度測量裝置2包括 白光源器件31、快門(shutter) 31a和31b、照射光纖32a和32b、 光接收光纖33a和33b、分光器34和計算部分35。薄膜厚度測量裝 置2對由多個層Ll至L3形成的薄膜F的薄膜厚度進行測量。如圖第 一實施例的情況，薄膜F是多層薄膜，諸如柔性基片、多層合成薄膜 片、和其它種類的多層薄膜。
白光源器件31是發(fā)射寬波長范圍(數(shù)百至一千幾百納米)的要 照射到薄膜F上的白光的光源。白光源器件31不同于圖l所示的氙 閃光燈lla和llb。白光源器件31連續(xù)地發(fā)射白光。快門31a和31b 基于從計算部分35輸出的快門控制信號SC1和SC2對白光源器件31 和照射光纖32a之間的光路以及白光源器件31同照射光纖32b之間 的光路的打開和關(guān)閉進行控制。
同圖1所示的照射光纖12a和12b —樣，照射光纖32a和32b 是光導(dǎo)部件。光纖32a和32b對從白光源器件31發(fā)射并且通過了快 門3la和31b的白光進行引導(dǎo)，以使白光照射在薄膜F上。具體來說， 照射光纖32a對通過了快門31a的白光進行引導(dǎo)以使白光從層Ll側(cè) 照射到薄膜F上。照射光纖3 2 b對通過了快門31 b的白光進行引導(dǎo)以 使白光從層L3側(cè)照射到薄膜F上。
光接收光纖33a和33b是光導(dǎo)部件，其將反射自薄膜F層Ll側(cè) 的光以及反射自層L3側(cè)的光分別引導(dǎo)至分光器34。光接收光纖33a 的入射端被布置在薄膜F的層Ll側(cè)。光接收光纖13a將層Ll側(cè)的反 射光引導(dǎo)至分光器14a。光接收光纖33b的入射端被布置在薄膜F的層L3側(cè)。在本實施例中，這些入射端可以被布置在垂直于薄膜F的軸上。
分光器34具有諸如棱鏡和衍射光柵的色散器件，以及諸如CCD 的光電轉(zhuǎn)換器件。分光器34分別對光接收光纖33a和33b所引導(dǎo)的 反射自薄膜F的光進行色散，對色散后的光執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，并輸出指 示了反射光譜的光譜數(shù)據(jù)Dll。計算部分35包括光譜數(shù)據(jù)獲取部 分21、設(shè)置部分22、波數(shù)轉(zhuǎn)換部分23、傅立葉變換部分24、峰值檢 測部分25、和薄膜厚度運算部分26，如圖1所示。計算部分35對輸 出自分光器34的光譜數(shù)據(jù)Dll執(zhí)行預(yù)定的計算，以測量薄膜F的薄 膜厚度。另外，計算部分35還生成快門控制信號SC1和SC2以控制 快門31a和31b的打開和關(guān)閉。
接下來，對根據(jù)本發(fā)明第二實施例的薄膜厚度測量方法進行說 明。如同第一實施例的情況，用戶根據(jù)薄膜F (測量對象)的透射特 性和結(jié)構(gòu)在計算都分35中的設(shè)置部分22 (圖4中未示出)中預(yù)設(shè)多 個波長范圍、針對-層Ll至L3的每個波長的折射系數(shù)和峰值檢測范圍。
當開始對薄膜F進行薄膜厚度測量時，計算部分35輸出快門控 制信號SC1，使快門31a進入打開狀態(tài)。于是，從白光源器件31發(fā) 射的白光從層L1側(cè)經(jīng)快門31a和照射光纖32a照射到薄膜F上。照 射在薄膜F的層Ll側(cè)的白光反射光在光接收光纖33a的入射端進入。 入射在光接收光纖33a上的反射光被引導(dǎo)至分光器34以進行色散， 并且隨后進行光電轉(zhuǎn)換。
這樣，分光器34得到光譜數(shù)據(jù)D11， Dll表示從薄膜F的層Ll 側(cè)得到的反射光的反射光譜。分光器34將此光譜數(shù)據(jù)Dll輸出至計 算部分35。當此光譜數(shù)據(jù)D11被輸入至計算部分35之后，執(zhí)行與第 一實施例類似的處理來獲得功率譜，從而計算出薄膜F的層Ll的光 學(xué)薄膜厚度和整個薄膜F的光學(xué)薄膜厚度。
當上述處理完成后，停止輸出快門控制信號SC1并且使快門31a 進入關(guān)閉狀態(tài)，并且計算部分35輸出快門控制信號SC2以使快門31b 進入打開狀態(tài)。于是，從白光源器件31發(fā)射的白光從層L3側(cè)經(jīng)快門 31b和照射光纖32b照射到薄膜F上。從薄膜F的層L3側(cè)反射的白光在光接收光纖33b的入射端進入。
光接收光纖33b把進入的反射光引導(dǎo)至分光器34，并且分光器 34對導(dǎo)入的反射光進行色散和光電轉(zhuǎn)換。
這樣，從分光器34得到光譜數(shù)據(jù)Dll， D11表示從薄膜F的層 L3側(cè)得到的反射光的反射光譜。分光器34將此光譜數(shù)據(jù)Dll輸出至 計算部分35。當此光譜數(shù)據(jù)D11被輸入至計算部分35之后，執(zhí)行與 第一實施例類似的處理來獲得功率譜。根據(jù)此功率譜計算出薄膜F 的層L3的光學(xué)薄膜厚度和整個薄膜F的光學(xué)薄膜厚度。
通過執(zhí)行上述處理，可以計算出薄膜F的層L1的光學(xué)薄膜厚度、 層L3的光學(xué)薄膜厚度和整個薄膜F的光學(xué)薄膜厚度?；谶@些光學(xué) 厚度值，計算部分35使用表達式(1)來分別計算形成了薄膜F的層 L1到L3的薄膜厚度。此后，重復(fù)執(zhí)行與上述處理類似的處理，來測 量薄膜F另一部分的薄膜厚度或者測量另一薄膜F的薄膜厚度。
本實施例的薄膜厚度測量裝置2不僅可以用于對流動薄腠F的 薄膜厚度進行測量的情況，還可以用于對固定薄膜F的薄膜厚度進行 測量的情況。在對固定薄膜F的薄膜厚度進行測量的情況下，其構(gòu)造 會省去快門31b、照射光纖32b和光接收光纖33b。在此構(gòu)造中，白 光從層L1側(cè)照射到薄膜F上以執(zhí)行測量。于是，可以高精度地測量 層L1側(cè)的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。此外，在把白光從層Ll側(cè)照射到薄膜 F上并執(zhí)行測量之后，將薄膜F翻轉(zhuǎn)。在薄膜F已翻轉(zhuǎn)的情況下，白 光從層L3側(cè)照射到薄膜F上以執(zhí)行測量。結(jié)果，可以高精度地對層 L1側(cè)和層L3側(cè)的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)進行測量。
如上所述，在本實施例中，執(zhí)行下述處理。即，獲得通過把白 光照射在薄膜F上而得到的反射光的反射光譜。在這些反射光譜中， 通過對處在多個預(yù)設(shè)波長范圍(例如，相對薄膜F的高透射比波長范 圍和低透射比波長范圍)內(nèi)的反射光譜以等波數(shù)間隔進行重排序而將 其分別轉(zhuǎn)換成波數(shù)范圍反射光譜。這些轉(zhuǎn)換得到的波數(shù)范圍反射光譜 被分別轉(zhuǎn)換成功率譜。根據(jù)功率譜的峰值計算出形成薄膜F的層Ll 至L3的薄膜厚度。因此，可以得到靠近薄膜F頂表面的部分的結(jié)構(gòu) (薄膜厚度)和整個薄膜F的結(jié)構(gòu)(薄膜厚度)。于是，即使在薄膜F中存在多個具有相近薄膜厚度的層，也能夠在短時間段內(nèi)高精度地 獨立測量得到每一層的薄膜厚度。
已經(jīng)對根據(jù)本發(fā)明實施例的用于測量薄膜厚度的裝置和方法進 行了說明。然而本發(fā)明不限于上述實施例，在不偏離本發(fā)明范圍的情 況下也可以自由地做出改動。例如，在上述實施例中，將測量由三個
層Ll至L3形成的薄膜F的薄膜厚度的情況作為示例。然而，本發(fā)明
可以應(yīng)用于對由超過三個層形成的薄膜的薄膜厚度進行測量的情況。 在測量點不會顯著改變薄膜厚度、或者要求的測量精度不高的情況
下，可以省去線速度輸入部分17和定時生成部分18中的一個或全部。 另外，文中例示了為多層薄膜設(shè)置帶有不同透射比的多個波長 范圍、以便同時測量每個層的薄膜厚度和整個薄膜的薄膜厚度的情 況。然而，也可以設(shè)置帶有相同透射比的多個波長范圍。這有利于對 各層厚度差別較大的多個層進行測量。
權(quán)利要求
1.一種薄膜厚度測量裝置，包括光源，其發(fā)射將要照射在多層薄膜上的白光；分光器，其對由于將白光照射在多層薄膜上而得到的反射光進行色散以得到反射光譜；和計算部分，所述計算部分包括設(shè)置部分，其為反射光譜設(shè)置多個波長范圍；第一轉(zhuǎn)換部分，其通過分別對反射光譜中的處在由所述設(shè)置部分設(shè)定的多個波長范圍內(nèi)的反射光譜進行等間隔重排序來獲得波數(shù)范圍反射光譜；第二轉(zhuǎn)換部分，其將在所述第一轉(zhuǎn)換部分中得到的處在多個波長范圍內(nèi)的波數(shù)范圍反射光譜分別轉(zhuǎn)換成功率譜；以及運算部分，其基于功率譜得到多層薄膜的薄膜厚度。
2. 如權(quán)利要求1所述的薄膜厚度測量裝置，其中 所述設(shè)置部分為反射光譜設(shè)置多個對多層薄膜具有不同透射比的波長范圍。
3. 如權(quán)利要求1所述的薄膜厚度測量裝置，其中 所述光源是發(fā)射脈沖白光的脈沖光源，并且所述薄膜厚度測量裝置進一步包括定時生成部分，其生成用于 對所述脈沖光源的發(fā)光定時、和在所述分光器中得到反射光的定時進 行規(guī)定的定時信號。
4. 如權(quán)利要求3所述的薄膜厚度測量裝置，進一步包括 速度輸入部分，其接收多層薄膜的流動速度的輸入， 所述定時生成部分基于從所述速度輸入部分輸入的流動速度以及測量點的間隔來生成定時信號，其中在測量點對多層薄膜的薄膜厚 度進行測量。
5. 如權(quán)利要求l所述的薄膜厚度測量裝置，其中 所述光源包括第一光源，將白光照射在多層薄膜的一個表面上；和 第二光源，將白光照射在多層薄膜的另一個表面上。
6. 如權(quán)利要求1所述的薄膜厚度測量裝置，其中 所述分光器包括第一分光器，其對通過將白光從所述第一光源照射到多層薄膜 的一個表面上而得到的反射光進行色散來獲得第一反射光譜；和第二分光器，其對通過將白光從所述第二光源照射到多層薄膜 的另一個表面上而得到的反射光進行色散來獲得第二反射光譜。
7. 如權(quán)利要求6所述的薄膜厚度測量裝置，其中所述計算部分在所述第一轉(zhuǎn)換部分、所述第二轉(zhuǎn)換部分和所述 運算部分中對由所述第一分光器和所述第二分光器分別得到的第一反射光譜和第二反射光譜執(zhí)行處理。
8. 如權(quán)利要求2所述的薄膜厚度測量裝置，其中 在由所述設(shè)置部分設(shè)置的多個波長范圍中至少一個波長范圍是具有不超過50%的透射比的波長范圍。
9. 一種薄膜厚度測量方法，包括 設(shè)置步驟，為反射光譜設(shè)置多個波長范圍；第一轉(zhuǎn)換步驟，通過對由白光照射在多層薄膜上而得到的反射 光進行色散來得到反射光譜，并且通過分別對反射光譜中的處在由設(shè) 置步驟設(shè)定的多個波長范圍內(nèi)的反射光譜進行等間隔重排序來獲得 波數(shù)范圍反射光譜；第二轉(zhuǎn)換步驟，將在第一轉(zhuǎn)換步驟中得到的多個波長范圍內(nèi)的 波數(shù)范圍反射光譜分別轉(zhuǎn)換成功率譜；和厚度運算步驟，基于功率譜得到多層薄膜的薄膜厚度。
全文摘要
本發(fā)明的薄膜厚度測量裝置包括光源，其發(fā)射將要照射在多層薄膜上的白光；分光器，其對由于將白光照射在多層薄膜上而得到的反射光進行色散以得到反射光譜；和計算部分，所述計算部分包括設(shè)置部分，其為反射光譜設(shè)置多個波長范圍；第一轉(zhuǎn)換部分，其通過分別對反射光譜中的處在由所述設(shè)置部分設(shè)定的多個波長范圍內(nèi)的反射光譜進行等間隔重排序來獲得波數(shù)范圍反射光譜；第二轉(zhuǎn)換部分，其將在所述第一轉(zhuǎn)換部分中得到的多個波長范圍內(nèi)的波數(shù)范圍反射光譜分別轉(zhuǎn)換成功率譜；以及運算部分，其基于功率譜得到多層薄膜的薄膜厚度。
文檔編號G01B11/06GK101294795SQ200810093249
公開日2008年10月29日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者西田和史, 角田重幸 申請人:橫河電機株式會社