CN101294795B - 测量薄膜厚度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的薄膜厚度测量装置包括：光源，其发射将要照射在多层薄膜上的白光；分光器，其对由于将白光照射在多层薄膜上而得到的反射光进行色散以得到反射光谱；和计算部分，所述计算部分包括：设置部分，其为反射光谱设置多个波长范围；第一转换部分，其通过分别对反射光谱中的处在由所述设置部分设定的多个波长范围内的反射光谱进行等间隔重排序来获得波数范围反射光谱；第二转换部分，其将在所述第一转换部分中得到的多个波长范围内的波数范围反射光谱分别转换成功率谱；以及运算部分，其基于功率谱得到多层薄膜的薄膜厚度。

Description

测量薄膜厚度的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于测量多层薄膜的薄膜厚度的测量装置和方法。

本申请要求2007年4月25日提交的日本专利申请No.2007-115488的优先权，其内容通过引用并入本文。

背景技术

薄膜厚度测量装置用于测量多层薄膜的薄膜厚度分布和薄膜厚度误差，所述多层薄膜包括柔性基片、多层合成薄膜片、和其它种类的多层薄膜。图5是示出传统薄膜厚度测量装置的示意构造的示图。如图5所示，传统薄膜厚度测量装置100具有白光源器件101、照射光纤(irradiation fiber)102、光接收光纤103、分光器104、计算部分105。薄膜厚度测量装置100对由多个层201至203形成的薄膜200的厚度进行测量。

白光源器件101是发射白光的光源。照射光纤102是光导部件，其将发射自白光源器件101的光引导至薄膜200以使光照射在薄膜200上。光接收光纤103是光导部件，其将来自薄膜200的反射光引导至分光器104。

分光器104对由光接收光纤103引导的来自薄膜200的反射光进行色散，并进一步将其转换成电信号以获得反射光谱。

计算部分105对在分光器104中获得的反射光谱执行预定的计算以测量薄膜200的薄膜厚度。具体来说，计算部分105执行计算以在获自分光器104的反射光谱中选择预定的波长范围，并且执行计算以通过在选定的波长范围内对反射光谱进行等间隔重排序来获得波数(wavenumber)范围反射光谱。接下来，计算部分105执行计算以获得功率谱，即对指示波数范围反射光谱的信号执行傅立叶变换。接下来，计算部分105执行计算来检测功率谱的峰值。

在上述构造中，通过照射光纤102将发射自白光源器件101的光引导以使光从层201侧照射在薄膜200上。在由于将白光照射在薄膜200上而得到的反射光中，传入光接收光纤103的反射光通过光接收光纤103被引导至分光器104。此反射光在分光器104中被色散，并且进一步进行光电转换。通过光电转换而获得的电信号被输入计算部分105，并且进行各种上述计算处理。通过这些计算来获得薄膜200的薄膜厚度。

在形成了薄膜200的各个层201到层203的每个交界面上反射的白光依据各个交界面之间的距离(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，于是在波数范围反射光谱中出现环形干涉图案。通过对此环形干涉图案执行傅立叶变换而得到的功率谱会依据光程差的不同而在某个频率处具有峰值。因此，通过检测此峰值就能得到光程长度差(光学薄膜厚度)。

图6示出由薄膜厚度测量装置100得到的功率谱的示例。图6所示的薄膜厚度测量结果是对由层201、层202和层203形成的薄膜200进行测量的结果。薄膜201的折射系数为1.6，薄膜厚度为5μm。薄膜202的折射系数为1.7，薄膜厚度为12μm。薄膜203的折射系数为1.6，薄膜厚度为3μm。层201至203的光学薄膜厚度可以由薄膜厚度与其折射系数的乘积得到，即8.0μm、20.4μm和4.8μm。另外，在图6所示的图表中，水平轴代表光学薄膜厚度，竖直轴代表强度(任意单位)。

参照图6，可以看到出现了多个峰值。这些峰值的水平位置指示各个交界面之间的光程，而峰值的高度指示两个交界面上幅度反射率的乘积。具体地说，图6中有6个峰值出现。第一峰值P101出现在4.8μm处，指示层203的光学薄膜厚度。第二峰值P102出现在8.0μm处，指示层201的光学薄膜厚度。第三峰值P103出现在20.4μm处，指示层202的光学薄膜厚度。

第四峰值P104出现在25.2μm处，指示层202和203的光学薄膜厚度之和。第五峰值P105出现在28.4μm处，指示层201和202的光学薄膜厚度之和。第六峰值P106出现在33.2μm处，指示层201至203的光学薄膜厚度之和(即薄膜200的光学薄膜厚度)。因此，根据功率谱的峰值的位置，形成薄膜200的各个层201至203的光学薄膜厚度以及薄膜200的光学薄膜厚度即可得到。

关于传统的测量薄膜厚度的装置和方法的细节，例如可参考日本未审查专利申请第一公开No.2005-308394和日本未审查专利申请第一公开No.Hei 11-314298。

在上述用于测量薄膜厚度的传统装置和方法中获得的功率谱峰值的位置指示各个交界面之间的光学距离。因此存在如下问题，即无法从功率谱中直接得到已获得峰值的最顶部表面交界面(层201与空气之间的交界面)的位置。也即，在图6所示的示例中，层201至203的薄膜厚度和折射系数是预知的。因此，可以确定出现在4.8μm处的峰值指示层203的光学薄膜厚度。然而，在层201至203的薄膜厚度和折射系数未知的情况下，无法认定出现在4.8μm处的峰值指示了层203的光学薄膜厚度。

在用于测量薄膜厚度的传统装置和方法中，在对具有多个层(各层基本具有相等的光学薄膜厚度)的多层薄膜进行测量时，功率谱的各个峰值彼此重叠。因此，用于测量薄膜厚度的传统装置和方法具有无法对仅只一层的光学薄膜厚度进行测量的问题。图7A和图7B示出由传统的薄膜厚度测量装置100得到的功率谱的另一个示例。图7A和图7B示出对由层201、层202和层203构成的薄膜200的光学薄膜厚度测量结果。薄膜201的折射系数为1.6，层201的薄膜厚度为3μm。薄膜202的折射系数为1.7，层202的薄膜厚度为12.7μm。薄膜203的折射系数为1.6，层203的薄膜厚度为3.2μm。

参考图7A，来自层201相关交界面的反射光与来自层203相关交界面的反射光彼此干扰。此干扰产生峰值P201，峰值P201基本上为指示层201光学薄膜厚度的峰值与指示层203光学薄膜厚度的峰值的均值。类似地，干扰产生峰值P203，峰值P203基本上为指示层201和层202的光学薄膜厚度之和的峰值与指示层201和层203的光学薄膜厚度之和的峰值的均值。参考图7B，来自层201相关交界面的反射光与来自层203相关交界面的反射光彼此抵消。于是，获得了具有极小值的峰值P301和P303。如果使用这些峰值P201、P203、P301和P303来测量薄膜厚度，则会有发生显著测量错误的问题。

近年来，为获得高性能(high function)薄膜等，通常使用关于中心对称的结构(此后成为对称结构)。例如常使用下列结构。即，“ABA”结构，其中中心层为“B”并且层“B”被具有相同薄膜厚度的层“A”夹在中间，或者“ABCBA”结构，其中中心层为“C”。当使用传统的测量薄膜厚度的装置和方法来测量具有这种对称结构的多层薄膜的薄膜厚度时，通常由于上述参照图7A和图7B说明的原因导致测量中出现问题。因此，迫切需要开发出对对称结构多层薄膜的每个层的薄膜厚度进行在线测量的技术。

如果提取出制造好的多层薄膜并使用垂直扫描型白光干涉仪进行离线测量，也可以测量多层薄膜每一层的薄膜厚度，即使其具有对称结构。然而这种测量方法的问题在于，在一点处的测量需要数十秒至数分钟的一段时间。另外，由于测量占用较长时间，则存在如下问题：即由于测量期间多层薄膜的颤动而导致测量结果出现误差，并且多层薄膜越薄则误差越明显。

发明内容

本发明考虑了上述情形。本发明的目的是提供用于测量薄膜厚度的装置和方法，该装置和方法能够在短时间段内以高精度对多层薄膜的每一层的薄膜厚度进行独立测量，即使多层薄膜中包含多个具有相同薄膜厚度的层。

为了解决上述问题，本发明的薄膜厚度测量装置包括：光源，其发射将要照射在多层薄膜上的白光；分光器，其对由于将白光照射在多层薄膜上而得到的反射光进行色散以得到反射光谱；和计算(computation)部分，所述计算部分包括：设置部分，其为反射光谱设置多个波长范围；第一转换部分，其通过分别对反射光谱中的处在由所述设置部分设定的多个波长范围内的反射光谱进行等间隔重排序来获得波数范围反射光谱；第二转换部分，其将在所述第一转换部分中得到的多个波长范围内的波数范围反射光谱分别转换成功率谱；以及运算(calculation)部分，其基于功率谱得到多层薄膜的薄膜厚度。

按照这种配置，当把白光从光源照射在多层薄膜上，被其反射的光在分光器中被色散，并且得到反射光谱。在这些反射光谱中，处在由设置部分设定的多个波长范围内的反射光谱被分别转换成波数范围反射光谱。随后，各个波数范围反射光谱分别被转换成功率谱。然后基于这些功率谱可以得到多层薄膜的薄膜厚度。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，所述设置部分可以为反射光谱设置多个对多层薄膜具有不同透射比(transmittance)的波长范围。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，所述光源可以为发射脉冲白光的脉冲光源，并且所述薄膜厚度测量装置可以进一步包括定时生成部分，其生成用于对所述脉冲光源的发光定时、和在所述分光器中得到反射光的定时进行规定的定时信号。

本发明的薄膜厚度测量装置可以进一步包括速度输入部分，其接收多层薄膜的流动速度的输入，所述定时生成部分基于从所述速度输入部分输入的流动速度以及测量点的间隔来生成定时信号，其中在测量点对多层薄膜的薄膜厚度进行测量。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，所述光源可以包括：第一光源，将白光照射在多层薄膜的一个表面上；和第二光源，将白光照射在多层薄膜的另一个表面上。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，所述分光器可以包括：第一分光器，其对通过将白光从所述第一光源照射到多层薄膜的一个表面上而得到的反射光进行色散来获得第一反射光谱；和第二分光器，其对通过将白光从所述第二光源照射到多层薄膜的另一个表面上而得到的反射光进行色散来获得第二反射光谱。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，所述计算部分可以在所述第一转换部分、所述第二转换部分和所述运算部分中对由所述第一分光器和所述第二分光器分别得到的第一反射光谱和第二反射光谱执行处理。

在本发明的薄膜厚度测量装置中，在由所述设置部分设置的多个波长范围中至少一个波长范围可以是具有不超过50％的透射比的波长范围。

本发明的薄膜厚度测量方法包括：设置步骤，为多层薄膜设置多个带有不同透射比的波长范围；第一转换步骤，通过对由白光照射在多层薄膜上而得到的反射光进行色散来得到反射光谱，并且通过分别对反射光谱中的处在由设置步骤设定的多个波长范围内的反射光谱进行等间隔重排序来获得波数范围反射光谱；第二转换步骤，将在第一转换步骤中得到的多个波长范围内的波数范围反射光谱分别转换成功率谱；和厚度运算步骤，基于功率谱得到多层薄膜的薄膜厚度。

根据本发明，从由于白光照射在多层薄膜上而得到的反射光的反射光谱中，依据处在由设置部分设置的多个波长范围(例如，相对多层薄膜的高透射比波长范围和低透射比波长范围)内的反射光谱得到多个功率谱。基于这多个功率谱进一步得到多层薄膜的薄膜厚度。因此，可以得到靠近多层薄膜顶表面的部分的薄膜厚度和整个多层薄膜的厚度。于是，即使多层薄膜中存在多个具有相近薄膜厚度的层，也能够得到如下效果，即每一层的薄膜厚度都能够独立地在短时间段内以高精度测量得到。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的薄膜厚度测量装置的主要部分构造的框图。

图2是示意性示出由图1所示薄膜厚度测量装置照射到薄膜上的白光中的具有低透射比波长范围的光被反射和吸收的状态的示图。

图3是示出从层L1侧的反射光得到的功率谱的示例的曲线图，其中所述反射光由图1所示薄膜厚度测量装置照射的白光产生。

图4是示出根据本发明第二实施例的薄膜厚度测量装置的主要部分构造的框图。

图5是示出传统薄膜厚度测量装置的示意构造的示图。

图6是示出通过传统薄膜厚度测量装置得到的功率谱的示例的曲线图。

图7A是示出通过传统薄膜厚度测量装置得到的功率谱的另一个示例的曲线图。

图7B是示出通过传统薄膜厚度测量装置得到的功率谱的再一个

示例的曲线图。

具体实施方式

下面参考附图对根据本发明实施例的用于测量薄膜厚度的装置和方法进行详细说明。

[第一实施例]

图1是示出根据本发明第一实施例的薄膜厚度测量装置的主要部分构造的框图。如图1所示，本实施例的薄膜厚度测量装置1包括：氙闪光灯11a(第一光源)、氙闪光灯11b(第二光源)、照射光纤12a和12b、光接收光纤13a和13b、分光器14a(第一分光器)、分光器14b(第二分光器)、计算部分15、显示部分16、线速度输入部分17、和定时生成部分18。薄膜厚度测量装置1对由多个层L1至L3形成的薄膜F的薄膜厚度进行测量。薄膜F是多层薄膜，诸如柔性基片、多层合成薄膜片、和其它种类的多层薄膜。氙闪光灯11a和11b发射宽波长范围(数百至一千几百纳米)的要照射到薄膜F上的白光。氙闪光灯11a和11b是脉冲光源，其发射与输出自分光器14a和14b的同步信号S1和S2同步的白光。照射光纤12a和12b是光导部件，其将从氙闪光灯11a和11b发射的脉冲白光引导至薄膜F以使白光照射在薄膜F上。具体来说，照射光纤12a对发射自氙闪光灯11a的白光进行引导，以使得光从层L1侧照射在薄膜F上。照射光纤12b对发射自氙闪光灯11b的白光进行引导，以使得光从层L3侧照射在薄膜F上。

光接收光纤13a和13b是光导部件，其将反射自薄膜F的光分别引导至分光器14a和14b。具体来说，光接收光纤13a的入射端被布置在薄膜F的层L1侧。光接收光纤13a将层L1侧的反射光引导至分光器14a。另一方面，光接收光纤13b的入射端被布置在薄膜F的层L3侧。光接收光纤13b将层L3侧的反射光引导至分光器14b。光接收光纤13a和13b的入射端被布置为使得穿透薄膜F的白光不进入入射端。

分光器14a和14b对光接收光纤13a和13b所引导的反射自薄膜F的光进行色散。此外，分光器14a和14b对色散后的光执行光电转换，并将其输出以作为指示反射光谱的光谱数据D1和D2。具体来说，分光器14a和14b具有诸如棱镜和衍射光栅的色散器件以色散反射光，并且分光器14a和14b还具有诸如CCD(电荷耦合器件)的光电转换器件以对色散光进行光电转换。

计算部分15包括：光谱数据获取部分21、设置部分22、波数转换部分23(第一转换部分)、傅立叶变换部分24(第二转换部分)、峰值检测部分25(运算部分)、和薄膜厚度运算部分26(运算部分)。计算部分15对输出自分光器14a和14b的光谱数据D1和D2执行预定的计算，以得到薄膜F的薄膜厚度。光谱数据获取部分21获取从分光器14a输出的光谱数据D1以及从分光器14b输出的光谱数据D2。即是说，光谱数据获取部分21获取从薄膜F的各个表面得到的反射光谱。

设置部分22为薄膜F设置多个带有不同透射系数的波长范围。

例如，薄膜F具有其透射系数随着波长变短而下降的透射特性，并且薄膜F的透射系数对于不超过500nm的波长不超过50％(0至50％)，而对于不低于500nm的波长则不低于50％(50％到100％)。在这种情况下，将波长不超过500nm(例如300到500nm)的波长范围设置为第一波长范围，将波长不低于500nm(例如500到1000nm)的波长范围设置为第二波长范围。

在这里，为了简化后面的说明，提供了一种情况作为示例，其中在设置部分22中设置了使得薄膜F的透射系数不超过50％的波长不超过500nm的波长范围，和使得薄膜F的透射系数不低于50％的波长不低于500nm的波长范围。确定两个波长范围之间的边界的透射系数可以任意设置。在全部所设置的波长范围中，透射系数并不必总是不低于或者不高于50％。例如，在设置了使得透射系数不超过50％(0至50％)的波长范围的情况下，即使该波长范围内的特定波长使得透射系数超过50％，整个波长范围内的平均透射系数不超过50％(0到50％)也是可以接受的。用户可以根据薄膜F的透射特性自由地在设置部分22中设置波长范围。

设置部分22设置一个范围(此后称为峰值检测范围)以检测用于测量薄膜F厚度的功率谱(在后文中详述)的峰值。例如，在整个薄膜F的光学薄膜厚度不超过40μm的情况下，一个不超过40μm的范围被设置为峰值检测范围。此外，设置部分22针对形成薄膜F的各个层L1到L3的每个波长设置折射系数。从而可以将光学薄膜厚度转换成实际薄膜厚度(物理薄膜厚度)。用户可以根据薄膜F的结构自由地设置上述峰值检测范围和折射系数。

波数转换部分23将特定波长范围内的反射光谱转换成以等波数间隔重排序的波数范围反射光谱。具体地说，波数转换部分23从由光谱数据获取部分21得到的指示反射光谱的各个光谱数据D1和D2中选择处在由设置部分22所设定波长范围内的光谱数据。接下来，波数转换部分23对所选择的光谱数据D1和D2执行预定的处理。这样，波数转换部分23将该波长范围内的反射光谱转换成以等波数间隔重排序的波数范围反射光谱。傅立叶变换部分24对指示了在波数转换部分23中转换得到的波数范围反射光谱的数据执行傅立叶变换，以将其转换成处在由设置部分22设定的各个波长范围内的功率谱。

峰值检测部分25对处在由设置部分22设定的各个波长范围内的功率谱的峰值进行检测。基于功率谱的峰值位置，得到形成薄膜F的各个层L1到L3的光学薄膜厚度以及薄膜F的光学薄膜厚度。薄膜厚度运算部分26使用由设置部分22设定的折射系数来获得薄膜F的实际薄膜厚度。

显示部分16具有诸如CRT(阴极射线显像管)或液晶显示装置的显示装置。显示部分16显示由薄膜厚度运算部分26计算得到的薄膜F的薄膜厚度。尽管图1未示出，但在光谱数据获取部分21中得到的光谱数据D1和D2，或者在傅立叶变换部分24中转换得到的功率谱也可以被显示在显示部分16上。

线速度输入部分17接收薄膜F(测量对象)的流速输入。薄膜F相对于照射光纤12a、12b和光接收光纤13a、13b不是固定的。薄膜F以恒定速度在照射光纤12a和光接收光纤13a之间流动，并且在照射光纤12b和光接收光纤13b之间流动。薄膜F的流动速度从线速度输入部分17输入。在薄膜F的流动速度改变的情况下，优选地是对薄膜F的实际流动速度进行测量，并将测量结果输入线速度输入部分17。

为了以恒定的间隔对以恒定速度流动的薄膜F进行测量，定时生成部分18基于从线速度输入部分17输入的薄膜F的流动速度以及为测量薄膜F而预设的间隔来生成定时信号T1和T2，其中T1和T2规定了分光器14a和14b获得反射光的定时。基于这些定时信号T1和T2分别生成对氙闪光灯11a和11b的发光定时进行规定的同步信号S1和S2。

接下来，对根据本发明第一实施例的薄膜厚度测量方法进行说明。用户根据薄膜F(测量对象)的透射特性和结构在设置部分22中预设多个波长范围、针对层L1至L3的每个波长的折射系数和峰值检测范围。用户预先将薄膜F的流动速度输入线速度输入部分17。在定时生成部分18中，已经设置了薄膜F的测量间隔。

一旦开始对薄膜F进行薄膜厚度测量，就在定时生成部分18中基于从线速度输入部分17输入的薄膜F流动速度以及预设的薄膜F的测量间隔来生成定时信号T1和T2。这些定时信号T1和T2被分别输出至分光器14a和14b。当定时信号T1和T2被输入至分光器14a和14b之后，在分光器14a和14b中基于定时信号T1和T2生成同步信号S1和S2，将其分别输出至氙闪光灯11a和11b。于是开始从氙闪光灯11a和11b发光。

从氙闪光灯11a发出的脉冲白光从层L1侧经照射光纤12a照射在薄膜F上。类似地，从氙闪光灯11b发出的脉冲白光从层L3侧经照射光纤12b照射在薄膜F上。图2是示意性示出由薄膜厚度测量装置1照射到薄膜F上的白光中的具有低透射比波长范围的光被反射和吸收的状态的示图。为便于理解，图2示出白光斜入射在薄膜F上的状态。然而实际中白光基本上是垂直入射在薄膜F上的。

从薄膜F的层L1侧照射的白光中具有低透射比波长范围的光被薄膜F吸收。因此，如图2所示，从薄膜F的一个最顶表面IS1反射的光RL1或者从靠近于该最顶表面IS1的交界面(层L1和层L2之间的交界面)反射的光RL2返回至光接收光纤13a的入射端。由于从薄膜F的另一最顶表面IS2反射的光RL3或者从靠近于该最顶表面IS2的交界面反射的光RL4被薄膜F吸收，因此返回光接收光纤13a的入射端的光量极小。

另一方面，对于从薄膜F的层L1侧照射的白光中具有高透射比波长范围的光来说，其返回至光接收光纤13a的入射端，而无论其是从薄膜F的最顶表面IS1反射或者从靠近于最顶表面IS1的交界面反射，还是从薄膜F的最顶表面IS2反射或者从靠近于最顶表面IS2的交界面反射。

因此，如果使用了低透射比波长范围的光，则可以得到薄膜F靠近最顶表面IS1的部分的结构(薄膜厚度)。另一方面，如果使用了具有高透射比波长范围的光，则可以得到薄膜F的整个结构(薄膜厚度)。

类似地，从薄膜F的层L3侧照射的白光中具有低透射比波长范围的光易于被薄膜F吸收，并且其很少吸收具有高透射比波长范围的光。因此，如果使用了具有低透射比波长范围的光，则可以得到薄膜F靠近最顶表面IS2的部分的结构(薄膜厚度)。如果使用了具有高透射比波长范围的光，则可以得到薄膜F的整个结构(薄膜厚度)。

入射到光接收光纤13a和13b中的反射光分别被引导至分光器14a和14b。被引导来的反射光在分光器14a和14b中被色散，并进一步进行光电转换。于是从分光器14a和14b中获得指示反射光谱的光谱数据D1和D2。从分光器14a和14b输出的光谱数据D1和D2被计算部分15的光谱数据获取部分21所获取。光谱数据获取部分21将所获取的光谱数据D1和D2输出至波数转换部分23。

波数转换部分23从来自光谱数据获取部分21的指示反射光谱的光谱数据D1和D2中选择处在由设置部分22所设置的波长范围内的光谱数据。即是说，从光谱数据D1和D2中选择指示了处在对于薄膜F具有低透射比的波长范围内的反射光谱的光谱数据，和指示了处在对于薄膜F具有高透射比的波长范围内的反射光谱的光谱数据。

波数转换部分23把处在所述波长范围内的反射光谱转换成这样的波数范围反射光谱，该波数范围反射光谱是通过对选定的光谱数据执行预定处理从而以等波数间隔重排序的处在该波长范围内的反射光谱。从波数转换部分23输出的波数范围反射光谱被输入傅立叶变换部分24。傅立叶变换部分24对输入的波数范围反射光谱执行傅立叶变换。这样，可以获知在层L1侧得到的反射光中处在由设置部分22设定的每个波长范围内的功率谱。此外，可以获知在层L3侧得到的反射光中处在由设置部分22设定的每个波长范围内的功率谱。

图3是示出从层L1侧的反射光得到的功率谱的示例的曲线图，其中所述反射光由薄膜厚度测量装置1照射的白光产生。在图3中，实曲线PS1示出处在对于薄膜F具有高透射比的波长范围内的功率谱。虚曲线PS2示出处在对于薄膜F具有低透射比的波长范围内的功率谱。在图3所示的图中，水平轴代表光学薄膜厚度，竖轴代表强度(任意单位)。

参考图3，即使在光学薄膜厚度近似为45μm的情况下，在功率谱PS1中也会出现峰值，其中PS1示出处在高透射比波长范围内的功率谱。另一方面，在光学薄膜厚度不低于10μm的情况下，在PS2中不出现峰值，其中PS2示出处在低透射比波长范围内的功率谱。这是由于前文参照图2所说明的原因。即，在高透射比波长范围内，得到来自最顶表面IS2的反射光。另一方面，在低透射比波长范围内，由于薄膜F的吸收，难以得到来自最顶表面IS2和来自处在层L2与L3之间的交界面的反射光。

参考图3，可以看到，在光学薄膜厚度不超过10μm的范围内，用实线表示的功率谱PS1和用虚线表示的功率谱PS2是明显地分开的，其中PS1示出处在高透射比波长范围内的功率谱，PS2示出处在低透射比波长范围内的功率谱。表示处在低透射比波长范围内的功率谱的功率谱PS2示出了靠近最顶表面IS1的部分的结构(薄膜厚度)。因此，即使薄膜F的层L1和层L2的薄膜厚度彼此基本相同，也能够高精度地单独获知靠近最顶表面IS1的层L1的光学薄膜厚度。根据表示处在高透射比波长范围内的功率谱的功率谱PS1，可以高精度地获知整个薄膜F的光学薄膜厚度。

对于图3所示的情况，从层L3侧的反射光中，也可以得到处在高透射比波长范围内的功率谱和处在低透射比波长范围内的功率谱。处在低透射比波长范围内的功率谱示出了靠近最顶表面IS2的部分的结构(薄膜厚度)。因此，即使薄膜F的层L1和层L3的薄膜厚度彼此基本相同，也能够高精度地单独获知靠近最顶表面IS2的层L3的光学薄膜厚度。

在傅立叶变换部分24中得到的功率谱被输出至峰值检测部分25。峰值检测部分25从输入的功率谱中检测处在由设置部分22设定的峰值检测范围内的功率谱的峰值。结果，可以获知薄膜F的层L1和L3的光学薄膜厚度和整个薄膜F的光学薄膜厚度。当检测到功率谱的峰值时，薄膜厚度运算部分26使用已得到的光学薄膜厚度和在设置部分22中设定的折射系数来得到薄膜F的实际薄膜厚度。

具体来说，如下文所述得到薄膜厚度。在峰值检测部分25中得到的薄膜F的层L1和L3的光学薄膜厚度以及整个薄膜F的光学薄膜厚度被分别记做l₁、l₂和l₃。层L1至L3的低透射比波长范围内的折射系数分别记做n₁₁至n₁₃。高透射比波长范围内的折射系数分别记做n₂₁至n₂₃。薄膜厚度运算部分26使用下面的表达式(1)来得到薄膜F的层L1至L3的薄膜厚度d₁至d₃。

d₁＝l₁/n₁₁

d₂＝(l₃-(d₁·n₂₁+d₃·n₂₃))/n₂₂

d₃＝l₂/n₁₃                      (3)

当薄膜F的各个层L1至L3的薄膜厚度已计算得到，则在显示部分16上显示计算结果。除了各个层L1至L3的薄膜厚度的计算结果，在光谱数据获取部分21中获取的光谱数据D1和D2或者在傅立叶变换部分24中转换得到的功率谱也可以显示在显示部分16上。通过参考显示部分16的显示内容，用户可以对薄膜F是否被制造成设计的那样进行确认。基于在上述处理中测量得到的薄膜厚度，可以对制造薄膜F的制造设备进行自动控制，以使各个层L1至L3的薄膜厚度与设计值相匹配。

[第二实施例]

图4是示出根据本发明第二实施例的薄膜厚度测量装置的主要部分构造的框图。如图4所示，本实施例的薄膜厚度测量装置2包括白光源器件31、快门(shutter)31a和31b、照射光纤32a和32b、光接收光纤33a和33b、分光器34和计算部分35。薄膜厚度测量装置2对由多个层L1至L3形成的薄膜F的薄膜厚度进行测量。如图第一实施例的情况，薄膜F是多层薄膜，诸如柔性基片、多层合成薄膜片、和其它种类的多层薄膜。

白光源器件31是发射宽波长范围(数百至一千几百纳米)的要照射到薄膜F上的白光的光源。白光源器件31不同于图1所示的氙闪光灯11a和11b。白光源器件31连续地发射白光。快门31a和31b基于从计算部分35输出的快门控制信号SC1和SC2对白光源器件31和照射光纤32a之间的光路以及白光源器件31同照射光纤32b之间的光路的打开和关闭进行控制。

同图1所示的照射光纤12a和12b一样，照射光纤32a和32b是光导部件。光纤32a和32b对从白光源器件31发射并且通过了快门31a和31b的白光进行引导，以使白光照射在薄膜F上。具体来说，照射光纤32a对通过了快门31a的白光进行引导以使白光从层L1侧照射到薄膜F上。照射光纤32b对通过了快门31b的白光进行引导以使白光从层L3侧照射到薄膜F上。

光接收光纤33a和33b是光导部件，其将反射自薄膜F层L1侧的光以及反射自层L3侧的光分别引导至分光器34。光接收光纤33a的入射端被布置在薄膜F的层L1侧。光接收光纤13a将层L1侧的反射光引导至分光器14a。光接收光纤33b的入射端被布置在薄膜F的层L3侧。在本实施例中，这些入射端可以被布置在垂直于薄膜F的轴上。

分光器34具有诸如棱镜和衍射光栅的色散器件，以及诸如CCD的光电转换器件。分光器34分别对光接收光纤33a和33b所引导的反射自薄膜F的光进行色散，对色散后的光执行光电转换，并输出指示了反射光谱的光谱数据D11。计算部分35包括：光谱数据获取部分21、设置部分22、波数转换部分23、傅立叶变换部分24、峰值检测部分25、和薄膜厚度运算部分26，如图1所示。计算部分35对输出自分光器34的光谱数据D11执行预定的计算，以测量薄膜F的薄膜厚度。另外，计算部分35还生成快门控制信号SC1和SC2以控制快门31a和31b的打开和关闭。

接下来，对根据本发明第二实施例的薄膜厚度测量方法进行说明。如同第一实施例的情况，用户根据薄膜F(测量对象)的透射特性和结构在计算部分35中的设置部分22(图4中未示出)中预设多个波长范围、针对层L1至L3的每个波长的折射系数和峰值检测范围。

当开始对薄膜F进行薄膜厚度测量时，计算部分35输出快门控制信号SC1，使快门31a进入打开状态。于是，从白光源器件31发射的白光从层L1侧经快门31a和照射光纤32a照射到薄膜F上。照射在薄膜F的层L1侧的白光反射光在光接收光纤33a的入射端进入。入射在光接收光纤33a上的反射光被引导至分光器34以进行色散，并且随后进行光电转换。

这样，分光器34得到光谱数据D11，D11表示从薄膜F的层L1侧得到的反射光的反射光谱。分光器34将此光谱数据D11输出至计算部分35。当此光谱数据D11被输入至计算部分35之后，执行与第一实施例类似的处理来获得功率谱，从而计算出薄膜F的层L1的光学薄膜厚度和整个薄膜F的光学薄膜厚度。

当上述处理完成后，停止输出快门控制信号SC1并且使快门31a进入关闭状态，并且计算部分35输出快门控制信号SC2以使快门31b进入打开状态。于是，从白光源器件31发射的白光从层L3侧经快门31b和照射光纤32b照射到薄膜F上。从薄膜F的层L3侧反射的白光在光接收光纤33b的入射端进入。

光接收光纤33b把进入的反射光引导至分光器34，并且分光器34对导入的反射光进行色散和光电转换。

这样，从分光器34得到光谱数据D11，D11表示从薄膜F的层L3侧得到的反射光的反射光谱。分光器34将此光谱数据D11输出至计算部分35。当此光谱数据D11被输入至计算部分35之后，执行与第一实施例类似的处理来获得功率谱。根据此功率谱计算出薄膜F的层L3的光学薄膜厚度和整个薄膜F的光学薄膜厚度。

通过执行上述处理，可以计算出薄膜F的层L1的光学薄膜厚度、层L3的光学薄膜厚度和整个薄膜F的光学薄膜厚度。基于这些光学厚度值，计算部分35使用表达式(1)来分别计算形成了薄膜F的层L1到L3的薄膜厚度。此后，重复执行与上述处理类似的处理，来测量薄膜F另一部分的薄膜厚度或者测量另一薄膜F的薄膜厚度。

本实施例的薄膜厚度测量装置2不仅可以用于对流动薄膜F的薄膜厚度进行测量的情况，还可以用于对固定薄膜F的薄膜厚度进行测量的情况。在对固定薄膜F的薄膜厚度进行测量的情况下，其构造会省去快门31b、照射光纤32b和光接收光纤33b。在此构造中，白光从层L1侧照射到薄膜F上以执行测量。于是，可以高精度地测量层L1侧的结构(薄膜厚度)。此外，在把白光从层L1侧照射到薄膜F上并执行测量之后，将薄膜F翻转。在薄膜F已翻转的情况下，白光从层L3侧照射到薄膜F上以执行测量。结果，可以高精度地对层L1侧和层L3侧的结构(薄膜厚度)进行测量。

如上所述，在本实施例中，执行下述处理。即，获得通过把白光照射在薄膜F上而得到的反射光的反射光谱。在这些反射光谱中，通过对处在多个预设波长范围(例如，相对薄膜F的高透射比波长范围和低透射比波长范围)内的反射光谱以等波数间隔进行重排序而将其分别转换成波数范围反射光谱。这些转换得到的波数范围反射光谱被分别转换成功率谱。根据功率谱的峰值计算出形成薄膜F的层L1至L3的薄膜厚度。因此，可以得到靠近薄膜F顶表面的部分的结构(薄膜厚度)和整个薄膜F的结构(薄膜厚度)。于是，即使在薄膜F中存在多个具有相近薄膜厚度的层，也能够在短时间段内高精度地独立测量得到每一层的薄膜厚度。

已经对根据本发明实施例的用于测量薄膜厚度的装置和方法进行了说明。然而本发明不限于上述实施例，在不偏离本发明范围的情况下也可以自由地做出改动。例如，在上述实施例中，将测量由三个层L1至L3形成的薄膜F的薄膜厚度的情况作为示例。然而，本发明可以应用于对由超过三个层形成的薄膜的薄膜厚度进行测量的情况。在测量点不会显著改变薄膜厚度、或者要求的测量精度不高的情况下，可以省去线速度输入部分17和定时生成部分18中的一个或全部。

另外，文中例示了为多层薄膜设置带有不同透射比的多个波长范围、以便同时测量每个层的薄膜厚度和整个薄膜的薄膜厚度的情况。然而，也可以设置带有相同透射比的多个波长范围。这有利于对各层厚度差别较大的多个层进行测量。

Claims (8)

1.一种薄膜厚度测量装置，包括：

光源，其发射将要照射在多层薄膜上的白光；

分光器，其对由于将白光照射在多层薄膜上而得到的反射光进行色散以得到反射光谱；和

计算部分，所述计算部分包括：

设置部分，其为反射光谱设置多个波长范围；

第一转换部分，其通过分别对反射光谱中的处在由所述设置部分设定的多个波长范围内的反射光谱进行等间隔重排序来获得波数范围反射光谱；

第二转换部分，其将在所述第一转换部分中得到的处在多个波长范围内的波数范围反射光谱分别转换成功率谱；以及

运算部分，其基于功率谱得到多层薄膜的薄膜厚度，

其中，所述设置部分为反射光谱设置多个对多层薄膜具有不同透射比的波长范围。

2.如权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其中

所述光源是发射脉冲白光的脉冲光源，并且

所述薄膜厚度测量装置进一步包括定时生成部分，其生成用于对所述脉冲光源的发光定时、和在所述分光器中得到反射光的定时进行规定的定时信号。

3.如权利要求2所述的薄膜厚度测量装置，进一步包括

速度输入部分，其接收多层薄膜的流动速度的输入，

所述定时生成部分基于从所述速度输入部分输入的流动速度以及测量点的间隔来生成定时信号，其中在测量点对多层薄膜的薄膜厚度进行测量。

4.如权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其中

所述光源包括：

第一光源，将白光照射在多层薄膜的一个表面上；和

第二光源，将白光照射在多层薄膜的另一个表面上。

5.如权利要求4所述的薄膜厚度测量装置，其中

所述分光器包括：

第一分光器，其对通过将白光从所述第一光源照射到多层薄膜的一个表面上而得到的反射光进行色散来获得第一反射光谱；和

第二分光器，其对通过将白光从所述第二光源照射到多层薄膜的另一个表面上而得到的反射光进行色散来获得第二反射光谱。

6.如权利要求5所述的薄膜厚度测量装置，其中

所述计算部分在所述第一转换部分、所述第二转换部分和所述运算部分中对由所述第一分光器和所述第二分光器分别得到的第一反射光谱和第二反射光谱执行处理。

7.如权利要求1所述的薄膜厚度测量装置，其中

在由所述设置部分设置的多个波长范围中至少一个波长范围是具有不超过50％的透射比的波长范围。

8.一种薄膜厚度测量方法，包括：

设置步骤，为反射光谱设置多个波长范围；

第一转换步骤，通过对由白光照射在多层薄膜上而得到的反射光进行色散来得到反射光谱，并且通过分别对反射光谱中的处在由设置步骤设定的多个波长范围内的反射光谱进行等间隔重排序来获得波数范围反射光谱；

第二转换步骤，将在第一转换步骤中得到的多个波长范围内的波数范围反射光谱分别转换成功率谱；和

厚度运算步骤，基于功率谱得到多层薄膜的薄膜厚度，

其中，在所述设置步骤中为反射光谱设置多个对多层薄膜具有不同透射比的波长范围。

Images