JPH0431522B2 - - Google Patents
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- JPH0431522B2 JPH0431522B2 JP17914586A JP17914586A JPH0431522B2 JP H0431522 B2 JPH0431522 B2 JP H0431522B2 JP 17914586 A JP17914586 A JP 17914586A JP 17914586 A JP17914586 A JP 17914586A JP H0431522 B2 JPH0431522 B2 JP H0431522B2
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、例えばラインに高速で流れるメツキ
鋼板の連続塗油量計に適用される膜厚測定装置に
関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a film thickness measuring device that is applied, for example, to a continuous oil amount meter for a galvanized steel plate flowing at high speed in a line.
この種の装置にはエリプリメトリ手法を応用し
て数1000〓以下の薄膜の膜厚を測定するものがあ
る。この手法は、薄膜試料面で光が反射する際の
偏光状態の変化すなわち電気ベクトルの入射面に
平行な成分(p成分)の反射率rpと、直角な成分
(s成分)の反射率rsとの比ρを次式つまり、
ρ=rp/rs=tanφej〓 ……(1)
により測定し、既に確立された偏光反射率比ρと
膜厚dとの一定の関数にしたがつて膜厚dを求め
るものである。ところで、偏光反射率比ρは一般
に複素数であるため、2つのエリプソパラメー
タ、つまり振幅比tanφ、および位相Δを求める
必要がある。そこで従来、これらエリプソパラメ
ータφ,Δは第6図に示すように単色光源1から
放射される単色光2を偏光子3および1/4波長板
4を通して薄膜が施された試料5に照射し、この
試料面5からの反射光6を検光子7を通して光電
検出器8で受光する。そして、この光電検出器8
から受光量に応じた電気信号がフイードバツク制
御回路9に送られることにより、偏光子3および
検光子7の各サーボモータ10,11がサーボ制
御されて、このときの偏光子3の偏光子角からエ
リプソパラメータΔが求められるとともに検光子
7の検光子角から同パラメータφが求められる。
Some devices of this type apply the elliplymetry technique to measure the thickness of thin films of several 1000 mm or less. This method is based on changes in the polarization state when light is reflected on a thin film sample surface, that is, the reflectance r p of the component parallel to the plane of incidence of the electric vector (p component), and the reflectance r p of the component perpendicular to the plane of incidence (s component). The ratio ρ with s was measured using the following formula: ρ=r p /r s =tanφe j 〓 ...(1), and was made into a constant function of the already established polarization reflectance ratio ρ and film thickness d. Therefore, the film thickness d is determined. By the way, since the polarization reflectance ratio ρ is generally a complex number, it is necessary to obtain two ellipso parameters, that is, the amplitude ratio tanφ and the phase Δ. Conventionally, these ellipso parameters φ and Δ are determined by irradiating a sample 5 coated with a thin film with monochromatic light 2 emitted from a monochromatic light source 1 through a polarizer 3 and a quarter-wave plate 4, as shown in FIG. This reflected light 6 from the sample surface 5 passes through an analyzer 7 and is received by a photoelectric detector 8 . And this photoelectric detector 8
An electrical signal corresponding to the amount of light received is sent to the feedback control circuit 9, whereby the servo motors 10 and 11 of the polarizer 3 and the analyzer 7 are servo-controlled, and the polarizer angle of the polarizer 3 is calculated from the polarizer angle of the polarizer 3 at this time. The ellipsoparameter Δ is determined, and the same parameter φ is determined from the analyzer angle of the analyzer 7.
ところが、以上のような測定方法は、試料5に
おける薄膜を施された下地の屈折率が既知又は一
定とみなされなければ膜厚を求めることができな
いものである。 However, the above measurement method cannot determine the film thickness unless the refractive index of the base on which the thin film of the sample 5 is applied is known or considered constant.
また、オンラインで膜厚測定を行なうものが特
開昭55−26410号公報に開示されており、この測
定方法は膜厚が数100〓以下の場合にエリプソパ
ラメータの位相角Δが膜厚に比例することを利用
したものである。つまり、膜厚は、下地での位相
角Δs(あるいはcosΔs)と下地および薄膜による
位相角Δ(あるいはcosΔ)との差に比例すること
を利用したもので、従つて下地の屈折率つまり下
地の表面粗さが変化したり、又物性が変化した場
合には精度高い測定ができないことが判る。そこ
で、下地の位相角の補正を行なわない場合の位相
角測定値cosΔと膜厚つまり塗油量との関係を示
すと第7図の如くとなる。同図は試料として錫め
つき鋼板に鉱物油を30〜60〓で塗布したものを使
用した例を示し、下地である錫めつき鋼板の粗さ
や屈折率の変動の影響を大きく受けて塗油量が±
1mg/m2の範囲A−A′を越えている。 In addition, a method for measuring film thickness online is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-26410, and in this measurement method, when the film thickness is less than several 100 mm, the phase angle Δ of the ellipso parameter is proportional to the film thickness. It takes advantage of the fact that In other words, the film thickness is proportional to the difference between the phase angle Δs (or cosΔs) at the base and the phase angle Δ (or cosΔ) between the base and the thin film. It can be seen that highly accurate measurements cannot be made if the surface roughness changes or the physical properties change. FIG. 7 shows the relationship between the measured phase angle cosΔ and the film thickness, that is, the amount of oil applied, when the phase angle of the base layer is not corrected. The figure shows an example in which a tin-plated steel plate is coated with mineral oil at a concentration of 30 to 60%. The amount is ±
Exceeds the range A-A' of 1 mg/m 2 .
一方、オンラインでの測定では、被測定対象が
特別に研摩、その他の予備処理されていないた
め、下地表面の粗さの変動、あるいは下地物性自
身の微小な変動を避けることはできない。例え
ば、移動鋼板上に塗布された100〓オーダの油膜
を測定する場合、膜厚による位相差変化は、δΔ
=10°程度であるのに対し、下地の変動による位
相変動δΔは、1コイル内で少くとも±2°〜3°にも
達してその誤差は±20〜30%にもなる。従つて、
下地の影響を除くことは必須条件である。しか
も、このような下地の変動は連続的に変化するた
め。下地の補正は離れた点における下地の屈折率
等を用いても意味がなく、膜厚測定点と同じ位置
の下地の屈折率等で補正を行う必要がある。とこ
ろが、従来の方法は、いずれも前もつて下地の屈
折率等を測定しておくか、離れた塗膜前の下地の
屈折率等を測定するものであり、高速で移動し、
かつ下地の屈折率が連続的に変動するようなオン
ライン膜厚測定に適用することは困難である。 On the other hand, in online measurements, since the object to be measured is not specially polished or otherwise pretreated, variations in the roughness of the base surface or minute variations in the physical properties of the base itself cannot be avoided. For example, when measuring an oil film of the order of 100〓 applied on a moving steel plate, the change in phase difference due to the film thickness is δΔ
= about 10°, whereas the phase variation δΔ due to variations in the base reaches at least ±2° to 3° within one coil, and the error is as much as ±20 to 30%. Therefore,
Removing the influence of the substrate is an essential condition. Moreover, this kind of variation in the base changes continuously. There is no point in correcting the base using the refractive index of the base at a distant point, and it is necessary to perform the correction using the refractive index of the base at the same position as the film thickness measurement point. However, in all conventional methods, the refractive index, etc. of the substrate is measured in advance, or the refractive index, etc. of the substrate in front of the paint film is measured at a distance, and the coating is moved at high speed.
Furthermore, it is difficult to apply this method to online film thickness measurement where the refractive index of the underlying layer changes continuously.
以上のように従来装置は下地の屈折率等が一定
とみなされる場合にのみ測定可能であつて、下地
の屈折率等が連続的に変動する場合には測定困難
であつた。
As described above, the conventional apparatus can measure only when the refractive index of the base is considered to be constant, and it is difficult to measure when the refractive index of the base changes continuously.
そこで本発明は上記問題点を解決するために、
下地の屈折率や物性等が連続的に変動しても正確
に膜厚を測定できる高精度な膜厚測定装置を提供
することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention has the following features:
It is an object of the present invention to provide a highly accurate film thickness measuring device that can accurately measure film thickness even if the refractive index, physical properties, etc. of the underlying layer vary continuously.
〔問題点を解決するための手段〕
2つの異なる波長光を同一入射角でかつ同一直
線偏光にして薄膜の施された被測定対象に照射す
る照射手段と、薄膜および下地からの反射光を受
光して各波長光別に薄膜と下地とからの各反射光
の位相角余弦の関係から薄膜の膜厚を算出する膜
厚算出手段とを備えて上記目的を達成しようとす
る膜厚測定装置である。[Means for solving the problem] An irradiation means that irradiates light of two different wavelengths at the same angle of incidence and the same linear polarization onto the object to be measured on which a thin film is applied, and that receives light reflected from the thin film and the base. and a film thickness calculation means for calculating the film thickness of the thin film from the relationship between the phase angle cosine of each reflected light from the thin film and the base for each wavelength of light. .
このような手段を備えたことにより、照射手段
から少なくとも2つの異なる波長光が同一入射角
でかつ同一直線偏光で被測定対象に照射され、そ
の反射光のうち各波長別に被測定対象における薄
膜と下地とからの各反射光の位相角余弦の例えば
差が膜厚算出手段により求められて膜厚を算出す
る。
By providing such means, at least two different wavelengths of light are irradiated from the irradiation means to the object to be measured at the same angle of incidence and with the same linear polarization, and each wavelength of the reflected light is irradiated to the thin film on the object to be measured. For example, the difference in the phase angle cosine of each reflected light from the base is determined by the film thickness calculation means to calculate the film thickness.
以下、本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。第1図および第2図は本発明の膜厚
測定装置を高速エリプメータに適用した場合の構
成図である。ところで、上記装置は次に示す実験
事項に基づいて構成されたもので、この実験事項
について先に説明し、この後に装置構成について
説明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are configuration diagrams when the film thickness measuring device of the present invention is applied to a high-speed ellipmeter. By the way, the above-mentioned apparatus was constructed based on the following experimental items, and the experimental items will be explained first, and then the apparatus configuration will be explained.
さて実験事項は次の通りである。 Now, the experimental items are as follows.
2つの異なる波長λ1,λ2の光を同一の直線偏
光でかつ同一入射角で下地に入射した場合、各
楕円偏光に変化した反射光の位相角の余弦
cosΔλ1,s,cosΔλ2,sは、下地の粗さや屈
折率のわずかな変化に対して線形に変化する。 When light with two different wavelengths λ 1 and λ 2 are incident on the substrate with the same linear polarization and the same angle of incidence, the cosine of the phase angle of the reflected light that changes to each elliptically polarized light is
cosΔλ 1 ,s and cosΔλ 2 ,s change linearly with slight changes in the roughness of the base or the refractive index.
つまり、次式が成立する。 In other words, the following equation holds true.
cosΔλ2,s=lcosΔλ1,s-m ……(2)
ここで、l,mは被測定対象および波長λ1,
λ2によつて決まる定数である。そこで第3図に
被測定対象として錫めつき鋼板に対して、波長
λ1=633nm,λ2=514nmの2つの波長光を用
い、下地の位相角余弦cosΔλ1,sおよび
cosΔλ2,sを測定した例を示す。同図から被
測定対象の変動に対しても2つのcosΔλ1,s,
cosΔλ2,sは線形関係にあることが明らかで
ある。 cosΔλ 2 , s=lcosΔλ 1 , s -m ...(2) Here, l and m are the object to be measured and the wavelength λ 1 ,
It is a constant determined by λ 2 . Therefore , Fig. 3 shows that the phase angle cosine cosΔλ 1 , s and
An example of measuring cosΔλ 2 ,s is shown below. From the same figure, two cosΔλ 1 , s,
It is clear that cosΔλ 2 and s have a linear relationship.
数100〓以下の透明な薄膜に対する位相角の
余弦と下地の位相角の余弦の差は膜厚に比例す
る。つまり、
d=k1(cosΔλ1−cosΔλ1,s) ……(3)
d=k2(cosΔλ2−cosΔλ2,s) ……(4)
ここで、dは膜厚、k1,k2は波長λ1,λ2に対
する比例係数であつて、これら比例係数k1,k2
は被測定対象への入射角φ0および被測定対象
によつて決まる定数である。なお、比例係数
k1,k2は下地の複素屈折率n〜2の変動に対して
は平均値−−〜〜n
を中心として、絶対値で±10%
の範囲内つまり
|n〜2−−−〜〜n2
|0.1|n−−〜〜n2
| ……(5)
であれば一定と見なすことができる。なお、上
記第(3)式および第(4)式は上記第(1)式を計算する
ことにより確認される。そこで、第4図は上記
第(3)式および第(4)式を用いて位相角変化cosΔλ
−cosΔλ,sに対する膜厚dの関係を示したも
ので、波長λ1が633nm,λ2が514nmの場合を示
している。同図から判るように薄膜に対する位
相角余弦と下地の位相角余弦との差は膜厚dに
比例している。 The difference between the cosine of the phase angle for a transparent thin film of several hundred 〓 or less and the cosine of the phase angle of the underlying layer is proportional to the film thickness. In other words, d=k 1 (cosΔλ 1 −cosΔλ 1 , s) ……(3) d=k 2 (cosΔλ 2 −cosΔλ 2 , s) ……(4) Here, d is the film thickness, k 1 , k 2 is a proportionality coefficient for wavelengths λ 1 and λ 2 , and these proportionality coefficients k 1 and k 2
is a constant determined by the angle of incidence φ 0 on the object to be measured and the object to be measured. In addition, the proportional coefficient
k 1 and k 2 are ±10% in absolute value, centered around the average value −−−−n, for fluctuations in the complex refractive index n~ 2 of the base.
It can be considered constant if it is within the range of , that is, |n~ 2 --- ~ n 2 | 0.1 | n --- ~n 2 | ...(5). Note that the above equations (3) and (4) are confirmed by calculating the above equation (1). Therefore, Fig. 4 shows the phase angle change cosΔλ using equations (3) and (4) above.
-cosΔλ,s shows the relationship between the film thickness d and the case where the wavelength λ 1 is 633 nm and λ 2 is 514 nm. As can be seen from the figure, the difference between the phase angle cosine for the thin film and the phase angle cosine for the underlying layer is proportional to the film thickness d.
従つて以上から膜厚dは上記第(2)式、第(3)式
および第(4)から第(6)式を導びいて求められ下地
の影響を除くことが可能となる。つまり、
d=k1k2/k1−k2l(cosΔλ2−lcosΔλ1+m)
=AcosΔλ2+BcosΔλ1+C ……(6)
なお、係数A,B,Cは、入射角φ0を決め
れば、測定対象によつて決まる定数であり、別
途実験的に決定することができる。 Therefore, from the above, the film thickness d can be determined by deriving the above equations (2), (3), and (4) to (6), and it is possible to eliminate the influence of the underlying layer. In other words, d=k 1 k 2 /k 1 −k 2 l(cosΔλ 2 −lcosΔλ 1 +m) =AcosΔλ 2 +BcosΔλ 1 +C (6) The coefficients A, B, and C are used to determine the incident angle φ 0 For example, it is a constant determined by the object to be measured, and can be determined separately experimentally.
また、下地での位相角Δλ1,s,Δλ2,sの
変動幅が小さく、膜厚が数100〓以下と小さい
場合にはΔλ1とΔλ1,sおよびΔλ2とΔλ2,s
の差は小さいため第(2)式ないし第(4)式に対応し
て次式も成立する。 In addition, when the fluctuation range of the phase angles Δλ 1 , s and Δλ 2 , s in the base is small and the film thickness is small, such as several 100 〓 or less, Δλ 1 and Δλ 1 , s and Δλ 2 and Δλ 2 , s
Since the difference between is small, the following equation also holds true corresponding to equations (2) to (4).
Δλ2,s=l′Δλ1,s−m′ ……(7)
d=k1′(Δλ1−Δλ1,s) ……(8)
d=k2′(Δλ2−Δλ2,s) ……(9)
ここで、l′,m′、およびk1′,k2′は定数であ
る。従つて、膜厚dは第(6)式に対応して次式の
関係を用いることも可能である。 Δλ 2 , s=l′Δλ 1 , s−m′ ……(7) d=k 1 ′(Δλ 1 −Δλ 1 , s)……(8) d=k 2 ′(Δλ 2 −Δλ 2 , s) ...(9) Here, l', m', and k1 ', k2 ' are constants. Therefore, for the film thickness d, it is also possible to use the relationship of the following equation corresponding to equation (6).
d=A′Δλ2+B′Δλ1+C′ ……(10) A′,B′,C′は定数である。 d=A'Δλ 2 +B'Δλ 1 +C'...(10) A', B', and C' are constants.
さて、第1図および第2図に示す装置の構成に
ついて説明する。第1図は光学系を示しており、
コリメートされた各波長λ1,λ2の異なる単色光源
20,21が設けられている。そして、、単色光
源20から放射された光は半鏡体22、偏光子2
3を透過して被測定対象である薄膜の塗布された
試料24の表面に角度φ0で照射されるとともに、
単色光源21から放射された光は反射鏡25、半
鏡体22、偏光子23を透過して試料24の表面
に角度φ0で照射されるようになつている。そし
て、各波長光λ1,λ2の光路上にはそれぞれシヤツ
タ26,27が配置されてシヤツタドライブ回路
28により開閉するものとなつている。STはシ
ヤツタ開閉信号である。なお、試料24におい
て、入射面は紙面と平行とし、光進行方向をZ方
向とする。そして、入射面内に光進行方向Zと
90°をなす座標軸をP軸、上記P方向およびZ方
向と直交する座標軸をS軸とし、上記P,Sおよ
びZ方向が右手直交座標系を作るものとする。ま
た、偏光子角および検光子角は全てP軸を0°と
し、S軸を90°とする。 Now, the configuration of the apparatus shown in FIGS. 1 and 2 will be explained. Figure 1 shows the optical system.
Collimated monochromatic light sources 20 and 21 having different wavelengths λ 1 and λ 2 are provided. Then, the light emitted from the monochromatic light source 20 passes through the semi-mirror 22 and the polarizer 2.
3 and is irradiated onto the surface of the sample 24 coated with a thin film, which is the object to be measured, at an angle φ 0 , and
The light emitted from the monochromatic light source 21 is transmitted through a reflecting mirror 25, a semi-mirror 22, and a polarizer 23, and is irradiated onto the surface of a sample 24 at an angle φ 0 . Shutters 26 and 27 are arranged on the optical paths of the wavelength lights λ 1 and λ 2 , respectively, and are opened and closed by a shutter drive circuit 28. ST is the shutter open/close signal. Note that in the sample 24, the incident surface is parallel to the paper surface, and the light traveling direction is the Z direction. Then, the light traveling direction Z and
It is assumed that the coordinate axis forming a 90° angle is the P axis, and the coordinate axis orthogonal to the P direction and the Z direction is the S axis, and the P, S, and Z directions form a right-handed orthogonal coordinate system. In addition, the polarizer angle and the analyzer angle are all such that the P axis is 0° and the S axis is 90°.
一方、反射光の受光側には材質、形状の等しい
オプテイカルフラツト(ビームスプリツタ部)2
9a,29b,29cが設けられ、反射光はビー
ム径制限用のアパーチヤ30を通過して各オプテ
イカルフラツト29a,29b,29cにより3
本のビーム光に分岐されるようになつている。 On the other hand, on the receiving side of the reflected light, there is an optical flat (beam splitter part) 2 of the same material and shape.
9a, 29b, 29c are provided, and the reflected light passes through an aperture 30 for limiting the beam diameter and is divided into 3 by each optical flat 29a, 29b, 29c.
The light is now split into a book beam.
これらオプテイカルフラツト29a〜29c
は、光学的に等方で透明なものを使用し、かつ互
いに平行に固定し、その厚さおよび間隔は多重反
射光が検出されないように設定する。 These optical flats 29a to 29c
are optically isotropic and transparent, and are fixed parallel to each other, and their thickness and spacing are set so that multiple reflected light is not detected.
ここで、上記3本のビーム光について、2つの
オプテイカルフラツト29a,29bを透過した
ビーム光ch1に設定し、オプテイカルフラツト
29aを透過しオプテイカルフラツト29bにて
反射したビーム光をch2に設定し、オプテイカ
ルフラツト29aにて反射しオプテイカルフラツ
ト29cを透過したビーム光をch3に設定する。
なお、ch2のビーム光とch3のビーム光とは互
いに平行になるものとする。上記チヤンネルch
1〜ch3の各ビーム光は、それぞれ固定の透過
方位角α1〜α3を有する各検光子31a〜31cを
通過し、同一の焦点距離を有する各集光レンズ3
2a〜32cにより集光され、焦点位置に配置さ
れた各ピンホール33a〜33cを通り、さらに
各干渉フイルタ34a〜34cにて外乱光の除去
を行なつた後、各光電変換器35a〜35cに入
力し、これら光電検出器35a〜35cにより光
量強度(1)λ1,λ2〜(2)λ1,λ2に対応する
電気信号に変換されるようになつている。そし
て、上記電気信号は第2図に示し信号処理回路に
より一定の演算処理が施されてエリプソパラメー
タφ,Δが算出されるように構成されている。 Here, for the three beams mentioned above, the beam light ch1 is set to transmit the two optical flats 29a and 29b, and the beam light transmitted through the optical flat 29a and reflected at the optical flat 29b is set. The beam light reflected by the optical flat 29a and transmitted through the optical flat 29c is set to ch3.
It is assumed that the beam light of ch2 and the light beam of ch3 are parallel to each other. Above channel ch
Each beam light of channels 1 to ch3 passes through each analyzer 31a to 31c having a fixed transmission azimuth angle α 1 to α 3 , respectively, and passes through each condenser lens 3 having the same focal length.
The light is focused by 2a to 32c, passes through each pinhole 33a to 33c arranged at the focal position, and is further removed by each interference filter 34a to 34c, and then is sent to each photoelectric converter 35a to 35c. The photoelectric detectors 35a to 35c convert the light intensity ( 1 ) λ1 , λ2 to ( 2 ) λ1 , λ2 into electrical signals corresponding to the light intensity. The electrical signals are subjected to certain arithmetic processing by the signal processing circuit shown in FIG. 2 to calculate ellipsoscopic parameters φ and Δ.
第2図において、光電変換器35a〜35cか
らそれぞれ出力されるch1,ch2,ch3の電気
信号は、各増幅器36a〜36c、ノイズ成分除
去用のローパスフイルタ37a〜37cを通つて
各サンプルアンドホールド回路(以下S/H回路
と略称する)38a〜38cに送られている。こ
れらS/H回路38a〜38cは、マイクロコン
ピユータ(以下マイコンと略称する)39から出
力される各ゲート信号G1〜G3により各チヤンネ
ルch1,ch2,ch3の出力信号を同時にサンプ
リングしたのちホールドするものであつて、同時
にサンプリングされた各チヤンネルch1〜ch3
の出力はマイコン39に与えられるようになつて
いる。このマイコン39はシヤツタドライバ回路
28からのシヤツタ開閉信号STを受けて各波長
λ1,λ2別に各SH回路38a〜38cからの信号
を取り込み、これら信号から各波長λ1,λ2別に位
相角余弦cosΔを演算し求め、さらにこの位相角
余弦cosΔから膜厚を求める機能をもつたもので
ある。なお、測定結果はデイジタル出力Dされる
とともにD/A変換器40を通してアナログ出力
されるものとなつている。なお、41は後述する
各チヤンネルゲイン、固有値0,|σ1σ2|および
最低光量レベルIsminをプリセツトするプリセツ
ト回路である。 In FIG. 2, the electrical signals of ch1, ch2, and ch3 output from the photoelectric converters 35a to 35c, respectively, are passed through the respective sample-and-hold circuits through the respective amplifiers 36a to 36c and the low-pass filters 37a to 37c for removing noise components. (hereinafter abbreviated as S/H circuits) 38a to 38c. These S/H circuits 38a to 38c simultaneously sample the output signals of channels ch1, ch2, and ch3 using respective gate signals G1 to G3 output from a microcomputer (hereinafter abbreviated as microcomputer) 39, and then hold them. channels ch1 to ch3 sampled at the same time.
The output is given to the microcomputer 39. The microcomputer 39 receives the shutter opening/closing signal ST from the shutter driver circuit 28, takes in the signals from the SH circuits 38a to 38c for each wavelength λ 1 and λ 2 , and from these signals, the phase angle is determined for each wavelength λ 1 and λ 2 . It has the function of calculating and determining the cosine cosΔ, and further determining the film thickness from this phase angle cosine cosΔ. It should be noted that the measurement results are outputted as digital outputs D and also as analog outputs through the D/A converter 40. Note that 41 is a preset circuit for presetting each channel gain, eigenvalues 0 , |σ 1 σ 2 |, and the minimum light level I s min, which will be described later.
次に上記の如く構成された装置の動作について
説明する。各シヤッタ26,27はシヤツタドラ
イバ回路28によりいずれか一方のシヤツタ例え
ば26が開放され、他方のシヤッタ27が閉じて
いる。従つて、単色光源20から放射される光が
偏光子23等を透過して試料24に照射され、そ
の反射光が各オプテイカルフラツト29a,29
b,29cにより各チヤンネルch1〜ch3のビ
ーム光に分岐されて各光電変換器35a〜35c
に送られる。ここで、これら光電変換器35a〜
35cに入射する光量(I1)λ1〜(I3)λ1,(I1)
λ2〜(I2)λ2は、偏光子方位角θを45°、検光子
方位角α1,α2,α3をそれぞれα1=0°,α2=45°,
α3=−45°と設定した場合、
(I1)λ1,λ2=1/2IGtan2φ ……(7)
(I2)λ1,λ2=1/4IG{tan2φ+2tanφ|σ1・
σ2|
×cos(Δ−0)+|σ1・σ2|2} ……(8)
(I3)λ1,λ2=1/4IG{tan2φ−2tanφ|σ1・
σ2|
×cos(Δ−0)+|σ1・σ2|2} ……(9)
となる。ここで、σ1はオプテイカルフラツト2
9a〜29cのP偏光電気ベルトルとS偏光電気
ベルトルとの振幅透過率比であり、σ2はオプテ
イカルフラツト29a〜29cのP偏光電気ベク
トルとS偏光電気ベクトルとの振幅反射率比であ
る。 Next, the operation of the apparatus configured as described above will be explained. One of the shutters 26 and 27, for example 26, is opened by a shutter driver circuit 28, and the other shutter 27 is closed. Therefore, the light emitted from the monochromatic light source 20 passes through the polarizer 23 and the like and is irradiated onto the sample 24, and the reflected light is reflected from each optical flat 29a, 29.
b, 29c branch into beam light of each channel ch1 to ch3, and each photoelectric converter 35a to 35c
sent to. Here, these photoelectric converters 35a~
Amount of light incident on 35c (I 1 ) λ 1 ~ (I 3 ) λ 1 , (I 1 )
λ 2 ~ (I 2 ) λ 2 is the polarizer azimuth θ of 45°, the analyzer azimuth α1, α2, α3 of α1=0°, α2=45°,
When α3=−45° is set, (I 1 )λ 1 , λ 2 = 1/2I G tan 2 φ ……(7) (I 2 )λ 1 , λ 2 = 1/4I G {tan 2 φ+2tanφ |σ1・
σ2 | _ _ _ _ _
σ2|×cos(Δ− 0 )+|σ1・σ2| 2 } ...(9). Here, σ1 is the optical flat 2
σ2 is the amplitude reflectance ratio between the P-polarized electric vector and the S-polarized electric vector of the optical flats 29a-29c.
そうして、これら光量(I1)λ1,λ2〜(I3)
λ1,λ2に応じた電気信号がそれぞれ増幅器36a
〜36c、ローパスフイルタ37a〜37cを通
つてS/H回路38a〜38cに送られ、そして
マイコン39に取込まれる。かくしてマイコン3
9は各波長λ1,λ2別に次式を演算処理して位相測
定値cosΔを求める。 Then, these light amounts (I 1 ) λ 1 , λ 2 ~ (I 3 )
Electric signals corresponding to λ 1 and λ 2 are sent to the amplifier 36a, respectively.
36c and low pass filters 37a to 37c, the signals are sent to S/H circuits 38a to 38c, and then taken into the microcomputer 39. Thus, microcontroller 3
9 calculates the phase measurement value cosΔ by calculating the following equation for each wavelength λ 1 and λ 2 .
なお、第(10)式および第〓式における固定位相差
0λ1,0λ2は補正されてcosΔλ1,cosΔλ2として
求めることができる。 In addition, the fixed phase difference in equations (10) and 〓
0 λ 1 and 0 λ 2 can be corrected and obtained as cosΔλ 1 and cosΔλ 2 .
ここで、試料24として錫めつき鋼板を用いた
場合の測定について説明する。塗油量Mは、
M=ρ×d(ρ=油密度) ……(13)
なる関係があるので、塗油量Mと膜厚dとは比例
関係にあり互いに等価な量となつている。そし
て、波長λ1を633nm、波長λ2を514nmとし、かつ
試料24への入射角φ0を70°として前記第(6)式に
おける係数A(82.8),B(−57.7),C(1.61)を別
途校正実験により求めると、塗油量Mは、
M=82.8(cosΔλ2−0.697cosΔλ1+0.0194)
……(14)
として得られる。従つて、マイコン39において
上記第〓式にcosΔλ2,cosΔλ1を代入して演算処
理することにより塗油量Mが算出される。第5図
は、本発明による測定結果と、オンライン塗油量
測定法として確立されたハイドロフイルバランス
法による測定結果を対応させたもので、本発明結
果とハイドロフイルバランス測定値は±1mg/m2
以内の精度で一致することを示している。従つて
従来方式に比較して精度向上の効果が明らかであ
る。 Here, the measurement when a tin-plated steel plate is used as the sample 24 will be explained. The amount of oil applied M has the following relationship: M = ρ × d (ρ = oil density) ... (13) Therefore, the amount of oil applied M and the film thickness d are in a proportional relationship and are equivalent to each other. . Then, the coefficients A ( 82.8 ), B ( -57.7 ), C (1.61 ) is obtained through a separate calibration experiment, the oil application amount M is M=82.8 (cosΔλ 2 −0.697cosΔλ 1 +0.0194)
...(14) is obtained as. Therefore, the microcomputer 39 calculates the oil application amount M by substituting cosΔλ 2 and cosΔλ 1 into the above equation and performing calculation processing. Figure 5 shows the correspondence between the measurement results according to the present invention and the measurement results using the hydrofiltration balance method, which has been established as an online method for measuring the amount of oil applied. 2
It shows that the match is within the accuracy. Therefore, the effect of improved accuracy compared to the conventional method is obvious.
このように上記一実施例においては、互いに異
なる波長光λ1,λ2を同一入射角かつ同一直線偏光
で試料24に照射し、試料24の薄膜と下地とか
らの各反射光の位相角余弦cosΔの差から膜厚を
求める構成としたので、反射光の位相角余弦
cosΔλ1,s,cosΔλ2,sが下地の粗さや屈折率
の変化に対して線形に変化し、かつ薄膜と下地と
の各位相角余弦の差が膜厚に比例するものとなつ
て、下地の粗さや物性等の変動があつてもこれに
影響されずに正確に膜厚を測定できる。従つてオ
ンラインの膜厚測定に好適で高速エリプリメータ
に適用できる。 In this way, in the above-mentioned embodiment, the sample 24 is irradiated with light of different wavelengths λ 1 and λ 2 at the same incident angle and the same linear polarization, and the phase angle cosine of each reflected light from the thin film of the sample 24 and the base is determined. Since the film thickness is determined from the difference in cosΔ, the phase angle cosine of the reflected light
cosΔλ 1 , s, cosΔλ 2 , s change linearly with changes in the roughness and refractive index of the substrate, and the difference in each phase angle cosine between the thin film and the substrate is proportional to the film thickness. The film thickness can be accurately measured without being affected by variations in roughness or physical properties. Therefore, it is suitable for online film thickness measurement and can be applied to a high-speed ellipmeter.
なお、本発明は上記一実施例に限定されるもの
でない。例えば膜厚dと塗膜厚に対する位相角余
弦cosΔλ1,cosΔλ2との関係が次の通りであつて
も適用できる。つまり各波長λ1,λ2に対して下地
の変動範囲で一定の関係
cosΔλ2,s=0(cosΔλ1,s) ……(15)
があり、また各波長λ1,λ2に対して膜厚dと位相
角との間に
cosΔλ1=1(d)+cosΔλ1,s ……(16)
cosΔλ2=2(d)+cosΔλ2,s ……(17)
なる関係が成立する場合、これら第〓式ないし第
〓式から下地の位相角を消去して
cosΔλ2−2(d)=0{cosΔλ1−1(d)}……(1
8)
なる関係が成立する場合にも適用できる。 Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, it is applicable even if the relationship between the film thickness d and the phase angle cosine cosΔλ 1 and cosΔλ 2 with respect to the coating film thickness is as follows. In other words, for each wavelength λ 1 , λ 2 there is a constant relationship cosΔλ 2 , s= 0 (cos Δλ 1 , s) (15) within the variation range of the base, and for each wavelength λ 1 , λ 2 If the following relationships hold between the film thickness d and the phase angle: cosΔλ 1 = 1 (d) + cosΔλ 1 , s (16) cosΔλ 2 = 2 (d) + cosΔλ 2 , s (17), then these Eliminate the phase angle of the base from the formulas 1 and 2 and get cosΔλ 2 − 2 (d)= 0 {cosΔλ 1 − 1 (d)}……(1
8) It can also be applied when the following relationship is established.
以上詳述したように本発明によれば、下地の屈
折率や物性等が連続的に変動しても正確に膜厚を
測定できる高精度な膜厚測定装置を提供できる。
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a highly accurate film thickness measuring device that can accurately measure film thickness even if the refractive index, physical properties, etc. of the underlying layer vary continuously.
第1図および第2図は本発明に係る膜厚測定装
置を高速エリプリメータに適用した場合の構成
図、第3図は各波長に対する下地位相角余弦の対
応関係を示す図、第4図は位相角変化に対する膜
厚の関係を示す図、第5図は本発明装置の測定結
果を示す図、第6図および第7図は従来装置を説
明するための図である。
20,21……単色光源、22……半鏡体、2
3……偏光子、24……試料、25……反射鏡、
26,27……シヤツター、28……シヤツタド
ライバ回路、29a〜29c……オプテイカルフ
ラツト、31a〜31c……検光子、32a〜3
2c……集光レンズ、33a〜33c……ピンホ
ール、34a〜34c……干渉フイルタ、35a
〜35c……光電変換器、36a〜36c……増
幅器、37a〜37c……ローパスフイルタ、3
8a〜38c……サンプルアンドホールド回路、
39……マイクロコンピユータ。
Figures 1 and 2 are block diagrams when the film thickness measuring device according to the present invention is applied to a high-speed ellipmeter, Figure 3 is a diagram showing the correspondence of the lower phase angle cosine to each wavelength, and Figure 4 is a diagram showing the correspondence of the lower phase angle cosine to each wavelength. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between film thickness and phase angle change, FIG. 5 is a diagram showing the measurement results of the apparatus of the present invention, and FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the conventional apparatus. 20, 21... Monochromatic light source, 22... Half mirror, 2
3...Polarizer, 24...Sample, 25...Reflector,
26, 27...Shutter, 28...Shutter driver circuit, 29a-29c...Optical flat, 31a-31c...Analyzer, 32a-3
2c...Condensing lens, 33a-33c...Pinhole, 34a-34c...Interference filter, 35a
~35c...Photoelectric converter, 36a-36c...Amplifier, 37a-37c...Low pass filter, 3
8a to 38c...sample and hold circuit,
39...Microcomputer.
Claims (1)
定装置において、2つの異なる波長光を同一入射
角でかつ同一直線偏光にして前記薄膜の施された
被測定対象に照射する照射手段と、前記薄膜およ
び前記下地からの反射光を受光して前記各波長光
別に前記薄膜と前記下地とからの各反射光の位相
角余弦の関係から前記薄膜の膜厚を算出する膜厚
算出手段とを具備して前記下地変化の影響を無く
したことを特徴とする膜厚測定装置。1. In a film thickness measuring device for measuring the thickness of a thin film applied to a base, an irradiation means for irradiating light of two different wavelengths at the same angle of incidence and with the same linear polarization onto an object to be measured on which the thin film is applied; , a film thickness calculating means for receiving the reflected light from the thin film and the base, and calculating the film thickness of the thin film from the relationship of the phase angle cosine of each reflected light from the thin film and the base for each of the wavelengths of light; A film thickness measuring device comprising: eliminating the influence of the underlying change.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP17914586A JPS6336105A (en) | 1986-07-30 | 1986-07-30 | Film thickness measuring device |
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| EP87108476A EP0249235B1 (en) | 1986-06-13 | 1987-06-12 | Film thickness-measuring apparatus using linearly polarized light |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17914586A JPS6336105A (en) | 1986-07-30 | 1986-07-30 | Film thickness measuring device |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS6336105A JPS6336105A (en) | 1988-02-16 |
| JPH0431522B2 true JPH0431522B2 (en) | 1992-05-26 |
Family
ID=16060756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP17914586A Granted JPS6336105A (en) | 1986-06-13 | 1986-07-30 | Film thickness measuring device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6336105A (en) |
Families Citing this family (11)
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| JPH05157521A (en) * | 1991-08-29 | 1993-06-22 | Nkk Corp | Ellipso parameter measuring method and ellipsometer |
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1986
- 1986-07-30 JP JP17914586A patent/JPS6336105A/en active Granted
Also Published As
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