特許 6550101 膜厚測定方法及び膜厚測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6550101

(24)【登録日】2019年7月5日

(45)【発行日】2019年7月24日

(54)【発明の名称】膜厚測定方法及び膜厚測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20190711BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/06 G

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-136898(P2017-136898)

(22)【出願日】2017年7月13日

(65)【公開番号】特開2019-20183(P2019-20183A)

(43)【公開日】2019年2月7日

【審査請求日】2018年8月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】591006298

【氏名又は名称】ＪＦＥテクノリサーチ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100116012

【弁理士】

【氏名又は名称】宮坂 徹

(72)【発明者】

【氏名】近藤 孝司

(72)【発明者】

【氏名】岡田 奈雄登

(72)【発明者】

【氏名】荒牧 裕勝

(72)【発明者】

【氏名】岩本 勝哉

【審査官】 國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２３０５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０００−５１６７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２３７５３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の揮発性の光透過性膜を基材上に配置し、前記光透過性膜が蒸発し終えるまで前記光透過性膜に光源から光を照射するステップと、
前記光透過性膜の反射光を受光素子により正反射方向で受光し、前記光透過性膜が蒸発し終えるまでの前記反射光の信号強度の時系列信号であって前記信号強度が増減する反射光強度信号を取得して記憶装置に保存するステップと、
前記光源の分光強度と前記受光素子の分光感度と前記光透過性膜の光学定数とから、前記光透過性膜に前記光源から光を照射することにより得られる前記反射光の信号強度を推測し、前記光透過性膜の膜厚が変化するに伴い前記反射光の信号強度の推測値が増減する推測信号を取得するステップと、
前記反射光強度信号の信号波形において、前記光透過性膜が蒸発し終えた時点を基点として所望の時点までのピーク数をもとに前記所望の時点が存在する時間範囲を特定するステップと、
前記推測信号の信号波形において前記膜厚が零の時点と、前記反射光強度信号の信号波形における前記基点とが一致するように、前記推測信号の信号波形と前記反射光強度信号の信号波形とを対応付け、前記推測信号の信号波形におけるピーク数をもとに、前記推測信号の信号波形において前記時間範囲に対応する膜厚範囲を特定するステップと、
前記所望の時点における前記反射光の信号強度を取得し、前記膜厚範囲に含まれる膜厚に対応する前記反射光の信号強度の推測値のうち、前記所望の時点における前記反射光の信号強度と一致する推測値に対応する膜厚を、前記所望の時点における前記光透過性膜の膜厚として設定するステップと、
を備えることを特徴とする膜厚測定方法。

【請求項2】

前記受光素子を複数備えて二次元エリアセンサを構成することを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。

【請求項3】

前記光源は、前記光透過性膜の二次元エリアからなる測定領域全体を照射する面照明であることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定方法。

【請求項4】

前記基材の表面が平面ではないとき、得られた膜厚を、前記基材の表面の形状に合わせて補正するステップを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。

【請求項5】

基材上に配置された、測定対象の揮発性の光透過性膜に前記光透過性膜が蒸発し終えるまで光を照射する光源と、
前記光透過性膜の反射光を正反射方向で受光する受光素子と、
前記受光素子から出力される前記反射光の信号強度の、前記光透過性膜が蒸発し終えるまでの時系列信号であって、前記信号強度が増減する反射光強度信号が格納される記憶装置と、
前記光源の分光強度と前記受光素子の分光感度と前記光透過性膜の光学定数とから、前記光透過性膜に前記光源から光照射を行うことにより得られる前記反射光の信号強度を推測し、前記光透過性膜の膜厚が変化するに伴い前記反射光の信号強度の推測値が増減する推測信号を取得する推測信号取得部と、
前記反射光強度信号の信号波形において、前記光透過性膜が蒸発し終えた時点を基点として所望の時点までのピーク数をもとに前記所望の時点が存在する時間範囲を特定する時間範囲特定部と、
前記推測信号の信号波形において前記膜厚が零の時点と、前記反射光強度信号の信号波形における前記基点とが一致するように、前記推測信号の信号波形と前記反射光強度信号の信号波形とを対応付け、前記推測信号の信号波形におけるピーク数をもとに、前記推測信号の信号波形において前記時間範囲に対応する膜厚範囲を特定する膜厚範囲特定部と、
前記膜厚範囲に含まれる膜厚に対応する前記反射光の信号強度の推測値のうち、前記所望の時点における前記反射光の信号強度と一致する推測値に対応する膜厚を、前記所望の時点における前記光透過性膜の膜厚として設定する膜厚設定部と、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、基材面上に存在する膜の膜厚を測定する方法として、分光器を用いて光干渉法によって膜厚を算出する方法（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）や、特定の波長の光を照射し、その反射光の強度を測定して膜厚を算出する方法、また、白色光を照射し、その反射光を特定の波長の光だけを通すフィルタを介して強度を測定し、強度に基づき膜厚を算出する方法等が提案されている。

【0003】

また、膜厚が薄い場合、波長の長い光の強度変化は膜厚変化に対して小さいため、紫外線などの波長の短い光を使用して測定する方法も提案されている。
さらに、二次元領域の膜厚の分布を測定する場合、点測定が可能な膜厚測定器を照明装置との撮像角を維持しながら移動させて二次元データとする方法、また、線状領域の分光データが採取可能な分光器をスキャンする方法等も提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−３１４６１２号公報

【特許文献2】特開２０１２−１８９４０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、例えば基材面上に存在する液体からなる膜の膜厚が１００ｎｍよりも薄い場合には、可視光領域の分光反射率の変動が小さいことから、膜厚の測定精度が低下する可能性がある。この膜厚の測定精度の低下を抑制するために、紫外光領域の分光器を使用する等の対策を行うと、装置が複雑になったり、装置が高価になったりするという問題がある。

【0006】

また、分光器を使用せずに特定の波長の光を照射するか、又は受光素子にバンドパスフィルタを装着する等して干渉による反射光の強度の変化を測定する方法では、膜厚の変化を検出することはできるものの、その変化が増加であるのか減少であるのかを識別できないため、膜厚値に換算するためには、算出可能な膜厚を、膜厚の変化と反射強度の変化とが一様である範囲に限定する必要がある。

【0007】

さらに、点測定の分光干渉膜厚計を移動させて二次元分布を測定する方法や、線状領域の分光データを同時に採取することの可能な分光器をスキャンして二次元分布を測定する方法にあっては、短時間で膜厚が変動する場合や、同一位置の膜厚分布を繰り返し測定する場合などには時間的制約がある等といった問題がある。
本発明は、上記未解決の問題に着目してなされたものであり、簡易な構成で、比較的薄い膜厚であっても高精度に膜厚を検出することの可能な膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様によれば、測定対象の揮発性の光透過性膜を基材上に配置し、光透過性膜が蒸発し終えるまで光透過性膜に光源から光を照射するステップと、光透過性膜の反射光を受光素子により正反射方向で受光し、光透過性膜が蒸発し終えるまでの反射光の信号強度の時系列信号であって信号強度が増減する反射光強度信号を取得して記憶装置に保存するステップと、光源の分光強度と受光素子の分光感度と光透過性膜の光学定数とから、光透過性膜に光源から光を照射することにより得られる反射光の信号強度を推測し、光透過性膜の膜厚が変化するに伴い反射光の信号強度の推測値が増減する推測信号を取得するステップと、反射光強度信号の信号波形において、光透過性膜が蒸発し終えた時点を基点として所望の時点までのピーク数をもとに所望の時点が存在する時間範囲を特定するステップと、推測信号の信号波形において膜厚が零の時点と、反射光強度信号の信号波形における基点とが一致するように、推測信号の信号波形と反射光強度信号の信号波形とを対応付け、推測信号の信号波形におけるピーク数をもとに、推測信号の信号波形において時間範囲に対応する膜厚範囲を特定するステップと、所望の時点における反射光の信号強度を取得し、膜厚範囲に含まれる膜厚に対応する反射光の信号強度の推測値のうち、所望の時点における反射光の信号強度と一致する推測値に対応する膜厚を、所望の時点における光透過性膜の膜厚として設定するステップと、を備える膜厚測定方法が提供される。

【0009】

また、本発明の他の態様によれば、基材上に配置された、測定対象の揮発性の光透過性膜に光透過性膜が蒸発し終えるまで光を照射する光源と、光透過性膜の反射光を正反射方向で受光する受光素子と、受光素子から出力される反射光の信号強度の、光透過性膜が蒸発し終えるまでの時系列信号であって、信号強度が増減する反射光強度信号が格納される記憶装置と、光源の分光強度と受光素子の分光感度と光透過性膜の光学定数とから、光透過性膜に光源から光照射を行うことにより得られる反射光の信号強度を推測し、光透過性膜の膜厚が変化するに伴い反射光の信号強度の推測値が増減する推測信号を取得する推測信号取得部と、反射光強度信号の信号波形において、光透過性膜が蒸発し終えた時点を基点として所望の時点までのピーク数をもとに所望の時点が存在する時間範囲を特定する時間範囲特定部と、推測信号の信号波形において膜厚が零の時点と、反射光強度信号の信号波形における基点とが一致するように、推測信号の信号波形と反射光強度信号の信号波形とを対応付け、推測信号の信号波形におけるピーク数をもとに、推測信号の信号波形において時間範囲に対応する膜厚範囲を特定する膜厚範囲特定部と、膜厚範囲に含まれる膜厚に対応する反射光の信号強度の推測値のうち、所望の時点における反射光の信号強度と一致する推測値に対応する膜厚を、所望の時点における光透過性膜の膜厚として設定する膜厚設定部と、を備える膜厚測定装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、簡易な構成で、比較的薄い膜厚であっても高精度に膜厚を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】薄膜の反射光の干渉を模式的に示す図である。

【図2】図１に示す干渉による分光スペクトルの一例である。

【図3】光源の分光強度の一例を示す特性図である。

【図4】受光素子の分光感度の一例を示す特性図である。

【図5】膜厚と反射率との対応を示す特性図である。

【図6】蒸発により膜厚変動が生じるときの反射率の変動状況の一例である。

【図7】蒸発により膜厚変動が生じるときの膜厚の演算結果の一例である。

【図8】本発明の一実施形態における膜厚測定装置の一例を示す概略構成図である。

【図9】制御装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図10】平面とこの平面に接する球体との間に存在する液体の反射率の変動状況の一例である。

【図11】平面とこの平面に接する球体との間に存在する液体の膜厚の演算結果の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0013】

本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法は、表面で光が拡散しない屈折率ｎ_ｍの基材の上に存在する、屈折率ｎ、膜厚ｄ、の光透過性膜に、屈折率ｎ_０の入射媒質からθ_０の角度で光が入射したときの反射率Ｒｆ（ｆはｓ：ｓ偏光成分、又はｐ：ｐ偏光成分）を求め、光源として用いた波長範囲を絞った照明の分光強度と実測値又はメーカによるカタログスペックによる受光素子の分光感度とから、膜厚と反射率との関係を算出し、実測した反射率から膜厚を求めるものである。

【0014】

まず、薄膜の干渉について説明する。図１に薄膜の干渉の模式図を示す。
図１に示すように、基材１上に形成された薄膜（光透過性膜）２に対して角度θ_０で光が入射すると、入射媒質、薄膜２及び基材１それぞれの、光の偏光成分ｓ波及びｐ波に対する屈折率は次式（１）〜（６）と表すことができる。なお、入射媒質の偏光成分ｓ波に対する屈折率をη_０Ｓ、偏光成分ｐ波に対する屈折率をη_０Ｐ、薄膜２の偏光成分ｓ波に対する屈折率をη_Ｓ、偏光成分ｐ波に対する屈折率をη_Ｐ、基材１の偏光成分ｓ波に対する屈折率をη_ｍＳ、偏光成分ｐ波に対する屈折率をη_ｍＰとする。また、薄膜２の光の屈折角をθ、基材１の光の出射角をθ_ｍとする。
η_０Ｓ＝ｎ_０×cosθ_０ ……（１）
η_０Ｐ＝ｎ_０／cosθ_０ ……（２）
η_Ｓ＝ｎ×cosθ ……（３）
η_Ｐ＝ｎ／cosθ ……（４）
η_ｍＳ＝ｎ_ｍ×cosθ_ｍ ……（５）
η_ｍＰ＝ｎ_ｍ／cosθ_ｍ ……（６）

【0015】

また、各屈折率と入射角との間は次式（７）で示すスネルの法則が成り立つことから、式（８）及び（９）を導くことができる。
ｎ_０×sinθ_０＝ｎ×sinθ＝ｎ_ｍ×sinθ_ｍ ……（７）
cosθ＝（１−sin^２θ）^１／２＝｛１−（ｎ_０／ｎ_ｍ）^２×sin^２θ｝^１／２
……（８）
cosθ_ｍ＝（１−sin^２θ_ｍ）^１／２＝｛１−（ｎ_０／ｎ_ｍ）^２×sin^２θ_ｍ｝^１／
２
……（９）

【0016】

また、薄膜２の光学膜厚は、ｎ×ｄ×cosθで表すことができるため、光が薄膜２を１
回通過したときには、次式（１０）で表す位相変化δが生じる。
δ＝（２π／λ）×ｎ×ｄ×cosθ ……（１０）
光の偏光成分ｓ波及びｐ波の各界面におけるフレネル反射係数は、次式（１１）〜（１４）で表すことができる。なお、薄膜２の表面でのｓ波の偏光成分のフレネル反射係数をρ_０Ｓ、薄膜２と基材１との界面でのｓ波の偏光成分のフレネル反射係数をρ_１Ｓ、薄膜２の表面でのｐ波の偏光成分のフレネル反射係数をρ_０Ｐ、薄膜２と基材１との界面でのｐ波の偏光成分のフレネル反射係数をρ_１Ｐとする。
ρ_０Ｓ＝（η_０Ｓ−η_Ｓ）／（η_０Ｓ＋η_Ｓ） ……（１１）
ρ_１Ｓ＝（η_Ｓ−η_ｍＳ）／（η_Ｓ＋η_ｍＳ） ……（１２）
ρ_０Ｐ＝（η_０Ｐ−η_Ｐ）／（η_０Ｐ＋η_Ｐ） ……（１３）
ρ_１Ｐ＝（η_Ｐ−η_ｍＰ）／（η_Ｐ＋η_ｍＰ） ……（１４）

【0017】

多重反射を考慮した全体のフレネル反射係数ρｆ（ｆはｓ又はｐ）は次式（１５）となり、反射率Ｒｆ（ｆはｓ又はｐ）は式（１６）となる。
ρ_ｆ＝(ρ_０f＋ρ_１ｆｅ^−ｉ２δ）／(１−ρ_０f×ρ_１ｆｅ^−ｉ２δ） ……（１５）
Ｒ_ｆ
＝(ρ_０f^２＋ρ_１ｆ^２＋２ρ_０fρ_１ｆcos２δ)／{１＋(ρ_０fρ_１ｆ)^２＋２ρ_０fρ_１ｆcos２δ｝
……（１６）

【0018】

式（１６）から求めた分光スペクトルを図２に示す。図２において横軸は波長、縦軸は反射率である。また、特性ｄ１は薄膜２の膜厚が１００ｎｍ、特性ｄ２は薄膜２の膜厚が２５０ｎｍ、特性ｄ３は薄膜２の膜厚が５００ｎｍである場合の特性を示す。
図２に示す分光スペクトルと、図３に示す、薄膜２に入射される光の光源の分光強度Ｉ（λ）と、図４に示す、薄膜２の反射光を撮影する受光素子の分光感度Ｓ（λ）とから、図５に示す、薄膜２の膜厚と反射率との関係を求めることができる。

【0019】

なお、図３において、横軸は波長、縦軸は光源の分光強度Ｉである。図４において、横軸は波長、縦軸は受光素子の分光感度Ｓである。図５において、横軸は膜厚、縦軸は反射率である。薄膜２の屈折率ｎは１．３３、薄膜２への光の入射角θ_０は８°とした。また、特性λ１は、薄膜２への入射光の波長が４５０ｎｍである場合、特性λ２は、波長が５３０ｎｍである場合、特性λ３は、波長が６５０ｎｍである場合の反射率を示す。

【0020】

ここで、薄膜２が例えば水等、蒸発する物質で形成されている場合、時間の経過と共に膜厚は薄くなる。つまり、蒸発し終えるまでの過程の薄膜２の反射率を計測すると、図６に示すように、膜厚の変動に伴って反射率は増減することになる。そして、薄膜２が蒸発し終えたとき、つまり薄膜２の膜厚が零であるとき反射率は最大となる。図６において、横軸は経過時間、縦軸は反射率である。時間の経過と共に蒸発により膜厚が単調に減少し、膜厚の変動に伴って反射率が振動している。そして、時点ｔ１で膜厚が零になったとき反射率は山側のピークとなり、これ以後反射率はこのときのピーク値を維持する。
反射率がピーク値を維持する状態となった時点はすなわち薄膜２の膜厚が零となった時点である。

【0021】

薄膜２の膜厚と反射率とは、理論上、図５に示すように、膜厚が零から増加するにつれて反射率は減少し、その後増減を繰り返す特性を有している。一方、図６は、薄膜２が蒸発し終えるまでの反射率の変化の実測値である。図６において、膜厚が零となる時点ｔ１から時点ｔ０に遡るということは、膜厚が零から増加することと同等であり、反射率は、膜厚が零の時点ｔ１から遡る（膜厚が零から増加する）に伴い図５と同等の特性で変化することになる。つまり、時点ｔ０のときの薄膜２の膜厚をｄＸとし、反射率をｒＸとすると、図６において、時点ｔ１から時点ｔ０まで遡ったときの反射率の変化を表す信号波形は、図５において、膜厚が零の時点から膜厚がｄＸとなるまでの反射率の変化を表す信号波形と同等の波形形状となる。すなわち、図６に示す反射率の信号波形上における時点ｔ０の位置と、図５に示す反射率の信号波形上における膜厚ｄＸの位置とは、略一致することになる。したがって、図５に示す反射率の信号波形において、図６に示す反射率の信号波形上における時点ｔ０の位置と一致する地点の膜厚が、図６に示す反射率の信号波形上における時点ｔ０の膜厚ｄＸであるとみなすことができる。なお、図５に示す反射率の信号波形において、反射率の演算周期等により、図６に示す反射率の信号波形の時点ｔ０の位置と一致する地点の膜厚を得ることができない場合には、例えば、反射率の信号波形を補完し、アナログ信号からなる反射率の信号波形を得て、この信号波形から時点ｔ０の位置と一致する地点の膜厚を取得するようにしてもよい。または、デジタル信号からなる反射率の信号波形において、時点ｔ０の位置に最も近い地点の膜厚を取得するようにしてもよい。

【0022】

図６において、時点ｔ１、つまり膜厚が零の時点を基点として考えると、時点ｔ０は、時点ｔ１から、反射率の谷及び山の順にピークを遡って五番目のピークと六番目のピークとの間（時間範囲）にある。これを図５において膜厚が零の地点を基準として照らし合わせると、図６で特定した時間範囲は、膜厚が零の地点から、反射率の谷及び山の順にピークを進み、五番目のピークと六番目のピークとの間の範囲（図５中の膜厚範囲Ｅ１）に対応する。図５の膜厚範囲Ｅ１において、反射率がｒＸ（例えば、０．０３０程度）である地点の膜厚は４９０ｎｍ程度となるため、この膜厚が、図６の時点ｔ０のときの膜厚ｄＸとなる。つまり、時点ｔ０における薄膜２の膜厚ｄＸを、この薄膜２の膜厚が零となるまでの反射率の変化状況から、推定することができたことになる。

【0023】

図７は、以上の方法により図６に示す反射率の変動にしたがって膜厚を演算した場合の、膜厚変動を示したものである。図６において、横軸は経過時間、縦軸は膜厚である。薄膜２の膜厚は、薄膜２の蒸発に伴って減少し、時点ｔ１で薄膜２が蒸発し終えたときに零になることが確認された。
図８は、本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法を用いて膜厚測定を行う膜厚測定装置の一例を示す概略構成図である。

【0024】

膜厚測定装置１０は、測定対象の薄膜２が形成された基材としてのガラス１１面に単色光を面照射するＬＥＤディスプレイ等の光源１２と、モノクロエリアカメラ等の二次元エリアセンサである撮像装置１３と、制御装置１４と、を備える。光源１２及び撮像装置１３は、測定中、これらの相対位置がずれないように配置される。また、光源１２による反射光を除く光が撮像装置１３に入射されないように、遮光するための例えば遮光カーテン１５を備える。

【0025】

なお、薄膜２は、水膜等、光透過性及び揮発性を有する膜であればよい。
また、基材としてガラス１１を適用する場合に限るものではない。表面で光が拡散するすりガラス等ではなく、表面で光が拡散しない、ガラスや鏡、樹脂等といった鏡面反射する面を有する部材であればよい。
光源１２は、薄膜２の測定領域の大きさに応じて、撮像装置１３から見て測定領域の正反射領域を全て視野内に含むことができるようになっている。

【0026】

光源１２の波長は、図６に示す反射光強度信号として、十分な反射率の増減特性を得ることの可能な波長に設定すればよい。光源１２の波長が比較的長いと、十分な増減特性を取得しにくく、波長が短いほど分解能が向上し良好な増減特性を取得することができる。
光源１２としては、例えば、紫色や青色のＬＥＤ光源やレーザ光源を適用することができる。例えば、薄膜２の膜厚が１００ｎｍ程度よりも薄くなったときの反射率の変化が大きい５００ｎｍ程度よりも短い波長に最大強度があり、照射波長領域の狭い可視光線の照明を利用することによって、薄膜２の膜厚が１００ｎｍ程度よりも薄い場合の膜厚の測定精度を向上させることができる。

【0027】

撮像装置１３は、ガラス１１面に対して光源１２の正反射方向に設置する。
制御装置１４は、入力装置１４ａ、表示装置１４ｂ、記憶装置１４ｃを備える。制御装置１４は、光源１２及び撮像装置１３の作動制御を行うと共に、光源１２で薄膜２を照射することにより生じる反射光を撮像装置１３で撮影した撮像画像を入力して記憶装置１４ｃに記憶し、記憶装置１４ｃに記憶した撮像画像に基づき薄膜２の膜厚を推定する。また、記憶装置１４ｃには、図５に示す膜厚と反射率との対応を表す推測信号が記憶されている。この推測信号は、測定対象の薄膜２のモデルについて求めた図２に示す分光スペクトルと、図３に示す光源１２の分光強度特性と、図４に示す撮像装置１３の受光素子の分光感度特性と、をもとに予め推測する（推測信号取得部）。

【0028】

次に、本発明の動作を、図９に示す制御装置１４の処理手順の一例を示すフローチャートを用いて説明する。
オペレータは、まず、制御装置１４において入力装置１４ａを操作すること等により、膜厚の測定開始を指示する。
制御装置１４では、膜厚の測定開始が指示されると、光源１２及び撮像装置１３を駆動制御し（ステップＳ１）、光源１２により薄膜２の測定対象領域に単色光を面照射すると共に、撮像装置１３により測定対象領域の正反射領域全体を例えば定周期で撮影する。

【0029】

制御装置１４は、撮像装置１３で撮影した撮像データを順次読み込み、記憶装置１４ｃに格納する処理を開始する（ステップＳ２）。
オペレータは、撮像装置１３による撮像が開始され、撮像データの読み込みが開始された後、ガラス１１面上に測定対象の薄膜２を作成する。
そして、例えば薄膜２が蒸発し終えた時点で、オペレータが膜厚の測定終了を指示すると、制御装置１４では、光源１２及び撮像装置１３の駆動を停止する（ステップＳ３）。

【0030】

これにより、記憶装置１４ｃには、薄膜２が形成されていない状態のガラス１１面の画像から、薄膜２が形成された後、薄膜２が蒸発し、薄膜２が蒸発し終えて薄膜２が存在しない状態のガラス１１面の画像までが、撮像データとして格納される。
制御装置１４では、記憶装置１４ｃに格納した撮像データについて、画素毎に、図６に示すような撮影開始からの経過時間に対する反射率の変化を表す反射光強度信号を検出し、撮影開始時点ｔ０における反射率ｒＸと、膜厚が零となった時点、つまり図６において反射率が変化しなくなった時点ｔ１を基準とする、信号波形上における時点ｔ０の存在位置、つまり時間範囲を特定する（ステップＳ４、時間範囲特定部）。具体的には時点ｔ１を基準として、時点ｔ０までの間に存在する、信号波形上の谷及び山のピーク数を求め、時点ｔ１を基点として、求めたピーク数番目に相当するピークと、この次のピークとの間を、時間範囲として特定する。

【0031】

続いて、記憶装置１４ｃに格納している図５に示す膜厚と反射率との対応を表す特性線と、ステップＳ４で特定した時点ｔ０の時間範囲とを対応付け、図５に示す特性線の信号波形上における時点ｔ０が存在すると予測される膜厚範囲Ｅ１を特定する（ステップＳ５、膜厚範囲特定部）。
続いて、膜厚範囲Ｅ１の中から、反射率ｒＸに対応する膜厚を検出し、これを時点ｔ０における膜厚ｄＸとして特定する（ステップＳ６、膜厚設定部）。

【0032】

そして、各画素の膜厚を表示装置１４ｂに表示する（ステップＳ７）。例えば、膜厚に応じて表示色を変えること等により、薄膜２の測定領域の膜厚を表示し処理を終了する。
このように、薄膜２が蒸発し終えるまでの薄膜２の反射率の変化状況を検出し、この変化状況と、予め検出した膜厚−反射率特性とに基づき、膜厚を検出するようにしたため、簡易な構成で容易に膜厚を検出することができる。

【0033】

また、反射率がわかれば膜厚を得ることができるため、例えば、反射率を高周期で検出することによって膜厚の変化を高周期で取得することができる。
また、薄膜２の膜厚の測定対象領域全体を撮影することにより、測定対象領域全体の膜厚を同時に得ることができるため、測定対象領域全体について面単位で、同一時点における膜厚を検出することができる。

【0034】

また、反射率を検出することができれば膜厚を得ることができるため、例えば１００ｎｍ以下など、比較的膜厚が小さい場合であっても、精度よく膜厚を検出することができる。そのため、従来の分光干渉法を用いた膜厚の検出方法では、得ることが難しかった５０ｎｍよりも薄い膜厚についても検出することができる。そのため、ワイパで形成される水膜等といった、膜厚が薄く短時間で蒸発するような膜の測定に好適である。
また、上記実施形態では、面照射可能な光源１２としてＬＥＤディスプレイを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、単一波長のＬＥＤ面照射装置又はスクリーン全面にＬＥＤ照明を照射することにより、面照射を行うようにしてもよい。

【0035】

また、上記実施形態においては、薄膜２の測定領域の膜厚を面単位で検出する場合について説明したが、これに限るものではなく薄膜２上の一画素の膜厚を検出することも可能である。
また、上記実施形態においては、測定対象の薄膜２の反射率の変化状況の収集処理と、膜厚の演算処理とを同一の制御装置１４において実行する場合について説明したがこれに限るものではなく、記憶装置１４ｃに格納された測定対象の薄膜２の反射率の変化状況を表すデータをもとに、他の処理装置において膜厚演算を行うようにしてもよい。

【0036】

また、上記実施形態においては、基材１が平面である場合について説明したが、これに限るものではなく、基材１が曲面であっても適用することができ、この場合には、撮像装置１３から見た基材１の表面の測定領域全体において正反射方向全体に光源または照明を照射するスクリーンを設ければよい。
また、基材１が平面でない場合には、基材１が平面であると仮定して算出した膜厚値に、補正演算を施すことにより、膜厚の真値を検出するようにしてもよい。この補正演算は、例えば以下のように行えばよい。

【0037】

この補正演算は、前記（１０）式を基にして行う。基材１が平面でない場合の、基材１の平面からの傾きをΔθとする。また、補正演算を施すことにより得られる膜厚の真値をｄ′とする。基材１が平面である場合の位相変化δと、基材１が曲面である場合の位相変化δとは同一となるため、前記（１０）式から次式（１７）を導くことができる。
δ＝（２π／λ）×ｎ×ｄ′×cos(θ+Δθ)
＝（２π／λ）×ｎ×ｄ×cosθ ……（１７）
式（１７）を変形すると、次式（１８）と表すことができる。
ｄ′＝ｄ×cosθ／cos(θ+Δθ) ……（１８）
つまり、（１８）式から、測定点の傾きΔθを用いることにより膜厚ｄを補正することができる。

【0038】

また、上記実施形態において、薄膜２を面照射した場合、膜厚の対象領域内の位置毎に、光源１２から入射される光の入射角が異なる。そのため、光源１２による照射位置毎に、その位置における入射角を用いて図５に示す反射率の信号波形を演算するようにしてもよい。
また、本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法を用いて、二つの物体間に存在する液体の膜厚を測定することができる。

【0039】

例えば、平面に球体が接触している場合等、二つの物体が接触している箇所は膜厚がゼロであり、この二つの物体が接触している箇所から離れるにつれて二つの物体間の距離が増加して空隙が大きくなる場合を想定する。上記実施形態で説明した水等の液体が蒸発する場合と照らし合わせると、液体が蒸発し終えた状態は、膜厚がゼロである状態、つまり、二つの物体が接触している接触位置に相当し、液体が蒸発して膜厚が変化することは、二つの物体間の距離が変化すること、すなわち、二つの物体が接触せず、二つの物体間の空隙の大きさが変化することに対応する。例えば、平面に球体が接触している場合等では、接触点を起点として接触点から離れていくほど空隙の厚さはほぼ一様に増加することになる。このような空隙に対して、本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法を適用すると、各位置での空隙の厚さを計測することができる。先に説明した図６及び図７において、横軸を経過時間ではなく、二つの物体が接触する位置からの空間位置に置き換えた、反射率（図１０）と膜厚（図１１）とにより、二つの物体間に存在する液体の膜厚が変化する現象を説明することができる。

【0040】

図１０及び図１１において、ｐ１は二つの物体が接触した膜厚ゼロになる位置を示し、ｐ０は膜厚ゼロとなる位置ｐ１から離れた距離を示す。
なお、ここでは、二つの物体間に存在する液体の膜厚を測定する場合について説明したが、同様の手順で平面に接触する球体と平面との間の間隙を測定することもできる。
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

【符号の説明】

【0041】

１０ 膜厚測定装置
１１ ガラス
１２ 光源
１３ 撮像装置
１４ 制御装置
１５ 遮光カーテン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】