膜厚度測量裝置和膜厚度測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及膜厚度測量裝置以及膜厚度測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]許多工業(yè)產(chǎn)品涂覆有多層膜。多層膜中的各個(gè)膜具有不同功能，比如防銹、粘著性獲得、防碎裂、著色、上光、熱保護(hù)、以及耐磨性獲得。為了保證這些功能，必須精確地把握每個(gè)層的厚度。為應(yīng)對(duì)該情況，提出了用于非破壞性地測量多層膜的每一層的厚度的技術(shù)。近來，還提出了通過使用太赫茲波來測量多層膜的每一層的厚度的技術(shù)(日本專利申請(qǐng)公開N0.2011-196990(JP 2011-196990 A))。
[0003]然而，在多層膜中包括引起太赫茲波的色散或吸收的膜的情況下，難以精確地測量存在于引起太赫茲波的色散或吸收的膜下方的膜的厚度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供能夠更加精確而可靠地測量膜厚度的膜厚度測量裝置和膜厚度測量方法。
[0005]本發(fā)明的第一方面涉及膜厚度測量裝置，所述膜厚度測量裝置包括:太赫茲波發(fā)生器，所述太赫茲波發(fā)生器產(chǎn)生太赫茲波；棱鏡，所述棱鏡具有入射面、鄰接面和出射面，使從所述赫茲波發(fā)生器出射的所述太赫茲波經(jīng)由所述入射面入射，所述鄰接面能夠與包括第一膜的樣品的形成有所述第一膜的一側(cè)上的表面鄰接，從所述樣品反射的反射波自所述出射面出射；太赫茲波檢測器，所述太赫茲波檢測器檢測自所述棱鏡的所述出射面出射的所述反射波的S-偏振分量和P-偏振分量；以及控制部，所述控制部構(gòu)造成基于所述反射波的所述S-偏振分量的時(shí)間波形與所述反射波的所述P-偏振分量的時(shí)間波形之間的差來確定形成在所述樣品中的所述第一膜的厚度。
[0006]本發(fā)明的第二方面涉及膜厚度測量方法，所述膜厚度測量方法包括:使棱鏡的鄰接面與包括第一膜的樣品的形成有所述第一膜的一側(cè)上的表面鄰接，所述棱鏡具有入射面、所述鄰接面和出射面，使從太赫茲波發(fā)生器出射的太赫茲波經(jīng)由所述入射面入射，從所述樣品反射的反射波自所述出射面出射；使用太赫茲波檢測器檢測自所述棱鏡的所述出射面出射的所述反射波的s-偏振分量和p-偏振分量；以及基于所述反射波的所述s-偏振分量的時(shí)間波形與所述反射波的所述P-偏振分量的時(shí)間波形之間的差來確定形成在所述樣品中的所述第一膜的厚度。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，將太赫茲波經(jīng)由棱鏡施加至樣品，因此能夠使太赫茲波以相對(duì)較大的入射角入射樣品。由于能夠使太赫茲波以相對(duì)較大的入射角入射樣品，因此能夠在反射波中的s-偏振分量的時(shí)間波形與反射波中的P-偏振分量的時(shí)間波形之間產(chǎn)生顯著的差異。因此，根據(jù)該實(shí)施方式，能夠基于反射波中的S-偏振分量的時(shí)間波形與反射波中的P-偏振分量的時(shí)間波形之間的差更精確且更可靠地測量膜的厚度。
【附圖說明】
[0008]下面將參照附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的特征、優(yōu)點(diǎn)、以及技術(shù)和工業(yè)意義，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件，并且在附圖中:
[0009]圖1是根據(jù)實(shí)施方式的膜厚度測量裝置的框圖；
[0010]圖2是示出了施加至樣品的太赫茲波的傳播的示意圖；
[0011]圖3是示出了根據(jù)實(shí)施方式的膜厚度測量裝置的控制器的框圖；
[0012]圖4是示出了根據(jù)實(shí)施方式的膜厚度測量方法的概要的流程圖；
[0013]圖5是示出了根據(jù)實(shí)施方式的膜厚度測量裝置中的膜厚度確定方法的流程圖；
[0014]圖6A和6B是各自示出了在進(jìn)行反褶積處理之后的時(shí)間波形的圖；
[0015]圖7是示出了根據(jù)實(shí)施方式的膜厚度測量方法的評(píng)價(jià)結(jié)果的圖；
[0016]圖8是示出了根據(jù)實(shí)施方式的第一改型的膜厚度測量裝置的框圖；
[0017]圖9是示出了根據(jù)實(shí)施方式的第二改型的膜厚度測量裝置的框圖；
[0018]圖10是示出了根據(jù)實(shí)施方式的第三改型的膜厚度測量裝置的一部分的剖視圖；
[0019]圖11是示出了根據(jù)實(shí)施方式的第四改型的膜厚度測量裝置的一部分的剖視圖；
[0020]圖12A和12B是各自示出了根據(jù)實(shí)施方式的第五改型的膜厚度測量裝置的一部分的立體圖；
[0021]圖13A和13B是各自示出了根據(jù)實(shí)施方式的第六改型的膜厚度測量裝置的一部分的立體圖；
[0022]圖14A和14B是各自示出了根據(jù)實(shí)施方式的第七改型的膜厚度測量裝置的一部分的平面圖和礎(chǔ)視圖；
[0023]圖15A和15B是各自示出了根據(jù)實(shí)施方式的第八改型的膜厚度測量裝置的一部分的立體圖；
[0024]圖16是示出了根據(jù)實(shí)施方式的第九改型的膜厚度測量裝置的一部分的平面圖；
[0025]圖17是示出了在實(shí)施方式的另一示例中的樣品的剖視圖；以及
[0026]圖18A和18B是各自示出了當(dāng)太赫茲波被施加至樣品時(shí)的反射波的視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]圖18A和18B是各自示出了當(dāng)太赫茲波被施加至樣品時(shí)的反射波的視圖。圖18A是概念性地示出了來自各個(gè)層的反射波的視圖，而圖18B是示出了來自各個(gè)層的反射波組合而成的波形的視圖。樣品30形成有多層膜32，該多層膜32例如具有三層結(jié)構(gòu)。作為第一層的膜31a為例如導(dǎo)電性底漆層。作為第二層的膜31b為例如金屬基底層。作為第三層的膜31c為例如透明層。在太赫茲波被施加至樣品3的情況下，四個(gè)界面的反射波到達(dá)太赫茲波檢測器23。由于施加了足夠短的太赫茲波，因此在作為第三層的膜31c的表面上的反射波77a的脈沖寬度變得足夠短。此外，在作為第三層的膜31c與作為第二層的膜31b之間的界面處的反射波77b的脈沖寬度也變得足夠短。然而，作為第二層的膜31b為金屬基底層，且金屬基底層包含作為具有導(dǎo)電性的粒子的導(dǎo)電粒子、更具體地為金屬粒子。由于金屬基底層包含導(dǎo)電粒子，因此在作為第二層的膜31b中，發(fā)生太赫茲波的色散或吸收，并且太赫茲波的脈沖寬度增大。因此，在作為第二層的膜31b與作為第一層的膜31a之間的界面處的反射波77c的脈沖寬度變大。此外，具有增大的脈沖寬度的太赫茲波進(jìn)入作為第一層的膜31a，因此在作為第一層的膜31a與基材30之間的界面處的反射波77d的脈沖寬度變大。在太赫茲波檢測器23中，檢測到了反射波77a至77d組合而成的波形77，如能夠從圖18B中觀察到的，難以在反射波77c的波峰與反射波77d的波峰進(jìn)行區(qū)分。因此，在多層膜32中存在引起太赫茲波的色散或吸收的膜31b的情況下，難以精確地測量膜31b的厚度以及位于膜31b下面的膜31a的厚度。
[0028]在下文中，將通過參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施方式。應(yīng)注意的是，本發(fā)明不局限于該實(shí)施方式，能夠在本發(fā)明的范圍內(nèi)對(duì)該實(shí)施方式酌情進(jìn)行修改。在下文描述的附圖中，具有相同功能的部件由相同的附圖標(biāo)記指代，并且在一些情況下將省略對(duì)它們的重復(fù)描述。
[0029]將通過使用附圖來描述根據(jù)該實(shí)施方式的膜厚度測量裝置與膜厚度測量方法。圖1是根據(jù)該實(shí)施方式的膜厚度測量裝置的框圖。
[0030]應(yīng)注意的是，在該實(shí)施方式中，將通過采用作為示例的如下情況進(jìn)行描述，該情況即通過主要使用光纖來使各部件彼此光學(xué)地聯(lián)接以確保穩(wěn)定性和堅(jiān)固性，但是該實(shí)施方式不局限于該情況。例如，部件也可以通過使用散裝(bulk)光學(xué)系統(tǒng)彼此聯(lián)接。
[0031]根據(jù)該實(shí)施方式的膜厚度測量裝置1具有將太赫茲波施加至樣品3并且檢測樣品3的反射波的光學(xué)裝置2。該光學(xué)裝置2包括激光振蕩器10、分束器(BS) 11、調(diào)制器12、光學(xué)延遲部13、太赫茲波發(fā)生器19、棱鏡21、以及太赫茲波檢測器23。此外，根據(jù)該實(shí)施方式的膜厚度測量裝置1包括:將樣品3的反射波的檢測信號(hào)放大的放大器4、對(duì)由放大器4放大的檢測信號(hào)進(jìn)行同步放大的鎖定放大器5、以及控制整個(gè)膜厚度測量裝置1的控制器(控制部)6。該控制器可以構(gòu)造為電子控制單元(EOT)。
[0032]從激光振蕩器10出射的激光光束由BS 11分為兩個(gè)激光光束。經(jīng)BS 11分離后獲得的其中一個(gè)激光光束被用作栗浦光束。通過調(diào)制器12對(duì)該栗浦光束進(jìn)行調(diào)制并且使其經(jīng)由光學(xué)延遲部13進(jìn)入太赫茲波發(fā)生器19。從太赫茲波發(fā)生器19出射的太赫茲波經(jīng)由棱鏡21施加至樣品3，并且從樣品3反射的反射波進(jìn)入太赫茲波檢測器23。另一方面，經(jīng)BS 11分離后獲得的另一激光光束被用作探測光束。使探測光束進(jìn)入太赫茲波檢測器23。太赫茲波檢測器23在探測光束的正時(shí)檢測樣品3的反射波。由太赫茲波檢測器23檢測的信號(hào)通過放大器4放大，并且進(jìn)一步通過鎖定放大器5同步放大。被鎖定放大器5同步放大的信號(hào)被作為測量數(shù)據(jù)輸入至控制器6?？刂破?能夠分析來自鎖定放大器5的測量數(shù)據(jù)并且確定膜的厚度。
[0033]光學(xué)裝置2包括激光振蕩器10、BS 11、調(diào)制器12、光學(xué)延遲部13、脈沖寬度擴(kuò)展器
14、激發(fā)光源15、光纖放大器16、以及脈沖壓縮器17。此外，光學(xué)裝置2包括太赫茲波發(fā)生器19、偏光板20、棱鏡21、偏光板22、以及太赫茲波檢測器23。太赫茲波發(fā)生器19、偏光板20、棱鏡21、偏光板22、以及太赫茲波檢測器23布置在容置部分(容器、柜、殼體、頭部)29中。此外，光學(xué)裝置2包括用于光程長度調(diào)整的光纖24、激發(fā)光源25、光纖放大器26、以及脈沖壓縮器27。應(yīng)注意的是，偏光板20和偏光板22中的每一者也都能夠由用于太赫茲波的半波片等替換。
[0034]光學(xué)裝置2通過使用激光振蕩器10和太赫茲波發(fā)生器19產(chǎn)生脈沖太赫茲波，即太赫茲脈沖。能夠使用例如被動(dòng)模式同步光纖激光器等作為該激光振蕩器10。光纖激光器為將光纖用作放大介質(zhì)的固態(tài)激光器。由于光纖在激光振蕩器10中用作放大介質(zhì)，因此能夠使用例如摻有鉺(Er)離子的光纖。從將摻有Er離子的光纖用作放大介質(zhì)的激光振蕩器10輸出的激光光束最可能滿足設(shè)置在太赫茲波發(fā)生器19中的非線性晶體中的相位匹配條件并且在光纖中傳播。因此，在此處，將摻有Er離子的光纖用作激光振蕩器10的放大介質(zhì)。從激光振蕩器10輸出的激光光束的中心波長被設(shè)定為例如大約1.56 μπι。從激光振蕩器10輸出的激光光束的脈沖寬度優(yōu)選小于例如lps。在此，從激光振蕩器10輸出的激光光束的脈沖寬度被設(shè)定為例如大約400fs。從激光振蕩器10輸出的激光光束的平均功率被設(shè)定為例如大約40mW。從激光振蕩器10輸出的激光光束的重復(fù)頻率被設(shè)定為例如50MHz。
[0035]應(yīng)當(dāng)注意的是在激光振蕩器10中用作放大介質(zhì)的光纖不限于摻有Er離子的光纖。例如，摻有鐿(Yb)離子或銩(Tm)離子的光纖也可以用作激光振蕩器10中的放大介質(zhì)。此外，激光振蕩器10不限于光纖激光器。例如，也可以使用將摻鈦藍(lán)寶石晶體塊或摻鐿釔鋁石榴石晶體塊用作放大介質(zhì)的激光振蕩器10。
[0036]在激光振蕩器10的下一級(jí)設(shè)置有BS 11。從激光振蕩器10輸出的激光光束在光纖48中傳播并且輸入至BS 11。可以將例如偏振保持光纖用作光纖48。BS 11將輸入的激光光束分成兩個(gè)激光光束并且將其輸出。經(jīng)BS 11分離后獲得的兩個(gè)激光光束中的一者用于太赫茲波的產(chǎn)生，即，用作栗浦光束。經(jīng)BS 11分離后獲得的兩個(gè)激光光束中的另一者用于太赫茲波的檢測，即，用作探測光束。
[0037]作為經(jīng)BS 11分離后獲得的兩個(gè)激光光束之一的栗浦光束在光纖49中傳播，并且輸入至調(diào)制器12。就光纖49而言，可以使用例如偏振保持光纖。就調(diào)制器12而言，可以使用例如聲光調(diào)制器(Α0Μ)等。調(diào)制信號(hào)被輸入至調(diào)制器12。就調(diào)制信號(hào)而言，可以使用例如大約100kHz的矩形波。應(yīng)注意的是，調(diào)制信號(hào)不限于此，而是能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)定。輸入至調(diào)制器12的栗浦光束在調(diào)制器12中經(jīng)受強(qiáng)度調(diào)制。經(jīng)受過強(qiáng)度調(diào)制而變?yōu)榇蠹s100kHz的栗浦光束從調(diào)制器12輸出。應(yīng)注意的是，通過使用調(diào)制器12在栗浦光束上進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制是為了使用鎖定放大器5對(duì)從太赫茲波檢測器23輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行鎖定檢測(同步檢測)。因此，在不使用鎖定檢測的情況下，沒有必要設(shè)置調(diào)制器12。
[0038]應(yīng)當(dāng)注意的是，通過以栗浦光束經(jīng)受強(qiáng)度調(diào)制的情況為例而給出描述，但是該實(shí)施方式不限于該情況。例如，也可以針對(duì)從太赫茲波發(fā)生器19輸出的太赫茲波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。此外，通過以將Α0Μ用作調(diào)制器12的情況為例而給出描述，但是該實(shí)施方式不限于該情況。例如，也可以通過使用諸如光學(xué)斬波器或MEMS鏡等機(jī)械手段來進(jìn)行栗浦光束的強(qiáng)度調(diào)制。
[0039]在調(diào)制器12的下一級(jí)布置有光學(xué)延遲部(延遲線)13。從調(diào)制器12輸出的栗浦光束在光纖50中傳播、由準(zhǔn)直透鏡33準(zhǔn)直、并且輸入至光學(xué)延遲部13。就光纖50而言，可以使用例如偏振保持光纖。光學(xué)延遲部13設(shè)置有例如四面鏡34至37。輸入至光學(xué)延遲部13的栗浦光束由鏡34至37按順序反射，然后從光學(xué)延遲部13輸出。從光學(xué)延遲部13輸出的栗浦光束由聚光透鏡38聚光，并且被引入到光纖51中。光學(xué)延遲部13能夠通過使用直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(stage)等改變鏡(可動(dòng)鏡)35和36的位置而改變鏡34與鏡35之間的距離以及鏡36與鏡37之間的距離。因此，光學(xué)延遲部13能夠改變栗浦光束的光程長度以及改變(清除)栗浦光束的延遲時(shí)間。由于能夠改變栗浦光束的延遲時(shí)間，因此能夠相對(duì)地改變太赫茲波的正時(shí)以及探測光束的正時(shí)。從太赫茲波檢測器23輸出的電信號(hào)對(duì)應(yīng)于太赫茲波在探測光束的正時(shí)處的電場強(qiáng)度。探測光束的脈沖寬度充分地小于太赫茲波的脈沖寬度。因此，能夠通過使用從太赫茲波檢測器23相繼輸出的在各個(gè)正時(shí)處的檢測信號(hào)來再現(xiàn)太赫茲波的波形。
[0040]在此，通過以機(jī)械光學(xué)延遲部13為例給出描述，但是光學(xué)延遲部13不限于機(jī)械光學(xué)延遲部。例如，使用重復(fù)頻率略微不同的兩個(gè)激光振蕩器10，并且這兩個(gè)激光振蕩器10中的一個(gè)激光振蕩器的輸出可以用作栗浦光束而另一激光振蕩器10的輸出可以用作探測光束。此外，也可以使用重復(fù)頻率周期性波動(dòng)的激光振蕩器10。
[0041]在此，光學(xué)延遲部13布置在栗浦光束的路徑中，而光學(xué)延遲部13也可以布置在探測光束的路徑中。
[0042]在光學(xué)延遲部13的下一級(jí)布置有脈沖寬度擴(kuò)展器14。從光學(xué)延遲部13輸出的栗浦光束通過聚光透鏡38聚光、在光纖51中傳播、并且輸入至脈沖寬度擴(kuò)展器14。就光纖51而言，可以使用例如偏振保持光纖。就脈沖寬度擴(kuò)展器14而言，可以使用例如具有組合起來的兩種類型的色散補(bǔ)償光纖的脈沖寬度擴(kuò)展器。具有組合起來的兩種類型的色散補(bǔ)償光纖的脈沖寬度擴(kuò)展器能夠?qū)崿F(xiàn)三階色散補(bǔ)償。脈沖寬度擴(kuò)展器14使栗浦光束的脈沖寬度增大。從脈沖寬度擴(kuò)展器14輸出的栗浦光束的脈沖寬度為例如大約幾十ps。由于脈沖寬度增大，因此從脈沖寬度擴(kuò)展器14輸出的栗浦光束的峰值強(qiáng)度減小。
[0043]在脈沖寬度擴(kuò)展器14的下一級(jí)布置有光纖放大器16。從脈沖寬度擴(kuò)展器14輸出的栗浦光束在光纖52中傳播，并且輸入至光纖放大器16。就光纖52而言，可以使用例如偏振保持光纖。光纖放大器16為能夠?qū)⒐饫w中的光信號(hào)放大而不需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。就光纖放大器16而言，例如使用將共摻有Er和Yb的光纖用作放大介質(zhì)的Er/Yb共摻光纖放大器。在光纖放大器16中用作放大介質(zhì)的光纖的纖芯直徑被設(shè)定為例如大約25μπι。此外，用作放大介質(zhì)的光纖的結(jié)構(gòu)為雙包層結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意的是，用作放大介質(zhì)的光