JP2005201634A - 膜厚測定方法、及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多層膜の高精度な膜厚測定を、非接触、かつ短時間で行なえる膜厚測定方法、及び装置を提供する。
【解決手段】２層膜８は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他方の膜厚の薄い層を含み、２層膜に光を照射して反射光又は透過光を測定し、２層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値を、測定値から演算部５によって求め、他方の膜厚の正初期値を任意に定める。そして、仮初期値近傍の膜厚における理論値を演算部５によって求め、測定値と該理論値の誤差を求め、この誤差が最小となる膜厚を２層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値として、２層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて２層膜の各膜厚を算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、分光干渉法により薄膜の膜厚を非接触にて測定する膜厚測定方法、及び装置に関する。

従来、透明膜に対しては、分光干渉法による非接触膜厚測定が用いられ、各種薄膜の膜厚測定に使用されている。分光干渉式による非接触膜厚測定は、膜に光を照射し、膜表面からの反射光と膜を通過して膜と基板境界面で反射して戻ってくる光を分光器で捕らえ、前者と後者の光の位相差により生ずる干渉を測定する。位相差は膜厚が変わって両者の光学距離が変わることで変化するので、膜の屈折率から膜厚を算出する。

また、多層膜の膜厚の測定方法として、マトリクス法と呼ばれる光学シミュレーションを用い、カーブフィット法にて多層膜の膜厚を算出する方法などが用いられている。カーブフィット法では多層膜の膜厚の初期値における反射率、透過率をマトリクス法により理論値を算出し、実測された測定値との誤差が最小になるように初期値を変更して、実測の反射率、透過率にカーブフィットするに最適な膜厚を算出する。（例えば、特許文献１参照）。
特開平０７−００４９２２

ところが、カーブフィット法を用いて膜厚を算出する際、測定する膜の屈折率が膜の上部と下部で大きく異なる場合に、カーブフィットの誤差が収束しない、或は収束誤差が大きすぎる等の精度の低下という問題がある。また、カーブフィット法における問題の一つとして、初期値の設定条件により誤差が最小となる値に収束せず、誤差関数の他の極小値に収束してしまうことがある。これを避ける為にあらゆる初期値を設定して真の極小値を探すなど、最適な解を求める為には計算に非常に時間がかかり、実際の製品検査などに適用できない場合がある。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、多層膜の高精度な膜厚測定を、非接触、かつ短時間で行なえる膜厚測定方法、及び装置を提供することにある。

本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１の発明は、基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する膜厚測定方法であって、該多層膜は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他の膜厚の薄い層を１層含み、前記多層膜に光を照射して反射光又は透過光を測定するステップと、多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値を、前記測定して得られた測定値から演算によって求めるステップと、他の膜厚の薄い層の膜厚の正初期値を任意に定めるステップと、前記演算によって求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値を求め、前記測定値と該理論値の誤差を求めるステップと、前記誤差が最小となる膜厚を多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値とするステップと、前記多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて多層膜の各膜厚を算出するステップとを含む膜厚測定方法である。

したがって請求項１の発明は、基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する場合に、該多層膜は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他の膜厚の薄い層を１層含み、多層膜に光を照射して反射光又は透過光が測定される。そして、多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値が測定して得られた測定値から演算によって求められ、他の膜厚の薄い層の膜厚の正初期値が任意に定められ、演算によって求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値が求められ、測定値と理論値の誤差が求められる。そして、誤差が最小となる膜厚が多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値とされ、多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて２層膜の各膜厚が算出される。このため、測定精度が向上し、測定時間を短縮することができる。

また、請求項２の発明は、前記反射光又は透過光を測定するステップにおいて、照射する光の波長が、４００〜７５０ｎｍである膜厚測定方法である。

したがって請求項２の発明は、前記反射光又は透過光を測定する際、照射する光の波長を４００〜７５０ｎｍとされる。このため、測定精度が向上し、測定時間を短縮することができる。

また、請求項３の発明は、基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する膜厚測定装置であって、該多層膜は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他の膜厚の薄い層を１層含み、前記多層膜に光を照射して反射光又は透過光を測定する測定手段と、多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値を、前記測定して得られた測定値から演算によって求める仮初期値演算手段と、他の膜厚の薄い層の膜厚の正初期値を任意に定める正初期値演算手段と、前記演算によって求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値を求め、前記測定値と該理論値の誤差を求める誤差演算手段と、前記誤差が最小となる膜厚を多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値とする正初期値確定手段と、前記多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて多層膜の各膜厚を算出する膜厚演算手段とを含む膜厚測定装置である。

したがって請求項３の発明は、基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する場合に、該多層膜は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他の膜厚の薄い層を１層含み、多層膜に光を照射して反射光又は透過光が測定される。そして、多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値が測定して得られた測定値から演算によって求められ、他の膜厚の薄い層の膜厚の正初期値が任意に定められ、演算によって求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値が求められ、測定値と理論値の誤差が求められる。そして、誤差が最小となる膜厚が多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値とされ、多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて２層膜の各膜厚が算出される。このため、測定精度が向上し、測定時間を短縮することができる。

また、請求項４の発明は、前記測定手段において、照射する光の波長が、４００〜７５０ｎｍとした膜厚測定装置である。

したがって請求項４の発明は、照射される光の波長が、４００〜７５０ｎｍである。このため、精度よく短時間で膜厚を測定することができる。

本発明の膜厚測定方法、及び装置によれば、多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の初期値を２段階で求めるため、測定精度が向上し、多層膜の各膜厚の測定時間を従来の方法に比べて短縮することができる。

次に、本願発明について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る膜厚測定装置の一実施形態を示す構成図である。

図１に示すように、本発明による膜厚測定装置は、光源部１、２分岐ファイバー２、対物レンズ３、分光器４、演算部５から構成されているものである。

光源部１は、電球１０とカットフィルタ９を備える。電球１０は、例えば、可視光の光量の大きいハロゲン電球を使用している。２分岐ファイバー２は、光源部１に接続している部分が投光用で、分光器４に接続している部分が受光用である。それぞれが光ファイバーを例えば、数１００本を束ねたもので、途中でそれらが１本にまとめられている。これらの束の中で、投光用と受光用の光ファイバー１本１本は入り交じって束ねられ、対物レンズ３に接続している面では均等に両方の光ファイバーが配置されるようになっている。対物レンズ３は、入射光を被測定物である例えば液晶表示装置用基板（例えば、ＰＳ（フォトスペーサー）膜とＩＴＯ（透明導電）膜等から構成される）８上のＰＳ膜に集光する。分光器４は、回折格子、リニアアレイ等から成る分光器部６と、分光器部６の制御と信号をデジタル変換する制御部７から成る。演算部５は、パーソナルコンピュータ、キーボード、マウス、ディスプレイモニタ等から構成され、演算を行ない、膜厚値を算出する。また、分光器４の制御やユーザーインターフェイス処理も行う。

次に、本発明に係る膜厚測定装置を適用した膜厚測定方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。これは、基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する膜厚測定方法であるが、この多層膜は、多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ1層と、他の膜厚が非常に薄い層である場合に適用できるものである。

まず、多層膜に光源からの光を照肘する（ステップＳ１）。

次に、基板からの反射光又は透過光を分光器で測定する（ステップＳ２）。

次に、多層膜を多層膜全体の膜厚に近い1層の単層膜とみなして、ステップＳ２で得られた測定値からＰＶ法などの単層膜の膜厚を求める手法を用いて、演算によって求めた値を、多層膜全体の膜厚に近い1層の膜厚の仮初期値どするとともに、膜厚の非常に薄い層の膜厚の正初期値を任意に定める（ステップＳ３）。

次に、ステップＳ３で求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値をマトリクス法によって求め、測定値と理論値の誤差を求める（ステップＳ４）。

次に、求めた理論値と測定値の誤差が最小となる膜厚を多層膜全体の膜厚に近い1層の膜厚の正初期値とする（ステップＳ５）。

次に、多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて、多層膜の各膜厚を最小２乗法などの最適化手法を用いて算出する（ステップＳ６）。

続いて、液晶表示装置用基板のＰＳ膜とＩＴＯ膜の各膜厚を測定する場合を用いて、多層膜が２層膜の場合の具体例を説明する。

ステップＳ１では、光源部１から出力され、対物レンズ３を介した入射光は、被測定物である液晶表示装置用基板８上に集光する。ステップＳ２で、入射光は、液晶表示装置用基板８上で反射し、この反射光は、対物レンズ３および２分岐ファイバー２を経由して分光器４に入る。なお、分光器４は、回折格子とリニアアレイ素子の組み合わせで使用する波長が決まるが、可視光領域である４００ｎｍ〜７５０ｎｍ程度の波長範囲を使用すれば十分である。ステップＳ３で、演算部５では、ＰＳ膜とＩＴＯ膜の２層膜をＰＳ膜の１層膜とみなして、ＰＶ法を用いて膜厚を測定し、仮初期値とする。またＩＴＯ膜厚の正初期値を任意に定める。ステップＳ４では、ＰＳ膜厚の仮初期値近傍の膜厚における理論値を求め、前記測定値と該理論値の誤差を求める。ステップＳ５で、算出部５は、誤差が最小となる膜厚を２層膜のＰＳ膜の膜厚の正初期値とする。ステップＳ６で、算出部５は、前記２つの正初期値に基づいて、例えば、最小二乗法を用いて、２層膜のそれぞれの膜厚を算出する。

このように、本発明によれば、ＰＳ膜厚測定装置は、可視光域の光量が大きいハロゲン電球を光源とするので、ＩＴＯ膜内の上部と下部での屈折率の変化の影響を受けずらい波長域での膜厚計算が可能となる。

次に、例示した、ＰＳ膜とＩＴＯ膜の各膜厚を測定する場合の測定光として、可視光領域である４００ｎｍ〜７５０ｎｍ程度の波長範囲を使用するに至った理由について説明する。図３は、サンプル１とサンプル２について、ＩＴＯ膜内の上部と下部での屈折率の変化を示したもので、可視光域の方が近赤外域よりも屈折率の変化が明らかに小さい。このため、可視光域の波長域でカーブフィット法の処理をした結果の計算誤差は近赤外域の波長域でカーブフィット法の処理をした結果に比べて大幅に小さくなっていることが図４に示されている。

これらの結果は、この後に説明する最適な初期値を用いたカーブフィット法を適用した場合の結果であり、処理方法の優劣とは関係の無いＩＴＯ膜の物性の問題であり、使用する波長域で解決可能であることが分かった。

続いて、本実施形態で適用するカーブフィット法の初期値の設定方法について説明する。カーブフィット法において初期値の設定はきわめて重要な要素であり、この設定次第で膜厚計算の精度は良くも悪くも成り得る。カーブフィット法の初期値の設定条件による膜厚計算の収束結果の違いをシミュレーションし、比較した結果を図５に示す。このシュミレーションでは、ＰＳ膜に４５００ｎｍ、ＩＴＯ膜に１６０ｎｍのものを用いた。図の左側は、ＰＳ膜およびＩＴＯ膜のそれぞれの初期値であり、右側は、それぞれの収束値である。

上記の結果で注意したいことは、初期値の変数としてＩＴＯ膜厚とＰＳ膜厚の２つの変数があることである。図５に示した結果から明らかなように、ＰＳ膜の初期値の設定が真の値（４５００ｎｍ）に非常に近いものしか正しい値（４５００ｎｍ）に収束していないのに対して、ＩＴＯ膜厚の初期値の設定はそれほど真の値（１６０ｎｍ）に近くなくても正しい値（１６０ｎｍ）に収束しているという特徴がある。

さらに、ＩＴＯ膜厚の測定においては、製造上ＩＴＯ膜の形成は通常１３０ｎｍ〜１９０ｎｍ程度の範囲で膜厚制御が可能であり、このレンジ内であれば、何れの値を初期値としてもカーブフィット法による膜厚算出に大きな影響は無いことが分かる。

しかし、ＰＳ膜厚の測定においては、製造上ＰＳ膜の形成の膜厚制御が難しく、測定には２０００ｎｍ〜６０００μｍ程度の範囲が必要である。このレンジ内で何れかの値を初期値と設定すると、その値によっては正しい値に収束しなくなってしまい、検査装置の性能を満たすことができない。

この原因を図１０（ＩＴＯ膜厚を一定とした時のＰＳ膜厚変位に対する誤差量をプロットした図）を用いて検証してみると、ＩＴＯ膜厚を一定とし、ＰＳ膜厚を変化させた場合の誤差関数においては波形が周期的になり、更にＰＳ膜厚測定に必要なレンジにおいて極小値が多数存在するので、カーブフィット法により誤った膜厚に収束させない為には、真の膜厚のプラスマイナス５０ｎｍ程度の範囲にＰＳ膜厚の初期値を設定する必要がある。これに対して、ＰＳ膜厚を一定とし、ＩＴＯ膜厚を変化させた場合の誤差関数においては、図示はしないが、ＩＴＯ膜厚の測定に必要なレンジに極小値が１点しか無いため、１３０ｎｍ〜１９０ｎｍ程度の範囲にＩＴＯ膜厚の初期値を設定すれば、正しい膜厚に収束するということが分かる。

これら液晶表示装置用基板８上のＰＳ膜の測定における、製造上の問題等を考慮すると、ＩＴＯ膜厚は製造上に制御可能な範囲で初期値を設定し、ＰＳ膜厚は何らかの方法で、真の膜厚のプラスマイナス５０ｎｍ程度の範囲で初期値を設定してから、カーブフィット法を適用して正しい膜厚を算出する必要がある。

以上より、ＰＳ膜厚の初期値の設定方法をクリアすればよいことがわかる。本実施形態においてはＰＳ膜の測定を、単層膜の測定に定評のあるＰＶ法を用いた膜厚測定法を使用して初期値を設定する。以下にその方法についてさらに詳しく説明する。

ＰＶ法を用いた膜厚測定法は、ノイズ等にも強く精度も高い測定方法であるが、その厳密な理論は単層膜にのみ適用されるものであり、多層膜の推定には基本的に適用できない。ただし、液晶表示装置用基板８上に形成されるＩＴＯ膜の膜厚は薄く、その厚さを無視して、更にその上に形成されるＰＳ膜の測定を行なっても測定誤差３％程度の測定は可能である。本実施形態においては、まず、このＰＶ法にてＰＳ膜のおおよその測定を行ない、仮初期値を算出する。

ＰＳ膜の複数のサンプルを、ＰＶ法を適用して膜厚測定したので、その結果を図６に示す。このようにＰＶ法によりＰＳ膜厚を測定するが、図６の結果から分かるように、先に説明したプラスマイナス５０ｎｍの精度（接触式との誤差が５０ｎｍ以内の精度）では計算できないことが判明した。ここで測定された初期値を仮初期値とする。

そこで更に、ＰＶ法で求めた仮初期値に対応する膜厚の例えば、プラスマイナス４００ｎｍの範囲を２５ｎｍの間隔で操作していき、マトリクス法にて算出した誤差が最も小さい点を定め、そのときの膜厚を初期値（正初期値）として採用する。

上記のようにして決定した初期値（正初期値）を用い、カーブフィット法を適用して算出した膜厚測定の精度は、高精度となる。なお、カーブフィット法は周知の手法であるので、ここでは詳細な説明を省略する。また、本発明においては、仮初期値を求める方法としてＰＶ法を用いて説明しているが、（仮初期値を求めるための）おおよその膜厚を知ることが出来る測定手法であれば、どのような方法を用いても構わない。

以下に、本発明の具体的な実施形態を用いてさらに詳しく説明する。

本実施形態では、液晶表示装置基板８上に形成されたＩＴＯ膜とＰＳ膜の２層膜からなる膜を測定し、そのうちＰＳ膜厚を高精度に求める方法の一実施形態を説明する。なお、測定に使用した分光器は、松下インターテクノ社社製の反射型測定器を使用し、使用する波長は、例えば、４５０ｎｍ〜７００ｎｍとする。また、演算装置としてのパーソナルコンピュータは、ＣＰＵはＰｅｎｔｉｕｍ３搭載、メモリは１２８ＭＢを搭載のものを使用した。

以上のような条件を基に膜厚測定を行ない、接触式の膜厚測定装置の測定値と比較して、本発明によるＰＳ膜の膜厚測定方法を適用した膜厚測定装置の評価を行なう。

先ず、図１と同様の構成からなる測定装置で液晶表示装置用基板８上のＰＳ膜の分光反射率を測定し、これを単層膜とみなしてＰＶ法を適用して膜厚（の仮初期値）を算出する。実測の分光反射率は図７に示すようになり、ＰＶ法により算出したＰＳ膜厚は以下のようになった。

ＰＶ法算出（仮初期値）＝３６５７ｎｍ
このように、ＰＶ法により求めたＰＳ膜厚を仮初期値として、この値の例えば、プラスマイナス４００ｎｍの範囲を２５ｎｍ間隔で操作していき、マトリクス法にて誤差を算出する。また、ＩＴＯ膜厚は１６０ｎｍで一定とした。

算出方法は以下のとおりである。

マトリクス法により算出した誤差は図８のようになった。

図８の誤差の中で最小であるときのＰＳ膜厚は、３４８２ｎｍであるので、これを初期値として決定し、ＩＴＯ膜厚の初期値である１６０ｎｍとあわせてカーブフィット法を用いた膜厚を算出する。本発明によるＰＳ膜測定装置にて測定した膜厚を、接触式の膜厚測定装置の測定値と比較した結果、本発明によるＰＳ膜厚の測定値は３４７６ｎｍ、接触式によるＰＳ膜厚の測定値は３４５３ｎｍで膜厚差は０．６７％であった。

また、本発明によるＩＴＯ膜厚の測定値は１５７ｎｍであった。

また、これを複数のＰＳ膜のサンプルで実施した結果は図９であり、膜厚の誤差は、０．３６−１．６０パーセントとなった。

以上説明したように、本発明のＰＳ膜厚測定方法、及びＰＳ膜厚測定装置を用いることにより、従来方法より精度の高いＰＳ膜厚の測定が可能となる。また、カーブフィット法の欠点の誤った値での計算収束を避ける為に、「ＰＶ法により仮の初期値を設定する」および「仮の初期値の周辺を詳細に計算し、マトリクス法による誤差算出値が最小になる点を初期値に設定する」という、２段階の方式を採用することにより、ＰＳ膜厚の測定に必要な２０００ｎｍ〜６０００ｎｍの全ての点を初期値としてマトリクス法により誤差を算出し、その最小値を探るという非常に計算負荷が高い方法と比較すれば、大幅に計算時間を短縮できた。この計算時間の短縮は、製造工程におけるＰＳ膜厚の測定において非常に重要で、本発明の膜厚測定装置、及び膜厚測定方法を用いることで製造ライン上での検査も可能となる。また、多層膜の光学特性を求める理論式のマトリクス法を用いたカーブフィット法を採用することで、実際の運用に際しての信頼性が得られる。

なお、本装置では反射率で測定を行なう例を挙げているが、光学系を変えることで、透過率測定でも可能である。その場合マトリクス法の式も透過率を求める式となる。

本発明の実施形態に係る膜厚測定装置の一実施形態を示す構成図である。 この発明の実施形態に係わる膜厚測定方法のフローチャートである。 この発明の実施形態に係わるＩＴＯ膜の上部と下部の屈折率を示した図である。 この発明の実施形態に係わるカーブフィット法によるシミュレーションと実測値の反射率の比較を、近赤外域と可視光域の波長域で示した図である。 この発明の実施形態に係わるカーブフィット法の初期値の設定条件による膜厚計算の収束結果の違いをシミュレーションし、比較した結果を示す図である。 この発明の実施形態に係わるＰＳ膜の複数のサンプルを、ＰＶ法を適用して膜厚測定した結果を示す図である。 この発明の実施形態に係わる分光反射率を示す図である。 この発明の実施形態に係わるマトリクス法により算出した誤差を示す図である。 この発明の実施形態に係わるＰＳ膜の測定値と接触式による測定値の比較結果を示す図である。 この発明の実施形態に係わるＩＴＯ膜厚を一定とした時のＰＳ膜厚変位に対する誤差量のプロットを示す図である。

符号の説明

１・・・光源部、２・・・２分岐ファイバー、３・・・対物レンズ、４・・・分光器、５・・・演算部、６・・・分光器部、７・・・制御部、８・・・液晶表示装置用基板、９・・・カットフィルタ、１０・・電球

Claims (4)

1. 基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する膜厚測定方法であって、該多層膜は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他の膜厚の薄い層を１層含み、
   前記多層膜に光を照射して反射光又は透過光を測定するステップと、
   多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値を、前記測定して得られた測定値から演算によって求めるステップと、
   他の膜厚の薄い層の膜厚の正初期値を任意に定めるステップと、
   前記演算によって求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値を求め、前記測定値と該理論値の誤差を求めるステップと、
   前記誤差が最小となる膜厚を多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値とするステップと、
   前記多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて多層膜の各膜厚を算出するステップと、
   を含む膜厚測定方法。
2. 前記反射光又は透過光を測定するステップにおいて照射する光の波長が、４００〜７５０ｎｍである請求項１記載の膜厚測定方法。
3. 基板上に形成される多層膜の各膜厚を測定する膜厚測定装置であって、該多層膜は、少なくとも多層膜全体の膜厚に近い膜厚を持つ１層と、他の膜厚の薄い層を１層含み、
   前記多層膜に光を照射して反射光又は透過光を測定する測定手段と、
   多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の仮初期値を、前記測定して得られた測定値から演算によって求める仮初期値演算手段と、
   他の膜厚の薄い層の膜厚の正初期値を任意に定める正初期値演算手段と、
   前記演算によって求めた仮初期値近傍の膜厚における理論値を求め、前記測定値と該理論値の誤差を求める誤差演算手段と、
   前記誤差が最小となる膜厚を多層膜全体の膜厚に近い１層の膜厚の正初期値とする正初期値確定手段と、
   前記多層膜それぞれの膜厚の正初期値に基づいて多層膜の各膜厚を算出する膜厚演算手段と、
   を含む膜厚測定装置。
4. 前記測定手段において、照射する光の波長が、４００〜７５０ｎｍである請求項３記載の膜厚測定装置。

Images