JP2011237355A

JP2011237355A - 膜厚測定方法および膜厚測定装置

Info

Publication number: JP2011237355A
Application number: JP2010110750A
Authority: JP
Inventors: Akira Shiokawa; 塩川　　晃
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2011-11-24

Abstract

【課題】非測定対象膜との屈折率の差が小さい基板上に形成された被測定対象膜の膜厚を高精度に測定する。
【解決手段】被測定対象膜である保護膜１６の表面に４５度以上の入射角度を有してパルス光４１を照射する光源４２と、表面から反射した表面反射光と誘電体層１５と保護膜１６との界面から反射した界面反射光とによって形成された干渉光を分光する分光器４４と、パルス光４１の位相と周期の情報に基づいて光源４２からの信号と外乱光によるノイズとを分離する分離器４７と、分光器４４で分光された光を検知する光検出器４６とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、基材に形成した被測定対象膜の膜厚を非破壊、非接触で測定する膜厚測定装置に関し、特にプラズマディスプレイパネルの保護膜の膜厚測定に好適な膜厚測定方法と膜厚測定装置に関する。

近年、大画面、高精細の画面表示装置としてプラズマディスプレイパネル（以下、「ＰＤＰ」と略記する）を用いた画像表示装置が開発生産されている。ＰＤＰとして代表的な交流面放電型ＰＤＰは、前面基板と背面基板とからなり、それらが対向配置されて周囲が封着されるとともに内部に多数の放電セルが形成された構成になっている。

ＰＤＰのガラス基板などよりなる前面基板には誘電体層が形成され、さらに誘電体層を覆って保護膜が形成されている。保護膜は放電で生じるイオン衝撃から誘電体層を保護するとともに、二次電子を放出して駆動電圧を低下させる機能を有している。保護膜の材料としては、耐イオン衝撃性の高い酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜が用いられ、一般的には真空蒸着法などにより製膜される。このような真空蒸着法による製膜では、蒸着された膜厚が放電特性に大きな影響を及ぼすため、誘電体層上に形成された保護膜の膜厚を高精度に自動測定して製品の品質を確保することが求められている。

このような保護膜の膜厚を、製造工程においてインラインで測定する方法として分光干渉法を用いた方法が一般的である。例えば、特許文献１には、被測定対象膜に垂直に光を照射し、被測定対象膜の表面と被測定対象膜とその基板との界面とでそれぞれ反射した光の干渉光を、分光器を通して分離して得られた干渉波長から膜厚を測定する方法とその膜厚測定装置が開示されている。

特開２００３―１３０６１４号公報

しかしながら、近年のＰＤＰにおいては、発光効率の更なる向上が求められ、そのために、保護膜の下に形成した誘電体層の比誘電率を小さくするようにしている。その結果、誘電体層と、誘電体層の上に形成される酸化マグネシウムの保護膜との屈折率の差が非常に小さくなってきている。このため、非測定対象膜である保護膜の膜厚を測定する際に、保護膜と誘電体層との界面での反射強度の差が弱まって干渉信号の強度が小さくなり、保護膜の膜厚を精度良く測定できないという課題が発生する。

本発明は、このような課題を解決し、非測定対象膜との屈折率の差が小さい基材の上に形成された非測定対象膜の膜厚を精度良くインラインで測定できる膜厚測定方法とその膜厚測定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の膜厚測定方法は、基板上に形成された被測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、被測定対象膜の表面に４５度以上の入射角度を有して光源からパルス光を照射する光照射ステップと、表面から反射した表面反射光と基板と被測定対象膜との界面から反射した界面反射光とによって形成された干渉光を分光する分光ステップと、パルス光の位相と周期の情報に基づいて光源からの信号と外乱光によるノイズとを分離する分離ステップと、分光ステップで分光された光を検知する光検出ステップとを備えている。

このような方法によれば、基板と被測定対象膜との界面からの反射強度を大きくすることができ、非測定対象膜との屈折率の差が小さい基板の上に形成された非測定対象膜の膜厚測定を、ノイズの影響を低減しながら高い測定精度で測定することができる。

さらに、パルス光が近紫外光を含む光であることが望ましい。このような方法によれば、膜厚測定をより高精度に行うことができる。

さらに、光検出ステップに入射する前の光をビームスプリッターで分割して参照光とし、参照光を用いて波長毎の光強度を補正する補正ステップを備えることが望ましい。このような方法によれば、干渉信号のピークを精度よく認識できるため、測定精度をさらに高めることができる。

さらに、光検出ステップで検知した波長と光強度の関係を波数と光強度の関係に換算した後に周期情報に変換する変換ステップをさらに備え、被測定対象膜を測定して得られる周期情報と基板を測定して得られる周期情報との差分を算出する演算ステップを備えることが望ましい。このような構成によれば、外乱光などによるノイズの影響を低減して測定精度をより高めることができる。

また、本発明の膜厚測定装置は、基板上に形成された被測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、被測定対象膜の表面に４５度以上の入射角度を有してパルス光を照射する光源と、表面から反射した表面反射光と基板と被測定対象膜との界面から反射した界面反射光とによって形成された干渉光を分光する分光器と、パルス光の位相と周期の情報に基づいて光源からの信号と外乱光によるノイズとを分離するノイズ分離器と、分光器で分光された光を検知する光検出器とを備えている。

このような構成によれば、基板と被測定対象膜との界面からの反射強度を大きくすることができ、非測定対象膜との屈折率の差が小さい基板の上に形成された非測定対象膜の膜厚測定を、ノイズの影響を低減しながら高い測定精度で測定することができる。

さらに、光源が近紫外光を含む光を照射する光源であることが望ましい。このような構成によれば、膜厚測定をより高精度に行うことができる。

さらに、光検出器に入射する前の光を分割して参照光とするビームスプリッターと、参照光を用いて波長毎の光強度を補正する補正部とを備えることが望ましい。このような構成によれば、干渉信号のピークを精度よく認識できるため、測定精度をさらに高めることができる。

さらに、光検出器で取得した波長と光強度の関係を波数と光強度の関係に換算した後に周期情報に変換する変換部をさらに備え、被測定対象膜を測定して得られる周期情報と基板を測定して得られる周期情報との差分を算出する演算部を備えることが望ましい。このような構成によれば、外乱光などによるノイズの影響を低減して測定精度をより高めることができる。

以上のように、本発明の膜厚測定方法および膜厚測定装置によれば、基板との屈折率の差が小さい非測定対象膜との屈折率の差が小さい基板上に形成された非測定対象膜の膜厚を、高精度に測定することができる。

交流面放電型ＰＤＰの部分斜視図である。同ＰＤＰの保護膜を形成するための真空蒸着装置を示す図である。実施の形態における膜厚測定装置を示す図である。実施の形態における膜厚測定装置における干渉信号の波長と光強度との関係を示す図である。実施の形態における膜厚測定装置における干渉信号の波数と光強度との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態における膜厚測定方法と膜厚測定装置について、ＰＤＰの保護膜を被測定対象膜として図面を参照しながら説明する。

まず、被測定対象膜である保護膜が形成されたＰＤＰについて説明する。図１は、交流面放電型ＰＤＰの部分斜視図である。図１に示すように、ＰＤＰ１０は、前面基板１１と背面基板１７とが対向配置された構成になっている。ガラス製の前面基板１１上には、走査電極１２と維持電極１３とで対をなす表示電極対１４が互いに平行に複数対形成されている。走査電極１２および維持電極１３は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの導電性金属酸化物からなる幅の広い透明電極の上に、導電性を高めるために銀（Ａｇ）などの金属を含む幅の狭いバス電極を積層して形成されている。表示電極対１４の間にはクロストークを防ぐためのブラックストライプ２１が形成されている。表示電極対１４を覆うように膜厚が約４０μｍの低融点ガラスからなる誘電体層１５が形成されている。さらに、誘電体層１５上には、本実施の形態において被測定対象膜となる、膜厚が約０．８μｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる保護膜１６が形成されている。保護膜１６は、誘電体層１５をイオンスパッタから保護するとともに放電開始電圧などの放電特性を安定させるために設けられている。

ガラス製の背面基板１７上には、表示電極対１４と直交して、銀を主成分とする導電性材料からなる互いに平行な複数のデータ電極１８が形成され、さらにデータ電極１８を覆うように低融点ガラスからなる下地誘電体層１９が形成されている。下地誘電体層１９上にはデータ電極１８を挟むように低融点ガラスからなる隔壁２０が形成され、下地誘電体層１９の表面と隔壁２０の側面とには、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色の蛍光体層２３が形成されている。

前面基板１１と背面基板１７は、その周囲（画像表示領域外部）をガラスフリットからなる封着材によって封着されて内部に放電空間が形成されている。放電空間にはキセノン（Ｘｅ）などを含む放電ガスが約６０ｋＰａの圧力で封入されている。放電空間内の表示電極対１４とデータ電極１８とが交差する部分に放電セルが形成され、これらの放電セルが放電して発光することにより画像が表示される。

本実施の形態における膜厚測定方法と膜厚測定装置６０は、ＰＤＰ１０の保護膜１６を真空蒸着法によって形成する際に、インラインで膜厚を測定するのに用いる。図２は、保護膜１６を形成するための真空蒸着装置３０を示す図である。

真空蒸着装置３０は、真空ポンプ３１が接続された真空チャンバー３２内と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる保護膜原料３３を保持するハース３４と、保護膜原料３３に電子ビーム３５を照射する電子銃３６とを備えている。また、真空チャンバー３２の上部には、前面基板１１を移載する開口部３７が設けられたトレイ３８と、前面基板１１を所定温度まで加熱するヒータ３９を備えられている。トレイ３８には、誘電体層１５が形成された前面基板１１が誘電体層１５の面が下面となるように載置されている。

このような真空蒸着装置３０において、真空チャンバー３２を酸素雰囲気の所定の真空度に維持し、電子ビーム３５を保護膜原料３３に照射することによって蒸発させ、蒸発粒子４０が前面基板１１の誘電体層１５上に堆積して酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の保護膜１６を製膜する。保護膜１６が製膜された前面基板１１を載せたトレイ３８は、真空チャンバー３２から排出され、次の前面基板１１が載置されたトレイ３８が再び真空蒸着装置３０に移送されて製膜される。このような繰り返しをするプロセスの搬送途中で、真空蒸着後の保護膜１６の膜厚をインラインで測定する。

図３は、本実施の形態における膜厚測定装置６０を示す図である。なお、インラインで膜厚を測定する際には、図３と上下が反転している。図３に示すように、被測定対象膜である保護膜１６は、ガラス製の前面基板１１上に形成された誘電体層１５上に形成されている。

図３に示すように、保護膜１６の表面に対し４５度以上の入射角度θでパルス光４１を照射する光源４２が設けられている。パルス光４１によって、保護膜１６の表面から反射した反射光、および保護膜１６と基板となる誘電体層１５との界面で反射した界面反射光とによって形成された干渉光４３を分光器４４で分光する。分光器４４としては公知のグレーティングやプリズムを用いることができる。分光された干渉光４５は、マルチアレイの光検出器４６で検知される。すなわち、この膜厚測定装置６０において、膜厚測定方法における光照射ステップと分光ステップと光検出ステップがなされる。

近年、ＰＤＰ１０の発光効率の更なる向上が求められ、そのために、誘電体層１５の比誘電率を小さくするようにしている。その結果、誘電体層１５と、誘電体層１５の上に形成される保護膜１６との屈折率の差が非常に小さくなってきている。このため、非測定対象膜である保護膜１６の膜厚を測定する際に、保護膜１６と誘電体層１５との界面での反射強度の差が弱まって干渉信号の強度が小さくなる。特に、従来のように光を保護膜１６に垂直に照射する方式では、干渉信号の強度が小さくなり保護膜１６の膜厚を精度良く測定できないという課題があった。

そこで、本実施の形態では、パルス光４１の入射角度を４５度以上にすることで界面反射光の強度を大きくしている。そのため、保護膜１６と誘電体層１５との屈折率の差が小さくても保護膜１６の膜厚を精度良く測定することができる。例えば、入射角を４５度にすると反射率は１．４倍程度、６０度にすることで界面での反射率は２倍程度にすることができる。

一方、従来の垂直入射の理由としては、光源と分光器、光検出器などが一体化できることや、基板搬送による振動によっても光の経路のずれが少なく、光検出器に入射する光束量が一定して安定な信号処理が行えるなどの利点があった。

一方、上述のように入射角を大きくすることで界面反射率を上げることはできるが、真空蒸着装置３０や基板搬送経路などからの反射光や散乱光によるノイズも多くなるので、干渉信号からこれを除去することが望ましい。そこで、本実施の形態では、光源４２を電気的に、または、チョッパーなどを用いて機械的に点滅させて周期的なパルス光４１としている。さらに、パルス光４１の位相および周期と光検出器４６からの出力とを、ロックインアンプなどの分離器４７を用いて位相比較や検波し、パルス光４１と異なる周期成分を除去することで外乱成分光を除去するようにしている。

また、本実施の形態では、分光器４４で分光した干渉光４５を、光検出器４６の前に置かれたビームスプリッター４８で参照光４９として分割するようにしている。参照光４９は参照光検出器５０で検知され、増倍機構５１により増幅されて分離器４７に入る。このような構成により、参照光４９を用いて波長毎の光強度を補正して、干渉信号のピークを精度よく認識することができ、膜厚の測定精度をさらに高めることができる。なお、波長毎の光強度を補正する補正部は、本実施の形態では分離器４７内に設けられ電気的に処理をされている。すなわち、この補正によって膜厚測定方法の補正ステップがなされる。

また、分光器４４には回動機構または移動機構を備えるようにしてもよい。すなわち、分光器４４を僅かに回動または移動させることで、光検出器４６に入射する光の波長を変化させることができ、これにより波長方向のデータ点数を増加させることができる。サンプリング定理によると、波長方向の測定点数が２倍になると、誤差は約１／２の平方根だけ小さくできる。そのため、干渉信号のピークをより精度よく検出することができ、膜厚の測定精度をさらに高めることができる。

また、本実施の形態では、光源４２が近紫外光を含む光を照射し、光検出器４６がこの近紫外光を検知可能としている。このように利用する波長領域に近紫外領域を含ませることで、膜厚としての測定精度を向上させることが可能になる。この理由について以下に述べる。

図４は、本発明の実施の形態における膜厚測定装置６０における干渉信号の波長と光強度との関係を示す図である。図４に示すように、波長と光強度とは、信号強度が周期的に極大値、極小値を有し、波長が長くなるに従って強度が小さくなるとともに周期が大きくなることである。このことから短波長側の方が極値の数、即ちフリンジ数が増える。そのため、参照データを多くすることが可能となり、結果として、膜厚として換算する際の精度をさらに高めることができる。

また、この場合、分光器４４も近紫外光に対応する必要がある。分光器４４がグレーティングの場合には、分散を小さくして同じ出射角度に短波長が対応するようにするか、グレーティングの角度を変更することで対応することができる。一方、分光器４４がプリズムの場合には、プリズムの屈折率をより大きくするか、プリズムの設置角度を変更することで対応することができる。

なお、参照データを多くするには、波長はできるだけ短波長側にシフトした方が望ましいが、大気中の透過率や、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの金属酸化物の透過率、光検出器４６の特性などを考慮すると、３５０ｎｍ以上の近紫外域を使用することが望ましい。

また、本実施の形態では、光検出器４６で取得した波長と光強度の関係を、波数と光強度の関係に換算した後にフーリエ変換などで周期情報に変換する変換部を備えている。周期情報としては、被測定対象膜である保護膜１６を測定して得られる周期情報と、基板としての誘電体層１５を測定して得られる周期情報との差分を算出するコンピュータなどの演算部５２を備えている。また、変換部は演算部５２内に設けられている。すなわち、この変換と演算によって膜厚測定方法の変換ステップと演算ステップがなされる。

干渉信号は、保護膜１６表面と、保護膜１６と誘電体層１５との界面での反射による干渉信号であるが、干渉信号としてはこの他に、誘電体層１５と前面基板１１としてのガラス基板の界面、ガラス基板の裏面、の計４箇所での反射の組合せとして計６通りの干渉信号の混じり合った状態で観測される。これらは全て、屈折率の厚み方向積分値（斜入射の場合には、その光路長での積分値）の整数倍で極大値を有し、それらの中間点で極小値を有する信号となる。そのため、干渉信号を波長と光強度の関係から、波長の逆数である波数と光強度との関係として求めると、等間隔に極大極小値を有することになる。

図５は、本発明の実施の形態における膜厚測定装置６０における干渉信号の波数と光強度との関係を示す図である。ここで、波数と光強度との関係をフーリエ変換することによって周波数（ここでは次元は長さの次元になる）成分の分離を行うと、波数の間隔の逆数部分に大きな信号ピークが発生する。そのため、６通りの干渉信号でもそれぞれの波数の間隔の逆数部分にピークが発生し、それぞれの成分を分離することが可能となる。

そこで、本実施の形態における膜厚測定方法および膜厚測定装置６０では、まず、誘電体層１５のみを形成して保護膜１６を形成しない前面基板１１を用いて測定を行い、演算部５２により計３通りの組合せの干渉信号から周期成分を算出する。その後、保護膜１６と誘電体層１５を形成した前面基板１１を用いて測定を行い、演算部５２を用いて、計６通りの組合せの干渉信号から周期成分を算出する。これらの周期成分の差分を取ると、保護膜１６が関与している３通りの干渉信号のみが残る。このうち、保護膜１６の表面と、保護膜１６と誘電体層１５との界面での干渉信号は強度が最も高いので、残りの信号をノイズとして除去することができる。これにより保護膜１６の膜厚の測定精度をより高めることができる。

このように、本実施の形態による膜厚測定装置６０および膜厚測定方法を用い、ＰＤＰ１０の保護膜１６を形成する際に、インラインでの高精度な保護膜１６の膜厚測定が可能となる。特に、誘電体層１５の材料として、保護膜１６の材料とほぼ同じ屈折率を持つ程度まで比誘電率の低い材料を用いても、高精度な膜厚測定が実現でき、その結果を製膜プロセスに時間遅れがない状態でフィードバックすることができる。その結果、保護膜１６の基板毎の膜厚ばらつきを抑制し、生産歩留まりを向上させることができる。

なお、本実施の形態においては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなるＰＤＰ１０の保護膜１６を測定する例を示したが、保護膜１６の材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などの金属酸化物や混合酸化物で、耐イオン衝撃性に優れ、それによる二次電子放出係数の大きい材料からなる保護膜１６も同様である。さらに、本発明の膜厚測定装置はＰＤＰの保護膜に限らず、被測定対象膜との屈折率の差が小さい基板の上に形成された被測定対象膜の膜厚を、精度良くインラインで測定することが可能である。

本発明による膜厚測定装置と膜厚測定方法によれば、非測定対象膜との屈折率の差が小さい基板の上に形成された被測定対象膜の膜厚を、精度良く測定することができ、表示デバイスやその他の電子デバイスなどの薄膜形成プロセスに有用である。

１０ＰＤＰ
１１前面基板
１２走査電極
１３維持電極
１４表示電極対
１５誘電体層
１６保護膜
１７背面基板
１８データ電極
１９下地誘電体層
２０隔壁
２１ブラックストライプ
２３蛍光体層
３０真空蒸着装置
３１真空ポンプ
３２真空チャンバー
３３保護膜原料
３４ハース
３５電子ビーム
３６電子銃
３７開口部
３８トレイ
３９ヒータ
４０蒸発粒子
４１パルス光
４２光源
４３干渉光
４４分光器
４５干渉光
４６光検出器
４７分離器
４８ビームスプリッター
４９参照光
５０参照光検出器
５１増倍機構
５２演算部
６０膜厚測定装置

Claims

基板上に形成された被測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、前記被測定対象膜の表面に４５度以上の入射角度を有して光源からパルス光を照射する光照射ステップと、前記表面から反射した表面反射光と前記基板と前記被測定対象膜との界面から反射した界面反射光とによって形成された干渉光を分光する分光ステップと、前記パルス光の位相と周期の情報に基づいて前記光源からの信号と外乱光によるノイズとを分離する分離ステップと、前記分光ステップで分光された光を検知する光検出ステップとを備えたことを特徴とする膜厚測定方法。
前記パルス光が近紫外光を含む光であることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
前記光検出ステップに入射する前の光をビームスプリッターで分割して参照光とし、前記参照光を用いて波長毎の光強度を補正する補正ステップを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の膜厚測定方法。
前記光検出ステップで検知した波長と光強度の関係を波数と光強度の関係に換算した後に周期情報に変換する変換ステップをさらに備え、前記被測定対象膜を測定して得られる前記周期情報と前記基板を測定して得られる前記周期情報との差分を算出する演算ステップを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３いずれか１項に記載の膜厚測定方法。
基板上に形成された被測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、前記被測定対象膜の表面に４５度以上の入射角度を有してパルス光を照射する光源と、前記表面から反射した表面反射光と前記基板と前記被測定対象膜との界面から反射した界面反射光とによって形成された干渉光を分光する分光器と、前記パルス光の位相と周期の情報に基づいて前記光源からの信号と外乱光によるノイズとを分離する分離器と、前記分光器で分光された光を検知する光検出器とを備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
前記光源が近紫外光を含む光を照射する光源であることを特徴とする請求項５に記載の膜厚測定装置。
前記光検出器に入射する前の光を分割して参照光とするビームスプリッターと、前記参照光を用いて波長毎の光強度を補正する補正部とを備えたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の膜厚測定装置。
前記光検出器で取得した波長と光強度の関係を波数と光強度の関係に換算した後に周期情報に変換する変換部をさらに備え、前記被測定対象膜を測定して得られる前記周期情報と前記基板を測定して得られる前記周期情報との差分を算出する演算部を備えたことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。