JP2008020332A - 薄膜測定方法及び薄膜測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタなどの測定対象物が備える薄膜の三次元的な情報である膜厚分布を効率よく取得することのできる薄膜測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】基材と、基材上に形成された薄膜を備えた測定対象物の膜厚分布を測定するための装置であって、測定対象物の表面形状分布情報を取得する手段と、測定対象物上の任意の点の膜厚情報を取得する手段と、前記任意の点の膜厚情報と前記表面形状分布情報から前記表面形状分布情報が取得された領域の膜厚分布情報を求める手段とを備えることを特徴とする薄膜測定装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、フィルムや板状などの基材上に形成された薄膜の状態を測定するために用いられる方法及び装置に関するものである。

機能性の薄膜は、食品包装材や、液晶表示装置内部の液晶パネルに使用されているカラーフィルタなど、現在ではさまざまな分野で使用されている。
例えば、カラーフィルタは、ガラス等の透明な基材の上に、透過光を着色するための透光性の薄膜がマトリクス状に規則正しくならんだ構造（セル）を備えている。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）各色の薄膜の厚み（膜厚）は液晶ディスプレイの表示特性に大きく影響する因子であるので、その製造工程内で厳しく管理されている。これら薄膜の厚みは、薄膜の一部を鋭利な刃物で掻き取って薄膜表面と基材表面との段差を作り、触針式の段差計を用いて測定される。しかし、このような方法は測定のための準備が煩わしく、測定時間もかかるうえに被測定物を破壊しなくては測定できない破壊計測であるため、測定に伴うロスが多い。

そこで、測定対象物を破壊せずに薄膜の厚みを測定する方法としては、任意の微小領域に微小スポット光を照射し、当該微小領域からの反射光を分光器に入力して分光反射スペクトルを取得し、当該分光反射スペクトルに基いて微小領域における膜厚を算出する顕微分光干渉方式と呼ばれる方法が、特許文献１に開示されている。この方法によれば、ある一点における薄膜の厚みをナノメートル単位で測定することができる。

しかし、顕微分光干渉方式では、スポット光が照射された領域の膜厚しか測定することができない。例えばカラーフィルタのセル内のある一点のような、微小領域における膜厚しか知ることができない。そのため、セル内のある断面における高さ分布や、セル、あるいは測定対象のカラーフィルタ全体における三次元的な表面形状や膜厚分布の取得には、膨大な数のポイントを測定しなくてはならず、測定に多大な時間を要し、現実的ではなかった。

また、薄膜の表面状態を観察するための方法として、白色光を薄膜表面と参照面とに照射し、薄膜表面と参照面との相対的距離を変動させることにより生じる反射光の干渉現象を観察し、このときの干渉光の強度データに基いて薄膜表面の凹凸形状を測定する方法（白色干渉方式）が、特許文献２に開示されている。この方法によれば、測定対象物を破壊することなく、比較的短時間で広い面積の情報を得ることができる。

しかし、白色干渉方式では、測定対象物表面の相対的な高さ分布、すなわち薄膜表面の凹凸形状（相対表面形状）を知ることができるのみで、薄膜の膜厚を知ることはできないという問題があった。

特公平７−３３６５号明細書 特開２００１−６６１２２号公報

本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、その課題とするところは、測定対象物が備える薄膜の三次元的な情報である膜厚分布を効率よく取得することのできる薄膜測定方法及び装置を提供することにある。

本発明の薄膜測定装置は、上記課題を解決するため、測定対象物上の任意の点における膜厚情報を取得することのできる手段と、ある程度の面積における測定対象物の表面形状分布情報を取得することのできる手段を備え、さらに、これらの情報から演算によって表面形状分布情報が得られている領域の膜厚分布情報を求める手段とを備えている。そのため、膜厚情報については演算に必要な数箇所を測定するだけで、測定対象物のうち表面形状分布情報が取得されている領域についての膜厚分布情報もすばやく得ることができる。

さらに、膜厚情報及び表面形状分布情報はそれぞれ顕微分光干渉方式及び白色干渉方式によって取得することで、いずれも反射光の干渉を観測する方法であるので、複数の部材を共有して用いることができ、コンパクトな装置とすることができる。また、位置合わせの手間を省くことができ、測定の精度が向上する。さらに、測定対象物を破壊することなく演算に必要な情報を得ることができるので、試料を用意するコストや測定準備の手間がかからない。

さらに、白色干渉方式に用いる照明と、二光束干渉対物レンズとの間に赤外カットフィルタなどの近赤外光除去手段を備えているので、顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定を行う際、白色干渉方式に用いる照明に含まれる近赤外域の光が分光器に入射されるのを防ぐことができる。

さらに、位置決め用の比較的低倍率の対物レンズと、顕微分光干渉方式による膜厚測定を行うための赤外対物レンズと、白色干渉方式による形状測定を行うための二光束干渉対物レンズとを具備し、レボルバにより適宜切り替えられるようにしているため、測定方法を切り替えても同じ範囲を視野に入れることができ、位置合わせが容易である。

また、測定対象物からの反射光をホットミラーなどにより、可視光と近赤外光とに分離し、可視光をカメラに、近赤外光を分光器に入力しているため、カメラで位置合わせを行いながら白色干渉方式だけでなく、顕微分光干渉方式による測定の位置の確認を行うことができる。

すなわち、測定対象物からの光を効率的に分離することによってカメラと分光器に良質な信号が入力されるようにしており、カメラから出力される信号に基づいて位置決め、ＲＧＢセル色の識別、白色干渉方式による形状測定等の処理を行う一方、分光器から出力される信号に基づいて膜厚測定処理を行うようにしている。なお、膜厚測定に近赤外光を利用する理由は、カラーフィルタの着色膜の場合、可視光域ではＲＧＢの各膜で吸収が起こるのに対して、９００ｎｍ以降の近赤外域では吸収が見られない（図１）ため、理論曲線（モデル式に基づいた分光干渉波形）に良く一致した分光干渉波形を取得することができ、精度の良い測定が可能となるからである。

本発明の薄膜測定方法は、測定対象物上の任意の点における膜厚情報を顕微分光干渉方式により取得するステップと、ある程度の面積における測定対象物の表面形状分布情報を白色干渉方式により取得するステップとを備え、さらに、これらの情報から演算によって表面形状分布情報が得られている領域の膜厚分布情報を絶対値として求めるステップとを備えている。そのため、膜厚情報については演算に必要な数箇所を測定するだけで、測定対象物のうち表面形状分布情報が取得されている領域についての膜厚分布情報もすばやく得ることができる。

本発明の方法によれば、測定対象物が備える三次元的な情報である膜厚分布を再現性良く、すばやく、高精度で取得することができる。すなわち、複数の手段を切り替えて対象物の測定を行う際に位置合わせを必要としないので、測定者によるブレがなく、再現性・精度ともに高い測定を行うことができる。
さらに、本発明の装置によれば、上記の効果に加えて、測定のための光の通過経路を一部兼用することで、測定装置をコンパクトにすることができる。
さらに、本発明の装置では、測定対象物の測定領域を目視で確認でき、膜厚分布情報が必要な領域をすばやく選択することができる。

＜薄膜測定装置＞
まず、本発明の薄膜測定装置の構成について、図面を用いて説明する。図２は、本発明の薄膜測定装置の概略を示す図である。本発明の装置は、測定ユニット１と、測定ユニット１を制御する制御ユニット２とで構成される。

＜測定ユニット１＞
測定ユニット１は、白色干渉方式による相対表面形状測定を行うための光学系と、顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定を行うための光学系とから構成される。

＜白色干渉方式による相対表面形状測定を行うための光学系＞
まず、白色干渉方式による相対表面形状測定を行うための光学系について説明する。
白色干渉方式による相対表面形状測定を行うための光学系は、照明１０１と、照明１０１を測定対象物３に均一に照明するための照明光学系（コンデンサレンズ１０３、リレーレンズ１０４）と、赤外カットフィルタ１０５と、赤外カットフィルタ１０５を通過した光を測定対象物３の方向に反射する一方、測定対象物３の方向からの光を通過させるハーフミラー１０６と、ハーフミラー１０６の下方に配置される二光束干渉対物レンズ１２２と、二光束干渉対物レンズ１２２内部に配置される参照面からの反射光と測定対象物３からの反射光を結像する結像レンズ１３１と、結像レンズ１３１の上方に配置されるカメラ１４１とで構成される。

照明１０１は、例えばハロゲンランプであり、照明光学系（コンデンサレンズ１０３、リレーレンズ１０４）によって平行光束とされ、赤外カットフィルタ１０５に入射する。なお、照明１０１は、白色干渉方式による表面形状測定を行うための照明として機能することはもちろんであるが、測定対象物３の測定位置の位置決め、フォーカシング等の観察用照明としても機能することが好ましい。従って、可視光域の波長の光を含むことが好ましい。また、シャッター１０２により、照明１０１の照射／遮断が制御できるようになっている。

赤外カットフィルタ１０５は、後述する顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定を行う際、照明１０１からの赤外域の光が分光器１５２に入射されるのを防ぐことを目的としている。

ハーフミラー１０６は、赤外カットフィルタ１０５を通過した光を測定対象物３の方向に反射する一方、測定対象物３の方向からの光を通過させる。ハーフミラー１０６により、測定対象物３の方向に反射された光は二光束干渉対物レンズ１２２に入射する。

なお、二光束干渉対物レンズ１２２は、後述する赤外対物レンズ１２３と、対物レンズ１２４とともに、レボルバ１２１に取り付けられている。

図３は、二光束干渉対物レンズ１２２の概略を示したものである。二光束干渉対物レンズ１２２に入射した光は、対物レンズ１２２１によって焦点位置に集光される。対物レンズ１２２１によって集光された光は、ビームスプリッタ１２２２により、測定対象物３の方向に透過する測定光と参照面に配置された参照鏡１２２３の方向に反射する参照光とに分離される。

測定光は測定対象物３の表面で反射して再びビームスプリッタ１２２２に入射する一方、参照光は参照鏡１２２３により反射され、再びビームスプリッタ１２２２に入射する。

そして、ビームスプリッタ１２２２を透過して再び対物レンズ１２２１に入射する測定光と、ビームスプリッタ１２２２で反射して再び対物レンズ１２２１に入射する参照光とは、図２で示すように、ハーフミラー１０６、１１６を通過し、結像レンズ１３１により結像されて、カメラ１４１に入射する。なお、測定対象物３からの反射光は、カメラ１４１へ入射する前に、後述する顕微分光干渉方式での測定に用いるために、ホットミラー１３２により可視光域の波長の光と近赤外域の波長の光に分離され、少なくとも可視光域の波長を含む光がカメラ１４１に入射することになる。

図２で示すカメラ１４１は、可視光域の光を感知することのできる複数の画素を備えている。カメラ１４１は、モノクロカメラ、カラーカメラのいずれでも構わないが、例えば測定対象物がカラーフィルタの場合は、測定セル色の識別を行い易いカラーカメラが好ましい。

ここで、カメラ１４１には、測定光と参照光との光路差に応じた干渉光が入射される。すなわち、測定ユニット１を図２で示すＺ方向に駆動させることにより、測定光と参照光の光路差が変化し、その光路差に応じた干渉光が入射されるので、カメラ１４１の各画素について例えば図４で示すような干渉カーブが得られる。したがって、カメラ１４１の全画素について、図４のような干渉カーブを取得し、各干渉カーブにおける干渉光強度が最大となる測定ユニット１のＺ座標を求めることで、カメラ１４１の視野内における相対的な高さ分布（表面形状）を求めることができる。

なお、カメラ１４１には比較的広い領域における可視光域の光が入射されているので、カメラ１４１による画像情報に基づいて、相対的な表面形状を測定している位置の確認だけでなく、顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定の位置決めや測定セルの色の判別も行うことができる。

＜顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定を行うための光学系＞
次に、顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定を行うための光学系について説明する。
顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定を行うための光学系は、照明１１１と、照明１１１により測定対象物３に均一に照明するための照明光学系（コンデンサレンズ１１３、リレーレンズ１１５）と、ピンホール１１４と、リレーレンズ１１５を通過した光を測定対象物３の方向に反射する一方、測定対象物３の方向からの光を通過させるハーフミラー１１６と、ハーフミラー１１６の下方に配置される赤外対物レンズ１２３と、測定対象物３からの反射光を結像する結像レンズ１３１と、結像レンズ１３１を通過した光のうち、可視光域の光を透過させる一方、赤外域の光を反射するホットミラー１３２と、ホットミラー１３２を透過した光を入射するカメラ１４１と、ホットミラー１３２で反射された光を入射する光ファイバ１５１と、光ファイバー１５１を出射した光を入射する分光器１５２とで構成される。

照明１１１は、測定対象物の薄膜が透明膜としての振る舞いを示す波長域の光を効率よく放射するものを選択する。例えば、測定対象物がカラーフィルタの着色薄膜である場合、図１で示すように、赤、青、緑の薄膜について９００ｎｍ以上の近赤外では透過率が高く、透明であることがわかる。このような光を含む照明としては例えばハロゲンランプであり、コンデンサレンズ１１３、ピンホール１１４、リレーレンズ１１５を通過してハーフミラー１１６に入射する。なお、照明１１１は、シャッター１１２により、照射／遮断が制御できるようになっている。

ハーフミラー１１６は、リレーレンズ１１５を通過した光を測定対象物３の方向に反射する一方、測定対象物３の方向からの光を通過させる。ハーフミラー１１６により、測定対象物３の方向に反射された光は赤外対物レンズ１２３に入射する。

ここで、赤外対物レンズ１２３の倍率と、ピンホール１１４の穴径の選択により、カラーフィルタのセル内膜厚測定に適した１０〜５０μm径の測定スポット照明を得ることができる。このスポット照明の照射領域が、本明細書で記載する微小領域に対応する。

また、二光束干渉対物レンズ１２２と、赤外対物レンズ１２３は、レボルバ１２１に取り付けられており、適宜切り替えることができるようになっている。また、レボルバ１２１には、位置決め用（観察用）の比較的低倍率の対物レンズ１２４も具備されており、測定対象物３の位置決め時等に適宜使用できるようになっている。

このように調整された１０〜５０μm径のスポット照明が測定対象物３へ入射する。そして、測定対象物３からの反射光は、２つのハーフミラー１０６、１１６を透過し、結像レンズ１３１により適宜調整されて、ホットミラー１３２に入射する。

ホットミラー１３２は、結像レンズ１３１を通過した光のうち、可視光域の光を透過させてカメラ１４１に入射する一方、近赤外域の光を反射して光ファイバー１５１に入射する。ホットミラー１３２の位置では可視光域の光と近赤外域の光を分離することができれば良く、ホットミラー以外に例えばコールドミラー（可視域の光を反射し、赤外域の光を透過する）等を用い、反射側にカメラ１４１、透過側に光ファイバー１５１が配置されるようにしてもよい。

光ファイバー１５１は、ホットミラー１３２により分離された近赤外域の光を分光器１５２に伝達する機能を備える。例えば近赤外光の伝送効率を高めるためにゲルマニウムドープ石英製のものを用いることができる。

分光器１５２は、例えば、スリット、ミラー、回折格子、光検出器、AD変換部で構成されている。光ファイバー１５１によって分光器１５２に取り込まれた光は、スリット、ミラーを介して回折格子によって分光され、その光の分光スペクトルに対応した信号が、光検出器からAD変換部を介して制御ユニット２に供給される。なお、光検出器は、例えば電子冷却型ＩｎＧａＡｓアレイ検出器などのように、近赤外における感度が高い検出器を使用す。

図５は、赤外対物レンズ１２３と、測定対象物３の概略を示したものである。薄膜３１を備えた測定対象物３にスポット照明が入射すると、測定対象物３の膜表面で反射した光Ｒ１と、測定対象物３の薄膜を通過し、基板３２表面で反射した光Ｒ２との光路差が生じる。この光路差が、光の波長の整数倍の場合にＲ１とＲ２とが最も強め合い、奇数倍である場合には弱め合うことになる。

したがって、分光器１５２により、測定対象物３からの近赤外域反射光を分光し、図６で示すような分光干渉カーブを取得することにより、測定対象物３の微小領域における膜厚（絶対的な値）を求めることができる。
なお、カメラ１４１にはホットミラー１３２により分離された可視光域の光が入射されているので、カメラ１４１による画像情報に基づく膜厚測定位置の位置決めや測定セルの色の判別を行うことができる。さらに、顕微分光干渉方式による微小領域膜厚を測定している位置と、白色干渉方式によって相対表面形状を測定している位置とのマッチング（位置合わせ）を特に行わなくても、それぞれの方法により測定したデータの関連付けを容易に行うことができる。

＜制御ユニット２＞
制御ユニット２では、測定ユニット１により測定された情報を処理し、微小領域膜厚と相対表面形状を得るとともに、微小領域膜厚及び相対表面形状から、微小領域を含むより広い領域（拡大領域）における絶対的な膜厚分布（拡大領域膜厚分布）を求めることができる。

制御ユニット２は、測定ユニット１を制御する部分である。すなわち、顕微分光干渉方式による測定装置と白色干渉方式による測定装置を構成する要素全体を統括的に制御したり、所定の演算処理を行うためのＣＰＵ２０１と、ＣＰＵ２０１によって収集された画像情報、分光情報やＣＰＵ２０１での演算結果等の各種データを記憶するメモリ２０２と、測定条件や各種設定項目を入力するマウスやキーボード等の入力部２０３と、カメラ１４１の画像や分光器１５２での情報及び測定結果を表示するモニタ２０４と、ＣＰＵ２０１の指示に応じて測定ユニット１を調整するコントローラ２０５とで構成される。

ＣＰＵ２０１は、カメラ１４１、分光器１５２、メモリ２０２、コントローラ２０５を制御する。また、カメラ１４１により撮像された、測定対象物３の干渉縞を含む画像情報に基いて、測定対象物３の相対表面形状を測定する処理と、分光器１５２により取得した分光干渉カーブに基いて測定対象物３が備える微小領域における薄膜の絶対的な膜厚を測定する処理とを行う。

さらに、相対表面形状と微小領域膜厚から、相対表面形状が測定されている領域における絶対的な膜厚の分布（拡大領域膜厚分布）を求める処理を行う。
また、ＣＰＵ２０１には、キーボードやマウス等の入力部２０３と、モニタ２０４とが接続されており、操作者は、モニタ２０４に表示される操作画面を参照しながら、入力部２０３から各種設定を行う。また、モニタ２０４には、各種測定結果が画像や数値として表示される。

コントローラ２０５は、ＣＰＵ２０１からの指示により、測定ユニット１全体のＸＹＺ方向の調整と、測定ユニット１内の照明１０１、１１１の調光と、シャッター１０２、１１２の開閉と、複数の対物レンズを備えたレボルバ１２１の駆動を行う。

＜薄膜測定方法＞
以下、本発明の、薄膜測定方法について、図２の薄膜測定装置概略図及び図７のフローチャートを参照しながら説明する。

ステップＳ１は、薄膜の測定を行うための準備に当たるステップである。従って、最初に薄膜の測定を行う際には必ず行う必要があるが、連続して複数回の測定を行う場合、測定前に毎回行ってもよいし、最初を除いて省略することもできる。

まず、ステップＳ１では、測定対象物３の状態に基いて、適切な条件を設定する。すなわち、測定対象領域のＸＹ座標情報、二光束干渉対物レンズ１２２等を含む測定ユニット１をＺ軸方向に駆動させる際のデータ採取時間間隔や測定範囲等の各種条件設定を行い、これらをメモリ２０２に保存する。また、赤外対物レンズ１２３を選択した状態での分光器１５２の校正もこのステップに含む。

分光器１５２は後の測定（顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定）において、測定対象物からの反射光の近赤外成分をもとに分光強度データを取得する。そして、この分光強度データをもとに演算を行えば、図６に示すような波長による分光反射率を求めることができる。

分光強度データを分光反射率に換算するために、あらかじめ分光反射率が既知である参照資料を用いてリファレンス及びダークを測定する（図示せず）。この操作をステップＳ１に組み込んでもよい。
ここでいうダークの測定とは、暗電流による分光器１５２のノイズ成分信号の測定であり、分光器１５２に入力される光が存在しない条件の下で、分光器１５２から出力される信号Ｉ_Ｄａｒｋ（λ）を取得することによって行うことができる。また、分光反射率が既知である参照資料の分光強度データ（リファレンス）の測定は、後述する測定対象物の薄膜測定と同様に行うことができる。

分光反射率が既知である参照資料の分光強度データ（リファレンス）Ｉ_Ｒｅｆ（λ）と、ダークの分光強度データ（ダーク）Ｉ_Ｄａｒｋ（λ）が取得されると、この値を図８の相関図を参照して求めることのできる数式１に代入することにより、後のステップで取得される測定対象物３のセル内における分光強度データＩ（λ）を分光反射率Ｒ（λ）に換算することができる。なお、数式１において、Ｒ_Ｒｅｆ（λ）は参照資料の分光反射率であり、既知の値である。

分光器１５２の校正は、測定対象物３を測定するための前準備にあたるが、測定対象物を変えて複数回の測定を行う際などには毎回行う必要は無く、例えば１時間に１回という頻度で行うようにしても良い。

Ｒ（λ）：測定対象物の分光反射率
Ｉ（λ）：測定対象物の分光強度データ
Ｒ_Ｒｅｆ（λ）：参照資料の分光反射率（既知）
Ｉ_Ｒｅｆ（λ）：参照資料の分光強度データ
Ｉ_Ｄａｒｋ（λ）：ダークの分光強度データ

ステップＳ２以降は、実際に薄膜の測定を行うステップである。まずは白色干渉方式による相対表面形状の測定を行う。
ステップＳ２では、コントローラ２０５により指示を与え、ステップＳ１で設定したＸＹ座標（測定対象領域）に測定ユニット１を移動させる。

ステップＳ３では、コントローラ２０５によりレボルバ１２１を制御して対物レンズを比較的低倍率の位置決め用対物レンズ１２４に切り替える。また、シャッター１０２を開き、シャッター１１２を閉じ、測定対象領域毎に予め登録されてあるテンプレートをもとに、テンプレートマッチングによる測定対象領域の精密位置決めを行う。これは、例えば、位置合わせのための特徴的な部分を含む参照画面をテンプレートとして予めメモリ２０２に登録し、このテンプレートと一致する領域を測定対象物から見つけ、当該特徴的な部分から、予め設定した距離だけ移動して測定予定位置（例えばセルの中央）に移動するという手順によって行われる。

ステップＳ４では、コントローラ２０５によりレボルバ１２１を制御して対物レンズを二光束干渉対物レンズ１２２に切り替え、ステップＳ１で設定された測定ユニット１のＺ軸駆動条件に基づき、カメラ１４１で撮像される干渉縞を含む測定対象物３の画像情報をメモリ２０２に順次記憶する。

メモリ２０２には、ステップＳ１で保存された測定対象領域のＸＹ座標が保存されているので、これをもとにＣＰＵ２０１で演算を行い、測定ユニット１のＺ座標と各画像の特定座標（ｘ、ｙ）における干渉強度Ｉ（ｘ、ｙ）との関係を示す図４のような干渉波形グラフとして白色干渉カーブを得ることができる。ここで、白色干渉カーブからピーク位置を求めることによって、特定座標（ｘ、ｙ）における相対的な高さが求まる。

上記の処理をカメラ１４１に取り込まれた画像内における全ての特定座標で行うことによって、図９で示すような、画像内における相対的な高さ分布、すなわち、相対表面形状を求めることができる。
ここで、特定座標とは、カメラ１４１に取り込まれた画像内における任意の一座標であり、必要とする表面相対形状の情報に応じてその密度を選択することができる。通常はカメラ１４１の画素数に準ずる。
また、相対的な高さ、とは、測定ユニット１の座標に基く値であって、絶対的な高さ（膜厚そのもの）を示すものではない。

このとき、図９で示すように、相対表面形状は、装置固有の傾き（測定対象物３を置くステージ（図示せず）の傾き）、あるいは測定対象物３を構成する基板３２自体のうねり・反りに由来する傾きを含んでいる。そこで、白色干渉方式による相対表面形状測定では、通常、絶対的な高さが既知で一直線上にない３点を選び、その３点を通る平面を求め、この平面により、相対表面形状の傾き補正処理を行う。

例えば、測定対象物３として、ガラス基板にブラックマトリクス（ＢＭ）のみが形成されているものを用いた場合、カメラ１４１により撮像された画像は図１０のようになる。ブラックマトリクスが形成されていない基板部分は、高さ（膜厚）が０とみなすことができる。すなわち、絶対的な高さが既知で一直線上にない３点を図１０のように選択することができる。その３点を通る平面を求め、この平面により、図１１のような傾き補正がなされた相対表面形状データを取得することができる。

それに対して、測定対象物が例えば図１２で示すように、露出しているガラス基板が存在しないカラーフィルタである場合は、絶対的な高さを既知とできる３点を選択することができない。すなわち、傾き補正を行うために必要な３点に関する情報をどのように取得するかが問題となる。

そこで、ステップＳ５では、顕微分光干渉方式による膜厚測定により、図９の傾き補正を行うために必要な３点における膜厚（絶対的な高さ）を取得する。

ステップＳ５では、コントローラ２０５によりレボルバ１２１を制御して対物レンズを赤外対物レンズ１２３に切り替えるとともに、シャッター１１２を開いて微小領域膜厚測定用の照明１１１を膜厚を測定する対象となる微小領域に照射する。この微小領域は、ステップＳ４で相対表面形状を取得した画像情報（拡大領域）に含まれる領域から選択する。そのため、ステップＳ４からステップＳ５へ進む間、測定ユニット１のＸＹ座標はあまり移動させないことが好ましい。ここで、測定対象物が例えばガラス基板上にブラックマトリクスとブラックマトリクスによって区切られた着色薄膜（セル）を備えたカラーフィルタであれば、測定対象領域はセル内となるように設定する。
なお、測定ユニット１が多少動いても、相対移動距離はメモリ２０２に保持されているので、測定方法を切り替えたことによる位置合わせは必要ではない。

図１３は、ステップＳ５においてカメラ１４１により撮像される画像を模式的に示したものである。微小領域膜厚測定用の照明１１１は可視光域の波長を含むため、カメラ１４１からの情報によって照明１１１が照射されている領域が目的としている領域であるのか、セルの色は何色であるのかを確認することができる。

白色干渉方式に用いられる照明１０１が発する近赤外域の光は、赤外カットフィルタ１０５によって測定対象物３への到達前に除かれるので、分光器１５２に入射することはない。すなわち、分光器１５２は、照明１１２から発せられた測定スポット照明のみに由来する反射光の近赤外成分を捉えることになる。
ＣＰＵ２０１では、このようにして取得される測定対象物の微小領域における分光強度データＩ（λ）から、数式１により図６のような波長による分光反射率Ｒ（λ）を求める。

そして、ＣＰＵ２０１では、前記分光反射率Ｒ（λ）と、理論上の分光反射率とを比較する従来より周知のカーブフィット法により、測定対象となった微小領域における薄膜の膜厚が計算される。図１４は、本発明で用いられている顕微分光干渉方式（非接触式膜厚計）により測定された膜厚値（横軸）と、触針式段差計（接触式膜厚計）により取得された膜厚値（縦軸）との相関を示した図である。非常によく対応しているのが確認できる。

このような微小領域膜厚測定を、カメラ１４１の視野内、すなわちステップＳ４により相対表面形状が測定された画像領域内の、一直線上に並ばない３箇所の微小領域で行うことにより、３箇所の絶対的な高さが求まる（図１５）。ここで、基準とする３箇所は、測定に用いる光、すなわち近赤外光が透過する薄膜を備えた領域を測定するよう選択する。測定対象物がカラーフィルタであった場合、ブラックマトリクスを避け、セルを選択するようにする。以下、前記３箇所の空間座標をＰ（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）、Ｑ（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）、Ｒ（Ｘ３、Ｙ３、Ｚ３）と記す。ここで、Ｘｉ、Ｙｉ（ｉ＝１、２、３）がスポット照明の中心ＸＹ座標、Ｚｉ（ｉ＝１、２、３）がＸｉ、Ｙｉにおける絶対膜厚である。
ここで、白色干渉方式による測定の次に顕微分光干渉方式による測定を説明したが、顕微分光干渉方式による測定を先に行ってもよい。

ステップＳ６では、ステップＳ４で測定したカメラ１４１の視野全体における相対的な高さ分布情報（相対表面形状）と、ステップＳ５で測定したカメラ１４１の視野の一部（セル内）における絶対的な膜厚情報（微小領域膜厚）に基づき、カメラ１４１の視野全体における絶対的な膜厚の分布情報（拡大領域膜厚分布）を取得する。すなわち、ＣＰＵ２０１における演算で３点Ｐ、Ｑ、Ｒを通る平面を求め、この平面に基づき、図９で示すものと同様の傾き補正処理を行い、例えば図１６で示す絶対的な膜厚の分布を得る。
ステップＳ７では、絶対的な膜厚の分布情報をモニタ２０４に表示し、これによって一つの領域における拡大領域膜厚分布測定を終了する。

ステップＳ８では、メモリ２０２に保持されている測定スケジュールの進捗をＣＰＵ２０１が確認する。すなわち、一つの測定対象物において予定されていた全測定ポイントにおける拡大領域薄膜分布の測定を終了したか否かを調べ、終了でなければ測定ユニット１を駆動して次の測定箇所に移動させ、ステップＳ２からステップＳ６を行い、終了であれば各測定位置につき、測定結果をメモリ２０２に記録し、数値や画像でモニタ２０４に表示し、一連の測定処理を完了する。

以上のように、本発明の薄膜測定装置および薄膜測定方法によれば、一連のシステムとして統合された別々の光学的測定手段である、白色干渉方式と顕微分光干渉方式を組み合わせ、それぞれの測定方式によって得られた相対表面形状情報と、微小領域膜厚情報とを相補的に利用することで、比較的広範囲な絶対的な膜厚分布（拡大領域膜厚分布）を、測定対象物に接触することなく、また、破壊することなく、高い精度と低いコストで測定することができる。本発明の薄膜測定装置および薄膜測定方法によれば、測定対象物が備える基板の表面すべてが薄膜で覆われ、基準となる点が露出していなくても、絶対的な薄膜の膜厚分布はもちろん、表面形状の絶対的な高さ分布も測定することができる。

本発明の薄膜測定装置及び方法は、例えば、液晶表示装置用のガラス基板などの基板上にパターニングされた膜のセル内における膜厚、または、液晶表示装置用のガラス基板などの基板上にパターニングされた膜の表面形状を非接触・非破壊で求めるために使用することができる。

カラーフィルタの着色膜の分光透過率を示す図である。 本発明の装置構成を示す図である。 二光束干渉対物レンズの概略を示す図である。 白色干渉方式による干渉カーブを示す図である。 赤外対物レンズと測定対象物の概略を示す図である。 カラーフィルタのセル内における分光反射率データを示す図である。 本発明の方法を示すフローチャートである。 分光強度データを分光反射率データに換算する方法を示した図である。 白色干渉方式により取得した表面形状を示す図である。 測定対象物３が、ガラス基板にブラックマトリクス（ＢＭ）のみが形成されている場合のカメラ１４１による画像を示した図である。 測定対象物３が、ガラス基板にブラックマトリクス（ＢＭ）のみが形成されている場合の白色干渉方式により取得した表面形状を示す図である。 測定対象物３が、高さが既知であるガラス部が存在しない場合のカメラ１４１による画像を示した図である。 顕微分光干渉方式によるセル内膜厚測定箇所を示す図である。 顕微分光干渉方式によるカラーフィルタのセル内膜厚測定結果（横軸）と、触針式段差計により取得された膜厚値（縦軸）との相関を示した図である。 白色干渉方式により取得した相対的な高さ分布を絶対的な高さ分布に変換する変換手段を示した図である。 白色干渉方式により取得した相対的な高さ分布を絶対的な高さ分布に変換した図である。

符号の説明

１ …測定ユニット
１０１…（白色干渉方式による相対表面形状測定のための）照明
１０２…シャッター
１０３…コンデンサーレンズ
１０４…リレーレンズ
１０５…赤外カットフィルタ
１０６…ハーフミラー
１１１…（顕微分光干渉方式による微小領域膜厚測定のための）照明
１１２…シャッター
１１３…コンデンサーレンズ
１１４…ピンホール
１１５…リレーレンズ
１１６…ハーフミラー
１２１…レボルバ
１２２…二光束干渉対物レンズ
１２２１…レンズ
１２２２…ビームスプリッタ
１２２３…参照鏡
１２３…赤外対物レンズ
１２４…位置決め用対物レンズ
１３１…結像レンズ
１３２…ホットミラー
１４１…カメラ
１５１…光ファイバー
１５２…分光器
２ …制御ユニット
２０１…ＣＰＵ
２０２…メモリ
２０３…入力部
２０４…モニタ
２０５…コントローラ
３ …測定対象物
３１ …薄膜
３２ …基板

Claims (6)

1. 基材と、基材上に形成された薄膜を備えた測定対象物の膜厚分布を測定するための装置であって、
   測定対象物の表面形状分布情報を取得する手段と、
   測定対象物上の任意の点の膜厚情報を取得する手段と、
   前記任意の点の膜厚情報と前記表面形状分布情報から前記表面形状分布情報が取得された領域の膜厚分布情報を求める手段とを備えることを特徴とする薄膜測定装置。
2. 前記測定対象物の表面形状分布情報を取得する手段は、
   前記測定対象物との距離を変更可能な参照面を備えた二光束干渉対物レンズと、
   前記測定対象物及び前記参照面を照射する照明と、
   前記測定対象物及び前記参照面からの反射光を撮像可能なカメラと、
   前記カメラによって撮像された画像から測定対象物の表面形状分布情報を取得可能な演算装置とを備え、
   前記測定対象物上の任意の点の膜厚情報を取得する手段は、
   前記測定対象物へ近赤外域の波長の光を含むスポット照明光を照射する照明と、
   前記測定対象物へ前記スポット照明光の焦点を合わせる赤外対物レンズと、
   前記測定対象物からの反射光のうち近赤外域の波長を分離する分離手段と、
   前記分離手段により分離された近赤外域の波長の光を分光し分光データに変換する分光器と、
   前記分光データから前記測定対象物上の任意の点の膜厚情報を取得可能な演算装置とを備えていることを特徴とする請求項１記載の薄膜測定装置。
3. さらに、前記測定対象物及び前記参照面を照射する照明と、測定対象物との距離を変更可能な参照面を備えた二光束干渉対物レンズとの間に近赤外域光除去手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の薄膜測定装置。
4. 前記二光束干渉対物レンズと、前記赤外対物レンズとが同じレボルバに切り替え可能に備わっていることを特徴とする請求項２または３に記載の薄膜測定装置。
5. 前記測定対象物からの反射光のうち近赤外域の波長の光を分離する分離手段は、測定対象物の反射光を可視光域の波長の光と近赤外域の波長の光とに分離する手段であり、カメラには可視光域の波長の光が、分光器には近赤外域の波長の光が入射することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の薄膜測定装置。
6. 基材と、基材上に形成された薄膜を備えた測定対象物の膜厚分布を測定する方法であって、
   前記測定対象物と、当該測定対象物との距離が変更可能な参照面とに広域照明光を照射し、
   測定対象物と参照面との距離を変更することで前記測定対象物からの反射光と前記参照面からの反射光による干渉現象を起こして干渉光の強度データを取得し、
   当該干渉光の強度データに基いて前記干渉光強度データ取得領域における測定対象物の表面形状分布情報を求めるステップと、
   測定対象物の任意の点にスポット照明光を照射し、
   当該任意の点からの反射光の分光データを取得し、
   当該分光データに基いて前記任意の点における薄膜の膜厚情報を求めるステップと、
   前記任意の点における薄膜の膜厚情報と前記表面形状分布情報から前記表面形状分布情報が取得された領域の膜厚分布情報を求めるステップとを備えることを特徴とする薄膜測定方法。