JP4715199B2 - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は分光干渉法によりカラーフィルタ等の微小薄膜セル内の膜厚を非接触で測定する装置及び測定方法に関する。

微小なセル状のＲＧＢ薄膜パターンが形成されたカラーフィルタのＲ、Ｇ、Ｂ各膜の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。その膜厚測定は膜の一部を鋭利な刃物で掻き取って膜表面と基板表面との段差を作り、触針式の段差計による測定で行われている。フォトリソ法によるカラーフィルタの製造では複数の工程で微小なＲＧＢセル内の膜厚測定が行われるが、このような方法は測定のための準備が煩わしく、測定時間も掛かるうえに被測定物を破壊する破壊計測であるため、測定に伴うロスが多いという問題があった。

一方、非破壊で検査する方法としては、膜厚測定対象に光を照射し、その試料から反射された光を分光し、分光反射率を測定し、膜が形成されていない場合の分光反射率との比を取って分光反射比率を求め、このデータとあらかじめ求めた検量線データとから膜厚を求める方法を用いた測定方法が知られている。

さらに上記の測定装置及び測定方法を改良したものとして、特許文献１には、測定に用いる対物レンズの開口数が大きい場合に発生する誤差を補正する方法及び装置が開示されている。

しかしながら上記の２方法および装置とも非破壊ではあるものの、測定データから真のデータを得るために複雑な計算をする必要があり、また補正の計算誤差により測定精度が低下するという問題があった。

特開平６−２４９６２０号公報 特開２００２−３１８１０６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微小セル内膜厚を非破壊で測定でき、かつ複雑なデータ処理を必要とせず精度の良い測定を行うことができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することにある。

本発明の請求項１の発明は、基板上に微小セル状の薄膜パターンが形成された被測定物
の表面に照明光を入射し、その反射光を分光し分光反射率を求め、その分光干渉波形から
膜厚を計算する分光反射干渉式の膜厚測定装置であって、
基板上の測定位置近傍の画像を撮像するための撮像装置と、
前記撮像装置が撮像する領域全体を均一に照明する撮像用照明光学系と、
前記撮像装置により撮像された画像データを処理する画像処理部と、
前記基板上の微小セル内を照明領域とする測定用照明光学系と、
前記測定用照明光学系の照明領域からの光を受光する分光器と、
撮像用照明光学系と測定用照明光学系とを切り替える照明系切り替え機構と、
前記撮像装置、前記撮像用照明光学系、前記画像処理部、前記測定用照明光学系、前記分光器、前記照明系切り替え機構からなる測定ヘッド部を、前記基板上の所定の測定位置に配置するための移動機構と、を有し、
前記測定用照明光学系は、可視光と波長９００ｎｍ以上の近赤外域の光を照射する光源と、集光光学系と、近赤外光を透過させる光ファイバーと、赤外光の透過・反射が各５０％のビームスプリッタと、可視光を透過し近赤外光を反射するホットミラーと、赤外対物レンズとを有し、前記光源からの照射光を前記集光光学系、前記光ファイバー、前記ビームスプリッタを順次介して、前記ホットミラーで赤外光成分を反射して前記赤外対物レンズに導き被測定物に照射するものであることを特徴とする膜厚測定装置である。

このように、位置決め用の照明と測定用の照明とを切り替えることで、照明ムラの影響がなく、精度の良い測定を行うことが可能となる。さらに、測定光を光ファイバーで絞ることにより、光路差による測定値の誤差を無くすことができ、あるいは誤差を補正するための複雑な計算を無くすことが可能になる。また赤外光を用いることで被測定物の可視光部の吸収による影響を無くすことができる。

本発明の請求項２の発明は、前記光ファイバーのコア径が０．８ｍｍから０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置である。被測定物の微小セルに対し好適な照射スポット径が得られる。

本発明の請求項３の発明は、前記撮像用照明光学系が、ケラー照明系と、可視光透過・反射各５０％のビームスプリッタを有し、前記赤外対物レンズを介して被測定物に照射することを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の膜厚測定装置である。撮像領域において均一な照明が容易に得られる。

本発明の請求項４の発明は、前記ホットミラーが、前記撮像用光学系からの照射光を透過して前記赤外対物レンズを介して被測定物を照射し、その反射光を透過して前記撮像装置へと導き、前記測定用照明光学系からの照射光の赤外光成分を反射して前記赤外対物レンズを介して被測定物を照射し、その反射光を反射して前記分光器へと導くように配置され、前記測定用照明光学系と前記撮像用照明光学系とが同軸落射照明できるように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の膜厚測定装置である。撮影は可視光で、測定は赤外光で行えるよう、容易に光源の切り替えが出来る。

本発明の請求項５の発明は、前記被測定物が基板上にＲＧＢ各色からなる微小セル状薄膜パターンが形成されたカラーフィルタであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の膜厚測定装置である。異なる色の被測定部でも、色の影響を受けずに微小な領域の精密な膜厚の測定が可能となる。

本発明の請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかの膜厚測定装置を用い、基板上の所定の測定位置近傍に測定ヘッド部を配置した後、撮像用照明光学系で照明して撮像装置で撮像し、得られた画像から画像処理部で測定ヘッド部の位置と測定位置との微小な位置ズレ量を計算し、測定用照明光学系の照明領域が微小セルの中央部となる様測定ヘッド部を微移動した後、照明を測定用照明光学系に切り替えて、その反射光を分光器に入力することを特徴とする膜厚測定方法である。正確な測定位置で周辺からの影響を受けることなく測定を行うことが可能である。

本発明の膜厚測定装置および膜厚測定方法によれば、例えばカラーフィルタのように微小な領域で精密な膜厚の管理が必要とされる製品において、微小なセル内にて膜厚を非破壊計測できるので、測定によるロス低減が図れ、従来の触針式段差計のように測定前の準備も不要で測定作業の効率化も可能となる。また複雑なデータ計算も不要で、測定精度の良い結果が得られる。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。図１は本発明の装置の概略構成を示している。まず、測定に使用する光の波長について説明する。分光干渉方式膜厚測定では被測定物の膜面に光を入射する。被測定物の膜表面で反射する成分と膜を透過し基板との境界で反射してくる成分との間に位相差が生じ、位相差がちょうど２πで強められ、πでは弱められ、干渉が観察される。位相差は空気、膜、基板の光学定数と膜厚により決まるので、反射光を分光し分光反射率から膜厚を計算することができる。膜を透過して基板界面で反射してくる光の光量が膜表面での反射に比べて著しく小さいと干渉は観察されない。つまり、膜で吸収されずに、透過する波長を選択することが必要である。カラーレジスト膜厚測定の場合、可視光ではＲ、Ｇ、Ｂの各膜で吸収が起こるのに対して、９００ｎｍ以上程度の近赤外域では吸収が見られないため近赤外域の光を使用するのが好適である。カラーレジスト以外の可視域に吸収を持つ膜の測定においても好適であることは言うまでもない。波長の上限は特にないが、実際的には１６００ｎｍ程度である。

カラーフィルタの基板サイズは近年大型化し、一辺の長さが１ｍを越えるようになっているので、それに対応した図３のようなＸＹステージを設け、被測定物６を載せ、測定ヘッド２６を移動させて所望の測定場所に測定スポットを移動させる。尚、図３では測定ヘッド２６を移動させる場合を示したが、測定ヘッド２６は固定し、被測定物６を移動させるＸＹステージ、または測定ヘッドとステージ両方が移動可能なＸＹステージとしても良い。

撮像用照明光源２２にはハロゲンランプなどを使用する。撮像用照明光源２２よりの出射光は５００ｎｍ以下をカットするカットフィルタ１７を経て、単レンズ１０、明るさ絞り１４、単レンズ９、視野絞り１３を経てビームスプリッタ２に至る。ここで、カットフィルタ１７は被測定物の膜が感光性のある場合に備えて設置している。前記単レンズ１０から単レンズ８は一般に顕微鏡のケラー照明と呼ばれる照明機構と同構成であり、明るさ絞り１４と視野絞り１３を適宜調整することで、均一な照明を得られる。

ビームスプリッタ２は４５度入射で可視光を反射、透過５０％ずつになるように設計し、入射面を４５度の位置に設置すると撮像用照明光源２２からの入射光はホットミラー３に至る。ホットミラー３は４５度入射時に可視光を透過し、近赤外光を反射するように設計する。従って、ホットミラー３より透過した可視光は赤外対物レンズ５を経て、被測定物６が照明される。

その反射光は対物レンズ５、ホットミラー３、ビームスプリッタ２、単レンズ７を経てカラーＣＣＤカメラ１に至り、被測定物６の測定位置近傍の画像を撮像できるので、自動または手動でフォーカスを合わせる。撮像範囲に関しては赤外対物レンズ５の倍率とカラーＣＣＤカメラ１のＣＣＤ素子サイズを適宜選択することで、図２のような撮像画像が得られる。図２はＲＧＢのピッチ１００μｍのカラーフィルタを１０倍の赤外対物レンズと１／３インチカラーＣＣＤカメラで撮像した場合を模式的に示した図である。また測定スポット１０１は図１の光ファイバー２０としてコア径０．８ｍｍを使用したときに相当する大きさを示した。

カラーＣＣＤカメラ１の映像信号はコンピュータ２４に送られ、画像入力部よりメモリに取り込まれる。撮像エリアと測定スポットの位置関係は機械的に決まる。通常は撮像エリアの中央に測定スポットが位置するようにするので、その場合で説明する。撮像画像の中央が測定しようとするセルの中央と一致するように測定ヘッド部２６を微移動させるための処理を行う。反射率が低く、等ピッチで平行に並んでいるブラックマトリックスパターン部とＲ部、Ｇ部、Ｂ部を撮像画像のＲ，Ｇ、Ｂ各成分の割合から認識し、各領域の境界を求めることで、測定を行いたいセルの中央位置を求め、現在位置からの移動量を画素数と空間分解能から計算してＸＹステージ制御部２５に移動量を設定して微移動を行う。図３は測定スポット１０１の位置合わせが完了した状態を模式的に示した図である。測定スポットはセル内の膜厚を測定するのに好適な位置であれば良いが、通常は測定しようとするセルの中央が好適である。

続いて膜厚測定を行うために、撮像用照明光源２２後段のシャッター１５を閉じ、測定用光源２１後段のシャッター１６を開ける。測定用光源２１は近赤外光を効率良く出射するように、例えばハロゲン電球に金コートリフレクタを付けたものを使うと良いがこれに限定されるものではない。これを集光光学系２７で集光して光ファイバー２０に入射する。光ファイバーは近赤外光を透過するものが好適であり、例えばゲルマニウムドープ石英ファイバーなどを用いる。光ファイバー２０の先端から出射した光は単レンズ１２を経てビームスプリッタ４に至る。ここで、ビームスプリッタ４は４５度入射時に近赤外光を反射、透過５０％ずつになるように設計する。

ビームスプリッタ４を透過した光はホットミラー３で可視光は透過するので、赤外光だけが反射し９０度向きを変えて赤外対物レンズ５を経て、被測定物６が照明される。このときに照射されるスポットサイズは光ファイバー２０のコア径を対物レンズ５の倍率で除した径になる。従って入射瞳径を一杯に使用すると、照明光の入射角度は０°から赤外対物レンズ５の開口数に応じた角度までの範囲におよぶことになる。この場合、膜表面からの反射光と、膜と基板との境界面からの反射光との位相差を発生させる光路差が、厳密な垂直入射時とは異なってしまう。そのため、比較的開口数の大きい対物レンズを使用する場合は、例えば、特許文献１に記載の膜厚測定方法のように補正計算が必要となり、精度良い測定が期待できない。それに対し本発明の方式では測定用の光源を光ファイバー２０のコア径にまで絞り、対物レンズ５への入射瞳径をレンズ中心に限定することで、膜面への入射角度を垂直として扱うことが可能となり補正計算不要で精度良い測定が可能である。

また、通常の顕微鏡に付属の照明を測定用の光源に使用する装置が市販されているが、カラーフィルタのようにパターンのある被測定物で測定を行うとスポット部以外の光が入射し、干渉波形が変化するという現象も見られ、やはり測定精度を落とす原因となるので、本発明の方式のように測定用光源を別に用意する必要がある。

膜表面、膜と基板の界面で反射して干渉した反射光は対物レンズ５を経てホットミラー３にて反射し、ビームスプリッタ４で反射して単レンズ１１を経て光ファイバー１９の先端に入射する。光ファイバー１９は分光器２３に接続しており、内部の回折格子により分光スペクトルデータを得てコンピュータ２４にデータが送られる。

得られた分光スペクトルデータから膜厚を計算する方法については種々の手法があり特に限定するものではないが、特許文献２に開示された方法などが適用できる。

本発明の微小セル膜厚測定装置は、たとえばディスプレイ用、撮像素子用などのカラーフィルタのように微小なセル状領域に薄膜が形成されたものの膜厚測定に好適に利用可能である。

本発明の実施例を示す装置構成概略図。 位置決め前の撮像画像例の模式図。 位置決め完了時の撮像画像例の模式図。 ＸＹステージの図。

符号の説明

１ ・・ カラーＣＣＤカメラ
２ ・・ ビームスプリッタ
３ ・・ ホットミラー
４ ・・ ビームスプリッタ
５ ・・ 対物レンズ
６ ・・ 被測定物
７、８、９、１０、１１、１２
・・ 単レンズ
１３ ・・ 視野絞り
１４ ・・ 明るさ絞り
１５、１６ ・・ シャッター
１７ ・・ カットフィルタ
１９、２０ ・・ 光ファイバー
２１ ・・ 測定用光源
２２ ・・ 撮像用光源
２３ ・・ 分光器
２４ ・・ コンピュータ
２５ ・・ ＸＹステージ制御部
２６ ・・ 測定ヘッド部
２７ ・・ 集光光学系

Claims (6)

1. 基板上に微小セル状の薄膜パターンが形成された被測定物の表面に照明光を入射し、その反射光を分光し分光反射率を求め、その分光干渉波形から膜厚を計算する分光反射干渉式の膜厚測定装置であって、
   基板上の測定位置近傍の画像を撮像するための撮像装置と、
   前記撮像装置が撮像する領域全体を均一に照明する撮像用照明光学系と、
   前記撮像装置により撮像された画像データを処理する画像処理部と、
   前記基板上の微小セル内を照明領域とする測定用照明光学系と、
   前記測定用照明光学系の照明領域からの光を受光する分光器と、
   撮像用照明光学系と測定用照明光学系とを切り替える照明系切り替え機構と、
   前記撮像装置、前記撮像用照明光学系、前記画像処理部、前記測定用照明光学系、前記分光器、前記照明系切り替え機構からなる測定ヘッド部を、前記基板上の所定の測定位置に配置するための移動機構と、を有し、
   前記測定用照明光学系は、可視光と波長９００ｎｍ以上の近赤外域の光を照射する光源と、集光光学系と、近赤外光を透過させる光ファイバーと、赤外光の透過・反射が各５０％のビームスプリッタと、可視光を透過し近赤外光を反射するホットミラーと、赤外対物レンズとを有し、前記光源からの照射光を前記集光光学系、前記光ファイバー、前記ビームスプリッタを順次介して、前記ホットミラーで赤外光成分を反射して前記赤外対物レンズに導き被測定物に照射するものであることを特徴とする膜厚測定装置。
2. 前記光ファイバーのコア径が０．８ｍｍから０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
3. 前記撮像用照明光学系は、ケラー照明系と、可視光透過・反射各５０％のビームスプリッタを有し、前記赤外対物レンズを介して被測定物に照射することを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の膜厚測定装置。
4. 前記ホットミラーが、前記撮像用光学系からの照射光を透過して前記赤外対物レンズを介して被測定物を照射し、その反射光を透過して前記撮像装置へと導き、前記測定用照明光学系からの照射光の赤外光成分を反射して前記赤外対物レンズを介して被測定物を照射し、その反射光を反射して前記分光器へと導くように配置され、前記測定用照明光学系と前記撮像用照明光学系とが同軸落射照明できるように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の膜厚測定装置。
5. 前記被測定物が基板上にＲＧＢ各色からなる微小セル状薄膜パターンが形成されたカラーフィルタであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の膜厚測定装置。
6. 請求項１から５のいずれかの膜厚測定装置を用い、基板上の所定の測定位置近傍に測定ヘッド部を配置した後、撮像用光学系で照明して撮像装置で撮像し、得られた画像から画像処理部で測定ヘッド部の位置と測定位置との微小な位置ズレ量を計算し、測定用照明光学系の照明領域が微小セルの中央部となる様測定ヘッド部を微移動した後、照明を測定用照明光学系に切り替えて、その反射光を分光器に入力することを特徴とする膜厚測定方法。