JP6550101B2 - 膜厚測定方法及び膜厚測定装置 - Google Patents
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Description
さらに、二次元領域の膜厚の分布を測定する場合、点測定が可能な膜厚測定器を照明装置との撮像角を維持しながら移動させて二次元データとする方法、また、線状領域の分光データが採取可能な分光器をスキャンする方法等も提案されている。
本発明は、上記未解決の問題に着目してなされたものであり、簡易な構成で、比較的薄い膜厚であっても高精度に膜厚を検出することの可能な膜厚測定方法及び膜厚測定装置を提供することを目的としている。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1に示すように、基材1上に形成された薄膜(光透過性膜)2に対して角度θ0で光が入射すると、入射媒質、薄膜2及び基材1それぞれの、光の偏光成分s波及びp波に対する屈折率は次式(1)〜(6)と表すことができる。なお、入射媒質の偏光成分s波に対する屈折率をη0S、偏光成分p波に対する屈折率をη0P、薄膜2の偏光成分s波に対する屈折率をηS、偏光成分p波に対する屈折率をηP、基材1の偏光成分s波に対する屈折率をηmS、偏光成分p波に対する屈折率をηmPとする。また、薄膜2の光の屈折角をθ、基材1の光の出射角をθmとする。
η0S=n0×cosθ0 ……(1)
η0P=n0/cosθ0 ……(2)
ηS=n×cosθ ……(3)
ηP=n/cosθ ……(4)
ηmS=nm×cosθm ……(5)
ηmP=nm/cosθm ……(6)
n0×sinθ0=n×sinθ=nm×sinθm ……(7)
cosθ=(1−sin2θ)1/2={1−(n0/nm)2×sin2θ}1/2
……(8)
cosθm=(1−sin2θm)1/2={1−(n0/nm)2×sin2θm}1/
2
……(9)
回通過したときには、次式(10)で表す位相変化δが生じる。
δ=(2π/λ)×n×d×cosθ ……(10)
光の偏光成分s波及びp波の各界面におけるフレネル反射係数は、次式(11)〜(14)で表すことができる。なお、薄膜2の表面でのs波の偏光成分のフレネル反射係数をρ0S、薄膜2と基材1との界面でのs波の偏光成分のフレネル反射係数をρ1S、薄膜2の表面でのp波の偏光成分のフレネル反射係数をρ0P、薄膜2と基材1との界面でのp波の偏光成分のフレネル反射係数をρ1Pとする。
ρ0S=(η0S−ηS)/(η0S+ηS) ……(11)
ρ1S=(ηS−ηmS)/(ηS+ηmS) ……(12)
ρ0P=(η0P−ηP)/(η0P+ηP) ……(13)
ρ1P=(ηP−ηmP)/(ηP+ηmP) ……(14)
ρf=(ρ0f+ρ1fe−i2δ)/(1−ρ0f×ρ1fe−i2δ) ……(15)
Rf
=(ρ0f 2+ρ1f 2+2ρ0fρ1fcos2δ)/{1+(ρ0fρ1f)2+2ρ0fρ1fcos2δ}
……(16)
図2に示す分光スペクトルと、図3に示す、薄膜2に入射される光の光源の分光強度I(λ)と、図4に示す、薄膜2の反射光を撮影する受光素子の分光感度S(λ)とから、図5に示す、薄膜2の膜厚と反射率との関係を求めることができる。
反射率がピーク値を維持する状態となった時点はすなわち薄膜2の膜厚が零となった時点である。
図8は、本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法を用いて膜厚測定を行う膜厚測定装置の一例を示す概略構成図である。
また、基材としてガラス11を適用する場合に限るものではない。表面で光が拡散するすりガラス等ではなく、表面で光が拡散しない、ガラスや鏡、樹脂等といった鏡面反射する面を有する部材であればよい。
光源12は、薄膜2の測定領域の大きさに応じて、撮像装置13から見て測定領域の正反射領域を全て視野内に含むことができるようになっている。
光源12としては、例えば、紫色や青色のLED光源やレーザ光源を適用することができる。例えば、薄膜2の膜厚が100nm程度よりも薄くなったときの反射率の変化が大きい500nm程度よりも短い波長に最大強度があり、照射波長領域の狭い可視光線の照明を利用することによって、薄膜2の膜厚が100nm程度よりも薄い場合の膜厚の測定精度を向上させることができる。
制御装置14は、入力装置14a、表示装置14b、記憶装置14cを備える。制御装置14は、光源12及び撮像装置13の作動制御を行うと共に、光源12で薄膜2を照射することにより生じる反射光を撮像装置13で撮影した撮像画像を入力して記憶装置14cに記憶し、記憶装置14cに記憶した撮像画像に基づき薄膜2の膜厚を推定する。また、記憶装置14cには、図5に示す膜厚と反射率との対応を表す推測信号が記憶されている。この推測信号は、測定対象の薄膜2のモデルについて求めた図2に示す分光スペクトルと、図3に示す光源12の分光強度特性と、図4に示す撮像装置13の受光素子の分光感度特性と、をもとに予め推測する(推測信号取得部)。
オペレータは、まず、制御装置14において入力装置14aを操作すること等により、膜厚の測定開始を指示する。
制御装置14では、膜厚の測定開始が指示されると、光源12及び撮像装置13を駆動制御し(ステップS1)、光源12により薄膜2の測定対象領域に単色光を面照射すると共に、撮像装置13により測定対象領域の正反射領域全体を例えば定周期で撮影する。
オペレータは、撮像装置13による撮像が開始され、撮像データの読み込みが開始された後、ガラス11面上に測定対象の薄膜2を作成する。
そして、例えば薄膜2が蒸発し終えた時点で、オペレータが膜厚の測定終了を指示すると、制御装置14では、光源12及び撮像装置13の駆動を停止する(ステップS3)。
制御装置14では、記憶装置14cに格納した撮像データについて、画素毎に、図6に示すような撮影開始からの経過時間に対する反射率の変化を表す反射光強度信号を検出し、撮影開始時点t0における反射率rXと、膜厚が零となった時点、つまり図6において反射率が変化しなくなった時点t1を基準とする、信号波形上における時点t0の存在位置、つまり時間範囲を特定する(ステップS4、時間範囲特定部)。具体的には時点t1を基準として、時点t0までの間に存在する、信号波形上の谷及び山のピーク数を求め、時点t1を基点として、求めたピーク数番目に相当するピークと、この次のピークとの間を、時間範囲として特定する。
続いて、膜厚範囲E1の中から、反射率rXに対応する膜厚を検出し、これを時点t0における膜厚dXとして特定する(ステップS6、膜厚設定部)。
このように、薄膜2が蒸発し終えるまでの薄膜2の反射率の変化状況を検出し、この変化状況と、予め検出した膜厚−反射率特性とに基づき、膜厚を検出するようにしたため、簡易な構成で容易に膜厚を検出することができる。
また、薄膜2の膜厚の測定対象領域全体を撮影することにより、測定対象領域全体の膜厚を同時に得ることができるため、測定対象領域全体について面単位で、同一時点における膜厚を検出することができる。
また、上記実施形態では、面照射可能な光源12としてLEDディスプレイを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、単一波長のLED面照射装置又はスクリーン全面にLED照明を照射することにより、面照射を行うようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、測定対象の薄膜2の反射率の変化状況の収集処理と、膜厚の演算処理とを同一の制御装置14において実行する場合について説明したがこれに限るものではなく、記憶装置14cに格納された測定対象の薄膜2の反射率の変化状況を表すデータをもとに、他の処理装置において膜厚演算を行うようにしてもよい。
また、基材1が平面でない場合には、基材1が平面であると仮定して算出した膜厚値に、補正演算を施すことにより、膜厚の真値を検出するようにしてもよい。この補正演算は、例えば以下のように行えばよい。
δ=(2π/λ)×n×d′×cos(θ+Δθ)
=(2π/λ)×n×d×cosθ ……(17)
式(17)を変形すると、次式(18)と表すことができる。
d′=d×cosθ/cos(θ+Δθ) ……(18)
つまり、(18)式から、測定点の傾きΔθを用いることにより膜厚dを補正することができる。
また、本発明の一実施形態に係る膜厚測定方法を用いて、二つの物体間に存在する液体の膜厚を測定することができる。
なお、ここでは、二つの物体間に存在する液体の膜厚を測定する場合について説明したが、同様の手順で平面に接触する球体と平面との間の間隙を測定することもできる。
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。
11 ガラス
12 光源
13 撮像装置
14 制御装置
15 遮光カーテン
Claims (5)
- 測定対象の揮発性の光透過性膜を基材上に配置し、前記光透過性膜が蒸発し終えるまで前記光透過性膜に光源から光を照射するステップと、
前記光透過性膜の反射光を受光素子により正反射方向で受光し、前記光透過性膜が蒸発し終えるまでの前記反射光の信号強度の時系列信号であって前記信号強度が増減する反射光強度信号を取得して記憶装置に保存するステップと、
前記光源の分光強度と前記受光素子の分光感度と前記光透過性膜の光学定数とから、前記光透過性膜に前記光源から光を照射することにより得られる前記反射光の信号強度を推測し、前記光透過性膜の膜厚が変化するに伴い前記反射光の信号強度の推測値が増減する推測信号を取得するステップと、
前記反射光強度信号の信号波形において、前記光透過性膜が蒸発し終えた時点を基点として所望の時点までのピーク数をもとに前記所望の時点が存在する時間範囲を特定するステップと、
前記推測信号の信号波形において前記膜厚が零の時点と、前記反射光強度信号の信号波形における前記基点とが一致するように、前記推測信号の信号波形と前記反射光強度信号の信号波形とを対応付け、前記推測信号の信号波形におけるピーク数をもとに、前記推測信号の信号波形において前記時間範囲に対応する膜厚範囲を特定するステップと、
前記所望の時点における前記反射光の信号強度を取得し、前記膜厚範囲に含まれる膜厚に対応する前記反射光の信号強度の推測値のうち、前記所望の時点における前記反射光の信号強度と一致する推測値に対応する膜厚を、前記所望の時点における前記光透過性膜の膜厚として設定するステップと、
を備えることを特徴とする膜厚測定方法。 - 前記受光素子を複数備えて二次元エリアセンサを構成することを特徴とする請求項1に記載の膜厚測定方法。
- 前記光源は、前記光透過性膜の二次元エリアからなる測定領域全体を照射する面照明であることを特徴とする請求項2に記載の膜厚測定方法。
- 前記基材の表面が平面ではないとき、得られた膜厚を、前記基材の表面の形状に合わせて補正するステップを備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
- 基材上に配置された、測定対象の揮発性の光透過性膜に前記光透過性膜が蒸発し終えるまで光を照射する光源と、
前記光透過性膜の反射光を正反射方向で受光する受光素子と、
前記受光素子から出力される前記反射光の信号強度の、前記光透過性膜が蒸発し終えるまでの時系列信号であって、前記信号強度が増減する反射光強度信号が格納される記憶装置と、
前記光源の分光強度と前記受光素子の分光感度と前記光透過性膜の光学定数とから、前記光透過性膜に前記光源から光照射を行うことにより得られる前記反射光の信号強度を推測し、前記光透過性膜の膜厚が変化するに伴い前記反射光の信号強度の推測値が増減する推測信号を取得する推測信号取得部と、
前記反射光強度信号の信号波形において、前記光透過性膜が蒸発し終えた時点を基点として所望の時点までのピーク数をもとに前記所望の時点が存在する時間範囲を特定する時間範囲特定部と、
前記推測信号の信号波形において前記膜厚が零の時点と、前記反射光強度信号の信号波形における前記基点とが一致するように、前記推測信号の信号波形と前記反射光強度信号の信号波形とを対応付け、前記推測信号の信号波形におけるピーク数をもとに、前記推測信号の信号波形において前記時間範囲に対応する膜厚範囲を特定する膜厚範囲特定部と、
前記膜厚範囲に含まれる膜厚に対応する前記反射光の信号強度の推測値のうち、前記所望の時点における前記反射光の信号強度と一致する推測値に対応する膜厚を、前記所望の時点における前記光透過性膜の膜厚として設定する膜厚設定部と、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
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