JP2000193424A - 薄膜の膜厚測定装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜された基板の薄膜の膜厚を成膜直後に測
定することが可能な薄膜の膜厚測定装置を提供するこ
と。 【解決手段】 薄膜の膜厚測定装置は、基板３に対して
ほぼ垂直に光を照射し、基板３からの反射光を受光する
分岐型光ファイバ２と、基板３からの反射光を波長ごと
の強度に分解する分光器５と、分光器５によって分解さ
れた波長ごとの強度に基づいて基板３の薄膜の膜厚を算
出する計算機６とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透明または半透明
の各種薄膜の膜厚を測定する技術に関し、特に、光干渉
法を用いて各種薄膜の膜厚を測定する薄膜の膜厚測定装
置およびその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体基板や液晶基板等の製造に
おいて、薄膜形成技術が広く用いられている。この薄膜
形成技術によって形成された薄膜の不具合を検出するた
めには、形成された薄膜の膜厚を測定することが重要と
なる。

【０００３】従来、薄膜形成装置によって形成された薄
膜の膜厚を測定する場合、膜厚の測定に多大な時間が必
要であり、その測定装置も大掛かりなものとなるため、
オフラインでの測定が主であった。薄膜の膜厚を測定す
る手法として、直接薄膜の段差を測定する触針法やエリ
プソメータによる測定法等、様々な手法が用いられてい
る。

【０００４】図１０は、エリプソメータを用いた膜厚測
定装置の概略構成を示している。光源からの光は、偏光
子１０１によって偏光されて基板１０３上に照射され
る。基板１０３で反射された光は、検光子１０２によっ
て受光される。検光子１０２は、基板１０３によって反
射された光の偏光状態を検出し、検出器が入射光の偏光
状態と反射光の偏光状態とを比較することによって膜厚
の光学定数（屈折率、消衰係数）を求める。

【０００５】しかし、図１１に示すように、基板１０６
と薄膜層１０４との間に配線パターン１０５等がある場
合、その部分に微妙な凹凸があるため上述した測定手法
では膜厚の測定ができない。そのため、基板の任意の点
の膜厚を測定するために、配線パターンのないダミー基
板上に成膜を行い、その薄膜の任意の点の膜厚を測定す
る。そして、ダミー基板上の薄膜の不具合がなくなるよ
うに成膜条件を決定し、その成膜条件を実際の生産品に
適用して同様の成膜がなされていると仮定して生産を行
っていた。

【０００６】また、基板上の凹凸の影響が少ない測定手
法として、光の干渉を利用した手法がある。この光干渉
法は、基板によって反射された光または基板を透過した
光の分光スペクトルを解析することにより薄膜の膜厚を
測定するものである。光干渉法が基板上の凹凸の影響を
受け難いのは、配線パターンの面積が測定ポイントにお
ける測定範囲の面積に対してわずかな比率でしかないた
めと考えられる。

【０００７】図１２を参照して、光干渉法の一例を説明
する。光源から照射された光は、基板１０３によって反
射される。この反射光は、薄膜１０４の表面で反射する
光と、薄膜１０４と基板（基板１０３のうち薄膜１０
４を除く部分）１０６との界面で反射する光とを合わ
せたものである。

【０００８】図１３は、分光器によって検出された反射
光（図１２に示す反射光）の波長と、光強度との関係を
示すグラフである。このグラフは、横軸を反射光の波長
とし、縦軸をその光強度としている。光と光とが互
いに干渉して、見かけ上反射光の波長によって光強度に
強弱が発生する。この光の干渉は光と光との光路差
によって発生するため、薄膜１０４の膜厚に依存するこ
ととなり、波長−光強度の曲線の形状も薄膜１０４の膜
厚によって変化する。したがって、波長−光強度の曲線
を解析することによって薄膜１０４の膜厚を求めること
ができる。

【０００９】図１３に示す波長−光強度の曲線の解析手
法として、ピーク・バレイ法と呼ばれる手法がある。こ
の手法は、波長−光強度の曲線において光強度がピーク
（図１３のａ点およびｂ点）となる波長を求め、その関
係式から薄膜の膜厚を求めるものである。

【００１０】また、特開平５−１０７２６号公報に開示
された発明は、波長−光強度の曲線において単に光強度
がピークとなる波長を求めるだけでなく、薄膜形成基板
の透過光を測定して波長−光強度の曲線を求め、理論式
から求めた波長−光強度の曲線が実測の波長−光強度の
曲線に最も近づくように膜厚ｄと屈折率ｎとを変化させ
て解析するものである。Ｔを薄膜の透過率、ｎを薄膜の
屈折率、ｎ₀ を空気の屈折率、ｎ₁ を透明基板の屈折率
とすると、次式の関係が成り立つ。

【００１１】

【数３】

【００１２】ただし、ｒ₀ は光が空気中から薄膜に入射
するときの振幅反射率、ｒ₁ は光が薄膜から透明基板に
入射するときの振幅反射率、δは光が薄膜中を進行する
時の位相のずれ、δ₀ は光が空気中から薄膜に入射する
ときの位相のずれ、δ₁ は光が薄膜から透明基板に入射
するときの位相のずれを示している。

【００１３】光が薄膜中を進行する時の位相のずれδ
は、薄膜の膜厚ｄと光の波長λとに依存するので、式
（１２）から波長λと薄膜の透過率Ｔとの関係を求める
ことができる。したがって、薄膜の膜厚ｄと薄膜の屈折
率ｎとを変化させて式（１２）から求まる波長−光強度
（透過率）曲線が、実測の波長−光強度曲線に最も近づ
くようにし、そのときの薄膜の膜厚ｄと薄膜の屈折率ｎ
とを測定値とする。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示すエリプソ
メータを用いた膜厚測定装置においては、基板１０３と
偏光子１０１および検光子１０２との位置関係が固定さ
れていなければならないため、基板１０３の上下方向の
ずれ、傾斜または振動等がある場合、薄膜の膜厚の測定
が不可能になるという問題点があった。また、偏光子１
０１と検光子１０２との角度を精度良く設置する必要が
ある。そのため、基板１０３上の複数箇所を同時に測定
するのが不可能であったり、インラインで限られたスペ
ースに組み込むことが不可能であるという問題点があっ
た。

【００１５】また、上述した配線パターンのないダミー
基板上に成膜を行い、その薄膜の任意の点の膜厚を測定
する方法においては、ダミー基板で最適な成膜条件を求
めてその成膜条件を生産品の基板に適用したとしても、
その生産品の基板が完全にダミー基板と同じ成膜状態に
なるとは限らないという問題点がある。

【００１６】また、基板の生産中に、その基板の薄膜自
体の膜厚を直接測定することはできないため、成膜装置
にトラブルが発生して不良品が発生したとしてもその不
良が発見されるのは後工程の検査においてである。通
常、成膜装置による成膜工程と検査工程との間には数種
類の工程がある。そのため、検査工程において不良が発
見されたとしても、その不良品が製造されてから発見さ
れるまでにタイムラグがあり、その間に生産された基板
にも不良品が含まれる可能性が高くなる。したがって、
不良品が発見された場合にはその損害が大きなものとな
るという問題点があった。

【００１７】また、液晶パネル等においては、ガラス基
板と薄膜との間に電極パターンが格子状に配置されてい
る。そのため、この電極パターンによって影響を受けな
い測定手法が必要となる。この手法の１つとして、上述
した光干渉法であるピーク・バレイ法が挙げられる。し
かし、ピーク・バレイ法においては、測定した波長領域
内に光強度のピークまたはバレイが２つ以上存在しなけ
れば、理論的に薄膜の膜厚を算出することができなくな
る。すなわち、図１４に示すように光強度のピークまた
はバレイが２つ以上なければ、薄膜の膜厚を算出するこ
とが不可能となる。また、光強度のピークまたはバレイ
が２つ以上ある場合でも、ピーク付近の波長域において
薄膜に吸収があれば光強度のピーク位置がずれるため、
正確な薄膜の膜厚を測定することが不可能となるという
問題点があった。

【００１８】また、特開平５−１０７２６号公報に開示
された発明においては、波長−光強度曲線の波形自体を
解析しているため、光強度のピークまたはバレイがなく
ても薄膜の膜厚を測定することが可能である。しかし、
式（１２）から分かるように、薄膜の吸収係数を考慮し
ていない。そのため、測定波長域に薄膜の吸収がある場
合には、薄膜の吸収がない波長領域まで測定領域をシフ
トする必要がある。したがって、測定対象として複数の
薄膜に対応させようとすれば、光源や分光器等の光学系
の仕様を広範囲に（波長域を広く）しなければならな
い。また、薄膜の種類によって適切な測定波長域を選択
する機構を設ける必要もある。したがって、薄膜測定装
置のコストが高くなるという問題点がある。また、測定
波長域を適切に選択しなければならないため、広範囲の
波長の照射が必要になる場合もあり、測定に要する時間
が多大になるという問題点もあった。

【００１９】また、基板上に多層膜を成膜する場合にお
いても、原理的に式（１２）を応用して理論曲線を求め
ることは可能である。しかし、薄膜の数に比例してパラ
メータの数も増加するため、パラメータ全てを変化させ
て実測の波長−光強度曲線に一致する曲線を求めるには
多大な時間が必要になるという問題点がある。また、多
層膜の膜厚を求める理論式においては、各薄膜の膜厚の
誤差の総和が多層膜の膜厚の誤差となるため、理論曲線
と実測の曲線とが一致しにくくなるという問題点もあ
る。

【００２０】さらには、成膜装置に膜厚測定装置を取付
ける場合、基板の多ポイントを測定するためには、測定
ポイントまで膜厚測定装置を移動させる機構が必要とな
り、成膜装置全体が大掛かりなものになるという問題点
がある。また、測定ポイントまでの移動時間も必要にな
るため、測定時間が長くなるという問題点もある。ま
た、膜厚測定装置を移動させる機構の精度がそのまま測
定ポイントの位置精度となるので、その移動機構にも高
い精度が要求されることになる。

【００２１】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、第１の目的は、成膜された基板の薄
膜の膜厚を成膜直後に測定することが可能な薄膜の膜厚
測定装置を提供することである。

【００２２】本発明の第２の目的は、既存の成膜装置に
設置する際の制約が少ない薄膜の膜厚測定装置を提供す
ることである。

【００２３】本発明の第３の目的は、短時間で薄膜の膜
厚を測定することが可能な薄膜の膜厚測定装置を提供す
ることである。

【００２４】本発明の第４の目的は、成膜された基板の
薄膜の膜厚を成膜直後に測定することが可能な薄膜の膜
厚測定方法を提供することである。

【００２５】本発明の第５の目的は、既存の成膜装置に
設置する際の制約が少ない薄膜の膜厚測定方法を提供す
ることである。

【００２６】本発明の第６の目的は、短時間で薄膜の膜
厚を測定することが可能な薄膜の膜厚測定方法を提供す
ることである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の薄膜の
膜厚測定装置は、基板に対してほぼ垂直に光を照射し、
基板からの反射光を受光するための受発光手段と、受発
光手段が受光した反射光の強度に基づいて基板の薄膜の
膜厚を解析するための解析手段とを含む。

【００２８】受発光手段は、基板に対してほぼ垂直に光
を照射し、基板からの反射光を受光するので、基板の上
下方向のずれや、基板の傾斜や、基板の振動等の影響を
受け難くなる。

【００２９】請求項２に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項１記載の薄膜の膜厚測定装置であって、受発光手
段は、光源と、光源からの光を基板上に導き、基板から
の反射光を受光して受発光手段へ導く光ファイバとを含
む。

【００３０】受発光手段は、光源と光ファイバのみで構
成できるので、薄膜の膜厚測定装置の構成を簡単にする
ことができる。

【００３１】請求項３に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項２記載の薄膜の膜厚測定装置であって、光ファイ
バは光源からの光を基板上の複数箇所に導き、複数箇所
からの反射光を受光する分岐型光ファイバであり、薄膜
の膜厚測定装置はさらに分岐型光ファイバが受光した複
数の反射光を選択的に遮断するシャッタを含む。

【００３２】シャッタは、分岐型光ファイバが受光した
複数の反射光を選択的に遮断するので、基板上の複数の
箇所を短時間で測定することが可能になる。

【００３３】請求項４に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜の膜厚測定装置で
あって、解析手段は基板からの反射光を波長ごとの強度
に分解するための分光手段と、分光手段によって分解さ
れた波長ごとの強度に基づいて基板の薄膜の膜厚を算出
するための算出手段とを含む。

【００３４】算出手段は、分光手段によって分解された
波長ごとの強度に基づいて基板の薄膜の膜厚を算出する
ので、短時間で膜厚を算出することが可能になる。

【００３５】請求項５に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項４記載の薄膜の膜厚測定装置であって、算出手段
は基板の屈折率をｎ₀ 、前記薄膜の屈折率をｎ₁ 、空気
の屈折率をｎ₂ 、光の波長をλ、および前記薄膜の吸収
係数をｋとすると、式（１）によって薄膜の膜厚を算出
する。

【００３６】算出手段は、式（１）を用いて薄膜の膜厚
を算出するので、さらに短時間で膜厚を算出することが
可能となる。

【００３７】請求項６に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項４記載の薄膜の膜厚測定装置であって、算出手段
は基板の屈折率をｎ₀ 、前記基板からｐ層目の薄膜の屈
折率をｎ（ｐ）、空気の屈折率をｎ（ｐ＋１）、光の波
長をλ、および前記ｐ層目の薄膜の吸収係数をｋとする
と、式（７）によって前記薄膜の膜厚を算出する。

【００３８】請求項７に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜の膜厚測定装置で
あって、受発光手段はロボットハンド上に置かれた基板
に対してほぼ垂直に光を照射する。

【００３９】受発光手段は、ロボットハンド上に置かれ
た基板に対してほぼ垂直に光を照射するので、既存の基
板搬送用ロボットをそのまま用いることができる。

【００４０】請求項８に記載の薄膜の膜厚測定装置は、
請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜の膜厚測定装置で
あって、受発光手段は成膜装置のゲートバルブの出口付
近に設置される。

【００４１】受発光手段は、成膜装置のゲートバルブの
出口付近に設置されるので、既存の成膜装置をそのまま
用いて膜厚を測定することができる。

【００４２】請求項９に記載の薄膜の膜厚測定方法は、
基板に対してほぼ垂直に光を照射し、基板からの反射光
を受光するステップと、受光された反射光の強度に基づ
いて基板の薄膜の膜厚を解析するステップとを含む。

【００４３】基板に対してほぼ垂直に光を照射し、基板
からの反射光を受光するので、基板の上下方向のずれ
や、基板の傾斜や、基板の振動等の影響を受け難くな
る。

【００４４】請求項１０に記載の薄膜の膜厚測定方法
は、請求項９記載の薄膜の膜厚測定装置であって、薄膜
の膜厚を測定するステップは、基板からの反射光を波長
ごとの強度に分解するステップと、分解された波長ごと
の強度に基づいて基板の薄膜の膜厚を算出するステップ
とを含む。

【００４５】分解された波長ごとの強度に基づいて基板
の薄膜の膜厚を算出するので、短時間で膜厚を算出する
ことが可能になる。

【００４６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態にお
ける薄膜の膜厚測定装置の概略構成を説明するためのブ
ロック図である。この薄膜の膜厚測定装置は、光源１、
光源１からの光を基板３上に導き、基板３からの反射光
を受光する分岐型光ファイバ２、基板３からの複数の反
射光を選択的に遮断する受光制限シャッタ４、分岐型光
ファイバ２によって導かれた反射光を波長ごとの光強度
に分解する分光器５、および波長ごとの光強度を解析し
て薄膜の膜厚を解析する計算機６を含む。

【００４７】光源１には、どのような薄膜であっても膜
厚の測定ができるように、一定波長域（たとえば、可視
光線領域で４００〜８００ｎｍ程度の波長域）を有する
光を照射できるハロゲンランプ等が用いられる。また、
分光器５等の光学部品には、その波長域をカバーできる
部品が使用される。

【００４８】図２は、分岐型光ファイバ２の概略構成を
説明すためのブロック図である。この分岐型光ファイバ
２は、光源１からの光を基板３上に導く光ファイバ２１
と、光源１からの光を基板３上の測定点に導き、基板
３上の測定点からの反射光を分光器５へ導く光ファイ
バ２２と、光源１からの光を基板３上の測定点に導
き、基板３上の測定点からの反射光を分光器５へ導く
光ファイバ２３と、基板３上の測定点からの反射光お
よび測定点からの反射光を分光器５へ導く光ファイバ
２４とを含む。

【００４９】図３は、分岐型光ファイバ２をさらに詳細
に説明するための図である。図２に示す光ファイバ２１
は、２本の光ファイバ２１ａおよび２１ｂを含む。光フ
ァイバ２１ａは、光源１からの光を基板３上の測定点
へ導く。また、光ファイバ２１ｂは、光源１からの光を
基板３上の測定点へ導く。

【００５０】図２に示す光ファイバ２２は、２本の光フ
ァイバ２２ａおよび２２ｂを含む。光ファイバ２２ａ
は、光源１からの光を基板３上の測定点へ導くもので
あり、上記光ファイバ２１ａとによって１本の光ファイ
バを構成している。また、光ファイバ２２ｂは、基板３
上の測定点からの反射光を分光器５へ導く。

【００５１】図２に示す光ファイバ２３は、２本の光フ
ァイバ２３ａおよび２３ｂを含む。光ファイバ２３ａ
は、光源１からの光を基板３上の測定点へ導くもので
あり、上記光ファイバ２１ｂとによって１本の光ファイ
バを構成している。また、光ファイバ２３ｂは、基板３
上の測定点からの反射光を分光器５へ導く。

【００５２】図２に示す光ファイバ２４は、２本の光フ
ァイバ２４ａおよび２４ｂを含む。光ファイバ２４ａ
は、基板３上の測定点からの反射光を分光器５へ導く
ものであり、上記光ファイバ２２ｂとによって１本の光
ファイバを構成している。また、光ファイバ２４ｂは、
基板３上の測定点からの反射光を分光器５へ導くもの
であり、上記光ファイバ２３ｂとによって１本の光ファ
イバを構成している。

【００５３】図４は、図１に示す受光制限シャッタ４の
概略構成を説明するためのブロック図である。この受光
制限シャッタ４は、図３に示す光ファイバ２４ａおよび
２４ｂの先端（光ファイバ２４ａおよび２４ｂと分光器
５との間）に設けられている。光ファイバ２４ａの先端
に設けられた受光制限シャッタ４ａは、その開閉によっ
て基板３上の測定点からの反射光の通過・遮断を制御
する。また、光ファイバ２４ｂの先端に設けられた受光
制限シャッタ４ｂは、その開閉によって基板３上の測定
点からの反射光の通過・遮断を制御する。一方の受光
制限シャッタを閉じ、他方の受光制限シャッタを開くこ
とによって、基板３上の測定点およびからの反射光
の一方のみを選択して分光器５に導くことが可能であ
る。また、受光制限シャッタ４ａおよび４ｂを同時に開
くことによって、基板３上の測定点およびの膜厚の
平均値を測定することも可能である。

【００５４】図５は、分岐型光ファイバの他の一例を示
す図である。基板３上の測定点が常時１点の場合には、
図５に示すように光源１からの光を導く光ファイバ２５
ａおよび分光器５へ反射光を導く光ファイバ２５ｂが、
基板３上の測定点に設置される光ファイバ２６または
測定点に設置される光ファイバ２７と接続されるよう
にして、測定点またはのみの膜厚を測定できるよう
にしてもよい。

【００５５】また、図６に示すように、光源１からの光
を導く光ファイバ２８を移動できるようにし、基板３か
らの反射光を受光する複数の光ファイバ２９〜３３を設
けることによって、光ファイバ２８を移動するのみで基
板３上の複数ポイントの測定が行えるようになる。

【００５６】図７は、計算機６が実行する膜厚測定処理
の処理手順を説明するためのフローチャートである。ま
ず、分光器５によって基板３からの反射光を波長ごとの
光強度（スペクトル）に分解する（Ｓ１）。計算機６
は、分光器５から波長ごとのスペクトルデータを取得し
（Ｓ２）、理論式を用いて薄膜の膜厚を解析し（Ｓ
３）、求められた膜厚を計算機６の画面上に表示する
（Ｓ４）。

【００５７】ここで、薄膜の膜厚を解析するための論理
式について説明する。基板の屈折率をｎ₀ 、薄膜の屈折
率をｎ₁ 、空気の屈折率をｎ₂ 、薄膜の吸収係数をｋ、
薄膜の膜厚をｄ、光源の波長をλとすると、基板からの
反射光の光強度Ｒは式（１）〜（６）で表すことができ
る。

【００５８】光学定数（ｎ，ｋ）は、光源からの光の波
長λによって変化する数値であるが、光の波長λの変化
に応じて光学定数（ｎ，ｋ）を変化させて式（１）に代
入すれば薄膜の膜厚ｄを算出することができる。すなわ
ち、光学定数（ｎ，ｋ）が既知であり、分光器５によっ
て検出された波長ごとの光強度を用いて作成した波長−
光強度の曲線があれば、薄膜の膜厚ｄを算出することが
できる。

【００５９】また、光学定数（ｎ，ｋ）が既知でない場
合には、光学定数（ｎ，ｋ）および薄膜の膜厚ｄを以下
のようにして求めることができる。 値を求める対象である薄膜の膜厚ｄ、薄膜の屈折率
ｎ₁ 、および薄膜の吸収係数ｋについて、初期値として
大まかな数値を式（１）に代入する。 次に、それぞれのパラメータｄ，ｎ₁ ，ｋの上限値
および下限値を設定する。たとえば、薄膜の膜厚ｄの場
合であれば、初期値±５０％を上限値および下限値とす
る。 パラメータｄ，ｎ₁ ，ｋをそれぞれ上限値および下
限値の範囲内で変化させて式（１）に代入し、その結果
得られる曲線が実測の波長−光強度の曲線に最も近づく
ように各パラメータの値を算出する。この判断手法とし
て、たとえば、各波長における両曲線の光強度の差を求
め、測定波長領域におけるその差の総和が最も小さくな
るようにパラメータを変化させることで各パラメータを
求めることができる。この手法によって、光学定数
（ｎ，ｋ）と薄膜の膜厚ｄとを同時に求めることが可能
となる。

【００６０】また、基板上に薄膜が多層成膜される場合
にも、上述した手法と同様にして各薄膜の膜厚を算出す
ることができる。ただし、基板の屈折率をｎ（０）、基
板からｐ層目の薄膜の屈折率をｎ（ｐ）、空気の屈折率
をｎ（ｐ＋１）、基板からｐ層目の薄膜の吸収係数を
ｋ、薄膜の膜厚をｄ（ｐ）、光源の波長をλとすると、
基板からの反射光の光強度Ｒ（ｐ＋１，０）の理論式は
式（７）〜（１１）で表される。

【００６１】基板から一層目の薄膜、二層目の薄膜…と
順次論理式に値を代入することにより、すなわち、ｐに
１，２…を順次代入することによって、薄膜が何層であ
ってもそれぞれの薄膜の光学定数および膜厚を求めるこ
とができる。ただし、薄膜の数が増加するにしたがって
パラメータ数も増加するため、演算に要する時間も増加
することになる。また、測定精度の観点からも、薄膜の
数が増加するにしたがって誤差が大きくなることに注意
を要する。

【００６２】計算機６は、求められた薄膜の膜厚ｄに基
づいて、通信により成膜装置に不良が発生したことを通
知したり、成膜装置の成膜条件の設定時に参照するデー
タベースを構築したりすることが可能となる。

【００６３】図８（ａ）は本実施の形態における薄膜の
膜厚測定装置の設置の一例を示す側面図であり、図８
（ｂ）はその平面図である。図８（ａ）に示すように、
図１に示す分岐型光ファイバ２が内部に設けられたセン
サ１０が、薄膜が形成された基板３に対してほぼ垂直と
なるように成膜装置のゲート開口部（ゲートバルブ）１
３の上部に設けられる。この成膜装置は、たとえば、Ｃ
ＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法によって成膜を
行い、成膜した複数の基板をそれぞれトレイ上に載置す
る。この複数の基板は、図８（ｂ）に示すアンロード室
のゲート開口部１３内部に設けられたロードロック１４
内に貯えられている。基板搬送用ロボット１１は、ロー
ドロック１４から基板を１枚取り出してロボットハンド
１２上に載せて、センサ１０の真下に基板３が位置する
ように移動する。そして、薄膜の測定点が複数ある場合
には、ロボット１１はある測定点の測定が終了するたび
に次の測定点がセンサ１０の真下になるように移動を繰
返す。なお、図８（ｃ）に、ロボットハンド１２の形状
を示す。

【００６４】図９は、基板の上下方向のずれや、傾斜が
測定値に与える影響を説明するための図である。図９
（ａ）は、センサ１０と基板３との間の距離を横軸に、
本実施の形態における薄膜の膜厚測定装置によって測定
された薄膜の膜厚を縦軸にしている。図９（ａ）から分
かるように、Ｇｌ層（窒化シリコン）、ｉ層（アモルフ
ァシスシリコン）、およびｎ⁺ 層（ｎ⁺ 型アモルファス
シリコン）のいずれにおいても、測定結果がセンサ１０
と基板３のと間の距離に殆ど影響されないことが示され
ている。

【００６５】また、図９（ｂ）は、基板３の傾斜角度を
横軸に、本実施の形態における薄膜の膜厚測定装置によ
って測定された薄膜の膜厚を縦軸にしている。図９
（ｂ）から分かるように、Ｇｌ層、ｉ層、およびｎ⁺ 層
のいずれにおいても、測定結果が基板３の傾斜角度に殆
ど影響されないことが示されている。

【００６６】以上説明したように、本実施の形態におけ
る薄膜の膜厚測定装置によれば、成膜された基板の薄膜
の膜厚を成膜直後に測定することができるため、基板に
不良が発生した場合においてその不良基板の成膜直後に
その不良を発見することができる。したがって、基板の
成膜から不良基板の発見までのタイムラグが殆どなくな
り、不良品発生による損害を最小限に抑えることが可能
になった。

【００６７】また、成膜条件と薄膜の膜厚とからデータ
ベースを構築することによって、基板の成膜傾向等の成
膜状態の予測が可能となった。

【００６８】また、膜厚測定装置のセンサ部分の構造が
極めて簡単であり、小型軽量化が可能であるため、既存
の成膜装置に設置する際の制約を少なくすることが可能
となり、そのメンテナンスも容易に行えるようになっ
た。

【００６９】また、膜厚測定装置は薄膜の膜厚を解析す
る際、波長−光強度曲線のみで解析が行えるため、短時
間（１測定点につき１秒程度）で薄膜の膜厚を測定する
ことが可能となった。また、薄膜の吸収係数を考慮して
解析をするため、誤差の少ない膜厚を求めることが可能
となった。

【００７０】さらには、分岐型光ファイバを使用した
り、光ファイバを複数配置することによって、短時間で
基板上の複数ポイントの測定が可能になった。

【００７１】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における薄膜の膜厚測定装
置の概略構成を説明するためのブロック図である。

【図２】分岐型光ファイバ２の概略構成を説明するため
の図である。

【図３】分岐型光ファイバ２をさらに詳細に説明するた
めの図である。

【図４】受光制限シャッタの概略構成を説明するための
図である。

【図５】複数ポイント測定のための光ファイバの他の一
例を示す図である。

【図６】複数ポイントを測定する場合の他の一例を示す
図である。

【図７】本発明の実施の形態における薄膜の膜厚測定装
置の処理手順を説明するためのフローチャートである。

【図８】本発明の実施の形態における薄膜の膜厚測定装
置の設置の一例を示す図である。

【図９】基板の上下方向のずれや、傾斜が測定値に与え
る影響を説明するための図である。

【図１０】従来のエリプソメータを用いて膜厚を測定す
る方法を説明するための図である。

【図１１】膜厚の測定ができない基板の一例を示す図で
ある。

【図１２】従来の光干渉法の一例を説明するための図で
ある。

【図１３】反射光の波長と光強度との関係の一例を示す
図である。

【図１４】ピーク・バレイ法によって膜厚を測定できな
い場合の波長−光強度曲線の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 分岐型光ファイバ ３ 基板 ４ 受光制限シャッタ ５ 分光器 ６ 計算機 １０ センサ １１ 基板搬送用ロボット １２ ロボットハンド １３ ゲート開口部 １４ ロードロック ２１〜３３ 光ファイバ

フロントページの続き (72)発明者 谷川 徹 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA00 AA30 BB01 CC17 CC25 CC31 DD02 DD06 FF44 FF46 FF61 GG02 GG13 HH13 JJ01 JJ05 JJ09 LL02 LL30 LL67 PP11 PP22 QQ25 QQ27 TT02

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に対してほぼ垂直に光を照射し、前
   記基板からの反射光を受光するための受発光手段と、 前記受発光手段が受光した反射光の強度に基づいて前記
   基板の薄膜の膜厚を解析するための解析手段とを含む薄
   膜の膜厚測定装置。
2. 【請求項２】 前記受発光手段は、光源と、 前記光源からの光を前記基板上に導き、該基板からの反
   射光を受光して前記受発光手段へ導く光ファイバとを含
   む、請求項１記載の薄膜の膜厚測定装置。
3. 【請求項３】 前記光ファイバは、前記光源からの光を
   前記基板上の複数箇所に導き、該複数箇所からの反射光
   を受光する分岐型光ファイバであり、 前記薄膜の膜厚測定装置はさらに、前記分岐型光ファイ
   バが受光した複数の反射光を選択的に遮断するシャッタ
   を含む、請求項２記載の薄膜の膜厚測定装置。
4. 【請求項４】 前記解析手段は、前記基板からの反射光
   を波長ごとの強度に分解するための分光手段と、 前記分光手段によって分解された波長ごとの強度に基づ
   いて前記基板の薄膜の膜厚を算出するための算出手段と
   を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜の膜厚測
   定装置。
5. 【請求項５】 前記算出手段は、前記基板の屈折率をｎ
   ₀ 、前記薄膜の屈折率をｎ₁ 、空気の屈折率をｎ₂ 、光
   の波長をλ、および前記薄膜の吸収係数をｋとすると、
   次式によって前記薄膜の膜厚を算出する、請求項４記載
   の薄膜の膜厚測定装置。 【数１】
6. 【請求項６】 前記算出手段は、前記基板の屈折率をｎ
   ₀ 、前記基板からｐ層目の薄膜の屈折率をｎ（ｐ）、空
   気の屈折率をｎ（ｐ＋１）、光の波長をλ、および前記
   ｐ層目の薄膜の吸収係数をｋとすると、次式によって前
   記薄膜の膜厚を算出する、請求項４記載の薄膜の膜厚測
   定装置。 【数２】
7. 【請求項７】 前記受発光手段は、ロボットハンド上に
   置かれた基板に対してほぼ垂直に光を照射する、請求項
   １〜６のいずれかに記載の薄膜の膜厚測定装置。
8. 【請求項８】 前記受発光手段は、成膜装置のゲートバ
   ルブの出口付近に設置される、請求項１〜７のいずれか
   に記載の薄膜の膜厚測定装置。
9. 【請求項９】 基板に対してほぼ垂直に光を照射し、前
   記基板からの反射光を受光するステップと、 前記受光された反射光の強度に基づいて前記基板の薄膜
   の膜厚を解析するステップとを含む薄膜の膜厚測定方
   法。
10. 【請求項１０】 前記薄膜の膜厚を測定するステップ
    は、前記基板からの反射光を波長ごとの強度に分解する
    ステップと、 前記分解された波長ごとの強度に基づいて前記基板の薄
    膜の膜厚を算出するステップとを含む、請求項９記載の
    薄膜の膜厚測定方法。