JP2002081916A - 膜厚測定方法およびその方法を用いた膜厚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 透明基板の基板の厚みにばらつきがあって
も、各基板の膜厚を、効率良く、かつ連続的に測定でき
るようにする。 【解決手段】 測定対象の透明基板８についての受光デ
ータが入力されると、演算部２２は、この基板の膜厚の
仮定値を変化させながら、膜厚毎に基板表面および裏面
における理論上の反射率を求め、これら理論上の反射率
と受光データとを用いて、裏面反射光の受光比率を算出
する。さらにこの算出結果から、基板表面からの反射光
と裏面反射光とが受光された場合の理論上の反射スペク
トルを示すモデルデータを設定し、前記受光データと比
較する。膜厚毎の処理が終了すると、演算部２２は、受
光データとの一致度が最大となるモデルデータに対応す
る膜厚を、薄膜８ａの厚みとして特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、基板上に形成さ
れた薄膜の厚みを光の干渉を利用して測定する方法およ
びその方法を用いた膜厚センサにおいて、透明基板上に
形成された薄膜の厚みを測定するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜が形成された基板に光を照射する
と、前記薄膜の表面で反射する光と、薄膜と基板との境
界面で反射する光とが干渉する。この干渉光の強度は、
薄膜の厚みによって異なり、また同じ基板であっても、
その基板に照射する光の波長によって干渉光の強度が変
化することが知られている。

【０００３】従来の膜厚センサでは、上記の原理に基づ
き、所定の波長域に分布する光を発光する光源から基板
に光を照射するとともに、その基板からの反射光を所定
波長単位毎に分光して複数の受光素子により受光した
後、各受光素子からの出力信号をディジタル変換して波
長単位毎の反射の度合を示すスペクトル（以下、「反射
スペクトル」という。）を作成する。この反射スペクト
ルは、センサに組み込まれたコンピュータにおいて、薄
膜の厚みが所定値である場合の理論上の反射スペクトル
の特性を表すモデルデータと順に比較され、その比較結
果によって測定対象の薄膜の厚みが特定される。

【０００４】ところで測定対象の基板がガラス基板のよ
うな透明基板である場合、受光素子には、前記膜厚測定
に用いる干渉光のほか、基板内部を透過して裏面で反射
する光が入射するようになる。膜厚を正確に測定するた
めには、この基板裏面からの反射光（以下、「裏面反射
光」という。）の量を把握する必要がある。

【０００５】さらにこの種のセンサでは、薄膜の厚みを
精度良く反映したスペクトルを得るために、光源からの
光および基板からの反射光をレンズを介して集光するよ
うにしているが、このレンズの存在により、受光素子に
入射する裏面反射光の割合が基板の厚みによって変動す
るという事象が生じる。

【０００６】図１は、前記基板の厚みが裏面反射光の受
光素子への入射に及ぼす影響を示す。図中の（１）
（２）は、いずれも測定対象の基板８における裏面反射
の状態を基板８の側方から見たものである。図中の８ａ
は基板上の薄膜を、８ｂは基板本体を、３０は前記した
集光用のレンズを、それぞれ示す。なお、この図１およ
びつぎの図２では、識別のために薄膜８ａの部分を塗り
つぶしているが、実際の基板の薄膜８ａは、基板本体８
ｂと同様に透明である。

【０００７】図１（１）に示すように基板８の厚みが薄
い場合、レンズ３０を介して基板８に照射された光によ
る裏面反射光は、ほぼすべてレンズ３０に入射して受光
素子に導かれる。これに対し、図１（２）のように基板
８が厚くなると、レンズ３０と光の反射位置との距離が
長くなるため、レンズ３０の外側に逃げる反射光が生
じ、受光素子に入射する裏面反射光が減少するという結
果を招く。

【０００８】特開２０００−６５５３６号公報には、こ
の裏面反射光の影響を除いた正確な膜厚測定を行うため
の方法および装置が記載されている。この公報における
膜厚測定では、まず測定処理に先立ち、薄膜の形成され
ていない基板や裏面反射の影響が取り除かれた基板に測
定時と同様の条件で光を照射して、裏面反射の影響を含
む場合の反射率や裏面反射の影響が取り除かれた場合の
反射率を求め、これら反射率から受光素子に入射する裏
面反射光の割合を求める。そして測定処理時には、前記
裏面反射光の入射の割合の算出結果に基づき、各膜厚に
つき裏面反射光の影響が加味されたモデルデータを設定
して受光データとの比較処理を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の方
法では、測定対象の基板とは異なる基板を用いて裏面反
射光の入射の割合を求める必要があるため、基板の製造
工程において、厚みが種々に変動する基板を次々に計測
しなければならないような場合に適用できない、という
問題がある。

【００１０】この発明は上記問題点に着目してなされた
もので、測定対象の透明基板を用いて裏面反射光が受光
素子に入射する比率を求めることにより、透明基板の基
板の厚みにばらつきがあっても、各基板の膜厚を、効率
良く、かつ連続的に測定できるようにすることを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明では、透明基板の表面に光を照射するとと
もに前記照射光に対する基板からの反射光を波長単位毎
に分光してそれぞれ個別の受光素子に導き、各受光素子
からの出力信号より得た受光データを用いて前記基板の
表面に形成された薄膜の厚みを測定する場合に、つぎの
４つのステップを仮定の膜厚の値を変更しつつ膜厚毎に
実行して、前記受光データを膜厚の仮定値毎に設定され
たモデルデータと比較し、各膜厚において得られた受光
データとモデルデータとの比較結果に基づき薄膜の厚み
を特定するようにしている。

【００１２】前記４つのステップのうち、まず第１のス
テップでは、膜厚が所定値であると仮定した場合の基板
表面および裏面における理論上の反射率を波長単位毎に
求める。図２は、透明基板の表面に光を照射した場合の
反射状態を模式的に示す。図中、Ｐは波長λの照射光、
Ｐ１は、この照射光Ｐに対する基板表面からの反射光で
ある。なおここでいう基板表面からの反射光Ｐ１は、基
板表面への光に対する薄膜表面からの反射光と、薄膜と
基板との境界面からの反射光とが干渉した光を意味す
る。

【００１３】Ｐ２は、前記照射光が基板を透過して裏面
で反射した光である。なおこの種の裏面反射光には、基
板表面と空気との境界で反射して再び裏面で反射する、
という性質があり、順次、Ｐ３，Ｐ４・・・の反射光が
発生する。

【００１４】前記基板表面における反射率とは、照射光
Ｐに対する表面からの反射光Ｐ１の比率（図１のＲ１）
であり、裏面における反射率とは、Ｐ２以下の各裏面反
射光の照射光Ｐに対する比率（図１のＲ２，Ｒ３，Ｒ４
・・・）の合計値Ｒｂに相当する。

【００１５】各反射率Ｒ１，Ｒｂは、基板本体８ｂや薄
膜８ａの屈折率，膜厚，照射光の波長などによって理論
的に求められる。通常、測定対象の基板の種類や材質が
認識されているならば、基板本体８ｂや薄膜８ａについ
ての屈折率は既知であり、また照射光の波長分布も光源
の特性から求めることができるから、膜厚を所定値に仮
定すれば、理論上の反射率Ｒ１，Ｒｂを算出することが
可能となる。前記第１のステップでは、この考え方に基
づき、所定の厚みの薄膜が形成されているとした場合の
基板表面における反射率Ｒ１と裏面における反射率Ｒｂ
とを、各受光素子に対応する波長単位毎に求めるのであ
る。

【００１６】つぎの第２のステップでは、前記波長単位
毎に得た理論上の反射率と各受光素子からの出力信号よ
り得た受光データとに基づき、前記透明基板の裏面反射
光全体に対する受光素子に入射した裏面反射光の比率を
算出する。前記図２において、光Ｐに対するすべての反
射光Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が受光素子に入射したと仮
定すると、その受光出力が示す反射率は、基板表面およ
び裏面のそれぞれにおける理論上の反射率の和（Ｒ１＋
Ｒｂ）と同値になる。しかしながら前記図１（２）のよ
うに受光素子に入射しない裏面反射光があれば、実際の
計測値の示す反射率は、（Ｒ１＋Ｒｂ）より小さくな
る。

【００１７】すなわち前記裏面反射光全体に対する受光
素子に入射した裏面反射光の比率（以下、「受光比率」
という。）をｙとすると、受光素子からの出力が示す理
論上の反射率Ｒ（受光素子に入射するすべての反射光の
照射光に対する比率）は、つぎの(1)式で表されること
になる。 Ｒ＝Ｒ１＋Ｒｂ＊ｙ ・・・(1)

【００１８】したがって第１のステップで求めた理論上
の反射率Ｒ１，Ｒｂを(１)式の右辺にあてはめ、実測の
受光データより得られる反射率Ｓを(1)式のＲに代入す
ることにより、基板８からの裏面反射光の受光比率ｙの
仮定値を算出することができる。ただしＲ１やＲｂは、
波長単位によって異なり、また受光データも波長単位で
取り出されているので、前記第２のステップでは、たと
えば、波長単位毎のＳ，Ｒ１，Ｒｂの平均値を用いてｙ
を算出するのが望ましい。または波長単位毎に(1)式を
用いてｙを算出した後、各ｙの値を平均してもよい。

【００１９】続く第３のステップでは、前記基板の表面
および裏面における理論上の反射率Ｒ１，Ｒｂと受光比
率ｙとを用いて、各受光素子からの出力によって表され
る反射スペクトルのモデルデータを設定する。このモデ
ルデータは、基板表面からの理論上の反射光と受光比率
ｙに応じた理論上の裏面反射光とをあわせた光のスペク
トルであって、波長単位毎に、前記理論上の反射率Ｒ
１，Ｒｂと第２のステップにおいて得られた受光比率ｙ
とを前記(1)式にあてはめることにより得られるもので
ある。

【００２０】最後の第４のステップでは、第３のステッ
プで設定されたモデルデータと前記受光素子からの出力
信号により得られた受光データとを比較する。仮定の膜
厚が測定対象の基板の膜厚に近似している場合、前記第
１，２のステップにおいて求められた受光比率ｙの値
も、実際の基板における受光比率に近似するはずであ
る。したがって第３のステップにおいて設定されたモデ
ルデータと受光データとを比較すると、両者間に高い一
致度が認められることになる。

【００２１】よって膜厚の仮定値を変動させながら第１
〜第４のステップを実行し、受光データに対し最大の一
致度を得たモデルデータに対応する膜厚を、測定対象の
基板の薄膜の厚みとして特定することになる。なお上記
第１〜４のステップのうち、第１のステップの理論上の
反射率を求めるステップについては、必ずしも膜厚の仮
定値を変更する都度、演算処理を行う必要はなく、あら
かじめ膜厚毎の理論上の反射率を求めたテーブルから該
当する値を取り出すようにしてもよい。

【００２２】さらにこの発明は、測定対象の基板に光を
照射するための光源と、前記照射光に対する基板表面か
らの反射光を分光する分光素子、およびこの分光素子に
より所定波長単位に分けられた光を受光するための複数
個の受光素子を具備する受光手段と、前記受光手段の各
受光素子からの出力信号より得られた受光データを用い
て前記薄膜の厚みを測定する測定手段とを具備する膜厚
センサにおいて、前記測定手段を、前記した第１〜第４
のステップの処理を仮定の膜厚の値を変更しつつ膜厚毎
に実行した後に、膜厚毎に得られた受光データとモデル
データとの比較結果に基づき測定対象の基板の薄膜の厚
みを特定するように構成する。

【００２３】上記構成の膜厚センサでは、測定対象の透
明基板に光を照射することによって、前記の測定方法が
実行されて、受光素子への裏面反射光の入射による影響
を加味した膜厚測定処理が行われる。したがって測定処
理の前に膜のない基板などを用いて裏面反射光の受光比
率を求める必要がなくなり、高速かつ精度の高い膜厚測
定を行うことが可能となる。

【００２４】好ましい一態様によれば、前記膜厚センサ
は、光源からの光を基板の表面上の所定位置に絞り込ん
で照射するとともに、この照射光を受光手段に導くため
のレンズを具備する。

【００２５】さらに他の好ましい態様においては、前記
測定手段は、測定対象の基板の厚みを示すデータの入力
を受け付ける手段を具備し、前記入力データが所定の最
大厚さより薄いとき、前記裏面反射光の受光手段への入
射比率を「１」に固定してモデルデータを設定する。前
記したように薄い基板については、すべての裏面反射光
が受光素子に導かれるようになるから、前記裏面反射光
の受光比率ｙを「１」とすることができる。前記「所定
の最大厚さ」は、裏面反射光の理論上の受光比率ｙを
「１」とできる基板の厚みの範囲に含まれる。したがっ
て測定対象の基板の厚みがこの最大厚さよりも薄い場合
には、受光比率が１に設定されるので、前記受光比率を
求める処理がスキップされてモデルデータを簡単に設定
できるようになり、より一層高速の測定処理を行うこと
が可能となる。なお基板の厚みを示すデータの入力は、
厚みを示す数値の入力に限らず、測定対象の基板が「薄
い基板」であると指定する操作によっても行うことがで
きる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図３は、この発明の一実施例にか
かる膜厚センサの外観を示す。この膜厚センサは、セン
サヘッド１とコントローラ２とを光ファイバケーブル３
により接続して成る。コントローラ１には、後記する投
光部５，受光部６，制御回路７など（いずれも図６に示
す。）が組み込まれている。光ファイバケーブル３は、
投光用の光ファイバと受光用の光ファイバとがそれぞれ
複数本束ねられたもので、所定位置において投光用の光
ファイバを集めたケーブル３ａと受光用の光ファイバを
集めたケーブル３ｂとに分けられて、コントローラ２に
接続される。

【００２７】前記センサヘッド１は、円筒状のケース体
内に集光用の対物レンズ１ａ（図６に示す。）などを組
み込んで成るもので、測定対象の基板８（この実施例で
は透明基板）に対し所定距離だけ上方位置において、レ
ンズ面を基板表面に対向させた状態で設置される。前記
投光部５からの光は、光ファイバケーブル３ａを介して
センサヘッド１より基板表面に照射され、その照射光に
対する基板からの反射光が、センサヘッド１より光ファ
イバケーブル３ｂを介して受光部６に導かれる。さらに
受光部６からの出力は制御回路７に取り込まれ、前記基
板上の薄膜の厚みの測定処理に用いられる。

【００２８】なお、図中の４は、外部機器であるパーソ
ナルコンピュータであって、コントローラ２の制御回路
７にケーブル接続される。このパーソナルコンピュータ
４は、測定対象の基板８に関する設定データを入力した
り、コントローラ２から膜厚の測定結果を受け取って表
示する用途で用いられる。

【００２９】図４は、上記膜厚センサの投光部５に使用
される光源１０の構成を示す。この光源１０には、出力
波長の特性が異なる３個のＬＥＤ１１，１２，１３と、
透過特性の異なる２個のダイクロイックミラー１４，１
５と、集光用のレンズ１６とが組み込まれる。各ＬＥＤ
１１〜１３には、それぞれ赤色光発光用、白色発光用、
青色発光用のＬＥＤ（以下、「赤色ＬＥＤ１１」，「白
色ＬＥＤ１２」，「青色ＬＥＤ１３」という。）が用い
られる。

【００３０】赤色ＬＥＤ１１は、レンズ１６の面に対し
て所定距離だけ離れた位置に、光軸をレンズ中心に合わ
せた状態で設置される。この赤色ＬＥＤ１１とレンズ１
６との間には、前記２つのダイクロイックミラー１４，
１５が、それぞれ前記赤色ＬＥＤ１１の光軸に対し鏡面
を４５度傾斜させた状態で所定間隔を隔てて設置され
る。さらに前記白色，青色の各ＬＥＤ１２，１３は、そ
れぞれダイクロイックミラー１４，１５の鏡面に対し４
５度の角度を持ち、かつ前記赤色ＬＥＤ１１の光軸に直
交するように光軸を合わせた状態で設置される。なお光
源１０には、このほか、各ＬＥＤ１１〜１３の出力パワ
ーを個別に制御するための駆動回路１７，１８，１９が
組み込まれる。

【００３１】この実施例の白色ＬＥＤ１２には、ＬＥＤ
チップに蛍光塗料を添加した樹脂モールドを施した光源
（例えば日亜化学製のＮＳＰＷ５００）が用いられる。
このＬＥＤ１２は、約４２０〜７００nmの波長域に分布
し、かつ４７０nm付近に第１のピークが、５６０nm付近
に第２のピークが出現するような出力波長特性を具備す
る。また青色ＬＥＤ１３には、４７０ｎｍ付近に出力パ
ワーのピークが出現するような出力波長特性を有する光
源（例えば日亜化学製のＮＳＰＢ５００）が、赤色ＬＥ
Ｄ１１には、６８０nm付近に出力パワーのピークが出現
するような出力波長特性を有する光源（例えば松下電器
産業製のＬＮ１２４Ｗ）が、それぞれ用いられる。

【００３２】赤色ＬＥＤ１１と白色ＬＥＤ１２との光軸
が交わる位置に設置される第１のダイクロイックミラー
１４には、６００nm以前の光に対する透過率が０に近似
し、かつ７００nm以降の波長域の光に対する透過率が１
に近似する透過特性を具備するものが用いられる。また
赤色ＬＥＤ１１と青色ＬＥＤ１３との光軸が交わる位置
に配置される第２のダイクロイックミラー１５には、４
７０nm以前の光に対する透過率が０に近似し、かつ５２
０nm以降の波長域の光に対する透過率が１に近似するよ
うな透過特性を具備するものが用いられる。

【００３３】図５は、前記ダイクロイックミラー１４，
１５の光の透過特性と、これらダイクロイックミラー１
４，１５と各ＬＥＤ１１，１２，１３からの出射光とに
よって実現する出力パワーの特性との関係を示す。赤色
ＬＥＤ１１から出射した各波長の光のうち６００nmより
後の波長域の光は、第１，第２の各ダイクロイックミラ
ー１４，１５を順に通過してレンズ１６に導かれる。白
色ＬＥＤ１２から出射した光については、６００nmより
前の波長域の光が第１のダイクロイックミラー１４で反
射することによってレンズ１６の方へと進むが、つぎに
第２のダイクロイックミラー１５により前記４７０nm付
近より前の波長域の光が遮光されるため、前記第１のピ
ークの光が取り除かれ、５６０nm付近の第２のピークを
含む光がレンズ１６に導かれる。

【００３４】青色ＬＥＤ１３から出射した光について
は、４７０nmより前の前記ピークを含む光が第２のダイ
クロイックミラー１５で反射して、レンズ１６へと導か
れる。なお各ダイクロイックミラー１４，１５を透過ま
たは反射して、レンズ１６以外の方向に導かれた光は、
図示しない光吸収体により吸収される。

【００３５】よって、赤色ＬＥＤ１１からは、６８０nm
付近をピークとして６００〜７００nmの波長域付近に分
布する光が、白色ＬＥＤ１２からは、５６０nm付近をピ
ークとして約５００〜６００nmの波長域付近に分布する
光が、青色ＬＥＤ１３からは４７０nm付近をピークとし
て約４２０〜５００nmの波長域付近に分布する光が、そ
れぞれ取り出されてレンズ１６により集光され、測定処
理用の光として出射される。なおこの実施例では、前記
各駆動回路１７，１８，１９により各ＬＥＤ１１，１
２，１３の出力パワーを個別に調整することにより、図
５に示すように、各ＬＥＤ１１，１２，１３から取り出
された３つのピークを等しいレベルに合わせて、広い波
長域において安定した出力パワーを確保するようにして
いる。

【００３６】図６は、前記膜厚センサの具体的な構成で
ある。図中、５は投光部，６は受光部，７は制御回路で
あって、いずれも前記コントローラ２内に組み込まれ
る。投光部５は、前記した構成の光源１０により成るも
ので、約４２０〜７００nmの波長域に分布する光を発光
する。この光は光ファイバケーブル３ａを介してセンサ
ヘッド１の先端から基板８の表面に照射される。この光
は、基板本体８ｂ上の薄膜８ａの表面および薄膜８ａと
基板本体８ｂとの境界面において反射するほか、基板本
体８ｂを透過した後に裏面で反射するもので、これら反
射光はセンサヘッド１に入射した後に、光ファイバケー
ブル３ｂを介して受光部６に導かれる。

【００３７】受光部６は、光学多層膜を用いた分光フィ
ルタ２０と、ラインＣＣＤ２１（複数のＣＣＤを一次元
配列したもの）とにより構成される。前記反射光は、分
光フィルタ２０により波長単位に分光された後、分光さ
れた各光がラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤに取り込まれて
波長単位の反射光の強度が取り出される。

【００３８】制御回路７は、マイクロコンピュータを主
体とする演算部２２に、Ａ／Ｄ変換部２３，表示制御部
２４，入出力部２５などが接続されて成る。Ａ／Ｄ変換
部２３は、ラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤからの受光出力
を抽出してディジタル変換することにより、基板８から
の反射光について反射光スペクトルを示す受光データを
作成する。演算部２２はこの受光データを取り込んで、
後記する方法による膜厚測定処理を実行する。

【００３９】入出力部２５は、前記パーソナルコンピュ
ータ４から、測定対象の基板８の基板本体８ｂや薄膜８
ａについて、材質、光学定数などの設定データを取り込
んだり、膜厚の測定結果を装置外部に出力するためのも
のである。表示制御部２４は、前記パーソナルコンピュ
ータ４に対し、前記測定結果などの表示用データを与え
ることにより、ディスプレイ画面上でのデータ表示を行
わせる。

【００４０】上記構成の膜厚センサでは、薄膜８ａの厚
みが所定値に想定されたときの理論上の反射スペクトル
を示すデータを設定した後、この理論上の反射スペクト
ルと前記Ａ／Ｄ変換部２３から入力された受光データの
示す反射スペクトルとを比較する方法（カーブフィッテ
ィング法）を、膜厚の想定値を変えながら順に行い、膜
厚毎の比較結果を用いて薄膜の厚みを特定する。

【００４１】図７は、前記カーブフィッティング法の原
理を示す。図中、Ｓは、実測の受光データが示す反射ス
ペクトルである。Ｒ_A〜Ｒ_Eは膜厚毎に前記(1)式により
得られた理論上の反射スペクトル（以下、「理論曲線」
という。）であって、膜厚によって光の干渉の度合が変
化するという現象を反映してそれぞれ異なる分布形状を
とる。カーブフィッティング法では、実測の受光データ
から得られる反射スペクトルについて各理論曲線に対す
る最小自乗誤差を順に求めることにより、前記受光デー
タに最も近い形状の理論曲線を特定し、その理論曲線に
対応する膜厚ｄ（図示例では１０００nm）を、測定対象
の薄膜の厚みとする。

【００４２】一般的な理論曲線は、波長単位毎の前記基
板からの理論上の反射率Ｒ１によって構成される。しか
しながら透明基板を測定対象とする場合、裏面反射光
（図２のＰ２，Ｐ３，Ｐ４・・・）による影響を加味し
た理論曲線を設定する必要がある。

【００４３】この実施例では、測定処理時の受光データ
を用いて、各膜厚につき受光部に入射する光の比率（受
光比率）を考慮した反射スペクトルのモデルデータを自
動設定して前記カーブフィッティング法を実行すること
により、厚みのばらつく基板が次々に測定位置に導入さ
れても、各基板の膜厚を高速かつ精度良く測定するよう
にしている。

【００４４】ここで透明基板の膜厚測定のためのモデル
データを設定する処理について、詳細を説明する。基板
上の薄膜の厚みをｄ，屈折率をｎとすると、薄膜に波長
λの光が入射したときの基板表面における理論上の反射
率Ｒ１（λ）は、つぎの(２)式で示すことができる。 Ｒ１（λ）＝１−Ａ／｛Ｂ＋Ｃ×cos［（４π／λ）×ｎ×ｄ］｝ ・・・(２) （Ａ，Ｂ，Ｃは、基板，薄膜の屈折率により求められる
定数である。）

【００４５】さらに図２に示した裏面反射光Ｐ２，Ｐ
３，Ｐ４の反射率を波長毎に求めた値Ｒ２（λ），Ｒ３
（λ），Ｒ４（λ）は、それぞれつぎの(３)〜(５)式に
より求められる。なお(３)〜(５)式において、Ｒ０
（λ）は、基板の表面と空気との境界面における反射率
である。 Ｒ２（λ）＝（１−Ｒ１（λ））²×Ｒ０（λ） ・・・(３) Ｒ３（λ）＝（１−Ｒ１（λ））²×Ｒ０（λ）²×Ｒ１（λ） ・・・(４) Ｒ４（λ）＝（１−Ｒ１（λ））²×Ｒ０（λ）³×Ｒ１（λ）² ・・・(５)

【００４６】なおＰ４以降の裏面反射光にかかる反射率
も同様の式により導くことができるが、反射を繰り返す
につれて反射率は小さくなるので、反射率の算出を上記
(5)式程度の段階にとどめて、各裏面反射率の合計値Ｒ
ｂ（λ）を算出するとよい。ただしＲ３（λ）以降の反
射率が微小な数値であれば、Ｒ２（λ）を裏面反射率Ｒ
ｂ（λ）として用いてもよい。

【００４７】この実施例では、上記原理に基づき、基板
の膜厚ｄが所定値であると仮定したときの波長λ毎の理
論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）を求め、これら反
射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）の平均値Ｒ１ａ，Ｒｂａを
算出する。また、測定対象の基板８により得られる受光
データが示す反射率Ｓ（λ）についても平均値Ｓａを算
出し、これら平均値Ｓａ，Ｒ１ａ，Ｒｂａをつぎの(６)
式にあてはめることにより、裏面反射光の受光比率ｙを
算出する。 ｙ＝（Ｓａ−Ｒ１ａ）／Ｒｂａ ・・・(６)

【００４８】よって波長λ毎に、理論上の反射率Ｒ１
（λ），Ｒｂ（λ）、および上記の方法で算出した受光
比率ｙをつぎの(７)式にあてはめることにより、波長λ
において受光される反射光の理論上の反射率Ｒ（λ）が
求められ、前記受光データと比較するための理論曲線を
表すデータ（以下、モデルデータＲ（λ）という。）と
してメモリ内に保存される。 Ｒ（λ）＝Ｒ１（λ）＋Ｒｂ（λ）×ｙ ・・・(７)

【００４９】図８は、上記膜厚センサによる一連の手順
を示す。なおこの手順は、１枚の基板の膜厚測定にかか
る手順であって、測定対象の基板８に対する投受光部
５，６の処理によって、演算部２２に受光データが取り
込まることによって開始される。

【００５０】まずＳＴ１では、投光部５からの光を基板
８に照射し、基板８から反射してくる光を受光部６によ
り受光して反射率を示すデータＳ（λ）を作成する。
（以下、このＳ（λ）を「計測データ」という。） つぎのＳＴ２では、前記計測データＳ（λ）の平均値Ｓ
ａを算出する。そしてＳＴ３で、測定対象の基板の仮定
の膜厚ｄを最小値ｄｘとおいた後、ＳＴ４〜８の処理を
実行する。

【００５１】まずＳＴ４では、前記(２)〜(５)式を用い
て膜厚がｄｘである場合の基板表面および裏面からの理
論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）を算出する。つい
でＳＴ５で、これら反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）の平
均値Ｒ１ａ，Ｒｂａを求めた後、ＳＴ６で、これら平均
値Ｒ１ａ，Ｒｂａと、前記計測データの平均値Ｓａとを
前記(６)式にあてはめて、裏面反射光の受光比率ｙを算
出する。

【００５２】さらにＳＴ７で、前記(７)式を用いて理論
曲線を示すモデルデータＲ（λ）を求めた後、続くＳＴ
８で、モデルデータＲ（λ）と計測データＳ（λ）との
最小自乗誤差を求める。

【００５３】以下、ＳＴ９で膜厚ｄの値をΔｄずつ増加
させながら、各膜厚につきＳＴ４〜８の処理を行う。な
お、各膜厚における最小自乗誤差は、膜厚ｄの大きさに
対応づけて順次メモリ内に蓄積される。このようにして
最大の膜厚ｄｙに対する処理まで完了すると、ＳＴ１０
が「ＹＥＳ」となってＳＴ１１に移行し、前記最小自乗
誤差が最小となる場合の膜厚ｄｚを抽出する。ＳＴ１２
では、前記膜厚ｄｚを測定対象の基板の膜厚として特定
し、その特定結果を前記入出力部２７や表示制御部２６
を介して外部に出力する。

【００５４】なおこの実施例では、各膜厚ｄにつき、Ｓ
Ｔ４で理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）を算出し
ているが、これに代えて、あらかじめ膜厚毎にＲ１
（λ），Ｒｂ（λ）の値を求めた結果をテーブルとして
メモリに設定すれば、ＳＴ４においては、膜厚に応じた
各理論値Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）をテーブルから読み出
すだけでよくなり、処理が高速化される。またこのテー
ブルは、ＳＴ７のモデルデータの設定時にも使用するこ
とができる。

【００５５】図９（１）は、理論上の反射率Ｒ１
（λ），Ｒｂ（λ）による曲線の一例を示す。図９
（２）は、これらＲ１（λ），Ｒｂ（λ）を前記(７)式
にあてはめて設定されたモデルデータＲ（λ）による理
論曲線であって、図中の実線で示す曲線は受光比率ｙが
０．５のときの理論曲線、鎖線で示す曲線は受光比率ｙ
が１のときの理論曲線である。

【００５６】前記図９（１）のＲ１（λ）が示す曲線
は、通常の裏面反射が関与しない基板についての理論曲
線となる。透明基板における受光データは、図９（２）
の各理論曲線に示すように、裏面反射光が乗る分だけ通
常よりも高い反射率を示すので、前記したカーブフィッ
ティング法にＲ１（λ）による理論曲線を用いると、測
定対象の薄膜の厚みに対応する理論曲線であっても、大
きな誤差が生じ、その結果、膜厚の測定が誤ったものと
なる可能性が生じる。

【００５７】この実施例では、前記図８の手順によっ
て、膜厚ｄの仮定値を順に変更しながら、その膜厚ｄに
おける理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ），および
計測データＳ（λ）の各平均値を用いて裏面反射光の受
光比率ｙを仮定し、モデルデータを設定しているので、
膜厚ｄの値が実際の基板の膜厚に最も近くなったときの
受光比率ｙの仮定値は、実際の基板における受光比率を
精度良く表すものとなる。よってこのときのモデルデー
タＲ（λ）と計測データＳ（λ）との誤差が最小とな
り、透明基板における膜厚測定を精度良く行うことがで
きる。なお複数枚の基板が連続的に供給される場合も、
図８の手順を繰り返し行うだけでよいので、厚みにばら
つきのある基板が供給される場合も、高速の測定処理を
行うことができる。

【００５８】ただし供給されるいずれの基板について
も、その基板の厚みがすべての裏面反射光を受光できる
範囲で変動すると保障できる場合は、外部からの指定に
応じて受光比率ｙを「１」に固定してもよい。

【００５９】図１０は、この実施例の膜厚センサにおい
て、反射光の受光状態を計測して得たグラフであって反
射地点とその地点からの反射光が受光される比率との関
係を示している。なお各地点の位置は、センサヘッド１
内のレンズ１ａから所定距離（たとえば１０mm）離れた
位置を標準位置として、この標準位置からの距離によっ
て表されている。

【００６０】このグラフでは、標準位置より上下とも約
２mm離れた位置で反射した光は、ほぼすべて受光される
が、標準位置からの距離が２mmを越えた位置で反射した
光に対する受光比率は大幅に低下する現象が表されてい
る。すなわち測定対象の基板の厚みが２mm以内であれ
ば、基板の表面または裏面のいずれかを標準位置に合わ
せることにより、裏面反射光の受光比率を「１」として
も差し支えないことになる。

【００６１】このグラフのように受光比率が変化する場
合、たとえばオペレータが測定対象の基板の厚みの上限
値として「２mm」を入力することにより、演算部２２は
受光比率ｙを「１」に固定し、各基板につき、前記図８
のＳＴ６をスキップした手順を実行することになり、処
理を一層高速化することができる。なお基板の厚みを示
す数値を入力する代わりに、前記パーソナルコンピュー
タ４のディスプレイ表示などを用いて、「厚い」「薄
い」などの選択肢を提示し、オペレータが「薄い」を選
択した場合は、受光比率ｙを「１」に固定するようにし
てもよい。

【００６２】さらに基板の厚みが２mmを越える場合であ
っても、厚みの変動幅が誤差範囲内であると保障できる
ならば、基板の厚みを示す数値データの入力を受け付け
て、その厚みに対応させて受光比率ｙを固定し、同様に
膜厚測定処理を高速化することができる。

【００６３】

【発明の効果】この発明では、透明基板の薄膜の厚みを
測定する場合に、測定対象の基板により得た受光データ
を用いて、膜厚毎に基板表面および裏面からの反射光を
含む光を受光した場合のモデルデータを自動的に設定
し、各モデルデータと受光データとの比較処理によって
測定対象の基板の膜厚を特定するので、厚みにばらつき
のある基板が連続的に供給されても、測定処理を中断す
ることなく、高速かつ精度良く膜厚を測定することがで
き、インライン計測に適した膜厚センサを提供すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】透明基板の厚みと裏面反射光のレンズへの入射
状態との関係を説明する図である。

【図２】透明基板の表面および裏面からの反射光および
各反射光に対応する反射率の概念を示す図である。

【図３】この発明の一実施例にかかる膜厚センサの外観
を示す図である。

【図４】図１の膜厚センサの投光部に使用される光源の
構成を示す図である。

【図５】光源の出力特性とダイクロイックミラーの透過
特性との関係を示すグラフである。

【図６】膜厚センサの構成を示す概念図である。

【図７】カーブフィッティング法の原理を説明する図で
ある。

【図８】膜厚測定の手順を示すフローチャートである。

【図９】理論上の反射率と裏面反射光の影響が加味され
た理論曲線との関係を示すグラフである。

【図１０】反射地点とその地点からの反射光が受光され
る比率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

５ 投光部 ６ 受光部 ８ 基板 ８ａ 薄膜 １ａ 対物レンズ ２０ 分光フィルタ ２１ ラインＣＣＤ ２２ 演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB01 BB22 CC17 CC31 DD06 FF51 GG07 GG12 GG13 GG22 GG23 HH13 JJ01 JJ09 JJ25 LL03 LL04 LL20 LL21 NN01 PP22 QQ03 QQ17 QQ18 QQ23 QQ42

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板の表面に光を照射するとともに
   前記照射光に対する基板からの反射光を波長単位毎に分
   光してそれぞれ個別の受光素子に導き、各受光素子から
   の出力信号より得た受光データを用いて前記基板の表面
   に形成された薄膜の厚みを測定する方法において、 膜厚が所定値であると仮定した場合の基板表面および裏
   面における理論上の反射率を波長単位毎に求めるステッ
   プ、 前記理論上の反射率と前記受光データとに基づき、前記
   透明基板の裏面反射光のうち受光素子に入射した光の比
   率を算出するステップ、 前記基板の表面および裏面における理論上の反射率と前
   記裏面反射光の受光素子への入射比率とを用いて、各受
   光素子からの出力信号によって表される反射スペクトル
   のモデルデータを設定するステップ、 前記受光データをモデルデータと比較するステップ、の
   各ステップを、仮定の膜厚の値を変更しつつ膜厚毎に実
   行し、各膜厚において得られた受光データとモデルデー
   タとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定すること
   を特徴とする膜厚測定方法。
2. 【請求項２】 透明基板の表面に形成された薄膜の厚み
   を測定するためのセンサであって、 測定対象の基板に光を照射するための光源と、 前記照射光に対する基板表面からの反射光を分光する分
   光素子と、この分光素子により所定波長単位に分けられ
   た光を受光するための複数個の受光素子とを具備する受
   光手段と、 前記受光手段の各受光素子からの出力信号より得られた
   受光データを用いて前記薄膜の厚みを測定する測定手段
   とを具備し、 前記測定手段は、 測定対象の膜厚が所定値であると仮定した場合の基板表
   面および裏面における理論上の反射率を波長単位毎に求
   める処理と、これら理論上の反射率と前記受光データと
   を用いて前記透明基板の裏面反射光のうち受光手段に入
   射した光の比率を算出する処理と、前記基板の表面およ
   び裏面における理論上の反射率と前記裏面反射光の受光
   手段への入射比率とを用いて各受光素子からの出力信号
   によって表される反射スペクトルのモデルデータを設定
   する処理と、前記受光データをモデルデータと比較する
   処理とを、前記仮定の膜厚の値を変更しつつ膜厚毎に実
   行し、膜厚毎の比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定
   して成る膜厚センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載された膜厚センサであっ
   て、前記光源からの光を基板の表面上の所定位置に絞り
   込んで照射するとともに、この照射光を受光手段に導く
   ためのレンズを具備して成る膜厚センサ。
4. 【請求項４】 前記測定手段は、測定対象の基板の厚み
   を示すデータの入力を受け付ける手段を具備し、前記入
   力データが所定の最大厚さより薄いとき、前記裏面反射
   光の受光手段への入射比率を「１」に固定してモデルデ
   ータを設定する請求項２に記載された膜厚センサ。