JP2004279297A

JP2004279297A - 膜厚取得方法

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Publication number: JP2004279297A
Application number: JP2003073222A
Authority: JP
Inventors: So Aikawa; 創相川
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Technos Co Ltd
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Technos Co Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP3811728B2

Abstract

【課題】膜厚取得方法に関し、簡単な構成により平板上に設けた薄膜の膜厚の面内分布を高速に取得する。
【解決手段】波長の分布が広範囲にわたる光源からの照射光を測定対象物である基板上に設けた被膜に入射させ、被膜からの干渉を起こした反射光を受光装置により測定し、測定した反射光の波長毎に干渉光の強度が極大，極小をとる膜厚が異なることによる干渉光の色の変化を検出することによって被膜の膜厚を取得する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は膜厚取得方法に関するものであり、例えば、液晶表示装置等の製造工程において、平板上に薄膜を塗布する際に、塗布した薄膜の膜厚の分布を簡単な装置で高速に得るための構成に特徴のある膜厚取得方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置等の製造工程においては、フォトレジストの塗布工程或いは反射防止膜の成膜工程等の多数の薄膜の形成工程を必要としているが、このような薄膜の形成工程においては、薄膜の膜厚を均一にする必要があり、特に、液晶パネルが大型化するにともなって、製造歩留りを高めるためにはより一層の面内均一化が必要になっている。
【０００３】
従来、この様な薄膜の膜厚を非接触で測定する方法としては、干渉による偏光の変化を用いるタイプと、干渉による分光反射率の変化を用いるものなどが知られている。
【０００４】
このうち、干渉による偏光の変化を用いるタイプとしては、エリプソメータがあり、このエリプソメータは、入射光と反射光の偏光の変化を測定して解析し、膜厚、光学定数、物質特性などを測定する装置である。
この測定で得られるデータは多岐に渡ること、複雑な構成の膜などの測定も可能であることなどの特徴があるが、装置は一般に高価である。
【０００５】
一方、分光反射率を利用した膜厚計は、白色光を薄膜で反射させると、干渉のために波長によって反射強度が変動する分光反射率が得られる。
これを分光器で測定して得られた波形とのフィッティングや極大・極小解析により膜厚や光学定数を測定することができる。
【０００６】
また、反射光の色度を用いて色材層の厚さを測定する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この提案においては、色材層そのものが持つ色が、厚さが増すにつれて変化して見えることを利用したものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２２５１１９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来での膜厚検査技術は、基本的に同時には局所的な１点の膜厚を測定することしかできないという問題があり、基板面内の膜厚分布を測定するためには多大の時間を要するという問題がある。
【０００９】
また、エリプソメータにせよ、分光器を用いた膜厚計にせよ、測定器部分が高価で大掛かりなため、測定器をアレイ状に配置して同時に広い面積を測定するというアプローチをとることも現実的には困難である。
【００１０】
そのため、広い面積の膜厚分布を取得するためには、測定器を測定対象物に沿って走査することが必要となるが、液晶パネルなどを高い解像度で膜厚分布測定を行おうとすれば、多大な時間を要することになる。
特に、液晶パネルの大画面化に伴って測定に要する時間が大幅に増大することになる。
【００１１】
また、上記の特許文献１における提案は、薄膜における干渉による着色を利用したものではないので数十μｍ〜数μｍのオーダーの膜厚の測定を対象とするものであり、サブミクロンオーダーの透明薄膜の膜厚を数％以上の精度で測定することができないという問題がある。
【００１２】
したがって、本発明は、簡単な構成により平板上に設けた薄膜の膜厚の面内分布を高速に取得することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理的構成を表す膜厚と色度の相関を示す概念図であり、ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、膜厚取得方法において、波長の分布が広範囲にわたる光源からの照射光を測定対象物である基板上に設けた被膜に入射させ、被膜からの干渉を起こした反射光を受光装置により測定し、測定した反射光の波長毎に干渉光の強度が極大，極小をとる膜厚が異なることによる干渉光の色の変化を検出することによって被膜の膜厚を取得することを特徴とする。
【００１４】
従来のように、膜厚の変化を波長依存性や偏光状態の変化として捉えるのではなく、色の変化として捉えることにより、受光装置は光の色合いの変化を取得するだけで良いので装置構成が簡素化され、且つ、測定の高速化が可能になる。
【００１５】
また、薄膜における反射光の波長毎の干渉光の強度の変化による色合いの変化を利用しているので、無色の膜の膜厚の測定も可能になり、且つ、サブミクロンオーダの膜厚を数％の精度で測定することが可能になる。
【００１６】
（２）また、本発明は、上記（１）において、干渉光の色合いの基準として、ＸＹＺ表色系に基づく色度を用いたことを特徴とする。
【００１７】
この場合の干渉光の色合いの基準としてとしては、ＣＩＥが定めた表色基準であるＸＹＺ表色系のＸ，Ｙ，Ｚの等色関数に基づく色度ｘ，ｙ，ｚを用いることが望ましい。
この場合、図１に示すように、膜膜のｘ−ｙ色度平面における座標は、膜厚によって異なるので、色度ｘ，ｙを取得することによって膜厚を換算することが可能になる。
【００１８】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、受光装置として、エリアセンサタイプのイメージセンサを用いて、薄膜の膜厚の２次元分布を得ることを特徴とする。
【００１９】
このように、受光装置としてエリアセンサタイプのイメージセンサを用い、イメージセンサの各ピクセルを個々の受光素子として使うことによって、大面積の２次元膜厚分布を高速に取得することが可能になる。
なお、この場合、イメージセンサは、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型、或いは、ＭＯＳ型のいずれでも良いものである。
【００２０】
（４）また、本発明は、上記（３）において、受光装置により、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎の画像を取得することを特徴とする。
【００２１】
このように、受光装置により、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎の画像を取得することによって、ＲＧＢ値をＸＹＺ値に変換し、このＸＹＺ値に基づいて色度ｘ，ｙを取得すれば良い。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図６を参照して、本発明の実施の形態の膜厚取得方法を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施の形態に用いる膜厚取得装置の概念的構成図であり、面光源１１、撮像用レンズ１５を備えたエリアセンサ型のカラーＣＣＤカメラ１２、測定対象の薄膜を成膜した測定パネル１３、測定パネル１３を水平に載置・保持するステージ１４から構成される。
【００２３】
ここでは、面光源１１としては、連続波長で発光する通常の蛍光管を利用し、面光源表面で十分に拡散されて見込み角によって輝度、色度の変動がないもの或いは実効的に問題にならない程度に変動が少ないものを用いる。
【００２４】
また、カラーＣＣＤカメラ１２としては、３枚のＣＣＤを用いてＲ，Ｇ，Ｂ毎に画像信号を取得する３ＣＣＤ型カラーカメラを用い、鉛直方向から約１５°傾けて設置する。
【００２５】
このカラーＣＣＤカメラ１２で撮像した画像は、カメラの傾きの影響と撮像用レンズ１５の収差で歪みが発生するそのため、撮像した画像に対して歪みの補正を行い、どの測定パネル１３の画像の形も正しい画像が得られるようにする。
【００２６】
この様な膜厚取得装置によって、測定パネル１３の画像を撮像することによって、カラーＣＣＤカメラ１２を構成するＣＣＤの各ピクセルについて、各ピクセルの対応する位置における薄膜の膜厚の違いによる色合いの違いから、異なるＲＧＢ値の出力が得られる。
【００２７】
なお、ここで使用するカラーＣＣＤカメラ１２は、カラーフィルタのＲＧＢの関数がルーター条件を満たしているものを使用する。
このルーター条件とは、測色のためのカラーＣＣＤカメラ１２のＲＧＢの関数が、等色関数の線形変換となっていることであり、等色関数としてはＣＩＥが定めた国際的な表色基準であるＸＹＺ表色系のＸ，Ｙ，Ｚの等色関数を用いる。
【００２８】
このとき、カラーＣＣＤカメラ１２を用いて取得した画像のＲＧＢ値は、次のようにして色度ｘ，ｙに変換する。
まず、（１）式によって、ＲＧＢ値をＸＹＺ値に変換する。
【数１】

なお、（１）式におけるＡはカラーフィルタの特性を表す３行３列の変換行列である。
【００２９】
次いで、（２）式によって、ＸＹＺ値を色度ｘ，ｙに変換すれば良い。
【数２】

【００３０】
次いで、得られた色度ｘ，ｙから膜厚への変換方法を説明する。
上述の図１に示したように、薄膜の膜厚が変化するにつれて、色度はｘ−ｙ平面上を移動する。
【００３１】
このとき、どの膜厚の時に、どの平面上のどの座標になるかを、使用する光源の波長強度分布、測定対象となる薄膜の屈折率を基にして図１のような変動をテーブル化してリファレンスとし、実測によって得られた色度座標をこのリファレンスとフィッティングすることによって膜厚を求める。
なお、膜厚の変化が大きい場合、異なる膜厚の時にも色度が近い値をとることがあるが、その場合は膜厚範囲を限定するなどの方法で対処すれば良い。
【００３２】
以上を前提として、次に、図３乃至図６を参照して、具体的膜厚取得方法を説明する。
図３参照
図３は、撮像時のカラーＣＣＤカメラと測定パネルの位置関係の説明図であり、測定対象として、大型液晶パネルに用いる１８００ｍｍ×１５００ｍｍのサイズのガラス基板２１上に設けたＳｉＯ_２膜２２とする。
なお、ＳｉＯ_２の屈折率ｎは、λ＝６３２．８ｎｍの時に、ｎ＝１．４５となる。
【００３３】
ここでは、測定対象のＳｉＯ_２膜２２を設けたガラス基板２１の表面から、カラーＣＣＤカメラ１２の撮像用レンズ１５の主点までの高さＨを４４０ｍｍに設定する。
このとき、撮像用レンズ１５の焦点距離を４ｍｍ、ＣＣＤのサイズを１／３インチタイプとすると、画角は約６１°×４８°となる。
【００３４】
ガラス基板２１表面における４４０ｍｍの高さから４８°の範囲は約４００ｍｍであり、また、６１°の範囲は７６０ｍｍとなるので、１８００ｍｍ×１５００ｍｍの面積をカバーするためには、ガラス基板２１を３×４に１２分割して撮像する必要がある。
【００３５】
また、ここではＳｉＯ_２膜２２の膜厚は、およそ４００ｎｍ程度とし、これを、３％の膜厚変化を検出可能にすることを目標とする。
４００ｎｍの３％は１２ｎｍで、安全率を見込んで０．３％を目標とすると、１．２ｎｍの膜厚変化を検出する必要がある。
【００３６】
図４及び図５参照
図４及び図５は、ある光源のもとで、視野角３０°から見た時の薄膜の膜厚の変化に伴う色度の変化をシミュレーションした結果を変換テーブルとして示したものである。
【００３７】
図６参照
上記の図４及び図５に示したデータをグラフすることによって、図６に示した色度曲線が得られた。
【００３８】
ついで、カラーＣＣＤカメラ１２を用いて所定領域のＲＧＢ値を一括して取得し、上記の式（１）及び（２）から、各ピクセルに対応する領域の色度座標（ｘ，ｙ）を求め、予め取得したデータとフィッティングして膜厚を求める。
【００３９】
このとき、色度に直した時点で、有効数字３桁程度のデータがあれば、１ｎｍの膜厚差を検出できると言える。
測定により取得したＲＧＢ値から線形変換によってＸＹＺに変換するため、ほぼＲＧＢ値の時点の有効数字は保存されると考えられるので、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれについて１０ｂｉｔの諧調を持つＣＣＤを使用すれば良いことになる。
【００４０】
使用するＲ，Ｇ，Ｂのそれぞれについて１０ビットの諧調を持つＣＣＤカメラについて、ＲＧＢ値からＸＹＺ表色系のＸＹＺ値に変換する具体的式が、下記の式（３）で表すことができるとする。
【数３】

【００４１】
カラーＣＣＤカメラ１２で測定パネル１３の視野角θ＝３０°の点Ｐにおいて取得したＲＧＢ値が、下記の（４）式である。
【数４】

【００４２】
次いで、これを上記の（１）式で線形変換し、さらに上記（２）式により、
ｘ＝０．３０８
ｙ＝０．３６５
の色度座標が得られる。
【００４３】
この色度座標（ｘ，ｙ）と、図４及び図５に示した変換テーブルのデータとをフィッテォングして、最も差が小さくなる膜厚を検出したところ、点Ｐの膜厚ｄは、ｄ＝３８８ｎｍとなる。
【００４４】
なお、求める点の視野角が、点Ｐとは異なる場合は、それぞれの視野角ごとに図４及び図５と同様なテーブルを作成して変換することで、測定パネル全体の膜厚分布を求めることができる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては受光装置として３ＣＣＤ型のカラーエリアセンサを用いているが、１枚のＣＣＤを用いたカラーエリアセンサを用いてもよい。
また、方式はＣＣＤ方式に限られるものではなく、ＣＭＯＳ型或いはＭＯＳ型のエリアセンサを用いても良いものである。
【００４６】
また、上記の実施の形態において設定したカメラの傾斜角、設置高さＨ、画像を取り込む視野角は単なる一例であり、使用するカメラの解像度や、使用するレンズの開口数に応じて適宜変更可能であることは言うまでもない。
【００４７】
また、上記実施の形態においては、予めシミュレーションにより膜厚−色度相関の変換テーブルを作成し、このテーブルとフィッティングすることによって膜厚を求めているが、実際にさまざまな膜厚のリファレンスを測定して、膜厚−色度相関の変換テーブルを作成しておいても良いものであり、この時の光源は実際の製造工程における薄膜の膜厚を測定するときと同じ波長強度分布を有する光源を用いることが望ましい。
【００４８】
例えば、膜厚が既知で且つステップ的に変化する標準試料を用いて、所定の移動距離Δ毎ステップ的に移動させて撮像してＲＧＢ値を得て、各視野角θにおける色度座標を取得すれば良く、また、中心線から横方向（Ｙ方向）にずれた位置に対する補正係数も同時に求めることができる。
【００４９】
また、上記の実施の形態においては、液晶パネルを構成するガラス基板に成膜したＳｉＯ_２膜の膜厚の取得方法として説明しているが、ＳｉＯ_２膜に限られるものではなく、各種の薄膜の膜厚の測定に適用されるものであり、光源となる波長に対して透明或いは半透明であれば良い。
【００５０】
また、本発明は、液晶パネルに限られるものではなく、プラズマ表示装置等の他の表示装置における成膜工程、或いは、半導体装置等の各種のデバイスの製造工程における各種の成膜工程にも適用されるものである。
【００５１】
さらには、本発明は特定の装置の成膜工程に限られるものではなく、表面が平坦な基板にミクロン〜サブミクロンオーダの薄膜を成膜する全ての成膜工程に適用されるものである。
【００５２】
また、本発明の実施の形態においては、光源として通常の蛍光灯を用いているが、できるだけ白色に近い蛍光灯が望ましい。
さらに、白色光に限られるものではなく、ある程度の広範囲の波長領域において連続的な波長強度分布を有する光源でも良く、この場合には、予め膜厚が既知の標準試料を用いて白色からのずれを測定して変換テーブルを補正すれば良い。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、一般的なＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のエリアセンサ型のイメージセンサを用いて広い面積における干渉による色をＲＧＢ値として一括して取得し、ＸＹＺ表色系に線形変換して色度座標を求めて、膜厚−色度相関から膜厚を求めているので、従来のように分光器などの特殊な測定器を必要とせずに、高速で測定することが可能になり、ひいては、大型液晶表示装置等の低コスト化、高表示品質化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成を表す膜厚と色度の相関を示す概念図である。
【図２】本発明の実施の形態に用いる膜厚取得装置の概念的構成図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるカラーＣＣＤカメラと測定パネルの位置関係の説明図である。
【図４】膜厚がｄ＝３５０〜４０９ｎｍの範囲における色度座標の変換テーブルである。
【図５】膜厚がｄ＝４１０〜４５０ｎｍの範囲における色度座標の変換テーブルである。
【図６】色度曲線の説明図である。
【符号の説明】
１１面光源
１２カラーＣＣＤカメラ
１３測定パネル
１４ステージ
１５撮像用レンズ
２１ガラス基板
２２ＳｉＯ_２膜

Claims

波長の分布が広範囲にわたる光源からの照射光を測定対象物である基板上に設けた被膜に入射させ、前記被膜からの干渉を起こした反射光を受光装置により測定し、測定した反射光の波長毎に干渉光の強度が極大，極小をとる膜厚が異なることによる干渉光の色の変化を検出することによって前記被膜の膜厚を取得することを特徴とする膜厚取得方法。
上記干渉光の色合いの基準として、ＸＹＺ表色系に基づく色度を用いたことを特徴とする請求項１記載の膜厚取得方法。
上記受光装置として、エリアセンサタイプのイメージセンサを用いて、上記薄膜の膜厚の２次元分布を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚取得方法。
上記受光装置により、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎の画像を取得することを特徴とする請求項３記載の膜厚取得方法。