JP2005037315A - 多層膜の膜厚測定方法及び膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触式の薄膜上に塗布された薄膜の正確な膜厚測定方法および膜厚測定装置を提供する。
【解決手段】基板上に膜厚の被測定膜を含む少なくとも２層の多層膜を有し、被測定膜の下に少なくとも１層の膜を有し、かつ被測定膜の下にある膜の膜厚は被測定膜の膜厚よりも十分薄い構造の多層膜構造について上記膜厚の被測定膜の膜厚を測定する多層膜の膜厚測定方法であって、薄膜の反射光の分光反射率を測定し、分光反射率データを有限個サンプリングしてフーリエ変換し、被測定膜の下層の膜の膜厚及び屈折率と被測定膜の屈折率を既知として、変換して得られたスペクトルから被測定膜の膜厚を求めるに際し、得られたスペクトルのピーク位置に対応する光学膜厚に被測定膜の下層の膜による重みを加え、前記のピークを複数のピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜に光を照射し、その反射光の干渉現象を利用して薄膜上に塗布された薄膜の膜厚を非接触で測定する多層膜の膜厚測定方法及び膜厚測定装置に係り、特に、カラーフィルタ製造過程におけるガラス基板とインジウム−スズ酸化物膜（以下、ＩＴＯ膜）の膜上に塗布されたフォトリソスペーサ膜（以下、ＰＳ膜）よりなる多層膜の膜厚測定方法および膜厚測定装置に関するものである。

従来、薄膜の膜厚測定方法として様々な方法が提案されてきた。なかでも反射光の干渉現象を利用した反射分光干渉法は簡単な装置で膜厚測定が可能であるため、数多く実用されている。

しかし、例えばカラーフィルタ製造過程におけるガラス基板、ＩＴＯ膜およびＰＳ膜からなる多層膜に、反射光の干渉現象を利用した反射分光干渉法はほとんど適用されていなかった。その主な理由は、ＩＴＯ膜の膜厚が微小であるため、ＩＴＯ膜表面で反射する光とガラス基板上で反射する光の干渉現象の観測が困難であることと、ＰＳ膜の屈折率とガラス基板の屈折率に差がないため、ＰＳ膜表面で反射する光とガラス基板上で反射する光の干渉現象の観測が困難であるからであった。

このため、上述した系のような薄膜の膜厚を測定する手段としては、ガラス基板上に層を形成する毎に触針法や電子顕微鏡が使用されていたが、これらの方法は破壊検査であるため、生産性を低下させてしまう問題がある。
特願２００２−０８０５８６号公報 特開２００１−２２７９１６号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題とするところはガラス基板、ＩＴＯ膜およびＰＳ膜からなる多層膜の状態においては光の干渉現象が明白に観測可能となる現象に着目し、非接触式の薄膜上に塗布された薄膜の正確な膜厚測定方法および膜厚測定装置を提供することにある。

本願発明の、請求項1に係る発明では、
基板上に膜厚の被測定膜を含む少なくとも２層の多層膜を有し、被測定膜の下に少なくとも１層の膜を有し、かつ被測定膜の下にある膜の膜厚は被測定膜の膜厚よりも十分薄い構造の多層膜構造について上記膜厚の被測定膜の膜厚を測定する多層膜の膜厚測定方法であって、
薄膜の反射光の分光反射率を測定し、
分光反射率データを有限個サンプリングしてフーリエ変換し、
被測定膜の下層の膜の膜厚及び屈折率と被測定膜の屈折率を既知として、変換して得られたスペクトルから被測定膜の膜厚を求めるに際し、
得られたスペクトルのピーク位置に対応する光学膜厚に被測定膜の下層の膜による重みを加え、前記のピークを複数のピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出することを特徴とする多層膜の膜厚測定方法を提供するものである。

また、請求項2に係る発明では、
基板上に少なくとも２層の膜厚の被測定膜を含む多層膜を有し、被測定膜の下に少なくとも１層の膜を有し、かつ被測定膜の下にある膜の膜厚は被測定膜の膜厚よりも十分薄い構造の多層膜構造について上記膜厚の被測定膜の膜厚を測定する多層膜の膜厚測定装置であって、
薄膜の反射光の分光反射率を測定する反射率測定手段と、
分光反射率データを有限個サンプリングしてフーリエ変換してスペクトルを得るフーリエ変換手段と、
被測定膜の下層の膜の膜厚及び屈折率と被測定膜の屈折率を既知として、変換して得られたスペクトルから被測定膜の膜厚を求める膜厚算出手段であって、
得られたスペクトルのピーク位置に対応する光学膜厚に被測定膜の下層の膜による重みを加え、前記のピークを複数のピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と
を有することを特徴とする多層膜の膜厚測定装置を提供するものである。

本発明は以上のような構成であるから、薄膜上に塗布された薄膜の膜厚を非接触で高精度に測定することが出来る。

本発明の多層膜の膜厚測定方法及び装置は、基板上に膜厚の被測定膜を含む少なくとも２層の多層膜を有し、被測定膜の下に少なくとも１層の膜を有し、かつ被測定膜の下にある膜の膜厚は被測定膜の膜厚よりも十分薄い構造の多層膜構造について上記膜厚の被測定膜の膜厚を測定する多層膜の膜厚測定方法及び装置を前提とする。

まず、薄膜の反射光の分光反射率を測定し、分光反射率データを有限個サンプリングしてフーリエ変換をおこなう。そして、被測定膜の下層の膜の膜厚及び屈折率と被測定膜の屈折率を既知として、フーリエ変換して得られたスペクトルから被測定膜の膜厚を求める。このとき、得られたピーク位置に対応する光学膜厚に被測定膜の下層の膜による重みを加え、そのピークを複数のピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出する多層膜の膜厚測定方法及び装置である。

フーリエ変換して得られたスペクトルのピーク値から、被測定膜の膜厚の情報が得られる。しかし、この値だけでは正確な膜厚が得られない。このピーク値には、被測定膜による干渉と、下層膜及びガラス基板とによる干渉とが含まれる。そこで、得られたピーク位置に対応する光学膜厚に、被測定膜の下層の膜による重みを加え、このピーク値が、これらの複数の干渉によるピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出することで、正確な値が求められる。

この膜厚算出の原理は以下の通りである。

屈折率が空気１．０、ＰＳ膜１．５、ＩＴＯ膜２．０、ガラス基板１．５程度であるので、ＰＳ膜の表面で反射したR₁とＰＳ膜を透過してＩＴＯ膜との境界面で反射した光R₂の位相は半波長分ずれる。したがって、ＰＳ膜厚をｄ₁、ＰＳ膜屈折率をｎ₁、ＩＴＯ膜厚をｄ₂、ＩＴＯ膜屈折率をｎ₂として垂直入射の場合を考えると、R₁とR₂は光路差２ｎ₁ｄ₁が波長λの整数倍のとき強め合い、（整数＋０．５）倍のとき弱め合う。また、R₁とＰＳ膜およびＩＴＯ膜を透過してガラス基板との境界面で反射した光R₃は光路差２（ｎ₁ｄ₁＋ｎ₂ｄ₂）が波長λの整数倍のとき弱め合い、（整数＋０．５）倍のとき強め合う。なお、ＩＴＯ膜厚は半波長分よりも微小であるため、少なくともR₂とR₃の干渉によるピークは現れ
ない。

横軸に波長をとり、縦軸に反射率をとると、上記干渉現象の和情報として、図２のような極大と極小が繰り返し現れる波形となる。

ここで干渉次数ｍを整数とすると、極値をとるときのλには

または

が成り立つ。

よって、隣り合う極大波長をλ₁、λ₂とすると、

となる。図２の波長λを波数Ｋ（Ｋ＝２π／λ）に変換すると図３のような等周期の波形が得られる。すなわち、波形の極値となるＫをみると、隣り合う極値のＫは、その差が一定になる。λ₁、λ₂に相当する波数をＫ₁（＝２π／λ₁）、Ｋ₂（＝２π／λ₂）とすれば、Ｔ＝Ｋ₂−Ｋ₁は、（３）式より、

となり、一定の値となることがわかる。

つぎに、図３の波数−分光反射率特性をフーリエ変換する。このとき、図３の特性では上記のように極値が一定値Ｔで繰り返されることから、変換して得られるパワースペクトルではＴの波長をもった波動のスペクトルがピーク値を示す。なおこの波動は、Ｋ空間の波動である。このピーク値を示す波動の周波数ｆは、ｆ＝１／Ｔ＝１／（Ｋ₂−Ｋ₁）であるから、（３）式から以下の（５）式が成立する。

これから、フーリエ変換したスペクトルの特性の周波数にπを掛けると、図４のような横軸が、

のグラフが得られる。図４は、実施例として実際にフーリエ変換した例である（後述）。したがってこのピーク値から、（５）式の値の情報が得られる。しかし、このピーク値を検討すると、本来ならこの付近にＰＳ膜の表面で反射したR₁とＰＳ膜を透過してＩＴＯ膜との境界面で反射した光R₂の干渉によるピークと、ＰＳ膜の表面で反射したR₁とＰＳ膜およびＩＴＯ膜を透過してガラス基板との境界面で反射した光R₃の干渉によるピークの二つが現れていなければならない。しかし、フーリエ変換する際のサンプリング数が少ないために、この二つのピークを分離するほどの分解能が得られず、その結果としてピークが一つに見えるものと考えられる。

つまり、図４のピークは、図５に示すようにＰＳ膜に由来するピークと、ＰＳ膜とＩＴＯ膜の和に由来するピークの重ね合わせであると判断できる。

したがって、このときの（６）式は、

に相当する。これから、被測定膜の膜厚を正確に求めることが出来る。

なお、図４ではピーク値が２ヶ所膜厚の厚いところと薄いところに見られるが、これは実際に測定したときにその結果から、どちらが本願の膜による干渉によるピークであるか判断できる。例えば、図３から、波形が滑らかに変化していることにより、周波数の低い部分のピークがでている、と判断し、周波数の高いところが本発明に係る膜によるピークであると判断できる。

以下、本発明をガラス基板上にＩＴＯ膜およびＰＳ膜を塗付した多層膜サンプルのケースに適用した場合の実施形態について説明する。

図1は本発明の装置の概略構成を示している。本装置は光源部1、二分岐ファイバー２、対物レンズ３、分光器４、演算部５から成る。本実施例では、反射率測定手段としては光源部1、二分岐ファイバー２、対物レンズ３、分光器４、フーリエ変換手段は演算部５、膜厚算出手段としては演算部５を利用している。

約６μｍのＰＳ膜の場合、測定に使用する光が可視光域では干渉によるピークが多数現れてしまい、ピーク位置の検出が困難であるため、さらに長波長の赤外光域を使用する。光源部１は電球１０とカットフィルタ９を備える。電球１０は赤外域の光を効率良く放出するハロゲン電球を使用し、さらに効率を高めるため、金コーティングリフレクタを使用するのが望ましく、利用する。カットフィルタ９は８００ｎｍ以下の波長をカットし、感光性のあるＰＳに対してパターン露光前の膜厚測定を可能とすると同時に分光器の高次光が受光素子に入るのを防ぐ。

二分岐ファイバー２は光源部１に接続している部分が投光用で、分光器４に接続している部分が受光用である。それぞれ光ファイバー数１００本を束ねたもので、途中でそれらが１本にまとめられている。この束の中で投光用と受光用の光ファイバーは１本１本入り交じって束ねられ、対物レンズ３に接続している面では均等に両方の光ファイバーが配置されるようになっている。また、光ファイバーは近赤外光を透過するようにＧｅ（ゲルマニウム）をドープしたものなどを使用する。

対物レンズ３により、光が被測定物であるＰＳおよびＩＴＯを塗付または蒸着したガラス板８に垂直入射される。対物レンズ３により、焦点深度以内のＰＳを塗付したガラス板８までの距離変動を吸収する。

被測定物からの反射光は対物レンズ３、二分岐ファイバー２を経由して分光器４に入る。分光器４は回折格子、リニアアレイ等から成る分光器部６と分光器部６の制御と信号をデジタル変換する制御部７から成る。回折格子とリニアアレイ素子の組み合わせで波長が決まるが、９００〜１６００ｎｍ程度の波長範囲を使用すればＰＳ膜厚６μｍ程度の測定には十分である。なお、このときのサンプリング間隔は２５６素子のリニアアレイを用いて２．７ｍｍである。

分光器４はパーソナルコンピューター、キーボード、マウス、ディスプレイモニター等から構成される演算部５に接続され、ここで、演算を行って膜厚値を算出する。また、分光器４の制御やユーザーインターフェース処理を受け持つ。

実際の測定例として、ガラス基板、ＩＴＯ膜およびＰＳ膜からなる多層膜の分光反射率グラフを図２に示す。図２の波長λを波数Ｋに変換したものが図３であり、図３をフーリエ変換し、πを掛けたものが図４である。なお、ガラス基板上にＩＴＯ膜、ＰＳ膜を塗付
した毎に各膜厚を蝕針式の段差計で測定したところ、ＩＴＯ膜は１６０ｎｍ、ＰＳ膜は５９４０ｎｍであった。

図４からピーク位置を求めると

となる。

ここで、

のピークに着目する。前述したように、本来ならこの付近にＰＳ膜の表面で反射したR₁とＰＳ膜を透過してＩＴＯ膜との境界面で反射した光R₂の干渉によるピークと、ＰＳ膜の表面で反射したR₁とＰＳ膜およびＩＴＯ膜を透過してガラス基板との境界面で反射した光R₃の干渉によるピークの二つが現れていなければならない。しかし、フーリエ変換する際のサンプリング数が少ないために、この二つのピークを分離するほどの分解能が得られず、その結果としてピークが一つに見えるものと考えられる。

つまり、（９）式のピークは、図５に示すようにＰＳ膜に由来するピークと、ＰＳ膜とＩＴＯ膜の和に由来するピークの重ね合わせであると判断できる。

したがって、このときの（６）式は、（７）式に相当するから、

となる。

ｎ₁、ｎ₂、ｄ₂は既知なので、上式を変形して、

にｎ₁＝１．５、ｎ₂＝２．０、ｄ₂＝０．１６０μｍを代入して、ＰＳ膜厚はｄ₁＝５．９１μｍと求まる。この結果は触針式での測定結果５９４０ｎｍに良く一致している。

本発明の実施例を示す装置の概略を示した説明図である。 ＩＴＯ膜およびＰＳ膜をガラス基板上に塗布したサンプルを本発明の実施例の装置で測定した分光反射率グラフである。 図２の分光反射率を横軸波数でプロットした図である。 図３をフーリエ変換して得られたパワースペクトル図である。 ピーク付近の拡大概略図である。

符号の説明

１ 光源部
２ 二分岐ファイバー
３ 対物レンズ
４ 分光器
５ 演算部
６ 分光器部
７ 制御部
８ ＩＴＯ膜、ＰＳ膜を塗付したガラス板（被測定物）
９ カットフィルタ
１０ 電球

Claims (2)

1. 基板上に膜厚の被測定膜を含む少なくとも２層の多層膜を有し、被測定膜の下に少なくとも１層の膜を有し、かつ被測定膜の下にある膜の膜厚は被測定膜の膜厚よりも十分薄い構造の多層膜構造について上記膜厚の被測定膜の膜厚を測定する多層膜の膜厚測定方法であって、
   薄膜の反射光の分光反射率を測定し、
   分光反射率データを有限個サンプリングしてフーリエ変換し、
   被測定膜の下層の膜の膜厚及び屈折率と被測定膜の屈折率を既知として、変換して得られたスペクトルから被測定膜の膜厚を求めるに際し、
   得られたスペクトルのピーク位置に対応する光学膜厚に被測定膜の下層の膜による重みを加え、前記のピークを複数のピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出することを特徴とする多層膜の膜厚測定方法。
2. 基板上に少なくとも２層の膜厚の被測定膜を含む多層膜を有し、被測定膜の下に少なくとも１層の膜を有し、かつ被測定膜の下にある膜の膜厚は被測定膜の膜厚よりも十分薄い構造の多層膜構造について上記膜厚の被測定膜の膜厚を測定する多層膜の膜厚測定装置であって、
   薄膜の反射光の分光反射率を測定する反射率測定手段と、
   分光反射率データを有限個サンプリングしてフーリエ変換してスペクトルを得るフーリエ変換手段と、
   被測定膜の下層の膜の膜厚及び屈折率と被測定膜の屈折率を既知として、変換して得られたスペクトルから被測定膜の膜厚を求める膜厚算出手段であって、
   得られたスペクトルのピーク位置に対応する光学膜厚に被測定膜の下層の膜による重みを加え、前記のピークを複数のピークの重ね合わせとして、上記被測定膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と
   を有することを特徴とする多層膜の膜厚測定装置。