JP2005114461A - 薄膜厚さ測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板やステージ移動の面の反りやうねりによる測定誤差を防止でき、大設備を必要とせず、広範囲にわたって微小な表面形状を把握できる、導体層を介して形成された薄膜の厚さ測定装置を実現する。
【解決手段】プローブ１０とステージ８との間に電界を付与し、基板３の静電容量、基板３と薄膜４との間の絶縁膜の静電容量、基板３から薄膜４までの静電容量を求める。基板３と薄膜４との間の静電容量は薄膜４全面に渡って複数箇所測定する。プローブ１０の薄膜４に対する接触荷重Ｐが一定となるようにプローブ１０をカンチレバー１１で支持する。プローブ１０の薄膜４との接触面積は荷重Ｐが一定であることを前提として所定式によりで算出する。測定した各静電容量と接触面積から薄膜４全域の厚さ分布を算出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜厚さ測定方法及び装置に係わり、特に半導体素子やフラットパネルディスプレイのガラス基板などに透明電極などの導体層を介して形成された薄膜の厚さ及びその分布を測定する薄膜厚さ測定方法及び装置に関する。

半導体やフラットパネルディスプレイ等の分野では、その構成および製造過程において、例えばフォトレジスト、液晶の配向性を制御する配向膜、カラーフィルタ、電子あるいは正孔の輸送層、発光層など、誘電体からなる薄膜構造が多く採用されている。

これらの薄膜構造は、真空プロセスやスピンコートなどによって成膜することにより製造されていたが、近年これをマイクロノズルによるインクジェットプロセスにより製造しようとする取り組みが始まっている。

図２３は、インクジェット成膜プロセスの説明図である。図２３において、インクジェット成膜プロセスは、膜材料の微細液滴１を制御しながら連続吐出するヘッド２を基板３上で走査させることにより基板３上に成膜し、薄膜４を形成するものである。

上述したインクジェット成膜プロセスでは、大掛かりな真空プロセス装置が不要になること、スループットの向上、膜材料の使用効率の向上等が期待できる。

上述した薄膜構造、中でも、特に配向膜は、デバイス性能を高める上で、できる限り薄く形成する必要があり、現在数ｎｍ程度の厚さに仕上げられている。また、配向膜は厚さの絶対値が小さいために厚さむらが、表示画面としての輝度むらに直接影響するため、成膜面全体について厚さ均一性が強く求められる。

配向膜を例にとり、図２４を用いて、厚さ均一性についてより詳細に説明する。図２４は、基板３とその上に透明電極６を介して成膜された薄膜４の一部を抽出した部分断面斜視図である。

図２４において、インクジェットプロセスでは、ライン状に液滴を吐出するインクジェットヘッドを基板３に対して走査して成膜を行う。液滴は、基板３表面に着弾すると乾燥し始めるため、着弾に時間差のある隣接走査列の液滴同士は完全には平準化することは困難であり、そのため図示したような走査縞（厚さむら）５が生じる。

この走査縞５はディスプレイ構成後、その表示画面の点灯状態で縞模様（輝度むら）を生じることから、高品質な画質を得ることができず、性能上問題となる。

また、他の問題点として、薄膜外周部に隆起７が形成されるという現象が挙げられる。これは、薄膜４の中央部に比べて外周部は側面の分だけ乾燥面積すなわち外気との接触面積が大きいため、膜材料の溶質が外周部に引き付けられる現象（コーヒー・ステイン）が原因とされている。

この膜材料の溶質が外周部に引き付けられるというメカニズムによれば、例えばインクジェットヘッド中の特定のノズルが目詰まりした場合など、僅かでも走査列間に液滴どおしに隙間が生じると、そこが液滴の外周となるため、乾燥面積が大きくなり、ディスプレイの中央部でも隆起７が発生し得る現象である。この現象は、結果的に、薄膜の厚さむらをもたらすためディスプレイ性能に影響する。

以上、ディスプレイ用配向膜のインクジェット成膜プロセスを例にとってその表面状態とその問題点について述べたが、半導体やディスプレイなどのエレクトロニクス分野において先に挙げた各種薄膜構造の多くはいずれも同様に薄型化、厚さの均一化が求められている。

また、インクジェット成膜プロセスに限らず、例えばスピンコートやスクリーン印刷などによる成膜方法でも、そのプロセス開発、あるいは製造工程管理の立場から成膜された薄膜の厚さおよびその分布を正確に求めることは重要視されている。

しかし、薄膜厚さの絶対値および厚さむらはｎｍのオーダであり、非常に小さいため、その測定は容易ではなかった。

従来技術においては、フラットパネルディスプレイのガラス基板上に形成された機能膜の厚さ評価は、通常、接触式段差計、原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと記す）などの走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと記す）、光学式膜厚測定装置などにより実施されており、これらの原理に基づく種々の測定装置が存在している。

また、他の膜厚測定方法として、誘電体を対象としてその静電容量を測定することにより厚さを同定する手法が、特許文献１あるいは特許文献１に記載されている。

特許文献１記載の技術は、チャンバ内壁に堆積する堆積膜の厚さを随時測定することができる堆積膜測定方法に関し、堆積膜の静電容量あるいは抵抗値を測定して厚さを求める再生可能な堆積膜測定モニタを具備する成膜装置である。

一方、特許文献２記載の技術は、曲面を有する誘電体の厚みを非破壊で短時間に高精度測定する膜厚測定方法に関するものである。そして、この特許文献２記載の技術は、誘電体の静電容量および誘電率を測定することにより誘電体の厚みを測定する方法であって、測定端子と電極とで誘電体の厚み方向に電界をかける工程と、測定端子と誘電体の接触面積を測定する工程と、電界と接触面積との値から誘電体の厚みを求める工程とから構成されている。

特開平１０−１８９５６０号公報

特開平１１−１０８６０８号公報

上述したように、半導体やフラットパネルディスプレイなどのエレクトロニクス分野で用いられる機能性薄膜では、薄膜形成面全体においてその厚さの絶対値およびばらつきを小さくすることが多くの場合求められる。

特に、フラットパネルディスプレイでは、例えば、１ｍ四方などといった近年のパネルサイズ拡大傾向に対応して、例えば、そのパネル全面にわたる広範囲の膜厚測定を行うことは、ディスプレイ製造プロセスあるいは製造工程管理において有用である。

しかし、上記した従来技術における接触式段差計では、広範囲にわたる膜厚測定を困難にする原理的問題があった。これを、図２５及び図２６を用いて説明する。

図２５は、従来技術における接触式段差計で測定した場合の、走査位置に対する薄膜表面の高さ測定結果の模式図である。また、図２６は実際の膜厚分布を示す模式図である。

従来の接触式段差計では、測定しようとする表面と接触子との接触荷重を常に一定にすべく接触子の測定位置ごとに高さを微細に制御し、その制御量を表面高さとして出力するため、測定する薄膜を形成した基板や基板を搭載したステージに未知の反り、うねりなどがあると、それも含めた値を出力してしまう。

このため、特に大きな基板の全域にわたる薄膜測定において、図２６に示すような、実際の膜厚分布に応じた所望の出力結果が得られず任意の位置での膜厚が不明となる問題があった。

次に、従来のＡＦＭなどのＳＰＭでは、非常に精密な表面状態検出が可能であることが一般に知られている。しかしながら、上述したような、例えば、１ｍ四方の広範囲にわたる測定を行うことは到底困難であった。

さらに、従来の光学式膜厚測定装置では、測定する薄膜の光学的物性値の取得および設定が容易ではなく測定に手間を有する問題があった。

さらに、従来の光学式膜厚測定装置では、原理的に装置が大型であり、周辺環境が測定結果に大きく影響するため、その設置箇所の確保等に多くの費用が必要であるという問題があった。

さらに、従来の光学式膜厚測定装置では、ある測定点における測定領域すなわち照射する光のスポット径が数百μから数ｍｍ程度と大きく、それより微小領域の表面状態を検出することが不可能であった。このため、例えば、薄膜外周のエッジ部形状や薄膜面内の突発的な窪み、あるいは隆起などの形状を把握することが困難であるという問題があった。

また、特許文献１記載の膜厚測定方法は、一対の接触子を、それぞれ１個所に固定するため、大きな面積の薄膜形成面を走査することはできず、薄膜形成面に対する膜厚分布を把握することは困難であった。

さらに、特許文献１による膜厚測定方法は、双方の接触子先端が平坦であるため、測定領域が大きく、微小領域の表面状態を検出することが困難であった。

さらに、特許文献１による膜厚測定方法は、チャンバ内壁に成膜される堆積膜と同様な状態となるように接触子に直接膜を堆積させるため、接触子の繰り返し使用が不可能であるという問題があった。

また、特許文献２による膜厚測定方法は、測定対象が薄膜単体である場合には有効な手法であると考えられるが、測定対象がガラスなど誘電体からなる基板上に既に形成された状態の薄膜である場合には基板の静電容量も測定値に含んでしまい膜厚測定が困難であるという問題があった。

本発明の目的は、基板やステージ移動の面の反りやうねりによる測定誤差を防止でき、大設備を必要とせず、広範囲にわたって微小な表面形状を把握できる、導体層を介して形成された薄膜の厚さ測定方法及び装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成される。
（１）基板上に少なくとも導体層を介して成膜された絶縁性薄膜の膜厚を測定する薄膜厚さ測定方法において、上記基板の薄膜形成面の反対面を、導体からなるステージに対向させて接触させる工程と、同軸プローブを上記基板の表面に接触させて、上記基板の静電容量を測定する工程と、同軸プローブを上記薄膜の表面に接触させて、上記同軸プローブを薄膜表面方向に走査し、上記基板と薄膜とが合成された静電容量を複数箇所測定する工程と、測定された上記静電容量より上記薄膜の複数の静電容量成分を演算抽出して上記薄膜の厚さに換算する工程とを備える。

（２）基板上に少なくとも導体層を介して成膜された絶縁性薄膜の膜厚を測定する薄膜厚さ測定装置において、上記基板を搭載するための導体表面を有するステージと、同軸プローブと、上記同軸プローブとステージとの間の上記基板の静電容量と、上記基板と薄膜とが合成された静電容量とを測定する手段と、上記同軸プローブと上記ステージとを相対的に移動させる手段と、測定されたう上記静電容量より上記薄膜の静電容量成分を演算抽出して厚さに換算する処理演算手段と、上記換算された厚さを記録する手段とを備える。

（３）、（４）好ましくは、上記（１）、（２）において、上記同軸プローブ先端は実質的に球面形状である。

（５）、（６）また、好ましくは、上記（１）、（２）、（３）、（４）において、上記同軸プローブは、複数個であり、上記基板の静電容量と、上記基板と薄膜とが合成された静電容量とは、別個の同軸プローブにより測定される。

（７）また、好ましくは、上記（１）において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を、プローブ支持手段により、上記同軸プローブを薄膜表面方向に走査する期間、略同一とし、この接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算する。

（８）また、好ましくは、上記（２）において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を、上記同軸プローブを薄膜表面方向に走査する期間、略同一とするプローブ支持手段を備え、この接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算する。

（９）また、好ましくは、上記（１）において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を検出し、この検出した接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算する。

（１０）また、好ましくは、上記（２）において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を検出する接触圧力検出手段を備え、検出した接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算する。

本発明によれば、基板やステージ移動の面の反りやうねりによる測定誤差を防止でき、大設備を必要とせず、広範囲にわたって微小な表面形状を把握できる、導体層を介して形成された薄膜の厚さ測定方法及び装置を実現することができる。

つまり、従来の接触式段差計のように基板やステージ移動の面の反りやうねりが測定値に含まれることがないため、常に純粋に所望の薄膜厚さおよびその分布を求めることができ、また大面積のフラットパネルディスプレイの画面全体といった広範囲にわたる膜厚測定が可能になる。

また、静電容量が膜厚に反比例する特性から、膜厚が小さくなるほど測定感度が向上するため、nmオーダと薄い薄膜の膜厚を高精度に測定することができる。

さらに、組み立て終了後の性能検査を待たずに成膜の不良が検出できるため、不良の基板をいち早く製造プロセスから除外することができ、その後の組み立てプロセスのコスト発生を防止できると同時に成膜プロセスの見直しを図ることができる。

本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態である薄膜厚さ測定装置の全体概略構成図である。図１において、基板３とその上に透明電極（図示せず）を介して形成された薄膜４からなる測定対象１４とが導体よりなるウエハステージ８上に設置され真空吸着されている。

これら、基板３、測定対象１４及びウエハステージ８は、ｘｙステージ９の上に設置されている。一方、プローブ１０はカンチレバー１１の先端部に取り付けられ、重力により薄膜４の表面に接触している。プローブ１０とウエハステージ８とは、それぞれＬＣＲメータ１２に接続されている。この状態でＬＣＲメータ１２によりプローブ１０とウエハステージ８との間に電界を付与することにより、測定対象１４の厚さ方向の静電容量Ｃを測定することができる。

なお、静電容量測定時、プローブ１０側の電位をＬo、ウエハステージ８側の電位をHiとすることにより測定値のノイズを小さく保つことができる。

静電容量Ｃのうち、薄膜４の静電容量をＣpとすると、膜厚ｄとＣpとの間には平行平板容量の次式（１）の関係が成立する。
Ｃp＝εo＊εr＊Ｓ/ｄ −−−（１）
ただし、上記式（１）において、εoは真空の誘電率、εrは薄膜４の誘電率、Ｓは平行平板の面積である。

したがって、静電容量Ｃから薄膜４の静電容量Ｃpの成分を抽出するとともに、面積Ｓを定めれば、薄膜４のプローブ１０が接触した部分の膜厚ｄを求めることができる。

また、xyステージ９によってプローブ１０を薄膜４面内で、薄膜４に対して相対的に移動させることにより、膜厚ｄの薄膜４全面における分布を求めることができる。なお、ｘyステージ９の駆動や各位置での膜厚ｄの算出、および算出値の記録などは処理装置１３により行う。

次に、測定対象１４について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。図２は測定対象１４の上面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図２において、測定対象１４は、ガラス製の基板３の上面に透明電極6からなる層を介して絶縁体の薄膜４が形成されている。図３に示すように、薄膜４は、例えば上述したインクジェットヘッドの走査に伴う走査縞５や外周部の隆起７が発生する現象が生じている。

次に、図４は、図２及び図３に示した測定対象とは異なる測定対象である場合の、図３と同様の断面図である。この図４に示した測定対象１４は、基板３上に透明電極６の層と薄膜４との間に、新たな絶縁膜１５の層が形成されている。

次に、図１に示した本発明の一実施形態における静電容量測定部近傍、つまり、プローブ１０と測定対象物１４の要部を図５を参照して説明する。

図５はプローブ１０と測定対象物１４の要部概略断面図である。図５において、ステージ８上に測定対象１４が配置されており、プローブ１０が、測定対象１４の薄膜４の上面に荷重Pにて接触している。プローブ１０は、測定対象物１４の薄膜４と接触する導体１０１と、この導体１０１の周囲に形成される導体１０３と、導体１０１と１０３との間に挟まれた絶縁体１０２とを有し、同軸構造となっている。

プローブ１０の先端形状を図６、図７を参照して説明する。
図６、図７は、プローブ１０先端部の断面図である。図６に示すプローブ１０は円柱状であり、先端部が球面状に仕上げられている。これにより、測定対象１４の薄膜表面に若干の凹凸があっても常に良好な接触を得ることができる。

また、図７に示すプローブ１０は円柱状であり、先端部近辺からテーパ状となり、先端部は球面状に仕上げられている。こうすることにより、プローブ１０の機械的強度を保持しながら（プローブ１０の径を所定値以上としながら）薄膜４との接触面積を小さくすることができ、薄膜の測定分解能を向上することができる。

本発明の一実施形態による薄膜厚さ測定によって求められる合成静電容量Ｃの静電容量成分を図８、図９に示し、薄膜４の膜厚算出に必要な薄膜の静電容量成分の抽出方法を説明する。

図８は、図５に示す測定対象１４の静電容量成分の説明図であり、薄膜４の静電容量Ｃpと基板３の静電容量Ｃgとの二つが互いに直列に並んでいる。このようなとき、次式（２）から薄膜４の静電容量Ｃpが抽出できる。

１/Ｃ＝（１/Ｃp）＋（１/Ｃg） −−−（２）
また、図９は、図４に示す測定対象の静電容量成分であり、図８の静電容量成分に対して、さらに絶縁膜１５の層の静電容量Ｃiが直列に追加されている。このようなときは、次式（３）から薄膜４の静電容量Ｃpが抽出できる。

１/Ｃ＝（１/Ｃp）＋（１/Ｃg）＋（１/Ｃi） −−−（３）
このように、測定対象の層構成が明らかであれば層数が複数であっても数学的に所望の静電容量成分を抽出することが可能である。

これらの関係式（２）、（３）によって、実際に薄膜４の静電容量Ｃpを算出するためには、基板３あるいは絶縁膜１５の静電容量Ｃg、Ｃiが既知であることが必要である。

その算出方法を図１０を参照して説明する。図１０は、図４に示したと同様の測定対象に対して基板３あるいは絶縁膜１５の静電容量Ｃg、Ｃiを求める手段を示す略断面図である。

図１０に示した３本のプローブ１０-１、１０-２、１０-３は、図１０中左から、それぞれ、基板３の表面もしくは透明電極６の表面、絶縁膜１５の表面、および薄膜４の表面に接触している。この図１０に示した状態は、測定対象物１４の端部付近の状態であり、この端部付近においては、基板３又は透明電極６は測定対象物１４から露出し、薄膜４は絶縁膜１５から露出している。

したがって、測定対象物１４の端部近辺で、プローブ１０-１を基板３表面もしくは透明電極６表面に接触させ、プローブ１０−２を絶縁膜１５表面に接触させている。

プローブ１０-１、１０-２、１０-３を、図１０に示したそれぞれの状態で、ステージ８との間に電界を付与することにより、基板３の静電容量、基板３と絶縁膜１５の静電容量、および、基板３から薄膜４までの静電容量を求めることができる。

これらの測定結果から基板３、絶縁膜１５各々の静電容量Ｃg、Ｃiを同定することができる。なお、ここでは３本のプローブ１０-１、１０-２、１０-３を用いる例を示したが、膜厚測定を行う一つのプローブ１０で各測定を個別に行って値を記録しておいてもよい。

また、３本のプローブ１０-１、１０-２、１０-３のうち、図１０に示した矢印方向に走査されるのは、、基板３から薄膜４までの静電容量を測定するプローブ１０-３のみである。

次に、平行平板の面積Ｓ、つまり、プローブ１０の薄膜４との接触面積の算出方法について説明する。図１１はプローブ１０が測定対象の薄膜４に接触した状態の概略略断面図である。

プローブ１０の、先端半径をR０、ヤング率をE１、ポアソン比をν１とし、このプローブ１０が、ヤング率E２、ポアソン比ν２の薄膜４もしくは薄膜４が形成された基板３に、荷重Pで接触しているときの接触面は円形であり、この円の半径aは、球と平面に関するヘルツの接触の次式（４）により求めることができ、これより算出した面積が平行平板の面積Ｓとなる。

a³＝(3/4)*R0*{(1-ν１²)/E1+(1-ν２²)/E2}*P −−−（４）
図１２は、プローブ１０が傾斜した状態で測定対象の薄膜４に接触した状態の略断面図である。プローブ１０は薄膜４の上面に対して、プローブ１０の縦方向軸を厳密に垂直に接触させることは困難であり、一般的に、図１２に示すように、ある程度の傾斜を持って接触する。このような場合であっても、先端半径R０および荷重Pが一定であれば接触面積Ｓは一定であると見なすことができる。

上述したように、プローブ１０の測定対象物に対する接触荷重は、薄膜４との接触面積に影響し、さらにその接触面積が膜厚の算出結果に影響を及ぼすため、プローブ１０の接触荷重は常に一定であることが望ましい。

また、プローブ１０の接触荷重が必要以上に大きいと、薄膜４を押し込んでしまうため本来の膜厚よりも、小さい膜厚であると算出されてしまうばかりか、最悪の場合、薄膜４の表面を損傷してしまうことになるため、接触荷重はできる限り小さいことが望ましい。

以下、プローブ１０の薄膜４に対する接触過重を可能な限り、小さくするための手段について述べる。

図１３は、プローブ１０を支点１７を有するプローブ支持機構に装着するカンチレバー１６について示す図である。図１３において、カンチレバー１６は、一端にプローブ１０が装着されており、他端は自由に回転する支点１７に固定されている。

このような構成でプローブ１０を任意の薄膜４表面に接触させたいくつかの状態例を図１４に示す。
図１４において、測定対象１４は製造上やむを得ない反りを有しており、その状態でステージ８に装着されている。図１４中の破線はプローブ１０が薄膜４表面を相対的に移動したときの支点１７の位置の変化を示している。

図１４に示すように、カンチレバー１６は、矢印方向に走査され、薄膜４表面の高さに応じて自在に、破線に対する傾斜角度を変化させながらプローブ１０と薄膜４との接触を維持している。さらに、いずれの状態でもプローブ１０の接触荷重はカンチレバー１６とプローブ１０の自重から定まる一定値に保持することができる。

図１５は、図１３に示した例と同様に、プローブ１０の薄膜４に対する接触荷重を常に一定にするためのプローブ保持構造を示す斜視図である。

図１５において、プローブ１０は二つの支点１８を有するカンチレバー１９に装着されている。このような構成でプローブ１０を薄膜表面に接触させた状態を図１６に示す。この図１６は、図１５に示すプローブ１０および測定対象の部分断面側面図である。

図１３に示した例においては、カンチレバー１６が回動する際に支点１７で摺動抵抗が発生する。これに対して、図１５に示した例は、図１６から明らかなように、図１３の例のような摺動抵抗は発生せず、薄膜４の表面の凹凸にプローブ１０が追従する際の機械的な抵抗をほぼ０とすることができるため、より理想的な接触を得ることができる。

図１７は、図１３に示した例と同様に、プローブ１０の薄膜４に対する接触荷重を常に一定にするためのプローブ保持構造を示す概略断面図である。

図１７において、プローブ１０は、リニアスライダ２０を介して筐体２１に装着されている。リニアスライダ２０は、プローブ１０の薄膜４に対する接触過重を略同一の値に維持した状態で、プローブ１０と共に筺体２１内を移動する。

この図１７に示す例によれば、薄膜４の接触部の厚さによってプローブ１０の薄膜４面に対する接触角度が変化することがなく、常に一定の接触角度を保つことができる。

図１８は、本発明の薄膜厚さ測定装置による厚さ測定における、膜厚（ｍ）と厚さ分解能（ｍ）との関係を示す図である。この図１８に示すように、膜厚が小さくなるほど測定感度が向上する。

続いて、図１９、図２０を用いて測定対象に対するプローブ１０の走査方向について説明する。

図１９、図２０はインクジェットプロセスにより成膜された薄膜部分の上面図である。図１９において、プローブ１０はインクジェットヘッドの走査方向に対して垂直に相対移動させることを示している。この動作により、インクジェットヘッド内に複数存在する各ノズルごとの液滴吐出特性を評価することができる。

また、図２０において、プローブ１０はインクジェットヘッドの走査方向に対して斜めに相対移動させることを示している。この動作により、各ノズルの液滴吐出特性の時間変化を評価することができる。

一般に、詳細な膜厚分布を求めるためには薄膜面全域を二次元的に測定することが理想であるが、それが時間的あるいはデータ処理の観点から許容されない場合には、ここに示したような、斜め方向の一次元走査による評価を行うのがよい。

次に、図２１は、本発明の他の実施形態を示す測定装置の斜視図である。図２１において、一つの測定対象１４に対して複数のプローブ１０が接触できるよう構成されている。各プローブはプローブヘッド２２に装着されている。そして、複数のプローブ１０は一つのスキャナ２３に接続されており、スキャナ２３はＬＣＲメータ１２に接続されている。

この図２１に示した例では、薄膜４面について、複数のプローブ１０の配列方向と垂直方向にプローブ１０を走査させ、各プローブ１０からの出力をスキャナ２３により時系列的に処理して、ＬＣＲメータ１２に送信する。

図２１に示した例により、大幅な時間増を招くことなく薄膜厚さ分布の三次元情報が得られることとなる。

図２２は、本発明の実施形態である薄膜厚さ測定方法が適用されたフラットパネルディスプレイの製造プロセスのフローチャートである。
図２２において、フラットパネルディスプレイは、TFTの形成、洗浄、配向膜形成（成膜）が行われる（ステップ１００〜１０２）。

次に、液晶の配向を制御するためのラビング（ステップ１０３）を行う。そして、スペーサ散布、対となるガラス基板との貼り合わせ、貼り合わせたガラス基板同士の隙間への液晶注入、液晶の封止、偏光板貼り付け、モジュール部品の組み立て（ステップ１０４〜１０９）といった順序で製造される。

上記工程において、薄膜である例えば配向膜の成膜プロセス（ステップ１０２）の直後あるいはラビング（ステップ１０３）の直後に、上述した本発明の膜厚測定装置を用いて膜厚の評価が行われる。

つまり、基板３の静電容量と、基板３と絶縁膜１５の静電容量とを測定し、薄膜に対する接触荷重がほぼ一定であるプローブを用いて、薄膜全面に渡って基板３から薄膜４までの静電容量を測定する。そして、測定した静電容量と、プローブと薄膜等との接触面積、荷重等から、薄膜の厚さを算出する。

このように、成膜プロセスの直後あるいはラビングの直後に、上述した本発明の膜厚測定装置を用いた膜厚評価を導入することにより、組み立て終了後の性能検査を待たずに成膜の不良が検出できるため、不良の基板をいち早く製造プロセスから除外することができる。このため、その後の組み立てプロセスのコスト発生を防止できると同時に成膜プロセスの見直しを図ることができる。

なお、上述した例においては、プローブ１０の薄膜に対する荷重を一定値に保持するように構成したが、例えば、カンチレバー１６又は１９に歪センサを配置して、プローブ１０の薄膜４に対する荷重の変化を検出し、荷重Ｐを補正して接触面積を算出することも可能である。

本発明の一実施形態である薄膜厚さ測定装置の全体概略構成図である。 測定対象の上面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 他の測定対象である場合の断面図である。 プローブと測定対象物の要部概略断面図である。 プローブ先端部の一例の断面図である。 プローブ先端部の他の例の断面図である。 測定対象の一例の静電容量成分の説明図である。 測定対象の他の例の静電容量成分の説明図である。 基板あるいは絶縁膜の静電容量を求める手段を示す略断面図である。 プローブが測定対象の薄膜に接触した状態の概略略断面図である。 プローブが傾斜した状態で測定対象の薄膜に接触した状態の略断面図である。 プローブを支点を有するプローブ支持機構に装着するカンチレバーについて示す図である。 プローブを任意の薄膜表面に接触させたいくつかの状態例を示す図である。 プローブの薄膜に対する接触荷重を常に一定にするためのプローブ保持構造を示す斜視図である。 図１５に示すプローブ１０および測定対象の部分断面側面図である。 接触荷重を一定にするためのプローブ保持構造を示す断面図である。 本発明の薄膜厚さ測定装置による厚さ測定における、膜厚（ｍ）と厚さ分解能（ｍ）との関係を示す図である。 プローブの走査方向の一例を示すためのインクジェットプロセスにより成膜された薄膜部分の上面図である。 プローブの走査方向の他の例を示すためのインクジェットプロセスにより成膜された薄膜部分の上面図である。 本発明の他の実施形態を示す測定装置の斜視図である。 本発明の実施形態である薄膜厚さ測定方法が適用されたフラットパネルディスプレイの製造プロセスのフローチャートである。 インクジェット成膜プロセスの説明図である。 基板とその上に透明電極を介して成膜された薄膜の一部を抽出した部分断面斜視図である。 従来技術における接触式段差計で測定した場合の、走査位置に対する薄膜表面の高さ測定結果の模式図である。 実際の膜厚分布を示す模式図である。

符号の説明

３ 基板
４ 薄膜
５ 走査縞
６ 透明電極
７ 薄膜外周の隆起
８ ステージ
９ xyステージ
１０ プローブ
１１、１６、１９ カンチレバー
１２ ＬＣＲメータ
１３ 処理装置
１４ 測定対象
１５ 絶縁膜
１７、１８ 支点
２０ リニアスライダ
２１ 筐体
２２ プローブヘッド
２３ スキャナ

Claims (10)

1. 基板上に少なくとも導体層を介して成膜された絶縁性薄膜の膜厚を測定する薄膜厚さ測定方法において、
   上記基板の薄膜形成面の反対面を、導体からなるステージに対向させて接触させる工程と、
   同軸プローブを上記基板の表面に接触させて、上記基板の静電容量を測定する工程と、
   同軸プローブを上記薄膜の表面に接触させて、上記同軸プローブを薄膜表面方向に走査し、上記基板と薄膜とが合成された静電容量を複数箇所測定する工程と、
   測定された上記静電容量より上記薄膜の複数の静電容量成分を演算抽出して上記薄膜の厚さに換算する工程と、
   を備えることを特徴とする薄膜厚さ測定方法。
2. 基板上に少なくとも導体層を介して成膜された絶縁性薄膜の膜厚を測定する薄膜厚さ測定装置において、
   上記基板を搭載するための導体表面を有するステージと、
   同軸プローブと、
   上記同軸プローブとステージとの間の上記基板の静電容量と、上記基板と薄膜とが合成された静電容量とを測定する手段と、
   上記同軸プローブと上記ステージとを相対的に移動させる手段と、
   測定されたう上記静電容量より上記薄膜の静電容量成分を演算抽出して厚さに換算する処理演算手段と、
   上記換算された厚さを記録する手段と、
   を備えることを特徴とする薄膜厚さ測定装置。
3. 請求項１記載の薄膜厚さ測定方法において、上記同軸プローブ先端は実質的に球面形状であることを特徴とする薄膜厚さ測定方法。
4. 請求項２記載の薄膜厚さ測定装置において、上記同軸プローブ先端は実質的に球面形状であることを特徴とする薄膜厚さ測定装置。
5. 請求項１又は３記載の薄膜厚さ測定方法において、上記同軸プローブは、複数個であり、上記基板の静電容量と、上記基板と薄膜とが合成された静電容量とは、別個の同軸プローブにより測定されることを特徴とする薄膜厚さ測定方法。
6. 請求項２又は４記載の薄膜厚さ測定装置において、上記同軸プローブは、複数個であり、上記基板の静電容量と、上記基板と薄膜とが合成された静電容量とは、別個の同軸プローブにより測定されることを特徴とする薄膜厚さ測定装置。
7. 請求項１記載の薄膜厚さ測定方法において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を、プローブ支持手段により、上記同軸プローブを薄膜表面方向に走査する期間、略同一とし、この接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算することを特徴とする薄膜厚さ測定方法。
8. 請求項２項記載の薄膜厚さ測定装置において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を、上記同軸プローブを薄膜表面方向に走査する期間、略同一とするプローブ支持手段を備え、この接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算することを特徴とする薄膜厚さ測定装置。
9. 請求項１記載の薄膜厚さ測定方法において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を検出し、この検出した接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算することを特徴とする薄膜厚さ測定方法。
10. 請求項２項記載の薄膜厚さ測定装置において、上記同軸プローブと薄膜との接触圧力を検出する接触圧力検出手段を備え、検出した接触圧力と、上記同軸プローブの先端径と、プローブの材質特性と、薄膜の材質特性から算出される上記プローブと薄膜との接触面積を用いて、薄膜の厚さを換算することを特徴とする薄膜厚さ測定装置。
    

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