JP2005249602A - 膜厚測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる膜厚測定技術を提供する。
【解決手段】まず、所定膜厚を有する無色の透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として算定される理論分光反射率を異なる膜厚ごとに複数取得する。次に、測定対象としているカラーフィルタの分光透過率を取得して、その分光透過率のうちの所定透過率以上となる波長域を測定波長域として選定する。また、異なる膜厚ごとに算定された複数の理論分光反射率を分光透過率によって補正し補正後理論分光反射率を求めておく。そして、基板上に測定対象のカラーフィルタが形成された試料に光を照射し、その試料から反射された光を分光して分光反射率を実測する。得られた実測分光反射率と補正後理論分光反射率とを比較してカラーフィルタの膜厚を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体基板や液晶表示装置用ガラス基板等の基板上に形成された透明薄膜、特にカラーフィルタの如く特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法および装置に関する。

従来より、上記のような基板上に形成されたレジスト膜やシリコン酸化膜などの極めて薄い透明薄膜の膜厚を光干渉法を用いて測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。光干渉法を用いた膜厚測定では、膜厚が所定値ｄの透明薄膜が形成された基板に光が入射されるという条件下で、当該透明薄膜の光干渉によって規定される分光反射率を予め計算によって求めておく。このときには、一定膜厚範囲にて等ピッチで設定した膜厚について分光反射率を求めたものを複数の理論分光反射率としてメモリ等の記憶装置に記憶させておく。

そして、測定対象の透明薄膜が形成された基板に光を照射し、そこから反射された反射光を分光器によって分光して分光反射率を実測する。その後、その実測分光反射率と上記複数の理論分光反射率との差分を算出し、その差分が最も小さくなる膜厚値を従来より周知のカーブフィット法によって求め、得られた膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚とするのである。

特開平６−２４９６２０号公報

ところで、近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話の急速な普及に伴ってカラーＣＣＤの需要が増大している。カラーＣＣＤの製造工程では、シリコンウェハ上にマトリックス状にＲＧＢ３色のカラーフィルタが貼り付けられる。また、プロジェクタでは液晶ガラス基板上にカラーフィルタを形成したものが使用される。このような基板上にカラーフィルタを形成する工程においては、フィルタ膜厚を厳密に管理することが重要であり、カラーフィルタの膜厚を正確に測定することが要求されている。

しかしながら、カラーフィルタは特定波長域の光しか透過せず、例えばグリーンフィルタの場合概ね４８０ｎｍ〜６００ｎｍの波長域の光しか透過しない。図９は、カラーフィルタの光透過特性を示す図である。同図に示すような光透過特性を有するカラーフィルタを基板上に形成した試料に光を照射したときに得られる分光反射率（波長に対する反射率のプロファイル）は図１０のようになる。なお、図１０においては、カラーフィルタを形成した基板から得られる分光反射率を実線にて示し、カラーフィルタに代えて全ての可視光域の光に対して透明な薄膜（つまり無色の透明薄膜）を基板上に形成したときの分光反射率を参考のため点線にて示す。

図１０に示すように、無色の透明薄膜の場合、薄膜の干渉条件２ｄ＝ｎλ（ｎは整数、λは波長）を満たす波長λでの反射率のピークが周期的に現出するのであるが、カラーフィルタの場合、光が透過する波長域においてのみ反射率プロファイルの山谷が現出するのである。すなわち、特定波長域の光を選択的に透過するカラーフィルタを基板上に形成した試料に光を照射したときに光干渉が生じる波長域は、当然にその特定波長域に限定されるのである。

従って、基板上に形成されたカラーフィルタの膜厚を光干渉法によって測定するときには、測定波長域が光透過が生じる特定波長域に限定されるため、測定信頼性が低下せざるを得ない。しかも、図９に示すように、カラーフィルタの分光透過率（波長に対する透過率のプロファイル）は矩形波形ではなく台形状波形を示す。つまり、光透過が生じる特定波長域においても、その境界付近では透過率がアナログ的に変化する。よって、透過率プロファイルのスロープ部の波長域では反射率が理論値よりも低下することとなるため、この波長域を測定波長域に含めると膜厚測定の信頼性が著しく低下することとなっていた。

このため、透過率プロファイルにおけるスロープ部の波長域を除いた波長範囲、つまり図９の如き透過率プロファイルにおける頂上フラット部の波長域のみを測定波長域とすることにより測定精度を向上させることも考えられるが、この場合測定波長域の幅が４０ｎｍ〜５０ｎｍ程度と非常に狭くなり、そのことに起因した測定信頼性の低下が懸念される。特に、カラーフィルタの膜厚が薄くなるほど反射率プロファイルの波形が低周波波形となるため、測定波長域の幅が狭くなると膜厚測定自体が困難になるという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる膜厚測定技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、前記透明薄膜の分光透過率を取得する分光透過率取得工程と、前記試料に光を照射し、前記試料から反射された反射光を分光して分光反射率を実測する分光反射率測定工程と、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正工程と、前記補正工程にて補正された補正後理論分光反射率と前記分光反射率測定工程にて測定された実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出工程と、を備える。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る膜厚測定方法において、前記膜厚算出工程にて、前記分光透過率に応じた重みを付けて、前記補正後理論分光反射率と前記実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る膜厚測定方法において、前記分光透過率における所定の閾値以上の透過率を有する波長域を前記膜厚算出工程における測定波長域として選定する工程をさらに備える。

また、請求項４の発明は、基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、前記透明薄膜の分光透過率を取得する分光透過率取得工程と、前記試料に光を照射し、前記試料から反射された反射光を分光して分光反射率を実測する分光反射率測定工程と、前記分光反射率測定工程にて測定された実測分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正工程と、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率と前記補正工程にて補正された補正後実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出工程と、を備える。

また、請求項５の発明は、基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、前記透明薄膜の分光透過率を記憶する第１記憶手段と、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を記憶する第２記憶手段と、測定対象の試料に光を照射する光源と、前記光源から光が照射され、測定対象の試料によって反射された反射光を分光して分光反射率を測定する分光反射率測定手段と、前記理論分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正手段と、前記補正手段にて補正された補正後理論分光反射率と前記分光反射率測定手段によって測定された実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、を備える。

また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る膜厚測定装置において、前記第２記憶手段に、異なる膜厚の透明薄膜に応じた複数の理論分光反射率を記憶させ、前記補正手段に、前記複数の理論分光反射率のそれぞれに前記分光透過率を乗じて複数の補正後理論分光反射率を算出させ、前記膜厚算出手段に、前記複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと前記実測分光反射率との差分を求め、得られた複数の差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚とさせている。

また、請求項７の発明は、請求項６の発明に係る膜厚測定装置において、前記膜厚算出手段に、前記複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと前記実測分光反射率との差分に前記分光透過率が高くなるほど重くなるような重み付けを行わせ、得られた複数の重み付き差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚としている。

また、請求項８の発明は、請求項５から請求項７のいずれかの発明に係る膜厚測定装置において、前記分光透過率における所定の閾値以上の透過率を有する波長域を膜厚算出のときの測定波長域として選定する波長域選定手段をさらに備える。

また、請求項９の発明は、基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、前記透明薄膜の分光透過率を記憶する第１記憶手段と、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を記憶する第２記憶手段と、測定対象の試料に光を照射する光源と、前記光源から光が照射され、測定対象の試料によって反射された反射光を分光して分光反射率を測定する分光反射率測定手段と、前記分光反射率測定手段によって測定された実測分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正手段と、前記補正手段にて補正された補正後実測分光反射率と前記理論分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、を備える。

また、請求項１０の発明は、基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、前記試料の薄膜形成面に光を照射する第１光源と、前記試料の前記薄膜形成面とは反対側面に光を照射する第２光源と、前記第２光源から照射されて前記基板および前記透明薄膜を透過した透過光を分光して前記透明薄膜の分光透過率を測定するとともに、前記第１光源から照射されて前記試料によって反射された反射光を分光して分光反射率を測定する分光手段と、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を記憶する記憶手段と、前記理論分光反射率を前記分光手段によって測定された前記分光透過率によって補正する補正手段と、前記補正手段にて補正された補正後理論分光反射率と前記分光手段によって測定された実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、を備える。

請求項１の発明によれば、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を分光透過率によって補正した補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出しているため、理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消され、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる。

また、請求項２の発明によれば、分光透過率に応じた重みを付けて、補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出しているため、分光透過率に応じた信頼性を加味した比較を行うことができ、より正確な膜厚測定を行うことができる。

また、請求項３の発明によれば、分光透過率における所定の閾値以上の透過率を有する波長域を測定波長域として選定するため、測定波長域を広くして膜厚測定精度を向上させることができる。

また、請求項４の発明によれば、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率と分光透過率によって補正した補正後実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出しているため、理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消され、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる。

また、請求項５の発明によれば、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を分光透過率によって補正した補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出しているため、理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消され、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる。

また、請求項６の発明によれば、複数の理論分光反射率のそれぞれに分光透過率を乗じて複数の補正後理論分光反射率を算出し、それら複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと実測分光反射率との差分を求め、得られた複数の差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚としているため、理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消されて両者の差分に含まれる誤差が大幅に低減され、二次曲線近似の精度が高くなり、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる。

また、請求項７の発明によれば、複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと実測分光反射率との差分に分光透過率が高くなるほど重くなるような重み付けを行い、得られた複数の重み付き差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚としているため、透過率が高く信頼性の高い差分ほど評価が高くなり、より正確な膜厚測定を行うことができる。

また、請求項８の発明によれば、分光透過率における所定の閾値以上の透過率を有する波長域を膜厚算出のときの測定波長域として選定するため、測定波長域を広くして膜厚測定精度を向上させることができる。

また、請求項９の発明によれば、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率と分光透過率によって補正した補正後実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出しているため、理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消され、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる。

また、請求項１０の発明によれば、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を分光透過率によって補正した補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出しているため、理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消され、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜１．第１実施形態＞
図１は、本発明に係る膜厚測定装置の構成を示す図である。この膜厚測定装置は、第１照明光学系１０と、第２照明光学系２０と、結像光学系３０とを備えている。第１照明光学系１０は、白色光を出射するハロゲンランプ１１と照明レンズ１２とを備える。照明レンズ１２は例えばコンデンサーレンズの組み合わせで構成されており、当該コンデンサーレンズには図示を省略する視野絞り等が付設されている。ハロゲンランプ１１から出射された光は照明レンズ１２を介して結像光学系３０に入射される。

結像光学系３０は、対物レンズ３１、ハーフミラー３２および結像レンズ３３にて構成される。第１照明光学系１０からの照明光はハーフミラー３２によって反射され、対物レンズ３１を介してサンプルステージ５上に載置された試料１の上面に照射される。なお、試料１は半導体基板や液晶表示装置用ガラス基板等の基板上に有色の透明薄膜であるカラーフィルタが形成されたものである。すなわち、第１照明光学系１０からは試料１の薄膜形成面に光が照射されることとなる。

サンプルステージ５は、その中央部に開口を有する試料載置台である。サンプルステージ５には、図示を省略するＸＹ駆動機構が付設されており、試料１を載置しつつ水平面内のＸ方向およびＹ方向に移動することが可能である。なお、サンプルステージ５としては中央部に開口を有しつつも試料１を載置可能なものであれば良く、例えば試料１の周縁部を保持する枠体のようなものであっても良い。

一方、第２照明光学系２０はサンプルステージ５を挟んで結像光学系３０と反対側に配置されている。第２照明光学系２０は、白色光を出射するハロゲンランプ２１と照明レンズ２２とを備える。ハロゲンランプ２１の出射光の分光特性はハロゲンランプ１１と同じものであることが望ましい。もしくはハロゲンランプ１１および２１を１つのハロゲンランプで構成し、光ファイバー等で別々に導光するようにしてもよい。また、照明レンズ２２は集光機能を有するレンズ系であり、ハロゲンランプ２１から出射された光は照明レンズ２２を介して集光され、サンプルステージ５の開口を通過して試料１の裏面、つまり試料１の薄膜形成面とは反対側面に照射される。

第１照明光学系１０から照射されて試料１の上面で反射された光および第２照明光学系２０から照射されて試料１を透過した光は、対物レンズ３１、ハーフミラー３２および結像レンズ３３を介して結像光学系３０の光軸上の所定位置に集光される。この集光位置の近傍に分光ユニット４０の入射用ピンホールが位置するように、分光ユニット４０が配置されている。

分光ユニット４０は、入射光を分光する凹面回折格子４１と、凹面回折格子４１により回折された回折光の分光スペクトルを検出する光検出器４２とで構成されている。光検出器４２は、例えばフォトダイオードアレイやＣＣＤ等により構成されている。これにより、結像光学系３０によって集光され、分光ユニット４０に入射した光は凹面回折格子４１によって分光され、その光の分光スペクトルに対応した信号が光検出器４２から演算部５０に伝達される。

図２は、演算部５０の構成を示すブロック図である。演算部５０は、分光ユニット４０から受診した分光スペクトル情報に基づいて試料１のカラーフィルタの膜厚を算出する。演算部５０は、一般的なコンピュータと同様のハードウェア構成を有しており、各種演算処理を実行するＣＰＵ５１と、基本プログラム等を記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ５２と、ＣＰＵ５１の作業領域として機能する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ５３と、プログラムや各種データを記憶する磁気ディスク５４とを備えている。また、ＣＰＵ５１は、図示を省略する入出力インターフェイスを介してキーボード６０、ＣＲＴ６１、プリンター６２および上記の光検出器４２と接続されている。膜厚測定装置のオペレータはキーボード６０から種々のコマンドやパラメータを演算部５０入力することができるとともに、ＣＲＴ６１やプリンター６２から出力される演算結果を確認することができる。さらに、ハロゲンランプ１１およびハロゲンランプ２１にはそれぞれランプ電源が付設され、サンプルステージ５にはＸＹ駆動回路が付設されており（いずれも図示省略）、演算部５０のＣＰＵ５１はそれらとも電気的に接続されている。なお、図２に示した補正部５５、膜厚算出部５６および測定波長域選定部５７は、いずれもＣＰＵ５１が所定の処理プログラムを実行することによって実現される処理部であり、その処理内容の詳細についてはさらに後述する。

次に、本発明に係る膜厚測定方法の処理手順について説明する。図３は、本発明に係る膜厚測定方法の処理手順を示すフローチャートである。ここでは、基板上に有色の透明薄膜であるグリーンのカラーフィルタが形成された試料１に光を照射して得られる分光反射率から該カラーフィルタの膜厚を測定する手順を説明する。なお、グリーンフィルタに限らず、ブルーフィルタやレッドフィルタ等の他色のカラーフィルタについても同様の手順にて膜厚が測定されることは勿論である。

まず、所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として算定される理論分光反射率を取得する（ステップＳ１）。この理論分光反射率は、測定対象となるカラーフィルタが形成されている基板と同じ基板上に所定膜厚ｄの無色透明薄膜が形成されているものとし、その無色透明薄膜の上面に第１照明光学系１０から白色光が入射されるという条件下で計算によって求められる分光反射率である。なお、本明細書において「反射率」とは厳密には基板上に透明薄膜が形成されていない（膜厚がゼロ）場合の反射強度に対する反射強度比率、すなわち相対反射率である。

理論分光反射率は、測定対象となるカラーフィルタの膜厚のオーダーに応じた一定範囲内（例えば、測定対象カラーフィルタの膜厚が数百ｎｍと予想されるときには１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲）で等ピッチ（例えば、１０ｎｍピッチ）にて設定された異なる膜厚ｄの無色透明薄膜についてそれぞれ算定される。透明薄膜では光の干渉が生じるため、光が相互に強めあう波長では反射率が高くなり、弱めあう波長では反射率が低くなる。そして、光の干渉を生じる条件は透明薄膜の膜厚によって定まるため、膜厚によって理論分光反射率のパターンが異なることとなる。このため、異なる膜厚のそれぞれについての光の干渉条件に基づいて理論分光反射率が算定される。

図４は、異なる膜厚の無色透明薄膜について算定された理論分光反射率を例示する図である。図４（ａ）は比較的膜厚の厚い透明薄膜の理論分光反射率であり、（ｂ）は比較的膜厚の薄い透明薄膜の理論分光反射率である。図４に示すように、膜厚が薄くなるほど理論分光反射率のパターンの周期が低くなる。つまり、一定の波長域内における理論分光反射率の山谷が少なくなる。このような予め算定された異なる膜厚の透明薄膜に応じた複数の理論分光反射率のデータは磁気ディスク５４に記憶される。

次に、ステップＳ２に進み、測定対象としているカラーフィルタの分光透過率を取得する。カラーフィルタの分光透過率は図１の膜厚測定装置にて直接測定するようにしても良いし、予め測定されたものを使用するようにしても良い。すなわち、可視光全域に対して透明なガラス基板上にカラーフィルタが形成されている場合には第２照明光学系２０を利用した分光透過率の直接測定を行い、可視光に対して不透明なシリコン基板上にカラーフィルタが形成されている場合には予め測定しておいた分光透過率を使用する。

ガラス基板上にカラーフィルタが形成されている場合にはその基板自体が光をほぼ完全に透過するため分光透過率の直接測定が可能であり、このときには第２照明光学系２０から照射されて試料１（つまり基板およびカラーフィルタ）を透過した光を結像光学系３０によって集光し、その光を分光ユニット４０によって分光することによりカラーフィルタの分光透過率を測定する。分光ユニット４０によって測定された分光透過率は演算部５０に伝達され、磁気ディスク５４に記憶される。

一方、シリコン基板上にカラーフィルタが形成されている場合には、基板自体が光を透過しないため分光透過率の直接測定が不可能であり、測定対象のカラーフィルタと同じ材質で同程度の厚さを有するカラーフィルタを形成した透明基板（例えばガラス基板）を使用して予め分光透過率を測定しておく。このようなモニター用試料を使用したカラーフィルタの分光透過率の測定は本実施形態の膜厚測定装置により行っても良いし、他の分光透過率測定専用の装置を使用しても良い。測定手法は、上述した直接測定と同じであり、得られた分光透過率のデータは所定の通信回線または記録媒体を介して演算部５０に取り込まれ、磁気ディスク５４に記憶される。なお、本実施形態では、複数の理論分光反射率のデータおよび分光透過率のデータの双方を磁気ディスク５４に記憶させるようにしているが、いずれか一方を異なる記憶装置（例えばＲＡＭ５３）に記憶させるようにしても良い。

図５は、カラーフィルタの分光透過率を例示する図である。カラーフィルタは特定波長域の光のみを選択的に透過するという特性を基本的に有しており、図５に示すように、グリーンのカラーフィルタの場合概ね４８０ｎｍ〜６００ｎｍの波長域の光を透過する。その波長域の中でも光をほぼ完全に透過（透過率約１００％）する頂上フラット部の波長域幅は４０ｎｍ〜５０ｎｍであり、その他の部分は透過光量が減衰（透過率が０％から１００％の間で推移）するスロープ部となる。なお、本明細書での分光透過率は分光した測定範囲内での最大値を１００％としたときの相対値である。

スロープ部のような透過光量が低下する波長域にて膜厚測定を行うと理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が大きくなるため測定誤差の原因となる。本発明では、後述するような手法によってその乖離を小さくしているのであるが、そのようにしてもなるべく透過率の大きな波長域にて測定を行う方が好ましい。このため、図５の如き分光透過率において一定の閾値以上の透過率を有する波長域を膜厚測定のための測定波長域として選定する（ステップＳ３）。

この測定波長域の選定は、膜厚測定装置のオペレータが手動にて行うようにしても良いし、予め設定された閾値に基づいて装置が自動的に行うようにしても良い。手動で行う場合には、ＣＲＴ６１に表示された図５の如き分光透過率を見ながらオペレータが適当な測定波長域を選定してその波長域をキーボード６０から入力する。この場合、測定波長域の幅と透過率とのバランスを考慮した選定を行うことができる。一方、自動で選定する場合には、測定波長域選定部５７が予め設定された閾値以上となる透過率データを図５の如き分光透過率のデータから求め、それに対応する波長域を測定波長域として選定する。また、ＣＲＴ６１に表示された図５の如き分光透過率を見ながらオペレータが適当な閾値をキーボード６０から入力し、その閾値以上となる透過率データに対応する波長域を測定波長域選定部５７が測定波長域として選定するようにしても良い。

測定波長域の幅が大きくなるほど理論分光反射率と実測分光反射率との差分算定の精度が高くなる一方で透過率低下に起因した誤差が大きくなる。このため、手動または自動のいずれで選定を行うにしても、それらのバランスを考慮した測定波長域の選定が必要である。本実施形態では、予め設定された閾値に基づいて測定波長域選定部５７が測定波長域を自動的に選定しており、図５の分光透過率のうち透過率７０％以上となる波長域（概ね５００ｎｍ〜５７０ｎｍ）を膜厚測定のための測定波長域として選定している。なお、選定した測定波長域は例えばＲＡＭ５３に一時的に記憶させておく。

次に、ステップＳ４に進み、図１に示した膜厚測定装置によって試料１の分光反射率を実測する。このときには、第１照明光学系１０から照射されて試料１の上面にて反射された反射光を結像光学系３０によって集光し、その光を分光ユニット４０によって分光することにより試料１の分光反射率を測定する。分光ユニット４０によって測定された実測分光透過率は演算部５０に伝達される。

図６は、試料１の実測分光反射率の一例を示す図である。実測分光反射率には、透明薄膜での光の干渉に起因した反射率ピークが現出する。試料１の透明薄膜がカラーフィルタではなく無色の透明薄膜であれば、図４に示した理論分光反射率のような周期的なピークの繰り返しが実測分光反射率にも現出するはずであるが、カラーフィルタは特定波長域の光のみを選択的に透過するため、図６に示す如く特定波長域のみにおいて反射率のピークが現出する。また、特定波長域内であっても透過率がほぼ１００％となる波長域では理論分光反射率と同じような反射率特性が得られるのであるが、それ以外の波長域では透過率が低下するに従って理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が大きくなる。測定された試料１の実測分光反射率は例えばＲＡＭ５３に一時的に記憶される。なお、本実施形態では可視光全域の広い波長域に渡って実測分光反射率の測定を行っているが、上記分光透過率に基づいて選定された測定波長域についてのみ実測分光反射率を測定するようにしても良い。

次に、ステップＳ７に進み、磁気ディスク５４に格納した理論分光反射率を分光透過率によって補正する。このときには、上記分光透過率に基づいて選定された測定波長域の範囲内で補正を行う。また、異なる膜厚の透明薄膜に応じた複数の理論分光反射率のそれぞれについて補正を行う。具体的には、補正部５５が次の数１に従って理論分光反射率の補正を行う。

数１において、Ｒ（λ）は波長λでの理論分光反射率の値であり、Ｔ（λ）は波長λでの分光透過率の値（厳密には透過率１００％を１として正規化した値）であり、Ｒ'（λ）は補正後の波長λでの理論分光反射率の値である。すなわち、補正部５５は、理論分光反射率Ｒ（λ）に分光透過率Ｔ（λ）を乗じることによって補正後理論分光反射率Ｒ'（λ）を算出しているのである。

図７は、分光透過率による理論分光反射率の補正を概念的に説明する図である。同図中上側図の実線が補正前の理論分光反射率を示し、点線が補正後の理論分光反射率を示す。上述したように、分光透過率には透過率がほぼ１００％となる頂上フラット部と透過率が０％から１００％の間で推移するスロープ部とがあり、頂上フラット部に対応する波長域では理論分光反射率と補正後理論分光反射率とがほぼ同じ値となる。一方、分光透過率のスロープ部に対応する波長域では、補正後理論分光反射率の方が補正前よりも分光透過率の値に応じて低下する。補正部５５は、このような補正を異なる膜厚の透明薄膜に応じて求められた複数の理論分光反射率のそれぞれについて行い、複数の補正後理論分光反射率を算定する。なお、本実施形態では分光透過率のうち透過率７０％以上となる波長域を膜厚測定のための測定波長域として選定しているため、補正による低下率の最大値は３０％程度である。

次に、ステップＳ６に進み、膜厚算出部５６が補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較することによって測定対象となっているカラーフィルタの膜厚を算出する。具体的には、まず、膜厚算出部５６がステップＳ４にて測定された実測分光反射率と膜厚ｄの透明薄膜についての補正後理論分光反射率との差分Ｄ（ｄ）を次の数２に従って算出する。

数２において、Ｒ'（λ,ｄ）は膜厚ｄの透明薄膜についての波長λでの補正後理論分光反射率の値であり、Ｓ（λ）は波長λでの実測分光反射率の値である。なお、数２の積分範囲は上記分光透過率に基づいてステップＳ３にて選定された測定波長域である。また、Ｒ'（λ,ｄ）とＳ（λ）との差の２乗値を計算するのに代えて絶対値を計算するようにしても良い。膜厚算出部５６は、異なる膜厚の透明薄膜についての複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと実測分光反射率との差分を数２に従って算出する。

続いて、膜厚算出部５６は、上記のようにして得られた複数の差分値にカーブフィット法を適用して差分が最も小さくなる膜厚値を求め、その膜厚値を測定対象のカラーフィルタの膜厚とする。具体的には、膜厚算出部５６が実測分光反射率と異なる膜厚の透明薄膜についての複数の補正後理論分光反射率のそれぞれとの差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象のカラーフィルタの膜厚とするのである。

図８は、膜厚測定のための二次曲線近似を概念的に示す図である。図８の例では、実測分光反射率と膜厚ｄ₁〜ｄ₅の透明薄膜についての複数の補正後理論分光反射率のそれぞれとの差分Ｄ（ｄ₁）〜Ｄ（ｄ₅）を二次曲線近似することによって最小差分値Ｄ_minを求め、その最小差分値Ｄ_minに対応する膜厚値ｄ_xを算出している。そして、膜厚算出部５６は、この膜厚値ｄ_xを測定対象のカラーフィルタの膜厚とする。算定された膜厚値は測定結果としてＣＲＴ６１に表示され、必要に応じてプリンター６２から出力される。

以上のように、第１実施形態では、理論分光反射率を分光透過率によって補正した補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較して測定対象のカラーフィルタの膜厚算定を行っている。既述したように、カラーフィルタは特定波長域の光のみを選択的に透過するものであり、膜厚値が同じという条件下であれば、透過率がほぼ１００％となる頂上フラット部の波長域では理論分光反射率と実測分光反射率とは一致するのであるが、それ以外の波長域では透過率が低下するに従って理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が大きくなる。つまり、透過率がほぼ１００％となる頂上フラット部の波長域では理論分光反射率と実測分光反射率との差分が正確なものとなるが、透過率が低くなるに従ってその波長域での理論分光反射率と実測分光反射率との差分に誤差が多く含まれることとなる。従って、そのような誤差を低減するためには、なるべく透過率がほぼ１００％となる頂上フラット部のみを測定波長域とすることが好ましい。その一方、膜厚算定のためのカーブフィット法の精度を高くするには、測定波長域をなるべく広くして理論分光反射率と実測分光反射率との差分を計算する方が好ましい。特に、カラーフィルタの膜厚が薄い場合には分光反射率の波形がなだらか（低周波波形）となるため、測定波長域をできる限り広くすることがカーブフィット法の精度を高める重要なポイントとなる。

第１実施形態では、分光透過率によって理論分光反射率を補正することにより、上記のような相矛盾するが如き２つの要求を満足しているのである。すなわち、理論分光反射率に分光透過率を乗じた補正を行えば、その補正を行った波長域では理論分光反射率と実測分光反射率との乖離が解消されて両者の差分に含まれる誤差が大幅に低減され、しかも測定波長域を頂上フラット部を超えて広く設定することができるのである。その結果、膜厚算定のためのカーブフィット法の精度が高くなり、より正確な膜厚測定を行うことができるのである。

このことをさらに敷衍すれば、分光透過率を加味した理論分光反射率を用いることにより、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができるのである。特に、カラーフィルタの膜厚が薄くなった場合でも測定波長域を広く設定することができるため、膜厚算定のためのカーブフィット法の精度を向上させることができる。

＜２．第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の膜厚測定装置の装置構成は、図１，２に示した第１実施形態のものと同じであり、その膜厚測定方法の処理手順も概ね第１実施形態と同じである。第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、カラーフィルタの膜厚を算出する際に、理論分光反射率と実測分光反射率との差分に分光透過率に応じた重み付けを行っている点である。

第２実施形態においてカラーフィルタの膜厚を測定するときにも上述した図３のステップＳ１〜Ｓ５と全く同じ処理が行われる。そして、ステップＳ６に進み、膜厚算出部５６が補正後理論分光反射率と実測分光反射率とを比較することによって測定対象となっているカラーフィルタの膜厚を算出するのであるが、このときに分光透過率に応じた重みを付けを行っている。具体的には、膜厚算出部５６が実測分光反射率と膜厚ｄの透明薄膜についての補正後理論分光反射率との重み付き差分Ｄ'（ｄ）を次の数３に従って算出する。

数３において、Ｒ'（λ,ｄ）は膜厚ｄの透明薄膜についての波長λでの補正後理論分光反射率の値であり、Ｓ（λ）は波長λでの実測分光反射率の値であり、Ｔ（λ）は波長λでの分光透過率の値である。なお、上述したように、分光透過率Ｔ（λ）は透過率１００％を１として正規化した値である。また、数３の積分範囲はステップＳ３にて選定された測定波長域である。

数３によれば、膜厚算出部５６は、補正後理論分光反射率Ｒ'（λ,ｄ）と実測分光反射率Ｓ（λ）との差の２乗値にさらに分光透過率Ｔ（λ）を乗じた値を積分している。分光透過率Ｔ（λ）は透過率１００％を１として正規化した値であるため、数３においては、補正後理論分光反射率Ｒ'（λ,ｄ）と実測分光反射率Ｓ（λ）との差分値に分光透過率Ｔ（λ）が高くなるほど重くなるような重み付けを行っているのである。すなわち、透過率がほぼ１００％となる頂上フラット部に対応する波長域の差分の方が透過率が０％から１００％の間で推移するスロープ部に対応する波長域の差分よりも加重評価されることとなる。なお、上記第１実施形態と同じように膜厚算出部５６は、異なる膜厚の透明薄膜についての複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと実測分光反射率との重み付き差分を数３に従って算出する。

膜厚算出部５６は、上記のようにして得られた複数の重み付き差分値にカーブフィット法を適用して差分が最も小さくなる膜厚値を求め、その膜厚値を測定対象のカラーフィルタの膜厚とする。すなわち、上記第１実施形態と同様に、得られた複数の重み付き差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象のカラーフィルタの膜厚としているのである。

第２実施形態においては、補正後理論分光反射率と実測分光反射率との差分値に分光透過率が高くなるほど重くなるような重み付けを行っている。第１実施形態のようにすれば分光透過率において透過率が低くなる波長域での理論分光反射率と実測分光反射率との差分に含まれる誤差を大幅に低減することができるのであるが、それでもなお透過率がほぼ１００％となる頂上フラット部の波長域での理論分光反射率と実測分光反射率との差分の方が信頼性が高い。このため、第２実施形態では、そのような信頼性の高い差分を重く評価するとともに、透過率が低下して信頼性の低い差分ほど評価を低くするようにしている。第２実施形態のようにすれば、膜厚算定のためのカーブフィット法の精度がさらに高くなり、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚をより正確に測定することができるのである。

＜３．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は上記の例に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態においては、複数の理論分光反射率のそれぞれを分光透過率によって補正するようにしていたが、これに代えて実測分光反射率を分光透過率によって補正するようにしても良い。具体的には、補正部５５が、実測分光反射率を分光透過率によって除することにより補正後実測分光反射率を算出する。その後、膜厚算出部５６が理論分光反射率と補正後実測分光反射率とを比較することによって測定対象となっているカラーフィルタの膜厚を算出する。このときの比較手法は、上記実施形態と同じである。このようにしても、その補正を行った波長域では理論分光反射率と実測分光反射率との差分に含まれる誤差が大幅に低減され、膜厚算定のためのカーブフィット法の精度が高くなり、より正確な膜厚測定を行うことができるのである。

すなわち、カラーフィルタの透過率が低下するに従って大きくなる理論分光反射率と実測分光反射率との乖離を解消するように、理論分光反射率または実測分光反射率のいずれか一方を分光透過率によって補正すれば、理論分光反射率と実測分光反射率との差分に含まれる誤差が低減され、カラーフィルタのように特定波長域の光を選択的に透過する透明薄膜であってもその膜厚を正確に測定することができるのである。

また、上記実施形態においては、分光透過率と理論分光反射率とを別個に取得して補正を行うようにしていたが、カラーフィルタの種類が既知であってその分光透過率および理論分光反射率が既に求められているのであれば、予め分光透過率によって補正した補正後理論分光反射率を磁気ディスク５４に記憶させておくようにしても良い。

また、上記実施形態においては、カラーフィルタの膜厚を測定していたが、カラーフィルタに限らず可視光域において透過率が均一でない透明薄膜の膜厚を測定する場合であっても本発明に係る技術を適用することができる。

本発明の活用例として、カラーＣＣＤの製造工程において半導体基板上に形成されたカラーフィルタの膜厚を測定することやプロジェクターの製造工程において液晶ガラス基板上に形成されたカラーフィルタの膜厚を測定すること等が挙げられる。

本発明に係る膜厚測定装置の構成を示す図である。 図１の膜厚測定装置の演算部の構成を示すブロック図である。 本発明に係る膜厚測定方法の処理手順を示すフローチャートである。 異なる膜厚の透明薄膜について算定された理論分光反射率を例示する図である。 カラーフィルタの分光透過率を例示する図である。 測定対象の試料の実測分光反射率の一例を示す図である。 分光透過率による理論分光反射率の補正を概念的に説明する図である。 膜厚測定のための二次曲線近似を概念的に示す図である。 カラーフィルタの光透過特性を示す図である。 図９のカラーフィルタを形成した基板から得られる分光反射率を示す図である。

符号の説明

１ 試料
５ サンプルステージ
１０ 第１照明光学系
１１，２１ ハロゲンランプ
２０ 第２照明光学系
３０ 結像光学系
３２ ハーフミラー
４０ 分光ユニット
５０ 演算部
５４ 磁気ディスク
５５ 補正部
５６ 膜厚算出部
５７ 測定波長域選定部

Claims (10)

1. 基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
   前記透明薄膜の分光透過率を取得する分光透過率取得工程と、
   前記試料に光を照射し、前記試料から反射された反射光を分光して分光反射率を実測する分光反射率測定工程と、
   所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正工程と、
   前記補正工程にて補正された補正後理論分光反射率と前記分光反射率測定工程にて測定された実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出工程と、
   を備えることを特徴とする膜厚測定方法。
2. 請求項１記載の膜厚測定方法において、
   前記膜厚算出工程は、前記分光透過率に応じた重みを付けて、前記補正後理論分光反射率と前記実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出することを特徴とする膜厚測定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の膜厚測定方法において、
   前記分光透過率における所定の閾値以上の透過率を有する波長域を前記膜厚算出工程における測定波長域として選定する工程をさらに備えることを特徴とする膜厚測定方法。
4. 基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
   前記透明薄膜の分光透過率を取得する分光透過率取得工程と、
   前記試料に光を照射し、前記試料から反射された反射光を分光して分光反射率を実測する分光反射率測定工程と、
   前記分光反射率測定工程にて測定された実測分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正工程と、
   所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率と前記補正工程にて補正された補正後実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出工程と、
   を備えることを特徴とする膜厚測定方法。
5. 基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
   前記透明薄膜の分光透過率を記憶する第１記憶手段と、
   所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を記憶する第２記憶手段と、
   測定対象の試料に光を照射する光源と、
   前記光源から光が照射され、測定対象の試料によって反射された反射光を分光して分光反射率を測定する分光反射率測定手段と、
   前記理論分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正手段と、
   前記補正手段にて補正された補正後理論分光反射率と前記分光反射率測定手段によって測定された実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、
   を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
6. 請求項５記載の膜厚測定装置において、
   前記第２記憶手段は、異なる膜厚の透明薄膜に応じた複数の理論分光反射率を記憶し、
   前記補正手段は、前記複数の理論分光反射率のそれぞれに前記分光透過率を乗じて複数の補正後理論分光反射率を算出し、
   前記膜厚算出手段は、前記複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと前記実測分光反射率との差分を求め、得られた複数の差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚とすることを特徴とする膜厚測定装置。
7. 請求項６記載の膜厚測定装置において、
   前記膜厚算出手段は、前記複数の補正後理論分光反射率のそれぞれと前記実測分光反射率との差分に前記分光透過率が高くなるほど重くなるような重み付けを行い、得られた複数の重み付き差分を二次曲線近似したときの最小値を示す膜厚値を測定対象の透明薄膜の膜厚とすることを特徴とする膜厚測定装置。
8. 請求項５から請求項７のいずれかに記載の膜厚測定装置において、
   前記分光透過率における所定の閾値以上の透過率を有する波長域を膜厚算出のときの測定波長域として選定する波長域選定手段をさらに備えることを特徴とする膜厚測定装置。
9. 基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
   前記透明薄膜の分光透過率を記憶する第１記憶手段と、
   所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を記憶する第２記憶手段と、
   測定対象の試料に光を照射する光源と、
   前記光源から光が照射され、測定対象の試料によって反射された反射光を分光して分光反射率を測定する分光反射率測定手段と、
   前記分光反射率測定手段によって測定された実測分光反射率を前記分光透過率によって補正する補正手段と、
   前記補正手段にて補正された補正後実測分光反射率と前記理論分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、
   を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
10. 基板上に透明薄膜が形成された試料に光を照射して得られた分光反射率から前記透明薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
    前記試料の薄膜形成面に光を照射する第１光源と、
    前記試料の前記薄膜形成面とは反対側面に光を照射する第２光源と、
    前記第２光源から照射されて前記基板および前記透明薄膜を透過した透過光を分光して前記透明薄膜の分光透過率を測定するとともに、前記第１光源から照射されて前記試料によって反射された反射光を分光して分光反射率を測定する分光手段と、
    所定膜厚を有する透明薄膜を基板上に形成した試料の分光反射率として予め算定された理論分光反射率を記憶する記憶手段と、
    前記理論分光反射率を前記分光手段によって測定された前記分光透過率によって補正する補正手段と、
    前記補正手段にて補正された補正後理論分光反射率と前記分光手段によって測定された実測分光反射率とを比較して測定対象の透明薄膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、
    を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
    

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