JP2005265792A - 膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の反射光を検出する測定系をそのままリファレンスサンプルの測定に適用してリファレンスサンプリングを人手を介すること無く自動で行うことができ、光源を含む測定系に経時変化があっても所望の測定精度下での連続測定を長期間行うことができる膜厚測定装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ１が予め設定した間隔時間の経過時にリニアスライダ５を制御して測定プローブ８をリファレンスサンプル２０ａの測定位置に移動させて、前記分光器が出力した分光データをＲＡＭ２に記憶させるリファレンスサンプリングを行う。ＣＰＵ１はＲＡＭ２に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化分に基づき較正した上で膜厚測定を行う。間隔時間はユーザが入力した間隔時間又は測定精度に基づきＣＰＵ１が決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、較正機能を有した膜厚測定装置に関する。

特定光源の光を測定対象の膜に照射し、その反射光を解析することにより膜厚を算出する膜厚測定装置が利用されている。
従来、このような膜厚測定装置の中には、リファレンスサンプルのデータを保存して繰り返し利用する記憶手段を有したものがある（例えば、特許文献１段落0051）。
しかし通常は、光源の経時変化による狂いを直すため、リファレンスサンプルを再測定し、データを取る必要がある。
特許文献１記載の膜厚測定装置は、測定対象物の反射光を検出するための測定光学系とは別に、アッテネータ（同文献中符号：１０）、光ファイバ（同文献中符号：２´）及び第２のＣＣＤ（同文献中符号：５６）を設け、これらを用いて光源の光量変化を測定して光源の較正を行うことにより（同文献段落0055、ステップＳ４、図６フローチャート参照）、リファレンスサンプルの再測定を不要とした。
また、特許文献１記載の膜厚測定装置は、ステップＳ４の較正を較正完了から１時間が経過した後に較正開始命令を受信した時に、自動的に実行している（同文献段落0061）。
特開２００２−３２８００９号公報

しかし、特許文献１記載の膜厚測定装置にあっては、測定対象物の反射光を検出するための測定光学系とは別に光源光量検出のための光学系が必要となるとともに、これら２つの光学系の特性が同じになるように調整することが不可欠になる（同文献0050）。また、特許文献１記載の膜厚測定装置にあっては、較正の対象が光源のみとなり、光源、受光素子等の光学部品すべてを含む測定系全体の較正を直接行えない。
そこで、本発明としては、測定対象の反射光を検出する測定系をそのままリファレンスサンプルの測定に適用して、光源を含む測定系の経時変化を検出することとする。
しかし、初期設定時やその後の較正命令の受信時に較正処理を行っていては、較正処理が長期間実施されずに許容できない測定誤差が発生することを防ぎきれない。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、特定光源の光を測定対象の膜に照射し、その反射光を解析することにより膜厚を算出する膜厚測定装置において、測定対象物の反射光を検出する測定系をそのままリファレンスサンプルの測定に適用してリファレンスサンプリングを人手を介すること無く自動で行うことができ、光源を含む測定系に経時変化があっても所望の測定精度下での連続測定を長期間行うことができる膜厚測定装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、光源と、
前記光源の光を対象物に投光する投光部と、
前記対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した反射光を分光して分光データを出力する分光器と、
前記投光部及び前記受光部を測定対象膜の測定位置とリファレンスサンプルの測定位置とに移動させる移動装置と、
前記リファレンスサンプルの分光データを記憶する記憶装置と、
ユーザの要求に基づき間隔時間を設定する間隔時間設定手段と、
前記間隔時間設定手段が設定した間隔時間の経過時に前記移動装置を制御して前記投光部及び前記受光部を前記リファレンスサンプルの測定位置に移動させて前記リファレンスサンプルを前記対象物とし、前記分光器が出力した分光データを前記記憶装置に記憶させるリファレンス制御手段と、
前記間隔時間設定手段が設定した間隔時間の非経過時に前記測定対象膜を前記対象物とすべく前記移動装置を制御して前記投光部及び前記受光部を前記測定対象膜の測定位置に移動させる測定位置制御手段と、
前記記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化分に基づき較正し、前記測定対象膜を前記対象物として前記分光器が出力した分光データに基づき前記測定対象膜の膜厚を演算する膜厚演算手段とを備えることを特徴とする膜厚測定装置である。

したがって請求項１記載の発明によれば、予め設定された時間間隔で投光部及び受光部をリファレンスサンプルの測定位置に移動させてサンプリングを行うので、測定対象の反射光を検出する測定光学系をそのままリファレンスサンプルの測定に適用してリファレンスサンプリングを人手を介すること無く自動で行うことができる。
また、ユーザの要求に基づき間隔時間を設定し、記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化分に基づき較正して膜厚を演算するので、光源を含む測定系に経時変化があっても所望の測定精度下での連続測定を長期間行うことができる。

請求項２記載の発明は、ユーザからのデータ入力を受けるデータ入力装置を備え、
前記間隔時間設定手段は、前記データ入力装置によりユーザから入力された時間データを前記間隔時間として設定することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項２記載の発明によれば、ユーザの要求を間隔時間そのままの形式で受け付けることができる。

請求項３記載の発明は、前記記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化を表示する表示手段を備えた請求項２記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項３記載の発明によれば、記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化を表示する表示手段を備えるので、ユーザが所望の測定精度を維持するために必要十分なリファレンスサンプリングの間隔時間を計算するに有用な情報をユーザに提供することができる。
表示手段としては、モニタへの画面表示、紙等への印刷が挙げられる。表示形式は、グラフ、数値の羅列、変化量の表示などのいずれでも良い。表示パラメータとしては、光量、色度などが挙げられる。

請求項４記載の発明は、ユーザからのデータ入力を受けるデータ入力装置を備え、
前記間隔時間設定手段は、前記データ入力装置によりユーザから入力された測定精度と、前記記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データとに基づき前記測定精度を維持するために必要な間隔時間を前記間隔時間として設定することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項４記載の発明によれば、ユーザは所望の測定精度を維持するために必要十分なリファレンスサンプリングの間隔時間を計算する必要は無く、測定精度を直接入力すればよい。入力する測定精度は、許容誤差や基準誤差と安全率などどのような形式でも良い。

請求項５記載の発明は、前記測定対象膜を搬送する搬送装置を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一に記載の膜厚測定装置である。

したがって請求項５記載の発明によれば、測定対象膜を搬送する人手も要らないので、無人化された膜厚測定を長期間行うことができる。

上述したように本発明によれば、測定対象物の反射光を検出する測定系をそのままリファレンスサンプルの測定に適用してリファレンスサンプリングを人手を介すること無く自動で行うことができ、光源を含む測定系に経時変化があっても所望の測定精度下での連続測定を長期間行うことができるという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１は本発明一実施形態のオンライン膜厚測定装置の構成図である。
図１に示すように、本実施形態のオンライン膜厚測定装置は、ＣＰＵ１と、ＲＡＭ２と、キーボード３と、画像表示装置４と、リニアスライダ５と、プローブ支持アーム６と、集光レンズ支持アーム７と、測定プローブ８と、集光レンズ９と、キャリブレーション架台１０と、検出ロール１１と、投光用光ファイバーケーブル１２と、受光用光ファイバーケーブル１３と、光源１４と、分光器１５と、スライダ駆動回路１６とを有する。

光源１４に投光用光ファイバーケーブル１２の一端が接続されている。分光器１５に受光用光ファイバーケーブル１３の一端が接続されている。光源１４の光は投光用光ファイバーケーブル１２によって導かれ、投光用光ファイバーケーブル１２の他端から出射する。光源としては、白色光、紫外線等が用いられる。
測定プローブ８は、光源１４からの光が出射する投光用光ファイバーケーブル１２の端部（投光部）と、受光用光ファイバーケーブル１３の反射光を受光する端部（受光部）とを一体に保持している。
投光用光ファイバーケーブル１２の端部から出射した光は、集光レンズ９を介して対象物に当たる。対象物に当たって反射された光は、集光レンズ９を介して、測定プローブ８に保持された受光用光ファイバーケーブル１３の端部に入射する。
測定プローブ８に保持された受光用光ファイバーケーブル１３の端部に入射した光は、受光用光ファイバーケーブル１３に導かれ分光器１５に入射する。

分光器１５は、入射した光を分光して分光データを生成する。生成された分光データは分光器１５からケーブル１７を介してＣＰＵ１へ出力される。ＣＰＵ１上では、後述する動作を実現するプログラムが実行される。

測定プローブ８及び集光レンズ９はそれぞれ、プローブ支持アーム６、集光レンズ支持アーム７によりリニアスライダ５に支持され、リニアスライダ５は測定プローブ８及び集光レンズ９を１軸方向（図中Ｘ軸方向）に移動させる。スライダ駆動回路１５はケーブル１８を介してＣＰＵ１から入力される命令（座標信号）に従ってリニアスライダ５を駆動する。測定プローブ８及び集光レンズ９の移動範囲には、キャリブレーション架台１０と、検出ロール１１が異なるＸ座標に配置されている。
キャリブレーション架台１０には、数種のリファレンスサンプル２０ａ，ｂ，ｃ・・・が載置されている。リファレンスサンプル２０は、ＳｉやＳｉＯ２など安定した物性のものが適用される。その他何種類あっても良い。
検出ロール１１には、複数の溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・が周設されている。図示しない成膜ライン上に成膜ベース材１９を搬送する搬送装置が構成されており、成膜ベース材１９上に膜を生成する成膜工程の下流に検出ロール１１が配置されている。膜（図示せず）を表面に保持した成膜ベース材１９が検出ロール１１上に支持され、搬送装置の動作とともに検出ロール１１上を通過する。

次に、本実施形態の一動作例につき説明する。
まず、測定開始前に、キーボード３を介してユーザからＣＰＵ１へ成膜ベース材１９上の測定箇所と測定間隔時間等の測定条件が入力される。測定箇所は、通常溝部２１ａ，ｂ，ｃ・・・上とされる。さらに、キーボード３を介してユーザからＣＰＵ１へリファレンス間隔時間及びリファレンスサンプル種（例えば、リファレンスサンプル２０ａとする）が入力される。ＣＰＵ１はＲＡＭ２にユーザからの入力情報を記憶させる。

次に、キーボード３を介してユーザからＣＰＵ１へ測定開始信号が入力されると、ＣＰＵ１は、リニアスライダ５を制御して測定プローブ８及び集光レンズ９をリファレンスサンプル２０ａの測定位置まで移動させ、分光器１５が出力する分光データを受け取り、ＲＡＭ２に記憶させる。これをリファレンスサンプリングと呼ぶ。リファレンスサンプリングれと同時にリファレンス間隔時間のカウントを開始する。

ＣＰＵ１は、リファレンス間隔時間が経過するまで、ユーザが入力した測定条件に従って成膜ベース材１９上の膜の膜厚を測定する。すなわち、ＣＰＵ１はリニアスライダ５を制御して測定プローブ８及び集光レンズ９を成膜ベース材１９上の膜の測定箇所まで移動させては、分光器１５が出力する分光データを受け取り、この分光データに基づき膜厚を演算する。ＣＰＵ１は演算した膜厚を画像表示装置４に出力するとともに、ＲＡＭ２に記憶させる。

ＣＰＵ１は、リファレンス間隔時間が経過すると、リファレンスサンプリングを行い、前回のリファレンスサンプルの分光データとの変化分を算出し、その変化分による測定誤差が生じないように較正する。すなわち、ＣＰＵ１は、分光データとの変化分の影響が生じないように膜厚演算を補正する。その後、次のリファレンスサンプリングまで膜厚測定を行う。次のリファレンスサンプリング以降は、リファレンスサンプリング、較正、膜厚測定の順でこれらを繰り返す。
したがって、膜厚測定が永遠と行われ、その過程で定期的に経時変化による測定値への影響を除去するように較正するので、所望の測定精度下での連続測定を長期間行うことができる。ユーザは、測定精度を上げたい場合は、より短いリファレンス間隔時間を入力すればよい。

本膜厚測定装置に採用される測定原理においては、光源の光量及び波長シフト量の変化が膜厚測定精度に影響を与える。
ＣＰＵ１は、ＲＡＭ２に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データに基づき、光源の光量経時変化のグラフと、色度経時変化のグラフを生成して画像表示装置４に表示する。色度値（ｘ値、ｙ値）は色彩計により得る。図２は、画像表示装置４に表示される白色光源の光量経時変化グラフの一例であり、図３は、画像表示装置４に表示される白色光源の色度経時変化グラフの一例である。

図４は、白色光量変化に対する膜厚値の変化を示すグラフである。図４のグラフは、白色光量を変化させて同一測定対象膜の膜厚を測定して得た実測値から近似式を導き、この近似式によってグラフ化したものである。

いま、図４のグラフに示す特性の膜厚測定装置において、ユーザが１ｎｍの測定精度を望むとする。さらに、図２、図３に示すグラフが画像表示装置４に表示されたとする。
図２に示すように光量は１６時間で5.8％減少している。図３に示すように色度変化はほとんど見られない。図４に示すように8.3％の光量減少で１ｎｍの膜厚値の変化が生じる。 また図４より、光量が減少するほど一定の光量変化に対する膜厚値の変化は著しくなることがわかる。
以上の状況と安全率を考慮し、ユーザはリファレンス間隔時間として例えば２時間を入力することができる。これにより測定精度の信頼性を確保できるとともに、過度に頻繁なリファレンスサンプリングを防いで効率化を図ることができる。

次に、本実施形態の他の動作例につき説明する。
白色光量変化と膜厚値の変化との関係式及び白色光色度変化と膜厚値の変化との関係式をＲＡＭ２又は図示しないＲＯＭに記憶させ、ＣＰＵ１での演算に利用できるようにしておく。
ユーザはリファレンス間隔時間の代わりに測定精度、例えば基準誤差１ｎｍと安全数１０又は許容誤差0.1ｎｍをキーボード３を介してＣＰＵ１へ入力する。
ＣＰＵ１は、図２、図３に示すような既に蓄積された一定時間分のデータを統計して、許容誤差0.1ｎｍに対応するリファレンス間隔時間として例えば２時間１６分を割り出し、リファレンス間隔時間を２時間１６分に設定して以後のリファレンスサンプリングを実施する。さらにＣＰＵ１は一定の使用時間毎にリファレンス間隔時間を再設定する。再設定を行う時間の単位は、リファレンス間隔時間と等しくすることができる。リファレンスサンプリングによるデータの追加により過去の統計データに変更が生じるからである。したがって、最新のデータに基づき再設定するには、リファレンスサンプル毎にリファレンス間隔時間を再設定する。これにより測定精度を確実に維持する信頼性が向上する。

また他の形態として、ＣＰＵ１がユーザに基準誤差と信頼度（例えば99.9％）の入力を要求する構成を採用する。この場合、ＣＰＵ１が過去のデータと確立統計理論に基づき、測定値が上記信頼度で基準誤差内に収まるようにリファレンス間隔時間を設定する構成とする。

以上の実施形態においては解析する光を反射光としたが本発明はこれに限定されず、解析する光は透過光でも良い。
また、投光部と受光部とが一体化された一体型を用いたが本発明としては投光部と受光部とが分離された分離型でも良い。

本発明一実施形態のオンライン膜厚測定装置の構成図である。 本発明一実施形態のオンライン膜厚測定装置に含まれる画像表示装置に表示される白色光源の光量経時変化グラフの一例である。 本発明一実施形態のオンライン膜厚測定装置に含まれる画像表示装置に表示される白色光源の色度経時変化グラフの一例である。 白色光量変化に対する膜厚値の変化を示すグラフである。

符号の説明

１…ＣＰＵ ２…ＲＡＭ ３…キーボード ４…画像表示装置 ５…リニアスライダ ６…プローブ支持アーム ７…集光レンズ支持アーム ８…測定プローブ ９…集光レンズ １０…キャリブレーション架台 １１…検出ロール １２…投光用光ファイバーケーブル １３…受光用光ファイバーケーブル １４…光源 １５…分光器 １６…スライダ駆動回路 １７，１８…ケーブル １９…成膜ベース材 ２０ａ，ｂ…リファレンスサンプル ２１ａ，ｂ…溝部

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源の光を対象物に投光する投光部と、
   前記対象物からの反射光を受光する受光部と、
   前記受光部が受光した反射光を分光して分光データを出力する分光器と、
   前記投光部及び前記受光部を測定対象膜の測定位置とリファレンスサンプルの測定位置とに移動させる移動装置と、
   前記リファレンスサンプルの分光データを記憶する記憶装置と、
   ユーザの要求に基づき間隔時間を設定する間隔時間設定手段と、
   前記間隔時間設定手段が設定した間隔時間の経過時に前記移動装置を制御して前記投光部及び前記受光部を前記リファレンスサンプルの測定位置に移動させて前記リファレンスサンプルを前記対象物とし、前記分光器が出力した分光データを前記記憶装置に記憶させるリファレンス制御手段と、
   前記間隔時間設定手段が設定した間隔時間の非経過時に前記測定対象膜を前記対象物とすべく前記移動装置を制御して前記投光部及び前記受光部を前記測定対象膜の測定位置に移動させる測定位置制御手段と、
   前記記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化分に基づき較正し、前記測定対象膜を前記対象物として前記分光器が出力した分光データに基づき前記測定対象膜の膜厚を演算する膜厚演算手段とを備えることを特徴とする膜厚測定装置。
2. ユーザからのデータ入力を受けるデータ入力装置を備え、
   前記間隔時間設定手段は、前記データ入力装置によりユーザから入力された時間データを前記間隔時間として設定することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
3. 前記記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データの変化を表示する表示手段を備えた請求項２記載の膜厚測定装置。
4. ユーザからのデータ入力を受けるデータ入力装置を備え、
   前記間隔時間設定手段は、前記データ入力装置によりユーザから入力された測定精度と、前記記憶装置に蓄積されたリファレンスサンプルの分光データとに基づき前記測定精度を維持するために必要な間隔時間を前記間隔時間として設定することを特徴とする請求項１記載の膜厚測定装置。
5. 前記測定対象膜を搬送する搬送装置を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一に記載の膜厚測定装置。

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