JP2014048274A

JP2014048274A - 膜厚測定装置

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Publication number: JP2014048274A
Application number: JP2012194368A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Sakagami; 英和坂上; Tokumi Harada; 徳実原田; Chiaki Yamawaki; 千明山脇
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-17
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: WO2014038406A1; JP5919146B2

Abstract

【課題】測定ヘッドの校正を迅速かつ容易に行うことができると共に、測定ヘッドの衝突のリスクを回避できる膜厚測定装置を提供する。
【解決手段】基板ステージ（２）と校正ステージ（３）とを同一の基台に設けている。校正ステージ（３）の上面（３ｃ）の高さは、基板ステージ（２）に載置された製品基板（１０）の上面（１０ｃ）の高さと同じである。
【選択図】図７

Description

この発明は、基板上の膜厚を測定する膜厚測定装置に関する。

従来、膜厚測定装置としては、特開平１０−３８８２１号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この膜厚測定装置では、測定ステージに基板を載置し、この基板上の膜厚を、Ｘ線反射率法を用いて測定している。

ところで、上記従来の膜厚測定装置では、膜から反射するＸ線を検出する検出器を校正しようとすると、この検出器を別の場所にある校正装置へ移動する必要があり、時間がかかり手間であった。また、この検出器の移動の際に、検出器が校正装置に衝突するおそれがあった。

特開平１０−３８８２１号公報

そこで、この発明の課題は、測定ヘッドの校正を迅速かつ容易に行うことができると共に、測定ヘッドの衝突のリスクを回避できる膜厚測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の膜厚測定装置は、
基台と、
上記基台に設けられると共に、成膜された製品基板を載置する基板ステージと、
上記基台に設けられると共に、校正試料を載置する校正ステージと、
上記基板ステージおよび上記校正ステージに対して第１方向に延在すると共に、上記基板ステージおよび上記校正ステージに対して第２方向に移動可能となるように上記基台に取り付けられるガントリーと、
上記ガントリーに上記第１方向に移動可能に取り付けられるスライダーと、
上記スライダーに固定されると共に、上記基板ステージに載置された上記製品基板の膜に１次Ｘ線を照射してこの膜から発生する蛍光Ｘ線を検出する測定ヘッドと、
上記測定ヘッドにより検出された上記蛍光Ｘ線の強度から上記膜の厚みを求める解析手段と、
上記測定ヘッドを上記校正ステージに移動し、上記校正ステージに載置された上記校正試料を用いて上記測定ヘッドの校正を行う測定機器校正手段と
を備え、
上記校正ステージの上面の高さは、上記基板ステージに載置された上記製品基板の上面の高さと同じであることを特徴としている。

ここで、上記製品基板は、基板と、この基板上に形成された一層以上の膜とを有する。

この発明の膜厚測定装置によれば、上記基板ステージと上記校正ステージとを同一の上記基台に設けているので、測定ヘッドの校正を迅速かつ容易に行うことができる。

また、上記校正ステージの上面の高さは、上記基板ステージに載置された上記製品基板の上面の高さと同じであるので、測定ヘッドを基板ステージから校正ステージへ移動する際に、測定ヘッドが校正ステージに衝突することを、回避できる。

また、一実施形態の膜厚測定装置では、
上記校正ステージの上面には、凹部が設けられ、
上記校正ステージの上面の高さは、上記校正ステージの上記凹部に嵌め込まれた上記校正試料の上面の高さと同じである。

この実施形態の膜厚測定装置によれば、上記校正ステージの上面の高さは、上記校正ステージの上記凹部に嵌め込まれた上記校正試料の上面の高さと同じであるので、測定ヘッドを基板ステージから校正ステージへ移動する際に、測定ヘッドが校正試料に衝突することを、回避できる。

また、一実施形態の膜厚測定装置では、上記校正ステージは、上記凹部に連通する上下方向の貫通孔を有する。

この実施形態の膜厚測定装置によれば、上記校正ステージは、上記凹部に連通する上下方向の貫通孔を有するので、凹部に校正試料を嵌め込むと、校正試料の直下に貫通孔が位置する。

これにより、上記測定ヘッドから１次Ｘ線を校正試料に照射して測定ヘッドの校正を行う際、多くの１次Ｘ線が透過しても、この透過した１次Ｘ線は、校正ステージの貫通孔を通過することになる。

したがって、この校正試料を透過した１次Ｘ線が、校正ステージを照射することを回避して、測定ヘッドが、この校正ステージを構成する物質から発生する蛍光Ｘ線を検出することを防止できる。したがって、測定ヘッドの校正を精度よく行うことができる。

また、一実施形態の膜厚測定装置では、
上記スライダーに固定されると共に、上記基板ステージに載置された上記製品基板のアライメントマークを検出するカメラと、
上記カメラの検出結果に基づいて、上記基板ステージに載置された上記製品基板の位置情報を補正する基板位置補正手段と、
上記スライダーに固定されると共に、上記基板ステージに載置された上記製品基板との距離を測定する変位センサと、
上記変位センサの測定値に基づいて、上記基板ステージに載置された上記製品基板と上記測定ヘッドとの間の距離が予め定められた一定値となるように、上記測定ヘッドの位置を調整するヘッド位置調整手段と
を備え、
上記測定機器校正手段は、上記測定ヘッド、上記カメラおよび上記変位センサを上記校正ステージに移動し、上記校正ステージに載置された上記校正試料を用いて上記測定ヘッド、上記カメラおよび上記変位センサの校正を行う。

この実施形態の膜厚測定装置によれば、上記カメラは、基板ステージに載置された製品基板のアライメントマークを検出し、上記基板位置補正手段は、このカメラの検出結果に基づいて、基板ステージに載置された製品基板の位置情報を補正する。そして、上記変位センサは、基板ステージに載置された製品基板との距離を測定し、上記ヘッド位置調整手段は、この変位センサの測定値に基づいて、基板ステージに載置された製品基板と測定ヘッドとの間の距離が一定値となるように、測定ヘッドの位置を調整する。

このように、上記測定ヘッドで膜厚を測定する前に、製品基板の位置情報を補正し、製品基板と測定ヘッドとの間の距離を一定値に調整するので、製品基板の膜厚の測定精度を一層向上できる。

また、上記測定機器校正手段は、上記測定ヘッド、上記カメラおよび上記変位センサの校正を行うので、測定ヘッド、カメラおよび変位センサの精度を向上できる。

この発明の膜厚測定装置によれば、上記基板ステージと上記校正ステージとを同一の上記基台に設け、上記校正ステージの上面の高さは、上記基板ステージに載置された上記製品基板の上面の高さと同じであるので、測定ヘッドの校正を迅速かつ容易に行うことができると共に、測定ヘッドの校正ステージへの衝突を回避できる。

本発明の一実施形態の膜厚測定装置を示す平面図である。図１の矢印Ｕ方向からみた膜厚測定装置の側面図である。変位センサの動作を説明する説明図である。測定ヘッドの動作を説明する説明図である。１次Ｘ線の照射により蛍光Ｘ線が発生する状態を説明する説明図である。チタン膜とモリブデン膜におけるＸ線強度と膜厚との関係を示す表である。図６Ａのデータをプロットしたグラフである。基板ステージと校正ステージとを示す側面図である。校正ステージの平面図である。校正ステージの断面図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施形態の膜厚測定装置を示す平面図である。図２は、図１の矢印Ｕ方向からみた側面図である。図１と図２に示すように、この膜厚測定装置は、基台１と、基板ステージ２と、校正ステージ３と、ガンドリー４と、スライダー５と、複数の測定機器２１，２２，２３と、制御手段３０とを有する。

上記基板ステージ２は、上記基台１に設けられ、複数に分割されたステージからなる。基板ステージ２上には、成膜された製品基板１０が載置される。

上記基板ステージ２には、複数の空気孔２ａが設けられ、この空気孔２ａからエアを吸い込むことで、製品基板１０を基板ステージ２に密着でき、一方、空気孔２ａからエアを吹き出すことで、製品基板１０を基板ステージ２から浮上できる。

上記製品基板１０は、例えば、液晶ディスプレイに用いられる液晶ＴＦＴである。この製品基板１０は、基板と、この基板上に形成された一層以上の膜とを有する。上記膜は、例えば、スパッタリング工法や蒸着工法やメッキ工法により、上記基板に成膜される。上記基板は、例えば、ガラス基板であり、上記膜は、例えば、アルミニウム、チタン、タングステン、モリブデンなどの金属膜である。

上記校正ステージ３は、上記基台１に設けられ、上記基板ステージ２とは別に設けられる。この校正ステージ３には、複数の凹部３ａが設けられ、この凹部３ａに様々な種類の校正試料６０，７０が嵌め込まれ、この校正試料６０，７０を用いて上記測定機器２１，２２，２３の校正が行われる。

上記ガントリー４は、上記基板ステージ２および上記校正ステージ３に対して第１方向に延在する。ガンドリー４は、基板ステージ２および校正ステージ３に対して第２方向に移動可能となるように、基台１に取り付けられる。第１方向とは、矢印Ａ方向をいい、第２方向とは、矢印Ｂ方向をいう。第１方向と第２方向とは、互いに直交する。

つまり、上記基台１には、第２方向（矢印Ｂ方向）に延在する２本のレール部６，６が設けられている。この２本のレール部６，６は、基板ステージ２および校正ステージ３を挟むように、配置されている。上記ガンドリー４は、この２本のレール部６，６に架け渡され、このレール部６，６に沿って第２方向に移動可能となる。

上記スライダー５は、上記ガントリー４に第１方向（矢印Ａ方向）に移動可能に取り付けられる。このスライダー５には、上記測定機器としてのカメラ２１、変位センサ２２および測定ヘッド２３が、固定されている。

そして、上記測定機器２１，２２，２３は、ガンドリー４の可動範囲Ｚ１により、基板ステージ２および校正ステージ３の第２方向（矢印Ｂ方向）の全範囲をカバーできる。また、上記測定機器２１，２２，２３は、スライダー５の可動範囲Ｚ２により、基板ステージ２および校正ステージ３の第１方向（矢印Ａ方向）の全範囲をカバーできる。

上記制御手段３０は、基板位置補正手段３１と、ヘッド位置調整手段３２と、解析手段３３と、測定機器校正手段３４とを有する。

上記カメラ２１は、基板ステージ２に載置された製品基板１０のアライメントマークを検出する。このアライメントマークは、カメラ２１で判別可能なマークであり、例えば、製品基板１０の四隅に設けられる。

上記基板位置補正手段３１は、上記カメラ２１の検出結果に基づいて、基板ステージ２に載置された製品基板１０の平面方向（第１、第２方向）の位置情報を補正する。具体的に述べると、上記基台１には、製品基板１０の周囲の各辺を押圧するように、複数のクランプ７が設けられている。クランプ７により製品基板１０を所定の位置に固定後、カメラ２１にてアライメントマークを検出し、この検出結果に基づいて、基板位置補正手段３１によって、製品基板１０の位置情報を補正する。

上記変位センサ２２は、図３に示すように、基板ステージ２に載置された製品基板１０との高さ方向の距離を測定する。変位センサ２２は、例えば赤外線などの光線を用いて、製品基板１０の予め定めた測定ポイントＰとの距離を測定する。

上記ヘッド位置調整手段３２は、上記変位センサ２２の測定値に基づいて、基板ステージに載置された製品基板１０と測定ヘッド２３との間の距離が予め定められた一定値となるように、測定ヘッド２３の高さ方向の位置を調整する。具体的に述べると、製品基板１０の測定ポイントＰと測定ヘッド２３の受発光部２３ａとの間の高さ方向の距離が、２ｍｍ±３０μｍとなるように、調整される。

また、上記ヘッド位置調整手段３２は、測定ヘッド２３の高さ方向の位置を調整した後、測定ヘッド２３が製品基板１０の測定ポイントＰを測定できる位置に、測定ヘッド２３を移動する。

上記測定ヘッド２３は、図４に示すように、Ｘ線照射部２３１と蛍光Ｘ線検出部２３２とを有する。

上記Ｘ線照射部２３１は、受発光部２３ａから製品基板１０の測定ポイントＰへ、１次Ｘ線５１を照射する。１次Ｘ線５１は、例えば、ロジウムや、モリブデンや、タングステンなどである。すると、図５に示すように、製品基板１０の基板１１上の膜１２は、１次Ｘ線５１の照射により、蛍光Ｘ線５２を発生する。

上記蛍光Ｘ線検出部２３２は、上記膜１２から発生した上記蛍光Ｘ線５２を、受発光部２３ａから検出する。蛍光Ｘ線検出部２３２は、例えば、シリコンドリフト検出器である。

上記解析手段３３は、上記測定ヘッド２３により検出された上記蛍光Ｘ線５２の強度から上記膜１２の厚みを求める。具体的に述べると、解析手段３３は、プリアンプ３３１とマルチ・チャンネル・アナライザ（以下、ＭＣＡという）３３２とを有する。

上記プリアンプ３３１は、蛍光Ｘ線検出部２３２から出力される電気信号を増幅する。上記ＭＣＡ３３２は、プリアンプ３３１で増幅された電気信号を解析する。ＭＣＡ３３２では、蛍光Ｘ線検出部２３２から出力されたエネルギーを選別し、パルスを計測することで、膜１２を構成する元素のＸ線強度を求める。そして、このＸ線強度に基づいて、既知のデータから、膜１２の厚みを求める。なお、ＭＣＡ３３２を用いているため、膜１２に混入する異物や不純物を検出できる。

例えば、上記膜１２が、チタン膜、または、モリブデン膜である場合、Ｘ線強度と膜厚との関係は、図６Ａと図６Ｂに示すような関係となる。

なお、上述では、単層の膜（図５）の厚みの測定を説明したが、複数層の膜の厚みを測定することもできる。この場合、各膜から発生する蛍光Ｘ線を測定ヘッド２３によって検出し、解析手段３３によって、各膜を構成する各元素のＸ線強度を求め、このＸ線強度に基づいて、各膜の厚みを求める。さらに、この各元素のＸ線強度から、各元素の組成比をも、求めることができる。

上記測定機器校正手段３４は、図１に示すように、上記測定機器２１，２２，２３を校正ステージ３に移動して、測定機器２１，２２，２３の校正を行う。測定機器２１，２２，２３の校正は、所定間隔で、行う。この所定間隔とは、例えば、１日に１回の校正を行うといった所定時間毎や、所定枚数の製品基板１０の膜厚を測定した後に校正を行うといった所定処理数毎である。

上記校正ステージ３には、第１校正試料６０と第２校正試料７０とが、設置されている。第１校正試料６０は、例えば、測定ヘッド２３の蛍光Ｘ線検出部２３２のゲインを調整するための試料である。第２校正試料７０は、例えば、各測定機器２１，２２，２３のオフセット量を調整するための試料である。

図７に示すように、上記校正ステージ３の上面３ｃの高さは、上記基板ステージ２に載置された上記製品基板１０の上面１０ｃの高さと同じである。

図８と図９に示すように、上記校正ステージ３の上面３ｃの高さは、上記校正ステージ３の上記凹部３ａに嵌め込まれた第１校正試料６０の上面６０ｃの高さと同じである。なお、第１校正試料６０以外の他の校正試料（例えば、第２校正試料７０）についても、同様に、校正ステージ３の上面３ｃの高さは、これらの校正試料の上面の高さと同じである。

上記校正ステージ３は、上記凹部３ａに連通する上下方向の貫通孔３ｂを有する。つまり、凹部３ａに第１校正試料６０を嵌め込むと、この第１校正試料６０の直下に貫通孔３ｂが位置する。

次に、上記構成の膜厚測定装置の動作を説明する。

図１に示すように、まず、上記製品基板１０が、膜厚測定装置の右方向（矢印Ｒ方向）から基板ステージ２上に、搬送される。基板ステージ２上に搬送された製品基板１０は、クランプ７により所定の位置に固定される。その後、カメラ２１にてアライメントマークを検出し、この検出結果に基づいて、基板位置補正手段３１によって、製品基板１０の位置情報を補正する。

その後、上記製品基板１０の複数の測定ポイントのうちの第１の測定ポイントにおいて、変位センサ２２により、第１の測定ポイントと変位センサ２２との間の高さ方向の距離を測定する。そして、上記ヘッド位置調整手段３２は、この測定値に基づいて、第１の測定ポイントと測定ヘッド２３との間の距離が一定値となるように、測定ヘッド２３の高さ方向の位置を調整する。

その後、上記測定ヘッド２３は、ヘッド位置調整手段３２により、第１の測定ポイントの直上に移動され、製品基板１０の膜に１次Ｘ線を照射してこの膜から発生する蛍光Ｘ線を検出する。そして、上記解析手段３３は、この検出された蛍光Ｘ線の強度から膜の厚みを求める。

その後、上記製品基板１０の他の測定ポイントについても、同様に、測定ヘッド２３の高さを調整してから、測定ヘッド２３によって他の測定ポイントの膜厚を測定する。

このようにして、上記製品基板１０の全ての測定ポイントの膜厚を測定し、この測定結果に基づいて、製品基板１０が不良品であるか否かを判断する。

その後、上記測定機器校正手段３４は、所定間隔で、上記測定機器２１，２２，２３を校正ステージ３に移動して、校正試料６０，７０を用いて測定機器２１，２２，２３の校正を行う。

上記構成の膜厚測定装置によれば、上記基板ステージ２と上記校正ステージ３とを同一の上記基台１に設けているので、測定機器２１，２２，２３の校正を迅速かつ容易に行うことができる。

また、上記校正ステージ３の上面３ｃの高さは、上記基板ステージ２に載置された上記製品基板１０の上面１０ｃの高さと同じであるので、測定機器２１，２２，２３を基板ステージ２から校正ステージ３へ移動する際に、測定機器２１，２２，２３が校正ステージ３に衝突することを、回避できる。

また、上記校正ステージ３の上面３ｃの高さは、上記校正ステージ３の上記凹部３ａに嵌め込まれた上記校正試料６０，７０の上面６０ｃの高さと同じであるので、測定機器２１，２２，２３を基板ステージ２から校正ステージ３へ移動する際に、測定機器２１，２２，２３が校正試料６０，７０に衝突することを、回避できる。

また、上記校正ステージ３は、上記凹部３ａに連通する上下方向の貫通孔３ｂを有するので、凹部３ａに校正試料６０，７０を嵌め込むと、校正試料６０，７０の直下に貫通孔３ｂが位置する。

これにより、上記測定ヘッド２３から１次Ｘ線５１を校正試料６０，７０に照射して測定ヘッド２３の校正を行う際、多くの１次Ｘ線５１が透過しても、この透過した１次Ｘ線５１は、校正ステージ３の貫通孔３ｂを通過することになる。

したがって、この校正試料６０，７０を透過した１次Ｘ線５１が、校正ステージ３を照射することを回避して、測定ヘッド２３が、この校正ステージ３を構成する物質から発生する蛍光Ｘ線５２を検出することを防止できる。したがって、測定ヘッド２３の校正を精度よく行うことができる。

これに対して、校正ステージ３に貫通孔３ｂが存在しない場合、校正試料の測定をするとき、本来測定したい校正試料の物質からの蛍光Ｘ線のエネルギーと、校正ステージ３の物質からの蛍光Ｘ線のエネルギーとが近似していれば、測定精度に悪影響を与える。

また、蛍光Ｘ線分析法により膜厚を求めるので、製品基板１０の膜１２の微小領域を測定できて、膜厚の測定精度を向上できる。また、蛍光Ｘ線分析法では、Ｘ線反射率法に比べて、膜厚の測定時間を短縮できる。

また、上記測定ヘッド２３は、上記基板ステージ２に対して第１方向および第２方向に移動可能であるので、この測定ヘッド２３で、製品基板１０の複数箇所の膜厚を測定できる。これにより、大型の製品基板１０の膜厚測定に好適となる。

また、上記カメラ２１、上記基板位置補正手段３１、上記変位センサ２２および上記ヘッド位置調整手段３２を備えるので、測定ヘッド２３で膜厚を測定する前に、製品基板１０の位置情報を補正し、製品基板１０と測定ヘッド２３との間の距離を一定値に調整できて、製品基板１０の膜厚の測定精度を一層向上できる。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、測定機器２１，２２，２３のうちの少なくとも測定ヘッド２３を校正するようにしてもよい。また、カメラ２１や変位センサ２２や省略して、測定ヘッド２３のみを設けるようにしてもよい。

また、ガントリー４の延在方向である第１方向と、ガントリー４の移動方向である第２方向とは、互いに直交しないで、交差するようにしてもよい。

また、カメラ２１、変位センサ２２および測定ヘッド２３の数量は、一つに限らず、複数であってもよい。

また、校正ステージ３には、２つの校正試料６０，７０を設置しているが、校正試料の数量の増減は、自由である。また、他の種類の校正試料であってもよく、例えば、Ｘ線強度のドリフトを校正するための校正試料であってもよい。

また、本発明の膜厚測定装置にて、小型の製品基板の膜厚を測定するようにしてもよく、また、液晶ＴＦＴ以外に、有機ＥＬなどの半導体基板の膜厚を測定するようにしてもよい。

１基台
２基板ステージ
３校正ステージ
３ａ凹部
３ｂ貫通孔
３ｃ上面
４ガントリー
５スライダー
６レール部
７クランプ
１０製品基板
１０ｃ上面
２１カメラ
２２変位センサ
２３測定ヘッド
３０制御手段
３１基板位置補正手段
３２ヘッド位置調整手段
３３解析手段
３４測定機器校正手段
６０第１校正試料
６０ｃ上面
７０第２校正試料
Ａ第１方向
Ｂ第２方向

Claims

基台と、
上記基台に設けられると共に、成膜された製品基板を載置する基板ステージと、
上記基台に設けられると共に、校正試料を載置する校正ステージと、
上記基板ステージおよび上記校正ステージに対して第１方向に延在すると共に、上記基板ステージおよび上記校正ステージに対して第２方向に移動可能となるように上記基台に取り付けられるガントリーと、
上記ガントリーに上記第１方向に移動可能に取り付けられるスライダーと、
上記スライダーに固定されると共に、上記基板ステージに載置された上記製品基板の膜に１次Ｘ線を照射してこの膜から発生する蛍光Ｘ線を検出する測定ヘッドと、
上記測定ヘッドにより検出された上記蛍光Ｘ線の強度から上記膜の厚みを求める解析手段と、
上記測定ヘッドを上記校正ステージに移動し、上記校正ステージに載置された上記校正試料を用いて上記測定ヘッドの校正を行う測定機器校正手段と
を備え、
上記校正ステージの上面の高さは、上記基板ステージに載置された上記製品基板の上面の高さと同じであることを特徴とする膜厚測定装置。
請求項１に記載の膜厚測定装置において、
上記校正ステージの上面には、凹部が設けられ、
上記校正ステージの上面の高さは、上記校正ステージの上記凹部に嵌め込まれた上記校正試料の上面の高さと同じであることを特徴とする膜厚測定装置。
請求項２に記載の膜厚測定装置において、
上記校正ステージは、上記凹部に連通する上下方向の貫通孔を有することを特徴とする膜厚測定装置。
請求項１から３の何れか一つに記載の膜厚測定装置において、
上記スライダーに固定されると共に、上記基板ステージに載置された上記製品基板のアライメントマークを検出するカメラと、
上記カメラの検出結果に基づいて、上記基板ステージに載置された上記製品基板の位置情報を補正する基板位置補正手段と、
上記スライダーに固定されると共に、上記基板ステージに載置された上記製品基板との距離を測定する変位センサと、
上記変位センサの測定値に基づいて、上記基板ステージに載置された上記製品基板と上記測定ヘッドとの間の距離が予め定められた一定値となるように、上記測定ヘッドの位置を調整するヘッド位置調整手段と
を備え、
上記測定機器校正手段は、上記測定ヘッド、上記カメラおよび上記変位センサを上記校正ステージに移動し、上記校正ステージに載置された上記校正試料を用いて上記測定ヘッド、上記カメラおよび上記変位センサの校正を行うことを特徴とする膜厚測定装置。