JP2015203570A

JP2015203570A - 膜厚測定装置および膜厚測定方法

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Publication number: JP2015203570A
Application number: JP2014081436A
Authority: JP
Inventors: 彬柴▲崎▼; Akira Shibazaki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2015-11-16

Abstract

【課題】膜厚を高精度に測定する。また、2層膜における上層と下層のそれぞれの膜厚を高精度に測定する。【解決手段】グレースケール画像算出部201が、膜を透過する透過光の情報としてグレースケール画像を取得し、輝度分布算出部202が該グレースケール画像から輝度分布を算出する。一方、膜厚分布算出部203が、膜の断面画像を測定した1次元の膜厚分布を取得する。算出部204が、輝度分布と1次元の膜厚分布から、輝度値と膜厚の対応を示す写像を算出し、膜厚算出部205が、グレースケール画像の画素ごとに、写像を用いて対応する膜厚を算出する。測定対象が2層膜であれば、層ごとの透過光を低減するフィルタを用いて層毎の透過光の情報を取得し、また、断面画像から層毎の膜厚分布を取得することで、層毎の写像を算出して層毎の膜厚を算出することができる。【選択図】図2

Description

本発明は、膜厚を測定する技術に関する。

従来、膜厚を測定する方法として、光の干渉現象を用いて膜厚を測定する方法(分光干渉法)が知られているが、分光干渉法では、光透過率が高い膜でないと適切な膜厚測定が出来なかった。そこで、膜の光透過率(吸光度)を測定してその膜厚を測定する、吸光度膜厚測定方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方法は、ランベルト・ベールの法則(光透過率をT、膜の膜厚をD、膜の光吸収係数をkとすると、T=exp(-kD)が成り立つ)を利用し、膜の光透過率から膜厚を測定する方法である。この吸光度膜厚測定方法によれば、分光干渉法と比べて光透過率の小さなサンプルでも膜厚測定が可能となる。

特開平5-10727号公報

しかしながら、上記従来の吸光度膜厚測定方法はランベルト・ベールの法則に基づいているため、必ずしも正しい測定結果が得られるとは限らない。これは、現実の層では層間で薄膜干渉が生じるため、誤差が生じてしまうことによる。

また、ある膜の上に異なる光学特性の膜が重なった2層膜については、この従来の吸光度膜厚測定方法は適用できない。これは、2層膜では下層と上層の2つの膜厚を測定する必要があるが、下層と上層の厚みの組み合わせが異なっていても、膜としての透過率が同じ値になる場合があるためである。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、膜厚を高精度に測定することを目的とする。また、2層膜における上層と下層のそれぞれの膜厚を高精度に測定することを目的とする。

上記目的を達成するための一実施形態として、本発明の膜厚測定装置は以下の構成を備える。すなわち、膜を透過する透過光の情報を取得する第1の取得手段と、前記膜の1次元の膜厚分布の測定値を取得する第2の取得手段と、前記透過光の情報と前記1次元の膜厚分布から、前記膜の膜厚を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。

また、上層と下層からなる2層膜における各層の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、前記上層と前記下層のそれぞれを透過した透過光の情報を取得する第1の取得手段と、前記上層と前記下層のそれぞれについて、1次元の膜厚分布の測定値とを取得する第2の取得手段と、前記上層と前記下層のそれぞれについて、前記透過光の情報と前記1次元の膜厚分布から膜厚を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、膜厚を高精度に測定することが可能となる。また、2層膜における上層と下層のそれぞれの膜厚を高精度に測定することが可能となる。

第1実施形態における膜厚測定装置の概略構成を示す図第1実施形態における制御部の機能構成を示すブロック図第1実施形態にかかる単層膜の膜厚測定処理を示すフローチャート単層膜の断面画像を模式的に示す図 1次元の膜厚分布例を示す図である輝度分布例を示す図である輝度値から膜厚への写像の例を示す図単層膜の構造を模式的に示す図第2実施形態にかかる2層膜の膜厚測定処理を示すフローチャート 2層膜の断面画像を模式的に示す図 2層膜の構造を模式的に示す図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は特許請求の範囲に関する本発明を限定するものではなく、また、本実施の形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。

＜第1実施形態＞
本実施形態では、透明で平滑なフィルム上に、一様な膜厚ばらつきを有する1種類の薄膜が載った単層膜の膜厚を測定可能な、膜厚測定方法及び膜厚測定装置について説明する。ここで単層膜とは図8に示すように、透明で平滑なフィルム上に、膜厚ばらつきのある層が形成された膜である。なお、本実施形態での測定対象となる膜は、その全面において膜厚ばらつきの分布状態がほぼ均一であるものとする。

●装置構成
図1は、本実施形態に係る膜厚測定装置の概略構成を示す図である。この膜厚測定装置は、透過画像撮影部110と、制御部106、画像表示部107、断面画像入力部108からなり、USBケーブル105によって透過画像撮影部110と制御部106が接続されている。

透過画像撮影部110は、測定対象となる膜片(サンプル109)を設置するサンプル設置基板101と、サンプル109の下から上方向に光を照射する投光部102、サンプル109を透過した光を受光して透過画像を生成可能な分光光度計103、を備える。この投光部102は、制御部106からの信号により、フィルタが使用された状態やフィルタ無しの状態で光を投光することができる。また分光光度計103は、支持部104を支点として可動であり、サンプル109のカバーとしても機能する。

制御部106は例えばコンピュータであり、詳細は後述するが、本発明の膜厚測定方法を実現するためのプログラムが格納されている。透過画像撮影部110で分光光度計103によって生成された透過画像は、USBケーブル105を介して制御部106に入力され、必要に応じて画像表示部107に表示される。また、断面画像入力部108は例えば記憶媒体を着脱可能なメモリドライバであり、記憶媒体を装着することで、制御部106は該記憶媒体内に予め格納されている、サンプル109に対応する断面画像を入力することができる。なお、サンプル109に対応する断面画像とは、サンプル109の採取元である膜の断面画像であっても良いし、サンプル109と同種類の膜の断面画像で会っても良い。すなわち断面画像は、サンプル109と同等に膜厚ばらつきが分布している膜(基準膜)の断面の画像である。

図2は、制御部106の機能構成を示すブロック図である。制御部106は、グレースケール画像算出部201、輝度分布算出部202、膜厚分布算出部203、写像算出部204、膜厚算出部205からなる。グレースケール画像算出部201では、透過画像撮影部110から入力された、サンプル109に対する透過画像からグレースケール画像を算出する。輝度分布算出部202は、グレースケール画像から輝度分布を算出する。膜厚分布算出部203は、断面画像入力部108から入力された、サンプル109に対応する断面画像から、1次元の膜厚分布を算出する。写像算出部204は、輝度分布算出部202で算出した輝度分布と、膜厚分布算出部203で算出した1次元の膜厚分布から、輝度値から膜厚への写像を算出する。そして膜厚算出部205は、輝度値から膜厚への写像を用いて、グレースケール画像の画素ごとに、その輝度値に対応する膜厚を算出する。これにより、サンプル109の全面についての膜厚が算出され、2次元の膜厚分布を得ることができる。

●単層膜の膜厚測定処理
以下、本実施形態の膜厚測定装置における単層膜の膜厚測定処理について、図3に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。

まず、断面画像入力部108から制御部106に、予め用意されている、単層膜であるサンプル109の断面画像を入力する(S301)。断面画像とは、ミクロトーム等の断面作成装置を用いて切削された、サンプル109が対応する膜の切削面を顕微鏡で撮影した画像である。断面画像は例えば縦1600画素×横1200画素からなり、各画素は8ビットのRGB値を有するとする。図4に、本実施形態における単層膜の断面画像の例を示す。図4に示すように本実施形態において測定対象となる膜は、透明層に色材が重なって形成された色層であり、その膜厚のばらつき分布は、膜全面において一様である。

なお、S301で入力する断面画像は、切削位置が異なる複数枚であっても良い。後述するように、断面画像はサンプル109における膜厚分布を検出するために用いられる。したがって、参照する断面画像の枚数が多いほど、検出される膜厚分布の精度が上がり、それに伴って膜厚測定の精度も上がると考えられる。

次に膜厚分布算出部203が、S301で入力した断面画像から、1次元の膜厚分布を算出する(S302)。ここで1次元の膜厚分布とは、断面画像の切断面方向における膜厚の度数分布を示す。まず、サンプル109を垂直方向に切断した、図4に示す断面画像における水平方向(以下、横方向)の画素位置毎に、膜厚を測定する。すなわち、膜と空気の境界の座標と、膜と透明層の境界の座標との差分を膜厚として算出する。その後、該断面画像における膜厚の頻度(画素数)を計算し、横方向の画素数として算出された頻度を規格化することで、1次元の膜厚分布を得る。図5に、算出された1次元の膜厚分布の例を示す。同図において、横軸が膜厚、縦軸は規格化された頻度を示す。なお、膜厚の単位は例えばμmである。このように、本実施形態では、実際に撮影された断面画像に対する膜厚の測定値を用いることで、薄膜干渉の影響を包含した1次元の膜厚分布が取得できる。

次に、サンプル設置基板101の上にサンプル109を設置して投光部102から光を照射し、その反射光を分光光度計103で受光することで、透過画像を撮影する(S303)。ここで透過画像とはサンプル109からの透過光を撮影した画像であり、例えば縦1600画素×横1200画素からなり、各画素は8ビットのRGB値を有するとする。なお、厳密にはサンプル109において透過画像が得られた領域が、サンプル109における測定対象領域となる。

次にグレースケール画像算出部201が、S303で撮影した透過画像のRGB値から輝度値Yを算出してグレースケール画像を生成する(S304)。この算出処理は画素毎に行い、各画素の変換処理は、NTSC系加重平均法を用いて次式で与えられる。

Y＝0.298912×R＋0.586611×G＋0.114478×B
次に輝度分布算出部202が、このグレースケール画像から輝度分布を算出する(S305)。ここで輝度分布とは、輝度値Yの度数分布であり、具体的には以下のように算出する。まず、グレースケール画像の全画素について、輝度値が1である画素数を算出し、次に輝度値が2である画素数を算出し、…というように輝度値の頻度を算出する。次に、グレースケール画像における画素の数として算出された頻度を規格化することで、輝度分布を得る。図6に、算出された輝度分布の例を示す。同図において、横軸が画素値、縦軸は規格化された頻度を示す。

次に写像算出部204が、S302で算出された1次元の膜厚分布と、S305で算出された輝度分布とに基づき、輝度値から膜厚への写像、すなわち輝度値をパラメータとした膜厚の関数を算出する(S306)。この写像は、膜厚が大きいほど透過率が小さくなるという対応関係を前提として、小さい輝度値ほど大きい膜厚値に1対1に対応づけていくことで算出される。図7に、算出された写像の例を示す。同図によれば、輝度値が小さいほど、その写像先である膜厚が大きくなっていることが分かる。

そして最後に膜厚算出部205が、S304で算出したグレースケール画像と、S306で算出した輝度値から膜厚への写像を用いて、サンプル109における膜厚を算出する(S307)。具体的には、グレースケール画像の全画素についての輝度値を、写像を参照して膜厚に変換する。このように算出されたサンプル109の2次元の膜厚分布は、S302で断面画像を測定して得られた1次元の膜厚分布とほぼ一致する。

以上説明したように本実施形態によれば、サンプルについての透過画像と断面画像を用いて、実際の測定値に応じた輝度と膜厚との関係を得ることで、単層膜の膜厚を高精度に測定することができる。測定された膜厚の情報は、コンピュータグラフィックスや3Dプリンタの元データとして用いることができる。

なお、本発明は本実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、本実施形態では予め用意された断面画像を入力する例を説明したが、断面画像を撮影する手段を含めた構成でも本発明は実現可能である。また逆に、予め用意された透過画像を入力し、断面画像を撮影する手段を含めた構成であっても良い。

＜第2実施形態＞
以下、本発明にかかる第2実施形態について説明する。上述した第1実施形態では、単層膜についての膜厚測定を行う例を示した。第2実施形態では、2層膜について膜厚測定を行う例を示す。ここで2層膜とは図11に示すように、透明で平滑なフィルム上に、互いに分光透過特性の異なる色材が下層および上層として重なって形成された膜である。ここでは単純化するために、各層は顔料インクにより形成され、下層はイエロ色を持つ膜、上層はシアン色を持つ膜として説明する。

●2層膜の膜厚測定処理
第2実施形態における測定装置の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。以下、第2実施形態における2層膜の膜厚測定処理を図9のフローチャートを用いて説明する。

まず、断面画像入力部108から制御部106に、予め用意されている、2層膜であるサンプル109の断面画像を入力する(S901)。ここで入力される断面画像は、図10に示すような2層の断面画像であり、下層がイエロ色の顔料インクの膜(以下、イエロ層)、上層がシアン色の顔料インクの膜(以下、シアン層)である。

次に、S901で入力した断面画像から、イエロ層の膜厚分布を算出する(S902)。具体的にはまず、図10に示す断面画像の横方向の画素位置毎に、イエロ膜とシアン層の間の境界の座標と、イエロ膜と透明層の境界の座標との差分を、イエロ層の膜厚として算出する。その後、該断面画像におけるイエロ層の膜厚の頻度(画素数)を計算し、横方向の画素数で算出された頻度を規格化することで、イエロ層の1次元膜厚分布を得る。

同様に、断面画像からシアン層の膜厚分布を算出する(S903)。具体的にはまず、図10に示す断面画像の横方向の画素位置毎に、シアン膜と空気の間の境界の座標と、シアン膜とイエロ層の境界の座標との差分を、シアン層の膜厚として算出する。その後、該断面画像におけるシアン層の膜厚の頻度(画素数)を計算し、横方向の画素数で算出された頻度を規格化することで、シアン層の1次元膜厚分布を得る。

次に、測定する膜厚の層(測定対象層)を指定する(S904)。第2実施形態では、まず下層のイエロ層を指定し、再びこのステップに戻った際には、上層のシアン層を指定する。この測定対象層の指定により、以下のS905〜S909は、指定された層の膜厚測定処理として動作する。

まず、透過画像を撮影する際に使用するカラーフィルタの種類を選択する(S905)。ここでは、S904で指定されていない層の色に対応するフィルタ、すなわち測定対象でない層の色に対応する波長の光を低減するフィルタを選択する。具体的には、S904でイエロ層が選択されている場合にはシアン色成分カット用のフィルタを選択し、S904でシアン層が選択されている場合にはイエロ色成分カット用のフィルタを選択する。このように測定対象でない層の色に対応するフィルタを選択することで、測定対象でない層の影響度を低減させる。

次に、S905で選択されたフィルタを用いて、S904で指定された測定対象層の膜厚を推定するための透過画像を撮影する(S906)。この撮影方法は第1実施形態におけるS303と同様であり、撮影された透過画像の各画素は8ビットのRGB値を有する。

次に、S906で撮影した透過画像のRGB値から輝度値Yを算出して、下層測定用のグレースケール画像を生成する(S907)。そして、このグレースケール画像から輝度分布を算出する(S908)。その際、グレースケール画像の画素の数で算出された頻度を規格化する。

次に、S908で算出された輝度分布と、S902またはS903で算出された、S904で指定された測定対象層の1次元膜厚分布とに基づき、輝度値から測定対象層の膜厚への写像を算出する(S909)。この写像の算出方法は、第1実施形態におけるS306と同様である。

そして、S907で算出したグレースケール画像と、S909で算出した輝度値から膜厚への写像を用いて、測定対象層の膜厚を算出する(S910)。

その後、全ての膜厚、すなわちイエロ層とシアン層の両方についての膜厚が測定されたか否かを確認する(S910)。ここで全ての測定が完了していれば処理を終了し、未だであればS904に戻って次のシアン層を指定する。

以上説明したように第2実施形態によれば、2層膜を構成する層ごとの膜厚を高精度に測定することができる。

なお、第2実施形態では、下層がイエロ色で上層がシアン色である2層膜を測定する例を示したが、任意の色の層であっても測定可能である。その際には、透過画像を撮影する際に適切なフィルタを用いる必要がある。適切なフィルタとは、片方の層は透明とみなせるようなフィルタであり、測定したい層の分光特性に応じて適切なフィルタを選べば良い。

＜他の実施形態＞
上述した第1および第2実施形態では、膜厚分布を算出するために参照するサンプルの断面画像を外部から入力する例を示したが、膜厚分布の形状を正規分布とみなし、その平均値と標準偏差を入力する構成であっても良い。この場合、適切な膜厚分布の平均値と標準偏差を入力することで、断面画像を用意しなくても薄膜のおおよその膜厚を知ることが可能となる。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。また、そのプログラムをコンピュータ可読な記録媒体に記録して提供してもよい。

201:グレースケール画像算出部、202:輝度分布算出部、203:膜厚分布算出部、204:写像算出部、205:膜厚算出部

Claims

膜を透過する透過光の情報を取得する第1の取得手段と、
前記膜の1次元の膜厚分布の測定値を取得する第2の取得手段と、
前記透過光の情報と前記1次元の膜厚分布から、前記膜の膜厚を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする膜厚測定装置。
前記算出手段は、
前記透過光の情報から輝度分布を算出する第1の算出手段と、
前記輝度分布と前記1次元の膜厚分布から、輝度値と膜厚の測定値の対応関係を算出する第2の算出手段と、を有し、
前記対応関係に基づき、前記膜の膜厚の算出を行うことを特徴とする請求項1に記載の膜厚測定装置。
前記第2の取得手段は、前記膜の断面を撮影した断面画像に対する、前記1次元の膜厚分布の測定値を取得することを特徴とする請求項1または2に記載の膜厚測定装置。
前記膜は、透明層に色材が重なって形成された色層であり、
前記第2の取得手段は、前記断面画像における、前記透明層と前記色層の境界の座標と、前記色層と空気の境界の座標との差分として算出された膜厚の度数分布を、前記1次元の膜厚分布の測定値として取得することを特徴とする請求項3に記載の膜厚測定装置。
前記第2の取得手段は、膜厚のばらつきが前記膜と同様に分布する基準膜に対する前記1次元の膜厚分布の測定値を取得することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
上層と下層からなる2層膜における各層の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
前記上層と前記下層のそれぞれを透過した透過光の情報を取得する第1の取得手段と、
前記上層と前記下層のそれぞれについて、1次元の膜厚分布の測定値とを取得する第2の取得手段と、
前記上層と前記下層のそれぞれについて、前記透過光の情報と前記1次元の膜厚分布から膜厚を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする膜厚測定装置。
前記第1の取得手段は、前記2層膜と、前記上層と前記下層のいずれかを透過する光を低減するフィルタとを透過した光の情報から、前記透過光の情報を取得することを特徴とする請求項6に記載の膜厚測定装置。
前記算出手段は、前記上層と前記下層のそれぞれについて、
前記透過光の情報から輝度分布を算出する第1の算出手段と、
前記輝度分布と前記1次元の膜厚分布から、輝度値と膜厚の測定値の対応関係を算出する第2の算出手段と、を有し、
前記対応関係に基づき、前記上層と前記下層のそれぞれの膜厚の算出を行うことを特徴とする請求項6または7に記載の膜厚測定装置。
前記第2の取得手段は、前記2層膜の断面を撮影した断面画像に対する、前記上層と前記下層のそれぞれについての前記1次元の膜厚分布の測定値を取得することを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
前記2層膜は、透明層に異なる色の色材が前記下層および前記上層として重なって形成されており、
前記第2の取得手段は、
前記透明層と前記下層の境界の座標と、前記下層と前記上層の境界の座標との差分として算出された膜厚の度数分布を、前記下層に対する前記1次元の膜厚分布の測定値として取得し、
前記下層と前記上層の境界の座標と、前記上層と空気の境界の座標との差分として算出された膜厚の度数分布を、前記上層に対する前記1次元の膜厚分布の測定値として取得することを特徴とする請求項9に記載の膜厚測定装置。
前記第2の取得手段は、各層のばらつきが前記2層膜と同様に分布する基準膜に対する、各層についての前記1次元の膜厚分布の測定値を取得することを特徴とする請求項6乃至10のいずれか1項に記載の膜厚測定装置。
前記第2の算出手段は、高い輝度値ほど小さい膜厚に対応し、かつ輝度値と膜厚が1対1に対応するように、前記対応関係を算出することを特徴とする請求項2または8に記載の膜厚測定装置。
膜を透過する透過光の情報を取得する第1の取得ステップと、
前記膜の1次元の膜厚分布の測定値を取得する第2の取得ステップと、
前記透過光の情報と前記1次元の膜厚分布から、前記膜の膜厚を算出する算出ステップと、
を有することを特徴とする膜厚測定方法。
上層と下層からなる2層膜における各層の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
前記上層と前記下層のそれぞれを透過した透過光の情報を取得する第1の取得ステップと、
前記上層と前記下層のそれぞれについて、1次元の膜厚分布の測定値とを取得する第2の取得ステップと、
前記上層と前記下層のそれぞれについて、前記透過光の情報と前記1次元の膜厚分布から膜厚を算出する算出ステップと、
を有することを特徴とする膜厚測定方法。
コンピュータ装置で実行されることにより、該コンピュータ装置を請求項1乃至12のいずれか1項に記載の膜厚測定装置の各手段として機能させるためのプログラム。
請求項15に記載のプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータ可読な記憶媒体。