JP2018132390A - 膜厚測定方法および膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鏡面に近い状態で成膜された場合に限らず、成膜の下地や上面が粗面である（微小な凹凸が随所に存在する）場合や、微小な異物が付着しているような場合でも、短時間で精度良く膜厚測定を行うことができる手法を提供すること。【解決手段】 干渉色画像を構成する画素それぞれに対して、ｍ個の複数波長の全輝度情報から明度情報を生成する処理と、当該画素を含む周辺画素の明度情報の中で、中央値ないし最大値となる画素を、これらの画素を代表する代表画素として選択する処理と、当該画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報を前記代表画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報に置き換える処理とを含む加工処理がされた干渉色画像を生成して膜厚を測定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像したカラー画像（いわゆる干渉色情報）に干渉縞モデルを適合させることにより、透明薄膜の膜厚を測定する方法および装置に関する。

従来の代表的な膜厚測定法に、分光法とエリプソメータ法がある。例えば、分光法として、白色光を照射し、反射光の分光スペクトルを解析して、膜厚を求める方法が、特許文献１等に開示されている。

また、従来の分光法やエリプソメータ法に比較して、多数点の膜厚値や膜厚分布を短時間に得ることができ、分光器や偏光光学系など複雑な光学系を必要とせず、小型、かつ、コストが廉価にできる手法が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開平０１−３０８９３０号公報 特開２０１３−１４５２２９号公報

北川、大槻，「干渉色画像解析による透明膜の広膜厚分布測定装置の開発」，精密工学会誌，2013年11月，第79巻，第11号，1078-1082頁

特許文献１等に開示されている様な従来の膜厚測定法では、透明膜に光線を照射し、その反射光を解析して、膜厚を求めていた。しかし、この方法には以下の問題点があった。まず、測定スポットサイズを小さくできないため、水平方向の分解能が低くなる。次に、基本的に点測定のため、多数点の膜厚値や膜厚分布を得るためには、試料または測定器を機械的に逐次走査する必要があり、時間がかかる。特に、例えば、半導体ウエーハのような広い面積を測定するには膨大な時間がかかっていた。分光器や偏光光学系など、複雑な光学系を必要とし、コスト高となっていた。さらに、他の方法の分光法では、試料の分光強度データを分光反射率に換算するために、試料の測定に先立って、分光反射率が既知の試料をリファレンスとして測定する必要があった。

一方、特許文献２および非特許文献１に開示されている手法は、ガラスやウエーハ表面に形成された成膜など、凹凸の少ないアプリケーションに適合すると、極めて良好な測定結果が得られる。

しかし、成膜の下地や上面が粗面である場合（つまり、微小な凹凸が随所に存在する場合）や、微小な異物が付着しているような場合、局所的に反射光量が極端に低下して干渉色の信号レベルが微弱となり（いわゆる、黒つぶれノイズが生じ）、期待される測定精度が発揮できないことがあった。

そして、測定精度を改善するため、一般的なノイズ除去手法であるメディアンフィルタなどの画像処理を試みたが、取得したカラー画像各々（例えば、Ｂ，Ｇ，Ｒ）についてメディアンフィルタ処理を行うと各画素における干渉色が元通り再現されず、正確な膜厚測定が出来ないという課題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、鏡面に近い状態で成膜された場合に限らず、成膜の下地や上面が粗面である（微小な凹凸が随所に存在する）場合や、微小な異物が付着しているような場合でも、短時間で精度良く膜厚測定を行うことができる手法を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
ｍ個からなる複数の波長の単色光を含む照明光を測定対象である透明膜に照射し、
前記透明膜の表面の反射光と裏面の反射光により生成される干渉色画像を取得し、
前記干渉色画像を構成する画素それぞれに対して、
ｍ個の複数波長の全輝度情報から明度情報を生成する処理と、
当該画素を含む周辺画素の明度情報の中で、中央値ないし最大値となる画素を、これらの画素を代表する代表画素として選択する処理と、
当該画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報を前記代表画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報に置き換える処理と
を含む加工処理がされた干渉色画像を生成し、
前記加工処理がされた干渉色画像から１点以上の選択点をｎ点選択し、前記ｎ点の選択点の内のｉ点に対応する波長番号ｊの干渉輝度信号に、前記波長番号ｊの波長λ（ｊ）を既知とし、前記波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）、干渉変調度ｂ（ｊ）、および前記点ｉの膜厚ｔ（ｉ）のすべて、あるいは、１部を未知パラメータとし、残りを既知パラメータとして、前記点ｉに対応する波長番号ｊの輝度ｇ（ｉ，ｊ）が
ｇ（ｉ，ｊ）＝ａ（ｊ）［１＋ｂ（ｊ）×ｃｏｓ｛４πｔ（ｉ）/λ（ｊ）｝］
で表される干渉縞モデルを適合し、前記未知パラメータを求めることにより膜厚を測定することを特徴としている。

上記の膜厚測定方法および膜厚測定装置によれば、鏡面に近い状態で成膜された場合に限らず、成膜の下地や上面が粗面である（微小な凹凸が随所に存在する）場合や、微小な異物が付着しているような場合でも、短時間で精度良く膜厚測定を行うことができる。

本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。 本発明を具現化する形態の一例におけるフロー図である。 本発明を具現化する形態の一例における干渉色画像ＩＭにおける注目画素Ｐと周辺画素の位置関係を示す図である。 本発明を具現化する形態の一例における干渉色画像ＩＭを加工処理する様子を示す概念図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。

図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。図１には、本発明に係る膜厚測定装置１の概略図が示されている。

膜厚測定装置１は、透明膜Ｆの膜厚ｔを測定するものであり、照明部２と、画像取得部３と、画像処理部４と、膜厚測定部５、鏡筒１０等を備えて構成されている。

照明部２は、ｍ個からなる複数の波長の単色光を含む照明光Ｌ１を測定対象である透明膜Ｆに照射するものである。ここでは、ｍ個からなる複数の波長の単色光として、Ｂ：青色、Ｇ：緑色、Ｒ：赤色の３つの波長の単色光を例示する。

具体的には、照明部２は、これらの３つの波長の単色光を含む照明光（いわゆる、白色光）Ｌ１を照射する光源２０、波長フィルタ２１、ライトガイド２２、ハーフミラー２３等を備えている。

より具体的には、光源２０として、ハロゲン照明や白色ＬＥＤ照明を例示する。ハロゲン照明や白色ＬＥＤ照明は、青色、緑色、赤色を含む可視光領域の光を放出するものである。

波長フィルタ２１は、光源２０から発せられた光のうち、Ｂ：青色、Ｇ：緑色、Ｒ：赤色の３つの波長成分を通過させ、それ以外の波長成分を反射又は吸収するものである。

ライトガイド２２は、波長フィルタ２１を通過した光を導光し、ハーフミラー２３に向けて照射するものである。具体的には、光ファイバーと呼ばれる細いガラスやプラスチックの束で構成されている。

ハーフミラー２３は、ライトガイド２２で導光された照明光Ｌ１を測定対象である透明膜Ｆに向けて照射するものである。具体的には、ハーフミラー２３は、鏡筒１０に組み込まれており、照明光Ｌ１を反射させつつ、透明膜Ｆの表面の反射光Ｌ２と裏面の反射光Ｌ３を透過させるものである。

なお、照明部２にて測定対象である透明膜Ｆに照明光Ｌ１を照射すると、透明膜Ｆの表面の反射光Ｌ２と裏面の反射光Ｌ３による干渉（いわゆる、薄膜による光干渉）が生じ、干渉色を有する画像（つまり、干渉色画像ＩＭ）として観察される。

画像取得部３は、透明膜Ｆの表面の反射光Ｌ２と裏面の反射光Ｌ３により生成される干渉色画像ＩＭを取得するものである。具体的には、画像取得部３は、透明膜Ｆの表面との作動距離を一定に保った状態で撮像を行う（つまり、画像を取得する）。より具体的には、画像取得部３は、カラーカメラ３０、レンズ３１、画像入力部３４等で構成されている。

カラーカメラ３０は、干渉色画像ＩＭをカラー画像として取得するものである。具体的には、カラーカメラ３０は、エリアセンサと呼ばれる撮像素子３３やカラーフィルタ３２を備えている。また、カラーカメラ３０は、撮像した画像データを画像入力部３４に出力するものである。
レンズ３１は、透明膜Ｆの表面の像を、カラーカメラ３０のエリアセンサ３３に投影するものである。具体的には、レンズ３１は、鏡筒１０に取り付けられている。

画像入力部３４は、カラーカメラ３０で撮像された干渉色画像ＩＭを取得するものである。具体的には、画像入力部３４は、コンピュータ部ＣＮに搭載された画像処理ユニットや画像処理ボードＧＢの一部で構成されている。

画像処理部４は、画像取得部３で取得した干渉色画像ＩＭを構成する画素Ｐそれぞれに対して、以下の処理（１）〜（３）を行い、加工処理がされた干渉色画像ＩＭ２を生成するものである。具体的には、画像処理部４は、コンピュータ部ＣＮの一部で構成されている。

図２は、本発明を具現化する形態の一例におけるフロー図である。

処理（１）：明度情報生成処理
ここでは、干渉色画像ＩＭの全画素に対して、ｍ個の複数波長の全輝度情報から明度情報を生成する処理を行う。具体的には、干渉色画像ＩＭの画素Ｐ（ｘｙ）におけるＢ：青色、Ｇ：緑色、Ｒ：赤色の３波長カラー情報（ｍ個の複数波長の全輝度情報の一類型。以下同じ）Ｂ（ｘｙ），Ｇ（ｘｙ），Ｒ（ｘｙ）から明度情報Ｖ（ｘｙ）を生成する。より具体的には、例えば、Ｖ（ｘｙ）＝ＭＡＸ｛Ｂ（ｘｙ），Ｇ（ｘｙ），Ｒ（ｘｙ）｝ で定義される処理を行う。つまり、画素Ｐの３波長カラー情報を構成する各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の輝度値のうち最大値を、画素Ｐの明度情報として生成する。

なお、ｘ，ｙは、処理対象とする画素Ｐ（以下、注目画素Ｐと呼ぶ）の画像内位置（いわゆる、アドレス）を示すものである。

続いて、以下の処理（２）（３）を干渉色画像ＩＭの全画素に亘って行い、加工処理された干渉色画像ＩＭ２として生成する。

図３は、本発明を具現化する形態の一例における干渉色画像ＩＭにおける注目画素Ｐと周辺画素の位置関係を示す図である。図３には、本発明に係る加工処理の対象となる注目画素Ｐと、その周辺の周辺画素Ｐａ１〜Ｐａ８の位置関係が例示されている。

図４は、本発明を具現化する形態の一例における干渉色画像ＩＭを加工処理する様子を示す概念図である。図４には、干渉色画像ＩＭから干渉色画像ＩＭ２を生成する手順と概念が、注目画像Ｐとその周辺の周辺画像Ｐａ１〜Ｐａ８に着目して示されている。

処理（２）：代表画素選択処理
ここでは、注目画素Ｐを含む複数の周辺画素Ｐａの明度情報の中で、中央値ないし最大値となる画素を、これらの画素を代表する代表画素として選択する処理を行う。具体的には、周辺画素Ｐａとして、注目画素Ｐを中心とする３×３画素のマトリクス内にある８つの周辺画素Ｐａ１〜Ｐａ８を例示する。そして、注目画素Ｐと周辺画素Ｐａ１〜Ｐａ８（合計９個）の明度情報を明度順にならべたときの中央値ないし最大値を示す画素を、注目画素Ｐを中心とする３×３画素のマトリクス内の代表画素Ｐｒとして選択する。より具体的には、代表画素Ｐｒとして選択する処理は、中央値フィルタ（いわゆる、メディアンフィルタ）や最大値フィルタなどを用い、中央値ないし最大値のいずれを基準にするかは予め規定しておく。

処理（３）：全輝度情報置換処理
ここでは、注目画素Ｐを構成するｍ個の複数波長の全輝度情報を、代表画素Ｐｒを構成するｍ個の複数波長の全輝度情報に置き換える処理を行う。具体的には、処理対象の注目画素Ｐを構成する３色カラー情報を、上記処理（２）で代表画素Ｐｒとして選択された画素を構成する３色カラー情報に置き換える。

画像処理部４は、上述の様にして加工処理された干渉色画像ＩＭ２を生成する。

膜厚測定部５は、加工処理がされた干渉色画像ＩＭ２から１点以上の選択点をｎ点選択し、特許文献１および非特許文献１に開示されている干渉縞モデルを適合し、未知パラメータを求めることにより膜厚を測定するものである。具体的には、膜厚測定部５は、コンピュータ部ＣＮの一部で構成されており、以下に示す干渉縞モデルを適合する処理を実行するようプログラミングされている。その処理とは、加工処理された干渉色画像ＩＭ２から１点以上の選択点をｎ点選択し、ｎ点の選択点の内のｉ点に対応する波長番号ｊの干渉輝度信号に、波長番号ｊの波長λ（ｊ）を既知とし、波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）、干渉変調度ｂ（ｊ）、および点ｉの膜厚ｔ（ｉ）のすべて、あるいは、一部を未知パラメータとし、残りを既知パラメータとして、点ｉに対応する波長番号ｊの輝度ｇ（ｉ，ｊ）が、次式
ｇ（ｉ，ｊ）＝ａ（ｊ）［１＋ｂ（ｊ）×ｃｏｓ｛４πｔ（ｉ）/λ（ｊ）｝］
で表される干渉縞モデルを適合し、各色の膜厚候補から合致法により未知パラメータを求める処理（つまり、膜厚推定演算処理）を行う。

なお、干渉色画像ＩＭ２内の任意の点ｋに関し、上述の干渉縞モデルを適合して得られた、既知の波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）および干渉変調度ｂ（ｊ）と、点ｋの各波長の輝度ｇ（ｋ，ｊ）とから、点ｋにおける波長番号ｊの位相φ（ｋ，ｊ）を、次式
φ（ｋ，ｊ）＝ｃｏｓ^−１［｛ｇ（ｋ，ｊ）／ａ（ｊ）−１｝／ｂ（ｊ）］
により求め、得られた複数の位相から点ｋの膜厚ｔ（ｋ）を求める処理（いわゆる、ＡＣＯＳ法）を行う。

本発明に係る膜厚測定装置１は、この様な構成をしているため、鏡面に近い状態で成膜された場合に限らず、成膜の下地や上面が粗面である場合（つまり、微小な凹凸が随所に存在する場合）や、微小な異物が付着しているような場合でも、干渉色を変化させずに干渉色画像ＩＭに含まれる黒点ノイズを周辺画素の干渉色で埋めて、当該黒点ノイズを良好に除去した干渉色画像ＩＭ２を生成し、干渉色画像ＩＭ２に基づいて短時間で精度良く膜厚測定を行うことができる。

［画像処理部の変形例］
なお上述の、画像処理部４における代表画素Ｐｒを選択する処理において、注目画素Ｐと周辺画素Ｐａ１〜Ｐａ８（合計９個）の明度情報を明度順にならべたときの中央値を選択するか、最大値を選択するか、或いは、中央値ないし最大値のうち何番目に大きな値を選択するかは、予め規定しておく。

また上述では、画像処理部４における代表画素Ｐｒを選択する処理として、注目画素Ｐと、注目画素Ｐを中心とする３×３画素のマトリクス内にある８つの周辺画素Ｐａ１〜Ｐａ８の合計９個の画素から中央値ないし最大値を示す画素を代表画素Ｐｒとして選択する例を示した。しかし、このマトリクス数に限らず、３×３画素以外のマトリクス（例えば、５×５画素、７×７画素、３×４画素、６×４画素など）であっても良い。

また上述では、照射する単色光の複数の波長数ｍが３個の場合を例示したが、４個以上でも良い。

１ 膜厚測定装置
２ 照明部
３ 画像取得部
４ 画像処理部
５ 膜厚測定部
ＣＮ コンピュータ部
ＧＢ 画像処理ボード
Ｓ 基材
Ｆ 透明膜
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ 透明膜の表面の反射光
Ｌ３ 透明膜の裏面の反射光
ＩＭ 干渉色画像
ＩＭ２ 加工処理がされた干渉色画像
Ｐ 画素
Ｐａ 周辺画素
Ｐｒ 代表画素
ｍ 波長の数
ｎ 選択点の数
ｔ 膜厚
λ 波長
ａ 平均輝度
ｂ 干渉変調度
ｇ 輝度
ｉ 選択点内の数
ｊ 波長番号

Claims (2)

1. ｍ個からなる複数の波長の単色光を含む照明光を測定対象である透明膜に照射し、
   前記透明膜の表面の反射光と裏面の反射光により生成される干渉色画像を取得し、
   前記干渉色画像を構成する画素それぞれに対して、
   ｍ個の複数波長の全輝度情報から明度情報を生成する処理と、
   当該画素を含む周辺画素の明度情報の中で、中央値ないし最大値となる画素を、これらの画素を代表する代表画素として選択する処理と、
   当該画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報を前記代表画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報に置き換える処理と
   を含む加工処理がされた干渉色画像を生成し、
   前記加工処理がされた干渉色画像から１点以上の選択点をｎ点選択し、前記ｎ点の選択点の内のｉ点に対応する波長番号ｊの干渉輝度信号に、前記波長番号ｊの波長λ（ｊ）を既知とし、前記波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）、干渉変調度ｂ（ｊ）、および前記点ｉの膜厚ｔ（ｉ）のすべて、あるいは、１部を未知パラメータとし、残りを既知パラメータとして、前記点ｉに対応する波長番号ｊの輝度ｇ（ｉ，ｊ）が
   ｇ（ｉ，ｊ）＝ａ（ｊ）［１＋ｂ（ｊ）×ｃｏｓ｛４πｔ（ｉ）/λ（ｊ）｝］
   で表される干渉縞モデルを適合し、前記未知パラメータを求めることにより膜厚を測定する、膜厚測定方法。
   
2. ｍ個からなる複数の波長の単色光を含む照明光を測定対象である透明膜に照射する照明部と、
   前記透明膜の表面の反射光と裏面の反射光により生成される干渉色画像を取得する画像取得部と、
   前記画像取得部で取得した前記干渉色画像を構成する画素それぞれに対して、
   ｍ個の複数波長の全輝度情報から明度情報を生成する処理と、
   当該画素を含む周辺画素の明度情報の中で、中央値ないし最大値となる画素を、これらの画素を代表する代表画素として選択する処理と、
   当該画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報を前記代表画素を構成するｍ個の複数波長の全輝度情報に置き換える処理と
   を含む加工処理がされた干渉色画像を生成する画像処理部と、
   前記画像処理部で前記加工処理がされた干渉色画像から１点以上の選択点をｎ点選択し、前記ｎ点の選択点の内のｉ点に対応する波長番号ｊの干渉輝度信号に、前記波長番号ｊの波長λ（ｊ）を既知とし、前記波長番号ｊの平均輝度ａ（ｊ）、干渉変調度ｂ（ｊ）、および前記点ｉの膜厚ｔ（ｉ）のすべて、あるいは、１部を未知パラメータとし、残りを既知パラメータとして、前記点ｉに対応する波長番号ｊの輝度ｇ（ｉ，ｊ）が
   ｇ（ｉ，ｊ）＝ａ（ｊ）［１＋ｂ（ｊ）×ｃｏｓ｛４πｔ（ｉ）/λ（ｊ）｝］
   で表される干渉縞モデルを適合し、前記未知パラメータを求めることにより膜厚を測定する膜厚測定部を備えた、膜厚測定装置。

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