JP4100330B2 - 薄膜測定方法及び薄膜測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜測定方法及び薄膜測定装置に関し、例えば、液晶デバイス（ＬＣＤ）やプラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等に用いられているガラス基板や透明樹脂基板等に光を照射し、その反射光より基板上に形成された薄膜の膜厚や光学定数（屈折率など）を計測するための、インライン計測に適した薄膜測定方法及び薄膜測定装置に関する。

ＬＣＤやＰＤＰのガラス基板などの測定対象物に形成されている薄膜の膜厚を計測するための膜厚測定装置があるが、このような膜厚測定装置は、薄膜に向けて光を照射し、薄膜の表面と裏面とで反射される光の干渉を利用して薄膜の膜厚を計測するものである。

このような膜厚測定装置においては、測定対象物の背後にある背景からの反射光が膜厚測定装置内に取り込まれると、膜厚測定装置で計測している光量が増加して反射率のカーブが増大方向へシフトするので、膜厚計測誤差を生じる。従って、背景からの反射光は膜厚測定装置で観測されないようにできるだけ遮断する必要があるが、従来の膜厚測定装置では、背景からの反射光については考慮されていなかった。

測定対象物の背景からの反射光が膜厚測定装置に戻ってこないようにする方法としては、(1)測定対象物と背景との間に大きな距離を確保する方法、(2)背景で反射される光を計測光と異なる方向へ反射させる方法、(3)光学系の焦点深度を浅くする方法などが考えられる。基板と背景との間に大きな距離を確保する方法では、例えば図１に示すように、薄膜１を形成された測定対象物２を載置するテーブル３に開口４を設けることにより、光Ｌを反射する背景の位置を測定対象物から遠く離すようにすればよい。また、背景で反射される光Ｌを計測光と異なる方向へ反射させる方法では、例えば図２に示すように、測定対象物２を支持するテーブル３に斜面５を形成し、背景（斜面５）で反射された光Ｌが斜め方向へ反射されて膜厚測定装置内に入射しないようにすればよい。また、図３のように光学系の焦点深度を浅くする方法では、焦点深度の浅い受光光学系を用いて薄膜に焦点を合わせ、背景が膜厚測定装置の受光面に映り込まないようにすればよい。

ところで、最近では、製造ライン等に膜厚測定装置を設置し、製造ライン等からガラス基板等の測定対象物を抜き取ることなく、成膜プロセス中（in-situ）又はプロセス直後に測定対象物の全数検査を行うことが可能なインライン計測が望まれている。インライン計測によれば、製品歩留まりを向上させることができるので、このような計測方法に対するニーズが高まっている。しかし、上記(1)〜(3)のような背景対策では、いずれもスタンドアローン型の膜厚測定装置に制約されることになり、インライン計測に適用することは困難である。

すなわち、インライン計測に用いることのできる膜厚測定装置において、背景との距離を大きく離したり、背景となる部材に斜面を加工したりしようとすれば、膜厚測定装置を組み込もうとする既存の製造ラインや製造装置等を膜厚測定装置に合わせて改造したり、製造ラインや製造装置等を新しいものに取り換えたりする必要があり、膜厚測定装置の導入コストが増大し、インライン計測用の膜厚測定装置の導入が困難になる。

また、背景との距離を大きく離す方法では、膜厚測定装置の設置場所が制約を受けるので、製造ライン等に設けられている周辺機器や付属機器と干渉し、膜厚測定装置の設置場所が制限される。

さらに、膜厚測定装置の光学系の焦点深度を浅くする方法では、測定対象物の薄膜に対して焦点合わせをシビアに行わなければならないので、焦点合わせに時間と手間が掛かる。また、製造ラインを流れる測定対象物の検査では、測定対象物の位置バラツキが大きくなり、また搬送時の振動によって測定対象物が焦点位置から外れ易いので、焦点深度を浅くすると膜厚計測が困難になり、自動焦点調整のためのオートフォーカス装置などがなければ膜厚計測を行えない。

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定対象物の背景からの反射光による計測誤差を小さくすることができ、しかも、インライン計測にも適した薄膜測定方法及び薄膜測定装置を提供することにある。

本発明の薄膜測定装置は、測定対象物に向けて光を照射する投光部と、測定対象物で反射した光を取り込む撮像手段と、前記撮像手段で取り込んだ光の分光特性に基づいて測定対象物表面の薄膜の膜厚又は光学定数を求める演算処理部とを備えた薄膜測定装置であって、前記演算処理部は、測定対象物を測定対象物設置位置から除去した状態において前記設置位置の背景から入射する光の分光特性を考慮して、透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を前記設置位置に設置した状態において前記測定対象物で反射した光の分光特性の理論式を算出する機能を備え、前記測定対象物を前記設置位置に設置した状態において前記測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、前記理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求めるように構成されている。

ここで、背景の分光特性を取得する際の背景から入射する光には、撮像手段に直接入射する外乱光や測定対象物で反射して撮像手段に入射する外乱光は含まれなくてもよく（外乱光を遮断する。）、あるいは、外乱光が一定である場合には、外乱光が含まれていてもよい。

本発明の薄膜測定装置によれば、前記演算処理部が、測定対象物を測定対象物設置位置から除去した状態において前記設置位置の背景から入射する光の分光特性を考慮して、透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を前記設置位置に設置した状態において前記測定対象物で反射した光の分光特性の理論式を算出する機能を備えており、測定対象物の薄膜を形成されている基板が透明基板である場合において、測定対象物設置位置で測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、測定対象物の背景から入射する光の分光特性を考慮して算出された測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は屈折率等の光学定数を求めることができるので、測定対象物の背景で反射されて撮像手段に入射する光の影響を除去又は補正することができ、薄膜の膜厚や光学定数を精度良く計測することができる。しかも、受光光学系の焦点深度を浅くする必要がないので、製造ラインを搬送される測定対象物の計測にも適し、インライン計測が可能になる。更に、背景を加工したり、背景と測定対象物との距離を大きくとったりする必要がないので、製造ラインや製造装置等を改良したり、新しい設備に入れ替えたりする必要が無く、既存設備をそのまま生かしたレトロフィット方式で薄膜のインライン計測を可能にすることができる。

また、本発明の薄膜測定装置においては、測定対象物が測定対象物設置位置から除去された状態で背景から入射する光の分光特性は、測定対象物を測定対象物設置位置から除いた状態で背景のみの分光特性を薄膜測定装置により実測してもよく、あるいは、背景を構成する構成部材の光学定数に基づいて演算により求められたものでもよい。この実施態様においては、測定対象物が除去された状態で背景から入射する光の分光特性に基づき、測定対象物で反射した光の分光特性の理論式が自動的に算出されるので、分光特性の理論式を求めて薄膜測定装置に入力する必要がない。

本発明の薄膜測定装置の一実施態様においては、測定対象物を載置するためのステージに、黒色アルマイト処理を施している。黒色アルマイト処理は、ステージの表面に形成するのが一般的であるが、ステージがガラス板等の透明板である場合には、ステージの裏面に形成してもよい。この実施態様によれば、ステージに黒色アルマイト処理を施しているので、背景であるステージからの反射光が少なくなり、薄膜の計測時のＳ／Ｎ比が大きくなって計測精度が向上する。なお、この実施態様によれば、ステージが既存の設備の一部である場合には、既存設備の一部改良が必要となるが、軽微な改良で済む。また、軽微の改良で済まないような場合には、既存のステージの表面に黒色アルマイト処理を施されたシートを接着させてもよい。

本発明の薄膜測定装置の別な実施態様においては、測定対象物が透明基板の上に薄膜を形成されたものである場合と、測定対象物が不透明基板の上に薄膜を形成されたものである場合とで計測方法を切替え可能とし、透明基板の上に薄膜を形成された測定対象物の場合には、測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、測定対象物の背景から入射した光の分光特性を考慮して算出された測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにし、不透明基板の上に薄膜を形成された測定対象物の場合には、測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、背景からの入射光の分光特性を考慮しない測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにしている。この実施態様によれば、測定対象物が透明基板である場合も、不透明基板である場合も、単一の装置によって薄膜を計測することができる。また、透明基板の測定対象物と不透明基板の測定対象物を計測できるようにしても、薄膜測定装置の操作が複雑になることが無く、薄膜計測を容易に行うことができる。

本発明の薄膜測定装置のさらに別な実施態様においては、測定対象物の複数点において薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにしているので、複数箇所で薄膜の膜厚や光学定数を求めることができ、薄膜の膜厚の変化や光学定数の傾斜特性を知ることができる。なお、上記複数の点としては、任意の点を選択できることが望ましい。

また、本発明の薄膜測定装置は、特に液晶表示パネルやプラズマディスプレイデバイス等の画像表示デバイスの製造ラインに組み込んでインライン計測するのに適しており、既存の設備を入れ替えたり改造したりする必要性が低いので、これらのラインへの導入が容易である。

本発明の第１の薄膜測定方法は、測定対象物に向けて光を照射する投光部と、測定対象物で反射した光を取り込む撮像手段とを備え、前記撮像手段で取り込んだ光の分光特性に基づいて測定対象物表面の薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにした薄膜測定方法であって、測定対象物の設置されていない測定対象物設置位置に前記投光部から光を照射することにより、背景から入射する光の分光特性を取得する工程と、透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を測定対象物設置位置に設置し、該測定対象物に前記投光部から光を照射することにより、測定対象物で反射された光の分光特性を取得する工程と、背景から入射した光の前記分光特性を用いて、測定対象物による反射光の分光特性の理論式を求める工程と、測定対象物で反射された光の前記分光特性と、測定対象物による反射光の分光特性の前記理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求める工程とを備えている。

本発明の第１の薄膜測定方法によれば、測定対象物の薄膜を形成されている基板が透明基板である場合において、測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、測定対象物の背景から入射する光の分光特性を考慮して算出された測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は屈折率等の光学定数を求めることができるので、測定対象物の背景で反射されて撮像手段に入射する光の影響を除去又は補正することができ、薄膜の膜厚や光学定数を精度良く計測することができる。しかも、受光光学系の焦点深度を浅くする必要がないので、製造ラインを搬送される測定対象物の計測にも適し、インライン計測が可能になる。更に、背景を加工したり、背景と測定対象物との距離を大きくとったりする必要がないので、製造ラインや製造装置等を改良したり、新しい設備に入れ替えたりする必要が無く、既存設備をそのまま生かしたレトロフィット方式で薄膜のインライン計測を可能にすることができる。

しかも、第１の薄膜測定方法によれば、測定対象物の設置されていない測定対象物設置位置に照射することにより、背景から入射する光の分光特性を容易に取得することができ、１台の薄膜測定装置により背景の分光特性の計測と薄膜の膜厚等の計測とを同時に行うことができる。

本発明の第２の薄膜測定方法は、測定対象物に向けて光を照射する投光部と、測定対象物で反射した光を取り込む撮像手段とを備え、前記撮像手段で取り込んだ光の分光特性に基づいて測定対象物表面の薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにした薄膜測定方法であって、測定対象物設置位置における背景部材の光学定数に基づいて背景から入射する光の分光特性を求める工程と、透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を測定対象物設置位置に設置し、該測定対象物に前記投光部から光を照射することにより、測定対象物で反射された光の分光特性を取得する工程と、背景から入射した光の前記分光特性を用いて、測定対象物による反射光の分光特性の理論式を求める工程と、測定対象物で反射された光の前記分光特性と、測定対象物による反射光の分光特性の前記理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求める工程とを備えている。

本発明の第２の薄膜測定方法によれば、測定対象物の薄膜を形成されている基板が透明基板である場合において、測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、測定対象物の背景から入射する光の分光特性を考慮して算出された測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は屈折率等の光学定数を求めることができるので、測定対象物の背景で反射されて撮像手段に入射する光の影響を除去又は補正することができ、薄膜の膜厚や光学定数を精度良く計測することができる。しかも、受光光学系の焦点深度を浅くする必要がないので、製造ラインを搬送される測定対象物の計測にも適し、インライン計測が可能になる。更に、背景を加工したり、背景と測定対象物との距離を大きくとったりする必要がないので、製造ラインや製造装置等を改良したり、新しい設備に入れ替えたりする必要が無く、既存設備をそのまま生かしたレトロフィット方式で薄膜のインライン計測を可能にすることができる。

しかも、第２の薄膜測定方法によれば、測定対象物設置位置における背景部材の光学定数に基づいて背景から入射する光の分光特性を求めているので、背景の分光特性を計測する手間が省ける。

なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

本発明の薄膜測定方法及び薄膜測定装置によれば、薄膜の膜厚や光学定数を精度よくインライン計測することができる。しかも、薄膜測定装置を設置する製造ラインや製造装置を入れ替えたり、改良を加えたりすることなく、あるいは改良を必要とする場合でも改良を最小にすることができ、安価なコストでインライン計測用の薄膜測定装置を導入することができる。

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。

まず、本発明にかかる薄膜測定装置の構成を説明する。図４は本発明の実施例１による、２次元膜厚計測の可能な薄膜測定装置１１を示す全体構成図である。薄膜測定装置１１は、センサヘッド部１２と、演算処理部１３と、外部インターフェイス（Ｉ／Ｆ）部とからなる。図示例では、外部インターフェイス部は、ディスプレイ装置１４と、キーボード、マウス等の入出力機器１５とで構成されている。また、センサヘッド部１２と演算処理部１３はケーブル１６によって接続され、演算処理部１３とディスプレイ装置１４はケーブル１７によって接続され、演算処理部１３と入出力機器１５はケーブル１８によって接続されている。

図５は上記薄膜測定装置１１の電気的構成を示すブロック図である。センサヘッド部１２は、投光部１９、受光部２０、モニター部２１、および電源部２２からなる。センサヘッド部１２においては、投光部１９から出射された計測光Ｌが測定対象物２３に投射され、測定対象物２３で反射された計測光Ｌが受光部２０で受光され観測される。モニター部２１は、投光部１９から出射される計測光Ｌの光強度の変動をモニターする働きをしており、投光部１９から出射される計測光Ｌの一部を直接受光している。また電源部２２は、投光部１９、受光部２０及びモニター部２１に電力を供給してこれらを駆動する電源である。電源部２２は、センサヘッド部１２の内部に設けてあってもよく、また、演算処理部１３内に取り付けるなど、センサヘッド部１２に対して外付けとなっていてもよい。

演算処理部１３は、投受光制御部２４と、Ａ／Ｄ変換部２５と、ＲＯＭ等の不揮発性メモリ２６と、入出力制御部２７と、表示制御部２８と、これらを演算／制御するマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）等の主制御部２９とからなる。投受光制御部２４は、投光部１９、受光部２０、モニター部２１及び電源部２２を制御する。Ａ／Ｄ変換部２５は、受光部２０とモニター部２１からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。不揮発性メモリ２６は、各種のプログラムを内蔵している。入出力制御部２７は、ケーブル１８を介してキーボード、マウス等の入出力機器１５を接続される。表示制御部２８は、ケーブル１７を介してディスプレイ装置１４を接続される。

しかして、投受光制御部２４は、所定のタイミングで投光部１９を発光させ、計測光Ｌを測定対象物２３に照射させる。同時に、モニター部２１は投光部１９から出射された計測光Ｌの一部を受光し、その受光量に応じたモニター信号をケーブル１６によりＡ／Ｄ変換部２５へ出力する。モニター信号（アナログ信号）は、Ａ／Ｄ変換部２５によりデジタル信号に変換された後、主制御部２９へ送られる。主制御部２９はデジタル化されたモニター信号に基づいて投光部１９から出射されている計測光Ｌの光強度を演算し、その光強度が所定の光強度と等しくない場合には、投受光制御部２４を通じて投光部１９を制御し、投光部１９の光強度が所定の光強度となるようにフィードバック制御する。

また、受光部２０で撮像された測定対象物２３の画像信号は、ケーブル１６を通じてＡ／Ｄ変換部２５へ出力される。Ａ／Ｄ変換部２５でデジタル信号に変換された画像信号は、主制御部２９へ送られ、後述のようにして薄膜の所定位置の膜厚が演算される。表示制御部２８は、受光部２０から出力された画像信号に基づいて測定対象物２３の画像や膜厚の演算結果等をディスプレイ装置１４に表示させる。また、入出力制御部２７は、入出力機器１５から例えば膜厚の計測位置や屈折率等のデータを入力されると、その計測位置データ等を主制御部２９へ送信し、ハードディスク等の記憶装置（図示せず）に記憶させる。

図６は上記センサヘッド部１２の光学的構成を示す概略図である。センサヘッド部１２内の投光部１９は、光源３０と投光光学系とからなり、投光光学系は、投光レンズ３１、ハーフミラー３２及び対物レンズ３３によって構成される。受光部２０は、受光光学系とＣＣＤカメラ等からなる撮像部３６とからなり、受光光学系は、対物レンズ３３、開口絞り３４及びマルチ分光フィルタ３５によって構成される。モニター部２１は、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子からなる。ハーフミラー３２は、測定対象物２３に投射する計測光Ｌの光軸方向に対して４５度の角度で配置されており、光源３０及び投光レンズ３１は、ハーフミラー３２の一方側方に光軸を水平方向に向けるようにして配置され、モニター部２１はハーフミラー３２を介して光源３０及び投光レンズ３１と対向する位置に配置されている。しかして、光源３０から出射された計測光Ｌは、投光レンズ３１を透過した後、ハーフミラー３２に入射する。ハーフミラー３２に入射した光の一部はハーフミラー３２で反射され対物レンズ３３を透過して測定対象物２３の所定の２次元領域Ａに投射され、残りの一部はハーフミラー３２を透過してモニター用の光としてモニター部２１で受光される。ここで、測定対象物２３に照射される計測光Ｌは、測定対象物２３に対して垂直に入射する同軸落射光とする。

ハーフミラー３２は対物レンズ３３の上方に配置され、その上方に開口絞り３４とマルチ分光フィルタ３５と撮像部３６が配置されている。撮像部３６と測定対象物２３の間に設置されているマルチ分光フィルタ３５は、図７に示すように、透過波長域の異なる複数の分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…を備えたフィルタ板３８をパルスステップモータ等の回転アクチュエータ３９で回転させて角度を変えられるようにしたものである。フィルタ板３８の外周部には、回転アクチュエータ３９の回転軸を中心として同心円状に複数の開口が設けられており、１つを除く開口にはそれぞれ選択波長の異なる透過型の分光フィルタ（バンドパスフィルタ）３７ａ、３７ｂ、…が嵌め込まれており、１つの開口は分光フィルタの嵌められていない透孔３７となっている。このような透過型分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…としては、誘電体多層膜などを用いることができる。マルチ分光フィルタ３５のフィルタ板３８は、開口絞り３４の上に近接して配置されており、回転アクチュエータ３９によってフィルタ板３８を回転させることにより、透孔３７又は任意の分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…を開口絞り３４の小孔３４ａと対向する位置へ移動させることができる。よって、いずれかの分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…が小孔３４ａの上に位置している場合には、小孔３４ａを通過した白色光は、その上の分光フィルタ（例えば３７ａ）に入射し、その分光フィルタで決まる特定の波長域の光だけが撮像部３６に入射する。

図８は、薄膜測定装置１１の光学系と光線の挙動を示す図である。この薄膜測定装置１１にあっては、光源３０から出射された計測光Ｌは、投光レンズ３１、ハーフミラー３２及び対物レンズ３３を通って測定対象物２３の２次元領域Ａに照射される。この投光用光学系は同軸落射型となっていて、測定対象物２３に向けて照射される光は測定対象物２３の表面にほぼ垂直に投射される。

また、この薄膜測定装置１１における受光部２０の結像光学系としては、測定対象物の距離変動に対して薄膜測定装置１１の計測精度を安定させるためにテレセントリック光学系が採用される。一般に、テレセントリック光学系には、像側テレセントリック光学系、物体側テレセントリック光学系、両側テレセントリック光学系の３種があるが、本発明の薄膜測定装置では、物体側テレセントリック光学系又は両側テレセントリック光学系が用いられる。特に、実施例１の薄膜測定装置１１では、図８に示すように、対物レンズ３３と撮像部３６との間において、マルチ分光フィルタ３５の下面近傍で対物レンズ３３の光軸上に開口絞り３４の小孔３４ａを配置することにより、結像光学系を物体側テレセントリック光学系としている。

すなわち、この受光光学系においては、２組のアクロマティックレンズによって対物レンズ３３を構成し、対物レンズ３３の像側焦点に開口絞り３４の小孔３４ａを位置させて対物レンズ３３と開口絞り３４によって物体側テレセントリック光学系を構成している。そして、測定対象物２３と撮像部３６とは、対物レンズ３３に関して測定対象物２３と撮像部３６の受光面とが結像関係になるように配置されている。よって、所定の２次元領域Ａで反射された計測光Ｌは、対物レンズ３３及び開口絞り３４で構成されたテレセントリック光学系を通ってマルチ分光フィルタ３５に入射する。よって、この薄膜測定装置１１においては、薄膜測定装置１１と測定対象物２３との間の距離に変動が発生しても、測定対象物２３の画像を撮像部３６にはっきりと結像させることができ、測定対象物２３の距離変動に対して良好な特性を得ることができる。

また、この受光光学系においては、距離変動時における反射光強度の変化を小さくするため、受光光学系における物側の開口数ＮＡを小さく（開口絞りの孔径を小さく）している。ここで、受光光学系における物側の開口数ＮＡとは、図８に示すように、測定対象物２３から出て開口絞り３４を通過する計測光Ｌの広がり角を２ｗとするとき、
受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗ
で表されるものである。しかし、受光光学系における物側の開口数ＮＡを小さくしすぎると、開口絞り３４を通過する光量が減少するので、画像が暗くなって光学的画像分解能が低減し、計測位置精度が悪くなる。従って、薄膜測定装置１１においては、受光光学系の光学的画像分解能が低下し過ぎることのない範囲で、距離変動時の反射光強度の変化ができるだけ小さくなるように、受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗ（あるいは、開口絞り３４の孔径）を決定して最適な値としている。

また、図８に示すように、本発明の薄膜測定装置１１では、投光光学系を同軸落射光学系で構成し、かつ、投光光学系における像側（測定対象物側）の開口数ＮＡが、開口絞り３４の孔径により決定される受光光学系における物側（測定対象物側）の開口数ＮＡよりも大きくなるように光学系を構成する。ここで、投光光学系における像側の開口数ＮＡとは、図９（ｂ）に示すように、投光光学系を通して光源３０から測定対象物２３に照射される計測光Ｌの広がり角を２ｕとするとき、
投光光学系における像側の開口数ＮＡ＝sinｕ
で表されるものである。測定対象物２３の表面が正反射面であるとすれば、測定対象物２３で反射される光の広がりは、投光光学系における像側の開口数ＮＡによって決まる。また、受光光学系における物側の開口数ＮＡとは、前記のように、測定対象物２３から出て開口絞り３４を通過する計測光Ｌの広がり角を２ｗとするとき、
受光光学系における物側の開口数ＮＡ＝sinｗ
で表されるものである。図９（ｂ）に示すように、この広がり角２ｗは、開口絞り３４から想定される入射瞳３４´の小孔３４ａ´に対して測定対象物２３の上の点が張る角度であるということもできる。

さらに、光源３０のある面（以下、この面を光源基準面３０ａという。）と開口絞り３４とが結像の関係となるようにし、図９（ａ）に示すように、光源基準面３０ａの適当な大きさの領域で出射光量の分布が均一になるようにする。出射光量の分布が均一であるとは、光源基準面３０ａの発光領域全体で出射光量が均一であり、且つ／又は、指向特性が等しいことをいう。

上記光源３０の構成においては、光源基準面３０ａ（すなわち、開口絞り３４と結像関係にある面）の発光領域で出射光量の分布が均一となっていたが、このような光源３０は次のようにして実現することができる。図１０はこのような光源３０の一例であって、ランプ４２から出射した計測光Ｌをコンデンサレンズ４３と集光レンズ４４を透過させた後、比較的拡散角の小さな拡散板４５に入射させるようにしたものであり、拡散板４５で計測光Ｌを拡散させることで出射光量の分布を均一化させている。このような光源３０では、拡散板４５の配置されている面が光源基準面３０ａとなる。

しかして、このような光学系においては、図１１（ａ）に示すように、光源基準面３０ａと開口絞り３４とが結像関係にあり、光源基準面３０ａの発光領域４０の各光点から出射した計測光Ｌは、投光レンズ３１及び対物レンズ３３を透過して測定対象物２３に同軸落射して２次元領域Ａ全体に広がり、さらに、対物レンズ３３を透過して開口絞り３４の面内で結像する。また、図１１（ｂ）に示すように、測定対象物２３の２次元領域Ａの各点で反射された計測光Ｌは、開口絞り３４における発光領域４０の像の領域（つまり、開口絞り３４における照明領域４１）の全体に広がっている。しかも、光源基準面３０ａの発光領域４０の全体において出射光量の分布が均一となっているので、開口絞り３４の照明領域４１全体で光量分布が均一となっている。なお、図１１（ａ）、（ｂ）はいずれも光線が一方向に進むように概念的に描いた図である。

また、投光光学系における像側の開口数ＮＡが受光光学系における物側の開口数ＮＡよりも大きくなっているが、表面で光が正反射する測定対象物２３では、測定対象物２３に入射する光の広がりと測定対象物２３で反射した光の広がりとは等しいから、この条件は、図９（ｂ）に示すように、測定対象物２３で反射された光が開口絞り３４に対応する入射瞳３４´の上に照射する光のスポット径Ｄ１が入射瞳３４´の小孔３４ａ´の口径Ｄ２よりも大きいことを意味する。よって、測定対象物２３で反射された光は、開口絞り３４の上に、その小孔３４ａよりも大きな面積のスポット光を照射することになる（図１１（ｂ）参照）。この結果、図１２（ａ）に示すように、測定対象物２３の傾きが０°のときには測定対象物２３の２次元領域Ａで反射された計測光Ｌが小孔３４ａを通過して撮像部３６で結像されると共に、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、測定対象物２３が例えば±１°傾いている場合にも、２次元領域Ａで反射した計測光Ｌは小孔３４ａを通過して撮像部３６で結像され、測定対象物２３の傾き変動時にも撮像部３６で測定対象物２３を観測することができる。

さらに、この薄膜測定装置１１では、測定対象物２３が傾いて撮像部３６で受光される光領域が変化しても撮像部３６で観測される反射光強度が変化せず、測定対象物２３に傾き変動がある場合でも精度の高い膜厚計測を行うことができる。

以上の説明から明らかなように、この薄膜測定装置１１によれば、距離変動や傾き変動があっても膜厚測定を行うことができ、しかも、距離変動や傾き変動があっても撮像部３６で観測される反射光強度がほぼ一定となり、精度の高い膜厚測定を行うことができるようになっており、インライン計測に適した光学系を備えている。なお、薄膜測定装置１１におけるテレセントリック光学系の構成、測定対象物の距離変動対策、傾き変動対策、これらの別な態様などについては、本出願人が本発明に先立って出願した特願２００３−３２１２６７に詳細に開示している。

こうして測定対象物２３の所定の２次元領域Ａに照射され測定対象物２３で反射された計測光Ｌは、対物レンズ３３を透過した後、ハーフミラー３２と小孔３４ａを通過していずれかの分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…を透過し、単一波長の分光画像となって撮像部３６に入射する。また、測定対象物２３と撮像部３６の受光面とは、結像関係にあり、測定対象物２３の２次元領域Ａ内の各点が撮像部３６の各画素に１対１に対応している。ここで、マルチ分光フィルタ３５を回転させて順次分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…を切り替えることにより、図１３（ａ）〜（ｆ）に示すＴＦＴアレイ基板の分光画像Ｍのように、分光フィルタ３７ａ、３７ｂ、…で決まる様々な波長ｆ１、ｆ２、…の分光画像Ｍを撮像部３６で観察し、各分光画像Ｍをハードディスク等の記憶装置に記憶させる。ついで、例えば図１３（ａ）〜（ｆ）で×印を付した画素開口内の点のように、撮像部３６の各画素のうちから任意の１画素（すなわち、２次元領域Ａの任意の１点）を選択し、記憶させた各波長の分光画像データから選択した画素の分光反射率データ（反射スペクトル）を抽出し、それらの分光反射率データを理論分光反射率と比較することにより、後述のようにして選択した任意の点の膜厚を演算処理部１３で算出する。

なお、上記実施例では、マルチ分光フィルタ３５は受光光学系に配置しているが、マルチ分光フィルタ３５を投光光学系に配置して各波長の単色光を順次測定対象物２３に照射するようにしてもよい。

次に、測定対象物の薄膜の膜厚の算出方法、特に背景の影響を考慮した膜厚の算出方法を説明する。測定対象物２３の表面における反射率Ｒ(λ)は、測定対象物２３を構成する基板４６や薄膜４７の屈折率ｎ２及びｎ１、薄膜４７の膜厚ｄ、照射光の波長λなどによって理論的に求めることができる。すなわち、測定対象物２３の表面における反射率Ｒ(λ)は、次の（１）式で表される。

ここで、
Ｒa(λ)：波長λの光に対する薄膜反射率
Ｔa(λ)：波長λの光に対する薄膜透過率
Ｒb(λ)：波長λの光に対する基板裏面反射率
Ｔb(λ)：波長λの光に対する基板裏面透過率
Ｒc(λ)：波長λの光に対する背景反射率
ｚ：表面反射受光効率
ｙ：裏面反射受光効率
である。（１）式の各項については、以下に順次説明する。

上記薄膜反射率Ｒa(λ)とは、図１４（ａ）に示すように、測定対象物２３に入射する計測光Ｌ０に対する、測定対象物２３の表面からの反射光Ｌｍ（すなわち、薄膜４７の表面で正反射した光Ｌ１と薄膜４７及び基板４６の境界面で正反射した光Ｌ２との干渉光）の光強度の比率である。一般に、薄膜４７の厚みをｄ、薄膜４７の屈折率をｎ１とするとき、測定対象物２３に入射した波長λの計測光Ｌ０が基板４６及び薄膜４７の表面で正反射して得られる反射光Ｌｍの薄膜反射率Ｒa(λ)は、つぎの（２）式で表される。ただし、Ａ、Ｂ、Ｃは、基板４６及び薄膜４７の屈折率ｎ２、ｎ１により決まる定数である。

上記（２）式は測定対象物２３の表面が鏡面であると仮定したときに理論上発生する正反射光をすべて受光することを前提として求められた式である。しかしながら、実際の測定対象物２３であるプラズマディスプレイ用の基板や樹脂フィルム製基板のように、表面に凹凸を有する基板４６の場合には、図１４（ｂ）に示すように、薄膜４７の表面や裏面において、正反射光Ｌ１、Ｌ２のほかに拡散反射光Ｌｓも生じる。この拡散反射光Ｌｓの広がり度合いによっては、撮像部３６に実際に入射する光の比率（受光比率）が減少するため、受光データが表す反射光スペクトルと理論上の反射スペクトルとが合致しなくなり、測定精度が低下する恐れがある。

表面反射受光効率ｚとは、（２）式のような理論上の鏡面反射光に対して実際に撮像部３６に入射する光（正反射光Ｌ１、Ｌ２のほか、拡散反射光Ｌｓの一部を含む。）の強度から求めた受光比率であって、測定対象物２３の表面で反射されて実際に撮像部３６で受光される光の反射率Ｒｚ(λ)は、この受光比率（表面反射受光効率ｚ）を用いて
Ｒｚ(λ)＝Ｒa(λ)×ｚ …（３）
と表わすことができる。これが上記（１）式の第１項である。

また、基板４６が透明な場合には、基板４６の裏面からの反射光（以下、「裏面反射光」という。）を考慮する必要がある。図１５は、透明な基板４６の表面に形成された薄膜４７に計測光を照射した場合の反射状態を模式的に示す。図中、Ｌ０は波長λの計測光、Ｌｍは入射した計測光Ｌ０に対する基板表面からの反射光、Ｌ３は基板４６の裏面からの反射光である。ここで基板４６の表面に凹凸がある場合には、前記反射光Ｌｍの示す反射率は、前記（３）式のＲｚ(λ)に相当することになる。

図１５に示したように、計測光Ｌ０が基板４６の裏面まで到達すると、基板４６の裏面で反射された反射光Ｌ３が測定対象物２３の表面から出射する。この裏面反射光Ｌ３は、上方から基板４６に入射し、基板４６を透過してその裏面で反射され、再び基板４６を透過して測定対象物２３の表面から出射されるので、薄膜４７の裏面と基板４６との界面における透過率（薄膜４７と基板４６による吸収を含む。）をＴa(λ)、基板４６の裏面における反射率をＲb(λ)とすると、実質的な反射率は、
Ｔa^２(λ)×Ｒb(λ) …（４）
となる。

裏面反射受光効率ｙとは、（４）式のような理論上の裏面反射光の反射率に対して実際に受光部２０に入射する裏面反射光Ｌ３の受光比率であって、これは基板４６の裏面等における拡散を考慮したものである。基板４６の裏面で反射されて実際に撮像部３６で受光される光の反射率は、この受光比率（裏面反射受光効率ｙ）を用いて
Ｔa^２(λ)×Ｒb(λ)×ｙ …（５）
と表わすことができる。これが上記（１）式の第２項である。

基板４６が透明である場合には、図１５に示すように、さらに基板４６の裏面を透過して背景４８で反射されて戻り、測定対象物２３の表面から出射される光Ｌ４（以下、「背景反射光」という。）を考える必要がある。この背景反射光Ｌ４は、薄膜４７と基板４６を透過して背景４８で反射され、再び基板４６と薄膜４７を透過て測定対象物２３の表面から出射されるので、薄膜４７の裏面と基板４６との界面における透過率（薄膜４７及び基板４６による吸収を含む。）をＴa(λ)、基板４６の裏面における透過率（基板４６と背景４８との間の媒質による吸収を含む。）をＴb(λ)、背景４８による反射率をＲc(λ)とすると、理論的な反射率は、
Ｔa^２(λ)×Ｔb^２(λ)×Ｒc(λ) …（６）
となる。また、この背景反射光Ｌ４も裏面反射光Ｌ３と同様に基板４６による拡散の影響を受けると考えられるので、背景４８で反射されて実際に撮像部３６で受光される背景反射光Ｌ４の反射率は、裏面反射受光効率ｙを用いて
Ｔa^２(λ)×Ｔb^２(λ)×Ｒc(λ)×ｙ …（７）
と表わすことができる。これが上記（１）式の第３項である。

このようにして、上記（３）式で表される基板表面での反射光Ｌｍによる反射率と、上記（５）式で表される裏面反射光Ｌ３による反射率と、上記（７）式で表される背景反射光Ｌ４による反射率を加え合わせたものが実際に撮像部３６で計測される反射光から求められる反射率であると考えられる。即ち、これが上記（１）式で表された反射率Ｒ(λ)の式（膜厚を算出するための演算理論式）である。

前記（１）式からも分かるように、背景４８からの反射光Ｌ４があると、図１６に示すように、計測波形の分光スペクトル波形が理論的な分光スペクトル波形よりも高くなり、薄膜４７の膜厚計測誤差が発生する。よって、薄膜４７の膜厚を正確に計測するためには、このような背景の影響を考慮した（１）式に基づいて膜厚を算出する必要がある。（１）式に基づいて薄膜の膜厚を測定する方法を図１７のフロー図と図１８の工程図に従って説明する。

薄膜測定装置１１により膜厚測定を行う場合には、まず初めに図１８（ａ）に示すように、背景となるステージ４９の上に基準となる基板（サンプル基板）５０を置き、背景からの光や外乱光の影響を受けない状態でサンプル基板５０により反射される光Ｌｔの光量を計測する。このサンプル基板５０は、反射率等の光学定数が予め分かっているので、サンプル基板５０で反射される光の光量を計測し、この光量を基準として薄膜測定装置１１の投光部１９の出力や受光部２０の感度などを所定値となるよう較正する（ステップＳ１）。

背景の影響を受けない状態でサンプル基板５０の基準光量を計測するには、例えば基板裏面における反射や透過のない、光学定数が既知の基板を用いればよい。このようなサンプル基板５０としては、例えば図１９に示すような基板を用いればよい。このサンプル基板５０は、表面が平滑なガラス板５１の裏面に微細な凹凸処理を施し、さらに凹凸処理を施した面に黒色のアルマイト処理を行って凹凸のあるアルマイト処理層５２を形成したものである。なお、ガラス板５１の表面には薄膜は形成されていない。このようなサンプル基板５０では、ガラス板５１内に入った光はアルマイト処理層５２で吸収されて背景側へ出射されないので、サンプル基板５０で反射される光の光量は背景で反射された光を含まない。

裏面反射のないサンプル基板５０としては、Ｓｉ基板などの金属基板を用いることもできる。しかし、膜厚計測等を行うための測定対象物２３としては、いまの場合ガラス基板等の透明な基板を想定しているので、サンプル基板５０として金属基板を用いると、サンプル基板５０の反射率が測定対象物２３の基板４６の反射率よりもかなり大きくなる（例えば、４０％くらいになる。）。そのため、金属基板からなるサンプル基板５０を用いて薄膜測定装置１１を較正した場合には、実際に測定対象物２３を測定する際にＳ／Ｎ比が悪くなり、ダイナミックレンジも狭くなる。これに対し、図１９に示したようなサンプル基板５０では、測定対象物２３に用いられるガラス基板等の透明基板とほぼ同等の反射率を持つため、このサンプル基板５０で薄膜測定装置１１を較正することにより、測定対象物２３を測定する際のＳ／Ｎ比やダイナミックレンジを適正な範囲に調整することができ、Ｓｉ基板などの金属基板を用いるよりも好ましい。

逆に、ガラス板５１の表面にアルマイト処理層５２を形成した場合には、サンプル基板５０からの反射光が非常に小さくなって測定対象物２３を計測する際の信号レベルが大きくなり過ぎる。よって、ガラス板５１の裏面にアルマイト処理層５２を施したサンプル基板５０を用いるのが望ましい。

次に、図１８（ｂ）に示すように、ステージ４９からサンプル基板５０を取り除き、ステージ４９に計測光Ｌ０を照射してステージ４９で反射された光Ｌｂの光量を計測し、ステージ４９（背景）の反射率Ｒc(λ)を直接に計測する（ステップＳ２）。なお、背景の反射率Ｒｃ(λ)を計測する際には、撮像部３６に入射する光には外乱光が含まれていてもよく、外乱光が遮断されていてもよいが、測定対象物２３を計測する際と同じ条件にしておく必要がある。

この後、図１８（ｃ）に示すように、ステージ４９の上に実際の測定対象物２３を載置し、背景からの反射光Ｌ４を含んだ分光特性を取得し、その反射率Ｓ(λ)のスペクトルを算出する（ステップＳ３）。

ついで、ステップＳ２で測定された背景の反射率Ｒc(λ)を用いて、基板裏面からの反射と背景からの反射を考慮した分光特性の理論式（即ち、（１）式で表される反射率）Ｒ(λ)を求める（ステップＳ４）。求めた反射率Ｒ(λ)は薄膜４７の膜厚ｄをパラメータとする波長λの関数となっている。なお、理論上の反射率Ｒ(λ)の決め方、特に表面反射受光効率ｚや裏面反射受光効率ｙの決定の仕方については後述する。

反射率の理論式Ｒ(λ)が決まったら、ステップＳ３で実測された反射率Ｓ(λ)の波形と理論式Ｒ(λ)の波形とを比較し（ステップＳ５）、カーブフィッティング法によって薄膜４７の膜厚ｄを決定する（ステップＳ６）。

しかして、このような薄膜測定装置１１によれば、既存の製造ラインや製造装置等に薄膜測定装置１１を後から設置する場合でも、その製造ラインや製造装置等に改良を施したりすることなく（レトロフィット）、背景の影響を除去または補正して薄膜の膜厚を精度よく計測することができる。また、測定対象物の２次元領域内の任意の箇所で薄膜の膜厚を計測することができて（図１３参照）膜厚の２次元計測が可能となり、さらに、インライン計測により測定対象物の全数検査を可能にすることができる。

なお、薄膜の膜厚が既知の場合には、逆に薄膜の光学定数（屈折率や透過率など）を計測することもできる（ステップＳ６）。

上記ステップＳ４、Ｓ５において反射率の理論式Ｒ(λ)を、膜厚ｄをパラメータとして求め、カーブフィッティング法により膜厚ｄを決定する方法は、次のとおりである。前記（１）式の第１項における薄膜反射率Ｒa(λ)は、基板４６の表面が鏡面であると仮定した場合の反射率であって、基板４６の屈折率ｎ２や薄膜４７の屈折率ｎ１、薄膜４７の膜厚ｄ、照射光の波長λなどによって理論的に求めることができる。例えば、この薄膜反射率Ｒa(λ)は、（２）式を用いて決定され、薄膜４７の膜厚ｄをパラメータとする波長λの関数となる。

各波長λ毎に前記（２）式から得た理論上の反射率Ｒa(λ)と、前記表面反射受光効率がｚ＝０.５である場合の反射率Ｒｚ(λ)＝Ｒａ(λ)×ｚとの関係を示す波形図においては、基板４６における波長λ毎の反射率Ｒa(λ)とＲｚ(λ)は、ほぼ一定の振幅をもって正弦波状に変化しており、反射率Ｒｚ(λ)の曲線の振幅は、反射率Ｒa(λ)の曲線の振幅に前記表面反射受光効率ｚを掛け合わせた大きさとなる。

このように、理論上の反射率Ｒａ(λ)及びこれに表面反射受光効率ｚを加味した反射率Ｒｚ(λ)の理論曲線は、所定の振幅をもって正弦波状に変化しており、Ｒａ(λ)の曲線の振幅に対するＲｚ(λ)の曲線の振幅の比率が表面反射受光効率ｚに相当する。したがって、反射率の実測データＳ(λ)から振幅に相当する反射率の変化の度合を抽出した後、この値が理論上の反射率Ｒａ(λ)の振幅に対して占める比率を求めることにより、表面反射受光効率ｚを決定することができる。なお、反射率の実測データＳ(λ)の振幅を求めるには、その分光スペクトルから最大値と最小値とを抽出し、両者の差を算出すればよい。ただし、１周期以上のスペクトルが得られる場合は、いずれかの周期における極大値と極小値との差を算出するようにしてもよい。

図２０は、このような原理に基づいて表面に凹凸がある基板４６を測定するための理論曲線を設定する処理手順を示す。まず、図１７のステップＳ３で得られた実測データＳ(λ)から、その最大値Ｓmax、最小値Ｓmin、平均値Ｓａを抽出する（ステップＳ１１）。そして、測定対象物２３の薄膜４７の膜厚ｄをある最小値ｄｘと仮定した（ステップＳ１２）後、ステップＳ１３〜Ｓ２１の処理を実行する。

ステップＳ１３では、前記(２)式を用いて膜厚がｄｘである場合の反射率Ｒａ(λ)を算出する。ついでステップＳ１４で、この反射率Ｒａ(λ)の曲線における最大値Ｒａmax、最小値Ｒａminを抽出する。そしてつぎのステップＳ１５では、前記ステップＳ１４で求めた反射率Ｒａ(λ)の最大値Ｒａmaxおよび最小値Ｒａminと、ステップＳ１１で求めた実測データＳ(λ)の最大値Ｓmaxおよび最小値Ｓminとをつぎの（８）式にあてはめることにより、表面反射受光効率ｚを算出する。

なお、ここでは前記（Ｓmax−Ｓmin）と（Ｒａmax−Ｒａmin）を、それぞれＳ(λ)、Ｒａ(λ)の示す各分光スペクトルの振幅に相当するものと見なしているが、これらのスペクトルに複数の周期が含まれる場合には、前記最大値，最大値に代えて、いずれかの周期における極大値、極小値を抽出して（８）式にあてはめてもよい。

こうして表面反射受光効率ｚを算出すると、算出された表面反射受光効率ｚと反射率Ｒａ(λ)とを（３）式にあてはめて、モデルデータＲｚ(λ)を算出する（ステップＳ１６）。

ここで、（１）における薄膜透過率Ｔa(λ)、基板裏面反射率Ｒb(λ)、基板裏面透過率Ｔb(λ)は、シミュレーションや実験を行ったり、論文やデータブックから探したりして演算処理部１３に予め入力して記憶されている。この記憶されているＲｂ(λ)から、その平均値Ｒｂａを求めると共に、ステップＳ１６で求めたモデルデータＲｚ(λ)を用いてその平均値Ｒｚａを求める。こうして求めた平均値Ｒｂａ、Ｒｚａ及びステップＳ１１で求めたＳ（λ）の平均値Ｓａを用いると、裏面反射受光効率ｙは、次の（９）式により算出することができる（ステップＳ１７）。
ｙ＝（Ｓａ−Ｒｚａ）／Ｒｂａ …（９）

よって、ステップＳ２で実測された背景の反射率Ｒｃ(λ)、ステップＳ１６で求められたＲｚ(λ)、ステップＳ１７で求められた裏面反射受光効率ｙ、予め入力されている薄膜透過率Ｔa(λ)、基板裏面反射率Ｒb(λ)、基板裏面透過率Ｔb(λ)により、（１）式で表される反射率の理論式Ｒ(λ)を求める（ステップＳ１８）。

ついで、理論式Ｒ(λ)と実測データＳ（λ）とを比較してカーブフィッティングを行う。図２１はカーブフィッティング法の原理を示す。図２１中、Ｓは実測の受光データを示す反射スペクトルである。また、ＲA〜ＲEは膜厚毎に(1)式により得られた理論上の反射率Ｒ(λ)から得た理論上の反射スペクトルであって、膜厚によって光の干渉の度合が変化するという現象を反映してそれぞれ異なる分布形状をとる。カーブフィッティング法では、実測の受光データＳから得られる反射スペクトルについて各理論曲線に対する最小自乗誤差を順に求めることにより、前記受光データＳに最も近い形状の理論曲線を特定し、その理論曲線に対応する膜厚ｄ（図２１では、１０００ｎｍ）を測定対象の薄膜の厚みとするものである。この方法を実行するため、ステップＳ１８では、算出した理論式Ｒ(λ)と実測データＳ(λ)との最小自乗誤差を算出する（ステップＳ１９）。この算出結果は、記憶装置内に蓄積される。

次に、仮定の膜厚ｄをΔｄだけ増加させ（ステップＳ２０）、再びステップＳ１３〜Ｓ２０までの処理を繰り返す。仮定の膜厚ｄが設定されている最大膜厚ｄｙを超えるまでステップＳ１３〜Ｓ２１の処理を何度も繰り返し、Δｄ毎の各膜厚値に対応する理論式Ｒ(λ)と実測データＳ(λ)の最小自乗誤差を順次記憶装置内に蓄積する。

すべての膜厚について最小自乗誤差が求められると、ステップＳ２２に進み、最小自乗誤差が最小となるときの膜厚ｄｚを抽出し、最後のステップＳ２３で、この膜厚ｄｚを測定結果として出力し、処理を終了する。

実施例１においては、図１７のステップＳ２において背景の反射率Ｒｃ(λ)を計測したが、測定対象物の基板が不透明基板の場合には、背景の影響を受けないので、背景の反射率Ｒｃ(λ)の影響を受けない。従って、不透明基板に形成された薄膜の膜厚や透明基板に形成された薄膜の膜厚を計測する用途の場合には、キーボード等の入出力機器から基板の種類を入力したり、切替スイッチ（図示せず）を操作することによって基板の種類を入力できるようにし、入力された基板の種類に応じて膜厚等の計測処理を簡単に切り換えられるようにしてもよい。

実施例２における計測処理工程を図２２のフロー図に示す。薄膜測定装置１１の較正を行った（ステップＳ１）後に、入出力機器１５から入力された、透明基板か不透明基板かという情報を読み取る（ステップＳ７）。基板４６の種類が透明基板であるという情報が入力された場合には、実施例１の図１７のステップＳ２〜Ｓ６と同様の工程により計測処理を行う。即ち、背景の反射率Ｒｃ(λ)を計測（ステップＳ２）した後、反射率Ｓ(λ)を実測（ステップＳ３´）すると共に前記（１）式で表される反射率の理論式Ｒ(λ)を求め（ステップＳ４´）、測定対象物２３の反射率の実測データＳ(λ)と反射率の理論式Ｒ(λ)とをカーブフィッティング法で比較する（ステップＳ５´）ことにより、薄膜４７の膜厚等を求める（ステップＳ６）。これに対し、基板４６の種類が不透明基板であるという情報が入力された場合には、ステップＳ２をスキップして背景の反射率Ｒｃ(λ)を実測することなく、反射率Ｓ(λ)を実測（ステップＳ３´）すると共に背景を含まない前記（３）式で表される反射率の理論式Ｒ(λ)＝Ｒｚ(λ)を求め（ステップＳ４´）、測定対象物２３の反射率の実測データＳ(λ)と背景を含まない反射率の理論式Ｒ(λ)＝Ｒｚ(λ)とを比較する（ステップＳ５´）ことにより、薄膜４７の膜厚等を求める（ステップＳ６）。よって、実施例２によれば、不透明基板の場合には、背景の反射率Ｒｃ(λ)を計測する工程をスキップすることができ、異なる種類の基板の測定対象物を計測する場合でも薄膜測定装置１１における処理が複雑化するのを避けることができる。

実施例１においては、図１７のステップＳ２において背景の反射率Ｒｃ(λ)を実際に計測したが、背景の構成部材や光学定数や光学特性が分かっている場合には、背景構成部材の光学特性の値に基づいて背景の反射率Ｒｃ(λ)を理論的に求めてもよい。即ち、図２３のフロー図に示すように、ステップＳ８において、背景構成部材の光学特性の値に基づいて背景の反射率Ｒｃ(λ)を理論的に求める。例えば、入出力機器から背景の光学特性の値を入力すると、薄膜測定装置１１により自動的に反射率Ｒｃ(λ)が演算されるようにするのが望ましい。このような方法によれば、背景の反射率Ｒｃ(λ)を実測する工程を省くことができ、場合によっては薄膜の膜厚や光学定数を計測する処理を簡略にすることができる。

本発明の実施例４では、図２４に示すように、ステージ４９の表面に黒色アルマイト処理５３を施している。ステージ４９がガラス板である場合には、ステージ４９の裏面に黒色アルマイト処理を施してもよい。このようにステージ４９（背景）に黒色アルマイト処理５３を施しておけば、背景からの反射光が低減されるので、背景の反射率Ｒｃ(λ)を小さくして背景の影響を小さくすることができ、薄膜４７の膜厚等を計測する精度をより高くすることができる。

また、ステージ４９の表面に黒色アルマイト処理を施された反射防止シートを貼り付けるようにしてもよい。

本発明の実施例５では、図２５に示すように、図１７のステップＳ２において背景の反射率を測定する際に、ステージ４９の上に薄膜４７の形成されていない透明な基板４６を載置して反射率を求める。このようにして求めた反射率には、基板４６の裏面における反射率も含まれるので、このステップにより、
｛Ｔａ^２×Ｒｂ＋Ｔａ^２×Ｔｂ^２×Ｒｃ｝
が背景の反射率として計測されるので、図１７のステップＳ４において理論式Ｒ(λ)を求める処理が簡単になる。

本発明の薄膜測定方法及び薄膜測定装置は、表面に薄膜を形成された基板等を測定対象とし、その基板の表面に形成された薄膜の膜厚や光学定数をインライン計測する用途に用いることができる。

膜厚測定装置において、背景の影響を小さくするための方法を説明する概略断面図である。 膜厚測定装置において、背景の影響を小さくするための別な方法を説明する概略断面図である。 膜厚測定装置において、背景の影響を小さくするためのさらに別な方法を説明する概略断面図である。 本発明の実施例１による薄膜測定装置を示す全体構成図である。 実施例１の薄膜測定装置の電気的構成を示すブロック図である。 実施例１の薄膜測定装置に用いられているセンサヘッド部の光学的構成を示す概略図である。 マルチ分光フィルタを拡大して示す平面図である。 実施例１の薄膜測定装置における光学系とその光線の挙動を示す図である。 （ａ）は光源における光源基準面を説明する図、（ｂ）は像側から見た開口数と測定対象物で反射する計測光の開口数の定義を示す図である。 実施例１の薄膜測定装置に用いられている光源の一例を示す概略側面図である。 （ａ）、（ｂ）はいずれも、光源の像が開口絞りに結像され、測定対象物の像が撮像部に結像され、結像光学系として物体側テレセントリック光学系を用いた実施例１の薄膜測定装置における光の挙動を説明する図である。 （ａ）は実施例１の薄膜測定装置において測定対象物の傾きが０°のときの光線の挙動を示す図、（ｂ）は実施例１の薄膜測定装置において測定対象物の傾きが１°のときの光線の挙動を示す図、（ｃ）は実施例１の薄膜測定装置において測定対象物の傾きが−１°のときの光線の挙動を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、異なる選択波長の分光フィルタを通して観測されたＴＦＴアレイ基板の画像を示す図である。 （ａ）は、表面が鏡面の基板の上に形成された薄膜による薄膜反射率Ｒa(λ)を説明する図、（ｂ）は、凹凸を有する基板の上に形成された薄膜による薄膜反射率Ｒｚ(λ)を説明する図である。 透明な基板に照射された光が基板の裏面や背景で反射される様子を説明する図である。 背景からの反射光がある場合の分光スペクトル波形と、背景からの反射光がない場合の分光スペクトル波形を比較して示す図である。 反射率の理論式に基づいて薄膜の膜厚を測定する方法を説明するフロー図である。 （ａ）〜（ｃ）は、反射率の理論式に基づいて薄膜の膜厚を測定する工程を説明する図である。 サンプル基板の一例を示す断面図である。 図１７のステップＳ４、Ｓ５を詳細に説明するフロー図である。 カーブフィッティング法の原理を示す説明図である。 本発明の実施例２における計測処理工程を説明するフロー図である。 本発明の実施例３における計測処理工程を説明するフロー図である。 本発明の実施例４における計測状態を説明する図である。 本発明の実施例５における計測状態を説明する図である。

符号の説明

１１ 薄膜測定装置
１２ センサヘッド部
１３ 演算処理部
１４ ディスプレイ装置
１５ 入出力機器
１９ 投光部
２０ 受光部
２３ 測定対象物
３０ 光源
３４ 開口絞り
３５ マルチ分光フィルタ
３６ 撮像部
４６ 基板
４７ 薄膜
４８ 背景
４９ ステージ
５０ サンプル基板

Claims (7)

1. 測定対象物に向けて光を照射する投光部と、測定対象物で反射した光を取り込む撮像手段と、前記撮像手段で取り込んだ光の分光特性に基づいて測定対象物表面の薄膜の膜厚又は光学定数を求める演算処理部とを備えた薄膜測定装置であって、
   前記演算処理部は、
   測定対象物を測定対象物設置位置から除去した状態において前記設置位置の背景から入射する光の分光特性を考慮して、透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を前記設置位置に設置した状態において前記測定対象物で反射した光の分光特性の理論式を算出する機能を備え、
   前記測定対象物を前記設置位置に設置した状態において前記測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、前記理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求めるように構成されている
   ことを特徴とする薄膜測定装置。
2. 測定対象物を載置するための、黒色アルマイト処理を施されたステージを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜測定装置。
3. 測定対象物が透明基板の上に薄膜を形成されたものである場合と、測定対象物が不透明基板の上に薄膜を形成されたものである場合とで計測方法を切替え可能とし、
   透明基板の上に薄膜を形成された測定対象物の場合には、測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、測定対象物の前記背景から入射した光の分光特性を考慮して算出された測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにし、
   不透明基板の上に薄膜を形成された測定対象物の場合には、測定対象物に照射した光の反射光より取得した分光特性と、前記背景からの入射光の分光特性を考慮しない測定対象物による反射光の分光特性の理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにした、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜測定装置。
4. 測定対象物の複数点において薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜測定装置。
5. 液晶表示パネルやプラズマディスプレイデバイス等の画像表示デバイスの製造ラインに組み込まれた、請求項１に記載の薄膜測定装置。
6. 測定対象物に向けて光を照射する投光部と、測定対象物で反射した光を取り込む撮像手段とを備え、前記撮像手段で取り込んだ光の分光特性に基づいて測定対象物表面の薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにした薄膜測定方法であって、
   測定対象物の設置されていない測定対象物設置位置に前記投光部から光を照射することにより、背景から入射する光の分光特性を取得する工程と、
   透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を測定対象物設置位置に設置し、該測定対象物に前記投光部から光を照射することにより、測定対象物で反射された光の分光特性を取得する工程と、
   背景から入射した光の前記分光特性を用いて、測定対象物による反射光の分光特性の理論式を求める工程と、
   測定対象物で反射された光の前記分光特性と、測定対象物による反射光の分光特性の前記理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求める工程と、
   を備えた薄膜測定方法。
7. 測定対象物に向けて光を照射する投光部と、測定対象物で反射した光を取り込む撮像手段とを備え、前記撮像手段で取り込んだ光の分光特性に基づいて測定対象物表面の薄膜の膜厚又は光学定数を求めるようにした薄膜測定方法であって、
   測定対象物設置位置における背景部材の光学定数に基づいて背景から入射する光の分光特性を求める工程と、
   透明な基板の表面に薄膜を形成された測定対象物を測定対象物設置位置に設置し、該測定対象物に前記投光部から光を照射することにより、測定対象物で反射された光の分光特性を取得する工程と、
   背景から入射した光の前記分光特性を用いて、測定対象物による反射光の分光特性の理論式を求める工程と、
   測定対象物で反射された光の前記分光特性と、測定対象物による反射光の分光特性の前記理論式とを比較することにより、薄膜の膜厚又は光学定数を求める工程と、
   を備えた薄膜測定方法。

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