JP4871435B1 - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

本発明による膜厚測定装置は、分光センサ（１１３）と、データ処理部（１２０）と、を備えた膜厚測定装置であって、前記分光センサは、基材上に塗布された膜の分光データを測定し、前記データ処理部は、測定された分光データから測定色特性変数を求め、該測定色特性変数を、膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値について求めた複数の組の理論色特性変数と比較して、該測定色特性変数との差が最も小さい理論色特性変数に対応する組の値を使用して該膜の屈折率を定め、該膜の該屈折率を使用して該膜の厚さを定める。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材面に形成された膜の膜厚を、分光反射率を測定することによって求める膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。

基材面に形成された膜の膜厚を測定する装置としては、エリプソメータ（たとえば、特許文献１）や分光反射率（波長に対する反射率の分布）データの極大値を示す波長又は極小値を示す波長から膜厚を測定する測定装置（以下、ＰＶ（Peak-Valley）装置と呼称する）（たとえば、特許文献２）がある。

エリプソメータは、半導体製造分野の薄膜測定で多く利用されている。しかし、投受光角が大きいために、測定対象面との距離が変化するようなラインでの使用が難しいこと、投受光両方の側の光学素子を回転させて測定するので光学系が複雑であること、高価であることなどの問題がある。

ＰＶ装置は、分光反射率データにおいて反射率が極大または極小となる波長から膜厚を測定するので、分光反射率データに反射率が極大または極小となる波長が存在する必要がある。しかし、一般的に５００ｎｍ以下の薄膜の分光反射率データには、反射率の明確な極大値または極小値は存在しない。したがって、５００ｎｍ以下の薄膜の測定に従来のＰＶ装置を使用することはできない。

そこで、５００ｎｍ以下の薄膜の膜厚を測定するために、色の特性変数の理論値を使用する装置及び方法が本願の発明者らによって開発された（特許文献３）。しかし、この方法は、膜のサンプルの膜厚を仮定して膜の屈折率を定め、この屈折率を使用して膜厚を求めるものであり、応用範囲が限定されていた。

このように、５００ｎｍ以下の薄膜を含む膜の膜厚測定に広く使用することのできる簡単な構造の膜厚測定装置及び膜厚測定方法はこれまで開発されていなかった。

特開２００９−６８９３７号公報 特許３５３２１６５号公報 特許４４８２６１８号公報

したがって、５００ｎｍ以下の薄膜を含む膜の膜厚測定に広く使用することのできる簡単な構造の膜厚測定装置及び膜厚測定方法に対するニーズがある。

本発明による膜厚測定装置は、分光センサと、データ処理部と、を備えた膜厚測定装置であって、
前記分光センサは、基材上に塗布された膜の分光データを測定し、前記データ処理部は、測定された分光データから測定色特性変数を求め、該測定色特性変数を、膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値について求めた複数の組の理論色特性変数と比較して、該測定色特性変数との差が最も小さい理論色特性変数に対応する組の値を使用して該膜の屈折率を定め、該膜の該屈折率を使用して該膜の厚さを定める。

本発明による膜厚測定装置によれば、基材上に塗布された膜の分光データから求めた測定色特性変数、及び膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値について求めた複数の組の理論色特性変数を使用して該膜の屈折率を定めることができるので、該屈折率を使用して膜厚を高い精度で求めることができる。したがって、本発明による膜厚測定装置は、５００ｎｍ以下の薄膜を含む膜の膜厚測定に広く使用することができる。さらに、本発明による膜厚測定装置の測定部は簡単な構造を有する。

本発明の実施形態による膜厚測定装置において、前記分光センサは、基材上に塗布された膜の透過率分布を測定し、前記データ処理部は、測定された透過率分布から反射率分布を求め、さらに該反射率分布から前記測定色特性変数を求める。

本実施形態による膜厚測定装置は、基材上に塗布された膜の透過率分布を測定し、該透過率分布から基材上に塗布された膜の反射率分布を求めるので、膜が塗付された基材の面が基準面から傾いた場合でも、膜の反射率分布を測定する場合と比較して基準面の傾きに対する反射率の変化が小さく高い精度で膜厚を測定することができる。

本発明の実施形態による膜厚測定装置は、膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値について求めた複数の組の理論色特性変数を記憶した記憶部をさらに備える。

本実施形態による膜厚測定装置においては、基材上に塗布された膜の分光データから求めた測定色特性変数と、記憶部に記憶された、膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値に対応する複数の組の理論色特性変数を使用して、簡単、且つ短時間で膜の屈折率を求めることができる。

本実施形態による膜厚測定装置においては、色特性変数が反射色三刺激値である。

本発明による膜厚測定方法は、分光センサと、データ処理部と、を備えた膜厚測定装置によって基材上に塗布された膜の厚さを測定する膜厚測定方法であって、前記分光センサによって、該基材上に塗布された該膜の分光データを測定するステップと、前記データ処理部によって、測定された分光データから測定色特性変数を求めるステップと、該測定色特性変数を、膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値について求めた複数の組の理論色特性変数と比較して、該測定色特性変数との差が最も小さい理論色特性変数に対応する組の値を使用して該膜の屈折率を定めるステップと、該膜の該屈折率を使用して該膜の厚さを定めるステップと、を含む。

本発明による膜厚測定方法によれば、基材上に塗布された膜の分光データから求めた測定色特性変数、及び膜の厚さ及び屈折率の複数の組の値について求めた複数の組の理論色特性変数を使用して該膜の屈折率を定めることができるので、該屈折率を使用して膜厚を高い精度で求めることができる。したがって、本発明による膜厚測定方法は、５００ｎｍ以下の薄膜を含む膜の膜厚測定に広く使用することができる。

本発明の実施形態による膜厚測定方法によれば、前記測定するステップにおいて、前記分光センサは、基材上に塗布された膜の透過率分布を測定し、前記測定色特性変数を求めるステップにおいて、前記データ処理部は、測定された透過率分布から、反射率分布を求め、さらに該反射率分布から前記測定色特性変数を求める。

本実施形態による膜厚測定方法において、基材上に塗布された膜の透過率分布を測定し、該透過率分布から基材上に塗布された膜の反射率分布を求めるので、膜が塗付された基材の面が基準面から傾いた場合でも、膜の反射率分布を測定する場合と比較して基準面の傾きに対する反射率の変化が小さく高い精度で膜厚を測定することができる。

本発明の実施形態による膜厚測定方法によれば、前記測定するステップにおいて、前記分光センサは、基材上に塗布された膜の分光データを複数の点において測定し、前記測定色特性変数を求めるステップにおいて、前記データ処理部は、該複数の点に対応する複数の測定色特性変数を求め、前記屈折率を定めるステップにおいて、前記データ処理部は、該複数の測定色特性変数を使用して該膜の屈折率を定める。

本実施形態による膜厚測定方法において、基材上に塗布された膜の分光データを複数の点において測定し、該複数の点の透過率分布から複数の測定色特性変数を求め、該複数の測定色特性変数を使用して該膜の屈折率を定めるので、より高い精度で該膜の屈折率を定めることができる。

本実施形態による膜厚測定方法においては、色特性変数が反射色三刺激値である。

本発明の一実施形態による膜厚測定装置の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態による膜厚測定装置の構成を示す図である。 データ処理部の動作を説明するための流れ図である。 基材上に薄膜が形成された測定対象物の補正反射率分布を求める方法を示す流れ図である。 図３のステップＳ１０６０の詳細を示す流れ図である。 基材の多重反射モデルを示す図である。 基材の屈折率n_mと垂直反射率Rv(n_m)との関係を示す図である。 基材（屈折率n_ｍ、厚さD）上に透明な薄膜（屈折率n、膜厚d）が成膜されている場合の多重反射モデルを示す図である。 基材（n_m =1.70）上に塗工材（n=1.90とn=1.50）をd=500nm塗工した場合に、式（１５）によって計算した反射率Rvを示す図である。 膜厚及び膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値の表（表１）の構成を示す図である。 ｍ個の測定反射色三刺激値と、表１の膜厚、膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値との差を示す表２-１乃至表２-ｍの構成を示す図である。 ｍ個の屈折率ｎ（１）乃至ｎ（ｍ）のそれぞれに対する差の総和の表３の構成を示す図である。 薄膜の屈折率が基材の屈折率よりも小さい場合の、種々の膜厚について波長と理論反射率との関係を示す図である。 薄膜の屈折率が基材の屈折率よりも大きい場合の、種々の膜厚について波長と理論反射率との関係を示す図である。 ポリエチレンテレフタレートの基材及び該基材上に形成された膜の、測定された反射率分布を示す図である。 ポリエチレンテレフタレートの基材及び該基材上に形成された膜の、測定された反射率分布を示す図である。 ガラスの基材及び該基材上に形成されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜の、測定された反射率分布を示す図である。 ガラスの基材及び該基材上に形成されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜の、測定された反射率分布を示す図である。 基準面の角度を０として基準面の角度を含む４個の傾斜角度について、反射率測定型膜厚測定装置によって測定された、表面に膜が形成されたガラス板の反射率分布を示す図である。 基準面の角度以外の３個の傾斜角度の反射率の、水平の反射率に対する変化率の分布を示す図である。 基準面の角度を０として基準面の角度を含む４個の傾斜角度について、透過率測定型膜厚測定装置によって求められた、表面に膜が形成されたガラス板の反射率分布を示す図である。 基準面の角度以外の３個の傾斜角度の反射率の、水平の反射率に対する変化率の分布を示す図である。 基準面の角度を０として基準面の角度を含む４個の傾斜角度について、透過率測定型膜厚測定装置によって求められた、表面に透明導電性酸化膜（Transparent Conductive Oxide film, TCO film）が形成されたポリエチレンテレフタレートの透明基材の反射率分布を示す図である。 基準面の角度を０として基準面の角度を含む７個の傾斜角度について、透過率測定型膜厚測定装置によって求められた、透明導電性酸化膜の膜厚を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態による膜厚測定装置１００の構成を示す図である。膜厚測定装置１００は、測定部１１０、データ処理部１２０及び記憶部１３０を備える。測定部１１０は、Ｃ型フレームからなり、光源１１１及び分光センサ１１３を含む。光源１１１から放出された光は測定対象物３００を透過し、分光センサ１１３によって受け取られる。分光センサ１１３は、測定対象物３００の分光透過率（波長に対する透過率の分布）を測定する。ここで、測定対象物３００は、透明基板上に形成された薄膜である。分光センサ１１３によって測定されたデータは、データ処理部１２０に送られる。データ処理部１２０は、分光センサ１１３によって測定されたデータ及び記憶部１３０に記憶されたデータを使用して測定対象物３００の薄膜の厚さを求める。

図２は、本発明の他の実施形態による膜厚測定装置２００の構成を示す図である。膜厚測定装置２００は、測定部２１０、データ処理部２２０及び記憶部２３０を備える。測定部２１０は、光源２１１１、ビーム・スプリッタ２１５及び分光センサ２１３を含む。

光源２１１からの光は、ビーム・スプリッタ２１５によって反射され、測定対象物３００に至る。ここで、測定対象物３００の測定対象面に照射される光が、測定対象面に垂直に入射するように測定部２１０を配置する。測定対象面に照射された光は、測定対象面に垂直な方向に反射され、測定対象面に照射される光と同じ経路を逆方向に進んでビーム・スプリッタ２１５に至り、ビーム・スプリッタ２１５を通過して、分光センサ２１３に受け取られる。分光センサ２１３は、測定対象物３００の分光反射率を測定する。ここで、測定対象物３００は、透明基板または不透明基板上に形成された薄膜である。分光センサ２１３によって測定されたデータは、データ処理部２２０に送られる。データ処理部２２０は、分光センサ２１３によって測定されたデータ及び記憶部２３０にあらかじめ記憶されたデータを使用して測定対象物３００の薄膜の厚さを求める。

図１に示した透過型の測定装置は、基材が透明な場合に限り使用することができる。透明型の測定装置の利点については後で説明する。

光源１１１及び２１１は、発光ダイオード光源、一例として、４３０ｎｍにピークを持つ紫外発光ダイオード光源と、５８０ｎｍ付近にピークを持つ白色発光ダイオード光源を併用したものであってもよい。

分光センサ１１３及び２１３は、透過波長可変フィルタとイメージセンサを組み合わせたものであってもよい。透過波長可変フィルタは、入射する白色光の短波長から長波長までの透過波長域が、フィルタの位置によって連続的にまたは段階的に変化する干渉フィルタの一種である。このような分光センサは、たとえば、特許第３６１８０９０号に開示されている。

データ処理部１２０及び２２０の動作の詳細について以下に説明する。

図３は、データ処理部１２０及び２２０の動作を説明するための流れ図である。

図３のステップＳ１０１０において、分光センサ１１３は、基材の分光透過率、すなわち波長に対する透過率分布を測定する。分光センサ２１３は、基材の分光反射率、すなわち波長に対する反射率分布を測定する。

図３のステップＳ１０２０において、データ処理部１２０は、分光センサ１１３から波長に対する透過率分布のデータを受け取り、以下の式によって波長に対する、基材の反射率分布のデータを得る。

上記の式においてRv.calは、透過率から計算された反射率を表し、τは測定された透過率を表す。反射率及び透過率の単位は％である。データ処理部２２０は、分光センサ２１３から波長に対する、基材の反射率分布のデータを受け取る。

ここで、基材の屈折率と反射率との関係について説明する。

図６は、基材の多重反射モデルを示す図である。光は、基材面に垂直に入射するが、図６においては、便宜上、斜めに入射するものとしている。

基材の厚さＤは入射する光の波長に比べて十分に厚いものとする。この場合、基材の内部透
過率T_iを考えなければならない。内部透過率はランベルトの法則から

で与えられる。ここで、αは定数、k₂は消衰係数、λは波長である。図６に示すように、基材表面と裏面の多重繰り返し反射を考えると反射率R及び透過率Tは等比吸収の（比：Ti²R₀ ²）の和となり、以下の式で表せる。

R＝R₀｛１＋（1−2R₀）T_i ²｝/(1−T_i ²R₀ ²) (２)
T＝（1−R₀）2T_i/(1−T_i ²R₀ ²) （３）
ただし、
R₀＝｛（n₁−n₂）²＋k₂ ²｝/｛（n₁＋n₂）²＋k₂ ²｝ （４）
である。ここで、基材の複素屈折率を n₂-ik₂ とする。

基材に吸収が無い場合は式（２）、式（３）及び式（４）においてTi=1、k₂=0として、以下の式が成立する。
R＝2 R₀/(1＋R₀) （５）
T＝（1−R₀）/(1＋R₀) (６)
ただし、
R₀＝｛（n₁−n₂）/（ n₁＋n₂）｝² （７）
である。ここでn₁は基材の周囲の媒質の屈折率である。

式（５）及び（７）から、基材の屈折率n₂と反射率Rとの関係を求めることができる。

図７は、基材の屈折率n_mと垂直反射率Rv(n_m)との関係を示す図である。

データ処理部１２０及び２２０は、基材の反射率分布のデータから、波長５５０ｎｍに対応する反射率を求め、この反射率を垂直反射率Rv(n_m)として、図７から基材の屈折率n_mを求める。

図３のステップＳ１０３０において、分光センサ１１３は、基材上に薄膜が形成された測定対象物の分光透過率、すなわち波長に対する透過率分布を測定する。分光センサ２１３は、基材上に薄膜が形成された測定対象物の分光反射率、すなわち波長に対する反射率（Rv）分布を測定する。

図３のステップＳ１０４０において、データ処理部１２０は、ステップＳ１０２０の処理と同様に、測定された透過率分布のデータから計算により反射率（Rv.cal）分布のデータを求める。データ処理部１２０及び２２０は、基材上に薄膜が形成された測定対象物の補正反射率分布を求める。ここで、基材上に薄膜が形成された測定対象物のｍ個（ｍは１以上の整数）の点について補正反射率分布を求める。

図４は、基材上に薄膜が形成された測定対象物の補正反射率分布を求める方法を示す流れ図である。

図４のステップＳ２０１０において、データ処理部１２０及び２２０は、それぞれ、反射率補正係数K1及びK2を求める。反射率補正係数K1及びK2は、基材の反射率Rv.cal及びRvが波長によらず常に波長５５０ｎｍの反射率となるように以下の式によって定める。

図４のステップＳ２０２０において、データ処理部１２０は、測定された透過率から求めた反射率Rv.calから以下の式によって補正反射率Rvを計算する。

データ処理部２２０は、測定された反射率Rvから以下の式によって補正反射率Rvcを計算する。

図３のステップＳ１０５０において、データ処理部１２０及び２２０は、ｍ個の補正反射率Rvc からｍ個の反射色三刺激値を計算する。反射色三刺激値の計算方法は、「JIS Z8722 色の測定方法 反射色及び透過色」に詳しく説明されている。このようにして得られた反射色三刺激値を測定反射色三刺激値と呼称する。なお、本実施形態では反射色三刺激値を使用するが、反射色三刺激値から計算する色彩値法（たとえば、L*、a*、b*）を使用することも可能である。本明細書及び特許請求の範囲において、反射色三刺激値など色の特性を表す変数を色特性変数と呼称する。また、測定によって求めた補正反射率から計算された色特性変数を測定色特性変数と呼称する。

図３のステップＳ１０６０において、データ処理部１２０及び２２０は、ステップＳ１０５０で求めた測定反射色三刺激値を、予め求めておいた、膜厚及び膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値と比較し、誤差を最小とする膜の屈折率を求める。

ここで、膜厚が１乃至２００ｎｍの範囲であれば、反射率分布が異なるにもかかわらず反射色三刺激値がほぼ等しくなる「メタメリズム」という現象は生じることはなく、反射率分布と反射色三刺激値の一方を定めれば他方が定まる関係が成立する。したがって、反射色三刺激値を使用して膜の屈折率を一意的に定めることができる。

図５は、図３のステップＳ１０６０の処理の詳細を示す流れ図である。

図５のステップＳ３００５において、データ処理部１２０及び２２０は、膜厚及び膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値を計算し、膜厚及び膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値の表（表１）を作成し、記憶部１３０及び２３０にあらかじめ記憶させておく。

ここで、基材の屈折率、基材上に塗布された膜の屈折率及び膜厚と反射率との関係について説明する。この関係から、理論反射率分布が計算され、さらに理論反射率分布から理論反射色三刺激値が計算される。

図８は、基材（屈折率n_ｍ、厚さD）上に透明な薄膜（屈折率n、膜厚d）が成膜されている場合の多重反射モデルを示す図である。薄膜の反射率をR_１、基材の反射率をR₀とすると、以下の式が成立する。

R＝（R₀+R₁−2R₀R₁）/（1−R₀R₁） (１２)
ただし
R₀＝（n₀-n_m）²/(n₀＋n_m)² （１３）
式（１３）においてn₀＝1.0として、以下の式が成立する。
R₀＝（1-n_m）²/(1＋n_m)² （１４）

ここで、基材の裏面の反射を考慮した時の反射率をRv.n_mと表すと、式（１２）、（１４）から以下の式が成立する。
Rv.n_m＝（R₀＋Rv(d,n,n_m)−2 R₀Rv(d,n,n_m)）/（1−R₀Rv(d,n,n_m)）（１５）
このように、基材（屈折率n_ｍ、厚さD）上に透明な薄膜（屈折率n、膜厚d）が成膜されている場合の反射率は、基材屈折率n_m、塗工材（膜）屈折率n及び膜厚dにしたがって大きく変化する。

図９は、基材（n_m =1.70）上に塗工材（n=1.90とn=1.50）をd=500nm塗工した場合に、式（１５）によって計算した反射率Rvを示す図である。

塗工材屈折率nが基材屈折率n_mよりも小さな場合には、反射率分布Rv（n）は基材反射率よりも小さくなり、反射率Rv（n）の極小値（＝最小値Rv.min）は、8.41％となる。塗工材屈折率nが基材屈折率n_mよりも大きな場合には、反射率分布Rv（n）は基材反射率よりも大きくなり、極大値（＝最大値Rv.max）は、18.08％となる。

屈折率は波長に対して一定としているので、膜厚を変化させても、位相が変化するだけであり、式（１５）によって計算された最大値反射率Rv.max、最小値反射率Rv.minの値は変化しない。

図１０は、表１の構成を示す図である。表１の行は、最小値から最大値まで０．０１刻みの膜の屈折率を表す。表１の列は、膜厚の目標値をd0(nm)として、d0-50(nm)からd0+50(nm)までの１ｎｍ刻みの膜厚を表す。

図５のステップＳ３０１０において、データ処理部１２０及び２２０は、図３のステップＳ１０５０において求めたｍ個の測定反射色三刺激値と、表１の膜厚、膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値との差から、ｍ個の表、表２-１乃至表２-ｍを作成する。

図１１は、ｍ個の測定反射色三刺激値と、表１の膜厚、膜の屈折率ごとの理論反射色三刺激値との差を示す表２-１乃至表２-ｍの構成を示す図である。表の行は、最小値から最大値まで０．０１刻みの膜の屈折率を表す。表の列は、膜厚の目標値をd0(nm)として、d0-50(nm)からd0+50(nm)までの１ｎｍ刻みの膜厚を表す。それぞれの行の屈折率及びそれぞれの列の膜厚に対応する上記の差を計算し、表２-１乃至表２-ｍとして記憶部１３０または２３０に記憶させる。

図５のステップＳ３０２０において、データ処理部１２０及び２２０は、ｍ個の表のそれぞれにおいて差を最小とするｍ個の屈折率ｎ（１）乃至ｎ（ｍ）及びｍ個の膜厚ｄ（１）乃至ｄ（ｍ）を求める。

図５のステップＳ３０３０において、データ処理部１２０及び２２０は、ｍ個の屈折率ｎ（１）乃至ｎ（ｍ）のそれぞれに対して、表２-１乃至表２-ｍにおいてそれぞれｍ個の膜厚ｄ（１）乃至ｄ（ｍ）に対応するｍ個の差を求め、その総和を求める。

図１２は、ｍ個の屈折率ｎ（１）乃至ｎ（ｍ）のそれぞれに対する差の総和を示す表３の構成を示す図である。表３の行は、ｍ個の屈折率ｎ（１）乃至ｎ（ｍ）を表す。ここで、ｍ=１０としている。

図５のステップＳ３０４０において、データ処理部１２０及び２２０は、ｍ個の屈折率ｎ（１）乃至ｎ（ｍ）のうち表３の総和を最小とするものを膜の屈折率とする。

図５のステップＳ３０５０において、データ処理部１２０及び２２０は、ステップＳ３０３０において求めた屈折率に対応する膜厚が、下限値（d0-50(nm)）または上限値（d0+50(nm)）であるか判断する。下限値または上限値でなければ処理を終了する。下限値または上限値であれば、ステップＳ３０６０に進む。

図５のステップＳ３０６０において、データ処理部１２０及び２２０は、新たな膜厚の目標値d0(nm)を定め、表１を作成する。新たな膜厚の目標値は下限値よりも小さな値または上限値よりも大きな値とする。

図３のステップＳ１０７０において、データ処理部１２０及び２２０は、ステップＳ１０２０において求めた基材の屈折率、ステップテップＳ１０４０において求めた基材上の膜の反射率分布、及びステップＳ１０６０において求めた膜の屈折率を使用して膜厚を求める。膜厚の求め方は、特許４４８２６１８号に記載されている。

図１３は、薄膜の屈折率が基材の屈折率よりも小さい場合の、種々の膜厚について波長と理論反射率との関係を示す図である。図１３において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。基材屈折率n_m及び膜の屈折率nは以下のとおりである。
n_m=1.68
n=1.46

膜厚が７０ｎｍよりも小さな場合には、反射率の極小値は生じない。したがって、従来のＰＶ装置によって膜厚を求めることはできない。

図１４は、薄膜の屈折率が基材の屈折率よりも大きい場合の、種々の膜厚について波長と理論反射率との関係を示す図である。図１４において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。基材屈折率n_m及び膜の屈折率nは以下のとおりである。
n_m=1.60
n=2.10

膜厚が４０ｎｍよりも小さな場合には、反射率の極大値は生じない。したがって、従来のＰＶ装置によって膜厚を求めることはできない。

図１５は、ポリエチレンテレフタレートの基材及び該基材上に形成された無機塗工膜の、測定された反射率分布を示す図である。図１５において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。図３に示した方法によって求めた基材の屈折率は、１．６８３、膜の屈折率は、１．４８０である。さらに、この膜の屈折率及び基材上に形成された膜の、３個の測定された反射率分布を使用して求めた膜厚は、３９．２ｎｍ、５９．３ｎｍ及び９２．８ｎｍである。図１３において、膜厚は塗工膜厚と記載した。

図１６は、ポリエチレンテレフタレートの基材及び該基材上に形成された無機塗工膜の、測定された反射率分布を示す図である。図１６において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。図３に示した方法によって求めた基材の屈折率は、１．６６８、膜の屈折率は、１．５３２である。さらに、この膜の屈折率及び基材上に形成された膜の、４個の測定された反射率分布を使用して求めた膜厚は、１３１．４ｎｍ、１２１．６ｎｍ、１１３．１ｎｍ及び９４．５ｎｍである。図１４において、膜厚は塗工膜厚と記載した。図１４は、本実施形態の膜厚測定装置及び膜厚測定方法によって、約１０ｎｍの小さな膜厚の差を十分に検出することができることを示している。

図１７は、ガラスの基材及び該基材上に形成されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜の、測定された反射率分布を示す図である。図１７において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。図３に示した方法によって求めた基材の屈折率は、１．５９８、膜の屈折率は、２．１５６である。さらに、この膜の屈折率及び基材上に形成された膜の、４個の測定された反射率分布を使用して求めた膜厚は、５６．０ｎｍ、５４．０ｎｍ、３２．３ｎｍ及び３０．３ｎｍである。

図１８は、ガラスの基材及び該基材上に形成されたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜の、測定された反射率分布を示す図である。図１８において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。図３に示した方法によって求めた基材の屈折率は、１．５９８、膜の屈折率は、２．１９４である。さらに、この膜の屈折率及び基材上に形成された膜の、１個の測定された反射率分布を使用して求めた膜厚は、１０４．１ｎｍである。

図１７の膜厚は、５６ｎｍ以下であり、図１８の膜厚は１０４ｎｍである。したがって、図１５の反射率分布と図１６の反射率分布は全く異なる。このように全く異なる測定反射率分布から求めた膜の屈折率は、２．１５６及び２．１９４である。したがって、屈折率の差の屈折率に対する比は２％以下であり、本実施形態による方法の信頼性が高いことが分かる。

図１及び図２の膜厚測定装置は、光源１１１及び２１１からの光が、測定対象物３００の面に垂直に入射するように構成されている。ここで、光源１１１及び２１１からの光が、垂直に入射するように配置された面を基準面とする。測定対象物３００の面が基準面に対して傾いている場合に、基準面に対する傾斜角度が、図１に示した透過率測定型膜厚測定装置及び図２に示した反射率測定型膜厚測定装置に与える影響について説明する。

図１９は、基準面の角度を０として基準面の角度を含む４個の傾斜角度について、反射率測定型膜厚測定装置２００によって測定された、表面に膜が形成されたガラス板の反射率分布を示す図である。反射率は分光センサ２１３によって測定されたものである。

図２０は、基準面の角度以外の３個の傾斜角度の反射率の、基準面の反射率に対する変化率の分布を示す図である。変化率は、以下の式で定義する。

ここで

は、それぞれ傾斜角θ及び０の場合の反射率である。図１８によれば、変化率αは、傾斜角θ＝０．５２°の場合でも約−１４％であり、非常に大きい。

図２１は、基準面の角度を０として基準面の角度を含む４個の傾斜角度について、透過率測定型膜厚測定装置によって求められた、表面に膜が形成されたガラス板の反射率分布を示す図である。反射率は分光センサ１１３によって測定された透過率から計算したものである。

図２２は、基準面の角度以外の３個の傾斜角度の反射率の、基準面の反射率に対する変化率の分布を示す図である。変化率は、式（１２）で定義する。図２２によれば、変化率αは、傾斜角θ＝０．５２°の場合に、ほとんどの波長で２％以下、傾斜角θ＝１．０３°及び１．５５°の場合に、ほとんどの波長で３％以下である。図２０の結果と比較すると、傾斜角の影響は極めて小さい。

つぎに、ポリエチレンテレフタレートの透明基材上に透明導電性酸化膜を形成したサンプルについて、複数の傾斜角に対して、透過率測定型膜厚測定装置によって反射率分布を求め、さらに膜厚を求めた。

図２３は基準面の角度を０として基準面の角度を含む４個の傾斜角度について、透過率測定型膜厚測定装置１００によって求められた、表面に透明導電性酸化膜（Transparent Conductive Oxide film, TCO film）が形成されたポリエチレンテレフタレートの透明基材の反射率分布を示す図である。反射率は分光センサ１１３によって測定された透過率から計算したものである。

図２４は、基準面の角度を０として基準面の角度を含む７個の傾斜角度について、透過率測定型膜厚測定装置１００によって求められた、透明導電性酸化膜の膜厚を示す図である。基材の屈折率は、１．６２１、膜の屈折率は２．２１であり、傾斜角が０°の場合の膜厚は、１４．７ｎｍである。これに対して、傾斜角が１．２９°の場合の膜厚は、１６ｎｍであり、水平の場合の膜厚との差は１．３ｎｍである。すなわち、傾斜角が１°以内であれば、膜厚の誤差は１ｎｍ以内である。このように、透過率測定型膜厚測定装置は、測定対象物の水平方向を基準とした傾斜角度の変化に対して、高い精度を維持することができる。

Claims (8)

1. 分光センサと、データ処理部と、を備えた膜厚測定装置であって、
   前記分光センサは、基材上に塗布された膜の分光データを測定し、前記データ処理部は、測定された分光データから測定色特性変数を求め、該測定色特性変数を、それぞれが、膜の厚さの複数の値の一つ及び屈折率の複数の値の一つからなる、複数の組に対応する理論色特性変数と比較して、該測定色特性変数との差が最も小さい理論色特性変数に対応する組の膜の厚さの値を使用して該膜の屈折率を定め、該膜の該屈折率を使用して該膜の厚さを定める膜厚測定装置。
2. 前記分光センサは、基材上に塗布された膜の透過率分布を測定し、前記データ処理部は、測定された透過率分布から反射率分布を求め、さらに該反射率分布から前記測定色特性変数を求める請求項１に記載の膜厚測定装置。
3. 前記複数の組に対応する理論色特性変数を記憶した記憶部をさらに備える請求項１または２に記載の膜厚測定装置。
4. 色特性変数が反射色三刺激値である請求項１から３のいずれかに記載の膜厚測定装置。
5. 分光センサと、データ処理部と、を備えた膜厚測定装置によって基材上に塗布された膜の厚さを測定する膜厚測定方法であって、
   前記分光センサによって、該基材上に塗布された該膜の分光データを測定するステップと、
   前記データ処理部によって、測定された分光データから測定色特性変数を求めるステップと、
   該測定色特性変数を、それぞれが、膜の厚さの複数の値の一つ及び屈折率の複数の値の一つからなる、複数の組に対応する理論色特性変数と比較して、該測定色特性変数との差が最も小さい理論色特性変数に対応する組の膜の厚さの値を使用して該膜の屈折率を定めるステップと、
   該膜の該屈折率を使用して該膜の厚さを定めるステップと、を含む膜厚測定方法。
6. 前記測定するステップにおいて、前記分光センサは、基材上に塗布された膜の透過率分布を測定し、前記測定色特性変数を求めるステップにおいて、前記データ処理部は、測定された透過率分布から、反射率分布を求め、さらに該反射率分布から前記測定色特性変数を求める請求項５に記載の膜厚測定方法。
7. 前記測定するステップにおいて、前記分光センサは、基材上に塗布された膜の分光データを複数の点において測定し、前記測定色特性変数を求めるステップにおいて、前記データ処理部は、該複数の点に対応する複数の測定色特性変数を求め、前記屈折率を定めるステップにおいて、前記データ処理部は、該複数の測定色特性変数を使用して該膜の屈折率を定める請求項５または６に記載の膜厚測定方法。
8. 色特性変数が反射色三刺激値である請求項５から７のいずれかに記載の膜厚測定方法。

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