JPH09133517A

JPH09133517A - 分布測定装置

Info

Publication number: JPH09133517A
Application number: JP12065296A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Noda; 正明野田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-09-06
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1997-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】測定時にワークの移動を伴わず、低コスト
で、短時間でクリーンに膜厚あるいはセルギャップの分
布を測定する装置を提供する。【解決手段】薄膜の膜厚分布を測定、あるいはセルギ
ャップ分布測定の装置において、ワーク（薄膜）７に対
し照射する照明光の波長光源１に、波長を可変する手
段、あるいは波長を限定する手段を設け、ワーク７から
の反射または透過光により得られる分布測定対象の範囲
を撮像するＴＶカメラ等の撮像手段２と、撮像した画像
の輝度変化あるいはカラー変化により、膜厚分布あるい
はセルギャップの分布を計算する画像処理装置３とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネルなどの
透明導電膜や、その他コーティング膜、あるいはフィル
ム状の膜厚の分布を計測する装置、及び液晶パネルなど
のセルギャップの分布測定装置などに代表される、非常
に薄い膜の膜厚や、非常に短い物体間距離などの分布を
測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜の膜厚を測定する方法としては、特
開昭５６−１１５９０５号公報あるいは特公平６−３３
６４号公報等に見られるように、光の干渉現象を利用し
たものが知られている。

【０００３】ここで膜厚の測定原理について説明する。
図２に示すような、屈折率がｎ０、ｎ１、ｎ２からなる
３層の透明体の系を考える。例えば、ｎ０の部分を空気
層、ｎ１の部分をＩＴＯなどの透明導電膜、ｎ２の部分
をガラス層とする。ここでｎ１層の厚さをｄとし、白色
光線がｎ０の側から入射角θで入射したとすると、ｎ０
層とｎ１層の境界面で反射する光とｎ１層に入射後ｎ１
層とｎ２層の境界面で反射し再びｎ０層に出てくる光が
干渉し、反射エネルギーに強弱を生ずる。本来、多重反
射を考慮しなければならないが、高次の反射エネルギー
は比較的小さいのでここでは無視することとする。上記
の二つの光の光路差Δは（第１式）で表すことができ
る。

【０００４】

【数１】

【０００５】屈折率の大小関係がｎ１＞ｎ２の場合、ｎ
１層からｎ２層に向かう光がｎ１層とｎ２層の境界面で
反射するときに位相が反転し、１／２波長分の位相差を
生ずるため、上記（第１式）の光路差Δが波長のｍ倍
（ｍ＝整数）になるような波長で反射エネルギーが極小
になり、（ｍ＋１／２）倍のときに極大になる。透過光
の場合には、位相反転が生じないので、この関係が逆に
なる。また、屈折率の大小関係がｎ１＜ｎ２の場合に
は、境界面で反射しても位相の反転は生じない。ここで
は、ｎ１＞ｎ２の場合の反射光を例に考えるものとす
る。

【０００６】従って、照明波長λを可変しながらワーク
からの反射強度を計測することで得られる分光強度波形
において隣合った二つの極大点の波長をλ１、λ２（λ
１＞λ２）とすると、次式（第２、３式）が成立する。

【０００７】 Δ＝（ｍ＋１／２）・λ１（第２式） Δ＝（ｍ＋３／２）・λ２（第３式）従って膜厚ｄは、

【０００８】

【数２】

【０００９】となり薄膜の屈折率ｎ１が既知であれば膜
厚ｄが計算できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の測定で得られる膜厚値は、照明光が照射されている部
分の膜厚が均一であるという前提で得られる値であり、
照明光が照射されている部分の膜厚が不均一な場合に
は、分光強度波形の変化が前記の理論値からずれてくる
ことにより、測定値に誤差を生じたり、ばらつきが増大
したりする。従って通常、ある限られた狭い領域の膜厚
値の計測に利用するのが一般的である。このため、膜厚
の面内分布を測定しようとした場合、ワーク（被測定
物）を移動させ複数点の膜厚値を計測することによりそ
の分布を把握することになり、ワーク移動のための駆動
機構が必要であるため、装置コストが高くなったり処理
時間がかかったりすることになる。また、移動にともな
い発塵の問題も生じてくる。

【００１１】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るもので、その目的とするところは、測定時にワークの
移動を伴わず、低コスト・短時間でクリーンに、膜厚あ
るいはセルギャップなどの計測された値の分布を測定す
る装置を提供するところにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した目的
を達成するものであり、以下にその内容を説明する。請
求項１記載の分布測定装置は、被測定物に対して照射す
る照明光の波長を可変する波長可変手段と、被測定物か
らの反射または透過光により得られる画像を撮像する撮
像手段と、照明波長を変えながら撮像した画像の輝度変
化により計測された値の分布を計算する分布計算手段と
を有することを特徴とする。

【００１３】本発明の分布測定装置は、被測定物の分布
測定範囲全体を照明光によって照射し、被測定物の分布
測定範囲全体からの反射（または透過）光をＴＶカメラ
などの撮像手段で二次元的な画像としてとらえるので、
ワークや照明、撮像手段などを移動せずに測定すること
が可能となる。さらに、撮像手段でとらえた輝度分布を
持った二次元画像の複数の座標点における輝度データ
を、照明波長を変化させながらそれぞれの複数の座標点
毎に記憶し、これら各座標点毎の分光特性から膜厚や間
隙距離（例えばセルギャップ）などの値を各座標点毎に
計算し、これら座標点毎の計算値を集成することで分布
を求めることが可能になるのである。

【００１４】また、請求項２記載の分布測定装置は、被
測定物に対して照射する照明光の波長を、ある特定の範
囲に限定する波長限定手段と、該測定物からの反射また
は透過光により得られる画像を撮像する撮像手段と、撮
像した画像の輝度変化により計測された値の分布を計算
する分布計算手段とを有することを特徴とする。つま
り、干渉フィルタなどの光学フィルタなどで光源の波長
を、ある狭い範囲に限定し、その被測定物からの反射ま
たは透過光の２次元の輝度変化に基づき、被測定物の分
布を測定するものである。

【００１５】また、請求項３記載の分布測定装置は、被
測定物に対して照射する照明光の波長を限定する波長限
定手段と、該測定物からの反射または透過光により得ら
れるカラー画像を撮像する撮像手段と、撮像した画像の
色調変化により計測された値の分布を計算する分布計算
手段とを有することを特徴とする。これは、カラーＴＶ
カメラなどの撮像手段を用い、２次元のＲＧＢの色情報
に基づき、被測定物の分布を測定するもので、色情報と
求める測定要素との相関を高めるために照明の波長範囲
を限定するものである。

【００１６】これらの場合、測定物とその計算値として
は、１）薄膜であって、その薄膜の膜厚の分布を計測するこ
と２）２枚以上の透明平板であって、その平板の間隙距離
を測定することが望ましい。特に、本発明の分布測定装置は、膜厚や間
隙距離の分布が不均一である場合に非常に有効であっ
て、薄膜の膜厚や液晶パネルのセルギャップなど、計測
された値の分布の不均一さがその特性に大きく影響する
ような精密構造をもったものに対して好適に用いること
ができるものである。なお、薄膜の膜厚の分布を計測す
る場合、薄膜の下にガラス基板あるいはフィルムが設置
されていることが望ましい。

【００１７】通常、被測定物は、その製造段階で、あら
かじめ設定された膜厚あるいはセルギャップになるよう
に作り込まれている。したがって、分布計測において、
各測定値の取り得る値の範囲は、ある限られた領域であ
る場合が多く、この場合には、波長可変照明の可変範囲
をごく限定された領域に絞ることもできる。また照明光
源としてナトリウムランプなどの単色光源を用いること
でよい場合もある。

【００１８】また、波長限定する場合は、限定される波
長幅は、１００ｎｍ以下が望ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００２０】図１は、本発明の膜厚分布測定装置の好適
な一例を示す構成図である。この例は、同軸落射照明に
よりガラス基板８上の透明な薄膜７の膜厚分布を計測す
るものである。なお、本例では透明な薄膜７をガラス基
板８上に形成しているが、フィルムの上に透明な薄膜７
を形成するようにしてもよい。いずれにせよ、薄膜７は
なんらかの基体上に形成しなければならないのである
が、ガラス基板やフィルムは安価である上に特性が安定
しており、さらに薄膜を形成しやすくするために好まし
く用いられる。

【００２１】さて、この例においては、上述した（第４
式）において光の入射角θ＝０の場合と考えられるため
（第４式）は、ｄ＝λ１・λ２／（２ｎ１（λ１−λ２））（第５式）となり、この式から膜厚ｄを計算することができるよう
になる。

【００２２】波長光源１は、具体的には図４に示すよう
に波長が可変できる構成になっており、白色光源９は、
例えば、キセノンランプ・ハロゲンランプ・重水素ラン
プ・水銀ランプ・タングステンランプなどが一般的に用
いられる。この白色光源９からの光はスリット１０を通
り、回折格子１１で分光し、スリット１３により波長を
選択的に取り出す。ここで回折格子１１は、モータ（図
示せず）でその角度を可変できるようにしてあり、図４
に矢印で示すように角度を振ることでスリット１３から
の出射光の波長λを連続的に可変することができる。こ
のスリット１３の間隙の幅は、出射される光の波長分解
能を決める。すなわち、スリット幅が狭いほど光の波長
域が限定され波長分解能は向上するが、光量は逆に減少
するため白色光源９のパワーの大きい物を使用するか、
ＴＶカメラ２の感度の高い物を使用する必要がある。

【００２３】波長光源１から出射された光はレンズ５で
平行光線になり、ハーフミラー６で反射され、薄膜７に
照射される。薄膜７の上面からの反射光と薄膜７とガラ
ス基板８との境界面での反射光との位相差により干渉が
生じ、その干渉像がレンズ４によりＴＶカメラ２の撮像
面上に結像する。照明光の照射範囲は、撮像される薄膜
の視野範囲をカバーするに十分なエリアを確保し、でき
るだけ照明ムラのないように考慮する必要がある。ＴＶ
カメラ２で光電変換されたアナログの画像信号は、画像
処理装置３に送られＡ／Ｄ変換された後、複数の輝度デ
ータａ（ｘ、ｙ、λ）として画像処理装置３の内部に設
けられた記憶装置に記憶される。ここでｘ、ｙは、薄膜
７上の平面座標であり、λは、照明光の波長である。実
際の計測にあたっては、一つの被測定ワークに対して照
明光の波長λを順次変えながら、輝度データを取り込む
ことを繰り返す。ここで薄膜７上のある座標値（Ｘ、
Ｙ）の点に着目すると、輝度データａ（Ｘ、Ｙ、λ）
は、図３のような分光反射率波形となり、この波形の隣
接する極大値の波長λ１、λ２を求め、前記（第５式）
を適用すると座標値（Ｘ、Ｙ）の点の膜厚ｄを計算によ
り求めることができる。このような計算を各座標毎に行
うことで視野内の膜厚の分布を求めることができる。

【００２４】しかしながら、波長光源１の各波長の出射
強度は、使用する白色光源９の発光分光特性に依存する
ため、走査する波長の全域にわたって均一な強度は得ら
れない。また、レンズ系やガラス基板８の裏面反射の影
響等により膜厚測定の結果に誤差を生ずる。通常、粗い
分布精度でもよい場合や、分布の傾向がわかればよい場
合などではこのような誤差は無視してもよい。しかし、
非常に精密に膜厚分布を測定したい場合などは補正作業
が必要になることがある。具体的には、膜厚分布の測定
にさきだって、薄膜７を付ける前のガラス基板８のみの
ワークで膜厚分布測定と同様の分光特性ｂ（ｘ、ｙ、
λ）を計測しておくことになる。このデータにより薄膜
７を測定した時の輝度データを正規化し、その結果に対
して隣接する極大値の波長λ１、λ２を求め膜厚ｄを
計算するようにすればよい。

【００２５】この例では、薄膜７からの反射光を用いた
場合であるが、透過光を利用しても同様な膜厚分布を求
めることができる。すなわち、上記反射光の場合の分光
反射強度の極大を極小と読みかえれば透過光の場合も同
様に計算できるし、透過光の極大値を使用しても計算で
求めることができ、更に極大と極小の組み合わせによっ
ても同様な原理に基づいて膜厚ｄは計算可能である。

【００２６】また、多重反射による透過率の分光特性を
考えると、図２の透過率Ｔは、内部の吸収が無いものと
すると

【００２７】

【数３】

【００２８】で与えられ、反射率Ｒは、Ｒ＝１−Ｔとな
る。

【００２９】ここで、例えば、λ＝７５０ｎｍ、ｎ０＝
１．０、ｎ１＝１．４、ｎ２＝１．５の場合、膜厚ｄが
１０００ｎｍ近辺（９２０ｎｍ〜１０８０ｎｍ）での反
射率を計算すると、図５のように変化する。この図か
ら、９６０ｎｍから１０４０ｎｍの範囲であれば反射率
Ｒは、単調に増加することがわかる。この場合は前記の
膜厚範囲内であれば反射光量が大きいほど膜厚が厚いと
言える。従って、前もって膜厚の変動範囲が既知であれ
ば、その情報に基づいて、その膜厚範囲内で膜厚に対し
て単調に反射強度の変化するような照明波長を選択し、
その照明光をワーク（被測定物）に照射し、その反射画
像を２次元の輝度データとして１画面取り込むことによ
り、膜厚分布を測定することも可能である。また、照明
波長λを長くすれば、より広い範囲の膜厚変動に対応で
きる。

【００３０】照射される照明光の波長幅は、基本的に狭
いほど膜厚の測定精度は高くなる。上記の例で波長λを
７５０ｎｍ、８００ｎｍ、８５０ｎｍで計算すると図６
のようになる。λ＝８５０ｎｍでは、７５０ｎｍとは逆
に、反射率Ｒが単調減少している。この結果から、照射
する照明の波長幅が１００ｎｍを越えると膜厚に対応し
た輝度変化が得られなくなる。従って、単色光源を用い
るか、１００ｎｍ以下の波長幅に限定した照明光を用い
る必要がある。

【００３１】次に、カラー画像を撮像する撮像手段を用
いた場合について、説明する。図１において、波長光源
１が波長限定手段を有しており、ＴＶカメラ２はカラー
ＴＶカメラとする。前述と同様の屈折率構成のモデル例
で、第６式を適用し膜厚と反射率の関係を図７に示す。
図７では、膜厚１μｍから１．３２μｍまでの範囲の反
射率を、照明波長λを４００ｎｍから５７０ｎｍまでを
１０ｎｍ毎にプロットしている。ここで、あるサンプル
の薄膜７の膜厚求めるのに、薄膜７からの反射光をカラ
ーのＴＶカメラ２で撮像し、このＲＧＢの情報を用いて
膜厚を特定したいのであるが、図７からわかるように、
波長範囲を広く取ってしまうと、膜厚と反射される分光
パターンが複雑になり、ＲＧＢのカラー情報から膜厚を
測定することが難しくなる。そこで、干渉フィルタなど
の光学フィルタなどで照射する照明の波長をある範囲に
限定した場合を考える。図８は、照明波長λを４００ｎ
ｍから４４０ｎｍの範囲に限定した場合の、膜厚と反射
率の関係である。膜厚の変化に対して反射光の分光パタ
ーンが単純化され、ＴＶカメラ２で得られるカラー情報
から膜厚を求めることが比較的容易になる。

【００３２】以上の説明は、膜厚分布測定装置の場合で
あるが、セルギャップなどの間隙距離の分布測定におい
ても同様な原理に基づいて測定することが可能である。
すなわち、図２においてｎ０層とｎ２層をガラス層、ｎ
１層を空気層と考えると、空気層の間隙を測定すること
は、上記、膜厚測定の測定原理が同様に利用可能である
ことから自明である。

【００３３】また、図２において、層の数が４層以上で
あっても３層での輝度分布がわかっていれば、その輝度
分布からの変化を考慮することによって残りの１層の厚
みを測定することができる。

【００３４】本例においては、ｎ２層はガラス基板とし
て記載したが、ｎ１層が測定物であった場合に、ｎ０層
とｎ２層が空気であってもｎ１層の厚みは測定できる。

【００３５】さらに、照明方法としては、同軸落射照明
だけでなく透過照明でもよい。ただし、透過光の場合
は、図１に示すガラス基板８が光透過性を有しているこ
とが必要である。また角度の影響を考慮すれば、斜照明
でも同様に測定することは、可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上記したように、波長可変光源を照明
光として用い分布測定対象の範囲をＴＶカメラなどの撮
像手段でとらえ、画像処理装置で演算処理を行うこと
で、膜厚あるいはセルギャップなどの測定値の分布が測
定でき、従来のようにＸＹテーブル等でワークの移動を
させたり逆に測定ヘッド側を移動させたりする必要がな
い。この結果、装置コストを抑えることが出来、演算処
理を高速化することで測定時間を短縮することが可能と
なる。また、可動部として回折格子の角度を振るための
駆動系が必要であるものの駆動部をワークから離せるた
め、ワークに対するクリーン対策としても効果がある。

【００３７】また、波長限定手段を用い、波長幅を１０
０ｎｍ以下にした場合には、膜厚変動が狭い範囲内であ
れば膜厚の分布状態を反射光量の変化としてとらえるこ
とができ、撮像手段の出力がそのまま膜厚分布情報とな
り、リアルタイム表示が可能になる。また膜厚変動が大
きい場合でもカラーの撮像手段を用い、色調を調べるこ
とで膜厚との対応をとることができ、膜厚分布の演算処
理を簡略化できるため高速処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の（膜厚）分布測定装置の一例を示す構
成図。

【図２】３層の屈折率を持つモデルの反射状態を示す
図。

【図３】波長に対する反射強度の変化を示す分光反射率
グラフ。

【図４】波長可変光源の内部構造を示す構成図。

【図５】λ＝７５０ｎｍの場合の膜厚と反射率との関係
を示すグラフ。

【図６】λ＝７５０、８００、８５０ｎｍの場合の膜厚
と反射率との関係を示すグラフ。

【図７】λ＝４００から５７０ｎｍの場合の膜厚と反射
率との関係を示すグラフ。

【図８】λ＝４００から４４０ｎｍの場合の膜厚と反射
率との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１波長光源２ＴＶカメラ３画像処理装置４，５レンズ６ハーフミラー７薄膜８ガラス基板９白色光源１０スリット１１回折格子１２ミラー１３スリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物に対して照射する照明光の波長
を可変する波長可変手段と、被測定物からの反射または
透過光により得られる画像を撮像する撮像手段と、照明
波長を変えながら撮像した画像の輝度変化により計測さ
れた値の分布を計算する分布計算手段とを有することを
特徴とする分布測定装置。
【請求項２】被測定物に対して照射する照明光の波長
を限定する波長限定手段と、被測定物からの反射または
透過光により得られる画像を撮像する撮像手段と、撮像
した画像の輝度変化により計測された値の分布を計算す
る分布計算手段とを有することを特徴とする分布測定装
置。
【請求項３】被測定物に対して照射する照明光の波長
を限定する波長限定手段と、被測定物からの反射または
透過光により得られるカラー画像を撮像する撮像手段
と、撮像した画像の色調変化により計測された値の分布
を計算する分布計算手段とを有することを特徴とする分
布測定装置。
【請求項４】前記被測定物が、薄膜であり、該薄膜の
膜厚の分布を計測することを特徴とする請求項１ないし
３のいずれか記載の分布測定装置。
【請求項５】前記被測定物が、２枚以上の透明平板で
あり、該平板の間隙距離を測定することを特徴とする請
求項１ないし３のいずれか記載の分布測定装置。
【請求項６】前記被測定物は、ガラス基板あるいはフ
ィルム上に設置されていることを特徴とする請求項４記
載の分布測定装置。
【請求項７】前記波長限定手段が、単色光源よりなる
ことを特徴とする請求項２または、４ないし６のいずれ
か記載の分布測定装置。
【請求項８】前記波長限定手段の限定範囲が、１００
ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２ないし６のい
ずれか記載の分布測定装置。