KR20140014191A - 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법 - Google Patents

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KR20140014191A
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Abstract

본 발명에 따른 막 두께 측정 장치는 분광 센서(113)와 데이터 처리부(120)를 구비한 막 두께 측정 장치로서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터를 측정하고, 상기 데이터 처리부는 측정된 분광 데이터로부터 측정 색 특성 변수를 구하며, 이 측정 색 특성 변수를, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수와 비교해서, 이 측정 색 특성 변수와의 차가 가장 작은 이론 색 특성 변수에 대응하는 세트의 값을 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하고, 상기 막의 이 굴절률을 사용하여 상기 막의 두께를 정한다.

Description

막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법{FILM THICKNESS MEASURING DEVICE AND FILM THICKNESS MEASURING METHOD}
본 발명은 기재면에 형성된 막의 막 두께를, 분광 반사율을 측정함으로써 구하는 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법에 관한 것이다.
기재면에 형성된 막의 막 두께를 측정하는 장치로는, 엘립소미터(예를 들면, 특허문헌 1)나 분광 반사율(파장에 대한 반사율의 분포) 데이터의 극대값을 나타내는 파장 또는 극소값을 나타내는 파장으로부터 막 두께를 측정하는 측정 장치[이하, PV(Peak-Valley) 장치라고 호칭함](예를 들면, 특허문헌 2)가 있다.
엘립소미터는 반도체 제조 분야의 박막 측정에서 많이 이용되고 있다. 그러나, 투수광각(投受光角)이 크기 때문에, 측정 대상면과의 거리가 변화하는 라인에서의 사용이 어려운 점, 투수광 양방측의 광학 소자를 회전시켜 측정하므로 광학계가 복잡한 점, 고가인 점 등의 문제가 있다.
PV 장치는, 분광 반사율 데이터에 있어서 반사율이 극대 또는 극소가 되는 파장으로부터 막 두께를 측정하므로, 분광 반사율 데이터에 반사율이 극대 또는 극소가 되는 파장이 존재할 필요가 있다. 그러나, 일반적으로 500 ㎚ 이하의 박막의 분광 반사율 데이터에는, 반사율의 명확한 극대값 또는 극소값은 존재하지 않는다. 따라서, 500 ㎚ 이하의 박막의 측정에 종래의 PV 장치를 사용할 수는 없다.
따라서, 500 ㎚ 이하의 박막의 막 두께를 측정하기 위해, 색의 특성 변수의 이론값을 사용하는 장치 및 방법이 본원의 발명자들에 의해 개발되었다(특허문헌 3). 그러나, 이 방법은 막의 샘플 막 두께를 가정하여 막의 굴절률을 정하고, 이 굴절률을 사용하여 막 두께를 구하는 것으로서, 응용 범위가 한정되어 있었다.
이와 같이, 500 ㎚ 이하의 박막을 포함하는 막의 막 두께 측정에 널리 사용할 수 있는 간단한 구조의 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법은 현재까지 개발되어 있지 않았다.
일본 특허 공개 2009-68937호 공보 일본 특허 3532165호 공보 일본 특허 4482618호 공보
따라서, 500 ㎚ 이하의 박막을 포함하는 막의 막 두께 측정에 널리 사용할 수 있는 간단한 구조의 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명에 따른 막 두께 측정 장치는 분광 센서와 데이터 처리부를 구비한 막 두께 측정 장치로서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터를 측정하고, 상기 데이터 처리부는 측정된 분광 데이터로부터 측정 색 특성 변수를 구하며, 이 측정 색 특성 변수를, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수와 비교해서, 이 측정 색 특성 변수와의 차가 가장 작은 이론 색 특성 변수에 대응하는 세트의 값을 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하고, 상기 막의 이 굴절률을 사용하여 상기 막의 두께를 정한다.
본 발명에 따른 막 두께 측정 장치에 따르면, 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터로부터 구한 측정 색 특성 변수, 및 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수를 사용하여 상기 막의 굴절률을 정할 수 있으므로, 이 굴절률을 사용하여 막 두께를 높은 정밀도로 구할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 막 두께 측정 장치는 500 ㎚ 이하의 박막을 포함하는 막의 막 두께 측정에 널리 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 막 두께 측정 장치의 측정부는 간단한 구조를 갖는다.
본 발명의 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치에 있어서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 투과율 분포를 측정하고, 상기 데이터 처리부는 측정된 투과율 분포로부터 반사율 분포를 구하고, 이 반사율 분포로부터 상기 측정 색 특성 변수를 더 구한다.
본 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치는 기재 위에 도포된 막의 투과율 분포를 측정하고, 이 투과율 분포로부터 기재 위에 도포된 막의 반사율 분포를 구하므로, 막이 도포된 기재의 면이 기준면으로부터 기울어진 경우라 하더라도, 막의 반사율 분포를 측정하는 경우와 비교하여 기준면의 기울기에 대한 반사율의 변화가 작아 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치는, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수를 기억한 기억부를 더 구비한다.
본 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치에 있어서는, 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터로부터 구한 측정 색 특성 변수와, 기억부에 기억되며, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대응하는 복수 세트의 이론 색 특성 변수를 사용하여, 간단하게 단시간에 막의 굴절률을 구할 수 있다.
본 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치에 있어서는, 색 특성 변수가 반사색 3자극값이다.
본 발명에 따른 막 두께 측정 방법은, 분광 센서와 데이터 처리부를 구비한 막 두께 측정 장치에 의해 기재 위에 도포된 막의 두께를 측정하는 막 두께 측정 방법으로서, 상기 분광 센서에 의해, 상기 기재 위에 도포된 상기 막의 분광 데이터를 측정하는 단계와, 상기 데이터 처리부에 의해, 측정된 분광 데이터로부터 측정 색 특성 변수를 구하는 단계와, 이 측정 색 특성 변수를, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수와 비교해서, 이 측정 색 특성 변수와의 차가 가장 작은 이론 색 특성 변수에 대응하는 세트의 값을 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하는 단계와, 상기 막의 이 굴절률을 사용하여 상기 막의 두께를 정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 막 두께 측정 방법에 따르면, 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터로부터 구한 측정 색 특성 변수, 및 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수를 사용하여 상기 막의 굴절률을 정할 수 있으므로, 이 굴절률을 사용하여 막 두께를 높은 정밀도로 구할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 막 두께 측정 방법은, 500 ㎚ 이하의 박막을 포함하는 막의 막 두께 측정에 널리 사용할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 막 두께 측정 방법에 따르면, 상기 측정하는 단계에서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 투과율 분포를 측정하고, 상기 측정 색 특성 변수를 구하는 단계에서, 상기 데이터 처리부는 측정된 투과율 분포로부터 반사율 분포를 구하고, 이 반사율 분포로부터 상기 측정 색 특성 변수를 더 구한다.
본 실시형태에 따른 막 두께 측정 방법에 있어서, 기재 위에 도포된 막의 투과율 분포를 측정하고, 이 투과율 분포로부터 기재 위에 도포된 막의 반사율 분포를 구하므로, 막이 도포된 기재의 면이 기준면으로부터 기울어진 경우라 하더라도, 막의 반사율 분포를 측정하는 경우와 비교하여 기준면의 기울기에 대한 반사율의 변화가 작아 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 막 두께 측정 방법에 따르면, 상기 측정하는 단계에서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터를 복수의 점에서 측정하고, 상기 측정 색 특성 변수를 구하는 단계에서, 상기 데이터 처리부는 이 복수의 점에 대응하는 복수의 측정 색 특성 변수를 구하며, 상기 굴절률을 정하는 단계에서, 상기 데이터 처리부는 이 복수의 측정 색 특성 변수를 사용하여 상기 막의 굴절률을 정한다.
본 실시형태에 따른 막 두께 측정 방법에 있어서, 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터를 복수의 점에서 측정하고, 이 복수의 점의 투과율 분포로부터 복수의 측정 색 특성 변수를 구하며, 이 복수의 측정 색 특성 변수를 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하므로, 보다 높은 정밀도로 상기 막의 굴절률을 정할 수 있다.
본 실시형태에 따른 막 두께 측정 방법에 있어서는, 색 특성 변수가 반사색 3자극값이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 데이터 처리부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 기재 위에 박막이 형성된 측정 대상물의 보정 반사율 분포를 구하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 도 3의 단계 S1060의 상세한 내용을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 기재의 다중 반사 모델을 도시하는 도면이다.
도 7은 기재의 굴절률(nm)과 수직 반사율[Rv(nm)]과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8은 기재[굴절률(nm), 두께(D)] 위에 투명한 박막[굴절률(n), 막 두께(D)]이 성막되어 있는 경우의 다중 반사 모델을 도시하는 도면이다.
도 9는 기재(nm=1.70) 위에 도공재(n=1.90과 n=1.50)를 d=500 ㎚ 도공한 경우에, 식 (15)에 의해 계산한 반사율(Rv)을 도시하는 도면이다.
도 10은 막 두께 및 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값의 표(표 1)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 11은 m개의 측정 반사색 3자극값과, 표 1의 막 두께, 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값과의 차를 나타내는 표 2-1 내지 표 2-m의 구성을 도시하는 도면이다.
도 12는 m개의 굴절률[n(1) 내지 n(m)]의 각각에 대한 차의 총합의 표 3의 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은 박막의 굴절률이 기재의 굴절률보다 작은 경우에, 다양한 막 두께에 대해 파장과 이론 반사율과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 14는 박막의 굴절률이 기재의 굴절률보다 큰 경우에, 다양한 막 두께에 대해 파장과 이론 반사율과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 15는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 기재 및 이 기재 위에 형성된 막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 16은 폴리에틸렌테레프탈레이트의 기재 및 이 기재 위에 형성된 막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 17은 유리의 기재 및 이 기재 위에 형성된 ITO(Indium Tin Oxide)막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 18은 유리의 기재 및 이 기재 위에 형성된 ITO(Indium Tin Oxide)막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 19는 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 4개의 경사 각도에 대해, 반사율 측정형 막 두께 측정 장치에 의해 측정된, 표면에 막이 형성된 유리판의 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 20은 기준면의 각도 이외의 3개의 경사 각도의 반사율의, 수평의 반사율에 대한 변화율의 분포를 도시하는 도면이다.
도 21은 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 4개의 경사 각도에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치에 의해 구해진, 표면에 막이 형성된 유리판의 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 22는 기준면의 각도 이외의 3개의 경사 각도의 반사율의, 수평의 반사율에 대한 변화율의 분포를 도시하는 도면이다.
도 23은 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 4개의 경사 각도에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치에 의해 구해진, 표면에 투명 도전성 산화막(Transparent Conductive Oxide film, TCO film)이 형성된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 투명 기재의 반사율 분포를 도시하는 도면이다.
도 24는 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 7개의 경사 각도에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치에 의해 구해진, 투명 도전성 산화막의 막 두께를 도시하는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다. 막 두께 측정 장치(100)는 측정부(110), 데이터 처리부(120) 및 기억부(130)를 구비한다. 측정부(110)는 C형 프레임으로 이루어지며, 광원(111) 및 분광 센서(113)를 포함한다. 광원(111)으로부터 방출된 빛은 측정 대상물(300)을 투과하여, 분광 센서(113)에 의해 수광된다. 분광 센서(113)는 측정 대상물(300)의 분광 투과율(파장에 대한 투과율의 분포)을 측정한다. 여기서, 측정 대상물(300)은 투명 기판 위에 형성된 박막이다. 분광 센서(113)에 의해 측정된 데이터는 데이터 처리부(120)로 전송된다. 데이터 처리부(120)는 분광 센서(113)에 의해 측정된 데이터 및 기억부(130)에 기억된 데이터를 사용하여 측정 대상물(300)의 박막의 두께를 구한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 막 두께 측정 장치(200)의 구성을 도시하는 도면이다. 막 두께 측정 장치(200)는 측정부(210), 데이터 처리부(220) 및 기억부(230)를 구비한다. 측정부(210)는 광원(211), 빔 스플리터(215) 및 분광 센서(213)를 포함한다.
광원(211)으로부터의 빛은 빔 스플리터(215)에 의해 반사되어, 측정 대상물(300)에 이른다. 여기서, 측정 대상물(300)의 측정 대상면에 조사되는 빛이 측정 대상면에 수직으로 입사하도록 측정부(210)를 배치한다. 측정 대상면에 조사된 빛은 측정 대상면에 수직한 방향으로 반사되어, 측정 대상면에 조사되는 빛과 동일한 경로를 역방향으로 진행하여 빔 스플리터(215)에 이르며, 빔 스플리터(215)를 통과하여, 분광 센서(213)에 수광된다. 분광 센서(213)는 측정 대상물(300)의 분광 반사율을 측정한다. 여기서, 측정 대상물(300)은 투명 기판 또는 불투명 기판 위에 형성된 박막이다. 분광 센서(213)에 의해 측정된 데이터는 데이터 처리부(220)에 전송된다. 데이터 처리부(220)는 분광 센서(213)에 의해 측정된 데이터 및 기억부(230)에 미리 기억된 데이터를 사용하여 측정 대상물(300)의 박막의 두께를 구한다.
도 1에 도시한 투과형의 측정 장치는 기재가 투명한 경우에만 사용할 수 있다. 투명형의 측정 장치의 이점에 대해서는 나중에 설명한다.
광원(111 및 211)은 발광 다이오드 광원, 일례로서, 430 ㎚에 피크를 갖는 자외 발광 다이오드 광원과, 580 ㎚ 부근에 피크를 갖는 백색 발광 다이오드 광원을 병용한 것이어도 좋다.
분광 센서(113 및 213)는 투과 파장 가변 필터와 이미지 센서를 조합한 것이어도 좋다. 투과 파장 가변 필터는 입사하는 백색광의 단파장부터 장파장까지의 투과 파장 영역이 필터의 위치에 의해 연속적으로 또는 단계적으로 변화하는 간섭 필터의 일종이다. 이러한 분광 센서는, 예를 들면 일본 특허 제3618090호에 개시되어 있다.
데이터 처리부(120 및 220)의 동작의 상세한 내용에 대해 이하에 설명한다.
도 3은 데이터 처리부(120 및 220)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3의 단계 S1010에 있어서, 분광 센서(113)는 기재의 분광 투과율, 즉 파장에 대한 투과율 분포를 측정한다. 분광 센서(213)는 기재의 분광 반사율, 즉 파장에 대한 반사율 분포를 측정한다.
도 3의 단계 S1020에 있어서, 데이터 처리부(120)는 분광 센서(113)로부터 파장에 대한 투과율 분포의 데이터를 수신하여, 이하의 식에 의해, 파장에 대한 기재의 반사율 분포의 데이터를 얻는다.
Figure pct00001
상기한 식에 있어서 Rv.cal은 투과율로부터 계산된 반사율을 나타내고, τ는 측정된 투과율을 나타낸다. 반사율 및 투과율의 단위는 %이다. 데이터 처리부(220)는 분광 센서(213)로부터 파장에 대한, 기재의 반사율 분포의 데이터를 수신한다.
여기서, 기재의 굴절률과 반사율과의 관계에 대해 설명한다.
도 6은 기재의 다중 반사 모델을 도시하는 도면이다. 빛은 기재면에 수직으로 입사하는데, 도 6에 있어서는, 편의상 비스듬하게 입사하는 것으로 하고 있다.
기재의 두께(D)는 입사하는 빛의 파장에 비해 충분히 두꺼운 것으로 한다. 이 경우, 기재의 내부 투과율(Ti)을 고려해야 한다. 내부 투과율은 램버트 법칙으로부터
Figure pct00002
로 주어진다. 여기서, α는 상수, k2는 감쇠 계수, λ는 파장이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 기재 표면과 이면의 다중 반복 반사를 고려하면 반사율(R) 및 투과율(T)은 등비 흡수의 (비:Ti 2R02)의 합이 되며, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00003
이다. 여기서, 기재의 복소 굴절률을 n2-ik2로 한다.
기재에 흡수가 없는 경우에는 식 (2), 식 (3) 및 식 (4)에 있어서 Ti=1, k2=0으로 하여, 이하의 식이 성립한다.
Figure pct00004
이다. 여기서 n1은 기재의 주위의 매질의 굴절률이다.
식 (5) 및 (7)로부터, 기재의 굴절률(n2)과 반사율(R)과의 관계를 구할 수 있다.
도 7은 기재의 굴절률(nm)과 수직 반사율[Rv(nm)]과의 관계를 도시하는 도면이다.
데이터 처리부(120 및 220)는 기재의 반사율 분포의 데이터로부터, 파장 500 ㎚에 대응하는 반사율을 구하고, 이 반사율을 수직 반사율[Rv(nm)]로 하여, 도 7로부터 기재의 굴절률(nm)을 구한다.
도 3의 단계 S1030에 있어서, 분광 센서(113)는 기재 위에 박막이 형성된 측정 대상물의 분광 투과율, 즉 파장에 대한 투과율 분포를 측정한다. 분광 센서(213)는 기재 위에 박막이 형성된 측정 대상물의 분광 반사율, 즉 파장에 대한 반사율(Rv) 분포를 측정한다.
도 3의 단계 S1040에 있어서, 데이터 처리부(120)는 단계 S1020의 처리와 동일하게, 측정된 투과율 분포의 데이터로부터 계산에 의해 반사율(Rv.cal) 분포의 데이터를 구한다. 데이터 처리부(120 및 220)는 기재 위에 박막이 형성된 측정 대상물의 보정 반사율 분포를 구한다. 여기서, 기재 위에 박막이 형성된 측정 대상물의 m개(m은 1 이상의 정수)의 점에 대해 보정 반사율 분포를 구한다.
도 4는 기재 위에 박막이 형성된 측정 대상물의 보정 반사율 분포를 구하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4의 단계 S2010에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 각각 반사율 보정 계수(K1 및 K2)를 구한다. 반사율 보정 계수(K1 및 K2)는, 기재의 반사율(Rv.cal 및 Rv)이 파장에 관계없이 항상 파장 500 ㎚의 반사율이 되도록 이하의 식에 의해 정해진다.
Figure pct00005
도 4의 단계 S2020에 있어서, 데이터 처리부(120)는 측정된 투과율로부터 구한 반사율(Rv.cal)로부터 이하의 식에 의해 보정 반사율(Rv)을 계산한다.
Figure pct00006
데이터 처리부(220)는 측정된 반사율(Rv)로부터 이하의 식에 의해 보정 반사율(Rvc)을 계산한다.
Figure pct00007
도 3의 단계 S1050에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 m개의 보정 반사율(Rvc)로부터 m개의 반사색 3자극값을 계산한다. 반사색 3자극값의 계산 방법은 「JIS Z8722 색의 측정 방법 반사색 및 투과색」에 상세하게 설명되어 있다. 이와 같이 하여 얻어진 반사색 3자극값을 측정 반사색 3자극값이라고 호칭한다. 또한, 본 실시형태에서는 반사색 3자극값을 사용하지만, 반사색 3자극값으로부터 계산하는 색채치법(色彩値法)(예를 들면, L*, a*, b*)을 사용하는 것도 가능하다. 본 명세서 및 특허청구범위에 있어서, 반사색 3자극값 등 색의 특성을 나타내는 변수를 색 특성 변수라고 호칭한다. 또한, 측정에 의해 구한 보정 반사율로부터 계산된 색 특성 변수를 측정 색 특성 변수라고 호칭한다.
도 3의 단계 S1060에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 단계 S1050에서 구한 측정 반사색 3자극값을, 미리 구해 둔, 막 두께 및 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값과 비교하여, 오차를 최소로 하는 막의 굴절률을 구한다.
여기서, 막 두께가 1 내지 200 ㎚의 범위라면, 반사율 분포가 상이함에도 불구하고 반사색 3자극값이 대략 같아지는 「조건 등색(metamerism)」과 같은 현상은 생기지 않고, 반사율 분포와 반사색 3자극값 중 어느 하나를 정하면 다른 하나가 정해지는 관계가 성립된다. 따라서, 반사색 3자극값을 사용하여 막의 굴절률을 일의적으로 정할 수 있다.
도 5는 도 3의 단계 S1060의 처리의 상세한 내용을 나타내는 흐름도이다.
도 5의 단계 S3005에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 막 두께 및 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값을 계산하고, 막 두께 및 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값의 표(표 1)를 작성하여, 기억부(130 및 230)에 미리 기억시켜 둔다.
여기서, 기재의 굴절률, 기재 위에 도포된 막의 굴절률 및 막 두께와 반사율과의 관계에 대해 설명한다. 이 관계로부터 이론 반사율 분포가 계산되고, 이론 반사율 분포로부터 이론 반사색 3자극값이 더 계산된다.
도 8은 기재[굴절률(nm), 두께(D)] 위에 투명한 박막[굴절률(n), 막 두께(D)]이 성막되어 있는 경우의 다중 반사 모델을 도시하는 도면이다. 박막의 반사율을 R1, 기재의 반사율을 R0라고 하면, 이하의 식이 성립한다.
Figure pct00008
식 (13)에 있어서 n0=1.0으로 하면, 이하의 식이 성립한다.
Figure pct00009
여기서, 기재의 이면의 반사를 고려했을 때의 반사율을 Rv.nm으로 표기하면, 식 (12), (14)로부터 이하의 식이 성립된다.
Figure pct00010
이와 같이, 기재[굴절률(nm), 두께(D)] 위에 투명한 박막[굴절률(n), 막 두께(D)]이 성막되어 있는 경우의 반사율은 기재 굴절률(nm), 도공재(막) 굴절률(n) 및 막 두께(d)에 따라 크게 변화한다.
도 9는 기재(nm=1.70) 위에 도공재(n=1.90과 n=1.50)를 d=500 ㎚ 도공한 경우에, 식 (15)에 의해 계산한 반사율(Rv)을 도시하는 도면이다.
도공재 굴절률(n)이 기재 굴절률(nm)보다 작은 경우에는, 반사율 분포[Rv(n)]는 기재 반사율보다 작아져, 반사율[Rv(n)]의 극소값[=최소값(Rv.min)]은 8.41%가 된다. 도공재 굴절률(n)이 기재 굴절률(nm)보다 큰 경우에는, 반사율 분포[Rv(n)]는 기재 반사율보다 커져 극대값[=최대값(Rv.max)]은 18.08%가 된다.
굴절률은 파장에 대해 일정하게 했으므로, 막 두께를 변화시켜도 위상이 변화할 뿐이며, 식 (15)에 의해 계산된 최대값 반사율(Rv.max), 최소값 반사율(Rv.min)의 값은 변화하지 않는다.
도 10은 표 1의 구성을 도시하는 도면이다. 표 1의 행은 최소값부터 최대값까지 0.01씩의 막 굴절률을 나타낸다. 표 1의 열은 막 두께의 목표값을 d0(㎚)으로 하여, d0-50(㎚)부터 d0+50(㎚)까지 1 ㎚씩의 막 두께를 나타낸다.
도 5의 단계 S3010에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는, 도 3의 단계 S1050에서 구한 m개의 측정 반사색 3자극값과, 표 1의 막 두께, 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값과의 차로부터, m개의 표, 표 2-1 내지 표 2-m을 작성한다.
도 11은 m개의 측정 반사색 3자극값과, 표 1의 막 두께, 막의 굴절률마다의 이론 반사색 3자극값과의 차를 나타내는 표 2-1 내지 표 2-m의 구성을 도시하는 도면이다. 표의 행은 최소값부터 최대값까지 0.01씩의 막 굴절률을 나타낸다. 표의 열은 막 두께의 목표값을 d0(㎚)으로 하여, d0-50(㎚)부터 d0+50(㎚)까지 1 ㎚씩의 막 두께를 나타낸다. 각각의 행의 굴절률 및 각각의 열의 막 두께에 대응하는 상기한 차를 계산하여, 표 2-1 내지 표 2-m으로서 기억부(130 또는 230)에 기억시킨다.
도 5의 단계 S3020에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 m개의 표의 각각에 있어서 차를 최소로 하는 m개의 굴절률[n(1) 내지 n(m)] 및 m개의 막 두께[d(1) 내지 d(m)]를 구한다.
도 5의 단계 S3030에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 m개의 굴절률[n(1) 내지 n(m)]의 각각에 대해, 표 2-1 내지 표 2-m에서 각각 m개의 막 두께[d(1) 내지 d(m)]에 대응하는 m개의 차를 구하고, 그 총합을 구한다.
도 12는 m개의 굴절률[n(1) 내지 n(m)]의 각각에 대한 차의 총합을 나타낸 표 3의 구성을 도시하는 도면이다. 표 3의 행은 m개의 굴절률[n(1) 내지 n(m)]을 나타낸다. 여기서, m=10으로 했다.
도 5의 단계 S3040에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 m개의 굴절률[n(1) 내지 n(m)] 중 표 3의 총합을 최소로 하는 것을 막의 굴절률로 한다.
도 5의 단계 S3050에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 단계 S3030에서 구한 굴절률에 대응하는 막 두께가 하한값[d0-50(㎚)] 또는 상한값[d0+50(㎚)]인지 판단한다. 하한값 또는 상한값이 아니면 처리를 종료한다. 하한값 또는 상한값이면 단계 S3060으로 진행한다.
도 5의 단계 S3060에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 새로운 막 두께의 목표값[d0(㎚)]을 정하고, 표 1을 작성한다. 새로운 막 두께의 목표값은 하한값보다 작은 값 또는 상한값보다 큰 값으로 한다.
도 3의 단계 S1070에 있어서, 데이터 처리부(120 및 220)는 단계 S1020에서 구한 기재의 굴절률, 단계 S1040에서 구한 기재 위의 막의 반사율 분포 및 단계 S1060에서 구한 막의 굴절률을 사용하여 막 두께를 구한다. 막 두께를 구하는 방법은 일본 특허 4482618호에 기재되어 있다.
도 13은 박막의 굴절률이 기재의 굴절률보다 작은 경우에, 다양한 막 두께에 대해 파장과 이론 반사율과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 13에 있어서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 반사율을 나타낸다. 기재 굴절률(nm) 및 막의 굴절률(n)은 이하와 같다.
nm=1.68
n=1.46
막 두께가 70 ㎚보다 작은 경우에는, 반사율의 극소값은 생기지 않는다. 따라서, 종래의 PV 장치에 의해 막 두께를 구할 수는 없다.
도 14는 박막의 굴절률이 기재의 굴절률보다 큰 경우에, 다양한 막 두께에 대해 파장과 이론 반사율과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 14에 있어서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 반사율을 나타낸다. 기재 굴절률(nm) 및 막의 굴절률(n)은 이하와 같다.
nm=1.60
n=2.10
막 두께가 40 ㎚보다 작은 경우에는, 반사율의 극대값은 생기지 않는다. 따라서, 종래의 PV 장치에 의해 막 두께를 구할 수는 없다.
도 15는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 기재 및 이 기재 위에 형성된 무기 도공막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 도 15에 있어서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 반사율을 나타낸다. 도 3에 나타낸 방법에 의해 구한 기재의 굴절률은 1.683, 막의 굴절률은 1.480이다. 또한, 이 막의 굴절률 및 기재 위에 형성된 막의, 3개의 측정된 반사율 분포를 사용하여 구한 막 두께는 39.2 ㎚, 59.3 ㎚ 및 92.8 ㎚이다. 도 13에 있어서, 막 두께는 도공막 두께로 기재했다.
도 16은 폴리에틸렌테레프탈레이트의 기재 및 이 기재 위에 형성된 무기 도공막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 도 16에 있어서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 반사율을 나타낸다. 도 3에 나타낸 방법에 의해 구한 기재의 굴절률은 1.668, 막의 굴절률은 1.532이다. 또한, 이 막의 굴절률 및 기재 위에 형성된 막의, 4개의 측정된 반사율 분포를 사용하여 구한 막 두께는 131.4 ㎚, 121.6 ㎚, 113.1 ㎚ 및 94.5 ㎚이다. 도 14에 있어서, 막 두께는 도공막 두께로 기재했다. 도 14는 본 실시형태의 막 두께 측정 장치 및 막 두께 측정 방법에 의해, 약 10 ㎚의 작은 막 두께 차를 충분히 검출할 수 있음을 보이고 있다.
도 17은 유리의 기재 및 이 기재 위에 형성된 ITO(Indium Tin Oxide)막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 도 17에 있어서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 반사율을 나타낸다. 도 3에 나타낸 방법에 의해 구한 기재의 굴절률은 1.598, 막의 굴절률은 2.156이다. 또한, 이 막의 굴절률 및 기재 위에 형성된 막의, 4개의 측정된 반사율 분포를 사용하여 구한 막 두께는 56.0 ㎚, 54.0 ㎚, 32.3 ㎚ 및 30.3 ㎚이다.
도 18은 유리의 기재 및 이 기재 위에 형성된 ITO(Indium Tin Oxide)막의 측정된 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 도 18에 있어서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 반사율을 나타낸다. 도 3에 나타낸 방법에 의해 구한 기재의 굴절률은 1.598, 막의 굴절률은 2.194이다. 또한, 이 막의 굴절률 및 기재 위에 형성된 막의, 1개의 측정된 반사율 분포를 사용하여 구한 막 두께는 104.1 ㎚이다.
도 17의 막 두께는 56 ㎚ 이하이고, 도 18의 막 두께는 104 ㎚이다. 따라서, 도 15의 반사율 분포와 도 16의 반사율 분포는 전혀 다르다. 이와 같이 전혀 다른 측정 반사율 분포로부터 구한 막의 굴절률은 2.156 및 2.194이다. 따라서, 굴절률의 차의 굴절률에 대한 비는 2% 이하로서, 본 실시형태에 따른 방법의 신뢰성이 높은 것을 알 수 있다.
도 1 및 도 2의 막 두께 측정 장치는 광원(111 및 211)으로부터의 빛이 측정 대상물(300)의 면에 수직으로 입사하도록 구성되어 있다. 여기서, 광원(111 및 211)으로부터의 빛이 수직으로 입사하도록 배치된 면을 기준면으로 한다. 측정 대상물(300)의 면이 기준면에 대해 기울어져 있는 경우에, 기준면에 대한 경사 각도가, 도 1에 도시한 투과율 측정형 막 두께 측정 장치 및 도 2에 도시한 반사율 측정형 막 두께 측정 장치에 주는 영향에 대해 설명한다.
도 19는 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 4개의 경사 각도에 대해, 반사율 측정형 막 두께 측정 장치(200)에 의해 측정된, 표면에 막이 형성된 유리판의 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 반사율은 분광 센서(213)에 의해 측정된 것이다.
도 20은 기준면의 각도 이외의 3개의 경사 각도의 반사율의, 기준면의 반사율에 대한 변화율의 분포를 도시하는 도면이다. 변화율은 이하의 식으로 정의한다.
Figure pct00011
여기서
Figure pct00012
은 각각 경사각 θ 및 0의 경우의 반사율이다. 도 18에 따르면, 변화율(α)은 경사각 θ=0.52°의 경우라도 약 -14%로서 매우 크다.
도 21은 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 4개의 경사 각도에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치에 의해 구해진, 표면에 막이 형성된 유리판의 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 반사율은 분광 센서(113)에 의해 측정된 투과율로부터 계산된 것이다.
도 22는 기준면의 각도 이외의 3개의 경사 각도의 반사율의, 기준면의 반사율에 대한 변화율의 분포를 도시하는 도면이다. 변화율은 식 (12)로 정의한다. 도 22에 따르면, 변화율(α)은 경사각 θ=0.52°의 경우에 대부분의 파장에서 2% 이하, 경사각 θ=1.03° 및 1.55°의 경우에 대부분의 파장에서 3% 이하이다. 도 20의 결과와 비교하면, 경사각의 영향은 매우 작다.
다음, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 투명 기재 위에 투명 도전성 산화막을 형성한 샘플에 있어서, 복수의 경사각에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치에 의해 반사율 분포를 구하고, 막 두께를 더 구했다.
도 23은 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 4개의 경사 각도에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치(100)에 의해 구해진, 표면에 투명 도전성 산화막(Transparent Conductive Oxide film, TCO film)이 형성된 폴리에틸렌테레프탈레이트의 투명 기재의 반사율 분포를 도시하는 도면이다. 반사율은 분광 센서(113)에 의해 측정된 투과율로부터 계산된 것이다.
도 24는 기준면의 각도를 0으로 하여 기준면의 각도를 포함하는 7개의 경사 각도에 대해, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치(100)에 의해 구해진, 투명 도전성 산화막의 막 두께를 도시하는 도면이다. 기재의 굴절률은 1.621, 막의 굴절률은 2.21이며, 경사각이 0°인 경우의 막 두께는 14.7 ㎚이다. 이에 반해, 경사각이 1.29°인 경우의 막 두께는 16 ㎚이고, 수평인 경우의 막 두께와의 차는 1.3 ㎚이다. 즉, 경사각이 1° 이내이면, 막 두께의 오차는 1 ㎚ 이내이다. 이와 같이, 투과율 측정형 막 두께 측정 장치는 측정 대상물의 수평 방향을 기준으로 한 경사 각도의 변화에 대해, 높은 정밀도를 유지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 분광 센서와 데이터 처리부를 구비한 막 두께 측정 장치에 있어서,
    상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터를 측정하고,
    상기 데이터 처리부는 측정된 분광 데이터로부터 측정 색 특성 변수를 구하며, 이 측정 색 특성 변수를, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수와 비교해서, 이 측정 색 특성 변수와의 차가 가장 작은 이론 색 특성 변수에 대응하는 세트의 값을 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하고, 상기 막의 이 굴절률을 사용하여 상기 막의 두께를 정하는 것인 막 두께 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 투과율 분포를 측정하고, 상기 데이터 처리부는 측정된 투과율 분포로부터 반사율 분포를 구하며, 이 반사율 분포로부터 상기 측정 색 특성 변수를 더 구하는 것인 막 두께 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수를 기억한 기억부를 더 구비하는 막 두께 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 색 특성 변수가 반사색 3자극값인 막 두께 측정 장치.
  5. 분광 센서와 데이터 처리부를 구비한 막 두께 측정 장치에 의해 기재 위에 도포된 막의 두께를 측정하는 막 두께 측정 방법에 있어서,
    상기 분광 센서에 의해, 상기 기재 위에 도포된 상기 막의 분광 데이터를 측정하는 단계와,
    상기 데이터 처리부에 의해, 측정된 분광 데이터로부터 측정 색 특성 변수를 구하는 단계와,
    이 측정 색 특성 변수를, 막의 두께 및 굴절률의 복수 세트의 값에 대해 구한 복수 세트의 이론 색 특성 변수와 비교해서, 이 측정 색 특성 변수와의 차가 가장 작은 이론 색 특성 변수에 대응하는 세트의 값을 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하는 단계와,
    상기 막의 이 굴절률을 사용하여 상기 막의 두께를 정하는 단계
    를 포함하는 막 두께 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 측정하는 단계에서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 투과율 분포를 측정하고, 상기 측정 색 특성 변수를 구하는 단계에서, 상기 데이터 처리부는 측정된 투과율 분포로부터 반사율 분포를 구하며, 이 반사율 분포로부터 상기 측정 색 특성 변수를 더 구하는 것인 막 두께 측정 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 측정하는 단계에서, 상기 분광 센서는 기재 위에 도포된 막의 분광 데이터를 복수의 점에서 측정하고, 상기 측정 색 특성 변수를 구하는 단계에서, 상기 데이터 처리부는 이 복수의 점에 대응하는 복수의 측정 색 특성 변수를 구하며, 상기 굴절률을 정하는 단계에서, 상기 데이터 처리부는 이 복수의 측정 색 특성 변수를 사용하여 상기 막의 굴절률을 정하는 것인 막 두께 측정 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 색 특성 변수가 반사색 3자극값인 것인 막 두께 측정 방법.
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