WO2001001070A1

WO2001001070A1 - Dispositif a source lumineuse, spectroscope comportant le dispositif a source lumineuse et capteur d'epaisseur de couche

Info

Publication number: WO2001001070A1
Application number: PCT/JP2000/004228
Authority: WO
Inventors: Masazumi Tsubakizaka; Hironobu Kiyomoto; Koichi Egawa
Original assignee: Omron Corporation
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2001-01-04
Also published as: EP1111333A4; EP1111333A1

Description

明細書光源装置並びに当該光源装置を用いた分光装置及び膜厚センサ技術分野

本発明は、 LED (発光ダイオード）等の半導体発光素子を使用した光源装置並びに当該光源装置を用いた分光装置及び膜厚センサに関する。

背景技術

(従来の光源装置）

広範囲の発光波長領域において均一な出力パワーを有する白色光源としては、一般にハロゲンランプが使用されている。し力、し、ハロゲンランプでは、寿命が短く、その交換頻度が高くなるという不都合がある。また、発熱により周囲に影響を及ぼす場合がある。

そのため、広範囲の発光波長領域において均一な出力パワーを有する白色発光の LEDが望まれている。しカゝし、一般に LEDそのものの発光波長領域は可視光領域と比較しても狭く、一般に単色発光素子として実用化されている。

そこで、例えば青色 LEDチップをステム上に実装し、 LEDチップを包む榭脂モールド中に着色剤として蛍光体（蛍光染料、蛍光顔料）を添加するようにし、全体として白色発光するようにした LED (以下、白色 LEDという）が開発されている。このような白色 LEDの分光特性を図 1に示す。これは、日亜化学製の NSPW500を用いて測定されたものである。図 1の分光特性図によれば、この白色 LEDでは、波長 470 nmあたりに大きな出力ピーク（パワー比 1) を有し、波長 560 nmあたりに小さな出力ピーク（パワー比 0.4) を有しており、約 450 nm〜 700 nmの広い出力波長領域を有している。波長 470 nmあたりの出力ピークは、青色 L E Dチップから出射された青色光によるものであり、波長 560 nmあたりの出力ピークは、蛍光体によって波長変換された光によるものである。

しかし、このような分光特性を有する白色 LEDでは、図 1に示したように発光波長に対するパワー比（出力パワー）の不均一が大きく、均一な波長特性を有する白色 L E Dを製作することができなかった。また、波長 5 6 0 n mあたりの出力ピークを大きくするために蛍光体を多量に投与すると、 L E Dチップそのものの輝度が大きく低下したり、蛍光体で L E Dチップから出射された光が遮られたりする問題があり、実用化は困難であった。そのため、従来の白色 L E Dでは、ハロゲンランプの代わりに用いることができるような均一な出力波長特性を有する光源を得ることは困難であつた。

また、波長 4 7 0 n mあたりの光と波長 5 6 0 n mあたりの光だけを用いる用途でも、波長 4 7 0 n mの青色光の出力パヮ一を適度に調整すると、波長 5 6 0 n mの光の出力パワーが不足し、逆に、波長 5 6 0 n mの蛍光体領域の光の出力パワーを適度に調整すると、波長 4 7 0 n mの光の出力が大きくなり過ぎ、波長 4 7 0 n mの光を受光した受光素子の出力が飽和してしまう問題があった。

(従来の分光装置）

次に、従来の分光装置について説明する。図 2は従来の分光装置の一例であつて、凹面回折格子 1の凹曲面 2には、多数の溝が微細なピッチで形成されており、入口スリット 3の微細な開口を通過した測定光を凹面回折格子 1に照射すると、凹面回折格子 1で分光された測定光は、所定位置に配置されたフォトダイォードアレイ 4で受光され、測定光の分光スぺクトルが計測される。

しかし、このような分光装置では、入ロスリツ卜の開口を小さくして入射光源を点光源に近づける必要があり、光量損失を伴う。そのため、このような分光装置において、光源として L E Dを用いると、光源のパワーが弱くなつてしまい、 S /N比の劣化によつて分析精度が悪くなる問題があつた。

(従来の膜厚センサ）

従来より、薄膜による光の干渉と分光を利用して薄膜の膜厚を計測する膜厚センサが知られているが、従来の膜厚センサでは、光源としてハロゲンランプが用いられている：

しかし、従来の H莫厚センサでは、計測対象外の膜厚を計測しなければならない場合には、その膜厚に応じて発光波長域の異なるハロゲンランプに交換する必要がある。さら;こ、測定対象となる薄膜の種類によっては、特定波長の光をカットしたい（例えば、半導体製造工程においては、レジスト膜の膜厚を計測しようとすれば、紫外線をカットする必要がある）場合には、特定波長の光をカットするためのフィルタを外部に取り付ける必要がある。

さらに、このようにしてハロゲンランプを交換したり、フィルタを着脱したりすると、膜厚計測条件が変化し、しかもハロゲンランプの交換やフィルタの着脱は手作業によって行わなければならないので、これらの作業を行った後には、膜厚センサの演算処理部に新たな計測条件や設定条件をその都度再入力する必要があり、手間が掛かっていた。また、計測条件や設定条件の再入力を忘れると、正確な膜厚計算を行うことができなかつた。

発明の開示

本発明は上述の技術的問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、広い波長領域において均一な出力パワーの光を出射させることができる光源装置を提供することにある。また、本発明の別な目的は、光源として L E Dのような半導体発光素子を用いても S ZN比が劣化することのない分光装置を提供することにある。本発明のさらに別な目的は、半導体発光素子を光源として膜厚測定を行うことができ、しかも膜厚計測条件の変更を容易に行うことができる膜厚センサを提供することにある。

請求項 1に記載の光源装置は、出力波長特性の異なる複数の半導体発光素子と、各半導体発光素子からそれぞれ一部波長域の光を取り出す光学素子と、各半導体発光素子の出力パワーを個別に設定する手段とを備え、各半導体発光素子から取り出された光を重ね合わせて出射することを特徴としている。ここで、出力波長特性とは、 L E D等の半導体発光素子から出力される光の波長と出力パワーとの関係である。

請求項 1に記載した光源装置によれば、出力波長特性の異なる複数の半導体発光素子から取り出した一部波長域の光を重ね合わせているので、異なる波長域の光を重ね合せることにより、半導体発光素子単独の場合と比較して光源装置の出力波長域を広くすることができる。特に、出力波長特性のピーク位置が互いに異なる半導体発光素子を使用し、各半導体発光素子のピーク領域の光を重ね合せるようにすれば、光利用効率を維持しながら出力波長域を広くすることができる。さらに、この光源装置は、各半導体発光素子の出力パワーを個別に設定することができるので、各波長領域で出力パワーが均一となるように調整することがでさる。

しかも、半導体発光素子の出力を単に重ね合せるのでなく、一部波長域の光を取り出してから重ね合わせているので、半導体発光素子の出力波長特性における第 1ピークの領域に限らず、第 2ピーク以降の領域を利用することもでき、第 2 ピーク以降の領域を利用しても第 1ピーク領域が大きく突出して出力パワーを不均一にすることもない。

従って、請求項 1に記載の光源装置によれば、 L E Dのような半導体発光素子を用いて、発光波長領域が広く、均一な出力波長特性を有する光源を実現することができる。

請求項 2に記載の分光装置は、請求項 1に記載した光源装置と、透過位置によつて透過光波長を次第に変化させる分光素子と、該分光素子を透過した光を区分的に受光する複数の受光素子とからなることを特徴としている。

請求項 1の光源装置は、広い波長域において均一な出力特性を持たせることができるので、請求項 2に記載したような分光装置の光源として用いることができる。しかも、請求項 2に記載の分光装置にあっては、分光素子の透過位置によつて透過光の波長が次第に変化し、その透過光を複数の受光素子で区分的に受光するようにしているので、光源装置としていわゆる点光源を要求されない。従って、 L E D等の半導体発光素子によって構成された光源装置を用いても分光素子に充分な光量を照射させることができ、良好な S /N比を得ることができる。

請求項 3に記載の膜厚センサは、請求項 1に記載した光源装置と、透過位置によって透過光波長を次第に変化させる分光素子と、該分光素子を透過した光を区分的に受光する複数の受光素子とを備え、前記光源装置から出射され薄膜で反射又は薄膜を透過した光を前記分光素子に導き、前記受光素子の出力に基づいて該薄膜の膜厚を求めるようにしたことを特徴としている。

請求項 1の光源装置は、広い波長域において均一な出力特性を持たせることができるので、請求項 3に記載したような膜厚センサの光源として用いることができる。しかも、請求項 3に記載の膜厚センサにあっては、分光素子の透過位置によって透過光の波長が次第に変化し、その透過光を複数の受光素子で区分的に受 δ 光するようにしているので、光装置としていわゆる点光源を要求されない。従つて、 L E D等の半導体発光素子によって構成された光源装置を用いても分光素子に充分な光量を照射させることができ、良好な S ZN比を得ることができる。さらに、請求項 1の光源装置は、複数の半導体発光素子によって広い発光波長領域を得ているので、各半導体発光素子をオン、オフすることによって光源装置の発光波長領域を広くしたり、狭くしたりでき、また発光波長領域をシフ卜させたりすることもできる。従って、ハロゲンランプを用いた場合のように測定膜厚によって光源を取り替えたりする必要がなく、半導体発光素子のオン、オフによつて容易に対応することができる。また、中間の波長域を与える半導体発光素子をオフにすることによって当該波長域の光を除去することができるので、半導体発光素子のオン、オフによってフィルタと同様な効果を得ることができる。このように、光源の波長特性を半導体発光素子のオン、オフによって電気的に制御できれば、演算処理部においても光源装置の状態に応じて設定や測定条件を自動的に切り替えることができ、膜厚センサの取り极、が簡単になる。図面の簡単な説明

図 1は、従来の白色 L E Dの出力波長特性を示す図である。

図 2は、従来の分光装置の構成を示す概略図である。

図 3は、本発明の一実施形態による光源装置の構成を示す概念図である。図 4は、同上の光源装置に用いられているダイクロイツクミラーの透過率の波長特性と、該光源装置の出力波長特性を示す図である。

図 5は、本発明の別な実施形態による光源装置の構成を示す概念図である。図 6は、同上の光源装置に用いられている各ダイクロイックミラーの透過率の波長特性と、該光源装置の出力波長特性を示す図である。

図 7は、本発明のさらに別な実施形態による分光装置の構成を示す概念図である。

図 8は、同上の分光装置に用いられている光学フィルタと、その特定位置における透過率の波長特性を示す図である。

図 9は、本発明のさらに別な実施形態による膜厚センサの構成を示す概念図である。

図 10は、透過率を表す式（①式）の説明図であって、薄膜で光が反射される様子を表している。

図 1 1は、膜厚が 800 n m及び 1 000 n mの薄膜で反射した干渉光の分光スぺクトルを表した図である。

図 12は、カーブフィッティング法の説明図である。

図 13は、薄膜の膜厚 dと光の波長 λの各値に対する反射率 Rの理論テーブルの一例を示す図である。

図 14は、カーブフィッティング法の実行手順を示す処理フロ一図である。図 1 5は、極ィ直探索法の説明図である。発明を実施するための最良の形態

(第 1の実施形態）

図 3は本発明の一実施形態による光源装置 1 1の構成を示す概念図である。この光源装置 1 1は、 2つの LED 1 2、 13と、 1枚のダイクロイツクミラー 1 4と、レンズ 1 5とから構成されている。 2つの LED 1 2、 1 3は出力波長特性の異なるものであって、具体的には、この実施形態では、図 1に示したような出力波長特性を有する白色 L ED 1 2 (NS PW500 ；日亜化学）と約 470 nmに出力パワーのピークを有する青色 LED 1 3 (例えば、 NS PB 500 ; 日亜化学）とを用いている。また、ダイクロイツクミラー 14としては、 2つの LED 12, 1 3の特徴波長（出力パワーがピークの近傍の波長、あるいは取出して使用しようとする波長）の中間で透過率もしくは反射率が急激に変化するものを用いる。この実施形態で用いられているダイクロイツクミラー 14では、 5 00 nm前後の波長域（約 470 nm〜520 nm) で透過率が急激に変化し、これよりも長波長域では透過率がほぼ 1で、この波長域よりも短波長域では透過率がほぼ 0となっている（図 4参照）。

白色 L ED 1 2と青色 L ED 1 3は、いずれもダイクロイツクミラー 14に対して光軸が 45度の角度をなすように配置されており、かつ、互いの光軸が 90 度の角度をなすように配置されている。また、白色 LED 1 2から出射されダイクロイツクミラー 14を透過した光の中心（光軸）と、青色 LED 1 3から出射されダイクロイツクミラー 14で反射された光の中心（光軸）とは、ほぼ一致するように配置されており、これらの光の中心（光軸）上にレンズ 1 5が配置されている。白色 LED 1 2及び青色 LED 1 3は、それぞれ白色 L E D駆動回路 1 6及び青色 LED駆動回路 1 7により個別に出力パワーを制御できるようになつている。すなわち、白色 LED 1 2及び青色 LED 1 3の出力パワーは、白色し ED駆動回路 1 6及び青色 LED駆動回路 1 7によって印加電圧と電流制限抵抗の値を調整することによって制御される。

従って、この光源装置 1 1によれば、ダイクロイツクミラー 14は、白色 LE D 1 2から出射された光のうち約 500 nm以上の波長の光を選択的に透過させ、青色 LED 1 3から出射された光のうち約 500 nm以下の波長の光を選択的に反射させ、ダイクロイツクミラー 14を透過した白色 LED 1 2の光とダイク口イツクミラ一 14で反射された青色 LED 1 3の光とを結合させる。この結合された光は、レンズ 1 5によって集光もしくはコリメートされ、外部へ出射される。なお、この光源装置 1 1は筐体によつて囲み、ダイクロイツクミラー 14で反射された白色 LED 1 2の光とダイクロイツクミラ一 14を透過した青色 LED 1 3の光は、黒色塗料のような光吸収体（図示せず）で吸収して光源装置 1 1 (筐体）力、ら外部へ漏れないようにする。

この光源装置 1 1に用いられているダイクロイックミラー 14の透過率の波長特性と、光源装置 1 1から出力される光の出力パワーの波長特性とを図 4に示す。この出力波長特性のうち、約 500 nmより短い波長域の光は青色 LED 13力ら取り出された青色領域の光であり、約 500 nmより長い波長域の光は白色 L ED 1 2から取り出された蛍光体発光領域の光である。そして、白色 LED 12 の出力パワーと青色 LED 1 3の出力パワーとは、白色 LED駆動回路 16と青色 LED駆動回路 1 7によって個別に調整できるので、図 4に示す出力波長特性のように、青色 L ED 1 3による約 470 n mのピークにおける出力パワーと白色 LED 12による約 560 n mのピークにおける出力パワーが等しくなるよう青色 LED 13及び白色 LED 12の出力を調整することにより、広い波長範囲で白色 LED 1 2単体よりも均一な出力パワーを有する白色発光の光源装置 1 1 を実現する事ができる。しかも、このような光源装置 1 1によれば、白色 LED 12によって蛍光体発光領域（中心波長約 560 nm) のパワーを大きくしても青色領域（中心波長約 470 nm) が飽和することはない。

なお、上記実施形態では、 560 nmあたりの領域の光としては、白色 LED の蛍光体発光領域の光を用いたが、緑色 LEDや黄色 LED等をもちいてもよい。し力し、白色 L EDの蛍光体発光領域の光は、緑色 LEDや黄色 LED等の出力波長特性に比べてピークがブロードであるので、均一な特性を得る上で好ましい。従って、青色 LEDについても、蛍光体を樹脂モールドに分散させてピ一クをブロードにしたものを用いてもよレ、。

(第 2の実施形態）

図 5は本発明の別な実施形態による光源装置 21の構成を示す概念図である。この光源装置 2 1は、 3つの LED 1 2、 1 3、 22と、 2枚のダイクロイツクミラ一 14、 23と、レンズ 15と力ら構成されている。 3つの LED 12、 1 3、 22は出力波長特性の異なるものであって、具体的には、図 1に示したような出力波長特性を有する白色 LED 1 2 (NS PW500 ；日亜化学）と約 47 0 nmに出力ピークを有する青色 LED 13 (例えば、 N S P B 500 ；日亜化学）と、約 680 nmに出力ピークを有する赤色 LED 22 (例えば、 LN 1 2 4W ;松下電器産業）とを用いている。また、ダイクロイツクミラー 14、 23 としては、各 LED 12、 13、 22の特徴波長の中間で透過率もしくは反射率が急激に変化するものを用いる。この実施形態では、 500 nm前後の波長域

(約 470 nm〜520 nm) で透過率が急激に変化し、これよりも長波長域では透過率がほぼ 1で、この波長域よりも短波長域では透過率がほぼ 0となったダィクロイツクミラ一 14と、 650 nm前後の波長域（約 600 nm〜700 n m) で透過率が急激に変化し、これよりも長波長域では透過率がほぼ 1で、この波長域よりも短波長域では透過率がほぼ 0となったダイクロイツクミラー 23とを用いている（図 6参照）。

赤色 L ED 22の前方には、赤色 L ED 22から近い順にダイクロイツクミラ一 23、ダイクロイツクミラ一 14及びレンズ 15が配置されており、いずれのダイクロイツクミラー 23、 14も赤色 LED 22の光軸に対して 45度の角度となっている。白色 LED 12は、赤色 LED 22の光軸に対して 90度をなす方向からダイクロイツクミラー 23に光を入射させるように配置され、青色 LE D 1 3は、赤色 LED 22の光軸に対して 90度をなす方向からダイクロイックミラー 14に光を入射させるように配置されている。赤色 LED22、白色 LE D 1 2及び青色 LED 1 3は、それぞれ赤色 L E D駆動回路 24、白色 LED駆動回路 16及び青色 LED駆動回路 1 7により個別に出力パワーを制御できるようになっている。

従って、この光源装置 2 1によれば、赤色 LED 22から出射された光は、ダィクロイツクミラー 23及び 14を透過することによって中心波長が約 680 η mの赤色領域の光が取り出され、白色 LED 12から出射された光は、ダイク口イツクミラー 23で反射されダイクロイツクミラ一 14を透過することによって約 500 n m〜 650 n mの波長域の蛍光体発光領域の光が取り出され、青色 L ED 13から出射された光は、ダイクロイックミラ一 14で反射されることにより中心波長が約 470 nmの青色領域の光が取り出され、取り出された 3つの L ED22、 12、 1 3の光は重ね合わされて一つに結合される。

従って、この光源装置 2 1においても、赤色 LED 22と白色 LED 1 2と青色 LED 13のそれぞれの出力パヮ一を個別に調整することにより、図 6に示す出力波長特 I¹生のように、青色 LED 1 3による約 470 nmの出力ピークと白色 LED 12による約 560 nmの出力ピークと赤色 LED 22による約 680 n mの出力ピークの各高さが等しくなるようにでき、広い波長範囲でより一層均一な出力パワーを有する白色発光の光源装置 2 1を実現することができる。

この実施形態から容易に推測されるように、さらに LEDの個数を増やして 4 個以上にすれば、出力パワーが小さい波長領域におけるパワーを大きくし、より一層均一な出力パワーを有する光源装置を製作することができる。従って、複数の LEDを組み合わせることにより、ハロゲンランプと同等な波長スペクトルと光パワーを有する光源を得ることができる。従って、後述のように、従来ハロゲンランプで構成されていた分光装置や膜厚センサを L ED光源で構成することが可能となる。

(第 3の実施形態）図 7は本発明のさらに別な実施形態による分光装置 3 1の構成を示す概念図、図 8は該分光装置 3 1に用いられる光学フィルタ 3 6 (分光素子）の説明図である。図 8に示す光学フィルタ 3 6は、ガラス基板のような透明な基板 3 7の表面に、入射位置により透過波長域が連続的に変化する光学多層膜（多層傾斜膜） 3 8を形成したものである。具体的には、この実施形態では、光学多層膜 3 8を構成する各層の光学的膜厚を 1次元方向で連続的に変化させることにより、光学多層膜 3 8の透過波長特性を連続的に変化させている。

図 8に即して説明すれば、光学フィルタ 3 6の位置ィにおける光学多層膜 3 8 の透過率は、下向き矢印（）で対応させているように 4 0 0 n mにピークを有し、同様に、光学フィルタ 3 6の位置口、ハ、二における光学多層膜 3 8の透過率も、それぞれの下向き矢印で対応させているようにそれぞれ 5 0 0 n m、 6 0 0 n m, 7 0 0 n mにピークを有している。従って、この光学フィルタ 3 6 に白色平行光が入射すると、光学多層膜 3 8によって波長の異なる光が光学フィルタ 3 6の長さ方向に沿って連続的に分光され、例えば位置ィ、口、ノ、、二ではそれぞれ 4 0 0 n m、 5 0 0 n m、 6 0 0 n m、 7 0 0 n mの波長成分のみが抽出される。

よって、この光学フィルタ 3 6の各位置を透過した光をライン C C Dや 2次元 C C D , フォトダイオードアレイなどの複数の受光素子からなる受光部 3 9で受光することにより各波長における光強度を検出することができる。また、この光学フィルタ 3 6に入射させる光は点光源を用いる必要がなくなるので、光源の光量を確保することが容易になり、光源として L E Dを用いても S ZN比の良好な光源装置 2 1を製作することができるようになる。

この光学フィルタ ₃ 6を用いた分光装置 3 1は、図 7に示すように、本発明に係る光源装置 2 1 (図 5に示したもの）と、光学フィルタ 3 6と、 C C Dからなる受光部 3 9と、データ処理用のコンピュータ 4 1とから構成されている。試験サンプルは、気体や液体の場合には、透明なサンプルホルダ一（筒状容器） 3 3 内に封入されている。光源装置 2 1から出射された広い波長領域の光は、投光側の光ファイバ 3 2の先端面に集光され、光ファイバ 3 2内を伝わってサンプルホルダー 3 3へ導かれ、光ファイバ 3 2の先端からサンプルホルダー 3 3に向けて出射される。サンプルホルダー 3 3を挟んで投光側の光ファイバ 3 2の先端には、別な光ファイバ 3 4の先端面が対向しており、サンプルホルダ一 3 3内の試験サンプルを透過した光は光ファイバ 3 4の先端面で受光される。光ファイバ 3 4の先端面で受光された光は、該光ファイバ 3 4内を伝搬し、光ファイバ 3 4の他端から光学フィルタ 3 6に向けて出射される。光学フィルタ 3 6に向けて出射された光は、光学フィルタ 3 6によって分光された後、受光部 3 9で各波長毎の光強度を計測される。

試験サンプルの分光特性を計測する場合には、あらかじめサンプルホルダー 3 3内を空にした状態で光源装置 2 1から白色光を出射させ、光学フィルタ 3 6を透過して受光部 3 9に受光した光の強度をコンピュータ 4 1に記億させておく。ついで、サンプルホルダ一 3 3内に試験サンプルを封入し、同一条件下で各波長の光強度を受光部 3 9で計測する。コンピュータ 4 1は、試験サンプルがない場合の光強度の分布とサンプルホルダー 3 3内に試験サンプルを入れた場合の光強度の分布に基づいて、各波長における透過率の変化を演算し、ディスプレイ 4 2 に表形式やグラフ形式などで表示する。こうして、試験サンプルの有無による波長分布の変化をとらえることにより、その試験サンプルの組成や成分元素、濃度等を分析することができる。

なお、図 7の実施形態では、光学フィルタ 3 6及び受光部 3 9は、コンビユータ 4 1の拡張スロッ卜に装着された拡張ボード 4 0の上に実装されている。

本発明の光源装置は、広い波長域において均一な出力（発光）波長特性を持たせることができるので、このような分光装置にも用いることができ、ハロゲンランプを用いた場合のように光源寿命が短レ、、発熱によつて周囲の機器に影響を与えるといった問題を解消することができる。また、この光源装置によれば、ハロゲンランプに比較して光量や波長特性の変化が少なく安定する。

(第 4の実施形態）

図 9は本発明のさらに別な実施形態による膜厚センサ 5 1の構成を示す概念図である。この膜厚センサ 5 1は、図 5に示した光源装置 2 1と、測定対象である基板 5 2上の薄膜 5 3に向けて該光源装置 2 1の光を照射し、かつ薄膜 5 3で反射された光を受光する投受光部（対物レンズ） 5 4と、光源装置 2 1から出射された光を該投受光部 54へ導く光ファイバ 5 5 (2分岐光ファイバの一方の光ファイノく）と、図 7に示した光学フィルタ 3 6及び CCD等の受光部 3 9と、薄膜 5 3で反射された光を受光して光学フィルタ 3 6へ導く光ファイバ 5 6 (2分岐光ファイバの他方の光ファイバ）と、薄膜 5 3の膜厚を演算する演算処理部 5 7 とから構成されている。

光源装置 2 1は、図 5においても説明したように、 2枚のダイクロイツクミラ — 2 3、 1 4を用いることにより、赤色 L ED 2 2から取り出した約 6 8 ◦ nm の波長を中心とする光と、白色 L ED 1 2から取り出した約 5 6 0 nmの波長を中心とする光と、青色 LED 1 3力ら取り出した約 4 70 nmの波長を中心とする光を重ねて出力するものである。従って、基板 5 2の表面に形成された薄膜 5 3には、約 40 0 nmから約 7 0 0 n mにかけての広い波長領域の白色光が照射される。

光ファイバ 5 5及び投受光部 5 4を通して薄膜 5 3を形成された基板 5 2に白色光が入射すると、薄膜 5 3の表面及び裏面で反射した光が互いに干渉する。図 1 0のように基板 5 2上の薄膜 5 3に波長 λの光が入射するとき、薄膜 5 3による干渉波形は次の①式で表されることが知られている。

R= 1 -A/ [B + C · cos 〔 (4 π/λ) n d〕 ] …①

ここで、 R [%] は薄膜 5 3の反射率、 λは入射光波長、 ηは薄膜 5 3の屈折率、 dは薄膜 5 3の膜厚、 A、 B及び Cは基板 5 2及び薄膜 5 3の屈折率から決まる定数である。

光学フィルタ 3 6は、前記のように透明な基板 3 7の上に膜厚が連続的に変化した光学多層膜 3 8を形成したものであり、薄膜 5 3で反射した光を投受光部 5 4及び光ファイバ 5 6を経て光学フィルタ 3 6へ導き、光学フィルタ 3 6で分光させると、その結果、 CCD等の受光部 3 9で計測される分光スペクトルは上記 ①式に従って正弦波状に変化する。例えば、膜厚が 8 00 nm及び 1 0 0 0 n m の薄膜 5 3の場合では、その受光強度は受光部 3 9上で図 1 1のように変化し、この分光スぺクトルの波形の違いから薄膜 5 3の膜厚を知ることができる。

図 1 1のような分光スぺクトルから薄膜 5 3の膜厚を演算する演算処理部 5 7 は、受光部 3 9から出力されるアナログ信号（CCD等の各画素信号列）をデジタル信号に変換する AZ D変換部 5 8、 A/ D変換部 5 8でデジタル化された測定データに基づいて薄膜 5 3の膜厚を計算する演算部 5 9、膜厚計測結果を表示するためのディスプレイ等からなる表示部 6 0、演算用データを入力したり膜厚計測結果を出力したりするためのキーボードや R S 2 3 2、シリアルポ一ト、パラレルポ一ト等からなる入出力部 6 1とから構成されている。

演算部 5 9における膜厚の計算方法としては、例えばカーブフィッティング法や極ィ直探索法などを用いることができる。カーブフィッティング法とは、図 1 2 に示すように、あらかじめ計算しテーブルとして記憶しておいた各膜厚に対する波形データ（テーブルデータ）と測定した受光データを比較し、最小自乗法により受光データともっとも誤差（すなわち、図 1 2の斜線部分の面積）の少ない波形データを抽出し、その波形データの膜厚を測定対象となっている薄膜 5 3の膜厚とする方法であり、極値探索法とは、受光データの極大値、極小値に対応する波長の差から膜厚を求める方法であって、いずれも一般的な方法である。

上記カーブフィッティング法を詳しく述べると、以下のとおりである。膜厚 d、屈折率 nの薄膜 5 3に波長えの光が入射したときの干渉波形（透過率 R ) は、次式で表されることは既に述べた（前記①式）。ここで、定数 A、 B及び Cは基板 5 2及び薄膜 5 3の屈折率から決まるものである。

R = 1一 A/ [ B + C . cos 〔 ( 4 π / λ ) n d〕 ] …①

あらかじめ測定対象とする薄膜 5 3の膜種情報、すなわち薄膜 5 3の屈折率 n 及び定数 A、 B、 Cの値をキーボード等の入出力部 6 1から入力すると、演算部 5 9では測定範囲内において膜厚 dと波長; Iを決められた細かさで変化させ、膜厚 d及び波長えの各値に対する反射率 Rの値を①式により演算し、これらを演算部 5 9内のメモリ（図示せず）にテーブルとして保持する。このようなテーブルの一例を図 1 3に示す。この例では、測定膜厚範囲を d Xから d yまで Δ d = 1 n m刻みとし、波長範囲をえ pからえ qまで Δ λ = 1 0 n m刻みとしている。

ついで、図 1 4に示す処理フローに従って、カーブフィッティング法が実行される。演算部 5 9は、 A/ D変換部 5 8よりデジタルィヒされた測定データ（透過率の測定データ） M (え）を取得すると（S 1 ) 、演算を開始する。まず膜厚 d を最小膜厚 d xとし（S 2 ) 、図 1 3の理論テ一ブルを用いて、膜厚 d = d xにおける透過率の理論データ R dx ( λ) と測定データ Μ ( λ ) の差の自乗 [R dx

(λ) — Μ (λ ) ] 2を波長範囲; L ρからえ qまで Δ λ (例えば、 l O nm) 刻みで計算し、その和

P (dx) =∑ [R dx (λ ) — Μ (λ ) ] 2

を求めて（S 3) メモリ内に記憶しておく。

次に、膜厚 dを A d (例えば、 l nm) 増加させ（S 4) 、同様にして、膜厚 d = dx+ A dにおける理論データ R dx+Δ d ( λ ) と測定データ Μ (λ) の差の自乗 [R dx+1 (λ ) -Μ (λ ) ] 2を波長範囲； ρからえ qまで Δ λ刻みで計算し、その和

Ρ ( d χ+ Δ d ) =∑ [ R d χ+ Δ d (λ ) 一 M (λ) ] 2

を求めて（S 3) メモリ内に記億しておく。

このようにして膜厚 dが最大膜厚 dyに達するまで膜厚 dの値を順次 Δ dずつ増加させては（S 5) 、そのときの膜厚における理論データと測定データの差の自乗和を求めて（S 3) メモリ内に記憶する。

こうして最大膜厚 dyまで自乗和の計算が終了すると（S 5で YESの場合）、メモリに記憶しておいた膜厚範囲 dx〜dyにおける自乗和 P (dx) 〜P (dy) のなかから最小の値をとる自乗和 P (dz) を抽出し（S 6) 、このときの膜厚 dz を測定膜厚とする（S 7) 。

つぎに、極値探索法による膜厚の演算方法を図 1 5により説明する。極値探索法では、演算部 5 9は、 AZD変換部 5 8から出力されたデジタル化された測定データを微分し、波長 λが増加するときに微分値がプラスから 0 (あるいは、マィナス）に変化する位置から極大値を求める。こうして得られた隣り合う極大値に対応する波長を図 1 5のようにえ 1、 12 (ただし、 λ ΐく； 2) とすれば、この薄膜 5 3の膜厚 dは、薄膜 5 3の屈折率 nを用いて、

d = Ulxえ 2) /[2 η (λ2— λ ΐ) ]

で表されることが知られており、薄膜 5 3の屈折率 ηを与えることにより膜厚 d を求めることができる。

あるいは、微分値がマイナスから 0 (あるいは、プラス）に変化する位置から極小値を求めても、同様な計算により膜厚 dを求めることもできる。本発明の光源装置は、広い波長域において均一な出力（発光）波長特性を持たせることができるので、このような膜厚センサにも用いることができ、ハロゲンランプと比較すると、光源寿命が長く、発熱によって周囲の機器に影響を与えることがなく、光量や波長特性の変化が少なく安定する。

また、光源装置を多数の半導体発光素子により構成すれば、発光波長領域をより広くすることができると共に、半導体発光素子のオン（発光）、オフ（消灯）を組み合わせることによって光源装置の発光波長領域を広くしたり、狭くしたり、あるいは発光波長領域をシフトさせたりもできる。従って、光源としてハロゲンランプを用いた場合のように測定膜厚によって光源を取り替えたりする必要がなく、半導体発光素子のオン、オフによって簡単に対応できる。

さらに、中間の発光波長域を与える半導体発光素子をオフにすれば、発光波長領域の一部が欠けることになるので、半導体発光素子のオン、オフによってフィルタと同様な効果を得ることができる。よって、測定対象となる薄膜の種類により特定波長の光をカツトしたい場合にも、一部の半導体発光素子をオフにするだけで簡単に対応することができる。例えば、半導体装置の製造工程で使用されるレジスト膜厚を測定する場合、レジストの感光をさけるため紫外光の波長域の光をカツ卜する必要がある。表示部の設定画面にて測定対象としてレジスト膜を選択した場合には、紫外光領域の光を出射させている L E Dをオフにすれば（他の L E Dの紫外光はダイクロイツクミラーによってカットされている）、レジスト膜には紫外光領域の光を含まない光が照射され、レジスト膜を感光させることなくその膜厚を計測することができる。

しかも、このように、半導体発光素子のオン、オフによって光源装置の波長特性を電気的に制御できれば、演算処理部においては光源装置の発光状態（各半導体発光素子のオン、オフ）を容易に知ることができるので、光源装置の状態に応じて測定条件や設定条件（例えば、上記最小膜厚 d xや最大膜厚 d yの値や理論データに用いる波長の範囲 λ ρ〜え qなど）を自動的に切り替えてカーブフィッティング法などのアルゴリズムにより、膜厚を正確に演算することができ、膜厚センザの取り扱いが簡単になる。

なお、ここの実施形態では、薄膜で反射した光によって膜厚 dを計測する反射型の膜厚センサを説明したが、薄膜を透過した光によって膜厚を計測する透過型の膜厚センサとしてもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 出力波長特性の異なる複数の半導体発光素子と、各半導体発光素子からそれぞれ一部波長域の光を取り出す光学素子と、各半導体発光素子の出力パワーを個別に設定する手段とを備え、各半導体発光素子から取り出された光を重ね合わせて出射することを特徴とする光源装置。

2 . 請求項 1に記載した光源装置と、透過位置によって透過光波長を次第に変化させる分光素子と、該分光素子を透過した光を区分的に受光する複数の受光素子とからなることを特徴とする分光装置。

3 . 請求項 1に記載した光源装置と、透過位置によって透過光波長を次第に変化させる分光素子と、該分光素子を透過した光を区分的に受光する複数の受光素子とを備え、

前記光源装置から出射され薄膜で反射又は薄膜を透過した光を前記分光素子に導き、前記受光素子の出力に基づいて該薄膜の膜厚を求めるようにしたことを特徴とする膜厚センサ。