(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に光を照射するとともに前記照射光に対する基板からの反射光を複数の波長成分に分光してそれぞれ個別の受光素子に導き、各受光素子からの出力信号より得た受光データを用いて前記基板の表面に形成された薄膜の厚みを測定する方法において、
前記基板の膜厚が所定値であると仮定して基板における理論上の反射特性と前記受光データとの関係から前記基板からの反射光が前記受光素子に入射する比率を求めるステップ、
前記基板の理論上の反射特性と前記受光素子への反射光の入射比率とを用いて、前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定するステップ、
前記受光データが示す反射スペクトルを前記モデルデータと比較するステップ、の各ステップを、複数の仮定の膜厚についてそれぞれ実行し、各膜厚における受光データとモデルデータとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
基板の表面に光を照射するとともに前記照射光に対する基板からの反射光を複数の波長成分に分光してそれぞれ個別の受光素子に導き、各受光素子からの出力信号により得た受光データを用いて前記基板の表面に形成された薄膜の厚みを測定する方法において、
前記基板についての理論上の反射特性と前記受光データとの関係から前記基板からの反射光が受光素子に入射する比率を求めるステップを実行した後、
基板の膜厚が所定値であると仮定して、その基板についての理論上の反射特性と前記受光素子への反射光の入射比率とを用いて前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定するステップ、
前記受光データが示す反射スペクトルを前記モデルデータと比較するステップ、の各ステップを複数の仮定の膜厚についてそれぞれ実行し、各膜厚における受光データとモデルデータとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項３】
前記第１のステップにおいて、前記仮定の膜厚を有する基板についての理論上の反射スペクトルにおける振幅に対し前記受光データが示す反射スペクトルにおける振幅が占める比率を算出し、その算出結果を前記受光素子への反射光の入射比率とする請求項１または２に記載された膜厚測定方法。
【請求項４】
透明基板の表面に光を照射するとともに前記照射光に対する透明基板からの反射光を複数の波長成分に分光してそれぞれ個別の受光素子に導き、各受光素子からの出力信号により得た受光データを用いて前記透明基板の表面に形成された薄膜の厚みを測定する方法において、
前記基板の膜厚が所定値であると仮定して、基板の表面および裏面における理論上の反射特性と前記受光データとの関係に基づき、前記基板表面および裏面からの各反射光が前記受光素子に入射する比率を求めるステップ、
前記基板の表面および裏面における理論上の反射特性と前記受光素子への各反射光の入射比率とを用いて、前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定するステップ、
前記受光データが示す反射スペクトルを前記モデルデータと比較するステップ、の各ステップを、複数の仮定の膜厚についてそれぞれ実行し、各膜厚毎の受光データとモデルデータとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
基板の表面に形成された薄膜の厚みを測定するためのセンサであって、
測定対象の基板に光を照射するための光源と、
前記照射光に対する基板表面からの反射光を複数の波長成分に切り分けるための分光素子と、この分光素子により切り分けられた波長成分を個別に受光するための複数個の受光素子とを具備する受光手段と、
前記受光手段の各受光素子からの出力信号より得られた受光データを用いて前記薄膜の厚みを測定する測定手段とを具備し、
前記測定手段は、
測定対象の基板の膜厚が所定値であると仮定して基板における理論上の反射特性と前記受光データとの関係から前記基板からの反射光が前記受光手段に入射する比率を求めるステップ、前記基板の理論上の反射特性と前記受光手段への反射光の入射比率とを用いて、前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定するステップ、前記受光データが示す反射スペクトルを前記モデルデータと比較するステップ、の各ステップを、複数の仮定の膜厚についてそれぞれ実行し、各膜厚における受光データとモデルデータとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定して成る膜厚センサ。
【請求項６】
前記測定手段は、測定対象の基板表面の凹凸状態を示すデータの入力を受け付ける手段を具備し、前記基板表面が鏡面に近いことを示すデータを受け付けたとき、前記受光手段への反射光の入射比率を「１」に設定してモデルデータを設定する請求項５に記載された膜厚センサ。
【請求項７】
前記測定手段は、測定対象の基板の種類を示すデータを受け付ける手段を具備し、この手段により透明基板の測定を受け付けたとき、その基板の膜厚が所定値であると仮定して、基板の表面および裏面における理論上の反射特性と前記受光データとの関係に基づき前記基板表面および裏面からの各反射光が前記受光素子に入射する比率を求めるステップ、前記基板の表面および裏面における理論上の反射特性と前記受光素子への各反射光の入射比率とを用いて、前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定するステップ、前記受光データが示す反射スペクトルを前記モデルデータと比較するステップ、の各ステップを、複数の膜厚についてそれぞれ実行し、各膜厚における受光データとモデルデータとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定する請求項５または６に記載された膜厚センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に形成された薄膜の厚みを光の干渉を利用して測定する技術に関するもので、特に、表面に凹凸のある基板上に形成された薄膜の厚みを測定する方法、およびその方法を用いた膜厚センサに関連する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜が形成された基板に光を照射すると、前記薄膜の表面で反射する光と、薄膜と基板との境界面で反射する光とが干渉する。この干渉光の強度は、薄膜の厚みによって異なり、また同じ基板であっても、その基板に照射する光の波長によって干渉光の強度が変化することが知られている。
【０００３】
従来の膜厚センサでは、上記の原理に基づき、所定の波長域に分布する光を発光する光源から基板に光を照射するとともに、その基板からの反射光を、分光フィルタや複数の受光素子より成る受光部に導いて複数の波長成分に分光して抽出し、これらの波長成分毎の反射の度合を示すスペクトル（以下、「反射スペクトル」という。）を作成する。この反射スペクトルは、センサに組み込まれたコンピュータにおいて、薄膜の厚みが所定値である場合の理論上の反射スペクトルの特性を表すモデルデータと順に比較され、その比較結果によって測定対象の薄膜の厚みが特定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法で使用される反射スペクトルのモデルデータは、測定対象の基板の表面が平坦な鏡面であることを前提と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設定されたものである。しかしながら実際に測定対象とする基板が、誘電体層を有するプラズマディスプレイ用の基板や樹脂フィルム製の基板のように表面に凹凸のある基板である場合には、図１に示すように、基板表面において、正反射光Ｐｍのほか、拡散反射光Ｐｄが生じる。この拡散反射光Ｐｄの広がり度合いによっては、受光素子に入射しない反射光が生じるため、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という問題が生じる。
なお、ここでいう基板表面とは、薄膜の表面（図中、８ａで示す。）および基板本体（図中、８ｂで示す。）と前記薄膜８ａとの境界面の両方を指す。以下も特に言及しない限り、同様の意味で使用する。
【０００５】
上記の問題を解決するには、測定に先立ち、モデルの基板などを用いて拡散反射光の量や方向を計測し、この計測結果を反映したモデルデータを作成すればよい。しかしながら同じ種類の基板であっても、表面の凹凸状態は必ずしも一様ではないため、拡散光の量にも基板によるばらつきが生じ、正確な計測を行うのが困難となる。また上記の方法では、測定対象の基板が変わる毎に、拡散反射光を計測する必要があるので、基板の製造工程において、測定対象の基板の種類が次々に変わるような場合には、この方法を適用できなくなる虞が生じる。
【０００６】
この発明は上記問題点に着目してなされたもので、測定対象の基板から得た受光データに基づき、基板からの反射光が受光素子に入射する比率を基板毎に求め、その比率に応じた反射スペクトルのモデルデータを作成して測定を行うことによって、基板表面の凹凸状態にばらつきがあっても、各基板の膜厚を、効率良く、かつ連続的に測定できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、基板の表面に光を照射するとともに前記照射光に対する基板からの反射光を複数の波長成分に分光してそれぞれ個別の受光素子に導き、各受光素子からの出力信号より得た受光データを用いて前記基板の表面に形成された薄膜の厚みを測定する方法により、表面に微細な凹凸がある基板に対する膜厚測定を行う場合に適用される。
【０００８】
ここでいう『基板からの反射光』とは、基板表面からの反射光、すなわち基板の薄膜の表面で反射した光と薄膜と基板との境界面で反射した光との干渉光を意味するもので、この発明においては、図１に示した正反射光Ｐｍのほか、拡散反射光Ｐｄの一部を含む光を対象とする。
また『波長成分』とは、基板からの反射光から分光処理によって切り出された所定波長域の光を意味する。なお、分光処理では、必ずしも均等な幅をもって反射光を切り分けるとは限らず、各波長成分に対応する波長域の幅に多少のばらつきが生じる場合もある。ただし実際の測定においては、各受光素子から取り出される受光出力を、所定の波長単位毎の反射光の強度としてディジタル変換することにより、十分な精度の反射スペクトルを得ることができる。
【０００９】
基板の表面における反射率は、基板本体や薄膜の屈折率，膜厚，照射光の波長などによって理論的に求めることができる。通常、測定対象の基板の種類や材質が認識されているならば、基板本体や薄膜についての屈折率は既知であり、また照射光の波長分布も光源の特性から求めることができるから、膜厚を所定値とし、基板表面を鏡面と仮定すれば、波長λ毎の理論上の反射率を求めることができる。
【００１０】
一般に、基板上の薄膜の厚みをｄ，屈折率をｎとすると、基板表面が鏡面である場合に波長λの光に対して得られる反射光Ｐｍの示す反射率Ｒ１（λ）は、つぎの（１）式で表される。
Ｒ１（λ）＝１−Ａ／｛Ｂ＋Ｃ×ｃｏｓ［（４π／λ）×ｎ×ｄ］｝・・・（１）
（Ａ，Ｂ，Ｃは、基板，薄膜の屈折率により求められる定数である。）
【００１１】
前記したように、実際の基板表面に凹凸がある場合は、拡散反射によって受光素子に入射する反射光が減少する。ここで理論上の反射光に対して実際に受光素子に入射する光の比率（以下、これを「受光比率」という。）をｚとすると、前記入射光についての反射率Ｒ（λ）は、つぎの（２）式により表すことができる。
Ｒ（λ）＝Ｒ１（λ）×ｚ      ・・・（２）
【００１２】
図２は、波長毎に上記（１）式を実行して得た理論上の反射率Ｒ１（λ）と、前記受光比率ｚが０．５である場合の反射率Ｒ（λ）との関係を示す。このように基板における波長毎の反射率Ｒ１（λ），Ｒ（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Ｒ（λ）の曲線の振幅は、反射率Ｒ１（λ）の曲線の振幅に前記受光比率ｚを掛け合わせた大きさをとることになる。
【００１３】
この発明では、上記の原理に鑑み、表面に凹凸がある基板を測定する場合に、その測定対象の基板に複数の仮定の膜厚を設定して、各膜厚についてそれぞれつぎの３つのステップを実行することによって、測定対象の基板から得られた受光データが示す反射スペクトルを膜厚の仮定値毎に設定されたモデルデータと比較し、各膜厚において得られた受光データとモデルデータとの比較結果に基づき薄膜の厚みを特定するようにしている。
なお、アルゴリズムとしては、仮定の膜厚を変動させながら膜厚毎に第１〜３のステップを実行するのが望ましいが、これに限らず、たとえばすべての膜厚について同じステップを実行した後につぎのステップに移行する、という方法をとってもよい。
【００１４】
前記３つのステップのうち、まず第１のステップでは、前記基板の膜厚が所定値であると仮定して基板における理論上の反射特性と前記受光データとの関係から前記受光比率ｚを求める。
【００１５】
上記の『理論上の反射特性』とは、前記（１）式により得られる反射率Ｒ１（λ）、すなわち基板表面が鏡面である場合にその基板から波長毎に得られる理論上の反射率を意味する。前記図２に示したように、反射率Ｒ１（λ）および前記受光比率ｚを加味した反射率Ｒ（λ）の各理論曲線は、所定の振幅をもって正弦波状に変化しており、Ｒ１（λ）の曲線の振幅に対するＲ（λ）の曲線の振幅の比率は受光比率ｚに相当する。したがって第１のステップでは、たとえば受光データが示す反射スペクトルから振幅に相当する反射率の変化の度合を抽出した後、この値が前記反射率Ｒ１（λ）の振幅に対して占める比率を求めることにより、受光比率を得ることができる。
なお、前記受光データの示す反射スペクトルの振幅を求めるには、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。
【００１６】
つぎの第２のステップでは、前記基板の理論上の反射特性であるＲ１（λ）と前記第１のステップで得た受光比率ｚとを用いて、前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定する。このモデルデータは、測定対象の基板が前記仮定の膜厚を有する場合に得られるはずの反射スペクトルを表すもので、波長毎の反射率Ｒ１（λ）と受光比率ｚとを前記（２）式にあてはめることによって得ることができる。
【００１７】
さらに第３のステップでは、受光データが示す反射スペクトルを前記第２のステップで設定されたモデルデータと比較する。
前記測定対象の基板の膜厚が仮定された膜厚に等しいならば、前記第１のステップにおいて求められた受光比率ｚは、基板の実際の受光比率に近似するものとなり、よって第２のステップで得られたモデルデータは、この基板における反射率Ｒ（λ）の理論曲線に近似するはずである。したがって第３のステップでは、受光データとモデルデータとの間に、高い一致度が認められることになる。
【００１８】
よって想定される複数の仮定の膜厚について、それぞれ理論上の反射率Ｒ１（λ）と測定により得た受光データとを用いて第１〜３の各ステップを実行し、受光データに対して最大の一致度を得たモデルデータに対応する膜厚を、測定対象の基板の薄膜の厚みとして特定することになり、拡散反射の影響を受けずに、高精度の膜厚測定を行うことができる。
なお、各膜厚についての理論上の反射率Ｒ１（λ）は、あらかじめ算出した結果を格納したテーブルから抽出することができるが、これに限らず、第１のステップを実行する前に（１）式を実行して求めるようにしてもよい。
【００１９】
また上記（１）式によれば、反射率Ｒ（λ）の理論曲線は、膜厚によって周期が変化するものの、振幅については大きな変化は認められない。したがって特定の膜厚についてのみ前記第１のステップを実行して受光比率ｚを求めた後、このｚの値を各膜厚における受光比率と見なして、各仮定の膜厚について第２、第３のステップを実行するようにしてもよい。
【００２０】
さらにこの発明は、測定対象の基板に光を照射するための光源と、前記照射光に対する基板からの反射光を複数の波長成分に切り分けるための分光素子、およびこの分光素子により切り分けられた波長成分を個別に受光するための複数個の受光素子を具備する受光手段と、前記受光手段の各受光素子からの出力信号より得られた受光データを用いて前記薄膜の厚みを測定する測定手段とを具備する膜厚センサにおいて、前記測定手段を、複数の仮定の膜厚についてそれぞれ前記した第１〜第３のステップを実行し、各膜厚における受光データとモデルデータとの比較結果に基づき測定対象の基板の薄膜の厚みを特定するように構成する。
【００２１】
前記光源は、反射スペクトルを抽出するのに十分な波長帯域に分布する光を照射可能な光源であり、たとえば複数個のＬＥＤを組み合わせて構成することができる。受光手段は、光の入射位置によって透過させる波長を徐々に変化させる一次元の分光フィルタと、前記分光フィルタの長さ方向に沿って一次元配列されたＣＣＤなどの受光素子群によって構成することができる。
【００２２】
さらに上記の膜厚センサには、光源からの光を基板の表面上の所定位置に絞り込んで照射するとともに、この照射光を受光手段に導くためのレンズを組み込むのが望ましい。このレンズによれば、光源からの光および基板からの反射光を集光して、薄膜の厚みを精度良く反映したスペクトルを得ることができる。なお、受光手段に取り込まれる拡散反射光の量はこのレンズの厚みによる影響を受けるが、上記第１〜３のステップを実行することによって、レンズにより集光させた反射光に応じた測定を行うことができるので、測定精度を安定させることができる。
【００２３】
上記構成の膜厚センサでは、測定対象の基板に光を照射することによって、前記の測定方法が実行されて、基板表面の凹凸状態による拡散反射の影響を加味した膜厚測定処理が行われる。したがって測定処理の前にモデルの基板などを用いて拡散反射光を測定する必要がなくなり、高速かつ精度の高い膜厚測定を行うことが可能となる。
【００２４】
好ましい態様においては、前記測定手段は、測定対象の基板表面の凹凸状態を示すデータの入力を受け付ける手段を具備し、前記基板表面が鏡面に近いことを示すデータを受け付けたとき、前記受光手段への入射比率を「１」に固定してモデルデータを設定する。
この態様によれば、測定対象の基板の表面が鏡面に近い状態であることが事前にわかっている場合は、ユーザーの設定によって前記受光比率ｚを「１」に固定できるので、このようにｚの値が固定された場合には、反射率Ｒ１（λ）の理論曲線をモデルデータとした膜厚測定を行うように設定すれば、基板の既知の凹凸状態によって測定処理の方法を切り替えることができ、利便性を大いに向上させることができる。
【００２５】
さらにこの発明を、表面に凹凸があり、かつ透明な基板について実施する場合は、基板の裏面からの反射光（以下、「裏面反射光」という。）が受光手段に入射する現象を考慮する必要がある。
【００２６】
図３は、透明基板の表面に光を照射した場合の反射状態を模式的に示す。
図中、Ｐは波長λの照射光、Ｐ１は、この照射光Ｐに対する基板表面からの反射光である。ここで基板の表面に凹凸がある場合、前記反射光Ｐ１の示す反射率は、前記（２）式のＲ（λ）に相当することになる。
【００２７】
さらにこの透明基板では、前記照射光Ｐが基板本体８ｂの裏面まで到達することにより反射光Ｐ２が発生し、さらにこの反射光Ｐ２が基板表面と空気との境界や裏面で繰り返し反射することにより、複数の反射光Ｐ３，Ｐ４・・・が発生する。このＰ２以下の反射光の前記照射光Ｐに対する比率Ｒ２（λ），Ｒ３（λ），Ｒ４（λ）・・・の合計値Ｒｂ（λ）が、前記基板の裏面反射率に相当することになる。
【００２８】
ここで前記裏面反射光のうち受光素子に入射する反射光の比率（以下、「裏面反射光の受光比率」という。）をｙとすると、前記透明基板により得られる反射光の示す理論上の反射率Ｒ´（λ）は、つぎの（３）式のようになる。
Ｒ´（λ）＝Ｒ（λ）＋Ｒｂ（λ）×ｙ      ・・・（３）
【００２９】
このような透明基板を測定対象とする場合、この発明では、前記基板の膜厚が所定値であると仮定して、基板の表面および裏面における理論上の反射特性と前記受光データとの関係に基づき、前記基板表面および裏面からの各反射光が前記受光素子に入射する比率を求める第１のステップ、前記基板の表面および裏面における理論上の反射特性と前記受光素子への各反射光の入射比率とを用いて、前記仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定する第２のステップ、前記受光データが示す反射スペクトルを前記モデルデータと比較する第３のステップ、の各ステップを、複数の仮定の膜厚についてそれぞれ実行し、各膜厚毎の受光データとモデルデータとの比較結果に基づき前記薄膜の厚みを特定する。
【００３０】
前記第１のステップにおいて、基板の表面における理論上の反射特性とは、前記した基板表面が鏡面である場合の理論上の反射率Ｒ１（λ）を指す。一方、基板の裏面における理論上の反射特性とは、前記裏面反射光による理論上の反射率Ｒｂ（λ）である。この反射率Ｒｂ（λ）は、後記する（５）〜（７）式により基板表面における反射率Ｒ（λ）に基づき、理論的に求めることができる。
【００３１】
よって第１のステップでは、透明でない基板に対する方法と同様にして反射率Ｒ１（λ）と受光データとの関係により受光比率ｚを求めた後、この受光比率ｚから基板表面における反射率Ｒ（λ）を求め、さらに反射率Ｒ（λ）を用いて裏面における反射率Ｒｂ（λ）を求める。
【００３２】
さらに基板より得た受光データを反射率Ｒ´（λ）と見なして、上記処理により求めたＲ（λ），Ｒｂ（λ）と受光データとを用いて、前記（３）式に基づき裏面反射の受光比率ｙを算出することができる。ただし反射率Ｒ（λ）やＲｂ（λ）は、波長によって異なり、また受光データも波長によって異なる値をとるので、Ｒ（λ），Ｒｂ（λ），および受光データについて平均値などの代表値を求め、これを用いて受光比率ｙを求めるのが望ましい。
【００３３】
第２のステップでは、前記基板表面および裏面における反射率Ｒ（λ），Ｒｂ（λ）および受光比率ｚ，ｙを（３）式にあてはめることにより、仮定の膜厚における反射スペクトルのモデルデータを設定することができる。測定対象の基板の膜厚が仮定の膜厚に等しいならば、第１，第２のステップにより求めたモデルデータは測定対象の基板により理論上得られる受光データに近いものとなるはずであるから、第３のステップにおいては、受光データとモデルデータとの間に高い一致度が認められることになる。よって、基板が透明である場合には、基板表面の拡散反射と裏面反射との影響を考慮して、高精度の測定を行うことができる。
【００３４】
さらにこの発明では、前記した構成の膜厚センサにおいて、前記測定手段に、測定対象の基板の種類を示すデータを受け付ける手段を具備させ、この手段により透明基板の測定を受け付けたときに、上記の透明基板を対象とした測定を行うような構成を付加することができる。このような構成によれば、透明基板を対象とする場合のみ、裏面反射光の影響を考慮した測定に切り替えることができ、装置の利便性を大幅に高めることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図４は、この発明の一実施例にかかる膜厚センサの外観を示す。
この膜厚センサは、センサヘッド１とコントローラ２とを光ファイバケーブル３により接続して成る。コントローラ１には、後記する投光部５，受光部６，制御回路７など（いずれも図７に示す。）が組み込まれている。光ファイバケーブル３は、投光用の光ファイバと受光用の光ファイバとがそれぞれ複数本束ねられたもので、所定位置において投光用の光ファイバを集めたケーブル３ａと受光用の光ファイバを集めたケーブル３ｂとに分けられて、コントローラ２に接続される。
【００３６】
前記センサヘッド１は、円筒状のケース体内に集光用の対物レンズ１ａ（図７に示す。）などを組み込んで成るもので、測定対象の基板８に対し所定距離だけ上方位置において、レンズ面を基板表面に対向させた状態で設置される。前記投光部５からの光は、光ファイバケーブル３ａを介してセンサヘッド１より基板表面に照射され、その照射光に対する基板からの反射光が、センサヘッド１より光ファイバケーブル３ｂを介して受光部６に導かれる。さらに受光部６からの出力は制御回路７に取り込まれ、前記基板上の薄膜の厚みの測定処理に用いられる。
【００３７】
なお、図中の４は、外部機器であるパーソナルコンピュータであって、コントローラ２の制御回路７にケーブル接続される。このパーソナルコンピュータ４は、測定対象の基板８に関する設定データを入力したり、コントローラ２から膜厚の測定結果を受け取って表示する用途で用いられる。
【００３８】
図５は、上記膜厚センサの投光部５に使用される光源１０の構成を示す。
この光源１０には、出力波長の特性が異なる３個のＬＥＤ１１，１２，１３と、透過特性の異なる２個のダイクロイックミラー１４，１５と、集光用のレンズ１６とが組み込まれる。各ＬＥＤ１１〜１３には、それぞれ赤色光発光用、白色発光用、青色発光用のＬＥＤ（以下、「赤色ＬＥＤ１１」，「白色ＬＥＤ１２」，「青色ＬＥＤ１３」という。）が用いられる。
【００３９】
赤色ＬＥＤ１１は、レンズ１６の面に対して所定距離だけ離れた位置に、光軸をレンズ中心に合わせた状態で設置される。この赤色ＬＥＤ１１とレンズ１６との間には、前記２つのダイクロイックミラー１４，１５が、それぞれ前記赤色ＬＥＤ１１の光軸に対し鏡面を４５度傾斜させた状態で所定間隔を隔てて設置される。さらに前記白色，青色の各ＬＥＤ１２，１３は、それぞれダイクロイックミラー１４，１５の鏡面に対し４５度の角度を持ち、かつ前記赤色ＬＥＤ１１の光軸に直交するように光軸を合わせた状態で設置される。
なお光源１０には、このほか、各ＬＥＤ１１〜１３の出力パワーを個別に制御するための駆動回路１７，１８，１９が組み込まれる。
【００４０】
この実施例の白色ＬＥＤ１２には、ＬＥＤチップに蛍光塗料を添加した樹脂モールドを施した光源（例えば日亜化学製のＮＳＰＷ５００）が用いられる。このＬＥＤ１２は、約４２０〜７００nmの波長域に分布し、かつ４７０nm付近に第１のピークが、５６０nm付近に第２のピークが出現するような出力波長特性を具備する。また青色ＬＥＤ１３には、４７０ｎｍ付近に出力パワーのピークが出現するような出力波長特性を有する光源（例えば日亜化学製のＮＳＰＢ５００）が、赤色ＬＥＤ１１には、６８０nm付近に出力パワーのピークが出現するような出力波長特性を有する光源（例えば松下電器産業製のＬＮ１２４Ｗ）が、それぞれ用いられる。
【００４１】
赤色ＬＥＤ１１と白色ＬＥＤ１２との光軸が交わる位置に設置される第１のダイクロイックミラー１４には、６００nm以前の光に対する透過率が０に近似し、かつ７００nm以降の波長域の光に対する透過率が１に近似する透過特性を具備するものが用いられる。また赤色ＬＥＤ１１と青色ＬＥＤ１３との光軸が交わる位置に配置される第２のダイクロイックミラー１５には、４７０nm以前の光に対する透過率が０に近似し、かつ５２０nm以降の波長域の光に対する透過率が１に近似するような透過特性を具備するものが用いられる。
【００４２】
図６は、前記ダイクロイックミラー１４，１５の光の透過特性と、これらダイクロイックミラー１４，１５と各ＬＥＤ１１，１２，１３からの出射光とによって実現する出力パワーの特性との関係を示す。
赤色ＬＥＤ１１から出射した各波長の光のうち６００nmより後の波長域の光は、第１，第２の各ダイクロイックミラー１４，１５を順に通過してレンズ１６に導かれる。白色ＬＥＤ１２から出射した光については、６００nmより前の波長域の光が第１のダイクロイックミラー１４で反射することによってレンズ１６の方へと進むが、つぎに第２のダイクロイックミラー１５により前記４７０nm付近より前の波長域の光が遮光されるため、前記第１のピークの光が取り除かれ、５６０nm付近の第２のピークを含む光がレンズ１６に導かれる。
【００４３】
青色ＬＥＤ１３から出射した光については、４７０nmより前の前記ピークを含む光が第２のダイクロイックミラー１５で反射して、レンズ１６へと導かれる。なお各ダイクロイックミラー１４，１５を透過または反射して、レンズ１６以外の方向に導かれた光は、図示しない光吸収体により吸収される。
【００４４】
よって、赤色ＬＥＤ１１からは、６８０nm付近をピークとして６００〜７００nmの波長域付近に分布する光が、白色ＬＥＤ１２からは、５６０nm付近をピークとして約５００〜６００nmの波長域付近に分布する光が、青色ＬＥＤ１３からは４７０nm付近をピークとして約４２０〜５００nmの波長域付近に分布する光が、それぞれ取り出されてレンズ１６により集光され、測定処理用の光として出射される。
なおこの実施例では、前記各駆動回路１７，１８，１９により各ＬＥＤ１１，１２，１３の出力パワーを個別に調整することにより、図６に示すように、各ＬＥＤ１１，１２，１３から取り出された３つのピークを等しいレベルに合わせて、広い波長域において安定した出力パワーを確保するようにしている。
【００４５】
図７は、前記膜厚センサの具体的な構成である。図中、５は投光部，６は受光部，７は制御回路であって、いずれも前記コントローラ２内に組み込まれる。
投光部５は、前記した構成の光源１０により成るもので、約４２０〜７００nmの波長域に分布する光を発光する。この光は光ファイバケーブル３ａを介してセンサヘッド１の先端から基板８の表面に照射される。この光は、基板本体８ｂ上の薄膜８ａの表面および薄膜８ａと基板本体８ｂとの境界面において反射するほか、基板本体８ｂを透過した後に裏面で反射するもので、これら反射光はセンサヘッド１に入射した後に、光ファイバケーブル３ｂを介して受光部６に導かれる。
【００４６】
受光部６は、光学多層膜を用いた分光フィルタ２０と、ラインＣＣＤ２１（複数のＣＣＤを一次元配列したもの）とにより構成される。前記反射光は、分光フィルタ２０により複数の波長成分に分光された後、分光された各光がラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤに取り込まれて所定波長単位毎の反射光の強度として取り出される。
【００４７】
制御回路７は、マイクロコンピュータを主体とする演算部２２に、Ａ／Ｄ変換部２３，表示制御部２４，入出力部２５などが接続されて成る。
Ａ／Ｄ変換部２３は、ラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤからの受光出力を抽出してディジタル変換することにより、基板８からの反射光について反射光スペクトルを示す受光データを作成する。演算部２２はこの受光データを取り込んで、後記する方法による膜厚測定処理を実行する。
【００４８】
入出力部２５は、前記パーソナルコンピュータ４から、測定対象の基板８の基板本体８ｂや薄膜８ａについて、材質、光学定数などの設定データを取り込んだり、膜厚の測定結果を装置外部に出力するためのものである。表示制御部２４は、前記パーソナルコンピュータ４に対し、前記測定結果などの表示用データを与えることにより、ディスプレイ画面上でのデータ表示を行わせる。
【００４９】
上記構成の膜厚センサでは、薄膜８ａの厚みが所定値に想定されたときの理論上の反射スペクトルを示すデータを設定した後、この理論上の反射スペクトルと前記Ａ／Ｄ変換部２３から入力された受光データの示す反射スペクトルとを比較する方法（カーブフィッティング法）を、膜厚の想定値を変えながら順に行い、膜厚毎の比較結果を用いて薄膜の厚みを特定する。
【００５０】
図８は、前記カーブフィッティング法の原理を示す。
図中、Ｓは、実測の受光データが示す反射スペクトルである。ＲA〜ＲEは膜厚毎に前記(1)式により得られた理論上の反射率Ｒ１（λ）から得た理論上の反射スペクトル（以下、「理論曲線」という。）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（図示例では１０００nm）を、測定対象の薄膜の厚みとする。
【００５１】
ところで上記の理論曲線ＲA〜ＲEは、基板の表面が鏡面であることを前提に設定されたものであるから、測定対象の基板の表面に凹凸がある場合は、拡散反射による影響を加味した理論曲線を設定する必要がある。
この実施例の膜厚センサでは、表面に凹凸がある基板について、受光部６に入射する光の比率（受光比率）による影響を受けた場合の反射スペクトルの理論曲線を設定しながら前記カーブフィッティング法を実行して、測定対象の基板８の膜厚を求めるようにしている。
【００５２】
ここで表面に凹凸がある基板を測定するための理論曲線を設定する処理について説明する。
いま測定対象の基板８の膜厚が所定値ｄであると仮定すると、前記（１）式を用いて、この基板の表面が鏡面である場合の反射率Ｒ１（λ）を求めることができる。
【００５３】
基板の表面に凹凸がある場合の理論上の反射率Ｒ（λ）は、既出の（２）式により算出することができる。ここで測定対象の基板の膜厚が前記仮定の膜厚ｄに等しいならば、この基板から得られた受光データが示す反射スペクトルは、前記Ｒ（λ）による理論曲線に近似するはずである。したがって、前記受光データが示す反射スペクトルの振幅を抽出し、前記反射率Ｒ１（λ）の理論曲線の振幅に対する受光データ側の振幅の比率を求めると、この比率は、前記（２）式の受光比率ｚに近似することになる。
【００５４】
上記の原理によれば、受光データが示す反射スペクトルおよび仮定の膜厚についての反射率Ｒ１（λ）が示す理論曲線について、たとえば、各スペクトルの最大値から最小値を差し引いた値を振幅として求めると、これら振幅の比率から仮の受光比率ｚを求めることができる。さらにこの受光比率ｚと反射率Ｒ１（λ）とを前記（２）式にあてはめることにより、基板表面に凹凸がある場合の理論曲線を表す反射率Ｒ（λ）を求めることができる。（以下、この反射率Ｒ（λ）を「モデルデータ」という。）
【００５５】
この実施例では、表面に凹凸のある基板を測定する場合に、仮定の膜厚を変化させながら膜厚毎に上記の方法を実行することにより、基板が仮定された膜厚である場合の受光比率を想定して、その受光比率による影響を受けたモデルデータＲ（λ）を求め、このモデルデータＲ（λ）によるカーブフィッティング法を実行するようにしている。
【００５６】
図９は、前記膜厚センサにおいて、表面に凹凸のある基板を測定する場合の具体的な手順を示す。なおこの手順は、１枚の基板の膜厚測定にかかる手順であって、測定対象の基板８に対する投受光部５，６の処理によって、演算部２２に受光データが取り込まることによって開始される。
【００５７】
まずＳＴ１では、投光部５からの光を基板８に照射し、基板８から反射してくる光を受光部６により受光して前記波長スペクトルを示すデータＳ（λ）を作成する。（以下、このＳ（λ）を「計測データ」という。）
つぎのＳＴ２では、前記計測データＳ（λ）から最大値Ｓmaxおよび最小値Ｓminを抽出する。そしてＳＴ３で、測定対象の基板の仮定の膜厚ｄを最小値ｄｘとおいた後、ＳＴ４〜８の処理を実行する。
【００５８】
まずＳＴ４では、前記(１)式を用いて膜厚がｄｘである場合の反射率Ｒ１（λ）を算出する。ついでＳＴ５で、この反射率Ｒ１（λ）の曲線における最大値Ｒ１max,最小値Ｒ１minを抽出する。そしてつぎのＳＴ６では、前記ＳＴ５で求めた反射率Ｒ１（λ）の最大値Ｒ１maxおよび最小値Ｒ１minと、ＳＴ２で求めた計測データＳ（λ）の最大値Ｓmaxおよび最小値Ｓminとをつぎの（４）式にあてはめることにより、受光比率ｚを算出する。
ｚ＝（Ｓmax−Ｓmin）／（Ｒ１max−Ｒ１min）    ・・・（４）
【００５９】
なお、ここでは前記（Ｓmax−Ｓmin），（Ｒ１max−Ｒ１min）を、それぞれＲ１（λ），Ｓ（λ）の示す各スペクトルの振幅に相当すると見なしているが、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（４）式にあてはめてもよい。
【００６０】
こうして受光比率ｚを算出すると、つぎのＳＴ７では、算出された受光率ｚと前記反射率Ｒ１（λ）とを（２）式にあてはめて、モデルデータＲ（λ）を算出する。そしてＳＴ８では、このモデルデータＲ（λ）と計測データＳ（λ）との間の最小自乗誤差を求める。
【００６１】
以下、ＳＴ９で膜厚ｄの値をΔｄずつ増加させながら、各膜厚につきＳＴ４〜８の処理を行う。なお、各膜厚における最小自乗誤差は、膜厚ｄの大きさに対応づけて順次メモリ内に蓄積される。
このようにして最大の膜厚ｄｙに対する処理まで完了すると、ＳＴ１０が「ＹＥＳ」となってＳＴ１１に移行し、前記最小自乗誤差が最小となる場合の膜厚ｄｚを抽出する。ＳＴ１２では、前記膜厚ｄｚを測定対象の基板の膜厚として特定し、その特定結果を前記入出力部２７や表示制御部２６を介して外部に出力する。
【００６２】
なおこの実施例では、各膜厚ｄにつき、ＳＴ４で理論上の反射率Ｒ１（λ）を算出しているが、これに代えて、あらかじめ膜厚毎にＲ１（λ）の値を求めた結果をテーブルとしてメモリに設定すれば、ＳＴ４においては、膜厚に応じた各理論値Ｒ１（λ）をテーブルから読み出すだけでよくなり、処理が高速化される。また図８に示すように、この反射率Ｒ１（λ）の示す理論曲線の振幅は、膜厚の値が変わっても大きく変動するものではないから、特定の膜厚についての反射率Ｒ１（λ）と前記計測データＳ（λ）との関係から受光比率ｚを求めた後、各膜厚について、前記受光比率ｚの値を共通にしてモデルデータとなる反射率Ｒ（λ）を求めるようにしてもよい。このようにすれば、前記ＳＴ４〜６の各ステップを膜厚毎におこなう必要がなくなるので、膜厚毎の演算に要する時間を短縮して処理を高速化することができる。
【００６３】
上記図９の手順によれば、基板に対する測定を行う都度、その基板より得た受光データを用いて受光部６に入射する光の比率（受光比率）による影響を受けた場合の反射スペクトルの理論曲線を自動設定して膜厚測定を行うことになるので、表面の凹凸状態が一様でない基板が次々に測定位置に導入されても、基板の流れを止めることなく、各基板の膜厚を効率良くかつ精度良く測定することができる。
【００６４】
なお、測定対象の基板の凹凸の程度がわかっている場合には、測定に先立ち、前記パーソナルコンピュータ４などから基板の表面の状態を示すデータを入力させ、その入力内容に応じて測定に使用する理論曲線を変更するようにしてもよい。すなわち、基板の表面が鏡面に近いという情報が入力されたときに、パーソナルコンピュータ４より受光比率ｚ＝１というデータを与えることにより、演算部２２において、従来の反射率Ｒ１（λ）による膜厚測定を行うようにすれば、基板の種類に応じて測定方法を切り替えることができ、装置の利便性を大幅に向上することができる。
【００６５】
さらに測定対象の基板には、基板本体が透明であり、かつ表面に凹凸がある場合がある。このような基板を測定する場合には、基板表面における拡散反射による影響とともに、基板の裏面反射光が受光部６に入射する影響を考慮した測定を行う必要がある。このような基板についても、測定対象の基板が透明であるという情報の入力によって測定に使用する理論曲線を変更し、前記基板に応じた測定処理を行うように構成することができる。
【００６６】
前記図３に示したように、裏面反射光の示す反射率Ｒｂ（λ）は、基板の裏面や基板表面と空気との境界で繰り返し反射した複数の光による反射率Ｒ２（λ），Ｒ３（λ），Ｒ４（λ）・・・を合計した値となる。これらの反射率Ｒ２（λ），Ｒ３（λ），Ｒ４（λ）は、前記基板表面における反射率をＲ（λ），基板の表面と空気との境界面における反射率Ｒ０（λ）とすると、つぎの （５)〜(７)式により算出することができる。
Ｒ２（λ）＝（１−Ｒ（λ））2×Ｒ０（λ）    ・・・(５)
Ｒ３（λ）＝（１−Ｒ（λ））2×Ｒ０（λ）2×Ｒ（λ）  ・・・(６)
Ｒ４（λ）＝（１−Ｒ（λ））2×Ｒ０（λ）3×Ｒ（λ）2  ・・・(７)
【００６７】
なおＰ４以降の裏面反射光にかかる反射率も同様の式により導くことができるが、反射を繰り返すにつれて反射率は小さくなるので、反射率の算出を上記(７)式程度の段階にとどめて、各裏面反射率の合計値Ｒｂ（λ）を算出するとよい。ただしＲ３（λ）以降の反射率が微小な数値であれば、Ｒ２（λ）のみを裏面反射率Ｒｂ（λ）として用いてもよい。
【００６８】
したがって表面に凹凸のある透明基板を測定する場合に、透明でない基板に対するのと同様に、所定の膜厚ｄにおける反射率Ｒ１（λ）と計測データＳ（λ）との振幅の比率から基板表面からの反射光についての入射比率ｚを求めた後、このｚを（２）式に適用して基板表面における理論上の反射率Ｒ（λ）を求め、さらに反射率Ｒ（λ）を（５）〜（７）式にあてはめることにより、裏面反射光についての理論上の反射率Ｒｂ（λ）を得ることができる。
【００６９】
表面に凹凸のある透明基板から得られる反射光の反射率Ｒ´（λ）は、既出の（３）式により求めることができる。したがって、測定対象の基板の膜厚が仮定した膜厚ｄに等しいものとすると、計測データＳ（λ）が示す反射スペクトルは、前記反射率Ｒ´（λ）の示す理論曲線に近似するはずであるから、前記（３）式に基づき、計測データＳ（λ）と前記基板表面および裏面における理論上の反射率Ｒ（λ），Ｒｂ（λ）とを用いて裏面反射光の受光比率ｙを算出することができる。
ただし、Ｓ（λ），Ｒ（λ），Ｒｂ（λ）のいずれの値も波長によって変化するので、これらデータ毎に平均値などの代表値を算出してこれを（３）式にあてはめるのが望ましい。または波長毎に受光比率ｙを求めて、各算出結果の平均値をとるようにしてもよい。
【００７０】
図１０は、表面に凹凸がある透明基板を測定する場合の具体的な手順を示す。なお、この図１０における各ステップは、「ＳＴ´」として示す。
この図１０の手順も、図９の手順と同様に、測定対象の基板８について受光データが取り込まれることによって開始される。最初のＳＴ´１では、前記図９のＳＴ１と同様に、受光データから反射スペクトルを示す計測データＳ（λ）が作成される。
【００７１】
つぎのＳＴ´２において、前記計測データＳ（λ）の各値につき、最大値Ｓmax，最小値Ｓmin，および平均値Ｓａを算出した後、ＳＴ´３で膜厚ｄを初期値ｄｘに設定する。そして以下、膜厚ｄをΔｄずつ変化させながら、各膜厚につきＳＴ´４〜ＳＴ´１１の処理を繰り返す。
【００７２】
ＳＴ´４〜ＳＴ´６では、前記図９のＳＴ４〜６と同様にして、膜厚ｄを有する基板の表面が鏡面である場合の理論上の反射率Ｒ１（λ），計測データＳ（λ）の各スペクトルの最大値，最小値から得られる振幅を用いて受光比率ｚを設定する。つぎにＳＴ´７では、前記受光比率ｚと反射率Ｒ１（λ）とを用いて、基板表面における理論上の反射率Ｒ（λ）を求め、さらにこのＲ（λ）を用いて前記（５）〜（７）式により裏面における理論上の反射率Ｒｂ（λ）を算出する。続いて、ＳＴ´８では、前記反射率Ｒ（λ），Ｒｂ（λ）についてそれぞれ平均値Ｒａ，Ｒｂａを求めた後、ＳＴ´９において、前記平均値Ｒａ，Ｒｂａ，およびＳＴ´２で求めた計測データＳ（λ）の平均値Ｓａをつぎの（８）式にあてはめて、受光比率ｙを算出する。
ｙ＝（Ｓａ−Ｒａ）／Ｒｂａ    ・・・（８）
【００７３】
こうして裏面反射光の受光比率ｙが求められると、つぎのＳＴ´１０で、前記（３）式を用いてモデルデータＲ´（λ）を求め、続くＳＴ´１１で、このモデルデータＲ´（λ）と計測データＳ（λ）との最小自乗誤差を算出する。算出結果は、図９の実施例と同様に、メモリ内に順次蓄積される。
【００７４】
すべての膜厚について最小自乗誤差が求められると、ＳＴ´１３からＳＴ´１４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ＳＴ´１５で、このｄｚを測定結果として出力して、処理を終了する。
【００７５】
なお、上記の手順では、基板表面からの反射光の受光比率ｚを求める際に、裏面反射光による影響を考慮せずに、図９の実施例と同様に、反射率Ｒ１（λ）と計測データＳ（λ）との間の振幅の比率を求めているが、計測データＳ（λ）の各値には、同様の受光比率ｙに基づく裏面反射光が加味されているはずであるから、Ｓ（λ）の示す反射スペクトル上での振幅の変動はごく微小なものとなる。したがって受光比率ｚの算出に大きな影響が生じる虞はなく、安定した測定を行うことができる。
【００７６】
【発明の効果】
上記したように、この発明では、表面に凹凸のある基板の薄膜の厚みを測定する場合に、測定対象の基板により得た受光データを用いて、仮定の膜厚毎にその膜厚を有する基板から得られる反射スペクトルのモデルデータを自動的に設定し、各モデルデータと受光データとの比較処理によって測定対象の基板の膜厚を特定するので、凹凸状態にばらつきのある基板が連続的に供給されても、測定処理を中断することなく、効率良くかつ精度良く膜厚を測定することができ、インライン計測に適した膜厚センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面に凹凸がある基板における光の反射状態を説明する図である。
【図２】表面が鏡面状態である基板における反射率と表面に凹凸がある基板における反射率との関係を示すグラフである。
【図３】透明基板における光の反射状態を説明する図である。
【図４】この発明の一実施例にかかる膜厚センサの外観を示す図である。
【図５】図４の膜厚センサの投光部に使用される光源の構成を示す図である。
【図６】光源の出力特性とダイクロイックミラーの透過特性との関係を示すグラフである。
【図７】膜厚センサの構成を示す概念図である。
【図８】カーブフィッティング法の原理を説明する図である。
【図９】表面に凹凸がある基板を測定する場合の手順を示すフローチャートである。
【図１０】表面に凹凸がある透明基板を測定する場合の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
５    投光部
６    受光部
８    基板
８ａ    薄膜
２０    分光フィルタ
２１    ラインＣＣＤ
２２    演算部
【図１】
0003823745.tif 000002
【図２】
0003823745.tif 000003
【図３】
0003823745.tif 000004
【図４】
0003823745.tif 000005
【図５】
0003823745.tif 000006
【図６】
0003823745.tif 000007
【図７】
0003823745.tif 000008
【図８】
0003823745.tif 000009
【図９】
0003823745.tif 000010
【図１０】
0003823745.tif 000011