JP3852557B2

JP3852557B2 - Film thickness measuring method and film thickness sensor using the method

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Publication number: JP3852557B2
Application number: JP2000273842A
Authority: JP
Inventors: 弘一江川; 正純椿阪
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP2002081916A

Description

【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方法およびその方法を用いた膜厚センサにおいて、透明基板上に形成された薄膜の厚みを測定するための技術に関する。
【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所定波長単位毎に分光して複数の受光素子により受光した後、各受光素子からの出力信号をディジタル変換して波長単位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】
ところで測定対象の基板がガラス基板のような透明基板である場合、受光素子には、前記膜厚測定に用いる干渉光のほか、基板内部を透過して裏面で反射する光が入射するようになる。膜厚を正確に測定するためには、この基板裏面からの反射光（以下、「裏面反射光」という。）の量を把握する必要がある。
【０００５】
さらにこの種のセンサでは、薄膜の厚みを精度良く反映したスペクトルを得るために、光源からの光および基板からの反射光をレンズを介して集光するようにしているが、このレンズの存在により、受光素子に入射する裏面反射光の割合が基板の厚みによって変動するという事象が生じる。
【０００６】
図１は、前記基板の厚みが裏面反射光の受光素子への入射に及ぼす影響を示す。
図中の（１）（２）は、いずれも測定対象の基板８における裏面反射の状態を基板８の側方から見たものである。図中の８ａは基板上の薄膜を、８ｂは基板本体を、３０は前記した集光用のレンズを、それぞれ示す。なお、この図１およびつぎの図２では、識別のために薄膜８ａの部分を塗りつぶしているが、実際の基板の薄膜８ａは、基板本体８ｂと同様に透明である。
【０００７】
図１（１）に示すように基板８の厚みが薄い場合、レンズ３０を介して基板８に照射された光による裏面反射光は、ほぼすべてレンズ３０に入射して受光素子に導かれる。これに対し、図１（２）のように基板８が厚くなると、レンズ３０と光の反射位置との距離が長くなるため、レンズ３０の外側に逃げる反射光が生じ、受光素子に入射する裏面反射光が減少するという結果を招く。
【０００８】
特開２０００−６５５３６号公報には、この裏面反射光の影響を除いた正確な膜厚測定を行うための方法および装置が記載されている。この公報における膜厚測定では、まず測定処理に先立ち、薄膜の形成されていない基板や裏面反射の影響が取り除かれた基板に測定時と同様の条件で光を照射して、裏面反射の影響を含む場合の反射率や裏面反射の影響が取り除かれた場合の反射率を求め、これら反射率から受光素子に入射する裏面反射光の割合を求める。そして測定処理時には、前記裏面反射光の入射の割合の算出結果に基づき、各膜厚につき裏面反射光の影響が加味されたモデルデータを設定して受光データとの比較処理を行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、測定対象の基板とは異なる基板を用いて裏面反射光の入射の割合を求める必要があるため、基板の製造工程において、厚みが種々に変動する基板を次々に計測しなければならないような場合に適用できない、という問題がある。
【００１０】
この発明は上記問題点に着目してなされたもので、測定対象の透明基板を用いて裏面反射光が受光素子に入射する比率を求めることにより、透明基板の基板の厚み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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明では、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基板からの反射光を波長単位毎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場合に、つぎの４つのステップを仮定の膜厚の値を変更しつつ膜厚毎に実行して、前記受光データ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。
【００１２】
前記４つのステップのうち、まず第１のステップでは、膜厚が所定値であると仮定した場合の基板表面および裏面における理論上の反射率を波長単位毎に求める。
図２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。なおここでいう基板表面からの反射光Ｐ１は、基板表面への光に対する薄膜表面からの反射光と、薄膜と基板との境界面からの反射光とが干渉した光を意味する。
【００１３】
Ｐ２は、前記照射光が基板を透過して裏面で反射した光である。なおこの種の裏面反射光には、基板表面と空気との境界で反射して再び裏面で反射する、という性質があり、順次、Ｐ３，Ｐ４・・・の反射光が発生する。
【００１４】
前記基板表面における反射率とは、照射光Ｐに対する表面からの反射光Ｐ１の比率（図１のＲ１）であり、裏面における反射率とは、Ｐ２以下の各裏面反射光の照射光Ｐに対する比率（図１のＲ２，Ｒ３，Ｒ４・・・）の合計値Ｒｂに相当する。
【００１５】
各反射率Ｒ１，Ｒｂは、基板本体８ｂや薄膜８ａの屈折率，膜厚，照射光の波長などによって理論的に求められる。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８ｂや薄膜８ａ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、膜厚を所定値に仮定すれば、理論上の反射率Ｒ１，Ｒｂを算出することが可能となる。
前記第１のステップでは、この考え方に基づき、所定の厚みの薄膜が形成されているとした場合の基板表面における反射率Ｒ１と裏面における反射率Ｒｂとを、各受光素子に対応する波長単位毎に求めるのである。
【００１６】
つぎの第２のステップでは、前記波長単位毎に得た理論上の反射率と各受光素子からの出力信号より得た受光データとに基づき、前記透明基板の裏面反射光全体に対する受光素子に入射した裏面反射光の比率を算出する。
前記図２において、光Ｐに対するすべての反射光Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・が受光素子に入射したと仮定すると、その受光出力が示す反射率は、基板表面および裏面のそれぞれにおける理論上の反射率の和（Ｒ１＋Ｒｂ）と同値になる。しかしながら前記図１（２）のように受光素子に入射しない裏面反射光があれば、実際の計測値の示す反射率は、（Ｒ１＋Ｒｂ）より小さくなる。
【００１７】
すなわち前記裏面反射光全体に対する受光素子に入射した裏面反射光の比率（以下、「受光比率」という。）をｙとすると、受光素子からの出力が示す理論上の反射率Ｒ（受光素子に入射するすべての反射光の照射光に対する比率）は、つぎの(1)式で表されることになる。
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒｂ＊ｙ・・・(1)
【００１８】
したがって第１のステップで求めた理論上の反射率Ｒ１，Ｒｂを(１)式の右辺にあてはめ、実測の受光データより得られる反射率Ｓを(1)式のＲに代入することにより、基板８からの裏面反射光の受光比率ｙの仮定値を算出することができる。ただしＲ１やＲｂは、波長単位によって異なり、また受光データも波長単位で取り出されているので、前記第２のステップでは、たとえば、波長単位毎のＳ，Ｒ１，Ｒｂの平均値を用いてｙを算出するのが望ましい。または波長単位毎に(1)式を用いてｙを算出した後、各ｙの値を平均してもよい。
【００１９】
続く第３のステップでは、前記基板の表面および裏面における理論上の反射率Ｒ１，Ｒｂと受光比率ｙとを用いて、各受光素子からの出力によって表され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、基板表面からの理論上の反射光と受光比率ｙに応じた理論上の裏面反射光とをあわせた光のスペクトルであって、波長単位毎に、前記理論上の反射率Ｒ１，Ｒｂと第２のステップにおいて得られた受光比率ｙとを前記(1)式にあてはめることにより得られるものである。
【００２０】
最後の第４のステップでは、第３のステップで設定されたモデルデータと前記受光素子からの出力信号により得られた受光データとを比較する。
仮定の膜厚が測定対象の基板の膜厚に近似している場合、前記第１，２のステップにおいて求められた受光比率ｙの値も、実際の基板における受光比率に近似するはずである。したがって第３のステップにおいて設定されたモデルデータと受光データとを比較すると、両者間に高い一致度が認められることになる。
【００２１】
よって膜厚の仮定値を変動させながら第１〜第４のステップを実行し、受光データに対し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る。
なお上記第１〜４のステップのうち、第１のステップの理論上の反射率を求めるステップについては、必ずしも膜厚の仮定値を変更する都度、演算処理を行う必要はなく、あらかじめ膜厚毎の理論上の反射率を求めたテーブルから該当する値を取り出すようにしてもよい。
【００２２】
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表面からの反射光を分光する分光素子、およびこの分光素子により所定波長単位に分けられた光を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、前記した第１〜第４のステップの処理を仮定の膜厚の値を変更しつつ膜厚毎に実行した後に、膜厚毎に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。
【００２３】
上記構成の膜厚センサでは、測定対象の透明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、受光素子への裏面反射光の入射による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膜のない基板などを用いて裏面反射光の受光比率を求める必要がなくなり、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】
好ましい一態様によれば、前記膜厚センサは、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具備する。
【００２５】
さらに他の好ましい態様においては、前記測定手段は、測定対象の基板の厚みを示すデータの入力を受け付ける手段を具備し、前記入力データが所定の最大厚さより薄いとき、前記裏面反射光の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。
前記したように薄い基板については、すべての裏面反射光が受光素子に導かれるようになるから、前記裏面反射光の受光比率ｙを「１」とすることができる。前記「所定の最大厚さ」は、裏面反射光の理論上の受光比率ｙを「１」とできる基板の厚みの範囲に含まれる。したがって測定対象の基板の厚みがこの最大厚さよりも薄い場合には、受光比率が１に設定されるので、前記受光比率を求める処理がスキップされてモデルデータを簡単に設定できるようになり、より一層高速の測定処理を行うことが可能となる。なお基板の厚みを示すデータの入力は、厚みを示す数値の入力に限らず、測定対象の基板が「薄い基板」であると指定する操作によっても行うことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図３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６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。
【００２７】
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６に示す。）などを組み込んで成るもので、測定対象の基板８（この実施例では透明基板）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。
【００２８】
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。
【００２９】
図４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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
図５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。
【００３４】
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。
【００３５】
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５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。
【００３６】
図６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。
【００３７】
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により波長単位に分光された後、分光された各光がラインＣＣＤ２１の各ＣＣＤに取り込まれて波長単位の反射光の強度が取り出される。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図７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。Ｒ_A〜Ｒ_Eは膜厚毎に前記(1)式により得られ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。
【００４２】
一般的な理論曲線は、波長単位毎の前記基板からの理論上の反射率Ｒ１によって構成される。しかしながら透明基板を測定対象とする場合、裏面反射光（図２のＰ２，Ｐ３，Ｐ４・・・）による影響を加味した理論曲線を設定する必要がある。
【００４３】
この実施例では、測定処理時の受光データを用いて、各膜厚につき受光部に入射する光の比率（受光比率）を考慮した反射スペクトルのモデルデータを自動設定して前記カーブフィッティング法を実行することにより、厚みのばらつく基板が次々に測定位置に導入されても、各基板の膜厚を高速かつ精度良く測定するようにしている。
【００４４】
ここで透明基板の膜厚測定のためのモデルデータを設定する処理について、詳細を説明する。
基板上の薄膜の厚みをｄ，屈折率をｎとすると、薄膜に波長λの光が入射したときの基板表面における理論上の反射率Ｒ１（λ）は、つぎの(２)式で示すことができる。
Ｒ１（λ）＝１−Ａ／｛Ｂ＋Ｃ×cos［（４π／λ）×ｎ×ｄ］｝・・・(２)
（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。）
【００４５】
さらに図２に示した裏面反射光Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の反射率を波長毎に求めた値Ｒ２（λ），Ｒ３（λ），Ｒ４（λ）は、それぞれつぎの(３)〜(５)式により求められる。なお(３)〜(５)式において、Ｒ０（λ）は、基板の表面と空気との境界面における反射率である。
Ｒ２（λ）＝（１−Ｒ１（λ））²×Ｒ０（λ）・・・(３)
Ｒ３（λ）＝（１−Ｒ１（λ））²×Ｒ０（λ）²×Ｒ１（λ）・・・(４)
Ｒ４（λ）＝（１−Ｒ１（λ））²×Ｒ０（λ）³×Ｒ１（λ）² ・・・(５)
【００４６】
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(5)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）を裏面反射率Ｒｂ（λ）として用いてもよい。
【００４７】
この実施例では、上記原理に基づき、基板の膜厚ｄが所定値であると仮定したときの波長λ毎の理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）を求め、これら反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）の平均値Ｒ１ａ，Ｒｂａを算出する。また、測定対象の基板８により得られる受光データが示す反射率Ｓ（λ）についても平均値Ｓａを算出し、これら平均値Ｓａ，Ｒ１ａ，Ｒｂａをつぎの(６)式にあてはめることにより、裏面反射光の受光比率ｙを算出する。
ｙ＝（Ｓａ−Ｒ１ａ）／Ｒｂａ・・・(６)
【００４８】
よって波長λ毎に、理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）、および上記の方法で算出した受光比率ｙをつぎの(７)式にあてはめることにより、波長λにおいて受光される反射光の理論上の反射率Ｒ（λ）が求められ、前記受光データと比較するための理論曲線を表すデータ（以下、モデルデータＲ（λ）という。）としてメモリ内に保存される。
Ｒ（λ）＝Ｒ１（λ）＋Ｒｂ（λ）×ｙ・・・(７)
【００４９】
図８は、上記膜厚センサによる一連の手順を示す。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。
【００５０】
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により受光して反射率を示すデータ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）の平均値Ｓａを算出する。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。
【００５１】
まずＳＴ４では、前記(２)〜(５)式を用いて膜厚がｄｘである場合の基板表面および裏面からの理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）を算出する。ついでＳＴ５で、これら反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）の平均値Ｒ１ａ，Ｒｂａを求めた後、ＳＴ６で、これら平均値Ｒ１ａ，Ｒｂａと、前記計測データの平均値Ｓａとを前記(６)式にあてはめて、裏面反射光の受光比率ｙを算出する。
【００５２】
さらにＳＴ７で、前記(７)式を用いて理論曲線を示すモデルデータＲ（λ）を求めた後、続くＳＴ８で、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求める。
【００５３】
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。
【００５４】
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），Ｒｂ（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），Ｒｂ（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），Ｒｂ（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。またこのテーブルは、ＳＴ７のモデルデータの設定時にも使用することができる。
【００５５】
図９（１）は、理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ）による曲線の一例を示す。図９（２）は、これらＲ１（λ），Ｒｂ（λ）を前記(７)式にあてはめて設定されたモデルデータＲ（λ）による理論曲線であって、図中の実線で示す曲線は受光比率ｙが０．５のときの理論曲線、鎖線で示す曲線は受光比率ｙが１のときの理論曲線である。
【００５６】
前記図９（１）のＲ１（λ）が示す曲線は、通常の裏面反射が関与しない基板についての理論曲線となる。透明基板における受光データは、図９（２）の各理論曲線に示すように、裏面反射光が乗る分だけ通常よりも高い反射率を示すので、前記したカーブフィッティング法にＲ１（λ）による理論曲線を用いると、測定対象の薄膜の厚みに対応する理論曲線であっても、大きな誤差が生じ、その結果、膜厚の測定が誤ったものとなる可能性が生じる。
【００５７】
この実施例では、前記図８の手順によって、膜厚ｄの仮定値を順に変更しながら、その膜厚ｄにおける理論上の反射率Ｒ１（λ），Ｒｂ（λ），および計測データＳ（λ）の各平均値を用いて裏面反射光の受光比率ｙを仮定し、モデルデータを設定しているので、膜厚ｄの値が実際の基板の膜厚に最も近くなったときの受光比率ｙの仮定値は、実際の基板における受光比率を精度良く表すものとなる。よってこのときのモデルデータＲ（λ）と計測データＳ（λ）との誤差が最小となり、透明基板における膜厚測定を精度良く行うことができる。
なお複数枚の基板が連続的に供給される場合も、図８の手順を繰り返し行うだけでよいので、厚みにばらつきのある基板が供給される場合も、高速の測定処理を行うことができる。
【００５８】
ただし供給されるいずれの基板についても、その基板の厚みがすべての裏面反射光を受光できる範囲で変動すると保障できる場合は、外部からの指定に応じて受光比率ｙを「１」に固定してもよい。
【００５９】
図１０は、この実施例の膜厚センサにおいて、反射光の受光状態を計測して得たグラフであって反射地点とその地点からの反射光が受光される比率との関係を示している。なお各地点の位置は、センサヘッド１内のレンズ１ａから所定距離（たとえば１０mm）離れた位置を標準位置として、この標準位置からの距離によって表されている。
【００６０】
このグラフでは、標準位置より上下とも約２mm離れた位置で反射した光は、ほぼすべて受光されるが、標準位置からの距離が２mmを越えた位置で反射した光に対する受光比率は大幅に低下する現象が表されている。すなわち測定対象の基板の厚みが２mm以内であれば、基板の表面または裏面のいずれかを標準位置に合わせることにより、裏面反射光の受光比率を「１」としても差し支えないことになる。
【００６１】
このグラフのように受光比率が変化する場合、たとえばオペレータが測定対象の基板の厚みの上限値として「２mm」を入力することにより、演算部２２は受光比率ｙを「１」に固定し、各基板につき、前記図８のＳＴ６をスキップした手順を実行することになり、処理を一層高速化することができる。
なお基板の厚みを示す数値を入力する代わりに、前記パーソナルコンピュータ４のディスプレイ表示などを用いて、「厚い」「薄い」などの選択肢を提示し、オペレータが「薄い」を選択した場合は、受光比率ｙを「１」に固定するようにしてもよい。
【００６２】
さらに基板の厚みが２mmを越える場合であっても、厚みの変動幅が誤差範囲内であると保障できるならば、基板の厚みを示す数値データの入力を受け付けて、その厚みに対応させて受光比率ｙを固定し、同様に膜厚測定処理を高速化することができる。
【００６３】
【発明の効果】
この発明では、透明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、膜厚毎に基板表面および裏面からの反射光を含む光を受光した場合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、厚み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、高速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】透明基板の厚みと裏面反射光のレンズへの入射状態との関係を説明する図である。
【図２】透明基板の表面および裏面からの反射光および各反射光に対応する反射率の概念を示す図である。
【図３】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４】図１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５】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６】膜厚センサの構成を示す概念図である。
【図７】カーブフィッティング法の原理を説明する図である。
【図８】膜厚測定の手順を示すフローチャートである。
【図９】理論上の反射率と裏面反射光の影響が加味された理論曲線との関係を示すグラフである。
【図１０】反射地点とその地点からの反射光が受光される比率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
５投光部
６受光部
８基板
８ａ薄膜
１ａ対物レンズ
２０分光フィルタ
２１ラインＣＣＤ
２２演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring the thickness of a thin film formed on a substrate using light interference and a film thickness sensor using the method for measuring the thickness of a thin film formed on a transparent substrate. Regarding technology.
[0002]
[Prior art]
When light is irradiated onto the substrate on which the thin film is formed, the light reflected on the surface of the thin film interferes with the light reflected on the interface between the thin film and the substrate. It is known that the intensity of the interference light varies depending on the thickness of the thin film, and even with the same substrate, the intensity of the interference light changes depending on the wavelength of the light applied to the substrate.
[0003]
Based on the above principle, a conventional film thickness sensor irradiates light onto a substrate from a light source that emits light distributed in a predetermined wavelength range, and divides the reflected light from the substrate into a plurality of predetermined wavelength units. After the light is received by the light receiving elements, the output signal from each light receiving element is digitally converted to create a spectrum indicating the degree of reflection for each wavelength unit (hereinafter referred to as “reflection spectrum”). This reflection spectrum is compared with model data representing the characteristics of the theoretical reflection spectrum when the thickness of the thin film is a predetermined value in a computer incorporated in the sensor, and the thickness of the thin film to be measured is determined based on the comparison result. Identified.
[0004]
Incidentally, when the substrate to be measured is a transparent substrate such as a glass substrate, in addition to the interference light used for the film thickness measurement, light that passes through the substrate and reflects on the back surface enters the light receiving element. . In order to accurately measure the film thickness, it is necessary to grasp the amount of reflected light from the back surface of the substrate (hereinafter referred to as “back surface reflected light”).
[0005]
Furthermore, in this type of sensor, in order to obtain a spectrum that accurately reflects the thickness of the thin film, the light from the light source and the reflected light from the substrate are condensed through the lens. Then, an event occurs in which the ratio of back surface reflected light incident on the light receiving element varies depending on the thickness of the substrate.
[0006]
FIG. 1 shows the influence of the thickness of the substrate on the incidence of back surface reflected light on the light receiving element.
Each of (1) and (2) in the figure shows the state of back surface reflection on the substrate 8 to be measured as viewed from the side of the substrate 8. In the figure, 8a represents a thin film on the substrate, 8b represents a substrate body, and 30 represents the above-described condensing lens. In FIG. 1 and the next FIG. 2, the thin film 8a is painted for identification, but the actual thin film 8a of the substrate is transparent in the same manner as the substrate body 8b.
[0007]
As shown in FIG. 1A, when the thickness of the substrate 8 is thin, almost all the back surface reflected light by the light irradiated to the substrate 8 through the lens 30 enters the lens 30 and is guided to the light receiving element. On the other hand, when the substrate 8 becomes thick as shown in FIG. 1B, the distance between the lens 30 and the light reflection position becomes longer, and therefore, reflected light that escapes to the outside of the lens 30 is generated and is incident on the light receiving element. This results in a decrease in reflected light.
[0008]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-65536 describes a method and an apparatus for performing accurate film thickness measurement excluding the influence of the back surface reflected light. In the film thickness measurement in this publication, first, prior to the measurement process, the substrate on which the thin film is not formed or the substrate from which the influence of the back surface reflection has been removed is irradiated with light under the same conditions as the measurement, and the influence of the back surface reflection is thus measured. The reflectivity when included and the reflectivity when the influence of back surface reflection is removed are determined, and the ratio of back surface reflected light incident on the light receiving element is determined from these reflectivities. And at the time of a measurement process, based on the calculation result of the incidence rate of back surface reflected light, the model data which considered the influence of back surface reflected light is set for each film thickness, and a comparison process with light reception data is performed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above method, it is necessary to determine the incidence ratio of the back-surface reflected light using a substrate different from the substrate to be measured. Therefore, in the substrate manufacturing process, substrates with various thickness variations must be measured one after another. There is a problem that it cannot be applied in cases where it is necessary.
[0010]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and by using the transparent substrate to be measured to obtain the ratio of the back surface reflected light incident on the light receiving element, even if the thickness of the transparent substrate varies. An object of the present invention is to enable the film thickness of each substrate to be measured efficiently and continuously.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, the surface of a transparent substrate is irradiated with light, and the reflected light from the substrate with respect to the irradiated light is dispersed for each wavelength unit and guided to individual light receiving elements. When measuring the thickness of the thin film formed on the surface of the substrate using the light reception data obtained from the output signal from the above, the following four steps are executed for each film thickness while changing the assumed film thickness value. Then, the light reception data is compared with model data set for each assumed film thickness, and the thickness of the thin film is specified based on the comparison result between the light reception data obtained at each film thickness and the model data. Yes.
[0012]
Of the four steps, first, in the first step, theoretical reflectances on the substrate front and back surfaces when the film thickness is assumed to be a predetermined value are obtained for each wavelength unit.
FIG. 2 schematically shows a reflection state when the surface of the transparent substrate is irradiated with light.
In the figure, P is irradiation light having a wavelength λ, and P1 is reflected light from the substrate surface with respect to the irradiation light P. Here, the reflected light P1 from the substrate surface means light obtained by interference between the reflected light from the thin film surface with respect to the light toward the substrate surface and the reflected light from the boundary surface between the thin film and the substrate.
[0013]
P2 is light which the said irradiation light permeate | transmitted the board | substrate and reflected on the back surface. Note that this type of back-surface reflected light has a property of being reflected at the boundary between the substrate surface and air and reflected again at the back surface, and P3, P4,...
[0014]
The reflectance on the substrate surface is the ratio of the reflected light P1 from the surface to the irradiation light P (R1 in FIG. 1), and the reflectance on the back surface is the ratio of each back surface reflected light of P2 or less to the irradiation light P. This corresponds to the total value Rb of (R2, R3, R4... In FIG. 1).
[0015]
The respective reflectances R1 and Rb are theoretically determined by the refractive index, film thickness, wavelength of irradiation light, and the like of the substrate body 8b and the thin film 8a. Usually, if the type and material of the substrate to be measured are recognized, the refractive index of the substrate body 8b and the thin film 8a is known, and the wavelength distribution of the irradiation light can be obtained from the characteristics of the light source. If the film thickness is assumed to be a predetermined value, the theoretical reflectances R1 and Rb can be calculated.
In the first step, based on this concept, the reflectance R1 on the substrate surface and the reflectance Rb on the back surface when a thin film having a predetermined thickness is formed are determined for each wavelength unit corresponding to each light receiving element. It asks for.
[0016]
In the next second step, based on the theoretical reflectance obtained for each wavelength unit and the received light data obtained from the output signal from each light receiving element, the light is incident on the light receiving element for the entire back surface reflected light of the transparent substrate. The ratio of the back surface reflected light is calculated.
In FIG. 2, assuming that all the reflected lights P1, P2, P3... With respect to the light P are incident on the light receiving element, the reflectance indicated by the received light output is the theoretical reflection on each of the front surface and the back surface of the substrate. It becomes the same value as the sum of rates (R1 + Rb). However, if there is back-surface reflected light that does not enter the light receiving element as in FIG. 1B, the reflectivity indicated by the actual measurement value is smaller than (R1 + Rb).
[0017]
That is, if the ratio of the back surface reflected light incident on the light receiving element to the entire back surface reflected light (hereinafter referred to as “light receiving ratio”) is y, the theoretical reflectance R indicated by the output from the light receiving element (incident on the light receiving element). The ratio of all reflected light to irradiated light) is expressed by the following equation (1).
R = R1 + Rb * y (1)
[0018]
Therefore, by applying the theoretical reflectances R1 and Rb obtained in the first step to the right side of the equation (1) and substituting the reflectance S obtained from the actual received light data into R in the equation (1), An assumed value of the light reception ratio y of the back surface reflected light from 8 can be calculated. However, R1 and Rb differ depending on the wavelength unit, and the received light data is also extracted in the wavelength unit. Therefore, in the second step, for example, y is calculated using the average value of S, R1, and Rb for each wavelength unit. It is desirable to calculate. Alternatively, after calculating y using equation (1) for each wavelength unit, the values of y may be averaged.
[0019]
In the subsequent third step, model data of the reflection spectrum represented by the output from each light receiving element is set using the theoretical reflectances R1, Rb and the light receiving ratio y on the front and back surfaces of the substrate.
This model data is a spectrum of light that is a combination of theoretical reflected light from the substrate surface and theoretical back-surface reflected light corresponding to the light reception ratio y, and the theoretical reflectance R1 for each wavelength unit. , Rb and the light reception ratio y obtained in the second step are obtained by applying the above equation (1).
[0020]
In the final fourth step, the model data set in the third step is compared with the received light data obtained from the output signal from the light receiving element.
When the assumed film thickness approximates the film thickness of the substrate to be measured, the value of the light reception ratio y obtained in the first and second steps should also approximate the light reception ratio on the actual substrate. Therefore, when the model data set in the third step is compared with the received light data, a high degree of coincidence is recognized between them.
[0021]
Therefore, the first to fourth steps are executed while changing the assumed value of the film thickness, and the film thickness corresponding to the model data that obtains the maximum degree of coincidence with the received light data is set as the thickness of the thin film of the substrate to be measured. Will be identified.
Of the first to fourth steps, the step of obtaining the theoretical reflectivity of the first step does not necessarily need to be performed every time the assumed value of the film thickness is changed. The corresponding value may be taken out from the table in which the theoretical reflectance is obtained.
[0022]
Furthermore, the present invention provides a light source for irradiating light to a substrate to be measured, a spectroscopic element that divides the reflected light from the substrate surface with respect to the irradiated light, and receives light divided into predetermined wavelength units by the spectroscopic element A light receiving means comprising a plurality of light receiving elements for measuring, and a measuring means for measuring the thickness of the thin film using light reception data obtained from an output signal from each light receiving element of the light receiving means. In the sensor, the light receiving data and model data obtained for each film thickness are obtained after the processing of the first to fourth steps is performed for each film thickness while changing the assumed film thickness value. The thickness of the thin film of the substrate to be measured is specified based on the comparison result.
[0023]
In the film thickness sensor having the above configuration, the above-described measurement method is executed by irradiating light to the transparent substrate to be measured, and the film thickness measurement process is performed in consideration of the influence of the back surface reflected light incident on the light receiving element. Is called. Therefore, there is no need to obtain the light reception ratio of the back-surface reflected light using a substrate without a film before the measurement process, and it is possible to perform film thickness measurement with high speed and high accuracy.
[0024]
According to a preferred aspect, the film thickness sensor includes a lens for narrowing and irradiating light from a light source to a predetermined position on the surface of the substrate and guiding the irradiation light to a light receiving means.
[0025]
In still another preferred aspect, the measuring means includes means for receiving input of data indicating the thickness of the substrate to be measured, and when the input data is thinner than a predetermined maximum thickness, the back surface reflected light receiving means. The model data is set by fixing the incidence ratio to “1”.
As described above, with respect to a thin substrate, since all the back surface reflected light is guided to the light receiving element, the light receiving ratio y of the back surface reflected light can be set to “1”. The “predetermined maximum thickness” is included in the range of the substrate thickness that allows the theoretical light reception ratio y of the back-surface reflected light to be “1”. Therefore, when the thickness of the substrate to be measured is thinner than this maximum thickness, the light reception ratio is set to 1, so that the process for obtaining the light reception ratio can be skipped and the model data can be easily set. Higher-speed measurement processing can be performed. The input of the data indicating the thickness of the substrate is not limited to the input of the numerical value indicating the thickness, but can be performed by an operation of designating that the measurement target substrate is a “thin substrate”.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 3 shows the appearance of a film thickness sensor according to one embodiment of the present invention.
This film thickness sensor is formed by connecting a sensor head 1 and a controller 2 by an optical fiber cable 3. The controller 1 incorporates a light projecting unit 5, a light receiving unit 6, a control circuit 7 and the like (all shown in FIG. 6). The optical fiber cable 3 is a bundle of a plurality of light projecting optical fibers and light receiving optical fibers, each of which includes a cable 3a that collects light projecting optical fibers at a predetermined position and a light receiving optical fiber. The collected cables 3b are divided and connected to the controller 2.
[0027]
The sensor head 1 includes a condensing objective lens 1a (shown in FIG. 6) and the like incorporated in a cylindrical case body, and is predetermined with respect to a substrate 8 to be measured (in this embodiment, a transparent substrate). It is installed with the lens surface facing the substrate surface at a position above the distance. The light from the light projecting unit 5 is irradiated onto the substrate surface from the sensor head 1 through the optical fiber cable 3a, and the reflected light from the substrate with respect to the irradiated light is received from the sensor head 1 through the optical fiber cable 3b. Guided to part 6. Further, the output from the light receiving unit 6 is taken into the control circuit 7 and used for the process of measuring the thickness of the thin film on the substrate.
[0028]
Reference numeral 4 in the figure denotes a personal computer that is an external device, and is connected to the control circuit 7 of the controller 2 by cable. The personal computer 4 is used for input of setting data related to the substrate 8 to be measured, or for receiving and displaying a film thickness measurement result from the controller 2.
[0029]
FIG. 4 shows a configuration of the light source 10 used in the light projecting unit 5 of the film thickness sensor.
The light source 10 incorporates three LEDs 11, 12 and 13 having different output wavelength characteristics, two dichroic mirrors 14 and 15 having different transmission characteristics, and a condensing lens 16. For each of the LEDs 11 to 13, LEDs for red light emission, white light emission, and blue light emission (hereinafter referred to as “red LED 11”, “white LED 12”, and “blue LED 13”) are used.
[0030]
The red LED 11 is installed at a position away from the surface of the lens 16 by a predetermined distance with the optical axis aligned with the center of the lens. Between the red LED 11 and the lens 16, the two dichroic mirrors 14 and 15 are installed at a predetermined interval with the mirror surface inclined by 45 degrees with respect to the optical axis of the red LED 11. Further, each of the white and blue LEDs 12 and 13 is installed with an angle of 45 degrees with respect to the mirror surface of the dichroic mirrors 14 and 15 and with the optical axes aligned so as to be orthogonal to the optical axis of the red LED 11. The
In addition, the light source 10 incorporates drive circuits 17, 18 and 19 for individually controlling the output power of the LEDs 11 to 13.
[0031]
For the white LED 12 of this embodiment, a light source (for example, NSPW500 manufactured by Nichia Chemical Co., Ltd.) obtained by applying a resin mold in which a fluorescent paint is added to an LED chip is used. The LED 12 is distributed in a wavelength range of about 420 to 700 nm and has an output wavelength characteristic such that a first peak appears near 470 nm and a second peak appears near 560 nm. The blue LED 13 has a light source (for example, NSPB500 manufactured by Nichia Chemical Co., Ltd.) having an output wavelength characteristic in which an output power peak appears in the vicinity of 470 nm, and the red LED 11 has an output power peak in the vicinity of 680 nm. A light source having such output wavelength characteristics (for example, LN124W manufactured by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.) is used.
[0032]
The first dichroic mirror 14 installed at a position where the optical axes of the red LED 11 and the white LED 12 cross each other has a transmittance with respect to light of 600 nm or less close to 0 and a transmittance with respect to light in a wavelength region of 700 nm or later. Those having transmission characteristics close to 1 are used. The second dichroic mirror 15 disposed at the position where the optical axes of the red LED 11 and the blue LED 13 intersect with each other has a transmittance close to 0 for light before 470 nm and a transmittance for light in the wavelength region after 520 nm. Having a transmission characteristic such that is close to 1.
[0033]
FIG. 5 shows the relationship between the light transmission characteristics of the dichroic mirrors 14 and 15 and the output power characteristics realized by the light emitted from the dichroic mirrors 14 and 15 and the LEDs 11, 12, and 13.
Of the light of each wavelength emitted from the red LED 11, the light of the wavelength region after 600 nm passes through the first and second dichroic mirrors 14 and 15 in order and is guided to the lens 16. Regarding the light emitted from the white LED 12, light in the wavelength region before 600 nm is reflected by the first dichroic mirror 14 and travels toward the lens 16. Next, the second dichroic mirror 15 causes the vicinity of 470 nm. Since the light in the earlier wavelength region is shielded, the first peak light is removed, and the light including the second peak near 560 nm is guided to the lens 16.
[0034]
Regarding the light emitted from the blue LED 13, the light including the peak before 470 nm is reflected by the second dichroic mirror 15 and guided to the lens 16.
The light that is transmitted or reflected through the dichroic mirrors 14 and 15 and guided in the direction other than the lens 16 is absorbed by a light absorber (not shown).
[0035]
Therefore, from the red LED 11, light distributed in the vicinity of the wavelength range of 600 to 700 nm with a peak near 680 nm is emitted, and from the white LED 12, the light distributed in the vicinity of the wavelength range of about 500 to 600 nm with a peak near 560 nm is blue. From the LED 13, light distributed in the vicinity of a wavelength region of about 420 to 500 nm with a peak at around 470 nm is extracted, condensed by the lens 16, and emitted as light for measurement processing.
In this embodiment, the output powers of the LEDs 11, 12, 13 are individually adjusted by the drive circuits 17, 18, 19, respectively, and the LEDs 11, 12, 13 are taken out as shown in FIG. The three peaks are matched to the same level to ensure stable output power in a wide wavelength range.
[0036]
FIG. 6 shows a specific configuration of the film thickness sensor. In the figure, 5 is a light projecting unit, 6 is a light receiving unit, and 7 is a control circuit, both of which are incorporated in the controller 2.
The light projecting unit 5 includes the light source 10 having the above-described configuration, and emits light distributed in a wavelength range of about 420 to 700 nm. This light is applied to the surface of the substrate 8 from the tip of the sensor head 1 via the optical fiber cable 3a. This light is reflected on the surface of the thin film 8a on the substrate body 8b and the boundary surface between the thin film 8a and the substrate body 8b, and is reflected on the back surface after passing through the substrate body 8b. Then, the light is guided to the light receiving unit 6 through the optical fiber cable 3b.
[0037]
The light receiving unit 6 includes a spectral filter 20 using an optical multilayer film and a line CCD 21 (one-dimensional array of a plurality of CCDs). The reflected light is split into wavelengths by the spectral filter 20, and each of the split lights is taken into each CCD of the line CCD 21 to extract the intensity of the reflected light in the wavelength unit.
[0038]
The control circuit 7 is configured by connecting an A / D conversion unit 23, a display control unit 24, an input / output unit 25, and the like to a calculation unit 22 mainly composed of a microcomputer.
The A / D converter 23 extracts the light reception output from each CCD of the line CCD 21 and digitally converts the light reception data indicating the reflected light spectrum for the reflected light from the substrate 8. The calculation unit 22 takes in the received light data and executes a film thickness measurement process by a method described later.
[0039]
The input / output unit 25 takes in setting data such as material and optical constants for the substrate body 8b and the thin film 8a of the substrate 8 to be measured from the personal computer 4 and outputs the measurement result of the film thickness to the outside of the apparatus. belongs to. The display control unit 24 displays data on the display screen by giving display data such as the measurement result to the personal computer 4.
[0040]
In the film thickness sensor having the above configuration, after setting data indicating a theoretical reflection spectrum when the thickness of the thin film 8a is assumed to be a predetermined value, the theoretical reflection spectrum and the input from the A / D converter 23 are input. The method (curve fitting method) of comparing the reflection spectrum indicated by the received light reception data is sequentially performed while changing the assumed value of the film thickness, and the thickness of the thin film is specified using the comparison result for each film thickness.
[0041]
FIG. 7 shows the principle of the curve fitting method.
In the figure, S is a reflection spectrum indicated by actually measured light reception data. R _{A to} R _E are theoretical reflection spectra (hereinafter referred to as “theoretical curves”) obtained by the above equation (1) for each film thickness, and the degree of interference of light changes depending on the film thickness. Reflecting the phenomenon, each has a different distribution shape.
In the curve fitting method, a theoretical curve having a shape closest to the received light data is identified by sequentially obtaining a least square error for each theoretical curve with respect to a reflection spectrum obtained from measured received light data, and the film thickness corresponding to the theoretical curve is determined. Let d (1000 nm in the illustrated example) be the thickness of the thin film to be measured.
[0042]
A general theoretical curve is constituted by a theoretical reflectance R1 from the substrate for each wavelength unit. However, when a transparent substrate is used as a measurement target, it is necessary to set a theoretical curve that takes into account the influence of back-surface reflected light (P2, P3, P4... In FIG. 2).
[0043]
In this embodiment, the curve fitting method is executed by automatically setting the reflection spectrum model data in consideration of the ratio (light reception ratio) of light incident on the light receiving portion for each film thickness using the light reception data at the time of the measurement processing. As a result, even when substrates with varying thicknesses are introduced one after another into the measurement position, the thickness of each substrate is measured at high speed and with high accuracy.
[0044]
Here, the process of setting model data for measuring the film thickness of the transparent substrate will be described in detail.
When the thickness of the thin film on the substrate is d and the refractive index is n, the theoretical reflectance R1 (λ) on the substrate surface when light of wavelength λ is incident on the thin film is expressed by the following equation (2). Can do.
R1 (λ) = 1−A / {B + C × cos [(4π / λ) × n × d]} (2)
(A, B, and C are constants obtained from the refractive indexes of the substrate and the thin film.)
[0045]
Further, the values R2 (λ), R3 (λ), and R4 (λ) obtained for each wavelength of the reflectance of the back surface reflected light P2, P3, and P4 shown in FIG. 2 are the following (3) to (5), respectively. It is calculated by the formula. In the equations (3) to (5), R0 (λ) is the reflectance at the boundary surface between the surface of the substrate and air.
R2 (λ) = (1−R1 (λ)) ² × R0 (λ) (3)
R3 (λ) = (1−R1 (λ)) ² × R0 (λ) ² × R1 (λ) (4)
R4 (λ) = (1−R1 (λ)) ² × R0 (λ) ³ × R1 (λ) ² (5)
[0046]
It should be noted that the reflectance of the back surface reflected light after P4 can be derived by the same formula, but the reflectance decreases as the reflection is repeated. Therefore, the calculation of the reflectance is limited to the level of the above formula (5). The total value Rb (λ) of each back surface reflectance may be calculated. However, if the reflectance after R3 (λ) is a minute value, R2 (λ) may be used as the back surface reflectance Rb (λ).
[0047]
In this embodiment, based on the above principle, theoretical reflectances R1 (λ) and Rb (λ) for each wavelength λ when the film thickness d of the substrate is assumed to be a predetermined value are obtained, and these reflectances R1 are calculated. Average values R1a and Rba of (λ) and Rb (λ) are calculated. Further, the average value Sa is also calculated for the reflectance S (λ) indicated by the light reception data obtained by the substrate 8 to be measured, and these average values Sa, R1a, Rba are applied to the following equation (6), thereby the back surface. The light reception ratio y of the reflected light is calculated.
y = (Sa−R1a) / Rba (6)
[0048]
Therefore, by reflecting the theoretical reflectances R1 (λ) and Rb (λ) and the light reception ratio y calculated by the above method for each wavelength λ, the reflection received at the wavelength λ The theoretical reflectance R (λ) of light is obtained and stored in the memory as data representing a theoretical curve for comparison with the received light data (hereinafter referred to as model data R (λ)).
R (λ) = R1 (λ) + Rb (λ) × y (7)
[0049]
FIG. 8 shows a series of procedures by the film thickness sensor. This procedure is a procedure for measuring the film thickness of one substrate, and is started when light reception data is taken into the calculation unit 22 by processing of the light projecting / receiving units 5 and 6 for the substrate 8 to be measured. .
[0050]
First, in ST1, the light from the light projecting unit 5 is irradiated onto the substrate 8, and the light reflected from the substrate 8 is received by the light receiving unit 6 to generate data S (λ) indicating the reflectance. (Hereinafter, this S (λ) is referred to as “measurement data”.)
In the next ST2, an average value Sa of the measurement data S (λ) is calculated. In ST3, the assumed film thickness d of the substrate to be measured is set to the minimum value dx, and then the processes of ST4 to ST8 are executed.
[0051]
First, in ST4, theoretical reflectances R1 (λ) and Rb (λ) from the front and back surfaces of the substrate when the film thickness is dx are calculated using the above equations (2) to (5). Next, after obtaining average values R1a and Rba of these reflectances R1 (λ) and Rb (λ) in ST5, in ST6, the average values R1a and Rba and the average value Sa of the measurement data are calculated as (6 ) To calculate the light reception ratio y of the back surface reflected light.
[0052]
Further, in ST7, after obtaining model data R (λ) indicating a theoretical curve using the equation (7), in the subsequent ST8, the least square error between the model data R (λ) and the measurement data S (λ) is calculated. Ask.
[0053]
Thereafter, the processing of ST4 to 8 is performed for each film thickness while increasing the value of the film thickness d by Δd in ST9. Note that the least square error in each film thickness is sequentially stored in the memory in association with the size of the film thickness d.
When the processing up to the maximum film thickness dy is completed in this way, ST10 is “YES”, the process proceeds to ST11, and the film thickness dz when the least square error is minimum is extracted. In ST12, the film thickness dz is specified as the film thickness of the substrate to be measured, and the specified result is output to the outside via the input / output unit 27 and the display control unit 26.
[0054]
In this embodiment, the theoretical reflectances R1 (λ) and Rb (λ) are calculated in ST4 for each film thickness d. Instead, R1 (λ), If the result of obtaining the value of Rb (λ) is set in the memory as a table, in ST4, it is only necessary to read out the theoretical values R1 (λ) and Rb (λ) corresponding to the film thickness from the table. Is faster. This table can also be used when setting model data in ST7.
[0055]
FIG. 9 (1) shows an example of a curve based on theoretical reflectances R1 (λ) and Rb (λ). FIG. 9 (2) is a theoretical curve based on the model data R (λ) set by applying these R1 (λ) and Rb (λ) to the equation (7), and the curve indicated by the solid line in FIG. A theoretical curve when the light reception ratio y is 0.5, and a curve indicated by a chain line are theoretical curves when the light reception ratio y is 1.
[0056]
The curve indicated by R1 (λ) in FIG. 9 (1) is a theoretical curve for a substrate that does not involve normal back-surface reflection. As shown in each theoretical curve in FIG. 9 (2), the light reception data on the transparent substrate shows a higher reflectance than normal because of the amount of reflected light on the back surface. Therefore, the above-described curve fitting method uses the theory based on R1 (λ). When a curve is used, even a theoretical curve corresponding to the thickness of a thin film to be measured causes a large error, and as a result, there is a possibility that the film thickness is erroneously measured.
[0057]
In this embodiment, the theoretical reflectances R1 (λ), Rb (λ), and measurement data S (λ) at the film thickness d are sequentially changed according to the procedure of FIG. ) Is used to set the model data by assuming the light reception ratio y of the back-surface reflected light using the average values of), and the light reception ratio y when the value of the film thickness d is closest to the film thickness of the actual substrate. This assumed value accurately represents the light receiving ratio on the actual substrate. Therefore, the error between the model data R (λ) and the measurement data S (λ) at this time is minimized, and the film thickness measurement on the transparent substrate can be accurately performed.
Note that even when a plurality of substrates are continuously supplied, it is only necessary to repeat the procedure of FIG. 8, so that high-speed measurement processing can be performed even when substrates with variations in thickness are supplied.
[0058]
However, for any supplied substrate, if it can be guaranteed that the thickness of the substrate will fluctuate within a range where all back-surface reflected light can be received, the light reception ratio y is fixed to “1” according to the designation from the outside. Also good.
[0059]
FIG. 10 is a graph obtained by measuring the light receiving state of the reflected light in the film thickness sensor of this embodiment, and shows the relationship between the reflected spot and the ratio of receiving the reflected light from that spot. Note that the position of each point is represented by the distance from the standard position, with the position at a predetermined distance (for example, 10 mm) from the lens 1a in the sensor head 1 as the standard position.
[0060]
In this graph, almost all the light reflected at a position approximately 2 mm above and below the standard position is received, but the light reception ratio for the light reflected at a position exceeding 2 mm from the standard position is greatly reduced. The phenomenon is expressed. That is, if the thickness of the substrate to be measured is within 2 mm, the light reception ratio of the back surface reflected light can be set to “1” by adjusting either the front surface or the back surface of the substrate to the standard position.
[0061]
When the light reception ratio changes as shown in this graph, for example, when the operator inputs “2 mm” as the upper limit value of the thickness of the substrate to be measured, the calculation unit 22 fixes the light reception ratio y to “1”. For the substrate, the procedure skipping ST6 in FIG. 8 is executed, and the processing can be further speeded up.
Instead of inputting a numerical value indicating the thickness of the substrate, the display such as the display of the personal computer 4 is used to present options such as “thick” and “thin”, and when the operator selects “thin” The ratio y may be fixed to “1”.
[0062]
Furthermore, even if the thickness of the substrate exceeds 2 mm, if it can be ensured that the variation width of the thickness is within the error range, the input of numerical data indicating the thickness of the substrate is accepted, and light is received corresponding to the thickness. The ratio y can be fixed, and the film thickness measurement process can be similarly accelerated.
[0063]
【The invention's effect】
In this invention, when measuring the thickness of the thin film of the transparent substrate, a model in which light including reflected light from the front surface and the back surface of the substrate is received for each film thickness using the light reception data obtained by the measurement target substrate. Data is automatically set, and the film thickness of the substrate to be measured is specified by comparing each model data with the received light data, so the measurement process is interrupted even if substrates with varying thickness are supplied continuously Therefore, the film thickness can be measured at high speed and with high accuracy, and a film thickness sensor suitable for in-line measurement can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the relationship between the thickness of a transparent substrate and the state of incidence of back-surface reflected light on a lens.
FIG. 2 is a diagram illustrating the concept of reflected light from the front and back surfaces of a transparent substrate and the reflectance corresponding to each reflected light.
FIG. 3 is a view showing an appearance of a film thickness sensor according to one embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a configuration of a light source used in a light projecting unit of the film thickness sensor in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between output characteristics of a light source and transmission characteristics of a dichroic mirror.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a configuration of a film thickness sensor.
FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of a curve fitting method.
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for film thickness measurement.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a theoretical reflectance and a theoretical curve in consideration of the influence of back surface reflected light.
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a reflection point and a ratio at which reflected light from the point is received.
[Explanation of symbols]
5 Light Emitting Unit 6 Light Receiving Unit 8 Substrate 8a Thin Film 1a Objective Lens 20 Spectral Filter 21 Line CCD
22 Calculation unit

Claims

Using the light reception data obtained from the output signals from each light receiving element, irradiating light on the surface of the transparent substrate and dispersing the reflected light from the substrate with respect to the irradiation light for each wavelength unit and guiding each light to each individual light receiving element In the method of measuring the thickness of the thin film formed on the surface of the substrate,
A step of obtaining a theoretical reflectance for each wavelength unit on the front and back surfaces of the substrate when the film thickness is assumed to be a predetermined value;
Based on the theoretical reflectance and the light reception data, calculating a ratio of light incident on the light receiving element out of the back surface reflected light of the transparent substrate,
Using the theoretical reflectance on the front and back surfaces of the substrate and the incidence ratio of the back surface reflected light to the light receiving element, setting the model data of the reflection spectrum represented by the output signal from each light receiving element,
Comparing the received light data with model data;
Each step is executed for each film thickness while changing the assumed film thickness value, and the thickness of the thin film is specified based on the comparison result between the received light data and the model data obtained at each film thickness. The film thickness measuring method.

A sensor for measuring the thickness of a thin film formed on the surface of a transparent substrate,
A light source for irradiating light on the substrate to be measured;
A light receiving means comprising: a spectroscopic element that divides the reflected light from the substrate surface with respect to the irradiation light; and a plurality of light receiving elements for receiving light divided into predetermined wavelength units by the spectroscopic element;
Measuring means for measuring the thickness of the thin film using received light data obtained from an output signal from each light receiving element of the light receiving means,
The measuring means includes
Processing for obtaining the theoretical reflectance on the front and back surfaces of the substrate when the film thickness to be measured is a predetermined value for each wavelength unit, and using the theoretical reflectance and the received light data, the transparent Using the processing for calculating the ratio of the light incident on the light receiving means out of the back surface reflected light of the substrate, the theoretical reflectance on the front and back surfaces of the substrate, and the incidence ratio of the back surface reflected light to the light receiving means A process for setting the model data of the reflection spectrum represented by the output signal from the light receiving element and a process for comparing the light receiving data with the model data are executed for each film thickness while changing the assumed film thickness value. A film thickness sensor in which the thickness of the thin film is specified based on a comparison result for each film thickness.

3. The film thickness sensor according to claim 2, further comprising a lens for narrowing and irradiating light from the light source to a predetermined position on the surface of the substrate and guiding the irradiation light to a light receiving means. Film thickness sensor.

The measuring means includes means for receiving input of data indicating the thickness of the substrate to be measured, and when the input data is thinner than a predetermined maximum thickness, the incident ratio of the back surface reflected light to the light receiving means is “1”. The film thickness sensor according to claim 2, wherein the model data is set in a fixed manner.