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JP3944693B2 - Film thickness measuring device - Google Patents
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JP3944693B2 - Film thickness measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、液晶表示パネル用カラーフィルタとして機能するRGB各レジスト膜の膜厚測定等の用途に好適な光干渉式の膜厚測定装置に係り、特に、測定媒体として赤外光を使用することにより、フィルタとしての波長選択特性の影響を受けることなく、RGB各レジスト膜の膜厚を正確に測定可能とした膜厚測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶への低コスト化の要求は高まってきている。液晶の低コスト化を阻む要因として現在最も大きな割合を占めているのがカラーフィルタの不良であり、液晶の価格を下げるためには、カラーフィルタの不良によるロスコストを低減させることが重要である。
【0003】
カラーフィルタの不良は、液晶の製造工程においては点灯検査で発見されるが、点灯検査はカラーフィルタ製造後、TFT基板を張り合わせて液晶を注入した後にはじめて可能となることから(液晶製造工程の最終段階)、不良発見時のロスコストが非常に大きい。なぜなら、不良が発見された液晶自体のロスはもちろんであるが、不良発見までに相当の時間が経過していることから、不良の原因がプロセス条件のずれなどの場合、その間に製造されたカラーフィルタ、それと張り合わされたTFT基板などすべてが不良品となってしまうからである。
【0004】
また、カラーフィルタの不良の判断基準は、液晶完成時の画質の均一性(色むら、輝度むら)であるが、この画質の均一性への要求も高まってきている。そのためにはカラーフィルタの膜厚をより均一に管理する必要があり、カラーフィルタ膜厚の製造許容範囲は狭くなってきている。
【0005】
この種のカラーフィルタの製造プロセスは、例えば、赤色(R)プロセス、緑色(G)プロセス、青色(B)プロセスの順に三段階に分けて行われる。各色のプロセスには、コート処理工程(1)、ベーク処理工程(2)、露光処理工程(3)、現像処理工程(4)、ストリップ処理工程(5)が含まれる。
【0006】
先ず、コート処理工程(1)では、ガラス基板の表面に該当色の選択透過特性を有するレジストを全面一様に均一な厚さでコートする。続くベーク処理工程(2)では、先の工程でコートされたレジスト膜を焼成して安定化させる。続く露光処理工程(3)では、各画素に対応する微細領域が均一に分散するようにして、レジスト膜を選択露光させる。続く現像処理工程(4)では、選択露光により生じた微細フィルタ領域を出現させる。続くストリップ処理工程(5)では余分なレジストを除去して、微細フィルタ領域以外の部分のガラス板表面を露出させる。
【0007】
なお、各色のプロセス終了時点においては、一枚分のフィルタパネル領域の周縁部は額縁状にガラス板表面が露出された状態となる。そのため、コート処理によりレジストをコートした際には、このフィルタパネル領域周縁部にコートされるレジストの膜厚を測定することで、各画素に対応する微細フィルタ領域における各色レジスト膜の膜厚を正確に知ることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
液晶のカラーフィルタの膜厚管理は現在、触針方式の膜厚検査装置により行われている。すなわち、赤色(R)プロセス、緑色(G)プロセス、青色(B)プロセスのそれぞれにおいて、レジスト膜がコートされる毎に、フィルタパネル周縁部のレジスト膜に探針を当てて膜厚測定を行うのである。
【0009】
しかし、この触針方式の膜厚測定装置にあっては、検査に非常に時間がかかるため、検査は抜き取りでしか行うことができず、必然的にオフライン検査とならざるを得ない。全数検査すると製造にかかる時間が長くなりコストが高くなるからである。そのため、この方式にあっては、不良製品の検出には限界があり、十分にロスコストを低減させるには至らない。
【0010】
一方、非接触で短時間に薄膜の膜圧を測定できる装置としては、ハロゲンランプを用いた光学式の膜厚検査装置が知られている。この装置は、光干渉式の膜厚測定装置とも呼ばれ、ハロゲンランプからの白色光を測定対象となる膜体に照射し、膜体表面反射光と膜体裏面反射光とが相互干渉して生ずる干渉波形に基づいて膜厚を求めるものである。この膜厚測定装置において、測定レンジを十分に満足させるためには、かなり広い波長領域においてほぼ均一な出力パワー特性を有する測定光を用意すると共に、これを測定対象となる膜体に全波長に亘って均一に透過させることを要求される。また、抜き取り検査では、不良を発見しても、その時点までに既に多くの不良品を生産してしまっているため、コストを十分低減するには至らない。
【0011】
しかし、測定対象となるカラーフィルタの各RGBレジスト膜には、図27に示されるように、RGBのそれぞれに対応して固有の光吸収特性が存在するため、ハロゲンランプからの均一な波長成分を有する測定光をそれらのレジスト膜に照射したとしても、透過光の波長は大きく偏った不均一なものとなり、非透過波長光に対しては光干渉効果が得られないことから、膜厚測定に支障を来す。
【0012】
加えて、光源に使用されるハロゲンランプは、比較的に大型で嵩張ること、寿命が約1000時間と短いことから頻繁な交換が必要となること、発熱量が大きく精密な温度管理が必要なプロセスにおいては設置場所が限定されること、等の点で、液晶表示パネルのカラーフィルタ生産ラインにおけるインライン測定には不向きである。
【0013】
他方、小型で寿命が長くかつ発熱しない光源装置を使用したインライン測定も可能な光干渉式の膜厚測定装置としては、先に、本出願人より国際公開公報WO01/01070A1において提案された膜厚センサが知られている。
【0014】
しかし、この膜厚センサにあっても、カラーフィルタの各RGBレジスト膜に適用した場合には、光源装置から発せられる約400nm〜700nmの波長領域にかけての広い波長領域の白色光は、カラーフィルタのRGBレジスト膜を各波長均一に透過することができないから、依然として、膜厚測定に必要な適正な干渉波形を生成させることができない。
【0015】
ここにおいて、本発明者等は、上記の問題点を解決すべく鋭意研究の結果、カラーフィルタのRGBレジスト膜に関する選択的光透過性乃至選択的光吸収性の問題は、測定光として赤外光を使用することで解決できるとの知見を得た。
【0016】
すなわち、図1に示されるように、液晶表示パネルのカラーフィルタを構成するRGB各レジスト膜の分光透過率特性は、約400nm〜約700nmに至る可視光領域においては、RGBレジスタ膜としての選択透過性により大きくかつ不均一に減衰されるのに対して、約800nmを越える近赤外領域乃至赤外領域においては、RGBいずれのレジスト膜においても殆ど減衰されず(ほぼ透明状態)、全波長域において均一な透過特性が得られる。したがって、測定光として近赤外光乃至赤外光を使用すれば、RGBいずれのレジスト膜にあっても、表面反射光と裏面反射光との干渉により明瞭な光干渉波形が得られ、これに基づいて、公知の演算手法により、RGB各レジスト膜の膜厚を正確に測定できる筈である。
【0017】
この発明は、上述の知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、液晶表示パネルのカラーフィルタを構成するRGB各レジスト膜の膜厚を正確に測定可能な光干渉式の膜厚測定装置を提供することにある。
【0018】
この発明の他の目的は、ポリシリコン等の可視光吸収特性を有するシリコン系薄膜の膜厚を正確に測定可能な光干渉式の膜厚測定装置を提供することにある。
【0019】
この発明の他の目的は、液晶表示パネルのカラーフィルタ製造ラインに組み込んで、カラーフィルタを構成するRGB各レジスト膜の膜厚を非接触で高速に測定可能な光干渉式の膜厚測定装置を提供することにある。
【0020】
この発明の他の目的は、液晶表示パネルのカラーフィルタ製造ラインにおいて製品の全数検査を高速に行うことにより、ロスコストを可及的に低減させて、液晶パネルの品質向上並びにコストダウンを可能とする光干渉式の膜厚測定装置を提供することにある。
【0021】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、以下の明細書の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明の光干渉式の膜厚測定装置は、測定光として赤外光を使用することを特徴とする。使用可能な赤外光の波長領域としては、干渉波形が明瞭に現れる限りにおいては、その上下限を制限する積極的な理由は存在しない。しかし、波長が短いほど、薄い膜まで測定が可能であること、波長帯域が広いほど、干渉波形から精度良く膜厚を算出することがかのうであること、光電変換素子として使用するCCD素子の受光感度特性は波長が長くなるほど低下すること等を考慮すると、測定光として使用される赤外光としては、約800nm〜1000nmの波長領域において連続波長帯域を有するものであることが好ましい。
【0023】
本発明の光干渉式の膜厚測定装置に好適な測定対象膜体としては、先ず第1に、液晶表示パネル用カラーフィルタとして機能するRGB各レジスト膜を挙げることができる。すなわち、先に説明したように、RGB各レジスト膜は可視光領域においてはそれぞれ固有の光吸収特性を有するものの、赤外光領域においては殆ど光吸収特性は存在せず、ほぼ透明に近い光透過特性を有する。そのため、光干渉式の膜厚測定装置において、測定光として赤外光が使用されれば、RGBレジスト膜において明瞭な光干渉波形を現出させることができ、これに基づいて、カーブフィッティング法や極値探査法等の公知の演算手法により、それらの膜厚を正確に測定することができる。
【0024】
他の好適な測定対象膜体としては、ポリシリコン等のシリコン系の薄膜が挙げられる。このようなシリコン系の膜体も可視光吸収特性を有するため、測定光として可視光を使用する場合には、明瞭な光干渉波形を現出させることができない。本発明の赤外光を使用する光干渉式の膜厚測定装置によれば、シリコン系の膜体にあっても、十分に膜体中に赤外光を透過させて、明瞭な光干渉波形を現出させることにより、その膜厚を正確に測定することができる。
【0025】
別の一面から見た本発明の膜厚測定装置は、赤外光を発する光源部と、光源部から発せられた赤外光を測定物体である膜体に向けて出射すると共にその反射光を入射して分光部へと導く送受光学系と、分光部から得られる一連の成分光を適宜に区分して個別に光電変換する光電変換部と、光電変換部から得られる干渉波形相当の電気信号に基づいて膜厚を求める演算部と、を具備することを特徴とするものである。このような構成によれば、液晶表示パネル用カラーフィルタとして機能するRGB各膜厚やポリシリコン等のシリコン系膜体の膜厚を光干渉波形に基づいて正確に測定するとこができる。ここで、光電変換部としては、ラインCCD、二次元CCD、フォトダイオードアレイ等のように、独立した複数の光電要素を含む素子を使用することができる。
【0026】
本発明の好ましい実施の一形態においては、光源部から発せられる赤外光をモニタするためのモニタ用分光部とモニタ用光電変換部とをさらに具備することができる。このような構成によれば、光源から発せられた原赤外光の波長特性と測定物体で干渉された変調赤外光の波長特性とを同時に取得することができ、原赤外光の波長特性取得のための測定前処理工程が不要となる。
【0027】
本発明の好ましい実施の形態においては、分光部へ至る入射経路にはさらに鏡面筒を介在することができる。このような構成によれば、測定物体の傾きによる干渉波形のずれが抑制されるため、測定対象パネルに反りや歪みがあったとしても、測定精度を維持することができる。
【0028】
本発明の好ましい実施の形態においては、光源部が、出力波形特性の異なる複数の半導体赤外発光素子と、各半導体赤外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、各半導体赤外発光素子の出力パワーを個別に設定する手段とを有し、各半導体赤外発光素子から取り出された光を重ね合わせて出射するように構成されていてもよい。このような構成によれば、比較的に広い一定波長領域において、連続波長帯域を有する測定用赤外光を生成することができると共に、光源の小型化、長寿命化(メンテナンスフリー)、冷光源化等により、膜厚測定装置の製造ラインへの組み込みを容易とすることができる。
【0029】
本発明の好ましい実施の形態においては、送受光学系として、ビームスプリッタを含む送受同軸光学系を採用してもよい。このような構成によれば、送受光学系の小型化により製造ラインへの組み込み容易化を図ると共に、投光及び受光経路における光パワー損失を最小として、検出感度の向上を図ることができる。
【0030】
本発明の好ましい実施の形態においては、分光部として、透明基板の表面に、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を形成した分光素子を採用してもよい。このような構成によれば、分光部の小型化、長寿命化等により、膜厚計測装置の製造ラインへの組み込み容易化を図ることができる。
【0031】
本発明の好ましい実施の形態においては、光源が少なくとも赤外光を含む光を発するものであり、分光部が赤外光のみを透過し分光するようにしてもよい。このような構成によれば、光源からの光に可視光が含まれていても、測定動作を正常に行うことができる。
【0032】
本発明の好ましい実施の形態においては、演算部として、カーブフィッティング法又は極値法により赤外波長領域のみを演算して膜厚を求めるものを採用することができる。このような構成によれば、光電変換部から得られる分光波長データに基づいて、コンピュータ演算により、膜厚を迅速かつ正確に求めることができる。
【0033】
別の一面から見た本発明の膜厚測定装置は、測定物体の間近に取付可能なセンサヘッドと、測定物体から離隔して取付可能な信号処理ユニットとに分離構成され、両者は電線により結ばれている。センサヘッドには、光源部と、送受光学系と、分光部と、光電変換部とが含まれており、信号処理ユニットには、演算部が含まれている。このような構成によれば、センサヘッドの小型化により、製造ラインへの組み込みが一層容易となる。
【0034】
好ましい実施の一形態においては、信号処理ユニットは、パソコンの内部スロットに装着可能なPCIボードの形態を有するものとしてもよい。このような構成によれば、PCIボードをパソコンに組み込むことにより、測定用のアプリケーションとの連繋を容易とすることができる。
【0035】
さらに、好ましい実施の形態においては、センサヘッドが、液晶パネル用カラーフィルタの生産ラインに組み込まれ、それによりカラーフィルタを構成するRGB各レジスト膜の膜圧が連続的に測定されるようにしてもよい。このような構成によれば、連続測定された膜厚データによる欠陥製品の早期発見、並びに、連続測定された膜厚データの工程へのフィードバック処理等により、ロスコストの低減並びに製品の品質向上を図ることができる。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の好適な実施の一形態を添附図面を参照しながら詳細に説明する。
【0037】
第1実施形態に係る膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図が図2に示されている。同図に示されるように、この膜厚測定装置は、測定対象物(例えば、生産ラインを流れてくるカラーフィルタ板等)7の間近に取り付けることが可能な小型のセンサヘッド1と、測定対象物7から離隔して設置されたパソコン(PC)5の内部スロットに装着可能なPCIボード3とを含んでいる。
【0038】
センサヘッド1とPCIボード3との間はケーブル(電線)2で結ばれいる。PCIボード3とパソコン(PC)5のCPU(図示せず)との間はPCIバス4で結ばれている。なお、図中符号5aは、パソコン(PC)5に組み込まれるアプリケーションソフトであり、符号6は膜厚計測データや膜厚判定出力(LOW,HIGH,PASS等)を外部へ出力したり、外部から各種のデジタル指令信号を入力するための外部インタフェースである。アプリケーションソフト5aとしては、膜厚測定データの加工、表示、判定処理等を司る各種の機能処理が含まれている。
【0039】
センサヘッド1内には、投光部11と受光部12とが含まれている。投光部11内には、赤外光を発する光源部と、光源部から発せられた赤外光を測定対象物7に向けて出射するための送光側光学系とが含まれている。受光部12内には、測定対象物7からの反射光を入射して分光部へと導く受光側光学系と、分光部から得られる一連の成分光を適宜に区分して個別に光電変換する光電変換部とが含まれている。なお、それら光源部、送光側光学系、受光側光学系、分光部、並びに、光電変換部の具体的構成については、後に詳細に説明する。
【0040】
第1実施形態に係る膜厚測定装置のセンサヘッド内光学系の概略構成図が図3に示されている。同図に示されるように、センサヘッド1内には、光源部として機能する赤外光LED111と、送光側光学系と受光側光学系との双方の機能を有するレンズ101並びにハーフミラー102と、測定対象物からの反射光を分光する分光部として機能する分光素子121と、分光部から得られる一連の成分光を適宜に区分して個別に光電変換する光電変換部として機能するCCDとを含んでいる。
【0041】
すなわち、赤外光LED111は赤外光を測定光として放出する。測定光となる赤外光としては、例えば800nm〜1000nmの波長領域において連続波長帯域を有するものが好ましい。800nm〜1000nmの波長領域は必ずしも全域でなくとも良い。測定対象膜が厚ければ、干渉波形の波の数が多くなるため、波長領域が短くとも、十分な測定精度を得ることができる。このような場合には、800nm〜900nm等でもよい。
【0042】
勿論、光源部から発せられる光それ自体は、400nm〜700nmの可視光波長領域の成分を含んでいてもよいが、それらの可視光成分はカラーフィルタの膜厚測定には悪影響を与える。すなわち、400nm〜700nmの可視光波長領域を含むと、カラーフィルタの膜厚測定時には、ある特定波長域(可視)だけが吸収を受けてしまい、理論的に求められる干渉波形と異なったものになる。すると、演算時にフィッティングができなくなったり、本当にあるべき極値がなくなる等により、正しい膜厚を導出することができなくなる。そのため、400nm〜700nmの可視光波長領域を含む場合には、分光部で赤外光波長領域のみを選択するか、演算部において赤外波長領域のみを対象として演算する等の配慮が必要となる。
【0043】
もっとも、理想的には、LEDも、分光部も、演算波長領域も全て赤外光とすることが好ましいことは言うまでもない。このとき、LEDを赤外光とするのは、光利用効率を最大化するためであ。また、分光部の透過光を赤外光とするのは、光利用効率最大化と分解能最大化のためである、さらに、演算波長領域については、赤外光にしないと、適切な測定ができないためである。
【0044】
赤外光の波長領域の下限を800nmとしたのは、それよりも短い波長領域では測定対象物であるカラーフィルタ用のレジスト膜に吸収され、光干渉波形の現出に寄与しないからである。また、赤外光の波長領域の上限を1000nmとしたのは、それよりも長い波長領域では光電変換部を構成するCCDの受光感度が低いこと、波長がそれよりも光干渉式膜厚測定ではカラーフィルタの膜厚測定に適用した場合、測定精度が低下すること、等の理由からである。
【0045】
レンズ101とハーフミラー102とは、同軸送受光学系を構成する。すなわち、赤外光LED111から発せられた赤外光は、ハーフミラー102にて図中下向きに反射されたのち、レンズ101を通って測定物体7に対して垂直に照射される。この照射された赤外光は、測定物体7が例えばカラーフィルタのRGBレジスト膜であれば、その表面並びに裏面にて反射され、それらの表面反射光と裏面反射光とは合成されたのち、再び、レンズ101を通って垂直上向きに戻され、その後、ハーフミラー102を透過して、分光素子121へと導かれる。この分光素子121に入射される赤外光には、測定物体7の膜厚に対応する光干渉波形情報が含まれる。
【0046】
分光素子121は、入射される赤外光をそれに含まれる各波長成分毎に分けて透過させる。分光素子121の動作特性を説明するための概念図が図4に示されている。同図に示されるように、分光素子121は、透明基板であるガラス基板121b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121aを形成したものである。より具体的には、光学多層膜を構成する各層の光学的膜厚を一次元方向に連続的に変化させることにより、光学多層膜の透過波長特性を連続的に変化させている。この分光素子121の各位置を透過した光をラインCCD、二次元CCD、フォトダイオードアレイ等の独立した複数の受光要素を有する素子にて受光することにより、各波長における光強度を検出し、分光データを得ることができる。このような多層膜構造によれば、従来の回折格子を使用したものに比べて、分光素子の大幅な小型化が可能となり、ひいてはセンサヘッドの小型化による製造ラインへの組み込みが容易となる。
【0047】
CCD122は、分光素子121の各位置を透過した光を受光することにより、各画素に対応するシリアル受光信号を出力する。このシリアル受光信号には、膜厚測定に必要な干渉波形情報が含まれている。
【0048】
図2に戻って、PCIボード3内には、投受光制御部31と、A/D変換部32と、ファームウェア33aでマイコンを機能構成してなる信号処理部33とが含まれている。A/D変換部32は、センサヘッド1に含まれるCCD122の出力信号をA/D変換したのち、信号処理部33へと受け渡す。この信号処理部33へと受け渡されるデジタル信号には測定される膜厚に対応した干渉波形情報が含まれている。投受光制御部31は、投光部11に含まれる赤外光LED111の点灯パワーや点灯タイミング等を制御する。赤外光LED111の点灯パワーの制御のためには、例えばLED111の駆動電流を可変抵抗器にて調整する処理が実施される。点灯パワーの制御のためには、また、投受光制御部31は、受光部12に含まれるCCD122の撮影乃至映像信号読出動作を制御する。
【0049】
信号処理部33は、A/D変換部32から得られる干渉波形情報に基づいて、カーブフィッティング法や極値探査法等の公知の手法を用いて、目的とする膜体の膜厚を演算により求め、これをPCIバス4を介してパソコン(PC)5のCPUへと受け渡す。なお、膜厚測定のための演算処理については後に図面を参照しつつ詳述する。
【0050】
こうして受け渡された膜厚測定値は、パソコン(PC)5にてアプリケーションソフト5aを実行させることにより、パソコンの画面上に表示させたり、規定のしきい値と比較して二値化されたのち、判定出力(PASS,LOW,HIGH等)として、外部インタフェース6から外部へと送出される。一方、パソコン(PC)5において所定のアプリケーションソフト5aが実行されると、キーボード、マウス等の操作で生成されたコマンドは、PCIバス4を介して信号処理部33へと送り込まれ、これにより信号処理部に対する各種の指示乃至指令が実現される。
【0051】
測定光として赤外光を使用した膜厚測定装置により得られるカラーフィルタの干渉波形例が図5〜図7に示されている。図5に示されるように、液晶表示パネル用のカラーフィルタを構成するR(赤色)レジスト膜については、約600nm以上の波長領域において明瞭な干渉波形が得られた。図6に示されるように、液晶表示パネル用のカラーフィルタを構成するG(緑色)レジスト膜については、約800nm以上の波長領域において明瞭な干渉波形が得られた。図7に示されるように、液晶表示パネル用のカラーフィルタを構成するB(青色)レジスト膜については、約800nm以上の波長領域において明瞭な干渉波形が得られた。その結果、測定光として赤外光(約800nm以上の波長領域の光)を使用すれば、RGBの別を問わず、フィルタ膜厚に対応する干渉波形を明瞭に現出させ、これに基づいて膜厚を正確に測定することができることが確認された。
【0052】
以上説明した第1実施形態に係る膜厚測定装置によれば、測定光として赤外光の採用により、可視光領域において光吸収特性を有するカラーフィルタのレジスト膜であっても、光選択透過性の影響を受けることなく正確な膜厚測定ができることに加えて、装置全体をセンサヘッド1とPCIボード3とに分離構成して、両者をケーブル2で結ぶ構成を採用すると共に、センサヘッド1に組み込まれる光源部(赤外光LED111)、光学系(レンズ101、ハーフミラー102)、分光部(分光素子121)、光電変換部(CCD122)として、いずれも小型化が可能な要素部品を採用したため、センサヘッド1をカラーフィルタの生産ラインに組み込んで、所謂インライン計測を実現することが可能となる。
【0053】
次に、第2実施形態に係る膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図が図8に示されている。同図において、第1実施形態と同一構成部分については、同符号を付すことにより、説明は省略する。
【0054】
この実施形態の特徴は、PCIボード3Aとして、受光部35と投光部34とが内蔵されているものを採用したこと、測定物体の間近に取付可能な検出端としてファイバヘッド8を採用したこと、並びに、ファイバヘッド8とPCIボード3Aとの間を光透過率が高くかつ屈曲性の良好なバンドルファイバからなる光ファイバ9で結んだ点にある。
【0055】
すなわち、投光部34内には、図3に示すものと同様の赤外光LED111が内蔵され、このLED111から発せられる赤外光はファイバ9の入射端に導入され、ファイバ9内を通ってファイバヘッド8の先端から測定物体7へと照射される。一方、測定物体7からの反射光は、ファイバヘッド8の先端からファイバ9内へと導入され、ファイバ9を通って受光部35へと導入される。この導入された光は、受光部35に内蔵された図3に示すものと同様の分光素子121へと照射される。以後、第1実施形態と同様にして、分光素子121の透過光はCCD122により受光されて、干渉波形情報を含む分光データが生成される。
【0056】
以上説明した第2実施形態に係る膜厚測定装置によれば、検出端であるファイバヘッド8は、光学部品や各種電子部品を内蔵するセンサヘッド1に比べて著しく小型化が可能であるから、カラーフィルタ生産ラインの狭小なスペースにも容易に組み込みが可能であり、しかもファイバ9として光透過率乃至屈曲性が良好なバンドルファイバを採用しているため、赤外光領域におけるCCDの感度不足(図9参照)に拘わらず、さほど検出応答性を損ねることなく、正確な膜厚測定を行うことができる。なお、バンドルファイバの透過率は約60%であるから、投光側と受光側とで総合透過率は36%が得られることが確認された。
【0057】
次に、第3実施形態に係る膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図が図10に示されている。同図において、第1実施形態と同一構成部分については、同符号を付すことにより、説明は省略する。
【0058】
この実施形態の特徴は、センサヘッド1A内にモニタ用受光部13を設けたこと、PCI5ボード3内にA/D変換器36を設けたこと、及びPCIボード3内の投受光制御部31によってセンサヘッド1A内のモニタ用受光部13を駆動制御すると共に、モニタ用受光部13から得られる映像信号をA/D変換器36を介してデジタル信号に変換した後、信号処理部33Aに受け渡すようにした点にある。
【0059】
第3実施形態に係る膜厚測定装置のセンサヘッド内光学系の概略構成図が図11に示されている。同図において、第1実施形態と同一構成部分については同符号を付して説明は省略する。このセンサヘッド内光学系の新規な点は、モニタ用分光素子131とモニタ用CCD132とが新たに設けられた点にある。
【0060】
すなわち、同図において、赤外光LED111から発せられた赤外光は、第1実施形態と同様にして、ハーフミラー102の下面で図中垂直下向きに反射された後、レンズ101を経由して、測定物体7の表面に照射される。一方、測定物体7の表面並びに裏面で反射された反射光は、レンズ101を経由してハーフミラー102へと至り、さらにハーフミラー102を透過して分光素子121へと導かれる。その結果、測定物体7からの反射光に含まれる各波長成分は、分光素子121において分光され、これにより干渉波形相当の電気信号がCCD122から出力される。
【0061】
加えて、この実施形態においては、赤外光LED111から発せられた光は、その一部がハーフミラー102を透過してその前方に対向配置されたモニタ用分光素子131へと導かれる。モニタ用分光素子131の機能は、計測用分光素子121の機能と同様である。そのため、赤外光LED111から発せられた現赤外光に含まれる各波長成分が、モニタ用分光素子131において分光され、CCD132からは、光源である赤外光LED111から発せられた現赤外光の波長特性を含む電気信号で得られる。
【0062】
このように、図11に示される計測用分光素子121と計測用CCDとに加えて、モニタ用分光素子131とモニタ用CCD123とを含む新規な構成によれば、赤外光LED111から発せられた現赤外光の波長特性と測定物体7で干渉された変調赤外光の波長特性とを同時に取得することを可能となる。
【0063】
膜厚計測値の高安定化のためには、光干渉波形の計測精度が重要となる。光干渉波形は、投光ビームと受光ビームの波長毎の比である。予め計測した投光ビーム波形を記憶しておき、受光ビーム波形との比を演算する方式の場合、受光ビーム検出時に投光ビーム強度の波長分布が変動すると正しい干渉波形が得られない。従来のハロゲンランプ型の膜厚計測装置においては、このような影響を抑えるため、膜厚測定に先立って毎回必ず石英板等でリファレンス取得を行う必要があった。これは、プロセスのスループットを低下させる要因である。これに対し、図11に示される実施形態にあっては、モニタ用として分光素子131とCCD132とを配置して、投光ビームの波長分布をリアルタイムでフィードバックする構成としているため、もともと光量変動が少ないLED光源を採用し更にこの光量フィードバック方式を加えることで、リファレンス取得の作業頻度を低減し、メンテナンス性の向上が可能となるのである。
【0064】
次に、マルチLED方式の光源装置を含むセンサヘッドの光学系の概略構成図が図12に示されている。同図において、第1実施形態と同一構成部分については同符号を付して説明は省略する。
【0065】
このマルチLED方式の光源装置の特徴は、出力波形特性の異なる複数の半導体赤外発光素子と、各半導体赤外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、各半導体赤外発光素子の出力パワーを個別に設定する手段とを有し、各半導体赤外発光素子から取り出された光を重ね合わせて出射するようにした点にある。
【0066】
すなわち、このセンサヘッド1内には、第1の赤外光LED111と、第2の赤外光LED112と、第3の赤外光LED113と、第1のダイクロイックミラー(DCM)114と、第2のダイクロイックミラー(DCM)115とが含まれている。
【0067】
この例では、第1の赤外光LED111としてはLN151L(松下)、第2の赤外光LED112としてはL1915−01(浜松ホトニクス)や、第3の赤外光LED113としてはL3989−01(浜松ホトニクス)が使用されている。
【0068】
これら3個の赤外光LED(LED1,LED2,LED3)は、それぞれ固有の波長を中心としたピーク波形を有する。そして、2個のダイクロイックミラー(DCM1,DCM2)は、これら3つのピーク波形を合成することによって、約800nm〜1000nmの領域において、連続した波長特性が実現されている。
【0069】
膜厚光干渉式で高精度に測定するためには、広い波長域の光によって得られた干渉波形を得る必要がある。そこで、この実施形態のように、異なるピーク波長を持つ赤外光LEDを複数用いて途切れることのない広い波長域を得ることにより、膜厚を高精度に測定することが可能となる。
【0070】
次に、鏡面筒を含むセンサヘッドの光学系の概略構成図が図14に示されている。同図において、第1実施形態と同一構成部分については、同符号を付して説明は省略する。この実施形態の特徴は、分光素子121へ至る入射経路に、鏡面筒123が介在され、それにより測定物体7の傾きによる干渉波形のずれが抑制される点にある。
【0071】
同図に示されるように、測定物体7で反射された反射光の分光素子121へ至る経路には、鏡面筒123がその軸を分光素子121へ垂直にした状態で配置されている。この鏡面筒は、図15に示されるように、その内部に円筒状の通路123aが設けられ、この円筒状通路の内面は鏡面仕上げが行われている。そのため、この円筒状通路123aに導入された光は、通路内面で多重反射を繰り返しつつ、最終的に通路の出口より外部へと放出される。なお、ここで言う鏡面筒としては、ガラス棒等のように、それと等価な機能を有するものも含まれる。すなわち、光が鏡面筒123に斜めに入射した場合、鏡面筒123の内部で多重反射による、出射光を拡げることもできる。ガラス棒のように同様の働きをするものであったら、鏡面筒123の代わりに、別の部材を用いても構わない。
【0072】
このような構成によれば、次のような格別の効果が得られる。すなわち、インラインで測定する場合、対象物体7であるガラス基板の反りなどにより、対象物体7が傾く場合があり、このような状態でも安定に測定することができる。
【0073】
鏡面筒123が存在しない状態での光パワー分布を示す説明図が図16に示されている。同図に示されるように、鏡面筒123が存在しない場合、同図(a)に示される測定物体の向きが正常な状態では、光パワー分布は画素列の中心に対して対称的な位置関係となる。これに対して、同図(b)に示される測定物体が傾いた状態では、光パワー分布は、画素位置の中心よりも何れか一方へ偏ったものとなり、その結果、誤った干渉波形データが得られてしまう。
【0074】
測定物体が傾いた時の鏡面筒と光パワー分布との関係を示す説明図が図17に示されている。同図(a)に示される鏡面筒なしの状態では、先に図16で説明したように、対象物体7が傾くと、光パワー分布は画素列の中心を外れ、偏った広がりを示すこととなる。これに対して、同図(b)に示される鏡面筒ありの状態では、測定物体7が傾いて、鏡面筒123に対して光が斜めに入射したとしても、鏡面筒123からの出射光の光パワー分布は、画素列の中心を基準とした対称的な分布となり、この状態で得られた干渉波形データは正常なものとなる。
【0075】
このように、鏡面筒123を配置すると、対象物体7が傾いても、CCD122上では光パワーの分布の変化を低減することができ、これによりインラインでの正確な測定が可能となる。
【0076】
次に、赤外光領域と可視光領域とで干渉波形を比較して示すグラフが図18に示されている。干渉波形は膜厚が厚くなると周期が小さくなり、分光素子の波長分解能を超えると、干渉波形が潰れてしまうという特性を有する。又、干渉波形は、波長が長くなるにつれて周期が長くなる。そのため、膜厚が厚い測定物体を測定する場合には、同図(b)に示されるように、可視光領域では、干渉波形が潰れて測定が困難となるのに対し、同図(a)に示されるように、赤外光領域では、干渉波形は比較的測定し易くなる。このことからも、本発明では測定光として赤外光を使用しているため、測定レンジを厚いほうに拡大することができるという効果がある。
【0077】
次に、ガラス基板上のポリシリコンの干渉波形を示すグラフが図19に示されている。シリコン(Si)は可視光領域では、光を吸収するため、干渉波形を計測することができない。これに対して、赤外光領域では、光を通すため、干渉波形を計測することができる。このことからも、本発明では、測定光として赤外光を使用しているため、ポリシリコン(Poly−Si)等のSi系の膜厚の計測が可能となるという効果がある。
【0078】
最後に、干渉波形に基づき膜厚を演算により求めるための具体的手法について図20〜図25を参照して説明する。信号処理部33を構成する演算部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値探索法等を用いることができる。
【0079】
カーブフィッティング法とは、図22に示すように、予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とを比較し、最小二乗法により受光データと最も誤差(すなわち図22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72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、何れも一般的な方法である。
【0080】
上記カーブフィッティング法を詳しく述べると、以下の通りである。図20に示されるように、膜厚d、屈折率nの薄膜72に波長λの光が入射したときの干渉波形(透過率R)は、次式で表わされる。ここで、定数A、B及びCは基板71及び薄膜72の屈折率から決まるものである。
【数1】
R=1−A/[B+C・cos〔(4π/λ)nd〕] …▲1▼
【0081】
あらかじめ測定対象とする薄膜72の屈折率n及び定数A、B、Cの値をパソコンのキーボード等から入力すると、信号処理装置を構成する演算部では測定範囲内において膜厚dと波長λを決められた細かさで変化させ、膜厚d及び波長λの各値に対する反射率Rの値を▲1▼式により演算し、これらを演算部内のメモリ(図示せず)にテーブルとして保持する。
【0082】
このようなテーブルの一例が図23に示されている。この例では、測定膜厚範囲をdxからdyまでΔd=1nm刻みとし、波長範囲をλpからλqまでΔλ=10nm刻みとしている。
【0083】
次いで、図24に示される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。演算部は、A/D変換により得られた測定データ(透過率の測定データ)M(λ)を取得すると(S1)、演算を開始する。まず、膜厚dを最小膜厚dxとし(S2)、図23の理論テーブルを用いて、膜厚d=dxにおける透過率を理論データRdx(λ)と測定データM(λ)の差の二乗[Rdx(λ)−M(λ)]2を波長範囲λpからλqまでΔλ(例えば、10nm)刻みで計算し、その和
【数2】
P(dx)=Σ[Rdx(λ)−M(λ)]2
を求めて(S3)メモリ内に記憶しておく。
【0084】
次に、膜厚dをΔd(例えば、1nm)増加させ(S4)、同様にして、膜厚d=dx+Δdにおける理論データRdx+Δd(λ)と測定データM(λ)の差の二乗[Rdx+1(λ)−M(λ)]2を波長範囲λpからλqまでΔλ刻みで計算し、その和
【数3】
P(dx+Δd)=Σ[Rdx+Δd(λ)−M(λ)]2
を求めて(S3)メモリ内に記憶しておく。
【0085】
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Δdずつ増加させては(S5)、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二乗和を求めて(S3)メモリ内に記憶する。
【0086】
こうして最大膜厚dyまで二乗和の計算が終了すると(S5でYESの場合)、メモリに記憶しておいた膜厚範囲dx〜dyにおける二乗和P(dx)〜P(dy)の中から最小の値をとる二乗和P(dz)を抽出し(S6)、このときの膜厚dzを測定膜厚とする(S7)。
【0087】
次に、極値探査法による膜厚の演算方法を図25を参照して説明する。極値探索法では、演算部は、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、マイナス)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25のようにλ1,λ2(ただし、λ1<λ2)とすれば、この薄膜72の膜厚dは、薄膜72の屈折率nを用いて、
【数4】
d=(λ1×λ2)/[2n(λ2−λ1)]
で表されることが知られており、薄膜72の屈折率nを与えることにより薄膜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を求めることができる。
【0088】
次に、本発明に係る膜厚測定装置を実際に液晶パネルのカラーフィルタ生産ラインに組み込む場合について説明する。検査対象となるカラーフィルタを含むアクティブマトリクス型TFTの断面図の一例が図26に示されている。
【0089】
同図に示されるように、アクティブマトリクス型TFTにあっては、偏向板、ガラス、液晶、配向膜、ITO、ガラス、偏向板の順に積層して構成される。そして、各画素に相当する微細領域には、アクティブ素子、液晶駆動用電極、バスライン等が設けられている。検査対象となるカラーフィルタは、この例ではカラーレジストを使用して製作される。カラーレジストはRGBの3種類あり、これら3種類のレジスト膜は図中一部を拡大して示されるように、各画素に対してRGB3個のフィルタ要素が均一に分散するようにモザイク状に配置される。
【0090】
カラーレジストプロセスが図27に示されている。このカラーレジストプロセスは、BMプロセス、Rプロセス、Gプロセス、Bプロセス、OCプロセスを含んでいる。RGB各プロセスには、コート処理工程、ベーク処理工程、露光処理工程、現像処理工程、ストリップ処理工程が含まれている。
【0091】
それらの工程は、生産ライン上にガラス基板を搬送しつつ行われる。図に示されるガラス基板は、縦横に4分割されており、1枚のガラス基板によって4枚のカラーフィルタプレートが得られる。4枚のカラーフィルタプレートの外周縁部には、長方形額縁状に余白領域が設けられており、この余白領域にコートされたカラーレジスト膜の膜厚を本発明の膜厚センサ(センサヘッド1に相当)で計測する。膜厚センサは、ガラス基板上の余白ラインに沿って幅方向へ3列配置されており、それぞれのセンサヘッドからは図中垂直下向きに赤外光が照射され、その反射光が受光される。
【0092】
先に述べたように、本発明の膜厚測定装置にあっては、小型のセンサヘッド1又はファイバヘッド8を用いているため、ガラス基板の搬送ライン上の狭小なスペースにおいても容易に取り付けることができ、しかも光源として半導体素子を用いているため発熱の問題も無視することができ、その結果カラーレジストプロセスにおいてインラインによる連続測定が可能となる。
【0093】
この連続測定によれば、各プロセスの直後において不良製品を発見除去できるため、ロスコストを低減できることに加え、連続測定される膜厚データを直ちにプロセスにフィードバックすることによって、常に製品の品質を最適な値に制御することができる。その結果、本発明の膜厚測定装置をカラーレジストプロセスに採用することによって、液晶表示パネルの品質向上並びにコストダウンを可能とすることができる。
【0094】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の光干渉式の膜厚測定装置にあっては、測定光として赤外光を使用するものであるから、フィルタとしての波長選択特性の影響を受けることなく、液晶表示パネル用カラーフィルタとして機能するRGB各レジスト膜の膜厚を正確に測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】カラーフィルタの分光透過率特性(B,G,R 3種類)である。
【図2】第1実施形態に係る膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図3】第1実施形態に係る膜厚測定装置のセンサヘッド内光学系の概略構成図である。
【図4】分光素子の動作特性を説明するための概念図である。
【図5】カラーフィルタの干渉波形例(Rの場合)である。
【図6】カラーフィルタの干渉波形例(Gの場合)である。
【図7】カラーフィルタの干渉波形例(Bの場合)である。
【図8】第2実施形態に係る膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図9】一般的なCCDの分光感度特性例を示すグラフである。
【図10】第3実施形態に係る膜厚測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図11】第3実施形態に係る膜厚測定装置のセンサヘッド内光学系の概略構成図である。
【図12】マルチLED方式の光源装置を含むセンサヘッドの光学系の概略構成図である。
【図13】赤外光LED並びにダイクロイックミラーの波長特性を示すグラフである。
【図14】鏡面筒を含むセンサヘッドの光学系の概略構成図である。
【図15】鏡面筒の作用を説明するための概念図である。
【図16】鏡面筒が存在しない状態での光パワー分布を示す説明図である。
【図17】測定物体が傾いたときの鏡面筒有無と光パワー分布との関係を示す説明図である。
【図18】赤外光領域と可視光領域とで干渉波形を比較して示すグラフである。
【図19】ガラス基板上のPoly−Siの干渉波形を示すグラフである。
【図20】干渉波形演算原理を説明するための概念図である。
【図21】分光スペクトルの具体例を示すグラフである。
【図22】カーブフィッティング法の説明図である。
【図23】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24】カーブフィッティング法の実行手順を示すフローチャートである。
【図25】極値探査法の説明図である。
【図26】アクティブマトリクス型TFTの断面図である。
【図27】カラーレジストプロセスを示す工程図である。
【図28】カラーフィルタを構成する各色要素の透過スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
1 センサヘッド
1A センサヘッド
2 ケーブル
2A ケーブル
3 PCIボード
3a PCIボード
4 PCIバス
5 パソコン(PC)
5a アプリケーションソフト
6 外部インタフェース
7 測定物体
8 ファイバヘッド
9 ファイバ
11 投光部
12 受光部
13 モニタ用受光部
31 投受光制御部
32 A/D変換器
33 信号処理部
33A 信号処理部
33a ファームウェア
34 投光部
35 受光部
101 レンズ
102 ハーフミラー
111 第1の赤外光LED(LED1)
112 第2の赤外光LED(LED2)
113 第3の赤外光LED(LED3)
114 第1のダイクロイックミラー(DCM1)
115 第2のダイクロイックミラー(DCM2)
121 分光素子
122 CCD
123 鏡面筒
123a 円筒状通路
131 モニタ用分光素子
132 モニタ用CCD
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical interference type film thickness measuring apparatus suitable for applications such as film thickness measurement of RGB resist films functioning as a color filter for a liquid crystal display panel, in particular, using infrared light as a measuring medium. Thus, the present invention relates to a film thickness measuring apparatus that can accurately measure the film thickness of each RGB resist film without being affected by the wavelength selection characteristics as a filter.
[0002]
[Prior art]
There is an increasing demand for cost reduction of liquid crystals. The failure of color filters currently occupies the largest percentage as a factor that hinders the cost reduction of liquid crystals. In order to reduce the price of liquid crystals, it is important to reduce the loss cost due to the failure of color filters.
[0003]
Color filter defects are found during lighting inspection in the liquid crystal manufacturing process, but lighting inspection is only possible after the color filter is manufactured and the liquid crystal is injected after bonding the TFT substrate (the final stage of the liquid crystal manufacturing process). Stage), and the loss cost when a defect is found is very large. This is because not only the loss of the liquid crystal itself in which defects are found, but also a considerable amount of time has passed until the defect is found, so if the cause of the defect is a shift in process conditions, the color produced during that time This is because the filter and the TFT substrate bonded to the filter all become defective products.
[0004]
The criterion for determining a color filter defect is the uniformity of image quality (color unevenness and brightness unevenness) at the time of completion of the liquid crystal, and there is an increasing demand for the uniformity of image quality. For this purpose, it is necessary to manage the thickness of the color filter more uniformly, and the manufacturing tolerance of the color filter thickness is becoming narrower.
[0005]
A manufacturing process of this type of color filter is performed in three stages in the order of, for example, a red (R) process, a green (G) process, and a blue (B) process. Each color process includes a coating process (1), a baking process (2), an exposure process (3), a development process (4), and a strip process (5).
[0006]
First, in the coating process (1), a resist having selective transmission characteristics of the corresponding color is coated on the surface of the glass substrate uniformly with a uniform thickness. In the subsequent baking process (2), the resist film coated in the previous process is baked and stabilized. In the subsequent exposure processing step (3), the resist film is selectively exposed so that the fine regions corresponding to the respective pixels are uniformly dispersed. In the subsequent development processing step (4), the fine filter region generated by the selective exposure appears. In the subsequent strip processing step (5), the excess resist is removed to expose the surface of the glass plate other than the fine filter region.
[0007]
At the end of the process for each color, the periphery of the filter panel region for one sheet is in a state where the glass plate surface is exposed in a frame shape. Therefore, when the resist is coated by the coating process, the film thickness of the resist film coated on the periphery of the filter panel area is measured to accurately determine the film thickness of each color resist film in the fine filter area corresponding to each pixel. Can know.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The thickness control of the liquid crystal color filter is currently performed by a stylus type film thickness inspection apparatus. That is, in each of the red (R) process, the green (G) process, and the blue (B) process, the thickness of the film is measured by applying a probe to the resist film at the peripheral edge of the filter panel every time the resist film is coated. It is.
[0009]
However, in this stylus type film thickness measuring apparatus, since the inspection takes a very long time, the inspection can only be performed by sampling, and inevitably becomes an off-line inspection. This is because when all the inspections are performed, the time required for manufacturing becomes longer and the cost becomes higher. Therefore, in this method, there is a limit to the detection of defective products, and the loss cost cannot be reduced sufficiently.
[0010]
On the other hand, as an apparatus that can measure the film pressure of a thin film in a short time without contact, an optical film thickness inspection apparatus using a halogen lamp is known. This device is also called an optical interference type film thickness measuring device, which irradiates white light from a halogen lamp to the film body to be measured, and the film surface reflected light and the film back surface reflected light interfere with each other. The film thickness is obtained based on the generated interference waveform. In this film thickness measuring device, in order to sufficiently satisfy the measurement range, measurement light having almost uniform output power characteristics in a considerably wide wavelength region is prepared, and this is applied to the film body to be measured at all wavelengths. It is required to transmit uniformly over the entire area. Further, in the sampling inspection, even if a defect is found, many defective products have already been produced up to that point, so that the cost cannot be sufficiently reduced.
[0011]
However, each RGB resist film of the color filter to be measured has a unique light absorption characteristic corresponding to each of RGB as shown in FIG. 27, so that a uniform wavelength component from the halogen lamp can be obtained. Even if these resist films are irradiated with the measurement light they have, the wavelength of the transmitted light is greatly biased and non-uniform, and the optical interference effect cannot be obtained for non-transmitted wavelength light. Cause trouble.
[0012]
In addition, halogen lamps used as light sources are relatively large and bulky, have a short lifetime of about 1000 hours, require frequent replacement, and have a large heat generation and require precise temperature control. However, it is not suitable for in-line measurement in the color filter production line of the liquid crystal display panel in that the installation location is limited.
[0013]
On the other hand, as an optical interference type film thickness measuring apparatus capable of in-line measurement using a light source device that is small and has a long life and does not generate heat, the film thickness previously proposed by the present applicant in International Publication No. WO01 / 01070A1. Sensors are known.
[0014]
However, even in this film thickness sensor, when applied to each RGB resist film of a color filter, white light in a wide wavelength region from a light source device to a wavelength region of about 400 nm to 700 nm is emitted from the color filter. Since the RGB resist film cannot be uniformly transmitted through each wavelength, it is still impossible to generate an appropriate interference waveform necessary for film thickness measurement.
[0015]
Here, as a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the problem of selective light transmission or selective light absorption regarding the RGB resist film of the color filter is infrared light as measurement light. The knowledge that it was possible to solve by using was obtained.
[0016]
That is, as shown in FIG. 1, the spectral transmittance characteristics of the RGB resist films constituting the color filter of the liquid crystal display panel are selectively transmitted as RGB register films in the visible light region from about 400 nm to about 700 nm. In contrast, in the near-infrared region to infrared region exceeding about 800 nm, it is hardly attenuated in any of the resist films of RGB (almost transparent state), but in the entire wavelength region. Uniform transmission characteristics can be obtained. Therefore, if near infrared light or infrared light is used as the measurement light, a clear optical interference waveform can be obtained by interference between the front surface reflected light and the back surface reflected light regardless of the resist film of RGB. Based on this, the film thicknesses of the RGB resist films can be accurately measured by a known calculation method.
[0017]
The present invention has been made on the basis of the above-mentioned knowledge, and its object is to provide an optical interference film capable of accurately measuring the thickness of each of the RGB resist films constituting the color filter of the liquid crystal display panel. It is to provide a thickness measuring device.
[0018]
Another object of the present invention is to provide an optical interference type film thickness measuring apparatus capable of accurately measuring the film thickness of a silicon-based thin film having visible light absorption characteristics such as polysilicon.
[0019]
Another object of the present invention is to provide an optical interference type film thickness measuring device that can be incorporated in a color filter manufacturing line of a liquid crystal display panel and can measure the film thickness of each of the RGB resist films constituting the color filter at high speed without contact. It is to provide.
[0020]
Another object of the present invention is to reduce the loss cost as much as possible by performing high-quality inspection of all products in the color filter production line of the liquid crystal display panel, thereby enabling the quality improvement and cost reduction of the liquid crystal panel. An object of the present invention is to provide an optical interference type film thickness measuring device.
[0021]
Other objects and operational effects of the present invention will be easily understood by those skilled in the art by referring to the description of the following specification.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The optical interference type film thickness measuring apparatus of the present invention is characterized in that infrared light is used as measurement light. As long as the interference waveform appears clearly, there is no positive reason for limiting the upper and lower limits of the usable infrared light wavelength region. However, the shorter the wavelength, the thinner the film can be measured, and the wider the wavelength band, the more accurately the film thickness can be calculated from the interference waveform, and the light receiving of the CCD element used as a photoelectric conversion element. Considering that the sensitivity characteristic decreases as the wavelength increases, the infrared light used as the measurement light preferably has a continuous wavelength band in a wavelength region of about 800 nm to 1000 nm.
[0023]
As a film to be measured suitable for the optical interference type film thickness measuring apparatus of the present invention, first, RGB resist films functioning as a color filter for a liquid crystal display panel can be mentioned. In other words, as described above, each of the RGB resist films has a unique light absorption characteristic in the visible light region, but has almost no light absorption property in the infrared light region, and light transmission almost nearly transparent. Has characteristics. Therefore, in an optical interference type film thickness measuring device, if infrared light is used as measurement light, a clear optical interference waveform can appear in the RGB resist film. Based on this, a curve fitting method or Their film thickness can be accurately measured by a known calculation method such as an extreme value search method.
[0024]
Other suitable measurement target film bodies include silicon-based thin films such as polysilicon. Since such a silicon-based film body also has visible light absorption characteristics, when visible light is used as measurement light, a clear optical interference waveform cannot be produced. According to the optical interference type film thickness measuring apparatus using infrared light of the present invention, a clear optical interference waveform can be obtained by sufficiently transmitting infrared light into a film body, even in a silicon film body. , The film thickness can be accurately measured.
[0025]
The film thickness measuring device of the present invention viewed from another aspect is a light source unit that emits infrared light, and the infrared light emitted from the light source unit is emitted toward the film body that is a measurement object and the reflected light is emitted. A transmission / reception optical system that is incident and guided to the spectroscopic unit, a series of component light obtained from the spectroscopic unit and a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion individually and an electrical signal corresponding to an interference waveform obtained from the photoelectric conversion unit And a calculation unit for obtaining a film thickness based on the above. According to such a configuration, it is possible to accurately measure the thickness of each RGB film functioning as a color filter for a liquid crystal display panel and the film thickness of a silicon-based film body such as polysilicon based on the optical interference waveform. Here, as the photoelectric conversion unit, an element including a plurality of independent photoelectric elements such as a line CCD, a two-dimensional CCD, and a photodiode array can be used.
[0026]
In a preferred embodiment of the present invention, a monitor spectroscopic unit for monitoring infrared light emitted from the light source unit and a monitor photoelectric conversion unit may be further provided. According to such a configuration, the wavelength characteristic of the original infrared light emitted from the light source and the wavelength characteristic of the modulated infrared light interfered with the measurement object can be acquired at the same time. A pre-measurement process for acquisition is not required.
[0027]
In a preferred embodiment of the present invention, a mirror tube can be further interposed in the incident path to the spectroscopic unit. According to such a configuration, since the shift of the interference waveform due to the inclination of the measurement object is suppressed, the measurement accuracy can be maintained even if the measurement target panel is warped or distorted.
[0028]
In a preferred embodiment of the present invention, the light source unit includes a plurality of semiconductor infrared light emitting elements having different output waveform characteristics, an optical element for extracting light in a partial wavelength region from each semiconductor infrared light emitting element, and each semiconductor. Means for individually setting the output power of the infrared light emitting element, and the light extracted from each semiconductor infrared light emitting element may be superimposed and emitted. According to such a configuration, measurement infrared light having a continuous wavelength band can be generated in a relatively wide constant wavelength region, and the light source can be reduced in size, extended in life (maintenance-free), and cooled light source. For example, the incorporation of the film thickness measuring device into the production line can be facilitated.
[0029]
In a preferred embodiment of the present invention, a transmission / reception coaxial optical system including a beam splitter may be adopted as the transmission / reception optical system. According to such a configuration, it is possible to improve the detection sensitivity by minimizing the light power loss in the light projecting and light receiving paths while facilitating the incorporation into the production line by downsizing the transmission / reception optical system.
[0030]
In a preferred embodiment of the present invention, a spectroscopic element in which an optical multilayer film in which a transmission wavelength region continuously changes depending on an incident position may be adopted as a spectroscopic portion on the surface of a transparent substrate. According to such a configuration, it is possible to facilitate the incorporation of the film thickness measuring device into the production line by reducing the size of the spectroscopic unit and extending the life thereof.
[0031]
In a preferred embodiment of the present invention, the light source emits light including at least infrared light, and the spectroscopic unit may transmit only infrared light and split it. According to such a configuration, even if visible light is included in the light from the light source, the measurement operation can be performed normally.
[0032]
In a preferred embodiment of the present invention, a calculation unit that calculates a film thickness by calculating only the infrared wavelength region by a curve fitting method or an extreme value method can be employed. According to such a configuration, the film thickness can be quickly and accurately obtained by computer calculation based on the spectral wavelength data obtained from the photoelectric conversion unit.
[0033]
The film thickness measuring device of the present invention viewed from another aspect is configured to be separated into a sensor head that can be mounted close to the measurement object and a signal processing unit that can be mounted apart from the measurement object, and both are connected by an electric wire. It is. The sensor head includes a light source unit, a transmission / reception optical system, a spectroscopic unit, and a photoelectric conversion unit, and the signal processing unit includes a calculation unit. According to such a configuration, the sensor head can be easily incorporated into the production line due to the downsizing of the sensor head.
[0034]
In a preferred embodiment, the signal processing unit may have a form of a PCI board that can be mounted in an internal slot of a personal computer. According to such a configuration, it is possible to easily link with a measurement application by incorporating a PCI board into a personal computer.
[0035]
Further, in a preferred embodiment, the sensor head is incorporated in the production line of the color filter for the liquid crystal panel so that the film pressures of the RGB resist films constituting the color filter can be continuously measured. Good. According to such a configuration, the loss cost is reduced and the quality of the product is improved by early detection of a defective product based on continuously measured film thickness data and feedback processing to the process of continuously measured film thickness data. be able to.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0037]
A block diagram showing an electrical configuration of the film thickness measuring apparatus according to the first embodiment is shown in FIG. As shown in the figure, this film thickness measuring apparatus includes a small sensor head 1 that can be mounted in the vicinity of a measurement object 7 (for example, a color filter plate flowing through a production line), and a measurement object. And a PCI board 3 that can be mounted in an internal slot of a personal computer (PC) 5 that is set apart from the object 7.
[0038]
A cable (electric wire) 2 is connected between the sensor head 1 and the PCI board 3. A PCI bus 4 is connected between the PCI board 3 and a CPU (not shown) of a personal computer (PC) 5. Reference numeral 5a in the figure is application software incorporated in the personal computer (PC) 5, and reference numeral 6 outputs film thickness measurement data and film thickness determination output (LOW, HIGH, PASS, etc.) to the outside, or from the outside. This is an external interface for inputting various digital command signals. The application software 5a includes various functional processes that control film thickness measurement data processing, display, determination processing, and the like.
[0039]
The sensor head 1 includes a light projecting unit 11 and a light receiving unit 12. The light projecting unit 11 includes a light source unit that emits infrared light and a light transmission side optical system that emits infrared light emitted from the light source unit toward the measurement object 7. In the light receiving unit 12, the light receiving side optical system that receives the reflected light from the measurement object 7 and guides it to the spectroscopic unit and the series of component light obtained from the spectroscopic unit are appropriately classified and individually photoelectrically converted. And a photoelectric conversion unit. Note that specific configurations of the light source unit, the light transmission side optical system, the light reception side optical system, the spectroscopic unit, and the photoelectric conversion unit will be described in detail later.
[0040]
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of the optical system in the sensor head of the film thickness measuring apparatus according to the first embodiment. As shown in the figure, in the sensor head 1, an infrared LED 111 functioning as a light source unit, a lens 101 having both functions of a light transmitting side optical system and a light receiving side optical system, and a half mirror 102, , A spectroscopic element 121 that functions as a spectroscopic unit that splits reflected light from a measurement object, and a CCD that functions as a photoelectric conversion unit that appropriately photoelectrically converts a series of component light obtained from the spectroscopic unit and separately Contains.
[0041]
That is, the infrared LED 111 emits infrared light as measurement light. As infrared light used as measurement light, for example, one having a continuous wavelength band in a wavelength region of 800 nm to 1000 nm is preferable. The wavelength region of 800 nm to 1000 nm is not necessarily the entire region. If the film to be measured is thick, the number of waves of the interference waveform increases, so that sufficient measurement accuracy can be obtained even if the wavelength region is short. In such a case, it may be 800 nm to 900 nm.
[0042]
Of course, the light itself emitted from the light source unit may contain components in the visible light wavelength region of 400 nm to 700 nm, but these visible light components adversely affect the film thickness measurement of the color filter. That is, when the visible light wavelength region of 400 nm to 700 nm is included, only a specific wavelength region (visible) is absorbed when measuring the film thickness of the color filter, which is different from the theoretically required interference waveform. . Then, it becomes impossible to derive a correct film thickness because fitting cannot be performed at the time of calculation, or an extreme value that should be really disappeared. Therefore, when the visible light wavelength region of 400 nm to 700 nm is included, it is necessary to consider that only the infrared light wavelength region is selected by the spectroscopic unit, or that the calculation unit calculates only the infrared wavelength region. .
[0043]
Needless to say, ideally, it is preferable that the LED, the spectroscopic unit, and the calculation wavelength region are all infrared light. At this time, the reason why the LED is infrared light is to maximize light utilization efficiency. Moreover, the reason why the transmitted light of the spectroscopic unit is infrared light is for maximizing the light utilization efficiency and maximizing the resolution. Furthermore, in the calculation wavelength region, if infrared light is not used, appropriate measurement cannot be performed. Because.
[0044]
The reason why the lower limit of the wavelength range of infrared light is set to 800 nm is that, in a wavelength range shorter than that, it is absorbed by the color filter resist film, which is a measurement object, and does not contribute to the appearance of an optical interference waveform. In addition, the upper limit of the wavelength region of infrared light is set to 1000 nm because the light receiving sensitivity of the CCD constituting the photoelectric conversion unit is lower in the wavelength region longer than that, and in the optical interference type film thickness measurement, the wavelength is lower than that. This is because when applied to the film thickness measurement of the color filter, the measurement accuracy is lowered.
[0045]
The lens 101 and the half mirror 102 constitute a coaxial transmission / reception optical system. In other words, the infrared light emitted from the infrared light LED 111 is reflected downward in the figure by the half mirror 102 and then irradiates the measurement object 7 vertically through the lens 101. If the measurement object 7 is an RGB resist film of a color filter, for example, the irradiated infrared light is reflected on the front surface and the back surface, and the surface reflected light and the back surface reflected light are combined and then again. , It is returned vertically upward through the lens 101, and then transmitted through the half mirror 102 and guided to the spectroscopic element 121. The infrared light incident on the spectroscopic element 121 includes optical interference waveform information corresponding to the film thickness of the measurement object 7.
[0046]
The spectroscopic element 121 transmits incident infrared light separately for each wavelength component included therein. A conceptual diagram for explaining the operating characteristics of the spectroscopic element 121 is shown in FIG. As shown in the figure, the spectroscopic element 121 is obtained by forming an optical multilayer film 121a whose transmission wavelength region continuously changes depending on the incident position on the surface of a glass substrate 121b which is a transparent substrate. More specifically, the transmission wavelength characteristic of the optical multilayer film is continuously changed by continuously changing the optical film thickness of each layer constituting the optical multilayer film in a one-dimensional direction. The light transmitted through each position of the spectroscopic element 121 is received by an element having a plurality of independent light receiving elements such as a line CCD, a two-dimensional CCD, a photodiode array, etc., thereby detecting the light intensity at each wavelength. Data can be obtained. According to such a multilayer film structure, it is possible to greatly reduce the size of the spectroscopic element as compared with a conventional structure using a diffraction grating, and as a result, the sensor head can be easily incorporated into a production line.
[0047]
The CCD 122 receives the light transmitted through each position of the spectroscopic element 121 and outputs a serial light reception signal corresponding to each pixel. This serial light reception signal includes interference waveform information necessary for film thickness measurement.
[0048]
Returning to FIG. 2, the PCI board 3 includes a light projection / reception control unit 31, an A / D conversion unit 32, and a signal processing unit 33 configured by a firmware 33 a as a microcomputer. The A / D conversion unit 32 performs A / D conversion on the output signal of the CCD 122 included in the sensor head 1, and then delivers it to the signal processing unit 33. The digital signal delivered to the signal processing unit 33 includes interference waveform information corresponding to the film thickness to be measured. The light projecting / receiving control unit 31 controls the lighting power and lighting timing of the infrared LED 111 included in the light projecting unit 11. In order to control the lighting power of the infrared LED 111, for example, a process of adjusting the drive current of the LED 111 with a variable resistor is performed. In order to control the lighting power, the light projecting / receiving control unit 31 controls the photographing or video signal reading operation of the CCD 122 included in the light receiving unit 12.
[0049]
Based on the interference waveform information obtained from the A / D conversion unit 32, the signal processing unit 33 calculates the film thickness of the target film body by using a known method such as a curve fitting method or an extreme value exploration method. This is obtained and transferred to the CPU of the personal computer (PC) 5 via the PCI bus 4. The arithmetic processing for measuring the film thickness will be described in detail later with reference to the drawings.
[0050]
The film thickness measurement value thus passed is displayed on the screen of the personal computer by executing the application software 5a on the personal computer (PC) 5, or binarized by comparison with a prescribed threshold value. After that, it is sent out from the external interface 6 to the outside as a judgment output (PASS, LOW, HIGH, etc.). On the other hand, when a predetermined application software 5a is executed in the personal computer (PC) 5, a command generated by an operation of a keyboard, a mouse, or the like is sent to the signal processing unit 33 via the PCI bus 4, and thereby a signal is transmitted. Various instructions or commands for the processing unit are realized.
[0051]
Examples of interference waveforms of color filters obtained by a film thickness measuring device using infrared light as measurement light are shown in FIGS. As shown in FIG. 5, for the R (red) resist film constituting the color filter for the liquid crystal display panel, a clear interference waveform was obtained in a wavelength region of about 600 nm or more. As shown in FIG. 6, for the G (green) resist film constituting the color filter for the liquid crystal display panel, a clear interference waveform was obtained in a wavelength region of about 800 nm or more. As shown in FIG. 7, for the B (blue) resist film constituting the color filter for the liquid crystal display panel, a clear interference waveform was obtained in a wavelength region of about 800 nm or more. As a result, if infrared light (light in a wavelength region of about 800 nm or more) is used as measurement light, an interference waveform corresponding to the filter film thickness is clearly displayed regardless of RGB, based on this. It was confirmed that the film thickness can be measured accurately.
[0052]
According to the film thickness measuring apparatus according to the first embodiment described above, even if the resist film of the color filter having the light absorption characteristic in the visible light region is adopted by using the infrared light as the measurement light, the light selective transmission property is obtained. In addition to being able to accurately measure the film thickness without being affected by the above, the entire apparatus is separated into the sensor head 1 and the PCI board 3 and both are connected by the cable 2. Because the light source unit (infrared light LED 111), the optical system (lens 101, half mirror 102), the spectroscopic unit (spectral element 121), and the photoelectric conversion unit (CCD 122) to be incorporated all employ element parts that can be miniaturized. By incorporating the sensor head 1 into the color filter production line, so-called in-line measurement can be realized.
[0053]
Next, a block diagram showing an electrical configuration of the film thickness measuring apparatus according to the second embodiment is shown in FIG. In the figure, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0054]
The feature of this embodiment is that the PCI board 3A includes a light receiving unit 35 and a light projecting unit 34, and the fiber head 8 is used as a detection end that can be mounted close to the measurement object. In addition, the fiber head 8 and the PCI board 3A are connected by an optical fiber 9 made of a bundle fiber having high light transmittance and good flexibility.
[0055]
That is, an infrared light LED 111 similar to that shown in FIG. 3 is built in the light projecting unit 34, and infrared light emitted from the LED 111 is introduced into the incident end of the fiber 9 and passes through the fiber 9. The measurement object 7 is irradiated from the tip of the fiber head 8. On the other hand, the reflected light from the measurement object 7 is introduced into the fiber 9 from the tip of the fiber head 8, and then introduced into the light receiving unit 35 through the fiber 9. The introduced light is irradiated to a spectral element 121 similar to that shown in FIG. Thereafter, similarly to the first embodiment, the transmitted light of the spectroscopic element 121 is received by the CCD 122, and spectroscopic data including interference waveform information is generated.
[0056]
According to the film thickness measuring apparatus according to the second embodiment described above, the fiber head 8 serving as the detection end can be remarkably reduced in size as compared with the sensor head 1 incorporating an optical component or various electronic components. Incorporated easily in a narrow space of the color filter production line, and because the fiber 9 is a bundle fiber with good light transmittance or flexibility, the sensitivity of the CCD in the infrared region is insufficient ( Regardless of (see FIG. 9), accurate film thickness measurement can be performed without degrading the detection response. Since the transmittance of the bundle fiber is about 60%, it was confirmed that a total transmittance of 36% was obtained on the light projecting side and the light receiving side.
[0057]
Next, a block diagram showing an electrical configuration of the film thickness measuring apparatus according to the third embodiment is shown in FIG. In the figure, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0058]
The feature of this embodiment is that the monitor light receiving unit 13 is provided in the sensor head 1A, the A / D converter 36 is provided in the PCI5 board 3, and the light projecting / receiving control unit 31 in the PCI board 3 is used. The monitor light-receiving unit 13 in the sensor head 1A is driven and controlled, and the video signal obtained from the monitor light-receiving unit 13 is converted into a digital signal via the A / D converter 36, and then transferred to the signal processing unit 33A. It is in the point which did.
[0059]
FIG. 11 shows a schematic configuration diagram of an optical system in the sensor head of the film thickness measuring apparatus according to the third embodiment. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The new point of the optical system in the sensor head is that a monitor spectral element 131 and a monitor CCD 132 are newly provided.
[0060]
That is, in the figure, the infrared light emitted from the infrared light LED 111 is reflected vertically downward in the figure on the lower surface of the half mirror 102 in the same manner as in the first embodiment, and then passes through the lens 101. The surface of the measurement object 7 is irradiated. On the other hand, the reflected light reflected from the front surface and the back surface of the measurement object 7 reaches the half mirror 102 via the lens 101, further passes through the half mirror 102, and is guided to the spectroscopic element 121. As a result, each wavelength component included in the reflected light from the measurement object 7 is spectrally separated by the spectroscopic element 121, whereby an electric signal corresponding to the interference waveform is output from the CCD 122.
[0061]
In addition, in this embodiment, a part of the light emitted from the infrared light LED 111 passes through the half mirror 102 and is guided to the monitoring spectroscopic element 131 disposed in front of the half mirror 102. The function of the monitor spectral element 131 is the same as that of the measurement spectral element 121. Therefore, each wavelength component included in the current infrared light emitted from the infrared light LED 111 is dispersed in the monitor spectral element 131, and from the CCD 132, the current infrared light emitted from the infrared light LED 111 as a light source. It is obtained with an electric signal including the wavelength characteristics of
[0062]
As described above, according to the novel configuration including the monitoring spectral element 131 and the monitoring CCD 123 in addition to the measuring spectral element 121 and the measuring CCD shown in FIG. It becomes possible to simultaneously acquire the wavelength characteristics of the current infrared light and the wavelength characteristics of the modulated infrared light interfered by the measurement object 7.
[0063]
In order to stabilize the film thickness measurement value, the measurement accuracy of the optical interference waveform is important. The optical interference waveform is a ratio for each wavelength of the light projecting beam and the light receiving beam. In the case of a method in which a projected beam waveform measured in advance is stored and a ratio with the received beam waveform is calculated, a correct interference waveform cannot be obtained if the wavelength distribution of the projected beam intensity varies during detection of the received beam. In a conventional halogen lamp type film thickness measuring apparatus, in order to suppress such an influence, it is necessary to always obtain a reference with a quartz plate or the like prior to film thickness measurement. This is a factor that reduces the throughput of the process. On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 11, the spectroscopic element 131 and the CCD 132 are arranged for monitoring and the wavelength distribution of the projection beam is fed back in real time. By adopting a small number of LED light sources and adding this light amount feedback method, the frequency of reference acquisition can be reduced, and maintenance can be improved.
[0064]
Next, FIG. 12 shows a schematic configuration diagram of an optical system of a sensor head including a multi-LED light source device. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0065]
This multi-LED light source device is characterized by a plurality of semiconductor infrared light emitting elements having different output waveform characteristics, an optical element for extracting light in a partial wavelength region from each semiconductor infrared light emitting element, and each semiconductor infrared light emitting Means for individually setting the output power of the element, and the light extracted from each semiconductor infrared light emitting element is superimposed and emitted.
[0066]
That is, in the sensor head 1, the first infrared light LED 111, the second infrared light LED 112, the third infrared light LED 113, the first dichroic mirror (DCM) 114, and the second The dichroic mirror (DCM) 115 is included.
[0067]
In this example, the first infrared LED 111 is LN151L (Matsushita), the second infrared LED 112 is L1915-01 (Hamamatsu Photonics), and the third infrared LED 113 is L3989-01 (Hamamatsu). Photonics) is used.
[0068]
Each of these three infrared LEDs (LED1, LED2, LED3) has a peak waveform centered on a specific wavelength. The two dichroic mirrors (DCM1 and DCM2) combine these three peak waveforms to achieve continuous wavelength characteristics in the region of about 800 nm to 1000 nm.
[0069]
In order to measure with high accuracy using the film thickness optical interference method, it is necessary to obtain an interference waveform obtained by light in a wide wavelength range. Therefore, as in this embodiment, by using a plurality of infrared LEDs having different peak wavelengths to obtain a wide wavelength range without interruption, the film thickness can be measured with high accuracy.
[0070]
Next, FIG. 14 shows a schematic configuration diagram of an optical system of a sensor head including a mirror cylinder. In the figure, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. A feature of this embodiment is that a mirror cylinder 123 is interposed in the incident path to the spectroscopic element 121, thereby suppressing the shift of the interference waveform due to the tilt of the measurement object 7.
[0071]
As shown in the figure, a mirror tube 123 is arranged in a state in which the axis thereof is perpendicular to the spectroscopic element 121 in the path of the reflected light reflected by the measurement object 7 to the spectroscopic element 121. As shown in FIG. 15, the mirror tube is provided with a cylindrical passage 123a, and the inner surface of the cylindrical passage is mirror-finished. Therefore, the light introduced into the cylindrical passage 123a is finally emitted from the exit of the passage to the outside while repeating multiple reflection on the inner surface of the passage. In addition, as a mirror surface cylinder said here, what has a function equivalent to it like a glass rod etc. is contained. That is, when light is incident on the mirror tube 123 obliquely, the emitted light can be expanded by multiple reflection inside the mirror tube 123. If the same function as a glass rod is performed, another member may be used instead of the mirror tube 123.
[0072]
According to such a configuration, the following special effects can be obtained. That is, when measuring in-line, the target object 7 may be tilted due to the warp of the glass substrate that is the target object 7, and the measurement can be performed stably even in such a state.
[0073]
An explanatory diagram showing the optical power distribution in the state where the mirror cylinder 123 does not exist is shown in FIG. As shown in the figure, when the mirror cylinder 123 is not present, the optical power distribution is symmetrical with respect to the center of the pixel column in the normal state of the measurement object shown in FIG. It becomes. On the other hand, in the state where the measurement object shown in FIG. 5B is tilted, the optical power distribution is biased to one of the centers of the pixel positions, and as a result, erroneous interference waveform data is generated. Will be obtained.
[0074]
FIG. 17 is an explanatory diagram showing the relationship between the mirror cylinder and the optical power distribution when the measurement object is tilted. In the state without the mirror cylinder shown in FIG. 16A, as described above with reference to FIG. 16, when the target object 7 is tilted, the optical power distribution deviates from the center of the pixel row and exhibits a biased spread. Become. On the other hand, in the state with the mirror tube shown in FIG. 5B, even if the measurement object 7 is tilted and light is incident on the mirror tube 123 obliquely, the light emitted from the mirror tube 123 is not reflected. The optical power distribution is a symmetric distribution with the center of the pixel column as a reference, and the interference waveform data obtained in this state is normal.
[0075]
As described above, when the mirror cylinder 123 is arranged, even if the target object 7 is tilted, the change in the distribution of the optical power can be reduced on the CCD 122, thereby enabling accurate in-line measurement.
[0076]
Next, a graph showing comparison of interference waveforms in the infrared light region and the visible light region is shown in FIG. The interference waveform has a characteristic that the cycle becomes smaller as the film thickness increases, and the interference waveform is destroyed when the wavelength resolution of the spectroscopic element is exceeded. The period of the interference waveform becomes longer as the wavelength becomes longer. Therefore, when measuring a measurement object having a large film thickness, the interference waveform is crushed in the visible light region, making measurement difficult, as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the interference waveform is relatively easy to measure in the infrared light region. Also from this fact, since infrared light is used as the measurement light in the present invention, there is an effect that the measurement range can be expanded to a thicker one.
[0077]
Next, a graph showing the interference waveform of polysilicon on a glass substrate is shown in FIG. Since silicon (Si) absorbs light in the visible light region, an interference waveform cannot be measured. On the other hand, in the infrared region, since light passes, the interference waveform can be measured. Also from this, in the present invention, since infrared light is used as the measurement light, there is an effect that it is possible to measure a Si-based film thickness such as polysilicon (Poly-Si).
[0078]
Finally, a specific method for calculating the film thickness based on the interference waveform will be described with reference to FIGS. As a calculation method of the film thickness in the calculation unit constituting the signal processing unit 33, for example, a curve fitting method, an extreme value search method, or the like can be used.
[0079]
As shown in FIG. 22, the curve fitting method compares the waveform data (table data) for each film thickness calculated in advance and stored as a table with the measured light reception data, and compares the light reception data with the least square method. This is a method of extracting waveform data with the smallest error (that is, the area of the hatched portion in FIG. 22), and setting the film thickness of the waveform data as the film thickness of the thin film 72 to be measured. The film thickness is obtained from the difference in wavelength corresponding to the maximum value and the minimum value of the received light data, both of which are general methods.
[0080]
The curve fitting method will be described in detail as follows. As shown in FIG. 20, an interference waveform (transmittance R) when light having a wavelength λ is incident on a thin film 72 having a film thickness d and a refractive index n is expressed by the following equation. Here, the constants A, B, and C are determined from the refractive indexes of the substrate 71 and the thin film 72.
[Expression 1]
R = 1−A / [B + C · cos [(4π / λ) nd]] (1)
[0081]
When the refractive index n and constants A, B, and C of the thin film 72 to be measured are input in advance from a keyboard of a personal computer or the like, the arithmetic unit constituting the signal processing device determines the film thickness d and the wavelength λ within the measurement range. The value of reflectance R for each value of film thickness d and wavelength λ is calculated by equation (1), and these are stored as a table in a memory (not shown) in the calculation unit.
[0082]
An example of such a table is shown in FIG. In this example, the measured film thickness range is from Δx to dy in increments of Δd = 1 nm, and the wavelength range is from λp to λq in increments of Δλ = 10 nm.
[0083]
Next, the curve fitting method is executed according to the processing flow shown in FIG. When the measurement unit obtains measurement data (transmittance measurement data) M (λ) obtained by A / D conversion (S1), the calculation unit starts the calculation. First, the film thickness d is set to the minimum film thickness dx (S2), and the transmittance at the film thickness d = dx is the square of the difference between the theoretical data Rdx (λ) and the measurement data M (λ) using the theoretical table of FIG. [Rdx (λ) −M (λ)]2Is calculated in increments of Δλ (for example, 10 nm) from the wavelength range λp to λq, and the sum
[Expression 2]
P (dx) = Σ [Rdx (λ) −M (λ)]2
(S3) and stored in the memory.
[0084]
Next, the film thickness d is increased by Δd (for example, 1 nm) (S4). Similarly, the square of the difference between the theoretical data Rdx + Δd (λ) and the measurement data M (λ) at the film thickness d = dx + Δd [Rdx + 1 (λ ) -M (λ)]2Is calculated in increments of Δλ from the wavelength range λp to λq, and the sum
[Equation 3]
P (dx + Δd) = Σ [Rdx + Δd (λ) −M (λ)]2
(S3) and stored in the memory.
[0085]
In this way, the value of the film thickness d is sequentially increased by Δd until the film thickness d reaches the maximum film thickness dy (S5), and the square sum of the difference between the theoretical data and the measurement data at that time is obtained. (S3) Store in the memory.
[0086]
When the calculation of the sum of squares up to the maximum film thickness dy is completed in this way (YES in S5), the minimum of the sums of squares P (dx) to P (dy) in the film thickness range dx to dy stored in the memory is determined. The sum of squares P (dz) taking the above value is extracted (S6), and the film thickness dz at this time is taken as the measured film thickness (S7).
[0087]
Next, a method of calculating the film thickness by the extreme value search method will be described with reference to FIG. In the extreme value search method, the arithmetic unit differentiates the digitized measurement data and obtains a local maximum value from a position where the differential value changes from plus to 0 (or minus) when the wavelength λ increases. If the wavelengths corresponding to the adjacent maximum values thus obtained are λ1 and λ2 (where λ1 <λ2) as shown in FIG. 25, the film thickness d of the thin film 72 is obtained by using the refractive index n of the thin film 72. ,
[Expression 4]
d = (λ1 × λ2) / [2n (λ2−λ1)]
The thin film d can be obtained by giving the refractive index n of the thin film 72. Alternatively, even if the minimum value is obtained from the position where the differential value changes from minus to 0 (or plus), the film thickness d can be obtained by the same calculation.
[0088]
Next, the case where the film thickness measuring apparatus according to the present invention is actually incorporated in a color filter production line of a liquid crystal panel will be described. An example of a cross-sectional view of an active matrix TFT including a color filter to be inspected is shown in FIG.
[0089]
As shown in the figure, the active matrix TFT is configured by laminating a deflecting plate, glass, liquid crystal, alignment film, ITO, glass, and deflecting plate in this order. In a fine region corresponding to each pixel, an active element, a liquid crystal driving electrode, a bus line, and the like are provided. In this example, the color filter to be inspected is manufactured using a color resist. There are three types of color resists, RGB, and these three types of resist films are arranged in a mosaic pattern so that three filter elements of RGB are uniformly distributed for each pixel, as shown in a partially enlarged view in the figure. Is done.
[0090]
The color resist process is shown in FIG. This color resist process includes a BM process, an R process, a G process, a B process, and an OC process. Each RGB process includes a coating process, a baking process, an exposure process, a development process, and a strip process.
[0091]
These processes are performed while conveying the glass substrate onto the production line. The glass substrate shown in the figure is divided into four parts vertically and horizontally, and four color filter plates are obtained by one glass substrate. A marginal area is provided in a rectangular frame shape on the outer peripheral edge of the four color filter plates. The thickness of the color resist film coated on the marginal area is determined by the thickness sensor (sensor head 1) of the present invention. Equivalent). The film thickness sensors are arranged in three rows along the margin line on the glass substrate in the width direction, and each sensor head emits infrared light vertically downward in the figure, and the reflected light is received.
[0092]
As described above, in the film thickness measuring apparatus of the present invention, since the small sensor head 1 or the fiber head 8 is used, it can be easily attached even in a narrow space on the conveyance line of the glass substrate. In addition, since a semiconductor element is used as the light source, the problem of heat generation can be ignored, and as a result, in-line continuous measurement is possible in the color resist process.
[0093]
With this continuous measurement, defective products can be found and removed immediately after each process. In addition to reducing the loss cost, the film quality data continuously measured is immediately fed back to the process, so that the product quality is always optimized. The value can be controlled. As a result, by adopting the film thickness measuring apparatus of the present invention for the color resist process, it is possible to improve the quality and reduce the cost of the liquid crystal display panel.
[0094]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the optical interference type film thickness measuring apparatus of the present invention uses infrared light as measurement light, and therefore is affected by wavelength selection characteristics as a filter. In addition, the film thickness of each of the RGB resist films functioning as a color filter for a liquid crystal display panel can be accurately measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows spectral transmittance characteristics (3 types of B, G, and R) of a color filter.
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the film thickness measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical system in the sensor head of the film thickness measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining operating characteristics of a spectroscopic element.
FIG. 5 is an example of an interference waveform of a color filter (in the case of R).
FIG. 6 is an example of an interference waveform of a color filter (in the case of G).
FIG. 7 is an example of an interference waveform of a color filter (in the case of B).
FIG. 8 is a block diagram showing an electrical configuration of a film thickness measuring apparatus according to a second embodiment.
FIG. 9 is a graph showing an example of spectral sensitivity characteristics of a general CCD.
FIG. 10 is a block diagram showing an electrical configuration of a film thickness measuring apparatus according to a third embodiment.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an optical system in a sensor head of a film thickness measuring device according to a third embodiment.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an optical system of a sensor head including a multi-LED light source device.
FIG. 13 is a graph showing wavelength characteristics of an infrared light LED and a dichroic mirror.
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of an optical system of a sensor head including a mirror cylinder.
FIG. 15 is a conceptual diagram for explaining the operation of a mirror tube.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing an optical power distribution in a state where no mirror tube is present.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing the relationship between the presence / absence of a specular cylinder and the optical power distribution when a measurement object is tilted.
FIG. 18 is a graph showing a comparison of interference waveforms in an infrared light region and a visible light region.
FIG. 19 is a graph showing an interference waveform of Poly-Si on a glass substrate.
FIG. 20 is a conceptual diagram for explaining an interference waveform calculation principle.
FIG. 21 is a graph showing a specific example of a spectrum.
FIG. 22 is an explanatory diagram of a curve fitting method.
FIG. 23 is a diagram showing an example of a theoretical table of reflectivity R with respect to each value of a film thickness d and a light wavelength λ.
FIG. 24 is a flowchart showing an execution procedure of a curve fitting method.
FIG. 25 is an explanatory diagram of an extreme value search method;
FIG. 26 is a cross-sectional view of an active matrix TFT.
FIG. 27 is a process diagram showing a color resist process.
FIG. 28 is a graph showing a transmission spectrum of each color element constituting the color filter.
[Explanation of symbols]
1 Sensor head
1A Sensor head
2 Cable
2A cable
3 PCI board
3a PCI board
4 PCI bus
5 PC
5a Application software
6 External interface
7 Measurement object
8 Fiber head
9 Fiber
11 Floodlight
12 Light receiver
13 Light receiver for monitor
31 Emitter / Receiver Controller
32 A / D converter
33 Signal processor
33A Signal processor
33a Firmware
34 Floodlight
35 Light receiver
101 lens
102 half mirror
111 1st infrared light LED (LED1)
112 2nd infrared light LED (LED2)
113 3rd infrared light LED (LED3)
114 First dichroic mirror (DCM1)
115 Second dichroic mirror (DCM2)
121 Spectroscopic element
122 CCD
123 mirror tube
123a Cylindrical passage
131 Spectral element for monitoring
132 CCD for monitor

Claims (10)

赤外光を発する光源部と、光源部から発せられた赤外光を測定物体である膜体に向けて出射すると共にその反射光を入射して分光部へと導く送受光学系と、分光部から得られる一連の成分光を適宜に区分して個別に光電変換する光電変換部と、光電変換部から得られる干渉波形相当の電気信号に基づいて膜厚を求める演算部と、透明基板の表面に、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を形成した分光素子で構成された分光部と、を具備し、測定光として使用される赤外光の波長が800nmを超え、かつ約800nm〜1000nmの波長領域において連続波長帯域を有し、且つ、測定対象となる膜体が、液晶表示パネル用カラーフィルタとして機能するRGB各レジスト膜であることを特徴とする膜厚測定装置。A light source unit that emits infrared light, a transmission / reception optical system that emits infrared light emitted from the light source unit toward a film body that is a measurement object, and that receives the reflected light to the spectroscopic unit, and a spectroscopic unit A series of component light obtained from the above, a photoelectric conversion unit that individually photoelectrically converts, a calculation unit that obtains a film thickness based on an electrical signal corresponding to an interference waveform obtained from the photoelectric conversion unit, and a surface of the transparent substrate And a spectroscopic portion composed of a spectroscopic element formed with an optical multilayer film in which the transmission wavelength region continuously changes depending on the incident position, and the wavelength of infrared light used as measurement light exceeds 800 nm, And a film thickness measuring apparatus having a continuous wavelength band in a wavelength region of about 800 nm to 1000 nm, and the film body to be measured is an RGB resist film functioning as a color filter for a liquid crystal display panel . 光源部から発せられる赤外光をモニタするためのモニタ用分光部とモニタ用光電変換部とをさらに有し、それにより光源から発せられた原赤外光の波長特性と測定物体で干渉された変調赤外光の波長特性とを同時に取得可能としたことを特徴とする請求項に記載の膜厚測定装置。It further has a monitoring spectroscopic unit for monitoring infrared light emitted from the light source unit and a photoelectric conversion unit for monitoring, thereby interfering with the wavelength characteristic of the original infrared light emitted from the light source and the measurement object 2. The film thickness measuring apparatus according to claim 1 , wherein the wavelength characteristics of the modulated infrared light can be acquired simultaneously. 分光部へ至る入射経路にはさらに鏡面筒が介在され、それにより測定物体の傾きによる干渉波形のずれが抑制されることを特徴とする請求項に記載の膜厚測定装置。2. The film thickness measuring apparatus according to claim 1 , wherein a mirror tube is further interposed in an incident path to the spectroscopic unit, thereby suppressing a shift in an interference waveform due to an inclination of a measurement object. 光源部が、出力波形特性の異なる複数の半導体赤外発光素子と、各半導体赤外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、各半導体赤外発光素子の出力パワーを個別に設定する手段とを有し、各半導体赤外発光素子から取り出された光を重ね合わせて出射するように構成されていることを特徴とする請求項のいずれかに記載の膜厚測定装置。The light source unit individually controls a plurality of semiconductor infrared light emitting elements having different output waveform characteristics, an optical element that extracts light in a partial wavelength region from each semiconductor infrared light emitting element, and an output power of each semiconductor infrared light emitting element. and means for setting the film thickness measurement according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is configured to emit by overlapping light extracted from the semiconductor infrared emitting device apparatus. 送受光学系が、ビームスプリッタを含む送受同軸光学系であることを特徴とする請求項のいずれかに記載の膜厚測定装置。The film thickness measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the transmission / reception optical system is a transmission / reception coaxial optical system including a beam splitter. 光源が少なくとも赤外光を含む光を発するものであり、分光部が赤外光のみを透過し分光することを特徴とする請求項に記載の膜厚測定装置。2. The film thickness measuring apparatus according to claim 1 , wherein the light source emits light including at least infrared light, and the spectroscopic unit transmits only infrared light and separates it. 演算部が、カーブフィッティング法又は極値法により赤外波長領域のみを演算して膜厚を求めるることを特徴とする請求項のいずれかに記載の膜厚測定装置。The film thickness measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the calculation unit calculates the film thickness by calculating only the infrared wavelength region by a curve fitting method or an extreme value method. 測定物体の間近に取付可能なセンサヘッドと、測定物体から離隔して取付可能な信号処理ユニットとに分離構成され、両者は電線により結ばれており、
センサヘッドには、光源部と、送受光学系と、分光部と、光電変換部とが含まれており、信号処理ユニットには、演算部が含まれている、ことを特徴とする請求項のいずれかに記載の膜厚測定装置。
The sensor head that can be mounted close to the measurement object and the signal processing unit that can be mounted separately from the measurement object are separated, and both are connected by electric wires.
The sensor head, a light source unit, and the transmitting and receiving optics, and the spectroscopic portion, includes a photoelectric conversion unit, the signal processing unit, according to claim 1, arithmetic unit is included, characterized in that thickness measuring system according to any one of 1 to 7.
信号処理ユニットは、パソコンの内部スロットに装着可能なPCIボードの形態を有することを特徴とする請求項に記載の膜厚測定装置。9. The film thickness measuring apparatus according to claim 8 , wherein the signal processing unit has a form of a PCI board that can be mounted in an internal slot of a personal computer. センサヘッドが、液晶パネル用カラーフィルタの生産ラインに組み込まれ、それによりカラーフィルタを構成するRGB各レジスト膜の膜厚が連続的に測定されることを特徴とする請求項又はのいずれかに記載の膜厚測定装置。Sensor head is incorporated in the production line of a color liquid crystal panel filter, whereby any of claims 8 or 9, characterized in that the thickness of each RGB resist film constituting the color filter is continuously measured The film thickness measuring apparatus described in 1.
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