(57)【要約】  精度よく光学膜厚を測定することが可能な膜厚測定装置を提供する。  照射側ファイバｆ１を通じてモニタ基板Ｓｍに向けて光を照射する投光器１１と、投光器１１から照射された後にモニタ基板Ｓｍにて反射された光を受光側ファイバｆ２を通じて受光する受光装置２２と、複数の照射側ファイバｆ１と複数の受光側ファイバｆ２とを束ねて形成された光学センサ用プローブ１３と、を備えた膜厚測定装置６において、モニタ基板Ｓｍと対向する光学センサ用プローブ１３の先端面には、照射側ファイバｆ１の端面及び受光側ファイバｆ２の端面がそれぞれ複数配置されており、照射側ファイバｆ１の端面の各々は、受光側ファイバｆ２の端面と隣り合った状態で円弧状または円環状に並び、かつ、受光側ファイバｆ２の端面の各々は、照射側ファイバｆ１の端面の各々と隣り合った状態で円弧状または円環状に並んでいる。
2013186879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定用基板に形成された膜の光学膜厚を測定するために、光ファイバからなる照射側ファイバを通じて前記被測定用基板に向けて光を照射する照射装置と、
前記光学膜厚を測定するために、前記照射装置から照射された後に前記被測定用基板にて反射された光を、光ファイバからなる受光側ファイバを通じて受光する受光装置と、
複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバとを束ねて形成されたプローブと、を備え、
該プローブが端面として前記被測定用基板と対向する側に備える対向面には、前記照射側ファイバの端面及び前記受光側ファイバの端面がそれぞれ複数配置されており、
前記対向面において、複数配置された前記照射側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記受光側ファイバの端面と隣り合った状態で円弧状または円環状に並び、かつ、複数配置された前記受光側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記照射側ファイバの端面の各々と隣り合った状態で円弧状または円環状に並んでいることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記プローブは、前記対向面と前記被測定用基板との間に光学部品が設けられていない状態で、前記対向面にて、前記被測定用基板のうち、前記膜が形成される側とは反対側に位置する非成膜面と対向していることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記プローブを構成する複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバは、前記対向面にて端面が揃えられたバンドルファイバをなし、
前記対向面と前記成膜面との間の距離は、前記バンドルファイバの径の２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記被測定用基板は、円盤状または円環状の基板であることを特徴とする請求項３に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記照射装置と、
前記照射装置に備えられた光源に直流電流を供給する直流安定化電源と、
前記プローブと、
前記受光装置を備え、前記受光装置が前記被測定用基板にて反射された光を受光した際の受光強度に応じたアナログ信号を出力する分光器と、
該分光器から出力される前記アナログ信号を増幅するアンプと、
該アンプにより増幅された前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記デジタル信号に基づいて前記光学膜厚を演算する電子計算機と、
前記Ａ／Ｄ変換器と前記電子計算機との間に介在し、前記電気計算機が前記光学膜厚を演算するにあたって前記デジタル信号に対して所定の信号処理を実行するための信号処理回路と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
真空容器内において基板の表面に蒸着材料を蒸着させることで前記基板に膜を形成する成膜装置であって、
前記蒸着材料を蒸発させるための蒸発機構と、
該蒸発機構が蒸発させた前記蒸着材料が前記基板の表面に向かう際の行路を遮断するために開閉動作する開閉部材と、
該開閉部材の開閉を制御する制御機構と、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の膜厚測定装置と、を備え、
前記基板及び前記被測定用基板の双方が前記真空容器内に収容された状態で、該双方の表面に前記蒸着材料を蒸着させるために前記蒸発機構が前記蒸着材料を蒸発させ、前記膜厚測定装置が前記被測定用基板に形成された膜の前記光学膜厚を測定し、前記制御機構が、前記膜厚測定装置による前記光学膜厚の測定結果に応じて前記開閉部材の開閉を制御することを特徴とする成膜装置。
【請求項７】
前記基板に多層膜を形成する間、前記真空容器内には同一の前記被測定用基板を配置させて前記多層膜を前記被測定用基板にも形成し、
前記膜厚測定装置は、前記被測定用基板に形成される前記多層膜における各層の膜の前記光学膜厚を層毎に測定することを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定装置及び当該膜厚測定装置を搭載した成膜装置に係り、特に、被測定用基板に形成された光学膜厚を測定するために、光ファイバを通じて被測定用基板に向けて光を照射し、光ファイバを通じて被測定用基板にて反射した反射光を受光する膜厚測定装置、及び、当該膜厚測定装置を搭載した成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学薄膜を所定の膜厚となるように精度よく形成することは、光学薄膜を利用する各分野において望まれている。一方、光学薄膜の高精度な膜厚制御には、正確な膜厚測定が不可欠となる。なお、ここでいう膜厚は、光学膜厚のことであり、物理的な膜厚及び薄膜の屈折率により決定される値である。【０００３】
膜厚の測定方法としては、光学薄膜の表面上で反射された光線と、基板と光学薄膜の界面で反射された光線とが経路の違いにより位相差を生じることで干渉する現象を利用して膜厚を測定する反射式測定法が知られており、かかる測定法を採用した膜厚測定装置については、種々の装置が提案されている。【０００４】
従来の膜厚測定装置の一例としては、特許文献１に記載の成膜装置に搭載された膜厚測定装置が挙げられる。かかる装置では、光学薄膜に投射される光が光ファイバを通じて光源から伝搬され、基板と光学薄膜の界面で反射された光が光ファイバを通じて分光器に伝搬されるようになっている。【０００５】
また、膜厚測定装置が真空成膜装置内に搭載されている場合、最終的に多層膜製品となる基板とともにモニタガラスを装置内にセットし、基板と同一の条件でモニタガラスにも薄膜を形成する。そして、成膜工程中、モニタガラス側に形成された薄膜の光学膜厚を測定して成膜状況をモニタリングする。これにより、基板側に形成される多層膜の各層の光学膜厚を測定することが可能となる。なお、従来の真空成膜装置では、成膜工程中、基板に形成される多層膜の各層が成膜される度にモニタガラスが成膜済みのガラスから新しいガラス、すなわち成膜前のモニタガラスに交換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３８６６９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、反射式の膜厚測定において、基板の光学薄膜に対して光線が角度を付けて入射された場合、膜厚の測定値が、光学薄膜に対して垂直に光線が照射された場合の膜厚、すなわち本来の膜厚よりも薄くなってしまう。具体的に説明すると、基板の光学膜に対する光線の入射角度をθとし、光学膜の屈折率をｎとし、本来の膜厚をｄ０とすると、膜厚の測定値ｄは、下記の式（１）を満たす値になってしまう。
ｄ＝（ｄ０／ｎ２）×√｛ｎ２−（ｓｉｎθ）２｝          （１）
したがって、入射角度θが大きくなるほど、膜厚の測定誤差Δｄ（＝ｄ０−ｄ）が大きくなり、膜厚の測定精度が低くなってしまう。【０００８】
なお、入射角度θは、図９に示すように、基板に向けて入射される光の光路と、基板側で反射される光の光路とがなす角度の半分に相当する。図９は、入射角度に関する説明図である。【０００９】
このような入射角度θと膜厚の測定誤差Δｄとの関係を考慮すると、光学薄膜に対して照射する投光器において実際に光を照射する部分の面積（有効投光範囲）を極力小さくして、入射角度θを小さくすることが望ましい。【００１０】
また、光学薄膜の所定位置に精度よく光を照射する目的から、投光器と光学薄膜との間に集光レンズを設け、当該集光レンズを介して光学薄膜に光を照射する場合がある。同様に、光学薄膜から反射された反射光を的確に受光する目的から、受光器と光学薄膜との間に受光レンズを設け、当該受光レンズを介して光学薄膜からの反射光を受光する場合がある。かかる場合には、光がレンズを通過する分、照度が減衰することになり、膜厚の測定精度に影響を及ぼす虞がある。【００１１】
さらに、多層膜が形成される基板に各層が成膜される度にモニタガラスを交換すると、サイズ、表面状態及び加工精度の点でモニタガラス間にバラツキが生じ、このバラツキが薄膜測定精度に影響を及ぼす虞がある。【００１２】
そして、以上のような理由によって光学膜厚の測定が正確に行われなくなると、その測定結果を反映して実行される膜厚制御の精度も低下し、所望の膜厚となった薄膜が得られ難くなってしまう。【００１３】
そこで、本発明の目的は、精度よく光学膜厚を測定することが可能な膜厚測定装置を提供することにある。その上で、本発明の他の目的は、光学膜厚の正確な測定結果に基づき、基板に形成される薄膜の膜厚を精度よく制御することが可能な成膜装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題は、本発明の膜厚測定装置によれば、被測定用基板に形成された膜の光学膜厚を測定するために、光ファイバからなる照射側ファイバを通じて前記被測定用基板に向けて光を照射する照射装置と、前記光学膜厚を測定するために、前記照射装置から照射された後に前記被測定用基板にて反射された光を、光ファイバからなる受光側ファイバを通じて受光する受光装置と、複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバとを束ねて形成されたプローブと、を備え、該プローブが端面として前記被測定用基板と対向する側に備える対向面には、前記照射側ファイバの端面及び前記受光側ファイバの端面がそれぞれ複数配置されており、前記対向面において、複数配置された前記照射側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記受光側ファイバの端面と隣り合った状態で円弧状または円環状に並び、かつ、複数配置された前記受光側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記照射側ファイバの端面の各々と隣り合った状態で円弧状または円環状に並んでいることにより解決される。【００１５】
上記の薄膜測定装置では、プローブが端面として被測定用基板と対向する側に備える対向面において、照射側ファイバの端面と受光側ファイバの端面とが互いに隣り合っていると、照射装置から薄膜に対して照射される光の入射角度がより小さくなる。【００１６】
具体的に説明すると、照射側ファイバの端面から照射された光が薄膜に向かう際の光路と、同光が被測定用基板にて反射して受光側ファイバの端面に向かう際の光路と、がなす角度は、照射側ファイバの端面と受光側ファイバの端面が互いに隣り合っていると、両ファイバの端面が隣り合っていない場合に比してより小さくなる。一方、入射角度は、上記２つの光路がなす角度の大きさの１／２であるので、照射側ファイバの端面と受光側ファイバの端面が互いに隣り合っている場合には、入射角度についてもより小さくなる。このように入射角度が小さくなれば、上述した入射角度と膜厚の測定誤差Δｄとの関係（具体的には、上述した式（１））により、測定誤差Δｄが小さくなる。
また、照射側ファイバの端面と受光側ファイバの端面とが互いに隣り合っていると、反射光を、受光側ファイバを通じて効率的に受光することが可能になる。【００１７】
さらに、膜厚測定の精度については、プローブの端面におけるファイバの充填率が高くなるほど向上するため、通常、プローブの端面内にはファイバの端面が密集状態で配置される。一方、ファイバの端面が密集するほど、照射側ファイバの端面同士、及び、受光側ファイバの端面同士が密集し易くなる。これに対して、プローブの端面において照射側ファイバの端面と受光側ファイバの端面とがそれぞれ円弧状または円環状に並ぶように各ファイバを配置すれば、照射側ファイバと受光側ファイバとが互いに隣り合うようなファイバ配置を効率的に実現することができる。
以上のような作用により、請求項１に記載の膜厚測定装置では、従来の装置に比して、より精度よく光学膜厚を測定することが可能である。【００１８】
また、上記の膜厚測定装置において、前記プローブは、前記対向面と前記被測定用基板との間に光学部品が設けられていない状態で、前記対向面にて、前記被測定用基板のうち、前記膜が形成される側とは反対側に位置する非成膜面と対向していると、好適である。
以上の構成では、集光レンズや受光レンズを用いていないので、光ロスが抑えられるようになり、受光側ファイバを通じて反射光を受光する際、比較的大きな照度にて反射光を受光することが可能となる。そして、受光側ファイバを通じて受光する光の光量が大きくなる分、膜厚を算出するために当該光を分光分析する際のＳ／Ｎ比が向上する。したがって、請求項２に記載の構成によって、より一層精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。【００１９】
また、上記の薄膜測定装置において、前記プローブを構成する複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバは、前記対向面にて端面が揃えられたバンドルファイバをなし、前記対向面と前記成膜面との間の距離は、前記バンドルファイバの径の２倍以上であると、より好適である。
以上の構成では、薄膜に対する光の入射角度、換言すると、薄膜にて反射された光の反射角度が受光側ファイバの開口数ＮＡ以下となる。この場合には、受光側ファイバを通じて光を受光する際の受光効率がより高まるようになる。したがって、請求項３に記載の構成によって、益々精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。【００２０】
また、上記の薄膜測定装置において、前記被測定用基板は、円盤状または円環状の基板であることとしてもよい。すなわち、請求項４に記載の構成では、円盤状または円環状の被測定用基板に形成される薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。さらに、膜厚の多点モニタが可能な膜厚測定装置において、円盤状または円環状の基板を用いれば、例えば矩形状の基板と比較してモニタ点数をより多くすることが可能となる。【００２１】
また、上記の薄膜測定装置において、前記照射装置と、前記照射装置に備えられた光源に直流電流を供給する直流安定化電源と、前記プローブと、前記受光装置を備え、前記受光装置が前記被測定用基板にて反射された光を受光した際の受光強度に応じたアナログ信号を出力する分光器と、該分光器から出力される前記アナログ信号を増幅するアンプと、該アンプにより増幅された前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号に基づいて前記光学膜厚を演算する電子計算機と、前記Ａ／Ｄ変換器と前記電子計算機との間に介在し、前記電気計算機が前記光学膜厚を演算するにあたって前記デジタル信号に対して所定の信号処理を実行するための信号処理回路と、を有することとしてもよい。すなわち、請求項５に記載の構成では、通常の薄膜測定装置が備える構成機器と同様の機器を備えた上で、薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。【００２２】
また、前述した課題は、本発明の成膜装置であれば、真空容器内において基板の表面に蒸着材料を蒸着させることで前記基板に膜を形成する成膜装置であって、前記蒸着材料を蒸発させるための蒸発機構と、該蒸発機構が蒸発させた前記蒸着材料が前記基板の表面に向かう際の行路を遮断するために開閉動作する開閉部材と、該開閉部材の開閉を制御する制御機構と、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の膜厚測定装置と、を備え、前記基板及び前記被測定用基板の双方が前記真空容器内に収容された状態で、該双方の表面に前記蒸着材料を蒸着させるために前記蒸発機構が前記蒸着材料を蒸発させ、前記膜厚測定装置が前記被測定用基板に形成された膜の前記光学膜厚を測定し、前記制御機構が、前記膜厚測定装置による前記光学膜厚の測定結果に応じて前記開閉部材の開閉を制御することにより解決される。
以上のように構成された成膜装置では、前述した効果を奏する膜厚測定装置を備えているので、精度よく膜厚を測定することが可能であり、さらに、その測定結果に応じて膜厚制御を行うことになる。したがって、請求項６に記載の成膜装置であれば、光学膜厚の正確な測定結果に基づいて、基板に形成される薄膜の膜厚を精度よく制御することが可能となる。【００２３】
また、上記の成膜装置において、前記基板に多層膜を形成する間、前記真空容器内には同一の前記被測定用基板を配置させて前記多層膜を前記被測定用基板にも形成し、前記膜厚測定装置は、前記被測定用基板に形成される前記多層膜における各層の膜の前記光学膜厚を層毎に測定すると、より好適である。
以上の構成であれば、基板に多層膜を形成する間、被測定用基板を交換せず、多層膜の各層が被測定用基板に形成される都度、当該各層の膜の光学膜厚を測定するため、各層の膜厚を測定する毎に被測定用基板が変わることによって生じる影響を抑えることが可能にある。したがって、請求項７に記載の成膜装置であれば、基板に形成される多層膜の各層の膜厚を精度よく測定し、その測定結果に基づいて膜厚制御をより精度良く行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の膜厚測定装置では、従来の装置に比して、より精度よく光学膜厚を測定することが可能である。
請求項２に記載の膜厚測定装置では、分光分析のＳ／Ｎ比が向上する分、より一層精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。
請求項３に記載の膜厚測定装置では、薄膜にて反射された光の反射角度が受光側ファイバの開口数ＮＡ以下となるので、益々精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。
請求項４に記載の膜厚測定装置では、円盤状または円環状の被測定用基板に形成される薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。さらに、膜厚の多点モニタが可能な膜厚測定装置において、円盤状または円環状の基板を用いれば、矩形状の基板と比較してモニタ点数をより多くすることが可能となる。
請求項５に記載の膜厚測定装置では、通常の薄膜測定装置が備える構成機器と同様の機器を備えた上で、薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。
請求項６に記載の成膜装置では、精度よく膜厚を測定し、その測定結果に応じて膜厚制御を精度よく行うことが可能となる。
請求項７に記載の成膜装置では、基板に形成される多層膜の各層の光学膜厚を測定するにあたり層毎に被測定用基板が変わることによって生じる影響が抑えられる分、基板に形成される多層膜の各層の膜厚を精度よく測定し、その測定結果に基づいて膜厚制御をより精度良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るプローブの模式側面図である。
【図３】図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、第１例におけるファイバの配置位置を示す図である。
【図４】比較例におけるファイバの配置位置を示す図である。
【図５】図５の（Ａ）及び（Ｂ）は第２例におけるファイバの配置位置を示す図である。
【図６】本実施形態に係るファイバの配置位置の有効性についての説明図である。
【図７】図７の（Ａ）及び（Ｂ）は第２例についての他のバリエーションを示す図である。
【図８】図８の（Ａ）及び（Ｂ）は第３例におけるファイバの配置位置を示す図である。
【図９】入射角度に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態（以下、本実施形態）について図面を参照して説明する。
先ず、本実施形態に係る成膜構成の概略構成について図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す図である。
【００２７】
本実施形態に係る成膜装置は、真空容器内において基板の表面に蒸着材料を蒸着させることで基板上に多層膜を形成する装置であり、特に、真空蒸着法により膜を形成する真空蒸着装置１００である。また、本実施形態の真空蒸着装置１００では、真空容器１内で基板（以下、実基板Ｓ）と膜厚測定用のモニタ基板Ｓｍをセットし、モニタ基板Ｓｍ側に形成される薄膜の光学膜厚を測定しながら、その測定結果に基づいて実基板Ｓ側に形成される薄膜の膜厚を制御することが可能である。
【００２８】
ここで、実基板Ｓとは、実際に薄膜利用機器に取り付けられる基板のことであり、例えばガラスからなる。一方、モニタ基板Ｓｍは、被測定用基板に相当し、膜厚モニタリングのみに用いられるものであり、実基板Ｓと同様の材料、例えばガラスからなる。特に、本実施形態に係るモニタ基板Ｓｍは、平面視で円環状の基板となっており、その好適な厚さは１．０〜２．０ｍｍである。
【００２９】
そして、本実施形態において、モニタ基板Ｓｍには実基板Ｓと同一の条件で多層膜が形成される。つまり、本実施形態では、実基板Ｓ側に形成される薄膜の光学膜厚と、モニタ基板Ｓｍ側に形成される薄膜の光学膜厚とを同視し、モニタ基板Ｓｍ側の薄膜の光学膜厚をモニタすることにより、実基板Ｓ側の薄膜の光学膜厚を管理する。
【００３０】
真空蒸着装置１００の構成について説明すると、図１に示すように、真空容器１と、基板ホルダ２と、蒸発機構３と、シャッタ４と、シャッタ制御ユニット５と、膜厚測定装置６とを主たる構成要素として備えている。
【００３１】
真空容器１の内空間のうち、上方の空間にはドーム状の基板ホルダ２が収容されており、この基板ホルダ２の内表面には複数の実基板Ｓが取り付けられている。また、基板ホルダ２の内表面の中心位置には開口２ａが形成されており、この開口２ａの直下位置に１つのモニタ基板Ｓｍが配置されている。かかる位置に配置されたモニタ基板Ｓｍは、その一部が上記の開口２ａを通じてドームの外側に露出した状態になっている。
【００３２】
さらに、基板ホルダ２は、実基板Ｓ間での成膜量を均一化する目的から、成膜期間中、鉛直方向に沿った回転軸を中心に回転する。この間、モニタ基板Ｓｍは、基板ホルダ２に対して相対的に回転する。すなわち、本実施形態において、モニタ基板Ｓｍは、基板ホルダ２とは別体を成す不図示のモニタ基板ホルダに保持され、基板ホルダ２とモニタ基板ホルダとは、互いに独立して回転することが可能である。
【００３３】
一方、真空容器１の内空間のうち、下方の空間には、蒸発機構３が備えられている。この蒸発機構３は、薄膜形成のために実基板Ｓやモニタ基板Ｓｍに蒸着させる蒸着材料を蒸発させるためのものである。具体的に説明すると、本実施形態に係る蒸発機構３は、真空蒸着装置が通常備える蒸発機構と同種のものであり、例えば、不図示の坩堝に保持された蒸着材料を電子ビームにより加熱して蒸発させる電子ビーム装置などが挙げられる。
【００３４】
基板ホルダ２と蒸発機構３との間にはシャッタ４が設けられている。このシャッタ４は、開閉部材の一例であり、蒸発機構３が蒸発させた蒸着材料が実基板Ｓやモニタ基板Ｓｍの表面に向かう際の行路を遮断するために、不図示の駆動機構によって開閉移動する。具体的に説明すると、シャッタ４が開位置（図１中、実線にて示されたシャッタ４の位置）にあるとき、蒸発機構３が蒸発させた蒸着材料は、飛散して実基板Ｓやモニタ基板Ｓｍに供給可能となる。反対に、シャッタ４が閉位置（図１中、破線にて示されたシャッタ４の位置）にあるときには、シャッタ４により蒸着材料の飛散が妨げられる結果、実基板Ｓやモニタ基板Ｓｍへの蒸着材料の供給が不能になる。
【００３５】
シャッタ制御ユニット５は、上記シャッタ４の開閉を制御する制御機構に相当し、本実施形態では、後述する第２コンピュータＰＣ２により構成されている。具体的に説明すると、第２コンピュータＰＣ２は、不図示のインタフェースを介してシャッタ４と接続されており、第２コンピュータＰＣ２にインストールされた制御プログラムが実行されることより、シャッタ４に向けて制御信号を出力する。そして、シャッタ４は、制御信号を第２コンピュータＰＣ２から受信すると、制御信号に従って開閉動作を行うようになる。
【００３６】
膜厚測定装置６は、モニタ基板Ｓｍに形成された薄膜の光学膜厚を測定する装置であり、特に、本実施形態では、反射法により膜厚を測定するものである。つまり、本実施形態に係る膜厚測定装置６は、モニタ基板Ｓｍに形成された薄膜に対して光を入射し、モニタ基板Ｓｍにて反射された光を受光した後に、その反射光を分光して波長ごとの光強度（スペクトル）を検出する。そして、検出された光強度に基づいて、モニタ基板Ｓｍに形成された薄膜の光学膜厚が算出される。
【００３７】
さらに、本実施形態に係る膜厚測定装置６は、モニタ基板Ｓｍに形成される多層膜における各層の膜の光学膜厚を層毎に測定するものである。より具体的に説明すると、モニタ基板Ｓｍは、前述したように、基板ホルダ２とは独立して回転する一方で、モニタ基板Ｓｍの直下位置には、不図示のモニタ基板マスクが配置されている。このモニタ基板マスクは、円盤状の部材であり、その中央部には開口が形成されている。この開口を通じてモニタ基板Ｓｍの一部が蒸発機構３に対して露出するようになる。
【００３８】
一方、真空容器１内には実基板Ｓ及びモニタ基板Ｓｍの双方が収容された状態で、当該双方の表面に蒸着材料を蒸着させるために蒸発機構３が蒸着材料を蒸発させる。これにより、実基板Ｓ及びモニタ基板Ｓｍの各々の成膜面に、略同一条件にて薄膜が形成されるようになる。この際、モニタ基板Ｓｍの成膜面のうち、薄膜が形成される領域は、モニタ基板マスクに形成された開口を通じて露出した領域のみである。
【００３９】
また、前述したように、本実施形態では実基板Ｓに多層膜を形成することになっており、各層の薄膜が形成される都度、蒸着材料及び成膜条件が、次の層の薄膜を形成するための材料及び条件に切り替えられる。一方、基板と略同一条件でモニタ基板Ｓｍにも多層膜が形成されるようになるが、本実施形態では、一層分の薄膜が完成して蒸着材料及び成膜条件が切り替えられる時点で、モニタ基板Ｓｍが、静止しているモニタ基板マスクに対して所定の回動角度だけ相対的に回動する。このようにモニタ基板Ｓｍがモニタ基板マスクに対して相対的に回動することにより、モニタ基板Ｓｍのうち、モニタ基板マスクに形成された開口を通じて露出する領域が上記の回動角度だけずれるようになり、結果として、薄膜が形成される領域が上記の回動角度だけずれるようになる。
【００４０】
そして、その後の成膜処理では、モニタ基板Ｓｍのうち、回動前に露出していた領域（以下、回動前の露出領域）と、回動後に露出する領域（以下、回動後の露出領域）との重複範囲に、新たな層の薄膜が形成される。一方で、回動前の露出領域のうち、回動後の露出領域と重複していない範囲には、新たな層の薄膜は形成されない。したがって、各成膜処理にて形成される分の薄膜の膜厚は、モニタ基板Ｓｍのうち、成膜処理が実行される直前の回転動作の前後で露出する領域と、回転動作後には露出しなくなる領域との間で、形成されている薄膜の光学膜厚を比較することによって求められる。
【００４１】
次に、本実施形態に係る膜厚測定装置６の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るプローブの模式側面図である。
【００４２】
膜厚測定装置６は、図１に示すように、投光器１１と、直流安定化電源１２と、光学センサ用プローブ１３と、分光器１４と、アンプ１５と、Ａ／Ｄ変換器１６と、信号処理回路１７と、２つのコンピュータＰＣ１，ＰＣ２とを主たる構成要素として有している。
【００４３】
投光器１１は、照射装置の一例であり、モニタ基板Ｓｍに形成された膜の光学膜厚を測定するために、光ファイバからなる照射側ファイバｆ１を通じてモニタ基板Ｓｍに向けて光を照射する。具体的に説明すると、投光器１１は、ハロゲンランプなどからなる光源２１を有し、光源２１から発せられる白色光を、照射側ファイバｆ１の端面が配置された光学センサ用プローブ１３の先端面から照射する。ここで、投光器１１は、分光器１４と同期しており、分光器１４における入射光強度の出力周期に同期して、光源２１の消灯と点灯を繰返すようになっている。なお、投光器１１に備えられた光源２１には、直流安定化電源１２から直流電流が供給される。
【００４４】
分光器１４は、受光装置２２を備え、受光装置２２がモニタ基板Ｓｍにて反射された光を受光した際の受光強度に応じたアナログ信号を出力するものである。より具体的に説明すると、分光器１４に備えられた受光装置２２は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）によって構成されており、光学膜厚を測定するために、投光器１１から照射された後にモニタ基板Ｓｍにて反射された光を、光ファイバからなる受光側ファイバｆ２を通じて受光する。分光器１４は、受光装置２２が受光した光を分光した上で、各波長別の光強度（スペクトル）を検出し、検出結果に応じた電気信号を出力する。ここで、分光器１４から出力される電気信号は、受光装置２２が反射光を受光した際の受光強度に応じたアナログ信号に相当する。
【００４５】
分光器１４は、また、投光器１１から照射された光を分光し、入射光の各波長別の光強度、すなわち入射光強度を示す電気信号を出力する。以上のように、分光器１４は、入射光強度を示す電気信号と、反射光強度を示す電気信号とをそれぞれ出力する。分光器１４から出力された上記２種類の電気信号は、それぞれ、アンプ１５によって増幅され、その後にＡ／Ｄ変換器１６によってデジタル信号へ変換される。その後、デジタル信号は、第２コンピュータ１９に入力されるようになる。
【００４６】
光学センサ用プローブ１３は、プローブの一例であり、複数の照射側ファイバｆ１と複数の受光側ファイバｆ２とを束ねて形成されている。具体的に説明すると、投光器１１に接続された複数の照射側ファイバｆ１、及び、受光装置２２に接続された複数の受光側ファイバｆ２は、図２に示すように、それぞれ束（バンドル）をなし、フレキシブルチューブ２３内に収められている。
【００４７】
なお、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２は、それぞれ、コアとコアを覆う被覆を有し、本実施形態では、コア径が約２００μｍとなっており、被覆を含むファイバ径が約２３５μｍとなっている。
【００４８】
また、照射側ファイバｆ１がなすバンドルのうち、投光器１１に接続される側の端には接続コネクタ２４Ａが取り付けられている。同様に、受光側ファイバｆ２がなすバンドルのうち、受光装置２２に接続される側の端に接続コネクタ２４Ｂが取り付けられている。
【００４９】
そして、バンドル化された照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２は、その自由端側で一束にまとめられて光学センサ用プローブ１３をなす。つまり、光学センサ用プローブ１３を構成する複数の照射側ファイバｆ１と複数の受光側ファイバｆ２は、光学センサ用プローブ１３の自由端側の面にて端面が揃えられたバンドルファイバをなしている。
【００５０】
より具体的に説明すると、図２に示すように、各ファイバｆ１，ｆ２のバンドルは中間コネクタ２４Ｃにて合流して、一つのバンドルにまとめられ、同一のフレキシブルチューブ２３内に収容されている。さらに、一バンドルとしてまとめられた状態の照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２のうち、自由端となる側の端部には円筒状の保護筒２５が取り付けられており、この保護筒２５及びその内部に収められたファイバｆ１，ｆ２が真空容器１内に配設される。
【００５１】
保護筒２５は、互いに異径である大径部２５ａ及び小径部２５ｂからなり、小径部２５ｂが光学センサ用プローブ１３の先端部をなす。そして、光学センサ用プローブ１３は、その先端面である小径部２５ｂの一端面がモニタ基板Ｓｍの直上位置でモニタ基板Ｓｍと対向するようにセットされる。つまり、光学センサ用プローブ１３の先端面をなす小径部２５ｂの一端面は、光学センサ用プローブ１３がモニタ基板Ｓｍと対向する側に備える対向面に相当する。
【００５２】
また、小径部２５ｂでは、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２が面一となるように端面を揃えられている。したがって、小径部２５ｂの一端面には、照射側ファイバｆ１の端面及び受光側ファイバｆ２の端面がそれぞれ複数配置されていることになる。ここで、本実施形態では、小径部２５ｂの一端面において照射側ファイバｆ１の端面及び受光側ファイバｆ２の端面が規則的に配置されている。小径部２５ｂの一端面における各ファイバｆ１，ｆ２の配置位置については、後に詳述する。
【００５３】
以上のように、本実施形態の光学センサ用プローブ１３は、複数の照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２を一束にまとめたバンドルファイバによって構成されている。なお、本実施形態では、光学センサ用プローブ１３を構成する照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２の各々の本数は、２０本以上である。これにより、本実施形態に係る膜厚測定装置６では、膜厚の多点モニタが可能となる。
【００５４】
２つのコンピュータＰＣ１，ＰＣ２は、イーサネット（登録商標）を介して互いに通信可能であり、一方のコンピュータである第１コンピュータＰＣ１は、投光器１１を制御するものである。本実施形態において、第１コンピュータＰＣ１は、通信プロトコル変換のためにプログラマブルロジックコントローラＰＬＣを介して投光器１１の光照射動作を制御する。他方のコンピュータである第２コンピュータＰＣ２は、電子計算機の一例であり、分光器１４から出力された電気信号をＡ／Ｄ変換器１６が変換することで生成されたデジタル信号に基づいて、モニタ基板Ｓｍに形成された薄膜の光学膜厚を演算する。
【００５５】
なお、Ａ／Ｄ変換器１６と第２コンピュータＰＣ２との間には信号処理回路１７が介在している。この信号処理回路１７は、第２コンピュータＰＣ２が光学膜厚を演算するにあたって上記デジタル信号に対して所定の信号処理を実行する。ここで、所定の信号処理とは、上記のデジタル信号を、第２コンピュータＰＣ２による光学膜厚演算に用いるのに好適な形式の信号に変換する処理であり、例えば、干渉信号以外の成分を除去するウエーブレット処理や、周波数解析処理などである。
【００５６】
さらに、第２コンピュータＰＣ２は、前述したように、シャッタ４の開閉を制御する制御機構に相当し、光学膜厚の演算値に応じてシャッタ４の開閉を制御する。ここで、第２コンピュータＰＣ２が演算した光学膜厚の演算値は、膜厚測定装置６による光学膜厚の測定結果のことである。
【００５７】
以上までに説明してきた本実施形態に係る膜厚測定装置６の構成は、その大部分において、従来の反射式膜厚測定装置の構成と共通するものであるが、以下に説明する４つの点にて従来の装置と異なるものである。
【００５８】
第１の相違点は、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍとの間に、集光レンズや受光レンズ等の光学部品が設けられていない点である。すなわち、本実施形態において、光学センサ用プローブ１３は、図１に示すように、その先端面をなす小径部２５ｂの一端面とモニタ基板Ｓｍとの間に光学部品が設けられていない状態で、小径部２５ｂの一端面にて、モニタ基板Ｓｍの非成膜面と対向する。ここで、非成膜面とは、モニタ基板Ｓｍのうち、膜が形成される側とは反対側に位置する面のことである。
【００５９】
このように光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍとの間に光学部品が設けられていないことにより、本実施形態では、光学部品を通過することで生じる光ロスを抑えることができる。この結果、受光側ファイバｆ２は、比較的大きな照度にて反射光を受光することが可能となる。そして、受光側ファイバｆ２が受光する光の光量が大きくなる分、膜厚を算出するために当該光を分光分析する際のＳ／Ｎ比が向上する。したがって、本実施形態に係る膜厚測定装置６では、精度よく光学膜厚を測定することが可能となる。
【００６０】
なお、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍとの間に光学部品が設けられていない場合、有効投光スポットの直径については、照射側ファイバｆ１と受光側ファイバｆ２とがなすバンドルファイバの直径、すなわち、バンドルファイバ径に相当するものとみなすことが可能である。ここで、バンドルファイバ径とは、光学センサ用プローブ１３の先端面において配置された複数の照射側ファイバｆ１の端面及び複数の受光側ファイバｆ２の端面うち、最も離れた２つの端面によって規定される長さであり、本実施形態では、約１．８ｍｍである。
【００６１】
第２の相違点は、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離は、バンドルファイバ径の２倍以上である点である。このような構成になっていると、薄膜に対する光の入射角度、換言すると、薄膜にて反射された光の反射角度が、受光側ファイバｆ２の開口数ＮＡ以下となる。本実施形態では、以上の性質を利用して、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離を、バンドルファイバ径の２倍以上確保している。この結果、受光側ファイバｆ２を通じて光を受光する際の受光効率がより高まるようになり、光学膜厚をさらに精度よく測定することが可能になる。
【００６２】
また、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離が過度に短くなると、薄膜に対する光の入射角度及び薄膜にて反射された光の反射角度が大きくなるため、光学センサ用プローブ１３の受光効率（反射された光量に対する、光学センサ用プローブ１３にて受光される光量の割合）が低下するために、測定精度が低くなる。他方、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離が過度に長くなると、光が薄膜にて反射されてから光学センサ用プローブ１３によって受光されるまでの間の減衰度合いが大きくなるために、測定精度が低くなる。これに対して、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離がバンドルファイバ径の２倍以上、望ましくは２倍〜３倍の範囲にあれば、好適な測定精度を達成することが可能となる。
【００６３】
なお、以降、説明の都合上、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離のことを、動作距離ＷＤと呼ぶこととする。
【００６４】
第３の相違点は、実基板Ｓに多層膜を形成する間、真空容器１内には同一のモニタ基板Ｓｍを配置させて上記の多層膜をモニタ基板Ｓｍにも形成する点である。つまり、本実施形態では、実基板Ｓに多層膜を形成している途中でモニタ基板Ｓｍを交換することがない。そして、膜厚測定装置６は、モニタ基板Ｓｍに形成される多層膜における各層の膜の光学膜厚を層毎に測定する。この結果、多層膜の各層の光学膜厚を層別に測定するにあたり、測定毎にモニタ基板Ｓｍが変わることによって生じる影響が抑えられる。
【００６５】
具体的に説明すると、多層膜を形成する従来の成膜装置の中には、モニタ基板チェンジャ（不図示）を搭載したものがあり、かかる装置では、実基板Ｓに多層膜の各層が成膜される都度、モニタ基板チェンジャがモニタ基板Ｓｍを交換するようになっている。しかし、モニタ基板間には、サイズ、表面状態及び加工精度においてバラツキがあり、このバラツキによって、薄膜測定精度に影響が及んでしまうことがある。つまり、膜厚測定の再現性の面で、多層膜形成途中でモニタ基板を交換することには問題がある。
【００６６】
これに対して、本実施形態では、実基板Ｓに多層膜を形成する期間中、真空容器１内に同一のモニタ基板Ｓｍを配置させ続けるので、モニタ基板Ｓｍ間のバラツキによって生じる影響が、薄膜測定の精度に及ぶことがない。その分、モニタ基板Ｓｍに形成される多層膜の各層の膜厚を精度よく測定することができ、さらに、当該測定結果に基づいて実基板Ｓ側に形成される膜の光学膜厚をより精度良く制御することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施形態では、前述したように、モニタ基板Ｓｍとして円環状の基板が用いられる一方で、膜厚測定装置６側では膜厚の多点モニタが可能である。さらに、本実施形態では、バンドルファイバ径が約１．８ｍｍとなっており、光学センサ用プローブ１３が２０本以上の照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２によって構成されている。この結果、本実施形態に係る膜厚測定装置６では、モニタ点数（測定点数）を８０点とすることが可能である。一般に、光量感度を向上させる目的から、モニタ基板Ｓｍ上には高屈折率の蒸着材料と低屈折率の蒸着材料の２種類の蒸着層を形成させることになっているため、８０点のモニタ点数であれば、例えば１６０層（８０×２）からなる多層膜が形成されるケースにも対応することが可能である。
【００６８】
第４の相違点は、光学センサ用プローブ１３の先端面である小径部２５ｂの一端面において照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２の各々の端面が配置されている位置である。具体的に説明すると、本実施形態では、光学センサ用プローブ１３の先端面において、複数配置された照射側ファイバｆ１の端面の各々が、いずれも少なくとも１つの受光側ファイバｆ２の端面と隣り合った状態で円弧状または円環状に配置されている。同様に、上記の一端面において、複数配置された受光側ファイバｆ２の端面の各々が、いずれも少なくとも１つの照射側ファイバｆ１の端面の各々と隣り合った状態で円弧状または円環状に配置されている。
【００６９】
以上のように、光学センサ用プローブ１３の先端面において、照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とが互いに隣り合っていれば、投光器１１から薄膜に対して照射される光の入射角度がより小さくなる。ここで、入射角度の大きさは、照射側ファイバｆ１の端面から照射された光が薄膜に向かう際の光路と、同光が薄膜の表面やモニタ基板Ｓｍと薄膜との境界面にて反射して受光側ファイバｆ２の端面に向かう際の光路と、がなす角度の１／２である。
【００７０】
一方で、入射角度θと膜厚の測定値ｄとの間には、上述した式（１）に示された関係が成立するので、入射角度θが大きくなるほど、膜厚の測定誤差Δｄが大きくなる。具体的に説明すると、成膜材料の屈折率をｎ＝１．４７とした場合、入射角度θが３°、５°、８°、１０°、１２°であるときには、それぞれ、測定誤差Δｄが０．０７％、０．２％、０．５％、０．７％、１．０％となる。逆を言えば、入射角度θが小さくなるほど、膜厚の測定誤差Δｄが小さくなることになる。
【００７１】
上記のように、照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とが離れているほど、薄膜にて反射された光量のうち、受光側ファイバｆ２を通じて受光される光量の割合、すなわち受光効率が低下する。反対に、照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とが互いに隣り合っていると、受光効率が向上するようになる。
【００７２】
ところで、膜厚測定の精度については、光学センサ用プローブ１３の先端面におけるファイバの充填率が高くなるほど向上するため、通常、光学センサ用プローブ１３の先端面内にはファイバの端面が密集状態で配置される。一方、ファイバの端面が密集するほど、照射側ファイバｆ１の端面同士、及び、受光側ファイバｆ２の端面同士が密集し易くなる。そして、同種類のファイバの端面同士が密集して塊状に配置されていると、照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とが離れ易くなる。
【００７３】
これに対して、光学センサ用プローブ１３の先端面において照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とがそれぞれ円弧状または円環状に並ぶように各ファイバを配置すれば、照射側ファイバｆ１と受光側ファイバｆ２とが互いに隣り合うようなファイバ配置を効率的に実現することができる。
なお、照射側ファイバｆ１と受光側ファイバｆ２とが互いに隣り合うようなファイバ配置としては、光学センサ用プローブ１３の先端面において照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とがそれぞれ列をなし各種類のファイバの列が交互に並ぶような配置も考えられ得る。しかし、上記の理由により光学センサ用プローブ１３の先端面内にファイバの端面を密集状態で配置するような状況では、照射側ファイバｆ１の端面と受光側ファイバｆ２の端面とがそれぞれ列をなし各種類のファイバの列が交互に並ぶようなファイバ配置は、物理上実現するのが困難である。ゆえに、本実施形態のように各種類のファイバの端面が円弧状または円環状に並ぶように各ファイバを配置する方が、より効率的であり好適である。
【００７４】
以上のような作用により、本実施形態に係る膜厚測定装置６は、従来の装置に比して、より精度よく光学膜厚を測定することが可能である。
【００７５】
次に、光学センサ用プローブ１３の先端面における照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２の各々の端面の配置位置についての具体例（第１例〜第３例）を、図３乃至８を参照しながら説明する。
【００７６】
図３の（Ａ）及び（Ｂ）は第１例におけるファイバの配置位置を示す図である。図４は、比較例におけるファイバの配置位置を示す図である。図５の（Ａ）及び（Ｂ）は第２例におけるファイバの配置位置を示す図である。図６は、本実施形態に係るファイバの配置位置の有効性についての説明図であり、図中、実線のグラフは第１例のデータを示し、破線のグラフは比較例のデータを示す。図７の（Ａ）及び（Ｂ）は第２例についての他のバリエーションを示す図である。図８の（Ａ）及び（Ｂ）は第３例におけるファイバの配置位置を示す図である。図３、４、６、７及び８において、黒丸は照射側ファイバｆ１の配置位置を示し、白丸は受光側ファイバｆ２の配置位置を示す。
【００７７】
先ず、第１例におけるファイバの配置位置について説明すると、図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２が、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２が互いに逆向きの螺旋をなすように並び、バンドル全体としては円状の配置となっている。なお、図３の（Ａ）と（Ｂ）は、照射側ファイバｆ１の配置位置と受光側ファイバｆ２の配置位置とを互いに反転させた構成を示しているので、以下では、図３の（Ａ）に図示された構成のみを説明する。
【００７８】
第１例では、前述したように、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２が、それぞれ円弧状、より具体的には螺旋状に並んで配置されている。これにより、第１例では、モニタ基板Ｓｍのうち、有効投光範囲の各部に均一な光量にて光を照射することができ、さらに、モニタ基板Ｓｍにて反射された光を均一な条件にて受光することができる。
【００７９】
また、第１例では、最大入射角度が約８．４°であり、実効入射角度が約１．５°である。ここで、最大入射角度は、光学センサ用プローブ１３の先端面において、互いに最も離れた照射側ファイバｆ１と受光側ファイバｆ２との間の角度の半分に相当し、図３の（Ａ）では、最も外側に位置する照射側ファイバｆ１から照射される光の光路と、バンドル中央に位置する受光側ファイバｆ２に向かう光の光路と、がなす角度の半分に相当する。また、実効入射角度とは、照射側ファイバｆ１から照射される光の光路と、同ファイバｆ１に隣接する受光側ファイバｆ２に向かう光の光路と、がなす角度の半分に相当する。
【００８０】
第１例に係るファイバの配置位置の有効性について説明すると、第１例では、図４に図示された比較例に比して、最大入射角度及び実効入射角度が小さくなる。より具体的に説明すると、比較例では、複数の照射側ファイバｆ１が半円状に集合し、かつ、複数の受光側ファイバｆ２が半円状に集合し、バンドル全体としては円状の配置となっている。
【００８１】
そして、比較例では、最大入射角度が約１１．１°となっており、実効入射角度が約６°となっている。ここで、比較例における最大入射角度は、最も外側に位置する照射側ファイバｆ１から照射される光の光路と、同ファイバｆ１から最も離れた受光側ファイバｆ２に向かう光の光路と、がなす角度の半分に相当する。また、比較例における実効入射角度は、重心位置にある照射側ファイバｆ１から照射される光の光路と、重心位置にある受光側ファイバｆ２に向かう光の光路と、がなす角度の半分に相当する。なお、重心位置とは、半円状に集合したファイバ群における重心位置のことであり、ファイバ群がなす半円の径をｒとした際に、同半円の中心に対する重心の相対位置は、（０，２ｒ／π）という座標で表すことができる。
【００８２】
以上のように第１例では、比較例に比して、最大入射角度及び実効入射角度が小さくなる。これは、第１例では、比較例に対して、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２の各々の散らばり度合いが大きく、照射側ファイバｆ１のうち、受光側ファイバｆ２に隣接するものの割合、及び、受光側ファイバｆ２のうち、照射側ファイバｆ１に隣接するものの割合がより高くなるからである。これにより、第１例では比較例に対して有効投光範囲が小さく、光学膜厚の測定誤差についても小さくなる。
【００８３】
また、第１例では比較例に比して、動作距離ＷＤが０〜７ｍｍの範囲における相対反射光量（入射光の光量に対する反射光の光量の割合）がより大きくなる。したがって、動作距離ＷＤが０〜７ｍｍである範囲にある場合、第１例では比較例に比してより高光量にて反射光を受光することが可能である。これにより、分光器１４における分光分析の精度が向上し、結果として、光学膜厚の測定精度が向上することになる。
【００８４】
次に、第２例におけるファイバの配置位置について説明すると、図５の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２が、それぞれ円環状に並び、各ファイバｆ１，ｆ２がなす円環が同心円状に交互に配置されている。なお、図５の（Ａ）と（Ｂ）は、照射側ファイバｆ１の配置位置と受光側ファイバｆ２の配置位置とを互いに反転させた構成を示しており、以下では、図５の（Ａ）に図示された構成のみを説明する。
【００８５】
第２例では、前述したように、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２が、それぞれ円環状に並んで配置されており、これにより、モニタ基板Ｓｍのうち、有効投光範囲の各部に均一な光量にて光を照射することができ、さらに、モニタ基板Ｓｍにて反射された光を均一な条件にて受光することができる。
【００８６】
また、第２例では、最大入射角度が約４．２°であり、実効入射角度が約１．５°である。さらに、図６に示すように、第２例ではでは比較例に比して動作距離ＷＤが０〜７ｍｍの範囲における相対反射光量がより大きくなっている。このため、動作距離ＷＤが０〜７ｍｍである範囲にある場合、第２例では比較例に比してより高光量にて反射光を受光することが可能となり、結果として、分光器１４における分光分析の精度が向上し、光学膜厚の測定精度が向上することになる。
【００８７】
なお、各ファイバを円環状に配置する他のバリエーションとしては、図７の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、照射側ファイバｆ１がなす円環のうち、最も外側に位置する円環において約９０°間隔で、照射側ファイバｆ１が受光側ファイバｆ２に置換された構成も考えられる。このような配置とすることで、第２例では、第１例に比して、バンドル中のファイバ数のうち、受光側ファイバｆ２が占める割合と照射側ファイバｆ１が占める割合との差がより小さくなる。つまり、プローブの機能上、照射側ファイバｆ１の数と受光側ファイバｆ２の数とが近付いている方が望ましく、かかる理由から、図７の（Ａ）や（Ｂ）のようなファイバ配置を採用することとしてもよい。
【００８８】
次に、第３例におけるファイバの配置位置について説明する。第３例では、照射側ファイバｆ１及び受光側ファイバｆ２のそれぞれが円弧状または円環状に並んでおらず、かかる点において上述の第１例及び第２例と異なる。具体的に説明すると、第３例では、図８の（Ａ）及び（Ｂ）に示ように、略Ｖ字状に並んだ照射側ファイバｆ１が、バンドルの外周に沿って一定間隔毎に５カ所配置され、かつ、その隙間及びバンドル中央を埋めるように受光側ファイバｆ２が配置されて、バンドル全体としては円状の配置となっている。そして、第３例では、最大入射角度が約８．４°であり、実効入射角度が約１．５°である。したがって、第３例においても、比較例に比して最大入射角度及び実効入射角度が小さくなり、有効投光範囲についても小さくなる。なお、図８の（Ａ）と（Ｂ）は、照射側ファイバｆ１の配置位置と受光側ファイバｆ２の配置位置とを互いに反転させた構成を示している。
【００８９】
以上までに本実施形態に係る膜厚測定装置及び成膜装置について説明してきたが、本実施形態は、本発明の理解を容易にするための一例に過ぎず、上述した部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、薄膜測定装置を構成する各機器のサイズや寸法、形状、材質として上述した内容については、本発明の効果を発揮させるための一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００９０】
また、上記の実施形態では、成膜装置の一例として、真空蒸着法により成膜する真空蒸着装置１００について説明したが、イオンプレーティング法により成膜する成膜装置、イオンビーム蒸着法により成膜する成膜装置に対しても、本発明は適用可能である。また、本発明は、イオンをターゲットに衝突させて成膜するスパッタ法を採用する成膜装置にも適用可能である。
【００９１】
また、上記の実施形態では、反射光の受光効率を高める目的から、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離、すなわち、動作距離ＷＤをバンドルファイバ径の２倍以上とすることとした。ただし、これに限定されるものではなく、光学センサ用プローブ１３の先端面とモニタ基板Ｓｍの成膜面との間の距離がバンドルファイバ径の２倍未満であることとしてもよい。
【００９２】
また、上記の実施形態では、モニタ基板Ｓｍとして円環状の基板を用いることとした。円環状の基板は、例えば、光学膜厚の測定とともに水晶膜厚計による膜厚測定を行う場合には有効である。これは、一般的に円環状のモニタ基板Ｓｍを用いる成膜装置では、装置構造上の理由から水晶膜厚計を装置中央、具体的には基板ホルダ２の中央に相当する位置に配置することができるためである。ただし、モニタ基板Ｓｍについては、円環状の基板に限定されるものではなく、他の形状の基板、例えば、円盤状の基板であることとしてもよい。
【００９３】
また、上記の実施形態では、実基板Ｓに多層膜を形成している期間中、モニタ基板Ｓｍを交換せず、モニタ基板Ｓｍ側にも多層膜を形成することとしたが、これに限定されるものでない。すなわち、多層膜中の各層の膜が形成される都度、モニタ基板Ｓｍを交換することとしてもよい。ただし、前述したように、モニタ基板間にはサイズ、表面状態及び加工精度においてバラツキがあり、各層の膜厚を測定する毎にモニタ基板Ｓｍを交換すると、上記バラツキが測定精度に影響を及ぼしてしまう。かかる点では、実基板Ｓに多層膜を形成している期間中、モニタ基板Ｓｍを交換しないこととする方が望ましい。
【００９４】
なお、上記の実施形態では、実基板Ｓに多層膜を形成する成膜装置を例に挙げて説明したが、実基板Ｓに単層膜を形成する装置にも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１    真空容器
２    基板ホルダ   
２ａ  開口
３    蒸発機構
４    シャッタ
５    シャッタ制御ユニット
６    膜厚測定装置
１１    投光器
１２    直流安定化電源
１３    光学センサ用プローブ
１４    分光器
１５    アンプ
１６    Ａ／Ｄ変換器
１７    信号処理回路
２１    光源
２２    受光装置
２３    フレキシブルチューブ
２４Ａ  接続コネクタ
２４Ｂ  接続コネクタ
２４Ｃ  中間コネクタ
２５    保護筒
２５ａ  大径部
２５ｂ  小径部
１００  真空蒸着装置
ｆ１    照射側ファイバ
ｆ２    受光側ファイバ
ＰＣ１  第１コンピュータ
ＰＣ２  第２コンピュータ
ＰＬＣ  プログラマブルロジックコントローラ
Ｓ      実基板
Ｓｍ    モニタ基板
【図１】
2013186879.tif 000003
【図２】
2013186879.tif 000004
【図３】
2013186879.tif 000005
【図４】
2013186879.tif 000006
【図５】
2013186879.tif 000007
【図６】
2013186879.tif 000008
【図７】
2013186879.tif 000009
【図８】
2013186879.tif 000010
【図９】
2013186879.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月29日(2013.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定用基板に形成された膜の光学膜厚を測定するために、光ファイバからなる照射側ファイバを通じて前記被測定用基板に向けて光を照射する照射装置と、
前記光学膜厚を測定するために、前記照射装置から照射された後に前記被測定用基板にて反射された光を、光ファイバからなる受光側ファイバを通じて受光する受光装置と、
複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバとを束ねて形成されたプローブと、を備え、
該プローブが端面として前記被測定用基板と対向する側に備える対向面には、前記照射側ファイバの端面及び前記受光側ファイバの端面がそれぞれ複数配置されており、
前記対向面において、複数配置された前記照射側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記受光側ファイバの端面と隣り合った状態で円弧状または円環状に並び、かつ、複数配置された前記受光側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記照射側ファイバの端面の各々と隣り合った状態で円弧状または円環状に並んでおり、
円弧状または円環状に並ぶ前記照射側ファイバの端面が成す列、及び、円弧状または円環状に並ぶ前記受光側ファイバの端面が成す列が、前記対向面の外周上の任意の地点から前記対向面の内側に向かって交互に少なくとも３回以上入れ替わるように配置されており、
前記プローブは、前記対向面と前記被測定用基板との間に光学部品が設けられていない状態で、前記対向面にて、前記被測定用基板のうち、前記膜が形成される側とは反対側に位置する非成膜面と対向していることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
前記プローブを構成する複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバは、前記対向面にて端面が揃えられたバンドルファイバをなし、
前記対向面と前記成膜面との間の距離は、前記バンドルファイバの径の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記被測定用基板は、円盤状または円環状の基板であることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記照射装置と、
前記照射装置に備えられた光源に直流電流を供給する直流安定化電源と、
前記プローブと、
前記受光装置を備え、前記受光装置が前記被測定用基板にて反射された光を受光した際の受光強度に応じたアナログ信号を出力する分光器と、
該分光器から出力される前記アナログ信号を増幅するアンプと、
該アンプにより増幅された前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記デジタル信号に基づいて前記光学膜厚を演算する電子計算機と、
前記Ａ／Ｄ変換器と前記電子計算機との間に介在し、前記電気計算機が前記光学膜厚を演算するにあたって前記デジタル信号に対して所定の信号処理を実行するための信号処理回路と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
真空容器内において基板の表面に蒸着材料を蒸着させることで前記基板に膜を形成する成膜装置であって、
前記蒸着材料を蒸発させるための蒸発機構と、
該蒸発機構が蒸発させた前記蒸着材料が前記基板の表面に向かう際の行路を遮断するために開閉動作する開閉部材と、
該開閉部材の開閉を制御する制御機構と、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜厚測定装置と、を備え、
前記基板及び前記被測定用基板の双方が前記真空容器内に収容された状態で、該双方の表面に前記蒸着材料を蒸着させるために前記蒸発機構が前記蒸着材料を蒸発させ、前記膜厚測定装置が前記被測定用基板に形成された膜の前記光学膜厚を測定し、前記制御機構が、前記膜厚測定装置による前記光学膜厚の測定結果に応じて前記開閉部材の開閉を制御することを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
前記基板に多層膜を形成する間、前記真空容器内には同一の前記被測定用基板を配置させて前記多層膜を前記被測定用基板にも形成し、
前記膜厚測定装置は、前記被測定用基板に形成される前記多層膜における各層の膜の前記光学膜厚を層毎に測定することを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
前記課題は、本発明の膜厚測定装置によれば、被測定用基板に形成された膜の光学膜厚を測定するために、光ファイバからなる照射側ファイバを通じて前記被測定用基板に向けて光を照射する照射装置と、前記光学膜厚を測定するために、前記照射装置から照射された後に前記被測定用基板にて反射された光を、光ファイバからなる受光側ファイバを通じて受光する受光装置と、複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバとを束ねて形成されたプローブと、を備え、該プローブが端面として前記被測定用基板と対向する側に備える対向面には、前記照射側ファイバの端面及び前記受光側ファイバの端面がそれぞれ複数配置されており、前記対向面において、複数配置された前記照射側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記受光側ファイバの端面と隣り合った状態で円弧状または円環状に並び、かつ、複数配置された前記受光側ファイバの端面の各々は、いずれも少なくとも１つの前記照射側ファイバの端面の各々と隣り合った状態で円弧状または円環状に並んでおり、円弧状または円環状に並ぶ前記照射側ファイバの端面が成す列、及び、円弧状または円環状に並ぶ前記受光側ファイバの端面が成す列が、前記対向面の外周上の任意の地点から前記対向面の内側に向かって交互に少なくとも３回以上入れ替わるように配置されており、前記プローブは、前記対向面と前記被測定用基板との間に光学部品が設けられていない状態で、前記対向面にて、前記被測定用基板のうち、前記膜が形成される側とは反対側に位置する非成膜面と対向していることにより解決される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、以上の構成では、集光レンズや受光レンズを用いていないので、光ロスが抑えられるようになり、受光側ファイバを通じて反射光を受光する際、比較的大きな照度にて反射光を受光することが可能となる。そして、受光側ファイバを通じて受光する光の光量が大きくなる分、膜厚を算出するために当該光を分光分析する際のＳ／Ｎ比が向上する。したがって、請求項１に記載の構成によって、より一層精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、上記の薄膜測定装置において、前記プローブを構成する複数の前記照射側ファイバと複数の前記受光側ファイバは、前記対向面にて端面が揃えられたバンドルファイバをなし、前記対向面と前記成膜面との間の距離は、前記バンドルファイバの径の２倍以上であると、より好適である。
以上の構成では、薄膜に対する光の入射角度、換言すると、薄膜にて反射された光の反射角度が受光側ファイバの開口数ＮＡ以下となる。この場合には、受光側ファイバを通じて光を受光する際の受光効率がより高まるようになる。したがって、請求項２に記載の構成によって、益々精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
また、上記の薄膜測定装置において、前記被測定用基板は、円盤状または円環状の基板であることとしてもよい。すなわち、請求項３に記載の構成では、円盤状または円環状の被測定用基板に形成される薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。さらに、膜厚の多点モニタが可能な膜厚測定装置において、円盤状または円環状の基板を用いれば、例えば矩形状の基板と比較してモニタ点数をより多くすることが可能となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、上記の薄膜測定装置において、前記照射装置と、前記照射装置に備えられた光源に直流電流を供給する直流安定化電源と、前記プローブと、前記受光装置を備え、前記受光装置が前記被測定用基板にて反射された光を受光した際の受光強度に応じたアナログ信号を出力する分光器と、該分光器から出力される前記アナログ信号を増幅するアンプと、該アンプにより増幅された前記アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号に基づいて前記光学膜厚を演算する電子計算機と、前記Ａ／Ｄ変換器と前記電子計算機との間に介在し、前記電気計算機が前記光学膜厚を演算するにあたって前記デジタル信号に対して所定の信号処理を実行するための信号処理回路と、を有することとしてもよい。すなわち、請求項４に記載の構成では、通常の薄膜測定装置が備える構成機器と同様の機器を備えた上で、薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、前述した課題は、本発明の成膜装置であれば、真空容器内において基板の表面に蒸着材料を蒸着させることで前記基板に膜を形成する成膜装置であって、前記蒸着材料を蒸発させるための蒸発機構と、該蒸発機構が蒸発させた前記蒸着材料が前記基板の表面に向かう際の行路を遮断するために開閉動作する開閉部材と、該開閉部材の開閉を制御する制御機構と、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜厚測定装置と、を備え、前記基板及び前記被測定用基板の双方が前記真空容器内に収容された状態で、該双方の表面に前記蒸着材料を蒸着させるために前記蒸発機構が前記蒸着材料を蒸発させ、前記膜厚測定装置が前記被測定用基板に形成された膜の前記光学膜厚を測定し、前記制御機構が、前記膜厚測定装置による前記光学膜厚の測定結果に応じて前記開閉部材の開閉を制御することにより解決される。
以上のように構成された成膜装置では、前述した効果を奏する膜厚測定装置を備えているので、精度よく膜厚を測定することが可能であり、さらに、その測定結果に応じて膜厚制御を行うことになる。したがって、請求項５に記載の成膜装置であれば、光学膜厚の正確な測定結果に基づいて、基板に形成される薄膜の膜厚を精度よく制御することが可能となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、上記の成膜装置において、前記基板に多層膜を形成する間、前記真空容器内には同一の前記被測定用基板を配置させて前記多層膜を前記被測定用基板にも形成し、前記膜厚測定装置は、前記被測定用基板に形成される前記多層膜における各層の膜の前記光学膜厚を層毎に測定すると、より好適である。
以上の構成であれば、基板に多層膜を形成する間、被測定用基板を交換せず、多層膜の各層が被測定用基板に形成される都度、当該各層の膜の光学膜厚を測定するため、各層の膜厚を測定する毎に被測定用基板が変わることによって生じる影響を抑えることが可能にある。したがって、請求項６に記載の成膜装置であれば、基板に形成される多層膜の各層の膜厚を精度よく測定し、その測定結果に基づいて膜厚制御をより精度良く行うことが可能となる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
請求項１に記載の膜厚測定装置では、従来の装置に比して、より精度よく光学膜厚を測定することが可能である。また、請求項１に記載の膜厚測定装置では、分光分析のＳ／Ｎ比が向上する分、より一層精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。
請求項２に記載の膜厚測定装置では、薄膜にて反射された光の反射角度が受光側ファイバの開口数ＮＡ以下となるので、益々精度よく光学膜厚を測定することが可能になる。
請求項３に記載の膜厚測定装置では、円盤状または円環状の被測定用基板に形成される薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。さらに、膜厚の多点モニタが可能な膜厚測定装置において、円盤状または円環状の基板を用いれば、矩形状の基板と比較してモニタ点数をより多くすることが可能となる。
請求項４に記載の膜厚測定装置では、通常の薄膜測定装置が備える構成機器と同様の機器を備えた上で、薄膜の光学膜厚を精度よく測定することが可能になる。
請求項５に記載の成膜装置では、精度よく膜厚を測定し、その測定結果に応じて膜厚制御を精度よく行うことが可能となる。
請求項６に記載の成膜装置では、基板に形成される多層膜の各層の光学膜厚を測定するにあたり層毎に被測定用基板が変わることによって生じる影響が抑えられる分、基板に形成される多層膜の各層の膜厚を精度よく測定し、その測定結果に基づいて膜厚制御をより精度良く行うことが可能となる。
【国際調査報告】
2013186879.tif 000012
2013186879.tif 000013
2013186879.tif 000014
2013186879.tif 000015