(57)【要約】  回転式の光学薄膜形成装置の基板ホルダに取付けられ、回転している基板上の光学薄膜の膜厚を測定する反射式の光学式膜厚計であって、回転中の基板の角度のばらつきによる影響を受けにくいものを提供する。  測定光を、回転している基板Ｓに向けて投光する投光部４３と、基板Ｓと投光部４３の間に配置され、投光部４３から出射する測定光を受けて、測定光を基板Ｓに導光する投光側のレンズ５１，５６を備えた投光側レンズユニットと、基板Ｓから測定光の反射光を受光する受光部４４と、基板Ｓと受光部４４の間に配置され、基板Ｓからの反射光を受けて、反射光を受光部４４に導光する受光側レンズ５２，５７を備えた受光側レンズユニットと、を備え、受光側レンズユニットの光路と投光側レンズユニットの光路とは、少なくとも一部が分離され、投光側レンズユニットの有効面積は、受光側レンズユニットの有効面積よりも小さい。
2015004755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式の光学薄膜形成装置の基板ホルダに取付けられ、該基板ホルダの回転に応じて回転している基板上の光学薄膜の膜厚を測定する反射式の光学式膜厚計であって、
測定光を、前記回転している前記基板に向けて投光する投光部と、
該投光部と前記基板の間に配置され、前記投光部から出射する前記測定光を受けて、該測定光を前記基板に導光する投光側のレンズを備えた投光側レンズユニットと、
前記基板から前記測定光の反射光を受光する受光部と、
該受光部と前記基板の間に配置され、前記基板からの反射光を受けて、該反射光を前記受光部に導光する受光側のレンズを備えた受光側レンズユニットと、を備え、
該受光側レンズユニットの光路と前記投光側レンズユニットの光路とは、少なくとも一部が分離され、
前記投光側レンズユニットの有効面積は、前記受光側レンズユニットの有効面積よりも小さいことを特徴とする光学式膜厚計。
【請求項２】
前記投光側のレンズと前記受光側のレンズは、相互に独立した別体のレンズであり、
前記投光側のレンズの有効径は、前記受光側のレンズの有効径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項３】
前記投光側のレンズの光軸と、前記受光側のレンズの光軸との角度は、３°以上１０°以下であって、
前記投光側のレンズから前記基板までの距離は、前記投光部から前記投光側のレンズまでの距離よりも長く、
前記受光側のレンズから前記基板までの距離は、前記受光部から前記受光側のレンズまでの距離よりも長いことを特徴とする請求項２記載の光学式膜厚計。
【請求項４】
前記投光側のレンズの光軸と前記受光側のレンズの光軸との交点を通り、前記投光側のレンズの光軸と前記受光側のレンズの光軸のなす角度を二等分する直線が、通過する位置に、前記受光側のレンズが配置されていることを特徴とする請求項２又は３記載の光学式膜厚計。
【請求項５】
前記投光側のレンズ及び前記受光側のレンズと、測定対象の前記基板との間に、前記投光側のレンズ，前記受光側のレンズ及び前記基板に対向する集光レンズを備え、
該集光レンズの有効径は、前記投光側のレンズの有効径と前記受光側のレンズの有効径の和より大きいことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の光学式膜厚計。
【請求項６】
前記投光側のレンズと前記受光側のレンズは、一体に形成された単一の投受光側兼用レンズからなり、
該投受光側兼用レンズと前記受光部との間に、前記測定光を透過すると同時に前記反射光を反射し、前記反射光の軸に対して傾斜したビーム分岐面を備えたビームスプリッタが配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学式膜厚計。
【請求項７】
前記投受光側兼用レンズと前記投光部との間に、前記投光部から出射される測定光の光量を制限するアパーチャが設けられ、
前記投光側レンズユニットは、前記投受光側兼用レンズ，前記ビームスプリッタ及び前記アパーチャから構成されていることを特徴とする請求項６記載の光学式膜厚計。
【請求項８】
前記レンズは、該レンズが出射する光のビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズからなることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の光学式膜厚計。
【請求項９】
真空容器内に基板を支持して回転可能な基板ホルダと、
該基板ホルダに保持された前記基板に対向して配設された薄膜形成手段と、
前記基板が取付けられた前記基板ホルダが回転している状態で、前記基板に測定光を照射して前記基板上の光学薄膜の膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、
前記光学式膜厚計は、請求項１乃至８いずれか記載の光学式膜厚計からなることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１０】
回転式光学薄膜形成装置の基板ホルダの回転に応じて回転している基板に形成された光学薄膜の膜厚を測定する反射式の膜厚測定方法であって、
測定光を投光部から、投光側のレンズを備えた投光側レンズユニットを介して、前記回転している基板に向けて投光し、
前記基板で反射した前記測定光の反射光を、受光側のレンズを備え、前記投光側レンズユニットの光路とは、少なくとも一部が分離された光路を有し、前記投光側レンズユニットの有効面積よりも大きい有効面積を備えた受光側レンズユニットを介して、受光部に導光し、
該受光部が受光した前記反射光の光量データを解析することにより、前記光学薄膜の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板上に形成された光学薄膜の膜厚を測定する光学式膜厚計，薄膜形成装置及び膜厚測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング等の物理蒸着により、基板表面に光学薄膜を形成させて干渉フィルター、例えば反射防止フィルター、ハーフミラー、各種バンドパスフィルター、ダイクロイックフィルターなどの光学製品を製造したり、各種装飾品の表面に色付けコートを行ったりすることにより、特定の光学特性を有する装飾品等を製造することが一般的に行われている。
その中でも、一眼レフデジタルカメラやプロジェクタに用いられる広角レンズやゲーム機用精密光学フィルター等、精密光学製品へのスパッタリング等の物理蒸着の応用が広がっている。
基板上に成膜される薄膜の膜厚を測定する方法として、水晶膜厚計を使う方法や、成膜基板とは異なる位置に配置したモニタ基板を用いて膜厚モニタを行う間接型光学膜厚モニタ方式がある。
しかし、水晶膜厚計や間接型光学膜厚モニタ方式では、精密な膜厚測定が難しい。【０００３】
間接型光学膜厚モニタ方式は、いわゆる間接的な計測であって、モニタ基板と成膜基板との間には、距離があり、物理的な空間を隔てている。また、電子ビーム加熱蒸着装置では、電子ビーム照射後の蒸着粒子分布の変化や、真空装置の壁表面からの放出ガスの影響などの不安定要因があり、真空装置内で飛散する膜物質の密度は一定ではなく、真空装置内には膜物質の飛散分布が存在する。従って、真空装置内で配置される基板の位置に応じて、成膜される膜厚が異なり、高精度な成膜には、不向きである。
従って、精密光学部品の薄膜を物理蒸着により成膜する場合、水晶膜厚計や間接型光学膜厚モニタ方式で膜厚を制御しても、精密光学部品に要求される膜厚精度を達成することは困難であり、精密光学部品の製造の歩留まりの低下の原因となっている。
間接型光学膜厚モニタ方式において、モニタガラスと成膜基板との間の物理的な空間に起因する誤差は、toolingとよばれるパラメータで補正を行っているのが現状である。
そこで、近年、光学特性を測定したい基板の膜厚を直接測定する直視型光学膜厚モニタ方式による膜厚の計測及び監視が、実用化されるようになった。直視型光学膜厚モニタ方式は、静止した基板に真空蒸着法やスパッタリング法等により成膜する場合に、広く用いられている。【０００４】
一方、多数の基板に成膜して光学フィルターを大量生産する装置として、回転ドラムの外周面に複数の基板が保持されるカルーセル式の基板ホルダや、ドーム型の回転式基板ホルダ等を備えた成膜装置が知られている。
カルーセル式やドーム型の回転式基板ホルダは、複数の基板を保持した状態で、回転軸を中心に回転する。基板は、回転軸を中心に公転し、基板ホルダの回転中は、一箇所にとどまった状態の基板が存在しない。
従って、直視型光学膜厚モニタ方式で膜厚等の物性値を測定するためには、基板ホルダの回転を一旦停止してから基板に対して光学測定等を行う必要があった。このような測定方法では、膜厚測定のたびに薄膜形成工程を停止しなければならないため、薄膜形成工程に時間がかかっていた。【０００５】
そこで、本発明者らは、カルーセル式の基板ホルダを備えた成膜装置において、直視型光学膜厚モニタ方式で膜厚を計測、監視する装置として、回転している測定対象の膜に光源の光を投光し、その反射光を受光して解析することにより膜厚を算出する反射式の光学式膜厚計を利用するものを提案した（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４８００７３４号（段落００９２〜０１２４，図１，２，６）
【０００７】
特許文献１の膜厚計は、カルーセル式のスパッタ装置の真空チャンバの壁部に設けられており、光源と、投光用の光ファイバと、投光用測光プローブと、集光レンズと、受光用測光プローブと、受光用の光ファイバと、光学測定手段と、を備えている。膜厚計は、回転ドラム式の基板ホルダの外周面に保持される基板に投光用及び受光用の測光プローブを対向させている。
特許文献１の膜厚計を用いた膜厚測定は、光源からの光を光ファイバから投光し、投光用測光プローブ及び集光レンズを通して、回転中の基板に投光する。基板の表面と堆積された薄膜との間の界面で一部が透過して一部が反射した反射光を、集光レンズと、受光用測光プローブを通して光ファイバで受光して光学測定手段に導き、光学測定手段で、光の強度を測定する。
特許文献１の膜厚計によれば、回転ドラム式の基板ホルダが高速で回転するカルーセル式の薄膜形成装置においても、モニタ用基板を別途設けずサンプル基板上の薄膜を直接膜厚測定する直視型の方式により、膜厚測定できるものであった。【０００８】
しかし、この特許文献１の膜厚計は、高速で回転する基板ホルダの側面に取付けられた基板上の薄膜の膜厚を測定するものであるため、成膜中、投光用及び受光用測光プローブによる基板面への光の出射角及び入射角は、常に変化している。
従って、基板面への光の出射角及び入射角の制御が難しく、取付誤差や回転むら等により基板が傾斜して測定光の入射角が一定の角度を超えると、反射光が集光レンズの外側まではみ出し、測定が困難になる場合があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転式の光学薄膜形成装置の基板ホルダに取付けられて、回転している基板上の光学薄膜の膜厚を直接測定する反射式の光学式膜厚計，薄膜形成装置及び膜厚測定方法であって、回転中の基板の角度のばらつきによる影響を受けにくく、測定精度の高い光学式膜厚計，薄膜形成装置及び膜厚測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題は、請求項１に係る光学式膜厚計によれば、回転式の光学薄膜形成装置の基板ホルダに取付けられ、該基板ホルダの回転に応じて回転している基板上の光学薄膜の膜厚を測定する反射式の光学式膜厚計であって、測定光を、前記回転している前記基板に向けて投光する投光部と、該投光部と前記基板の間に配置され、前記投光部から出射する前記測定光を受けて、該測定光を前記基板に導光する投光側のレンズを備えた投光側レンズユニットと、前記基板から前記測定光の反射光を受光する受光部と、該受光部と前記基板の間に配置され、前記基板からの反射光を受けて、該反射光を前記受光部に導光する受光側のレンズを備えた受光側レンズユニットと、を備え、該受光側レンズユニットの光路と前記投光側レンズユニットの光路とは、少なくとも一部が分離され、前記投光側レンズユニットの有効面積は、前記受光側レンズユニットの有効面積よりも小さいこと、により解決される。【００１１】
このように、投光側レンズユニットの有効面積は、受光側レンズユニットの有効面積よりも小さいため、基板の取付誤差，基板ホルダの回転むら等により、回転している測定対象の基板が、測定光の軸に垂直な面に対して傾斜した場合であっても、基板で反射した反射光が受光側のレンズの光路から外れ難くなり、反射光の光量を正確に検知できる。その結果、基板の取付誤差や基板ホルダの回転むら等の影響による光量ノイズを最小限に抑えて、回転する基板上に形成された光学式薄膜の膜厚を正確に安定して測定することが可能となる。ひいては、成膜後に膜厚の補正を繰り返す工程が不要となる。【００１２】
また、回転中の基板上の薄膜に適用可能であるため、ドラム型，ドーム型の回転式の基板ホルダ等を備えた薄膜形成装置に適用可能となり、大量の基板に短時間で薄膜を形成する量産型の薄膜形成装置に適した光学式膜厚計を提供可能となる。
更に、測定光を、回転している基板に向けて投光する投光部を備えるため、回転式の光学薄膜形成装置において、モニタ用基板を別途設けずサンプル基板上の薄膜を直接膜厚測定する直視型の光学式膜厚計を提供できる。従って、量産型の回転式の光学薄膜形成装置を用いた場合において、水晶振動子膜厚計や間接型光学式膜厚計とは異なり、精密光学部品等で要望されるような、高い精度での膜厚制御が可能となる。【００１３】
前記投光側のレンズと前記受光側のレンズは、相互に独立した別体のレンズであり、前記投光側のレンズの有効径は、前記受光側のレンズの有効径よりも小さいと好適である。
このように、前記投光側のレンズと前記受光側のレンズは、相互に独立した別体のレンズであるため、簡単な構成で測定光と反射光の光路を二つに分離することができる。
また、前記投光側のレンズの有効径は、前記受光側のレンズの有効径よりも小さいため、膜厚測定時に基板が傾いていた場合でも、投光側のレンズよりも有効径の大きい受光側のレンズで、反射光を受光できる。【００１４】
また、前記投光側のレンズの光軸と、前記受光側のレンズの光軸との角度は、３°以上１０°以下であって、前記投光側のレンズから前記基板までの距離は、前記投光部から前記投光側のレンズまでの距離よりも長く、前記受光側のレンズから前記基板までの距離は、前記受光部から前記受光側のレンズまでの距離よりも長くてもよい。
このように、投光側のレンズから基板までの距離及び受光側のレンズから基板までの距離を大きくとることにより、基板に入射する光をより平行光に近いものとして、膜厚測定の精度をより向上することが可能となる。【００１５】
前記投光側のレンズの光軸と前記受光側のレンズの光軸との交点を通り、前記投光側のレンズの光軸と前記受光側のレンズの光軸のなす角度を二等分する直線が、通過する位置に、前記受光側のレンズが配置されていてもよい。
このように構成しているため、受光側のレンズと投光側のレンズを相互に近づけて配置可能となる。その結果、投光側のレンズと受光側のレンズとを、狭い領域にコンパクトに配置しつつ、より有効径の大きいレンズから構成することができ、高精度での膜厚測定が可能となって、精密光学部品用の光学薄膜の膜厚の測定に適した光学式膜厚計を実現できる。【００１６】
また、前記投光側のレンズ及び前記受光側のレンズと、測定対象の前記基板との間に、前記投光側のレンズ，前記受光側のレンズ及び前記基板に対向する集光レンズを備え、該集光レンズの有効径は、前記投光側のレンズの有効径と前記受光側のレンズの有効径の和より大きくてもよい。
このように、投光側のレンズ及び受光側のレンズと、測定対象の基板との間に、投光側のレンズ，受光側のレンズ及び基板に対向する集光レンズを備えているため、基板に入射する光を、更に平行光に近いものとすることが可能となり、膜厚測定の精度をより向上することが可能となる。その結果、高精度での膜厚測定が可能となって、精密光学部品用の光学薄膜の膜厚の測定に適した光学式膜厚計を実現できる。
また、このように更に集光レンズを設けることにより、測定光の入射角を小さく保って入射光の平行性を高めつつ、光学式膜厚計をコンパクトに構成可能となる。【００１７】
また、前記投光側のレンズと前記受光側のレンズは、一体に形成された単一の投受光側兼用レンズからなり、該投受光側兼用レンズと前記受光部との間に、前記測定光を透過すると同時に前記反射光を反射し、前記反射光の軸に対して傾斜したビーム分岐面を備えたビームスプリッタが配置されていてもよい。【００１８】
このように構成しているため、投光側のレンズと受光側のレンズとを別体として構成しなくても、投光された測定光の光路と受光される反射光の光路の少なくとも一部を分離することが可能となる。
基板の取付誤差，基板ホルダの回転むら等により、回転している測定対象の基板が、測定光の軸に垂直な面に対して傾斜した場合であっても、基板で反射した反射光が投受光側兼用レンズの光路から外れ難くなり、反射光の光量を正確に検知できる。その結果、基板の取付誤差や基板ホルダの回転むら等の影響による光量ノイズを最小限に抑えて、回転する基板上に形成された光学式薄膜の膜厚を正確に安定して測定することが可能となる。ひいては、成膜後に膜厚の補正を繰り返す工程が不要となる。【００１９】
また、前記投受光側兼用レンズと前記投光部との間に、前記投光部から出射される測定光の光量を制限するアパーチャが設けられ、前記投光側レンズユニットは、前記投受光側兼用レンズ，前記ビームスプリッタ及び前記アパーチャから構成されていてもよい。
このように構成しているため、測定光のビームの有効面積を反射光のビームの有効面積よりも小さくすることが可能となり、基板の取付誤差，基板ホルダが回転式である場合の回転むら等により、回転している測定対象の基板が、測定光の軸に垂直な面に対して傾斜した場合であっても、反射光が投受光側兼用レンズの光路から外れ難くなり、反射光の光量を正確に検知できる。その結果、基板の取付誤差や基板ホルダの回転むら等の影響による光量ノイズを最小限に抑えて、回転する基板上に形成された光学式薄膜の膜厚を正確に安定して測定することが可能となる。ひいては、成膜後に膜厚の補正を繰り返す工程が不要となる。【００２０】
また、前記レンズは、該レンズが出射する光のビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズからなっていてもよい。
このように構成しているため、投光側のレンズ，受光側のレンズ，投受光側兼用レンズ又は集光レンズから出射した光のビームに色収差や球面収差等の収差が生じることを防止でき、より正確な光学式薄膜の膜厚測定が可能となる。【００２１】
前記課題は、請求項９に係る薄膜形成装置によれば、真空容器内に基板を支持して回転可能な基板ホルダと、該基板ホルダに保持された前記基板に対向して配設された薄膜形成手段と、前記基板が取付けられた前記基板ホルダが回転している状態で、前記基板に測定光を照射して前記基板上の光学薄膜の膜厚を測定する光学式膜厚計と、を備えた薄膜形成装置であって、前記光学式膜厚計は、請求項１乃至８いずれか記載の光学式膜厚計からなること、により解決される。【００２２】
このように構成しているため、回転式の基板ホルダを備えた薄膜形成装置において、基板の取付誤差，基板ホルダの回転むら等による基板傾斜角度のばらつきの影響をほとんど受けずに、基板ホルダに伴って回転している基板上の光学薄膜の膜厚を正確に安定して測定できる。【００２３】
前記課題は、請求項１０に係る膜厚測定方法によれば、回転式光学薄膜形成装置の基板ホルダの回転に応じて回転している基板に形成された光学薄膜の膜厚を測定する反射式の膜厚測定方法であって、測定光を投光部から、投光側のレンズを備えた投光側レンズユニットを介して、前記回転している基板に向けて投光し、前記基板で反射した前記測定光の反射光を、前記投光側レンズユニットの有効面積よりも大きい有効面積を備えた受光側のレンズを備え、前記投光側レンズユニットの光路とは、少なくとも一部が分離された光路を有し、前記投光側レンズユニットの有効面積よりも大きい有効面積を備えた受光側レンズユニットを介して、受光部に導光し、該受光部が受光した前記反射光の光量データを解析することにより、前記光学薄膜の膜厚を測定すること、により解決される。【００２４】
このように構成しているため、基板の取付誤差，基板ホルダの回転むら等により、回転している測定対象の基板が、測定光の軸に垂直な面に対して傾斜した場合であっても、基板で反射した反射光が受光側のレンズの光路から外れ難くなり、反射光の光量を正確に検知できる。その結果、基板の取付誤差や基板ホルダの回転むら等の影響による光量ノイズを最小限に抑えて、回転する基板上に形成された光学式薄膜の膜厚を正確に安定して測定することが可能となる。ひいては、成膜後に膜厚の補正を繰り返す工程が不要となる。【００２５】
また、回転中の基板上の薄膜に適用可能であるため、ドラム型，ドーム型の回転式の基板ホルダ等を備えた薄膜形成装置に適用可能となり、大量の基板に短時間で薄膜を形成する量産型の薄膜形成装置においても、光学式薄膜の膜厚を正確に安定して測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、投光側レンズユニットの有効面積は、受光側レンズユニットの有効面積よりも小さいため、基板の取付誤差，基板ホルダの回転むら等により、回転している測定対象の基板が、測定光の軸に垂直な面に対して傾斜した場合であっても、基板で反射した反射光が受光側のレンズの光路から外れ難くなり、反射光の光量を正確に検知できる。その結果、基板の取付誤差や基板ホルダの回転むら等の影響による光量ノイズを最小限に抑えて、回転する基板上に形成された光学式薄膜の膜厚を正確に安定して測定することが可能となる。ひいては、成膜後に膜厚の補正を繰り返す工程が不要となる。【００２７】
また、回転中の基板上の薄膜に適用可能であるため、ドラム型，ドーム型の回転式の基板ホルダ等を備えた薄膜形成装置に適用可能となり、大量の基板に短時間で薄膜を形成する量産型の薄膜形成装置に適した光学式膜厚計を提供可能となる。
更に、測定光を、回転している基板に向けて投光する投光部を備えるため、回転式の光学薄膜形成装置において、モニタ用基板を別途設けずサンプル基板上の薄膜を直接膜厚測定する直視型の光学式膜厚計を提供できる。従って、量産型の回転式の光学薄膜形成装置を用いた場合において、水晶振動子膜厚計や間接型光学式膜厚計とは異なり、精密光学部品等で要望されるような、高い精度での膜厚制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る薄膜形成装置を上面から見た部分断面説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光学式膜厚計の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光学式膜厚計のレンズ配置を示す概略説明図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る光学式膜厚計のレンズユニット配置を示す概略説明図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に係る光学式膜厚計のレンズ配置を示す概略説明図である。
【図６】図５の光学式膜厚計のレンズ配置の斜視説明図である。
【図７】実施例１，２，対比例１に係るレンズ配置を備えた光学式膜厚計を用いて、傾斜角度が０．０〜２．０°である基板に測定光を出射した場合の、基板からの反射光の相対的反射率を算出した結果を示すグラフである。
【図８】図３のレンズ配置を備えた膜厚計により膜厚を制御して、基板Ｓ上に多層ＡＲ膜を形成する実験を複数回繰返した場合における薄膜形成中の光量変化のばらつきについて検討した結果を示すグラフである。
【図９】図３のレンズ配置を備えた膜厚計により膜厚を制御して、基板Ｓ上に多層ＡＲ膜を形成する実験を複数回繰返した場合における多層ＡＲ膜の分光特性のばらつきについて検討した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、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することができることは勿論である。
本実施形態の光学式膜厚計としての膜厚計４０が用いられる薄膜形成装置は、基板を保持する基板ホルダが回転する回転式の基板ホルダを備えてなる。
例えば、ドーム型の基板ホルダ、回転ドラムを備えたカルーセル式の基板ホルダ等のように、基板ホルダの回転軸に対して、基板ホルダの基板保持面及び基板保持面に保持される基板の法線が傾斜するものに、特に好適に用いられる。
一般に、ドーム状又はドラム型等の基板ホルダでは、基板ホルダの回転に応じて、基板へ出射される測定光と基板表面との間の角度が変化するため、回転むら等の影響による光量ノイズにより、膜厚測定精度を高精度に保つことは難しい。それに対し、本実施形態の光学式膜厚計では、基板傾斜角度のばらつきの影響をほとんど受けずに、基板ホルダに伴って回転している基板上の光学薄膜の膜厚を正確に安定して測定できる。
但し、基板ホルダは、球面状に形成されたドーム式のものや、円筒形のものに限らず、多角錐形や多角柱形のもの等を含む。
また、本発明の光学式膜厚計は、基板が公転する回転式の基板ホルダを備えた薄膜形成装置に限らず、基板が直線方向に移動するインライン式の薄膜形成装置等にも、用いることができる。
【００３０】
（スパッタ装置１）
本実施形態の膜厚計４０を、カルーセル式のスパッタ装置１において用いた例について説明する。なお、スパッタ装置に限らず、真空蒸着装置，ＣＶＤ装置等、他の薄膜形成装置に用いてもよいことは当然である。
本実施形態の膜厚計４０が設置されるスパッタ装置１を、図１に示す。
図１のスパッタ装置１は、真空容器１１と、回転ドラム１２と、一対のスパッタ源２０Ａ，２０Ｂと、プラズマ源３０と、を主要な構成要素としている。
真空容器１１は、スパッタリングにおいて用いられる公知の矩形の真空容器からなり、扉によって薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂに分けられている。
回転ドラム１２は、基板Ｓを保持する基板ホルダであって、図１に示すように、鉛直の回転軸Ｚを中心とした略円筒形からなり、外周面に基板Ｓを保持可能に構成されている。なお、回転ドラム１２は、回転軸Ｚを軸として回転可能であればよく、多角柱や円錐形の中空体から構成してもよい。
【００３１】
回転ドラム１２の下端には、回転ドラム１２内の中空の空間を閉塞するように、不図示の円板状のフレームが固定され、このフレームの中心に、不図示のモータの回転軸が連結されている。不図示のモータを駆動することにより、回転ドラム１２を回転駆動可能に構成されている。
また、回転ドラム１２の上方端部には、図２に示すように、タイミング検出用反射板１５が取付けられ、タイミングセンサー１６によってその通過が検出可能に構成されている。
スパッタ源２０Ａ，２０Ｂは、基板Ｓ上に金属又はその不完全化合物を成膜する手段であって、公知のデュアルカソードタイプのマグネトロンスパッタ源からなり、薄膜形成室１１Ａの側壁に、それぞれ一対のターゲット２２Ａ，２２Ｂが基板Ｓと対向するように設けられている。
スパッタ源２０Ａ，２０Ｂは、図１に示すように、それぞれ一対のターゲット２２Ａ，２２Ｂを保持するそれぞれ一対のマグネトロンスパッタ電極２１Ａ，２１Ｂと、マグネトロンスパッタ電極２１Ａ，２１Ｂに電力を供給する交流電源２４Ａ，２４Ｂと、電力制御手段としてのトランス２３Ａ，２３Ｂにより構成される。
【００３２】
図１に示すように、スパッタ源２０Ａ，２０Ｂの前面には、それぞれ成膜プロセス領域２６Ａ，２６Ｂが形成されている。成膜プロセス領域２６Ａ，２６Ｂは、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１２に向けて突出する仕切壁１３により四方が取り囲まれており、それぞれが真空容器１１の内部で独立した空間を確保できるように区画されている。
成膜プロセス領域２６Ａ，２６Ｂには、配管が設けられ、ガスボンベ２５Ａ，２５Ｂに貯蔵されたスパッタガスを供給可能に構成されている。
【００３３】
プラズマ源３０は、スパッタ源２０Ａ，２０Ｂによって基板Ｓ上に成膜された薄膜を反応性ガスにより反応させて化合物薄膜とする手段であって、公知のプラズマ源からなり、薄膜形成室１１Ａの側壁に設けられている。
プラズマ源３０は、真空容器１１の壁面に形成された開口を塞ぐように固定されたケース体３１と、このケース体３１に固定された誘電体板３２とを有し、このケース体３１と誘電体板３２に囲まれる領域が、真空ポンプで真空引き可能に構成されたアンテナ収容室を構成している。アンテナ収容室内には、不図示のアンテナが配置され、このアンテナは、マッチングボックス３３を介して高周波電源３４に接続され、高周波電源３４の電力の供給を受けて、反応プロセス領域３６に誘導電界を発生させてプラズマを発生させる。
図１に示すように、プラズマ源３０の前面には、それぞれ反応プロセス領域３６が形成されている。反応プロセス領域３６は、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１２に向けて突出する仕切壁１４により四方が取り囲まれており、それぞれが真空容器１１の内部で独立した空間を確保できるように区画されている。
反応プロセス領域３６には、配管が設けられ、ガスボンベ３５に貯蔵された反応性ガスを供給可能に構成されている。
【００３４】
（膜厚計４０）
スパッタ装置１には、図１に示すように、本実施形態の膜厚計４０が取付けられている。
図２，図３に示すように、膜厚計４０は、光源４１と、光ファイバ４２と、投光用測光プローブ４３と、投光側レンズ５１，受光側レンズ５２と、受光用測光プローブ４４と、光ファイバ４５と、光学検出装置４６と、光学検出装置４７で検出された受光信号を光量信号に変換する積分アンプ４８と、積分アンプ４８から光量信号を受信して膜厚制御等を行う制御装置４７を主要な構成要素として備えている。
光源４１は、不図示の電源から供給される電力によって白色光を発する装置であり、本実施形態では公知のハロゲンランプを使用している。
【００３５】
光源４１には、公知の光ファイバ４２の一端が接続され、光ファイバ４２の他端には投光用測光プローブ４３が設けられている。投光用測光プローブ４３は、円筒状部材の内部に光ファイバ４２の端部が収納された構造をしており、回転ドラム１２の側面に対して略垂直となるように、真空容器１１の側壁の孔に嵌めこまれた測光用窓１７に端部を対向させた状態で、真空容器１１の側壁の外側に配設されている。
【００３６】
回転ドラム１２と投光用測光プローブ４３との間には、投光側レンズ５１が配置されている。投光側レンズ５１は、径１０〜２０ｍｍで、光学膜厚計に用いられる公知のアクロマートレンズからなる。投光側レンズ５１は、投光用測光プローブ４３から照射され、広角に広がる光を収束して基板Ｓに照射する。
投光用測光プローブ４３は、投光側レンズ５１の焦点近傍に配置されている。
また、回転ドラム１２と受光用測光プローブ４４との間には、受光側レンズ５２が配置されている。受光側レンズ５２は、径１５〜３０ｍｍで、一般的な光学膜厚計に用いられる公知のアクロマートレンズからなる。受光側レンズ５２は、広角に広がる基板Ｓからの反射光を収束して受光用測光プローブ４４に照射する。
アクロマートレンズとは、２波長で色収差が補正されている色消しレンズをいい、２枚以上のレンズを組み合わせて実現される。アクロマートレンズは、特許請求の範囲の組レンズに該当する。
【００３７】
投光側レンズ５１及び受光側レンズ５２は、図２，図３に示すように、測定光及び反射光の光路上に、並列に配置される。
投光側レンズ５１の中心５１Ｃ及び受光側レンズ５２の中心５２Ｃは、基板Ｓからの距離が略同じである。
投光側レンズ５１の光軸５１ａと、受光側レンズ５２の光軸５２ａとの角度αは、３〜１０°である。
【００３８】
光軸５１ａと光軸５２ａとの角度を二等分する二等分線Ｂは、基板Ｓを通ると共に、隣り合って設けられた受光側レンズ５２及び投光側レンズ５１のうち、大径の受光側レンズ５２を貫通している。
つまり、大径の受光側レンズ５２は、二等分線Ｂよりも投光側レンズ５１側へ張り出して配置されている。従って、投光側レンズ５１と受光側レンズ５２を、それぞれの光軸５１ａ，５２ａ間の角度が３〜１０°という小さい角度になるようにして、膜厚計４０をコンパクトに構成できると同時に、投光側レンズ５１及び受光側レンズ５２の有効径を十分大きく確保することができ、より高精度の膜厚計とすることができる。また、受光側レンズ５２の有効径を十分大きくすることができ、基板の角度が、投光側レンズ５１の光軸に対して傾斜した場合でも、受光レンズ５２から外れ難くすることが可能となる。
また、このとき、投光側レンズ５１及び受光側レンズ５２と基板Ｓとの間の距離ＷＤは、７５〜３５０ｍｍである。投光側レンズ５１と投光用測光プローブ４３及び受光側レンズ５２と受光用測光プローブ４４との間の距離Ｓ１は、３５〜９０ｍｍであって、ＷＤは、Ｓ１よりも大きくなっている。
このようにすることにより、基板に入射する投光が、より平行光に近くなり、より高精度の膜厚測定が可能となる。
【００３９】
受光用測光プローブ４４は、円筒形部材からなり、受光側レンズ５２から導光された反射光を受光する。
受光用測光プローブ４４は、受光側レンズ５２の焦点近傍に配置されている。
本実施形態では、投光側レンズ５１と受光側レンズ５２の焦点距離がほぼ同じであるため、受光用測光プローブ４４は、投光用測光プローブ４３と並ぶようにして、回転ドラム１２の側面に対向するように、真空容器１１の側壁の孔に嵌めこまれた測光用窓１７に端部を対向させた状態で、真空容器１１の側壁の外側に配設されている。
図２に示すように、光ファイバ４５は、一方の先端部が受光用測光プローブ４４の一端に収納され、他方の先端部は光学検出装置４６に接続している。
光学検出装置４６は、細いスリットを備えた平板状部材からなり反射光を偏向させる公知のコリメータと、コリメータから入射した光のうち所定の波長の光のみを出射する公知のグレイティングと、グレイティングから出射した光を検知するフォトダイオードとを備えた公知の光学検出装置である。
光学検出装置４６は、積分アンプ４７を介して制御装置４８に連結され、光学検出装置４６で検出された受光信号に基づき、制御装置４８で膜厚制御可能に構成されている。
【００４０】
次に、本実施形態の膜厚計４０の動作について説明する。
まず、スパッタ源２０Ａ，２０Ｂそれぞれにおいて、一対のターゲット２２Ａ，２２Ｂを一対のマグネトロンスパッタ電極２１Ａ，２１Ｂに保持させる。真空ポンプを作動させて排気を行い、薄膜形成室１１Ａを１０−２Ｐａ〜１０Ｐａ程度の真空状態にする。
【００４１】
その後、回転ドラム１２をロードロック室１１Ｂの位置でロックした状態で、回転ドラム１２に基板Ｓを取付ける。続いて、真空ポンプを作動させてロードロック室１１Ｂを排気し、１０−２Ｐａ〜１０Ｐａ程度の真空状態にする。次いで、薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂの間の扉を開いて回転ドラム１２を薄膜形成室１１Ａへ移動させ、扉を再び閉じる。真空容器１１の内部，アンテナ収容室の内部を所定の圧力に減圧する。
その後、真空容器１１の内部，アンテナ収容室の内部の圧力が安定した後に、成膜プロセス領域２６Ａの圧力を１．０×１０−１Ｐａ〜１．３Ｐａに調整する。
【００４２】
次に、不図示のモータを作動させて回転ドラム１２を回転させる。
回転ドラム１２の回転速度がほぼ一定になった段階で、光源４１の図示しないスイッチをオペレータがオンにして、光源４１からの連続光の投光が開始される。光源４１からの光は光ファイバ４２内を伝送して、投光用測光プローブ４３端部より基板Ｓの表面に照射される。
【００４３】
次いで、成膜プロセス領域２６Ａおよび反応プロセス領域３６での薄膜形成処理を開始する。成膜プロセス領域２６Ａでは、一対のターゲット２２Ａに対してスパッタが行われて、基板Ｓの表面に金属や金属の不完全反応物からなる薄膜が形成される。続く反応プロセス領域３６では、成膜プロセス領域２６Ａで形成された薄膜に反応性ガスを導入することにより、金属の完全反応物を主とした中間薄膜が形成される。
【００４４】
タイミングセンサー１６で、回転ドラム１２の現在の番地を検出し、制御装置４８が、光量データのサンプリングを開始する番地であるかを判定する。現在の番地が光量のサンプリングを開始する番地である場合は、制御装置４８から光学検出装置４６にサンプリング開始信号が送信されて、光量データのサンプリングを開始する。
【００４５】
光源４１からは、測定光が連続して回転ドラム１２の表面及び回転ドラム１２に保持された基板Ｓに照射されている状態にあり、光量データのサンプリングを開始する番地に到達したときには、投光用測光プローブ４３から投光され投光側レンズ５１で収束された測定光は、基板Ｓを照射している。
この測定光は、基板Ｓで反射し、反射光が受光側レンズ５２で受光され収束されて、受光用測光プローブ４４から光ファイバ４５を介して光学検出装置４６で受光される。光学検出装置４６では、受光された反射光の強度を検出し、受光信号を積分アンプ４７に送信する。積分アンプ４７は、この受光信号を光量信号に変換し、制御装置４８に送信する。
【００４６】
次いで、制御装置４８が、タイミングセンサー１６で検出した現在の番地が、光量データのサンプリングを終了する番地であるかを判定する。現在の番地が光量データのサンプリングを終了する番地である場合は、光量データのサンプリングを終了する。
その後、制御装置４８は、光量データのサンプリングを開始する番地から終了する番地までの間に受光した光の強度を積算して光量を算出し、この光量に基づいて、公知の方法により、膜厚演算を行う。
光量データのサンプリング及びこの光量に基づく膜厚演算は、得られた膜厚データが、最初に設定された所望の膜厚値に一致するまで行われる。
【００４７】
膜厚データが、所望の膜厚値に一致すると、制御装置４８の指令により、成膜プロセス領域２６Ａおよび反応プロセス領域３６での薄膜形成処理を終了する。
次いで、成膜プロセス領域２６Ｂおよび反応プロセス領域３６での薄膜形成処理を開始する。この処理では、成膜プロセス領域２６Ａおよび反応プロセス領域３６での薄膜形成処理と、光量データのサンプリング，膜厚演算と同様の処理が行われ、膜厚データが、所望の膜厚値に一致すると、制御装置４８の指令により、成膜プロセス領域２６Ｂおよび反応プロセス領域３６での薄膜形成処理を終了する。
【００４８】
本実施形態では、投光側レンズ５１と受光側レンズ５２とを、別体のレンズから構成したが、投光側レンズ５１と受光側レンズ５２の代わりに、図４のように、投光側レンズと受光側レンズとを兼用し、基板Ｓへ照射される測定光と基板Ｓからの反射光の双方を導光する一体の投受光側兼用レンズ５３から構成してもよい。このとき、投受光側兼用レンズ５３の基板Ｓ逆側に、測定光を透過し、反射光を反射するビームスプリッタ５４を設けることにより、測定光と反射光とを分離可能する。
投受光側兼用レンズ５３は、径が１５〜４０ｍｍで、一般的な光学膜厚計に用いられる公知のアクロマートレンズからなる。アクロマートレンズは、特許請求の範囲の組レンズに該当する。
図４のビームスプリッタ５４は、公知のプレートビームスプリッタから構成しているが、基板Ｓ逆側から入射する測定光を透過し、基板Ｓ側から入射する反射光を反射するビーム分岐面を、測定光の光軸及び反射光の光軸に対して４５°の角度で備えていればよく、キューブビームスプリッタ，ペルクルビームスプリッタから構成してもよい。
【００４９】
また、ビームスプリッタ５４と投光用測光プローブ４３との間には、アパーチャ部材５５が設けられ、アパーチャ部材５５には、投光用測光プローブ４３から出射される光ビームの形状を整形するアパーチャ５５ａが形成されている。アパーチャ５５ａは、基板Ｓからの反射光の光路に相当する位置の投光の光量を約２０〜５０％制限可能な形状である。
【００５０】
このように、アパーチャ５５ａを備えているため、基板Ｓが測定光の光軸に垂直な面に対して若干傾斜して、測定光の入射角が変化した場合であっても、反射光が回転ドラム１２の回転方向Ｖに沿って広がることが抑制される。その結果、反射光が投受光側兼用レンズ５３からはみ出すことが抑制され、基板角度のばらつきによって膜厚測定値に誤差が生じることを抑制できる。
なお、アパーチャ部材５５を設ける代わりに、ビームスプリッタ５４に、基板Ｓからの反射光の光路に相当する位置の投光の光量を約２０〜５０％制限可能な形状の孔が形成された銀膜等の反射金属を貼り付けてもよい。
【００５１】
図４の例では、投受光側兼用レンズ５３から基板Ｓまでの間の距離ＷＤが７５〜３５０ｍｍで、投受光側兼用レンズ５３と投光用測光プローブ４３までの間の距離Ｓ２が、３５〜９０ｍｍである。
このように、ＷＤをＳ２よりも長く構成することにより、基板Ｓに入射する測定光を、平行光に近いものとすることができる。
また、受光用測光プローブ４４は、投光用測光プローブ４３及びビームスプリッタ５４よりも基板Ｓ側の位置で、投受光側兼用レンズ５３の光軸の投光用測光プローブ４３逆側の位置に、投光用測光プローブ４３に対して角度を持って設置されている。
【００５２】
図４のビームスプリッタ５４及びアパーチャ部材５５を設けた例では、投光用測光プローブ４３から照射された測定光は、アパーチャ５５ａにより、基板Ｓからの反射光の光路に相当する位置の投光の光量が約２０〜５０％制限された後、ビームスプリッタ５４を透過し、投受光側兼用レンズ５３で導光されて基板Ｓに照射される。基板Ｓに入射した測定光の一部は、基板Ｓで反射されて、投受光側兼用レンズ５３で導光されビームスプリッタ５４に入射する。反射光は、ビームスプリッタ５４で垂直方向に反射され、受光用測光プローブ４４で受光される。
図４の例では、アパーチャ部材５５，ビームスプリッタ５４及び投受光側兼用レンズ５３が、特許請求の範囲の投光側レンズユニット、投受光側兼用レンズ５３及びビームスプリッタ５４が、特許請求の範囲の受光側レンズユニットに該当する。
【００５３】
また、図３，図４のレンズ構成の代わりに、図５，図６のようなレンズ構成としてもよい。
図５，図６の例では、投光用測光プローブ４３と回転ドラム１２との間に投光側レンズ５６，受光側レンズ５７，集光レンズ５８を配置している。
【００５４】
投光側レンズ５６，受光側レンズ５７の基板Ｓ側には、受光側レンズ５７を通った測定光の導光と基板Ｓからの反射光の導光とに兼用される集光レンズ５８が設けられている。集光レンズ５８の径は、投光側レンズ５６，受光側レンズ５７の径の和よりも大きく、４０ｍｍである。
集光レンズ５８は、一方の面が投光側レンズ５６及び受光側レンズ５７に対向し、他方の面が基板Ｓに対向するように配置されている。
集光レンズ５８と基板Ｓとの間の距離ＷＤは、７５〜３５０ｍｍで、受光側レンズ５７と受光用測光プローブ４４との間の距離Ｓ３，Ｓ４は、３５〜９０ｍｍである。
図５，図６の例では、受光用測光プローブ４４及び投光側レンズ５６のそれぞれが、投光用測定プローブ４３及び受光側レンズ５７のそれぞれよりも、集光レンズ５８及び基板Ｓ寄りに配置されている。従って、測定光及び反射光の進行方向に略沿った方向において、受光用測定プローブ４４と受光側レンズ５７が、投光用測定プローブ４３と投光側のレンズ５６との間に挟まれた位置関係となっている。
投光側レンズ５６は、投光用測光プローブ４３からの測定光を導光するレンズであり、径が約１５ｍｍである。受光側レンズ５７は、基板Ｓからの反射光を導光するレンズであり、径が投光側レンズ５６よりも大きく、２０ｍｍである。投光側レンズ５６，受光側レンズ５７のその他の構成は、投光側レンズ５１，受光側レンズ５２とそれぞれ同様である。
【００５５】
投光側レンズ５６及び受光側レンズ５７は、投光側レンズ５６の中心５６Ｃ及び受光側レンズ５７の中心５７Ｃが、集光レンズ５８の光軸５８ａを挟んだ両側に位置するように配置されている。また、図５，図６に示すように、集光レンズ５８の光軸５８ａは、隣り合って設けられた受光側レンズ５６及び投光側レンズ５７のうち、大径の受光側レンズ５７の端部が近くなるように配置されている。また、集光レンズ５８の光軸５８ａが、大径の受光側レンズ５７を貫通するように配置されていてもよい。
投光用測光プローブ４３は、投光側レンズ５６の焦点近傍に配置され、受光用測光プローブ４４は、受光側レンズ５７の焦点近傍に配置されている。図５，図６の例では、受光側レンズ５７の焦点距離よりも、投光側レンズ５６の焦点距離の方が長いため、受光用測光プローブ４４が、投光用測光プローブ４３よりも基板Ｓ側に配置されているが、これに限定されるものではない。
【００５６】
図５，図６の例では、投光用測光プローブ４３から投光された測定光は、投光側レンズ５６を通って集光レンズ５８に入射し、集光レンズ５８で収束されて、基板Ｓを照射する。この測定光は、基板Ｓで反射し反射光が集光レンズ５８へ導光される。導光された測定光は、受光側レンズ５７で収束され、受光用測光プローブ４４で受光される。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（シミュレーション例１：相対反射率）
径５００ｍｍの回転ドラム１２に有効測定範囲が径２０ｍｍである基板Ｓを搭載したスパッタ装置１に、図３で示すレンズ配置を備えた実施例１に係る膜厚計，図４で示す配置を備えた実施例２に係る膜厚計，対比例１に係る膜厚計を設置した場合のシミュレーションを行った。
ここで、対比例１のレンズ配置は、基板Ｓと投光用測光プローブ４３及び受光用測光プローブ４４との間に、不図示の単一の集光レンズを投光用測光プローブ４３の軸に対して略垂直に設ける従来技術のレンズ配置とした。
図３，図４の距離ＷＤ，対比例１の不図示の集光レンズと基板Ｓとの間の距離ＷＤは、１６０ｍｍとした。【００５８】
回転ドラム１２に保持された基板Ｓを、投光用測光プローブ４３及び受光用測光プローブ４４に対向する面に対して、０．０°〜２．０°の範囲内の各角度でそれぞれ傾斜させた配置とした。
つまり、図３の実施例１の場合には、光軸５１ａと光軸５２ａとの角度を二等分する二等分線Ｂに垂直な面に対して、０．０°〜２．０°の範囲内の各角度でそれぞれ傾斜させた配置とした。
また、図４の実施例２及び対比例１の場合には、投受光側兼用レンズ５３又は不図示の集光レンズの光軸に垂直な面に対して、０．０°〜２．０°の範囲内の各角度でそれぞれ傾斜させた配置とした。
この状態で、相対反射率を算出した。
相対反射率の算出は、光源より投光し、光学検出装置４６で受光する光の強度を算出することによって行った。実施例１，２及び対比例１のそれぞれについて、基板Ｓの傾き角度が０．０°のときの算出値を標準値として、各傾斜角度における相対反射率を算出した。
実施例１，２及び対比例１の各傾斜角度における相対反射率（％）の算出結果を、表１及び図７に示す。【００５９】
【表１】
2015004755.tif 000003
【００６０】
表１に示すように、基板Ｓの傾きが１．２°のときに、対比例１では、相対反射率が６８．９％であり、反射光量の変化率は、約３１％であった。つまり、径５００ｍｍの回転ドラム１２に有効測定範囲が径２０ｍｍである基板Ｓを搭載した場合、回転ドラム１２の回転むらや、回転ドラム１２への基板Ｓの取付誤差により、膜厚測定時に、基板Ｓに１．２°程度までの傾きが生じ得るが、対比例１では、一般的に誤差として生じ得る基板Ｓの傾きによっても、反射光量が３割程度も低減されてしまうことから、膜厚計として、実用的な程度の正確性を有しないことが分かった。【００６１】
一方、実施例１及び２では、基板Ｓの傾きが１．２°のときの相対反射率が９０％以上であって、それぞれ、一般的に誤差として生じ得る程度の傾きを基板Ｓが有するときに、反射光量の変化率が、それぞれ、５．８％と０．４％に過ぎなかった。
一般的に、回転式の薄膜形成装置において、光学式膜厚計で膜厚を測定する際、基板Ｓの取付誤差や回転むらにより、回転ドラムの径及び基板Ｓの大きさによって、基板Ｓの傾きには数°のばらつきが生じるが、実施例１及び２の膜厚計によれば、数°基板Ｓが傾いたときでも、実用上十分な反射光量が得られ、膜厚計としての正確性が担保されることが分かった。【００６２】
（実験例１）
図３に係るレンズ配置を備えた膜厚計４０により膜厚を制御して、基板Ｓ上に多層ＡＲ膜を形成する実験を複数回繰返した場合における薄膜形成中の光量変化及び多層ＡＲ膜の分光特性のばらつきについて検討した。このとき、図３の距離ＷＤは、２００ｍｍとし、図３の投光側レンズ５１，受光側レンズ５２の径は３０ｍｍ，２０ｍｍとした。【００６３】
本例では、図１のスパッタ装置１に、第一のターゲット２２Ａとしてケイ素（Ｓｉ）を、第二のターゲット２２Ｂとしてニオブ（Ｎｂ）を、成膜プロセス領域２６Ａ，２６Ｂに導入されるスパッタガスとしてアルゴンガスを、反応プロセス領域３６に導入される反応性ガスとして酸素ガスを使用して、回転ドラム１２に保持させた複数の基板Ｓ上に、酸化珪素（ＳｉＯ２）と酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の薄膜を交互に３層と２層積層させた光学多層膜、つまり基板Ｓに近い順に、ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−ＳｉＯ２の薄膜が積層された５層構造の多層膜を成膜した。【００６４】
このとき、第一層のＳｉＯ２層及び第二層のＮｂ２Ｏ５層については、絶対値制御方式によって膜厚を制御した。つまり、図３の配置の膜厚計４０を用い、光源４１から発せられている測定光を投光用測光プローブ４３から基板Ｓに向けて照射し、受光用測光プローブ４４で受光した反射光の強度を光学検出装置４６で検知し、この反射光の強度データに基づき、制御装置４８で、光量を算出し、この光量をプロットした光量変化曲線の変動状況を監視することによって、膜厚を監視した。そして、膜厚が、あらかじめ定めた目標値に達したときに、成膜を終了した。
また、第二層成膜終了時には、成膜を終了したときの膜厚を成膜にかかった成膜時間で除することにより、時間制御用の成膜レート係数を算出した。【００６５】
また、第三層のＳｉＯ２層は、図３のレンズ配置の膜厚計４０を用い、Ｂ／Ａ制御方式によって膜厚を制御した。
Ｂ／Ａ制御方式とは、生成中の薄膜にモニタ光を照射し、薄膜から透過／反射されたモニタ光の透過率変化を計測して、この透過率変化が描く一定の振幅、極大値、極小値を有する軌跡について、軌跡の上下の幅Ａに対する停止光量Ｂの極値からの変化分Ａの割合（Ｂ／Ａ）を用いて制御する方法である。本例では、実際の透過率変化に基づくＢ／Ａ値が所望の膜厚に対応するＢ／Ａ値と一致したときに成膜を停止することにより、成膜中の膜厚を所望の膜厚に設定した。
また、第三層成膜終了時には、成膜を終了したときの膜厚を成膜にかかった成膜時間で除することにより、時間制御用の成膜レート係数を算出した。【００６６】
第四層のＮｂ２Ｏ５層及び第五層のＳｉＯ２層は、第二層，第三層成膜時に算出した成膜レート係数を用いた時間制御方式によって膜厚を制御した。つまり、それぞれ、第二層，第三層の成膜レートと第四層，第五層で成膜する所望の膜厚とから第四層，第五層の成膜時間を算出し、成膜をこの成膜時間行うことにより、第四層，第五層を成膜した。【００６７】
この５層構造の多層膜の成膜工程を、３回繰り返し、基板Ｓ上に５層ＡＲ膜を備えたサンプル１〜３を得た。図８に、サンプル１〜３の成膜中における光量変化のグラフを示す。図８に示すように、同様の工程を繰り返した３つのサンプルにおいて、殆ど同様の光量変化を示しており、再現性が高いことが示された。
また、図９に、基板Ｓ上に５層ＡＲ膜を備えたサンプル１〜３の分光特性のグラフを示す。図９に示すように、サンプル１〜３が殆ど同様の分光特性を備えており、本例の膜厚計を用いて膜厚を制御することにより、ほぼ同様の分光特性を備えた５層ＡＲ膜を再現性よく成膜できることが分かった。
【符号の説明】
【００６８】
Ｂ  二等分線
Ｓ  基板
Ｚ  回転軸
１  スパッタ装置
１１  真空容器
１１Ａ  薄膜形成室
１１Ｂ  ロードロック室
１２  回転ドラム
１３，１４  仕切壁
１５  タイミング検出用反射板
１６  タイミングセンサー
１７  測定用窓
２０Ａ，２０Ｂ  スパッタ源
２１Ａ，２１Ｂ  マグネトロンスパッタ電極
２２Ａ，２２Ｂ  ターゲット
２３Ａ，２３Ｂ  トランス
２４Ａ，２４Ｂ  交流電源
２５Ａ，２５Ｂ  ガスボンベ
２６Ａ，２６Ｂ  成膜プロセス領域
３０  プラズマ源
３１  ケース体
３２  誘電体板
３３  マッチングボックス
３４  高周波電源
３５  ガスボンベ
３６  反応プロセス領域
４０  膜厚計
４１  光源
４２  光ファイバ
４３  投光用測光プローブ
４４  受光用測光プローブ
４５  光ファイバ
４６  光学検出装置
４７  積分アンプ
４８  制御装置
５１，５６  投光側のレンズ
５１Ｃ，５２Ｃ，５６Ｃ，５７Ｃ  中心
５２，５７  受光側レンズ
５３  投受光側兼用レンズ
５４  ビームスプリッタ
５５  アパーチャ部材
５５ａ  アパーチャ
５８  集光レンズ
【図１】
2015004755.tif 000004
【図２】
2015004755.tif 000005
【図３】
2015004755.tif 000006
【図４】
2015004755.tif 000007
【図５】
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【図６】
2015004755.tif 000009
【図７】
2015004755.tif 000010
【図８】
2015004755.tif 000011
【図９】
2015004755.tif 000012
【国際調査報告】
2015004755.tif 000013
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