(57)【要約】【課題】成膜中の薄膜の膜厚測定によって得られる電気信号のＳ／Ｎ比を測定波長によらず向上させて、精度よく膜厚制御を行うことができる膜厚計及び膜厚測定方法を提供する。【解決手段】投光器１０と、基板１からの測定光が導かれる分光器２０と、コントローラ３０と、を備えた膜厚計Ａであって、分光器２０は、測定光を分光する分光部２１及び分光部２１によって分光された光束を光電変換して受光電流を生起させる複数のフォトダイオードを有する受光部を備え、コントローラは、異なる露光時間による所定回数の受光電流出力測定を行うための信号を分光器２０へ送出する手段と、分光器２０からの所定回数の受光電流出力測定で得られた測定値のうち飽和出力値以下の測定値を判別する手段と、所定の測定波長において飽和出力値以下の測定値が複数ある場合により長い露光時間の測定による測定値を採用する手段と、を備えた。【選択図】        図９
2004212097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、膜厚測定を制御する制御手段と、を備えた膜厚計であって、
前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、
前記制御手段は、露光時間の異なる受光電流出力の測定を所定回数行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、
前記光検出手段から得られた前記受光電流出力の測定値のうち所定の飽和出力値に達していない測定値を判別する判別手段と、
前記測定値のうち所定の測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合に露光時間のより長い測定による測定値を採用する選定手段と、を備えたことを特徴とする膜厚計。
【請求項２】
光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、制御手段と、を備えた膜厚計であって、
前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、
前記制御手段は、露光時間の異なる所定回数の受光電流出力の測定と、前記光検出手段へ前記測定光が入射されない状態且つ前記各露光時間と略同一の測定時間での暗電流出力の測定と、を行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、
前記光検出手段から得られた前記受光電流出力の測定値のうち所定の飽和出力値に達していない測定値を判別する判別手段と、
前記測定値のうち所定の測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合にはより長い露光時間での測定による測定値を採用すると共に、前記より長い露光時間と略同一の測定時間で測定された前記暗電流出力による測定値と、前記採用された受光電流出力の測定値とを対応させる選定手段と、
前記採用された受光電流出力の測定値から該測定値に対応した前記暗電流出力の測定値を差し引く演算手段と、を備えたことを特徴とする膜厚計。
【請求項３】
前記受光電流出力の露光時間を取得すると共に、該露光時間を前記制御手段へ設定する入出力部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の膜厚計。
【請求項４】
基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、
前記基板からの測定光を分光し、該分光された光束を複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、該光検出素子に光電変換により生起される受光電流出力を異なる露光時間で所定回数測定し、
該所定回数の測定によって得られた測定値のうち所定測定波長について所定の飽和出力値に達していない測定値を判別して採用し、
前記所定測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合は、より長い露光時間での測定による測定値を採用することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、
前記基板からの測定光を分光し、該分光された光束を複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、該光検出素子に光電変換により生起される受光電流出力を異なる露光時間で所定回数測定すると共に、前記測定光が前記光検出素子に照射されない状態且つ前記各露光時間と略同一の測定時間で暗電流出力を前記所定回数測定し、
前記受光電流出力の所定回数の測定によって得られた測定値のうち所定測定波長について所定の飽和出力値に達していない測定値を判別して採用し、
前記所定測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合は、より長い露光時間での測定による測定値を採用すると共に、前記より長い露光時間と略同一の測定時間で行われた前記暗電流出力の測定の測定値と前記採用された受光電流出力の測定による測定値とを対応させ、
前記所定測定波長において前記採用された受光電流出力の測定による測定値から該測定値に対応した前記暗電流出力の測定による測定値を差し引く演算を行うことを特徴とする膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学式の膜厚計及び膜厚測定方法に係り、特に蒸着，スパッタ，ＣＶＤ法等によって、真空槽内で基板上に形成される光学薄膜の膜厚測定を精度よく行うことができる光学式の膜厚計及び膜厚測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式膜厚計は、真空蒸着処理やスパッタリング成膜処理等による成膜処理中に基板上に積層された膜厚をモニタリングし、所定膜厚蒸着時に蒸着源シャッタの開閉動作制御等を行うための制御器として用いられる。また、成膜処理をした基板の分光特性を測定するための測定器として用いられる。
【０００３】
従来から、成膜中基板の膜厚検測等のために受光器にフォトダイオードアレイが用いられた膜厚計がある（例えば、特許文献１参照）。受光器にフォトダイオードアレイを用いることにより、複数の波長における成膜過程での反射率変化を同時連続的にモニターすることが可能となる。
【０００４】
上記のような膜厚計の場合、成膜基板からの測定光は受光器で光電変換され、電気信号として演算部へ送出される。このとき、演算部では得られた電気信号を基に所定の演算処理が行われ、反射率や透過率が算出される。
【０００５】
ここで、膜厚制御を精度よく行うためには、算出された反射率や透過率変化から所定の膜厚積層時を正確に検出しなければならない。このため、受光器からの電気信号をできるだけ増幅して処理が行われるが、一般に膜厚の測定精度は前記電気信号に含まれるノイズ分の影響を受ける。
【０００６】
特に、出力される電気信号が小さい波長範囲では電気信号のＳ／Ｎ比が相対的に低くなってしまう。一般に、このようなＳ／Ｎ比の低さの要因としては、光源の放射分布特性（例えば、ハロゲン光源の場合、短波長側で光量が少ない）、フォトダイオードの分光感度特性（紫外光側、近赤外光側が悪い）、光路として使用される光ファイバの透過率の波長依存性等が挙げられる。
【０００７】
そして、上記電気信号のＳ／Ｎ比の低さを補うために、得られた電気信号の演算処理方法を種々に改善して、正確な膜厚制御を行うことが行われている。つまり、演算部でのソフトウェア面の改善が一般的に行われている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−１６４５１８号公報（第２−３頁、第１−６図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、膜厚計で正確な膜厚制御を行うために、制御装置のソフトウェア面の改善を行う方法では、電気信号自体のＳ／Ｎ比を向上させるわけではないので、大きく制御の精度を向上させることは期待できなかった。
【００１０】
また、測定波長範囲のうち得られる電気信号強度が小さい波長範囲のデータは、相対的にＳ／Ｎ比が悪いものとなることから、このような測定範囲のデータを用いた膜厚測定は他の測定範囲によるものと比べて誤差が大きいものとなるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、成膜中の薄膜の膜厚測定によって得られる電気信号のＳ／Ｎ比を測定波長によらず向上させて、精度よく膜厚制御を行うことができる膜厚計及び膜厚測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、請求項１に記載の膜厚計によれば、光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、膜厚測定を制御する制御手段と、を備えた膜厚計であって、前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、前記制御手段は、露光時間の異なる受光電流出力の測定を所定回数行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、前記光検出手段から得られた前記受光電流出力の測定値のうち所定の飽和出力値に達していない測定値を判別する判別手段と、前記測定値のうち所定の測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合に露光時間のより長い測定による測定値を採用する選定手段と、を備えることにより解決される。
【００１３】
このように本発明によれば、光検出手段に複数の光検出素子を備え、該光検出素子に波長が異なる分光された光が照射されるようになっており、複数の露光時間が異なる測定を行うことによって、各光検出素子からそれぞれ受光電流出力を得ることが可能となっている。そして、複数の測定によって得られた受光電流出力の測定値のうち、露光時間がより長い測定での測定値が採用されるようになっている。
【００１４】
このように構成することにより、所定の測定波長においてより露光時間の長い測定での測定値、すなわちＳ／Ｎ比が良い測定値を用いて膜厚等を算出することができる。これにより、形成される薄膜の膜厚精度を向上させることができる。
【００１５】
また、請求項２のように、光学薄膜が形成された基板へ断続周期的に投光する投光手段と、前記基板からの測定光が導かれる光検出手段と、制御手段と、を備えた膜厚計であって、前記光検出手段は、前記測定光を分光する分光部を備えると共に、該分光部によって分光された光束を受光して光電変換により電荷を蓄積し受光電流を前記制御手段へ出力する複数の光検出素子を備え、前記制御手段は、露光時間の異なる所定回数の受光電流出力の測定と、前記光検出手段へ前記測定光が入射されない状態且つ前記各露光時間と略同一の測定時間での暗電流出力の測定と、を行うための制御信号を前記光検出手段へ送出する制御信号送出手段と、前記光検出手段から得られた前記受光電流出力の測定値のうち所定の飽和出力値に達していない測定値を判別する判別手段と、前記測定値のうち所定の測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合にはより長い露光時間での測定による測定値を採用すると共に、前記より長い露光時間と略同一の測定時間で測定された前記暗電流出力による測定値と、前記採用された受光電流出力の測定値とを対応させる選定手段と、前記採用された受光電流出力の測定値から該測定値に対応した前記暗電流出力の測定値を差し引く演算手段と、を備えることにより解決される。
【００１６】
このように本発明によれば、所定の測定波長においてより露光時間の長い測定での測定値、すなわちＳ／Ｎ比が良い測定値を用いて膜厚等を算出することができると共に、受光電流出力測定と暗電流出力測定が略同一測定時間で行われることから、受光電流分に対応する暗電流分の測定を精度よく行うことができる。これにより、測定開始から長時間経過したような場合であっても、形成される薄膜の膜厚精度を向上させることができる。
【００１７】
また、請求項３のように、前記受光電流出力の露光時間を取得すると共に、該露光時間を前記制御手段へ設定する入出力部を備えれば好適である。
【００１８】
また、請求項４に記載の膜厚測定方法によれば、基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、前記基板からの測定光を分光し、該分光された光束を複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、該光検出素子に光電変換により生起される受光電流出力を異なる露光時間で所定回数測定し、該所定回数の測定によって得られた測定値のうち所定測定波長について所定の飽和出力値に達していない測定値を判別して採用し、前記所定測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合は、より長い露光時間での測定による測定値を採用する方法とすることができる。
【００１９】
また、請求項５のように、基板上に形成された薄膜の光学膜厚を測定する方法であって、前記基板からの測定光を分光し、該分光された光束を複数の光検出素子にそれぞれ照射させ、該光検出素子に光電変換により生起される受光電流出力を異なる露光時間で所定回数測定すると共に、前記測定光が前記光検出素子に照射されない状態且つ前記各露光時間と略同一の測定時間で暗電流出力を前記所定回数測定し、前記受光電流出力の所定回数の測定によって得られた測定値のうち所定測定波長について所定の飽和出力値に達していない測定値を判別して採用し、前記所定測定波長において前記所定の飽和出力値に達していない測定値が複数ある場合は、より長い露光時間での測定による測定値を採用すると共に、前記より長い露光時間と略同一の測定時間で行われた前記暗電流出力の測定の測定値と前記採用された受光電流出力の測定による測定値とを対応させ、前記所定測定波長において前記採用された受光電流出力の測定による測定値から該測定値に対応した前記暗電流出力の測定による測定値を差し引く演算を行う方法とすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施例の膜厚計の構成を示す説明図、図２は実施例のシャッタ機構の説明図、図３は実施例の膜厚計の構成を示すブロック図、図４は実施例の連続測定処理の説明図、図５は実施例のチャンネルごとの露光時間を示す説明図、図６は実施例の膜厚制御データ取得の概略処理手順を示す説明図である。
【００２１】
図７は実施例の基本測定による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図、図８は実施例のマルチフレーム露光法での照射パターンを示す説明図、図９は実施例の各ゲイン測定ごとの露光時間を示す説明図、図１０は実施例の異なるゲイン測定による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図、図１１は実施例のマルチフレーム露光法によって得られる測定出力を示す説明図である。なお、以下に説明する配置、形状等は、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。
【００２２】
図１に本発明の実施例に係る膜厚計Ａの概略構成図を示す。本例の膜厚計Ａは、真空室５０内に配置された成膜中の基板１を透過する光の透過量の変化から膜厚を測定する光透過式の膜厚計である。なお、基板１上への薄膜の形成は、真空蒸着法に限らず、スパッタリング，ＣＶＤ法によるものでもよい。また、本例の膜厚計Ａは光透過式としたが、これに限らず光反射式としてもよい。
【００２３】
本例の膜厚計Ａは、投光手段としての投光器１０，分光手段としての分光器２０，制御手段としてのコントローラ３０等から構成される。投光器１０は投光部１１とシャッタ機構１４を備えて構成され、投光部１１はハロゲンランプ，キセノンランプ又は重水素ランプ等からなる光源１２、集光レンズ１３、不図示の安定化電源等を備えている。
【００２４】
図２にシャッタ機構１４の構成を示す説明図を示す。シャッタ機構１４は、駆動源としてのステッピングモータ１５，略円形形状の回転式の遮蔽板１６，位置検出器１７等から構成されている。遮蔽板１６は、光源１２の光を遮る遮蔽部１６ａと、光源１２の光を真空室５０側へ通過させる切欠部１６ｂを備えており、遮蔽板１６が回転することにより、真空室５０側へ周期的なパルス状の光束が送出される。
【００２５】
モータ１５は後述するようにコントローラ３０から制御信号を受けて、遮蔽板１６を所定の回転速度で回転するように構成されており、該回転速度は制御信号によって可変設定されるようになっている。
【００２６】
図１に示すように投光器１０では、光源１２から放射される光が集光レンズ１３によって集光され、該集光された光束がシャッタ機構１４を通過することにより、真空室５０側へ送出される。なお、投光器１０と真空室５０，真空室５０と分光器２０は、それぞれ光ファイバ４０，４２によって接続されている。また、光ファイバ４０，４２にはレンズユニットが配設されており、スポット径が小さく平行光に近い光路が確保されている。なお、このような光ファイバ光学系に限らず、ミラー反射光学系であってもよい。
【００２７】
光ファイバ４０は出力側が二分岐されており、光ファイバ４０に入射された光束はその一部が分岐部４０ａを通して投光器１０に備えられたフォトダイオードからなる位置検出器１７へ導かれている。
【００２８】
このように構成することにより、遮蔽板１６の回転位置が位置検出器１７によって正確に検出され、位置検出器１７から送出される検出信号によってコントローラ３０は遮蔽板１６の回転位置をモニターすることができると共に、正確に同期制御することが可能となっている。
【００２９】
また、従来用いられるような電磁的機械シャッタは、光源を短時間周期で遮ることによりパルス状光束を送出することには不向きであったが、本例のシャッタ機構１４では、シャッタ部を回転式としたことにより短時間周期のパルス状光束を送出することが可能となっている。
【００３０】
光検出手段としての分光器２０は、分光部２１と受光部２８を備えている。分光部２１はクロスツェルニターナ方式であって、スリット２２，コリメート光を形成する反射鏡２３，回折格子２４，反射鏡２５から構成されている。受光部２８は、フォトダイオードアレイを備えた検出素子２６，検出素子２６へ制御信号Ｐ１，Ｐ２を送出する検出素子駆動部２７から構成されている。
【００３１】
スリット２２を通過した真空室５０からの測定光は反射鏡２３でコリメート光とされ、該コリメート光は回折格子２４に入射し、回折格子２４によって波長に応じて回折される。回折格子２４で回折された回折光は、反射鏡２５で反射されて検出素子２６の複数のフォトダイオードにそれぞれ照射される。
【００３２】
本例の検出素子２６及び検出素子駆動部２７からなる受光部２８は、電荷蓄積方式のリニアイメージセンサを構成する。検出素子２６は、５１２の測定チャンネルに対応した５１２個の光検出素子としてのフォトダイオード，スイッチ，コンデンサ等から構成されている。また、検出素子駆動部２７は、コントローラ３０からのスタートパルス及びクロック信号に応じて前記各スイッチに制御信号Ｐ１，Ｐ２を送出するシフトレジスタを備えて構成されている。
【００３３】
本例の膜厚計Ａは、任意の３００ｎｍの波長範囲を指定して測定することができるようになっており、それぞれのフォトダイオードは３００ｎｍの測定波長範囲（例えば、３８０ｎｍから６８０ｎｍ）のうち約０．６ｎｍの波長幅に相当する回折光を受光するようになっている。
【００３４】
上記５１２個のフォトダイオード等の各素子は、５１２のチャンネルに割り振られており、１番目のチャンネルが長波長側（例えば、６８０ｎｍ付近）、５１２番目のチャンネルが短波長側（例えば、３８０ｎｍ付近）に設定されている。
【００３５】
なお、測定波長範囲は３００ｎｍに限定されるものではなく、それぞれのフォトダイオードが照射される波長範囲も約０．６ｎｍに限定されるものではない。また、チャンネル数も５１２に制限されるものではなく、例えば、１０２４個のフォトダイオードを備えたリニアイメージセンサを使用して、チャンネル数を１０２４としてもよい。
【００３６】
受光部２８の動作の概略を説明する。各チャンネルのフォトダイオードに回折光が照射されると、フォトダイオードによって光電変換され、電荷が受光部２８内の不図示のコンデンサに蓄積される。
【００３７】
検出素子駆動部２７はコントローラ３０からスタートパルスを受取ると各チャンネルへ制御信号Ｐ１又はＰ２を送出し始める。そして、検出素子駆動部２７は、コントローラ３０からクロック信号を受け取るごとにチャンネル数を加算していき、時間をずらして順次各チャンネルのスイッチへ制御信号Ｐ１又はＰ２を送出する。
【００３８】
各スイッチは、制御信号Ｐ１又はＰ２によって電気的に閉じて各コンデンサが順次出力側に接続される。検出素子駆動部２７及び各スイッチは送出手段を構成する。これにより、測定光の照射によって各コンデンサに蓄積された電荷は、コントローラ３０側へチャンネルごとに時間をずらして順次出力される。
【００３９】
このような電荷蓄積方式の受光部２８では、蓄積電荷量は入射光の強さと露光時間の積（露光量）に比例する。しかし、上記コンデンサの容量は有限であるため、所定の露光量（飽和露光量）を超えると出力は一定値（飽和出力値）をとることになり、測定値として意味を持たなくなる。このため、露光量を適切に調整するために、露光時間の調整が行われる。
【００４０】
図３に示すように、コントローラ３０は、膜厚測定制御を行うＣＰＵ３１と、ＣＰＵ３１からの制御信号を受けて検出素子駆動部２７へ所定のスタートパルス及びクロック信号を送出する制御信号送出手段としてのタイミング設定部３２と、検出素子２６からの出力をチャンネルごとに受取りチャンネルごとの信号増幅を行う増幅部としてのＰＧＡ（プログラムゲインアンプ）３３と、ＰＧＡ３３からの増幅信号を受取りＡ／Ｄ変換してＣＰＵ３１へ送出するＡ／Ｄ変換器３４と、インターフェース部３５と、設定入力処理やデータ出力処理を行うための入出力部としての入出力装置３７と、出力データ及び設定値等を記憶する記憶部３８等によって構成されている。
【００４１】
記憶部３８は、ＲＯＭ３８ａと、作業エリアとして用いられるＲＡＭ３８ｂ等を備えている。ＲＯＭ３８ａには、膜厚計Ａの制御プログラムやオペレーションシステムプログラム等が記憶される。また、モニターやプリンター等の表示装置３６がインターフェース部３５を介して接続されている。ＣＰＵ３１は、記憶部３８のプログラム及び入出力装置３７からの設定入力等に基づき、投光器１０や分光器２０への各種制御信号等の送出及び、分光器２０からの測定データの受信、受信データの増幅、記憶、演算、出力等の各種処理を行う。本例の判別手段、選定手段、演算手段は、主としてＣＰＵ３１によって構成されている。
【００４２】
ＰＧＡ３３は、検出素子２６からのチャンネルごとの出力を受取り、ＣＰＵ３１からの設定により、チャンネルごとに増幅率を変化させてＡ／Ｄ変換器３４へ出力する。すなわち、操作者は、測定波長ごと（すなわち、チャンネルごと）に出力信号を所定の倍数に増幅するように、入出力装置３７から設定入力することが可能であり、当該設定入力はＣＰＵ３１を通してＰＧＡ３３に設定される。
【００４３】
このような構成とすることにより、信号強度の小さい波長範囲の出力信号を選択的に増幅させてデータとして得ることが可能となる。このように小さい信号強度を増幅することにより、光量変化に対する追従性を向上させ、当該増幅信号を制御値として扱いやすくし膜厚制御し易いものとすることができる。
【００４４】
また、コントローラ３０からインターフェース部３５を通して、真空蒸着装置の制御装置５１へ所定の膜厚測定データを送出している。制御装置５１は該データをもとに，蒸着源を遮るシャッタ装置の駆動制御を行っている。
【００４５】
また、コントローラ３０は、投光器１０へモータ１５の回転速度を制御する信号を送出する。モータ１５は、該制御信号に基づいて所定の回転速度で遮蔽板１６を回転させる。また、位置検出器１７から遮蔽板１６の回転位置を示す位置信号がコントローラ３０へ送出される。これによりコントローラ３０は、遮蔽板１６の回転位置と、検出素子駆動部２７へ送出するスタートパルスを同期させることができるようになっている。
【００４６】
次に、本例の膜厚計Ａによる基本となる膜厚測定手順について説明する。コントローラ３０から投光器１０へ制御信号が送出され、所定回転速度で遮蔽板１６が回転すると、図４（Ａ）に示すように真空室５０側へ光束が送出される期間（明期間）と送出されない期間（暗期間）が周期的に繰り返される。本基本測定例の場合、明暗期間一周期は０．３秒程度となっている。
【００４７】
コントローラ３０は、明期間の開始に合わせて、同図（Ｂ）に示すように検出素子駆動部２７へスタートパルスＰＳＴ１を送出する。また、コントローラ３０は、順次にチャンネル数分のクロック信号を検出素子駆動部２７へ送出する。検出素子駆動部２７は、このスタートパルスＰＳＴ１を受取ると、コントローラ３０からのクロック信号に従い、検出素子２６の各チャンネルへ制御信号Ｐ１を順次送出し始める。すなわち、同図（Ｃ），（Ｄ）に示すように、検出素子駆動部２７はクロック信号を受取るごとにシフトレジスタによりチャンネルを順次繰り上げ、チャンネルごとに時間をずらしながら制御信号Ｐ１を送出する。この制御信号Ｐ１によって各チャンネルは順次リセットされる。
【００４８】
すなわち、このとき各チャンネルのコンデンサに蓄積されていた電荷が出力される（同図（Ｅ）参照）。このようにして、所定時間（Ｔ１）で、各チャンネルのリセット出力Ｓ１がコントローラ３０へ送出される。なお、リセット出力Ｓ１は膜厚データに関係しないので、基板１の膜厚制御をするためには用いられない。
【００４９】
全てのチャンネルが所定時間（Ｔ１）でリセットされると、これから所定時間（Ｔ０）経過後にコントローラ３０から検出素子駆動部２７へスタートパルスＰＳＴ２が送出され、さらにクロック信号に応じて検出素子駆動部２７から各チャンネルへ制御信号Ｐ２が制御信号Ｐ１と同様に送出される。明期間中、各チャンネルには測定光が照射されている。
【００５０】
そして、制御信号Ｐ２が各チャンネルへ順次送出されると、各チャンネルのコンデンサに蓄積された電荷は、ＰＧＡ３３へ順次出力される（受光電流出力Ｓ２）。このようにして、所定時間（Ｔ１）で、各チャンネルの受光電流出力Ｓ２がコントローラ３０へ送出される（同図（Ｅ）参照）。
【００５１】
すなわち、各チャンネルからは、各チャンネルのスイッチにリセット用の制御信号Ｐ１が送出されてから、出力用の制御信号Ｐ２が送出されるまでの測定時間（露光時間）に蓄積された電荷がコントローラ３０側へ受光電流出力Ｓ２として出力される。図５に示すように、各チャンネルの露光時間ＴＳ（＝Ｔ１＋Ｔ０、すなわち制御信号Ｐ１と制御信号Ｐ２との間隔）は一定となっている。
【００５２】
また、本例の膜厚計Ａでは、明期間だけでなく、暗期間についても同様にスタートパルスＰＳＴ１，ＰＳＴ２、クロック信号及び制御信号Ｐ１，Ｐ２が送出され、各チャンネルの出力を検出するようになっている。すなわち、各チャンネルのフォトダイオードに測定光が照射されていないときの受光電流出力Ｓ２（実際は、暗電流出力）が、明期間の受光電流出力Ｓ２と同様にデータとして出力されている。
【００５３】
したがって、暗期間に各チャンネルにリセット用の制御信号Ｐ１が送出されてから出力用の制御信号Ｐ２が送出されるまでの時間は、明期間のものと略同一（すなわち、露光時間ＴＳに略等しい）となっている。このようにすることにより、フォトダイオードから出力される暗電流出力は時間に比例するものとなるので、同時期の受光電流出力Ｓ２に含まれる暗電流分をより正確に見積もることが可能となる。
【００５４】
本例の膜厚計Ａでは、上述のように明暗期間が周期的に繰り返されて、明期間及び暗期間のそれぞれについて同様な出力処理が行われるので、受光電流出力と暗電流出力が明暗周期ごとに得られる。したがって、明暗周期ごとに暗電流によるノイズ成分を精度よく補正することが可能となっている。
【００５５】
図６に膜厚制御データ取得の処理手順を示す。先ず図６に示すように、上記繰返し連続測定によって、各チャンネルの受光電流出力及び暗電流出力を所定時間毎に得ることができる。検出素子２６から出力された各チャンネルの受光電流出力及び暗電流出力は、リアルタイムにＰＧＡ３３によってチャンネルごとに所定倍数に増幅され、Ａ／Ｄ変換器３４によってデジタルデータに変換された後、受光電流データ及び暗電流データとしてコントローラ３０内の記憶部３８に記憶される。
【００５６】
そして、これら得られたデータに基づき、演算処理が行われる。具体的には、演算手段としてのコントローラ３０は、各チャンネルについて明暗期間周期の測定ごとに受光電流データから暗電流データを差し引き、ノイズ分が除去された受光強度データとして記憶部３８に記憶する。
【００５７】
なお、入出力装置３７からの設定入力にしたがい、所定回数（例えば、１５回）のデータ積分処理が行われるように構成してもよい。このようにすることにより、データの精度が向上される。
【００５８】
そして、演算処理により得られた受光強度データから、さらに光学特性値としての透過率，光学膜厚等が算出され、予め設定された複数のチャンネル（例えば、５チャンネル）についての算出データが外部へ出力され、蒸着処理の制御等に用いられる。本例の場合、上記チャンネルは予め入出力装置３７から設定することができるようになっている。また、表示装置３６へ表示処理が行われる。なお、すべてのチャンネルについての算出データを外部へ出力するようにしてもよい。
【００５９】
次に、上記基本膜厚測定手順を応用した本発明の要旨であるマルチフレーム露光法について説明する。図７に上記基本となる明暗期間一周期（０．３秒程度）での暗電流補正をした受光電流出力（受光強度データ）を示す。
【００６０】
図７における測定波長範囲はλＬからλＨとなっている。この場合、受光電流出力は長波長側にピークがあり、特に短波長側の出力強度が小さくなっている。フォトダイオードによる電気信号出力は、一般に電気信号出力の大きさに関係なく、略一定の測定誤差分を含むものとなる。ただし、ここでいう測定誤差分は暗電流成分を含まないものを意味する。
【００６１】
したがって、短波長側では特にＳ／Ｎ比が悪く、この波長範囲の測定データから算出された光学特性データを用いて膜厚制御をする場合は、相対的に精度よく制御することができない。
【００６２】
このような電気信号出力の小さな波長範囲での光学特性データのＳ／Ｎ比を向上させるために、本例のマルチフレーム露光法では投光器１０から送出される光束は、例えば図８のように制御される。つまり、明暗周期を基本測定時間と同じとした測定（基本測定）に続いて、明暗周期を２倍とした測定（ゲイン２倍測定）、明暗周期を４倍とした測定（ゲイン４倍測定）、明暗周期を１０倍（ゲイン１０倍測定）とした測定をそれぞれ行う。
【００６３】
これらの測定は、コントローラ３０に予め操作者によって設定され、コントローラ３０が検出素子駆動部２７及びシャッタ機構１４を制御することによって行われる。なお、基本測定の明暗周期は、可変設定することが可能である。また、基本測定に続く測定における明暗周期も所定の長さに設定可能である。
【００６４】
図８に示した各明暗周期における露光時間（Ｔｓ、暗電流測定時間も同様）の説明図を図９に示す。図９では、説明上、基本測定，ゲイン２倍測定，ゲイン４倍測定，ゲイン１０倍測定における露光時間ＴｓをそれぞれＴｓ（１），Ｔｓ（２），Ｔｓ（４），Ｔｓ（１０）とし、制御信号Ｐ１（５１２）送出後制御信号Ｐ２（１）が送出されるまでの時間をそれぞれＴ０（１），Ｔ０（２），Ｔ０（４），Ｔ０（１０）としている。
【００６５】
図９に示すように、基本測定においてはＴ０（１）はＴ１に比べ短い時間が設定されている。これに対して、ゲイン２倍測定，ゲイン４倍測定，ゲイン１０倍測定ではそれぞれ、Ｔ０（２）はＴ１，Ｔ０（４）は３Ｔ１，Ｔ０（１０）は９Ｔ１に略等しい時間となっている。したがって、露光時間Ｔｓ（１），Ｔｓ（２），Ｔｓ（４），Ｔｓ（１０）は、それぞれＴ１，２Ｔ１，４Ｔ１，１０Ｔ１に略等しくなっている。つまり、基本測定の露光時間に対して、ゲイン２倍測定，ゲイン４倍測定，ゲイン１０倍測定の各露光時間は、約２倍，約４倍，約１０倍となっている。このように各測定ごとに露光時間を可変設定することにより、信号のゲイン向上が図られている。暗電流測定時間についても同様である。
【００６６】
コントローラ３０は、このように露光時間を可変設定した各測定を連続的に行うため、入出力装置３７から設定入力された各測定の明暗周期時間，露光時間，Ｔ０等に基づいて、投光器１０へ制御信号を送出すると共に、検出素子駆動部２７へ適正なタイミングでスタートパルス及びクロック信号を送出する。
【００６７】
図１０にそれぞれの明暗周期での測定によって得られる暗電流補正をした受光電流出力を示す。基本測定では出力は飽和出力値に達していないが、ゲイン２倍測定では波長λ３からλ４の波長範囲で出力が飽和出力値に達しているため、この範囲では出力が一定となっている（同図（Ｂ））。同様に、ゲイン４倍測定では波長λ２からλＨの波長範囲、ゲイン１０倍測定では波長λ１からλＨの波長範囲で出力が飽和している（同図（Ｃ），（Ｄ））。
【００６８】
上記測定データを説明のためそれぞれ所定波長範囲を抜き出して合成すると、図１１（Ａ）に示すようになる。これによれば、測定波長範囲にわたって受光電流出力は飽和出力に近い大きな値を有するものとなる。また、ノイズ成分はゲインによらず略一定である。このように、測定波長範囲全体においてＳ／Ｎ比が向上されているので、これから算出される透過率等の膜厚制御に用いるデータについても全体的に精度が向上されたものとなり、精度よく膜厚制御を行うことが可能となる。
【００６９】
なお、同図（Ｂ）に示すように、露光時間（暗電流測定時間）が長くなると、これに比例して暗電流出力も大きくなる。同図（Ａ）では、この暗電流出力分を差し引いて基板１と薄膜の光学特性に関する信号強度のみが表されている。
【００７０】
以上のようにして、マルチフレーム露光法では、異なるゲイン（露光時間）による複数の測定をそれぞれ行い、判別手段としてのコントローラ３０はそれぞれの測定において各チャンネルの受光電流出力が飽和したか否かを判定し、飽和した波長範囲の出力値は採用せず、飽和していない波長範囲のみの出力値を採用する。
【００７１】
そして、選定手段としてのコントローラ３０は、上記複数の測定において同一波長（同一チャンネル）で採用した出力値が複数存在することとなった場合は、ゲインが大きい測定での出力値を採用するようになっている。このとき、明期間の受光電流出力と暗期間の暗電流出力とはチャンネルごとに対応してその出力値（測定値）が採用されるようになっている。
【００７２】
例えば、波長波長λ4からλＨにおいては基本測定及びゲイン２倍測定の両測定において受光電流出力は飽和していないため、この波長範囲での出力値は２つ存在することになる。この場合は、ゲインが大きい測定、すなわちゲイン２倍測定での出力値（測定値）が選択される。また、波長λＬからλ1においては全てのゲイン測定において、受光電流出力は飽和していない。この場合も同様に、ゲインの最も大きい測定での出力値、すなわちゲイン１０倍測定での出力値が選択される。
【００７３】
したがって、膜厚制御のために複数の波長（チャンネル）が設定された場合、該波長においてはゲインが大きい方の測定データから透過率等が算出されるように構成されている。
【００７４】
なお、本例の膜厚計Ａでは、入出力装置３７からの設定により、明暗期間周期の各継続時間（明期間時間、暗期間時間）を変えることも可能である。ただし、受光電流出力測定の露光時間と暗電流出力測定の測定時間とを略同一とすることが望ましい。これにより、各チャンネルへの任意の露光時間の調整が可能となり、最適な露光時間を選択することができることから、精度の良い膜厚測定データを得ることが可能となる。
【００７５】
また、本例では、ゲインを異ならせた測定を順次行っているが、各測定で所定回数積分が行われる場合は、その積分回数分だけ連続してそれぞれのゲインの測定が行われるようにしてもよい。
【００７６】
また、本例の膜厚計Ａでは、演算処理におけるデータ積分処理の回数を操作者が入出力装置３７によって設定変更することも可能である。例えば、データ積分処理回数を１回のみとすることも可能である。
【００７７】
また、本例の膜厚計Ａでは、所定の波長範囲を同時に測定することができるが、測定波長範囲内の任意の単数又は複数の波長についてのみ測定することも可能である。この場合、当該波長に対応するチャンネルが指定されることにより所定のデータを得ることができる。
【００７８】
また、本実施の形態では、露光時間及び暗電流測定時間を異ならせた複数の測定をそれぞれ異なる明暗期間周期で行っているが、これに限らず、前記複数の測定を同一明暗期間周期として、この周期の範囲内で露光時間及び暗電流測定時間を異ならせて測定することも可能である。
【００７９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の膜厚計及び膜厚測定方法によれば、投光器からの光束が短時間周期でパルス状に送出され、成膜基板に投光器からの光束が照射されている期間と照射されていない期間の双方について、同じように複数の波長について測定が行われる。
【００８０】
そして、各明暗周期の長さを異ならせ、光検出部への露光時間及び暗電流測定時間を異ならせることによりゲインを段階的に上げた複数の測定を行う構成とした。したがって、所定の波長についての測定データにおいてよりゲインを向上させた測定による測定データを選択することができる。
【００８１】
このような構成としたことにより、一周期内で受光電流出力と暗電流出力の双方の測定を複数の波長について行いリアルタイムに暗電流分が考慮された精度の良いデータを得ることが可能となると共に、測定波長範囲全体にわたって得られる電気信号出力のＳ／Ｎ比を向上されたものとすることができる。したがって、このようにして得られる精度のよい膜厚制御データによって、膜厚制御の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の膜厚計の構成を示す説明図である。
【図２】実施例のシャッタ機構の説明図である。
【図３】実施例の膜厚計の構成を示すブロック図である。
【図４】実施例の連続測定処理の説明図である。
【図５】実施例のチャンネルごとの露光時間を示す説明図である。
【図６】実施例の膜厚制御データ取得の概略処理手順を示す説明図である。
【図７】実施例の基本測定による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図である。
【図８】実施例のマルチフレーム露光法での照射パターンを示す説明図である。
【図９】実施例の各ゲイン測定ごとの露光時間を示す説明図である。
【図１０】実施例の異なるゲイン測定による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図である。
【図１１】実施例のマルチフレーム露光法によって得られる測定出力を示す説明図である。
【符号の説明】
１  基板、１０  投光器、１１  投光部、１２  光源、１３  集光レンズ、１４  シャッタ機構、１５  モータ、１６  遮蔽板、１６ａ  遮蔽部、１６ｂ  切欠部、１７  位置検出器、２０  分光器、２１  分光部、２２  スリット、２３，２５  反射鏡、２４  回折格子、２６  検出素子、２７  検出素子駆動部、２８  受光部、３０  コントローラ、３２  タイミング設定部、３４  Ａ／Ｄ変換器、３５  インターフェース部、３６  表示装置、３７  入出力装置、３８  記憶部、４０，４２  光ファイバ、４０ａ  分岐部、５０  真空室、５１  制御装置、Ａ  膜厚計、Ｐ１，Ｐ２  制御信号、Ｓ１  リセット出力、Ｓ２  受光電流出力、ＴＳ  露光時間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004212097.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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