JP2004212098A - Coating thickness meter and coating thickness measurement method - Google Patents

Coating thickness meter and coating thickness measurement method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coating thickness meter and a coating thickness measurement method for precisely controlling coating thickness by improving the S/N ratio of an electric signal determined by measuring the coating thickness of a thin film during film formation without depending on a measurement wavelength. <P>SOLUTION: The coating thickness meter A comprises a light source 10 for projecting light to a substrate, where an optical thin film is formed; a spectroscope 20, where measurement light is guided from the substrate; and a controller 30. The spectroscope 20 comprises a spectral section 21 for dispensing measurement light, and a light reception section 28 having a plurality of photodiodes for photoelectrically converting the luminous flux being dispensed by the spectral section 21 for inducing a light reception current. The controller 30 comprises an exposure time pattern, where exposure time is set for each photodiode, and a means for transmitting a control signal for measuring light reception current output according to the spectroscope 20 according to the exposure time pattern. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【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形成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、前記光検出素子ごとの露光時間が設定された露光時間パターンと、該露光時間パターンに応じて受光電流出力の測定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、測定光が導かれる光検出手段には複数の分光された波長光を測定することができる光検出素子が備えられ、各光検出素子の露光時間は露光時間パターンにより設定することができるように構成される。このようにすることにより、本来受光電流が小さい波長範囲においては露光時間を長くして受光電流を大きいものとすることができるので、信号のS/N比を向上させることが可能となる。
【0014】
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、前記光検出素子ごとの露光時間が設定された露光時間パターンと、該露光時間パターンに応じた受光電流出力の測定及び前記光検出素子が露光されない状態において前記露光時間パターンに応じた暗電流出力の測定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、所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の測定値を差し引く演算手段と、を備えると好適である。
【0015】
このように本発明によれば、測定光が導かれる光検出手段には複数の分光された波長光を測定することができる光検出素子が備えられ、各光検出素子の露光時間を露光時間パターンにより設定することができるように構成される。さらに同一露光時間パターンを使用することにより各光検出素子で露光時間と暗電流測定時間を略同一とした受光電流出力及び暗電流出力の測定を行うことができる。
【0016】
このようにすることにより、本来受光電流が小さい波長範囲における露光時間を長くして受光電流が大きいものとすることができるので、信号のS/N比を向上させることが可能となると共に、各光検出素子(各測定波長)において正確な暗電流補正を行うことができる。
【0017】
また、請求項3のように、前記露光時間パターン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、該光検出素子ごとに露光時間が設定された露光時間パターンに応じて前記各露光時間での前記光束の照射により光電変換によって生起される受光電流出力を測定する方法とすることができる。
【0019】
また、請求項5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、該光検出素子ごとに露光時間が設定された露光時間パターンに応じて前記各露光時間での前記光束の照射により光電変換によって生起される受光電流出力を測定し、前記基板からの測定光を遮断して前記光検出素子への前記光束の照射を中断し、前記光検出素子ごとに前記露光時間パターンに応じた測定時間での暗電流出力を測定し、所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の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は実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図である。
【0021】
図5は実施例の連続測定処理の説明図、図6は実施例のチャンネルごとの露光時間を示す説明図、図7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、図8は実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間を示す説明図、図9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10は実施例の可変露光法による暗電流補正後の受光電流出力を示す説明図、図11は別実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図、図12は別実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間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P,P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P,P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P又はP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P又はPを送出する。
【0038】
各スイッチは、制御信号P又はP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器としての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】
図4に示すようにタイミング設定部32は、クロック32aと、分周器32bと、分周器32cと、制御ゲート32dとを備えている。分周器32b,32cは、それぞれクロック32aからの信号を受けてクロック信号を制御ゲート32dを介して検出素子駆動部27へ送出する。検出素子駆動部27では、制御信号P,Pを送出するタイミングをとるためにクロック信号が使用される。分周器32b,分周器32cは、それぞれ制御信号P,制御信号Pを送出させるためのクロック信号に対応している。
【0047】
分周器32bが各チャンネルへのクロック信号を送出する間隔は固定されている。分周器32bが送出するクロック信号は時間的に所定幅を有するものとなっており、1つのクロック信号が送出されるとその後所定の時間間隔を空けて次のクロック信号が順次送出されるようになっている。ただし、入出力装置37から信号幅を可変設定することができるように構成してもよい。
【0048】
また、分周器32cが各チャンネルへクロック信号を送出する間隔は、分周器32bのクロック信号送出間隔と同間隔又は長い間隔に設定することが可能である。この設定は後述するように入出力装置37から設定入力され、この設定にしたがいCPU31は分周器32cの制御を行う。
【0049】
分周器32cからのクロック信号送出間隔が分周器32bからのクロック信号送出間隔と同間隔に設定されると、それぞれの分周器32b,32cから全てのチャンネルに対するクロック信号が送出されるのに要する時間は同じものとなる。
【0050】
一方、分周器32cからのクロック信号送出間隔が分周器32bよりも長く設定されると、該設定に応じて分周器32cから送出される各クロック信号の時間的な幅が広く設定される。これにより、分周器32bと比べて分周器32cから全てのチャンネルに対するクロック信号が送出されるのに要する時間は、クロック信号幅に応じて長くなる。すなわち、チャンネル番号が大きいチャンネルに対するクロック信号ほど、送出されるまでの時間が線形的に長くなる。
【0051】
制御ゲート32dは、CPU31からの制御信号を受け、分周器32b,分周器32cからのクロック信号及びCPU31からのスタートパルスを検出素子駆動部27へ選択的に送出するゲートとして機能する。
【0052】
すなわち、CPU31からの制御信号によってスタートパルスが選択的に送出されると、ゲートが分周器32bへ切り替えられ、分周器32bから全チャンネルに対するクロック信号が送出される。分周器32bから全チャンネルにクロック信号が送出されると、ゲートは分周器32cへ切り替えられ、分周器32cから全チャンネルに対するクロック信号が送出されるまでゲートは維持される。
【0053】
分周器32cには予め複数のクロック信号幅を設定しておき、CPU31からの制御信号によって複数のクロック信号幅のいずれかが選択されるように構成することができる。タイミング設定部32は、このように簡単な構成によって検出素子駆動部27へのクロック信号送出間隔を可変設定することができ、チャンネル毎の露光時間を可変設定することが可能となっている。
【0054】
次に、本例の膜厚計Aによる基本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5(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。
【0055】
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制御信号として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P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Pを送出する。この制御信号Pによって各チャンネルは順次リセットされる。
【0056】
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(T)で、各チャンネルのリセット出力Sがコントローラ30へ送出される。なお、リセット出力S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。
【0057】
全てのチャンネルが所定時間(T)でリセットされると、これから所定時間(T)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Pが制御信号P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。
【0058】
そして、制御信号P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S)。このようにして、所定時間(T)で、各チャンネルの受光電流出力Sがコントローラ30へ送出される(同図(E)参照)。
【0059】
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Pが送出されてから、出力用の制御信号P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Sとして出力される。図6に示すように、各チャンネルの露光時間T(=T+T、すなわち制御信号Pと制御信号Pとの間隔)は一定となっている。
【0060】
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P,P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S(実際は、暗電流出力)が、明期間の受光電流出力Sと同様にデータとして出力されている。
【0061】
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Pが送出されてから出力用の制御信号P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T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S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。
【0062】
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。
【0063】
図7に膜厚制御データ取得の処理手順を示す。先ず図7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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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、チャンネル数は予め入出力装置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。
【0067】
次に、上記基本となる膜厚測定手順を応用した本発明の要旨である可変露光法について説明する。基本膜厚測定のときは、制御信号P,P共にチャンネル間で同時間間隔だけずらして送出されているため、各チャンネルの露光時間及び暗電流測定時間は同一(T=T+T)である。これに対し、可変露光法では、チャンネルごとに露光時間及び暗電流測定時間を可変設定するものである。
【0068】
可変露光法では、図8(A)乃至(D)に例示する露光時間パターンのように制御信号Pを全てのチャンネルに対して送出するには時間Tだけ要する。そして制御信号P送出後、時間T経過後に制御信号Pが順次送出され始める。
【0069】
同図(A)は基本膜厚測定の露光時間パターンを示している。当該露光時間パターンでは制御信号Pを送出するのに要する時間Tは、上述のように制御信号Pを送出するのに要する時間と同じ時間Tであり、各チャンネルの露光時間Tsは同一である。
【0070】
これに対し同図(B)乃至(D)では、制御信号Pを送出するのに要する時間Tは、それぞれ時間Tの2倍,4倍,6倍程度となっている。したがって、これらの露光時間パターンが選択されると、チャンネル1(長波長側)の露光時間は基本膜厚測定の場合と同一であるが、チャンネル512(短波長側)側ほど露光時間は線形的に長くなるように設定される。
【0071】
例えば、基本膜厚測定によって図9に示すように測定波長範囲のうち短波長側での信号出力が相対的に小さな受光強度データが得られる場合、可変露光法によって短波長側のチャンネルでの露光時間を長めにすべく、所定の露光時間パターンが選択される。露光時間パターンの選択は、上述のように分周器32cのクロック信号幅を選択することにより行うことができる。さらに、時間T及び時間Tを入出力装置37から指定することにより露光時間パターンが特定されるようにしてもよい。露光時間パターンが特定されるとCPU31はタイミング設定部32を制御して、検出素子駆動部27へスタートパルス及びクロック信号を順次送出する。
【0072】
基本膜厚測定において図9に示すような受光強度データが得られる場合に、図8に示す各露光時間パターンを用いて測定すると、図10に示すような受光強度データが得られる。同図中、a乃至dはそれぞれ図8(A)乃至(D)の露光時間パターンを用いて測定したときの受光強度データである。
【0073】
このように可変露光法では、本来は信号強度が小さい測定波長(チャンネル)での露光時間を長くとることができるので、得られる受光電流出力の値は大きくなり、これにより全体としてS/N比の向上を図ることができる。
【0074】
次に、可変露光法を行うための別実施例について説明する。図11は、別実施例のタイミング設定部32の構成を示すブロック図である。図11に示すようにタイミング設定部32は、クロック33aと、クロック33aからの信号を受けてチャンネルのアドレス信号を発生させるアドレス発生器33bと、所定のタイミングで検出素子駆動部27へスタートパルス及びクロック信号を送出する分周器33cと、蓄積タイミング設定データが記憶され所定のプログラムに基づき作動するROM32dを備えている。
【0075】
蓄積タイミング設定データには、露光時間パターンが複数記憶されており、操作者は入出力装置37から適宜露光時間パターンを選択することにより、チャンネル全体の露光時間及び暗電流測定時間の制御パターンを設定することができる。
【0076】
CPU31からの制御信号によってROM33dは、露光時間パターンを選択する。そして、ROM33dは所定の作動プログラムを実行し、選択された露光時間パターンデータを読み込み、読み込んだ露光時間パターンデータ及びアドレス発生器33dからのアドレス信号にしたがって、分周器33cにチャンネルごとのクロック信号送出タイミングを制御する信号を送出する。
【0077】
分周器33cは、クロック信号送出タイミング制御信号にしたがって、検出素子駆動部27へスタートパルス及びクロック信号を順次送出する。別実施例のタイミング設定部32は分周器33cが制御信号P及びPの双方に対応するクロック信号を送出するように構成されている。
【0078】
図12に露光時間パターンの例を示す。同図(A)乃至(D)の露光時間パターンでは、制御信号Pは基本膜厚測定の露光時間パターンと同様に、各チャンネルへは同間隔で順次送出される。全チャンネルへ制御信号Pが送出されると、時間Tの経過後に制御信号Pが送出され始める。
【0079】
制御信号Pは、送出チャンネル番号の増加に対して送出時間が非線形に増加するように送出される。すなわち、各チャンネルへの送出間隔がチャンネル番号の増加と共に非線形的に長くなるように設定されている。同図(A)乃至(D)では制御信号Pが全チャンネルへ送出されるのに要する時間は、それぞれ2.5倍,4倍,5倍,8倍程度となっている。
【0080】
このように制御信号Pが時間的に非線形となるように順次送出されるので、チャンネル番号が小さいチャンネルよりも、チャンネル番号が大きいチャンネルの方がより露光時間が長くなるようにすることができる。
【0081】
すなわち、全体として同図(A)乃至(D)に示すように、N´>NとしたときチャンネルN´の露光時間Ts(N´)とチャンネルNの露光時間Ts(N)を比較すると、露光時間Ts(N´)は露光時間Ts(N)と同程度以上の長さとなる。
【0082】
本実施例の露光時間パターンは、ROM32dに予め蓄積タイミング設定データとして記憶させることにより任意のパターンを実現することができるように構成されている。例えば、このような露光時間パターンを実現するには、ROM33dから分周器33cへアドレスに対応して随時クロック信号送出間隔を指定する制御信号を送出することにより行うことができる。露光時間パターンは、上記のような非線形パターン以外にも、既に述べた実施例のように線形パターン(図8)とすることも可能である。
【0083】
また、所定のチャンネルまでは時間的に線形的なパターンとし、それ以降のチャンネルについては時間的に非線形なパターンとすることも可能である。さらには、チャンネル範囲を区切って、チャンネル範囲毎に異なる線形パターン(制御信号Pの送出間隔が異なるパターン)とすることも可能である。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
【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。
【0087】
そして、各明暗周期において各チャンネルの本来の信号出力強度に応じて各チャンネルの露光時間及び暗電流測定時間の長さを設定することができる。具体的には、信号出力強度の小さい測定波長範囲での露光時間等の長さを相対的に長く設定することができる。したがって、そのような測定波長範囲についてゲインを向上させた測定を行うことが可能となる。
【0088】
これにより、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比が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】実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図である。
【図5】実施例の連続測定処理の説明図である。
【図6】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7】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8】実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間を示す説明図である。
【図9】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10】実施例の可変露光法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】別実施例のタイミング設定部の構成を示すブロック図である。
【図12】別実施例の可変露光法によるチャンネルごとの露光時間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、32a,33a クロック、32b,32c,33c 分周器、32d 制御ゲート、33b アドレス発生器、33d ROM、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、P,P制御信号、S リセット出力、S 受光電流出力、T 露光時間
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical film thickness meter and a film thickness measuring method, and in particular, can accurately measure the film thickness of an optical thin film formed on a substrate in a vacuum chamber by vapor deposition, sputtering, CVD, or the like. The present invention relates to an optical film thickness meter and a film thickness measuring method.
[0002]
[Prior art]
The optical film thickness meter monitors the film thickness deposited on the substrate during the film formation process such as a vacuum deposition process or a sputtering film formation process, and controls the opening / closing operation of a deposition source shutter when a predetermined film thickness is deposited. Used as a controller for Further, it is used as a measuring device for measuring the spectral characteristics of the substrate on which the film formation process has been performed.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a film thickness meter using a photodiode array as a light receiver for film thickness measurement and the like of a substrate during film formation (for example, see Patent Document 1). By using a photodiode array for the light receiver, it is possible to monitor the reflectance change during the film formation process at a plurality of wavelengths simultaneously and continuously.
[0004]
In the case of the film thickness meter as described above, the measurement light from the film-forming substrate is photoelectrically converted by the light receiving device, and is sent to the arithmetic unit as an electric signal. At this time, the arithmetic unit performs predetermined arithmetic processing based on the obtained electric signal, and calculates the reflectance and the transmittance.
[0005]
Here, in order to accurately control the film thickness, it is necessary to accurately detect the time when a predetermined film thickness is formed from the calculated reflectance and transmittance changes. For this reason, the electric signal from the light receiver is amplified as much as possible for processing, but the measurement accuracy of the film thickness is generally affected by the noise contained in the electric signal.
[0006]
In particular, the S / N ratio of the electric signal is relatively low in the wavelength range where the electric signal to be output is small. In general, such low S / N ratios are caused by radiation distribution characteristics of the light source (for example, in the case of a halogen light source, a small amount of light on the short wavelength side) and spectral sensitivity characteristics of the photodiode (the ultraviolet light side, The near-infrared light side is poor), and the wavelength dependence of the transmittance of an optical fiber used as an optical path.
[0007]
In order to compensate for the low S / N ratio of the electric signal, the arithmetic processing method of the obtained electric signal is variously improved, and accurate film thickness control is performed. That is, the software in the arithmetic unit is generally improved.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-5-164518 (page 2-3, FIG. 1-6)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to perform accurate film thickness control with a film thickness meter, the method of improving the software aspect of the control device does not necessarily improve the S / N ratio of the electric signal itself, so that the control accuracy is greatly improved. I couldn't expect that.
[0010]
Further, data in a wavelength range where the electric signal intensity obtained in the measurement wavelength range is small has a relatively poor S / N ratio. There is a problem that the error is larger than that of the measurement range.
[0011]
In view of the above problems, it is an object of the present invention to improve the S / N ratio of an electric signal obtained by measuring the thickness of a thin film during film formation irrespective of the measurement wavelength, and to accurately control the film thickness. An object of the present invention is to provide a film thickness gauge and a film thickness measuring method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the film thickness meter of claim 1, the object is to provide a light projecting unit that emits light intermittently to a substrate on which an optical thin film is formed, and a light detection unit to which measurement light from the substrate is guided. And a control unit for controlling the film thickness measurement, wherein the light detection unit includes a spectroscopic unit that disperses the measurement light, and receives a light beam split by the spectroscopic unit. A plurality of light detecting elements for accumulating electric charges by photoelectric conversion and outputting a light receiving current to the control means, the control means comprising: an exposure time pattern in which an exposure time is set for each of the light detecting elements; This problem is solved by providing a control signal sending unit that sends a control signal for measuring the light receiving current output according to the pattern to the light detecting unit.
[0013]
As described above, according to the present invention, the light detection means to which the measurement light is guided is provided with the light detection elements capable of measuring a plurality of separated wavelength lights, and the exposure time of each light detection element is the exposure time pattern. It is configured to be able to set. By doing so, in the wavelength range where the light reception current is originally small, the exposure time can be lengthened and the light reception current can be made large, so that the S / N ratio of the signal can be improved.
[0014]
Further, as in claim 2, it is provided with a light projecting means for intermittently projecting light onto the substrate on which the optical thin film is formed, a light detecting means for guiding measurement light from the substrate, and a control means. A film thickness meter, wherein the light detection means includes a spectroscopy section for separating the measurement light, and receives the light flux split by the spectroscopy section, accumulates electric charges by photoelectric conversion, and controls the light reception current. A plurality of photodetectors for outputting to the photodetector, the control unit measures an exposure time pattern in which an exposure time is set for each of the photodetectors, a light-receiving current output corresponding to the exposure time pattern, and the photodetector. Control signal sending means for sending a control signal for measuring the dark current output according to the exposure time pattern to the light detecting means in a state where the light is not exposed, and a signal from the light detecting element corresponding to a predetermined measurement wavelength. Said Calculating means for the measurement of the photocurrent outputs subtracting the measured value of the dark current output by said photodetector current output of the measurement and the same exposure time pattern, when provided with a suitable.
[0015]
As described above, according to the present invention, the light detecting means to which the measuring light is guided is provided with the light detecting elements capable of measuring a plurality of separated wavelength lights, and the exposure time of each light detecting element is determined by the exposure time pattern. It is configured to be able to set. Further, by using the same exposure time pattern, it is possible to measure the light receiving current output and the dark current output in each of the photodetectors in which the exposure time and the dark current measurement time are substantially equal.
[0016]
By doing so, the exposure time in the wavelength range where the light reception current is originally small can be lengthened to increase the light reception current, so that the S / N ratio of the signal can be improved and Accurate dark current correction can be performed in the photodetector (each measurement wavelength).
[0017]
It is preferable that an input / output unit for setting the exposure time pattern to the control unit is provided.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for measuring an optical thickness of a thin film formed on a substrate, comprising: dispersing measurement light from the substrate; Are respectively irradiated on a plurality of light detection elements, and a light reception current output generated by photoelectric conversion by irradiation of the light beam at each exposure time according to an exposure time pattern in which an exposure time is set for each light detection element. It can be a method of measuring.
[0019]
Further, according to the film thickness measuring method according to claim 5, there is provided a method for measuring an optical film thickness of a thin film formed on a substrate, wherein the measuring light from the substrate is spectrally separated, and the separated luminous flux is measured. Are respectively irradiated on a plurality of light detection elements, and a light reception current output generated by photoelectric conversion by irradiation of the light beam at each exposure time according to an exposure time pattern in which an exposure time is set for each light detection element. Measure, interrupt the irradiation of the light beam to the photodetector by interrupting the measurement light from the substrate, measure the dark current output at a measurement time according to the exposure time pattern for each photodetector A method of performing an operation of subtracting a measured value of a dark current output based on the same exposure time pattern as a measurement of the received light current output from a measured value of the received light current output from the photodetector corresponding to a predetermined measurement wavelength. it can
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a configuration of a film thickness meter of an embodiment, FIG. 2 is an explanatory diagram of a shutter mechanism of the embodiment, FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the film thickness meter of the embodiment, and FIG. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a timing setting unit.
[0021]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a continuous measurement process of the embodiment, FIG. 6 is an explanatory diagram showing an exposure time for each channel of the embodiment, and FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic processing procedure of obtaining film thickness control data of the embodiment. 8 is an explanatory view showing an exposure time for each channel by the variable exposure method of the embodiment, FIG. 9 is an explanatory view showing a light receiving current output after dark current correction by basic measurement of the embodiment, and FIG. 10 is a variable exposure method of the embodiment FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a timing setting unit according to another embodiment, and FIG. 12 is an explanatory diagram showing an exposure time for each channel by a variable exposure method according to another embodiment. FIG. Note that the arrangement, shape, and the like described below do not limit the present invention, and it is needless to say that various modifications can be made in accordance with the gist of the present invention.
[0022]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a film thickness meter A according to an embodiment of the present invention. The film thickness meter A of the present example is a light transmission type film thickness meter that measures the film thickness from a change in the amount of light transmitted through the substrate 1 during film formation disposed in the vacuum chamber 50. The formation of the thin film on the substrate 1 is not limited to the vacuum deposition method, but may be a sputtering or CVD method. Further, although the film thickness meter A of this example is of a light transmission type, it is not limited to this and may be of a light reflection type.
[0023]
The film thickness meter A of the present embodiment includes a light projector 10 as a light projecting unit, a spectroscope 20 as a spectral unit, a controller 30 as a control unit, and the like. The light projector 10 includes a light projecting unit 11 and a shutter mechanism 14. The light projecting unit 11 includes a light source 12, such as a halogen lamp, a xenon lamp, or a deuterium lamp, a condenser lens 13, and a stabilizing power supply (not shown). Have.
[0024]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the shutter mechanism 14. The shutter mechanism 14 includes a stepping motor 15 as a driving source, a rotary cover plate 16 having a substantially circular shape, a position detector 17, and the like. The shielding plate 16 includes a shielding portion 16a that shields the light of the light source 12 and a cutout portion 16b that allows the light of the light source 12 to pass to the vacuum chamber 50 side. A periodic pulsed light beam is transmitted.
[0025]
The motor 15 is configured to receive a control signal from the controller 30 and rotate the shielding plate 16 at a predetermined rotation speed as described later, and the rotation speed is variably set by the control signal. .
[0026]
As shown in FIG. 1, in the light projector 10, light emitted from a light source 12 is collected by a collecting lens 13, and the collected light flux is transmitted to a vacuum chamber 50 side by passing through a shutter mechanism 14. You. The light projector 10 and the vacuum chamber 50 are connected to each other, and the vacuum chamber 50 and the spectroscope 20 are connected by optical fibers 40 and 42, respectively. Further, a lens unit is provided in each of the optical fibers 40 and 42, and an optical path with a small spot diameter and close to parallel light is secured. In addition, not only such an optical fiber optical system but also a mirror reflection optical system may be used.
[0027]
The output side of the optical fiber 40 is bifurcated, and a part of the light beam incident on the optical fiber 40 is guided to the position detector 17 composed of a photodiode provided in the light projector 10 through the branch part 40a.
[0028]
With this configuration, the rotational position of the shield plate 16 is accurately detected by the position detector 17, and the controller 30 can monitor the rotational position of the shield plate 16 based on a detection signal sent from the position detector 17. It is possible to perform synchronous control accurately.
[0029]
Further, the electromagnetic mechanical shutter as conventionally used is not suitable for transmitting a pulsed light beam by intercepting the light source in a short period, but in the shutter mechanism 14 of the present example, the shutter portion is a rotary type. This makes it possible to transmit a short-period pulsed light beam.
[0030]
The spectroscope 20 as a light detecting means includes a spectroscopic unit 21 and a light receiving unit 28. The spectroscopy unit 21 is of the cross-Zernartana type, and includes a slit 22, a reflecting mirror 23 for forming collimated light, a diffraction grating 24, and a reflecting mirror 25. The light receiving section 28 includes a detecting element 26 having a photodiode array, and a detecting element driving section 27 for sending control signals P 1 and P 2 to the detecting element 26.
[0031]
The measurement light from the vacuum chamber 50 that has passed through the slit 22 is collimated by the reflecting mirror 23, enters the diffraction grating 24, and is diffracted by the diffraction grating 24 according to the wavelength. The diffracted light diffracted by the diffraction grating 24 is reflected by the reflecting mirror 25 and irradiates a plurality of photodiodes of the detecting element 26 respectively.
[0032]
The light receiving section 28 including the detection element 26 and the detection element driving section 27 in this example constitutes a charge accumulation type linear image sensor. The detecting element 26 is constituted by 512 photodiodes, switches, capacitors, etc. as 512 light detecting elements corresponding to 512 measurement channels. The detection element driving section 27 includes a shift register that sends control signals P 1 and P 2 to the respective switches according to a start pulse and a clock signal from the controller 30.
[0033]
The film thickness meter A of the present example is designed to be able to perform measurement by designating an arbitrary wavelength range of 300 nm, and each photodiode has a wavelength range of about 300 nm (for example, 380 nm to 680 nm). It receives diffracted light corresponding to a wavelength width of 0.6 nm.
[0034]
Each element such as the above 512 photodiodes is allocated to 512 channels, and the first channel is on the long wavelength side (for example, around 680 nm), and the 512th channel is on the short wavelength side (for example, around 380 nm). Is set to
[0035]
Note that the measurement wavelength range is not limited to 300 nm, and the wavelength range irradiated to each photodiode is not limited to about 0.6 nm. Further, the number of channels is not limited to 512. For example, a linear image sensor having 1024 photodiodes may be used and the number of channels may be set to 1024.
[0036]
An outline of the operation of the light receiving unit 28 will be described. When the photodiode of each channel is irradiated with the diffracted light, it is photoelectrically converted by the photodiode, and the electric charge is stored in a capacitor (not shown) in the light receiving unit 28.
[0037]
Detecting device driving section 27 starts sending a control signal P 1 or P 2 to each channel and receives a start pulse from the controller 30. The detection element driving unit 27, continue adding the number of channels every time when receiving the clock signal from the controller 30 sends a control signal P 1 or P 2 to sequentially for each channel switch at different times.
[0038]
Each switch is electrically closed each capacitor is connected to sequentially output side by a control signal P 1 or P 2. The detection element driving unit 27 and each switch constitute a sending unit. As a result, the electric charge accumulated in each capacitor due to the irradiation of the measurement light is sequentially output to the controller 30 with a time lag for each channel.
[0039]
In the light receiving section 28 of such a charge storage method, the amount of stored charge is proportional to the product of the intensity of incident light and the exposure time (exposure amount). However, since the capacity of the capacitor is finite, the output takes a constant value when the exposure amount exceeds a predetermined exposure amount (saturation exposure amount), and has no meaning as a measured value. Therefore, the exposure time is adjusted in order to appropriately adjust the exposure amount.
[0040]
As shown in FIG. 3, the controller 30 includes a CPU 31 that performs film thickness measurement control and a control signal transmitting unit that receives a control signal from the CPU 31 and transmits a predetermined start pulse and a clock signal to the detection element driving unit 27. A timing setting unit 32, a PGA (program gain amplifier) 33 as an amplifier for receiving an output from the detection element 26 for each channel and amplifying a signal for each channel, and receiving and A / D converting an amplified signal from the PGA 33 to a CPU 31 A / D converter 34 for sending to the I / O unit, an interface unit 35, an input / output device 37 as an input / output unit for performing setting input processing and data output processing, and a storage unit 38 for storing output data, setting values, and the like. And so on.
[0041]
The storage unit 38 includes a ROM 38a, a RAM 38b used as a work area, and the like. The ROM 38a stores a control program for the film thickness meter A, an operation system program, and the like. A display device 36 such as a monitor or a printer is connected via an interface unit 35. The CPU 31 sends various control signals and the like to the light projector 10 and the spectroscope 20, receives measurement data from the spectroscope 20, and receives received data based on the program of the storage unit 38 and the setting input from the input / output device 37. Performs various processes such as amplification, storage, calculation, and output. The calculation means of this example is mainly constituted by the CPU 31.
[0042]
The PGA 33 receives the output for each channel from the detection element 26, changes the amplification factor for each channel according to the setting from the CPU 31, and outputs it to the A / D converter 34. That is, the operator can set and input the input signal from the input / output device 37 so as to amplify the output signal by a predetermined multiple for each measurement wavelength (that is, for each channel). Is set.
[0043]
With such a configuration, it is possible to selectively amplify an output signal in a wavelength range where the signal strength is small and obtain the data as data. By amplifying such a small signal intensity, it is possible to improve the followability to a change in the amount of light, to easily handle the amplified signal as a control value, and to easily control the film thickness.
[0044]
Further, predetermined film thickness measurement data is transmitted from the controller 30 to the control device 51 of the vacuum evaporation apparatus through the interface unit 35. The control device 51 controls the drive of a shutter device that shuts off the evaporation source based on the data.
[0045]
Further, the controller 30 sends a signal for controlling the rotation speed of the motor 15 to the light projector 10. The motor 15 rotates the shielding plate 16 at a predetermined rotation speed based on the control signal. Further, a position signal indicating the rotational position of the shielding plate 16 is sent from the position detector 17 to the controller 30. Thus, the controller 30 can synchronize the rotation position of the shielding plate 16 with the start pulse sent to the detection element driving unit 27.
[0046]
As shown in FIG. 4, the timing setting unit 32 includes a clock 32a, a frequency divider 32b, a frequency divider 32c, and a control gate 32d. The frequency dividers 32b and 32c each receive a signal from the clock 32a and transmit a clock signal to the detection element driving unit 27 via the control gate 32d. In the detection element driving section 27, a clock signal is used to determine the timing for transmitting the control signals P 1 and P 2 . Divider 32b, divider 32c corresponds to the clock signal for sending control signals P 1, the control signal P 2.
[0047]
The interval at which the frequency divider 32b sends the clock signal to each channel is fixed. The clock signal transmitted by the frequency divider 32b has a predetermined width in time, so that when one clock signal is transmitted, the next clock signal is sequentially transmitted at a predetermined time interval thereafter. It has become. However, the input / output device 37 may be configured so that the signal width can be variably set.
[0048]
The interval at which the frequency divider 32c transmits the clock signal to each channel can be set to be equal to or longer than the clock signal transmission interval of the frequency divider 32b. The setting is input from the input / output device 37 as described later, and the CPU 31 controls the frequency divider 32c according to the setting.
[0049]
When the clock signal transmission interval from the frequency divider 32c is set to be equal to the clock signal transmission interval from the frequency divider 32b, the clock signals for all the channels are transmitted from the respective frequency dividers 32b and 32c. Takes the same amount of time.
[0050]
On the other hand, if the clock signal transmission interval from the frequency divider 32c is set longer than the frequency divider 32b, the time width of each clock signal transmitted from the frequency divider 32c is set wider according to the setting. You. Thus, the time required for transmitting the clock signals for all the channels from the frequency divider 32c becomes longer in accordance with the clock signal width than the frequency divider 32b. In other words, the clock signal for a channel having a larger channel number has a linearly longer time to be transmitted.
[0051]
The control gate 32d receives a control signal from the CPU 31, and functions as a gate for selectively transmitting a clock signal from the frequency divider 32b and the frequency divider 32c and a start pulse from the CPU 31 to the detection element driving unit 27.
[0052]
That is, when the start pulse is selectively transmitted by the control signal from the CPU 31, the gate is switched to the frequency divider 32b, and the clock signal for all the channels is transmitted from the frequency divider 32b. When the clock signal is transmitted from the frequency divider 32b to all channels, the gate is switched to the frequency divider 32c, and the gate is maintained until the clock signal is transmitted from the frequency divider 32c to all channels.
[0053]
A plurality of clock signal widths can be set in the frequency divider 32c in advance, and any one of the plurality of clock signal widths can be selected by a control signal from the CPU 31. With such a simple configuration, the timing setting section 32 can variably set the clock signal transmission interval to the detection element driving section 27, and can variably set the exposure time for each channel.
[0054]
Next, the procedure for measuring the basic film thickness by the film thickness meter A of this example will be described. When the control signal is transmitted from the controller 30 to the light projector 10 and the shielding plate 16 rotates at a predetermined rotation speed, the light beam is not transmitted to the vacuum chamber 50 side (bright period) as shown in FIG. The period (dark period) is periodically repeated. In the case of this basic measurement example, one cycle of the light-dark period is about 0.3 seconds.
[0055]
The controller 30 sends a start pulse PST1 to the detection element driving unit 27 as shown in FIG. Further, the controller 30 sequentially sends clock signals as control signals for the number of channels to the detection element driving unit 27. Detector element driving unit 27, upon receiving the start pulse P ST1, in accordance with the clock signal from the controller 30 begins to sequentially transmits the control signal P 1 to the channels of the detector elements 26. That is, this figure (C), (D), the detecting element driving unit 27 sequentially advance the channel by the shift register every time receiving a clock signal, it sends a control signal P 1 while shifting the time for each channel . Each channel by the control signal P 1 are sequentially reset.
[0056]
That is, at this time, the charges accumulated in the capacitors of the respective channels are output (see FIG. 9E). In this way, the reset output S 1 of each channel is sent to the controller 30 at the predetermined time (T 1 ). Since reset output S 1 is not related to the layer thickness data, not used to the thickness control of the substrate 1.
[0057]
When all the channels have been reset for a predetermined time (T 1 ), a start pulse P ST2 is sent from the controller 30 to the detection element driving unit 27 after a lapse of a predetermined time (T 0 ), and the detection element is further changed according to the clock signal. control signal P 2 from the drive unit 27 to the respective channels are sent in the same manner as the control signal P 1. During the light period, each channel is irradiated with the measurement light.
[0058]
When the control signal P 2 are successively sent to the channel, the charge stored in the capacitor of each channel is sequentially outputted to PGA33 (photodetector current output S 2). In this way, a predetermined time (T 1), receiving the current output S 2 of each channel is sent to the controller 30 (see FIG. (E)).
[0059]
That is, from each channel, since the control signal P 1 is delivered for reset of each channel switch, charge control signal P 2 for output is accumulated in the measurement time until sent (exposure time) It is output as the light-receiving current output S 2 to the controller 30 side. As shown in FIG. 6, the exposure time T S (= T 1 + T 0 , that is, the interval between the control signal P 1 and the control signal P 2 ) of each channel is constant.
[0060]
In addition, in the film thickness meter A of the present example, the start pulses P ST1 and P ST2 , the clock signals and the control signals P 1 and P 2 are transmitted not only in the bright period but also in the dark period, and the output of each channel is transmitted. Is to be detected. That is, (in practice, the dark current output) receiving the current output S 2 when the measuring light to the photodiode of each channel is not irradiated, is output as the same data as the received current output S 2 of the light period.
[0061]
Accordingly, the time until the control signal P 2 for output from the control signal P 1 for reset is sent to the respective channels are sent to the dark period, approximately the same as that of the light period (i.e., exposure time T S Approximately). By doing so, since the dark current output outputted from the photodiode becomes proportional to the time, it is possible to estimate the dark current component included in the received current output S 2 of the same period to more accurately .
[0062]
In the film thickness meter A of this example, the light-dark period is periodically repeated as described above, and the same output processing is performed for each of the light period and the dark period. Obtained every time. Therefore, it is possible to accurately correct the noise component due to the dark current for each light-dark cycle.
[0063]
FIG. 7 shows a processing procedure for obtaining film thickness control data. First, as shown in FIG. 7, the light-receiving current output and the dark current output of each channel can be obtained at predetermined time intervals by the repeated continuous measurement. The light-receiving current output and dark current output of each channel output from the detecting element 26 are amplified in real time by a predetermined multiple for each channel by the PGA 33, and are converted into digital data by the A / D converter 34. The dark current data is stored in the storage unit 38 in the controller 30.
[0064]
Then, arithmetic processing is performed based on the obtained data. Specifically, the controller 30 as the calculating means subtracts the dark current data from the received light data at each measurement of the light / dark period cycle for each channel, and stores the data in the storage unit 38 as the received light intensity data from which noise has been removed.
[0065]
In addition, according to the setting input from the input / output device 37, the data integration process may be performed a predetermined number of times (for example, 15 times). By doing so, data accuracy is improved.
[0066]
Then, from the received light intensity data obtained by the arithmetic processing, transmittance, optical film thickness, and the like as optical characteristic values are further calculated, and calculation data for a plurality of preset channels (for example, five channels) is sent to the outside. The output is used for controlling the vapor deposition process. In the case of this example, the number of channels can be set in advance from the input / output device 37. Further, display processing is performed on the display device 36. Note that the calculation data for all the channels may be output to the outside.
[0067]
Next, a description will be given of a variable exposure method which is a gist of the present invention by applying the above basic film thickness measuring procedure. At the time of the basic film thickness measurement, since the control signals P 1 and P 2 are both sent out at the same time interval between the channels, the exposure time and the dark current measurement time of each channel are the same (T S = T 1 + T 0 ). On the other hand, in the variable exposure method, the exposure time and the dark current measurement time are variably set for each channel.
[0068]
The variable exposure method, and sends for all channels control signals P 1 as exposure time pattern illustrated in FIG. 8 (A) to (D) is required for the time T 1. And after the control signal P 1 delivery, the control signals P 2 to time T 0 after start to be sequentially sent.
[0069]
FIG. 7A shows an exposure time pattern for measuring the basic film thickness. In the exposure time pattern, the time T 2 required to transmit the control signal P 2 is the same time T 1 required to transmit the control signal P 1 as described above, and the exposure time Ts of each channel is Identical.
[0070]
In FIG contrast (B) to (D), the time T 2 required to deliver a control signal P 2 are each twice the time T 1, 4-fold, and has a 6 times. Therefore, when these exposure time patterns are selected, the exposure time of channel 1 (long wavelength side) is the same as that in the case of the basic film thickness measurement, but the exposure time is linear toward channel 512 (short wavelength side). Is set to be longer.
[0071]
For example, as shown in FIG. 9, when the received light intensity data having a relatively small signal output on the short wavelength side in the measurement wavelength range is obtained by the basic film thickness measurement, the exposure on the short wavelength side channel is performed by the variable exposure method. A predetermined exposure time pattern is selected to make the time longer. The selection of the exposure time pattern can be performed by selecting the clock signal width of the frequency divider 32c as described above. Furthermore, the exposure time pattern may be specified by specifying the time T 0 and the time T 1 from the input / output device 37. When the exposure time pattern is specified, the CPU 31 controls the timing setting unit 32 to sequentially send a start pulse and a clock signal to the detection element driving unit 27.
[0072]
When light intensity data as shown in FIG. 9 is obtained in the basic film thickness measurement, light intensity data as shown in FIG. 10 is obtained by measuring using each exposure time pattern shown in FIG. In the figure, a to d denote received light intensity data measured using the exposure time patterns of FIGS. 8A to 8D, respectively.
[0073]
As described above, in the variable exposure method, the exposure time at the measurement wavelength (channel) where the signal intensity is originally small can be lengthened, so that the value of the obtained light-receiving current output increases, thereby increasing the S / N ratio as a whole. Can be improved.
[0074]
Next, another embodiment for performing the variable exposure method will be described. FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of the timing setting unit 32 according to another embodiment. As shown in FIG. 11, the timing setting unit 32 includes a clock 33a, an address generator 33b that receives a signal from the clock 33a and generates a channel address signal, and a start pulse and a start pulse to the detection element driving unit 27 at a predetermined timing. A frequency divider 33c for transmitting a clock signal, and a ROM 32d that stores accumulation timing setting data and operates based on a predetermined program are provided.
[0075]
A plurality of exposure time patterns are stored in the accumulation timing setting data, and the operator sets an exposure time pattern and a dark current measurement time control pattern for the entire channel by selecting an appropriate exposure time pattern from the input / output device 37. can do.
[0076]
The ROM 33d selects an exposure time pattern according to a control signal from the CPU 31. The ROM 33d executes a predetermined operation program, reads the selected exposure time pattern data, and outputs a clock signal for each channel to the frequency divider 33c according to the read exposure time pattern data and the address signal from the address generator 33d. A signal for controlling the transmission timing is transmitted.
[0077]
The frequency divider 33c sequentially transmits a start pulse and a clock signal to the detection element driving unit 27 according to the clock signal transmission timing control signal. Timing setting unit 32 of another embodiment is configured to deliver a clock signal frequency divider 33c correspond to both the control signals P 1 and P 2.
[0078]
FIG. 12 shows an example of the exposure time pattern. The exposure time pattern of FIG. (A) to (D), the control signal P 1 is similar to the exposure time pattern of the basic film thickness measurement, the each channel is sequentially sent in the same interval. When the control signal P 1 is sent to all channels, starts to be transmitted is a control signal P 2 after a time T 0.
[0079]
Control signal P 2, the transmission time for an increase in the delivery channel number is sent to increase nonlinearly. That is, the transmission interval to each channel is set to be non-linearly increased as the channel number increases. Time required for drawing (A) to (D) in the control signal P 2 is sent to all channels, respectively 2.5, 4, 5, has a 8 times.
[0080]
Since the control signal P 2 is sequentially transmitted as a temporally non-linear, it is possible to channel number than smaller channels, towards the channel the channel number is large so that more exposure time is long .
[0081]
That is, as shown in FIGS. 7A to 7D, when N ′> N, when the exposure time Ts (N ′) of the channel N ′ and the exposure time Ts (N) of the channel N are compared, The exposure time Ts (N ′) is equal to or longer than the exposure time Ts (N).
[0082]
The exposure time pattern of this embodiment is configured so that an arbitrary pattern can be realized by storing the exposure time pattern in the ROM 32d in advance as accumulation timing setting data. For example, such an exposure time pattern can be realized by transmitting a control signal designating a clock signal transmission interval at any time from the ROM 33d to the frequency divider 33c in accordance with the address. The exposure time pattern can be a linear pattern (FIG. 8) as in the above-described embodiment, in addition to the above-described non-linear pattern.
[0083]
It is also possible to use a temporally linear pattern up to a predetermined channel and a temporally non-linear pattern with respect to subsequent channels. Furthermore, by separating the channels ranges, different linear pattern for each channel range it is also possible to (transmission interval of the control signal P 2 are different patterns).
[0084]
In addition, in the film thickness meter A of this example, it is also possible to change each continuation time (light period time, dark period time) of the light-dark period cycle by setting from the input / output device 37. However, it is desirable that the exposure time of the light-receiving current output measurement and the measurement time of the dark current output measurement be substantially the same. This makes it possible to adjust the exposure time for each channel arbitrarily, and to select the optimum exposure time, so that accurate film thickness measurement data can be obtained.
[0085]
Further, the film thickness meter A of the present example can simultaneously measure a predetermined wavelength range, but can also measure only one or a plurality of wavelengths within the measurement wavelength range. In this case, predetermined data can be obtained by specifying a channel corresponding to the wavelength.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the film thickness meter and the film thickness measuring method of the present invention, the light beam from the light projector is sent out in a pulsed manner in a short period, and the film substrate is irradiated with the light beam from the light projector. The measurement is similarly performed for a plurality of wavelengths in both the non-irradiated periods.
[0087]
Then, in each light-dark cycle, the length of the exposure time and the dark current measurement time of each channel can be set according to the original signal output intensity of each channel. Specifically, the length of the exposure time and the like in the measurement wavelength range where the signal output intensity is small can be set relatively long. Therefore, it is possible to perform measurement with an improved gain in such a measurement wavelength range.
[0088]
This makes it possible to measure both the light receiving current output and the dark current output for a plurality of wavelengths within one cycle, to obtain accurate data in consideration of the dark current component in real time, and to measure the entire measurement wavelength range. The S / N ratio of the electric signal output obtained over the range can be improved. Therefore, it is possible to improve the accuracy of the film thickness control with the accurate film thickness control data obtained in this way.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a film thickness meter according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a shutter mechanism according to the embodiment.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a film thickness meter according to an embodiment.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a timing setting unit according to the embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a continuous measurement process according to the embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an exposure time for each channel according to the embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a schematic processing procedure for acquiring film thickness control data according to the embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an exposure time for each channel according to the variable exposure method of the embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a light-receiving current output after dark current correction based on basic measurement in the example.
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a light-receiving current output after dark current correction by the variable exposure method according to the embodiment.
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of a timing setting unit according to another embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an exposure time for each channel by a variable exposure method according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 substrate, 10 projector, 11 projector, 12 light source, 13 condenser lens, 14 shutter mechanism, 15 motor, 16 shield plate, 16a shield, 16b cutout, 17 position detector, 20 spectroscope, 21 spectroscope , 22 slits, 23, 25 reflecting mirrors, 24 diffraction gratings, 26 detecting elements, 27 detecting element driving sections, 28 light receiving sections, 30 controllers, 32 timing setting sections, 32a, 33a clocks, 32b, 32c, 33c frequency dividers, 32d control gate, 33b address generator, 33d ROM, 34 A / D converter, 35 interface unit, 36 display device, 37 input / output device, 38 storage unit, 40, 42 optical fiber, 40a branch unit, 50 vacuum chamber, 51 control device, A thickness meter, P 1, P 2 control signal, S 1 reset output, S 2 photodetector current output, T S exposure time

Claims (5)

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、前記光検出素子ごとの露光時間が設定された露光時間パターンと、該露光時間パターンに応じて受光電流出力の測定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を備えたことを特徴とする膜厚計。
A film thickness meter comprising: a light projecting unit that emits light intermittently to a substrate on which an optical thin film is formed; a light detection unit that guides measurement light from the substrate; and a control unit that controls film thickness measurement. And
The light detecting means includes a spectroscopy section for splitting the measurement light, and a plurality of photodetectors for receiving the light flux split by the spectroscopy section, accumulating electric charges by photoelectric conversion, and outputting a light receiving current to the control means. Equipped with an element,
The control means transmits an exposure time pattern in which an exposure time is set for each of the light detection elements, and a control signal for measuring a light-receiving current output according to the exposure time pattern to the light detection means. A film thickness meter comprising sending means.
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、前記光検出素子ごとの露光時間が設定された露光時間パターンと、該露光時間パターンに応じた受光電流出力の測定及び前記光検出素子が露光されない状態において前記露光時間パターンに応じた暗電流出力の測定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、
所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる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。
A light emitting unit that intermittently emits light to the substrate on which the optical thin film is formed, a light detection unit to which measurement light from the substrate is guided, and a control unit, a film thickness meter including:
The light detecting means includes a spectroscopy section for splitting the measurement light, and a plurality of photodetectors for receiving the light flux split by the spectroscopy section, accumulating electric charges by photoelectric conversion, and outputting a light receiving current to the control means. Equipped with an element,
The control means is configured to measure an exposure time pattern in which an exposure time is set for each of the light detection elements, measure a light-receiving current output according to the exposure time pattern, and respond to the exposure time pattern when the light detection elements are not exposed. Control signal sending means for sending a control signal for measuring the dark current output to the light detecting means,
Calculating means for subtracting the measured value of the dark current output by the same exposure time pattern as the measurement of the received light current output from the measured value of the received light current output from the photodetector corresponding to a predetermined measurement wavelength. Characteristic film thickness gauge.
前記露光時間パターン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。The film thickness meter according to claim 1, further comprising an input / output unit configured to set the exposure time pattern to the control unit. 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、
該光検出素子ごとに露光時間が設定された露光時間パターンに応じて前記各露光時間での前記光束の照射により光電変換によって生起される受光電流出力を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
A method for measuring the optical film thickness of a thin film formed on a substrate,
Dispersing the measurement light from the substrate, irradiating the separated light flux to a plurality of photodetectors,
A method for measuring a light-receiving current output generated by photoelectric conversion by irradiating the light beam at each of the exposure times according to an exposure time pattern in which an exposure time is set for each of the light detection elements. .
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、
該光検出素子ごとに露光時間が設定された露光時間パターンに応じて前記各露光時間での前記光束の照射により光電変換によって生起される受光電流出力を測定し、
前記基板からの測定光を遮断して前記光検出素子への前記光束の照射を中断し、
前記光検出素子ごとに前記露光時間パターンに応じた測定時間での暗電流出力を測定し、
所定の測定波長に対応する前記光検出素子からの前記受光電流出力の測定値から前記受光電流出力の測定と同一露光時間パターンによる暗電流出力の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。
A method for measuring the optical film thickness of a thin film formed on a substrate,
Dispersing the measurement light from the substrate, irradiating the separated light flux to a plurality of photodetectors,
A light-receiving current output generated by photoelectric conversion by irradiation of the light beam at each of the exposure times is measured according to an exposure time pattern in which an exposure time is set for each of the light detection elements,
Interrupting the irradiation of the light beam to the photodetector by interrupting the measurement light from the substrate,
Measure the dark current output at a measurement time according to the exposure time pattern for each photodetector,
A film which performs an operation of subtracting a measured value of a dark current output based on the same exposure time pattern as a measurement of the received light current output from a measured value of the received light current output from the photodetector corresponding to a predetermined measurement wavelength. Thickness measurement method.
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