JP2006337303A - 真空室の湿度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で真空室内の湿度を測定できる小型の湿度測定装置を提供する。
【解決手段】真空蒸着装置１等に組み込まれて、真空室２内の水分子量を測定する湿度測定装置３である。上記真空室２内に配設されて真空室２内の湿度の違いに応じた比率で水分子が入り込む空隙を有すると共に、入り込んだ水分子量の違いに応じて屈折率が変化する検査部材６と、検査部材６内を通過させた検査光の干渉を用いて間接的に湿度を測定する測定部７とを備えた。上記検査光は、上記検査部材６内を通過させる際に、検査部材６の各界面で反射又は透過して互いに干渉する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、真空蒸着で成形される膜材の屈折率等に影響する、真空室内の湿度を間接的に測定する真空室の湿度測定装置に関する。

真空蒸着は、真空引きされた真空室内で、金属等の材料を蒸発させて対象物の表面に蒸着膜を形成する処理である。具体的には、真空室内に膜材を形成する対象物を装着して真空引きし、膜材の材料を蒸発させて、対象物の表面に蒸発させた材料を積層させる。これにより、対象物の表面に均一な蒸着膜を形成する。

ところで、一般的な真空蒸着装置では、設定膜厚の均一な蒸着膜を形成するための制御が行われるだけで、湿度の違いは特に考慮されていない。湿度の違いに関しては、作業者が真空蒸着作業を行う前に湿度を確認して微調整を行う程度で、具体的な装置の制御対象にはされていなかった。これは、湿度まで考慮しなくても、これまでは精度的に問題にならなかったためである。

ところが、近年の各種の光学機器の精密化、高精度化によって、真空室内の湿度の変化による蒸着膜の屈折率の変化まで問題になるようになってきた。即ち、真空蒸着装置で蒸着膜を形成する際に、真空室内の湿度の違いで蒸着膜の屈折率が微妙に変化してしまい、その蒸着膜が施された部品を使用した光学機器の精度が低下するという問題が生じてきた。

なお、真空蒸着装置によって蒸着膜を形成する際に屈折率が変化するのは以下の理由による。真空室内で材料を蒸発させて対象物の表面に付着させるときに、蒸発した材料と共に真空室内に存在する水分子も蒸着膜内に入り込んでしまう。この水分子が蒸着膜内に入り込む量は真空室内の水分子量（湿度）に応じて決まる。この水分子量は、材料の蒸発に伴って真空室の内壁等から飛び出す水分子も加わって変化してしまう。そして、蒸着膜内に入り込んだ水分子量に応じて蒸着膜の屈折率も変化してしまう。この蒸着作業が始まった後の水分子量の変化は測定することができないため、これまで考慮されることはなかった。

しかし、この僅かな水分子量（湿度）の違いで変化する蒸着膜の屈折率も、近年の光学機器の精密化、高精度化によって問題になるようになってきた。

このため、真空蒸着装置に真空室内の湿度を測定する装置を設ける必要性が出てきたが、真空蒸着装置に組み込めるような小型のもので、真空室内の僅かな水分子量（湿度）を測定できる高精度の湿度測定装置はこれまでなかった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、高精度で真空室内の湿度を測定することができる小型の湿度測定装置を提供することにある。

以上の課題を解決するために、本発明に係る真空室の湿度測定装置は、真空室内の水分子量を測定する湿度測定装置であって、上記真空室内に配設され当該真空室内の湿度の違いに応じた比率で水分子が入り込む空隙を有すると共に、入り込んだ水分子量の違いに応じて屈折率が変化する検査部材と、当該検査部材内を通過させた検査光と通過させない元の検査光との干渉を用いて間接的に湿度を測定する測定部とを備えたことを特徴とする。上記真空室内に配設された検査部材に検査光を透過又は反射させて、元の検査光と干渉させる。

上記構成により、上記真空室内に配設された上記検査部材の空隙には、上記真空室内の湿度の違いに応じた比率で水分子が入り込む。これにより、上記検査部材の屈折率が、入り込んだ水分子量の違いに応じて変化する。このため、上記検査部材内に透過又は反射させた検査光と、透過又は反射させない元の検査光とを干渉させて屈折率の変化を特定し、この屈折率の変化を用いて間接的に湿度を測定する。

また、本発明に係る真空室の湿度測定装置は、上記真空室外に設けられ上記検査光を発生させる検査光発生部と、当該検査光発生部からの検査光の上記真空室に対する出入りを許容する１又は複数の検査光用窓とを備えたことを特徴とする。

上記構成により、上記検査光発生部で発生した検査光は、上記検査光用窓から上記真空室に入射して上記検査部材に透過又は反射し、上記検査光用窓から外部に出射する。そして、上記検査部材内に透過又は反射させた検査光と、透過又は反射させない元の検査光とを干渉させて屈折率の変化を特定し、この屈折率の変化を用いて間接的に湿度を測定する。

本発明に係る真空室の湿度測定装置では、上記測定部に入射する検査光のうち検査対象の特定波長の光のみを透過させるフィルターを備えてもよい。また、検査光としてレーザー光を使用してもよい。このレーザー光を使用する場合は、フィルターを使用する必要はない。

以上、詳述したように、本発明の真空槽の湿度測定装置によれば、次のような効果を奏することができる。

真空室内の湿度を、検査部材の屈折率の変化による干渉の変化として検出するため、高い精度で真空室内の湿度を間接的に測定することができる。

検査部材を通過した検査光と通過しない基準光との干渉を用いて真空室内の湿度を測定するため、湿度測定装置を小型化することができ、真空蒸着装置等にも組み込むことができるようになる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

本発明の真空室の湿度測定装置は、真空室を備えてその真空室内の湿度を測定する必要のある全ての装置に用いることができる。ここでは、湿度測定装置を真空蒸着装置に用いた場合を例に、図１に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る湿度測定装置を備えた真空蒸着装置を示す概略構成図である。

図中の真空蒸着装置１は一般的に知られた装置である。このため、真空蒸着装置１については概略的に説明する。真空蒸着装置１は主に、蒸発させる材料を加熱する加熱手段と、蒸発させる材料を入れる坩堝（図示せず）と、蒸着対象物である基板(図示せず)と、真空室２と、この真空室２内の湿度を測定する湿度測定装置３と、湿度測定装置３での測定値の演算や真空室２内の真空引きや蒸着膜の膜厚調整等を制御する制御部４等を備えている。

坩堝は、蒸発させる金属材料等を入れるためのものである。加熱手段は、坩堝に入れられた材料を蒸発させるための手段である。加熱手段は、電子銃や電子流調整部（いずれも図示せず）等で構成されている。蒸着対象物である基板は、その表面に蒸着膜を施す対象部材である。

真空室２は真空蒸着を行うための空間である。真空室２内が真空引きされて、真空蒸着作業が行われる。

湿度測定装置３は真空室２内の湿度を測定するための装置である。この湿度測定装置３は主に、検査光発生部５と、検査部材６と、測定部７と、その制御部４とから構成されている。

検査光発生部５は検査光を発生させるための装置である。検査光発生部５は、光源９と、交流波形発生器１０と、レンズ１１とから構成されている。

光源９は、検査光となる光を発生するための光源である。この光源９から発生する光としては、ここでは白色光を用いている。最終的には、特定波長の光の干渉を検査するため、その波長の光を発生する光源を用いても良い。

交流波形発生器１０は、検査光をパルス光にするための装置である。この交流波形発生器１０は主に、回転板１３と、この回転板１３を回転させる駆動モータ１４とから構成されている。回転板１３の周縁には、光源９からの光を通すスリット(図示せず)が多数設けられている。このスリットが検査光の光路に位置するように回転板１３が配設され、駆動モータ１４で回転板１３が回転されることで、スリットの部分だけで検査光を通してパルス光を形成する。なお、交流波形発生器１０は、パルス光を形成できる構成であればよい。上記構成に限らず、光源自体を連続的にオンオフさせてパルス光を発生させる構成等の、他の構成でもよい。

レンズ１１は、光源９からの検査光を絞って回転板１３のスリットに通すためのレンズである。上流側のレンズ１１は、光源９からの検査光の焦点がスリットの近傍になるように設定されている。下流側のレンズ１１は、スリットを通過した検査光の焦点が測定部７に位置するように設定されている。

検査部材６は、真空室２内の湿度を間接的に測定するための部材である。検査部材６は、水分子が入り込んだり抜け出たりする空隙を有し、この空隙に入り込んだ水分子量の違いに応じて屈折率が変化するようになっている。さらに、上記空隙には、真空室２内の湿度の違いに応じた比率で水分子が入り込むようになっている。この結果、真空室２内の湿度と、検査部材６の屈折率とが比例関係になっている。このため、真空室２内に配設した検査部材６の屈折率の変化を測定することで、間接的に真空室２内の湿度の変化を測定することができる。この場合、検査部材６を通過した検査光は、検査部材６の屈折率の変化に比例して位相がずれる。そして、この位相のずれに応じて、元の波長との干渉による反射光の強度も変化する。このため、予め、位相のずれ量と干渉による反射光の強度の変化との関係を、実験的に特定しておくことで、干渉による反射光の強度の変化から間接的に真空室２内の湿度の変化を特定することができる。このとき、真空室２内の湿度の絶対値を特定することはできないが、設定湿度のときの干渉による反射光の強度を特定しておくことで、実測の反射光の強度の変化を見ることにより、真空室２内の湿度（屈折率）が設定湿度からどのくらいずれたかを特定することができる。そして、この設定湿度からのずれに対して蒸着膜の膜厚を調整すれば、真空室２内の湿度が変化しても蒸着膜の光学特性を一定に保つことができる。具体的には、蒸着膜の厚さと屈折率の積が一定になるように、真空室２内の湿度（屈折率）の変化に応じて蒸着膜の厚さを調整するように制御する。この制御は制御部４で行われるが、具体的処理については後述する。

検査部材６は、石英板１６の内側面に積層して設けられている。具体的には検査部材６は、石英板１６の上に誘電体単層膜若しくは多層膜を積層して板状に形成されている。これにより、石英板１６上の単層若しくは多層膜の表面と、各膜の界面で光がそれぞれ反射して、各膜のｎｄ厚み分だけそれぞれの光の位相がずれて互いに干渉し、トータルとして反射光の強度が変化する。

石英板１６は、検査光発生部５からの検査光の真空室２に対する出入りを許容するための検査光用窓である。石英板１６は、透明板材であり、真空室２内を密封した状態で、外部からの検査光を真空室２内に入射させると共に真空室２内の検査光を外部に出射させるようになっている。

このとき、検査光発生部５からの検査光は、石英板１６を介して真空室２内の検査部材６に入射して界面で反射し、上述のように干渉して石英板１６から外部に出射して測定部７に入射するようになっている。そしてこのとき、検査部材６の各界面で反射した反射光は、元の検査光に対して、検査部材６の屈折率に比例して位相がずれてしまう。そして、この位相のずれは真空室２の湿度の変化に比例する。このため、真空室２内の湿度の変化は、干渉による反射光の強度の変化として測定部７で検出される。

測定部７は、検査部材６内を通過させた検査光の干渉による強度の変化を用いて間接的に真空室２内の湿度を測定するための装置である。この測定部７は、ハーフミラー１８と、監視素子１９と、リセットミラー２０と、フィルター２１と、反射光受光素子２２とから構成されている。

ハーフミラー１８は、検査光発生部５からの検査光（検査部材６で反射させる前の検査光）の一部を監視光として取り出すための部材である。このハーフミラー１８によって、検査光発生部５からの検査光の一部（例えば、８％程度）が反射され、残りの検査光が透過される。

監視素子１９は、光源からの検査光が安定しているか否かを監視するための素子である。

リセットミラー２０は、上記基準光を反射光受光素子２２に反射させて、反射光受光素子２２をリセットするための部材である。リセットミラー２０は、リセットするときだけ、検査光発生部５から検査部材６に延びる光路上に装着され、リセットが終われば光路から待避されるようになっている。

フィルター２１は、反射光受光素子２２に入射する反射光（検査部材６で反射された検査光）のうち検査対象として設定した特定波長の光のみを透過させるためのフィルターである。このフィルター２１で透過させる波長は最も効率の良い部分を設定する。光源９の波長分布、検査部材６の屈折率及び厚さ、入射角等の諸条件に応じて、基準光と反射光との間で干渉を最も効率的に発生させることができる波長にする。なお、フィルター２１は、外乱要因の影響を最小限に抑えるために、反射光受光素子２２の直前に設けているが、外乱要因の影響が小さい場合は、交流波形発生器１０側に設けても良い。

反射光受光素子２２は、干渉により変化する反射光の強度を検出する素子である。この反射光受光素子２２で検出した反射光の強度は制御部４に出力される。

制御部４は、反射光受光素子２２で検出した反射光の強度に基づいて、現在の真空室２内の湿度を特定するようになっている。具体的には、設定厚さの蒸着膜の光学特性が所望の値になる真空室２内の湿度を基準湿度として、その基準湿度のときに反射光受光素子２２で検出する反射光の強度を、予め実験的に特定して制御部４に記録しておく。さらに、真空室２内の湿度を基準湿度から一定値ずつ変化させたときの反射光の強度を実験的に特定して記録しておく。これにより、実測の反射光の強度と基準湿度での反射光の強度とのずれから、現在の真空室２内の湿度を特定するようになっている。そして、基準湿度からのずれの分を補正する厚さに、蒸着膜の膜厚を設定し直し、その膜厚で蒸着膜を形成する。

［動作］
以上のように構成された真空蒸着装置１では、次のようにして基板の蒸着膜が形成される。

真空室２内に坩堝と基板が装着されて真空室２内が真空引きされ、上記加熱手段で坩堝内の材料が加熱されて蒸発され、基板の表面に蒸着される。この蒸着作業は、真空蒸着装置１で行う一般的なものである。このとき、基板に形成する蒸着膜の膜厚を真空室２内の湿度に応じた厚さに設定する。この蒸着膜の膜厚は、以下の処理によって設定する。

まず、検査光発生部５の光源９を点灯させて駆動モータ１４を駆動して回転板１３を回転させる。これにより、パルス光である検査光がハーフミラー１８側へ出射される。ハーフミラー１８では、検査光の一部が反射されて監視素子１９に入射する。

リセットミラー２０では、検査光発生部５から検査光が測定部７の反射光受光素子２２に直接反射される。これにより、反射光受光素子２２がリセットされる。その後、リセットミラー２０は光路から待機状態に移動される。

これにより、検査光発生部５からの検査光は石英板１６から真空室２内の検査部材６に入射する。そして、この検査光は、検査部材６の各界面で反射され互いに干渉して、真空室２内の湿度の違いに応じた強度に変化し、再び石英板１６から外部に出射される。この検査部材６で反射された反射光は、フィルター２１で特定波長だけの反射光になって反射光受光素子２２に入射する。そして、この反射光受光素子２２で反射光の強度が検出される。この反射光の強度は制御部４に出力される。

制御部４では、上述のように、予め特定しておいた反射光の強度と真空室２内の湿度との関係及び湿度の変化と蒸着膜の膜厚の補正分との関係から、蒸着膜の膜厚の補正分を特定する。

次いで、制御部４は、真空蒸着装置１の各部を制御して、上記湿度から特定した補正分を含む膜厚に設定し直して蒸着膜を形成する。

［効果］
以上のように、真空室２内の湿度の変化を、検査部材６の屈折率の変化による干渉の変化として検出するため、高い精度で真空室２の湿度を間接的に測定することができる。

検査光発生部５からの検査光の真空室２に対する出入りを許容する石英板１６（検査光用窓）を備えたので、真空室２に隣接して設けられた湿度測定装置３の検査光発生部５からの検査光を真空室２内に通して、真空室２内の湿度を容易に検出することができる。

また、反射光受光素子２２の直前にフィルター２１を設けたので、反射光受光素子２２に入射する外来光による影響を最小限に抑えることができる。これにより、高い精度で真空室２の湿度を間接的に測定することができる。

また、検査部材６を通過した検査光の干渉を用いて真空室２内の湿度を測定するため、湿度測定装置３を小型化することができ、真空蒸着装置等にも組み込むことができるようになる。

［変形例］
上記実施形態では、検査部材６を真空室２の天井部の石英板１６の内側面に設けたが、検査部材６を設ける位置は特に限定する必要はなく、真空蒸着作業の邪魔にならない位置であればどこでもよい。例えば、図２に示すように真空室２内の中央付近や、図３に示すように真空室２の底部に設けてもよい。この場合も、上記実施形態同様の作用、効果を奏することができる。

さらに、検査部材６を通す検査光としては、反射させる場合以外に透過させてもよい。即ち、図２及び図３に示すように、真空室２の下方へ透過させるようにしてもよい。この場合も、上記実施形態同様の作用、効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、湿度測定装置３の交流波形発生器１０等を真空室２の外部に設けたが、真空室２内にスペース的な余裕があれば、交流波形発生器１０等を真空室２内に設けてもよい。この場合も、上記実施形態同様の作用、効果を奏することができる。

また、上記実施形態では、光源９として白色光を用いたが、レーザー光を用いてもよい。この場合も、上記実施形態同様の作用、効果を奏することができる。なおこの場合、フィルター２１を用いる必要はなくなる。

本発明の実施形態に係る真空蒸着装置を示す概略構成図である。 第１変形例を示す概略構成図である。 第２変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１：真空蒸着装置、２：真空室、３：湿度測定装置、４：制御部、５：検査光発生部、６：検査部材、７：測定部、９：光源、１０：交流波形発生器、１１：レンズ、１３：回転板、１４：駆動モータ、１６：石英板、１８：ハーフミラー、１９：基準光受光素子、２０：リセットミラー、２１：フィルター、２２：反射光受光素子。

Claims (5)

1. 真空室内の水分子量を測定する湿度測定装置であって、
   上記真空室内に配設され当該真空室内の湿度の違いに応じた比率で水分子が入り込む空隙を有すると共に、入り込んだ水分子量の違いに応じて屈折率が変化する検査部材と、
   当該検査部材内を通過させた検査光の干渉を用いて間接的に湿度を測定する測定部とを備えたことを特徴とする真空室の湿度測定装置。
2. 請求項１に記載の真空室の湿度測定装置において、
   上記真空室内に配設された上記検査部材に検査光を透過又は反射させて干渉させることを特徴とする真空室の湿度測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の真空室の湿度測定装置において、
   上記真空室外に設けられ上記検査光を発生させる検査光発生部と、
   当該検査光発生部からの検査光の上記真空室に対する出入りを許容する１又は複数の検査光用窓とを備えたことを特徴とする真空室の湿度測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空室の湿度測定装置において、
   上記測定部に入射する検査光のうち検査対象の特定波長の光のみを透過させるフィルターを備えたことを特徴とする真空室の湿度測定装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空室の湿度測定装置において、
   上記検査光としてレーザー光を用いたことを特徴とする真空室の湿度測定装置。
   

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