JP2011242366A - 成膜装置における膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長尺フィルム状の基材ａを成膜処理部４を経由して搬送しつつ、成膜処理部４で基材ａの表面に膜を形成する成膜装置における膜厚測定方法であって、基材ａが導電性であっても膜厚を正確に測定できるようにした方法を提供する。
【解決手段】成膜処理部４の下流側の基材搬送路の部分に、基材表面に対向する第１の光学式変位計１０_１と基材裏面に対向する第２の光学式変位計１０_２とを互いの光軸が同一直線上に位置するように配置する。そして、第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離に基づいて、基材表面に形成された膜の膜厚を算出する。好ましくは、基材ａの未成膜部分で計測された両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値と、基材ａの成膜部分で計測された両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値との差で膜厚を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、長尺フィルム状の基材を成膜処理部を経由して搬送しつつ、成膜処理部で基材の表面に膜を形成する成膜装置における膜厚測定方法に関する。

従来、基材の表面に導電性の膜を形成する成膜装置における膜厚測定方法として、高周波を膜に印加して渦電流を発生させ、ブリッジ回路でインピーダンス変化を測定して、膜厚を算出する渦電流方式（例えば、特許文献１参照）や、抵抗測定ローラーを用いて、膜の抵抗から膜厚を算出する抵抗方式（例えば、特許文献２参照）が知られている。

然し、これらの方法は、基材が金属製フィルム等の導電性のものである場合には適用できない。即ち、渦電流方式では、基材に膜よりも大きな渦電流が発生し、膜で発生した渦電流によるインピーダンス変化量が基材で発生する渦電流によるインピーダンス変化量よりも小さくなり、正確な膜厚測定を行うことが困難になる。また、抵抗方式でも、成膜したことによる抵抗変化量が小さくなるため、正確な膜厚測定を行うことが困難になる。

また、従来、成膜処理部に水晶振動子を配置して、成膜材料を水晶振動子にも付着させ、水晶振動子の共振周波数の変化から水晶振動子上の膜厚を算出し、この膜厚を基材上の膜圧に換算する膜厚測定方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。これによれば、基材が導電性であっても膜厚を測定できる。

然し、この方法では、水晶振動子への成膜が進むことによって膜厚変化量と共振周波数変化量との関係に狂いを生じて、膜厚の測定誤差を生ずるため、水晶振動子を頻繁に交換することが必要になる。その結果、交換による作業時間の増加とラニングコストの上昇を招き、生産性が低下する不具合がある。

特開平９−３２４２６１号公報 特開平１０−２６６４４号公報 特開２００８−１２２２００号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基材が導電性であっても膜厚を正確に測定でき、且つ、測定器具の交換が不要な生産性に優れた成膜装置における膜厚測定方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、長尺フィルム状の基材を成膜処理部を経由して搬送しつつ、成膜処理部で基材の表面に膜を形成する成膜装置における膜厚測定方法であって、成膜処理部の下流側の基材搬送路の部分に、基材表面に対向する第１の光学式変位計と基材裏面に対向する第２の光学式変位計とを互いの光軸が同一直線上に位置するように配置し、第１と第２の両光学式変位計の計測距離に基づいて、基材表面に形成された膜の膜厚を算出することを特徴とする。

ここで、第１の光学式変位計の計測距離は、該変位計から基材表面に形成した膜表面までの距離に等しく、第２の光学式変位計の計測距離は、該変位計から基材裏面までの距離に等しいから、第１と第２の両光学式変位計間の距離から両光学式変位計の計測距離の合計値を減算した値は、基材の厚さに膜厚を加算した値になる。従って、例えば、両光学式変位計間の距離と基材の厚さとを予め調べておけば、両光学式変位計の計測距離に基づいて膜厚を算出することができる。

そして、本発明によれば、基材及び膜が光を反射するものである限り、基材が導電性であっても、膜厚を正確に測定できる。特に、本発明では、両光学式変位計を互いの光軸が同一直線上に位置するように配置しているため、搬送中に基材がその厚さ方向に振動して、一方の光学式変位計の計測距離が増加或いは減少しても、他方の光学式変位計の計測距離がその分減少或いは増加し、両光学式変位計の計測距離の合計値は変化しない。従って、基材の振動の影響を受けることなく、膜厚を正確に測定できる。また、測定機器たる光学式変位計は故障しない限り交換不要であり、交換による作業時間の増加やラニングコストの上昇を招くことがなく、生産性に優れる。

また、本発明においては、膜が形成されていない基材の未成膜部分で計測された両光学式変位計の計測距離の合計値と、膜が形成された基材の成膜部分で計測された両光学式変位計の計測距離の合計値との差で膜厚を求めることが望ましい。これによれば、両光学式変位計間の距離と基材の厚さとを予め調べなくても膜厚を算出でき、生産性が一層向上する。

本発明方法の実施に用いる成膜装置を示す模式的断面図。 第１と第２の光学式変位計の配置部の拡大図。 第１の試験の結果を示すグラフ。 第２の試験の結果を示すグラフ。

図１は、長尺フィルム状の基材ａの表面に膜ｂ（図２参照）を形成する巻取り式真空成膜装置を示している。尚、基材ａの材料は、例えば、銅であり、膜ｂの材料は、例えば、リチウムであり、リチウム二次電池やリチウムキャパシタの素材となる製品が製造される。但し、基材ａ及び膜ｂの材料はこれに限定されるものではない。

巻取り式真空成膜装置は、油拡散ポンプ等の真空ポンプ（図示省略）に接続される複数の排気口１ａ，１ｂ，１ｃを有する真空チャンバ１を備えている。真空チャンバ１内は、仕切り板１ｄにより上下２室に仕切られている。下室は、冷却ドラム２とこれに対向する成膜ユニット３とを収納した成膜処理部４になっている。

冷却ドラム２は、その内部に流す冷却媒体により周面が冷却されるようになっている。また、成膜ユニット３は、ルツボ３ａに収納した成膜材料を抵抗加熱、ＥＢ（電子線）加熱、誘導加熱等で加熱して蒸発させる蒸着方式のものである。尚、成膜ユニット３として、スパッタ方式等の蒸着方式以外のものを用いることも可能である。

上室には、基材ａを巻出す巻出しローラ５と、基材ａを巻取る巻取りローラ６と、巻出しローラ５から巻出された基材ａを冷却ドラム２に導く複数のガイドローラ７と、冷却ドラム２の周面に巻回した状態で成膜処理部４を経由した基材ａを巻取りドラム６に導く複数のガイドローラ８とが配置されている。そして、巻出しローラ５から巻取りローラ６に成膜処理部４を経由して基材ａを搬送しつつ、成膜処理部４で基材ａの表面に成膜ユニット３から蒸発した成膜材料を蒸着させて膜ｂを形成するようにしている。

また、上室には、更に、巻出しローラ５と冷却ドラム２との間で基材ａにクリーニング処理を施す第１プラズマ発生ユニット９_１と、冷却ドラム２と巻取りローラ６との間で基材ｂに除電処理を施す第２プラズマ発生ユニット９_２とが配置されている。

ところで、成膜に際しては、膜ｂの膜厚を測定し、膜厚が所要値になるように基材ａの搬送速度をフィードバック制御する必要がある。そこで、成膜処理部４の下流側の基材搬送路の部分、例えば、巻取りローラ６の近傍に位置する一対のガイドローラ８，８間に、基材ａの表面に対向する第１の光学式変位計１０_１と、基材ａの裏面に対向する第２の光学式変位計１０_２とを配置し、両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離に基づいて膜厚を算出している。

第１の光学式変位計１０_１と第２の光学式変位計１０_２とは、互いの光軸が同一直線上に位置するように配置される。尚、各光学式変位計１０_１，１０_２は、レーザーダイオード等の光源からの光を被測定物に照射し、被測定物からの拡散反射光を集光レンズでイメージセンサに光スポットとして集光させ、光スポットの位置から被測定物までの距離を計測する、特開平１０−３３２３３５号公報や特開２００１−５０７１１号公報等で従来公知のものである。上記光軸は、被測定物たる基材ａに対する照射光の光軸を意味する。

図２を参照して、基材ａの厚さをｔａ、膜ｂの膜厚をｔｂ、両光学式変位計１０_１，１０_２間の距離をＬ０，第１の光学式変位計１０_１の計測距離（第１の光学式変位計１０_１から膜ｂの表面までの距離）をＬ１、第２の光学式変位計１０_２の計測距離（第２の光学式変位計１０_２から基材ａの裏面までの距離）をＬ２とすると、次式、
ｔａ＋ｔｂ＝Ｌ０−（Ｌ１＋Ｌ２）…（１）
が成立する。Ｌ０とｔａは予め調べることができるから、両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離Ｌ１，Ｌ２に基づいて膜厚ｔｂを（１）式から算出できる。

但し、Ｌ０とｔａを予め調べることは面倒である。そこで、本実施形態では、成膜開始前に冷却ドラム２と巻取りローラ６との間に存在する基材ａの部分、即ち、膜ｂが形成されていない基材ａの未成膜部分に対し両光学式変位計１０_１，１０_２による計測を行っている。

未成膜部分で計測された第１の光学式変位計１０_１の計測距離（第１の光学式変位計１０_１から基材ａの表面までの距離）をＬ１´、第２の光学式変位計１０_２の計測距離（第２の光学式変位計１０_２から基材ａの裏面までの距離）をＬ２´とすると、次式、
ｔａ＝Ｌ０−（Ｌ１´＋Ｌ２´）…（２）
が成立する。（２）式を（１）式に代入して整理すると、次式、
ｔｂ＝（Ｌ１´＋Ｌ２´）−（Ｌ１＋Ｌ２）…（３）
が成立する。即ち、基材ａの未成膜部分で計測された両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値Ｌ１´＋Ｌ２´と、膜ｂが形成された基材ａの成膜部分で計測された両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値Ｌ１＋Ｌ２との差で膜厚ｔｂを求めることができる。これによれば、Ｌ０とｔａを予め調べる必要がなく、生産性が向上する。

また、基材ａ及び膜ｂが光を反射するものである限り、基材ａが導電性であっても、膜厚ｔｂを正確に測定できる。そして、測定機器たる両光学式変位計１０_１，１０_２は故障しない限り交換不要であり、交換による作業時間の増加やラニングコストの上昇を招くことがなく、生産性に優れる。尚、両光学式変位計１０_１，１０_２による計測に際しては、計測時のノイズを除去するため、例えば、メディアンフィルター処理を行うことが望ましい。

ところで、基材搬送中に基材ａはその厚さ方向に振動し易く、この振動によって各光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離Ｌ１，Ｌ２が変動して、膜厚ｔｂの測定誤差を生ずることが懸念される。然し、本実施形態では、両光学式変位計１０_１，１０_２を互いの光軸が同一直線上に位置するように配置しているため、基材ａが振動して、第１の光学式変位計１０_１の計測距離Ｌ１が増加或いは減少しても、第２の光学式変位計１０_２の計測距離Ｌ２がその分減少或いは増加し、両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値Ｌ１＋Ｌ２は変化しない。従って、基材ａの振動の影響を受けることなく、膜厚ｔｂを正確に測定できる。

尚、基材ａの振動による測定誤差を防止するために、成膜処理部４の下流側の何れか一つのガイドローラ８の周面に巻回される基材ａの部分の表面に対向するように光学式変位計を配置して、膜厚ｔｂを計測することも考えられる。然し、このものでは、ガイドローラ８の振動や偏心で基材ａがガイドローラ８の径方向に動いてしまうため、測定誤差を防止することはできない。本実施形態の如く、基材ａの表面に対向する第１の光学式変位計１０_１と基材ａの裏面に対向する第２の光学式変位計１０_２とを互いの光軸が同一直線上に位置するように配置することが測定誤差を防止する上で必要である。

以上の効果を確かめるため実施形態の成膜装置を用いて以下の第１乃至第３の試験を行った。尚、各試験では、第１と第２の各光学式変位計１０_１，１０_２として、キーエンス（株）製のレーザー変位計ＳＩ−Ｆ０１を使用した。

第１の試験では、厚さ３０μｍ、幅２００ｍｍの銅箔を巻出しローラ５と巻取りローラ６との間に張力２９．６Ｎで通紙し、巻出しローラ５から巻取りローラ６に銅製フィルムを正転搬送しつつ、銅製フィルムの表面に厚さ１０±１．０μｍのポリエステルテープを大気圧下で貼り付けた。次に、真空チャンバ１を真空引きした状態で、銅製フィルムを巻取りローラ６から巻出しローラ５に逆転搬送しつつ、第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２による計測を行った。計測時の条件として、平均回数１回、サンプリング周期２００ｍｓｅｃ、メディアンを３１回と設定した。これは、第２と第３の試験でも同様である。

第１の試験の結果を図３に示す。尚、図３は、テープが貼り付けられていない銅箔の部分で計測された第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値が零になるように零点調整した後の両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値を変位として示している。図３を見ると、両光学式変位計１０_１，１０_２の配置部にテープを貼り付けた銅箔の部分が搬送されたところで、変位が０前後から−１０μｍに変化している。この１０μｍの変化量はテープの厚さに由来しており、この結果から膜厚を測定できることが分かる。

第２の試験では、厚さ３０μｍ、幅２００ｍｍの銅箔を巻出しローラ５と巻取りローラ６との間に張力２９．６Ｎで通紙し、真空チャンバ１内を３．６×１０^−３Ｐａまで真空引きした。次に、成膜材料たるリチウムを入れたルツボ３ａを抵抗加熱法で電源出力３．７９ｋＷで加熱し、銅箔を速度を変えながら搬送しつつ銅箔の表面にリチウム膜を成膜すると共に、第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２による計測を行った。

第２の試験の結果を図４に示す。尚、図４は、銅箔の未成膜部分で計測された第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値が零になるように零点調整した後の両光学式変位計１０_１，１０_２の計測距離の合計値を変位として示している。図４を見ると、銅箔の搬送速度の変化に伴い変位も変化している。これは、搬送速度の違いによって成膜されたリチウム膜の膜厚が変化するためである。搬送速度と膜厚から想定されるダイナミックレートはおよそ１０μｍ・ｍ／ｍｉｎで一定であることから、リチウム膜を成膜しながら膜厚を測定できることが分かる。

尚、第１と第２の試験では、フィルム状基材として厚さ３０μｍの銅箔を使用しているが、基材の厚さは３０μｍに限らず１０μｍ〜２００μｍであっても、また、銅箔以外の基材であっても、第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２により基材上の膜厚を測定できる。

第３の試験では、厚さ５０μｍ、幅２００ｍｍのポリイミドフィルムに５ｍｍ×１０ｍｍに切り出した（１００）シリコンウエハーを貼り付けた後、ポリイミドフィルムを巻出しローラ５と巻取りローラ６との間に張力４９Ｎで通紙し、真空チャンバ１内を１．３×１０^−３Ｐａまで真空引きした。次に、ルツボ３ａに入れたアルミをＥＢ出力６．０ｋＷで加熱し、ポリイミドフィルムを搬送速度５．０ｍ／ｍｉｎで搬送しつつウエハーの表面にアルミ膜を成膜すると共に、第１と第２の両光学式変位計１０_１，１０_２による計測を行い、更に、成膜後にウエハー上のアルミ膜の膜厚を触針段差計で測定した。そして、触針段差計による測定後に、ポリイミドフィルムを巻き戻して、再度上記の条件で成膜することを繰り返した。第３の試験の結果を下記表１に示す。

表１

表１から、光学式変位計１０_１，１０_２により膜厚を正確に測定出来ることが分かる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態は、巻取り式真空成膜装置における膜厚測定方法に本発明を適用したものであるが、成膜装置は、基材に大気圧下で成膜するものであってもよい。また、巻取り式以外の成膜装置であっても、長尺フィルム状の基材を搬送しつつ基材の表面に成膜する成膜装置における膜厚測定方法として本発明は広く適用できる。

ａ…基材、ｂ…膜、４…成膜処理部、１０_１…第１の光学式変位計、１０_２…第２の光学式変位計。

Claims (2)

1. 長尺フィルム状の基材を成膜処理部を経由して搬送しつつ、成膜処理部で基材の表面に膜を形成する成膜装置における膜厚測定方法であって、
   成膜処理部の下流側の基材搬送路の部分に、基材表面に対向する第１の光学式変位計と基材裏面に対向する第２の光学式変位計とを互いの光軸が同一直線上に位置するように配置し、
   第１と第２の両光学式変位計の計測距離に基づいて、基材表面に形成された膜の膜厚を算出することを特徴とする成膜装置における膜厚測定方法。
2. 膜が形成されていない基材の未成膜部分で計測された前記両光学式変位計の計測距離の合計値と、膜が形成された基材の成膜部分で計測された両光学式変位計の計測距離の合計値との差で膜厚を求めることを特徴とする請求項１記載の成膜装置における膜厚測定方法。

Images