JP2014066536A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の表面に成膜された膜の膜厚を測定する際に、基板が大気中に暴露されることを防止しながら、膜厚を直接精度よく測定する。
【解決手段】成膜装置は、成膜部３、真空搬送路６および膜厚測定部８を有する。成膜部３は、基板１０の表面に膜１１を成膜する。真空搬送路６は、気密に設けられており、真空搬送路６の壁部６ａには、ポンプ光およびプローブ光が透過可能な観察窓２２が設けられている。膜厚測定部８は、表面に膜１１が成膜された基板１０が真空搬送路６の内部に配置された状態で、真空搬送路６の外部から、ポンプ光およびプローブ光を、観察窓２２を透過させて膜１１に照射する。また、膜厚測定部８は、観察窓２２を透過して真空搬送路６の外部に導かれた反射光の強度を測定し、測定された強度に基づいて、膜１１の膜厚を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関し、特に、基板の表面に成膜された膜の膜厚を測定する成膜装置および成膜方法に関する。

基板の表面に膜を成膜する成膜装置には、例えば真空チャンバ内に、基板の表面に成膜される膜の膜厚を測定するための膜厚モニタが設けられている。

膜厚モニタとして、真空状態での動作が安定している点、および、真空チャンバ内の雰囲気を汚染しない点で、水晶振動子からなるセンサが用いられている。例えば真空チャンバ内で基板の表面に蒸着材料を蒸着する際に、基板の付近に配置された水晶振動子の表面に蒸着材料が付着すると、水晶振動子の重量が増加することで、水晶振動子の共振周波数が低くなる。したがって、水晶振動子の共振周波数を測定することで、蒸着量を算出することができ、水晶振動子の共振周波数の時間変化を測定することで、蒸着レートを算出することができる。

特開２０１２−１１２０３５号公報（特許文献１）には、真空蒸着装置において、水晶振動子からなるモニタ用膜厚センサおよび校正用膜厚センサが設けられ、これらの膜厚センサから蒸着源の開口部の中心までの距離を変えて蒸着レートを計測する技術が記載されている。

また、水晶振動子からなるセンサ以外の膜厚モニタとして、エリプソメータが知られている。エリプソメータは、例えば直線偏光からなる光を膜に入射し、入射された光が膜により反射された反射光の偏光状態の変化を測定することで、膜の膜厚を算出する。

特許第４５１１４８８号公報（特許文献２）には、有機ＥＬ素子の製造装置において、成膜室に設けられた透過窓を介して膜厚をエリプソメータにより計測し、計測した膜厚が予め設定された膜厚となった場合に、次の成膜室へ搬送する技術が記載されている。

あるいは、水晶振動子からなるセンサを用いた膜厚測定方法以外の膜厚測定方法として、光学式光透過法またはポンププローブ法が知られている。

特開平８−３０４０３２号公報（特許文献３）には、蒸着部とマージン部とを交互に形成してなるコンデンサ用金属化フィルムについて、光学式光透過法によりマージン部幅および蒸着部の金属蒸着膜の厚さを同時に検出する技術が記載されている。

また、特開平５−１７２７３９号公報（特許文献４）には、ポンププローブ法を用い、試料表面からの反射プローブ光と、基準表面からの基準プローブ光を光検出器上で干渉させ、検出表面の表面振動を測定することで、薄膜の厚さを測定する技術が記載されている。

特開２０１２−１１２０３５号公報 特許第４５１１４８８号公報 特開平８−３０４０３２号公報 特開平５−１７２７３９号公報

上記特許文献１に記載された水晶振動子からなるセンサを用いた膜厚モニタの技術は、基板の表面に成膜された膜の膜厚を直接測定するものではない。したがって、予め、センサによる測定値と、膜厚測定の対象物（測定対象物）である膜の実際の膜厚との比較（較正）を行って補正係数を取得し、膜を成膜する際には、センサによる測定値を、予め取得した補正係数を用いて補正することで膜厚を算出しなくてはならない。

しかし、上記補正係数は、真空チャンバ内でセンサが設置される位置、真空チャンバ内における温度分布、または、成膜工程のフローなどの成膜条件により変化する。そのため、例えば成膜条件を変更した場合にも、上記補正係数が変化するため、補正係数を取得して補正をし直さなければならず、測定対象物である膜の膜厚を精度よく測定することは容易ではない。

上記特許文献２に記載されたエリプソメータを用いた膜厚モニタの技術によれば、膜厚を直接測定することができる。しかし、エリプソメータを用いた膜厚測定方法は光学干渉式の方法であるため、測定対象物としての膜が、入射光を透過可能であることが必要である。例えば測定対象物としての膜が金属膜であり、膜厚が例えば１００ｎｍ以上であるときは、膜を透過した透過光の光量が不足し、膜厚の測定値の精度が低下するか、膜厚の測定が不可能となる。

上記特許文献３に記載された光学式光透過法を用いた膜厚測定の技術についても、エリプソメータを用いた技術と同様に、膜厚が１００ｎｍ以上の金属膜については、膜厚の測定値の精度が低下するか、膜厚の測定が不可能となる。

上記特許文献４に示すポンププローブ法を用いた膜厚測定の技術によれば、測定対象物としての膜にポンプ光を照射して超音波を生じさせ、プローブ光でその表面振動を検出することで、測定対象物としての膜の厚さを測定する。しかし、特許文献４に記載された技術では、膜厚測定の際に基板が大気中に暴露されることを防止することができない。そのため、測定対象物としての膜が例えば酸化や吸湿などにより変質するものである場合には、膜厚測定の際に、膜が変質するか、または、膜の機能が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板の表面に膜を成膜する成膜装置において、成膜された膜の膜厚を測定する際に、基板が大気中に暴露されることを防止しながら、膜厚を直接精度よく測定できる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

代表的な実施の形態による成膜装置は、基板の表面に膜を成膜する成膜装置である。成膜装置は、成膜部、真空搬送路および膜厚測定部を有する。成膜部は、基板の表面に膜を成膜する。真空搬送路は、気密に設けられており、真空搬送路の壁部には、ポンプ光およびプローブ光が透過可能な観察窓が設けられている。膜厚測定部は、成膜部により表面に膜が成膜された基板が真空搬送路の内部に配置された状態で、真空搬送路の外部から、ポンプ光およびプローブ光を、観察窓を透過させて膜に照射する。また、膜厚測定部は、照射されたプローブ光が膜により反射され、観察窓を透過して真空搬送路の外部に導かれた、反射光の強度を測定し、測定された強度に基づいて、膜の膜厚を測定する。

また、代表的な実施の形態による成膜方法は、気密に設けられた真空搬送路と、真空搬送路の壁部に設けられ、ポンプ光およびプローブ光が透過可能な観察窓を備えた成膜装置における成膜方法である。まず、成膜部により基板の表面に膜を成膜する。次いで、成膜部により表面に膜が成膜された基板が真空搬送路の内部に配置された状態で、真空搬送路の外部から、ポンプ光およびプローブ光を、観察窓を透過させて膜に照射する。そして、照射されたプローブ光が膜により反射され、観察窓を透過して真空搬送路の外部に導かれた、反射光の強度を測定し、測定された強度に基づいて、膜の膜厚を測定する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

代表的な実施の形態によれば、基板の表面に膜を成膜する成膜装置において、成膜された膜の膜厚を測定する際に、基板が大気中に暴露されることを防止しながら、膜厚を直接精度よく測定できる。

実施の形態１の成膜装置の概略構成を示す図である。 実施の形態１の成膜装置における膜厚測定部の構成を示す図である。 反射光の強度の時間依存性を示すデータである。 反射光の強度の周波数依存性を示すデータである。 実施の形態１の成膜工程の一部を示すフロー図である。 実施の形態１の成膜工程の変形例における、膜厚分布の均一性、膜厚分布の均一性の変動量および蒸着量の基板番号依存性を示すグラフである。 実施の形態２の成膜装置における膜厚測定部の構成を示す図である。 実施の形態２の成膜装置における膜厚測定部の構成を示す斜視図である。 実施の形態３の成膜装置の概略構成を示す図である。 実施の形態３の成膜工程により形成される膜のパターンを示す平面図である。 実施の形態３の成膜工程により形成される膜のパターンを拡大して示す図である。 実施の形態３の成膜工程により形成される膜のパターンを示す断面図である。 実施の形態３の成膜工程における基板の要部断面図である。 実施の形態３の成膜工程における基板の要部断面図である。 実施の形態３の成膜工程における基板の要部断面図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを付す場合もある。

（実施の形態１）
＜成膜装置＞
初めに、実施の形態１の成膜装置の構造について説明する。本実施の形態１の成膜装置は、基板に例えば金属膜を蒸着する成膜装置である。

なお、以下では、金属膜を蒸着する成膜装置について説明する。しかし、本実施の形態１の成膜装置は、金属膜を蒸着する成膜装置に限られない。したがって、本実施の形態１の成膜装置は、金属膜に代え、導電性を有し、可視光が透過できない各種の導電膜を蒸着するものにも適用可能である（以下、実施の形態２および実施の形態３においても同様）。さらに、本実施の形態１の成膜装置は、可視光が透過する各種の膜を蒸着するものにも適用可能である（以下、実施の形態２および実施の形態３においても同様）。

また、以下では、成膜装置が蒸着法により膜を成膜するものである場合について説明する。しかし、本実施の形態１の成膜装置は、蒸着法により膜を成膜するものに限られない。したがって、本実施の形態１の成膜装置は、蒸着法に代え、スパッタリング法、塗布法など各種の成膜方法により膜を成膜するものにも適用可能である（以下、実施の形態２および実施の形態３においても同様）。

図１は、実施の形態１の成膜装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、成膜装置は、真空チャンバ（成膜室）１、保持部２、成膜部３、蒸着量測定部４、制御部５、真空搬送路（搬送室）６、搬送部７および膜厚測定部８を有する。

真空チャンバ（成膜室）１は、気密に設けられており、真空チャンバ１の内部に配置された基板１０の表面に膜１１が成膜される。

なお、以下では、成膜装置が、気密に設けられた真空チャンバを有し、真空チャンバ内で基板の表面に膜を成膜する例について説明する。しかし、本実施の形態１の成膜装置は、表面に膜が成膜された基板が気密に設けられた空間（室）の内部に配置された状態で、膜厚測定が行われればよく、真空チャンバ内で基板の表面に膜を成膜する成膜装置に限られない。したがって、本実施の形態１の成膜装置が、気密に設けられた成膜室を有しておらず、大気中で基板の表面に膜を成膜するものでもよい。

保持部２は、真空チャンバ１の内部において、例えば静電吸着などにより、基板１０を成膜部３に対向させた状態で、基板１０を保持する。保持部２は、例えば図１のＺ軸の周りに回転可能に設けられており、駆動部１２により保持部２を回転駆動することで、保持部２に保持されている基板１０を回転させることができる。また、保持部２は、例えば図１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の全部または一部の方向に移動可能に設けられていてもよく、このとき、駆動部１２により保持部２を移動駆動することで、真空チャンバ１の内部における基板１０の位置を調整することができる。さらに、保持部２が、例えば図１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の全部または一部の方向に移動可能に設けられているときは、駆動部１２により保持部２を移動駆動することで、搬送部７との間で、基板１０を受け渡しすることができる。

なお、保持部２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれの方向にも移動可能でなくてもよい。また、保持部２とは別に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の全部または一部の方向に移動可能に設けられた搬送機構（図示は省略）を設け、その搬送機構により、搬送部７との間で、基板１０を受け渡しするようにしてもよい。

成膜部３は、真空チャンバ１の内部に設けられた複数の蒸着源として、蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃを含む。蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃの内部には、それぞれ蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃが入っている。例えば抵抗（図示は省略）による加熱、または、電子線源（図示は省略）を用いた電子線照射による加熱により、蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃの各々において、それぞれ蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃが蒸発する。そして、蒸発した蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃが、保持部２に保持された基板１０の表面に蒸着される。すなわち、成膜部３により、真空チャンバ１の内部に配置された基板１０の表面に、膜１１が成膜される。

蒸着量測定部４は、真空チャンバ１の内部に設けられた複数の蒸着レートセンサとして、蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃを含む。蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃの開口部１６ａ、１６ｂ、１６ｃの各々の近傍に、設けられている。蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、それぞれ蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃからの蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃの蒸着量を独立してモニタ（測定）することができる位置に配置されている。すなわち、蒸着レートセンサ１５ａは、蒸着源１３ａからの蒸着材料１４ａの蒸着量を測定し、蒸着レートセンサ１５ｂは、蒸着源１３ｂからの蒸着材料１４ｂの蒸着量を測定し、蒸着レートセンサ１５ｃは、蒸着源１３ｃからの蒸着材料１４ｃの蒸着量を測定する。

蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃとして、例えば公知の水晶振動子からなる蒸着レートセンサを用いることができる。

制御部５は、換算機構１７、蒸着源制御機構１８およびプロセス制御機構１９を含む。換算機構１７は、蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々からの信号を、蒸着量に換算し、換算した蒸着量のデータ、すなわち測定した蒸着量のデータを、プロセス制御機構１９に制御されている蒸着源制御機構１８に送る。プロセス制御機構１９および蒸着源制御機構１８は、送られた蒸着量のデータに基づいて、成膜部３および保持部２の動作を制御する。具体的には、プロセス制御機構１９および蒸着源制御機構１８は、蒸着量のデータに基づいて、膜１１の膜厚が、所望の膜厚または所望の膜厚分布となるように、蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃの蒸着量、保持部２の回転数または保持部２の位置を制御する。

真空搬送路（搬送室）６は、真空チャンバ（成膜室）１に隣接する位置に設けられている。真空搬送路６は、開閉可能に設けられたゲートバルブ２０を介して真空チャンバ１と接続されており、ゲートバルブ２０を開いたときに、真空チャンバ１と連通可能に設けられている。真空搬送路６は、ゲートバルブ２０を閉じたときに、単独で気密になるように設けられており、ゲートバルブ２０を開いたときに、真空チャンバ１と一体で気密になるように設けられている。

搬送部７は、真空搬送路６の内部において、基板１０を保持した状態で、基板１０を搬送する。搬送部７は、例えば図１のＺ軸の周りに回転可能に設けられており、駆動部２１により搬送部７を回転駆動することで、搬送部７に保持されている基板１０を回転させることができる。また、搬送部７は、例えば図１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の全部または一部の方向に移動可能に設けられており、駆動部２１により搬送部７を移動駆動することで、真空搬送路６の内部で基板１０を搬送し（移動させ）、保持部２との間で基板１０を受け渡しすることができる。例えば蒸着処理（成膜工程）前の基板１０は、搬送部７から保持部２に受け渡されることで、真空チャンバ１に搬入される。また、蒸着処理（成膜工程）後の基板１０は、保持部２から搬送部７に受け渡されることで、真空チャンバ１から搬出される。

真空搬送路６の壁部６ａには、観察窓（窓部）２２が設けられており、蒸着処理（成膜工程）後の基板１０を光学的に観察できるようになっている。観察窓２２は、ポンプ光およびプローブ光が透過可能である。

真空搬送路６の外部には、膜厚測定部８が設けられている。膜厚測定部８は、照射測定部２５および算出部２６を含む。膜厚測定部８は、真空搬送路６の外部に設けられている。膜厚測定部８の詳細な構成は後述するが、膜厚測定部８は、蒸着処理（成膜工程）後の基板１０の表面に成膜された膜１１の膜厚を、観察窓２２を介して、いわゆるポンププローブ法により測定できるようになっている。

なお、図１に示す例では、プロセス制御機構１９は、例えば算出部２６を介して、駆動部２１を制御するようになっている。

＜膜厚測定部＞
次に、本実施の形態１の成膜装置における膜厚測定部について説明する。図２は、実施の形態１の成膜装置における膜厚測定部の構成を示す図である。図２は、膜厚測定部８のうち照射測定部２５、および、真空搬送路６を示している。

照射測定部２５は、ポンプ光照射部２７、プローブ光照射部２８、強度測定部２９および遅延時間発生部３０を含み、いわゆるポンププローブ法により膜厚を測定する。ポンプ光照射部２７は、基板１０の表面に成膜された膜１１に、パルスレーザ光からなるポンプ光を、真空搬送路６の外部から観察窓２２を透過させて照射する。プローブ光照射部２８は、膜１１のうちポンプ光が照射された領域に、パルスレーザ光からなるプローブ光を、真空搬送路６の外部から観察窓２２を透過させて照射する。すなわち、プローブ光照射部２８は、ポンプ光が照射された膜１１に、プローブ光を照射する。

強度測定部２９は、照射されたプローブ光が反射された反射光の強度を測定する。具体的には、強度測定部２９は、例えばプローブ光と反射光との差分を測定することで、反射光の強度を測定する。遅延時間発生部３０は、ポンプ光の光路長とプローブ光の光路長との間の差（光路長差）を発生させることで、膜１１にポンプ光が照射されるタイミング（時点、時刻）と、膜１１にプローブ光が照射されるタイミング（時点、時刻）との間の遅延時間を発生させる。すなわち、遅延時間発生部３０は、ポンプ光とプローブ光との間の光路長差を発生させることで、ポンプ光とプローブ光との間の遅延時間を発生させる。

なお、ポンプ光とプローブ光との間の遅延時間というときは、ポンプ光に対してプローブ光が遅延するものとする。

図２に示す照射測定部２５には、レーザ３１が設けられている。また、図２に示す照射測定部２５には、分岐ミラー３２、音響光学変調素子（Acousto-Optic Modulator：ＡＯＭ）３３、ミラー３４、可動式リトロリフレクタ３５、ミラーセット３６およびダイクロイックミラー（波長分離ミラー）３７の各光学素子が設けられている。また、図２に示す照射測定部２５には、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶からなる非線形光学結晶素子３８、ミラー３９、ハーフミラー４０、ハーフミラー４１、差動入力センサ４２、ビームエキスパンダ４３および集光レンズ４４の各光学素子またはセンサが設けられている。分岐ミラー３２から集光レンズ４４までの各光学素子は、ポンプ光およびプローブ光の両方または一方が通る光学系を構成している。

なお、以下の説明では、分岐ミラー３２から集光レンズ４４までのうち、差動入力センサ４２、ビームエキスパンダ４３および集光レンズ４４を除いた部分を、光学系ユニット４５と定義する。すなわち、分岐ミラー３２からダイクロイックミラー３７までの各光学素子およびセンサのうち、差動入力センサ４２を除いた部分を、光学系ユニット４５と定義する。また、ビームエキスパンダ４３および集光レンズ４４を、長ワーキングディスタンス光学系４６と定義する。

レーザ３１は、ポンプ光およびプローブ光となるパルスレーザ光を出射する。レーザ３１が出射するパルスレーザ光の出力については、特に限定されないが、例えば数Ｗ程度とすることができる。また、レーザ３１が出射するパルスレーザ光のパルス幅については、特に限定されないが、例えば１００ｆｓ程度とすることができる。さらに、レーザ３１が出射するパルスレーザ光の繰り返し周波数については、特に限定されないが、例えば８０ＭＨｚ程度とすることができる。

以下では、レーザ３１として、例えばチタンサファイアレーザを用いて波長λが８００ｎｍであるパルスレーザ光を出射する場合を例として、説明する。しかし、レーザ３１として、上記のレーザに代え、半導体レーザまたはＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザなど各種のレーザを用いることができる。

また、以下では、パルスレーザ光を単にレーザ光ということがある。

レーザ３１から出射された波長λが８００ｎｍであるレーザ光は、光学系ユニット４５に導入され、光学系ユニット４５に導入されたレーザ光は、分岐ミラー３２に入射される。分岐ミラー３２に入射されたレーザ光は、分岐ミラー３２により分岐し、ポンプ光４７とプローブ光４８とに分けられる。

分岐ミラー３２により分岐されたポンプ光４７は、ＡＯＭ３３に入射される。ＡＯＭ３３は、ＡＯＭ３３に入射されたポンプ光４７を、変調する。例えば、信号発生器４９により発生した、例えば１ＭＨｚの周波数を有する信号が、ＡＯＭ３３に送られる。そして、ＡＯＭ３３に入射され、繰り返し周波数が例えば８０ＭＨｚであるポンプ光４７は、ＡＯＭ３３により、例えば１ＭＨｚの周波数で振幅変調（強度変調）される。

ＡＯＭ３３により変調されたポンプ光４７は、ミラー３４により反射され、ミラー３４により反射されたポンプ光４７は、ミラーセット３６のうちミラー３４側に設けられたミラー３６ａに反射される。ミラー３６ａに反射されたポンプ光４７は、可動式リトロリフレクタ３５に入射される。可動式リトロリフレクタ３５は、ポンプ光４７の光路上に移動可能に設けられており、可動式リトロリフレクタ３５を移動させることで、ポンプ光４７の光路長を変更することができる。そして、可動式リトロリフレクタ３５を移動させ、ポンプ光４７の光路長を調整し、ポンプ光４７とプローブ光４８との間の光路差を発生させることで、ポンプ光４７とプローブ光４８との間の遅延時間を発生させる。つまり、可動式リトロリフレクタ３５は、遅延時間発生部３０として動作する。

なお、本実施の形態１では、可動式リトロリフレクタ３５（遅延時間発生部３０）が、ポンプ光４７の光路上に設けられているが、可動式リトロリフレクタ３５は、ポンプ光４７の光路上に代え、プローブ光４８の光路上に移動可能に設けられていてもよい。このような場合でも、可動式リトロリフレクタ３５を移動させ、プローブ光４８の光路長を調整し、ポンプ光４７とプローブ光４８との間の光路差を発生させることで、ポンプ光４７とプローブ光４８との間の遅延時間を発生させることができる。

また、可動式リトロリフレクタ３５に代え、例えばパルスレーザ光からなるプローブ光を発生させるレーザを、パルスレーザ光からなるポンプ光を発生させるレーザ３１とは別に設けることができる。そして、そのレーザがパルスレーザ光からなるプローブ光を発生させるタイミングを、レーザ３１がパルスレーザ光からなるポンプ光を発生させるタイミングよりも遅延させることで、ポンプ光４７とプローブ光４８との間の遅延時間を発生させることができる。

可動式リトロリフレクタ３５により反射されたポンプ光４７は、ミラーセット３６のうちダイクロイックミラー３７側に設けられたミラー３６ｂにより反射された後、ダイクロイックミラー３７に入射される。ダイクロイックミラー３７として、例えば波長λが８００ｎｍであるレーザ光を反射し、その他の波長の光を透過するものを用いることができる。このときダイクロイックミラー３７に入射され、波長λが８００ｎｍであるポンプ光４７は、ダイクロイックミラー３７で反射される。

ダイクロイックミラー３７により反射されたポンプ光４７は、光学系ユニット４５から導出される。光学系ユニット４５から導出されたポンプ光４７は、長ワーキングディスタンス光学系４６のビームエキスパンダ４３に入射される。ビームエキスパンダ４３は、例えば２枚のレンズからなり、レーザ光（レーザビーム）のビーム径を一定の倍率のビーム径に拡大する。すなわち、ビームエキスパンダ４３は、レーザ光からなるポンプ光４７の光束を一定の倍率の光束に広げる。

ビームエキスパンダ４３により光束が広げられたポンプ光４７は、集光レンズ４４を透過した後、真空搬送路６の外部から観察窓２２を透過し、真空搬送路６の内部に配置された基板１０の表面に成膜されている膜１１に照射される。集光レンズ４４は、ビーム径が拡大された（光束が広げられた）ポンプ光４７を、基板１０の表面に成膜された膜１１の表面で集光させて照射する。

したがって、レーザ３１、分岐ミラー３２、ＡＯＭ３３およびダイクロイックミラー３７は、基板１０の表面に成膜された膜１１にポンプ光４７を照射するポンプ光照射部２７として動作する。

膜１１のうちポンプ光４７が照射された領域では、ポンプ光４７により膜１１中の材料（物質）が励起され、例えば超音波振動が発生することで、膜１１の誘電率が時間に伴って変化する。

前述したように、ポンプ光４７がパルスレーザ光からなるとき、ポンプ光４７は、例えば１０ｎｓ程度の繰り返し周期ごとに、例えば１００ｆｓ程度のパルス幅を有するパルス光として照射される。そして、膜１１のうちポンプ光４７が照射された領域では、例えば１０ｎｓ程度の繰り返し周期ごとに、超音波振動が発生し、発生した超音波振動は、例えば数ｐｓ〜数百ｐｓ程度の時間で減衰する。

ポンプ光４７は、一定の繰り返し周期で膜１１中の材料（物質）を励起することができるものであればよく、パルスレーザ光に限られない。したがって、ポンプ光４７として、レーザ光以外の例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）光などの各種の光を用いることができる。あるいは、ポンプ光４７として、パルス光以外の例えば連続光などの各種の光を用いることができる。

一方、分岐ミラー３２により分岐されたプローブ光４８は、非線形光学結晶素子３８に入射される。非線形光学結晶素子３８は、非線形光学結晶素子３８に入射された光の波長を、非線形光学効果を用いて変換する。プローブ光４８として非線形光学結晶素子３８に入射された、波長λが８００ｎｍであるレーザ光は、波長λが４００ｎｍである第２高調波（Second Harmonic Generation：ＳＨＧ）からなるレーザ光に変換される。

非線形光学結晶素子３８を透過したプローブ光４８は、ミラー３９により反射され、ミラー３９により反射されたプローブ光４８は、ハーフミラー４０に入射される。ハーフミラー４０に入射されたプローブ光４８のうち一部は、ハーフミラー４０により反射され、基準光５０として差動入力センサ４２に入射される。

また、ハーフミラー４０に入射されたプローブ光４８のうち残りの部分は、ハーフミラー４０を透過し、ハーフミラー４０を透過したプローブ光４８は、ハーフミラー４１に入射される。ハーフミラー４１に入射されたプローブ光４８は、ハーフミラー４１を透過する。ハーフミラー４１を透過したプローブ光４８は、ダイクロイックミラー３７に入射され、波長λが４００ｎｍであるプローブ光４８は、ダイクロイックミラー３７を透過する。

ダイクロイックミラー３７を透過したプローブ光４８の光路は、ポンプ光４７の光路と共通の光路ＯＰ１となる。そして、ダイクロイックミラー３７を透過したプローブ光４８は、ポンプ光４７と同様に、光学系ユニット４５から導出され、ビームエキスパンダ４３によりビーム径が拡大される（光束が広げられる）。

ビームエキスパンダ４３により光束が広げられたプローブ光４８は、ポンプ光４７と同様に、集光レンズ４４を透過した後、真空搬送路６の外部から観察窓２２を透過し、真空搬送路６の内部に配置された基板１０の表面に成膜されている膜１１に照射される。このとき、集光レンズ４４は、ビーム径が拡大された（光束が広げられた）プローブ光４８を、基板１０の表面に成膜された膜１１の表面で集光させて照射する。また、膜１１に照射されたプローブ光４８は、膜１１により反射される。

したがって、レーザ３１、分岐ミラー３２、非線形光学結晶素子３８およびダイクロイックミラー３７は、基板１０の表面に成膜された膜１１にプローブ光４８を照射するプローブ光照射部２８として動作する。プローブ光照射部２８は、基板１０の表面に成膜された膜１１のうち、ポンプ光４７が照射された領域にプローブ光４８を照射する。すなわち、プローブ光照射部２８は、ポンプ光４７が照射された膜１１に、プローブ光４８を照射する。また、プローブ光照射部２８は、プローブ光４８を、ポンプ光４７の光路と共通の光路ＯＰ１を通して、膜１１に照射する。

また、ビームエキスパンダ４３は、ポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路ＯＰ１上に設けられており、集光レンズ４４は、ポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路ＯＰ１上であって、ビームエキスパンダ４３よりも膜１１側に設けられている。

プローブ光４８が照射されるタイミングは、ポンプ光４７が照射されるタイミングよりも遅延している。また、前述したように、膜１１のうちポンプ光４７が照射された領域では、ポンプ光４７により膜１１中の材料（物質）が励起され、例えば超音波振動が発生することで、膜１１の誘電率が時間に伴って変化している。したがって、プローブ光４８が膜１１により反射される反射率、すなわち反射光５１の強度は、時間に伴って変化する。すなわち、プローブ光４８（基準光５０）と反射光５１とは、振幅および位相が異なり、プローブ光４８（基準光５０）と反射光５１との間の振幅差および位相差は、時間に伴って変化する。

プローブ光４８は、反射光５１の強度を精度よく測定するため、好適には、パルスレーザ光である。しかし、プローブ光４８として、レーザ光以外の例えばＬＥＤ光などの各種の光を用いることができる。あるいは、プローブ光４８として、パルス光以外の例えば連続光などの各種の光を用いることができる。

膜１１により反射された反射光５１は、観察窓２２を透過し、真空搬送路６の外部に導かれる。真空搬送路６の外部に導かれた反射光５１は、集光レンズ４４、ビームエキスパンダ４３およびダイクロイックミラー３７を通った後、ハーフミラー４１に入射される。ハーフミラー４１に入射された反射光５１のうち、一部は、ハーフミラー４１により反射され、差動入力センサ４２に入射される。

前述したように、差動入力センサ４２に入射された基準光５０（プローブ光４８）と反射光５１とは、振幅および位相が異なる。差動入力センサ４２は、この基準光５０と反射光５１との差分を取り出し、取り出した差分を信号として出力する。差動入力センサ４２により出力された信号は、ロックインアンプ５２に入力される。ロックインアンプ５２は、差動入力センサ４２から入力された信号のうち、例えば前述した信号発生器４９により発生した信号５３と同期した成分を抽出することで、反射光５１の強度を測定する。つまり、差動入力センサ４２およびロックインアンプ５２は、基準光５０（プローブ光４８）と反射光５１との差分を測定することで、反射光５１の強度を測定する強度測定部２９として動作する。

本実施の形態１では、ビームエキスパンダ４３によりポンプ光４７およびプローブ光４８のビーム径を拡大し（光束を広げ）、ビーム径が拡大された（光束が広げられた）ポンプ光４７およびプローブ光４８を集光レンズ４４により集光させて膜１１に照射する。これにより、ビームエキスパンダ４３が設けられず、集光レンズ４４のみが設けられている場合に比べ、集光レンズ４４と膜１１との間の距離、すなわち作動距離（ワーキングディスタンス）ＷＤを大きくすることができる。そのため、膜厚測定部８を真空搬送路６の外部に配置する際の位置の自由度が大きくなる。

例えば、図２に示すように、作動距離ＷＤを、集光レンズ４４の膜１１側の面と、真空搬送路６の内部に配置された基板１０の表面に成膜された膜１１の表面との間の距離と定義する。このとき、好適には、作動距離ＷＤは、３００ｍｍ以上である。作動距離ＷＤが３００ｍｍ未満の場合、真空搬送路６の内部に配置された基板１０と、真空搬送路６の壁部６ａまたは観察窓２２との間で、例えば接触を防止するための十分な間隔を確保できないおそれがある。また、作動距離ＷＤが３００ｍｍ未満の場合、真空搬送路６の外部に配置された膜厚測定部８（照射測定部２５）と、真空搬送路６の壁部６ａまたは観察窓２２との間で、例えば接触を防止するための十分な間隔を確保できないおそれがある。したがって、作動距離ＷＤが３００ｍｍ以上であるときは、基板１０と壁部６ａおよび観察窓２２との間で十分な間隔を確保することができ、膜厚測定部８（照射測定部２５）と壁部６ａおよび観察窓２２との間で十分な間隔を確保することができる。

ポンプ光４７およびプローブ光４８の光路ＯＰ１は、好適には、基板１０の表面に垂直な方向に延伸している。すなわち、好適には、ポンプ光照射部２７は、基板１０の表面に垂直な方向からポンプ光４７を照射し、プローブ光照射部２８は、基板１０の表面に垂直な方向からプローブ光４８を照射する。また、好適には、強度測定部２９は、照射されたプローブ光４８が基板１０の表面に垂直な方向に反射された反射光５１の強度を測定する。作動距離ＷＤを一定にしたとき、ポンプ光４７およびプローブ光４８を基板１０の表面に垂直な方向から照射することで、基板１０の表面に対して傾斜した方向から照射する場合に比べ、膜厚測定部８と、真空搬送路６の壁部６ａおよび観察窓２２との距離を大きくすることができる。そのため、膜厚測定部を真空搬送路の外部に配置する際の位置の自由度が大きくなる。

このようにして差動入力センサ４２およびロックインアンプ５２により測定された反射光５１の強度の測定値は、ロックインアンプ５２から算出部２６に送られる。

前述したように、可動式リトロリフレクタ３５（遅延時間発生部３０）は、ポンプ光４７とプローブ光４８との光路長差を発生させることで、ポンプ光４７とプローブ光４８との間の遅延時間を発生させる。そして、膜厚測定部８は、可動式リトロリフレクタ３５により発生させる遅延時間を変更しながら、ポンプ光照射部２７によるポンプ光４７の照射、プローブ光照射部２８によるプローブ光４８の照射、および、強度測定部２９による反射光５１の強度の測定を繰り返す。算出部２６は、各遅延時間に対応した、反射光５１の強度の測定値を含むデータを取得する。算出部２６は、このようにして取得したデータを例えば重ね合わせることで、すなわち、取得したデータに基づいて、反射光５１の強度の時間依存性を示すデータを得る。

図３は、反射光の強度の時間依存性を示すデータである。図３において、横軸は、ポンプ光とプローブ光との間の光路長差によって発生させた、ポンプ光とプローブ光との間の遅延時間に対応した時間を示し、縦軸は、反射光の強度に対応した強度を示している。図３に示すように、反射光の強度の時間依存性を示すデータは、振動波形を含む。

算出部２６（図２参照）は、このような振動波形を含むデータに対して、例えばフーリエ変換を施すことで、振動波形に含まれる周波数成分を抽出し、反射光の強度の周波数依存性を示すデータ、すなわち、反射光の強度の周波数スペクトルを得る。

図４は、反射光の強度の周波数依存性を示すデータである。図４において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、反射光の強度に対応した強度を示している。図４に示すデータ、すなわち周波数スペクトルでは、膜１１が振動する振動周波数ｆ１に対応したピークＰＫ１が検出され、ピークＰＫ１以外にも、基板１０が振動する振動周波数ｆ２に対応したピークＰＫ２が検出される。

ここで、膜の弾性定数をＣとし、膜の密度をρとし、膜の膜厚をｄとし、膜の振動周波数をｆとするとき、振動周波数ｆと膜厚ｄとの関係は、下記式（１）
Ｃ＝ρ×（２ｄ×ｆ）^２ （１）
で表される。上記式（１）を用いて膜の膜厚ｄを算出するためには、膜の振動周波数ｆを測定するだけでなく、膜の弾性定数Ｃおよび密度ρを予め求めておく必要がある。

本実施の形態１では、複数の基板１０に膜１１を成膜する際に、各基板１０の間で、膜１１の弾性定数Ｃおよび密度ρの変動は少ないと考えられる。そのため、図４において、膜１１の振動周波数に対応したピークが検出されると予測される周波数の付近で検出されるピークのみを、膜１１の振動に対応するものと判断することができる。このようにして、膜１１の振動周波数ｆを決定することができ、上記式（１）を用いて膜１１の膜厚ｄを算出することができる。

つまり、算出部２６は、遅延時間を変更しながら、強度測定部２９により測定された反射光５１の強度の測定値を取得し、取得した測定値に基づいて、膜厚を算出する。

このような構成により、本実施の形態１の成膜装置では、基板１０が真空チャンバ１の内部に配置された状態で、成膜部３により基板１０の表面に膜１１が成膜される。表面に膜１１が成膜された基板１０は、真空チャンバ１の内部から真空搬送路６の内部に搬送される。表面に膜１１が成膜された基板１０が真空搬送路６の内部に配置された状態で、基板１０の表面に成膜された膜１１には、膜厚測定部８の照射測定部２５により、真空搬送路６の外部から、観察窓２２を透過してポンプ光４７およびプローブ光４８が照射される。また、照射測定部２５は、照射されたプローブ光４８が膜１１により反射され、観察窓２２を透過して真空搬送路６の外部に導かれた反射光５１の強度を測定する。測定された強度に基づいて、膜厚測定部８の算出部２６が膜１１の膜厚を算出することで、膜厚測定部８は、膜１１の膜厚を測定する。

膜厚測定部８により測定された膜厚のデータは、プロセス制御機構１９に送られる。プロセス制御機構１９は、送られたデータに基づいて、成膜部３および保持部２の動作を制御する。具体的には、プロセス制御機構１９は、膜厚のデータに基づいて、膜１１の膜厚が、所望の膜厚または所望の膜厚分布となるように、蒸着源制御機構１８により、蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃの蒸着量、保持部２の回転数または保持部２の位置を制御する。

なお、図示は省略するが、レーザ光から作業者を保護するために、ポンプ光、プローブ光および反射光の光路を覆うように、各々の光を透過させない材質からなるカバーを設け、ポンプ光、プローブ光および反射光を外部に対して遮光することは、いうまでもない。

＜成膜工程＞
次に、本実施の形態１の成膜工程について説明する。図５は、実施の形態１の成膜工程の一部を示すフロー図である。

なお、以下の成膜工程は、複数の基板１０に対して順次蒸着処理を行うものである。そして、複数の基板１０のうち、現在蒸着処理を行う基板（現在の基板）を基板Ｗ１とし、前に蒸着処理を行った基板（前の基板）を基板Ｗ０とし、次に蒸着処理を行う基板（次の基板）を基板Ｗ２とする。

初めに、基板Ｗ１の蒸着条件（成膜条件）を設定する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１では、例えば予め行ったシミュレーションまたは実験に基づいて、各蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃの蒸着量、各蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃのツーリングファクターなどからなる蒸着条件を設定する。また、各蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび基板１０（基板Ｗ１）のいずれか一方が他方に対して相対的に移動する場合には、蒸着条件には、その移動速度も含まれる。

このステップＳ１１では、後述するステップＳ２２で説明するように、前の基板Ｗ０の膜厚の測定値と、さらにその前の基板の膜厚の測定値との差が目標の範囲内にないときは、上記の方法により設定されている蒸着条件を、さらに変更する。

次に、基板Ｗ１を真空チャンバ１に搬入する（ステップＳ１２）。このステップＳ１２では、例えばゲートバルブ２０を開き、搬送部７から保持部２へ基板（現在の基板）Ｗ１を受け渡し、再びゲートバルブ２０を閉じることで、基板Ｗ１を真空チャンバ１に搬入する。

次に、蒸着処理を開始する（蒸着開始、ステップＳ１３）。このステップＳ１３では、例えば抵抗による加熱、または、電子線源を用いた電子線照射による加熱により、蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃを蒸発させ、蒸発させた蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃを、真空チャンバ１の内部に配置された基板Ｗ１の表面に蒸着する。

次に、蒸着レートセンサにより測定された蒸着量が目標値に到達したか判定する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４では、蒸着中は、蒸着源の温度、蒸着源への投入電力量などを測定しながら、複数の蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々からの信号を換算機構１７により蒸着量に換算することで、蒸着材料１４ａ、１４ｂ、１４ｃの蒸着量を測定する。そして、蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃにより測定された蒸着量が目標値に到達したか否かを判定する。

このステップＳ１４において、測定された蒸着量が目標値に到達していないと判定されたときは、ステップＳ１４の前に戻り、蒸着処理（成膜工程）を継続する。

一方、このステップＳ１４において、測定された蒸着量が目標値に到達したと判定されたときは、蒸着処理を終了する（蒸着終了、ステップＳ１５）。

次に、基板Ｗ１を真空搬送路６へ搬出する（ステップＳ１６）。このステップＳ１６では、例えばゲートバルブ２０を開き、保持部２から搬送部７へ基板Ｗ１を受け渡し、再びゲートバルブ２０を閉じることで、基板Ｗ１を真空チャンバ１から真空搬送路６へ搬出する。

なお、ステップＳ１６を行った後、真空チャンバ１の内部は、基板が配置されていない状態、すなわち、真空チャンバ１の内部が空になるため、すぐに、次の基板を真空チャンバ１に搬入してもよい。これにより、タクトタイムを短縮することができる。

次に、膜の膜厚を測定する（ステップＳ１７）。このステップＳ１７では、基板Ｗ１が真空搬送路６の内部に配置された状態で、膜１１にポンプ光４７およびプローブ光４８を照射し、照射されたプローブ光４８が反射された反射光５１の強度を測定し、測定された強度に基づいて、膜１１の膜厚を測定する。

次に、膜厚の測定値が目標とする範囲内にあるか判定する（ステップＳ１８）。このステップＳ１８では、例えばプロセス制御機構１９により、膜厚の測定値が所定の目標とする範囲内にあるか否かを判定する。

このステップＳ１８において、膜厚の測定値が目標とする範囲内にないと判定されたときは、成膜工程を停止する（成膜停止、ステップＳ１９）。すなわち、膜厚の測定値が目標とする範囲内にないと判定されたときは、蒸着処理（成膜工程）において何らかの異常が発生したと判断し、成膜工程を停止し、膜１１が成膜された基板Ｗ１を廃棄する。

一方、このステップＳ１８において、膜厚の測定値が目標とする範囲内にあると判定されたときは、さらに次の判定工程（ステップＳ２０）に進む。このステップＳ２０では、現在の基板Ｗ１の膜厚の測定値と前の基板Ｗ０の膜厚の測定値との差が目標の範囲内にあるか判定する。すなわち、現在の基板Ｗ１の膜厚の測定値と前の基板Ｗ０の膜厚の測定値との差（変動量、差値）が、通常の変動分を考慮した許容範囲内にあるか判定する。

このステップＳ２０において、現在の基板Ｗ１の膜厚の測定値と前の基板Ｗ０の膜厚の測定値との差が目標の範囲内にあると判定されたときは、正常に蒸着処理（成膜工程）が行われていると判断する。そして、次の基板Ｗ２の蒸着条件（成膜条件）を設定する（ステップＳ２１）。このとき、ステップＳ２１で設定される蒸着条件は、ステップＳ１１で設定された蒸着条件と同一である。

一方、このステップＳ２０において、現在の基板Ｗ１の膜厚の測定値と前の基板Ｗ０の膜厚の測定値との差が目標の範囲内にないと判定されたときは、蒸着処理（成膜工程）に何らかの変動が生じたと判断する。そして、次の基板Ｗ２の蒸着条件を、現在の基板Ｗ１の蒸着条件と異なる蒸着条件に、変更する（ステップＳ２２）。次いで、蒸着条件が変更された状態で、次の基板Ｗ２の蒸着条件（成膜条件）を設定する（ステップＳ２１）。このステップＳ２２では、例えば予め行ったシミュレーションまたは実験により判明している膜厚値と蒸着条件との関係を用いて、蒸着条件を修正する。このような方法により、次の基板Ｗ２からは、修正した蒸着条件で蒸着処理を行うこととなるため、安定した品質を有する膜を成膜することができる。

＜成膜工程の変形例＞
一方、搬送部７により保持されている基板を、駆動部２１により回転または移動させながら、ステップＳ１７を行うことで、ステップＳ１７において、膜厚の測定値の分布（膜厚分布）を取得することができる。以下では、このような膜厚分布を取得する成膜工程を、本実施の形態１の成膜工程の変形例として説明する。

本変形例において、ステップＳ１１〜ステップＳ１６の各々は、上記した成膜工程におけるステップＳ１１〜ステップＳ１６の各々と同一であり、その説明を省略する。

しかし、本変形例のステップＳ１７については、搬送部７により保持されている基板Ｗ１を、駆動部２１により回転または移動させながら、実施の形態１におけるステップＳ１７を行う。すなわち、例えば搬送部７により保持されている基板Ｗ１を、駆動部２１により回転または移動させ、複数の位置の各々において膜厚を測定することで、膜厚分布を取得することができる。

次に、ステップＳ１８では、膜厚分布の均一性が目標とする範囲内にあるか判定する。このステップＳ１８では、膜厚分布の均一性として、例えば標準偏差の逆数を用いることができる。標準偏差が減少したときは、標準偏差の逆数は増加し、膜厚分布の均一性が向上したと判断される。一方、標準偏差が増加したときは、標準偏差の逆数は減少し、膜厚分布の均一性は低下したと判断される。そして、この標準偏差の逆数からなる膜厚分布の均一性が、所定の目標とする範囲内にあるか否か、すなわち、上限値以下であるか否かを判定する。

このステップＳ１８において、膜厚分布の均一性が目標とする範囲内にないと判定されたときは、成膜工程を停止する（成膜停止、ステップＳ１９）。すなわち、膜厚分布の均一性が目標とする範囲内にないと判定されたときは、蒸着処理（成膜工程）において何らかの異常が発生したと判断し、成膜工程を停止し、膜１１が成膜された基板Ｗ１を廃棄する。

一方、このステップＳ１８において、膜厚分布の均一性が目標とする範囲内にあると判定されたときは、さらに次の判定工程（ステップＳ２０）に進む。このステップＳ２０では、現在の基板Ｗ１の膜厚分布の均一性と前の基板Ｗ０の膜厚分布の均一性との差が目標の範囲内にあるか判定する。すなわち、現在の基板Ｗ１の膜厚分布の均一性と前の基板Ｗ０の膜厚分布の均一性との差（変動量、差値）が、通常の変動分を考慮した許容範囲内にあるか判定する。

このステップＳ２０において、現在の基板Ｗ１の膜厚分布の均一性と前の基板Ｗ０の膜厚分布の均一性との差が目標の範囲内にあると判定されたときは、正常に蒸着処理（成膜工程）が行われていると判断する。そして、次の基板Ｗ２の蒸着条件（成膜条件）を設定する（ステップＳ２１）。このとき、ステップＳ２１で設定される蒸着条件は、ステップＳ１１で設定される蒸着条件と同一である。

一方、このステップＳ２０において、現在の基板Ｗ１の膜厚分布の均一性と前の基板Ｗ０の膜厚分布の均一性との差が目標の範囲内にないと判定されたときは、蒸着処理（成膜工程）に何らかの変動が生じたと判断する。そして、次の基板Ｗ２の蒸着条件を、現在の基板Ｗ１の蒸着条件と異なる蒸着条件に、変更する（ステップＳ２２）。次いで、蒸着条件が変更された状態で、次の基板Ｗ２の蒸着条件（成膜条件）を設定する（ステップＳ２１）。

図６は、実施の形態１の成膜工程の変形例における、膜厚分布の均一性、膜厚分布の均一性の変動量および蒸着量の基板番号依存性を示すグラフである。なお、図６においては、同一ロットにおける３つの基板番号Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３の各々における膜厚分布を模式的に濃淡分布により示す分布ＤＳＴ１、ＤＳＴ２、ＤＳＴ３を合わせて示している。また、図６の蒸着量の基板番号依存性を示すグラフでは、蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々に対応した蒸着量を示している。

ロット内の初期の基板においては、例えば基板番号Ｎ１１の基板に対応した分布ＤＳＴ１に示すように、各測定点ＭＰ１における膜厚は略等しい。そのため、膜厚分布の均一性は、下限値ＬＬ１以上上限値ＵＬ１以下で略一定であり、膜厚分布の変動量も上限値ＵＬ２以下で略一定であり、蒸着レートセンサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々の蒸着量も、略一定である。

しかし、ロット内の中期の基板においては、例えば基板番号Ｎ１２の基板に対応した分布ＤＳＴ２に示すように、領域ＡＲ２の各測定点ＭＰ２２における膜厚は、領域ＡＲ１の各測定点ＭＰ２１における膜厚、および、領域ＡＲ３の各測定点ＭＰ２３における膜厚に比べ、厚い。そのため、膜厚分布の均一性は、基板番号の増加に伴って、低下している。しかし、膜厚分布の均一性は、下限値ＬＬ１以上上限値ＵＬ１以下であり、ステップＳ１８において、膜厚分布が目標とする範囲内にあると判定されるため、蒸着処理（成膜工程）は停止されない。

一方、膜厚分布の均一性の変動量は、上限値ＵＬ２を超えており、ステップＳ２０において、現在の基板の膜厚分布の均一性と前の基板の膜厚分布の均一性との差が目標の範囲内にないと判定される。そのため、次の基板の蒸着条件（成膜条件）を変更し（ステップＳ２２）、変更された蒸着条件を設定する（ステップＳ２１）。その結果、蒸着レートセンサ１５ｂの蒸着量が変化する。

その後、膜厚分布の均一性の変動量が上限値ＵＬ２以下になるように、逐次蒸着条件が変更される。これにより、ロット内の後期の基板においては、例えば基板番号Ｎ１３の基板に対応した分布ＤＳＴ３に示すように、各測定点ＭＰ３における膜厚は略等しくなる。そして、膜厚分布の均一性は、下限値ＬＬ１以上上限値ＵＬ１以下で略一定の値に回復し、膜厚分布の変動量も上限値ＵＬ２以下で略一定の値に回復する。

また、上記図６では、基板ごとに膜厚分布の均一性および膜厚分布の均一性の変動量を取得している。しかし、例えば２５枚の基板からなるロット内において、代表番号の基板について膜厚分布を測定し、ロットごとに膜厚分布の均一性、膜厚分布の均一性の変動を取得するようにしてもよい。

＜基板の表面に成膜された膜の膜厚測定について＞
上記特許文献１に記載された水晶振動子からなるセンサを用いた膜厚モニタの技術は、基板の表面に成膜された膜の膜厚を直接測定するものではない。したがって、予め、センサによる測定値と、膜厚測定の対象物（測定対象物）である膜の実際の膜厚との比較（較正）を行って補正係数を取得し、膜を成膜する際には、センサによる測定値を、予め取得した補正係数を用いて補正することで膜厚を算出しなくてはならない。

しかし、上記補正係数は、真空チャンバ内でセンサが設置される位置、真空チャンバ内における温度分布、または、成膜工程のフローなどの成膜条件により変化する。そのため、例えば成膜条件を変更した場合にも、上記補正係数が変化するため、補正係数を取得して補正をし直さなければならず、測定対象物である膜の膜厚を精度よく測定することは容易ではない。

上記特許文献２に記載されたエリプソメータを用いた膜厚モニタの技術によれば、膜厚を直接測定することができる。しかし、エリプソメータを用いた膜厚測定方法は光学干渉式の方法であるため、測定対象物としての膜が、入射光を透過可能であることが必要である。例えば測定対象物としての膜が金属膜である場合には、膜厚が数１０ｎｍ以下であるときは、入射光を透過可能であり、膜厚の測定は可能である。しかし、膜厚が数１０ｎｍ以上、例えば１００ｎｍ以上であるときは、入射光を透過できないので、膜を透過した透過光の光量が不足し、膜厚の測定値の精度が低下するか、膜厚の測定が不可能となる。

上記特許文献３に記載された光学式光透過法を用いた膜厚測定の技術についても、エリプソメータを用いた技術と同様に、膜厚が１００ｎｍ以上の金属膜については、透過光の光量が不足し、膜厚の測定値の精度が低下するか、膜厚の測定が不可能となる。

上記特許文献４に示すポンププローブ法を用いた膜厚測定の技術によれば、測定対象物としての膜にポンプ光を照射して超音波を生じさせ、プローブ光でその表面振動を検出することで、測定対象物としての膜の厚さを測定する。しかし、特許文献４に記載された技術では、膜厚測定の際に基板が大気中に暴露されることを防止することができない。そのため、測定対象物としての膜が例えば酸化や吸湿などにより変質するものである場合には、膜厚測定の際に、膜が変質するか、または、膜の機能が低下するおそれがある。

このように、膜厚測定の際に基板が大気中に暴露されることを防止できないことは、上記特許文献４に記載された技術だけでなく、上記特許文献２に記載された技術、および、上記特許文献３に記載された技術においても、同様に問題となる。

＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
一方、本実施の形態１の成膜装置は、基板の表面に膜を成膜する成膜装置であって、表面に膜が成膜された基板が真空搬送路の内部に配置された状態で、膜厚測定部によりポンププローブ法を用いて膜厚を測定する。膜厚測定部は、基板の表面に成膜された膜にポンプ光およびプローブ光を照射し、照射されたプローブ光が反射された反射光の強度を測定し、測定された強度に基づいて、膜の膜厚を測定する。

本実施の形態１によれば、膜厚を直接測定することができる。そのため、水晶振動子からなるセンサを用いた膜厚モニタの技術と異なり、成膜条件を変更した場合に、センサによる測定値を予め取得した補正係数を用いて補正する必要がない。これにより、測定対象物である膜の膜厚を直接精度よく測定することができるので、膜厚変化の有無について、および、蒸着源の状態の変化について、正確にモニタリングすることができる。また、大面積を有する大型の基板に対して蒸着処理（成膜工程）を行う際にも、測定対象物の実際の膜厚分布を、直接かつ精度よく測定することができる。

また、本実施の形態１によれば、上記特許文献２に記載されたエリプソメータまたは上記特許文献３に記載された光学式透過法を用いた膜厚モニタの技術と異なり、測定対象物としての膜が、入射光を透過可能である必要がない。そのため、測定対象物としての膜が金属膜である場合にも、直接かつ精度よく膜厚を測定することができる。

一方、本実施の形態１によれば、真空搬送路は、気密に設けられており、真空搬送路の壁部には、ポンプ光およびプローブ光が透過可能な観察窓が設けられている。そして、膜厚測定部は、真空搬送路の外部から、ポンプ光およびプローブ光を、観察窓を透過させて照射し、観察窓を透過して真空搬送路の外部に導かれた反射光の強度を測定する。これにより、膜厚測定の際に基板が大気中に暴露されることを防止することができる。そのため、測定対象物としての膜が例えば酸化や吸湿などにより変質するか、または、機能が低下するものである場合にも、その膜の変質、または、機能低下を防止することができる。

また、本実施の形態１によれば、好適には、真空チャンバは気密に設けられており、真空搬送路は、気密であって真空チャンバと連通可能に設けられている。このような構成により、真空チャンバ内で表面に膜が成膜された基板について、成膜された膜の膜厚を真空搬送路の内部で測定する際にも、基板が大気中に暴露されることを防止することができる。

さらに、本実施の形態１によれば、好適には、膜厚測定部（照射測定部）と観察窓との間に、ビームエキスパンダと、集光レンズが設けられている。これにより、ビームエキスパンダが設けられず、集光レンズのみが設けられている場合に比べ、集光レンズと膜との間の距離、すなわち作動距離を大きくすることができる。そのため、膜厚測定部を真空搬送路の外部に配置する際の位置の自由度が大きくなる。

さらに、本実施の形態１によれば、好適には、ポンプ光照射部は、基板の表面に垂直な方向からポンプ光を照射し、プローブ光照射部が基板の表面に垂直な方向からプローブ光を照射する。また、好適には、強度測定部は、照射されたプローブ光が基板の表面に垂直な方向に反射された反射光の強度を測定する。これにより、膜厚測定部と真空搬送路との距離を大きくすることができる。そのため、膜厚測定部を真空搬送路の外部に配置する際の位置の自由度が大きくなる。

上記したように、真空搬送路の壁部に観察窓を設けると、例えば壁部と観察窓との間でリークが発生しやすくなる。したがって、膜厚測定の際に基板が大気中に暴露されることを防止する観点からは、真空搬送路に設けられる観察窓の数をできるだけ少なくするか、または、観察窓の大きさ（面積）をできるだけ小さくすることが好ましい。

本実施の形態１の成膜装置では、上記したように、基板の表面に垂直な方向からポンプ光およびプローブ光を照射し、基板の表面に垂直な方向に反射された反射光の強度を測定することができる。これにより、真空搬送路に設けられる観察窓の大きさ（面積）を容易に小さくすることができる。したがって、例えば壁部と観察窓との間でリークが発生する確率を低減できるので、膜厚測定の際に基板が大気中に暴露されることをより確実に防止することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２の成膜装置について説明する。実施の形態１の成膜装置では、真空搬送路の内部に配置された基板の表面に成膜された膜に照射されるポンプ光およびプローブ光の光路は、ダイクロイックミラーよりも膜側において、１本であった。それに対して、実施の形態２の成膜装置では、真空搬送路の内部に配置された基板の表面に成膜された膜に照射されるポンプ光およびプローブ光の光路は、ダイクロイックミラーよりも膜側において、複数本であり、その複数本の光路が切り替わるようになっている。したがって、本実施の形態２の成膜装置のうち、膜厚測定部の照射測定部におけるダイクロイックミラーよりも膜側の部分以外の各部分については、実施の形態１の成膜装置における各部分と同一であり、その説明を省略する。

＜膜厚測定部＞
図７は、実施の形態２の成膜装置における膜厚測定部の構成を示す図である。図８は、実施の形態２の成膜装置における膜厚測定部の構成を示す斜視図である。図７は、膜厚測定部８ａのうち照射測定部２５ａ、および、真空搬送路６を示している。

本実施の形態２の成膜装置において、真空搬送路６の外部には、膜厚測定部８ａが設けられている。膜厚測定部８ａは、照射測定部２５ａおよび算出部２６を含む。

照射測定部２５ａは、実施の形態１の成膜装置における照射測定部２５と同様に、ポンプ光照射部２７、プローブ光照射部２８、強度測定部２９および遅延時間発生部３０を含み、いわゆるポンププローブ法により膜厚を測定する。前述したように、本実施の形態２の成膜装置における膜厚測定部８ａの照射測定部２５ａのうち、ダイクロイックミラー３７よりも膜１１側の部分以外の各部分については、実施の形態１の成膜装置における各部分と同一であり、その説明を省略する。すなわち、図７に示す照射測定部２５ａのうち、図２に示す照射測定部２５における各部分と同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

なお、図７においても、図２と同様に、分岐ミラー３２からダイクロイックミラー３７までの各光学素子およびセンサのうち、差動入力センサ４２を除いた部分を、光学系ユニット４５と定義する。

図７に示す照射測定部２５ａでは、光学系ユニット４５から導出されたポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路ＯＰ１上に、光ファイバ（光路）６２が設けられている。光ファイバ６２の光学系ユニット４５側は、光学系ユニット４５のダイクロイックミラー３７に接続されている。光ファイバ６２の膜１１（測定対象物）側には、ファイバスイッチャ（走査部）６３が接続されている。ファイバスイッチャ６３の膜１１側には、ポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路として、複数の光ファイバ（光路）６４ａ、６４ｂ、６４ｃが接続されている。ファイバスイッチャ６３は、複数の光ファイバ（光路）６４ａ、６４ｂ、６４ｃの各々を、時分割で光ファイバ（光路）６２と接続する。すなわち、光ファイバ６２は、ファイバスイッチャ６３によって、時分割で、複数の光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃの各々に切り替えて接続される。

各光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃの膜１１（測定対象物）側には、それぞれ長ワーキングディスタンス光学系４６ａ、４６ｂ、４６ｃが接続されている。各長ワーキングディスタンス光学系４６ａ、４６ｂ、４６ｃには、ビームエキスパンダ４３および集光レンズ４４が設けられている。

図７および図８に示すように、例えば真空搬送路６の壁部６ａに観察窓２２が設けられており、長ワーキングディスタンス光学系４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、観察窓２２を中心として、真空搬送路６の内部に配置された基板１０と対向する位置に設けられている。

ダイクロイックミラー３７により反射されたポンプ光４７は、光学系ユニット４５から導出される。光学系ユニット４５から導出されたポンプ光４７は、光ファイバ６２（光路ＯＰ１）を通る。光ファイバ６２を通ったポンプ光４７は、ファイバスイッチャ６３により時分割で切り替えて接続された、複数の光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃのいずれかを通る。複数の光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃのいずれかを通ったポンプ光４７は、複数の長ワーキングディスタンス光学系４６ａ、４６ｂ、４６ｃのいずれかのビームエキスパンダ４３に入射される。ビームエキスパンダ４３は、レーザ光からなるポンプ光４７の光束を一定の倍率の光束に広げる。

ビームエキスパンダ４３により光束が広げられたポンプ光４７は、集光レンズ４４を透過した後、真空搬送路６の外部から観察窓２２を透過し、真空搬送路６の内部に配置された基板１０の表面に成膜されている膜１１に照射される。このとき、集光レンズ４４は、ビーム径が拡大された（光束が広げられた）ポンプ光４７を、基板１０の表面に成膜された膜１１の表面で集光させて照射する。

なお、本実施の形態２においても、レーザ３１、分岐ミラー３２、ＡＯＭ３３およびダイクロイックミラー３７は、ポンプ光照射部２７として動作する。

一方、ダイクロイックミラー３７を透過したプローブ光４８の光路は、ポンプ光４７の光路と共通の光路ＯＰ１となる。そして、ダイクロイックミラー３７を透過したプローブ光４８は、ポンプ光４７と同様に、光学系ユニット４５から導出され、光ファイバ６２（光路ＯＰ１）を通る。光ファイバ６２を通ったプローブ光４８は、ファイバスイッチャ６３により時分割で切り替えて接続された、複数の光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃのいずれかを通る。複数の光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃのいずれかを通ったプローブ光４８は、複数の長ワーキングディスタンス光学系４６ａ、４６ｂ、４６ｃのいずれかのビームエキスパンダ４３に入射され、光束が広げられる。

ビームエキスパンダ４３により光束が広げられたプローブ光４８は、集光レンズ４４を透過した後、真空搬送路６の外部から観察窓２２を透過し、真空搬送路６の内部に配置された基板１０の表面に成膜された膜１１に照射される。このとき、集光レンズ４４は、ビーム径が拡大された（光束が広げられた）プローブ光４８を、基板１０の表面に成膜された膜１１の表面で集光させて照射する。また、膜１１に照射されたプローブ光４８は、膜１１により反射される。

なお、本実施の形態２においても、レーザ３１、分岐ミラー３２、非線形光学結晶素子３８およびダイクロイックミラー３７は、プローブ光照射部２８として動作する。

膜１１により反射された反射光５１は、観察窓２２を透過し、集光レンズ４４、ビームエキスパンダ４３、複数の光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃのいずれか、および、光ファイバ６２を通った後、ダイクロイックミラー３７を通る。ダイクロイックミラー３７を通った反射光５１のうち、一部は、ハーフミラー４１により反射され、差動入力センサ４２に入射される。

＜複数の長ワーキングディスタンス光学系を用いた膜厚測定方法＞
このような複数の長ワーキングディスタンス光学系を用いることにより、例えば以下のような２つの方法により、複数の位置の各々において、膜厚を測定することができる。

なお、以下の説明において、ポンプ光４７が照射される位置とプローブ光４８が照射される位置とが同一である場合には、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置とは、その同一の位置を示す。また、ポンプ光４７が照射される位置とプローブ光４８が照射される位置とが例えば微小距離離れている場合には、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置とは、ポンプ光４７が照射される位置とプローブ光４８が照射される位置との２つの位置からなる組み合わせを示す。

第１の方法としては、まず、ファイバスイッチャ（走査部）６３により、光ファイバ６２を光ファイバ６４ａに接続してポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替え、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を位置（測定点）ＭＰ４１に決定する。そして、可動式リトロリフレクタ３５によりポンプ光４７とプローブ光４８との間の遅延時間を変更しながら反射光５１の強度の測定を繰り返すことで、位置ＭＰ４１における膜１１の膜厚を算出する。

次いで、ファイバスイッチャ６３により、光ファイバ６２を光ファイバ６４ｂに接続してポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替え、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を位置（測定点）ＭＰ４２に決定する。そして、可動式リトロリフレクタ３５により遅延時間を変更しながら反射光５１の強度の測定を繰り返すことで、位置ＭＰ４２における膜１１の膜厚を算出する。

次いで、ファイバスイッチャ６３により、光ファイバ６２を光ファイバ６４ｃに接続してポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替え、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を位置（測定点）ＭＰ４３に決定する。そして、可動式リトロリフレクタ３５により遅延時間を変更しながら反射光５１の強度の測定を繰り返すことで、位置ＭＰ４３における膜１１の膜厚を算出する。

このようにして、ファイバスイッチャ６３により照射位置を走査しながら、算出部２６による膜厚の算出を繰り返すことで、複数の位置ＭＰ４１、ＭＰ４２、ＭＰ４３の各々において、膜１１の膜厚を測定する。つまり、ファイバスイッチャ６３により照射位置を走査しながら、膜厚測定部８ａによる膜厚の測定を繰り返すことで、複数の位置ＭＰ４１、ＭＰ４２、ＭＰ４３の各々において、膜１１の膜厚を測定する。

または、第２の方法としては、可動式リトロリフレクタ３５によりポンプ光４７とプローブ光４８との間の遅延時間をある時間に決定する。そして、ファイバスイッチャ６３により光ファイバ６２を時分割で光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃに接続し、ポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替える。また、ファイバスイッチャ６３によりポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替えることで、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を複数の位置ＭＰ４１、ＭＰ４２、ＭＰ４３の間で走査しながら、反射光５１の強度を測定する。

次いで、可動式リトロリフレクタ３５により遅延時間を別の時間に決定する。そして、ファイバスイッチャ６３により光ファイバ６２を時分割で光ファイバ６４ａ、６４ｂ、６４ｃに接続し、ポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替える。また、ファイバスイッチャ６３によりポンプ光４７およびプローブ光４８の共通の光路を切り替えることで、ポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を複数の位置ＭＰ４１、ＭＰ４２、ＭＰ４３の間で走査しながら、反射光５１の強度を測定する。

このようにして、可動式リトロリフレクタ３５により遅延時間を変更しながら反射光５１の強度の測定を繰り返すことで、複数の位置ＭＰ４１、ＭＰ４２、ＭＰ４３の各々において、膜１１の膜厚を測定する。

ファイバスイッチャ６３によりポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を走査するための時間が、可動式リトロリフレクタ３５により遅延時間を変更するための時間よりも長いときは、上記第１の方法を行うことで、測定時間を短縮することができる。一方、ファイバスイッチャ６３によりポンプ光４７およびプローブ光４８の照射位置を走査するための時間が、可動式リトロリフレクタ３５により遅延時間を変更するための時間よりも短いときは、上記第２の方法を行うことで、測定時間を短縮することができる。

また、図８に示すように、膜厚測定と同期して、基板１０を搬送部７により、図８に示す方向ＤＲ１に沿って移動させることで、例えば位置ＭＰＡに示すように、膜１１の表面全面における複数の位置における膜厚分布を測定することができる。

なお、図示は省略するが、レーザ光から作業者を保護するために、ポンプ光、プローブ光および反射光の光路を覆うように、各々の光を透過させない材質からなるカバーを設け、ポンプ光、プローブ光および反射光を外部に対して遮光することは、いうまでもない。

＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
本実施の形態２の成膜装置も、実施の形態１の成膜装置と同様の特徴と効果を有する。

さらに、本実施の形態２の成膜装置では、ファイバスイッチャにより、ポンプ光およびプローブ光の光路を切り替え、ポンプ光およびプローブ光が膜に照射される照射位置を走査しながら、算出部により膜厚を算出する。これにより、複数の位置において膜の膜厚を測定することができる。

また、本実施の形態２の成膜装置では、１台のレーザおよび１系統の光学系ユニットを、時分割して使用する。このため、レーザを複数台、または、光学系ユニットを複数系統使用して複数の位置において膜の膜厚を測定する場合に比べ、装置コストを低減することができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３の成膜装置について説明する。実施の形態１の成膜装置では、基板の表面全面に膜を成膜するものであり、単層の膜が成膜された場合に、成膜された膜の膜厚を測定するものであった。それに対して、実施の形態３の成膜装置では、基板の表面にマスクを介して膜のパターンを形成するものであり、複数層（膜）からなるパターンが形成された場合において、各層（膜）の膜厚を測定するものである。

＜成膜装置＞
初めに、本実施の形態３の成膜装置の構造について説明する。図９は、実施の形態３の成膜装置の概略構成を示す図である。

図９に示すように、成膜装置は、真空チャンバ（成膜室）１、保持部２ａ、成膜部３、蒸着量測定部４、制御部５、真空搬送路（搬送室）６、搬送部７および膜厚測定部８を有する。本実施の形態３の成膜装置のうち、保持部２ａ以外の各部分については、実施の形態１の成膜装置における各部分と同一であり、その説明を省略する。

保持部２ａは、実施の形態１と同様に、真空チャンバ１の内部において、例えば静電吸着などにより、基板１０を成膜部３に対向させた状態で、基板１０を保持する。保持部２ａは、実施の形態１と同様に、例えば図９のＺ軸の周りに回転可能に設けられており、駆動部１２により保持部２ａを回転駆動することで、保持部２ａに保持されている基板１０を回転させることができる。また、保持部２ａは、実施の形態１と同様に、例えば図９のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の全部または一部の方向に移動可能に設けられていてもよい。このとき、駆動部１２により保持部２ａを移動駆動することで、真空チャンバ１の内部における基板１０の位置を調整することができる。

さらに、本実施の形態３では、実施の形態１とは異なり、保持部２ａは、基板１０に加え、マスク６５を保持する。マスク６５は、基板１０よりも蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃ側に位置するように、例えば保持部２ａにより保持される。マスク６５は、基板１０の表面に膜１１のパターンを形成するためのものである。

＜膜厚測定部＞
本実施の形態３の成膜装置の膜厚測定部８については、実施の形態１の成膜装置の膜厚測定部８と同一の構成とすることができるため、その説明を省略する。なお、本実施の形態３の成膜装置の膜厚測定部は、実施の形態２の成膜装置の膜厚測定部８ａ（図７参照）のように、ファイバスイッチャ６３によりポンプ光４７およびプローブ光４８が膜１１に照射される照射位置を走査するものであってもよい。

＜成膜工程＞
次に、本実施の形態３の成膜工程について説明する。図１０は、実施の形態３の成膜工程により形成される膜のパターンを示す平面図である。図１１は、実施の形態３の成膜工程により形成される膜のパターンを拡大して示す図である。図１１は、図１０に示す膜のパターンのうち、線で囲まれた領域ＵＣを拡大して示している。図１２は、実施の形態３の成膜工程により形成される膜のパターンを示す断面図である。図１２は、図１１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

なお、以下では、基板１０として基板７０を用い、基板７０の表面７０ａに、第１層（第１膜）７１からなるパターン７１ａ、および、第２層（第２膜）７２からなるパターン７２ａを形成する場合について、説明する。

図１０に示すように、基板７０の表面７０ａのうち、領域部７３が、ダイシングされ（切り出され）、有効な部品（チップ）となる部分である。これらの有効な部品（チップ）には、テレビ、スマートフォンまたはディスプレイ部など各種の電子機器に備えられるパネル部品等、各種の部品が含まれる。図１０では、１２個の領域部７３が２次元的に配列されている。図１２に示すように、領域部７３では、それぞれ例えば異なる金属膜からなる第１層（第１膜）７１および第２層（第２膜）７２が成膜されている。基板７０の表面７０ａのうち、領域部７３以外の部分は、ダイシングされるためのスクライブエリア、あるいは、有効な部品（チップ）の性能に影響を与えない部分となる。

図１０に示す例では、基板７０の表面７０ａであって領域部７３以外の部分のうち、領域部７４および領域部７５には、蒸着処理（成膜工程）を管理するためのＴＥＧ（テストエレメントグループ）パターンが配置されている。図１２に示すように、領域部７４には、第２層７２が成膜されておらず、第１層７１のみが成膜されている。領域部７５には、第１層７１が成膜されておらず、第２層７２のみが成膜されている。すなわち、領域部７４は、領域部７３における第１層７１を管理するためのＴＥＧパターンであり、領域部７５は、領域部７３における第２層７２を管理するためのＴＥＧパターンである。

次に、第１層７１および第２層７２を成膜する成膜工程について説明する。図１３〜図１５は、実施の形態３の成膜工程における基板の要部断面図である。

まず、図１３に示すように、マスク６５（図９参照）として第１マスク７６を用い、第１マスク７６を介して成膜部３により基板７０の表面７０ａに第１層７１を成膜する。すなわち、第１マスク７６が基板７０よりも蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃ側に位置するように、基板７０および第１マスク７６を保持部２ａにより保持した状態で、成膜部３により基板７０の表面７０ａに第１層７１を成膜する。

図１３に示すように、第１マスク７６のうち、領域部７３および領域部７４には、上面から下面に到達する貫通孔７７が形成されているが、領域部７５には貫通孔７７が形成されていない。そのため、基板７０の表面７０ａのうち、領域部７３および領域部７４には、第１層７１が成膜されるが、領域部７５には、第１層７１が成膜されない。その結果、図１４に示すように、第１層７１からなるパターン７１ａが形成される。

第１層７１からなるパターン７１ａが形成された後、基板７０（基板１０）を真空搬送路６に搬出し、ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７３および領域部７４で第１層７１に照射し、算出部２６により膜厚を算出することで、第１層７１の膜厚を測定する。具体的には、実施の形態１の成膜工程における膜厚測定と同様に行うことができる。これにより、第１層７１の蒸着処理（成膜工程）を管理することができる。

ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７３および領域部７４で第１層７１に照射するためには、搬送部７を図９のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる。あるいは、膜厚測定部が、実施の形態２の膜厚測定部８ａのように、ファイバスイッチャ６３により光路を切り替えるものであるときは、ファイバスイッチャ６３により切り替えて、ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７３または領域部７４で第１層７１に照射する。

また、第１層７１の膜厚を測定する工程は、第１層７１からなるパターン７１ａが形成された後に行うものであればよく、例えば後述する、第２層７２からなるパターン７２ａが形成された後に行うものであってもよい。

次に、図１５に示すように、マスク６５（図９参照）として第２マスク７８を用い、第２マスク７８を介して成膜部３により基板７０の表面７０ａに第２層７２を成膜する。すなわち、第２マスク７８が基板７０よりも蒸着源１３ａ、１３ｂ、１３ｃ側に位置するように、基板７０および第２マスク７８を保持部２ａにより保持した状態で、成膜部３により基板７０の表面７０ａに第２層７２を成膜する。

図１５に示すように、第２マスク７８のうち、領域部７３および領域部７５には、上面から下面に到達する貫通孔７９が形成されているが、領域部７４には貫通孔７９が形成されていない。そのため、基板７０の表面７０ａのうち、領域部７３および領域部７５には、第２層７２が成膜されるが、領域部７４には、第２層７２が成膜されない。その結果、図１２に示したように、第２層７２からなるパターン７２ａが形成される。領域部７３には、第１層７１および第２層７２が成膜され、領域部７４には、第１層７１のみが成膜され、領域部７５には、第２層７２のみが成膜される。

第２層７２からなるパターン７２ａが形成された後、基板７０（基板１０）を真空搬送路６に搬出し、ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７３および領域部７５で第２層７２に照射し、算出部２６により膜厚を算出することで、第２層７２の膜厚を測定する。具体的には、実施の形態１の成膜工程における膜厚測定と同様に行うことができる。これにより、第２層７２の蒸着処理（成膜工程）を管理することができる。なお、ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７４で第１層７１に照射し、算出部２６により膜厚を算出することで、第１層７１の膜厚を測定することもできる。

ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７３および領域部７５で第２層７２に照射するためには、搬送部７を図９のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる。あるいは、膜厚測定部が、実施の形態２の膜厚測定部８ａのように、ファイバスイッチャ６３により光路を切り替えるものであるときは、ファイバスイッチャ６３により切り替えて、ポンプ光４７およびプローブ光４８を領域部７３または領域部７５で第２層７２に照射する。

領域部７４および領域部７５において、上記したようなＴＥＧパターンを設けることで、例えば、領域部７４では、第２層７２の影響を受けずに第１層７１の膜厚を計測することができ、領域部７５では、第１層７１の影響を受けずに第２層７２の膜厚を計測することができる。

＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
膜厚の測定対象物である膜が複数層からなり、その複数層の各層の弾性定数または密度が互いに近い場合には、上記特許文献４に示したような、単にポンププローブ法を用いただけの膜厚測定の技術では、各層の膜厚を分離して測定することは困難である。

一方、本実施の形態３の成膜工程によれば、複数層が成膜され、有効な部品（チップ）となる領域部以外の部分に、その複数層のうちいずれかの層のみが成膜されるようなＴＥＧパターンが形成される領域部を設ける。そして、各層の蒸着処理（成膜工程）の後、いずれかの層のみが成膜された領域部において、ポンププローブ法を用いた膜厚測定部により膜厚を測定する。これにより、膜厚の測定対象物である膜が複数層からなり、その複数層の各層の弾性定数または密度が互いに近い場合であっても、ポンププローブ法を用いて、各層の膜厚を分離して測定することができる。

その他、本実施の形態３の成膜装置も、実施の形態１の成膜装置と同様の特徴と効果を有する。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、成膜装置および成膜方法に適用して有効である。

１ 真空チャンバ（成膜室）
２、２ａ 保持部
３ 成膜部
４ 蒸着量測定部
５ 制御部
６ 真空搬送路（搬送室）
６ａ 壁部
７ 搬送部
８、８ａ 膜厚測定部
１０、７０ 基板
１１ 膜
１２、２１ 駆動部
１３ａ〜１３ｃ 蒸着源
１４ａ〜１４ｃ 蒸着材料
１５ａ〜１５ｃ 蒸着レートセンサ
１６ａ〜１６ｃ 開口部
１７ 換算機構
１８ 蒸着源制御機構
１９ プロセス制御機構
２０ ゲートバルブ
２２ 観察窓（窓部）
２５、２５ａ 照射測定部
２６ 算出部
２７ ポンプ光照射部
２８ プローブ光照射部
２９ 強度測定部
３０ 遅延時間発生部
３１ レーザ
３２ 分岐ミラー
３３ 音響光学変調素子（ＡＯＭ）
３４、３６ａ、３６ｂ、３９ ミラー
３５ 可動式リトロリフレクタ
３６ ミラーセット
３７ ダイクロイックミラー（波長分離ミラー）
３８ 非線形光学結晶素子
４０、４１ ハーフミラー
４２ 差動入力センサ
４３ ビームエキスパンダ
４４ 集光レンズ
４５ 光学系ユニット
４６、４６ａ〜４６ｃ 長ワーキングディスタンス光学系
４７ ポンプ光
４８ プローブ光
４９ 信号発生器
５０ 基準光
５１ 反射光
５２ ロックインアンプ
５３ 信号
６２、６４ａ〜６４ｃ 光ファイバ
６３ ファイバスイッチャ（走査部）
６５ マスク
７０ａ 表面
７１ 第１層（第１膜）
７１ａ、７２ａ パターン
７２ 第２層（第２膜）
７３〜７５ 領域部
７６ 第１マスク
７７、７９ 貫通孔
７８ 第２マスク
ＡＲ１〜ＡＲ３、ＵＣ 領域
ＤＲ１ 方向
ＤＳＴ１〜ＤＳＴ３ 分布
ＭＰ１、ＭＰ２１〜ＭＰ２３、ＭＰ３ 測定点
ＭＰ４１〜ＭＰ４３、ＭＰＡ 位置（測定点）
ＯＰ１ 光路
Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２ 基板

Claims (15)

1. 基板の表面に膜を成膜する成膜部と、
   気密に設けられた第１室と、
   前記第１室の壁部に設けられ、ポンプ光およびプローブ光が透過可能な窓部と、
   前記成膜部により前記表面に前記膜が成膜された前記基板が前記第１室の内部に配置された状態で、前記第１室の外部から、前記ポンプ光および前記プローブ光を、前記窓部を透過させて前記膜に照射し、照射された前記プローブ光が前記膜により反射され、前記窓部を透過して前記第１室の外部に導かれた、反射光の強度を測定し、測定された前記強度に基づいて、前記膜の膜厚を測定する膜厚測定部と、
   を有する、成膜装置。
2. 請求項１記載の成膜装置において、
   前記成膜部および前記膜厚測定部の動作を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、
   前記成膜部により、第１成膜条件で、前記基板の前記表面に前記膜を成膜し、
   前記膜厚測定部により前記膜厚を測定して取得した第１測定値が第１範囲内にあるか否かを判定し、
   前記第１測定値が前記第１範囲内にないと判定されたときに、前記成膜部による成膜を停止し、
   前記第１測定値が前記第１範囲内にあると判定されたときに、前記成膜部により、前の基板の表面に成膜された前記膜の膜厚を測定して取得した第２測定値と、前記第１測定値との差値が、第２範囲内にあるか否かを判定し、
   前記差値が前記第２範囲内にないと判定されたときに、前記成膜部により、前記第１成膜条件と異なる第２成膜条件で、次の基板の表面に前記膜を成膜するように制御する、成膜装置。
3. 請求項１記載の成膜装置において、
   前記膜厚測定部は、
   前記第１室の外部から、前記ポンプ光を、前記窓部を透過させて前記膜に照射するポンプ光照射部と、
   前記ポンプ光が照射された前記膜に、前記プローブ光を、前記第１室の外部から前記窓部を透過させて照射するプローブ光照射部と、
   照射された前記プローブ光が前記膜により反射され、前記窓部を透過して前記第１室の外部に導かれた、前記反射光の強度を測定する強度測定部と、
   前記ポンプ光と前記プローブ光との間の遅延時間を発生させる遅延時間発生部と、
   前記膜厚を算出する算出部と、
   を含み、
   前記膜厚測定部は、前記遅延時間発生部により発生させる前記遅延時間を変更しながら、前記ポンプ光照射部による前記ポンプ光の照射と、前記プローブ光照射部による前記プローブ光の照射と、前記強度測定部による前記反射光の強度の測定とを繰り返し、前記強度測定部により測定された前記強度に基づいて、前記算出部により前記膜厚を算出することで、前記膜厚を測定する、成膜装置。
4. 請求項３記載の成膜装置において、
   前記ポンプ光照射部は、前記基板の前記表面に垂直な方向から前記ポンプ光を照射し、
   前記プローブ光照射部は、前記基板の前記表面に垂直な方向から前記プローブ光を照射し、
   前記強度測定部は、照射された前記プローブ光が前記基板の前記表面に垂直な方向に反射された前記反射光の強度を測定する、成膜装置。
5. 請求項３記載の成膜装置において、
   前記プローブ光照射部は、前記プローブ光を、前記ポンプ光の光路と共通の光路を通して、前記膜に照射し、
   前記膜厚測定部は、
   前記共通の光路上に設けられ、前記ポンプ光の光束を広げ、前記プローブ光の光束を広げるビームエキスパンダと、
   前記共通の光路上であって前記ビームエキスパンダよりも前記膜側に設けられ、前記ポンプ光を前記膜の表面で集光させて照射し、前記プローブ光を前記膜の表面で集光させて照射する集光レンズと、
   を含む、成膜装置。
6. 請求項３記載の成膜装置において、
   前記プローブ光照射部は、前記プローブ光を、前記ポンプ光の光路と共通の光路を通して、前記膜に照射し、
   前記膜厚測定部は、前記共通の光路を切り替えることで、前記ポンプ光および前記プローブ光が前記膜に照射される照射位置を走査する走査部を含み、
   前記走査部により前記照射位置を走査しながら、前記膜厚測定部による前記膜厚の測定を繰り返すことで、前記表面内で、複数の位置の各々において、前記膜厚を測定する、成膜装置。
7. 請求項１記載の成膜装置において、
   気密に設けられた第２室を有し、
   前記成膜部は、前記第２室の内部に配置された前記基板の前記表面に前記膜を成膜し、
   前記第１室は、前記第２室と連通可能に設けられており、
   前記膜厚測定部は、前記表面に前記膜が成膜された前記基板が、前記第２室の内部から前記第１室の内部に搬送され、前記第１室の内部に配置された状態で、前記膜に前記ポンプ光および前記プローブ光を照射し、前記反射光の強度を測定し、測定された前記強度に基づいて、前記膜厚を測定する、成膜装置。
8. 気密に設けられた第１室と、前記第１室の壁部に設けられ、ポンプ光およびプローブ光が透過可能な窓部と、を備えた成膜装置における成膜方法であって、
   （ａ）成膜部により基板の表面に膜を成膜する工程、
   （ｂ）前記成膜部により前記表面に前記膜が成膜された前記基板が前記第１室の内部に配置された状態で、前記第１室の外部から、前記ポンプ光および前記プローブ光を、前記窓部を透過させて前記膜に照射し、照射された前記プローブ光が前記膜により反射され、前記窓部を透過して前記第１室の外部に導かれた、反射光の強度を測定し、測定された前記強度に基づいて、前記膜の膜厚を測定する工程、
   を有する、成膜方法。
9. 請求項８記載の成膜方法であって、
   前記（ａ）工程において、前記成膜部により、第１成膜条件で、前記基板の前記表面に前記膜を成膜し、
   （ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記膜厚を測定して取得した第１測定値が第１範囲内にあるか否かを判定する工程、
   （ｄ）前記（ｃ）工程において、前記第１測定値が前記第１範囲内にないと判定されたときに、前記成膜部による成膜を停止する工程、
   （ｅ）前記（ｃ）工程において、前記第１測定値が前記第１範囲内にあると判定されたときに、前記成膜部により、前の基板の表面に成膜された前記膜の膜厚を測定して取得した第２測定値と、前記第１測定値との差値が、第２範囲内にあるか否かを判定する工程、
   を有し、
   前記（ｅ）工程において、前記差値が前記第２範囲内にないと判定されたときに、前記成膜部により、前記第１成膜条件と異なる第２成膜条件で、次の基板の表面に前記膜を成膜する、成膜方法。
10. 請求項８記載の成膜方法であって、
    前記（ｂ）工程は、
    （ｂ１）ポンプ光照射部により、前記第１室の外部から、前記ポンプ光を、前記窓部を透過させて前記膜に照射する工程、
    （ｂ２）前記ポンプ光が照射された前記膜に、プローブ光照射部により、前記プローブ光を、前記第１室の外部から前記窓部を透過させて照射する工程、
    （ｂ３）照射された前記プローブ光が前記膜により反射され、前記窓部を透過して前記第１室の外部に導かれた、前記反射光の強度を、強度測定部により測定する工程、
    を含み、
    前記（ｂ）工程において、前記ポンプ光と前記プローブ光との間の遅延時間を変更しながら、前記（ｂ１）工程と、前記（ｂ２）工程と、前記（ｂ３）工程とを繰り返し、前記強度測定部により測定された前記強度に基づいて、前記膜厚を算出することで、前記膜厚を測定する、成膜方法。
11. 請求項１０記載の成膜方法であって、
    前記（ｂ１）工程において、前記基板の前記表面に垂直な方向から前記ポンプ光を照射し、
    前記（ｂ２）工程において、前記基板の前記表面に垂直な方向から前記プローブ光を照射し、
    前記（ｂ３）工程において、照射された前記プローブ光が前記基板の前記表面に垂直な方向に反射された前記反射光の強度を測定する、成膜方法。
12. 請求項１０記載の成膜方法であって、
    前記（ｂ２）工程において、前記プローブ光を、前記ポンプ光の光路と共通の光路を通して、前記膜に照射し、
    前記（ｂ１）工程において、前記共通の光路上に設けられたビームエキスパンダにより、前記ポンプ光の光束を広げ、前記共通の光路上であって前記ビームエキスパンダよりも前記膜側に設けられた集光レンズにより、前記ポンプ光を前記膜の表面で集光させて照射し、
    前記（ｂ２）工程において、前記プローブ光の光束を、前記ビームエキスパンダにより広げ、前記集光レンズにより、前記プローブ光を前記膜の表面で集光させて照射する、成膜方法。
13. 請求項１０記載の成膜方法であって、
    前記（ｂ２）工程において、前記プローブ光を、前記ポンプ光の光路と共通の光路を通して、前記膜に照射し、
    前記共通の光路を切り替えることで、前記ポンプ光および前記プローブ光が前記膜に照射される照射位置を走査しながら、前記（ｂ）工程を繰り返すことで、前記表面内で、複数の位置の各々において、前記膜厚を測定する、成膜方法。
14. 請求項８記載の成膜方法であって、
    前記（ａ）工程において、第１マスクを介して前記成膜部により前記膜として第１膜を成膜することで、前記基板の前記表面のうち、第１領域部および第２領域部には前記第１膜を成膜し、第３領域部には前記第１膜を成膜せず、
    前記（ｂ）工程において、前記表面に前記第１膜が成膜された前記基板が前記第１室の内部に配置された状態で、前記ポンプ光および前記プローブ光を、前記第２領域部で前記第１膜に照射し、前記第２領域部で前記第１膜により反射された前記反射光の強度を測定し、測定された前記強度に基づいて、前記第１膜の膜厚を測定し、
    （ｆ）前記（ｂ）工程の後、前記第１マスクと異なる第２マスクを介して前記成膜部により第２膜を成膜することで、前記第１領域部および前記第３領域部には前記第２膜を成膜し、前記第２領域部には前記第２膜を成膜しない工程、
    （ｇ）前記成膜部により前記表面に前記第２膜が成膜された前記基板が前記第１室の内部に配置された状態で、前記第１室の外部から、前記ポンプ光および前記プローブ光を、前記窓部を透過させて前記第３領域部で前記第２膜に照射し、照射された前記プローブ光が前記第３領域部で前記第２膜により反射され、前記窓部を透過して前記第１室の外部に導かれた、反射光の強度を測定し、測定された前記強度に基づいて、前記第２膜の膜厚を測定する工程、
    を有する、成膜方法。
15. 請求項８記載の成膜方法であって、
    前記ポンプ光はパルスレーザ光からなり、
    前記プローブ光はパルスレーザ光からなる、成膜方法。

Images