JP2019144217A

JP2019144217A - 膜厚測定装置、これを用いた蒸着装置及び膜特性評価装置

Info

Publication number: JP2019144217A
Application number: JP2018042400A
Authority: JP
Inventors: 達雄椎名; Tatsuo Shiina; 源二郎松木; Genjiro Matsuki
Original assignee: Jochako Kk; Chiba University NUC
Current assignee: Jochako Kk; Chiba University NUC
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-29

Abstract

【課題】ランプの光をコリメートするため、照射装置が大きく、また消費電力が大きい。ランプのためにスイッチを入れてからしばらく待たないと計測値が安定しない等の課題があった。【解決手段】膜厚測定装置を、赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、前記光強度測定部により測定した反射光強度及び前記反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき前記試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備えるものとした。【選択図】図１

Description

本発明は、膜厚測定装置及びこれを用いた蒸着装置に関するものである。

従来の膜厚測定装置においては、タングステンランプ等による広帯域光源による発光スペクトルによる成膜試料の透過効率で成膜厚みを推定していた。また、温度や水蒸気による影響の見積もり等は、経験に頼った推定を行っていた。

非特許文献１には、光源にタングステンランプを用いた光干渉膜厚計が記載されている。

株式会社チノー、光干渉式膜厚計ＩＲＭＳ８５９９ＢＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｉｎｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｍｅｔｅｒｓ／ｉｒｍｓ８５９９ｂ．ｈｔｍｌ

従来技術では、ランプの光をコリメートするため、照射装置が大きく、また消費電力が大きい。ランプのためにスイッチを入れてからしばらく待たないと計測値が安定しない等の課題があった。また、温度や水蒸気による影響の見積もり等は経験に頼った推定を行っていた。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様によれば、膜厚測定装置を、赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、光強度測定部により測定した反射光強度及び反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備えるものとした。

また、本発明の別の態様によれば、膜厚測定装置を、赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、光出力装置から出力された光が膜が形成された試料から反射した反射光の強度及び光出力装置から出力された光が試料を透過した透過光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率及び透過率の特性を記録する特性情報記録部と、光強度測定部により測定した反射光強度及び透過光強度並びに特性情報記録部に記録された透過光特性情報及び反射率特性情報に基づき試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備えるものとした。

また、本発明の他の態様によれば、膜厚測定装置を、赤色光、緑色光、青色光、紫外光を出力する光出力装置と、光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、光強度測定部により測定した反射光強度及び反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備えるものとした。

また、本発明の他の態様によれば、基板の表面に蒸着により膜を形成する膜形成部と、赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、前記光強度測定部により測定した反射光強度及び前記反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき前記試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備えるものとした。前記膜厚算出部により算出された基板に形成された膜の膜厚に基づき、前記膜形成部を制御すると望ましい。

また、本発明の他の態様によれば、膜特性評価装置を、膜が形成された基板の透過光強度及び反射光強度を測定する光強度測定部と、膜が形成された基板の反射率の計算値及び透過率の計算値を記録する反射率・透過率情報記録部と、光強度測定部が測定した基板の透過光強度及び反射光強度、前記反射率・透過率情報記録部が記録した基板の反射率の計算値及び透過率の計算値に基づいて基板に形成された膜の特性情報を算出する膜特性算出部とを備えるものとした。さらに、膜特性評価部は、膜の膜厚、屈折率又は吸収率を算出するものとすると望ましい。

本発明によれば、膜厚測定装置及びこれを用いた蒸着装置において、照射装置の小型化、膜厚測定値の安定化を実現することができる。

実施例１の膜厚測定装置の測定原理を示す図である。実施例１の光強度測定原理を示す図である。膜厚を変化させた場合の、波長に対する反射率の理論値を示す図である。実施例２の蒸着装置を示す図である。計測波形とＦＦＴ解析を示す図である。実施例２における膜厚測定部の概略を示す図である。実施例３の概念を示す図である。石英基板の上にＺｎＯ_２の膜を成膜した場合の、波長に対する反射率、透過率の計算値を示す図である。石英基板の上にＡｌ_２Ｏ_３の膜を成膜した場合の、波長に対する反射率、透過率の計算値を示す図である。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明の実施形態は以下の実施例に限定されるものではなく、以下の実施例を適宜変形して実施することが可能である。

図１は、実施例１の膜厚測定装置の膜厚測定原理を示す図である。光出力装置（光源ともいう。図示せず。）は、電源１、変調器２、ドライバ３を有している。光出力装置から、赤色光４、緑色光５、青色光６、紫外光（ＵＶ光）７が照射される。赤色光４、緑色光５、青色光６は、レーザーであることが望ましい。各光の波長は、概ね赤色光が６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ、緑色光が４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ、青色光が３８０ｎｍ〜４９５ｎｍ、紫外光が２００ｎｍ〜３８０ｎｍである。光出力装置は、各色毎に別々に有していても良いし、波長変換器付きのレーザー光源を用いて、波長を変換して各色光を出力しても良い。

８１、８２，８３は、ダイクロイックフィルタである。ダイクロイックフィルタ８１は、赤色光は透過するが緑色光以下は反射し、ダイクロイックフィルタ８２は、赤色光と緑色光は透過するが青色光以下は反射し、ダイクロイックフィルタ８３は、赤色光と緑色光と青色光は透過するが、紫外光は反射する性質をもつ。赤色光４、緑色光５、青色光６、紫外光７が表面に膜が形成された試料１０に入射される。そして、試料１０を透過した透過光及び反射光の強度を、光強度測定器９で測定する。光強度測定器９で測定した透過光、反射光強度にが、波形処理部１１、Ａ／Ｄ変換部１２の処理を経てＰＣ１３に入力される。ＰＣ１３に入力された透過光強度、反射光強度の情報に基づき、各色毎の透過率、反射率および吸収率が算出される。各色毎の透過率、反射率に基づき、膜厚が算出される。

図２は、本実施例による光強度測定の原理を示す図である。赤色光４、緑色光５、青色光６、紫外光７が、ハーフミラー１４により反射され、出力参照用光強度測定器９１に入射し、出力光（参照光）の強度を測定する。ハーフミラー１４はガラスでもよく、光が少量でも反射されれば、それを出力参照用に使用する。表面に膜が形成された試料１０を透過した光４、５、６、７の透過光は、透過光用光強度測定器９２に入射し、透過光用光強度測定器によって透過光の強度が測定される。

試料１０から反射された反射光が、反射光用光強度測定器９２に入射し、反射光用光強度測定器９２によって、反射光の光強度が測定される。

透過光強度と反射光強度、ならびに参照光強度を用いて吸収率が算出できる。

図３は、膜厚を変化させた場合の反射率特性の理論値である。膜厚を２０ｎｍから１６０ｎｍに変化させた場合、図３のように反射率特性が変化する。前記のとおり、測定した各色毎の反射率の値から、反射率特性を算出又は推定することができる。算出した反射率特性と、図３の反射率の理論値を比較することにより、試料表面に形成された膜厚を推定又は測定することができる。反射率の理論値を用いずに、実験結果等から膜厚毎の反射率特性、透過率特性を用意しても良い。図８、図９のように実際の成膜過程では波長に依存した極値変化が生じる。この各波長の強度変化を元に吸収率を計算できる。

本実施例は、実施例１の膜厚測定装置を真空蒸着装置に応用した実施例である。２０が蒸発器、２１がシャッター、２２が水晶式膜厚計、２３が基板ホルダー、２４がヒーター、２５が光学式膜厚計、２６が光学式膜厚計測用モニターガラス、２７が基板である。

蒸発器２０により基板２７に蒸着によって膜が形成される。成膜された基板２７の成膜部に赤色光、緑色光、青色光、紫外光を照射し、光学式膜厚計２５により、各色の透過光、反射光、参照光の強度を測定する。光源には、ＬＤ（レーザダイオード）又はＬＥＤを用いる。４波長には、それぞれ個別の変調周波数を持たせ、ＰＤ（光強度測定器）で受光後に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）で各波長成分に分離する。ＦＦＴで解析した結果を図５に示す。測定した透過光、反射光強度から、透過率特性、反射率特性を算出し、実施例１で示したように、理論計算との比較によって、膜厚を推定、算出する。時間変化を測定することで膜厚の変化を予測すると望ましい。また、温度変化、屈折率の変化を考慮し、それらに対する膜厚への影響を予測すると望ましい。

図６は、本実施例における試料の膜厚測定部の概略を示す図である。入射光３１は、ミラー３９に反射され、下の窓３８を通過して蒸着装置３６の中に入射する。ハーフミラーから４０から反射された光３２は参照光として利用される。蒸着装置３６内に入射した光は、試料３５に入射し、試料３５を透過した透過光は、上の窓３７から蒸着装置３６の外部に出ていき、光強度測定器により測定される。他方、試料３５から反射された反射光３４は、下の窓３８を通過して蒸着装置の外部に出ていき、光強度測定器により測定される。
本実施例では、赤、緑、青色のレーザ光、並びに２００ｎｍから３８０ｎｍのスペクトル範囲のＵＶ−ＬＥＤ光をコリメートして真空蒸着装置内に落射し、蒸着によって基盤材に成膜される光学膜の厚みを透過光、反射光並びに光源のモニター光によって測定する。透過率、反射率の成膜過程での変化をモニタすることで、膜厚の推定を行う。

温度、湿度に対する屈折率変化を加味した理論値との比較によって、成膜厚みの補正を行い、実際の膜厚測定にフィードバックする。

計測する項目は膜厚が第１目的であるが、温度に依存して屈折率が異なる。屈折率が異なると膜厚の推定に誤差が含まれるため、その影響を加味して膜厚の推定を行うと望ましい。

本実施例によれば、従来の膜厚測定装置及びこれを用いた蒸着装置よりも、照射装置を小型化でき、また、消費電力を小さくすることができる。また、膜厚の計測値を安定させることができる。

図７に、本発明の実施例３の概念図を示す。光強度測定部７１が測定した成膜した基板の透過光及び反射光の光強度及び反射率・透過率特性情報記録部７１が記録した反射率情報及び透過率情報に基づいて、多層膜総合特性算出部７３が、多層膜総合特性を算出する。多層膜総合特性算出部において、膜厚算出部７３１が形成膜の膜厚を、屈折率算出部７３２が、形成膜の屈折率を、吸収率算出部７３３が、形成膜の吸収率を算出する。

反射率特性・透過率情報記録部７１が記録する反射率特性及び透過率情報の例を図８、図９に示す。図８は、石英基板の上にＺｎＯ_２の膜を成膜した場合の、波長に対する反射率、透過率の計算値を示す図である。図８において、実線ＲＨが反射率を示し、点線ＴＨが透過率を示す。図９は、石英基板の上にＡｌ_２Ｏ_３の膜を成膜した場合の、波長に対する反射率、透過率の計算値を示す図である。図９において、実線ＲＨが反射率を示し、点線ＴＨが透過率を示す。

本発明は、膜厚測定装置、これを用いた蒸着装置及び膜特性評価装置として産業上利用が可能である。

１電源
２変調器
３ドライバ
４赤色光
５緑色光
６青色光
７紫外光
８１、８２、８３ダイクロイックフィルタ
９光強度測定器
１０試料
１１波形処理部
１２Ａ／Ｄ変換器
１３ＰＣ
７１光強度測定部
７２反射率・透過率特性情報記録部
７３多層膜総合特性算出部
７３１膜厚算出部
７３２屈折率算出部
７３３吸収率算出部

Claims

赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、前記光強度測定部により測定した反射光強度及び前記反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき前記試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備える膜厚測定装置。
赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光が膜が形成された試料から反射した反射光の強度及び前記光出力装置から出力された光が前記試料を透過した透過光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率及び透過率の特性を記録する特性情報記録部と、前記光強度測定部により測定した前記反射光強度及び前記透過光強度並びに前記特性情報記録部に記録された前記透過光特性情報及び前記反射率特性情報に基づき前記試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備える膜厚測定装置。
赤色光、緑色光、青色光、紫外光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、前記光強度測定部により測定した反射光強度及び前記反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき前記試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備える膜厚測定装置。
基板の表面に蒸着により膜を形成する膜形成部と、赤色光、緑色光、青色光、紫外光のうち少なくとも２種類の光を出力する光出力装置と、前記光出力装置から出力された光が、膜が形成された試料から反射した反射光の強度を測定する光強度測定部と、膜厚に対する反射率の特性を記録する反射率特性情報記録部と、前記光強度測定部により測定した反射光強度及び前記反射率特性情報記録部に記録された反射率特性情報に基づき前記試料に形成された膜の膜厚を算出する膜厚算出部を備える蒸着装置。
前記膜厚算出部により算出された基板に形成された膜の膜厚に基づき、前記膜形成部を制御することを特徴とする請求項１記載の蒸着装置。
膜が形成された基板の透過光強度及び反射光強度を測定する光強度測定部と、膜が形成された基板の反射率の計算値及び透過率の計算値を記録する反射率・透過率情報記録部と、前記光強度測定部が測定した前記基板の透過光強度及び反射光強度、前記反射率・透過率情報記録部が記録した基板の反射率の計算値及び透過率の計算値に基づいて前記基板に形成された膜の特性情報を算出する膜特性算出部とを備える膜特性評価装置。
前記膜特性評価部は、前記膜の膜厚、屈折率又は吸収率を算出することを特徴とする請求項６に記載の膜特性評価装置。