JP3000303B2

JP3000303B2 - 真空蒸着装置に於ける光学定数と膜厚の測定方法及び測定装置

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Publication number: JP3000303B2
Application number: JP6517591A
Authority: JP
Inventors: 昭彦悳
Original assignee: Ulvac Coating Corp
Current assignee: Ulvac Coating Corp
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 2000-01-17
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: JPH04301506A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空蒸着により基板に
形成される薄膜の光学定数や膜厚をその形成中或いは形
成直後に測定する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、真空蒸着装置内の基板に形成され
る光学薄膜の光学定数を測定する装置として、図１に示
す装置が知られている（米国特許第４３３５９６１
号）。また、一般の大気中に於いて光学定数を分光測定
で測定する方法として、（Ｒ，Ｔ）測定法（Ｔｈｏｍａ
ｓＣ．Ｐａｕｌｉｃｋ：ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃ
ｓＶｏｌ．２５，Ｎｏ．４ｐｐ．５６２〜５６４，１
９８６年参照）や、（Ｔ，Ｒｍ）測定法（Ａ．Ｈｊｏｒ
ｔｓｂｅｒｇ：ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏ
ｌ．２０，Ｎｏ．７，ｐｐ．１２５４〜１２６３，１９
８１年）などが知られている。

【０００３】（Ｒ，Ｔ）測定法は、透明基板上に形成さ
れた単層の光学膜の垂直又は垂直に近い入射光に対する
分光反射率測定値Ｒｅｘｐ（λ）及び分光透過率測定値
Ｔｅｘｐ（λ）から、所定の膜厚と光学定数を持つ単層
膜の分光反射率及び分光透過率を与える理論式に基づい
て、波長λにおける光学定数ｎ（λ）−ｉｋ（λ）を逆
算して求めるものである。

【０００４】（Ｔ，Ｒｍ）測定法は、その一部にＡｌ
（アルミニウム）などの反射率が高い遮光膜が被覆され
ている透明基板に、光学定数を測定したい薄膜を単層に
被覆したものを用意し、透明部分の分光透過率Ｔexp
（λ）と、不透明部分の膜面からの入射光に対する反射
率Ｒｍexp （λ）とを測定し、これから前記（Ｒ，Ｔ）
測定法と同様の方法で光学定数を求めるものである。

【０００５】図１に示した装置は、真空排気口１を備え
た真空蒸着室２内に回転する基板ホルダー３を設け、該
基板ホルダー３に取り付けた複数個の基板４へ、シャッ
ター５が開かれたときに下方の２つの蒸発源６、７から
の蒸気流８、９を浴びせて該基板４に形成した薄膜の分
光反射率及び分光透過率を測定する装置で、該基板４の
近傍にモニター基板１０を設け、これに外部の光源１１
から透光窓１２を介して導入した入射光１３を当てるこ
とによりその測定が行われる。該光源１１の光は、単色
フィルター又はモノクロメータ１４及び第１反射鏡１５
を介してモニター基板１０へ入射し、その反射光１６を
透光窓１２及び外部の第２反射鏡１７を介して外部の受
光器１８に受光すると共にその透過光１９を透光窓２０
を介して受光器２１で受光し、各受光信号を増幅器２
２、２３及びＡ・Ｄ変換器２４、２５を介してコンピュ
ータ２６に入力させて分光反射率及び分光透過率のデー
タ処理が行なわれる。２７はレコーダー、２８は開口部
２８ａを備えたマスクである。該モニター基板１０には
他の基板４と共に蒸着が施され、該モニター基板１０の
分光反射率を逐次多波長測定し、各蒸着時間ｔi （ｉ＝
１，２…）、蒸着膜厚ｄi に対する反射率の極値Ｒp
（λ）と波長λi から、計算式Ｒp （λ）＝｛（ｎs （λi ）−ｎs（λ））／（ｎs（λ）＋ｎ²（λi ））｝² によって、光学薄膜の波長λi における屈折率ｎ（λi
）を求めるものである。ここに、ｎs（λi ）はモニタ
ー基板１０の波長λi における屈折率である。また、従
来の一般の（Ｒ，Ｔ）測定法及び（Ｔ，Ｒｍ）測定法
は、通常の分光光度計などによって、試料の反射率及び
透過率を測定し、測定データを解析して光学定数を求め
ていた。

【０００６】従来の光学定数を求める手順は、図２にス
テップＳ１〜Ｓ８に示す如くであり、膜厚ｄは触針式膜
厚計等で測定しておき、データ処理のための入力データ
として使用する。波長λにおける反射率Ｒex（λ）及び
透過率Ｔex（λ）が前記の測定法で得られたら、コンピ
ュータを用いてステップＳ５に示す連立方程式を逆算し
て波長λにおける光学定数がステップＳ６に示すように
一般に多重根Ｎ₁（λ），Ｎ₂（λ），…Ｎm（λ）とし
て得られ、どの根もステップＳ５に示す連立方程式を満
足する。これら多重根の中から正しい解を判別するため
に、他に入射角を変えた測定や、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒ
ｏｎｉｇ解析、その他手間の掛かる測定手段、解析手段
を併用する必要があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の真空蒸着装置内
の光学薄膜の光学定数の測定法では、定量的な測定は無
吸収の透明な光学薄膜試料に限られており、求めれる光
学定数は屈折率ｎに限定される。吸収膜の光学定数の測
定方法としては、大気中における一般の前記（Ｒ，Ｔ）
測定法や（Ｔ，Ｒｍ）測定法があるが、これは通常の分
光光度計によるものであって、真空蒸着装置内の試料に
ついて、分光反射率と分光透過率を同時に測定するもの
ではない。また、仮に真空蒸着装置内の試料について分
光反射率と分光透過率の測定がなされたとしても、デー
タ処理における求める光学定数の多重解の判別の困難性
が伴なう。前記多重根が出る原因は、自然法則に根ざし
たもので、（Ｒ，Ｔ）測定法を図示した図３や（Ｔ，Ｒ
ｍ）測定法を図示した図４に見られるように、反射率の
等高線と透過率の等高線の交点として光学定数ｎ−ｉｋ
が求められるが、このような交点は一般に２つ以上存在
する。図３の場合、薄膜被覆透明基板（屈折率ｎs＝
１．５）への垂直入射光の透過率Ｔのｎ−ｋ面上の等高
線（点線）と、反射率Ｒの等高線（実線）の交点の座標
で薄膜の光学定数ｎ−ｉｋが与えられる。また、図４
は、一部分に金属薄膜を被覆した透明基板上に形成され
た膜厚ｄの吸収膜の光学定数を測定する（Ｔ，Ｒｍ）測
定法の場合を示し、点線は透明部分の垂直入射光透過率
Ｔのｎ−ｋ面上の等高線、実線は金属薄膜部分の垂直入
射光反射率Ｒｍの等高線を示す。該吸収膜の光学定数
（複素屈折率）Ｎ＝ｎ−ｉｋは、Ｔの等高線とＲｍの等
高線の交点（一般に複数）の座標で与えられる。尚、透
明基板の屈折率ｎsは、ｎs＝１．５、金属薄膜部分の光
学定数Ｎｍは、Ｎｍ＝２０−ｉ７０、ｄ／λ＝０．１の
座標である。従来は、これらの多重根の中から正しい解
を判別するために手間のかかる測定手段や解析手段を併
用する必要があり、正しい光学定数を求めるための自動
化が困難であった。また、（Ｒ，Ｔ）測定法や（Ｔ，Ｒ
ｍ）測定法で得られる光学定数は、膜厚に敏感で、精度
良く膜厚を測定しておかないと得られる光学定数の誤差
が大きくなり、触針式膜厚計などの測定精度の限界によ
って光学定数を精度良く求めるのが困難であった。

【０００８】本発明は、基板に蒸着される吸収膜の光学
定数と膜厚を、前記多重解の中から正しい解を簡単に判
別し且つ膜厚が精度良く測定されていなくてもリアルタ
イムで得ることの可能な測定方法を提供すること及び分
光反射率と分光透過率を同時に測定可能な真空蒸着装置
の分光測定装置を提供することを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、真空蒸着室
内の蒸着される基板の近傍に設けたモニター基板に、該
真空蒸着室の外部から導入した光を照射し、該モニター
基板の分光反射率と分光透過率を測定してその測定値を
コンピュータシステムから成るデータ処理部で演算処理
することにより該モニター基板に形成される薄膜の光学
定数と膜厚を測定する方法に於いて、該モニター基板
に、求めようとする光学定数の波長の光とこれとは別の
波長の光とを入射させて各波長における分光反射率及び
分光透過率の測定を行ない、求めようとする光学定数の
波長における分光反射率及び分光透過率の測定値から逆
算して得られる光学定数の多重解の各々について分散を
無視して得られる前記別の波長の分光反射率及び分光透
過率を計算し、その計算値と前記別の波長の分光反射率
及び分光透過率の測定値とを比較演算して前記別波長の
分光反射率及び分光透過率の測定値と最も良く合う計算
値に対応する解である光学定数を採用することにより、
基板に蒸着される吸収膜の光学定数と膜厚を、前記多重
解の中から正しい解を簡単に判別し且つ膜厚が精度良く
測定されていなくてもリアルタイムで得ることができ
る。

【００１０】また、真空蒸着装置の真空蒸着室内の蒸着
される基板の近傍にモニター基板を設け、該真空蒸着室
の外部から透光窓を介して該モニター基板に光を照射
し、その反射光と透過光を測定する測定手段とその測定
値を演算処理するコンピュータシステムから成るデータ
処理部で演算処理することにより該モニター基板に形成
される薄膜の光学定数と膜厚を測定する装置に於いて、
該モニター基板を、参照用ミラーと、参照用ニュートラ
ルデンシティフィルター及び較正用開口部を備えたモニ
ターホルダーに取り付けすることにより、真空蒸着装置
の分光反射率と分光透過率を同時に測定可能になる。

【００１１】

【作用】真空蒸着装置の真空蒸着室内に、モニター基板
の他に参照用ミラーと、参照用ニュートラルデンシティ
フィルター及び較正用開口部を備えたモニターホルダー
が設けられているので、真空中でも該モニターホルダー
を移動させることにより、これに設けた参照用ミラー等
を使用して分光反射率及び分光透過率の較正を随時行な
うことができる。該モニターホルダーに、透明基板の一
部に金属膜を被覆したモニター基板を搭載し、該透明基
板の部分と不透明部分とに交互に光を入射させて透明部
分の透過率と金属膜で被覆した不透明部分の反射率を同
時に測定することが可能になるので、（Ｔ，Ｒｍ）測定
法で光学定数と膜厚を測定することができる。

【００１２】モニター基板の分光反射率及び分光透過率
を測定しただけでは光学定数及び膜厚は測定できない。
（Ｒ，Ｔ）測定法及び（Ｔ，Ｒｍ）測定法では、図２の
ステップＳ５に示すような波長λにおける光学定数Ｎ
（λ）＝ｎ（λ）−ｉｋ（λ）を含む連立方程式を逆算
して、波長λにおける光学定数を得ようとするものであ
るが、図２のステップＳ６に示すように、一般に多重根
Ｎ₁（λ）、Ｎ₂（λ）…Ｎm（λ）が得られ、そのどの
解もステップＳ５に示す連立方程式を満足する。即ち、
波長λにおける分光反射率及び分光透過率測定値が理論
値と一致し、どの解が正しい解であるのか判断に苦し
む。

【００１３】しかし、本発明の方法では、光学定数Ｎ
（λ）の分散（即ち、波長依存性）をひとまず無視し
て、求めようとしている光学定数の波長λとは別の波長
λ´（λ´≠λ）における光学定数Ｎ（λ´）も波長λ
における光学定数Ｎ（λ）と等しいと仮定して、それぞ
れの解について波長λ´における分光反射率及び分光透
過率を理論式に基づいて計算し、この計算値を波長λ´
における分光反射率及び分光透過率測定値と比較してみ
ると、測定値と合う解と合わない解が判別されるように
なり、一般に測定値と合う解は一つだけ得られる。尚、
付け加えると、仮に、前記波長λ´における分光反射率
及び分光透過率測定値を逆算してみても、波長λ´にお
ける光学定数の多重解が得られ、そのどの解も波長λ´
における測定値を説明するので、問題の解決にはならな
い。

【００１４】前記波長λ´における計算値と測定値を比
較演算ために、計算値の測定値に対する誤差を計算する
と演算が簡単化され、この誤差が最小になる解が正しい
解に対応する。膜厚が未知の場合、膜厚の範囲を推定
し、この膜厚範囲内で仮想的に膜厚を変化させると、正
しい解については前記誤差は正しい膜厚のところで極小
値を示すが、正しくない解については、誤差が大きい上
に極小値を示さないので、正しい膜厚と光学定数の判別
は容易になる。

【００１５】

【実施例】まず本発明の実施に使用された装置の一例を
図５に基づき説明する。同図に於いて、図１に示した従
来の測定装置と共通する構成部分は図１と同一の符号が
付されており、モニター基板１０がモーター３０により
回転されるモニターホルダー３１に取り付けられたこ
と、単色フィルター又はモノクロメータ１４からの光を
反射する第１反射鏡１５の前方に退去自在の第３反射鏡
３２を設け、モニターホルダー３１の後方に膜厚及びレ
イトモニター測定子３３を設けたことが図１の構成と異
なる主要な構成部分である。該モニターホルダー３１
は、図６に示すように円板状の形状を有し、その内側と
外側に複数個の小円形のレイトモニター測定用の開口部
３４と大円形の開口部３５が形成され、大円形の開口部
３５には、参照用ミラー３６、参照用ニュートラルデン
シティフィルター３７、ガラス板のモニター基板１０、
半分にＡｌを蒸着した透明のガラス板のモニター基板１
０ａが嵌め込まれ、必要に応じて該開口部３５は何も嵌
め込まれない空洞状態として較正用開口部３８に使用さ
れる。

【００１６】各シャッター５、蒸発源６、７、単色フィ
ルター又はモノクロメータ１４、モーター３０、膜厚及
びレイトモニター測定子３３は、コンピュータ２６に接
続された制御部３９に接続される。製品用の基板４の板
面には、シャッター５が開かれたときに下方の２つの蒸
発源６、７からの蒸気流８、９を浴びて光学膜が形成さ
れるが、このとき同時にモニター基板１０，１０ａにも
光学膜が形成される。そして、該モニター基板１０、１
０ａに光源１１から求めようとする光学定数の波長とこ
の波長とは別の波長の単色光を入射させ、その反射光と
透過光を受光器１８、２１で受光し、各受光信号を増幅
器２２、２３、Ａ・Ｄ変換器２４、２５及び制御部３９
を介してコンピュータ２６に入力させて分光反射率及び
分光透過率のデータ処理が行なわれる。４０は補助（又
は外部）記憶装置、４１はキーボード、４２はＣＲＴ、
４３はプリンターである。

【００１７】本発明方法の実施例を説明すると次の通り
である。第１実施例この実施例は、（Ｔ，Ｒｍ）測定法によるもので、図５
の装置と図６のモニターホルダー３１を使用した。該モ
ニターホルダー３１には、参照用ミラー３６、較正用開
口部３８及び透明ガラス板の半分に予めＡｌを蒸着した
モニター基板１０ａを設けた。第１反射鏡１５の前方に
は、半円形の回転反射鏡で構成した光路から退去自在の
第３反射鏡３２を取り付けた。蒸発源６又は７には蒸発
物質としてＺｎＳタブレットを充填した。

【００１８】真空蒸着室２内を排気したのち、蒸着に先
立って第３反射鏡３２を閉即ち光路に進出させ、モータ
ー３０によってマスク２８の開口部２８ａにモニターホ
ルダー３１の較正用開口部３８を位置させる。そして、
光源１１からの透過光１９に対し、受光器２１からの出
力信号に対する増幅器２３の増幅率を調整して透過率出
力を１つの測定波長において１００％に較正し、各測定
波長に対する出力信号はコンピュータ２６に記憶させ
た。次いで、モーター３０により、モニターホルダー３
１を回転させて、マスク開口部２８ａに参照用Ａｌ蒸着
ミラー３６を位置させる。そして第３反射鏡３２を開即
ち光路から退去させ、参照用ミラー３６からの反射光出
力を１つの測定波長に対して１００％に設定し、各測定
波長に対する出力信号はコンピューター２６に記憶させ
た。蒸着に先立ち、マスク開口部２８ａにモニターホル
ダー３１のモニター基板１０ａを位置させる。尚、第３
反射鏡３２が開の時、モニター基板１０ａのＡｌ蒸着部
に光が当たり、その反射率が測定され、該第３反射鏡３
２が閉の時、該モニター基板１０ａの透明部の透過率が
測定されるようにモニター基板１０ａがセットされる。
シャッター５を開き、蒸発源６又は７からの蒸発速度が
一定になるようにレイトモニター測定子３３とレイトコ
ントローラによって制御し、波長λにおける透過率の膜
厚ｄに対する極値を観測しながら膜厚ｄがｎｄ＝５／４
・λ（λ＝５００ｎｍ）になるまでＺｎＳをモニター基
板１０ａ上に蒸着した。ｎの文献値２．３７を用いる
と、ｄ＝２６．４ｎｍである。モニター基板１０ａとし
ては、石英板を使用した。

【００１９】蒸着直後のモニター基板１０ａについて、
（Ｔ，Ｒｍ）測定法によって光学定数の波長λと別波長
λ´で透明部分の透過率Ｔｅｘｐと不透明部分の反射率
Ｒｅｘｐを測定し、測定データをコンピュータ２６によ
りデータ処理して膜厚ｄと光学定数ｎ（λ）−ｉｋ
（λ）を得た。波長の値はλ＝５００ｎｍ，λ´＝４８
０ｎｍ及び５２０ｎｍに設定した。モニター基板１０ａ
の反射率絶対値Ｒは、Ｒ＝ＲAl・ＲＲから計算した。Ｒ
Alは参照用ミラー３６の反射率、ＲＲは反射率相対値で
ある。測定される反射率及び透過率は一般に透明基板裏
面からの多重反射の効果を含むが、これはデータ処理過
程で考慮した。モニター基板１０ａのＡｌ蒸着膜厚は約
１００ｎｍである。入力した光学定数はモニター基板１
０ａの屈折率ｎg ＝１．４７，参照用ミラー３６のＡｌ
蒸着膜の光学定数は波長５００ｎｍでＮ2 ＝０．６６７
−５．５７ｉを用いた。分光反射率及び分光透過率測定
値は、図５のコンピュータ２６の主記憶装置や補助記憶
装置４０に記録され、ＣＲＴ４２やプリンター４３など
の出力装置に測定波長と共に出力した。光学定数や膜厚
を求めるためのデータ処理は、データの一括入力及び一
括出力で行った。

【００２０】（Ｔ，Ｒｍ）測定法で透明石英基板に前記
のＺｎＳを蒸着したモニター基板１０ａについて分光測
定を行い、第１表の測定結果を得た。

【００２１】

【表１】

【００２２】まず、膜厚ｄexp が既知であるとして、図
７に示す流れ図に従ってデータ処理を行った。ｄexp ＝
２６４ｎｍとした。

【００２３】第１表において、Ｒexp （λ）、Ｔexp
（λ）は、波長λにおける分光反射率測定値及び分光透
過率測定値、Ｒexp （λ´）、Ｔexp （λ´）は、波長
λ´における分光反射率測定値及び分光透過率測定値で
ある。図７のステップＳ７に示す連立方程式の左辺に現
れるＲ（Ｎ，ｄexp ／λ），Ｔ（Ｎ，ｄexp ／λ）は、
それぞれ膜厚ｄexp ，波長λにおける光学定数Ｎ＝Ｎ
（λ）＝ｎ（λ）−ｉｋ（λ）である単層膜の分光反射
率及び分光透過率の理論的表式であって、膜厚ｄexp、
波長λの他に空気或いは真空の屈折率ｎ₀＝１、透明基
板屈折率ｎg 、金属基板屈折率Ｎ2 ＝Ｎ2 （λ）＝ｎ2
（λ）−ｉｋ2 （λ）を含んでおり、この理論的表式
は、ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈ
ｉｓｉｃｓＨａｎｄｂｏｏｋ第３版ＭａｃＧｒａ
ｗＨｉｌｌＢｏｏｋＣｏｍｐａｎｙｐｐ．６−１１
８〜６−１２３（１９８２年）その他に記載がある。

【００２４】図７のステップＳ７を図８の手順で演算す
ると、図７のステップＳ８で示すように多重根Ｎ
₁（λ），Ｎ₂（λ），…Ｎm（λ）を出力し、第１表の
入力データに対しては第２表に示すように波長λ＝５０
０ｎｍにおいて７つの多重根（ｍ＝７）を出力する。こ
れらの多重根の各々について、ステップＳ１０に示すよ
うに、求めようとする光学定数Ｎ（λ）の波長λとは別
の波長λ´における分光反射率及び分光透過率Ｒ(p) ca
l （λ´，ｄex），Ｔ(p) cal （λ´，ｄex）を分散を
無視して計算する。更にステップＳ１１で前記計算値の
測定値に対する誤差の目安となるメリット関数ＭＦ(p)
（λ，ｄexp ）を計算する。計算結果は第２表に示す通
りであり、誤差が最も小さい解はｐ＝４に対応する解Ｎ
(p) ＝ｎ(p) （λ）−ｉｋ(p) （λ）＝２．３９４−
０．００２７５ｉであって、この解は誤差が最も小さい
解であると共に別波長λ´における分光反射率及び分光
透過率計算値が測定値と最も良く合う解となっている。

【００２５】

【表２】

【００２６】ここに示した内容の比較演算を図７のステ
ップＳ１２で行ない、その結果がステップＳ１５に示す
ように正しい光学定数はＮ（λ）＝Ｎ₂（λ）＝２．３
９４−０．００２７５ｉの形で自動的に出力される。説
明を簡単化するため、図７では別波長λ´の数ＭＷ＝１
としたが、一般にはＭＷ≧１であってよく、ステップＳ
１１のメリット関数の計算に際してはすべての別波長λ
´について計算して平均値を誤差の目安とする。

【００２７】次に、膜厚ｄは未知であると想定して、図
９の流れ図に従って第１表の分光測定値についてデータ
処理を行なった。図９のステップＳ６では、推定膜厚範
囲を（ｄmin ，ｄmax ）＝（０，３００）ｎｍとした。
ステップＳ１４のメリット関数は次式で計算した。

【００２８】

【数１】

【００２９】膜厚を仮想的に変化させたデータ処理の結
果を図１０に示す。得られた膜厚と光学定数の値は、前
記の結果即ちｄ＝２６４ｎｍ，及び第２表の解Ｎ₄＝ｎ₄
（λ）−ｉｋ₄（λ）＝２．３９４−０．００２７５ｉ
と一致した。

【００３０】第２実施例第２実施例は（Ｒ，Ｔ）測定法によった。図５において、第３反射鏡３２を常時開とし、モニター
基板１０として透明石英基板を用いた。蒸着に先立って
第１実施例と同様の手順で、まずモニターホルダー３１
の較正用開口部３８によって波長λ＝５００ｎｍで透過
率を１００％に較正し、参照用ミラー３６によって反射
率を１００％に較正した。光学定数の波長はλ＝５００
ｎｍ，別波長はλ´＝４５０ｎｍである。モノクロメー
ター１４としては、図１１に示すような単色フィルター
４４とミラー４５及び回転鏡４６を組み合わせたものを
使用した。各測定波長に対する出力信号はコンピュータ
ー２６に記憶させた。

【００３１】蒸発源６に蒸発物質としてＣｒを充填し、
該蒸発源６を電子ビーム加熱し、水晶振動式膜厚モニタ
ー（レイトモニター）とレイトコントローラーによって
蒸着速度を一定に保ちながら、反応蒸着によって酸化ク
ロム（ＣｒＯｘ）の膜をモニター基板１０及び製品基板
４の上に形成した。反応ガスとして酸素をガス導入口４
７から導入してＣｒと反応させるようにした。蒸着しな
がらモニター基板１０の蒸着膜について、分光反射率と
分光透過率を測定（分光測定という）し、コンピュータ
２６によってリアルタイムでデータ処理した。分光測定
のサンプリング時間は１分おきとし、データ処理は蒸着
開始後４分後のデータについて行なった。分光測定デー
タとデータ処理結果を第３表に示す。

【００３２】膜厚及びレイトモニター３３によって、時
間ｔ＝４分における推定膜厚が約２８ｎｍであることか
ら、第１実施例と同様の手順で推定膜厚の近くで±４ｎ
ｍ位の範囲で膜厚を仮想的に変化させ、誤差が最低且つ
極小になる光学定数と膜厚を測定値として出力した。得
られた膜厚に基づいて、ｔ＝５分以後の時間について図
１２のように膜厚を直線で外挿して推定膜厚の中心膜厚
とした。膜厚は各サンプリング時間で幅±４ｎｍの範囲
で仮想的に変化させ、誤差が最小且つ極小値を示す光学
定数と膜厚を出力させた。膜厚と光学定数の出力結果を
図１２乃至図１５及び第３表に示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】図９のステップＳ５で入力する光学定数の
設定範囲については、図１４から期待されるように、蒸
着条件さえ変わらなければ、膜厚は変化しても光学定数
の値は余り変わらないので、第３表に示すように、ｔ＝
４分では（ｎ，ｋ）設定範囲Ｉとし、ｔ＝５分以後設定
範囲II即ちより狭い範囲でデータ処理を行なって演算処
理時間の節約を計った。基板４及びモニター基板１０へ
の蒸着時間は８分、膜厚は５６．４ｎｍ，平均蒸着速度
は約７ｎｍ／分であった。ＣｒＯｘ膜を蒸着したモニタ
ー基板１０について、蒸着後、真空蒸着室２から取り出
して触針式膜厚計による測定を行なったところ、膜厚約
５６ｎｍを得た。図１３は、蒸着終了後、補助記憶装置
４０（図５）に記録されたデータを一括入力、一括デー
タ処理によって、光学定数の設定範囲Ｉで全サンプリン
グ時間についてデータ処理を行なった結果を合わせて示
したものである。正しい解は、サンプリング時間４〜８
分を通して不変である。膜厚を変化させる場合は、誤差
が最小で、不変な解をもって正しい光学定数値の測定値
であるとすることもできる。

【００３５】第３実施例第１、第２実施例と同様の方法で、蒸着中のＺｎＳの光
学膜について（Ｒ，Ｔ）測定法でオンラインで膜厚と光
学定数を測定した。蒸着方法は第１実施例と同じであ
る。蒸着時間１０分、膜厚２６４ｎｍ，蒸着平均速度２
６．４ｎｍ／分でＺｎＳを透明石英基板の上に蒸着し
た。蒸着速度を一定に制御し、１分おきに分光測定を行
なった。データ処理は図１６の流れ図によった。本実施
例では、膜厚を仮想的に変化させる時、図１６のステッ
プＳ８及び図１７が示すように、膜厚ｄと波長λをｄ／
λ＝Ｅ＝一定として変化させるもので、これによって、
演算処理時間の短縮化を計った。更に、分光測定時間の
節約を計るために、蒸着過程で推定中心膜厚ｄ（ｔ）
と、λ（ｔ）／Ｅで与えられる波長λ（ｔ）の周辺で±
（Δλ＋Δλ´）の波長範囲内だけ分光測定を行なうよ
うにした。ここに、Δλ＝Δｄ／Ｅは膜厚の変化幅Δｄ
に対応する波長変化幅、Δλ´は別波長の範囲である。
これを図示したものが図１８である。推定中心膜厚ｄ
（ｔ）は、図５の膜厚及びレイトモニター測定子３３か
ら推定した。図１８に対応する推定中心膜厚と分光測定
波長及び分光測定データの一部を第４表に示した。

【００３６】

【表４】

【００３７】分光測定のサンプリングは、１分おきに行
ない、データ処理は蒸着開始後６分から行なった。光学
定数の設定範囲は、第５表に示すように、時間と共に順
次狭くして行くことにより、演算処理時間の短縮化を計
った。膜厚ｄ及び対応する波長λ＝ｄ／Ｅにおける光学
定数の測定結果を第５表に示す。図１９には、サンプリ
ング時間１０分における出力結果を図示した。

【００３８】

【表５】

【００３９】図５において、第３反射鏡３２は必要に応
じて設けられるもので、これを使用すると、光源１１か
らの光をモニター基板１０ａの不透明部分と透明部分に
交互に入射させて（Ｔ，Ｒｍ）測定法による測定が可能
になる。また、モニターホルダー３１に、較正用開口部
３８を設けると共に、参照用ミラー３６、参照用ＮＤフ
ィルター３７を取り付け、モーター３０により該モニタ
ーホルダー３１を回転させてマスク開口部２８ａの位置
にこれら参照用ミラー３６等を位置させることにより、
真空中でも分光透過率の較正、膜厚（レイト）モニター
３３の併用、分光反射率の較正ができる。従来の如く求
めようとする光学定数のＮ（λ）＝ｎ（λ）−ｉｋ
（λ）の波長λに対応する分光反射率測定値Ｒexp
（λ）及び分光透過率測定値Ｔexp （λ）だけに着目し
ていた場合は、逆算によって、第１実施例の第２表が示
すように多重解が出力され、どの解も分光測定値Ｒexp
（λ）、Ｔexp （λ）を説明するので、正しい解を区別
できないが、上記実施例の如く別波長λ´における分光
反射率及び分光透過率Ｒexp （λ´），Ｔexp （λ´）
と、波長λにおける光学定数Ｎ（λ）からの分散を無視
した計算値Ｒcal （λ´），Ｔcal （λ´）とを比較演
算すると、誤差が最小になる解として、第２表が示すよ
うに正しい解が一つ判別される。また、膜厚が不明で
も、推定膜厚範囲で仮想的に膜厚を変化させつつ光学定
数と誤差を計算することにより、図１０、図１５、図１
９が示すように、膜厚を仮想的に変化させたとき、正し
い光学定数及び膜厚は誤差が最小、極小を示す解に対応
していることから、他の正しくない解と膜厚から区別で
きる。膜厚及びレイトモニター３３などの併用によっ
て、大体の膜厚が推定できる場合は、図１５が示すよう
に推定膜厚範囲を狭くとることができ、演算処理時間の
短縮が可能になる。また、蒸着条件が一定なら、図１４
が示すように、光学定数は膜厚が変化してもほぼ一定の
筈だから、一度光学定数が決定されると、それ以後は、
第３表や第５表が示すように、光学定数の設定範囲を狭
くとることができ、更に、データ処理時間が短縮でき
る。図１７、図１８及び第４表が示すように、蒸着膜厚
ｄ（ｔ）の増大に伴って、光学定数の測定波長λをλ＝
ｄ（ｔ）／Ｅ（Ｅ＝一定）のように設定し、この波長を
中心として、比較的狭い波長範囲±（Δλ＋Δλ´）の
中で分光測定とデータ処理を行なえばよいので、分光測
定時間が短縮されると共に、ｄ／λ＝Ｅ＝一定として、
膜厚ｄを仮想的に変化させればよく、図８のステップＳ
２〜Ｓ３が示すように、演算処理時間を長くする最大原
因であるステップＳ３の計算をλ＝一定、ｄ＝可変（従
ってＥ＝ｄ／λ＝可変）の場合のように、何度も行なう
必要がなくなり、更に、演算処理時間が短縮され、オン
ラインデータ処理が容易になる。また、蒸着条件が一定
ならば、膜厚が変化しても光学定数が不変であることか
ら、図１３が示すように、正しい解は、誤差が最小且つ
光学定数の解の時間変化が小さい解に対応する。従っ
て、膜厚変化に対し不変な解をもって、正しい測定値と
することもできる。

【００４０】本実施例により得られた膜厚と光学定数の
測定結果を、オンラインで、シャッター５や蒸発源６、
７のコントローラーにフィードバックすることにより、
膜厚と光学定数の制御にも適用できる。また、本実施例
では、図８のステップＳ３において、データ処理の段階
ではじめてＥ＝ｄ／λについて反射率及び透過率を計算
したが、あらかじめＥ＝ｄ／λのいろいろな値について
前記ステップＳ３の計算をしておいて、計算結果をデー
タとして補助記憶装置４０に記憶しておいて、データ処
理の段階で必要に応じてデータを読み出すことにより、
データ処理時間の短縮化を計るようにしてもよい。図５
の実施例では、光源１１のすぐ後にモノクロメーター１
４を置いたが、図２０に示すようなホログラフィックグ
レーティング４８とダイオードアレイ４９を受光器１
８、２１の代わりに設けるようにすれば、多波長分光測
定時間の短縮化が計れる。更に、実施例ではモニターホ
ルダー３１の較正用開口部３８を用いて較正を行なった
が、参照用ＮＤフィルター３７を用いてその較正を行な
ってもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明の方法によれば、
真空蒸着室内に設けたモニター基板の分光反射率及び分
光透過率を２つ以上の波長について測定し、測定される
分光反射率及び分光透過率から逆算して得られる多重解
の中から正しい光学定数を選び出し、正しい膜厚も簡単
に求めることができるデータ処理を施すようにしたの
で、真空蒸着室内の蒸着中や蒸着直後の光吸収性の光学
薄膜を含む一般の光学薄膜の膜厚と光学定数をオンライ
ンで簡単に測定することができる効果が得られる。ま
た、本発明の装置によれば、参照用ミラー、参照用ニュ
ートラルデンシティフィルターを搭載し、参照用開口部
を備えたモニターホルダーを設けたので、蒸着装置の透
光窓が汚れても、適宜、分光測定系を較正でき、その都
度真空を破って較正する必要がなくなり、効率よく光学
膜の製造を行なえる効果がある。

【００４２】更に本発明の方法に基づき、蒸着中の光学
膜について、時間を追って色々な膜厚について分光測定
を広い波長範囲で行ない、各時間での分光測定値につい
て膜厚と波長の比を一定に保ちつつ膜厚を仮想的に変化
させてデータ処理を行ない、計算時間の節約を計れば、
短時間で各時間における膜厚と広い波長範囲における光
学定数を測定することが可能となる効果があり、時間と
共に測定を重ねるにつれて、光学定数や膜厚入力範囲或
いは分光測定波長範囲を狭くすれば、計算時間が節約さ
れ、短時間で測定が可能になる。また、本発明の装置に
おいて、モニターホルダーに、透明基板の一部に金属膜
を被覆したモニター基板を搭載し、第３反射鏡を設けて
該モニター基板の透明部分と不透明部分の反射率を測定
することで、（Ｒ，Ｔ）測定法ばかりでなく（Ｔ，Ｒ
ｍ）測定法での測定も行なえ、より精度の高い光学定数
の測定が可能になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の装置の説明図

【図２】従来の光学定数の求め方を示す流れ図

【図３】（Ｒ，Ｔ）測定法の説明図

【図４】（Ｔ，Ｒｍ）測定法の説明図

【図５】本発明の実施例の説明図

【図６】図５のモニターホルダの拡大平面図

【図７】本発明の光学定数の求め方の流れ図

【図８】本発明の光学定数の求め方の流れ図

【図９】本発明の第１、第２実施例の光学定数の求め方
の流れ図

【図１０】本発明の第１実施例のデータ処理結果の線図

【図１１】本発明に使用した２波長測定用モノクロメー
ターの説明図

【図１２】本発明の第２実施例のデータ処理結果の線図

【図１３】本発明の第２実施例のデータ処理方法の説明
図

【図１４】本発明の第２実施例のデータ処理方法の説明
図

【図１５】本発明の第２実施例のデータ測定結果の線図

【図１６】本発明の第３実施例の光学定数の求め方の流
れ図

【図１７】本発明の第３実施例のデータ処理方法の説明
図

【図１８】本発明の第３実施例のデータ測定方法の説明
図

【図１９】本発明の第３実施例のデータ測定結果の線図

【図２０】モノクロメーターと受光器の変形例の説明図

【符号の説明】

２真空蒸着室４基板１０、１０ａモニター基板１１光源１２透光窓１３入射光
２０透光窓２６コンピュータ３１モニターホルダー３４、３５開口部３６参照用ミラー３７参照用ニュートラルデンシティフィルター３８較正用開口部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空蒸着室内の蒸着される基板の近傍に設
けたモニター基板に、該真空蒸着室の外部から導入した
光を照射し、該モニター基板の分光反射率と分光透過率
を測定してその測定値をコンピュータシステムから成る
データ処理部で演算処理することにより該モニター基板
に形成される薄膜の光学定数と膜厚を測定する方法に於
いて、該モニター基板に、求めようとする光学定数の波
長の光とこれとは別の波長の光とを入射させて各波長に
おける分光反射率及び分光透過率の測定を行ない、求め
ようとする光学定数の波長における分光反射率及び分光
透過率の測定値から逆算して得られる光学定数の多重解
の各々について分散を無視して得られる前記別の波長の
分光反射率及び分光透過率を計算し、その計算値と前記
別の波長の分光反射率及び分光透過率の測定値とを比較
演算して前記別波長の分光反射率及び分光透過率の測定
値と最も良く合う計算値に対応する解である光学定数を
採用することを特徴とする真空蒸着装置に於ける光学定
数と膜厚の測定方法。
【請求項２】前記比較演算する方法として、前記別の波
長の分光反射率及び分光透過率の測定値に対する前記逆
算して得られる光学定数の多重解の各々について計算さ
れる前記別の波長における分光反射率及び分光透過率に
ついての計算値の誤差を算出することを特徴とする請求
項１に記載の真空蒸着装置に於ける光学定数と膜厚の測
定方法。
【請求項３】前記モニター基板の膜厚の範囲を推定し、
その膜厚の範囲内で仮想的に膜厚を変化させ、前記誤差
が最も小さくなる膜厚と光学定数を採用することを特徴
とする請求項２に記載の真空蒸着装置に於ける光学定数
と膜厚の測定方法。
【請求項４】求めようとする光学定数の波長λに対する
分光反射率及び分光透過率を逆算して得られる光学定数
の多重解のうち、膜厚の時間変化に対して不変である光
学定数を選択することを特徴とする請求項１に記載の真
空蒸着装置に於ける光学定数と膜厚の測定方法。
【請求項５】真空蒸着装置の真空蒸着室内の蒸着される
基板の近傍にモニター基板を設け、該真空蒸着室の外部
から透光窓を介して該モニター基板に光を照射し、その
反射光と透過光を測定する測定手段とその測定値を演算
処理するコンピュータシステムから成るデータ処理部で
演算処理することにより該モニター基板に形成される薄
膜の光学定数と膜厚を測定する装置に於いて、該モニタ
ー基板を、参照用ミラーと、参照用ニュートラルデンシ
ティフィルター及び較正用開口部を備えたモニターホル
ダーに取り付けしたことを特徴とする真空蒸着装置に於
ける光学定数と膜厚の測定装置。
【請求項６】前記モニターホルダーには、レイトモニタ
ー測定用の開口部を有することを特徴とする請求項５に
記載の真空蒸着装置に於ける光学定数と膜厚の測定装
置。
【請求項７】前記モニターホルダーには、透明基板の一
部に金属膜を被覆したモニター基板が搭載され、該モニ
ター基板の透明部分の透過率と金属膜で被覆した不透明
部分の反射率を測定するようにした請求項６に記載の真
空蒸着装置に於ける光学定数と膜厚の測定装置。